DE102007030548A1 - Gaslaser mit Lamellenkühler - Google Patents

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Abstract

Glaslaser, insbesondere ein schnell axial durchströmter CO<SUB>2</SUB>-Laser, der zur Kühlung des Lasergases mindestens einen Lamellenkühler verwendet, der dadurch ausgezeichnet ist, dass sich alle Verbindungen und Nahtstellen der Kühlmittelleitungen außerhalb des Lasergases befinden.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Gaslaser, insbesondere einen schnell axial durchströmten CO2-Laser, der durch eine elektrische Gasentladung zur Laseroszillation angeregt wird. Das in der Gasentladung aufgeheizte Gas wird über eine Vorrichtung zur Gasumwälzung ausgetauscht und mittels einer Kühleinrichtung gekühlt. Für die Kühleinheit wird ein neuartiger Lamellenkühler verwendet, der auf der Lasergasseite keine lösbaren oder unlösbaren Verbindungen sowie Nahtstellen zur Kühlmittelseite aufweist.
  • Gaslaser besitzen einen typischen Steckdosenwirkungsgrad von 10%. Bei schnell axial durchströmten CO2-Lasern beträgt der elektro-optische Wirkungsgrad je nach technologischer Ausführung zwischen 15% und 25%. Demzufolge wird nur ein kleiner Teil der Pumpenergie in Laserstrahlung umgewandelt. Der überwiegende Teil der Pumpenergie trägt in Form von Wärme zur Aufheizung des Gases bei. Um eine Überhitzung des Gases zu vermeiden und einer weiteren Reduzierung des Wirkungsgrades vorzubeugen wird das Gas über geeignete Wärmetauscher gekühlt. Die Kühlung wird unterstützt durch Gasumwälzgebläse, die für eine hohe Gasaustauschrate im laseraktiven Volumen sorgen und des Weiteren eine hohe Strömungsgeschwindigkeit im Wärmetauscher erzielen, die für eine effiziente Gaskühlung unerlässlich ist. Für einen effektiven und störungsfreien Betrieb müssen die eingesetzten Gaskühler folgende Kriterien erfüllen:
    • a) geringe Baugröße bei großer Tauscherfläche
    • b) minimale Strömungsverluste für das durchströmende Gas
    • c) gute Wärmeübertragungsleistung vom Gas zum Kühlmittel
    • d) minimales Risiko von Leckagen zwischen Kühlmittelkreislauf und Gaskreislauf
  • 1 zeigt beispielhaft den schematischen Aufbau eines konventionellen schnell axial durchströmten CO2-Lasers, bestehend aus einem optischen Resonator mit Rückspiegel (1) und Auskoppler (2), Entladungsrohren (3), Netzteil zur Gasentladungsanregung (4), Umwälzgebläse (5) und Gaskühlern (6). Zum Betrieb eines solchen Lasers werden des Weiteren eine Vakuumpumpe (7), eine Lasergasversorgung (8) sowie eine Kühlwasserrückkühlanlage (nicht dargestellt) benötigt.
  • Derartige CO2-Laser sind in unterschiedlichen Ausführungsformen kommerziell verfügbar. Die dort eingesetzten Gaskühler sind vorwiegend vom Typ Rippenrohrkühlerund Plattenwärmetauscher. Daneben werden auch Rohrbündelwärmetauscher und konventionelle Lamellenkühler verwendet.
  • Rippenrohrkühler bieten eine sehr eingeschränkte Tauscherfläche pro Volumeneinheit, bei noch moderaten Strömungsverlusten und Übertragungsleistungen. Das Leckagerisiko ist gering.
  • Plattenwärmetauscher haben exzellente Eigenschaften hinsichtlich Kompaktheit und Wärmeübertragungseffizienz. Wegen der Vielzahl der Schweiß- oder Lötverbindungen zwischen Kühlmedium und Gas ist das Leckagerisiko jedoch beträchtlich. Ähnliches gilt für Rohrbündelwärmetauscher.
