DE3734540A1 - Vorrichtung fuer einen modularen leistungs-laser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Hauptanspruch. Ein solcher Laser ist durch Vertrieb in der Bundesrepublik Deutschland vorbekannt.

Er entspricht in vielerlei Hinsicht der Offenbarung aus der DE-OS 34 22 525.0-33. Die Energie am Ausgang eines solchen Lasers hängt davon ab, wieviel HF-Energie dem Gas zugeführt wird und hängt von der Menge des zugeführten Gases ab. Wie bekannt, verbraucht sich das Gas. Es wurde versucht, die Leistung von 1,5 kW auf 3 kW anzuheben, indem doppelt soviel HF-Energie zugeführt wurde und der Gasdurchsatz verdoppelt wurde. Man erreichte jedoch bei weitem nicht das Doppelte, sondern wesentlich weniger. Man könnte nun den Heliumanteil des Gasgemisches erhöhen. Bekanntlich besteht das Gasgemisch aus etwa 10% CO₂, 20% N₂ und 70% He. Dies hätte bedeutet, daß man den Heliumanteil z.B. auf 90% hätte erhöhen müssen. Aus bestimmten Gründen kam dies nicht in Frage. Ebenso kam nicht in Frage, zu einer anderen Sorte von Kühlung zu greifen, z.B. Stickstoff-Kühlung.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung gemäß dem Hauptanspruch anzugeben, die es gestattet, unter Beibehaltung der im wesentlichen gleichen Prinzipien die Leistung eines Lasers aufgrund einfacher Maßnahmen zu erhöhen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die aus dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs ersichtlichen Merkmale gelöst. Damit entfallen auch die relativ schwierig anzubringenden, schräg verlaufenden Gasversorgungsleitungen in den Flanschvorrichtungen. Die Flanschvorrichtungen werden auch erheblich leichter. An der seitherigen symmetrischen Zufuhr des Gases zu den Flansch­ vorrichtungen ändert sich nichts. Man kann nun die Gaszusammensetzung belassen, kann dielektrische Einzelrohre mit dem seitherigen Innendurch­ messer verwenden, braucht sie nicht zu verlängern, benötigt keine neue Art von Kühlung für das Gas, und wenn man die HF-Energie verdoppelt und den Gasdurchsatz verdoppelt, erhält man auch im wesentlichen die doppelte Laserleistung. Die großvolumige Kammer herzustellen kostet im Verhältnis zu anderen Änderungen nahezu nichts. Anscheinend wirkt die großvolumige Kammer als Druckausgleich, so daß überall in ihr der gleiche Druck herrscht. Außerdem herrscht in ihr im wesentlichen derjenige Druck, der an den Enden der Gas-Zufuhranschlüsse herrscht, und an den Gas-Abfuhranschlüssen herrscht offensichtlich praktisch der Druck, der am Ausgang der stromab gelegenen Fassungsbohrungen herrscht. Das Gas kann sich wohl in der großvolumigen Kammer beruhigen und von ihr aus in günstiger Weise in die dielektrischen Einzelrohre strömen als auch kann sich das Gas aus den dielektrischen Einzel­ rohren leicht in die großvolumigen Kammern entleeren.

Die Gaszuführung ist ja stets so, daß zu manchen Flanschvorrichtungen das Gas zugeführt wird. In denjenigen Flanschvorrichtungen, in denen das Gas abgezogen wird, trifft sich dann die doppelte Gasmenge, und hier ist es besonders notwendig, die großvolumige Kammer vorzusehen.

Durch die Merkmale des Anspruchs 2 erreicht man, daß ohne zusätzliche Krümmungen das Gas von der Kammer in die Einzelrohre fließen kann.

Durch die Merkmale des Anspruchs 3 erreicht man, daß man die Kammern einerseits leicht herstellen aber andererseits auch leicht nach außen hin gasdicht machen kann. Insbesondere kann man dann die Kammer durch Zapfenfräser herstellen, die einen relativ großen Radius haben, wobei die Viertels-Radien, die wegen der Kontur des Zapfenfräsers stehenbleiben, die sonst vorhandenen toten Ecken vermeiden. Die Viertels-Radien sind auch in bezug auf mechanische Spannungen günstiger, denn bei rechtwinkligen Ecken konzentrieren sich die Spannungen in der Ecke.

