-
Die Erfindung betrifft ein Laseroszillatorsystem zum
Hervorrufen einer Laserschwingung durch Erregen eines
Lasergases in einem elektrischen Entladungsrohr, das von einem
Gebläse und einer Kühleinheit zwangsgekühlt ist, und
insbesondere ein Laseroszillatorsystem der Art, die einen
Wärmetauscher vom Plattentyp als Kühleinheit verwendet.
-
Ein Gaslaseroszillator-System wie ein CO&sub2; Laser erzeugt in
sehr wirksamer Weise eine hohe Ausgangsleistung eines
Laserstrahls mit ausgezeichneten Eigenschaften, so dar das
mit einer numerischen Steuerung verbundene System zum
Bearbeiten eines Werkstückes komplizierter Gestalt bei hoher
Geschwindigkeit usw. geeignet ist und deshalb weit
verbreitet ist.
-
Fig. 4 zeigt schematisch die Gesamtanordnung eines
bekannten Laseroszillatorsystems. In Fig. 4 ist das System 1 ein
CO&sub2; Gaslaser mit CO&sub2; als Lasergas und besteht aus einem
Oszillator 2, einer Laserstrahlmaschine 6 und einer
numerischen Steuerung 7. Der Oszillator 2 besteht aus
lasergaszirkulierenden Systemen 31, 32 und mehreren elektrischen
Entladungsrohren 21 und 22, die hieran angeschlossen sind,
wobei das Lasergas durch die Systeme 31, 32 und die
Entladungsrohre 21, 22 von einem Gebläse 43 zwangsgeführt wird.
-
Das an die Entladungsrohre 21 und 22 gelieferte Lasergas
wird von einer HF-Entladung erregt, die darin von einer
Spannung erregt wird, die von Energieversorgungen 23 und 24
geliefert wird. Das infolge der Erregung auf hohe
Temperatur erhitzte Lasergas wird von einem Lasergas-Auslaß 20 der
Entladungsrohre zu einem Wärmetauscher 410 geführt, der in
einem Abstand L vom Gasauslaß entfernt angeordnet ist,
worauf das gekühlte Gas vom Gebläse 43 gefördert wird. Das
vom Gebläse 43 geförderte Lasergas wird wiederum von einem
Wärmetauscher 420 gekühlt, um die von der Verdichtung
herrührende Erwärmung zu entfernen und das resultierende
Lasergas, dessen Temperatur somit auf einen Festwert
konstant geregelt wird, gelangt zu den Entladungsrohren 21 und
22 zurück.
-
Die Entladungsrohre 21 und 22 haben einen Spiegel 23 mit
totaler Reflexion und einen Auslaßspiegel 26, die an
entgegengesetzten Seiten der Entladungsrohre 21, 22 angeordnet
sind, um einen Oszillator vom Fabry-Perot-Typ zu bilden,
der in der Lage ist, einen von einer elektrischen Entladung
erzeugten Laserstrahl zu verstärken und einen Teil des
verstärkten Laserstrahls nach außen zu geben. Der aus dem
Oszillator austretende Laserstrahl wird an einem Spiegel 27
abgelenkt, tritt darauf in die Laserstrahlmaschine 6 ein
und wird dort zum Bearbeiten eines Werkstückes verwendet.
Die numerische Steuerung 7 steuert den Laseroszillator 2
und die Laserstrahlmaschine 6 entsprechend einem
gespeicherten Programm.
-
Das System 1, die Wärmetauscher 410 und 420 als
Kühleinheiten sind in bekannter Weise Wärmetauscher vom Rippentyp,
bestehend aus einem Wärmetauscherkern vom Rippentyp und
einem hermetischen Behälter, beispielsweise aus
Aluminiumguß zum Einschließen des genannten Kern. Dieser
Wärinetauscher kühlt das Lasergas durch Übertragen der Wärme aus dem
Lasergas, das durch den hermetischen Behälter strömt, auf
den Rippenkern, durch den ein Kühlmittel strömt.
