DE102005020109C5 - Active cooled connector for fiber optic cables - Google Patents
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Abstract
Steckverbinder mit aktiver Kühlung, welcher mit einem komplementären Steckverbinder verbindbar ist und an einem Mantel (10) eines Lichtleitkabels (1) mit einer Lichtleitfaser (2) montiert ist, mit
– einem die Lichtleitfaser (2) fixierenden Faserhalter (4),
– einer Ferule (5) und
– einer metallischen Schlauchklemme (6),
wobei ein dem komplementären Steckverbinder zugewandtes und eine Lichteintrittsfläche (17) ausbildendes Ende der Lichtleitfaser (2) aus dem Faserhalter (4) herausragt und
wobei die Ferule, welche den Faserhalter (4) und das ihn durchragende Ende der Lichtleitfaser (2), mit seiner die Lichteinkopplungsfläche (17) bildenden Stirnfläche aufnimmt, mittels einer Überwurfmutter (11) mit dem komplementären Steckverbinder der Lichtquelle verbindbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
– die Schlauchklemme (6) auf der der Lichteintrittsfläche (17) abgewandten Seite auf den Mantel (10) und auf die Ferule (5) aufgeklemmt ist und
– durch die Schlauchklemme (6) mindestens ein Kühlkanal (8) für eine Kühlflüssigkeit, als Teil eines...Active cooling connector, which is connectable to a complementary connector and mounted on a jacket (10) of a light guide cable (1) with an optical fiber (2), with
A fiber holder (4) fixing the optical fiber (2),
- a Ferule (5) and
A metallic hose clamp (6),
wherein an end of the optical fiber (2) facing the complementary connector and forming a light entry surface (17) protrudes from the fiber holder (4) and
wherein the ferrule, which receives the fiber holder (4) and the end of the optical fiber (2) projecting through it, with its end surface forming the light coupling surface (17), is connectable to the complementary connector of the light source by means of a union nut (11),
characterized in that
- The hose clamp (6) on the light inlet surface (17) facing away from the jacket (10) and on the ferrule (5) is clamped and
- By the hose clamp (6) at least one cooling channel (8) for a cooling liquid, as part of a ...
Description
Die Erfindung betrifft eine Lösung für die Kühlung von an Lichtquellen, vorzugsweise an Laserlichtquellen angekoppelten Lichtleitkabeln. Sie bezieht sich insbesondere auf einen aktiv gekühlten Steckverbinder als Koppelstelle zwischen einer Lichtleitfaser und einer Laserlichtquelle höherer Leistung, das heißt, einer Leistung von 300 W und darüber. Selbstverständlich können gemäß der vorgeschlagenen Lösung gekühlte Steckverbinder aber auch zur Ankopplung von Lichtleitfasern an Laserlichtquellen mit geringerer Leistung verwendet werden, wobei dann jedoch möglicherweise auch einfachere Kühllösungen in Betracht kommen.The Invention relates to a solution for the cooling of at light sources, preferably coupled to laser light sources Optical fiber cables. It refers in particular to an actively cooled connector as a coupling point between an optical fiber and a laser light source higher Performance, that is, a power of 300 W and above. Of course, according to the proposed solution chilled Connector but also for coupling of optical fibers to laser light sources with lower power may be used, but then possibly also simpler cooling solutions in To consider.
