JP4617660B2

JP4617660B2 - ターボ形回転機器

Info

Publication number: JP4617660B2
Application number: JP2003367518A
Authority: JP
Inventors: 浩司堀川
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2003-10-28
Filing date: 2003-10-28
Publication date: 2011-01-26
Anticipated expiration: 2023-10-28
Also published as: JP2005133567A

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）にガスを循環供給する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たターボ形ガス圧縮機が主体をなしている。このターボ形ガス圧縮機における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、このようなターボ形ガス圧縮機は、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ターボ形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６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に供給するターボ形ガス圧縮機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とターボ形ガス圧縮機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はターボ形ガス圧縮機ＧＣから送り出されたガスを冷却して再びレーザ発振器１０に送り、ガスを循環されることによってレーザ発振器１０を安定させる。

なお、図６に示すようにレーザ発振器１０とターボ形ガス圧縮機ＧＣとは流路Ｒ１で接続され、またターボ形ガス圧縮機ＧＣのガスの排出口１Ｈ（図５）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、ターボ形ガス圧縮機ＧＣには後述するとおり、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、ターボ形ガス圧縮機ＧＣの具体的な構成は、図５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６）を経てレーザ発振器（図６）に供給される。

ところで、回転軸３には図５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油槽９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は再び下方の油槽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は上述したとおり図６に示す流路Ｒ１、開閉弁Ｖ１、そして真空ポンプ１２からなる排気系が接続されている。図５ではより具体的に示され、排気路１５（図６の流路Ｒ４と同じ）を介して真空ポンプ１２にて真空に排気される排気系ＥＳが設置されている。図５はターボ形ガス圧縮機ＧＣとモータ室Ｍの排気系ＥＳからなるターボ形回転機器の全体の構成が示されている。
この排気系ＥＳが設置される理由をより詳しく説明すると、軸受に潤滑用オイルを使用するターボブロワをレーザ発振器に搭載して用いる場合には、ターボ形ガス圧縮機内部オイルがレーザ発振器のガス流路に流入しないよう、オイルが入っている軸受保持室とガス圧縮部の間にはラビリンスシール等のシール部８を有するとともにオイルが入っているモータ室Ｍを常にガス圧縮部より低圧とするため、モータ室Ｍは、外部の真空ポンプ１２にて排気する。このモータ室Ｍの真空排気より、レーザ発振器内圧力が低下することを防ぐために発振器には、定常的にレーザガスを供給する。この真空排気量が多くなるとレーザガスの消費量が多くなり、ランニングコストが高くなる。これに対し、真空排気量が減少すると、ブロワ内のシール部の差圧が低下する。したがって、オイルがガス循環部に逆流する可能性がある。このため、ガス流量の制御は必要であるため、排気系ＥＳに開閉弁Ｖ１等を備え、真空排気量を真空ポンプ１２の下流（大気側）に備えた流量計（図示せず）等を用いて計測し開閉弁Ｖ１で調整する。開閉弁Ｖ１として具体的にはニードル弁が使用されていた。
特開２０００−２２２４３号公報

真空ポンプには、モータ室からの真空排気とともに、レーザ発振器のガス循環部からも真空排気できるよう接続され、定格運転中は両方からひくこととなっている。このため、ターボブロワの真空排気量を計測するためには、レーザ発振器とガス循環部からの真空排気ラインを閉じて計測する必要があり、定格運転中に測定することはできなかった。またブロワ運転前（静止中）には発振器内部の圧力を一定にして調整する必要があった。
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することを目的とする。

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翼と、この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、前記ターボ翼に回転軸を介して回転駆動するためのモータと回転軸およびこの回転軸を保持する軸受を収容するとともに軸受を油潤滑するための油槽ならびに油潤滑機構を収容したモータ室と、この圧縮室とモータ室との隔壁における回転軸の貫通部をシールするシール部とからなるターボ形ガス圧縮機と、このターボ形ガス圧縮機におけるモータ室に連通する排気路から真空ポンプによってモータ室の排気を行う排気系とを備え、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、前記排気系に排気量を調節するための弁と、この弁の前後における排気系にそれぞれの端部が接続され、内方にオイルが収容され、内方が前記油槽と連通したＵ字管を設置したものである。この弁としてはたとえばニードル弁が適用される。

