WO2011095400A2 - Gaslaser mit radial- und axialgaslager - Google Patents

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WO2011095400A2
WO2011095400A2 PCT/EP2011/050787 EP2011050787W WO2011095400A2 WO 2011095400 A2 WO2011095400 A2 WO 2011095400A2 EP 2011050787 W EP2011050787 W EP 2011050787W WO 2011095400 A2 WO2011095400 A2 WO 2011095400A2
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Andreas Lehr
Patrick Bon
Alexander Kenworthy Molyneaux
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Trumpf Maschinen Ag
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • 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
    • H01S3/03—Constructional details of gas laser discharge tubes
    • H01S3/036—Means for obtaining or maintaining the desired gas pressure within the tube, e.g. by gettering, replenishing; Means for circulating the gas, e.g. for equalising the pressure within the tube
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D17/00—Radial-flow pumps, e.g. centrifugal pumps; Helico-centrifugal pumps
    • F04D17/08—Centrifugal pumps
    • F04D17/16—Centrifugal pumps for displacing without appreciable compression
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/05—Shafts or bearings, or assemblies thereof, specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/051—Axial thrust balancing
    • F04D29/0513—Axial thrust balancing hydrostatic; hydrodynamic thrust bearings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04D29/05—Shafts or bearings, or assemblies thereof, specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/056—Bearings
    • F04D29/057—Bearings hydrostatic; hydrodynamic
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • 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
    • H01S3/14—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
    • H01S3/22—Gases
    • H01S3/223—Gases the active gas being polyatomic, i.e. containing two or more atoms
    • H01S3/2232—Carbon dioxide (CO2) or monoxide [CO]

Definitions

  • the invention relates to a gas laser with a fan for circulating laser gas, wherein the fan has a shaft which has at least one
  • Radial bearing and at least one axial gas bearing is mounted, which is formed by at least one stationary bearing surface and at least one rotating bearing surface, and a method for operating such a gas laser.
  • Gas lasers comprise a fan for circulating the laser gas, the fan having a shaft which is mounted via at least one radial bearing and at least one thrust bearing.
  • the bearings can be designed as electromagnetic bearings. These have a large bearing play on, and it must be a
  • Sensor system, actuators and an electronic control system for detecting and regulating the position of the shaft in the axial or radial direction may be provided because the bearings do not specify a stable position of the shaft in the axial and radial directions.
  • Known methods must include appropriate logic loops for actively controlling the position of the shaft.
  • the bearings can also be designed as gas bearings.
  • gas bearings Such storage is known from DE 36 00 125 A1.
  • the subject of this document is a blower for circulating large quantities of gas, in particular for high-power lasers.
  • the blower in this case has a shaft which is mounted above, two radial gas bearings and a Axialgaslager.
  • the radial gas bearings are designed as herringbone air bearings, which are supplied by a spiral formed by spiral grooves on the underside of a radial conveyor pump with air. These spiral grooves at the upper end of the shaft also serve as Axialgaslager for the shaft.
  • the radial conveyor conveys gas. This results in the problem that acting on the radial conveyor upward suction forces, and the force of the Axialgaslagers act.
  • This problem is solved with the help of an additional axial magnetic bearing at the lower end of the shaft.
  • the weight force predominates, which is a problem especially when the fan starts or stops.
  • This problem is solved by a compressed air pump, which adjusts an overpressure at low speeds, or an electromagnet.
  • the object of the invention to develop a gas laser of the type mentioned in that the at least one thrust bearing can be configured as a pure gas storage.
  • This object is achieved in that the Axialgaslager two rotating
  • Storage surfaces are structured with a groove pattern.
  • the invention has the advantage that an axial migration of the shaft is prevented by means of a simple and compact, pure gas bearing. If the shaft moves in the axial direction, a correspondingly high back pressure is generated on the side of the disk of the axial-gas bearing facing in the same direction, so that the shaft moves back into its starting position. When the shaft begins to rotate, gas is supplied through the grooves, forming a gas cushion which absorbs the shaft in the axial direction. Increases the speed, so the pressure of the gas cushion increases, so that regardless of the speed of the shaft is always optimally stored.
  • the bearing thus stabilizes itself, and it is on a bearing electronics, sensors and actuators and the associated
  • the groove pattern is formed as Spiralnutenmuster.
  • gas is carried by the spiral grooves, e.g. in one
  • a gas cushion can form, which carries the shaft, or prevents their emigration.
  • the groove pattern of the rotating disk is formed as a herringbone groove pattern.
  • the gas cushion forms above or below the unstructured region or the circle, which is formed by the intersections of the grooves running at an acute angle to one another. In this area, the pressure is maximum.
  • Such a configuration of the groove pattern improves the bearing properties of the bearing, in particular also with regard to operation
  • Compressibility of the gas in the range of 200-600.
  • the groove depth increases towards a transition region which is located between the radially offset grooves.
  • pressure can already be built up at low speeds in regions of shallow groove depth, as a result of which the shaft lifts off earlier and the start or stop properties of the blower are optimized.
  • a higher pressure is built up under otherwise identical conditions.
  • the radial bearing is designed as a radial gas bearing, wherein the lateral surface of the shaft arranged an axially offset
  • Herringbone groove pattern has, which between the axially staggered groove areas z. B. may have an unstructured surface. Gas is transported through the two groove areas at the same time to this area, so that here forms a region of maximum pressure. These grooves preferably have a gradient with respect to the groove depth, wherein the groove depth decreases towards the region of maximum pressure. Since a higher pressure can form in the regions with shallower grooves, the bearing properties and in particular the start or stop properties of the radial gas bearing are sustainably improved.
  • the groove depth can decrease continuously or in stages.
