DE4118786A1

DE4118786A1 - Gaslaser, insbesondere axialstromgaslaser

Info

Publication number: DE4118786A1
Application number: DE4118786A
Authority: DE
Inventors: Hans-Heinrich Dr Ing Henning; Bernd Dipl Ing Ellinghaus; Frank Dipl Ing Diedrichsen; Walter Winkelstroeter; Dieter Dipl Ing Frohn
Original assignee: Gebr Becker GmbH
Current assignee: Gebr Becker GmbH
Priority date: 1991-06-07
Filing date: 1991-06-07
Publication date: 1992-12-17
Anticipated expiration: 2011-06-08
Also published as: DE4118786C2; US5303253A

Description

Die Erfindung betrifft einen Gaslaser, insbesondere Axi alstromgaslaser, mit wenigstens einem im Lasergehäuse an geordneten als optischen Resonator ausgebildeten Gasent ladungsrohr, das vom Lasergas durchströmt wird und mit zur Umwälzung des Lasergases dienendem Verdichter, insbe sondere Radialgebläse mit einem Gehäuse, das einen Rotor mit wenigstens einem auf einer Achse angeordneten Laufrad aufweist, hierbei liegt im Gasstrom eine Wärmeaustau schereinrichtung. Derartige Gaslaser (DE-OS 38 01 481) erfreuen sich wegen ihres kompakten Aufbaus großer Be liebtheit.

Insbesondere bei den CO₂-Gaslasern führt aber die Ent wicklung dahin, daß immer größere Laserleistungen ver langt werden. Bei den bisher bekannten Gaslasern ist als Nachteil der geringe Wirkungsgrad, insbesondere Stecker wirkungsgrad, also das Verhältnis von gewonnener Licht leistung zu Stromleistungsaufnahme.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Laser der ein gangs genannten Art so zu gestalten, daß beim kompakten Aufbau die Energieverluste gering sind, der Laser soll einen hohen Wirkungsgrad haben, hierbei sollen insbeson dere die Strömungswiderstände im Gaskreislauf verkleinert werden. Dies geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß dem Strömungsende des Gasentladungsrohres eine Turbine mit wenigstens einem Laufrad nachgeschaltet ist, die über die Strömungsenergie des Lasergases unter dessen Abkühlung und Expansion antreibbar ist, hierbei liefert die Turbine wenigstens teilweise die Energie zum Antrieb des Verdich ters. Durch die Anordnung einer Turbine am Strömungsende des Gasentladungsrohres ergibt sich nunmehr, daß die Strömungsenergie zum Antrieb der Turbine ausgenutzt werden kann. Durch diese Maßnahme kann man die beim Betrieb des Laser bei seiner Anregung in Wärme und Strömungsenergie umgewandelte Energie teilweise wieder zurückgewinnen. Je nach Konstruktion und Turbinenwirkungs- sowie Verdichter wirkungsgrad können 50 bis 90% der Verdichterantriebs leistung aus der Turbine rückgewonnen werden. So können beispielsweise bei einem 10 Kilowattlaser 15 bis 26 Kilo watt Antriebsleistung durch die Nachschaltung der Turbine gespart werden. Vorteilhafterweise ist die Anzahl der Zu führungsrohre von Gasentladungsrohren zur Turbine höch stens gleich der Anzahl der Gasentladungsrohre. Hierdurch ergeben sich bei der Zuführung zur Turbine nur geringe Strömungsverluste, wobei es sich empfiehlt, daß die Größe des Durchmessers der Strömungsenden des Gasentladungsroh res mindestens gleich dem Durchmesser des Zuführrohres ist, damit auf diese Weise kein Druckstoß am Strömungsen de des Gasentladungsrohres entsteht.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das Zufüh rungsrohr gegenüber der Größe des Durchmessers des Strö mungsendes des Gasentladungsrohres wenigstens einen sich verjüngenden Bereich auf. Hierdurch ergibt sich ein bes serer Strömungsverlauf sowie eine höhere Strömungsge schwindigkeit, der zur Turbine führenden Gase, so daß der Wirkungsgrad des Gaslasers im Betrieb größer wird. Um möglichst geringe Strömungsverluste zwischen Strömungsen de des Gaslasers und Turbineneingang zu haben, empfiehlt es sich, das Zuführrohr möglichst umlenkungsfrei zur Tur bine zu führen.

