DE3919727C1

DE3919727C1 - Gas laser with drum like generator - has rotating gas flow passed along electrical discharge path and then returned to blower via cooling section

Info

Publication number: DE3919727C1
Application number: DE19893919727
Authority: DE
Inventors: Peter 8080 Fuerstenfeldbruck De Perzl
Original assignee: Heraeus Holding GmbH
Current assignee: Heraeus Holding GmbH
Priority date: 1989-06-16
Filing date: 1989-06-16
Publication date: 1991-02-07
Anticipated expiration: 2009-06-17

Abstract

Homogenity of the velocity and direction of the gas flow is one of the conditions for generating a steady laser beam in a drumlike generator (1) wherein a blower (5) propels the laser gas along a path (4) through a narrow gap (13) across which an electric gas discharge takes place. The gas is returned to the blower via a cooling section (11). The curved area at the top end of the solid core body (16) around which the gas flow rotates is replaced by a cylindric component (18) which is made to rotate so that the surface speed of the cylinder is close to the gas speed in the area marked (14). The blower (5) and the cylinder (20) are coupled to a common drive. ADVANTAGE - Better quality laser beam.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gaslaser mit einem Gas-Strömungs kanal,The present invention relates to a gas laser with a gas flow channel,

- With a discharge space that forms part of the gas flow channel and is flowed through by the gas at high speed, the gas ent Charge between at least two electrodes that are transverse to the gas flow are extended, burning and
- with a fan to maintain the gas flow,
- The gas flow channel after the discharge space as a bend or curved diffuser is formed, the gas flow by at least 90 ° redirects.

Ein solcher Gaslaser ist sowohl aus der GB-A 21 35 815 als auch aus der US-PS 46 86 680 bekannt. Such a gas laser is both from GB-A 21 35 815 and from US-PS 46 86 680 known.

In quergeströmten Gastransportlasern wird als Umwälzpumpe des Lasermediums häufig ein Querstrom-Gebläse verwendet, ein Gebläsetyp, der sich aufgrund seiner einfachen Bauweise sowie seiner guten Volumenförderleistung für diese Laserbauart besonders gut eignet. Hinzu kommt die Tatsache, daß sich der Gebläse-Rotor parallel zur Entladungsstrecke über deren gesamte Länge erstreckt und somit durch den Wegfall von Gasleiteinrichtungen um Achsen senkrecht zur Gebläse-Achse eine völlig ebene Durchströmung des gesamten Laserquerschnitts möglich wird. Dies führt zu überschaubaren, zweidimensionalen Strömungsvorgängen sowie zu einer unkomplizierten Skalierbarkeit des Systems in Richtung der optischen Achse, ohne prinzipielle Veränderungen an dem Strömungssystem vornehmen zu müssen. Mit diesen Querstrom-Gebläsen lassen sich zwar große Volumenströme erzielen, jedoch bei relativ geringen Druckdifferenzen zwischen Saugseite und Druckseite des Gebläses. Infolgedessen muß der gesamte Gaskreislauf des Lasers so gestaltet werden, daß ein möglichst geringer Druckverlust und eine möglichst homogene Strömung von sehr geringem Turbulenzgrad entsteht. Besonderes Augenmerk ist dabei auf den im allgemeinen gekrümmten Diffusor stromabwärts des Entladungsbereichs zu legen, da hier, bedingt durch starke Ablösungen der Strömungsschicht an der Krümmungsinnenwand, ein Großteil der gesamten Druckverluste entsteht.In cross-flow gas transport lasers, the laser medium is used as a circulation pump often used a cross-flow blower, a type of blower that is based on its simple design and its good volume flow rate for it Laser design is particularly suitable. Added to this is the fact that the Fan rotor parallel to the discharge path over its entire length extends and thus by the elimination of gas control devices around axes perpendicular to the fan axis, a completely flat flow of the entire Laser cross section is possible. This leads to manageable two-dimensional flow processes as well as an uncomplicated Scalability of the system in the direction of the optical axis, without principle To have to make changes to the flow system. With these Cross-flow blowers can achieve large volume flows, but with relatively small pressure differences between the suction side and pressure side of the Blower. As a result, the entire gas cycle of the laser must be designed in this way be that the lowest possible pressure loss and the most homogeneous possible Flow with a very low degree of turbulence arises. Particular attention is paid to doing so on the generally curved diffuser downstream of the Discharge area, because here, due to strong detachment of the Flow layer on the inside wall of the curve, a large part of the total There is pressure loss.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Gaslaser der eingangs beschriebenen Art so zu optimieren, daß eine gleichmäßige Strömung ohne Grenzschichtablösungen über den gesamten Querschnitt des Gas-Strömungskanales im Bereich des Krümmers oder gekrümmten Diffusors gewähr leistet ist.The present invention is based on the object of a gas laser optimize the type described above so that a uniform flow without boundary layer detachments over the entire cross section of the Grant gas flow channel in the area of the elbow or curved diffuser is accomplished.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß die Innenwand des Krümmers durch einen Teil eines rotierenden Zylinders gebildet ist, an den sich tangential die festen Wände der Innenwand des Strömungskanals anschließen.This problem is solved in that the inner wall of the manifold by a Part of a rotating cylinder is formed, to which the tangential connect solid walls to the inner wall of the flow channel.