  • the grooves are very precise and flat, their depth is preferably between about 25 and about 10 microns, which improves the bearing properties. They are preferably introduced into hard metals or ceramics by surface evaporation by means of an ultrashort pulse laser. This method has the advantage that The material in the grooves is removed so that no particles can be released from the material during operation.
  • the stationary or the rotating bearing surface of the Axialgaslagers be formed convex, wherein the convexity is preferably about 1 micrometer.
  • bearing surfaces of the radial and or or thrust bearing in the circumferential direction of one or more annular elements which leads to an improved alignment or stability of the rotor.
  • this annular element consists of an elastic material, or it is an O-ring.
  • the invention also relates to a method for operating a gas laser constructed as above, wherein according to the invention one or more of the gas bearings are operated both as passive gas bearings and as active gas bearings.
  • the bearing stabilizes itself as a function of the rotational speed.
  • the bearing properties can be specifically influenced.
  • at least one of the bearings can be subjected to external pressure and thus operated as an active gas bearing.
  • the pressure applied to the bearing or bearings operated as an active gas bearing is taken from the pressure side of the blower. This has the advantage that no external compressed gas source
  • the loading of the bearing (s) with external pressure preferably takes place through holes whose diameter is preferably approximately 50 micrometers. This makes it possible to precisely define and control the pressure and the volume flow with which the bearing or bearings are acted upon, so that in principle it is possible to dispense with a bearing electronics, sensors and actuators. It is thus possible to influence the dynamic properties of the bearings in all operating points.
  • the shaft can be levitated, for example, at standstill or at low speeds.
  • the radial gas bearings are used as a seal against the ambient pressure.
  • Fig. 1 is a C0 2 gas laser with a folded laser resonator after
  • FIG. 2 shows a radial fan of the C0 2 gas laser according to the invention
  • Fig. 4 is a rotating disc of a Axialgaslagers shown in Fig. 2 in the
  • FIGS. 5a, 5b two different configurations of grooves in the in Fig. 4th
  • FIG. 6 Axialstatoren a Axialgaslagers shown in Fig. 2.
  • the C0 2 gas laser 1 shown in Fig. 1 has a square folded
  • a running in the direction of the axes of the laser discharge tubes 3 laser beam 6 is shown in phantom.
  • Deflection mirror 7 in the corner housings 4 are used to deflect the laser beam 6 by 90 °.
  • a rearview mirror 8 and a Auskoppelapt 9 partially transmissive for the laser wavelength are arranged.
  • Rearview mirror 8 is designed to be highly reflective for the laser wavelength and reflects the laser beam 6 by 180 °, so that the laser discharge tubes 3 are again traversed in the opposite direction.
  • a part of the laser beam 6 is decoupled from the laser resonator 2 at the partially transmissive Auskoppelapt 9, the other reflected part remains in the laser resonator 2 and passes through the laser discharge tubes 3 again.
  • the decoupled from the laser resonator 2 via the Auskoppelspiegel 9 laser beam is denoted by 10.
  • a radial fan 11 which is connected via supply lines 12 for laser gas with the corner housings 4, 5 in combination.
  • Suction lines 13 extend between suction boxes 14 and the radial fan 1 1.
  • the flow direction of the laser gas inside the laser discharge tubes 3 and in the supply and suction lines 12, 13 is illustrated by arrows.
  • the excitation of the laser gas via electrodes 15, which are arranged adjacent to the laser discharge tubes 3.
  • the laser gas from the impeller 16 is radially accelerated in the supply lines 2 to the corner housings 4, 5 directed.
  • the impeller 16 is seated on a shaft 17 which is driven in its central region by a motor formed by the rotor 18 and stator 19.
  • the area which is arranged outside of the impeller 16 as viewed from the shaft 17 forms the pressure side of the fan 1.
  • a radial bearing 21 and 22 is arranged in each case.
  • the stationary bearing surface is referred to below as radial stator 23 and 24.
  • the shaft 17 is provided at its lower end with a disc 25 which has a larger diameter than the shaft 17 itself and the bearing surfaces 48, 49 form the rotating part of a Axialgaslagers 45 of the shaft 17.
  • the disc 25 is at its top and on its underside of stationary bearing surfaces, which are hereinafter referred to as axial stators 26 and 27, which are interconnected so that the space in which the disc 25 is located to the bearing housing 28th is completed.
  • the radial or axial stators 23, 24, 26, 27 each have one or more very small holes 29, 30, 31, 32, through which they each have one of the channels 33, 34, 35, 36 with a not shown in detail Compressed gas source can be connected.
  • the diameter of the holes 29, 30, 31, 32 is preferably less than 50 micrometers.
  • Fig. 3a one of the two radial gas bearings 21 shown in Fig. 2 is shown in detail.
  • the shaft 17 is provided with two axially offset portions 37, 38 oblique grooves, wherein the individual grooves 44 of the two groove portions 37, 38 each to each other so that a herringbone pattern is formed when looking at the two groove portions 37, 38 together.
  • a non-grooved, flat intermediate portion 39 is preferably arranged. In an embodiment not shown, this intermediate region is missing, and the grooves of the two groove regions 37, 38 meet at the same axial height at an acute angle to one another.
  • the radial stator 23 or 24 is separated by a narrow gap from the rotating surface 46, 47 formed by the shaft. If the shaft 17 now begins to rotate, gas is conveyed through the groove regions 37 and 38 to the intermediate plane 39. This creates an area (gas cushion) maximum pressure between the two Nut Schemee 37 and 38, ie on the flat intermediate portion 39, whereby the shaft 17 is radially mounted.
  • the pressure ratios of the radial gas bearing along the shaft are thus subdivided into a respective pressure buildup zone in the region of the grooves 37 and 38 and a region of constant, maximum pressure in the intermediate region 39.
