DE102012205870B3

DE102012205870B3 - Kühlanordnung für einen Gaslaser, Gaslaser damit, sowie Verfahren zum Kühlen von Lasergas

Info

Publication number: DE102012205870B3
Application number: DE201210205870
Authority: DE
Inventors: Thomas Bewer; Jochen Doberitzsch; Andreas Lehr; Manuel Tiefenthaler
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: TRUMPF LASER- UND SYSTEMTECHNIK SE, DE
Priority date: 2012-04-11
Filing date: 2012-04-11
Publication date: 2013-02-21
Anticipated expiration: 2032-04-12
Also published as: CN103378536B; US9325139B2; CN103378536A; WO2013152944A1; JP2015514329A; US20150030043A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kühlanordnung (16) zur Kühlung von Lasergas für einen Gaslaser, umfassend: einen ersten Kühlkreislauf (21) mit einem ersten Kühlaggregat (17) und mit mindestens einem ersten Wärmetauscher (26) zur Kühlung von Lasergas, welches von einem Gebläse (11) zu einem Resonator (2) des Gaslasers strömt, sowie einen zweiten, vom ersten unabhängigen Kühlkreislauf (22) mit einem zweiten Kühlaggregat (18) und mit mindestens einem zweiten Wärmetauscher (27) zur Kühlung von Lasergas, welches vom Resonator (2) zum Gebläse (11) strömt. Bei der Kühlanordnung (16) weist der zweite Kühlkreislauf (22) mindestens einen weiteren Wärmetauscher (28) zur zusätzlichen Kühlung des vom Gebläse (11) zum Resonator (2) strömenden Lasergases auf. Die Erfindung betrifft auch einen Gaslaser mit einer solchen Kühlanordnung (16), sowie ein zugehöriges Verfahren zum Kühlen von Lasergas für einen Gaslaser.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlanordnung zur Kühlung von Lasergas für einen Gaslaser, umfassend: einen ersten Kühlkreislauf mit einem ersten Kühlaggregat und mit mindestens einem ersten Wärmetauscher zur Kühlung von Lasergas, welches von einem Gebläse zu einem Resonator des Gaslasers strömt, sowie einen zweiten, vom ersten unabhängigen Kühlkreislauf mit einem zweiten Kühlaggregat und mit mindestens einem zweiten Wärmetauscher zur Kühlung von Lasergas, welches vom Resonator zu dem Gebläse strömt. Die Erfindung betrifft auch einen Gaslaser mit einer solchen Kühlanordnung sowie ein zugehöriges Verfahren zum Kühlen von Lasergas für einen Gaslaser, umfassend: Kühlen von Lasergas, welches von einem Gebläse zu einem Resonator strömt, mittels mindestens eines ersten Wärmetauschers eines ersten Kühlkreislaufs, sowie Kühlen von Lasergas, welches vom Resonator zum Gebläse strömt, mittels mindestens eines zweiten Wärmetauschers eines zweiten, vom ersten unabhängigen Kühlkreislaufs.
Gaslaser, insbesondere CO₂-Laser, weisen in der Regel einen gefalteten Laserresonator auf, in dem der Laserstrahl in einer oder mehreren übereinander liegenden, parallelen Ebenen gefaltet wird, wozu in jeder Ebene Spiegelelemente angeordnet sind, die üblicher Weise in mehreren Eckgehäusen untergebracht sind. Zwischen den Eckgehäusen sind Entladungsrohre mit Elektroden zur Anregung des Lasergases angeordnet. Das Lasergas wird von einem Gebläse als Druckquelle, das z. B. als Radialgebläse ausgebildet sein kann, über Zufuhrleitungen den Eckgehäusen zugeführt. In einer jeweiligen Zufuhrleitung bzw. einem Zufuhrgehäuse ist hierbei in der Regel ein Wärmetauscher eines ersten Kühlkreislaufs angeordnet, um das Lasergas vor dem Eintritt in die Eckgehäuse und damit in den Strahlführungsraum abzukühlen. Der Lasergaskreislauf des Gaslasers wird über Absaugleitungen bzw. Absauggehäuse geschlossen, über die das aufgeheizte Lasergas aus den Entladungsrohren abgesaugt und dem (Radial-)gebläse zugeführt wird. Auch in einer solchen Absaugleitung kann ein Wärmetauscher eines zweiten, typischer Weise vom ersten unabhängigen (d. h. mit einem getrennten Kühlmittelstrom versehenen) Kühlkreislaufs vorgesehen sein, um das Lasergas vor der Zuführung zu dem Radialgebläse zu kühlen.
Aus der DE 10 2008 013 816 B4 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Rückgewinnung von Energie aus einem Laserbearbeitungssystem bekannt geworden, bei dem als Laserquelle beispielsweise ein Gaslaser verwendet werden kann. Beim Betrieb des Laserbearbeitungssystems wird thermische Energie mit einer maximalen Temperatur T_MAX erzeugt. Diese thermische Energie wird bis zu einer Grenztemperatur T_Z < T_MAX dem Laserverarbeitungssystem abgenommen und einer Energierückgewinnungseinrichtung zur Verfügung gestellt. Die Grenztemperatur T_z bildet hierbei die Temperaturschwelle, ab der die Energierückgewinnungseinrichtung eingesetzt werden kann.
