JPS635583A - 気体レ−ザ装置 - Google Patents

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、−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、気体の流れを加速するタイプの気体レ
ーザ装置に関する。

（従来・の技術） レーザ媒質として、流れる気体を使用するタイプのレー
ザ装置では、気体は放電空洞を通過させられ、ここで電
界をかけられる。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１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、レーザを発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することによって
珊加する。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
れを補填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、反転分布が適切なレベルまで回転され
、レーザの放射が再び可能になる。冷却された気体は、
加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
置では、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、送風機の回転翼の
長さを放電領域の長さに合わせることができるからであ
る。

横流送風機は、１８９０年代にｌｙｌ　ｏｒｔｉｅｒに
よって発明されと思われ、１８９３年にＭ　ｏｒｔｉｅ
ｒに付与された米国特許用５０７．４４５号にそれが開
示されている。［）　ａｔｗｙｌｅｒに付与された英国
特許９８９．７１２号には、横流送風機の改良が開示さ
れている。この改良横流送風機では、渦が送風機の周囲
を自由に動けるため、主流状態に応じてその位置が調整
される。横流送風機の検討については、１９７０年の「
Ｊ　ｏｕｒｎａｌ　　ｏｆ　　Ｍ　ｅｃｈａｎｉｃａｌ
　　Ｅ　ｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　　Ｓ　ｃｉｅｎｃｅＪ
第１２巻第６号に掲載された、Ａ、　Ｍ、　Ｐｏｒｔｅ
ｒとＥ、　Ｍａｒｋｌａｎｄによる研究論文ｒ　Ａ　　
Ｓ　ｔｕｄｙ　　ｏｆ　　Ｃｒｏｓｓ　　Ｆ　ｔ。

ｗ　　ＦａｎＪが参照できる。この論文は、本明細書に
参考として取り入れた。

米国特許用４．０９９．１４３号は、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
電領域を形成する手段と、閉ループに気体を流すための
隔壁とファンとが内蔵されている。この構成において、
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１１！Ｉ
ｔｌとその隔壁とは、従来の方法に従って配置されてい
る。

横流送Ｊ！ｌのスルーブツト（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
機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　
ｏｒｔｅｒとＭ　ａｒｋｌａｎｄの論文で説明されてい
るように、流れの隘路は、逆風様によって発生される渦
の中心が、回転翼のが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、送風機の主流が、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、−般には不明である。

（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（ｑ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、送風機出口側
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ｆｆ１ｌｌ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装置は、前記目的を達成するため
、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Ｉ！Ｉｍと、（ｃｌ）　　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、を具億すると共に、 前記横流送ＳＲ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の一端はキせツブ
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の内部構造の従来の
構成を示す概略図である。図示の構成において、気体レ
ーザ放射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１１
および１２は、コージライト等のセラミック材料からな
る。ニーシライトは、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１１
および１２を貫通して配列され、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１［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。横流送ｌＮ１１１１７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、送風機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（、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
で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、光共擾器の光学要素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
長さを有している。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
。横流送風機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２
３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
である。

第４図は、横流送ｍｍ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であり、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
風機１７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は取り除かれている。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■１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ｉｉ７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、さらにそのテーバ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、−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、二つの渦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、渦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３ｏおよび３１
は、二つの渦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
と数量とは、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、数量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１３
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。第９図の実
施例において、送Ｊｉ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ない水冷管
３３．３４を使用することによって著しく減少される。

第９図の構成において、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
３３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示す図
であり、該レーザ装置の放電領域に対する横流送風機の
位置を示す概略図、 第４図は、従来構成の検流法Ｊｉｌｌ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、検流送風が発
生させる渦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、
および 第９図は、横流送風機の動作によって発生される熱が、
−部は横流送風機によって発生される渦内において気体
を冷却して除去され、−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、１９，２０・・・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 篤８図 第４図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （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. （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って発生
   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. （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。