DE3889910T2

DE3889910T2 - Gaslaservorrichtung und verfahren zum betrieb.

Info

Publication number: DE3889910T2
Application number: DE3889910T
Authority: DE
Inventors: Carl Nilsen; Hardy Weiss
Original assignee: PRC Corp
Current assignee: PRC Corp
Priority date: 1987-03-20
Filing date: 1988-03-18
Publication date: 1995-01-05
Anticipated expiration: 2008-03-19
Also published as: JPH0724316B2; US4817111A; ATE106624T1; DE3889910D1; AU629399B2; EP0349590A1; WO1988007277A1; CA1321254C; EP0349590A4; AU6316490A; EP0349590B1; JPH02502773A; AU1594088A; AU605293B2

Description

Die Erfindung betrifft eine verbesserte Gaslaser-Vorrichtung, ein Verfahren zum Lasern von Gas und einen dafür geeigneten Kompressor der Turbinenbauart. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Gaslaser-Vorrichtung mit einer schnellen axialen Strömung, wobei die Gase in einer geschlossenen Schleife durch die Laserröhre mit annähernd der Schallgeschwindigkeit in dem Lasergas entsprechenden Geschwindigkeiten zirkuliert werden.
In bekannten Gaslasern mit schneller axialer Strömung wird das Gas im wesentlichen mittels eines Roots-Gebläses durch den Laser bewegt. Ein Roots-Gebläse ist charakterisiert durch die Verwendung von zwei Rotoren, die in gegenseitiger Synchronisierung mittels Zahnräder und eines Antriebsmotors bewegt werden. Typischerweise rotieren die Rotoren mit einer Geschwindigkeit von 3600 min&supmin;¹. Ein Gaslaser mit einem einstufigen Roots-Gebläse oder einer bei dieser Geschwindigkeit betriebenen Pumpe ist für gewisse Laser-Anwendungen nachteilhaft, da der Ausgang des Gebläses eine 240 Hertz-Schwenkung in seinem Förderdruck besitzt. Dieses Pulsieren oder Nachhallen bei der Druckabgabe des Gebläses führt zu einer entsprechenden Schwankung oder Instabilität in der Laserabgabe, die bei Betrieb zu einer Instabilität der Leistungsabgabe des Lasers führt. Derartige Schwankungen in der Leistungsabgabe des Lasers sind bei vielen Anwendungen, beispielsweise bei der Feingravur, dem Schneiden, Schweißen etc. nicht akzeptabel. Falls die Abgabeströmung des Roots-Gebläses gedämpft wird, um diese Druckschwankungen zu verhindern, tritt eine Verringerung der nutzbaren Ausgangsleistung oder des Wirkungsgrades des Gebläses und des nachgeschalteten Gaslasers auf. Die mit dem Roots-Gebläse ebenfalls auftretende Schwingung kann nachteiligerweise auf den Laser selbst übertragen werden, wodurch der abgegebene Laserstrahl vibriert.
Die Zahnräder und Lager, die üblicherweise in einem typischen Roots-Gebläse verwendet werden, benötigen eine Schmierung. Das Schmiermittel oder Öl, das zu diesem Zweck verwendet wird, bringt ein ernsthaftes Problem für den Betrieb sowohl des Gebläses als auch des damit verbundenen Lasers mit sich. Falls das Öl in die Pumpenkammer des Roots-Gebläses eindringt, kann es sich zerlegen und auf den Nocken der Gebläse-Flügelräder anordnen, wodurch die schmalen Spalte zwischen den Nocken und dem angrenzenden Pumpengehäuse geschlossen werden und die Nocken sich in dem Pumpengehäuse festfressen. 01, das in das Lasergas eingedrungen ist, wird in der Laserröhre verdampft, wodurch eine Abgabestabilität erreicht wird. Der Öldampf, der sich auf den optischen Elementen des Lasers absetzt, führt zu einer Störung der Laserleistung und reduziert die Lebensdauer der Optik. Um diese Vorkommnisse zu vermeiden, sind in dem Roots-Gebläse nahe der Pumpenkammer Unterdruckkammern vorgesehen. In den Unterdruckkammern wird ein höherer Unterdruck als in der Pumpenkammer beibehalten, so daß jegliches Öl, das aus den Zahnrädern und Lagern austritt, in diese Kammern höheren Unterdrucks und nicht in die Pumpenkammer gesaugt wird, so daß die Unversehrtheit des Gebläses und des Lasers erhalten bleiben. Die Anordnung derartiger schützender Kammern höheren Unterdrucks erhöhen die Kosten des Gebläses und die Kontaminierung kann im Falle der Fehlfunktion der Kammer höheren Unterdrucks immer noch auftreten.
Das Roots-Gebläse ist weiterhin aus Gründen seiner wesentlichen Größe und seines Gewichtes nachteilig. Darüberhinaus erfordert es eine häufige Wartung der Lippendichtungen, die darin um die Drehwelle des Gebläses herum angeordnet sind. Alle 800 bis 1000 Betriebsstunden muß ein ausgebildeter Techniker den Betrieb des Gebläses abschalten, um die Lippendichtungen zu warten. Die mit dieser Art der Wartung verbundene Stillstandszeit und auch die Arbeitskosten des ausgebildeten Technikers erhöhen die Kosten des betreffenden Herstellungsvorganges.
Ein Gaslaser gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist in der EP-A-0 111 044 gezeigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Gaslaser-Vorrichtung, ein Verfahren zum Lasern von Gas und einen Kompressor vom Turbinentyp dafür zu schaffen, die die oben genannten Nachteile einer bekannten Gaslaser-Vorrichtung und eines entsprechenden Verfahrens unter Verwendung eines konventionellen Roots-Gebläses vermeiden. Insbesondere soll mit der Erfindung eine Gaslaser-Vorrichtung geschaffen werden, die eine kontinuierliche, stabile Förderungs- und Leistungsabgabe besitzt, so daß Feingravieren, Schneiden, Schweißen etc. ausgeführt werden kann.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine verbesserte Gaslaser-Vorrichtung, ein Verfahren zum Lasern von Gas und einen Kompressor vom Turbinentyp dafür zu schaffen, bei denen die Probleme der Schmiermittel- Kontaminierung des Lasergases in dem Kompressor ohne die Anordnung spezieller Kammern höheren Unterdrucks nahe dem Kompressor beseitigt werden.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine verbesserte Gaslaser-Vorrichtung, ein Verfahren zum Lasern von Gas und einen Kompressor vom Turbinentyp dafür zu schaffen, wobei die Größe und das Gewicht des Kompressors verglichen mit dem herkömmlichen Roots-Gebläse reduziert sind und der Kompressor eine lange Lebensdauer besitzt und keine häufige Wartung der Lippendichtung benötigt, wie sie bei einem Roots-Gebläse notwendig ist.
Diese und andere Ziele der Erfindung werden mit einer Gaslaser-Vorrichtung gemäß Anspruch 1 erreicht. Anspruch 16 bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Lasers mit schneller axialer Strömung.
Das spezifische Druckverhältnis pr des Kompressors hängt von dem Gas oder der Mischung von Gasen, wie sie in der Laser-Vorrichtung verwendet werden, und dem Mischungsverhältnis der Komponenten der Gasmischung ab. Mit einer Gasmischung aus Helium, Stickstoff und Kohlendioxid gemäß einem beschriebenen Ausführungsbeispiel kann der Kompressor mit einem Druckverhältnis von zumindest 1,5 : 1 mit einem Einlaßdruck zwischen 50 und 100 torr (1 torr = 133,32 Pascal) und einem Massenstrom durch den Kompressor in der Größenordnung von einigen hundert ft³/min oder mehr betrieben werden.
