JP6206671B2 - レーザ発振冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ発振冷却装置に関する。

半導体レーザに代表される固体レーザの出力を増幅して、例えばレーザ加工機における光源として用いることが行われている。固体レーザを発振する発振媒体では、出力の増大化に伴ってその発熱量も増大することが知られている。このような発振媒体は発熱体として周囲に熱を拡散することで機器の動作に影響を与える可能性がある。したがって、発熱体を冷却することが必要とされる。
発熱体を冷却するための技術として、例えば特許文献１、特許文献２に記載された技術が知られている。

特許文献１には、固体レーザの冷却装置が記載されている。特許文献１に記載された冷却装置は、固体レーザ発振素子に接合されるヒートシンクと、冷却水を供給する冷却水タンクと、ヒートシンクの内部に冷却水を循環させる供給管と、を備えている。

特許文献２には、ＭＲＩ装置（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｉｍａｇｉｎｇ装置）における冷却装置が記載されている。このＭＲＩ装置では、発熱体である勾配磁場コイルを冷却するために、冷却媒体である液体窒素をクライオスタットに供給したのち、冷凍機を介して循環させる構成を採用している。液体窒素は、クライオスタットに当接する勾配磁場コイルの冷却に供された後、冷凍機を通過することで温度が下げられ、再びクライオスタットを流通する。

ところで、上述のように発熱体が、レーザ発振装置における発振媒体である場合、その発熱量は例えば１平方センチメートル当たり０．２５ＫＷに達するため、十分な冷却効果を得るべく、冷却媒体を発熱体に対して直接的に噴射することが有効とされている。

また、発熱体の冷却に供されて蒸発する冷却媒体は、概ね１％程度であることも知られている。すなわち、冷却媒体の大部分は、冷却に供されずに排出される。したがって、冷却媒体を連続的に供給し続けることは不経済であり、これを回収して再利用することが望まれている。

実開平６―６８７２５号公報 特開２００２―２４６５２２号公報

しかしながら、上記特許文献１と特許文献２に記載された技術では、冷却媒体の供給路は外部と隔たれた循環系とされている。したがって、供給路から外部に向けて噴射された冷却媒体を回収するに際して、特許文献１、又は特許文献２に記載された技術では冷却媒体を十分に回収できない可能性がある。

本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、十分な冷却効果を有するとともに、冷却媒体を適切に回収することのできるレーザ発振冷却装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を採用している。
即ち、本発明の一の態様によれば、レーザ発振冷却装置は、レーザ光を励起しながら局所的に発熱するレーザ励起部と極低温液体を大気圧で収容可能であるとともに蒸発した極低温液体を排出可能な収容タンクと、収容タンクに収容された極低温液体を加圧してレーザ励起部に供給する加圧供給部と、レーザ励起部に供給されてレーザ励起部の冷却に供された極低温液体を減圧しながら前記収容タンクに還元させる減圧還元部と、前記レーザ励起部が内部に設けられ、該内部が冷温に保たれたクライオスタットと、を備え、前記クライオスタットには、底面から上方に向かって延在する隔壁が設けられ、該隔壁と前記クライオスタットの内壁とによって、前記クライオスタットの内部の下部領域に第一貯液槽と第二貯液槽とが画成され、前記レーザ励起部は、前記第一貯液槽の上方に配置され、前記減圧還元部は、前記第二貯液槽に接続されて、前記第二貯液槽からの前記極低温液体を減圧するように構成されている。

このようなレーザ発振冷却装置では、極低温液体が減圧還元部によって回収されるとともに減圧されることで、レーザ励起部を冷却して上昇した極低温液体の温度が低下する。温度が低下した極低温液体は再び収容タンクに収容されることで再び加圧供給部によってレーザ励起部の冷却に利用することができる。
さらに、このような構成によれば、発熱体であるレーザ励起部をクライオスタットの内部に設けることで極低温液体の温度を冷温のまま維持することができるため、より効果的にレーザ励起部を冷却することができる。

