DE102022116486A1

DE102022116486A1 - LASER PROCESSING HEAD WITH A TWO-PHASE CLOSED HEAT EXCHANGER

Info

Publication number: DE102022116486A1
Application number: DE102022116486.1A
Authority: DE
Inventors: David Blázquez-Sánchez
Original assignee: Precitec GmbH and Co KG
Current assignee: Precitec GmbH and Co KG
Priority date: 2022-07-01
Filing date: 2022-07-01
Publication date: 2024-01-04
Also published as: WO2024002865A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Laserbearbeitungskopf (1) mit einem zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher (200) zum Kühlen einer Komponente des Laserbearbeitungskopfs (1) durch Phasenwechsel eines Arbeitsfluids (150, 152) des Wärmetauschers (100).The invention relates to a laser processing head (1) with a two-phase closed heat exchanger (200) for cooling a component of the laser processing head (1) by changing the phase of a working fluid (150, 152) of the heat exchanger (100).

Description

Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Laserbearbeitungskopf zur Bearbeitung von Werkstücken mit einer Vorrichtung zum Kühlen einer Komponente des Laserbearbeitungskopfs.The present disclosure relates to a laser processing head for processing workpieces with a device for cooling a component of the laser processing head.

Hintergrund und Stand der TechnikBackground and state of the art

Aufgrund der ständig steigenden Laserleistung, die heute für die Lasermaterialbearbeitung eingesetzt wird, sind auch die Anforderungen an Laserbearbeitungsköpfe, insbesondere an fasergeführte Systeme, gestiegen, um die hohe Leistung wirklich zu erhalten bzw. über eine Betriebsdauer und/oder Lebensdauer des Laserbearbeitungskopfs aufrechtzuerhalten.Due to the constantly increasing laser power that is used today for laser material processing, the requirements for laser processing heads, in particular for fiber-guided systems, have also increased in order to really maintain the high power or to maintain it over the operating period and / or service life of the laser processing head.

Eine wesentliche Herausforderung für Laserbearbeitungsköpfe ist die Temperaturerhöhung durch optische Verluste. Die Temperaturerhöhung bzw. Erwärmung wirkt sich nicht nur auf optische Komponenten oder Elemente als solches aus, sondern auch auf ein Gehäuse oder eine Halterung, in dem das optische Element aufgenommen bzw. montiert ist, oder auf eine Steuerplatine des Laserbearbeitungskopfs. Aus diesem Grund ist es oft notwendig, die Laserbearbeitungsköpfe abzukühlen, um eine notwendige Systemfunktionalität sowie eine Prozessstabilität zu erhalten bzw. zu erzielen. Ein Grund für die Erwärmung ist unkontrollierte Strahlung, z.B. Strahlteile des Laserstrahls, die auf ein mechanisches Teil des Laserbearbeitungskopfs, beispielsweise einen optischen Linsenhalter, trifft, so dass die mechanische Komponente erwärmt wird. Die Wärme wird von der mechanischen Komponente, beispielsweise dem Linsenhalter, durch Leitung, Strahlung und Konvektion auf weitere Komponenten übertragen, so dass diese ebenfalls erwärmt werden. Ein Beispiel für die Strahlung ist beispielsweise Rückreflexion des Laserstrahls von einer im Laserbearbeitungskopf enthaltenen Komponente, insbesondere von optischen Elementen, oder vom Werkstück. Die Strahlung kann ihren Ursprung aber auch in Prozessemissionen haben. Weitere Wärmequellen im Lasermaterialbearbeitungskopf sind mechanische Teile, die eine optische Apertur begrenzen und damit den Laserstrahl abschneiden, z.B. Blenden.A key challenge for laser processing heads is the increase in temperature caused by optical losses. The increase in temperature or heating affects not only optical components or elements as such, but also on a housing or a holder in which the optical element is accommodated or mounted, or on a control board of the laser processing head. For this reason, it is often necessary to cool down the laser processing heads in order to maintain or achieve the necessary system functionality and process stability. One reason for the heating is uncontrolled radiation, e.g. beam parts of the laser beam, which strikes a mechanical part of the laser processing head, for example an optical lens holder, so that the mechanical component is heated. The heat is transferred from the mechanical component, for example the lens holder, to other components through conduction, radiation and convection, so that they are also heated. An example of the radiation is, for example, back reflection of the laser beam from a component contained in the laser processing head, in particular from optical elements, or from the workpiece. The radiation can also originate from process emissions. Other heat sources in the laser material processing head are mechanical parts that limit an optical aperture and thus cut off the laser beam, e.g. diaphragms.

Je nach Bearbeitungsprozess des Laserbearbeitungskopfs sind auch andere Wärmequellen zu berücksichtigen. Bei einem Sauerstoff-Laserschneidprozess, z.B. von Baustahl, fördert ein Sauerstoff-Hilfsgas die Oxidation der geschmolzenen Schmelze. Die durch die Oxidationsreaktion freigesetzte Energie verbessert den Schneidprozess, wirkt aber als zusätzliche Wärmequelle.Depending on the processing process of the laser processing head, other heat sources must also be taken into account. In an oxygen laser cutting process, e.g. of structural steel, an oxygen auxiliary gas promotes the oxidation of the molten metal. The energy released by the oxidation reaction improves the cutting process, but acts as an additional heat source.

Darüber hinaus soll eine Fokusposition der optischen Elemente eine hohe Stabilität aufweisen. Eine Restabsorption der Oberflächenbeschichtungen und der optischen Substrate führt zu einer ungleichmäßigen Erwärmung der optischen Elemente und zur Anhäufung von thermischen Spannungen, insbesondere bei refraktiven optischen Elementen wie Linsen. Dadurch wird eine thermische Drift der Fokusposition erzeugt, die sich negativ auf eine Schneidgeschwindigkeit, Schnittqualität sowie auf eine Toleranz von Betriebsparametern des Schneidprozesses auswirkt.In addition, a focus position of the optical elements should have a high level of stability. Residual absorption of the surface coatings and the optical substrates leads to uneven heating of the optical elements and the accumulation of thermal stresses, especially in refractive optical elements such as lenses. This creates a thermal drift of the focus position, which has a negative effect on cutting speed, cutting quality and tolerance of operating parameters of the cutting process.

Daher ist ein Kühlsystem notwendig, um die optischen Elemente oder weitere Komponenten des Laserbearbeitungskopfs zu kühlen bzw. um die Wärme aus den optischen Elementen abzuführen. Je nach Lage der erwärmten Komponente bzw. des erwärmten Elements ist ein aufwendiges Kühlsystem notwendig. Insbesondere bewegliche optische Elemente sind aufgrund einer geringeren thermischen Kopplung mit dem Gehäuse, in dem sich normalerweise das Kühlsystem befindet, schwieriger zu kühlen. Diese aufwendigen Kühlsysteme führen zu hohen Kosten des Laserbearbeitungskopfs.
Bekannte Kühlsysteme basieren zumeist auf einem wassergekühlten oder gasgekühlten Kreislauf. US 9066412 B2 zeigt beispielsweise eine Vorrichtung mit einer Optik, die eine nicht-planare Oberfläche mit einer ringförmigen Peripherie und eine Strömungsführung aufweist. Die Strömungsführung läuft konzentrisch um die ringförmige Peripherie herum und weist eine Vielzahl von Düsen auf, die auf einer nach innen gerichteten Oberfläche der Strömungsführung angeordnet sind. Die Vielzahl von Düsen richten Gas auf die nicht-planare Oberfläche, um eine turbulente Strömung auf mindestens einem Teil des optisch aktiven Teils der nicht-planaren Oberfläche zu erzeugen, um die Optik zu kühlen. EP 2 162 774 B1 zeigt eine Vorrichtung zur Kühlung optischer Elemente mit hoher optischer Leistung durch einen oder mehrere Hohlräume, die mit einem fließenden Kühlmittel durchströmt sind.A cooling system is therefore necessary to cool the optical elements or other components of the laser processing head or to dissipate the heat from the optical elements. Depending on the location of the heated component or element, a complex cooling system is necessary. In particular, moving optical elements are more difficult to cool due to a lower thermal coupling with the housing in which the cooling system is normally located. These complex cooling systems lead to high costs for the laser processing head.
Known cooling systems are usually based on a water-cooled or gas-cooled circuit. US 9066412 B2 shows, for example, a device with optics that has a non-planar surface with an annular periphery and a flow guide. The flow guide runs concentrically around the annular periphery and has a plurality of nozzles which are arranged on an inwardly directed surface of the flow guide. The plurality of nozzles direct gas onto the non-planar surface to create turbulent flow on at least a portion of the optically active portion of the non-planar surface to cool the optics. EP 2 162 774 B1 shows a device for cooling optical elements with high optical performance through one or more cavities through which a flowing coolant flows.

In wassergekühlten Kühlsystemen gilt es Korrosion, mikrobiologisches Wachstum oder Kesselsteinbildung zu vermeiden. Ein Beispiel für Korrosion ist galvanische Korrosion, die entsteht, wenn zwei Metalle mit unterschiedlichen Elektrodenpotentialen in elektrischem Kontakt stehen und in dieselbe Wasserumgebung eingetaucht werden. Die Potentialdifferenz, die zwischen den beiden in Kontakt stehenden Metallen entsteht, zwingt die Elektronen dazu, vom weniger edlen zum edleren Metall zu fließen. Auf der weniger edlen Metalloberfläche tritt Korrosion auf, wobei Elektronen abgegeben werden, die auf der edleren Metalloberfläche durch eine Reduktionsreaktion verbraucht werden, die viele chemische Formen annehmen kann. Beispielsweise kann Aluminium durch Kupfer galvanisch angegriffen werden, da sich in geringen Konzentrationen gelöste Kupferionen auf der Aluminiumoberfläche ablagern und das galvanische Korrosionspaar bilden. Daher bestehen wassergekühlte Kühlsysteme aus teuren oder schwierig zu bearbeitenden korrosionsbeständigen Materialen oder Legierungen. Auch das Wasser der Kühlsysteme weist aufwendige Zusätze auf. Als korrosionsbeständiges Material für wassergekühlte Teile wird üblicherweise Edelstahl verwendet. Edelstahl weist jedoch eine sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit auf.In water-cooled cooling systems, it is important to avoid corrosion, microbiological growth or scale formation. An example of corrosion is galvanic corrosion, which occurs when two metals with different electrode potentials are in electrical contact and are immersed in the same water environment. The potential difference that arises between the two metals in contact forces the electrons to flow from the less noble to the more noble metal. Corrosion occurs on the less noble metal surface, releasing electrons that are consumed on the more noble metal surface by a reduction reaction that can take many chemical forms. For example, aluminum can be galvanically attacked by copper because dissolved copper ions in low concentrations are deposited on the aluminum surface and form the galvanic corrosion couple. Therefore, water-cooled cooling systems are made of expensive or difficult-to-machine corrosion-resistant materials or alloys. The water in the cooling systems also contains complex additives. Stainless steel is commonly used as a corrosion-resistant material for water-cooled parts. However, stainless steel has very poor thermal conductivity.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Laserbearbeitungskopf bereitzustellen, in dem ein Wärmeabtransport bzw. eine Kühlung von Komponenten des Laserbearbeitungskopfs, beispielsweise von optischen Elementen, gewährleistet ist, um höhere Laserleistungen für die Materialbearbeitung zu ermöglichen.It is therefore the object of the present invention to provide a laser processing head in which heat removal or cooling of components of the laser processing head, for example optical elements, is ensured in order to enable higher laser powers for material processing.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Laserbearbeitungskopf mit einer kompakten, effizienten, robusten und kostengünstigen Kühlung bereitzustellen. Insbesondere ist es eine Aufgabe, einen Laserbearbeitungskopf, bei dem Platz ein Problem ist, effizient und kostengünstig zu kühlen, so dass eine höhere Laserleistung realisiert werden kann.Another object of the present invention is to provide a laser processing head with compact, efficient, robust and inexpensive cooling. In particular, it is a task to efficiently and cost-effectively cool a laser processing head where space is an issue, so that higher laser power can be realized.

Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Laserbearbeitungskopf anzugeben, in dem auf effiziente und kompakte Weise Wärme von Elementen des Laserbearbeitungskopfs abgeführt werden kann, die innerhalb des Laserbearbeitungskopfs angeordnet und/oder schwer zugänglich sind und/oder die in einem Bereich des Laserbearbeitungskopfs angeordnet sind, an dem nur ein geringer Bauraum für die kühlende Komponenten zu Verfügung steht.Furthermore, it is an object of the present invention to provide a laser processing head in which heat can be dissipated in an efficient and compact manner from elements of the laser processing head that are arranged within the laser processing head and/or are difficult to access and/or that are in an area of the laser processing head are arranged where only a small amount of space is available for the cooling components.

Diese Aufgaben werden durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sowie Weiterentwicklungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.These tasks are solved by the subject matter of the independent claim. Preferred refinements and further developments are the subject of the dependent claims.

