EA024428B1 - Устройство для маркировки объекта, содержащее по меньшей мере один газовый лазер и радиатор - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к маркировочному аппарату для маркировки объекта лазерным излучением. Аппарат содержит по меньшей мере один газовый лазер, испускающий по меньшей мере один лазерный пучок с целью маркировки объекта. Данный лазер содержит несколько лазерных трубок (12), заполняемых активным газом, и несколько теплорассеивателей (30) для рассеивания тепла, выделяющегося из лазерных трубок (12). При этом каждая лазерная трубка (12) приведена в тепловой контакт с одним из теплорассеивателей (320), каждый из которых имеет микроканалы для заполнения их охлаждающей текучей средой.

Description

Изобретение относится к маркировочному аппарату (устройству для маркировки) согласно ограничительной части п.1, предназначенному для маркировки объекта посредством лазерного излучения.

Предшествующий уровень техники

Известен маркировочный аппарат для маркировки объекта лазерным излучением, содержащий по меньшей мере один газовый лазер для испускания по меньшей мере одного маркирующего лазерного пучка.

Генерируемое лазерное излучение нагревает среду в зоне газового лазера и должно быть рассеяно.

Для этого известные маркировочные аппараты оборудуются охлаждающим устройством, которое в типичном варианте размещено в том же корпусе, где находятся газовые лазеры и многие другие компоненты маркировочного аппарата. Известные охлаждающие устройства занимают довольно много места, лишая аппарат мобильности, что ограничивает область его применения.

В конструкцию известных маркировочных аппаратов заложен компромисс между охлаждающей способностью и гибкостью использования. В частности, для обеспечения гибкого применения аппарата могут быть пригодны простые и компактные охлаждающие устройства, ограниченные по подаче воздуха и по количеству ребер охлаждения. Однако эти преимущества достигаются за счет уменьшения охлаждающей способности.

В 1Р 63094695 описан газовый лазер с прямоугольным расположением лазерных трубок. Для их охлаждения рядом с ними установлены металлические трубки, содержащие охлаждающую текучую среду.

Другой газовый лазер описан в υδ 3705999. Рядом с лазерной трубкой в нем выполнено множество охлаждающих каналов.

Решение, описанное в υδ 4500998, направлено на создание газового лазера, в котором охлаждающая трубка позиционирована внутри трубки, которая содержит активный газ, используемый для получения лазерного излучения.

В υδ 5982803 описан щелевой газовый лазер, выполненный с возможностью охлаждения посредством водяных охлаждающих каналов, которым придана извилистая форма. В порядке альтернативы, может быть предусмотрено наличие ребристого теплоотводящего устройства и вентилятора, обеспечивающих воздушное охлаждение.

Решение, описанное в 1Р 05129678, направлено на создание лазерного маркировочного аппарата с охлаждающими водяными каналами, проходящими рядом с лазерными газоразрядными полостями.

В υδ 5115446 А описана несущая конструкция для компонентов газового лазера, обеспечивающая горизонтальное положение лазерной трубки.

Сущность изобретения

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в создании маркировочного аппарата, обладающего особенно эффективным охлаждением и, в то же время, удовлетворяющего умеренным требованиям в отношении занимаемого пространства.

Данная задача решена посредством маркировочного аппарата с признаками, включенными в п.1.

Предпочтительные варианты раскрыты в зависимых пунктах, а также в нижеследующем описании, содержащем ссылки на прилагаемые чертежи.

Согласно изобретению аппарат описанного типа характеризуется тем, что по меньшей мере один газовый лазер содержит лазерные трубки, заполняемые активным газом, и предусмотрено наличие нескольких радиаторов (теплорассеивателей) для рассеивания тепла, выделяющегося из лазерных трубок. Каждая лазерная трубка находится в тепловом контакте с одним из теплорассеивателей, а каждый теплорассеиватель имеет микроканалы для заполнения их охлаждающей текучей средой.

В качестве основной идеи изобретения может рассматриваться использование охлаждающей текучей среды для поглощения тепла, производимого газовым лазером, а также для отведения тепла от газового лазера. Параметры микроканалов обеспечивают особенно эффективную теплопередачу от их стенок к содержащейся в микроканалах охлаждающей текучей среде. Преимущество заключается в возможности посредством данной среды отводить тепло от газового лазера. Тогда теплообменник, переносящий тепло из охлаждающей текучей среды в окружающее пространство, не будет нагревать непосредственное окружение газового лазера и не ухудшит свою охлаждающую способность.

Микроканалы, к которым обычно относят каналы с высоким значением отношения длины к ширине, могут иметь гидравлический диаметр примерно 1 мм. В принципе, любой канал с размером гидравлического диаметра меньше 2 мм или, альтернативно, меньше 1 мм можно считать микроканалом.

Охлаждающие устройства на основе микроканалов наиболее часто используют в приложениях, отличающихся высокой плотностью теплового излучения, т.е. наличием источника тепла, локализованного в небольшом объеме. Так, данные устройства находят применение в компьютерах, где они охлаждают, например, процессоры, в том числе и центральные. В зоне локализованного источника тепла можно выполнить много таких каналов. Поэтому за счет относительно большой площади поверхности хладагента, отводящего тепло, в этих устройствах получают высокую эффективность охлаждения.

Однако маленький гидравлический диаметр в какой-то степени приводит к тому, что проходящий через устройство поток становится полностью сформированным, т.е. ламинарным. Чтобы обеспечить

- 1 024428 скорость потока, достаточную для создания его турбулентности в таком небольшом канале, может потребоваться чрезмерно большой насос. В типичных приложениях, использующих микроканалы с небольшой длиной, достигаемое незначительное улучшение охлаждающей способности не оправдывает применение мощных насосов.