Durch den rotierenden Zylinder, der die Innenwand des Krümmers oder gekrümmten Diffusors bildet und die Gasströmung um mindestens 90° umlenkt, wird eine Strömungsablösung der Gasströmung im Bereich dieser Innenwand, die als kritisch hinsichtlich der Strömungsbedingungen anzusehen ist, unterbunden. Bevorzugt sollte hierbei der Zylinder mit einer Oberflächengeschwindigkeit rotieren, die gleich oder größer ist als die Geschwindigkeit der Gasströmung.Through the rotating cylinder, which is the inner wall of the manifold or curved Forms a diffuser and deflects the gas flow by at least 90 °, a Flow separation of the gas flow in the area of this inner wall, which as is to be viewed critically with regard to the flow conditions. The cylinder should preferably have a surface speed rotate that is equal to or greater than the velocity of the gas flow.

Eine Verzögerung der Grenzschicht durch Reibung an der Wand kann somit durch das Mitbewegen der Wand mit der Strömung gar nicht erst entstehen. Bei einem einfachen Krümmer mit konstantem Kanalquerschnitt quer zur Strömungsrichtung lassen sich Ablösungen verhindern, wenn die Umfangsgeschwindigkeit des Zylin ders annähernd der Geschwindigkeit des Fluids entspricht. Wird der Energie verlust durch Wandreibung zusätzlich durch von größeren Querschnittsänderungen verursachten positiven Druckgradienten überlagert, beispielsweise in einen gekrümmten Diffusor, so muß der Grenzschicht zusätzlich ein Impuls erteilt werden, um starke Ablösungen zu vermeiden. Hierzu wird die Umfangsgeschwin digkeit des Zylinders deutlich höher gewählt als die Geschwindigkeit des Gases. Die Oberflächenrauhigkeit üblichen Rohrmaterials ist dabei für den Zylinder ausreichend. Für Wandgeometrien, die nicht zylinderförmig sind, kann auch ein bewegtes Band, beispielsweise aus Gummi oder Gewebe, mit entsprechender Oberflächengeschwindigkeit bewegt verwendet werden.A delay in the boundary layer due to friction on the wall can be caused by moving the wall with the flow does not arise at all. At a simple elbow with constant duct cross-section transverse to the flow direction detachments can be prevented if the peripheral speed of the cylin which corresponds approximately to the speed of the fluid. Will the energy loss due to wall friction due to larger cross-sectional changes superimposed positive pressure gradient, for example in a curved diffuser, the boundary layer must also be given an impulse to avoid strong detachments. For this, the circumferential speed of the cylinder is chosen to be significantly higher than the speed of the Gas. The surface roughness of the usual pipe material is for the Cylinder sufficient. For wall geometries that are not cylindrical, can also a moving belt, for example made of rubber or fabric appropriate surface speed can be used moved.

