JPH08321648A - レーザー装置用混合ガス供給手段及び混合ガスレーザー装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 混合ガスレーザー装置において、経済的な方
法で混合ガスの再循環を可能にする混合ガス供給手段を
提供すること。 【解決手段】 レーザー装置１から出た混合ガスは、パ
ーミエータ４５に再循環され、そこで２つのガス流れに
分けられる。パーミエータ４５の吐出側から出たガス
は、膨脹タービン２７の中で膨脹する。膨脹タービン２
７はサクション用コンプレッサ３５に結合されている。
サクション用コンプレッサ３５は、混合ガスの再循環の
ための吸引を行って、その結果、レーザー装置１の内部
を所要の圧力に減圧する。この装置は、切断装置向けの
窒素と二酸化炭素の混合ガスを用いたパワーレーザー装
置に適用できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、混合ガスレーザー
装置に混合ガスを供給する手段に係り、特に、第一のガ
スをレーザー装置に導く第一の配管と、第一のガスに混
合される第二のガスをレーザー装置に導く第二の配管
と、レーザー装置から出た前記２種類のガスの混合物を
再循環させる第三の配管と、入口が前記第三の配管に接
続され、透過側の出口が前記第二の配管に接続され、吐
出側の出口が前記第一の配管に接続されたパーミエータ
と、を備えたレーザー装置用混合ガス供給手段に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】以下において、圧力は全て絶対圧力であ
る。

【０００３】出願人によるフランス公開特許公報 FR-A-
2,692,729 号には、上記の構成を備えた、レーザー装置
用の窒素及び二酸化炭素の供給手段が記載されている。
この供給手段は、切断装置用のパワーレーザー装置向け
であって、０．３×１０⁵ Ｐａ以上の圧力で作動される
「冷たい放電（cold electrical discharge ）」型の励
起された窒素ガス流の発生器を備え、この発生器は、主
軸方向に互いに対向する様に反射鏡が配置された導波管
に接続される。

【０００４】「冷たい放電」とは、混合ガス中での励起
種の形成を意味し、混合ガス中の電気的に中性な励起種
の温度は、２５０℃を超えることはなく、通常、１５０
℃以下である。このタイプの放電現象は、この他、著者
によって様々な名称で呼ばれ、例えば、コロナ放電、大
気圧グロー放電、境界放電（barrier discharge ）、あ
るいはサイレント放電などと呼ばれている。

【０００５】このレーザー装置の最適な作動圧力は、出
力及び効率の観点から、約４００〜５００ミリバール
（０．４〜０．５×１０⁵ Ｐａ）である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、混合
ガスレーザー装置において、特に経済的な方法で混合ガ
スの再循環を可能にする手段、即ち、レーザー装置から
排出された混合ガスを回収して透過分離の後、再びレー
ザー装置に供給する手段を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的のため、本発
明のレーザー装置用混合ガス供給手段は、第一のガスを
レーザー装置に導く第一の配管と、第一のガスに混合さ
れる第二のガスをレーザー装置に導く第二の配管と、レ
ーザー装置から排出された前記２種類のガスの混合物を
再循環させる第三の配管と、入口が前記第三の配管に接
続され、透過側の出口が前記第二の配管に接続され、吐
出側の出口が前記第一の配管に接続されたパーミエータ
と、前記第一の配管の途中に配置された膨脹タービン
と、前記第三の配管の途中に配置されたサクション用コ
ンプレッサと、を備え、前記膨脹タービンで発生した機
械的エネルギが前記サクション用コンプレッサを駆動す
るために使用されること、を特徴とする。

