DE102005020109C5

DE102005020109C5 - Aktiv gekühlter Steckverbinder für Lichtleitkabel

Info

Publication number: DE102005020109C5
Application number: DE102005020109A
Authority: DE
Inventors: Dieter W. Frank
Original assignee: Frank Optic Products Optische Technologien GmbH
Current assignee: Frank Optic Products - Fiber Optics And S De GmbH
Priority date: 2005-04-25
Filing date: 2005-04-25
Publication date: 2011-02-17
Anticipated expiration: 2025-04-26
Also published as: DE102005020109B4; DE102005020109A1

Abstract

Steckverbinder mit aktiver Kühlung, welcher mit einem komplementären Steckverbinder verbindbar ist und an einem Mantel (10) eines Lichtleitkabels (1) mit einer Lichtleitfaser (2) montiert ist, mit
– einem die Lichtleitfaser (2) fixierenden Faserhalter (4),
– einer Ferule (5) und
– einer metallischen Schlauchklemme (6),
wobei ein dem komplementären Steckverbinder zugewandtes und eine Lichteintrittsfläche (17) ausbildendes Ende der Lichtleitfaser (2) aus dem Faserhalter (4) herausragt und
wobei die Ferule, welche den Faserhalter (4) und das ihn durchragende Ende der Lichtleitfaser (2), mit seiner die Lichteinkopplungsfläche (17) bildenden Stirnfläche aufnimmt, mittels einer Überwurfmutter (11) mit dem komplementären Steckverbinder der Lichtquelle verbindbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
– die Schlauchklemme (6) auf der der Lichteintrittsfläche (17) abgewandten Seite auf den Mantel (10) und auf die Ferule (5) aufgeklemmt ist und
– durch die Schlauchklemme (6) mindestens ein Kühlkanal (8) für eine Kühlflüssigkeit, als Teil eines...

Description

Die Erfindung betrifft eine Lösung für die Kühlung von an Lichtquellen, vorzugsweise an Laserlichtquellen angekoppelten Lichtleitkabeln. Sie bezieht sich insbesondere auf einen aktiv gekühlten Steckverbinder als Koppelstelle zwischen einer Lichtleitfaser und einer Laserlichtquelle höherer Leistung, das heißt, einer Leistung von 300 W und darüber. Selbstverständlich können gemäß der vorgeschlagenen Lösung gekühlte Steckverbinder aber auch zur Ankopplung von Lichtleitfasern an Laserlichtquellen mit geringerer Leistung verwendet werden, wobei dann jedoch möglicherweise auch einfachere Kühllösungen in Betracht kommen.
Bei der Übertragung von Laserstrahlen über Lichtleitkabel treten insbesondere bei höheren Laserleistungen starke Übertragungsverluste auf, welche zum überwiegenden Teil als Wärmeverluste in Erscheinung treten und sich dabei vor allem in einer starken Erwärmung bis hin zur Überhitzung der zur Ankopplung der Lichtleitfaser an die Laserlichtquellen verwendeten Steckverbinder manifestieren. Bereits Leistungen von 300 W führen dabei in den Steckverbindern zu einer derartig großen Erhitzung, dass sich die am Steckverbinder, im Allgemeinen mittels Klemmtechnik montierte Faser in der axialen Faserrichtung bewegt. Hierdurch ändert sich der für die jeweilige Ankoppelstelle definiert eingestellte Fokus des Lasers, was zu zusätzlichen Übertragungsverlusten führt. Im ungünstigen Fall kann diese Veränderung der Ankopplungsbedingungen sogar zu einer Zerstörung der Lichtleitfaser führen. Zudem führt die zumeist angewandte Klemmverbindung auch dazu, dass die Faser, insbesondere bei temperaturbedingten Ausdehnungserscheinungen einer mechanischen Druckbelastung ausgesetzt wird, was durch eine dadurch möglicherweise entstehende Beschädigung des die Faser unmittelbar umgebenden Mantels oder sogar ihres Cladding gegebenenfalls weitere Leistungs- beziehungsweise Übertragungsverluste zur Folge hat.
