JP5222032B2 - ガス冷式のレーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、散逸性の光学的な構成要素と、散逸性の非光学的な構成要素と、熱伝性材料、殊に金属から成るケーシング壁とを有し、これらのケーシング壁のうちの１つまたは複数に通気管が設けられている、ガス冷式のレーザ装置に関する。

この種の空冷式のレーザ装置は例えば特許文献１から公知となっている。

工業的なレーザ材料処理の多くの分野においては、損失熱が簡単なガス冷ないし空冷によって排出される小型のレーザ装置が所望されている。頻繁に使用される水冷に比べてガス冷ないし空冷は、冷却循環系に関係する構成要素の数が実質的に少なくなっており、これによってレーザ装置の故障の危険が飛躍的に低減されるという利点を有する。レーザ装置のレーザ源ビームにとって空冷とは潜在的な水漏れの排除を意味しており、このことはやはりレーザ装置の信頼性を高める。

公知の水冷式のレーザ装置においては、レーザビーム源がレーザヘッド内に設けられており、このレーザヘッドの給電ユニットは別個の給電装置内に設けられている。この給電装置内には中央冷却ユニットも設けられている。レーザヘッドにおいて散逸した出力は給電装置において発生した損失出力と共に水循環系を用いて冷却ユニットに運ばれ、この冷却ユニットにおいて熱交換器を介して周囲に排出される。水冷ではこの構成に関して熱交換が行われる場所はただ１つしか存在しない。すなわち給電装置である。水はその熱容量に基づき比較的良好な熱伝達媒体であるので、熱をレーザヘッドから非常に効率的に排出することができ、その構造体積を相応に小さく構成することができる。

これに対しガスないし空気を用いる対流式のレーザヘッドからの熱排出は、小型化に関する利点はあるが基本的に効率は低い。公知の空冷式のレーザ装置においては大抵の場合、高い熱伝達抵抗を有する慣例の金属フィンボディが使用される。この冷却ボディは大抵の場合、ただ１つの冷却面と大きな構造体積のみを有する。しかしながら、大きな構造体積とこの冷却ボディの制限された取り付け可能性はレーザヘッドの小型性を制限し、また構造の可能性を著しく制限する。レーザヘッドのために商用の冷却ボディを使用する場合、一方では冷却効率が考慮されておらず、他方では小型性と設計自由度が大部分考慮されていない。

冒頭で述べた特許文献１からは空冷式のガスレーザ装置が公知であり、このガスレーザ装置においては光学的な構成要素と電子的な構成要素がレーザ装置内の空間的に分離された２つの別個のケーシング内に取り付けられている。電子的な構成要素のための電子装置ケーシングは、光学的な構成要素のための光学系ケーシングの上に配置されている。光学系ケーシングおよび電子装置ケーシングはそれぞれ側方に水平な冷却ファンを有する。送風機を介して空気が供給され、この空気はレーザ装置内で光学系ケーシングおよび電子装置ケーシングのための２つの別個の冷却区間に分配される。一方の冷却区間は電子装置ケーシングの側方の冷却ファンとレーザ装置の側方のカバー部との間に形成されている水平方向の通気管を通って延びており、他方の冷却区間は光学系ケーシングの側方の冷却ファンと側方のカバー部との間に形成されている水平方向の通気管を通って延びている。電子的な構成要素は電子装置ケーシング内においてプラスチックから成る別個の薄い導体路板上に実装されており、この導体路板は確かに電子装置ケーシングに固定されているが、自身では僅かな熱しか排出しない。したがって電子的な構成要素の熱は殊に電子装置ケーシング内に存在する空気を介して空冷式の電子装置ケーシングへと排出される。

さらに特許文献２からは同様に空冷式のガスレーザ装置が公知であり、このガスレーザ装置においては光学系ケーシングおよび電子装置ケーシングが並んで配置されており、また装置内で相互に接して配置されている。光学系ケーシングおよび電子装置ケーシングはそれぞれ側方に水平の冷却ファンを有する。送風機を介して供給される空気流はレーザ装置の水平方向の長手方向軸に沿って送風方向に応じて先ず電子装置ケーシングの側方の冷却ファンとレーザ装置の側方のカバー部との間に形成されている水平方向の通気管を介して、続いて光学系ケーシングの側方の冷却ファンと側方のカバー部との間に形成されている水平方向の通気管を介して流れるか、これとは逆の順序で流れる。
ＵＳ5,901,167 US 2005/0123011 A1

本発明の課題は、冒頭で述べたようなガス冷式のレーザ装置において、少なくともＩＰ−５４保護等級を容易に使用しながら冷却をさらに効率的に構成し、且つさらに小型の構造を実現することである。

