用于準分子激光器的熱交換器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種熱交換器，適用于氣體激光器，尤其適用于準分子激光器，所述熱交換器的冷卻管道采用橢圓管，且所述熱交換器的環形肋外徑沿所述熱交換器的主軸方向變化，兩端外徑較小，中間區域外徑較大。本發明提供的變外徑環形肋橢圓管熱交換器能有效提高其換熱性能，降低氣體循環阻力，提高放電區氣體流速及均勻性。
【專利說明】用于準分子激光器的熱交換器
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種熱交換器，適用于氣體激光器，尤其適用于準分子激光器。
【背景技術】
[0002]準分子激光器波長短、高重頻、可定標放大，是優秀的光刻用激光光源。典型的放電泵浦準分子激光器主要由高壓脈沖源、放電腔兩部分構成，而放電腔包括密封腔體、放電電極、氣體循環系統和散熱系統。
[0003]準分子激光器的能量轉換效率較低，輸入的大部分電能都轉化為熱量，這些熱量若不能及時散出，將會使工作氣體的溫度快速升高，從而極大影響激光器效率，甚至會損壞激光器。熱交換器作為最重要的散熱部件，通過水冷方式將激光器內的熱量帶走。
[0004]專利US006553049B1 (2003 年)和 US006757316B2 (2004 年)給出 了兩種最典型的用于準分子激光器的熱交換器，兩者均是等外徑環形肋圓管熱交換器。當高速氣流掠過圓管時，駐點前的低速區域和尾跡區面積較大，造成與其相鄰肋面的局部對流換熱系數較低，從而降低換熱性能；并且，圓管具有較大的氣動阻力。
[0005]此外，當前腔體放電區域氣體流速的均勻性較差，而熱交換器是腔體內部氣體循環阻力的重要來源，需要與流場進行協同設計。
【發明內容】
[0006](一 )要解決的技術問題
[0007]在放電腔中，尤其是在高重頻的放電腔中，為了保證高壓放電穩定性和能量轉換效率，必須解決三個問題:一是要快速帶走放電產生的大量熱量；二是氣體在放電區域光軸方向上的速度要盡可能均勻；三是氣體在放電區域的速度要足夠大。
[0008]為解決上述問題，本發明提供一種變外徑環形肋橢圓管熱交換器。本發明提供的所述變外徑環形肋橢圓管熱交換器能有效提高其換熱性能，降低氣體循環阻力，提高放電區氣體流速及均勻性。
[0009]( 二 )技術方案
[0010]本發明提出一種用于準分子激光器的熱交換器，所述熱交換器的冷卻管道采用橢圓管，且所述熱交換器的環形肋外徑沿所述熱交換器的主軸方向變化。
[0011]根據本發明的一種【具體實施方式】，所述熱交換器的環形肋外徑沿所述熱交換器的主軸方向變化具體為，兩端外徑較小，中間區域外徑較大。
[0012]根據本發明的一種【具體實施方式】，所述熱交換器的環形肋外徑沿所述熱交換器的主軸方向變化的方式為多級階越式或漸變式。
[0013]根據本發明的一種【具體實施方式】，所述熱交換器的環形肋為圓形肋片、橢圓形肋片或矩形肋片。
[0014]根據本發明的一種【具體實施方式】，所述橢圓管的橫截面長半軸為a，短半軸為b，且長半軸和短半軸的長度比例為l<a: b < 6。[0015]根據本發明的一種【具體實施方式】，所述熱交換器的各部分采用相同的材料。
[0016]根據本發明的一種【具體實施方式】，所述熱交換器的材料為銅或不銹鋼。
[0017]根據本發明的一種【具體實施方式】，所述熱交換器的表面鍍鎳。
[0018]根據本發明的一種【具體實施方式】，所述熱交換器采用機械加工方式進行一體化制造。
[0019]根據本發明的一種【具體實施方式】，所述熱交換器采用焊接、鑄造等方式制造。
[0020](三)有益效果
[0021]與現有技術相比，本發明提供的用于準分子激光器的熱交換器能夠提高熱交換器的散熱性能，降低熱交換器阻力，提高腔內氣流速度，改善放電區域速度均勻性，從而改善高壓放電穩定性和提高能量轉換效率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1為準分子激光器放電腔的剖面圖；
[0023]圖2為本發明的熱交換器的外視圖；
[0024]圖3為本發明的熱交換器的剖面圖；
[0025]圖4a?圖4d為本發明的熱交換器的環形肋外徑變化的剖面圖。
【具體實施方式】
[0026]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明作進一步的詳細說明。
