JP4124310B2

JP4124310B2 - ガスレーザ用熱交換器

Info

Publication number: JP4124310B2
Application number: JP2000096649A
Authority: JP
Inventors: 等佐藤; 夏志鈴木; 和也栗山
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 2000-03-31
Filing date: 2000-03-31
Publication date: 2008-07-23
Anticipated expiration: 2020-03-31
Also published as: JP2001284686A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザのレーザガスを冷却する熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、エキシマレーザ等のガスレーザにおいて、熱交換器をそのレーザチャンバ内に入れてレーザガスを冷却し、レーザの発振効率を向上させる技術が知られている。
図６は、エキシマレーザの構造図である。図６において、エキシマレーザ１は、レーザガスが所定の圧力比で封入されたレーザチャンバ２を備えている。レーザチャンバ２の内部には、放電を起こしてレーザガスを励起する放電電極５，５と、レーザガスをレーザチャンバ２内部で循環させてこの放電電極５，５間に送り込む貫流ファン１４と、放電によって熱を与えられたレーザガスを冷却するための熱交換器３とが、それぞれ所定位置に設置されている。図中矢印２７は、レーザガスの流れを示している。
【０００３】
図７は、従来技術による熱交換器３の構造図である。図７において、従来の熱交換器３は平板状の放熱フィン１７を備えている。放熱フィン１７には孔が設けられ、その孔に接触して複数本のチューブ２８が挿入されて、チューブ２８同士は連結管３６を介して互いに連結されている。そして、チューブ２８の内側に冷却水や冷媒等の冷却媒体３５をレーザチャンバ２の外部から流し、レーザガスを冷却している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来技術には、次に述べるような問題がある。
即ち、このような熱交換器３の製作方法としては、放熱フィン１７に設けられた孔２９に放熱フィン１７と同じ材質のチューブ２８を挿入する。そして、チューブ２８の内部にチューブ２８の内径よりもわずかに外径の大きな球を押し込んでチューブ２８を膨らませ、放熱フィン１７とチューブ２８とを固定する。そして、チューブ２８に同じ材質の連結管３６をろうづけし、チューブ２８同士を互いに連結する。
そのとき、放熱フィン１７に設けられた孔２９の内周とチューブ２８の外周との間には微小な隙間が生じており、このような隙間に、熱交換器３を洗浄した際の洗浄剤やその他の有機溶剤等の不純物が残存することがある。そのため、この熱交換器３をレーザチャンバ２中に入れた際に、上記不純物が蒸発してレーザガスに混入し、放電を妨害したり、内部の光学部品に付着してレーザの発振出力を低下させたりするという問題がある。
【０００５】
また、熱交換器３の熱交換能力を高めるために、連結管３６及びチューブ２８には、銅やアルミニウム等の材料を使用する。そのため、チューブ２８同士を溶接することができず、ろうづけすることになる。その結果、ろうづけされた部位に微小な凹凸が生じ、その凹凸の内部に上記の不純物が残存することがある。そして、やはりこの不純物がレーザガスに混入し、同様の問題を引き起こすことがある。また、ろうづけによって生じる生成物がフッ素と反応してさらに、不純物を生成することがある。
【０００６】
また、レーザチャンバ２は放電電極５，５のアース電位側と接続されているため、熱交換器３にも電流が流れる。そのため、チューブ２８の材質としてアルミニウムを使用すると、内部を流れる冷却媒体３５によって電蝕が起きる。
【０００７】
さらに、上記のような共通の放熱フィン１７にチューブ２８を挿入するような形式の熱交換器３を製作するためには、製作のための金型を起こす必要があり、非常に製作が高価なものになる。また、譬え金型を起こしたとしても、小型化等のためにレーザチャンバ２の形状を変更するようなことがあると、その金型は使用できなくなり、熱交換器３の製作がさらに高価なものになってしまう。従って通常の熱交換器３の形状は、何種類かある既存の形状から選択することになる。ところが、レーザチャンバ２の形状は、小型化のために容量の制限があるため、その内部に熱交換器３をレーザガスの流れを妨げないように配置するのが困難である。
【０００８】
また、ガスレーザにおいては、貫流ファン１４によって起こされるレーザガスのガス流速を高めるほど、良好な放電が得られ、レーザの発振周波数も向上する。そのため、レーザチャンバ２の内壁をレーザガスの流れに対して圧損が少ないような形状に構成したり、流路にレーザガスを導くための案内板を入れたいという欲求がある。ところが、熱交換器３の形状が予め決まっているため、レーザチャンバ２を希望するような形状にしたり、案内板を入れたりすることが困難である。そのため、ガス流速が上がらず、レーザの発振周波数を増加させられないという問題がある。