Обычные СО₂-лазеры имеют большие габариты, так что тепло распределяется по большой площади поверхности. Такая конструкция не способствует микроканальному охлаждению, поэтому подобные охлаждающие средства в обычных СО₂-лазерах применения не находят.

Но в предлагаемой конструкции СО₂-лазера по изобретению плотность теплового потока достаточно высока, что позволяет эффективно использовать микроканальное охлаждение. При этом желательно выполнить остальную часть охлаждающей системы настолько маленькой, насколько это возможно.

В принципе, охлаждающая текучая среда может находиться в любом состоянии, т.е. как в газообразном, так и в жидком. В этом качестве может быть использована вода или жидкость, у которой удельная теплоемкость больше, чем у воды. Предпочтительна охлаждающая текучая среда, согласующаяся с принципом действия обычного воздушного кондиционера. Это означает, что температура испарения охлаждающей текучей среды должна быть ниже рабочей температуры газовых лазеров. В этом случае тепла, выделяемого лазерными трубками, будет достаточно для испарения охлаждающей текучей среды внутри микроканалов, что выразится в особенно эффективном охлаждении лазерных трубок. Одним из примеров такой охлаждающей текучей среды являются фторированные углеводороды.

Теплорассеиватели, содержащие микроканалы, можно также рассматривать как тепловые коллекторы, поскольку они принимают или поглощают тепло лазерных трубок. Материалом теплорассеивателей может служить любое вещество, пригодное для выполнения в нем микроканалов. Предпочтительно выбрать этот материал так, чтобы его коэффициент теплового расширения соответствовал этому же параметру для лазерных трубок. Тем самым, независимо от температуры охлаждаемых лазерных трубок, обеспечивается хороший тепловой контакт. Сообщение по тепловому потоку между лазерными трубками и теплорассеивателем можно обеспечить посредством механического контакта. Дополнительно или альтернативно, между ними может быть введен материал с высоким коэффициентом теплопередачи, например термореактивный компаунд или теплопроводная паста.

По меньшей мере одним газовым лазером может быть, в принципе, любой лазер известного типа, такой как Не-Ν лазер, СО-лазер, аргоновый лазер, азотный лазер или эксимерный лазер. В данном случае предпочтителен СО₂-лазер, способный функционировать в непрерывном или импульсном режимах. Активный газ должен рассматриваться как газовая смесь, соответствующая типу лазера, т.е. она может содержать СО₂, Ν₂ и Не.

Маркировка объекта может создаваться посредством любых различимых изменений поверхности объекта, например путем гравирования, вырезания или изменения цвета/яркости. Маркировкой может быть точка или линия, которые в возможном варианте являются частью знака, буквы или изображения. Соответственно, по меньшей мере один газовый лазер можно активировать на короткие периоды, чтобы сформировать точки на объекте, или в течение заданного времени, чтобы сформировать линии определенной длины.

В контексте изобретения маркируемым объектом может быть любой продукт или изделие с поверхностью, которую можно изменить под воздействием излучения газовых лазеров. В частности, объект может являться упаковкой, например для пищевого продукта или напитка, фруктом или этикеткой. К другим сферам приложения относится печатная информация на ярлыках для почтовых отправлений или на таблетках. Материалом объекта могут быть, в частности, пластики, бумага, металлы, керамика, материи, композиты или ткани органического происхождения.

Несколько лазерных трубок одного газового лазера сообщаются одна с другой, образуя один общий объем, в который введен активный газ. Данный объем герметизирован, т.е. во время нормального функционирования активный газ не обновляется. По сравнению с лазером, использующим проточный активный газ, это позволяет создать компактную конструкцию. Однако в то время как в лазере, использующем проточный активный газ, нагретый газ можно легко заменить, использование активного газа, заключенного в герметизированных трубках, предъявляет к охлаждению более жесткие требования.

Каждая лазерная трубка может быть прямой. Предусмотрена возможность соединить эти прямые трубки под углом одна к другой посредством соединительных элементов (соединительных трубок). Для перенаправления лазерного излучения, генерируемого внутри лазерных трубок, из одной лазерной трубки в примыкающую к ней трубку в каждую соединительную трубку может быть установлено зеркало.

Согласно предпочтительному варианту изобретения по меньшей мере у одной стенки микроканала имеются отклонения от ее базовой поверхности, такие как ступеньки или другие выступы. Они выполняют функцию средства, возмущающего ламинарный поток и индуцирующего нарушение граничного слоя охлаждающей текучей среды у поверхностей стенок микроканала. Данный граничный слой обладает высоким термосопротивлением по отношению к переносу тепла в охлаждающую текучую среду. Нарушение граничного слоя понижает это термосопротивление и улучшает охлаждающую способность микроканала. При таком подходе появляется возможность использовать более длинные каналы, причем нет необходимости прибегать к высоким скоростям потока. Преимущество заключается в том, что неста- 2 024428 ционарный турбулентный поток образует завихрения, которые переносят в микроканалах нагретую у стенок охлаждающую текучую среду к центру. В отличие от полностью сформированного ламинарного потока, это приводит к достаточно равномерному распределению температуры по поперечному сечению микроканалов, в результате чего улучшается поглощение тепла охлаждающей текучей средой.

