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Dokumentenidentifikation DE69206600T2 15.05.1996
EP-Veröffentlichungsnummer 0565729
Titel LASERVORRICHTUNG.
Anmelder Fanuc Ltd., Oshino, Yamanashi, JP
Erfinder MORITA, Yasuyuki Fanuc Mansion Harimomi 9-108, Yamanashi 401-05, JP;
MITSUI, Kenji Fanuc Dai-3 Vira-karamatsu, Minamitsuru-gun Yamanashi 401-05, JP;
MANABE, Mitsuo, Hachioji-shi Tokyo 192, JP
Vertreter Hauck, Graalfs & Partner, 80336 München
DE-Aktenzeichen 69206600
Vertragsstaaten DE, GB, IT
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 30.09.1992
EP-Aktenzeichen 929209922
WO-Anmeldetag 30.09.1992
PCT-Aktenzeichen JP9201263
WO-Veröffentlichungsnummer 9307663
WO-Veröffentlichungsdatum 15.04.1993
EP-Offenlegungsdatum 20.10.1993
EP date of grant 06.12.1995
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.05.1996
IPC-Hauptklasse H01S 3/041
IPC-Nebenklasse H01S 3/06   

Beschreibung[de]

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.


Anspruch[de]

Laseroszillatorsystem (1), bei dem ein von einem Gebläse (43) und einer Kühleinheit (41) zwangsgekühltes Lasergas in einem elektrischen Entladungsrohr (21,22) zur Laseroszillation erregt wird, mit einem am Lasergas-Auslaß (20) des elektrischen Entladungsrohres (21,22) angeordneten Wärmetauscher (41) zum Kühlen des im elektrischen Entladungsrohr (21,22) erregten Lasergases und mit einem am Lasergas-Auslaß (41C) des Wärmetauschers 41 angeordneten Gebläse (43) zum Erzeugen eines von dem Wärmetauscher (41) gekühlten Lasergasstromes, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (41) ein Wärmetauscher vom Plattentyp ist, der derart aufgebaut ist, daß von dünnen Platten (41G) unterteilte Lasergaskanäle (41F) und Kühlmittelkanäle (41E) abwechselnd übereinander gebildet sind.

2. Laseroszillatorsystem (1) nach Anspruch 1, bei dem der Wärmetauscher (41) vom Platten-Typ nahe dem Lasergas- Auslaß (20) des elektrischen Entladungsrohres (21,22) angeordnet ist.

3. Laseroszillatorsystem nach Anspruch 1 oder 2, bei dem ein Wärmetauscher (41) vom Plattentyp auch am Lasergas- Auslaß des Gebläses (43) vorgesehen ist.

4. Laseroszillatorsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Wärmetauscher (41) vom Plattentyp mit mehreren Lasergas-Einlässen (41A, 41B) oder Auslässen (42C, 42D) versehen ist, und eine Funktion des Auftrennens des Lasergases in verschiedene Ströme bzw. des Zusammenführens mehrerer Lasergasströme in eine Strömung aufweist.

5. Verfahren zum Herstellen eines Laseroszillator- Systems (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Bauteile des Wärmetauschers (41) vom Plattentyp in einer Einheit durch Hartlöten in einem Vakuumofen oder in einem Reduzierofen, wie einem H&sub2;-Ofen oder einem Inertgasofen zusammengefügt werden.







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