CN102823086B - 具有径向和轴向气体轴承的气体激光器 - Google Patents

具有径向和轴向气体轴承的气体激光器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有用于使激光气体循环的鼓风机（11）的气体激光器（1），其中，所述鼓风机（11）具有一个轴（17），所述轴通过至少一个径向轴承（21，22）以及至少一个轴向气体轴承（45）支承，所述轴向气体轴承通过至少一个固定的支承面和至少一个旋转的支承面构成，所述轴向气体轴承（45）按照本发明具有两个旋转的支承面（48，49）和两个固定的支承面（26，27），它们设置在一个盘（25）的两个侧上，其中一个或两个旋转的支承面（48，49）以槽图案（41，42）被结构化。

Description

具有径向和轴向气体轴承的气体激光器
技术领域
本发明涉及一种具有用于使激光气体循环的鼓风机的气体激光器，其中，所述鼓风机具有一个轴，所述轴通过至少一个径向轴承以及至少一个轴向气体轴承支承，所述轴向气体轴承通过至少一个固定的支承面和至少一个旋转的支承面构成，以及涉及一种用于运行这种气体激光器的方法。
背景技术
这种气体激光器及其运行方法例如通过DE 3600125A1公开。
气体激光器及其运行方法是普遍公知的。已知的气体激光器包括一个用于使激光气体循环的鼓风机，其中，鼓风机具有一个轴，所述轴通过至少一个径向轴承以及至少一个轴向轴承支承。这些轴承在此可以构造为电磁式轴承。这些轴承具有大的轴承间隙，并且必须设置用于检测和调节轴在轴向或者说径向方向上的位置的传感装置、致动装置和调节电子装置，因为轴承本身不能预给定轴在轴向和径向方向上的稳定位置。已知的方法必须包括相应的用于主动调节轴的位置的逻辑回路。
轴承也可以构造为气体轴承。这样的支承装置由DE 3600125A1已知。该文献的主题是用于使大的气体量循环的鼓风机，尤其是用于高功率激光器。该鼓风机在此具有一个轴，该轴通过两个径向气体轴承和一个轴向气体轴承支承。径向气体轴承被构造为鱼骨-空气轴承，它们被一个通过在径向输送器下侧上的螺旋槽构成的泵被供给空气。轴的上端部上的螺旋槽也用作轴的轴向气体轴承。通过径向输送器输送气体。在此产生以下问题，即向上指向的抽吸力以及轴向气体轴承的力作用在径向输送器上。向下指向的重力与其相反作用，其中，在越来越高的转速时，两个向上指向的力越来越占主导。该问题借助在下方轴端部上的附加轴向磁轴承解决。相反在低转速时重力占主导，这特别是在鼓风机起动或惯性运行时显示出问题。该问题通过压缩空气泵或电磁铁解决，压缩空气泵在低转速时建立过压。
发明内容
相对于此，本发明的任务是改进开头提到类型的气体激光器，使得所述至少一个轴向轴承能够被构造为纯气体轴承。
该任务通过以下方式解决，即所述轴向气体轴承具有两个旋转的支承面和两个固定的支承面，它们设置在一个盘的两个侧上，并且该一个或两个旋转的支承面以槽图案被结构化。
本发明具有优点，即轴的轴向位移借助一个简单地且紧凑地构成的、纯气体轴承阻止。如果轴在轴向方向上运动，那么在轴向气体轴承的盘的分别指向同一个方向的侧产生相应高的反压，使得轴运动回到其初始位置中。如果轴开始旋转，那么通过槽输送气体，由此构成气垫，该气垫在轴向方向上给轴装上弹簧。如果转速增加，那么气垫的压力增加，使得根据转速始终最佳地支承该轴。轴承由此自动稳定化，并且不需要轴承电子装置、传感装置和致动装置和与此有关的部件，例如传感器或致动器电缆。这样的轴承的另一个优点通过以下方式得出，即轴承间隙保持得非常小，这是导致以下结果的原因之一，可以使用压缩系数在200至600的范围中的气体作为轴承介质。非常小的轴承间隙能够消除应急轴承并且实现高的效率。此外，这样的轴承具有无需维护、无摩擦和无温度敏感的特点。
优选地，槽图案构造为螺旋槽图案。在轴起动时，通过螺旋槽输送气体，气体例如在未结构化的区域（该区域在径向方向上连接在设有螺旋槽的区域上）中可以构成一个气垫，该气垫支撑轴或者说阻止轴的位移。
