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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Laservorrichtung vom luftgekühlten Typ mit einer Laserdiode als lichtemittierender Quelle oder Anregungslichtquelle und mit einer Struktur zum Abführen von durch die Laserdiode erzeugter Wärme.
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2. Zum Stand der Technik
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Allgemein werden bei Laservorrichtungen mit Laserdioden (oder Halbleiter-Lasern) als lichtemittierender Quelle oder Anregungslichtquelle zwei Typen unterschieden, d. h. ein luftgekühlter Typ, bei dem durch ein Laserdiodenmodul einschließlich einer Laserdiode erzeugte Wärme durch Luft abgestrahlt wird (der Begriff ”Abstrahlung” erfasst hier auch allgemein Konvektion), und ein wassergekühlter Typ, der an eine zirkulierende Kühlwasserversorgung (oder einen Kühler) angeschlossen ist.
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Der luftgekühlte Typ einer Laservorrichtung ist insofern vorteilhafter als der wassergekühlte Typ, als der luftgekühlte Typ leichter bewegbar ist, die von ihm eingenommene Fläche relativ klein ist, wenig Einschränkungen hinsichtlich Installationsort gegeben sind und der Installationsaufwand gering ist, etc. Andererseits ist es aber beim luftgekühlten Typ schwierig, die Temperatur des Laserdiodenmoduls in gleicher Weise abzusenken wie beim wassergekühlten Typ. Insbesondere ist es bei einer Hochleistungslaservorrichtung mit vielen Laserdiodenmodulen, welche große Wärmemengen erzeugen, erforderlich, eine wirksame Wärmeabstrahlungsstruktur für die Laservorrichtung bereitzustellen, damit die Laservorrichtung insgesamt hinsichtlich ihrer Baugröße nicht zu stark anwächst.
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Als zu berücksichtigender Stand der Technik beschreibt die
JP 2008-021899 A einen Laseroszillator mit einem Halbleiterlaser-Wärmeabstrahlungselement zum Abstrahlen von durch eine Halbleiterlaser-Reihe erzeugter Wärme, einem Faserlaser-Wärmeabstrahlungselement zum Abstrahlen von durch eine optische Faser eines Faserlasers erzeugter Wärme, ein Kühlgebläse zum Fördern von Kühlluft und ein Führungsteil zum Führen der Kühlluft vom Gebläse.
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Die
JP 2012-059952 A beschreibt eine Struktur zum Kühlen einer elektronischen Einrichtung einschließlich eines Wärmeabstrahlers mit einem L-förmigen Wärmetauscherrohr (”heat pipe”), einer Mehrzahl von Kühlrippen, die an einem sich im Wesentlichen horizontal erstreckenden Teil des Wärmetauscherrohres angebracht sind, und mit einer Wärmeaufnahmeplatte, an welcher im Wesentlichen sich vertikal erstreckende Abschnitte der Kühlrippen angebracht sind; mit einer Mehrzahl von elektronischen Einrichtungen, welche an der Wärmeaufnahmeplatte angebracht sind; und mit einem Behälter zum Aufnehmen der mehreren elektronischen Einrichtungen.
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Die
JP 2009-239166 A beschreibt einen flachen Wärmeableiter mit: einer Mehrzahl von dünnen Platten, welche unter Bildung eines Luft-Führungsabschnittes und eines Hohlraumes geschichtet sind zur Aufnahme eines Zentrifugalgebläses, wobei die dünnen Platten mit einem gewissen Zwischenraum geschichtet sind, zumindest ein Abschnitt einer Kühlrippe mit Enden der dünnen Platten verbunden ist, wodurch durch der Luftführungsabschnitt der dünnen Platten den wärmeabstrahlenden Rippenbereich passiert; und mit zumindest einem Wärmetauscherrohr, von dem ein Ende thermisch mit einem Abschnitt der dünnen Platte verbunden ist, welche thermisch mit einer Heizkomponente verbunden ist, während das andere Ende thermisch mit dem Kühlrippenteil verbunden ist, und wobei zumindest ein Teil des Wärmetauscherrohres so positioniert ist, dass ein Raum zwischen den dünnen Platten und dem Wärmetauscherrohr gebildet ist.
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Die
JP H09-326579 A beschreibt eine Kühleinheit mit einem Wärmeaufnahmeelement auf einem Heizelement, einer Kühlvorrichtung mit einem Kühlgebläse, einer Mehrzahl von Wärmeübertragungselementen zum Übertragen von Wärme des Wärmeaufnahmeelementes zur Kühlvorrichtung und mit einem Verbindungsteil zwischen den Wärmeübertragungselementen, so dass das Wärmeübertragungsteil abnehmbar ist.
