专利摘要:

公开号:WO1986002498A1
申请号:PCT/CH1985/000149
申请日:1985-10-08
公开日:1986-04-24
发明作者:Hardy P. Weiss
申请人:Prc Corporation;
IPC主号:H01S3-00
专利说明:
[0001] Hochleistungsgaslaser mit axialer Gasdurchströmung
[0002] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Leistung an einem Axial-Gaslaser mit einem gasdurchströmten Erregungsrohr, einen Axial-Gaslaser mit mindestens einem gasdurchströmten Erregungsstrecken- rohr zur Ausführung des Verfahrens und ein Erre¬ gungsstreckenrohr für einen Axial-Gaslaser;- „ . ,
[0003] Der Hauptabschnitt eines Erregungsstreckenrohres ist bei Axial-Gaslasern üblicherweise als gerades Rohr aus¬ gebildet. Mit zunehmender Distanz vom Gaseinlass bildet sich an der Rohrperipherie eine sog. Strömungsgrenz¬ schicht aus, welche durch die Zähigkeitskräfte in der Gas- bzw. Gasgemischströmung bedingt ist. Innerhalb dieser Grenzschicht nimmt die Strömungsgeschwindigkeit des Gases von einem Maximalwert, im Rohrzentrum, auf Null ab, an der Rohrwandung. Die Dicke dieser Grenz¬ schicht wächst in Strömungsrichtung. Es bleibt mithin immer weniger freier Raum für die ungestörte Strömung, womit stromabwärts die Gasgeschwindigkeit zunehmen muss. Mit zunehmender Gasgeschwindigkeit wachsen aber wiederum die Zähigkeitskräfte und damit die Grenzschicht, letzte¬ re somit überproportional mit Bezug auf die Länge der Erregungsstrecke. Wird nun in diesem Rohr dem Gas bzw. Gasgemisch noch Wärme zugeführt, wie dies durch die elektrische Anregung der Fall ist, so nimmt die Gasdichte ab bzw. das Gasvolumen zu, die Strömungs¬ geschwindigkeit des Gases wird grösser, was wiederum das Wachstum der Grenzschicht begünstigt. Bezüglich der Gasgeschwindigkeit entlang der Erregungsstrecke können im geraden Rohr grundsätzlich drei Fälle unterschieden werden:
[0004] 1 ) Das Gas tritt mit Unterschallgeschwindigkeit in das gerade Rohr ein und erreicht genau am Austritt Schallgeschwindigkeit. ._.
[0005] 2) Das Gas tritt mit Ueberschallgeschwindigkeit ein und wird auf Schallgeschwindigkeit am Rohrende verzögert.
[0006] 3) Das Gas tritt mit Ueberschallgeschwindigkeit ein und wird in einem Verdichtungsstoss auf Unterschallgeschwindigkeit verzögert und anschliessend bis zum Rohrende auf Schall¬ geschwindigkeit beschleunigt.
[0007] Mit zunehmender Wärmezufuhr ist somit in allen Fällen vorerst mit einem Uebergang von Unterschallgeschwin¬ digkeit zu Ueberschallgeschwindigkeit zu rechnen, was jedoch in einem geraden Rohr konstanten Quer¬ schnitts aus physikalischen Gründen nicht möglich ist. Ueberschreitet die Wärmezufuhr einen kritischen Wert, der den genannten Geschwindigkeitsübergang bewirken würde, so tritt das sog. "thermal chocking" auf, das Rohr wird verstopft. Die aussetzende Strö¬ mung setzt erst wieder nach Unterbruch der Wärme- zufuhr ein. Deshalb ist man in der Leistungszufuhr an herkömmlichen Gaslasern mit den genannten Erre¬ gungsstreckenrohren durch physikalische Erscheinun¬ gen eingeschränkt, somit auch in der Strahlleistung.
[0008] Es ist nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren obgenannter Art vorzuschlagen, bei welchem die genannten Grenzschichtprobleme behoben werden. Es soll mithin bei einer gegebenen Querschnitts¬ fläche, wie im Gaseinlassbereich zur Erregungs-" strecke, erzielt werden, dass, vereinfacht, das Gas entlang der Erregungsstrecke in zunehmendem Masse Wärme aufnehmen kann, ohne entlang der Strecke von Unterschall- auf Ueberschallgeschwindigkeit gezwungen zu werden.
[0009] Dies wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 erreicht.
