DE102022116486A1

DE102022116486A1 - Laserbearbeitungskopf mit einem zweiphasigen geschlossenen wärmetauscher

Info

Publication number: DE102022116486A1
Application number: DE102022116486.1A
Authority: DE
Inventors: David Blázquez-Sánchez
Original assignee: Precitec GmbH and Co KG
Current assignee: Precitec GmbH and Co KG
Priority date: 2022-07-01
Filing date: 2022-07-01
Publication date: 2024-01-04
Also published as: WO2024002865A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Laserbearbeitungskopf (1) mit einem zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher (200) zum Kühlen einer Komponente des Laserbearbeitungskopfs (1) durch Phasenwechsel eines Arbeitsfluids (150, 152) des Wärmetauschers (100).

Description

Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Laserbearbeitungskopf zur Bearbeitung von Werkstücken mit einer Vorrichtung zum Kühlen einer Komponente des Laserbearbeitungskopfs.
Hintergrund und Stand der Technik
Aufgrund der ständig steigenden Laserleistung, die heute für die Lasermaterialbearbeitung eingesetzt wird, sind auch die Anforderungen an Laserbearbeitungsköpfe, insbesondere an fasergeführte Systeme, gestiegen, um die hohe Leistung wirklich zu erhalten bzw. über eine Betriebsdauer und/oder Lebensdauer des Laserbearbeitungskopfs aufrechtzuerhalten.
Eine wesentliche Herausforderung für Laserbearbeitungsköpfe ist die Temperaturerhöhung durch optische Verluste. Die Temperaturerhöhung bzw. Erwärmung wirkt sich nicht nur auf optische Komponenten oder Elemente als solches aus, sondern auch auf ein Gehäuse oder eine Halterung, in dem das optische Element aufgenommen bzw. montiert ist, oder auf eine Steuerplatine des Laserbearbeitungskopfs. Aus diesem Grund ist es oft notwendig, die Laserbearbeitungsköpfe abzukühlen, um eine notwendige Systemfunktionalität sowie eine Prozessstabilität zu erhalten bzw. zu erzielen. Ein Grund für die Erwärmung ist unkontrollierte Strahlung, z.B. Strahlteile des Laserstrahls, die auf ein mechanisches Teil des Laserbearbeitungskopfs, beispielsweise einen optischen Linsenhalter, trifft, so dass die mechanische Komponente erwärmt wird. Die Wärme wird von der mechanischen Komponente, beispielsweise dem Linsenhalter, durch Leitung, Strahlung und Konvektion auf weitere Komponenten übertragen, so dass diese ebenfalls erwärmt werden. Ein Beispiel für die Strahlung ist beispielsweise Rückreflexion des Laserstrahls von einer im Laserbearbeitungskopf enthaltenen Komponente, insbesondere von optischen Elementen, oder vom Werkstück. Die Strahlung kann ihren Ursprung aber auch in Prozessemissionen haben. Weitere Wärmequellen im Lasermaterialbearbeitungskopf sind mechanische Teile, die eine optische Apertur begrenzen und damit den Laserstrahl abschneiden, z.B. Blenden.
Je nach Bearbeitungsprozess des Laserbearbeitungskopfs sind auch andere Wärmequellen zu berücksichtigen. Bei einem Sauerstoff-Laserschneidprozess, z.B. von Baustahl, fördert ein Sauerstoff-Hilfsgas die Oxidation der geschmolzenen Schmelze. Die durch die Oxidationsreaktion freigesetzte Energie verbessert den Schneidprozess, wirkt aber als zusätzliche Wärmequelle.
Darüber hinaus soll eine Fokusposition der optischen Elemente eine hohe Stabilität aufweisen. Eine Restabsorption der Oberflächenbeschichtungen und der optischen Substrate führt zu einer ungleichmäßigen Erwärmung der optischen Elemente und zur Anhäufung von thermischen Spannungen, insbesondere bei refraktiven optischen Elementen wie Linsen. Dadurch wird eine thermische Drift der Fokusposition erzeugt, die sich negativ auf eine Schneidgeschwindigkeit, Schnittqualität sowie auf eine Toleranz von Betriebsparametern des Schneidprozesses auswirkt.
Daher ist ein Kühlsystem notwendig, um die optischen Elemente oder weitere Komponenten des Laserbearbeitungskopfs zu kühlen bzw. um die Wärme aus den optischen Elementen abzuführen. Je nach Lage der erwärmten Komponente bzw. des erwärmten Elements ist ein aufwendiges Kühlsystem notwendig. Insbesondere bewegliche optische Elemente sind aufgrund einer geringeren thermischen Kopplung mit dem Gehäuse, in dem sich normalerweise das Kühlsystem befindet, schwieriger zu kühlen. Diese aufwendigen Kühlsysteme führen zu hohen Kosten des Laserbearbeitungskopfs.
Bekannte Kühlsysteme basieren zumeist auf einem wassergekühlten oder gasgekühlten Kreislauf. US 9066412 B2 zeigt beispielsweise eine Vorrichtung mit einer Optik, die eine nicht-planare Oberfläche mit einer ringförmigen Peripherie und eine Strömungsführung aufweist. Die Strömungsführung läuft konzentrisch um die ringförmige Peripherie herum und weist eine Vielzahl von Düsen auf, die auf einer nach innen gerichteten Oberfläche der Strömungsführung angeordnet sind. Die Vielzahl von Düsen richten Gas auf die nicht-planare Oberfläche, um eine turbulente Strömung auf mindestens einem Teil des optisch aktiven Teils der nicht-planaren Oberfläche zu erzeugen, um die Optik zu kühlen. EP 2 162 774 B1 zeigt eine Vorrichtung zur Kühlung optischer Elemente mit hoher optischer Leistung durch einen oder mehrere Hohlräume, die mit einem fließenden Kühlmittel durchströmt sind.
In wassergekühlten Kühlsystemen gilt es Korrosion, mikrobiologisches Wachstum oder Kesselsteinbildung zu vermeiden. Ein Beispiel für Korrosion ist galvanische Korrosion, die entsteht, wenn zwei Metalle mit unterschiedlichen Elektrodenpotentialen in elektrischem Kontakt stehen und in dieselbe Wasserumgebung eingetaucht werden. Die Potentialdifferenz, die zwischen den beiden in Kontakt stehenden Metallen entsteht, zwingt die Elektronen dazu, vom weniger edlen zum edleren Metall zu fließen. Auf der weniger edlen Metalloberfläche tritt Korrosion auf, wobei Elektronen abgegeben werden, die auf der edleren Metalloberfläche durch eine Reduktionsreaktion verbraucht werden, die viele chemische Formen annehmen kann. Beispielsweise kann Aluminium durch Kupfer galvanisch angegriffen werden, da sich in geringen Konzentrationen gelöste Kupferionen auf der Aluminiumoberfläche ablagern und das galvanische Korrosionspaar bilden. Daher bestehen wassergekühlte Kühlsysteme aus teuren oder schwierig zu bearbeitenden korrosionsbeständigen Materialen oder Legierungen. Auch das Wasser der Kühlsysteme weist aufwendige Zusätze auf. Als korrosionsbeständiges Material für wassergekühlte Teile wird üblicherweise Edelstahl verwendet. Edelstahl weist jedoch eine sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit auf.
Zusammenfassung der Erfindung
Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Laserbearbeitungskopf bereitzustellen, in dem ein Wärmeabtransport bzw. eine Kühlung von Komponenten des Laserbearbeitungskopfs, beispielsweise von optischen Elementen, gewährleistet ist, um höhere Laserleistungen für die Materialbearbeitung zu ermöglichen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Laserbearbeitungskopf mit einer kompakten, effizienten, robusten und kostengünstigen Kühlung bereitzustellen. Insbesondere ist es eine Aufgabe, einen Laserbearbeitungskopf, bei dem Platz ein Problem ist, effizient und kostengünstig zu kühlen, so dass eine höhere Laserleistung realisiert werden kann.
Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Laserbearbeitungskopf anzugeben, in dem auf effiziente und kompakte Weise Wärme von Elementen des Laserbearbeitungskopfs abgeführt werden kann, die innerhalb des Laserbearbeitungskopfs angeordnet und/oder schwer zugänglich sind und/oder die in einem Bereich des Laserbearbeitungskopfs angeordnet sind, an dem nur ein geringer Bauraum für die kühlende Komponenten zu Verfügung steht.