Günstigerweise ist im Bereich des Laufrades der Turbine zum Ende des Zuführrohres hin, dieses mit einer Düse ver sehen, damit so das vom Gaslaser kommende erwärmte Gas mit erhöhter Geschwindigkeit auf das Laufrad der Turbine einströmt. Bei einem besonderen Ausführungsbeispiel kön nen die Zuführrohre an ihrem Ende als Düsenkranz ausge bildet sein, um so eine sichere Übertragung mit hohem Wirkungsgrad auf die Turbine zu erreichen. Empfehlenswert ist es, wenn das Zuführrohr mit seinem einen Ende axial zum Laufrohr der Turbine liegt. Bei einem anderen Ausfüh rungsbeispiel verläuft das Zuführrohr mit seinem Ende ra dial zum Laufrad der Turbine, wobei sich eine solche An ordnung dann empfiehlt, wenn mehrere Zuführrohre vorhan den sind.

Die Turbine kann als Gleichdruckturbine oder aber als Re aktionsturbine ausgebildet sein, wobei die Reaktionstur bine hauptsächlich dann zur Anwendung kommen wird, wenn mehrere Zuführrohre vorhanden sind.

In Weiterführung der Erfindung empfiehlt es sich, daß das Laufrad der Turbine auf der gleichen Welle angeordnet ist, wie das Laufrad des Radialverdichters. Auf diese Weise kann die durch die Strömungsenergie in der Turbine gewonnene Energie unmittelbar und ohne Zwischenschaltung weiterer Elemente zum Drehantrieb der Verdichterlaufräder verwendet werden. Darüber hinaus wird der kompakte Aufbau des Gaslasers verstärkt. Um den Wirkungsgrad des Gasla sers noch zu erhöhen, empfiehlt es sich, daß in Strö mungsrichtung gesehen zwischen dem letzten Laufrad der Turbine und dem ersten Laufrad des Verdichters eine Wär meaustauschereinrichtung vorgesehen ist, die als Diffusor ausgebildet ist. Diese Ausbildung erlaubt das Lasergas zu kühlen, ohne große Druckverluste im Lasergas zu errei chen, da die Geschwindigkeitsenergie des Lasergases in Druck verwandelt wird, so daß insoweit das Gefälle an der Turbine noch vergrößert wird.

Aufgrund der Verwendung einer Turbine ergibt sich hin sichtlich der Kühlung des Lasergases noch der weitere Vorteil, daß durch die Entspannung selber das Lasergas erheblich zurückgekühlt wird, so daß der nachgeschaltete Vorkühler kleiner als die bisherigen ausgelegt werden kann. Um eine kompakte Baueinheit zu erreichen, ist es günstig, wenn das Laufrad der Turbine und/oder die Wärme austauschereinrichtung im Gehäuse des Verdichters unmit telbar vorgesehen ist.

Besonders empfehlenswert ist es, wenn die diffusorartig ausgebildete Wärmeaustauschereinrichtung in Strömungs richtung gesehen sich erweiternde kegelstumpfartig an geordnete den Gasstrom führende Bleche aufweist, da hier eine sichere Abkühlung des Lasergases erzielbar ist, ohne daß eine Verwirbelung des Lasergases in der Wärmeaus tauschereinrichtung geschieht. Die restliche Geschwin digkeitsenergie kann umgewandelt werden, wodurch der Druck hinter dem Turbinenrad noch um einige mbar abge senkt werden kann, hierbei empfiehlt es sich, daß die Ble che über wasserdurchströmende Rohre miteinander verbunden sind, um so eine sichere Kühlung zu erreichen, wobei die Bleche selber aus gut wärmeleitendem Material, wie Kup fer oder Aluminium aufgebaut sein sollten.

Um eine günstige Montage, trotzdem aber eine sichere Strömungsführung zu erhalten, empfiehlt es sich, daß der Diffusor geteilt aufgebaut ist und aus zwei Halbschalen besteht.

Um die vom Gasentladungsrohr kommenden Gase mit möglichst geringen Wärmeausverlusten der Turbine zuzuführen, emp fiehlt es sich, daß die Zuführrohre bis zum Verdichterge häuse hin mit einer Wärmeisolierung versehen sind.

Damit zum einen möglichst geringe Wärmeverluste vor der Turbine auftreten, andererseits das Gehäuse des Verdich ters nicht unnötig erwärmt wird, ist es vorteilhaft, wenn die Düsen der Zuführrohre und/oder die Turbinendeckwand gegenüber dem Wärmeaustauscher mit einer Wärmeisolie rungsschicht versehen wird, darüber hinaus ist es von Vorteil, wenn zwischen dem turbinenseitigen Lagerwellen ende und dem Laufrad der Turbinen sowie zwischen diesem Laufrad und dem ersten Laufrad des Verdichters jeweils eine Wärmeisolierscheibe, vorzugsweise aus Keramik, vor gesehen ist, so daß eine Wärmeübertragung zum Lagerwel lenende und zu den Laufrädern des Verdichters vermieden wird.

