JPH07211961A - レーザ用ターボブロア - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ガスレーザ装置内にレーザガスを強制的に循
環させるレーザ用ターボブロアに関し、シャフトや軸受
を効果的に冷却できるようにする。 【構成】 シャフト支持部２０内のオイルは、シャフト
２の回転に伴う遠心力によりオイル入口１３０から吸い
上げられ、シャフト２内部の冷却用オイル通路１３を通
過してオイル出口１３１から放出される。オイル出口１
３１から放出されたオイルは、オイル戻り通路１５を通
ってオイル溜まり１８に戻る。オイルはオイル戻り通路
１５を通る際に冷却用水路１９の冷却水によって冷却さ
れる。また、オイル出口１３１から放出されたオイルの
一部は、ころがり軸受５に供給されて潤滑に使用され
る。一方、シャフト支持部２０内のオイルの一部は、オ
イル吸い上げヘッド１７の回転に伴う遠心力によって、
テーパ部分に沿って引き上げられ、ころがり軸受６に供
給されてその潤滑に使用される。冷却用オイル通路１３
内を流れる多量のオイルによって、およそ１００Ｗの熱
をシャフト２及びロータ３から奪うことができ、軸受５
及び６も効果的に冷却できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はガスレーザ装置内にレー
ザガスを強制的に循環させるレーザ用ターボブロアに関
し、特に軸受の長寿命化を図ったレーザ用ターボブロア
に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近の高速軸流型の炭酸ガスレーザ装置
（ＣＯ₂ ガスレーザ発振装置）はコンパクトで高出力が
得られ、レーザビームの品質もよく、金属材料や非金属
材料の切断、金属材料等の溶接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。

【０００３】炭酸ガスレーザ装置では、注入電気エネル
ギの約２０％がレーザ光に変換され、他はレーザガスの
加熱に消費される。一方、理論的にはレーザ発振利得
は、絶対温度Ｔの−（３／２）乗に比例する。したがっ
て、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、レーザガス温度をできるだけ低くしてやる
必要がある。そこで、高速軸流型の炭酸ガスレーザ装置
では、レーザガスを装置内で強制的に循環させて冷却器
に送り込むべく、レーザ用ターボブロアが用いられる。

【０００４】図３は従来のレーザ用ターボブロア１００
Ａの構成図である。図示のレーザ用ターボブロア１００
Ａにおいて、ターボ翼１と、そのターボ翼１の回転を支
持するシャフト８０とはナット７で機械的に結合されて
いる。シャフト８０にはその外周に沿ってロータ３が焼
きばめによって固定されている。そのロータ３の外側に
はステータ４０が設けられている。このステータ４０
は、ハウジング１２０に固定され、ロータ３との間で高
周波モーター３０を構成している。ターボ翼１はこの高
周波モータ３０によって、数万ＲＰＭの高速で回転す
る。

【０００５】シャフト８０には、その支持のために、高
周波モータ３０の両側に一対のころがり軸受５０及び６
０が使用されている。ころがり軸受５０及び６０の潤滑
には、グリースが使用される。また、シャフト８０に
は、軸受冷却用の放熱フィン６３及び６４が焼きばめに
よって固定されている。

【０００６】このような構成のレーザ用ターボブロア１
００Ａにおいて、レーザガスは図３の矢印９Ａのように
吸入され、矢印１０Ａのように遠心方向に吐出される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記従来の
レーザ用ターボブロア１００Ａは、上述したように回転
数が数万ＲＰＭと高速回転であるため、モータ３０やシ
ャフト８０にはかなりの熱が発生する。この熱は、主に
回転磁界による磁束に基づく鉄損及び銅損によるもので
ある。一方、レーザ用ターボブロア１００Ａの内部は約
０．１気圧程度の希薄なレーザガスしか存在していない
ので、自然対流での冷却効果が期待できず、また放熱フ
ィン６３及び６４による強制冷却も十分とは言えない。

【０００８】このため、ロータ３やシャフト８０の熱
は、十分に冷却されないままに、ころがり軸受５０及び
６０に伝わる。ころがり軸受５０及び６０が熱を受けて
高温になると、その中に充填されたグリースが劣化し、
ころがり軸受５０及び６０は焼き付いて損傷する。ま
た、ころがり軸受５０及び６０の温度上昇は、グリース
の蒸発を促進し、気化したグリースがレーザガス中に混
入して炭酸ガスレーザ装置の光学部品を汚染する。この
光学部品の汚染は、レーザ出力の低下やビームモードの
変形による加工特性不良といった問題を引き起こす。