在另一种特别优选的实施方式中，旋转的盘的槽图案构造为鱼骨-槽图案。在该情况中，气体不仅从盘的外侧而且从盘的内侧同时通过槽例如向着未结构化的区域被输送，该未结构化的区域位于径向地相互错开设置的槽区域之间。外部或内部在此以盘的径向方向未参考。在另一种优选的实施方式中，该区域可以缺失，其中，在该情况中槽将气体向着一个圆输送，该圆通过成锐角地相向延伸的槽的交点构成。在这两种优选的实施方式中，气垫在未结构化的区域或者说圆的上方或下方形成，该圆通过成锐角地相向延伸的槽的交点构成。在该区域中压力最大。通过槽图案的这样的设计方案，轴承的轴承特性被改善，尤其是也在运行方面气体的压缩系数在200至600的范围中时。
优选地，槽深度向着位于径向相互错开布置的槽之间的过度区域减小。以该方式能够在小转速时在扁平槽深度的区域中建立压力。以该方式能够在校的转速时就在具有浅的槽深度的区中建立压力，由此提前提升轴并且优化鼓风机的起动或停止特性。在恒定转速时，在其它相同的条件中建立更高的压力。
在一种优选的实施方式中，径向轴承也被构造为径向气体轴承，其中，轴的周面具有轴向错开设置的鱼骨-槽图案，它在轴向错开设置的槽区域之间可以具有例如未结构化的面。气体通过两个槽区域同时向着该区域被输送，使得在此构成一个最大压力区。这些槽优选具有在槽深度方面的梯度，其中，槽深度向着最大压力区域减小。因为在具有较浅的槽的区域中可以构成较高的压力，所以持久地改善了径向气体轴承的轴承特性和尤其是起动或停止特性。
槽深度在此可以无级地或分级地减小。槽被非常精密地且浅地加工，其深度优选在约25和约10微米之间，由此改善轴承特性。它们优选在硬质合金或陶瓷中通过表面蒸发借助超短脉冲激光开设。该方法具有优点，即这些槽中的材料这样地被切除，使得在运行中没有微粒能够从材料脱离。
在一种优选的实施方式中，轴向气体轴承的固定的或旋转的支承面可以被构造为凸形的，其中，凸面度优选为约1微米。这导致，在其中固定的或旋转的支承面非常浅的区域可以构成更大的压力，由此在低转速时就已经抬起该轴并且改善起动或停止特性。
在一种优选的实施方式中，径向和/或轴向轴承的固定的支承面中的至少一个在圆周方向上被一个或多个环形的元件包围，这导致转子的定向或稳定性改善。在此特别优选一种实施方式，其中该环形元件由弹性材料制成，其在此指的是O形环。
本发明也涉及一种用于运行一个如上构成的气体激光器的方法，其中，气体轴承中的一个或多个按照本发明不仅作为被动气体轴承而且作为主动气体轴承运行。
由此根据需要不仅可以利用被动支承装置的优点而且可以利用主动支承装置的优点。在被动气体轴承的运行中，轴承作为转速的函数自动稳定化。在作为主动气体轴承运行时，轴承特性可以有目的地被影响。
在一种优选的实施方式中，这些轴承中的至少一个可以被加载外部压力并且因此作为主动气体轴承运行。因此，在被加载压力的轴承中有目的地建立精确限定的压力，该压力不同于所有其它气体轴承的压力水平。通过对各个轴承的有目的的压力加载，能够在每种运行状态中有目的地影响轴承特性，例如刚度或阻尼。
在一种优选的实施方式中，用于对作为主动气体轴承运行的该或这些轴承加载的压力从鼓风机的压力侧取得。这具有优点，即不需要外部的压缩气体源。
优选地，通过孔对该或这些轴承加载外部压力，孔的直径优选约50微米。由此能够实现的是，精确地限定和控制用于对该或者这些轴承加载的压力和体积流量，从而原则上能够取消轴承电子装置、传感装置和致动装置。因此可能的是，在所有的运行点影响轴承的动态特性。因此，轴例如在静止时或在小转速时可以被带入悬浮中。
在一种优选的实施方式中，径向气体轴承作为相对于周围环境压力的密封装置使用。通过具有鱼骨-槽图案的旋转支承面的设计方案，不能实现通过轴承的净质量流量并且人们获得无接触的、动态的密封装置，它相对于通过槽建立的压力高度上的压力差密封。因此可以取消其它的密封装置，例如O形环。这样描述的密封装置原则上也可以独立于其它的支承装置使用。
