DE19806030A1

DE19806030A1 - Vorrichtung zum Ableiten von Verlustwärme

Info

Publication number: DE19806030A1
Application number: DE1998106030
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Emmerich; Wolfgang Sachse; Ralf Malz
Original assignee: LASOS Laser Fertigung GmbH
Current assignee: LASOS Laser Fertigung GmbH
Priority date: 1998-02-13
Filing date: 1998-02-13
Publication date: 1999-08-19
Also published as: GB9901760D0; GB2334616A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Ablei ten von Verlustwärme aus Lasern, bevorzugt aus HF-angeregten CO₂-Bandleiterlasern, die mit Elektroden zur Einkopplung von HF-Energie ausgestattet sind und bei denen das Elektrodenmaterial zum Zweck der Wärmeableitung in thermischem Kontakt mit einem strömenden Kühlmittel steht.

Es ist bekannt, beispielsweise HF-angeregte CO₂-Bandlei terlaser mit Kühlanordnungen auszurüsten, die die Aufgabe haben, die Verlustwärme aus dem laseraktiven Bereich abzu führen. Der Wirkungsgrad bei derartigen Lasern liegt bei etwa 10%, woraus folgt, daß bei Ausgangsleistungen, wie sie gegenwärtig für derartige Laser typisch sind, eine Ver lustwärme von ca. 0,5 bis 30 kW abgeführt werden muß. Diese Wärme tritt im Entladungsspalt auf, der zwischen den Band leiterelektroden ausgebildet ist.

Die Bandleiterelektroden dienen einerseits der Einkopplung der Hochfrequenzenergie; sie müssen also aus einem Material bestehen, das sich durch hohe elektrische Leitfähigkeit bei gleichzeitiger Magnetfreiheit auszeichnet und das auch die aus der Belastung mit hohen Strömen entstehende Wärme gut ableitet. Außerdem aber haben die Elektroden einen mög lichst verlustfreien optischen Wellenleiter zu bilden und weisen zu diesem Zweck Wellenleiterflächen auf, die dem Entladungsspalt zugewandt sind.

Die Wellenleiterflächen müssen hohe optische Qualität für die Laserstrahlung aufweisen und diese auch unter Betriebs bedingungen beibehalten, d. h. sie dürfen selbst unter ex tremer thermischer Belastung nicht deformieren.

Insbesondere bei modernen CO₂-Lasern, die aus Gründen der Kompaktheit und Nutzerfreundlichkeit als sealed-off-Systeme dicht verschlossen ausgebildet sind, kann die Wärme nicht durch Gasströme nach außen abgeleitet werden, sondern muß zu gekühlten Abschnitten des Entladungsbereiches diffundie ren.

Hinzu kommt, daß die Elektroden mechanischen Belastungen unterliegen, da derartige Laser in beliebigen und darüber hinaus veränderlichen Einbaulagen Verwendung finden, wie beispielsweise auf Roboterarmen. Demzufolge steht an die Elektroden auch die Forderung einer genügend hohen Stabili tät und Steifigkeit, damit sie sich als freitragende Ele mente unter Betriebsbedingungen nicht unzulässig stark ver formen.

Aus der EP 0 585 482 A1 ist ein hochfrequenzangeregter dif fusionsgekühlter Bandleiterlaser bekannt, bei dem die bei den Elektroden aus je einem Edelstahl-Hohlprofil mit recht eckigem Querschnitt und einer dünnen, auf das Hohlprofil aufgelöteten Kupferplatte bestehen. In die Kupferplatte sind Kühlkanäle eingefräßt, die teils durch das Material der Kupferplatte umschlossen und dort, wo die Kupferplatte am Edelstahl-Hohlprofil anliegt, durch eine Edelstahlfläche abgedeckt sind. Durch diese Kühlkanäle wird in unterschied lichen Ausgestaltungsvarianten für Vor- und Rückläufe das Kühlmittel geleitet.