さらに、本発明の一の態様によれば、減圧還元部は極低温液体を減圧する減圧弁を備えていてもよい。

このような構成によれば、減圧弁を極低温液体が流通することで、十分に減圧することができるとともに、減圧還元部を簡便に構成することができる。

さらに、本発明の一の態様によれば、加圧供給部は、極低温液体をレーザ励起部に対して噴射する噴射ノズルを備えていてもよい。

このような構成によれば、噴射ノズルから極低温液体を噴射することで、レーザ励起部に対して、より高い流速で極低温液体を供給することができるため、より効果的にレーザ励起部を冷却することができる。

さらに、本発明の一の態様によれば、加圧供給部は、前記レーザ励起部に当接して設けられるとともに、加圧された前記極低温液体が内部を流通するマイクロチャンネルを備えていてもよい。

このような構成によれば、加圧供給部にマイクロチャンネルを設けることによって、極低温液体とレーザ励起部とが互いに接する面積が大きくなるため、レーザ励起部をより効果的に冷却することができる。

本発明のレーザ発振冷却装置によれば、十分な冷却効果を有するとともに、冷却媒体を適切に回収して再利用することができる。

本発明の第一実施形態に係るレーザ発振冷却装置を示す説明図である。 本発明の第二実施形態に係るレーザ発振冷却装置を示す説明図である。 本発明の実施形態に係る減圧還元部における極低温液体の圧力と温度の関係を示す図である。 本発明の第二実施形態に係るマイクロチャンネルを示す模式図である。

〔第一実施形態〕
以下、本発明の第一実施形態について図面を参照して説明する。
図１に示すように、レーザ発振冷却装置１は、内部が冷温に保たれたクライオスタット２と、クライオスタット２の外壁に設けられてレーザを励起するレーザ励起部２１と、内部に極低温液体Ｌを収容する収容タンク３と、クライオスタット２の内部でレーザ励起部２１の冷却に供された極低温液体Ｌを減圧しながら収容タンク３に還元させる減圧還元部６と、収容タンク３とクライオスタット２とを接続するとともに収容タンク３に収容された極低温液体Ｌをレーザ励起部に供給する加圧供給部５０と、を備えている。さらに、レーザ発振冷却装置１では、収容タンク３に極低温液体Ｌを供給するためのボンベ４を備えている。

クライオスタット２は、一般的に試料を低温状態で保つ必要がある実験等で用いられる公知の装置である。クライオスタット２は、密閉された空間Ｖを内部に有する箱体状の容器である。クライオスタット２における空間Ｖは、外部と熱的に絶縁されている。さらに、極低温の冷却媒体が供給されることによって、空間Ｖの内部は冷温に保たれている。加えて、本実施形態に係るクライオスタット２の内部は、不図示の加圧装置によって加圧されて、圧力がおおむね０．３ＭＰａに保たれている。

さらに、クライオスタット２には、上述の加圧装置とは別個に、圧力を下げるための圧力調整部１０が設けられている。圧力調整部１０は、クライオスタット２の内部と外部とを連通する管路１１と、圧力調整弁１３に接続されるとともにクライオスタット２内部の圧力を計測する圧力計１２と、開度を調整することができる圧力調整弁１３と、圧力調整弁１３の開度を調整する制御装置１４と、を備えている。

制御装置１４は、圧力計１２で計測されたクライオスタット２内部の圧力値に応じて圧力調整弁１３の開度を調整する。圧力計１２の計測値に基づいて、クライオスタット２内部の圧力が０．３ＭＰａを超過したことが検知された場合に、制御装置１４は圧力調整弁１２の開度を上げる方向に調整する。圧力調整弁１３の開度が上げられると、クライオスタット２内部に充満した気体（極低温液体Ｌの蒸発成分と空気とを主成分とする気体）は、管路１１を通じて外部に放出される。これにより、クライオスタット２内部の圧力が適正値（おおむね０．３ＭＰａ）まで下げられる。