  • radial stators 23 and 24 In the radial stators 23 and 24, one or more are very high in the region of the maximum pressure small holes 29, 30 introduced, through which the bearing can be acted upon via the channels 33, 34 with external pressure.
  • the axial stators 26, 27 comprise one or more annular elements.
  • FIG. 4 shows the rotating disk 25 of the axial-gas bearing 45, which is structured identically on both sides, ie on its two rotating bearing surfaces 48, 49.
  • Each side has helical grooves 40 which are arranged in two radially offset regions 41, 42. Looking at these two areas together, the result is a herringbone pattern of opposing spiral grooves. Between these two groove portions 41, 42 is a flat, not grooved, flat intermediate portion 43. In an embodiment not shown, this portion is missing, and the grooves meet along a circle at an acute angle to each other.
  • Axialgaslagers in the radial direction are divided into in each case a pressure build-up zone in the groove areas 41, 42 and an intermediate region 43 maximum pressure.
  • the axial stators 26, 27 in the intermediate region 43 one or more holes 31, 32 are introduced through which the camp in addition to external Pressure applied can be,
  • the disc 25 is provided on both sides with a spiral pattern inwardly directed grooves, to which the
  • Disk center point connects an annular unstructured area.
  • FIGS. 5a, 5b show two different configurations of the grooves 40, which are provided in the longitudinal direction with a gradient with respect to their depth.
  • the groove depth may have one or more stages (FIG. 5 a) or run without transition from the level of the shaft or disk up to its nominal depth (FIG. 5 b).
  • FIGS. 5a, 5b show two different configurations of the grooves 40, which are provided in the longitudinal direction with a gradient with respect to their depth.
  • the groove depth may have one or more stages (FIG. 5 a) or run without transition from the level of the shaft or disk up to its nominal depth (FIG. 5 b).
  • Axialgaslagers improved, since in the areas of shallow groove depth even at low speeds pressure is built up.
  • At least one of the two axial stators 26, 27 may be slightly convex. Thereby, the contact surface of the axial stators 26, 27 are reduced with the rotating disk 25 and thus the starting resistance. Due to the narrow gap, gas is pumped through the grooves even at low speeds, so that pressure builds up earlier and the speed at which the shaft lifts off is reduced. The same effect can be achieved by the disc 25 is slightly convex worked on one or both sides.
  • the radial and Axialstatoren 23, 24, 26, 27 are provided in the region of maximum pressure with one or more very small holes 29, 30, 3, 32, through which a precisely defined volume flow can be introduced at a well-defined pressure, so that the shaft 17 also at a standstill or at very low
  • the radial fan 1 1 is thus bi-directionally gas-stored in 5 axes, wherein in its particularly preferred embodiment, the pressure level of the bearing as
  • self-stabilizing storage which does not require active control. Due to the interaction of the advantageous features of the gas laser, it follows that such storage can be used both in passive and in active operation, preferably at low pressures (> 50 hPa) and very thin gases (standard density 0.55 kg / m 3 ).
  • the compressibility number of the gas in these conditions is in the range of 200 to 600.

Abstract

Bei einem Gaslaser (1) mit einem Gebläse (11) zum Umwälzen von Lasergas, wobei das Gebläse (11) eine Welle (17) aufweist, die über mindestens ein Radiallager (21, 22) sowie mindestens ein Axialgaslager (45) gelagert ist, welches durch mindestens eine stationäre Lagerfläche und mindestens eine rotierende Lagerfläche gebildet ist, weist erfindungsgemäß das Axialgaslager (45) zwei rotierende Lagerflächen (48, 49) und zwei stationäre Lagerflächen (26, 27) auf, die auf den beiden Seiten einer Scheibe (25) angeordnet sind, wobei die eine oder beide rotierende Lagerflächen (48, 49) mit einem Nutenmuster (41, 42) strukturiert sind.

Description

Gaslaser mit Radial- und Axialgaslager
Die Erfindung betrifft einen Gaslaser mit einem Gebläse zum Umwälzen von Lasergas, wobei das Gebläse eine Welle aufweist, die über mindestens ein
Radiallager sowie mindestens ein Axialgaslager gelagert ist, welches durch mindestens eine stationäre Lagerfläche und mindestens eine rotierende Lagerfläche gebildet ist, sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Gaslasers.
Ein derartiger Gaslaser und Verfahren zu dessen Betrieb sind beispielsweise durch die DE 36 00 125 A1 bekanntgeworden. Gaslaser und Verfahren zu deren Betrieb sind allgemein bekannt. Bekannte
Gaslaser umfassen ein Gebläse zum Umwälzen des Lasergases, wobei das Gebläse eine Welle aufweist, die über mindestens ein Radiallager und mindestens ein Axiallager gelagert ist. Die Lager können dabei als elektromagnetische Lager ausgebildet sein. Diese weisen ein großes Lagerspiel auf, und es muss eine
Sensorik, Aktorik und eine Regelelektronik zur Erfassung und Regelung der Position der Welle in axialer beziehungsweise radialer Richtung vorgesehen sein, weil die Lager von sich aus keine stabile Lage der Welle in axialer und radialer Richtung vorgeben. Bekannte Verfahren müssen entsprechende Logikschleifen zur aktiven Regelung der Lage der Welle umfassen.
