DE19724722A1 - Gaslaser - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gaslaser, insbesondere einen axialgeström­ ten CO₂-Laser, bei dem in einem Strömungskanal zum Führen eines Lasergases ein Wärmetauscher zum Kühlen des Lasergases angeordnet ist.

Bei einem Gaslaser wird nur ein Teil der beim Pumpvorgang in das Lasergas ein­ gebrachten Energie in Laserstrahlung umgewandelt. Vielmehr wird ein großer Teil dieser eingebrachten Pumpenergie in Wärme umgesetzt, so daß das Lasergas im Bereich des laseraktiven Volumens aufgeheizt wird. Diese im Lasergas erzeugte Wärme muß abgeführt werden, um eine Überhitzung des Lasergases und die es umgebenden Komponenten zu vermeiden. Bei Hochleistungs-Gaslasern, bei­ spielsweise schnell axialgeströmte CO₂-Laser, geschieht dies durch die Erzeu­ gung einer Gasströmung mit der ein stetiger Austausch des im laseraktiven Volu­ men befindlichen Lasergases bewirkt wird. Das Lasergas wird hierzu in einem Kreislauf zirkuliert und außerhalb des laseraktiven Volumens gekühlt, so daß sich innerhalb des laseraktiven Volumens im wesentlichen stationäre Temperaturver­ hältnisse einstellen. Die im laseraktiven Volumen freigesetzte Wärmeenergie wird dabei über einen im Lasergas-Kreislauf angeordneten Wärmetauscher abgeführt.

Ein solcher Gaslaser ist beispielsweise aus der europäischen Patentschrift 0 565 729 B1 bekannt. Der dort offenbarte Gaslaser enthält einen Plattenwärme­ tauscher, der in Strömungsrichtung des Lasergases dem das laseraktive Volumen festlegenden Entladungsröhren nachgeschaltet ist. Ein dem Wärmetauscher im Lasergas-Kreislauf nachgeschaltetes Gebläse bewirkt eine ständige Zirkulation des Lasergases. Der bekannte Plattenwärmetauscher hat im wesentlichen qua­ derförmige Gestalt und enthält eine Vielzahl von parallel zueinander angeordne­ ten dünnen Platten, so daß abwechselnd übereinander angeordnete Lasergaska­ näle und Kühlmittelkanäle gebildet sind.

Ein solcher Wärmetauscher hat zwar gegenüber dem Stand der Technik ebenfalls bekannten und bei Gaslasern im Einsatz befindlichen Rohrbündelwärmetau­ schern, Lamellenkühlern oder Rippenrohrwärmetauschern den Vorteil, daß er eine hohe Wärmetauscherfläche pro Volumeneinheit besitzt und auch bei kleinem Vo­ lumen eine große Wärmetauscherleistung gewährleistet. Der bekannte Wärme­ tauscher ist jedoch hinsichtlich seiner Herstellung aufwendig, da das quaderförmi­ ge Gehäuse sowie die in ihm angeordneten dünnen Platten eine Vielzahl von thermisch belasteten Schweiß- oder Lötnähten bedingen, die sich über die gesam­ te Baulänge des Wärmetauschers erstrecken. Damit ist ein hohes Risiko für das Auftreten einer Leckage verbunden. Da außerdem das Lasergas zumindest an den Längskanten Kontakt mit dem Außenmantel des Wärmetauschers hat, führt dies zu einer gegebenenfalls unerwünschten Aufheizung des Wärmetauscherge­ häuses, so daß weitere thermische Abschirmmaßnahmen getroffen werden müs­ sen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Gaslaser, insbesondere ei­ nen axialgeströmten CO₂-Laser anzugeben, dessen Wärmetauscher bei geringem Bauvolumen eine hohe Wärmetauscherleistung hat und einfach herzustellen ist.

Die genannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit einem Gaslaser mit mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Ein solcher Gaslaser, insbesondere ein axialgeströmter CO₂-Laser, enthält einen in einem Strömungskanal zum Füh­ ren eines Lasergases angeordneten Wärmetauscher zum Kühlen des Laserga­ ses, der ein Außenrohr und zumindest ein Innenrohr enthält, das im Außenrohr derart angeordnet ist, daß zumindest ein Lasergas führender innenliegender Ka­ nal und wenigstens ein diesen umgebender im Querschnitt ringförmiger und Kühlmittel führender Kanal gebildet werden. Im Querschnitt ringförmiger Kanal heißt, daß dessen Querschnittsfläche eine zusammenhängende Fläche bildet, die eine innenliegende Fläche umgibt.

