DE4417468A1

DE4417468A1 - Gaslaser

Info

Publication number: DE4417468A1
Application number: DE4417468A
Authority: DE
Inventors: Michael Von Dr Borstel
Original assignee: Trumpf Lasertechnik GmbH
Current assignee: Trumpf Lasertechnik GmbH
Priority date: 1994-05-19
Filing date: 1994-05-19
Publication date: 1995-11-23
Also published as: JPH0846270A; US5590146A

Description

Die Erfindung betrifft einen Gaslaser mit einem Lasergas- Kreislauf in dem ein Lasergas förderndes Gebläse, ein Entladungsraum und ein Kühlsystem angeordnet sind.

Derartige Gaslaser sind in vielfachen Ausführungsformen bekannt. Über das Gebläse wird bei diesen Gaslasern das Lasergas im Kreislauf gefördert und dem Entladungsraum zugeführt. Außerdem wird das Lasergas durch ein Kühlsystem geleitet, in dem dem Gas die im Entladungsraum und durch das Gebläse auf genommene Wärme wieder entzogen wird. Insbesondere bei einem Hochleistungsgaslaser bestehen Abhängigkeiten zwischen den Kenngrößen des Lasers, z. B. dem Strahldurchmesser, der Strahlqualität, der Laserlänge, der Entladungsraumgeometrie z. B. dem Durchmesser des Entladungsrohres, dem Gasdruck, den Gastemperaturen und dem Laserwirkungsgrad, der Strömungswiderstände, des Gasdurchsatzes usw. Um optimale Ergebnisse erzielen zu können, sollte das Gebläse auf diese Kenngrößen des Lasers abgestimmt sein. Sind aber durch Einstellung der Kenngrößen des Lasers bzw. der Kenngrößen des Gebläses der Laser und das Gebläse aufeinander abgestimmt, so gilt dies lediglich für einen einzigen Betriebszustand des Lasers. Einige Kenngrößen können aber nicht eingestellt werden. Hierzu zählt z. B. der Durchmesser des Entladungsrohres. Eine Änderung kann hier nur durch Austausch des Rohres stattfinden. Bei der Auslegung des Lasers ist man bestrebt, einen Betriebspunkt auf der Kennlinie des Gebläses zu erreichen, bei dem ein möglichst großer Gasdurchsatz gegeben ist. Unter Kennlinie des Gebläses ist der Zusammenhang zwischen Druckquotient π = P_Druck/P_Saug und Volumenstrom des Gebläses zu verstehen. Es ist möglich, aufgrund der Kenndaten (Entladungsraumgeometrie), daß der Betriebspunkt nicht im optimalen Bereich liegt. Außerdem besteht immer die Gefahr, daß bei Lasern mit sehr hohem Strömungswiderstand das Gebläse nicht mehr fördert oder in einen Betriebszustand übergeht, in dem die Förderleistung des Gebläses schwankt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gaslaser der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei dem ohne Austausch von Aggregaten ein höherer Volumenstrom oder Gasdurchsatz durch den Laser möglich ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen zusätzlichen Volumenstrom bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Bypass gelöst, durch den ein Teil des vom Gebläse geförderten Lasergases den Entladungsraum umgeht.

Durch den Bypass wird die Möglichkeit geschaffen, daß mit dem Gebläse ein größeres Volumen gefördert werden kann, als es bei dem gegebenen Druckverhältnis durch den Entladungsraum gepumpt werden kann. Das zusätzliche Lasergas, welches zwar vom Gebläse gefördert wird, welches aber nicht durch den Entladungsraum strömt, kann gezielt einer Behandlung, z. B. einer Kühlung unterworfen werden.

Liegt der Betriebspunkt auf dem linken ansteigenden Ast der Kennlinie des Gebläses, so geht mit der Zunahme des Volumenstromes eine Zunahme der vom Gebläse erzeugten Druckdifferenz und damit eine Zunahme des Druckquotienten einher. Ein höherer Druckquotient bewirkt jedoch auch einen höheren Gasdurchsatz durch den Entladungsraum. Dies hat zur Folge, daß aufgrund des höheren Gasdurchsatzes eine geringere Aufheizung des Gases im Entladungsraum erfolgt. Außerdem kann durch die geringere Aufheizung die Leistung des Gaslasers gesteigert werden. Auf diese Weise kann z. B. die Leistung eines 1500-Watt-Lasers auf 1700 Watt angehoben werden. Voraussetzung hierfür ist, daß der bisherige Betriebspunkt auf dem linken, ansteigenden Ast der π-- Kennlinie des Gebläses liegt. Durch die Umleitung eines Teils des geförderten Lasergases durch den Bypass wird der Betriebspunkt in einem Bereich der Kennlinie verschoben, in dem ein höherer Volumenstrom gefördert wird.

