WO2020217033A2 - Système à pression ajustable pour refroidir un milieu amplificateur laser - Google Patents

Système à pression ajustable pour refroidir un milieu amplificateur laser Download PDF

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WO2020217033A2
WO2020217033A2 PCT/FR2020/050705 FR2020050705W WO2020217033A2 WO 2020217033 A2 WO2020217033 A2 WO 2020217033A2 FR 2020050705 W FR2020050705 W FR 2020050705W WO 2020217033 A2 WO2020217033 A2 WO 2020217033A2
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tank
adjustment
altitude
downstream
heat transfer
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Pierre-Marie DALBIES
Yann MODIN
Gael Paquignon
Florent LE PALUD
Christian Chappuis
Cédric FOSSOUX
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CREA CONCEPT
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/02—Constructional details
    • H01S3/025—Constructional details of solid state lasers, e.g. housings or mountings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/02—Constructional details
    • H01S3/04—Arrangements for thermal management
    • H01S3/042—Arrangements for thermal management for solid state lasers

Definitions

  • the invention relates to the field of cooling systems for a laser amplifying medium, using a circulating coolant liquid.
  • a laser amplifying medium designates a medium capable of emitting or amplifying a light beam, by a phenomenon of stimulated emission obtained by means of pumping of the laser amplifying medium to provide it with the energy necessary for it. 'obtaining the stimulated emission.
  • the light beam emitted, or obtained after amplification, is called a “laser beam”.
  • Pumping can be done by different means. This may be a so-called optical pumping, when the energy is provided by an excitation light beam called “pumping beam”.
  • the pump beam may form a pulsed signal, with the pump pulses in turn generating a pulsed laser beam.
  • the optical pumping of a laser amplifier medium causes heating of the latter, caused in particular by energy differences between optical pumping photons and the excitation levels of the laser amplifier medium, by non-radiative relaxation mechanisms, and by the optical pumping system itself.
  • this heating generates temperature gradients which degrade the quality of the laser beam emitted or amplified by the latter.
  • the degradation of the beam quality is even more important when the repetition frequency of the pumping pulses is such that new heat is added to that which has not yet been dissipated.
  • one is more particularly interested in the cooling of a solid laser amplifier medium requiring cooling at the level of its larger faces, through which in use the emitted or amplified laser beam passes.
  • the preferred solution for removing heat from the laser amplifying medium is cooling based on a phenomenon of convection between said laser amplifying medium and a circulating coolant liquid.
  • Document US Pat. No. 6,937,629 describes an example of a cooling system implementing this type of solution.
  • the laser amplifying medium consists of a series of amplifying plates, juxtaposed one after the other inside a tank capable of receiving a heat transfer liquid in circulation. At its two ends, the tank is closed by an inlet port, respectively an outlet port, to allow the light emitted or amplified by the amplifying plates to pass.
  • the heat transfer liquid circulates in a hydraulic circuit which comprises said tank, circulation conduits, a pump, and a thermal regulator at which the heat transfer liquid transfers the heat accumulated in the tank to a secondary fluid.
  • any mechanical deformation of the latter is liable to degrade the optical quality of the laser beam. It is therefore essential to control the mechanical forces exerted on the windows, and in particular the pressure forces linked to the flow of the heat transfer liquid in the tank.
  • An objective of the present invention is to provide a cooling system for cooling an amplifying medium with the aid of a circulating coolant, offering great control over the pressure forces which are exerted on windows intended to be crossed by. a laser beam emitted or amplified in said cooling system.
  • Another objective of the present invention is to provide an original solution making it possible to adjust these pressure forces, in order to best adapt them to current conditions of use.
  • a system for cooling a laser amplifying medium comprising a circuit arranged in a closed loop and configured to, in use, receive a circulating coolant liquid, said circuit comprising a tank provided with at least one window and configured to, in use, receive the laser amplifying medium immersed in the heat transfer liquid.
  • said circuit further comprises:
  • an adjustment tank configured to, in use, contain heat transfer liquid between a bottom of said adjustment tank and a free surface of the heat transfer liquid in the adjustment tank;
  • an adjustment overflow arranged in the adjustment tank and provided with an evacuation opening which defines, in use, an altitude of the free surface of the heat transfer liquid in the adjustment tank;
  • At least one of the adjustment reservoir and the discharge opening of the adjustment overflow being mounted adjustable in altitude (in other words adjustable in height).
  • a free surface of the heat transfer liquid designates an interface of the latter with a gaseous medium.
  • the pressure exerted in the tank, at the level of the at least one porthole is a function of various factors including: the pressure of the surrounding environment (considered fixed), the pressure dynamics linked to the speed of the heat transfer liquid (fixed for a given flow rate), the pressure drops upstream of a point considered in the tank (fixed for a given flow rate), and the pressure related to the difference between the altitude of the free surface of the heat transfer liquid in the adjustment tank, and the altitude of said point considered in the tank.
  • the free surface of the heat transfer liquid in the adjustment tank can be set at the desired altitude.
  • the pressure which is exerted on at least one window, inside the tank is therefore a function of a simple difference in altitude in the cooling system according to the invention. It is therefore easy to guarantee good stability of this pressure.
  • This good stability of the pressure on the at least one window makes it possible to guarantee good mechanical stability of said window. It is thus possible to obtain good repeatability of the quality of the pulses of a pulsed laser beam emitted or amplified by the laser amplifying medium.
  • the invention makes it possible in particular to establish the same pressure value on either side of the at least one window, at a determined altitude.
  • the same pressure can be exerted from inside the tank and from outside the tank, in a respective predetermined location on the at least one window.
  • This pressure is preferably equal to atmospheric pressure.
  • the cooling system according to the invention can be configured so that, in use, the free surface of the coolant in the adjustment tank forms the free surface closest to the tank along the path of the coolant in the circuit. , located upstream of the tank in the direction of circulation of the heat transfer liquid in the circuit.
  • the adjustment tank forms the element intended to receive a free surface of heat transfer liquid closest to the tank along the path of the heat transfer liquid in the circuit, upstream of the tank in the direction of circulation of the heat transfer liquid in the circuit.
  • the adjustment tank is connected to the inlet of the tank only by elements intended, in use, to be completely filled with heat transfer liquid. These elements can consist of a simple intermediate duct. As a variant, they can also include at least one intermediate reservoir and / or a flow sensor.
  • the cooling system according to the invention can be configured such that in use the free surface of the coolant in the adjustment tank forms the free surface closest to the vessel along the path of the liquid. coolant in the circuit, located downstream of the tank in the direction of circulation of the coolant in the circuit.
  • the adjustment tank forms the element intended to receive a free surface of heat transfer liquid closest to the tank along the path of the heat transfer liquid in the circuit, downstream of the tank in the direction of circulation of the heat transfer liquid in the circuit.
  • the adjustment tank is connected to the outlet of the tank only by elements intended, in use, to be completely filled with heat transfer liquid. These elements can consist of a simple intermediate duct. As a variant, they can also include at least one intermediate reservoir and / or a flow sensor.
  • the adjustment overflow comprises a telescopic duct or an accordion folding duct, mounted integral with its discharge opening.
  • the cooling system further comprises:
  • a downstream tank configured to, in use, contain heat transfer liquid between a bottom of said downstream tank and a free surface of the heat transfer liquid in the downstream tank;
  • a downstream overflow arranged in the downstream reservoir and provided with a discharge opening which defines, in use, an altitude of the free surface of the coolant liquid in the downstream reservoir;
  • the discharge opening of the adjustment overflow and the discharge opening of the downstream overflow can each be mounted adjustable in altitude, independently of each other.
  • At least one of the discharge opening of the adjustment overflow and the discharge opening of the downstream overflow can be mounted adjustable in altitude, with the adjustment tank and the downstream tank fixedly connected together. and assembled together adjustable in altitude.
  • the cooling system according to the invention can be provided with a pressure adjustment device which comprises:
  • a pressure sensor to measure a pressure in the circuit, between the adjustment tank and the downstream tank;
  • a computer configured to receive as input a setpoint value and a measured pressure value, where the measured value is supplied by the pressure sensor, and to supply a pressure adjustment command as an output;
  • an actuator configured to control the altitude of at least one of the adjustment tank and the discharge opening of the adjustment overflow, in response to receiving the pressure adjustment command .
  • the cooling system according to the invention can be provided with a pressure adjustment device which comprises:
  • a pressure sensor to measure a pressure in the circuit, between the adjustment tank and the downstream tank;
  • a computer configured to receive as input a setpoint value and a measured pressure value, where the measured value is supplied by the pressure sensor (41B), and to provide as output a pressure adjustment command;
  • an actuator configured to control the altitude of the adjustment tank and of the downstream tank fixedly connected to one another, in response to the reception of the pressure adjustment command.
  • the cooling system according to the invention can be provided with a pressure adjustment device which comprises:
  • a flowmeter to measure a flow rate of heat transfer liquid in the circuit, between the adjustment tank and the downstream tank;
  • a computer configured to receive as input a setpoint value and a measured value of the coolant flow rate, where the measured value is supplied by the flowmeter, to compare the setpoint and the measured value, and to deduce a command therefrom flow adjustment;
  • an actuator configured to control the altitude of at least one of the adjustment tank, the downstream tank, the discharge opening of the adjustment tank, and the outlet opening of the downstream reservoir, in response to receiving the flow rate adjustment command.
  • said circuit further comprises a collection tank, a thermal regulation device, and a pump, the pump being configured to, in use, propel the heat transfer liquid along the axis. gravity and in the direction opposite to the force of gravity, from the drip tray to beyond the thermal regulator.
  • the circuit further comprises a recovery tank, a thermal regulation device, and a pump, with the pump configured to, in use, propel the heat transfer liquid from the recovery tank to the tank. , passing through the thermal regulation device, and with the adjustment tank arranged so that, in use, the heat transfer liquid passes successively through the recovery tank, the tank and the adjustment tank.
  • the invention also covers an adjustment method implemented in a cooling system according to the invention, the method comprising an adjustment of the altitude of one of the adjustment tank and the discharge opening of the. adjustment overflow, so as to adjust the altitude relative to the tank of the free surface of the heat transfer liquid in the adjustment tank, and thereby adjust a pressure inside the tank.
  • the method can be implemented in a cooling system according to the invention in which at least one of the discharge opening of the adjustment overflow and the discharge opening of the downstream overflow is mounted adjustable. at altitude, with the adjusting tank and the downstream tank fixedly connected to each other and mounted together adjustable in altitude, said altitude adjustment being carried out by adjusting the altitude of the adjusting tank fixedly connected to the downstream tank, so as to adjust the altitude relative to the tank of the free surface of the coolant in the adjustment tank without changing a difference between the altitude of the free surface of the coolant in the adjustment tank and the altitude of the free surface of the heat transfer liquid in the downstream tank.
  • the method can be implemented in a cooling system according to the first embodiment of the invention, the method comprising an adjustment of the altitude of at least one of the adjustment tank, the downstream tank, the the discharge opening of the adjustment overflow, and the discharge opening of the downstream overflow, so as to adjust the altitude of the free surface of the coolant in the adjustment tank relative to the altitude of the free surface of the coolant in the downstream tank, and thus adjust a flow rate of coolant in the tank.
  • FIG. IA schematically illustrates, and in a sectional view, a first embodiment of a cooling system according to the invention
  • FIG. IB illustrates schematically, and in a sectional view, a first variant of an adjustment or downstream overflow in the system of FIG. IA;
  • FIG. IC illustrates schematically, and in a sectional view, a second variant of an adjustment or downstream overflow in the system of FIG. 1A;
  • FIG. 2 schematically illustrates, and in a sectional view, a first variant of the system of FIG. 1A;
  • FIG. 3 schematically illustrates, and in a sectional view, a second variant of the system of FIG. 1A;
  • FIG. 4A schematically illustrates, and in a sectional view, a second embodiment of a cooling system according to the invention
  • FIG. 4B illustrates schematically, and in a sectional view, a variant of the system of FIG. 4A;
  • FIG. 5 schematically illustrates, and in a sectional view, a third embodiment of a cooling system according to the invention.
  • - [Fig. 6] schematically illustrates, and in a sectional view, a fourth embodiment of a cooling system according to the invention.
  • the axis (Oz) of gravity designates the axis along which the gravitational forces exerted by the Earth are oriented on the cooling system according to the invention, and on the coolant, in use.
  • the axis of gravity is oriented here from the ground (horizontal plane H) towards the sky (direction opposite to the orientation of the forces of gravity exerted by the Earth).
  • an altitude, or height designates a position, or coordinate, defined along the axis (Oz) of gravity oriented from the ground to the sky.
  • heights are defined from the same reference surface, preferably from sea level.
  • the terms “above” and “below” refer to relative altitudes.
  • FIG. 1A illustrates schematically, and in a sectional view, a first embodiment of a cooling system 100 according to the invention.
  • the cooling system 100 is shown in use, when it receives a circulating coolant 20 (shown in hatching in Figure 1) and a laser amplifying medium 30.
  • the cooling system 100 comprises here: a recovery tank 110, a pump 120, a thermal regulation device 130, a de-bubbling tank 140, an adjustment tank 150, a tank 160, and a downstream tank 170.
  • These different elements are connected two by two by a series of intermediate conduits. They form, with the intermediate conduits, a hydraulic circuit, or hydraulic loop, or simply circuit, in which the coolant 20 circulates in a loop, in use.
  • the various intermediate conduits have, for example, a diameter of between 10 mm and 100 mm, for example 50 mm.
  • upstream and downstream refer to a direction of circulation of the coolant in said circuit, in particular from an outlet for the coolant liquid from the recovery tank 110 to an orifice. return of the heat transfer liquid to the recovery tank 110, where the recovery tank 110 forms a reservoir from which the heat transfer liquid is extracted by a pump (here the pump 120).
  • the recovery tank 110 preferably has a volume greater than ten liters. It is connected to the pump 120 by a first intermediate duct 10i. In use, it is partially filled by the heat transfer liquid 20, up to an altitude above the altitude of said first intermediate duct 10i so that the pump 120 does not suck in air.
  • a zone 113 in the recovery tank 110, situated in use above the heat transfer liquid 20, is here filled with air at atmospheric pressure.
  • the bottom, or lower internal wall 111 of the recovery tank 110 extends here at an altitude hO, in a plane orthogonal to the axis (Oz).
  • the pump 120 is connected on one side to the recovery tank 110, and on the other to the thermal regulation device 130, by means of the first intermediate duct 10i, respectively of a second intermediate duct 10 2 .
  • the pump 120 can be a centrifugal pump, or a positive displacement pump, or any other pump known in the prior art. Its flow rate and pressure at the outlet do not need to be very stable. The only constraint is compatibility with the heat transfer liquid, to avoid polluting the latter, and the supply of a sufficient flow rate to maintain a desired level of heat transfer liquid in the adjustment tank 150 150 (to saturate the heat transfer liquid in the tank upstream 150).
  • the thermal regulation device 130 is connected on one side to the pump 120 and on the other to the debubbling tank 140, via the second intermediate duct 10 2 , respectively a third intermediate duct 10 3 .
  • the bottom, or lower internal wall 141 of the de-bubbling tank 140 extends here at an altitude much higher than the altitude hO of the recovery tank 110, for example at a altitude at least ten centimeters higher than altitude hO.
