JPH0344986A - レーザ用ターボブロア及びそれを用いたレーザ発振装置 - Google Patents

レーザ用ターボブロア及びそれを用いたレーザ発振装置

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JPH0344986A
JPH0344986A JP18086289A JP18086289A JPH0344986A JP H0344986 A JPH0344986 A JP H0344986A JP 18086289 A JP18086289 A JP 18086289A JP 18086289 A JP18086289 A JP 18086289A JP H0344986 A JPH0344986 A JP H0344986A
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JP
Japan
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laser
bearing
housing
motor
turbo
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Application number
JP18086289A
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Inventor
Kenji Nakahara
賢治 中原
Tsutomu Funakubo
舟久保 勤
Norio Karube
規夫 軽部
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Fanuc Corp
Original Assignee
Fanuc Corp
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は加工用ガスレーザ装置等のレーザガスを強制的
に@環させるレーザ用ターボブロア及びそれを用いたレ
ーザ発振装置に係り、特に軸受の長寿命化を実現させ、
信頼性、保守性を改良したレーザ用ターボブロア及びレ
ーザ発振装置に関する。
〔従来の技術〕
最近の炭酸(CO2)ガスレーザ発振装置は高出力が得
られ、レーザビームの質もよく、金属又は非金属材料等
の切断及び金属材料等の溶接等といったレーザ加工に広
く利用されるようになってきている。特に、CNC(数
値制御装置)と結合したCNCレーザ加工機として、複
雑な形状を高速かつ高精度で切断する分野において急速
に発展しつつある。
以下図面を用いて従来の炭酸(Co2)ガスレーザ発振
装置を説明する。
第4図は従来技術による炭酸(CO2)ガスレーザ発振
装置の全体構成を示す図である。放電管31の両端には
出力結合鏡32と全反射鏡33とからなる光共振器が設
置されている。放電管31の外周上には金属電極34及
び35が取り付けられている。金属電極34は接地され
、金属電極35は高周波電源36に接続されている。金
属電極34及び35の間には高周波電源36から高周波
電圧が印加される。これによって、放電管31内に高周
波グロー放電が発生し、レーザ励起が行われる。放電管
31内のレーザビーム光軸を43で、また出力結合鏡3
2から外部に取り出されるレーザビーム光軸を44でそ
れぞれ示す。
このようなガスレーザ発振装置を起動する時には必ず最
初に真空ポンプ42によって装置内部全体の気体が排気
される。ついでバルブ41が開放になり所定流量のレー
ザガスがガスボンベ40から導かれ装置内のガス圧は規
定値に達する。その後は真空ポンプ42の排気とバルブ
41の補給ガス導入が続き、装置内ガス圧は規定値に保
たれたまま、レーザガスの一部は継続して新鮮ガスに置
換される。これによって装置内のガス汚染は防止される
さらに第4図では送風機39によってレーザガスを装置
内で循環している。この目的はレーザガスの冷却にある
。炭酸(CO2)ガスレーザでは注入電気エネルギーの
約20%がレーザ光に変換され、他はガス加熱に消費さ
れる。ところが理論によればレーザ発振利得は絶対温度
Tの−(3/2)乗に比例するので発振効率を上昇させ
るためにはレーザガスを強制的に冷却してやる必要があ
る。
本装置ではレーザガスは約100m/secの流速で放
電管31内を通過し矢印で示す方向に流れ、冷却器38
