JPH09186379A - レーザ冷却用熱交換器及びレーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】小型化が容易で、結露のおそれがなく、信頼性
の高い温度制御を行う。 【解決手段】この熱交換器３６は、放熱部材３８をベー
スとし、この放熱部材３８の平坦な上面（取付面）３８
ａの上にサーモモジュール４０および吸熱部材４２をこ
の順に積層配置し、吸熱部材４２およびサーモモジュー
ル４０の回りを断熱性のシート部材４４で覆い、シート
部材４４の縁部４４ａをシリコン接着材４６で放熱部材
３８の上面３８ａに気密に接着固定してなる。吸熱部材
４２の内部には冷却水ＣＷを流すための水路４８が設け
られている。サーモモジュール４０内でペルチェ効果に
より各吸熱部ＣＪが吸熱して温度が下がることで、吸熱
部材４２の水路４８を流れる純水ＣＷは冷やされ、水温
が下がる。一方、ペルチェ効果によりサーモモジュール
４０の各発熱部ＨＪで発生した熱は放熱部材３８にすみ
やかに吸収され、放熱部材３８の放熱フィン３８ｂより
大気へ放出される。

Description

【発明の詳細な説明】

【００１０】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ冷却用の冷
却媒体を温調するためのレーザ冷却用熱交換器およびレ
ーザ装置に関する。

【００２０】

【従来の技術】ＹＡＧレーザ等の固体レーザ装置では、
レーザ発振動作を安定化させる目的でレーザ発振部のレ
ーザロッドおよび励起光発生手段を冷却媒体たとえば純
水で強制冷却するようにしており、一般的には、図９に
示すように、純水タンク１００から純水をポンプ１０２
で汲み出してレーザ発振部１０４に供給し、レーザ発振
部１０４で温度上昇した純水を熱交換器１０６で所定温
度まで冷やしてから純水タンク１００に戻すようにして
いる。

【００３０】従来のこの種の熱交換器１０６は、水冷式
の熱交換器（水−水熱交換器）からなり、互いに熱的に
結合された一次側および二次側の水路を内蔵し、一次側
の水路で市水または工業用水等の一次側冷却水を流しな
がら二次側の水路でレーザ発振器からの二次側冷却水
（純水）を流すことにより、二次側冷却水の熱を一次側
冷却水へ放出させる形で熱交換を行うようにしている。

【００４０】また、フィードバック制御方式で二次側冷
却水（純水）を温調するため、たとえばタンクに温度セ
ンサ（図示せず）を取り付けるとともに、一次側冷却水
の供給管１０８に開閉弁１１０を取り付け、二次側冷却
水の温度が設定温度付近に維持されるように温度コント
ローラ（図示せず）により該開閉弁１１０を開閉制御す
るような温度制御が行われている。

【００５０】

【発明が解決しようとする課題】上記のような水冷式の
熱交換器１０６は、熱交換効率つまり冷却効率が低く、
冷却能力を高めようとすれば一次側冷却水の水路を大き
くしなければならず、サイズが大きくなる。

【００６０】そのうえ、水冷式の熱交換器１０６は、ケ
ーシングの内側と外側（外気）の温度差に起因してケー
シングの外壁面に結露を生じやすい。このため、従来の
レーザ装置においては、装置ユニット内で熱交換器１０
６を電源回路ないし制御基板に近接した場所に配置する
ことができず、別室（タンク１００やポンプ１０２と同
じ室）に設ける外なく、装置ユニット内のレイアウトの
自由度が制限され、ひいては小型化も制限されていた。

【００７０】また、水冷式の熱交換器１０６における温
調制御では、一次側冷却水（市水または工業用水）が、
温調されていないうえ、水温が変動しやすく、たとえば
冬期と夏期とでは大きな温度差がある。特に、夏期は、
一次側冷却水の温度が相当高くなり、開閉弁１１０が開
いたきりで、温調制御が機能しなくなり、結果としてレ
ーザ出力が変動するという不具合があった。

【００８０】本発明は、かかる問題点に鑑みてなされた
もので、吸熱効率が高く、小型化が容易で、結露のおそ
れがなく、信頼性の高い温度制御が行えるレーザ冷却用
熱交換器を提供することを目的とする。

