JPS63172481A - レ−ザ発生装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明はレーザ発生装置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来のＣＯｚレーザ発生装置は１例えば特開昭５９−２
７９８５号公報他でそのガス回路の説明がなされている
が、いずれも一旦ガス冷却器で冷却した後、冷ガス接続
管での入熱によるガス温度上昇を抑制する対策まで考慮
したものは見当らない（一般常識としては１から２ｍの
管路でのガス温度が周囲気温の影響を殆んど受けないと
考えられている）。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は、放電励起管を有する共振器部から構成
されるレーザヘッド部と、レーザガス圧送用ブロワとレ
ーザガス冷却器とを主構成要素とする補機ユニットとを
分離配置し、両者をレーザガス接続管で接続しているが
１次のような問題がある。レーザガスの使用条件におけ
る特性値から熱容量が非常に小さく、かつ熱伝達率が非
常に大きいため、周囲気温がレーザガス接続管内ガス温
度より高い状態では容易に管壁を通して周囲空気の持つ
熱エネルギーが管内レーザガスに伝達され、熱容量が小
さいためレーザガスの温度上昇が大きくなる。

ＣＯｚレーザ発生装置では一般に放電励起部に入るレー
ザガス温度が低いほど、レーザ出力が大きくなるので、
レーザガス冷却器で十分冷却して低温のレーザガスを放
電励起部へ供給するように工夫されているが、上述のよ
うにレーザガス接続管への入熱により温度が上昇し、レ
ーザ発振出力低下をきたすことになる。ＣＯｚレーザ発
生装置では一般に周囲気温４０℃、ガス冷却器出口冷ガ
ス温度２０から２５℃で出力を保証することが多く１周
囲気温の方がレーザガス接続管内ガス温度より高い、こ
のため例えば接続管の長さが２ｍの場合、接続管内通過
時のガス温度上昇が５から６℃にも達し、接続管の長さ
が４ｍの場合は１０℃程度の温度上昇が生じる。このた
めレーザヘッド部と補機ユニットとが一体で接続管長さ
を実用上無視できるものと比較すると１発振出力が数％
から１０数％低下するようになる。

また従来技術では放電励起部に入るレーザガス温度が周
囲温度の影響を強く受け１例えば周囲温度が１０℃下が
るとレーザガス温度は約６℃低下することになり、周囲
温度が変化するとレーザ発振出力もかなり変化し、出力
安定度を悪化させる要因となっている。

本発明は以上の点に鑑みなされたものであり、レーザ発
振出力の周囲温度依存性を少なくすることを可能とした
レーザ発生装置を提供することを目的とするものである
。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、冷ガス接続管を、この接続管の周囲雰囲気
からの入熱量を抑制する抑制手段を設けて形成すること
により、達成される。

〔作用〕

冷ガス接続管を、この接続管の周囲雰囲気からの入熱量
を抑制する抑制手段を設けて形成したので、冷ガス接続
管への入熱量が抑制されるようになって、レーザ発振出
力は周囲温度依存性の少ないものとなるが、それを次に
詳細説明する。

第１表および第２表には流体の物性値が示されている。

Ｃ０２レーザガスは一般にＣＯｚガス。

Ｎ２ガス、Ｈ・ガスの混合ガスであるため、同表にはこ
れら３種類のガスと、レーザガスの一例および代表的流
体として空気、水との例を記載した。

レーザガスの圧力は０．０２　から０．１５気圧と稀薄
であること、およびそのガス組成で一番多い成分は密度
の非常に小さいＨｅガスであるため、その熱容量は空気
や水に比較して極めて小さい。

このことは第１表に示されているように、密度（ρ）×
比熱（Ｃ）＝ρＣＣＪ／イ℃）の値が小さいことから明
らかである。従ってレーザガスは、空気や水では殆んど
影響の出ない僅かな入熱量でもガスの温度上昇が大きく
現われることになる。

