DE4118786C2 - Gaslaser, insbesondere Axialstromgaslaser - Google Patents
Gaslaser, insbesondere AxialstromgaslaserInfo
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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 am 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 Wärmeaustauschereinrichtung
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 Lasergases 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 Wärmeaustauschereinrichtung
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 strömungstechni
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 könn
te 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)
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 (33)
1. Gaslaser, 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
(10) 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 1 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 Ver
dichters (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.
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