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L'invention concerne un dispositif de mélange pDur écoulement
~1.7~UX.
Elle s'appliq~e au ca9 n~ l'on est en prësence d'un écoulement
d'un premier gaz et où l'on veut introduire un deuxième gaz àans cet écou-
lemsnt, ds manière à réaliser rapidement un mélange hcmogène.
Une solution connue consiste à disposer dans cet écoulement une
succr3ssion de tubes disposés parallèlement les uns aux autres dans un meme
plan perpendiculaire à l'~coulement, en laissant entre eux des intervalles
pour laisser passer le premier ~az, On introduit le deuxième gaz dans ces
tubes, qui sont percés, chacun, le long d'une de ses génératrices disposée
sur sa face aval par rapport à l'écoulement, d'une succession de trous
d'inJection par lesquels le deuxlème gaz s'échappe et se mélange au premier
;r~z .
Cette solul;lon connue ne permet pas toujours d'obtenir un mélange
QUssi rapide qu'il conviendrait, notammen~ dans le cas où le premier gaz est
de l'azote excité par une décharge électrique et où le deuxième gaz contient
du gaz carbonique qui doit être excité par interaction moléculaire avec
l'azote avant la désexcitation naturelle de l'azots, de manière à ce que le
g~z carbonique ainsi excité puisse constituer 1E milieu actif d'un laser.
1~ prf3sente invsntion a pour but de parvenir plus rapidement à
un mL~lange homog~ne des deux gaz.
Elle a pour ob~et un dispositif de mélange pour ~icuulelnont ~azeux
comport.ank d~s moyens pour conduire un deuxi~rllH gaz dans un (icoLIlement d'un
pr~mlùr ~a,:, Cf35 moyens comportant des trous d'injection r~partls dans la
~3nclLnn de c~3t ~icoulHment,
anract~`irl3li par 1n Falt que lesdits nnoyens pour conduire le deuxièlne gaz
cnmport~nt :
- uns plaque amont disposée de manière à barrer l'écoulement dudit premier
gaz, et percée d'une multitude d'ori~ices de transmission amont,
- une plaque aval disposée en aval et en regard de ladite plaque amont
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et percée, d'une part, d'une multitude d'orifices de transmission aval
`orresponclant respectivsment aux orifices de transmission amontl et, d'autre
part, d'une rnultitucle d'orifices cl'injection,
- une multitude de tubes de transmission raccordés chacun de manière étanche
au bord de l'un des orifices de transmission amont, et conduisarlt le prernier
gaz de cet orifice ds transmisslon ~usqu'à l'orifice cle transmission aval
correspondant,
- des moyens pour introduire ledit deuxième gaz sous pression dans l'espace
intermédiaire entre la plaque amont et la plaque aval de manière à ce qu'il
s'échappe vers l'aval à travers lesclits oriflces d'injec-tion.
A l'aide des figures schématiques 1 à 3 ci-jointes, on va décrire,
cl-apr~s, 3 titre non limitatif, un mode de rnise en oeuvre de l'invention.
Les ~léments qui se correspondent sur plusieurs de ces figures
y sont désignés par les rnêmes signes de référence~
La figure 1 représente une vue en coupe par un plan A d'un laser à
gaz carbonique au sein duquel le gaz carbonique est introduit dans un écou-
lement d'azote par un dispositif selon l'invention, le plan A étant perpen-
d:iculaire aux plaques de ce dispositif.
La figure 2 représente une vue agrandie en coupe par le plan A
du dls.positiP sslon l'invention rsprésenté sur la figure 1.
La figure 3 représente une vue de Face, agrandie, du dispositiF
~nlon l'lnvention representk sur les Figures 1 et 2.
On connalt dos g~n~rateurs laser dans lesquels on produit une
cl(iohar~ru ~.lectrique dans un premier E~az tde l'azote) anlme d'unE très Errande
v:l~e~s~ e(: on mt~langs ce prelmier gaz l3 Ul7 d~uxleme gaz (clu gaz carbonique~
~lns unQ chambre d'expansion dans laque:Lle cst clisposée une cavlté op-tique
r~sonnante. La déc~harge électrique a pour effet de fournir à l'azote une
énergie d'excitation qui est transférée au gaz carbonique par intéraction
moléculaire lors du mélange. Le déplacement rapicle du mélange dans la chambre
d'expansion lui fait atteindre la cavité optique avant la désexcitation du
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gaz carboniqu-~, ce qui permet à C'' dernier une émission de lumiere stimulée
au ~ein de la cavité optique~ c'est-a-dire une émission laser.