他方で、クライオスタット２内部の圧力が０．３ＭＰａを下回る場合には、制御装置１４は圧力調整弁１３の開度を下げる方向に調整する。このとき、クライオスタット２の内部では極低温液体Ｌの蒸発成分等が徐々に滞留するため、次第に圧力が上昇する。その後、圧力が所望の値に達した時点で、圧力調整弁１３は閉められる。
なお、急速な圧力の上昇が要請される場合には、上述の加圧装置によって加圧することもできる。

さらに、クライオスタット２には、底面から上方に向かって延在する隔壁２３が設けられている。隔壁２３は、クライオスタット２の高さ方向における寸法の中途まで延在している。すなわち、隔壁２３と、クライオスタット２の内壁とによって、クライオスタット２内部の下部領域には第一貯液漕２４と、第二貯液漕２５とが画成されている。
さらに、クライオスタット２の内部には、後述する加圧供給部５０の噴射ノズル５１と、噴射ノズル５１に接続された管路５２が導入されている。噴射ノズル５１は、管路５２を通じて供給される極低温液体Ｌを、レーザ励起部２１の冷却支持部２２に向かって噴射するように配置されている。
ここで、極低温液体Ｌとして、本実施形態では液体窒素を用いる例を説明する。しかし、極低温液体Ｌの種類は液体窒素に限定されず、液体ヘリウム、液体ネオンなど、液相状態の不活性元素の群から任意の１つを選択して用いることができる。

レーザ励起部２１は、クライオスタット２の外壁の一部に、冷却支持部２２を介して設けられている。レーザ励起部２１は、入射されたレーザ光Ｚを内部で増幅して外部に出力する装置である。レーザ励起部２１は、例えばサファイアやＹＡＧ（Ｙｔｔｒｉｕｍ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｇａｒｎｅｔ）結晶をレーザ励起媒体として構成されている。

レーザ励起部２１は、クライオスタット２の外部に向かって突出して設けられている。一方で、レーザ励起部２１を支持する冷却支持部２２は、クライオスタット２の内部に面して設けられている。さらに、レーザ励起部２１と冷却支持部２２とは互いに熱的に接続されている。したがって、冷却支持部２２に伝達された熱量のうちの大部分は、ただちにレーザ励起部２１に伝達されるように構成されている。
さらに、レーザ励起部２１は、クライオスタット２に設けられた上述の第一貯液漕２４，第二貯液漕２５のうち、第一貯液漕２４の上方に配置されている。

減圧還元部６は、クライオスタット２と収容タンク３とを接続している。減圧還元部６は、クライオスタット２における第二貯液漕２５と、収容タンク３とを接続する管路６１と、管路６１の中途に設けられた減圧弁６２と、を有している。

管路６１の内部には、第二貯液漕２５から供給される極低温液体Ｌが流通する。極低温液体Ｌは、管路６１を通って収容タンク３に向かって流れる。極低温液体Ｌを管路６１に流通させるためには、例えば不図示のポンプを用いる構成や、重力によって落下させる構成が考えられる。重力によって落下させる場合には、クライオスタット２を収容タンク３の上方に設置して、極低温液体Ｌに十分な重力を作用させることが好ましい。

減圧弁６２は、管路６１を流通する極低温液体Ｌの圧力を下げるために設けられる公知の液体用減圧弁である。減圧弁６２を通過した極低温液体Ｌは減圧されることで、温度が低下する。本実施形態では、極低温液体Ｌは減圧弁６２によって大気圧（概ね０．１ＭＰａ）にまで下げられる。

収容タンク３は、減圧還元部６における管路６１を介してクライオスタット２に接続されたタンクである。収容タンク３の内部には、減圧還元部６を通過して流れた極低温液体Ｌが貯留される。また、収容タンク内部の圧力は、大気圧とおおむね同等に維持されている。