Bei einem besonderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Verdichtergehäuse im Bereich der Wärmeaustau schereinrichtung sowie zwischen erster und gegebenenfalls zweiter Verdichterstufe mit einer Wasserkühlung versehen, um so eine sichere Abkühlung des Gehäuses zu erzielen, hierbei empfiehlt es sich, die Wasserkühlung der Bleche der Wärmeaustauschereinrichtung an die Wasserkühlung der Verdichterstufe anzuschließen, da sich so ein kostengün stiger und einfacher Aufbau ergibt, der eine sichere Küh lung nach der Anordnung der Turbine ermöglicht.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist am turbinenseitigen Gehäuse im Bereich der Lagerung der Welle der Turbine sowie des Verdichters eine Zuführung für Frischgas für das Lasergas vorgesehen. Diese Anord nung erlaubt frisches kaltes Lasergas zuzuführen, so daß dort das Lager sicher gekühlt wird, obwohl unmittelbar daneben das Turbinenrad vorhanden ist. Hierbei ist es weiter von Vorteil, wenn an der der Turbine abgewandten Seite des Gehäuses im Bereich der zweiten Lagerstelle der Welle der Laufräder eine Ableitung für verbrauchtes La sergas vorgesehen ist, hierbei ist die Ableitung des ei nen Lagerwellenendes mit der Zuleitung an dem anderen La gerwellenende über eine Rohrleitung verbunden, in der das verbrauchte Lasergas kühlbar und/oder über Filter und Ka talysatoren reinigbar ist, wobei die Durchflußmenge, ins besondere über einen Drosselschieber regulierbar ist. Diese Anordnung erlaubt, daß das an der Druckseite vor liegende verbrauchte Lasergas gegen den am anderen Ende des Gehäuses des Verdichters herrschenden niedrigen Druck strömen zu lassen, wobei zugleich eine Kühlung und Reini gung durchgeführt werden kann, so daß ein langer Dauerbe trieb des CO₂-Gaslasers möglich ist. Insgesamt ergibt sich, daß neben der Frischgaszuführung und der Reini gung des Lasersgases das dortige Lagerende sicher ge kühlt wird.

Günstigerweise ist der am Ausgang des Verdichtergehäuses liegende Wärmeaustauscher aus konzentrisch zur Achse der Laufräder liegende ringartigen Blechen aufgebaut, die wiederum das komprimierte Lasergas abkühlen können, wobei durch die konzentrische Anordnung eine laminare Strömung des verdichteten Lasergases erzielt wird.

Bei einem besonderen Ausführungsbeispiel der Erfindung umfaßt der Ausgang des Verdichters zur Aufteilung des La sergasstromes zu den Entladungsrohren mehrere Ableitun gen, deren Anzahl höchstens der Anzahl der Gasentladungs rohre entspricht. Auf diese Weise ergibt sich strömungs technisch gesehen auch eine günstige Anordnung an der Ausgangsseite des Verdichters. Bei einem weiteren Ausfüh rungsbeispiel sind die Ableitungen axial zu der Achse der Laufräder angeordnet, während bei einem weiteren Ausfüh rungsbeispiel die Ableitungen radial zu der Achse der Laufräder des Verdichters liegen. Durch diese Maßnahme wird je nach Wahl des Verdichters eine strömungstechnisch günstige Führung des Lasergases zu dem oder den Gasentla dungsröhren des Gaslasers ermöglicht.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Laufraddurchmesser der Turbine kleiner als der Lauf raddurchmesser des Verdichters. Auf diese Weise wird si chergestellt, daß im Laserbetrieb bei konstanter Drehzahl der Laufräder des Verdichters das Turbinenrad genau die Leistung abgibt, die in ihm aus der Kühlung und Expansion des Lasergases gewonnen wird.

Von Vorteil ist es weiterhin, wenn der Strömungswider stand des Lasergases zwischen dem Strömungsende des Gas entladungsrohres und dem Eintritt in die Turbine gering ausgebildet ist, um so, wie schon vorgetragen, möglichst wenig Widerstandsverluste bis zur Turbine zu erzielen und um eine möglichst hohe Energierückgewinnung zu haben.

