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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verbesserung der Strahlqualität eines
Gasentladungslasers, dessen Lasergas in einem Gasraum umgewälzt wird,
wobei das Lasergas zu seiner Temperierung an Wärmeaustauschflächen einer
von einem Temperiermittel durchströmten Temperiermittelführung in
dem Gasraum entlang geführt
wird, wobei während
des Strahlbetriebs die Temperatur des Lasergases als Regelgröße eines
Regelkreises geregelt wird.
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Die
Erfindung bezieht sich weiter auf ein Gasentladungslasersystem,
umfassend
- – einen
abgeschlossenen Gasraum zur Aufnahme von Lasergas,
- – eine
Gasumwälzeinrichtung
zur Umwälzung
des Lasergases im Gasraum,
- – eine
in dem Gasraum angeordnete, Wärmeaustauschflächen aufweisende
Temperiermittelführung
zur Durchleitung von Temperiermittel durch den Gasraum unter Wärmeaustausch
mit dem umgewälzten
Gas,
- – eine
steuerbare Temperaturvariationseinrichtung zur Veränderung
der Temperatur des Temperiermittels vor dessen Eintritt in die Temperaturmittelführung,
- – einen
Sensor zur Erfassung der Temperatur des Lasergases,
- – eine
mit dem Sensor gekoppelte Regeleinrichtung zur Regelung der Temperatur
des Lasergases, die eingerichtet ist, eine Abweichung eines von
dem Sensor erfassten Temperaturwertes von einem vorgegebenen Sollwert
zu erkennen und in Abhängigkeit
von der erkannten Abweichung eine Stellwertvorgabe zur Ansteuerung
einer die Temperatur des Lasergases beeinflussenden Stelleinrichtung
zu berechnen und an diese auszugeben.
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Derartige
Verfahren und Systeme sind aus der
DE 94 01 808 U1 bekannt. Gasentladungslaser, insbesondere
Excimerlaser benötigen,
um bei hohen Pulsraten arbeiten zu können, eine hocheffiziente Umwälzung des
Lasergases im Gasraum. Bekanntermaßen sind bei derartigen Lasersystemen
in einer Entladungskammer, die Teil des Gasraumes ist, Anregungselektroden
angeordnet, zwischen denen das Lasergas energetisch angeregt und
durch stimulierte Emission zur Aussendung eines kurzen bis ultrakurzen
Laserpulses veranlasst werden. Die nachfolgende Regenerationsphase,
derer die Gasmoleküle
bedürfen,
um erneut anregungsfähig
zu sein, ist länger als
das in modernen Lasersystemen verlangte Intervall zwischen zwei
aufeinander folgenden Pulsen. Es ist daher bekannt, das Gas im Gasraum
und insbesondere durch die Entladungskammer umzuwälzen, um
die Gasmoleküle
in der Entladungskammer zur Vorbereitung auf den nächsten Puls
auszutauschen um so von der Regenerationszeit der zuletzt angeregten
Gasmoleküle
unabhängig
zu sein.
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Die
Gasumwälzung
hat hoch effizient zu erfolgen, was hohe Strömungsgeschwindigkeiten voraussetzt.
Diese sind nur mit möglichst
laminaren Strömungen
bei geringem Strömungswiderstand
im Gasraum zu realisieren. Der Strömungsweg des Gases kann allerdings
nicht allein nach aerodynamischen Kriterien optimiert werden. Die
Laserentladung, insbesondere bei hohen Pulsfrequenzen führt zu einer
starken Aufnahme von Wärmeenergie
durch das Lasergas. Eine entsprechende Erwärmung des Lasergases würde jedoch
zu einem starken Rückgang
der Gaslebensdauer des Lasers führen.