Diese Aufgaben werden durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sowie Weiterentwicklungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Idee, zumindest einen zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher zum Kühlen zumindest einer Komponente des Laserbearbeitungskopfs zu verwenden. Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher basiert auf einer Phasenänderung einer Flüssigkeit bzw. eines Fluids, wobei durch Nutzung der Verdampfungsenthalpie der Flüssigkeit deren Wärmeleitfähigkeit deutlich erhöht wird. Durch den Einsatz von zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschern kann ein Wärmetransport erhöht und dadurch höhere Laserleistungen für die Materialbearbeitung ermöglicht werden.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Laserbearbeitungskopf zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls angegeben, wobei der Laserbearbeitungskopf umfasst: ein Gehäuse, wenigstens ein optisches Element, das in dem Gehäuse angeordnet ist; und zumindest einen zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher zum Kühlen wenigstens einer Komponente des Laserbearbeitungskopfs durch Phasenwechsel eines Arbeitsfluids des Wärmetauschers. Das Gehäuse kann einen Optikraum definieren, in dem das optische Element angeordnet ist. Das optische Element kann eingerichtet sein, den Laserstrahl zu führen und/oder zu formen. Das optische Element kann beispielsweise eine Linse, eine Linsengruppe, eine Kollimationsoptik, eine Fokussieroptik, ein Strahlteiler, ein Spiegel, eine Blende, ein Schutzglas u.ä. sein.
Der Wärmetauscher ist geschlossen, sodass kein Arbeitsfluid aus dem Wärmetauscher austreten kann. Der Wärmetauscher kann hermetisch gekapselt und/oder hermetisch dicht und/oder vakuumversiegelt sein. Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher kann dann als zweiphasiger hermetisch gekapselter Wärmetauscher bzw. als zweiphasiger hermetisch dichter Wärmetauscher bezeichnet werden. Ein Druck im Inneren des zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschers kann kleiner sein als ein Umgebungsdruck. Der Phasenwechsel kann insbesondere zwischen der Flüssigphase und der Gas- bzw. Dampfphase des Arbeitsfluids stattfinden. Dabei kann es sich um eine (quasi) isotherme Zustandsänderung handeln. Mit anderen Worten kann der Wärmetauscher eingerichtet sein, durch Wechsel zwischen dem Arbeitsfluid in gasförmiger Phase (Dampf) und dem Arbeitsfluid in flüssiger Phase (Kondensat) Wärme abzuführen.
Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher ist eine passive Vorrichtung, in der ein Wärmetransport von einem Bereich mit hoher Temperatur (Verdampfungszone) zu einem Bereich mit niedriger Temperatur (Kondensationszone) ohne äußere Energiezufuhr erfolgt. Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher ist somit eine flexibel einsetzbare, kompakte und robuste Vorrichtung zur Kühlung von Komponenten des Laserbearbeitungskopfs.
Die zu kühlende Komponente des Laserbearbeitungskopfs kann am Gehäuse und/oder im Gehäuse und/oder im Optikraum angeordnet sein. Die zu kühlende Komponente des Laserbearbeitungskopfs kann eine Komponente sein, die in besonders hohem Maße Wärme- und/oder Laserstrahlung ausgesetzt ist. Beispielsweise kann die zu kühlende Komponente gegenüberliegend zu einem optischen Element im Gehäuse angeordnet sein, insbesondere zu einem reflektierenden optischen Element (z.B. einem Spiegel) oder zu einem teilreflektierenden optischen Element (z.B. einem Strahlteiler). Die zu kühlende Komponente des Laserbearbeitungskopfs kann zumindest eine der folgenden Komponenten umfassen bzw. sein: das wenigstens eine optische Element, eine Halterung eines optischen Elements, ein bewegliches optisches Element, das Gehäuse, einen Teil des Gehäuses, eine Düse, eine Faserbuchse, eine Blende, einen Strahlteiler, einen Spiegel, ein elektronisches Bauteil, eine Steuerplatine, etc. Die zu kühlende Komponente kann also eine wärmeempfindliche Komponente des Laserbearbeitungskopfs, wie beispielsweise das wenigstens eine optische Element oder die Steuerplatine, sein. Die zu kühlende Komponente kann eine schlechte Wärmeabfuhr aufweisen. Eine schlechte Wärmeabfuhr weisen insbesondere bewegliche Komponenten auf, da diese nur geringfügig im Kontakt mit dem Gehäuse stehen und daher die Wärme schlecht aus den beweglichen Komponenten abgeführt werden kann. Die zu kühlende Komponente kann ein Teil des Gehäuses sein, auf den der Laserstrahl und/oder Reflexe des Laserstrahls auftreffen. Die zu kühlende Komponente kann in einem Teil des Gehäuses angeordnet sein, in dem der Platz begrenzt ist, so dass dieser Teil des Gehäuses schlecht zugänglich ist und durch aktive Kühlvorrichtungen nur schlecht gekühlt werden kann.
Die zu kühlende Komponente kann ein Spiegel, beispielsweise ein schwenkbarer Spiegel einer Scanvorrichtung, sein. Beispielsweise kann der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher auf eine Rückwand des Spiegels und/oder auf einem Halter bzw. Träger des Spiegels angebracht sein oder einen Halter bzw. Träger des Spiegels bilden. Dadurch kann verhindert werden, dass sich der Spiegel zu stark aufheizt und sich ein Kleber zwischen Halter bzw. Träger und Spiegel löst.
Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher kann am Gehäuse und/oder im Gehäuse und/oder im Optikraum angeordnet sein.
Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher kann in Kontakt mit der zu kühlenden Komponente stehen und/oder einen Teil derselben bilden.
Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher kann eine beliebige Geometrie aufweisen. Beispielsweise kann der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher eine Zylinderform, Quaderform oder Würfelform aufweisen und/oder einen runden oder vieleckigen, insbesondere rechteckigen Querschnitt aufweisen.
Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher kann beispielsweise ein Wärmerohr sein, d.h. er kann rohrförmig und/oder langgestreckt geformt sein. Dabei kann die Ausdehnung des zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschers entlang seiner Wärmetransportrichtung kleiner als seine Ausdehnung senkrecht dazu sein. Mit anderen Worten kann der Wärmetransport entlang einer Längsachse des Wärmetauschers erfolgen.
Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher kann eine Wärmekammer bzw. Wärmeplatte sein, d.h. er kann quaderförmig bzw. plattenförmig geformt sein. Dabei kann die Ausdehnung des zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschers entlang der Wärmetransportrichtung kleiner als seine Ausdehnung senkrecht dazu sein. Mit anderen Worten kann der Wärmetransport quer zu einer Längsachse des Wärmetauschers erfolgen.
Der Laserbearbeitungskopf kann ein Laserschweißkopf, Laserauftragsschweißkopf, Laserschneidkopf, Laserbohrkopf, Laserlötkopf oder Lasergravurkopf sein. Der Laserbearbeitungskopf kann insbesondere für eine Bearbeitung mittels eines hochenergetischen Laserstrahls eingerichtet sein. Beispielsweise kann der Laserbearbeitungskopf eingerichtete sein, einen Laserstrahl auf dem Werkstück mit einer Energiedichte auf dem Werkstück größer 1 mJ/cm² zu führen.
Der Laserbearbeitungskopf kann ein Festoptikkopf oder ein Scannerkopf sein. Ein Scanner-Laserbearbeitungskopf kann eine Scanvorrichtung, z.B. einen Galvoscanner, umfassen, die eingerichtet ist, den Laserstrahl in zumindest einer Richtung, vorzugsweise in zwei zueinander orthogonalen Richtungen, senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung auszulenken. Die Scanvorrichtung kann zumindest einen schwenkbaren Spiegel umfassen. Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher kann an und/oder in einem Teil des Gehäuses vorgesehen sein, in dem die Scanvorrichtung angeordnet ist. Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher kann so im Gehäuse angeordnet sein, dass Reflexe von der Scanvorrichtung bzw. vom Spiegel und/oder von der Fokussieroptik, z.B. von einer F-theta Optik, auf denselben treffen. Insbesondere kann der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher dem Spiegel der Scanvorrichtung und/oder der Fokussieroptik gegenüberliegend angeordnet sein.
Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher kann zumindest eine Verdampfungszone zur Wärmeaufnahme und zumindest eine Kondensationszone zur Wärmeabgabe umfassen. Vorzugsweise kann die Verdampfungszone benachbart zu der zu kühlenden Komponente und/oder in Kontakt mit der zu kühlenden Komponente und/oder an der zu kühlenden Komponente angeordnet sein.
Die Verdampfungszone ist der Bereich, in dem das Arbeitsmedium durch die aufgenommene Wärme verdampft, d.h. von einer flüssigen in eine gasförmige Phase wechselt. Die Kondensationszone ist der Bereich, in dem das Arbeitsmedium durch Wärmeabgabe kondensiert, d.h. von einer gasförmigen in eine flüssige Phase wechselt. Insbesondere kann der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher eine Kondensationszone und mehrere, z.B. zwei, Verdampfungszonen aufweisen oder umgekehrt. Beispielsweise kann der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher eine Verdampfungszone zwischen zwei Kondensationszonen aufweisen.
Eine Oberfläche des zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschers, insbesondere eine Oberfläche der Verdampfungszone, kann eine Beschichtung und/oder Struktur aufweisen, die eine Absorption von Laserstrahlung und/oder Wärmestrahlung verstärkt bzw. verbessert. Eine Oberfläche des zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschers, insbesondere eine Oberfläche der Kondensationszone, kann eine Beschichtung und/oder Struktur aufweisen, die eine Wärmeabfuhr verstärkt bzw. verbessert.
Der Rücktransport des Arbeitsfluids zur Verdampfungszone kann passiv erfolgen. Insbesondere kann der Transport des dampfförmigen Arbeitsfluids, das in der Verdampfungszone verdampft ist, zur Kondensationszone und/oder der Transport des flüssigen Arbeitsfluids, das in der Kondensationszone kondensiert ist, zurück zur Verdampfungszone passiv erfolgen, d.h. ohne externe Energiezufuhr.
Der Transport des Arbeitsfluids in flüssiger Phase von der Kondensationszone zu der Verdampfungszone kann durch Kapillarkraft bzw. aufgrund eines Dochtprinzips und/oder Schwerkraft erfolgen.
Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher kann ein Kapillarelement umfassen, das eingerichtet ist, das Arbeitsfluid in flüssiger Phase von der Kondensationszone zu der Verdampfungszone zu transportieren. Das Kapillarelement kann auch als Docht bezeichnet werden. Das Kapillarelement kann ein Drahtgewebe sein und/oder eine rillenförmige Kapillarstruktur aufweisen. Das Kapillarelement wird zum passiven Rücktransport des Arbeitsfluids zur Verdampfungszone eingesetzt. Der passive Rücktransport des Arbeitsfluids zur Verdampfungszone durch ein Kapillarelement basiert also auf dem sogenannten Dochtprinzip.
Die Verdampfungszone kann kleiner sein als die Kondensationszone. Mit anderen Worten kann die Verdampfungszone eine kleinere Fläche aufweisen als die Kondensationszone.
Dadurch kann die Wärme über eine möglichst große Fläche und damit möglichst schnell aus dem zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher abgeführt werden.
Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher und/oder die Kondensationszone kann passiv und/oder aktiv gekühlt sein. Dadurch kann die Wärme aus dem zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher effektiv abgeführt werden. Beispielsweise kann der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher und/oder die Kondensationszone an ein aktive Kühlvorrichtung und/oder an ein passives Kühlelement angrenzen oder damit in Kontakt stehen.
Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher kann eine Vielzahl von Kühlrippen zur passiven Kühlung umfassen. Durch dieses passive Kühlelement kann die Wärmeabgabe verbessert werden. Die Kühlrippen können an der Kondensationszone des zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschers angeordnet sein.
Der Laserbearbeitungskopf kann eine aktive Kühlvorrichtung zum Kühlen des zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschers, insbesondere der Kondensationszone, umfassen. Die aktive Kühlvorrichtung kann beabstandet zu der zu kühlenden Komponente angeordnet sein. Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher kann zwischen der aktiven Kühlvorrichtung und der zu kühlenden Komponente angeordnet sein und/oder in Kontakt sowohl mit der aktiven Kühlvorrichtung als auch mit der zu kühlenden Komponente stehen.
In diesem Beispiel kann die Wärme durch den zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher von der zu kühlenden Komponente zu einer aktiven Kühlvorrichtung abgeleitet werden. Die zu kühlende Komponente kann sich beispielsweise an einer schlecht zugänglichen Stelle des Laserbearbeitungskopfs befinden. Aufgrund des Wärmetransports durch den zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher kann die aktive Kühlvorrichtung an einer gut zugänglichen Stelle des Laserbearbeitungskopfs angeordnet sein. Durch diese Anordnung können einfache aktive Kühlvorrichtungen eingesetzt werden, da der Bauraum für die aktive Kühlvorrichtungen weniger bzw. kaum beschränkt ist.
Die aktive Kühlvorrichtung kann einen Lüfter umfassen oder ein Lüfter sein. Die aktive Kühlvorrichtung kann ein Peltier-Element umfassen oder ein Peltier-Element sein.
Die aktive Kühlvorrichtung kann einen Kühlkörper, der eingerichtet ist, von einem Kühlmittel durchströmt zu werden, und einen Kühlmittelanschluss, zum Einfüllen bzw. Einleiten des Kühlmittels, umfassen. Die aktive Kühlvorrichtung kann eingerichtet sein, die Wärme aktiv abzutransportieren. Die aktive Kühlvorrichtung kann eine äußere Energiezufuhr benötigen. Insbesondere kann die aktive Kühlvorrichtung eingerichtet sein, die Wärme durch ein aktiv geführtes Kühlmittel, beispielsweise Wasser, Gas oder Luft, abzuführen.
Der Kühlkörper der aktiven Kühlvorrichtung kann in Kontakt mit dem zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher stehen, insbesondere mit der Kondensationszone des zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschers. Dadurch kann die Wärme möglichst effektiv von dem zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher abgeführt werden.
In einem Ausführungsbeispiel ist der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher als Blende zur Begrenzung eines Durchmessers des Laserstrahls ausgebildet. Der als Blende ausgebildete Wärmetauscher kann zwischen einem Eintrittsport des Laserbearbeitungskopfs zum Einkoppeln des Laserstrahls, beispielsweise eine Faserbuchse, und einer Kollimationsoptik angeordnet sein. Damit kann der Laserstahl begrenzt werden, um zu vermeiden, dass dieser einen definierten Durchmesser bzw. eine definierte Geometrie überschreitet und dadurch Bauteile des Laserbearbeitungskopfs beschädigt. Der als Blende ausgebildete Wärmetauscher kann aber auch in einer Düse des Laserbearbeitungskopfs angeordnet sein. Hierdurch kann die Düse gekühlt werden. Zudem kann der Laserstrahl oder vom Werkstück ausgehende Prozessstrahlung derart begrenzt werden, dass dieser bzw. diese nicht auf eine Innenfläche der Düse und/oder andere Komponenten trifft.
In einem Ausführungsbeispiel ist der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher als Optikhalter ausgebildet, in dem das optische Element gehalten ist. Der als Optikhalter ausgebildete Wärmetauscher kann die Form eines Hohlzylinders bzw. eines doppelwandigen Hohlzylinders aufweisen, in dessen Öffnung das optische Element gehalten ist. Der Optikhalter kann beweglich im Laserbearbeitungskopf angeordnet sein, sodass eine Position des darin gehaltenen optischen Elements einstellbar ist. Beispielsweise kann das im Optikhalter gehaltene optische Element eine Kollimationsoptik sein. In diesem Fall kann durch Verschieben des Optikhalters mit der Kollimationsoptik die Fokuslage eingestellt werden.
Der Laserbearbeitungskopf kann einen Strahlteiler umfassen. Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher kann an einer dem Strahlteiler gegenüberliegenden Gehäusewand angeordnet sein.