Insbesondere bei den Vorrichtungen nach Anspruch 4 ist die Erfindung wichtig. Die End-Flanschvorrichtungen erhalten ja wegen der Kühlung der Spiegel stets Gas zugeführt, d.h. die einfache Gasmenge. Bei manchen der Zwischen-Flanschvorrichtungen fällt jedoch abströmenderweise die doppelte Gasmenge an und besonders dort sind die Kammern notwendig.

Durch die Merkmale des Anspruchs 5 erreicht man sowohl einen Rationalisierungs­ effekt als auch einen besseren Temperaturverlauf des Gases. Wenn die gas­ zuführenden Kammern gleich groß sind wie die gasabführenden Kammern, dann sind natürlich scheinbar die gaszuführenden Kammern überdimensioniert. Dies führt jedoch dazu, daß sich das Gas auf der Zuführungsseite nicht so erwärmt, was immer der Fall ist, wenn Gas gegen einen Widerstand komprimiert wird. Zum Beispiel bleiben dann auch die Spiegel oder dergleichen kühler.

Durch die Merkmale des Anspruchs 6 erreicht man eine Vereinfachung in der Kammerherstellung. Es hat sich gezeigt, daß es nicht notwendig ist, den Boden als Leitfläche zur Gasführung auszunützen, d.h. ihn keilförmig zu den Gasanschlüssen hin ansteigen zu lassen. Vielmehr bringen die Kammern trotz des ebenen Bodens den gewünschten Effekt, und außerdem spart man hierdurch auch Gewicht.

Durch die Merkmale des Anspruchs 8 erreicht man auch eine symmetrische Wärmeverteilung, was der mechanisch gleichmäßigen Beanspruchung des Laseraufbaus guttut.

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 die Seitenansicht eines Lasers, bestehend aus vier Segmenten, jedoch ohne Kühlvorrichtung und HF-Zuführvorrichtung,

Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht des rechten Bereichs aus Fig. 1,

Fig. 3 eine Ansicht der linken Zwischen-Flanschvorrichtung von Fig. 2 mit abgenommenem Deckel, teilweise aufgebrochen, und rechts abmontierten Fassungsflanschen,

Fig. 4 eine Ansicht auf die Fig. 3 von links.

Ein Laser gemäß Fig. 1 hat eine linke End-Flanschvorrichtung 11, eine rechte End-Flanschvorrichtung 12 und drei Zwischen-Flanschvorrichtungen 13, 14 und 16. Links an der End-Flanschvorrichtung 11 ist ein Gehäuse 17 für einen 45°-Spiegel und ein Gehäuse 18 für einen 180°-Spiegel vorgesehen. Rechts an der End-Flanschvorrichtung 12 ist ein Gehäuse 19 für einen 180°- Spiegel und ein Gehäuse 21 für einen 45°-Spiegel vorgesehen. Der Laser ruht auf einem nicht dargestellten Grundgestell, das einen Wärmetauscher und eine Gaspumpe umfaßt. Über Zufuhrleitungen 22 wird den End-Flanschvorrichtungen 11, 12 und der Zwischen-Flanschvorrichtung 14 gekühltes, unverbrauchtes Gas zugeführt. Diesen Flansch-Vorrichtungen 11, 14, 12 wird durch in dieser Ansicht nicht sicht­ bare Zufuhrleitungen Gas symmetrisch von rückwärts zugeführt. Aus den Zwischen-Flanschvorrichtungen 13, 16 wird über Abfuhrleitungen 23 verbrauchtes Gas abgezogen. Die Abfuhrleitung 23 ist in Fig. 4 nur gestrichelt dargestellt. Die symmetrische Abfuhrleitung 24 ist abgebrochen dargestellt. Zwischen den Flanschvorrichtungen erstrecken sich dielektrische Einzelrohre 26 und zwar jeweils vier längs der geometrischen Mittenachse 27 des Lasers. Die Einzelrohre 26 sind jeweils als Vierergruppe angeordnet. Gemäß Fig. 4 sind rechts und links (wie auch in allen anderen Flanschvorrichtungen) linke Fassungsbohrungen 29 und rechte Fassungsbohrungen 31 vorgesehen. Die linken Fassungsbohrungen fluchten in senkrechter Richtung und ebenso die rechten Fassungsbohrungen 31. Außerdem fluchten die oberen linken und rechten Fassungsbohrungen 29, 31 und die unteren rechten und linken Fassungsbohrungen 29, 31. Koaxial zur geo­ metrischen Mittenachse 27 ist in den Zwischen-Flanschvorrichtungen 13, 14, 16 eine Durchgangsbohrung 32 vorgesehen, durch die ein im Durchmesser großes Tragrohr 33 hindurchgeht. Die End-Flanschvorrichtung 11 hat nur auf ihrer rechten Seite und die End-Flanschvorrichtung 12 hat nur auf ihrer linken Seite eine solche koaxiale Bohrung, die jedoch keine Durchgangsbohrung ist, und dort die Endbereiche des Tragrohrs 33 aufnimmt. Vor jede Fassungsbohrung 29, 31 und koaxial mit dieser fluchtend ist eine Flansch-Scheibe 34 aufgeschraubt, die koaxial um ihre Mittenöffnung 36 einen Dichtring 37 in einer Einstichnut eingebettet hat. Auf der Rückseite hat die Flanschscheibe 34 einen gleichen Dichtring, so daß die Flanschscheibe 34 nach vorne und hinten dicht ist.