Другой предпочтительный вариант изобретения характеризуется тем, что микроканалы каждого теплорассеивателя проходят, по существу, по всей длине соответствующей лазерной трубки, т.е. в тепловом контакте с ним находится вся лазерная трубка. Преимущество заключается в возможности поглощения тепла по всей длине трубок, а это повышает охлаждающую способность. Прикрепив теплорассеиватели к соединительным трубкам, соединяющим смежные лазерные трубки, можно получить жесткую конструкцию.

Предусмотрена возможность соединить микроканалы одного теплорассеивателя между собой и расположить их в любой конфигурации, предпочтительно взаимно параллельно или извилистым образом. Каждый теплорассеиватель можно снабдить входным и выходным каналами, предназначенными соответственно для введения охлаждающей текучей среды в его микроканалы и выведения ее наружу.

Предусмотрена возможность приведения внутренних каналов всех теплорассеивателей в сообщение по текучей среде с общей подающей магистралью, выполненной в виде трубопровода или шланга и переносящей охлаждающую текучую среду после ее охлаждения охлаждающим устройством. Соответственно, все выходные каналы могут быть подключены к одной общей магистрали, рассеивающей тепло посредством отведения охлаждающей текучей среды после ее нагрева лазерами.

Альтернативно, выходной канал одного теплорассеивателя может быть подключен к входному каналу другого теплорассеивателя. В таком варианте устройство имеет только один входной канал, подключенный к подающей магистрали, и только один выходной канал, подключенный к теплорассеивающей магистрали.

Предпочтительно для каждой лазерной трубки предусмотреть наличие по меньшей мере одного электрода, возбуждающего введенный в нее активный газ, а каждый теплорассеиватель сформировать в виде корпуса, заключающего в себе микроканалы и по меньшей мере один из электродов. Каждый корпус может быть сформирован цельным. В этом корпусе обеспечено наличие микроканалов, а также электрода. Другой электрод можно установить напротив соответствующей лазерной трубки, т.е. вне теплорассеивателя. Электроды служат для возбуждения активного газа внутри трубок. Для этого к ним по электрическим линиям подается постоянный или переменный ток, причем предпочтителен переменный ток с частотой, лежащей в радиодиапазоне.

Предпочтительно возбуждать электроды с помощью плоских обмоток, т.е. обмоток, лежащих только в двумерной плоскости. Тем самым дополнительно минимизируется требуемое пространство.

Предпочтительный вариант маркировочного аппарата по изобретению характеризуется тем, что в нем предусмотрен коннектор (соединительный элемент, конкретно патрубок или втулка) для присоединения гибкого кабеля со шлангом, по которому охлаждающая текучая среда подается в маркировочный аппарат и выводится из него. Таким образом, отпадает необходимость устанавливать в кожухе маркировочного аппарата теплорассеивающий компонент, рассеивающий тепло охлаждающей текучей среды в окружающее пространство. Вместо этого шланг в составе гибкого кабеля направляет охлаждающую текучую среду в дополнительный теплорассеивающий компонент, расположенный в базовом блоке, вне маркировочного аппарата. В результате размер маркировочного аппарата дополнительно уменьшается. Предпочтительно разместить в базовом блоке, вне маркировочного аппарата также и источник питания, например аккумуляторную батарею или трансформатор, который преобразует напряжение сети до уровня, пригодного для газовых лазеров. В таком варианте нет необходимости устанавливать источник питания в маркировочном аппарате, что, в свою очередь, позволяет дополнительно понизить требования, предъявляемые к занимаемому пространству. В дополнение к сказанному, отпадает необходимость рассеивать из аппарата тепло, выделяемое источником питания.

Согласно другому иллюстративному варианту изобретения на поверхности лазерных трубок сформированы канавки, принимающие охлаждающую текучую среду. Предусмотрена возможность плотно прикрепить теплорассеиватель к лазерным трубкам таким образом, чтобы из канавок сформировались каналы, закрытые по периферии. Кроме того, по меньшей мере, некоторые из микроканалов теплорассеивателей проходят перпендикулярно продольным осям тех лазерных трубок, с которыми теплорассеиватель соответствующих микроканалов находится в тепловом контакте, причем, по меньшей мере, некоторые из этих микроканалов сопряжены по текучей среде с канавками, выполненными на поверхности лазерных трубок. Другими словами, по меньшей мере, некоторые из микроканалов теплорассеивателей проходят, по существу, перпендикулярно канавкам, сформированным на поверхности лазерных трубок. Канавки на лазерных трубках могут иметь такой же диаметр, как у микроканалов теплорассеивателей, так что они также могут считаться микроканалами. Предусмотрена возможность герметизировать канавки, механически прикрепив теплорассеиватели к лазерным трубкам, причем теплорассеиватель может быть сформирован в виде пластины, выполненной, например, из пластиков, металла или керамики и с возможностью покрывать канавки на поверхности лазерной трубки. Микроканалы теплорассеивателей могут быть сформированы в виде микрофорсунок или отверстий, проделанных в пластине. Тем самым

- 3 024428 достигается повышение эффективности, поскольку микроканалы оказываются расположенными очень близко к источнику тепла, т.е. к газовому лазеру.

Альтернативно канавкам или дополнительно к ним, в стенках лазерных трубок можно выполнить микроканалы и соединить их с микроканалами теплорассеивателей.

Далее предпочтительно, по меньшей мере, частично окружить лазерными трубками внутреннее пространство и разместить в нем оптические компоненты и/или электронику. Частичное окружение внутреннего пространства следует понимать в том смысле, что это пространство окружено лазерными трубками в пределах центрального угла, составляющего по меньшей мере 180°, т.е. полукруг. Таким образом, из лазерных трубок могут быть сформированы разомкнутая или замкнутая петля (кольцо).

