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Die Erfindung betrifft Schutzvorrichtungen für Laserstrahlen wenigstens einer Lasereinrichtung.
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In bekannten Schutzwänden für Laserstrahlen werden unter anderem aktive Elemente mit inliegenden Sensoren eingesetzt.
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Die Druckschrift
US 4 730 113 beinhaltet ein Schutzsystem mit einem Sensor zur Feststellung einer örtlichen Überhitzung einer Schutzwand.
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Die Druckschrift
EP 1 746 334 A2 beinhaltet eine Laserschutzwand zur Abschirmung eines Laserbereiches, wobei ausschließlich Wärmestrahlung im Innenraum ermittelt wird. Diese Wärmestrahlung wird von der Innenwand abgegeben, wenn der Laserstrahl auf die Außenfläche der Innenwand auftrifft und diese lokal begrenzt erwärmt.
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Durch die Druckschrift
WO 200114787 A1 ist eine Laserschutzwand bekannt, wobei die mindestens eine Laserschutzwand mindestens einen mindestens einen mit der Laserquelle verbundenen Wärmesensor aufweist. Dazu ist in der kammerartig ausgebildeten Laserschutzwand mindestens ein Lichtsensor oder der Wärmesensor angeordnet.
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Ein schnelles Erfassen einer eng begrenzten Stelle erfordert einen erhöhten Aufwand und/oder sind mit erhöhten Ansprechzeiten verbunden.
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Ein passives lösbares Element ist durch die Druckschrift
EP 1 466 121 B1 als Laserschutzwand bekannt. Gegenstand ist ein Schutzwandsystem, wobei Leichtmetall-Profilelemente Seitenwand an Seitenwand zur Schutzwand gereiht miteinander lösbar verbunden sind. Die seitliche Profilierung ist dabei von einer Frontwand zu einer Rückwand stufenweise ausgebildet.
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Durch die Druckschrift
DE 100 17 284 C1 ist ein Wandelement für eine Schutzvorrichtung zur Abschirmung von Laserstrahlung bekannt. Das Wandelement besteht aus einer Innenwand und einer Außenseite, die einen Innenraum begrenzen. Für ein möglichst geringes Gewicht und eine effektive Schutzwirkung über einen langen Zeitraum befindet sich im Innenraum eine Zwischenlage aus Metallschaum.
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Die Druckschrift
DE 10 2005 009 613 A1 beinhaltet ein Laserschutzmaterial und eine Laserschutzeinrichtung hergestellt unter Verwendung einer solchen Materialschicht, wobei wenigstens eine Materialschicht bei auftreffender Laserstrahlung mit einer mit Energieaufnahme verbundene Strukturumwandlung reagiert.
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Durch die Druckschrift
DE 41 13 668 C2 ist eine Laserschutzvorrichtung in Form eines flexiblen Flächengebildes bekannt, die aus einem flexiblen Flächengebilde aus mindestens einer Vlies- oder Gewebelage und eine Lage aus Aluminiumfolie besteht und damit einen Schichtaufbau aufweist.
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Ein Signalisieren eines Defektes ist nicht vorgesehen.
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Die Druckschrift
DE 20 2007 006 710 U1 beinhaltet eine Schutzwand für Laserstrahlen wenigstens einer Lasereinrichtung, die im Wesentlichen aus einem Behälter als Schutzwand besteht. Der Schutz ist durch die zur Lasereinrichtung gewandten Wand des Behälters beschränkt.
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Durch die Druckschrift
DE 10 2009 040 661 A1 ist ein Laserschutzmodul zum Schutz vor der Bestrahlung mit Laserlicht bekannt. Das Laserschutzmodul besteht aus einem mit dem zu schützenden Objekt verbindbaren Hohlkörper, der mit einem bei der Bestrahlung mit Laserlicht dampf- oder rauchbildenden Material gefüllt ist. Letzteres kann Wasser sein. Weiterhin ist ein Warngeber eingebunden, der mit einem Sensor als beispielsweise ein Drucksensor oder ein Füllstandssensor funktional verbunden ist. Der Sensor bildet mit dem Material im Hohlkörper eine Messeinheit. Das durch die Energie des Laserlichtes verdampfte Material im Hohlraum bewirkt eine Streuung des Laserlichtes. Damit eine Beschädigung verhindert oder wenigstens verzögert. Mittels des Sensors kann eine Warnung erfolgen. Der Schutz ist auf die zum Objekt weisende Wand des Hohlkörpers eingeschränkt.