【００９０】また、本発明は、高い信頼性と小型化を実
現し、設置や移動も容易なレーザ装置を提供することを
目的とする。

【０１００】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の第１のレーザ冷却用熱交換器は、レーザ
装置のレーザ発振部に循環供給される冷却媒体を温調す
るためのレーザ冷却用熱交換器において、前記レーザ発
振部からの前記冷却媒体を導入するための冷却媒体入口
と、温調された前記冷却媒体を排出するための冷却媒体
出口と、前記冷却媒体入口と前記冷却媒体出口との間で
所定の経路で延在する冷却媒体通路を有し、前記冷却媒
体通路を流れる前記冷却媒体から熱を吸収するための熱
伝導率の高い吸熱部材と、温調制御電気量に応じて熱電
変換により熱を吸収する吸熱部と熱を発生する発熱部と
を有し、前記吸熱部が前記吸熱部材に熱的に結合されて
いるサーモモジュールと、前記温調制御電気量を前記サ
ーモモジュールに供給するための温調用電源回路と、前
記サーモモジュールの前記発熱部に熱的に結合されてい
る熱伝導率の高い放熱部材と、前記吸熱部材および前記
サーモモジュールを外気から密閉するためのシール部材
とを具備する構成とした。

【０１１０】本発明の第２のレーザ冷却用熱交換器は、
上記第１のレーザ冷却用熱交換器において、前記シール
部材は、前記吸熱部材および前記サーモモジュールの上
に被せられたカバー部材と、前記カバー部材の周縁部を
前記放熱部材に気密に接続する接続手段とを含む構成と
した。

【０１２０】本発明の第３のレーザ冷却用熱交換器は、
上記第２のレーザ冷却用熱交換器において、前記カバー
部材は、熱収縮性を有し、前記吸熱部材および前記サー
モモジュールの上に緩く被せられてから加熱されること
により収縮して前記吸熱部材または前記サーモモジュー
ルに密着する構成とした。

【０１３０】本発明の第４のレーザ冷却用熱交換器は、
上記第１のレーザ冷却用熱交換器において、前記シール
部材はコルク材からなり、前記吸熱部材および前記サー
モモジュールを包むようにして前記放熱部材に取り付け
られる構成とした。

【０１４０】また、本発明のレーザ装置は、上記第１な
いし第４のいずれかのレーザ冷却用熱交換器を具備する
構成とした。

【０１５０】

【発明の実施の形態】以下、図１〜図８を介して本発明
の実施例を説明する。

【０１６０】図１に、本発明の一実施例によるレーザ冷
却用熱交換器を適用したＹＡＧレーザ加工装置の要部の
構成を示す。

【０１７０】このＹＡＧレーザ加工装置において、レー
ザ発振部１０は、励起光発生手段１２とＹＡＧロッド１
４と光共振器ミラー１８，２０とを有している。励起光
発生手段１２は、たとえば励起ランプまたは半導体レー
ザからなり、レーザ電源部１６より供給される励起電力
に応じて発光する。励起光発生手段１２より発せられた
光はＹＡＧロッド１４の外周面または端面に照射され、
ＹＡＧロッド１４はその光エネルギによって励起され、
ロッド端面より光を出す。ＹＡＧロッド１４の端面から
出た光は一対の光共振器ミラー１８，２０間で反射を繰
り返して発振増幅ののち出力ミラー２０を抜け、レーザ
光ＬＢとして出射される。レーザ発振部１０より発生さ
れたレーザ光ＬＢは、たとえば反射ミラー２２あるいは
光ファイバ（図示せず）等の光学部品を介して加工場所
付近に設置された出射部２４へ送られ、そこで光学レン
ズ２６により被加工物２８に向けて集光照射される。

【０１８０】このＹＡＧレーザ加工装置では、レーザ発
振部１０内の励起光発生手段１２およびＹＡＧロッド１
４を強制冷却するために、レーザ発振部１０に冷却媒体
たとえば純水ＣＷを循環供給するレーザ冷却装置３０が
設けられている。

【０１９０】図２に、レーザ冷却装置３２の構成を示
す。従来装置（図９）と同様に、純水タンク３２から純
水ＣＷをポンプ３４で汲み出してレーザ発振部１０に供
給し、レーザ発振部１０で温度上昇した純水ＣＷを熱交
換器３６で所定温度まで冷やしてからタンク３２に戻す
ようにしている。

【０２００】本実施例における熱交換器３６は、市水や
工業用水等の一次側冷却水を使用するものではなく、後
述するような熱電変換素子を有するサーモモジュールを
内蔵しており、温調用電源回路３７からの温調制御電圧
ＡＥに応じたサーモモジュールの吸熱または冷却作用に
よりレーザ発振部１０からの純水ＣＷの温度を設定温度
（たとえば２５〜３５゜Ｃ）まで下げるように構成され
ている。また、本実施例では、純水タンク１００に純水
ＣＷの温度を検出するための温度センサ３９が設けら
れ、この温度センサ３９の出力信号（温度検出信号）Ｔ
Ｓを設定値に一致させるように温調用電源回路３７がフ
ィードバック制御で温調制御電圧ＡＥを出力するように
なっている。

