用于回收光学加工装置的未利用的光学辐射能的方法、回收装置和光学加工装置 |
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| 申请号 | CN201380047224.1 | 申请日 | 2013-07-09 | 公开(公告)号 | CN104619457B | 公开(公告)日 | 2017-04-05 |
| 申请人 | LIMO专利管理有限及两合公司; | 发明人 | T·米特拉; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种用于回收光学加工装置(1)的未利用的光学 辐射 能的方法，该光学加工装置包括至少一个 光源 、尤其是激光光源(2)或者具有多个发光 二极管 的光源，该方法包括如下步骤：运行所述至少一个光源并且产生电磁射线(4)，给至少一个 工件 (5)加载用于加工工件(5)的电磁射线(4)，将未用于加工所述至少一个工件(5)的电磁射线(4')的至少一部分收集在至少一个回收装置(6、6a、6b)的光陷阱机构(7)中，将由所述至少一个回收装置(6、6a、6b)的光陷阱机构(7)收集的电磁射线(4')的辐射能的至少一部分转 化成 电能 (14)。此外，本发明涉及一种用于回收光学加工装置(1)的未利用的 电磁辐射 能的回收装置(6、6a、6b)以及涉及一种光学加工装置(1)。 | ||||||
| 权利要求 | 1.用于回收光学加工装置(1)的未利用的光学辐射能的方法，该光学加工装置包括至少一个光源，该方法包括如下步骤： |
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| 说明书全文 | 用于回收光学加工装置的未利用的光学辐射能的方法、回收装置和光学加工装置 技术领域[0001] 本发明涉及一种用于回收光学加工装置的未利用的光学辐射能的方法、一种回收装置以及一种光学加工装置。 背景技术[0002] 在过去的几年里，光学加工装置、尤其是激光加工装置在技术上的重要性得到显著提高，借助这些光学加工装置通过加载电磁射线(尤其是激光)可以加工不同类型的材料。迄今为止，在工业上的激光加工装置中较少使用具有明显大于10kW光学辐射功率的激光光源。新类型的加工方法同时需要具有明显更高功率的激光光源。在这方面要提及的例如是用于热加工金属的、用于适配在功能层中的材料特性的或者在制造太阳能电池时作为对传统炉的补充的激光加工装置。 [0003] 在此，尤其是具有多个单独发射体的二极管激光器用作激光光源，这些单独发射体在与光学机构的配合作用方面实施为，使得这些单独发射体在工作区域中可以产生线形的强度分布，在该工作区域中工件被加载激光。 [0004] 在所有的激光加工装置中存在如下问题，即，由激光光源提供的光学(电磁)辐射能的仅仅比较小的一部分被实际用于加工工件，从而由现有技术已知的激光加工装置的能量平衡是相对不利的。正是激光加工装置的上述工业应用是典型的实例，在这些实例中，在技术上不可能的(并且有时甚至是不合理的)是使用所提供的光学辐射能的大部分用于加工工件。金属材料反射入射激光的大部分。与此相对，玻璃和用于制造太阳能电池的材料透射和反射入射激光的大部分。研究显示，在由现有技术已知的激光加工方法和激光加工装置中仅仅在10％至20％之间的入射激光被实际用于激光加工过程。在一些加工方法中，甚至入射激光的超过90％未被用于激光加工过程。 [0005] 目前在现有技术中，激光的不可被用于激光加工过程的那个份额利用所谓的光陷阱来收集。所述光陷阱典型地构成为，使得该光陷阱可以有针对性地收集通过要加工的工件透射的或者由要加工的工件反射的激光。这种光陷阱构成为，使得激光能够通过至少一个光入口到达光陷阱的空腔中。空腔设计成，使得激光的大部分不能够通过散射过程和/或反射过程由光入口重新从光陷阱射出，而是被吸收器机构(尤其被至少一个吸收层)吸收。为了阻止由于给吸收器机构加载激光而引起光陷阱过热，例如可以设有水冷装置。 [0006] 因为在激光加工时入射到工件上的光学辐射能的大部分未被利用，所以由现有技术已知的激光加工装置的能量平衡是相对不利的。 