Es ist daher bekannt, den Gasraum mit einer Temperiermittelführung zu
durchsetzen, die von dem umgewälzten
Gas umströmt
wird. Wärmeaustauschflächen der Temperiermittelführung führen zu
einem Temperaturausgleich zwischen dem Temperiermittel und dem Lasergas. Üblicherweise
verwendet man mit Kühlwasser
durchströmte
Kühlrohre
an deren Umfang Kühlrippen
angeordnet sind, die in der Regel parallel zur Umwälzrichtung
des Lasergases ausgerichtet sind. Das Kühlwasser oder allgemeiner das
Temperiermittel wird, um eine möglichst
effiziente Kühlung zu
erreichen, außerhalb
des Gasraumes mit sehr niedriger Temperatur vorgehalten. Da die
Effizienz des Lasers bei zu niedrigen Temperaturen deutlich nachlässt, wird
die Temperatur im Gasraum üblicherweise
mittels eines Regelkreises auf einem optimalen Niveau gehalten,
wobei die im Gasraum mittels eines Sensors erfasste Lasergastemperatur
als Regelgröße des Regelkreises
und das Strömungsvolumen
des Temperiermittels durch die Temperiermittelführung als Stellgröße des Regelkreises
dient.
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Diese
von der Temperiermitteltemperatur außerhalb des Gasraumes unabhängige Regelung
erlaubt eine sehr flexible Wahl der Temperiermittelquelle, insbesondere
ist der unmittelbare Anschluss an ein öffentliches Wassernetz, welches
jahreszeitenbedingt Wasser unterschiedlicher Temperatur liefern kann,
möglich.
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Nachteilig
bei derartigen System ist, dass trotz einer sehr stabilen Gesamtleistung
einzelner Laserpulse, die sich durch die Konstanthaltung der Lasereffizienz
durch Regelung der Gastemperatur einstellt, oft eine deutliche und
zeitlich unregelmäßig variierende
Inhomogenität
innerhalb des Strahlprofils jedes einzelnen Pulses zu beobachten
ist. Insbesondere bei Materialbearbeitungsanwendungen wird jedoch
eine sehr gute Homogenität
des Strahlprofils verlangt. Aufgrund der erwähnten, zeitlichen Variation
der Inhomogenitäten
ist eine Korrektur mittels nachgeschalteter Korrekturoptiken nicht
möglich.
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Aus
der genannten
DE 94
01 801 U1 ist es weiter bekannt, das Temperiermittel in
längeren
Pausen des Strahlbetriebs vorzuheizen, um ein zu starkes Abfallen
der Gastemperatur während
der Betriebspausen zu verhindern, so dass bei erneutem Einsatz des
Strahlbetriebes die Rückkehr
zur optimalen Gastemperatur schneller erfolgen kann.
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Aus
der
EP 0 783 193 B2 ist
ein weiteres Excimerlaser-System bekannt, bei dem eine Regelung der
Lasergastemperatur durch Variation der Kühlwasser-Durchflussmenge erreicht
wird. Im Gegensatz zu dem zuvor diskutierten System erfolgt die
Variation des Kühlwasserflusses
nicht durch An- und Abschalten sondern durch kontinuierliche Variation eines
stetigen Kühlwasserflusses.
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Ein ähnliches
System ist bekannt aus der
JP 63
088 879 A , die eine Ventilsteuerung eines Kühlwasserkreises
in Abhängigkeit
von der Temperatur eines Laserkopfes offenbart.
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Auch
die
US 2004/0202211
A1 offenbart ein System zur Steuerung der Gastemperatur
eines Gasentladungslasers durch kontinuierliche Variation des Durchflussvolumens
eines flüssigen
Kühlmittels.
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Die
JP 63 012 185 A offenbart
ein System, in dem das Kühlwasser
zur Sicherstellung einer stets konstanten Kühlwassertemperatur in einem
sekundären
Temperiersystem auf einem konstanten Wert gehalten wird. Dies erlaubt
es, eine Regelung der Gastemperatur einfacher zu gestalten oder
vollständig
auf sie zu verzichten und stattdessen vorprogrammierte Zu- und Abflussschemata
des Kühlwassers
zu fahren.
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Aus
der
US 6,034,978 A ist
ein Gasentladungslaser bekannt, dem zum Zwecke der Temperaturaufrechterhaltung
während
Betriebspausen Temperiermittel, insbesondere Wasser zugeführt wird, welches
zuvor einen steuerbaren Durchlauferhitzer durchläuft. Die Steuerung des Durchlauferhitzers
erfolgt gemäß einem
vorgegebenen Intervallmuster, welches dem Muster des zeitlichen
Ablaufs des Strahlbetriebes und der intermittierenden Pausen angepasst
ist.