【０２１０】図３〜図５に、本実施例における熱交換器
３６の構成を示す。図３はこの熱交換器３６の構成を示
す断面図、図４は熱交換器３６におけるサーモモジュー
ル内部の構成を示す部分断面図、図５は熱交換器３６に
おいてシール部材の内側の構造を示す斜視図である。

【０２２０】図３に示すように、この熱交換器３６は、
放熱部材３８をベースとし、この放熱部材３８の平坦な
上面（取付面）３８ａの上にサーモモジュール４０およ
び冷却または吸熱部材４２をこの順に積層配置し、吸熱
部材４２およびサーモモジュール４０の回りを断熱性の
シート部材４４で覆い、シート部材４４の縁部４４ａを
シリコーン樹脂接着材４６で放熱部材３８の上面３８ａ
に気密に接着固定してなるものである。

【０２３０】放熱部材３８は、熱伝導率の高い材質たと
えば銅またはアルミニウムからなるプロック材であり、
下面に断面櫛歯状の放熱フィン３８ｂを有している。

【０２４０】吸熱部材４２は、熱伝導率の高い材質たと
えば銅またはアルミニウムからなる２枚の吸熱板４２
ａ，４２ｂを一体に貼り合わせてなる。図５に示すよう
に、上部吸熱板４２ａにはＵ字状の隆起部４２ｃが形成
され、このＵ字状の隆起部４２ｂの内側面と下部吸熱板
４２ｂの平坦な内側面とで冷却水ＣＷを流すための通路
つまり水路４８が構成されている。水路４８の一端には
レーザ発振部１０からの純水ＣＷを導入するための入口
側の配管接続口５０が設けられ、水路４８の他端には純
水ＣＷを純水タンク３２側へ排出するための出口側の配
管接続口５２が設けられている。

【０２５０】なお、図５に示すように、吸熱部材４２
は、サーモモジュール４０を下に敷いた（挟んだ）状態
でボルト５４により放熱部材３８に取付固定される。サ
ーモモジュール４０から引き出されている電気ケーブル
５６は温調用電源回路３８に接続されている。

【０２６０】図４に示すように、サーモモジュール４０
の内部には、Ｐ型半導体素子６０とＮ型半導体素子６２
とが並列に交互に配置されており、各素子６０，６２の
上端は上部支持板６４の内側面に設けられた導電性金属
パッド６６に接合され、各素子６０，６２の下端は下部
支持板６８の内側面に設けられた導電性金属パッド７０
に接合されている。

【０２７０】各Ｐ型半導体素子６０には上部導電性金属
パッド６６から下部導電性金属パッド７０に向かって電
流が流れ、かつ各Ｎ型半導体素子６２には下部導電性金
属パッド７０から上部導電性金属パッド６６に向かって
電流が流れるように、直流の電圧（温調制御電圧ＡＥ）
が印加される。

【０２８０】そうすると、ペルチェ効果により、Ｐ型半
導体素子６０およびＮ型半導体素子６２と上部導電性金
属パッド６６との各接合点（吸熱部）ＣＪでは吸熱して
温度が下がり、Ｐ型半導体素子６０およびＮ型半導体素
子６２と下部導電性金属パッド７０との各接合点（発熱
部）ＨＪでは発熱して温度が上がる。

【０２９０】なお、本実施例では温調制御電気量に電圧
を用いているが、電流あるいは電力で温調制御を行うこ
とも可能である。

【０３００】上部支持板６４および下部支持板６８はい
ずれも熱伝導率の高い絶縁部材たとえばアルミナ・セラ
ミックからなり、それぞれ熱伝導率の高い粘性体たとえ
ばシリコーン・グリース７０，７２を介して吸熱部材４
２，放熱部材３８に密着している。これにより、サーモ
モジュール４０の各吸熱部ＣＪは上部支持板６４および
シリコーン・グリース７０を介して冷却部材４２と熱的
に結合される一方で、各吸熱部ＨＪは下部支持板６８お
よびシリコーン・グリース７２を介して放熱部材３８と
熱的に結合されている。熱伝導性の高いシリコーン・グ
リースは、熱的結合をしようとする二つの部材の間に空
気が残留しないように隙間無く充填して両部材間の熱的
結合を強固にし、熱伝導を良くするという作用がある。