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In vielen Fällen hat eine luftgekühlte Laservorrichtung einen Rippensatz mit einer Mehrzahl von unter Abstand angeordneten Rippen. Um die Kühlwirkung des Rippensatzes zu verbessern, ist es wirksamer, den Querschnitt eines Einlassabschnittes (eine Einlassfläche) für die Kühlluft, welcher durch den Rippensatz begrenzt wird, zu vergrößern als die Länge der wärmeabstrahlenden Rippen in Luftströmungsrichtung zu verlängern. Es ist vorzuziehen, eine große Kühlluftmenge zwischen die Rippen strömen zu lassen; wohingegen die Menge an Kühlluft abnimmt, wenn die Rippenlänge verlängert wird, weil der Druckverlust der Kühlluft ansteigt.
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Zur Verbesserung der Kühlleistung ist eine Wärmeabführungsstruktur vorzuziehen, durch welche die Luft gleichmäßig strömen kann, wobei die Anzahl der Bereiche, in denen sich die Strömungsrichtung der Luft ändert (d. h. der Druckabfall ansteigt) so stark wie möglich reduziert ist. In vielen Fällen hat die luftgekühlte Laservorrichtung aber Komponenten, wie eine Stromversorgungseinheit, etc., außer dem Laserdiodenmodul, welche auch Wärme erzeugen. Deshalb ist es anzustreben, dass die Luft gleichmäßig strömt, ohne durch solche Komponenten blockiert zu sein, während sie gleichzeitig diese Komponenten kühlt.
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Die oben genannten Dokumente des Standes der Technik bringen noch keine zufriedenstellende Lösung der genannten Probleme. Bei beispielsweise der
JP 2008-021899 A ,
5, ändert sich die Strömung der Kühlluft gemäß einem etwa rechten Winkel, um in Richtungen nach oben und unten zu strömen, nachdem die Kühlluft mit einer Kühlrippe eines Halbleiterlasers (oder eines Laserdiodenmoduls) kollidiert, und sodann wird die Strömungsrichtung der kühlenden Luft in Richtung nach unten wiederum gemäß einem im Wesentlichen rechten Winkel geändert, so dass die Kühlluft zur Kühlrippe für einen Faserlaser strömt. Deshalb ist der Druckabfall der kühlenden Luft relativ groß. Die Wärme der heizenden Komponenten außer dem Halbleiterlaser und dem Faserlaser wird auch durch natürliche Konvektion abgeführt, weshalb ein Temperaturanstieg der heizenden Komponenten die Funktionszuverlässigkeit der Laservorrichtung beeinträchtigen kann.
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Wie oben erläutert, ist es bei einer luftgekühlten Hochleistungslaservorrichtung mit einer Laserdiode als lichtemittierender Quelle oder als Anregungslichtquelle erforderlich, auch Komponenten außer den mehreren Laserdiodenmodulen, wie eine Stromversorgungseinheit und eine Steuereinheit, in einem Gehäuse der Laservorrichtung unterzubringen. Herkömmliche Lasereinheiten haben keine hinreichende Wärmeabstrahlungsleistung (Wärmeabfuhrleistung), da die Oberflächengröße für die Wärmeabfuhr von den heizenden Komponenten begrenzt ist und/oder die kühlende Luft nicht gleichmäßig strömen kann und ihre Strömungsrate durch die Anwesenheit der heizenden Komponenten verringert wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung einer luftgekühlten Laservorrichtung mit einer Wärmeabfuhrstruktur, die in der Lage ist, wirksam Wärme abzuführen, welche durch ein Laserdiodenmodul erzeugt ist, sowie weiterhin Wärme abzuführen, welche durch eine von dem Laserdiodenmodul verschiedene heizende Komponente erzeugt wird, ohne dass dabei die Baugröße der Vorrichtung anwächst (im Rahmen dieser Anmeldung ist der Begriff ”Abstrahlung” oder dergleichen allgemein zu verstehen im Sinne auch von ”Abführen” oder dergleichen).
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Die Erfindung lehrt eine luftgekühlte Laservorrichtung mit einem Laserdiodenmodul als lichtemittierender Quelle oder als Anregungslichtquelle, wobei die luftgekühlte Laservorrichtung aufweist: eine im Wesentlichen horizontal ausgerichtete Wärmeaufnahmeplatte, auf welcher das Laserdiodenmodul so montiert ist, dass es thermisch mit der Wärmeaufnahmeplatte verbunden ist; zumindest ein innen oder an einer Oberfläche der Wärmeaufnahmeplatte angebrachtes L-förmiges Wärmeübertragungselement, welches sich in Oberflächenrichtung der Wärmeaufnahmeplatte erstreckt und unter einem im Wesentlichen rechten Winkel von der Wärmeaufnahmeplatte weg erstreckt, so dass es sich im Wesentlichen aufwärts in vertikaler Richtung erstreckt; eine Mehrzahl von Kühlrippen, die an einem im Wesentlichen vertikalen Abschnitt des L-förmigen Wärmeübertragungselementes so angebracht sind, dass sich jede der mehreren Kühlrippen in im Wesentlichen horizontaler Richtung erstreckt; und ein Axialgebläse zum Fördern von Luft durch die mehreren Kühlrippen hindurch in einen Raum oberhalb der Wärmeaufnahmeplatte, wobei zwischen die mehreren Kühlrippen strömende Luft eine von dem Laserdiodenmodul verschiedene Heizkomponente abkühlt, und wobei die Heizkomponente in dem Raum oberhalb der Wärmeaufnahmeplatte angeordnet ist.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Wärmeübertragungselement ein Wärmetauscherrohr (”heat pipe”).
