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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbereiten von
Druckluft, die einem Strahlführungsraum einer Laseranlage
zugeführt wird, sowie eine Laseranlage mit einem druckluftgespülten Strahlführungsraum
und mit einer Vorrichtung zum Aufbereiten der dem Strahlführungsraum
zugeführten Druckluft.
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Ein
derartiges Aufbereitungsverfahren und eine derartige Laseranlage
sind beispielsweise durch
US
4,661,680 oder
WO
95/33594 A bekannt geworden.
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Bei
CO2-Laseranlagen erfolgt die Strahlführung
aufgrund der Laserwellenlänge > 2 μm im Gegensatz zu Glasfasern
bei Festkörper-, Dioden- und Faserlasern überwiegend
in freier Strahlpropagation über reflektierende, transmissive
und teiltransmissive optische Elemente. Zum Schutz des Laserstrahls wird
der Laserstrahl in CO2-Laseranlagen über
externe Strahlführungsräume gegen die äußere
Umgebung abgeschottet. Die externen Strahlführungsräume
können als starre Strahlführungsrohre oder als flexible
Faltenbälge ausgebildet sein.
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CO2-Laserstrahlung wird von verschiedenen Gasen
mehr oder weniger stark absorbiert. Beispiele für gasförmige
Stoffe, die aus dem Strahlführungsraum eines Laserstrahls
ferngehalten werden müssen, sind Kohlendioxid (CO2), Kohlenwasserstoffe (CxHy), halogenierte Kohlenwasserstoffe oder Schwefelhexafluorid
(SF6). Die schädigende Wirkung dieser
Gase besteht weniger im Leistungsverlust durch die absorbierte Leistung,
als vielmehr in der optischen Wirkung auf die Laserstrahlung. Die
absorbierte Leistung führt zu einer Temperaturerhöhung des
Gases und damit zu einer lokalen Änderung des temperaturabhängigen
Brechungsindex. Die verschiedenen Brechungsindices im Gas führen
zu einer Fokussierung oder Aufweitung der Laserstrahlung und beeinflussen
so die Strahlpropagation in den externen Strahlführungsräumen.
Häufig kommt es zu einer Vergrößerung
des Laserstrahldurchmessers oder zu Deformationen des Laserstrahlprofils, die
die Anwendung stören und die Qualität der Laserbearbeitung
beeinträchtigen. Bekannt ist außerdem, dass Kohlenwasserstoffe
zu Kontaminationen auf optischen Elementen in CO2-Strahlführungsräumen führen
können, welche die Fokussiereigenschaften der optischen
Elemente verändern.
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Jedes
optische Element absorbiert einen geringen Teil der Laserstrahlleistung
eines auftreffenden Laserstrahls und erwärmt sich durch
die absorbierte Leistung. Staubpartikel oder sonstige Verschmutzungen,
wie z. B. Abrieb, die in einem Strahlführungsraum vorhanden
sind, lagern sich an der Oberfläche der optischen Elemente
ab und führen zu einer verstärkten Absorption
des auftreffenden Laserstrahls und damit zu einer zusätzlichen
Erwärmung der optischen Elemente. Die absorbierte Laserstrahlleistung
führt zu einer thermischen Belastung der optischen Elemente,
die die Lebensdauer reduziert, und verändert außerdem
die optischen Eigenschaften. CO2-Laser und
-Laseranlagen höherer Leistung benötigen daher
ein gasförmiges Spülmedium in internen und/oder
externen Strahlführungsräumen, um die optischen
Elemente vor Staubpartikeln und sonstigen Ablagerungen zu schützen.
Eine sichere Methode, die unbeeinflusste Strahlpropagation sicherzustellen
und Kontaminationen von optischen Elementen durch Bestandteile des
gasförmigen Spülmediums zu vermeiden, ist die
Verwendung von inerten Reinstgasen, wie z. B. Stickstoff. Diese
Gase sind aber je nach Art der Bevorratung teuer und werden von
den Anwendern immer häufiger nicht akzeptiert. Neben Inertgasen
wird Druckluft als Spülgas für Strahlführungsräume
von Laseranlagen eingesetzt, wobei Druckluft den Nachteil besitzt,
dass unerwünschte Bestandteile wie Kohlendioxid, Kohlenwasserstoffe,
Staubpartikel und Feuchtigkeit in der Druckluft vorhanden sind.
