JP2019102679A

JP2019102679A - レーザー加工機

Info

Publication number: JP2019102679A
Application number: JP2017233147A
Authority: JP
Inventors: 逸峰繆; yi feng Miao
Original assignee: Maanshan City Mingzhu Electronic Tech Co Ltd; Oh Laser Co Ltd
Current assignee: Maanshan City Mingzhu Electronic Tech Co Ltd; Oh Laser Co Ltd
Priority date: 2017-12-05
Filing date: 2017-12-05
Publication date: 2019-06-24
Anticipated expiration: 2037-12-05
Also published as: CN110168821A; US20200099189A1; CN110168821B; JP6446118B1; WO2019111428A1; US10903616B2

Abstract

【課題】レーザー発振器を冷却するための冷却媒体を冷却するペルチェ素子を、小型の家庭用のレーザー加工機の装置本体に内蔵するレーザー加工機を提供すること。【解決手段】装置本体１０と、装置本体１０の内部に収納されたレーザー発振器７１と、レーザー発振器７１を冷却するための冷却媒体を流通させる装置本体１０の内部に配置された冷却媒体流路と、冷却媒体流路を流通する冷却媒体を冷却するペルチェ素子を備えた冷却装置４５と、を備え、冷却装置４５には、ペルチェ素子において発生した熱を放熱するための放熱フィン６２１が接続され、放熱フィン６２１は、装置本体１０の内部の空気を装置本体１０の外部へ排出する排気口１２１へ流れる空気の流れにおける排気口１２１の直上流側に配置されているレーザー加工機１である。【選択図】図７

Description

本発明は、小型の家庭用のレーザー加工機に関する。

従来より、レーザー照射することにより板金を切断等するレーザー加工機が知られている。レーザー照射により加工を行っているときには、レーザー発振器が高温になる。このため、例えば、気体を冷却媒体としてレーザー発振器を冷却し、冷却媒体としての気体をペルチェ素子により冷却する（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１３−２４７１２２号公報

上述のようにペルチェ素子を用いて冷却媒体を冷却する一方では、ペルチェ素子は発熱する。このため、小型で家庭で用いられことも可能なレーザー加工機の装置本体の中に、ペルチェ素子を配置させて、レーザー発振器を冷却するための冷却媒体を冷却することは現実的ではない。

本発明は、レーザー発振器を冷却するための冷却媒体を冷却するペルチェ素子を、小型の家庭用のレーザー加工機の装置本体に内蔵するレーザー加工機を提供することを目的とする。

本発明は、装置本体と、前記装置本体の内部に収納されたレーザー発振器と、前記レーザー発振器を冷却するための冷却媒体を流通させる前記装置本体の内部に配置された冷却媒体流路と、前記冷却媒体流路を流通する冷却媒体を冷却するペルチェ素子を備えた冷却装置と、を備え、前記冷却装置には、ペルチェ素子において発生した熱を放熱するための放熱フィンが接続され、前記放熱フィンは、前記装置本体の内部の空気を前記装置本体の外部へ排出する排気口へ流れる空気の流れにおける前記排気口の直上流側に配置されているレーザー加工機に関する。

ここで、前記空気の流れにおける前記放熱フィンの上流側の部分には、フィルタが固定されていることが好ましい。

また、前記冷却媒体を貯留する貯留部が前記装置本体の内部に設けられていることが好ましい。

また、前記装置本体は、直方体形状を有し、前記レーザー発振器、前記冷却媒体流路、前記冷却装置、前記放熱フィン、及び、前記貯留部は、前記排気口が形成された前記装置本体の奥壁に沿って配置されていることが好ましい。

本発明によれば、レーザー発振器を冷却するための冷却媒体を冷却するペルチェ素子を、小型の家庭用のレーザー加工機の装置本体に内蔵するレーザー加工機を提供することができる。

本発明の第１実施形態によるレーザー加工機を示す前方斜視図である。本発明の第１実施形態によるレーザー加工機を示す後方斜視図である。本発明の第１実施形態によるレーザー加工機の冷却媒体の流路の配置を示す要部斜視図である。本発明の第１実施形態によるレーザー加工機のフィルタを取り除いた様子を示す要部斜視図である。本発明の第１実施形態によるレーザー加工機の冷却装置を示す要部底面図である。本発明の第１実施形態によるレーザー加工機の冷却媒体の流路を示すブロック図である。本発明の第１実施形態によるレーザー加工機のペルチェ素子を冷却するためのフィンを流通する空気の流れを示す断面図である。本発明の第２実施形態によるレーザー加工機を示す要部斜視図である。

