JPS62111486A

JPS62111486A - 気体レ−ザ装置

Info

Publication number: JPS62111486A
Application number: JP61021887A
Authority: JP
Inventors: イーザン　デー．ホツグ; グレン　ツエイダー
Original assignee: CORP OBU AMERICA; LES-THE- CORP OBU AMERICA
Current assignee: CORP OBU AMERICA; LES-THE- CORP OBU AMERICA
Priority date: 1985-06-25
Filing date: 1986-02-03
Publication date: 1987-05-22
Anticipated expiration: 2010-05-24
Also published as: JPH0748576B2; US4686680A

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、一般に、レーザ媒質として気体を使用するタ
イプの気体レーザ装置に関する。特に、本発明は、横流
送風機を使用し、気体の流れを韻速づるタイプの気体レ
ーザ装置に関する。

（従来の技術）レーザ媒質として、流れる気体を使用づるタイプのレー
ザ装置では、気体は放電空洞を通過させられ、ここで電
界をか１プられる。これによって、気体中に放電が発生
し、光が放射される。放射される光の量は、レーザを発
生させる気体の体積に関連する。中出力および高出力の
気体レーザ装置では、レーザをフッ生し得る気体の体積
は、放電領域にわたって気体を高速に加速覆ることによ
って増加Ｊる。高出力気体レーザ装置では、気体の流速
が音速を越えることもある。気体を一定に保つため、閉
システム内で気体を循環させ、損失された気体について
はこれを補＠することが行われている。

気体レーザ放射が気体自体を高温にするため、放電空洞
から流れる気体の温度は、放電空洞に入る気体の温度よ
り、はるかに高温である。気体を再循環させる閉システ
ムでは、放電空洞からの高温気体は、熱交換器に流れ、
ここで冷却され、反転弁イ５が適切なレベルまで回転さ
れ、レーザの敢則が再び可能になる。冷却された気体は
、ｈ０速されて流速を増し、放電領域に向い、レーザを
発生させる。

気体が放電領域を横断して流れるタイプの気体レーザ装
置ひは、横流送風機を使用し、再循環通路内で気体を加
速させることが通常行われている。

横流送風機は、特に、横断方向に気体を流すタイプの気
体レーザ装置に適している。これは、送風機の回転四の
長さを放電ｆ４域の長さに合わせることができるからで
ある。

横流送風久は、１８９０年代にｖ　０ｒｔｉｅｒによっ
て発明されど思われ、１８９３年にｔｙｌｏｒｔｉｅｒ
に付与された米国特許第５０７，４４５号にそれが開示
されている。Ｄａｔｗｙｌｅｒに付与された英国特許９
８９．７１２号には、横流送風機の改良が開示されてい
る。この改良横流送油１鏝では、渦が送ハ；１闘の周囲
を自由に動けるため、主流状態に応してその位置が調整
される。横流送風機の検討についでは、１９７０年のｌ
−Ｊ　ｏｕｒｎａｌ　　ｏｒ　　Ｍ　ｅｃｈａｎｉｃａ
ｌ　　Ｅ　ｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　　３　ｃｉｅｎｃｅ
Ｊ第１２杏第６＠に掲載された、Ａ、　Ｍ、　Ｐｏｒｔ
ｅｒとＥ　、　Ｍ　ａｒｋｌａｎｄによる研究論文［Ａ
３　ｔｕｄｙ　　ｏｆ　　Ｃｒｏｓｓ　　Ｆ　ｌ。

Ｗ　　ＦａｎＪが参照′Ｃきる。この論文は、本明細出
に参考として取り入れた。

米国待ム′Ｆ第４．０９９，１４３＠は、気密中空円筒
形容器を有する流動気体レーザ装置を開示している。こ
の気密中空円筒形容器には、横流送風機と、熱交換器と
、放電領域を形成づる手段と、開ルーズに気体を流すた
めの隔壁とファンとが内蔵されている。この構成にＪ５
いて、横流送風機は、円筒形容器内の縦方向に、放電領
域に沿って延びる。横流送風機の長さは、放電領域の長
さにほぼ等しい。このため、この横流送風機は、放電領
域の縦方向全長にわたって、放電領域に気体を通過させ
る。前記米国特許に開示されている構成で・は、横流送
風機とその隔壁とは、従来の方法に従って配置されＣい
る。