Ein solcher rohrförmiger Wärmetauscher ist einfach herzustellen, da die beiden Rohre oder Hohlprofile nur im Bereich ihrer Stirnflächen miteinander verbunden, beispielsweise verschweißt oder verlötet, werden müssen. Da es sich bei den Strömungskanälen zum Führen des Lasergases insbesondere beim axialgeström­ ten Gaslaser um rohrförmige Leitungen handelt, kann bei Verwendung von Roh­ ren oder Hohlprofilen mit kreisförmigen Querschnitt die Zylindersymmetrie der ge­ samten Anordnung beibehalten werden. Dadurch ist der konstruktive Aufwand weiter verringert.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind im Außenrohr mehrere Innenrohre derart angeordnet, daß mehrere im Querschnitt ringförmige, d. h. eine zusammenhängende Fläche bildende, und einander umgebende Kanäle gebildet werden. Durch diese Maßnahme ist eine besonders hohe Wärmetauscherleistung möglich.

Insbesondere sind zumindest in einem im Querschnitt ringförmigen Kanal Kühlrip­ pen angeordnet. Durch diese Maßnahme wird die Wärmetauscherleistung weiter erhöht.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung unterteilen die Kühl­ rippen den im Querschnitt ringförmigen Kanal in eine Vielzahl in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnete Teilkanäle, die vorzugsweise einen v-förmigen Quer­ schnitt aufweisen.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist ein außenliegen­ der im Querschnitt ringförmiger Kanal als Kühlmittelkanal zum Führen eines Kühlmittels vorgesehen. Durch diese Maßnahme ist gewährleistet, daß der Au­ ßenmantel des Wärmetauschers über seine gesamte Länge nicht mit dem aufge­ heizten in Berührung kommt. Dadurch wird eine Aufheizung des Wärmetauscher­ gehäuses und somit auch eine thermische Belastung der Umgebung vermieden.

Insbesondere sind die das Kühlmittel führende Kanäle und die das Lasergas füh­ rende Kanäle abwechselnd umeinander angeordnet. Dadurch ist eine besonders effektive Wärmetauscherleistung sichergestellt.

Die Kühlrippen sind vorzugsweise in den im Querschnitt ringförmigen Kanälen angeordnet, die das Lasergas führen. Dies führt ebenfalls zu einer Erhöhung des Wärmeübergangs zwischen dem Lasergas und dem Kühlmittel.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein innen liegender rohrförmige Kanal zum Führen von Kühlmittel vorgesehen.

Vorzugsweise weisen das Außenrohr und die Innenrohre einen kreisförmigen Querschnitt auf und sind koaxial zueinander angeordnet. Dadurch werden kreis­ ringförmige Kanäle gebildet. Durch den zylindrischen Aufbau ist der konstruktive Aufwand weiter verringert.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnung verwiesen. Es zeigen:

Fig. 1 einen Gaslaser mit einem Wärmetauscher gemäß der Erfindung in ei­ ner Prinzipskizze,

Fig. 2 u. 3 besonders bevorzugte Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers jeweils in einem Querschnitt.

Gemäß Fig. 1 enthält ein Gaslaser zwei Gaskreisläufe 2a und 2b für ein Laser­ gas LG. Die Gaskreisläufe 2a und 2b sind über einen gemeinsamen Strömungs­ kanal 3 miteinander gekoppelt. Im Strömungskanal 3 ist ein Gebläse oder Verdich­ ter 4 angeordnet, mit dem das Lasergas LG zirkuliert wird. Dem Verdichter 4 ist strömungstechnisch ein Wärmetauscher 6 zum Kühlen des Lasergases LG vorge­ schaltet. Ein dem Verdichter 6 nachgeschalteter weiterer Wärmetauscher 7 dient zum Abführen der beim Verdichtungsvorgang erzeugten Kompressionswärme. Dieser weitere Wärmetauscher 7 ist in einer bevorzugten Ausführungsform hin­ sichtlich seines konstruktiven Aufbaus baugleich mit dem Wärmetauscher 6, wo­ bei lediglich die Baugröße, beispielsweise die Baulänge, verringert sein kann, da nach dem Verdichter 4 nur noch eine geringere Wärmemenge abgeführt werden muß.

