DE3536746A1 - Vorrichtung zum kuehlen eines reflexionsspiegels - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühlvorrichtung für einen Reflexionsspiegel und mehr insbesondere auf eine Vorrichtung zum Kühlen eines Reflexionsspie­ gels der dem Reflektieren eines Laserstrahles dient.

In einer Laservorrichtung, insbesondere einem Laser­ gerät mit Hochleistungsausgang wird ein Reflexionsspie­ gel zum Reflektieren des Laserstrahles durch den Laser­ strahl erheblich erwärmt. Daher ist es notwendig, den Reflexionsspiegel zu kühlen. Bisher hat man den Refle­ xionsspiegel dadurch gekühlt, daß eine Kühlwasserpassa­ ge in der Nähe des Reflexionsspiegels vorgesehen wurde oder daß der Reflexionsspiegel direkt mit Luft angebla­ sen wurde. Bei diesen Kühlvorrichtungen ist jedoch die Kühlkapazität unzureichend und es bestand ein Bedürfnis, die Kühlkapazität zu verbessern.

Die JP-OS 1 42 520/1984 offenbart eine Kühlvorrichtung zum Kühlen einer Kondensorlinse zum Konvergieren eines Laser­ strahls. Bei dieser Vorrichtung wird ein poröses Teil aus gesintertem Metall od.dgl. mit hoher thermischer Leitfähig­ keit in Berührung mit dem Außenumfang der Kondensorlinse gehalten. Das Kühlen erfolgt dadurch, daß das Kühlmedium durch das poröse Teil strömt. Im Zusammenhang damit wäre es möglich, ein poröses Teil auf der Rückseite des Refle­ xionsspiegels zu halten, d.h. auf der Seite, die der Re­ flexionsfläche entgegengesetzt ist, so daß Kühlluft durch das poröse Teil zum Außenumfang desselben strömen kann, um den Reflexionsspiegel zu kühlen.

Jedoch lediglich durch das Halten des porösen Teils in Berührung mit dem Reflexionsspiegel, damit Luft durch das poröse Teil strömen und zum Reflexionsspiegel gelangen kann, strömt ein großer Teil der Kühlluft vom Randbereich, welcher der Strömung den geringsten Widerstand bietet, durch das poröse Teil zu dessen Außenumfang. Daher wird im Mittelabschnitt des Reflexionsspiegels, wo der Laser­ strahl reflektiert wird, und wo in erheblichem Maße Wärme entsteht, nur eine unzureichende Kühlung hervorgerufen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Kühlen eines Reflexionsspiegels der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine große Kühlkapazität hat und die in der Lage ist, insbesondere den Mittelabschnitt des Refle­ xionsspiegels, an dem der Laserstrahl reflektiert wird, ausreichend zu kühlen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Halter, ein vom Halter aufgenommener, einen Laserstrahl reflektierender Spiegel und ein vom Halter ebenso aufge­ nommenes poröses Teil vorgesehen ist, daß das poröse Teil ein Kühlmedium durchläßt, und eine hohe thermische Leit­ fähigkeit hat, daß das poröse Teil mit der Rückseite des Reflexionsspiegels, die der Reflexionsfläche des Laser­ strahls entgegengesetzt ist, in Berührung steht, daß das poröse Teil eine Bohrung aufweist, die mit der Mitte der Reflexionsfläche zusammenfällt, an der der Laserstrahl re­ flektiert wird, und an der dem Reflexionsspiegel entgegen­ gesetzte Seite offen ist, daß weiterhin ein Strömungsmit­ telkanal für das Zuführen des Kühlmediums in die Bohrung des porösen Teils und eine Abgabepassage für das Abgeben des Kühlmediums vorgesehen ist, nachdem dieses von der Bohrung des porösen Teils durch das poröse Teil durch dessen Umfang geströmt ist.