第　　１　　表 【 次に管内を流体が流れる時の管内壁と流体との間の熱伝
達率α＃　（Ｗ／ｒｒｒ　”Ｃ）は、流速、管内径。

動粘性係数ν（ｆｆｌ／Ｓ）　、ブラントル数ｐ、、熱
伝導率Ｋ　（Ｗ　／　ｍ　’Ｃ）の関数であり、特に通
過流体自身の熱伝導率Ｋに比例する。レーザガスの熱伝
導率はＨａガスの成分比が最も高いので、空気の約２．
５倍の値となっている。このため熱伝達率αｇが大きく
、熱抵抗が小さくなるため、管外周気温と管内レーザガ
ス温度との差が一定の場合。

空気等より入熱量（熱流量）が大きくなるわけである。

これらを定量的に検討するため第６図に示されている管
路モデルを考える。すなりち同図（ａ）に示されている
ように外半径ｒｏ（ｍ）ｙ内半径ｒ　ｉ　（ｍ　）　ｖ
長さＬ（ｍ）の管路にＱ（ｎ？／、Ｓ）の流体が流れて
いるものとし、管外周気温をＴ　ａ　（’Ｃ）　。

流体入口温度Ｔｔｉ　（’Ｃ）−流体出口温度Ｔ　ｔ　
ｏ　（”Ｃ）とし、管材の熱伝導率をｋｐ（ｗ／ｍ℃）
とする。

Ｒ１ｆｔ　Ｒｐｔ　Ｒａは流体〜管内壁間、管貫通およ
び管外壁〜管外周空気間の熱抵抗を示す、全体熱抵抗Ｒ
（’Ｃ／Ｗ）は、ａ　ａ　（Ｗ　／　ｒｄ　’Ｃ）を管
外壁〜周囲空気間の自然対流熱伝達率とすると、Ｒ＝Ｒ
ｇ　＋　Ｒｐ　十Ｒａ また。Ｗｔ　　（Ｗ）を管路長Ｌ　（ｍ）　（ｌｐ間に
流体が管壁より吸収する熱流ｊｔ　（Ｗ）とすると、単
位時間当りの流体の熱容量はρＣＱ（ρは密度、Ｃは比
熱、Ｑは流量）で表わされる。

これらより、同図（ｂ）に示されているように流体の管
路での温度上昇ΔＴｇは、 管外周空気温度Ｔａと管内流体温度との間の対数平均温
度差ΔＴ、は。

ΔＴ。

また、 ΔＴ　ｔ　＝ΔＴ皿−ΔＴｏ　（”Ｃ）　　　　　　　
　　　−（４）（２）　、　（３）および（４）式より
ｘ ｃＱＲ ０°、　　ΔＴｏ＝ΔＴｉｅ　　　　　　　（”Ｃ）　
　　　・（６）従って ＋５１ ｃＱＲ Ｔｗｏ”　Ｔａ　　（Ｔａ−Ｔｔｔ）　ｅ　　　　　　
（’Ｃ）”’（７）この（７）式が、管路出口の流体ガ
ス温度を表わす式である。この式でρＣＱＲ＝Ｏの場合
には。

Ｔｚｏ＝Ｔａ　（’Ｃ）　　　　　　　　　　　　　’
・・（８）となり、ρＣＱＲ＝ωの場合は、 Ｔ　ｇｏ　−Ｔ　ｇｉ（’Ｃ）　　　　　　　　　　　
　　・・・（９）響を受は易くなることが判る。これと
逆にρＣＱＲが大きくなるほどＴ’ｇｏはＴｇｎに接近
し、流体の管路中での温度上昇は低くなり、外周空気の
影響を受は難いことが判る。