In dem erläuterten, bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Kompressor vom Turbinentyp für das Strömen des Gases durch die Laserröhre ein Regenerativkompressor, der ein Flügelrad aufweist, das um eine Achse drehbar ist und im wesentlichen radiale Flügel aufweist, die sich von oder nahe der Spitze des Flügelrades um ein Maß von nicht mehr als etwa 50% des Radius des Flügelrades nach innen erstrecken. Axial gegenüber den Flügeln des Flügelrades ist eine Einrichtung vorgesehen, die einen ortsfesten ringförmigen Kanal mit einem Einlaß und einem Auslaß bildet, über die das Gas zum und vom Kanal in Verbindung steht, so daß es in dem Kanal in Drehrichtung des Flügelrades in Umfangsrichtung strömt. Eine Sperre ist vorgesehen, die den ringförmigen Kanal zwischen dem Einlaß und dem Auslaß blockiert. Die Sperre besitzt einen engen Spalt über dem Flügelrad. In den beschrieben Ausführungsbeispielen ist der Regenerativkompressor ein zweistufiger Kompressor, wobei die jeweiligen Stufen auf entgegengesetzten Seiten eines einzelnen Flügelrades angeordnet sind. Ein Zwischenkühler ist zwischen der ersten und der zweiten Stufe des Kompressors vorgesehen, um das in der ersten Stufe komprimierte Gas zu kühlen, bevor es in die zweite Stufe zur weiteren Komprimierung eintritt. Der Zwischenkühler weist einen mit einer Vielzahl von konzentrischen Röhren ausgebildeten Wärmetauscher auf, wobei in den Zwischenräumen zwischen jeweils benachbarten Röhren das Gas und ein Kühlfluid zum Wärmeaustausch gefördert wird, um das Gas zu kühlen, wenn es den Wärmetauscher passiert. Beide Seiten des Kompressorgehäuses und auch dessen radiale Außen- oder Umfangsfläche werden ebenfalls gekühlt, indem Kühlmittel durch die dort ausgebildeten Kanäle zirkuliert, so daß das Gas gekühlt ist, wenn es komprimiert wird. Dies ist insbesondere wichtig für eine wirksame Kühlung und einen effizienten Kommpressorbetrieb insbesondere mit den sehr geringen Drücken, bei denen der Kompressor arbeitet. Annähernd 50% der zur Abführung der Komprimierungswärme notwendigen Gaskühlung wird von der Kühlung abgeführt, die in dem Kompressorgehäuse angeordnet ist. Dies bringt den Effekt der zwischenstufigen Kühlung, was zu einem erhöhten Komprimierungsgrad führt.
Das Flügelrad des Regenerativkompressors ist auf einer Antriebswelle des Kompressors an einem ersten Ort der Welle drehbar gelagert. Das Flügelrad dreht um die Längsachse der Antriebswelle mit hoher Geschwindigkeit, so daß die Umfangsgeschwindigkeit des Flügelrades einen wesentlichen Bruchteil der Schallgeschwindigkeit des Lasergases beträgt oder nahe dieser liegt. Auf diese Weise erreicht die Beschleunigung des Gases in dem Kompressor die Schallgeschwindigkeit in dem Gas in dem Kompressor an der Spitze der Flügelradflügel, wodurch Reibungsverluste minimiert sind. Bei dem erläuterten Ausführungsbeispiel beträgt die Drehgeschwindigkeit etwa 10 000 min&supmin;¹
Eine geschmierte Lagervorrichtung lagert die Antriebswelle an zumindest einem auf der Welle von dem ersten Ort beabstandeten zweiten Ort drehbar. Eine Überdruck-Fluiddichtung ist vorgesehen, um einen Schmiermittelfluß von der Lagervorrichtung entlang der Antriebswelle zu dem Flügelrad und somit die Kontaminierung des Lasergases zu verhindern. Die Fluiddichtung weist einen Eingriffsring, der dichtend auf der Antriebswelle zur Drehung mit dieser zwischen dem ersten und dem zweiten Ort angebracht ist, ein Paar von ringförmigen, beabstandeten ortsfesten Elementen, die auf der Welle angeordnet sind und jeweils Gleitflächen zum Kontakt mit entsprechend entgegengesetzten Seiten des Eingriffsrings bilden, und eine Einrichtung auf, um bei Betrieb des Kompressors ein Fluid oder Puffergas, das unter einem Druck steht, der etwas oberhalb des Drucks des Gases in dem Kompressor liegt, zwischen die Gleitflächen und den Eingriffring und entlang der Antriebswelle zu richten, so daß das Schmiermittel an einer Bewegung von der Lagervorrichtung entlang der Antriebswelle zu dem Flügelrad gehindert ist. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann das Puffergas, das hinsichtlich des Lasergases nicht-kontaminierend ist, in das Lasergas eintreten, um eine Leckage von atmosphärischem Gas in das Lasergas zu verhindern und um als Zusatzgas für Verluste des Lasergases zu dienen. Vorzugsweise ist das Puffergas von der selben Art wie das in dem Laser verwendete Gas.
Die Antriebswelle und das Flügelrad werden bei dem erläuterten Ausführungsbeispiel des Kompressors mit einer Geschwindigkeit von etwa 10 000 min&supmin;¹ gedreht und da in jeder Stufe des Kompressors das Flügelrad charakteristisch 30 Flügel trägt, ist der Druck der Kompressorförderung kontinuierlich und stabil. Somit kann eine kontinuierlichere, stabile Laserabgabe und Laser-Leistungsabgabe erzeugt werden. Die Größe und das Gewicht des Regenerativkompressors gemäß der Erfindung sind ebenfalls geringer als die des typischen Roots-Gebläses, was eine Verringerung der Größe und des Gewichtes der Gaslaser-Vorrichtung erlaubt. Der Regenerativkompressor besitzt auch eine relativ lange Lebensdauer und braucht nur seltene Wartung. Gas-, Magnet-, Kugel- oder Rollenlager können in dem Kompressor verwendet werden, ohne daß die Befürchtung der Kontaminierung des Lasers besteht, da die spezielle Dichtung gemäß der Erfindung angeordnet ist. Desweiteren ist das Erfordernis zweier Rotoren und Zahnräder wie in dem Roots-Gebläse ist mit dem erfindungsgemäßen Regenerativkompressor vermieden.
Das Verfahren zum Betrieb des Lasers mit schneller axialer Strömung gemäß der Erfindung umfaßt die Schritte des Komprimierens eines Gases in einem Kompressor vom Turbinentyp, der mit einem Gefälle-Koeffizienten von zumindest 0,8 und mit einem Druckverhältnis arbeitet, das eine Strömung des Gases entlang zumindest einem Abschnitt des Strömungsweges für das Gas in dem Laser mit einer zumindest der halben Schallgeschwindigkeit in dem Gas entsprechenden Geschwindigkeit ermöglicht, des Förderns des mittels des Kompressors komprimierten Gases entlang dem Strömungsweg des Gases in dem Laser und des Anregens des Gases, um es zum Lasern zu bringen. Das Gas rezirkuliert durch den Laser in einer geschlossenen Schleife. Der Kompressor bildet einen Teil des Strömungsweges der geschlossenen Schleife für das Gas. Vorzugsweise wird das Gas entlang zumindest einem Abschnitt des Strömungsweges in dem Lager mit einer Geschwindigkeit gefördert, die der Schallgeschwindigkeit in dem Gas angenähert ist oder diese sogar übersteigt. Das Verfahren umfaßt die weiteren Schritte des Kühlens des Gases vor, während und nach dem Komprimieren in dem Regenerativkompressor, wenn es durch die geschlossene Schleife der Vorrichtung strömt, und des positiven Abdichtens des Schmiermittels des Kompressors gegen eine Strömung in das Lasergas mittels einer Druckfluiddichtung. Das Druckfluid der Dichtung darf in das komprimierte Gas eintreten, um Lasergasverluste zu ersetzen.
Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ersichtlich.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Gaslaser-Vorrichtung gemäß der Erfindung,
Fig. 2 ist eine schematische Schnittansicht entlang der Linie II-II eines einseitigen Regenerativkompressors mit einem kreisförmigen Strömungskanal, wie in Fig. 3 gezeigt ist,
Fig. 3 ist eine teilweise geschnitten dargestellte Seitenansicht der rechten Seite des Kompressors gemäß Fig. 2,
Fig. 4 ist eine geschnittene Ansicht eines Abschnitts des Regenerativkompressors gemäß den Fig. 2 und 3 entlang der Linie IV-IV in Fig. 2,
Fig. 5 ist eine teilweise geschnitten dargestellte schematische Ansicht eines doppelseitigen Regenerativkompressors mit rechteckigem Strömungskanal,
Fig. 6 ist eine teilweise geschnitten dargestellte Seitenansicht eines zweistufigen, doppelseitigen Regenerativkompressors gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 7 zeigt eine Endansicht des Kompressors gemäß Fig. 6 von der gemäß Fig. 6 rechten Seite,