【０００９】さらに、軸受冷却用の放熱フィン６３及び
６４をシャフト８０に設けているために、その放熱フィ
ン６３及び６４の分だけシャフト８０の全長は長くな
る。このため、ターボ翼１の回転数が最高回転数に達す
るまでには、１次及び２次双方の共振点を越えなければ
ならず、その共振点における振動を抑えるために、制振
構造を具備する必要があった。また、ターボ翼１等の回
転体のバランス修正の際にも、精度を出すために多大な
労力を掛けなければならず、組立やメンテナンス時の作
業性も悪かった。

【００１０】本発明はこのような点に鑑みてなされたも
のであり、シャフトや軸受を効果的に冷却することがで
きるレーザ用ターボブロアを提供することを目的とす
る。

【００１１】

【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、前記
シャフトを支持する一対の軸受、及び前記シャフトを回
転させるモータから構成されるレーザ用ターボブロアに
おいて、前記シャフトの内部に軸方向に沿って設けられ
た冷却用オイル通路と、前記冷却用オイル通路の一端が
冷却用オイルに接触するように前記一端側に設けられた
オイル溜まりと、を有することを特徴とするレーザ用タ
ーボブロアが、提供される。

【００１２】

【作用】冷却用オイル通路が、シャフトの内部に軸方向
に沿って設けられ、その冷却用オイル通路の一端にオイ
ル溜まりが設けられる。冷却用オイル通路の一端は、そ
のオイル溜まりに接触している。

【００１３】冷却用オイル通路の一端に接触しているオ
イルは、シャフトの回転に伴って冷却用オイル通路内部
を吸い上げられるように移動し、冷却用オイル通路の他
端側から排出される。すなわち、シャフトの内部を冷却
用オイルが通過することになる。したがって、冷却用オ
イルによってシャフトは内部から効率良く冷却される。

【００１４】

【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。図２は本発明のレーザ用ターボブロアが適用さ
れる炭酸ガスレーザ装置の全体構成を示す図である。図
において、放電管７１の両端には出力結合鏡７２と全反
射鏡７３とからなる光共振器が設置されている。放電管
７１の外周上には金属電極７４及び７５が取りつけられ
ている。金属電極７４は接地され金属電極７５は高周波
電源７６に接続されている。金属電極７４及び７５の間
には高周波電源７６から高周波電圧が印加される。これ
によって、放電管７１内に高周波グロー放電が発生しレ
ーザ励起が行われる。そのレーザ励起によって放電管７
１内にはレーザビーム５３が生成され、その一部はレー
ザビーム５４となって出力結合鏡７２から外部に取り出
される。

【００１５】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５２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５１が開放になり所
定流量のレーザガスがガスボンベ５０から導かれ、それ
により装置内のガス圧は規定値に達する。その後は真空
ポンプ５２の排気とバルブ５１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。

【００１６】さらに図２では送風機であるレーザ用ター
ボブロア１００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（ＣＯ
₂ ）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、理論的には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。

【００１７】本装置では、レーザガスは約２００ｍ／ｓ
ｅｃ以上の流速で放電管７１内を通過して矢印で示す方
向に流れ、冷却器７８に導かれる。冷却器７８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、レーザ用ターボブロア１００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
７７を介して放電管７１に導かれる。これは、レーザ用
ターボブロア１００で圧縮されたレーザガスが放電管７
１に再度導かれる前に、その圧縮熱を冷却器７７で除去
するためである。これらの冷却器７７及び７８は周知で
あるので詳細な説明は省略する。

【００１８】レーザ用ターボブロア１００はインバータ
６０で駆動される。このレーザ用ターボブロア１００の
回転数は数万ＲＰＭと高速回転となるので、インバータ
６０にはその回転数に応じた高周波インバータが使用さ
れる。

【００１９】図１は本発明のレーザ用ターボブロアの構
成を示す図である。図において、レーザ用ターボブロア
１００は垂直に設置され、レーザガスは冷却器７８（図
２）の方向から矢印９のように吸入され、矢印１０のよ
うに二方向に分かれて遠心方向に吐出される。この二方
向は、最終的に一つとなり冷却器７７（図２）に流入す
る。