  • the pump 120 is configured to propel the heat transfer liquid 20 from the recovery tank 110 to the debubbing tank 140, passing through the thermal regulation device 130.
  • the thermal regulation device 130 is configured to, in use, cool the heat transfer liquid 20 in order to remove therefrom the heat extracted from the laser amplifying medium 30 (as well as the heat possibly supplied by the pump 120).
  • the thermal regulation device 130 can comprise a Peltier module, or a hydraulic loop using a secondary heat extraction fluid, or any other thermal regulation device known in the prior art.
  • the de-bubbling tank 140 is connected on one side to the thermal regulation device 130, via the third conduit 10 3 , and on the other to the adjustment tank 150, via a fourth conduit 10 4 .
  • the third conduit 10 3 arrives on the debubbling tank 140 at the level of its lower internal wall 141.
  • the fourth conduit 10 4 starts from the debubbling tank 140, at level of a lower region of a side wall thereof.
  • the debubbling tank 140 preferably has a volume greater than ten liters. In use, it is partially filled by the heat transfer liquid 20, up to an altitude much higher than the altitude of the fourth duct 10 4 .
  • a zone 143 in the debubbling tank 140, located in use above the coolant 20, is here filled with air at atmospheric pressure.
  • the heat transfer liquid at the outlet of the pump 120 may include air bubbles, capable of inducing focal points in the tank when the laser beam passes, and thus of damaging certain components.
  • these air bubbles rise to the surface, along the axis (Oz).
  • the heat transfer liquid 20 is therefore devoid of air bubbles.
  • the fourth pipe 10 4 starting from the debubbling tank 140 at the level of this lower region, the heat transfer liquid 20 leaving the debubbling tank 140 via this fourth pipe 10 4 is therefore devoid of air bubbles.
  • the 140 debubbling tank carries thus, in addition, smoothing any pressure surges generated at the pump 120.
  • the large volume of the debubbling tank 140 allows the coolant 20 to stand there long enough for its temperature to become homogeneous.
  • Obtaining a homogeneous temperature of the heat transfer liquid 20, upstream of the tank 160 intended to receive the laser amplifying medium 30, makes it possible to limit optical index gradients in and around said laser amplifying medium, and therefore to limit associated beam degradations.
  • the adjustment tank 150 is connected on one side to the de-bubbling tank 140, via the fourth intermediate duct 10 4 , and on the other to the tank 160, via a fifth intermediate duct 10 5 .
  • the fourth intermediate duct 10 4 is provided with a valve, to block or release the circulation of the heat transfer liquid 20 from the venting tank 140 to the adjustment tank 150.
  • the adjustment tank 150 preferably has a volume greater than ten liters. It extends substantially at the same altitude as the debubbing tank 140. In use, the adjustment tank 150 is partially filled with the heat transfer liquid 20. A zone 153 in the adjustment tank 150, located above the liquid. coolant 20, is filled here with air at atmospheric pressure. In the adjustment tank 150 in use, the term “free surface SI of the heat transfer liquid in the adjustment tank 150” is the interface between said zone 153 and the heat transfer liquid 20. The free surface SI extends in a plane. orthogonal to the axis (Oz).
  • An adjustment overflow 155 extends inside the adjustment reservoir 150, to define the altitude of the free surface S1.
  • the adjustment overflow 155 is shown in more detail in Figure 1B.
  • the adjustment overflow 155 has a conduit 156 which extends, inside the adjustment reservoir 150, between an outlet opening 157 of the adjustment overflow and a port 152 open in a lower region of the reservoir.
  • adjustment 150 The orifice 152 is drilled here in the bottom wall 151 of the adjustment reservoir. It is connected to an evacuation pipe 158 opening into the recovery tank 110.
  • the evacuation opening 157 extends on the side of the duct 156 opposite to. the orifice 152. It designates an opening in which the heat transfer liquid contained in the adjustment tank 150 can flow by overflow to join the recovery tank 110 passing through the discharge pipe 158.
  • the free surface SI of the coolant in the adjustment tank 150 is thus fixed at the altitude of said discharge opening 157.
  • the altitude of the discharge opening 157 is adjustable.
  • the elevation of the discharge opening 157 relative to the vessel may be varied, with the adjustment reservoir fixed relative to the vessel.
  • the height-adjustable character is symbolized by a thick double arrow.
  • the duct 156 is foldable accordion along the axis (Oz), so as to have an adjustable length along the axis (Oz).
  • the conduit 156 is fixed, at one of its ends, to the orifice 152 drilled in the adjustment reservoir. Therefore, when the length of the conduit 156 varies, it is its opposite end, and therefore the discharge opening 157, which moves along the axis (Oz).
  • the duct 156 'of the adjustment overflow 155' is a telescopic duct, with several duct portions which slide one inside the other along the axis (Oz), so that the conduit 156 'has an adjustable length along the axis (Oz).
  • the conduit 156 ' is fixed, at one of its ends, to the orifice drilled in the adjustment tank. Therefore, when the length of the conduit 156 'varies, it is its opposite end, and therefore the discharge opening 157', which moves along the axis (Oz).
  • the tank 160 is connected on one side to the adjustment tank 150, by means of the fifth intermediate pipe 10 5 , and on the other to the downstream tank 170, by means of a sixth intermediate pipe 10 6 .
  • the fifth conduit Intermediate 10 5 extends between a bottom wall of the adjustment tank and a bottom wall of the vessel 160 and the sixth duct Intermediate 10 6 extends between an upper wall the tank 160 and a lower wall of the downstream reservoir 170.
  • the fifth intermediate duct 10 5 does not necessarily arrive vertically on the tank 160.
  • the sixth intermediate duct 10 6 does not necessarily return to the vertical of the tank 160.
  • the tank 160 receives, in use, a solid laser amplifier medium 30 immersed in the heat transfer liquid 20, with its inlet and outlet faces in direct physical contact with the heat transfer liquid 20.
  • the solid laser amplifier medium 30 is for example a crystal. doped, or doped ceramic, or doped glass, etc. It can be formed in one piece, or formed from a plurality of plates spaced apart from each other.
  • the input and output faces of the laser amplifier medium 30 form its largest faces, traversed in use by the amplified laser beam or emitted by the laser amplifier medium 30.
  • the input and output faces of the laser amplifier medium 30 s 'extend here along planes parallel to the axis (Oz).
  • the downstream reservoir 170 is connected on one side to the tank 160, via the sixth intermediate duct 10 6 , and on the other to the recovery tank 110, via a seventh intermediate duct 10 7 .
  • the seventh intermediate duct 10 7 starts from the downstream reservoir 170 at the level of its lower internal wall 171, and arrives on the recovery tank 110 at the level of its upper internal wall 112, at an altitude much lower than that of said wall. lower internal 171 of the downstream reservoir 170.
  • the seventh intermediate duct 10 7 is merged with a discharge pipe 178 of an overflow as described below.
  • the downstream reservoir 170 preferably has a volume greater than ten liters.
  • the downstream tank 170 is partially filled with the heat transfer liquid 20.
  • a zone 173 in the downstream tank 170, located above the heat transfer liquid 20, is here filled with air at atmospheric pressure.
  • the term “free surface S2 of the coolant in the downstream tank 170” is called the interface between said zone 173 and the coolant 20.
  • the free surface S2 extends in a plane orthogonal to the axis (Oz).
  • a downstream overflow 175 extends inside the downstream reservoir 170, to define the altitude of the free surface S2.
  • the downstream overflow 175 comprises a duct which extends, inside the downstream reservoir 170, between an outlet opening 177 of the downstream overflow and an open orifice 172. in a lower region of the downstream reservoir 170.
  • the orifice 172 is drilled here in the lower wall 171 of the downstream reservoir. It is connected to an evacuation pipe 178 opening into the recovery tank 110.
  • the evacuation pipe 178 also forms an intermediate duct (seventh intermediate duct 10 7 ) connecting the downstream tank 170 to the. recovery tank 110, in the hydraulic loop according to the invention.
  • the discharge opening 177 extends on the side of the duct opposite to the orifice 172.
  • the altitude of the discharge opening 177 is adjustable.
  • the altitude of the discharge opening 177 relative to the tank can be modified, with the downstream tank fixed relative to the tank.
  • the height-adjustable character is symbolized by a thick double arrow.
  • the downstream overflow 175 may be similar to one or other of the exemplary embodiments of an overflow illustrated in FIGS. IB and IC.
  • a maximum amplitude of displacement in altitude of the discharge opening 157, respectively the discharge opening 177 is for example at least equal to five centimeters, and even at least equal to ten centimeters.
  • the adjustment reservoir 150 with its adjustment overflow 155, and the downstream reservoir 170 with its downstream overflow 170, are configured together so that the free surface SI extends to an altitude H1 greater than that H2 of the free surface S2.
  • the heat transfer liquid is then driven in circulation from the adjustment tank 150 to the downstream tank 170, passing through the tank 160, by the force of gravity. For this reason, we speak of a gravity flow in the tank 160.
  • the heat transfer liquid 20 circulates in the tank 160 along a rectilinear path parallel to the axis (Oz).
  • the tank is delimited in particular by two windows 163, 164, arranged here parallel to a direction of flow of the heat transfer liquid 20 in the tank 160.
  • These windows 163, 164 are transparent to the wavelength of the amplified laser beam or emitted by the laser amplifying medium 30, with a transmission coefficient for example at least equal to 70% at said wavelength.
  • the cooling system 100 is designed to cooperate with an optical pumping device, not shown, arranged outside the tank 160 and making it possible to supply the laser amplifying medium 30 with the energy necessary for the amplification or the emission of 'a light beam, by laser effect.
  • the pumping device comprises, for example, diodes, to emit an optical pumping beam.
  • the tank 160 is then configured to allow the entry of the optical pumping beam, via one of the portholes 163 or 164, or via an annex entry window.
  • the heat transfer liquid 20 under pressure circulating in the tank 160 extracts from the laser amplifying medium 30 the heat produced by the pumping.
  • the cooling system 100 can further cooperate with mirrors reflecting at an emission wavelength of the laser amplifying medium 30, located outside the tank 160 and together forming an optically resonant cavity at said emission wavelength.
  • a pressure which is exerted in the tank 160 is a function of various factors, among which: the pressure of the medium surrounding area (considered fixed), the dynamic pressure linked to the speed of the heat transfer liquid (fixed for a given flow rate), the pressure drops upstream of the point considered in the tank (fixed for a given flow rate), and the pressure related to the difference between the altitude H1 of the free surface SI and an altitude H3 of a plane considered in the tank.
  • the last is easily adjustable for a given flow rate in the tank.
  • the pressure linked to the difference between the altitude H1 of the free surface SI and the altitude H3 of a plane considered in the tank can be adjusted here, by adjusting the altitude of the discharge opening 157 of the adjustment overflow.
  • the discharge opening 157 of the adjustment overflow can move in a rectilinear movement parallel to the axis (Oz), or in a more complex movement comprising at least one component parallel to the axis (Oz).
  • the movement of the discharge opening 157 of the adjustment overflow can be driven by a motor, not shown, and guided by a respective mechanical guide which can extend parallel to the axis (Oz).
  • the pressure adjustment is therefore achievable by means of simple variations in altitude, here a variation in the altitude of the discharge opening 157 of the adjustment overflow.
  • the pressure adjustment is thus particularly easy to implement.
  • the pressure can be easily adapted to minimize mechanical deformation of the windows induced by a pressure difference between the surrounding environment and the interior of the tank.
  • the pressure can be adjusted so as to give the window (s) a predetermined deformation compatible with a wave surface correction by a deformable mirror.
  • it is easy to obtain good stability of said pressure by means of stable positioning along the axis (Oz). Good mechanical stability of the windows is thus obtained, and thus good repeatability of the quality of the laser beam, from one pulse to another.
  • the pressure generated by the pump 120 has no impact on the circulation of the coolant liquid in the tank 160, and a pressure can be tolerated. certain pressure instability directly at the outlet of the pump 120.
  • the pressure adjustment simultaneously affects the windows 163 and 164.
  • these windows 163 and 164 both have the same dimensions, and are both arranged in the same way along the axis (Oz ).
  • the adjustment of the pressure to the altitude H3 of a plane considered in the tank results in the same distribution of the pressure on the surface of the window 163 and on the surface of the window 164.
  • the adjustment of a pressure which is exerted in the tank 160, at the level of the windows 163, 164, is implemented in particular to minimize a mechanical deformation of the windows linked to a difference between the pressure which is exerted on the window 163, 164 respectively, inner side of the tank and the pressure exerted on the window 163, respectively 164, outer side of the tank. Subsequent damage to the laser beam emitted or amplified by the laser amplifying medium 30, and which passes through the windows 163, 164, is thus avoided.
  • the pressure adjustment therefore consists in ensuring that the respective inner faces of the portholes are subjected to a pressure close to the pressure.
  • atmospheric 1013 hPa at sea level.
  • pressure preferably consists of ensuring that a respective predetermined point on the inner faces of the portholes is subjected to atmospheric pressure, so that each point of the respective inner faces of said portholes is subjected to a pressure close to the pressure. atmospheric.
  • the pressure adjustment is carried out for a particular point on an interior face of the window 163, respectively 164, in the plane located at altitude H3 (relative to sea level, in the terrestrial reference frame). This point preferably corresponds to an upper end of the window 163 (respectively 164), where strong mechanical stresses are exerted related to the holding of the window relative to its frame.
  • the heat transfer liquid circulates by gravity flow in the part of the circuit connecting the adjustment tank 150 and the downstream tank 170, passing through the tank 160.
  • the flow rate of heat transfer liquid in the tank 160 is linked to the altitude difference DH between the altitudes H1 and H2.
  • the stability of the heat transfer liquid flow rate 20 circulating in the tank 160 is therefore linked to the stability of the altitudes H1 and H2, linked to the stability of the respective altitudes of the adjustment tank 150, of the discharge opening 157 of the overflow. adjustment in the adjustment tank, the downstream tank 170, and the discharge opening 177 of the downstream overflow in the downstream tank. It is therefore easy to obtain a great stability of this flow, by stable positioning along the axis (Oz). Further, since the flow of heat transfer liquid 20 in vessel 160 is driven only by the force of gravity, imperfections can be tolerated at pump 120 which serves simply to lift coolant 20 along the axis. (Oz), from the recovery tank 110 to the altitude of the adjustment tank (here up to the de-bubbling tank 140).
  • the flow rate of heat transfer liquid in the tank 160 can be adjusted by means of an adjustment of the altitude difference DH between the altitudes H1 and H2.
  • this adjustment of the DH altitude difference can be achieved by adjusting the altitude of the discharge opening 157 of the adjustment overflow and / or by adjusting the altitude of the discharge opening 177 of the downstream overflow.
  • the discharge opening 157 of the adjustment overflow is moved relative to the fixed adjustment tank relative to the tank and / or the discharge opening 177 of the downstream overflow is moved relative to the fixed downstream tank. relative to the tank.
  • the discharge opening 157 of the adjustment overflow and / or the discharge opening 177 of the downstream overflow can move in a rectilinear movement parallel to the axis (Oz), or in a more complex movement comprising at least one component parallel to the axis (Oz).
  • the movement of the discharge opening 157 of the adjustment overflow, respectively of the discharge opening 177 of the downstream overflow, can be driven by a motor, not shown, and guided by a respective mechanical guide which can extend parallel to the axis (Oz).