【０００８】本発明のレーザー装置用混合ガス供給手段
には、更に、下記の内、一あるいは二以上の構成を付加
することができる。

【０００９】ａ、膨脹タービンのホイールとサクション
用コンプレッサのホイールとを、同一のシャフトに固定
すること、 ｂ．サクション用コンプレッサの下流側の前記第三の配
管の途中に、外部のエネルギ源によって駆動される第二
のコンプレッサを備えること、 ｃ．前記パーミエータの吐出側の出口と第一の配管との
間に第二のパーミエータを配置し、この第二のパーミエ
ータの入口を前記パーミエータの吐出側の出口に接続
し、この第二のパーミエータの吐出側の出口を前記第一
の配管に接続し、この第二のパーミエータの透過側の出
口をサクション用コンプレッサの吐出側に接続するこ
と、 ｄ．前記膨脹タービンの下流側の前記第一の配管と、前
記サクション用コンプレッサの上流側の前記第三の配管
との間で熱交換を行わせる熱交換器、を備えること、 ｅ．前記膨脹タービンの上流側の前記第一の配管と、前
記サクション用コンプレッサの下流側の前記第三の配管
との間で熱交換を行わせる熱交換器、を備えること、 ｆ．前記膨脹タービンの上流側の前記第一の配管と、前
記サクション用コンプレッサの上流側の前記第三の配管
との間で熱交換を行わせる熱交換器を、備えること、 ｇ．前記パーミエータ、あるいは、前記パーミエータ及
び前記第二のパーミエータを冷却する手段を備えるこ
と、 ｈ．膨脹タービン及びサクション用コンプレッサは気体
軸受を備えること、 ｉ．第一のガスは本質的には窒素であり、第二のガスは
二酸化炭素を含むこと。

【００１０】また、本発明の混合ガスレーザー装置は、
上記構成を有するレーザー装置用混合ガス供給手段を備
えることを特徴とする。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を、添付図面
に基づいて説明する。

【００１２】なお、以下の記載及び図面において、同一
の要素あるいは同等の要素については、同一の符号を付
けて示す。

【００１３】図１の模式図に、本発明のレーザー装置用
混合ガス供給手段を適用するレーザー装置の基本的構成
を示す。図１の装置は、放電発生器１、導波管２、反射
鏡３及び反射鏡兼窓４などから構成されている。放電発
生器１は、その出口１３から励起した窒素分子を放出し
て、導波管２により構成された共振空洞５へ送る。導波
管２は、例えば、謂ゆるウィスパリング・ギャラリィ
（whispering gallary）の断面の様な、主曲率半径が１
ｍ以上のアーチ形の側溝状の形状を備え、その両端部に
反射鏡３及び、レーザービームを通す反射鏡兼窓４を備
える。

【００１４】導波管２として使用した場合のウィスパリ
ング・ギャラリィの構造及び特性は、Marhic et al. に
よる米国特許公報 US-A-4,194,808 号に記載されてい
る。また、レーザー装置におけるウィスパリング・ギャ
ラリィの使用については、Marhic et al. による "Whi
spering gallery CO₂ -laser" ；IEEE Journal of Quan
tum Electronics, Vol.QE-15, No.6, June 1979 に記
載されている。ウィスパリング・ギャラリィ２の両端部
の反射鏡３及び４は、少なくとも一枚のＣ−II−Ａダイ
アモンド・プレートからなる、また、例えば出願人によ
るフランス公開特許公報 FR-A-2,688,098 号に記載され
ている様に、コーティングされていてもよい。

【００１５】上記レーザー装置の構成の変形として、ウ
ィスパリング・ギャラリィの代わりに、他のタイプの導
波管を使用することもできる。

【００１６】二酸化炭素の流れは、導波管２の共振空洞
５と放電発生器１との間に配置された噴射手段６によっ
て噴射され、励起した窒素分子を含む流れに混合され
る。放電発生器１は、細長い出口部１３を介して、導波
管２を横切る方向の均一なガス流れを形成する様に設計
されていて、導波管２は、出口部１３と実質的に平行な
主方向を有する側溝状の形状を備えている。

【００１７】図２に上記のレーザー装置の断面図を示
す。図２に示した放電発生器は、先に引用した、出願人
によるフランス公開特許公報 FR-A-2,692,730 号に記載
されているものと同様である。

