JP2005042670A - ターボ形ガス圧縮機およびガス圧縮機によるレーザ発振器へのガス供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 レーザ出力の変更を励起電圧で行うことによる不要な動力の発生をなくすることができるターボ形ガス圧縮機を提供する。
【解決手段】 ターボ形ガス圧縮機の流入口１Ｋの内方に流入するガスの圧力損失を可変に制御できる手段としての流量制御弁ＦＶを介在させる。この流量制御弁ＦＶは、流入口１Ｋの内径と同径のバタフライ弁１５と、このバタフライ弁１５を保持する弁軸１６と、この弁軸１６をハウジング１に対して回転自在に保持する軸受１７、１８および弁軸１６を回転駆動する駆動装置１９とより構成されている。このバタフライ弁１５の調節によって流入口１Ｋにおけるガスの流入量を制御し、ガス圧の圧力損失を可変に調整できる。したがってバタフライ弁１５が必要とする角度傾動することで流入口１Ｋの流路断面積が調整される。この調整によってガスの流入口１Ｋのガス圧と排出口１Ｈのガス圧との比、すなわち圧力比が調整できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、たとえばガスレーザ発振器装置（以下単にレーザ発振器装置という）におけるガス循環用の電動コンプレッサとしてのブロワ等に適用できるターボ形ガス圧縮機およびガス圧縮機によるレーザ発振器へのガス供給装置に関する。

この種のターボ形ガス圧縮機は、ハウジング内の上方にターボ翼を回転可能に配設して、ガスを圧縮し排出する機構を設けるとともに、下方にはこのターボ翼を高速に回転駆動させるモータを配設している。そして、このモータの回転子とターボ翼ならびに回転軸等からなる高速回転体は、機械的な軸受方式で軸受けされ、オイルによる潤滑手段が併設されている（特許文献１参照）。

また、このようなガス圧縮機は、レーザ発振器装置に好適に使用される。すなわち、フロー型二酸化炭素ガスレーザ発振器装置の場合、炭酸ガスと他のガスの混合ガスを流しながら圧縮し、レーザ発振器に供給して共振させるようになっており、装置内にガス循環路が構成されている。この循環路の構成における一要素のブロワとして、ターボ翼を高速で回転させてガスを圧縮し、レーザ発振器に供給するターボ形ガス圧縮機が使用されている（特許文献１参照）。

このレーザ発振器は、通常共振器をなす鏡体と、気体を入れたレーザ管と、ポンピング源によって構成されており、他のレーザ発振器と比べて連続的な発振が容易に行われ、発振光のコヒーレンスの度合も優れている。しかし、粒子の密度が非常に小さいため単位長さあたりの増幅利得は固体レーザに比べて一般的には小さい。そのためこのレーザ発振器装置は、ある程度の長さを有する長いレーザ管を必要とし、ポンピングは放電によって行わせるようになっている。

フロー型の二酸化炭素ガスレーザ発振器では、その効率が５〜１５％で、５０ワットから１５キロワットの連続出力（発振波長＝１０．６μｍ）が得られる。このフロー型のレーザ発振器では、炭酸ガスと他のガスの混合ガスを流して共振させるが、この時ガスの温度が上昇するので、ガス循環回路に熱交換器を備えて冷却している。レーザ共振器のレーザ管から低圧のガスを吸引し熱交換器に送り込むためのガス圧縮機をその中間に介設し、熱交換器で冷却されたガスが再び共振器のレーザ管に供給される。なお、ガスの補充および更新のために、ガスボンベと真空ポンプを具備している。

このような従来のレーザ発振器装置、すなわちレーザ共振器とガス供給循環路の組み合わせからなる装置は、具体的には図１０に示すとおり、レーザ発振器１０とガスをこのレーザ発振器１０に供給するガス圧縮機ＧＣと、レーザ発振器１０からのガスを冷却する熱交換器１１で構成されている。熱交換器１１はレーザ発振器１０とガス圧縮機ＧＣとを接続する流路Ｒ１に介在されている。レーザ発振器１０の内部はレーザガスが供給される機構を有し、ポンピングによってレーザ光が発射される。熱交換器１３はガス圧縮機ＧＣから送り出されたガスを冷却し、再びレーザ発振器１０に送り込む。このようにガスを循環してレーザ発振器１０を安定させる。

