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Die
Erfindung beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Rückgewinnung
von Energie aus einem Laserbearbeitungssystem.
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Betrachtet
man die Energiebilanz von Laserbearbeitungssystemen (Gaslaser, speziell
CO2-Laser, oder Festkörperlaser, speziell Neodoym:Yttrium-Aluminium-Granat-Laser,
oder auch Diodenlaser), stellt man fest, dass der Fluss der Energieströme
verbessert werden kann. Betrachtet man die Energiebilanz von einzelnen
Laserbearbeitungsmaschinen stellt man fest, dass von einem benötigten
Energieeintrag von 100%, die Ausbeute der Energie, welche in den
Laserstrahl fließt, sich bei CO2-Lasern auf ca. 7% beläuft.
Die restlichen ca. 93% verbleiben als ungenutzte Energie.
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Aus
der
DE 69301879 T2 ist
ein Lasersystem bekannt, insbesondere ein reflektierender Laserresonator,
welcher für die Unterdrückung verstärkter
stimulierter Emission und eine bessere Wärmeabfuhr sorgt.
Eine Nutzung der abgeführten Wärme findet nicht
statt.
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Des
Weiteren ist aus dem Stand der Technik bekannt, dass die durch ein
Laserbearbeitungssystem vermehrt auftretende thermische Energie
und die dadurch erzeugte Wärme, zum Heizen von Räumen
verwendet wird.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung
bereitzustellen, welche es ermöglichen, die Energiebilanz
eines Laserbearbeitungssystem s zu verbessern.
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Diese
Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren
und die Vorrichtung gemäß den unabhängigen
Ansprüchen gelöst. weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen
definiert.
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Die
Aufgabe wird beispielsweise gelöst durch ein Verfahren
zur Rückgewinnung von Energie aus einem Laserbearbeitungssystem
(10) umfassend die Schritte: Betreiben des Laserbearbeitungssystems
(10) und Erzeugung von thermischer Energie (200)
mit einer maximalen Temperatur Tmax; Abnahme von thermischer Energie
(200); Rückführen der abgenommenen thermischen
Energie (200) an das Laserbearbeitungssystem (10).
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Insbesondere
wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Rückgewinnung
von Energie aus einem Laserbearbeitungssystem (10) mit
mindestens einem Energierückgewinnungssystem (20),
wobei das mindestens eine Energierückgewinnungssystem (20)
eine charakteristische Grenztemperatur Tz aufweist, umfassend die
Schritte: Betreiben des Laserbearbeitungssystems (10) und
Erzeugung von thermischer Energie (200) mit einer maximalen
Temperatur Tmax, wobei die maximale Temperatur Tmax höher
als die Grenztemperatur Tz liegt; Abnahme von thermischer Energie
(200) oberhalb der Grenztemperatur Tz; Zuführen
der abgenommenen thermischen Energie (200) in das mindestens
eine Energierückgewinnungssystem (20) zur Erzeugung
von zurückgewonnener Energie (210); Rückführung
der zurückgewonnenen Energie (210) an das Laserbearbeitungssystem
(10). Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden
Erfindung wird damit ein Verfahren zur Rückgewinnung von
Energie aus einem Laserbearbeitungssystem bereitgestellt, wobei
ein Laserbearbeitungssystem betrieben wird, thermische Energie abgenommen
wird, die thermische Energie mindestens einem Energierückgewinnungssystem
zur Rückgewinnung der thermischen Energie zugeführt
wird und die zurückgewonnene Energie in das Laserbearbeitungssystem
rückgeführt wird.
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Unter
Rückgewinnung von Energie versteht man die Nutzung von übriger
(oder auch ungenutzter) Energie, welche nicht dem eigentlichen Zweck
einer Vorrichtung, insbesondere einer Laserbearbeitungsmaschine,
dient. Die übrige Energie ist vor allem thermische Energie.
Andere übrige Energieformen im Laserbearbeitungssystem
sind beispielsweise mechanische Energie oder elektrische Energie oder
magnetische Energie. Die thermische Energie fällt bevorzugt
im Resonator, besonders bevorzugt im Lasermedium an.
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Ein
Energierückgewinnungssystem kann thermodynamisch ausgelegt
sein, beispielsweise als Wärmekraftmaschine, physikalisch/chemisch,
thermoelektrisch, biologisch oder chemisch. Jedes Energierückgewinnungssystem
weist eine Grenztemperatur Tz auf, ab der das entsprechende Energierückgewinnungssystem
eingesetzt werden kann. Heute verfügbare Systeme zur Energierückgewinnung
aus Wärme (Sorptionskältemaschinen oder Wärmekraftmaschinen,
z. B. Stirling-Motoren) können meist nur den Anteil oberhalb
etwa 70°C nutzen, d. h. dass die Grenztemperatur Tz für
diese Energierückgewinnungssysteme bei etwa 70°C
liegt. Thermoelektrische Elemente können die Temperaturen
knapp oberhalb der Umgebungstemperatur (im folgenden Tu genannt)
nutzen. Durch die Wahl des Energierückgewinnungssystems
wird damit auch die Grenztemperatur Tz gewählt. Als Wärmekraftmaschinen sind
Dampfmaschinen, Dampfturbinen, Gasturbinen, Schukey-Maschinen oder
auch Stirling-Motoren oder Kompaktdampfturbinen bzw. eine Kombination
dieser Vorrichtungen einsetzbar. Physikalisch/chemische Technologien
umfassen Sorptionskältemaschinen, insbesondere Absorptionskältemaschinen
oder Adsorptionskältemaschinen oder Absorptionswärmetransformatoren
(Waste Heat Transformer). Thermoelektrisch kann ein thermoelektrischer
Generator eingesetzt werden.
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In
einer Arbeitsumgebung, insbesondere bei einem Laserbearbeitungssystem,
treten beispielsweise im Kühlmedium verschiedene Temperaturbereiche
auf: zwischen der Grenztemperatur Tz und einer maximalen Temperatur
Tmax befindet sich die Hochtemperaturwärme, die für
das Energierückgewinnungsystem zur Verfügung steht.
Zwischen der Grenztemperatur Tz und der Umgebungstemperatur Tu ist
ein Temperaturbereich aufgespannt, der in der Regel als Abwärme
direkt (ohne Aufwendung weiterer, nennenswerter Energie) an die
Umgebung abgegeben werden kann. Zwischen der Temperatur Tu und Tmin
ist ein Temperaturbereich aufgespannt, der unter Umständen
nur unter weiterem Energieeinsatz (z. B. über eine Kompressionskältemaschine)
an die Umgebung abgeführt werden kann. Um einen Temperaturbereich
unterhalb der Umgebungstemperatur Tu bis zu einer benötigten
minimalen Temperatur Tmin im Kühlmedium zu erreichen, wird
nun beispielsweise eine Kältemaschine eingesetzt, für
deren Betrieb zusätzliche Energie benötigt wird.
Gemäß einem Aspekt dieser Erfindung kann diese
Energie aus der zurückgewonnenen Energie des Energierückgewinnungssystems
gewonnen werden und damit dem Laserbearbeitungssystem wieder als
benötigte Energie zugeführt werden. Bei einer
Sorptionskältemaschine wäre es auch möglich,
dass die notwendige Kälteleistung direkt (ohne eine weitere
Kältemaschine) über das Energierückgewinnungssystem
zur Verfügung gestellt wird.
