JPH0748576B2

JPH0748576B2 - 気体レ−ザ装置

Info

Publication number: JPH0748576B2
Application number: JP61021887A
Authority: JP
Inventors: デー．ホツグイーザン; ツエイダーグレン
Original assignee: Amada Co Ltd
Current assignee: Amada Co Ltd
Priority date: 1985-06-25
Filing date: 1986-02-03
Publication date: 1995-05-24
Anticipated expiration: 2010-05-24
Also published as: US4686680A; JPS62111486A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、一般に、レーザ媒質として気体を使用するタ
イプの気体レーザ装置に関する。特に、本発明は、横流
送風機を使用し、気体の流れを加速するタイプの気体レ
ーザ装置に関する。

（従来の技術）レーザ媒質として、流れる気体を使用するタイプのレー
ザ装置では、気体は放電空洞を通過させられ、ここで電
界をかけられる。これによって、気体中に放電が発生
し、光が放射される。放射される光の量は、レーザを発
生させる気体の体積に関連する。中出力および高出力の
気体レーザ装置では、レーザを発生し得る気体の体積
は、放電領域にわたって気体を高速に加速することによ
って増加する。高出力気体レーザ装置では、気体の流速
が音速を越えることもある。気体を一定に保つため、閉
システム内で気体を循環させ、損失された気体について
はこれを補填することが行われている。

気体レーザ放射が気体自体を高温にするため、放電空洞
から流れる気体の温度は、放電空洞に入る気体の温度よ
り、はるかに高温である。気体を再循環させる閉システ
ムでは、放電空洞からの高温気体は、熱交換器に流れ、
ここで冷却され、反転分布が適切なレベルまで回転さ
れ、レーザの放射が再び可能になる。冷却された気体
は、加速されて流速を増し、放電領域に向い、レーザを
発生させる。

気体が放電領域を横断して流れるタイプの気体レーザ装
置では、横流送風機を使用し、再循環通路内で気体を加
速させることが通常行われている。横流送風機は、特
に、横断方向に気体を流すタイプの気体レーザ装置に適
している。これは、送風機の回転翼の長さを放電領域の
長さに合わせることができるからである。

横流送風機は、1890年代にMortierによって発明されと
思われ、1893年にMortierに付与された米国特許第507,4
45号にそれが開示されている。Datwylerに付与された英
国特許989,712号には、横流送風機の改良が開示されて
いる。この改良横流送風機では、渦が送風機の周囲を自
由に動けるため、主流状態に応じてその位置が調整され
る。横流送風機の検討については、1970年の「Journal
of Mechanical Engineering Science」第12巻第６
号に掲載された、A.M.PorterとE.Markiandによる研究論
文「Ａ Study of Cross Flow Fan」が参照でき
る。この論文は、本明細書に参考として取り入れた。

米国特許第4,099,143号は、気密中空円筒形容器を有す
る流動気体レーザ装置を開示している。この気密中空円
筒形容器には、横流送風機と、熱交換器と、放電領域を
形成する手段と、閉ループに気体を流すための隔壁とフ
ァンとが内蔵されている。この構成において、横流送風
機は、円筒形容器内の縦方向に、放電領域に沿って延び
る。横流送風機の長さは、放電領域の長さにほぼ等し
い。このため、この横流送風機は、放電領域の縦方向全
長にわたって、放電領域に気体を通過させる。前記米国
特許に開示されている構成では、横流送風機とその隔壁
とは、従来の方法に従って配置されている。

横流送風機のスループット（流れの体積）は、気体の流
入条件、流出条件、あるいはそれら両方の条件が送風機
の回転翼の内側に流れの隘路を発生させるような条件で
ある場合、悪影響を受けることが知られている。Porter
とMarkiandの論文で説明されているように、流れの隘路
は、送風機によって発生される渦の中心が、回転翼のか
ごの内側にある場合に発生する。適切な流入条件を確保
するために、流入速度は、入口からの流れが、回転翼の
かごの内周に沿って進まないよう、十分に高速としなけ
ればならない。つまり、回転翼のブレードを通過してか
らの流入速度が低過ぎると、その流れは、回転翼のブレ
ードによって形成されるかごの内周に沿って進むことと
なる。

前述の論文から、良好な動作をする横流送風機とは、二
つの渦を発生させ、送風機の主流が、これら渦の間を通
り、境界流線ではさまれた通路を通って流れるような送
風機であることが分る。これら渦の正確な位置と形状と
は、ダクトや背圧などの外部要因に左右されるものであ
り、一般には不明である。

（発明の目的）本発明の主たる目的は、気体レーザ装置に使用される送
風機の適切な性能を得ることであり、送風機の回転翼を
通過する気体の流れに隘路を発生させないような流入条
件を確保することによって、これを実現しようとするも
のである。