Daher wird Druckluft derzeit bspw. durch CO2-Filtration
aufbereitet, um die Qualität der Druckluft zu verbessern,
allerdings werden durch die CO2-Filtration
keine Kohlenwasserstoffe entfernt. Kohlenwasserstoffe können
auf Laseroptiken filmische Kontaminationen verursachen, die eine
Erhöhung der Absorption zur Folge haben. Die Konsequenz
ist die Veränderung der optischen Eigenschaften der Laseroptiken,
die eine Reinigung oder einen Tausch notwendig werden lassen. Bisher wird
versucht, Kohlenwasserstoffe, die in druckluftgespülten
Strahlführungsräumen vorhanden sind, durch Aktivkohlefilter
zu entfernen. Ein Problem bei der Verwendung von Aktivkohle zur
Adsorption von Kohlenwasserstoffen besteht in der unterschiedlichen,
in der Regel unbekannten Zusammensetzung der Druckluft an Kohlenwasserstoffen.
Aktivkohle weist gegenüber Kohlenwasserstoffen eine unterschiedliche
Aufnahmefähigkeit auf, die in verschiedene Klassen eingestuft
wird: sehr geringe Aufnahmefähigkeit (Klasse 1), noch nenneswerte
Aufnahmefähigkeit (Klasse 2), zufriedenstellende Aufnahmefähigkeit
(Klasse 3) und gute Aufnahmefähigkeit (Klasse 4). Die Aufnahmefähigkeit
von Aktivkohle ist beispielsweise sehr gering für Methan
und Ethan (Klasse 1) und noch nennenswert für Butan und
Propan (Klasse 2), so dass Aktivkohle nicht wirksam gegen diese
Kohlenwasserstoffe eingesetzt werden kann.
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Aus
der eingangs genannten
US 4,661,680 ist
eine Laseranlage mit einer Luftaufbereitungsanlage bekannt, die
die Luft in der Strahlführung reinigt. Dieses Patent befasst
sich mit dem Problem, dass sich Staub und Niederschläge
auf optischen Elementen in der Strahlführung absetzen und
die Strahlqualität des Laserstrahls verringert wird. Neben
kommerziell erhältlichen Filtern enthält die Luftaufbereitungsanlage
absorbierende Granulate, die unerwünschte Bestandteile,
wie Wasserdampf, Kohlendioxid und Schwefelhexafluorid, binden und
aus der Strahlführung entfernen.
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Aus
der ebenfalls eingangs genannten
WO 95/33594 A ist bekannt, aufbereitete Druckluft
als Spülgas für die Strahlführung einer
Laseranlage zu verwenden. Die Druckluft wird einer Aufbereitungsanlage
(Trennvorrichtung) zugeführt und in stickstoffreiches Gas
und Sauerstoff getrennt. Das stickstoffreiche Gas wird der Strahlführung
als Spülgas zugeführt. Bei Bedarf werden zusätzlich
Filter eingesetzt, um Staub und/oder Ölnebel aus dem stickstoffreichen
Gas zu entfernen, bevor das stcikstoffreiche Gas der Strahlführung
zugeführt wird.
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Aus
der
EP 0 749 800 A ist
schließlich noch eine Laseranlage mit einer gasgespülten
Strahlführung zwischen Laserresonator und Bearbeitungskopf bekannt.
Um den Laserstrahl vor Kohlendioxid zu schützen, wird ein
Molekularsieb eingesetzt, das die Kohlendioxid-Konzentration auf
Werte kleiner als 300 ppm einstellt. Ergänzend zum Molekularsieb
werden Gaswäscher und/oder Gastrockner eingesetzt.