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Unter
Laserbearbeitungssystemen versteht man bevorzugt Hochleistungsindustrielaseranlagen, insbesondere
solche mit einer Ausgangsleistung von 1–8 kW.
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Das
Betreiben des Laserbearbeitungssystems ist einerseits der Laserbetrieb,
d. h. das Erzeugen eines Laserstrahls. Ein Laserbearbeitungssystem
wird aber auch dann schon betrieben und thermische Energie erzeugt,
wenn es im Standby-Modus arbeitet, beispielsweise im Leerlauf. Hierbei
kann es beispielsweise bei einem eingesetzten Turboradialgebläse
zu beträchtlicher Abwärme kommen.
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Bei
der Erzeugung von thermischer Energie wird eine maximale Temperatur
Tmax beispielsweise im Kühlmedium generiert. Ungenutzte
bzw. übrige thermische Energie fällt an sich erwärmenden
Komponenten an: Diese sind beispielsweise der Resonator, das aktive
Medium, der HF-Generator, der Entstauber, Kompressoren, Kühlmedien,
die Verfahrmotoren, das Werkstück während der
Bearbeitung, weitere Aggregate des Laserbearbeitungssystems, weitere
Maschinen des Laserbearbeitungssystems.
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Unter
Abnahme von thermischer Energie oberhalb der Grenztemperatur Tz
versteht man einen Wärmeübergangsprozess über
eine bestimmte Zeitspanne. Dabei geht Wärme von einer Komponente des
Laserbearbeitungssystems in bevorzugt ein Transportmedium, bzw.
Kühlmedium, bevorzugt ein Fluid, insbesondere Kühlwasser,
organische Medien, oder ein Gas, über. Die thermische Energie
wird durch das Transport-/Kühlmedium von sich erwärmenden
Komponenten des Laserbearbeitungssystems abgeführt.
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Die
Abnahme der thermischen Energie findet hierbei oberhalb der Grenztemperatur
Tz statt. Hierdurch wird ein Temperaturband abgegriffen, das von dem
Energierückgewinnungssystem genutzt werden kann.
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Bei
einem CO2-Laser können mehr als 90% der eingesetzten Energie
als Abwärme verloren gehen. Von diesen > 90% entfallen 40–60% auf den
Resonator, der Rest auf HF-Generator und Maschine (Entstauber, Antriebe,
...). Bei Systemen mit Festkörperlasern (Stablaser, diodenlaser-gepumpte
Scheibenlaser, Faserlaser) entsteht etwa > 75% Abwärme.
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Das
Abnehmen, bzw. das Abführen von thermischer Energie aus
dem Lasergas erfolgt bevorzugt mit jeglichen Wärmeleitsystemen,
besonders bevorzugt mit Kühlsystemen, am meisten bevorzugt
mit Wärmetauschern. Die effektive Abfuhr der Wärme
ist notwendig für das Funktionieren des Laserprozesses.
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Unter
dem Zuführen der abgenommenen thermischer Energie in mindestens
ein Energierückgewinnungssystem versteht man den Wärmeübergang
von dem Transportmedium zum Energierückgewinnungssystem.
Dies geschieht zur Erzeugung von zurückgewonnener Energie
aus der abgenommenen thermischen Energie, die an oder oberhalb der
Grenztemperatur Tz abgegriffen wurde.
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Durch
die Abnahme, den Transport und die Zufuhr von thermischer Energie
geht Wärme von bevorzugt dem aktiven Medium auf ein Energierückgewinnungssystem über.
Die thermische Energie wurde einem Energierückgewinnungssystem
zugeführt, wenn die in einer bestimmten Zeitspanne abgegriffene
Energie zum Großteil auf das Energierückgewinnungssystem übergegangen
ist.
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Die
möglichen Energierückgewinnungssysteme wandeln
bevorzugt thermische Energie auch in andere Energieformen um. Dazu
ist beispielsweise ein Energieumwandlungssystem vorgesehen, bevorzugt
sind mehrere Energierückgewinnungssysteme vorgesehen, welche
bevorzugt in Reihe und/oder parallel geschaltet sind. Es können
beim Abgriff beispielsweise Wärmetauscher im Gegenstromprinzip eingesetzt
werden und diese am Resonator auf die gasführenden Röhren
aufgebracht werden. Diese Wärmetauscher können
dann parallel nebeneinander und/oder in Reihe betrieben werden,
so dass das Kühlmedium pro Wärmetauschereinheit
um eine vorbestimmte Temperaturdifferenz deltaT abgekühlt wird,
mithin dieses Temperaturband, d. h. diese thermische Energie, dem
Laserbearbeitungssystem beispielsweise am Resonator entzogen wurde
und dem Energierückgewinnungssystem damit zugeführt
wurde. Dies geschieht bevorzugt im Gegenstromprinzip.
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So
ist auch eine Umwandlung von einer ersten Energieform I in eine
zweite Energieform II, optional über eine weitere Zwischenenergieform
III möglich. Das Endprodukt ist dann eine in das Laserbearbeitungssystem
rückführbare Energieform, besonders bevorzugt
aber auch ein Erzeugnis, welches durch eine Energieform entsteht.
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Bevorzugte
umgewandelte Energieformen sind beispielsweise elektrische Energie
und/oder mechanische Energie und/oder Druck und/oder magnetische
Energie.
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Die
aus dem Energierückgewinnungssystem entstandene zurückgewonnene
Energie bzw. Energieform und/oder die Erzeugnisse dieser umgewandelten
Energieform werden an das Laserbearbeitungssystem zurückgeführt.
Unter rückgeführter Energie versteht man einen
gewissen Prozentsatz der ungenutzten, übrigen Energie,
welche dem Laserbearbeitungssystem direkt zu Gute kommt.
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Formen
von rückgeführter Energie sind beispielsweise:
elektrische Energie, magnetische Energie, thermische Energie, mechanische
Energie.
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Beispielsweise
wird elektrische Energie in den Stromkreislauf des Laserbearbeitungssystems rückgespeist.
Mit dieser elektrischen Energie werden beispielsweise HF-Generatoren
und Gebläse/Umwälzpumpen, die Verfahrmotoren (u.
U. Schrittmotoren) betrieben, welche beispielsweise den Bearbeitungstisch
des Laserbearbeitungssystems bewegen, das Förderband des
Laserbearbeitungssystem verfahren lassen, die Abstände
zwischen optischen Elementen (Linsen, Fasenschiebern, usw.) verändern, den
Laserkopf über eine Arbeitsebene bewegen, usw. Weiterhin
bevorzugt wird die elektrische Energie darauf verwendet, die Beleuchtung
des Laserbearbeitungssystems zu betreiben. Weiterhin bevorzugt wird
die elektrische Energie zum Betreiben des Kühlaggregats
verwendet, wie zum Beispiel dessen Verdichtern oder Förderpumpen.
Des Weiteren kann auch eine Sorptionskältemaschine betrieben
werden. Eine Sorptionskältemaschine kann direkt mit der
Abwärme des Lasersystems betrieben werden und benötigt
nicht den Umweg über eine zurückgewonnene Energieform
Damit ist es möglich, das Kühlmedium auf die minimal
benötigte Temperatur Tmin unterhalb der Umgebungstemperatur
zu kühlen, ohne dass „neue” Energie hierfür
eingesetzt werden müsste.