Der Strahlteiler kann eingerichtet sein, den Laserstrahl passieren zu lassen. Der Strahlteiler kann im Strahlengang des Laserstrahls angeordnet sein. Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher kann so angeordnet sein, dass ein an dem Strahlteiler reflektierter Teil des Laserstrahls auf den zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher trifft. Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher kann also benachbart zum Strahlteiler in einer Richtung senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung des auf den Strahlteiler einfallenden Laserstrahls im Gehäuse angeordnet sein. Mit anderen Worten kann der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher so angeordnet sein, dass Strahlung, die an dem Strahlteiler unerwünschter Weise reflektiert wird, d.h. die den Strahlteiler eigentlich hätte passieren bzw. durch den Strahlteiler hätte hindurchtreten sollen, auf den zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher trifft. Die durch Absorption entstehende Wärme kann somit durch den zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher abgeführt werden. Hierdurch kann eine Überhitzung des Gehäuses verhindert werden.
Der Strahlteiler kann eingerichtet sein, den Laserstrahl zu reflektieren. Der Strahlteiler kann im Strahlengang des Laserstrahls angeordnet sein. Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher kann so angeordnet sein, dass ein durch den Strahlteiler hindurchgetretener Teil des Laserstrahls auf den zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher trifft. Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher kann also benachbart zum Strahlteiler in der Ausbreitungsrichtung des auf den Strahlteiler einfallenden Laserstrahls im Gehäuse angeordnet sein. Mit anderen Worten kann der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher so angeordnet sein, dass Strahlung, die den Strahlteiler unerwünschter Weise passiert bzw. durch den Strahlteiler hindurchtritt, d.h. die eigentlich an dem Strahlteiler hätte reflektiert werden sollen, auf den zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher trifft. Die durch Absorption entstehende Wärme kann somit durch den zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher abgeführt werden. Hierdurch kann eine Überhitzung des Gehäuses verhindert werden.
Beispielsweise kann der Laserbearbeitungskopf einen Strahlteiler zum Auskoppeln von Prozessstrahlung aus dem Strahlengang des Laserstrahls und eine Sensoreinheit zum Erfassen der ausgekoppelten Prozessstrahlung umfassen. Prozessstrahlung kann Rückreflexe des Laserstrahls am Werkstück oder Prozessemissionen umfassen, wie beispielsweise Plasmastrahlung, Temperaturstrahlung, IR-Strahlung oder UV-Strahlung. Der Wärmetauscher kann gegenüber der Sensoreinheit angeordnet sein. Der Wärmetauscher kann so angeordnet sein, dass der Strahlteiler zwischen der Sensoreinheit und dem Wärmetauscher liegt. In einem weiteren Beispiel kann der Laserbearbeitungskopf eine optische Messvorrichtung, beispielsweise eine optische Kohärenztomographie- (kurz OCT) Vorrichtung, und einen Strahlteiler zum Einkoppeln eines Messstrahls der OCT-Vorrichtung in den Strahlengang des Laserstrahls umfassen. Der Wärmetauscher kann so angeordnet sein, dass der Strahlteiler zwischen der OCT-Vorrichtung und dem Wärmetauscher liegt.
Vorzugsweise umfasst der Laserbearbeitungskopf eine Düse mit einer Austrittsöffnung für den Laserstrahl. Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher kann in der Düse angeordnet sein und/oder einen Teil der Düse bilden. Insbesondere die Düse wird durch Prozessemissionen, reflektierte Laserstrahlung oder oxidative Reaktionen stark erhitzt. Zudem ist der Bauraum in der Düse stark begrenzt. Daher ist es vorteilhaft, wenn die Wärme aus der Düse besonders platzsparend abgeführt werden kann.
Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher kann in Form eines Hohlzylinders und/oder als Optikhalterung und/oder ringförmig zur Begrenzung des Laserstrahls ausgebildet sein. Beispielsweise kann der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher eine Halterung eines beweglichen optischen Elements, etwa einer Kollimationsoptik, oder zumindest einen Teil von der Halterung bilden. Da die Halterung einer beweglichen Optik aufgrund der geringen Kontaktfläche besonders schlecht Wärme ableiten kann, kann ein als Optikhalterung ausgebildeter Wärmetauscher die Kühlung der Optik deutlich verbessern.
Das Arbeitsfluid kann Wasser, Aceton, Alkalimetall, Natrium oder Lithium oder aus einem Gemisch aus zumindest zwei dieser Stoffe sein oder umfassen.
Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher kann aus einem Werkstoff bzw. Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit geformt sein und/oder eines der folgenden Materialien umfassen: Kupfer, Aluminium, Edelstahl, warmfester Stahl und/oder Nickelbasislegierung.
Vorzugsweise umfasst der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher eine Hülle, die einen Innenraum definiert. Das Arbeitsfluid ist in dem Innenraum enthalten. Die Hülle kann beispielsweise aus einem Werkstoff bzw. Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit sein und/oder zumindest eines der folgenden Materialien umfassen: Kupfer, Aluminium, Edelstahl, warmfester Stahl und/oder Nickelbasislegierung.
In dem zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher bzw. in dem Innenraum kann ein Kapillarelement zum Transportieren des Arbeitsfluids in flüssiger Phase durch Kapillarkraft angeordnet sein. Das Kapillarelement kann an oder benachbart zu einer Innenfläche der Hülle angeordnet sein. Das Kapillarelement kann den Innenraum zumindest teilweise oder vollständig ausfüllen.
In dem zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher bzw. in dem Innenraum kann ein Dampfkanal zum Führen des Arbeitsfluids in gasförmiger Phase angeordnet sein. Der Dampfkanal kann beispielsweise eine nichtbenetzbare poröse Struktur umfassen. Wenn sowohl das Kapillarelement als auch der Dampfkanal vorgesehen sind, kann das Kondensat und der Dampfstrom voneinander entkoppelt werden, um die Wärmeübertragung des zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschers zu verbessern.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren im Detail beschrieben:

1 zeigt eine Funktionsweise eines zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 zeigt eine Funktionsweise eines weiteren zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
3 zeigt einen Laserbearbeitungskopf mit einem zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
4 zeigt einen als Blende ausgebildeten, zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
5 zeigt einen als Blende ausgebildeten, zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
6 zeigt eine Anordnung eines als Blende ausgebildeten, zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher benachbart zu einem Eintrittsport eines Laserbearbeitungskopfs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
7 zeigt einen Laserbearbeitungskopf gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit einem zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher, der in einer Düse angeordnet ist;
8 zeigt einen als Optikhalterung ausgebildeten, zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
9 zeigt eine Schnittansicht des zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschers, der in 8 dargestellt ist;
10 zeigt einen Laserbearbeitungskopf gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit einem als Optikhalterung ausgebildeten, zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher; und
11 zeigt einen Laserbearbeitungskopf gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit einer Scanvorrichtung zum Auslenken des Laserstrahls und einem zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Hierbei bezeichnen dieselben Bezugszeichen dieselben Teile.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein zweiphasiger geschlossener Wärmetauscher 100 zur Kühlung von Komponenten eines Laserbearbeitungskopfs eingesetzt, die beispielsweise durch Laserstrahlung und/oder aufgrund der geringen Entfernung zu dem zu bearbeitenden Werkstück erhitzt werden.
1 und 2 zeigen jeweils einen zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher 100 gemäß einer Ausführungsform. Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 hat eine Hülle 110, die einen Innenraum 130 umschließt. In dem Innenraum 130 befindet sich ein Arbeitsfluid 150, 152.
Das Funktionsprinzip der Phasenwechselkühlung mit Hilfe des zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschers 100 wird in 1 und 2 veranschaulicht. Es nutzt Verdampfung, Kondensation und Bewegung eines Arbeitsfluids, um hohe Wärmeübertragungsraten mit sehr kleinen Temperaturgradienten zu erreichen. Der Teil des zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschers 100, der der Aufnahme von Energie bzw. Wärmeleistung Q_in dient, wird als Verdampfungszone 111 bezeichnet und der Teil, der der Abgabe von Energie bzw. Wärmeleistung Q_out dient, wird als Kondensationszone 112 bezeichnet. An der Verdampfungszone 111 wird Wärme aufgenommen, die einen Phasenwechsel des Arbeitsfluids von einer flüssigen Phase 150 in eine gasförmige Phase 152 bewirkt. Die aufgenommene Wärmeleistung Q_in wird von dem Arbeitsfluid in gasförmiger Phase 152 von der Verdampfungszone 111 zu der Kondensationszone 112 transportiert. Dort kondensiert das Arbeitsfluid in gasförmiger Phase 152, d.h. es wechselt von der gasförmigen Phase 152 in die flüssige Phase 150. Dadurch wird die Wärmeleistung Q_out an der Kondensationszone 112 abgegeben.
