EP2253056A1 - Rückgewinnung von energie aus einem laserbearbeitungssystem - Google Patents

Rückgewinnung von energie aus einem laserbearbeitungssystem

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Publication number
EP2253056A1
EP2253056A1 EP09719607A EP09719607A EP2253056A1 EP 2253056 A1 EP2253056 A1 EP 2253056A1 EP 09719607 A EP09719607 A EP 09719607A EP 09719607 A EP09719607 A EP 09719607A EP 2253056 A1 EP2253056 A1 EP 2253056A1
Authority
EP
European Patent Office
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energy
laser
temperature
laser processing
thermal energy
Prior art date
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Ceased
Application number
EP09719607A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Eberhard Wahl
Karel Vincke
Matthias Himmelsbach
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Original Assignee
Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG filed Critical Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Publication of EP2253056A1 publication Critical patent/EP2253056A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/02—Constructional details
    • H01S3/04—Arrangements for thermal management
    • H01S3/041—Arrangements for thermal management for gas lasers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/14—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H01S3/223—Gases the active gas being polyatomic, i.e. containing two or more atoms
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/10—Greenhouse gas [GHG] capture, material saving, heat recovery or other energy efficient measures, e.g. motor control, characterised by manufacturing processes, e.g. for rolling metal or metal working

Definitions

  • the invention describes a method and apparatus for recovering energy from a laser processing system.
  • a laser system in particular a reflecting laser resonator, which ensures the suppression of increased stimulated emission and better heat dissipation. A use of the heat dissipated does not take place.
  • thermal energy which is increasingly generated by a laser processing system and the heat generated thereby, is used for heating rooms.
  • the object of the invention is therefore to provide a method and a device which make it possible to improve the energy balance of a laser processing system s. This object is achieved by the method according to the invention and the device according to the independent claims. Further advantageous embodiments of the invention are defined in the dependent claims.
  • the object is achieved, for example, by a method for recovering energy from a laser processing system (10) comprising the steps of: operating the laser processing system (10) and generating thermal energy (200) with a maximum temperature
  • Tmax Decrease of thermal energy (200); Returning the removed thermal energy (200) to the laser processing system (10).
  • the object is achieved by a method for recovering energy from a laser processing system (10) having at least one energy recovery system (20), wherein the at least one energy recovery system (20) has a characteristic limit temperature Tz, comprising the steps of: operating the laser processing system (10) and generating thermal energy (200) having a maximum temperature Tmax, wherein the maximum temperature Tmax is higher than the threshold temperature Tz; Decrease of thermal energy (200) above the threshold temperature Tz; Supplying the extracted thermal energy (200) to the at least one energy recovery system (20) for generating recovered energy (210); Recycling the recovered energy (210) to the laser processing system (10).
  • a method of recovering energy from a laser processing system operating a laser processing system, removing thermal energy, thermal energy of at least one energy recovery system for recovering the thermal energy Energy is supplied and the recovered energy is returned to the laser processing system.
  • Recovery of energy means the use of other (or unused) energy, which does not serve the actual purpose of a device, in particular a laser processing machine.
  • the rest of the energy is primarily thermal energy.
  • Other remaining forms of energy in the laser processing system are, for example, mechanical energy or electrical energy or magnetic energy.
  • the thermal energy preferably accumulates in the resonator, particularly preferably in the laser medium.
  • An energy recovery system may be thermodynamically designed, for example as a heat engine, physical / chemical, thermoelectric, biological or chemical.
  • Each energy recovery system has a threshold temperature Tz, from which the corresponding energy recovery system can be used.
  • Today available systems for energy recovery from heat sorption or heat engines, eg Stirling engines
  • Thermoelectric elements can use the temperatures just above the ambient temperature (hereinafter referred to as Tu).
  • Tu ambient temperature
  • the limit temperature Tz is also selected.
  • Steam engines, steam turbines, gas turbines, Schukey machines or even Stirling engines or compact steam turbines or a combination of these devices can be used as heat engines.
  • Physical / chemical technologies include sorption refrigerators, in particular absorption chillers or adsorption chillers or Absorption heat transformers (Waste Heat Transformer).
  • Thermoelectric, a thermoelectric generator can be used.
  • Laser processing system occur, for example, in the cooling medium different temperature ranges: between the limit temperature Tz and a maximum temperature Tmax is the high-temperature heat that is available for the energy recovery system.
  • a temperature range is set up, which can generally be dissipated directly to the environment (without any additional, appreciable energy) as waste heat.
  • a temperature range is established, which under certain circumstances can only be dissipated to the environment with further use of energy (for example via a compression refrigeration machine).
  • a chiller is now used, for example, for the operation of which additional energy is required. According to one aspect of this invention, this energy can be recovered from the recovered energy of the energy recovery system and thus reused as needed to the laser processing system
  • Laser processing systems are preferably understood as meaning high-performance industrial laser systems, in particular those having an output power of 1-8 kW.
  • the operation of the laser processing system is on the one hand the laser operation, ie the generation of a laser beam.
  • a laser processing system is already operated and generates thermal energy when it operates in standby mode, for example, at idle. This can lead to considerable waste heat, for example, in a turboradial blower used.
  • a maximum temperature Tmax is generated, for example, in the cooling medium.
  • Unused or remaining thermal energy accumulates on heating components: These are, for example, the resonator, the active medium, the HF generator, the deduster, compressors, cooling media, the traversing motors, the workpiece during machining, further units of the laser processing system, others Machines of the laser processing system.
  • thermal energy above the threshold temperature Tz is meant a heat transfer process over a certain period of time.
  • heat is transferred from a component of the laser processing system into preferably a transport medium or cooling medium, preferably a fluid, in particular cooling water, organic media, or a gas.
  • the thermal energy is dissipated by the transport / cooling medium from heating components of the laser processing system.
  • Disk laser, fiber laser produces about> 75% waste heat.
  • the removal, or the removal of thermal energy from the laser gas is preferably carried out with any varnishleitSystemen, more preferably with cooling systems, most preferably with heat exchangers.
  • the effective dissipation of heat is necessary for the functioning of the laser process.
  • Energy recovery system This is done to generate recovered energy from the removed thermal energy that was tapped at or above the threshold temperature Tz.
  • thermal energy By the removal, transport and supply of thermal energy, heat transfers from preferably the active medium to an energy recovery system.
  • the thermal energy was supplied to an energy recovery system when the energy consumed in a given period of time has largely been transferred to the energy recovery system.
  • the possible energy recovery systems preferably convert thermal energy into other forms of energy.
  • an energy conversion system is provided, preferably several energy recovery systems provided, which are preferably connected in series and / or in parallel.
  • heat exchangers in the countercurrent principle and to apply these to the resonator on the gas-carrying tubes. These heat exchangers can then be operated in parallel next to one another and / or in series, so that the cooling medium per heat exchanger unit is cooled by a predetermined temperature difference deltaT, thus this temperature band, ie this thermal energy, has been removed from the laser processing system, for example at the resonator, and has been supplied to the energy recovery system , This is preferably done in countercurrent principle.
  • the end product is then an energy form traceable to the laser processing system, but particularly preferably also a product which is produced by an energy form.
  • Preferred converted forms of energy are, for example, electrical energy and / or mechanical energy and / or pressure and / or magnetic energy.
  • the recovered energy or energy form resulting from the energy recovery system and / or the products of this converted energy form are returned to the laser processing system.
  • traded energy is meant a certain percentage of the unused remaining energy which is the energy
  • Forms of returned energy include: electrical energy, magnetic energy, thermal energy, mechanical energy.
  • electrical energy is fed back into the power circuit of the laser processing system.
  • the traversing motors possibly stepper motors operated, for example, move the processing table of the laser processing system, the conveyor belt of the laser processing system can be moved, the distances between optical elements (lenses, chasers, etc.) move the laser head over a working plane, etc.
  • the electrical energy is used to operate the illumination of the laser processing system.
  • the electrical energy is used to operate the refrigeration unit, such as its compressors or feed pumps.
  • a sorption refrigeration machine can also be operated.
  • Sorption chiller can be operated directly with the waste heat of the laser system and does not need the detour via a recovered energy form Thus, it is possible to cool the cooling medium to the minimum required temperature Tmin below the ambient temperature, without "new" energy would have to be used.
  • Recycled products are preferably consumables of the laser processing system, for example, gases or compressed air. These products are made by the converted energy of an energy conversion system.
  • Produced compressed air for example, for cleaning and / or operating the deduster of the laser processing system, as a cutting gas for laser cutting or used to operate an automation component.
  • Produced gases can be supplied to the laser processing system in the form of cutting gases or laser gases.
  • a method in which more than one energy recovery system (20) is provided.
  • more than one energy recovery system can be used multiple times in an array, or different energy recovery systems with different threshold temperatures Tz can be used, and in this way different available thermal bandwidths can be tapped and energy recovered therefrom.
  • a method in which the thermal energy (200) is decreased several times in the interval between the limit temperature Tz and the maximum temperature Tmax.
  • the thermal energy (200) is decreased several times in the interval between the limit temperature Tz and the maximum temperature Tmax.
  • Tmax-Tz several energy recovery systems sharing the range of usable thermal energy
  • this usable thermal energy (Tmax-Tz) can be tapped into bands of (Tmax-Tz) / N, where N denotes the number of available heat exchangers or energy recovery systems.
  • a method is provided in which the recovered energy (200) is used to operate a chiller (36) or the energy recovery system a Sorption chiller is.
  • the cooling medium can be cooled down to the required minimum temperature without additional external "new" energy required.
  • a method is provided in which the thermal energy (200) below the threshold temperature Tz and above the ambient temperature Tu is withdrawn by an air cooler.
  • this temperature band which would not be usable by the energy recovery system itself, be derived, and preferably itself again as thermal energy, for example as a heater used.
  • a method is provided in which the thermal energy (200) below the ambient temperature Tu and above the minimum required temperature Tmin by a refrigerator (36) is withdrawn.
  • the thermal energy (200) below the ambient temperature Tu and above the minimum required temperature Tmin by a refrigerator (36) is withdrawn.
  • the last gap in the cooling of the cooling medium is closed - ideally, the chiller itself is operated again by the recovered energy, whereby the energy balance of the laser processing system can be further improved.
  • the laser processing system comprises a cooling system (30), wherein a second decrease of the thermal energy takes place on the heat release side (31) of the cooling system (30).
  • the cooling system is preferably a laser cooling system which has a liquid or gas as the cooling medium.
  • Preferred liquids are water, water with additives or organic substances, e.g. Ethanol.
  • As the gas is e.g. Water vapor conceivable.
  • the majority of the thermal energy of a laser processing system is preferably concentrated at the resonator, particularly preferably in the resonator in the laser gas.
  • the thermal energy is withdrawn from the resonator or laser gas by a cooling system, i. the laser gas is cooled.
  • Cooling systems are systems which use the thermodynamic principles and extract heat from heated components and media, for example from the resonator or its gas, via heat flow and mass flow. This happens predominantly with cooling water, in the case of a CO2 gas laser in particular by cooling coils that surround the gas flow, in the case of solid state lasers usually by direct or almost direct cooling of the solid with cooling water.
  • the cooling system preferably encloses the gas passages containing the laser gas, more preferably, cooling coils or fins of the cooling system are in direct contact with the laser gas flowing past these fins.
  • the cooling coil or ribs are preferably located in the resonator, particularly preferably in the inlet and outlet channels.
  • the second decrease of thermal energy on the heat delivery side of the cooling system is to be equated with the supply of thermal energy to the energy recovery system.
  • the second decrease can also coincide with the first decrease and is referred to separately here only for better understanding.
  • the first decrease preferably takes place in that the cooling coils or ribs, or preferably the cooling medium flowing therein, have a lower temperature than the laser gas.
  • the thermal energy is removed from the gas by the given temperature difference and passed into the cooling medium. As a result, the gas cools and the cooling medium heats up.
