CN105932538A - 具备具有散热翅片的l字状热传导部件的空冷式激光装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具备散热构造的空冷式激光装置，该散热构造不使装置大型化便能够使激光二极管模块所产生的热高效地散热，并且也能够使其它发热零件的热高效地散热。空冷式激光装置具备：激光二极管模块；受热板，其大致水平地配置，且导热地连接激光二极管模块；至少一个L字状的热传导部件，其在受热板内部沿其面方向延伸，并且在受热板的外部大致直角地弯曲而向大致铅垂方向的上方延伸；多个散热翅片，以在大致水平方向上延伸的方式安装在热传导部件的大致铅垂方向部分；以及轴流风扇，其用于使空气通过翅片之间而流过受热板上方。在翅片之间通过的空气避免实质偏向而对配置在受热板上方的激光二极管模块以外的发热零件进行冷却。

Description

具备具有散热翅片的L字状热传导部件的空冷式激光装置

技术领域

本发明涉及一种空冷式激光装置，其具有激光二极管作为发光源或激励光源，并具备使该激光二极管所产生的热散热的构造。

背景技术

在以激光二极管(半导体激光器)为发光源或激励光源的激光装置中，存在使具有该激光二极管的激光二极管模块所产生的热在空气中散热的空冷式、和与循环式冷却水供给装置(冷却器：chiller)等连接进行使用的水冷式。

空冷式激光装置在装置的移动性高、占用面积小、设置场所制约少并且设置成本低等方面较之水冷式有优势，但是却难以使激光二极管模块的温度下降到与水冷式激光装置相同的程度。特别是，高输出的激光装置需要具备发热量大的多个激光二极管模块，因此高效的散热构造对于抑制装置大型化是必不可少的。

作为与此相关的技术，日本特开2008－021899号公报所记载的激光振荡装置具备：对从半导体激光器阵列产生的热进行散热的半导体激光器散热部件；对从光纤激光器用光纤产生的热进行散热的光纤激光器散热部件；输送冷却风的冷却风扇；以及对从冷却风扇送出的冷却风进行导风的引导部件。

在日本特开2012－059952号公报中，记载了一种电子设备冷却构造，其具有：具有弯曲为L字状的导热管(heat pipe)、在该导热管的大致水平部上安装的多个散热翅片、安装有多个导热管的大致垂直部的受热板的散热器；在受热板上安装的多个电子设备；以及收纳多个电子设备的收纳容器。

在日本特开2009－239166号公报中，记载了一种薄型降温装置(heatsink)，其具备：具备收纳离心风扇的空腔部且以规定间隙积层而具备空气诱导部的多个薄板状体；与薄板状体的端部连接而使被导向薄板状体的上述空气诱导部的空气通过其中的至少一个散热翅片部；以及一方的端部与和发热零件可导热地连接的薄板状体的部分可导热地连接、另一方的端部与散热翅片部可导热地连接、且至少一部分在与薄板状体之间具备空间部地配置的至少一个导热管。

另外，在日本特开平09－326579号公报中，记载了一种冷却组件，其具备：在发热元件上设置的受热部；利用冷却用风扇进行冷却的降温装置(heatsink)；以及使受热部的热向降温装置传导的多个传热部，将能够使该传热部装卸的连接部设置于该传热部之间。

在空冷式激光装置中，多数情况下是使用将多个翅片以规定的间隔配置的翅片群，而为了提高该翅片群的冷却效率，与使沿着空气流通方向的散热翅片的长度(翅片长度)增大相比，使由翅片群划定的冷却风的流入部的面积(流入面积)增大更为有效。并且，希望在翅片间流过尽量多的冷却风，但是如果翅片长度较长，则会导致如下问题：在翅片间流过的空气的压力损失增大，而冷却风的流量会减少。

并且，为了提高冷却效率，希望尽量使成为压力损失原因的空气流通方向的变更也尽量减小，并且使用空气能够顺畅流通的散热构造。但是，在空冷式激光装置中，除了激光二极管模块，通常也收纳有电源组件的零件等其它结构要素，而在这些结构要素中也包含发热零件。因此，希望避免因这些结构要素阻碍空气的顺畅流通，同时对该发热零件也进行空气冷却。

在上述专利文献中，对上述课题均未提供有效解决措施。例如在日本特开2008－021899号公报的图5所示的散热构造中，可知：与半导体激光器(激光二极管模块)散热翅片接触后的冷却风的流向大致直角地弯曲而上下流通，流向下方的冷却风再次大致直角地弯曲而流入光纤激光器散热翅片，因此压力损失大。另外可知：半导体激光器与光纤激光器以外的发热零件的热，主要是利用自然对流进行散热，因此这些发热零件的温度上升可能对装置的可靠性造成影响。

