Laserkühlung: Mit Kaltwasser zu mehr Effizienz und Genauigkeit

In der Technik spielen Laser eine wichtige Rolle. Denn sie eignen sich zum Schneiden, Schweißen oder Fügen und arbeiten dabei sehr genau. Für die optimale Funktionsweise der Systeme kommt es jedoch auf die richtige Temperatur der Anlagen an. Diese ist sehr genau zu halten, um Verformungen des Werkstücks zu vermeiden und einen zielgerichteten Laserstrahl zu gewährleisten. Realisieren lässt sich das durch die Laserkühlung mit Kaltwasser. Wir erklären, wie diese mit einzelnen Chillern (auch Kaltwassersätzen) oder Ringleitungen funktioniert. Wir nennen die wichtigsten Anforderungen an die Laserkühlung und zeigen auf, welche Alternativen es zu Kaltwasser für die Kühlung der Laser gibt.

Die Themen im Überblick

Laserkühlung: Gründe und Vorteile der Temperaturkontrolle

Schmale und präzise Schnittkanten oder Schweißnähte und schnelle Bearbeitungsprozesse gehören zu den Hauptvorteilen moderner Laserschweiß- und Laserschneidgeräte. Denn diese setzen auf Laserstrahlen, um punktuell sehr viel Energie einzubringen. Eine hohe Genauigkeit lässt sich dabei allerdings nur erreichen, wenn Anwender den Laser kühlen. Andernfalls beeinträchtigt die anfallende Wärme die Genauigkeit. Sie verformt Bauteile im Lasergerät oder führt dazu, dass sich Werkstücke verziehen.

Wichtig ist die Laserkühlung daher, um:

• sehr große Wärmemengen zuverlässig abzuführen
• die Präzision des Lasers dauerhaft hochzuhalten
• Laser sowie Werkstücke vor Verformung zu schützen
• Prozesse zu beschleunigen und die Effizienz zu steigern

Mit einer optimal ausgelegten Laserkühlung sorgen Sie also nicht nur für den zuverlässigen Betrieb von Geräten zum Laserschweißen oder Laserschneiden. Sie optimieren auch die Effizienz und gewährleisten eine höhere Wirtschaftlichkeit. Nutzen Sie die abgeführte Wärme für andere Prozesse, sparen Sie außerdem Energie, CO2 und Geld ein.

Laser mit Wasser kühlen: Die Funktionsweise der Laserkühler

Eine weitverbreitete Lösung zur Laserkühlung stellt der Einsatz von Chillern oder Kaltwassersätzen dar. Dabei handelt es sich um Geräte, die thermische Energie von einer Kühlflüssigkeit abführen, wobei sich das Kühlmedium selbst abkühlt. Das Wasser oder Wasser-Glykol-Gemisch strömt daraufhin zum Laserschneider oder zum Laserschweißgerät. Es nimmt thermische Energie auf und fließt anschließend mit höherer Temperatur zum Laserkühler zurück.

Funktion der Laserkühler für Kaltwasser in vier Schritten erklärt

Die Chiller oder Kaltwassersätze arbeiten dabei genau wie Kühlschränke oder Wärmepumpen mit einem Kältemittelkreislauf. Wie dieser funktioniert, lässt sich in vier Schritten verständlich erklären.

Schritt 1: Kältemittel kühlt das Kaltwasser

Im ersten Schritt nimmt ein sogenanntes Kältemittel Wärme vom Kaltwasser auf. Das passiert in einem Wärmeübertrager (Plattenwärmetauscher oder Rohrbündelwärmetauscher), den beide Medien getrennt voneinander durchströmen. Während die Temperatur des Kaltwassers zur Laserkühlung dabei sinkt, erhitzt sich das Kältemittel und geht vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand über.

