JPS59104604A - レ−ザにおいて特に有用な冷却ミラ− - Google Patents

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】

発明の分野 この発明は、冷却されたミラーおよびミラーの冷却方法
に関する。この発明は、特に、アメリカ合衆国特許第３
．９４２．８８０号において述べられているようなレー
ザ・ミラーとして特に有用であり、したがってこの出願
に関連して以下において説明される。 先行技術の説明 全屈加工業および他の工業的用途において用いるために
、高出力レーザが、最、近特に発展してきている。レー
ザ出力の１〜２％がミラーにおいて吸収されるため、こ
のような凸出力レーザにおけるミラーの冷却において、
その大きさを制限しなければならないという問題がある
。したがって、ｉＱｋｗの出力のレーザでは１００〜２
００ワツト吸収され、これはミラーの熟的変形において
特に大きな問題となっている。なぜならば、このような
変化は、レーザが適切に動作するためには極めて小さく
抑えられねばならないものだがらである。 アメリカ合衆国特許第３．９４２．８８ＯＮは、この問
題に特に対処された冷却されたレーザ・ミラーを開示し
ている。この特許明細書で述べられているレーザは、反
射面と、ベースと、反射面をベースに結合する複数個の
離間された細長い支持部材とを備え、この支持部材は反
射面の曲がりを引起こしがちな熱的変形に対して大きな
抵抗を与えるものである。すなわち、柵長い支持部材は
、反射面に垂直に延びており、反射面の平面方向へのす
なわちｍ長い支持部材の軸方向と垂直方向への熱の拡が
りにより引起こされる変形を抑制し、かつ反射面を曲げ
がちな柵長い支持部材の軸方向への熱的変形を実質的に
減少させ、あるいは除去する。この米国特許は、ロンド
あるいはワイヤ状のこれらの細長い支持部材を開示して
いる。ざらに、この出願は、支持ロンドの間であり支持
ロッドから離れて反射面から延びる熱伝導性バーと、支
持ロンドと熱伝導性バーとの間の空間を通る、水のよう
な冷却流体を供給する手段とを備えることを開示してい
る。 しかしながら、この特許の栴成において費される熱量は
、たとえ冷却流体を用いたとしても、冷却流体の現実の
速度を考慮するとき実際には極めて限られたものにすぎ
ない。さらに、このような流体により達成される冷却は
不均一であり、したがって、たとえば高出力レーザにお
いて用いたとき、熱によりミラーに曲がりが生じる。の
みならず、現在設計されている多くの高出力レーザでは
、レーザ・ビームは、断面がたとえば環状配置のような
不均一なものであり、これはミラーにより吸収される出
力の不均一分散をもたらし、したがってミラーにおい°

【生じる曲げ変形が不均一な熟の拡がりによって増加す
る。 発明の目的 この発明の目的は、アメリカ合衆国特許第３゜９４２．
８８０号において述べられた冷却されたミラーと同様の
冷却されたミラーの溝造を提供するものであり、しかし
ながらミラーにより吸収されるエネルギをより５石消費
することができ、したがってミラーにおける熱の拡がり
により引起こされる曲げ変形をより一層低減することが
でき、特に高出力レーザに適切な冷却されたミラーを提
供することにある。この発明の他の目的はミラーあるい
は他の部材を冷却する方法、特にレーザ・ミラーの冷７
１ＩＪに有用な方法を提供することにある。 発明の要約 この発明の広範な一局面によれば、反射性部材と、剛性
ベースと、熱変形による反射性部材の曲げを低減するよ
うに、反射性部材の下面とベースとに連結された複数個
の離間された支持部材と、反射性部材を冷却するための
冷却手段とを備えており、かつ該冷却手段が冷却流体の
ための入口部と、冷却流体のための出口部と、反射性部
材の下面に３５いてその下面の複数個の分離された位置
で流体が衝突するように、前記入口と出口との間の複数
個の平行な軽１路に沿って、冷却流体が流れることを制
