JPH0232579A - Laser oscillating device - Google Patents
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Classifications
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は加工用ＣＯｚ レーザなどの高出力レーザに関
し、詳細にはＣＯｚ レーザに用いられるターボブロワ
の改良に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to high-power lasers such as COz lasers for processing, and more particularly to improvements in turbo blowers used in COz lasers.
第３図に従来のＣＯ２レーザのレーザ発振装置の構成図
を示す。図において、放電管１０両端には出力結合鏡２
と全反射鏡３が設置されている。FIG. 3 shows a configuration diagram of a conventional CO2 laser oscillation device. In the figure, there are output coupling mirrors 2 at both ends of the discharge tube 10.
A total reflection mirror 3 is installed.
又放電管１の外側には２枚の金属電橋４および５が取り
付けられており、その間に高周波電圧が高周波電源６に
よって印加され、放電管１内に高周波グロー放電が発生
してレーザ励起が行われる。Further, two metal electric bridges 4 and 5 are attached to the outside of the discharge tube 1, and a high frequency voltage is applied between them by a high frequency power source 6, and a high frequency glow discharge is generated inside the discharge tube 1, causing laser excitation. It will be done.
放電管１内のレーザビーム光軸を１３で、また出力結合
鏡２から外部に取り出される同ビーム光軸を１４でそれ
ぞれ示す。The optical axis of the laser beam inside the discharge tube 1 is indicated by 13, and the optical axis of the laser beam taken out from the output coupling mirror 2 is indicated by 14.
レーザ発振装置起動時には先ず最初に真空ポンプ１２に
よって装置内部全体が排気される。ついでバルブ１１が
開放になり所定流量のレーザガスがポンベ１０から導か
れ装置内のガス圧は規定値に達し、その後は真空ポンプ
１２の排気と補給ガス導入が続き、ガス圧は規定値に保
たれたまま、レーザガスの一部は継続して新鮮ガスに置
換されることになりガス汚染を防止する。When the laser oscillation device is started, the entire interior of the device is first evacuated by the vacuum pump 12. Then, the valve 11 is opened and a predetermined flow rate of laser gas is introduced from the pump 10, and the gas pressure inside the device reaches the specified value.After that, the vacuum pump 12 is evacuated and the supplementary gas is introduced, and the gas pressure is maintained at the specified value. However, part of the laser gas is continuously replaced with fresh gas, thereby preventing gas contamination.
さらに第３図ではルーツブロワ９によってレーザガスを
装置内で循環している。この目的はレーザガスの冷却に
ある。ＣＯ□レーザでは注入電気エネルギーの約２０％
がレーザ光に変換され、他はガス加熱に消費される。と
ころが理論によればレーザ発振利得は絶対温度Ｔの−（
３／２）乗に比例するので発振効率を上昇させるために
レーザガスの強制冷却が必要である。レーザガスは約１
００ｍ／ｓｅｃの流速で放電管内を通過し矢印で示す方
向に流れ冷却器８に導かれる。ここでは主として放電に
よる加熱エネルギーが除去される。Furthermore, in FIG. 3, a roots blower 9 circulates the laser gas within the apparatus. Its purpose is to cool the laser gas. About 20% of the injected electrical energy in CO□ laser
Some are converted into laser light and others are consumed for gas heating. However, according to theory, the laser oscillation gain is -(
Since it is proportional to the power of 3/2), forced cooling of the laser gas is necessary to increase the oscillation efficiency. Laser gas is approximately 1
It passes through the discharge tube at a flow rate of 00 m/sec, flows in the direction shown by the arrow, and is guided to the cooler 8. Here, heating energy mainly due to discharge is removed.
ルーツブロワ９では圧縮熱が発生するのでガスは放電管
１に再度導かれる前に冷却器７を通過する。Since compression heat is generated in the Roots blower 9, the gas passes through the cooler 7 before being led to the discharge tube 1 again.
これらの冷却器７及び８は周知であるので詳細な説明は
省略する。Since these coolers 7 and 8 are well known, detailed explanation will be omitted.
第３図に示す従来のレーザ発振装置では以下のような課
題がある。The conventional laser oscillation device shown in FIG. 3 has the following problems.
第一はルーツブロワが低速回転の容積型送風機であるの
で大きさ、重量ともに大きく、レーザ発振器そのものが
大きなものになる。First, since the Roots blower is a positive displacement fan that rotates at a low speed, it is large in size and weight, and the laser oscillator itself is large.