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Laserdiodenmodul auf einer ersten Wärmeaufnahmefläche der Wärmeaufnahmeplatte montiert und eine Heizkomponente ist auf einer zweiten Wärmeaufnahmefläche der Wärmeaufnahmeplatte der ersten Wärmeaufnahmefläche gegenüberliegend montiert.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Wärmeaufnahmeplatte nicht in einem unteren Raum in Bezug auf die Wärmestrahlungsrippen angeordnet.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat die luftgekühlte Laservorrichtung einen Behälter mit im Wesentlichen abdichtender Struktur, welcher die Wärmeaufnahmeplatte und das auf dieser montierte Laserdiodenmodul aufnimmt.
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Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die äußere Form des Gehäuses der luftgekühlten Laservorrichtung ein im Wesentlichen rechtwinkeliges Parallelepiped; ein Einlass, welcher in einer ersten Seitenfläche des Gehäuses ausgeformt ist, ist in Bezug auf einen Einströmungsbereich von zwischen die Kühlrippen strömender Luft ausgerichtet und hat im Wesentlichen die gleiche Form wie der Einströmungsbereich; zumindest ein Axialgebläse an einem Auslassbereich in einer zweiten Seitenfläche des Gehäuses der ersten Seitenfläche gegenüberliegend ausgeformt; und bei Sicht im Innenraum des Gehäuses mit den mehreren Kühlrippen gemäß einem Querschnitt parallel zur ersten Seitenfläche sind die Kühlrippen im Wesentlichen über die gesamte Fläche des Querschnittes verteilt mit Ausnahme eines unteren Teilbereiches, wo die Wärmeaufnahmeplatte und eine heizende Komponente einschließlich des auf der Wärmeaufnahmeplatte montierten Laserdiodenmoduls angeordnet sind.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Obige sowie weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden noch deutlicher aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die Figuren:
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1 ist eine schematische Querschnittsdarstellung des Aufbaus einer luftgekühlten Laservorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2 ist eine schematische Darstellung eines Innenraumes der luftgekühlten Laservorrichtung gemäß 1, gesehen von einer Seite, wo Kühlrippen angeordnet sind;
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3 ist eine schematische Darstellung des Innenraumes der luftgekühlten Laservorrichtung gemäß 1, gesehen in einer Richtung, welche der Richtung gemäß 2 entgegengesetzt ist;
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4 ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer luftgekühlten Laservorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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5 ist eine schematische Querschnittsdarstellung des Aufbaus einer luftgekühlten Laservorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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6 ist eine schematische Darstellung einer luftgekühlten Laservorrichtung gemäß 5 von oben, wobei eine obere Platte des Gehäuses der Laservorrichtung weggenommen ist;
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7 ist eine schematische Darstellung einer luftgekühlten Laservorrichtung gemäß 5, gesehen aus Richtung eines Einlasses in die Laservorrichtung;
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8 ist eine schematische Darstellung der luftgekühlten Laservorrichtung gemäß 5, gesehen aus Richtung des Einlasses der Laservorrichtung, wobei eine Seitenwandplatte mit dem Einlass weggenommen ist; und
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9 ist eine schematische Darstellung einer luftgekühlten Laservorrichtung gemäß 5, gesehen aus Richtung des Auslasses der Laservorrichtung.
