СПОСОБ РЕКУПЕРАЦИИ НЕИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЭНЕРГИИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ОБРАБАТЫВАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА, РЕКУПЕРАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО И ОПТИЧЕСКОЕ ОБРАБАТЫВАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2017 года по МПК B23K26/70 B23K37/00 H01L31/04 

Настоящее изобретение относится к способу рекуперации неиспользованной энергии оптического излучении оптического обрабатывающего устройства, к рекуперационному устройству и оптическому обрабатывающему устройству.

В последние годы существенно возросло техническое значение оптических обрабатывающих устройств, в частности лазерных обрабатывающих устройств, посредством которых могут обрабатываться разные виды материалов путем воздействия на них электромагнитным излучением (в частности, лазерным светом). До настоящего времени в промышленных лазерных обрабатывающих устройствах редко применялись источники лазерного света мощностью излучения заметно более 10 кВт. Между тем для новых способов обработки требуются источники лазерного света со значительно большей мощностью. В этой связи необходимо указать, например, на лазерные обрабатывающие устройства для термообработки металлов, для согласования свойств материалов в функциональных слоях или служащих в качестве дополнения к традиционным печам для производства солнечных элементов.

При этом в качестве источников лазерного света применяются, в частности, лазеры на полупроводниковом диоде с множеством отдельных эмиттеров, которые с учетом взаимодействия с оптическими средствами выполнены таким образом, что они способны производить распределение интенсивности в виде линии в рабочей сфере, в которой на заготовку воздействуют лазерным светом.

Для всех лазерных обрабатывающих устройств присуща проблема, заключающаяся в том, что при обработке заготовки в действительности расходуется лишь относительно малая часть энергии оптического (электромагнитного) излучения, создаваемого источником лазерного света, вследствие чего энергетический баланс известных из уровня техники лазерных обрабатывающих устройств является относительно низким. Именно приведенные выше случаи промышленного применения лазерных обрабатывающих устройств являются типичными примерами, при которых технически невозможно (а иногда даже нецелесообразно) использовать большую часть имеющейся энергии оптического излучения при обработке детали. Металлические материалы отражают значительную часть падающего на них лазерного света. В противоположность этому стекла и используемые в производстве солнечных элементов материалы пропускают и отражают большую часть падающего лазерного света. Исследования показали, что в известных из уровня техники способах и устройствах лазерной обработки в действительности используется лишь от 10 до 20% падающего лазерного света в процессе лазерной обработки. При некоторых способах обработки неиспользованными остаются во время лазерной обработки даже свыше 90% падающего лазерного света.

В настоящее время в уровне техники та часть лазерного света, которая не может быть использована в процессе лазерной обработки, улавливается с помощью так называемых лучевых ловушек. Эти лучевые ловушки обычно выполнены таким образом, что они могут целенаправленно улавливать лазерный свет, пропускаемый или отражаемый обрабатываемой заготовкой. Эти лучевые ловушки выполнены с таким расчетом, чтобы лазерный свет мог поступать по меньшей мере через одно световое входное отверстие внутрь полости лучевой ловушки. Полость выполнена так, что большая часть лазерного света не может снова выходить из лучевой ловушки через световое входное отверстие в результате рассеивания и/или отражения, а поглощается абсорбентами (в частности, по меньшей мере одним абсорбирующим слоем). В целях предупреждения перегрева лучевых ловушек из-за воздействия на абсорбенты лазерным светом может быть предусмотрено, например, водяное охлаждение.

Поскольку при лазерной обработке значительная часть сообщенной заготовке энергии оптического излучения остается неиспользованной, то энергетический баланс известных из уровня техники лазерных обрабатывающих устройств остается относительно низким.

Вместо источника лазерного света могут также применяться, например, световые диоды (высокой мощности), оптическая мощность которых резко возросла в последние годы в связи с технологическими усовершенствованиями и которые, следовательно, имеют многообещающий потенциал в отношении применения в качестве источников света в оптических обрабатывающих устройствах.

В основе настоящего изобретения лежит задача создания способа рекуперации неиспользованной энергии оптического излучения оптического обрабатывающего устройства, а также создание рекуперационного устройства и оптического обрабатывающего устройства, которые позволили бы повысить энергетический баланс оптического обрабатывающего устройства.

В отношении способа эта задача решается с помощью способа с признаками пункта 1 формулы изобретения, в отношении рекуперационного устройства - с помощью рекуперационного устройства с признаками пункта 4 формулы изобретения и с помощью рекуперационного устройства с признаками пункта 8 формулы изобретения, в отношении оптического обрабатывающего устройства - с помощью оптического обрабатывающего устройства с признаками отличительной части пункта 14 формулы изобретения. Зависимые пункты формулы изобретения касаются оптимальных вариантов развития изобретения.

