(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス循環経路と、このガス循環経路上に配設されるガス圧縮機およびレーザ発振部とを備えてなり、ガス圧縮機が、回転翼を保持しガスを循環させる機能を有するガス圧縮室と、前記回転翼に直結された回転翼駆動軸を保持する軸受保持室とを備えてなるものであるガス循環器において、
前記ガス循環経路からガス圧縮室、軸受保持室を介して再びガス循環経路に至る第２ガス循環経路を設け、この第２ガス循環経路にもガスを循環させるように構成し、
かつ、前記第２ガス循環経路に、前記軸受保持室に接続しガス循環時に軸受保持室からガスを吸引して前記ガス循環経路に至らしめる真空ポンプを設けたことを特徴とするガス循環器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＯ２ガスレーザ等に適用されるガス循環器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＯ２ガスレーザ等に適用されるガス循環器は、レーザ発振部に常にガスを循環させておくようにするため、ガス循環経路とこのガス循環経路上に配設されるガス循環用のガス圧縮機とを備えてなる。このガス圧縮機とは回転翼を保持しガスを循環させる機能を有するガス圧縮室と、回転翼に直結された回転翼駆動軸を保持する軸受保持室とを備えてなるものが知られている。しかして従来、軸受に転がり軸受等の接触型のものを用い潤滑用オイルを必要とするガス圧縮機を使用するガス循環器においては、このオイルが、前記回転翼駆動軸に沿って軸受保持室からガス圧縮室を介しガス循環経路内に混入しないように、ラビリンスシール等のシール機構を配するとともに、軸受保持室内をガス圧縮室より低圧にすべく、真空ポンプを軸受保持室に接続し、真空ポンプによりガスを吸引するとともに、この吸引したガスを大気中に排出していた。また、ガス循環経路からガス圧縮室、軸受保持室を介して排出されるガス量に見合うガス量をガス循環経路に設けた混合ガスボンベから供給し、ガス循環経路内の圧力低下を防止していた。
【０００３】
一方、軸受に、動圧ガス軸受を用いたガス圧縮機を使用するガス循環器においては、軸受に常にガスを供給しなければならないため、混合ガスボンベを軸受保持室に接続して軸受保持室にガスを導入するとともに、軸受保持室からガス圧縮室を介しガス循環経路内に流入するガス量に見合うガス量をガス循環経路に設けた真空ポンプ等により大気中に排出し、ガス循環経路内の圧力が上昇しないようにする必要がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなものでは、いずれにしても、大気中に排出したガス量に相当するガス量を、常に混合ガスボンベから供給し続けなければならないため、ガス消費量が大きくランニングコストがかさむという問題点があった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の問題点を解決するために、本発明は、ガス循環経路と、このガス循環経路上に配設されるガス圧縮機およびレーザ発振部とを備えてなり、ガス圧縮機が、回転翼を保持しガスを循環させる機能を有するガス圧縮室と、前記回転翼に直結された回転翼駆動軸を保持する軸受保持室とを備えてなるものであるガス循環器において、前記ガス循環経路からガス圧縮室、軸受保持室を介して再びガス循環経路に至る第２ガス循環経路を設け、この第２ガス循環経路にもガスを循環させるように構成し、かつ、前記第２ガス循環経路に、前記軸受保持室に接続し軸受保持室からガスを吸引して前記ガス循環経路に至らしめる真空ポンプを設けたことを特徴とするものである。
【０００６】