Mit diesem konstruktiven Aufbau ist es möglich, einen aus­ reichenden Wärmeübergang zwischen dem durch das poröse Teil strömenden Kühlmedium und dem damit in Berührung stehenden Reflexionsspiegel zu erzielen, um die Kühlkapazität zu ver­ bessern, während gleichzeitig die Strömung des Kühlme­ diums zum reflektierenden Teil des Reflexionsspiegels dort­ hin verstärkt wird, wo die meiste Wärme durch den Laser­ strahl erzeugt wird. Der reflektierende Abschnitt des Re­ flexionsspiegels kann so ausreichend gekühlt werden.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den Zeichnungen rein schematisch dargestellten Ausführungsbei­ spiele. Es zeigt:

Fig. 1 eine Schnittansicht mit der Darstellung einer Aus­ führungsform der Erfindung und

Fig. 2 eine Schnittansicht mit der Darstellung einer ande­ ren Ausführungsform der Erfindung.

In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 eine Halterung mit einem dreieckigen Querschnittprofil. An zwei Seiten dieses Profils sind hohle zylindrische Teile in einem vor­ bestimmtem Winkel zueinander befestigt, wobei diese zylin­ drischen Teile Laserstrahlwege 2 und 3 für einen Laser­ strahl L bilden. Auf der verbleibenden Seite der Halterung 1 ist ein im wesentlichen zylindrischer Halter 5 ange­ bracht. Der Halter 5 ist lose auf ein Dichtungsglied 4 aufgesetzt, welches hermetisch mit der Halterung 1 ge­ kuppelt ist. Der Halter 5 weist einen Stützabschnitt 5 a auf, welcher rechts angeordnet ist und radial nach innen verläuft. Der Stützabschnitt 5 a trägt den Rand einer Re­ flexionsfläche eines Reflexionsspiegels 6, welcher vom Halter 5 aufgenommen ist.

Der Spiegel 6 reflektiert den Laserstrahl L, welcher ent­ lang der Achse des Laserstrahlweges 2 einfällt in eine Richtung, die mit der Achse des anderen Laserstrahlweges 3 zusammenfällt. Um den Laserstrahl genau zu reflektieren, ist ein nicht dargestellter Einstellmechanismus vorgesehen, um den Neigungswinkel des Halters 5 hinsichtlich der Halterung 1 einzustellen.

In Berührung mit der Rückseite des Spiegels 6 befindet sich ein scheibenähnliches poröses Teil 7, beispielsweise be­ stehend aus gesintertem Kupfer od.dgl. Metall mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit. Das poröse Teil 7 ist für Kühlluft durchlässig. Der Spiegel 6 und das poröse Teil 7 sind mittels eines Stopfens 8 am Halter 5 befestigt, wobei der Stopfen 8 an der Rückseite des porösen Teils 7 angeord­ net und im Halter 5 befestigt ist. Ein Dichtungsglied 9 ist in einem Raum im Randbereich zwischen dem porösen Teil 7 und dem Stopfen 8 angeordnet.

Das poröse Teil 7 weist eine Bohrung 10 auf, die mit der Mitte des Spiegels 6 zusammenfällt, an dem der Laserstrahl L reflektiert wird. Die Bohrung 10 ist an der dem Spie­ gel 6 entgegengesetzten Seite offen. Bei dieser Ausfüh­ rungsform ist die Bohrung 10 als abgestufte Bohrung mit einem Abschnitt reduzierten Durchmessers auf der Seite des Spiegels 6 ausgebildet. Der Stopfen 8 weist einen Kühlluftkanal 11 auf, welcher koaxial mit der Bohrung 10 ausgebildet ist. Der Kühlluftkanal 11 steht über eine nicht dargestellte Leitung mit einer Kühlluftquelle in Verbindung, wobei diese Leitung an den Stopfen 8 ange­ schlossen ist. Die Kühlluft kann von der Kühlluftquelle einem Spalt oder Raum 12 zugeführt werden, welcher sich zwischen dem porösen Teil 7 und dem Stopfen 8 befindet und durch das Dichtungsglied 9 begrenzt ist. Die Kühl­ luft kann auch in die Bohrung 10 gelangen. Die abge­ stufte Bohrung 10 kann als solche im porösen Teil 7 aus­ gebildet sein, welches als einstückiges Teil dargestellt ist. Alternativ kann das poröse Teil 7 aus drei Schich­ ten bestehen, die miteinander verklebt sind, wobei die dem Spiegel 6 am nächsten liegende Schicht mit keiner Bohrung und die anderen beiden Schichten mit Löchern verschiedenen Durchmessers auf der Seite des Stopfens 8 versehen sind.