发明内容[0008] 本发明的目的在于，提供一种用于回收光学加工装置的未利用的光学辐射能的方法、一种回收装置以及一种光学加工装置，它们允许改善光学加工装置的能量平衡。 [0009] 关于方法，所述目的通过一种具有如下所述特征的方法来实现，关于回收装置，所述目的通过一种具有如下所述特征的回收装置和通过一种具有如下所述特征的回收装置来实现，以及关于光学加工装置，所述目的通过一种具有如下所述特征的光学加工装置来实现。 [0010] 按照本发明的用于回收包括至少一个激光光源、尤其是激光光源或者具有多个发光二极管的光源的光学加工装置的未利用的光学辐射能的方法包括如下步骤： [0011] ——运行所述至少一个光源并且产生电磁射线， [0012] ——给至少一个工件加载用于加工工件的电磁射线， [0013] ——将未用于加工所述至少一个工件的电磁射线的至少一部分收集在至少一个回收装置的光陷阱机构中， [0015] 按照本发明的方法具有如下优点，即，未用于加工工件的并且借助所述至少一个回收装置的光陷阱机构收集的电磁射线的光学辐射能的至少一部分转变成电流并且以此转变成可利用的电能。光学加工装置的能量平衡由此可以被显著改善。 [0016] 在一种特别优选的实施方式中提出，将光学辐射能的至少一部分转化成电能的步骤包括给光伏机构加载由光陷阱机构收集的电磁射线的至少一部分。光伏机构能够以有利的方式直接在光陷阱机构的空腔的内部中将收集的电磁射线的辐射能的至少一部分直接转化成电流并且以此转化成电能。 [0017] 在一种备选的实施方式中存在如下可能性，即，为了将光学辐射能的一部分转化成电能， [0018] ——给在光陷阱机构的内部的至少一个吸收器机构加载由光陷阱机构收集的电磁射线的至少一部分并且由此将所述至少一个吸收器机构加热， [0019] ——由吸收器机构加热载热流体， [0020] ——将载热流体输送给热机、尤其是汽轮机或者斯特林发动机，该热机耦联到发电机机构上，从而载热流体的热能的至少一部分借助热机转化成机械能，利用该机械能运行发电机机构，其中，机械能的至少一部分转化成电能。 [0021] 在这种备选的实施方式中，也可以将由光陷阱收集的、未用于加工工件的电磁射线的至少一部分的光学辐射能用于产生电流并且以此用于提供电能，以便由此改善光学加工装置的能量平衡。与本发明的再上面阐述的第一方案相比，在此，光学辐射能的转化在一个多级的过程中进行，在该过程中，首先将辐射能的至少一部分由吸收器机构转变成热能，该热能可以加热载热流体。载热流体被输送给热机，在该热机中将热能的一部分转变成机械能，该机械能可以驱动发电机机构。发电机机构又能够产生电流并且以此将机械能的至少一部分转化成电能。 [0022] 一种按照本发明的用于回收光学加工装置的未利用的电磁辐射能的回收装置的第一方案包括： [0023] ——光陷阱机构，该光陷阱机构具有一个空腔和至少一个光入口，电磁射线通过所述光入口能够进入空腔中，以及 [0024] ——光伏机构，所述光伏机构在光陷阱机构的空腔之内设置成，使得所述光伏机构能够至少被进入空腔中的电磁射线的一部分加载并且能够将电磁射线的辐射能的至少一部分转化成电能。 [0025] 光伏机构能够以有利的方式直接在光陷阱机构的空腔的内部将收集的电磁射线的辐射能的至少一部分直接转化成电流并且以此转化成电能。由此可以改善具有至少一个按照本发明的回收装置的光学加工装置的能量平衡。 [0026] 优选地，光伏机构可以包括带隙，该带隙选择和设定成，使得该带隙适配于电磁射线的波长。光伏机构可以通过这种措施专门为了在此阐述的使用目的而优化。光伏机构的带隙例如可以设定成，使得效率在所使用的激光光源的已知的、窄光谱的波长时特别高。简单的光伏机构在太阳光中的两个最大的损失机理(在光子能量大时的热化和不吸收具有太小能量的光子)可以因此被有效避免。例如为了在电磁射线的波长在900nm至1100nm之间时获得高效率，光伏机构应当具有在大致1.12715eV(该值在能量方面相当于1100nm的波长)范围内的带隙。这例如可以通过如下的光伏机构来实现，该光伏机构包括基于I-III-VI半导体Cu(In、Ga)Se2(简称：CIGS)的薄的黄铜矿层。