【００１８】この放電発生器は、基本的には、金属製の
発生器ブロック１、絶縁体チューブ９、周辺電極８、内
部電極１０などで構成される。発生器ブロック１の内側
には、Ｘ軸方向に平行に管状の周辺電極８が形成され、
周辺電極８の内側には、周辺電極８と同軸かつ同心の絶
縁体チューブ９が配置されている。周辺電極８と絶縁体
チューブ９との間には、環状のガス通路１１が形成され
ている。絶縁体チューブ９の内周側には、内部電極１０
が形成されている。入口部１２及び出口部１３は、発生
器ブロック１に形成されたスロットであり、ガス通路１
１の軸方向に平行に形成され、ガス通路１１の径方向に
関して互いに反対側に位置し、その開口部の高さは、環
状のガス通路１１の径方向の厚さを超えない。環状のガ
ス通路１１は、絶縁体チューブ９と同軸で、入口部１２
及び出口部１３を介して発生器ブロック１の外部と通じ
ている。周辺電極８及び内部電極１０は、高電圧の高周
波発生器１４に接続されている。内部電極１０はその内
側に空間を有し、その中を冷却剤、例えば水あるいはフ
レオンが流れる。

【００１９】図２に示すレーザー装置では、発生器ブロ
ック１にブロック１６が取り付けられている。ブロック
１６は、約１ｍｍの高さを有する縦方向のハウジングを
形成している。このハウジング中には、ウィスパリング
・ギャラリィ２が配置され、その側溝部の底部は、入口
部１２及び出口部１３の直径に沿った面に対して、実質
的に平行である。このハウジングは、その側面にガス排
出口１７を備え、発生器ブロック１の出口部１３に沿っ
て伸びる平行六面体の（parallelepipedal）ガス導入口
１８を備える。更に、このハウジングには、平行六面体
の経路１９が横切る様に開口している。この経路１９を
通って、二酸化炭素が、例えば均一化グリッド２１を介
して、ガス導入口１８に導かれる。二酸化炭素は、励起
した窒素を含むガスの流れに混合され、励起した窒素
は、共振空洞５に導入される前に、そのエネルギーを二
酸化炭素に与え、その結果、レーザー遷位の専ら上位レ
ベルまで二酸化炭素を励起する。

【００２０】レーザービームは、直線偏光であり、図２
において模式的に楕円形で表されている。振動エネルギ
ーに富むガスが片側から導入され、エネルギーを奪われ
て排出される、このため、レーザービームは、ウィスパ
リング・ギャラリィ２を横切るガス流れの方向（Ｚ軸）
に沿って非対称形である。

【００２１】励起種のかなりの部分をフォトンを含む領
域に変化させることを確保するために、ウイスパリング
・ギャラリィ２のハウジングの下側の壁２３に、配向さ
れた刻み目を形成してもよい、これによって、ハウジン
グの中で高度に発達した乱流の形成が促進される。

【００２２】この他の詳細及び幾つかの変形例は、先に
述べたフランス公開特許公報 FR-A-2,692,729 号に記載
されている。

【００２３】図３に、放電発生器１に窒素及び二酸化炭
素を供給するための本発明のレーザー装置用混合ガス供
給手段を示す。

【００２４】この混合ガス供給手段は、第一の配管２
５、第二の配管２９、第三の配管３１パーミエータ４５
などを備えている。

【００２５】第一の配管２５は、放電発生器１の入口部
１２に接続され、放電発生器１に窒素ガスを供給する、
この配管の途中に膨脹タービン２７が配置されている。
第二の配管２９は、入口部１８に接続され、放電発生器
１に二酸化炭素を供給する。第三の配管３１は、出口部
１７に接続され、放電発生器１から排出された窒素ガス
及び二酸化炭素の混合ガスを再循環する。水冷器３３、
サクション用コンプレッサ３５、水冷器３７、及び電動
機４１によって駆動されるコンプレッサ３９が、順に、
この配管の途中に配置されている。サクション用コンプ
レッサ３５のホイールと膨脹タービン２７のホイールと
は、同一のシャフト４３に固定されている。

【００２６】パーミエータ４５の入側は、コンピレッサ
３９の吐出側に接続され、パーミエータ４５の吐出側の
出口は第一の配管２５に接続され、透過側の出口は第二
の配管２９に接続されている。

