-
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
-
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - G. Buchfink,
Werkzeug Laser, S. 49, Vogel Buchverlag, Würzburg, 2006 [0004]