御する流体案内手段とを備えることを特徴とする、レー
ザに々いて特に有効な冷却されたミラーが提供される。 この発明の他の特徴によれば、流体案内手段は、反射性
部材の下面上の分離された複数個の点に流体が衝突する
とき、高速のジェット流を形成するように、平行な各経
路における冷−却流体速；哀を増加させる。 発明の効果 この発明では、上述のような構成を有するので、熱の拡
がりにより引起こされたターベての曲げ変形を実質的に
減少し、あるいは解消゛するように、ミラーを極めて効
果的に冷却することが１きる。したがって、不均一な冷
却を最小化するように、すなわち反射面の歪みを最小と
するように、冷却は、ミラー上の別々の点あるいはスポ
ットにおいて平行な方向に行なわれる。さらに、この発
明の装置は、冷却流体についての熱移動表面を拡張し、
より長い接触時間を与え、したがって冷却流体の流速を
より低くすることを要請１−る。また、より低い一速度
が要求され、かつ冷却流体の平行な経路は流体の圧力の
より緩かな降下をもたらす。さらに、高速ジェット流の
形態で反射面に衝突する流体を有することにより、反射
部材の冷却は、周知のように１Ｆ！！Ｉみ点冷即」が完
全に拡がった境界図についての熱移動係数よりも表面に
おけるより大きな熱郭肋係数をもたらすので、反射部材
の冷却が高められる。 この発明は、ミラーあるいは他の部材の冷却方法をも提
供するものであり、そこでは反射部材上の複数個の分離
された点において反射部材面に離間された複数個の経路
を通る冷却流体の流れが衝突するように冷却流体を導き
、かつ反射部材の下面の復、数個の個別の点に衝突する
とき、流体が高速ジェット流の形態をとるように複数個
の経路のそれぞれの内部で流体の速度を増加させる。 この発明のその他の特徴は、以下の説明により明らかと
なろう。 実施例の説明 図面の第１図ないし第４図に示されている冷却ミラーは
、上述したアメリカ合衆国特ｔ’を第３．９４２．８８
０号に開示８れている一般的な形式のものである。丈な
りも、このミラーは、−力価に全体を参照番号２で示り
剛性ベースな陥え、反対側に反射性部材゛ジ゛なわち反
射面４をＷｅえ、さらにこの両者を連結する円筒壁６を
備える。 ベース２は、比較的厚く、したがって剛性を有し、かつ
たとえばステンレススチールあるいは青円から構成され
得る。反射面４は、比較的柔軟なように薄り構成８れ工
おり、たとえば銅あるいはモリブデンなどから構成され
得る。円筒壁６もまた比較的柔軟であるように薄くされ
ており、かったどえばステンレススチールあるいは青銅
のようなベース２と同一の林料から構成され得る。 反射面４の内面からは、たとえば銅からなる複数個の離
間された熱伝導性バー８がｍ下げられており、かつバー
８の間の空間には、反射面４の内面と剛性ベース２の内
面とに連結された複数本の平行に離間された柵長い支持
部材１０が配置されており、したがって反射面４の熱的
変形を実質的に低減し、あるいは解ＦＮ″ｇる。このよ
うに！長い支持部材１０は反則面４の平面内でのく！Ｊ
−なわち支持部材１０の袖ど垂直り向に）ミラーの反射
面４の熱の１１ムがりを許容するが、ミラーの＠ｈ向へ
の（すなわち支持部材１０の軸に平行な方向への）反射
面の熱的なＺｅ形を実質的に低減し、あるいは解消°す
る。 しかしながら、アメリカ合衆国特許第３，９４２．８８
０号にＪ３いて述べられたミラーとは異なり、この先行
性８Ｔにおいて述べられているようなロッドまた゛はソ
ー（ｔ’状の支持部材に代わり、これらの細長い支持部
材’Ｉ　Ｏは、中空の毛細恒の形状、と石し−（Ｊ３す
、したがって冷却流体はこの毛細管内ｃｓＩｉを通り、
さらに毛細管の外面と熱伝導性シリンダ８の外面どの間
の外側部分を通って循環し得るように８れ〔いる。さら
に、図面に示したミラーに６ける剛性ベース２の構造は
、２＠の構成におＩｊる池の異なる点とともに以下に述
べるように、この先行特宿りベースとは全く異なるもの
である。 剛性ベース２の構造については、これは２個の部分、す