横流送風機のスループット（流れの体積）は、気体の流
入条件、流出条件、あるいはそれら両方の条件が送風別
の回転翼の内側に流れの隘路を発生させるような条件で
ある場合、悪影響を受けることが知られている。ｐ　ｏ
ｒｔｅｒとＭａｒｋｌａｎｄの論文で説明されているよ
うに、流れの隘路は、送風機によって発生される渦の中
心が、回転翼のかごの内側にある場合に発生する。適切
な流入条件を確保するために、流入速度は、入口からの
流れが、回転翼のかごの内周に沿って進まないよう、十
分に高速としなければならない。つまり、回転翼のブレ
ードを通過してからの流入速度が低過ぎると、その流れ
は、回転翼のブレードによって形成されるかごの内周に
沿って進むこととなる。

前述の論文から、良好な動作をする横流送風機とは、二
つの渦を発生させ、送１！Ｉｌｌの主流が、これら渦の
間を通り、境界流線ではさまれた通路を通って流れるよ
うな送風機であることが分る。これら渦の正確な位置と
形状とは、ダクトや背圧などの外部要因に左右されるも
のであり、一般には不明て゛ある。

（発明の目的）本発明の主たる目的は、気体レーザ装置に使用される送
風機の適切な性能を得ることであり、送風機の回転翼を
通過する気体の流れに隘路を発生させないような流入条
件を確保することによって、これを実現しようとするも
のである。

本発明の他の目的は、気体レーザ装置において、横流送
風機によって発生される気体の流れに対する上流熱交換
器の悪影響を除去ないし減少させることである。

本発明のさらに他の目的は、気体レーザ装置において、
上流熱交換器の必要性をなくし、同時に、送１［出口側
の気体主流の外側に位置させ、た冷却手段によって、横
流送風機の動作により生じた熱を除去することである。

（発明の概要）この発明の気体レーザビームは、前記目的を達成づ゛る
ため、気密性容器を有し、該気密性容器内に、（ａ）　
　気体レーザを発生させるための放電領域を形成する手
段と、（ｂ）　　前記放電領域を通過した気体を冷却するため
の下流熱交換器手段と、（ｃ）　　前記放電領域の縦方向長さとほぼ同一に延び
る回転翼を有し、気体を加速して前記気密性容器内の閉
ループに循環させる横流送風機と、（ｄ）　　前記横流
送風機の動作によって生じた気体の熱を除去づるための
冷却手段と、を具備すると共に、前記横流送風機の動作によって生じた気体の熱を除去す
るための前記冷却手段は、前記横流送風機によって発生
される渦のうち少なくとも一つの渦の通路内であって、
前記横流送風機の回転翼の外側に配置される冷却手段か
らなり、これにより、前記化じた熱の少なくとも一部は
、前記放電領域へ向う気体の主流の外側において、局内
を流れる気体から除去されるようにした。

（実施例）第１図は気体レーザ装置を示す。この装置の内部構造は
気密性容器内に配置されている。この気密性容器は、中
空円筒形容器１で形成される。容器１の一端はキャップ
２で閉じられ、他端はキャップ３で閉じられる。キャッ
プ３を通って可撓コンジット４が延び、この可撓コンジ
ット４内を通って、電線、水供給用ホース、および他の
線が、容器１の気密性を損うことなく容器１内に導入さ
れる。キャップ２からは円筒形管５が延び、管５内には
透光性の窓が取りつけられる。この窓を通して、レーザ
ビームが気密性容器１から出力される。

第２図は、気体レーザ装置の容器１の内部Ｍ４造の従来
の構成を示す概略図である。図示の構成において、気体
レーザ放電を発生させる放電領域１０は、２枚の絶縁プ
レート１１および１２の間に位置する。絶縁プレート１
１および１２は、コージライト等のセラミック材料から
なる。コージライトは、膨張係数が低く、高温に耐える
ことができる。電極１３および１４は、絶縁プレート１
１および１２を貝通して配列され、電界を発生させる。