本発明によればこの課題は、少なくとも１つの散逸性の構成要素、有利には少なくとも１つの散逸性の光学的な構成要素および少なくとも１つの散逸性の非光学的な構成要素、殊に有利には全て散逸性の構成要素が熱伝性の材料、殊に金属から成るプレート上に実装されており、このプレートは通気管が設けられている少なくとも１つのケーシング壁と熱伝的に接続されていることによって解決される。動作時には通気管が送風機に接続されており、この送風機は有利にはレーザ装置内に配置されている。

本発明の重要な利点は、レーザビーム源の散逸性の光学的な構成要素、例えばＱスイッチ、レーザ結晶およびビーム収集部とレーザビーム源の散逸性の電子的な出力構成要素とが同一のプレートに実装されており、これらの散逸性の構成要素からプレートに排出される熱がプレートを介して非常に効率的に外側に向かってガス冷式のケーシング壁に排出されることである。散逸性の構成要素をプレートの一方のプレート面にのみ実装することができるか、両方のプレート面に実装することができる。

本発明の有利な実施形態においては、プレートは通気管が設けられている少なくとも１つのケーシング壁に熱伝的に固定されており、殊に通気管が設けられている２つのケーシング壁の間に配置され、これらのケーシング壁に熱伝的に固定されているので、散逸性の構成要素からプレートに排出された熱は直接的にガス冷式のケーシング壁に導かれる。

有利には、散逸性の光学的な構成要素および散逸性の非光学的な構成要素がそれぞれプレートの異なるプレート面に配置されている、および／または、プレートの同一のプレート面上に設けられており且つプレートによって区切られている異なる空間内にそれぞれ配置されている。

本発明の殊に有利な実施形態においては、通気管がケーシング壁の内部に延在する。この内部に延びるケーシング壁の空冷部により、より高いＩＰ保護等級、例えばＩＰ−５４を使用しながらそれと同時に殊に小型の構造が実現され、さらにはレーザケーシング内の均一な温度分布が生じる。さらにレーザ装置は可変の環境条件に対して安定しており、また位置に依存せずに設置される。付加的にプレート内にも通気管が延在していることも考えられ、これらの通気管も同様に送風機に接続されている。

殊に有利には、プレートから効率的に熱を排出するために通気管を流れるガスないし空気がプレートの領域において最大流れ速度に達するように通気管の幾何学形状が形成されている。このために通気管を例えばベンチュリ管の形に構成することができる。ガスないし空気の流れを層流状にも乱流状にも調整することができる。

プレートおよび殊に通気管が設けられているケーシング壁は、１つのケーシングに組み立てられるそれぞれ別個の壁であるか、単一の材料から製造されている。プレートおよび相互に対向し、殊に通気管が設けられている２つのケーシング壁は有利にはＨ型またはＵ型の断面を形成することができる。その種のＨ型の断面構造を例えばアルミニウム直方体から製造することができ、このアルミニウム直方体に相互に対向する２つの側からそれぞれ比較的大きな空所がフライス加工される。一方の空所はレーザビーム源の光学的な構成要素のための光学系空間（例えばレーザ共振器およびビーム成形部）を形成することができ、他方の空所はレーザビーム源の給電ユニットのための給電部空間を形成することができる。有利には、このＨ型の断面構造の両方の空間に共通する中間プレートにレーザ装置の全ての散逸性の構成要素が実装されている。Ｈ型の断面構造の別の利点は、これに付随する全体のレーザケーシングの接続剛性およびレーザ装置内の均一な温度分布である。

本発明のさらなる利点は請求項、以下の説明および図面より明らかになる。前述の特徴および後述する特徴を単独で、もしくは任意に組み合わせて適用することもできる。以下において説明する図面に示された実施形態は網羅的に列記したものではなく、むしろ本発明を説明するために例示的に示されたものに過ぎない。

図１および図２に示されているレーザ装置１は、レーザビーム源４の全ての光学的な構成要素３が配置されている下部光学系空間２と、レーザビーム源４のための給電および／または制御装置（電子装置）７の電子的な出力構成要素６が配置されている上部給電部空間５とを有する。レーザビーム源４は図示されている実施例においてダイオードポンプ式の固体レーザ（例えばＮｄ：ＹＡＧまたはＮｄ：ＹＶＯ₄）であり、その光学的な構成要素３、例えば出力結合ミラー、バックミラーおよびその間に配置されているレーザ結晶を備えたレーザ共振器並びに必要に応じてＱスイッチ、ビーム収集部およびビーム成形部が光学系空間２内に配置されている。

