DE102008013816B4

DE102008013816B4 - Rückgewinnung von Energie aus einem Laserbearbeitungssystem

Info

Publication number: DE102008013816B4
Application number: DE102008013816A
Authority: DE
Inventors: Eberhard Wahl; Karel Vincke; Matthias Himmelsbach
Original assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Current assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Priority date: 2008-03-12
Filing date: 2008-03-12
Publication date: 2010-09-16
Anticipated expiration: 2028-03-13
Also published as: KR20100127271A; US20110024401A1; EP2253056A1; US10158207B2; CN102017335A; WO2009112227A1; KR101247799B1; DE102008013816A1

Abstract

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).

Description

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Rückgewinnung von Energie aus einem Laserbearbeitungssystem.
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.
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.
Aus der US 63 30 260 B1 ist ein modularer F2 Excimer Laser beschrieben, der in der Lage ist, Laserpulse mit einer Pulsenergie von mehr als 10 mJ herzustellen. Es werden Lasergaskonzentrationen zur Reduzierung von unverbrauchter IR-Strahlung von dem Laser beschrieben.
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.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung bereitzustellen, welche es ermöglichen, die Energiebilanz eines Laserbearbeitungssystems zu verbessern.
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.
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).
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.
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.
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.
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.
Unter Laserbearbeitungssystemen versteht man bevorzugt Hochleistungsindustrielaseranlagen, insbesondere solche mit einer Ausgangsleistung von 1–8 kW.
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.
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.
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.
Die Abnahme der thermischen Energie findet hierbei oberhalb der Grenztemperatur Tz statt. Hierdurch wird ein Temperaturband abgegriffen, das von dem Energierückgewinnungssystem genutzt werden kann.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Bevorzugte umgewandelte Energieformen sind beispielsweise elektrische Energie und/oder mechanische Energie und/oder Druck und/oder magnetische Energie.
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.
Formen von rückgeführter Energie sind beispielsweise: elektrische Energie, magnetische Energie, thermische Energie, mechanische Energie.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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)
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.
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.
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.
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.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform stellt das Energierückgewinnungssystem Energie für einen Luftverdichter bereit.
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.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine Filtrationsstufe vorgesehen, über die die verdichtete Luft in Bestandteile auftrennbar ist.
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.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Filtrationsstufe über ein Membranfiltersystem und/oder ein Druckwechseladsorptions-(PSA-)System.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird mindestens eines der verdichteten Luftbestandteile als Lasergas und/oder Schneidgas verwendet.
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.
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.
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.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Abnahme der thermischen Energie an mindestens zwei vorbestimmten Temperaturniveaus vorgesehen.
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.
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.
Das Laserbearbeitungssystem ist bevorzugt eine Hochleistungsindustrielaseranlage. Das Laserbearbeitungssystem umfasst beispielsweise ein Laseraggregat mit seinen Standardbestandteilen, wie beispielsweise Resonator, Elektroden, aktives Medium, Resonatorspiegel, usw.
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.
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.
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.
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.
Bevorzugt ist die Abnahmevorrichtung ein elektrischer Leiter.
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.
Ein Energierückgewinnungssystem ist ein System, welches eingespeiste Energie (Primärenergie) in rückgewandelte Energie (Sekundärenergie) umwandelt.
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.
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).
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.
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.
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.
Der Speicher ist bevorzugt das Bindeglied zwischen Energieumwandlungssystem (oder einer Maschine angetrieben vom Energieumwandlungssystem) und dem Rückführungssystem.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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).
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

Claims

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).
Verfahren zur Rückgewinnung von Energie aus einem Laserbearbeitungssystem (10) nach Anspruch 1 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).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei mehr als ein Energierückgewinnungssystem (20) vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die thermische Energie (200) in dem Intervall zwischen der Grenztemperatur Tz und der maximalen Temperatur Tmax mehrfach abgenommen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zurückgewonnene Energie (200) zum Betreiben einer Kältemaschine (36) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die thermische Energie (200) unterhalb der Grenztemperatur Tz und oberhalb der Umgebungstemperatur Tu durch einen Luftkühler entzogen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die thermische Energie (200) unterhalb der Umgebungstemperatur Tu und oberhalb der minimal benötigten Temperatur Tmin durch eine Kältemaschine (36) entzogen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei 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.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Laserbearbeitungssystem (10) ein Kühlsystem (30) umfasst, und die Abnahme der thermischen Energie (200) an der Wärmeabgabeseite (31) des Kühlsystems (30) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Energierückgewinnungssystem (20) eine Sorptionskältemaschine (27), und/oder einen Thermoelektrischen Generator, und/oder eine Dampfmaschine (21) und/oder eine Dampfturbine (22) und/oder eine Gasturbine (23) und/oder eine Schukey-Maschine (24) und/oder einen Stirling-Motor (25) und/oder eine Kompaktdampfturbine (26) umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zurückgewonnene Energie (210) zumindestens teilweise für einen Luftverdichter (40) bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei eine Filtrationsstufe vorgesehen ist, über die durch den Luftverdichter (40) verdichtete Luft in Luftbestandteile auftrennbar ist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Filtrationsstufe über ein Membranfiltersystem (50) und/oder ein PSA-System erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 13, wobei mindestens einer der Luftbestandteile als Lasergas und/oder Schneidgas verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens einer der verdichteten Luftbestandteile in mindestens einen Druckspeicher (60) geleitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abnahme der thermischen Energie (200) an mindestens zwei vorbestimmten Temperatur-Niveaus vorgesehen ist.
Vorrichtung (1) zur Rückgewinnung von Energie an einem Laserbearbeitungssystem (10), umfassend eine Energiequelle, eine Abnahmevorrichtung (12) für thermische Energie und ein Energierückgewinnungssystem (20) dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung des Weiteren ein Rückführungssystem (80) umfasst.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 17, 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.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 17 oder 18 wobei die Vorrichtung (1) einen Speicher (61) umfasst.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei die Energiequelle bevorzugt ein Resonator (70) und/oder ein aktives Medium und/oder eine Laserkomponente und/oder ein HF-Generator und/oder ein Entstauber und/oder ein Verfahrmotor und/oder ein Werkstück während der Bearbeitung ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 17 bis 20, wobei die Abnahmevorrichtung (12) für thermische Energie, ein Kühlsystem (30) ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 17 bis 21, wobei das Energierückgewinnungssystem (20) eine Dampfmaschine (21) und/oder eine Sorptionskältemaschine und/oder ein thermoelektrischer Generator und/oder eine Dampfturbine (22) und/oder eine Gasturbine (23) und/oder eine Schukey-Maschine (24) und/oder einen Stirling-Motor (25) und/oder eine Kompaktdampfturbine (26) umfasst.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 17 bis 22, wobei die Vorrichtung (1) einen Luftverdichter (40) umfasst.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 17 bis 23, wobei die Vorrichtung (1) des Weiteren ein Membranfiltersystem (50) umfasst.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 17 bis 24, wobei die Vorrichtung (1) des Weiteren eine Steuer-/Regeleinheit (15) umfasst.