Zur Vermeidung der bei Klemmverbindungen auftretenden mechanischen Belastung der Lichtleitfaser und zur Verhinderung ihrer Bewegung in Faserlängsrichtung käme grundsätzlich auch der Einsatz von Klebetechniken zur Befestigung des Steckverbinders an der Lichtleitfaser in Betracht. Allerdings tritt hierbei das Problem auf, dass auch die dazu in Frage kommenden Kleber nur in Grenzen temperaturbeständig sind.
Aus den zuvor dargestellten Gründen macht es sich erforderlich, die zur Übertragung von Laserlicht höherer Leistung genutzten Übertragungssysteme an den kritischen Stellen, also insbesondere im Bereich der Steckverbinder, zu kühlen. In der Vergangenheit sind unterschiedliche Methoden zur Reduzierung der an den Steckverbindern auftretenden Temperaturen entwickelt worden. So werden beispielsweise für den Steckverbinder und den Anschlussflansch Materialien verwendet, welche eine besonders gute Wärmeleitung aufweisen, um so die auftretende Wärme durch Wärmeleitung abzuführen. Zur weiteren Verbesserung dieser passiven Kühlung werden die entsprechenden Elemente gegebenenfalls noch mit Kühlkörpern in Verbindung gebracht, um so die wärmeableitende Fläche zu vergrößern. Ein Beispiel für eine solche passive Kühlung unter Verwendung eines Kühlkörpers findet sich in der DE 28 53 528 C2 . Gemäß der Druckschrift wird auf das anschlussseitige Ende einer Lichtleitfaser zur Kühlung eine metallische Hülse aus einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit aufgeschoben.
Eine wirksamere Wärmeabfuhr wird jedoch durch aktive Kühlsysteme erreicht. Für die aktive Kühlung sind luft- und flüssigkeitsgekühlte Systeme bekannt geworden. Mit luftgekühlten Systemen, welche das Prinzip einer zusätzlichen Wärmeabfuhr durch Konvektion nutzen, werden dabei bereits gute Ergebnisse erreicht. Durch die WO 99/63370 A2 wird dazu eine entsprechende Anordnung mit einem am Ende einer Lichtleitfaser zu montierenden und in eine komplementäre Buchse einer Lichtquelle einzurastenden Steckverbinder beschrieben. Der als Snap-in-Verbinder bezeichnete Steckverbinder wird dabei an seinem proxymalen, also dem der mit ihm zu koppelnden Buchse zugewandten Ende gekühlt. Hierzu wird der Steckverbinder in einen mit Kühlrippen versehenen Kühlkörper eingefügt und die von dem Steckverbinder durch Wärmeleitung auf den Kühlkörper übertragene Wärme durch einen mittels eines Ventilators erzeugten Luftstrom abgeführt.
Am effektivsten ist jedoch die Flüssigkeitskühlung beziehungsweise die Wasserkühlung. Lösungen, welche von einer Flüssigkeitskühlung Gebrauch machen, werden beispielsweise in der DE 39 22 301 A1 und in der WO 93/16407 A1 beschrieben. Nach der DE 39 22 301 A1 wird dabei, mit dem Ziel eines schnellen Abtransports der entstehenden Wärme, das Kühlmittel unmittelbar an der Faser beziehungsweise an deren Cladding entlang geführt.
Die WO 93/16407 A1 betrifft eine Lösung zur Kühlung eines Faserbündels mittels eines Gases oder einer Flüssigkeit. Die gegebenenfalls zur Kühlung eingesetzte Flüssigkeit wird auch nach dieser Lösung innerhalb eines entsprechend ausgebildeten Steckverbinders unmittelbar an den jeweils außen liegenden Fasern des Faserbündels entlang geführt. Dabei ist der Kühlkanal so ausgebildet, dass das Kühlmittel auch die Ein- beziehungsweise Auskopplungsfläche für das Licht überstreichen kann. Dies kann aber zu einer unerwünschten Dämpfung der Strahlung führen. Zudem bietet es sich bei der Verwendung entsprechender Anordnungen zur Übertragung von Laserlicht an, die Teile des Lichtübertragungssystems, insbesondere dessen Koppelstellen, in den Kühlkreislauf des ohnehin zu kühlenden Lasers einzubeziehen, wodurch sich ein weiterer, noch wesentlicherer Nachteil dieser und der Lösung nach der vorgenannten Druckschrift ergibt.