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Rückgeführte
Erzeugnisse sind bevorzugt Verbrauchsstoffe des Laserbearbeitungssystems, beispielsweise,
Gase oder Druckluft. Diese Erzeugnisse werden durch die umgewandelte
Energie eines Energieumwandlungssystems hergestellt. Hergestellte
Druckluft kann beispielsweise zum Reinigen und/oder Betreiben des
Entstaubers des Laserbearbeitungssystems, als Schneidgas zum Laserschneiden oder
zum Betreiben einer Automatisierungskomponente eingesetzt werden.
Hergestellte Gase können dem Laserbearbeitungssystem in
Form von Schneidgasen oder Lasergasen zugeführt werden.
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In
einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist ein
Verfahren vorgesehen, bei dem mehr als ein Energierückgewinnungssystem
(20) vorgesehen ist. So kann entweder das gleiche Energierückgewinnungssystem
mehrmals in einer Anordnung eingesetzt werden, oder es können
verschiedene Energierückgewinnungssysteme mit unterschiedlichen Grenztemperaturen
Tz eingesetzt werden und auf diese Weise verschiedene vorhandene
thermische Bandbreiten abgegriffen und Energie hieraus zurückgewonnen
werden.
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In
einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist ein
Verfahren vorgesehen, bei dem die thermische Energie (200)
in dem Intervall zwischen der Grenztemperatur Tz und der maximalen
Temperatur Tmax mehrfach abgenommen wird. Auf diese Weise ist es
möglich, einen Differenzbereich von Tmax bis Tz in mehreren
Stufen thermisch abzubauen und auf diese Weise können beispielsweise
mehrere Energierückgewinnungssysteme eingesetzt werden,
die sich den Bereich der nutzbaren thermischen Energie (Tmax-Tz)
teilen. So kann dieser nutzbaren thermischen Energie (Tmax-Tz) in
Bändern von (Tmax-Tz)/N abgegriffen werden, wobei N die Anzahl
der zur Verfügung stehenden Wärmetauscher bzw.
Energierückgewinnungssysteme bezeichnet.
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In
einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist ein
Verfahren vorgesehen, bei dem die zurückgewonnene Energie
(200) zum Betreiben einer Kältemaschine (36)
verwendet wird beziehungsweise das Energierückgewinnungssystem
eine Sorptionskältemaschine ist. Hierdurch kann ohne zusätzlich
benötigte externe „neue” Energie das
Kühlmedium auf die benötigte minimale Temperatur
herabgekühlt werden.
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In
einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist ein
Verfahren vorgesehen, bei dem die thermische Energie (200)
unterhalb der Grenztemperatur Tz und oberhalb der Umgebungstemperatur
Tu durch einen Luftkühler entzogen wird. Auf diese Weise
kann dieses Temperaturband, das durch das Energierückgewinnungssystem
selbst nicht verwertbar wäre, abgeleitet werden und bevorzugt
selbst wieder als thermische Energie, beispielsweise als Heizung, eingesetzt
werden.
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In
einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist ein
Verfahren vorgesehen, bei dem die thermische Energie (200)
unterhalb der Umgebungstemperatur Tu und oberhalb der minimal benötigten Temperatur
Tmin durch eine Kältemaschine (36) entzogen wird.
Durch diese Abkühlung auf die minimal benötigte
Temperatur Tmin durch diese Kältemaschine, wird die letzte
Lücke bei der Kühlung des Kühlmediums
geschlossen – idealerweise wird die Kältemaschine
selbst wieder von der zurückgewonnenen Energie betrieben,
womit die Energiebilanz des Laserbearbeitungssystems nochmals verbessert
werden kann.
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In
einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist ein
Verfahren vorgesehen, bei dem die maximale Temperatur Tmax bis zu
260°C gewählt wird, die Grenztemperatur Tz im
Bereich von 60°C bis 120°C gewählt wird,
die Umgebungstemperatur Tu im Bereich von 25°C bis 55°C
gewählt wird und die minimal benötigte Temperatur
Tmin im Bereich von 20°C bis 35°C gewählt
wird. Durch die Wahl dieser Temperaturen kann ein guter nutzbarer
Bereich für die Rückgewinnung aus thermischer
Energie im Bereich der Hochtemperaturwärme erreicht werden.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das
Laserbearbeitungssystem ein Kühlsystem (30), wobei
eine zweite Abnahme der thermischen Energie an der Wärmeabgabeseite
(31) des Kühlsystems (30) erfolgt.
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Das
Kühlsystem ist bevorzugt ein Laserkühlsystem welches
als Kühlmedium eine Flüssigkeit oder Gas aufweist.
Bevorzugte Flüssigkeiten sind Wasser, Wasser mit Zusätzen
oder organische Substanzen, z. B. Ethanol. Als Gas ist z. B. Wasserdampf denkbar.
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Der
Großteil der thermischen Energie eines Laserbearbeitungssystems
konzentriert sich bevorzugt am Resonator, besonders bevorzugt im
Resonator im Lasergas. Die thermische Energie wird von einem Kühlsystem
vom Resonator, bzw. vom Lasergas abgezogen, d. h. das Lasergas wird
abgekühlt. Kühlsysteme sind Systeme, welche die
thermodynamischen Grundsätze nutzen und über Wärmestrom und
Massenstrom Wärme von erwärmten Komponenten und
Medien, beispielsweise vom Resonator bzw. dessen Gases, abziehen.
Dies geschieht überwiegend mit Kühlwasser, im
Falle eines CO2-Gaslasers insbesondere durch Kühlschlangen,
die die Gasführung umgeben, im Falle von Festkörper-Lasern
in der Regel durch direkte oder fast direkte Kühlung des
Festkörpers mit Kühlwasser.
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Das
Kühlsystem umschließt bevorzugt die Gasläufe,
welche das Lasergas enthalten, besonders bevorzugt sind Kühlschlangen
bzw. -rippen des Kühlsystems im direkten Kontakt mit dem
an diesen Rippen vorbeiströmenden Lasergas. Die Kühlschlange bzw.
-rippen befinden sich bevorzugt im Resonator, besonders bevorzugt
in den Zu- und Ablaufkanälen.
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Die
zweite Abnahme von thermischer Energie an der Wärmeabgabeseite
des Kühlsystems ist mit der Zufuhr der thermischen Energie
an das Energierückgewinnungssystem gleich zu setzen. Die zweite
Abnahme kann auch mit der ersten Abnahme zusammenfallen und wird
hier nur zum besseren Verständnis gesondert bezeichnet.
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Die
erste Abnahme erfolgt bevorzugt dadurch, dass die Kühlschlangen
bzw. -rippen, bzw. das bevorzugt darin fließende Kühlmedium
eine niedrigere Temperatur aufweisen, als das Lasergas. Die thermische
Energie wird durch den gegebenen Temperaturunterschied dem Gas entzogen
und in das Kühlmedium geleitet. Dadurch kühlt
das Gas ab und das Kühlmedium erwärmt sich.
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Das
Kühlsystem, bzw. das Kühlmedium transportiert
die thermische Energie über eine Distanz d zu mindestens
einem weiteren Wärmetauscher, welcher bevorzugt in den
Energierückgewinnungssystemen integriert ist. Den Übergang
von thermischer Energie von dem Kühlmedium auf das Energierückgewinnungssystem
und die damit einhergehende Änderung der Wärmeverhältnisse
wird als zweite Abnahme bezeichnet.
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Die
Wärmeabgabeseite des Kühlsystems ist die obig
beschriebene Abgabezone des Kühlsystems. In einem Ausführungsbeispiel
gibt es mehr als eine Wärmeabgabeseite, bzw. Abgabezone.