第二は同じく送風に脈流がありレーザ出力がその影響を
受ける。Second, there is a pulsating flow in the air blowing, and the laser output is affected by this.
第三はルーツブロワ９からは、相当量の振動が発生し、
レーザビームのボインテングスタビリテーに悪影響を及
ぼす。Third, a considerable amount of vibration is generated from the roots blower 9,
It has a negative effect on the laser beam bowing stability.
本発明はこのような点に鑑みてなされたものでぁす、タ
ーボブロワを有するレーザ発振装置を提供することを目
的とする。The present invention has been made in view of these points, and an object of the present invention is to provide a laser oscillation device having a turbo blower.
本発明では上記課題を解決するために、気体放電によっ
てレーザ励起をする放電管、レーザ発振を行わせる光共
振器、送風機及び冷却機によってレーザガスを強制冷却
させるガス循環装置などから構成されるレーザ発振装置
において、前記送風機がレーザガス中で回転するターボ
翼から構成され、かつ、前記ターボ翼駆動用電動機のス
テータが水冷あるいは空冷された物体との熱接触によっ
て、前記ターボ翼駆動用電動機のロータを前記シャフト
上の伝熱現象によって、それぞれ冷却することを特徴と
するレーザ発振装置が、提供される。In order to solve the above problems, the present invention provides a laser oscillation device that includes a discharge tube that excites the laser by gas discharge, an optical resonator that causes laser oscillation, and a gas circulation device that forcibly cools the laser gas using a blower and a cooler. In the apparatus, the blower is composed of a turbo blade rotating in a laser gas, and the stator of the turbo blade driving electric motor moves the rotor of the turbo blade driving electric motor by thermal contact with a water-cooled or air-cooled object. A laser oscillation device is provided, each characterized in that it is cooled by a heat transfer phenomenon on the shaft.
送風機がターボブロワであるので、形状及び重量が減少
し、送風機の脈流がない。Since the blower is a turbo blower, the shape and weight are reduced and there is no pulsation in the blower.
また、ターボ翼駆動用電動機のステータを熱接触によっ
て、ロータをシャフト上に伝導させて冷却させ、電動機
の発熱を制限している。Furthermore, the rotor is cooled by thermal contact with the stator of the electric motor for driving the turbo blades, which is conducted onto the shaft, thereby limiting heat generation of the electric motor.
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described based on the drawings.
第１図に本発明のレーザ発振装置の一実施例の全体構成
図を示す。第３図と同一の構成要素には同一の符合が付
してあり、その詳細な説明は省略する。放電管１の構造
、ガス励起用の高周波電源６、ガスボンベ１０からの新
鮮ガスの供給等は第３図の場合と同様であり、その説明
は省略し、特徴的な部分のみ説明する。FIG. 1 shows an overall configuration diagram of an embodiment of a laser oscillation device of the present invention. Components that are the same as those in FIG. 3 are given the same reference numerals, and detailed explanation thereof will be omitted. The structure of the discharge tube 1, the high frequency power source 6 for gas excitation, the supply of fresh gas from the gas cylinder 10, etc. are the same as in the case of FIG. 3, and their explanation will be omitted and only the characteristic parts will be explained.
本発明の特徴は、第３図におけるルーツブロワ９の代わ
りにターボブロワ１５が使用されていることである。タ
ーボブロワ１５はルーツブロワ９に比べ効率が格段に高
いので圧縮熱は無視できて、第３図の後段の冷却器７は
省略することができる。A feature of the present invention is that a turbo blower 15 is used in place of the Roots blower 9 in FIG. Since the efficiency of the turbo blower 15 is much higher than that of the Roots blower 9, the heat of compression can be ignored, and the cooler 7 in the latter stage of FIG. 3 can be omitted.
第１図では冷却器７はないが、場合によっては設けるこ
ともできる。Although the cooler 7 is not shown in FIG. 1, it may be provided depending on the case.
