JP2006097569A - ターボ形回転機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 ターボ機構によるガス送風能力を運転中に調節することができるターボ形回転機器を提供する。
【解決手段】 ターボ静翼ＳＢを３本のピンＰ１、Ｐ２、Ｐ３とこの３本のピンＰ１、Ｐ２、Ｐ３を囲繞するテープＴで構成し、しかもこの３本のピンＰ１、Ｐ２、Ｐ３の少なくとも１つのピンＰ３位置を自在に変更できる構成とする。このテープＴは金属材料で製作され柔軟性、曲折可能なものが適用され３本のピンＰ１、Ｐ２、Ｐ３を囲繞してターボ静翼ＳＢを形成する。ピンＰ１、Ｐ２、Ｐ３の上端にはハウジングの天井が配設されターボ静翼ＳＢのガス排出部が構成される。１本のピンＰ３が変位するときテープＴの長さが伸縮できるようテープＴの一端は固定されるも他端側はピンＰ３に多重巻きされ引張バネ１５で常に巻きつけ付勢される。この付勢機構によって１本のピンＰ３が変位したとき、ターボ静翼ＳＢの形を自在に変形させることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、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）にガスを循環供給する場合に有益なターボ形回転機器に関する。

この種のターボ形回転機器は、ハウジング内の上方にターボ機構を配設して、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機構の動翼であるターボ動翼を高速に回転駆動させるモータを配設している（特許文献１参照）。

また、このようなターボ形回転機器は、外部の機器としてのレーザ発振器装置に対してガスを供給する場合好適に使用される。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、レーザ共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、ターボ動翼を高速で回転させてガスを圧縮し、レーザ共振器に供給するターボ形回転機器が使用されている（特許文献１参照）。

このレーザ共振器は、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、他のレーザ共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共振器では、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共振器では、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ターボ形回転機器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。

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８に示すとおり、レーザ共振器ＬＧとガスをこのレーザ共振器ＬＧに供給するターボ形回転機器ＧＣと、レーザ共振器ＬＧからのガスを冷却する熱交換器ＴＫで構成されている。熱交換器ＴＫはレーザ共振器ＬＧとターボ形回転機器ＧＣとを接続する流路Ｒ１に介在されている。レーザ共振器ＬＧ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。ＴＱはターボ形回転機器ＧＣから送り出されたガスを冷却する熱交換器で、再びレーザ共振器ＬＧにガスを送り、循環されることによってレーザ共振器ＬＧを安定させる。

なお、図８に示すようにレーザ共振器ＬＧとターボ形回転機器ＧＣの流入口側とは流路Ｒ１で接続され、またターボ形回転機器ＧＣのガスの排出口側とレーザ共振器ＬＧ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。なお、図８において２はターボ動翼であり、５はモータ６に電気エネルギーを供給するインバータ、そしてＭはモータ室である。

他方、ターボ形回転機器ＧＣの具体的な構成は、図７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動翼２が回転可能に配設され、同じく下方にはこのターボ動翼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５から電気エネルギーが供給される。

回転軸３は上部軸受４と下部軸受（図示せず）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の上方の取付軸３Ｓにターボ動翼２が固設されている。前記モータ６および回転軸３を保持する上部軸受４と下部軸受（図示せず）はモータ室Ｍ内に配設されている。
ターボ動翼２がモータ６によって高速に回転駆動されると、その外周に配設されたターボ静翼（図７には開示されていない）と協働して、ガスが流入口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、図８に示すようにガス循環の流路Ｒ２、Ｒ３を経てレーザ共振器ＬＧに供給される。

このことからガス圧縮室Ｃとモータ室Ｍとは、シール部７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７が形成されている。このシール部７にはたとえばラビリンスシール等が適用される。

ところで、ガス圧縮機能を行うターボ機構は図６に示されている。図６は図７のターボ形回転機器ＧＣの上方部のみを断面してより具体的に示すが、ターボ機構は取付軸３Ｓに取り付けられ、図７に示すモータ６にて高速に回転駆動されるターボ動翼２と、このターボ動翼２の外方周囲に配設されたターボ静翼ＳＢ（固定翼）にて構成され、これらが有機的に機能するようにハウジング１に内設されている。ターボ静翼ＳＢは図６ではブロックで図示されているが、具体的には図５から明らかなとおり、ターボ静翼ＳＢの主体をなす翼片Ｂが多数個（図示例では１９個）環状底盤８の上面に固設されている。この翼片Ｂは一定の厚さを有しており、この翼片Ｂの上面には図示していないが環状の上盤が対向して接合される。このようにして等間隔に一定の距離（間隙）を有して並設され、それぞれの間隙からガスが外方へと流出するようになっている。ターボ静翼ＳＢの各翼片Ｂは一定の傾斜角度θを有して底盤に固定保持されている。この傾斜角度θを変更することによりガスの流出量が調節できるが、従来ではこの角度を変更する方式は採用されていない。