[0010] Durch Veränderung der Querschnittsfläche wird ge¬ zielt und unter Berücksichtigung der entstehenden Grenzschicht der verbleibende wirksame Strömungs¬ querschnitt beeinflusst und damit die sich ergebende Strömungsgeschwindigkeit. Die Veränderung der Quer¬ schnittsfläche wird nach Massgabe entlang der Strecke zu erzielender Verläufe physikalischer Parameter bestimmt. Solche Parameter können insbesondere Gas¬ gemischdruck bzw.' -Temperatur und allenfalls, davon abhängig, Grossen, wie Machzahl etc. sein. Die zu erzielenden Verläufe werden dabei vorzugsweise durch mindestens genäherte Realisierung der Quer¬ schnittsflächenveränderung nach dem Wortlaut des Anspruchs 3 realisiert, unter Berücksichtigung, dass es sich üblicherweise beim eingesetzten Gas um ein Gasgemisch handelt und somit dessen Gaszu¬ standsgleichung zu berücksichtigen ist. Es ist aus dem oben Gesagten plausibel, dass, falls die zuge¬ führte Wärme erhöht werden soll, womit die Grenz- Schicht zunimmt, diese Grenzschichtzunähme durch Aufweitung des ErregungsStreckenrohres kompensiert werden kann, derart, dass auch bei weiterer Wärmezu¬ fuhr das strömende Gas nicht den kritischen Geschwin¬ digkeitsübergang von Unter- auf Ueberschallgeschwin- digkeit vollziehen muss. Auswertung des Ausdruckes gemäss Anspruch 3 ergibt für den Spezialfall konstant zu haltenden Druckes im Gas den qualitativ im An¬ spruch 4 angegebenen Querschnittsflächenverlauf.
[0011] Ein Axial-Gaslaser, der zur Realisation des genannten Verfahrens aufgebaut ist, zeichnet sich nach dem Wortlaut des Anspruchs 5 aus, ein Erregungsstrecken- rohr hierfür nach dem Wortlaut des Anspruchs 10.
[0012] Um im weiteren eine gleichmässige Strömung entlang des Erregungsstreckenrohres sicherzustellen, kann das Entstehen grossräu iger Turbulenzen und gleich¬ zeitig das Entstehen durch Mischung fördernder kleiner Turbulenzen darin dadurch gefördert werden, dass das Rohr mindestens einen Abschnitt umfasst, der einen von einer Kreisform abweichenden Leitungs- querschnitt aufweist, beispielsweise dreieckförmig, viereckig, elliptisch etc. ist. Durch diese Form¬ gebung wird eine Einzelturbulenzbildung am erfin- dungsgemässen Rohr allenfalls verhindert.
[0013] Eine weitere Massnahme am erfindungsgemässen Rohr besteht darin, dass für den Einsatz an einem- elektrisch angeregten Laser, daran eine-Elektrodenanordnung vor¬ gesehen wird, die wenigstens nahezu absatzfrei am Um¬ fang der Innenwandung des Rohres liegt. Dadurch wird auch durch Einführen der Elektrodenzum Anlegen des elektrischen Feldes entlang des ErregungsStreckenrohres, die genannte Turbulenzbildung vermieden. Eine solche Elektrode wird optimalerweise konisch ausgebildet, zur Sicherstellung einer stetigen Querschnittsänderung.
[0014] Die Erfindung wird anschliessend beispielsweise anhand von Figuren erläutert.
[0015] Es zeigen:
[0016] Fig. 1 eine prinzipielle Darstellung eines "zwei¬ stufigen" Hochleistungsgaslasers zur Erläu¬ terung der Ansiedlung der erfindungsgemässen Massnahmen an einem derartigen ein- oder mehrstufigen Laser, wobei beispielsweise ein elektrisch angeregter Axial-Laser dar¬ gestellt ist,
[0017] Fig. 2a qualitativ die Strömungsverhältnisse an einem bekannten Erregungsstreckenrohr, Fig. 2b die Verhältnisse qualitativ an einem erfin¬ dungsgemässen Erregungsstreckenrohr,
[0018] Fig. 2c qualitativ die Abhängigkeit von Querschnitts- flächen der Anordnung gemäss Fig. 17b, ent¬ lang einer Rohrlängskoordinate X, bei konstant zu haltendem Gasdruck p(x) ,
[0019] Fig. 3a - c erfindungsgemäss grossvolυmige Turbulen- zen verhindernde Querschnittsformen des erfindungsgemässen ErregungsStreckenrohres gemäss Fig. 2,
[0020] Fig. 4 einen Ausschnitt des Rohres nach Fig. 2h mit an der Rohrwandung angeordneter Elektrode.
