• 专利附录
  • 专利说明
  • 权利要求
  • 类似技术
  • 同族专利
  • 引用文献
  • 法律状态
  • 优先权
    • 专利摘要:

    公开号:WO1991005384A1
    申请号:PCT/JP1990/001227
    申请日:1990-09-21
    公开日:1991-04-18
    发明作者:Tsutomu Funakubo；Norio Karube；Kenji Nakahara
    申请人:Fanuc Ltd；
    IPC主号:F04D29-00
    专利说明:
    [0001] 明 細 書 レーザ用タ一ボブ口ァ及びそれを用いたレーザ発振装置 技 術 分 野
    [0002] 本発明は加工用ガス レーザ装置等のレーザガスを強制的に 循 ¾させるレーザ用タ一ボブロア及びそれを用いたレーザ発 振装置に係り、 特に軸受の長寿命化を実現させ、 信頼性、 保 守性を改良したレーザ用タ一ボブ口ァ及びレーザ発振装置に 関する。 背 景 技 術
    [0003] 最近の炭酸 （C 〇 2 ) ガス レーザ発振装 Kは高出力が得ら れ、 レーザビームの質もよく 、 金厲又は非金属材料等の切断 及び金属材料等の溶接等といつ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、 C N C (数値制御装置） と 結合した C N C 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。
    [0004] 下図面を用いて従来の炭酸 （C 0 2 ) ガス レーザ発振装 置を説明する。 '
    [0005] 第 6図は従来技術による炭酸 （C 0 2 ) ガス レーザ発振装 置の全体構成を示す図である。 放電管 3 1 の両端には出力 合鏡 3 2 と全反射鏡 3 3 とからなる光共振器が設置されてい る。 放電管 3 1の外周上には金属' 極 3 4及び 3 5が取り付 けられている。 金厲電極 3 4は接地され、 金属電極 3 5 は髙 周波電源 3 6に接続されている。 金属電極 3 4及び 3 5の間 には高周波電源 3 6から高周波電圧が印加される。 これによ つて、 放電管 3 1 内に高周波グロ一放電が発生し、 レーザ励 起が行われる。 放電管 3 1 内のレーザビーム光軸を 4 3で、 また出力結合鏡 3 2から外部に取り出されるレーザビーム光 軸を 4 4でそれぞれ示す。
    [0006] 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 4 2によって装置内部全体の気体が排気される c そしてバルブ 4 1が開放になり， 所定流量のレーザガスがガ スボンべ 4 0から導かれ， 装置内のガス圧は規定値に達する c その後は真空ポンプ 4 2の排気とバルブ 4 1 による補給ガス 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。 これによつて 装置内のガス汚染は防止される。
    [0007] さらに第 6図では送風機 3 9によってレーザガスを装置内 で循環させている。 この目的はレーザガスの冷却にある。 炭 酸 （C O 2 ) ガス レーザでは注入電気エネルギーの約 2 0 % 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 が理論によればレーザ発振利得は絶対温度 Tの一 （ 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。
    [0008] 本装置では， レーザガスは約 1 0 O m Z s e cの流速で放 電管 3 1 内を通過し， 矢印で示す方向に流れ、 冷却器 3 8に 導かれる。 冷却器 3 8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、 送風機 3 9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 3 7を介して放電管 3 1 に導かれる。 これは、 送風機 3 9で発 生した圧縮熱を放電管 3 1 に再度導かれる前に冷却器 3 7 除去するためである。 これらの冷却器 3 7及び 3 8は周知で あるので詳細な説明は省略する。