Bei einem Ausführungsbeispiel der DE 10 2008 013 816 B4 weist das Laserbearbeitungssystem einen Gaslaser auf, der wie oben beschrieben ausgebildet ist und bei dem Wärmetauscher in den Absauggehäusen oder in den Zuführungsgehäusen vorgesehen sind. Um das Energierückgewinnungssystem mit einer möglichst großen Grenztemperatur T_z betreiben zu können, wird eine möglichst hohe Kühlmediumsaustrittstemperatur angestrebt, die durch eine möglichst große Differenz zwischen einer Lasergastemperatur vor dem Durchströmen eines Wärmetauschers und der Lasergastemperatur nach dem Durchströmen des Wärmetauschers erhalten werden soll. Der Wärmetauscher bzw. die Kühlrippen des Wärmetauschers sollen bevorzugt entweder im Ableitungsgehäuse oder im Zuleitungsgehäuse vorgesehen werden, um eine schrittweise Abkühlung des Lasergases zu vermeiden.
In der US 2004/0125850 A1 wird ein Gaslaser mit einer Kühlanordnung beschrieben, bei dem ein erster Wärmetauscher in einem Ansauggehäuse und ein zweiter Wärmetauscher in einem Zuleitungsgehäuse des Gaslasers angeordnet sind. Die beiden Wärmetauscher der Kühlanordnung sind parallel geschaltet.
Aufgabe der Erfindung
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kühlanordnung für einen Gaslaser, einen Gaslaser sowie ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass der thermische Wirkungsgrad der Kühlung erhöht wird.
Gegenstand der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Kühlanordnung der eingangs genannten Art, bei welcher der zweite Kühlkreislauf mindestens einen weiteren Wärmetauscher zur zusätzlichen Kühlung des von dem Gebläse zum Resonator strömenden Lasergases aufweist.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, an Stelle einer einstufigen Kühlung für das vom Gebläse zum Resonator strömende Lasergas eine mehrstufige Kühlung über getrennte Kühlkreisläufe vorzusehen. Durch eine solche mehrstufige Kühlung kann erreicht werden, dass die von dem zweiten Kühlkreislauf aufgenommene thermische Energie auf einem höheren Temperaturniveau abgegeben wird, so dass diese – sofern die Wärme nicht genutzt wird – unter einem geringeren Energieaufwand direkt an die Umgebung abgegeben werden kann. Auch wenn die thermische Energie genutzt und z. B. einer Energierückgewinnungseinheit zugeführt werden soll, ist die Abgabe auf einem höheren Temperaturniveau günstig, da wie oben beschrieben eine Energierückgewinnungseinheit nur ab einer vorgegebenen Grenztemperatur T_z betrieben werden kann. Hinzu kommt, dass die meisten Energierückgewinnungseinheiten bei höherer Temperatur einen höheren Wirkungsgrad aufweisen. Eine mehrstufige Kühlung des Lasergases, welches vom Gebläse dem Resonator zugeführt wird, ist hierbei günstig, da das in den Resonator einströmende Lasergas eine bestimmte Temperatur, die z. B. um ca. 50°C betragen kann, in der Regel nicht überschreiten sollte.
Gegebenenfalls kann auch der erste Kühlkreislauf mindestens einen weiteren Wärmetauscher zur zusätzlichen Kühlung des vom Resonator zum Gebläse strömenden Lasergases aufweisen. Dies ist insbesondere günstig, wenn ein Abwärmenutzungs-System mit einer Energierückgewinnungseinheit verwendet wird, die unterschiedliche Temperaturniveaus benötigt bzw. nutzen kann, z. B. bei mehrstufigen Absorptionskälteanlagen.