  • the adjustment of the flow rate to a desired value is therefore particularly simple to implement, since it is carried out by simple mechanical displacements along the axis (Oz). It is thus easily possible to adapt the flow rate to a rate of emission of the laser pulses, which determines a quantity of heat to be removed from the laser amplifying medium.
  • the temperature of the laser amplifying medium 30 can also be easily adjusted to a desired value, via a variation of the flow rate of heat transfer liquid in the tank.
  • Components of the flow rate variator type are not strictly necessary for the operation of the invention, so that the cooling system according to the invention can be very compact.
  • the invention does not however exclude embodiments comprising a component of the flow rate variator type.
  • Such a component makes it possible in particular to ensure that the flow rate supplied by the pump 120 is always greater than the flow rate induced by the difference between the respective altitudes of free surface in the upstream and downstream reservoirs.
  • the heat transfer liquid 20 must be transparent to the wavelength of the laser beam amplified or emitted by the laser amplifying medium 30, with a transmission coefficient, for example greater than or equal to 95% at said wavelength.
  • the circulation of the coolant 20 in the cooling system 100 is initiated by bringing the free surface SI of the coolant in the adjustment tank 150 to a priming altitude greater than that of the highest point of the heat transfer liquid. circuit, and making it possible to impose a heat transfer liquid pressure which compensates for pressure drops in the cooling system according to the invention.
  • an interior volume of the upstream reservoir 150 to extend to an altitude greater than that of this highest point of the circuit, here a point on the sixth intermediate duct 10 6 .
  • the free surface SI is brought back to an operating altitude lower than the starting altitude, and in particular making it possible to obtain the desired pressure and flow rate in the tank 160.
  • the flow rate is first adjusted, defined by the altitude difference DH between the altitude H1 of the free surface SI in the adjustment tank and the altitude H2 of the free surface S2 in the downstream tank, then the pressure is adjusted by moving the free surfaces S1 and S2 together, so as to keep the difference in altitude DH defining the flow rate.
  • the pressure is first adjusted, by bringing the free surface SI to the appropriate altitude, then the flow rate is adjusted.
  • the subsequent adjustment of the flow rate will change the pressure in the tank.
  • the initial adjustment of the pressure takes into account the pressure variation linked to the subsequent adjustment of the flow rate.
  • the upstream reservoir 150 and the downstream reservoir 170 each have an internal volume which extends at least between the altitude of the point of the maximum altitude tank, and the altitude of another point of the tank. , below.
  • FIG. 2 illustrates, schematically and in a sectional view, a first variant 200 of the cooling system of FIG. IA.
  • This variant differs from the embodiment of FIG. 1A only in that the discharge opening 257 of the adjustment overflow 255 is not adjustable in altitude, and in that the adjustment reservoir 250 is adjustable in altituder.
  • the adjustment overflow 255 is provided with a rigid conduit, which extends between the discharge opening 257 of the adjustment overflow 255 and the orifice 252 open in a lower region of the reservoir. adjustment 250.
  • the discharge opening 257 of the adjustment overflow 255 is therefore fixed relative to the adjustment reservoir 250, in particular along the axis (Oz).
  • the adjustment tank 250 provided with its adjustment overflow 255 is adjustable in altitude.
  • the height-adjustable character is symbolized by a thick double arrow.
  • the adjustment reservoir 250 is for example mounted movable in translation along a guide, for example a guide arranged parallel to the axis (Oz).
  • the adjustment reservoir is mounted movably relative to a guide provided with a thread. Numerous other variants can be implemented, as long as the mounting of the adjustment tank allows a displacement according to a movement which comprises at least one component parallel to the axis (Oz).
  • the altitude of the free surface SI is therefore adjustable by means of an adjustment of the altitude of the adjustment tank 250 provided with its adjustment overflow 250.
  • Another variant differs from the embodiment of FIG. 1A only in that the outlet opening of the downstream overflow is not adjustable in altitude, and in that the downstream reservoir is adjustable in height. altitude.
  • neither the discharge opening of the adjustment overflow nor the discharge opening of the downstream overflow are adjustable in altitude, but the adjustment tank and the downstream tank are both adjustable. altitude.
  • adjustable character in altitude of the adjustment tank and of the discharge opening of the adjustment overflow for example to increase an amplitude of displacement along the axis (Oz) of the free surface SI relatively to the tank.
  • adjustable character in altitude of the downstream reservoir and of the outlet opening of the downstream overflow for example to increase an amplitude of displacement along the axis (Oz) of the free surface SI , respectively of the free surface S2.
  • the adjustable character in altitude of the adjustment tank, respectively of the downstream tank relates to a variation in altitude relative to the tank, and without variation in the shape of said tank.
  • the intermediate conduits arriving and departing from the latter are advantageously folding conduits in an accordion fashion, or telescopic conduits.
  • the debubbling tank 240 can be fixedly connected to the adjustment tank 250, the latter being jointly adjustable in altitude.
  • FIG. 3 illustrates, schematically and in a sectional view, a second variant 300 of the cooling system of FIG. IA.
  • This variant differs from the embodiment of FIG. 1A only in that the discharge opening 357 of the adjustment overflow 355 is not adjustable in altitude, and in that the adjustment reservoir 350 and the downstream tank are fixed relative to each other and adjustable together in altitude.
  • the adjustable character in altitude of the assembly formed by the adjustment reservoir 350 and the downstream reservoir 370 is symbolized by a thick double arrow.
  • the adjustment and downstream reservoirs are for example both mounted integral with a support which is movable in translation along a guide, for example a guide arranged parallel to the axis (Oz).
  • a support which is movable in translation along a guide, for example a guide arranged parallel to the axis (Oz).
  • Many other variants can be implemented, as long as the mounting of said support allows simultaneous movement of the adjustment and downstream reservoirs, according to a movement which comprises at least one component parallel to the axis (Oz).
  • FIG. 4A illustrates, schematically and in a sectional view, a second embodiment 400A of a cooling system according to the invention. This second embodiment will only be described for its differences relative to the embodiment of FIG. 1A.
  • the cooling system 400 is provided here with a pressure adjustment device, which comprises a pressure sensor 41A, a computer 42A and an actuator 43A.
  • the pressure adjustment advantageously requires knowing the pressure at a determined point on the inner face of the window 463, respectively 464, with these points located in a plane located at an altitude H3 relative to sea level, in the terrestrial reference frame. .
  • the pressure sensor 41A is positioned. preferably at an altitude higher than that of the respective upper ends of the windows.
  • the pressure sensor is positioned at the level of the sixth intermediate duct 10 6 , connecting the tank 460 to the downstream tank 470.
  • the pressure sensor is preferably positioned at a determined location in the circuit, between the tank adjustment 450 and downstream reservoir 470. This location is located more particularly on a portion of the circuit, where said portion goes from adjustment reservoir 450 to downstream reservoir 470 passing through tank 460.
  • the computer 42A is configured to receive as input a setpoint value V'c and a measured value V'm of the pressure.
  • the setpoint value V'c is an input data item, relating here to a desired pressure value at the point determined on the inside face of the window 463, respectively 464.
  • the setpoint value V'c is for example equal to the atmospheric pressure.
  • the setpoint V'c can be provided directly by a user, via a man-machine interface.
  • the measured value V'm for its part corresponds to the pressure measured by the pressure sensor 41A. It is provided here directly by said pressure sensor 41A.
  • the computer 42A is configured to determine, from said measured value V'm, a calculated value V'p of the pressure at the level of said determined point on the inner face of the window 463, respectively 464.
  • Said calculated value V'p is obtained by a simple operation of subtraction, by using the pressure difference DR, theoretical or simulated, between the pressure at the level of the pressure sensor 41A and the pressure at the level of said determined point, in the cooling system 400A according to the invention .
  • the computer 42A is then configured to compare the setpoint value V'c and the calculated value V'p, and to deduce from a difference between V'c and V'p a pressure adjustment command, Cp.
  • the pressure adjustment control here consists of a control for moving the discharge opening 457A of the adjustment overflow, to modify the altitude of the free surface SI of the heat transfer liquid in the tank. adjustment 450.
  • the actuator 43A receives the command Cp as input. It is configured to, in response, move the discharge opening 457A according to the movement defined by the Cp command.
  • the actuator 43A may include a motor, capable of driving the discharge opening 457A in movement.
  • the pressure sensor 41A, the computer 42A and the actuator 43A thus make it possible to bring the pressure to a desired value at the point determined on the inner face of the window 463, respectively 464.
  • the computer 42A directly compares the pressure value supplied by the pressure sensor with a setpoint pressure, without determining the value of the pressure at the point determined on the inside face of the window 463, respectively 464.
  • FIG. 4B illustrates, schematically and in a sectional view, a variant of the embodiment of FIG. 4A.
  • This embodiment differs from that of Figure 4A only in that the discharge opening 457B of the adjustment overflow is not adjustable in altitude, and in that the adjustment reservoir 450 and the downstream tank 470 are fixed relative to each other and together adjustable in altitude (see Figure 3).
  • the computer 42B is configured to receive as input the setpoint value V'c and the measured value V'm of the pressure supplied by the pressure sensor 41B, and to determine, from these values, an adjustment command of the pressure Cp.
  • the pressure adjustment control Cp here consists of a movement control of the adjustment tanks 450 and downstream 570 fixedly connected to one another.
  • FIG. 5 illustrates, schematically and in a sectional view, a third embodiment 500 of a cooling system according to the invention, which will only be described for its differences relative to the embodiment of FIG. 3.
  • the cooling system 500 is provided here with a flow rate adjustment device, which comprises a flow rate sensor 51, a computer 52 and an actuator 53.
  • the flow sensor 51 is positioned in a determined location of the circuit, between the adjustment reservoir 550 and the downstream reservoir 570. This location is located more particularly on a portion of the circuit, where said portion goes from the reservoir d adjustment 550 to the downstream reservoir 570 passing through the tank 560.
  • the flow sensor 51 is positioned at the level of the sixth intermediate duct 10 6 , connecting the tank 560 to the downstream tank 570.
  • the computer 52 is configured to receive as input a setpoint value Vc and a measured value Vm of a flow rate of coolant circulating in the cooling system 500 in use.
  • the setpoint value Vc is an input datum, fixed by the cooling requirements of the laser amplifier medium 30 in the tank.
  • the setpoint value Vc can be supplied directly by a user, via a man-machine interface. As a variant, it is calculated by the computer 52 or by an annexed computer, as a function of one or more input data such as a frequency of pumping pulses of the laser amplifier medium 30.
  • the measured value Vm corresponds as to it at the flow rate measured by the flow sensor 51. It is supplied here directly by said flow sensor 51.
  • the computer 52 is configured to compare the setpoint value Vc and the measured value Vm, and to deduce from a difference between Vc and Vm a flow rate adjustment command, Cd.
  • the flow rate adjustment command here consists of a command for moving the discharge opening 577 of the downstream overflow, to modify the altitude of the free surface S2 of the heat transfer liquid in the downstream tank.
  • the actuator 53 receives the command Cd as an input. It is configured to, in response, move the discharge opening 577 according to the movement defined by the command Cd.
  • the actuator 53 may include a motor, able to drive in movement. discharge opening 577.
  • the flow rate sensor 51, the computer 52 and the actuator 53 thus make it possible to bring the flow rate of coolant in the tank to a desired value.
  • FIG. 6 illustrates a fourth embodiment of a cooling system 600 according to the invention. This fourth embodiment will be described only for its differences with respect to the embodiment of FIG. 1A.
  • the cooling system 600 comprises a recovery tank 610 as described with reference to FIG. 1, a pump 620, a thermal regulation device 630, as well as a tank 660 as described with reference to FIG. FIG. 1. It also comprises an adjustment reservoir 670 as described above, with the difference that the adjustment reservoir 670 extends here downstream of the tank, in the direction of circulation of the heat transfer liquid 20 from an orifice outlet of the recovery tank 610 to a return orifice in the recovery tank 610.
  • the recovery tank 610 is connected to the pump 620 by a first intermediate duct 60i.
  • the pump 620 is connected to the thermal regulation device 630 by a second intermediate duct 60 2 .
  • the thermal regulation device 630 is connected to the tank 660 by a third intermediate duct 60 3 .
  • the tank 660 is connected to the adjustment tank 670 by a fourth intermediate duct 60 4 .
  • the adjustment tank 670 is connected to the recovery tank by a fifth intermediate duct 60 5 .
  • the assembly forms a hydraulic circuit in which the heat transfer liquid 20 circulates in a loop, in use.
  • the adjustment tank 670 has an interior volume which extends at least between the altitude of the point of the tank of maximum altitude, and the altitude of another point of the tank, below.
  • the pump 620 propels the heat transfer liquid from the recovery tank 610 to beyond the tank 660. Then, the heat transfer liquid propagates to the adjustment tank 670 and then returns to the recovery tank 610, driven by the force of gravity.
  • the pump 620 is for example a positive displacement pump, in particular an eccentric screw pump.
  • the pressure in the tank is a function of the altitude of the free surface S2 coolant in adjustment tank 670.
  • the adjustment tank 670 is provided with an adjustment overflow 675, which extends inside the adjustment tank 670 and whose discharge opening 677 is adjustable in altitude.
  • the adjustment overflow 675 with its height-adjustable discharge opening 677 is such as those described with reference to FIG. 1A.
  • Said adjustment overflow 675 makes it possible to adjust the altitude of said free surface S2 to the desired value, and therefore to adjust to the desired value the pressure which is exerted at a respective point determined on the windows 663 and 664, inside the tank 660.
  • a discharge pipe of the fitting extends between said overflow overflow fitting 675 and the drain pan 610, coincides with the fifth intermediate pipe 60 5.
  • this discharge pipe is distinct from an intermediate duct belonging to the hydraulic circuit according to the invention.
  • the adjustment tank 670 can be arranged adjustable in altitude, like the adjustment tank of the example illustrated in FIG. 2.
  • the discharge opening 677 of the adjustment overflow 675 may be mounted fixed relative to the adjustment tank, or adjustable in altitude relative to the latter.
  • the flow rate of heat transfer liquid in the tank 660 can for its part be adjusted by adjusting the flow rate at the outlet of the pump 620.
  • the thermal regulation device 630 can be located elsewhere in the circuit.
  • the invention thus provides a laser cooling system offering an adjustable and stable pressure in the tank intended to receive the laser amplifying medium to be cooled.
  • This pressure is obtained by means of a free surface altitude management system, making it possible in particular to decouple a pressure at the outlet of the pump from the pressure in the tank.
  • the invention also covers variants of the embodiments illustrated in FIGS. 1A, 2, 3, 4A, 4B and 5, in which the de-bubbling tank and the adjustment tank are formed together by one and the same tank.
  • the shape, depth and altitude of the debubbling tank are compatible with a maximum altitude and a minimum altitude. of the free surface of the coolant in the adjustment tank, to allow that the free surface altitude of the coolant in the adjustment tank and the free surface altitude of the coolant in the de-bubbling tank can remain the same same.
  • the invention also covers variants in which an overflow discharge pipe is distinct from an intermediate pipe belonging to the hydraulic circuit according to the invention.
  • the tank may have a single window, or more than two windows.
  • the adjustment tank is located directly upstream of the tank or directly downstream of the tank, without an intermediate tank between the two, with simply an intermediate pipe which connects an outlet of the upstream tank and an inlet in the tank. tank, respectively an outlet from the tank and an inlet to the downstream tank.