[0027]如圖1所示，準分子激光器放電腔主要由密封腔體1、放電電極2、風機系統3和熱交換器4組成。
[0028]其中，熱交換器4用于冷卻放電腔內的高速循環氣體，將氣體溫度控制在合理范圍，從而保證激光器具有較高的能量轉換效率。
[0029]如圖2所示，本發明提供的熱交換器由冷卻管道5、多個肋片6和兩個端法蘭7組成。冷卻管道6是一個用于容納循環冷卻水的中空管道，包括由銅或不銹鋼等金屬材料組成的管壁，多個肋片6固定設置于冷卻管道5的管壁的外側，并與管壁垂直設置，用于增大氣側換熱面積。兩個端法蘭7設置于管道5的兩端，用于熱交換器的安裝固定。
[0030]根據本發明，冷卻管道5的管壁的截面呈橢圓形，多個肋片6圍繞管道5的管壁垂直設置。
[0031]根據本發明的【具體實施方式】，肋片6是一種環形片，環形片的主平面與管壁的圓周面垂直，環形的內周側與管道的管壁外緣相吻合，其外周側呈現圓形。
[0032]特別地，根據本發明，所述多個肋片6的外周側的直徑(下稱外徑)沿管道5的軸向變化，即位于管道5的兩側的外徑較小，中間區域的外徑較大。
[0033]準分子激光器放電腔內氣體在中間區域流速快、邊緣流速慢，相應地熱交換器中間區域局部對流換熱系數較高，邊緣處局部對流換熱系數較低。根據本發明，所述變外徑設計可以增加熱交換器中間區域換熱面積的權重，從而提高熱交換器的換熱性能；同時也增加了中間區域的流動阻力，降低該區域的流速，使得放電腔內氣體的流速更加均勻。
[0034]如圖3所示,所述冷卻管道5的橫截面是一個橢圓形,設該橢圓的長半軸為a,短半軸為b,本發明要求l<a: b ≤6,優選為采用2 < a: b ≤4。
[0035]橢圓形管道由于接近流線型，能夠減小氣側駐點區域和尾跡區域，從而顯著降低流動阻力，提高對流換熱系數。實踐證明，相對于圓管，橢圓管的氣側流動阻力可降低15%~30%，對流換熱系數可提高10%~20%。
[0036]肋片6在特殊情況下(如a: b數值較大時)也可以采用橢圓環形肋片或矩形肋，即其外周呈現橢圓或矩形。
[0037]如圖4所示，肋片6外徑的變化方式主要有(但不限于)多級階躍式(圖4a)和漸變式(圖4b、圖4c、圖4d)。具體應用時可根據散熱性能、阻力特性以及加工成本等進行選擇。
[0038]熱交換器的冷卻管道5、肋片6以及端法蘭7優選為采用同種金屬材料，以免由于熱膨脹系數不同而產生熱應力，從而損壞熱交換器，一般選用銅、不銹鋼等金屬材料，為防止放電腔內的氣體對熱交換器產生腐蝕作用，其外表面可以鍍鎳，最好采用機械加工方式進行一體化制造，為降低成本，也可以采用焊接等方式制造。
[0039]以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種用于準分子激光器的熱交換器，其特征在于，所述熱交換器的冷卻管道采用橢圓管，且所述熱交換器的環形肋外徑沿所述熱交換器的主軸方向變化。
2.如權利要求1所述用于準分子激光器的熱交換器，其特征還在于，所述熱交換器的環形肋外徑沿所述熱交換器的主軸方向變化具體為，兩端外徑較小，中間區域外徑較大。
3.如權利要求2所述用于準分子激光器的熱交換器，其特征還在于，所述熱交換器的環形肋外徑沿所述熱交換器的主軸方向變化的方式為多級階越式或漸變式。
4.如權利要求2所述用于準分子激光器的熱交換器，其特征還在于，所述熱交換器的環形肋為圓形肋片、橢圓形肋片或矩形肋片。
5.如權利要求1所述用于準分子激光器的熱交換器，其特征還在于，所述橢圓管的橫截面長半軸為a,短半軸為b,且長半軸和短半軸的長度比例為l<a: b < 6。
6.如權利要求1所述用于準分子激光器的熱交換器，其特征還在于，所述熱交換器的各部分采用相同的材料。
7.如權利要求6所述用于準分子激光器的熱交換器，其特征還在于，所述熱交換器的材料為銅或不銹鋼。
8.如權利要求1所述用于準分子激光器的熱交換器，其特征還在于，所述熱交換器的表面鍍鎳。
9.如權利要求1所述用于準分子激光器的熱交換器，其特征還在于，所述熱交換器采用機械加工方式進行一體化制造。
10.如權利要求1所述用于準分子激光器的熱交換器，其特征還在于，所述熱交換器采用焊接、鑄造等方式制造。
【文檔編號】H01S3/041GK103682956SQ201210359962
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2012年9月24日 優先權日:2012年9月24日
【發明者】王魁波, 丁金濱, 劉斌, 王宇, 周翊, 趙江山 申請人:中國科學院光電研究院