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BESCHREIBUNG IM EINZELNEN
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Die 1 bis 3 zeigen schematisch den Aufbau einer luftgekühlten Laservorrichtung 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, wobei 1 ein Querschnitt ist. Die luftgekühlte Laservorrichtung weist auf: zumindest ein (üblicherweise mehrere) Laserdiodenmodul 2 einschließlich zumindest eines Laserdioden-Chips oder einer Laserdiodenreihe; eine im Wesentlichen horizontal angeordnete Wärmeaufnahmeplatte 3, auf welcher Laserdiodenmodule 2 so montiert sind, dass sie thermisch mit der Wärmeaufnahmeplatte 3 verbunden sind; zumindest ein L-förmiges Wärmeübertragungselement 4, welches in oder an der Oberfläche der Wärmeaufnahmeplatte 3 angebracht ist, wobei sich das L-förmige Wärmeübertragungselement 4 in der Oberflächenrichtung (bzw. einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zur Stärke) der Wärmeaufnahmeplatte 3 erstreckt und sich unter einem im Wesentlichen rechten Winkel außerhalb der Wärmeaufnahmeplatte 3 so abbiegt, dass es sich im Wesentlichen aufwärts in vertikaler Richtung erstreckt; eine Mehrzahl von Wärmeabstrahlungsrippen (nachfolgend: Kühlrippen 5), welche am sich im Wesentlichen vertikalen Abschnitt der L-förmigen Wärmeübertragungselemente 4 so angebracht sind, dass sich jede der Kühlrippen 5 im Wesentlichen horizontal erstreckt; und ein Axialgebläse 6 zum Fördern von Luft zwischen den Kühlrippen 5 hindurch in einen Raum oberhalb der Wärmeaufnahmeplatte 3, wobei all diese Komponenten in einem Gehäuse 14 aufgenommen sind. Die Laservorrichtung 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel hat eine Wärmeabführungsstruktur, bei welcher Luft nach Strömung zwischen den Rippen hindurch eine Heizkomponente 7, welche nicht ein Laserdiodenmodul 2 ist und oberhalb der Wärmeaufnahmeplatte 3 angeordnet ist, abkühlt, ohne dass die Strömungsrichtung der Luft im Wesentlichen geändert wird (d. h. die Luft strömt im Wesentlichen in einer Richtung)
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Bei Abgabe eines Laserstrahls wird durch ein auf der oberen Fläche der Wärmeaufnahmeplatte 3 angeordnetes Laserdiodenmodul 2 Wärme erzeugt und die erzeugte Wärme wird in die Wärmeaufnahmeplatte 3 übertragen. Sodann wird die Wärme über das Wärmeübertragungselement 4 zu den Kühlrippen 5 übertragen und von den Kühlrippen 5 in die zwischen den Kühlrippen 5 strömende Luft, welche mittels des Axialgebläses 6 gefördert wird. Damit wird ein Anstieg der Temperatur der Wärmeaufnahmeplatte 3 (bzw. eines Laserdiodenmoduls 2) begrenzt.
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Es ist zwar vorzuziehen, dass das Wärmeübertragungselement 4 aus einem Material wie Kupfer mit hoher Leitfähigkeit gefertigt ist, jedoch ist das Material nicht darauf eingeschränkt. Vorzugsweise wird ein Wärmetauscherrohr (”heat pipe”) als Wärmeübertragungselement 4 eingesetzt, weil die thermische Leitfähigkeit eines solchen Wärmetauscherrohres etwa tausend Mal größer ist als die thermische Leitfähigkeit von Silber. Durch Einsatz eines Wärmetauscherrohres mit der tausendfachen Wärmeleitfähigkeit von Silber wird die Differenz der Temperaturen zwischen dem Laserdiodenmodul und den Kühlrippen wesentlich reduziert. Insbesondere weil ein Wärmeabführungsbereich (der Bereich mit tieferer Temperatur), wo das Betriebsfluid in dem Wärmetauscherrohr kondensiert, sich im Wesentlichen vertikal erstreckt, wird das kondensierte Fluid wirksam zum darunter liegenden Bereich mit höherer Temperatur rückgeführt, wodurch ein thermischer Widerstand des Wärmetauscherrohres weiter reduziert werden kann und der damit transportierte maximale Wärmebetrag erhöht werden kann.
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Das Bezugszeichen 8 betrifft eine Führung für die Kühlrippen und das Bezugszeichen 9 betrifft ein Axialgebläse.
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In 1 bedeuten mit Linien umrandete Pfeile die Strömungsrichtung der Luft an verschiedenen Stellen im Gehäuse 14. Gemäß 1 ist beim ersten Ausführungsbeispiel aufgrund einer großen Querschnittsfläche des Strömungsweges und einer relativ geringen Strömungsgeschwindigkeit der Luft in Bereichen mit Ausnahme des Bereiches zwischen den Kühlrippen und in der Nähe der Kühlrippen 5 der Druckabfall der Kühlluft relativ gering. Da die Luft zwischen den Kühlrippen 5 im Wesentlichen geradeaus strömt, ist der Druckabfall zwischen den Kühlrippen ebenfalls gering. Da deshalb bei diesem Ausführungsbeispiel die Strömungsrate und Strömungsgeschwindigkeit der zwischen den Kühlrippen 5 durchströmenden Luft gesteigert werden kann, kann auch die Wärmeabfuhr über die Kühlrippen 5 gesteigert werden, wodurch ein Anstieg der Temperatur der Wärmeaufnahmeplatte 3 (bzw. eines Laserdiodenmoduls 2) wirksam vermieden werden kann. Diesbezüglich ist es vorzuziehen, dass die Stärke einer jeden Rippe und/oder einer Lücke zwischen benachbarten Rippen in Anpassung an die Druck-Strömungs-Charakteristiken eines Axialgebläses 6 optimiert werden. Nach Strömung zwischen den Kühlrippen hindurch strömt Luft mit relativ hoher Strömungsgeschwindigkeit geradeaus in Richtung auf die heizende Komponente 7, also eine von einem Laserdiodenmodul 2 verschiedene Komponente, welche im Raum oberhalb der Wärmeaufnahmeplatte 3 positioniert ist, ohne dass eine Abbremsung durch die Wärmeaufnahmeplatte 3 oder eine andere Komponente vorliegt und/oder ohne eine Änderung der Strömungsrichtung. Damit kann auch ein Temperaturanstieg der heizenden Komponente 7 oberhalb der Wärmeaufnahmeplatte 3 wirksam vermieden werden.