Der Fluss des Kühlmediums im Kühlsystem ist dabei
beispielsweise nach der Energieabnahme in parallel laufende Kühlstrecken
aufgeteilt. In dieser Konfiguration können mehrere Energierückgewinnungssysteme
parallel an bevorzugt mehreren Wärmeabgabeseiten mit thermischer
Energie gespeist werden. Bevorzugt weist das Kühlsystem
nur eine Kühlstrecke auf, wobei dann mehrere Energierückgewinnungssysteme
in Reihe geschaltet werden können. (Beispiele: Wärmekraftmaschine-Drucklufterzeugung oder
Wärmekraftmaschine-Stromerzeugung)
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Die
Kühlung erfolgt bevorzugt in drei Schritten, besonders
bevorzugt in zwei Schritten, am meisten bevorzugt in einem Schritt.
Das Kühlmedium heizt sich idealerweise bis auf die maximale
Temperatur des Lasermediums auf und gibt bevorzugt in einem Schritt
die thermische Energie an ein Energierückgewinnungssystem,
besonders bevorzugt teilweise an mehrere in Reihe oder parallel
geschaltete Energierückgewinnungssysteme weiter.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das
Energierückgewinnungssystem eine Sorptionskältemaschine
und/oder ein Thermoelektrischer Generator und/oder eine Dampfmaschine und/oder
eine Dampfturbine und/oder eine Gasturbine und/oder eine Schuckey-Maschine
und/oder einen Stirling-Motor und/oder eine Kompaktdampfturbine.
Bei Dampfprozessen sind auch so genannte „Organic Rankine
Cycle” (ORC) geeignet. Bei ORC-Prozessen ist das Arbeitsmedium
nicht Wasser sondern ein organisches Medium. Diese Prozesse eignen
sich besonders gut, da sie bereits bei besonders niedrigen Temperaturen
(im Bereich von 100°C) funktionieren.
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Eine
Kombination aus Energierückgewinnungssystemen wird besonders
bevorzugt verwendet, um den gesamten Temperaturbereich von Tmax des
Hochtemperaturkreislaufes bis zu einer niedrigen Grenztemperatur
Tz zu nutzen. Schließt man verschiedene Energierückgewinnungssysteme
mit verschiedenen Grenztemperaturen Tz zusammen, bzw. bevorzugt
in Reihe, so können die verschiedenen Energierückgewinnungssysteme
auf verschiedene Wärmequellen verschiedenster Temperaturbereiche
zurückgreifen.
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Bevorzugt
werden Energierückgewinnungssysteme eingesetzt, die mechanische
Energie in Form einer Rotationsbewegung erzeugen. Diese Bewegung
wird bevorzugt an einem Generator genutzt um Strom zu erzeugen,
welcher dem Laserbearbeitungssystem rückgeführt
wird.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform stellt das Energierückgewinnungssystem
Energie für einen Luftverdichter bereit.
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Bevorzugt
wird über eine Luftverdichtereinheit die Umgebungsluft
bzw. ein Ansaugvolumen teilweise gereinigt und mit einem Betriebsdruck
zu einem kleineren Volumen zusammengepresst. Luftverdichter sind
beispielsweise Kolbenverdichter oder Schraubenverdichter oder Turboverdichter
oder transsonische Verdichter. Aus den Energieumwandlungssystemen
wird bevorzugt eine mechanische Energie in Form einer Rotationsbewegung
bereitgestellt, welche bevorzugt direkt zur Verdichtung der Luft über
die genannten Systeme verwendet werden kann.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine Filtrationsstufe
vorgesehen, über die die verdichtete Luft in Bestandteile
auftrennbar ist.
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In
dieser Filtrationsstufe wird die Luft bevorzugt in die Gase N2,
O2, CO2 aufgetrennt. Besonders bevorzugt wird nur eines der genannten
Gase aus der Luft extrahiert.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt die
Filtrationsstufe über ein Membranfiltersystem und/oder
ein Druckwechseladsorptions-(PSA-)System.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird mindestens
eines der verdichteten Luftbestandteile als Lasergas und/oder Schneidgas
verwendet.
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Die
aus der Filtration gewonnenen Luftbestandteile N2, O2, CO2 sind
Gase, die bei manchen Laserbearbeitungssystemen bzw. Laseranwendungen
verwendet werden. So wird beispielsweise CO2 sowie N2 beim CO2-Laser
als Lasergas im aktiven Medium verwendet. Da N2- bzw. CO2-Bestandteile im
aktiven Medium während der Laseremission verbraucht werden,
kann auf diese Weise der Rückgewinnung der CO2- bzw. der
N2-Tank eines CO2-Laserbearbeitungssystems nachgefüllt
werden.
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Des
Weiteren werden beim Laserschneiden, d. h. Brennschneiden oder Schmelzschneiden,
Sauerstoff (O2) oder Stickstoff (N2) benötigt. Durch das Wiedergewinnungsverfahren
dieser Luftbestandteile kann beim Brennschneiden der aus dem System
gewonnene Sauerstoff bzw. beim Schmelzschneiden der aus dem System
gewonnene Stickstoff zugeführt werden.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird mindestens
einer der verdichteten Luftbestandteile in mindestens einen Druckspeicher
geleitet. Die verdichteten Luftbestandteile werden bevorzugt in
separate vom Volumen her getrennte Speicher geleitet. Diese Speicher
sind bevorzugt Druckspeicher und dienen beispielsweise als Puffer.
Das bedeutet, dass die Luftbestandteile, welche nicht sofort als
Lasergas bzw. als Schneidgas verwendet werden, in einem Speicher
aufbewahrt werden können und bei Bedarf eingesetzt werden
können.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Abnahme
der thermischen Energie an mindestens zwei vorbestimmten Temperaturniveaus vorgesehen.
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Dadurch,
dass in diesem Ausführungsbeispiel die verwendeten Energierückgewinnungssysteme
bevorzugt verschiedene Temperaturniveaus nutzten und bevorzugt unterschiedliche ΔTs
beanspruchen ist es energetisch und technisch günstig, das
gesamte Energiespektrum in mehr als ein Temperaturniveau aufzuteilen
und an diesen unterschiedlichen Temperaturniveaus die thermische
Energie abzugreifen.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird weiterhin gelöst
durch eine Vorrichtung (1) zur Rückgewinnung von
Energie an einem Laserbearbeitungssystem (10), welche einen
Energieträger (11), eine Abnahmevorrichtung (12)
für mindestens eine Energieform, ein Energieumwandlungssystem
(20) umfasst, wobei die Vorrichtung (1) des Weiteren
ein Rückführungssystem (80) umfasst.
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Das
Laserbearbeitungssystem ist bevorzugt eine Hochleistungsindustrielaseranlage.
Das Laserbearbeitungssystem umfasst beispielsweise ein Laseraggregat
mit seinen Standardbestandteilen, wie beispielsweise Resonator,
Elektroden, aktives Medium, Resonatorspiegel, usw.
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Bevorzugt
besteht die Entladungsstrecke aus Quartzglasrohren, in denen sich
bevorzugt Lasergas als aktives Medium, wie beispielsweise Stickstoff
oder ArF oder KrF oder XeCl oder XeF oder Helium-Neon oder Argon
oder Krypton oder Kohlendioxid befindet.