  • the cooling system according to the invention may comprise one or more ancillary tanks, arranged between the adjustment tank and the tank and / or between the tank and the adjustment tank, and intended to be completely filled with liquid. coolant, in use. Such reservoirs can form thermal masses, to further homogenize the temperature of the heat transfer liquid before it passes through the tank.
  • the downstream tank when it exists and is separate from the adjustment tank (see figures IA, 2, 3, 4A, 4B and 5), can be located directly downstream of the tank, with simply an intermediate duct which connects an outlet of the tank and an inlet in the downstream tank.
  • the cooling system according to the invention may comprise one or more ancillary reservoirs, arranged between the tank and the downstream reservoir, and intended to be completely filled with heat transfer liquid, in use. Such reservoirs can form thermal masses, to further homogenize the temperature of the heat transfer liquid before it passes through the tank.
  • the various tanks and reservoirs can have any shape, in particular with a non-flat, and / or non-horizontal, bottom.
  • the thermal regulation device can be placed at other locations than the one given as an example, for example in the de-bubbling tank, or in the adjustment tank, or in an intermediate duct such as that which connects the tank to the downstream tank (or to the adjustment tank in the example of figure 6).
  • the thermal regulation device must simply be located downstream of the pump and upstream of the recovery tank, in the direction of circulation of the heat transfer liquid from an outlet opening for the heat transfer liquid outside the recovery tank 110 to an orifice of return of the heat transfer liquid to the recovery tank 110, where the recovery tank 110 forms a reservoir from which the heat transfer liquid is extracted by a pump.
  • an overflow is connected to an evacuation pipe making it possible to evacuate an excess of heat transfer liquid in the corresponding tank.
  • Said discharge pipe here opens into the recovery tank.
  • it can open into another tank of the circuit according to the invention in which the heat transfer liquid has a free surface.
  • the invention finds an application in the field of solid-state lasers of high energy and of high average power, which must have very good beam quality.

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Abstract

Système de refroidissement (100) d'un milieu amplificateur laser (30), comprenant un circuit agencé en boucle fermée et configuré pour, en utilisation, recevoir un liquide caloporteur (20) en circulation. Le circuit comprend notamment une cuve (160) pour recevoir le milieu amplificateur laser (30) immergé dans le liquide caloporteur (20), et un réservoir d'ajustement (150). Le réservoir d'ajustement (150) est équipé d'une surverse d'ajustement (155) pour fixer l'altitude de la surface libre du liquide caloporteur dans le réservoir d'ajustement; Selon l'invention, l'un au moins parmi le réservoir d'ajustement et l'ouverture d'évacuation de la surverse d'ajustement est monté réglable en altitude. On peut ainsi ajuster une pression exercée dans la cuve par le liquide caloporteur.

Description

DESCRIPTION
Titre : SYSTÈME À PRESSION AJUSTABLE POUR REFROIDIR UN MILIEU AMPLIFICATEUR
LASER.
DOMAINE TECHNIQUE
L'invention se rapporte au domaine des systèmes de refroidissement d'un milieu amplificateur laser, à l'aide d'un liquide caloporteur en circulation. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Dans tout le texte, un milieu amplificateur laser désigne un milieu apte à émettre ou amplifier un faisceau lumineux, par un phénomène d'émission stimulée obtenu à l'aide d'un pompage du milieu amplificateur laser pour lui apporter l'énergie nécessaire à l'obtention de l'émission stimulée. Le faisceau lumineux émis, ou obtenu après amplification, est nommé « faisceau laser ». Le pompage peut être réalisé par différents moyens. Il peut s'agir d'un pompage dit optique, lorsque l'énergie est apportée par un faisceau lumineux d'excitation nommé « faisceau de pompage ». Le faisceau de pompage peut former un signal impulsionnel, les impulsions de pompage générant à leur tour un faisceau laser impulsionnel.
Le pompage optique d'un milieu amplificateur laser entraîne un échauffement de ce dernier, causé notamment par des écarts d'énergie entre des photons de pompage optique et les niveaux d'excitation du milieu amplificateur laser, par des mécanismes de relaxation non radiatifs, et par le système de pompage optique lui-même. En l'absence de refroidissement du milieu amplificateur laser, cet échauffement génère des gradients de température qui dégradent la qualité du faisceau laser émis ou amplifié par ce dernier. La dégradation de la qualité de faisceau est plus importante encore lorsque la fréquence de répétition des impulsions de pompage est telle que de la chaleur nouvelle s'ajoute à celle qui n'a pas encore été dissipée. Selon l'invention, on s'intéresse plus particulièrement au refroidissement d'un milieu amplificateur laser solide nécessitant un refroidissement au niveau de ses plus grandes faces, traversées en utilisation par le faisceau laser émis ou amplifié. Dans cette situation, la solution préférée pour évacuer la chaleur du milieu amplificateur laser est un refroidissement basé sur un phénomène de convection entre ledit milieu amplificateur laser et un liquide caloporteur en circulation. Le document US 6,937,629 décrit un exemple de système de refroidissement mettant en œuvre ce type de solution. Dans cet exemple, le milieu amplificateur laser est constitué d'une série de plaques amplificatrices, juxtaposées les unes à la suite des autres à l'intérieur d'une cuve apte à recevoir en circulation un liquide caloporteur. A ses deux extrémités, la cuve est fermée par un hublot d'entrée, respectivement un hublot de sortie, pour laisser passer la lumière émise ou amplifiée par les plaques amplificatrices. Le liquide caloporteur circule dans un circuit hydraulique qui comporte ladite cuve, des conduits de circulation, une pompe, et un régulateur thermique au niveau duquel le liquide caloporteur transfère à un fluide secondaire la chaleur accumulée dans la cuve.
Les hublots d'entrée et de sortie étant destinés à être traversés par le faisceau laser émis ou amplifié par le milieu amplificateur laser, toute déformation mécanique de ces derniers est susceptible de dégrader la qualité optique du faisceau laser. Il est donc essentiel de maîtriser les forces mécaniques qui s'exercent sur les hublots, et en particulier les forces de pression liées à l'écoulement du liquide caloporteur dans la cuve.
Un objectif de la présente invention est de proposer un système de refroidissement pour refroidir un milieu amplificateur à l'aide d'un liquide caloporteur en circulation, offrant une grande maîtrise des forces de pression qui s'exercent sur des hublots destinés à être traversés par un faisceau laser émis ou amplifié dans ledit système de refroidissement.
Un autre objectif de la présente invention est de proposer une solution originale permettant d'ajuster ces forces de pression, pour les adapter au mieux à des conditions courantes d'utilisation. EXPOSÉ DE L'INVENTION
Cet objectif est atteint avec un système de refroidissement d'un milieu amplificateur laser, comprenant un circuit agencé en boucle fermée et configuré pour, en utilisation, recevoir un liquide caloporteur en circulation, ledit circuit comprenant une cuve munie d'au moins un hublot et configurée pour, en utilisation, recevoir le milieu amplificateur laser immergé dans le liquide caloporteur. Selon l'invention, ledit circuit comprend en outre :
- un réservoir d'ajustement, configuré pour, en utilisation, contenir du liquide caloporteur entre un fond dudit réservoir d'ajustement et une surface libre du liquide caloporteur dans le réservoir d'ajustement; et
- une surverse d'ajustement, agencée dans le réservoir d'ajustement et munie d'une ouverture d'évacuation qui définit, en utilisation, une altitude de la surface libre du liquide caloporteur dans le réservoir d'ajustement ;
l'un au moins parmi le réservoir d'ajustement et l'ouverture d'évacuation de la surverse d'ajustement étant monté réglable en altitude (autrement dit réglable en hauteur).
Dans tout le texte, une surface libre du liquide caloporteur désigne une interface de ce dernier avec un milieu gazeux.
Dans le système de refroidissement selon l'invention, la pression qui s'exerce dans la cuve, au niveau de l'au moins un hublot, est fonction de différents facteurs parmi lesquels : la pression du milieu environnant (considérée fixe), la pression dynamique liée à la vitesse du liquide caloporteur (fixe pour un débit donné), les pertes de charge en amont d'un point considéré dans la cuve (fixes pour un débit donné), et la pression liée à la différence entre l'altitude de la surface libre du liquide caloporteur dans le réservoir d'ajustement, et l'altitude dudit point considéré dans la cuve. Or, grâce à la surverse d'ajustement disposée dans le réservoir d'ajustement, la surface libre du liquide caloporteur dans le réservoir d'ajustement peut être fixée à l'altitude souhaitée. Il est ainsi possible d'ajuster une pression dans la cuve à la valeur souhaitée, grâce à un ajustement de la différence entre l'altitude de la surface libre du liquide caloporteur dans le réservoir d'ajustement et l'altitude du point considéré dans la cuve. Cet ajustement est mis en œuvre via un ajustement de l'altitude du réservoir d'ajustement et/ou de l'altitude de l'ouverture d'évacuation de la surverse d'ajustement.
Selon l'invention, la pression qui s'exerce sur l'au moins un hublot, à l'intérieur de la cuve, est donc fonction d'une simple différence d'altitudes dans le système de refroidissement selon l'invention. Il est donc aisé de garantir une bonne stabilité de cette pression. Cette bonne stabilité de la pression sur l'au moins un hublot permet de garantir une bonne stabilité mécanique dudit hublot. On peut ainsi obtenir une bonne répétabilité de la qualité des impulsions d'un faisceau laser impulsionnel émis ou amplifié par le milieu amplificateur laser.
L'invention permet en particulier d'établir une même valeur de pression de part et d'autre de l'au moins un hublot, à une altitude déterminée. En particulier, une même pression peut s'exercer depuis l'intérieur de la cuve et depuis l'extérieur de la cuve, en un emplacement prédéterminé respectif sur l'au moins un hublot. Cette pression est de préférence égale à la pression atmosphérique.
Le système de refroidissement selon l'invention peut être configuré de sorte qu'en utilisation, la surface libre du liquide caloporteur dans le réservoir d'ajustement forme la surface libre la plus proche de la cuve le long du trajet du liquide caloporteur dans le circuit, située en amont de la cuve dans le sens de circulation du liquide caloporteur dans le circuit. En d'autres termes, le réservoir d'ajustement forme l'élément destiné à recevoir une surface libre de liquide caloporteur le plus proche de la cuve le long du trajet du liquide caloporteur dans le circuit, en amont de la cuve dans le sens de circulation du liquide caloporteur dans le circuit. Dit encore autrement, le réservoir d'ajustement est relié à l'entrée de la cuve uniquement par des éléments destinés, en utilisation, à être entièrement remplis de liquide caloporteur. Ces éléments peuvent être constitués d'un simple conduit intermédiaire. En variante, ils peuvent comprendre également au moins un réservoir intercalaire et/ou un capteur de débit.
En variante, le système de refroidissement selon l'invention peut être configuré de sorte qu'en utilisation, la surface libre du liquide caloporteur dans le réservoir d'ajustement forme la surface libre la plus proche de la cuve le long du trajet du liquide caloporteur dans le circuit, située en aval de la cuve dans le sens de circulation du liquide caloporteur dans le circuit. En d'autres termes, le réservoir d'ajustement forme l'élément destiné à recevoir une surface libre de liquide caloporteur le plus proche de la cuve le long du trajet du liquide caloporteur dans le circuit, en aval de la cuve dans le sens de circulation du liquide caloporteur dans le circuit. Dit encore autrement, le réservoir d'ajustement est relié à la sortie de la cuve uniquement par des éléments destinés, en utilisation, à être entièrement remplis de liquide caloporteur. Ces éléments peuvent être constitués d'un simple conduit intermédiaire. En variante, ils peuvent comprendre également au moins un réservoir intercalaire et/ou un capteur de débit.
De préférence, la surverse d'ajustement comporte un conduit télescopique ou un conduit repliable en accordéon, monté solidaire de son ouverture d'évacuation.
Selon un premier mode de réalisation, le système de refroidissement comporte en outre :
- un réservoir aval, configuré pour, en utilisation, contenir du liquide caloporteur entre un fond dudit réservoir aval et une surface libre du liquide caloporteur dans le réservoir aval; et
- une surverse avale, agencée dans le réservoir aval et munie d'une ouverture d'évacuation qui définit, en utilisation, une altitude de la surface libre du liquide caloporteur dans le réservoir aval ;
avec les réservoirs amont et aval disposés de sorte qu'en utilisation, le liquide caloporteur traverse successivement le réservoir amont, la cuve et le réservoir aval,
et dans lequel l'un au moins parmi le réservoir aval et l'ouverture d'évacuation de la surverse avale est monté réglable en altitude.
L'ouverture d'évacuation de la surverse d'ajustement et l'ouverture d'évacuation de la surverse avale peuvent être montées chacune réglables en altitude, indépendamment l'une de l'autre.
L'une au moins parmi l'ouverture d'évacuation de la surverse d'ajustement et l'ouverture d'évacuation de la surverse aval peut être montée réglable en altitude, avec le réservoir d'ajustement et le réservoir aval reliés fixement entre eux et montés ensemble réglables en altitude. Le système de refroidissement selon l'invention peut être muni d'un dispositif d'ajustement de la pression qui comporte :
- un capteur de pression, pour mesurer une pression dans le circuit, entre le réservoir d'ajustement et le réservoir aval ;
- un calculateur, configuré pour recevoir en entrée une valeur de consigne et une valeur mesurée de pression, où la valeur mesurée est fournie par le capteur de pression, et pour fournir en sortie une commande d'ajustement de la pression ; et
- un actuateur, configuré pour piloter l'altitude de l'un au moins parmi le réservoir d'ajustement et l'ouverture d'évacuation de la surverse d'ajustement, en réponse à la réception de la commande d'ajustement de la pression.
En variante, le système de refroidissement selon l'invention peut être muni d'un dispositif d'ajustement de la pression qui comporte :
- un capteur de pression, pour mesurer une pression dans le circuit, entre le réservoir d'ajustement et le réservoir aval ;
- un calculateur, configuré pour recevoir en entrée une valeur de consigne et une valeur mesurée de pression, où la valeur mesurée est fournie par le capteur de pression (41B), et pour fournir en sortie une commande d'ajustement de la pression ; et
- un actuateur, configuré pour piloter l'altitude du réservoir d'ajustement et du réservoir aval reliés fixement entre eux, en réponse à la réception de la commande d'ajustement de la pression.
Le système de refroidissement selon l'invention peut être muni d'un dispositif d'ajustement de la pression qui comporte :
- un débitmètre, pour mesurer un débit de liquide caloporteur dans le circuit, entre le réservoir d'ajustement et le réservoir aval ;
- un calculateur, configuré pour recevoir en entrée une valeur de consigne et une valeur mesurée du débit de liquide caloporteur, où la valeur mesurée est fournie par le débitmètre, pour comparer la valeur de consigne et la valeur mesurée, et pour en déduire une commande d'ajustement du débit ; et
- un actuateur, configuré pour piloter l'altitude de l'un au moins parmi le réservoir d'ajustement, le réservoir aval, l'ouverture d'évacuation du réservoir d'ajustement, et l'ouverture d'évacuation du réservoir aval, en réponse à la réception de la commande d'ajustement du débit.