加圧供給部５は、クライオスタット２の内部に導入される噴射ノズル５１と、噴射ノズル５１と収容タンク３との間を接続するとともに内部に極低温液体Ｌが流通する管路５２と、管路５２上に設けられた加圧ポンプ５３と、を有している。加圧供給部５は、収容タンク３とクライオスタット２とを接続するとともに収容タンク３に収容された極低温液体Ｌをレーザ励起部２１（冷却支持部２２）に供給する装置である。

噴射ノズル５１は、管路５２を通じて収容タンク３から供給された極低温液体Ｌをクライオスタット２の内部に向かって噴射するノズル様の部材である。噴射ノズル５１における噴射口は、管路５２の寸法に比して十分に小さな径を有している。したがって、噴射ノズル５１から噴射される極低温液体Ｌの流速は、管路５２を流通する際の流速よりも大きくなる。
さらに、噴射ノズル５１は、レーザ励起部２１と一体に設けられた冷却支持部２２に向かって極低温液体Ｌを噴射することができる位置に設けられている。

加圧ポンプ５３は、内部を通過する液体を加圧することで、管路５２に沿って圧送する公知の液体ポンプである。すなわち、極低温液体Ｌは加圧ポンプ５３により、管路５２に沿って収容タンク３から噴射ノズル５１に向かう方向に圧送される。

ボンベ４は、内部に極低温液体Ｌを貯留するための容器である。内部には液相状態の極低温液体Ｌが貯留されている。ボンベ４は、管路７を介して収容タンク３と接続されている。管路７上には、流量調整弁７１が設けられている。流量調整弁７１を開閉することによってボンベ４から収容タンク３に供給される極低温液体Ｌの流量を調整することができる。すなわち、収容タンク３の内部における極低温液体Ｌの量が減少した場合には、流量調整弁７１を開くことでボンベ４から極低温液体Ｌを補充することができる。なお、図示はしないが、収容タンク３の内部における極低温液体Ｌの液面を検知する液面センサと、液面センサの出力に応じて流量調整弁７１の開閉を制御する制御部を別途設けてもよい。このような構成によれば、収容タンク３への極低温液体Ｌの供給を自律的に行うことができる。

続いて、本実施形態に係るレーザ発振冷却装置１の動作について説明する。
まず、レーザ励起部２１に対して不図示の光源からレーザ光Ｚを照射する。レーザ光Ｚは、レーザ励起部２１における励起媒体を介して励起されて、レーザ励起部２１から外部に向かって照射される。このとき、レーザ光Ｚが照射されることによって、レーザ励起部２１は局所的に発熱する。具体的には、その発熱量は１平方センチメートル当たり０．２５ＫＷ程度に達する。したがって、レーザ励起部２１を、冷却支持部２２を介して冷却する必要がある。

レーザ励起部２１を冷却するためには、まず、流量調整弁７１を開けて、ボンベ４から収容タンク３に向けて極低温液体Ｌを供給する。収容タンク３に所望の量の極低温液体Ｌが貯留されたことを確認した後、加圧ポンプ５３を駆動する。

加圧ポンプ５３が駆動されると、収容タンク３に貯留された極低温液体Ｌは、管路５２を通じて、噴射ノズル５１に供給される。噴射ノズル５１に到達した極低温液体Ｌは、噴射ノズル５１からクライオスタット２内部で、冷却支持部２２に向かって噴射される。これにより、高温状態の冷却支持部２２は冷却される。ここで、冷却支持部２２を冷却した極低温液体Ｌは、冷却支持部２２の高温によって一部が気化し、クライオスタット２の内部に滞留する。極低温液体Ｌのうち、冷却によって気化する成分は、おおよそ１体積パーセント程度である。