Die Lager können auch als Gaslager ausgebildet sein. Eine solche Lagerung ist aus der DE 36 00 125 A1 bekannt. Gegenstand dieser Schrift ist ein Gebläse zum Umwälzen großer Gasmengen, insbesondere für Hochleistungs-Laser. Das Gebläse weist dabei eine Welle auf, die über, zwei Radialgaslager und ein Axialgaslager gelagert ist. Die Radialgaslager sind als Fischgrät-Luftlager ausgebildet, die von einer durch Spiralnuten an der Unterseite eines Radialförderers gebildeten Pumpe mit Luft versorgt werden. Diese Spiralnuten am oberen Ende der Welle dienen auch als Axialgaslager für die Welle. Durch den Radialförderer wird Gas gefördert. Dabei ergibt sich das Problem, dass auf den Radialförderer nach oben hin gerichtete Saugkräfte, sowie die Kraft des Axialgaslagers einwirken. Dem wirkt die nach unten gerichtete Gewichtskraft entgegen, wobei bei immer höheren Drehzahlen die beiden nach oben gerichteten Kräfte mehr und mehr überwiegen. Dieses Problem wird mit Hilfe eines zusätzlichen Axialmagnetlagers am unteren Wellenende gelöst. Bei niedrigen Drehzahlen überwiegt dagegen die Gewichtskraft, was besonders beim An- oder Auslaufen des Gebläses ein Problem darstellt. Dieses Problem wird durch eine Druckluftpumpe, die bei kleinen Drehzahlen einen Überdruck einstellt, oder einen Elektromagneten gelöst.
Demgegenüber ist die Aufgabe der Erfindung, einen Gaslaser der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass das mindestens eine Axiallager als reines Gaslager ausgestaltet werden kann. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Axialgaslager zwei rotierende
Lagerflächen und zwei stationäre Lagerflächen aufweist, die auf den beiden Seiten einer Scheibe angeordnet sind, und dass die eine oder beide rotierenden
Lagerflächen mit einem Nutenmuster strukturiert sind.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass ein axiales Auswandern der Welle mit Hilfe eines einfach und kompakt aufgebauten, reinen Gaslagers verhindert wird. Bewegt sich die Welle in axialer Richtung, so wird auf der jeweils in dieselbe Richtung weisenden Seite der Scheibe des Axialgaslagers ein entsprechend hoher Gegendruck erzeugt, so dass sich die Welle in ihre Ausgangslage zurückbewegt. Beginnt sich die Welle zu drehen, so wird durch die Nuten Gas befördert, wodurch sich ein Gaskissen ausbildet, das die Welle in axialer Richtung abfedert. Erhöht sich die Drehzahl, so erhöht sich der Druck des Gaskissens, so dass unabhängig von der Drehzahl die Welle immer optimal gelagert ist. Das Lager stabilisiert sich somit selbst, und es wird auf eine Lagerelektronik, Sensorik und Aktorik und die damit verbundenen
Komponenten, wie Sensor- bzw. Aktorkabel verzichtet. Ein weiterer Vorteil eines solchen Lagers ergibt sich daraus, dass das Lagerspiel sehr klein gehalten werden kann, was einer der Gründe dafür ist, dass Gas mit einer Kompressibilitätszahl im Bereich von 200-600 als Lagermedium verwendet werden kann. Das sehr geringe Lagerspiel ermöglicht es, auf Notlauflager zu verzichten und einen hohen
Wirkungsgrad zu erzielen. Des Weiteren zeichnet sich ein solches Lager durch Wartungsfreiheit, Verschleißfreiheit und Temperaturunempfindlichkeit aus.
Bevorzugt ist das Nutenmuster als Spiralnutenmuster ausgebildet. Beim Anlaufen der Welle wird durch die Spiralnuten Gas befördert, das z.B. in einem
unstrukturierten Bereich, der sich an den mit Spiralnuten versehenen Bereich in radialer Richtung anschließt, ein Gaskissen ausbilden kann, das die Welle trägt, bzw. ihr Auswandern verhindert. In einer anderen besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Nutenmuster der rotierenden Scheibe als Fischgrät-Nutenmuster ausgebildet. In diesem Fall wird Gas sowohl von der Außen- als auch von der Innenseite der Scheibe her gleichzeitig durch die Nuten z. B. zu einem unstrukturierten Bereich hin befördert, der sich zwischen den radial versetzt angeordneten Nutenbereichen befindet. Außen bzw. innen bezieht sich dabei auf die radiale Richtung der Scheibe. Dieser Bereich kann in einer anderen bevorzugten Ausführungsform fehlen, wobei in diesem Fall die Nuten Gas zu einem Kreis hin fördern, der durch die Schnittpunkte der spitzwinklig aufeinander zu laufender Nuten gebildet wird. In diesen beiden bevorzugten
Ausführungsformen bildet sich das Gaskissen über bzw. unter dem unstrukturierten Bereich bzw. dem Kreis, der durch die Schnittpunkte der spitzwinklig aufeinander zu laufender Nuten gebildet wird, aus. In diesem Bereich ist der Druck maximal. Durch eine solche Ausgestaltung des Nutenmusters werden die Lagereigenschaften des Lagers verbessert, insbesondere auch im Hinblick auf den Betrieb bei
Kompressibilitätszahlen des Gases im Bereich von 200-600.