Способ рекуперации неиспользованной энергии оптического излучения оптического обрабатывающего устройства, содержащего по меньшей мере один источник лазерного света, включает в себя следующие этапы:

- применение по меньшей мере одного источника света и генерация электромагнитного излучения,

- воздействие по меньшей мере на одну заготовку электромагнитным излучением для ее обработки,

- улавливание по меньшей мере части электромагнитного излучения, не использованного при обработке по меньшей мере одной заготовки, лучевой ловушкой по меньшей мере одного рекуперационного устройства,

- преобразование по меньшей мере части энергии оптического электромагнитного излучения, уловленной лучевой ловушкой по меньшей мере одного рекуперационного устройства, в электрическую энергию.

Способ согласно изобретению обладает тем преимуществом, что по меньшей мере часть энергии оптического электромагнитного излучения, которая не была использована при обработке заготовки, но была уловлена лучевой ловушкой по меньшей мере одного рекуперационного устройства, преобразуется в электрический ток и, следовательно, в полезную электрическую энергию. За счет этого энергетический баланс оптического обрабатывающего устройства может быть существенно улучшен.

Согласно особо предпочтительному варианту выполнения предлагается, чтобы этап преобразования по меньшей мере части энергии оптического излучения в электрическую энергию включал в себя воздействие на фотогальванические элементы по меньшей мере частью уловленного лучевой ловушкой электромагнитного излучения. Фотогальванические элементы оптимально пригодны к тому, чтобы они непосредственно преобразовывали внутри полости лучевой ловушки по меньшей мере часть энергии уловленного электромагнитного излучения непосредственно в электрический ток и, следовательно, в электрическую энергию.

Согласно альтернативному варианту выполнения возможно, чтобы для преобразования части энергии оптического излучения в электрическую энергию:

- по меньшей мере один абсорбент внутри лучевой ловушки был подвержен воздействию по меньшей мере части уловленного лучевой ловушкой электромагнитного излучения и в результате нагревался,

- текучий теплоноситель нагревался абсорбентом,

- текучий теплоноситель подавался в тепловой двигатель, в частности в паровую турбину или двигатель Стирлинга, который связан с генератором, в результате чего по меньшей мере часть тепловой энергии текучего теплоносителя преобразуется тепловым двигателем в механическую энергию, с помощью которой приводится в действие генератор, при этом по меньшей мере часть механической энергии преобразуется в электрическую энергию.

Также и при этом варианте выполнения возможно использовать энергию оптического излучения по меньшей мере части уловленного лучевой ловушкой и не использованного при обработке заготовки электромагнитного излучения для выработки электрического тока, следовательно, для получения электрической энергии и в результате для улучшения энергетического баланса оптического обрабатывающего устройства. При этом преобразование энергии оптического излучения происходит в отличие от поясненного выше первого варианта выполнения изобретения посредством многоэтапного процесса, при котором часть энергии излучения преобразуется сначала абсорбентом в тепловую энергию, которой может нагреваться текучий теплоноситель. Текучий теплоноситель подается в тепловой двигатель, в котором часть тепловой энергии преобразуется в механическую энергию, которой приводится в действие генератор. В свою очередь генератор может вырабатывать электрический ток и таким образом преобразовывать по меньшей мере часть механической энергии в электрическую.

Согласно первому варианту выполнения устройства для рекуперации неиспользованной энергии электромагнитного излучения оптического обрабатывающего устройства оно содержит:

- лучевую ловушку с полостью и по меньшей мере одним световым входным отверстием, через которое электромагнитное излучение может попадать в полость, и

- фотогальванические элементы, расположенные в полости лучевой ловушки таким образом, что на них может воздействовать по меньшей мере часть поступившего в полость электромагнитного излучения, и способные преобразовывать по меньшей мере часть энергии электромагнитного излучения в электрическую энергию.

Для этого фотогальванические элементы способны преобразовывать непосредственно внутри полости лучевой ловушки по меньшей мере часть энергии уловленного электромагнитного излучения непосредственно в электрический ток и, следовательно, в электрическую энергию. За счет этого может быть улучшен энергетический баланс оптического обрабатывающего устройства, содержащего по меньшей мере одно рекуперационное устройство согласно изобретению.

Предпочтительно фотогальванические элементы могут содержать энергетическую щель, которая выбирается и настраивается таким образом, что она соответствует длине волны электромагнитного излучения. Специально для описанного здесь назначения фотогальванические элементы могут быть оптимизированы посредством этой меры. Например, энергетическая щель фотогальванических элементов может быть отрегулирована таким образом, что кпд используемого источника света с длиной известной, спектрально узкой волны будет особенно высоким. Таким образом можно эффективно исключить оба механизма максимальных потерь в простых фотогальванических элементах на солнечном свете (термализация при большой энергии фотона и отсутствие поглощения фотонов с низкой энергией). Так, например, для достижения высокой эффективности при длине волны электромагнитного излучения от 900 до 1100 нм фотогальванические элементы должны иметь энергетическую щель в диапазоне около 1,12715 эВ (в энергетическом отношении эта величина соответствует длине волны 1100 нм). Это можно достигнуть, например, с помощью фотогальванических элементов, содержащих тонкие пластинки из халькопирита на базе полупроводника I-III-VI Cu (In, Ga)Se₂ (сокращенно: CIGS). Путем согласования доли галлия энергетическая щель может быть установлена равной от 1,05 (CuInSe₂; следовательно полное замещение галлия индием) до 1,68 эВ (CuGaSe₂). Фотогальванические элементы на основе GaInAs, как, например, применяемые в качестве субъячеек в фотогальванических составных ячейках, обеспечивают поглощение электромагнитного излучения в диапазоне от около 740 до около 1050 нм.