  • the cooling system or the cooling medium transports the thermal energy over a distance d to at least one further heat exchanger, which is preferably integrated in the energy recovery systems.
  • the heat release side of the cooling system is the discharge zone of the cooling system described above. In one embodiment, there is more than one heat release side.
  • the flow of the cooling medium in the cooling system is divided, for example, after the power consumption in parallel cooling sections. In this configuration, multiple energy recovery systems may be powered in parallel on preferably multiple thermal output sides with thermal energy.
  • the cooling system has only one cooling section, in which case several Energy recovery systems can be connected in series. (Examples: heat engine - compressed air or heat engine - power generation)
  • the cooling is preferably carried out in three steps, more preferably in two steps, most preferably in one step.
  • the cooling medium ideally heats up to the maximum temperature of the laser medium and preferably in one step passes the thermal energy to an energy recovery system, more preferably partially to a plurality of energy recovery systems connected in series or in parallel.
  • the energy recovery system comprises a sorption refrigeration machine and / or a thermoelectric generator and / or a steam engine and / or a steam turbine and / or a gas turbine and / or a Schuckey engine and / or a Stirling engine and / or a compact steam turbine ,
  • the working medium is not water but an organic medium, which is particularly well suited because it can be used even at very low temperatures (in the range of 100 ° C) C) work.
  • a combination of energy recovery systems is particularly preferably used to utilize the entire temperature range from Tmax of the high temperature circuit to a low limit temperature Tz. If different energy recovery systems are combined with different limit temperatures Tz, or preferably in series, the various energy recovery systems can resort to different heat sources of different temperature ranges. Preferably, energy recovery systems are used which generate mechanical energy in the form of a rotational movement. This movement is preferably used on a generator to generate power, which is returned to the laser processing system.
  • the energy recovery system provides power to an air compressor.
  • the ambient air or a suction volume is partially cleaned by an air compressor unit and compressed with an operating pressure to a smaller volume.
  • Air compressors are, for example, piston compressors or screw compressors or turbocompressors or transonic compressors. From the energy conversion systems, a mechanical energy in the form of a rotational movement is preferably provided, which can preferably be used directly for compressing the air via said systems.
  • a filtration stage is provided, via which the compressed air can be separated into constituents.
  • the air is preferably separated into the gases N2, O2, CO2. More preferably, only one of said gases is extracted from the air.
  • the filtration stage takes place via a membrane filter system and / or a pressure swing adsorption (PSA) system.
  • PSA pressure swing adsorption
  • at least one of the compressed air components is used as laser gas and / or cutting gas.
  • the air constituents N2, 02, CO2 obtained from the filtration are gases which are used in some laser processing systems or laser applications.
  • C02 and N2 are used in the CO2 laser as laser gas in the active medium. Since N2 or CO2 components are consumed in the active medium during laser emission, this can be used to top up the recovery of the CO2 or N2 tank of a CO2 laser processing system.
  • oxygen (02) or nitrogen (N2) is required.
  • nitrogen (N2) is required.
  • At least one of the compressed air components is conducted into at least one pressure accumulator.
  • the compressed air components are preferably passed into separate memory separate from the volume. These memories are preferred
  • Pressure accumulator and serve as a buffer, for example. This means that the air components, which are not immediately used as laser gas or cutting gas can be stored in a memory and can be used if necessary.
  • the decrease of the thermal energy is provided at at least two predetermined temperature levels. Because in this embodiment the energy recovery systems used preferably use different temperature levels and preferably claim different ⁇ Ts, it is energetically and technically advantageous to divide the entire energy spectrum into more than one temperature level and to tap the thermal energy at these different temperature levels.
  • the object of the present invention is further achieved by a device (1) for recovering energy at a laser processing system (10) comprising an energy carrier (11), a take-off device (12) for at least one energy form, an energy conversion system (20) the device (1) further comprises a recirculation system (80).
  • the laser processing system is preferably a high performance industrial laser system.
  • the laser processing system includes, for example, a laser aggregate with its standard components, such as resonator, electrodes, active medium, resonator mirrors, etc.
  • the discharge path preferably consists of quartz glass tubes in which laser gas is preferably present as the active medium, for example nitrogen or ArF or KrF or XeCl or XeF or helium-neon or argon or krypton or carbon dioxide.
  • laser gas is preferably present as the active medium, for example nitrogen or ArF or KrF or XeCl or XeF or helium-neon or argon or krypton or carbon dioxide.
  • the active medium is particularly preferably also a solid such as glass, A12O3, YAG as support materials and as doping materials such as chromium, neodymium, ytterbium, titanium, erbium.
  • a solid such as glass, A12O3, YAG as support materials and as doping materials such as chromium, neodymium, ytterbium, titanium, erbium.
  • laser forms such as diode lasers, dye lasers, color center lasers, semiconductor lasers, free electron lasers possible.
  • a take-off device is a physical conductor or substance that can pass on various types of energy or particles.
  • the take-off device is a conductor for light or magnetism, more preferably for current, most preferably for heat.
  • the removal device is preferably connected to the energy carrier, particularly preferably the removal device surrounds the energy carrier, most preferably the removal device is surrounded by the energy carrier.
  • the take-off device conducts energy from a take-off point (interface energy carrier take-off device) to a feed point (interface take-off device energy conversion system).
  • the distance pick-up point feed point is preferably surrounded by an insulating material, more preferably by a dielectric or dielectric, most preferably by an optical isolator or thermal insulator.
  • These insulators allow feed point efficiency: pick-up point of preferably 0.9, more preferably 0.85, most preferably 0.8.
  • the removal device is an electrical conductor.
  • the removal device to be used for heat transfer there are three types, the heat conduction, the
  • Heat flow used come for the removal device preferably fluids, particularly preferably chemically displaced fluids used.
  • the removal device consists of a fluid carrier and a fluid, wherein the fluid flows in the fluid carrier.
  • An energy recovery system is a system that converts input energy (primary energy) into reconverted energy (secondary energy).
  • a recirculation system is preferably a system which withdraws recovered or converted energy or a product of that converted energy, preferably from an energy recovery system, more preferably from a storage, and returns that energy or product to the laser processing system.
  • energy is supplied in particular to an energy-processing component, or a product (produced by a machine connected to the energy conversion system) to a laser processing system component or in the
  • a device (1) wherein the return system (80) comprises an electrical conductor and / or a pneumatic conductor and / or a hydraulic conductor and / or a heat conductor and / or a light guide.
  • the feedback system directs energy from a pick-up point (preferably interface energy conversion system feedback system, more preferably interface
  • a feed point preferably interface feedback system energy-utilizing laser processing system component, more preferably interface feedback system energy carriers, most preferred interface feedback system processing surface of the laser processing system.
  • conductors are preferably connected at one end to one or more accumulators (i.e., their outputs) and connected at the other end to a return location of the laser processing system.
  • a return location is the place where the energy or the product is to be used, for example, the point of engagement or the intervention environment of the laser beam in the material to be processed.
  • a gas laser system preferably has gas tanks which are filled with CO2 or He or N2. From the pressure accumulators, the nitrogen tank and the carbon dioxide tank of the gas laser system can preferably be refilled.
  • a device (1) wherein the device (1) comprises a memory (61).
  • the memory is used for
  • the storage capacity is preferably adapted to the needs of the laser processing system.
  • the memory may in particular be a mechanical memory, an electrical memory, a chemical storage and / or a heat storage.
  • the mechanical memory serves to store kinetic energy, for example via a flywheel, particularly preferably for storing potential energy via a spring, pressure accumulator, point storage power station, compressed-air storage power station, weight.
  • the electrical storage stores electrical energy in, for example, a capacitor or accumulator or magnetic energy in an (ideally superconducting) magnetic energy store.
  • a chemical store is electrical energy, for example, in an accumulator or in a battery, particularly preferably stored chemical energy in a galvanic cell.
  • a heat storage thermal energy is stored.
  • the storage is preferably the link between the energy conversion system (or a machine powered by the energy conversion system) and the recirculation system.
  • the memory is preferably a pressure accumulator.
  • Pressure accumulators are preferably pressure vessels whose pressure inside is above the ambient pressure.
  • the accumulators are preferably fed by compressed air or the gases divided by the membrane filter system.
  • the divided by the membrane filter system gases are preferably stored in separate, volume separated pressure accumulators.
  • the accumulators further include outputs which are preferably coupled to the recirculation system. These outputs are opened or closed by pressure valves. These pressure valves are preferably monitored and controlled by a control unit.
  • a device (1) wherein the energy carrier (11) is preferably a resonator (70) and / or an active medium and / or a cooling medium and / or a laser component and / or an HF generator and / or or a travel motor and / or a workpiece during machining.
  • the energy carrier (11) is preferably a resonator (70) and / or an active medium and / or a cooling medium and / or a laser component and / or an HF generator and / or or a travel motor and / or a workpiece during machining.
  • Laser processing system high amounts of unused energy. Depending on the laser processing system and its performance, these amount to approximately 40% of the total energy in the form of electricity that is put into the system.
  • the HF generator gives off about 20% of the input energy as unused heat energy. Therefore, it is worthwhile here the tap of thermal energy.
  • the cooling system with its cooling coils or ribs is preferably used for cooling the laser gas.
  • the cooling fins function as heat exchangers, are preferably hollow to allow the passage of a cooling medium, and are made of very heat-conductive material.
  • the cooling coils are preferably in direct contact with the laser gas.
  • the laser gas is in motion and flows past the cooling coils.
  • the gas flow rate is from a
  • Turboradialgebläse influenced.
  • the turbo-radial blower continuously circulates the laser gas and ensures that the gas flows around the preferably water-cooled heat exchangers (cooling coils).
  • the heat can also be on the discharge side of the cooling system (ie after lifting to a higher
  • the device (1) further comprises at least one discharge housing (107) and / or at least one supply housing (108).
  • the gas flows at the corners of the preferably square laser aggregate via a supply line housing in the discharge tubes and is preferably out in the middle of each side via a discharge housing back to the turbo radial blower.
  • the discharge housing preferably opens into the intake region of the turbo radial blower, wherein the Supply line housing are preferably coupled to the outlet of the Turboradialgebläses.
  • cooling ribs (31) are located in at least one discharge housing (107) and / or at least one supply housing (108).
  • the aim of the cooling system is preferably to achieve a gas temperature before flowing through the cooling fins of about 260 0 C and after the cooling process preferably a temperature of the
  • a high temperature range from gas inlet temperature to gas outlet temperature allows a high coolant temperature via the heat exchangers or cooling fins. This is preferably necessary to operate the previously described energy conversion systems.
  • the cooling fins are installed either in the dissipation housing or in the supply housing in order to achieve no gradual cooling of the laser gas.
  • the gas can also be cooled bundled.
  • the laser gas is optionally cooled before the cooling process, that is, the flowing past the cooling fins in this bundled state and then divided again. This is achieved, for example, by merging the dissipation housings into a conduit.
  • this line are preferably the cooling fins to cool the gas stream in one step to the desired supply temperature.
  • the line is preferably to be regarded as a derivative housing.
  • the gas is then divided by a distributor on the supply line housing.
  • the device further comprises an air compressor.
  • the air compressor is preferably flanged to an output shaft of an energy conversion system.
  • the mechanical Energy preferably the rotational energy of the energy conversion system, is used here to operate an air compressor in the form of a piston compressor or screw compressor or turbocompressor or trans-atmospheric compressor, for example.
  • the air compressor preferably sucks the ambient air and compresses it over a certain operating pressure to a smaller volume.
  • the device further comprises a membrane filter system.
  • Membrane filter systems are filter systems which can preferably disassemble gas mixtures into individual gas components. For this filtering process high pressures of the gas to be filtered are necessary, which is preferably achieved by the upstream of a compressor.
  • the ambient air is converted into its components, i. N2, 02, CO2 split.