なお、図１０に示すようにレーザ発振器１０とガス圧縮機ＧＣとは流路Ｒ１で接続され、またガス圧縮機ＧＣのガス排出口１Ｈとレーザ発振器１０とは流路Ｒ２、Ｒ３を介して接続されていてガス循環路が構成されている。
また、ガス圧縮機ＧＣは後述するとおり、内部に回転体を保持する必要からその保持部を油潤滑する機構を有し、これによるオイルミストがレーザ発振器１０へ流入しないように、回転駆動部側のモータ室Ｍを流路Ｒ４を介して真空ポンプ１２にて排気している。

さらに、レーザ発振器１０は、その内方のガスを入れ替える場合もあり、そのために流路Ｒ３に流路Ｒ５が接続されて真空ポンプ１２と接続されている。さらにガスの入れ替えのためにガスボンベ１４が準備されていて、流路Ｒ６を介してガスボンベ１４からのガスがレーザ発振器１０に補充できるようになっている。Ｖ１〜Ｖ３は各流路Ｒ１〜Ｒ６の開閉を行わせるための開閉弁である。

他方、ターボ形のガス圧縮機ＧＣの具体的な構成は、図９に示すとおりで、ハウジング１の内方でその上方にターボ翼２が回転可能に配設され、同じく下方にはこのターボ翼２を高速に回転駆動させるモータ６が配設され、両者が回転軸３にて連結されている。このモータ６はハウジング１の側に固設された電極コイル６Ｋと、この電極コイル６Ｋに対応して回転軸３に固設された回転子６Ｍで構成され、電極コイル６Ｋにはインバータ７から電気エネルギーが供給される。

回転軸３は上部転がり軸受４と下部転がり軸受５を介してハウジング１に対し、回転可能に保持されているが、この回転軸３の上方にターボ翼２が固設されている。前記モータ６および回転軸３を保持する上部転がり軸受４と下部転がり軸受５はモータ室Ｍ内に配設されている。
ターボ翼２がモータ６によって高速に回転駆動されると、ガスは流入口１Ｋから流入され、圧縮されて排出口１Ｈより排出される。この流入口１Ｋから排出口１Ｈまでがガス圧縮室Ｃを形成する。この排出口１Ｈからのガスは上記したようにガス循環回路（図示せず）を経てレーザ発振器（図示せず）に供給される。

ところで、回転軸３には図９に示すとおり、軸芯上に中空孔３Ｈが形成されているが、この中空孔３Ｈの下方部は内孔が上方拡がりのテーパ状をなし、これらの下方部位が潤滑用のオイルＬ内に浸漬されている。したがって、中空孔３Ｈの下方域に侵入している潤滑用のオイルＬは、回転軸３の回転による遠心力の作用を受けて中空孔３Ｈの内方を上方に移動し、この作用で中空孔３Ｈはポンプ機能を発揮する。こうして潤滑用のオイルＬは順次上方へ送り出され、射出孔３Ｊと３Ｐより外方に放出されてモータ６の冷却や上部転がり軸受４と下部転がり軸受５の潤滑を行なう。潤滑や冷却を終えた潤滑用のオイルＬは再び下方のオイル槽９に溜められ、再び吸い上げられて循環することになる。

このことからガス圧縮室Ｃとモータ室Ｍとは、シール部８で遮断されるようになっている。具体的には、ハウジング１は上部転がり軸受４の上方位置において回転軸３が非接触で貫通できる範囲の最小径の貫通孔が穿設され、回転軸３と協働してシール部８が形成されている。このシール部８にはたとえばラビリンスシール等が適用される。

