JP6254983B2 - 異物を捕集する機能を有する熱交換器を備えるレーザ発振器 - Google Patents

Description

本発明は、媒質ガスを冷却する熱交換器を備えるレーザ発振器に関する。

炭酸ガスレーザ発振器などの媒質ガスを用いるガスレーザ発振器では、媒質ガスが高速で循環する。ガスレーザ発振器では、媒質ガスに異物が混入する場合がある。異物には、組立時に混入した細かな塵、埃または微粒子、放電管における励起放電により発生する石英の粉末、および高速で循環する媒質ガスにより生じるガス流路の壁面の摩耗粉などが含まれる。

共振器を構成する部分反射鏡や全反射鏡の表面には、レーザ光の発振に寄与するコーティングが施されている。異物が部分反射鏡や全反射鏡等の光学部品の表面に付着すると、レーザ光を吸収して熱が発生する。そして、レーザ出力の低下や異物の焼付きによる光学部品の劣化等を引き起こす虞がある。このために、ガスレーザ発振器には、媒質ガスから粒子状の物質を分離して収集する集塵機が取り付けられている。集塵機としては、サイクロン式などの方式が採用されている。サイクロン式の集塵機では、気体を旋回させることにより媒質ガスに含まれる塵および埃を遠心分離することができる。

特開２００３−２８３００８号公報には、ガス媒体中の粒子状異物を収集する集塵機構を備えるレーザ発振器が開示されている。この集塵機構では、粒子状の異物を含んだ媒質ガスが、旋回部の配管の内部を上から下へ旋回しながら移動していく。この時に、媒質ガスに比べ比重の大きい異物は遠心分離され、集塵部に落下して堆積する。

媒質ガスが循環するレーザ発振器では、放電などにより媒質ガスを励起したエネルギーのうちレーザ光に変換されなかった残りのエネルギーは媒質ガスの熱になる。また、媒質ガスは送風機で圧縮されると温度が上昇する。レーザ発振器には、放電や送風機の駆動によって温度が上昇した媒質ガスを冷却するために熱交換器が取り付けられる。

特開２００６−１１６４７２号公報には、熱交換器を備えるサイクロンが開示されている。この公報には、筒状ケーシングの外周に気体を流通させるジャケットを配設し、このジャケットに気体を導入して高温の排ガスとの間で熱交換することが開示されている。

特開２００３−２８３００８号公報 特開２００６−１１６４７２号公報

光学部品の表面に異物が付着して、レーザ出力が低下した場合には、光学部品を取り外して清掃を行う。または、光学部品を交換する必要がある。光学部品の再装着時には、光軸調整などに習熟した技術と多大な時間が要求される。また、出力の大きなレーザでは、異物が付着した光学部品にレーザ光が照射されると異物が焼き付いてしまう。または、異物がレーザ光を吸収して、局所的な昇温により光学部品のコーティングが破損する場合がある。この場合にも、光学部品の交換が必要となり、習熟した技術と多大な時間を要する。このために、異物は、媒質ガスから極力除去されることが好ましい。

ところで、媒質ガスが高速で循環するレーザ発振器に配置される集塵ユニットおよび熱交換器は大型であり、また高価である。特開２００３−２８３００８号公報に開示されているレーザ発振器では、熱交換器と集塵機とは別々に配置される。このために、熱交換器と集塵機とを配置する大きな空間が必要になる。また、熱交換器と集塵機とを接続するための配管が必要になるために、配管を配置する空間が必要になる。また、熱交換器と集塵機とを接続する作業が必要になる。特開２００６−１１６４７２号公報に開示されているサイクロンは、ガスを冷却する機能を有する。ところが、筒状ケーシングの外周に気体を流通させるジャケットを配置する構造では、ガスの冷却能力は小さかった。

本発明のレーザ発振器は、光を増幅する媒質ガスが循環するガス流路と、ガス流路に配置され、媒質ガスを循環させる送風機と、ガス流路に配置され、媒質ガスを冷却する熱交換器とを備える。熱交換器は、枠体と、媒質ガスと冷却媒体との熱交換を行う冷却部と、枠体に固定された筒状部材と、媒質ガスに含まれる異物を捕集する異物捕集容器とを含む。筒状部材は、内部の流路の入口部が枠体の内部の空間に連通し、内部の流路の出口部がガス流路に接続されている。冷却部は、板状に形成された媒質ガス流通部と、板状に形成された冷却媒体流通部とが交互に積層された構造を有し、媒質ガス流通部の延びる方向が筒状部材の軸線に対してほぼ垂直になるように配置されている。更に、冷却部は、媒質ガス流通部から流出する媒質ガスが筒状部材の外面に向かって流れるように配置されている。筒状部材は、冷却部から流出した媒質ガスが、筒状部材の外面に沿って移動した後に進行する向きを変えて入口部に流入するように配置されている。異物捕集容器は、筒状部材の入口部に対向する位置に配置され、媒質ガスの流れから脱離する異物を捕集可能に形成されている。