При таком расположении лазерных трубок их суммарная длина может быть гораздо больше длины аппарата. В комплект электроники могут входить драйверные контура для управления электродами. В число оптических компонентов, изменяющих направление лазерного пучка, излученного газовым лазером, могут входить зафиксированные зеркала и сканирующие зеркала или световоды. Размещение электроники и/или оптических компонентов во внутреннем пространстве обеспечивает преимущество при создании конструкции, занимающей мало места.

В отличие от сложенной конфигурации расположения лазерных трубок, в которой лазерные трубки одного лазера примыкают одна к другой по зигзагообразному или извилистому контуру, их расположение согласно варианту изобретения позволяет разместить электронику и оптические компоненты между трубками. В обоих вариантах габаритные размеры аппарата сопоставимы, однако, в конструкции по изобретению расстояние между лазерными трубками больше, а этим обеспечивается преимущество при их охлаждении. Кроме того, увеличивается та часть поверхности лазерных трубок, которая используется для теплового контакта с теплорассеивателями.

Согласно предпочтительному варианту изобретения аппарат дополнительно содержит направляющие средства, такие как по меньшей мере одно зеркало, для направления лазерного пучка или лазерных пучков во внутреннее пространство. В принципе, возможен также вариант, в котором средства для направления пучков сформированы зеркалами выходных компонентов газовых лазеров. В этом случае в каждом газовом лазере концевой участок лазерной трубки может быть ориентирован в сторону внутреннего пространства. Кроме того, во внутреннем пространстве предусмотрено наличие средств, отклоняющих лазерный пучок в сторону маркируемого объекта. В число этих средств может входить по меньшей мере одно отклоняющее средство на каждый лазерный пучок, а конкретно - по меньшей мере одно, а предпочтительно - по меньшей мере два зеркала или световода на каждый лазерный пучок, индивидуально отклоняющие каждый из лазерных пучков в желаемом направлении. С этой целью для каждого отклоняющего средства предусмотрена возможность индивидуальной регулировки обеспечиваемого им направления отклонения и/или индивидуального смещения. Предпочтительна механизированная регулировка отклоняющих средств под контролем блока управления, в частности для выполнения сканирования.

Другой предпочтительный вариант изобретения характеризуется тем, что обеспечено наличие множества газовых лазеров (по меньшей мере одного газового лазера). Кроме того, предусмотрен блок управления для индивидуального активирования каждого из газовых лазеров, чтобы получить лазерный пучок, соответствующий маркируемому знаку. Каждый газовый лазер содержит лазерные трубки, по меньшей мере, частично окружающие внутреннее пространство, причем газовые лазеры установлены один над другим с образованием стопы таким образом, чтобы каждая лазерная трубка одного газового лазера располагалась параллельно одной из лазерных трубок другого газового лазера.

Другими словами, совокупность лазерных трубок одного газового лазера состоит из первой лазерной трубки и по меньшей мере второй лазерной трубки, причем все первые лазерные трубки установлены в стопу и расположены параллельно одна другой. Аналогично, все вторые лазерные трубки установлены в стопу и расположены параллельно одна другой. В данном варианте лазерные пучки, испускаемые газовыми лазерами, образуют упорядоченный (конкретно - линейный) набор лазерных пучков, проходящих параллельно друг другу.

Желательно, чтобы для этих лазерных трубок, установленных в стопу и расположенных параллельно одна другой, из нескольких теплорассеивателей в составе аппарата использовался один, имеющий тепловой контакт со всеми этими параллельными трубками. Другими словами, все лазерные трубки различных газовых лазеров, расположенные параллельно одна другой и одна над другой (в виде стопы), используют один теплорассеиватель.

Предпочтительный вариант аппарата по изобретению характеризуется тем, что каждый газовый лазер содержит соединительные элементы, которыми соединяются его взаимно примыкающие лазерные трубки с образованием общего трубчатого пространства, причем в каждом из соединительных элементов газовых лазеров имеется внутренняя полость, сообщающаяся по текучей среде по меньшей мере с двумя взаимно примыкающими лазерными трубками, присоединенными к соединительному элементу.

Согласно следующему предпочтительному варианту изобретения лазерные трубки каждого газового лазера установлены в виде треугольника, прямоугольника, многоугольника, квадрата, разомкнутого/замкнутого кольца или по И-образному контуру. Термин замкнутое кольцо может означать, что

- 4 024428 обеспечено наличие одного соединительного элемента, который заключает в себе как концевое зеркало газового лазера, отражающее лазерное излучение обратно во внутренний лазерный объем, так и частично отражающий выходной компонент для выведения лазерного пучка. Соответственно, термин разомкнутое кольцо следует понимать в том смысле, что в одном и том же газовом лазере концевое зеркало и выходной компонент установлены в разных концевых элементах (т.е. не в одном соединительном элементе).

В замкнутой конструкции активный газ может сформировать единый объем или объемы, разделенные внутри соединительного элемента, заключающего в себе выходной компонент и концевое зеркало.

Изобретение относится также к маркировочной установке, которая содержит описанный маркировочный аппарат, а также насос, который предназначен для прокачивания охлаждающей текучей среды через микроканалы и может относиться к любому распространенному типу насосов. Одним из примеров такого насоса является электроосмотический насос, использующий внешнее электрическое поле, которое проникает, например, через стеклокерамический слой типа фритты и перемещает ионы во внутреннем объеме охлаждающей текучей среды, после чего просто за счет торможения ионов индуцируется перемещение охлаждающей текучей среды в целом.