如上所述，在以激光二极管为发光源或激励光源的高输出空冷式激光装置中，除了多个激光二极管模块，也需要将电源组件、控制组件等零件收纳在箱体内，而这些零件会限制散热零件用于进行散热的表面积，或者导致空气无法顺畅流通而使空气流量降低，因此未必能够获得充分的散热特性。

发明内容

为此，本发明的目的是针对上述课题，提供一种具备散热构造的空冷式激光装置，该散热构造不使装置大型化便能够使激光二极管模块所产生的热高效地散热，并且还能够对激光二极管模块以外的发热零件的热高效地进行散热。

为了达成上述目的，本申请发明提供一种空冷式激光装置，其以激光二极管模块为发光源或激励光源，上述空冷式激光装置的特征在于，具备：受热板，其大致水平地配置，且以导热地连接的状态搭载有上述激光二极管模块；至少一个L字状的热传导部件，其安装在上述受热板的内部或表面，且在上述受热板的面方向上延伸，并且在上述受热板的外部大致直角地弯曲而向大致铅垂方向的上方延伸；多个散热翅片，以在大致水平方向上延伸的方式安装在上述热传导部件的大致铅垂方向部分；以及轴流风扇，其用于使空气通过上述散热翅片之间而流过上述受热板的上方，构成为，在上述散热翅片之间通过的空气对配置在上述受热板的上方的上述激光二极管模块以外的发热零件进行冷却。

在优选实施方式中，上述热传导部件是导热管。

在优选实施方式中，在搭载有上述激光二极管模块的上述受热板的第一受热面的相反侧的第二受热面上搭载有发热零件。

在优选实施方式中，上述受热板配置为不存在于上述散热翅片的下方投影区域内。

在优选实施方式中，空冷式激光装置具有大致密闭构造的壳体，该壳体收纳上述受热板以及搭载于上述受热板的激光二极管模块。

在优选实施方式中，上述空冷式激光装置的箱体的外形为大致长方体，设置在上述箱体的第一侧面上的吸气口与流经上述多个散热翅片之间的空气的流入区域具有大致同一形状而整齐排列配置，在设置在上述箱体的上述第一侧面的相反侧的第二侧面上的排气口处设有至少一个轴流风扇，在与上述第一侧面平行的剖面上观察包含上述多个散热翅片的上述箱体的内部区域时，除了配置有上述受热板和发热零件的下侧的一部分区域以外，在上述剖面的大致整个区域设置有散热翅片，该发热零件包括搭载于上述受热板的激光二极管模块。

附图说明

本发明的上述或其它目的、特征及优点，通过参照附图对以下优选实施方式进行说明而能够更加清楚明白。

图1是表示本发明第一实施方式的空冷式激光装置的概略构造的剖视图。

图2是从设有散热翅片的一侧观察图1的空冷式激光装置内部的示意图。

图3是从与图2相反的方向观察图1的空冷式激光装置内部的示意图。

图4是表示本发明第二实施方式的空冷式激光装置的概略构造的剖视图。

图5是表示本发明第三实施方式的空冷式激光装置的概略构造的剖视图。

图6是以取下了该装置箱体上表面的板的状态从上方观察图5的空冷式激光装置的示意图。

图7是从该装置的吸气口侧观察图5的空冷式激光装置的示意图。

图8是以取下了该装置箱体的吸气口侧的侧板的状态从该吸气口侧观察图5的空冷式激光装置的示意图。

图9是从该装置的排气口侧观察图5的空冷式激光装置的示意图。

具体实施方式

图1至图3是表示本发明第一实施方式的空冷式激光装置1的概略构造的图，图1是空冷式激光装置1的剖视图。空冷式激光装置1具备：至少一个(通常为多个)激光二极管模块2，其包含至少一个激光二极管芯片或激光二极管阵列；受热部件(受热板)3，其大致水平地配置且导热地连接激光二极管模块2；至少一个L字状热传导部件4，其安装在受热板3的内部或表面且在受热板3的面方向(与厚度方向大致正交的方向)上延伸，并且在受热板3的外部大致直角地弯曲而向大致铅垂方向的上方延伸；多个散热翅片5，其以在大致水平方向上延伸的方式安装在热传导部件4的大致铅垂方向部分上；轴流风扇6，其用于使空气(冷却风)通过翅片5之间而流过受热板3上方，这些结构要素配置在箱体14内。在本实施方式具备的散热构造中，通过翅片5之间的空气避免实质偏向(即大致直向前进)，对配置在受热板3上方的、激光二极管模块2以外的发热零件7进行冷却。