第２図にターボブロワの構造図を示す、ここではターボ
翼１６は遠心翼が示されているが、斜流翼であっても、
軸流翼であってもよい。ターボ翼１６はシャフト１７に
取り付けられておりレーザガスきょう体とは別のきょう
体１８中に設置された電動機を構成するロータ１９及び
ステータ２０によって約１０万ＲＰＭの高速回転数で回
転される。そのため低速のルーツブロワに比較して回転
数に逆比例して体積が小さくなっている。軸受２１１２
２はグリースベアリングの転がり軸受などである。FIG. 2 shows a structural diagram of a turbo blower. Here, the turbo blades 16 are centrifugal blades, but even if they are mixed flow blades,
It may also be an axial flow blade. The turbo blades 16 are attached to a shaft 17 and are rotated at a high speed of about 100,000 RPM by a rotor 19 and a stator 20 that constitute an electric motor and are installed in a housing 18 separate from the laser gas housing. Therefore, compared to a low-speed Roots blower, the volume is smaller in inverse proportion to the rotation speed. Bearing 2112
2 is a rolling bearing such as a grease bearing.
本発明では電動機の発熱が問題となる。１０万ＰＰＭの
高速回転では電動機効率は通常７５％程度であるので出
力２ＫＷの電動機では５００Ｗの損失がありロータ１９
及びステータ２０の発熱の原因になる。ステータ２０は
図に示すようにきよう体１８の壁に密着させ、その壁を
水冷管２３によって冷却すれば間接冷却が可能である。In the present invention, heat generation of the electric motor becomes a problem. At high speed rotation of 100,000 PPM, the motor efficiency is usually about 75%, so a motor with an output of 2 KW will have a loss of 500 W, and the rotor 19
This also causes the stator 20 to generate heat. If the stator 20 is brought into close contact with the wall of the housing 18 as shown in the figure, and the wall is cooled by a water cooling pipe 23, indirect cooling is possible.
これに対してロータ１９は大気よりも希薄なし一ザガス
中でしかも高速回転しているので冷却が困難である。ロ
ータ１９の発熱はシャフト１７に伝わるので、シャフト
１７の膨張による翼クリアランスの狂い、ベアリングの
破損、グリースの蒸発、電動機効率の低下、電動機の破
損などの原因を作る。On the other hand, the rotor 19 is difficult to cool because it rotates in a gas that is more dilute than the atmosphere and at a high speed. Since the heat generated by the rotor 19 is transmitted to the shaft 17, the expansion of the shaft 17 causes problems such as imbalance in blade clearance, damage to bearings, evaporation of grease, reduction in motor efficiency, and damage to the motor.
本発明ではロータの冷却をシャフトの熱伝導によって行
う。それにはシャフトを高熱伝導材料からなるロッドに
構成して行ってもよいが、さらに積極的な構成としては
第３図に示すようなヒートパイプ構造にしてやればよい
。図ではシャフト内にヒートパイプ用空洞２４を設ける
。これはテーパのついた空洞であって内部は排気された
上で水を適量封入しである。シャフト１７が回転すると
遠心力によって水はより径の大きい方向、即ちロータ１
９側の２５に示す位置に移動する。ここは発熱部である
ので水の一部は水蒸気になって反対側、即ちターボ翼１
６側に移動する。その際に熱エネルギーが運搬される。In the present invention, the rotor is cooled by heat conduction through the shaft. This can be achieved by constructing the shaft as a rod made of a highly thermally conductive material, but as a more positive construction, it may be constructed as a heat pipe as shown in FIG. In the figure, a heat pipe cavity 24 is provided within the shaft. This is a tapered cavity whose interior is evacuated and filled with an appropriate amount of water. When the shaft 17 rotates, centrifugal force causes the water to move in the direction of the larger diameter, that is, the rotor 1.
Move to the position shown at 25 on the 9 side. Since this is a heat generating part, some of the water turns into water vapor and is transferred to the opposite side, that is, turbo blade 1.
Move to the 6th side. At this time, thermal energy is transported.
ターボ翼１６は冷却機８によって常温にされたレーザガ
スのガス流にさらされているので効果的な冷却がなされ
る。Since the turbo blades 16 are exposed to a gas flow of laser gas kept at room temperature by the cooler 8, effective cooling is achieved.
この冷却の程度は次のように見積もることができる。発
振効率２０％、出力ＩＫＷのＣＯｚレーザでは４ＫＷの
損失があってその結果レーザガスは常温から約３００″
Ｃ分加熱される。このガスは冷却機８によって常温まで
冷却された後再度加熱されたターボ翼１６に接触する。The degree of this cooling can be estimated as follows. In a COz laser with an oscillation efficiency of 20% and an output IKW, there is a loss of 4KW, and as a result, the laser gas is about 300" from room temperature.
It is heated for C minutes. This gas is cooled down to room temperature by the cooler 8, and then comes into contact with the turbo blades 16, which are heated again.