Die Gaskreisläufe 2a und 2b enthalten einen in Längsrichtung gestreckten Entla­ dungskanal 8, der zwei den jeweiligen Gaskreisläufen 2a bzw. 2b zugeordnete Teilabschnitte 8a bzw. 8b enthält. Die Teilabschnitte 8a, 8b sind zwischen Elektro­ den 9a bzw. 9b angeordnet, die das laseraktive Volumen festlegen. Der Entla­ dungskanal 8 wird im Ausführungsbeispiel durch ein Rohr gebildet, das an seinen einander gegenüberliegenden Stirnseiten mit Resonatorspiegeln 10 versehen ist. An den einander gegenüberliegenden Enden des Entladungskanals 8 befinden sich Einlaßöffnungen 12a bzw. 12b für das Lasergas LG. In der Mitte des Entla­ dungskanals 8 ist ein in den Strömungskanal 3 mündender Gasauslaß 14 ange­ ordnet, über den das Lasergas LG durch den Verdichter 4 aus dem Entladungs­ kanal 8 abgezogen wird.

Zwischen dem Verdichter 4 und dem Gasauslaß 14 ist der Wärmetauscher 6 an­ geordnet. Der Wärmetauscher 6 umfaßt ein zylindrisches Außenrohr 20, in dem ein zylindrisches Innenrohr 22 angeordnet ist, in dem das Lasergas LG geführt ist. Durch das Außenrohr 20 wird Kühlmittel C, beispielsweise Wasser, im Gegen­ strom zum Lasergas LG geführt.

Gemäß Fig. 2 sind bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Wärmetauschers 6 bzw. des weiteren Wärmetauschers 7 im Außenrohr 20 mehrere, beispielsweise 6, ineinander gesteckte Innenrohre 22 vorgesehen, so daß eine Mehrzahl im Quer­ schnitt ringförmige Kanäle 26a, 26b und 28 gebildet werden. Innenrohre 22 und das Außenrohr 20 sind koaxial zueinander angeordnet, so daß die im Querschnitt ringförmigen Kanäle 26a und 26b ebenfalls konzentrisch zueinander angeordnet sind und eine kreisringförmige Gestalt haben. Vom Innenrohr 22 mit dem kleinsten Durchmesser wird ein kreisrohrförmiger innenliegender Kanal 24 gebildet. Dieser rohrförmige Kanal 24 wird von einem Teil des Kühlmittels C durchströmt. Dieser rohrförmige Kanal 24 wird von einem ringförmigen Kanal 26a umgeben, durch den das Lasergas LG strömt. Dieser ringförmige Kanal 26a ist von einem ringförmigen Kanal 26b umgeben, der Kühlmittel C führt und ebenfalls von einem das Laser­ gas LG führenden ringförmigen Kanal 26b umgeben ist. Auf diese Weise wech­ seln sich in radialer Richtung gesehen Lasergas LG führende Kanäle 26a und Kühlmittel C führende Kanäle 26b gegenseitig ab, so daß ein besonders effizien­ ter Wärmeaustausch stattfinden kann. Ein an das Außenrohr 20 angrenzende au­ ßenliegender Kanal 28 wird dabei ebenfalls von Kühlmittel C durchströmt, so daß eine Aufheizung des Außenrohrs 20 vermieden ist.

Außenrohr 20 und Innenrohre 22 bestehen im Ausführungsbeispiel aus Edelstahl und haben eine Wanddicke von etwa 2 mm. Das Außenrohr 20 hat im Ausfüh­ rungsbeispiel einen Außendurchmesser von etwa 150 mm bei einer gesamten Baulänge 300 mm. Damit läßt sich bei einem Lasergas-Volumenstrom von etwa 1000 m³/h eine Wärmetauscherleistung von etwa 3 kW erzielen. Als Werkstoff für die Rohre 20 und 22 ist auch sauerstofffreies Kupfer Cu geeignet. Die Rohre 20, 22 sind an ihren Stirnseiten mit in der Figur nicht dargestellten Anschlußflanschen beispielsweise durch Schweißen oder Hartlöten, vorzugsweise Vakuumlöten, ver­ bunden.