Durch die erfindungsgemäße Maßnahme wird eine einfache Möglichkeit geschaffen, die Kenndaten von Laser und Gebläse aufeinander abzustimmen, wodurch, wie bereits oben erläutert, eine Leistungssteigerung erzielt wird. Außerdem können z. B. handelsübliche Gebläse bei Lasern mit hohem Druckwiderstand verwendet werden. Dies hat zum Vorteil, daß teuere, strömungsoptimierte Komponenten bei Lasern mit hohem Druckwiderstand eingespart werden können.

Eine konstruktiv einfache Maßnahme sieht vor, daß der Bypass die Druckseite des Gebläses mit dessen Saugseite verbindet. Ein Teil des geförderten Volumenstroms wird also unmittelbar am Gebläseausgang abgezweigt und zum Gebläseeingang geführt. Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht dabei vor, daß der Bypass sich im Gehäuse des Gebläses befindet oder ein Teil des Gebläsegehäuses ist.

Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, daß das Gebläse ein Turbo-Radialgebläse ist. Es hat sich gezeigt, daß derartige Gebläse einerseits den gewünschten Kennlinienverlauf aufweisen, andererseits als handelsübliche Gebläse zur Verfügung stehen.

Eine einfache Veränderung des Durchsatzes kann dadurch erzielt werden, daß der Bypass zu- und abschaltbar ist. Dies kann auf einfache Weise dadurch erfolgen, daß am Bypass- Eingang oder -Ausgang ein Strömungsventil eingebaut ist. Dieses Strömungsventil kann manuell oder maschinell betätigt werden.

Um die Qualität des Lasergases zu verbessern bzw. die Nutzungsdauer des Lasergases zu verlängern, kann der Lasergas-Teilstrom gereinigt werden. Hierfür ist es vorteilhaft, daß im Bypass ein Filteraggregat zur Reinigung des Lasergas-Teilstromes vorgesehen ist. In diesem Filteraggregat befindet sich z. B. ein Partikelabsorber, über den der Lasergas-Teilstrom geführt wird, wobei die im Lasergas-Teilstrom sich befindenden Verunreinigungen in Form von Teilchen herausgefiltert und auf diese Weise aus dem Gasstrom entfernt werden.

Eine einfache Steuerung des durch das Gebläse erzielbaren Druckquotienten kann dadurch erreicht werden, daß im Bypass ein einstellbarer Strömungswiderstand vorgesehen ist. Durch Veränderung des Strömungswiderstands kann das den Bypass passierende Volumen des Lasergas-Teilstroms verändert werden, wodurch der Gesamtvolumenstrom durch das Gebläse und auf diese Weise der Druckquotient veränderbar ist. Durch geeignete Einstellung des Strömungswiderstands kann der Betriebspunkt des Gebläses auf einen gewünschten Wert eingestellt werden.

Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist im Kreislauf des Entladungsraums und/oder im Bypass eine Meßeinrichtung für den jeweiligen Volumenstrom und/oder des Druckes des Lasergases vorgesehen. Über diese Meßeinrichtung(en) kann der Betriebspunkt des Gebläses verändert werden, was insbesondere dadurch ermöglicht wird, daß die Meßeinrichtung(en) über eine Steuereinrichtung mit dem einstellbaren Strömungswiderstand im Bypass verbunden ist (sind). Eine Veränderung des Volumenstroms und damit der Druckdifferenz kann auf diese Weise auch während des Betriebs des Gaslasers erfolgen, so daß dieser auf sich ändernde Betriebsbedingungen sofort eingestellt werden kann. Die Steuereinrichtung kann z. B. programmierbar sein, so daß den gemessenen Volumenströmen vorgegebene Werte für den Strömungswiderstand zugeordnet werden.

Ein weiterer Vorteil wird dadurch erzielt, daß im Bypass eine Kühleinrichtung vorgesehen ist. Über diese Kühleinrichtung kann der Lasergas-Teilstrom zusätzlich gekühlt werden, wodurch die Gesamttemperatur des Lasergases abgesenkt werden kann.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Gaslaser ein CO₂-Laser, d. h. CO₂ wird als Lasergas verwendet. Bei Gaslasern tritt der Nachteil auf, daß im Entladungsraum das Lasergas eine chemische Reaktion erfährt. Dabei wird z. B. CO₂ in CO reduziert. Gemäß einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist im Bypass ein Katalysator, insbesondere ein Oxidationskatalysator angeordnet. Mit diesem Katalysator kann nun der Teilvolumenstrom behandelt, insbesondere kann das darin enthaltene CO zu CO₂ oxidiert werden. Der große Strömungswiderstand des Katalysators, der einen Einbau des Katalysators in den Hauptstrom verbietet, spielt im Bypass keine Rolle, da dieser beliebig anpaßbar ist.