Schritt 2: Verdichter komprimiert Kältemittel

Im nächsten Schritt saugt ein Verdichter das nun komplett dampfförmige Kältemittel an. Er komprimiert das Gas und erhöht mit dem Druck auch die Temperatur. Damit das auch bei unterschiedlichen Leistungsanforderungen zuverlässig funktioniert, arbeiten moderne Verdichter häufig drehzahlgeregelt.

Schritt 3: Kältemittel gibt Wärme an Luft ab

Nach dem Verdichter strömt das dampfförmige und heiße Kältemittel zu einem zweiten Wärmeübertrager (zum Beispiel Lamellenwärmetauscher). Dieser wird zusätzlich von Außenluft oder Umgebungsluft durchströmt, welche die thermische Energie aufnimmt. Das Kältemittel kühlt sich dadurch ab und geht wieder in den flüssigen Aggregatzustand über.

Schritt 4: Kältemittel baut hohen Druck ab

Im letzten Schritt des Kältemittel-Kreislaufs in einem Laserkühler baut das Kältemittel seinen Druck ab. Möglich ist das an einem Expansionsventil (thermisch oder elektrisch). Dieses bringt das Medium wieder in den Ausgangszustand zurück, damit der Prozess von vorn beginnen kann.

Unterschiedliche Wärmeträgermedien zur Kühlung der Laser

Neben dem Kältemittelkreislauf im Chiller spielt der Kaltwasserkreislauf zwischen Laser und Kaltwassersatz eine wichtige Rolle. Denn dieser nimmt Wärme vom Lasergerät auf, um sie an das Kältemittel übertragen zu können. Zum Einsatz kommen dabei verschiedene Medien:

• Reines Wasser zur Laserkühlung: Reines Wasser (Trinkwasser) ist standardmäßig im Einsatz. Es eignet sich für viele Bereiche und lässt sich ohne Weiteres im Chiller nutzen. Zum Schutz vor Algen, Kalk oder Korrosion ist die Flüssigkeit teilweise mit Chemikalien zu mischen.
• Gemisch aus Wasser und Glykol: Glykol senkt die Frostgrenze des Wärmeträgermediums. Zusammen mit Wasser kommt es bei der Laserkühlung immer dann zum Einsatz, wenn der Chiller außen steht und das Wasser einfrieren könnte.
• Technisch aufbereitetes Wasser: Stellt der Verbraucher sehr hohe Anforderungen an die Reinheit des Wassers, kommt deionisiertes (DI), demineralisiertes oder vollentsalztes Wasser zum Einsatz. Ist das der Fall, dürfen keine Metalle wie Kupfer, Messing oder Rotguss im Kreislauf sein. Auch eine Edelstahlpumpe ist dann zu empfehlen.

Unabhängig davon, welches Medium als Wärmeträger bei der Laserkühlung zum Einsatz kommt, ist eine regelmäßige Wartung Pflicht. Dabei geht es darum, den Füllstand und den Zustand des Mediums zu kontrollieren. Bei Bedarf ist dieses daraufhin zu reinigen oder zu ersetzen, um einen zuverlässigen Betrieb der Laserkühlung gewährleisten zu können.

Hohe Anforderungen an Genauigkeit moderner Kühlsysteme

Um eine hohe Qualität sicherstellen zu können, dürfen die Kaltwassertemperaturen bei der Laserkühlung in der Regel weniger als ein Kelvin vom Optimum abweichen. Sie müssen sich schnell an unterschiedliche Anforderungen anpassen lassen und dürfen nicht übermäßig schwanken. Wichtig ist darüber hinaus ein passender Mediendruck, der vor allem vom Laser und von der Wasserverteilung abhängt.

Die wichtigsten Anforderungen an Laserkühler im Überblick:

• technische Kühler für Laser müssen gut und schnell regelbar arbeiten
• Kaltwassertemperaturen dürfen nicht abweichen (weniger als ein Kelvin)
• Temperaturen müssen sich schnell an Laserleistung anpassen lassen
• Druck muss ausreichen, um individuelle Laseranforderungen zu erfüllen

Darüber hinaus müssen Laserkühler leise und hochgradig individualisierbar sein. Ersteres ist wichtig, wenn die Chiller zur Laserkühlung in Innenräumen stehen. Auf die Individualisierbarkeit kommt es an, da die Kühler optimal an jeden Prozess anzupassen sind.