  • the device (1) further comprises a control unit (15) or control unit.
  • a control unit is, for example, a PC which controls the laser processing system.
  • the control unit measures, directs, distributes the energy flows throughout the laser processing system.
  • FIG. 1 is a schematic representation of an embodiment of a laser processing system according to the invention
  • FIG. 2 is an exploded oblique view of a representation of a C02 laser resonator
  • Figure 3 is a schematic representation of a CO2 laser resonator
  • Figure 4 is a schematic representation of a refrigerant circuit according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of a laser processing system 10 according to the invention.
  • a laser processing system 10 has a resonator 70 with a laser medium 72.
  • the radiation source is a CO 2 laser, wherein the laser medium 72 is a gas mixture of helium, nitrogen and carbon dioxide.
  • the gas mixture in the resonator is continuously circulated, for example via a turbo-radial blower (not shown).
  • a cooling system 30 Connected to the resonator 70 is a cooling system 30 which is connected to an energy recovery system 20 via a heat release side 31.
  • the cooling system 30 works with water as the cooling medium.
  • To the energy recovery system 20 is connected in compressor 40 and this compressor 40 is connected via a membrane filter system 50 with a pressure accumulator 60.
  • the energy recovery system 20 includes a Stirling engine 25, the output shaft of which drives the air compressor 40.
  • the pressure accumulator 60 includes three subunits as pressure accumulator 60.1, 60.2 and 60.3.
  • the feedback system 80 forms a connection between the pressure accumulator 60 and the resonator 70 and / or the removal point of the focused laser beam. About this feedback system 80, the resonator 70 from the pressure vessel 60 can be fed.
  • a Control unit 15 is further provided, which can control or regulate all these components.
  • the laser processing system 10, or its beam source emits a laser beam in the continuous wave mode, in
  • Pulse mode or ramp mode In this case, the laser medium, or the laser gas is heated to a temperature of about 260 0 C in the resonator 70. Characterized in that the laser gas is circulated and only a part of the gas amount is in the resonator 70, which is not located in the resonator 70 amount of laser gas can be cooled. This happens when passing the gas through the cooling system 30, which are in direct contact with the heated laser gas and which are flushed by the cooling medium. The cooling medium absorbs the thermal energy of the laser gas, wherein the
  • Laser gas cools in flowing past, in one step, to about 20 degrees C and the cooling medium is heated in the ideal case to up to 260 0 C.
  • the heated cooling medium is now over
  • Coolant serves as a permanent source of heat for the Stirling engine.
  • the Stirling engine converts the thermal energy into mechanical energy or into a rotational movement on a shaft. This shaft operates by direct drive or via a gearbox, the air compressor 40th The through the
  • Compressor 40 compressed air is separated via the filter system 50 into its components N2, 02 and CO2, wherein the individual gases in separate pressure accumulators (60.1 to 60.3) are passed.
  • About the control unit 15 is decided whether gases via the feedback system 80 to the resonator 70 or to the discharge point of the focused laser beam is passed and which gas is passed.
  • the controller 15 also receives information about how much gas has been consumed in the resonator and how much to refill, as well as information about whether the laser is being used for flame cutting or fusion cutting. Based on this information, the control unit makes a decision about, for example, the supply amount, type of gas, and location of supply. In this way, a laser processing system is provided in which the thermal waste heat was used to generate a process gas that could be fed back to the laser processing system.
  • FIG. 2 shows, in the broken oblique view, the structure of a CO2 laser 100, which has a rearview mirror 101, a plurality of deflecting mirrors 102, an outcoupling mirror 109, a turbo blower 104, a discharge tube 105 filled with laser gas, electrodes 106, a discharge housing 107, a supply housing 108, a gas cooling 30 and 32 and a beam telescope 110 includes.
  • the rearview mirror 101, the deflection mirror 102, the Auskoppelapt 109, the discharge tube 105 filled with laser gas and the electrodes 106 form a laser resonator 70.
  • the discharge tubes 105 are quartz glass tubes in which the laser gas is located. Outside of the tubes 105 sit the electrodes 106, which couple the excitation energy without contact into the laser gas.
  • the discharge paths are folded and have a square structure.
  • the deflecting mirrors 102 reflect the laser beam at the corners of the square and connect the discharge lines optically.
  • Rearview mirror 101 and outcoupling mirror 109 complete the resonator.
  • the turbo-radial blower 104 is located in the center of the jet source. This constantly circulates the laser gas, which at the corners of the square with 108 in the
  • Discharge tubes flows and in the middle of each page is returned by 107 again.
  • the supply housing 108 and discharge housing 107 flows around the gas, the water-cooled cooling system 30, and its cooling coils or ribs 32nd
  • the laser gas is heated by the coupling of the high frequency or the laser emission in the discharge tubes 105.
  • the cooling system 30 shown cools the laser gas in two steps. The laser gas is once cooled in the discharge housing 107 and then after passing through the turboradial fan 104 in
  • Lead housing 108 cooled again. This creates two separate cooling circuits to which the thermal energy can be tapped.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a CO2 laser resonator, with which a tapping a wide temperature range is possible.
  • the CO2 laser comprises a rearview mirror 101, a plurality of deflecting mirrors 102, an outcoupling mirror 103, a turbo blower 104, a discharge tube 105 filled with laser gas, electrodes 106, a discharge housing 107, a supply housing 108, a cooling system 30 with cooling coils or ribs 32 and a beam telescope 110 (not shown).
  • the rearview mirror 101, the deflection mirror 102, the Auskoppelapt 109, the discharge tube 105 filled with laser gas and the electrodes 106 form the laser resonator 70.
  • the discharge tubes 105 are quartz glass tubes in which the laser gas is located. The outside of the tubes 105 sit the Electrodes 106 which couple the excitation energy without contact into the laser gas.
  • the water-cooled cooling system comprises four cooling coils 31.1, 31.2, 31.3 and 31.4 in the supply housing 108. Thermal energy is taken in parallel from these four cooling coils 31.1 to 31.4 and can thus be supplied to the energy recovery system 20 (not shown).
  • the laser gas is heated by the laser emission in the discharge tubes 105 up to 200 0 C and then in the turbo radial fan by compression and friction up to 260 0 C.
  • the four cooling coils 31.1 to 31.4 cool the laser gas countercurrently in one step.
  • the laser gas passes through the drain housing 107 and the turbo-radial blower 104 and is cooled only in the supply housing 108.
  • the cooling medium heats up to 260 0 C and there is a cooling circuit with a single large temperature range and thus a large ⁇ T at a single point at which thermal energy can be tapped.
  • the heated cooling medium can now operate any heat engine, or energy conversion machine, since a large temperature range with high Tmax of up to 260 0 C temperature is reached.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a coolant circuit according to an embodiment of the present invention.
  • the temperature profile of a coolant 35 is applied.
  • the cooling medium 35 should have a higher temperature, the higher the representation on the beam 35 is made.
  • the four most important temperature levels are again referred to separately, namely the maximum temperature of the Cooling medium Tmax and the minimum temperature Tmin.
  • the maximum temperature Tmax occurs, for example, at a point of high waste heat, for example the resonator.
  • the minimum temperature Tmin is, for example, the inlet temperature of cooling medium at the location requiring the most extreme cooling.
  • the maximum temperature Tmax may be 260 0 C
  • the minimum temperature Tmin may be 25 0 C.
  • the ambient temperature Tu is removed, this can be about 50 0 C, and it is the limit temperature Tz of the energy recovery system 30 used, which is always between the ambient temperature Tu and the maximum temperature Tmax.
  • the limit temperature Tz of the energy recovery system 30 used is always between the ambient temperature Tu and the maximum temperature Tmax.
  • three regions in the temperature profile of the cooling medium 35 are defined, the range below the ambient temperature Tu, the range between ambient temperature Tu and limit temperature Tz and the range above the threshold temperature Tz to the maximum temperature Tmax.
  • the upper range of high temperature heat i. the range between the limit temperature Tz and the maximum temperature Tmax can be supplied to the energy recovery system 20 and used there according to the block arrow A. This area can thus be used, for example via a sorption to it to produce cold.
  • the middle area is discharged according to the block arrow B via an air cooler 37 to the environment as waste heat.
  • the lower region can only be cooled by re-using energy and removing, for example, the thermal waste heat from this region via a compression refrigeration machine 36 and to a higher temperature level (> Tu) is lifted. From this higher temperature level, the waste heat can then be dissipated to the environment.
  • this additional energy required for this final stage may be drawn, for example, from the energy recovery system 20, and the
  • Chiller 36 are supplied, as the arrow between the energy recovery system 20 and the chiller 36 indicates. In the case of a sorption chiller as energy recovery system 20, the outgoing from the energy recovery system 20 arrow in the
  • the recovered energy from the energy recovery system 20 is returned to the laser processing system.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Rückgewinnung von Energie aus einem Laserbearbeitungssystem (10) mit mindestens einem Energierückgewinnungssystem (20), wobei das mindestens eine Energierückgewinnungssystem (20) eine charakteristische Grenztemperatur Tz (immer > Tu) aufweist, umfassend die Schritte: Betreiben des Laserbearbeitungssystems (10) und Erzeugung von thermischer Energie (200) mit einer maximalen Temperatur Tmax, wobei die maximale Temperatur Tmax höher als die Grenztemperatur Tz liegt; Abnahme von thermischer Energie (200) oberhalb der Grenztemperatur Tz; Zuführen der abgenommenen thermischen Energie (200) in das mindestens eine Energierückgewinnungssystem (20) zur Erzeugung von zurückgewonnener Energie (210) und Rückführung der zurückgewonnenen Energie (210) an das Laserbearbeitungssystem (10).

Description

Rückgewinnung von Energie aus einem Laserbearbeitungssystem
Die Erfindung beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Rückgewinnung von Energie aus einem Laserbearbeitungssystem.
Betrachtet man die Energiebilanz von Laserbearbeitungssystemen (Gaslaser, speziell CO2-Laser, oder Festkörperlaser, speziell Neodoym: Yttrium-Aluminium- Granat-Laser, oder auch Diodenlaser), stellt man fest, dass der Fluss der Energieströme verbessert werden kann. Betrachtet man die Energiebilanz von einzelnen Laserbearbeitungsmaschinen stellt man fest, dass von einem benötigten Energieeintrag von 100%, die Ausbeute der Energie, welche in den Laserstrahl fließt, sich bei CO2-Lasern auf ca. 7% beläuft. Die restlichen ca. 93% verbleiben als ungenutzte Energie.
Aus der DE 69301879 T2 ist ein Lasersystem bekannt, insbesondere ein reflektierender Laserresonator, welcher für die Unterdrückung verstärkter stimulierter Emission und eine bessere Wärmeabfuhr sorgt. Eine Nutzung der abgeführten Wärme findet nicht statt.
Des Weiteren ist aus dem Stand der Technik bekannt, dass die durch ein Laserbearbeitungssystem vermehrt auftretende thermische Energie und die dadurch erzeugte Wärme, zum Heizen von Räumen verwendet wird.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung bereitzustellen, welche es ermöglichen, die Energiebilanz eines Laserbearbeitungssystem s zu verbessern. Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Die Aufgabe wird beispielsweise gelöst durch ein Verfahren zur Rückgewinnung von Energie aus einem Laserbearbeitungssystem (10) umfassend die Schritte: Betreiben des Laserbearbeitungssystems (10) und Erzeugung von thermischer Energie (200) mit einer maximalen Temperatur
Tmax; Abnahme von thermischer Energie (200); Rückführen der abgenommenen thermischen Energie (200) an das Laserbearbeitungssystem ( 10 ) .