なお、本実施形態では極低温液体Ｌとして液体窒素を用いているため、大気圧下（約０．１ＭＰａ）にある収容タンク３の内部では、極低温液体Ｌの温度は−１９６℃以下である。一方で、クライオスタット２の内部は、上述の通り０．３ＭＰａ程度に加圧されているため、噴射ノズル５１から噴射された極低温液体Ｌの温度は上昇して、約−１８０℃程度になる（図３参照）。このように、−１８０℃前後の極低温液体Ｌを吹き付けることにより、冷却支持部２２は十分に冷却される。

冷却支持部２２の冷却に供された極低温液体Ｌは、冷却支持部２２から下方に向かって滴下する。冷却支持部２２の下方には、上述の通り第一貯液漕２４が設けられている。したがって、滴下した極低温液体Ｌは第一貯液漕２４の内部に貯留される。上述のように冷却に供されて気化する極低温液体Ｌはおおよそ１体積パーセントであるため、第一貯液漕２４に貯留される極低温液体Ｌは、噴射ノズル５１から供給される量の約９９体積パーセントとなる。

上述の状態で、極低温液体Ｌを冷却支持部２２に向かって噴射し続けることで、連続的にレーザ励起部２１の冷却が行われる。このように連続的に冷却を行うことで、第一貯液漕２４に貯留される極低温液体Ｌの量は徐々に増大する。その結果、第一貯液漕２４に貯留される極低温液体Ｌの液面高さは、隔壁２３の延在する寸法にまで達する。
その後、さらに連続して冷却を行うと、極低温液体Ｌの液面は隔壁２３を乗り越える。換言すれば、極低温液体Ｌは、第一貯液漕２４からあふれ出て、隣接する第二貯液漕２５に向かって流れる。その後、極低温液体Ｌは第二貯液漕２５に貯留される。

続いて、第二貯液漕２５に貯留された極低温液体Ｌの液面高さが所定の値に達した後、減圧弁６２が開かれる。すなわち、第二貯液漕２５に極低温液体Ｌが一定量だけ貯留されるまで、減圧弁６２は開かれない。ここで、極低温液体Ｌの貯留量が小さい場合に減圧弁６２を開いてしまうと、十分な流量が得られないのみならず、クライオスタット２内部の気体を巻き込んでしまう可能性がある。

さらに、本実施形態に係るクライオスタット２の内部では、隔壁２３によって第一貯液漕２４と第二貯液漕２５とが形成されている。このような構成によれば、レーザ発振冷却装置１の運転中、第一貯液漕２４には一定量の極低温液体Ｌが貯留されることになる。これにより、第一貯液漕２４に貯留された極低温液体Ｌによってクライオスタット２内部の温度が低温に保たれるため、レーザ励起部２１をより効果的に冷却することができる。加えて、減圧弁６２を開放することで第二貯液漕２５に貯留された極低温液体Ｌの量に変化が生じても、クライオスタット２内部の温度が急激に変化することを抑制することができる。

減圧弁６２を通過した極低温液体Ｌは、収容タンク３に向かって流通する。すなわち、収容タンク３から噴射ノズル５１を介して供給された極低温液体Ｌは、減圧還元部６によって収容タンク３に還元される。

なお、上述の通り、第一貯液漕２４、及び第二貯液漕２５には、極低温液体Ｌの供給量の約９９体積パーセントが貯留される。加えて、減圧還元部６によれば、第二貯液漕２５に貯留された極低温液体Ｌのおおむね全てを回収して収容タンク３に還元することができる。したがって、全体の約９９パーセントの極低温液体Ｌを回収して再利用することができる。すなわち、レーザ発振冷却装置１によれば、高温状態のレーザ励起部２１を十分に冷却することができるとともに、冷却媒体である極低温液体Ｌを高効率で回収して再利用することができる。

さらに、上述の構成によれば、減圧還元部６は、極低温液体Ｌを減圧する減圧弁６２を備えている。このような構成によれば、減圧弁６２を極低温液体Ｌが通過させることで、十分に減圧することができるとともに、減圧還元部６を簡便に構成することができる。