Dans ledit premier mode de réalisation, de manière avantageuse, ledit circuit comprend en outre un bac de récupération, un dispositif de régulation thermique, et une pompe, la pompe étant configurée pour, en utilisation, propulser le liquide caloporteur le long de l'axe de la gravité et dans la direction opposée à la force de gravité, depuis le bac de récupération jusqu'au-delà du dispositif de régulation thermique.
Selon un deuxième mode de réalisation, le circuit comprend en outre un bac de récupération, un dispositif de régulation thermique, et une pompe, avec la pompe configurée pour, en utilisation, propulser le liquide caloporteur depuis le bac de récupération jusqu'à la cuve, en passant par le dispositif de régulation thermique, et avec le réservoir d'ajustement disposé de sorte qu'en utilisation, le liquide caloporteur traverse successivement le bac de récupération, la cuve et le réservoir d'ajustement.
L'invention couvre également un procédé de réglage mis en œuvre dans un système de refroidissement selon l'invention, le procédé comprenant un ajustement de l'altitude de l'un parmi le réservoir d'ajustement et l'ouverture d'évacuation de la surverse d'ajustement, de manière à ajuster l'altitude relativement à la cuve de la surface libre du liquide caloporteur dans le réservoir d'ajustement, et ainsi ajuster une pression à l'intérieur de la cuve.
Le procédé peut être mis en œuvre dans un système de refroidissement selon l'invention dans lequel l'une au moins parmi l'ouverture d'évacuation de la surverse d'ajustement et l'ouverture d'évacuation de la surverse aval est montée réglable en altitude, avec le réservoir d'ajustement et le réservoir aval reliés fixement entre eux et montés ensemble réglables en altitude, ledit ajustement de l'altitude étant réalisé par un ajustement de l'altitude du réservoir d'ajustement relié fixement au réservoir aval, de manière à ajuster l'altitude relativement à la cuve de la surface libre du liquide caloporteur dans le réservoir d'ajustement sans modifier une différence entre l'altitude de la surface libre du liquide caloporteur dans le réservoir d'ajustement et l'altitude de la surface libre du liquide caloporteur dans le réservoir aval. Le procédé peut être mis en œuvre dans un système de refroidissement selon le premier mode de réalisation de l'invention, le procédé comprenant un ajustement de l'altitude de l'un au moins parmi le réservoir d'ajustement, le réservoir aval, l'ouverture d'évacuation de la surverse d'ajustement, et l'ouverture d'évacuation de la surverse avale, de manière à ajuster l'altitude de la surface libre du liquide caloporteur dans le réservoir d'ajustement relativement à l'altitude de la surface libre du liquide caloporteur dans le réservoir aval, et ainsi ajuster un débit de liquide caloporteur dans la cuve.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels :
- [Fig. IA] illustre de façon schématique, et selon une vue en coupe, un premier mode de réalisation d'un système de refroidissement selon l'invention ;
- [Fig. IB] illustre de façon schématique, et selon une vue en coupe, une première variante d'une surverse d'ajustement ou aval dans le système de la figure IA ;
- [Fig. IC] illustre de façon schématique, et selon une vue en coupe, une deuxième variante d'une surverse d'ajustement ou aval dans le système de la figure IA ;
- [Fig. 2] illustre de façon schématique, et selon une vue en coupe, une première variante du système de la figure IA ;
- [Fig. 3] illustre de façon schématique, et selon une vue en coupe, une deuxième variante du système de la figure IA ;
- [Fig. 4A] illustre de façon schématique, et selon une vue en coupe, un deuxième mode de réalisation d'un système de refroidissement selon l'invention ;
- [Fig. 4B] illustre de façon schématique, et selon une vue en coupe, une variante du système de la figure 4A ;
- [Fig. 5] illustre de façon schématique, et selon une vue en coupe, un troisième mode de réalisation d'un système de refroidissement selon l'invention ; et - [Fig. 6] illustre de façon schématique, et selon une vue en coupe, un quatrième mode de réalisation d'un système de refroidissement selon l'invention.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Sur chacune des figures, on a représenté l'axe (Oz) de la gravité, ou axe vertical. Dans tout le texte, l'axe de la gravité désigne l'axe selon lequel sont orientées les forces gravitationnelles exercées par la Terre sur le système de refroidissement selon l'invention, et sur le liquide caloporteur, en utilisation. L'axe de la gravité est orienté ici depuis le sol (plan horizontal H) vers le ciel (direction opposée à l'orientation des forces de gravité exercées par la Terre).
Dans tout le texte, une altitude, ou hauteur, désigne une position, ou coordonnée, définie le long de l'axe (Oz) de la gravité orienté depuis le sol vers le ciel. Dans tout le texte, les altitudes sont définies à compter d'une même surface de référence, de préférence à compter du niveau de la mer. Dans tout le texte, les termes « au-dessus » et « en-dessous » se rapportent à des altitudes relatives. Enfin, les termes « supérieur » et « inférieur », lorsqu'ils se rapportent à un objet (paroi d'un bac, extrémité d'un hublot, etc), font référence à une altitude relative de cet objet.
La figure IA illustre de façon schématique, et selon une vue en coupe, un premier mode de réalisation d'un système de refroidissement 100 selon l'invention. Afin de faciliter la compréhension de l'invention, le système de refroidissement 100 est représenté en utilisation, lorsqu'il reçoit un liquide caloporteur 20 en circulation (représenté en hachures sur la figure 1) et un milieu amplificateur laser 30.
Le système de refroidissement 100 selon l'invention comporte ici : un bac de récupération 110, une pompe 120, un dispositif de régulation thermique 130, un bac de débullage 140, un réservoir d'ajustement 150, une cuve 160, et un réservoir aval 170. Ces différents éléments sont reliés deux à deux par une série de conduits intermédiaires. Ils forment, avec les conduits intermédiaires, un circuit hydraulique, ou boucle hydraulique, ou simplement circuit, dans lequel le liquide caloporteur 20 circule en boucle, en utilisation. Les différents conduits intermédiaires présentent par exemple un diamètre compris entre 10 mm et 100 mm, par exemple 50 mm.
Dans tout le texte, les termes « amont » et « aval » se rapportent à un sens de circulation du liquide caloporteur dans ledit circuit, en particulier depuis un orifice de sortie du liquide caloporteur hors du bac de récupération 110 jusqu'à un orifice de retour du liquide caloporteur dans le bac de récupération 110, où le bac de récupération 110 forme un réservoir d'où le liquide caloporteur est extrait par une pompe (ici la pompe 120).
Le bac de récupération 110 présente de préférence un volume supérieur à dix litres. Il est relié à la pompe 120 par un premier conduit intermédiaire 10i. En utilisation, il est partiellement rempli par le liquide caloporteur 20, jusqu'à une altitude supérieure à l'altitude dudit premier conduit intermédiaire 10i de manière à ce que la pompe 120 n'aspire pas d'air. Une zone 113 dans le bac de récupération 110, située en utilisation au- dessus du liquide caloporteur 20, est remplie ici par de l'air à la pression atmosphérique. Le fond, ou paroi interne inférieure 111 du bac de récupération 110, s'étend ici à une altitude hO, dans un plan orthogonal à l'axe (Oz).
La pompe 120 est reliée d'un côté au bac de récupération 110, et de l'autre au dispositif de régulation thermique 130, par l'intermédiaire du premier conduit intermédiaire 10i, respectivement d'un deuxième conduit intermédiaire 102. La pompe 120 peut être une pompe centrifuge, ou une pompe volumétrique, ou toute autre pompe connue dans l'art antérieur. Son débit et sa pression en sortie ne nécessitent pas d'être très stables. La seule contrainte est la compatibilité avec le liquide caloporteur, pour éviter de polluer ce dernier, et la fourniture d'un débit suffisant pour maintenir un niveau de liquide caloporteur souhaité dans le réservoir d'ajustement 150 150 (pour saturer en liquide caloporteur le réservoir amont 150).
Le dispositif de régulation thermique 130 est relié d'un côté à la pompe 120 et de l'autre au bac de débullage 140, par l'intermédiaire du deuxième conduit intermédiaire 102, respectivement d'un troisième conduit intermédiaire 103.
Le fond, ou paroi interne inférieure 141 du bac de débullage 140, s'étend ici à une altitude bien supérieure à l'altitude hO du bac de récupération 110, par exemple à une altitude d'au moins dix centimètre supérieure à l'altitude hO. La pompe 120 est configurée pour propulser le liquide caloporteur 20 depuis le bac de récupération 110 jusqu'au bac de débullage 140, en passant par le dispositif de régulation thermique 130.
Le dispositif de régulation thermique 130 est configuré pour, en utilisation, refroidir le liquide caloporteur 20 pour en évacuer la chaleur extraite du milieu amplificateur laser 30 (ainsi que la chaleur éventuellement apportée par la pompe 120). Le dispositif de régulation thermique 130 peut comprendre un module Peltier, ou une boucle hydraulique utilisant un fluide secondaire d'extraction de la chaleur, ou tout autre dispositif de régulation thermique connu dans l'art antérieur.
Le bac de débullage 140 est relié d'un côté au dispositif de régulation thermique 130, par l'intermédiaire du troisième conduit 103, et de l'autre au réservoir d'ajustement 150, par l'intermédiaire d'un quatrième conduit 104. Ici, mais de manière non limitative, le troisième conduit 103 arrive sur le bac de débullage 140 au niveau de sa paroi interne inférieure 141. Ici, mais de manière non limitative, le quatrième conduit 104 part du bac de débullage 140, au niveau d'une région inférieure d'une paroi latérale de ce dernier. Le bac de débullage 140 présente de préférence un volume supérieur à dix litres. En utilisation, il est partiellement rempli par le liquide caloporteur 20, jusqu'à une altitude bien supérieure à l'altitude du quatrième conduit 104. Une zone 143 dans le bac de débullage 140, située en utilisation au-dessus du liquide caloporteur 20, est remplie ici par de l'air à la pression atmosphérique.
Le liquide caloporteur en sortie de la pompe 120 peut comporter des bulles d'air, susceptibles d'induire des points de focalisation dans la cuve lors du passage du faisceau laser, et ainsi d'endommager certains composants. Dans le bac de débullage 140, ces bulles d'air remontent à la surface, le long de l'axe (Oz). Dans une région inférieure du bac de débullage 140, le liquide caloporteur 20 est donc dépourvu de bulles d'air. Le quatrième conduit 104 partant du bac de débullage 140 au niveau de cette région inférieure, le liquide caloporteur 20 sortant du bac de débullage 140 par ce quatrième conduit 104 est donc dépourvu de bulles d'air.
Une section du bac de débullage 140, dans un plan orthogonal à l'axe (Oz), est bien supérieure à une section des conduits intermédiaires. Le bac de débullage 140 réalise ainsi, en outre, un lissage d'éventuels à-coups de pression, générés au niveau de la pompe 120.
Enfin, le volume important du bac de débullage 140 permet que le liquide caloporteur 20 y stationne suffisamment longtemps pour que sa température s'homogénéise. L'obtention d'une température homogène du liquide caloporteur 20, en amont de la cuve 160 destinée à recevoir le milieu amplificateur laser 30, permet de limiter des gradients d'indice optique dans et autour dudit milieu amplificateur laser, et donc de limiter des dégradations de faisceau associées.
Le réservoir d'ajustement 150 est relié d'un côté au bac de débullage 140, par l'intermédiaire du quatrième conduit intermédiaire 104, et de l'autre à la cuve 160, par l'intermédiaire d'un cinquième conduit intermédiaire 105. De préférence, le quatrième conduit intermédiaire 104 est muni d'une vanne, pour bloquer ou libérer la circulation du liquide caloporteur 20 depuis le bac de débullage 140 vers le réservoir d'ajustement 150.
Le réservoir d'ajustement 150 présente de préférence un volume supérieur à dix litres. Il s'étend sensiblement à même altitude que le bac de débullage 140. En utilisation, le réservoir d'ajustement 150 est partiellement rempli par le liquide caloporteur 20. Une zone 153 dans le réservoir d'ajustement 150, située au-dessus du liquide caloporteur 20, est remplie ici par de l'air à la pression atmosphérique. Dans le réservoir d'ajustement 150 en utilisation, on nomme « surface libre SI du liquide caloporteur dans le réservoir d'ajustement 150 » l'interface entre ladite zone 153 et le liquide caloporteur 20. La surface libre SI s'étend dans un plan orthogonal à l'axe (Oz).
Une surverse d'ajustement 155 s'étend à l'intérieur du réservoir d'ajustement 150, pour définir l'altitude de la surface libre SI. La surverse d'ajustement 155 est représentée plus en détail à la figure IB.
La surverse d'ajustement 155 comporte un conduit 156 qui s'étend, à l'intérieur du réservoir d'ajustement 150, entre une ouverture d'évacuation 157 de la surverse d'ajustement et un orifice 152 ouvert dans une région inférieure du réservoir d'ajustement 150. L'orifice 152 est percé ici dans la paroi inférieure 151 du réservoir d'ajustement. Il est relié à un tuyau d'évacuation 158 débouchant dans le bac de récupération 110. L'ouverture d'évacuation 157 s'étend du côté du conduit 156 opposé à l'orifice 152. Elle désigne une ouverture dans laquelle du liquide caloporteur contenu dans le réservoir d'ajustement 150 peut s'écouler par débordement pour rejoindre le bac de récupération 110 en passant par le tuyau d'évacuation 158. La surface libre SI du liquide caloporteur dans le réservoir d'ajustement 150 est ainsi fixée à l'altitude de ladite ouverture d'évacuation 157.
Ici, l'altitude de l'ouverture d'évacuation 157 est réglable. En particulier, l'altitude de l'ouverture d'évacuation 157 relativement à la cuve peut être modifiée, avec le réservoir d'ajustement fixe relativement à la cuve. Le caractère réglable en altitude est symbolisé par une double flèche épaisse.
Dans l'exemple représenté en figure IB, le conduit 156 est repliable en accordéon le long de l'axe (Oz), de manière à présenter une longueur réglable le long de l'axe (Oz). Le conduit 156 est fixé, à l'une de ses extrémités, à l'orifice 152 percé dans le réservoir d'ajustement. Par conséquent, lorsque la longueur du conduit 156 varie, c'est son extrémité opposée, et donc l'ouverture d'évacuation 157, qui se déplace le long de l'axe (Oz).
Dans une variante illustrée en figure IC, le conduit 156' de la surverse d'ajustement 155' est un conduit télescopique, avec plusieurs portions de conduit qui coulissent les unes dans les autres le long de l'axe (Oz), de sorte que le conduit 156' présente une longueur réglable le long de l'axe (Oz). Là-encore, le conduit 156' est fixé, à l'une de ses extrémités, à l'orifice percé dans le réservoir d'ajustement. Par conséquent, lorsque la longueur du conduit 156' varie, c'est son extrémité opposée, et donc l'ouverture d'évacuation 157', qui se déplace le long de l'axe (Oz).
La cuve 160 est reliée d'un côté au réservoir d'ajustement 150, par l'intermédiaire du cinquième conduit intermédiaire 105, et de l'autre au réservoir aval 170, par l'intermédiaire d'un sixième conduit intermédiaire 106. Ici, mais de manière non limitative, le cinquième conduit intermédiaire 105 s'étend entre une paroi inférieure du réservoir d'ajustement et une paroi inférieure de la cuve 160, et le sixième conduit intermédiaire 106 s'étend entre une paroi supérieure de la cuve 160 et une paroi inférieure du réservoir aval 170. On remarque que le cinquième conduit intermédiaire 105 n'arrive pas forcément à la verticale sur la cuve 160. De même, le sixième conduit intermédiaire 106 ne repart pas forcément à la verticale de la cuve 160.