Insbesondere wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Rückgewinnung von Energie aus einem Laserbearbeitungssystem (10) mit mindestens einem Energierückgewinnungssystem (20), wobei das mindestens eine Energierückgewinnungssystem (20) eine charakteristische Grenztemperatur Tz aufweist, umfassend die Schritte: Betreiben des Laserbearbeitungssystems (10) und Erzeugung von thermischer Energie (200) mit einer maximalen Temperatur Tmax, wobei die maximale Temperatur Tmax höher als die Grenztemperatur Tz liegt; Abnahme von thermischer Energie (200) oberhalb der Grenztemperatur Tz; Zuführen der abgenommenen thermischen Energie (200) in das mindestens eine Energierückgewinnungssystem (20) zur Erzeugung von zurückgewonnener Energie (210); Rückführung der zurückgewonnenen Energie (210) an das Laserbearbeitungssystem (10). Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird damit ein Verfahren zur Rückgewinnung von Energie aus einem Laserbearbeitungssystem bereitgestellt, wobei ein Laserbearbeitungssystem betrieben wird, thermische Energie abgenommen wird, die thermische Energie mindestens einem Energierückgewinnungssystem zur Rückgewinnung der thermischen Energie zugeführt wird und die zurückgewonnene Energie in das Laserbearbeitungssystem rückgeführt wird.
Unter Rückgewinnung von Energie versteht man die Nutzung von übriger (oder auch ungenutzter) Energie, welche nicht dem eigentlichen Zweck einer Vorrichtung, insbesondere einer Laserbearbeitungsmaschine, dient. Die übrige Energie ist vor allem thermische Energie. Andere übrige Energieformen im Laserbearbeitungssystem sind beispielsweise mechanische Energie oder elektrische Energie oder magnetische Energie. Die thermische Energie fällt bevorzugt im Resonator, besonders bevorzugt im Lasermedium an.
Ein Energierückgewinnungssystem kann thermodynamisch ausgelegt sein, beispielsweise als Wärmekraftmaschine, physikalisch/ chemisch, thermoelektrisch, biologisch oder chemisch. Jedes Energierückgewinnungssystem weist eine Grenztemperatur Tz auf, ab der das entsprechende Energierückgewinnungssystem eingesetzt werden kann. Heute verfügbare Systeme zur Energierückgewinnung aus Wärme (Sorptionskältemaschinen oder Wärmekraftmaschinen, z.B. Stirling-Motoren) können meist nur den Anteil oberhalb etwa 70° C nutzen, d.h. dass die Grenztemperatur Tz für diese Energierückgewinnungssysteme bei etwa 70 0C liegt. Thermoelektrische Elemente können die Temperaturen knapp oberhalb der Umgebungstemperatur (im folgenden Tu genannt) nutzen. Durch die Wahl des Energierückgewinnungssystems wird damit auch die Grenztemperatur Tz gewählt. Als Wärmekraftmaschinen sind Dampfmaschinen, Dampfturbinen, Gasturbinen, Schukey-Maschinen oder auch Stirling-Motoren oder Kompaktdampfturbinen bzw. eine Kombination dieser Vorrichtungen einsetzbar. Physikalisch/ chemische Technologien umfassen Sorptionskältemaschinen, insbesondere Absorptionskältemaschinen oder Adsorptionskältemaschinen oder Absorptionswärmetransformatoren (Waste Heat Transformer) . Thermoelektrisch kann ein thermoelektrischer Generator eingesetzt werden.
In einer Arbeitsumgebung, insbesondere bei einem
Laserbearbeitungssystem, treten beispielsweise im Kühlmedium verschiedene Temperaturbereiche auf : zwischen der Grenztemperatur Tz und einer maximalen Temperatur Tmax befindet sich die Hochtemperaturwärme, die für das Energierückgewinnungsystem zur Verfügung steht. Zwischen der Grenztemperatur Tz und der Umgebungstemperatur Tu ist ein Temperaturbereich aufgespannt, der in der Regel als Abwärme direkt (ohne Aufwendung weiterer, nennenswerter Energie) an die Umgebung abgegeben werden kann. Zwischen der Temperatur Tu und Tmin ist ein Temperaturbereich aufgespannt, der unter Umständen nur unter weiterem Energieeinsatz (z.B. über eine Kompressionskältemaschine) an die Umgebung abgeführt werden kann. Um einen Temperaturbereich unterhalb der Umgebungstemperatur Tu bis zu einer benötigten minimalen Temperatur Tmin im Kühlmedium zu erreichen, wird nun beispielsweise eine Kältemaschine eingesetzt, für deren Betrieb zusätzliche Energie benötigt wird. Gemäß einem Aspekt dieser Erfindung kann diese Energie aus der zurückgewonnenen Energie des Energierückgewinnungssystems gewonnen werden und damit dem Laserbearbeitungssystem wieder als benötigte
Energie zugeführt werden. Bei einer Sorptionskältemaschine wäre es auch möglich, dass die notwendige Kälteleistung direkt (ohne eine weitere Kältemaschine) über das Energierückgewinnungssystem zur Verfügung gestellt wird.
Unter Laserbearbeitungssystemen versteht man bevorzugt Hochleistungsindustrielaseranlagen, insbesondere solche mit einer Ausgangsleistung von 1-8 kW. Das Betreiben des Laserbearbeitungssystems ist einerseits der Laserbetrieb, d.h. das Erzeugen eines Laserstrahls. Ein Laserbearbeitungssystem wird aber auch dann schon betrieben und thermische Energie erzeugt, wenn es im Standby-Modus arbeitet, beispielsweise im Leerlauf. Hierbei kann es beispielsweise bei einem eingesetzten Turboradialgebläse zu beträchtlicher Abwärme kommen.
Bei der Erzeugung von thermischer Energie wird eine maximale Temperatur Tmax beispielsweise im Kühlmedium generiert. Ungenutzte bzw. übrige thermische Energie fällt an sich erwärmenden Komponenten an: Diese sind beispielsweise der Resonator, das aktive Medium, der HF-Generator, der Entstauber, Kompressoren, Kühlmedien, die Verfahrmotoren, das Werkstück während der Bearbeitung, weitere Aggregate des Laserbearbeitungssystems, weitere Maschinen des Laserbearbeitungssystems .
Unter Abnahme von thermischer Energie oberhalb der Grenztemperatur Tz versteht man einen Wärmeübergangsprozess über eine bestimmte Zeitspanne. Dabei geht Wärme von einer Komponente des Laserbearbeitungssystems in bevorzugt ein Transportmedium, bzw. Kühlmedium, bevorzugt ein Fluid, insbesondere Kühlwasser, organische Medien, oder ein Gas, über. Die thermische Energie wird durch das Transport- /Kühlmedium von sich erwärmenden Komponenten des Laserbearbeitungssystems abgeführt .
Die Abnahme der thermischen Energie findet hierbei oberhalb der Grenztemperatur Tz statt. Hierdurch wird ein Temperaturband abgegriffen, das von dem Energierückgewinnungssystem genutzt werden kann. Bei einem CO2-Laser können mehr als 90% der eingesetzten Energie als Abwärme verloren gehen. Von diesen >90% entfallen 40-60% auf den Resonator, der Rest auf HF-Generator und Maschine (Entstauber, Antriebe, ...). Bei Systemen mit Festkörperlasern (Stablaser, diodenlaser-gepumpte
Scheibenlaser, Faserlaser) entsteht etwa >75% Abwärme.
Das Abnehmen, bzw. das Abführen von thermischer Energie aus dem Lasergas erfolgt bevorzugt mit jeglichen WärmeleitSystemen, besonders bevorzugt mit Kühlsystemen, am meisten bevorzugt mit Wärmetauschern. Die effektive Abfuhr der Wärme ist notwendig für das Funktionieren des Laserprozesses .
Unter dem Zuführen der abgenommenen thermischer Energie in mindestens ein Energierückgewinnungssystem versteht man den Wärmeübergang von dem Transportmedium zum
Energierückgewinnungssystem. Dies geschieht zur Erzeugung von zurückgewonnener Energie aus der abgenommenen thermischen Energie, die an oder oberhalb der Grenztemperatur Tz abgegriffen wurde.
Durch die Abnahme, den Transport und die Zufuhr von thermischer Energie geht Wärme von bevorzugt dem aktiven Medium auf ein Energierückgewinnungssystem über. Die thermische Energie wurde einem Energierückgewinnungssystem zugeführt, wenn die in einer bestimmten Zeitspanne abgegriffene Energie zum Großteil auf das Energierückgewinnungssystem übergegangen ist.
Die möglichen Energierückgewinnungssysteme wandeln bevorzugt thermische Energie auch in andere Energieformen um. Dazu ist beispielsweise ein Energieumwandlungssystem vorgesehen, bevorzugt sind mehrere Energierückgewinnungssysteme vorgesehen, welche bevorzugt in Reihe und/oder parallel geschaltet sind. Es können beim Abgriff beispielsweise Wärmetauscher im Gegenstromprinzip eingesetzt werden und diese am Resonator auf die gasführenden Röhren aufgebracht werden. Diese Wärmetauscher können dann parallel nebeneinander und/oder in Reihe betrieben werden, so dass das Kühlmedium pro Wärmetauschereinheit um eine vorbestimmte Temperaturdifferenz deltaT abgekühlt wird, mithin dieses Temperaturband, d.h. diese thermische Energie, dem Laserbearbeitungssystem beispielsweise am Resonator entzogen wurde und dem Energierückgewinnungssystem damit zugeführt wurde. Dies geschieht bevorzugt im Gegenstromprinzip.
So ist auch eine Umwandlung von einer ersten Energieform I in eine zweite Energieform II, optional über eine weitere
Zwischenenergieform III möglich. Das Endprodukt ist dann eine in das Laserbearbeitungssystem rückführbare Energieform, besonders bevorzugt aber auch ein Erzeugnis, welches durch eine Energieform entsteht.
Bevorzugte umgewandelte Energieformen sind beispielsweise elektrische Energie und/oder mechanische Energie und/oder Druck und/oder magnetische Energie.
Die aus dem Energierückgewinnungssystem entstandene zurückgewonnene Energie bzw. Energieform und/oder die Erzeugnisse dieser umgewandelten Energieform werden an das Laserbearbeitungssystem zurückgeführt. Unter rückgeführter Energie versteht man einen gewissen Prozentsatz der ungenutzten, übrigen Energie, welche dem
Laserbearbeitungssystem direkt zu Gute kommt. Formen von rückgeführter Energie sind beispielsweise: elektrische Energie, magnetische Energie, thermische Energie, mechanische Energie.
Beispielsweise wird elektrische Energie in den Stromkreislauf des Laserbearbeitungssystems rückgespeist. Mit dieser elektrischen Energie werden beispielsweise HF-Generatoren und Gebläse/Umwälzpumpen, die Verfahrmotoren (u.U. Schrittmotoren) betrieben, welche beispielsweise den Bearbeitungstisch des Laserbearbeitungssystems bewegen, das Förderband des Laserbearbeitungssystem verfahren lassen, die Abstände zwischen optischen Elementen (Linsen, Fasenschiebern, usw. ) verändern, den Laserkopf über eine Arbeitsebene bewegen, usw. Weiterhin bevorzugt wird die elektrische Energie darauf verwendet, die Beleuchtung des Laserbearbeitungssystems zu betreiben. Weiterhin bevorzugt wird die elektrische Energie zum Betreiben des Kühlaggregats verwendet, wie zum Beispiel dessen Verdichtern oder Förderpumpen. Des Weiteren kann auch eine Sorptionskältemaschine betrieben werden. Eine
Sorptionskältemaschine kann direkt mit der Abwärme des Lasersystems betrieben werden und benötigt nicht den Umweg über eine zurückgewonnene Energieform Damit ist es möglich, das Kühlmedium auf die minimal benötigte Temperatur Tmin unterhalb der Umgebungstemperatur zu kühlen, ohne dass „neue" Energie hierfür eingesetzt werden müsste.