Die vorliegende Erfindung basiert auf der Idee, zumindest einen zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher zum Kühlen zumindest einer Komponente des Laserbearbeitungskopfs zu verwenden. Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher basiert auf einer Phasenänderung einer Flüssigkeit bzw. eines Fluids, wobei durch Nutzung der Verdampfungsenthalpie der Flüssigkeit deren Wärmeleitfähigkeit deutlich erhöht wird. Durch den Einsatz von zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschern kann ein Wärmetransport erhöht und dadurch höhere Laserleistungen für die Materialbearbeitung ermöglicht werden.The present invention is based on the idea of using at least one two-phase closed heat exchanger for cooling at least one component of the laser processing head. The two-phase closed heat exchanger is based on a phase change of a liquid or fluid, whereby the thermal conductivity of the liquid is significantly increased by using the enthalpy of vaporization of the liquid. By using two-phase closed heat exchangers, heat transport can be increased, thereby enabling higher laser powers for material processing.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Laserbearbeitungskopf zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls angegeben, wobei der Laserbearbeitungskopf umfasst: ein Gehäuse, wenigstens ein optisches Element, das in dem Gehäuse angeordnet ist; und zumindest einen zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher zum Kühlen wenigstens einer Komponente des Laserbearbeitungskopfs durch Phasenwechsel eines Arbeitsfluids des Wärmetauschers. Das Gehäuse kann einen Optikraum definieren, in dem das optische Element angeordnet ist. Das optische Element kann eingerichtet sein, den Laserstrahl zu führen und/oder zu formen. Das optische Element kann beispielsweise eine Linse, eine Linsengruppe, eine Kollimationsoptik, eine Fokussieroptik, ein Strahlteiler, ein Spiegel, eine Blende, ein Schutzglas u.ä. sein.According to one aspect of the present invention, there is provided a laser processing head for processing a workpiece using a laser beam, the laser processing head comprising: a housing, at least one optical element disposed in the housing; and at least one two-phase closed heat exchanger for cooling at least one component of the laser processing head by phase changing a working fluid of the heat exchanger. The housing can define an optical space in which the optical element is arranged. The optical element can be set up to guide and/or shape the laser beam. The optical element can be, for example, a lens, a lens group, a collimation optics, a focusing optics, a beam splitter, a mirror, a diaphragm, a protective glass, etc. be.

Der Wärmetauscher ist geschlossen, sodass kein Arbeitsfluid aus dem Wärmetauscher austreten kann. Der Wärmetauscher kann hermetisch gekapselt und/oder hermetisch dicht und/oder vakuumversiegelt sein. Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher kann dann als zweiphasiger hermetisch gekapselter Wärmetauscher bzw. als zweiphasiger hermetisch dichter Wärmetauscher bezeichnet werden. Ein Druck im Inneren des zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschers kann kleiner sein als ein Umgebungsdruck. Der Phasenwechsel kann insbesondere zwischen der Flüssigphase und der Gas- bzw. Dampfphase des Arbeitsfluids stattfinden. Dabei kann es sich um eine (quasi) isotherme Zustandsänderung handeln. Mit anderen Worten kann der Wärmetauscher eingerichtet sein, durch Wechsel zwischen dem Arbeitsfluid in gasförmiger Phase (Dampf) und dem Arbeitsfluid in flüssiger Phase (Kondensat) Wärme abzuführen.The heat exchanger is closed so that no working fluid can escape from the heat exchanger. The heat exchanger can be hermetically encapsulated and/or hermetically sealed and/or vacuum sealed. The two-phase closed heat exchanger can then be referred to as a two-phase hermetically sealed heat exchanger or as a two-phase hermetically sealed heat exchanger. A pressure inside the two-phase closed heat exchanger may be less than an ambient pressure. The phase change can take place in particular between the liquid phase and the gas or vapor phase of the working fluid. This can be a (quasi) isothermal change of state. In other words, the heat exchanger can be set up to dissipate heat by alternating between the working fluid in the gaseous phase (steam) and the working fluid in the liquid phase (condensate).

Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher ist eine passive Vorrichtung, in der ein Wärmetransport von einem Bereich mit hoher Temperatur (Verdampfungszone) zu einem Bereich mit niedriger Temperatur (Kondensationszone) ohne äußere Energiezufuhr erfolgt. Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher ist somit eine flexibel einsetzbare, kompakte und robuste Vorrichtung zur Kühlung von Komponenten des Laserbearbeitungskopfs.The two-phase closed heat exchanger is a passive device in which heat is transported from a high temperature area (evaporation zone) to a low temperature area (condensation zone) without external energy supply. The two-phase closed heat exchanger is therefore a flexible, compact and robust device for cooling components of the laser processing head.

Die zu kühlende Komponente des Laserbearbeitungskopfs kann am Gehäuse und/oder im Gehäuse und/oder im Optikraum angeordnet sein. Die zu kühlende Komponente des Laserbearbeitungskopfs kann eine Komponente sein, die in besonders hohem Maße Wärme- und/oder Laserstrahlung ausgesetzt ist. Beispielsweise kann die zu kühlende Komponente gegenüberliegend zu einem optischen Element im Gehäuse angeordnet sein, insbesondere zu einem reflektierenden optischen Element (z.B. einem Spiegel) oder zu einem teilreflektierenden optischen Element (z.B. einem Strahlteiler). Die zu kühlende Komponente des Laserbearbeitungskopfs kann zumindest eine der folgenden Komponenten umfassen bzw. sein: das wenigstens eine optische Element, eine Halterung eines optischen Elements, ein bewegliches optisches Element, das Gehäuse, einen Teil des Gehäuses, eine Düse, eine Faserbuchse, eine Blende, einen Strahlteiler, einen Spiegel, ein elektronisches Bauteil, eine Steuerplatine, etc. Die zu kühlende Komponente kann also eine wärmeempfindliche Komponente des Laserbearbeitungskopfs, wie beispielsweise das wenigstens eine optische Element oder die Steuerplatine, sein. Die zu kühlende Komponente kann eine schlechte Wärmeabfuhr aufweisen. Eine schlechte Wärmeabfuhr weisen insbesondere bewegliche Komponenten auf, da diese nur geringfügig im Kontakt mit dem Gehäuse stehen und daher die Wärme schlecht aus den beweglichen Komponenten abgeführt werden kann. Die zu kühlende Komponente kann ein Teil des Gehäuses sein, auf den der Laserstrahl und/oder Reflexe des Laserstrahls auftreffen. Die zu kühlende Komponente kann in einem Teil des Gehäuses angeordnet sein, in dem der Platz begrenzt ist, so dass dieser Teil des Gehäuses schlecht zugänglich ist und durch aktive Kühlvorrichtungen nur schlecht gekühlt werden kann.The component of the laser processing head to be cooled can be arranged on the housing and/or in the housing and/or in the optical space. The component of the laser processing head to be cooled can be a component that is exposed to particularly high levels of heat and/or laser radiation. For example, the component to be cooled can be arranged opposite an optical element in the housing, in particular a reflective optical element (e.g. a mirror) or a partially reflective optical element (e.g. a beam splitter). The component of the laser processing head to be cooled can include or be at least one of the following components: the at least one optical element, a holder for an optical element, a movable optical element, the housing, a part of the housing, a nozzle, a fiber socket, a diaphragm , a beam splitter, a mirror, an electronic component, a control board, etc. The component to be cooled can therefore be a heat-sensitive component of the laser processing head, such as the at least one optical element or the control board. The component to be cooled may have poor heat dissipation. In particular, movable components have poor heat dissipation because they are only in slight contact with the housing and therefore the heat can be poorly dissipated from the movable components. The component to be cooled can be a part of the housing onto which the laser beam and/or reflections of the laser beam impinge. The component to be cooled can be arranged in a part of the housing in which space is limited, so that this part of the housing is difficult to access and can only be cooled with difficulty by active cooling devices.

Die zu kühlende Komponente kann ein Spiegel, beispielsweise ein schwenkbarer Spiegel einer Scanvorrichtung, sein. Beispielsweise kann der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher auf eine Rückwand des Spiegels und/oder auf einem Halter bzw. Träger des Spiegels angebracht sein oder einen Halter bzw. Träger des Spiegels bilden. Dadurch kann verhindert werden, dass sich der Spiegel zu stark aufheizt und sich ein Kleber zwischen Halter bzw. Träger und Spiegel löst.The component to be cooled can be a mirror, for example a pivoting mirror of a scanning device. For example, the two-phase closed heat exchanger can be attached to a rear wall of the mirror and/or on a holder or carrier of the mirror or can form a holder or carrier of the mirror. This can prevent the mirror from heating up too much and causing the adhesive between the holder or carrier and the mirror to come loose.

Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher kann am Gehäuse und/oder im Gehäuse und/oder im Optikraum angeordnet sein.The two-phase closed heat exchanger can be arranged on the housing and/or in the housing and/or in the optics space.

Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher kann in Kontakt mit der zu kühlenden Komponente stehen und/oder einen Teil derselben bilden.The two-phase closed heat exchanger can be in contact with the component to be cooled and/or form part of it.

Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher kann eine beliebige Geometrie aufweisen. Beispielsweise kann der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher eine Zylinderform, Quaderform oder Würfelform aufweisen und/oder einen runden oder vieleckigen, insbesondere rechteckigen Querschnitt aufweisen.The two-phase closed heat exchanger can have any geometry. For example, the two-phase closed heat exchanger can have a cylindrical shape, cuboid shape or cube shape and/or have a round or polygonal, in particular rectangular, cross section.

Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher kann beispielsweise ein Wärmerohr sein, d.h. er kann rohrförmig und/oder langgestreckt geformt sein. Dabei kann die Ausdehnung des zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschers entlang seiner Wärmetransportrichtung kleiner als seine Ausdehnung senkrecht dazu sein. Mit anderen Worten kann der Wärmetransport entlang einer Längsachse des Wärmetauschers erfolgen.The two-phase closed heat exchanger can be, for example, a heat pipe, i.e. it can be tubular and/or elongated. The expansion of the two-phase closed heat exchanger along its heat transport direction can be smaller than its expansion perpendicular to it. In other words, the heat can be transported along a longitudinal axis of the heat exchanger.

Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher kann eine Wärmekammer bzw. Wärmeplatte sein, d.h. er kann quaderförmig bzw. plattenförmig geformt sein. Dabei kann die Ausdehnung des zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschers entlang der Wärmetransportrichtung kleiner als seine Ausdehnung senkrecht dazu sein. Mit anderen Worten kann der Wärmetransport quer zu einer Längsachse des Wärmetauschers erfolgen.The two-phase closed heat exchanger can be a heat chamber or heat plate, i.e. it can be cuboid or plate-shaped. The expansion of the two-phase closed heat exchanger along the heat transport direction can be smaller than its expansion perpendicular to it. In other words, the heat can be transported transversely to a longitudinal axis of the heat exchanger.

Der Laserbearbeitungskopf kann ein Laserschweißkopf, Laserauftragsschweißkopf, Laserschneidkopf, Laserbohrkopf, Laserlötkopf oder Lasergravurkopf sein. Der Laserbearbeitungskopf kann insbesondere für eine Bearbeitung mittels eines hochenergetischen Laserstrahls eingerichtet sein. Beispielsweise kann der Laserbearbeitungskopf eingerichtete sein, einen Laserstrahl auf dem Werkstück mit einer Energiedichte auf dem Werkstück größer 1 mJ/cm² zu führen.The laser processing head can be a laser welding head, laser deposition welding head, laser cutting head, laser drilling head, laser soldering head or laser engraving head. The laser processing head can be set up in particular for processing using a high-energy laser beam. For example, the laser processing head can be set up to guide a laser beam onto the workpiece with an energy density on the workpiece greater than 1 mJ/cm ² .

Der Laserbearbeitungskopf kann ein Festoptikkopf oder ein Scannerkopf sein. Ein Scanner-Laserbearbeitungskopf kann eine Scanvorrichtung, z.B. einen Galvoscanner, umfassen, die eingerichtet ist, den Laserstrahl in zumindest einer Richtung, vorzugsweise in zwei zueinander orthogonalen Richtungen, senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung auszulenken. Die Scanvorrichtung kann zumindest einen schwenkbaren Spiegel umfassen. Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher kann an und/oder in einem Teil des Gehäuses vorgesehen sein, in dem die Scanvorrichtung angeordnet ist. Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher kann so im Gehäuse angeordnet sein, dass Reflexe von der Scanvorrichtung bzw. vom Spiegel und/oder von der Fokussieroptik, z.B. von einer F-theta Optik, auf denselben treffen. Insbesondere kann der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher dem Spiegel der Scanvorrichtung und/oder der Fokussieroptik gegenüberliegend angeordnet sein.The laser processing head can be a fixed optics head or a scanner head. A scanner laser processing head can include a scanning device, for example a galvoscanner, which is set up to deflect the laser beam in at least one direction, preferably in two mutually orthogonal directions, perpendicular to the beam propagation direction. The scanning device can comprise at least one pivotable mirror. The two-phase closed heat exchanger can be provided on and/or in a part of the housing in which the scanning device is arranged. The two-phase closed heat exchanger can be arranged in the housing in such a way that reflections from the scanning device or from the mirror and/or from the focusing optics, e.g. from an F-theta optics, hit it. In particular, the two-phase closed heat exchanger can be arranged opposite the mirror of the scanning device and/or the focusing optics.

Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher kann zumindest eine Verdampfungszone zur Wärmeaufnahme und zumindest eine Kondensationszone zur Wärmeabgabe umfassen. Vorzugsweise kann die Verdampfungszone benachbart zu der zu kühlenden Komponente und/oder in Kontakt mit der zu kühlenden Komponente und/oder an der zu kühlenden Komponente angeordnet sein.The two-phase closed heat exchanger can include at least one evaporation zone for absorbing heat and at least one condensation zone for releasing heat. Preferably, the evaporation zone can be arranged adjacent to the component to be cooled and/or in contact with the component to be cooled and/or on the component to be cooled.

Die Verdampfungszone ist der Bereich, in dem das Arbeitsmedium durch die aufgenommene Wärme verdampft, d.h. von einer flüssigen in eine gasförmige Phase wechselt. Die Kondensationszone ist der Bereich, in dem das Arbeitsmedium durch Wärmeabgabe kondensiert, d.h. von einer gasförmigen in eine flüssige Phase wechselt. Insbesondere kann der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher eine Kondensationszone und mehrere, z.B. zwei, Verdampfungszonen aufweisen oder umgekehrt. Beispielsweise kann der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher eine Verdampfungszone zwischen zwei Kondensationszonen aufweisen.The evaporation zone is the area in which the working medium evaporates due to the heat absorbed, i.e. changes from a liquid to a gaseous phase. The condensation zone is the area in which the working medium condenses through heat release, i.e. changes from a gaseous to a liquid phase. In particular, the two-phase closed heat exchanger can have a condensation zone and several, for example two, evaporation zones or vice versa. For example, the two-phase closed heat exchanger can have an evaporation zone between two condensation zones.

Eine Oberfläche des zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschers, insbesondere eine Oberfläche der Verdampfungszone, kann eine Beschichtung und/oder Struktur aufweisen, die eine Absorption von Laserstrahlung und/oder Wärmestrahlung verstärkt bzw. verbessert. Eine Oberfläche des zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschers, insbesondere eine Oberfläche der Kondensationszone, kann eine Beschichtung und/oder Struktur aufweisen, die eine Wärmeabfuhr verstärkt bzw. verbessert.A surface of the two-phase closed heat exchanger, in particular a surface of the evaporation zone, can have a coating and/or structure that enhances or improves absorption of laser radiation and/or thermal radiation. A surface of the two-phase closed heat exchanger, in particular a surface of the condensation zone, can have a coating and/or structure that enhances or improves heat dissipation.

Der Rücktransport des Arbeitsfluids zur Verdampfungszone kann passiv erfolgen. Insbesondere kann der Transport des dampfförmigen Arbeitsfluids, das in der Verdampfungszone verdampft ist, zur Kondensationszone und/oder der Transport des flüssigen Arbeitsfluids, das in der Kondensationszone kondensiert ist, zurück zur Verdampfungszone passiv erfolgen, d.h. ohne externe Energiezufuhr.The working fluid can be transported back to the evaporation zone passively. In particular, the transport of the vaporous working fluid that has evaporated in the evaporation zone to the condensation zone and/or the transport of the liquid working fluid that has condensed in the condensation zone back to the evaporation zone can take place passively, i.e. without external energy supply.

Der Transport des Arbeitsfluids in flüssiger Phase von der Kondensationszone zu der Verdampfungszone kann durch Kapillarkraft bzw. aufgrund eines Dochtprinzips und/oder Schwerkraft erfolgen.The transport of the working fluid in the liquid phase from the condensation zone to the evaporation zone can take place by capillary force or based on a wick principle and/or gravity.

Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher kann ein Kapillarelement umfassen, das eingerichtet ist, das Arbeitsfluid in flüssiger Phase von der Kondensationszone zu der Verdampfungszone zu transportieren. Das Kapillarelement kann auch als Docht bezeichnet werden. Das Kapillarelement kann ein Drahtgewebe sein und/oder eine rillenförmige Kapillarstruktur aufweisen. Das Kapillarelement wird zum passiven Rücktransport des Arbeitsfluids zur Verdampfungszone eingesetzt. Der passive Rücktransport des Arbeitsfluids zur Verdampfungszone durch ein Kapillarelement basiert also auf dem sogenannten Dochtprinzip.The two-phase closed heat exchanger may include a capillary element configured to transport the working fluid in liquid phase from the condensation zone to the evaporation zone. The capillary element can also be referred to as a wick. The capillary element can be a wire mesh and/or have a groove-shaped capillary structure. The capillary element is used for the passive return transport of the working fluid to the evaporation zone. The passive return transport of the working fluid to the evaporation zone through a capillary element is based on the so-called wick principle.

Die Verdampfungszone kann kleiner sein als die Kondensationszone. Mit anderen Worten kann die Verdampfungszone eine kleinere Fläche aufweisen als die Kondensationszone. The evaporation zone can be smaller than the condensation zone. In other words, the evaporation zone can have a smaller area than the condensation zone.

Dadurch kann die Wärme über eine möglichst große Fläche und damit möglichst schnell aus dem zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher abgeführt werden.This allows the heat to be removed from the two-phase closed heat exchanger over the largest possible area and thus as quickly as possible.

Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher und/oder die Kondensationszone kann passiv und/oder aktiv gekühlt sein. Dadurch kann die Wärme aus dem zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher effektiv abgeführt werden. Beispielsweise kann der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher und/oder die Kondensationszone an ein aktive Kühlvorrichtung und/oder an ein passives Kühlelement angrenzen oder damit in Kontakt stehen.The two-phase closed heat exchanger and/or the condensation zone can be passively and/or actively cooled. This allows the heat from the two-phase closed heat exchanger to be effectively dissipated. For example, the two-phase closed heat exchanger and/or the condensation zone may adjoin or be in contact with an active cooling device and/or a passive cooling element.

Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher kann eine Vielzahl von Kühlrippen zur passiven Kühlung umfassen. Durch dieses passive Kühlelement kann die Wärmeabgabe verbessert werden. Die Kühlrippen können an der Kondensationszone des zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschers angeordnet sein.The two-phase closed heat exchanger can include a plurality of cooling fins for passive cooling. This passive cooling element can improve heat dissipation. The cooling fins can be arranged on the condensation zone of the two-phase closed heat exchanger.

Der Laserbearbeitungskopf kann eine aktive Kühlvorrichtung zum Kühlen des zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschers, insbesondere der Kondensationszone, umfassen. Die aktive Kühlvorrichtung kann beabstandet zu der zu kühlenden Komponente angeordnet sein. Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher kann zwischen der aktiven Kühlvorrichtung und der zu kühlenden Komponente angeordnet sein und/oder in Kontakt sowohl mit der aktiven Kühlvorrichtung als auch mit der zu kühlenden Komponente stehen.The laser processing head can include an active cooling device for cooling the two-phase closed heat exchanger, in particular the condensation zone. The active cooling device can be arranged at a distance from the component to be cooled. The two-phase closed heat exchanger may be arranged between the active cooling device and the component to be cooled and/or be in contact with both the active cooling device and the component to be cooled.

In diesem Beispiel kann die Wärme durch den zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher von der zu kühlenden Komponente zu einer aktiven Kühlvorrichtung abgeleitet werden. Die zu kühlende Komponente kann sich beispielsweise an einer schlecht zugänglichen Stelle des Laserbearbeitungskopfs befinden. Aufgrund des Wärmetransports durch den zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher kann die aktive Kühlvorrichtung an einer gut zugänglichen Stelle des Laserbearbeitungskopfs angeordnet sein. Durch diese Anordnung können einfache aktive Kühlvorrichtungen eingesetzt werden, da der Bauraum für die aktive Kühlvorrichtungen weniger bzw. kaum beschränkt ist.In this example, the heat can be dissipated from the component to be cooled to an active cooling device through the two-phase closed heat exchanger. The component to be cooled can, for example, be located in a poorly accessible location on the laser processing head. Due to the heat transport through the two-phase closed heat exchanger, the active cooling device can be arranged in an easily accessible location on the laser processing head. With this arrangement, simple active cooling devices can be used, since the installation space for the active cooling devices is less or hardly limited.

Die aktive Kühlvorrichtung kann einen Lüfter umfassen oder ein Lüfter sein. Die aktive Kühlvorrichtung kann ein Peltier-Element umfassen oder ein Peltier-Element sein.The active cooling device may include or be a fan. The active cooling device may comprise a Peltier element or be a Peltier element.

Die aktive Kühlvorrichtung kann einen Kühlkörper, der eingerichtet ist, von einem Kühlmittel durchströmt zu werden, und einen Kühlmittelanschluss, zum Einfüllen bzw. Einleiten des Kühlmittels, umfassen. Die aktive Kühlvorrichtung kann eingerichtet sein, die Wärme aktiv abzutransportieren. Die aktive Kühlvorrichtung kann eine äußere Energiezufuhr benötigen. Insbesondere kann die aktive Kühlvorrichtung eingerichtet sein, die Wärme durch ein aktiv geführtes Kühlmittel, beispielsweise Wasser, Gas oder Luft, abzuführen.The active cooling device can comprise a heat sink, which is set up to be flowed through by a coolant, and a coolant connection for filling or introducing the coolant. The active cooling device can be set up to actively remove the heat. The active cooling device may require an external energy supply. In particular, the active cooling device can be set up to transfer heat to dissipate an actively managed coolant, for example water, gas or air.

Der Kühlkörper der aktiven Kühlvorrichtung kann in Kontakt mit dem zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher stehen, insbesondere mit der Kondensationszone des zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschers. Dadurch kann die Wärme möglichst effektiv von dem zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher abgeführt werden.The heat sink of the active cooling device may be in contact with the two-phase closed heat exchanger, in particular with the condensation zone of the two-phase closed heat exchanger. This allows the heat to be dissipated as effectively as possible from the two-phase closed heat exchanger.

In einem Ausführungsbeispiel ist der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher als Blende zur Begrenzung eines Durchmessers des Laserstrahls ausgebildet. Der als Blende ausgebildete Wärmetauscher kann zwischen einem Eintrittsport des Laserbearbeitungskopfs zum Einkoppeln des Laserstrahls, beispielsweise eine Faserbuchse, und einer Kollimationsoptik angeordnet sein. Damit kann der Laserstahl begrenzt werden, um zu vermeiden, dass dieser einen definierten Durchmesser bzw. eine definierte Geometrie überschreitet und dadurch Bauteile des Laserbearbeitungskopfs beschädigt. Der als Blende ausgebildete Wärmetauscher kann aber auch in einer Düse des Laserbearbeitungskopfs angeordnet sein. Hierdurch kann die Düse gekühlt werden. Zudem kann der Laserstrahl oder vom Werkstück ausgehende Prozessstrahlung derart begrenzt werden, dass dieser bzw. diese nicht auf eine Innenfläche der Düse und/oder andere Komponenten trifft.In one exemplary embodiment, the two-phase closed heat exchanger is designed as a diaphragm for limiting a diameter of the laser beam. The heat exchanger designed as a diaphragm can be arranged between an entry port of the laser processing head for coupling the laser beam, for example a fiber socket, and collimation optics. This allows the laser beam to be limited in order to prevent it from exceeding a defined diameter or a defined geometry and thereby damaging components of the laser processing head. The heat exchanger designed as a diaphragm can also be arranged in a nozzle of the laser processing head. This allows the nozzle to be cooled. In addition, the laser beam or process radiation emanating from the workpiece can be limited in such a way that it does not impinge on an inner surface of the nozzle and/or other components.

In einem Ausführungsbeispiel ist der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher als Optikhalter ausgebildet, in dem das optische Element gehalten ist. Der als Optikhalter ausgebildete Wärmetauscher kann die Form eines Hohlzylinders bzw. eines doppelwandigen Hohlzylinders aufweisen, in dessen Öffnung das optische Element gehalten ist. Der Optikhalter kann beweglich im Laserbearbeitungskopf angeordnet sein, sodass eine Position des darin gehaltenen optischen Elements einstellbar ist. Beispielsweise kann das im Optikhalter gehaltene optische Element eine Kollimationsoptik sein. In diesem Fall kann durch Verschieben des Optikhalters mit der Kollimationsoptik die Fokuslage eingestellt werden.In one exemplary embodiment, the two-phase closed heat exchanger is designed as an optics holder in which the optical element is held. The heat exchanger designed as an optics holder can have the shape of a hollow cylinder or a double-walled hollow cylinder, in the opening of which the optical element is held. The optics holder can be movably arranged in the laser processing head, so that a position of the optical element held therein can be adjusted. For example, the optical element held in the optics holder can be collimation optics. In this case, the focus position can be adjusted by moving the optics holder with the collimation optics.

Der Laserbearbeitungskopf kann einen Strahlteiler umfassen. Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher kann an einer dem Strahlteiler gegenüberliegenden Gehäusewand angeordnet sein.The laser processing head may include a beam splitter. The two-phase closed heat exchanger can be arranged on a housing wall opposite the beam splitter.