【００２０】レーザ用ターボブロア１００を垂直に設置
したことに伴い、シャフト２も垂直の状態となる。シャ
フト２はターボ翼１の回転を支持し、その両者は互いに
ナット７で機械的に結合されている。シャフト２にはそ
の外周に沿ってロータ３が焼きばめによって固定されて
いる。そのロータ３の外側にはステータ４が設けられて
いる。このステータ４は、ハウジング１２に固定され、
ロータ３との間で高周波モーター３０を構成している。
ターボ翼１はこの高周波モータ３０によって、数万ＲＰ
Ｍの高速で回転させられる。シャフト２の支持のために
高周波モータ３０の両側に一対のころがり軸受５及び６
が設けられている。

【００２１】シャフト２の内部には、その軸方向に沿っ
て冷却用オイル通路１３が設けられている。この冷却用
オイル通路１３のオイル出口１３１は、ターボ翼１の下
端側に隣接して設けられたころがり軸受５と、シャフト
２に固定されたロータ３との間のシャフト２に４個設け
られる。これら４個のオイル出口１３１は、シャフト２
と冷却用オイル通路１３との間に貫通して設けられた小
口径の穴であり、そのうちの２個は図に示すように水平
方向に、他の２個は図面に垂直の方向に設けられる。な
お、シャフト２は、ターボ翼１が固定される部分では、
ターボ翼１の径に合わせて細くなっているが、オイル出
口１３１が設けられるころがり軸受５とロータ３との間
は、剛性を確保するためにシャフト２の径が若干太く形
成されている。

【００２２】シャフト２の下端側にはシャフト２と一体
にオイル吸い上げヘッド１７が設けられている。このオ
イル吸い上げヘッド１７にも冷却用オイル通路１３が貫
通して設けられている。オイル吸い上げヘッド１７は、
外周がテーパ状に形成されて先端に行く程細くなってお
り、その先端には、冷却用オイル通路１３のオイル入口
１３０が形成されている。

【００２３】シャフト２の下端側でモータ３０の直下に
はオイル溜まり１８が形成されている。また、シャフト
２の下端側及びオイル吸い上げヘッド１７の回りには、
オイル溜まり１８と一体に円筒状のシャフト支持部２０
が形成されている。オイル溜まり１８の下部には、オイ
ル通路１８０が形成され、このオイル通路１８０はシャ
フト支持部２０の底辺部中央に設けられた貫通口２０１
に連通している。オイル溜まり１８内のオイルは、オイ
ル通路１８０及び貫通口２０１を経由してシャフト支持
部２０の円筒内側に入る。また、オイル入口１３０から
冷却用オイル通路１３に入る。その結果、静止時には、
オイル溜まり１８内のオイルとシャフト支持部２０内の
オイルと冷却用オイル通路１３内のオイルとは、同一の
高さに保持される。

【００２４】シャフト支持部２０の内周面には、軸方向
に摺動可能なように軸受スリーブ２１が設けられる。軸
受スリーブ２１は突出部分２１０を有し、その突出部分
２１０の上端はころがり軸受６の外輪に接し、下端はス
プリング１６に接している。スプリング１６は、ころが
り軸受５及び６に予圧を与えるために設けられたもので
あり、シャフト支持部２０の底辺側に固定されて軸受ス
リーブ２１の突出部分２１０を押圧し、その押圧力は、
順にころがり軸受６の外輪、内輪、シャフト２、ころが
り軸受５の内輪及び外輪に伝わり、全体としてシャフト
２をシャフト支持部２０とハウジング１２の一部との間
に支持する。

【００２５】モータ３０を構成するステータ４の外回り
のハウジング１２には、そのステータ４の長手方向に沿
ってオイル戻り通路１５が設けられている。さらにその
外回りのハウジング１２には、オイル戻り通路１５に沿
って冷却用水路１９が設けられている。