他方、モータ（図６には図示せず）にて回転されるターボ動翼２も多数個の羽根が周辺に一定の角度で傾斜して並設されている。このようにしてターボ動翼２の回転により外方に放出されたガスがターボ静翼ＳＢに放出され圧縮されてポンプ機能を行い、ガスは外部すなわち図８に示すレーザ共振器ＬＧに供給される。
さて、以上図５から図８について説明してきたが、炭酸ガスレーザ加工機などにおいては、上記のとおりレーザ発振器装置のガス循環路内でターボブロワが介設され炭酸ガスの混合ガスを循環させている。そして、このターボブロワとして機能するのが上記したターボ形回転機器ＧＣである。ガス循環路中に備えたガス励起部において高電圧を与えてレーザを発生させ、このレーザを外部に出力させ、工作機械として溶接、溶断などが行われる。
特開２０００−２２２４３号公報

このようなレーザ加工においては、加工の種類、被加工材の状況、加工の仕方さらには加工環境などによりレーザの出力を変更する場合が生じる。そしてこのレーザ出力の変更を行う場合、従来ではインバータ５から供給される電気エネルギーの励起電圧を調節して変えることにより対応させていた。
ところでターボ形回転機器ＧＣとレーザ共振器ＬＧとの関係ではレーザ出力がガス流量におおよそ比例する傾向で対応しており、したがってガス送風能力が重要な事項となる。ここでガス送風能力を示すガス圧力比ＰＲＣとガス流量Ｑとの関係をみると図４に示すとおりである。

図４に示すとおりガス圧力比ＰＲＣを縦軸にとりガス流量Ｑを横軸にとると、圧力比・流量特性ＰＱは右下がりの曲線となる。他方、レーザ発振器装置のガス圧力損失特性ＰＲは右上がりの放物曲線となる。この両特性ＰＱとＰＲの交点であるＡ点が運転ポイントとなり、ガス圧力比ＰＲＣとガス流量Ｑでターボ形回転機器ＧＣが運転されることになる。
このような状態においてターボ動翼２の傾斜角度θをさらに大きくすなわちさらに傾斜させる（いわゆるねかせる）と、低流量域にて圧力比が大きくなり、ターボ形回転機器ＧＣの圧力比・流量特性ＰＱは立ち上がり特性ＰＱ−２となってＡ２が運転ポイントとなり、反対にターボ動翼２の傾斜角度θを小さくすなわち立ち上がらせると高流量域において圧力比が大きくなり、ターボ形回転機器ＧＣの圧力比・流量特性ＰＱは特性ＰＱ−１となってＡ１が運転ポイントになる。

従来のようにレーザ共振器ＬＧの出力を変更する場合、励起電圧を調整して変更した場合、出力は変更されてもブロワの運転ポイントに変更がないことで、ガス流量Ｑが余分に送風されることで余分なブロワ仕事（動力）が消費することで事態が起きる。経済的に大きな損失となっていた。
本発明はこのような問題を解決するターボ形回転機器を提供しようとするものである。

本発明が提供するターボ形回転機器は、上記課題を解決するために、ガス圧縮を行なうターボ動翼とターボ静翼との組み合わせからなるターボ機構と、このターボ機構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ハウジングと、前記ターボ動翼を回転駆動するためのモータとを備え、前記圧縮されたガスを排出口から外部の機器等に排出するようにしたターボ形回転機器において、前記ターボ機構におけるガス流量特性を調節する機構を設けたものである。

このガス流量特性調節機構は、ターボ静翼の傾斜角度を調節する傾斜角度調節機構で構成する。したがって、ターボ静翼の傾斜の調節でガス流量の調整が正確に行われる。傾斜角度調節機構は、ターボ静翼を３個のピンを囲繞するテープで形成するとともに、３個のピンの内少なくとも１個を相対的に変位させる変位機構で構成する。したがって、ターボ静翼を簡単な機構で構成できるとともに傾斜角度を運転中に正確かつ容易に調節することができる。