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Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Schutzvorrichtung für Laserstrahlen großer Leistung eines Lasers mit einem Materialien zerstörenden Energieeintrag zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
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Die Schutzvorrichtungen für Laserstrahlen wenigstens einer Lasereinrichtung zeichnen sich insbesondere durch die einfache Realisierung aus.
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Dazu umfasst die Schutzvorrichtung
- – wenigstens eine Schutzwand mit einer einen Hohlraum begrenzenden Vorderwand, Seitenwänden und einer Rückwand,
- – wenigstens eine Lamellen aufweisende Zwischenwand zwischen der Vorderwand und der Rückwand, wobei die Zwischenwand in Richtung der wenigstens einen Lasereinrichtung strahlungsdicht ist und zwischen den Lamellen Öffnungen vorhanden sind,
- – ein flüssiges Medium im Hohlraum der Schutzwand,
- – eine Füllstandsmesseinrichtung für das flüssige Medium und
- – eine Signaleinrichtung in Verbindung mit der Füllstandsmesseinrichtung.
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Die Zwischenwand ist in der Art einer Jalousie mit feststehenden Lamellen ausgeführt.
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Insbesondere bei brillanter Laserstrahlung hoher Leistung sind passive Schutzeinrichtungen ohne zusätzliche Kühlwirkung nicht wirksam genug, da durch eine geringe Divergenz der Strahlung erhebliche Intensitäten an derartige Blechverkleidungen gelangen können. Der Strahl durchtritt nach kurzer Zeit unmerklich derartige Wände.
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Die Schutzwände zeichnen sich besonders durch ihre sehr einfache Realisierung aus. Die einen Hohlraum begrenzende Vorderwand, Seitenwände und Rückwand können zusammengefügte Einzelteile, zwei zusammengefügte Schalen oder eine Schale mit einer darauf angeordneten Platte sein. Die Schalenwand bildet damit einen Teil der Seitenwände oder die Seitenwände. Die Zwischenwand kann im offenen Zustand bei diesen Ausführungen einfach platziert und befestigt werden. Der so ausgebildete Hohlraum kann dann leicht über eine Einfüllöffnung und einer Entlüftungsöffnung mit dem flüssigen Medium befüllt werden. Die einen Hohlraum begrenzenden Vorderwand, Seitenwände und Rückwand können darüber hinaus einen oben offenen Behälter ausbilden, so dass das flüssige Medium einfach von oben einfüllar ist.
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Durch das flüssige Medium und durch die bei Laserbestrahlung entstehenden Temperaturgradienten angetriebene Konvektion werden die Wände effektiv gekühlt. Erfolgt aufgrund extrem hoher Leistung von beispielsweise 10 kW ein Durchtritt durch die der Lasereinrichtung zugewandten Wand, tritt flüssiges Medium aus. Der Füllstand wird durch die Füllstandsmesseinrichtung detektiert, wobei bei das Sinken des Füllstandes mittels der Signaleinrichtung signalisiert wird. Natürlich kann auch die Lasereinrichtung ausgeschaltet werden.
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Zur weiteren Erhöhung des Schutzes ist die Lamellen aufweisende Zwischenwand im Medium platziert. Zum Schutz ist die Zwischenwand eine in Richtung Lasereinrichtung strahlungsdichte Zwischenwand. Die Öffnungen zwischen den Lamellen gewährleisten, dass sich flüssiges Medium auch an den Wänden befindet und dass die durch Schwerkraft angetriebene vertikale Konvektion ungehindert stattfinden kann. Die Lamellen werden somit allseitig gekühlt.
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Damit ist die Schutzwand entweder als gleichzeitig passive und aktive Schutzwand an sich oder als ein Element einer passiven und aktiven Schutzwand verwendbar. Damit sind ökonomisch günstige und einfache Schutzwände mit höchster Schutzstufe realisierbar. Diese zeichnen sich weiterhin dadurch aus, dass diese leicht ohne das flüssige Medium transportier- und handhabbar sind. Das Befüllen kann problemlos erfolgen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass auch bei sinkendem Füllstand ohne Beschädigung durch Laserstrahlen die Lasereinrichtung abgeschaltet wird. Ein derartiges Sinken kann durch andere Beschädigungen oder durch die Umgebungsbedingungen hervorgerufen werden. Damit ist jederzeit die Sicherheit der Schutzwände gegeben. Die Reaktionszeiten sind dabei sehr kurz. Die Schutzwände können in den unterschiedlichsten Geometrien hergestellt werden, so dass eine optimale Anpassung an die jeweiligen Lasereinrichtungen einschließlich deren Standorte erfolgen kann.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 10 angegeben.