Rückgeführte Erzeugnisse sind bevorzugt Verbrauchsstoffe des Laserbearbeitungssystems, beispielsweise, Gase oder Druckluft. Diese Erzeugnisse werden durch die umgewandelte Energie eines Energieumwandlungssystems hergestellt. Hergestellte Druckluft kann beispielsweise zum Reinigen und/oder Betreiben des Entstaubers des Laserbearbeitungssystems, als Schneidgas zum Laserschneiden oder zum Betreiben einer Automatisierungskomponente eingesetzt werden. Hergestellte Gase können dem Laserbearbeitungssystem in Form von Schneidgasen oder Lasergasen zugeführt werden.
In einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist ein Verfahren vorgesehen, bei dem mehr als ein Energierückgewinnungssystem (20) vorgesehen ist. So kann entweder das gleiche Energierückgewinnungssystem mehrmals in einer Anordnung eingesetzt werden, oder es können verschiedene Energierückgewinnungssysteme mit unterschiedlichen Grenztemperaturen Tz eingesetzt werden und auf diese Weise verschiedene vorhandene thermische Bandbreiten abgegriffen und Energie hieraus zurückgewonnen werden.
In einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist ein Verfahren vorgesehen, bei dem die thermische Energie (200) in dem Intervall zwischen der Grenztemperatur Tz und der maximalen Temperatur Tmax mehrfach abgenommen wird. Auf diese Weise ist es möglich, einen Differenzbereich von Tmax bis Tz in mehreren Stufen thermisch abzubauen und auf diese Weise können beispielsweise mehrere Energierückgewinnungssysteme eingesetzt werden, die sich den Bereich der nutzbaren thermischen Energie (Tmax-Tz) teilen. So kann dieser nutzbaren thermischen Energie (Tmax-Tz) in Bändern von (Tmax- Tz) /N abgegriffen werden, wobei N die Anzahl der zur Verfügung stehenden Wärmetauscher bzw. Energierückgewinnungssysteme bezeichnet .
In einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist ein Verfahren vorgesehen, bei dem die zurückgewonnene Energie (200) zum Betreiben einer Kältemaschine (36) verwendet wird beziehungsweise das Energierückgewinnungssystem eine Sorptionskältemaschine ist. Hierdurch kann ohne zusätzlich benötigte externe „neue" Energie das Kühlmedium auf die benötigte minimale Temperatur herabgekühlt werden.
In einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist ein Verfahren vorgesehen, bei dem die thermische Energie (200) unterhalb der Grenztemperatur Tz und oberhalb der Umgebungstemperatur Tu durch einen Luftkühler entzogen wird. Auf diese Weise kann dieses Temperaturband, das durch das Energierückgewinnungssystem selbst nicht verwertbar wäre, abgeleitet werden und bevorzugt selbst wieder als thermische Energie, beispielsweise als Heizung, eingesetzt werden.
In einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist ein Verfahren vorgesehen, bei dem die thermische Energie (200) unterhalb der Umgebungstemperatur Tu und oberhalb der minimal benötigten Temperatur Tmin durch eine Kältemaschine (36) entzogen wird. Durch diese Abkühlung auf die minimal benötigte Temperatur Tmin durch diese Kältemaschine, wird die letzte Lücke bei der Kühlung des Kühlmediums geschlossen — idealerweise wird die Kältemaschine selbst wieder von der zurückgewonnenen Energie betrieben, womit die Energiebilanz des Laserbearbeitungssystems nochmals verbessert werden kann.
In einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist ein Verfahren vorgesehen, bei dem die maximale Temperatur Tmax bis zu 26O0C gewählt wird, die Grenztemperatur Tz im Bereich von 6O0C bis 1200C gewählt wird, die Umgebungstemperatur Tu im Bereich von 250C bis 55°C gewählt wird und die minimal benötigte Temperatur Tmin im Bereich von 200C bis 35°C gewählt wird. Durch die Wahl dieser Temperaturen kann ein guter nutzbarer Bereich für die Rückgewinnung aus thermischer Energie im Bereich der Hochtemperaturwärme erreicht werden. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Laserbearbeitungssystem ein Kühlsystem (30), wobei eine zweite Abnahme der thermischen Energie an der Wärmeabgabeseite (31) des Kühlsystems (30) erfolgt.
Das Kühlsystem ist bevorzugt ein Laserkühlsystem welches als Kühlmedium eine Flüssigkeit oder Gas aufweist. Bevorzugte Flüssigkeiten sind Wasser, Wasser mit Zusätzen oder organische Substanzen, z.B. Ethanol. Als Gas ist z.B. Wasserdampf denkbar.
Der Großteil der thermischen Energie eines Laserbearbeitungssystems konzentriert sich bevorzugt am Resonator, besonders bevorzugt im Resonator im Lasergas. Die thermische Energie wird von einem Kühlsystem vom Resonator, bzw. vom Lasergas abgezogen, d.h. das Lasergas wird abgekühlt. Kühlsysteme sind Systeme, welche die thermodynamischen Grundsätze nutzen und über Wärmestrom und Massenstrom Wärme von erwärmten Komponenten und Medien, beispielsweise vom Resonator bzw. dessen Gases, abziehen. Dies geschieht überwiegend mit Kühlwasser, im Falle eines CO2-Gaslasers insbesondere durch Kühlschlangen, die die Gasführung umgeben, im Falle von Festkörper-Lasern in der Regel durch direkte oder fast direkte Kühlung des Festkörpers mit Kühlwasser.
Das Kühlsystem umschließt bevorzugt die Gasläufe, welche das Lasergas enthalten, besonders bevorzugt sind Kühlschlangen bzw. —rippen des Kühlsystems im direkten Kontakt mit dem an diesen Rippen vorbeiströmenden Lasergas. Die Kühlschlange bzw. —rippen befinden sich bevorzugt im Resonator, besonders bevorzugt in den Zu- und Ablaufkanälen. Die zweite Abnahme von thermischer Energie an der Wärmeabgabeseite des Kühlsystems ist mit der Zufuhr der thermischen Energie an das Energierückgewinnungssystem gleich zu setzen. Die zweite Abnahme kann auch mit der ersten Abnahme zusammenfallen und wird hier nur zum besseren Verständnis gesondert bezeichnet.
Die erste Abnahme erfolgt bevorzugt dadurch, dass die Kühlschlangen bzw. -rippen, bzw. das bevorzugt darin fließende Kühlmedium eine niedrigere Temperatur aufweisen, als das Lasergas. Die thermische Energie wird durch den gegebenen Temperaturunterschied dem Gas entzogen und in das Kühlmedium geleitet. Dadurch kühlt das Gas ab und das Kühlmedium erwärmt sich.
Das Kühlsystem, bzw. das Kühlmedium transportiert die thermische Energie über eine Distanz d zu mindestens einem weiteren Wärmetauscher, welcher bevorzugt in den Energierückgewinnungssystemen integriert ist. Den Übergang von thermischer Energie von dem Kühlmedium auf das
Energierückgewinnungssystem und die damit einhergehende Änderung der Wärmeverhältnisse wird als zweite Abnahme bezeichnet.
Die Wärmeabgabeseite des Kühlsystems ist die obig beschriebene Abgabezone des Kühlsystems. In einem Ausführungsbeispiel gibt es mehr als eine Wärmeabgabeseite, bzw. Abgabezone. Der Fluss des Kühlmediums im Kühlsystem ist dabei beispielsweise nach der Energieabnahme in parallel laufende Kühlstrecken aufgeteilt. In dieser Konfiguration können mehrere Energierückgewinnungssysteme parallel an bevorzugt mehreren Wärmeabgabeseiten mit thermischer Energie gespeist werden. Bevorzugt weist das Kühlsystem nur eine Kühlstrecke auf, wobei dann mehrere Energierückgewinnungssysteme in Reihe geschaltet werden können. (Beispiele: Wärmekraftmaschine — Drucklufterzeugung oder Wärmekraftmaschine — Stromerzeugung)
Die Kühlung erfolgt bevorzugt in drei Schritten, besonders bevorzugt in zwei Schritten, am meisten bevorzugt in einem Schritt. Das Kühlmedium heizt sich idealerweise bis auf die maximale Temperatur des Lasermediums auf und gibt bevorzugt in einem Schritt die thermische Energie an ein Energierückgewinnungssystem, besonders bevorzugt teilweise an mehrere in Reihe oder parallel geschaltete Energierückgewinnungssysteme weiter .
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Energierückgewinnungssystem eine Sorptionskältemaschine und/oder ein Thermoelektrischer Generator und/ oder eine Dampfmaschine und/oder eine Dampfturbine und/oder eine Gasturbine und/oder eine Schuckey-Maschine und/oder einen Stirling-Motor und/oder eine Kompaktdampfturbine. Bei Dampfprozessen sind auch so genannte „Organic Rankine Cycle" (ORC) geeignet. Bei ORC-Prozessen ist das Arbeitsmedium nicht Wasser sondern ein organisches Medium. Diese Prozesse eignen sich besonders gut, da sie bereits bei besonders niedrigen Temperaturen (im Bereich von 1000C) funktionieren.
Eine Kombination aus Energierückgewinnungssystemen wird besonders bevorzugt verwendet, um den gesamten Temperaturbereich von Tmax des Hochtemperaturkreislaufes bis zu einer niedrigen Grenztemperatur Tz zu nutzen. Schließt man verschiedene Energierückgewinnungssysteme mit verschiedenen Grenztemperaturen Tz zusammen, bzw. bevorzugt in Reihe, so können die verschiedenen Energierückgewinnungssysteme auf verschiedene Wärmequellen verschiedenster Temperaturbereiche zurückgreifen . Bevorzugt werden EnergierückgewinnungsSysteme eingesetzt, die mechanische Energie in Form einer Rotationsbewegung erzeugen. Diese Bewegung wird bevorzugt an einem Generator genutzt um Strom zu erzeugen, welcher dem Laserbearbeitungssystem rückgeführt wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform stellt das Energierückgewinnungssystem Energie für einen Luftverdichter bereit.
Bevorzugt wird über eine Luftverdichtereinheit die Umgebungsluft bzw. ein Ansaugvolumen teilweise gereinigt und mit einem Betriebsdruck zu einem kleineren Volumen zusammengepresst. Luftverdichter sind beispielsweise Kolbenverdichter oder Schraubenverdichter oder Turboverdichter oder transsonische Verdichter. Aus den EnergieumwandlungsSystemen wird bevorzugt eine mechanische Energie in Form einer Rotationsbewegung bereitgestellt, welche bevorzugt direkt zur Verdichtung der Luft über die genannten Systeme verwendet werden kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine Filtrationsstufe vorgesehen, über die die verdichtete Luft in Bestandteile auftrennbar ist.
In dieser Filtrationsstufe wird die Luft bevorzugt in die Gase N2 , 02, C02 aufgetrennt. Besonders bevorzugt wird nur eines der genannten Gase aus der Luft extrahiert.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Filtrationsstufe über ein Membranfiltersystem und/oder ein Druckwechseladsorptions- ( PSA- ) System. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird mindestens eines der verdichteten Luftbestandteile als Lasergas und/oder Schneidgas verwendet.
Die aus der Filtration gewonnenen Luftbestandteile N2 , 02, CO2 sind Gase, die bei manchen Laserbearbeitungssystemen bzw. Laseranwendungen verwendet werden. So wird beispielsweise C02 sowie N2 beim CO2-Laser als Lasergas im aktiven Medium verwendet. Da N2- bzw. CO2-Bestandteile im aktiven Medium während der Laseremission verbraucht werden, kann auf diese Weise der Rückgewinnung der CO2- bzw. der N2-Tank eines CO2- Laserbearbeitungssystems nachgefüllt werden.
