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Die
Erfindung betrifft eine Lösung
für die Kühlung von
an Lichtquellen, vorzugsweise an Laserlichtquellen angekoppelten
Lichtleitkabeln. Sie bezieht sich insbesondere auf einen aktiv gekühlten Steckverbinder
als Koppelstelle zwischen einer Lichtleitfaser und einer Laserlichtquelle
höherer
Leistung, das heißt,
einer Leistung von 300 W und darüber. Selbstverständlich können gemäß der vorgeschlagenen
Lösung
gekühlte
Steckverbinder aber auch zur Ankopplung von Lichtleitfasern an Laserlichtquellen mit
geringerer Leistung verwendet werden, wobei dann jedoch möglicherweise
auch einfachere Kühllösungen in
Betracht kommen.
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Bei
der Übertragung
von Laserstrahlen über Lichtleitkabel
treten insbesondere bei höheren
Laserleistungen starke Übertragungsverluste
auf, welche zum überwiegenden
Teil als Wärmeverluste
in Erscheinung treten und sich dabei vor allem in einer starken
Erwärmung
bis hin zur Überhitzung
der zur Ankopplung der Lichtleitfaser an die Laserlichtquellen verwendeten
Steckverbinder manifestieren. Bereits Leistungen von 300 W führen dabei
in den Steckverbindern zu einer derartig großen Erhitzung, dass sich die
am Steckverbinder, im Allgemeinen mittels Klemmtechnik montierte
Faser in der axialen Faserrichtung bewegt. Hierdurch ändert sich
der für
die jeweilige Ankoppelstelle definiert eingestellte Fokus des Lasers,
was zu zusätzlichen Übertragungsverlusten
führt.
Im ungünstigen
Fall kann diese Veränderung
der Ankopplungsbedingungen sogar zu einer Zerstörung der Lichtleitfaser führen. Zudem
führt die zumeist
angewandte Klemmverbindung auch dazu, dass die Faser, insbesondere
bei temperaturbedingten Ausdehnungserscheinungen einer mechanischen
Druckbelastung ausgesetzt wird, was durch eine dadurch möglicherweise
entstehende Beschädigung
des die Faser unmittelbar umgebenden Mantels oder sogar ihres Cladding
gegebenenfalls weitere Leistungs- beziehungsweise Übertragungsverluste
zur Folge hat.
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Zur
Vermeidung der bei Klemmverbindungen auftretenden mechanischen Belastung
der Lichtleitfaser und zur Verhinderung ihrer Bewegung in Faserlängsrichtung
käme grundsätzlich auch
der Einsatz von Klebetechniken zur Befestigung des Steckverbinders
an der Lichtleitfaser in Betracht. Allerdings tritt hierbei das
Problem auf, dass auch die dazu in Frage kommenden Kleber nur in
Grenzen temperaturbeständig
sind.
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Aus
den zuvor dargestellten Gründen
macht es sich erforderlich, die zur Übertragung von Laserlicht höherer Leistung
genutzten Übertragungssysteme
an den kritischen Stellen, also insbesondere im Bereich der Steckverbinder,
zu kühlen.
In der Vergangenheit sind unterschiedliche Methoden zur Reduzierung
der an den Steckverbindern auftretenden Temperaturen entwickelt
worden. So werden beispielsweise für den Steckverbinder und den
Anschlussflansch Materialien verwendet, welche eine besonders gute
Wärmeleitung
aufweisen, um so die auftretende Wärme durch Wärmeleitung abzuführen. Zur weiteren
Verbesserung dieser passiven Kühlung werden
die entsprechenden Elemente gegebenenfalls noch mit Kühlkörpern in
Verbindung gebracht, um so die wärmeableitende
Fläche
zu vergrößern. Eine
noch wirksamere Wärmeabfuhr
wird jedoch durch aktive Kühlsysteme
erreicht. Für
die aktive Kühlung
sind luft- und flüssigkeitsgekühlte Systeme bekannt.
Mit luftgekühlten
Systemen, welche das Prinzip einer zusätzlichen Wärmeabfuhr durch Konvektion
nutzen, werden dabei bereits gute Ergebnisse erreicht. Am effektivsten
ist jedoch die Flüssigkeitskühlung beziehungsweise
die Wasserkühlung. Dabei
bietet es sich an, die Teile des Lichtübertragungssystems, insbesondere
dessen Koppelstellen, in den Kühlkreislauf
der ohnehin zu kühlenden
Laser einzubeziehen.