この電界は、放電領域１０内の気体にレーザを発生させ
る。安定器モジュール１５Ａおよび１５Ｂ内には、電気
的構成部品が収容される。これら構成部品は、放電領域
内に電界を発生させる電極１３および１４に付属するも
のである。冷却要素も、その安定器モジュール内に配置
される。

放゛電領域を出た高温気体は、下流熱交換器１６を通過
する。下流熱交換器１６は、気体を冷却し、適切なレベ
ルの気体分子分布を回復させ、その気体が再循環された
場合、その気体によるレーザ放射を再び可能にする。冷
却された気体は、次に、横流送風機１７の入口側に流れ
る。この送風機１７は、かご形送風機とも呼ばれるが、
これはこの送風機の回転翼が、かごを形成する単一円形
に配列されたプレートを有し、このかごが中心軸を中心
として回転するからである。横流退引１７の出口側にお
ける気体圧力は、入口側における気体圧力よりも高い。

横流送風機１７は、気体を圧縮し、その速度を加速する
とともに温度を高める。

横流送風機１７の動作によって気体に加えられた熱を除
去するために、退引１７の出口側からの気体は、上流熱
交換器１８を通されて冷却され、次に、放電領域１０に
入る。

熱交換器１６および１８は、適当であればどのようなも
のでも良く、例えば、多数のフィンを設けた水冷管を有
し、このフィンが有効熱交換面積を増加させるような従
来の熱交換器である。第２図に示す構成において、気体
の流れる通路は、矢印で示されており、気体が閉ループ
ぐ循環されるようになっている。

第３図において、気体レーザ装置の光共振空洞の光学要
素／１９および２０は、放電領域１０の両端に配置され
ている。図を分り易くするため、光共振器の光学要素１
つは、第２図には示されていない。横流送風機１７の回
転翼は、気体レーザ装置の放電領域１０の長さとほぼ同
一長さを有しでいる。横流送風機１７は、その回転翼の
縦方向長さの全長にわたって、はぼ均一な気体の流れを
発生する。従って、放電領域の縦方向長さの全長にわた
って気体が均一な速度で横断するように気体を加速でき
る。横流送」機１７の回転翼は、支持体２２上に取り付
けられたモータ２１によって駆動される。支持体２２は
、容器１に取り付けられる。同様に、横流送風機１７の
回転翼の他端は、容器に固定された支持体２４上の軸受
２３内に支持される。

第２図にもどり、送風機１７の出口の流れは、渦壁２６
と後壁２７との間に制限され、上流熱交換器１８の方向
に向かわせられる。上流熱交換器１８の主な機能は、送
風機１７の動作によって気体に加えられた熱を取り除く
ことである。第２図に示す熱交換器のそれぞれには、有
効熱交換面積を増加させるためのフィンを有する２列の
水冷管が使用されている。熱交換器１８は、その抵抗に
よって気体の流れを妨げ、気体の速度を減少させる。従
って、気体の流れ通路から上流熱交換器１８を取り除く
ことは、これを取り除いても送風機の動作が気体に加え
た熱を除去することができれば、大いに求められること
Ｃある。

第４図は、横流送風機の回転翼と、渦壁２６と、後壁２
７とを示す。気体の流入は幅の広い円弧上で発生し、気
体の流出はより小さい円弧に制限されることが分る。こ
れが横流送風機を使用する際の従来の方法ひあり、第２
図に示した構成である。

第５図は、第２図構成の変更構成を示し、この構成によ
って性能が向上される。第５図の構成において、横流送
１！ｔｌ１１７への気体の流入は、先細ノズル２８によ
って回転翼周辺の小さな範囲に制限される。また、第２
図に示される渦壁２６は取り除かれでいる。先細ノズル
２８は、横流送風機１７に流れ込む気体の速度を上昇さ
せる。