Bei einer Ausführungsform ist vorgesehen, daß der Bypass aus mehreren einzelnen Kanälen gebildet wird. Vorteilhaft sind diese separat zu- und abschaltbar. Über diese Kanäle wird der Querschnitt des Bypasses verändert und dadurch der Lasergas-Teilstrom, der durch den Bypass strömt, gezielt verändert.

Die Erfindung ist nicht beschränkt auf Gaslaser mit einem Gaskreislauf sondern auch anwendbar bei Gaslasern mit mehreren getrennten oder gekoppelten Gaskreisläufen mit entsprechender Anzahl von Gebläsen.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt ist. Dabei zeigen:

Fig. 1 ein schematischer Aufbau des erfindungsgemäßen Gaslasers mit Bypass; und

Fig. 2 ein π--Diagramm, in dem die Kennlinie des Gebläses und die Kennlinie des Lasers eingezeichnet sind.

In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau eines insgesamt mit 1 bezeichneten Gaslasers dargestellt. Diese weist als wichtige Bestandteile einen Entladungsraum 2, ein Kühlsystem 3a, 3b und ein Gebläse 4, welches ein Turbo-Radialgebläse ist, auf. Diese Bauteile sind über einen Lasergas-Kreislauf 5, in dem sich Lasergas 6 befindet, miteinander verbunden. Das Gebläse 4 befördert das Lasergas 6 in Richtung des Pfeils 7 durch den Entladungsraum 2 und durch das Kühlsystem 3a, 3b.

Am Lasergas-Kreislauf 5 ist außerdem ein Bypass 8 angeschlossen. Über diesen Bypass 8 ist die Druckseite 9 des Gebläses 4 mit der Saugseite 10 verbunden. Auf diese Weise kann ein Teil des Lasergases 6 durch den Bypass 8 am Entladungsraum 2 vorbei zur Saugseite 10 des Gebläses 4 gelangen. So ist es möglich, daß das Gebläse 4 einen höheren Volumenstrom fördert.

Im Bypass 8 befinden sich nacheinander ein einstellbarer Strömungswiderstand 11, ein Filteraggregat 12, z. B. ein Partikelabsorber, eine Kühleinrichtung 13, eine Meßeinrichtung 14 sowie ein Katalysator 21. Mit der Kühleinrichtung 13 und der Meßeinrichtung 14 wird der über den Strömungswiderstand 11 eingestellte Bypass-Teilstrom 15 gekühlt bzw. gemessen.

Durch den Katalysator 21 wird ein Teil des vom Gebläse 4 geförderten Lasergases chemisch behandelt. Bei CO₂-Lasern wird im Katalysator CO zu CO₂ aufoxidiert, so daß dieses für den Entladungsvorgang wieder zur Verfügung steht.

In der Fig. 1 ist außerdem eine Steuereinrichtung 16 erkennbar, die mit dem Strömungswiderstand 11 und der Meßeinrichtung 15 verbunden ist. Über die Steuereinrichtung 16 kann der Volumenstrom des den Bypass 8 passierenden Lasergasstromes 15 auf einen gewünschten Wert eingestellt werden, so daß das Gebläse 4 in einem optimalen Betriebspunkt arbeitet.

Die Fig. 2 zeigt ein π--Diagramm, in dem ein Teil der Kennlinie 17 des Gebläses 4 und ein Teil der Kennlinie 18 des Lasers eingezeichnet sind. Bei geschlossenem Bypass 8 arbeitet der Gaslaser 1 im Betriebspunkt A. In diesem Betriebspunkt A erzeugt das Gebläse 4 einen Druckquotienten π_A und einen Volumenstrom _LA.

Wird nun ein Teil des Bypasses 8 hinzugeschaltet, dann erhöht sich der Volumenstrom durch das Gebläse 4 auf einen Wert _LB+_BB. Bei diesem Volumenstrom herrscht ein Druckquotient von π_B, so daß das Gebläse 4 nunmehr im maximalen Betriebspunkt B arbeitet.

