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Die
Erfindung betrifft eine Schmutzabschirmung an einem optischen Gerät mit den
Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1. Eine solche Schmutzabschirmung
ist aus der
EP 0 501
622 A1 bekannt. Dort ist aber der Aulass aus dem Gehäuse nicht
als Düse
ausgebildet.
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Auch
aus der
EP 1 050 368
B1 ist eine Schmutzabschirmung bekannt, siehe dort insbesondere
5 und
6. Die Vorkammer ist insgesamt rotationssymmetrisch.
Ihr Außenraum
setzt sich aus drei in Strömungsrichtung
des Gases hintereinander angeordneten konzentrischen Ringkanälen zusammen, nämlich einem
ersten Ringkanal, der von zwei zylindrischen Flächen begrenzt ist, einem zweiten
Ringkanal, der von zwei ebenen Flächen begrenzt ist, und einem
dritten Ringkanal, der einen dreieckförmigen Querschnitt hat. Der
dritte Ringkanal ist mit dem Innenraum der Vorkammer durch einen
Ringspalt verbunden. Auf diese Weise gibt sich ein labyrinthartiger Strömungsweg
für durch
den ersten Ringkanal eingeleitete Druckluft, die schließlich durch
den Ringspalt in den Innenraum der Vorkammer gelangt. Die Vorkammer
ist zwischen einer Laserdiode als Strahlenquelle und einer Düse angeordnet,
durch die ein Laserstrahlbündel
und zugleich Druckluft zu dem Zweck austreten soll, verunreinigende
Partikel am Eindringen in die Vorkammer zu hindern. Wenn diese Düse parallel
zum Strahlenbündel
angeordnet ist, dann ergeben sich gemäß
EP 1 050 368 B1 entlang dem
Strahlenbündel
Turbulenzen, und dadurch kann die Genauigkeit von Messungen beeinträchtigt werden,
die mit dem Strahlenbündel
durchgeführt
werden. Um eine solche Beeinträchtigung
zu vermeiden, ist vorgesehen, dass die Düse sich quer oder schräg zur allgemeinen
Ausbreitungsrichtung des Strahlenbündels erstreckt. Dadurch soll
offensichtlich der negative Einfluss der Luftströmung auf den Laserstrahl innerhalb
der Düse
auf eine möglichst
kurze Strecke begrenzt werden. Die Querschnittsfläche der
Düse soll
vorzugsweise in der Größenordnung
zwischen 0,02 mm
2 bis 0,8 mm
2 liegen;
bei einer im Querschnitt kreisförmigen
Düse soll
deren Durchmesser zwischen 50 μm
und 1 mm betragen. Auf strömungstechnische
Probleme, die direkt beim Eintritt der Luft in die kleine Düsenbohrung
und beim Austritt aus derselben bestehen, wird nicht eingegangen.
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Es
ist offensichtlich, dass die schräge Anordnung der Düse die Herstellkosten
einer Schmutzabschirmung der genannten Gattung merklich erhöht und außerdem den Nachteil
hat, dass der Durchtrittsquerschnitt in Achsrichtung des Strahlenbündels von der üblichen
Kreisform abweicht, woraus neue Probleme für die Messgenauigkeit entstehen
können. Schon
kleinste Ablenkungen des Laserstrahls auf der Senderseite bewirken,
besonders bei großen
Abständen
zwischen Sender und Empfänger,
ein starkes Rauschen des Empfängersignals.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, Turbulenzen
schon des in eine Düse
einer Schmutzabschirmung der eingangs genannten Gattung eintretenden
Gasstroms, insbesondere Luftstroms, sowie Turbulenzen innerhalb
der Düse
und an deren Austritt in anderer Weise zu vermeiden oder derart
zu begrenzen, dass störende Brechungen
und Beugungen eines durch die Düse aus-
oder eintretenden Strahlenbündels
nicht in einem Maß auftreten,
das die Genauigkeit von mit dem Strahlenbündel durchgeführten Messungen
oder sonstigen Beobachtungen beinträchtigen könnte.