Bei einem besonderen Ausführungsbeispiel, bei dem der Gaslaser insbesondere der Axialstromgaslaser mit seinem ein oder mehrstufig ausgebildeten Radialgebläse hinsicht lich seines Rotors und seines Gehäuses einen zumindest teilmodularen Aufbau aufweist (vergl. DE-OS 38 01 481), empfiehlt es sich, daß der Abstand der axialen Er streckung des Laufrades gleich dem Abstand der axialen Erstreckung des Turbinenrades auf der Achse des Verdich ters ist, da so beispielsweise bei einem vorhandenen mehrstufigen Verdichtergebläse nur ein Laufrad des Ver dichters mit einem Turbinenlaufrad ausgetauscht werden muß, während die übrige Anordnung des Verdichters sowie des Verdichtergehäuses nicht geändert werden muß. Bei ei nem anderen Ausführungsbeispiel ist der Quotient aus dem Abstand der axialen Erstreckung von Turbinenrad und Wär meaustauschereinrichtung zum Abstand der axialen Er streckung des Laufrades auf der Achse ganzzahlig. Auf diese Weise kann wiederum das bisher bekannte Gehäuse so wie der Verdichter auch für die neue Erfindung verwendet werden. Bei einem dritten Ausführungsbeispiel ist der Quotient aus dem Abstand der axialen Erstreckung von Tur binenrad und einem zugeordneten Abstandsring und dem Ab stand der axialen Erstreckung von Laufrad und den im zu geordneten Abstandsring ganzzahlig.

Aus einer solchen Anordnung ergibt sich, daß die bisheri gen Gehäuse sowie deren Bauteile einschließlich Laufrä dern, Abstandsringen, Zwischenscheiben und dgl. weiter verwendet werden können, insbesondere ist hierdurch eine Standardisierung von Verdichter und Kühlerbauelementen möglich, so daß die Kosten des erfindungsgemäßen Gasla sers weiterhin verkleinert werden können.

Auf der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand in mehre ren Ausführungsbeispielen dargestellt und zwar zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Aufbau des Gaslasers,

Fig. 2 einen weiteren schematischen Aufbau eines anderen Gaslasers,

Fig. 3 einen Schnitt durch das Verdichter gehäuse mit Laufrädern und einem Turbinenrad.

Bei den Ausführungsbeispielen ist der Laser als Axial stromgaslaser insbesondere CO₂-Gaslaser ausgebildet. Er weist ein Gasentladungsrohr 10 auf. Am Strömungsende 11 des Gasentladungsrohres ist über ein Zuführrohr 12 eine Turbine 13 nachgeordnet.

Der Turbine 13 nachgeschaltet, ist eine einen Vorkühler bildende Wärmeaustauschereinrichtung 14, die mit dem Ein gang eines Verdichters 15, der als Radialgebläse ausge bildet ist, verbunden ist. Dem Radialgebläse 15 ist eine Wärmeaustauschereinrichtung 16 als Nachkühler nachge schaltet. Von dort wird der Gasstrom über Ableitungen 17 zum Eingang 18 des Gasentladungsrohres 10 geführt.

Im folgenden sei kurz die Wirkungsweise des Gaslasers be schrieben: Das Gasentladungsrohr 10 weist, wie mit Pfeil A angedeutet, eine Gasanregungseinrichtung auf. Hierdurch bedingt, wird das im Gasentladungsrohr befindliche Laser gas erwärmt und strömt über das Strömungsende und das Zu führrohr 12 zur Turbine 13. In der Turbine wird das La sergas entspannt und abgekühlt. Hierdurch wird Energie gewonnen, die zum Antrieb des Radialgebläses 15, wie Pfeil B zeigt, verwendet wird. Am Turbinenende wird das Lasergas weiter gekühlt und entspannt über die als Vor kühler arbeitende Wärmeaustauschereinrichtung 14. In dem Verdichter 15 wird dann erneut das Lasergas verdichtet. Im Nachkühler 16 wird die bei der Verdichtung entstehende Wärme abgeführt, wobei dann über die Ableitung 17 das Gas zum Eingang 18 des Gasentladungsrohres gefördert wird. Dort kann es dann erneut angeregt werden.

Um nun einen möglichst kompakten Aufbau des Lasers zu er reichen, der auch hohe Leistungen (20 kW) erbringt, sind, wie Fig. 2 zeigt, die Turbine 13 der Vorkühler 14 der Verdichter 15 sowie der Nachkühler 16 in einem Gehäuse 19 zusammengefaßt.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Gaslaser zwei Gasentladungsrohre 10 auf. Von jedem Strö mungsende 11 jedes Gasentladungsrohres 10 führt ein Zu führrohr 12 zum Eingang des Gehäuses 19, hierbei ist die Zuführung so gewählt, daß das Lasergas axial der Turbine zugeführt wird.

Am Ausgang des Verdichters sind die beiden Ableitungen 17 so gelegt, daß sie radial zum Radialgebläse vorgesehen sind. Strichpunktiert ist eine axiale Anordnung der Ab leitungen 17 angedeutet.