Drehzahlregelung für sehr geringe Temperaturabweichung

Da mit der Leistung auch die Wärmeentwicklung der Laser schwankt, verändern sich die Anforderungen an das Kaltwasser immer wieder. Mit einem drehzahlgeregelten Verdichter zur Laserkühlung werden Sie dem gerecht. Denn dann passt der Kältemittelverdichter im Chiller seine Leistung automatisch so an, dass die benötigte Temperatur immer erreicht wird.

Passender Systemdruck durch optimale Pumpenauswahl

Neben der Temperatur kommt es auch auf den Druck des Kaltwassers an. Dieser muss ausreichen, um genügend Wasser durch die Geräte strömen zu lassen. Bestimmt wird die Druckhöhe dabei zum einen vom Laser selbst. Zum anderen aber auch von der Kaltwasserverteilung. Je kleiner die Durchmesser der eingesetzten Rohrleitungen ausfallen, umso höher muss der Wasserdruck sein, um anfallende Verluste auszugleichen.

Entscheidend ist das bei der Auswahl der Kaltwasserpumpe. Denn diese muss ausreichend stark dimensioniert sein, um den gewünschten Druck bei der benötigten Wassermenge bereitstellen zu können.

Laserkühlung mit verschiedenen Temperaturen am Laser

Eine weitere Herausforderung besteht, wenn die Laserkühlung verschiedene Drücke oder Temperaturen bereitstellen muss. Das kann zum Beispiel dann sein, wenn die Kaltwassertemperatur an der Optik höher sein muss, um ein Kondensieren von Feuchtigkeit (Beschlagen) zu verhindern. Gerecht werden Sie unterschiedlichen Anforderungen bei der Laserkühlung mit folgenden Lösungen:

• mehrere Kreisläufe mit eigener Pumpe: Bei dieser Lösung zur Laserkühlung sind mehrere Kaltwasseranschlüsse am Chiller oder Kaltwassersatz vorgesehen. Diese können über eine eigene Pumpe verfügen, um die angebundenen Verbraucher optimal zu versorgen.
• eigener Wärmeübertrager am Kaltwasserkreis: Auch eine hydraulische und stoffliche Trennung mit Wärmeübertrager und eigener Pumpe im Kaltwasserkreislauf ist denkbar. Nötig ist diese zum Beispiel dann, wenn bestimmte Komponenten andere Anforderungen an die Temperatur und die Zusammensetzung des Kaltwassers haben als übrigen im System.
• gemeinsamer Kreis mit Beimischschaltung: Soll die Temperatur in einigen Bereichen höher sein, eignet sich häufig auch die Beimischschaltung. Dabei befindet sich ein 3-Wege-Ventil in der Verteilung, dass einen Teil des erwärmten Rücklaufs direkt in den kühlen Vorlauf leitet. Auf diese Weise lässt sich die Vorlauftemperatur lokal anheben, wenn das Wasser zu kalt vom Laserkühler kommt.

Kühlung der Laser mit Einzelgerät oder Kaltwasserringleitung

Geht es um die Laserkühlung mit Kaltwasser, kommen grundsätzlich verschiedene technische Lösungen infrage. So gibt es neben Kaltwassersätzen zur Innenaufstellung auch Split-Geräte und Kaltwasserringleitungen für mehrere Verbraucher.