Согласно другому иллюстративному варианту маркировочной установки по изобретению все газовые лазеры установлены в первом кожухе, а насос помещен во второй кожух или в базовый блок. Теплорассеивающий компонент, рассеивающий тепло охлаждающей текучей среды в окружающее пространство, также можно разместить во втором кожухе. Оба кожуха соединены гибким кабелем со шлангом. В результате получают маркировочный аппарат меньшего размера. Поскольку гибкий кабель эластичен, улучшается мобильность маркировочного аппарата. Для перемещения маркировочного аппарата относительно второго кожуха может быть использован двигатель с приводом.

Предусмотрена возможность дополнительной регулировки мощности накачки в зависимости от температуры лазерных трубок. Чтобы определять эту температуру, можно обеспечить наличие соответствующего датчика, поместив его в первом кожухе вместе с лазерными трубками или во втором кожухе, где могут быть установлены насос и дополнительный теплорассеивающий компонент. Во втором варианте такой датчик может определять температуру охлаждающей текучей среды, нагретой лазерными трубками, а в первом его можно установить на поверхность одной из лазерных трубок. Альтернативно, датчик температуры может быть выполнен в виде резистора, установленного в том кожухе, где находится один из электродов для возбуждения активного газа.

Перечень фигур, чертежей

Изобретение будет далее описано на примере своих предпочтительных вариантов, проиллюстрированных на прилагаемых чертежах.

На фиг. 1 схематично, в перспективном изображении, представлена часть газового лазера маркировочного аппарата по изобретению.

На фиг. 2 представлен, в перспективном изображении, газовый лазер маркировочного аппарата по изобретению.

На фиг. 3 представлен комплект газовых лазеров маркировочного аппарата по изобретению.

На фиг. 4 представлен вариант маркировочного аппарата по изобретению.

На фиг. 5 представлен другой вариант маркировочного аппарата по изобретению.

На фиг. 6 представлен вариант маркировочной установки по изобретению.

На всех чертежах эквивалентные компоненты идентифицированы посредством идентичных обозначений.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

На фиг. 1 схематично представлена часть газового лазера маркировочного аппарата по изобретению. Проиллюстрированы одна из лазерных трубок 12 аппарата, а также теплорассеиватель 30 и электроды 20, 31.

Лазерная трубка 12 заполнена активным газом. Ее концы присоединены к соединительным элементам (не показаны), формируя герметизированный объем.

Для возбуждения активного газа в каждой лазерной трубке 12 предусмотрено наличие двух электродов 20, 31. Теплорассеиватель 30 помещен внутрь электрода 20 или напрямую прикреплен к нему.

Электрод 20 приведен в контакт с лазерной трубкой 12 по всей своей длине, т.е. в осевом направлении. Чтобы сформировать большую площадь контакта, поверхности электрода 20, обращенной к лазерной трубке 12, придана вогнутая форма, отвечающая выпуклой форме лазерной трубки 12. Желательно, чтобы площадь контакта охватывала по меньшей мере четвертую часть периметра лазерной трубки 12. Чтобы избежать воздушного зазора, предусмотрена возможность прижать электрод 20 к лазерной трубке 12. Альтернативно или дополнительно, между ними можно ввести термореактивный компаунд.

Желательно, чтобы материал теплорассеивателя 30 имел высокий коэффициент теплопередачи. Для этого могут быть использованы медь или алюминий. Внутри теплорассеивателя 30 выполнены микроканалы для переноса охлаждающей текучей среды, которая вводится через входной микроканал, проходящий перпендикулярно продольной оси лазерной трубки 12. Входной микроканал сообщается с одним или несколькими продольными микроканалами, проходящими вдоль продольной оси лазерной трубки

- 5 024428

12, а эти микроканалы приведены в сообщение с выходным микроканалом, через который охлаждающая текучая среда может быть откачана из теплорассеивателя 30. Выходной канал можно считать также теплорассеивающим микроканалом.

Во время функционирования газового лазера активный газ и, таким образом, лазерная трубка 12 нагреваются. Высокая температура отрицательно влияет на эффективность генерации лазерного излучения и может даже вызвать ее срыв. Поэтому избыточное тепло необходимо рассеять. Для этого предусмотрено наличие теплорассеивателя 30 с микроканалами. В первую очередь, теплорассеиватель 30 поглощает выделяющееся через электрод 20 тепло лазерной трубки 12, что приводит к соответствующему нагреву охлаждающей текучей среды в микроканалах. Диаметр микроканалов очень мал и может составлять менее 2 мм или даже менее 1 мм. Вследствие наличия отклонений от базовой поверхности, выполненных по меньшей мере на одной стенке каждого микроканала, поток охлаждающей текучей среды внутри микроканалов (по меньшей мере, внутри продольных микроканалов) имеет турбулентный характер, за счет которого улучшается теплообмен между теплорассеивателем и охлаждающей текучей средой.

Количество продольных микроканалов может превышать количество входных и выходных микроканалов. В этом случае поперечное сечение входных и выходных микроканалов по сравнению с поперечным сечением продольных микроканалов можно увеличить и выбрать его равным суммарному поперечному сечению всего комплекта продольных микроканалов.

На фиг. 2 схематично показан газовый лазер 10а, содержащий несколько лазерных трубок 12. В представленном варианте использованы четыре трубки 12, составляющие прямоугольник. Однако, в принципе, возможно любое количество лазерных трубок, которые устанавливаются по выпуклому кольцеобразному периметру (например в форме, близкой к окружности).