本发明的其它优点由说明书和附图得出。
附图说明
同样上述的和还要进一步说明的特征可以单独地或多个成组地使用。所示的和所述的实施方式不应理解为穷尽性的列举，而是更多地具有用于说明本发明的特性。其示出：
图1示出根据现有技术的具有折叠的激光谐振器的CO2气体激光器；
图2示出按照本发明的CO2气体激光器的离心鼓风机；
图3a、3b示出在图2中示出的离心鼓风机的细节视图；
图4以俯视图示出在图2中示出的离心鼓风机的旋转的盘；
图5a、5b以按照图4中的V的细节视图示出在轴向气体轴承的在图4中示出的盘中的槽的两种不同设计方案；和
图6示出在图2中示出的轴向气体轴承的轴向定子。
具体实施方式
在图1中示出的CO2气体激光器1具有一个正方形折叠的具有四个相互连接的激光放电管3的激光谐振器2，这些激光放电管通过拐角壳体4、5相互连接。在激光放电管3的轴线的方向上延伸的激光束6用虚线示出。拐角壳体4中的转向镜7用于使激光束6分别转向90°。在拐角壳体5中设有一个后视镜8和一个对于激光波长部分透射的耦合输出镜9。后视镜8被构造为对于激光波长高反射的并且以180°反射激光束6，使得激光放电管3重新在相反方向上被通过。激光束6的一部分在部分透射的耦合输出镜9上从激光谐振器2耦合输出，其它经反射的部分保留在激光谐振器2中并且重新通过激光放电管3。通过耦合输出镜9从激光谐振器2耦合输出的激光束用10表示。在折叠的激光谐振器2的中心作为激光气体的压力源设置一个离心鼓风机11，它通过用于激光气体的输入管路12与拐角壳体4、5连接。吸出管路13在吸出壳体14和离心鼓风机11之间延伸。激光气体在激光放电管3内部以及在输入和吸出管路12、13中的流动方向通过箭头表示。对激光气体的激励通过与激光放电管3相邻布置的电极15实现。
在图2中示出的离心鼓风机11使激光气体从工作轮16径向加速地转向到通往拐角壳体4、5的输入管路12中。工作轮16坐置在轴17上，该轴在其中心区域中被一个通过转子18和定子19构成的电机驱动。从轴17看设置在工作轮16外部的区域构成鼓风机11的压力侧。在轴17的上方区域和下方区域中（其中上方或下方在此指的是图像中各个部件的相应位置）分别设置一个径向轴承21和22。固定的支承面在下面被称为径向定子23和24。轴17在其下端部上设有盘25，该盘具有一个比轴17本身大的直径并且其支承面48、49形成轴17的轴向气体轴承45的旋转的部分。盘25在其上侧和其下侧上被固定的支承面包围，这些固定的支承面在下面被称为轴向定子26和27，它们这样地相互连接，使得其中存在盘25的空间向着轴承壳体28被封闭。径向或轴向定子23、24、26、27分别具有一个或多个非常小的孔29、30、31、32，径向或轴向定子能够通过这些孔经由通道33、34、35、36中的各一个与一个未详细示出的压缩气体源连接。孔29、30、31、32的直径优选小于50微米。
在图3a中详细示出在图2中所示的两个径向气体轴承21中的一个。轴17设有两个轴向错开设置的倾斜槽区域37、38，其中，两个槽区域37、38的各个槽44分别这样地相互对立，使得当人们一起观察这两个槽区域37、38时形成一个鱼骨图案。在倾斜槽的两个槽区域37、38之间优选设有一个未设置槽的、平的中间区域39。在一个未示出的实施方式中不存在中间区域，并且两个槽区域37、38的槽在相同的轴向高度上相互成锐角地相遇。径向定子23或24通过一个窄缝隙与通过轴构成的旋转的面46、47分开。如果现在轴17开始旋转，那么气体通过槽区域37和38向着平的中间区域39被输送。在此，一个最大压力区域（气垫）在两个槽区域37和38之间、即在平的中间区域39上构成，由此径向地支承该轴17。径向气体轴承沿着轴的压力比由此分别被分成一个在槽37和38的区域中的压力建立区和一个在中间区域39中的保持不变的最大压力的区域。在径向定子23或24中在最大压力区域中开设一个或多个非常小的孔29、30，轴承能够通过这些孔经由通道33、34被加载外部压力。在一个另外的、在图3b中示出的实施方式中，径向定子23或24在壳体侧28上被各两个环形的元件50、51例如两个O形环包围，它们分别位于排出通道33、34大致上方或大致下方并且使径向定子23或24相对于壳体侧28密封。上方或下方在此涉及相应图中的位置。类似于此，在一个未示出的实施方式中，轴向定子26、27被一个或多个环形元件包围。