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Des
Weiteren ist das aktive Medium besonders bevorzugt auch ein Festkörper
wie beispielsweise Glas, Al2O3, YAG als Trägermaterialien
und als Dotierungsmaterialen beispielsweise Chrom, Neodym, Ytterbium,
Titan, Erbium. Außerdem sind andere Laserformen wie beispielsweise
Diodenlaser, Farbstofflaser, Farbzentrenlaser, Halbleiterlaser, freie
Elektronenlaser möglich.
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Eine
Abnahmevorrichtung ist ein physikalischer Leiter, bzw. ein Stoff,
der verschiedene Arten von Energie oder Teilchen weiterleiten kann.
Bevorzugt ist die Abnahmevorrichtung ein Leiter für Licht oder
Magnetismus, besonders bevorzugt für Strom, am meisten
bevorzugt für Wärme. Die Abnahmevorrichtung ist
bevorzugt mit dem Energieträger verbunden, besonders bevorzugt
umgibt die Abnahmevorrichtung den Energieträger, am meisten
bevorzugt wird die Abnahmevorrichtung vom Energieträger
umgeben.
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Die
Abnahmevorrichtung leitet Energie von einem Abnahmepunkt (Schnittstelle
Energieträger-Abnahmevorrichtung) zu einem Zuführpunkt (Schnittstelle
Abnahmevorrichtung-Energieumwandlungssystem). Die Strecke Abnahmepunkt-Zuführpunkt
ist bevorzugt von einem Isolierstoff, besonders bevorzugt von einem
Dielektrikum oder Nichtleiter, am meisten bevorzugt von einem optischen
Isolator oder einem thermischen Isolator umgeben. Diese Isolatoren
(isolierend für eine Vielzahl von Energieformen) ermöglichen
einen Wirkungsgrad von Zuführpunkt: Abnahmepunkt von bevorzugt
0,9, besonders bevorzugt 0,85, am meisten bevorzugt von 0,8.
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Bevorzugt
ist die Abnahmevorrichtung ein elektrischer Leiter.
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Soll
die Abnahmevorrichtung zur Wärmeübertragung genutzt
werden, stehen drei Arten, die Wärmeleitung, die Wärmestrahlung,
die Konvektion oder Wärmeströmung zur Verfügung.
Bevorzugt werden Metalle als Baumaterial für die Abnahmevorrichtung
verwendet, wenn die Übertragungsart „Wärmeleitung” gewählt
wird. Wird die Übertragungsart der Wärmeströmung
genutzt, kommen für die Abnahmevorrichtung bevorzugt Fluide,
besonders bevorzugt chemisch versetzte Fluide zum Einsatz. Dabei
besteht die Abnahmevorrichtung aus einem Fluidträger und
einem Fluid, wobei das Fluid in dem Fluidträger strömt.
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Ein
Energierückgewinnungssystem ist ein System, welches eingespeiste
Energie (Primärenergie) in rückgewandelte Energie
(Sekundärenergie) umwandelt.
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Ein
Rückführungssystem ist bevorzugt ein System, welches
zurückgewonnene oder umgewandelte Energie oder ein Erzeugnis
dieser umgewandelten Energie bevorzugt von einem Energierückgewinnungssystem,
besonders bevorzugt aus einem Speicher, abzieht, und diese Energie
bzw. Erzeugnis in das Laserbearbeitungssystem rückführt.
Dabei wird Energie insbesondere einer Energie verarbeitenden Komponente
zugeführt, oder ein Erzeugnis (erzeugt durch eine an das
Energieumwandlungssystem angeschlossene Maschine) an eine Laserbearbeitungssystemkomponente
oder in den Bearbeitungsraum des Laserbearbeitungssystems rückgeführt.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird eine Vorrichtung
(1) bereitgestellt, wobei das Rückführungssystem
(80) einen elektrischen Leiter und/oder einen pneumatischen
Leiter und/oder einen hydraulischen Leiter und/oder einen Wärmeleiter und/oder
einen Lichtleiter umfasst. Bevorzugt leitet das Rückführsystem
Energie von einem Abnahmepunkt (bevorzugt Schnittstelle Energieumwandlungssystem-Rückführungssystem,
besonders bevorzugt Schnittstelle Speicher-Rückführungssystem)
zu einem Zuführpunkt (bevorzugt Schnittstelle Rückführungssystem-Energie
verwertende Laserbearbeitungssystem-Komponente, besonders bevorzugt Schnittstelle
Rückführungssystem-Energieträger, am meisten bevorzugt
Schnittstelle Rückführungssystem-Bearbeitungsfläche
des Laserbearbeitungssystems).
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Diese
Leiter sind bevorzugt an einem Ende mit einem oder mehreren Druckspeichern
(d. h. dessen Ausgängen) verbunden und am anderen Ende an
einen Rückführungsort des Laserbearbeitungssystems
angeschlossen. Ein Rückführungsort ist der Ort,
an dem die Energie bzw. das Erzeugnis eingesetzt werden soll, beispielsweise
der Eingriffspunkt bzw. die Eingriffsumgebung des Laserstrahls in
das zu bearbeitende Material.
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Des
Weiteren besitzt bevorzugt eine Gaslaseranlage Gastanks, welche
mit CO2 bzw. He bzw. N2 gefüllt sind. Aus den Druckspeichern
können bevorzugt der Stickstofftank und der Kohlendioxidtank der
Gaslaseranlage nachgefüllt werden.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird eine Vorrichtung
(1) bereitgestellt, wobei die Vorrichtung (1)
einen Speicher (61) umfasst. Der Speicher dient zur Speicherung
von Energie zum Zwecke der späteren Nutzung. Die Speicherkapazität
wird bevorzugt an die Bedürfnisse des Laserbearbeitungssystems
angepasst. Der Speicher kann insbesondere ein mechanischer Speicher
sein, ein elektrischer Speicher ein chemischer Speicher und/oder ein
Wärmespeicher. Der mechanische Speicher dient zur Speicherung
von kinetischer Energie, beispielsweise über ein Schwungrad,
besonders bevorzugt zur Speicherung von potentieller Energie über
eine Feder, Druckspeicher, Punktspeicherkraftwerk, Druckluftspeicherkraftwerk,
Gewicht. Der elektrische Speicher speichert elektrische Energie
in beispielsweise einem Kondensator oder Akkumulator bzw. magnetische
Energie in einem (idealerweise supraleitenden) magnetischen Energiespeicher.
In einem chemischen Speicher wird elektrische Energie beispielsweise
in einem Akkumulator oder in einer Batterie, besonders bevorzugt
chemische Energie in einer galvanischen Zelle gespeichert. In einem
Wärmespeicher wird thermische Energie gespeichert.
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Der
Speicher ist bevorzugt das Bindeglied zwischen Energieumwandlungssystem
(oder einer Maschine angetrieben vom Energieumwandlungssystem) und
dem Rückführungssystem.
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Des
Weiteren ist der Speicher bevorzugt ein Druckspeicher. Druckspeicher
sind bevorzugt Druckbehälter, deren Druck im Inneren über
dem Umgebungsdruck liegt. Gespeist werden die Druckspeicher bevorzugt
von Druckluft oder den durch das Membranfiltersystem aufgeteilten
Gasen. Die durch das Membranfiltersystem aufgeteilten Gase werden bevorzugt
in separaten, vom Volumen her getrennten Druckspeichern, aufbewahrt.