    [0009] 送風機 3 9 として採用されているものにはルーツブロアと ターボブロアがある。 第 7図は従来のレーザ用ターボブロア の構造を示す図である。 ターボ翼 1 とシャ フ ト 2とは機械的 に結合されている。 シャ フ ト 2にはロータ 3が取り付けられ ており、 ロータ 3 とステ一夕 4 とで高周波モータ一を構成し ている。 ターボ翼 1 はこの高周波モータによって、 回転数約 1 0万 R P Mの髙速で回転する。 そのため， 低速回転のルー ップロァに比較して回転数に逆比例して体積が小さぐなつて いる。
    [0010] さ らに、 シャ フ ト 2の支持のために、 高周波モータの両側 に一対のころがり軸受 5及び 6が使用されている。 ろがり 軸受 5及び 6の潤滑には、 オイル ミズ トによるレーザガス汚 染を防止するために、 通常グリ ース潤滑が使用される。
    [0011] このような構成によって、 レーザガスは矢印 8のように冷 却器 3 8からレーザ用タ一ボブ口ァへ吸入ざれ、 矢印 7のよ うにレーザ用タ一ボブ口ァから冷却器 3 7へ吐出される。
    [0012] 6図及び第 Ί図に示す従来のレーザ発振装置では以下の ような課題がある。
    [0013] 即ち、 従来のレーザ用ターボブ σァでは、 1 0方 R Ρ Μも の高速回転のため、 モータから Ο発熱が大きく、 グリースの 劣化及び枯渴といった問题が生じていた。 即ち、 モータの効 率は約 Ί 5 %程度であり、 残りの 2 5 %はモータの発熱損失 となる。 例えば、 出力 2 k Wのモ一タの場合、 約 6 6 ？ Wが 発熱損失となる。 このうちの約 5 6 7 Wはステ一タ 4の鉄損 と銅損による発熱であり、 約 1 ϋ 0 Wがロータ 3の 3RI損によ る発熱である。
    [0014] この発熱によって、 ロータ 3の温度は 1 0 0 °C以上にも達 する。 ステ一タ 4の発熱はステ一タ外周部に水冷装置を設け ることによって、 冷却可能であるが、 ロータ 3は高速で回転 しているため、 ステ一タのように水冷装置を設けて冷却する ことは不可能である。 また、 モータ内は 0 . 1気圧程度のレ 一ザガスしか存在しないので、 空冷による冷却劲果もほとん ど期待できない。
    [0015] 従って、 ロータ 3で発生した熱はシャ フ ト 2を伝わり、 シ ャ フ ト 2に固定された軸受 5及び 6を加熱し、 軸受の温度を 上昇させる。 軸受は約 8 0 °Cの温度までは問題なく動作する が、 これ以上の温度になると、 1 0 °c上昇する毎に軸受の寿 命が 2分の 1 になるという間題がある。 これは、 軸受の潤滑 剤が高温度によって劣化することに起因する。
    [0016] 従って、 このような状態のまま、 運転を継続すると軸受が 破壊してしまうという間题がある。 そこで、 通常は 1 0 0 0 時問毎にグリ ースを補充したり、 軸受自身を交換したり して いた。 従って、 従来はこのようなメ ンテナンスに多大な労力 を費やす結果となっていた。
    [0017] さらに、 軸受 5及び 6に伝わった熱によって、 グリースが 気化してしまい。 気化したグリ ースはレーザガス中に混入し て光学部品等を汚染し、 レーザ出力低下ゃモ一 ド変形等とい つた問題を起こしていた。 ，
    [0018] 一方、 従来の構造ではターボ翼 1 は大量のレーザガスの循 環経路中に存在するので、 常時冷却されていることになり、 .: タ一ボ翼 1側の軸受 5 はあまり温度上昇しない。 しかし、 こ れに対してターボ翼と反対側の軸受 6はそのような冷却効 ¾ が期待できないため、 温度上昇による影響をまともに受け、. 破損する割合が非常に高いという問題があつた。 - 発 明 の 開 示