なわら反射面４から渋れた外側部分２ａと、これと反射
面との間の内側部分すなわち内側分離部２ｂどから粥成
され１いることがわかる。 外側部力２ａは円筒形状を右しており、内側部分２ｂは
、（第１図の上方の）その内部端が第１図の２ｂ′で示
されでいるように内側に傾斜されていることを除いては
、同様の円筒形状を有している。 ベース２の内側端には、円筒状側壁６の各端部を受入れ
るための環状肩部１２が形成されている。 側壁６は、はんだあるいはブリージングのような適切な
手段によって、ベース部２ｂ、ならびに反射面４に対し
て他方端部で固定されており、反対側端部もまた円筒形
状を有し【いる。２個のベース部分２ａ、２ｂは、適切
な手段、好ましくは除去可能な固着部１３（第２凶を参
照）により、共に固定されている。これらのベース部２
ａ、２ｂは、それらの間に、後述するように、ミラー内
で循環される冷λ１】流体のためのシールを粥成するた
めのシール・リング１４を含む。 ベース部２ａに対向するペニス部２ｂの側には、２個の
部分が相互に固定されているとき、チャンバ１６を形成
する円筒状キャビティが形成されている。チせンバ１６
には、ベース部２ａの中心を通る入ロヂューブ１８を介
して冷却流体が供給されている。複数個の毛ＩＢ管１０
は、冷却流体のための入口チャンバ１６とつながるよう
に、ベース部２ｂに形成された開口を通して延びている
。毛細管は、すべて、ベース部２ｂ内のこれらの開口内
に固定されており、したがって入口チャンバ１６からの
冷却流体は、毛ｔＲ管の上方端部すなゎら反射面４に隣
接する端部に、毛細管の内側を介して案内され得る。 第３図に特に示すように、毛細管１ｏの上方端には、反
射面４に隣接するチューブ壁を介して延びる複数四の９
８口１８が形成されており、冷却流体がチューブの内側
から外側の面に流れることを可能とし、したがって毛ｍ
管１ｏと熟案内バー８との間の空間２０を通って逆方向
に流れることを可能とする。毛細管１ｏは、反射面４と
熱案内バー８とを支持するような大きさにされており、
したがってバーの内面はベース部２ｂの各面から離され
ており、冷却流体が空間２０から流れる出口チャンバ２
２を形成する。ベース部２ｂには、ざらに、ベース部２
を介して流れ、かつ環状溝２６へ専く環状配置された開
口２４が形成されており、この環状溝２６は外側チャン
バ２２から流れる冷却流体を回収し、かつこれを外側ベ
ース部２ａを通って延びる出口チューブ２８に導く。 第３図およびＷＳ４図に示すように、熱伝導性バー８は
、円筒形状を有しており、かつ双方の軸に沿って相互に
整列されており、したがって各毛細管チューブ１０は、
４本の隣接するバーから等しく離間されている。各毛細
管デユープ１０は、４個の孔１８を有し、１個の孔１８
が各熱伝導性バー８に対応しており、各バーの方向に配
向されている。さらに第４図に特に示すように、毛細管
チューブ１０の壁を量適して形成された８孔１８は、毛
細管チューブの内径よりも実質的に小さな径を有してお
り、また各毛細管１０の４個の出口孔１８は、毛細管自
身の断面積よりも小さな総断面積を有する。このように
、毛ＩＩｌ管チューブ２ｏの内部を通る冷却流体は、高
速の液体ジェット流の形態で孔１８内を流れ、それによ
って反射面４の冷却を強化する澱み点冷却を行なう。 図示したミラーは、さらに、はぼ四角形であり、その成
るコーナ部において入口チューブ１８に固定された取付
ブロック３０（第１図および第２図を参照）を含むので
、取付ブロックはミラーのほぼ４分の１の下方に存在す
る。取付ブロック３゜には、ブロックａ３よびそれによ
って支持されるミラーを、レーザ内の光学フレームのよ
うな適当な支持部材に取付【プるために、複数個の取付
孔３２が形成されている。取付ブロック３ｏは、ざらに
、ブロックを通り、かつベース部分２ａの外面に係合可
能な２個の調整ねじ３４を含んでおり、ベース部分２ａ
の外面には、調整ねじ３４のチップに係合されるように