Die Druckspeicher umfassen des Weiteren Ausgänge, welche
bevorzugt mit dem Rückführungssystem gekoppelt
sind. Diese Ausgänge werden von Druckventilen geöffnet
oder geschlossen. Diese Druckventile werden bevorzugt von einer
Steuereinheit überwacht und gesteuert.
-
In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird eine Vorrichtung
(1) bereitgestellt, wobei der Energieträger (11)
bevorzugt ein Resonator (70) und/oder ein aktives Medium
und/oder ein Kühlmedium und/oder eine Laserkomponente und/oder
ein HF-Generator und/oder ein Verfahrmotor und/oder ein Werkstück
während der Bearbeitung ist.
-
Der
Resonator, bzw. das aktive Medium geben im Laserbearbeitungssystem
hohe Mengen an ungenutzter Energie ab. Diese belaufen sich abhängig
vom Laserbearbeitungssystem und dessen Leistung auf ca. 40% der
Gesamtenergie in Form von Strom, die in das System gesteckt wird.
Der HF-Generator gibt ca. 20% der Eingangsenergie als ungenutzte
Wärmeenergie ab. Daher lohnt sich hier der Abgriff von
thermischer Energie.
-
In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird eine Vorrichtung
(1) bereitgestellt, wobei die Abnahmevorrichtung (12)
für Energie, ein Kühlsystem (30) ist.
Das Kühlsystem mit seinen Kühlschlangen bzw. -rippen
dient bevorzugt zur Kühlung des Lasergases. Bevorzugt funktionieren
die Kühlrippen als Wärmetauscher, sind bevorzugt
hohl, um die Durchleitung eines Kühlmediums zu ermöglichen, und
bestehen aus sehr wärmeleitfähigem Material. Die
Kühlschlangen sind bevorzugt direkt mit dem Lasergas in
Kontakt. Bevorzugt ist das Lasergas in Bewegung und strömt
an den Kühlschlangen vorbei. Die Gasströmungsgeschwindigkeit
wird von einem Turboradialgebläse beeinflusst. Das Turboradialgebläse wälzt
das Lasergas ständig um und sorgt dafür, dass das
Gas die bevorzugt wassergekühlten Wärmetauscher
(Kühlschlangen) umströmt. Die Wärme kann auch
an der Abgabeseite des Kühlsystems (also nach dem Anheben
auf eine höhere Temperatur) abgegriffen und einem Energierückgewinnungssystem zugeführt
werden kann.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die
Vorrichtung (1) des Weiteren mindestens ein Ableitungsgehäuse
(107) und/oder mindestens ein Zuleitungsgehäuse
(108).
-
Bevorzugt
strömt das Gas an den Ecken des bevorzugt quadratischen
Laseraggregats über ein Zuleitungsgehäuse in die
Entladungsrohre und wird bevorzugt in der Mitte jeder Seite über
ein Ableitungsgehäuse wieder zum Turboradial-Gebläse
geführt. Das Ableitungsgehäuse mündet
bevorzugt in den Ansaugbereich des Turboradialgebläses,
wobei die Zuleitungsgehäuse bevorzugt an den Auslassbereich
des Turboradialgebläses gekoppelt sind.
-
In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform befinden sich
die Kühlrippen (31) in mindestens einem Ableitungsgehäuse
(107) und/oder mindestens einem Zuleitungsgehäuse
(108).
-
Ziel
des Kühlsystems ist es, bevorzugt eine Gastemperatur vor
dem Durchströmen der Kühlrippen von ca. 260°C
zu erreichen und nach dem Abkühlprozess bevorzugt eine
Temperatur des Gases von ca. 20°C zu erreichen. Ein hoher
Temperaturbereich von Gaseingangstemperatur zu Gasauslasstemperatur
ermöglicht über die Wärmetauscher bzw. Kühlrippen
eine hohe Kühlmediumstemperatur. Diese ist bevorzugt notwendig,
um die vorher beschriebenen Energieumwandlungssysteme zu betreiben. Bevorzugt
werden die Kühlrippen entweder im Ableitungsgehäuse
oder im Zuleitungsgehäuse installiert, um keine schrittweise
Abkühlung des Lasergases zu erreichen. Um in einem Schritt
abzukühlen, kann das Gas auch gebündelt gekühlt
werden. Das Lasergas wird optional vor dem Abkühlprozess,
das heißt dem Vorbeiströmen an den Kühlrippen,
in diesem gebündelten Zustand abgekühlt und danach
wieder aufgeteilt. Dies wird beispielsweise durch das Zusammenführen
der Ableitungsgehäuse in eine Leitung erreicht. In dieser
Leitung befinden sich bevorzugt die Kühlrippen, um den
Gasstrom in einem Schritt auf die gewünschte Zuleitungstemperatur
abzukühlen. Die Leitung ist bevorzugt auch als Ableitungsgehäuse anzusehen.
Bevorzugt wird das Gas danach über einen Verteiler auf
die Zuleitungsgehäuse aufgeteilt.
-
In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die
Vorrichtung des Weiteren einen Luftverdichter. Der Luftverdichter
ist bevorzugt an eine Abtriebswelle eines Energieumwandlungssystems
angeflanscht. Die mechanische Energie, bevorzugt die Rotationsenergie
des Energieumwandlungssystems, wird hierbei genutzt, um einen Luftverdichter
in Form eines beispielsweise Kolbenverdichters oder Schraubenverdichters
oder Turboverdichters oder transsomischen Verdichters zu betreiben.
Der Luftverdichter saugt bevorzugt die Umgebungsluft an und komprimiert
diese über einen bestimmten Betriebsdruck zu einem kleineren
Volumen.
-
In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die
Vorrichtung des Weiteren ein Membranfiltersystem. Membranfiltersysteme
sind Filtersysteme, welche bevorzugt Gasmischungen in einzelne Gasbestandteile
zerlegen können. Für diesen Filterprozess sind
hohe Drücke des zu filternden Gases notwendig, was bevorzugt
durch das Vorschalten eines Verdichters erreicht wird. Bevorzugt
wird über das Membranfiltersystem die Umgebungsluft in
ihre Bestandteile, d. h. N2, O2, CO2 aufgeteilt.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die
Vorrichtung (1) des Weiteren eine Steuereinheit (15)
bzw. Steuer-/Regeleinheit. Eine Steuereinheit ist beispielsweise
ein PC, welcher das Laserbearbeitungssystem steuert. Bevorzugt misst, leitet,
verteilt die Steuereinheit die Energieströme über
das gesamte Laserbearbeitungssystem.
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In
der Figurenbeschreibung soll die Erfindung an Hand weiterer Ausführungsbeispiele
veranschaulicht werden. Die Figuren zeigen:
-
1 eine
schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines
erfindungsgemäßen Laserbearbeitungssystems;
-
2 in
der durchbrochenen Schrägansicht eine Darstellung eines
CO2-Laserresonators;
-
3 eine
schematische Darstellung eines CO2-Laserresonators und
-
4 eine
schematische Darstellung eines Kühlmittelkreislaufes gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
-
1 zeigt
eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Laserbearbeitungssystems 10.