Bevorzugt sollte der rotierende Zylinder einen Durchmesser von mindestens 30 mm aufweisen, damit der Zylinder einerseits eine ausreichende Stabilität aufweist und andererseits durch den geringen Durchmesser kleine Krümmungs radien zur Umlenkung der Gasströmung erzielt werden können.The rotating cylinder should preferably have a diameter of at least Have 30 mm so that the cylinder has sufficient stability has and on the other hand due to the small diameter small curvature radii for redirecting the gas flow can be achieved.

Ein einfacher Antrieb des Zylinders ergibt sich dadurch, daß der Zylinder mit dem Antrieb des Gebläses gekoppelt ist. Diese Koppelung ist in einfacher Weise schon dadurch gegeben, daß die Achse des Gebläses und die Achse des Zylinders parallel zueinander ausgerichtet sind und die Antriebsverbindung beispiels weise über einen Antriebsriemen ohne Umlenkung der Drehrichtung möglich ist.A simple drive of the cylinder results from the fact that the cylinder with the drive of the blower is coupled. This coupling is simple already given that the axis of the blower and the axis of the cylinder are aligned parallel to each other and the drive connection for example is possible via a drive belt without changing the direction of rotation.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfol genden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung.Further details and features of the invention emerge from the following ing description of an embodiment with reference to the drawing.

Die Zeichnung zeigt einen Querschnitt senkrecht zur Achse eines Gebläses bzw. senkrecht zur optischen Achse eines Lasers. The drawing shows a cross section perpendicular to the axis of a blower or perpendicular to the optical axis of a laser.

Der Laser besitzt ein langgestrecktes, im Querschnitt kreisrundes Gehäuse 1, dessen gesamter Querschnitt durch einen geschlossenen Gas-Strömungskanal 2 ausgefüllt ist. Die Achse des Gehäuses 1 ist mit dem Bezugszeichen 3 bezeich net. In dem Gas-Strömungskanal 2 wird, durch die Strömungspfeile 4 angedeutet, über ein Querstrom-Gebläse 5 eine Gasströmung aufrechterhalten. Die Gebläse- Achse 6 verläuft parallel zur Achse 3 des Gehäuses 1. Das Gebläse 5 besitzt einen aus einzelnen Schaufeln 7 zusammengesetzten Schaufel-Kranz 8, dessen Drehrichtung durch den Drehpfeil 9 angedeutet ist. Die einzelnen Schaufeln 7 des Schaufel-Kranzes 8 des Gebläses 5 stehen frei, so daß der Gasstrom durch diesen Schaufel-Kranz 8 hindurchtreten kann. Auf der Saugseite 10 ist in den Strömungskanal 2 ein Kühler 11 eingesetzt, um den Gasstrom eingangs des Gebläses 5 abzukühlen. Auf der Druckseite 12 verengt sich der Gas-Strömungs kanal 2 zum Entladungsraum 13 hin, der durch die schraffierte Fläche angedeu tet ist, der sich im Anschluß an den Gasentladungsraum 13 in Form eines Diffusors 14 wieder aufweitet. Am Ende des Strömungskörpers 15 wird die Gas strömung um etwa 180° zu dem Kühler 11 hin umgeleitet. Die optische Achse des Lasers verläuft parallel zu der Achse 3 des Gehäuses 1 und der Gebläse-Achse 6. An der Innenwand 16 des Gas-Strömungskanals 2, die durch den Strömungskörper 15 gebildet wird, wird die Druckseite 12 von der Saugseite 10 des Gebläses durch einen in Richtung der Achse 6 des Gebläses 5 ausgedehnten ersten Strömungsleitkörper 17, der ein Teil des Strömungskörpers 15 ist, getrennt.The laser has an elongated housing 1 with a circular cross section, the entire cross section of which is filled by a closed gas flow channel 2 . The axis of the housing 1 is denoted by the reference numeral 3 . A gas flow is maintained in the gas flow channel 2 , indicated by the flow arrows 4 , via a cross-flow fan 5 . The fan axis 6 runs parallel to the axis 3 of the housing 1 . The fan 5 has a blade ring 8 composed of individual blades 7 , the direction of rotation of which is indicated by the rotary arrow 9 . The individual blades 7 of the blade ring 8 of the blower 5 are free, so that the gas flow can pass through this blade ring 8 . On the suction side 10 , a cooler 11 is inserted into the flow channel 2 in order to cool the gas flow at the inlet of the fan 5 . On the pressure side 12 , the gas flow channel 2 narrows toward the discharge space 13 , which is indicated by the hatched area, which widens again in the form of a diffuser 14 following the gas discharge space 13 . At the end of the flow body 15 , the gas flow is diverted by approximately 180 ° to the cooler 11 . The optical axis of the laser runs parallel to the axis 3 of the housing 1 and the fan axis 6 . On the inner wall 16 of the gas flow channel 2 , which is formed by the flow body 15 , the pressure side 12 from the suction side 10 of the fan is expanded by a first flow guide body 17 , which is part of the flow body 15 , in the direction of the axis 6 of the fan 5 , Cut.