Es sei bei diesem Ausführungsbeispiel noch darauf hinge wiesen, daß die beiden Zuführrohre 12 aus strömungstechi schen Gründen einen Abschnitt 20 aufweisen, bei dem der Durchmesser des Zuführrohres verkleinert wird, wodurch eine Beschleunigung des Lasergases eintritt. Der Eingang des Zuführrohres 12 hat den gleichen Durchmesser wie der Ausgang am Strömungsende 11 des Gaslasers.

In Fig. 3 ist nun näher die eigentliche Turbine sowie der Radialverdichter beschrieben, wobei diese Teile, wie schon erwähnt, in dem Gehäuse 19 angeordnet sind.

Weiter sei vorgetragen, daß der Aufbau des Verdichters so sein kann, wie er in der DE-OS 38 01 481 beschrieben ist. Die Abmessungen der Turbine bzw. der Wärmeaustauscherein richtung können so bemessen sein, daß sie anstelle eines Laufrades des Radialverdichters und dem dem Laufrad zu geordneten Abstandsring vorgesehen sein können.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, weist die Turbine ein Laufrad 21 auf, das auf der gleichen Welle 22 dreh fest angeordnet ist, wie die beiden Laufräder 23 des Ra dialverdichters 15. Die Laufräder sind mit der Welle 22 gemeinsam um die strichpunktiert dargestellte Achse dreh bar.

Das Lasergas tritt über die Zuführrohre 12, die von den Entladungsrohren 10 axial in das Gehäuse 19 kommen, hierbei ist maximal die Anzahl der Zuführrohre gleich der Anzahl der Entladungsstrecken im Laser. Es sei hier wei ter vorab noch bemerkt, daß die Zuführrohre mit möglichst wenig Umlenkungen zum Gehäuse des Radialverdichters 19 geführt sind, insbesondere sind gegenüber dem Strömungs ende der Gasentladungsrohre keine Querschnittserweiterun gen vorhanden. Wie aus der Zeichnung weiter hervorgeht (Fig. 3), münden die Zuführrohre 12 in Düsen 24. Diese Düsen stehen dem Eingang der Turbine unmittelbar gegen über. Vom Eingang der Turbine werden die Lasergase über einen feststehenden Umlenkring 25 zum Turbinenlaufrad 21 geführt, wo die Lasergase, die Schaufeln 26 der Turbine beaufschlagen. Unter Expansion und Abkühlung des Laserga ses wird hierdurch die Welle 22 sowie die darauf angeord neten Laufräder 21 und 23 gemeinsam in Bewegung gesetzt.

Der Expansionsraum der Turbine wird durch eine deckelar tige, ringartige, feststehende Zwischenscheibe 27 abge deckt. Das entspannte und abgekühlte Lasergas strömt vom Turbinenlaufrad 21 über einen Abstandsring 28 zur Wärme austauschereinrichtung 14, die als Diffusor ausgebildet ist. Zu diesem Zweck sind im Inneren der Wärmeaustau schereinrichtung 14 Bleche 29 kegelstumpfförmig angeord net. In zwei unterschiedlichen Abschnitten dieser kegelstumpfartig angeordneten Bleche wird das Lasergas gekühlt. In zwei weiteren Abschnitten, bei denen jedoch die Bleche zum einen radial zur Welle 22 vorgesehen sind und dann axial zu der Welle, wird das Lasergas zum Sam melraum 30 geführt, der vor dem Verdichter vorgesehen ist. Es sei hier noch erwähnt, daß zwischen den einzelnen Abschnitten der Bleche Kühlrohre 31 vorgesehen sind, durch die zum einen die kegelartig bzw. konzentrisch und axial angeordneten Bleche zusammengehalten werden, zum anderen erfolgt darüber eine Abfuhr der Wärme. Diese Kühlrohre stehen mit einem Kühlkanal 32 in Verbindung, der von einem Kühlmittel durchflossen wird. Es sei hier noch darauf hingewiesen, daß die Bleche 29 so angeordnet sind, daß eine möglichst verlustfreie Strömung gegeben ist. Zur Montageerleichterung besteht der diffusorartige Wärmeaustauscher aus zwei Halbschalen, die um die Dreh welle 22 angeordnet werden. Es sei hier noch vorgetragen, daß besondere Leitbleche 33 vorgesehen sind, die den Dif fusor zum Laufrad abdichten, wie aus der Zeichnung zu er kennen ist. Das im ringförmigen Sammelraum 30 befindliche Lasergas wird nunmehr über einem Ringkanal 34, der durch den Zwischenraum zwischen einer Zwischenscheibe 35 und einem Leitblech 36 gebildet ist, zum Laufrad 23 des Radi algebläses geführt und zwar über nicht näher bezeichnete Vorläufer. Die Schaufeln 37 der Radialgebläselaufräder 23 verdichten das Lasergas weiter, daß dann über einen Um lenkring 38 zu einer weiteren Stufe des Radialgebläses geführt wird und von dort schließlich zum Ausgang des Ra dialgebläses, in dem eine Wärmeaustauschereinrichtung 16 eingebaut ist, die aus ringförmig, konzentrisch, zueinan derliegenden Blechen aufgebaut ist. Von dort wird das La sergas über die Ableitungen 17 zu den Gasentladungsröhren 10 weitergeführt.