[0021] In Fig. 1 ist prinzipiell die Anordnung eines elektrisch angeregten Axial-Hochleistungsgaslasers dargestellt. Es handelt sich dabei um einen "Zweistufen"-Laser, mit einer ersten Stufe links der strichpunktierten Markierung und einer zweiten Stufe rechts davon. Da es sich mit Bezug auf diese Markierung um spiegelbildlich ange¬ ordnete, identische Stufen handelt, wird lediglich die Stufe links beschrieben. Die Anordnung umfasst ein ErregungsStreckenrohr 1 , an deren Enden Kathode 3 und Anode 5 angeordnet sind. Am einen Ende des Erregungsstreckenrohres 1 mündet, an einer Einlass¬ zone 7, ein Einlassrohr 9 in das Erregungsstrecken¬ rohr 1 ein, am anderen Ende mündet ein Auslassrohr v 11 aus einer Auslasszone 13 des ErregungsStrecken¬ rohres 1 aus. Mit Hilfe eines Gebläses 15, welchem Wärmetauscher 17 und 19 vor- bzw. nachgeschaltet sind, wird ein Gasgemisch, wie z.B. aus Kohlen¬ dioxid, Stickstoff und Wasserstoff durch das Er¬ regungsstreckenrohr 1 in der mit dem Pfeil ange- gebenen Richtung getrieben. Die Zentralachse A des beidseitig offenen Erregungsstreckenrohres ist gleich¬ zeitig die optische Achse des Laserstrahles. Wie weiter dargestellt, werden die Elektroden 3 und 5 über eine Hochspannungsquelle 21, ein Stellglied 23, beispielsweise in Form einer Röhre, betrieben, wobei mit Hilfe der Röhre 23 und einer sie ansteuern¬ den Stromregulierung der Elektrodenstrom eingestellt wird.
[0022] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Aus¬ bildung des Erregungsstreckenrohres 1.
[0023] In Fig. 2a ist ein herkömmliches gerades Erregungs¬ streckenrohr 1 mit schematisch eingetragener Anode 98 bzw. Kathode 100 dargestellt. Mit zunehmender Distanz x von der Einlasszone bzw. der Anodenzone bildet sich eine Strömungsgrenzschicht 102 aus, welche durch Zähigkeitskräfte in der Strömung be¬ dingt ist. Wie aus den über der Querschnittstlache F eingetragenen, qualitativen Strömungsgeschwindig¬ keitsprofilen entlang der Koordinate x ersichtlich, nimmt die Geschwindigkeit v von einem-x-abhängigen Maximalwert im Rohrzentrum auf Null an der Rohrwan¬ dung ab. Wie weiter ersichtlich, nimmt die Dicke der Grenzschicht 102 in Strömungsrichtung R entsprechend zunehmendem x zu. Aus den eingetragenen Strömungs¬ profilen erkennbar, nimmt der Gastransport-wirk¬ same Rohrquerschnitt somit mit zunehmender x-Koordinate ab, es bleibt immer weniger freier Raum für die ungestörte Gasströmung. Aus Kontinuitätsüberlegungen folgt, dass die Gasge¬ schwindigkeit im verbleibenden transportwirksamen Strömungsquerschnitt zunimmt, was wiederum ein Zu- nehmen der Zähigkeitskräfte bewirkt, mit weiterer Zunahme der Grenzschicht. Es handelt sich somit um ein im Sinne einer Mitkopplung sich aufwiegendes System. Wird nun, wie dies mit Anlegen eines axialen elektrischen Feldes der Fall ist, dem Gas im Erregungs- streckenrohr zusätzlich Wärme zugeführt, so nimmt das Gasvolumen zu, mithin die Strömungsgeschwindigkeit und damit wiederum die Grenzschicht. Der Geschwindig¬ keitszunahme im Rohr ist durch den Uebergang von Unterschall- auf Ueberschallgeschwindigkeit eine nicht überwindbare Grenze gesetzt. Dieses Phänomen, hier rein heuristisch dargelegt, ist als "thermal chocking" (therm. Verstopfung) bekannt.