-
Bei Verwendung eines solchen Wärmetauschers im System 1
tritt aber unvermeidlicher Staub auf, der vom Kern und vom
Behälter herrührt. Dies ist insbesondere dann der Fall,
wenn sich beim Gießen am Behälter ansetzender Formsand sich
ablöst und in das Lasergas gelangt. Ist einmal Staub oder
andere Fremdmaterie in das Lasergas gelangt, so werden
optische Komponenten (Spiegel 25 und 26 usw.) im Oszillator 2
dadurch verunreinigt und dies erfordert das Auswechseln
dieser optischen Kornponenten, was sehr teuer ist, bzw.
müssen sie gereinigt werden. Beim Waschen solcher Komponenten
treten folgende Probleme auf:
-
(1) Das Systein 1 muß längere Zeit außer Betrieb gesetzt
werden;
-
(2) der Gaskreislauf 3 muß geöffnet werden, so dar
neuer Staub usw. unvermeidbar eintritt;
-
(3) das gesamte optische System einschließlich
Ablenkspiegel 27, Laserstrahlmaschine 6 usw. muß neu eingestellt
werden, was Zeit und Geschicklichkeit erfordert.
-
Es ist deshalb ein sehr wesentliches von der Erfindung zu
lösendes Problem, daß das Eintreten von Staub usw. aus dem
Wärmetauscher vermieden wird.
-
Ferner hat der vorgenannte Wärmetauscher des Rippentyps
einen niedrigen Wirkungsgrad für den Wärmetauscher je
Volumeneinheit und außerdem muß der Rippenkern in dem
hermetischen Behälter angeordnet werden, so daß Größe und Gewicht
des Wärmetauschers erheblich vergrößert werden. Wenn
deshalb dieser Wärmetauscher am Lasergas-Auslaß der
Entladungsrohre 21 und 22 angeordnet wird, so kann dies
nachteilige Wirkungen hervorrufen, z.B. durch Übertragung von
Schwingungen auf die Entladungsrohre. Ferner müssen die
Entladungsrohre 21 und 22 sehr genau gesteuert werden, um
die Laserschwingung auszuführen und deshalb ist es nötig,
daß solche Schwingungen o.ä. vermieden werden. Es muß
deshalb bei Rippenwärmetauschern der Abstand L vom Auslaß 20
zum Wärmetauscher groß gewählt werden. Deshalb ist es
schwierig, das System 3 zu vereinfachen.
-
Um einen groben Lasergasdurchsatz zu erhalten, den man für
eine grobe Ausgangsleistung des Systems benötigt, ist es
wesentlich, die Länge des Kanals zu verringern, durch den
das Hochtemperatur-Lasergas strömt, um dadurch den
Reibungswiderstand für das Gas zu verringern. Der Grund dafür
liegt darin, daß bei höherer Temperatur des Lasergases
dessen Viskosität höher ist und damit ist auch der
volumetrische Durchsatz größer, so daß der Reibungswiderstand für
das Lasergas umso größer ist, je länger der Kanal ist,
durch den das Hochtemperatur-Gas strömt. Wenn jedoch, wie
erwähnt, ein Rippenwärmetauscher verwendet wird, so muß der
Abstand L zwischen den Entladungsrohren 21, 22 und dem
Wärmetauscher 410 groß sein und damit kann der
Reibungswiderstand nicht verringert werden, der sich als Hindernis für
eine hohe Ausgangsleistung erwiesen hat.
-
Die Erfindung wurde im Hinblick auf diese Gegebenheiten
gemacht und es ist somit eine der Erfindung zugrundeliegende
Aufgabe, ein Laseroszillationssystem zu schaffen, bei dem
die Wartungszeiten der optischen Komponenten verlängert
werden, indem man vermeidetm dar vom Wärmetauscher Staub
o.ä. erzeugt wird.
-
Nach einer anderen Aufgabe der Erfindung soll das System
eine kleinere Größe des Wärmetauschers bieten.
-
Nach einer weiteren Aufgabe der Erfindung soll das System
eine hohe Laserstrahl-Ausgangsleistung erzielen.