第６図は、円弧形のブレード１７Ａおよび１７Ｂを有す
る横流送風機の回転翼の一部を示す。気体の理想的な流
入方向は、図に矢印Ｘで示すように、ブレード頂部に対
する接線方向である。従って、理想的な迎え角はゼロで
ある。また、回転翼の外周の接線に対して角度αを例え
ば３０”　とすれば、迎え角がゼロとなる。

流入気体が回転翼の内周に沿って進むのを防ぐため、気
体の流出速度Ｖ１は、気体がほぼ矢印ｙで示す方向に流
れるような十分な半径方向速度を持っていなければなら
ない。

先細ノズル２８は、気体の流入を横流送風機１７に制限
することに加えて、流入の迎え角を理想的な角度に近付
け、さらにそのテーパによって流入速度を上昇させる。

第７図は、流入速度の上昇の結果と、回転翼の小さな範
囲への気体の流入の制限の結果とを示す概略図である。

回転翼を通る主流Ｕは、第７図に示される境界流線Ｓ＋
　、８２の通路内にある。この主流通路は、回転翼内で
二つの渦によって制限される。ここに、一方の渦の中心
は回転翼のブレード上にある。ノズル２８は、放電領域
を通る通路の高さとほぼ同一な寸法の幅に至るまで先細
にされるのが好ましい。

送風機内１７での気体の圧縮によって発生される熱の大
部分は、二つの局内で発生されるのであって、主通路の
主流内で発生されるのではない。

第２図の構成では、局内で発生される熱のすべては、主
流内に広がってしまい、その後、上流熱交換器によって
除去される。

第８図は、気体レーザ装置の内部構造の好適構成を示す
概略図である。本発明の好適実施例においては、上流熱
交換器が全く省略される。横流送風機によって発生され
た熱を取り除くための冷却は、フィンを設けた冷却管３
０および３１によって行われる。冷却管３０および３１
は、二つの局内を循環する気体の通路内に配置される。

管３０は一方の渦の通路内に配置され、管３１は他方の
渦の通過内に配置される。もちろ・ん、これら冷却管位
置と数階とは、必要な冷却を与えるために変更される。

また、冷却管の位置と、寸法と、数ωとは調整可能であ
り、主通路の主流に及ぼす好ましくない作用を最小にす
るか除去できる。

第８図に示す先細ノズル２８は、薄板金または他の適当
な板状材料で作ることができる。所望により、曲線翼３
２を使用し、気体を滑らかに放電領域に向かわせること
もできる。

第９図は、本発明の他の実施例を示す概略図である。こ
の実施例は、上流熱交換器を持つとともに、第８図の改
良型横流送風機構成を利用するものである。＠９図の実
施例において、送風機１７が加える熱の一部は、上流熱
交換器３２によって除去される。水冷管３３．３４は、
熱交換器３２の背圧を減するためにも役立つ。すなわち
、この熱交換器３２を通る気体の流れへのインピーダン
スは、気体の流れにほとんど抵抗を与えｄい水冷管３３
．３４を使用することによって著しく減少される。第９
図の構成におい−Ｃ１送風機１７によって加えられる熱
の大部分は、渦の通路中に配置されるフィン付冷却管３
３および３４によって除去される。熱負荷の一部は上流
熱交換器３２によって担われるため、冷却管３３および
３４の熱負荷が減少され、これら冷却管の使用数は少な
くて済む。