【００２７】次に、図３に示した混合ガス供給手段の運
転について、具体的な数値例を挙げて説明する。

【００２８】第三の配管３１の中を流れる９０％Ｎ₂ 及
び１０％ＣＯ₂ を含む混合ガスの全流量は、２４０Ｎｍ
³ ／ｈである。第二の配管２９の中を流れるパーミエー
タ４５の透過ガスの流量は１００Ｎｍ³ ／ｈであり、実
質的に全て二酸化炭素であり、微量の窒素を含む。パー
ミエータ４５の吐出ガスは、ほとんど純粋な窒素であ
り、その流量は、１４０Ｎｍ³ ／ｈである。

【００２９】パーミエータ４５を運転するため、混合ガ
スは、コンピレッサ３９によって１２ｂａｒ（１２×１
０⁵ Ｐａ）に昇圧される、この値は、パーミエータ４５
の吐出側に当たる第一の配管２５内の圧力でもある。第
一の配管内の窒素ガスは、膨脹タービン３７において、
０．７ｂａｒ（０．７×１０⁵ Ｐａ）まで膨脹させられ
る。一方、透過ガスの圧力は１ｂａｒ（１０⁵ Ｐａ）
で、透過ガスは、第二の配管２９を通って発生器１に供
給される。

【００３０】サクション用コンプレッサ３５は、混合ガ
スを０．５ｂａｒ（０．５×１０⁵Ｐａ）で吸引する、
この値は、発生器１の中の圧力に優る、吸引された混合
ガスは１ｂａｒ（１０⁵ Ｐａ）に昇圧されて、吐出され
る。

【００３１】上記の構成により、利用可能なエネルギ
が、等エンタルピ膨脹によって、パーミエータ４５の吐
出側における圧力の形で回収され、回収されたエネルギ
は、レーザー装置内部を減圧するために利用される。こ
れに加えて、等エンタルピ膨脹によって窒素が強力に冷
却される、この結果、レーザー装置の効率に関して、１
０から１５％のオーダーの、相当の改善効果が実現され
る。

【００３２】膨脹タービン２７及びサクション用コンプ
レッサ３５としては、気体軸受を備えた、超高速回転型
の機器を使用することが好ましい。これによって、配置
スペースの節約ができる。

【００３３】適用の条件によっては、膨脹タービン２７
での窒素の膨脹だけでは、サクション用コンプレッサ３
５での全混合ガスの昇圧に不十分な場合がある。その様
な場合には、コンプレッサ３９の吐出圧を上げる必要が
ある。この様にすることによって、パーミエータ４５を
構成するモジュールの数を減らすことができるが、エネ
ルギ消費の増加を招く。

【００３４】サクション用コンプレッサ３５において必
要とされるエネルギを減らすために、サクション用コン
プレッサ３５において昇圧される混合ガスの全流量に対
する、吐出される窒素の流量の比を増加させる対策を取
ることもできる。実際には、所定の窒素の流量に対す
る、混合ガスの全流量を減少させる。

【００３５】これを行うための、第一の方法は、パーミ
エータ４５の温度を下げることにある。これによって、
パーミエータ４５の選択比を向上させ、従って、吐出さ
れる窒素の純度を所定の値に維持したとすると、混合ガ
スの全流量に対する窒素の流量の比の増加をもたらす。
しかし、パーミエータ４５を構成するモジュールの数は
増やさなければならない。これは、温度の低下に伴って
ガスの透過率が減少することによる。

【００３６】図４に、本発明のレーザー装置用混合ガス
供給手段の別の形態を示す。

【００３７】図４には、他の解決方法が示されている。
図４では、第二のパーミエータ４７が、パーミエータ４
５の下流側に配置されている。第二のパーミエータ４７
の入口側は、パーミエータ４５の吐出側に接続され、第
二のパーミエータ４７の吐出側は、第一の配管２５に接
続され、第二のパーミエータ４７の透過側は、配管４９
を介して、コンプレッサ３９の吸入側に接続されてい
る。