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Die
DE 197 33 455 A1 offenbart
ein Kühlsystem
für Leistungsbauteile,
insbesondere Diodenlaser. Dabei ist der Diodenlaser unmittelbar
auf einem Wärmetauscher
angeordnet, der Bestandteil eines geschlossenen Kühlmittelkreislaufs
ist. Das die Verlustwärme
des Bauteils transportierende Kühlmittel wird
einem zweiten Wärmetauscher
zugeführt.
Dieser ist mit steuerbaren Peltier-Elementen verbunden. Durch die
Steuerung des Stromes durch die Peltier-Elemente. des zweiten Wärmetauschers
ist die Temperatur des Kühlmediums
und damit auch die Kühlwirkung
elektrisch steuerbar, insbesondere in der Weise, dass der Diodenlaser
eine möglichst
konstante und/oder niedrige Betriebstemperatur erreicht.
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Die
DE 693 14 018 T2 schließlich offenbart ein
Heizungssystem für
Wohnräume,
bei dem eine Temperaturregulierung durch Mischen von Fluidanteilen
unterschiedlicher Temperaturen erfolgt.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein gattungsgemäßes Verfahren
derart weiterzubilden, dass Inhomogenitäten im Strahlprofil des Lasers
reduziert werden.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes
Gasentladungslaser-System zur Verfügung zu stellen, welches Laserstrahlen mit
reduzierter Inhomogenität
im Strahlprofil liefert.
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Die
erstgenannte Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs
von Anspruch 1 dadurch gelöst,
dass die Eintrittstemperatur des die Temperiermittelführung mit
konstantem, vorzugsweise maximal möglichem bzw. zulässigem,
Volumenstrom durchströmenden
Temperiermittels die Stellgröße des Regelkreises
ist.
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Die
oben zweitgenannte Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen
des Oberbegriffs von Anspruch 8 dadurch gelöst, dass die Temperaturvariationseinrichtung
als Stelleinrichtung zur Aufnahme der von der Regeleinrichtung ausgegebenen
Stellwertvorgabe verbunden ist, sodass die Eintrittstemperatur des
die Temperiermittelführung
mit konstantem Volumenstrom durchströmenden Temperiermittels die
Stellgröße eines
den Sensor, die Regeleinrichtung und die Stelleinrichtung umfassenden
Regelkreises ist.
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Die
einzelnen Merkmale, Wirkungen und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens
sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sollen nachfolgend gemeinsam diskutiert werden.
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Es
hat sich überraschend
herausgestellt, dass sich die Strahlqualität eines Laserstrahles, insbesondere
die Homogenität
seines Strahlprofils, d. h. die Gleichmäßigkeit seiner Wellenfronten
deutlich verbessert, wenn zur Regelung der Gastemperatur während des
Strahlbetriebs die Eintrittstemperatur des Temperiermittels in die
Temperiermittelführung, d.
h. die Temperiermitteltemperatur am Eingang zu dem Gasraum als Stellgröße des Gastemperatur-Regelkreises variiert
wird, anstatt, wie beim Stand der Technik, hierfür das Strömungsvolumen durch die Temperiermittelführung zu
verwenden. Dabei hat es sich als grundsätzlich günstige Regelungsstrategie erwiesen,
den Volumenstrom durch die Temperiermittelführung zu maximieren, wobei
jeweils die Randbedingungen, d. h. u. a. die technischen Möglichkeiten
und ggf. sicherheitstechnischen Zulässigkeiten des konkreten Einzelfalls
zu beachten sind. Diese Lösung
ist insofern überraschend,
als man bislang davon ausgegangen ist, dass eine Verzerrung der
Wellenfronten des Laserstrahls durch Inhomogenitäten des Mediums in der Entladungskammer,
die auf Strömungsturbulenzen
beruhen, verursacht wird. Auf diese Störparameter hat jedoch die erfindungsgemäße Regelung
keinerlei Einfluss. Vielmehr lassen sich derartige Störeinflüsse durch
verbesserte Strömungsleitung
bei der Gasumwälzung
im Gasraum und/oder durch bessere Schwingungsisolation des Gasraumes
reduzieren. Diese deutliche Verbesserung des Strahlungsprofils durch
Verwendung der Temperiermitteltemperatur als Stellgröße des Regelkreises
ist daher für
den Fachmann überraschend.