本発明は各種形態において具体化できるものであり、本
発明の範囲は、前記実施例に限定されるものではない。

本発明の範囲は、特許請求の範囲によって規定され、本
発明の基本的特徴を逸脱しないような変更形態をも含む
ものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、気体レーザ装置の内部構造を収容するための
容器を示す斜視図、第２図は、気体レーザ装置容器の内部構造の従来構成を
示す概略図、第３図は、気体レーザ装置容器の内部の縦方向を承り図
であり、該レーザ装置の放電領域に対する横流送風機の
位置を示１概略図、第４図は、従来構成の横流送風機の流入領域と流出領域
との範囲を示す概略図、第５図は、気体レーザ装置内における横流送風機の改良
構成を示す概略図、第６図は、横流送風機の回転翼ブレードを通る気体の流
れを示す図、第７図は、第５図に示す構成の横流送風機が発生する流
れを示す概略図、第８図は、上流熱交換器を完全に省略し、横流送風が発
生させる局内で気体の流れを冷却することによって冷却
を遂行するような、本発明の好適実施例を示す概略図、
Ｊ５よび第９図は、横流送風機の動作によって発生される熱が、
一部は横流送風機によって発生される局内において気体
を冷却して除去され、一部は気体の主流内に配置される
上流熱交換器によって除去されるような、気体レーザ装
置容器内の構造の混成配置を示す概略図である。１・・・中空円筒形容器、２，３・・・キャップ、４・
・・可撓コンジット、５・・・円筒形管、１０・・・放
電領域、１１．１２・・・絶縁ブレード、１３．１４・
・・電極、１５Ａ、１５Ｂ・・・安定器モジュール、１
６・・・下流熱交換器、１７・・・横流送風機、１７Ａ
、１７Ｂ・・・ブレード、１８．３２・・・上流熱交換
器、１つ、２０・・・光学要素、２１・・・モータ、２
２．２４・・・支持体、２３・・・軸受、２６・・・渦
壁、２７・・・後壁、２８・・・先細ノズル、３０．３
１．３３．３４・・・フィン付冷却管第１図第２図第８因第４図りに第９図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）気密性容器を有し、該気密性容器内に、（ａ）気体レーザを発生させるための放電領域を形成す
る手段と、（ｂ）前記放電領域を通過した気体を冷却するための下
流熱交換器手段と、（ｃ）前記放電領域の縦方向長さとほぼ同一に延びる回
転翼を有し、気体を加速して前記気密性容器内の閉ルー
プに循環させる横流送風機と、（ｄ）前記横流送風機の動作によつて生じた気体の熱を
除去するための冷却手段とを収容する気体レーザ装置に
おいて、前記横流送風機の動作によつて生じた気体の熱を除去す
るための前記冷却手段は、前記横流送風機によつて発生
される渦のうち少なくとも一つの渦の通路内であつて、
前記横流送風機の回転翼の外側に配置される冷却手段か
らなり、これにより、前記生じた熱の少なくとも一部は
、前記放電領域へ向う気体の主流の外側において、渦内
を流れる気体から除去されることを特徴とする気体レー
ザ装置。
（２）気密性容器を有し、該気密性容器内に、（ａ）気体レーザを発生させるための放電領域を形成す
る手段と、（ｂ）前記放電領域を通過した気体を冷却するための下
流熱交換手段と、（ｃ）前記放電領域の縦方向長さとほぼ同一に延びる回
転翼を有し、気体を加速して前記気密性容器内の閉ルー
プに循環させる横流送風機と、（ｄ）前記横流送風機の動作によつて生じた気体の熱を
除去するための冷却手段とを収容する気体レーザ装置に
おいて、前記横流送風機の動作によつて生じた気体の熱を除去す
るための前記冷却手段は、前記横流送風機によつて発生
される渦の通路内であつて、前記横流送風機の回転翼の
外側に配置され、前記熱の除去は、該冷却手段により、
前記放電領域へ向う気体の主流の外側において、渦内を
流れる気体から行われることを特徴とする気体レーザ装
置。
（３）気密性容器を有し、該気密性容器内に、（ａ）気体レーザを発生させるための放電領域を形成す
る手段と、（ｂ）前記放電領域を通過した気体を冷却するための下
流熱交換器手段と、（ｃ）前記放電領域の縦方向長さとほぼ同一に延びる回
転翼を有し、気体を加速して前記気密性容器内の閉ルー
プに循環させる横流送風機と、（ｄ）前記横流送風機の動作によって生じた気体の熱を
除去するための冷却手段とを収容する気体レーザ装置に
おいて、前記下流熱交換器手段と前記横流送風機への入口との間
に先細ノズルを配置し、該先細ノズルは、前記横流送風
機の回転翼のプレートの内縁における流入気体の速度を
、前記回転翼の速度の少なくとも５０％にさせることを
特徴とする気体レーザ装置。