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Die Grundfläche der Schutzwand ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 wenigstens bereichsweise streifen- oder bogenförmig ausgebildet. Die Schutzwände sind in den verschiedensten Geometrien realisierbar, so dass ein optimaler Schutz gegeben ist. Die Schutzwand kann leicht an die geometrischen Verhältnisse der Lasereinrichtung angepasst hergestellt werden. Platten, Hohlzylinder oder Platten mit einer Bogenform sind unproblematisch und leicht realisierbar. Unterschiedliche Kombinationen sind auch möglich.
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Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 ist das flüssige Medium in der Schutzwand elektrisch leitfähig. Vorteilhafterweise ist darüber hinaus eine Füllstandsmesseinrichtung aus zwei mit einer Widerstandsmesseinrichtung zusammengeschalteten Elektroden in der Schutzwand angeordnet. Im Normalfall mit einer gefüllten Schutzwand ist der Stromkreis bestehend aus Widerstandsmesseinrichtung, den Elektroden und dem flüssigen Medium geschlossen. Das flüssige Medium ist dabei vorteilhafterweise ein Bestandteil einer Wheatstone-Brücke. Bei einer Widerstandsänderung durch eine Beschädigung der Schutzwand erfolgt eine Signalisierung.
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Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 ist das flüssige Medium elektrisch leitfähig. Vorteilhafterweise besteht die Füllstandsmesseinrichtung aus zwei Elektroden in der Schutzwand. Darüber hinaus sind die Elektroden Schaltkontakte in einem Stromkreis, wobei im gefüllten Zustand der Schutzwand der Stromkreis über das flüssige Medium geschlossen ist und bei sich verringernden Volumen des flüssigen Mediums der Stromkreis geöffnet wird. Dadurch bildet das flüssige Medium selbst ein Schaltelement. Das stellt einen sehr einfachen Aufbau dar.
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Die Füllstandsmesseinrichtung besteht nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 aus einem drehbar gelagerten Schwimmer für das flüssige Medium, wobei der Schwimmer mit einem elektrischen Kontaktbauelement verbunden ist. Bei beschädigter Schutzwand sinkt der Flüssigkeitsstand. Gleichzeitig ändert sich die Position des Schwimmers in der Schutzwand, wobei das elektrische Kontaktbauelement betätigt wird und wenigstens eine Signalisierung stattfindet.
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In der Schutzwand ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 eine den Druck des Mediums auf wenigstens eine Wand erfassende Druckmesseinrichtung als Füllstandsmesseinrichtung angeordnet. Bei beschädigtem Behälter verringert sich die Menge an flüssigem Medium im Behälter, wobei sich gleichzeitig der Druck ändert. Bei sich verringerndem Druck erfolgt wenigstens eine Signalisierung.
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Der Druck des flüssigen Mediums ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 größer als der Druck auf die Schutzwand. Damit reagiert die Schutzwand bei Störungen empfindlicher. Die Zeitdauer bis zur Signalisierung verringert sich. Der Druck entsteht bei Laserbestrahlung durch die Erwärmung selbst oder durch eine druckerzeugende Einrichtung oder durch die vorhandene Hydrostatik.
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Günstigerweise besteht die Vorderwand der Schutzwand nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 8 aus einem Metallblech. Die Rückwand kann aus beliebigem Material bestehen.
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Die Lamellen der Zwischenwand der Schutzwand bestehen nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 9 aus einem die Laserstrahlen absorbierenden oder streuenden Material. Das können vorzugsweise ein Metall, eine Keramik oder ein Faserverbundwerkstoff sein. Letztere sind beispielsweise ein keramischer Kohlenstofffaserverbundwerkstoff oder ein faserverstärkter Kohlenstoff.
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Das flüssige Medium ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 10 Wasser oder ein hochtemperaturfestes flüssiges Polymer. Bei einem hochtemperaturfesten flüssigen Polymer, beispielsweise Öl, können durch eine hohe Siedetemperatur von über 500°C extrem hohe Laserleistungen und infolge hohe Temperaturen an der Auftreffstelle der Laserstrahlung toleriert werden. Durch die hohen Temperaturgradienten wird die Wärme wiederum schnell an das flüssige Polymer übertragen und durch Konvektion abgeführt.
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Wasser ist ein ökonomisch günstiges Medium, dass im Wesentlichen überall vorhanden ist. Wasser besitzt eine hohe Wärmekapazität, wobei die niedrige Wärmeleitung durch Konvektion kompensiert wird. Es wird mit chemischen Zusätzen zur Unterdrückung von biologischer Aktivität dauerhaft einsetzbar.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen:
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1 eine Schutzwand in einer Schnittdarstellung,
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2 Lamellen einer Zwischenwand,
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3 eine Füllstandsmesseinrichtung mit zwei Elektroden,
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4 mehrere miteinander gekoppelte Schutzwände in einer Draufsicht und
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5 mehrere miteinander gekoppelte und versetzt zueinander angeordnete Schutzwände in einer Draufsicht.