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Eine
Erklärungshypothese
für dieses
Phänomen
lautet wie folgt: während
seiner Umwälzung
wird das Lasergas an Kühlrippen
der Temperiermittelführung
vorbeigeleitet. Diese Wärmeaustauschflächen sind
zur Reduzierung des Strömungswiderstandes im
Gasraum üblicherweise
parallel zur Strömungsrichtung
angeordnet. Bestimmte Anteile des Lasergases werden bei der Umwälzung in
größerer Nähe an den
Wärmeaustauschflächen vorbeigeführt als andere
Gasanteile. Entsprechend ergeben sich unterschiedliche Kühleffizienzen
für die
unterschiedlichen Gasanteile. Da die Strömung zur Erreichung einer hohen
Umwälzgeschwindigkeit
im Wesentlichen laminar gehalten wird, kommt es auf dem Weg des Gases
von der Temperierführung
zur Entladungskammer nicht zu einer vollständigen Durchmischung der unterschiedlich
gekühlten
Gasanteile. In der Folge ergibt sich in der Entladungskammer eine
inhomogene Temperaturverteilung. Die Inhomogenitäten haben dabei eine Ausdehnung
im Submillimeter- bis Millimeterbereich. Diese Temperatur-Inhomogenitäten haben
entsprechende Dichte- und somit Brechungsindex-Inhomogenitäten zur Folge. Diese führen zu
den beobachteten Inhomogenitäten
des Strahlprofils. Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung
erzielte Strahlverbesserung lässt
sich möglicherweise darauf
zurückführen, dass
als Konsequenz der erfindungsgemäßen Regelung
die Temperaturdifferenz zwischen dem Lasergas und dem Temperiermittel
minimiert wird.
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Entsprechend
verringern sich auch die Temperaturunterschiede zwischen den unterschiedlich stark
gekühlten
Gasanteilen. Die Minimierung der Temperaturdifferenz zwischen Gas
und Temperiermittel ist eine direkte Folge des bei der erfindungsgemäßen Regelung
konstant gehaltenen Temperiermitteldurchflusses. Es versteht sich
für den
Fachmann, dass ein konstanter Durchfluss auf einem so hohen Durchflussniveau
erfolgen muss, dass er auch bei maximaler Laserleistung ausreichend
ist, um eine hinreichende Kühlung
des Lasergases sicherzustellen. Während der übrigen, typischerweise überwiegenden,
Betriebszeit, in der der Laser mit submaximaler Leistung arbeitet,
ist der Temperiermitteldurchfluss "überdimensioniert" was gemäß der erfindungsgemäßen Regelung
durch eine Erhöhung
der Temperiermitteltemperatur am Eingang des Gasraumes kompensiert
wird. Bei einer besonders günstigen Ausgestaltung
der Erfindung liegt die Durchflussmenge des Temperiermittels auf
einem so hohen Niveau, dass auch im Fall maximaler Laserleistung
ein geringer Temperaturunterschied zwischen Lasergas und Temperiermittel
realisiert werden kann.
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Günstigerweise
ist außerhalb
des Gasraumes eine steuerbare Heizvorrichtung vorgesehen, die insbesondere
einen Durchlauferhitzer umfassen kann, so dass, wie oben erläutert, das
Temperiermittel vor Eintritt in den Gasraum bedarfsweise, d. h.
gemäß den Vorgaben
der erfindungsgemäßen Regelung,
erwärmt
werden kann.
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Grundsätzlich ist
eine solche Heizvorrichtung zur Realisierung der Erfindung ausreichend, wenn
stetig frisches Temperiermittel mit sehr niedriger Temperatur nachgeliefert
wird, das dann durch die Heizvorrichtung auf die gewünschte Temperatur erwärmt werden
kann. Stehen jedoch keine unbegrenzten Mengen frischen, sehr kalten
Temperiermittels zur Verfügung,
d. h. wird das Temperiermittel auf vergleichsweise hoher Temperatur
geliefert und/oder wird ein geschlossener oder teilweise geschlossener Temperiermittelkreislauf
verwendet, ist es vorteilhaft, eine Kühlvorrichtung vorzusehen. Diese
kann bei einer Ausführungsform
der Erfindung als passiver Wärmetauscher
ausgeführt
sein. Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die
Kühlvorrichtung jedoch
ein aktiver, steuerbarer Wärmetauscher
oder eine Wärmepumpe,
so dass das Temperiermittel nach den Vorgaben der erfindungsgemäßen Regelung
aktiv gekühlt
werden kann.