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Demgegenüber
ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Aufbereitungsverfahren
und die Laseranlage der jeweils eingangs genannten Art dahingehend
weiterzubilden, dass eine Kontamination von Kohlenwasserstoffen
auf optischen Elementen im Strahlführungsraum wirksam verhindert
werden kann.
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Diese
Aufgabe wird bei dem Verfahren erfindungsgemäß dadurch
gelöst, dass der Kohlenwasserstoffgehalt der Druckluft
katalytisch reduziert wird, und zwar vorzugsweise auf weniger als
0,1 ppm.
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Erfindungsgemäß wird
zur Spülung von Strahlführungsräumen
einer Laseranlage Druckluft eingesetzt, deren Kohlenwasserstoffgehalt
zuvor katalytisch reduziert worden ist. An einem Pt/Pd-Katalysator
werden bei 380°C alle Kohlenwasserstoffe in Kohlendioxid
(CO2) und Wasser umgesetzt. Typischerweise
sind in der Luft nur wenige ppm Kohlenwasserstoffe enthalten. Der
CO2-Gehalt und die Feuchtigkeit der Ausgangsluft
werden durch die katalytische Zersetzung der Kohlenwasserstoffe
nur sehr gering erhöht.
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Bevorzugt
wird vor oder nach dem katalytischen Reduzieren des Kohlenwasserstoffgehalts
der CO2-Gehalt der Druckluft reduziert,
und zwar insbesondere auf weniger als 50 ppm. Insbesondere die Luftaufbereitung
für CO2-Laser und -Laseranlagen höherer
Leistung erfolgt mehrstufig: In der ersten Stufe erfolgt die Luftaufbereitung
mit Molsiebkolonnen, die den Drucktaupunkt und anschließend
den CO2-Gehalt reduzieren. Mit der Reduzierung
des CO2-Gehalts wird eine Ausgangskonzentration
der Luft von weniger als 50 ppm CO2 erreicht.
Die CO2-Reduktion ist notwendig, um die
unbeeinflusste Strahlpropagation sicherzustellen. Den Molsiebkolonnen
nachgeschaltet folgt die zweite Aufbereitungsstufe der Luft mit
der katalytischen Entfernung aller Kohlenwasserstoffe auf weniger
als 0,1 ppm.
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Bei
Bedarf wird die Druckluftaufbereitung mit weiteren Reinigungsmitteln
kombiniert, wie z. B. einem Partikelfilter oder einem Aktivkohlefilter
zur Reduzierung von Feuchtigkeit.
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Die
Erfindung betrifft auch eine Laseranlage mit einem druckluftgespülten
Strahlführungsraum und mit einer Vorrichtung zum Aufbereiten
der dem Strahlführungsraum zugeführten Druckluft,
wobei erfindungsgemäß die Aufbereitungsvorrichtung
einen Katalysator, insbesondere einen Pt/Pd-Katalysator, zur katalytischen
Reduzierung des Kohlenwasserstoffgehalts der Druckluft aufweist.
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Vorzugsweise
weist die Aufbereitungsvorrichtung zusätzlich mindestens
ein Molekularsieb, insbesondere Molsiebkolonnen, zur Reduzierung von
Kohlendioxid, einen Aktivkohlefilter und einen Partikelfilter auf.
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Weitere
Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der
Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die
noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich
oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die
gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als
abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern
haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung
der Erfindung.
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Es
zeigen:
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1 eine
CO2-Laseranlage mit einem externen druckluftgespülten
Strahlführungsraum und einer erfindungsgemäßen
Druckluft-Aufbereitungsvorrichtung;
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2 eine
Druckluft-Aufbereitungsvorrichtung gemäß dem Stand
der Technik; und
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3 die
erfindungsgemäße Druckluft-Aufbereitungsvorrichtung
von 1.
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Die
in 1 gezeigte CO2-Laseranlage 1 umfasst
einen Laserresonator 2, einen externen Strahlführungsraum 3 und
einen Bearbeitungskopf 4. Der im Laserresonator 2 erzeugte
CO2-Laserstrahl 5 wird über
einen Auskoppelspiegel 6 aus dem Laserresonator 2 ausgekoppelt
und tritt in den externen Strahlführungsraum 3 ein.
