JP2001237486A

JP2001237486A - 半導体レーザの冷却装置

Info

Publication number: JP2001237486A
Application number: JP2000045878A
Authority: JP
Inventors: Kazuyuki Mikubo; 和幸三窪; Sakae Hojo; 栄北城; Masaki Tsunekane; 正樹常包
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2000-02-23
Filing date: 2000-02-23
Publication date: 2001-08-31
Anticipated expiration: 2020-02-23
Also published as: JP3473540B2; DE10108557A1; DE10108557B4

Abstract

(57)【要約】【課題】励起光源となる複数のＬＤが発生する膨大な
熱を確実に除去することのできる半導体レーザの冷却装
置を提供すること。【解決手段】ＬＤ１０１ａ〜１０１ｆと一体化された
良導性の金属部材からなる放熱体構成要素２ａ〜２ｆ
（総じてブロック状放熱体２）の内部に冷却水を流すた
めの冷却路４を形成し、さらに冷却路４内に、環状体６
ａ〜６ｆで形成される突起を配置する。これらの突起に
よって冷却水を攪拌して乱流を形成させることで冷却路
４の壁面から冷却水に対する熱伝達性能を高め、ＬＤ１
０１ａ〜１０１ｆの温度の低減ならびに温度制御を達成
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザの冷
却装置に関し、特に、レーザ媒質の周囲に並列配備され
た複数の励起光源の冷却と各励起光源の発振波長制御を
行う機能を備えた半導体レーザの冷却装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、励起の吸収効率が高く、小さな結
晶体積から高い出力を得られる半導体レーザ(Laser Dio
de，以下単にＬＤと称する)の技術的な進歩によって、
固体レーザの励起光源はランプ励起からＬＤ励起へと変
わりつつあり、金属材料の切断、溶接等の機械加工への
利用において、さらなるＬＤの高出力化が望まれてい
る。

【０００３】ところで、このようにＬＤの高出力化が進
んでくると、これを冷却するための冷却機構が必要にな
ってくる。

【０００４】例えば、高出力化のため複数のＬＤを励起
光源として高密度に実装するような場合では、膨大な熱
が発生するため、絶対温度を低減してＬＤの寿命を延ば
す冷却機構が必要になる。

【０００５】また、ＬＤのレーザ発振波長と励起される
ＹＡＧ結晶等のレーザ媒質との吸収スペクトルにずれが
生じないようＬＤの温度制御を行い、レーザ発振効率の
低下を防止する冷却機構も必要になってくる。

【０００６】特に、ＬＤパワーの約６０％程度が熱にな
るので、例えば複数のＬＤを高密度に実装するような場
合、熱量が数１００ワットを超えてしまい、通常の強制
空冷等の冷却手段では能力不足が生じることがある。

【０００７】従来この種の冷却機構として、例えば、ス
ーパーコンピュータの冷却のための水冷機構が知られて
いる。

【０００８】これは、冷却水の配管を湾曲させ、それを
基板の表面あるいは内部に設置し、基板の表面に搭載し
た半導体デバイスを冷却するものである。

【０００９】このような水冷機構を半導体レーザの冷却
装置に応用する場合、熱伝導率の高い銅等の伝熱部材で
励起光源となるＬＤをパッケージ化し、これらの伝熱部
材の内部に冷却水を流して冷却する方法が考えられる。

【００１０】例えば、ＬＤの冷却や温度制御を行う従来
例として、特開平１０−２９４５１３号公報に掲載され
た「レーザダイオード励起固体レーザ装置」がある。

【００１１】このものは、例えば、図７に示されるよう
に、レーザ媒質となるＹＡＧ結晶１００の周りに４個の
ＬＤ１０１ａ〜１０１ｄを搭載してなる高出力半導体レ
ーザモジュールが複数個配置されている。なお、ここで
は１モジュール分だけを図示している。

【００１２】又、搭載されているＬＤ１０１a〜１０１
ｄは、それぞれ放熱体１０２a〜１０２ｄに接触固定さ
れている。そして、これらの放熱体１０２a〜１０２ｄ
は、各々個別に冷却路１０３a〜１０３ｄを介して冷却
器１０４に接続されている。

【００１３】この冷却器１０４は、放熱体１０２a〜１
０２ｄの冷却路１０３a〜１０３ｄに対して冷却水を供
給することにより、ＬＤ１０１a〜１０１ｄを冷却する
構成となっている。

【００１４】このような構成を有する従来の半導体レー
ザモジュールは、次のような特徴を持つ。

【００１５】初めに、ＬＤ１０１a〜１０１ｄの中で発
振波長の最も長い光を出射するＬＤ、例えば、ＬＤ１０
１ａに備えた温度センサ１０７によって温度を検出し、
更に各ＬＤ１０１a〜１０１ｄからの光の波長がレーザ
媒質の吸収スペクトルに合うように、ＬＤ１０１ａ〜１
０１ｄの各々に接続固定された放熱体１０２a〜１０２
ｄの冷却路１０３a〜１０３ｄに流す冷却水の流量をバ
ルブ１０５a〜１０５ｄで調節する。つまり、放熱体１
０２a〜１０２ｄ自体の冷却能力の調整によるＬＤ１０
１a〜１０１ｄの温度制御である。

【００１６】次に、放熱体１０２a〜１０２ｄとＬＤ１
０１a〜１０１ｄとの間に熱伝導率の異なるベリリアま
たは窒化アルミニウムなどの伝熱部材１０６a〜１０６
ｄを設け、ＬＤ１０１a〜１０１ｄの温度制御を行う。
これは、放熱体１０２a〜１０２ｄとＬＤ１０１a〜１０
１ｄとの間の熱伝導率の調整によるＬＤ１０１a〜１０
１ｄの温度制御である。

【００１７】更に、放熱体１０２a〜１０２ｄとＬＤ１
０１a〜１０１ｄとの間の伝熱部材群１０６a〜１０６ｄ
に対し、放熱体１０２a〜１０２ｄあるいはＬＤ１０１a
〜１０１ｄとの間の接触面積を調整することによって熱
流束を変化させ、ＬＤ１０１a〜１０１ｄの温度を制御
する。なお、実際に接触面積を調整するための方法とし
ては伝熱部材群１０６a〜１０６ｄの表面に溝を形成し
たり、または、孔を穿設したり、更には、伝熱部材群１
０６a〜１０６ｄ自体の形状を変えるといった方法もあ
る。これも、広い意味では、放熱体１０２a〜１０２ｄ
とＬＤ１０１a〜１０１ｄとの間の熱伝導率の調整によ
るＬＤ１０１a〜１０１ｄの温度制御である。

【００１８】最後に、放熱体１０２a〜１０２ｄの内部
に設けた冷却路１０３ａ〜１０３ｄの長さや断面積を変
えたり、あるいは、放熱体１０２a〜１０２ｄの内部を
走る冷却路１０３ａ〜１０３ｄの経路を調整したりする
ことにより、搭載されたＬＤ１０１a〜１１０１dの発振
波長や温度制御を行うようにしている。これも、広い意
味では、放熱体１０２a〜１０２ｄ自体の冷却能力の調
整によるＬＤ１０１a〜１０１ｄの温度制御である。

【００１９】このように、従来技術において様々な方法
を駆使して複雑な温度制御を行っていたのは、当時のＬ
Ｄ製造技術が未熟で、各ＬＤの発振波長にバラツキが生
じ、これを補償するために各ＬＤ毎に個別の最適温度制
御が要求されていたからである。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】一方、近年のＬＤ製造
技術の進歩はめざましく、従来問題となっていた製造上
の問題によるＬＤの発振波長のバラツキは大幅に改善さ
れ、専ら、ＬＤの高出力化に対処するための強力な冷却
装置が要求されている。

【００２１】つまり、前述したようにＬＤ毎個別に温度
制御を実施する温度制御方法や冷却装置は発振波長の制
御の点からは有効な方法ではあるが、ＬＤ品質の安定し
た最近の状況下においては、これらの方法および装置は
オーバーエンジニアリングであり、むしろ、小型化の阻
害やコスト上昇を招くといった問題がある。