В трех углах прямоугольника находятся соединительные элементы 16 для соединения взаимно примыкающих лазерных трубок 12. Эти соединительные элементы 16 выполнены в виде полых трубок, так что лазерные трубки 12 образуют общий объем газа, который герметизирован, чтобы избежать утечек активного газа.

Критичным условием является обеспечение постоянства газовой смеси, введенной в общий объем, поскольку ее изменения могут привести к снижению эффективности лазера. С целью замедлить эти изменения предусмотрен дополнительный газовый резервуар в виде газовой трубки 13. Эта трубка заполнена активным газом, но не снабжена электродами, т.е. в процессе функционирования лазера 10а газ в газовой трубке 13 не возбуждают. Трубка 13 расположена параллельно одной из лазерных трубок 12 и образует совместно с лазерными трубками 12 общий объем газа. С этой целью по меньшей мере два соединительных элемента 16 снабжены дополнительным отверстием для подсоединения газовой трубки 13.

В четвертом углу прямоугольной конструкции, составленной из лазерных трубок, взаимно примыкающие лазерные трубки 12 поддерживаются соединительным элементом 17, который несет заднее зеркало 15 и выходной компонент 18. В проиллюстрированном примере общий объем на одном своем конце завершается концевым зеркалом 15, а на другом - выходным компонентом 18, так что в соединительном элементе 17 отсутствуют соединения по текучей среде (по газу).

Выходным компонентом 18 может быть частично отражающее зеркало, выводящее лазерный пучок наружу. Лазерный пучок перенаправляется средством 19, которым может быть зеркало 19, прикрепленное к наружной поверхности соединительного элемента 17. Зеркало 19 направляет лазерный пучок через выполненное в соединительном элементе 17 отверстие во внутреннее пространство 5, т.е. в пространство, охваченное лазерными трубками 12. Предусмотрена возможность установить во внутреннем пространстве 5 дополнительные оптические компоненты для отклонения лазерного пучка в направлении маркируемого объекта.

Хотя на фиг. 2 представлен только один газовый лазер 10а, предпочтительно использовать множество газовых лазеров, каждый из которых можно сформировать в виде лазера по фиг. 2. В частности, каждый газовый лазер может иметь такие собственные детали, как электроды, выходной компонент, заднее зеркало и установленные во внутреннем пространстве оптические компоненты.

Комплект, состоящий из множества газовых лазеров, представлен на фиг. 3. В данном примере в комплект входят девять газовых лазеров 10, установленных друг над другом. Конкретно, над каждой лазерной трубкой первого газового лазера расположена лазерная трубка второго газового лазера.

Для газовых лазеров 10 использованы общие соединительные элементы 16, 17. В таком варианте в каждом соединительном элементе 16 имеются отверстия для соединения двух лазерных трубок каждого газового лазера. В представленном варианте с девятью лазерами это соответствует 18 отверстиям. Тем самым повышается стабильность и уменьшаются производственные затраты. Предпочтительно объемы различных газовых лазеров сообщаются через соединительные элементы 16. Это повышает однородность и стабильность активной газовой смеси, поскольку изменение в составе газа в лазерных трубках одного газового лазера распределяется по всем газовым лазерам и, тем самым, разбавляется. Кроме того, благодаря сообщению объемов различных лазеров посредством соединительных элементов 16 достаточно иметь единственную газовую трубку (не показана) с дополнительным газом для всех лазеров 10.

Каждый соединительный элемент 16 содержит зеркало для перенаправления лазерного излучения из одной лазерной трубки 12 одного газового лазера в другую лазерную трубку 12 того же лазера. Со- 6 024428 единительные элементы 16 предпочтительно снабжены дополнительным отверстием, в котором данное зеркало может быть закреплено снаружи маркировочного аппарата, что упрощает его изготовление.

Общий соединительный элемент 17 несет один выходной компонент 18 и одно заднее зеркало 15 на каждый газовый лазер. Дополнительное упрощение изготовления достигается, если в соединительном элементе 17 выполнены дополнительные отверстия, перекрываемые выходными компонентами 18 и/или задними зеркалами 15. Таким образом, общий соединительный элемент 17 может иметь отверстия на четырех своих сторонах: к двум из этих сторон подведены соединяемые лазерные трубки 12, тогда как в отверстиях на двух остальных сторонах закреплены снаружи выходные компоненты 18 и задние зеркала 15.

Каждая лазерная трубка 12 каждого из газовых лазеров 10 снабжена собственной парой электродов 20, 31, служащих для возбуждения активного газа. Когда лазерные трубки 12 собраны в стопу, электроды 31, обращенные к внутреннему пространству, и электроды 20 на противоположных сторонах лазерных трубок 12 также образуют соответствующие стопы. Все электроды 31 в составе одной стопы лазерных трубок предпочтительно расположены в первом общем кожухе или на первой общей опоре. Аналогично, все электроды 20 в составе одной стопы лазерных трубок предпочтительно расположены во втором общем кожухе или на второй общей опоре.

С наружной стороны лазерных трубок 12, т.е. с их стороны, противоположной внутреннему пространству 5, размещены теплорассеиватели 30. Каждая стопа лазерных трубок 12 предпочтительно находится в тепловом контакте с общим теплорассеивателем 30, чтобы микроканалы внутри него поглощали тепло, поступающее от всей соответствующей стопы.

Использование общих теплорассеивателей позволяет обойтись в нем только одним входным микроканалом и одним выходным микроканалом. Преимущество в данном случае заключается в упрощении конструкции.