La cuve 160 reçoit, en utilisation, un milieu amplificateur laser 30 solide immergé dans le liquide caloporteur 20, avec ses faces d'entrée et sortie en contact physique direct avec le liquide caloporteur 20. Le milieu amplificateur laser 30 solide est par exemple un cristal dopé, ou une céramique dopée, ou un verre dopé, etc. Il peut être formé en un seul morceau, ou formé d'une pluralité de plaques espacées les unes des autres. Les faces d'entrée et de sortie du milieu amplificateur laser 30 forment ses plus grandes faces, traversées en utilisation par le faisceau laser amplifié ou émis par le milieu amplificateur laser 30. Les faces d'entrée et de sortie du milieu amplificateur laser 30 s'étendent ici selon des plans parallèles à l'axe (Oz).
Le réservoir aval 170 est relié d'un côté à la cuve 160, par l'intermédiaire du sixième conduit intermédiaire 106, et de l'autre au bac de récupération 110, par l'intermédiaire d'un septième conduit intermédiaire 107. De préférence, le septième conduit intermédiaire 107 part du réservoir aval 170 au niveau de sa paroi interne inférieure 171, et arrive sur le bac de récupération 110 au niveau de sa paroi interne supérieure 112, à une altitude bien inférieure à celle de ladite paroi interne inférieure 171 du réservoir aval 170. Dans l'exemple représenté ici, le septième conduit intermédiaire 107 est confondu avec un tuyau d'évacuation 178 d'une surverse tel que décrit dans la suite.
Le réservoir aval 170 présente de préférence un volume supérieur à dix litres. En utilisation, le réservoir aval 170 est partiellement rempli par le liquide caloporteur 20. Une zone 173 dans le réservoir aval 170, située au-dessus du liquide caloporteur 20, est remplie ici par de l'air à la pression atmosphérique. Dans le réservoir aval 170 en utilisation, on nomme « surface libre S2 du liquide caloporteur dans le réservoir aval 170 » l'interface entre ladite zone 173 et le liquide caloporteur 20. La surface libre S2 s'étend dans un plan orthogonal à l'axe (Oz).
Une surverse aval 175 s'étend à l'intérieur du réservoir aval 170, pour définir l'altitude de la surface libre S2.
La surverse aval 175 comporte un conduit qui s'étend, à l'intérieur du réservoir aval 170, entre une ouverture d'évacuation 177 de la surverse aval et un orifice 172 ouvert dans une région inférieure du réservoir aval 170. L'orifice 172 est percé ici dans la paroi inférieure 171 du réservoir aval. Il est relié à un tuyau d'évacuation 178 débouchant dans le bac de récupération 110. Ici, mais de manière non limitative, le tuyau d'évacuation 178 forme également un conduit intermédiaire (septième conduit intermédiaire 107) reliant le réservoir aval 170 au bac de récupération 110, dans la boucle hydraulique selon l'invention. L'ouverture d'évacuation 177 s'étend du côté du conduit opposé à l'orifice 172. Elle désigne une ouverture dans laquelle du liquide caloporteur contenu dans le réservoir aval 170 peut s'écouler par débordement pour rejoindre le bac de récupération 110 en passant par le tuyau d'évacuation 178. La surface libre S2 du liquide caloporteur dans le réservoir aval 170 est ainsi fixée à l'altitude de ladite ouverture d'évacuation 177.
Là-encore, l'altitude de l'ouverture d'évacuation 177 est réglable. En particulier, l'altitude de l'ouverture d'évacuation 177 relativement à la cuve peut être modifiée, avec le réservoir aval fixe relativement à la cuve. Le caractère réglable en altitude est symbolisé par une double flèche épaisse. La surverse aval 175 peut être similaire à l'un ou l'autre des exemples de réalisation d'une surverse illustrés aux figures IB et IC.
Une amplitude maximale de déplacement en altitude de l'ouverture d'évacuation 157, respectivement l'ouverture d'évacuation 177, est par exemple au moins égale à cinq centimètre, et même au moins égale à dix centimètres.
En utilisation, le réservoir d'ajustement 150 avec sa surverse d'ajustement 155, et le réservoir aval 170 avec sa surverse aval 170, sont configurés ensemble pour que la surface libre SI s'étende à une altitude H1 supérieure à celle H2 de la surface libre S2. Le liquide caloporteur est alors entraîné en circulation depuis le réservoir d'ajustement 150 jusqu'au réservoir aval 170, en passant par la cuve 160, par la force de gravité. On parle pour cette raison d'un écoulement gravitaire dans la cuve 160. Ici, le liquide caloporteur 20 circule dans la cuve 160 selon un trajet rectiligne parallèle à l'axe (Oz).
Ici, la cuve est délimitée notamment par deux hublots 163, 164, agencés ici parallèles à une direction d'écoulement du liquide caloporteur 20 dans la cuve 160. Ces hublots 163, 164 sont transparents à la longueur d'onde du faisceau laser amplifié ou émis par le milieu amplificateur laser 30, avec un coefficient de transmission par exemple au moins égal à 70% à ladite longueur d'onde. Le système de refroidissement 100 est prévu pour coopérer avec un dispositif de pompage optique, non représenté, disposé à l'extérieur de la cuve 160 et permettant de fournir au milieu amplificateur laser 30 l'énergie nécessaire à l'amplification ou l'émission d'un faisceau lumineux, par effet laser. Le dispositif de pompage comporte par exemple des diodes, pour émettre un faisceau de pompage optique. La cuve 160 est alors configurée pour permettre l'entrée du faisceau de pompage optique, via l'un des hublots 163 ou 164, ou via une fenêtre d'entrée annexe. En utilisation, le liquide caloporteur 20 sous pression circulant dans la cuve 160 extrait du milieu amplificateur laser 30 la chaleur produite par le pompage.
Le cas échéant, le système de refroidissement 100 peut coopérer en outre avec des miroirs réfléchissants à une longueur d'onde d'émission du milieu amplificateur laser 30, situés à l'extérieur de la cuve 160 et formant ensemble une cavité optiquement résonante à ladite longueur d'onde d'émission.
Dans le système de refroidissement 100 selon l'invention, il est avantageux de pouvoir ajuster une pression qui s'exerce dans la cuve 160, au niveau des hublots 163, 164. Cette pression est fonction de différents facteurs parmi lesquels : la pression du milieu environnant (considérée fixe), la pression dynamique liée à la vitesse du liquide caloporteur (fixe pour un débit donné), les pertes de charge en amont du point considéré dans la cuve (fixes pour un débit donné), et la pression liée à la différence entre l'altitude H1 de la surface libre SI et une altitude H3 d'un plan considéré dans la cuve. Parmi ces différents facteurs, seul le dernier est facilement ajustable pour un débit donné dans la cuve. En particulier, on peut ajuster ici la pression liée à la différence entre l'altitude H1 de la surface libre SI et l'altitude H3 d'un plan considéré dans la cuve, en ajustant l'altitude de l'ouverture d'évacuation 157 de la surverse d'ajustement. L'ouverture d'évacuation 157 de la surverse d'ajustement peut se déplacer selon un mouvement rectiligne parallèle à l'axe (Oz), ou selon un mouvement plus complexe comportant au moins une composante parallèle à l'axe (Oz). Le déplacement de l'ouverture d'évacuation 157 de la surverse d'ajustement peut être entraîné par un moteur, non représenté, et guidé par un guide mécanique respectif qui peut s'étendre parallèle à l'axe (Oz). Selon l'invention, l'ajustement de pression est donc réalisable par l'intermédiaire de simples variations d'altitude, ici une variation de l'altitude de l'ouverture d'évacuation 157 de la surverse d'ajustement. L'ajustement de la pression est ainsi particulièrement simple à mettre en œuvre. On peut en particulier facilement adapter la pression pour minimiser une déformation mécanique des hublots induite par une différence de pression entre le milieu environnant et l'intérieur de la cuve. En variante, on peut régler la pression de manière à donner au(x) hublot(s) une déformation prédéterminée compatible avec une correction de surface d'onde par un miroir déformable. De même, il est aisé d'obtenir une bonne stabilité de ladite pression, par l'intermédiaire de positionnements stables le long de l'axe (Oz). On obtient ainsi une bonne stabilité mécanique des hublots, et ainsi une bonne répétabilité de la qualité du faisceau laser, d'une impulsion à l'autre. En outre, comme l'écoulement de liquide caloporteur 20 dans la cuve 160 est entraîné uniquement par la force de gravité, la pression générée par la pompe 120 est sans impact sur la circulation du liquide caloporteur dans la cuve 160, et on peut tolérer une certaine instabilité de la pression directement en sortie de la pompe 120.
On remarque que l'ajustement de la pression affecte simultanément les hublots 163 et 164. De préférence, ces hublots 163 et 164 présentent tous les deux les mêmes dimensions, et sont disposés tous deux de la même manière le long de l'axe (Oz). Ainsi, l'ajustement de la pression à l'altitude H3 d'un plan considéré dans la cuve se traduit par une même répartition de la pression sur la surface du hublot 163 et sur la surface du hublot 164.
L'ajustement d'une pression qui s'exerce dans la cuve 160, au niveau des hublots 163, 164, est notamment mise en œuvre pour minimiser une déformation mécanique des hublots liée à une différence entre la pression qui s'exerce sur le hublot 163, respectivement 164, côté intérieur de la cuve et la pression qui s'exerce sur le hublot 163, respectivement 164, côté extérieur de la cuve. On évite ainsi des dégradations subséquentes sur le faisceau laser émis ou amplifié par le milieu amplificateur laser 30, et qui traverse les hublots 163, 164.
En général, l'ajustement de pression consiste donc à faire en sorte que les faces intérieures respectives des hublots soient soumises à une pression proche de la pression atmosphérique (1013 hPa au niveau de la mer). En particulier, de pression consiste de préférence à faire en sorte qu'un point prédéterminé respectif sur les faces intérieures des hublots soit soumis à la pression atmosphérique, afin que chaque point des faces intérieures respectives desdits hublots soit soumis à une pression proche de la pression atmosphérique.
L'ajustement de pression est réalisé pour un point particulier sur une face intérieure du hublot 163, respectivement 164, dans le plan situé à l'altitude H3 (relativement au niveau de la mer, dans le référentiel terrestre). Ce point correspond de préférence à une extrémité supérieure du hublot 163 (respectivement 164), où s'exercent de fortes contraintes mécaniques liées à la tenue du hublot relativement à sa monture.
Dans le mode de réalisation représenté en figure IA, et comme indiqué plus haut, le liquide caloporteur circule par écoulement gravitaire dans la partie du circuit reliant le réservoir d'ajustement 150 et le réservoir aval 170, en passant par la cuve 160. Le débit de liquide caloporteur dans la cuve 160 est lié à la différence d'altitude DH entre les altitudes H1 et H2.
La stabilité du débit de liquide caloporteur 20 circulant dans la cuve 160 est donc liée à la stabilité des altitudes H1 et H2, liées à la stabilité des altitudes respectives du réservoir d'ajustement 150, de l'ouverture d'évacuation 157 de la surverse d'ajustement dans le réservoir d'ajustement, du réservoir aval 170, et de l'ouverture d'évacuation 177 de la surverse aval dans le réservoir aval. Il est donc aisé d'obtenir une grande stabilité de ce débit, par des positionnements stables le long de l'axe (Oz). En outre, comme l'écoulement de liquide caloporteur 20 dans la cuve 160 est entraîné uniquement par la force de gravité, on peut tolérer des imperfections au niveau de la pompe 120 qui sert simplement à remonter le liquide caloporteur 20 le long de l'axe (Oz), depuis le bac de récupération 110 jusqu'à l'altitude du réservoir d'ajustement (ici jusqu'au bac de débullage 140).
Selon l'invention, le débit de liquide caloporteur dans la cuve 160 peut être ajusté par l'intermédiaire d'un ajustement de la différence d'altitude DH entre les altitudes H1 et H2. Ici, cet ajustement de la différence d'altitude DH peut être réalisé en ajustant l'altitude de l'ouverture d'évacuation 157 de la surverse d'ajustement et/ou en ajustant l'altitude de l'ouverture d'évacuation 177 de la surverse aval. En particulier, l'ouverture d'évacuation 157 de la surverse d'ajustement est déplacée relativement au réservoir d'ajustement fixe relativement à la cuve et/ou l'ouverture d'évacuation 177 de la surverse aval est déplacée relativement au réservoir aval fixe relativement à la cuve.
L'ouverture d'évacuation 157 de la surverse d'ajustement et/ou l'ouverture d'évacuation 177 de la surverse aval peut se déplacer selon un mouvement rectiligne parallèle à l'axe (Oz), ou selon un mouvement plus complexe comportant au moins une composante parallèle à l'axe (Oz).
Le déplacement de l'ouverture d'évacuation 157 de la surverse d'ajustement, respectivement de l'ouverture d'évacuation 177 de la surverse aval, peut être entraîné par un moteur, non représenté, et guidé par un guide mécanique respectif qui peut s'étendre parallèle à l'axe (Oz).
L'ajustement du débit à une valeur souhaitée est donc particulièrement simple à mettre en œuvre, puisqu'il est réalisé par de simples déplacements mécaniques le long de l'axe (Oz). On peut ainsi facilement adapter le débit à une cadence d'émission des impulsions laser, laquelle détermine une quantité de chaleur devant être évacuée du milieu amplificateur laser. On peut également ajuster facilement la température du milieu amplificateur laser 30 à une valeur souhaitée, via une variation du débit de liquide caloporteur dans la cuve.
Des composants de type variateur de débit ne sont pas strictement nécessaires au fonctionnement de l'invention, de sorte que le système de refroidissement selon l'invention peut présenter une grande compacité. L'invention n'exclut cependant pas des modes de réalisation comportant un composant de type variateur de débit. Un tel composant permet notamment de faire en sorte que le débit fourni par la pompe 120 soit toujours supérieur au débit induit par la différence entre les altitudes respectives de surface libre dans les réservoirs amont et aval.
On comprend que le liquide caloporteur 20 doit être transparent à la longueur d'onde du faisceau laser amplifié ou émis par le milieu amplificateur laser 30, avec un coefficient de transmission par exemple supérieur ou égal à 95% à ladite longueur d'onde. En utilisation, on amorce la circulation du liquide caloporteur 20 dans le système de refroidissement 100 en amenant la surface libre SI du liquide caloporteur dans le réservoir d'ajustement 150 jusqu'à une altitude d'amorçage supérieure à celle du point le plus haut du circuit, et permettant d'imposer une pression de liquide caloporteur qui compense des pertes de charges dans le système de refroidissement selon l'invention. Pour cela, il est avantageux qu'un volume intérieur du réservoir amont 150 s'étende jusqu'à une altitude supérieure à celle de ce point le plus haut du circuit, ici un point sur le sixième conduit intermédiaire 106. Une fois le phénomène de circulation amorcé, la surface libre SI est ramenée à une altitude d'utilisation inférieure à l'altitude d'amorçage, et permettant notamment d'obtenir la pression et le débit souhaités dans la cuve 160.