以下、本発明の第１実施形態について図面を参照しながら説明する。
レーザー加工機１は、紙やアクリル等の様々な素材に対してレーザー加工を施すことが可能な、小型で家庭においても使用することが可能なＣＯ_２レーザーを用いたレーザー加工機１である。レーザー加工機１は、装置本体１０と、レーザー発振器７１と、冷却媒体流路４２０と、冷却装置４５とを備えている。以下の説明においては、装置本体１０の奥壁１２から前壁１１へと向かう方向を前方向として定義し、その反対の方向を後方向と定義し、これらを前後方向と定義する。また、図１における第２側壁１６から第１側壁１５へと向かう方向を左方向と定義し、その反対の方向を右方向と定義し、これらを左右方向と定義する。また、図１における下壁１４から上壁１３へと向かう方向を上方向と定義し、その反対の方向を下方向と定義し、これらを上下方向と定義する。

装置本体１０は、直方体形状に構成されており、図１に示すように、前壁１１と奥壁１２と上壁１３と下壁１４と第１側壁１５と第２側壁１６とを有する。奥壁１２、上壁１３、下壁１４、第１側壁１５、及び第２側壁１６は、アルミニウム合金製等の板金に塗装が施されて構成されている。

第１側壁１５と第２側壁１６とは対向しており、上壁１３と下壁１４とは対向している。前壁１１の下端、奥壁１２の下端、第１側壁１５の下端、及び第２側壁１６の下端は、全て下壁１４に接続されている。上壁１３の前側寄りの部分には、前壁１１の上部にわたって本体開口部１０１が形成されている。上壁１３の後部には、一対の蝶番１３１を介して上蓋１３２が上壁１３に対して回動可能に支持されている。上蓋１３２は、本体開口部と略同一形状を有しており、本体開口部を閉塞可能である。

前壁１１の内面、奥壁１２の内面、上壁１３及び上蓋１３２の内面、下壁１４の内面、第１側壁１５の内面、及び第２側壁１６の内面は、これらによって取り囲まれた装置本体１０の内部の加工空間１０２を形成している。加工空間１０２には、レーザー加工される被加工物が配置されてレーザー加工される。奥壁１２には、図２に示すように排気口１２１が形成されている。排気口１２１は、直径が１０ｃｍ程度であり、奥壁１２を貫通する円形の貫通孔により構成されており、左右方向における奥壁１２の中央よりも少し左寄りに形成されている。排気口１２１の奥壁１２における外側には、ホース１２２の一端部が接続されている。ホース１２２の他端部には、図示しないブロワが接続されており、レーザー照射をしている最中にブロワが駆動され、ブロワによって加工空間１０２の内部に空気を吸引し、加工空間１０２の外部へ排出する。

装置本体１０の内部であって貫通孔に対向する位置には、図２等に示すように遮蔽板１２３が設けられている。遮蔽板１２３は、排気口１２１の略上半分を塞ぐように配置されており、遮蔽板１２３によって、加工空間１０２から後述のフィン６２１の間を通して、装置本体１０の外部へレーザー光が漏れ出ることを防止する。排気口１２１の略下半分は、後述の下部ケース４０の背板４０１に対向している。下部ケース４０の背板４０１と遮蔽板１２３とは、前後方向において離間している。

加工空間１０２には、案内レール３０が設けられている。案内レール３０は、図１に示すように、加工空間１０２の左右両端にそれぞれ配置された前後方向レール３１と、左右方向に延びて一対の前後方向レール３１を掛け渡すように配置された左右方向レール３２とを有している。左右方向レール３２は、左右方向に平行な位置関係を保ったまま、前後方向レール３１に対して前後方向へ移動可能である。左右方向レール３２には、左右方向レール３２に沿って移動可能な被加工部対向部３３が設けられている。被加工部対向部３３にはミラーが設けられており、レーザー発振器７１から照射されたレーザー光を反射して、被加工物へレーザー光を照射させる。左右方向レール３２及び被加工部対向部３３は、被加工物の所定の位置にレーザーが照射されるように、図示せぬモータにより駆動されて移動する。

加工空間１０２の内部であって、奥壁１２の近傍には、図３に示すように、それぞれ金属製の直方体形状を有する下部ケース４０と、放熱部６０と、発振器ケース７０とが、下壁１４から上方向にこの順で奥壁１２に沿って設けられている。
発振器ケース７０には、レーザー発振器７１が収納されている。レーザー発振器７１は、ＣＯ_２レーザーを照射するガラス製高電圧励起レーザー発振器により構成されている。レーザー発振器７１は、一対の台座７２によって支持されて、金属製の直方体形状の発振器ケース７０の内部において支持されている。