ＣＯｚレーザガスの物性値の特異性を明確に定量的に示
すため外径０．０７５ｍ、内径０．０７ｍの管路にＱ＝
０．１２５ｎｉ’　／Ｓの流体を通過させた場合の流体
出口温度Ｔｗｏを試算してみる。上記の値はＣＯｚレー
ザ発生装置の前述の接続管の状況を近似している０周囲
空気温度を４０℃とし、流体入口温度を２０℃とした場
合の一流体出口温度を、管路長を１から５ｍに変化させ
て計算した結果が第７図（ａ）に示されている。同図に
示されているように管路の通過流体が空気または水の場
合、管路での流体の温度上昇は僅かであり、この程度の
管路長では特別の対策は不要であるが、レーザガスの場
合その物性値の特異性のため、管路でのガス温度上昇は
極めて大きい、同図（ｂ）は流体入口温度が２００℃と
周囲空気温度４０℃より高い場合の冷却特性が示されて
いる。同図に示されているように、（ａ）の加熱特性と
同様レーザガスの場合その物性値の特異性のため、管路
でのガス温度低下が極めて大きい。

これらから明らかなようにＣＯｘレーザガスはＨｅガス
リッチの稀薄な特殊ガスであるため、ρＣが小さくまた
Ｒも小さくなるので空気や水等の一般流体とは格段と違
った差が見られ、管路長が１から２ｍと短くても管外気
温の影響を非常に大きく受け、その発振性能に影響を与
えることが判る。

このようなレーザガスの物性値の特異性による性能への
悪影響を除くには、レーザヘッド部と補機ユニットとの
間のレーザガス接続管のうち冷ガスを補機ユニットから
レーザヘッド部に送出する冷ガス接続管外周に適当な材
質と厚さの断熱材を取り付けるか、または冷ガス接続管
外周を別に用意した冷媒（水、油等）で積極的に冷却す
ることが考えられる。長大な管路ではこれらの対策は公
知であるが、僅か１から４ｍのレーザガス接続管を有す
るレーザ発生装置にこれらを適用することにより、レー
ザ発振出力の周囲気温依存性を大幅に減少させ、これに
よる出力変動の防止と出力安定性の向上および出力の増
大を図ることができる。

これらはＣＯｚレーザガスの組成、圧力による物性値の
特異性とガス流量、ガス流速、温度条件等がＣＯｘ　レ
ーザ発生装置としての使用条件のための効果であり、発
明の新規性は十分に認められる。

また、従来方式では補機ユニット内にレーザヘッド部か
らの戻りの温ガス冷却用ガス冷却器と、ガス圧送ブロワ
での圧縮仕事によるガス温上昇分を吸収するガス冷却器
との両ガス冷却器が内蔵されていたが、このうち後者の
ガス冷却器を冷ガス接続管の出口側に移設し、実質的に
冷ガス接続管でのガス温度変化を吸収するようにするこ
とも同様に有効であり、本発明の中に含まれるものであ
る。

このように冷ガス接続管外周に適当な厚さと材質との断
熱材を取付けることにより、（１）式の管貫通抵抗Ｒｐ
　を大きくする。これにより（７）式に示されているよ
うに、管路でのガス温度上昇を低く抑えることができる
。

また、管外周を別に用意された冷媒で積極的に冷却する
場合であるが、この冷媒の温度が一定値に制御されてお
れば、レーザガス接続管出口ガス温度は一定値に保つこ
とが可能であり、この冷媒にガス冷却器用冷媒として一
般的に使用されている冷却水を使用すれば、出口ガス温
度を十分低い値に保持できる。

すなわち管路長と流体温度との関係が示されている第８
図に示されているように、断熱材構造あるいは管外周水
冷却構造にすることにより、従来構造に比ベレーザガス
の管路内での温度上昇が低くなる。

〔実施例〕

以下、図示した実施例に基づいて本発明を説明する。第
１図には本発明の一実施例が示されている。同図に示さ
れているようにレーザ発生装置はレーザヘッド部１と補
機ユニット２とを備えている。レーザヘッド部１は放電
励起管３．全反射鏡４、半透過出力鏡５により構成され
る共振器部および複数の放電励起管３へ冷ガス６を分配
供給する分岐管７．複数の放電励起管３で発振を終えた
温ガス８を集合させる集合管９等を主構成要素としてい
る。補機ユニット２は発振を終えた温ガス８を冷却する
第１のガス冷却器１０．レーザガスを圧送するガスブロ
ワ１１．ガスブロワ１１での圧縮仕事によるガス温上昇
分を吸収する第２のガス冷却器１２等を主構成要素とし
ている。これらレーザヘッド部１と補機ユニット２との
間には。