Des Weiteren werden beim Laserschneiden, d.h. Brennschneiden oder Schmelzschneiden, Sauerstoff (02) oder Stickstoff (N2) benötigt. Durch das Wiedergewinnungsverfahren dieser Luftbestandteile kann beim Brennschneiden der aus dem System gewonnene Sauerstoff bzw. beim Schmelzschneiden der aus dem System gewonnene Stickstoff zugeführt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird mindestens einer der verdichteten Luftbestandteile in mindestens einen Druckspeicher geleitet. Die verdichteten Luftbestandteile werden bevorzugt in separate vom Volumen her getrennte Speicher geleitet. Diese Speicher sind bevorzugt
Druckspeicher und dienen beispielsweise als Puffer. Das bedeutet, dass die Luftbestandteile, welche nicht sofort als Lasergas bzw. als Schneidgas verwendet werden, in einem Speicher aufbewahrt werden können und bei Bedarf eingesetzt werden können.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Abnahme der thermischen Energie an mindestens zwei vorbestimmten Temperaturniveaus vorgesehen. Dadurch, dass in diesem Ausführungsbeispiel die verwendeten Energierückgewinnungssysteme bevorzugt verschiedene Temperaturniveaus nutzten und bevorzugt unterschiedliche ΔTs beanspruchen ist es energetisch und technisch günstig, das gesamte Energiespektrum in mehr als ein Temperaturniveau aufzuteilen und an diesen unterschiedlichen Temperaturniveaus die thermische Energie abzugreifen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird weiterhin gelöst durch eine Vorrichtung ( 1 ) zur Rückgewinnung von Energie an einem Laserbearbeitungssystem (10), welche einen Energieträger (11), eine Abnahmevorrichtung (12) für mindestens eine Energieform, ein Energieumwandlungssystem (20) umfasst, wobei die Vorrichtung (1) des Weiteren ein Rückführungssystem (80) umfasst.
Das Laserbearbeitungssystem ist bevorzugt eine Hochleistungsindustrielaseranlage . Das Laserbearbeitungssystem umfasst beispielsweise ein Laseraggregat mit seinen Standardbestandteilen, wie beispielsweise Resonator, Elektroden, aktives Medium, Resonatorspiegel, usw.
Bevorzugt besteht die Entladungsstrecke aus Quartzglasrohren, in denen sich bevorzugt Lasergas als aktives Medium, wie beispielsweise Stickstoff oder ArF oder KrF oder XeCl oder XeF oder Helium-Neon oder Argon oder Krypton oder Kohlendioxid befindet.
Des Weiteren ist das aktive Medium besonders bevorzugt auch ein Festkörper wie beispielsweise Glas, A12O3, YAG als Trägermaterialien und als Dotierungsmaterialen beispielsweise Chrom, Neodym, Ytterbium, Titan, Erbium. Außerdem sind andere Laserformen wie beispielsweise Diodenlaser, Farbstofflaser, Farbzentrenlaser, Halbleiterlaser, freie Elektronenlaser möglich.
Eine Abnahmevorrichtung ist ein physikalischer Leiter, bzw. ein Stoff, der verschiedene Arten von Energie oder Teilchen weiterleiten kann. Bevorzugt ist die Abnahmevorrichtung ein Leiter für Licht oder Magnetismus, besonders bevorzugt für Strom, am meisten bevorzugt für Wärme. Die Abnahmevorrichtung ist bevorzugt mit dem Energieträger verbunden, besonders bevorzugt umgibt die Abnahmevorrichtung den Energieträger, am meisten bevorzugt wird die Abnahmevorrichtung vom Energieträger umgeben.
Die Abnahmevorrichtung leitet Energie von einem Abnahmepunkt (Schnittstelle Energieträger-Abnahmevorrichtung) zu einem Zuführpunkt (Schnittstelle Abnahmevorrichtung- EnergieumwandlungsSystem) . Die Strecke Abnahmepunkt- Zuführpunkt ist bevorzugt von einem Isolierstoff, besonders bevorzugt von einem Dielektrikum oder Nichtleiter, am meisten bevorzugt von einem optischen Isolator oder einem thermischen Isolator umgeben. Diese Isolatoren (isolierend für eine Vielzahl von Energieformen) ermöglichen einen Wirkungsgrad von Zuführpunkt: Abnahmepunkt von bevorzugt 0,9, besonders bevorzugt 0,85, am meisten bevorzugt von 0,8.
Bevorzugt ist die Abnahmevorrichtung ein elektrischer Leiter.
Soll die Abnahmevorrichtung zur Wärmeübertragung genutzt werden, stehen drei Arten, die Wärmeleitung, die
Wärmestrahlung, die Konvektion oder Wärmeströmung zur Verfügung. Bevorzugt werden Metalle als Baumaterial für die Abnahmevorrichtung verwendet, wenn die Übertragungsart „Wärmeleitung" gewählt wird. Wird die Übertragungsart der Wärmeströmung genutzt, kommen für die Abnahmevorrichtung bevorzugt Fluide, besonders bevorzugt chemisch versetzte Fluide zum Einsatz. Dabei besteht die Abnahmevorrichtung aus einem Fluidträger und einem Fluid, wobei das Fluid in dem Fluidträger strömt.
Ein Energierückgewinnungssystem ist ein System, welches eingespeiste Energie (Primärenergie) in rückgewandelte Energie (Sekundärenergie) umwandelt.
Ein Rückführungssystem ist bevorzugt ein System, welches zurückgewonnene oder umgewandelte Energie oder ein Erzeugnis dieser umgewandelten Energie bevorzugt von einem Energierückgewinnungssystem, besonders bevorzugt aus einem Speicher, abzieht, und diese Energie bzw. Erzeugnis in das Laserbearbeitungssystem rückführt. Dabei wird Energie insbesondere einer Energie verarbeitenden Komponente zugeführt, oder ein Erzeugnis (erzeugt durch eine an das Energieumwandlungssystem angeschlossene Maschine) an eine Laserbearbeitungssystemkomponente oder in den
Bearbeitungsraum des Laserbearbeitungssystems rückgeführt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird eine Vorrichtung (1) bereitgestellt, wobei das Rückführungssystem (80) einen elektrischen Leiter und/oder einen pneumatischen Leiter und/oder einen hydraulischen Leiter und/oder einen Wärmeleiter und/oder einen Lichtleiter umfasst. Bevorzugt leitet das Rückführsystem Energie von einem Abnahmepunkt (bevorzugt Schnittstelle Energieumwandlungssystem- Rückführungssystem, besonders bevorzugt Schnittstelle
Speicher-Rückführungssystem) zu einem Zuführpunkt (bevorzugt Schnittstelle Rückführungssystem-Energie verwertende Laserbearbeitungssystem-Komponente, besonders bevorzugt Schnittstelle Rückführungssystem-Energieträger, am meisten bevorzugt Schnittstelle Rückführungssystem-Bearbeitungsfläche des Laserbearbeitungssystems).
Diese Leiter sind bevorzugt an einem Ende mit einem oder mehreren Druckspeichern (d.h. dessen Ausgängen) verbunden und am anderen Ende an einen Rückführungsort des Laserbearbeitungssystems angeschlossen. Ein Rückführungsort ist der Ort, an dem die Energie bzw. das Erzeugnis eingesetzt werden soll, beispielsweise der Eingriffspunkt bzw. die Eingriffsumgebung des Laserstrahls in das zu bearbeitende Material.
Des Weiteren besitzt bevorzugt eine Gaslaseranlage Gastanks, welche mit CO2 bzw. He bzw. N2 gefüllt sind. Aus den Druckspeichern können bevorzugt der Stickstofftank und der Kohlendioxidtank der Gaslaseranlage nachgefüllt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird eine Vorrichtung (1) bereitgestellt, wobei die Vorrichtung (1) einen Speicher (61) umfasst. Der Speicher dient zur
Speicherung von Energie zum Zwecke der späteren Nutzung. Die Speicherkapazität wird bevorzugt an die Bedürfnisse des Laserbearbeitungssystems angepasst. Der Speicher kann insbesondere ein mechanischer Speicher sein, ein elektrischer Speicher ein chemischer Speicher und/oder ein Wärmespeicher. Der mechanische Speicher dient zur Speicherung von kinetischer Energie, beispielsweise über ein Schwungrad, besonders bevorzugt zur Speicherung von potentieller Energie über eine Feder, Druckspeicher, PunktSpeicherkraftwerk, Druckluftspeicherkraftwerk, Gewicht. Der elektrische Speicher speichert elektrische Energie in beispielsweise einem Kondensator oder Akkumulator bzw. magnetische Energie in einem (idealerweise supraleitenden) magnetischen Energiespeicher. In einem chemischen Speicher wird elektrische Energie beispielsweise in einem Akkumulator oder in einer Batterie, besonders bevorzugt chemische Energie in einer galvanischen Zelle gespeichert. In einem Wärmespeicher wird thermische Energie gespeichert.
Der Speicher ist bevorzugt das Bindeglied zwischen Energieumwandlungssystem (oder einer Maschine angetrieben vom Energieumwandlungssystem) und dem Rückführungssystem.
Des Weiteren ist der Speicher bevorzugt ein Druckspeicher. Druckspeicher sind bevorzugt Druckbehälter, deren Druck im Inneren über dem Umgebungsdruck liegt. Gespeist werden die Druckspeicher bevorzugt von Druckluft oder den durch das Membranfiltersystem aufgeteilten Gasen. Die durch das Membranfiltersystem aufgeteilten Gase werden bevorzugt in separaten, vom Volumen her getrennten Druckspeichern, aufbewahrt. Die Druckspeicher umfassen des Weiteren Ausgänge, welche bevorzugt mit dem Rückführungssystem gekoppelt sind. Diese Ausgänge werden von Druckventilen geöffnet oder geschlossen. Diese Druckventile werden bevorzugt von einer Steuereinheit überwacht und gesteuert.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird eine Vorrichtung (1) bereitgestellt, wobei der Energieträger (11) bevorzugt ein Resonator (70) und/oder ein aktives Medium und/oder ein Kühlmedium und/oder eine Laserkomponente und/oder ein HF-Generator und/oder ein Verfahrmotor und/oder ein Werkstück während der Bearbeitung ist.
Der Resonator, bzw. das aktive Medium geben im
Laserbearbeitungssystem hohe Mengen an ungenutzter Energie ab. Diese belaufen sich abhängig vom Laserbearbeitungssystem und dessen Leistung auf ca. 40 % der Gesamtenergie in Form von Strom, die in das System gesteckt wird. Der HF-Generator gibt ca. 20 % der Eingangsenergie als ungenutzte Wärmeenergie ab. Daher lohnt sich hier der Abgriff von thermischer Energie.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird eine
Vorrichtung (1) bereitgestellt, wobei die Abnahmevorrichtung (12) für Energie, ein Kühlsystem (30) ist. Das Kühlsystem mit seinen Kühlschlangen bzw. -rippen dient bevorzugt zur Kühlung des Lasergases. Bevorzugt funktionieren die Kühlrippen als Wärmetauscher, sind bevorzugt hohl, um die Durchleitung eines Kühlmediums zu ermöglichen, und bestehen aus sehr wärmeIeitfähigem Material. Die Kühlschlangen sind bevorzugt direkt mit dem Lasergas in Kontakt. Bevorzugt ist das Lasergas in Bewegung und strömt an den Kühlschlangen vorbei. Die Gasströmungsgeschwindigkeit wird von einem
Turboradialgebläse beeinflusst. Das Turboradialgebläse wälzt das Lasergas ständig um und sorgt dafür, dass das Gas die bevorzugt wassergekühlten Wärmetauscher (Kühlschlangen) umströmt. Die Wärme kann auch an der Abgabeseite des Kühlsystems (also nach dem Anheben auf eine höhere
Temperatur) abgegriffen und einem Energierückgewinnungssystem zugeführt werden kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung (1) des Weiteren mindestens ein Ableitungsgehäuse (107) und/oder mindestens ein Zuleitungsgehäuse (108).