レーザー発振器７１は、円筒形状を有しており、レーザー発振器７１の軸心を中心として同心円状に３重に配置されたガラス管により構成されている。３重に配置されたガラス管において、１番中心寄りの空間と１番外側の空間とには、それぞれ二酸化探査（ＣＯ_２）、窒素（Ｎ_２）、ヘリウム（Ｈｅ）等のガスが流通する。これらの間に位置している空間には、クーラント液等により構成される冷却媒体としての冷却水が、レーザー発振器７１の左端部から右端部へと流通して、レーザー発振器７１を冷却する。

下部ケース４０は、下壁１４に固定されている。下部ケース４０には、電源部４１と、冷却水貯留タンク４２と、温度制御基板４３とが収納されている。冷却媒体を貯留する貯留部としての冷却水貯留タンク４２は、アクリル製であり、直方体形状を有しており、外側全体が断熱スポンジにより覆われて、下部ケース４０の右側の部分の下壁１４に固定されている。なお、冷却水貯留タンク４２は、アクリル製に限定されず、水漏れしない材料により構成されていれば良い。冷却水貯留タンク４２には、クーラント液等の冷却水が数１００ｍＬ（ミリリットル）貯留されている。冷却水貯留タンク４２には、冷却された冷却水をレーザー発振器７１の左端部へ供給する管部材４２１の一端部が接続されており、管部材４２１の中間には、加工空間１０２を遮蔽する図示しない右側の内壁と第２側壁１６との間（サイドパネル内）に配置され、フローセンサを有する水循環ポンプ４２２が設けられている。

管部材４２１の他端部は、レーザー発振器７１の左端部に接続されている。水循環ポンプ４２２が駆動することにより、冷却水貯留タンク４２からの冷却水が、レーザー発振器７１へ流通するように構成されている。また、冷却水貯留タンク４２には、レーザー発振器７１により温度が上昇した冷却水をレーザー発振器７１の右端部から冷却水貯留タンク４２に流通させる管部材４２３の一端部が接続されており、管部材４２３の他端部は、レーザー発振器７１の右端部に接続されている。

電源部４１は、直方体形状を有しており、下部ケース４０の左側の部分の底面に固定されている。電源部４１は、外部から供給された電気を降圧又は昇圧させると共に安定化させて、温度制御基板４３や、レーザー発振器７１等に電気を供給する電源回路を備えている。

図３等に示すように、下部ケース４０内であって電源部４１の上方には、冷却装置４５が設けられている。冷却装置４５は、図５に示すように、直方体形状の金属製の冷却ケース４５１と、冷却ケース４５１の内部に設けられたペルチェ素子４５２と、を備えている。ペルチェ素子４５２は３つ設けられており、それぞれ一辺が３ｃｍの正方形状の板状を有しており、直線状に配置されている。

また、冷却ケース４５１の内部には冷却水を流通させる管部材４５４が配置されている。管部材４５４は、冷却ケース４５１の右端部から左端部へ向かって３つのペルチェ素子４５２にそれぞれ対向して延び、冷却ケース４５１の右端部から左端部において折り返され、冷却ケース４５１の左端部から右端部へ向かって３つのペルチェ素子４５２にそれぞれ対向して延び、冷却ケース４５１の右端部に至る。管部材の一端部及び他端部は、冷却水貯留タンク４２にそれぞれ延びて接続されており、温度が上昇した冷却水は、管部材４５４を通してペルチェ素子４５２に対向する位置に流通されることにより冷却され、冷却された冷却水は、管部材４５４を通して冷却水貯留タンク４２に戻されるように構成されている。管部材４５４、４２１、４２３は冷却媒体流路４２０を構成する。

図３等に示すように、下部ケース４０の左端部の上部には、温度制御基板４３が設けられている。温度制御基板４３は、下部ケース４０の左端部の上板に固定されており、ペルチェ素子４５２が固定されている冷却装置４５の基板に設けられた図示しない温度センサに電気的に接続されている。図示しない温度センサにより、ペルチェ素子４５２の放熱側、即ちペルチェ素子４５２の上側の温度が第１の所定の温度を超えたときに、オーバーヒートを防ぐために、レーザー照射が停止され、ペルチェ素子４５２による冷却が停止される制御が、温度制御基板４３によって行われる。また、温度制御基板４３は、冷却水貯留タンク４２に設けられた図示しない温度センサに電気的に接続されている。図示しない温度センサにより、冷却水貯留タンク４２上部の冷却水の温度が、第２の所定の温度を超えたときに、冷却水の冷却を行うように、ペルチェ素子４５２による冷却が開始される制御が、温度制御基板４３によって行われる。