このようなものであれば、ガス循環経路上のガスを軸受保持室に流入させ、再びガス循環経路上に戻すこととなり、外部にガスを排出する必要がなくなるので、混合ガスボンベからは、レーザ発振部において消費される微量のガス量のみを供給するだけで良くなる。すなわち、ガス消費量を低減してランニングコストを下げることが可能になる。
【０００７】
【実施例】
以下本発明の第１実施例を、図１〜図３を参照して説明する。
本実施例のガス循環器は、図１に示すように、ガス循環経路ＲＴと、ガス循環経路ＲＴ上に設けたレーザ発振部ＬＲと、レーザ発振部ＬＲに直列にガス循環経路ＲＴ上に設けたガス圧縮機たるターボブロワ１００と、ターボブロワ１００の下流に設けた熱交換器ＲＤと、ガス循環経路ＲＴを循環するガスを供給する混合ガスボンベＢと、ドライタイプの真空ポンプＰとを備えてなる。
【０００８】
このターボブロワ１００は、図２に示すように、ケーシング５と、回転翼駆動軸２と、この回転翼駆動軸２の上端に固着した回転翼１と、この回転翼駆動軸２を回動可能に支承する転がり軸受３と、この回転翼駆動軸２を回転させる電動モータ４とを具備してなる遠心式のものである。なお、本実施例のものは回転翼駆動軸２を起立させて使用する。
【０００９】
ケーシング５は、回転翼１を内蔵するガス圧縮室５１と、これらガス圧縮室５１の下端から連続して設けられ、回転翼駆動軸２を遊嵌させる軸受保持室５２とを備えてなる。ガス圧縮室５１は、各回転翼１の頂部方向に開口するガス導入ポート５３と、回転翼１の側方に開口するガス導出ポート５４とを備えてなる。軸受保持室５２は、その中央近傍に設けられ後述する電動モータ４を支持するモータ配設部５５と、このモータ配設部５５の上下方にそれぞれ設けられ転がり軸受３を支持する軸受支持部５６と、下端部に設けたオイルだめ部２２と備えてなる。また、この軸受保持室５２と外部ポート７を接続する外部接続経路６を設けている。さらに、軸受保持室５２とガス圧縮室５１とは、例えば回転翼駆動軸２の上端に周設したラビリンスシール等のシール機構８により区切っている。
【００１０】
回転翼１は、切頭円錐状の基体１１の斜面部に螺旋状に複数の翼体１２を立設したもので一般に知られているものである。
回転翼駆動軸２は、例えば、内部に図示しないオイル供給路を有し、このオイル供給路の一端をオイルだめ部２２に開口させるとともに、他端を転がり軸受の上側に開口させたものである。さらに、オイル供給路の下端に一体に設けられオイルだめ２２からオイルを吸い上げる図示しない遠心ポンプ部とを備えている。
【００１１】
転がり軸受３は、軸受支持部５６に支持させたもので、本実施例では、アンギュラタイプのものを採用し、ジャーナル方向、スラスト方向に作用する両荷重を支持しうるようにしている。
電動モータ４は、ロータ４１を回転翼駆動軸２に外嵌させて固着するとともに、ロータ４１の周囲にケーシング５に支持させてステータ４２を配設した例えばＤＣブラシレス式のものであって、回転翼駆動軸２と一体的に設け、直接的に回転翼駆動軸２を駆動させるものである。本実施例では電動モータ４の駆動源としてインバータ４３を用いている。
【００１２】
しかして、本実施例の特徴であるガス循環器の配管構成は、図１に示すように、真空ポンプＰの吸気ポートをガス循環経路ＲＴとターボブロワ１００の外部ポート７とにそれぞれ開閉弁Ｖ２、Ｖ３を介して接続し、真空ポンプＰの排気ポートをガス循環経路ＲＴと大気とにそれぞれ開閉弁Ｖ４、Ｖ５を介して接続したものである。また、開閉弁Ｖ３とターボブロワ１００の外部ポート７との間には、軸受保持室５２内からでる潤滑オイル等の不純物を除去するオイルミストフィルタＦＴを設けている。すなわち、本実施例では、ガス循環経路ＲＴ、ガス圧縮室５１、シール機構８、軸受保持室５２、外部ポート７、オイルミストフィルタＦＴ、開閉弁Ｖ３、真空ポンプＰ、および開閉弁Ｖ４から再びガス循環経路ＲＴに戻る配管経路が、第２ガス循環経路ＲＴ２１に相当することとなる。また、混合ガスボンベＢは、開閉弁Ｖ１を介してガス循環経路ＲＴに接続している。