に導かれる。冷却器38は主として放電による加熱エネ
ルギーをレーザガスから除去する。そして、送風機39
は冷却されたレーザガスを圧縮する。圧縮されたレーザ
ガスは冷却器37を介して放電管31に導かれる。これ
は、送風機39で発生した圧縮熱を放電管31に再度導
かれる前に冷却器37で除去するためである。これらの
冷却器37及び38は周知であるので詳細な説明は省略
する。
送風機39として採用されているものにはルーツブロア
とターボブロアがある。第5図にターボブロアの構造を
示す。ターボ翼lとシャフト2とは機械的に結合されて
いる。シャフト2にはロータ3が取り付けられており、
ロータ3とステータ4とで高周波モーターを構成してい
る。ターボ翼lはこの高周波モータによって、回転数約
10万RPMの高速で回転される。そのため低速回転の
ルーツブロアに比較して回転数に逆比例して体積が小さ
くなっている。
さらに、シャフト2の支持のために、高周波モータの両
側に一対のころがり軸受5及び6が使用されている。こ
ろがり軸受5及び6の潤滑には、オイルミストによるレ
ーザガス汚染を防止するために、通常グリース潤滑が使
用される。
このような構成によって、レーザガスは矢印8のように
冷却器38からレーザ用ターボブロアへ吸入され、矢印
7のようにレーザ用ターボブロアから冷却器37へ吐出
される。
〔発明が解決しようとする課題〕
第4図及び第5図に示す従来のレーザ発振装置では以下
のような課題がある。
即ち、従来のレーザ用ターボブロアでは、10万RPM
もの高速回転のため、モータからの発熱が大きく、グリ
ースの劣化及び枯渇といった問題が生じていた。即ち、
モータの効率は約75%程度であり、残りの25%はモ
ータの発熱損失となる。例えば、出力2kWのモータの
場合、約667Wが発熱損失となる。このうちの約56
7Wはステータ4の鉄損と銅損による発熱であり、約1
00Wがロータ3の銅損による発熱である。
この発熱によって、ロータ3の温度は200℃以上にも
達する。ステータ4の発熱はステータ外周部に水冷装置
を設けることによって、冷却可能であるが、ロータ3は
高速で回転しているため、ステータのように水冷装置を
設けて冷却することは不可能である。また、モータ内は
0.l気圧程度のレーザガスしか存在しないので、空冷
による冷却効果もほとんど期待できない。
従って、ロータ3で発生した熱はシャフト2を伝わり、
シャフト2に固定された軸受5及び6を加熱し、軸受の
温度を上昇させる。軸受は約80℃の温度までは問題な
く動作するが、これ以上の温度になると、10℃上昇す
る毎に軸受の寿命が2分の1になるという問題がある。
これは、軸受の潤滑剤が高温度によって劣化することに
起因する。
従って、このような状態のまま、運転を継続すると軸受
が破壊してしまうという問題がある。そこで、通常は1
000時間毎にグリースを補充したり、軸受自身を交換
したりしていた。従って、従来はこのようなメンテナン
スに多大な労力を費やしていた。
さらに、軸受5及び6に伝わった熱によって、グリース
が気化してしまい。気化したグリースはレーザガス中に
混入して光学部品等を汚染し、レーザ出力低下やモード
変形等といった問題を起こしていた。
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、軸
受の温度上昇を抑制し、信頼性及び保守性に優れたレー
ザ用ターボブロア及びそれを用いたレーザ発振装置を提
供することを目的とする。
〔課題を解決するための手段〕
本発明では上記課題を解決するために、先端にターボ翼
を有するシャフトと、前記シャフトを支持する一対の軸
受と、前記シャフトを回転させるためのモータとから構
成されるレーザ用ターボブロアにおいて、前記モータを
構成するロータが発生する熱を放熱するための放熱部を
前記シャフトに設けたことを特徴とするレーザ用ターボ
ブロアが、提供される。
さらに、本発明では上記レーザ用ターボブロアを用いた
レーザ発振装置が、提供される。
〔作用〕
モータを構成するロータが発生する熱を放熱するための
放熱部をシャフトに設けることによって、シャフトを伝
達する熱は放熱部で放熱され、軸受に伝わる熱量が減少
し、軸受の温度上昇を抑制することができる。
〔実施例〕
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。