Der ausgekoppelte CO2-Laserstrahl 5 wird über
reflektierende und/oder transmittierende optische Elemente, wie
z. B. Spiegel und/oder Linsen, vom Laserresonator 2 zum
Bearbeitungskopf 4 geführt. Über ein
Strahlteleskop 7, das als Linsenteleskop oder als Spiegelteleskop
ausgebildet ist, wird der Laserstrahl 5 auf einen gewünschten
Strahldurchmesser aufgeweitet und zum Bearbeitungskopf 4 gelenkt.
Der Bearbeitungskopf 4 ist als Linsenkopf ausgebildet und
umfasst einen Umlenkspiegel 8, der den Laserstrahl 5 um
90° in einer senkrechten Ebene umlenkt, und eine Fokussierlinse 9,
die den Laserstrahl auf einen für die Bearbeitung geforderten
Strahldurchmesser fokussiert. Alternativ kann der Bearbeitungskopf 4 als
Spiegelkopf mit einem Fokussierspiegel ausgebildet sein, der den
Laserstrahl in Richtung Werkstück 10 ablenkt und
auf den geforderten Strahldurchmesser fokussiert (nicht gezeigt).
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Zum
Schutz der optischen Elemente, die in dem externen Strahlführungsraum 3 angeordnet sind,
vor Verunreinigungen wird der externe Strahlführungsraum 3 mit
Druckluft 11 gespült. Die Einleitung der Druckluft 11 erfolgt über
eine Druckluft-Zuführvorrichtung 12. Diese umfasst
eine als Ansaug- und Fördervorrichtung dienende Pumpe 13,
mittels derer über einen Lufteinlass 14 in Form
eines Ansaugstutzens sowie ein Ventil 15 atmosphärische Luft
aus dem Nah- oder Umgebungsbereich der Laseranlage 1 angesaugt
und zu dem externen Strahlführungsraum 3 gefördert
wird. Durch eine Steuereinrichtung 16 wird der auslassseitige
Druck an der Pumpe 13 eingestellt. Alternativ zu der aus
der Atmosphäre angesaugten Luft kann der Strahlführungsraum 3 mit
Druckluft 11 aus einem Behälter 17 beschickt
werden. Die Luft in dem Behälter 17 steht unter Überdruck
und kann dementsprechend ohne zusätzliche Hilfsmittel über
ein dem Behälter 17 zugeordnetes Ventil 18 dem
Strahlführungsraum 3 zugeführt werden.
Sowohl die aus der Umgebung der Laseranlage 1 angesaugte
als auch die dem Behälter 17 entstammende Druckluft 11 werden
dem externen Strahlführungsraum 3 über
eine Druckluft-Aufbereitungsvorrichtung 30 zugeleitet,
wobei die Zu- und Abfuhr der Druckluft 11 zu und von der
Aufbereitungsvorrichtung 30 über Ventile 19 eingestellt
wird.