Fig. 8 ist eine Querschnittsdarstellung des Einlaßes der ersten Stufe des Kompressors entlang der Linie VIII-VIII in Fig. 7,
Fig. 9 zeigt eine Endansicht des Kompressors von der linken Seite des Kompressors gemäß Fig. 6,
Fig. 10 ist eine Querschnittsansicht des Einlaßes der zweiten Stufe entlang der Linie X-X in Fig. 9,
Fig. 11 ist ein Querschnitt entlang der Linie XI-XI in Fig. 6 und zeigt eine Endansicht eines Wärmetauschers oder Zwischenkühlers,
Fig. 12 ist ein Querschnitt entlang der Linie XII-XII in Fig. 6 und zeigt das Lagergehäuse mit Kühlwasser-Verteilungslöchern,
Fig. 13 zeigt eine Seitenansicht der äußeren Seite der Strömungsschnecke der ersten Stufe des Kompressors gemäß Fig. 6,
Fig. 14 ist ein Querschnitt des Gaseinlaßes entlang der Linie XIV-XIV in Fig. 13,
Fig. 15 ist ein Schnitt entlang der Linie XV-XV in Fig. 13 und zeigt den Gasauslaß,
Fig. 16 zeigt einen Schnitt der ersten Stufe gemäß Fig. 13 entlang der Linie XVI-XVI,
Fig. 17 zeigt eine Seitenansicht der Innenseite der Strömungsschnecke der ersten Stufe,
Fig. 18 zeigt einen Querschnitt eines Abschnitts des Strömungskanals in der Strömungsschnecke der ersten Stufe entlang der Linie XVIII-XVIII in Fig. 17,
Fig. 19 zeigt einen Schnitt entlang der Linie XIX-XIX in Fig. 17,
Fig. 20 ist ein Schnitt des Strömungskanals entlang der Linie XX-XX in Fig. 17,
Fig. 21 ist eine Seitenansicht der Außenseite der Strömungsschnecke der zweiten Stufe des Kompressors gemäß Fig. 6,
Fig. 22 ist ein Schnitt der Strömungsschnecke der zweiten Stufe in Fig. 21 entlang der Linie XXII-XXII,
Fig. 23 ist eine Seitenansicht der Außenseite des Wasserrohranschlusses der ersten Stufe des Kompressors gemäß Fig. 6,
Fig. 24 zeigt einen Schnitt des Wasserrohranschlusses gemäß Fig. 23 entlang der Linie XXIV- XXIV,
Fig. 25 ist ein Schnitt des Gasauslaßes in dem Wasserrohranschlusses gemäß Fig. 23 entlang der Linie XXV-XXV,
Fig. 26 ist ein Schnitt der Öffnung des Gaseinlaßes in dem Wasserrohranschluß gemäß Fig. 23 entlang der Linie XXVI-XXVI,
Fig. 27 ist ein Schnitt des Gaseinlaßes entlang der Linie XXVII-XXVII in Fig. 23,
Fig. 28 ist eine Innenansicht des Wasserrohranschlusses der ersten Stufe gemäß Fig. 23 und zeigt die dortige Wasserkanalentlastung,
Fig. 29 ist eine Seitenansicht der Außenseite des Wasserrohranschlusses der zweiten Stufe,
Fig. 30 ist ein Querschnitt des Wasserrohranschlusses gemäß Fig. 29 entlang der Linie XXX- XXX,
Fig. 31 ist eine Seitenansicht der Innenseite des Wasserrohranschlusses gemäß Fig. 29 und zeigt die dortige Wasserkanalentlastung,
Fig. 32 ist eine teilweise geschnitten dargestellte Seitenansicht der Welle des Kompressors gemäß Fig. 6,
Fig. 33 ist eine rechtsseitige Ansicht der Welle gemäß Fig. 32 und zeigt deren polygonale Konfiguration,
Fig. 34 ist ein Querschnitt entlang der Längsachse des Lagergehäuses des Kompressors gemäß Fig. 6,
Fig. 35 ist eine rechtsseitige Ansicht des Lagergehäuses gemäß Fig. 34,
Fig. 36 ist eine linksseitige Ansicht des Lagergehäuses gemäß Fig. 34,
Fig. 37 ist eine Seitenansicht des Flügelrades des Kompressors gemäß Fig. 6,
Fig. 38 ist ein Querschnitt durch einen Abschnitt des Flügelrades gemäß Fig. 37 entlang der Linie XXXVIII-XXXVIII,
Fig. 39 zeigt einen Querschnitt des Flügelrades gemäß Fig. 37 entlang der Linie XXXIX- XXXIX
Fig. 40 ist eine Ansicht der Konfiguration der die Welle aufnehmenden Öffnung des Flügelrades gemäß Fig. 39 in Richtung des Pfeils A und
Fig. 41 ist eine teilweise geschnitten dargestellte Seitenansicht eines Abschnitts der Druckfluiddichtung in dem Kompressor gemäß Fig. 6.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ist eine Gaslaser- Vorrichtung 1 gemäß der Erfindung schematisch in Fig. 1 dargestellt. Die Vorrichtung weist eine Laserröhre oder andere Struktur 2, die für die schnelle axiale Strömung eines Lasergases einen Strömungsweg definiert, zumindest zwei Elektroden 3 und 4, die zum elektrischen Anregen des in der Vorrichtung strömenden Gases angeordnet sind, um das Gas in der Laserröhre zum Lasern zu bringen, und leinen Kompressor 5 der Turbinenbauart zum Strömen des Gases durch die Laser auf. Der Kompressor besitzt einen Druck- oder Gefälle-Koeffizienten von zumindest 0,8 und kann mit einem Druckverhältnis arbeiten, das für das Strömen des Gases entlang zumindest einem Abschnitt des Strömungsweges in den Laser mit einer zumindest der halben Schallgeschwindigkeit in dem Lasergas entsprechende Geschwindigkeit ausreicht. Das Lasergas kann eine Gasmischung aus annähernd 80% Helium und annähernd 20% Stickstoff sein (geringe Mengen von Kohlendioxidgas sind eingeschlossen). Die Laserröhre 2 und der Kompressor 5 bilden einen Teil einer im wesentlichen geschlossenen Schleife 6, so daß das Gas durch den Gaslaser und den Kompressor rezirkuliert. In der im wesentlichen geschlossenen Schleife 6 sind auf den jeweiligen Seiten des Turbinenkompressors Wärmetauscher 7 und 8 angeordnet, um das zirkulierende, zum und vom Turbinenkompressor 5 strömende Gas zu kühlen. Eine Vakuumpumpe 9 ist in der Fluidverbindung zwischen der geschlossenen Schleife 6 angeordnet, um den notwendigen geringen Druck, beispielsweise einen Druck im Bereich von 50 bis 200 torr, der für den Betrieb des Gaslasers notwendig ist, aufrechtzuerhalten. Ein Gasmischungstank 10 steht ebenfalls wahlweise mit der geschlossenen Schleife 6 in Verbindung, um der Schleife das zu lasernde Gas zuzuführen oder zu ersetzen. Das Ersetzen des Lasergases in der Schleife wird auch durch die Überdruckfluiddichtung in dem Kompressor während des Betriebes des Kompressors erreicht, wie unten erläutert wird.
Der Druck- oder Gefällekoeffizient ψ des Kompressors beträgt zumindest 0,8 pro Stufe und ist definiert durch die Gleichung:
wobei g = 32,2 ft/sec² = 9,81 m/s²
U = Flügelradspitzen-Geschwindigkeit des Kompressors (ft/sec)
wobei lft = 0,3048 m
r = Verhältnis spezifischer Wärmen
R. = Gaskonstante
T&sub1; = Einlaßtemperatur
P&sub1; = Einlaßdruck
P&sub2; = Auslaßdruck
wobei bei dem erfindungsgemäßen Kompressor der Druck des Gases höher aufgebaut werden kann, während der Kompressor mit einer geringeren Geschwindigkeit verglichen mit beispielsweise einem einstufigen Zentrifugalkompressor betrieben werden kann, bei dem die Gefällekoeffizienten nur etwa 0,5 bis 0,7 betragen. Bei geringeren Betriebsgeschwindigkeiten des erfindungsgemäßen Kompressors sind die Zentrifugalkräfte und somit die Spannungen wesentlich geringer als bei höheren Geschwindigkeiten, was zu einer längeren Lebensdauer und geringerer Wartung als bei einem einstufigen Zentrifugalkompressor führt. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Kompressor ein zweistufiger Regenerativkompressor, wobei jede Stufe einen Gefällekoeffizienten von etwa 3,0 besitzt.