他方、モータ室Ｍは流路１Ｓを介して図１０に示す真空ポンプ１２にて真空に排気される。これは上記したように、モータ室Ｍが潤滑用のオイルＬのミストが充満しており、シール部８の小さい隙間からガス圧縮室Ｃに漏洩するのを確実に防止すためである。
ところで、このようなレーザ発振器１０は、たとえばガスレーザ加工機等に実用されるが、たとえば炭酸ガスレーザ加工機においては、レーザ発振器１０に対して炭酸ガスの混合ガスを循環させ、循環路中に介在させたガス励起部にて高電圧を与えることで、ガスレーザを発生させ、レーザを外部に出力するようになっている。そして加工用途に応じたレーザ出力を変更する場合には、励起電圧を変更することで調整するようにしている。
特開２０００−２２２４３号公報

ガスレーザ加工機等に実用されるレーザ発振器装置におけるガス圧縮機ＧＣは、要求されるガス圧縮能力すなわちガス流量の最適値がレーザ出力の値に対応している。このことからガスレーザ加工機を実際に使用する場合において、レーザ出力値（パワー）を変更する場合は、上記したように励起電圧を変更することにより行っている。励起電圧の調整によってガス圧縮機ＧＣにおけるターボ翼２の回転数が制御され、ガス圧が変更される。したがって、ターボ翼２の回転に必要な動力は変更されないため、本来なら不要な動力が入力されていた。すなわち、ターボ翼２の起動力による無駄なエネルギーが費やされていることになる。このためガスレーザ加工によるコストが大きくなり、不経済となっている。
本発明はこのような問題を解決するターボ形ガス圧縮機を提供することを目的とする。

本発明が提供するターボ形ガス圧縮機は、上記課題を解決するために、ガス圧縮を行なうターボ翼とこのターボ翼を高速に回転駆動するためのモータと、前記ターボ翼が内方に配設されるとともにガスを流入させる流入口と圧縮したガスを排出する排出口を有するガス圧縮室とを備えたガス圧縮機において、前記流入口に流入させるガスの圧力損失を可変に制御できる制御手段を設置したものである。この制御手段としてはたとえば流量制御弁が適用され、この流量制御弁がガス流入口に設置される。
さらに本発明が提供するターボ形ガス圧縮機によるレーザ発振器へのガス供給装置は、レーザ発振器から出されるガスをガス圧縮機に導くまでの循環流路にガスの圧力損失を可変に制御できる制御手段を介設したものである。

したがって、レーザ発振器からガス圧縮機までの循環流路における圧力を損失させガス流量が低下される。この流量低下によってガス圧縮機の流入口圧力を低下させることができる。

本発明が提供するターボ形ガス圧縮機は以上詳述したとおりであるから、レーザ出力に対応して容易にガス圧縮機の負荷を低減することができ、しかも運転中も変更ができる。さらに見かけ上のガス圧縮機の流入口の圧力を変化させることなしで圧力損失を調整することができ、翼車にかかる負荷を調整することができる。またこの場合、レーザ発振に関与するレーザ励起部圧力への影響も少ない。以上から弁を調整するだけでレーザ発振能力に応じたガス圧縮機の負荷調整が容易に可能となる。

本発明は、第１にレーザ発振器へのガス供給装置として最適なターボ形ガス圧縮機を提供するものであり、第２にレーザ発振器へガスを最適に供給するガス圧縮機によるレーザ発振器へのガス供給装置を提供するものである。
前者については、上記課題を解決するための手段の項目において明示したように、ターボ形ガス圧縮機におけるガス流入口部にガス圧力損失を可変に制御するための制御手段を設けたものである。この制御手段としてはガス流路の断面積を可変にする種々の工夫を挙げられるが、最良の手段としてはガス流量を制御する流量制御弁を挙げることができる。この流量制御弁であれば、簡略な弁機構を採用でき全体の構成も簡略となり経済的にも有利である。さらに、流量制御弁の中でもバタフライ弁（蝶形弁）がより簡略でかつ操作性がよく優れている。また取り付けも容易であり、自動制御化も容易である。この自動化はより好ましい実施例で、流路中のガス圧力をセンサで検出し、その検出信号でガスの圧力損失を自動的に所望の値に制御するものである。この流量制御弁あるいは自動化のためのセンサの設置はガス圧縮機のハウジングに一定のスペースを有するが、ガス圧縮機の大型化にはならない。