本発明が提供するターボ形回転機器はガス流量を運転中に調節することができ、不要なガス循環を解消するとともに、レーザ共振器などへのターボブロワとして利用するとき、レーザ出力を自在かつ容易に調節することができる。しかもこのガス流量を精密に調節できガス圧縮の負荷を可及的に軽減させることができる。レーザ出力と必要ガス流量の関係（条件）をあらかじめデータ入力しておき、レーザ出力の指令に沿うようターボ静翼の角度を調節しレーザ発振能力に対応できるガス送風機を提供できる。

本発明は、ガスの供与を必要とする外部機器たとえばレーザ共振器へのガス供給に最適なターボ形回転機器を提供するものである。
この場合、ガス圧縮の機能上の主要部であるターボ機構は、モータにて高速回転されるターボ動翼と、これに対応するターボ静翼とから構成されるが、従来よりターボ静翼は機器に固定的に設置されている。したがってターボ静翼の傾斜角度を調節する場合は運転を中止し、１枚１枚ターボ静翼を取り外し、傾斜角度を変更して設置するものである。本発明はこの点を解決し、ターボ静翼の傾斜角度を運転中変更できる構成としたものである。この傾斜角度調節機構としてはターボ静翼を１本の支軸で保持し、この支軸を回転させる方式も考えられるが、この方式はガス流量の調節範囲に一定の限界がある。最良の形態としてはターボ静翼の形状あるいはその傾斜角度を自在に変更できる構成である。

具体的には本発明におけるターボ形回転機器は、ターボ静翼を３本のピンとこの３本のピンを囲繞するテープで構成し、しかもこの３本のピンの少なくとも１つの位置を自在に変更できる構成とする。このテープは金属材料で製作され柔軟性、曲折可能なものが適用され３本のピンを囲繞してターボ静翼を形成する。なおテープはベルトないしリボンを適用してもよく、要はターボ静翼を形成する帯状の薄状体であればよい。しかもこのテープの幅はピンの高さに等しく、ピンの上端すなわちテープの上端にはハウジングないし天井を形成する上盤が配設されターボ静翼のガス排出部が構成される。１本のピンが円周方向に変位するときテープの長さが伸縮できるようテープの一端は固定されるも他端側はピンに多重巻きされバネで常に巻きつけ付勢された形が好ましい。この付勢機構によって１本のピンが変位したときテープの長さが長くなるときは繰り出され、テープの長さが短くなるときはピンに巻き込まれて長さ調節がされ、緊張してターボ静翼の形を自在に変形させることができる。
以下実施例にしたがって本発明の構成を説明する。

まず、本発明が提供するターボ形回転機器の第１の実施例を図１にしたがって説明する。
図１は、図７におけるターボ形回転機器ＧＣのハウジング１内に設置されるターボ静翼ＳＢの構成を斜視的に示している。本発明においては上述のとおり、ターボ静翼ＳＢの構成に特徴があり、したがってこのターボ静翼ＳＢの構成を中心に説明する。
図１において８Ｓは外方側の環状底盤で内方側の環状底盤８Ｎと同心状に配設され、かつこの環状底盤８Ｓは固定の環状底盤８Ｎに対して相対的に回転できるよう構成されている。この回転駆動機構ＲＤは後述するが、環状底盤８Ｓにはターボ静翼ＳＢを構成するための２個のピンＰ１、Ｐ３が対をなして等間隔で円周状に植設されている。この２個のピンＰ１、Ｐ３と協働する内方のピンＰ２が環状底盤８Ｎ側に植設され、この３本のピンＰ１、Ｐ２、Ｐ３で１個のターボ静翼ＳＢが形成される。

すなわち１本の長いテープＴは、その一端が環状底盤８Ｓに回転できない状態で植設されピンＰ１に固着されている。具体的にはピンＰ１に固着用の割溝が設けられていて、この割溝にテープＴの一端が挿入固定されている。このテープＴの他端側は内方側の環状底盤８Ｎに植設されたピンＰ２を左側より囲繞して右方に伸延され環状底盤８Ｓの第３のピンＰ３に巻き取られている。このピンＰ３に対してはピンＰ１と同様割溝にテープＴの他端が挿入固定されているが、ピンＰ３に何重にも巻かれている。
ところで、この第３のピンＰ３には、図１に示すとおり、環状底盤８ＳにピンＰ３と一体のピン軸ＰＳが貫設され、下方に円筒部Ｅが一体的に形成されている。この円筒部Ｅには円周溝ＣＭが形成され、この円周溝ＣＭに付勢用ワイヤＷが２〜３回巻回されている。付勢用ワイヤＷは引張バネ１５によって牽引されていて、したがってピンＰ３は図示矢印Ｒ方向に回転付勢されている。この付勢方向はテープＴを常に緊張させるとともに、ピンＰ３からテープＴが繰り出されるのを許容する。１６は引張バネ１５の弾力を調整する調整ねじである。