Согласно особо предпочтительному варианту предложено выполнить фотогальванические элементы в виде фотогальванических концентраторов. Фотогальванические концентраторы в том виде, как они применяются в фотогальванических ячейках концентратора, отличаются, в частности, тем, что они рассчитаны на большие оптические удельные мощности. Преимущество таких концентраторов в том, что они способны обрабатывать свет высокой интенсивности и достигать больших кпд и, следовательно, преобразовывать особенно эффективно энергию электромагнитного излучения в электрическую энергию. Для предотвращения перегрева в оптимальном варианте выполнения предусмотрена возможность для охлаждения фотогальванических концентраторов текучей средой (например, водой).

Согласно пункту 8 формулы изобретения альтернативное устройство по изобретению для рекуперации неиспользованной энергии электромагнитного излучения оптического обрабатывающего устройства содержит:

- лучевую ловушку с полостью и по меньшей мере одним световым входным отверстием, через которое электромагнитное излучение может проходить внутрь полости,

- по меньшей мере, один абсорбер, расположенный внутри полости и выполненный так, что он может поглощать по меньшей мере часть проходящего в полость электромагнитного излучения, преобразовывать его в тепловую энергию и нагревать текучий теплоноситель,

- тепловой двигатель, в который поступает текучий теплоноситель и который выполнен так, что он преобразует по меньшей мере часть тепловой энергии текучего теплоносителя в механическую энергию, и

- генератор, соединенный с тепловым двигателем и выполненный таким образом, что он может преобразовывать по меньшей мере часть механической энергии в электрическую энергию.

В этом варианте выполнения рекуперационного устройства преобразование энергии оптического излучения происходит, в противоположность объясненному выше первому варианту выполнения изобретения, в ходе многоэтапного процесса, при котором сначала часть энергии излучения преобразуется абсорбентом в тепловую энергию, которой нагревается текучий теплоноситель. Этот теплоноситель поступает в тепловой двигатель, в котором часть тепловой энергии преобразуется в механическую энергию, приводящую в действие генератор. Для этого генератор, в свою очередь, может вырабатывать электрический ток и, следовательно, преобразовывать часть механической энергии в электрическую.

В целях обеспечения по возможности простоты конструкции рекуперационного устройства в предпочтительном варианте выполнения предусмотрено встраивание теплового двигателя в лучевую ловушку.

В особо предпочтительном варианте выполнения предложено, чтобы тепловым двигателем служила паровая турбина или двигатель Стирлинга. Двигатель Стирлинга отличается своим высоким термодинамическим кпд.

Для достижения еще большей простоты конструкции рекуперационного устройства в особо предпочтительном варианте выполнения может быть предусмотрено встраивание генератора в лучевую ловушку.

При этом присутствует возможность того, что оптическая удельная мощность уловленного в лучевой ловушке электромагнитного излучения будет настолько велика, что фотогальванические элементы или абсорбер могут выйти из строя. Поэтому согласно предпочтительному варианту выполнения предложено, чтобы в лучевой ловушке содержалось по меньшей мере одно средство для ослабления оптической удельной мощности электромагнитного излучения. По меньшей мере, это средство для ослабления оптической удельной мощности может быть выполнено, в частности, в виде отражательного или пропускающего диффузора. В качестве альтернативы или дополнительно по меньшей мере одно средство для ослабления оптической удельной мощности может содержать по меньшей мере одну линзу. Линза может быть, например, вогнутой или выпуклой.

Имеется возможность того, что электромагнитное излучение, отражающееся или пропускаемое обрабатываемой заготовкой, имеет очень большой пространственный размер, из-за чего фотогальванические элементы должны располагаться на большой площади для эффективного улавливания электромагнитного излучения. Поэтому согласно особо предпочтительному варианту выполнения предложено, чтобы лучевая ловушка содержала по меньшей мере одно средство для концентрации оптической удельной мощности электромагнитного излучения.