伴随配置在受热板3的上表面的激光二极管模块2的激光输出而产生的热一旦传递至受热板3，则经由热传导部件4而从散热翅片5向利用轴流风扇6流过散热翅片5之间的空气散热。由此，能够抑制受热板3(激光二极管模块2)的温度上升。

另外，热传导部件4优选由铜等热传导率高的材料形成，但是并不限于特定的材料。并且，作为热传导部件4，实质上优选采用具有银的约1000倍的热传导率的导热管。通过使用具有银的约1000倍的热传导率的导热管，能够大幅降低激光二极管模块与散热翅片的温度差。特别是，供导热管内的工作液凝结的散热部(低温部)大致铅垂地延伸，因此凝结的工作液顺畅地向下方的高温部回流，能够降低导热管的热阻，较大地确保最大热输送量。

另外，图1中的参照符号8及9分别表示散热翅片用管道及轴流风扇用管道。

在图1中，空心箭头表示箱体14内的各部位的空气的流动方向。由图1可知，在第一实施方式中，由于在翅片5之间与其附近以外，流路截面积大而空气流速小，因此冷却风的压力损失小，并且在翅片5之间空气大致笔直地流动，因此也能够抑制因流经翅片5之间而引起的压力损失。因此，在本实施方式中，能够利用轴流风扇6使流过翅片5之间的空气的流量(流速)增大，因此能够使来自散热翅片5的散热量增大，并能够有效地抑制受热板3(激光二极管模块2)的温度上升。另外，优选各翅片的厚度或邻接翅片的间隔按照所使用的轴流风扇6的压力－流量特性进行优化。流过翅片5之间的空气不会因受热板3等而被妨碍或偏向，而是径直地保持相当的流速笔直地流动，朝向设置在受热板3上方的激光二极管模块2以外的发热零件7流动，因此也能够有效地抑制设置在受热板3上方的发热零件7的温度上升。

并且，在本实施方式中，为了在环境温度高的条件下也能够使用，而使空冷式激光装置的箱体14形成大致密闭的构造，进而将板用冷却装置10与箱体14邻接配置。利用板用冷却装置10的冷气吹出用风扇11，从板用冷却装置10的冷气吹出口12吹出冷气，吸收了热而温度上升的空气，从板用冷却装置10的吸气口13，向板用冷却装置10回流。从板用冷却装置10的冷气吹出口12吹出的冷气的流量，与从板用冷却装置10的吸气口13向板用冷却装置10回流的空气的流量大致为相同量，但是与该流量相比，为了利用散热翅片5获得充分的散热特性，优选流过散热翅片5之间的空气的总流量非常大。因此，第一实施方式具备如下构造，即、在即将流入散热翅片5之间之前(在图1中是箱体14内的右上区域)，使板用冷却装置10的冷气与在空冷式激光装置1的箱体14内回流的空气合流，从而使空气温度降低后流入散热翅片5之间。

图2是从设置有散热翅片5的一侧(即图1的箭头II的方向上)观察第一实施方式的空冷式激光装置1的图，省略了箱体14的侧板的图示。在第一实施方式中，为了获得高散热特性，而使流入散热翅片5之间的空气的流入区域(散热翅片用管道8的开口面积)尽量扩展，并且，为了使流经散热翅片5之间的空气的流量增加，而将轴流风扇6在上下层各设置五个，合计配置有十个。并且，如图2所示，为了使散热翅片5与受热板3之间的热阻尽量减小，并减小各翅片间的温度差而提高整体的翅片效率，而使用在大致水平方向上排列的六个热传导部件(导热管)。

图3是从与图2相反的方向(即图1的箭头III的方向)观察空冷式激光装置1的图，省略了箱体14的侧板的图示。在配置于受热板3上方的轴流风扇6的下游侧，配置有激光二极管模块2以外的发热零件7。如图3所示，对包含配置在轴流风扇6的下游侧的发热零件7等的结构要素，以使其在空气流动方向上的投影面积尽量小的方式配置时，则空气的流动阻力减小，因此能够更加有效地抑制发热零件7的温度上升。在图3中，配置于受热板3上方的发热零件7，虽然是作为具备在印刷基板上搭载的独立的散热用降温装置的零件进行了例示，但是发热零件7也可以是在电源组件等的组件内配置的零件。

并且，如图1至图3所示，也可以在搭载有激光二极管模块2的受热板3的第一受热面(上表面)的相反侧的第二受热面(下表面)上搭载其它的发热零件7′。由此，从发热零件7′产生的热，也能够与来自激光二极管模块2的热同样地从散热翅片5高效地散热。并且虽然也受形状影响，但是受热板3上搭载的零件基本上不会阻碍空气流动，因此能够进一步减小翅片5之间以外的冷却风的压力损失。