上記発明においては、熱交換器の枠体は、２つ以上の媒質ガスの吸入口を含み、筒状部材は、円筒状に形成されており、外面に媒質ガスを旋回させる旋回促進部を含むことができる。

上記発明においては、異物捕集容器は、異物の飛散を抑制する飛散抑制部材を含み、更に、枠体から取り外し可能に形成されていることができる。

本発明によれば、異物を捕集する機能を有する熱交換器を備えるレーザ発振器を提供することができる。

実施の形態におけるレーザ発振器の概略図である。 実施の形態における熱交換器の概略断面図である。 実施の形態における熱交換器の冷却部の拡大概略断面図である。 実施の形態における飛散抑制板の斜視図である。 実施の形態における他の筒状部材の斜視図である。

図１から図５を参照して、実施の形態におけるレーザ発振器について説明する。本実施の形態のレーザ発振器は、媒質ガスにて光を励起するガスレーザ発振器である。

図１に、本実施の形態のレーザ発振器の概略図を示す。レーザ発振器１は、光を励起する光共振器１４と、媒質ガスを循環させるガス流路１１ａ〜１１ｄを備える。レーザ発振器１は、ガス流路１１ａ〜１１ｄに媒質ガスを供給する送風機１２を備える。送風機１２が駆動することにより、媒質ガスはガス流路１１ａ〜１１ｄを循環する。また、レーザ発振器１は、ガス流路に配置され、媒質ガスを冷却する熱交換器１３を備える。熱交換器１３は、ガス流路の任意の位置に配置することができる。

光共振器１４は、媒質ガスの放電を生じさせる放電管１５と、部分反射鏡１６および全反射鏡１７とを含む。部分反射鏡１６および全反射鏡１７は、放電管１５の両側の端部に配置された光学部品である。光共振器１４は、部分反射鏡１６および全反射鏡１７により光が共振する。放電管１５は媒質ガスを放電する放電電極１５ａを含む。放電電極１５ａは、電源ユニット１８に接続されている。電源ユニット１８は、例えば、高周波電力を供給することにより、放電管１５の内部で放電を生じさせる。

放電管１５の内部で励起された媒質ガス中をレーザ光が往復移動することにより、レーザ光の出力が増大される。レーザ光は部分反射鏡１６から一部が取り出される。このようなレーザ光は、金属加工や樹脂加工に利用することができる。

送風機１２は、媒質ガスを高速で循環させる機能を有する。熱交換器１３は、送風機にてガスが圧縮された際に生じる圧縮熱を除去する。または、熱交換器１３は、放電により生じた熱を除去する。

光共振器１４の放電管１５にて放電した媒質ガスは、ガス流路１１ａを通って送風機１２に流入する。送風機１２にて媒質ガスが加圧される。送風機１２から流出する媒質ガスは、ガス流路１１ｂを通って熱交換器１３に流入する。本実施の形態では、複数本のガス流路１１ｂが形成されている。熱交換器１３にて媒質ガスが冷却される。熱交換器１３から流出する媒質ガスは、ガス流路１１ｃを通ってガス流路１１ｄに流入する。媒質ガスは、ガス流路１１ｄを通って光共振器１４の放電管１５に供給される。このように、媒質ガスは、レーザ発振器１の内部を循環する。

図２に、本実施の形態における熱交換器の概略断面図を示す。本実施の形態の熱交換器１３は、プレート式の熱交換器である。熱交換器１３は、外側の筐体としての枠体２１と、媒質ガスと冷却媒体との熱交換を行う冷却部２２とを含む。熱交換器１３は、枠体に固定された筒状部材２３と、媒質ガスに含まれる異物を捕集する異物捕集容器２４とを含む。

本実施の形態の筒状部材２３は、円筒状に形成されている。筒状部材２３は、内部の空間がガス流路になる。筒状部材２３は、ガス流路の入口部２３ａが枠体２１の内部の空間に連通している。また、筒状部材２３の内部の流路の出口部２３ｂは、ガス流路１１ｃに接続されている。本実施の形態の筒状部材２３は、枠体２１の平面形状の略中央部分に配置されている。