光学系空間２および給電部空間５は相互に共通の中間壁（プレート）８によって分離されており、この中間壁８は光学系空間２および給電部空間５の２つの側壁９，１０間に配置されており、この側壁に熱伝的に固定されている。共通の中間壁８の下面には、レーザビーム源４の少なくとも全ての散逸性の光学的な構成要素３、すなわち例えばＱスイッチ、レーザ結晶およびビーム収集部が実装されており、上面には少なくとも全ての散逸性の電子的な出力構成要素６が実装されており、しかもそれぞれプレート８と熱的に接触している。有利には共通の中間壁８には全ての光学的な構成要素３および電子的な構成要素６が実装されている。散逸性の構成要素３，６から共通の中間壁８に排出される熱（熱流矢印１１）はこの中間壁８を介して非常に効率的に外側に向かって空冷式ないしガス冷式の側壁９，１０へと排出される（熱流矢印１２）。共通の中間壁８および側壁９，１０は熱伝性の材料、有利にはアルミニウムのような材料から構成されている。

共通の中間壁８および２つの空間２，５の側壁９，１０はワンピースで金属部品、例えばアルミニウム直方体から製造することができ、この金属部品に２つの側からそれぞれ比較的大きい空所がフライス加工されており、これによってこのフライス加工部品は中間プレートとしての共通の中間壁８を備えたＨ型の断面を有する。下部の空所はレーザ共振器およびビーム成形部のための光学系空間２を形成し、且つ基底プレート１３によって閉じられており、上部の空所は給電および／または制御装置７のための給電部空間５を形成し、カバープレート１４によって閉じられている。Ｈ型の形状の断面の別の利点はこれに付随する全体のケーシングの接続剛性である。

相互に対向する２つの側壁９，１０の内部には垂直の通気管１５が延在しており、この通気管１５はそれぞれ通しの平行で垂直な一連の孔によって形成されている。カバープレート１４内には、有利にはラジアルファンとして構成されている送風機１６が設けられており、この送風機１６は空気または他のガスを吸気する（空気／ガス流矢印１７）。２つの側壁９，１０の各々の通気管１５はそれぞれ、カバープレート１４において横方向にこの通気管１５まで延び、下に向かって開かれている分配チャネル１８を介して送風機１６に接続されている。分配チャネル１８を介して送風機１６によって吸気された空気またはガスが通気管１５へと押し出され（空気／ガス流矢印１９）、この通気管１５において加熱され、最終的に側壁９，１０の下端において空気排出スリットを介して再び排出される。換言すれば、両方の空間２，５から共通の中間壁８へと排出される熱が側壁９，１０の内部に延びる空冷部を介して運ばれる。最適な熱排出のために共通の中間壁８は通気管１５が設けられている光学系空間２および給電部空間５の側壁９，１０とほぼ同じ厚さであることが望ましい。

図１に示されているように、さらにレーザ装置１は、光学系空間２において形成され、出力結合ミラーを介して２つの光学系空間２から出力結合されるレーザビームの焦点合わせおよび／または偏光のための光学系アタッチメント２０を有する。

図２において点線で示されているように、例えば給電部空間５が分離壁２１によって少なくとも２つの別個の空間５ａ，５ｂに分割することができる。

図３に示されているレーザ装置１は、共通の中間壁８および通気管１５が設けられている２つの側壁９，１０が１つのＵ型の断面を形成する点でのみ図１および図２のレーザ装置と異なる。このＵ型の断面構造をワンピースで金属部品、例えばアルミニウム直方体から製造することができ、この金属部品に一方の面から比較的大きい空所がフライス加工されており、これによってこのフライス加工部品は基底プレートとしての共通の中間壁８を備えたＵ型の断面を有する。全ての散逸性で光学的な構成要素３および電子的な構成要素６は共通の中間壁８の内側に配置されており、しかも共通の空間２２内に配置されているか、点線によって示されているように、分離壁２１によって相互に分離されているそれぞれ別個の空間２，５に配置されている。

要約すれば、本発明によるレーザ装置は空冷部ないしガス冷部が統合されている小型のケーシングを有し、この冷却部によりレーザ装置の位置に依存しない冷却が実現され、これにより少なくともＩＰ５４保護等級を容易に使用することができる。このＩＰ５４保護等級はレーザケーシング内の均一な温度分布を生じさせ、またレーザ装置を温度、湿度および対流状態のような可変の環境条件に対して鈍感にする。このことは工業用のレーザ装置にとって非常に重要である。何故ならば、本来のレーザビーム源は統合された空冷部によって、例えば共振器の構造プレートの熱変形のような熱的な環境影響を受けなくなるからである。つまり異なる環境条件においてもレーザ装置の特別なレーザパラメータを維持することができる。その上レーザ装置のケーシングは種々の光学的および電子的な構成要素のための固定プラットフォーム、冷却ボディならびに環境に対するケーシング内部の遮蔽部でもあるので多機能である。

