ЗЕРКАЛО Российский патент 1995 года по МПК G02B5/08 

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано в измерительной технике, астрономических приборах, концентраторах солнечной энергии, в составе оптического тракта лазерных технологических установок.

Известно оптическое зеркало [1] выполненное в виде монолитного блока с отражающей рабочей и тыльной поверхностями, в последней из которых выполнены расположенные регулярно отверстия, сообщающиеся с соосными с ними цилиндрическими полостями различной формы, в котором расстояние Z между осями полостей связано с их диаметром соотношением
1/2 D≅Z≅D
Недостатком данного зеркала является значительная пористость монолитного зеркала и наличие замкнутых объемов, что, соответственно, снижает жесткость зеркала и создает неравномерность его нагрева под нагрузкой как по толщине, так и по диаметру зеркала, что приводит к потере геометрической стабильности зеркала.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является облегченное оптическое зеркало [2] содержащее сквозные внутренние полости, расположенные между тыльной и отражающей поверхностями, оси которых сообщаются между собой в местах пересечения.

Недостатком известного зеркала является большая пористость основы, что затрудняет передачу тепла от более нагретой верхней части основы к менее нагретой тыльной стороне основы, создавая значительный перепад температуры по толщине основы, приводящей к большим изгибным напряжениям зеркала, снижающим его работоспособность.

Задача изобретения повышение геометрической стабильности и работоспособности зеркала с принудительным воздушным охлаждением.

Поставленная задача решается за счет уменьшения изгибных напряжений путем уменьшения перепада температур между отражающей и тыльной поверхностью зеркала, а также понижением средней температуры зеркала.

Это достигается тем, что в известном зеркале, содержащем основу со сквозными каналами, расположенными между тыльной и отражающей поверхностями, с тыльной стороны основы выполнены каналы до пересечения со сквозными каналами, отношение количества сквозных каналов к каналам с тыльной стороны основы выбрано ≥0,5, а отношение их диаметров, соответственно, в диапазоне 1-3, при этом на части поверхности сквозных каналов, прилегающей к тыльной стороне основы, выполнены теплоизоляционные экраны, а внешняя сторона зеркала снабжена теплоизоляцией. Диаметр сквозных каналов выбран из соотношения 0,3-0,6 высоты зеркала Н, а количество сквозных каналов выбрано из соотношения (1-2,5).D/H, где D диаметр или диагональ зеркала; Н высота зеркала. На части поверхности сквозных каналов, прилегающей к рабочей поверхности зеркала, выполнены канавки трапециевидной, треугольной или прямоугольной формы.

Сущность изобретения заключается в том, что создано зеркало с системой каналов для принудительного воздушного охлаждения или эффективного использования природной конвекции для охлаждения внутренних полостей и распределения тепла внутри зеркала, что снижает перепад температур между оптической и тыльной поверхностями зеркала, а значит, уменьшает изгибные напряжения, поскольку теплоизолируется нижняя часть основы с одной стороны теплоизолирующими экранами, установленными на части поверхности сквозных каналов, и с другой стороны теплоизоляцией, расположенной на внешней стороне зеркала, а верхняя часть основы, примыкающая к оптической поверхности, интенсивно охлаждается за счет поступления воздуха через сквозные каналы и каналы, расположенные на тыльной стороне основы. Чтобы максимально снизить влияние пористости основы в виде сквозных каналов, предложено выполнять систему сквозных охлаждающих каналов преимущественно в области нейтральной плоскости зеркала, при таком выполнении пористости влияние ее на жесткость зеркала минимально и это приведет к минимальному увеличению изгибных составляющих напряжений и перемещений, и в то же время теплоизолирующие экраны, организованные на части поверхности сквозных каналов, прилегающей к тыльной стороне основы, способствуют уменьшению передачи тепла в окружающую среду от тыльной поверхности зеркала, а рифления, выполненные на части поверхности сквозных охлаждающих каналов, прилегающей к рабочей поверхности зеркала, способствуют увеличению отвода тепла от верхней части зеркала, как при принудительном воздушном охлаждении, так и при естественной конвекции, но в меньшей степени. Локальный коэффициент теплоотдачи на поверхности каналов, прилегающей к отражающей поверхности, при принудительной подаче воздуха в каналы может увеличиваться примерно в 10 раз. Помимо этого поверхность теплообмена верхней части основы увеличивается за счет введения рифлений в виде канавок на поверхности каналов, которые, кроме того, создают дополнительную турбулизацию воздуха. В комплексе все это дает улучшение перераспределения тепла в зеркале, уменьшение средней температуры, уменьшение перепада температур, а значит, уменьшение изгибной составляющей напряжений и перемещений оптической поверхности по сравнению с прототипом, т.е. повышается геометрическая стабильность зеркала.

Отношение количества каналов ≥0,5 и их диаметров в интервале 1-3 выбрано из условия обеспечения эффективного охлаждения верхней части основы воздухом, путем увеличения коэффициента теплоотдачи при сохранении достаточной жесткости зеркала.