【００３８】この場合には、パーミエータ４５は二酸化
炭素の一部のみを回収するに過ぎず、ここで回収された
二酸化炭素が第二の配管２９に送られる。一方、第二の
パーミエータ４７は窒素の純度を高める。この様にし
て、第二の配管２９側に混入する窒素の量が大幅に減少
し、これに対応して、サクション用コンプレッサ３５に
おいて昇圧される混合ガスの流量が減少する。

【００３９】図５に、本発明のレーザー装置用混合ガス
供給手段の更に別の形態を示す。

【００４０】図５は、図４に示した構成の変形である。
図５では、図４の水冷器３７が取り除かれており、それ
に代って、熱交換器５１が組み込まれている。熱交換器
５１は膨脹タービン２７を出た冷却された窒素と、サク
ション用コンプレッサ３５に入る手前の混合ガスとの間
での熱交換を行なわせる。これによって、サクション用
コンプレッサ３５は、冷却された混合ガスを昇圧するの
で、エネルギー消費量を減少させることができる。

【００４１】また、この変形として、図５中の破線で描
かれている様に、熱交換器を用いて、膨脹タービン２７
に入る手前の窒素と、サクション用コンプレッサ３５か
ら出た混合ガスとの間での熱交換を行なわせてもよい。
これによって、膨脹タービン２７の入側における窒素の
温度が上昇するので、膨脹タービン２７により取り出さ
れるエネルギーを増大させることができる。

【００４２】図６に、本発明のレーザー装置用混合ガス
供給手段の更に別の形態を示す。

【００４３】図６では、熱交換器３３において、放電発
生器１から出た混合ガスは、第二のパーミエータ４７か
ら出て膨脹タービン２７に入る手前の窒素によって冷却
される。この場合にも、膨脹タービン２７に入る窒素の
温度が上昇するので、膨脹タービン２７により取り出さ
れるエネルギーを増大させることができる。

【００４４】もちろん、先に引用したフランス公開特許
公報 FR-A-2,692,729 号にも記載されている様に、少量
の、典型的には１％オーダーの、塩素を混合ガスに加え
てもよい。この塩素は、二酸化炭素とともに透過する。
同様に、窒素には、少量の酸素が含まれていてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のレーザー装置用混合ガス供給手段を適
用するレーザー装置の基本的構成を示す模式図。

【図２】本発明のレーザー装置用混合ガス供給手段を適
用するレーザー装置を示す断面図。

【図３】図２のレーザー装置にガスを供給するための本
発明のレーザー装置用混合ガス供給手段を示す概略図。

【図４】本発明のレーザー装置用混合ガス供給手段の別
の形態を示す概略図。

【図５】本発明のレーザー装置用混合ガス供給手段の更
に別の形態を示す概略図。

【図６】本発明のレーザー装置用混合ガス供給手段の更
に別の形態を示す概略図。

【符号の説明】

１・・・放電発生器（発生器ブロック、レーザー装
置）、２・・・導波管（ウィスパリング・ギャラリ
ィ）、３・・・反射鏡、４・・・反射鏡兼窓、５・・・
共振空洞、６・・・噴射手段、８・・・周辺電極、９・
・・絶縁体チューブ、１０・・・内部電極、１１・・・
環状のガス通路、１２・・・入口部、１３・・・出口
部、１４・・・高周波発生器、１６・・・ブロック、１
７・・・ガス排出口、１８・・・ガス導入口、１９・・
・経路、２１・・・均一化グリッド、２３・・・壁、２
５・・・第一の配管、２７・・・膨脹タービン、２９・
・・第二の配管、３１・・・第三の配管、３３・・・水
冷器あるいは熱交換器、３５・・・サクション用コンプ
レッサ、３７・・・水冷器、３９・・・コンプレッサ、
４１・・・電動機、４３・・・シャフト、４５・・・パ
ーミエータ、４７・・・第二のパーミエータ、４９・・
・配管、５１・・・熱交換器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ダニエル・ゲラン フランス国、77500 シュレ、リュ・アレ クサーンドル・ビックカール、バティマン 33、レジダンス・デュ・バル・フルーリ （番地無し) (72)発明者 クリスティヤン・ラルク フランス国、78280 ギュイヤーヌクール、 リュ・ブノワ・フラション 55 (72)発明者 アントワーヌ・ウィルモ フランス国、92330 ソー、リュ・デュ・ マレシャル・ジョフル １