另外，在第一实施方式中，是将激光二极管模块2搭载于受热板3的上表面，并将其它的发热零件7′搭载于受热板3的下表面，但是反之也可以将激光二极管模块2配置于受热面的下表面而将发热零件7′配置于上表面。或者，也可以在受热板3的两面上搭载激光二极管模块2。或者，在激光装置1是以激光二极管为激励光源的光纤激光装置的情况下，也可以将光纤激光器等实装于受热板3。

如图1所示，优选受热板3以不存在于散热翅片5的下方投影区域内(从上方观察时不会进入散热翅片5的投影中)的方式，在箱体14内的下方(更加优选为尽量接近箱体14的下表面)配置。这样的话，一般除了容易取下的轴流风扇6以外，即使在将受热板3、热传导部件4及散热翅片5作为相互导热地连接而成的实质一体的散热构造进行装配后，作业者也容易接触搭载在受热板3的上表面上的零件，能够获得易于进行该零件的实装和维护的效果。

如图1所示，为了减小不流经翅片5之间而流过轴流风扇6的无用的空气量，优选将散热翅片5及轴流风扇6分别配置在管道8及9内，进而将两个管道气密地连接。这里，虽然也可以将散热翅片5和轴流风扇6配置在实质一体的管道内，但是如果采用如图1那样能够装拆散热翅片用管道8和轴流风扇用管道9的结构，则在进行受热板3的上表面所搭载的零件的实装或维护时，仅将轴流风扇用管道9取下即可，因此容易进行这些作业。

虽然在图1至图3所示的例子中，是使用在散热翅片5的下游侧设置的轴流风扇6吸出翅片5之间的空气的结构，但是也可以采用在散热翅片的上流侧配置轴流风扇，而利用该轴流风扇将空气压入翅片之间的结构。

另外，在图1的剖视图等中，对于板用冷却装置10的内部构造，除了冷气吹出用风扇11之外省略了图示。并且虽然实际上使用将受热板3、发热零件7固定在空冷式激光装置的箱体14内的支撑部件，但是为了简化而对这些省略了图示。

图4是表示本发明第二实施例的空冷式激光装置1′的概略构造的剖视图。并且在第二实施方式中，对与第一实施方式实质同等的结构要素标记同一参照符号而省略详细说明。

在第二实施方式中，受热板3和搭载于受热板3的激光二极管模块2等零件，被收纳在大致密闭构造的壳体15内，热传导部件4贯通壳体15上所设置的孔，且与壳体15外部的散热翅片5连接。并且，由轴流风扇6及轴流风扇用管道9构成的风扇组件是能够在散热翅片5及散热翅片用管道8上装卸的构造。

因此在第二实施方式中，如果将轴流风扇6及轴流风扇用管道9取下，则即使在对散热构造进行装配之后，也能够使壳体15上侧的部分开闭。其结果是，不仅能够保持易于进行对受热板3的上表面所搭载的零件的检查、该零件的实装、维护等优点，并且因为将受热板3收纳在壳体15中，由此能够防止因来自通过散热翅片5而温度有所上升的空气的热，而导致包含受热板3、受热板3上所搭载的激光二极管模块2的零件的温度上升。并且，在箱体14不是大致密闭构造、即外部空气能够进入箱体14内部的情况下，也能够获得保护壳体15内的零件免受来自外部的尘埃等的效果。

图5是表示本发明第三实施方式的空冷式激光装置1″的概略构造的剖视图。另外，在第三实施方式中，对与第一或第二实施方式实质同等的结构要素标记同一参照符号而省略详细说明。

图6是从上方(即图5的箭头VI的方向)观察空冷式激光装置1″的图，省略了箱体14的上板的图示。图5至图6中的空心箭头与图1和图4同样地表示空气(冷却风)的流向。在第三实施方式中，流经位于最上流侧的散热翅片5之间的空气径直大致直向前进，在位于受热板3上方的激光二极管模块2以外的发热零件7的附近通过，经由轴流风扇6而向箱体14的外部流出。由于空气跨箱体14内部的整体大致笔直地流动，因此即使在翅片5之间以外压力损失也会减少而能够增大流量。并且，由于散热翅片5设置在最上流侧，因此散热翅片5的温度会有效地降低，因而经由热传导部件4与散热翅片5导热地连接的受热板3及激光二极管2的温度也会有效地下降，激光二极管模块2的寿命增长且可靠性提高。并且，与第一或第二实施方式同样地，利用从散热翅片5大致笔直地流出的空气，也能够使在受热板3上方配置的激光二极管模块2以外的发热零件7散热而抑制其温度上升，因此也能够确保激光二极管模块2以外的发热零件7的可靠性。