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Beim ersten Ausführungsbeispiel ist für einen Einsatz der luftgekühlten Laservorrichtung auch in heißer Umgebung das Gehäuse 14 der Laservorrichtung so gestaltet, dass es im Wesentlichen abdichtend ist und ein Flächenkühler 10 ist am Gehäuse 14 angeordnet. Der Flächenkühler 10 hat ein Gebläse 11 zum Abführen kalter Luft über einen Kaltluft-Auslass 12 und über den Auslass 12 geführte kalte Luft des Flächenkühlers 10 nimmt im Gehäuse 14 Wärme auf. Sodann wird die aufgeheizte Luft über einen Sauganschluss 13 des Flächenkühlers 10 wieder rückgeführt. Die Strömungsrate der über den Auslass 12 ausgelassenen kalten Luft ist im Wesentlichen die gleiche wie die Strömungsrate der über den Sauganschluss 13 zum Flächenkühler 10 rückgeführten Luft. Um eine hinreichende Kühlleistung der Kühlrippen 5 zu erreichen, ist es vorzuziehen, dass die Gesamtströmungsrate der zwischen den Kühlrippen 5 hindurchströmenden Luft wesentlich größer ist als die Strömungsrate der Kaltluft durch den Auslass 12 oder den Saugeinlass 13. Somit wird beim Aufbau gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel Kaltluft vom Flächenkühler 10 der im Gehäuse 14 der luftgekühlten Laservorrichtung 1 zirkulierenden Luft unmittelbar vor Strömung zwischen den Kühlrippen 5 hindurch hinzugefügt (in 1 im Bereich rechts/oben im Gehäuse 14), wobei die Luft nach Abkühlung durch die genannte Kaltluft zwischen die Kühlrippen 5 strömt.
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2 ist eine Ansicht der luftgekühlten Laservorrichtung 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel aus Sicht von der Seite, wo die Kühlrippen angeordnet sind (d. h. in Richtung des Pfeiles II in 1), wobei eine Seitenwand des Gehäuses 14 entfernt ist. Um beim ersten Ausführungsbeispiel eine hohe Kühlleistung zu erreichen, ist eine Eingangsfläche der zwischen die Kühlrippen 5 strömenden Luft (eine Öffnungsfläche der Führungsfläche 8 für die Kühlrippen) so groß wie möglich gestaltet. Zur Vergrößerung der Strömungsrate der zwischen die Kühlrippen 5 strömenden Luft sind zehn Axialgebläse 6 vorgesehen (im Einzelnen sind fünf Gebläse in einer oberen Ebene und fünf Gebläse in einer unteren Ebene angeordnet). Gemäß 2 sind zur Reduzierung des thermischen Widerstandes zwischen den Kühlrippen 5 und der Wärmeempfangsplatte 3 und zur Verbesserung der Wirkung der Kühlrippen durch Minimierung der Temperaturdifferenz zwischen den einzelnen Rippen sechs Wärmeübertragungselemente (Wärmetauscherrohre, ”heat-pipes”) in im Wesentlichen horizontaler Richtung ausgerichtet.
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3 ist eine Ansicht der luftgekühlten Laservorrichtung 1 aus Richtung entgegengesetzt zur Richtung gemäß 2 (d. h. in Richtung des Pfeiles III in 1), wobei eine Seitenwand des Gehäuses 14 weggelassen ist. Die von einem Laserdiodenmodul 2 verschiedene Heizkomponente 7 ist stromab des Axialgebläses 6 oberhalb der Wärmeaufnahmeplatte 3 angeordnet. Wie 3 zeigt, ist dann, wenn die Komponenten einschließlich der heizenden Komponente 7 stromab der Axialgebläse 6 so angeordnet sind, dass ihre Projektionsfläche in Bezug auf die Luftströmungsrichtung minimal ist, der Strömungswiderstand bezüglich der Luft reduziert. Auf diese Weise kann ein Temperaturanstieg der heizenden Komponente 7 wirksam begrenzt werden. In 3 ist die heizende Komponente 7 oberhalb der Wärmeaufnahmeplatte 3 dargestellt als eine Komponente mit einer eigenen Wärmesenke (Kühlkörper) auf einer Leitungsplatine, jedoch kann die heizende Komponente 7 auch in einer Einheit, wie einer Stromversorgungseinheit, etc. angeordnet sein.