Die Flanschscheibe 34 allein sieht man in Fig. 4 rechts unten. Links oben in Fig. 4 ist sie durch eine angeschraubte Eckscheibe 38 abgedeckt, deren Mittenöffnung 39 wenig größer als die Mittenöffnung 36 ist. Koaxial zur geometrischen Mittenachse 27 und damit auch zur Durchgangsbohrung 32 befindet sich auf beiden Seiten der Zwischen-Flanschvorrichtung 16 ein Tragrohrflansch 41, 42, der gemäß Fig. 4 quadratischen Umriß hat und hoch­ kant steht. Durch die Tragrohrflansche 41, 42 werden die Flanschvorrichtungen am durchgehenden Tragrohr 33 befestigt. Natürlich haben die End-Flanschvor­ richtungen 11 und 12 nur auf den einander zugewandten Flächen solche Flansch­ scheiben 34, Deckscheiben 38 und Tragrohrflansche.

Die Zwischen-Flanschvorrichtungen 16, die stellvertretend für die anderen Flanschvorrichtungen genauer beschrieben wird, umfaßt einen Quadrat-Kubus­ förmigen Aluminiumblock 43. Er hat eine Kantenlänge von 23 cm und ist 9 cm dick. Von diesen Maßen ausgehend sind die Fig. 3 und 4 maßstäblich. Der Aluminiumblock 43 hat eine linke, ebene, senkrechte, glatte Fläche 44 und eine ebensolche rechte Fläche 46, wobei die Flächen 44, 46 in senk­ rechter Richtung parallel zueinander sind. In diese Flächen 44, 46 hinein ist jeweils eine linke Kammer 47 und eine rechte Kammer 48 gearbeitet. Die Böden 49, 51 verlaufen eben und senkrecht. Die Böden 49, 51 liegen einerseits so tief, daß sie nach innen zu über die Fassungsbohrungen 29, 31 hinausreichen, wie Fig. 4 rechts oben besonders deutlich zeigt. Andererseits reichen sie jedoch nicht so tief, als daß sie die Durchgangsbohrung 32 schneiden würden. Zwischen den Böden 49, 51 und der Durchgangsbohrung 32 bleibt noch eine erhebliche Materialbrücke 52 stehen. Damit münden recht­ winklig und mit maximalem Durchmesser die linken Fassungsbohrungen 29 in die linke Kammer 47 und die rechten Fassungsbohrungen 31 in die rechte Kammer 48. Die obere Seitenwand 52, 53 jeder Kammer 47, 48 fluchtet der Höhe nach und verläuft horizontal und eben. Sinnentsprechend das gleiche gilt für die unteren Seitenwände 54, 56. Sie verlaufen unterhalb der Fassungs­ bohrungen 29, 31, so daß diese unbehindert an die Kammervolumen ange­ schlossen sind. Die Seitenwände 57, 58 verlaufen bei jeder Kammer im wesent­ lichen senkrecht mit Ausnahme von bogenförmigen Umfahrungen 59 von Gewindebohrungen 61. Damit können die Gewindebohrungen 61 relativ nahe an das Volumen der Kammern herangeführt werden, was eine bessere Befestigungsmöglichkeit für Deckel 62 ergibt. Gemäß Fig. 3 ist die Gesamt­ breite der Kammer 48 im Bereich der halben Dicke des Aluminiumblocks 43, so daß nach außen zu noch genügend Material zu Steifigkeitszwecken übrig­ bleibt.