従って、シャフト１７あるいはターボ翼１６からの発散
熱量が４００Ｗ程度であればレーザガスは約３０°Ｃ加
熱されることになりこれはターボ翼１６あるいはシャフ
ト１７の温度上昇値と考えることができる。実際には電
動機全損失の内ロータ内のジュール損（銅損）は約１２
％であり、その他はステータ内に鉄損ならびに銅損とし
て発生するので水冷管２３で除去することができる。従
ってロータ９の温度上昇はさらに一部低い値になるもの
と考えられる。Therefore, if the amount of heat dissipated from the shaft 17 or the turbo blade 16 is about 400 W, the laser gas will be heated by about 30°C, and this can be considered as the temperature increase value of the turbo blade 16 or the shaft 17. In reality, the Joule loss (copper loss) in the rotor of the total motor loss is approximately 12
%, and the rest occurs in the stator as iron loss and copper loss, which can be removed by the water cooling pipe 23. Therefore, it is considered that the temperature rise of the rotor 9 will partially become lower.
本発明では、ターボブロワ１５以外の部分は第３図の構
成と同じであるが、ブロワの効率はルーツブロワの場合
の約３５％から、ターボブロワにすることにより約８０
％に増大するので圧縮熱はそれだけ低下し、後段の冷却
器は省略できるか、あるいはルーツブロワを使用したと
きよりはるかに小型のものでよい。In the present invention, the parts other than the turbo blower 15 are the same as the configuration shown in FIG.
%, the heat of compression is reduced by that amount, and the downstream cooler can be omitted or can be much smaller than when using a Roots blower.
もし、ターボブロワのターボ翼の材料をセラミック等の
耐熱材料にすれば冷却器８は省略でき、後段（第３図の
冷却器７の位置）に冷却器８と同容量のものを設置すれ
ばよい。If the turbo blades of the turbo blower are made of a heat-resistant material such as ceramic, the cooler 8 can be omitted, and a cooler with the same capacity as the cooler 8 can be installed in the latter stage (at the position of the cooler 7 in Figure 3). .
本発明は特に高周波放電励起ＣＯｚレーザに有用である
。直流放電励起の場合は一様放電を得るためにガス流に
乱流の発生を必要とするので送風機には高い圧縮比が要
求されルーツブロワがこの目的には最適である。−力筒
周波放電励起では乱流は不必要であり、低圧縮比、大送
風容量と云うターボブロワの特徴が有効になる。The present invention is particularly useful for high frequency discharge pumped COz lasers. In the case of DC discharge excitation, it is necessary to generate turbulence in the gas flow in order to obtain a uniform discharge, so the blower is required to have a high compression ratio, and the Roots blower is ideal for this purpose. - Turbulent flow is unnecessary in force cylinder frequency discharge excitation, and the features of the turbo blower, such as low compression ratio and large air blowing capacity, become effective.
〔発明の効果］
以上説明したように本発明では、送風機をターボブロワ
としたので、送風機を小型化でき、重量も減少し、装置
全体が小型化できる。また、部品点数の減少により、装
置のコストダウンが可能になる。さらに、プロワ効率が
増大し、運転費が低減され、ガス置換量を低減し運転費
用を低減し・ガスの脈流がな（なり、レーザ出力の変動
がなくなる。[Effects of the Invention] As described above, in the present invention, since the blower is a turbo blower, the blower can be downsized, its weight can be reduced, and the entire device can be downsized. Furthermore, the reduction in the number of parts makes it possible to reduce the cost of the device. Furthermore, blower efficiency is increased, operating costs are reduced, and the amount of gas replacement is reduced, reducing operating costs.There is no gas pulsation, and fluctuations in laser output are eliminated.
また、ターボ翼駆動用電動機を冷却するようにしたので
、ターボ翼を高速回転でき、レーザガスを十分冷却でき
、レーザ発振装器の発振効率を上げることができる。Furthermore, since the turbo blade driving motor is cooled, the turbo blades can be rotated at high speed, the laser gas can be sufficiently cooled, and the oscillation efficiency of the laser oscillation device can be increased.
