CN103650260A - 具有热交换器的气体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光器，所述激光器具有用于产生激光气体的气流的鼓风机以及至少一个热交换器（20），所述热交换器具有多个热交换器管（21a，21b）。所述热交换器（20）具有两个端板（22，23），所述热交换器管（21a，21b）在其相对置的端部处固定在所述两个端板上，其中，所述端板（22，23）具有用于供给热交换器流体到热所述交换器管（21a，21b）的开口（24a，24b）。所述热交换器管（21a，21b）基本上横向于所述激光气体的气流的流动方向（30）延伸。

Description

具有热交换器的气体激光器

技术领域

本发明涉及一种激光器，所述激光器具有用于产生激光气体的气流的鼓风机以及至少一个热交换器，所述热交换器具有多个热交换器管。

背景技术

由JP 2001-284686公知一种用于气体激光器的热交换器，所述热交换器可以具有任意形式。热交换器具有多个热交换器管，所述热交换器管包括冷却筋，所述冷却筋通过滚压到热辐射管上来制造，内管引入所述热辐射管中。多个这种热交换器管彼此连接并且构成热交换器，所述热交换器用于冷却激光气体。

由DE 10 2008 013 816 B4公知一种气体激光器，所述气体激光器具有具有螺旋状的冷却盘管的热交换器，所述冷却盘管设置在用于将激光气体导出或者导入离心鼓风机的抽出壳体或供给壳体中。然而，螺旋状冷却盘管的效率（每cm³的冷却功率）是相对低的。冷却盘管必要时也可能导致待冷却的激光气体的所不期望的波动或者压力突变。

发明内容

本发明的任务是，以紧凑的构造型式的热交换器和以高效的热交换配备气体激光器。

根据本发明，所述任务通过一开始提到的类型的气体激光器解决，其中，热交换器具有两个端板，热交换器管在其相对置的端部处（流体密封地）固定在两个端板处，其中，在端板中构造用于供给热交换器流体到热交换器管的开口，其中，所述热交换器管基本上横向于激光气体的气流的流动方向延伸。

通过将热交换器管固定到两个端板处，能够以紧凑的构造型式实现热交换器，其中，端板附加地保证高的稳定性。在此，能够通过在端板处构成的开口以热交换器流体——其中在本应用中通常是水，分配或供应热交换器管。这种盒状的热交换器能够以简单的方式安装在气体激光器的相应的壳体中并且如果必须在热交换器上进行改动，则能够同样地更换热交换器。在此，端板可以由金属——例如由不锈钢制造。

在此，热交换器相对于激光气体的气流的流动方向如此定向，使得热交换器管基本上横向于气流的流动方向延伸。鼓风机涉及离心鼓风机，所述离心鼓风机设置在中央位置上并且从多个导入管路和导出管路导向这种情况下通常方形折叠的激光谐振器的区域中。

在一种实施方式中，在端板中构成用于连接至少两个开口的通道，所述开口配属给不同的热交换器管。通过端板中的通道能够将多个热交换器管彼此连接并且通过这种方式适当地影响热交换器流体的分配。在此，可以如此选择热交换器流体的流动路径，使得仅仅一个单一的流入口以及一个单一的流出口必须是用于热交换器中的热交换器流体的。替代地，也可能的是，如此进行热交换器流体的分配，使得在热交换器中形成多个分离的热交换器回路，其方式是，多个流体密封地分离的热交换器管组分别设有自己的流入口和流出口。

在此，通道可以通过材料去除方法构造，例如通过在端板上的铣削，所述端板可以例如实现为一体的。替代地，也可以使用其他的（改型的）方法——例如所谓的液压成形来构造通道。替代地，也可能的是，使用具有多个重叠安装的层的端板，其中，通道作为空隙构造在所述层中的一层或多层中。如上所示的那样，通道以及其与热交换器管的连接在其布置方面可任意被配置并且因此允许多级的运行，也就是说，多个分离的热回路，所述多个分离的热回路也能够同时运行。在此，将待排出的激光气体热量分成不同的、通常几何上直接连续的水回路，例如热水循环和冷水循环。所述模块化的结构能够实现高的灵活性，所述高的灵活性使得可能的是，在需求或者周围环境条件改变时在短时间内实现不同的变型方案设计。

在一个扩展方案中，构造至少一个用于连接正好两个（通常相邻的）热交换器管的通道。通过使用这种通道，能够在多个热交换器管之间建立串行的连接，其中，热交换器流体在第一热交换器管中从第一端板流到第二端板，并且在通过通道与第一热交换器管连接的第二热交换器管中从第二端板流回到第一端板。