Der Strömungskörper 15 weist in dem Bereich, in dem die Gasströmung am Ende des Diffusors 14 um 180° umgelenkt wird, einen Zylinder 18 auf, der die Innenwand 16 des Gas-Strömungskanals 2 bildet. Der Zylinder 18 ist drehbar gelagert, wobei seine Drehachse 19 parallel zur optischen Achse des Lasers, zur Achse 3 des Gehäuses 1 und parallel zur Gebläse-Achse 6 verlaufend ausge richtet ist. Die Drehrichtung des Zylinders 18, die durch den Drehpfeil 20 angedeutet ist, entspricht der Strömungsrichtung 4 des Gases in dem Gas-Strömungskanal 2. Der Zylinder 18 ist derart in den Strömungskörper 15 eingebettet, daß etwa ein Segment des Zylinders 18 von 180° in den Gas-Strömungskanal 2 hineinragt und die Wände des Strömungskörpers 15 tangential in die Oberfläche des Zylinders 18 auslaufen. Der Durchmesser des Zylinders beträgt etwa 100 mm; der Durchmesser ist jedoch von der Gesamtgeometrie des Lasers abhängig. Die Oberflächengeschwindigkeit des sich um die Drehachse 20 drehenden Zylinders 18 ist derart gewählt, daß sie mindestens der Strömungsgeschwindigkeit des in dem Gas-Strömungskanal 2 strömenden Gases entspricht. Durch den rotierenden Zylinder 18 wird Strömungsablösungen des Gases an der Innenwand 16 des Gas-Strömungskanals 2 im Bereich dieser Umlenkung am Ende des Diffusors 14 die Ursache genommen und damit eine wirbelfreie, laminare Strömung erhalten. Durch diese Maßnahme werden Strömungsverluste vermieden und der Gasstrom strömt zum Gebläse 5 turbulenzfrei hin. Der Gas-Strömungskanal 2 kann als gekrümmter Diffusor 14 mit sich erweiternden Wänden ausgebildet sein, wie dies anhand der mit durchgezogener Linie gekennzeichneten Außenwand dargestellt ist oder aber als Kanal mit gleichbleibendem Querschnitt, wie dies die unterbrochene Linie zeigt. Falls der Gas-Strömungskanal 2 als Diffusor ausgebildet ist muß, da sich in diesem Bereich die Strömungsgeschwindigkeit mit größer werdendem Querschnitt verringert, der Zylinder 18 mit einer größeren Oberflächengeschwindigkeit gedreht werden als dies für eine Anordnung des Strömungskanals entsprechend der unterbrochenen Linie der Fall wäre.The flow body 15 has a cylinder 18 in the region in which the gas flow at the end of the diffuser 14 is deflected, which cylinder 18 forms the inner wall 16 of the gas flow channel 2 . The cylinder 18 is rotatably supported, its axis of rotation 19 is parallel to the optical axis of the laser, to the axis 3 of the housing 1 and parallel to the fan axis 6 extending. The direction of rotation of the cylinder 18 , which is indicated by the arrow 20 , corresponds to the direction of flow 4 of the gas in the gas flow channel 2 . The cylinder 18 is embedded in the flow body 15 such that approximately a 180 ° segment of the cylinder 18 projects into the gas flow channel 2 and the walls of the flow body 15 run tangentially into the surface of the cylinder 18 . The diameter of the cylinder is approximately 100 mm; however, the diameter depends on the overall geometry of the laser. The surface speed of the cylinder 18 rotating about the axis of rotation 20 is selected such that it corresponds at least to the flow speed of the gas flowing in the gas flow channel 2 . Due to the rotating cylinder 18 , flow detachments of the gas on the inner wall 16 of the gas flow channel 2 in the region of this deflection at the end of the diffuser 14 are eliminated and thus a vortex-free, laminar flow is obtained. This measure avoids flow losses and the gas flow flows towards the fan 5 without turbulence. The gas flow channel 2 can be designed as a curved diffuser 14 with widening walls, as shown by the outer wall marked with a solid line, or as a channel with a constant cross-section, as shown by the broken line. If the gas flow channel 2 is designed as a diffuser, since in this area the flow speed decreases with an increasing cross section, the cylinder 18 is rotated with a higher surface speed than would be the case for an arrangement of the flow channel according to the broken line.