本発明の他の目的は、気体レーザ装置において、横流送
風機によって発生される気体の流れに対する上流熱交換
器の悪影響を除去ないし減少させることである。

本発明のさらに他の目的は、気体レーザ装置において、
上流熱交換器の必要性をなくし、同時に、送風機出口側
の気体主流の外側に位置させた冷却手段によって、横流
送風機の動作により生じた熱を除去することである。

（発明の概要）この発明の気体レーザ装置は、前記目的を達成するた
め、気密性容器を有し、該気密性容器内に、（ａ）気体レーザを発生させるための放電領域を形成
する手段と、（ｂ）前記放電領域を通過した気体を冷却するための
下流熱交換器手段と、（ｃ）前記放電領域の縦方向長さとほぼ同一に延びる
回転翼を有し、気体を加速して前記気密性容器内の閉ル
ープに循環させる横流送風機と、（ｄ）前記横流送風機の動作によって生じた気体の熱
を除去するための冷却手段と、を具備すると共に、前記横流送風機の動作によって生じた気体の熱を除去す
るための前記冷却手段は、前記横流送風機によって発生
される渦のうち少なくとも一つの渦の通路内であって、
前記横流送風機の回転翼の外側に配置される冷却手段か
らなり、これにより、前記生じた熱の少なくとも一部
は、前記放電領域へ向う気体の主流の外側において、渦
内を流れる気体から除去されるようにした。

（実施例）第１図は気体レーザ装置を示す。この装置の内部構造は
気密性容器内に配置されている。この気密性容器は、中
空円筒形容器１で形成される。容器１の一端はキャップ
２で閉じられ、他端はキャップ３で閉じられる。キャッ
プ３を通って可撓コンジット４が延び、この可撓コンジ
ット４内を通って、電線、水供給用ホース、および他の
線が、容器１の気密性を損うことなく容器１内に導入さ
れる。キャップ２からは円筒形管５が延び、管５内には
透光性の窓が取りつけられる。この窓を通して、レーザ
ビームが気密性容器１から出力される。

第２図は、気体レーザ装置の容器１の内部構造の従来の
構成を示す概略図である。図示の構成において、気体レ
ーザ放射を発生させる放電領域10は、２枚の絶縁プレー
ト11および12の間に位置する。絶縁プレート11および12
は、コージライト等のセラミック材料からなる。コージ
ライトは、膨張係数が低く、高温に耐えることができ
る。電極13および14は、絶縁プレート11および12を貫通
して配列され、電界を発生させる。この電界は、放電領
域10内の気体にレーザを発生させる。安定器モジュール
15Aおよび15B内には、電気的構成部品が収容される。こ
れら構成部品は、放電領域内に電界を発生させる電極13
および14に付属するものである。冷却要素も、その安定
器モジュール内に配置される。

放電領域を出た高温気体は、下流熱交換器16を通過す
る。下流熱交換器16は、気体を冷却し、適切なレベルの
気体分子分布を回復させ、その気体が再循環された場
合、その気体によるレーザ放射を再び可能にする。冷却
された気体は、次に、横流送風機17の入口側に流れる。
この送風機17は、かご形送風機とも呼ばれるが、これは
この送風機の回転翼が、かごを形成する単一円形に配列
されたプレートを有し、このかごが中心軸を中心として
回転するからである。横流送風機17の出口側における気
体圧力は、入口側における気体圧力よりも高い。横流送
風機17は、気体を圧縮し、その速度を加速するとともに
温度を高める。横流送風機17の動作によって気体に加え
られた熱を除去するために、送風機17の出口側からの気
体は、熱流熱交換器18を通されて冷却され、次に、放電
領域10に入る。

熱交換器16および18は、適当であればどのようなもので
も良く、例えば、多数のフィンを設けた水冷管を有し、
このフィンが有効熱交換面積を増加させるような従来の
熱交換器である。第２図に示す構成において、気体の流
れる通路は、矢印で示されており、気体が閉ループで循
環されるようになっている。

第３図において、気体レーザ装置の光共振空洞の光学要
素19および20は、放電領域10の両端に配置されている。
図を分り易くするため、光共振器の光学要素19は、第２
図には示されていない。横流送風機17の回転翼は、気体
レーザ装置の放電領域10の長さとほぼ同一長さを有して
いる。横流送風機17は、その回転翼の縦方向長さの全長
にわたって、ほぼ均一な気体の流れを発生する。従っ
て、放電領域の縦方向長さの全長にわたって気体が均一
な速度で横断するように気体を加速できる。横流送風機
17の回転翼は、支持体22上に取り付けられたモータ21に
よって駆動される。支持体22は、容器１に取り付けられ
る。同様に、横流送風機17の回転翼の他端は、容器に固
定された支持体24上の軸受23内に支持される。