Da die Kupferplatten einseitig auf eine Fläche des Edel stahl-Hohlprofils aufgelötet sind und die Wärmeableitung zu der Seite der Elektrode hin erfolgen muß, die mit der Kup ferplatte bestückt ist, kann es aufgrund der geringen Wär meleitfähigkeit der Edelstahlwände zu erheblichen Tempera turunterschieden zwischen gekühlter und ungekühlter Seite der Elektrode kommen, was bei der relativ geringen Wand stärke des Edelstahl-Hohlprofils eine Deformation der Elek trodenoberfläche und damit eine Störung der Wellenleiter funktion zur Folge haben kann. Diese Gefahr ist besonders dann groß, wenn zum Zeitpunkt des Einschaltens des Kühl kreislaufes die Temperatur des Kühlmittels wesentlich unter der Elektrodentemperatur liegt.

Aus der US-Patentschrift 5,237,580 ist ein CO₂-Laser be kannt, bei dem die Bandleiterelektroden aus Aluminium ge fertigt sind und auf ihrer Rückseite, d. h. auf der der Wel lenleiterfläche abgewandten Seite, offene Kanäle aufweisen, in welche vom Kühlmittel durchflossenen Kupferrohre einge legt sind. Nachteilig hierbei ist, daß durch derart ausge bildete Kanäle die Steifigkeit der Elektrode in Querrich tung zur Laserstrahlung erheblich beeinträchtigt ist, was unter Betriebsbedingungen zur Deformation der Elektroden in Querrichtung führen kann.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die bekannten Vorrichtungen zum Ableiten von Verlustwärme aus Lasern so weiterzubilden, daß die Wärmeableitung wei testgehend ohne Beeinträchtigung der Funktionsfähigkeit der Elektroden erfolgen kann.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß als Kühlmittelleitungen Rohre vorgesehen sind, die innerhalb der Elektroden verlaufen. Dabei ist der Rohrquerschnitt ringsum vom Elektrodenmaterial umgeben und die Rohraußen fläche steht, im Rohrquerschnitt betrachtet, zumindest ab schnittsweise mit dem Elektrodenmaterial in unmittelbarer Berührung.

Mit der Anordnung der Kühlmittelleitung im Inneren des Elektrodenmaterials wird erreicht, daß die für das Einbrin gen der Rohre notwendigen Aussparungen, wie beispielsweise Kanäle, im Elektrodenmaterial bei der betriebsbedingten thermischen und auch der mechanischen Belastung keine For mänderung der Elektrode zur Folge haben, da die mechanische Steifigkeit der Elektrode in Querrichtung wesentlich höher ist als bei den einseitigen Ausfräsungen nach dem Stand der Technik. Außerdem verhindert die Anordnung der Rohre in der neutralen Faser des Elektrodenmaterials, daß bei thermi scher Belastung eine Deformation der Elektrode in Längs richtung auftritt.

Bevorzugt ist vorgesehen, daß die Rohre bzw. die Strömungs richtung des Kühlmittels parallel zur Laserstrahlungsrich tung bzw. zur Richtung des Entladungsspaltes, der zwischen den beiden Elektroden ausgebildet ist, verlaufen. So wird erreicht, daß das Kühlmittel über möglichst lange Wege all seitig die abzuführende Wärme aufnimmt und einer Verformun gen der Elektrode auch dadurch vorgebeugt ist, daß zu star ke Temperaturunterschiede innerhalb des Elektrodenmaterials vermieden werden.

In einer Ausgestaltung der Erfindung weisen sowohl die Ka näle im Elektrodenmaterial als auch die Rohre einen kreis runden Querschnitt auf, wobei der Innendurchmesser der Ka näle weitgehend dem Außendurchmesser der Rohre entspricht, so daß Rohraußenfläche und Kanalinnenfläche über den gesam ten Umfang hinweg in Berührung stehen und damit eine gute Wärmeeinleitung in das Kühlmittel möglich ist. Der Wärme übergang kann dabei weiterhin verbessert werden, indem die Rohraußenfläche unter Druck an die Kanalinnenfläche gepreßt wird.