Bei einer Ausführungsform ist im Betrieb der Kühlanordnung eine minimale Kühlmitteltemperatur des ersten Kühlkreislaufs geringer als eine minimale Kühlmitteltemperatur des zweiten Kühlkreislaufs. Zu diesem Zweck wird die Kühlleistung der Kühlaggregate so gewählt bzw. der Kühlmittel-Massenfluss so eingestellt, dass die Temperatur des Kühlmittels, welches von dem Kühlaggregat des zweiten Kühlkreislaufs abgegeben wird, höher ist als die Temperatur des Kühlmittels, welches von dem ersten Kühlaggregat bereitgestellt wird. Der Unterschied zwischen den beiden minimalen Kühlmitteltemperaturen kann bei mehr als 10 K, bei mehr als 15 K oder sogar bei mehr als 20 K liegen. Auf diese Weise kann – unabhängig von der Temperatur des Lasergases – sichergestellt werden, das die thermische Energie des zweiten Kühlkreislaufs auf einem ausreichend hohen Temperaturniveau abgegeben wird.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist der zweite Kühlkreislauf zur parallelen Durchströmung des zweiten Wärmetauschers und des weiteren Wärmetauschers mit einem Kühlmittel ausgebildet. Zu diesem Zweck wird typischer Weise der Kühlmittelstrom vom zweiten Kühlaggregat über eine gemeinsame Kühlmittelleitung an eine Verzweigungsstelle geführt, an welcher der Kühlmittelstrom in zwei Teilströme aufgeteilt wird, die dem zweiten Wärmetauscher bzw. dem weiteren Wärmetauscher zugeführt werden und die nach dem Durchlaufen der Wärmetauscher an einer weiteren Verzweigungsstelle wieder zusammengeführt und über eine gemeinsame Kühlmittelleitung zum zweiten Kühlaggregat zurückgeführt werden. Die Aufteilung des Kühlmittelstroms an der Verzweigungsstelle kann symmetrisch erfolgen, d. h. die eine Hälfte des Kühlmittel-Massenstroms wird zur Kühlung des vom Gebläse zum Resonator strömenden Lasergases verwendet, die andere Hälfte zur Kühlung des vom Resonator zum Gebläse strömenden Lasergases. Es versteht sich aber, dass auch eine asymmetrische Aufteilung des Kühlmittel-Massenstroms, z. B. im Verhältnis 40:60, erfolgen kann.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist im Betrieb der Kühlanordnung ein Kühlmittel-Massenstrom durch den weiteren Wärmetauscher kleiner als ein Kühlmittel-Massenstrom durch den ersten Wärmetauscher. Dies ist günstig, da ein geringerer Kühlmittel-Massenstrom durch den weiteren Wärmetauscher zu einem längeren Verbleib des Kühlmittels in dem Wärmetauscher und daher zu einer stärkeren Aufheizung des Kühlmittels des zweiten Kühlkreislaufs führt.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Kühlanordnung eine Einstelleinrichtung zur Einstellung eines Kühlmittel-Massenstroms durch den zweiten Kühlkreislauf auf. Bei der Einstelleinrichtung kann es sich beispielsweise um eine Pumpe oder dergleichen handeln. Günstig ist es hierbei, wenn der Kühlmittel-Massenstrom durch den zweiten Kühlkreislauf und die Kühlleistung des zweiten Kühlaggregats unabhängig voneinander eingestellt werden können. Insbesondere ist die Verwendung einer Einstelleinrichtung günstig, wenn das zweite Kühlaggregat selbst keine Einstellung der Kühlleistung ermöglicht, beispielsweise wenn es sich bei dem zweiten Kühlaggregat um ein passives Kühlaggregat z. B. in Form eines Freiluftkühlers handelt. In diesem Fall ermöglicht die Einstellung des Kühlmittel-Massenstroms die Regelung des Temperaturniveaus, bei dem von dem zweiten Kühlaggregat oder einer damit in Verbindung stehenden Einrichtung thermische Energie abgegeben wird. Die Einstellung des Kühlmittel-Massenstroms des zweiten Kühlmittel-Kreislaufs ermöglicht es auch, die abgeführte thermische Energie bei einer definierten, einstellbaren Temperatur oberhalb der Grenztemperatur Tz einem Energierückgewinnungssystem zur Verfügung zu stellen.
Bei dem ersten Kühlaggregat kann es sich beispielsweise um ein Kompressionskühlaggregat handeln, welches eine Einstellung der Kühlleistung ermöglicht. Derartige Kühlaggregate sind zur Kühlung von Gaslaser-Systemen gebräuchlich. Typischer Weise werden mehrere solcher Kühlaggregate in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht. Hierbei können eines oder mehrere der Kühlaggregate der Kühlung des Lasergases dienen. Weitere in dem Gehäuse vorgesehene Kompressionskühlaggregate können z. B. der Kühlung des HF-Generators bzw. des Rahmens sowie der Optiken des Gaslasers bzw. eines Laserbearbeitungssystems dienen, welches den Gaslaser als Strahlquelle verwendet. Die in dem Gehäuse untergebrachten Kühlaggregate können ggf. über Wärmetauscher miteinander gekoppelt sein, so dass die Kompression ggf. nur ein einziges Mal für alle in dem Gehäuse untergebrachten Kühlaggregate durchgeführt werden muss. Durch die zusätzliche Kühlung des Lasergases mittels des zweiten Kühlkreislaufs kann das Kompressionskühlaggregat in seiner Kühlleistung reduziert und daher kleiner dimensioniert werden als dies bei herkömmlichen Kühlsystemen üblich ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist das zweite Kühlaggregat ein Freiluftkühler, d. h. ein passiver Kühler. Über einen solchen Freiluftkühler kann die thermische Energie vom zweiten Kühlkreislauf unmittelbar an die Umgebung abgegeben werden. Hierbei kann ausgenutzt werden, dass das Temperaturniveau, auf dem die thermische Energie abgegeben wird, in der Regel deutlich über der Umgebungstemperatur liegt, so dass