经由适配镓的份额可以在1.05eV(CuInSe2；因此完全由铟取代镓)至1.68eV(CuGaSe2)之间设定带隙。基于GaInAs的光伏机构能够吸收从大致740nm到大致1050nm的范围内的电磁射线，如所述光伏机构例如被用作在光伏的串联电池中的子电池。 [0027] 在一种特别优选的实施方式中提出，光伏机构构成为光伏集中器机构。如用在光伏集中器电池中的光伏集中器机构特征尤其在于，所述光伏集中器机构设计用于高的光功率密度。这样的集中器机构具有如下优点，即，所述集中器机构能够处理高的光强并且达到高的效率，并且因此能够极其高效地将电磁射线的辐射能转变成电能。为了避免过热，在一种有利的实施方式中光伏集中器机构可以是流体冷却(例如水冷)的。 [0028] 一种备选的按照本发明的用于回收光学加工装置的未利用的电磁辐射能的回收装置包括： [0029] ——光陷阱机构，该光陷阱机构具有一个空腔和至少一个光入口，电磁射线通过所述光入口能够进入空腔中， [0030] ——至少一个吸收器机构，所述吸收器机构设置在光陷阱机构的空腔之内并且构成为，使得所述吸收器机构能够将进入空腔中的电磁射线的至少一部分吸收并且转化成热能，并且能够加热载热流体， [0031] ——热机、尤其是汽轮机或者斯特林发动机，载热流体能够被输送给该热机并且该热机被构造成，使得该热机能够将载热流体的热能的至少一部分转化成机械能，[0032] ——发电机机构，该发电机机构与热机耦联并且该发电机机构构成为，使得该发电机机构能够将机械能的至少一部分转化成电能。 [0033] 在回收装置的这种实施方式中，与本发明的再上面阐述的第一方案相比，光学辐射能的转化在一个多级的过程中进行，在该过程中，首先将辐射能的至少一部分由吸收器机构转变成热能，该热能可以加热载热流体。载热流体被输送给热机，在该热机中将热能的一部分转变成机械能，该机械能可以驱动发电机机构。发电机机构又能够产生电流并且以此将机械能的至少一部分转化成电能。 [0034] 为了实现回收装置的一种尽可能简单的构造方式，在一种有利的实施方式中可以规定，热机集成到光陷阱机构中。 [0035] 在一种特别有利的实施方式中提出，热机是汽轮机或者斯特林发动机。斯特林发动机的突出之处在于其高的热力学效率。 [0036] 为了实现回收装置的一种还要更简单的构造方式，在一种特别有利的实施方式中可以规定，发电机机构集成到光陷阱机构中。 [0037] 存在如下可能性，即，在光陷阱中收集的电磁射线的光功率密度是如此高，以至于光伏机构或者吸收器机构可能被损坏。因此，在一种有利的实施方式中提出，光陷阱机构包括用于减弱电磁射线的光功率密度的至少一个机构。所述用于减弱光功率密度的至少一个机构尤其可以构成为反射性的或者透射性的扩散器机构。备选地或者附加地，所述用于减弱光功率密度的至少一个机构可以包括至少一个透镜机构。透镜机构例如可以是凹透镜机构或者凸透镜机构。 [0038] 存在如下可能性，即，由要加工的工件反射回的或者透射的电磁射线是非常广泛的，从而光伏机构必须占据大的面积，以便可以有效地收集电磁射线。因此，在一种特别有利的实施方式中提出，光陷阱机构包括用于集中电磁射线的光功率密度的至少一个机构。 [0039] 按照本发明的用于加工工件的光学加工装置包括： [0040] ——至少一个光源、尤其是激光光源或者具有多个发光二极管的光源，所述光源能够在运行期间发射电磁射线， [0041] ——光学机构，所述光学机构构成为，使得所述光学机构能够将由光源发射的电磁射线转向到要加工的工件上。按照本发明的光学加工装置特征在于，所述光学加工装置包括按照上文所述的至少一个回收装置。因此，按照本发明的光学加工装置具有与由现有技术已知的光学加工装置(尤其是激光加工装置)相比改善的能量平衡，因为未用于加工工件的光能的至少一部分可以转化为电能。 [0042] 在一种可以进一步改善能量平衡的、优选的实施方式中，光学加工装置可以包括： [0043] ——第一回收装置，该第一回收装置在光学加工装置的光路中设置成，使得该第一回收装置能够收集未用于加工工件的电磁射线的由工件反射的份额并且能够将该份额转化成电能，以及 [0044] ——至少一个第二回收装置，所述第二回收装置在光学加工装置的光路中设置成，使得所述第二回收装置能够收集未用于加工工件的激光的透射的份额并且能够将该份额转化成电能。 [0046] 本发明其它的特征和优点根据接下来参照附图对优选实施例的描述来详细说明。其中： [0047] 图1示出很大程度示意性简化的视图，该视图图解示出借助至少一个回收装置回收光学加工装置的未利用的光学辐射能的原理，所述回收装置按照本发明的第一实施例实施， [0048] 图2示出很大程度示意性简化的视图，该视图图解示出借助至少一个回收装置回收光学加工装置的未利用的光学辐射能的原理，所述回收装置按照本发明的第二实施例实施， [0049] 图3示出按照图1的回收装置的剖视图， [0050] 图4示出一种光学加工装置的示意性简化的视图，该光学加工装置包括两个回收装置， [0051] 图5示出在激光加工装置中的电磁射线在工件的区域中的光路的细节。 具体实施方式[0052] 接下来要参照图1和图3进一步阐述一种用于回收用于加工工件5的光学加工装置1的未利用的电磁辐射能的方法的第一实施例以及具有回收装置6的光学加工装置1的典型构造，该光学加工装置当前是激光加工装置。光学加工装置1包括一个激光光源2，该激光光源优选是一个具有多个单独发射体的二极管激光器，所述多个单独发射体在运行期间能够发射电磁射线(激光)4。备选地，也可以使用CO2-激光器作为激光光源2。代替激光光源例如也可以使用(高功率)发光二极管，这些发光二极管的光学功率通过技术上的进一步开发而在过去几年里迅速增加并且这些发光二极管因此有可以预见的在光学加工装置1中用作光源的潜能。 [0053] 此外，光学加工装置1包括光学机构3，所述光学机构构成为，使得所述光学机构能够将由激光光源2的这些单独发射体发射的电磁射线4(激光)转向到要借助光学加工装置1加工的工件5上。有利地，激光光源2和光学机构3可以构成为，使得在工件5上能够产生电磁射线4的基本上线形的强度分布。 [0054] 入射到工件5上的电磁射线4仅一小部分用于实际加工工件5。通常，这仅仅是由激光光源2提供的光学辐射能的相对小的一部分。可以制成工件5的金属材料例如反射入射的电磁射线4的一大部分。玻璃和用于制造太阳能电池的材料(由它们可以制成工件5)透射和反射入射的电磁射线4的大部分。实际上，经常只有大约10％到20％的入射的电磁射线4被用于激光加工过程。在一些加工方法中，甚至电磁射线的超过90％未被用于光学加工过程。为了同样能够使用未用于加工工件5的电磁射线4'的光学辐射能，光学加工装置1包括至少一个回收装置6，接下来要进一步阐述所述回收装置。 [0055] 在图1中仅很大程度示意性简化示出的回收装置6包括一个光陷阱机构7，该光陷阱机构在图3中详细示出。光陷阱机构7具有一个通过一个基体72和多个侧壁73界定的空腔70和至少一个光入口71，未用于加工工件5的电磁射线4'的至少一部分可以通过所述光入口进入空腔70中。在该实施例中，在空腔70之内光伏机构8在基体72中设置成，使得所述光伏机构能够至少被进入空腔70中的电磁射线4'的一部分加载并且能够将电磁射线4'的光学辐射能的至少一部分直接转化成电流并且以此转化成电能14。电磁射线4'优选略微倾斜地入射到光入口71上(换句话说，也就是不垂直于光入口的平面)，以便以这种方式避免电磁射线4'的可能从空腔70反射回的份额又落到激光光源2上并且可能会损坏该激光光源。 可以制成基体72和侧壁73的典型材料例如是铝、铝合金或者铜。在基体72和侧壁73中可以集成有一个或多个冷却通道，在配备有回收装置6的光学加工装置1运行期间，冷却介质、尤其是水可以流过所述冷却通道。如在图3中可看出的那样，侧壁具有在该实施例中构成为锯齿形的结构730。进入光陷阱机构7中的电磁射线4'的、既不转变成电流也不转变成热的那个相对小的份额入射到设有结构730的并且优选染成黑色的侧壁73上。由此可以(至少尽可能地)阻止，电磁射线4'的该份额可能又从光陷阱机构7的光入口71射出。 [0056] 设置在光陷阱7的空腔70之内的光伏机构8例如可以构成为光伏集中器机构，如这些光伏机构用在光伏集中器电池中。光伏集中器机构特征尤其在于，进入的电磁射线4'强烈地集中到一个相对小的光敏区域上。