  • Lamellenkühler stehen Plattenwärmetauschern im Bezug auf Kompaktheit und Wärmeübertragung nur wenig nach. Die Strömungsverluste sind sehr niedrig, das Leckagerisiko ist aufgrund der großen Anzahl von lasergasseitigen Lötverbindungen aber nicht unerheblich. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Lamellenkühlers nach dem Stand der Technik. Die Lamellen (9) bestehen aus dünnwandigem, gelochtem Kupferblech. Die Kühlmittelleitungen (10), in der Regel Kupferrohre, werden U-förmig gebogen und durch benachbarte Bohrungen im Lochmuster des Lamellenpakets gesteckt.
  • Die offenen Enden der Kühlmittelleitungen (10) werden mittels Rohrbögen (11) aus dem gleichen Werkstoff so miteinander verbunden, dass alle Kühlmittelleitungen (10) sequentiell vom Kühlmittel (KM) durchströmt werden können. Die Verbindungen (12) werden üblicherweise im Handlötverfahren oder im Durchlauflötofen hergestellt. Der so gefertigte Lamellenkühler wird in ein gasdichtes Gehäuse (13) montiert, das Teil des Lasergaskreislaufs (LG) ist. Für den Kühlmittelein- (14) und auslass (15) werden die beiden offen Enden der Kühlmittelleitungen mit Schneidringverschraubungen (16) gasdicht durch das Gehäuse (13) geführt. Derartige Lamellenkühler nach dem Stand der Technik sind Massenprodukte aus der Klimatechnik und damit verwandten Branchen. Die Verwendung dieser Kühler in Gaslasern bergen hohe Risiken von Kühlmittelleckagen bevorzugt an den Lötverbindungen (12) sowie von Vakuumlecks an den Schneidringverschraubungen (16).
  • Für einen stabilen Betrieb von Gaslasern ist eine geringe Leckrate, insbesondere eine geringe Leckrate von der Kühlmittelseite zur Gasseite, von erheblicher Bedeutung. Bereits sehr kleine Kontaminationen des Lasergases durch das Kühlmittel, beispielsweise Kühlwasser, die einem Wasserdampfpartialdruck im Lasergas von 0.1 hPa entsprechen, können zu erheblichen Einschränkungen der Betriebseigenschaften führen.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Gaslaser, insbesondere einen schnell axial durchströmten CO2-Laser anzugeben, dessen Gaskühler vom Typ Lamellenkühler ein extrem geringes Leckagerisiko aufweist, aber gleichzeitig alle sonstigen Anforderungen hinsichtlich Wärmetauscherleistung und Kompaktheit erfüllt.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einem Gaslaser, der den Merkmalen aus Patentanspruch 1 entspricht. Ein solcher Gaslaser, insbesondere ein schnell axial durchströmter CO2-Laser, ist ausgestattet mit mindestens einem neuartigen Lamellenkühler, der im Gaskreislauf integriert ist.
  • Ein derartiger Lamellenkühler ist beispielhaft in 3 dargestellt. Eine metallische Platte (17), vorzugsweise aus Edelstahl der Wandstärke 8 mm, mit einem Lochmuster für die Kühlmittelleitungen (10), bildet die Trennebene zwischen der Lasergasseite (LG) und der atmosphärischen Umgebung (AU). Die Abdichtung zwischen der Platte (17) und dem gasdichten Gehäuse (13) erfolgt durch dauerelastische Dichtringe (18), beispielsweise O-Ringe aus Viton oder Silikon.
  • Die Lamellen (9) bestehen aus dünnwandigen, gelochten Blechen, vorzugsweise aus sauerstofffreiem Kupfer oder Edelstahl. Das Lochmuster der Lamellen (9) entspricht dem der Platte (17). Die Lamellengröße wird so gewählt, dass der Lamellenkühler gut in den Strömungskanal des Lasergaskreislaufs integriert werden kann. Eine typische Größe beträgt 100 mm × 200 mm.
  • Die Anzahl der Lamellen bestimmt die Tauscherfläche. Üblich sind beispielsweise 20 bis 30 Lamellen. Der Lamellenabstand wird so gewählt, dass ein praktikabler Kompromiss zwischen Kompaktheit und geringem Strömungsverlust erreicht wird. In einer bevorzugten Ausführung beträgt der Lamellenabstand 3 mm.
  • Das Kühlmittel (KM), in der Regel Wasser oder ein Glykol-Wasser-Gemisch, durchströmt die Kühlmittelleitungen (10), die vorzugsweise aus nahtlosen Kupfer- oder Edelstahlrohren gefertigt sind.