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Die
Aufgabe ist erfindungsgemäß durch
eine Schmutzabschirmung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1
gelöst.
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Die
Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass in der Düse und an
deren Austritt auftretende Turbulenzen des Gasstromes, insbesondere
Druckluftstromes, bei vernünftiger
Begrenzung des Druckes, mit dem das Gas in die Vorkammer eingeleitet wird,
und bei einer dem Fachmann geläufigen
strömungsgünstigen
Gestaltung der Düse
nicht erst in dieser entstehen, sondern ihre Wurzel in Wirbeln haben,
die schon früher
auftreten, insbesondere am Übergang
vom Zufuhrkanal in die Vorkammer. Solche Wirbel lassen sich mit
vernünftigem
Aufwand nicht vermeiden, bleiben aber bei der erfindungsgemäßen Schmutzabschirmung
unschädlich,
da der Homogenisierungskörper
sie daran hindert, in den Innenraum der Vorkammer zu gelangen und
von dort aus Turbulenzen in der Düse hervorzurufen. Die Strömung bleibt
auch nach dem Austritt des Gas-, insbesondere Druckluftstromes aus
der Düse
laminar und hält
Umgebungsnebel, z. B. Kühlmittelnebel, vom
Laserstrahl oder sonstigen elektromagnetischen Strahl fern.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen mit
weiteren Einzelheiten erläutert:
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1 ist
ein Axialschnitt einer ersten Ausführungsform eines optischen
Geräts
mit einer erfindungsgemäßen Schmutzabschirmung;
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2 ist
der Querschnitt II-II in 1;
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3 ist
ein Axialschnitt desselben optischen Geräts mit einer abgewandelten
erfindungsgemäßen Schmutzabschirmung;
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4 ist
der Querschnitt IV-IV in 3;
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5 ist
ein Axialschnitt einer Weiterbildung der in 1 dargestellten
erfindungsgemäßen Schmutzabschirmung;
und
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6 ist
eine weitere Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Schmutzabschirmung
für ein optisches
Gerät,
das im Übrigen
den in 1 bis 5 dargestellten Geräten entspricht.
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In 1 ist
vom Gehäuse 10 eines
optischen Geräts
nur der im vorliegenden Zusammenhang interessierende Bereich schematisch
dargestellt. Das Gehäuse 10 enthält eine
Strahlenquelle 12, beispielsweise eine Laserdiode, und,
sich daran längs einer
gemeinsamen Achse anschließend,
eine Sammellinse 14, eine Blende 16 und eine das
optische System abschließende
Glasscheibe 18. Durch diese tritt ein Strahlenbündel 20 aus,
das von der Strahlenquelle 12 erzeugt, von der Sammellinse 14 parallel gerichtet
und von der Blende 16 begrenzt worden ist.
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Gemäß 1 und 2 ist
dem Gehäuse 10 des
optischen Geräts,
mittels einer kreisringförmigen
Dichtung 21 abgedichtet, eine kreiszylindrische Vorkammer 22 vorgelagert,
die nach außen
hin durch einen Düsenträger 24 begrenzt
ist und im Betrieb mit unter Druck stehendem Gas, in der Regel Druckluft, gespeist
wird. Der Düsenträger 24 ist
rotationssymmetrisch in Bezug auf eine in ihm ausgebildete oder an
ihm befestigte Düse 28 angeordnet
und mit Befestigungselementen 29, beispielsweise Schrauben, derart
am Gehäuse 10 des
optischen Geräts
befestigt, dass die Düse 28 gleichaxig
mit den optischen System angeordnet ist.
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Bei
der in 3 und 4 dargestellten Ausführungsform
enthält
der Düsenträger 24 zwischen
der Vorkammer 22 und der Düse 28 einen an sich
bekannten Absperrschieber 30, der in einer Querbohrung 32 des
Düsenträgers 24 verschiebbar angeordnet
ist und eine kreiszylindrische Durchgangsöffnung 34 aufweist.