图7是从在箱体14的第一侧板16形成的吸气口17侧(即图5的箭头VII的方向)观察空冷式激光装置1″的图，图8是表示在图7中取下了第一侧板16的状态的图。另外，图9是从在箱体14的第二侧板18上形成的排气口19侧(即图5的箭头IX的方向)观察空冷式激光装置1″的图。

第三实施方式是开放型的空冷式激光装置，作为冷却风从外部吸入空气，并将从散热翅片5等受热而温度上升的空气向外部排出，因此优选在环境温度不太高的条件下进行使用。在图5至图9所示的例子中，箱体14外形是大致长方体，如图7至图8所示，在箱体14的第一侧面16上设置的吸气口17、与流经散热翅片5之间的空气的流入区域具有大致同一形状而整齐排列配置。在图7中，如虚线的括弧所示的区域与吸气口17相当，但是如该图所示，吸气口17也可以利用槽口冲切加工形成。并且，在图8中以虚线的括弧表示的区域与流经散热翅片5之间的空气的流入区域20相当，与图7的吸气口17为大致同一形状。

如图5或图9所示，在箱体14的与第一侧面16相反侧的第二侧面18上，设置有至少一个轴流风扇6，在图示例中，在第二侧面18上设置的十个排气口19上分别设有轴流风扇6。也可以在排气口19设置筛网状的保护罩，从而无法从箱体14的外侧接近轴流风扇6。另外，轴流风扇6也可以不是在排气口19侧设置，而是在吸气口17与散热翅片5之间设置，从而利用轴流风扇将空气压入散热翅片5之间的结构。

如图8所示，在第三实施方式中，在与第一侧面16平行的剖面上观察包含散热翅片5的箱体14的内部区域时，除了配置有受热板3和受热板3所搭载的激光二极管模块2等发热零件(或包含这些的壳体15)的下侧的一部的区域之外，优选在该剖面的大致整个区域设置有散热翅片5。这样的话，与箱体14的大小相比，能够使流向散热翅片5的空气的流入区域20的开口面积尽可能地增大，能够有效地抑制激光二极管模块2等的温度上升。

根据本发明，流经散热翅片之间的空气不会因受热板等而被妨碍或偏向，而能够到达激光二极管模块以外的发热零件，因此能够对激光二极管模块及其它的发热零件双方高效地进行冷却，并确保它们的高可靠性和长寿命。

Claims (6)

1.一种空冷式激光装置，其以激光二极管模块为发光源或激励光源，上述空冷式激光装置的特征在于，具备：

受热板，其大致水平地配置，且以导热地连接的状态搭载有上述激光二极管模块；

至少一个L字状的热传导部件，其安装在上述受热板的内部或表面，且在上述受热板的面方向上延伸，并且在上述受热板的外部大致直角地弯曲而向大致铅垂方向的上方延伸；

多个散热翅片，以在大致水平方向上延伸的方式安装在上述热传导部件的大致铅垂方向部分；以及

轴流风扇，其用于使空气通过上述散热翅片之间而流过上述受热板的上方，

构成为，在上述散热翅片之间通过的空气对配置在上述受热板的上方的上述激光二极管模块以外的发热零件进行冷却。

2.根据权利要求1所述的空冷式激光装置，其特征在于，

上述热传导部件是导热管。

3.根据权利要求1或2所述的空冷式激光装置，其特征在于，

在搭载有上述激光二极管模块的上述受热板的第一受热面的相反侧的第二受热面上搭载有发热零件。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的空冷式激光装置，其特征在于，

上述受热板配置为不存在于上述散热翅片的下方投影区域内。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的空冷式激光装置，其特征在于，

具有大致密闭构造的壳体，该壳体收纳上述受热板以及搭载于上述受热板的激光二极管模块。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的空冷式激光装置，其特征在于，

上述空冷式激光装置的箱体的外形为大致长方体，设置在上述箱体的第一侧面上的吸气口与流经上述多个散热翅片之间的空气的流入区域具有大致同一形状而整齐排列配置，在设置在上述箱体的上述第一侧面的相反侧的第二侧面上的排气口处设有至少一个轴流风扇，在与上述第一侧面平行的剖面上观察包含上述多个散热翅片的上述箱体的内部区域时，除了配置有上述受热板和发热零件的下侧的一部分区域以外，在上述剖面的大致整个区域设置有散热翅片，该发热零件包括搭载于上述受热板的激光二极管模块。