Letzteres ist beispielsweise leicht zu bewerkstelligen, in dem in das Elektrodenmaterial zunächst röhrenförmige Kanäle eingebracht und in diese nachfolgend das Rohr eingeschoben wird, dessen Außendurchmesser etwa dem Innendurchmesser der röhrenförmigen Kanäle entspricht. In einem nächsten Schritt wird eine Aufweitung des Querschnitts des eingeschobenen Rohres vorgenommen, was wahlweise mechanisch durch Einpres sen eines Dornes oder hydraulisch durch Abdrücken des Roh res mit einer Flüssigkeit unter einem so hohen Druck erfol gen kann, der eine Aufweitung des Rohrquerschnittes und da mit ein Anlegen der Rohraußenwandung an die Kanalinnenflä che zur Folge hat.

Allerdings wird auch bei hohen Anpreßdrücken möglicherweise nicht zu vermeiden sein, daß zwischen Rohraußenfläche und den Kanalinnenflächen Gaseinschlüsse verbleiben. Sind bei spielsweise Glattrohre mit kreisrundem Querschnitt in Kanä len mit ebenfalls kreisrundem Querschnitt vorgesehen, ist es bei typischen Elektrodenlängen von 50 bis 100 cm unter Umständen nicht möglich, die eingeschlossenen Gase in ver tretbaren Zeiträumen während des Herstellungsprozesses zu entfernen. Wenn diese Einschlüsse erst beim Betreiben des Lasers langsam herausdiffundieren müssen, wird die Lebens dauer des Lasers durch vorzeitige Leistungsminderung ver kürzt.

Aus diesem Grund ist in einer besonders bevorzugten Ausge staltung der Erfindung vorgesehen, zwischen der Außenfläche des Rohres und den Innenflächen der Kanäle mindestens einen in der Strömungsrichtung des Kühlmittels verlaufenden Hohl raum als sogenannten Pumpkanal auszubilden.

Dieser Hohlraum kann erfindungsgemäß entweder durch eine oder mehrere Einstülpungen des Rohrmantels zum Rohrinneren hin oder durch eine oder mehrere in die Kanäle eingearbei tete Nuten gebildet sein.

In den Bereichen der Einstülpungen bzw. Nuten ist keine un mittelbare Berührung zwischen Rohraußenfläche und Kanalin nenfläche gegeben. Eventuell eingeschlossene Gase müssen also nicht über die gesamte Länge der Elektrode durch Mi krokanäle diffundieren, sondern haben lediglich eine kurze Strecke in Umfangsrichtung um den Rohrmantel zurückzulegen, bis der Hohlraum bzw. der Pumpkanal erreicht ist, durch den sie dann in Längsrichtung schnell entweichen können.

Auf diese Weise ist es vorteilhaft möglich, die einge schlossenen Gase bereits während des Fertigungsprozesses zu entfernen und von vornherein eine höhere Lebensdauer des Lasers zu gewährleisten.

In diesem Zusammenhang ist erfindungsgemäß weiterhin vorge sehen, ein als Drallrohr ausgebildetes Rohr zu nutzen. Die se weisen an ihrer Außenfläche Einstülpungen auf, die in Form spiralförmiger Drallungen über die gesamte Rohrlänge verlaufen. Der wesentliche Vorteil dabei besteht darin, daß durch die Drallung ein effektiver Wärmeeintrag in das Kühl medium erfolgt.

In einer weiteren sehr bevorzugten Ausgestaltung der Erfin dung sind die Elektroden mit Mitteln zur Klemmung des in ihrem Inneren verlaufenden Rohres ausgestattet. Die Mittel zur Klemmung können beispielsweise Materialabschnitte des Elektrodenmaterials sein, die plastisch verformbar ausge bildet sind. Damit ergibt sich vorteilhaft die Möglichkeit, beim Herstellungsprozeß die Rohre nach dem Einführen in das Elektrodeninnere mechanisch zu befestigen und dadurch auch den Wärmeübergang vom Elektrodenmaterial in das Rohrmateri al zu verbessern.