die Wärme unter einem geringen Energieaufwand an die Umgebungsluft abgegeben werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform ist mindestens ein Wärmetauscher ausgewählt aus der Gruppe: Plattenwärmetauscher, Lamellenkühler, Wendelkühler oder Abgaswärmetauscher. Generell ist es für die vorliegenden Anwendungen günstig, wenn die verwendeten Wärmetauscher einen modularen Aufbau ermöglichen, da in der Regel mindestens zwei Wärmetauscher in einem gemeinsamen Zufuhrgehäuse bzw. einem gemeinsamen Absauggehäuse untergebracht werden sollen. Bei einem Plattenwärmetauscher strömt das Lasergas über eine Mehrzahl von in der Regel parallelen Platten, deren Zwischenräume abwechselnd von Lasergas bzw. von einem Kühlmedium durchströmt werden. Beim Lamellenkühler wird die für die Kühlung zur Verfügung stehende Oberfläche durch das Vorsehen von Lamellen an einem jeweiligen vom Kühlmedium durchströmten Kühlelement (z. B. Rohr) erhöht. Beim Wendelkühler ist der rohrförmige Kühlkanal wendel- bzw. spiralförmig ausgebildet und kann z. B. aus einem metallischen Material, beispielsweise aus Aluminium hergestellt werden. Auch Abgaswärmetauscher, bei denen das Wärmetauscherfluid beispielsweise durch ein mit speziellen Strukturen versehenes Rechteckrohr strömt, können zu diesem Zweck eingesetzt werden. Insbesondere bei Lamellenkühlern, bei denen die Lamellen- bzw. Rippenrohre quer zur Strömungsrichtung des Lasergases verlaufen und in eine Wärmetauscher-Kassette integriert sind, können einzelne Kühlkreisläufe auf besonders einfache Weise abgetrennt werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Gaslaser, umfassend: einen Laser-Resonator, ein Gebläse zur Erzeugung eines Gasstroms eines Lasergases, sowie eine Kühlanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Kühlung des Lasergases, welches von dem Gebläse zum Resonator und vom Resonator zum Gebläse strömt. Der mit der oben beschriebenen Kühlanordnung versehene Gaslaser kann – insbesondere wenn die Eintrittstemperatur des Lasergases geringer ist als bei bestehenden Systemen – mit einem erhöhten thermischen Wirkungsgrad betrieben werden.
In einer Ausführungsform umfasst der Gaslaser zusätzlich eine Energierückgewinnungseinheit zur Rückgewinnung von thermischer Energie, die im Betrieb des Gaslasers an dem zweiten Kühlaggregat bereitgestellt wird. Mit Hilfe der Kühlanordnung kann das Temperaturniveau, auf dem die thermische Energie für die Energierückgewinnungseinheit bereitgestellt wird, an die Bedürfnisse der Energierückgewinnungseinheit angepasst werden, d. h. die Wärme kann bei einer einstellbaren Temperatur zwischen einer maximalen Temperatur des Lasergases bzw. des Kühlmittels und der Grenztemperatur des Energierückgewinnungssystems bereitgestellt werden.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren der eingangs genannten Art zum Kühlen von Lasergas für einen Gaslaser, bei dem zusätzlich ein Kühlen des Lasergases, welches von dem Gebläse zum Resonator strömt, mit Hilfe eines weiteren Wärmetauschers des zweiten Kühlkreislaufs erfolgt. Auch beim erfindungsgemäßen Verfahren wird ein mehrstufiger Kühlprozess des Lasergases mit zwei unterschiedlichen Kühlkreisläufen vorgenommen, um den Wirkungsgrad des Gaslasers bzw. des gesamten Lasersystems zu erhöhen.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. 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:
1 eine Draufsicht auf einen CO₂-Gaslaser mit einem gefalteten Laserresonator in einer Schnittdarstellung,
2 eine perspektivische Darstellung des CO₂-Gaslasers von 1,
3 eine schematische Darstellung einer Kühlanordnung für den Gaslaser von 1 und 2 mit einem ersten und zweiten Kühlkreislauf,
4 eine schematische Darstellung eines modifizierten Kühlkreislaufs für den Gaslaser von 1 und 2, sowie
5 eine schematische Darstellung einer Kühlanordnung für den Gaslaser zur zweistufigen Kühlung des Lasergases mit unterschiedlichen Kühlkreisläufen.
Der in 1 und in 2 gezeigte CO₂-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°. In einem der Eckgehäuse 5 sind ein Rückspiegel 8 und ein teiltransmissiver Auskoppelspiegel 9 angeordnet. Der Rückspiegel 8 ist 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 Teil verbleibt im Laserresonator 2 und durchläuft die Laserentladungsrohre 3 erneut. Der über den Auskoppelspiegel 9 aus dem Laserresonator 2 ausgekoppelte Laserstrahl ist in 1 mit 10 bezeichnet.
Im Zentrum des gefalteten Laserresonators 2 ist als Druckquelle für Lasergas ein Radialgebläse 11 angeordnet, das über Zufuhrgehäuse 12 für Lasergas mit den Eckgehäusen 4, 5 in Verbindung steht. Mittig zwischen den Eckgehäusen 4, 5 sind weitere Gehäuse 14 des Laserresonators 2 angeordnet, welche mit Absauggehäusen 13 in Verbindung stehen, die der Absaugung des Lasergases aus dem Laserresonator 2 und der Rückführung zum Radialgebläse 11 dienen. Die Strömungsrichtung des Lasergases im Innern der Laserentladungsrohre 3 sowie in den Zufuhr- und Absauggehäusen 12, 13 ist in 1 durch Pfeile veranschaulicht. Die Anregung des Lasergases erfolgt über Elektroden 15, die benachbart zu den Laserentladungsrohren 3 angeordnet und mit einem (nicht gezeigten) HF-Generator verbunden sind. Als HF-Generator kann beispielsweise ein Röhrengenerator mit einer Anregungsfrequenz von 13,56 MHz oder 27,12 MHz verwendet werden.