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第一のガスをレーザー装置（１）に導く
   第一の配管（２５）と、 第一のガスに混合される第二のガスをレーザー装置に導
   く第二の配管（２９）と、 レーザー装置から排出された前記２種類のガスの混合物
   を再循環させる第三の配管（３１）と、 入口が前記第三の配管に接続され、透過側の出口が前記
   第二の配管に接続され、吐出側の出口が前記第一の配管
   に接続されたパーミエータ（４５）と、 前記第一の配管の途中に配置された膨脹タービン（２
   ７）と、 前記第三の配管の途中に配置されたサクション用コンプ
   レッサ（３５）と、 を備え、 前記膨脹タービンで発生した機械的エネルギが前記サク
   ション用コンプレッサを駆動するために使用されるこ
   と、 を特徴とするレーザー装置用混合ガス供給手段。
2. 【請求項２】 前記膨脹タービン（２７）のホイールと
   前記サクション用コンプレッサ（３５）のホイールと
   は、同一のシャフト（４３）に固定されていること、を
   特徴とする請求項１に記載のレーザー装置用混合ガス供
   給手段。
3. 【請求項３】 前記サクション用コンプレッサ（３５）
   の下流側の前記第三の配管（３１）の途中に、外部のエ
   ネルギ源（４１）によって駆動される第二のコンプレッ
   サ（３９）を備えていること、を特徴とする請求項１あ
   るいは請求項２に記載のレーザー装置用混合ガス供給手
   段。
4. 【請求項４】 前記パーミエータ（４５）の吐出側の出
   口と前記第一の配管（２５）との間に第二のパーミエー
   タ（４７）を備え、 この第二のパーミエータの入口は、前記パーミエータの
   吐出側の出口に接続され、 この第二のパーミエータの吐出側の出口は、前記第一の
   配管に接続され、 この第二のパーミエータの透過側の出口は、前記サクシ
   ョン用コンプレッサ（３５）の吐出側に接続されている
   こと、 を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載
   のレーザー装置用混合ガス供給手段。
5. 【請求項５】 前記膨脹タービン（２７）の下流側の前
   記第一の配管（２５）と、前記サクション用コンプレッ
   サ（３５）の上流側の前記第三の配管（３１）との間で
   の熱交換を行わせる熱交換器（５１）、または、 前記膨脹タービン（２７）の上流側の前記第一の配管
   （２５）と、前記サクション用コンプレッサ（３５）の
   下流側の前記第三の配管（３１）との間での熱交換を行
   わせる熱交換器（５１）を備えること、 を特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載
   のレーザー装置用混合ガス供給手段。
6. 【請求項６】 前記膨脹タービン（２７）の上流側の前
   記第一の配管（２５）と、前記サクション用コンプレッ
   サ（３５）の上流側の前記第三の配管（３１）との間で
   の熱交換を行わせる熱交換器（３３）を備えること、を
   特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の
   レーザー装置用混合ガス供給手段。
7. 【請求項７】 前記パーミエータ（４５）を冷却する手
   段、あるいは前記パーミエータ（４５）及び前記第二の
   パーミエータ（４７）を冷却する手段を備えているこ
   と、を特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに
   記載のレーザー装置用混合ガス供給手段。
8. 【請求項８】 前記膨脹タービン（２７）及び前記サク
   ション用コンプレッサ（３５）は気体軸受を備えている
   こと、を特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか
   に記載のレーザー装置用混合ガス供給手段。
9. 【請求項９】 前記第一のガスは本質的には窒素であ
   り、前記第二のガスは二酸化炭素を含むこと、を特徴と
   する請求項１ないし請求項８のいずれかに記載のレーザ
   ー装置用混合ガス供給手段。
10. 【請求項１０】 請求項１ないし請求項９のいずれかに
    記載のレーザー装置用混合ガス供給手段を備える混合ガ
    スレーザー装置。