温ガス８をレーザヘッド部１から補機ユニット２に導く
温ガス接続管１３と、補機ユニット２から出た冷ガス６
をレーザヘッド部１へ導びく冷ガス接続管１４とが設け
られる。レーザ加工装置の配置のフレキシビリティを増
すためレーザヘッド部ｌと補機ユニット２とを分離構造
として、これらを加工装置の最適位置に配置することが
可能であるが、そのため両ユニット間を接続する温ガス
接続管１３．冷ガス接続管１４はその長さも約１ｍから
数ｍとなり、配管ルートも多岐にわたる、なお、レーザ
ガスは一般に０．０２　から０．１５気圧で使用される
ので、系統には真空ポンプ１５゜レーザガス供給装置１
６．レーザガス減圧装置１７および第１のガス冷却器１
０．第２のガス冷却器１２の冷却水源としてチラー装置
１８等が一般に付属している。また、レーザヘッド部１
内の放電励起管３には放電々極が設けられており、これ
らの放電々極に所定の励起電力を供給する電源装置（共
に図示せず）等が付属している。このように構成された
レーザ発生装置で本実施例では冷ガス接続管１４の外周
に、熱伝導率が冷ガス接続管１４のそれより小さい断熱
材１９を設けた。このようにすることにより冷ガス接続
管１４は周囲雰囲気からの入熱駄が抑制されるようにな
って。

レーザ発振出力の周囲温度依存性を少なくすることを可
能としたレーザ発生装置を得ることができる。

すなわち適当な厚さと材質との断熱材１９で冷ガス接続
管１４の外表面を覆った。このようにすることによりレ
ーザヘッド部１に供給される冷ガス温度が、周囲気温の
影響を殆んど受けずに十分低い値に維持できるので、レ
ーザ発振出力の周囲温度依存性が少なくなって、レーザ
発生装置の出力安定度を優れたものとすることができ、
出力最大値を高めることができる。

この場合、本実施例のように冷ガス接続管１４の全長に
わたり十分な厚さの断熱材１９で覆うのが最適であるが
１寸法的制約、コスト面等を勘案した合理的諸元とする
ことで十分な効果を期待することができる０例えば外径
０．０７５　　ｍ、長さ２ｍの冷ガス接続管１４の表面
に厚さ２５ａｍの発泡ゴムまたは発泡プラスチック材の
断熱材１９を設けるだけで、実用上十分の効果を奏する
ことができる。

第２図には本発明の他の実施例が示されている。

本実施例は冷ガス接続管１．４の外周を冷媒２０で冷却
した。このようにすることにより冷ガス接続管１４は周
囲雰囲気からの入熱量が抑制されるようになって、前述
の場合と同様な作用効果を奏することができる。

すなわち冷ガス接続管１４の外周を別に用意した冷媒（
水、油等）２０で冷却する。冷却は冷ガス接続管１４を
二重管２１にしたり、蛇管巻付けしたりする等種々前え
られるが、そのいずれであってもよい。

第３図には本発明の更に他の実施例が示されている０本
実施例は第２のガス冷却器１２をレーザヘッド部１と冷
ガス接続管１４との接続部近傍に設置した。このように
することによりレーザヘッド部１には冷却された低温の
レーザガスが供給されるようになって、前述の場合と同
様な作用効果を奏することができる。

すなわち第２のガス冷却器１２を補機ユニット２からは
ずし、レーザヘッド部１内の分岐管７の入口側に配置し
た。この場合、第２のガス冷却器１２は必ずレーザヘッ
ド部１に内蔵する必要はなく、冷ガス接続管１４の出口
側近傍であればよい。