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Wie in den 1 bis 3 dargestellt ist, kann eine weitere heizende Komponente 7' an einer zweiten (tieferen) wärmeaufnehmenden Fläche der Wärmeaufnahmeplatte 3 angebracht sein, welche der ersten (oberen) wärmeaufnehmenden Fläche gegenüber liegt. Dabei kann durch die heizende Komponente 7' erzeugte Wärme wirksam über die Kühlrippen 5 abgeführt werden, wie auch die Wärme der Laserdiodenmodule 2. In Abhängigkeit von der Form der an der Wärmeaufnahmeplatte 3 montierten Komponente blockiert diese die Luftströmung nicht wesentlich, wodurch der Druckabfall der Kühlluft in Räumen außerhalb der Kühlrippen 5 reduziert werden kann.
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Beim ersten Ausführungsbeispiel sind Laserdiodenmodule 2 auf der oberen Fläche der Wärmeaufnahmeplatte 3 montiert und weitere Komponenten 7' sind auf der Bodenfläche der Wärmeaufnahmeplatte 3 montiert. Andererseits können auch die Laserdiodenmodule 2 auf der unteren Fläche der Wärmeaufnahmeplatte 3 und weitere Komponenten 7' können auf der oberen Fläche der Wärmeaufnahmeplatte 3 montiert sein.
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Auch können Laserdiodenmodule 2 auf beiden Seiten der Wärmeaufnahmeplatte 3 montiert sein. Handelt es sich bei der Laservorrichtung 1 um einen Faserlaser mit einer Laserdiode als Anregungslichtquelle, können der Faserlaser etc. auf der wärmeaufnehmenden Platte 3 montiert sein.
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Wie in 1 dargestellt, ist es vorzuziehen, dass die Wärmeaufnahmeplatte 3 in einem unteren Bereich im Gehäuse 14 angeordnet ist (weiter vorzugsweise direkt benachbart einer unteren Innenfläche des Gehäuses 14) derart, dass die Wärmeaufnahmeplatte 3 nicht in einem Projektionsbereich der Kühlrippen 5 positioniert ist (d. h. die Wärmeaufnahmeplatte 3 erstreckt sich nicht in den Schatten der Kühlrippen 5, von oben gesehen). Hierdurch kann eine Bedienungsperson auch dann, wenn die Wärmeaufnahmeplatte 3, das Wärmeübertragungselement 4 und die Kühlrippen 5 (mit Ausnahme des Axialgebläses 6, welches einfach abzunehmen ist) thermisch miteinander verbunden und als eine im Wesentlichen integrierte Kühlanordnung zusammengebaut sind, in einfacher Weise sich Zugang verschaffen zu den auf der oberen Fläche der Wärmeaufnahmeplatte 3 montierten Komponenten, so dass diese einfach anbringbar oder abnehmbar sind und auch Wartungsarbeiten an den Komponenten etc. ausgeführt werden können.
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Um die nutzlose Luftmenge zu reduzieren, welche durch ein Axialgebläse 6 gefördert wird, ohne zwischen die Kühlrippen zu strömen, ist es gemäß 1 vorteilhaft, die Kühlrippen 5 und die Axialgebläse 6 in Führungen 8 bzw. 9 anzuordnen, wobei die Führungen 8 und 9 hermetisch miteinander verbunden sind. Andererseits können auch die Kühlrippen 5 und das oder die Axialgebläse 6 im Wesentlichen in einer Führung angeordnet sein. Sind aber gemäß 1 die Führung 8 für die Kühlrippen und die Führung 9 für das oder die Axialgebläse abnehmbar miteinander verbunden, können die Komponenten leicht auf der oberen Fläche der Wärmeaufnahmeplatte 3 montiert werden und/oder Wartungsarbeiten können durch Entfernung von nur der Führung 9 für das Axialgebläse ausgeführt werden.
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Bei den Ausführungsbeispielen nach den 1 bis 3 wird Luft zwischen den Kühlrippen 5 durch das Axialgebläse 6 angesaugt, welches stromab der Rippen 5 angeordnet ist. Andererseits kann das Axialgebläse auch stromauf der Kühlrippen angeordnet werden, so dass das Axialgebläse die Luft unter Druck zwischen die Kühlrippen drückt.