また、熱交換器３の熱交換能力は、ガス流速が大きい場所に熱交換器３を設置することにより向上する。貫流ファン１４を使用する場合、ガス流速は流路の外周ほど大きいので、レーザチャンバ２の内壁に沿って熱交換器３を配置したいという欲求があるが、既存の形状の熱交換器３を使用すると、それも困難である。
【０００９】
また、金属である熱交換器３は、放電電極５，５から熱交換器３へと放電が起きてレーザの出力が不安定になることがあるため、放電電極５，５からなるべく遠ざけることが望ましい。しかしながら、熱交換器３の形状がすでに決まっている場合には、熱交換器３を放電電極５，５から遠ざけるためには、レーザチャンバ２を大型化させなければならないことがある。
【００１０】
本発明は、上記の問題に着目してなされたものであり、任意の形状に構成可能で、かつ不純物を発生しないガスレーザ用熱交換器を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段、作用及び効果】
上記の目的を達成するために、第１発明は、レーザチャンバの内部に設置したガスレーザ用熱交換器において、放熱フィンを転造によって製作した熱交換チューブを備えている。また第２発明は、第１発明記載のガスレーザ用熱交換器において、前記熱交換チューブがレーザチャンバの内壁に近いほど多く設置されている。
【００１２】
これにより、フィンチューブから転造によって放熱フィンを一体に形成しているので、フィンチューブと放熱フィンとの間に隙間ができず、不純物が溜まってレーザガス内に混入するようなことがない。即ち、熱交換器から不純物が発生せず、レーザガスの汚損が少なくなるので、レーザの出力が安定になり、レーザガスの寿命も長くなる。さらに、このような熱交換チューブを複数本連結して熱交換器を形成するならば、熱交換器を任意の形状に形成可能である。従って、レーザチャンバの内部に熱交換器を隙間なく配置することができ、熱交換効率が上昇する。さらに、レーザチャンバの形状を変更したりガス流を導く案内板を付設したりしても、熱交換器の性能が低下せず、熱交換効率の向上を実施できる。
また、ガスの流速の大きいレーザチャンバの内壁に近い箇所に、多くの熱交換チューブを配置するので、熱交換効率が上がってレーザガスの温度上昇が防止され、レーザの放電が良好になる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図を参照しながら、本発明に係る実施形態を詳細に説明する。尚、前記従来技術の説明に使用した図と同一の要素には同一符号を付し、重複説明は省略する。
【００１４】
まず、第１実施形態を説明する。図１は、本実施形態に係るエキシマレーザ装置の断面図を示している。図１において、エキシマレーザ装置は、例えばフッ素（Ｆ2）、クリプトン（Ｋｒ）、及びネオン（Ｎｅ）を含むレーザガスが所定の圧力比で封入されたレーザチャンバ２を備えている。レーザチャンバ２の内部には、図示しない高圧電源から高電圧を印加して放電を起こし、レーザガスを励起する放電電極５，５と、レーザガスをレーザチャンバ２内部で循環させてこの放電電極５，５間に送り込む貫流ファン１４と、放電によって熱を与えられたレーザガスを冷却するための熱交換器３とが、それぞれ所定位置に設置されている。
【００１５】
このとき熱交換器３としては、転造加工によって形成された熱交換器３を使用している。
転造加工の概念を図２に示す。図２に示すように、転造加工においては、創成される形状の裏になるような凹凸を有する工具２６（この場合にはダイス）を駆動し、摩擦力や接線力を使って素材１８を縦道回転させながら素材１８と工具２６との間で局部的な接触を繰り返し、順次製品形状を作っていく。ここでは、素材として例えば、銅やアルミニウムのような柔らかで熱伝達率が良好な中空の金属からなるフィンチューブ１８を使用し、その外周に放熱フィン１７を形成する。
このとき、フィンチューブ１８の内部にステンレス等のインナーチューブ１９を挿入した状態で放熱フィン１７の転造加工を行なうと、さらによい。これにより、放熱フィン１７を加工する際にステンレスによって柔らかなフィンチューブ１８が内側から支持され、加工が容易になる。また、このインナーチューブ１９の内部を冷却媒体が流れるので、フィンチューブ１８が冷却媒体に触れなくなり、電蝕が起こりにくくなる。
【００１６】
転造加工によって製作された熱交換チューブの構造図を、図３に示す。図３において、銅製のフィンチューブ１８の周囲にはネジ状の放熱フィン１７が転造加工によって一体に形成されている。また、フィンチューブ１８の内周に挿入されたステンレスのインナーチューブ１９は、転造加工によってフィンチューブ１８と隙間なく強固に圧着されている。このような、転造によって互いに圧着された、フィンチューブ１８、その周囲に形成された放熱フィン１７、及びフィンチューブ１８の内部に挿入されたインナーチューブ１９を、熱交換チューブ１６と呼ぶ。
【００１７】
図４に、実施形態に係る、エキシマレーザの熱交換器３を示す。図４において、熱交換器３は図３で説明したような熱交換チューブ１６を長手方向に平行に複数本並べ、インナーチューブ１９同士を、同材質のステンレス製の連結チューブ３７を介して、ＴＩＧ溶接等によって繋ぎ合わせて製作されている。