Wenn Wärme Q_in zugeführt wird, verdampft das Arbeitsfluid in flüssiger Phase 150 in der Nähe einer heißen Stelle der Hülle 110 (d.h. Verdampfungszone 111) und füllt aufgrund der Druckdifferenz das gesamte Volumen des Innenraums 130 mit Arbeitsfluid in gasförmiger Phase 152. Wenn das Arbeitsfluid in gasförmiger Phase 152 mit einer kühleren Wandfläche der Hülle 110 (d.h. Kondensationszone 112) in Kontakt kommt, kondensiert es. Das kondensierte Arbeitsfluid in flüssiger Phase 150 kehrt dann entweder durch Kapillarwirkung, Zentrifugalkraft oder Schwerkraft zur Wärmequelle bzw. zur Verdampfungszone 111 zurück und der Zyklus wiederholt sich.
Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 kann hermetisch gekapselt und/oder vakuumversiegelt sein. Während der Herstellung wird Luft aus dem zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher 100 entfernt, um den Druck im Innenraum 130 zu verringern (bis ca. 0,008 bar). Anschließend wird der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 mit dem Arbeitsfluid 150, 152 gefüllt. Der niedrige Druck in dem Innenraum 130 ermöglicht eine Verdampfung des Arbeitsfluids in flüssiger Phase 150 bei einer Temperatur, die viel niedriger ist als die normale Siedetemperatur.
Aufgrund des verringerten Drucks füllt das Arbeitsfluid 150, 152 den Innenraum 130 größtenteils in gasförmiger Phase aus und liegt nur zu einem geringen Teil in flüssiger Phase vor. Da sich das Arbeitsmedium in flüssiger Phase 150 und das Arbeitsmedium in gasförmiger Phase 152 im selben Raum befinden, wird der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 im Nassdampfbereich betrieben. Dadurch herrscht in dem zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher 100 bei einem bestimmten Druck genau eine bestimmte Temperatur. Da die Druckunterschiede in dem zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher 100 sehr klein sind, meist wenige Pascal, ist auch die Temperaturdifferenz zwischen Verdampfungszone 111 und Kondensationszone 112 gering und beträgt maximal einige Kelvin. Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 hat daher einen sehr geringen thermischen Widerstand. Der Bereich zwischen Verdampfungszone 111 (Wärmequelle Q_in) und Kondensationszone 112 (kühleren Wandoberfläche Q_out) ist praktisch isotherm.
Aufgrund der sehr hohen Wärmeübergangskoeffizienten für Verdampfen und Kondensieren sind zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 hochwirksame Wärmeleiter. Die effektive Wärmeleitfähigkeit hängt von der Geometrie ab, kann aber bis zum Zehnfachen der Wärmeleitfähigkeit eines Kupferbauteils mit ähnlicher Geometrie betragen.
Die Hülle 110 kann aus Kupfer bestehen. Alternativ kann Edelstahl oder Aluminium verwendet werden. Verschiedene Fluide können als Arbeitsfluid 150, 152 des zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschers 100 verwendet werden, insbesondere Aceton, Wasser oder Natrium. In den meisten Anwendungen wird jedoch Wasser aufgrund seiner hohen latenten Wärme, Oberflächenspannung, Wärmeleitfähigkeit und Siedetemperatur als Arbeitsfluid 150, 152 ausgewählt, ganz zu schweigen von den Kosten- und Umweltbedenken. Das Material der Hülle 110, das Kapillarelement 120 und das Arbeitsfluid 150, 152 werden insbesondere in Abhängigkeit von der Anwendung und der Betriebstemperatur ausgewählt. Weiter kann die Hülle 110 an deren Außenseite mit einer Beschichtung behandelt oder strukturiert sein, um eine Absorption von Wärmestrahlung und/oder Laserstrahlung zu verbessern.
Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 kann gemäß Ausführungsformen ein Kapillarelement 120 bzw. einen Docht umfassen. Das Arbeitsfluid in flüssiger Phase 150 wird dann allein oder zusätzlich aufgrund von durch das Kapillarelement 120 erzeugten Kapillarkräften wieder von der Kondensationszone 112 zur Verdampfungszone 111 zurückgeleitet. Das Kapillarelement 120 bzw. der Docht kann je nach Anwendung und Ausrichtung des Wärmetauschers als Kühlgerät variieren. Das Kapillarelement 120 kann insbesondere gerillt und/oder ein Drahtgewebe und/oder gesintert und/oder wärmeleitend sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Rücktransport des Arbeitsfluids zur Verdampfungszone 111 durch die Schwerkraft erfolgen. Hierfür ist eine geeignete Orientierung des zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschers 100 wichtig.
Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 ist ein sehr zuverlässiges thermisches Gerät. Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 hat keine beweglichen Teile und verwendet keine korrosiven Materialien. Das Arbeitsfluid 150, 152 und das Kapillarelement 120 sind dauerhaft in der Hülle 110 eingekapselt. Es gibt nahezu keinen mechanischen oder chemischen Abbau im Laufe der Zeit. Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 ist flexibel an Stellen mit einem geringen Einbauraum einsetzbar und kann Wärme an einen entfernten Ort leiten, an dem Platz für entsprechende Kühlkörper bzw. aktive Kühlvorrichtungen vorhanden ist.
In 1 ist ein zweiphasiger geschlossener Wärmetauscher 100 in Form eines Wärmerohrs gezeigt, das ein langgestrecktes Metallgefäß mit einem hermetisch abgeschlossenen Volumen sein kann. Der Wärmetauscher 100 umfasst eine Hülle 110, ein Kapillarelement 120 und das Arbeitsfluid 150, 152. Das Kapillarelement 120 dient dazu, Kapillarkräfte zu erzeugen, um das Arbeitsmedium nach Kondensation wieder an die Verdampfungszone des Wärmerohrs zurückzuführen. Dazu kann das Kapillarelement 120 eine Innenfläche der Hülle 110 zumindest teilweise bedecken. Das Kapillarelement 120 kann wärmeleitend sein. Die Hülle 110 ist in 1 rohrförmig ausgebildet, d.h. der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 hat eine langgestreckte Form. In einer Richtung quer zur Längsrichtung, d.h. im Querschnitt, kann der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 rund oder eckig ausgebildet sein. Die Verdampfungszone 111 und die Kondensationszone 112 liegen an sich gegenüberliegenden Enden der Hülle 110. Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 kann auch gebogen sein oder eine komplexe Geometrie aufweisen. Ein Wärmetransport erfolgt hier hauptsächlich in einer Bahn, die man als Linie beschreiben kann, auch wenn sich diese Linie in einem 3D-Raum befinden kann, d.h. nicht gerade sein muss. Dies kann als Wärmetransportrichtung bezeichnet werden.
Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 kann aber auch eine flache Form, eine Plattenform, eine Zylinderform, eine Quaderform oder eine Hohlzylinderform haben. 2 zeigt einen weiteren beispielhaften zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher 100 in Form einer Dampfkammer bzw. Wärmekammer oder Wärmeplatte. In dieser Geometrie weist der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 im Vergleich zu dem Wärmerohr eine erhöhte thermisch verbundene Oberfläche auf, sodass Wärme sich nicht nur in einer einzigen Richtung (z.B. Längsrichtung), sondern quasi in einem Halbraum ausbreiten kann. Der in 2 gezeigte zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 wirkt als 2D-Wärmediffusor. Mit Ausnahme der Form weist der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 aus 2 denselben Aufbau auf wie der aus 1. Im Unterschied zu dem zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher, der in 1 dargestellt ist, ist in 2 die Kondensationszone 112 an einer gesamten Oberfläche der Hülle 110 angeordnet und die Verdampfungszone 111 ist an einer gegenüberliegenden Oberfläche der Hülle 110 angeordnet. Beispielhaft befindet sich die Verdampfungszone 111 nur in einem zentralen Bereich der Oberfläche. Die Verdampfungszone 111 kann also eine kleinere Fläche aufweisen als die Kondensationszone 112.