放熱部６０は、下部ケース４０の上板に固定されている。放熱部６０は、板部材６１と、ヒートシンク６２と、フィルタ６３と、有している。板部材６１は、金属製の板が折り曲げられることにより、前後方向に開口する略直方体形状に形成されている。板部材６１は、下端部が下部ケース４０の上板に固定されており、下部ケース４０の上板と板部材６１とで、ヒートシンク収容空間が形成されている。

ヒートシンク収容空間においては、ヒートシンク６２が下部ケース４０の板面に、熱伝導可能に一体的に接続されて固定されている。ヒートシンク６２は、前後方向及び上下方向へ平行な薄い多数の金属製のフィン６２１により構成されている。フィン６２１と、下部ケース４０の上板と、ペルチェ素子４５２とは、全て金属により構成されているため、ペルチェ素子４５２で発生した熱は、下部ケース４０の上板を介してフィン６２１に伝達するように、熱伝達効率が高く構成されている。

フィルタ６３は、フィン６２１の前面の全面を覆うようにフィン６２１の前面に対して固定されて設けられている。フィルタ６３は、多数のフィン６２１同士の間に、レーザー加工により生じた屑や粉等が入ることを防止する。フィン６２１の後側は、奥壁１２の排気口１２１に遮蔽板１２３を介して対向している。この構成により、フィン６２１は、装置本体１０の内部の空気を装置本体１０の外部へ排出する排気口１２１へ流れる空気の流れにおける排気口１２１の直上流側に配置されている。そしてフィルタ６３は、当該空気の流れにおけるフィン６２１の上流側の部分において固定されている。

ここで、「直上流側」とは、加工空間１０２内のレーザー光が装置本体１０の外部へ漏れ出ることを防止するために必要不可欠な遮蔽板１２３を除いて、排気口１２１のすぐ上流側であることを意味する。従って、本実施形態のように薄い遮蔽板１２３を除けば、フィン６２１が排気口１２１に極めて近傍に位置しており、遮蔽板１２３以外に何も無く、フィン６２１と排気口１２１との距離も極めて近いことを意味する。従って、例えば、フィン６２１と排気口１２１との間に、電源部４１や温度制御基板４３等が存在している場合には、「直上流側」には該当しないことを意味する。

以上のような構成のレーザー加工機１において、ペルチェ素子４５２により冷却水の冷却を行う動作については、以下のとおりである。
図示しない温度センサにより冷却水の温度が第２の所定の温度を超えたことを検出すると、温度制御基板４３は、水循環ポンプ４２２を駆動する制御を行い、冷却水貯留タンク４２の冷却水を、管部材４２１を通してレーザー発振器７１へ供給する。レーザー発振器７１を冷却して温度が上昇した冷却水は、冷却水貯留タンク４２を貫通するように配置された管部材４２３を通して冷却装置４５に配置された管部材４５４へ流通する。冷却装置４５において管部材４５４中の冷却水は、ペルチェ素子４５２によって冷却される。

このとき、冷却水が流通する管部材４５４に対向するペルチェ素子４５２の側に対する反対の側（ペルチェ素子４５２の上側）では、熱が発生する。発生した熱は、板部材６１を介してフィン６２１に伝達され、フィン６２１から、装置本体１０の内部から排気口１２１を介して装置本体１０の外部へ排出される空気（図７の太い矢印Ａ参照）に伝達され、装置本体１０に外部へ放出される。そして、冷却された冷却水は、管部材４５４から冷却水貯留タンク４２へ流入し、冷却水貯留タンク４２に貯留される。

上述の構成によるレーザー加工機１は、以下のような効果を発揮することができる。前述のようにレーザー加工機１は、装置本体１０と、装置本体１０の内部に収納されたレーザー発振器７１と、レーザー発振器７１を冷却するための冷却媒体を流通させる装置本体１０の内部に配置された冷却媒体流路４２０と、冷却媒体流路４２０を流通する冷却媒体を冷却するペルチェ素子４５２を備えた冷却装置４５と、を備える。
冷却装置４５には、ペルチェ素子４５２において発生した熱を放熱するためのフィン６２１が接続され、フィン６２１は、装置本体１０の内部の空気を装置本体１０の外部へ排出する排気口１２１へ流れる空気の流れにおける排気口１２１の直上流側に配置されている。