Lokale Kühlung der Laser mit Einzelgerät zur Innenaufstellung

Die einfachste Lösung zur Laserkühlung ist das Einzelgerät zur Innenaufstellung. Dabei handelt es sich um einen kompakten Chiller bzw. Kaltwassersatz, der im Innenbereich direkt neben der zu kühlenden Anlage steht. Er kommt ohne lange Anbindeleitungen aus und sorgt für geringe Wärmeeinträge im Bereich der Verteilung. Die Abwärme geht bei dieser Kühllösung allerdings auf den Aufstellraum über. Bei der Auslegung ist darauf zu achten, dass das keine Probleme nach sich zieht. Außerdem müssen Laserkühler zur Innenaufstellung möglichst leise sein, um unnötige Beeinträchtigungen des Personals auf ein Minimum zu reduzieren.

Split-Geräte zur Laserkühlung stehen im Innen- und Außenbereich

Lässt sich die Abwärme der Laserkühler nicht in den Innenraum einbringen, kommen sogenannte Split-Geräte zum Einsatz. Diese bestehen aus einer Innen- und einer Außeneinheit. Während die Inneneinheit Wärme vom Kaltwasser auf das Kältemittel überträgt, gibt die Außeneinheit thermische Energie nach außen ab. Was günstig klingt, hat in der Praxis allerdings mehrere Nachteile. So sind vergleichsweise lange Kältemittelleitungen zwischen Innen- und Außeneinheit nötig, die höhere Anforderungen an den Brandschutz bedeuten könnten. Von Vorteil ist hingegen der geräuscharme Betrieb im Innenbereich.

Kühlung mit einer Kaltwasserringleitung bei mehreren Verbrauchern

Benötigen mehrere Verbraucher Kaltwasser, kommt auch eine Ringleitungskühlung (Kaltwasserringleitung) infrage. Dabei führt ein zentraler Kaltwassersatz thermisch Energie nach außen ab. Das heruntergekühlte Wasser strömt dann wie bei einer Heizungsanlage durch das gesamte Gebäude, um alle Geräte und Anlagen anzubinden. Nicht benötigtes Kaltwasser strömt daraufhin zusammen mit dem Rücklauf zurück, um im Chiller erneut abgekühlt zu werden. Die Laserkühlung bekommt einen eigenen Anschluss an die Kaltwasserringleitung und lässt sich direkt, mit Beimischschaltung oder mit separatem Wärmeübertrager anbinden.

Alternativen: Die Laserkühlung mit Stickstoff oder Druckluft

Neben der sehr flexiblen und zuverlässigen Kühlung von Lasern mit Wasser kommt auch die mit Gas basierende Laserkühlung infrage. Dieses setzt auf Stickstoff oder Druckluft, um den Laser zu kühlen.

• Stickstoff als inertes Lasergas kommt dabei zum Einsatz, um den Arbeitsbereich zu kühlen und Hitzeeinwirkungen auf das Werkstück zu reduzieren.
• Stickstoff in verflüssigter Form ist tiefkalt und zum Beispiel beim Laserschweißen mit sehr hoher Leistung gefragt. Es kontrolliert die Temperatur im Schweißbereich und sorgt dort für eine effektive Kühlung.
• Druckluft zur Laserkühlung eignet sich bei einigen Verfahren, um die Optik der Laser herunterzukühlen. Der Effekt kommt dabei zustande, wenn atmosphärische Gase am zu kühlenden Bereich vorbeiströmen und Wärme aufnehmen.

Geht es um eine punktgenaue Kühlung von Lasern, ist die Wasserkühlung jedoch eine der effektivsten Lösungen. Denn diese führt viel Wärme ab und ist dazu auch höchst flexibel. So lässt sich die Leistung der Laserkühlung mit drehzahlgeregelten Verdichtern in einem großen Bereich schnell und flexibel an den entsprechenden Kühlbedarf anpassen.

FAQ: Häufige Fragen zur Laserkühlung mit Wasser oder Gas

Warum ist die Kühlung von Lasern wichtig und welche Vorteile hat sie?