【００２２】

【発明の目的】そこで、本発明の目的の一つは、高パワ
ーで高品質な励起光の得られる高出力半導体レーザを実
現するため、レーザ媒質の周囲に励起光源となる複数の
ＬＤを高密度で実装し、このとき発生する膨大な熱を除
去できる半導体レーザの冷却装置を提供することにあ
る。

【００２３】また、複数の励起光源の発振波長を均一化
してレーザ媒質を効率よく励起し、高出力で安定したレ
ーザを出力すること、および、冷却装置を大幅に改良す
ることなく簡単な構成で放熱性能を上げてコスト低減効
果を得ることも、その目的の一部である。

【００２４】

【課題を解決するための手段】本発明は、レーザ媒質の
周囲に並列配備された複数の励起光源を冷却する半導体
レーザの冷却装置であり、前記目的を達成するため、特
に、熱伝導率の高い金属から成るブロック状放熱体の表
面に励起光源の各々を整列配備すると共に、励起光源の
整列方向に沿ってブロック状放熱体の内部に冷却路を穿
設し、この冷却路内に所定の離間距離で突起を形成し、
ブロック状放熱体の冷却路の両端の開口部を冷却水供給
用の冷却器に接続したことを特徴とする構成を有する。

【００２５】この構成によれば、励起光源から発散され
る熱が伝導率の高い金属から成るブロック状放熱体に伝
達され、また、ブロック状放熱体に穿設された冷却路を
流れる冷却水によって、このブロック状放熱体が冷却さ
れる。この際、冷却路を流れる冷却水が冷却路内に設け
られた突起によって攪拌されて乱流を形成しているの
で、冷却路の壁面から内部の冷却水に万遍無く熱が伝達
されるようになり、冷却水を用いたブロック状放熱体の
冷却性能が向上する。また、冷却水を供給する冷却器自
体は従来のものをそのまま流用することができるため、
周辺装置等に関して格別の設備投資を必要としない。こ
の結果、励起光源となる複数のＬＤをレーザ媒質の周囲
に高密度で実装したときに発生する膨大な熱を僅かなコ
ストで除去することが可能となり、高パワーで高品質な
励起光の得られる高出力半導体レーザが実現される。ま
た、冷却装置の冷却能力が強力であって、しかも、近年
の製造技術の向上に伴ってＬＤにおける発振波長のバラ
ツキが少ないことから、複数の励起光源の発振波長が均
一化し、レーザ媒質の効率よい励起が可能となって、高
出力で安定したレーザが得られるようになる。

【００２６】具体的には、各々の励起光源に対応して分
割形成された複数の放熱体構成要素を設けて、前記放熱
体構成要素の各々に冷却路を穿設すると共に、各放熱体
構成要素における冷却路の少なくとも一方の開口部に周
溝を形成して弾性部材から成る環状体を内嵌し、前記複
数の放熱体構成要素を前記励起光源の整列方向に沿って
重合して固定し、前記環状体の各々を両側の放熱体構成
要素により圧縮して弾性変形させて環状体の内径を縮径
することにより前記所定の離間距離毎の突起を形成する
といった構成を適用することができる。

【００２７】この構成によれば、放熱体構成要素におけ
る周溝の加工と弾性部材から成る環状体の内嵌および放
熱体構成要素同士の重合接続といった簡単な製造工程に
よって、冷却路内に突起を備えたブロック状放熱体を形
成することができる。この際、弾性部材から成る環状体
としては、例えば、液漏れ防止用のオー・リング等の市
販素材を流用することが可能である。オー・リングを使
用した場合、突起を形成するオー・リング自体がブロッ
ク状放熱体の液漏れ防止手段を兼ねるので、格別の液漏
れ防止手段を別部品として配備する必要はない。また、
前記周溝の深さ或いは両側の放熱体構成要素による圧接
力を変えて環状体の圧縮量を調整することにより、環状
体の内径、即ち、突起の突出量を調整することが可能で
ある。このため、必要とされる攪拌機能に応じた突起を
容易に形成して発振波長調整のための温度制御や冷却の
ための適切な温度制御を実施することができるようにな
る。また、冷却器におけるポンプ能力に応じて環状体の
内径、つまり、冷却液の流動抵抗を調整することも可能
である。しかも、各々の励起光源に対応して分割形成さ
れた複数の放熱体構成要素を重合して一つのブロック状
放熱体を構成しているため、放熱体構成要素の組み合わ
せ個数を変えるだけの簡単な作業で、レーザ媒質の大き
さ等に応じた励起光源の配置が可能となる。この場合、
冷却水供給用の冷却器に接続されるのは、重合して接続
された複数の放熱体構成要素のうち最外郭に位置する２
つの放熱体構成要素の開口部である。

【００２８】また、所定の離間距離毎に突起を形成する
ための構成として、各々の励起光源に対応して分割形成
された複数の放熱体構成要素を設け、前記放熱体構成要
素の各々に前記冷却路を穿設すると共に、各放熱体構成
要素における冷却路の一方の開口部を縮径させ、複数の
放熱体構成要素を励起光源の整列方向に沿って重合して
固定した構造を適用することもできる。

【００２９】この場合、放熱体の冷却路における複数の
突起は、各々の放熱体構成要素の冷却路の一方の開口部
に設けられた縮径部によって構成されることになる。こ
の縮径部は放熱体構成要素の一方の開口部にだけ設けれ
ば済むので、各放熱体構成要素の冷却路の中央部あるい
は両側に縮径部を設けた場合と比べ、加工工程を簡略化
することができる。

【００３０】ここで、各々の放熱体構成要素の冷却路に
おける一方の開口部に縮径部を設けるための手段として
は、該一方の開口部に周溝を形成し、冷却路の内径より
も小さな内径を有する環状部材をこの周溝に内嵌すると
いった構造を適用することが可能である。

【００３１】この場合、縮径部を構成する環状部材を放
熱体構成要素と独立して加工することができるので、全
体的な加工作業が容易となる利点がある。

【００３２】また、各々の放熱体構成要素の冷却路にお
ける一方の開口部に縮径部を設けるための手段として、
前記冷却路の内径に相当する直径の盲穴加工と該盲穴加
工よりも小径の貫通穴加工とを併用することも可能であ
る。

【００３３】この場合、除去加工の対象となる放熱体構
成要素の内部に対してのみ加工が行われることになるの
で、放熱体構成要素を製造するときの材料が節約される
といった利点がある。

【００３４】更に、前記一方の開口部の縮径部には、該
縮径部の軸方向の中央部から両側に向けて拡径するテー
パ面を形成するようにしてもよい。

【００３５】この構成によれば、前記テーパ面の作用に
よって冷却路における急激な流路の縮小および拡大が防
止されるので、冷却水の圧力上昇が緩和され、冷却器に
おけるポンプの負荷が軽減されるといった利点がある。

【００３６】また、縮径部の軸方向の中央部から両側に
向けて拡径するテーパ面に代えて、該縮径部の軸方向の
一端から他端に向けて拡径するテーパ面を採用すること
も可能である。

【００３７】この場合、冷却路における急激な流路の縮
小または拡大のうち何れか一方を防止することが可能で
あり、また、加工の面から見れば、中央部から両側に向
けて拡径するテーパ面を設ける場合よりも容易となる利
点がある。

【００３８】更に、放熱体構成要素の一方の開口部に設
けられた縮径部には、該縮径部を軸方向に貫通する切欠
部を所定の周方向ピッチで複数形成することも可能であ
る。

【００３９】この切欠部を設けることにより、冷却水の
攪拌能力が著しく向上し、その攪拌によって発生する大
小様々な流体渦による熱伝達の促進により、更に効率の
よい冷却機能が達成される。

【００４０】また、複数の放熱体構成要素間にオー・リ
ングを配備して液漏れ防止手段としてもよい。

【００４１】この構成は、特に、環状部材を周溝に内嵌
して放熱体構成要素の冷却路における一方の開口部を縮
径した構造、あるいは、盲穴加工と小径の貫通穴加工と
を併用して一方の開口部を縮径させた構造に対して有効
である。