Aus dem Diagramm ist erkennbar, daß bei einem Druckquotienten π_B der Laser von einem Volumenstrom _LB durchströmt wird. Der Bypass-Teilstrom 15 ergibt sich dabei zu _BB.

Wird nicht nur ein Teil des Bypasses 8 sondern der ganze Bypass 8 zugeschaltet, dann erhöht sich der Volumenstrom durch das Gebläse 4 auf einen Wert _LC + _BC. Dieser Volumenstrom wird im Betriebspunkt C gefördert. Dort herrscht ein Druckquotient π_C, der etwas geringer ist als der Druckquotient π_B, da der maximale Betriebspunkt B überschritten ist. Der Gaslaser arbeitet im Betriebspunkt C in einem Bereich mit hoher Förderleistung. Aus Fig. 2 ist auch erkennbar, daß der Volumenstrom _LC des Entladungsraumes geringfügig kleiner ist als im Betriebspunkt B, jedoch weist der Bypass 8 einen wesentlich größeren Gasdurchsatz auf als im maximalen Betriebspunkt B. Dieses Gasvolumen kann gezielt behandelt, insbesondere über die Kühleinrichtung 13 gekühlt werden.

Das in Fig. 2 gezeigte Diagramm veranschaulicht auf einfache Weise, daß durch eine Erhöhung des Volumenstroms eine Erhöhung des Druckquotienten π und damit eine Erhöhung des Volumenstroms durch den Laser bzw. durch den Entladungsraum 2 verbunden ist. Es wird angestrebt, daß das Gebläse 4 im optimalen Betriebspunkt C arbeitet, in dem der Entladungsraum 2 einen größeren Gasdurchsatz aufweist als im Betriebspunkt A und außerdem der Bypass 8 von einem großen Gasvolumen durchsetzt wird. Auf diese Weise kann die Leistung des Gaslasers 1 durch einfache Maßnahmen gesteigert werden.

Auch wenn die Kennlinie 17 kein ausgeprägtes Maximum sondern eher ein in der Nähe des Maximums gelegenes "Hochplateau" aufweist, ist dies für die Erfindung von Vorteil, da dann ebenso ein größerer Volumenstrom _LC als im Betriebspunkt A möglich ist. Zwar ist der Volumenstrom _LC etwas geringer als der Volumenstrom _LB im maximalen Betriebspunkt B, doch erhöht sich im optimalen Betriebspunkt C der Volumenstrom _BC durch den Bypass 8 beträchtlich.

Claims

1. Gaslaser mit einem Lasergas-Kreislauf (5), in dem ein das Lasergas (6) förderndes Gebläse (4), ein Entladungsraum (2) und ein Kühlsystem (3a, 3b) angeordnet sind, gekennzeichnet durch einen Bypass (8), durch den ein Teil (15) des vom Gebläse (4) geförderten Lasergases (6) den Entladungsraum (2) umgeht.

2. Gaslaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckquotient des Gebläses (4) mit zunehmendem Volumenstrom () mindestens abschnittsweise ansteigt oder konstant ist.

3. Gaslaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gebläse (4) ein Turbo- Radialgebläse ist.

4. Gaslaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bypass (8) die Druckseite (9) des Gebläses (4) mit dessen Saugseite (10) verbindet.

5. Gaslaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bypass (8) sich im Gehäuse des Gebläses (4) befindet oder Teil des Gebläses (4) ist.

6. Gaslaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bypass (8) zu- und abschaltbar ist.

7. Gaslaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Bypass (8) ein Filteraggregat (12) zur Reinigung des Lasergas- Teilstromes (15) vorgesehen ist.

8. Gaslaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Bypass (8) ein insbesondere einstellbarer Strömungswiderstand (11) vorgesehen ist.

9. Gaslaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Kreislauf (5) und/oder im Bypass (8) eine Meßeinrichtung (14) für den jeweiligen Volumenstrom und/oder des Druckes des Lasergases (6) vorgesehen ist.

10. Gaslaser nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (14) über eine Steuereinrichtung (16) mit einem einstellbaren Strömungswiderstand (11) im Bypass (8) verbunden ist.

11. Gaslaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Bypass (8) eine Kühleinrichtung (13) vorgesehen ist.

12. Gaslaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gaslaser (2) ein CO₂- Laser ist.

13. Gaslaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Bypass (8) ein Katalysator (21), insbesondere ein Oxidationskatalysator angeordnet ist.

14. Gaslaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bypass (8) aus mehreren einzelnen Kanälen gebildet wird.

15. Gaslaser nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Kanäle separat zu- und abschaltbar sind.