DE102016001175B4

DE102016001175B4 - Laseroszillator mit eine Resonatoreinheit kühlenden Gebläsen

Info

Publication number: DE102016001175B4
Application number: DE102016001175.0A
Authority: DE
Inventors: Takanori Sato
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2015-02-10
Filing date: 2016-02-03
Publication date: 2018-08-09
Anticipated expiration: 2036-02-04
Also published as: CN105870765B; DE102016001175A1; CN105870765A; US9570875B2; JP2016149408A; US20160233639A1; JP6110419B2

Abstract

Laseroszillator, aufweisend:eine Resonatoreinheit (2), eingerichtet zur Oszillation eines abzugebenden Laserstrahls;einen Wärmetauscher (3), welcher benachbart der Resonatoreinheit (2) angeordnet ist und mit einer Kühlflüssigkeit beschickt wird;ein Gebläse (4, 5), welches an zumindest einer von zwei in Bezug auf die Resonatoreinheit (2) und den Wärmetauscher (3) gegenüberliegenden Positionen angeordnet ist und eine Luftströmung in einer Richtung erzeugt, welche sowohl die Resonatoreinheit (2) als auch den Wärmetauscher (3) passiert;eine Resonatortemperatur-Messeinheit (8), welche eine Temperatur der Resonatoreinheit (2) misst; undeine Gebläsesteuereinheit (9), welche das Gebläse (4, 5) steuert, dadurch gekennzeichnet, dassdie Gebläsesteuereinheit (9) die Richtung, in welcher Luft durch das Gebläse (4, 5) geblasen wird, entsprechend der Temperatur der Resonatoreinheit (2), wie durch die Resonatortemperatur-Messeinheit (8) gemessen, umschaltet,wobei dann, wenn die gemessene Temperatur der Resonatoreinheit (2) geringer ist als eine vorgegebene Temperatur, die Gebläsesteuereinheit (9) die Richtung, in welcher Luft durch das Gebläse (4, 5) geblasen wird, in eine Richtung vom Wärmetauscher (3) zu der Resonatoreinheit (2) einstellt, undwobei dann, wenn die gemessene Temperatur der Resonatoreinheit (2) nicht kleiner ist als die vorgegebene Temperatur, die Gebläsesteuereinheit (9) die Richtung, in welcher Luft durch das Gebläse (4) geblasen wird, in eine Richtung von der Resonatoreinheit (2) zu dem Wärmetauscher (3) einstellt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Laseroszillator, der ein Verfahren einsetzt zum Kühlen des Inneren eines Gehäuses unter Verwendung von Kühlwasser, und insbesondere betrifft sie die Steuerung von Gebläsen, welche eine Resonatoreinheit kühlen, die in einem Gehäuse eines Laseroszillators angeordnet ist, welcher in einer Laserbearbeitungsmaschine verwendet wird.
Zum Stand der Technik
Mit einer Laserbearbeitungsmaschine (Maschine mit einem Laser zur Bearbeitung) wird beispielsweise Metall durch Einstrahlung eines Laserstrahls auf das Metall abgetragen oder geschnitten, wobei die Laserbearbeitungsmaschine mit einem Laseroszillator versehen ist.
Ein Laseroszillator hat eine Resonatoreinheit, welche ein Lasermedium anregt (zum Beispiel CO₂ oder YAG) und durch das angeregte Lasermedium erzeugtem Licht ermöglicht, zwischen zwei Reflektoren zur Verstärkung umzulaufen. Insbesondere enthält eine Resonatoreinheit eine axiale Oszillationseinheit (beispielsweise eine Entladungsröhre oder YAG-Stäbe), welche ein Lasermedium zur Oszillation eines Laserstrahls anregen, und einen Totalreflektor und einen Halbreflektor, die in Richtung der optischen Achse an den beiden Enden der Oszillationseinheit angeordnet sind. Der Laseroszillator hat ein Gehäuse, in welchem die Resonatoreinheit aufgenommen und geschützt ist.
Der Laseroszillator kühlt vorzugsweise die Resonatoreinheit und das Gehäuse ist Teil eines Funktionsplans zum Kühlen des Inneren des Gehäuses unter Verwendung von Kühlwasser, d.h. der Oszillator ist vom „Kühlwasser-Typ“.
Herkömmlicherweise sind Wärmetauscher zwischen der Resonatoreinheit und Gebläsen im Gehäuse des wassergekühlten Laseroszillators angeordnet.
Beim Absenken der Temperatur im durch die Resonatoreinheit geheizten Gehäuse wird Kühlwasser auf einer konstanten Temperatur gehalten und den Wärmetauschern durch eine Kühleinrichtung zugeführt, wie einen Kühler. Die Gebläse werden so betrieben, dass heiße Luft in der Umgebung der Resonatoreinheit aufgenommen wird und die heiße Luft in Kontakt mit den Wärmetauschern gebracht wird, um sie abzukühlen und um kalte Luft in die Nähe der Resonatoreinheit zu blasen.
Der Betrieb der oben erwähnten Kühl-Gebläse wird gleichzeitig mit der Aktivierung des Laseroszillators ausgeführt. Wenn nur eine geringe Wärme in der Resonatoreinheit erzeugt wird, brauchen die Gebläse nicht betrieben zu werden, wenn das Innere des Gehäuses nicht zu kühlen ist. Deshalb werden die Gebläse nur bei Anstieg der Temperatur im Gehäuse betrieben, um den Energieverbrauch des Laseroszillators gering zu halten.
Eine herkömmliche, beispielhafte Steuerung von Gebläsen im Gehäuse eines wassergekühlten Laseroszillators und entsprechende Verfahren sind in dem japanischen Patent JP 2992860 B2 und der offengelegten japanischen Patentanmeldung JP H08-204263 A beschrieben.
Das japanische Patent JP 2992860 B2 beschreibt ein Verfahren zum Ändern der Rotationsgeschwindigkeiten von Gebläsen entsprechend der Temperatur von Kühlwasser oder der dem Laseroszillator zugeführten Leistung, um die Temperatur des Kühlwassers zu senken.