Wie oben ausgeführt wurde, ist die Gaslaser-Vorrichtung ein schneller Axial-Strömungs-Laser, wobei das Gas durch die Laserröhre 2 oder zumindest ein Teil von dieser bei Geschwindigkeiten entsprechend zumindest der halben Schallgeschwindigkeit in dem Lasergas und vorzugsweise bei Geschwindigkeiten nahe der Schallgeschwindigkeit bewegt wird. Die Schallgeschwindigkeit vs für ein Gas beträgt vs = nRT, wobei n der isentropische Exponent der Gasmischung, R die individuelle Gaskonstante und T die absolute Temperatur ist. Für die oben genannte Mischung von Helium, Stickstoff und Kohlendioxid beträgt vs etwa 560 m/s, während für reines Helium vs etwa 1200 m/s beträgt. Die hohen Geschwindigkeiten des Gases in der Laserröhre 2 können erreicht werden, indem das Gas von dem Kompressor 5 durch eine Düse unmittelbar stromauf der Laserröhre 2 geführt wird, was der Beschleunigung des Gases dient. Beispielsweise kann eine Laserröhre mit einem Durchmesser von 18 mm mit Gas aus dem Turbinenkompressor durch eine Leitung mit einem Durchmesser von 19 mm versorgt werden, wobei in dem Strömungsweg unmittelbar stromauf der Laserröhre 2 eine Düse mit einer Öffnung mit 9 mm Durchmesser angeordnet sein kann, um die Geschwindigkeit der Gasströmung auf zumindest die Hälfte der Schallgeschwindigkeit und vorzugsweise auf annähernd oder selbst oberhalb der Schallgeschwindigkeit des Gases zu erhöhen. Die Düse erhöht den Druckabfall des Bewegungsgases in der geschlossenen Schleife 6 über den von der Laserröhre bewirkten, so daß das Druckverhältnis des Auslaßdrucks des Kompressors zu dem Einlaßdruck des Kompressors beispielsweise 1,7 : 1 mit einem Einlaßdruck zu dem Kompressor von 90 torr und einem Massentrom durch den Kompressor von etwa 300 ft³/min bei Verwendung einer Gasmischung von annähernd 80% Helium und annähernd 20% Stickstoff mit einer geringen Menge von Kohlendioxid beträgt. Grundsätzlich hängt das Druckverhältnis pr des Kompressors von der Mischung der in dem Laser verwendeten Gase und dem Mischungsverhältnis der Komponenten der Gasmischung ab. Das Druckverhältnis pr wird ausgedrückt durch pr = (2/n+1) exp (n/n-1), wobei n der isentropische Exponent der Gasmischung ist. Das Druckverhältnis beeinflußt die Massenstromdichte (kg pro s und pro m²), die der begrenzende Faktor ist. Strömungsraten von 300 cfm oder mehr können in dem erfindungsgemäßen Turbinenkompressor erreicht werden, während die Größe des Kompressors gering ist, so daß er in den Raum eines kommerziellen Gaslasers eingesetzt werden kann.
Der hier verwendete Ausdruck "Laserröhre" soll sich nicht auf eine gradlinige Röhre, wie sie hier gezeigt ist, beschränken, sondern auch andere Geometrien, beispielsweise eine konische Röhre mit umfassen. Die Art der Anregung des Lasergases kann ebenfalls variieren. Beispielsweise können elektrische Gleichstromanregung, Radiofrequenzanregung und/oder andere Formen des Pumpens, beispielsweise chemisches oder thermisches Pumpen verwendet werden.
Der gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendete Kompressor 5 der Turbinenbauart, der die oben genannten Betriebscharakteristika des Gefällekoeffizienten, des Druckverhältnisses, des Einlaßdruckes und des Massenstroms besitzt, ist vorzugsweise ein Regenerativkompressor, wie oben ausgeführt wurde. Es hat sich herausgestellt, daß die Verwendung eines Regenerativkompressors in der Gaslaser-Vorrichtung dem Kompressor ermöglicht, weniger Kompressionsstufen zu haben und mit geringeren Geschwindigkeiten verglichen mit beispielsweise einem Zentrifugalkompressor betrieben zu werden, um das gewünschte Druckverhältnis zu erreichen, so daß sich eine weniger komplexe Maschine mit einer höheren Zuverlässigkeit, geringeren Anschaffungskosten und längerer Betriebsdauer ergibt. Der Kompressor kann auch relativ kompakt zur Verwendung in kommerziellen Lasern sein, wie oben ausgeführt wurde. Wie in den Fig. 2 bis 4 gezeigt ist, weist der Regenerativkompressor 11 ein Flügelrad 12 auf, das um eine Achse A-A drehbar ist und im wesentlichen radiale Flügel 13 besitzt, die sich von oder nahe der Spitze des Flügelrades um ein maximales Maß von etwa 50% des Radius des Flügelrades nach innen erstrecken. Axial gegenüberliegend zu den Flügeln 13 des Flügelrades ist eine Strömungsschnecke 14 des Flügelradgehäuses angeordnete die einen ortsfesten ringförmigen Kanal 15 mit einem Einlaß 16 und einem Einlaß 17 bildet, über die das zu komprimierende Gas mit dem Kanal 15 und das darin komprimierte Gas mit dem Kanal in Verbindung steht. Eine Umfangsströmung des Gases erfolgt in dem Kanal in Richtung einer Drehung des Flügelrades, wie in Fig. 3 durch den Pfeil B angedeutet ist. Eine Sperre oder ein Abstreifer 18 ist vorgesehen, um den ringförmigen Kanal 15 zwischen dem Einlaß und dem Auslaß zu blockieren. Die Sperre besitzt einen engen Spalt über dem Flügelrad 12. Der in den Fig. 2 bis 4 dargestellte Regenerativkompressor ist ein einseitiger Kompressor mit einem kreisförmigen Strömungskanal. Ein zweistufiger Regenerativkompressor ist in Fig. 5 dargestellt, wobei zu sehen ist, daß die erste und die zweite Stufe des Kompressors auf jeweiligen Seiten des einzelnen Flügelrades 19 angeordnet sind. Das Gas tritt in den ringförmigen Kanal durch den Einlaß 20 ein, wird mittels der Flügel auf der einen Seite des Flügelrades 19 komprimiert, passiert dann einen rechteckigen Strömungskanal 22 zu der zweiten Stufe, in der es mittels der Flügel auf der zweiten Seite des Flügelrades 19 komprimiert wird, wonach es durch den Auslaß 21 strömt.
Gemäß einer bevorzugten Form der Erfindung ist der Kompressor vom Turbinentyp ein zweistufiger, doppelseitiger Regenerativkompressor, wie er in den Fig. 6 bis 41 im Detail dargestellt ist. Der Kompressor 23 besitzt ein Flügelrad 24, mit im wesentlichen radialen Flügeln 25, die sich von oder nahe der Spitze des Flügelrades um ein Maß von nicht mehr als etwa 50% des Radius des Flügelrades nach innen erstrecken, wie insbesondere in den Figuren 37 bis 40 dargestellt ist. Genauer gesagt ist jede Seite des Flügelrades mit charakteristischen 30 Flügeln versehen, die beabstandet sind und mitten zwischen den Flügeln der entgegengesetzten Seite angeordnet sind. Die Flügel sind um 40º ± 5º für die notwendige Kompression des Lasergases geringer Dichte nach vorne geneigt. Der gewünschte Grad der Neigung der Flügel hängt von der Gasmischung und deren Schallgeschwindigkeit ab und kann somit variieren. Das Flügelrad ist aus Gußaluminiumlegierung A356.0 mit dem Härtegrad T6 oder einem anderen geeigneten Material gebildet. Eine Mittelbohrung 26 darin ist als Öffnung in Form eines Polygons ausgestaltet, wie in Fig. 40 gezeigt ist. Das Flügelrad ist für die Drehung auf einem entsprechend geformten Ende 27 einer Antriebswelle 28 befestigt, wie in den Fig. 32 und 33 gezeigt ist. Das Flügelrad ist auf dem Ende 27 der Antriebswelle 28 mittels eines Ring 29 und einer Befestigung 30 gehalten, wie in Fig. 6 dargestellt ist. Die gerundeten Nocken des polygonal geformten Endes 27 der Antriebswelle 28 und die komplementär geformte Bohrung in dem Flügelrad 24 verteilen die Last oder Spannungen auf die Welle und beseitigen die Notwendigkeit für einen Keil oder einen Splint.