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Nach
dem Stand der Technik erfolgt die Kühlung der Laser im Allgemeinen
mit deionisiertem Wasser. Deionisiertes Wasser hat jedoch den Nachteil,
dass es aus wärmeleitenden
Materialien, insbesondere aus Metallen, Ionen herauslöst und hierdurch
die Materialien angreift. Sofern daher die Kühlung der Steckverbinder durch
Einbeziehung in den Kühlkreislauf
des Lasers und, wie dies nach dem Stand der Technik praktiziert
wird, im Innern des Steckverbinders, nämlich im Bereich der Ferule und/oder
des Faserhalters erfolgt, werden erhöhte Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit
der für
die Steckverbinder verwendeten Materialien gestellt. Die Verwendung
entsprechend ausgesuchter Materialien für die Steckverbinder, aber
auch für
die Flansche, führt
jedoch in nachteiliger Weise zu einer Verteuerung der Systeme. Zudem
hat es sich gezeigt, dass im Laufe der Zeit selbst hochwertige und daher
teure Materialien durch das ionisierte Wasser angegriffen werden.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, eine Lösung für die Kühlung von an Laserlichtquellen
angekoppelten Lichtleitkabeln anzugeben, welche einerseits eine
effiziente aktive Kühlung
unter Verwendung einer Kühlflüssigkeit
ermöglicht,
dabei aber andererseits die vorgenannten Nachteile vermeidet. Insbesondere
soll dabei die Kühlung
so ausgelegt sein, dass die Koppelstelle zwischen der Lichtleitfaser
und der Laserlichtquelle auch ohne die Verwendung besonders korrosionsbeständiger Materialien für die Elemente
des Steckverbinders eine langzeitsichere Kopplung mit einer verlustarmen
Einkopplung des Laserlichts in die Faser gewährleistet.
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Die
Aufgabe wird durch ein Kühlsystem
mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Aus- beziehungsweise
Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gegeben.
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Zur
Lösung
der Aufgabe wird der Steckverbinder erfindungsgemäß durch
eine aktive Kühlung von
außen
gekühlt
ist, wobei mindestens ein Kühlkanal
für eine
Kühlflüssigkeit,
als Teil eines Kühlkreislaufs
durch einen äußeren Teil
des Steckverbinders oder ein mit einer Außenfläche des Steckverbinders in
einen wärmeleitenden
Kontakt gebrachtes und am Steckverbinder befestigtes Metallelement
geführt
ist. Dabei ist der Kühlkanal
beziehungsweise sind die Kühlkanäle gemäß einer
bevorzugten Ausbildungsform Teil eines externen, von der Kühlung der
Laserlichtquelle unabhängigen
Kühlkreislaufs.
Bei der Kühlflüssigkeit
handelt es sich vorzugsweise um destilliertes Wasser.
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Gemäß einer
praxisgerechten Ausbildungsform besteht der Steckverbinder im Wesentlichen aus
einer Hülse,
in welcher ein die Hülse
teilweise durchragendes Ende einer Lichtleitfaser fixiert ist, einer
Ferule und einer Schlauchklemme. Die Hülse und das sie durchragende
Ende der Lichtleitfaser, mit ihrer die Lichteinkopplungsfläche bildenden
Stirnfläche werden
von der Ferule aufgenommen. Mittels einer an der Ferule zu montierenden Überwurfmutter
ist die Ferule mit einem komplementären Steckverbinder der Laserlichtquelle
verbindbar und damit der erfindungsgemäße Steckverbinder an einem
komplementären
Steckverbinder zu befestigen. Auf die Ferule und einen äußeren, auf
der der Lichteinkopplungsfläche
gewandeten Seite aus der Ferule herausragenden Mantel des Lichtleitkabels
ist die metallische Schlauchklemme aufgeklemmt. Bei dieser Ausbildungsform
ist der mindestens eine in den Kühlkreislauf
einbezogene Kühlkanal
durch die Schlauchklemme oder durch einen, mit der Schlauchklemme
in einen wärmeleitenden
Kontakt gebrachten Metallblock geführt. Entsprechendes gilt für mehrere
eventuell vorhandene Kühlkanäle. Überraschender
Weise hat sich gezeigt, dass mit dieser äußeren Laserlichtquelle bis
zu 1 kW problemlos an Lichtleitfasern anzukoppeln und zu betreiben
sind. Es wird angenommen, dass Lichtleitfasern eventuell sogar mit
Lasern mit einer Leistung > 3
kW in dieser Weise betrieben werden können.