在一个扩展方案中，端板具有用于流体密封地封闭通道的盖。如果端板以及盖由金属材料制成，例如由不锈钢制成，则例如可以通过焊接实现通道的流体密封的封闭。

在一种实施方式中，将热交换器管彼此平行地定向并且通常基本上垂直于激光气体的（主）流动方向延伸。通过这种方式，能够提高激光气体与热交换器流体之间热传递的效率。

在一种实施方式中，热交换器管设置在矩阵状的布置中，也就是说，设置在多个行和列中。通过规律的布置，激光气体的压力峰值或者说波动能够保持得低。在热交换器中使用的热交换器管的行数通常为八个或更多，一行中热交换器管的数量通常约为三个或更多，以便在相对低的激光气体压力（例如约150hPa）的情况下保证足够大的热交换。

在所述实施方式的一个扩展方案中，相邻行的热交换器管彼此错开地设置。在基本上垂直于热交换器管延伸的激光气体流动方向的情况下，这种布置能够导致构造涡流的气流，所述涡流的气流明显地提高热传递的效率，而在此激光气体的压力损失没有变得过大。因此，这种布置示出在热传递的效率与激光气体的压力损失之间的最优的折衷。尤其，在这种布置的情况下，也能够在例如约150hPa的低的激光气体压力的情况下实现高的热交换。

有利地，热交换器管具有一个内管以及多个（冷却）筋。在内管中导向热交换器流体。（冷却）筋在内管上例如能够通过滚压来构造，也就是说，内管被外管包围，在外管上构造冷却筋。在此，在滚压时，将外管推到内管上，所述外管还不设有筋。通过运行到彼此中的切割辊由平滑的外管切割或者成型出冷却筋。在轧制管时的非常高的变形力保证两种材料的紧密配合并且因此保证两种材料的非常好的导热性。

已证明有利的是，内管和冷却筋或外管由不同的（金属）材料制造时，也就是说，热交换器管涉及双金属管。在此，内管可以例如由不锈钢制成，以便防止在所述内管中导向的热交换器流体腐蚀内管。相反，冷却筋或外管可以由另一种金属材料制造，例如由铝制造，所述另一种金属材料的特征在于高的热导率。因为冷却筋的材料没有与热交换器流体接触，所以冷却筋的材料不需要具有高的耐腐蚀性。

在另外的一种实施方式中，热交换器包括至少两个用于供给或排出热交换器流体的连接管或者开口。模块化的热交换器使得可能的是，将所有的热交换器管用在唯一的热交换器回路中或替代地构造多组热交换器管，所述热交换器管分别配属给不同的热交换器回路。对于所述回路中的每一个，可以在热交换器上，准确地说在端板处设有自己的一对连接管。可以理解，必要时通道的盖可以配备有用于供给或排出热交换器流体的连接装置，以便提高使用热交换器时的灵活性。替代地，端板处的流入口或流出口也可以直接与热交换器管的开口处于连接中。

在一种实施方式中，气体激光器附加地包括用于容纳热交换器的壳体。壳体可以例如涉及用于激光气体进或出激光谐振器的导入壳体或导出壳体。盒状的热交换器能够装入所述的壳体中，对此所述壳体具有槽口或者开口。开口能够穿透地构造，从而端板构成壳体的侧面。

容纳在壳体中的盒状的热交换器与壳体气体密封地，准确地说真空密封地连接，以便封装激光气体的流动导向。尤其，具有容纳在其中的热交换器的壳体的所有接口应实施为氦密封或真空密封的，也就是说，在激光气体的例如约150hPa的相对小的压力的情况下，激光气体与周围空气之间（例如在盒状的热交换器入口与壳体之间）的接口处的密封也应具有小于1×10^-8mbar·liter/s的泄漏率。在冷却液的可达10bar的高压的情况下，激光气体与冷却水之间接口处的密封也应具有小于1×10^-12mbar·liter/s的泄漏率。

在此，端板中的一个边缘处突出超过开口，以便将推入壳体中的热交换器固定在环绕的壳体边缘处，也就是说，所述端板具有比推入到开口中的第二端板更大的表面。更大的端板气体密封地或真空密封地固定环绕的壳体边缘处并且同时作为密封装置起作用，以便实现紧凑的结构。例如通过将端板与壳体边缘螺栓固紧，能够保证真空密封的连接。在壳体边缘与端板之间尤其可以安装环绕的密封装置，其中，所述环绕的密封装置优选比在螺栓固紧时的紧固点位于更里面。尤其可以在壳体边缘处（或在端板处）设有用于容纳密封装置（例如O环型）的环绕的凹处。为了产生密封效果，在端板和壳体边缘之间螺栓固紧时夹紧密封装置。替代地，可以对称地构造端板，也就是说，端板的表面可以是一样大的。

本发明的其他优点由描述和附图得出。同样，先前提到的特征和还进一步列出的特征可以各自单独地或以多个任意组合地使用。所示的和描述的实施例不应理解为穷举，而是相反地对于本发明的表述具有示例性的特性。