Bevorzugt sollte als Elektrodenmaterial Aluminium und als Rohrmaterial Kupfer vorgesehen sein.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbei spiels näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnun gen zeigen:

Fig. 1 eine Elektrode mit eingefügtem Rohr für das Kühl mittel

Fig. 2 eine Ausgestaltungsvariante a) und eine Ausgestal tungsvariante b) für Rohr- und Kanalquerschnitte

Fig. 3 eine Ausgestaltungsvarianten a) und eine Ausge staltungsvarianten b) für die Klemmung der Rohre im Inneren der Elektrode.

In Fig. 1 ist eine Bandleiterelektrode 1 in verkürzter Länge dargestellt, in deren Querschnitt 2 zwei Kanäle 3 und 4 mit jeweils kreisförmigen Querschnitt eingearbeitet sind. Die Kanäle 3, 4 verlaufen parallel zueinander und zur Längsrich tung der Bandleiterelektrode 1.

In die Kanäle 3, 4 ist ein Kühlmittelrohr 5 eingeschoben, das beginnend an einem Ende der Bandleiterelektrode 1 nahe zu über deren gesamte Länge durch das Elektrodenmaterial hindurch zum gegenseitigen Ende führt, dort etwa halbkreis förmig gebogen ist und wieder durch das Elektrodenmaterial zurück verläuft. Die beiden am selben Ende der Bandleitere lektrode 1 austretenden Rohrenden sind rechtwinklig abgebo genen und dienen wahlweise zum Anschluß des Vor- oder Rück laufs für ein Kühlmittel.

In Fig. 1 ist weiterhin zeichnerisch angedeutet, daß das Rohr 5 als Drallrohr ausgebildet ist, das an seiner Außen wandung spiralförmig umlaufende Vertiefungen 6 aufweist, auf die im weiteren Text nochmals eingegangen werden soll.

Die Bandleiterelektrode 1 ist aus Aluminium gefertigt, wäh rend als Rohrmaterial Kupfer vorgesehen ist. Der Außen durchmesser des Rohres 5 und die Innendurchmesser der Kanä le 3, 4 sind so aufeinander abgestimmt, daß das Rohr 5 spielfrei in den Kanälen 3, 4 sitzt, wodurch die Außenfläche des Rohres 5 an den Innenflächen der Kanäle 3, 4 anliegt und somit ein thermischer Kontakt besteht, der eine optimale Wärmeüberleitung vom Elektrodenmaterial in das Rohrmaterial gewährleistet.

Fig. 2 zeigt in der Ausgestaltungsvariante a) den Quer schnitt 2 der Bandleiterelektrode 1, bei dem in die Kanäle 3, 4 ein Drallrohr gemäß Fig. 1 eingepreßt ist. Durch die Drallung weist das Rohr 5 an seinem Umfang, wie im Rohr querschnitt zu erkennen ist, vier Einstülpungen auf, die spiralförmig über die gesamte Rohrlänge verlaufen. Dadurch sind zwischen der Außenfläche des Rohres 5 und der Innen fläche der Kanäle 3, 4 vier Pumpkanäle 7 ausgebildet, durch welche eingeschlossene Luft oder andere Gase nach außen ab geleitet werden können.

Aufgrund der geometrischen Gestaltung des Querschnittes 2 und des erfindungsgemäß eingebrachten Rohres 5 tritt eine Verformung der Bandleiterelektrode 1 unter der thermischen Belastung des Laserbetriebes weder in Querrichtung noch in Längsrichtung zur Laserstrahlung auf.

Eine weitere Ausgestaltungsvariante b) nach Fig. 2 sieht ein Rohr 5 mit einer glatten Außenwandung vor, dagegen aber in die Innenflächen der Kanäle 3,4 eingearbeitete Nuten, wel che die Pumpkanäle 8 ausbilden und auf diese Weise ebenso dazu geeignet sind, eingeschlossene Gase vom Elektrodenin neren nach außen abzuleiten.