以上の実施例のうち冷ガス接続管１４の外周に断熱材１
９を設けた場合（第１図参照）、冷ガス接続管１４の外
周を冷媒２０１例えば水で冷却した場合（第２図参照）
の放電管人口レーザガス温度が周囲気温の影響をどれ位
受けるかを従来例と比較して試算した結果が第４図に示
されている。

同図は接続管（冷ガス接続管）長２ｍ、冷却水温度が２
０℃の場合である。同図から明らかなように従来構造例
の場合は周囲気温の影響が大きく、周囲気温が４０℃と
高くなるにつれて放電管入口レーザガス温度も４０℃近
くまで高くなる。これに対して本実施例の断熱構造例お
よび管外周水冷却例の場合はいずれも周囲気温の影響が
小さく、周囲気温が４０℃と高くなっても放電管入口レ
ーザガス温度は約２４℃以下と低い。

第５図には上述の第４図の場合のレーザ発振器出力比の
試算例が示されている。同図から明らかなように従来構
造例の場合の周囲気温による出力比の低下は大きく、本
実施例の断熱構造例および管外周水冷却例の場合の周囲
気温による出力比の低下は小さい。

〔発明の効果〕 上述のように本発明はレーザ発振出力の周囲温度依存性
が少なくなって、レーザ発振出力の周囲温度依存性を少
なくすることを可能としたレーザ発生装置を得ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図から第３図は本発明のレーザ発生装置の夫々異な
る実施例を示す一部縦断側面図、第４図は本実施例と従
来例との周囲気温による放電管人口レーザガス温度の変
化の試算結果を示す特性図、第５図は同じく本実施例と
従来例との周囲気温によるレーザ発振器出力比の変化の
試算結果を示す特性図、第６図（ａ）、（ｂ）は管路の
流体熱伝達を説明するもので（ａ）は管路モデル図、（
ｂ）は管路内での流体の温度変化を示す説明図、第７図
（ａ）、（ｂ）は流体の種類による管路内での温度変化
を示すもので（ａ）は流体入口温度が２０℃の場合、（
ｂ）は流体入口温度が２００℃の場合の特性図、第８図
はレーザガスの管路内での温度上昇例を示す特性図であ
る。 １・・・レーザヘッド部、２・・・補機ユニット、３・
・・放電励起管、１０・・・第１のガス冷却器、１１・
・・ガスブロワ、１２・・・第２のガス冷却器、１３・
・・温ガス接続管、１４・・・冷ガス接続管、１９・・
・断熱材、第　ｌ　趨 第３の 第４１ ＃１廚気’ｊｎ　Ｃ’Ｃ） 第５　即 Ｍ囲気温（°Ｃ） （ｃＬ） ち 第１ＥＪ （久） 情８図 管路長（ｍ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、放電励起管を有する共振器部を主要構成要素とする
   レーザヘッド部と、このレーザヘッド部と冷ガス接続管
   および温ガス接続管を介して連結され、かつガスブロア
   および第１、第２のガス冷却器を主要構成要素とする補
   機ユニットとを備えたレーザ発生装置において、前記冷
   ガス接続管が、この接続管の周囲雰囲気からの入熱量を
   抑制する抑制手段を設けて形成されたものであることを
   特徴とするレーザ発生装置。 ２、前記抑制手段が、前記冷ガス接続管の外周の少なく
   とも一部を覆って設け、かつ熱伝導率が前記冷ガス接続
   管のそれより小さい断熱材で形成されたものである特許
   請求の範囲第１項記載のレーザ発生装置。 ３、前記抑制手段が、前記冷ガス接続管の外周の少なく
   とも一部を冷却する冷媒で形成されたものである特許請
   求の範囲第１項記載のレーザ発生装置。 ４、前記抑制手段が、前記レーザヘッド部と冷ガス接続
   管との接続部近傍に設置した前記第２のガス冷却器で形
   成されたものである特許請求の範囲第１項記載のレーザ
   発生装置。