Die Antriebswelle 28 ist drehbar in einem Lagergehäuse 31 mittels Hochgeschwindigkeitslager 32 und 33 gelagert, wie in den Fig. 34 bis 36 dargestellt ist. Die Antriebswelle 28 wird mit hoher Geschwindigkeit, etwa 10 000 min&supmin;¹, insbesondere 9908 min&supmin;¹ mittels eines Motors 34 über eine Antriebsverbindung gedreht, die auf der Ausgangswelle des Motors und dem freien Ende der Antriebswelle 28 jeweils eine gezahnte Riemenscheibe 35 und 36 sowie einen Antriebsriemen 37 für ein hohes Drehmoment umfaßt, der sich um die Riemenscheiben erstreckt. Ein Direktantrieb kann ebenfalls verwendet werden. Die gewünschte Drehgeschwindigkeit kann für einen vorgegebenen Flügelraddurchmesser und die Schallgeschwindigkeit für das Lasergas errechnet werden, wobei die Umfangsgeschwindigkeit des Flügelrades einen wesentlichen Bruchteil oder in etwa der Schallgeschwindigkeit entsprechen sollte, um Reibungsverluste zu vermeiden. Der Durchmesser des Flügelrades beträgt bei dem Ausführungsbeispiel etwa 13 inch. Eine Mutter 38 ist auf der Antriebswelle 28 vorgesehen, um die Welle mit Lagern vorzubelasten und das System auszugleichen, so daß dessen kritische Geschwindigkeit um einen Faktor von 1,4 oder mehr höher als die Betriebsgeschwindigkeit ist. Schmierfassungen 39 und 40 sind in dem Lagergehäuse 31 ausgebildet, um die Lager 31 und 32 jeweils zu schmieren. Alternativ ist es möglich, statt geschmierter Lager andere Lagertypen, beispielsweise Gaslager zu verwenden. Ein Wassereinlaß 41, ein Wasserauslaß 42 und verbindende Wasserkanäle 43 sind in dem Lagergehäuse ausgebildet, um das Gehäuse, die Lager und die Welle zu kühlen.
Das Flügelrad wird mit hoher Geschwindigkeit innerhalb eines ortsfesten, wassergekühlten Flügelradgehäuses 44 gedreht. Ortsfeste Strömungsschnecken 45 und 46 für die erste bzw. zweite Stufe sind dicht mit dem Flügelradgehäuse 44 mittels einer Befestigung 47 verbunden, wie in Fig. 6 dargestellt ist. Wasserrohranschlüsse 47 und 48 sind auf den äußeren Endflächen der Strömungsschnecken für die erste und zweite Stufe jeweils angeordnet, um den Kompressor zu kühlen. Das Kühlwasser zirkuliert von einem Einlaß 49 in den Wasserrohranschluß 48 der zweiten Stufe (s. Fig. 9) durch einen ringförmigen Kanal 51 in der Oberfläche des Rohranschlusses 48 nahe der Strömungsschnecke 46 der zweiten Stufe. Eine Vielzahl von radial über den Rohranschluß 48 in dem Kanal 51 beabstandeter Stege, die in den Fig. 30 und 31 dargestellt sind, erlauben dem Wasser hindurchzutreten, während der relative Abstand zwischen dem Rohranschluß und der benachbarten Strömungsschnecke beibehalten wird. Ein kontinuierlicher Steg 53 zu einer Seite des Wassereinlaßes 49 drängt das Kühlwasser zum vollständigen Passieren entlang des ringförmigen Kanals 51 zu einem Auslaß oder einem Kanal zur Zuführung des Wassers durch die benachbarte Strömungsschnecke, das Flügelradgehäuse 44 und die Strömungsschnecke 45 der ersten Stufe zu einem ringförmigen Kühlkanal 54 in dem Wasserrohranschluß 47 der ersten Stufe. Das eintretende Kühlwasser wird gleichartig vorzugsweise durch den ringförmigen Kanal 54 nahe der Strömungsschnecke der ersten Stufe zirkuliert, um diese zu kühlen, und tritt dann durch einen Auslaß 55 aus. Der Kompressor arbeitet mit sehr geringen Drücken, wie oben dargestellt wurde. Dies macht es schwieriger, den Kompressor zu kühlen, da das durch den Kompressor hindurch strömende Gas eine geringe Dichte besitzt. Durch Kühlung im wesentlichen der gesamten Oberfläche beider Seiten des Kompressors und auch dessen radialer Außen- oder Umfangsfläche in der beschriebenen Weise kann eine ausreichende Kühlung erreicht werden. Annähernd 50% der notwendigen Gaskühlung zur Abführung der Kompressionswärme wird durch die in dem Kompressorgehäuse stattfindende Kühlung erreicht. Dies bringt den Effekt einer zwischenstufigen Kühlung mit sich, was zu einer erhöhten Kompressionsleistung führt.
Eine zusätzliche zwischenstufige Kühlung wird in einem Zwischenkühler 61 erreicht, wie unten beschrieben ist. Jede der Strömungsschnecken 45 und 46 der ersten bzw. zweiten Stufe ist mit einem ringförmigen Kanal, die mit 56 bzw. 57 bezeichnet sind, versehen, wie in den Fig. 13 bis 22 dargestellt ist. Der Kanal 56 der Strömungsschnecke 45 der ersten Stufe besitzt einen Einlaß 58 für das zu komprimierende Lasergas. Eine Sperre 59 blockiert den ringförmigen Kanal zwischen dem Einlaß und einem Auslaß 60 aus dem Kanal 56. Die Sperre besitzt einen engen Spalt über dem Flügelrad, so daß das Gas von dem Einlaß über die gesamte Länge des Kanals 56 zu dem Auslaß strömen muß. Das Gas, das durch den ringförmigen Kanal 56 von dem Einlaß zu dem Auslaß strömt, wird während seiner Wechselwirkung mit den Flügeln des benachbarten, rotierenden Flügelrades einer Komprimierung unterworfen. Der Kompressor kann von seiner Wirkungsweise her als mehrstufige Zentrifuge angesehen werden, da die Strömung in dem Kanal in die Flügelkanäle des Flügelrades an dessen Innendurchmesser eintritt und infolge der Zentrifugalwirkung an der Spitze mit einer höheren Tangentialgeschwindigkeit ausströmt. Es bringt dann einen Impuls auf das verbleibende Gas in dem ortsfesten Kanal auf, das mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit strömt, die geringer als die des Flügelrades ist. Das Gas strömt dann radial nach innen und tritt wiederum an das Flügelrad an dem Innendurchmesser ein. Der Druckaufbau über den Umfang zwischen dem Einlaß und dem Auslaß wird durch den Impulswechsel aufrecht erhalten.
Das komprimierte Gas, das den Auslaß 60 der Strömungsschnecke 45 der ersten Stufe verläßt, wird durch den Zwischenkühler 61 gefördert, wie in den Fig. 6 und 11 dargestellt ist. Der Zwischenkühler umfaßt einen Wärmetauscher, der mit einer Vielzahl von konzentrischen Röhren 62, 63, 64 und 65 ausgebildet ist. Das Kühlwasser wird in der Röhre 62 und zwischen den Röhren 63 und 64 zirkuliert, während das komprimierte Lasergas zwischen den Röhren 62 und 63 und ebenso zwischen 64 und 65 zum Wärmeaustausch mit dem Kühlmittel hindurchgeführt wird. Das Wasser wird durch den Zwischenkühler zum Kühlen mittels eines Einlasses 66 und eines Auslasses 67 zirkuliert.
Das in den Zwischenkühler 61 gekühlte Lasergas wird zu dem Einlaß 68 der zweiten Stufe des Kompressors gefördert, wo es durch den dortigen ringförmigen Kanal 57 strömt, wird dann komprimiert und strömt durch den Auslaß 69 der zweiten Stufe. Das komprimierte Gas aus dem Kompressor 23 wird dann durch den Wärmetauscher 8 zirkuliert, wo es gekühlt wird, bevor es in der geschlossenen Schleife 6 durch den Gaslaser 2 strömt. Das den Laser 2 anregende Gas strömt dann durch den Wärmetauscher 7, bevor es zu dem zweistufigen, doppelseitigen Regenerativkompressor 23 zurückkehrt. Als ein Beispiel für die Betriebsparameter oder die Möglichkeiten des Kompressors wird ein He-N&sub2;-CO&sub2;-Lasergas, das von dem Wärmetauscher 7 kommt und als Gas in dem Laser 2 dient, auf 90ºF gekühlt, wenn es den Einlaß der ersten Stufe des Kompressors bei einem Druck von 1,764 pounds per square inch (psi) (annähernd 91 torr) eintritt. Das Gas strömt mit einer Rate von 302 ft³/min. Nach dem Komprimieren in der ersten Stufe des Kompressors verläßt das Gas den 5 Auslaß 60 mit einem Druck von 2,562 psi (1 psi = 6,89 · 10³ Pascal), einer Temperatur von 2720 F und strömt mit einer Rate von 276 ft³/min. Als Resultat des Kühlens in dem Zwischenkühler 61 besitzt das in den Einlaß der zweiten Stufe des Kompressors eintretende Gas eine Temperatur von 185ºF, einen Druck von 2,434 psi und strömt mit einer Rate von 256 ft³/min. Die zweite Stufe des Kompressors dient zum weiteren Anheben des Druckes des Lasergases auf 3,355 psi an dem Auslaß der zweiten Stufe, wobei dessen Temperatur 3320 F und die Strömungsrate 228 ft³/min beträgt. Das komprimierte Gas strömt dann durch den Wärmetauscher 8, wo seine Temperatur. Von 332ºF auf annähernd 90ºF für den Durchgang durch den Gaslaser abfällt. Der Druckabfall durch den Gaslaser ist wesentlich in der Größenordnung von 52 bis 60 torr aufgrund der gewünschten Massenstromdichte des Gases und der hohen Geschwindigkeit des Gases in dem Laser. Wie oben ausgeführt wurde, wird die Geschwindigkeit des Gases mittels einer Düse auf zumindest die halbe Schallgeschwindigkeit und vorzugsweise eine demgegenüber wesentlich größere und annähernd der Schallgeschwindigkeit (560 m/sec) in dem Lasergas entsprechende Geschwindigkeit heraufgestuft. Selbstverständlich sind auch andere Betriebsparameter mit dem Kompressor und dem Laser der Erfindung möglich, wie es für einen Fachmann offensichtlich ist.