【００４２】更に、前述した各構成において、前記冷却
路内に螺旋溝を刻設することも可能である。

【００４３】この構成によれば、冷却路内を流れる冷却
水が螺旋溝によって攪拌されて乱流や旋回流が形成され
るので、ブロック状放熱体から冷却水への熱伝達性能が
大幅に向上する。この螺旋溝は、突起を備えていない冷
却路の部分に前記各突起と併設して設けてもよいし、ま
た、螺旋溝の突条自体が突起としての機能を有するの
で、格別な突起を備えていない冷却路にこの螺旋溝のみ
を刻設することにより、その突条自体を突起として利用
することもできる。

【００４４】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態の幾つかについて詳細に説明する。図１（ａ）
は、本発明によって想定され得る実施形態のうち、複数
の放熱体構成要素を重合固定して一つのブロック状放熱
体を構成する実施形態に共通する外観を簡略化して示し
た平面図、また、図１（ｂ）は図１（ａ）の平面図から
ブロック状放熱体の部分のみを取り出して簡略化して示
した斜視図である。

【００４５】半導体レーザの冷却装置１は、図１（ａ）
に示されるように、概略において、ブロック状放熱体２
と冷却器３とによって構成される。このうち、冷却器３
の部分に関する構成は従来の冷却器と同様である。つま
り、この冷却器３には、冷却水を送出および回収して循
環させながら所定温度に冷却する機能がある。

【００４６】図１（ａ）および図１（ｂ）の例では６個
の放熱体構成要素２ａ〜２ｆを重合固定して一つのブロ
ック状放熱体２を構成した例について示しているが、そ
の数は、レーザ媒質となるＹＡＧ結晶１００の大きさ等
に応じて任意に調整可能であり、個数は問わない。

【００４７】放熱体構成要素２ａ〜２ｆの各々は熱伝導
率の高い金属、例えば、銅等によって構成される。そし
て、放熱体構成要素２ａ〜２ｆの表面には、ＹＡＧ結晶
１００に対する励起光源となるＬＤ(Laser Diode)１０
１ａ〜１０１ｆの各々が、放熱体構成要素２ａ〜２ｆの
各々に対して熱伝導可能な状態で固着されている。

【００４８】従って、放熱体構成要素２ａ〜２ｆの各々
は、ＬＤ１０１ａ〜１０１ｆの各々に対応して分割形成
された放熱体構成要素、つまり、ブロック状放熱体２の
一部であり、これらの放熱体構成要素２ａ〜２ｆをＬＤ
１０１ａ〜１０１ｆの整列方向、要するに、ＹＡＧ結晶
１００の長手方向に沿って重合することにより、ＹＡＧ
結晶１００に適した一つのブロック状放熱体２が得られ
る。

【００４９】そして、ブロック状放熱体２の略中央部に
はＬＤ１０１ａ〜１０１ｆの整列方向に沿った冷却路４
が図１（ｂ）に示されるように貫通して穿設されてお
り、この冷却路４の両端の開口部、より具体的には、最
外郭に位置する放熱体構成要素２ａの一方の開口部と放
熱体構成要素２ｆの他方の開口部に、冷却水供給用の冷
却器３が図１（ａ）に示されるようにして接続されてい
る。

【００５０】なお、図１（ａ）では１ユニット分のブロ
ック状放熱体２について示しているが、ＹＡＧ結晶１０
０を取り巻くようにして複数のブロック状放熱体２が配
備される場合もある。通常、このような場合であっても
冷却器３の数は１つである。

【００５１】次に、冷却路４の内部に所定の離間距離で
冷却水攪拌用の突起を形成するための構成について詳細
に説明する。

【００５２】図２は各放熱体構成要素２ａ〜２ｆの一方
の開口部に形成された周溝５ａ〜５ｆと弾性のある環状
体６ａ〜６ｆとを利用して冷却水攪拌用の突起を形成し
た実施形態（以下、第１実施形態という）について示す
断面図であり、図１（ｂ）の矢視Ａ−Ａ部分の断面に相
当する。

【００５３】この実施形態においては、図２に示す通
り、放熱体構成要素２ａ〜２ｆの各々毎に冷却路４ａ〜
４ｆを穿設し、各冷却路４ａ〜４ｆの一方の開口部、つ
まり、図２における右側の開口部に周溝５ａ〜５ｆを形
成して、その内部に弾性部材から成る環状体６ａ〜６ｆ
を内嵌することによって冷却路４内における所定離間距
離毎の突起としている。

【００５４】放熱体構成要素２ａ〜２ｆの構造は全て同
様であるので、これらを代表して放熱体構成要素２ａ，
２ｂの部分のみを取り出し、図３（ａ）において、その
内部構造を詳細に示す。

【００５５】周溝５ａ，５ｂの各々は、放熱体構成要素
２ａ，２ｂの冷却路４ａ，４ｂと同心円上に放熱体構成
要素２ａ，２ｂの一方の面つまり右端面側に形成され、
その内径は、非圧縮状態にある環状体６ａ，６ｂの外径
と略同一の大きさとされている。また、環状体６ａ，６
ｂの内径ｄは冷却路４ａ，４ｂの内径と略同一である。

【００５６】周溝５ａ，５ｂの深さｔは、環状体６ａ，
６ｂの厚みに比べてある程度浅くなるように形成され、
図３（ｃ）に示されるようにして隣接する放熱体構成要
素を圧着したときに環状体６ａ，６ｂが厚み方向に弾性
変形され、該環状体６ａ，６ｂの内径ｄが縮径されて、
冷却路４ａ，４ｂの内壁側に突出するようになってい
る。この突出部分が冷却水攪拌用の突起として機能する
部分である。

【００５７】従って、周溝５ａ，５ｂの深さｔを調整し
て環状体６ａ，６ｂの圧縮量を変化させることによって
突起の突出量を自由に調整することが可能である。ま
た、弾性部材からなる環状体６ａ，６ｂ自体が放熱体構
成要素２ａ，２ｂ間で冷却水の漏れを防止するため、改
めて放熱体構成要素間に別部材の液漏れ防止手段を配備
するといった手間も省ける。

【００５８】環状体６ａ，６ｂとしては、市販のオー・
リング等をそのまま流用することが可能である。

【００５９】この構成を適用した場合のブロック状放熱
体２の組み立て工程の概略を図３（ｂ）に示す。ブロッ
ク状放熱体２を組み立てる際には、図３（ｂ）に示すよ
うに、各々の放熱体構成要素２ａ〜２ｆの周溝５ａ〜５
ｆに予め環状体６ａ〜６ｆを内嵌して取り付けておき、
これらの放熱体構成要素２ａ〜２ｆを並べるように重合
させて一つのブロック状放熱体２とした後、各放熱体構
成要素２ａ〜２ｆの外周部に形成されたボルト穴８，
８，８・・・に長尺ボルト７を挿通し、ボルトヘッド７
ａとナット９によりブロック状放熱体２を両端から締め
付ける。

【００６０】この場合、各放熱体構成要素２ａ〜２ｆの
ボルト穴８，８，８・・・は、各放熱体構成要素２ａ〜
２ｆの四隅、あるいは、図１（ｂ）のように対角線の両
端に配備することが望ましい。

【００６１】以上に述べた第１実施形態によれば、励起
光源となるＬＤ１０１ａ〜１０１ｆから発散される熱が
伝導率の高い金属から成るブロック状放熱体２に伝達さ
れ、また、ブロック状放熱体２に穿設された冷却路４を
流れる冷却水によって、このブロック状放熱体２が冷却
される。

【００６２】この際、冷却路４を流れる冷却水は、図２
に示されるようにして冷却路４内に突出する環状体６ａ
〜６ｆによって形成される突起の各々によって攪拌され
て乱流を形成するので、冷却路４の壁面から内部の冷却
水に万遍無く熱が伝達されるようになり、冷却水を用い
たブロック状放熱体２の冷却性能、最終的には、ＬＤ１
０１ａ〜１０１ｆに対しての冷却性能が向上する。

