DE2346219C3

DE2346219C3 - Laser mit Kühlsystem

Info

Publication number: DE2346219C3
Application number: DE19732346219
Authority: DE
Inventors: Kurt 8190 Wolfratshausen Habenschaden; Rudolf 8035 Gauting Kohl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-09-13
Filing date: 1973-09-13
Publication date: 1979-04-19
Also published as: DE2346219A1; DE2346219B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Laser mit einem Kühlsystem zur Ableitung der durch die Anregungslichtquelle erzeugten Verlustwärme, das einen geschlossenen Kühlkreislauf aufweist und mit der Anregungslichtquelle und dem stimulierbaren Medium zu einer Laser-Baueinheit vereinigt und innerhalb eines als Wärmeaustauscher ausgebildeten Gehäuses angeordnet ist (vgl. DE-AS 20 33 825).

Bei der optischen Anregung von Lasern wird eine erhebliche Wärmeenergie erzeugt. Die an der Anregungslichtquelle entstehende Verlustwärme beeinträchtigt die Wirkungsweise der aktiven Bauteile des Lasers und muß deshalb durch eine Kühlvorrichtung aus dessen Anregungskammer abgeführt werden.

Bei dem aus der DE-AS 20 :13 825 bekannten Laser enthält das Gehäuse eine Anregungskammer für ein stabförmiges stimulierbares Medium und eine Anregungslichtquelle sowie eine Wärmeaustauscherkammer, die über zwei Vertikalkanäle mit der Anregungskammcr verbunden ist. Auf diese Weise ist ein geschlossener Kühlkreislauf gebildet. Der Zulritt zu der Anregung.skammer zum Auswechseln der Anregungslichtquelle wird durch eine seitliche Gehäuse-Deckplatte ermöglicht.

Die DE-AS 15ö4415 zeigt einen Laser mit einem zylindrischen Gehäuse, welches das in einem Stützmantel angeordnete aus kreisrunden Scheiben bestehende stimulierbare Medium und eine Anregungslichtquellc enthält. Das Kühlmittel strömt hierbei in den Stützmantel und durch die Zwischenräume der Scheiben des stimulierbaren Mediums in den Raum um die Anregungslichtquelle hinein und wird durch einen Auslaß abgeführt. Die Anregungslichtquelle kann bei diesem bekannten Laser auch mit einer selbständigen Kühleinrichtung als Parallelzweig der Kühleinrichtung für das stimulierbare Medium ausgestattet sein, wobei beide

Kiihlkreisläufe außerhalb des Gehäuses zusammengeführt sind und über einen externen separat angeordneten Wärmeaustauscher (ließen.

Durch die DE-OS 21 52 163 ist ein Lampengehäuse für Festkörperlaser bekannt, das aus zwei Bauteilen besteht, die mit Bohrungen für eine Kühlflüssigkeit durchsetzt und somit als Wärmeaustauscher ausgebildet sind. Dieses Lampengehäuse ist lediglich zur Aufnahme der Lampen und des Kristalls vorgesehen und bildet somit selbst die einzige unmittelbare Kühlvorrichtung für Lampen und Kristalle.

Schließlich ist durch die US-PS 36 83 296 ein weiterer Laser bekannt, bei dem die Anregungslichtquellen und das stimulierbare Medium in einem dreiteiligen, ggf. von einem Kühlmantel umgebenen Gehäuse angeordnet sind. In diesem Fall ist der zwischen der Laseranordnung und dem Kühlmantel vorhandene Zwischenraum für den Kühlmanteltransport eines zweiten Kühlkreislauf vorgesehen.

Da die Lebensdauer der Anregungslichtquelle begrenzt ist, ergibt sich häufig die Notwendigkeit, sie auszuwechseln. Bei den vorerwähnten Laser .i ergeben sich jedoch besondere Schwierigkeiten beim Austausch der Anregungslichtquelle, die nicht zuletzt durch den kompakten Aufbau bedingt sind. Darüber hinaus erfordert der Austausch der Anregungslichtquelle ein Auftrennen des Kühlkreislaufes, was am Einsatzort des Lasers im allgemeinen sehr umständlich ist. Ein Ausströmen des Kühlmediums läßt sich praktisch nicht vermeiden. Außerdem werden als Folge eines solchen an Ort und Stelle vorgenommenen Austausches umfangreiche Justierarbeiten erforderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für flüssigkeitsgekühlte Laser der eingangs erwähnten Art eine weitere Lösung anzugeben, die unter Gewährleistung des kompakten Aufbaus die beim Austausch kurzlebiger Elemente, insbesondere der Anregungslichtquelle, bei bekannten Ausführungsformen dieser Art auftretenden geschilderten Schwierigkeiten vermeidet.