Die Druckabgabe des Turbinenkompressors der Erfindung besitzt einen wesentlich höheren Frequenzpuls und eine geringere Amplitude als der eines herkömmlichen Rootsgebläses. Die Laser-Abgabe-Stabilität und die Laser- Leistungsabgabe mit der Gaslaser-Vorrichtung gemäß der Erfindung sind deshalb wesentlich gleichförmiger oder stabiler als bei herkömmlichen Gaslaser-Vorrichtungen, die mit einem Roots-Gebläse versehen sind. Die Größe und das Gewicht des erfindungsgemäßen Turbinenkompressors sind ebenfalls geringer als die eines Roots-Gebläses und die Größe der Schwingungen ist reduziert.
Um eine Kontaminierung des Lasergases mit jeglichen Schmiermittel der Lager 32 und 33 zu verhindern, ist erfindungsgemäß eine Fluiddichtung 70 vorgesehen, die das Schmiermittel daran hindert, von den Lagern entlang der Antriebswelle in Richtung des Flügelrades zu strömen. Die Fluiddichtung 70 weist einen Wolfram-Carbid-Eingriffsring 71 auf, der dicht auf der Antriebswelle 28 an einen Ort zwischen dem Lager 33 und dem Flügelrad 34 zur Drehung mit der Welle angeordnet ist. Ein Paar von ringförmigen, beabstandeten, ortsfesten Kohleelementen 72 und 73 mit Gleitflächen geringer Reibung sind auf den jeweiligen Seiten des Eingriffrings angeordnet und werden mittels Federn 74 und 75 nachgiebig gegen den Eingriffsring gedrückt. Der Eingriffsring 71 besitzt eine Mittelbohrung mit einem Durchmesser mit einem weniger als 0,001 inch (1 inch = 2,54 cm) großen Spalt über der Antriebswelle 28, so daß er über die Welle geschoben werden kann. Ein O-Ring 76 ist in einer ringförmigen Nut in der Welle unterhalb des Eingriffsrings 71 angeordnet und dient zur Beschränkung der relativen Drehung zwischen dem Eingriffsring und der Welle. Die Flächen des Rings 71 nahe den Elementen 72 und 73 besitzen jeweils eine darin ausgebildete Spiralnut, die sich von einer radial äußeren Stelle auf den entgegengesetzten Flächen der Elemente 72 und 73 zu einem Ort zwischen gegenüberliegenden Kontaktflächen des Rings 71 und der Elemente 72 und 73 erstreckt. Während der Drehung der Antriebswelle 28 und des darauf befindlichen Rings 71 pumpen die Spiralnuten in den Flächen des Rings 71 Gas von innerhalb des Dichtungsgehäuses 77 zwischen den Ring 71 und die Elemente 72 und 73, so daß die Elemente 72 und 73 von dem Ring 71 um einen geringen Abstand, üblicherweise 50 · 10&supmin;&sup6; inch weg bewegt werden. Die Elemente 72 und 73 bewegen sich von dem Ring 71 entgegen der Kraft der Federn 74 und 75 weg. Die ortsfesten ringförmigen Elemente 72 und 73 sind dicht in dem Gehäuse 77 der Fluiddichtung 70 gelagert, wie in Fig. 41 gezeigt ist. O-Ringe 78 und 79 unterstützen die Dichtung. Ein Puffergas, bei dem es sich um das in dem Laser verwendete Gas handeln kann, wird der Fluiddichtung 70 über einen Einlaß 80 zugeführt. Das Puffergas besitzt einen geringfügig, d. h. beispielsweise einige psi höheren Druck als das Gas in dem Kompressor, der geschlossenen Schleife 6 und der Laserröhre. Die Strömungsrate des Puffergases ist gering, beispielsweise 1 ft³/min oder weniger. Diese geringe Menge an Puffergas darf in das Gehäuse 77 im Bereich des Eingriffsrings und der benachbarten Gleitflächen der Elemente 72 und 73 einströmen und wird in einen Spalt 81 zwischen dem Flügelrad und der Schnecke der zweiten Stufe des Kompressors und einen Spalt 82 zwischen dem Gehäuse 77 der Fluiddichtung 70 und der Antriebswelle 28 während der Drehung der Welle und des Rings 71 mittels des oben genannten Viskosenscher-Pumpvorgangs der Nuten in dem Ring, der die Elemente 72 und 73 von dem Ring wegbewegt, gedrückt. Die Strömung des Puffergases in den Laser durch den Spalt 81 reduziert das notwendige Laser-Zusatzgas, das das Einströmen von atmosphärischem Gas durch den Spalt 81 verhindert, was das Lasergas kontaminieren würde. Der Gasüberdruck in dem Spalt 82 verhindert auch die Strömung von Schmiermitteln von dem Lager entlang der Welle in Richtung des Flügelrades. Gegebenenfalls können höhere Gasströmungsraten verwendet werden, um mehr Zusatzgas für den Laser vorzusehen. Um die Welle herum sind keine Lippendichtungen notwendig. Das Puffergas strömt durch die Lager, nimmt jedoch kein Schmiermittel mit sich. Als Folge von dieser Anordnung besitzen die erfindungsgemäßen Lager zumindest eine B10 Einstufung und erfordern keine häufige Wartung bezüglich des Ersetzens von Lippendichtungen, wie es bei einem Roots-Gebläse notwendig ist. Dies wird dadurch erreicht, daß die Probleme der Kontaminierung des Lasergases bei jeglichem Lagerschmiermittel vermieden sind.
Aus dem oben Gesagten ergibt sich, daß das Verfahren zum Lasern von Gas in einem schnellen Axialstromlaser gemäß der Erfindung die Schritte des Komprimierens eines Gases in einem Kompressor vom Turbinentyp, der mit einem Druckverhältnis arbeitet, das eine Strömung des Gases entlang zumindest einem Abschnitt des Gas-Strömungsweges in dem Laser mit einer zumindest der halben Schallgeschwindigkeit in dem Lasergas mit einem Kompressoreinlaßdruck ermöglicht, der 50 bis 100 torr oder noch weniger betragen kann, des Förderns des mittels des Kompressors komprimierten Gases entlang dem Strömungsweg des Gases und des Anregens des Gases umfaßt, um es zum Lasern zu bringen. Das Verfahren schließt das Rezirkulieren des Gases durch den Kompressor und die Laserröhre in einer geschlossenen Schleife ein. Das Gas wird vorzugsweise durch zumindest einen Abschnitt der Laserröhre mit einer Geschwindigkeit gefördert, die nahe der Schallgeschwindigkeit, d. h. 560 m/sec in dem oben genannten Gas beträgt. Der Kompressor vom Turbinentyp wird mit einer Geschwindigkeit von eta 10 000 min&supmin;¹ betrieben, wie oben ausgeführt wurde, und besitzt vorzugsweise ein Kompressor mit einem Druck-Gefällekoeffizienten gleich oder größer 0,8. Insbesondere ist der Kompressor gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ein zweistufiger, doppelseitiger Regenerativkompressor, wobei jede Stufe des Kompressor einen Druckkoeffizienten von etwa 3 besitzt. Das Gas wird sowohl zwischen den Stufen als auch während der Komprimierung und vor und nach der Komprimierung auf seinem Weg durch die geschlossene Schleife der Gas-Laser-Vorrichtung gekühlt. Zusätzlich umfaßt das Verfahren den Schritt des positiven Abdichtens des Schmiermittels in dem Kompressor gegen eine Strömung in das Lasergas mittels einer Fluiddichtung und der Zuführung von Laser-Zusatzgas zu dem Laser mit der Dichtung. Das Flügelrad des Kompressors wird um seine Achse auf der Antriebswelle mit einer Geschwindigkeit gedreht, so daß die Umfangsgeschwindigkeit des Flügelrades einen wesentlichen Bruchteil der Schallgeschwindigkeit des Gases beträgt oder nahe dieser liegt.