3 zeigt ein Laserbearbeitungskopf 1 zur Bearbeitung eines Werkstücks 2 mit einem zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher 100. Der Laserbearbeitungskopf 1 umfasst ein Gehäuse 5, das einen optischen Raum begrenzt, in dem ein Strahlengang des Laserstrahls 6 verläuft. Der Laserstrahl 6 kann beispielsweise über eine Faserbuche 9, in die ein Lichtleitkabel 4 mit einem Faserstecker gesteckt werden kann, in den Laserbearbeitungskopf 1 eingekoppelt werden. Die Faserbuchse 9 kann daher als Eintrittsport des Laserbearbeitungskopfs 1 zum Einkoppeln des Laserstrahls bezeichnet werden. Die vorliegende Erfindung ist aber nicht auf fasergekoppelte Laserbearbeitungsköpfe beschränkt. Der Laserbearbeitungskopf 1 umfasst ferner eine Kollimationsoptik 10 und eine Fokussieroptik 11. Die Kollimationsoptik 10 und/oder die Fokussieroptik 11 können aus einer Linse oder einer Linsengruppe bestehen. Der fokussierte Laserstrahl 6 tritt aus einer Düse 7 des Laserbearbeitungskopfs 1 aus und wird auf das Werkstück 2 gerichtet, das dann entweder schmilzt, verbrennt, verdampft oder von einem Gasstrahl (im Bild nicht dargestellt) weggeblasen wird. Die Kollimationsoptik 10 kann in Richtung des Strahlengangs bzw. entlang der optischen Achse 8, also in z-Richtung verschiebbar sein, beispielsweise um die Fokuslage vertikal auf einen gewünschten Wert Δz einzustellen.
Der Laserbearbeitungskopf 1 kann ferner eine Sensoreinheit 200 zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses umfassen, sowie einen Strahlteiler 20, insbesondere einen dichroitischen Spiegel, um vom Werkstück ausgehende und in den Laserbearbeitungskopf eintretende Prozessstrahlung 610 aus dem Strahlengang des Laserbearbeitungskopfs auszukoppeln und in die Sensoreinheit 200 zu leiten. Der Strahlteiler 20 ist in diesem Beispiel eingerichtet, um den Laserstrahl 6 passieren zu lassen, d.h. er kann für die Wellenlänge des Laserstrahls transmissiv sein. Allerdings weist ein Strahlteiler 20 immer eine gewisse Restreflektivität auf, sodass Reflexe 620 des Laserstrahls an dem Strahlteiler 20 auftreten, die auf das Gehäuse 5 oder andere empfindliche Komponenten des Laserbearbeitungskopfs 1 treffen und diese erwärmen. Der Einfachheit halber sind in 3 nur die reflektierte Prozessstrahlung 610 von der unteren Oberfläche des Strahlteilers 20 und die Reflexe 620 des Laserstrahls von der oberen Oberfläche des Strahlteilers 20 gezeigt. Insbesondere bei hohen Laserleistungen können die Reflexe 620 zu unerwünschter Erwärmung oder Beschädigungen des Laserbearbeitungskopfs 1 oder Teilen davon führen.
Um diese unerwünschte Wärmequelle effizient zu kühlen und Beschädigungen des Laserbearbeitungskopfs 1, insbesondere des Gehäuses 5, aufgrund der Reflexe 620 zu verhindern, ist in 3 erfindungsgemäß ein zweiphasiger geschlossener Wärmetauscher 100 in dem Laserbearbeitungskopf angeordnet. Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 ist an einem zu erwartenden Auftreffpunkt der Reflexe 620 am Gehäuse 5 befestigt, um die Wärmeleistung der Reflexe 620 aufzunehmen. Mit anderen Worten ist der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 in 3 so platziert, dass er direkt von den Reflexen 620 bestrahlt und erwärmt wird. Hierfür kann eine dem Strahlteiler 20 zugewandte Oberfläche des zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschers 100, d.h. in der Verdampfungszone 111, mit einer absorptionsverstärkenden Beschichtung oder Struktur versehen sein.
Das Prinzip einer der Phasenwechselkühlung durch einen zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher 100 wurde oben schon erläutert: Dies ist ein sehr schneller geschlossener Wärmeleiter und kann Wärme mit sehr geringen Verlusten über lange Strecken leiten. Um die Kühleffizienz zu steigern, kann an einem Ende oder an einer Oberfläche des zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher 100 eine Wärmesenke angeordnet sein. Das kann eine aktive und/oder passive Kühlvorrichtung sein, z.B. in Form eines Kühlkörpers, einer Vorrichtung mit Lüfter oder einer Wasserkühlung. Ein mit einer Kühlvorrichtung gekoppelter zweiphasiger geschlossener Wärmetauscher 100 kann als autarkes Wärmemanagementsystem betrachtet werden.
Optional kann der Laserbearbeitungskopf 1 daher eine aktive Kühlvorrichtung 300 umfassen, die mit dem zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 in Kontakt steht. Die aktive Kühlvorrichtung 300 ist an der Kondensationszone 112 des zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschers 100 angeordnet, um die aufgenommene Wärmeleistung abzutransportieren. Die aktive Kühlvorrichtung 300 kann ein Peltier-Element oder eine Kühlmittelkühlung umfassen. In 3 ist die aktive Kühlvorrichtung 300 eine Kühlmittelkühlung bzw. Wasserkühlung. Die aktive Kühlvorrichtung 300 umfasst beispielsweise einen Kühlkörper 330, eine Kühlleitung 310 und einen Kühlmittelanschluss 320 zum Einleiten von Kühlmittel, insbesondere Wasser, in den Kühlkörper 330. Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 steht hier in direktem Kontakt mit dem wassergekühlten Kühlkörper 330. Beispielsweise kann Wasser aus einem Kühlkreislauf mit Hilfe des Kühlmittelanschluss 320 an den Laserbearbeitungskopf 1 angeschlossen und mit Hilfe der Kühlleitung 310 zum wassergekühlten Kühlkörper 330 geleitet werden.
Alternativ zu einer aktiven Kühlvorrichtung 300 oder zusätzlich dazu kann der Laserbearbeitungskopf 1 auch eine passive Kühlvorrichtung, beispielsweise Kühlrippen oder ähnliches, umfassen, um die Kondensationszone 112 des zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschers 100 zu kühlen.
4 zeigt eine Draufsicht auf einen gebogenen zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher 100. Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 ist rohrförmig und an einem Ende gebogen, um an diesem Ende eine Blende zu bilden. Der als Blende ausgebildete zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 bildet eine nahezu kreisförmige Apertur bzw. Öffnung 160, durch die der Laserstrahl hindurchgeführt werden kann. Der als Blende ausgebildete zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 kann die maximale Apertur des Laserstrahls 6 begrenzen. Das Ende des Wärmetauschers 100, das die Öffnung 160 bildet, kann als Verdampfungszone 111 des zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschers 100 fungieren. Die Kondensationszone 112 befindet sich hier an dem anderen Ende des zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschers 100.
5 zeigt eine Draufsicht eines weiteren plattenförmigen zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschers 100, der ebenfalls als Blende ausgebildet ist. Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 weist in der Mitte eine Öffnung 160 auf. Die Öffnung 160 kann kreisförmig ausgebildet sein und dient beispielweise als Blende zum Begrenzen des Laserstrahls. Der an die Öffnung 160 angrenzende Bereich fungiert hier wiederum als Verdampfungszone 111 des zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschers 100, d.h. dieser Bereich nimmt die Wärmeleistung des Laserstrahls auf. Ein gegenüberliegender Bereich, d.h. ein radial auswärts gelegener Bereich, fungiert als Kondensationszone 112. Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 weist optional einen Rand 180 mit Befestigungslöchern 170 auf, die zur Befestigung des zweiphasigen geschlossen Wärmetauschers 100 verwendet werden können. Der Rand 180 kann massiv ausgebildet sein, d.h. er ist nicht hohl, wie die Hülle 110 des zweiphasigen geschlossen Wärmetauschers 100.