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Alternativ
oder zusätzlich
zu den vorgenannten Heiz- bzw. Kühlvorrichtungen
können
vorteilhafterweise außerhalb
des Gasraumes mehrere Temperiermittelanteile unterschiedlicher Temperatur
vorgehalten und/oder geführt
und zur Einstellung der für die
Regelung erforderlichen Eintrittstemperatur gemischt werden. Dies
erfolgt günstigerweise
dadurch, dass ein steuerbares Mischventil zur Mischung von Temperiermittelanteilen
unterschiedlicher Temperatur vorgesehen ist. Die Mischung erfolgt
so, dass das Temperiermittel die Temperiermittelführung, d.
h. den Gasraum mit konstantem Mengendurchsatz durchströmt, wobei
die gewünschte
Temperatur jedoch nicht durch aktive Heizung oder Kühlung sondern durch
geeignete Mischung warmer und kalter Temperiermittelanteile erzielt
wird. Die Anteile unterschiedlicher Temperatur können in speziellen Reservoirs vorgehalten
und/oder aus unterschiedlichen Bereichen eines Temperiermittel-Kreislaufs
und/oder unterschiedlichen Temperiermittel-Zuflüssen entnommen werden. Als
ein konkretes Beispiel bietet sich die Mischung von im Gasraum aufgeheiztem
Temperiermittel mit frischem Temperiermittel, z. B. aus dem öffentlichen
Wassernetz, an. Vorteil einer solchen Ausgestaltung ist der verringerte
Energieverbrauch, da die aktive Heizung bzw. Kühlung entfällt oder reduziert wird.
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Diese
Ersparnis wird jedoch durch erhöhte Komplexität der Gesamtvorrichtung
erkauft, die zusätzlich
Sensoren zur Erfassung der unterschiedlichen Temperiermitteltemperaturen
sowie eine Berechnungseinheit zur Errechnung einer geeigneten Mischung
oder einen zusätzlichen
Regelkreis zur Regelung der Temperiermitteltemperatur benötigt.
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Es
steht der erfindungsgemäßen Regelung, die
sich ausschließlich
auf die Phasen aktiven Strahlbetriebs bezieht, nicht entgegen, wenn,
wie aus dem Stand der Technik bekannt, in Strahlpausen, d. h. Phasen
ohne Strahlbetrieb, der Temperiermitteldurchfluss durch den Gasraum
reduziert oder unterbrochen wird.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden,
speziellen Beschreibung und den Zeichnungen. Es zeigen
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1:
eine schematische, perspektivische Ansicht, teilweise aufgebrochen,
des Gasraumes eines Lasersystems nach dem Stand der Technik,
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2:
ein schematisches Blockdiagramm einer Gas temperaturregelung in
einem Lasersystem nach dem Stand der Technik,
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3:
ein schematisches Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Gastemperaturregelung
in einem erfindungsgemäßen Lasersystem,
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4:
eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform zur Einstellung
der Temperiermittel-Temperatur,
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5:
eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform zur Einstellung
der Temperiermittel-Temperatur und
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6:
eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform zur Einstellung
der Temperiermittel-Temperatur.
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1 zeigt
schematisch den Gasraum 10 eines bekannten Excimerlaser-Systems.
Der Gasraum 10 ist in zwei funktional unterschiedliche
Bereiche aufgeteilt, wobei der in 1 untere
Bereich als Gasregenerationsbereich 12 und der in 1 obere
Bereich als Entladungskammer 14 bezeichnet werden. Die
Entladungskammer 14 enthält Vorionisierungselektroden 16 sowie
Anregungselektroden 18. In diesem Bereich findet die Anregung
der Lasergasmoleküle
und deren stimulierte Emission statt.
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Wie
zuvor im allgemeinen Teil der Beschreibung erläutert, muss das Lasergas in
der Entladungskammer 14 insbesondere bei hohen Pulsraten ständig ausgetauscht
werden, da seine Regeneration eine längere Zeitspanne in Anspruch
nimmt, als zwischen den einzelnen, erwünschten Laserpulsen zur Verfügung steht.