Die offengelegte japanische Patentanmeldung JP H08-204263 A beschreibt ein Verfahren mit einem Kühlgasweg in Kontakt mit einer Halbleiterlaserreihe, eine Kühlgasstrom-Erzeugungseinheit, welche einen Kühlgasstrom in den Kühlgasweg einführt, und eine Temperaturdetektionseinheit für die Halbleiterlaserreihe und eine Steuerung des Antriebs der Kühlgasstrom-Erzeugungseinheit auf Basis eines von der Temperaturdetektionseinheit detektierten Signals.
Laserbearbeitungsmaschinen sind nicht nur an Orten mit einer konstanten Temperatur eingesetzt, wie in temperaturgeregelten Räumen, sondern auch an Orten mit sich ändernden Temperaturen, wie im Innenraum von Fabrikationsstätten, wo sich die Umgebungstemperatur ändert, oder sogar in Außenräumen. Insbesondere im Winter, wenn ein Laseroszillator bei relativ geringen Umgebungstemperaturen in Gang gesetzt wird, wird vorzugsweise eine Aufwärmperiode eingesetzt, bis die Temperatur der Resonatoreinheit nach Anstieg der Temperatur im Gehäuse einen stabilen Zustand erreicht. Mit anderen Worten: es braucht einige Zeit, bis der Laseroszillator nach einem Start einsetzbar ist und dies ist ein Nachteil.
Herkömmliche wassergekühlte Laseroszillatoren steuern die Gebläse und die Richtung, in welcher Luft durch die Gebläse bewegt wird, um die Temperatur insbesondere der Resonatoreinheit im Gehäuse zu senken. Wird ein herkömmlicher wassergekühlter Laseroszillator als Laserbearbeitungsmaschine eingesetzt, wird kalte Luft im Gehäuse während der obigen Aufwärmperiode zur Resonatoreinheit geblasen, so dass eine Erhöhung der Temperatur der Resonatoreinheit behindert ist, im Gegensatz zur momentanen Anforderung. Auch dies verlängert die Aufwärmperiode.
Zur Reduzierung des Stromverbrauchs des Laseroszillators in der Laserbearbeitungsmaschine wird bei Unterbrechung der Laserbearbeitung der Anregungsbetrieb des Lasermediums und die Rotation der Gebläse angehalten und der Laseroszillator in „Bereitschaftsbetrieb“ („Standby“) gesetzt. Ist aber die Umgebungstemperatur des Laseroszillators tief, sinkt die Temperatur der die Resonatoreinheit bildenden Komponenten mit länger werdender AUS-Zeit der Resonatoreinheit ab. Dies bedingt ein weiteres Problem: der Betrieb des Laseroszillators ist instabil, bis die Temperatur der Resonatoreinheit beim Übergang des Laseroszillators vom Bereitschaftszustand in den für einen Einsatz geeigneten Zustand einen stationären Zustand erreicht.
JP H08 204 263 A offenbart einen Laseroszillator mit einem YAG-Stab, mit einem Halbleiterlaser-Array zur Bestrahlung des Stabs und mit einem Temperatursensor für das Array. Der Laseroszillator umfasst zudem einen Pfad für ein Kühlgas, durch welchen ein Kühlgas mittels eines luftgekühlten Gebläses gefördert wird, dessen Antrieb auf der Grundlage von Signalen des Temperatursensors gesteuert wird.
Zudem ist aus JP 2015 004 500 A ein System bekannt, welches warme Abluft eines Serverraums zur Erwärmung eines Büroraums verwendet.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Laseroszillator gemäß Anspruch 1. Weitere Ausführungsformen sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Die vorliegende Erfindung stellt einen Laseroszillator bereit, der nach einem Start oder einem Neustart bei geringen Temperaturen in kürzerer Zeit einsetzbar ist.
Gemäß einer ersten Variante lehrt die Erfindung einen Laseroszillator mit einer Resonatoreinheit, einem Wärmetauscher, einem Gebläse, einer Resonatortemperatur-Messeinheit, und einer Gebläse-Kühlungseinheit. Die Resonatoreinheit oszilliert einen abzugebenden Laserstrahl. Der Wärmetauscher ist benachbart der Resonatoreinheit angeordnet und wird mit Kühlflüssigkeit versorgt. Das Gebläse ist an zumindest einer von in Bezug auf die Resonatoreinheit und den Wärmetauscher gegenüberliegenden Stellen angeordnet und erzeugt einen Luftstrom in einer Richtung, welche sowohl an der Resonatoreinheit als auch am Wärmetauscher entlang geht. Die Resonatortemperatur-Messeinheit misst die Temperatur der Resonatoreinheit. Die Gebläse-Steuereinheit steuert das Gebläse. Beim Laseroszillator gemäß der ersten Variante ändert die Gebläsesteuereinheit die Richtung, in welcher Luft durch das Gebläse geblasen wird auf Basis der mit der Resonatortemperatur-Messeinheit gemessenen Temperatur.
Die Erfindung lehrt gemäß der ersten Variante zudem einen Laseroszillator , wobei dann, wenn die gemessene Temperatur der Resonatoreinheit geringer ist als ein vorgegebener Temperaturwert, die Gebläsesteuereinheit die Richtung einstellt, in welcher die Luft durch das Gebläse geblasen wird, in eine Richtung vom Wärmetauscher zur Resonatoreinheit, während dann, wenn die gemessene Temperatur der Resonatoreinheit gleich oder größer ist als der vorgegebene Temperaturwert, die Gebläsesteuereinheit die Richtung, in welcher die Luft durch das Gebläse geblasen wird, in eine Richtung von der Resonatoreinheit zum Wärmetauscher einstellt.
Gemäß einer zweiten Variante lehrt die Erfindung einen Laseroszillator entsprechend der ersten Variante, wobei mehrere Gebläse in Längsrichtung der Resonatoreinheit angeordnet sind und die Gebläsesteuereinheit das Luftvolumen zumindest von einem der mehreren Gebläse entsprechend der gemessenen Temperatur der Resonatoreinheit ändert.