Bevorzugt strömt das Gas an den Ecken des bevorzugt quadratischen Laseraggregats über ein Zuleitungsgehäuse in die Entladungsrohre und wird bevorzugt in der Mitte jeder Seite über ein Ableitungsgehäuse wieder zum Turboradial- Gebläse geführt. Das Ableitungsgehäuse mündet bevorzugt in den Ansaugbereich des Turboradialgebläses, wobei die Zuleitungsgehäuse bevorzugt an den Auslassbereich des Turboradialgebläses gekoppelt sind.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform befinden sich die Kühlrippen (31) in mindestens einem Ableitungsgehäuse (107) und/oder mindestens einem Zuleitungsgehäuse (108).
Ziel des Kühlsystems ist es, bevorzugt eine Gastemperatur vor dem Durchströmen der Kühlrippen von ca. 2600C zu erreichen und nach dem Abkühlprozess bevorzugt eine Temperatur des
Gases von ca. 200C zu erreichen. Ein hoher Temperaturbereich von Gaseingangstemperatur zu Gasauslasstemperatur ermöglicht über die Wärmetauscher bzw. Kühlrippen eine hohe Kühlmediumstemperatur. Diese ist bevorzugt notwendig, um die vorher beschriebenen EnergieumwandlungsSysteme zu betreiben. Bevorzugt werden die Kühlrippen entweder im Ableitungsgehäuse oder im Zuleitungsgehäuse installiert, um keine schrittweise Abkühlung des Lasergases zu erreichen. Um in einem Schritt abzukühlen, kann das Gas auch gebündelt gekühlt werden. Das Lasergas wird optional vor dem Abkühlprozess, das heißt dem Vorbeiströmen an den Kühlrippen, in diesem gebündelten Zustand abgekühlt und danach wieder aufgeteilt. Dies wird beispielsweise durch das Zusammenführen der Ableitungsgehäuse in eine Leitung erreicht. In dieser Leitung befinden sich bevorzugt die Kühlrippen, um den Gasstrom in einem Schritt auf die gewünschte Zuleitungstemperatur abzukühlen. Die Leitung ist bevorzugt auch als Ableitungsgehäuse anzusehen. Bevorzugt wird das Gas danach über einen Verteiler auf die Zuleitungsgehäuse aufgeteilt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung des Weiteren einen Luftverdichter. Der Luftverdichter ist bevorzugt an eine Abtriebswelle eines Energieumwandlungssystems angeflanscht. Die mechanische Energie, bevorzugt die Rotationsenergie des Energieumwandlungssystems, wird hierbei genutzt, um einen Luftverdichter in Form eines beispielsweise Kolbenverdichters oder Schraubenverdichters oder Turboverdichters oder transsomischen Verdichters zu betreiben. Der Luftverdichter saugt bevorzugt die Umgebungsluft an und komprimiert diese über einen bestimmten Betriebsdruck zu einem kleineren Volumen .
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung des Weiteren ein Membranfiltersystem. MembranfilterSysteme sind Filtersysteme, welche bevorzugt Gasmischungen in einzelne Gasbestandteile zerlegen können. Für diesen Filterprozess sind hohe Drücke des zu filternden Gases notwendig, was bevorzugt durch das Vorschalten eines Verdichters erreicht wird. Bevorzugt wird über das Membranfiltersystem die Umgebungsluft in ihre Bestandteile, d.h. N2, 02, CO2 aufgeteilt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung (1) des Weiteren eine Steuereinheit (15) bzw. Steuer-/Regeleinheit. Eine Steuereinheit ist beispielsweise ein PC, welcher das Laserbearbeitungssystem steuert. Bevorzugt misst, leitet, verteilt die Steuereinheit die Energieströme über das gesamte Laserbearbeitungssystem.
In der Figurenbeschreibung soll die Erfindung an Hand weiterer Ausführungsbeispiele veranschaulicht werden. Die Figuren zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Laserbearbeitungssystems ; Figur 2 in der durchbrochenen Schrägansicht eine Darstellung eines C02-Laserresonators;
Figur 3 eine schematische Darstellung eines CO2- Laserresonators und
Figur 4 eine schematische Darstellung eines Kühlmittelkreislaufes gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Laserbearbeitungssystems 10. Ein Laserbearbeitungssystem 10 weist einen Resonator 70 mit einem Lasermedium 72 auf. Die Strahlenquelle ist ein C02 Laser, wobei das Lasermedium 72 ein Gasgemisch aus Helium, Stickstoff und Kohlendioxid ist. Das Gasgemisch im Resonator wird kontinuierlich, beispielsweise über ein Turboradialgebläse (nicht gezeigt) umgewälzt. An dem Resonator 70 ist ein Kühlsystem 30 angeschlossen, das über eine Wärmeabgabeseite 31 mit einem Energierückgewinnungssystem 20 verbunden ist. Das Kühlsystem 30 arbeitet mit Wasser als Kühlmedium. An das Energierückgewinnungssystem 20 ist in Verdichter 40 angeschlossen und dieser Verdichter 40 ist über ein Membranfiltersystem 50 mit einem Druckspeicher 60 verbunden. Das Energierückgewinnungssystem 20 umfasst einen Stirling- Motor 25, dessen Abtriebswelle den Luftverdichter 40 betreibt. Der Druckspeicher 60 umfasst drei Untereinheiten as Druckspeicher 60.1, 60.2 und 60.3. Das Rückführungssystem 80 bildet eine Verbindung zwischen dem Druckspeicher 60 und dem Resonator 70 und/oder dem Abtragspunkt des fokussierten Laserstrahls. Über dieses Rückführsystems 80 ist der Resonator 70 aus dem Druckbehälter 60 speisbar. Eine Steuereinheit 15 ist weiterhin vorgesehen, die all diese Komponenten ansteuern bzw. regeln kann.
Das Laserbearbeitungssystem 10, bzw. dessen Strahlquelle emittiert einen Laserstrahl im Dauerstrichbetrieb, im
Pulsbetrieb oder Rampenbetrieb. Dabei wird im Resonator 70 das Lasermedium, bzw. das Lasergas auf eine Temperatur von ca. 260 0C erhitzt. Dadurch, dass das Lasergas umgewälzt wird und immer nur ein Teil der Gasmenge sich im Resonator 70 befindet, kann die sich nicht im Resonator 70 befindliche Menge an Lasergas gekühlt werden. Dies geschieht beim Überleiten des Gases über das Kühlsystem 30, welche sich im direkten Kontakt mit dem erhitzten Lasergas befinden und welche vom Kühlmedium durchspült werden. Das Kühlmedium nimmt die thermische Energie des Lasergases auf, wobei sich das
Lasergas im Vorbeiströmen, in einem Schritt, auf ca. 20 Grad C abkühlt und das Kühlmedium sich im Idealfall auf bis zu 2600C erwärmt.
Das erhitzte Kühlmedium wird nun über ein
Flüssigkeitsfördersystem von dem Kühlsystem 30 weggeleitet und über die Wärmeabgabeseite 31 an das Energierückgewinnungssystem 20 übergeben. Im Energierückgewinnungssystem 20 wird mit dieser thermischen Energie der Stirling-Motor 25 betrieben. Das zirkulierende
Kühlmittel dient als permanente Hitzequelle für den Stirling- Motor. Der Stirling-Motor wandelt die thermische Energie in mechanische Energie, bzw. in eine Rotationsbewegung an einer Welle um. Diese Welle betreibt durch direkten Antrieb oder über ein Getriebe den Luftverdichter 40. Die durch den
Verdichter 40 verdichtete Luft wird über das Filtersystem 50 in ihre Bestandteile N2, 02 und CO2 aufgetrennt, wobei die einzelnen Gase in von einander getrennte Druckspeicher (60.1 bis 60.3) geleitet werden. Über die Steuereinheit 15 wird entschieden, ob Gase über das Rückführungssystem 80 an den Resonator 70 oder an den Abtragspunkt des fokussierten Laserstrahls geleitet wird und welches Gas geleitet wird. Die Steuereinheit 15 erhält auch Informationen darüber, wie viel Gas im Resonator verbraucht wurde und wie viel nachgefüllt werden muss, genauso wie Informationen darüber, ob der Laser zum Brennschneiden oder Schmelzschneiden verwendet wird. Aufgrund dieser Informationen trifft die Steuereinheit eine Entscheidung über beispielsweise die Zufuhrmenge, Art des Gases und Ort der Zufuhr. Auf diese Weise ist ein Laserbearbeitungssystem bereitgestellt, bei dem die thermische Abwärme genutzt wurde, um ein Prozessgas zu erzeugen, das der Laserbearbeitungsanlage wieder zugeführt werden konnte.
Figur 2 zeigt in der durchbrochenen Schrägansicht den Aufbau eines CO2-Lasers 100, welcher einen Rückspiegel 101, mehrere Umlenkspiegel 102, einen Auskoppelspiegel 109, ein Turbogebläse 104, ein Entladungsrohr 105 gefüllt mit Lasergas, Elektroden 106, ein Ableitungsgehäuse 107, ein Zuleitungsgehäuse 108, eine Gaskühlung 30 und 32 und ein Strahlteleskop 110 umfasst.
Standardmäßig bilden der Rückspiegel 101, der Umlenkspiegel 102, der Auskoppelspiegel 109, das Entladungsrohr 105 gefüllt mit Lasergas und die Elektroden 106 einen Laserresonator 70. Die Entladungsrohre 105 sind Quartzglasrohre, in denen sich das Lasergas befindet. Außen an den Rohren 105 sitzen die Elektroden 106, die die Anregungsenergie berührungslos in das Lasergas einkoppeln.
Des Weiteren ist zu sehen, dass die Entladungsstrecken gefaltet sind und einen quadratischen Aufbau besitzen. Die Umlenkspiegel 102 reflektieren den Laserstrahl an den Ecken des Quadrats und verbinden die Entladungsstrecken optisch. Rückspiegel 101 und Auskoppelspiegel 109 vervollständigen den Resonator. Das Turboradialgebläse 104 befindet sich in der Mitte der Strahlquelle. Dieses wälzt das Lasergas ständig um, welches an den Ecken des Quadrats mit 108 in die
Entladungsrohre strömt und in der Mitte jeder Seite durch 107 wieder zurückgeführt wird. In dem Zuleitungsgehäuse 108 bzw. Ableitungsgehäuse 107 umströmt das Gas, das wassergekühlte Kühlsystem 30, bzw. dessen Kühlschlangen bzw. -rippen 32.
Das Lasergas wird durch die Einkopplung der Hochfrequenz bzw. die Laseremission in den Entladungsrohren 105 erhitzt. Das gezeigte Kühlsystem 30 kühlt das Lasergas in zwei Schritten. Das Lasergas wird einmal im Ableitungsgehäuse 107 gekühlt und dann nach dem Passieren des Turboradialgebläses 104 im
Zuleitungsgehäuse 108 erneut gekühlt. Dadurch entstehen zwei separate Kühlkreisläufe, an welchen die thermische Energie abgegriffen werden kann.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines CO2- Laserresonators, mit welchem ein Abgreifen eines großen Temperaturbereichs möglich ist. Der CO2 Laser umfasst wie in Figur 2 einen Rückspiegel 101, mehrere Umlenkspiegel 102, einen Auskoppelspiegel 103, ein Turbogebläse 104, ein Entladungsrohr 105 gefüllt mit Lasergas, Elektroden 106, ein Ableitungsgehäuse 107, ein Zuleitungsgehäuse 108, ein Kühlsystem 30 mit Kühlschlangen bzw. -rippen 32 und ein Strahlteleskop 110 (nicht gezeigt).