Im Regenerationsbereich 12 ist daher eine Umwälzeinrichtung
vorgesehen, die im Wesentlichen aus einem Lamellenrotor 20 und
einem geeignet geformten Gasleitkörper 24 besteht. Die Pfeile 26 und 28 zeigen
die Rotationsrichtung des Lamellenrotors 20 bzw. die Richtung
des resultierenden Gasstromes an.
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Zusätzlich zur
Umwälzung
des Lasergases erfolgt im Regenerationsbereich 12 des Gasraumes 10 eine
Temperierung des Lasergases. Hierzu ist im Bereich des Gasstromes
eine Temperiermittel-Führung
angeordnet, die im gezeigten Ausführungsbeispiel als Kühlwasserleitungen 30 ausgebildet
ist, die an ihrem äußeren Umfang
Kühlrippen 32 aufweisen, die
parallel zu dem durch den Pfeil 28 repräsentierten Gasstromes ausgerichtet
sind. Die konkrete Auslegung der Kühlrippen 32 erfolgt
durch den Fachmann in Abwägung
eines erwünschten,
effizienten Wärmeaustauschs
mit dem umgewälzten
Gas einerseits und einer Realisierung eines möglichst niedrigen Strömungswiderstandes
andererseits, um einen schnellen Gasaustausch ohne Turbulenzen in
der Entladungskammer zu realisieren. Es ist offensichtlich, dass
beide Ziele einander widersprechen, so dass der Fachmann bei der
konkreten Auslegung stets einen für den speziellen Anwendungsfall
geeigneten Kompromiss finden muss.
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Die
Effizienz des Wärmeaustauschs
an der Kühlwasserführung 30, 32 hängt nicht
allein von deren Geometrie ab, sondern insbesondere auch von der
Art der Durchströmung
der Kühlwasserführung 30, 32 mit
Kühlwasser.
Eine bekannte Regelung ist in 2 schematisch
dargestellt. In dieser wie in allen folgenden Figuren bedeuten gleiche
Bezugszeichen gleiche oder korrespondierende Bestandteile.
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Die
Kühlrohre 30, 32 sind
von einem Kühlwasserstrom
durchflossen, der aus einem Kühlwasservorrat 34 stammt,
in den aus den Kühlrohren 30, 32 austretendes
Kühlwasser
wieder zurückfließt. Der Begriff
des Kühlwasservorrates
ist hier sehr weit zu verstehen. Er umfasst nicht nur die Möglichkeit
eines geschlossenen Wasserkreislaufs mit einem Vorratstank, sondern
soll ausdrücklich
auch Varianten umfassen, in denen die Kühlwasserführung 30, 32 aus
einem öffentlichen
Wassernetz gespeist wird, in welches aus der Temperiermittelführung 30, 32 austretendes
Wasser als Abwasser wieder zurückgeführt wird.
Auch Kombinationen beider vorgenannter Varianten, wie sie in den
nachfolgenden Ausführungsbeispielen
diskutiert werden, sollen umfasst sein.
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Die
Temperatur des Lasergases im Gasraum 10 wird üblicherweise
durch den in 2 dargestellten Regelkreis geregelt.
Hierzu wird mittels eines Temperatursensors 36 die Gastemperatur
im Gasraum 10 erfasst und an eine Regeleinrichtung 38,
die beispielsweise ein PC oder ein Micro-Controller sein kann, geliefert.
In der Regeleinrichtung 32 wird durch Vergleich des gemessenen
Temperatur-Istwertes mit vorgegebenen oder berechneten Sollwerten,
ggf. unter Einbeziehung vorgegebener Regelungsstrategien ein Steuersignal
berechnet und ausgegeben, welches zu einem Steuerventil 40 im
Kühlwasserkreis übertragen
wird. Mit Hilfe des Steuerventils 40 wird die Durchflussmenge
an Kühlwasser
durch die Temperiermittelführung 30, 32 variiert.
Die Variationen können
kontinuierlich oder durch schrittweises An- und Abschalten des Kühlwasserflusses
erfolgen. Die Pfeile 29 deuten in der thermodynamischen
Darstellung von 2 (und der unten diskutierten 3)
die Hauptrichtung des durch den Gasstrom 28 verursachten
Wärmetauschs
an.