Der Strahlteiler kann eingerichtet sein, den Laserstrahl passieren zu lassen. Der Strahlteiler kann im Strahlengang des Laserstrahls angeordnet sein. Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher kann so angeordnet sein, dass ein an dem Strahlteiler reflektierter Teil des Laserstrahls auf den zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher trifft. Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher kann also benachbart zum Strahlteiler in einer Richtung senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung des auf den Strahlteiler einfallenden Laserstrahls im Gehäuse angeordnet sein. Mit anderen Worten kann der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher so angeordnet sein, dass Strahlung, die an dem Strahlteiler unerwünschter Weise reflektiert wird, d.h. die den Strahlteiler eigentlich hätte passieren bzw. durch den Strahlteiler hätte hindurchtreten sollen, auf den zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher trifft. Die durch Absorption entstehende Wärme kann somit durch den zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher abgeführt werden. Hierdurch kann eine Überhitzung des Gehäuses verhindert werden.The beam splitter can be set up to let the laser beam pass through. The beam splitter can be arranged in the beam path of the laser beam. The two-phase closed heat exchanger can be arranged such that a part of the laser beam reflected on the beam splitter hits the two-phase closed heat exchanger. The two-phase closed heat exchanger can therefore be arranged in the housing adjacent to the beam splitter in a direction perpendicular to the direction of propagation of the laser beam incident on the beam splitter. In other words, the two-phase closed heat exchanger can be arranged in such a way that radiation that is undesirably reflected on the beam splitter, i.e. that should actually have passed through the beam splitter or should have passed through the beam splitter, hits the two-phase closed heat exchanger. The heat generated by absorption can therefore be dissipated through the two-phase closed heat exchanger. This can prevent the housing from overheating.

Der Strahlteiler kann eingerichtet sein, den Laserstrahl zu reflektieren. Der Strahlteiler kann im Strahlengang des Laserstrahls angeordnet sein. Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher kann so angeordnet sein, dass ein durch den Strahlteiler hindurchgetretener Teil des Laserstrahls auf den zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher trifft. Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher kann also benachbart zum Strahlteiler in der Ausbreitungsrichtung des auf den Strahlteiler einfallenden Laserstrahls im Gehäuse angeordnet sein. Mit anderen Worten kann der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher so angeordnet sein, dass Strahlung, die den Strahlteiler unerwünschter Weise passiert bzw. durch den Strahlteiler hindurchtritt, d.h. die eigentlich an dem Strahlteiler hätte reflektiert werden sollen, auf den zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher trifft. Die durch Absorption entstehende Wärme kann somit durch den zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher abgeführt werden. Hierdurch kann eine Überhitzung des Gehäuses verhindert werden.The beam splitter can be set up to reflect the laser beam. The beam splitter can be arranged in the beam path of the laser beam. The two-phase closed heat exchanger can be arranged such that a part of the laser beam that has passed through the beam splitter hits the two-phase closed heat exchanger. The two-phase closed heat exchanger can therefore be arranged in the housing adjacent to the beam splitter in the direction of propagation of the laser beam incident on the beam splitter. In other words, the two-phase closed heat exchanger can be arranged in such a way that radiation that undesirably passes through the beam splitter or passes through the beam splitter, i.e. that should actually have been reflected on the beam splitter, hits the two-phase closed heat exchanger. The heat generated by absorption can therefore be dissipated through the two-phase closed heat exchanger. This can prevent the housing from overheating.

Beispielsweise kann der Laserbearbeitungskopf einen Strahlteiler zum Auskoppeln von Prozessstrahlung aus dem Strahlengang des Laserstrahls und eine Sensoreinheit zum Erfassen der ausgekoppelten Prozessstrahlung umfassen. Prozessstrahlung kann Rückreflexe des Laserstrahls am Werkstück oder Prozessemissionen umfassen, wie beispielsweise Plasmastrahlung, Temperaturstrahlung, IR-Strahlung oder UV-Strahlung. Der Wärmetauscher kann gegenüber der Sensoreinheit angeordnet sein. Der Wärmetauscher kann so angeordnet sein, dass der Strahlteiler zwischen der Sensoreinheit und dem Wärmetauscher liegt. In einem weiteren Beispiel kann der Laserbearbeitungskopf eine optische Messvorrichtung, beispielsweise eine optische Kohärenztomographie- (kurz OCT) Vorrichtung, und einen Strahlteiler zum Einkoppeln eines Messstrahls der OCT-Vorrichtung in den Strahlengang des Laserstrahls umfassen. Der Wärmetauscher kann so angeordnet sein, dass der Strahlteiler zwischen der OCT-Vorrichtung und dem Wärmetauscher liegt.For example, the laser processing head can include a beam splitter for decoupling process radiation from the beam path of the laser beam and a sensor unit for detecting the decoupled process radiation. Process radiation can include back reflections of the laser beam on the workpiece or process emissions, such as plasma radiation, temperature radiation, IR radiation or UV radiation. The heat exchanger can be arranged opposite the sensor unit. The heat exchanger can be arranged so that the beam splitter lies between the sensor unit and the heat exchanger. In a further example, the laser processing head can comprise an optical measuring device, for example an optical coherence tomography (OCT for short) device, and a beam splitter for coupling a measuring beam from the OCT device into the beam path of the laser beam. The Heat exchanger can be arranged so that the beam splitter lies between the OCT device and the heat exchanger.

Vorzugsweise umfasst der Laserbearbeitungskopf eine Düse mit einer Austrittsöffnung für den Laserstrahl. Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher kann in der Düse angeordnet sein und/oder einen Teil der Düse bilden. Insbesondere die Düse wird durch Prozessemissionen, reflektierte Laserstrahlung oder oxidative Reaktionen stark erhitzt. Zudem ist der Bauraum in der Düse stark begrenzt. Daher ist es vorteilhaft, wenn die Wärme aus der Düse besonders platzsparend abgeführt werden kann.The laser processing head preferably comprises a nozzle with an exit opening for the laser beam. The two-phase closed heat exchanger can be arranged in the nozzle and/or form part of the nozzle. The nozzle in particular is heated strongly by process emissions, reflected laser radiation or oxidative reactions. In addition, the installation space in the nozzle is very limited. It is therefore advantageous if the heat can be dissipated from the nozzle in a particularly space-saving manner.

Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher kann in Form eines Hohlzylinders und/oder als Optikhalterung und/oder ringförmig zur Begrenzung des Laserstrahls ausgebildet sein. Beispielsweise kann der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher eine Halterung eines beweglichen optischen Elements, etwa einer Kollimationsoptik, oder zumindest einen Teil von der Halterung bilden. Da die Halterung einer beweglichen Optik aufgrund der geringen Kontaktfläche besonders schlecht Wärme ableiten kann, kann ein als Optikhalterung ausgebildeter Wärmetauscher die Kühlung der Optik deutlich verbessern.The two-phase closed heat exchanger can be designed in the form of a hollow cylinder and/or as an optics holder and/or ring-shaped to limit the laser beam. For example, the two-phase closed heat exchanger can form a holder for a movable optical element, such as collimation optics, or at least a part of the holder. Since the holder of a movable optics can dissipate heat particularly poorly due to the small contact area, a heat exchanger designed as an optics holder can significantly improve the cooling of the optics.

Das Arbeitsfluid kann Wasser, Aceton, Alkalimetall, Natrium oder Lithium oder aus einem Gemisch aus zumindest zwei dieser Stoffe sein oder umfassen.The working fluid can be or include water, acetone, alkali metal, sodium or lithium or a mixture of at least two of these substances.

Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher kann aus einem Werkstoff bzw. Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit geformt sein und/oder eines der folgenden Materialien umfassen: Kupfer, Aluminium, Edelstahl, warmfester Stahl und/oder Nickelbasislegierung.The two-phase closed heat exchanger may be formed from a material with high thermal conductivity and/or include one of the following materials: copper, aluminum, stainless steel, heat-resistant steel and/or nickel-based alloy.

Vorzugsweise umfasst der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher eine Hülle, die einen Innenraum definiert. Das Arbeitsfluid ist in dem Innenraum enthalten. Die Hülle kann beispielsweise aus einem Werkstoff bzw. Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit sein und/oder zumindest eines der folgenden Materialien umfassen: Kupfer, Aluminium, Edelstahl, warmfester Stahl und/oder Nickelbasislegierung.Preferably, the two-phase closed heat exchanger includes a shell that defines an interior space. The working fluid is contained in the interior. The shell can, for example, be made of a material with high thermal conductivity and/or comprise at least one of the following materials: copper, aluminum, stainless steel, heat-resistant steel and/or nickel-based alloy.

In dem zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher bzw. in dem Innenraum kann ein Kapillarelement zum Transportieren des Arbeitsfluids in flüssiger Phase durch Kapillarkraft angeordnet sein. Das Kapillarelement kann an oder benachbart zu einer Innenfläche der Hülle angeordnet sein. Das Kapillarelement kann den Innenraum zumindest teilweise oder vollständig ausfüllen.A capillary element for transporting the working fluid in the liquid phase by capillary force can be arranged in the two-phase closed heat exchanger or in the interior. The capillary element may be located on or adjacent to an interior surface of the casing. The capillary element can at least partially or completely fill the interior space.

In dem zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher bzw. in dem Innenraum kann ein Dampfkanal zum Führen des Arbeitsfluids in gasförmiger Phase angeordnet sein. Der Dampfkanal kann beispielsweise eine nichtbenetzbare poröse Struktur umfassen. Wenn sowohl das Kapillarelement als auch der Dampfkanal vorgesehen sind, kann das Kondensat und der Dampfstrom voneinander entkoppelt werden, um die Wärmeübertragung des zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschers zu verbessern.A steam channel for guiding the working fluid in the gaseous phase can be arranged in the two-phase closed heat exchanger or in the interior. The vapor channel may, for example, comprise a non-wettable porous structure. If both the capillary element and the steam channel are provided, the condensate and the steam flow can be decoupled from each other to improve the heat transfer of the two-phase closed heat exchanger.

Kurzbeschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren im Detail beschrieben:

1 zeigt eine Funktionsweise eines zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 zeigt eine Funktionsweise eines weiteren zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
3 zeigt einen Laserbearbeitungskopf mit einem zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
4 zeigt einen als Blende ausgebildeten, zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
5 zeigt einen als Blende ausgebildeten, zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
6 zeigt eine Anordnung eines als Blende ausgebildeten, zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher benachbart zu einem Eintrittsport eines Laserbearbeitungskopfs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
7 zeigt einen Laserbearbeitungskopf gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit einem zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher, der in einer Düse angeordnet ist;
8 zeigt einen als Optikhalterung ausgebildeten, zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
9 zeigt eine Schnittansicht des zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschers, der in 8 dargestellt ist;
10 zeigt einen Laserbearbeitungskopf gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit einem als Optikhalterung ausgebildeten, zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher; und
11 zeigt einen Laserbearbeitungskopf gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit einer Scanvorrichtung zum Auslenken des Laserstrahls und einem zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher.

The invention is described in detail below using figures:

1 shows an operation of a two-phase closed heat exchanger according to an embodiment of the invention;
2 shows an operation of another two-phase closed heat exchanger according to a further embodiment of the invention;
3 shows a laser processing head with a two-phase closed heat exchanger according to an embodiment of the invention;
4 shows a two-phase closed heat exchanger designed as a diaphragm according to an embodiment of the invention;
5 shows a two-phase closed heat exchanger designed as a diaphragm according to a further embodiment of the invention;
6 shows an arrangement of a two-phase closed heat exchanger designed as an aperture adjacent to an inlet port of a laser processing head according to an embodiment of the invention;
7 shows a laser processing head according to a further embodiment of the invention with a two-phase closed heat exchanger arranged in a nozzle;
8th shows a two-phase closed heat exchanger designed as an optics holder according to an embodiment of the invention;
9 shows a sectional view of the two-phase closed heat exchanger, which is in 8th is shown;
10 shows a laser processing head according to a further embodiment of the invention with an optics holder formed, two-phase closed heat exchanger; and
11 shows a laser processing head according to a further embodiment of the invention with a scanning device for deflecting the laser beam and a two-phase closed heat exchanger.

Detaillierte Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings

Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Hierbei bezeichnen dieselben Bezugszeichen dieselben Teile.Embodiments of the invention are described below with reference to the drawings. The same reference numerals designate the same parts.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein zweiphasiger geschlossener Wärmetauscher 100 zur Kühlung von Komponenten eines Laserbearbeitungskopfs eingesetzt, die beispielsweise durch Laserstrahlung und/oder aufgrund der geringen Entfernung zu dem zu bearbeitenden Werkstück erhitzt werden.According to the present invention, a two-phase closed heat exchanger 100 is used for cooling components of a laser processing head, which are heated, for example, by laser radiation and/or due to the short distance to the workpiece to be processed.

1 und 2 zeigen jeweils einen zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher 100 gemäß einer Ausführungsform. Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 hat eine Hülle 110, die einen Innenraum 130 umschließt. In dem Innenraum 130 befindet sich ein Arbeitsfluid 150, 152. 1 and 2 each show a two-phase closed heat exchanger 100 according to an embodiment. The two-phase closed heat exchanger 100 has a shell 110 that encloses an interior 130. A working fluid 150, 152 is located in the interior 130.