Gemäß einer dritten Variante der Erfindung wird ein Laseroszillator gelehrt entsprechend einer der ersten oder zweiten Varianten, wobei eine Mehrzahl von Gebläsen in Längsrichtung der Resonatoreinheit angeordnet sind und die Gebläsesteuereinheit zumindest eines der mehreren Gebläse in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur der Resonatoreinheit stoppt.
Gemäß einer vierten Variante stellt die Erfindung einen Laseroszillator entsprechend der ersten Variante bereit mit weiterhin einer Kühlflüssigkeitstemperaturmesseinrichtung, welche die Temperatur der Kühlflüssigkeit misst, und wobei der oben erwähnte vorgegebene Temperaturwert gleich ist der Temperatur der Kühlflüssigkeit, wie durch die Kühlflüssigkeitstemperaturmesseinheit gemessen.
Entsprechend einer fünften Variante lehrt die Erfindung einen Laseroszillator insbesondere gemäß einer der ersten bis vierten Varianten, weiterhin aufweisend einen Kühler zum Einstellen (Regeln) der Kühlflüssigkeit auf eine konstante Temperatur.
Diese sowie weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden noch deutlicher aus der nachfolgenden Beschreibung eines typischen Ausführungsbeispieles der Erfindung, welches in den Figuren dargestellt ist.
Figurenliste

1 ist eine schematische Frontansicht zur Erläuterung des Aufbaus eines Laseroszillators gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 ist eine schematische Draufsicht zur Erläuterung des Aufbaus des Laseroszillators gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 ist ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Steuerungsablaufs bezüglich der Gebläse gemäß dem Ausführungsbeispiel;
4A zeigt die Richtung des bei Vorwärtsdrehung der Gebläse erzeugten Luftstromes;
4B zeigt die Richtung des bei Rückwärtsdrehung der Gebläse erzeugten Luftstroms;
5A ist eine Tabelle zur Erläuterung des Betriebs der Gebläse entsprechend der Temperatur einer Resonatoreinheit, wenn der Laseroszillator bei relativ hohen Temperaturen aktiviert wird;
5B ist eine Tabelle zur Erläuterung des Betriebs der Gebläse bei einer Temperatur der Resonatoreinheit, wenn der Laseroszillator bei relativ geringen Temperaturen aktiviert wird;
5C ist eine Tabelle zur Erläuterung des Betriebs der Gebläse bei einer Temperatur der Resonatoreinheit, wenn der Laseroszillator aus einem Bereitschaftszustand rückgeführt wird;
6A zeigt beispielhaft eine erste Steuerung der Gebläse gemäß dem Ausführungsbeispiel;
6B zeigt beispielhaft eine zweite Steuerung der Gebläse gemäß dem Ausführungsbeispiel;
6C zeigt beispielhaft eine dritte Steuerung der Gebläse gemäß dem Ausführungsbeispiel; und
7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Steuerung der Gebläse gemäß dem Ausführungsbeispiel.

Beschreibung im Einzelnen
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nunmehr mit Bezug auf die Figuren näher beschrieben. Zwar basiert die nachfolgende Beschreibung auf einer Gaslaservorrichtung mit axialer Hochgeschwindigkeitsströmung als Beispiel für einen Laseroszillator, jedoch ist die Erfindung nicht darauf beschränkt.
1 ist eine Frontansicht zur schematischen Erläuterung des Aufbaus eines Laseroszillators gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Ein Laseroszillator 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel hat eine Resonatoreinheit 2 zum Oszillieren eines abzugebenden Laserstrahls, Wärmetauscher 3, die nahe an einer Seite der Resonatoreinheit 2 angeordnet sind, erste Gebläse 4 und zweite Gebläse 5, die jeweils an zwei in Bezug auf die Resonatoreinheit 2 und die Wärmetauscher 3 gegenüberliegenden Stellen angeordnet sind.
Der Laseroszillator 1 hat weiterhin ein Gehäuse 6, in welchem die Resonatoreinheit 2, die Wärmetauscher 3, und die Gebläse 4 aufgenommen und geschützt sind. Ein Kühler 7 zur Zufuhr von Kühlwasser, welches auf eine konstante Temperatur von z.B. 20°C eingestellt wird, ist außerhalb des Gehäuses 6 angeordnet. Zwar wird bei diesem Ausführungsbeispiel Wasser als Kühlflüssigkeit zur Zufuhr in die Wärmetauscher 3 eingesetzt, jedoch ist die Erfindung nicht darauf beschränkt.
Das Gehäuse 6 enthält eine Resonatortemperatur-Messeinheit 8, welche die Temperatur der Resonatoreinheit 2 misst, eine Gebläsesteuereinheit 9, welche die Gebläse 4 und 5 steuert, und eine Kühlwassertemperaturmesseinheit 10, welche die Temperatur des Kühlwassers misst, welches zwischen den Wärmetauschern 3 und dem Kühler 7 zirkuliert.
1 zeigt zwar die Gebläsesteuereinheit 9 und die Kühlwassertemperaturmesseinheit 10 im Gehäuse 6, jedoch sind deren Anordnungen nicht auf die Darstellung gemäß 1 beschränkt und die Gebläsesteuereinheit 9 und die Kühlwassertemperaturmesseinheit 10 können zum Beispiel außerhalb des Gehäuses 6 angeordnet sein.
Die Gebläsesteuereinheit 9 erzeugt Luftströmung in einer Richtung unter Verwendung sowohl der ersten Gebläse 4 als auch der zweiten Gebläse 5 (siehe die Pfeile in den 4A und 4B). Solange die Gebläse Luftströmung in einer Richtung erzeugen können, reicht es aus, sie an zumindest einer von zwei gegenüberliegenden Positionen in Bezug auf die Resonatoreinheit und die Wärmetauscher anzuordnen. Um wirksam eine Luftströmung in einer Richtung auf die Resonatoreinheit 2 und die Wärmetauscher 3 aufzubringen, ist die Resonatoreinheit 2 vorzugsweise umgeben von zwei Gebläsen 4 und 5 und zwei plattenförmigen Komponenten 11, wie in 1 darstellt ist.