6 zeigt einen Ausschnitt eines weiteren Laserbearbeitungskopfs 1 zum Bearbeiten eines Werkstücks 2 mit einem zweiphasigen geschlossenen Wärmtauscher 100 gemäß der vorliegenden Erfindung. Der zweiphasige geschlossene Wärmtauscher 100 ist hier als Blende für den Laserstrahl ausgebildet, und kann beispielsweise einer der in den 4 und 5 dargestellten Wärmtauscher 100 sein. Vorzugsweise wird der als Blende ausgebildete zweiphasige geschlossene Wärmtauscher 100 zwischen einem Eintrittsport des Laserbearbeitungskopf zum Einkoppeln des Laserstrahls, z.B. einer Faserbuchse 9, und der Kollimationsoptik 10 angeordnet. Wie in 6 gezeigt ist, wird der Laserstrahl 6 beispielsweise durch ein Lichtleitkabel 4 bereitgestellt und durch die Faserbuche 9 entlang der Achse des Strahlengangs 8 in das Gehäuse 5 des Laserbearbeitungskopfs 1 eingeleitet. Zur Begrenzung des divergent in den Laserbearbeitungskopf 1 eintretenden Laserstrahls 6 wird der als Blende ausgebildete zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 eingesetzt, d.h. der Laserstrahl 6 wird durch die Öffnung 160 des zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschers 100 geleitet und durch diese begrenzt.
Optional kann der als Blende ausgebildete zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 mit einer aktiven Kühlvorrichtung 300 gekoppelt sein. An einem Ende bzw. an einer Seite steht der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 mit der aktiven Kühlvorrichtung 300, insbesondere dem Kühlkörper 330, in Kontakt. Auch wenn in 6 die Kühlvorrichtung 300 nur an einer Seite mit dem zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher 100 in Kontakt steht, kann die Kühlvorrichtung 300 bzw. der Kühlkörper 330 an mehreren Seiten oder entlang des gesamten Umfangs des zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher 100 ausgebildet sein bzw. mit diesem in Kontakt stehen. Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 kann durch die Kühlvorrichtung 300 bzw. durch den Kühlkörper 330 gehalten werden. Mit anderen Worten kann die Kühlvorrichtung 300 auch zur Befestigung des zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschers 100 im Laserbearbeitungskopf 1 dienen. Die aktive Kühlvorrichtung 300 umfasst den Kühlkörper 330, der über die Kühlleitung 310 mit dem Kühlmittelanschluss 320 verbunden ist. Die Kühlvorrichtung 300 kann durch die Kühlleitung 310 an dem Gehäuse 5 befestigt sein, oder aber zusätzlich durch ein anderes Befestigungselement mit dem Gehäuse 5 verbunden werden.
7 zeigt einen Laserbearbeitungskopf 1 mit einem zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Der Aufbau des Laserbearbeitungskopfs ist weitgehend identisch zu dem mit Bezug auf 3 beschriebenen Laserbearbeitungskopf. Der Laserbearbeitungskopf 1 kann ein Laserschneidkopf sein. Insbesondere bei Schneidanwendungen erhitzt sich ein unterer Teil des Laserbearbeitungskopfs, der an eine Düse 7 angrenzt bzw. eine Düsenhalterung aufweist.
Auch die Düse 7 des Laserbearbeitungskopfs 1 wird bei der Laserbearbeitung stark erhitzt und ist aufgrund des eingeschränkten Bauraums nur schwer zu kühlen. Die Gründe sind Erwärmung durch Wärmestau oberhalb des Werkstücks 2 und/oder Abschneiden des Laserstrahls 6 durch die Düse 7. Hier kann erfindungsgemäß ein in oder an oder benachbart zu der Düse angeordneter zweiphasiger geschlossener Wärmetauscher 100 Abhilfe schaffen. Beispielsweise kann in einem unteren Teil des Laserbearbeitungskopfs oberhalb der Düse 7 oder in der Düse 7 ein zweiphasiger geschlossener Wärmetauscher 100 angeordnet sein. Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 kann mit einer aktiven Kühlvorrichtung 300 gekoppelt sein. In diesem Fall dient der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 dazu, die Wärme effektiv und platzsparend zu einer Kühlvorrichtung 300 zu leiten, die beispielsweise in einem Bereich des Laserbearbeitungskopfs mit größerem Bauraum angeordnet sein kann. Auch kann der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 dazu dienen, Bereiche des Laserbearbeitungskopfs mit einer schon implementierten Kühlvorrichtung 300 des Laserbearbeitungskopfs thermisch zu koppeln. Beispielsweise kann der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 ähnlich aufgebaut sein, wie der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 in 4. Jedoch ist der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 in 7 an dem Ende, an dem sich die Kondensationszone 112 befindet, nach oben gebogen, damit eine Verbindung zwischen dem zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher 100 und der aktiven Kühlvorrichtung 300 in einem gut bzw. besser zugänglichen Bereich des Gehäuses 5 außerhalb der Düse 7 realisiert werden kann. Der Kühlkörper 330 ist mit der Kühlleitung 310 und dem Kühlmittelanschluss 320 verbunden, durch das Kühlmittel, beispielsweise Wasser, in den Kühlkörper 330 eingeführt wird.
Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 in 7 kann auch als Blende ausgebildet sein und/oder eine freie Öffnung 160 aufweisen, sodass der Laserstrahl 6 durch den zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher 100 hindurch aus der Düse 7 austreten kann. Wenn der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 als Blende zur Begrenzung der maximalen Apertur des Laserstrahls ausgebildet ist, z.B. wie oben mit Bezug auf 4 oder 5 beschrieben, kann verhindert werden, dass der Laserstrahl 6 auf die sich verjüngende Düse 7 trifft.
8 und 9 zeigen einen zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher 100, der als Optikhalter ausgebildet ist. 8 zeigt eine perspektivische Ansicht, während 9 eine Schnittansicht des als Optikhalter ausgebildeten zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschers 100 zeigt. Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 hat die Form eines Rohrs bzw. eines Hohlzylinders, insbesondere eines doppelwandigen und/oder zylinderförmigen Rohrs. Der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 weist also eine Öffnung 160 auf, in der eine Optik 10', z.B. eine bewegliche Optik, eine Linse, ein Spiegel, eine Kollimationsoptik 10, eine Fokussieroptik etc., aufgenommen sein kann. Die Hülle 110 umgibt die Öffnung 160. Die Hülle 110 kann die Form eines langgezogenen Ringes bzw. eines doppelwandigen Hohlzylinders aufweisen. Das Arbeitsfluid befindet sich im Innenraum 130 bzw. in der Hülle 110.
Der als Optikhalter ausgebildete zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 kann mit einer passiven Kühlvorrichtung, z.B. Kühlrippen, versehen sein. In 8 und 9 sind an einem Ende des zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschers 100, d.h. in der Kondensationszone 112, auf der Außenfläche horizontale Kühlrippen 115 zur passiven Kühlung bzw. als passive Kühlvorrichtung ausgebildet. Die Kühlrippen 115 können ringsum um die Außenfläche des zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschers 100 verlaufen, d.h. ringförmig ausgebildet sein. Es sind nicht nur die dargestellten horizontalen Kühlrippen 115, sondern auch vertikale Kühlrippen denkbar. Die Kondensationszone 112 auf der Außenfläche des zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschers 100 grenzt an die passive Kühlvorrichtung an. Dementsprechend befindet sich die Verdampfungszone 111 auf der Innenfläche des zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschers 100 in dem Bereich, in dem die Optik angeordnet ist. Somit kann die Optik 10' effektiv gekühlt werden.
10 zeigt einen Laserbearbeitungskopf 1 mit einem zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Der Aufbau des Laserbearbeitungskopfs ist weitgehend identisch zu dem mit Bezug auf 3 oder 7 beschriebenen Laserbearbeitungskopf. Als Optikhalter für die Kollimationsoptik 10 wird ein zweiphasiger geschlossener Wärmetauscher 100 verwendet, wie er in den 8 und 9 dargestellt ist. Der als Optikhalter ausgebildete zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 kann zusammen mit der Kollimationsoptik 10 beweglich sein. Mit anderen Worten kann der als Optikhalter ausgebildete zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 entlang der optischen Achse der Kollimationsoptik 10 verschiebbar im Laserbearbeitungskopf 1 angeordnet sein.