【０３１０】したがって、サーモモジュール４０内でペ
ルチェ効果により各吸熱部ＣＪが吸熱して温度が下がる
ことで、吸熱部材４２内の水路４８を流れる純水ＣＷは
冷やされ、水温が下がる。一方、ペルチェ効果によりサ
ーモモジュール４０の各発熱部ＨＪで発生した熱は放熱
部材３８にすみやかに吸収され、放熱部材３８の放熱フ
ィン３８ｂより大気へ放出される。

【０３２０】本実施例の熱交換器３６では、断熱性シー
ト部材４４が吸熱部材４２およびサーモモジュール４０
の回りを気密に覆っている。断熱性シート部材４４はた
とえば塩化ビニル等の熱収縮材からなり、吸熱部材４２
およびサーモモジュール４０の上に緩く被せられ、周縁
部４４ａをシリコーン樹脂接着材４６で放熱部材３８の
上面３８ａに接着固定されてから、たとえば熱風等で加
熱されることにより収縮して、吸熱部材４２に密着す
る。なお、水路４８の配管接続口５０，５２は、断熱性
シート部材４４の外に露出して、配管（図示せず）に接
続される。

【０３３０】かかる断熱性シート部材４４が熱交換器３
６の吸熱部材４２を外気から熱的に遮断するために、吸
熱部材４２における純水ＣＷに対する吸熱効率が高いう
え、外気温度に対して吸熱部材４２の温度が相当低くな
っても、断熱性シート部材４４の表面に結露が生じるお
それはない。また、断熱性シート部材４４とシリコーン
樹脂接着材４６とがサーモモジュール４０を外気から遮
断するために、サーモモジュール４０に水や露等が付着
するおそれはなく、サーモモジュール４０の安定動作が
保証される。そのうえ、本実施例の熱交換器３６は、上
記のようにペルチェ効果を利用する熱交換率または吸熱
効率の高い電子式の熱交換器であり、コンパクトな構成
を容易に実現できる。

【０３４０】このように、熱交換器３６は、結露の問題
がなく、しかもスペースを多くとらないため、本実施例
のＹＡＧレーザ加工装置においてレーザ電源部１６に近
接させて同じ室内に配置することができ、装置全体の小
型化も容易である。

【０３５０】また、本実施例の熱交換器３６では、サー
モモジュール４０が温調用電源回路３８からの温調制御
電圧ＡＥに応じて電熱（電気−熱）変換方式により吸熱
部材４２の通路４８内の純水ＣＷを冷却するため、温調
制御機能が水冷式の熱交換器のように季節や周囲温度の
影響を受けることがなく、安定した動作で純水ＣＷの水
温を設定温度まで下げることができる。

【０３６０】本実施例による熱交換器３６は、市水や工
業用水等の一次側冷却水を必要としないため、給水や排
水の設備が不要であり、レーザ装置の設置場所または移
動の自由度が大きくなる。また、熱交換器３６、温調用
電源３７、純水タンク３２、ポンプ３４を１つの箱体の
中に収容することで、レーザ装置の設置場所または移動
の自由度はさらに増大する。

【０３７０】上記した実施例における熱交換器３６の構
成は本発明の実施の形態の一例にすぎないものであり、
本発明の技術的思想の範囲内で種々の変形や変更が可能
である。

【０３８０】たとえば、上記した実施例では断熱性シー
ト部材４４の周縁部４４ａをシリコーン樹脂接着材４６
によって放熱部材３８の上面３８ａに気密に接続した
が、図６および図７に示すように、断熱性シート部材４
４の周縁部４４ａを放熱部材３８の側面部３８ｃにボル
ト７４によって（図６）または接着材７６を用いて（図
７）気密に接続することも可能である。

【０３９０】また、上記した実施例では、吸熱部材４２
およびサーモモジュール４０を外気から密閉するための
断熱性シール部材を熱収縮性の断熱性シート部材４４で
構成した。この熱収縮性の断熱性シート部材４４を用い
る構成は、低コストで比較的簡単な工程により製作でき
るという利点がある。

【０４００】しかし、コスト性と製作性を問題にしなけ
れば、図８に示すように、ブロックまたは箱体型のコル
ク材（８０，８２）で構成することも可能である。図８
の構成例においては、吸熱部材４２’を銅またはアルミ
ニウム等の熱伝導率の高い直方体ブロックで構成し、こ
のブロック４２’およびサーモモジュール４０の回りを
密着して囲むように下部コルク材８２で肉厚の断熱壁部
を構成し、上部コルク材８０で肉厚の断熱蓋部を構成し
ている。