    [0019] 本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、 軸受 の温度上昇を抑制し、 信頼性及び保守性に優れたレーザ用タ —ボブ口ァ及びそれを用いたレーザ発振装置を提供すること を目的とする。 - 本発明では上記課題を解決するために、
    [0020] 先端にタ一ボ翼を有するシャ フ 卜と、 前記シャ フ トを支持 する一対の軸受と、 前記シャ フ トを回転させるためのモータ とから構成されるレーザ用タ一ボブ口ァにおいて、 前記シャ フ トに空冷用の放熱フィ ンを設けたことを特徴とするレーザ 用ターボブロアが提供される。
    [0021] さらに、 本発明では上記レーザ用ターボブロアを用いたレ 一ザ発振装置が、 提供される。
    [0022] シャ フ ト に空冷用の放熱フィ ンを設けることによって、 モ —タの口一夕部で発生した熱は放熱フィ ンで放熱され、 軸受 部に熱が伝わるのを防止できる。 また、 放熱フ ィ ンをレーザ ガスの一部を用いて強制的に空冷することによって、 放熱効 率を大幅に向上することができる。 これによつて、 グリ ース 及び軸受の寿命を大きく延ばすことができ、 グリース補充又 は軸受交換などのメ ンテナンスの労力が著しく軽減されると ともに信頼性も向上する。 図 面 の 簡 単 な 説 明 第 1図は本発明のレーザ用タ一ボブロアの第 1の実施例の 構成を示す図、
    [0023] 第 2図は第 1図のレーザ用ターボブ口ァを用いたレーザ発 振装置の全体構成を示す図、
    [0024] 第 3図は第 1図の放熱フ ィ ンの詳細を示す図、
    [0025] 第 4図は本発明のレーザ用タ一ボブ口ァの第 2の実施例の 構成を示す図、
    [0026] 第 5図は本発明のレーザ用ターボブ πァの第 3の実施例の 構成を示す図、
    [0027] 第 6図は従来技術による炭酸 （C 0 2 ) ガス レーザ発振装 置の全体構成を示す図、
    [0028] 第 Ί図は従来のレーザ用タ一ボブ 了の構造を示す図であ る o 発明を実施するための最良の形態 以下、 本発明の 実施例を図面に基づいて説明する。
    [0029] 第 1図は本発明のレーザ用ターボブロアの第 1の実施例の 構成を示す図である。 第 1図において、 第 7図と同一の構成 要素には同一の符号が付してあるので、 その説明は省略する。 こ こで、 ターボ翼 1 は遠心翼を示しているが斜流粱であって も軸流翼であってもよい。
    [0030] 本実施例が従来のものと本質的に異なる部分は、 シャフ ト 2 に空冷用の放熱フ イ ン 1 1 を設けた点である。
    [0031] 放熱フ イ ン 1 1 はターボ翼 1 と反対側の軸受 6 と、 ロータ 3 との間に設けられる。 ハウジング 1 2 には空冷用のレーザ ガスを通過させる通路が設けられる。 レーザガスは、 この通 路を矢印 9から矢印 1 0の方向へ流れる。 これおよつて、 口 —タ 3で発生した熱は放熱フ イ ン 1 1で放熱され、 軸受 6 I 到達しなくなる。 ：
    [0032] また、 軸受 5及び 6の内輪と外輪との間の転動体と保持器 を除いた空間内には適量のグリ ースが封入される。
    [0033] 第 2図は第 1図のレーザ用タ一ボブ口ァを用いたレーザ発 振装置の全体構成を示す図である。 第 2図において、 第 6図 と同一の構成要素には同一の符号が付してあるので、 その鋭 明は省略する。
    [0034] 本実施例では、 第 1図の放熱フ ィ ン 1 1を空冷するために :、 循環中のレーザガスの一部をターボブロア 2 1 に帰還してい る。 即ち、 冷却器 3 7で冷却されたレーザガスの一鄯を帰還 用通路 2 2を介して矢印 9のようにタ一ボブロア 2 1 に吸入 させる。 レーザガスの量は循環経路 Φのレーザガスの約 Γ 0 パーセ ン ト程度でよい。 放熱フ イ ン 1 1から熱を奪った - ザガスは矢印 1 0 の方向に吐出され、 通路 2 3を介してレー ザガスの循環経路に戻される。 戻されたレーザガスは再び冷 却器 3 8によつて冷却され、 循 レーザガスとなる。