BezugszeichenlisteReference symbol list

1 Gehäuse
2 Gas-Strömungskanal
3 Achse
4 Strömungspfeil
5 Querstrom-Gebläse
6 Gebläse-Achse
7 Schaufel
8 Schaufel-Kranz
9 Drehpfeil
10 Saugseite
11 Kühler
12 Druckseite
13 Gasentladungsraum
14 Diffusor
15 Strömungskörper
16 Innenwand
17 Strömungsleitkörper
18 Zylinder
19 Drehachse
20 Drehpfeil 1 housing
2 gas flow channel
3 axis
4 flow arrow
5 cross flow blowers
6 blower axis
7 shovel
8 shovel wreath
9 arrow
10 suction side
11 cooler
12 printed page
13 gas discharge space
14 diffuser
15 flow bodies
16 inner wall
17 flow guide
18 cylinders
19 axis of rotation
20 arrow

Claims

1. gas laser with a gas flow channel,

with a discharge space which forms part of the gas flow channel and through which the gas flows at high speed, the gas discharge burning between at least two electrodes which are transverse to the gas flow and
- with a fan to maintain the gas flow,
the gas flow channel after the discharge space is designed as a bend or curved diffuser which deflects the gas flow by at least 90 °,

characterized in that the inner wall ( 16 ) of the elbow ( 14 ) is formed by part of a rotating cylinder ( 18 ) to which the fixed walls of the inner wall ( 16 ) of the gas flow channel ( 2 ) are connected tangentially.

2. Gas laser according to claim 1, characterized in that the cylinder ( 18 ) seen in cross section extends over an angular segment of at least 90 ° in the gas flow channel ( 2 ).

3. Gas laser according to claim 2, characterized in that the angle segment located in the gas flow channel ( 2 ) is approximately 180 °.

4. Gas laser according to one of claims 1 to 3, characterized in that the rotating cylinder ( 18 ) has a diameter of at least 30 mm.

5. Gas laser according to one of claims 1 to 4, characterized in that the drive of the cylinder ( 18 ) is coupled to the drive of the blower ( 5 ).

6. Gas laser according to one of claims 1 to 5, characterized in that the peripheral speed of the cylinder ( 18 ) approximates the flow rate of the gas in this area.