第１図は本発明のレーザ発振装置の一実施例の全体構成
図、
第２図はターボブロワの構造図、
第３図は従来のＣＯ！レーザのレーザ発振装置の構成図
である。
１−−−−−・−−一−−−−−−放電管２−・−・−
・−−−−−一出力結合鏡３−・−・−−−−一−・・
−全反射鏡４．５−−−−−−−−・−・・−電極６・
−・−・・−・−高周波電源
７．８・・−・・・・・−−−−−−一冷却器９・・・
・−・・・−−−一−−ルーツブロワ０−・−・−・−
・・ガスボンベ
ト・−−−ｍ−−・−・−バルブ
２−・−・−・・・・−・〜真空ポンプ３−・・−・−
・−・−共振器内レーザビーム光軸４−−−−−−・−
・−・−共振器外レーザビーム光軸５−・−・−・−−
−−一−−ターボブロワ６−・−・・−・−・−・・・
ターボ翼７− シャフト
８−−−−−−−−−−−・・・−駆動系きょう体９−
・−−ｍ−−−−・−・−・電動機ロータ０−・・−・
−・・・電動機ステータ
２−・・−一−−−−−−−−・・軸受３−・−・・−
・−水冷管
４−−−−−・−・−・−・・・・ヒートパイプ空洞５
−・・−−−−−−−−・−水Fig. 1 is an overall configuration diagram of an embodiment of the laser oscillation device of the present invention, Fig. 2 is a structural diagram of a turbo blower, and Fig. 3 is a conventional CO! FIG. 1 is a configuration diagram of a laser oscillation device. 1--------・--1--------Discharge tube 2--・--・-
・−−−−−1 output coupling mirror 3−・−・−−−−1−・・
-Total reflection mirror 4.5------------electrode 6-
−・−・・−・−High frequency power supply 7.8・・−・・・−−−−−−1 Cooler 9...
・−・・・−−−1−−Roots blower 0−・−・−・−
・・Gas cylinder・−−m−−・−・−Valve 2−・−・−・・・・−・～Vacuum pump 3−・・−・−
・−・−Intra-cavity laser beam optical axis 4−−−−−−・−
・−・−Outside cavity laser beam optical axis 5−・−・−・−−
−−1−−Turbo blower 6−・−・・−・−・−・・・
Turbo blade 7− Shaft 8−−−−−−−−−−− Drive system body 9−
・−−m−−−・−・−・Electric motor rotor 0−・・−・
−・Electric motor stator 2−・・−1−−−−−−−−・Bearing 3−・−・・−
・−Water cooling pipe 4−−−−−・−・−・−・・Heat pipe cavity 5
−・・−−−−−−−−・−Water
Claims (4)
ザ発振を行わせる光共振器、送風機及び冷却機によって
レーザガスを強制冷却させるガス循環装置などから構成
されるレーザ発振装置において、前記送風機がレーザガ
ス中で回転するターボ翼から構成され、かつ、前記ター
ボ翼駆動用電動機のステータが水冷あるいは空冷された
物体との熱接触によって、前記ターボ翼駆動用電動機の
ロータを前記シャフト上の伝熱現象によって、それぞれ
冷却することを特徴とするレーザ発振装置。(1) In a laser oscillation device that includes a discharge tube that excites the laser by gas discharge, an optical resonator that causes laser oscillation, and a gas circulation device that forcibly cools the laser gas using a blower and a cooler, the blower is placed in the laser gas. The rotor of the turbo blade driving electric motor is rotated by a heat transfer phenomenon on the shaft when the stator of the turbo blade driving electric motor comes into thermal contact with a water-cooled or air-cooled object. A laser oscillation device characterized by cooling.
徴とする特許請求の範囲第１項記載のレーザ発振装置。(2) The laser oscillation device according to claim 1, wherein the shaft has a heat pipe structure.
徴とする特許請求の範囲第１項記載のレーザ発振装置。(3) The laser oscillation device according to claim 1, wherein the shaft is made of a highly thermally conductive material.
翼の冷却によって行うように構成したことを特徴とする
特許請求の範囲第１項記載のレーザ発振装置。(4) The laser oscillation device according to claim 1, wherein heat is removed from the shaft by cooling a blower blade of a turbo blower.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18324388A JPH0232579A (en) | 1988-07-22 | 1988-07-22 | Laser oscillating device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18324388A JPH0232579A (en) | 1988-07-22 | 1988-07-22 | Laser oscillating device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| JPH0232579A true JPH0232579A (en) | 1990-02-02 |
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Family Applications (1)
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| JP18324388A Pending JPH0232579A (en) | 1988-07-22 | 1988-07-22 | Laser oscillating device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0232579A (en) |
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1988
- 1988-07-22 JP JP18324388A patent/JPH0232579A/en active Pending
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