JPH03120882A - レーザ用ターボブロア及びそれを用いたレーザ発振装置 - Google Patents

レーザ用ターボブロア及びそれを用いたレーザ発振装置

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JPH03120882A
JPH03120882A JP1259825A JP25982589A JPH03120882A JP H03120882 A JPH03120882 A JP H03120882A JP 1259825 A JP1259825 A JP 1259825A JP 25982589 A JP25982589 A JP 25982589A JP H03120882 A JPH03120882 A JP H03120882A
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bearing
turbo blower
gas
turbo
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Tsutomu Funakubo
舟久保　勤
Norio Karube
規夫 軽部
Kenji Nakahara
賢治 中原
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Fanuc Corp
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    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/05—Shafts or bearings, or assemblies thereof, specially adapted for elastic fluid pumps
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/58—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer
    • F04D29/582—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer specially adapted for elastic fluid pumps
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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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
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/02—Constructional details
    • H01S3/03—Constructional details of gas laser discharge tubes
    • H01S3/036—Means for obtaining or maintaining the desired gas pressure within the tube, e.g. by gettering, replenishing; Means for circulating the gas, e.g. for equalising the pressure within the tube

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は加工用ガスレーザ装置等のレーザガスを強制的
に循環させるレーザ用ターボブロア及びそれを用いたレ
ーザ発振装置に係り、特に軸受の長寿命化を実現させ、
信頼性、保守性を改良したレーザ用ターボブロア及びレ
ーザ発振装置に関する。
〔従来の技術〕
最近の炭酸（Ｃｏ２）ガスレーザ発振装置は高出力が得
られ、レーザビームの質もよく、金属又は非金属材料等
の切断及び金属材料等の溶接等といったレーザ加工に広
く利用される。ようになってきている。特に、ＣＮＣ（
数値制御装置）と結合したＣＮＣレーザ加工機として、
複雑な形状を高速かつ高精度で切断する分野において急
速に発展しつつある。
以下図面を用いて従来の炭酸（Ｃｏ□）ガスレーザ発振
装置を説明する。
第６図は従来技術による炭酸（ＣＯ２）ガスレーザ発振
装置の全体構成を示す図である。放電管３１の両端には
出力結合鏡３２と全反射鏡３３とからなる光共振器が設
置されている。放電管３１の外周上には金属電極３４及
び３５が取り付けられている。金属電極３４は接地され
、金属電極３５は高周波電源３６に接続されている。金
属電極３４及び３５の間には高周波電源３６から高周波
電圧が印加される。これによって、放電管３１内に高周
波グロー放電が発生し、レーザ励起が行われる。放電管
３１内のレーザビーム光軸を４３で、また出力結合鏡３
２から外部に取り出されるレーザビーム光軸を４４でそ
れぞれ示す。