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Eine Schutzvorrichtung für Laserstrahlen wenigstens einer Lasereinrichtung 5 besteht im Wesentlichen aus wenigstens einer Schutzwand 1 mit einem flüssigen Medium 2 und einer Zwischenwand 3, einer Füllstandsmesseinrichtung für das flüssige Medium und einer Signaleinrichtung in Verbindung mit der Füllstandsmesseinrichtung.
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Die 1 zeigt eine Schutzwand 1 für Laserstrahlen wenigstens einer Lasereinrichtung 5 in einer prinzipiellen Schnittdarstellung.
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Die Schutzwand 1 besitzt einen Hohlraum, der durch eine Vorderwand, Seitenwänden und eine Rückwand begrenzt ist. Der Hohlraum kann durch die Wände umschlossen oder nach oben offen sein. Die Schutzwand 1 wird dazu beispielsweise aus zwei miteinander verbundenen Schalen oder einer Schale mit einer Platte ausgebildet. Die umlaufende Wand der Schale bildet dabei die Seitenwände der Schutzwand 1. Die Bestandteile der Schutzwand 1 bestehen aus Edelstahl- oder Aluminiumblechen. Der Hohlraum der Schutzwand 1 ist mit dem flüssigen Medium 2 befüllt.
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Die 2 zeigt Lamellen 4 einer Zwischenwand 3 in einer prinzipiellen Darstellung.
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Zwischen der Vorderwand und der Rückwand befindet sich die Lamellen 4 aufweisende Zwischenwand 3, wobei die Lamellen 4 eine in Richtung Lasereinrichtung 5 strahlungsdichte Zwischenwand 3 sind und zwischen den Lamellen 4 Öffnungen vorhanden sind, so dass eine Jalousie mit feststehenden Lamellen 4 vorhanden ist. Die Lamellen 4 können im Querschnitt die Form einer Geraden (2a und 2e), eine Bogenform (2b) oder eine Z-Form (2c) aufweisen oder winkelförmig (2d) ausgebildet sein. Die Lamellen 4 in Form einer Geraden können schräg und in Reihe vertikal untereinander (2a) oder vertikal und gegeneinander versetzt (2d) angeordnet sein. Natürlich können auch Kombinationen davon eingesetzt werden. Die Lamellen können aus Edelstahl oder Aluminium oder aus einer Keramik bestehen. Als Keramik kann eine SiSiC-Keramik verwendet werden. Darüber hinaus können die Lamellen auch aus einem Verbundwerkstoff, beispielsweise einem Faserverbundwerkstoff, einem keramischen Kohlenstofffaserverbundwerkstoff oder einem kohlenstofffaserverstärkten Kohlenstoff bestehen. Die Fixierung der Lamellen 4 erfolgt über wenigstens einen Träger, der sich auf der der Lasereinrichtung 5 abgewandten Seite befindet. Im einfachsten Fall sind dazu beispielsweise zwei beabstandet zueinander angeordnete Stäbe mit den Lamellen 4 verbunden oder gekoppelt. Durch die Anordnung der Lamellen 4 ist eine effektive durch Schwerkraft angetriebene vertikale Konvektion gewährleistet. Die Lamellen 4 werden allseitig gekühlt. Wenn ein Laserstrahl die Vorderwand durchtritt, wird er an den Lamellen 4 absorbiert und gestreut, so dass der passive Schutz nochmals erhöht ist. Eine Zerstörung der Lamellen 4 ist auch bei hoher Strahlleistung sehr unwahrscheinlich. Bis zu dem Zeitpunkt erfolgte die Signalisierung über die Füllstandmesseinrichtung. Darüber hinaus kann die Lasereinrichtung 5 auch bereits ausgeschaltet sein. Zu einer weiteren Erhöhung der Sicherheit existiert noch die Rückwand. Eine solche Schutzwand 1 weist die höchste passive Schutzstufe auf.
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Die 3 zeigt eine Füllstandsmesseinrichtung mit zwei Elektroden 7 in einer prinzipiellen Darstellung.
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Die Schutzwand 1 ist in einer ersten Ausführungsform mit Wasser als flüssiges Medium 2 befüllt. Im Wasser sind chemische Zusätze zur Unterdrückung der biologischen Aktivität vorhanden. Bei Einwirkung von Laserstrahlung wird die Wärme durch die hohen Temperaturgradienten schnell übertragen und durch Konvektion in der Schutzwand 1 abgeführt und verteilt. Wasser hat eine hohe Wärmekapazität und kann viel Energie aufnehmen. Die Schutzwand 1 weist somit bereits einen hohen passiven Schutz auf.