Im Betrieb nimmt der Absperrschieber 30, wie in 3 gezeigt,
eine Stellung ein, in der seine Querbohrung 32 gleichaxig
mit dem optischen System und der Düse 28 angeordnet ist.
In diese Betriebsstellung gelangt der Absperrschieber 30 gegen
den Widerstand einer ebenfalls in den Düsenträger 24 eingebauten
Feder 36 dadurch, dass eine äußere Kraft auf einen am Absperrschieber 30 ausgebildeten
Stößel 38 ausgeübt wird.
Dies kann beispielsweise mittels eines nicht dargestellten, handelsüblichen
Elektromagneten geschehen oder mittels Druckluft, die über ein
Elektromagnetventil gesteuert wird. In 3 ist mit
einer Erweiterung der Querbohrung 32 angedeutet, dass ein
Elektromagnet oder ein Elektromagnetventil unmittelbar an den Düsenträger 24 angebaut,
beispielsweise in die genannte Bohrungserweiterung eingeschraubt
sein kann.
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Beiden
bisher beschriebenen Ausführungsformen
gemäß 1 und 2 einerseits
sowie 3 und 4 andererseits ist gemeinsam,
dass die Vorkammer 22 durch einen Homogenisierungskörper 40 in
einen Außenraum 42 und
einen Innenraum 44 unterteilt ist. Der Homogenisierungskörper und
die beiden Räume 42 und 44 sind
rotationssymmetrisch und gleichaxig mit dem optischen System des
Geräts
sowie mit der Düse 28 angeordnet.
Der Homogenisierungskörper 40 besteht
vorzugsweise aus einem porösen
Sinterwerkstoff, beispielsweise Sintermetall oder Sinterkunststoff,
kann aber auch aus einem an sich dichten Rohrstück hergestellt sein, das durch
ein abtragendes, beispielsweise spangebendes oder elektroerosives,
Verfahren mit feinen Löchern
oder Schlitzen versehen worden ist. Die Porengröße bzw. der Durchmesser der
Löcher
bzw. die Breite der Schlitze liegt zweckmäßigerweise im Bereich zwischen
6 und 200 μm,
und besonders bevorzugt im Bereich zwischen 40 und 100 μm. Für eine geplante
Serienfertigung ist eine Porengröße von 80 μm vorgesehen.
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Damit
der Homogenisierungskörper 40 von dem
durch den Zufuhrkanal 26 in den Außenraum 42 eingeleiteten
Druckgas auf seinem Weg zur Düse 28 nicht
umgangen werden kann, ist der Homogenisierungskörper, wie aus 1 und 3 ersichtlich
zwischen einer ebenen äußeren Stirnfläche 46 des
Gehäuses 10,
an welcher der Düsenträger 24 mit
einer ebenen Anlagefläche 48 dicht
anliegt, und einer inneren Bodenfläche 50 des Düsenträgers 24 axial
eingespannt. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Homogenisierungskörper 40 in
bestimmten Grenzen axial verformbar ist.
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Die
Wirkung des Homogenisierungskörpers 40 ist
in 1 und ebenso in 3 mit Pfeilen
angedeutet:
Das durch den Zufuhrkanal 26 einströmende Gas
ist im Außenraum 42 der
Vorkammer 22 stark verwirbelt. In Abwesenheit des Homogenisierungskörpers 40 hätten solche
Wirbel die Tendenz, sich bis in die Düse 28 hinein und durch
sie hindurch fortzusetzen, so dass die Gas- bzw. Luftdichte auf
einer vom Strahlenbündel 20 durchsetzten
Strecke stark variieren und deshalb störende Brechungen und Beugungen erzeugen
würde.