Der Aufbau der Resonatoreinheit 2 soll mit mehr Einzelheiten mit Blick auf Fig. 2 näher beschrieben werden. 2 ist eine Draufsicht zur schematischen Darstellung des Aufbaus des Laseroszillators entsprechend 1.
Die Resonatoreinheit 2 hat eine Axial-Entladungseinheit, welche ein Gas (zum beispiel CO₂) aufnimmt, welches als Lasermedium wirkt, wobei das Gas durch eine elektrische Entladung angeregt wird zur Emission eines Laserstrahls. Die axiale Entladungseinheit enthält z.B. eine Reihenanordnung von vier Entladungsröhren 12, welche gefaltet sind in Einheiten aus jeweils zwei Entladungsröhren 12 und welche im Gehäuse 6 angeordnet sind. Ein Totalreflektor 13 und ein Halbreflektor 14 (Auskoppler) sind an den beiden Enden der Entladungseinheit in Richtung der optischen Achse angeordnet. Umlenkspiegel 15 sind an einer Zwischenstelle der Entladungseinheit angeordnet.
Die Gesamtzahl der Entladungsröhren 12 und die Zahl der Einheiten der Ladungsröhren, die gefaltet werden, sind nicht auf das obige Beispiel beschränkt.
Sechs Gebläse 4 sind in Reihe in Longitudinalrichtung der Resonatoreinheit 2 auf einer Seite (untere Seite in 2) der Resonatoreinheit 2 angeordnet. Zwei Wärmetauscher 3 sind in Reihe in Longitudinalrichtung der Resonatoreinheit 2 auf der anderen Seite (obere Seite in 2) der Resonatoreinheit 2 angeordnet. Sechs Gebläse 5 sind in Reihe in Longitudinalrichtung der Wärmetauscher 3 angeordnet, so dass sie den Wärmetauschern 3 unmittelbar benachbart sind.
Mit anderen Worten: die Wärmetauscher 3 sind benachbart einem Ende der Resonatoreinheit 2 im Gehäuse 6 zwischen der Resonatoreinheit 2 und den zweiten Gebläsen 5 angeordnet. Die ersten Gebläse 4 sind benachbart dem anderen Ende der Resonatoreinheit 2 angeordnet (siehe 1).
Die Anzahl der Wärmetauscher 3 und der Gebläse 4 und 5 ist nicht auf das obige Beispiel beschränkt.
Ein Verfahren zum Steuern der Gebläse 4 und 5 im Gehäuse 6 des Laseroszillators 1 wird nunmehr beschrieben. 3 zeigt den Steuerablauf bezüglich der Gebläse 4 und 5.
Entsprechend 3 wird zunächst eine Temperatur Ta der Resonatoreinheit 2 mit der Resonatortemperatur-Messeinheit 8 gemessen und eine Temperatur Tb des von dem Kühler 7 zu den Wärmetauschern 3 geführten Kühlwassers wird durch die Kühlwassertemperaturmesseinheit 10 gemessen (Schritt S1).
In Schritt S2 werden die Temperatur Ta der Resonatoreinheit 2 und die Temperatur Tb des Kühlwassers miteinander verglichen. Wird festgestellt, dass die Temperatur Ta der Resonatoreinheit 2 kleiner ist als die Temperatur Tb des Kühlwassers (Ta < Tb), werden die Gebläse 4 und 5 in Vorwärtsrichtung gedreht (Schritt S3). Die Richtung der Luftströmung bei Vorwärtsrichtung der Gebläse 4 und 5 ist in 4A mit Pfeilen gekennzeichnet. Mit anderen Worten: ist die Temperatur Ta der Resonatoreinheit 2 kleiner als die Temperatur Tb des Kühlwassers, wird ein Luftstrom mit den Gebläsen 4 und 5 erzeugt, welcher von den Wärmetauschern 3 zur Resonatoreinheit 2 strömt.
Diese Schritte S1 bis S3 werden fortgesetzt, bis die Temperatur Ta der Resonatoreinheit 2 gleich wird der Temperatur Tb des Kühlwassers.
Wird in Schritt S2 festgestellt, dass die Temperatur Ta der Resonatoreinheit 2 gleich ist oder größer als die Temperatur Tb des Kühlwassers (Ta ≥ Tb) werden die Gebläse 4 und 5 in umgekehrter Richtung rotiert (Schritt S4). Die von den Gebläsen 4 und 5 bei Drehung in Umkehrrichtung erzeugte Luftströmung ist in 4B mit Pfeilen gekennzeichnet. Ist die Temperatur Ta der Resonatoreinheit 2 gleich oder größer als die Temperatur Tb des Kühlwassers, wird durch die Gebläse 4 und 5 eine Luftströmung erzeugt, die von der Resonatoreinheit 2 zu den Wärmetauschern 3 strömt.
Wenn nach Schritt S4 kein Befehl erfolgt, gemäß dem der Laseroszillator 1 in Bereitschaft zu halten ist, werden die Gebläse 4 und 5 entsprechend den Schritten S1 bis S4 in der Zeitspanne von der Aktivierung bis zur vollständigen Vorbereitung der Oszillation des Laseroszillators 1 betrieben. Erfolgt aber ein Befehl zur Bereitschaftsstellung (Standby) des Laseroszillators 1, werden die Gebläse 4 und 5 gestoppt (Schritte S5 und S6).
Die Zeitfolge bezüglich des Starts der oben erläuterten Ablaufsequenz enthält nicht nur die Aktivierung des Laseroszillators 1, sondern auch einen Neustart des Laseroszillators 1 aus einem Bereitschaftszustand.
3 zeigt zwar exemplarisch einen Vergleich zwischen den gemessenen Temperaturen der Resonatoreinheit 2 und des Kühlwassers, jedoch ist die Erfindung nicht darauf beschränkt.