さらに本発明における後者の発明すなわちターボ形ガス圧縮機によるレーザ発振器へのガス供給装置は、レーザ発振器とガス圧縮機を連結するガスの流路にガス圧力損失を可変に制御する手段を介設した点に特徴を有するものである。この制御手段として最良のものは、流路の流量を制御する制御弁の介設である。さらにはガス圧力をセンサで検知してセンサからの出力信号により制御弁を自動的に作動させ圧力損失を制御させるようにすることである。

ところで、レーザ発振器装置の動作特性とガス圧縮機の圧力比との間にはつぎのような関係がある。すなわち、図９に示すガス圧縮機ＧＣにおいて流入口１Ｋの圧力値で排出口１Ｈの圧力値を割った値を圧力比とした場合、この圧力比を生じさせるに必要なガス圧縮機ＧＣの駆動力すなわち動力との間には図７で示すような関係がある。
図７は横軸にガス流量値をとり、左方の目盛は圧力比の値を示し、右方の目盛は動力値を示しているが、太い鎖線Ｐがガス圧縮機ＧＣのガス流量性能特性を示す曲線である。他方、細い実線Ｔはガス圧縮機を駆動するに必要な動力をガス流量との関係で示す曲線を示し、ガス流量が多くなるにしたがって増加する関係にある。なお、流量は１時間あたりの立方メートル値である。

この図７にはガス圧縮機ＧＣをＡ点での駆動とＢ点での駆動を対比する形で示しているが、Ａ点での圧力比による駆動からＢ点での駆動に変動し、圧力損失を若干大きくすると、ガス圧縮機ＧＣの駆動のための動力が低下することがわかる。他方、図８は縦軸に圧力比をとり、横軸にガス流量を示すグラフで、太い鎖線Ｐが図７と同様にガス圧縮機ＧＣにおけるガス流量性能特性の曲線を示し、細い実線Ｒがレーザ発振器１０におけるガス圧力の損失特性を示す曲線である。

まず、本発明が第１に提供するターボ形ガス圧縮機について説明する。
本発明のターボ形ガス圧縮機の構成は図１に示すとおりである。図１においては、機器全体をガス圧縮機ＧＣと表現してその構成が縦断面して示されている。ハウジング１の中央部内方に回転軸３が垂直に配置され、この回転軸３の上方にターボ翼２が軸着されている。この回転軸３はモータ６によって高速に回転駆動されるが、ハウジング１に架設されモータ室Ｍ内に配置された上部転がり軸受４と下部転がり軸受５にて支承される。なお、このモータ室Ｍ内は、オイルミストの発生があるため、後述するとおり流路１Ｓを介して真空ポンプによって排気されるように構成されている。

回転軸３が高速に回転駆動されることにより、この上端に取り付けられたターボ翼２がガス圧縮室Ｃ内にて高速回転され、流入口１Ｋからのガスが圧縮されて、排出口１Ｈより排出される。なお、図１において、図９と同一の符号で示めされる部品は図９と同一の部品、機構であり、詳細な説明は省略する。

さて、本発明が提供するターボ形ガス圧縮機は以上の構成において、流入口１Ｋを延長し、その内方に流入するガスの圧力損失を可変に制御できる制御手段を介在した点に特徴を有している。この制御手段としては弁が有益であり、具体的には流量制御弁ＦＶが好適に適用される。この流量制御弁ＦＶは、流入口１Ｋの内径と同径のバタフライ弁１５と、このバタフライ弁１５を保持する弁軸１６と、この弁軸１６をハウジング１に対して回転自在に保持する軸受１７、１８およびこのバタフライ弁１５を回転駆動する駆動装置１９とより構成されている。

このバタフライ弁１５は駆動装置１９によって９０度の範囲で回転駆動され、流入口１Ｋにおける流路断面積を調整しガスの流入量を制御する。すなわち、ガス圧の圧力損失を可変に調整できるようになっている。なお、図１ではこの流量制御弁ＦＶは簡略に示されているが、実際においてはガスが弁軸１６に沿ってハウジング１の外方に漏れることのないよう、シール手段が介設されることになる。また駆動装置１９については、手動方式の場合はハンドルが装備され、また自動駆動装置の場合、電動機とその出力軸の回転を弁軸１６に伝動する機構が内設される。

