JP5755061B2

JP5755061B2 - レーザ加工機用窒素供給装置

Info

Publication number: JP5755061B2
Application number: JP2011150643A
Authority: JP
Inventors: 貞弘山田
Original assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Current assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 2011-07-07
Filing date: 2011-07-07
Publication date: 2015-07-29
Anticipated expiration: 2031-07-07
Also published as: JP2013018005A; CN102861989A; CN102861989B

Description

本発明は、レーザ加工機用窒素供給装置に関し、詳しくは、窒素発生装置で発生させた窒素をあらかじめ設定された比較的高い圧力でレーザ加工機に供給するためのレーザ加工機用窒素供給装置に関する。

レーザ加工機を使用してステンレス鋼の切断などの加工を行う際には、レーザ加工中のレーザビームの周囲にアシストガスとして不活性ガス、例えば窒素を噴射してステンレス鋼の表面、切断面及び裏面を窒素雰囲気とすることにより、大気中の酸素とステンレス鋼とが反応して焼け焦げなどが発生することを防止するようにしている。

アシストガスとして窒素を使用する場合、空気中の窒素を濃縮する窒素発生装置、一般的には、ＰＳＡ装置を使用して高純度の窒素を製造し、必要に応じて精製装置で窒素中に残存する微量酸素を除去した後、昇圧機にてレーザ加工機に設定された圧力に窒素を昇圧し、昇圧後の高圧の窒素をバッファタンクに貯留し、該バッファタンクからレーザ加工機に窒素を供給するようにしている（例えば、非特許文献１参照。）。

エア・ウォーター株式会社、"レーザ加工機用ＰＳＡ式窒素ガス発生装置"、[online]、エア・ウォーター株式会社、［平成２３年６月２９日検索］、インターネット<ＵＲＬ：http://www.awi.co.jp/bp/pg/laser.pdf>

前述のようにバッファタンクからレーザ加工機に窒素を供給する場合、バッファタンク内にはレーザ加工機が要求する窒素の圧力より高い圧力で窒素を貯留しておく必要があり、例えば、レーザ加工機が要求する窒素の圧力が３ＭＰａの場合は、バッファタンク内に５ＭＰａ程度の圧力で窒素を貯留する必要があった。この場合、バッファタンクからレーザ加工機に窒素を供給可能なバッファタンク内の圧力は３ＭＰａ以上であるから、バッファタンク内の圧力が３ＭＰａに低下するとレーザ加工機に窒素を供給することはできず、バッファタンク内の窒素を有効に利用することはできなかった。

したがって、レーザ加工機の窒素使用量の変動が大きい場合には、最大窒素使用量に対応させるため、レーザ加工機の平均的な窒素使用量に比べて窒素発生量が多いＰＳＡ装置や大容量あるいは複数のバッファタンクを必要とし、窒素供給装置におけるコストアップの要因となっていた。

なお、バッファタンクを設けない場合は、レーザ加工機の最大窒素使用量以上の窒素発生能力を有するＰＳＡ装置を設置しなければならず、大幅なコストアップとなる。また、ＰＳＡ装置の内蔵バッファタンクは、発生する窒素の純度均一化や圧力変動緩和などを主目的とするものであり、高圧の窒素を大量に貯留する機能は備えていない。

そこで本発明は、バッファタンク内に貯留した窒素の有効利用を図ることができ、ＰＳＡ装置やバッファタンクの小型化を図ることができるレーザ加工機用窒素供給装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明のレーザ加工機用窒素供給装置は、窒素を発生させる窒素発生手段と、該窒素発生手段で発生した窒素をあらかじめ設定された貯留圧力に昇圧する昇圧機と、該昇圧機で昇圧した窒素を貯留するバッファタンクと、該バッファタンク内の窒素をレーザ加工機に供給する窒素供給経路とを備えたレーザ加工機用窒素供給装置において、前記昇圧機よりも吐出量が多い第２昇圧機を備えた第２窒素供給経路を前記窒素供給経路に対して並列に設け、前記窒素供給経路に第１開閉弁を、前記第２窒素供給経路における前記第２昇圧機の吸入側に第２開閉弁をそれぞれ設けるとともに、前記バッファタンク内の圧力を検出し、検出した圧力があらかじめ設定された切換圧力以上のときには前記第１開閉弁を開いて前記第２開閉弁を閉じ、検出した圧力が前記切換圧力未満のときには前記第１開閉弁を閉じて前記第２開閉弁を開く圧力スイッチを設けたことを特徴としている。