Nach dem Stand der Technik erfolgt nämlich die Kühlung der Laser im Allgemeinen mit deionisiertem Wasser. Deionisiertes Wasser hat jedoch den Nachteil, dass es aus wärmeleitenden Materialien, insbesondere aus Metallen, Ionen herauslöst und hierdurch die Materialien angreift. Sofern daher die Kühlung der Steckverbinder durch Einbeziehung in den Kühlkreislauf des Lasers und, wie dies nach dem Stand der Technik praktiziert wird, im Innern des Steckverbinders, nämlich im Bereich der Ferule und/oder des Faserhalters erfolgt, werden erhöhte Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit der für die Steckverbinder verwendeten Materialien gestellt. Die Verwendung entsprechend ausgesuchter Materialien für die Steckverbinder, aber auch für die Flansche, führt jedoch in nachteiliger Weise zu einer Verteuerung der Systeme. Zudem hat es sich gezeigt, dass im Laufe der Zeit selbst hochwertige und daher teure Materialien durch das ionisierte Wasser angegriffen werden.
In der WO 98/01784 A1 wird eine Lösung zur Kühlung einer Lichtleitfaser unter Verwendung einer Kühlflüssigkeit offenbart, bei welcher gemäß einer beschriebenen Ausführungsform zumindest verhindert wird, dass die Lichtleitfaser selbst und die Lichteintrittsfläche in unmittelbaren Kontakt mit der Kühlflüssigkeit gelangen. Allerdings handelt es sich bei der beschriebenen Lösung um einen ohnehin sehr einfachen Aufbau, der ohne spezielle Mittel zur Fixierung der Faser, welche durch deionisiertes Wasser angegriffen werden könnten, auskommt. Nach der beschriebenen Lösung erfolgt nämlich keine unmittelbare Ankopplung des mit der Kühlung versehenen Endes der Lichtleitfaser an die Lichtquelle, so dass eine aufwendige Positionierung der Lichtleitfaser innerhalb eines sie zur Kühlung aufnehmenden Gehäuses nicht erforderlich ist. Vielmehr wird das Licht der Lichtquelle lediglich auf eine spezielle, der Kühlanordnung und dem sie aufnehmenden Faserende vorgesetzte Lichteintrittsfläche fokussiert. Die Kühlung erfolgt auch hier endseitig, das heißt am proxymalen Ende der betreffenden Lichtleitfaser.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine alternative Lösung für die Kühlung von an Laserlichtquellen mittels eines Steckverbinders angekoppelten Lichtleitkabeln anzugeben, welche eine effiziente aktive Kühlung unter Verwendung einer Kühlflüssigkeit ermöglicht, wobei diese so ausgelegt sein soll, dass die Koppelstelle zwischen der Lichtleitfaser und der Laserlichtquelle auch ohne die Verwendung besonders korrosionsbeständiger Materialien für die Elemente des Steckverbinders eine langzeitsichere Kopplung mit einer verlustarmen Einkopplung des Laserlichts in die Faser gewährleistet.
Die Aufgabe wird durch einen Steckverbinder mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Aus- beziehungsweise Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gegeben.
Zur Lösung der Aufgabe wird der Steckverbinder durch eine aktive Kühlung von außen gekühlt ist, wobei mindestens ein Kühlkanal für eine Kühlflüssigkeit, als Teil eines Kühlkreislaufs durch einen äußeren Teil des Steckverbinders geführt ist. Dabei ist der Kühlkanal beziehungsweise sind die Kühlkanäle gemäß einer bevorzugten Ausbildungsform Teil eines externen, von der Kühlung der Laserlichtquelle unabhängigen Kühlkreislaufs. Bei der Kühlflüssigkeit handelt es sich vorzugsweise um destilliertes Wasser.