したがって、このニードル弁の調整により、Ｕ字管内の液面高さが上下し、この液面高さの差がニードル弁前後の圧力差となる。ブロワ定格運転中にはインペラ背面の圧力は一定であることから、このニードル弁の差圧からシール部の前後差圧およびガス排気流量を知ることができる。

本発明が提供するターボ形回転機器は運転中にターボブロワの真空排気流量を計測でき、運転中のシール差圧、流量を正確に把握、あるいは調整できる。すなわち、回転軸の貫通部（シール部）における両室の差圧とこのシール部におけるガス流量についての初期および経時変化を確認できる。またＵ字管内の液体を潤滑用オイルで兼用でき、この兼用によって管理しやすくコスト低減化も図れる。さらに潤滑用オイルの油槽における油面計とガス流量計を兼用でき、初回調整およびメンテナンス調整の作業性を向上できる。

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発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、ターボ形ガス圧縮機は、その機能性、経済性、そして操作性などの条件から、高速回転を保障する回転体、特に回転軸の軸受とその軸受潤滑を油で行わせる方式のものを前提としている。この前提条件においては、ガス圧縮室とモータ室との差圧がきわめて重要事項となり、これを解決すべくモータ室の排気系を改良したものである。すなわち、真空排気系に排気量の計測機構を設けた点に特徴がある。この最良の実施形態としては、外部へのガスの供給を適正し、かつ真空排気量を自動的に調整しながら計量できる較正とすることである。

具体的には本発明におけるターボ形回転機器は、モータ室を真空排気する排気系の改良に係るものであり、その排気系すなわち排管に弁が介設される。この弁の種類としては従来と同様にニードル弁が適用され、ニードル弁の弁軸方向変位によって排気量が調整される。そして、このニードル弁の前後における排気系にＵ字管が接続される。このＵ字管はバイパス路を形成することになるが、内方には液体、具体的かつ理想的には潤滑油すなわち油槽のオイルが充填される。この油液の収容によってＵ字管の垂直方向配管には両方に液位が形成されるが、真空排気されている関係で両配管の液位には差が生じる。この差が差圧を示すことになる。このＵ字管が潤滑油の油槽と連通される場合にはこの差は排気量をあらわすことになる。
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の実施例について説明する。
本発明のターボ形回転機器の構成は図１に示すとおりである。本発明においては上述のとおり、排気系の改良に特徴があり、したがって機器主体をなすターボ形ガス圧縮機ＧＣについては、従来（図５）とかわるところがなく、排気系を中心に説明する。なお、図１においては排気を行うための真空ポンプ（図５の１２）は図示されていない。また図１において図５と同一の符号で示される部品は図５と同一の機能を有し作動するものであって、詳細な説明は省略する。
図１において１６は排気路１５に介設されたニードル弁である。そしてこのニードル弁１６の前後の排気路１５には、それぞれの配管の先端が接続されたＵ字管１７が介設されている。このＵ字管１７は透明の配管で構成されている。このＵ字管１７はニードル弁１６に対しバイパス路を形成することになっていて、しかも内方には液体Ｅが収容されている。この液体Ｅとしては油槽９のオイルＬが使用されるのが好ましい。

さて、本発明が提供するターボ形回転機器は以上のような構成からなるもので、ニードル弁１６の介在により排気路１５の前後に差圧が発生する。これはニードル弁１６の介在による流路抵抗のためである。この差圧が液体Ｅによる液位の差Ｈとなってあらわれる。この液位の差Ｈは排気流量に比例しており、この差から排気流量を推定することができる。そして、排気流量が所定値より多い場合はニードル弁１６を作動して調整することになる。

図２は、本発明が提供するターボ形回転機器の第２の実施例で、ニードル弁１６の前後の差圧をより具体的に表示する機構を設けた構造を示している。すなわち、１８は液柱上に浮遊するフロートで目盛が付されている。このフロート１８の目盛と右側配管の液位とから、液位の差Ｈが容易に観測できる。そして排気流量もより適正に調整できる。ただ厳密にはフロート１８の重量を考慮する必要があり、その重量を減算した値が圧力差となる。この考慮は目盛の付し方で処理することもできる。なるべく軽量なフロートを使用するのが望ましい。なお、図２において図５と同一の符号で示される部品は図５と同一の機能を有し作動するものであって、詳細な説明は省略する。