这样的光伏集中器机构具有如下优点，即，这些光伏集中器机构可以达到高的效率，设计用于高的光功率密度并且以此能特别高效地将电磁射线4'的光学辐射能转变成电流并且以此转变成可利用的电能。为了避免过热，光伏机构8可以优选是流体冷却的。 [0057] 光伏机构8可以专门为了在此描述的使用目的而优化。例如，光伏机构8的带隙可以设定成，使得效率在所使用的激光光源2的已知的、窄光谱的波长时特别高。简单的光伏机构在太阳光中的两个最大的损失机理(在光子能量大时的热化和不吸收具有太小能量的光子)可以因此被有效避免。 [0058] 参照图2，按照本发明第二实施例的、用于回收光学加工装置1的未利用的电磁辐射能的一种回收装置6也包括一个具有一个空腔70和至少一个光入口71的光陷阱机构7，未用于加工工件的电磁射线4'的至少一部分可以通过所述光入口进入空腔70中。电磁射线4'优选也略微倾斜地入射到光入口71上(也就是说不垂直于光入口71的平面)，以便以这种方式避免电磁射线4'的可能从空腔70反射回的份额落到激光光源2上并且可能会损坏该激光光源。光陷阱机构7的空腔70优选(如在回收装置6的第一实施例中那样)由一个基体72和多个侧壁73限定，所述多个侧壁也可以具有结构730。 [0059] 在空腔70之内设置有至少一个吸收器机构9，所述吸收器机构构成为，使得所述吸收器机构能够吸收进入空腔70中的电磁射线4'的至少一部分并且可以将其光学辐射能至少部分地转化成热能并且由此可以加热载热流体12。此外，回收装置6包括一个热机10，由所述至少一个吸收器机构9加热的载热流体12被输送给热机10。 [0060] 热机10构成为，使得该热机可以将载热流体12的热能的至少一部分转化为机械能13。热机10例如可以是汽轮机或者斯特林发动机。正是斯特林发动机突出之处典型地在于高的效率。如在图2中表示的那样，热机10可以集成到光陷阱机构7中。备选地，热机10也可以设置在光陷阱机构7之外。 [0061] 此外，回收装置6包括一个发电机机构11，该发电机机构与热机10耦联并且该发电机机构构成为，使得该发电机机构可以将机械能13的至少一部分转化成电流并且以此转化成可利用的电能14。如在图2中表示的那样，发电机机构11同样可以集成到光陷阱机构7中。备选地，发电机机构11也可以设置在光陷阱机构7之外。 [0062] 在光学加工装置1运行期间可能出现如下问题，即，收集在回收装置6的光陷阱7中的电磁射线4'的光功率密度如此高，以至于光伏机构8或者所述至少一个吸收器机构9可能受损坏。为了弥补该问题，存在如下可能性，即，光陷阱机构7包括用于减弱电磁射线4'的光功率密度的至少一个在此未详细示出的机构。所述用于减弱光功率密度的至少一个机构尤其可以构成为反射性的或者透射性的扩散器机构。备选地或者附加地，所述用于减弱光功率密度的至少一个机构可以包括至少一个透镜机构。所述透镜机构例如可以是凹透镜机构或者凸透镜机构。 [0063] 在图4和图5中很大程度示意性简化地示出一种用于加工工件5的光学加工装置1(激光加工装置)的光路。工件5实施为至少部分透明的并且由玻璃制成或者由用于制造太阳能电池的材料制成。工件5透射和反射入射的电磁射线4的大部分。为了可以利用和至少部分地回收未用于加工工件5的透射和反射的电磁射线4'，光学加工装置1具有一个用于未利用的电磁射线4'的反射的份额的第一回收装置6a和一个用于未利用的电磁射线的透射的份额的第二回收装置6b。两个回收装置6a、6b以上述的方式实施并且可以将未利用的电磁射线4'的光学辐射能的至少一部分转化成电流并且以此转化成可利用的电能14。 [0064] 在此所述的用于回收光学加工装置1(尤其是激光加工装置)的未利用的光学辐射能的方法以及回收装置6例如适宜于激光加工装置，在所述激光加工装置中，使用光学射线功率明显大于10kW的激光光源2。在这方面要提及的例如是用于热加工金属的、用于适配在功能层中的材料特性的或者在制造太阳能电池时作为对传统炉的补充的激光加工装置。 [0065] 这样的光学加工装置1的能量平衡可以由此被显著改善。 |
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