Dies verhindert der Homogenisierungskörper 40, indem er
die Gas- bzw. Luftströmung auf
eine sehr große
Zahl Strömungspfade äußerst geringen
Querschnitts aufteilt, so dass innerhalb des Innenraumes 44 und
dementsprechend auch innerhalb der Düse 28 sowie dahinter
eine laminare Strömung
herrscht. Bei der Ausführungsform
gemäß 3 und 4 ist
dementsprechend auch die Strömung
innerhalb der Durchgangsöffnung 34 laminar. Die
vom Homogenisierungskörper 40 bewirkte
laminare Strömung
vermeidet Dichteunterschiede, die im Strahlenbündel 20 Brechungen
oder Beugungen erzeugen würden.
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Das
Ausführungsbeispiel
gemäß 5 unterscheidet
sich von dem in 1 und 2 dargestellten
dadurch, dass an der Stirnfläche 46 des
Gehäuses 10 sowie
an der Bodenfläche 50 des
Düsenträgers 24 je
eine Ringrippe 52 bzw. 54 gleichaxig mit dem optischen
System und der Düse 28 ausgebildet ist,
und dass der Homogenisierungskörper 40 an
seinen beiden Stirnseiten je eine komplementäre Ringnut aufweist, in welche
die zugehörige
Ringrippe eingreift. Dadurch wird die Montage des Homogenisierungskörpers 40 erleichtert
und selbst bei stoßartiger Belastung
im Betrieb ausgeschlossen, dass der Homogenisierungskörper eine
exzentrische Stellung einnimmt. Durch das dargestellte Ineinandergreifen von
Rippen und Nuten ergibt sich eine Labyrinthdichtung, die auch auf
andere ansich bekannte Weise erzielbar ist, z. B. mit einer Treppenstruktur,
und den Vorteil hat, dass der Homogenisierungskörper 40 weder elastisch
noch besonders maßhaltig
zu sein braucht. Eine solche Labyrinthdichtung setzt einer stirnseitigen
Umströmung
des Homogenisierungskörpers 40 jedenfalls
einen ausreichenden Strömungswiderstand
entgegen, um Wirbelfreiheit im Innenraum 44 der Vorkammer 22 zu
garantieren.
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In 6 ist
eine Variante dargestellt, die sich von den bisher beschriebenen
Ausführungsformen dadurch
unterscheidet, dass der Außenraum 42 der Vorkammer 22 in
Form einer kreisringförmigen
Nut in das Gehäuse 10 des
optischen Geräts
ausgehend von dessen Stirnfläche 46 eingearbeitet
ist. Dieser kreisringförmige
Außenraum 42 hat
gemäß 6 eine
an die Stirnfläche 46 angrenzende
Erweiterung 56, und in diese ist der Homogenisierungskörper 40 eingebettet,
der zu diesem Zweck eine kreis ringförmige Scheibe ist. Gemäß 6 ist
somit im Düsenträger 24 nur
der Innenraum 44 der Vorkammer 22 ausgebildet,
und zwar derart, dass der Düsenträger 24 mit
einem schmalen, den Innenraum 44 umgebenden radial inneren
Randbereich den Homogenisierungskörper 40 in dessen
radial äußerem Randbereich übergreift
und dadurch den Homogenisierungskörper fixiert.
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Für die Materialbeschaffenheit
des Homogenisierungskörpers 40 gilt
auch bei der Ausführungsform
gemäß 6 das
im Zusammenhang mit den in 1 und 2 einerseits
und in 3 und 4 andererseits dargestellten
Ausführungsformen
Gesagte. Einzelheiten bezüglich
geeigneter Sinterwerkstoffe aus Glas, Keramik, Kunststoff oder Metall
ergeben sich beispielsweise aus veröffentlichten Unterlagen der
Firma Esters Filtertechnik, Aachen (www.esters.com). Bei Verwendung
solcher Sinterwerkstoffe eignet sich der erfindungsgemäße Homogenisierungskörper 40 in
seinen verschiedenen dargestellten Ausführungsformen auch als Filter,
der Verunreinigungen der durch den Zufuhrhandel 26 eingeströmten Druckluft
oder sonstigen Druckgases zurückhält.