Fig. 3 zeigt in der Ausgestaltungsvariante a) eine Möglich keit der Klemmung des Rohres 5 im Inneren der Bandleitere lektrode 1. Als Mittel zur Klemmung sind Materialabschnit ten 9 des Elektrodenmaterials derart ausgebildet, daß durch Ausübung eines Einpressdruckes senkrecht auf diese Ab schnitte 9 eine Quetschung der Kanäle 3, 4 in Druckrichtung erzielt wird, wodurch das Rohr 5 im Inneren der Kanäle 3, 4 zur festen Anlage kommt.

In der Ausgestaltungsvariante b) nach Fig. 3 sind Abschnitte 10 des Elektrodenmaterials als Mittel zur Klemmung des Roh res 5 gestaltet, wobei jedoch entgegen der Ausgestaltungs variante nach Fig. 3a) die Anpreßrichtung durch seitlich in das Elektrodenmaterial eingearbeitete Öffnungen vorgenommen werden kann. Auch hierdurch wird eine Arretierung des Roh res 5 innerhalb der Kanäle 3 und 4 bewirkt und so die Vor aussetzung für einen optimalen Wärmeübergang aus dem Elek trodenmaterial in das Rohrmaterial geschaffen.

Bezugszeichenliste

1

Elektrode

2

Querschnitt

3

,

4

Kanäle

5

Rohr

6

Drallungen

7

,

8

Pumpkanäle

9

,

10

Materialabschnitte

Claims

1. Vorrichtung zum Ableiten von Verlustwärme aus Bandlei terlasern, die mit Elektroden (1) zur Einkopplung von HF-Energie ausgestattet sind und bei denen das Elektro denmaterial zum Zweck der Wärmeableitung in thermischem Kontakt mit einem strömenden Kühlmittel steht, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kühlmittelleitung innerhalb der Elektroden (1) verlaufende Rohre (5) vorgesehen sind, wobei der Rohrquerschnitt ringsum vom Elektrodenmateri al umgeben ist und die Rohraußenfläche zumindest ab schnittsweise unmittelbar am Elektrodenmaterial an liegt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (5) in parallel zur Laserstrahlungsrich tung bzw. zur Richtung des Entladungsspaltes verlaufen de röhrenförmige Kanäle (3, 4) im Elektrodenmaterial eingefügt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Kanäle (3, 4) wie auch die Rohre (5) einen kreisrunden Querschnitt aufweisen, wobei der In nendurchmesser der Kanäle (3, 4) dem Außendurchmesser der Rohre (5) entspricht und dadurch Rohraußenfläche und Kanalinnenfläche in Berührung steht.

4. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß mindestens ein in Strömungs richtung das Kühlmittels verlaufender Hohlraum zwischen den Außenflächen der Rohre (5) und den Innenflächen der Kanäle (3, 4) vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum durch Einstülpungen des Rohrmantels zum Rohrinneren hin oder durch in die Innenflächen der Kanäle (3, 4) eingearbeitete Nuten gebildet ist, wobei in den Bereichen der Einstülpungen bzw. Nuten keine un mittelbare Berührung zwischen Rohraußenfläche und Ka nalinnenfläche gegeben ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (5) als Drallrohr ausgebildet sind, wel ches an ihrer Außenfläche in Form von spiralförmigen Drallungen (6) verlaufende Einbuchtungen aufweist.

7. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Elektroden (1) mit Mit teln zur Klemmung der in ihrem Inneren verlaufenden Rohre (5) ausgestattet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel zur Klemmung der Rohre (5) Bereiche des Elektrodenmaterials plastisch verformbar ausgebildet sind.

9. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß als Elektrodenmaterial Alumi nium und zur Kühlmittelleitung Kupferrohr vorgesehen ist.