第２図にもどり、送風機17の出口の流れは、渦壁26と後
壁27との間に制限され、上流熱交換器18の方向に向かわ
せられる。上流熱交換器18の主な機能は、送風機17の動
作によって気体に加えられた熱を取り除くことである。
第２図に示す熱交換器のそれぞれには、有効熱交換面積
を増加させるためのフィンを有する２列の水冷管が使用
されている。熱交換器18は、その抵抗によって気体の流
れを妨げ、気体の速度を減少させる。従って、気体の流
れ通路から上流熱交換器18を取り除くことは、これを取
り除いても送風機の動作が気体に加えた熱を除去するこ
とができれば、大いに求められることである。

第４図は、横流送風機の回転翼と、渦壁26と、後壁27と
を示す。気体の流入は幅の広い円弧上で発生し、気体の
流出はより小さい円弧に制限されることが分る。これが
横流送風機を使用する際の従来の方法であり、第２図に
示した構成である。

第５図は、第２図構成の変更構成を示し、この構成によ
って性能が向上される。第５図の構成において、横流送
風機17への気体の流入は、先細ノズル28によって回転翼
周辺の小さな範囲に制限される。また、第２図に示され
る渦壁26は取り除かれている。先細ノズル28は、横流送
風機17に流れ込む気体の速度を上昇させる。

第６図は、円弧形のブレード17Aおよび17Bを有する横流
送風機の回転翼の一部を示す。気体の理想的な流入方向
は、図に矢印Ｘで示すように、ブレード頂部に対する接
線方向である。従って、理想的な迎え角はゼロである。
また、回転翼の外周の接線に対して角度αを例えば30゜
とすれば、迎え角がゼロとなる。

流入気体が回転翼の内周に沿って進むのを防ぐため、気
体の流出速度V₁は、気体がほぼ矢印ｙで示す方向に流れ
るような十分な半径方向速度を持っていなければならな
い。

先細ノズル28は、気体の流入を横流送風機17に制限する
ことに加えて、流入の迎え角を理想的な角度に近付け、
さらにそのテーパによって流入速度を上昇させる。

第７図は、流入速度の上昇の結果と、回転翼の小さな範
囲への気体の流入の制限の結果とを示す概略図である。
回転翼を通る主流Ｕは、第７図に示される境界流線S₁,S
₂の通路内にある。この主流通路は、回転翼内で二つの
渦によって制限される。ここに、一方の渦の中心は回転
翼のブレード上にある。ノズル28は、放電領域を通る通
路の高さとほぼ同一な寸法の幅に至るまで先細にされる
のが好ましい。

送風機内17での気体の圧縮によって発生される熱の大部
分は、二つの渦内で発生されるのであって、主通路の主
流内で発生されるのではない。第２図の構成では、渦内
で発生される熱のすべては、主流内に広がってしまい、
その後、上流熱交換器によって除去される。

第８図は、気体レーザ装置の内部構造の好適構成を示す
概略図である。本発明の好適実施例においては、上流熱
交換器が全く省略される。横流送風機によって発生され
た熱を取り除くための冷却は、フィンを設けた冷却管30
および31によって行われる。冷却管30および31は、二つ
の渦内を循環する気体の通路内に配置される。管30は一
方の渦の通路内に配置され、管31は他方の渦の通過内に
配置される。もちろん、これら冷却管位置と数量とは、
必要な冷却を与えるために変更される。また、冷却管の
位置と、寸法と、数量とは調整可能であり、主通路の主
流に及ぼす好ましくない作用を最小にするか除去でき
る。

第８図に示す先細ノズル28は、薄板金または他の適当な
板状材料で作ることができる。所望により、曲線翼32を
使用し、気体を滑らかに放電領域に向かわせることもで
きる。

第９図は、本発明の他の実施例を示す概略図である。こ
の実施例は、上流熱交換器を持つとともに、第８図の改
良型横流送風機構成を利用するものである。第９図の実
施例において、送風機17が加える熱の一部は、上流熱交
換器32によって除去される。水冷管33,34は、熱交換器3
2の背圧を減ずるためにも役立つ。すなわち、この熱交
換器32を通る気体の流れへのインピーダンスは、気体の
流れにほとんど抵抗を与えない水冷管33,34を使用する
ことによって著しく減少される。第９図の構成におい
て、送風機17によって加えられる熱の大部分は、渦の通
路中に配置されるるフィン付冷却管33および34によって
除去される。熱負荷の一部は上流熱交換器32によって担
われるため、冷却管33および34の熱負荷が減少され、こ
れら冷却管の使用数は少なくて済む。