そして、インナーチューブ１９の内部に冷却媒体３５を通し、チューブの外部を流れるレーザガスを冷却する。
このように、熱交換チューブ１６を長手方向に弧を描くように製作することも可能であり、さらに配置の自由度が高くなる。
【００１８】
図５に、例えば円筒形のレーザチャンバ２を使用した場合に、本実施形態に係る熱交換器３を使用したエキシマレーザの構造断面図の一例を示す。図５に示すように、熱交換チューブ１６をその壁面に合わせた形状に組み合わせ、これらを互いに連結することによって、レーザチャンバ２の内部に熱交換器３を隙間なく配置することが可能であり、熱交換効率が上昇する。また、レーザチャンバ２の形状に自由度が生まれ、エキシマレーザの小型化も可能である。
また、熱交換チューブ１６を組み合わせて熱交換器３の形状を適宜変更することができるので、レーザチャンバ２の形状を変更したりガス流の案内板を付設したりして流速の上昇及び熱交換効率の向上を実施できる。さらに、図５に示すようにフィン同士を互いに重ね合わせるようにして配置することも可能であり、省スペースが実現できるので、エキシマレーザ１の小型化が図れる。
特に、レーザガスの流速は、流路の外周ほど大きいという性質がある。従って、レーザチャンバ２の内壁に沿って多くの熱交換チューブ１６を配置するようにすれば、熱交換効率が上がってレーザガスの温度上昇が防止され、レーザの放電が良好になる。
【００１９】
また、熱交換器３の形状の自由度が高いので、限られたレーザチャンバ２の空間内で、金属である熱交換器３を放電電極５，５から遠ざけて配置することも可能であり、レーザチャンバ２の内部で異常な放電が起こるようなこともない。さらに、レーザチャンバ２を小型化することも可能である。
【００２０】
また、フィンチューブ１８から転造によって放熱フィン１７を一体に形成しているので、フィンチューブ１８と放熱フィン１７との間に、隙間ができず、ここに不純物が溜まってレーザガス内に混入するようなことがない。さらに、インナーチューブ１９とフィンチューブ１８とは、転造加工を行なう際に隙間なく密接に圧着されるので、隙間に不純物が溜まるようなこともない。即ち、熱交換器３から不純物が発生せず、レーザガスの汚損が少なくなるので、レーザの出力が安定になり、レーザガスの寿命も長くなる。
【００２１】
また、インナーチューブ１９の内部に冷却媒体３５を通しているので、フィンチューブ１８が冷却媒体３５と触れることがない。従って、フィンチューブ１８の材質にアルミニウムを使用しても、冷却媒体３５に触れないために電蝕が起きない。即ち、フィンチューブ１８としてアルミニウムを使用することが可能であり、熱交換器３の軽量化が図れ、組み立てやメンテナンスの際などに取り付け取り外しが容易である。
また、インナーチューブ１９同士を連結チューブ３７を介して、ＴＩＧ溶接等の溶接によって連結している。これにより、ろうづけよりも強固で、しかも不純物の生成のない熱交換器３を得ることが可能となる。このとき、例えば真空雰囲気中で電子ビーム溶接するならばさらに溶接の信頼性が高くなり、冷却媒体がレーザガスに触れるようなことがない。
【００２２】
尚、本実施形態では、フィンチューブ１８の内部にインナーチューブ１９を挿入して形成するように説明したが、これに限られるものではない。例えば、フィンチューブ１８の素材を銅としてインナーチューブ１９を挿入せず、このフィンチューブ１８同士を接続してその内部に冷却媒体３５を流すようにしてもよい。
【００２３】
また、本実施形態では、放電によって発振したレーザ光をそのまま出力するエキシマレーザについて説明したが、これに限られるものではない。即ち、レーザチャンバ２から発振されるレーザ光の波長を制御する、狭帯域化のための光学系を備えてもよい。
また、本実施形態ではエキシマレーザについて説明したが、ハロゲンガスを媒体として使用するようなレーザであれば応用可能であり、例えばＦ2レーザ等にも応用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態に係るエキシマレーザ装置の構造断面図。
【図２】転造加工の基本概念を示す概念図。
【図３】転造加工によって製作された熱交換チューブの構造図。
【図４】実施形態に係る、エキシマレーザの熱交換器を示す構造図。
【図５】本実施形態に係る熱交換器を使用したエキシマレーザの断面図。
【図６】エキシマレーザの断面構造図。
【図７】従来技術による熱交換器の構造図
【符号の説明】
１：エキシマレーザ、２：レーザチャンバ、３：熱交換器、５：放電電極、１４：貫流ファン、１６：熱交換チューブ、１７：放熱フィン、１８：フィンチューブ、１９：インナーチューブ、２６：工具、２７：レーザガスの流れを示す矢印、２８：チューブ、２９：孔、３５：冷却媒体、３６：連結管、３７：連結チューブ。

Claims

レーザガスを封止するレーザチャンバ(2)の内部で放電によって加熱されたレーザガスを冷却するためのガスレーザ用熱交換器において、
フィンチューブ(18)の周囲に放熱フィン(17)を転造によって形成した熱交換チューブ(16)を備えたことを特徴とするガスレーザ用熱交換器。
請求項１記載のガスレーザ用熱交換器において、
前記熱交換チューブ (16) がレーザチャンバ (2) の内壁に近いほど多く設置されている
ことを特徴とするガスレーザ用熱交換器。