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Bei einer Beschädigung durch Laserstrahlen der Lasereinrichtung 5 wird allererst die zur Lasereinrichtung 5 weisende Wand der Schutzwand 1 durchbrochen, so dass Wasser aus der Schutzwand austritt. Der Druck des Wassers im Inneren der Schutzwand 1 wird durch die Erwärmung oder durch einen zusätzlichen statischen Druckerzeuger oder durch Hydrostatik günstigerweise größer als der Luftdruck auf die Schutzwand 1 sein. Die schnelle Verminderung des Volumens wird über die Füllstandsmesseinrichtung erfasst und durch die Signaleinrichtung signalisiert. Natürlich kann darüber hinaus die Lasereinrichtung 5 ausgeschaltet werden. Die Schutzwand 1 weist somit auch einen aktiven Schutz auf.
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Bei einem elektrisch leitfähigen flüssigen Medium 2 wie Wasser sind zwei Elektroden 7 in der Schutzwand 1 angeordnet. Die Elektroden 7 können zum Einen mit einer Widerstandsmesseinrichtung verbunden oder zum Anderen selbst Schaltkontakte sein. Bei Letzterem sind die Elektroden 7 Schaltkontakte in einem Stromkreis, wobei im gefüllten Zustand der Schutzwand 1 der Stromkreis über das Wasser geschlossen ist und bei sich verringernden Volumen der Stromkreis geöffnet wird, so dass die Signaleinrichtung als weiterer Bestandteil des Stromkreises eingeschaltet wird. Das kann mittels einer Steuereinrichtung 6 erfolgen, die weiterhin vorteilhafterweise mit der Lasereinrichtung 5 verbunden ist. Damit kann die Lasereinrichtung 5 bei einem defekt der Schutzwand ausgeschaltet werden. Die Elektroden 7 können dazu vorteilhafterweise in der Deckwand 8 der Schutzwand 1 platziert sein.
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Mehrere Schutzwände 1 können auch miteinander gekoppelt werden.
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Es zeigen dazu
die 4 mehrere miteinander gekoppelte Schutzwände 1 und
die 5 mehrere miteinander gekoppelte und versetzt zueinander angeordnete Schutzwände 1
jeweils in einer prinzipiellen Draufsicht.
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Die Schutzwand 1 ist in einer zweiten Ausführungsform mit einem hochtemperaturfesten Polymer, beispielsweise in Form von Öl für Solarthermie, als flüssiges Medium 2 befüllt. Durch eine hohe Siedetemperatur des Polymers von über 500°C können extrem hohe Laserleistungen und infolge hohe Temperaturen an der Auftreffstelle der Laserstrahlung toleriert werden. Durch die hohen Temperaturgradienten wird die Wärme wiederum schnell an das flüssige Polymer übertragen und durch Konvektion abgeführt und verteilt. Die Schutzwand 1 weist somit bereits einen hohen passiven Schutz auf.
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Bei einer Beschädigung durch Laserstrahlen der Lasereinrichtung 5 wird wiederum zuallererst die zur Lasereinrichtung 5 weisende Wand der Schutzwand 1 durchbrochen, so dass flüssiges Medium 2 aus der Schutzwand 1 austritt. Der Druck des flüssigen Mediums 2 im Inneren der Schutzwand 1 kann durch die Erwärmung oder durch einen zusätzlichen statischen Druckerzeuger oder durch Hydrostatik günstigerweise größer als der Luftdruck auf die Schutzwand 1 sein. Die Verminderung des Volumens wird über die Füllstandsmesseinrichtung erfasst und durch die Signaleinrichtung signalisiert. Natürlich kann darüber hinaus die Lasereinrichtung 5 ausgeschalten werden. Die Schutzwand 1 weist somit auch einen aktiven Schutz auf.
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Neben einer separaten Rückwand der Schutzwand 1 kann hierbei die Rückwand gleichzeitig ein Maschinengestell sein. Die Rückwand kann somit auch aus Granit bestehen.
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Die Füllstandsmesseinrichtungen sind als drehbar gelagerter Schwimmer für das flüssige Medium 2, wobei der Schwimmer mit einem elektrischen Kontaktbauelement verbunden ist, oder als Druckmesseinrichtung in der Schutzwand 1 für das flüssige Medium 2 ausgeführt. Diese sind mit der Steuereinrichtung 6 verbunden, die weiterhin mit der Lasereinrichtung 5 verbunden sein kann.