図３に、本実施の形態の冷却部の概略断面図を示す。冷却部２２は、低温流体の層と高温流体の層とが積層された構造を有する。本実施の形態の冷却部２２は、直方体状に形成されている。冷却部２２は、媒質ガスが流通する媒質ガス流通部３１と、冷却媒体が流通する冷却媒体流通部３２とを含む。冷却部２２は、媒質ガス流通部３１と冷却媒体流通部３２とが交互に積層されて構成されている。また、本実施の形態の冷却部２２では、媒質ガス流通部３１および冷却媒体流通部３２が薄く延びるように板状に形成されている。媒質ガスは、媒質ガス流通部３１の延びる方向に沿って進行する。図３に示す例では、媒質ガス流通部３１において、媒質ガスは紙面に垂直な方向に流通する。

本実施の形態の冷却部２２には、複数の媒質ガス流通部３１が形成されている。冷却部２２としては、この形態に限られず、一つ冷却部２２に一つの媒質ガス流通部３１が形成されていても構わない。また、本実施の形態では、筒状部材２３を挟む様に、筒状部材２３の両側に冷却部２２が配置されている。枠体２１には、冷却部２２の個数に応じて、複数の媒質ガスの吸入口２１ａが形成されている。本実施の形態では、枠体２１に、２個の媒質ガスの吸入口２１ａが形成されている。

冷却媒体流通部３２は、冷却媒体供給装置に接続されている。冷却媒体供給装置は、冷却媒体を冷却する機能を有する。冷却媒体供給装置は、冷却媒体を連続的に冷却媒体流通部３２に供給するように形成されている。

図２を参照して、異物捕集容器２４は、筒状部材２３の入口部２３ａに対向する位置に配置されている。異物捕集容器２４と筒状部材２３の入口部２３ａとの間には、空間が形成されている。異物捕集容器２４は、締結部材としてのボルト２５により枠体２１に固定されている。ボルト２５を緩めることにより、異物捕集容器２４は、枠体２１から取り外すことができるように形成されている。このように、異物捕集容器２４は、枠体２１に着脱可能に形成されている。異物捕集容器２４を枠体２１から取り外すことにより、異物捕集容器２４に捕集された異物を容易に廃棄することができる。

本実施の形態の冷却部２２は、冷却部２２から流出する媒質ガスが筒状部材２３の外面に向かって流れるように配置されている。すなわち、媒質ガス流通部３１の延びる方向が筒状部材２３の軸線に対してほぼ垂直になるように冷却部２２が配置されている。筒状部材２３は、冷却部２２から流出する媒質ガスが筒状部材２３の外面に衝突するように冷却部２２に近接して配置されている。本実施の形態では、２つの冷却部２２から筒状部材２３に向かって媒質ガスが流通する。

矢印８１は、鉛直方向の下向きを示している。媒質ガスは、矢印８２に示す様に、ガス流路１１ｂを通って冷却部２２に流入する。媒質ガスは、矢印８３に示す様に、冷却部２２を流通することにより冷却される。冷却部２２から流出した媒質ガスは、筒状部材２３の外面に衝突して向きを変える。図２に示す例では、媒質ガスは、横方向（矢印８３の方向）から下方向（矢印８４の方向）に移動方向を変える。媒質ガスは、筒状部材２３の外面に沿って移動する。そして、媒質ガスは、矢印８５に示す様に、筒状部材２３の入口部２３ａの近傍で向きを変える。図２に示す例では、媒質ガスは、進行する向きを横方向に変えた後に、筒状部材２３の入口部２３ａに流入する。そして、矢印８６に示す様に、媒質ガスは、筒状部材２３の内部を通ってガス流路１１ｃに流出する。

媒質ガスの進行方向が反転する部分では、慣性力または遠心力により異物は振り落とされる。すなわち、媒質ガスの流れから異物が脱離する。特に、媒質ガスが進行する向きが下向きから上向きに変化する時には、慣性力および重力の作用により、異物が媒質ガスから振り落とされる。媒質ガスから振り落とされた異物は、異物捕集容器２４に捕集される。

本実施の形態の熱交換器１３は、筒状部材２３の側方に配置された複数の冷却部２２から筒状部材２３に向かって媒質ガスが流出する。枠体２１の内部では、複数の向きに向かう媒質ガスの流れが生じる。複数の方向に流れる媒質ガス同士を衝突させ、更に、旋回促進部を設けることにより、旋回流を形成することができる。この場合に、異物には慣性力および重力の作用に加えて遠心力が作用する。この結果、効率よく異物を媒質ガスの流れから逸脱させて捕集することができる。