Standardmäßig bilden der Rückspiegel 101, der Umlenkspiegel 102, der Auskoppelspiegel 109, das Entladungsrohr 105 gefüllt mit Lasergas und die Elektroden 106 den Laserresonator 70. Die Entladungsrohre 105 sind Quarzglasrohre, in denen sich das Lasergas befindet. Außen an den Rohren 105 sitzen die Elektroden 106, die die Anregungsenergie berührungslos in das Lasergas einkoppeln.
Das wassergekühlte Kühlsystem umfasst vier Kühlschlangen 31.1, 31.2, 31.3 und 31.4 im Zuleitungsgehäuse 108. Über diese vier Kühlschlangen 31.1 bis 31.4 wird thermische Energie parallel entnommen und kann so dem Energierückgewinnungssystem 20 (nicht gezeigt) zugeführt werden .
Das Lasergas wird durch die Laseremission in den Entladungsrohren 105 auf bis zu 200 0C und dann im Turboradialgebläse durch Kompression und Reibung auf bis zu 2600C erhitzt. Die vier Kühlschlangen 31.1 bis 31.4 kühlen das Lasergas im Gegenstromprinzip in einem Schritt. Das Lasergas passiert das Ableitungsgehäuse 107 und das Turboradialgebläse 104 und wird nur im Zuleitungsgehäuse 108 gekühlt. Dadurch erwärmt sich das Kühlmedium auf bis zu 2600C und es entsteht ein Kühlkreislauf mit einem einzigen großen Temperaturbereich und somit einem großen ΔT an einer einzigen Stelle, an welcher thermische Energie abgegriffen werden kann. Das erhitzte Kühlmedium kann nun jede beliebige Wärmekraftmaschine, bzw. Energieumwandlungsmaschine betreiben, da ein großer Temperaturbereich mit hoher Tmax von bis zu 2600C Temperatur erreicht wird.
Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Kühlmittelkreislaufes gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Schematisch ist hierbei der Temperaturverlauf eines Kühlmittels 35 aufgetragen. Dabei soll das Kühlmedium 35 eine umso höhere Temperatur aufweisen, je höher die Darstellung am Balken 35 vorgenommen ist. Es sind die vier bedeutendsten Temperaturniveaus nochmals gesondert bezeichnet, nämlich die maximale Temperatur des Kühlmediums Tmax und die minimale Temperatur Tmin. Die maximale Temperatur Tmax tritt beispielsweise an einer Stelle hoher Abwärme, zum Beispiel dem Resonator, auf. Die minimale Temperatur Tmin ist beispielsweise die Eingangstemperatur von Kühlmedium an der Stelle, die die extremste Kühlung erfordert. Die maximale Temperatur Tmax kann 2600C betragen, die minimale Temperatur Tmin kann 25 0C sein. Daneben ist die Umgebungstemperatur Tu abgetragen, diese kann bei ca. 50 0C liegen, und es ist die Grenztemperatur Tz des verwendeten Energierückgewinnungssystems 30 dargestellt, die immer zwischen der Umgebungstemperatur Tu und der maximalen Temperatur Tmax liegt. Hierdurch werden drei Bereiche im Temperaturverlauf des Kühlmediums 35 definiert, der Bereich unterhalb der Umgebungstemperatur Tu, der Bereich zwischen Umgebungstemperatur Tu und Grenztemperatur Tz und dem Bereich über der Grenztemperatur Tz bis zur maximalen Temperatur Tmax.
Diese drei Temperaturbereiche werden nun bei der Abkühlung bzw. Abführung der thermischen Abwärme unterschiedlich behandelt. Der obere Bereich der Hochtemperaturwärme, d.h. der Bereich zwischen der Grenztemperatur Tz und der maximalen Temperatur Tmax kann gemäß dem Blockpfeil A dem Energierückgewinnungssystem 20 zugeführt und dort genutzt werden. Dieser Bereich kann damit beispielsweise über eine Sorptionsmaschine dazu genutzt werden, um Kälte zu erzeugen.
Der mittlere Bereich wird gemäß dem Blockpfeil B über einen Luftkühler 37 an die Umgebung als Abwärme abgeführt.
Der untere Bereich kann nur dadurch gekühlt werden, dass wieder Energie aufgewendet wird und beispielsweise über eine Kompressionskältemaschine 36 die thermische Abwärme aus diesem Bereich entzogen und auf ein höheres Temperaturniveau (>Tu) gehoben wird. Von diesem höheren Temperaturniveau aus kann die Abwärme dann an die Umgebung abgeführt werden. Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann diese zusätzlich benötigte Energie für diese letzte Stufe jedoch beispielsweise aus dem Energierückgewinnungssystem 20 gezogen werden und der
Kältemaschine 36 zugeführt werden, wie der Pfeil zwischen dem Energierückgewinnungssystem 20 und der Kältemaschine 36 andeutet. Im Falle einer Sorptionskältemaschine als Energierückgewinnungssystem 20 stellt der vom Energierückgewinnungssystem 20 ausgehende Pfeil die in das
Laserbearbeitungssystem zurückgeführte Kälte dar. Diese Kälte dient dann dazu direkt den Temperaturbereich zwischen Tmin und Tu zu kühlen. Hierdurch wird weniger Kälteleistung von der Kompressionskältemaschine 36 benötigt. Dadurch sinkt deren Energiebedarf. Im Idealfall deckt die
Sorptionskältemaschine sogar den gesamten Kältebedarf und somit kann die Kompressionkältemaschine 36 sogar komplett entfallen. Damit wird die zurückgewonnene Energie aus dem Energierückgewinnungssystem 20 dem Laserbearbeitungssystem zurückgeführt.
Bezugszeichenliste
Laserbearbeitungssystem Steuereinheit Energierückgewinnungssystem Dampfmaschine Dampfturbine Gasturbine Schukey-Maschine Stirling-Motor Kompaktdampfturbine Sorptionsmaschine Kühlsystem Wärmeabgabeseite Kühlrippen Kühlmedium Kältemaschine Luftkühler
Verdichter MembranfilterSystem Druckspeicher Resonator mit Lasermedium Laser Lasermedium Rückführungssystem CO2 Laser Rückspiegel Umlenkspiegel Turboradialgebläse Entladungsrohr Elektroden Ableitungsgehäuse Zuleitungsgehäuse Auskoppelspiegel Strahlteleskop 200 thermische Energie
210 zurückgewonnene Energie
Tmax Maximale Temperatur
Tz Grenztemperatur (des Energierückgewinnungssystems
20)
Tu Umgebungstemperatur
Tmin Minimal benötigte Temperatur

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Rückgewinnung von Energie aus einem Laserbearbeitungssystem (10) umfassend die Schritte: Betreiben des Laserbearbeitungssystems (10) und Erzeugung von thermischer Energie (200) mit einer maximalen Temperatur Tmax; Abnahme von thermischer Energie (200); Rückführen der abgenommenen thermischen Energie (200) an das Laserbearbeitungssystem (10).
2. Verfahren zur Rückgewinnung von Energie aus einem Laserbearbeitungssystem (10) nach Anspruch 1 mit mindestens einem Energierückgewinnungssystem (20), wobei das mindestens eine Energierückgewinnungssystem (20) eine charakteristische Grenztemperatur Tz aufweist, umfassend die Schritte: Betreiben des Laserbearbeitungssystems (10) und Erzeugung von thermischer Energie (200) mit einer maximalen Temperatur Tmax, wobei die maximale Temperatur Tmax höher als die Grenztemperatur Tz liegt; Abnahme von thermischer Energie (200) oberhalb der Grenztemperatur Tz; Zuführen der abgenommenen thermischen Energie (200) in das mindestens eine Energierückgewinnungssystem (20) zur Erzeugung von zurückgewonnener Energie (210); Rückführung der zurückgewonnenen Energie (210) an das Laserbearbeitungssystem ( 10 ) .
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2 , wobei mehr als ein Energierückgewinnungssystem (20) vorgesehen ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , wobei die thermische Energie (200) in dem Intervall zwischen der Grenztemperatur Tz und der maximalen Temperatur Tmax mehrfach abgenommen wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zurückgewonnene Energie (200) zum Betreiben einer Kältemaschine (36) verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die thermische Energie (200) unterhalb der Grenztemperatur Tz und oberhalb der Umgebungstemperatur Tu durch einen Luftkühler entzogen wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die thermische Energie (200) unterhalb der Umgebungstemperatur Tu und oberhalb der minimal benötigten Temperatur Tmin durch eine Kältemaschine (36) entzogen wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die maximale Temperatur Tmax bis zu 2600C gewählt wird, die Grenztemperatur Tz im Bereich von 6O0C bis 1200C gewählt wird, die Umgebungstemperatur Tu im Bereich von 25°C bis 55°C gewählt wird und die minimal benötigte Temperatur Tmin im Bereich von 2O0C bis 35°C gewählt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Laserbearbeitungssystem (10) ein Kühlsystem (30) umfasst, und die Abnahme der thermischen Energie (200) an der Wärmeabgabeseite (31) des Kühlsystems (30) erfolgt.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das EnergierückgewinnungsSystem (20) eine Sorptionskältemaschine (27), und/oder einen Thermoelektrischen Generator, und/oder eine Dampfmaschine (21) und/oder eine Dampfturbine (22) und/oder eine Gasturbine (23) und/oder eine Schukey- Maschine (24) und/oder einen Stirling-Motor (25) und/oder eine Kompaktdampfturbine (26) umfasst.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zurückgewonnene Energie (210) zumindestens teilweise für einen Luftverdichter (40) bereitgestellt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei eine Filtrationsstufe vorgesehen ist, über die durch den Luftverdichter (40) verdichtete Luft in Luftbestandteile auftrennbar ist.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Filtrationsstufe über ein Membranfiltersystem (50) und/oder ein PSA-
System erfolgt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 13, wobei mindestens einer der Luftbestandteile als Lasergas und/oder Schneidgas verwendet wird.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens einer der verdichteten Luftbestandteile in mindestens einen Druckspeicher (60) geleitet wird.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abnahme der thermischen Energie (200) an mindestens zwei vorbestimmten Temperatur-Niveaus vorgesehen ist.
17. Vorrichtung (1) zur Rückgewinnung von Energie an einem Laserbearbeitungssystem (10), umfassend eine
Energiequelle, eine Abnahmevorrichtung (12) für mindestens eine Energieform und ein Energierückgewinnungssystem (20) dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung des Weiteren ein Rückführungssystem (80) umfasst.
18. Vorrichtung (1) nach Anspruch 17, wobei das Rückführungssystem (80) einen elektrischen Leiter und/oder einen pneumatischen Leiter und/oder einen hydraulischen Leiter und/oder einen Wärmeleiter und/oder einen Lichtleiter umfasst.
19. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 17 oder 18 wobei die Vorrichtung (1) einen Speicher (61) umfasst.
20. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei die Energiequelle bevorzugt ein Resonator (70) und/oder ein aktives Medium und/oder eine Laserkomponente und/oder ein HF-Generator und/oder ein Entstauber und/oder ein Verfahrmotor und/oder ein Werkstück während der Bearbeitung ist.
21. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 17 bis 20, wobei die Abnahmevorrichtung (12) für Energie, ein
Kühlsystem (30) ist.
22. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 17 bis 21, wobei das Energierückgewinnungssystem (20) eine Dampfmaschine (21) und/oder eine Sorptionskältemaschine und/oder ein thermoelektrischer Generator und/oder eine Dampfturbine (22) und/oder eine Gasturbine (23) und/oder eine Schukey-Maschine (24) und/oder einen Stirling-Motor (25) und/oder eine Kompaktdampfturbine (26) umfasst.
23. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 17 bis 22, wobei die Vorrichtung (1) einen Luftverdichter (40) umfasst.
24. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 17 bis 23, wobei die Vorrichtung ( 1 ) des Weiteren ein Membranfiltersystem (50) umfasst.
25. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 17 bis 24, wobei die Vorrichtung ( 1 ) des Weiteren eine Steuer- / Regeleinheit (15) umfasst.
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