Vorzugsweise nimmt die Nuttiefe zu einem Übergangsbereich hin, der sich zwischen den radial versetzt zueinander angeordneten Nuten befindet, ab. Auf diese Weise kann schon bei geringen Drehzahlen in Regionen flacher Nuttiefe Druck aufgebaut werden, wodurch die Welle früher abhebt und die Start- bzw. Stoppeigenschaften des Gebläses optimiert werden. Bei konstanter Drehzahl wird bei ansonsten gleichen Bedingungen ein höherer Druck aufgebaut.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist auch das Radiallager als Radialgaslager ausgebildet, wobei die Mantelfläche der Welle ein axial versetzt angeordnetes
Fischgrät-Nutenmuster aufweist, welches zwischen den axial versetzt angeordneten Nutenbereichen z. B. eine unstrukturierte Fläche aufweisen kann. Gas wird durch die beiden Nutbereiche gleichzeitig zu diesem Bereich hin befördert, so dass sich hier eine Region maximalen Drucks ausbildet. Diese Nuten weisen bevorzugt einen Gradienten im Hinblick auf die Nuttiefe auf, wobei die Nuttiefe zu dem Bereich maximalen Drucks hin abnimmt. Da sich in den Bereichen mit flacheren Nuten ein höherer Druck ausbilden kann, werden die Lagereigenschaften und insbesondere die Start- bzw. Stoppeigenschaften des Radialgaslagers nachhaltig verbessert. Die Nuttiefe kann dabei stufenlos oder in Stufen abnehmen. Die Nuten sind sehr präzise und flach gearbeitet, ihre Tiefe beträgt bevorzugt zwischen ca. 25 und ca. 10 Mikrometern, wodurch sich die Lagereigenschaften verbessern. Sie werden vorzugsweise in Hartmetallen oder Keramiken durch Oberflächenverdampfung mittels eines Ultrakurzpulslasers eingebracht. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass das Material in den Nuten so abgetragen wird, dass sich im Betrieb keine Partikel aus dem Werkstoff lösen können.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die stationäre oder die rotierende Lagerfläche des Axialgaslagers konvex ausgebildet sein, wobei die Konvexität vorzugsweise ca. 1 Mikrometer beträgt. Dies führt dazu, dass sich in den Bereichen, in denen die stationäre oder die rotierende Lagerfläche sehr flach ist, ein höherer Druck ausbilden kann, wodurch die Welle schon bei geringen Drehzahlen abhebt und die Start- bzw. Stoppeigenschaften verbessert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann mindestens eine der stationären
Lagerflächen des Radial- und bzw. oder Axiallagers in Umfangsrichtung von einem oder mehreren ringförmigen Elementen umfasst sein, was zu einer verbesserten Ausrichtung bzw. Stabilität des Rotors führt. Besonders bevorzugt ist dabei eine Ausführungsform, in der dieses ringförmige Element aus einem elastischen Material besteht, bzw. es sich dabei um einen O-Ring handelt.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb eines wie oben ausgebildeten Gaslasers, wobei erfindungsgemäß eines oder mehrere der Gaslager sowohl als passive Gaslager als auch als aktive Gaslager betrieben werden.
Somit können je nach Bedarf die Vorteile einer passiven als auch einer aktiven Lagerung genutzt werden. Im Betrieb als passives Gaslager stabilisiert sich das Lager als Funktion der Drehzahl selbst. Im Betrieb als aktives Gaslager können die Lagereigenschaften gezielt beeinflusst werden. in einer bevorzugten Ausführungsform kann mindestens eines der Lager mit externem Druck beaufschlagt und so als aktives Gaslager betrieben werden.
Hierdurch wird in dem mit Druck beaufschlagten Lager gezielt ein genau definierter Druck eingestellt, der sich von den Druckniveaus aller anderen Gaslager
unterscheidet. Mit der gezielten Druckbeaufschlagung einzelner Lager können gezielt Lagereigenschaften, wie z. B. Steifigkeit oder Dämpfung, in jedem Betriebszustand beeinflusst werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Druck, mit dem das oder die als aktive Gaslager betriebenen Lager, beaufschlagt wird, der Druckseite des Gebläses entnommen. Das weist den Vorteil auf, dass keine externe Druckgasquelle
notwendig ist.
Vorzugsweise erfolgt die Beaufschlagung des oder der Lager mit externem Druck durch Löcher, deren Durchmesser bevorzugt ca. 50 Mikrometer beträgt. Hierdurch ist es möglich, den Druck und den Volumenstrom, mit dem das oder die Lager beaufschlagt werden, genau zu definieren und zu steuern, so dass prinzipiell auf eine Lagerelektronik, Sensorik und Aktorik verzichtet werden kann. Es ist so möglich, die dynamischen Eigenschaften der Lager in allen Betriebspunkten zu beeinflussen. So kann die Welle beispielsweise bei Stillstand oder bei geringen Drehzahlen zum Schweben gebracht werden. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Radialgaslager als Dichtung gegen den Umgebungsdruck verwendet. Durch die Ausgestaltung der rotierenden Lagerfläche mit einem Fischgrät-Nutmuster erfolgt kein Nettomassen ström durch das Lager und man erhält so eine berührungslose, dynamische Dichtung, die gegen Druckdifferenzen in Höhe des Drucks, der durch die Nuten aufgebaut wird, dichtet. Es kann so auf andere Dichtmittel, wie beispielsweise einen O-Ring, verzichtet werden. Die so beschriebene Dichtung kann prinzipiell auch unabhängig von der sonstigen Lagerung verwendet werden.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den
Zeichnungen.
Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten
Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen: Fig. 1 einen C02-Gaslaser mit einem gefalteten Laserresonator nach dem
Stand der Technik;
Fig. 2 ein Radialgebläse des erfindungsgemäßen C02-Gaslasers;
Fig. 3a, 3b Detailansichten eines in Fig. 2 gezeigten Radialgaslagers;
Fig. 4 eine rotierende Scheibe eines in Fig. 2 gezeigten Axialgaslagers in der
Draufsicht;
Fign. 5a, 5b zwei unterschiedliche Ausgestaltungen von Nuten in der in Fig. 4
gezeigten Scheibe des Axialgaslagers in einer Detailansicht gemäß V in Fig. 4; und
Fig. 6 Axialstatoren eines in Fig. 2 gezeigten Axialgaslagers.