Es sei hier noch darauf hingewiesen, daß bis zur Turbine 13 die Zuführrohre 12 mit einer Wärmeisolierung 39 verse hen sind, darüber hinaus ist, wie aus der Zeichnung er sichtlich, die Zwischenscheibe 27 zur Turbine als auch zum Diffusor 14 hin mit einer wärmeisolierenden Be schichtung 40 ausgebildet.

Die Turbine 13 ist gegenüber dem Lagerende der Welle des Radialgebläses sowie gegenüber dem Laufrad der ersten Stufe durch eine Wärmeisolierscheibe 41 wärmemäßig abge grenzt. Diese Wärmeisolierscheibe 41 besteht vorzugsweise aus Keramik.

Das Radialgebläse 15 mit Turbine 14 ist beidseitig in La gerkartuschen 42 gelagert, hierbei sei bemerkt, daß die Wälzlager in den Kartuschen mit Fett geschmiert sind.

Die beschriebene Wärmeisolierungsmaßnahmen dienen dazu, zum einen, daß das heiße Lasergas bis zur Turbine keine Wärmeverluste erfährt, zum anderen daß die Lagerstellen der Welle sowie die Laufräder des Radialgebläse gegen übermäßige Wärme geschützt werden.

Zum Antrieb der Turbine sowie des Radialgebläses ist ein Elektromotor 43 angeordnet. Dieser Elektromotor hat die Aufgabe, zum einen das Radialgebläse und die Turbine zu starten, darüber hinaus unterstützt er gegebenenfalls mit verminderter Leistung den Laserbetrieb, nachdem die Tur bine den Antrieb übernommen hat.

Wie aus Fig. 3 zu erkennen ist, ist bei der turbinensei tigen Lagerung der Welle 22 ein Anschluß 44 vorgesehen. Durch diesen Anschluß 44 kann Laserfrischgas über nicht näher bezeichnete Leitungen in den Laserstromkreis einge leitet werden. Dieses Frischgas dient zugleich zur Küh lung des vor der Turbine befindlichen Lagers.

An der motorseitigen Lagerung ist ebenfalls ein Anschluß 45 vorgesehen. Dieser Anschluß dient zum Absaugen des verbrauchten Lasergases.

Die Anschlüsse 44 und 45 können über eine nicht darge stellte Rohrleitung miteinander verbunden werden. In die se Leitung kann ein Gaskühler eingebaut sein. Aufgrund der Druckdifferenzen am Radialgebläse tritt eine geringe Menge Gas aus dem Anschluß 45 heraus und wird über die Rohrleitung zum Anschluß 44 geführt. In der Rohrleitung wird es gekühlt und dann über den Anschluß 44 dem Radial gebläse wieder zugeführt. Dieses Lasergas sowie das er wähnte Frischgas dienen auch zur turbinenseitigen Lager kühlung.

Die Kühlgasmenge kann über einen nicht dargestellten Drosselschieber im Bereich der Verbindung zwischen den Anschlüssen 45,44 reguliert werden. Das in den Nebenstrom zwischen 45 und 44 fließende Lasergas kann, insbesondere CO₂-Lasergas, zugleich durch in die Rohrleitung eingebau te Filter und Katalysatoren gereinigt werden. Es sei hier noch vorgetragen, daß das Gebläse in einer beliebigen Wellenposition betrieben werden kann, sei es senkrecht, waagerecht oder in Zwischenlagen.

Es sei hier noch nachgetragen, daß der Gaslaser mit Gleichstrom oder Hochfrequenzanregung betrieben wird. Weiter sei erwähnt, daß bei einer axialen oder radialen Anordnung der Zuführrohre auch lediglich eine partielle Beaufschlagung stattfinden kann.