【００１３】
このように構成したガス循環器の使用方法について以下に述べる。
循環器稼働時においては、事前にガス循環経路ＲＴ内を所定圧力の混合ガスで充満する必要がある。このために、最初、開閉弁Ｖ１〜Ｖ５を全て閉じた状態から開閉弁Ｖ２、Ｖ３、Ｖ５を開くとともに真空ポンプＰを駆動してガス循環経路ＲＴ内を真空状態にした後、開閉弁Ｖ２、Ｖ３、Ｖ５を閉止する。しかる後、開閉弁Ｖ１を開いて混合ガスボンベＢからガスパージし、ガス循環経路ＲＴのガス圧が所定圧になれば開閉弁Ｖ１を閉止する。実際にはこの操作を何回か繰り返し、ガス純度を所定以上にする。そして、再び開閉弁Ｖ１〜Ｖ５を全て閉じた状態にする。
【００１４】
次に、ターボブロワ１００、真空ポンプＰを運転するとともに、開閉弁Ｖ３、Ｖ４の開度を調整することによって、第２ガス循環経路ＲＴ２１にガスを循環させる。具体的に混合ガスは、ガス循環経路ＲＴから、ガス圧縮室５１、シール機構８を通過し、軸受保持室５２に流入する。そして、外部ポート７からオイルミストフィルタＦＴに至り、ここでオイル等の不純物を取り除かれた後、開閉弁Ｖ３、真空ポンプＰ、開閉弁Ｖ４を経由してガス循環経路ＲＴに戻ることとなる。本実施例の場合は、ガス循環経路ＲＴを真空にする場合と、第２ガス循環系路ＲＴ２１にガスを循環させる場合とで真空ポンプＰを共用しているが、前者と後者とで真空ポンプＰの圧縮比性能を変える必要があるため、真空ポンプＰの回転数を後者の場合に遅くして圧縮比性能を落として用いている。また、レーザ発振部ＬＲにより消費されるガス分量に見合うガス量を供給して、ガス循環経路ＲＴ内のガス量を一定に保つべく、開閉弁Ｖ１を若干開いて、混合ガスボンベＢからガス循環経路ＲＴにガスを供給している。
【００１５】
真空ポンプＰにロータリポンプなどのオイルを使用するタイプのものを用いる場合には、図３に示すように、開閉弁Ｖ４と真空ポートＰの排気ポートとの間にさらにオイルミストフィルタＦＴ２を設けたり、あるいはオイルミストフィルタ内蔵の真空ポンプを用いればよい。
次に、本発明の第２実施例を、図４〜図６を参照して説明する。なお、第１実施例と同様の部材については、同一の符号を付すこととする。
【００１６】
本実施例のガス循環器は、図４に示すように、ガス循環経路ＲＴと、ガス循環経路ＲＴ上に設けたレーザ発振部ＬＲと、レーザ発振部ＬＲに直列にガス循環経路ＲＴ上に設けたガス圧縮機たるターボブロワ１０１と、ターボブロワ１０１の下流に設けた熱交換器ＲＤと、ガス循環経路ＲＴを循環するガスを供給する混合ガスボンベＢと、ドライタイプの真空ポンプＰとを備えてなる。
【００１７】
第１実施例との差異は、ターボブロワ１０１が動圧ガス軸受を有するものである点であり、このターボブロワ１０１について以下に簡単に説明しておく。
このターボブロワ１０１は、図５に示すように、ケーシング５と、回転翼駆動軸１０２と、この回転翼駆動軸２の上端に固着した回転翼１と、この回転翼駆動軸１０２を回動可能に支承する動圧ガス軸受１３１、１３２と、この回転翼駆動軸２を回転させる電動モータ４とを具備してなる遠心式のものである。なお、本実施例のものは回転翼駆動軸１０２を起立させて使用する。
【００１８】
本実施例のターボブロワ１０１は、第１実施例の転がり軸受に代えて動圧ガス軸受を採用したものである。したがって、回転翼やガス圧縮室の構成は第１実施例と同様であるが、軸受の違いにより、回転翼駆動軸、軸受保持室、シール機構の構成に差異を生じる。
差異部分を図５に基づいて個々に説明すると、回転翼駆動軸１０２は下端部近傍に設けた円盤体１２１を一体に備えてなる。
【００１９】