De préférence, on ajuste d'abord le débit, défini par la différence d'altitude DH entre l'altitude H1 de la surface libre SI dans le réservoir d'ajustement et l'altitude H2 de la surface libre S2 dans le réservoir aval, puis on ajuste la pression en déplaçant ensemble les surfaces libres SI et S2, de manière à conserver la différence d'altitude DH définissant le débit.
En variante, on ajuste d'abord la pression, en amenant à l'altitude adéquate la surface libre SI, puis on ajuste le débit. L'ajustement ultérieur du débit va modifier la pression dans la cuve. De manière avantageuse, l'ajustement initial de la pression prend en compte la variation de pression liée à l'ajustement ultérieur du débit. En variante, on peut opérer par itérations successives pour converger vers des valeurs souhaitées de la pression et du débit.
De manière avantageuse, le réservoir amont 150 et le réservoir aval 170 présentent chacun un volume intérieur qui s'étend au moins entre l'altitude du point de la cuve d'altitude maximale, et l'altitude d'un autre point de la cuve, en contrebas.
La figure 2 illustre, de façon schématique et selon une vue en coupe, une première variante 200 du système de refroidissement de la figure IA.
Cette variante ne diffère du mode de réalisation de la figure IA qu'en ce que l'ouverture d'évacuation 257 de la surverse d'ajustement 255 n'est pas réglable en altitude, et en ce que le réservoir d'ajustement 250 est réglable en altituder. En particulier, la surverse d'ajustement 255 est munie d'un conduit rigide, qui s'étend entre l'ouverture d'évacuation 257 de la surverse d'ajustement 255 et l'orifice 252 ouvert dans une région inférieure du réservoir d'ajustement 250. L'ouverture d'évacuation 257 de la surverse d'ajustement 255 est donc fixe relativement au réservoir d'ajustement 250, en particulier le long de l'axe (Oz).
En revanche, le réservoir d'ajustement 250 muni de sa surverse d'ajustement 255 est réglable en altitude. Le caractère réglable en altitude est symbolisé par une double flèche épaisse. Le réservoir d'ajustement 250 est par exemple monté mobile en translation le long d'un guide, par exemple un guide agencé parallèle à l'axe (Oz). En variante, le réservoir d'ajustement est monté mobile relativement à un guide muni d'un filetage. De nombreuses autres variantes peuvent être mises en œuvre, tant que le montage du réservoir d'ajustement autorise un déplacement selon un mouvement qui comporte au moins une composante parallèle à l'axe (Oz).
Dans cette variante, l'altitude de la surface libre SI est donc ajustable par l'intermédiaire d'un ajustement de l'altitude du réservoir d'ajustement 250 muni de sa surverse d'ajustement 250.
Une autre variante, non représentée, ne diffère du mode de réalisation de la figure IA qu'en ce que l'ouverture d'évacuation de la surverse aval n'est pas réglable en altitude, et en ce que le réservoir aval est réglable en altitude.
Selon une autre variante encore, ni l'ouverture d'évacuation de la surverse d'ajustement ni l'ouverture d'évacuation de la surverse aval ne sont réglables en altitude, mais le réservoir d'ajustement et le réservoir aval sont tous deux réglables en altitude.
On pourrait aussi combiner le caractère réglable en altitude du réservoir d'ajustement et de l'ouverture d'évacuation de la surverse d'ajustement, par exemple pour augmenter une amplitude de déplacement selon l'axe (Oz) de la surface libre SI relativement à la cuve. En complément ou en variante, on pourrait combiner le caractère réglable en altitude du réservoir aval et de l'ouverture d'évacuation de la surverse aval, par exemple pour augmenter une amplitude de déplacement selon l'axe (Oz) de la surface libre SI, respectivement de la surface libre S2. Le caractère réglable en altitude du réservoir d'ajustement, respectivement du réservoir aval, se rapporte à une variation d'altitude relativement à la cuve, et sans variation de la forme dudit réservoir.
Afin de permettre des translations importantes du réservoir aval 170 et/ou du réservoir d'ajustement 150, les conduits intermédiaires arrivant et partant de ces derniers sont avantageusement des conduits repliables en accordéon, ou des conduits télescopiques.
Selon d'autres variantes, le bac de débullage 240 peut être relié fixement au réservoir d'ajustement 250, ces derniers étant réglables ensemble en altitude.
La figure 3 illustre, de façon schématique et selon une vue en coupe, une deuxième variante 300 du système de refroidissement de la figure IA.
Cette variante ne diffère du mode de réalisation de la figure IA qu'en ce que l'ouverture d'évacuation 357 de la surverse d'ajustement 355 n'est pas réglable en altitude, et en ce que le réservoir d'ajustement 350 et le réservoir aval sont fixes l'un relativement à l'autre et réglables ensemble en altitude.
Le caractère réglable en altitude de l'ensemble formé par le réservoir d'ajustement 350 et le réservoir aval 370 est symbolisé par une double flèche épaisse. Les réservoirs d'ajustement et aval sont par exemple montés tous deux solidaires d'un support qui est mobile en translation le long d'un guide, par exemple un guide agencé parallèle à l'axe (Oz). De nombreuses autres variantes peuvent être mises en œuvre, tant que le montage dudit support autorise un déplacement simultané des réservoirs d'ajustement et aval, selon un mouvement qui comporte au moins une composante parallèle à l'axe (Oz).
Ce mode de réalisation permet de réaliser l'ajustement du débit en déplaçant l'altitude de la surface libre S2 du liquide caloporteur dans le réservoir aval, et de réaliser l'ajustement de la pression en déplaçant l'altitude de la surface libre SI du liquide caloporteur dans le réservoir d'ajustement conjointement avec l'altitude de la surface libre S2, donc sans modifier la différence d'altitude entre SI et S2, et donc sans modifier le débit. La figure 4A illustre, de façon schématique et selon une vue en coupe, un deuxième mode de réalisation 400A d'un système de refroidissement selon l'invention. Ce deuxième mode de réalisation ne sera décrit que pour ses différences relativement au mode de réalisation de la figure IA.
Le système de refroidissement 400 est muni ici d'un dispositif d'ajustement de la pression, qui comporte un capteur de pression 41A, un calculateur 42A et un actuateur 43A.
L'ajustement de la pression nécessite avantageusement de connaître la pression en un point déterminé sur la face intérieure du hublot 463, respectivement 464, avec ces points situés dans un plan situé à une altitude H3 relativement au niveau de la mer, dans le référentiel terrestre. En pratique, il est délicat de positionner un capteur de pression contre les hublots, de sorte que le capteur de pression 41A est positionné plutôt à distance des hublots 463 et 464, à une distance connue de ces derniers notamment le long de l'axe (Oz). Il est ainsi possible de définir, par calculs ou simulations, une différence de pression entre la pression mesurée par le capteur de pression 41A et la pression au niveau des points respectifs considérés sur le hublot 463, respectivement 464. Le capteur de pression 41A est positionné de préférence à une altitude supérieure à celle des extrémités supérieures respectives des hublots. Il peut également se trouver en-dessous des hublots, c'est-à-dire à une altitude inférieure à un point le plus bas sur ces derniers. Ici, le capteur de pression est positionné au niveau du sixième conduit intermédiaire 106, reliant la cuve 460 au réservoir aval 470. En tout état de cause, le capteur de pression est positionné de préférence en un emplacement déterminé du circuit, entre le réservoir d'ajustement 450 et le réservoir aval 470. Cet emplacement est situé plus particulièrement sur une portion du circuit, où ladite portion va du réservoir d'ajustement 450 au réservoir aval 470 en passant par la cuve 460.
Le calculateur 42A, ou processeur, est configuré pour recevoir en entrée une valeur de consigne V'c et une valeur mesurée V'm de la pression. La valeur de consigne V'c est une donnée d'entrée, se rapportant ici à une valeur de pression souhaitée au point déterminé sur la face intérieure du hublot 463, respectivement 464. La valeur de consigne V'c est par exemple égale à la pression atmosphérique. La valeur de consigne V'c peut être fournie directement par un utilisateur, par l'intermédiaire d'une interface homme- machine. La valeur mesurée V'm correspond quant à elle à la pression mesurée par le capteur de pression 41A. Elle est fournie ici directement par ledit capteur de pression 41A.
Le calculateur 42A est configuré pour déterminer, à partir de ladite valeur mesurée V'm, une valeur calculée V'p de la pression au niveau dudit point déterminé sur la face intérieure du hublot 463, respectivement 464. Ladite valeur calculée V'p est obtenue par une simple opération de soustraction, en utilisant l'écart de pression DR, théorique ou simulé, entre la pression au niveau du capteur de pression 41A et la pression au niveau dudit point déterminé, dans le système de refroidissement 400A selon l'invention.
Le calculateur 42A est configuré ensuite pour comparer la valeur de consigne V'c et la valeur calculée V'p, et pour déduire d'une différence entre V'c et V'p une commande d'ajustement de la pression, Cp. La commande d'ajustement de la pression est constituée ici d'une commande de déplacement de l'ouverture d'évacuation 457A de la surverse d'ajustement, pour modifier l'altitude de la surface libre SI du liquide caloporteur dans le réservoir d'ajustement 450.
L'actuateur 43A reçoit en entrée la commande Cp. Il est configuré pour, en réponse, déplacer l'ouverture d'évacuation 457A selon le mouvement défini par la commande Cp. L'actuateur 43A peut comprendre un moteur, apte à entraîner en déplacement l'ouverture d'évacuation 457A.
Le capteur de pression 41A, le calculateur 42A et l'actuateur 43A permettent ainsi d'amener à une valeur souhaitée la pression au point déterminé sur la face intérieure du hublot 463, respectivement 464.
En variante, le calculateur 42A compare directement la valeur de pression fournie par le capteur de pression avec une pression de consigne, sans déterminer la valeur de la pression au point déterminé sur la face intérieure du hublot 463, respectivement 464.
La figure 4B illustre, de façon schématique et selon une vue en coupe, une variante du mode de réalisation de la figure 4A. Ce mode de réalisation ne diffère de celui de la figure 4A qu'en ce que l'ouverture d'évacuation 457B de la surverse d'ajustement n'est pas réglable en altitude, et en ce que le réservoir d'ajustement 450 et le réservoir aval 470 sont fixes l'un relativement à l'autre et réglables ensemble en altitude (voir figure 3).
Le calculateur 42B est configuré pour recevoir en entrée la valeur de consigne V'c et la valeur mesurée V'm de la pression fournie par le capteur de pression 41B, et pour déterminer, à partir de ces valeurs, une commande d'ajustement de la pression Cp. La commande d'ajustement de la pression Cp est constituée ici d'une commande de déplacement des réservoirs d'ajustement 450 et aval 570 reliés fixement entre eux.
On peut ainsi amener à une valeur souhaitée la pression au point déterminé sur la face intérieure du hublot 463, respectivement 464, tout en conservant une valeur du débit dans la cuve lié à la différence entre l'altitude de la surface libre SI du liquide caloporteur dans le réservoir d'ajustement et l'altitude de la surface libre S2 du liquide caloporteur dans le réservoir aval.
La figure 5 illustre, de façon schématique et selon une vue en coupe, un troisième mode de réalisation 500 d'un système de refroidissement selon l'invention, qui ne sera décrit que pour ses différences relativement au mode de réalisation de la figure 3.
Le système de refroidissement 500 est muni ici d'un dispositif d'ajustement du débit, qui comporte un capteur de débit 51, un calculateur 52 et un actuateur 53.
Le capteur de débit 51, ou débitmètre, est positionné en un emplacement déterminé du circuit, entre le réservoir d'ajustement 550 et le réservoir aval 570. Cet emplacement est situé plus particulièrement sur une portion du circuit, où ladite portion va du réservoir d'ajustement 550 au réservoir aval 570 en passant par la cuve 560. Ici, le capteur de débit 51 est positionné au niveau du sixième conduit intermédiaire 106, reliant la cuve 560 au réservoir aval 570.
Le calculateur 52, ou processeur, est configuré pour recevoir en entrée une valeur de consigne Vc et une valeur mesurée Vm d'un débit de liquide caloporteur circulant dans le système de refroidissement 500 en utilisation. La valeur de consigne Vc est une donnée d'entrée, fixée par des besoins en refroidissement du milieu amplificateur laser 30 dans la cuve. La valeur de consigne Vc peut être fournie directement par un utilisateur, par l'intermédiaire d'une interface homme-machine. En variante, elle est calculée par le calculateur 52 ou par un calculateur annexe, en fonction d'une ou plusieurs données d'entrées telles qu'une fréquence d'impulsions de pompage du milieu amplificateur laser 30. La valeur mesurée Vm correspond quant à elle au débit mesuré par le capteur de débit 51. Elle est fournie ici directement par ledit capteur de débit 51. Le calculateur 52 est configuré pour comparer la valeur de consigne Vc et la valeur mesurée Vm, et pour déduire d'une différence entre Vc et Vm une commande d'ajustement du débit, Cd. La commande d'ajustement du débit est constituée ici d'une commande de déplacement de l'ouverture d'évacuation 577 de la surverse aval, pour modifier l'altitude de la surface libre S2 du liquide caloporteur dans le réservoir aval.
L'actuateur 53 reçoit en entrée la commande Cd. Il est configuré pour, en réponse, déplacer l'ouverture d'évacuation 577 selon le mouvement défini par la commande Cd. L'actuateur 53 peut comprendre un moteur, apte à entraîner en déplacement l'ouverture d'évacuation 577.
Le capteur de débit 51, le calculateur 52 et l'actuateur 53 permettent ainsi d'amener à une valeur souhaitée le débit de liquide caloporteur dans la cuve.
La figure 6 illustre un quatrième mode de réalisation d'un système de refroidissement 600 selon l'invention. Ce quatrième mode de mode de réalisation ne sera décrit que pour ses différences relativement au mode de réalisation de la figure IA.
Dans ce mode de réalisation, le système de refroidissement 600 comporte un bac de récupération 610 tel que décrit en référence à la figure 1, une pompe 620, un dispositif de régulation thermique 630, ainsi qu'une cuve 660 tels que décrits en référence à la figure 1. Il comporte également un réservoir d'ajustement 670 tel que décrit précédemment, à la différence que le réservoir d'ajustement 670 s'étend ici en aval de la cuve, dans le sens de circulation du liquide caloporteur 20 depuis un orifice de sortie du bac de récupération 610 jusqu'à un orifice de retour dans le bac de récupération 610. Le bac de récupération 610 est relié à la pompe 620 par un premier conduit intermédiaire 60i. La pompe 620 est reliée au dispositif de régulation thermique 630 par un deuxième conduit intermédiaire 602. Le dispositif de régulation thermique 630 est relié à la cuve 660 par un troisième conduit intermédiaire 603. La cuve 660 est reliée au réservoir d'ajustement 670 par un quatrième conduit intermédiaire 604. Enfin, le réservoir d'ajustement 670 est relié au bac de récupération par un cinquième conduit intermédiaire 605. L'ensemble forme un circuit hydraulique dans lequel le liquide caloporteur 20 circule en boucle, en utilisation. De préférence, le réservoir d'ajustement 670 présente un volume intérieur qui s'étend au moins entre l'altitude du point de la cuve d'altitude maximale, et l'altitude d'un autre point de la cuve, en contrebas.
En utilisation, la pompe 620 propulse le liquide caloporteur depuis le bac de récupération 610 jusqu'au-delà de la cuve 660. Ensuite, le liquide caloporteur se propage jusque dans le réservoir d'ajustement 670 puis retourne dans le bac de récupération 610, entraîné par la force de gravité. La pompe 620 est par exemple une pompe volumétrique, notamment une pompe à vis excentrée.