Wie aufgezeigt, ergibt sich bei der in Fig. 3 dargestell ten Anordnung ein kompaktes Radialgebläse mit Turbine, das eine geringe Antriebsleistung benötigt und das zu sätzlich alle wesentlichen Komponenten zum Betrieb des Gasentladungsrohres beinhaltet.

Wie bereits erwähnt, ist die dargestellte Ausführungsform nur eine beispielsweise Verwirklichung der Erfindung. Diese ist nicht darauf beschränkt. Vielmehr sind noch mancherlei Abänderungen und Anwendungen möglich. So könnte statt der zweistufigen Ausführung des Radialgebläses auch eine andersstufige Ausführung gewählt werden. Dar über hinaus könnte auch die Turbine mehrere Laufräder aufweisen. Die Turbine könnte als Gleichdruckturbine oder als Reaktionsturbine ausgebildet sein. Nachzutragen bleibt ferner noch, daß das Gehäuse des Verdichters eben falls mit einer Wasserkühlung versehen sein kann.

Bezugszeichenliste

10 Gasentladungsrohr
11 Strömungsende von 10
12 Zuführrohr
13 Turbine
14 Wärmeaustauschereinrichtung (Vorkühler)
15 Verdichter (Radialgebläse)
16 Wärmeaustauschereinrichtung (Nachkühler)
17 Ableitung
18 Lasereingang
19 Gehäuse
20 Abschnitt in 12
21 Laufrad von 13
22 Welle von 13, 15
23 Laufräder von 15
24 Düsen an 12
25 feststehender Umlenkring
26 Schaufeln an 21
27 Zwischenscheibe
28 Abstandsring zwischen 21, 23
29 Bleche von 14
30 Sammelraum
31 Kühlrohre
32 Kühlkanal
33 Leitbleche
34 Ringkanal
35 Zwischenscheibe
36 Leitblech
37 Schaufel von 23
38 Umlenkring
39 Wärmeisolierung von 12
40 Beschichtung von 27
41 Wärmeisolierscheibe
42 Lagerkartuschen
43 Elektromotor
44 Anschluß (Frischgaszufuhr)
45 Anschluß (Gasabsaugung)

Claims

1. Axialstromgaslaser, insbesondere Axialstromgasla ser, mit wenigstens einem im Lasergehäuse angeord neten als optischen Resonator ausgebildeten Gas entladungsrohr, das vom Lasergas durchströmt wird und mit einem zur Umwälzung des Lasergases dienen den Verdichter, insbesondere Radialgebläse mit ei nem Gehäuse, das einen Rotor mit wenigstens einem auf einer Achse angeordneten Laufrad aufweist, hierbei liegt im Gasstrom eine Wärmeaustau schereinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß dem Strömungsende (11) des Gasentladungsrohrs (10) eine Turbine (13) mit wenigstens einem Lauf rad (21) nachgeschaltet ist, die über die Strö mungsenergie des Lasergases unter dessen Abkühlung und Expansion antreibbar ist, hierbei liefert die Turbine (13) wenigstens teilweise die Energie zum Antrieb des Verdichters (15).

2. Gaslaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vom Strömungsende (11) des Gasentladungsrohres (16) zur Turbine ein Zuführrohr (12) führt, hier bei ist die Anzahl der Zuführrohre (12) höchstens gleich der Anzahl der Gasentladungsrohre (10).

3. Gaslaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Durchmessers des Strömungsendes (11) des Gasentladungsrohres (10) mindestens gleich dem Durchmesser des Zuführrohres ist.

4. Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Zuführrohr (12) gegenüber der Größe des Durchmessers des Strö mungsendes (11) des Gasentladungsrohres (10) we nigstens einen sich verjüngenden Bereich (20) auf weist.

5. Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Zuführrohr (12) möglichst umlenkungsfrei vom Strömungsende (11) zur Turbine (13) geführt ist.

6. Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Laufra des (21) der Turbine (13) zum Ende des Zuführroh res (12) dieses eine Düse (24) aufweist.

7. Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführrohre (12) an ihrem Ende als Düsenkranz ausgebildet sind.

8. Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Zuführrohr (12) mit seinem Ende axial zum Laufrad (21) der Turbine (13) liegt.

9. Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Zuführrohr (12) mit seinem Ende radial zum Laufrad (21) der Turbi ne (13) liegt.

10. Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine (13) als Gleichdruckturbine ausgebildet ist.

11. Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine (13) als Reaktionsturbine ausgebildet ist.

12. Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Laufrad (21) der Turbine (13) auf der gleichen Achse angeordnet ist, wie das Laufrad (23) des Verdichters (15).

13. Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 oder 12, da durch gekennzeichnet, daß in Strömungsrichtung ge sehen zwischen dem letzten Laufrad (21) der Tur bine (13) sowie dem ersten Laufrad (23) des Ver dichters (15) eine Wärmetauschereinrichtung (14) vorgesehen ist, die als Diffusor ausgebildet ist.

14. Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Laufrad (21) der Turbine (13) und/oder die Wärmeaustauschereinrichtung (14) im Gehäuse (19) des Verdichters (15) vorgesehen ist.

15. Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die diffusorartige Wärmeaustauscheinrichtung (14) in Strömungsrich tung gesehen sich erweiternde kegelstumpfartig an geordnete, den Gasstrom führende Bleche (29) auf weist.

16. Gaslaser nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Bleche (22) über wasserdurchströmende Roh re (31) miteinander verbunden sind.

17. Gaslaser nach einem der Ansprüche bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Diffusor (14) ge teilt aufgebaut ist und zwar aus zwei Halbschalen besteht.

18. Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Zuführrohr (12) bis zum Verdichtergehäuse mit einer Wärmeisolie rung (39) versehen ist.

19. Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (24) der Zu führrohre (12) und/oder die Turbinendeckwand (27) gegenüber dem Wärmeaustauscher (14) mit einer Wär meisolierungsschicht (40) versehen sind.

20. Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdichtergehäuse (19) im Bereich der Wärmeaustauschereinrichtung (14) sowie zwischen erster und gegebenenfalls zweiter Verdichterstufe mit einer Wasserkühlung (32) versehen ist.

21. Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserkühlung (32) der Bleche (29) der Wärmeaustauschereinrichtung (14) an die Wasserkühlung der Verdichterstufe an geschlossen ist.

22. Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Turbinen seitigen Lagerwellenende und dem Laufrad (21) der Turbine (13) sowie zwischen diesem Laufrad (21) und dem ersten Laufrad (23) des Verdichters (15) jeweils eine Wärmeisolierscheibe (41) vorzugsweise aus Keramik vorgesehen ist.

23. Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß am turbinenseitigen Gehäuse im Bereich der Lagerung der Welle (22) der Turbine (13) sowie des Verdichters (15) eine Zu führung (44) für Frischgas für das Lasergas an geordnet ist.

24. Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß an der der Turbine (13) abgewandten Seite des Gehäuses (19) im Be reich der zweiten Lagerstelle der Welle (22) der Laufräder (23) eine Ableitung (45) für verbrauch tes Lasergas vorgesehen ist, hierbei ist die Ab leitung (45) des einen Lagerwellenendes mit der Zuleitung (44) an dem anderen Lagerwellenende über eine Rohrleitung verbunden, in der das verbrauchte Lasergas kühlbar und/oder über Filter und Kataly satoren reinigbar ist, wobei die Durchflußmenge insbesondere über einen Drosselschieber regulier bar ist.

25. Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß der am Ausgang des Verdichtergehäuses (19) liegende Wärmeaustauscher (16) aus konzentrisch zur Achse der Laufräder (23) liegenden ringartigen Blechen aufgebaut ist.

26. Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Verdichters (15) zur Aufteilung des Lasergasstromes zu den Entladungsrohren mehrere Ableitungen (17) umfaßt, deren Anzahl höchstens der Anzahl der Gas entladungsrohre (10) entspricht.

27. Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Ableitungen (17) radial zur der Achse (22) der Laufräder (23) des Verdichters (15) angeordnet sind.

28. Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Ableitungen (17) axial zu der Achse (22) der Laufräder (23) an geordnet sind.

29. Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß der Laufraddurchmesser der Turbine (13) kleiner als der Laufraddurchmes ser des Verdichters (15) ist.

30. Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungswider stand des Lasergases zwischen dem Strömungsende des Gasentladungsrohres (10) und dem Eintritt in die Turbine (13) gering ausgebildet ist.

31. Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 30, da durch gekennzeichnet, daß der Abstand der axialen Erstreckung des Laufrades (23) des Verdichters (15) gleich dem Abstand der axialen Erstreckung des Turbinenrades (21) auf der Achse (22) des Ver dichters ist.

32. Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 31, da durch gekennzeichnet, daß der Quotient aus dem Ab stand der axialen Erstreckung vom Turbinenrad (21) und Wärmeaustauschereinrichtung (14) zum Abstand der axialen Erstreckung des Laufrades (23) des Verdichters (15) auf der Achse ganzzahlig ist.

33. Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 32, da durch gekennzeichnet, daß der Quotient aus dem Ab stand der axialen Erstreckung von Turbinenrad (21) und einem ihm zugeordneten Abstandsring (28) und dem Abstand der axialen Erstreckung von Laufrad (23) und dem ihm zugeordneten Abstandsring (28) ganzzahlig ist.