このようなガスレーザ発振装置を起動する時には必ず最
初に真空ポンプ４２によって装置内部全体の気体が排気
される。そしてバルブ４１が開放になり、所定流量のレ
ーザガスがガスボンベ４０から導かれ、装置内のガス圧
は規定値に達する。
その後は真空ポンプ４２の排気とバルブ４１による補給
ガス導入が続き、装置内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。
これによって装置内のガス汚染は防止される。
さらに第６図では送風機３９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
。炭酸（ＣＯ２）ガス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
るためにはレーザガスを強制的に冷却してやる必要があ
る。
本装置では、レーザガスは約１００ｍ／ｓｅｅの流速で
放電管３１内を通過し、矢印で示す方向に流れ、冷却器
３８に導かれる。冷却器３８は主として放電による加熱
エネルギーをレーザガスから除去する。そして、送風機
３９は冷却されたレーザガスを圧縮する。。圧縮された
レーザガスは冷却器３７を介して放電管３１に導かれる
。これは、送風機３９で発生した圧縮熱を放電管３１に
再度導かれる前に冷却器３７で除去するためである。
これらの冷却器３７及び３８は周知であるので詳細な説
明は省略する。
送風機３９として採用されているものにはルーツブロア
とターボブロアがある。第７図は従来のレーザ用ターボ
ブロアの構造を示す図である。ターボ翼１とシャフト２
とは機械的に結合されている。シャフト２にはロータ３
が取り付けられており、ロータ３とステータ４とで高周
波モーターを構成している。ターボ翼１はこの高周波モ
ータによって、回転数約１０万ＲＰＭの高速で回転する
。
そのため、低速回転のルーツブロア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。
さらに、シャフト２の支持のために、高周波モータの両
側に一対のころがり軸受５及び６が使用されている。こ
ろがり軸受５及び６の潤滑には、オイルミストによるレ
ーザガス汚染を防止するために、通常グリース潤滑が使
用される。
このような構成によって、レーザガスは矢印８のように
冷却器３８からレーザ用ターボブロアへ吸入され、矢印
７のようにレーザ用ターボブロアから冷却器３７へ吐出
される。
〔発明が解決しようとする課題〕
第６図及び第７図に示ず従来のレーザ発Ｓ装置では以下
のような課題がある。
即ち、従来のレーザ用ターボブロアでは、１０万ＲＰ〜
１もの高速回転のため、モータからの発熱が大きく、グ
リースの劣化及び枯渇といった問題が生じていた。即ち
、モータの効率は約７５％程度であり、残りの２５％は
モータの発熱損失となる。例えば、出力２に’ｖＶのモ
ータの場合、約６６７Ｗが発熱損失となる。このうちの
約５６７Ｗはステータ４の鉄損と銅損による発熱であり
、約ＩＱＱＷがロータ３の銅損による発熱である。
この発熱によって、ロータ３の温度は１００℃以上にも
達する。ステータ４の発熱はステータ外周部に水冷装置
を設けることによって、冷却可能であるが、ロータ３は
高速で回転しているた約、ステータのように水冷装置を
設けて冷却することは不可能である。また、モータ内は
０．１気圧程度のレーザガスしか存在しないので、空冷
による冷却効果もほとんど期待できない。
従って、ロータ３で発生した熱はシャフト２を伝わり、
シャフト２に固定された軸受５及び６を加熱し、軸受の
温度を上昇させる。軸受は約８０℃の温度までは問題な
く動作するが、これ以上の温度になる古、１０℃上昇す
る毎に軸受の寿命が２分の１になるという問題がある。
これは、軸受の潤滑剤が高温度によって劣化することに
起因する。
従って、このような状態のまま、運転を継続すると軸受
が破壊してしまうという問題がある。そこで、通常は１
０００時間毎にグリースを補充したり、軸受自身を交換
したりしていた。従って、従来はこのようなメンテナン
スに多大な労力を費やす結果となっていた。
さらに、軸受５及び６に伝わった熱によって、グリース
が気化してしまい。気化したグリースはレーザガス中に
混入して光学部品等を汚染し、レーザ出力低下やモード
変形等といった問題を起こしていた。
一方、従来の構造ではターボ翼１は大量のレーザガスの
循環経路中に存在するので、常時冷却されていることに
なり、ターボ翼１側の軸受５はあまり温度上昇しない。
しかし、これに対してターボ翼と反対側の軸受６はその
ような冷却効果が期待できないため、温度上昇による影
響をまともに受け、破損する割合が非常に高いという問
題があった。
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、軸
受の温度上昇を抑制し、信頼性及び保守性に優れたレー
ザ用ターボブロア及びそれを用いたレーザ発振装置を提
供することを目的とする。
〔課題を解決するための手段〕
本発明では上記課題を解決するために、先端にターボ翼
を有するシャフトと、前記シャフトを支持する一対の軸