他方、環状底盤８Ｓの外周端にはアーム９が突設され、このアーム９の外方端には円弧状にラック歯９Ｇが形成されている。このラック歯９Ｇの近傍には固定枠１７が設置され、この固定枠１７には前記ラック歯９Ｇに噛合するウオーム歯車１４に回転自在に保持されている。ウオーム歯車１４は一端に傘歯車１２が固定された回転軸１３に取り付けられている。また傘歯車１２には調節つまみ１０の軸に取り付けられた傘歯車１１が噛合している。したがって調節つまみ１０を回転操作することによって傘歯車１１、１２を介してウオーム歯車１４が回転し、ラック歯９Ｇが環状底盤８Ｓの円周方向に変位し、結果として環状底盤８Ｓが矢印Ｋ方向に回転することになる。このラック歯９Ｇからウオーム歯車１４そして調節つまみ１０までの回転伝動機構によって環状底盤８Ｓの回転駆動機構ＲＤが構成されている。この回転駆動機構ＲＤは前記したように図７におけるハウジング１の内方で操作できる所定位置に配設される。

上記回転駆動機構ＲＤの作動によって環状底盤８Ｓが矢印Ｋ方向に回転すると、ピンＰ１とＰ３がピンＰ２に対して相対的に変位し、テープＴがピンＰ３から繰り出され、角度の異なるターボ静翼ＳＢの形に変形する。傾き角度も変えられる。テープＴの繰り出しは自在に行われるものの、ピンＰ３にはＲ方向の回転付勢力が作用しているのでテープＴは常に緊張状態が維持される。図１に示す第１の実施例においてももちろん環状底盤８Ｓに対応する環状上盤(図示せず)がピンＰ１〜Ｐ３の上面に接して張設される。具体的には環状上盤にはピンＰ３の上部凸部に嵌合する穴が形成され、各ピンＰ３に係合されることになる。３個のピンＰ１〜Ｐ３で形成される１個１個のターボ静翼ＳＢが環状底盤８Ｓと環状上盤との間に形成され、ターボ機構を構成する。

テープＴの巻き込み、繰り出しを行うピンＰ３は、図１に示すとおり１個置きに配設されており、この１個置きのピンＰ３の下方位における円筒部Ｅに円周溝ＣＭが形成されていて、それぞれの円周溝ＣＭに１本の長い付勢用ワイヤＷが連続して巻回されており、結局１個置きの各ピンＰ３すなわち円周におけるすべてのピンＰ３に引張バネ１５による牽引力が作用している。このようにして調節つまみ１０を必要により回転操作させることでウオーム歯車１４とラック歯９Ｇの螺合により環状底盤８Ｓが必要とする角度だけ回転したとき、各テープＴは必要量が繰り出され、このテープＴで形成される各ターボ静翼ＳＢの傾斜角度が自在に調節されることになる。

本発明における第２の実施例は図２に示されている。この第２の実施例は、第１の実施例の構成を基本とし、新たな機能を加えたものである。すなわち第１の実施例では環状底盤８Ｓに２個のピンＰ１、Ｐ３が植設され、これらが一体で移動する形式のものであったが、この第２の実施例では第１の実施例におけるピンＰ１が変位しない固定方式で、ピンＰ３のみが移動する形式のものである。
この第２の実施例においては、環状底盤８Ｓの下方に固定の環状基盤８Ｋが付設されている。この環状基盤８Ｋには内方側の環状底盤８Ｎと一体に構成されてもよい。ピンＰ１が固定状態で環状基盤８ＫにこのピンＰ１の立設位置に案内溝８Ｍが穿設されている。この案内溝８Ｍを介してピンＰ１が植設されている。この案内溝８Ｍの大きさは、ターボ静翼ＳＢの調節範囲を考慮して調節できる設定範囲を調節できる限度で設定されている。なお、図２において図１と同一の符号で示される部品は図１と同一であり、詳細な説明は省略する。