В принципе, предусмотрена возможность установить общий теплорассеиватель 30 или электроды 20 ближе к стопе лазерных трубок 12. Если ближе установлен общий теплорассеиватель 30, т.е. если он находится между трубками 12 и электродами 20, входной и выходной микроканалы проходят через вторую общую опору с расположенными на ней электродами 20 или через второй общий кожух с расположенными в нем электродами 20.

Предусмотрена возможность приведения теплорассеивателя 30 и второй общей опоры с электродами во взаимный механический контакт или формирования их заодно с общим корпусом. В таких вариантах преимуществом является дополнительное уменьшение размеров маркировочного аппарата.

В примере, представленном на фиг. 3, во внутреннем пространстве 5 размещена электроника, например драйверные контура для управления электродами 20, 31. Однако лазерные пучки, прошедшие через выходные компоненты 18, в пространство 5 не попадают.

Другой иллюстративный вариант изобретения, относящийся к маркировочному аппарату 100, представлен на фиг. 4. Как и в предыдущем примере, аппарат 100 содержит множество газовых лазеров 10, в каждом из которых имеется один выходной компонент для выведения лазерного пучка.

Однако в данном случае испускаемые лазерные пучки направляются во внутреннее пространство 5. Для этого соединительный элемент 17 сформирован из первой и второй соединительных деталей 17а, 17Ь. Во второй соединительной детали 17Ь выполнены два отверстия на каждый газовый лазер для соединения лазерных трубок 12. Кроме того, вторая соединительная деталь 17Ь снабжена двумя дополнительными отверстиями на каждый газовый лазер, перекрытыми задним зеркалом 15 и выходным компонентом 18. К первой соединительной детали 17а прикреплены направляющие средства 19, такие как зеркала, служащие для перенаправления лазерных пучков, выводимых сквозь выходные компоненты 18, во внутреннее пространство 5.

Во внутреннем пространстве 5 размещены другие оптические компоненты 7, а также электронные компоненты 6. В число оптических компонентов 7 может входить набор 8 отклоняющих средств, содержащий одно отклоняющее средство на каждый газовый лазер. Отклоняющим средством может являться зеркало или световод. Благодаря такому выполнению набор 8 отклоняющих средств позволяет индивидуально перенаправлять каждый испускаемый лазерный пучок. В состав оптических компонентов 7 могут входить также один или два гальванометрических сканера 9, каждый из которых содержит зеркало, на которое падают пучки всех газовых лазеров. Посредством гальванометрических сканеров 9 лазерные пучки могут сканироваться в пределах поля зрения маркировочного аппарата 100.

На фиг. 5 представлен другой вариант маркировочного аппарата 100 по изобретению. Здесь каждый газовый лазер содержит три лазерных трубки 12, расположенные по И-образному контуру. Пространство между двумя ветвями этого контура должно рассматриваться как внутреннее пространство 5. На одном своем конце И-образный контур завершается первым соединительным элементом, к которому прикреплены задние зеркала 15, но не выходные компоненты 18. Соответственно, на другом своем конце этот контур завершается вторым соединительным элементом, к которому прикреплены выходные компоненты 18, но не задние зеркала 15.

Предусмотрен также коннектор 40 (в форме втулки или гнезда) для присоединения гибкого кабеля со шлангом. Через этот коннектор в аппарат может подаваться охлаждающая текучая среда, которая за- 7 024428 тем может проходить по микроканалам. Нагретая в микроканалах охлаждающая текучая среда может выводиться из аппарата через коннектор 40.

Коннектор 40 можно дополнительно снабдить электрическими контактами, через которые к маркировочному аппарату 100 по гибкому кабелю может подводиться электропитание.

На фиг. 6 представлен вариант осуществления маркировочной установки 120 по изобретению. Установка 120 содержит по меньшей мере один маркировочный аппарат 100, установленный в первом кожухе 101. В проиллюстрированном примере использовано четыре маркировочных аппарата 100, каждый из которых заключен в собственный первый кожух 101. Предпочтительно выполнить кожух 101 пыленепроницаемым и обеспечить защиту от воды при погружении на глубину по меньшей мере до одного метра.

Для каждого маркировочного аппарата 100 в установке 120 предусмотрен отдельный базовый блок, сформированный вторым кожухом 102, в котором установлены источник питания и охлаждающее устройство для соответствующего маркировочного аппарата 100. Каждый аппарат 100 подключен к своему базовому блоку 102 через гибкий кабель 50 со шлангом. Гибкость кабеля 50 позволяет выполнять разнообразное позиционирование каждого аппарата 100 относительно базового блока 102.

В дополнение к сказанному, блок 25 управления находится в управляющем модуле (т.е. в отдельном кожухе) 103. Этот блок подключен к каждому из базовых блоков 102 и выполнен с возможностью активирования маркировочных аппаратов 100 через базовые блоки 102 и гибкие кабели 50.

Каждое из охлаждающих устройств базовых блоков 102 снабжено насосом для прокачивания охлаждающей текучей среды. Охлаждающие устройства могут быть пассивными, т.е. не использующими для охлаждения электрическую энергию. В таком варианте охлаждающая текучая среда, нагретая лазерами, может быть охлаждена посредством теплообменника. В случае активного охлаждающего устройства охлаждающая текучая среда дополнительно или альтернативно охлаждается за счет применения электрической энергии, например, с использованием термоэлектрического элемента.