このように、本実施の形態の熱交換器は、熱交換の機能に加えて集塵の機能を有する。また、本実施の形態の熱交換器は、冷却部と集塵機とが一体化した構成を有する。このために、熱交換器と集塵機とを接続する配管が不要である。レーザ発振器を構成する構成部品を少なくすることができる。この結果、部材の製造や組み付けに必要な作業を軽減することができる。または、レーザ発振器を小型にすることができる。

本実施の形態の熱交換器の冷却部は、プレート式の冷却部（熱交換部）を採用している。プレート式の冷却部は、媒質ガスが冷却用流体と隔壁を介して隣り合う面積が大きくなる。このために、プレート式の冷却部は、熱交換能力が高くなる。なお、冷却媒体としては、気体または液体のいずれも採用することができる。プレート式の冷却部は、レーザ出力に応じて、積層する板の枚数や層の間隔を変更することができる。このために、レーザ出力に応じて、適切な熱交換能力を有する熱交換器を容易に構成することができる。本実施の形態の熱交換器は、高い熱交換能力と集塵機能を有する小型のレーザ発振器を構成することができる。

また、本実施の形態では、冷却部２２において、媒質ガスが層状の媒質ガス流通部３１を通ることにより媒質ガスが整流される。このために、媒質ガスの進行する向きを滑らかに変化させることができる。また、旋回促進部を設けて媒質ガスが筒状部材２３の周りを旋回する場合には、滑らかに筒状部材２３の周りを旋回させることが出来る。

図４に、本実施の形態の異物捕集容器の飛散抑制板の斜視図を示す。図２および図４を参照して、異物捕集容器２４は、異物捕集容器２４の内部に捕集された異物が再び飛散することを抑制する飛散抑制部材としての飛散抑制板２７を含む。本実施の形態の飛散抑制板２７は、円板状に形成されている。飛散抑制板２７は、異物捕集容器２４の蓋として機能する。

飛散抑制板２７は、細長く延びる開口部であるスリット部２７ｂを含む。本実施の形態のスリット部２７ｂは、飛散抑制板２７の半径方向に延びるように形成されている。飛散抑制板２７は、矢印９１に示す様に周方向に沿って、徐々に高さが低くなる傾斜部２７ａを有する。傾斜部２７ａの端部にスリット部２７ｂが形成されている。傾斜部２７ａおよびスリット部２７ｂは、円板の一部を切断して折り曲げることにより形成することができる。

本実施の形態の筒状部材２３は、円筒形状に形成されている。媒質ガスは、筒状部材２３の外面に沿って流れ、媒質ガスが筒状部材の入口部に流入するために向きを変える時に、飛散抑制板２７の表面に異物が落下する。本実施の形態の飛散抑制板２７は、矢印９１に示す様に、媒質ガスの流れに沿って塵や埃などの異物が表面上を移動する。そして、異物は、スリット部２７ｂから異物捕集容器２４の内部に落下する。

異物捕集容器２４は、飛散抑制板２７が配置されているために、異物捕集容器２４の内部は閉じた空間になり、内部では媒質ガスの大きな流れは生じない。また、異物捕集容器２４の上部は飛散抑制板２７に覆われているために、異物捕集容器２４から異物が流出することを抑制することができる。また、飛散抑制板２７は、板状に形成されているために表面に異物が付着しにくいという特性を有する。このように、異物捕集容器２４が飛散抑制板２７を備えることにより、異物捕集容器２４から異物が再び飛散することを効果的に抑制できる。飛散抑制部材としては、飛散抑制板に限られず、異物の飛散を抑制する任意の部材を採用することができる。たとえば、飛散抑制部材として、異物を吸着する吸着材が異物捕集容器の内部に配置されていても構わない。

また、飛散抑制板２７のスリット部２７ｂが径方向に延びるように形成されていることにより、周方向に移動する異物を効率よく異物捕集容器２４の内部に落とすことができる。また、飛散抑制板２７が周方向に沿って徐々に高さが低くなる傾斜部２７ａを備えることにより、異物を効率よくスリット部２７ｂに導くことができる。なお、スリット部の個数や延びる方向は、任意の形態で形成することができる。例えば、飛散抑制板は、所定の間隔で異物が落下する丸い穴が形成された板状部材であっても構わない。