Der Innenumfang des Halters 5 ist mit einer Ringausneh­ mung oder Ringnut 15 versehen, die den Außenumfang des porösen Teils 7 und des Spiegels 6 innerhalb deren Brei­ ten umgibt. Der Halterinnenumfang ist ebenso mit einer Vielzahl von Axialnuten 16 versehen, die mit der Ring­ nut 15 in Verbindung stehen und bis zur Reflexionsfläche des Spiegels 6 verlaufen. Der Innenumfang des Stütz­ abschnittes 5 a , welcher den Rand der Reflexionsfläche des Spiegels 6 abstützt, d.h. die den Spiegel 6 berühren­ de Fläche, ist mit einer Vielzahl von Radialnuten 17 versehen, die mit den Axialnuten 16 in Verbindung stehen.

Bei diesem Aufbau strömt im Kühlluftkanal 11 des Stopfens 8 zugeführte Kühlluft durch den Kanal 11 in den Raum 12 und die Bohrung 6 des porösen Teils 7. Vom Raum 12 und der Bohrung 10 fließt die Kühlluft durch das poröse Teil 7 in die radial äußere Ringnut 15. Die in die Ringnut 15 strö­ mende Kühlluft fließt entlang den Axialnuten 16 und dann entlang den Radialnuten 17, die im Halter 5 ausgebildet sind und nachfolgend entlang der Reflexionsfläche des Spiegels 6 zur Mitte desselben, um in die Laserstrahlwe­ ge 2 und 3 zu gelangen.

Das poröse Teil 7, welches mit dem Spiegel 6 in Berührung steht, besteht aus einem Material hoher thermischer Leit­ fähigkeit, beispielsweise Kupfer od.dgl. Metall. Kühlluft kann durch dieses poröse Teil fließen. So kann die Wärme des Spiegels 6 ausreichend zum porösen Teil 7 überführt werden und es wird ein ausreichender Wärmeübergang zwi­ schen dem porösen Teil 7 und der Kühlluft verwirklicht, und zwar dank des großen Berührungsbereiches zwischen dem porösen Teil 7 und der Kühlluft. Der Spiegel 6 kann so wirk­ sam durch die Kühlluft gekühlt werden.

Weiterhin ist das poröse Teil 7 mit der Bohrung 10 verse­ hen, welche mit der Mitte O des Spiegels 6 zusammenfällt, an dem der Laserstrahl L reflektiert wird. Wenn die Boh­ rung 10 nicht vorgesehen ist, besteht eine Neigung dahin­ gehend, daß der größte Anteil der in den Spalt 12 gelangen­ den Kühlluft entlang dem Außenumfang des porösen Teils 7 in die Ringnut 15 fließt, da dieser Bereich der Strömung den geringsten Widerstand bietet. Daher wird insbesondere die Mitte O der Reflexionsfläche, an der der Laserstrahl reflektiert wird, und welcher durch den Laserstrahl in erster Linie erwärmt wird, nicht ausreichend gekühlt. Mit der vorgesehenen Bohrung 10 wird der Widerstand des zen­ tralen Abschnittes des porösen Teils 7 gegenüber der Strö­ mung reduziert, um den Strom der Kühlluft in diesen Bereich zu verstärken. So kann insbesondere der Mittelabschnitt der Reflexionsfläche entsprechend den vorstehenden Aus­ führungen wirksam gekühlt werden.