【００６３】また、冷却水を供給する冷却器３自体は従
来のものをそのまま流用することができるため、周辺装
置等に関して格別の設備投資を必要としない。

【００６４】この結果、励起光源となる複数のＬＤ１０
１ａ〜１０１ｆを高密度で実装したときに発生する膨大
な熱を僅かなコストで除去することが可能となり、高パ
ワーで高品質な励起光の得られる高出力半導体レーザが
実現される。また、ブロック状放熱体２による冷却能力
が強力であって、しかも、近年の技術の向上に伴ってＬ
Ｄの製造上の問題による発振波長のバラツキが少ないこ
とから、複数のＬＤ１０１ａ〜１０１ｆの発振波長が確
実に均一化され、レーザ媒質となるＹＡＧ結晶１００の
効率よい励起が可能となって、高出力で安定したレーザ
が得られるようになる。

【００６５】また、放熱体構成要素２ａ〜２ｆにおける
周溝５ａ〜５ｆの加工とオー・リング等の環状体６ａ〜
６ｆの内嵌、および、長尺ボルト７とナット９による放
熱体構成要素２ａ〜２ｆ同士の重合接続といった簡単な
組み立て工程によって冷却路４内に複数の突起を形成す
ることができるため、冷却装置の製造工程が簡略なもの
となる。

【００６６】この際、環状体６ａ〜６ｆとしては市販の
オー・リング等を流用することが可能であり、また、オ
ー・リング自体が液漏れ防止手段を兼ねるため、格別の
液漏れ防止手段を別部品として配備する場合と比べて製
造コストの軽減や部品点数の削減といった利点もある。

【００６７】また、周溝５ａ〜５ｆの深さｔを変えて環
状体６ａ〜６ｆの圧縮量を調整することによって環状体
６ａ〜６ｆの内径、即ち、突起の突出量を調整すること
が可能である。このため、必要とされる攪拌機能に応じ
た突起を容易に形成してＬＤ１０１ａ〜１０１ｆの発振
波長調整のための温度制御や冷却のための適切な温度制
御を実施することができるようになる。また、冷却器３
のポンプ能力に応じて環状体６ａ〜６ｆの内径つまり突
起の突出量を調整することも可能である。

【００６８】なお、環状体６ａ〜６ｆの内径によって形
成される突起の突出量を減少させる場合には周溝５ａ〜
５ｆに更に切り込みを加えて深さｔを増大させればよ
く、また、これとは逆に突起の突出量を増大させたい場
合には、放熱体構成要素２ａ〜２ｆの端面を削る等して
実質的な溝深さｔを減少させればよい。

【００６９】また、長尺ボルト７とナット９の締結力を
調整して環状体６ａ〜６ｆの内径、即ち、突起の突出量
を調整することも可能である。この場合、長尺ボルト７
とナット９の締結力を弱めれば突起の突出量は減少し、
また、長尺ボルト７とナット９の締結力を強めれば突起
の突出量は増大する。なお、図３（ｃ）では放熱体構成
要素２ａの端面と放熱体構成要素２ｂの端面とが完全に
密着した状態を示しており、これ以上長尺ボルト７とナ
ット９の締結力を強めても突起の突出量を増大させるこ
とのできない限界状態を表している。

【００７０】次に、オー・リング等の弾性部材を使用す
る代わりに放熱体構成要素２ａ〜２ｆにおける冷却路４
ａ〜４ｆの一方の開口部を縮径させて冷却水攪拌用の突
起とした実施形態について説明する。

【００７１】図４（ｄ）は各放熱体構成要素の一方の開
口部に形成された周溝に弾性のない環状部材を内嵌して
冷却路４ａ〜４ｆの一方の開口部を縮径させて冷却水攪
拌用の突起を形成した実施形態（以下、第２実施形態と
いう）について示す断面図である。図４（ｄ）では図１
（ｂ）の矢視Ａ−Ａの断面のうち放熱体構成要素２ａ，
２ｂに相当する部分のみを取り出して示しているが、他
の放熱体構成要素２ｃ〜２ｆの構造もこれと同様であ
る。

【００７２】弾性のない環状部材１０ｂを内嵌するため
の周溝１１ａ，１１ｂの各々は、放熱体構成要素２ａ，
２ｂの冷却路４ａ，４ｂと同心円上に放熱体構成要素２
ａ，２ｂの一方の面つまり左端面側に形成され、その内
径は、環状部材１０ｂの外径と略同一とされている。ま
た、環状部材１０ｂの内径は冷却路４ａ，４ｂの内径よ
りも小さく形成されており、この縮径部１２ｂによって
冷却水攪拌用の突起が形成されている。

【００７３】この場合、環状部材１０ｂ自体には冷却水
の漏れを防止する機能はないので、放熱体構成要素２
ａ，２ｂの他方の面つまり右端面側にオー・リング収納
用の周溝１３ａ，１３ｂを設け、その中に液漏れ防止専
用のオー・リング１４ａ，１４ｂを内嵌して、放熱体構
成要素間における冷却水の漏れを防止する構成としてい
る。

【００７４】環状部材１０ｂの正面形状を図４（ａ）
に、また、放熱体構成要素２ｂから環状部材１０ｂを取
り外した状態を図４（ｂ）に示す。

【００７５】環状部材１０ｂの縮径部１２ｂには、図４
（ｂ）および図４（ａ）に示されるように、該縮径部１
２ｂの軸方向の中央部から両側に向けて拡径するテーパ
面１５ｂが形成されている。このテーパ面１５ｂは環状
部材１０ｂの両側からの皿モミ加工、あるいは、他の塑
性加工等を利用することによって容易に形成することが
可能である。

【００７６】この構成を適用した場合のブロック状放熱
体２の組み立て工程の概略を図４（ｃ）に示す。ブロッ
ク状放熱体２を組み立てる際には、まず、図４（ｃ）に
示すように、放熱体構成要素２ｂを始めとする放熱体構
成要素各々の左端面側の周溝１１ａ，１１ｂ，・・・に
環状部材１０ｂを始めとする各放熱体構成要素毎の環状
部材を内嵌して取り付け、また、放熱体構成要素２ｂを
始めとする放熱体構成要素各々の右端面側の周溝１３
ａ，１３ｂ，・・・にはオー・リング１４ａ，１４ｂ，
・・・を始めとする液漏れ防止専用のオー・リングを取
り付けておく。

【００７７】そして、これらの放熱体構成要素２ａ〜２
ｆを重合させて一つのブロック状放熱体２とした後、各
放熱体構成要素２ａ〜２ｆの外周部に形成されたボルト
穴８，８，８・・・に長尺ボルトを挿通し、図３（ｂ）
と同様の組み立て作業を行う。

【００７８】この操作により、液漏れ防止専用のオー・
リング１４ａ，１４ｂ，・・・が放熱体構成要素間で圧
縮され、各放熱体構成要素間における冷却水の漏れを防
止すると共に、その反発力によって環状部材１０ｂ，・
・・を右側に隣接する放熱体構成要素の端面に圧着固定
する。

【００７９】図３（ａ）〜図３（ｃ）を参照して説明し
た実施形態とは違い、環状部材１０ｂの硬度が高く、ま
た、この環状部材に強力な外力が作用することもないの
で、突起を形成する縮径部１２ｂ等の初期精度が確実に
維持される。

【００８０】このようにして、環状部材１０ｂを始めと
する各放熱体構成要素毎の環状部材を取り付けて縮径部
を形成した複数の放熱体構成要素２ａ〜２ｆを、連続的
に並べるように重合して長尺ボルトおよびナットによる
締結作業を行うことにより、ブロック状放熱体２の冷却
路４内に、各放熱体構成要素２ａ〜２ｆの冷却路４ａ〜
４ｆの長さに匹敵する所定の離間距離で、冷却水攪拌用
の突起となる縮径部が形成されることになる。