受と、前記シャフトを回転させるためのモータとから構
成されるレーザ用ターボブロアにおいて、前記シャフト
に空冷用の放熱フィンを設けたことを特徴とするレーザ
用ターボブロアが提供される。
さらに、本発明では上記レーザ用ターボブロアを用いた
レーザ発振装置が、提供される。
〔作用〕
シャフトに空冷用の放熱フィンを設けることによって、
モータのロータ部で発生した熱は放熱フィンで放熱され
、軸受部に熱が伝わるのを防止できる。また、放熱フィ
ンをレーザガスの一部を用いて強制的に空冷することに
よって、放熱効率を大幅に向上することができる。これ
によって、グリース及び軸受の寿命を大きく延ばすこと
ができ、グリース補充又は軸受交換などのメンテナンス
の労力が著しく軽減されるとともに信頼性も向上する。
〔実施例〕
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。
第１図は本発明のレーザ用ターボブロアの第１の実施例
の構成を示す図である。第１図において、第７図と同一
の構成要素には同一の符号が付しであるので、その説明
は省略する。ここで、ターボ翼１は遠心翼を示している
が斜流翼であっても軸流翼であってもよい。
本実施例が従来のものと本質的に異なる部分は、シャフ
ト２に空冷用の放熱フィン１１を設けた点である。
放熱フィン１１はターボ翼１と反対側の軸受６と、ロー
タ３との間に設けられる。ハウジング１２には空冷用の
レーザガスを通過させる通路が設けられる。レーザガス
は、この通路を矢印９から矢印１０の方向へ流れる。こ
れによって、ロータ３で発生した熱は放熱フィン１１で
放熱され、軸受６に到達しなくなる。
また、軸受５及び６の内輪と外輪との間の転動体と保持
器を除いた空間内には適量のグリースが封入される。
第２図は第１図のレーザ用ターボブロアを用いたレーザ
発振装置の全体構成を示す図である。第２図において、
第６図と同一の構成要素には同一の符号が付しであるの
で、その説明は省略する。
本実施例では、第１図の放熱フィン１１を空冷するため
に、循環中のレーザガスの一部をターボブロア２１に帰
還している。即ち、冷却器３７で冷却されたレーザガス
の一部を帰還用通路２２を介して矢印９のようにターボ
ブロア２１に吸入させる。レーザガスの量は循環経路中
のレーザガスの約１０パーセント程度でよい。放熱フィ
ン１１から熱を奪ったレーザガスは矢印１０の方向に吐
出され、通路２３を介してレーザガスの循環経路に戻さ
れる。戻されたレーザガスは再び冷却器３８によって冷
却され、循環レーザガスとなる。
従来のターボブロアと比較してみると、モータを構成す
るロータ３で発生した熱の大部分は放熱フィン１１によ
って除去される。従って、放熱フィン１１を設けること
によってあたかも軸受６が発熱源であるロータ３から距
離をおいたようになり、ロータ３の発熱の影雷を受けに
くくなる。
また、放熱フィン１１はレーザガスによって強制的に冷
却されているので、ロータ３で発生した熱はシャフト２
を伝わり、放熱フィン１１から空冷という形で強制的に
逃がされることになる。
ここで、冷却系の放熱量ｑは熱伝達率りを用いて次式の
ように表せる。
ｑ＝ｈ−Ａ・　（Ｔ、−Ｔ、） 上式において、ｑは放熱量（Ｗ）　、ｈは熱伝達率（Ｗ
／ｍ２Ｋ）　、Ａは伝熱面積（ｍ２）、（Ｔ、−Ｔ、）
は温度差（Ｋ）である。
また、ガスの強制対流による冷却系の熱伝達率りはヌセ
ルト数Ｎｕ（無次元数）を使用し、次式のように表せる
。
ｈ＝Ｎｕ−に／ｄ 上式において、Ｎｕはヌセルト数（平均！１ｒｉ）、ｋ
はガスの熱伝達率（Ｗ／ｍ−Ｋ）、ｄは長さ（直径）で
ある。
第３図は第１図の放熱フィン１１の詳細を示す図である
。放熱フィンの長さしを３０ｍｍとする。
フィンの厚さｔｌを２ｍｍ、フィンとフィンとの間隔ｔ
２を２ｍｍとする。放熱フィンの外側の直径Ｄ１を４０
ｍｍとし、内側の直径Ｄ２を１４ｍｍとする。
第３図のような放熱フィン１１をガス流量０゜０１８　
（ｍ３／ｓ）　、ガス温度Ｔ１を２０°Ｃ１シヤフト２
の温度Ｔ２を１００°Ｃの下で使用した場合の放熱量を
上式に基づいて計算すると、約９７Ｗとなる。この値は
、ロータ３の発熱量が約１００Ｗであることを考えると
十分にその効果を期待できる。また、実際に試作実験し
てみたところ約１１０″Ｃあったシャフト２の温度を約
５０°Ｃまで下げることに成功した。
第４図は本発明のレーザ用ターボブロアの第２の実施例
の構成を示す図である。第４図において、第１図と同一
の構成要崇には同一の符号が付しであるので、その説明
は省略する。
本実施例が第１図のものと異なる点は、放熱フィン１１
の他に放熱フィン１５を設けた点である。
放熱フィン１５はターボ翼１側の軸受５と、ロータ３と
の間に設けられる。ハウジング１２には空冷用のレーザ
ガスを通過させる通路が設けられる。
レーザガスは、この通路を矢印１３から矢印１４の方向
へ流れる。これによって、ロータ３で発生した熱は放熱
フィン１１及び１５で放熱され、軸受５及び６に到達し
なくなる。
第５図は本発明のレーザ用ターボブロアの第３の実施例
の構成を示す図である。本実施例は第１図のレーザ用タ