さらに、本発明のレーザ加工機用窒素供給装置は、前記第２窒素供給経路における前記第２昇圧機と前記第２開閉弁との間に、第３開閉弁を介して外部窒素供給源からの窒素を前記第２窒素供給経路に導入する外部窒素導入経路を設けるとともに、前記圧力スイッチは、前記バッファタンク内の圧力があらかじめ設定された下限圧力未満のときに、前記第３開閉弁を開いて前記第１開閉弁及び前記第２開閉弁を閉じるように形成することができる。また、前記窒素発生手段は、純度９９．９９９％以上の窒素を発生するＰＳＡ装置であることが好ましく、前記第２昇圧機が、吸入側圧力があらかじめ設定された運転圧力に到達したときに自動的に運転を開始し、吸入側圧力が前記運転圧力を下回ったときに自動的に停止するものであることが好ましい。また、前記昇圧機は、レーザ加工機の窒素の平均使用量に対応した吐出量を有するものであり、前記第２昇圧機は、レーザ加工機における窒素の最大窒素使用量に対応した吐出量を有するものであることが好ましい。

本発明のレーザ加工機用窒素供給装置によれば、バッファタンク内の圧力が切換圧力以上のときには第１開閉弁を開いて窒素供給経路からバッファタンク内の圧力で窒素をレーザ加工機に供給し、バッファタンク内の圧力が切換圧力未満のときには第２開閉弁を開いて第２昇圧機で昇圧した窒素を第２窒素供給経路からレーザ加工機に供給するので、バッファタンク内の圧力が低くなってもレーザ加工機に窒素を供給することができる。これにより、窒素発生手段で発生させた窒素を無駄なく利用できるとともに、レーザ加工機に供給可能な窒素量が増大するため、窒素使用量の変動が大きなレーザ加工機に窒素を供給するための窒素発生手段や昇圧機、バッファタンクといった機器の小型化を図ることができる。また、同程度の能力の機器を使用した場合は、運転に余裕が生じるので、消費動力の削減を図ることが可能である。

さらに、外部窒素導入経路を設けておくことにより、レーザ加工機の窒素使用量が急激に増大したときなどに、装置外に設けられている窒素ボンベや液化窒素貯槽などからの窒素を第２昇圧機で昇圧してレーザ加工機に供給することができる。また、窒素発生手段として、純度９９．９９９％以上の窒素を発生するＰＳＡ装置を使用することにより、窒素中に残存する酸素を除去するための精製装置を設ける必要がなくなり、装置コストを低減することができる。さらに、第２昇圧機として、吸入側圧力の変動に応じて自動的に運転及び停止を行う昇圧機を使用することにより、制御手段を別途設けることなく、圧力スイッチによる各開閉弁の開閉のみで窒素の供給経路を自動的に変更することができる。

本発明のレーザ加工機用窒素供給装置の一形態例を示す説明図である。

本形態例に示すレーザ加工機用窒素供給装置は、原料空気圧縮機１１で圧縮した空気を原料として窒素を発生させる窒素発生手段であるＰＳＡ装置（圧力変動吸着式窒素発生装置）１２と、該ＰＳＡ装置１２で発生した窒素をあらかじめ設定された貯留圧力に昇圧する昇圧機（第１昇圧機）１３と、該第１昇圧機１３で昇圧した窒素を貯留するバッファタンク１４と、該バッファタンク１４内の窒素をレーザ加工機（図示せず）に供給する窒素供給経路（第１窒素供給経路）１５と、該第１窒素供給経路１５に設けられた第１開閉弁１６と、前記第１窒素供給経路１５の前記第１開閉弁１６より上流側から分岐して第１窒素供給経路１５に対して並列に設けられた第２窒素供給経路１７と、該第２窒素供給経路１７に設けられた第２開閉弁１８及び該第２開閉弁１８の下流側に設けられた第２昇圧機１９とを備えている。