硬い挿入部材３６が設けられている。第２図に特に示す
ように、２個の調整ねじ３４が、入口チューブ１８と交
差する直線に沿って配置されており、この入口チューブ
１８には、取付ブロック３０が逍切な角度で固定されて
おり、そのため２種の軸調整が、ねじ３４を取付ブロッ
クにいくらかねじ込むことによりなされ得る。 図示した冷却ミラーの操作は、上述の説明から朗らかで
あろう。したがって、ミラニの反射面４がレーザビーム
の反則に、あるいは熱変形によりミラーを曲げようとす
るのに相当の熱量を吸収するためにミラーに生じる他の
形態の高エネルギを反則するために用いられると、ミラ
ーの反射面４により吸収された熱は、入口チューブ１８
を通り、かつ入口チャンバ１６に導入される水のような
冷却流体を供給することにより効果的に消費される。 この部分から、冷却流体は平行にすべての毛細管１０の
内部を流れ、反射面４に隣接づる毛ＩＩｌ管の上端、毛
ａ管上端の孔１８、毛細管と出口チャンバ２２への熱伝
導性バー８との間の空間２０、回収凹部２６への開口２
４ならびに最後に出口チューブ２８を通り流れる。 図示した栴造は、すべて平行に複数個の別々の意向でミ
ラーの反射面４の冷却を果たし、それによって反射面４
の熱変形を引起こしがちな不均一な冷却の可能性を低減
する。ざらに、毛細管１０は、拡大された熱移動表面を
有する長い平行な流路を与え、そのため冷却流体と冷却
されるべき表面との間ぐのより長い接触時間が得られる
。これにより、比較的低速の冷却流体で実施され得る極
めて効果的な冷却が可能どなる。さらに、冷却液体のべ
一〇の流路が平行であるため、冷却液体中の実質的な圧
力低下が起こり、それによって冷却液体の循環に用いら
れるべぎより小さなポンプ装置を実現することができる
。さらに、上述ように、大半の熱が発生する反射面４の
後面に近接して冷却流体が高速ジェット流の形態で開口
１８より噴出するため、澱み点冷却法が、これらの噴出
ジェットにより実施され、それによって冷却効率をがな
り向上される。 一例として、冷却ミラーの反射面４は、約１０ＣＩｌｌ
の外径をイｉ　Ｌ−Ｃいてもよ（、かつ冷却ミラーを剛
性ベース２に支持する１＝めに約１０００本の毛１１１
１１管を用いることができる。各毛細管１０は、内径０
．２５〜１．０ｍｍ１壁Ｎ０．１０〜０．５０ｍｍのも
のであ−）てｂよい。特に、良好な結果は、内径的０．
７５Ｉｌ＋ｍおよび壁＊０．１２５ｍｍであり、外径１
．０ＩＩ１ｍの毛細管を用いることにより得られた。毛
細管は、それぞれ、１５〜２０ｍ＋ｎのものを用いるこ
とができる。このように上述した例は、冷却されている
反射面１ｃＩｌ１２あたり１２〜１３本の毛細管を提供
し、各毛ｍ管は、冷却液体が反射面の下面に噴出するま
でに流れる平行な流路の１つを形成する。 第５図および第６図に示す実ＰＪ！！ｉ例第５図および
第６図に示す実施例もまた剛性ベース゛１０２と、反対
側に？！数個の平行に離間された支持部材１１０に連結
された反則部材すなわち反射面１０４とを含み、反射面
１０４の熱による曲がりを実質的に低減しあるいは解消
するように構成されている。しかしながら、この場合に
は、支持部材１１０は固体のロック丈なわちペグの形態
を有している。また、熱伝導性バー（第１図ないし第４
図における８）は除去されている。 この実施例では、ベース１０２は、ミラーの内部を、入
口チューブ１１８に通じている（水のような）冷却流体
のための入ロチ１アンバ１１６と、出口チューブ′１２
８に通じる出口チャンバ１２２とに分離する内部部分す
なわら分１！！を里１０２ｂを含む。第１図ないし第４
図で示したように、冷却流体は、反射部材１０４の下面
上の別々の点に噴出するように平行な経路内を流れるこ
とを抑制されＣいる。この目的のために、ベース部材す
なわち分離部１０２１１には、ペグ１１０の外径よりも
やや大きな径を有する開口１２３が形成されており、冷
却流体が各ペグ１１０と分離部１０２ｂとの間のクリア