ーボブロアの軸受５及び６の周囲にオイルフィルムダン
パーを取り付け、軸受の振動を吸収したものである。
オイルフィルムダンパーはスリーブ５１と、０リング５
２及び５３と、ハウジング１２とスリーブ５１との間に
充填されたオイルとによって構成される。
ころがり軸受５及び６の内輪は第１のシャフト２に固定
され、外輪はスリーブ５１に固定されている。ハウジン
グ１２とスリーブ５１との間には１０〜１００μｍのす
きまが設けられ、そこにグリース又はオイルが充填され
る。０リング５２及び５３は、すきまに充填されたグリ
ース又はオイルと、レーザガスとを遮断するためのもの
である。
このような構成にすることによって、ターボ翼１及びシ
ャフト２が高速で回転したときの振動はオイルフィルム
ダンパーの流体力学的な減衰効果によって減衰する。
以上の実施例ではころがり軸受について説明したが、玉
軸受又はコロ軸受でもよい。さらに、軸受の材料として
セラミックを用いたセラミック軸受を用いてもよい。
以上のように本実施例によれば、軸受部の温度−上昇を
抑制したので、従来５００〜１０００時間であった軸受
の寿命が、５０００〜１５０００時間と長くなり、さら
に、グリースの定期的な補充又は軸受及びグリースの交
換といった保守が不要となる。
〔発明の効果〕
以上説明したように本発明によれば、軸受部の温度上昇
を抑制することができ、グリースの定期的な補充又は軸
受及びグリースの交換といった保守が不要となり、信頼
性及び保守性の改善されたレーザ用ターボブロアを提供
することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明のレーザ用ターボブロアの第１の実施例
の構成を示す図、 第２図は第１図のレーザ用ターボブロアを用いたレーザ
発振装置の全体構成を示す図、第３図は第１図の放熱フ
ィンの詳細を示す図、第４図は本発明のレーザ用ターボ
ブロアの第２の実施例の構成を示す図、 第５図は本発明のレーザ用ターボブロアの第３の実施例
の構成を示す図、 第６図は従来技術による炭酸（ＣＯ２）ガスレーザ発振
装置の全体構成を示す図、 第７図は従来のレーザ用ターボブロアの構造を示す図で
ある。 １　　　　ターボ翼 ２　　　　シャフト ３　　　　ロータ ４　　　　ステータ ５．６　　　　軸受 １１．１５　　　　放熱フィン １２　　　　ハウジング ３１　　　　放電管 ３２　　　　出力結合鏡 ３３　　　　全反射鏡 ３４．３５　　　　電極 ３６　　　　高周波電源 ３７．３８　　　　冷却器 ３９　　　　送風機 ４０　　　　ガスボンベ ５２． ４２ ３ ４ １ ３ 真空ポンプ 共振器内レーザビーム光軸 共振器外レーザビーム光軸 スリーブ ０リング

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）先端にターボ翼を有するシャフトと、前記シャフ
    トを支持する一対の軸受と、前記シャフトを回転させる
    ためのモータとから構成されるレーザ用ターボブロアに
    おいて、 前記シャフトに空冷用の放熱フィンを設けたことを特徴
    とするレーザ用ターボブロア。
  2. （２）前記放熱フィンはレーザガスで空冷されることを
    特徴とする特許請求の範囲第１項記載のレーザ用ターボ
    ブロア。
  3. （３）前記ターボ翼と反対側の前記軸受と、前記モータ
    との間に前記放熱フィンを設けたことを特徴とする特許
    請求の範囲第１項記載のレーザ用ターボブロア。
  4. （４）前記モータの両側に前記放熱フィンを設けたこと
    を特徴とする特許請求の範囲第１項記載のレーザ用ター
    ボブロア。
  5. （５）前記軸受にオイルフィルムダンパーを設けたこと
    を特徴とする特許請求の範囲第１項、第２項、第３項又
    は第４項記載のレーザ用ターボブロア。
  6. （６）前記軸受が玉軸受であることを特徴とする特許請
    求の範囲第１項、第２項、第３項、第４項又は第５項記
    載のレーザ用ターボブロア。
  7. （７）前記軸受がころ軸受であることを特徴とする特許
    請求の範囲第１項、第２項、第３項、第４項又は第５項
    記載のレーザ用ターボブロア。
  8. （８）前記軸受がセラミック軸受であることを特徴とす
    る特許請求の範囲第１項、第２項、第３項、第４項又は
    第５項記載のレーザ用ターボブロア。
  9. （９）気体放電によってレーザ励起をする放電管と、レ
    ーザ発振を行わせる光共振器と、送風機及び冷却器によ
    ってレーザガスを強制冷却させるガス循環装置とから構
    成されるレーザ発振装置において、 前記送風機が特許請求の範囲第１項から第９項までのい
    ずれかに記載のレーザ用ターボブロアで構成されること
    を特徴とするレーザ発振装置。
JP1259825A 1989-10-04 1989-10-04 レーザ用ターボブロア及びそれを用いたレーザ発振装置 Pending JPH03120882A (ja)

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