Bei der Übertragung von Laserstrahlen über Lichtleitkabel treten insbesondere bei höheren Laserleistungen starke Übertragungsverluste auf, welche zum überwiegenden Teil als Wärmeverluste in Erscheinung treten und sich dabei vor allem in einer starken Erwärmung bis hin zur Überhitzung der zur Ankopplung der Lichtleitfaser an die Laserlichtquellen verwendeten Steckverbinder manifestieren. Bereits Leistungen von 300 W führen dabei in den Steckverbindern zu einer derartig großen Erhitzung, dass sich die am Steckverbinder, im Allgemeinen mittels Klemmtechnik montierte Faser in der axialen Faserrichtung bewegt. Hierdurch ändert sich der für die jeweilige Ankoppelstelle definiert eingestellte Fokus des Lasers, was zu zusätzlichen Übertragungsverlusten führt. Im ungünstigen Fall kann diese Veränderung der Ankopplungsbedingungen sogar zu einer Zerstörung der Lichtleitfaser führen. Zudem führt die zumeist angewandte Klemmverbindung auch dazu, dass die Faser, insbesondere bei temperaturbedingten Ausdehnungserscheinungen einer mechanischen Druckbelastung ausgesetzt wird, was durch eine dadurch möglicherweise entstehende Beschädigung des die Faser unmittelbar umgebenden Mantels oder sogar ihres Cladding gegebenenfalls weitere Leistungs- beziehungsweise Übertragungsverluste zur Folge hat.at the transmission of laser beams via fiber optic cables occur especially at higher levels Laser power strong transmission losses on, which for the most part Part as heat losses emerge and, above all, in a strong warming up to overheating used for coupling the optical fiber to the laser light sources Manifest connector. Already achievements of 300 W lead thereby in the connectors to such a large heat that the on the connector, generally mounted by means of clamping technology Fiber moved in the axial fiber direction. This changes the for the respective coupling point defines the set focus of the laser, resulting in additional transmission losses leads. Im unfavorable Fall can be this change The coupling conditions even lead to a destruction of the optical fiber. moreover leads the most also applied clamping connection that the fiber, in particular with temperature-induced expansion phenomena of a mechanical Pressure load is exposed, which may be a result of this resulting damage the coat immediately surrounding the fiber or even its cladding possibly further power or transmission losses entails.
Zur Vermeidung der bei Klemmverbindungen auftretenden mechanischen Belastung der Lichtleitfaser und zur Verhinderung ihrer Bewegung in Faserlängsrichtung käme grundsätzlich auch der Einsatz von Klebetechniken zur Befestigung des Steckverbinders an der Lichtleitfaser in Betracht. Allerdings tritt hierbei das Problem auf, dass auch die dazu in Frage kommenden Kleber nur in Grenzen temperaturbeständig sind.to Avoidance of mechanical stress occurring during clamping connections the optical fiber and to prevent their movement in the fiber longitudinal direction basically also the use of adhesive techniques for attaching the connector on the optical fiber into consideration. However, this happens Problem on that even the adhesive in question only in Limits temperature resistant are.
Aus
den zuvor dargestellten Gründen
macht es sich erforderlich, die zur Übertragung von Laserlicht höherer Leistung
genutzten Übertragungssysteme
an den kritischen Stellen, also insbesondere im Bereich der Steckverbinder,
zu kühlen.
In der Vergangenheit sind unterschiedliche Methoden zur Reduzierung
der an den Steckverbindern auftretenden Temperaturen entwickelt
worden. So werden beispielsweise für den Steckverbinder und den
Anschlussflansch Materialien verwendet, welche eine besonders gute
Wärmeleitung
aufweisen, um so die auftretende Wärme durch Wärmeleitung abzuführen. Zur weiteren
Verbesserung dieser passiven Kühlung werden
die entsprechenden Elemente gegebenenfalls noch mit Kühlkörpern in
Verbindung gebracht, um so die wärmeableitende
Fläche
zu vergrößern. Ein
Beispiel für
eine solche passive Kühlung
unter Verwendung eines Kühlkörpers findet
sich in der
Eine
wirksamere Wärmeabfuhr
wird jedoch durch aktive Kühlsysteme
erreicht. Für
die aktive Kühlung
sind luft- und flüssigkeitsgekühlte Systeme bekannt
geworden. Mit luftgekühlten
Systemen, welche das Prinzip einer zusätzlichen Wärmeabfuhr durch Konvektion
nutzen, werden dabei bereits gute Ergebnisse erreicht. Durch die
Am
effektivsten ist jedoch die Flüssigkeitskühlung beziehungsweise
die Wasserkühlung.