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Die
Lichtleitfaser ist bei einer bevorzugten Ausführung dieser Ausbildungsform,
anders als nach dem Stand der Technik im Allgemeinen gebräuchlich, mit
dem sie unmittelbar umgebenden Mantel in die von der Ferule aufgenommene
Hülse eingeklebt.
Dabei ist es im Sinne der Erfindung, wenn der oder die Kühlkanäle in einem
auf die Schlauchklemme aufgeklemmten Kupferblock, parallel zur Längsachse
der Lichtleitfaser verlaufend ausgebildet sind.
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Die
bevorzugte Ausführungsform
ist jedoch jene, bei welcher der oder die Kühlkanäle durch die Schlauchklemme
geführt
sind. Entsprechend einer möglichen
Umsetzung der Erfindung sind dabei der oder die Kühlkanäle in der
Schlauchklemme, parallel zur Längsachse
der Lichtleitfaser verlaufend ausgebildet. Eine andere Möglichkeit
besteht in der Anordnung eines spiralförmig um den Umfang der Lichtleitfaser
geführten
Kühlkanals.
Schließlich
ist es auch möglich,
in der Schlauchklemme mehrere, zu einander parallel verlaufende
Kühlkanäle anzuordnen,
die um den Umfang der Lichtleitfaser herum geführt sind.
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Die
Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen nochmals näher erläutert werden.
In den zugehörigen
Zeichnungen zeigen:
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1: Einen Kühlblock zur Nachrüstung an einem
in herkömmlicher
Weise gestalteten Steckverbinder für die Ankopplung einer Lichtleitfaser
an eine Laserquelle
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2a:
Die Schlauchklemme eines in herkömmlicher
Weise ausgebildeten Steckverbinders, auf welche der Kühlblock
gemäß 1 aufmontiert wird
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2b:
Die Schlauchklemme eines Steckverbinders mit integrierter Kühlung
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3:
Einen Faserhalter zur Verwendung in einem Steckverbinder mit integrierter
Kühlung
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4:
Eine Ferule, in welche der Faserhalter gemäß 3 montiert
wird
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5:
Den unter Verwendung der Teile gemäß den 2b, 3 und 4 vollständig montierten
Steckverbinder mit integrierter Kühlung
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6a:
Den Steckverbinder gemäß 5 in räumlicher
Darstellung und mit daran befestigen Schläuchen für das Kühlmittel in einer Seitenansicht
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6b:
Den Steckverbinder nach 6a in einer
Draufsicht
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Die 1a und 1b zeigen
einen Kühlblock 7,
der zur Umsetzung der erfindungsgemäßen Lösung an einem Steckverbinder
herkömmlicher Ausbildung
montierbar und somit auch an bereits im Einsatz befindlichen Steckverbindern
nachrüstbar
ist. Dabei zeigt die 1a den Kühlblock 7 in einer
radial beziehungsweise quer geschnittenen Darstellung, während er
in der 1b in axial beziehungsweise längs geschnittener
Darstellung mit einem entlang der in der 1a angetragenen
Linie A-A geführten Schnitt
wiedergegeben ist. Die Orientierungsrichtung des jeweiligen Schnitts,
also radial beziehungsweise quer einerseits und axial beziehungsweise
längs andererseits
bezieht sich bei den 1a und 1b ebenso
wie bei den Erläuterungen
zu den anderen Darstellungen auf die Faserlängsachse x der Lichtleitfaser 2.
Demnach soll unter einem axial beziehungsweise längs geführten Schnitt ein parallel
zur Faserlängsachse
x einer vom Steckverbinder aufgenommenen Lichtleitfaser 2 verstanden
werden, wobei der Steckverbinder gegebenenfalls von einem Kühlblock 7 gemäß der 1a und 1b umgeben ist.
Bei einer Ausbildungsform mit einem Kühlblock 7 gemäß der 1a und 1b wird
die in herkömmlicher
Weise ausgebildete Schlauchklemme 6' eines insoweit ebenfalls in herkömmlicher
Weise ausgebildeten Steckverbinders, welche in der 2a gezeigt ist,
in die Bohrung beziehungsweise Öffnung 19 des Kühlblocks 7 geschoben
und mittels der Schraube 20 so darin verklemmt, dass ein
guter Wärmeübergang zwischen
der Schlauchklemme 6' und
dem Kühlblock 7 gegeben
ist.