ランスを通り流れることを可能とする。これらのクリア
ランス１２３は、反射部材１０４の下面に噴出する環状
ジェンＩ・流を形作るように冷却流体の速度を増加させ
るのに十分な小さな断面積を有しており、それによって
各複数個の分配された点ずなわち反射部材の下面におけ
るペグ１１０の接合部において先に述べた［澱み点冷却
」が達成される。 ペグ１１０の数、したがって冷却流体の平行な流路およ
び反射部材１０４上の噴出点の数は、第１図ないし第４
図の実施例について述べたのと同様であってもよい。 匙Ｌ」丸丸１」 第７図は、熱変形による反射性部材の曲がりを解消しあ
るいは実質的に減少させるように、上述のように、剛性
ベース２０２と、複数個の平行に離間された支持部材２
１０により支持されている反射性部材すなわち反射面２
０４とを有するミラーを冷却するのに用いられる、この
発明の第３の実施例を示す。しかしながら、第７図の実
施例では、複数個の支持部材２１０は、ベース２０２と
一体的に形成されたこの場合には断面が四角形のペグ２
１０により４ｎ成されている。これらのペグは、四辺形
マトリクスにより直線状に配列されている。さらに、（
たとえば水のような）冷却流体が反射性部材２０４の下
面の別個の点に噴出するように流れる平行な流路は、こ
れらのペグ２１０により形成されるものではないが、こ
れらのベグ間のベースを通り形成された入口開口および
出口間口により形作られている。 このように、第７図に示した冷却ミラーは、１個の軸に
沿ってベースを通り形成された入口ヘッダ２１９に導く
人口チューブ２１８を含んでおり、このヘッダはヘッダ
に沿って離間されておりかっこれに垂直なθ数個の分岐
経路２２１に連結されて、いる。各分岐経路２２１は、
ペグ２２０の代わりのラインの間の中心に、ベースの真
向を通る入口開口２２３のラインを導く。 このベースは、さらに、冷却流体のための出口チューブ
２２８を含み、この出口チューブは、ヘッダに沿って離
間されており、かつヘッダに垂直な複数個の分岐すなわ
ち経路２３１をも有する出口ヘッダ２２９につながって
いる。各出口経路は、他のペグ２１０のラインの間の中
心に、ベースの内面を通る出口間口２３３のラインを導
く。第７図に特に示すように、分岐経路２３１Ｌｔ３よ
び出口開口２３３と同様に、出口ヘッダ２２９は、すべ
て、分岐経路２２１およびその内部同日入口間口２２３
を含む入口ヘッダ２１９よりもベース２０２内により深
く配置されている。 このように、第７図の実施例では、冷却流体が、入口チ
ューブ２１８、複数個の分岐経路２２１への入口ヘッダ
２１９、および出口２２３を通り、すべて平行に流れる
ことがわかるだろう。後者の開口は、かなり小さな断面
積を有し、そのため冷却液体の速度は、これらの開口か
ら反射性部材２０４の下面に噴出するジェット流を形成
するにしたがって増大する。費された冷却液体は、次に
、開口２３３および分岐経路２３１を通り、出口ヘッダ
２２９まで流れ、かつ出口チューブ２２８を通り流れ出
る。 この発明は、３個の好ましい実施例について説明してき
たが、他の多くの変形、修正および応用が可能であるこ
とをＩ！ｌ！解するであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明により構成された冷却ミラーの一形
態の内部借造を示す部分切欠斜視図である。第２図は、
第１図の冷却ミラーの反対側を示す斜視図である。第３
図は、第１図および第２図の冷却ミラーの４Ｍｍの詳細
を示す拡大断面図である。第４図は、第３図の線■−■
に沿う断面図である。第５図および第６図は、この発明
に従って構成された冷却ミラーの第２の形態を示ず図で
ある。第７図は、この発朗により構成された冷却ミラー
の第３の実施例を示す部分切欠斜視図である。 図において、２は剛性ベース、４は反射部材すなわち反
射面、６は円筒壁、８は熱伝導性バー、１０は細長い支
持部材、１６はチャンバ、１８は入口チューブ、２２は