さらに、本形態例に示すレーザ加工機用窒素供給装置には、第２窒素供給経路１７における第２開閉弁１８と第２昇圧機１９との間に接続した外部窒素導入経路２０と、該外部窒素導入経路２０に設けられた第３開閉弁２１とを備えている。また、前記第１開閉弁１６、第２開閉弁１８及び第３開閉弁２１の開閉操作を、前記バッファタンク１４内の圧力に応じて行う圧力スイッチ（ＰＳ）２２が設けられており、レーザ加工機用窒素供給装置とレーザ加工機とを接続する窒素供給用配管２３には、レーザ加工機への供給圧力をあらかじめ設定された圧力に調節するための減圧弁２４が設けられている。

圧力スイッチ２２は、バッファタンク１４内の圧力を検出し、検出した圧力があらかじめ設定された切換圧力以上のときには第１開閉弁１６を開、第２開閉弁１８及び第３開閉弁２１を閉とし、検出した圧力が前記切換圧力未満で、かつ、あらかじめ設定された下限圧力以上のときには第２開閉弁１８を開、第１開閉弁１６及び第３開閉弁２１を閉とし、検出した圧力が前記下限圧力未満のときには第３開閉弁２１を開、第１開閉弁１６及び第２開閉弁１８を閉とするように設定されている。

ＰＳＡ装置１２は、吸着剤を充填した吸着筒の圧力を変動させることによって空気中の窒素を濃縮する周知のＰＳＡ装置を使用することができ、好ましくは、吸着剤の種類や運転条件を適宜選択することによって純度９９．９９９％以上の窒素を発生することができるＰＳＡ装置を使用する。ＰＳＡ装置１２で発生した窒素中の酸素残量が多い場合は、必要に応じて精製装置を付加することにより、酸素を除去して窒素純度を上げることができる。

ＰＳＡ装置１２及び第１昇圧機１３は、レーザ加工機が要求する窒素使用量に応じた能力のものが用いられ、通常は、レーザ加工機の稼働時間内における平均使用量を賄える能力を有するものが選定される。また、バッファタンク１４は、レーザ加工機における窒素使用量の変動状態に応じた容積のものが用いられ、通常は上限圧力が５ＭＰａ以下に設定され、大量の窒素を貯留する必要があるときには、複数のバッファタンクを設置することができる。

第２昇圧機１９は、レーザ加工機における最大窒素使用量に対応した吐出量を有するものが用いられており、通常は、窒素の平均使用量に対応した第１昇圧機１３の吐出量に対して２倍程度の吐出量を有する昇圧機が第２昇圧機１９として用いられる。また、第１昇圧機１３の吐出圧は、バッファタンク１４の上限圧力以上、第２昇圧機１９の吐出圧は、レーザ加工機への供給圧力以上の能力を有していればよい。さらに、第２昇圧機１９には、吸入側圧力があらかじめ設定された運転圧力に到達したときに自動的に運転を開始し、吸入側圧力が前記運転圧力を下回ったときに自動的に停止あるいはアイドリング状態となる昇圧機を用いることが好ましい。

各開閉弁１６，１８，２１には、圧力スイッチ２２からの信号で開閉作動可能な周知の電動弁や空圧弁を使用することができる。また、外部窒素導入経路２０には、高圧窒素ガスを充填したボンベや液化窒素貯槽などの適宜な窒素供給源を接続しておくことができる。

このように形成されたレーザ加工機用窒素供給装置を使用してレーザ加工機に窒素を供給する運転状態を以下に説明する。なお、ここでは、レーザ加工機への窒素供給圧力は３ＭＰａ、バッファタンク１４の上限圧力は５ＭＰａ、圧力スイッチ２２に設定した切換圧力は３．５ＭＰａ、下限圧力は１ＭＰａとする。