Claims

1. Gaslaser-Vorrichtung mit einer einen schnellen axialen Strömungsweg für ein Lasergas bildenden Einrichtung, mit einer Einrichtung zur Anregung von in der Vorrichtung entlang dem Strömungsweg strömendem Gas, um es zum Lasern zu bringen, und mit einem Regenerativkompressor (11, 23) zum Strömen des Gases entlang dem Strömungsweg, wobei der Regenerativkompressor ein Flügelrad (12, 24) und eine Antriebswelle (28) aufweist, wobei das Flügelrad im wesentlichen radiale Flügel (13), die sich von oder nahe der Spitze des Flügelrades um ein maximales Maß von etwa 50% des Radius des Flügelrads nach innen erstrecken, und des weiteren eine den Flügeln des Flügelrades axial gegenüberliegende Einrichtung besitzt, die einen ortsfesten ringförmigen Kanal (15) mit einem Einlaß (16) und einem Auslaß (17) bildet, über die das Gas zum und vom Kanal eine Verbindung besitzt, so daß es in dem Kanal in Drehrichtung des Flügelrades in Umfangsrichtung strömt, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung das Flügelrad, das auf der Antriebswelle an einem ersten Ort zur Drehung mit der Welle angebracht ist, eine Lagervorrichtung (33), die die Antriebswelle an einem zweiten Ort der Antriebswelle drehbar lagert, eine Einrichtung für den Drehantrieb der Antriebswelle und bei Betrieb des darauf angeordneten Flügelrades und eine Überdruckfluid-Dichtung (70) aufweist, die zwischen der Lagervorrichtung und dem Flügelrad vorgesehen ist und einen Schmiermittelfluß von der Lagervorrichtung entlang der Antriebswelle zu dem Flügelrad verhindert, wobei die Fluid-Dichtung benachbart zu einem Flügelrad-Gehäuse (44) angeordnet ist und das Überdruckfluid der Dichtung ein Gas ist, das nicht-kontaminierend bezüglich des Laser-Gases ist, so daß die Umgebungsatmosphäre an einer Leckage in das Lasergas gehindert und zusätzliches Gas für den Laser vorgesehen ist, und wobei der Kompressor einen Druckgefälle-Koeffizienten von zumindest 0,8 aufweist und mit einem Druckverhältnis für das Strömen des Gases entlang zumindest einem Abschnitt des Strömungsweges mit einer zumindest der halben Schallgeschwindigkeit in dem Lasergas entsprechenden Geschwindigkeit arbeiten kann.