Lösungen,
welche von einer Flüssigkeitskühlung Gebrauch
machen, werden beispielsweise in der
Die
Nach dem Stand der Technik erfolgt nämlich die Kühlung der Laser im Allgemeinen mit deionisiertem Wasser. Deionisiertes Wasser hat jedoch den Nachteil, dass es aus wärmeleitenden Materialien, insbesondere aus Metallen, Ionen herauslöst und hierdurch die Materialien angreift. Sofern daher die Kühlung der Steckverbinder durch Einbeziehung in den Kühlkreislauf des Lasers und, wie dies nach dem Stand der Technik praktiziert wird, im Innern des Steckverbinders, nämlich im Bereich der Ferule und/oder des Faserhalters erfolgt, werden erhöhte Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit der für die Steckverbinder verwendeten Materialien gestellt. Die Verwendung entsprechend ausgesuchter Materialien für die Steckverbinder, aber auch für die Flansche, führt jedoch in nachteiliger Weise zu einer Verteuerung der Systeme. Zudem hat es sich gezeigt, dass im Laufe der Zeit selbst hochwertige und daher teure Materialien durch das ionisierte Wasser angegriffen werden.To Namely, the state of the art is the cooling the laser generally with deionized water. deionized However, water has the disadvantage that it is made of thermally conductive materials, in particular from metals, ions dissolves and thereby attack the materials. Therefore, if the cooling of the Connectors by inclusion in the cooling circuit of the laser and, as practiced in the prior art, inside of the connector, namely in the field of the ferule and / or the fiber holder, be increased requirements to the corrosion resistance the for the connectors used materials put. The usage according to selected materials for the connectors, but also for the flanges, leads but disadvantageously to an increase in the cost of the systems. moreover It has been shown to be high quality by itself over time and therefore expensive materials are attacked by the ionized water.
In
der
Aufgabe der Erfindung ist es, eine alternative Lösung für die Kühlung von an Laserlichtquellen mittels eines Steckverbinders angekoppelten Lichtleitkabeln anzugeben, welche eine effiziente aktive Kühlung unter Verwendung einer Kühlflüssigkeit ermöglicht, wobei diese so ausgelegt sein soll, dass die Koppelstelle zwischen der Lichtleitfaser und der Laserlichtquelle auch ohne die Verwendung besonders korrosionsbeständiger Materialien für die Elemente des Steckverbinders eine langzeitsichere Kopplung mit einer verlustarmen Einkopplung des Laserlichts in die Faser gewährleistet.task The invention is an alternative solution for the cooling of laser light sources indicate by means of a connector coupled optical cables, which is an efficient active cooling using a coolant allows this should be designed so that the coupling point between the optical fiber and the laser light source even without the use especially corrosion resistant Materials for the elements of the connector a long-term secure coupling with ensures a low-loss coupling of the laser light in the fiber.
Die Aufgabe wird durch einen Steckverbinder mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Aus- beziehungsweise Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gegeben.The The object is achieved by a connector having the features of the main claim solved. advantageous Training or developments of the invention are characterized by the under claims given.
Zur Lösung der Aufgabe wird der Steckverbinder durch eine aktive Kühlung von außen gekühlt ist, wobei mindestens ein Kühlkanal für eine Kühlflüssigkeit, als Teil eines Kühlkreislaufs durch einen äußeren Teil des Steckverbinders geführt ist. Dabei ist der Kühlkanal beziehungsweise sind die Kühlkanäle gemäß einer bevorzugten Ausbildungsform Teil eines externen, von der Kühlung der Laserlichtquelle unabhängigen Kühlkreislaufs. Bei der Kühlflüssigkeit handelt es sich vorzugsweise um destilliertes Wasser.to solution the task is the connector by an active cooling of Outside is chilled, wherein at least one cooling channel for one Coolant, as part of a refrigeration cycle through an outer part led the connector is. Here is the cooling channel or are the cooling channels according to a preferred training part of an external, from the cooling of the Laser light source independent Cooling circuit. For the coolant it is preferably distilled water.