Der Steckverbinder besteht im Wesentlichen aus einem Faserhalter, in welchem ein ihn teilweise durchragendes Ende einer Lichtleitfaser fixiert ist, einer Ferule und einer Schlauchklemme. Er ist an einem Mantel eines Lichtleitkabels montiert und mit einem komplementären Steckverbinder verbindbar. Der Faserhalter und das ihn durchragende Ende der Lichtleitfaser, mit ihrer die Lichteinkopplungsfläche bildenden Stirnfläche werden von der Ferule aufgenommen. Mittels einer an der Ferule zu montierenden Überwurfmutter ist die Ferule mit einem komplementären Steckverbinder der Laserlichtquelle verbindbar und damit der Steckverbinder an dem komplementären Steckverbinder zu befestigen. Erfindungsgemäß ist die metallische Schlauchklemme auf der der Lichteinkopplungsfläche abgewandten Seite auf den Mantel des Lichtleitkabels und auf die Ferule aufgeklemmt. Der mindestens eine in den Kühlkreislauf einbezogene Kühlkanal ist dabei durch die Schlauchklemme geführt. Entsprechendes gilt für mehrere eventuell vorhandene Kühlkanäle.
Überraschender Weise hat sich gezeigt, dass mit dieser äußeren Kühlung Laserlichtquellen bis zu 1 kW problemlos an Lichtleitfasern anzukoppeln und zu betreiben sind. Es wird angenommen, dass Lichtleitfasern eventuell sogar mit Lasern mit einer Leistung > 3 kW in dieser Weise betrieben werden können.
Die Lichtleitfaser ist bei einer bevorzugten Ausführung dieser Ausbildungsform, anders als nach dem Stand der Technik im Allgemeinen gebräuchlich, mit dem sie unmittelbar umgebenden Mantel in den von der Ferule aufgenommenen Faserhalter eingeklebt.
Entsprechend einer möglichen Umsetzung der Erfindung sind der oder die Kühlkanäle in der Schlauchklemme, parallel zur Längsachse der Lichtleitfaser verlaufend ausgebildet. Eine andere Möglichkeit besteht in der Anordnung eines spiralförmig um den Umfang der Lichtleitfaser geführten Kühlkanals. Schließlich ist es auch möglich, in der Schlauchklemme mehrere, zu einander parallel verlaufende Kühlkanäle anzuordnen, die um den Umfang der Lichtleitfaser herum geführt sind.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen nochmals näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
1: Die Schlauchklemme des Steckverbinders mit integrierter Kühlung
2: Einen Faserhalter zur Verwendung in dem Steckverbinder mit integrierter Kühlung
3: Eine Ferule, in welche der Faserhalter gemäß 2 montiert wird
4: Den unter Verwendung der Teile gemäß den 1–3 vollständig montierten Steckverbinder mit integrierter Kühlung
5a: Den Steckverbinder gemäß 4 in räumlicher Darstellung und mit daran befestigen Schläuchen für das Kühlmittel in einer Seitenansicht
5b: Den Steckverbinder nach 5a in einer Draufsicht
6: Die Schlauchklemme eines in herkömmlicher Weise ausgebildeten Steckverbinders