加えて、上述の構成では、レーザ励起部２１はクライオスタット２の内部に設けられている。このような構成によれば、レーザ励起部２１と冷却支持部２２の周囲を冷温に保つことができるため、発熱体であるレーザ励起部２１をより効果的に冷却することができる。

さらに、上述の構成では、加圧供給部５０は極低温液体Ｌをレーザ励起部２１に対して噴射する噴射ノズル５１が設けられている。このような構成によれば、噴射ノズルから極低温液体を噴射することで、レーザ励起部に対して、より高い流速で極低温液体を供給することができるため、より効果的にレーザ励起部を冷却することができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

〔第二実施形態〕
以下、本発明の第二実施形態について図面を参照して説明する。
なお、上述の第一実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。

図３に示すように、本実施形態のレーザ発振冷却装置１では、以下の点で第一実施形態とは異なる。すなわち、本実施形態ではクライオスタット２の内部にマイクロチャンネル５４が設けられている。より詳細には、マイクロチャンネル５４は、冷却支持部２２に当接するように配置されている。より好ましくは、マイクロチャンネル５４は、冷却支持部２２の全面を覆うような寸法を有している。

マイクロチャンネル５４は、複数の管状流路５５を配列してなる公知の冷却装置である。複数の管状流路５５の一方の端部同士は１つに合流して流入口５６とされている。さらに、管状流路５５の他方の端部同士は１つに合流して排出口５７とされている。流入口５６は、上述の管路５２に接続されている。すなわち、流入口５６を通じてマイクロチャンネル５４には極低温液体Ｌが流入し、複数の管状流路５５を通過した後、排出口５７を通じて管路６１に排出される。

上述のように、マイクロチャンネル５４は、冷却支持部２２の全面を覆うような寸法を有している。したがって、複数の管状流路５５を通じて、冷却支持部２２の全面に極低温液体Ｌが行き渡る。これにより、冷却支持部２２をより効率的に冷却することができる。

１ レーザ発振冷却装置
２ クライオスタット
３ 収容タンク
４ ボンベ
５ 加圧供給部
６ 減圧還元部
７ 管路
１０ 圧力調整部
１１ 管路
１２ 圧力計
１３ 圧力調整弁
１４ 制御装置
２１ レーザ励起部
２２ 冷却支持部
２３ 隔壁
２４ 第一貯液漕
２５ 第二貯液漕
５１ 噴射ノズル
５２ 管路
５３ 加圧ポンプ
６１ 管路
６２ 減圧弁
７１ 流量調整弁
Ｌ 極低温液体
Ｖ 空間
Ｚ レーザ光

Claims (3)

1. レーザ光を励起しながら局所的に発熱するレーザ励起部と
   極低温液体を大気圧で収容可能であるとともに蒸発した前記極低温液体を排出可能な収容タンクと、
   該収容タンクに収容された極低温液体を加圧して前記レーザ励起部に供給する加圧供給部と、
   該レーザ励起部に供給されて該レーザ励起部の冷却に供された前記極低温液体を減圧しながら前記収容タンクに還元させる減圧還元部と、
   前記レーザ励起部が内部に設けられ、該内部が冷温に保たれたクライオスタットと、
   を備え、
   前記クライオスタットには、底面から上面に向かって延在する隔壁が設けられ、該隔壁と前記クライオスタットの内壁とによって、前記クライオスタットの内部の下部領域に第一貯液槽と第二貯液槽とが画成され、
   前記レーザ励起部は、前記第一貯液槽の上方に配置され、
   前記減圧還元部は、前記第二貯液槽に接続されて、前記第二貯液槽からの前記極低温液体を減圧するように構成されている
   レーザ発振冷却装置。
2. 前記減圧還元部は、前記極低温液体を減圧する減圧弁を備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ発振冷却装置。
3. 前記加圧供給部は、前記極低温液体を前記レーザ励起部に対して噴射する噴射ノズルを備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ発振冷却装置。

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