Wie in 2 zu erkennen ist, sind sowohl in ein jeweiliges Zufuhrgehäuse 12 als auch in ein jeweiliges Absauggehäuse 13 des Gaslasers 1 jeweils zwei Wärmetauscher 26, 27, 28, 29 eingebracht, um eine stufenweise Abkühlung des Lasergases zu ermöglichen. Der in 2 gezeigte Gaslaser 1 wird für diese stufenweise Abkühlung mit einer in 5 dargestellten Kühlanordnung 16 gekühlt, welche sich von einer herkömmlichen Kühlanordnung 16 unterscheidet, die nachfolgend im Zusammenhang mit 3 beschrieben wird.
Die in 3 gezeigte herkömmliche Kühlanordnung 16 für einen Gaslaser weist einen ersten und zweiten Kühlkreislauf 21, 22 auf. Der erste Kühlkreislauf 21 dient zur Kühlung von Lasergas, welches von dem Gebläse 11 zum Resonator 2 strömt, während der zweite Kühlkreislauf 22 zur Kühlung von Lasergas dient, das in umgekehrter Richtung, d. h. vom Resonator 2 zum Gebläse 11 strömt.
Beim Betrieb des Gaslasers 1 wird in einem jeweiligen Kühlkreislauf 21, 22 ein Kühlmittel, in der Regel ein Kühlfluid, insbesondere Kühlwasser, von einem jeweiligen Kompressionskühlaggregat 17, 18 auf eine Temperatur T_1,MIN bzw. T_2,MIN von ca. 10°C bis ca. 30°C abgekühlt. Das aus dem ersten Kompressionskühlaggregat 17 austretende Kühlmittel wird nachfolgend an einer (nicht gezeigten) Verzweigungsstelle auf die (in 3 nicht gezeigten) Zuführungsgehäuse 12 aufgeteilt und durchläuft in mehreren parallelen Teilströmen einen jeweiligen ersten Wärmetauscher 20a. Entsprechend wird das vom zweiten Kompressionsaggregat 18 bereitgestellte Kühlmittel an einer (ebenfalls nicht gezeigten) Verzweigungsstelle auf die Absauggehäuse 13 aufgeteilt und durchläuft in mehreren parallelen Teilströmen die dort angeordneten zweiten Wärmetauscher 20b. Die Kühlleistung eines jeweiligen Kühlaggregats 17, 18 wird hierbei durch eine (nicht gezeigte) Steuer- bzw. Regeleinrichtung so eingestellt, dass die Temperatur des zum jeweiligen Kühlaggregat 17, 18 zurück geführten Kühlmittels bei einer Temperatur T_1,MAX bzw. T_2,MAX zwischen ca. 30°C und ca. 40°C liegt.
Durch den ersten Kühlkreislauf 21 wird Lasergas, das vom Gebläse 11 mit einer Temperatur von ca. 50°C–150°C abgegeben wird, vor dem Einströmen in den Resonator 2 auf eine Temperatur zwischen ca. 20°C und 50°C bzw. abgekühlt. Dies ist in der Regel erforderlich, da das Lasergas über die Eckgehäuse 4, 5 in die Laserentladungsrohre 3 (vgl. 2) eintritt, in denen sich auch die jeweiligen Umlenk-, Rück- und Auskoppelspiegel 7, 8, 9 des Resonators 2 befinden. Das Lasergas wird in dem Resonator 2 auf Temperaturen von typischer Weise ca. 100°C bis 250°C aufgeheizt. Mittels des zweiten Kühlkreislaufs 22 bzw. des zweiten Wärmetauschers 20b wird das zum Radialgebläse 11 zurück strömende Lasergas auf Temperaturen von ca. 20°C bis ca. 80°C abgekühlt. Das Radialgebläse 11 komprimiert das Lasergas und heizt dieses auf Temperaturen von ca. 50–150°C auf.
Bei dem in 3 gezeigten Beispiel einer Kühlanordnung 16 sind die Temperaturen des Kühlmittels im ersten und zweiten Kühlkreislauf 21, 22 im Wesentlichen gleich groß und werden mit Hilfe von unabhängigen oder ggf. über einen Wärmetauscher gekoppelten Kompressions-Kühlaggregaten 17, 18 erzeugt. Die beiden Kompressions-Kühlaggregate 17, 18 sind mit weiteren (nicht gezeigten) Kompressions-Kühlaggregaten in einem gemeinsamen Gehäuse 19 untergebracht. Die weiteren Kompressions-Kühlaggregate dienen zur Kühlung des Hochfrequenzgenerators, der in 3 mit HF bezeichnet ist, sowie der Optik-Komponenten des Gaslasers 1, die in 3 mit O bezeichnet sind.