附图说明

附图示出：

图1：具有折叠的激光谐振器的CO₂气体激光器截面的俯视图，

图2：图1的CO₂气体激光器的透视图，

图3：用于图1和图2的气体激光器的热交换器盒的透视图，

图4：图3的热交换器盒以及所属壳体的示意图，

图5：热交换器管的示意性剖视图。

具体实施方式

图1和图2中示出的CO₂气体激光器1具有方形折叠的激光谐振器2，所述激光谐振器具有四个彼此连接的激光放电管3，所述激光放电管通过拐角壳体4、5彼此连接。在激光放电管3的轴线方向上延伸的激光束6用虚线示出。在拐角壳体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中的一个中设有一个后视镜8和部分透射的耦合输出镜9。后视镜8被构造为高反射的并且以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处从激光谐振器2耦合输出，另一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耦合输出的激光束在图1中用10表示。

在折叠的激光谐振器2的中心设置一离心鼓风机11作为用于激光气体的压力源，所述离心鼓风机通过用于激光气体的供给壳体12与拐角壳体4、5连接。在拐角壳体4、5中间设置激光谐振器2的另外的壳体14，所述另外的壳体与抽出壳体13处于连接中，所述抽出壳体13用于将激光器气体从激光谐振器2中抽出并且向离心鼓风机11回引。激光气体在激光放电管3内部以及在供给壳体和抽出壳体12、13中的流动方向在图1中通过箭头表示。

激光气体的激发通过电极15实现，所述电极与激光放电管3相邻设置并且与一（未示出的）高频发生器（HF-Generator）连接。可以使用例如具有激发频率为13.56MHz或27.12MHz的电子管发生器作为高频发生器。

如在图2中可以看出的那样，不仅在气体激光器1的供给壳体12中而且在抽出壳体13中分别安装一个盒状的热交换器20，所述热交换器在图3中详细示出。热交换器20具有多个热交换器管21a、21b，所述热交换器管设置在两个长方形的端板22、23之间并且在本例中在其相对置的端部处与端板22、23焊接。在端板22、23中构造开口24a、24b，所述开口能够实现将热交换器流体引入相应的热交换器管21a、21b的内部，其中在本例中水用作热交换器流体。

在图3中同样可以看出冷却通道25，在此所示的例子中所述冷却通道将每两个相邻的热交换器管21a、21b彼此连接，以便通过这种方式能够实现热交换器的所有热交换器管21a、21b的串行穿流。通道25通过相应的板状的盖26相对于周围环境流体密封的密封。在本例中端板22、23由不锈钢（V4A钢，1.4571）制成并且盖26也由这种材料制造，从而通过焊接能够实现通道25的流体密封的密封。可以理解，在图2和图3中仅仅示出少量的盖26，以便不遮盖处于下方的通道25，但在热交换器20运行时通常所有的通道25被盖26封闭。

在图3中所示的例子中，冷却通道25作为端板22、23中的槽口铣削，但可以理解，冷却通道25也可以通过其他方法，例如通过液压成形产生。也可能的是，端板22、23不是如图3中所示的那样是一体的，而是构造成多层的，其中通道作为槽口构造在各个层中。

通过冷却通道25能够实现冷却介质（在此：水）在端板22、23中的分布，从而能够以紧凑的构造型式制造热交换器20。在本例中，在第一端板22上的第一连接管27a（对照图4）用于供给水到热交换器20，第二连接管27b用于从热交换器20排出在与激光气体热交换时加热的水。在此，连接管27a、27b分别直接与热交换器管的相应的开口连接，但可以理解，所述连接管也可以安装在端板22的盖26中，为了简化，在图4中没有示出端板22上的所述盖。最后，尤其有利的是，多个圆翼管——例如整行圆翼管并行被供应冷却介质。

在图3和图4所示的例子中，所有的热交换器管21a、21b从第一连接管27a出发一个接一个（串行地）通过。可以理解，替代地也可以在热交换器20上设置其他连接管对，以便构成多个独立的热回路——例如加热回路，和独立的冷却回路。为此，可以适当地改动盖26，也就是说，盖26可以设有连接管或者各个盖26可以如此构造，使得所述盖将属于通道25的开口分离并且因此将属于不同热回路的热交换器管21a、21b的连接分离。