この構成により、加工空間１０２から排気口１２１を通して装置本体１０の外部へは排出される空気を利用して、冷却水を冷却する一方で発熱するペルチェ素子４５２からの熱を、装置本体１０の外部へ放出することが可能となる。このため、ペルチェ素子４５２を装置本体１０の内部に配置させて、冷却水を冷却するために用いることが可能となる。このため、レーザー加工機１の周囲の気温が４０℃等高い場合であっても、２０℃等の温度まで、冷却水を冷却することができ、レーザー加工を行うことができる。

また、空気の流れにおける放熱フィン６２１の上流側の部分には、フィルタ６３が固定されている。この構成により、多数のフィン６２１同士の間に、加工空間１０２においてレーザー照射により発生した屑や粉体等が入り込み、汚れたり詰まったりしてしまうことを防止することができる。このため、加工空間１０２において発生した屑や粉体を含む汚れた加工空間１０２の空気であって、装置本体１０の内部から外部へと放出される空気を、ペルチェ素子４５２で発生した熱の装置本体１０の外部への排出に用いることが可能となる。

また、冷却媒体を貯留する貯留部としての冷却水貯留タンク４２が装置本体１０の内部に設けられている。この構成により、装置本体１０の外部に冷却媒体を貯留する貯留部を設ける必要がなくなり、レーザー加工機１を駆動する構成をコンパクトにすることが可能となる。

次に、本発明の第２実施形態に係るレーザー加工機について説明する。本発明の第２実施形態に係るレーザー加工機は、第１実施形態に係るレーザー加工機１と比べて、下部ケース４０Ａの構成が、第１実施形態における下部ケース４０の構成とは異なる。これ以外の構成は、第１実施形態における構成と同様であるため、同一の符号を付して説明を省略する。

図８に示すように、下部ケース４０Ａは、一体に成形された金属板が折り曲げられて構成された直方体形状を有している。箱状の部材の上部の左寄りの部分には凹部が形成されており、凹部には、放熱部６０Ａが嵌め込まれるようにして設けられている。放熱部６０においては、前端にフィルタ６３が設けられており、後側にフィン６２１が設けられている。

下部ケース４０Ａの中であって、放熱部６０Ａの下方には、冷却水貯留タンク４２Ａが配置されている。下部ケース４０Ａの中であって、放熱部６０Ａの右側には、電源部４１Ａが配置されている。下部ケース４０Ａの中であって、電源部４１Ａの下方には、温度制御基板４３Ａが配置されている。冷却装置４５は、下部ケース４０Ａの中であって、放熱部６０Ａの下方に配置され、下部ケース４０Ａの上板に熱伝動可能に固定されている。

本発明は、上述した実施形態に制限されることなく、請求の範囲に記載した範囲において、様々な形態で実施することができる。例えば、冷却装置におけるペルチェ素子の個数や配置や寸法は、本実施形態におけるペルチェ素子４５２の個数や配置や寸法に限定されない。また、各部の形状や構成等は、本実施形態における各部の形状や構成等に限定されない。

１・・・レーザー加工機
１０・・・装置本体
１２・・・奥壁
４２、４２Ａ・・・冷却水貯留タンク
４３、４３Ａ・・・温度制御基板
４５、４５Ａ・・・冷却装置
６０、６０Ａ・・・放熱部
６３・・・フィルタ
７１・・・レーザー発振器
１２１・・・排気口
４２０・・・冷却媒体流路
４５２・・・ペルチェ素子
６２１・・・フィン（放熱フィン）

Claims

装置本体と、
前記装置本体の内部に収納されたレーザー発振器と、
前記レーザー発振器を冷却するための冷却媒体を流通させる前記装置本体の内部に配置された冷却媒体流路と、
前記冷却媒体流路を流通する冷却媒体を冷却するペルチェ素子を備えた冷却装置と、を備え、
前記冷却装置には、ペルチェ素子において発生した熱を放熱するための放熱フィンが接続され、
前記放熱フィンは、前記装置本体の内部の空気を前記装置本体の外部へ排出する排気口へ流れる空気の流れにおける前記排気口の直上流側に配置されているレーザー加工機。
前記空気の流れにおける前記放熱フィンの上流側の部分には、フィルタが固定されている請求項１に記載のレーザー加工機。
前記冷却媒体を貯留する貯留部が前記装置本体の内部に設けられている請求項１又は請求項２に記載のレーザー加工機。
前記装置本体は、直方体形状を有し、
前記レーザー発振器、前記冷却媒体流路、前記冷却装置、前記放熱フィン、及び、前記貯留部は、前記排気口が形成された前記装置本体の奥壁に沿って配置されている請求項３に記載のレーザー加工機。