Beispielsweise kann anstelle der Schritte S1 und S2 gemäß 3 ein Verfahren zum Steuern des Betriebs der Gebläse 4 und 5 eingesetzt werden mit Vergleich der gemessenen Temperatur der Resonatoreinheit 2 mit einer vorgegebenen Temperatur (beispielsweise 20°C). Diese vorgegebene Temperatur kann als diejenige Temperatur bestimmt werden, bei welcher ein Justiervorgang bei Herstellung der Vorrichtung durchgeführt worden ist, wie etwa eine Justierung der optischen Achse des Resonators, so dass die den Resonator bildenden Komponenten den Zustand wieder einnehmen, den sie bei der Justierung eingenommen haben, um so möglichst effektiv die gewünschte Laserleistung zu erhalten.
Der Betrieb der Gebläse 4 und 5 in der Zeitspanne von der Aktivierung bis zum Abschluss der Vorbereitung der Oszillation des Laseroszillators wird nunmehr beschrieben.
Die 5A, 5B und 5C erläutern den Betrieb der Gebläse 4 und 5 entsprechend dem Betriebszustand des Laseroszillators 1 und der Temperatur der Resonatoreinheit 2. Insbesondere zeigt 5A die Aktivierung des Laseroszillators 1 bei relativ hohen Temperaturen, während 5B die Aktivierung des Laseroszillators 1 bei relativ geringen Temperaturen und 5C die Rückkehr des Laseroszillators 1 aus einem Bereitschaftszustand beispielhaft darstellen.
Arbeitet der Laseroszillator 1 als CO₂-Laser mit Hochgeschwindigkeitsaxialströmung, und wird er in einem AUS-Zustand aktiviert, führt eine computernumerische Steuervorrichtung (CNC, nicht dargestellt) für die CO₂-Laservorrichtung einen Prozess aus, der durch die linke Spalte in 5A dargestellt ist, in Reihenfolge von oben nach unten. Mit anderen Worten: die computernumerische Steuerung führt sequenziell eine Reihe von Prozessen aus: 1. Die Entladungsröhren 12 werden evakuiert; 2. Die Gasdrucksteuerung in den Entladungsröhren 12 wird gestartet; 3. Ein Turbogebläse (nicht dargestellt) zur Zirkulation von CO₂-Gas durch die Entladungsröhren 12 mit hoher Geschwindigkeit wird in Gang gesetzt; 4. Die Entladung in den Entladungsröhren 12 wird gestartet; 5. Die Vorbereitung der Oszillation ist abgeschlossen.
Wenn aber die Temperatur der Resonatoreinheit 2 tiefer ist als ein eingestellter Wert, und zwar auch nach Start der Entladung in den Entladungsröhren 12, erfolgt vorzugsweise eine Aufwärmoperation gemäß den jeweiligen linken Spalten der 5B und 5C. Der „Aufwärmbetrieb“ bedeutet dabei eine Fortsetzung der Laseroszillation ohne Emission eines Laserstrahls aus dem Laseroszillator 1. Die Gaszufuhr und die Gasentladung in den Gasentladungsröhren 12 ermöglichen der Resonatoreinheit 2, Wärme zum Aufheizen des Inneren des Gehäuses 6 zu erzeugen.
Bei Aussetzen einer Laserbearbeitung werden die Entladung in den Entladungsröhren 12 und die Rotation der Gebläse 4 und 5 vorzugsweise gestoppt und der Laseroszillator 1 wird in den Bereitschaftszustand gebracht. Dies ermöglicht eine Reduzierung des Energieverbrauchs durch den Laseroszillator 1. Beim Neustart der Laserbearbeitung ist die Vorbereitung der Oszillation abgeschlossen durch Start der Entladung in den Entladungsröhren 12 und des Betriebs der Gebläse 4 und 5.
Wird der die obigen Prozesse ausführende Laseroszillator 1 bei relativ hohen Umgebungstemperaturen aktiviert, ist die Temperatur der Resonatoreinheit 2 gleich oder größer als die des kühlenden Wassers. Für jeden in den linken Spalten gemäß 5A ausgeführten Prozess erzeugen die Gebläse 4 und 5 eine Luftströmung von links nach rechts gemäß 4B. Mit anderen Worten: der mit den Gebläsen 4 und 5 erzeugte Luftstrom wird von der Resonatoreinheit 2 zu den Wärmetauschern 3 geführt. Mit dieser Anordnung entfernen die Wärmetauscher 3 Wärme aus der die Resonatoreinheit 2 umgebenden Luft und senken somit die Lufttemperatur.
Die Luft mit der auf diese Weise abgesenkten Temperatur wird von den zweiten Gebläsen 5 abgegeben und gelangt zu den ersten Gebläsen 4 entlang der inneren Oberfläche des Gehäuses 6 und wird durch die ersten Gebläse 4 zur Resonatoreinheit 2 geblasen. Eine solche Luftströmung hält die Temperatur der Resonatoreinheit 2 stabil und stabilisiert so den Laserausgang und die Mode des Laserstrahls.
Wird der Laseroszillator 1 in einem kalten Gebiet eingesetzt, haben die Resonatoreinheit 2 und das Gehäuse 6 der Umgebungstemperatur entsprechende tiefe Temperaturen, so dass der Laseroszillator 1 bei tiefen Temperaturen aktiviert würde. Der Kühlwasser liefernde Kühler 7 hält das Kühlwasser auf Temperaturen, bei denen es nicht einfriert. Insbesondere ist der Kühler 7 bei diesem Ausführungsbeispiel zum Beispiel mit einer Antifrost-Funktion ausgestattet, d.h. einer Funktion mit Freigabe einer Wasserpumpe und eines Heizers, welche das Kühlwasser erwärmt und es auf einer Temperatur von z.B. über 20°C hält.