    [0035] 従来のターボブロアと比較してみると、 モータを構成する ロータ 3で発生した熱の大部分は放熱フ イ ン 1 1によって除 去される。 従って、 放熱フ ィ ン 1 1を設けることによってあ たかも軸受 6が発熱源であるロータ 3から距離をおいたよう になり、 ロータ 3の発熱の影響を受けにく くなる。
    [0036] また、 放熱フ ィ ン 1 1はレーザガスによって強制的に冷却 されているので、 ロータ 3で発生した熱はシャ フ ト 2を伝わ り 放熱フ ィ ン 1 1から空冷という形で強制的に逃がされる とに る ο
    [0037] ここで、 冷却系の放熱量 qは熱伝達率 hを用いて次式のよ うに表せる。
    [0038] q = h ♦ A ♦ (T2 -Τ , )
    [0039] 上式において、 qは放熱量 （W) hは熱伝達率 （WZm 2 K) Aは伝熱面積 （m2 ) 、 (T2 -Τ , ) は温度差 (Κ) である。
    [0040] また、 ガスの強制対流による冷却系の熱伝達率 hはヌセル ト数 N u (無次元数） を使用し、 次式のように表せる。
    [0041] h = u · k d
    [0042] 上式において、 N uはヌセルト数 （平均値） 、 kはガスの 熱伝達率 （WZm * K) dは畏さ （直径） である。
    [0043] 第 3図は第 1図の放熱フ イ ン i 1の詳細を示す図である。 放熱フ ィ ンの長さ Lを 3 O mmとする。 フ ィ ンの厚さ t lを 2 mm. フ ィ ンとフ ィ ンとの間隔 t 2を 2 mmとする。 放熱 フィ ンの外側の直径 D 1を 4 0 m mと し、 内側の直径 D 2を 1 4 m mとする。
    [0044] 第 3図のような放熱フ イ ン 1 1 をガス流量 0 . 0 1 8 ( τη 3 Z s ) 、 ガス温度 Τ , を 2 0 ° C、 シャ フ ト 2 の温度 T 2 を 1 0 0 ° Cの下で使用した場合の放熱量を上式に基づいて 計算すると、 約 9 7 Wとなる。 この値は、 ΰ—タ 3の発熱量 が約 1 0 0 Wであることを考えると十分にその効果を期待で きる。 また、 実際に試作実験してみたところ約 1 1 Q ° Cあ つたシャ フ ト 2の温度を約 5 0 ° Cまで下げることに成功し o
    [0045] 4図は本発明のレーザ用タ一ボブ口ァの第 2の実施例の 構成を示す図である。 第 4図において、 第 1図と周一の構成 要素には同一の符号が付してあるので、 その説明は省略する。 本実施例が第 1図のものと異なる点は、 放熱フ イ ン 1 1 の 他に放熱フ イ ン 1 5を設けた点である。 放熱フィ ン 1 5はタ 一ボ翼 1側の軸受 5 と、 ロータ 3 との HOに設けられる。 ハウ ジング 1 2には空冷用のレーザガスを通過させる通路が設け られる。 レーザガスは、 この通路を矢印 1 3から矢印 1 4の 方向へ流れる。 これによつて、 ロータ 3で発生した熱は放熱 フ ィ ン 1 1及び 1 5で放熱され、 軸受 5及び 6に到達しなく る ο
    [0046] 第 5図は本発明のレーザ用タ一ボブ口ァの第 3の実施例の 構成を示す図である。 本実施例は第 1図のレーザ用ダーボブ 口ァの軸受 5及び 6の周囲に才ィ ルフ イ ルムダンパ一を取り 付け、 軸受の振動を吸収したものである。 オイ ルフ ィ ル厶ダンパ一はス リーブ 5 1 と、 〇 リ ング 5 2 及び 5 3 と、 ハウジング 1 2 とス リーブ 5 1 との間に充塡さ れたォィルとによつて構成される。
    [0047] ころがり軸受 5及び 6の内輪は第 1のシャフ ト 2 に固定さ れ、 外輪はス リーブ 5 1 に固定されている。 ノヽウジング 1 2 とス リ ーブ 5 1 との間には 1 0〜 1 0 0 mのすきまが設け られ、 そこにグリース又はオイルが充塡される。 〇 リ ング 5 2及び 5 3は、 すきまに充塡されたグリース又はオイ ルと、 レーザガスとを遮断するためのものである。