Das Funktionsprinzip der Phasenwechselkühlung mit Hilfe des zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschers 100 wird in 1 und 2 veranschaulicht. Es nutzt Verdampfung, Kondensation und Bewegung eines Arbeitsfluids, um hohe Wärmeübertragungsraten mit sehr kleinen Temperaturgradienten zu erreichen. Der Teil des zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschers 100, der der Aufnahme von Energie bzw. Wärmeleistung Q_in dient, wird als Verdampfungszone 111 bezeichnet und der Teil, der der Abgabe von Energie bzw. Wärmeleistung Q_out dient, wird als Kondensationszone 112 bezeichnet. An der Verdampfungszone 111 wird Wärme aufgenommen, die einen Phasenwechsel des Arbeitsfluids von einer flüssigen Phase 150 in eine gasförmige Phase 152 bewirkt. Die aufgenommene Wärmeleistung Q_in wird von dem Arbeitsfluid in gasförmiger Phase 152 von der Verdampfungszone 111 zu der Kondensationszone 112 transportiert. Dort kondensiert das Arbeitsfluid in gasförmiger Phase 152, d.h. es wechselt von der gasförmigen Phase 152 in die flüssige Phase 150. Dadurch wird die Wärmeleistung Q_out an der Kondensationszone 112 abgegeben.The functional principle of phase change cooling using the two-phase closed heat exchanger 100 is explained in 1 and 2 illustrated. It uses evaporation, condensation and agitation of a working fluid to achieve high heat transfer rates with very small temperature gradients. The part of the two-phase closed heat exchanger 100 that serves to absorb energy or heat output Q_in is referred to as evaporation zone 111 and the part that serves to release energy or heat output Q_out is referred to as condensation zone 112. Heat is absorbed at the evaporation zone 111, which causes a phase change of the working fluid from a liquid phase 150 to a gaseous phase 152. The absorbed heat output Q_in is transported by the working fluid in the gaseous phase 152 from the evaporation zone 111 to the condensation zone 112. There the working fluid condenses in the gaseous phase 152, ie it changes from the gaseous phase 152 to the liquid phase 150. As a result, the heat output Q_out is released to the condensation zone 112.

Wenn Wärme Q_in zugeführt wird, verdampft das Arbeitsfluid in flüssiger Phase 150 in der Nähe einer heißen Stelle der Hülle 110 (d.h. Verdampfungszone 111) und füllt aufgrund der Druckdifferenz das gesamte Volumen des Innenraums 130 mit Arbeitsfluid in gasförmiger Phase 152. Wenn das Arbeitsfluid in gasförmiger Phase 152 mit einer kühleren Wandfläche der Hülle 110 (d.h. Kondensationszone 112) in Kontakt kommt, kondensiert es. Das kondensierte Arbeitsfluid in flüssiger Phase 150 kehrt dann entweder durch Kapillarwirkung, Zentrifugalkraft oder Schwerkraft zur Wärmequelle bzw. zur Verdampfungszone 111 zurück und der Zyklus wiederholt sich.When heat Q_in is supplied, the liquid phase working fluid 150 evaporates near a hot spot of the shell 110 (i.e. evaporation zone 111) and, due to the pressure difference, fills the entire volume of the interior 130 with gaseous phase working fluid 152. When the gaseous working fluid When phase 152 comes into contact with a cooler wall surface of shell 110 (i.e., condensation zone 112), it condenses. The condensed liquid phase working fluid 150 then returns to the heat source or evaporation zone 111 by either capillary action, centrifugal force or gravity and the cycle repeats.

Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 kann hermetisch gekapselt und/oder vakuumversiegelt sein. Während der Herstellung wird Luft aus dem zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher 100 entfernt, um den Druck im Innenraum 130 zu verringern (bis ca. 0,008 bar). Anschließend wird der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 mit dem Arbeitsfluid 150, 152 gefüllt. Der niedrige Druck in dem Innenraum 130 ermöglicht eine Verdampfung des Arbeitsfluids in flüssiger Phase 150 bei einer Temperatur, die viel niedriger ist als die normale Siedetemperatur.The two-phase closed heat exchanger 100 may be hermetically encapsulated and/or vacuum sealed. During manufacturing, air is removed from the two-phase closed heat exchanger 100 to reduce the pressure in the interior 130 (to approximately 0.008 bar). The two-phase closed heat exchanger 100 is then filled with the working fluid 150, 152. The low pressure in the interior 130 allows the liquid phase working fluid 150 to evaporate at a temperature much lower than the normal boiling temperature.

Aufgrund des verringerten Drucks füllt das Arbeitsfluid 150, 152 den Innenraum 130 größtenteils in gasförmiger Phase aus und liegt nur zu einem geringen Teil in flüssiger Phase vor. Da sich das Arbeitsmedium in flüssiger Phase 150 und das Arbeitsmedium in gasförmiger Phase 152 im selben Raum befinden, wird der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 im Nassdampfbereich betrieben. Dadurch herrscht in dem zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher 100 bei einem bestimmten Druck genau eine bestimmte Temperatur. Da die Druckunterschiede in dem zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher 100 sehr klein sind, meist wenige Pascal, ist auch die Temperaturdifferenz zwischen Verdampfungszone 111 und Kondensationszone 112 gering und beträgt maximal einige Kelvin. Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 hat daher einen sehr geringen thermischen Widerstand. Der Bereich zwischen Verdampfungszone 111 (Wärmequelle Q_in) und Kondensationszone 112 (kühleren Wandoberfläche Q_out) ist praktisch isotherm.Due to the reduced pressure, the working fluid 150, 152 largely fills the interior 130 in the gaseous phase and is only partially in the liquid phase. Since the working medium in liquid phase 150 and the working medium in gaseous phase 152 are in the same room, the two-phase closed heat exchanger 100 is operated in the wet steam range. As a result, there is exactly a specific temperature in the two-phase closed heat exchanger 100 at a specific pressure. Since the pressure differences in the two-phase closed heat exchanger 100 are very small, usually a few Pascals, the temperature difference between the evaporation zone 111 and the condensation zone 112 is also small and amounts to a maximum of a few Kelvin. The two-phase closed heat exchanger 100 therefore has a very low thermal resistance. The area between evaporation zone 111 (heat source Q_in) and condensation zone 112 (cooler wall surface Q_out) is practically isothermal.

Aufgrund der sehr hohen Wärmeübergangskoeffizienten für Verdampfen und Kondensieren sind zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 hochwirksame Wärmeleiter. Die effektive Wärmeleitfähigkeit hängt von der Geometrie ab, kann aber bis zum Zehnfachen der Wärmeleitfähigkeit eines Kupferbauteils mit ähnlicher Geometrie betragen.Due to the very high heat transfer coefficients for evaporation and condensation, two-phase closed heat exchangers are 100 highly effective heat conductors. The effective thermal conductivity depends on the geometry, but can be up to ten times the thermal conductivity of a copper component with a similar geometry.

Die Hülle 110 kann aus Kupfer bestehen. Alternativ kann Edelstahl oder Aluminium verwendet werden. Verschiedene Fluide können als Arbeitsfluid 150, 152 des zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschers 100 verwendet werden, insbesondere Aceton, Wasser oder Natrium. In den meisten Anwendungen wird jedoch Wasser aufgrund seiner hohen latenten Wärme, Oberflächenspannung, Wärmeleitfähigkeit und Siedetemperatur als Arbeitsfluid 150, 152 ausgewählt, ganz zu schweigen von den Kosten- und Umweltbedenken. Das Material der Hülle 110, das Kapillarelement 120 und das Arbeitsfluid 150, 152 werden insbesondere in Abhängigkeit von der Anwendung und der Betriebstemperatur ausgewählt. Weiter kann die Hülle 110 an deren Außenseite mit einer Beschichtung behandelt oder strukturiert sein, um eine Absorption von Wärmestrahlung und/oder Laserstrahlung zu verbessern.The shell 110 can be made of copper. Alternatively, stainless steel or aluminum can be used. Various fluids can be used as the working fluid 150, 152 of the two-phase closed heat exchanger 100, in particular Acetone, water or sodium. However, in most applications, water is selected as the working fluid 150, 152 because of its high latent heat, surface tension, thermal conductivity, and boiling temperature, not to mention cost and environmental concerns. The material of the shell 110, the capillary element 120 and the working fluid 150, 152 are selected in particular depending on the application and the operating temperature. Furthermore, the shell 110 can be treated or structured on the outside with a coating in order to improve absorption of thermal radiation and/or laser radiation.

Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 kann gemäß Ausführungsformen ein Kapillarelement 120 bzw. einen Docht umfassen. Das Arbeitsfluid in flüssiger Phase 150 wird dann allein oder zusätzlich aufgrund von durch das Kapillarelement 120 erzeugten Kapillarkräften wieder von der Kondensationszone 112 zur Verdampfungszone 111 zurückgeleitet. Das Kapillarelement 120 bzw. der Docht kann je nach Anwendung und Ausrichtung des Wärmetauschers als Kühlgerät variieren. Das Kapillarelement 120 kann insbesondere gerillt und/oder ein Drahtgewebe und/oder gesintert und/oder wärmeleitend sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Rücktransport des Arbeitsfluids zur Verdampfungszone 111 durch die Schwerkraft erfolgen. Hierfür ist eine geeignete Orientierung des zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschers 100 wichtig.According to embodiments, the two-phase closed heat exchanger 100 can include a capillary element 120 or a wick. The working fluid in the liquid phase 150 is then returned from the condensation zone 112 to the evaporation zone 111 alone or additionally due to capillary forces generated by the capillary element 120. The capillary element 120 or the wick can vary depending on the application and orientation of the heat exchanger as a cooling device. The capillary element 120 can in particular be grooved and/or a wire mesh and/or sintered and/or thermally conductive. Alternatively or additionally, the working fluid can be transported back to the evaporation zone 111 by gravity. For this purpose, a suitable orientation of the two-phase closed heat exchanger 100 is important.

Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 ist ein sehr zuverlässiges thermisches Gerät. Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 hat keine beweglichen Teile und verwendet keine korrosiven Materialien. Das Arbeitsfluid 150, 152 und das Kapillarelement 120 sind dauerhaft in der Hülle 110 eingekapselt. Es gibt nahezu keinen mechanischen oder chemischen Abbau im Laufe der Zeit. Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 ist flexibel an Stellen mit einem geringen Einbauraum einsetzbar und kann Wärme an einen entfernten Ort leiten, an dem Platz für entsprechende Kühlkörper bzw. aktive Kühlvorrichtungen vorhanden ist.The two-phase closed heat exchanger 100 is a very reliable thermal device. The two-phase closed heat exchanger 100 has no moving parts and does not use corrosive materials. The working fluid 150, 152 and the capillary element 120 are permanently encapsulated in the shell 110. There is almost no mechanical or chemical degradation over time. The two-phase closed heat exchanger 100 can be used flexibly in locations with a small installation space and can conduct heat to a remote location where there is space for appropriate heat sinks or active cooling devices.

In 1 ist ein zweiphasiger geschlossener Wärmetauscher 100 in Form eines Wärmerohrs gezeigt, das ein langgestrecktes Metallgefäß mit einem hermetisch abgeschlossenen Volumen sein kann. Der Wärmetauscher 100 umfasst eine Hülle 110, ein Kapillarelement 120 und das Arbeitsfluid 150, 152. Das Kapillarelement 120 dient dazu, Kapillarkräfte zu erzeugen, um das Arbeitsmedium nach Kondensation wieder an die Verdampfungszone des Wärmerohrs zurückzuführen. Dazu kann das Kapillarelement 120 eine Innenfläche der Hülle 110 zumindest teilweise bedecken. Das Kapillarelement 120 kann wärmeleitend sein. Die Hülle 110 ist in 1 rohrförmig ausgebildet, d.h. der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 hat eine langgestreckte Form. In einer Richtung quer zur Längsrichtung, d.h. im Querschnitt, kann der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 rund oder eckig ausgebildet sein. Die Verdampfungszone 111 und die Kondensationszone 112 liegen an sich gegenüberliegenden Enden der Hülle 110. Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 kann auch gebogen sein oder eine komplexe Geometrie aufweisen. Ein Wärmetransport erfolgt hier hauptsächlich in einer Bahn, die man als Linie beschreiben kann, auch wenn sich diese Linie in einem 3D-Raum befinden kann, d.h. nicht gerade sein muss. Dies kann als Wärmetransportrichtung bezeichnet werden.In 1 1, a two-phase closed heat exchanger 100 is shown in the form of a heat pipe, which may be an elongated metal vessel with a hermetically sealed volume. The heat exchanger 100 comprises a shell 110, a capillary element 120 and the working fluid 150, 152. The capillary element 120 serves to generate capillary forces in order to return the working medium back to the evaporation zone of the heat pipe after condensation. For this purpose, the capillary element 120 can at least partially cover an inner surface of the casing 110. The capillary element 120 can be thermally conductive. The case 110 is in 1 tubular, that is, the two-phase closed heat exchanger 100 has an elongated shape. In a direction transverse to the longitudinal direction, ie in cross section, the two-phase closed heat exchanger 100 can be round or square. The evaporation zone 111 and the condensation zone 112 lie at opposite ends of the shell 110. The two-phase closed heat exchanger 100 can also be curved or have a complex geometry. Heat is transported here mainly in a path that can be described as a line, even if this line can be in a 3D space, i.e. it does not have to be straight. This can be referred to as the heat transport direction.

Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 kann aber auch eine flache Form, eine Plattenform, eine Zylinderform, eine Quaderform oder eine Hohlzylinderform haben. 2 zeigt einen weiteren beispielhaften zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher 100 in Form einer Dampfkammer bzw. Wärmekammer oder Wärmeplatte. In dieser Geometrie weist der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 im Vergleich zu dem Wärmerohr eine erhöhte thermisch verbundene Oberfläche auf, sodass Wärme sich nicht nur in einer einzigen Richtung (z.B. Längsrichtung), sondern quasi in einem Halbraum ausbreiten kann. Der in 2 gezeigte zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 wirkt als 2D-Wärmediffusor. Mit Ausnahme der Form weist der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 aus 2 denselben Aufbau auf wie der aus 1. Im Unterschied zu dem zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher, der in 1 dargestellt ist, ist in 2 die Kondensationszone 112 an einer gesamten Oberfläche der Hülle 110 angeordnet und die Verdampfungszone 111 ist an einer gegenüberliegenden Oberfläche der Hülle 110 angeordnet. Beispielhaft befindet sich die Verdampfungszone 111 nur in einem zentralen Bereich der Oberfläche. Die Verdampfungszone 111 kann also eine kleinere Fläche aufweisen als die Kondensationszone 112.The two-phase closed heat exchanger 100 can also have a flat shape, a plate shape, a cylindrical shape, a cuboid shape or a hollow cylindrical shape. 2 shows another exemplary two-phase closed heat exchanger 100 in the form of a steam chamber or heat chamber or heat plate. In this geometry, the two-phase closed heat exchanger 100 has an increased thermally connected surface compared to the heat pipe, so that heat can spread not only in a single direction (eg, longitudinal direction), but essentially in a half-space. The in 2 The two-phase closed heat exchanger 100 shown acts as a 2D heat diffuser. Except for the shape, the two-phase closed heat exchanger has 100 2 the same structure as the one from 1 . In contrast to the two-phase closed heat exchanger, which is in 1 is shown is in 2 the condensation zone 112 is arranged on an entire surface of the shell 110 and the evaporation zone 111 is arranged on an opposite surface of the shell 110. By way of example, the evaporation zone 111 is only located in a central area of the surface. The evaporation zone 111 can therefore have a smaller area than the condensation zone 112.

3 zeigt ein Laserbearbeitungskopf 1 zur Bearbeitung eines Werkstücks 2 mit einem zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher 100. Der Laserbearbeitungskopf 1 umfasst ein Gehäuse 5, das einen optischen Raum begrenzt, in dem ein Strahlengang des Laserstrahls 6 verläuft. Der Laserstrahl 6 kann beispielsweise über eine Faserbuche 9, in die ein Lichtleitkabel 4 mit einem Faserstecker gesteckt werden kann, in den Laserbearbeitungskopf 1 eingekoppelt werden. Die Faserbuchse 9 kann daher als Eintrittsport des Laserbearbeitungskopfs 1 zum Einkoppeln des Laserstrahls bezeichnet werden. Die vorliegende Erfindung ist aber nicht auf fasergekoppelte Laserbearbeitungsköpfe beschränkt. Der Laserbearbeitungskopf 1 umfasst ferner eine Kollimationsoptik 10 und eine Fokussieroptik 11. Die Kollimationsoptik 10 und/oder die Fokussieroptik 11 können aus einer Linse oder einer Linsengruppe bestehen. Der fokussierte Laserstrahl 6 tritt aus einer Düse 7 des Laserbearbeitungskopfs 1 aus und wird auf das Werkstück 2 gerichtet, das dann entweder schmilzt, verbrennt, verdampft oder von einem Gasstrahl (im Bild nicht dargestellt) weggeblasen wird. Die Kollimationsoptik 10 kann in Richtung des Strahlengangs bzw. entlang der optischen Achse 8, also in z-Richtung verschiebbar sein, beispielsweise um die Fokuslage vertikal auf einen gewünschten Wert Δz einzustellen. 3 shows a laser processing head 1 for processing a workpiece 2 with a two-phase closed heat exchanger 100. The laser processing head 1 comprises a housing 5 which delimits an optical space in which a beam path of the laser beam 6 runs. The laser beam 6 can, for example, be coupled into the laser processing head 1 via a fiber socket 9, into which a light guide cable 4 with a fiber connector can be inserted. The fiber socket 9 can therefore be referred to as the entry port of the laser processing head 1 for coupling in the laser beam. However, the present invention is not limited to fiber-coupled laser processing heads. The laser processing head 1 further includes collimation optics 10 and a focus lens optics 11. The collimation optics 10 and/or the focusing optics 11 can consist of a lens or a lens group. The focused laser beam 6 emerges from a nozzle 7 of the laser processing head 1 and is directed onto the workpiece 2, which then either melts, burns, vaporizes or is blown away by a gas jet (not shown in the picture). The collimation optics 10 can be displaceable in the direction of the beam path or along the optical axis 8, i.e. in the z direction, for example in order to adjust the focus position vertically to a desired value Δz.

Der Laserbearbeitungskopf 1 kann ferner eine Sensoreinheit 200 zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses umfassen, sowie einen Strahlteiler 20, insbesondere einen dichroitischen Spiegel, um vom Werkstück ausgehende und in den Laserbearbeitungskopf eintretende Prozessstrahlung 610 aus dem Strahlengang des Laserbearbeitungskopfs auszukoppeln und in die Sensoreinheit 200 zu leiten. Der Strahlteiler 20 ist in diesem Beispiel eingerichtet, um den Laserstrahl 6 passieren zu lassen, d.h. er kann für die Wellenlänge des Laserstrahls transmissiv sein. Allerdings weist ein Strahlteiler 20 immer eine gewisse Restreflektivität auf, sodass Reflexe 620 des Laserstrahls an dem Strahlteiler 20 auftreten, die auf das Gehäuse 5 oder andere empfindliche Komponenten des Laserbearbeitungskopfs 1 treffen und diese erwärmen. Der Einfachheit halber sind in 3 nur die reflektierte Prozessstrahlung 610 von der unteren Oberfläche des Strahlteilers 20 und die Reflexe 620 des Laserstrahls von der oberen Oberfläche des Strahlteilers 20 gezeigt. Insbesondere bei hohen Laserleistungen können die Reflexe 620 zu unerwünschter Erwärmung oder Beschädigungen des Laserbearbeitungskopfs 1 oder Teilen davon führen.The laser processing head 1 can further comprise a sensor unit 200 for monitoring a laser processing process, as well as a beam splitter 20, in particular a dichroic mirror, in order to decouple process radiation 610 emanating from the workpiece and entering the laser processing head from the beam path of the laser processing head and guide it into the sensor unit 200. The beam splitter 20 is set up in this example to let the laser beam 6 pass, that is, it can be transmissive for the wavelength of the laser beam. However, a beam splitter 20 always has a certain residual reflectivity, so that reflections 620 of the laser beam occur on the beam splitter 20, which hit the housing 5 or other sensitive components of the laser processing head 1 and heat them up. For the sake of simplicity, 3 only the reflected process radiation 610 from the lower surface of the beam splitter 20 and the reflections 620 of the laser beam from the upper surface of the beam splitter 20 are shown. Particularly at high laser powers, the reflections 620 can lead to undesirable heating or damage to the laser processing head 1 or parts thereof.

Um diese unerwünschte Wärmequelle effizient zu kühlen und Beschädigungen des Laserbearbeitungskopfs 1, insbesondere des Gehäuses 5, aufgrund der Reflexe 620 zu verhindern, ist in 3 erfindungsgemäß ein zweiphasiger geschlossener Wärmetauscher 100 in dem Laserbearbeitungskopf angeordnet. Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 ist an einem zu erwartenden Auftreffpunkt der Reflexe 620 am Gehäuse 5 befestigt, um die Wärmeleistung der Reflexe 620 aufzunehmen. Mit anderen Worten ist der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 in 3 so platziert, dass er direkt von den Reflexen 620 bestrahlt und erwärmt wird. Hierfür kann eine dem Strahlteiler 20 zugewandte Oberfläche des zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschers 100, d.h. in der Verdampfungszone 111, mit einer absorptionsverstärkenden Beschichtung oder Struktur versehen sein.In order to efficiently cool this undesirable heat source and to prevent damage to the laser processing head 1, in particular the housing 5, due to the reflections 620, in 3 According to the invention, a two-phase closed heat exchanger 100 is arranged in the laser processing head. The two-phase closed heat exchanger 100 is attached to the housing 5 at an expected point of impact of the reflections 620 in order to absorb the thermal output of the reflections 620. In other words, the two-phase closed heat exchanger is 100 in 3 placed so that it is directly irradiated and heated by the reflections 620. For this purpose, a surface of the two-phase closed heat exchanger 100 facing the beam splitter 20, ie in the evaporation zone 111, can be provided with an absorption-enhancing coating or structure.

Das Prinzip einer der Phasenwechselkühlung durch einen zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher 100 wurde oben schon erläutert: Dies ist ein sehr schneller geschlossener Wärmeleiter und kann Wärme mit sehr geringen Verlusten über lange Strecken leiten. Um die Kühleffizienz zu steigern, kann an einem Ende oder an einer Oberfläche des zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher 100 eine Wärmesenke angeordnet sein. Das kann eine aktive und/oder passive Kühlvorrichtung sein, z.B. in Form eines Kühlkörpers, einer Vorrichtung mit Lüfter oder einer Wasserkühlung. Ein mit einer Kühlvorrichtung gekoppelter zweiphasiger geschlossener Wärmetauscher 100 kann als autarkes Wärmemanagementsystem betrachtet werden.The principle of phase change cooling through a two-phase closed heat exchanger 100 has already been explained above: This is a very fast, closed heat conductor and can conduct heat over long distances with very low losses. In order to increase the cooling efficiency, a heat sink may be arranged at one end or on a surface of the two-phase closed heat exchanger 100. This can be an active and/or passive cooling device, e.g. in the form of a heat sink, a device with a fan or water cooling. A two-phase closed heat exchanger 100 coupled to a cooling device can be viewed as a self-sufficient thermal management system.

Optional kann der Laserbearbeitungskopf 1 daher eine aktive Kühlvorrichtung 300 umfassen, die mit dem zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 in Kontakt steht. Die aktive Kühlvorrichtung 300 ist an der Kondensationszone 112 des zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschers 100 angeordnet, um die aufgenommene Wärmeleistung abzutransportieren. Die aktive Kühlvorrichtung 300 kann ein Peltier-Element oder eine Kühlmittelkühlung umfassen. In 3 ist die aktive Kühlvorrichtung 300 eine Kühlmittelkühlung bzw. Wasserkühlung. Die aktive Kühlvorrichtung 300 umfasst beispielsweise einen Kühlkörper 330, eine Kühlleitung 310 und einen Kühlmittelanschluss 320 zum Einleiten von Kühlmittel, insbesondere Wasser, in den Kühlkörper 330. Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 steht hier in direktem Kontakt mit dem wassergekühlten Kühlkörper 330. Beispielsweise kann Wasser aus einem Kühlkreislauf mit Hilfe des Kühlmittelanschluss 320 an den Laserbearbeitungskopf 1 angeschlossen und mit Hilfe der Kühlleitung 310 zum wassergekühlten Kühlkörper 330 geleitet werden.Optionally, the laser processing head 1 can therefore include an active cooling device 300, which is in contact with the two-phase closed heat exchanger 100. The active cooling device 300 is arranged on the condensation zone 112 of the two-phase closed heat exchanger 100 in order to transport away the absorbed heat output. The active cooling device 300 may include a Peltier element or coolant cooling. In 3 is the active cooling device 300 a coolant cooling or water cooling. The active cooling device 300 includes, for example, a heat sink 330, a cooling line 310 and a coolant connection 320 for introducing coolant, in particular water, into the heat sink 330. The two-phase closed heat exchanger 100 is here in direct contact with the water-cooled heat sink 330. For example, water can come out a cooling circuit with the help of the coolant connection 320 to the laser processing head 1 and with the help of the cooling line 310 to the water-cooled heat sink 330.

Alternativ zu einer aktiven Kühlvorrichtung 300 oder zusätzlich dazu kann der Laserbearbeitungskopf 1 auch eine passive Kühlvorrichtung, beispielsweise Kühlrippen oder ähnliches, umfassen, um die Kondensationszone 112 des zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschers 100 zu kühlen.As an alternative to an active cooling device 300 or in addition thereto, the laser processing head 1 may also include a passive cooling device, for example cooling fins or the like, in order to cool the condensation zone 112 of the two-phase closed heat exchanger 100.