本実施の形態の筒状部材は、断面形状が円形の円筒形状を有するが、この形態に限られず、断面形状が四角形等の他の形状に形成されていても構わない。

図５に、本実施の形態の他の筒状部材の斜視図を示す。他の筒状部材２８は、円筒状に形成された本体部２８ｃと媒質ガスの流れる方向を導くガイド部２８ｄとを含む。ガイド部２８ｄは、板状に形成され、本体部２８ｃに固定されている。ガイド部２８ｄは、本体部２８ｃの外面から立設するように形成されている。ガイド部２８ｄは、らせん状に本体部２８ｃに固定されている。ガイド部２８ｄは、媒質ガスを旋回させる旋回促進部として機能する。

図２および図５を参照して、本実施の形態の熱交換器１３は、冷却部２２から流出する媒質ガスが筒状部材２８の外面に向かって流れる。媒質ガスは、矢印９２に示す様に、ガイド部２８ｄの延びる方向に沿って流れるように案内される。本体部２８ｃの周りでは、出口部２８ｂから入口部２８ａに向かう方向に旋回流が生じる。この結果、異物には慣性力に加えて遠心力が作用する。このために、より効率よく媒質ガスから異物を除去することができる。

本実施の形態の熱交換器１３は、筒状部材２３の延びる方向が鉛直方向に平行になるように配置されている。筒状部材２３の入口部２３ａが鉛直方向の下側に配置され、出口部２３ｂが鉛直方向の上側に配置されている。この構成を採用することにより、入口部２３ａの近傍で媒質ガスが流れを変えるときに、慣性の作用に加えて重力の作用により、塵や埃等の異物を異物捕集容器２４に導くことができる。

なお、熱交換器１３は、筒状部材２３の延びる方向が、任意の方向に向くように配置することができる。たとえば、熱交換器１３は、筒状部材２３が水平方向に延びるように配置されていても構わない。

本実施の形態の冷却部は、プレート式の熱交換部により構成されているが、この形態に限られず、冷却部は、媒質ガスと冷却媒体との熱交換が可能な任意の構成を採用することができる。たとえば、冷却部としては、冷却媒体が流通する複数の管を有する多管式の熱交換部が採用されていても構わない。

上記の実施の形態は、適宜組み合わせることができる。上述のそれぞれの図において、同一または相等する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり発明を限定するものではない。また、実施の形態においては、特許請求の範囲に示される実施の形態の変更が含まれている。

１ レーザ発振器
１１ａ〜１１ｅ ガス流路
１２ 送風機
１３ 熱交換器
１４ 光共振器
２１ 枠体
２１ａ 吸入口
２２ 冷却部
２３，２８ 筒状部材
２３ａ，２８ａ 入口部
２８ｃ 本体部
２８ｄ ガイド部
２４ 異物捕集容器
２５ ボルト
２７ 飛散抑制板
２７ａ 傾斜部
２７ｂ スリット部
３１ 媒質ガス流通部
３２ 冷却媒体流通部

Claims (3)

1. 光を増幅する媒質ガスが循環するガス流路と、
   前記ガス流路に配置され、媒質ガスを循環させる送風機と、
   前記ガス流路に配置され、媒質ガスを冷却する熱交換器とを備え、
   熱交換器は、枠体と、媒質ガスと冷却媒体との熱交換を行う冷却部と、枠体に固定された筒状部材と、媒質ガスに含まれる異物を捕集する異物捕集容器とを含み、
   筒状部材は、内部の流路の入口部が枠体の内部の空間に連通し、内部の流路の出口部が前記ガス流路に接続されており、
   冷却部は、板状に形成された媒質ガス流通部と、板状に形成された冷却媒体流通部とが交互に積層された構造を有し、媒質ガス流通部の延びる方向が筒状部材の軸線に対してほぼ垂直になるように配置され、更に、媒質ガス流通部から流出する媒質ガスが筒状部材の外面に向かって流れるように配置されており、
   筒状部材は、冷却部から流出した媒質ガスが、筒状部材の外面に沿って移動した後に進行する向きを変えて入口部に流入するように配置されており、
   異物捕集容器は、筒状部材の入口部に対向する位置に配置され、媒質ガスの流れから脱離する異物を捕集可能に形成されていることを特徴とする、レーザ発振器。
2. 前記熱交換器の枠体は、２つ以上の媒質ガスの吸入口を含み、
   筒状部材は、円筒状に形成されており、外面に媒質ガスを旋回させる旋回促進部を含む、請求項１に記載のレーザ発振器。
3. 前記異物捕集容器は、異物の飛散を抑制する飛散抑制部材を含み、更に、枠体から取り外し可能に形成されている、請求項１または２に記載のレーザ発振器。

Images