图4示出轴向气体轴承45的旋转的盘25，它在两侧及在其两个旋转的支承面48、49上相同地结构化。每侧具有螺旋形的槽40，这些槽布置在两个径向错开的区域41、42中。如果人们共同地观察这两个区域，那么得到一个由相反的、螺旋形的槽组成的鱼骨图案。在这两个槽区域41、42之间存在一个平的、未设置槽的、平的中间区域43。在一个未示出的实施方式中没有该区域，并且槽沿着一个圆相互成锐角地相遇。如果盘25开始旋转，那么由于旋转运动通过槽40同时不仅从外部而且从内部向着中间的、平的中间区域43输送气体，其中，术语“内部或外部”指的是盘25在径向方向上的盘中心点或外侧。中间区域43因此形成最大压力区域，由此轴向地支承盘25并且由此轴向地支承轴17。在转速恒定时，压力保持相同。轴向气体轴承在径向方向上的压力比分别分成一个在槽区域41、42中的压力建立区和一个最大压力的中间区域43。在轴向定子26、27中在中间区域43中分别开设一个或多个孔31、32，轴承可以通过这些孔附加地被加载外部压力。
在一个未详细示出的实施方式中，盘25在两侧设有向内指向的槽的螺旋图案，在其上向着盘中心点连接一个环形的未结构化的区域。
图5a、5b示出槽40的两个不同的设计方案，它们在纵向方向上设有在其深度方面的梯度。在此，槽深度可以具有一个或多个级（图5a）或者无过渡地从轴或盘的水平延伸至其标准深度（图5b）。由此总体改善轴向气体轴承的支承特性，因为具有较浅的槽深度的区域与具有较深的槽的区域相比已经在比较小的转速时具有比较高的压力。此外改善了轴向气体轴承的起动/停止特性，因为在具有较浅的槽深度的区域中已经在小的转速时建立压力。
如在图6中所示，两个轴向定子26、27中的至少一个轻微凸形地构成。由此减少轴向定子26、27与旋转的盘25的接触面积并且由此减少了起动阻力。已经在小的转速时通过槽输送气体通过窄的间隙，使得较早地发生压力建立并且减小在轴被抬起时的转速。相同的效果可以通过使盘25在一个或两个侧上轻微凸形地被加工来实现。
径向和轴向定子23、24、26、27在最大压力区域中设有一个或多个非常小的孔29、30、31、32，通过它们能够在精确限定的压力下带入精确限定的体积流量，从而轴17也在静止时或在非常小的转速时进入悬浮。
离心鼓风机11由此在5个轴上双向地被气体支承，其中，在其特别优选的实施方式中，轴承的压力水平作为转速的函数自动被调节，即它可以作为纯被动的气体轴承运行。在该运行状态中，也仅仅根据其转速抬升该轴。由此其指的是自稳定的支承装置，其不需要主动调节。通过气体激光器的有利特征的配合作用得出，这样的支承装置不仅可以在被动运行中而且可以在主动运行中优选在低压（>50hPa）和非常稀薄的气体（标准密度0.55kg/m3）时使用，气体的压缩系数在该条件下位于200至600的范围中。

Claims (17)

1.具有用于使激光气体循环的鼓风机(11)的气体激光器(1)，其中，所述鼓风机(11)具有一个轴(17)，所述轴通过至少一个径向轴承(21，22)以及至少一个轴向气体轴承(45)支承，其中，所述轴向气体轴承(45)具有两个固定的支承面(26，27)和一个在所述两个固定的支承面(26，27)之间设置在所述轴(17)上的盘(25)，所述盘的两个盘侧形成旋转的支承面(48，49)，
其特征在于，
一个或两个所述旋转的支承面(48，49)以径向错开地设置的鱼骨-槽图案(41，42)被结构化，所述鱼骨-槽图案(41，42)具有一个在径向中心的、未设置槽的中间区域(43)，槽深度沿着槽(40)分别向着所述中间区域(43)减小。