Im vorstehend erwähnten Fall ist die Temperatur der Resonatoreinheit 2 tiefer als die des Kühlwassers. Deshalb erzeugen für jeden Prozess gemäß der linken Spalte von 5B die Gebläse 4 und 5 einen Luftstrom, der in 4A von rechts nach links verläuft. Mit anderen Worten: mit den Gebläsen 4 und 5 wird ein Luftstrom erzeugt, der vom Wärmetauscher 3 zu der Resonatoreinheit 2 strömt. Mit dieser Anordnung nimmt die durch den Wärmetauscher 3 (bzw. direkt an ihm vorbei) strömende Luft Wärme vom Wärmetauscher 3 auf und somit steigt die Lufttemperatur an. Die Luft mit erhöhter Temperatur wird auf die Resonatoreinheit 2 zu deren Erwärmung geblasen.
Wie oben beschrieben, kann beim Prozess zum Heizen der Resonatoreinheit 2 diese nicht nur beim Aufheizprozess aufgewärmt werden, sondern auch bei Prozessen vor dem Aufheizprozess. Dies ermöglicht eine Verkürzung der Zeit, die es braucht, um die Vorbereitung des Laseroszillators 1 für eine Oszillation aus einem AUS-Zustand bei geringen Temperaturen abzuschließen.
Häufig wird eine Laserbearbeitung ausgesetzt und der Laseroszillator in einen Bereitschaftszustand gesetzt. Ist dabei die Umgebungstemperatur des Laseroszillators 1 relativ gering, haben die Resonatoreinheit 2 und das Gehäuse 6 entsprechend tiefe Temperaturen, so dass der Laseroszillator 1 bei tiefen Temperaturen zu aktivieren ist. In diesem Falle ist auch die Temperatur der Resonatoreinheit 2 geringer als die des Kühlwassers. Deshalb erzeugen bei einem Neustart des Laseroszillators 1 aus einem Bereitschaftszustand, vgl. die linke Spalte in Fig. 5C, die Gebläse 4 und 5 einen Luftstrom, der in 4A von rechts nach links geht. Mit anderen Worten: die Resonatoreinheit 2 kann aufgewärmt werden durch Luftströmung von den Wärmetauschern 3 zur Resonatoreinheit 2 mittels der Gebläse 4 und 5.
Bei einem Neustart des Laseroszillators 1 aus einem Bereitschaftszustand bei tiefen Temperaturen kann das vorstehende beschriebene Verfahren die Zeit verkürzen, die es braucht, bis der Laseroszillator 1 einsetzbar ist.
Wie oben beschrieben, wird bei diesem Ausführungsbeispiel in der Zeitspanne von der Aktivierung bis zum Abschluss der Vorbereitung der Oszillation des Laseroszillators 1 die gemessene Temperatur der Resonatoreinheit 2 verglichen mit der gemessenen Temperatur des Kühlwassers oder der vorgegebenen Temperatur für die Resonatoreinheit 2 und der Betrieb der Gebläse 4 und 5 sowie die Richtung, in welcher Luft durch diese Gebläse bewegt wird, werden entsprechend dem Vergleichsergebnis geschaltet. Dabei wird bei diesem Ausführungsbeispiel die nachfolgende Gebläsesteuerung bevorzugt eingesetzt.
Die 6A, 6B und 6C zeigen beispielhaft eine Steuerung der Gebläse 4 und 5 gemäß diesem Ausführungsbeispiel, wobei die Richtung der durch die Gebläse bewegten Luft in 2 dargestellt ist. Insbesondere zeigen die 6A und 6B Beispiele für eine Gebläsesteuerung, wenn die gemessene Temperatur der Resonatoreinheit 2 geringer ist als die gemessene Temperatur des Kühlwassers oder die vorgegebene Temperatur für die Resonatoreinheit 2, während Fig. 6C beispielhaft eine Steuerung zeigt, wenn die gemessene Temperatur der Resonatoreinheit 2 gleich oder größer ist als die gemessene Temperatur des Kühlwassers oder die vorgegebene Temperatur für die Resonatoreinheit 2. Pfeile in den 6A, 6B und 6C zeigen durch die Gebläse 4 und 5 in dem Gehäuse 6 erzeugte Luftströmungen und die Längen dieser Pfeile entsprechen dem jeweiligen Luftvolumen pro Zeiteinheit.
Ist die gemessene Temperatur der Resonatoreinheit 2 gleich oder größer als die gemessene Temperatur des Kühlwassers oder die vorgegebene Temperatur für die Resonatoreinheit 2, sind die geförderten Luftvolumina der ersten Gebläse 4 und der zweiten Gebläse 5 einander gleich, wie in 6A dargestellt ist. Ist aber die gemessene Temperatur der Resonatoreinheit 2 kleiner als die gemessene Temperatur des Kühlwassers oder die vorgegebene Temperatur für die Resonatoreinheit, wird die Richtung, in welcher Luft durch beide Gebläse 4 und 5 ausgeblasen wird, umgeschaltet in eine Richtung entgegengesetzt zu der gemäß Fig. 6C und die Rotationsgeschwindigkeit der zweiten Gebläse 5 wird höher eingestellt als die der ersten Gebläse 4, wie in 6A gezeigt ist. Mit anderen Worten: das geförderte Luftvolumen der zweiten Gebläse 5 wird größer eingestellt als das der ersten Gebläse 4. Dies ermöglicht eine Beschleunigung des Anstiegs der Temperatur der die Resonatoreinheit 4 umgebenden Luft.
Bei der in Fig. 6A beispielhaft gezeigten Steuerung ist die Resonatortemperatur-Messeinheit 8 mit Abstand zu den Hochtemperaturbereichen angeordnet, sowie auch die Wärmetauscher 3 und die Entladungsröhren 12, so dass die Temperatur der gesamten Resonatoreinheit bestimmt werden kann. Solange also die Temperatur der gesamten Resonatoreinheit festgestellt werden kann, ist die Position der Resonatortemperatur-Messeinheit 8 nicht auf das in 6A gezeigte Beispiel beschränkt.