In dem Laserbearbeitungskopf 1 kann optional ein zweiter zweiphasiger geschlossener Wärmetauscher 100 angeordnet sein. Der zweite Wärmetauscher 100 kann beispielsweise als Blende ausgebildet sein, wie oben mit Bezug auf 4 oder 5 beschrieben. Der zweite Wärmetauscher 100 kann zwischen der Kollimationsoptik 10 und einem Eintrittsport des Laserbearbeitungskopfs zum Einkoppeln des Laserstrahls angeordnet sein, z.B. wie mit Bezug auf 6 beschrieben. Der zweite Wärmetauscher 100 kann sich über dem als Optikhalter ausgebildeten Wärmetauscher 100 mit der Kollimationsoptik 10 befinden. Der zweite Wärmetauscher 100 nimmt Wärme über Wärmestrahlung und/oder Konvektion der die bewegliche Optik 10 umgebenden Luft auf und verbessert so den Wärmeabtransport aus dem Gehäuse 5. Optional kann der Laserbearbeitungskopf die aktive Kühlvorrichtung 300 umfassen, die in Kontakt mit der Kondensationszone 112 des zweiten Wärmetauschers 100 angeordnet ist.
11 zeigt einen Laserbearbeitungskopf gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit einer Scanvorrichtung 80 zum Auslenken des Laserstrahls und einem zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher 100. Die Scanvorrichtung 80 umfasst zwei Spiegel 81, 81`, die eingerichtet sind, um den Laserstrahl in zwei aufeinander und zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls senkrecht stehende Richtungen x, y auf dem Werkstück 2 auszulenken. Das Gehäuse 5 des Laserbearbeitungskopfs 1 umfasst einen Scannergehäuseteil 51, in dem die Scanvorrichtung 80 aufgenommen ist. Der zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher 100 ist in dem Scannergehäuseteil 51 angeordnet. Der Laserbearbeitungskopf 1 umfasst ferner die Kollimationsoptik 10 und die Fokussieroptik 11, die hier ein F-theta Objektiv sein kann. Der zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher 100 kann so angeordnet sein, dass Reflexe 620 von der Fokussieroptik 11 und/oder von den Spiegeln 81, 81 ` darauf fallen. Dadurch kann eine Überhitzung des Scannergehäuseteils 51 bzw. des Gehäuses 5 vermieden werden. Selbstverständlich kann der im Scannergehäuseteil 51 angeordnete zweiphasige geschlossene Wärmetauscher 100 mit einer aktiven und/oder passiven Kühlvorrichtung gekoppelt sein, wie es oben beschrieben ist. Dadurch kann ein effizienter Wärmeabtransport von durch Reflexionen erhitzten Teilen oder Bereichen des Laserbearbeitungskopfs gewährleistet werden.
Bezugszeichenliste

1: Laserbearbeitungskopf
2: Werkstück
4: Lichtleitkabel
5: Gehäuse
6: Laserstrahl
7: Düse
8: Achse des Strahlengangs
9: Faserbuchse
10: Kollimationsoptik
11: Fokussieroptik
100: zweiphasiger geschlossener Wärmetauscher
110: Hülle
111: Verdampfungszone
112: Kondensationszone
115: Kühlrippen
120: Kapillarelement
130: Innenraum
150: Arbeitsfluid in flüssiger Phase
152: Arbeitsfluid in gasförmiger Phase
160: Öffnung
170: Befestigungslöcher
180: Rand
20: Strahlteiler
200: Sensoreinheit
300: aktive Kühlvorrichtung
310: Kühlleitung
320: Kühlmittelanschluss
330: Kühlkörper
610: Prozessstrahlung
620: Reflexe
80: Scanvorrichtung
81, 81': Spiegel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 9066412 B2 [0006]
EP 2162774 B1 [0006]

Claims

Laserbearbeitungskopf (1) zur Bearbeitung eines Werkstückes (2) mittels eines Laserstrahls (3), umfassend: ein Gehäuse (5), das einen Optikraum definiert, wenigstens ein optisches Element (10, 11), das in dem Optikraum angeordnet ist; und zumindest einen zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher (100) zum Kühlen einer Komponente des Laserbearbeitungskopfs (1) durch Phasenwechsel eines Arbeitsfluids (150, 152) des Wärmetauschers (100).
Laserbearbeitungskopf (1) nach Anspruch 1, wobei der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher (100) eine Verdampfungszone (111) zur Wärmeaufnahme und eine Kondensationszone (112) zur Wärmeabgabe umfasst, und wobei die Verdampfungszone (111) benachbart zu der zu kühlenden Komponente angeordnet ist.
Laserbearbeitungskopf (1) nach Anspruch 2, wobei ein Transport des Arbeitsfluids (150, 152) in flüssiger Phase (150) von der Kondensationszone zu der Verdampfungszone (111) durch Kapillarkraft und/oder Schwerkraft erfolgt.
Laserbearbeitungskopf (1) nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Verdampfungszone (111) kleiner als die Kondensationszone (112) ist.
Laserbearbeitungskopf (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Kondensationszone (112) passiv und/oder aktiv gekühlt ist.
Laserbearbeitungskopf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: eine aktive Kühlvorrichtung (300) zum Kühlen des zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschers (100), wobei die aktive Kühlvorrichtung (300) einen Kühlkörper (330), der eingerichtet ist, von einem Kühlmittel durchströmt zu werden, und einen Kühlmittelanschluss (320) umfasst.
Laserbearbeitungskopf (1) nach Anspruch 6, wobei der Kühlkörper (330) in Kontakt mit dem zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher (100) steht.
Laserbearbeitungskopf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine zweiphasige geschlossene Wärmetauscher (100) eine Blende zur Begrenzung eines Durchmessers des Laserstrahls (6) bildet, und/oder wobei der zumindest eine zweiphasige geschlossene Wärmetauscher (100) einen Optikhalter bildet, in dem das optische Element (10, 11) gehalten ist.
Laserbearbeitungskopf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: einen Strahlteiler (20), wobei der zumindest eine zweiphasige geschlossene Wärmetauscher (100) so angeordnet ist, dass an dem Strahlteiler (20) reflektierte Strahlung auf den zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher (100) trifft.
Laserbearbeitungskopf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher (100) eine Vielzahl von Kühlrippen aufweist.
Laserbearbeitungskopf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: eine Düse (7) mit einer Austrittsöffnung für den Laserstrahl (6); wobei der zumindest eine zweiphasige geschlossene Wärmetauscher (100) in oder an der Düse (7) angeordnet ist und/oder einen Teil der Düse (7) bildet.
Laserbearbeitungskopf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zu kühlende Komponente des Laserbearbeitungskopfs (1) zumindest eine der folgenden umfasst: eine Blende, eine Düse (7), ein optisches Element (10, 11), ein bewegliches optisches Element (10, 11), eine Kollimationsoptik (10), eine Fokussieroptik (11), einen Spiegel, eine Halterung eines optischen Elements, ein elektronisches Bauteil, eine Steuerplatine und einen Teil des Gehäuses (5); und/oder wobei der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher (100) in Kontakt mit der zu kühlenden Komponente steht und/oder einen Teil derselben bildet.
Laserbearbeitungskopf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher (100) eine Hülle (110) umfasst, die einen geschlossenen Innenraum (130) definiert, und wobei das Arbeitsfluid (150, 152) in dem Innenraum (130) enthalten ist.
Laserbearbeitungskopf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher (100) ferner ein Kapillarelement zum Transportieren des Arbeitsfluids in flüssiger Phase (150) durch Kapillarkraft angeordnet ist; und/oder wobei in dem zweiphasigen geschlossenen Wärmetauscher (100) ferner ein Dampfkanal angeordnet ist, der eine nichtbenetzbare poröse Struktur umfasst.
Laserbearbeitungskopf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: eine Scanvorrichtung (80) mit zumindest einem schwenkbaren Spiegel (81), um den Laserstrahl (6) in zumindest einer Richtung auszulenken; wobei der zweiphasige geschlossene Wärmetauscher (100) in einem Teil des Gehäuses angeordnet ist, in dem sich der Spiegel befindet.
Laserbearbeitungskopf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Oberfläche des zweiphasigen geschlossenen Wärmetauschers (100), insbesondere eine Oberfläche der Verdampfungszone (111), eine Beschichtung und/oder Struktur zur Verstärkung der Absorption von Laserstrahlung und/oder Wärmestrahlung aufweist.