Der in Fig. 1 gezeigte C02-Gaslaser 1 weist einen quadratisch gefalteten
Laserresonator 2 mit vier sich aneinander anschließenden Laserentladungsrohren 3 auf, die über Eckgehäuse 4, 5 miteinander verbunden sind. Ein in Richtung der Achsen der Laserentladungsrohre 3 verlaufender Laserstrahl 6 ist strichpunktiert dargestellt. Umlenkspiegel 7 in den Eckgehäusen 4 dienen der Umlenkung des Laserstrahls 6 um jeweils 90°. Im Eckgehäuse 5 sind ein Rückspiegel 8 und ein für die Laserwellenlänge teiltransmissiver Auskoppelspiegel 9 angeordnet. Der
Rückspiegel 8 ist für die Laserwellenlänge hochreflektierend ausgebildet und reflektiert den Laserstrahl 6 um 180°, so dass die Laserentladungsrohre 3 in entgegen gesetzter Richtung erneut durchlaufen werden. Ein Teil des Laserstrahles 6 wird an dem teiltransmissiven Auskoppelspiegel 9 aus dem Laserresonator 2 ausgekoppelt, der andere reflektierte Teil verbleibt im Laserresonator 2 und durchläuft die Laserentladungsrohre 3 erneut. Der über den Auskoppelspiegel 9 aus dem Laserresonator 2 ausgekoppelte Laserstrahl ist mit 10 bezeichnet. Im Zentrum des gefalteten Laserresonators 2 ist als Druckquelle für Lasergas ein Radialgebläse 11 angeordnet, das über Zufuhrleitungen 12 für Lasergas mit den Eckgehäusen 4, 5 in Verbindung steht. Absaugleitungen 13 verlaufen zwischen Absauggehäusen 14 und dem Radialgebläse 1 1. Die Strömungsrichtung des Lasergases im Innern der Laserentladungsrohre 3 sowie in den Zufuhr- und Absaugleitungen 12, 13 ist durch Pfeile veranschaulicht. Die Anregung des Lasergases erfolgt über Elektroden 15, die benachbart zu den Laserentladungsrohren 3 angeordnet sind. In dem in Fig. 2 gezeigten Radialgebläse 1 1 wird das Lasergas vom Laufrad 16 radial beschleunigt in die Zufuhrleitungen 2 zu den Eckgehäusen 4, 5 gelenkt. Das Laufrad 16 sitzt auf einer Welle 17, welche in ihrem mittleren Bereich von einem Motor, gebildet durch Rotor 18 und Stator 19, angetrieben wird. Der Bereich, der von der Welle 17 her gesehen außerhalb des Laufrades 16 angeordnet ist, bildet die Druckseite des Gebläses 1. Im oberen und im unteren Bereich der Welle 17, wobei sich hier oben bzw. unten auf die entsprechende Lage der einzelnen Komponenten in der Abbildung bezieht, ist jeweils ein Radiallager 21 und 22 angeordnet. Die stationäre Lagerfläche wird im Folgenden als Radialstator 23 und 24 bezeichnet. Die Welle 17 ist an ihrem unteren Ende mit einer Scheibe 25 versehen, welche einen größeren Durchmesser als die Welle 17 selbst aufweist und deren Lagerflächen 48, 49 den rotierenden Teil eines Axialgaslagers 45 der Welle 17 bilden. Die Scheibe 25 wird an ihrer Ober- und an ihrer Unterseite von stationären Lagerflächen, die im Folgenden als Axialstatoren 26 und 27 bezeichnet werden, umfasst, welche so miteinander verbunden sind, dass der Raum, in dem sich die Scheibe 25 befindet, zum Lagergehäuse 28 hin abgeschlossen ist. Die Radial- bzw. Axialstatoren 23, 24, 26, 27 weisen jeweils ein oder mehrere sehr kleine Löcher 29, 30, 31 , 32 auf, durch welche sie über je einen der Kanäle 33, 34, 35, 36 mit einer nicht näher gezeigten Druckgasquelle verbunden werden können. Der Durchmesser der Löcher 29, 30, 31 , 32 ist bevorzugt kleiner als 50 Mikrometer.
In Fig. 3a ist eines der beiden in Fig. 2 gezeigten Radialgaslager 21 im Detail dargestellt. Die Welle 17 ist mit zwei axial versetzt angeordneten Bereichen 37, 38 schräger Nuten versehen, wobei die einzelnen Nuten 44 der beiden Nutenbereiche 37, 38 jeweils so zueinander stehen, dass ein Fischgrätmuster entsteht, wenn man die beiden Nutenbereiche 37, 38 gemeinsam betrachtet. Zwischen den beiden Nutenbereichen 37, 38 schräger Nuten ist bevorzugt ein nicht mit Nuten versehener, ebener Zwischenbereich 39 angeordnet. In einer nicht gezeigten Ausführungsform fehlt dieser Zwischenbereich, und die Nuten der beiden Nutenbereiche 37, 38 treffen auf gleicher axialer Höhe im spitzen Winkel aufeinander. Der Radialstator 23 bzw. 24 ist durch einen schmalen Spalt von der durch die Welle gebildeten rotierenden Fläche 46, 47 getrennt. Beginnt nun die Welle 17 zu rotieren, so wird Gas durch die Nutenbereiche 37 und 38 zum ebenen Zwischenbereich 39 hin befördert. Dabei bildet sich ein Bereich (Gaskissen) maximalen Druckes zwischen den beiden Nutbereichen 37 und 38, also auf dem ebenen Zwischenbereich 39 aus, wodurch die Welle 17 radial gelagert ist. Die Druckverhältnisse des Radialgaslagers entlang der Welle gliedern sich somit in jeweils eine Druckaufbauzone im Bereich der Nuten 37 und 38 und einen Bereich gleich bleibenden, maximalen Drucks im Zwischenbereich 39. In den Radialstatoren 23 bzw. 24 sind im Bereich des maximalen Drucks ein oder mehrere sehr kleine Löcher 29, 30 eingebracht, durch die das Lager über die Kanäle 33, 34 mit externem Druck beaufschlagt werden kann. In einer weiteren, in Fig. 3b gezeigten Ausführungsform wird der Radialstator 23 bzw. 24 auf der Gehäuseseite 28 von je zwei ringförmigen Elementen 50, 51 , wie z. B. zwei O-Ringen, umfasst, die sich jeweils etwas oberhalb bzw. etwas unterhalb der Auslasskanäle 33, 34 befinden und den Radialstator 23 bzw. 24 gegenüber der Gehäuseseite 28 abdichten.