まず、準備段階としてＰＳＡ装置１２及び第１昇圧機１３の運転を開始し、バッファタンク１４内に昇圧した窒素を充填する。バッファタンク１４内の圧力が上限圧力、例えば５ＭＰａに達すると、第１昇圧機１３がアイドリング状態となり、第１昇圧機１３の吸入側圧力、即ちＰＳＡ装置１２の出口側圧力が上昇することによってＰＳＡ装置１２の原料空気圧縮機１１もアイドリング状態となって待機状態となる。この待機状態では、前記圧力スイッチ２２の検出圧力が前記切換圧力以上であるから、第１開閉弁１６は開状態で、第２開閉弁１８及び第３開閉弁２１は共に閉状態となっている。

レーザ加工機が稼働して窒素の使用を開始すると、バッファタンク１４内に貯留された高圧の窒素が、第１開閉弁１６を経て第１窒素供給経路１５を通り、配管２３の減圧弁２４で圧力を３ＭＰａに調節されてレーザ加工機に供給される。レーザ加工機への窒素の供給に伴い、バッファタンク１４内の圧力が低下していくと、第１昇圧機１３及び原料空気圧縮機１１がアイドリング状態から運転状態となり、ＰＳＡ装置１２から発生する窒素の純度が規定値以上になると第１昇圧機１３で昇圧した窒素がバッファタンク１４内に導入される。レーザ加工機の窒素使用量が比較的少ない場合は、ＰＳＡ装置１２で発生し、第１昇圧機１３で昇圧され、バッファタンク１４内に導入された高圧の窒素が第１窒素供給経路１５を通ってレーザ加工機に供給される運転状態と、前述の待機状態とが繰り返される。

レーザ加工機における窒素使用量が増大してバッファタンク１４内に貯留された窒素の圧力が前記切換圧力の３．５ＭＰａ未満に低下すると、圧力低下を検出した前記圧力スイッチ２２が作動することによって第１開閉弁１６が開状態から閉状態に、第２開閉弁１８が閉状態から開状態になり、バッファタンク１４内の窒素が第２窒素供給経路１７を通って第２昇圧機１９によって３ＭＰａ以上に昇圧された後、配管２３の減圧弁２４で圧力を３ＭＰａに調節されてからレーザ加工機に供給される。

第２窒素供給経路１７から窒素を供給している状態が長く継続し、バッファタンク１４内の圧力が下限圧力の１ＭＰａ未満まで低下すると、圧力スイッチ２２によって第２開閉弁１８が閉状態に、第３開閉弁２１が開状態に切り替えられ、装置外部に設けられている窒素供給源からの窒素が外部窒素導入経路２０を通って第２昇圧機１９の吸入側に導入され、第２昇圧機１９で昇圧されてからレーザ加工機に供給される。

外部窒素導入経路２０から窒素を導入している間は、バッファタンク１４内の窒素は消費されないので、ＰＳＡ装置１２で発生した窒素が第１昇圧機１３で昇圧されてバッファタンク１４内に導入されることにより、バッファタンク１４内の圧力は次第に上昇する。バッファタンク１４内の圧力が前記下限圧力以上になると、第３開閉弁２１が閉状態、第２開閉弁１８が開状態となり、バッファタンク１４内の窒素が第２窒素供給経路１７、第２昇圧機１９を通ってレーザ加工機に供給される状態となる。

レーザ加工機の窒素使用量が減少し、ＰＳＡ装置１２から第１昇圧機１３を経てバッファタンク１４内に導入される窒素量がレーザ加工機への窒素供給量を上回るとバッファタンク１４内の圧力が次第に上昇し、前記切換圧力以上に上昇すると、圧力スイッチ２２によって第１開閉弁１６が開状態に、第２開閉弁１８が閉状態に切り替えられ、バッファタンク１４から第１窒素供給経路１５を通ってレーザ加工機に窒素が供給される。また、第２開閉弁１８が閉じることによって第２昇圧機１９は運転を停止、あるいは、アイドリング状態となる。

このように、バッファタンク１４内の圧力が低下して第１窒素供給経路１５からの窒素供給が困難になったときに、窒素供給を第１窒素供給経路１５から第２窒素供給経路１７に切り替えて第２昇圧機１９で昇圧した窒素をレーザ加工機に供給することにより、バッファタンク１４内の窒素を有効に利用することができる。これにより、ＰＳＡ装置１２で発生させた窒素を無駄なく利用できるとともに、レーザ加工機に供給可能な窒素量が増大するため、窒素使用量の変動が大きなレーザ加工機に対しても安定した状態で窒素を供給することができる。