Les molécules d'azote possèdent trois modes d'excitation :
thermique, rotationnel flt vibrationnel. Lorsque les mol.~cules d'azote flt
les rnolécules de ~a~ carbonilue se mélangent dans la chambre d'expansion,
c'est l'éner~ie vlbrationnelle de l'f~zote qui peut seule subsister et
produiræ, au sein du gaz carbonique, l'inversion de population qui donne
naissance 3 une impulsion laser de forte puissance. Encore faut-il pour
cela que le mélan~s des dsux gaz soit assure de manière intime et homo~ène
1~ avant qu'une fraction importante des molécules d'azotfl se soit désexci-
t~e. Le dlspositif salon l'invention permet d'assurer un tel mélange de
mflnibrs particull~rement rapicle.
Selon la figure 1, un générateur laser à flux ~azeux comporte
une enceinte cylindrique 1 à une extrémité de laquelle débouche une tuyèrfl
d'in~ection 2 con~itituant une anode et connectée à un générateur de tension
G par l'intermédiaire d'une résistanca R. Cette tuyère 2 comporte un conduit
axial 3 relié 3 une source d'azote sous pression SN représentés schémati-
quement~ Sa ~ace avant comporte un orifice d'in~jection 4J dlvergent vers
l'interieur de l'Rnct~ints 1. A l'autre extrémité de l'~,nceints 1 est placé
un dispositif 2ûO pour mélanger du gaz carbonique et de l'hL1lium h l'fizt
C3 cllspositif est alimenté 3 partir d'une source clt-~ ~flZ oarbon:lqun ot
~ ilium SC t.7t plu5 particulit~rement. clécrit .3 l'aida dfls figLIrfls 2 et 3~ Il
F33t cOnnacti ~3lictri4uemsnt à l'autre polt3 tlu ginirateur de tension ~. Il
campnrtt.7 une multitucle d'ori~icas d~ trarlcim:ls3inn tels que Z02 permettant l-
~p~ls~age~ cle l'aznt~.
L'enceinte 1 débouchfl par les orifices de transmission znz dans
unfl chambrs d'expansion 6 munie de deux miroirs 7 et ~ constituant uns
cavité optique résonnante. le miroir a étant semi-transparent flt assurant d
la sorts l'émission laser dans le sens de la flèche F.
3~ L'extrémité la plus lar~e de la chambre d'expansior~ sst maintsnue
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.i très basse pression ~râce P, des rnoyens d'~vacuatinn constitués par des
canalisations la r~un-~ssant ~l une résgrV~ d~ vide SV, repr~sentée schéma-
tiquement e~ oe dimensi.ons suPfisantgs pour que la pressiDn y reste prati-
quement nulle pendant toute la durée du ~onctionnement du générateur laser.
Un tel g~nérateur fonctionne de la façon suivante :
L'azate introduit sous pression dans le conduit axial 3 de la
tuyère 2 est injecté à vitasse supersonique dans l'encainte 1 par l'in-ter-
médiaire ds l'orifice d'injection 4O Par suite d'un choix convenable des
paramètres du générateur, tels que la longueur et le diamatre dt-) l'enceinte
1, la vit0sse et le débit d'introtiuct:ion de l'azote dans cette snceinte~ et
le rapport de la surface totale des orifices de transmission 2U2 à la section
cle l'enceinte 1, il se produit un écoulement tourbillonnaire "principal" de
l'azote dans l'enceints 1. Cet écoulernsnt est représenté par les flèches en
trait plein 14. Il assure une répartition homogène de la décharge électrique
déclenchée en alimentant l'anode 2 et le dispositif 200 au moyen du géne-
rateur G.
Une partie ds l'azots entrainée par l'écoulement principal
s'~coule par 18s ori-Pices 202 en formant un scoulement secondaire représents
par des Pl~ches en traits tiretés, et entraine le gaz carbonique et l'helium
2~ inJect-.és par le dispositlf 200. I.e gaz carbonique se trouve alors excitu de
la manière d~critr3 dans ce tlui ,oréc~de et produit une ~.~mission laser dans le
st~ns de l~ -Pl~che F~
Selon les ~igure3 2 et 3 le dispositiP de mélange selon l'inven-
l::Lon 20D comporte une plaqus "amont" 204~ en laLton, ~palsse de 2 mm et
perc~(l d'une multlt.utle d'oriPices de transmission oirculaires "amont" 202
d'un diam~tre de 5 mm disposés selon un réseau carré au pas de ~ mm.