カバー部品が閉じられている本発明によるレーザ装置の上からの斜視図を示す。 カバー部品が取り外されている本発明によるレーザ装置の上からの斜視図を示す。 基底部品が取り外されている本発明によるレーザ装置の下からの斜視図を示す。 図１のレーザ装置の概略的な断面図を示す。 図２と同様に本発明によるレーザ装置の別の実施形態の断面図を示す。

Claims (16)

1. 熱を発生する光学的な構成要素（３）および熱を発生する非光学的な構成要素（６）と、熱伝性材料から成る２つのケーシング側壁（９，１０）とを有し、該ケーシング側壁（９，１０）に通気管（１５）が設けられている、ガス冷式のレーザ装置（１）において、
   前記通気管（１５）は前記ケーシング側壁（９，１０）の内部に延在しており、
   少なくとも１つの熱を発生する構成要素（３，６）が熱伝性の材料から成るプレート（８）上に実装されており、該プレート（８）は２つの前記ケーシング側壁（９，１０）の間に配置されており、該プレート（８）は通気管（１５）が設けられている２つの前記ケーシング側壁（９，１０）と熱伝的に接続されており、前記少なくとも１つの熱を発生する構成要素（３，６）から排出される熱を前記プレート（８）を介して、通気管（１５）が設けられている２つの前記ケーシング側壁（９，１０）へと排出することを特徴とする、ガス冷式のレーザ装置。
2. 少なくとも１つの熱を発生する光学的な構成要素（３）および少なくとも１つの熱を発生する非光学的な構成要素（６）は前記プレート（８）上に実装されている、請求項１記載のガス冷式のレーザ装置。
3. 全ての熱を発生する構成要素（３，６）は前記プレート（８）上に実装されている、請求項１または２記載のガス冷式のレーザ装置。
4. 前記熱を発生する構成要素（３，６）は前記プレート（８）の一方のプレート面にのみ実装されているか、両方のプレート面に実装されている、請求項２または３記載のガス冷式のレーザ装置。
5. 前記ケーシング側壁（９，１０）は金属から成る、請求項１から４までのいずれか１項記載のガス冷式のレーザ装置。
6. 前記プレート（８）は金属から成る、請求項１から５までのいずれか１項記載のガス冷式のレーザ装置。
7. 前記プレート（８）の一方のプレート面または両方のプレート面にそれぞれ１つまたは複数の空間（２，５，５ａ，５ｂ，２２）が設けられており、該空間（２，５，５ａ，５ｂ，２２）は前記プレート（８）によって境界付けられている、請求項１から６までのいずれか１項記載のガス冷式のレーザ装置。
8. 熱を発生する光学的な構成要素（３）および熱を発生する非光学的な構成要素（６）はそれぞれ前記プレート（８）の異なるプレート面に配置されているか、それぞれ異なる空間（２，５，５ａ，５ｂ）内に配置されている、請求項１から７までのいずれか１項記載のガス冷式のレーザ装置。
9. ケーシング側壁（９，１０）の前記通気管（１５）はそれぞれ一連の平行な管によって形成されている、請求項１から８までのいずれか１項記載のガス冷式のレーザ装置。
10. 前記通気管（１５）の幾何学形状は、前記プレート（８）が前記ケーシング側壁（９，１０）と接続する領域において、前記通気管（１５）を流れるガスが最大流れ速度に達するよう形成されている、請求項１から９までのいずれか１項記載のガス冷式のレーザ装置。
11. 前記プレート（８）と、通気管（１５）が設けられている２つの前記ケーシング側壁（９，１０）とは相互に材料により結合されている、請求項１から１０までのいずれか１項記載のガス冷式のレーザ装置。
12. 前記プレート（８）と、通気管（１５）が設けられている２つの前記ケーシング側壁（９，１０）とは１つの部品から製造されている、請求項１１記載のガス冷式のレーザ装置。
13. 前記プレート（８）と、通気管（１５）が設けられている、相互に対向する２つのケーシング側壁（９，１０）とはＨ型またはＵ型の断面を形成する、請求項１から１２までのいずれか１項記載のガス冷式のレーザ装置。
14. 前記プレート（８）は通気管（１５）が設けられているケーシング側壁（９，１０）と少なくとも同じ厚さである、請求項１から１３までのいずれか１項記載のガス冷式のレーザ装置。
15. 各ケーシング側壁（９，１０）の前記通気管（１５）はそれぞれ、横方向に該通気管（１５）まで延びている少なくとも１つの分配チャネル（１８）を介して送風機（１６）に接続されている、請求項１から１４までのいずれか１項記載のガス冷式のレーザ装置。
16. 前記通気管（１５）に接続されている送風機（１６）が設けられている、請求項１から１５までのいずれか１項記載のガス冷式のレーザ装置。

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