【００８１】以上に述べた第２実施形態によれば、各放
熱体構成要素２ａ〜２ｆの片面にだけ加工を施して縮径
部を設ければ済むので、各放熱体構成要素２ａ〜２ｆの
冷却路４ａ〜４ｆの中央部等に縮径部を設ける場合と比
べ、加工工程を簡略化することができる。

【００８２】また、縮径部を構成する環状部材１０ｂ等
を放熱体構成要素２ａ〜２ｆと独立して加工することが
できるので、全体的な加工作業が容易となり高い加工精
度も期待できるといった利点がある。そして、環状部材
１０ｂを始めとする各放熱体構成要素毎の縮径部１２ｂ
に設けられたテーパ面１５ｂの作用によって冷却路４内
部における急激な流路の縮小および拡大が防止されるの
で、冷却水の圧力上昇が緩和され、冷却器３におけるポ
ンプの負荷が軽減されるといった効果もある。

【００８３】しかも、縮径部を構成する環状部材１０ｂ
等の剛性が高く、製造時の初期精度が確保されるので、
再現性の高い安定した乱流を発生することができ、温度
制御や絶対温度を低減する機能として効果的な利点が得
られる。

【００８４】更に、図５（ａ）および図５（ｂ）に示さ
れるように、環状部材１０ｂの縮径部１２ｂを軸方向に
貫通する切欠部１６ｂを所定の周方向ピッチで複数形成
し、この縮径部１２ｂを実質的なフィン形状として冷却
路４内の突起としてもよい。

【００８５】このように、フィン形状の突起を多数設け
ることにより、冷却路４を流れる冷却水の攪拌能力が著
しく向上し、その攪拌によって発生する大小様々な流体
渦による熱伝達の促進により、更に効率のよい冷却機能
が達成されるようになる。

【００８６】次に、冷却路の内径に相当する直径の盲穴
加工とこの盲穴加工よりも小径の貫通穴加工とによって
冷却路４ａ〜４ｆの一方の開口部を縮径させることで冷
却水攪拌用の突起を形成した実施形態について説明す
る。

【００８７】図６（ａ）は盲穴加工と小径の貫通穴加工
とを併用して冷却路４ａ〜４ｆの一方の開口部を縮径さ
せて単純形状の縮径部１７ａ，１７ｂ，・・・を形成
し、この縮径部１７ａ，１７ｂ，・・・を冷却路４内の
突起として利用した実施形態（以下、第３実施形態とい
う）について示す断面図である。図６（ａ）では図１
（ｂ）の矢視Ａ−Ａの断面のうち、放熱体構成要素２
ａ，２ｂに相当する部分のみを取り出して示している
が、他の放熱体構成要素２ｃ〜２ｆの構造もこれと同様
である。

【００８８】まず、放熱体構成要素２ａを例にとって、
単純形状の縮径部１７ａを形成するための加工工程につ
いて簡単に説明する。

【００８９】この加工工程は、縮径部１７ａの厚みに匹
敵するだけの肉厚を残して放熱体構成要素２ａの略中央
部に冷却路４ａの内径に相当する直径の盲穴加工を施す
工程と、その後、盲穴の取り残し部分の略中央部に冷却
路４ａの内径よりも小径の貫通穴を穿設する工程とによ
って構成される。

【００９０】この加工工程を逆に実施し、小径の貫通穴
加工を行ってから大径の盲穴加工を施すことも可能であ
るが、小径の深穴加工にはドリル等の工具の耐久性が要
求されるので、一般には、大径の盲穴加工を実施してか
ら取り残し部分に小径の貫通穴加工を行う方が好まし
い。

【００９１】結果的に、図６（ａ）に示されるように、
２回の穴あけ加工によって残された端面の外周部分が縮
径部１７ａ，１７ｂ、つまり、冷却路４内の突起とな
る。

【００９２】なお、この実施形態では縮径部１７ａ，１
７ｂの各々を同一肉厚の平面状に形成しているので、盲
穴加工に用いる工具としては先端が平らなポケット加工
用のフライス・エンドミル等が好適であり、また、貫通
穴加工に関しては、適当な刃先角のドリル・ビット等の
使用が可能である。

【００９３】また、放熱体構成要素２ａ，２ｂの他方の
面にはオー・リングを収納するための周溝１３ａ，１３
ｂを設け、その中に液漏れ防止専用のオー・リング１４
ａ，１４ｂを内嵌して放熱体構成要素間における冷却水
の漏れを防止する。

【００９４】このようにして形成された放熱体構成要素
２ａ〜２ｆを重合させてブロック状放熱体２として組み
立てるときの工程に関しては、前述した各実施形態と同
様である。

【００９５】以上に述べた第３実施形態によれば、もと
もと除去加工の対象となる冷却路４ａ〜４ｆの部分、つ
まり、放熱体構成要素２ａ〜２ｆの内部に対してのみ加
工が行われることになるので、図４（ａ）〜図４（ｄ）
を参照して説明した第２実施形態や図５（ａ）および図
５（ｂ）を参照して説明したその変形例とは違い、突起
（縮径部）を構成するための別部材は不要であり、ブロ
ック状放熱体２を製造するときの材料が節約されるとい
った利点がある。

【００９６】更に、盲穴加工に用いる工具としては先端
に９０°，６０℃等の角度を有する刃先を備えたドリル
・ビット等を利用することも可能であり、その場合は、
例えば図６（ｂ）に示されるように、軸方向の一端から
他端に向けて拡径するテーパ面１８ａ１８ｂを備えた縮
径部１７ａ，１７ｂを形成して突起とすることもでき
る。なお、図６（ｂ）における符号１９ａ，１９ｂはオ
ー・リング収納用の周溝であり、この中に液漏れ防止専
用のオー・リング１４ａ，１４ｂが内嵌される。

【００９７】このような構成によれば、冷却路４におけ
る急激な流路の縮小または拡大のうち少なくとも何れか
一方を防止することが可能であり、また、全体的な加工
の面から見れば、図４（ａ）〜図４（ｄ）を参照して説
明した第２実施形態や図５（ａ）および図５（ｂ）を参
照して説明したその変形例と比べ、突起（縮径部）を構
成するための別部材が不要となって、加工が容易となる
利点がある。

【００９８】図６（ｂ）の例では、冷却路４における急
激な流路の縮小を防止して冷却水の圧力上昇を緩和する
ため、冷却器３から供給される冷却水の流れの方向を左
から右に向かう方向としている。

【００９９】更に、冷却路４の内径に相当する直径の盲
穴加工と小径の貫通穴加工とを併用して冷却路４ａ〜４
ｆの一部に縮径部を形成して冷却水攪拌用の突起とする
場合に可能な変形例の幾つかについて、簡単に説明す
る。

【０１００】まず、図６（ｂ）に示されるような放熱体
構成要素２ａ，２ｂに対して図中右側からの皿モミ加
工、例えば、先端角９０°，６０℃等の皿モミ加工を施
すことにより、縮径部１７ａ，１７ｂの部分に、軸方向
の中央部から両側に向けて拡径するテーパ面を形成する
ことが可能である。

【０１０１】こうして得られた縮径部１７ａ，１７ｂの
形状は、実質的に、図４（ｄ）に示されるような縮径部
１２ｂの形状と同等である。

【０１０２】また、冷却路４ａ〜４ｆの中央部付近（要
するに端部以外の位置）に突起となる縮径部１７ａ，１
７ｂを形成することも可能である。

【０１０３】この場合は、放熱体構成要素２ａ〜２ｆ各
々の左右両側から中央部に向けて盲穴加工を施した後、
中央部に残った壁面に対して貫通穴加工を施せばよい。
既に述べた説明から明らかなように、適切な工具を選択
することにより、この縮径部の形状は、図６（ａ）に示
されるような単純な形状の平面、または、図６（ｂ）に
示されるような片側にテーパ面を備えた形状とすること
ができ、更には、両側にテーパ面を備えた形状とするこ
ともできる。

【０１０４】両面からの加工が要求されるため、加工効
率は劣化するが、同一形状の放熱体構成要素２ａ〜２ｆ
を製造した場合、突起となる縮径部間の離間距離は放熱
体構成要素２ａ〜２ｆの幅によって確定されるので、機
能的には、図６（ａ）あるいは図６（ｂ）に記したもの
と同等の作用効果を達成することが可能である。