Weiterhin hat die Kühlluft, die von den Radialnuten 17 entsprechend der vorstehenden Erläuterung entlang der Reflexionsfläche des Spiegels 6 in Richtung auf die Mit­ te strömt, eine Wirkung dahingehend, daß Staub daran ge­ hindert wird, auf die Reflexionsfläche zu gelangen und dort anzuhaften. Außerdem wird die Kondensation von Feuchtigkeit an der Reflexionsfläche verhindert. So kann die Reflexionsfläche für einen langen Zeitraum sauber ge­ halten werden. Das den Laserstrahlwegen 2 und 3 zugeführ­ te Kühlmedium erhöht den Innendruck desselben über den atmosphärischen Druck. Dies hat eine Wirkung dahingehend, daß Staub aus der Atmosphäre nicht in die Laserstrahlwege 2 und 3 gelangen kann.

Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist das poröse Teil 7′ mit einer konischen Bohrung 10′ versehen, welche sich in Rich­ tung auf den Spiegel verjüngt.

Der Rest des Aufbaus entspricht vollständig dem der zu­ vor im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen Ausführungs­ form, so daß in beiden Figuren gleiche Teile mit den­ selben Bezugszeichen versehen sind. Bei dieser Ausführungs­ form werden dieselben Wirkungen erzielt, wie bei der Aus­ führungsform gemäß Fig. 1.

Die im porösen Teil ausgebildete Bohrung kann eine Durch­ gangsbohrung sein, die die Rückseite des Spiegels er­ reicht. Die Nuten 16 und 17 sind nicht wesentlich und kön­ nen weggelassen werden.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum Kühlen eines Reflexionsspiegels (6), dadurch gekennzeichnet, daß ein Hal­ ter (5), ein vom Halter aufgenommener, einen Laserstrahl (L) reflektierender Spiegel (6) und ein vom Halter ebenso aufgenommenes poröses Teil (7) vorgesehen ist daß das porö­ se Teil ein Kühlmedium durchläßt und eine hohe thermische Leitfähigkeit hat, daß das poröse Teil mit der Rückseite des Reflexionsspiegels, die der Reflexionsfläche des Laser­ strahles entgegengesetzt ist, in Berührung steht, daß das poröse Teil eine Bohrung (10; 10′) aufweist, die mit der Mitte (O) der Reflexionsfläche zusammenfällt, an der der Laserstrahl reflektiert wird, und an der dem Reflexionspie­ gel entgegengesetzten Seite offen ist, daß weiterhin ein Strömungsmittelkanal (11) für das Zuführen des Kühlmediums in die Bohrung des porösen Teils und eine Abgabepassage (15, 16, 17) für das Abgeben des Kühlmediums vorgesehen ist, nachdem dieses von der Bohrung des porösen Teils durch das poröse Teil durch dessen Umfang geströmt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halter (5) einen radial nach innen ragenden Stütz­ abschnitt (5 a) zum Abstützen des Randes der Reflexions­ fläche des Reflexionsspiegels (6) aufweist, daß die Abgabe­ passage (15, 16) das poröse Teil (7) und den Reflexions­ spiegel (6) innerhalb deren Breite der Außenumfänge umgibt und aus einer im Innenumfang des Halters (5) ausgebildeten Ringnut (15), ebenfalls im Innenumfang des Halters (5) aus­ gebildeten Axialnuten (16), die mit der Ringnut (15) in Ver­ bindung stehen und zu einer Stelle verlaufen, die der Refle­ xionsfläche des Reflexionsspiegels entspricht und Radial­ nuten (17) besteht, die im Stützabschnitt (5 a) ausgebildet sind und mit den Axialnuten (16) in Verbindung stehen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Bohrung (10) eine Sackbohrung ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung eine abgestufte Bohrung (10) ist, deren Abschnitt kleineren Durchmessers an der Seite des Refle­ xionsspiegels ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Bohrung eine konisch sich verjüngende Bohrung (10′) ist, deren Durchmesser in Richtung auf den Reflexionsspiegel (6) sich verjüngt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß das poröse Teil aus gesintertem Metall besteht.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmedium Luft ist.