Der Steckverbinder besteht im Wesentlichen aus einem Faserhalter, in welchem ein ihn teilweise durchragendes Ende einer Lichtleitfaser fixiert ist, einer Ferule und einer Schlauchklemme. Er ist an einem Mantel eines Lichtleitkabels montiert und mit einem komplementären Steckverbinder verbindbar. Der Faserhalter und das ihn durchragende Ende der Lichtleitfaser, mit ihrer die Lichteinkopplungsfläche bildenden Stirnfläche werden von der Ferule aufgenommen. Mittels einer an der Ferule zu montierenden Überwurfmutter ist die Ferule mit einem komplementären Steckverbinder der Laserlichtquelle verbindbar und damit der Steckverbinder an dem komplementären Steckverbinder zu befestigen. Erfindungsgemäß ist die metallische Schlauchklemme auf der der Lichteinkopplungsfläche abgewandten Seite auf den Mantel des Lichtleitkabels und auf die Ferule aufgeklemmt. Der mindestens eine in den Kühlkreislauf einbezogene Kühlkanal ist dabei durch die Schlauchklemme geführt. Entsprechendes gilt für mehrere eventuell vorhandene Kühlkanäle.Of the Connector consists essentially of a fiber holder, in which is a partially projecting end of an optical fiber is fixed, a Ferule and a hose clamp. He is at one Sheath of a fiber optic cable mounted and with a complementary connector connectable. The fiber holder and the end of the optical fiber projecting through it, be with their the Lichteinkopplungsfläche forming end face taken from the Ferule. By means of a to be mounted on the ferrule union nut is the ferule with a complementary connector of the laser light source connectable and thus the connector to the complementary connector to fix. According to the invention metallic hose clamp facing away from the light coupling surface Side clamped on the mantle of the fiber optic cable and on the ferrule. The at least one in the cooling circuit included cooling channel is guided through the hose clamp. The same applies to several possibly existing cooling channels.
Überraschender Weise hat sich gezeigt, dass mit dieser äußeren Kühlung Laserlichtquellen bis zu 1 kW problemlos an Lichtleitfasern anzukoppeln und zu betreiben sind. Es wird angenommen, dass Lichtleitfasern eventuell sogar mit Lasern mit einer Leistung > 3 kW in dieser Weise betrieben werden können.surprisingly Way has been shown that with this external cooling laser light sources up to 1 kW easily coupled to optical fibers and operate are. It is believed that optical fibers may even be with Lasers with a power> 3 kW can be operated in this way.
Die Lichtleitfaser ist bei einer bevorzugten Ausführung dieser Ausbildungsform, anders als nach dem Stand der Technik im Allgemeinen gebräuchlich, mit dem sie unmittelbar umgebenden Mantel in den von der Ferule aufgenommenen Faserhalter eingeklebt.The Optical fiber is in a preferred embodiment of this embodiment, unlike the prior art in common use with the coat immediately surrounding it in the one taken up by the Ferule Glued fiber holder.
Entsprechend einer möglichen Umsetzung der Erfindung sind der oder die Kühlkanäle in der Schlauchklemme, parallel zur Längsachse der Lichtleitfaser verlaufend ausgebildet. Eine andere Möglichkeit besteht in der Anordnung eines spiralförmig um den Umfang der Lichtleitfaser geführten Kühlkanals. Schließlich ist es auch möglich, in der Schlauchklemme mehrere, zu einander parallel verlaufende Kühlkanäle anzuordnen, die um den Umfang der Lichtleitfaser herum geführt sind.According to a possible implementation of the invention, the one or more cooling channels in the Hose clamp, running parallel to the longitudinal axis of the optical fiber running. Another possibility consists in the arrangement of a cooling channel guided spirally around the circumference of the optical fiber. Finally, it is also possible to arrange in the hose clamp a plurality of mutually parallel cooling channels, which are guided around the circumference of the optical fiber around.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen nochmals näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:The Invention will be explained in more detail below with reference to embodiments. In the associated Drawings show:
Die
Die
Hierdurch
ist ein erster, nahezu dem Außendurchmesser
der Lichtleitfaser entsprechender Innendurchmesser
Der
in der
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Lichtleitkabeloptical cable
- 22
- Lichtleitfaser bzw. Faseroptical fiber or fiber
- 33
- Mantelcoat
- 44
- Faserhalterfiber holder
- 55
- Feruleferrule
- 6, 6'6 6 '
- Schlauchklemmehose clamp
- 88th
- Kühlkanalcooling channel
- 1010
- Mantelcoat
- 1111
- ÜberwurfmutterNut
- 1212
- Einlassinlet
- 1313
- Auslassoutlet
- 1414
- Absatzparagraph
- 1515
- InnendurchmesserInner diameter
- 1616
- InnendurchmesserInner diameter
- 1717
- LichteinkopplungsflächeLichteinkopplungsfläche
- 1818
- (axiales) Ende der Ferule(Axial) End of the Ferule
- 21, 2121 21
- Gewindebohrungenthreaded holes
- 22, 2222 22
- Gewindebohrungenthreaded holes
- 23, 2323 23
- Gewindebohrungenthreaded holes
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