Таким образом, реализуется преимущество, заключающееся в особенно маленьких размерах конструкции. Эффективное охлаждение достигается посредством микроканалов, в которых охлаждающая текучая среда протекает, испытывая возмущения. Пространственные ограничения, накладываемые на маркировочный аппарат, могут быть дополнительно ослаблены путем переноса источника питания, электронных компонентов и/или охлаждающего устройства в отдельный второй кожух, относительно которого маркировочный аппарат можно свободно перемещать, например, с помощью двигателя. Кроме того, тепло, выделяемое в маркировочном аппарате, отводится по шлангу в составе гибкого кабеля. Таким образом, поскольку происходит перенос тепла от охлаждающей текучей среды в окружающее пространство, непосредственное окружение маркировочного аппарата не нагревается, а это обеспечивает желательное увеличение эффективности охлаждения.

Claims (12)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Маркировочный аппарат (100) для маркировки объекта лазерным излучением, имеющий по меньшей мере один газовый лазер (10) для испускания по меньшей мере одного лазерного пучка с целью маркировки объекта, причем по меньшей мере один газовый лазер (10) содержит лазерные трубки (12), заполненные активным газом;

   предусмотрено наличие теплорассеивателей (30) для рассеивания тепла, выделяющегося из лазерных трубок (12);

   каждая лазерная трубка (12) приведена в тепловой контакт с одним из теплорассеивателей (30), отличающийся тем, что каждый теплорассеиватель (30) имеет микроканалы, заполняемые охлаждающей текучей средой, при этом наименьший размер микроканалов составляет менее 2 мм, а по меньшей мере одна стенка каждого микроканала выполнена с отклонениями от ее базовой поверхности, в частности в форме выступов, способных придать потоку охлаждающей текучей среды турбулентный характер.
2. 2. Маркировочный аппарат по п.1, отличающийся тем, что микроканалы каждого из теплорассеивателей (30) проходят, по существу, по всей длине соответствующей лазерной трубки (12).
3. 3. Маркировочный аппарат по п.1 или 2, отличающийся тем, что каждая лазерная трубка (12) снабжена по меньшей мере одним электродом (20) для возбуждения находящегося в ней активного газа, а каждый теплорассеиватель (30) сформирован в виде корпуса, в котором находятся микроканалы теплорассеивателя (30) и который несет, по меньшей мере, указанный электрод (20).
4. 4. Маркировочный аппарат по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что снабжен коннектором (40), в частности в форме патрубка, для подсоединения гибкого кабеля (50) со шлангом, используемым для подведения охлаждающей текучей среды к маркировочному аппарату (100) и отведения ее от маркировочного аппарата (100).
5. 5. Маркировочный аппарат по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что лазерные трубки (12) единственного или каждого газового лазера (10), по меньшей мере, частично окружают внутреннее пространство (5), в котором установлены оптические компоненты (7) и/или электроника.

   - 8 024428
6. 6. Маркировочный аппарат по п.5, отличающийся тем, что дополнительно содержит направляющие средства (19) для направления лазерных пучков во внутреннее пространство (5) и отклоняющие средства (8) для направления лазерных пучков в сторону маркируемого объекта, причем отклоняющие средства (8) установлены во внутреннем пространстве (5).
7. 7. Маркировочный аппарат по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что содержит множество газовых лазеров (10) и блок (25) управления для индивидуального активирования каждого из газовых лазеров (10) для получения лазерного пучка, соответствующего маркируемому знаку, при этом каждый из газовых лазеров (10) содержит лазерные трубки (12), которые, по меньшей мере, частично окружают внутреннее пространство (5), а газовые лазеры (10) установлены один над другим с образованием стопы таким образом, что каждая лазерная трубка (12) одного из газовых лазеров (10) располагается параллельно одной из лазерных трубок (12) другого газового лазера (10).
8. 8. Маркировочный аппарат по п.7, отличающийся тем, что для лазерных трубок (12), установленных в стопу и расположенных параллельно одна другой, использован общий теплорассеиватель (30) из нескольких теплорассеивателей (30), входящих в состав указанного аппарата, причем указанный общий теплорассеиватель (30) приведен в тепловой контакт со всеми указанными лазерными трубками (12), которые установлены в стопу и расположены взаимно параллельно.
9. 9. Маркировочный аппарат по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что лазерные трубки (12) единственного или каждого газового лазера (10) установлены по замкнутому или разомкнутому контуру, в частности по И-образному контуру или в виде треугольника, прямоугольника или квадрата.
10. 10. Маркировочный аппарат по любому из пп.1-9, отличающийся тем, что единственный или каждый газовый лазер (10) содержит соединительные элементы (16), связывающие взаимно примыкающие лазерные трубки (12) единственного или соответствующего газового лазера (10) для образования общего трубчатого пространства, причем каждый из указанных соединительных элементов (16) имеет внутреннюю полость, которая сообщается по потоку по меньшей мере с двумя взаимно примыкающими лазерными трубками (12), присоединенными к соединительному элементу (16).
11. 11. Маркировочная установка, отличающаяся тем, что содержит маркировочный аппарат (100), выполненный согласно любому из пп.1-10, и насос для прокачивания охлаждающей текучей среды через микроканалы.
12. 12. Маркировочная установка по п.11, отличающаяся тем, что по меньшей мере один газовый лазер (10) установлен в первом кожухе (101); насос установлен во втором кожухе (102);

    во втором кожухе (102) установлен теплорассеивающий компонент для рассеивания в окружающее пространство тепла, содержащегося в охлаждающей текучей среде, а первый кожух (101) и второй кожух (102) соединены гибким кабелем (50).