以上のような構成によって、駆動装置１９を作動させることにより、バタフライ弁１５が必要とする角度傾動することで、流入口１Ｋの流路断面積が調整される。この調整によってガスの流入口１Ｋのガス圧と排出口１Ｈのガス圧との比、すなわち圧力比が調整できる。したがってレーザ発振器装置のガス循環路に介設されることにより、後述するレーザ発振器の性能を向上する。

したがって、図１に示すガス圧縮機ＧＣが、レーザ発振器装置の要素として使用されるとき、流量制御弁ＦＶを作動させて圧力損失を生じさせると、図８における曲線Ｒは２点鎖線で示す位置へ変移し、圧力比の値はＣ点からＤ点へ移動する。したがって、ガス流量はＥ値からＦ値へと変化する。換言すればガス流量が低減されることになる。このガス圧力の損失すなわちガス流量を調整することで、動力を容易に変更することができるのである。図２は本発明によるガス圧縮機ＧＣがレーザ発振器装置に組み込まれた実施例をブロック図的に示す図で、図１および図１０と同一の符号で示される部品は図１および図１０と同一ないし同様の機能を有するものであり、詳細な説明は省略する。

図３は、ガス圧縮機ＧＣの流入口１Ｋに流入するガスの圧力を検出するセンサ２０を設置し、圧力損失を自動的に制御する第２の実施例を示す。センサ２０からの出力信号に基づいて駆動装置１９が作動する。駆動装置１９には小形モータなどが内設されバタフライ弁１５を作動させる。

つぎに本発明が第２に提供するガス圧縮機によるレーザ発振器へのガス供給装置の実施例を説明する。このガス供給装置は、図４に示されている。この発明によるガス供給装置の特徴は、この図４から明らかなように、レーザ発振器１０からガス圧縮機ＧＣまでのガス流路Ｒ１にガス圧力損失を可変に制御できる制御手段ＣＶを介設した点にある。図４は本発明によるガス供給装置の基本的な構成を示すもので、ＣＶは圧力損失を可変に制御する制御手段であり、具体的には図１に示す流量制御弁ＦＶと同様の構成からなる流量制御弁２１とこの流量制御弁２１を駆動するための駆動装置２２で構成されている。この駆動装置２２は手動の場合はハンドルである。

図５は流路Ｒ１にセンサ２３を接続し、このセンサ２３にて、ガス圧縮機ＧＣに流入するガスの圧力をモニタすることができる制御手段ＣＶを設けた実施例を示している。このセンサ２３からの出力信号にて駆動装置２２が作動する自動方式の例を示している。すなわち、流量制御弁２１が自動的に絞られて圧力を低下させることができ、センサ２３の制御圧力設定値を変更することなく、ガス圧力を低下させることができる。この自動方式の場合、駆動装置２２はパルスモータなどが利用される。センサ２３からの出力信号によりパルスモータが回転駆動され、その回転量がウオーム歯車の伝動機構を介して弁軸を回転させるなどの自動化機構（図示せず）が採用される。

つぎに、流路Ｒ１を複数路に構成した実施例を図６に示す。すなわち、流路Ｒ１に対してバイパス流路ＢＲ１を設け、このバイパス流路ＢＲ１に流量制御弁２４を介設したものである。この実施例では、たとえば流量制御弁２４が全開の状態においても、サージ領域に入らないように各流路（図４に示すＲ２〜Ｒ６）の圧力損失を調整することでガス圧縮機ＧＣの異常振動などに対する防止対策が容易になる利点がある。