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In
der entlang der Linie A-A axial geschnittenen Darstellung der 1b sind
die in dem Kühlblock 7 ausgebildeten
Kühlkanäle 8, 9 – im gezeigten Beispiel
zwei Kühlkanäle 8, 9 – gut zu
erkennen. Die Kühlkanäle 8, 9 werden über einen
Einlass 12 und einen Auslass 13 sowie daran zu
befestigende Kühlmittelschläuche 24, 25,
welche in der Darstellung der 1b nicht
gezeigt sind, in einen Kühlkreislauf
einbezogen. Dabei handelt es sich vorzugsweise um einen gegenüber der
Kühlung
der Laserlichtquelle separaten beziehungsweise externen Kühlkreislauf,
bei dem als Kühlmittel
vorzugsweise destilliertes Wasser eingesetzt wird. Über den
Einlass 12 und den Auslass 13 wird die Kühlflüssigkeit
durch die Kühlkanäle 8, 9 des
Kühlblocks 7 geführt. Bei
der Verwendung destillierten Wassers zur Kühlung kann für den Kühlblock 7 ein
Material eingesetzt werden, an dessen Korrosionsbeständigkeit
geringere Anforderungen gestellt werden können, als an Materialien, welche mit
deionisiertem Wasser in Kontakt kommen. Das Augenmerk kann daher
auf die Verwendung eines besonders gut wärmeleitenden Materials gelegt
werden. Insoweit ist der Einsatz von Kupfer als guter Wärmeleiter
besonders vorteilhaft. Selbstverständlich ist es aber auch möglich, den
Kühlblock 7 aus
einem korrosionsbeständigeren
Material herzustellen und die aktive Kühlung in den Kühlkreislauf
des Lasers unter Verwendung deionisierten Wassers einzubeziehen.
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2a zeigt,
wie bereits erwähnt,
eine Schlauchklemme 6' herkömmlicher
Ausbildung, welche über
an ihrem Außenumfang
vorgesehene Gewindebohrungen 21', 22', 23' auf einer eine Lichtleitfaser 2 aufnehmenden
Ferule 5 und einem, das zur Laserlichtübertragung geeignete Lichtleitkabel 1 umgebenden
Mantel 10, vorzugsweise als Metallschlauch ausgebildet,
mittels Madenschrauben zu befestigen ist. Auf diese Schlauchklemme 6' wird, wie bereits
erwähnt,
der Kühlblock 7 gemäß der 1a mit
seiner Öffnung 19 aufgeschoben.
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Dem
gegenüber
zeigt die 2b eine Schlauchklemme 6,
welche gemäß einer
bevorzugten Umsetzungsform der Erfindung durch die Anordnung einer
in den Steckverbinder integrierten Kühlung modifiziert ist. Wie
zu erkennen, ist dabei in die Schlauchklemme 6 eine axial,
das heißt
parallel zur Längsachse
x einer durch den Steckverbinder aufgenommenen Faser 2,
verlaufender Kühlkanal 8 eingearbeitet.
Durch radial auf den Kühlkanal 8 geführte Bohrungen
sind ein Kühlmitteleinlass 12 und
ein Kühlmittelauslass 13 ausgebildet,
an welchen hier nicht gezeigte Schläuche 24, 25 eines
Kühlkreislaufs anschließbar sind.
Auch diese Schlauchklemme 6 weist wie die bekannte Ausführungsform
gemäß 2a Gewindebohrungen 21, 22, 23 auf, über welche
sie mittels Madenschrauben auf die übrigen Komponenten, nämlich die
Ferule 5 und den Metallschlauch 10 des Lichtleitkabels 1 (siehe
dazu auch 5) aufgeklemmt wird. Die beiden
zur Befestigung an der Ferule 5 dienenden Gewindebohrungen 21, 22 sind
dabei, wie erkennbar, gegenüber
dem Kühlkanal 8 angeordnet.
Im Zuge der Befestigung der Schlauchklemme 6 mittels der
in die Gewindebohrungen 21, 22 einzuschraubenden
Madenschrauben wird eine durch die Schlauchklemme 6 aufgenommene
Ferule 5 mit der eingeführten
Lichtleitfaser 2 gegen den durch den Kühlkanal 8 aktiv gekühlten Flächenabschnitt
der Schlauchklemme 6 gedrückt. Hierdurch wird ein besonders
guter Wärmeübergang
erreicht.