[0024] In Fig. 2b ist nun qualitativ die Ausbildung eines erfindungsgemässen Erregungsstreckenrohres darge¬ stellt. Wie ersichtlich, divergiert in Gasströmungs¬ richtung R bzw. mit zunehmender Ortskoordinate x, die Innenquerschnittsflache F(x) des Rohres mit Bezug auf die kleinste Querschnittsfläche F , wie zu Beginn des Erregungsstreckenrohres. Durch diese
[0025] Aufweitung, nach noch zu beschreibenden Gesetzmässig- keiten gefunden, wird erreicht, dass wohl die Grenz¬ schicht mit zunehmender Ortskoordinate x zunimmt, was jedoch nicht unbedingt eine Zunahme der Strömungs- geschwindigkeit des Gases, in Abhängigkeit der Orts¬ koordinate x nach sich zieht, da der durch die zuneh- - 9 -
[0026] mende Grenzschicht reduzierte transport-wirksame Querschnitt durch die Aufweitung des Rohres kompen¬ siert wird. Damit kann mit Bezug auf die Ausführung gemäss Fig. 2a bei gleichbleibender kleinster Rohr- querschnittsfläche F - entsprechend der konstanten Fläche F von Fig. 2a - in der Ausführung gemäss Fig. 2b dem Gas wesentlich mehr Wärme zugeführt werden, ohne dass der kritische Geschwindigkeitsüber¬ gang und damit eine Verstopfung des Rohres im ob- genannten Sinne erfolgen bzw. einsetzen müsste.
[0027] Damit kann bei einem erfindungsgemäss ausgebildeten Erregungsstreckenrohr wesentlich mehr Leistung elek¬ trisch zugeführt werden und entsprechend ergibt sich eine wesentlich höhere Laserstrahlleistung.
[0028] Die Formgebung des ErregungsStreckenrohres wird nach gewünschten Verläufen physikalischer Parameter der Erregungsstrecke in Funktion der x-Koordinate bestimmt. Grundsätzlich wird hierzu der Ausdruck
[0029]
[0030] ausgewertet, worin folgende Grossen unter Berücksichti¬ gung ihrer allgemeinen x-Abhängigkeit bedeuten: - M die Machzahl an der engsten Querschnittsstelle x1,
[0031] 1 F(x) die Leitungsquerschnittsfläche am Ort x, die engste Querschnittsflache, pr-
[0032] M(X) die Machzahl am Ort x,
[0033] - T die Gasruhetemperatur,
[0034] "o l κ (x) den Isentropenexponenten am Ort x, cp (x) die spezifische Wärme des Gases am Ort x, die gesamthaft zugeführte Wärme,
[0035] *2 ξ (χ) die relativ zugeführte Wärme am Ort x, bezogen auf q .
[0036] Bei der Auswertung dieses Ausdruckes, unter Mitbe¬ rücksichtigung der Zustandsgieichung für das Gas bzw. das Gasgemisch werden Querschnittsflächenver- änderungsfunktionen ermittelt, in Abhängigkeit der Vorgabe vom x-abhängigen Verlauf einer oder mehrerer der im Ausdruck eingehenden Grossen, wie des Gasdruckes p(x) bzw. der Temperatur T(x) oder der Machzahl M(x) etc. des Gases. Beispielsweise ergibt die Aus¬ wertung des genannten Ausdruckes den qualitativ in Fig. 2c dargestellten Verlauf, der auf die eng¬ ste Querschnittfläche F normierten Rohrquerschnitts fläche F in Funktion der Ortskoordinate x für konstant zu haltenden Gasdruck p(x) entlang der Koordinate x oder im Falle konstanter Temperatur T, den dar- gestellten, exponentiell anwachsenden Verlauf. Im allgemeinen Fall kann die Lösung F('x) ' nicht geschlos- sen erhalten werden, sondern wird 1 vorzugsweise durch Rechnereinsatz numerisch für jeden x-Wert berechnet. In den Fig. 3a bis 3c sind nun Massnahmen dargestellt, die am erfindungsgemässen 3E-rregungsstreckenrohr gemäss Fig.2 das allfällige Entstehen von Turbulenzen mit einem einzigen Zentrum über die jeweils betrachtete Quer- schnittsfläche,"grossräumige Turbulenzen" genannt, verhindern sollen.
[0037] Bekannterweise ist die Tendenz, dass sich in einem Rohr über dessen Strömungsquerschnitt einzeln und damit im obgenannten Sinn grossräumige Turbulenzen ergeben, desto höher, je genauer der Rohrquerschnitt kreisförmig ist. Um dies allenfalls zu verhindern, wird gemäss den Fig. 3a - 3c der Strömungsquerschnitt des Erregungsstreckenrohres 1 von einer Kreisform abweichend ausgebildet, beispielsweise dreieckförmig, viereckig, mehreckig oder elliptisch.
[0038] In den Fig. 3 sind die dadurch entstehenden symmetri¬ schen, nun "kleinräumigen" Turbulenzen qualitativ eingetragen. Diese fOdern eine gute Durchmischung des achsial das Erregungsstreckenrohr 1 nach Fig. 2bdurchströmenden Gases.
[0039] In Fig. 4 ist eine Elektrodenanordnung am erfindungs- gemässen Rohr, wie gemäss Fig. 2b, dargestellt.