軸受保持室１５２には、その中央近傍に電動モータ４を配設し得るモータ配設部５５と、その下端近傍に後述するスラスト軸受１３２を配設するスラスト軸受配設部１５６とを設けている。さらに、ケーシング５の外面に開口する外部ポート７と連通させる外部接続経路６を設けている。また、軸受保持室１５２とガス圧縮室５１とは、回転翼駆動軸１０２の両端端に周設したシール機構１０８により区切っている。このシール機構１０８は軸受保持室１５２とガス圧縮室５１とを完全に分離してしまうものではなく、若干の隙間をもって連通させるとともに絞り機能を有するものである。
【００２０】
軸受は、動圧ガス軸受と称されるもので、本実施例では、ジャーナル方向に作用する負荷に対して回転翼駆動軸１０２を支持するジャーナル軸受１３１と、スラスト方向に作用する負荷に対して回転翼駆動軸２を支持するスラスト軸受１３２とから構成している。ジャーナル軸受１３１は、回転翼駆動軸１０２の中間より上方よりおよび下方よりの２カ所に配設したもので、例えば、矩形状の薄板を丸めて形成するとともにその一端を後述する軸受保持室１５２の内壁面に支持させ、回転翼駆動軸１０２の周囲に配置したジャーナル支持板１３３と、このジャーナル支持板１３３の外方に周設され、ジャーナル支持板１３３を内方に弾性付勢して回転翼駆動軸１０２に押接させる複数の板ばね材１３４とから構成したものである。スラスト軸受１３２は、例えば、円盤体１２１の上下にそれぞれ配設したスラスト支持板１３６と、これらスラスト支持板１３６の上下に配設されスラスト支持板１３６を弾性付勢して円盤体１２１に押接させる板ばね材１３７とから構成している。そして、回転翼駆動軸１０２が静止もしくは一定回転数以下の場合には、前記弾性付勢力により回転翼駆動軸１０２をがたなく支承し、一定回転数以上になると回転翼駆動軸１０２の回転により巻き込まれるガスを利用して、回転翼駆動軸１０２の周囲および円盤体１２１の上下面に動圧を発生させ、この動圧によりジャーナル支持板１３３およびスラスト支持板１３６を後退させて気体膜を形成し、回転翼駆動軸１０２を非接触に支持する機能を有するものである。
【００２１】
しかして、本実施例の特徴であるガス循環器の配管構成は、第１実施例とほぼ同様で、真空ポンプＰの吸気ポートをガス循環経路ＲＴとターボブロワ１０１の外部ポート７とにそれぞれ開閉弁Ｖ２、Ｖ３を介して接続し、真空ポンプＰの排気ポートをガス循環経路ＲＴと大気とにそれぞれ開閉弁Ｖ４、Ｖ５を介して接続したものである。しかして、軸受保持室１５２内は潤滑オイル等を用いずクリーンであるため、開閉弁Ｖ３とターボブロワ１０１の外部ポート７とは直結している。すなわち、本実施例では、ガス循環経路ＲＴ、ガス圧縮室５１、シール機構１０８、軸受保持室１５２、外部ポート７、開閉弁Ｖ３、真空ポンプＰ、および開閉弁Ｖ４から再びガス循環経路ＲＴに戻る配管経路が、第２ガス循環経路ＲＴ２２に相当することとなる。また、混合ガスボンベＢは、開閉弁Ｖ１を介してガス循環経路ＲＴに接続している。
【００２２】
このように構成したガス循環器の使用方法について図４に基づいて以下に述べる。
循環器稼働時においては、事前にガス循環経路ＲＴ内を所定圧力の混合ガスで充満する必要がある。このために、最初、開閉弁Ｖ１〜Ｖ５を全て閉じた状態から開閉弁Ｖ２、Ｖ３、Ｖ５を開くとともに真空ポンプＰを駆動してガス循環経路ＲＴ内を真空状態にした後、開閉弁Ｖ２、Ｖ３、Ｖ５を閉止する。しかる後、開閉弁Ｖ１を開いて混合ガスボンベＢからガスパージし、ガス循環経路ＲＴのガス圧が所定圧になれば開閉弁Ｖ１を閉止する。実際にはこの操作を何回か繰り返し、ガス純度を所定以上にする。そして、再び開閉弁Ｖ１〜Ｖ５を全て閉じた状態にする。
【００２３】