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2 zeigt
zunächst eine bekannte Aufbereitungsvorrichtung 20 für
Druckluft 11, die als gasförmiges Spülmedium
in einem Strahlführungsraum 3 einer CO2-Laseranlage eingesetzt wird. Der ausgekoppelte
Laserstrahl 5 verläuft ausgehend vom Auskoppelspiegel 6 im
Innern eines hier als Strahlführungsrohr ausgebildeten
Strahlführungsraums 3, ehe er an dem vom Auskoppelspiegel 6 abgewandten Ende
des Strahlführungsrohres z. B. in den Bearbeitungskopf
(nicht gezeigt) der Laseranlage eintritt. Der Strahlführungsraum 3 wird
mit Druckluft 11 gespült, die nahe dem Auskoppelspiegel 6 in
den Strahlführungsraum 3 einströmt und
am Bearbeitungskopf wieder ausströmt. Die Druckluft 11 wird über
eine Druckluft-Zuführvorrichtung 12 zugeführt
und in der Aufbereitungsvorrichtung 20 aufbereitet. Die
Druckluft 11 gelangt über ein Ventil 19 in
die Aufbereitungsvorrichtung 20. Die Aufbereitung der Druckluft 11 erfolgt
in mehreren Stufen, abhängig von den unerwünschten
Bestanteilen (Feuchtigkeit, Partikel, Kohlendioxid) und der geforderten
Reinheit der Druckluft 11, welche zur Spülung
des externen Strahlführungsraums 3 aufbereitet
wird. Die in 2 gezeigte Aufbereitungsvorrichtung 20 umfasst
einen Vorfilter 21, einen Adsorptionstrockner 22,
einen Aktivkohleadsorber 23, einen CO2-Reiniger 24 und
einen Staubfilter 25, wobei die Druckluft 11 die
Reinigungsmittel 21-25 nacheinander passiert. In einer
ersten Aufbereitungsstufe werden Kondensat, Öl-Aerosole
und Schmutzpartikel über den Vorfilter 21 aus
der Druckluft 11 abgeschieden. In einer zweiten Aufbereitungsstufe
entfeuchtet der Adsorptionstrockner 22 die Druckluft 11 bis
zu einem Taupunkt. Öldämpfe und Kohlenwasserstoffe
werden in einer dritten Aufbereitungsstufe über den Aktivkohleadsorber 23 aus
der Druckluft 11 entfernt. Über den CO2-Reiniger 24 wird in einer vierten
Aufbereitungsstufe Kohlendioxid (CO2) aus
der Druckluft 11 entfernt. Feinstaub und Abrieb aus den
Adsorbentien werden in einer fünften Aufbereitungsstufe
im Staubfilter 25 abgeschieden.
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Die
für die optischen Elemente im externen Strahlführungsraum 3 schädlichen
Kohlenwasserstoffe werden in der bekannten Aufbereitungsvorrichtung 20 über
den Aktivkohleadsorber 23 aus der Druckluft 11 entfernt.
Der Aktivkohleadsorber 23 enthält Aktivkohle,
welche überwiegend aus Kohlenstoff (> 90%) besteht und eine hochporöse
Struktur mit einer großen inneren Oberfläche aufweist.
Aktivkohle ist grundsätzlich zur Abscheidung einer Vielzahl
von gasförmigen chemischen Stoffen geeignet. Aktivkohle
hält Gasmoleküle zurück und lagert sie
an das Kohlematerial im Filter an. Der Abscheidegrad hängt dabei
unter anderem vom Aufnahmevermögen der Aktivkohle für
die entsprechenden Substanzen ab. Aktivkohle mit einer guten Aufnahmefähigkeit
nimmt zwischen 20 und 50% des Eigengewichtes in gasförmigen
Stoffen auf. Die durchschnittliche Abscheidefähigkeit für
gasförmige Stoffe in dieser Kategorie liegt bei ca. 35%
des Eigengewichtes der Aktivkohle. Aktivkohle mit einer zufrieden
stellenden Aufnahmefähigkeit nimmt zwischen 10 und 20%
des Eigengewichtes auf. Die durchschnittliche Aufnahmefähigkeit für
gasförmige Stoffe in dieser Kategorie ist ca. 15% des Eigengewichtes
der Aktivkohle. Bei Aktivkohle mit noch nennenswerter Aufnahmefähigkeit
werden Verbindungen nicht wesentlich absorbiert. Im Einzelfall können
dennoch befriedigende Ergebnisse möglich sein. Bei Aktivkohlen
mit einer sehr niedrigen Aufnahmefähigkeit liegt die Aufnahmefähigkeit
so niedrig, dass Aktivkohle nicht wirksam gegen die betreffende
chemische Verbindung eingesetzt werden kann. Das Aufnahmevermögen
von Aktivkohle nimmt mit der Anlagerung von Gasmolekülen über
die Einsatzdauer ab.