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Im Querschnitt nach 1 etc. ist der innere Aufbau des Flächenkühlers 10, außer dem Gebläse 11 für die Förderung kalter Luft, der einfachen Darstellung halber nicht näher gezeigt. Tatsächlich sind Stützelemente vorgesehen zum Befestigen der Wärmeaufnahmeplatte 3 und/oder der heizenden Komponente 7 am Gehäuse 14 der Laservorrichtung und auch ein solches Verbindungs- bzw. Stützteil ist der Einfachheit der Darstellung halber weggelassen.
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4 ist ein Schnitt zur schematischen Darstellung des Aufbaus einer luftgekühlten Laservorrichtung 1' gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Beim zweiten Ausführungsbeispiel werden die gleichen Bezugszeichen für im Wesentlichen gleiche Komponenten wie beim ersten Ausführungsbeispiel verwendet und insoweit wird auf eine wiederholte Beschreibung verzichtet.
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Beim zweiten Ausführungsbeispiel sind die Wärmeempfangsplatte 3 und das darauf montierte Laserdiodenmodul 2 etc. in einem Gehäuse 15 aufgenommen, welches im Wesentlichen abdichtend ist. Das Wärmeübertragungselement 4 erstreckt sich durch ein Loch im Gehäuse 15 und ist mit den Kühlrippen 5 außerhalb des Gehäuses 15 verbunden. Eine durch Axialgebläse 6 und die Führung 9 gebildete Gebläseeinheit ist abnehmbar an den Kühlrippen 5 und deren Führung 8 montiert.
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Werden deshalb beim zweiten Ausführungsbeispiel das Axialgebläse 6 und seine Führung 9 entfernt, kann ein oberes Teil des Gehäuses 15 auch nach Zusammenbau der Struktur geöffnet bzw. geschlossen werden. Somit kann eine Bedienungsperson in einfacher Weise Komponenten auf der oberen Fläche der Wärmeaufnahmeplatte 3 montieren oder auch Wartungsarbeiten ausführen. Durch die Aufnahme der Wärmeempfangsplatte 3 im Gehäuse 15 wird weiterhin verhindert, dass die Wärmeaufnahmeplatte 3 und die Komponenten einschließlich des Laserdiodenmoduls 2 auf dieser Platte durch aufgeheizte Luft nach Strömung zwischen den Kühlrippen 5 hindurch aufgeheizt werden. Hat das Gehäuse 14 nicht eine geschlossene Struktur (d. h. wenn externe Luft in das Gehäuse 14 eindringen kann) können die genannten Komponenten gegen Staub etc. von außen durch das Gehäuse 15 geschützt werden.
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5 zeigt im Querschnitt schematisch den Aufbau einer luftgekühlten Laservorrichtung 1'' gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Beim dritten Ausführungsbeispiel werden die gleichen Bezugszeichen für im Wesentlichen gleichwertige Komponenten wie bei den ersten und zweiten Ausführungsbeispielen verwendet, und es wird insoweit auf eine wiederholte Beschreibung verzichtet.
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6 ist eine Ansicht der luftgekühlten Laservorrichtung 1'' von oben (d. h. in Richtung des Pfeiles VI in 5), wobei eine obere Deckplatte des Gehäuses 14 in der Zeichnung weggelassen ist. In den 5 und 6 zeigen mit Linien umrandete Pfeile die Strömungsrichtungen der (kühlenden) Luft, ähnlich wie bei den 1 oder 4. Beim dritten Ausführungsbeispiel strömt die Luft zunächst zwischen den Kühlrippen 5, welche an der am weitesten stromauf gelegenen Stelle montiert sind, und strömt dann im Wesentlichen geradeaus und passiert dabei die vom Laserdiodenmodul 2 verschiedene heizende Komponente 7 oberhalb der Wärmeaufnahmeplatte 3 und strömt dann aus dem Gehäuse 14 über ein Axialgebläse 6. Da die Luft im Wesentlichen geradeaus durch das gesamte Gehäuse 14 strömt, ist der Druckabfall im Bereich außerhalb der Kühlrippen relativ klein, wodurch die Strömungsrate der Luft vergrößert werden kann. Da die Kühlrippen 5 an der am weitesten stromauf gelegenen Stelle angeordnet sind, wird ihre Temperatur wirksam gesenkt, so dass auch die Temperaturen der Wärmeaufnahmeplatte 3 und der Laserdiodenmodule 2, welche über das Wärmeübertragungselement 4 mit den Kühlrippen verbunden sind, wirksam abgesenkt werden kann. Damit wird die Lebensdauer des Laserdiodenmoduls 2 verlängert und seine Funktionszuverlässigkeit verbessert. Ähnlich wie bei den ersten und zweiten Ausführungsbeispielen strömt auch beim dritten Ausführungsbeispiel die Luft nach Passieren der Kühlrippen im Wesentlichen geradeaus in Richtung auf die heizende Komponente 7, welche nicht das Laserdiodenmodul 2 ist und im Raum oberhalb der Wärmeaufnahmeplatte 3 angeordnet ist, und somit wird auch die heizende Komponente 7 gekühlt und deren Temperaturanstieg begrenzt. Damit wird die Funktionszuverlässigkeit der heizenden Komponente 7 ebenfalls verbessert.