Bei der in 3 gezeigten Kühlanordnung 16 erreicht das Kühlmittel in den Kühlkreisläufen 21, 22 eine maximale Temperatur T_1,MAX bzw. T_2,MAX von ca. 35°C. Da die Umgebungstemperatur in der Regel in einer ähnlichen Größenordnung liegt, kann thermische Energie nur unter vergleichsweise großem Energieaufwand an die Umgebung abgegeben werden. Um die Abgabe von thermischer Energie auf einem höheren Temperaturniveau zu ermöglichen, wird in einer Ausführungsform an Stelle von zwei im Wesentlichen identisch aufgebauten Kühlkreisläufen 21, 22 der zweite Kühlkreislauf 22 modifiziert, und zwar auf eine Weise, wie sie beispielhaft in 4 dargestellt ist. Dabei wird zumindest der Wärmetauscher 20b von 3 durch mindestens einen weiteren Wärmetauscher ergänzt, welcher in das Zuführungsgehäuse 12 integriert ist.
Der in 4 gezeigte Kühlkreislauf 22 dient der Kühlung sowohl des vom Radialgebläse 11 zum Resonator 2 strömenden Lasergases als auch des in umgekehrter Richtung, d. h. vom Resonator 2 zum Radialgebläse 11 strömenden Lasergases. Das Kühlmittel strömt hierbei vom zweiten Kühlaggregat 18 ausgehend über eine gemeinsame Kühlmittelleitung zu einer ersten Verzweigungs- bzw. Verteilungsstelle 23a und wird von dort über zwei separate Kühlmittelleitungen dem Zuführungsgehäuse 12 bzw. dem Absauggehäuse 13, genauer gesagt einem dort vorgesehenen (in 4 nicht gezeigten) Wärmetauscher zugeführt. Das durch das Lasergas erhitzte Kühlmittel wird an einer zweiten Verteilungsstelle 23b zusammengeführt und von dort über einen gemeinsamen Ablauf dem zweiten Kühlaggregat 18 zugeführt.
Im vorliegenden Beispiel handelt es sich bei dem Kühlaggregat um einen passiven Kühler in Form eines Freiluftkühlers, welcher die ihm zugeführte thermische Energie über nicht näher dargestellte Kühlrippen direkt an die Umgebungsluft abgibt. Der zweite Kühlkreislauf 22 verfügt auch über eine Pumpe 24, die mittels der (nicht gezeigten) Steuereinrichtung ansteuerbar ist, um an dem zweiten Kühlmittelkreislauf 22 einen Kühlmittelfluss mit einer gewünschten Menge Kühlmittel pro Zeiteinheit (Kühlmittel-Massenstrom) zu ermöglichen. Der Wärmefluss Q pro Zeiteinheit, welcher typischer Weise beim Betrieb des Gaslasers 2 über den Freiluftkühler 18 direkt an die Umgebung abgegeben werden kann, liegt im Bereich mehrerer Kilowatt, z. B. bei ca. 40 kW.
5 zeigt eine Kühlanordnung 16, in welche der zweite Kühlkreislauf 22 von 4 integriert ist bzw. bei welcher der in 3 dargestellte zweite Kühlkreislauf 22 durch den in 4 dargestellten zweiten Kühlkreislauf 22 ersetzt wurde. Bei der Kühlanordnung 16 von 5 wird das durch das Absauggehäuse 13 strömende Lasergas ausschließlich durch den zweiten Kühlkreislauf 22 gekühlt, wozu im vorliegenden Beispiel zwei in Serie geschaltete Wärmetauscher 27, 29 verwendet werden. Wie in 5 ebenfalls zu erkennen ist, wird an der Verteilungsstelle 23a der vom zweiten Kühlaggregat 24 kommende Kühlmittel-Massenstrom m_W,2, der z. B. einen Wert von ca. 0,24 kg/s aufweisen kann, in zwei gleich große Kühlmittel-Massenströme m_W,2/2 (beispielsweise mit ca. 0,12 kg/s) aufgeteilt. Der Teilstrom des Kühlmittels des zweiten Kühlmittelkreislaufs 22, welcher dem Zuführungsgehäuse 12 bzw. einem dort angeordneten weiteren Wärmetauscher 28 zugeführt wird, vereinigt sich an der zweiten Verteilungsstelle 23b mit dem Teilstrom, der parallel dazu die beiden im Absauggehäuse 13 angeordneten Wärmetauscher 27, 29 durchläuft.