本発明が提供する高速回転機器は以上詳述したとおりであるが、発明の構成は上記あるいは図示例に示される構成に限定されるものではなく、種々の変形例をも包含する。圧力損失を可変に制御する手段として最も効率よく簡便な手段は弁機構であるが、弁機構を使用しない手段も含まれる。たとえば、流路Ｒ１を柔軟性の富んだゴムパイプすなわち断面を楕円形の形に変形できるパイプで構成し、流路断面を可変にする機構を採用してもよい。また、流量制御弁を使用する例を示したが、仕切弁などの弁を利用することもでき弁の種類、構成も図示例には限定されない。さらに本発明ではガス圧縮機に流入する流路Ｒ１の圧力を検出する手段としてセンサを示し、その出力信号から駆動装置を作動させる例を示したが、センサに限定されずたとえば圧力検出をベローズなどの機械的な手段で検出し、そのベローズの変位を機械的に流量制御弁の弁軸に伝動する形式の機械的な変形例も含まれる。この場合、ベローズが圧力の検出手段であり、かつその変位が出力信号となる。

本発明が第１に提供するガス圧縮機の構成を示す縦断面図である。 本発明によるガス圧縮機を組合わせたレーザ発振器へのガス供給装置の構成を示す図である。 本発明によるガス圧縮機を組合わせたレーザ発振器へのガス供給装置の構成を示す図である。 本発明が第２に提供するガス圧縮機によるレーザ発振器へのガス供給装置の構成を示す図である。 本発明における変形例を示す図である。 本発明における変形例を示す図である。 本発明におけるガス流量の圧力比と流量との関係を示す曲線図である。 本発明におけるガス流量の圧力比と流量との関係を示す曲線図である。 従来におけるガス圧縮機の構成を示す図である。 従来におけるガス圧縮機によるレーザ発振器へのガス供給装置の構成を示す図である。

符号の説明

１ ハウジング
１Ｈ 排出口
１Ｋ 流入口
１Ｓ 流路
２ ターボ翼
３ 回転軸
３Ｈ 中空孔
３Ｊ 射出孔
４ 上部転がり軸受
５ 下部転がり軸受
６ モータ
６Ｋ 電極コイル
６Ｍ 回転子
７ インバータ
８ シール部
９ オイル槽
１５ バタフライ弁
１６ 弁軸
１７、１８ 軸受
１９、２２ 駆動装置
ＧＣ ガス圧縮機
Ｃ ガス圧縮室
Ｌ オイル
Ｍ モータ室

Claims (6)

1. ガス圧縮を行なうターボ翼とこのターボ翼を回転駆動するためのモータと前記ターボ翼が内方に配設されるとともにガスを流入させる流入口と圧縮したガスを排出する排出口を有するガス圧縮室とを備えたガス圧縮機において、前記流入口に流入するガスの圧力損失を可変に制御する制御手段を設置したことを特徴とするターボ形ガス圧縮機。
2. 制御手段が流量制御弁であることを特徴とする請求項１記載のターボ形ガス圧縮機。
3. ガス圧縮を行なうターボ翼とこのターボ翼を回転駆動するためのモータと前記ターボ翼が内方に配設されるとともにガスを流入させる流入口と圧縮したガスを排出する排出口を有するガス圧縮室とを備えたガス圧縮機において、前記流入口に流入するガスの圧力を検出するガス圧力検出手段と、ガスの圧力損失を可変に制御できる制御手段を設け、ガス圧力検出手段からの出力信号により前記制御手段を作動させるようにしたことを特徴とするターボ形ガス圧縮機。
4. レーザ発振器にガスを供給するガス循環路を有し、このガス循環路内にターボ翼をモータにて回転駆動させてガス圧縮を行うガス圧縮機を介在させるとともに、このガス圧縮機に流入するガスの圧力損失を可変に制御させるための制御手段を設けたことを特徴とするガス圧縮機によるレーザ発振器へのガス供給装置。
5. 制御手段が流量制御弁であることを特徴とする請求項４記載のガス圧縮機によるレーザ発振器へのガス供給装置。
6. レーザ発振器にガスを供給するガス循環路を有し、このガス循環路内にターボ翼をモータにて回転駆動させてガス圧縮を行うガス圧縮機を介在させるとともに、前記ガス圧縮機に流入するガスの圧力を検出するガス圧力検出手段と流入するガスの圧力損失を可変に制御させるための制御手段を設け、ガス圧力検出手段からの信号により制御手段を作動させるようにしたことを特徴とするガス圧縮機によるレーザ発振器へのガス供給装置。
   

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