Диаметр сквозных каналов выбран в интервале 0,3-0,6 высоты зеркала, а их количество из соотношения (1-2,5) D/H из условия обеспечения максимально возможного съема тепла с верхней части основы, примыкающей к оптической поверхности, и передачи тепла по материалу основы от верхней части к нижней тыльной при одновременном сохранении необходимой жесткости зеркала.

Нижняя часть основы теплоизолируется экранами, установленными на поверхности сквозных каналов, и теплоизоляцией с внешней стороны зеркала.

Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором изображена основа 1, подложка с оптической поверхностью 2, сквозные каналы 3 с канавками трапециевидной, прямоугольной или треугольной формы 4, каналы 5 с тыльной стороны зеркала, теплоизолирующие экраны 6, теплоизоляция 7.

Устройство работает следующим образом.

Основа 1 нагревается от лучей, поглощенных оптической поверхностью 2. Часть тепла передается нижней части основы, а часть тепла отводится от наружных поверхностей зеркала и от поверхностей каналов.

Теплопередача путем конвекции воздуха усиливается из-за увеличения поверхности теплообмена за счет выполненных на каналах канавок 4 различной формы, например, прямоугольной, а также из-за турбулизации воздуха в каналах.

Количество тепла, проникающее от нагретой части основы, примыкающей к оптической поверхности, к тыльной, ограничивается теплоизолирующими экранами 6. Воздух, поступающий через каналы 5, с тыльной стороны основы увеличивает локальный коэффициент теплоотдачи и тем самым способствует выравниванию температуры верхней и нижней части основы зеркала, уменьшая изгибные напряжения и улучшая работоспособность зеркала.

Примером конкретного выполнения служит ряд зеркал диаметром 260-500 мм. Материал зеркал медь, молибден, высота зеркал 100-150 мм.

Например, в зеркале диаметром 350 мм, высотой 120 мм в основе выполнено 4 сквозных пересекающихся отверстия диаметром 60 мм и на тыльной стороне основы 4 отверстия диаметром 60 мм до пересечения со сквозными отверстиями. На поверхности сквозных отверстий выполнены кольцевые канавки глубиной 1-3 мм, шириной 3 мм, шагом 10 мм. На части поверхности сквозных каналов приклеены экраны из стали 12 Х18Н10Т толщиной 0,5-1 мм с теплоизоляционным поглощающим покрытием. На тыльной стороне основы прикреплен теплоизолирующий экран из стали 12Х18Н10Т толщиной 1 мм с теплоизолирующим покрытием.

На тыльной стороне основы, вокруг отверстий, выполнены крепежные отверстия для присоединения системы шлангов для принудительного охлаждения зеркала воздухом.

Таким образом, предложенная конструкция зеркала с принудительным воздушным охлаждением обеспечивает эффективный теплосъем от нагретой части основы, передачу части тепла к тыльной части основы, что способствует выравниванию температуры по толщине зеркала и снижению средней температуры, не уменьшая жесткости основы, что снижает изгибные напряжения и повышает работоспособность зеркала.

Использование: в лазерной технике, в составе оптического тракта лазерных технологических установок. Сущность изобретения: зеркало содержит подложку с оптической поверхностью и основу со сквозными каналами, расположенную между тыльной и отражающей поверхностями зеркала. С тыльной стороны основы выполнены каналы до пересечения со сквозными каналами, расположенными между тыльной и оптической поверхностями. Отношение количества сквозных каналов к количеству каналов с тыльной стороны основы выбрано ≥ 0,5, а отношение их диаметров в диапазоне 1 3. Диаметр сквозных каналов выбран из соотношения 0,3 0,6 высоты зеркала H, а их количество выбрано из соотношения (1 2,5) D /H, где D диаметр или диагональ зеркала, H высота зеркала. Поверхность сквозных каналов может быть выполнена развитой. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. ЗЕРКАЛО, содержащее подложку с оптической поверхностью и основу со сквозными каналами, расположенными между тыльной и отражающей поверхностями, отличающееся тем, что с тыльной стороны основы выполнены каналы до пересечения со сквозными каналами, отношение количества сквозных каналов к каналам с тыльной стороны основы выбрано ≥ 0,5, а отношение их диаметров соответственно в диапазоне 1 3, при этом на части поверхности сквозных каналов, прилегающей к тыльной стороне основы, выполнены теплоизоляционные экраны, а внешняя сторона зеркала снабжена теплоизоляцией. 2. Зеркало по п.1, отличающееся тем, что диаметр сквозных каналов выбран из соотношения 0,3 0,6 высоты зеркала. 3. Зеркало по пп.1 и 2, отличающееся тем, что количество каналов выбрано из соотношения (1 2,5) D / H, где D диаметр или диагональ зеркала, H - высота зеркала. 4. Зеркало по пп. 1 3, отличающееся тем, что на части поверхности сквозных каналов, прилегающей к рабочей поверхности зеркала, выполнены канавки трапецеидальной, треугольной или прямоугольной формы.