Im Ausführungsbeispiel sind in den im Querschnitt ringförmigen Kanälen 26a, die zum Führen von Lasergas LG vorgesehen sind, Kühlrippen 30 vorgesehen, die jeden dieser ringförmigen Kanäle 26a in eine Vielzahl in Umfangsrichtung neben­ einander angeordnete Teilkanäle 32 unterteilen. Diese Teilkanäle 32 haben im Ausführungsbeispiel einen v-förmigen Querschnitt und sind aus einem Edelstahl­ blech mit einer Wandstärke < 0,5 mm durch Falten und einen anschließenden Biegeprozeß hergestellt. Durch diese Maßnahme wird die Kühlfläche für das La­ sergas (LG) vergrößert und die Wärmetauscherleistung entsprechend erhöht.

Es ist auch eine Ausführungsform möglich, bei der das innenliegende Rohr (22) von Lasergas LG durchströmt wird. In diesem Fall müssen gegebenenfalls zur Erhö­ hung des Wärmeübergangs auch im Innenrohr Kühlrippen vorgesehen sein. We­ sentlich jedoch ist, daß bei Vorliegen einer Vielzahl von Kanälen 24, 26a, 26b, 28 Lasergas LG führende Kanäle und Kühlmittel C führende Kanäle alternierend an­ geordnet sind.

Gemäß Fig. 3 ist ein innenliegendes Rohr 40 vorgesehen, das aus einem Vollmaterial besteht und von einem Kühlmittel C führenden ringförmigen Kanal 26b umgeben ist. Dadurch ist die mechanische Stabilität des Wärmetauschers 6 erhöht. Auch in diesem Ausführungsbeispiel ist der am Außenmantel 20 anliegen­ de außenliegende Kanal 28 von Kühlmittel C durchströmt.

Claims (10)

1. Gaslaser, insbesondere axialgeströmter CO₂-Laser, mit zumindest einem in einem Strömungskanal (3) zum Führen eines Lasergases (LG) angeordneten Wärmetauscher (6, 7) zum Kühlen des Lasergases (LG), der ein Außenrohr (20) und zumindest ein Innenrohr (22) enthält, das im Außenrohr (20) derart angeordnet ist, daß zumindest ein Lasergases (LG) führender innenliegender Kanal (26a) und wenigstens ein diesen umgebender im Querschnitt ringförmi­ ger und Kühlmittel (C) führender Kanal (26b, 28) gebildet werden.

2. Gaslaser nach Anspruch 1, bei dem im Außenrohr (20) mehrere Innenrohre (22) derart angeordnet sind, daß mehrere im Querschnitt ringförmige Kanäle (26a, 26b) gebildet werden.

3. Gaslaser nach Anspruch 1 oder 2, bei dem in zumindest einem im Quer­ schnitt ringförmigen Kanal (26a) Kühlrippen (30) angeordnet sind.

4. Gaslaser nach Anspruch 3, bei dem der im Querschnitt ringförmige Kanal (26a) durch die Kühlrippen (30) in eine Vielzahl von in Umfangsrichtung ne­ beneinander angeordneten Teilkanälen (32) unterteilt wird.

5. Gaslaser nach Anspruch 4, bei dem die Teilkanäle (32) einen v-förmigen Querschnitt aufweisen.

6. Gaslaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein außenlie­ gender im Querschnitt ringförmiger Kanal (26b) als Kühlmittelkanal zum Füh­ ren eines Kühlmittels (C) vorgesehen ist.

7. Gaslaser nach einem der Ansprüche 2 bis 6, bei dem die das Kühlmittel (C) führenden Kanäle (26a) und die das Lasergas (LG) führenden Kanäle (26b) abwechselnd umeinander angeordnet sind.

8. Gaslaser nach einem der Ansprüche 3 bis 7, bei dem die Kühlrippen (32) in dem das Lasergas (LG) führenden Kanälen (26a) angeordnet sind.

9. Gaslaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein innenlie­ gender rohrförmiger Kanal (24) zum Führen von Kühlmittel (C) vorgesehen ist.

10. Gaslaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Außenrohr (22) und die Innenrohre (22) einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen und koaxial zueinander angeordnet sind.