つぎに本発明が提供するターボ形回転機器の第３の実施例を説明する。このターボ形回転機器は図３に示されているが、この発明はＵ字管１７の内部が油槽９の内部と連通されている点に構成上の特徴がある。ハウジング１には連通孔１Ａが形成され、この連通孔１ＡとＵ字管１７が連通路１９にてＵ字管１７の内方に連通されている。したがって、Ｕ字管１７におけるターボ形ガス圧縮機ＧＣ側の配管内の液位は、上方空間が連通している関係で同じ高さにある。他方、反対側の配管の液位は上位にあり、この両配管の液位の差Ｈが排気流量をあらわしている。すなわち排気流量が直接的に観測できる点に大きな特徴がある。なお２０は油面計で油槽９内の油面を外方より確認できることになる。また図３において図５と同一の符号で示される部品は図５と同一の機能を有し作動するものであって、詳細な説明は省略する。

本発明が提供するターボ形回転機器の第４の実施例は図４に示すとおりである。Ｕ字管１７における両配管の液位差を検出する検出器２１と、この検出器２１からの出力信号によってニードル弁１６の作動を調整する調整器２２が設けられている。ターボ形ガス圧縮機ＧＣから供給される外部機器のガス使用状況によって、ガス圧縮室Ｃの圧力変動が生じると排気系ＥＳにおける排気量が変動する。すなわち多くなる、あるいは排気量が少なくなる場合が生じ、差圧が変動する。この場合、この変動を適確に検出し、適正な排気量にすべくニードル弁１６を即座に調整する必要がある。本発明の第４の実施例はこの要望に沿えるものである。図４において、フロート１８はたとえば磁性体材料で形成されかつその断面積が軸芯方向に変化していて、上下方向に変位するとき、検出器２１の位置で磁気容量が異なるように構成されている。したがって、液位の変化でフロート１８が上下動すると検出器２１から信号が出力される。この信号はニードル弁１６の駆動を制御、調整する調整器２２に入力され、ニードル弁１６が排気路１５を適正に開閉制御するようになっている。この場合フロート１８には目盛は不要であり、またＵ字管１７も透明でなくてもよい。なお、図４において図５と同一の符号で示される部品は図５と同一の機能を有し作動するものであって、詳細な説明は省略する。

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、図１の実施例と図２の実施例を共に含む構成とすることもできるし、また図３と図４の実施例を共に含む構成とすることもできる。あるいは上記以外の組み合わせすなわち図２と図３の実施例を共に含む構成とすることもできる。また、排気路１５に介在させる弁についてはニードル弁１６を例に説明してきたが、他の種類の流量制御弁を介設することもできニードル弁に限定されるものではない。図４の実施例におけるフロート変位の検出方式は磁気方式に限定されず、たとえば光学方式による方法もあり上記に限定されない。

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第４の実施例の構成を示す縦断面図である。従来におけるターボ形回転機器の構成を示す図である。従来におけるターボ形ガ回転機器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
１Ａ連通孔
２ターボ翼
３回転軸
６モータ
９油槽
１２真空ポンプ
１５排気路
１６ニードル弁
１７Ｕ字管
１８フロート
１９連通路
２０油面計
２１検出器
２２調整器
Ｃガス圧縮室
Ｅ液体
ＥＳ排気系
ＧＣターボ形ガス圧縮機
Ｈ液位の差
Ｌオイル
Ｍモータ室

Claims

ガス圧縮を行なうターボ翼と、この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、前記ターボ翼に回転軸を介して回転駆動するためのモータと回転軸およびこの回転軸を保持する軸受を収容するとともに軸受を油潤滑するための油槽ならびに油潤滑機構を収容したモータ室と、このガス圧縮室とモータとの隔壁における回転軸の貫通部をシールするシール部とからなるターボ形ガス圧縮機と、このターボ形ガス圧縮機におけるモータ室に連通する排気路から真空ポンプによってモータ室の排気を行う排気系とを備え、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、前記排気系に排気量を調節するための弁と、この弁の前後における排気系にそれぞれの端部が接続され、内方にオイルが収容され、内方が前記油槽と連通したＵ字管を介設したことを特徴とするターボ形回転機器。
Ｕ字管の一方の配管にフロートを内挿して液面に沿って上下動するようにし両配管の液位差をこのフロートにて測るように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。
フロートには目盛が付されていることを特徴とする請求項２記載のターボ形回転機器。
フロートの上下変位量を検出する検出手段と、この検出手段からの信号によって弁の開度を調節する調節手段と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。