En utilisation, la pression dans la cuve, et plus particulièrement la pression qui s'exerce à l'intérieur de la cuve 660 et en un point déterminé respectif sur les hublots 663 et 664, est fonction de l'altitude de la surface libre S2 du liquide caloporteur dans le réservoir d'ajustement 670.
Ici, le réservoir d'ajustement 670 est muni d'une surverse d'ajustement 675, qui s'étend à l'intérieur du réservoir d'ajustement 670 et dont l'ouverture d'évacuation 677 est réglable en altitude. La surverse d'ajustement 675 avec son ouverture d'évacuation 677 réglable en altitude est telle que celles décrites en référence à la figure IA. Ladite surverse d'ajustement 675 permet d'ajuster à la valeur souhaitée l'altitude de ladite surface libre S2, et donc d'ajuster à la valeur souhaitée la pression qui s'exerce en un point respectif déterminé sur les hublots 663 et 664, à l'intérieur de la cuve 660.
Ici, un tuyau d'évacuation de la surverse d'ajustement s'étend entre ladite surverse d'ajustement 675 et le bac de récupération 610, confondu avec le cinquième conduit intermédiaire 605. Selon une variante non représentées, ce tuyau d'évacuation est distinct d'un conduit intermédiaire appartenant au circuit hydraulique selon l'invention.
Selon d'autres variantes, le réservoir d'ajustement 670 peut être agencé réglable en altitude, comme le réservoir d'ajustement de l'exemple illustré en figure 2. Dans ce cas, l'ouverture d'évacuation 677 de la surverse d'ajustement 675 peut être montée fixe relativement au réservoir d'ajustement, ou réglable en altitude relativement à ce dernier.
Dans ces différentes variantes, le débit de liquide caloporteur dans la cuve 660 peut quant à lui être ajusté en ajustant le débit en sortie de la pompe 620.
Selon d'autres variantes encore, le dispositif de régulation thermique 630 peut être situé ailleurs dans le circuit.
L'invention offre ainsi un système de refroidissement laser offrant une pression réglable et stable dans la cuve destinée à recevoir le milieu amplificateur laser à refroidir. Cette pression est obtenue grâce à un système de gestion d'altitude de surface libre, permettant notamment de découpler une pression en sortie de la pompe de la pression dans la cuve.
L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits ci-dessus, et de nombreux autres modes de réalisation et variantes peuvent être mis en œuvre sans sortir du cadre de l'invention, en particulier en combinant deux ou plus des exemples décrits ci-dessus.
L'invention couvre également des variantes des modes de réalisation illustrés aux figures IA, 2, 3, 4A, 4B et 5, dans lesquelles le bac de débullage et le réservoir d'ajustement sont formés ensemble par un seul et même réservoir. En tout état de cause, lorsque le bac de débullage et le réservoir d'ajustement sont distincts l'un de l'autre, la forme, la profondeur et l'altitude du bac de débullage sont compatibles avec une altitude maximale et une altitude minimale de la surface libre du liquide caloporteur dans le réservoir d'ajustement, pour permettre que l'altitude de surface libre du liquide caloporteur dans le réservoir d'ajustement et l'altitude de surface libre du liquide caloporteur dans le bac de débullage puissent rester les mêmes.
L'invention couvre également des variantes dans lesquelles un tuyau d'évacuation d'une surverse est distinct d'un conduit intermédiaire appartenant au circuit hydraulique selon l'invention.
Selon d'autres variantes encore, la cuve peut comporter un unique hublot, ou plus de deux hublots. Dans les exemples représentés, le réservoir d'ajustement se trouve directement en amont de la cuve ou directement en aval de la cuve, sans réservoir intercalaire entre les deux, avec simplement un conduit intermédiaire qui relie une sortie du réservoir amont et une entrée dans la cuve, respectivement une sortie de la cuve et une entrée dans le réservoir aval. En variante, le système de refroidissement selon l'invention peut comporter un ou plusieurs réservoirs annexes, disposés entre le réservoir d'ajustement et la cuve et/ou entre la cuve et le réservoir d'ajustement, et destinés à être entièrement remplis de liquide caloporteur, en utilisation. De tels réservoirs peuvent former des masses thermiques, pour homogénéiser encore plus la température du liquide caloporteur avant son passage dans la cuve.
De la même manière, le réservoir aval, lorsqu'il existe et qu'il est distinct du réservoir d'ajustement (voir figures IA, 2, 3, 4A, 4B et 5), peut se trouver directement en aval de la cuve, avec simplement un conduit intermédiaire qui relie une sortie de la cuve et une entrée dans le réservoir aval. En variante, le système de refroidissement selon l'invention peut comporter un ou plusieurs réservoirs annexes, disposés entre la cuve et le réservoir aval, et destinés à être entièrement remplis de liquide caloporteur, en utilisation. De tels réservoirs peuvent former des masses thermiques, pour homogénéiser encore plus la température du liquide caloporteur avant son passage dans la cuve. Les différents bacs et réservoirs peuvent présenter des formes quelconques, en particulier avec un fond non plan, et/ou non horizontal. Le dispositif de régulation thermique peut être placé à d'autres emplacements que celui donné en exemple, par exemple dans le bac de débullage, ou dans le réservoir d'ajustement, ou dans un conduit intermédiaire tel que celui qui relie la cuve au réservoir aval (ou au réservoir d'ajustement dans l'exemple de la figure 6). Le dispositif de régulation thermique doit simplement se trouver en aval de la pompe et en amont du bac de récupération, dans le sens de circulation du liquide caloporteur depuis un orifice de sortie du liquide caloporteur hors du bac de récupération 110 jusqu'à un orifice de retour du liquide caloporteur dans le bac de récupération 110, où le bac de récupération 110 forme un réservoir d'où le liquide caloporteur est extrait par une pompe. Dans chacun des modes de réalisation de l'invention, une surverse est reliée à un tuyau d'évacuation permettant d'évacuer un excédent de liquide caloporteur dans le réservoir correspondant. Ledit tuyau d'évacuation débouche ici dans le bac de récupération. En variante, il peut déboucher dans un autre bac du circuit selon l'invention dans lequel le liquide caloporteur présente une surface libre.
L'invention trouve une application dans le domaine des lasers à solide de forte énergie et à puissance moyenne élevée, devant présenter une très bonne qualité de faisceau.

Claims

REVENDICATIONS
1. Système de refroidissement (100 ; 200 ; 300 ; 400A ; 400B ; 500 ; 600) d'un milieu amplificateur laser (30), comprenant un circuit agencé en boucle fermée et configuré pour, en utilisation, recevoir un liquide caloporteur (20) en circulation, ledit circuit comprenant une cuve (160 ; 460 ; 560 ; 660) munie d'au moins un hublot (163, 164 ; 463, 464 ; 663, 664) et configurée pour, en utilisation, recevoir le milieu amplificateur laser (30) immergé dans le liquide caloporteur (20), caractérisé en ce que ledit circuit comprend en outre :
- un réservoir d'ajustement (150, 250 ; 350 ; 450 ; 550 ; 670), configuré pour, en utilisation, contenir du liquide caloporteur (20) entre un fond dudit réservoir d'ajustement et une surface libre du liquide caloporteur (20) dans le réservoir d'ajustement; et
- une surverse d'ajustement (155 ; 255 ; 355 ; 675), agencée dans le réservoir d'ajustement et munie d'une ouverture d'évacuation (157 ; 257 ; 357 ; 457A ; 457B ; 677) qui définit, en utilisation, une altitude de la surface libre du liquide caloporteur dans le réservoir d'ajustement ;
l'un au moins parmi le réservoir d'ajustement et l'ouverture d'évacuation de la surverse d'ajustement étant monté réglable en altitude.
2. Système de refroidissement (100 ; 400A ; 600) selon la revendication 1, dans lequel la surverse d'ajustement (155 ; 675) comporte un conduit télescopique ou un conduit repliable en accordéon, monté solidaire de son ouverture d'évacuation (157 ; 457A ; 677).
3. Système de refroidissement (100 ; 200 ; 300 ; 400A ; 400B ; 500) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le système de refroidissement comporte en outre :
- un réservoir aval (170 ;370 ; 470 ; 570), configuré pour, en utilisation, contenir du liquide caloporteur (20) entre un fond dudit réservoir aval et une surface libre (S2) du liquide caloporteur (20) dans le réservoir aval; et - une surverse avale (175), agencée dans le réservoir aval et munie d'une ouverture d'évacuation (177 ; 577) qui définit, en utilisation, une altitude (H2) de la surface libre (S2) du liquide caloporteur dans le réservoir aval ;
avec les réservoirs amont et aval disposés de sorte qu'en utilisation, le liquide caloporteur traverse successivement le réservoir amont, la cuve et le réservoir aval,
et dans lequel l'un au moins parmi le réservoir aval et l'ouverture d'évacuation de la surverse avale est monté réglable en altitude.
4. Système de refroidissement (100 ; 400A) selon la revendication 3, dans lequel l'ouverture d'évacuation (157 ; 457A) de la surverse d'ajustement et l'ouverture d'évacuation (177) de la surverse avale sont montées chacune réglables en altitude, indépendamment l'une de l'autre.
5. Système de refroidissement (300 ; 400B ; 500) selon la revendication 3 ou 4, dans lequel l'une au moins parmi l'ouverture d'évacuation (357 ; 457B) de la surverse d'ajustement et l'ouverture d'évacuation (577) de la surverse aval est montée réglable en altitude, et dans lequel le réservoir d'ajustement (350 ; 450 ; 550) et le réservoir aval (370 ; 470 ; 570) sont reliés fixement entre eux et montés ensemble réglables en altitude.
6. Système de refroidissement (400A) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, muni d'un dispositif d'ajustement de la pression qui comporte :
- un capteur de pression (41A), pour mesurer une pression dans le circuit, entre le réservoir d'ajustement (450) et le réservoir aval (470) ;
- un calculateur (42A), configuré pour recevoir en entrée une valeur (V'c) de consigne et une valeur mesurée (V'm) de pression, où la valeur mesurée (V'm) est fournie par le capteur de pression (41A), et pour fournir en sortie une commande d'ajustement de la pression (Cp) ; et
- un actuateur (43A), configuré pour piloter l'altitude de l'un au moins parmi le réservoir d'ajustement (450) et l'ouverture d'évacuation (457A) de la surverse d'ajustement, en réponse à la réception de la commande d'ajustement de la pression (Cp).
7. Système de refroidissement (400B) selon la revendication 5, muni d'un dispositif d'ajustement de la pression qui comporte :
- un capteur de pression (41B), pour mesurer une pression dans le circuit, entre le réservoir d'ajustement (450) et le réservoir aval (470) ;
- un calculateur (42B), configuré pour recevoir en entrée une valeur (V'c) de consigne et une valeur mesurée (V'm) de pression, où la valeur mesurée (V'm) est fournie par le capteur de pression (41B), et pour fournir en sortie une commande d'ajustement de la pression (Cp) ; et
- un actuateur (43B), configuré pour piloter l'altitude du réservoir d'ajustement (450) et du réservoir aval (470) reliés fixement entre eux, en réponse à la réception de la commande d'ajustement de la pression (Cp).
8. Système de refroidissement (500) selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, muni d'un dispositif d'ajustement du débit qui comporte :
- un débitmètre (51), pour mesurer un débit de liquide caloporteur dans le circuit, entre le réservoir d'ajustement (550) et le réservoir aval (570) ;
- un calculateur (52), configuré pour recevoir en entrée une valeur de consigne (Vc) et une valeur mesurée (Vm) du débit de liquide caloporteur, où la valeur mesurée (Vm) est fournie par le débitmètre (51), pour comparer la valeur de consigne et la valeur mesurée, et pour en déduire une commande d'ajustement du débit (Cd) ; et
- un actuateur (53), configuré pour piloter l'altitude de l'un au moins parmi le réservoir d'ajustement (550), le réservoir aval (570), l'ouverture d'évacuation du réservoir d'ajustement, et l'ouverture d'évacuation (577) du réservoir aval, en réponse à la réception de la commande d'ajustement du débit (Cd).
9. Système de refroidissement (100 ; 200 ; 300 ; 400A ; 400B ; 500) selon l'une quelconque des revendications 3 à 8, dans lequel ledit circuit comprend en outre un bac de récupération (110), un dispositif de régulation thermique (130), et une pompe (120), la pompe étant configurée pour, en utilisation, propulser le liquide caloporteur le long de l'axe de la gravité et dans la direction opposée à la force de gravité, depuis le bac de récupération (110) jusqu'au-delà du dispositif de régulation thermique (130).
10. Système de refroidissement (600) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le circuit comprend en outre un bac de récupération (610), un dispositif de régulation thermique (630), et une pompe (620), avec la pompe (620) configurée pour, en utilisation, propulser le liquide caloporteur depuis le bac de récupération (610) jusqu'à la cuve (660), en passant par le dispositif de régulation thermique (630), et avec le réservoir d'ajustement (670) disposé de sorte qu'en utilisation, le liquide caloporteur traverse successivement le bac de récupération (610), la cuve (660) et le réservoir d'ajustement (670).
11. Procédé de réglage mis en œuvre dans un système de refroidissement (100 ; 200 ; 300 ; 400A ; 400B ; 500 ; 600) selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend un ajustement de l'altitude de l'un parmi le réservoir d'ajustement (150, 250 ; 350 ; 450 ; 550 ; 670) et l'ouverture d'évacuation (157 ; 257 ; 357 ; 457A ; 457B ; 677) de la surverse d'ajustement, de manière à ajuster l'altitude relativement à la cuve de la surface libre du liquide caloporteur dans le réservoir d'ajustement, et ainsi ajuster une pression à l'intérieur de la cuve.
12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il est mis en œuvre dans un système de refroidissement (300 ; 400B ; 500) selon la revendication 5, et en ce que ledit ajustement d'altitude est réalisé par un ajustement de l'altitude du réservoir d'ajustement (350 ; 450 ; 550) relié fixement au réservoir aval (370 ; 470 ; 570), de manière à ajuster l'altitude relativement à la cuve de la surface libre (SI) du liquide caloporteur dans le réservoir d'ajustement sans modifier une différence entre l'altitude de la surface libre (SI) du liquide caloporteur dans le réservoir d'ajustement et l'altitude de la surface libre (S2) du liquide caloporteur dans le réservoir aval.
13. Procédé selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce qu'il est mis en œuvre dans un système de refroidissement (100 ; 200 ; 300 ; 400A ; 400B ; 500) selon l'une quelconque des revendications 3 à 9, et en ce qu'il comprend un ajustement de l'altitude de l'un au moins parmi le réservoir d'ajustement (150 ; 250 ; 350 ; 450 ; 550), le réservoir aval (170 ; 370 ; 470 ; 570), l'ouverture d'évacuation de la surverse d'ajustement (155 ; 255 ; 355), et l'ouverture d'évacuation de la surverse avale (175), de manière à ajuster l'altitude (Hl) de la surface libre (SI) du liquide caloporteur dans le réservoir d'ajustement relativement à l'altitude (H2) de la surface libre (S2) du liquide caloporteur dans le réservoir aval, et ainsi ajuster un débit de liquide caloporteur dans la cuve.
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