次に、ターボブロワ１０１、真空ポンプＰを運転するとともに、開閉弁Ｖ３、Ｖ４の開度を調整することによって、第２ガス循環経路ＲＴ２２にガスを循環させる。具体的に混合ガスは、ガス循環経路ＲＴから、ガス圧縮室５１、シール機構１０８を通過し、軸受保持室１５２に流入する。そして、外部ポート７から開閉弁Ｖ３、真空ポンプＰ、開閉弁Ｖ４を経由してガス循環経路ＲＴに戻ることとなる。本実施例の場合は、ガス循環経路ＲＴを真空にする場合と、第２ガス循環系路ＲＴ２２にガスを循環させる場合とで真空ポンプＰを共用しているが、第１実施例同様、前者と後者とで真空ポンプＰの圧縮比性能を変える必要があるため、真空ポンプＰの回転数を後者の場合に遅くして圧縮比性能を落として用いている。また、レーザ発振部ＬＲにより消費されるガス量に見合うガス量を供給して、ガス循環経路ＲＴ内のガス量を一定に保つべく、開閉弁Ｖ１を若干開いて、混合ガスボンベＢからガス循環経路ＲＴにガスを供給している。
【００２４】
真空ポンプＰにロータリポンプなどのオイルを使用するタイプのものを用いる場合には、図示しないが、開閉弁Ｖ４と真空ポートＰの排気ポートとに間にオイルミストフィルタを設けたり、あるいは真空ポンプにオイルミストフィルタ内蔵のものを用いればよい。
また、第２実施例の配管の変形例として、図６に示すガス循環器について説明する。図６では、配管構成として、真空ポンプＰの吸気ポートをガス循環経路ＲＴに開閉弁Ｖ７を介して接続し、真空ポンプＰの排気ポートをターボブロワ１０１の外部ポート７と大気とにそれぞれ開閉弁Ｖ８、Ｖ９を介して接続したものである。なお、真空ポンプＰにオイル使用タイプのものを用いる場合には、真空ポンプＰの排気ポートと開閉弁Ｖ８との間にオイルミストフィルタを設ければよい。しかして、この場合は、ガス循環経路ＲＴ、開閉弁Ｖ７、真空ポンプＰ、開閉弁Ｖ８、外部ポート７、軸受保持室１５２、シール機構１０８、およびガス圧縮室５１から再びガス循環経路ＲＴに戻る配管経路が第２ガス循環経路ＲＴ２３に相当することとなる。また、混合ガスボンベＢは、開閉弁Ｖ６を介してガス循環経路ＲＴに接続している。
【００２５】
このように構成したガス循環器の使用方法について以下に述べる。
循環器稼働時においては、事前にガス循環経路ＲＴ内を所定圧力の混合ガスで充満する必要がある。このために、最初、開閉弁Ｖ６〜Ｖ９を全て閉じた状態から開閉弁Ｖ７、Ｖ９を開くとともに真空ポンプＰを駆動してガス循環経路ＲＴ内を真空状態にした後、開閉弁Ｖ７、Ｖ９を閉止する。しかる後、開閉弁Ｖ６を開いて混合ガスボンベＢからガスパージし、ガス循環経路ＲＴのガス圧が所定圧になれば開閉弁Ｖ６を閉止する。実際にはこの操作を何回か繰り返し、ガス純度を所定以上にする。そして、再び開閉弁Ｖ６〜Ｖ９を全て閉じた状態にする。
【００２６】
次に、ターボブロワ１０１、真空ポンプＰを運転するとともに、開閉弁Ｖ７、Ｖ９の開度を調整することによって、第２ガス循環経路ＲＴ２３にガスを循環させる。具体的に混合ガスは、ガス循環経路ＲＴから、開閉弁Ｖ７、真空ポンプＰ、開閉弁Ｖ８、外部ポート７を通過し、軸受保持室１５２に流入する。そして、シール機構１０８からガス圧縮室５１を経由してガス循環経路ＲＴに戻ることとなる。なお、本変形例の場合もガス循環経路ＲＴを真空にする場合と、第２ガス循環系路ＲＴ２３にガスを循環させる場合とで真空ポンプＰを共用しているため、真空ポンプＰの回転数を後者の場合に遅くして圧縮比性能を落として用いている。また、レーザ発振部ＬＲにより消費されるガス量に見合うガス量を供給して、ガス循環経路ＲＴ内のガス量を一定に保つべく、開閉弁Ｖ６を若干開いて、混合ガスボンベＢからガス循環経路ＲＴにガスを供給している。
【００２７】