Il comporte en outre une plaque "aval" 206, en lalton épaisse
de 3 mm, parallèle à la plaque 204 en laissant entre les deux plaques un
espace intermédiaire épais de 5 mm, et percée d'une multitude d'orifices
~o de transmission "aval" 203 en regard des orifices 202.
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I
5~3
La plaque amont 20~ est située du caté de l'enceinte 1 et la
plaque aval 2U~ du côte de la chambre d'expansion 6,
Les orifices de transmission arnont et aval sont réunis par des
tubes de transmissior1 210, également en laitonJ à section circulaire et
soudés par leurs extrémités annont de manière étanche aux bords des orifices
rit.~ transmission amont 202. La lon~ueur de ces tubes est égale à la distance
entre la face amont de la plaque amont 204 et la ~ace aval de la plaque
aval 206, et ils ne dépassent ni d'un ccBté ni de l'autre du dispositif 200.
Leur sur~ace latérale extérieure a une forme cylindrique de révolution.
L'epaisseur de leurs parois est pratiquement nulle à leurs deux extrémités.
Ell~ cro.tt, a partir de l'extrémité arnont d'un tube, jusqu'à un col situt~ à
1,5 mm cle cette entrée, et décroft ensuite jusqu'à l'autre extrémité.
Le diamètrs intérieur du tube sst de 2,5 mm au col, On tonstitue
ainsi une tuyère permettant l'injection de l'azote clans la chambre 6 a
vitesse supersonique.
La plaque aval 206 comporte en outre une multitude d'orifices
cl'inJection qui sont de deux sortes.
lJne premitire sorte est constituée par des couronnes d'injection
212 Form~Jes, ~utour des tu~es 210, par la partie périphérique des ori~ices
de transmission aval 208, dont le diamètre est de 5,4 mm, la partie centralt3
CIH ces orl~ices occuptie par les tubes 210 ayant un diamr~tre t~H 5 mrm
s~LIl~ment.
I.lnt-3 clt)uxi~me sorte ti't)r:i~lces d'inJt3ction est tonstituée par
rles trou d':inJt3ction cyllndriquns 21~ cl'ur1 tlianletre clr-3 0,7 mm.
Chaqu~ nri.l`ice de transmisslol1 aval est entoure par quatre trous
d'lnjection 214 repartis an~ulairement à 90 les uns des autres autour de
l'axe de cet ori-~ice, et à 45 des directions des centres des autres orifi-
cas ds transmission les plus proches. Ces trous 214 sont percés en biais de
tells sorte que la cdistance de l'axt-3 de chacun de ces trous à l'axe du tube
21 le plus proche est de 3,7 mm sur la ~ace arnont de la plaque aval, et de
3 mm seulement sur la face aval. Il en résulte que le jet de gaz sortant de
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ce trou toLIche pratiquement dès sa sortis le jet annulaire sDrtant de la
couronne d'inJection 212, et qu'il est dirige vers le jet d'azote sortant du
tube 210.
La pression amont, c'est-à-dire la pression de l'azote dans
l'enceinte 1 peut être cnmprise entre 0,1 et plusieurs bars, par exemple
1 bar,
La pression d'injection, c'est-à dire la pression du mélange
de gaz carbonique et d'hélium dans l'espace interm~diaire entre les plaques
204 et 206 peut être comprise entre 60 % et 100 % de la pression amont~
La pression aval, c'est-à-dire la pression dans la chambre d'ex-
pansion G peut être de l'ordre de 10 % de la pression amont. Dans ces
condltionsJ la distance nécessaire à partir de la plaque aval pour obtenir
un m~lan~e pratiquement homogène est de quelques centimètresO Elle est
inferieLIre de 30 % à 50 % à celle qui serait obtenue si le mélange d'hélium
et de gaz carbonique était injecté à l'aide d'une succession de tubes
disposés parallèlement les uns aux autres dans un meme plan perpendiculaire
l'écoulement, en laissant entre eux des intervalles convenablement profi-
l~s pour lalsser passer l'azote en lui faisant prendre une vitesse super-
sonlq~Je. La présente invention permet par conséquent d'améliorer de manière
importante la puissance cle l'émissinn laser.
