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なぜ熱負荷が定格出力を上回るのか：ダイオード効率、スプライス損失、キャビネット発熱を考慮すること
ほとんどのファイバーレーザー装置は、電力入力の約30～40％を実際に利用可能な光に変換できることを2023年の『Laser Systems Report』で示しています。これにより、残りの部分は熱として失われます。実際問題として、このため熱負荷はレーザーの出力定格の約1.2～1.5倍に達することがよくあります。なぜこうなるのか？ その主な原因は基本的に3つあります。まず、レーザーダイオード自体の効率が非常に低く、供給されたエネルギーの40～50％を無駄にしています。次に、光学接続部では、部品を接続するたびにそれぞれ3～5％の損失が発生します。最後に、電源装置や制御ユニットなど、周辺機器も熱を発生させる要因となります。たとえば標準的な1.5kWのレーザー装置を例に挙げてみましょう。このような装置は実際に最大2.25kWもの熱を発生する可能性があり、そのため適切な冷却ソリューションが極めて重要になるのです。適切な熱管理が行われないと、波長のずれが発生したり、最悪の場合、予想寿命に達する前にダイオードが早期に故障したりする可能性があります。
精密な温度制御によるビーム品質の確保
±0.3°Cの安定性が熱レンズ効果およびビームパラメータ積（BPP）の劣化を防ぐ仕組み
高電力ファイバーレーザーにおいてビーム品質を良好に保つためには、±0.3°Cの範囲内で温度を安定させることが非常に重要です。この範囲を超えて温度が変化すると、光学部品全体に温度勾配が生じます。この温度勾配はレンズ効果を引き起こし、ビームの進行経路を乱すだけでなく、実際にはビームパラメータ積（BPP）を最大で30%も増加させてしまう可能性があります。レーザー切断に関わったことのある人なら誰でも知っているように、BPP値が高くなるとスポット径が大きくなり、切断点でのエネルギー密度が低下するため、当然ながら切断精度に影響が出ます。特に航空宇宙分野の機械加工では、一般的に kerf 幅を20マイクロメートル未満に抑える必要があります。このような用途では、わずかな熱的ドリフトでも材料の損失や予期しない生産停止につながるため、能動冷却システムが極めて重要になります。これは、ダイオードの効率不足や厄介なファイバー接続部の損失によって発生する熱を抑制する役割を果たしており、これらの要因は熱的不安定性の大きな原因となっています。
流量、圧力、および冷却液の互換性：ファイバーレーザー用チラーの出力とOEMヘッド要件との一致
レーザー システムに適したチラーを選ぶには、OEM が水圧に関して指定する仕様に正確に合致させる必要があります。特に 6 kW のレーザーを扱う場合、毎分 8～10 リットル未満の流量では、繊細な利得ファイバー内にホットスポットが発生しやすくなります。逆に、圧力が 6 bar を超えると、レーザーヘッドのシールから漏れが生じる可能性が高くなります。冷却液自体はどうでしょうか？これも重要です。多くの場合、エチレングリコールを約30％で混合すると、液体をあまり粘度高くせずに微生物の増殖を防ぐことができ、最も効果的であることがわかっています。pH を7.0～8.5の間で維持することも、将来的な腐食問題を回避するのに役立ちます。有名メーカーは通常、製品を市場に投入する前に、チラーを2,000時間にわたり加速試験しています。ZIBO LIZHIYUAN Mシリーズを例に挙げると、これはIP54等級のヘッドとの併用実績があります。実際のレーザー仕様に対してチラーの性能曲線をしっかり照合することも忘れてはいけません。実際の運用では、流量のわずかな差異（たとえ3％程度でも）が、ビーム品質を最大15％低下させることがあります。
空冷式対水冷式ファイバーレーザーチラー：動力に基づく選定基準
空冷式ファイバーレーザーチラーが有効な場合（3 kW未満）および不安定性や早期故障のリスクがある場合
空冷式ファイバーレーザーチラーは、最大3 kWまでのシステムに対して費用対効果が高く、メンテナンスが容易なソリューションを提供します。ファン駆動コンデンサを使用することで、水の使用が不要になり、設置も簡素化されます。これは、設置スペースが限られている場合や持ち運び可能な構成に最適です。主な利点は以下の通りです。
- 水冷式ユニットと比較して初期コストが40～50％低減
- 配管工事の必要がなく、水の消費もない
- 複数の機械に簡単に展開可能
ただし、発熱量が非効率性を考慮すると4.5 kWを超える3 kWを超える出力では、放熱能力が低下します。この制限により、±0.8°C以上の温度変動が生じ、以下のようなリスクが高まります。
- 持続的な過熱によるレーザーダイオードの早期劣化
- 制御不能な熱レンズ効果によるビームの歪み
- 高温環境下での圧縮機の過負荷
3 kWを超えるレーザーの場合、水冷式チラーは熱安定性を30～50％向上させます（Rigid HVAC、2024）。長時間の運転中も冷却液温度を一定に保ち、光学系を保護し、安定したBPPを確保するため、産業用途ではその高い投資コストを正当化します。
出力クラス別に信頼されるファイバーレーザーチラーのモデル：コンパクトなM160から産業用6 kW以上のシステムまで
ZIBO LIZHIYUAN M160、M300、およびM600シリーズ：実証された性能、スケーラビリティ、および統合準備性
ZIBO LIZHIYUAN シリーズは異なる出力レベルに特化して設計されており、さまざまな産業環境で優れた温度管理を実現しています。具体的に見てみましょう。M160 は 1 ～ 3 kW のレーザーとの相性が良く、3.9 kW の冷却能力を提供します。より大規模なシステムには、3 ～ 6 kW を 7.8 kW の能力で管理できる M300 があります。さらに本格的な運用では、6 kW を超える作業に対して 13 kW を超える冷却性能を発揮する M600 が対応します。実際の使用テストでは、これらの装置には約30%の余裕があることが示されており、熱関連の問題を約37%削減する効果があります。すべてのモデルで温度安定性は±0.3°C以内に保たれており、レーザー光線を適切に焦点合わせるために極めて重要です。また、標準装備としてRS-485/Modbus接続が備わっているため、既存のシステムに接続しても煩雑な設定は不要です。さらにモジュール式の構造により、企業はレーザーのニーズの増加に応じて冷却能力を簡単に拡張でき、アップグレード中に操業を完全に停止する必要がありません。
よくある質問
なぜ熱負荷が定格レーザー出力電力を上回るのか？
熱負荷が定格電力を上回るのは、ダイオードの効率低下、光スプライス損失、および補助部品による追加の発熱が総合的に熱負担を出力電力を超えて増加させるためです。
ファイバーレーザーの冷却能力を設計する際に推奨されるサイズ選定のルールは何ですか？
1.2～1.5倍の乗数は、一般的なファイバーレーザーの出力クラスにおいて信頼性の高い冷却を保証し、熱シャットダウンを防ぎ、温度安定性を維持するのに役立ちます。
水冷式チラーと空冷式チラーのどちらを選ぶべきか、その判断基準は？
3 kWを超えるシステムでは、水冷式チラーを好んで使用すべきです。これは、空冷式チラーよりも優れた熱安定性を持ち、より高い放熱量を処理できるためです。
温度安定性はビーム品質にどのように影響しますか？
±0.3°C以内の温度安定性を維持することで、サーマルレンズ効果やBPPの劣化を防ぎ、レーザー作業における高品質なビームと高精度を確保できます。