Die 1 zeigt eine Schlauchklemme 6, welche gemäß der Erfindung durch die Anordnung einer in den Steckverbinder integrierten Kühlung modifiziert ist. Wie zu erkennen, ist dabei in die Schlauchklemme 6 eine axial, das heißt parallel zur Längsachse x einer durch den Steckverbinder aufgenommenen Faser 2, verlaufender Kühlkanal 8 eingearbeitet. Durch radial auf den Kühlkanal 8 geführte Bohrungen sind ein Kühlmitteleinlass 12 und ein Kühlmittelauslass 13 ausgebildet, an welchen hier nicht gezeigte Schläuche 24, 25 eines Kühlkreislaufs anschließbar sind. Auch diese Schlauchklemme 6 weist wie die bekannte Ausführungsform gemäß 6 Gewindebohrungen 21, 22, 23 auf, über welche sie mittels Madenschrauben auf die übrigen Komponenten, nämlich die Ferule 5 und den Metallschlauch 10 des Lichtleitkabels 1 (siehe dazu auch 4) aufgeklemmt wird. Die beiden zur Befestigung an der Ferule 5 dienenden Gewindebohrungen 21, 22 sind dabei, wie erkennbar, gegenüber dem Kühlkanal 8 angeordnet. Im Zuge der Befestigung der Schlauchklemme 6 mittels der in die Gewindebohrungen 21, 22 einzuschraubenden Madenschrauben wird eine durch die Schlauchklemme 6 aufgenommene Ferule 5 mit der eingeführten Lichtleitfaser 2 gegen den durch den Kühlkanal 8 aktiv gekühlten Flächenabschnitt der Schlauchklemme 6 gedrückt. Hierdurch wird ein besonders guter Wärmeübergang erreicht.
Die 2 zeigt einen Faserhalter 4, welcher die eigentliche Lichtleitfaser 2 aufnimmt und ein Außenfeingewinde aufweist, mittels welchem er in eine in der 4 dargestellte Ferule 5 eingeschraubt wird. Wie ersichtlich, weist der hülsenförmig ausgeführte Faserhalter 4 in seinem Inneren einen Absatz 14 auf.
Hierdurch ist ein erster, nahezu dem Außendurchmesser der Lichtleitfaser entsprechender Innendurchmesser 15 des Faserhalters 4 ausgebildet, an welchen sich ein größerer Innendurchmesser 16 anschließt. Durch den größeren Innendurchmesser 16 wird ein Volumen gebildet, welches der Aufnahme eines Klebers zur Verklebung des Faserhalters 4 mit dem Mantel 3 einer in den Faserhalter 4 eingeführten Lichtleitfaser 2 und damit zur Fixierung der Faser 2 in dem Faserhalter 4 dient. Der Faserhalter 4 mit einer darin eingeklebten Lichtleitfaser 2 (Die Lichtleitfaser ist in der 2 nicht gezeigt) wird in die, insoweit in üblicher Weise ausgebildete Ferule 5 gemäß 3 eingeführt und über sein Außengewinde in dieser verschraubt. Über die Feingewinde auf der Außenseite des Faserhalters 4 und der Innenseite der Ferule 5 wird dabei gleichzeitig die Justage für die Lage der Lichtleitfaser 2 in der Ferule 5 vorgenommen. Dabei wird der Faserhalter 4 so weit in die Ferule 5 eingeführt, dass die Stirnfläche der Lichtleitfaser, also ihre Lichteinkopplungsfläche 17, mit dem, bezogen auf die Figur rechten axialen Ende 18 der Ferule 5 eine Ebene bildet. Die Ferule 5 mit dem darin montierten Faserhalter 4 wird schließlich mittels der Schlauchklemme 6, wie in der 4 gezeigt, fixiert und somit das Lichtleitkabel 1 fest am Steckverbinder montiert. Die Fixierung erfolgt, wie bereits erläutert, über Gewindebohrungen 21, 22, 23 und darin einzuschraubende Madenschrauben. Dabei sind im Bereich des den Mantel 10 des Lichtleitkabels 1 bildenden Metallschlauchs für eine sichere Fixierung vorzugsweise mehrere zur Aufnahme von Madenschrauben vorgesehene Gewindebohrungen 23 auf dem Umfang der Schlauchklemme 6 angeordnet.