-
EP-A-0 152 084 offenbart ein Laseroszillatorsystem mit den
Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1. Gemäß
einem ersten Aspekt der Erfindung ist dieses System dadurch
gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher ein Wärmetauscher vom
Plattentyp ist, der derart aufgebaut ist, daß die von
dünnen Platten unterteilten Lasergaskanäle und
Kühlmittelkanäle abwechselnd übereinander gebildet sind.
-
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung besteht ein
Verfahren zum Herstellen eines Laseroszillatorsystems gemäß
dem ersten Aspekt der Erfindung darin, daß die Komponenten
des Wärmetauschers vom Plattentyp durch Hartlöten in einem
Vakuumofen oder in einem Reduzierofen, wie einem H&sub2;-Ofen
oder einem Inertgas-Ofen in eine Einheit zusammengebaut
werden.
-
Der Wärmetauscher vom Plattentyp ist am Lasergas-Auslaß des
elektrischen Entladungsrohres zum Kühlen des
Hochtemperatur-Lasergases angeordnet, das in dem Entladungsrohr erregt
wird. Das Gebläse ist am Lasergas-Auslaß des Wärmetauschers
vom Plattentyp angeordnet, um einen Lasergasstrom für den
Kreislauf im System zu erzeugen. Da der
Plattenwärmetauscher als Kühleinheit verwendet wird, ist es möglich, zu
verhindern, daß Staub o.ä. vom Wärmetauscher erzeugt wird.
Ferner kann der Wärmetauscher in kleinerer Größe
hergestellt werden. Auch kann der Wärmetauscher verringerter
Größe nahe dem Lasergas-Auslaß des Entladungsrohres
angeordnet werden, so daß sich eine kleinere Länge für die
Durchströmung von Seiten des Hochtemperatur-Lasergases
ergibt, so daß es möglich ist, den Durchsatz an Lasergas
infolge des kleineren Reibungswiderstandes zu vergrößern und
damit die Ausgangsleistung des Laserstrahls zu erhöhen.
-
Die Zeichnung zeigt:
-
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Gesamtanordnung
eines erfindungsgemäßen Laseroszillatorsystems;
-
Fig. 2 eine schematische Darstellung des inneren Aufbaues
eines Plattenwärmetauschers;
-
Fig. 3 eine schematische Darstellung des
Plattenwärmetauschers am Lasergas-Auslaß der Entladungsrohre und
-
Fig. 4 eine schematische Darstellung der Gesamtanordnung
eines bekannten Laseroszillatorsystems.
-
Eine Ausführungsform der Erfindung wird nun anhand der
Zeichnung erläutert.
-
Fig. 1 zeigt schematisch die Gesamtanordnung eines
erfindungsgemäßen Systems 1, bei dem CO&sub2; Gas als Lasergas
verwendet wird. Das System besteht aus einem Oszillator 2,
einer Laserstrahlmaschine 6 und einer Steuerung 7. Der
Oszillator 2 besteht aus einem lasergaszirkulierenden
System 3 und elektrischen Entladungsrohren 21 und 22, wobei
das Lasergas durch die beiden Kanäle 31 und 32 des
Zirkulationssystems 3 und die Entladungsrohre 21 und 22 von einem
Gebläse 43 zirkuliert werden. Hier liegen zwei weitere
Entladungsrohre (nicht dargestellt) parallel zu den
Entladungsrohren 21 und 22.
-
Ein Plattenwärmetauscher 41, der nachstehend näher
erläutert wird, ist nahe einem Lasergas-Auslaß 20 der Rohre 21
und 22 angeordnet. Das den Rohren 21 und 22 zugeführte
Lasergas wird von einer Hochfrequenzentladung angeregt, die
von einer Spannung der Energieversorgung 23 und 24 angeregt
wird. Das infolge der Anregung auf hohe Temperatur erhitzte
Lasergas strömt aus dem Auslaß 20 in den
Plattenwärmetauscher 41 über Gaseinlässe 41A und 41B. Das Lasergas hoher
Temperatur wird in dem Wärmetauscher 41 gekühlt und gelangt
über den Auslaß 41C auf die Saugseite des Gebläses 43. Ein
Plattenwärmetauscher 42 ist an der Auslaßseite des Gebläses
43 vorgesehen und das vom Gebläse 43 abgegebene Gas strömt
in den Plattenwärmetauscher 42 über einen Einlaß 42A und
wird nochmals gekühlt, um die von der Verdichtung
herrührende Wärme abzuführen, worauf das Gas über die Auslässe
42C und 42D wiederum in die Entladungsrohre 21 und 22
zurückströmt. Somit wird das Lasergas ständig von den
Plattenwärmetauschern 41 und 42 auf eine bestimmte Temperatur
gekühlt und dann wieder den Entladungsrohren 21 und 22
zugeführt.