【０１０５】次に、冷却路４内に螺旋溝を刻設した実施
形態（以下、第４実施形態）について簡単に説明する。

【０１０６】図６（ｃ）は冷却路４内に螺旋溝を刻設し
た実施形態について示す断面図である。冷却路４ａおよ
び冷却路４ｂ内の螺旋溝２０ａ，２０ｂは、例えば、目
標とされる直径よりも僅かに小径の貫通穴を放熱体構成
要素２ａ，２ｂに下穴として穿設した後、通常の雌ネジ
加工と同等のタッピング処理を施すことにより容易に実
現可能であり、ＮＣ旋盤による加工やマシニングセンタ
による完全自動作業が利用できる。なお、符号１９ａ，
１９ｂはオー・リング収納用の周溝であり、この中に縮
径部形成および液漏れ防止のためのオー・リング１４
ａ，１４ｂが内嵌される。放熱体構成要素２ｃ〜２ｆの
構造もこれらと同様である。

【０１０７】このようにして形成された放熱体構成要素
２ａ〜２ｆを重合させてブロック状放熱体２として組み
立てるときの工程に関しては、前述した各実施形態と同
様である。

【０１０８】このような構成を適用した第４実施形態に
よれば、冷却路４内を流れる冷却水が螺旋溝２０ａ，２
０ｂの突条により攪拌されて乱流や旋回流が形成される
ので、熱伝達性能を大幅に向上させることができる。

【０１０９】図６（ｃ）の例ではオー・リング１４ａ，
１４ｂによって形成される縮径部と螺旋溝の突条とを併
用して冷却路４内に突起を設けた例について述べたが、
オー・リング１４ａ，１４ｂによる突起を省略して螺旋
溝の突条のみによって突起を形成する構成とすることも
可能である。この場合、突起となる縮径部を構成するオ
ー・リング１４ａ，１４ｂを内嵌する必要はなくなるの
で、必ずしもブロック状放熱体２を放熱体構成要素２ａ
〜２ｆに分割して構成する必要はない。また、ブロック
状放熱体２を放熱体構成要素２ａ〜２ｆに分割して構成
した場合には、前述した通り、レーザ媒質となるＹＡＧ
結晶１００の大きさ等に応じて任意にブロック状放熱体
２の長さを調整できるといった利点がある。

【０１１０】また、図６（ｃ）に示されるような例に限
らず、図４（ｄ），図６（ａ），図６（ｂ）等に示され
るような実施形態に関しても、螺旋溝を併用した構成を
適用することが可能である。

【０１１１】以上、構造上の観点から様々な実施形態に
ついて説明したが、次に、これらの実施形態で採用され
た突起の具体的な効果について、シミュレーションに基
いて説明する。

【０１１２】まず、ここでは突起の放熱性能を検証する
ための理論値として、冷却路４内に突起が無い場合の冷
却装置（以下、比較例という）について実験式で求め
た。なお、突起の有無を除き、他の条件に関しては図２
の実施形態における冷却装置と同一のものである。

【０１１３】冷却水温度(θ)と冷却路４の壁面（ｔ１）
との温度差は式（１）で表される。 θ−ｔ１＝Ｑ／ｈ／Ａ・・・（１）ここで、Ｑは発熱体の熱量（W）、ｈは熱伝達係数（W/m
²K）、Ａは冷却路４の表面積（m^２）であり、熱伝達係
数ｈは式（２）で表される。ｈ＝Ｎｕ×λ／ｄｅ・・・（２）

【０１１４】ここで、Ｎｕはヌセルト数、λは冷却水の
熱伝導率（W/mk）、deは等価水力直径（m）であり、ヌ
セルト数Ｎｕは式（３）、等価水力直径ｄｅは式（４）
で表される。Ｎｕ＝０．０２３×Ｒｅ^0.8×Ｐｒ^0.4Ｎｕ・・・（３）ｄｅ＝４×Ｄ１/Ｄ２・・・（４）

【０１１５】ここで、Ｒｅはレイノルズ数、Ｐｒは冷却
水のプラントル数、Ｄ１は冷却路断面積(m²)、Ｄ２は冷
却路周長(m)である。これらの式は発達した流れの乱流
熱伝達であり、よく知られる管内流の実験式である。そ
して、レイノルズ数Ｒｅは式（５）で表される。 Re＝υ・de・ρ／μ ・・・（５）

【０１１６】ここで、υは冷却水の流速(m/s)、ρは冷
却水の密度（kg/m³）、μは冷却水の粘性係数（Kgfs/m²
×10^-4）である。

【０１１７】比較例において、例えば、単体のＬＤが３
０Wで発熱し、内径φ４ｍｍ、長さ１０ｍｍの突起の無
い冷却路４内に対し、２０℃の冷却水を流量１リットル
／分で冷却する場合を仮定すると、冷却水温度θ（２０
℃）と冷却路４の壁面（ｔ１）との温度差は以下のよう
になる。結果として、前記実験式よりレイノルズ数＝45
93、プラントル数＝7.09からヌセルト数42.8となり、熱
伝達係数ｈは式（２）より7274 W／m^２Kとなる。

【０１１８】結局、冷却水温度θ（２０℃）と冷却路４
の壁面温度ｔ１との温度差は２４．２℃となるので、冷
却路４内に突起がない比較例の場合の壁面温度の理論値
は約４４℃となる。

【０１１９】次に、前記と同様に突起の無い比較例にお
いて、冷却路４の上流から下流に沿って搭載されるＬＤ
の温度上昇を実験式で求めると、以下のようになる。例
えば、突起が無く流路長も摩擦の影響を受けない程度に
短く、理想的な流れ（層流）で効率よく冷却されている
場合を仮定すると、ＬＤ全体の熱抵抗（Ｒtotal）は、
（６）式で表される。Ｒtotal＝１／ρ・Ｃｐ・ｆ・・・（６）ここで、ρは冷却水の密度（kg/m³）、Ｃｐは冷却水の
定圧比熱（J/kgK）、ｆは体積流量（m³/s)である。

【０１２０】比較例によると、冷却水温度２０℃、流量
１リットル/分の冷却条件の場合での６個並列のＬＤ全
体の熱抵抗は、（６）式より０．０１４℃／Ｗが得られ
る。そして、前述したように全ＬＤの総熱量１８０Ｗで
発熱した場合に冷却路４の上流から下流に配置されたＬ
Ｄの温度差ΔＴ（温度上昇）は、ΔＴ＝０．０１４℃/W
×１８０W＝２．５２℃であり、従って、冷却路内に突
起の無い比較例の冷却装置での冷却路４の上流と下流に
配置されたＬＤ温度差の理論値は、２．５２℃というこ
とになる。

【０１２１】次に、図２の実施形態のように本発明の突
起を設けた場合の放熱効果について説明する。前述した
ように本発明の目的の１つは、ＬＤの高出力化に伴うＬ
Ｄの絶対温度を低減して寿命を延ばすことである。そし
て２つめは、効率的にレーザ励起を行うためにＬＤの発
振波長を制御するため、ＬＤの温度上昇を抑えることで
ある。

【０１２２】そこで本実施形態においては、冷却路４内
に突起が無い状態での２つの理論値（絶対温度、温度上
昇値）を基本として、突起を設けた場合の効果につい
て、三次元熱流体シミュレーション手法を用いて検証を
行った。

【０１２３】前述した冷却路４内に突起が無い比較例の
場合の理論値（冷却路壁面温度４４℃、温度差２．
５℃）に対し、冷却路内径φ４ｍｍのうち、片側の突起
高さを最大１．２ｍｍの範囲で合計１０種類の突起をモ
デル化し、突起高さの違いによる放熱性能を解析した。

【０１２４】結果として、冷却路４内に突起が無い場合
の冷却路壁面温度の理論値（４４℃）に比べ、同一の冷
却条件（水温２０℃、流量１リットル/分）で、一例と
して片側の突起高さ０．８ｍｍにおいて、約１１℃（３
２℃）の温度低減効果のあることが示された。