【００２６】上記構成のレーザ用ターボブロア１００に
おいて、オイル吸い上げヘッド１７内部の冷却用オイル
通路１３に入っているオイルは、シャフト２の回転に伴
う遠心力によって、冷却用オイル通路１３の内壁面に押
し当てられる。このとき、オイルには、その内壁面に沿
ってオイルを押し上げようとする方向の分力が作用す
る。その結果、オイルは急速に吸い上げられて、シャフ
ト２内部の冷却用オイル通路１３を通過してオイル出口
１３１から放出される。その一部は、ころがり軸受５に
供給され、ころがり軸受５の潤滑に使用される。放出さ
れたオイルは、オイル戻り通路１５を通ってオイル溜ま
り１８に戻る。そして、オイル戻り通路１５を通る際に
冷却用水路１９の冷却水によって冷却される。オイル溜
まり１８に戻ったオイルは、オイル溜まり１８の下部に
設けられたオイル通路１８０及び貫通口２０１を経由し
て再度シャフト支持部２０の内部に入る。このように、
オイルは、シャフト２が回転しているときは、常に循環
している。

【００２７】一方、シャフト支持部２０内のオイルの一
部は、オイル吸い上げヘッド１７の回転に伴う遠心力に
よって、そのテーパ部分１７０の外周に沿って汲み上げ
られ、ころがり軸受６に供給されて潤滑に使用される。

【００２８】上記の冷却用オイル通路１３内を流れるオ
イルによってシャフト２やロータ３から発生する熱を放
熱させることができる。なお、このオイルは、高い耐熱
性と低蒸気圧性を有しているので、蒸発しにくいオイル
となっており、オイル気化による光学部品の汚染等も発
生しにくくなる。

【００２９】このように、シャフト２の内部に冷却用の
オイルを多量に流し、シャフト２及びロータ３をオイル
冷却するようにしたので、ころがり軸受５及び６も効果
的に冷却させることができる。したがって、ころがり軸
受５及び６の高熱化による損傷を防止することができ、
ころがり軸受５及び６を長寿命化させることができる。
また、そのオイルの一部をころがり軸受５及び６の潤滑
に使用するようにしたので、グリースが不要となる。こ
のため、グリースの気化による光学部品の汚染も防止す
ることができる。したがって、全体として、炭酸ガスレ
ーザ装置の信頼性を向上させることができる。

【００３０】さらに、上述したようにころがり軸受け５
及び６は、オイルによって十分に冷却されるので、軸受
冷却用の放熱フィンをシャフトに設ける必要がなくな
り、その分だけシャフト２の全長を短くすることができ
る。このため、レーザ用ターボブロア１００全体をコン
パクト化することができる。また、シャフト２を短くで
きるのでシャフト２の２次の共振点が通常の最高回転数
以上となり、ターボ翼１の回転数がその最高回転数に達
するまでに、１次の共振点のみをクリアすればよいこと
になる。したがって、制振構造も簡単なものとすること
ができる。ターボ翼１等の回転体のバランス修正も簡単
に行えるようになり、レーザ用ターボブロア１００の組
立性及び保守性を改善することができる。

【００３１】上記の説明では、レーザ用ターボブロア１
００のターボ翼１に遠心式のものを採用したが、斜流翼
や軸流翼を採用するように構成してもよい。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように本発明では、シャフ
トの内部に冷却用のオイルを多量に流し、シャフト及び
ロータをオイル冷却するように構成した。このため、シ
ャフトを支持する一対の軸受も効果的に冷却させること
ができる。したがって、軸受の高熱化による損傷を防止
することができ、軸受を長寿命化させることができる。

【００３３】また、そのオイルの一部を軸受の潤滑に使
用するようにしたので、グリースが不要となる。このた
め、グリースの気化による光学部品の汚染も防止するこ
とができる。したがって、全体として、炭酸ガスレーザ
装置の信頼性を向上させることができる。

【００３４】さらに、軸受けは、オイルによって十分に
冷却されるので、軸受冷却用の放熱フィンをシャフトに
設ける必要がなくなり、その分だけシャフトの全長を短
くすることができる。このため、レーザ用ターボブロア
全体をコンパクト化することができる。

【００３５】また、シャフトを短くできるので、ターボ
翼の回転数が最高回転数に達するまでに、１次の共振点
のみをクリアすればよいことになる。したがって、制振
構造も簡単なものとすることができる。ターボ翼等の回
転体のバランス修正も簡単に行えるようになり、レーザ
用ターボブロアの組立性及び保守性を改善することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のレーザ用ターボブロアの構成を示す図
である。