在图4中，将热交换器20装入供给壳体12（对照图2）中。可以理解，热交换器20同样能够装入抽出壳体13中，因为两个壳体12、13具有（基本上）相同的结构型式。在此，供给壳体12具有连续的开口28，以便能够将热交换器20从侧面推入壳体12中。在此，第一端板22构造得大于连续的开口28，从而将装入或沉入壳体12中的热交换器20在端板22的环绕的边缘处固定在壳体12上。所述固定例如可以在图4中所示的在端板22边缘处的开口处、例如通过螺栓固紧来实现。在端板22的环绕的边缘与所述壳体12之间可以设置（未示出的）环绕的密封装置，以便将热交换器20与壳体12气体密封地，准确地说是真空密封地连接。密封装置优选设置在连续的开口28与在端板22的边缘处的提供用于螺栓固紧的开口之间。在供给壳体12的端面处构造进气开口29，来自离心鼓风机11的激光气体通过所述进气开口流入热交换器20，其中，在图4中通过箭头表示的激光气体流动方向30平行于端板22、23延伸。

由于热交换器管21a、21b平行定向并且与端板22、23成直角地延伸，所以激光气体基本上垂直于管的纵向出现在热交换器管上。在图3中可以看出，热交换器管21a、21b设置在彼此错开的行上，其中，在一行上分别设置四个热交换器管21a，并且在一相邻行上分别设置五个热交换器管21b。在此，热交换器管21a、21b如此并排放置，使得产生涡流的气流。通过这种方式，实现激光气体与流过热交换器管21a、21b的水之间的特别有效的热交换，而不在此出现激光气体的过大的压力损失。在图4中未示出的在供给壳体12的底侧处的开口处实现激光气体排出到激光谐振器2。

最后，图5示出热交换器管21a的构造，所述热交换器管涉及双金属管，所述双金属管具有由不锈钢制成的内管31以及由铝制成的多个冷却筋32，所述冷却筋滚压到内管31上，也就是说，冷却筋32构造在外管上。为了滚压，将由铝制成的外管推到内管31上，所述外管还不设有筋。通过运行到彼此中的切割辊由平滑的外管切割或成型出冷却筋32。使用由不锈钢制成的内管31来防止由于冷却液引起的腐蚀，而由铝制成的冷却筋32保证高效的热交换。

通过上面所描述的方法能够提供热交换器20，所述热交换器在流体技术上是优化的以及具有紧凑的构造型式。由于可以划分各个冷却回路，其方式是，所选择的用于分配冷却介质的冷却通道上的冷却剂连接装置安装在端板处，所以还实现模块化的构造，所述能够构造简单并且快速地匹配气体激光器1运行时的相应的需求。

Claims (14)

1.一种气体激光器（1），所述气体激光器包括：

用于产生激光气体的气流的鼓风机（11），以及至少一个热交换器（20），所述热交换器具有多个

热交换器管（21a，21b），

其特征在于，

所述热交换器（20）具有两个端板（22，23），所述热交换器管（21a，21b）在其相对置的端部处固定在所述两个端板上，其中所述端板（22，23）具有用于供给热交换器流体到所述热交换器管（21a，21b）的开口（24a，24b），其中，所述热交换器管（21a，21b）横向于所述激光气体的气流的流动方向（30）延伸。

2.根据权利要求1所述的气体激光器，其中，在所述端板（22，23）中构成用于连接至少两个开口（24a，24b）的通道（25），所述开口配属给不同的热交换器管（21a，21b）。

3.根据权利要求2所述的气体激光器，其中，构造至少一个用于连接正好两个热交换器管（21a，21b）的通道（25）。

4.根据权利要求2或3所述的气体激光器，其中，所述端板（22，23）具有用于流体密封地封闭所述通道（24a，24b）的盖（26）。

5.根据以上权利要求中任一项所述的气体激光器，其中，所述热交换器管（21a，21b）彼此平行地定向。

6.根据以上权利要求中任一项所述的气体激光器，其中，所述热交换器管（21a，21b）设置在矩阵状的布置中。

7.根据权利要求6所述的气体激光器，其中，所述矩阵状的布置的相邻行（21a，21b）的热交换器管（21）彼此错开地设置。

8.根据以上权利要求中任一项所述的气体激光器，其中，所述热交换器管（21a，21b）具有一个内管（31）以及多个冷却筋（32）。

9.根据权利要求8所述的气体激光器，其中，所述内管（31）和所述冷却筋（32）由不同的材料制造，尤其由不同的金属材料制造。

10.根据权利要求8或9所述的气体激光器，其中，所述冷却筋（32）由铝制造。

11.根据权利要求8至10中任一项所述的气体激光器，其中，所述内管（31）由不锈钢制造。

12.根据以上权利要求中任一项所述的气体激光器，所述气体激光器还包括：至少两个用于供给和排出热交换器流体的连接管（27a，27b）。

13.根据以上权利要求任一项所述的气体激光器，所述气体激光器还包括：具有尤其连续的开口（28）的用于容纳热交换器（20）的壳体（12）。

14.根据权利要求13所述的气体激光器，其中所述端板（22）之一在边缘侧突出超过所述开口（28）。

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