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3 zeigt
in einer mit 2 vergleichbaren Darstellung
einen erfindungsgemäßen Regelkreis. Hierbei
wird die Durchflussmenge des Kühlwassers durch
die Temperiermittelführung 30, 32 während des
Strahlbetrieb des Lasers konstant gehalten. Dies erfolgt vorzugsweise
auf einem unter Berücksichtigung
der im Einzelfall gegebenen Randbedingungen, wie etwa Kapazität der Temperiermittelquelle,
Querschnitt der Temperiermittelführung,
Sicherheitsaspekte etc, maximierten Niveau. Als Stellgröße des Regelkreises
dient statt der Durchflussmenge des Kühlwassers dessen Temperatur
und zwar insbesondere dessen Temperatur beim Eintritt in den Gasraum
bzw. die Temperiermittelführung 30, 32.
Diese Präzisierung
soll zum Ausdruck bringen, dass die Temperatur vor dem oder beim Eintritt
in den Gasraum exakt kontrollierbar ist, wohingegen die Temperatur
des Kühlwassers
nach Eintritt in den Gasraum nicht nur von seiner Eintrittstemperatur
sondern auch von der Temperatur des Lasergases und der Effizienz der
Wärmetauschung
im Gasraum abhängig
ist.
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Zur
Steuerung der Kühlwassertemperatur
ist eine in 3 allgemein dargestellte Temperaturvariationseinrichtung 42 vorgesehen,
auf die die Ausgabe der Regeleinrichtung 38 wirkt. Diese
Ausgabe wird in der Regeleinrichtung in Abhängigkeit von dem gemessenen
Temperatur-Istwert im Gasraum 10 und ggf. unter Anwendung
bestimmter Regelungsstrategien (angedeutet durch die Eingabepfeile 44)
berechnet.
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Durch
diese erfindungsgemäße Art der
Regelung wird eine Minimierung der Temperaturdifferenz zwischen
dem Lasergas und dem Kühlwasser erreicht,
da das Kühlwasser
die Temperiermittelführung 30, 32 im
Normalbetrieb des Lasers im Überschuss
durchströmt,
so dass zur Verhinderung einer zu starken Wärmeabfuhr aus dem Gasraum 10 eine höhere Kühlmitteltemperatur
von der Regeleinrichtung 38 über die Temperaturvariationseinrichtung 42 eingestellt
werden muss. Wie im allgemeinen Teil der Beschreibung erläutert, lässt sich
auf diese Weise eine deutliche Reduktion von Inhomogenitäten im Strahlprofil
des Lasers realisieren.
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4 zeigt
schematisch eine mögliche
Ausführungsform
der Temperaturvariationseinrichtung 42. Der Übersichtlichkeit
der Darstellung halber ist der Gasraum 10 des Lasers als
Kasten ohne weitere Einzelheiten dargestellt. Bei der in 4 gezeigten Ausführungsform
erfolgt die Laserkühlung
mittels eines geschlossenen Kühlwasser-Kreislaufs.
Vor dem Eintritt in den Gasraum 10 durchläuft das
Kühlwasser eine
Heizvorrichtung 46, die in 4 als Durchlauferhitzer
dargestellt ist. Die Heizeinrichtung 46 kann selbstverständlich auch
auf andere Weise, etwa als Boiler ausgeführt sein. Diese Heizung ist
gemäß dem von
der in 4 nicht dargestellten Regeleinrichtung 38 berechneten
Bedarf steuerbar, was durch den Steuerpfeil 48 angedeutet
ist.
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Das
aus dem Gasraum 10 austretende und aufgeheizte Kühlwasser
durchläuft
eine Kühleinrichtung 50.
Diese kann beispielsweise als aktiver, d. h. steuerbarer, oder passiver
Wärmetauscher
ausgestaltet sein, was durch den gestrichelten Steuerpfeil 52 angedeutet
ist. Bei der dargestellten Ausführungsform
arbeiten die Heizung 48 und die Kühlung 50 antagonistisch,
was eine sehr schnelle Temperaturänderung des Kühlwassers
erlaubt aber andererseits energieaufwendig ist. Wie bereits im Zusammenhang mit
der Erläuterung
der Heizung 46 angedeutet, können innerhalb des geschlossenen
Kühlwasserkreises von 4 lokale
Temperiermittelreservoirs als Pufferspeicher vorgesehen sein, was
ein größere Unabhängigkeit
der Heizung 48 und der Kühlung 50 voneinander
erlaubt, wodurch sich den Regelungsaufwand insgesamt reduziert.