本発明における第３の実施例は、第１、第２の実施例のようなテープを利用してターボ静翼ＳＢを構成する例ではなく、従来における板状のターボ静翼ＳＢを利用する方式のもので、多数枚の板状のターボ静翼ＳＢを利用するもので、その傾斜角度を調節できるように構成する。第３の実施例は図３に示されている。
図３においてターボ静翼ＳＢの翼片Ｂは、それぞれが環状底盤８Ｓに対して固定的でなく、それぞれ支軸ＹＳにて環状底盤８Ｓに取り付けられている。しかも各支軸ＹＳにはピニオン歯車ＰＧが固定されている。他方、環状底盤８Ｓには環状の内歯形ラックＬＫが回転可能に図７に示すターボ形回転機器ＧＣにおけるハウジング１に取り付けられている。この内歯形ラックＬＫの回転駆動機構ＲＤとしては図１に示すウオーム歯車１４とラック歯９Ｇとの組み合わせによる機構を採用することもできる。もちろん他の機構を採用することもできる。ピンＰ３を円周方向のみでなく、直線的に移動させることもできる。
このようなターボ静翼ＳＢの調節機構により、内歯形ラックＬＫを回転させると各ピニオン歯車ＰＧが同一方向に回転し、全ての翼片Ｂを回転揺動させることができる。この回転による揺動でターボ静翼ＳＢの傾斜角度を調節させることができる。

本発明の特徴は以上詳述したとおりであるが、上記各実施例ならびに図示例に限定されるものではなく、種々の変形実施例を包含するものである。たとえば第３の実施例方式の場合、図１の実施例と同様にワイヤ連結で各翼片の支軸を連動回転させるようにすることも可能である。

本発明が提供するターボ形回転機器の第１の実施例の構成を示す縦断面図である。 本発明が提供するターボ形回転機器の第２の実施例の構成を示す縦断面図である。 本発明が提供するターボ形回転機器の第３の実施例の構成を示す縦断面図である。 本発明が提供するターボ形回転機器の作動特性を説明するための図である。 従来におけるターボ形回転機器のターボ静翼の構成を示す図である。 ターボ形回転機器におけるターボ機構の部分を示す縦断面図である。 ターボ形回転機器における機構を示す縦断面図である。 従来におけるターボ形回転機器によるレーザ共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
２ ターボ動翼
３ 回転軸
３Ｓ 取付軸
４ 上部軸受
５ インバータ
６ モータ
６Ｍ 回転子
６Ｋ 電極コイル
７ シール部
８、８Ｎ、８Ｓ 環状底盤
８Ｋ 環状基盤
８Ｍ 案内溝
９ アーム
９Ｇ ラック歯
１０ 調節つまみ
１１、１２ 傘歯車
１３ 回転軸
１４ ウオーム歯車
１５ 引張バネ
１６ 調整ねじ
１７ 固定枠
Ｂ 翼片
Ｃ ガス圧縮室
ＣＭ 円周溝
Ｅ 円筒部
ＧＣ ターボ形回転機器
ＬＧ レーザ共振器
ＬＫ 内歯形ラック
Ｍ モータ室
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３ ピン
ＰＧ ピニオン歯車
ＰＳ ピン軸
ＰＲＣ ガス圧力比
ＰＲ 圧力損失特性
ＰＱ 圧力比・流量特性
Ｑ ガス流量
ＲＤ 回転駆動機構
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３ 流路
ＳＢ ターボ静翼
Ｔ テープ
ＴＫ、ＴＱ 熱交換器
熱交換器
Ｗ 付勢用ワイヤ
ＹＳ 支軸
θ 傾斜角度

Claims (3)

1. ガス圧縮を行なうターボ動翼とターボ静翼との組み合わせからなるターボ機構と、このターボ機構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ハウジングと、前記ターボ動翼を回転駆動するためのモータとを備え、前記圧縮されたガスを排出口から外部の機器等に排出するようにしたターボ形回転機器において、前記ターボ機構におけるガス圧力比を調節するガス圧力比調節機構を設けたことを特徴とするターボ形回転機器。
2. ガス圧力比調節機構は、ターボ静翼の傾斜角度を調節する傾斜角度調節機構で構成したことを特徴とする請求項１記載のターボ形回転機器。
3. 傾斜角度調節機構は、ターボ静翼を３個のピンを囲繞するテープで形成するとともに、３個のピンの内少なくとも１個を相対的に変位させる変位機構を設けたことを特徴とする請求項２記載のターボ形回転機器。
   

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