[0040] Am hier zweiteilig dargestellten Erregungsstrecken¬ rohr 1 mit Teilen 1, 1a für den Laserstrahl mit der optischen Achse A, wird die Elektrode 96 als Hohlkegel ausgelegt. Dabei wird s e so dimensio- niert, dass sie wenigstens nahezu absatzfrei die Innenwandungen der Rohre 1 bzw. 1a verbindet. Sie stützt sich, beispielsweise auf beidseitig an¬ geordneten, achsial ausgerichteten Ringkragen 94 ab. Mit der dargestellten Ausbildung schmiegt sich eine derartige Elektrode an die di- bzw. conver- gierende Rohrwandung des Rohres, wie gemäss Fig. 2b, an.
权利要求:
ClaimsPatentansprüche:
1. Verfahren zur Erhöhung der Leistung an einem Axial- Gaslaser mit einem gasdurchströmten Erregungsrohr, dadurch gekennzeichnet, dass man eine an der Rohrwandung entstehende, den für un¬ gehinderte Gasströmung wirksamen Querschnitt des Roh¬ res vermindernde, Grenzschicht durch Veränderung der Querschnittsfläche des Erregungsrohres, mindestens entlang eines axialen Abschnittes davon, berücksich¬ tigt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass **"" man die Veränderung nach Massgabe entlang der Strecke ge¬ zieltzu erreichender Verläufe physikalischer Parameter bestimmt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man die Veränderung mindestens genähert nach dem Aus- druck
bestimmt, wobei mit Einführung der x-Abhängigkeit als Axialkoordinaten-Abhängigkeit bedeuten: die Machzahl an der engsten Querschnittsstelle x
M1 F(x) die Leitungsquerschnittsfläche am Ort x, r- die engste Querschnittsfläche,
M(x) die Machzahl am Ort x,
- Tol die Gasruhetemperatur, K(X) den Isentropenexponenten am Ort x,
- c die spezifische Wärme des Gases am Ort x,
P (X) s2 die gesamthaft zugeführte Wärme, ξ(χ) die relativ zugeführte Wärme am Ort x, bezogen auf q ,
unter Berücksichtigung der Zustandsgieichung des ein¬ gesetzten Gases bzw- Gasgemisches.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3'y dadurch gekennzeichnet, dass man die Querschnittsfläche bei konstant zu haltendem Druck entlang mindestens eines Abschnittes des Erre¬ gungsrohres, dort in Gasströmungsrichtung wenigstens nahezu linear zunehmend wählt, für konstant zu haltende Temperatur wenigstens genähert exponentiell anwachsend.
5. Axial-Gaslaser mit mindestens einem gasdurchström¬ ten Erregungsstreckenrohr zur Ausführung des Verfahrens, nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Erregungsstreckenrohr eine sich entlang seiner Län¬ ge sich mindestens abschnittsweise stetig verändernde Innenquersehnittsflache aufweist.
6. Axial-Gaslaser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregungsrohr-Innenquerschnittstlache sich in Gasströmungsrichtung mindestens auf einem Abschnitt vergrössert, wie wenigstens nahezu linear oder exponentiell mit Bezug auf seine Axialausdehnung.
7. Axial-Gaslaser nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr mindestens einen Abschnitt umfasst, der einen von einer Kreisform abweichenden Innenquerschnitt (Fig. 3) aufweist.
8. Als elektrisch angeregter Lager ausgebildeter Axial- Gaslaser nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektrodenanordnung vorgesehen ist, die wenigstens nahezu radial- absatz- und -spaltfrei am Umfang der Innenwandung des Rohres liegt.
9. Axial-Gaslaser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnung eine konische Innenöffnung auf¬ weist, zur Realisierung einer InnenquerSchnittsänderung.
10. Erregungsstreckenrohr für einen Axial-Gaslaser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenquerschnitt des Rohres sich mindestens auf einem Abschnitt stetig verändert, vorzugsweise sich gegen eines seiner Enden hin vergrössert, wie wenigstens genähert linear oder exponentiell mit Bezug auf seine Axialaus¬ dehnung.
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引用文献:
公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
法律状态:
1986-04-24| AK| Designated states|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): AU JP KP |
1986-05-22| CFP| Corrected version of a pamphlet front page|
1986-05-22| CR1| Correction of entry in section i|Free format text: IN PAT.BUL.09/86,UNDER INID (71) APPLICANT REPLACE "PCR CORPORATION (US/US)" BY "PRC CORPORATION (US/US)" |
优先权:
申请号 | 申请日 | 专利标题
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