第1図は本発明のレーザ用ターボブロアの第1の実施例
の構成を示す図である。第5図と同一の構成要素には同
一の符合が付しであるので、その説明は省略する。ここ
で、ターボ翼lは遠心翼を示しているが斜流翼であって
も軸流翼であってもよい。
本実施例が従来のものと本質的に異なる部分は、シャフ
ト21に放熱部として、黒体放射を利用した放熱円板1
5を設けた点である。
ロータ3で発生した熱は、シャフト21を伝わり、軸受
側及び放熱円板側に達する。従来はシャフト21を伝わ
った熱は軸受の温度を上昇させていた。しかし、本実施
例では、放熱円板15によって、シャフト21を伝わる
熱が黒体放射によって放熱されるので、軸受の温度上昇
を抑制することができる。放熱円板15から放射される
熱エネルギーによって放熱ハウジング13は加熱される
が、この熱は周囲に設けられた水冷管14によって冷却
される。
ここで、黒体放射により外部に放出される熱エネルギー
Eは、ステファン・ボルツマン(SjefanBo l
 tzmann)の法則から、E=a σ (T’  
−To ’ )で表現できる。ここで、aは熱放射部の
面積、σはステファン・ボルツマン定数、Tは熱放射部
の温度、T、は外壁温度である。
例えば、熱放射部の面積(放熱円板15の表面積)aが
600cm2、放熱円板15の温度Tが473K、水冷
管14によって冷却された放熱/’%ウジング13の温
度T0が293にだとすると、熱エネルギーEは145
Wとなる。これは、ロータ3の発熱が約100’VV程
度であることを考慮すると、十分にその冷却効果を期待
できるものである。
さらに、本実施例では、レーザ用ターボブロアを構成す
るハウジングを軸受ハウジング11、モータハウジング
12及び放熱ハウジング■3の3つのハウジングに分割
している。
軸受ハウジング11は軸受5及び6を収納する。
軸受ハウジング11の両側は○リング17及び18によ
ってシールされている。モータハウジング12はロータ
3とステータ4とからなるモータを収納する。ステータ
4の周囲にはステータ4を冷却するための水冷管16が
設けられている。放熱ハウジング13は放熱円板15を
収納する。モータハウジング12と放熱ハウジング13
との間も同様に○リング19によってシールされている
このように、軸受5及び6と熱の発生源であるモータと
をそれぞれ別々のハウジングに収納することによって、
モータのステータで発生した熱はハウジングを伝わって
軸受部に伝達しなくなる。
また、ロータ3と軸受5及び6との相対的距離も大きく
なるので、熱がシャフト21を伝達しにくくなるという
効果もある。
第2図は本発明の第2の実施例であるレーザ用ターボブ
ロアの構造を示す図である。
本実施例が第1図のものと異なる点は、放熱ハウジング
13と、モータハウジング12とを入れ替えた点である
。即ち、放熱ハウジング13を軸受ハウジング11に近
接して設けである。このような構成にすることによって
、モータ部で発生した熱は軸受部に伝わりにくくなる。
また、ロータ3で発生した熱はシャフト21を伝わり軸
受部に到達する前に、放熱円板15で放熱され、最終的
に軸受5及び6に伝わる熱はごく僅かなものとなる。
第3図は本発明のレーザ発振装置の第3の実施例の構成
を示す図である。本実施例は第1図のレーザ用ターボブ
ロアの軸受5及び6の周囲にオイルフィルムダンパーを
取り付け、軸受の振動を吸収したものである。オイルフ
ィルムダンパーはスリーブ24と、○リング22及び2
3と、軸受ハウジング11とスリーブ24との間に充填
されたオイルとによって構成される。ころがり軸受5及
び6の内輪はシャフト21に固定され、外輪はスリーブ
24に固定されている。軸受ハウジング11とスリーブ
24との間には10〜100μmのすきまが設けられ、
そこにグリース又はオイルが充填される。0リング22
及び23はすきまに充填されたグリース又はオイルとレ
ーザガスとを遮断するためのものである。このような構
成にすることによって、ターボ翼1及びシャフト21が
高速で回転したときの振動はオイルフィルムダンパーの
流体力学的な減衰効果によって減衰する。
以上の実施例ではころがり軸受について説明したが、玉
軸受又はコロ軸受でもよい。さらに、軸受の材料として
セラミックを用いたセラミック軸受を用いてもよい。
以上のように本実施例によれば、軸受部の温度上昇を抑