    [0048] このような構成にすることによって、 ターボ翼 1及びシャ フ ト 2が高速で回転したときの振動はオイルフィルムダンバ 一の流体力学的な減衰効果によって減衰する。
    [0049] 以上の実施例ではころがり軸受について説明したが、 玉軸 受又はコロ軸受でもよい。 さらに、 軸受の材料としてセラ ミ ックを用いたセラ ミ ック軸受を用いてもよい。
    [0050] 以上のように本実施例によれば、 軸受部の温度上昇を抑制 したので、 従来 5 0 0〜 1 0 0 0時間であった軸受の寿命が、 5 0 0 0〜 1 5 0 0 0時間と長くなり、 さらに、 グリースの 定期的な補充又は軸受及びグリ ースの交換といった保守が不 要となる。
    [0051] 以上説明したように本発明によれば、 軸受部の温度上昇を 抑制することができ、 グリ ースの定期的な補充又は軸受及び グリ一スの交換といった保守が不要となり、 信頼性及び保守 性の改善されたレーザ用タ一ボブ口ァを提供することが可能 となる。
    权利要求:
    Claims 84 PCT/JP90/01227 一 1 1 請 求 の 範 囲
    1 . 先端にタ一ボ翼を有するシャフ トと、 前記シャ フ トを 支持する一対の軸受と、 前記シャ フ トを回転させるためのモ —タとから構成されるレ一ザ用タ一ボブ口了において、
    前記シャ フ トに空冷用の放熱フィ ンを設けたことを特徴と するレーザ用ターボブロア。
    2 . 前記放熱フィ ンはレーザガスで空冷されることを特徴 とする特許請求の範囲第 1項記載のレーザ用タ一ボブロア。
    3 . 前記ターボ翼と反対側の前記軸受と、 前記モータとの 間に前記放熱フィ ンを設けたことを特徴とする特許請求の範 ffl第 1項記載のレーザ用タ一ボブロア。
    4 . 前記モータの両側に前記放熱フィ ンを設けたことを特 徴とする特許請求の範囲第 1項記載のレーザ用ターボブロア。
    5 . 前記軸受にオイルフイルムダンパーを設けたことを特 徴とする特許請求の範囲第 1項、 第 2項、 第 3項又は第 4項 記載のレーザ用ターボブロア。
    6 . 前記軸受が玉軸受であることを特徴とする特許猜求の 範囲第 1項、 第 2項、 第 3項、 第 4項又は第 5項記載のレー ザ用ターボブロア。
    7 . 前記軸受がころ軸受であることを特徴とする特許請求 の範囲第 1項、 第 2項、 第 3項、 第 4項又は第 5項記載のレ —ザ用タ一ボブロア。
    8 . 前記軸受がセラ ミ ッ ク軸受であることを特徴とする特 許諳求の範囲第 1項、 第 2項、 第 3項、 第 4項又は第 5項記 載のレーザ用ターボブロア。 ；;
    WG 91/05384 PCT/JP90/01227
    - 1 2 -
    …： 9 . 気体放電によってレーザ励起をする放電管と、 レーザ ' . 発振を行わせる光共振器と、 送風機及び冷却器によってレ— ザガスを強制冷却させるガス循環装置とから構成されるレー ザ発振装置において、
    前記送風機が特許請求の範囲第 1項から第 9項までのいず れかに記載のレーザ用タ一ボブ口ァで構成されることを特徴 とするレーザ発振装置。
    类似技术:
    公开号 | 公开日 | 专利标题
    US7976291B2|2011-07-12|Motor cooler
    US9225224B2|2015-12-29|Dynamoelectric machine having air/liquid cooling
    US6580025B2|2003-06-17|Apparatus and methods for thermoelectric heating and cooling
    US7579725B2|2009-08-25|Liquid cooled rotor assembly
    BE1015913A3|2005-11-08|Machine met verbeterde lagersmering.