さらに、外部窒素導入経路２０を設けておくことにより、装置外に設けられている窒素供給源から窒素を導入し、第２昇圧機１９で昇圧してレーザ加工機に供給することができるので、レーザ加工機の窒素使用量が急激に増大した場合にも対応することができる。また、純度９９．９９９％以上の窒素を発生するＰＳＡ装置１２を用いることにより、窒素中に残存する酸素を除去するための精製装置を設ける必要がなくなり、装置コストやランニングコストの低減を図ることができる。さらに、第２昇圧機１９として、吸入側圧力の変動に応じて自動的に運転及び停止を行う昇圧機を使用することにより、制御手段を別途設けることなく、圧力スイッチ２２による各開閉弁１６，１８，２１の開閉のみの操作で第２昇圧機１９の運転や停止を自動的に行うことができる。

なお、外部窒素導入経路は、必要に応じて設ければよく、ＰＳＡ装置などの窒素発生手段で発生した窒素中に残存する酸素が多い場合は、酸素を除去する精製装置を設けることができる。また、バッファタンク内の圧力やレーザ加工機への窒素供給量に基づいて窒素発生手段、各昇圧機、各開閉弁を集中的に制御、監視する制御手段を設けることもできる。

１１…原料空気圧縮機、１２…ＰＳＡ装置、１３…第１昇圧機、１４…バッファタンク、１５…第１窒素供給経路、１６…第１開閉弁、１７…第２窒素供給経路、１８…第２開閉弁、１９…第２昇圧機、２０…外部窒素導入経路、２１…第３開閉弁、２２…圧力スイッチ、２３…窒素供給用配管、２４…減圧弁

Claims

窒素を発生させる窒素発生手段と、該窒素発生手段で発生した窒素をあらかじめ設定された貯留圧力に昇圧する昇圧機と、該昇圧機で昇圧した窒素を貯留するバッファタンクと、該バッファタンク内の窒素をレーザ加工機に供給する窒素供給経路とを備えたレーザ加工機用窒素供給装置において、前記昇圧機よりも吐出量が多い第２昇圧機を備えた第２窒素供給経路を前記窒素供給経路に対して並列に設け、前記窒素供給経路に第１開閉弁を、前記第２窒素供給経路における前記第２昇圧機の吸入側に第２開閉弁をそれぞれ設けるとともに、前記バッファタンク内の圧力を検出し、検出した圧力があらかじめ設定された切換圧力以上のときには前記第１開閉弁を開いて前記第２開閉弁を閉じ、検出した圧力が前記切換圧力未満のときには前記第１開閉弁を閉じて前記第２開閉弁を開く圧力スイッチを設けたことを特徴とするレーザ加工機用窒素供給装置。
前記第２窒素供給経路における前記第２昇圧機と前記第２開閉弁との間に、第３開閉弁を介して外部窒素供給源からの窒素を前記第２窒素供給経路に導入する外部窒素導入経路を設けるとともに、前記圧力スイッチは、前記バッファタンク内の圧力があらかじめ設定された下限圧力未満のときに、前記第３開閉弁を開いて前記第１開閉弁及び前記第２開閉弁を閉じることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工機用窒素供給装置。
前記窒素発生手段は、純度９９．９９９％以上の窒素を発生するＰＳＡ装置であることを特徴とする請求項１又は２記載のレーザ加工機用窒素供給装置。
前記第２昇圧機は、吸入側圧力があらかじめ設定された運転圧力に到達したときに自動的に運転を開始し、吸入側圧力が前記運転圧力を下回ったときに自動的に停止することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載のレーザ加工機用窒素供給装置。
前記昇圧機は、レーザ加工機の窒素の平均使用量に対応した吐出量を有するものであり、前記第２昇圧機は、レーザ加工機における窒素の最大窒素使用量に対応した吐出量を有するものであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のレーザ加工機用窒素供給装置。