Oberhalb bzw. unterhalb bezieht sich dabei auf die Lage in der entsprechenden Zeichnung. Analog dazu werden in einer nicht gezeigten Ausführungsform die Axialstatoren 26, 27 von einem oder mehreren ringförmigen Elementen umfasst.
Fig. 4 zeigt die rotierende Scheibe 25 des Axialgaslagers 45, die beidseitig, also auf ihren beiden rotierenden Lagerflächen 48, 49, gleich strukturiert ist. Jede Seite weist spiralförmige Nuten 40 auf, welche in zwei radial versetzten Bereichen 41 , 42 angeordnet sind. Betrachtet man diese beiden Bereiche gemeinsam, so ergibt sich ein Fischgrätmuster aus gegenläufigen, spiralförmigen Nuten. Zwischen diesen beiden Nutenbereichen 41 , 42 befindet sich ein ebener, nicht mit Nuten versehener, ebener Zwischenbereich 43. In einer nicht gezeigten Ausführungsform fehlt dieser Bereich, und die Nuten treffen entlang eines Kreises im spitzen Winkel aufeinander. Beginnt die Scheibe 25 zu rotieren, so wird aufgrund der Drehbewegung durch die Nuten 40 gleichzeitig sowohl von außen als auch von innen her zu dem mittleren, ebenen Zwischenbereich 43 hin Gas befördert, wobei mit den Begriffen„innen" bzw. „außen" der Scheibenmittelpunkt bzw. die Außenseite der Scheibe 25 in radialer Richtung gemeint ist. Der Zwischenbereich 43 bildet so den Bereich maximalen Drucks, wodurch die Scheibe 25 und damit die Welle 17 axial gelagert sind. Bei konstanter Drehzahl bleibt dieser Druck gleich. Die Druckverhältnisse des
Axialgaslagers in radialer Richtung gliedern sich in jeweils eine Druckaufbauzone in den Nutenbereichen 41 , 42 und einen Zwischenbereich 43 maximalen Drucks. In die Axialstatoren 26, 27 sind im Zwischenbereich 43 jeweils ein oder mehrere Löcher 31 , 32 eingebracht, durch die das Lager zusätzlich mit externem Druck beaufschlagt werden kann,
In einer nicht näher gezeigten Ausführungsform ist die Scheibe 25 beidseitig mit einem Spiralmuster nach innen gerichteter Nuten versehen, an die sich zum
Scheibenmittelpunkt hin ein ringförmiger unstrukturierter Bereich anschließt.
Fign. 5a, 5b zeigen zwei unterschiedliche Ausgestaltungen der Nuten 40, die in Längsrichtung mit einem Gradienten bezüglich ihrer Tiefe versehen sind. Dabei kann die Nuttiefe eine oder mehrere Stufen aufweisen (Fig. 5a) oder übergangslos vom Niveau der Welle bzw. der Scheibe bis hin zu ihrer Nominaltiefe verlaufen (Fig. 5b). Hierdurch werden die Lagereigenschaften des Axialgaslagers insgesamt verbessert, da die Bereiche flacherer Nuttiefe im Vergleich zu Bereichen mit tieferen Nuten bereits bei vergleichsweise geringen Drehzahlen einen vergleichsweise hohen Druck aufweisen. Des Weiteren werden so die Start-/Stoppeigenschaften des
Axialgaslagers verbessert, da in den Bereichen flacherer Nuttiefe bereits bei geringen Drehzahlen Druck aufgebaut wird.
Wie in Fig. 6 gezeigt, kann mindestens einer der beiden Axialstatoren 26, 27 leicht konvex ausgebildet sein. Dadurch werden die Berührungsfläche der Axialstatoren 26, 27 mit der rotierenden Scheibe 25 und damit der Anlaufwiderstand verringert. Durch den schmalen Spalt wird bereits bei geringen Drehzahlen Gas durch die Nuten gefördert, so dass früher ein Druckaufbau stattfindet und sich die Drehzahl, bei der die Welle abhebt, reduziert. Der gleiche Effekt lässt sich erzielen, indem die Scheibe 25 auf einer oder beiden Seiten leicht konvex gearbeitet ist.
Die Radial- und Axialstatoren 23, 24, 26, 27 sind im Bereich maximalen Drucks mit einem oder mehreren sehr kleinen Löchern 29, 30, 3 , 32 versehen, durch die ein genau definierter Volumenstrom bei einem genau definierten Druck eingebracht werden kann, so dass die Welle 17 auch im Stillstand oder bei sehr geringen
Drehzahlen zum Schweben gebracht wird.
Das Radialgebläse 1 1 ist somit in 5 Achsen bidirektional gasgelagert, wobei in seiner besonders bevorzugten Ausführungsform sich das Druckniveau der Lager als
Funktion der Drehzahl selbst einstellt, das heißt, es kann als rein passives Gaslager betrieben werden. In diesem Betriebszustand hebt auch die Welle allein in
Abhängigkeit von ihrer Drehzahl ab. Es handelt sich somit um eine
selbststabilisierende Lagerung, die ohne aktive Regelung auskommt. Durch das Zusammenwirken der vorteilhaften Merkmale des Gaslasers ergibt sich, dass eine solche Lagerung sowohl im passiven als auch im aktiven Betrieb vorzugsweise bei niedrigen Drücken (>50 hPa) und sehr dünnen Gasen (Normdichte 0.55 kg/m3) eingesetzt werden kann. Die Kompressibilitätszahl des Gases liegt bei diesen Bedingungen im Bereich von 200 bis 600.