Der in der 4 nach vollständiger Montage gezeigte Steckverbinder ist, wie erkennbar, mit einer integrierten Kühlung, das heißt mit einer Schlauchklemme 6 gemäß 1 ausgestattet. Die 5a und 5b zeigen den auf dem Lichtleitkabel 1 fertig montierten Steckverbinder nochmals in einer räumlichen Darstellung. Wie aus den 5a und 5b erkennbar, sind an den Einlass 12 und den Auslass 13 für das Kühlmittel entsprechende Schläuche 24, 25 montiert. Dabei zeigt die 5a den Steckverbinder in einer, bezogen auf die aufmontierten Schläuche 24, 25, seitlichen Darstellung, während die 5b die Anordnung nochmals in einer Draufsicht wiedergibt.
6 zeigt, wie bereits erwähnt, eine Schlauchklemme 6' herkömmlicher Ausbildung, welche über an ihrem Außenumfang vorgesehene Gewindebohrungen 21', 22', 23' auf einer eine Lichtleitfaser 2 aufnehmenden Ferule 5 und einem, das zur Laserlichtübertragung geeignete Lichtleitkabel 1 umgebenden Mantel 10, vorzugsweise als Metallschlauch ausgebildet, mittels Madenschrauben zu befestigen ist.
Bezugszeichenliste

1: Lichtleitkabel
2: Lichtleitfaser bzw. Faser
3: Mantel
4: Faserhalter
5: Ferule
6, 6': Schlauchklemme
8: Kühlkanal
10: Mantel
11: Überwurfmutter
12: Einlass
13: Auslass
14: Absatz
15: Innendurchmesser
16: Innendurchmesser
17: Lichteinkopplungsfläche
18: (axiales) Ende der Ferule
21, 21: Gewindebohrungen
22, 22: Gewindebohrungen
23, 23: Gewindebohrungen

Claims

Steckverbinder mit aktiver Kühlung, welcher mit einem komplementären Steckverbinder verbindbar ist und an einem Mantel (10) eines Lichtleitkabels (1) mit einer Lichtleitfaser (2) montiert ist, mit – einem die Lichtleitfaser (2) fixierenden Faserhalter (4), – einer Ferule (5) und – einer metallischen Schlauchklemme (6), wobei ein dem komplementären Steckverbinder zugewandtes und eine Lichteintrittsfläche (17) ausbildendes Ende der Lichtleitfaser (2) aus dem Faserhalter (4) herausragt und wobei die Ferule, welche den Faserhalter (4) und das ihn durchragende Ende der Lichtleitfaser (2), mit seiner die Lichteinkopplungsfläche (17) bildenden Stirnfläche aufnimmt, mittels einer Überwurfmutter (11) mit dem komplementären Steckverbinder der Lichtquelle verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass – die Schlauchklemme (6) auf der der Lichteintrittsfläche (17) abgewandten Seite auf den Mantel (10) und auf die Ferule (5) aufgeklemmt ist und – durch die Schlauchklemme (6) mindestens ein Kühlkanal (8) für eine Kühlflüssigkeit, als Teil eines Kühlkreislaufs geführt ist.
Steckverbinder nach Anspruch 1 zur Kopplung mit einer Laserlichtquelle, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kühlkanal (8) Teil eines externen, von der Kühlung der Laserlichtquelle unabhängigen Kühlkreislaufs ist, wobei es sich bei der Kühlflüssigkeit um destilliertes Wasser handelt.
Steckverbinder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleitfaser (2) mit einem die Lichtleitfaser (2) unmittelbar umgebenden Mantel (3) in den von der Ferule (5) aufgenommenen Faserhalter (4) eingeklebt ist.
Steckverbinder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Kühlkanal (8) in der Schlauchklemme (6) parallel zur Längsachse (x) der Lichtleitfaser (2) verlaufend ausgebildet ist.
Steckverbinder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Schlauchklemme (6) ein spiralförmig um den Umfang der Lichtleitfaser (2) geführter Kühlkanal (8) ausgebildet ist.
Steckverbinder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Schlauchklemme (6) mehrere um den Umfang der Lichtleitfaser (2) geführte Kühlkanäle (8) ausgebildet sind.