Ein Laserbearbeitungssystem 10 weist einen Resonator 70 mit
einem Lasermedium 72 auf. Die Strahlenquelle ist ein CO2
Laser, wobei das Lasermedium 72 ein Gasgemisch aus Helium,
Stickstoff und Kohlendioxid ist. Das Gasgemisch im Resonator wird
kontinuierlich, beispielsweise über ein Turboradialgebläse
(nicht gezeigt) umgewälzt. An dem Resonator 70 ist
ein Kühlsystem 30 angeschlossen, das über
eine Wärmeabgabeseite 31 mit einem Energierückgewinnungssystem 20 verbunden
ist. Das Kühlsystem 30 arbeitet mit Wasser als
Kühlmedium. An das Energierückgewinnungssystem 20 ist
in Verdichter 40 angeschlossen und dieser Verdichter 40 ist über
ein Membranfiltersystem 50 mit einem Druckspeicher 60 verbunden. Das
Energierückgewinnungssystem 20 umfasst einen Stirling-Motor 25,
dessen Abtriebswelle den Luftverdichter 40 betreibt. Der
Druckspeicher 60 umfasst drei Untereinheiten as Druckspeicher 60.1, 60.2 und 60.3.
Das Rückführungssystem 80 bildet eine
Verbindung zwischen dem Druckspeicher 60 und dem Resonator 70 und/oder
dem Abtragspunkt des fokussierten Laserstrahls. Über dieses
Rückführsystems 80 ist der Resonator 70 aus
dem Druckbehälter 60 speisbar. Eine Steuereinheit 15 ist
weiterhin vorgesehen, die all diese Komponenten ansteuern bzw. regeln
kann.
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Das
Laserbearbeitungssystem 10, bzw. dessen Strahlquelle emittiert
einen Laserstrahl im Dauerstrichbetrieb, im Pulsbetrieb oder Rampenbetrieb. Dabei
wird im Resonator 70 das Lasermedium, bzw. das Lasergas
auf eine Temperatur von ca. 260°C erhitzt. Dadurch, dass
das Lasergas umgewälzt wird und immer nur ein Teil der
Gasmenge sich im Resonator 70 befindet, kann die sich nicht
im Resonator 70 befindliche Menge an Lasergas gekühlt
werden. Dies geschieht beim Überleiten des Gases über
das Kühlsystem 30, welche sich im direkten Kontakt
mit dem erhitzten Lasergas befinden und welche vom Kühlmedium
durchspült werden. Das Kühlmedium nimmt die thermische
Energie des Lasergases auf, wobei sich das Lasergas im Vorbeiströmen,
in einem Schritt, auf ca. 20 Grad C abkühlt und das Kühlmedium
sich im Idealfall auf bis zu 260°C erwärmt.
-
Das
erhitzte Kühlmedium wird nun über ein Flüssigkeitsfördersystem
von dem Kühlsystem 30 weggeleitet und über
die Wärmeabgabeseite 31 an das Energierückgewinnungssystem 20 übergeben. Im
Energierückgewinnungssystem 20 wird mit dieser thermischen
Energie der Stirling-Motor 25 betrieben. Das zirkulierende
Kühlmittel dient als permanente Hitzequelle für
den Stirling-Motor. Der Stirling-Motor wandelt die thermische Energie
in mechanische Energie, bzw. in eine Rotationsbewegung an einer
Welle um. Diese Welle betreibt durch direkten Antrieb oder über
ein Getriebe den Luftverdichter 40. Die durch den Verdichter 40 verdichtete
Luft wird über das Filtersystem 50 in ihre Bestandteile
N2, O2 und CO2 aufgetrennt, wobei die einzelnen Gase in von einander
getrennte Druckspeicher (60.1 bis 60.3) geleitet
werden. Über die Steuereinheit 15 wird entschieden,
ob Gase über das Rückführungssystem 80 an
den Resonator 70 oder an den Abtragspunkt des fokussierten
Laserstrahls geleitet wird und welches Gas geleitet wird. Die Steuereinheit 15 erhält
auch Informationen darüber, wie viel Gas im Resonator verbraucht
wurde und wie viel nachgefüllt werden muss, genauso wie
Informationen darüber, ob der Laser zum Brennschneiden
oder Schmelzschneiden verwendet wird. Aufgrund dieser Informationen
trifft die Steuereinheit eine Entscheidung über beispielsweise die
Zufuhrmenge, Art des Gases und Ort der Zufuhr. Auf diese Weise ist
ein Laserbearbeitungssystem bereitgestellt, bei dem die thermische
Abwärme genutzt wurde, um ein Prozessgas zu erzeugen, das
der Laserbearbeitungsanlage wieder zugeführt werden konnte.
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2 zeigt
in der durchbrochenen Schrägansicht den Aufbau eines CO2-Lasers 100,
welcher einen Rückspiegel 101, mehrere Umlenkspiegel 102, einen
Auskoppelspiegel 109, ein Turbogebläse 104, ein
Entladungsrohr 105 gefüllt mit Lasergas, Elektroden 106,
ein Ableitungsgehäuse 107, ein Zuleitungsgehäuse 108,
eine Gaskühlung 30 und 32 und ein Strahlteleskop 110 umfasst.
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Standardmäßig
bilden der Rückspiegel 101, der Umlenkspiegel 102,
der Auskoppelspiegel 109, das Entladungsrohr 105 gefüllt
mit Lasergas und die Elektroden 106 einen Laserresonator 70.
Die Entladungsrohre 105 sind Quartzglasrohre, in denen
sich das Lasergas befindet. Außen an den Rohren 105 sitzen
die Elektroden 106, die die Anregungsenergie berührungslos
in das Lasergas einkoppeln.
-
Des
Weiteren ist zu sehen, dass die Entladungsstrecken gefaltet sind
und einen quadratischen Aufbau besitzen. Die Umlenkspiegel 102 reflektieren den
Laserstrahl an den Ecken des Quadrats und verbinden die Entladungsstrecken
optisch. Rückspiegel 101 und Auskoppelspiegel 109 vervollständigen
den Resonator. Das Turboradialgebläse 104 befindet
sich in der Mitte der Strahlquelle. Dieses wälzt das Lasergas
ständig um, welches an den Ecken des Quadrats mit 108 in
die Entladungsrohre strömt und in der Mitte jeder Seite
durch 107 wieder zurückgeführt wird.
In dem Zuleitungsgehäuse 108 bzw. Ableitungsgehäuse 107 umströmt
das Gas, das wassergekühlte Kühlsystem 30,
bzw. dessen Kühlschlangen bzw. -rippen 32.
-
Das
Lasergas wird durch die Einkopplung der Hochfrequenz bzw. die Laseremission
in den Entladungsrohren 105 erhitzt. Das gezeigte Kühlsystem 30 kühlt
das Lasergas in zwei Schritten. Das Lasergas wird einmal im Ableitungsgehäuse 107 gekühlt und
dann nach dem Passieren des Turboradialgebläses 104 im
Zuleitungsgehäuse 108 erneut gekühlt. Dadurch
entstehen zwei separate Kühlkreisläufe, an welchen
die thermische Energie abgegriffen werden kann.
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3 zeigt
eine schematische Darstellung eines CO2-Laserresonators, mit welchem
ein Abgreifen eines großen Temperaturbereichs möglich
ist. Der CO2 Laser umfasst wie in 2 einen
Rückspiegel 101, mehrere Umlenkspiegel 102,
einen Auskoppelspiegel 103, ein Turbogebläse 104,
ein Entladungsrohr 105 gefüllt mit Lasergas, Elektroden 106, ein
Ableitungsgehäuse 107, ein Zuleitungsgehäuse 108,
ein Kühlsystem 30 mit Kühlschlangen bzw.
-rippen 32 und ein Strahlteleskop 110 (nicht gezeigt).