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5 zeigt
eine alternative Ausführungsform
der Temperaturvariationseinrichtung 42. Bei dieser Ausführungsform
wird das Kühlwasser
nicht in einem geschlossenen Kreis geführt. Vielmehr wird das aus
dem Gasraum 10 austretende, erwärmte Kühlwasser in einem Steuerventil 54 mit
frischem, kaltem Kühlwasser
in einem Verhältnis
gemischt, das geeignet ist, die zur Regelung der Gastemperatur im
Gasraum erforderliche Kühlwassertemperatur
einzustellen, so dass bei konstantem, maximalem Kühlwasserstrom
die Gastemperatur bei gleich bleibender Laser-Leistungsentnahme
konstant bleibt. Obgleich also, wie durch den Steuerpfeil 56 angedeutet,
bei dieser Ausführungsform
ein Steuerventil Empfänger
des von der Regeleinrichtung 38 empfangenen Steuerwertes
ist, wie dies bereits aus dem Stand der Technik bekannt ist, unterscheidet
sich die in 5 dargestellte Regelung wesentlich
von der bekannten, da erfindungsgemäß die Eintrittstemperatur des
Kühlwassers
in den Gasraum 10 die Stellgröße des Regelkreises ist und
nicht das Durchflussvolumen des Kühlwassers.
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Selbstverständlich lassen
sich die in den 4 und 5 gezeigten
Grundformen der erfindungsgemäßen Temperaturvariationseinrichtung 42 ganz
oder teilweise miteinander kombinieren. 6 zeigt
eine mögliche
Kombination. Die Einzelheiten sind durch Vergleich von 6 mit
den 4 und 5 ohne weitere Erläuterung
verständlich.
Allerdings zeigt 6 ein zusätzliches, weiteres Merkmal,
das über
eine reine Kombination der Ausführungsformen
von 4 und 5 hinausgeht. Bei der Ausführungsform
von 6 ist ein weiteres Ventil 58 vorgesehen,
welches die eigentliche Temperaturvariationseinrichtung 42 umgeht.
Dieses zusätzliche Steuerventil 58 kann
so angesteuert werden (Steuerpfeil 60), dass unter Umgehung
der eigentlichen Gastemperatur-Regelung ein sehr schneller Temperatursturz
des Lasergases herbeigeführt
werden kann, indem frisches, kaltes Kühlwasser durch den Gasraum
geleitet wird. Bei der Ausführungsform
von 6 ist diese zusätzliche Schnellkühlung als
separates Leitungssystem dargestellt, welches nur über das
Steuerventil 58 Kontakt zu dem übrigen Kühlsystem hat. Diese Trennung
ist jedoch funktional zu verstehen, da sie in der Praxis zu hohem
mechanischem Mehraufwand führt.
Bei einer Vereinfachung der Ausführungsform
von 6 kann dass Steuerventil 54 sowohl sein
oben im Zusammenhang mit 5 beschriebene, eigentliche
Aufgabe als auch zusätzlich die
soeben beschriebene Aufgabe des zusätzlichen Steuerventils 58 übernehmen.
Im Fall einer erforderlichen Schnellkühlung würde dann das Steuerventil 54 so
eingestellt, dass das gesamte erwärmte Kühlwasser abfließt und nur
frisches, kaltes Kühlwasser in
den Gasraum geleitet wird, wobei die Heizung 46 auszuschalten
wäre.
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Natürlich stellen
die in der speziellen Beschreibung erläuterten und in den Figuren
gezeigten Ausführungsformen
nur illustrative Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung dar. Insbesondere die konkrete Führung des
Temperiermittels, die Wahl des Temperiermittels (z. B. Wasser, Öl, etc.),
die Ausgestaltung der Heiz- und Kühlelemente sowie die konkrete
Wahl des Lasergases oder seine spezielle Form der Umwälzung können vom
Fachmann unter Zugrundelegung der hier offenbarten technischen Lehre
und in Ansehung der speziellen Anwendung innerhalb weiter Grenzen
auf der Basis seines Fachwissens bestimmt werden.