出口チャンバ、２４は開口、２６は環状溝、２８は出口
チュー１．３０は取付ブロック、１０２は剛性ベース、
１０４は反射部材す゛なわも反射面、１１０は支持部材
、１１Ｇは入ロチせンバ、１１８は入口チューブ、１２
３は間口、１２８は出口チューブ、２０２は剛性ベース
、２０４は反射性部材すなわら反射面、２１０は支持部
材、２１８は入口チューブ、２２１は分岐経路、２２３
は開口、２２９は出口ヘッダ、２３１は分岐経路、２１
９は入口ヘッダ、２１８は入口チューブ。 （ほか２名）　　・］、−・。 ＦＩＧ、１

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）　反射性部材と、剛性ベースと、熱変形による前
   記反射性部材の曲がりを低減するように前記反射性部材
   の下面および前記ベースに連結された杓数個の部間され
   た支持部材と、前記反射性部材を冷却覆るだめの冷却手
   段とを備える、レーザにＪ３いて特に有用な冷ｔ、１１
   ミラーにおいて、前記冷ＪＪＩ手段は、冷却流体のため
   の導入部と、冷ム１１流体のための排出部と、冷却流体
   が前記反射性部Ｉ上の？Ｉ歌個の別個の点において前記
   反射性６１５材の下面に噴出するように、前記導入部お
   よび排出部］ｊ］の指数個の平行流路に沿って冷却流体
   が流れることを制御する流体案内手段とを備えることを
   特徴とする、レーザにおいて特に有用な冷却ミラー。
2. （２）　前記流体案内手段は、前記反射性部材上の複数
   個の別個の点で前記反射性部材の下面に衝突するとき高
   速ジェット流を形成するように、前記各平行流路内での
   前記冷却流体の流速を増大させる、特許請求の範囲第１
   項記載のレーザにおいて特に有用な冷却ミラー。
3. （３）　′冷却流体の前記平行経路が複数個設けられて
   おり、かつ前記反射性部材の１ｃ１あたり別個の複数個
   の籠突点が段けられている、特許請求の範囲第１項記載
   のレーザにおいて特に有用な冷却ミラー。
4. （４）　前記流体案内手段は、前記複数個の離間された
   支持部材を通る流路を備えており、前記支持部材は中空
   管の形態を有しており、前記中空管には、さらに、前記
   反射性部材の下面に連結された端部に隣接する壁を目通
   する一礼が形成されている、特許請求の範囲第１項記載
   のレーザにおいて特に有用な冷却ミラー。
5. （５）　前記反射性部材の下面に連結されており、かつ
   前記支持部材間の空間に延びる複数個の熱伝導性バーを
   さらに備える、特許請求の範囲第１項記載のレーザにお
   いて特に有用な冷却ミラー。
6. （６）　前記剛性ベースは、−力価に冷却流体のための
   導入チャンバを形作り、反対側において冷却流体のため
   の排出チャンバを形作る分離壁を有づる、特許請求の範
   囲Ｗ４１項記載のレーザにおいて特に有用な冷却ミラー
   。
7. （７）　前記離間された支持部材は、支持部材を流れる
   冷却流体の流れのための流路を形作る中空管であり、前
   記中空管は前記分離部内を通っておりかつ前記分離部内
   に固定されている、特許請求の範囲第６項記載のレーザ
   において特に有用な冷却ミラー。
8. （８）　前記離間された支持部材は、前記ベースに固定
   されておりかつ前記分離部内の孔を貫通する固体のベグ
   であり、前記分離部の孔は、ベグよりもやや大きな断面
   積を有し、したがって反射性部材上の複数個の別個の点
   において前記反射性部材の下面に丙寅するように、高速
   環状ジェット流の形態で冷却流体が流れるように導くた
   めのベグ間の流路を与える、特１ｒＩ−請求の範囲第６
   項記載のレーザにおいて特に有用な冷却ミラー。
9. （９）　前記複数個の支持部材は、前記ベースに一体的
   に形成されたベグの形態を有する、特許請求の範囲第１
   項記載のレーザにおいて特に有用な冷却ミラー。