Согласно пункту 4 формулы изобретения оптическое устройство для обработки заготовки содержит:

- по меньшей мере один источник света, в частности источник лазерного света или источник света с некоторым количеством светодиодов, которым при эксплуатации может испускаться электромагнитное излучение,

- оптические средства, выполненные таким образом, что они могут направлять испускаемое источником света электромагнитное излучение на подлежащую обработке заготовку. Оптическое обрабатывающее устройство согласно изобретению отличается тем, что оно содержит по меньшей мере одно рекуперационное устройство по любому из пунктов 4-13 формулы изобретения. Таким образом, оптическое обрабатывающее устройство согласно изобретению характеризуется, в противоположность известным из уровня техники оптическим обрабатывающим устройствам, в частности, лазерным обрабатывающим устройствам, улучшенным энергетическим балансом, так как по меньшей мере часть не использованной при обработке заготовки энергии оптического излучения может преобразовываться в электрическую энергию.

Согласно предпочтительному варианту выполнения, при котором может быть дополнительно улучшен энергетический баланс, оптическое обрабатывающее устройство может содержать:

- первое рекуперационное устройство, расположенное по ходу оптических лучей оптического обрабатывающего устройства таким образом, что оно может улавливать отражаемую заготовкой часть не использованного при обработке заготовки электромагнитного излучения и преобразовывать ее в электрическую энергию,

- по меньшей мере второе рекуперационное устройство, расположенное по ходу оптических лучей оптического обрабатывающего устройства таким образом, что оно может улавливать пропущенную часть не использованного при обработке заготовки лазерного света и преобразовывать ее в электрическую энергию.

В результате обеспечивается возможность по меньшей мере для частичной рекуперации энергии оптического излучения отраженной и пропущенной частей не использованного при обработке заготовки электромагнитного излучения.

Другие признаки и преимущества настоящего изобретения подробнее поясняются с помощью последующего описания предпочтительных примеров выполнения со ссылкой на приложенные фигуры. При этом изображено:

фиг. 1 - схематическое, сильно упрощенное изображение, иллюстрирующее основной принцип рекуперации неиспользованной энергии оптического излучения оптического обрабатывающего устройства с помощью по меньшей мере одного рекуперационного устройства, выполненного согласно первому примеру осуществления настоящего изобретения;

фиг. 2 - схематическое, сильно упрощенное изображение, иллюстрирующее основной принцип рекуперации неиспользованной энергии оптического излучения оптического обрабатывающего устройства с помощью по меньшей мере одного рекуперационного устройства, выполненного согласно второму примеру осуществления настоящего изобретения;

фиг. 3 - вид на рекуперационное устройство на фиг. 1 в разрезе;

фиг. 4 - схематическое, упрощенное изображение оптического обрабатывающего устройства, содержащего два рекуперационных устройства;

фиг. 5 - частный случай, касающийся хода лучей при электромагнитном излучении в лазерном обрабатывающем устройстве на участке заготовки.

Ниже подробнее поясняется со ссылкой на фиг. 1 и 3 первый пример осуществления способа рекуперации не использованной энергии электромагнитного излучения оптического обрабатывающего устройства 1 при обработке заготовки 5, которое в данном случае является лазерным обрабатывающим устройством, и типичная конструкция оптического обрабатывающего устройства 1 с рекуперационным устройством 6. Оптическое обрабатывающее устройство 1 содержит источник 2 лазерного света, который представляет собой лазер на полупроводниковом диоде с множеством отдельных эмиттеров, которые могут испускать во время эксплуатации электромагнитное излучение 4 (лазерный свет). В качестве альтернативы может также применяться углекислотный лазер в качестве источника 2 лазерного света. Вместо источника лазерного света могут также применяться, например, (высокоэффективные) светодиоды, оптическая мощность которых в результате технологических усовершенствований в последние годы резко возросла и которые вследствие этого обладают многообещающим потенциалом, в качестве источников света в оптических обрабатывающих устройствах 1.

Также оптическое обрабатывающее устройство 1 содержит оптические средства 3, выполненные таким образом, что они могут направлять электромагнитное излучение 4 (лазерный свет), испускаемое отдельными эмиттерами источника 2 лазерного света, на обрабатываемую оптическим обрабатывающим устройством 1 заготовку 5. Источник 2 лазерного света и оптические средства 3 могут быть предпочтительно выполнены таким образом, что на заготовке 5 может быть получено по существу имеющее вид линии распределение интенсивности электромагнитного излучения 4.

Приходящееся на заготовку 5 электромагнитное излучение 4 используется лишь частично при собственно обработке заготовки 5. Обычно это всего лишь относительно незначительная часть производимой источником 2 лазерного света энергии оптического излучения. Металлические материалы, из которых может состоять заготовка 5, отражают, например, значительную часть падающего на них электромагнитного излучения 4. Стекла и применяемые при изготовлении солнечных элементов материалы, из которых может состоять заготовка 5, пропускают и отражают значительную часть падающего электромагнитного излучения 4. Часто в действительности используется лишь от 10 до 20% падающего электромагнитного излучения 4 для процесса лазерной обработки. При некоторых способах обработки не используется в процессе оптической обработки даже более 90% электромагнитного излучения. Для того чтобы можно было утилизировать также не использованную при обработке заготовки 5 энергию оптического излучения, оптическое обрабатывающее устройство 1 содержит по меньшей мере одно рекуперационное устройство 6, которое подробнее поясняется ниже.