したがって、第１、第２実施例に示したものであれば、ガス循環経路ＲＴ上のガスを軸受保持室５２、１５２に流入させ、再びガス循環経路ＲＴ上に戻すこととなり、外部にガスを排出する必要がなくなるので、混合ガスボンベＢからは、レーザ発振部ＬＲにおいて消費される微量のガス量のみを供給するだけで良くなる。すなわち、ガス消費量を低減してランニングコストを下げることが可能になる。また、真空ポンプＰをガス循環経路ＲＴの真空排気用として、また、第２ガス循環経路ＲＴ２１、ＲＴ２２、ＲＴ２３にガスを循環させるものとして共用できるように配管構成しているので、第２ガス循環経路ＲＴ２１、ＲＴ２２、ＲＴ２３にガスを循環させるガス圧縮機等を不要にして部品削減を図れる。
【００２８】
特に第２実施例によれば、潤滑オイルを用いないので、ガス循環経路ＲＴに潤滑オイルが混入することがなく、レーザ発振部ＬＲ内の図示しない光学ミラー表面にオイルが付着してレーザ出力値が低下するといった問題を抜本的に解決できる。また、動圧ガス軸受の場合は一般的に放熱機構が必要であるが、第２ガス循環経路ＲＴ２２、ＲＴ２３にガスを循環させていることが、放熱機構を兼ねることとなり、別途放熱機構を設けずともすむ。さらに、第２実施例中変形例によれば、軸受保持室１５２を高圧にしているので、気体膜の圧力を容易に高めることができ、動圧ガス軸受３１、３２の支持力を大きくして軸受性能を有効に高めることができる。
【００２９】
なお、本発明は以上示した実施例のみに限定されるものではない。例えば、第２ガス循環経路にガスを循環させるガス圧縮機を独立して設けても構わない。また混合ガスボンベから供給するガス量の調整は、供給するガス量自体が非常に小さく、またボンベ内の圧力変化等でも変化するため、ガス循環経路上に、別途排気用バルブを設けておき、この排気バルブによりガス循環経路内のガス圧を一定に保つようにしても良い。また、ガス圧縮機は、遠心式のターボブロワに限定されるものではなく、本発明の趣旨にそうものであれば、メカニカルブースタポンプ等でも構わない。
【００３０】
その他、各部の構成は図示例に限定されるものではない。例えば、例えば真空ポンプや混合ガスボンベの配設位置を適宣変えても構わない等、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【００３１】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、ガス循環経路上のガスを軸受保持室に流入させ、再びガス循環経路上に戻すこととなり、外部にガスを排出する必要がなくなるので、混合ガスボンベからは、レーザ発振部において消費される微量のガス量のみを供給するだけで良くなる。すなわち、ガス消費量を低減してランニングコストを下げることが可能になる。加えて、真空ポンプをガス循環経路の真空排気用として、また、第２ガス循環経路にガスを循環させるものとして共用できるように配管構成しているので、第２ガス循環経路にガスを循環させるガス圧縮機等を不要にして部品削減を図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示すガス循環器の全体概略回路図。
【図２】同実施例のターボブロワの概略断面図。
【図３】同実施例における回路変形例を示す全体概略回路図。
【図４】本発明の第２実施例を示すガス循環器の全体概略回路図。
【図５】同実施例のターボブロワの概略断面図。
【図６】同実施例における回路変形例を示す全体概略回路図。
【符号の説明】
１００、１０１…ガス圧縮機（ターボブロワ）
１…回転翼
２、１０２…回転翼駆動軸
５１…ガス圧縮室
５２、１５２…軸受保持室
ＲＴ…ガス循環経路
ＬＲ…レーザ発振部
ＲＴ２１、ＲＴ２２、ＲＴ２３…第２ガス循環経路
【図１】
0003849257.tif 000002
【図２】
0003849257.tif 000003
【図３】
0003849257.tif 000004
【図４】
0003849257.tif 000005
【図５】
0003849257.tif 000006
【図６】
0003849257.tif 000007