Ausgehend von einem Laser der eingangs genannten Art. wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Laser-Baueinheit und der Wärmeaustauscher jeweils ein eigenes separates Gehäuse aufweisen und zwei selbständige voneinander unabhängige Teilbaiugrupptn bilden, daß in der Wanojng des Wärmeaustauschergehäuses ein eigener, von dem Kühlkreislauf der Laser-Baueinheit unabhängiger zweiter geschlossener Kühlkreislauf vorgesehen ist und daß das Wärmeaustauschergehäuse mit jiner von diesem Kühlkreislauf umgebenen rohrförmigen Durchführung ausgebildet ist, in weichet zumindest der die Anregungslichtquelle, das stimulierbare Medium und den ersten geschlossenen Kühlkreislauf enthaltende, stabförmig ausgebildete Bereich der Laser-Baueinheit lösbar und in einem gut wärmeleitenden unmiltelbaren Kontakt mit der Innenwandung der Durchführung formschlüssig umfaßt ist.

Durch die Aufteilung des Lasers in zwei Baugruppen erreicht man unter Beibehaltung kompakten Aufbaus eine hohe Wartungsfreundlichkeit, da bei Defekt kurzlebiger Teile der Laser-Baueinheit, insbesondere der Anregungslichtquelle, die Laser-Baueinheit zusammen mit dem geschlossenen ersten Kühlkreislauf als eine selbständige erste Teilbaugruppe am Einsatzort ohne Auftrenniing der beiden Kühlkreisläufe ausgetauscht Werden kann. Da das Wärmeaustauschergehäuse den stabförmig ausgf Hldeten Bereich der Laser-Baueinheit umfaßt, übernimmt es deren Zentrierung im Rahmen der Gesamtanordnung, so daß der Austausch der Anregungslichtquelle nachtraglich keine Justierarbeiten erfordert.

Als Kühlmedium kann im wesentlichen jedes s beliebige Kühlmittel (auch Gas) verwendet werden. Vorzugsweise wird jedoch Wasser zur Anwendung kommen.

Eine besonders zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung ist die mechanische Trennung von Antriebsmotor und Laufrad der Umwälzvorrichtung. Das in der Kammer drehgelagert angeordnete Laufrad ist über eine Magnetfeldkupplung mit dem Drehfeld eines außen am Kammergehäuse lösbar angeordneten Antriebsmotors verbunden. Der besondere Vorteil dieser A.usgestaltung der Erfindung liegt darin, daß die Laser-Baueinheit mit geschlossenem erstem Kühlkreislauf ohne den Antriebsmotor ausgebaut werden kann.

In den geschlossenen Kühlkreislauf der ersten Teilbaugruppe ist zweckmäßig ein Ausgleichsgefäß für das Kühlmedium einbezogen, das a-'f einer Seite mit einer Membrane abgeschlossen ist. «sie gegen die Kraft einer Feder im Sinne einer Vergrößerung seines Fassungsvermögens bewegbar ist. Die Membrane ist zu einem im Betriebsstromkreis der Lasereinheit ar.geordneten Schalter erweitert, der beim Erreichen der zulässigen Höchsttemperatur entsprechend einem vorgegebenen maximalen Fassungsvermögen des Ausgleichsgefäßes die Betriebsspannungsversorgung für die Lasereinheit abschaltet.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.
In der Zeichnung bedeuten

Fig. 1 eine Laseranordnung mit einer ersten und einer zweiten Teilbaugruppe in schematischer Darstellung,

Fig.2 eine nähere Einzelheiten zeigende Teilbaugruppe im Längsschnitt,

Fig.3 eine stirnseitige Ansicht der miteinander vereinigten Teilbaugruppen mit einem Teilausschnitt der zweiten Teilbaugruppe.

^c i g. 1 stellt eine Gesamtansicht der Laseranordnung mit dem die zweite Teilbaugruppe bildenden aufgeklappten Wärmeaustauschergehäuse 2 und der die Laser-Baueinheit enthaltenden ersten Teiibaugruppe 1

■♦5 dar, und zwar nebeneinander. Das Wärmeaustauschergehäuse 2 weist eine rohrförmige Durchführung 3 auf und ist in einer die Achse der rohrförmigen Durchführung enthaltenden Schnittebene in zwei aufklappbare Teile 2a und 2b unterteilt, wobei der Klappenmechanismus nicht angegeben ist. Die Wandung des Wärmeaustauschergehäuses enthält ein miteinander verbundenes, nicht näher dargestelltes System von Kühlkanälen 4, das auf einer Seite in zwei Anschlußstutzen 5 für die Zu- und Abfuhr des Kühlmediums endet.