Рекуперационное устройство 6, изображенное на фиг. 1 в сильно упрощенном виде, содержит лучевую ловушку 7, подробно показанную на фиг. 3. Лучевая ловушка 7 имеет полость 70, ограниченную базовым корпусом 72 и боковыми стенками 73, и по меньшей мере одно световое входное отверстие 71, через которое может входить в полость 70 по меньшей мере часть не ипользованного при обработке детали 5 электромагнитного излучения 4'. Внутри полости 70 расположены, в данном примере выполнения, в базовом корпусе 72 фотогальванические элементы так, что они подвержены воздействию по меньшей мере части проходящего в полость 70 электромагнитного излучения 4' и могут преобразовывать по меньшей мере часть энергии оптического электромагнитного излучения 4' непосредственно в электрический ток и, следовательно, в электрическую энергию 14. Электромагнитное излучение 4' направлено предпочтительно несколько наклонно на световое входное отверстие 71 (т.е. не перпендикулярно плоскости этого отверстия), что необходимо для того, чтобы при необходимости исключить попадание отраженной части электромагнитного излучения 4' снова на источник 2 лазерного света, что при известных условиях может его повредить. Типичными материалами, из которых могут быть изготовлены базовый корпус 72 и боковые стенки 73, являются, например, алюминий, его сплавы и медь. В базовом корпусе 72 и боковых стенках 73 могут быть выполнены один или несколько охлаждающих каналов, по которым во время эксплуатации оптического обрабатывающего устройства 1 вместе с рекуперационным устройством 6 может протекать хладагент, в частности вода. Как видно из фиг. 3, боковые стенки имеют элементы 730 структурирования, которые в данном примере выполнены зубчатыми. Та относительно малая часть поступающего в лучевую ловушку 7 электромагнитного излучения 4', которая не преобразуется ни в электрический ток, ни в тепло, попадает на боковые стенки 73, снабженные элементами 730 структурирования и окрашенные предпочтительно в черный цвет. В результате становится возможным (по меньшей мере, существенно) предотвратить повторный выход указанной части электромагнитного излучения 4' через световое входное отверстие 71 в лучевой ловушке 7.

Фотогальванические элементы 8, находящиеся внутри полости 70 лучевой ловушки 7, могут быть выполнены, например, в виде фотогальванических концентраторов, как они применяются в фотогальванических концентрационных ячейках. Фотогальванические концентраторы отличаются, в частности, тем, что падающее электромагнитное излучение 4' сильно сконцентрировано на относительно небольшом светочувствительном участке. Такие фотогальванические концентраторы имеют то преимущество, что они могут достигать высоких кпд, рассчитаны на большие оптические удельные мощности и в результате способны эффективно преобразовывать оптическую энергию электромагнитного излучения 4' в электрический ток и, следовательно, в полезную электрическую энергию. Для исключения перегрева фотогальванические элементы 8 могут предпочтительно охлаждаться текучей средой.

Фотогальванические элементы 8 могут быть специально оптимизированы для описанного здесь назначения. Например, энергетическая щель фотогальванических элементов 8 может быть отрегулирована так, что кпд при длине известной спектрально узкой волны применяемого источника 2 лазерного света будет особенно высоким. Таким образом, оба механизма максимальных потерь простых фотогальванических элементов на солнечном свете (термализация при большой энергии фотонов и малое поглощение фотонов при слишком низкой энергии) могут быть эффективно исключены.

Как следует из фиг. 2, устройство 6 для рекуперации неиспользованной энергии электромагнитного излучения оптического обрабатывающего устройства 1 согласно второму примеру осуществления настоящего изобретения также содержит лучевую ловушку 7 с полостью 70 и по меньшей мере одним световым входным отверстием 71, через которое может входить в полость 70 по меньшей мере часть не использованного при обработке заготовки электромагнитного излучения 4'. Электромагнитное излучение 4' направлено снова предпочтительно несколько наклонно на световое входное отверстие 71 (т.е. не перпендикулярно плоскости этого отверстия 71) для исключения того, чтобы при необходимости отраженная из полости 70 часть электромагнитного излучения 4' пришлась на источник 2 лазерного света и при определенных условиях могла его повредить. Полость 70 лучевой ловушки 7 образована предпочтительно - как и в первом варианте выполнения рекуперационного устройства 6 - базовым корпусом 72 и боковыми стенками 73, которые также могут иметь элементы 730 структурирования.

Внутри полости 70 расположен по меньшей мере один абсорбент 9, выполненный таким образом, что он поглощает по меньшей мере часть поступающего в полость 70 электромагнитного излучения 4', преобразует энергию оптического излучения по меньшей мере частично в тепловую энергию и за счет этого может нагревать текучий теплоноситель 12. Рекуперационное устройство 6 содержит также тепловой двигатель 10, в который подается текучий теплоноситель 12, нагретый по меньшей мере абсорбентом 9.