4 zeigt eine Draufsicht auf einen gebogenen zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher 100. Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 ist rohrförmig und an einem Ende gebogen, um an diesem Ende eine Blende zu bilden. Der als Blende ausgebildete zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 bildet eine nahezu kreisförmige Apertur bzw. Öffnung 160, durch die der Laserstrahl hindurchgeführt werden kann. Der als Blende ausgebildete zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 kann die maximale Apertur des Laserstrahls 6 begrenzen. Das Ende des Wärmetauschers 100, das die Öffnung 160 bildet, kann als Verdampfungszone 111 des zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschers 100 fungieren. Die Kondensationszone 112 befindet sich hier an dem anderen Ende des zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschers 100. 4 shows a top view of a curved two-phase closed heat exchanger 100. The two-phase closed heat exchanger 100 is tubular and bent at one end to form a diaphragm at that end. The two-phase closed heat exchanger 100, designed as a diaphragm, forms an almost circular aperture or opening 160 through which the laser beam can be passed. The two-phase closed heat exchanger 100 designed as a diaphragm can limit the maximum aperture of the laser beam 6. The end of the heat exchanger 100, which forms the opening 160, can function as an evaporation zone 111 of the two-phase closed heat exchanger 100. The Condensation zone 112 is located here at the other end of the two-phase closed heat exchanger 100.

5 zeigt eine Draufsicht eines weiteren plattenförmigen zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschers 100, der ebenfalls als Blende ausgebildet ist. Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 weist in der Mitte eine Öffnung 160 auf. Die Öffnung 160 kann kreisförmig ausgebildet sein und dient beispielweise als Blende zum Begrenzen des Laserstrahls. Der an die Öffnung 160 angrenzende Bereich fungiert hier wiederum als Verdampfungszone 111 des zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschers 100, d.h. dieser Bereich nimmt die Wärmeleistung des Laserstrahls auf. Ein gegenüberliegender Bereich, d.h. ein radial auswärts gelegener Bereich, fungiert als Kondensationszone 112. Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 weist optional einen Rand 180 mit Befestigungslöchern 170 auf, die zur Befestigung des zweiphasigen geschlossen Wärmetauschers 100 verwendet werden können. Der Rand 180 kann massiv ausgebildet sein, d.h. er ist nicht hohl, wie die Hülle 110 des zweiphasigen geschlossen Wärmetauschers 100. 5 shows a top view of another plate-shaped two-phase closed heat exchanger 100, which is also designed as a cover. The two-phase closed heat exchanger 100 has an opening 160 in the middle. The opening 160 can be circular and serves, for example, as a diaphragm to limit the laser beam. The area adjacent to the opening 160 here again functions as an evaporation zone 111 of the two-phase closed heat exchanger 100, ie this area absorbs the heat output of the laser beam. An opposing region, ie, a radially outward region, functions as a condensation zone 112. The two-phase closed heat exchanger 100 optionally includes an edge 180 with mounting holes 170 that can be used to fasten the two-phase closed heat exchanger 100. The edge 180 can be solid, that is, it is not hollow, like the shell 110 of the two-phase closed heat exchanger 100.

6 zeigt einen Ausschnitt eines weiteren Laserbearbeitungskopfs 1 zum Bearbeiten eines Werkstücks 2 mit einem zweiphasigen geschlossenen Wärmtauscher 100 gemäß der vorliegenden Erfindung. Der zweiphasige geschlossene Wärmtauscher 100 ist hier als Blende für den Laserstrahl ausgebildet, und kann beispielsweise einer der in den 4 und 5 dargestellten Wärmtauscher 100 sein. Vorzugsweise wird der als Blende ausgebildete zweiphasige geschlossene Wärmtauscher 100 zwischen einem Eintrittsport des Laserbearbeitungskopf zum Einkoppeln des Laserstrahls, z.B. einer Faserbuchse 9, und der Kollimationsoptik 10 angeordnet. Wie in 6 gezeigt ist, wird der Laserstrahl 6 beispielsweise durch ein Lichtleitkabel 4 bereitgestellt und durch die Faserbuche 9 entlang der Achse des Strahlengangs 8 in das Gehäuse 5 des Laserbearbeitungskopfs 1 eingeleitet. Zur Begrenzung des divergent in den Laserbearbeitungskopf 1 eintretenden Laserstrahls 6 wird der als Blende ausgebildete zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 eingesetzt, d.h. der Laserstrahl 6 wird durch die Öffnung 160 des zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschers 100 geleitet und durch diese begrenzt. 6 shows a section of another laser processing head 1 for processing a workpiece 2 with a two-phase closed heat exchanger 100 according to the present invention. The two-phase closed heat exchanger 100 is designed here as a diaphragm for the laser beam, and can, for example, be one of the ones in the 4 and 5 shown heat exchanger 100. The two-phase closed heat exchanger 100 designed as a diaphragm is preferably arranged between an inlet port of the laser processing head for coupling the laser beam, for example a fiber socket 9, and the collimation optics 10. As in 6 is shown, the laser beam 6 is provided, for example, by a light guide cable 4 and introduced through the fiber beech 9 along the axis of the beam path 8 into the housing 5 of the laser processing head 1. To limit the laser beam 6 entering the laser processing head 1 divergently, the two-phase closed heat exchanger 100 designed as a diaphragm is used, ie the laser beam 6 is guided through the opening 160 of the two-phase closed heat exchanger 100 and limited by it.

Optional kann der als Blende ausgebildete zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 mit einer aktiven Kühlvorrichtung 300 gekoppelt sein. An einem Ende bzw. an einer Seite steht der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 mit der aktiven Kühlvorrichtung 300, insbesondere dem Kühlkörper 330, in Kontakt. Auch wenn in 6 die Kühlvorrichtung 300 nur an einer Seite mit dem zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher 100 in Kontakt steht, kann die Kühlvorrichtung 300 bzw. der Kühlkörper 330 an mehreren Seiten oder entlang des gesamten Umfangs des zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher 100 ausgebildet sein bzw. mit diesem in Kontakt stehen. Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 kann durch die Kühlvorrichtung 300 bzw. durch den Kühlkörper 330 gehalten werden. Mit anderen Worten kann die Kühlvorrichtung 300 auch zur Befestigung des zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschers 100 im Laserbearbeitungskopf 1 dienen. Die aktive Kühlvorrichtung 300 umfasst den Kühlkörper 330, der über die Kühlleitung 310 mit dem Kühlmittelanschluss 320 verbunden ist. Die Kühlvorrichtung 300 kann durch die Kühlleitung 310 an dem Gehäuse 5 befestigt sein, oder aber zusätzlich durch ein anderes Befestigungselement mit dem Gehäuse 5 verbunden werden.Optionally, the two-phase closed heat exchanger 100 designed as a diaphragm can be coupled to an active cooling device 300. At one end or on one side, the two-phase closed heat exchanger 100 is in contact with the active cooling device 300, in particular the heat sink 330. Even if in 6 the cooling device 300 is only in contact with the two-phase closed heat exchanger 100 on one side, the cooling device 300 or the heat sink 330 can be formed on several sides or along the entire circumference of the two-phase closed heat exchanger 100 or be in contact with it. The two-phase closed heat exchanger 100 can be held by the cooling device 300 or by the heat sink 330. In other words, the cooling device 300 can also be used to fasten the two-phase closed heat exchanger 100 in the laser processing head 1. The active cooling device 300 includes the heat sink 330, which is connected to the coolant connection 320 via the cooling line 310. The cooling device 300 can be fastened to the housing 5 through the cooling line 310, or can additionally be connected to the housing 5 by another fastening element.

7 zeigt einen Laserbearbeitungskopf 1 mit einem zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Der Aufbau des Laserbearbeitungskopfs ist weitgehend identisch zu dem mit Bezug auf 3 beschriebenen Laserbearbeitungskopf. Der Laserbearbeitungskopf 1 kann ein Laserschneidkopf sein. Insbesondere bei Schneidanwendungen erhitzt sich ein unterer Teil des Laserbearbeitungskopfs, der an eine Düse 7 angrenzt bzw. eine Düsenhalterung aufweist. 7 shows a laser processing head 1 with a two-phase closed heat exchanger 100 according to an embodiment of the invention. The structure of the laser processing head is largely identical to that referred to 3 described laser processing head. The laser processing head 1 can be a laser cutting head. Particularly in cutting applications, a lower part of the laser processing head, which is adjacent to a nozzle 7 or has a nozzle holder, heats up.

Auch die Düse 7 des Laserbearbeitungskopfs 1 wird bei der Laserbearbeitung stark erhitzt und ist aufgrund des eingeschränkten Bauraums nur schwer zu kühlen. Die Gründe sind Erwärmung durch Wärmestau oberhalb des Werkstücks 2 und/oder Abschneiden des Laserstrahls 6 durch die Düse 7. Hier kann erfindungsgemäß ein in oder an oder benachbart zu der Düse angeordneter zweiphasiger geschlossener Wärmetauscher 100 Abhilfe schaffen. Beispielsweise kann in einem unteren Teil des Laserbearbeitungskopfs oberhalb der Düse 7 oder in der Düse 7 ein zweiphasiger geschlossener Wärmetauscher 100 angeordnet sein. Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 kann mit einer aktiven Kühlvorrichtung 300 gekoppelt sein. In diesem Fall dient der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 dazu, die Wärme effektiv und platzsparend zu einer Kühlvorrichtung 300 zu leiten, die beispielsweise in einem Bereich des Laserbearbeitungskopfs mit größerem Bauraum angeordnet sein kann. Auch kann der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 dazu dienen, Bereiche des Laserbearbeitungskopfs mit einer schon implementierten Kühlvorrichtung 300 des Laserbearbeitungskopfs thermisch zu koppeln. Beispielsweise kann der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 ähnlich aufgebaut sein, wie der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 in 4. Jedoch ist der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 in 7 an dem Ende, an dem sich die Kondensationszone 112 befindet, nach oben gebogen, damit eine Verbindung zwischen dem zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher 100 und der aktiven Kühlvorrichtung 300 in einem gut bzw. besser zugänglichen Bereich des Gehäuses 5 außerhalb der Düse 7 realisiert werden kann. Der Kühlkörper 330 ist mit der Kühlleitung 310 und dem Kühlmittelanschluss 320 verbunden, durch das Kühlmittel, beispielsweise Wasser, in den Kühlkörper 330 eingeführt wird.The nozzle 7 of the laser processing head 1 is also very heated during laser processing and is difficult to cool due to the limited installation space. The reasons are heating due to heat accumulation above the workpiece 2 and/or cutting off the laser beam 6 by the nozzle 7. According to the invention, a two-phase closed heat exchanger 100 arranged in or on or adjacent to the nozzle can provide a remedy here. For example, a two-phase closed heat exchanger 100 can be arranged in a lower part of the laser processing head above the nozzle 7 or in the nozzle 7. The two-phase closed heat exchanger 100 may be coupled to an active cooling device 300. In this case, the two-phase closed heat exchanger 100 serves to conduct the heat effectively and in a space-saving manner to a cooling device 300, which can be arranged, for example, in an area of the laser processing head with a larger installation space. The two-phase closed heat exchanger 100 can also serve to thermally couple areas of the laser processing head with an already implemented cooling device 300 of the laser processing head. For example, the two-phase closed heat exchanger 100 can be constructed similarly to the two-phase closed heat exchanger 100 in 4 . However, the two-phase closed heat exchanger 100 in 7 at the end at which the condensation zone 112 is located, bent upwards so that a connection between the two-phase closed heat exchanger 100 and the active cooling device 300 can be realized in an easily or more accessible area of the housing 5 outside the nozzle 7. The heat sink 330 is connected to the cooling line 310 and the coolant connection 320, through which coolant, for example water, is introduced into the heat sink 330.

Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 in 7 kann auch als Blende ausgebildet sein und/oder eine freie Öffnung 160 aufweisen, sodass der Laserstrahl 6 durch den zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher 100 hindurch aus der Düse 7 austreten kann. Wenn der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 als Blende zur Begrenzung der maximalen Apertur des Laserstrahls ausgebildet ist, z.B. wie oben mit Bezug auf 4 oder 5 beschrieben, kann verhindert werden, dass der Laserstrahl 6 auf die sich verjüngende Düse 7 trifft.The two-phase closed heat exchanger 100 in 7 can also be designed as a diaphragm and/or have a free opening 160, so that the laser beam 6 can emerge from the nozzle 7 through the two-phase closed heat exchanger 100. If the two-phase closed heat exchanger 100 is designed as a diaphragm for limiting the maximum aperture of the laser beam, for example as described above with reference to 4 or 5 described, the laser beam 6 can be prevented from hitting the tapered nozzle 7.

8 und 9 zeigen einen zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher 100, der als Optikhalter ausgebildet ist. 8 zeigt eine perspektivische Ansicht, während 9 eine Schnittansicht des als Optikhalter ausgebildeten zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschers 100 zeigt. Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 hat die Form eines Rohrs bzw. eines Hohlzylinders, insbesondere eines doppelwandigen und/oder zylinderförmigen Rohrs. Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 weist also eine Öffnung 160 auf, in der eine Optik 10', z.B. eine bewegliche Optik, eine Linse, ein Spiegel, eine Kollimationsoptik 10, eine Fokussieroptik etc., aufgenommen sein kann. Die Hülle 110 umgibt die Öffnung 160. Die Hülle 110 kann die Form eines langgezogenen Ringes bzw. eines doppelwandigen Hohlzylinders aufweisen. Das Arbeitsfluid befindet sich im Innenraum 130 bzw. in der Hülle 110. 8th and 9 show a two-phase closed heat exchanger 100, which is designed as an optics holder. 8th shows a perspective view while 9 shows a sectional view of the two-phase closed heat exchanger 100 designed as an optics holder. The two-phase closed heat exchanger 100 has the shape of a tube or a hollow cylinder, in particular a double-walled and/or cylindrical tube. The two-phase closed heat exchanger 100 therefore has an opening 160 in which an optics 10 ', for example a movable optics, a lens, a mirror, a collimation optics 10, a focusing optics, etc., can be accommodated. The casing 110 surrounds the opening 160. The casing 110 can have the shape of an elongated ring or a double-walled hollow cylinder. The working fluid is located in the interior 130 or in the shell 110.