-
Die Entladungsrohre 21 und 22 besitzen einen Spiegel 25 mit
totaler Reflexion und einen Auslaßspiegel 26 auf
entgegengesetzten Seiten und bilden einen Fabry-Perot-Oszillator,
der einen von der elektrischen Entladung erzeugten
Laserstrahl verstärkt und diesen verstärkten Strahl nach außen
abgibt. Der aus dem Oszillator austretende Laserstrahl wird
am Spiegel 27 abgelenkt und gelangt in die
Laserstrahlmaschine 6 zum Bearbeiten eines Werkstückes. Die numerische
Steuerung 7 steuert den Oszillator 2 und die Maschine 6
entsprechend gespeicherten Programmen.
-
Fig. 2 zeigt schematisch den Innenaufbau des
Plattenwärmetauschers. Hier ist ein Querschnitt des Wärmetauschers
dargestellt. Der Plattenwärmetauscher 41 ist so ausgebildet,
daß Kühlmittelkanäle 41E und Lasergaskanäle 41F von dünnen
Platten 41G unterteilt sind und abwechselnd übereinander
ausgebildet sind, wobei alle Kanäle 41E und 41F mit Rippen
41H versehen sind. Das erhitzte Lasergas gelangt durch die
Lasergaskanäle 41F und wird dabei dem Wärmetauscher an den
dünnen Platten 41G und dem durch die Kühlmittelkanäle 41E
strömenden Kühlmittel ausgesetzt. Der Wärmetauscher wird
durch die Rippen 41H verbessert. Die Anzahl der Kanäle 41E
und 41F sowie deren Höhe kann in geeigneter Weise
ausgewählt werden und bestimmt sich im Hinblick auf das
Kühlvermögen, den Reibungswiderstand und die Herstellungskosten.
Dieser Plattenwärmetauscher hat einen erheblich
verbesserten Wirkungsgrad im Vergleich zu einem bekannten
Rippenwärmetauscher, der zum Kühlen des Lasergases in einem
hermetischen Behälter vorgesehen ist, so daß seine Größe auf
1/2 bis 1/5 der Größe des bekannten Wärmetauschers
verringert werden kann. Die Baugrößenverkleinerung und der
Wegfall eines gegossenen Behälters verringern auch das
Gesamtgewicht des Laseroszillatorsystems um etwa 10%.
-
Der Plattenwärmetauscher 41 wird durch Hartlöten in einem
Vakuumofen hergestellt. Genauer gesagt, erfolgen die
Verbindungen
zwischen benachbarten Teilen der Platten 41B, die
ein äußeres Gehäuse des Plattenwärmetauschers 41 bilden,
sowie zwischen den Platten 41B und den dünnen Platten 41G
und jenen zwischen den dünnen Platten 41G und den Rippen
41H werden durch Hartlöten hergestellt, beispielsweise mit
dem Werkstoff Kupfer, so daß alle diese Komponenten in
einer Einheit zusammengebaut werden. Das Hartlöten erfolgt
im Vakuumofen, so daß Staub o.ä. im Inneren des
Wärmetauschers beim Herstellen nahezu vollständig bei diesem
Hartlöten im Ofen verbrannt wird. Die gleichen Effekt erhält
man beim Hartlöten von Plattenwärmetauschern in einem
Reduktionsofen, wie einem H&sub2;-Ofen oder in einem Inertgasofen.