Der Kühlmittel-Massenstrom m_W,2 durch den zweiten Kühlkreislauf 22 wird mittels der Pumpe 24 hierbei derart eingestellt, dass die minimale Temperatur T_2,MIN des Kühlmittels beim Austritt aus dem zweiten Kühlaggregat 18 im vorliegenden Beispiel bei ca. 10°C liegt, aber ggf. auch größer sein kann und z. B. bei 20°C, 30°C oder 40°C liegen kann, wobei insbesondere T_1,MIN < T_2,MIN gelten kann. Der dem weiteren Wärmetauscher 28 des Zuführungsgehäuses 12 zugeführte Kühlmittel-Teilstrom erwärmt sich ebenso wie der die beiden Wärmetauscher 27, 29 des Absauggehäuses 13 durchlaufende Kühlmittel-Teilstrom auf eine Temperatur von ca. 50°C bis ca. 100°C. Im Allgemeinen erwärmt sich hierbei der die beiden Wärmetauscher 27, 29 des Absauggehäuses 13 durchlaufende Kühlmittel-Teilstrom stärker als der dem weiteren Wärmetauscher 28 des Zuführungsgehäuses 12 zugeführte Kühlmittel-Teilstrom. An der zweiten Verteilungsstelle 23b vereinigen sich die beiden Teilströme, wodurch sich aufgrund der identischen Kühlmittel-Massenströme eine Mischungstemperatur von T_2,MAX am zweiten Kühlaggregat 18 einstellt, welche dem Durchschnitt der Temperaturen des dem Zuführungsgehäuse 12 zugeführten und des das Absauggehäuse 13 durchlaufende Kühlmittel-Teilstroms entspricht. Das Temperaturniveau, bei dem die thermische Energie an die Umgebung abgegeben werden kann, ist bei der in 5 gezeigten Kühlanordnung 16 somit deutlich größer als bei der in 3 gezeigten Anordnung, so dass auch bei hohen Umgebungstemperaturen T_U von beispielsweise ca. 43°C eine direkte Abgabe von Wärme an die Umgebungsluft möglich ist.
Der erste Kühlmittelkreislauf 21 wird benötigt, um das Lasergas vor dem Eintritt in den Resonator 2 auf Temperaturen von weniger als ca. 40°C abzukühlen. Da das Lasergas durch den im Zuführungsgehäuse 12 angeordneten weiteren Wärmetauscher 28 vorgekühlt wird, kann das Kompressionskühlaggregat 17 des ersten Kühlkreislaufs 21 (bei gleichem Kühlmittelmassenstrom) jedoch kleiner dimensioniert werden als dies bei dem in 3 gezeigten Beispiel der Fall ist. Auf ein Kompressionskühlaggregat für den zweiten Kühlkreislauf 22 kann in 5 vollständig verzichtet werden, so dass auch das gemeinsame Gehäuse 19 für die Kompressions-Kühlaggregate kleiner dimensioniert werden kann.
Mittels des Kompressionskühlaggregats 17 lässt sich der Kühlmittel-Massenstrom m_W,1 durch den ersten Kühlkreislauf 21 einstellen, wobei der Kühlmittel-Massenstrom m_w,1 (im vorliegenden Beispiel ca. 0,8 kg/s) in der Regel größer gewählt wird als der Kühlmittel-Massenstrom m_W,2 des zweiten Kühlkreislaufs 22. Auf diese Weise erhitzt sich wie gewünscht das Kühlmittel des zweiten Kühlkreislaufs 22 stärker als das Kühlmittel des ersten Kühlkreislaufs 21. Die im ersten und zweiten Kühlkreislauf 21, 22 verwendeten Kühlmittel können identisch sein; beispielsweise kann es sich in beiden Fällen um Kühlwasser handeln. Es versteht sich aber, dass ggf. auch unterschiedliche Kühlmittel in den beiden Kühlkreisläufen 21, 22 verwendet werden können.
An Stelle einer direkten Abgabe der thermischen Energie an die Umgebung kann das zweite Kühlaggregat 18 auch eine Wärmeabgabeseite aufweisen, welche mit einer Energierückgewinnungseinheit 25 in Verbindung steht. Die Energierückgewinnungseinheit 25 kann wie in der eingangs erwähnten DE 10 2008 013 816 B4 ausgebildet sein und insbesondere dazu dienen, die zurück gewonnene Energie dem Gaslaser 1 bzw. dem Laserbearbeitungssystem zur Verfügung zu stellen. Beispielsweise kann es sich bei der Energierückgewinnungseinheit um eine Sorptionskältemaschine handeln, welche die erzeugte Kälte an das Kompressionskühlaggregat 17 des ersten Kühlkreislaufs 21 abgibt, wie in 5 durch einen Pfeil angedeutet ist. Es versteht sich, dass auch andere Einsatzmöglichkeiten für die Energierückgewinnungseinheit 25 zur Umwandlung thermischer Energie in andere Energieformen bestehen. Beispielsweise kann diese zur Umwandlung thermischer Energie in mechanische oder elektrische Energie dienen, welche beispielsweise zum Betrieb eines Luftverdichters für den Gaslaser 1 verwendet werden kann.
Hierbei erweist es sich günstig, dass sich mittels der Pumpe 24 der Kühlmittel-Massenstrom m_W,2 des zweiten Kühlkreislaufs 22 und damit das jeweils von der Wärmeabgabeseite des zweiten Kühlaggregats 18 bereitgestellte Temperaturniveau T_2,MAX an die Art einer jeweils verwendeten Energierückgewinnungseinheit anpassen lässt, so dass diese über der Grenztemperatur T_z der jeweils verwendeten Energierückgewinnungseinheit 25 liegt bzw. dieser Grenztemperatur T_Z entspricht.