Der als Optikhalter ausgebildete zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 kann mit einer passiven Kühlvorrichtung, z.B. Kühlrippen, versehen sein. In 8 und 9 sind an einem Ende des zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschers 100, d.h. in der Kondensationszone 112, auf der Außenfläche horizontale Kühlrippen 115 zur passiven Kühlung bzw. als passive Kühlvorrichtung ausgebildet. Die Kühlrippen 115 können ringsum um die Außenfläche des zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschers 100 verlaufen, d.h. ringförmig ausgebildet sein. Es sind nicht nur die dargestellten horizontalen Kühlrippen 115, sondern auch vertikale Kühlrippen denkbar. Die Kondensationszone 112 auf der Außenfläche des zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschers 100 grenzt an die passive Kühlvorrichtung an. Dementsprechend befindet sich die Verdampfungszone 111 auf der Innenfläche des zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschers 100 in dem Bereich, in dem die Optik angeordnet ist. Somit kann die Optik 10' effektiv gekühlt werden.The two-phase closed heat exchanger 100 designed as an optics holder can be provided with a passive cooling device, for example cooling fins. In 8th and 9 At one end of the two-phase closed heat exchanger 100, ie in the condensation zone 112, horizontal cooling fins 115 are formed on the outer surface for passive cooling or as a passive cooling device. The cooling fins 115 can run all around the outer surface of the two-phase closed heat exchanger 100, ie can be designed in a ring shape. Not only the horizontal cooling fins 115 shown, but also vertical cooling fins are conceivable. The condensation zone 112 on the outer surface of the two-phase closed heat exchanger 100 is adjacent to the passive cooling device. Accordingly, the evaporation zone 111 is located on the inner surface of the two-phase closed heat exchanger 100 in the area where the optics are arranged. The optics 10' can thus be effectively cooled.

10 zeigt einen Laserbearbeitungskopf 1 mit einem zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Der Aufbau des Laserbearbeitungskopfs ist weitgehend identisch zu dem mit Bezug auf 3 oder 7 beschriebenen Laserbearbeitungskopf. Als Optikhalter für die Kollimationsoptik 10 wird ein zweiphasiger geschlossener Wärmetauscher 100 verwendet, wie er in den 8 und 9 dargestellt ist. Der als Optikhalter ausgebildete zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 kann zusammen mit der Kollimationsoptik 10 beweglich sein. Mit anderen Worten kann der als Optikhalter ausgebildete zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 entlang der optischen Achse der Kollimationsoptik 10 verschiebbar im Laserbearbeitungskopf 1 angeordnet sein. 10 shows a laser processing head 1 with a two-phase closed heat exchanger 100 according to an embodiment of the invention. The structure of the laser processing head is largely identical to that referred to 3 or 7 described laser processing head. A two-phase closed heat exchanger 100 is used as the optics holder for the collimation optics 10, as in the 8th and 9 is shown. The two-phase closed heat exchanger 100 designed as an optics holder can be movable together with the collimation optics 10. In other words, the two-phase closed heat exchanger 100 designed as an optics holder can be displaceably arranged in the laser processing head 1 along the optical axis of the collimation optics 10.

In dem Laserbearbeitungskopf 1 kann optional ein zweiter zweiphasiger geschlossener Wärmetauscher 100 angeordnet sein. Der zweite Wärmetauscher 100 kann beispielsweise als Blende ausgebildet sein, wie oben mit Bezug auf 4 oder 5 beschrieben. Der zweite Wärmetauscher 100 kann zwischen der Kollimationsoptik 10 und einem Eintrittsport des Laserbearbeitungskopfs zum Einkoppeln des Laserstrahls angeordnet sein, z.B. wie mit Bezug auf 6 beschrieben. Der zweite Wärmetauscher 100 kann sich über dem als Optikhalter ausgebildeten Wärmetauscher 100 mit der Kollimationsoptik 10 befinden. Der zweite Wärmetauscher 100 nimmt Wärme über Wärmestrahlung und/oder Konvektion der die bewegliche Optik 10 umgebenden Luft auf und verbessert so den Wärmeabtransport aus dem Gehäuse 5. Optional kann der Laserbearbeitungskopf die aktive Kühlvorrichtung 300 umfassen, die in Kontakt mit der Kondensationszone 112 des zweiten Wärmetauschers 100 angeordnet ist.A second two-phase closed heat exchanger 100 can optionally be arranged in the laser processing head 1. The second heat exchanger 100 can be designed, for example, as a diaphragm, as described above with reference to 4 or 5 described. The second heat exchanger 100 can be arranged between the collimation optics 10 and an entry port of the laser processing head for coupling the laser beam, for example as with reference to 6 described. The second heat exchanger 100 can be located above the heat exchanger 100 designed as an optics holder with the collimation optics 10. The second heat exchanger 100 absorbs heat via thermal radiation and / or convection of the air surrounding the movable optics 10 and thus improves the heat removal from the housing 5. Optionally, the laser processing head can include the active cooling device 300, which is in contact with the condensation zone 112 of the second heat exchanger 100 is arranged.

11 zeigt einen Laserbearbeitungskopf gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit einer Scanvorrichtung 80 zum Auslenken des Laserstrahls und einem zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher 100. Die Scanvorrichtung 80 umfasst zwei Spiegel 81, 81`, die eingerichtet sind, um den Laserstrahl in zwei aufeinander und zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls senkrecht stehende Richtungen x, y auf dem Werkstück 2 auszulenken. Das Gehäuse 5 des Laserbearbeitungskopfs 1 umfasst einen Scannergehäuseteil 51, in dem die Scanvorrichtung 80 aufgenommen ist. Der zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher 100 ist in dem Scannergehäuseteil 51 angeordnet. Der Laserbearbeitungskopf 1 umfasst ferner die Kollimationsoptik 10 und die Fokussieroptik 11, die hier ein F-theta Objektiv sein kann. Der zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher 100 kann so angeordnet sein, dass Reflexe 620 von der Fokussieroptik 11 und/oder von den Spiegeln 81, 81 ` darauf fallen. Dadurch kann eine Überhitzung des Scannergehäuseteils 51 bzw. des Gehäuses 5 vermieden werden. Selbstverständlich kann der im Scannergehäuseteil 51 angeordnete zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 mit einer aktiven und/oder passiven Kühlvorrichtung gekoppelt sein, wie es oben beschrieben ist. Dadurch kann ein effizienter Wärmeabtransport von durch Reflexionen erhitzten Teilen oder Bereichen des Laserbearbeitungskopfs gewährleistet werden. 11 shows a laser processing head according to a further embodiment of the invention with a scanning device 80 for deflecting the laser beam and a two-phase closed heat exchanger 100. The scanning device 80 comprises two mirrors 81, 81 ', which are set up to reflect the laser beam in two on top of each other and in the direction of propagation of the laser beam to deflect vertical directions x, y on the workpiece 2. The housing 5 of the laser processing head 1 includes a scanner housing part 51 in which the scanning device 80 is accommodated. The two-phase closed heat exchanger 100 is arranged in the scanner housing part 51. The Laser Bear Processing head 1 also includes the collimation optics 10 and the focusing optics 11, which can be an F-theta lens here. The two-phase closed heat exchanger 100 can be arranged so that reflections 620 from the focusing optics 11 and/or from the mirrors 81, 81' fall on it. This can prevent overheating of the scanner housing part 51 or the housing 5. Of course, the two-phase closed heat exchanger 100 arranged in the scanner housing part 51 can be coupled to an active and/or passive cooling device, as described above. This ensures efficient heat removal from parts or areas of the laser processing head that are heated by reflections.

BezugszeichenlisteReference symbol list

11: LaserbearbeitungskopfLaser processing head
22: Werkstückworkpiece
44: LichtleitkabelLight guide cable
55: GehäuseHousing
66: Laserstrahllaser beam
77: Düsejet
88th: Achse des StrahlengangsAxis of the beam path
99: FaserbuchseFiber socket
1010: KollimationsoptikCollimation optics
1111: FokussieroptikFocusing optics
100100: zweiphasiger geschlossener Wärmetauschertwo-phase closed heat exchanger
110110: HülleCovering
111111: VerdampfungszoneEvaporation zone
112112: Kondensationszonecondensation zone
115115: Kühlrippencooling fins
120120: KapillarelementCapillary element
130130: Innenrauminner space
150150: Arbeitsfluid in flüssiger PhaseWorking fluid in liquid phase
152152: Arbeitsfluid in gasförmiger PhaseWorking fluid in gaseous phase
160160: Öffnungopening
170170: Befestigungslöchermounting holes
180180: Randedge
2020: StrahlteilerBeam splitter
200200: SensoreinheitSensor unit
300300: aktive Kühlvorrichtungactive cooling device
310310: KühlleitungCooling line
320320: KühlmittelanschlussCoolant connection
330330: KühlkörperHeat sink
610610: ProzessstrahlungProcess radiation
620620: ReflexeReflexes
8080: ScanvorrichtungScanning device
81, 81'81, 81': SpiegelMirror

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 9066412 B2 [0006]
EP 2162774 B1 [0006]

Claims

Laser processing head (1) for processing a workpiece (2) using a laser beam (3), comprising: a housing (5) that defines an optical space, at least one optical element (10, 11) arranged in the optical space; and at least one two-phase closed heat exchanger (100) for cooling a component of the laser processing head (1) by changing the phase of a working fluid (150, 152) of the heat exchanger (100).

Laser processing head (1). Claim 1 , wherein the two-phase closed heat exchanger (100) comprises an evaporation zone (111) for absorbing heat and a condensation zone (112) for releasing heat, and wherein the evaporation zone (111) is arranged adjacent to the component to be cooled.

Laser processing head (1). Claim 2 , wherein the working fluid (150, 152) is transported in the liquid phase (150) from the condensation zone to the evaporation zone (111) by capillary force and / or gravity.

Laser processing head (1). Claim 2 or 3 , wherein the evaporation zone (111) is smaller than the condensation zone (112).

Laser processing head (1) according to one of the Claims 2 until 4 , wherein the condensation zone (112) is passively and/or actively cooled.

Laser processing head (1) according to one of the preceding claims, further comprising: an active cooling device (300) for cooling the two-phase closed heat exchanger (100), wherein the active cooling device (300) comprises a heat sink (330), which is designed to be flowed through by a coolant, and a coolant connection (320).

Laser processing head (1). Claim 6 , wherein the heat sink (330) is in contact with the two-phase closed heat exchanger (100).

Laser processing head (1) according to one of the preceding claims, wherein the at least one two-phase closed heat exchanger (100) forms a diaphragm for limiting a diameter of the laser beam (6), and/or wherein the at least one two-phase closed heat exchanger (100) forms an optics holder in which the optical element (10, 11) is held.

Laser processing head (1) according to one of the preceding claims, further comprising: a beam splitter (20), wherein the at least one two-phase closed heat exchanger (100) is arranged such that radiation reflected on the beam splitter (20) impinges on the two-phase closed heat exchanger (100).

Laser processing head (1) according to one of the preceding claims, wherein the two-phase closed heat exchanger (100) has a plurality of cooling fins.

Laser processing head (1) according to one of the preceding claims, further comprising: a nozzle (7) with an exit opening for the laser beam (6); wherein the at least one two-phase closed heat exchanger (100) is arranged in or on the nozzle (7) and/or forms part of the nozzle (7).

Laser processing head (1) according to one of the preceding claims, wherein the component of the laser processing head (1) to be cooled comprises at least one of the following: an aperture, a nozzle (7), an optical element (10, 11), a movable optical element (10, 11), collimation optics (10), a focusing optics (11), a mirror, a holder for an optical element, an electronic component, a control board and a part of the housing (5); and or wherein the two-phase closed heat exchanger (100) is in contact with the component to be cooled and/or forms part of it.

Laser processing head (1) according to one of the preceding claims, wherein the two-phase closed heat exchanger (100) comprises a shell (110) defining a closed interior (130), and wherein the working fluid (150, 152) is contained in the interior (130). is.

Laser processing head (1) according to one of the preceding claims, wherein a capillary element for transporting the working fluid in liquid phase (150) by capillary force is further arranged in the two-phase closed heat exchanger (100); and or wherein a steam channel is further arranged in the two-phase closed heat exchanger (100), which comprises a non-wettable porous structure.

Laser processing head (1) according to one of the preceding claims, further comprising: a scanning device (80) with at least one pivotable mirror (81) around the laser beam (6). to deflect in at least one direction; wherein the two-phase closed heat exchanger (100) is arranged in a part of the housing in which the mirror is located.

Laser processing head (1) according to one of the preceding claims, wherein a surface of the two-phase closed heat exchanger (100), in particular a surface of the evaporation zone (111), has a coating and/or structure for enhancing the absorption of laser radiation and/or thermal radiation.