制したので、従来500〜1000時間であった軸受の
寿命が、5000〜15000時間と長くなり、さらに
、グリースの定期的な補充又は軸受及びグリースの交換
といった保守が不要となる。
〔発明の効果〕
以上説明したように本発明によれば、軸受部の温度上昇
を抑制することができ、グリースの定期的な補充又は軸
受及びグリースの交換といった保守が不要となり、信頼
性及び保守性の改善されたレーザ用ターボブロアを提供
することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の第1の実施例であるレーザ用ターボブ
ロアの構造を示す図、 第2図は本発明の第2の実施例であるレーザ用ターボブ
ロアの構造を示す図、 第3図は本発明の第3の実施例であるレーザ用ターボブ
ロアの構造を示す図、 第4図は従来の炭酸(Co□〉ガスレーザ発振装置の全
体構成を示す図、 第5図は従来のレーザ用ターボブロアの構成を示す図で
ある。 2、21 5.6 1 ターボ翼 シャフト ロータ ステータ 軸受 軸受ハウジング l 4. 17. 34. 37. 2°   モータハウジング 3    放熱ハウジング 6    水冷管 5    放熱円板 8.19.22.23   0リング 4    スリーブ l    放電管 2    出力結合鏡 3    全反射鏡 5    電極 6    高周波電源 8    冷却器 9    送風機 0    ガスボンベ 2    真空ポンプ 3    共振器内レーザビーム光軸 4    共振器外レーザビーム光軸

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)先端にターボ翼を有するシャフトと、前記シャフ
    トを支持する一対の軸受と、前記シャフトを回転させる
    ためのモータとから構成されるレーザ用ターボブロアに
    おいて、 前記モータを構成するロータが発生する熱を放熱するた
    めの放熱部を前記シャフトに設けたことを特徴とするレ
    ーザ用ターボブロア。
  2. (2)前記軸受を収納する軸受ハウジングと、前記モー
    タを収納するモータハウジングと、前記放熱部を収納す
    る放熱ハウジングとをそれぞれ分離し、前記ターボ翼に
    近い方から前記軸受ハウジング、前記モータハウジング
    及び前記放熱ハウジングの順に設けたことを特徴とする
    特許請求の範囲第1項記載のレーザ用ターボブロア。
  3. (3)前記軸受を収納する軸受ハウジングと、前記モー
    タを収納するモータハウジングと、前記放熱部を収納す
    る放熱ハウジングとをそれぞれ分離し、前記ターボ翼に
    近い方から前記軸受ハウジング、前記放熱ハウジング及
    び前記モータハウジングの順に設けたことを特徴とする
    特許請求の範囲第1項記載のレーザ用ターボブロア。
  4. (4)前記軸受にオイルフィルムダンパーを設けたこと
    を特徴とする特許請求の範囲第1項、第2項、第3項又
    は第4項記載のレーザ用ターボブロア。
  5. (5)前記軸受が玉軸受であることを特徴とする特許請
    求の範囲第1項、第2項、第3項又は第4項記載のレー
    ザ用ターボブロア。
  6. (6)前記軸受がころ軸受であることを特徴とする特許
    請求の範囲第1項、第2項、第3項又は第4項記載のレ
    ーザ用ターボブロア。
  7. (7)前記軸受がセラミック軸受であることを特徴とす
    る特許請求の範囲第1項、第2項、第3項又は第4項記
    載のレーザ用ターボブロア。
  8. (8)気体放電によってレーザ励起をする放電管と、レ
    ーザ発振を行わせる光共振器と、送風機及び冷却器によ
    ってレーザガスを強制冷却させるガス循環装置とから構
    成されるレーザ発振装置において、 前記送風機が特許請求の範囲第1項から第7項までのい
    ずれかに記載のレーザ用ターボブロアで構成されること
    を特徴とするレーザ発振装置。
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Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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