Wie 6B im Unterschied zum Steuerungsbeispiel nach 6A zeigt, kann das Luftvolumen nur der ersten beiden der ersten Gebläse 4 nahe der beiden Enden der Resonatoreinheit 2 höher eingestellt werden als das der verbleibenden ersten Gebläse 4. Somit kann ein Luftstrom zum effektiven Heizen der Resonatoreinheit 2 im Gehäuse 6 erzeugt werden.
Die Gebläse mit größerem Luftvolumen sind nicht auf die ersten beiden Gebläse 4 nahe den beiden Enden der Resonatoreinheit 2 beschränkt. Die Gebläse 4 und 5 nahe Abschnitten mit tieferen Temperaturen als bei den anderen Bereichen der Resonatoreinheit 2 können beispielsweise ein größeres Luftvolumen fördern. In diesem Falle kann die Temperaturverteilung der Resonatoreinheit 2 im Voraus durch zum Beispiel Experimente gewonnen werden und in einer Speichereinrichtung (nicht dargestellt) abgelegt werden, um das Luftvolumen von zumindest einem der mehreren Gebläse 4 und 5 entsprechend der gewonnenen Temperaturverteilung einzustellen. Andererseits können auch zusätzlich zu der Resonatortemperatur-Messeinheit 8 mehrere Temperaturmesseinheiten (nicht dargestellt) entlang der gesamten Resonatoreinheit 2 vorgesehen sein, um die Temperaturverteilung der Resonatoreinheit 2 zu bestimmen und das Luftvolumen von zumindest einem der mehreren Gebläse 4 und 5 entsprechend den gemessenen Temperaturen einzustellen. Eine solche Steuerung ermöglicht die Zufuhr großer Mengen heißer Luft zu Abschnitten mit relativ geringerer Temperatur, so dass eine homogene Heizung der Resonatoreinheit 2 erreicht wird.
7 zeigt ein anderes Beispiel einer Steuerung der Gebläse 4 und 5 gemäß diesem Ausführungsbeispiel, bei dem die Richtung der Gebläseluft der Gebläse 2 entspricht.
Wenn bei der oben beschriebenen beispielhaften Steuerung gemäß den 6A und 6B die gemessene Temperatur der Resonatoreinheit 2 tiefer ist als die gemessene Temperatur des Kühlwassers oder die vorgegebene Temperatur für die Resonatoreinheit 2, werden alle Gebläse 4 und alle Gebläse 5 betrieben, um Wärme von den Wärmetauschern 3 zur Resonatoreinheit 2 zu überführen. Der Betrieb von einigen (Gebläse 4a und 5a) der mehreren Gebläse 4 und 5 kann aber gestoppt werden, wie das Beispiel nach 7 zeigt. Mit anderen Worten: alle oder einige der mehreren Gebläse 4 und 5 werden vorzugsweise entsprechend der Temperaturverteilung der Resonatoreinheit 2 betrieben, wie oben erläutert ist. Dies ermöglicht die Zufuhr von Luft, die durch wärmeerzeugende Bereiche der Resonatoreinheit 2 aufgewärmt ist, zu Abschnitten, die keine Wärme erzeugen, so dass die Resonatoreinheit 2 insgesamt gleichförmig aufgeheizt wird.
Wie oben beschrieben, ermöglichen die unabhängige oder kombinierte Steuerung der Richtungen, in welchen Luft durch die Gebläse 4 und 5 strömt, sowie deren Luftströmungsvolumina (Drehgeschwindigkeiten) eine Verkürzung der Zeit, die es braucht, um den Laseroszillator 1 nach Aktivierung oder Neustart des Laseroszillators 1 bei tiefen Temperaturen für eine Oszillation vorzubereiten. Auch können die Resonatoreinheit 2 und das Innere des Gehäuses 6 gleichförmig aufgeheizt werden.
Zwar wurde oben die Erfindung unter Berücksichtigung eines Gaslasers vom Typ mit Axialströmung hoher Geschwindigkeit beispielhaft erläutert, jedoch ist die Erfindung nicht auf eine solche Gaslaservorrichtung eingeschränkt, sondern einsetzbar zum Beispiel bei Festkörperlasern oder Halbleiterlasern. Die Erfindung ist weiterhin einsetzbar bei jedem Typ einer Vorrichtung, solange die Vorrichtung eine wärmeerzeugende Komponente hat, welche in einem Gehäuse eingeschlossen ist und Wärme erzeugt, und wobei das Gehäuse im Zusammenwirken mit Wärmetauschern und Gebläsen gekühlt wird.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Da bei der ersten Variante der Erfindung das Gebläse zumindest auf einer Seite von in Bezug auf die Resonatoreinheit und den Wärmetauscher im Gehäuse gegenüberliegenden Seiten angeordnet ist, ist es möglich, Luftströmung in einer Richtung zu erzeugen, welche sowohl auf die Resonatoreinheit als auch den Wärmetauscher wirkt. Die Gebläsesteuereinheit kann die Richtung, in welcher Luft mit dem Gebläse geblasen wird, in Abhängigkeit von der Temperatur der Resonatoreinheit umschalten. Ist beispielsweise die Temperatur der Resonatoreinheit geringer als die des Wärmetauschers, kann vom Wärmetauscher erzeugte Wärme in die Resonatoreinheit geführt werden durch Änderung der Strömungsrichtung des Gebläses in eine Richtung vom Wärmetauscher zur Resonatoreinheit. Dies ermöglicht eine Abkürzung der Zeit, die es braucht bis zur Einsatzfähigkeit des Laseroszillators nach einer Aktivierung oder einem Neustart bei tiefen Temperaturen.
Ist gemäß der zweiten Variante der Erfindung die Temperatur der Resonatoreinheit gleich oder größer als die des Wärmetauschers, wird der Wärmetauscher eingesetzt zur Entfernung von Wärme aus der die Resonatoreinheit umgebenden Luft durch Änderung der Richtung, in welcher Luft durch das Gebläse bewegt wird in eine Richtung von der Resonatoreinheit zu dem Wärmetauscher. Ist andererseits die Temperatur der Resonatoreinheit geringer als die des Wärmetauschers, kann durch den Wärmetauscher erzeugte Wärme zur Resonatoreinheit geführt werden durch Änderung der Richtung, in welcher Luft durch das Gebläse bewegt wird in eine Richtung vom Wärmetauscher zur Resonatoreinheit.