Die erste Teilbaugruppe 1 umfaßt die stabförmig ausgebildete Laser-Baueinheit, bestehend aus einem doppelwandigen zylindrischen Hohlspiegelgehäuse 6, in dessen Inneren die stabförmige Anregungslichtquelle 7 und das stimulie^rbare Medium 8 zueinander parallel angeordnet sind. Das zylindrische Hohlspiegelgehäuse 6 geht auf seiner einen Stirnseite in die Kammer 9 Über.

Der Innenraum der Kammer 9 mit dem Laufrad 10 einer Kreiselpumpe dient der Umlenkung und Umwälzung des Kühlmediums und ist über zwei Anschlüsse mit dem Inneren der Ls jcr-Baueinheit verbunden. Die erste Verbindung ist über ein durch die Kammerwandung geführtes Rohrstück 11 hergestellt, dessen eine Seite mit dem Innenraum des zylindrischen Hohlspiegelgehäuses

6 verbunden ist und dessen anderes Ende sich in Höhe der Ansaugseite des Laufrades 10 befindet. Die zweite Verbindung zwischen dem Innenfaum der Kammer 9 und dem Inneren der Laser-Baueinheit ist eine konzentrisch zur Rohrdurchführung 12 in der Kammerwandung angeordnete Ringöffnung 13.

Die geometrische Anordnung des Kühlmediumkanals bedingt, daß das Kühlmedium aus der Kammer 9 durch die Ringöffnung 13 in den Raum zwischen Innen- und Außenzylinder des doppelwandigen zylindrischen Hohl- ίο spicgelgehäuses 6 fließt, am anderen Ende der stabförmigen Laser-Baueinheit umgelenkt und im Innenraum des zylindrischen Hohlspiegelgehäuses 6 an Anregungslichlqüelle 7 einschließlich seiner Elektroden 14 und am Stirnulierbaren Medium 8 in Längsrichtung — 's Pfeile — vorbeigeführt wird und schließlich über das baren Mediums 8 Und der stabförmigen Anregungslichtquellc 7.

Wie der Längsschnitt der ersten Teilbaugruppe nach F i g. 2 erkennen läßt, ist in den Kühlkreislauf der ersten Teilbaugruppc 1 ein Aüsglcichsgcfäß 18 einbezogen, das an der Kammer 9 der Motorscite gegenüber angeordnet ist und dessen als Membrane 19 ausgeführter Boden bei Erhöhung der Betriebstemperatur und der damit verbundenen Volumenvergrößerung des Kühlmediums einen Kolben 20 gegen die Kraft einer Feder 21 so bewegt, daß bei einer vorgegebenen Höchsttemperatur des Kühlmediums ein im Bclriebsstromkrcis der Lascreinheil angeordneter Schalter 22 die Spannungsversorgung der Lasereinheit unterbricht.

In Fig.3 sind die zwei miteinander vereinigten Teilbaugruppen stirnscitig dargestellt, wobei eines der vutiii stittV^h f»ln CpkarniAr OI tn'itt*inanrie*r uprKlinHpnpn

in die Kammer 9 gelangt. Das Laufrad 10 der Kreiselpumpe wird mit Hilfe des außen am Kammergehäuse lösbar angeordneten Antriebsmotors 15 über eine Magnetfcldkupplung 16 angetrieben.