Тепловой двигатель 10 выполнен таким образом, что он может преобразовывать по меньшей мере часть тепловой энергии текучего теплоносителя 12 в механическую энергию 13. Тепловым двигателем 10 может служить, например, паровая турбина или двигатель Стирлинга. Именно двигатели Стирлинга отличаются обычно высоким кпд. Тепловой двигатель 10, как показано на фиг. 2, может быть встроен в лучевую ловушку 7. В качестве альтернативы тепловой двигатель 7 может располагаться и вне лучевой ловушки 7.

Кроме того, рекуперационное устройство 6 содержит генератор 11, который соединен с тепловым двигателем 10 и выполнен таким образом, что он может преобразовывать по меньшей мере часть механической энергии 13 в электрический ток и, следовательно, в полезную электрическую энергию 14. Генератор 11, как показано на фиг. 2, может быть также встроен в лучевую ловушку 7. В качестве альтернативы генератор 11 может располагаться вне лучевой ловушки 7.

При эксплуатации оптического обрабатывающего устройства 1 может возникнуть проблема, связанная с тем, что оптическая удельная мощность электромагнитного излучения 4', уловленного в лучевой ловушке 7 рекуперационного устройства 6, будет настолько большой, что могут быть повреждены фотогальванические элементы 8 или по меньшей мере абсорбент 9. Для того чтобы исключить эту проблему, предусмотрено наличие в лучевой ловушке 7 по меньшей мере одного, не описанного здесь явно средства для уменьшения оптической удельной мощности электромагнитного излучения 4'. По меньшей мере это средство для ослабления оптической удельной мощности может быть выполнено, в частности, в виде отражающего или пропускающего диффузора. В качестве альтернативы или дополнительно по меньшей мере одно средство для ослабления оптической удельной мощности может содержать по меньшей мере одну линзу. Эта линза может быть, например, вогнутой или выпуклой.

На фиг. 4 и 5 изображен ход оптических лучей оптического обрабатывающего устройства 1 (лазерного обрабатывающего устройства) при обработке заготовки 5 схематически в сильно упрощенном виде. Заготовка 5 по меньшей мере частично прозрачна и состоит из стекла или материалов, используемых в производстве солнечных элементов. Заготовка 5 пропускает и отражает большую часть падающего электромагнитного излучения 4. Для того чтобы не использованное при обработке заготовки 5 пропущенное и отраженное электромагнитное излучение 4' можно было использовать и по меньшей мере частично рекуперировать, оптическое обрабатывающее устройство 1 содержит первое устройство 6а для рекуперации отраженной части и второе устройство 6b для рекуперации пропущенной части неиспользованного электромагнитного излучения 4'. Оба рекуперационных устройства 6а и 6b выполнены так, как описано выше, и могут преобразовывать по меньшей мере часть энергии оптического неиспользованного электромагнитного излучения 4' в электрический ток и, следовательно, в полезную электрическую энергию 14.

Описанные способ рекуперации неиспользованной энергии оптического излучения оптического обрабатывающего устройства 1 (в частности, лазерного обрабатывающего устройства) и рекуперационное устройство 6 пригодны для применения, например, в лазерных обрабатывающих устройствах, в которых применяются источники 2 лазерного света с оптической мощностью излучения заметно более 10 кВт. В этой связи можно указать, например, на лазерные обрабатывающие устройства для термообработки металлов, для согласования свойств материалов в функциональных слоях или используемых в качестве дополнения в традиционных печах для производства солнечных элементов.

В результате энергетический баланс таких оптических обрабатывающих устройств 1 может быть существенно улучшен.

Изобретение относится к способу рекуперации неиспользованной энергии оптического излучения оптического обрабатывающего устройства (1), содержащего по меньшей мере один источник света, в частности источник (2) лазерного излучения или источник света с множеством светодиодов, оптическому обрабатывающему устройству (1) для обработки заготовки (5) (варианты) и рекуперационному устройству. Способ включает этапы: приведение в действие источника света, воздействие по меньшей мере на одну заготовку (5) электромагнитным излучением (4) для ее обработки, улавливание лучевой ловушкой (7) рекуперационного устройства (6, 6а, 6b) по меньшей мере части не использованного при обработке заготовки (5) электромагнитного излучения (4'), преобразование по меньшей мере части энергии электромагнитного излучения (4'), захваченного ловушкой (7), в электрическую энергию (14). Рекуперационное устройство (6, 6а, 6b) содержит лучевую ловушку (7) с полостью (70) и по меньшей мере с одним световым входным отверстием (71) для ввода в полость (70) электромагнитного излучения (4'). Абсорбенты (9) рекуперационного устройства (6, 6а, 6b) расположены внутри полости (70) лучевой ловушки (7) и выполнены с возможностью поглощать по меньшей мере часть входящего в полость (70) электромагнитного излучения (4'), преобразовывать его в тепловую энергию и нагревать текучий теплоноситель (12). Тепловой двигатель (10), в частности паровая турбина или двигатель Стирлинга, в который подается текучий теплоноситель (12), выполнен с возможностью преобразовывать по меньшей мере часть тепловой энергии текучего теплоносителя (12) в механическую энергию (13). Генератор (11) соединен с тепловым двигателем (10) и выполнен с возможностью преобразовывать по меньшей мере часть механической энергии (13) в электрическую энергию (14). 4 н. и 22 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ рекуперации неиспользованной энергии оптического излучения оптического обрабатывающего устройства (1), содержащего по меньшей мере один источник света, в частности источник (2) лазерного излучения или источник света с множеством светодиодов, включающий этапы, на которых:

приводят в действие по меньшей мере один источник света и генерируют электромагнитное излучение (4),

воздействуют по меньшей мере на одну заготовку (5) электромагнитным излучением (4) для ее обработки,

улавливают лучевой ловушкой (7) по меньшей мере одного рекуперационного устройства (6, 6а, 6b) по меньшей мере часть не использованного электромагнитного излучения (4) при обработке по меньшей мере одной заготовки (5),

преобразуют по меньшей мере часть энергии электромагнитного излучения (4'), захваченного лучевой ловушкой (7) по меньшей мере одного рекуперационного устройства (6, 6а, 6b), в электрическую энергию (14).

2. Способ по п. 1, в котором на этапе преобразования по меньшей мере части энергии оптического излучения в электрическую энергию воздействуют на фотогальванические элементы (8) указанной по меньшей мере частью электромагнитного излучения (4'), захваченного ловушкой (7).

3. Способ по п. 1, в котором для преобразования части энергии оптического излучения в электрическую энергию:

воздействуют по меньшей мере частью электромагнитного излучения (4; 4'), захваченного ловушкой (7), по меньшей мере на абсорбент (9) внутри лучевой ловушки (7) и нагревают его,

абсорбентом (9) нагревают текучий теплоноситель (12),

текучий теплоноситель (12) подают в тепловой двигатель (10), в частности в паровую турбину или двигатель Стирлинга, соединенный с генератором (11), вследствие чего по меньшей мере часть тепловой энергии текучего теплоносителя (12) преобразуется тепловым двигателем (10) в механическую энергию (13), посредством которой приводится в действие генератор, при этом по меньшей мере часть механической энергии (13) преобразуется в электрическую энергию (14).

4. Оптическое обрабатывающее устройство (1) для обработки заготовки (5), содержащее:

по меньшей мере один источник света, в частности источник (2) лазерного излучения или источник света с множеством светодиодов, который во время эксплуатации способен испускать электромагнитное излучение (4),

оптические средства (3), выполненные с возможностью направлять испускаемое источником (2) света электромагнитное излучение (4) на обрабатываемую заготовку (5),

отличающееся тем, что оно содержит по меньшей мере одно рекуперационное устройство (6, 6а, 6b) для рекуперации неиспользованной энергии оптического излучения оптического обрабатывающего устройства (1), при этом рекуперационное устройство содержит

лучевую ловушку (7) с полостью (70) и по меньшей мере одним световым входным отверстием (71) для ввода в полость (70) электромагнитного излучения (4'),

фотогальванические элементы (8), расположенные внутри полости (70) лучевой ловушки (7) таким образом, что на них воздействует по меньшей мере часть введенного в полость (70) электромагнитного излучения (4'), при этом фотогальванические элементы способны преобразовывать по меньшей мере часть энергии электромагнитного излучения (4') в электрическую энергию (14).

5. Оптическое обрабатывающее устройство (1) по п. 4, в котором фотогальванические элементы (8) имеют энергетическую щель, которая выбрана и отрегулирована таким образом, что она соответствует длине волны электромагнитного излучения (4').

6. Оптическое обрабатывающее устройство (1) по п. 4 или 5, в котором фотогальванические элементы (8) выполнены в виде фотогальванических концентраторов.

7. Оптическое обрабатывающее устройство (1) по п. 6, в котором фотогальванические концентраторы охлаждаются текучей средой.

8. Оптическое обрабатывающее устройство (1) по любому из пп. 4, 5, 7, в котором лучевая ловушка (7) содержит по меньшей мере одно средство для ослабления оптической удельной мощности электромагнитного излучения (4'), при этом указанное средство выполнено предпочтительно в виде отражательного или пропускающего диффузора.

9. Оптическое обрабатывающее устройство (1) по п. 6, в котором лучевая ловушка (7) содержит по меньшей мере одно средство для ослабления оптической удельной мощности электромагнитного излучения (4'), при этом указанное средство выполнено предпочтительно в виде отражательного или пропускающего диффузора.

10. Оптическое обрабатывающее устройство (1) по п. 8, в котором указанное

средство для ослабления оптической удельной мощности содержит по меньшей мере одну линзу.

11. Оптическое обрабатывающее устройство (1) по п. 9, в котором указанное средство для ослабления оптической удельной мощности содержит по меньшей мере одну линзу.