Claims

Patentansprüche
Gaslaser (1 ) mit einem Gebläse (1 1 ) zum Umwälzen von Lasergas, wobei das Gebläse (1 1 ) eine Welle (17) aufweist, die über mindestens ein Radiallager (21 , 22) sowie mindestens ein Axialgaslager (45) gelagert ist, welches durch mindestens eine stationäre Lagerfläche und mindestens eine rotierende Lagerfläche gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Axialgaslager (45) zwei rotierende Lagerflächen (48, 49) und zwei stationäre Lagerflächen (26, 27) aufweist, die auf den beiden Seiten einer Scheibe (25) angeordnet sind, und dass die eine oder beide rotierenden Lagerflächen (48, 49) mit einem Nutenmuster (41 , 42) strukturiert sind.
Gaslaser nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Nutenmuster (41 , 42) ein Spiral-Nutenmuster ist.
Gaslaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das
Nutenmuster (41 , 42) ein radial versetzt angeordnetes Fischgrät-Nutenmuster ist.
Gaslaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Nutenmuster (41 , 42) einen radial mittleren, nicht mit Nuten versehenen Zwischenbereich (43) aufweist.
Gaslaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Nuttiefe, insbesondere zur Welle (17) hin, abnimmt.
Gaslaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Nuttiefe entlang der Nut (40) abnimmt,
insbesondere jeweils zu einem nicht mit Nuten versehenen Bereich (43) hin, der sich zwischen radial zwischen den beiden Nutenmustern des Fischgrät- Nutenmusters (41 , 42) befindet.
7. Gaslaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das mindestens eine Radiallager (21 , 22) als ein
Radialgaslager ausgebildet ist, welches über mindestens eine stationäre und mindestens eine rotierende Lagerfläche (23, 24, 46, 47) verfügt und dessen rotierende Lagerfläche (46, 47) mit einem axial versetzt angeordneten
Fischgrät-Nutenmuster (37, 38) versehen ist, wobei die Nuttiefe entlang der Nut abnimmt, insbesondere zu einem nicht mit Nuten versehenen
Zwischenbereich (39) hin, der sich zwischen den beiden Nutenmustern des Fischgrät-Nutenmusters (37, 38) befindet.
8. Gaslaser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuttiefe im
axial versetzt angeordneten Fischgrät-Nutenmuster (37, 38) jeweils stufenlos abnimmt.
9. Gaslaser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuttiefe im
axial versetzt angeordneten Fischgrät-Nutenmuster (37, 38) jeweils
stufenweise abnimmt.
10. Gaslaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Nuttiefe weniger als ca. 50 Ivlikrometer, jedoch mehr als ca. 5 Mikrometer, besonders bevorzugt weniger als 25 Mikrometer und mehr als 10 Mikrometer, beträgt. 1 . Gaslaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Nuten (40, 44) mittels eines Ultrakurzpulslasers eingebracht sind.
12. Gaslaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass mindestens eine der Lagerflächen (26, 27, 48, 49) des Axialgaslagers (45) konvex ausgebildet ist.
13. Gaslaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass mindestens eine der stationären Lagerflächen (23, 24) des mindestens einen Radial- und bzw. oder Axiallagers (2 , 22, 48, 49) in Umfangsrichtung von mindestens einem ringförmigen Element (50, 51 ) umfasst wird.
14. Gaslaser nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass dieses
ringförmige Element (50, 51 ) aus einem elastischen Material besteht.
15. Verfahren zum Betrieb eines Gaslasers (1 ) mit einem Gebläse (1 1 ) zum
Umwälzen von Lasergas, wobei das Gebläse (1 1 ) eine Welle (17) aufweist, die über mindestens ein Radiallager (21 , 22) und mindestens ein
Axialgaslager (45) gelagert ist, welches durch mindestens zwei stationäre Lagerflächen (26, 27) und mindestens zwei rotierende Lagerflächen (48, 49) gebildet ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass das mindestens eine Axialgaslager (45) sowohl als passives Gaslager als auch als aktives Gaslager betrieben wird.
16. Verfahren zum Betrieb eines Gaslasers (1 ) mit einem Gebläse (1 1 ) zum
Umwälzen von Lasergas, wobei das Gebläse (1 1 ) eine Welle (17) aufweist, die über mindestens ein Radiallager (21 , 22) sowie mindestens ein
Axialgaslager (45) gelagert ist, welches durch mindestens zwei stationäre Lagerflächen (26, 27) und mindestens zwei rotierende Lagerflächen (48, 49) gebildet ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass das mindestens eine Radiallager (21 , 22) als Radialgaslager ausgebildet ist und sowohl als passives Gaslager als auch als aktives Gaslager betrieben wird.
17. Verfahren nach Anspruch 15 und 16, dadurch gekennzeichnet, dass das
Druckniveau eines der als aktive Gaslager betriebenen Gaslager unabhängig vom Druckniveau aller anderen Lager eingestellt wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckseite des Gebläses (1 1 ) als Druckgasquelle verwendet wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckniveau des mindestens einen Gaslagers, das als aktives Gaslager betrieben wird, durch Löcher (29, 30, 31 , 32), deren Durchmesser kleiner als ca. 100 Mikrometer, bevorzugt ca. 50 Mikrometer ist, in den stationären Lagerflächen (23, 24, 26, 27) aufgebaut wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Radiallager (21 , 22) als Radialgaslager ausgebildet ist, welches über mindestens eine stationäre Lagerfläche (23, 24) und mindestens eine rotierende Lagerfläche (46, 47) verfügt, die mit einem axial versetzt angeordneten Fischgrät-Nutenmuster (37, 38) versehen ist, welches als Dichtmittel verwendet wird.
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