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3 zeigt
die erfindungsgemäße Aufbereitungsvorrichtung 30 für
Druckluft 11, welche in der Laseranlage 1 gemäß 1 eingesetzt
wird. Diese Aufbereitungsvorrichtung 30 weist zunächst
einen Aktivkohlefilter 31 zum Entfeuchten der Druckluft 11 und
einen Partikelfilter 32, dann ein Molekularsieb (z. B. Molsiebkolonnen) 33,
das den CO2-Gehalt der Druckluft 11 auf
weniger als 50 ppm reduziert, und schließlich einen Pt/Pd-Katalysator 34 auf,
der den Kohlenwasserstoffgehalt der Druckluft 11 auf weniger als
0,1 ppm reduziert.
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Die
Luftaufbereitung erfolgt also mehrstufig, wobei eingangsseitig durch
die Aktivkohle- und Partikelfilter 31, 32 die
Druckluft 11 mit Qualitätsstufe ISO 85731141 erzeugt
wird. Die Luftaufbereitung erfolgt in der ersten Stufe mit den Molsiebkolonnen 33,
die als Erstes den Drucktaupunkt und anschließend den CO2-Gehalt reduzieren. Mit der Reduzierung
des CO2-Gehalts wird eine Ausgangskonzentration
der Druckluft 11 von weniger als 50 ppm CO2 erreicht. Die
CO2-Reduktion ist notwendig, um die unbeeinflusste
Strahlpropagation sicherzustellen. Den Molsiebkolonnen 33 nachgeschaltet
folgt eine weitere Aufbereitungsstufe der Druckluft 11 mit
der katalytischen Entfernung aller Kohlenwasserstoffe auf weniger
als 0,1 ppm. Am Pt/Pd-Katalysator 34 werden bei 380°C
alle Kohlenwasserstoffe in CO2 und Wasser umgesetzt.
Typischerweise sind in Druckluft nur wenige ppm Kohlenwasserstoffe
enthalten. Der CO2-Gehalt und die Feuchtigkeit
der Druckluft 11 werden durch die katalytische Zersetzung
der Kohlenwasserstoffe nur sehr gering erhöht. Diese mehrstufige
Luftaufbereitung gewährleistet sowohl die unbeeinflusste
Strahlpropagation als auch den Optikschutz.
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Die
in 3 gezeigte erfindungsgemäße Aufbereitungsvorrichtung 30 ist
in eine Regelung der Kohlenwasserstoff-Konzentration der Druckluft 11 integriert.
Die Druckluft 11 gelangt über das Ventil 19 in die
Aufbereitungsvorrichtung 30 und wird in mehreren Stufen über
die verschiedenen Filter 31, 32, 33 und
den Katalysator 34 aufbereitet. Über ein Messgerät 35 wird
die Konzentration an Kohlenwasserstoffen in der Druckluft 11 gemessen
und an die Steuerungseinheit 36 übergeben. Liegt
die gemessene Konzentration unter einem vorgegebenen Wert, werden
die nachgeschalteten Ventile 37, 19 von der Steuerungseinheit 36 so
angesteuert, dass die aufbereitete Druckluft 11 dem Strahlführungsraum 3 der
Laseranlage 1 zugeführt wird. Übersteigt
die gemessene Konzentration hingegen den vorgegebenen Wert, werden
die nachgeschalteten Ventile 37, 19 von der Steuerungseinheit 36 so
angesteuert, dass die aufbereitete Druckluft 11 erneut
der Aufbereitungsvorrichtung 30 zugeführt wird,
wie durch den gestrichelten Strömungspfeil 11 angedeutet
ist. Neben dem Messgerät 35 zur Messung der Kohlenwasserstoff-Konzentration
können weitere Messgeräte vorgesehen sein, die
bspw. die CO2-Konzentration oder die Feuchtigkeit
der Druckluft 11 messen. Es ist denkbar, dass eine Laseranlage
chemische Indikatoren aufweist, die abhängig von der Konzentration
an unerwünschten Bestandteilen (Kohlendioxid, Feuchtigkeit,
Kohlenwasserstoffe) einen unterschiedlichen Farbumschlag erzeugen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 4661680 [0002, 0006]
- - WO 95/33594 A [0002, 0007]
- - EP 0749800 A [0008]