Bei dem Einsatz von Lasern zum Schneiden oder Schweißen entsteht viel Wärme. Diese muss zuverlässig abgeführt werden, um den Laser vor Schäden und das Werkstück vor Verformungen zu schützen. Laserkühler mit Kaltwasser übernehmen diese Aufgabe. Sie sorgen bei höchster Leistung für absolute Präzision sowie Effizienz. Zudem schonen die Kühler die Technik und begünstigen die Wirtschaftlichkeit der Prozesse.

Worauf kommt es bei der Laserkühlung zum Schweißen oder Schneiden an?

Wichtig ist es, große Wärmemengen bedarfsgerecht abzuführen, um den Laser präzise verwenden zu können. Damit das funktioniert, kommt es bei Laserkühlern mit Kaltwasser auf eine genaue Temperaturregelung (0,1 bis 1 K Toleranz je nach Laserquelle) an. Die Leistung muss sich gut sowie schnell regeln lassen und der Druck des Kaltwassers muss zum Einsatz passen. Wichtig ist außerdem eine möglichst kompakte Bauweise, vor allem bei Geräten zur Laserkühlung für die Innenaufstellung.

Wie funktioniert die Kühlung von Lasern mit Wasser oder Wasser-Glykol?

Bei der Laserkühlung mit Wasser oder Wasser-Glykol strömt der Wärmeträger am Laser vorbei, um Wärme aufzunehmen. Das erwärmte Wasser fließt daraufhin zu einem Kaltwassersatz (Chiller), wo es thermische Energie an ein Kältemittel überträgt. Der Wärmeträger kühlt sich dabei ab, sodass er mit niedrigen Temperaturen zum Laser zurückströmen kann. Im Chiller verdampft unterdessen das Kältemittel. Es wird verdichtet sowie erhitzt und gibt thermische Energie daraufhin an die Umgebung oder ein anderes System ab. Abgekühlt, verflüssigt und entspannt nimmt das Kältemittel anschließend wieder Wärme vom Kaltwasser auf.

Wann kommen einzelne Chiller und wann Kaltwasserringleitungen zum Einsatz?

Einzelne Chiller eignen sich immer dann, wenn die Abwärme direkt in den Aufstellbereich eingeblasen werden kann. Ist das nicht möglich, kommen auch Split-Geräte zum Einsatz. Diese kühlen das Kaltwasser innen, führen die Wärme dann aber nach außen ab. Die Vorteile: Innen entsteht weniger Abwärme und die Lärmemission ist geringer. Bei mehreren Verbrauchern in der Anlage kommen auch Kaltwasserringleitungen zum Einsatz. Dabei kühlt ein Kaltwassersatz den Wärmeträger zentral, bevor dieser über ein Leitungsnetz durch die Anlage zu den einzelnen Verbrauchern strömt. Unterschiedliche Temperaturanforderungen lassen sich dabei zum Beispiel mit Mischregelungen erfüllen.

Funktioniert die Laserkühlung auch mit Gasen wie Stickstoff oder Druckluft?

Alternativ zum Einsatz von Kaltwasser ist die Laserkühlung auch mit Stickstoff oder Druckluft möglich. Gasförmiger Stickstoff kommt dabei als inertes Lasergas zum Einsatz, um den Arbeitsbereich zu kühlen. Flüssiger Stickstoff ist sehr kalt und kühlt Laser sowie Arbeitsbereiche bei einigen Hochleistungslaserschweißverfahren und Druckluft kühlt Laser sowie Optik beim Vorbeiströmen.

Worin liegen die Vorteile der Laserkühlung mit Kaltwasser als Wärmeträger?

Die Laserkühlung mit Wasser ist effizient, platzsparend und zuverlässig. Sie lässt sich gut regeln und mit höchster Genauigkeit bzw. sehr geringen Temperaturtoleranzen umsetzen. Hinzu kommt die Tatsache, dass Wasser ein guter Wärmeleiter ist und dadurch viel Wärme vom Laser abführen kann.