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Standardmäßig
bilden der Rückspiegel 101, der Umlenkspiegel 102,
der Auskoppelspiegel 109, das Entladungsrohr 105 gefüllt
mit Lasergas und die Elektroden 106 den Laserresonator 70.
Die Entladungsrohre 105 sind Quarzglasrohre, in denen sich das
Lasergas befindet. Außen an den Rohren 105 sitzen
die Elektroden 106, die die Anregungsenergie berührungslos
in das Lasergas einkoppeln.
-
Das
wassergekühlte Kühlsystem umfasst vier Kühlschlangen 31.1, 31.2, 31.3 und 31.4 im
Zuleitungsgehäuse 108. Über diese vier
Kühlschlangen 31.1 bis 31.4 wird thermische
Energie parallel entnommen und kann so dem Energierückgewinnungssystem 20 (nicht
gezeigt) zugeführt werden.
-
Das
Lasergas wird durch die Laseremission in den Entladungsrohren 105 auf
bis zu 200°C und dann im Turboradialgebläse durch
Kompression und Reibung auf bis zu 260°C erhitzt. Die vier
Kühlschlangen 31.1 bis 31.4 kühlen
das Lasergas im Gegenstromprinzip in einem Schritt. Das Lasergas
passiert das Ableitungsgehäuse 107 und das Turboradialgebläse 104 und
wird nur im Zuleitungsgehäuse 108 gekühlt.
Dadurch erwärmt sich das Kühlmedium auf bis zu
260°C und es entsteht ein Kühlkreislauf mit einem
einzigen großen Temperaturbereich und somit einem großen ΔT
an einer einzigen Stelle, an welcher thermische Energie abgegriffen
werden kann. Das erhitzte Kühlmedium kann nun jede beliebige
Wärmekraftmaschine, bzw. Energieumwandlungsmaschine betreiben,
da ein großer Temperaturbereich mit hoher Tmax von bis
zu 260°C Temperatur erreicht wird.
-
4 zeigt
eine schematische Darstellung eines Kühlmittelkreislaufes
gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung. Schematisch ist hierbei der Temperaturverlauf eines Kühlmittels 35 aufgetragen.
Dabei soll das Kühlmedium 35 eine umso höhere
Temperatur aufweisen, je höher die Darstellung am Balken 35 vorgenommen
ist. Es sind die vier bedeutendsten Temperaturniveaus nochmals gesondert
bezeichnet, nämlich die maximale Temperatur des Kühlmediums
Tmax und die minimale Temperatur Tmin. Die maximale Temperatur Tmax
tritt beispielsweise an einer Stelle hoher Abwärme, zum
Beispiel dem Resonator, auf. Die minimale Temperatur Tmin ist beispielsweise
die Eingangstemperatur von Kühlmedium an der Stelle, die die
extremste Kühlung erfordert. Die maximale Temperatur Tmax
kann 260°C betragen, die minimale Temperatur Tmin kann
25°C sein. Daneben ist die Umgebungstemperatur Tu abgetragen,
diese kann bei ca. 50°C liegen, und es ist die Grenztemperatur Tz
des verwendeten Energierückgewinnungssystems 30 dargestellt,
die immer zwischen der Umgebungstemperatur Tu und der maximalen
Temperatur Tmax liegt. Hierdurch werden drei Bereiche im Temperaturverlauf
des Kühlmediums 35 definiert, der Bereich unterhalb
der Umgebungstemperatur Tu, der Bereich zwischen Umgebungstemperatur
Tu und Grenztemperatur Tz und dem Bereich über der Grenztemperatur
Tz bis zur maximalen Temperatur Tmax.
-
Diese
drei Temperaturbereiche werden nun bei der Abkühlung bzw.
Abführung der thermischen Abwärme unterschiedlich
behandelt. Der obere Bereich der Hochtemperaturwärme, d.
h. der Bereich zwischen der Grenztemperatur Tz und der maximalen
Temperatur Tmax kann gemäß dem Blockpfeil A dem
Energierückgewinnungssystem 20 zugeführt und
dort genutzt werden. Dieser Bereich kann damit beispielsweise über
eine Sorptionsmaschine dazu genutzt werden, um Kälte zu
erzeugen.
-
Der
mittlere Bereich wird gemäß dem Blockpfeil B über
einen Luftkühler 37 an die Umgebung als Abwärme
abgeführt.
-
Der
untere Bereich kann nur dadurch gekühlt werden, dass wieder
Energie aufgewendet wird und beispielsweise über eine Kompressionskältemaschine 36 die
thermische Abwärme aus diesem Bereich entzogen und auf
ein höheres Temperaturniveau (> Tu) gehoben wird. Von diesem höheren
Temperaturniveau aus kann die Abwärme dann an die Umgebung
abgeführt werden. Gemäß einem Aspekt
der Erfindung kann diese zusätzlich benötigte
Energie für diese letzte Stufe jedoch beispielsweise aus
dem Energierückgewinnungssystem 20 gezogen werden und
der Kältemaschine 36 zugeführt werden,
wie der Pfeil zwischen dem Energierückgewinnungssystem 20 und
der Kältemaschine 36 andeutet. Im Falle einer Sorptionskältemaschine
als Energierückgewinnungssystem 20 stellt der
vom Energierückgewinnungssystem 20 ausgehende
Pfeil die in das Laserbearbeitungssystem zurückgeführte
Kälte dar. Diese Kälte dient dann dazu direkt
den Temperaturbereich zwischen Tmin und Tu zu kühlen. Hierdurch
wird weniger Kälteleistung von der Kompressionskältemaschine 36 benötigt.
Dadurch sinkt deren Energiebedarf. Im Idealfall deckt die Sorptionskältemaschine sogar
den gesamten Kältebedarf und somit kann die Kompressionkältemaschine 36 sogar
komplett entfallen. Damit wird die zurückgewonnene Energie
aus dem Energierückgewinnungssystem 20 dem Laserbearbeitungssystem
zurückgeführt.
-
- 10
- Laserbearbeitungssystem
- 15
- Steuereinheit
- 20
- Energierückgewinnungssystem
- 21
- Dampfmaschine
- 22
- Dampfturbine
- 23
- Gasturbine
- 24
- Schukey-Maschine
- 25
- Stirling-Motor
- 26
- Kompaktdampfturbine
- 27
- Sorptionsmaschine
- 30
- Kühlsystem
- 31
- Wärmeabgabeseite
- 32
- Kühlrippen
- 35
- Kühlmedium
- 36
- Kältemaschine
- 37
- Luftkühler
- 40
- Verdichter
- 50
- Membranfiltersystem
- 60
- Druckspeicher
- 70
- Resonator
mit Lasermedium
- 71
- Laser
- 72
- Lasermedium
- 80
- Rückführungssystem
- 100
- CO2
Laser
- 101
- Rückspiegel
- 102
- Umlenkspiegel
- 104
- Turboradialgebläse
- 105
- Entladungsrohr
- 106
- Elektroden
- 107
- Ableitungsgehäuse
- 108
- Zuleitungsgehäuse
- 109
- Auskoppelspiegel
- 110
- Strahlteleskop
- 200
- thermische
Energie
- 210
- zurückgewonnene
Energie
- Tmax
- Maximale
Temperatur
- Tz
- Grenztemperatur
(des Energierückgewinnungssystems 20)
- Tu
- Umgebungstemperatur
- Tmin
- Minimal
benötigte Temperatur
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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