12. Оптическое обрабатывающее устройство (1) по любому из пп. 4, 5, 7, 9-11, в котором лучевая ловушка (7) содержит по меньшей мере одно средство для концентрации оптической удельной мощности электромагнитного излучения (4').

13. Оптическое обрабатывающее устройство (1) по п. 6, в котором лучевая ловушка (7) содержит по меньшей мере одно средство для концентрации оптической удельной мощности электромагнитного излучения (4').

14. Оптическое обрабатывающее устройство (1) по п. 8, в котором лучевая ловушка (7) содержит по меньшей мере одно средство для концентрации оптической удельной мощности электромагнитного излучения (4').

15. Рекуперационное устройство (6, 6а, 6b) для рекуперации неиспользованной энергии оптического излучения оптического обрабатывающего устройства (1), содержащее:

лучевую ловушку (7) с полостью (70) и по меньшей мере с одним световым входным отверстием (71) для ввода в полость (70) электромагнитного излучения (4'),

абсорбенты (9), расположенные внутри полости (70) лучевой ловушки (7) и выполненные с возможностью поглощать по меньшей мере часть входящего в полость (70) электромагнитного излучения (4'), преобразовывать его в тепловую энергию и нагревать текучий теплоноситель (12),

тепловой двигатель (10), в частности паровую турбину или двигатель Стирлинга, в который подается текучий теплоноситель (12), причем тепловой двигатель выполнен с возможностью преобразовывать по меньшей мере часть тепловой энергии текучего теплоносителя (12) в механическую энергию (13),

генератор (11), соединенный с тепловым двигателем (10) и выполненный с возможностью преобразовывать по меньшей мере часть механической энергии (13) в электрическую энергию (14).

16. Рекуперационное устройство (6, 6а, 6b) по п. 15, в котором тепловой двигатель (10) встроен в лучевую ловушку (7).

17. Рекуперационное устройство (6, 6а, 6b) по п. 15 или 16, в котором генератор (11) встроен в лучевую ловушку (7).

18. Рекуперационное устройство (6, 6а, 6b) по п. 15 или 16, в котором лучевая

ловушка (7) содержит по меньшей мере одно средство для ослабления оптической удельной мощности электромагнитного излучения (4'), при этом указанное средство выполнено предпочтительно в виде отражательного или пропускающего диффузора.

19. Рекуперационное устройство (6, 6а, 6b) по п. 17, в котором лучевая ловушка (7) содержит по меньшей мере одно средство для ослабления оптической удельной мощности электромагнитного излучения (4'), при этом указанное средство выполнено предпочтительно в виде отражательного или пропускающего диффузора.

20. Рекуперационное устройство (6, 6а, 6b) по п. 18, в котором указанное средство для ослабления оптической удельной мощности содержит по меньшей мере одну линзу.

21. Рекуперационное устройство (6, 6а, 6b) по п. 19, в котором указанное средство для ослабления оптической удельной мощности содержит по меньшей мере одну линзу.

22. Рекуперационное устройство (6, 6а, 6b) по любому из пп. 15, 16, 19-21, в котором лучевая ловушка (7) содержит по меньшей мере одно средство для концентрации оптической удельной мощности электромагнитного излучения (4').

23. Рекуперационное устройство (6, 6а, 6b) по п. 17, в котором лучевая ловушка (7) содержит по меньшей мере одно средство для концентрации оптической удельной мощности электромагнитного излучения (4').

24. Рекуперационное устройство (6, 6а, 6b) по п. 18, в котором лучевая ловушка (7) содержит по меньшей мере одно средство для концентрации оптической удельной мощности электромагнитного излучения (4').

25. Оптическое обрабатывающее устройство (1) для обработки заготовки (5), содержащее:

по меньшей мере один источник света, в частности источник (2) лазерного излучения или источник света с множеством светодиодов, который во время эксплуатации способен испускать электромагнитное излучение (4),

оптические средства (3), выполненные с возможностью направлять испускаемое источником (2) света электромагнитное излучение (4) на обрабатываемую заготовку (5),

отличающееся тем, что оно содержит по меньшей мере одно рекуперационное устройство (6, 6а, 6b) по любому из пп. 15-24.

26. Оптическое обрабатывающее устройство (1) по любому из пп. 4-14, 25, отличающееся тем, что оно содержит:

первое рекуперационное устройство (6а), расположенное по ходу оптических

лучей оптического обрабатывающего устройства (1) таким образом, что обеспечивается возможность улавливать отраженную от заготовки (5) часть электромагнитного излучения (4'), не использованного при ее обработке, и преобразовывать электромагнитное излучение в электрическую энергию (14), и

по меньшей мере второе рекуперационное устройство (6b), расположенное по ходу оптических лучей оптического обрабатывающего устройства (1) таким образом, что обеспечивается возможность улавливать пропущенную часть электромагнитного излучения (4'), не использованного при обработке детали (5), и преобразовывать электромагнитное излучение в электрическую энергию (14).