2. Gaslaser-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Strömungsweg bildende Einrichtung eine im wesentlichen geschlossene Schleife bildet, so daß das Gas durch die Laser- Vorrichtung rezirkuliert wird, wobei die geschlossene Schleife den Kompressor enthält.

3. Gaslaser-Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sperre vorgesehen ist, die den ringförmigen Kanal zwischen dem Einlaß und dem Auslaß blockiert, wobei die Sperre einen engen Spalt über dem Flügelrad besitzt.

4. Gaslaser-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Regenerativkompressor ein einstufiger Kompressor ist.

5. Gaslaser-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Regenerativkompressor zumindest zwei Stufen besitzt.

6. Gaslaser-Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Stufe des Kompressors auf den jeweiligen Seiten eines einzelnen Flügelrades angeordnet sind.

7. Gaslaser-Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der ersten und der zweiten Stufe des Kompressors ein Zwischenkühler angeordnet ist, um das in der ersten Stufe komprimierte Gas zu kühlen, bevor es in die zweite Stufe zur weiteren Komprimierung eintritt.

8. Gaslaser-Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenkühler einen mit einer Vielzahl von konzentrischen Röhren ausgebildeten Wärmetauscher aufweist, wobei in den Zwischenräumen zwischen jeweils benachbarten Röhren das Gas und ein Kühlfluid zum Wärmeaustausch gefördert werden, um das Gas zu kühlen, wenn es den Wärmetauscher passiert.

9. Gaslaser-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, um im wesentlichen die gesamte Oberfläche beider Seiten des Kompressors und auch dessen radiale Außen- oder Umfangsfläche zu kühlen,

wodurch das Gas gekühlt wird, wenn es komprimiert wird.

10. Gaslaser-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Wärmetauscher stromauf des Kompressors angeordnet ist, um das mittels des Kompressors zu komprimierende Gas zu kühlen, und daß ein zweiter Wärmetauscher im Strömungsweg zwischen dem Kompressor und der Laserröhre angeordnet ist, um das mittels des Kompressors komprimierte Gas zu kühlen, bevor es zu der Laserröhre strömt.

11. Gaslaser-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung für den Antrieb der Welle diese mit etwa 10000 min -1 dreht.

12. Gaslaser-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluiddichtung einen Eingriffsring, der dichtend auf der Antriebswelle zur Drehung mit dieser an einem Ort zwischen dem ersten und dem zweiten Ort angebracht ist, ein Paar von beabstandeten ortsfesten Elementen, die jeweils Gleitflächen bilden und mit jeweils entgegengesetzten Seiten des Eingriffsrings in Kontakt stehen, und eine Einrichtung aufweist, um bei Betrieb des Kompressors ein Fluid, das unter einem Druck steht, der oberhalb des Drucks des Gases in dem Kompressor liegt, zwischen die Gleitflächen und den Eingriffsring und entlang der Welle zu richten, so daß ein Schmiermittel an einer Strömung von der Lagervorrichtung entlang der Antriebswelle zu dem Flügelgrad gehindert ist.

13. Gaslaser-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor eine Einrichtung zur Drehung des Flügelrades mit einer derartigen Geschwindigkeit aufweist, daß die Umfangsgeschwindigkeit des Flügelrades zumindest einen wesentlichen Teil der Schallgeschwindigkeit vs des Gases beträgt, wobei gilt

wobei n der isentropische Exponent des Gases,

R die individuelle Gaskonstante und

T die absolute Temperatur ist.

14. Gaslaser-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckverhältnis pr des Kompressors von der Mischung des in der Laser-Vorrichtung verwendeten Gases und dem Mischungsverhältnis der Komponenten der Gasmischung abhängt, wobei das Druckverhältnis pr ausgedrückt wird durch

pr = (2/(n+1) exp (n/(n-1))

wobei n der isentropische Exponent der Gasmischung ist.

15. Gaslaser-Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasmischung im wesentlichen aus Helium, Stickstoff und Kohlendioxid besteht.

16. Verfahren zum Betrieb des schnellen Axial-Strömungs-Lasers gemäß Anspruch 1, mit den Schritten des Komprimierens eines Gases in dem Regenerativkompressor, der mit einem Gefälle-Koeffizienten von zumindest 0,8 und mit einem Druckverhältnis arbeitet, das eine Strömung des Gases entlang zumindest einem Abschnitt des Strömungsweges für das Gas in dem Laser mit einer zumindest der halben Schallgeschwindigkeit in dem Gas entsprechenden Geschwindigkeit ermöglicht, des Förderns des mittels des Kompressors komprimierten Gases entlang dem Strömungsweg des Gases in dem schnellen Axial-Strömungs-Laser und des Anregens des Gases, um es zum Lasern zu bringen, einschließlich des Schrittes des positiven Abdichtens des Schmiermittels in der Lagervorrichtung des Kompressors gegen eine Strömung in das Lasergas, indem ein Fluidüberdruck zwischen dem Schmiermittel und dem bei Betrieb des Kompressors durch diesen strömenden Lasergas aufrechterhalten wird, so daß eine Strömung des Schmiermittels in das Lasergas verhindert wird, wobei das zur Aufrechterhaltung des Fluidüberdrucks verwendete Fluid nicht-kontaminierend hinsichtlich des Lasergases ist und in das Lasergas eintreten kann, um ein entsprechendes Eintreten von kontaminierendem Gas zu verhindern und um als zusätzliches Gas für den Laser zu dienen.

17. Verfahren nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch den Schritt des Rezirkulierens des Gases durch den Laser in einer geschlossenen Schleife, die den Kompressor enthält.

18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas entlang zumindest einem Abschnitt des Strömungsweges mit einer Geschwindigkeit gefördert wird, die der Schallgeschwindigkeit in dem Gas zumindest angenähert ist.

19. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor vom Turbinentyp mit einer Geschwindigkeit von etwa 10 000 min&supmin;¹ betrieben wird.

20. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas in zwei Stufen des Kompressors komprimiert wird.

21. Verfahren nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt des Kühlens zwischen den Komprimierungsstufen in dem Kompressor.

22. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Regenerativkompressor ein einstufiger Kompressor ist.

23. Verfahren nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch den Schritt des Kühlens des Gases vor, während und nach dem Komprimieren in dem Kompressor.

24. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas eine Gasmischung ist, die im wesentlichen aus Helium, Stickstoff und Kohlendioxyd besteht.

25. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Flügelrad während des Komprimierungsschrittes mit einer Geschwindigkeit gedreht wird, die einen wesentlichen Anteil der Schallgeschwindigkeit vs des Gases entspricht, wobei gilt

wobei n der isentropische Exponent des Gases,

R die individuelle Gaskonstante und

T die absolute Temperatur ist.