Da beim Plattenwärmetauscher kein Gußteil in Form eines
Behälters für einen Rippenwärmetauscher Verwendung findet,
gibt es auch keinen Formsand. Damit liefert der
Plattenwärmetauscher 41 wesentlich kleinere Staubmengen als ein
bekannter Wärmetauscher, so daß der Staubeintrag in den
Laseroszillator 2 gegenüber bekannten Wärmetauschern um 80%
verringert wird. Damit kann die Verschmutzung der optischen
Teile des Laseroszillators 2 vermieden werden und damit
ergeben sich erheblich verlängerte Wartungsabstände.
-
Fig. 3 zeigt einen Plattenwärmetauscher auf der Lasergas-
Auslaßseite der Entladungsrohre in Richtung des Pfeiles A
in Fig. 1. Der Plattenwärmetauscher 41 in Fig. 3 ist nahe
dem Auslaß 20 angeordnet und das Gas strömt in Richtung der
Pfeile 100, nämlich strömt das Hochtemperatur-Lasergas in
dem Entladungsrohr 22 aus dem Auslaß 22 durch die Kanäle 33
und 34 in den Plattenwärmetauscher 41 über die Einlässe 41A
und 41B, wird gekühlt und strömt aus dem Auslaß 41C heraus.
-
Die Länge der Gaskanäle 33 und 34 zwischen dem Auslaß 20
und dem Plattenwärmetauscher 41 ist im Vergleich zu der in
Fig. 4 dargestellten Länge L erheblich verringert, d.h. daß
der Plattenwärmetauscher unmittelbar unterhalb des
Entladungsrohres 22 angeordnet ist. Diese Anordnung ist bei
einem Plattenwärmetauscher 41 möglich, der eine geringe
Baugröße und ein niedriges Gewicht besitzt sowie dadurch,
daß mehrere Einlässe im Plattenwärmetauscher vorhanden
sind. Mit anderen Worten läßt sich diese Anordnung dadurch
realisieren, daß die verringerte Größe und das Gewicht des
Wärmetauschers den Einfluß von Schwingungen verringert,
welche das Entladungsrohr 22 nachteilig beeinflussen,
während gleichzeitig der Wärmetauscher die Funktion besitzt,
daß getrennt zugeführte Lasergasströme vereinigt werden, so
daß diese Bauweise für ein Laseroszillatorsystem besonders
geeignet ist.
-
So macht es die kürzere Weglänge, die das Hochtemperatur-
Lasergas zurücklegt, möglich, den Durchsatz an Lasergas zu
erhöhen, da der Reibungswiderstand geringer ist, so daß die
Laserstrahl-Ausgangsleistung um etwa 20% ansteigt.
-
Wenn auch der Plattenwärmetauscher 41 in der vorgenannten
Ausführungsform so gebaut ist, daß er zwei Einlässe 41A und
41B entsprechend der Anordnung des Entladungsrohres 22 in
Parallelschaltung aufweist, sowie einen Gasauslaß 41C, so
ist dies nicht bindend, da die Einlässe und Auslässe auch
anderen Entladungsrohren und anderen Installationen des
Systems angepaßt werden können. So kann beispielsweise der
Wärmetauscher 42 an der Auslaßseite des Gebläses 43 mit
einem Einlaßkanal und zwei Auslaßkanälen versehen sein.
-
Erfindungsgemäß ist somit ein Laseroszillatorsystem mit
einem Plattenwärmetauscher ausgerüstet, der als Kühleinheit
zum Kühlen des Lasergases dient, wodurch es möglich ist,
Staubentwicklung o.ä. von Seiten des Wärmetauschers zu
verhindern, wodurch sich merkbare verlängerte Wartungsabstände
für die optischen Bauteile des Systems ergeben. Da ferner
der Wärmetauscher kleiner und leichter baut, ist der Aufbau
des Gaskreislaufsystems einfacher und man spart Gewicht. Da
überdies der kleinere Wärmetauscher nahe am Gasauslaß des
Entladungsrohres angeordnet sein kann, verringert sich die
Wegstrecke, die das Hochtemperatur-Lasergas durchströmt, so
daß der Lasergasdurchsatz infolge des kleineren
Reibungswiderstandes vergrößert werden kann und damit die
Ausgangsleistung des Laserstrahls größer wird.