Die zu beiden Seiten des Aluminiumblocks 63 vorgesehenen Deckel 62 haben einen Umriß gemäß der rechteckigen Fläche 46 und sind dort mittels oberer Schrauben 63, unterer Schrauben 64 und einer nicht dargestellten Dichtung im Deckel 62 großflächig und gasdicht befestigt. In die Gewindebohrung 61 sind vier mittlere Schrauben 66 eingeschraubt, die nicht nur den Deckel 62 gegen die Fläche 46 pressen, sondern auch noch einen Flansch 67 halten, der die Abflußleitung 24 in ihrem Endbereich faßt. Der Deckel 62 hat in Fort­ setzung der Abfuhrleitung 24 eine zentrale Mittenbohrung 68. Es kann daher in der eingangs erläuterten günstigen Weise das Gas aus den Einzelrohren 26 in die Fassungsbohrungen 29, 31 einströmen, sich in den Kammern 47, 48 unter gleichem Druck beruhigen und aus der Mittenbohrung 68 in die Abfuhr­ leitung 24 abströmen, wonach es zum Wärmetauscher und der Gaspumpe gelangt.

Beim Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 herrschen in den Zwischen-Flansch­ vorrichtungen 13, 16 für das Gas Abfuhrverhältnisse und in den Flanschvor­ richtungen 11, 14 und 12 herrschen Zufuhrverhältnisse.

In Wirklichkeit sind die Abfuhrleitungen 23, 24 im Querschnitt doppelt so groß wie die Zufuhrleitungen 22.

Claims (8)

1. Vorrichtung für einen längsgeströmten modularen CO₂-Laser
mit mindestens einem kW Ausgangsleistung,
mit metallischen End-Flanschvorrichtungen an den beiden Enden des Lasers und mit mindestens einer metallischen Zwischen-Flanschvorrichtung am Übergang vom einen Modul zum anderen Modul,
mit dielektrischen Einzelrohren zwischen den End-Flanschvorrichtungen und der Zwischen-Flanschvorrichtung, wobei die Endbereiche der Einzel­ rohre in stirnseitigen Fassungsbohrungen der Flanschvorrichtungen gefaßt sind,
mit flankenseitigen Gas-Zufuhranschlüssen an manchen Flanschvorrichtungen,
mit flankenseitigen Gas-Abfuhranschlüssen an manchen Flanschvorrichtungen,
und mit einer Kommuniziervorrichtung strömungsmäßig zwischen den Fassungs­ bohrungen und den Gasanschlüssen, wobei jede Kommuniziervorrichtung mindestens zwei Fassungsbohrungen bzw. Einzelrohre anschließt und im Innern der Flanschvorrichtungen angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kommuniziervorrichtung eine großvolumige Kammer ist, in die die Fassungsbohrungen direkt münden und deren Längserstreckung mindestens so groß ist wie der Abstand der beiden Fassungsbohrungen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fassungs­ bohrungen stumpf in die Kammer münden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer durch einen Seitendeckel verschlossen ist, der die Gasanschlüsse trägt, die Kammer in ihren Eckbereichen Viertels-Radien aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flansch­ vorrichtungen Zwischen-Flanschvorrichtungen sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß alle Flansch­ vorrichtungen gleich groß sind und alle Kammern gleich groß sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammern einen ebenen Boden haben.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei vier und mehr Fassungsbohrungen je eine Kammer flankenseitig vorgesehen ist, die übereinanderliegende Fassungsbohrungen versorgt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammern zur geometrischen Längsmittenachse des Lasers gesehen symmetrisch sind.