【図２】本発明のレーザ用ターボブロアが適用される炭
酸ガスレーザ装置の全体構成を示す図である。

【図３】従来のレーザ用ターボブロアの構成図である。

【符号の説明】

１ ターボ翼 ２ シャフト ３ ロータ ４ ステータ ５，６ ころがり軸受 １３ 冷却用オイル通路 １５ オイル戻り通路 １７ オイル吸い上げヘッド １８ オイル溜まり １９ 冷却用水路 ２０ シャフト支持部

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【手続補正書】

【提出日】平成６年１２月１日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１４

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１４】

【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。図２は本発明のレーザ用ターボブロアが適用さ
れる炭酸ガスレーザ装置の全体構成を示す図である。図
において、放電管７１の両端には出力結合鏡７２と全反
射鏡７３とからなる光共振器が設置されている。放電管
７１の外周上には金属電極７４及び７５が取りつけられ
ている。金属電極７４は接地され金属電極７５は高周波
電源７６に接続されている。金属電極７４及び７５の間
には高周波電源７６から高周波電圧が印加される。これ
によって、放電管７１内に高周波グロー放電が発生しレ
ーザ励起が行われる。そのレーザ励起によって放電管７
１内にはレーザビーム９３が生成され、その一部はレー
ザビーム９４となって出力結合鏡７２から外部に放出さ
れる。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１５】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９２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９１が開放になり所
定流量のレーザガスがガスボンベ９０から導かれ、それ
により装置内のガス圧は規定値に達する。その後は真空
ポンプ９２の排気とバルブ９１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。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１６】さらに図２では送風機であるレーザ用ター
ボブロア１００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。炭酸ガス
（ＣＯ ₂ ）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、他はレーザガスの熱として消費
される。ところが、理論的には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。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１８

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１８】レーザ用ターボブロア１００はインバータ
４０で駆動される。このレーザ用ターボブロア１００の
回転数は数万ＲＰＭと高速回転となるので、インバータ
４０にはその回転数に応じた高周波インバータが使用さ
れる。

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３０】さらに、上述したようにシャフト２は十分
に冷却されるので、シャフト冷却用の放熱フィンをシャ
フト２に設ける必要がなくなり、その分だけシャフト２
の全長を短くすることができる。このため、レーザ用タ
ーボブロア１００全体をコンパクト化することができ
る。また、シャフト２を短くできるのでシャフト２の２
次の共振点が通常の最高回転数以上となり、ターボ翼１
の回転数がその最高回転数に達するまでに、１次の共振
点のみをクリアすればよいことになる。したがって、制
振構造も簡単なものとすることができる。ターボ翼１等
の回転体のバランス修正も簡単に行えるようになり、レ
ーザ用ターボブロア１００の組立性及び保守性を改善す
ることができる。

【手続補正６】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図２

【補正方法】変更

【補正内容】

【図２】

フロントページの続き (72)発明者 中原 賢治 山梨県南都留郡忍野村忍草字古馬場3580番 地 ファナック株式会社内 (72)発明者 三井 賢治 山梨県南都留郡忍野村忍草字古馬場3580番 地 ファナック株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 先端にターボ翼を有するシャフト、前記
   シャフトを支持する一対の軸受、及び前記シャフトを回
   転させるモータから構成されるレーザ用ターボブロアに
   おいて、 前記シャフトの内部に軸方向に沿って設けられた冷却用
   オイル通路と、 前記冷却用オイル通路の一端が冷却用オイルに接触する
   ように前記一端側に設けられたオイル溜まりと、 を有することを特徴とするレーザ用ターボブロア。
2. 【請求項２】 前記シャフトは略垂直に配置され、前記
   オイル溜まりは前記冷却用オイル通路の下端側に設けら
   れ、前記冷却用オイルは前記シャフトの回転に伴う遠心
   力によって前記冷却用オイル通路内を吸い上げられて前
   記シャフトの下端から前記シャフトに設けられたオイル
   出口まで通過することを特徴とする請求項１記載のレー
   ザ用ターボブロア。
3. 【請求項３】 前記冷却用オイルはその一部が前記一対
   の軸受の潤滑オイルとして用いられることを特徴とする
   請求項１記載のレーザ用ターボブロア。
4. 【請求項４】 前記冷却用オイルは高耐熱性でかつ低蒸
   気圧性を有するオイルであることを特徴とする請求項１
   記載のレーザ用ターボブロア。