2.根据权利要求1的气体激光器，其特征在于，所述槽图案(41，42)是螺旋-槽图案。
3.根据权利要求1或2的气体激光器，其特征在于，所述至少一个径向轴承(21，22)被构造为径向气体轴承，它配有至少一个固定的和至少一个旋转的支承面(23，24，46，47)并且它的旋转的支承面(46，47)设有一个轴向错开设置的鱼骨-槽图案(37，38)，其中，槽深度沿着槽减小。
4.根据权利要求3的气体激光器，其特征在于，槽深度向着一个未设置槽的中间区域(39)减小，所述中间区域位于鱼骨-槽图案(37，38)的两个槽图案之间。
5.根据权利要求3的气体激光器，其特征在于，轴向错开设置的鱼骨-槽图案(37，38)中的槽深度分别无级地减小。
6.根据权利要求3的气体激光器，其特征在于，轴向错开设置的鱼骨-槽图案(37，38)中的槽深度分别分级地减小。
7.根据权利要求1或2的气体激光器，其特征在于，槽深度小于约50微米，但是大于约5微米。
8.根据权利要求7的气体激光器，其特征在于，槽深度小于25微米并且大于10微米。
9.根据权利要求1或2的气体激光器，其特征在于，所述槽(40，44)借助超短脉冲激光器开设。
10.根据权利要求1或2的气体激光器，其特征在于，所述轴向气体轴承(45)的支承面(26，27，48，49)中的至少一个凸形地构成。
11.根据权利要求1或2的气体激光器，其特征在于，所述至少一个径向和/或轴向轴承(21，22，48，49)的固定的支承面(23，24)中的至少一个在圆周方向上被至少一个环形元件(50，51)包围。
12.根据权利要求11的气体激光器，其特征在于，所述环形元件(50，51)由弹性材料制成。
13.用于运行具有用于使激光气体循环的鼓风机(11)的气体激光器(1)的方法，其中，所述鼓风机(11)具有一个轴(17)，所述轴通过至少一个径向轴承(21，22)以及至少一个轴向气体轴承(45)支承，所述轴向气体轴承通过至少两个固定的支承面(26，27)和至少两个旋转的支承面(48，49)构成，
其特征在于，
所述至少一个轴向气体轴承(45)不仅作为被动气体轴承而且作为主动气体轴承运行，作为主动气体轴承运行的所述至少一个气体轴承的压力水平通过固定的支承面(23，24，26，27)中的孔(29，30，31，32)建立，所述孔的直径小于约100微米，以及所述至少一个径向轴承(21，22)构造为径向气体轴承，所述径向气体轴承配有至少一个固定的支承面(23，24)和至少一个旋转的支承面(46，47)，它们设有一个轴向错开设置的鱼骨-槽图案(37，38)，所述鱼骨-槽图案用作密封装置。
14.根据权利要求13的方法，其特征在于，所述孔的直径为约50微米。
15.用于运行具有用于使激光气体循环的鼓风机(11)的气体激光器(1)的方法，其中，所述鼓风机(11)具有一个轴(17)，所述轴通过至少一个径向轴承(21，22)以及至少一个轴向气体轴承(45)支承，所述轴向气体轴承通过至少两个固定的支承面(26，27)和至少两个旋转的支承面(48，49)构成，
其特征在于，
所述至少一个径向轴承(21，22)被构造为径向气体轴承并且不仅作为被动气体轴承而且作为主动气体轴承运行，作为主动气体轴承运行的所述至少一个气体轴承的压力水平通过固定的支承面(23，24，26，27)中的孔(29，30，31，32)建立，所述孔的直径小于约100微米，以及所述至少一个径向轴承(21，22)构造为径向气体轴承，所述径向气体轴承配有至少一个固定的支承面(23，24)和至少一个旋转的支承面(46，47)，它们设有一个轴向错开设置的鱼骨-槽图案(37，38)，所述鱼骨-槽图案用作密封装置。
16.根据权利要求15的方法，其特征在于，所述孔的直径为约50微米。
17.根据权利要求13-16之一的方法，其特征在于，所述鼓风机(11)的压力侧被用作压缩气体源。
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