Fig.2 enthält einen Längsschnitt der ersten Teilbaugruppe, deren doppelwandigcs zylindrisches Hohlspiegelgehäuse 6 aus zwei zueinander konzentrisch angeordneten Metallzylindcrn 6a, 6b besteht, die durch stirnseitige Abschlüsse 17, 17a gegeneinander fixiert sind. Gleichzeitig dienen diese stirnseitigen Abschlüsse der endseitigen Halterung des stabförmigen stimulierTeile des Wärmeaustauschers 2 geringfügig ausgeschwenkt ist. Das Scharnier 23, durch das die beiden Teile 2a und 2b des Wärmeaustauschergehäuses 2 auseinanderklappbar sind, stellt ein Rohrscharnier dar, das seinerseits Teil der in die Wandung des Wärmeaustauschergehäuses eingelassenen Kühlkanäle ist und mit dem einen der beiden Anschlußstutzen 5 in unmittelbarer Verbindung sieht. Wie ferner der Teilausschnitt des Teils 21 erkennen läßt, sind die Kühlkanäle durch eine Anordnung von Innenstegen 4a realisiert.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Laser mit einem Kühlsystem zur Ableitung der durch die Anregungslichtquelle erzeugten Verlustwärme, das einen geschlossenen Kühlkreislauf aufweist und mit der Anregungslichtquelle und dem stimulierbaren Medium zu einer Laser-Baueinheit vereinigt und innerhalb eines als Wärmeaustauscher ausgebildeten Gehäuses angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Laser-Baueinheit (1) und der Wärmeaustauscher jeweils ein eigenes separates Gehäuse (6 bzw. 2) aufweisen und zwei stelbständige voneinander unabhängige Teilbaugruppen bilden, daß in der Wandung des Wärmeaustauschergehäuses (2) ein eigener, von dem Kühlkreislauf der Laser-Baueinheit (1) unabhängiger zweiter geschlossener Kühlkreislauf (4) vorgesehen •St und daß das Wärmeaustauschergehäuse (2) mit finer von d'-ssem Kühlkreislauf umgebenen rohrförmigen Durchführung (3) ausgebildet ist, in welcher tumindest der die Anregungslichtquelle (7), das Itimulierbare Medium (8) und den ersten geschlossenen Kühlkreislauf enthaltende, stabförmig ausgebildete Bereich der Laser-Baueinheit (1) lösbar und in einem gut wärmeleitenden unmittelbaren Kontakt gnit der Innenwandung der Durchführung (3) formschlüssig umfaßt ist.

2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeaustauschergehäuse (2) in einer die Achse der rohrförmigen Durchführung (3) enthaltenden Schnittebene in zwei Teile (2a, 2b) Unterteilt ist.

3. Laser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der in Jer Wandung des V/ärmeaustauschergehäuses (2) enthaltene zweite Kühlkreislauf aus einem miteinander verbundenen System von Kühlkanälen (4) besteht, das auf einer Seite in zwei Anschlußstutzen (5) für die Zu- und Abführung des Kühlmediums endet.

4. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich an die eine Stirnseite des stabförmig ausgebildeten Bereiches der Laser-Baueinheit (1) eine Kammer (9) mit llmwälzvorrichtung anschließt, die zusammen mit dem Innenraum der Laser-Baueinheit (1) und dem die Kammer (9) und diesen Innenraum ausfüllenden Kühlmedium den ersten geschlossenen Kühlkreislauf bildet.

5. Laser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Laser-Baueinheit (1) ein zylindrisches Hohlspiegelgehäuse (6) aufweist, in dessem Inneren die Anregungslichtquelle (7) und das stimulierbare Medium (8) zueinander parallel angeordnet sind.

6. Laser nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Llmwälzvorrichtung ein in der Kammer (9) drehgelagert angeordnetes Laufrad (10) ist, das über eine Magnetfeldkupplung (16) mit dem Drehfeld eines außen am Kammergehäuse lösbar angeordneten Antriebsmotors (15) im Eingriff steht.

7. Laser nach einem der vorhergehenden Anspnl· ehe, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeaus^ lauschergehäüse (2) ausschließlich den stabförmig ausgebildeten Bereich der Laser-Baueinheit (1) umfaßt.

8. Laser nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das zylindrische Hohlspiegel-

gehäuse (6) doppelwandig ausgeführt ist, daß der Zwischenraum zwischen Außenwand (6a^ und Innenzylinder (6b) der Führung des Kühlmediums in der einen Richtung und der Innenraum des zylindrischen Hohlspiegelgehäuses (6) der Führung des Kühlmediums in der Gegenrichtung dient und daß hierzu die Kammer (9) mit dem zylindrischen Hohlspiegelgehäuse (6) über eine Ringöffnung (13) mit dem Zwischenraum und über ein durch die Kammerwandung innerhalb der Ringöffnung (13) hindurchgeführtes Rohrstück (11) mit dem Innenraum des zylindrischen Hohlspiegelgehäuses (6) verbunden ist und das Rohrstück (11) in Höhe des Laufrades (10) endet, und daß der Innenraum des zylindrischen Hohlspiegelgehäuses (6) an dem der Kammer (9) fernen Ende zu einer weiteren mit dem Zwischenraum in Verbindung stehenden Kammer für die Umlenkung des Kühlmediums gestaltet ist.

9. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem ersten geschlossenen Kühlkreislauf der Laser-Baueinheit (1) ein Ausgleichsgefäß (18) für das Kühlmedium einbezogen ist, das auf einer Seite mit einer Membrane (19) abgeschlossen ist, die gegen die Kraft einer Feder (21) im Sinne einer Vergrößerung seines Fassungsvermögens bewegbar ist und daß die Membrane zu linem im Betriebsstromkreis der Lasereinheit angeordneten Schalter erweitert ist.