【０４１０】また、熱交換器３６内におけるサーモモジ
ュール４０の配置個数、配置位置あるいはサーモモジュ
ール４０内のペルチェ素子の配置個数、配置位置等を任
意に選択することができる。放熱部材３８の材質や構
造、特に放熱フィン３８ｂの形状も任意に変形可能であ
り、空冷式に代えて水冷式の放熱部材を用いることも可
能である。冷却または吸熱部材４２の材質や構造も任意
に変形可能であり、たとえば水路４８の経路をジグザグ
状にすることも可能である。

【０４２０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のレーザ冷
却用熱交換器によれば、レーザ電源部に循環供給される
冷却媒体を熱伝導率の高い冷却または吸熱部材の通路で
流し、温調制御電圧に応じて電熱変換方式によりサーモ
モジュールの吸熱部に吸熱作用を行わせて吸熱部材ひい
てはその通路内の冷却媒体を冷却するようにし、断熱性
のシール部材により吸熱部材およびサーモモジュールを
外気から密閉する構造としたので、冷却または吸熱効率
が高く、小型化が容易で、結露のおそれがなく、信頼性
の高い温度制御を行うことができる。また、市水等の一
次側冷却水が不要であるため、レーザ装置の設置や移動
を容易にすることができる。

【０４３０】本発明のレーザ装置によれば、本発明のレ
ーザ冷却用熱交換器を具備することにより、高い信頼性
と小型化を実現するとともに、設置や移動も容易であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例におけるＹＡＧレーザ加工装
置の要部の構成を示すプロック図である。

【図２】実施例におけるレーザ冷却装置の構成を示すブ
ロック図である。

【図３】実施例における熱交換器の構成を示す断面図で
ある。

【図４】実施例の熱交換器におけるサーモモジュール内
部の構成を示す部分断面図である。

【図５】実施例の熱交換器におけるシール部材の内側の
構造を示す斜視図である。

【図６】実施例の熱交換器における気密構造の一変形例
を示す断面図である。

【図７】実施例の熱交換器における気密構造の別の変形
例を示す断面図である。

【図８】実施例の熱交換器におけるシール部材および気
密構造の一変形例を示す断面図である。

【図９】従来のＹＡＧレーザ加工装置におけるレーザ冷
却部の構成を示すブロック図である。

【符号の説明】

１０ レーザ発振部 ３６ 熱交換器 ３８ 放熱部材 ４０ サーモモジュール ４２ 冷却部材 ４６ シリコーン樹脂接着材 ４８ 水路 ＣＪ サーモモジュールの吸熱部 ＨＪ サーモモジュールの発熱部 ７４ ボルト ７６ 接着材 ８０，８２ コルク材

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ装置のレーザ発振部に循環供給さ
   れる冷却媒体を温調するためのレーザ冷却用熱交換器に
   おいて、 前記レーザ発振部からの前記冷却媒体を導入するための
   冷却媒体入口と、 温調された前記冷却媒体を排出するための冷却媒体出口
   と、 前記冷却媒体入口と前記冷却媒体出口との間で所定の経
   路で延在する冷却媒体通路を有し、前記冷却媒体通路を
   流れる前記冷却媒体から熱を吸収するための熱伝導率の
   高い吸熱部材と、 温調制御電気量に応じて熱電変換により熱を吸収する吸
   熱部と熱を発生する発熱部とを有し、前記吸熱部が前記
   吸熱部材に熱的に結合されているサーモモジュールと、 前記温調制御電気量を前記サーモモジュールに供給する
   温調用電源回路と、 前記サーモモジュールの前記発熱部に熱的に結合されて
   いる熱伝導率の高い放熱部材と、 前記冷却部材および前記サーモモジュールを外気から密
   閉するためのシール部材と、を具備することを特徴とす
   るレーザ冷却用熱交換器。
2. 【請求項２】 前記シール部材は、前記吸熱部材および
   前記サーモモジュールの上に被せられたカバー部材と、
   前記カバー部材の周縁部を前記放熱部材に気密に接続す
   る接続手段とを含むことを特徴とする請求項１に記載の
   レーザ冷却用熱交換器。
3. 【請求項３】 前記カバー部材は、熱収縮性を有し、前
   記吸熱部材および前記サーモモジュールの上に緩く被せ
   られてから加熱されることにより収縮して前記吸熱部材
   または前記サーモモジュールに密着することを特徴とす
   る請求項２に記載のレーザ冷却用熱交換器。
4. 【請求項４】 前記シール部材は、コルク材からなり、
   前記吸熱部材および前記サーモモジュールを包むように
   して前記放熱部材に取り付けられることを特徴とする請
   求項１に記載のレーザ冷却用熱交換器。
5. 【請求項５】 請求項１ないし４のいずれかに記載のレ
   ーザ冷却用熱交換器を具備することを特徴とするレーザ
   装置。