  • Der Außendurchmesser dieser Kühlmittelleitungen (10) beträgt beispielsweise 12 mm. Die Kühlmittelleitungen werden mit einer geeigneten Biegevorrichtung U-förmig ausgebildet und von der Gasseite durch benachbarte Bohrungen im Lochmuster des Lamellenpakets und der Platte (17) gesteckt, so dass die beiden offenen Enden in die atmosphärische Umgebung (AU) ragen. Entsprechend wird mit weiteren Kühlmittelleitungen verfahren, bis das Lochmuster von Lamellen (9) und Platte (17) vollständig gefüllt ist.
  • Die Kühlmittelleitungen (10) werden mit der Platte (17) vorteilhaft mit einer nichtlösbaren Verbindung (19) vakuumdicht zusammengefügt, beispielsweise gelötet, geschweißt oder geklebt. In einer besonders bevorzugten Ausführung wird Vakuumlöten angewendet.
  • Die offenen Enden der Kühlmittelleitungen (10) werden mittels Rohrbögen (11) aus dem gleichen Werkstoff miteinander verbunden, so dass lediglich 2 offene Enden für den Kühlmitteleinlass (14) und -auslass (15) übrig bleiben. Geeignete Fügeverfahren sind ebenfalls Löten, Schweißen oder Kleben. In einer besonders bevorzugten Ausführung werden alle Fügearbeiten in einem einzigen Arbeitsgang durchgeführt, beispielsweise in einem Vakuumlötofen.
  • Zur Verbesserung der Wärmeübertragungseigenschaften können die Kühlmittelleitungen (10) hydraulisch aufgeweitet werden, damit eine formschlüssige, spaltfreie Verbindung zwischen Lamellen (9) und Kühlmittelleitungen (10) entsteht. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können die Lamellen (9) mit den Kühlmittelleitungen (10) verlötet oder verschweißt werden, wodurch die Wärmetauscherleistung weiter erhöht wird. 4 zeigt eine 3D-Darstellung einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Lamellenkühlers.
  • Gegenüber den bekannten Ausführungsformen besitzt der neuartige Lamellenkühler den erheblichen Vorteil, dass sich alle Lötverbindungen und Nahtstellen im Kühlmittelkreis außerhalb des Lasergaskreislaufes befinden und somit das sehr sensible Leckagerisiko vollständig ausgeschlossen werden kann.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - EP 0565729 B1 [0004]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - G. Buchfink, Werkzeug Laser, S. 49, Vogel Buchverlag, Würzburg, 2006 [0004]

Claims (11)

  1. Gaslaser, insbesondere schnell axial durchströmter CO2-Laser, der zumindest einen Wärmetauscher zum Kühlen des Lasergases (LG) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher ein Wärmetauscher vom Typ Lamellenkühler ist, der so konstruiert ist, dass sich alle lösbaren und nicht lösbaren Verbindungen und Nahtstellen der Kühlmittelleitungen (12) auf der atmosphärischen Umgebungsseite (AU) und nicht auf der Lasergasseite (LG) befinden.
  2. Gaslaser nach Anspruch 1, bei dem die Lamellen (9) aus einem Kupferwerkstoff hergestellt sind.
  3. Gaslaser nach Anspruch 1, bei dem die Lamellen (9) aus einem Edelstahlwerkstoff hergestellt sind.
  4. Gaslaser nach Anspruch 1, bei dem die Lamellen (9) aus einer Aluminiumlegierung hergestellt sind.
  5. Gaslaser nach Anspruch 1 bis 4, bei dem die Kühlmittelleitungen (10) aus einem Kupferwerkstoff hergestellt sind.
  6. Gaslaser nach Anspruch 1 bis 4, bei dem die Kühlmittelleitungen (10 aus einem Edelstahlwerkstoff hergestellt sind.
  7. Gaslaser nach Anspruch 1 bis 4, bei dem die Kühlmittelleitungen (10) aus einer Aluminiumlegierung hergestellt sind.
  8. Gaslaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kühlmittelleitungen (10) mittels Vakuumlöten untereinander verbunden werden.
  9. Gaslaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kühlmittelleitungen (10) durch Vakuumlöten mit der Platte (17) verbunden werden.
  10. Gaslaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Klebeverbindungen verwendet werden.
  11. Gaslaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Schweißverbindungen verwendet werden.
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