Gemäß der dritten Variante der Erfindung kann die Resonatoreinheit homogen aufgeheizt werden durch Anordnung einer Mehrzahl von Gebläsen in Longitudinalrichtung der Resonatoreinheit und Änderung des Luftvolumens von zumindest einem der mehreren Gebläse entsprechend der Temperatur der Resonatoreinheit.
Gemäß der vierten Variante der Erfindung kann die Resonatoreinheit homogen aufgeheizt werden durch Anordnung mehrerer Gebläse in Longitudinalrichtung der Resonatoreinheit und Stoppen von zumindest einem der mehreren Gebläse entsprechend der Temperatur der Resonatoreinheit.
Mit anderen Worten: gemäß den obigen dritten und vierten Varianten wird die Temperaturverteilung der Resonatoreinheit im Voraus experimentell gewonnen oder mittels einer Mehrzahl von Temperaturmesseinheiten, die entlang der gesamten Resonatoreinheit angeordnet sind, gewonnen. Eine größere Menge an heißer Luft kann denjenigen Abschnitten der Resonatoreinheit mit relativ geringen Temperaturen entsprechend einer solchen Temperaturverteilung zugeführt werden. Da die Resonatoreinheit damit gleichförmig aufgeheizt wird, kann der Betrieb des Laseroszillators so stabilisiert werden.
Gemäß der fünften Variante der Erfindung ist eine Kühlflüssigkeitstemperaturmesseinheit vorgesehen, welche die Temperatur einer Kühlflüssigkeit misst, und die Temperatur der Kühlflüssigkeit wird auf eine vorgegebene Temperatur eingestellt. Die Richtung, in welcher Luft mit dem Gebläse geblasen wird, kann auf Basis eines Vergleichs zwischen den Temperaturen der Kühlflüssigkeit und der Resonatoreinheit geschaltet werden.
Gemäß der sechsten Variante der Erfindung kann die Temperatur der Kühlflüssigkeit konstant gehalten werden, unabhängig von der Umgebungstemperatur, durch Bereitstellung eines Kühlers zum Steuern der Kühlflüssigkeit auf eine konstante Temperatur.
Oben wurden typische Ausführungsbeispiele näher beschrieben, jedoch ist die Erfindung nicht darauf beschränkt und unterschiedliche Abwandlungen hinsichtlich z.B. Formen, Strukturen und Materialien sind möglich, ohne vom Erfindungsgegenstand abzuweichen.

Claims

Laseroszillator, aufweisend: eine Resonatoreinheit (2), eingerichtet zur Oszillation eines abzugebenden Laserstrahls; einen Wärmetauscher (3), welcher benachbart der Resonatoreinheit (2) angeordnet ist und mit einer Kühlflüssigkeit beschickt wird; ein Gebläse (4, 5), welches an zumindest einer von zwei in Bezug auf die Resonatoreinheit (2) und den Wärmetauscher (3) gegenüberliegenden Positionen angeordnet ist und eine Luftströmung in einer Richtung erzeugt, welche sowohl die Resonatoreinheit (2) als auch den Wärmetauscher (3) passiert; eine Resonatortemperatur-Messeinheit (8), welche eine Temperatur der Resonatoreinheit (2) misst; und eine Gebläsesteuereinheit (9), welche das Gebläse (4, 5) steuert, dadurch gekennzeichnet, dass die Gebläsesteuereinheit (9) die Richtung, in welcher Luft durch das Gebläse (4, 5) geblasen wird, entsprechend der Temperatur der Resonatoreinheit (2), wie durch die Resonatortemperatur-Messeinheit (8) gemessen, umschaltet, wobei dann, wenn die gemessene Temperatur der Resonatoreinheit (2) geringer ist als eine vorgegebene Temperatur, die Gebläsesteuereinheit (9) die Richtung, in welcher Luft durch das Gebläse (4, 5) geblasen wird, in eine Richtung vom Wärmetauscher (3) zu der Resonatoreinheit (2) einstellt, und wobei dann, wenn die gemessene Temperatur der Resonatoreinheit (2) nicht kleiner ist als die vorgegebene Temperatur, die Gebläsesteuereinheit (9) die Richtung, in welcher Luft durch das Gebläse (4) geblasen wird, in eine Richtung von der Resonatoreinheit (2) zu dem Wärmetauscher (3) einstellt.
Laseroszillator gemäß Anspruch 1, wobei das Gebläse (4, 5) eine Mehrzahl von Gebläsen (4, 5) aufweist und die Mehrzahl von Gebläsen (4, 5) in Longitudinalrichtung der Resonatoreinheit (2) angeordnet sind, und wobei die Gebläsesteuereinheit (9) weiterhin das Luftvolumen von zumindest einem der mehreren Gebläse (4, 5) entsprechend der gemessenen Temperatur der Resonatoreinheit (2) einstellt.
Laseroszillator gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Gebläse (4, 5) mehrere Gebläse (4, 5) aufweist und die mehreren Gebläse (4, 5) in Longitudinalrichtung der Resonatoreinheit (2) angeordnet sind, und wobei die Gebläsesteuereinheit (9) zumindest eines der mehreren Gebläse (4, 5) entsprechend der gemessenen Temperatur der Resonatoreinheit (2) stoppt.
Laseroszillator gemäß Anspruch 1, weiterhin aufweisend eine Kühlflüssigkeitstemperaturmesseinheit (10), welche eine Temperatur der Kühlflüssigkeit misst, wobei die vorgegebene Temperatur gleich ist der Temperatur der Kühlflüssigkeit, wie durch die Kühlflüssigkeitstemperaturmesseinheit (10) gemessen.
Laseroszillator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, weiterhin aufweisend einen Kühler (7), eingerichtet zum Steuern der Kühlflüssigkeit auf eine konstante Temperatur.