本発明は各種形態において具体化できるものであり、本
発明の範囲は、前記実施例に限定されるものではない。
本発明の範囲は、特許請求の範囲によって規定され、本
発明の基本的特徴を逸脱しないような変更形態をも含む
ものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、気体レーザ装置の内部構造を収容するための
容器を示す斜視図、第２図は、気体レーザ装置容器の内部構造の従来構成を
示す概略図、第３図は、気体レーザ装置容器の内部の縦方向を示す図
であり、該レーザ装置の放電領域に対する横流送風機の
位置を示す概略図、第４図は、従来構成の横流送風機の流入領域と流出領域
との範囲を示す概略図、第５図は、気体レーザ装置内における横流送風機の改良
構成を示す概略図、第６図は、横流送風機の回転翼ブレードを通る気体の流
れを示す図、第７図は、第５図に示す構成の横流送風機が発生する流
れを示す概略図、第８図は、上流熱交換器を完全に省略し、横流送風が発
生させる渦内で気体の流れを冷却することによって冷却
を遂行するような、本発明の好適実施例を示す概略図、
および第９図は、横流送風機の動作によって発生される熱が、
一部は横流送風機によって発生される渦内において気体
を冷却して除去され、一部は気体の主流内に配置される
上流熱交換器によって除去されるような、気体レーザ装
置容器内の構造の混成配置を示す概略図である。１……中空円筒形容器、2,3……キャップ、４……可撓
コンジット、５……円筒形管、10……放電領域、11,12
……絶縁プレード、13,14……電極、15A,15B……安定器
モジュール、16……下流熱交換器、17……横流送風機、
17A,17B……ブレード、18,32……上流熱交換器、19,20
……光学要素、21……モータ、22,24……支持体、23…
…軸受、26……渦壁、27……後壁、28……先細ノズル、
30,31,33,34……フィン付冷却管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者イーザンデー．ホツグアメリカ合衆国、マサチユーセツツ州、イーストボストンウエブスターストリート 177 (72)発明者グレンツエイダーアメリカ合衆国マサチユーセツツ州マーブルヘツド、マグフオードストリート 29

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】気密性容器を有し、該気密性容器内に、（ａ）気体レーザを発生させるための放電領域を形成
する手段と、（ｂ）前記放電領域を通過した気体を冷却するための
下流熱交換器手段と、（ｃ）前記放電領域の縦方向長さとほぼ同一に延びる
回転翼を有し、気体を加速して前記気密性容器内の閉ル
ープに循環させる横流送風機と、（ｄ）前記横流送風機の動作によって生じた気体の熱
を除去するための冷却手段とを収容する気体レーザ装置
において、前記横流送風機の動作によって生じた気体の熱を除去す
るための前記冷却手段は、前記横流送風機によって発生
される渦のうち少なくとも一つの渦の通路内であって、
前記横流送風機の回転翼の外側に配置される冷却手段か
らなり、これにより、前記生じた熱の少なくとも一部
は、前記放電領域へ向う気体の主流の外側において、渦
内を流れる気体から除去されることは特徴とする気体レ
ーザ装置。
【請求項２】気密性容器を有し、該気密性容器内に、（ａ）気体レーザを発生させるための放電領域を形成
する手段と、（ｂ）前記放電領域を通過した気体を冷却するための
下流熱交換手段と、（ｃ）前記放電領域の縦方向長さとほぼ同一に延びる
回転翼を有し、気体を加速して前記気密性容器内の閉ル
ープに循環させる横流送風機と、（ｄ）前記横流送風機の動作によって生じた気体の熱
を除去するための冷却手段とを収容する気体レーザ装置
において、前記横流送風機の動作によって生じた気体の熱を除去す
るための前記冷却手段は、前記横流送風機によって発生
される渦の通路内であって、前記横流送風機の回転翼の
外側に配置され、前記熱の除去は、該冷却手段により、
前記放電領域へ向う気体の主流の外側において、渦内を
流れる気体から行われることを特徴とする気体レーザ装
置。
【請求項３】気密性容器を有し、該気密性容器内に、（ａ）気体レーザを発生させるための放電領域を形成
する手段と、（ｂ）前記放電領域を通過した気体を冷却するための
下流熱交換器手段と、（ｃ）前記放電領域の縦方向長さとほぼ同一に延びる
回転翼を有し、気体を加速して前記気密性容器内の閉ル
ープに循環させる横流送風機と、（ｄ）前記横流送風機の動作によって生じた気体の熱
を除去するための冷却手段とを収容する気体レーザ装置
において、前記下流熱交換器手段と前記横流送風機への入口との間
に先細ノズルを配置し、該先端ノズルは、前記横流送風
機の回転翼のプレートの内縁における流入気体の速度
を、前記回転翼の速度の少なくとも50％にさせることを
特徴とする気体レーザ装置。