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7 ist eine Ansicht der luftgekühlten Laservorrichtung 1'' aus Richtung der Seite einer Einlassöffnung 17 in einer ersten Seitenwand 16 des Gehäuses 14 (d. h. gesehen in Richtung des Pfeiles VII in 5), und 8 zeigt den Zustand nach Entfernung der ersten Seitenwand 16 gemäß 7. 9 ist eine Ansicht der luftgekühlten Laservorrichtung 1'' von der Seite einer Auslassöffnung 19 her, die in einer zweiten Seitenwand 18 des Gehäuses 14 ausgeformt ist (d. h. gesehen in Richtung des Pfeiles IX in 5).
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Das dritten Ausführungsbeispiel ist eine luftgekühlte Laservorrichtung vom sogenannten offenen Typ, bei dem externe Luft als Kühlluft in die Laservorrichtung eingesaugt wird und die durch Kühlrippen 5 etc. aufgeheizte Luft aus der Laservorrichtung herausgefördert wird. Vorzugsweise wird eine luftgekühlte Laservorrichtung vom offenen Typ unter Bedingungen eingesetzt, in denen die Umgebungstemperatur nicht sehr hoch ist. Beim Beispiel gemäß den 5 bis 9 ist die äußere Form des Gehäuses 14 im Wesentlichen ein rechtwinkeliges Parallelepiped und die Einlassöffnung 17 in der ersten Seitenwand 16 des Gehäuses 14 ist ausgerichtet auf einen Strömungsbereich der Luft, der zwischen den Kühlrippen 5 verläuft. In 7 zeigt eine gestrichelte Klammer den Bereich von Einlassöffnungen 17, wobei die Einlassöffnungen 17 durch gestanzte Schlitze gebildet sein können. In 8 markiert eine gestrichelt gezeichnete Klammer einen Eingangsströmungsbereich 20 der die Kühlrippen 5 passierenden Luftströmung, wobei der Eingangsströmungsbereich 20 im Wesentlichen die gleiche Form hat wie die in 7 gezeigte Einlassöffnung 17.
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Entsprechend 5 oder 9 ist zumindest ein Axialgebläse 6 an der zweiten Seitenwand 18, der ersten Seitenwand 16 des Gehäuses 14 gegenüberliegend angeordnet. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind zehn Axialgebläse 6 an zehn Auslassöffnungen 19 in der zweiten Seitenwand 18 angeordnet. Eine gitterartige Schutzabdeckung kann an jeder Auslassöffnung 19 angeordnet werden, so dass eine Bedienungsperson oder dergleichen nicht von außen in ein Axialgebläse 6 greifen kann. Das Axialgebläse 6 kann auch zwischen der Einlassöffnung 17 und den Kühlrippen 5 angeordnet sein, also nicht auf Seiten der Auslassöffnung 19, so dass das Axialgebläse die Luft zwischen die Kühlrippen 5 drückt.
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Beim dritten Ausführungsbeispiel ist es gemäß 8 vorzuziehen, wenn bei Sicht im Querschnitt parallel zur ersten Seitenwand 16 im Gehäuse 14 die Kühlrippen 5 im Wesentlichen über den gesamten Bereich des Querschnittes verteilt sind, außer in einem unteren Teilbereich, wo die Wärmeaufnahmeplatte 3 und die heizende Komponente einschließlich des Laserdiodenmoduls 2 (bzw. das Gehäuse 15 mit der Wärmeaufnahmeplatte 3 und der heizenden Komponente) angeordnet sind. Dadurch kann die Öffnungsfläche des Einströmungsbereiches 20 sehr groß gestaltet werden, wodurch wiederum ein Temperaturanstieg des Laserdiodenmoduls 2 etc. wirksam begrenzt werden kann.
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Mit der vorliegenden Erfindung kann Luft, nachdem sie Kühlrippen passiert hat, eine von dem Laserdiodenmodul verschiedene heizende Komponente anströmen, ohne dass die Strömung durch eine Wärmeaufnahmeplatte oder dergleichen behindert würde und/oder ohne Änderung der Strömungsrichtung. Deshalb können das Laserdiodenmodul sowie die weitere heizende Komponente wirksam gekühlt werden und deren Lebensdauern oder Funktionszuverlässigkeiten verbessert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2008-021899 A [0004, 0010]
- JP 2012-059952 A [0005]
- JP 2009-239166 A [0006]
- JP 09-326579 A [0007]