    US6519317B2|2003-02-11|Dual fluid cooling system for high power x-ray tubes
    US4480967A|1984-11-06|Motor-driven pump unit for a high-pressure cleaning apparatus
    JP4799612B2|2011-10-26|ロータ冷却式の永久磁石励磁形電気機械
    US4492885A|1985-01-08|Alternating current generator for a car
    US4980588A|1990-12-25|Water-cooled vehicle generator
    EP1586769B1|2014-12-03|Turmkopf einer Windenergieanlage
    EP0235505B1|1990-07-18|Bearing cooling apparatus of heating roller
    KR100697481B1|2007-03-20|초전도성 전자기기 및 그의 냉각 방법
    US7569955B2|2009-08-04|Electric motor with heat pipes
    US6925151B2|2005-08-02|Device for generating X-rays
    US6734584B1|2004-05-11|Thermal barrier and cooling air deflector for totally enclosed motor
    US5113670A|1992-05-19|Bearing cooling arrangement for air cycle machine
    EP1005139B1|2009-04-29|Cooling device for an electric rotating machine
    EP0231785A2|1987-08-12|Vehicle mounted a.c. generator
    US4928296A|1990-05-22|Apparatus for cooling an X-ray device
    US7443062B2|2008-10-28|Motor rotor cooling with rotation heat pipes
    EP1193837A2|2002-04-03|Alternator for vehicles
    US5737387A|1998-04-07|Cooling for a rotating anode X-ray tube
    TWI467898B|2015-01-01|馬達、真空泵浦及在一馬達之使用期間自一位於一低氣壓環境中之馬達轉子移除熱之方法
    JP2010220417A|2010-09-30|車両用全閉形主電動機
    同族专利:
    公开号 | 公开日
    EP0446369A1|1991-09-18|
    US5206873A|1993-04-27|
    DE69009449T2|1994-09-15|
    EP0446369A4|1991-10-30|
    JPH03120882A|1991-05-23|
    DE69009449D1|1994-07-07|
    CA2042401A1|1991-04-05|
    EP0446369B1|1994-06-01|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    1991-04-18| AK| Designated states|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): CA US |
    1991-04-18| AL| Designated countries for regional patents|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): DE FR GB |
    1991-05-22| WWE| Wipo information: entry into national phase|Ref document number: 1990913888 Country of ref document: EP |
    1991-05-29| WWE| Wipo information: entry into national phase|Ref document number: 2042401 Country of ref document: CA |
    1991-09-18| WWP| Wipo information: published in national office|Ref document number: 1990913888 Country of ref document: EP |
    1994-06-01| WWG| Wipo information: grant in national office|Ref document number: 1990913888 Country of ref document: EP |
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    JP25982589A|JPH03120882A|1989-10-04|1989-10-04|Turbo blower for laser and laser oscillation device using same|
    JP1/259825||1989-10-04||EP19900913888| EP0446369B1|1989-10-04|1990-09-21|Turbo blower for laser and laser oscillator using the same|
    DE1990609449| DE69009449T2|1989-10-04|1990-09-21|Turbogebläse für laser und laseroszillator, der dieses benutzt.|
    [返回顶部]