【０１２５】この結果は、突起が高くなるほど攪拌によ
る乱流効果が大きくなり、その効果によって効率よく熱
伝達が促進され、突起が無い理論値（４４℃）に比べ、
放熱性能が向上するためである。更に、本実施形態での
冷却装置は、小型化を実現するために放熱体構成要素２
ａ〜２ｆ同士を高密度に実装しているために冷却路４の
長さが短いので、冷却水は冷却路４の壁面の摩擦を受け
ることなく一様な速度分布をもつ安定した流れ(層流＝
速度助長区間）になり、突起の無い基本機構では乱流効
果を得ることができない。

【０１２６】一方、突起を設けた構造では、流路の長さ
に関係なく、局所的に設けた突起による流路４の縮小拡
大に伴って、急激に乱流状態へと移行する。

【０１２７】そして、乱流中には不規則な運動による流
体渦が存在しており、大小の流体渦による拡散作用によ
って、冷却路４の壁面から離れた位置にある冷却路４中
の冷却水が直接に冷却路４の壁面に到達するので、搭載
されたＬＤの温度を効率よく下げることができる。

【０１２８】これらの伝熱現象は、一般的に乱流効果と
して知られる。結局、前述のように突起を設けること
で、大幅にＬＤ冷却構造を改造することなく、放熱性能
が向上（約２５％）できるので、ＬＤの励起の高出力化
に対し、極めて高い放熱効果が得られる。

【０１２９】但し、突起を高くするほど放熱性能は向上
するが、冷却路４内の圧力は突起高さが１ｍｍを超える
と、突起の無い場合に比べ、圧力が急激に高くなる（約
１２倍＝２．１×１０⁵Pa）。従って、冷却水が流れに
くくなるため放熱性能が低下することや、冷却器３のポ
ンプへの負荷が大きくなるなど信頼性の点でも問題とな
るので、冷却器３のポンプの最大能力に応じた突起高さ
を予め知っておく必要がある。

【０１３０】実験結果によると、用いたポンプの最大能
力４．４×10⁵(Pa)に対し、突起高さ０．８ｍｍの場
合、３系列の冷却装置に冷却水（流量１リットル／分）
を流すことができ、突起の無い構造に比べ約２５％の放
熱性能を向上する等の効果が得られた。

【０１３１】次に、冷却路４の壁面からＬＤまでの熱伝
導による放熱性能を上げるための冷却機構について、冷
却路４の壁面からＬＤまでの最適な距離について説明す
る。

【０１３２】ここでは、冷却液の圧力上昇を抑え且つ放
熱性能を上げるのに最も適した構造として図５（ａ）に
示されるような環状部材１０ｂの縮径部１２ｂによって
形成される突起を適用し、その突起の高さを０．８ｍｍ
として、冷却路４の壁面とＬＤとの距離を５段階に変え
て試験を行った。

【０１３３】具体的には、ＬＤとの離間距離０．５ｍｍ
の位置に冷却路４を設けた場合と、１ｍｍの場合、２ｍ
ｍの場合、３ｍｍの場合、および、４ｍｍの場合で比較
を行った。

【０１３４】結果として、冷却路４とＬＤとの離間距離
が短くなるほど放熱性能は顕著に上がる。５種類の距離
の中で、最も放熱性能の良いのは離間距離１ｍｍの場合
であり、例えば離間距離４ｍｍの場合に比べ、ＬＤの熱
量が３０Ｗで３℃程低くできた。

【０１３５】従って、今後、ＬＤの高出力化に伴って単
体のＬＤの熱量が４０Ｗになると６℃の低減効果とな
り、同６０Ｗでは約９℃の低減効果が得られる。

【０１３６】なお、冷却路４とＬＤとの離間距離が０．
５ｍｍの場合、ＬＤに近い部分の冷却路４の壁面から逃
げる放熱量と遠い部分の冷却路４の壁面から逃げる放熱
量に偏りが生じてしまうので、逆に１ｍｍの距離に比べ
てＬＤ温度は高くなってしまう。

【０１３７】以上のことから、冷却路４の壁面とＬＤと
の間の離間距離を最適化し、効率よく熱伝導により熱を
冷却水に伝え、更に冷却路４内に備えた突起によって攪
拌効果を高めて熱伝達を促進し、ＬＤの絶対温度を低減
すると共に、冷却路４内で発生する乱流の大小さまざま
な流体渦によって上流側のＬＤと下流側のＬＤとの温度
上昇を制御することが望まれる。

【０１３８】実験結果によれば、突起高さ０．８ｍｍ、
流量１リットル/分の冷却水で冷却を行った場合、熱量
１８０Ｗの６個並列のＬＤを備えた冷却装置の場合で、
上流側のＬＤのマウント部の温度２７．８℃、下流側の
ＬＤのマウント部の温度は２９．５℃、温度上昇はΔ
T：１．７℃であった。そして、６個のＬＤの発振波長
のバラツキは、０．５ｎｍ以下の良好な結果が得られ
た。

【０１３９】

【発明の効果】本発明による半導体レーザの冷却装置
は、熱伝導率の高い金属から成るブロック状放熱体の表
面に励起光源を整列配備すると共に励起光源の整列方向
に沿ってブロック状放熱体の内部に冷却路を穿設し、こ
の冷却路内に所定の離間距離で突起を形成して冷却器か
らの冷却水を攪拌しながら流すようにしたので、冷却路
の壁面から内部の冷却水に万遍無く熱が伝達されるよう
になり、冷却水による冷却性能が大幅に向上する。ま
た、冷却水を供給する冷却器自体は従来のものをそのま
ま流用することができるため、周辺装置等に関して格別
の設備投資をする必要がない。この結果、励起光源とな
る複数のＬＤ(Laser Diode)をレーザ媒質の周囲に高密
度で実装したときに発生する膨大な熱を僅かなコストで
除去することが可能となり、高パワーで高品質な励起光
の得られる高出力半導体レーザが実現される。また、冷
却装置の冷却能力が強力であって、しかも、近年のＬＤ
の生産技術の高度化に伴ってＬＤ毎の発振波長のバラツ
キも少ないことから、複数の励起光源の発振波長が確実
に均一化され、レーザ媒質の効率よい励起が可能となっ
て、高出力で安定したレーザが得られるようになる。

【０１４０】また、冷却装置の主要部を構成するブロッ
ク状放熱体は個々の励起光源に対応して分割形成した複
数の放熱体構成要素によって構成し、各放熱体構成要素
間に設けた周溝に弾性部材から成る環状体を内嵌して両
側から圧縮することによりその内径を縮径して突起を形
成するようにしたので、放熱体構成要素における周溝の
加工と環状体の内嵌および放熱体構成要素同士の重合接
続といった簡単な製造工程によって、冷却路内に突起を
形成することができる。この際、弾性部材から成る環状
体としてオー・リング等の市販素材を流用することが可
能であり、このオー・リング自体がブロック状放熱体の
液漏れ防止手段を兼ねるので、格別の液漏れ防止手段を
必要としない安価な冷却装置を提供することができる。
また、周溝の深さ或いは押圧力を変えて環状体の圧縮量
を調整することによって環状体の内径、即ち、突起の突
出量を調整することが可能であり、必要とされる冷却水
の攪拌機能に応じた突起を容易に形成して発振波長調整
のための温度制御や冷却のための適切な温度制御を実施
することができる。同様にして、冷却器のポンプ能力に
応じて環状体の内径を調整することも可能である。しか
も、各々の励起光源に対応して分割形成された複数の放
熱体構成要素を重合して一つのブロック状放熱体を構成
しているため、放熱体構成要素の組み合わせ個数を変え
るだけの簡単な作業で、レーザ媒質の大きさ等に応じた
励起光源の配置が可能となる。

【０１４１】また、分割形成された各放熱体構成要素に
おける冷却路の一方の開口部を縮径させるだけの簡単な
構造で冷却路内に突起を形成することができるため、ブ
ロック状放熱体の製造が容易である。