Die Wärmetauscher 26 bis 29, die in den Zuführungsgehäusen 12 bzw. in den Absauggehäusen 13 angeordnet sind, können auf unterschiedliche Art und Weise ausgebildet sein. Beispielsweise kann es sich bei den Wärmetauschern 26, 27 bzw. 28, 29 um in eine gemeinsame Kühlkassette integrierte Rippenrohre handeln. Dies ist günstig, da bei einem solchen System einzelne Kühlkreisläufe auf besonders einfache Weise abgetrennt werden können. Aber auch Plattenwärmetauscher, Lamellenkühler, Wendelkühler, beispielsweise aus Aluminum, Abgaswärmetauscher etc. können bei der vorliegenden Anwendung als Wärmetauscher 26 bis 29 zum Einsatz kommen.
Es versteht sich, dass anders als in den obigen Beispielen dargestellt ist, zur Kühlung des Lasergases auch mehr oder weniger (in Serie geschaltete) Wärmetauscher verwendet werden können. Beispielsweise kann in einem jeweiligen Absauggehäuse 13 an Stelle von zwei Wärmetauschern 27, 29 nur ein einziger Wärmetauscher angeordnet werden. Die Verwendung einer gleichen Anzahl von Wärmetauschern in den Zuführungsgehäusen 12 sowie den Absauggehäusen 13 (im vorliegenden Beispiel jeweils zwei) hat sich als günstig erwiesen, da dies die Konstruktion des Gaslasers 1 vereinfacht.

Claims

Kühlanordnung (16) zur Kühlung von Lasergas für einen Gaslaser (1), umfassend: einen ersten Kühlkreislauf (21) mit einem ersten Kühlaggregat (17) und mit mindestens einem ersten Wärmetauscher (26) zur Kühlung von Lasergas, welches von einem Gebläse (11) zu einem Resonator (2) des Gaslasers (1) strömt, sowie einen zweiten, vom ersten unabhängigen Kühlkreislauf (22) mit einem zweiten Kühlaggregat (18) und mit mindestens einem zweiten Wärmetauscher (27) zur Kühlung von Lasergas, welches vom Resonator (2) zum Gebläse (11) strömt, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kühlkreislauf (22) mindestens einen weiteren Wärmetauscher (28) zur zusätzlichen Kühlung des von dem Gebläse (11) zum Resonator (2) strömenden Lasergases aufweist.
Kühlanordnung nach Anspruch 1, bei der im Betrieb eine minimale Kühlmitteltemperatur (T₁ _,min) des ersten Kühlkreislaufs (21) geringer ist als eine minimale Kühlmitteltemperatur (T_2,min) des zweiten Kühlkreislaufs (22).
Kühlanordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher der zweite Kühlkreislauf (22) zur parallelen Durchströmung des zweiten Wärmetauschers (27) und des weiteren Wärmetauschers (28) mit einem Kühlmittel ausgebildet ist.
Kühlanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher im Betrieb ein Kühlmittel-Massenstrom (m_w,2/2) durch den weiteren Wärmetauscher (28) kleiner ist als ein Kühlmittel-Massenstrom (m_W,1) durch den ersten Wärmetauscher (26).
Kühlanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche eine Einstelleinrichtung (24) zur Einstellung eines Kühlmittel-Massenstroms (m_W,2) durch den zweiten Kühlkreislauf (22) aufweist.
Kühlanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das erste Kühlaggregat ein Kompressionskühlaggregat (17) ist.
Kühlanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das zweite Kühlaggregat ein Freiluftkühler (18) ist.
Kühlanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher mindestens ein Wärmetauscher (26 bis 29) ausgewählt ist aus der Gruppe: Plattenwärmetauscher, Lamellenkühler, Wendelkühler sowie Abgaswärmetauscher.
Gaslaser (1), umfassend: einen Resonator (2), ein Gebläse (11) zur Erzeugung eines Gasstroms eines Lasergases, sowie eine Kühlanordnung (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Kühlung des Lasergases, welches von dem Gebläse (11) zum Resonator (2) und vom Resonator (2) zum Gebläse (11) strömt.
Gaslaser nach Anspruch 9, weiter umfassend: eine Energierückgewinnungseinheit (25) zur Rückgewinnung von thermischer Energie, die im Betrieb des Gaslasers (1) an dem zweiten Kühlaggregat (2) bereitgestellt wird.
Verfahren zum Kühlen von Lasergas für einen Gaslaser (1), umfassend: Kühlen von Lasergas, welches von einem Gebläse (11) zu einem Resonator (2) strömt, mittels mindestens eines ersten Wärmetauschers (26) eines ersten Kühlkreislaufs (21), Kühlen von Lasergas, welches vom Resonator (2) zum Gebläse (11) strömt, mittels mindestens eines zweiten Wärmetauschers (27) eines zweiten, vom ersten unabhängigen Kühlkreislaufs (22), gekennzeichnet durch zusätzliches Kühlen des Lasergases, welches von dem Gebläse (11) zum Resonator (2) strömt, mittels eines weiteren Wärmetauschers (28) des zweiten Kühlkreislaufs (22).