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Die 3 zeigt
einen Faserhalter 4, welcher die eigentliche Lichtleitfaser 2 aufnimmt
und ein Außenfeingewinde
aufweist, mittels welchem er in eine in der 4 dargestellte
Ferule 5 eingeschraubt wird. Wie ersichtlich, weist der
hülsenförmig ausgeführte Faserhalter 4 in
seinem Inneren einen Absatz 14 auf. Hierdurch ist ein erster,
nahezu dem Außendurchmesser
der Lichtleitfaser entsprechender Innendurchmesser 15 des
Faserhalters 4 ausgebildet, an welchen sich ein größerer Innendurchmesser 16 anschließt. Durch
den größeren Innendurchmesser 16 wird
ein Volumen gebildet, welches der Aufnahme eines Klebers zur Verklebung
des Faserhalters 4 mit dem Mantel 3 einer in den
Faserhalter 4 eingeführten Lichtleitfaser 2 und
damit zur Fixierung der Faser 2 in dem Faserhalter 4 dient.
Der Faserhalter 4 mit einer darin eingeklebten Lichtleitfaser 2 (Die
Lichtleitfaser ist in der 3 nicht
gezeigt) wird in die, insoweit in üblicher Weise ausgebildete
Ferule 5 gemäß 4 eingeführt und über sein
Außengewinde
in dieser verschraubt. Über
die Feingewinde auf der Außenseite
des Faserhalters 4 und der Innenseite der Ferule 5 wird
dabei gleichzeitig die Justage für
die Lage der Lichtleitfaser 2 in der Ferule 5 vorgenommen.
Dabei wird der Faserhalter 4 so weit in die Ferule 5 eingeführt, dass
die Stirnfläche
der Lichtleitfaser, also ihre Lichteinkopplungsfläche 17,
mit dem, bezogen auf die Figur rechten axialen Ende 18 der
Ferule 5 eine Ebene bildet. Die Ferule 5 mit dem
darin montierten Faserhalter 4 wird schließlich mittels
der Schlauchklemme 6, wie in der 5 gezeigt,
fixiert und somit das Lichtleitkabel 1 fest am Steckverbinder montiert.
Die Fixierung erfolgt, wie bereits erläutert, über Gewindebohrungen 21, 22, 23 und
darin einzuschraubende Madenschrauben. Dabei sind im Bereich des
den Mantel 10 des Lichtleitkabels 1 bildenden
Metallschlauchs für
eine sichere Fixierung vorzugsweise mehrere zur Aufnahme von Madenschrauben
vorgesehene Gewindebohrungen 23 auf dem Umfang der Schlauchklemme 6 angeordnet.
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Der
in der 5 nach vollständiger
Montage gezeigte Steckverbinder ist, wie erkennbar, mit einer integrierten
Kühlung,
das heißt
mit einer Schlauchklemme 6 gemäß 2b ausgestattet.
Die 6a und 6b zeigen
den auf dem Lichtleitkabel 1 fertig montierten Steckverbinder
nochmals in einer räumlichen
Darstellung. Wie aus den 6a und 6b erkennbar,
sind an den Einlass 12 und den Auslass 13 für das Kühlmittel
entsprechende Schläuche 24, 25 montiert.
Dabei zeigt die 6a den Steckverbinder in einer,
bezogen auf die aufmontierten Schläuche 24, 25,
seitlichen Darstellung, während
die 6b die Anordnung nochmals in einer Draufsicht wiedergibt.
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- 1
- Lichtleitkabel
- 2
- Lichtleitfaser
bzw. Faser
- 3
- Mantel
- 4
- Hülse
- 5
- Ferule
- 6,
6'
- Schlauchklemme
- 7
- Metallelement
bzw. Metallblock
- 8
- Kühlkanal
- 9
- Kühlkanal
- 10
- Mantel
- 11
- Überwurfmutter
- 12
- Einlass
- 13
- Auslass
- 14
- Absatz
- 15
- Innendurchmesser
- 16
- Innendurchmesser
- 17
- Lichteinkopplungsfläche
- 18
- (axiales)
Ende der Ferule
- 19
- Öffnung
- 20
- Schraube
- 21,
21
- Gewindebohrung
- 22,
22
- Gewindebohrung
- 23,
23
- Gewindebohrung