【０１４２】放熱体構成要素の冷却路における縮径部
は、冷却路の内径よりも小さな内径を有する環状部材の
取り付けによって達成することができる。この場合、縮
径部を構成する環状部材を放熱体構成要素と独立して加
工することができるので、全体的な加工作業が容易とな
る利点がある。

【０１４３】また、冷却路の内径に相当する直径の盲穴
加工と小径の貫通穴加工とを併用して突起となる縮径部
を構成することも可能で、この場合、除去加工の対象と
なる放熱体構成要素の内部に対してのみ加工が行われる
ので、放熱体構成要素を製造するときの材料が節約され
るといった利点が生じる。

【０１４４】更に、中央部から両側に向けて拡径するテ
ーパ面あるいは一端から他端に向けて拡径するテーパ面
を縮径部に形成することにより、冷却路における急激な
流路の縮小および拡大を防止することができ、冷却器に
おけるポンプの負荷を軽減することができる。

【０１４５】更に、この縮径部に所定の周方向ピッチで
切欠部を形成すれば、冷却水の攪拌によって大小様々な
流体渦が発生し、熱伝達が促進されて一層効率のよい冷
却機能が達成される。

【０１４６】また、冷却路内に螺旋溝を刻設することに
よって一層の攪拌能力が発揮され、ブロック状放熱体の
熱伝達性能を大幅に向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１（ａ）は複数の放熱体構成要素を重合固定
して一つのブロック状放熱体を構成した実施形態につい
て示した平面図、また、図１（ｂ）は図１（ａ）からブ
ロック状放熱体の部分のみを取り出して簡略化して示し
た斜視図である。

【図２】周溝と弾性環状体とを利用して冷却水攪拌用の
突起を形成した第１実施形態について示した断面図であ
る。

【図３】図３（ａ）は第１実施形態の放熱体構成要素の
構造を示した断面図、図３（ｂ）はその組み立て工程に
ついて示した断面図、図３（ｃ）は組み立て後の状態に
ついて示した断面図である。

【図４】図４（ａ）は放熱体構成要素毎の開口部に形成
された周溝に弾性のない環状部材を内嵌して冷却水攪拌
用の突起を形成した第２実施形態で採用された環状部材
を示した正面図、図４（ｂ）は同実施形態で採用された
環状部材を示した断面図、図４（ｃ）は同実施形態の組
み立て工程について示した断面図、図４（ｄ）は組み立
て後の状態について示した断面図である。

【図５】図５（ａ）は第２実施形態の変形例で採用され
た環状部材を示した正面図、図５（ｂ）は同環状部材を
示した断面図である。

【図６】図６（ａ）は盲穴加工と小径の貫通穴加工とに
よって縮径部を形成して冷却路内の突起とした第３実施
形態について示した断面図、図６（ｂ）はその変形例に
ついて示した断面図、また、図６（ｃ）は冷却路内に螺
旋溝を刻設した第４実施形態について示した断面図であ
る。

【図７】従来の半導体レーザの冷却装置の構成の概略を
示した概念図である。

【符号の説明】

１半導体レーザの冷却装置２ブロック状放熱体２ａ〜２ｆ放熱体構成要素３冷却器４ブロック状放熱体の冷却路４ａ〜４ｆ放熱体構成要素毎の冷却路５ａ〜５ｆ周溝６ａ〜６ｆ環状体（突起）７長尺ボルト７ａボルトヘッド８ボルト穴９ナット１０ｂ環状部材１１ａ，１１ｂ周溝（環状部材内嵌用）１２ｂ縮径部（突起）１３ａ，１３ｂ周溝（オー・リング収納用）１４ａ，１４ｂオー・リング（液漏れ防止専用）１５ｂテーパ面１６ｂ切欠部１７ａ，１７ｂ縮径部１８ａ，１８ｂテーパ面１９ａ，１９ｂ周溝（オー・リング収納用）２０ａ，２０ｂ螺旋溝１００レーザ媒質としてのＹＡＧ結晶１０１ａ〜１０１ｆ励起光源としての半導体レーザ１０２a〜１０２ｄ放熱体１０３a〜１０３ｄ冷却路１０４冷却器１０５ａ〜１０５ｄバルブ１０６a〜１０６ｄ伝熱部材１０７温度センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者常包正樹東京都港区芝五丁目７番１号日本電気株式会社内Ｆターム(参考） 5E322 AA07 AB11 FA01 5F036 AA01 BA10 BB01 BB05 BB44 BB45 5F072 AB01 PP07 YY06 5F073 BA09 EA24 EA29 FA26

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ媒質の周囲に並列配備された複数
の励起光源を冷却する半導体レーザの冷却装置であっ
て、熱伝導率の高い金属から成るブロック状放熱体の表
面に前記励起光源の各々を整列配備すると共に、該励起
光源の整列方向に沿って前記ブロック状放熱体の内部に
冷却路を穿設し、該冷却路内に所定の離間距離で突起を
形成し、前記ブロック状放熱体の冷却路の両端の開口部
を冷却水供給用の冷却器に接続したことを特徴とする半
導体レーザの冷却装置。
【請求項２】各々の励起光源に対応して分割形成され
た複数の放熱体構成要素を設け、前記放熱体構成要素の
各々に前記冷却路を穿設すると共に、各放熱体構成要素
における前記冷却路の少なくとも一方の開口部に周溝を
形成して弾性部材から成る環状体を内嵌し、前記複数の
放熱体構成要素を前記励起光源の整列方向に沿って重合
して固定し、前記環状体の各々を両側の放熱体構成要素
により圧縮して弾性変形させて該環状体の内径を縮径す
ることで前記所定の離間距離の突起を形成したことを特
徴とする請求項１記載の半導体レーザの冷却装置。
【請求項３】各々の励起光源に対応して分割形成され
た複数の放熱体構成要素を設け、前記放熱体構成要素の
各々に前記冷却路を穿設すると共に、各放熱体構成要素
における前記冷却路の一方の開口部を縮径させ、前記複
数の放熱体構成要素を前記励起光源の整列方向に沿って
重合して固定することで前記所定の離間距離の突起を形
成したことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザの
冷却装置。
【請求項４】前記各放熱体構成要素における前記冷却
路の少なくとも一方の開口部に周溝を形成して前記冷却
路の内径よりも小さな内径を有する環状部材を内嵌して
前記一方の開口部を縮径させたことを特徴とする請求項
３記載の半導体レーザの冷却装置。
【請求項５】前記冷却路の内径に相当する直径の盲穴
加工と該盲穴加工よりも小径の貫通穴加工とによって前
記一方の開口部を縮径させたことを特徴とする請求項３
記載の半導体レーザの冷却装置。
【請求項６】前記一方の開口部の縮径部に、該縮径部
の軸方向の中央部から両側に向けて拡径するテーパ面を
形成したことを特徴とする請求項３，請求項４または請
求項５の何れか一項に記載の半導体レーザの冷却装置。
【請求項７】前記一方の開口部の縮径部に、該縮径部
の軸方向の一端から他端に向けて拡径するテーパ面を形
成したことを特徴とする請求項３，請求項４または請求
項５の何れか一項に記載の半導体レーザの冷却装置。
【請求項８】前記一方の開口部の縮径部に、該縮径部
を軸方向に貫通する切欠部を所定の周方向ピッチで複数
形成したことを特徴とする請求項３，請求項４，請求項
５，請求項６または請求項７の何れか一項に記載の半導
体レーザの冷却装置。
【請求項９】前記複数の放熱体構成要素間にオー・リ
ングを配備して液漏れ防止手段としたことを特徴とする
請求項３，請求項４，請求項５，請求項６，請求項７ま
たは請求項８の何れか一項に記載の半導体レーザの冷却
装置。
【請求項１０】前記冷却路内に螺旋溝を刻設したこと
を特徴とする請求項１，請求項２，請求項３，請求項
４，請求項５，請求項６，請求項７，請求項８または請
求項９の何れか一項に記載の半導体レーザの冷却装置。