JP2002246522A

JP2002246522A - 固体レーザーの冷却装置、及び、ヒートシンク

Info

Publication number: JP2002246522A
Application number: JP2001045685A
Authority: JP
Inventors: Osamu Noda; 修野田; Yasuhiko Shoda; 泰彦荘田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2001-02-21
Filing date: 2001-02-21
Publication date: 2002-08-30

Abstract

(57)【要約】【課題】レーザー発振媒体（固体）の長寿命化のために
冷却水路内の腐食の阻止を確実に実現する。【解決手段】固体レーザー発振素子１３に接合して冷却
するヒートシンク９に供給する冷却水を循環させる循環
系に介設されるバッファタンク２が設けられている。バ
ッファタンク２は、冷却水に溶存する酸素を随伴的にそ
の冷却水から分離する随伴分離気体（窒素ガス）を冷却
水の中に供給する供給管７を備えている。窒素ガスは、
冷却水の中に入り込む溶存酸素を効率的に随伴させて冷
却水から分離する。ヒートシンクの内部の交叉流路は滑
らかに形成され、エロージョンを有効に防止し、離脱し
た金属粒子による流路閉塞を効果的に防止する

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体レーザーの冷
却装置、及び、ヒートシンクに関し、特に、高出力固体
レーザーの発振素子を冷却するヒートシンクの内部の冷
却水流路の腐食を有効に防止する関固体レーザーの冷却
装置、及び、ヒートシンクに関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザーのような固体レーザー
が、大出力化されて加工機のような大出力光源として用
いられている。このような固体レーザーの発振媒体は、
その高出力化により発熱量が増大し、その冷却が必要で
ある。安定化された冷却のために、図８に示されるよう
なヒートシンクが用いられる。発振媒体１０１に熱的に
且つ電気的に接合するヒートシンク１０２は、その内部
に冷却水路１０３が通されている。ヒートシンク１０２
は、熱伝導率が高い銅が基材である銅製本体がコーティ
ングされて製作されている。銅製本体の表面には、Ｎｉ
コーティングが施され、そのＮｉには更にＡｕコーティ
ングが施されている。このような冷却構造のヒートシン
クを用いた半導体レーザー発振器は、冷却不良を起こし
ていて、部品の取り替えのような対処が必要であった。
更に、寿命が不可測的に短いことがある。

【０００３】そのような不良の発生又は短寿命の原因が
早急に見出される必要があった。図９は、図８に示され
る冷却通路１０３のコーナー部分１０５を拡大して示す
断面図である。使用前には、銅製本体１０４には綺麗に
Ｎｉ層１０６が形成され、更に、Ｎｉ層１０６にはＡｕ
層１０７が形成されている。１ヶ月間の通常運転を行っ
た後に断面を露出させて顕微鏡で観察したところ、図９
に点線で図面化されているように、Ｎｉ層１０６が電気
化学的に腐食して溶解し、更に、銅製本体１０４に及ぶ
までＮｉ層１０６が局部的に浸食されることが知られ
た。更に追究したところ、腐食溶解が進めば各層は部分
的に剥がれ落ちることが判明した。電気化学的反応によ
る溶解的腐食がある程度に進行した時に、局部的に一部
分が冷却水の流れにより剥がされ剥ぎ取られる物理的・
化学的現象である。

【０００４】冷却水路１０３には、純水が通される。冷
却水を冷却水路１０３に通す１０００時間の循環試験を
行いその冷却水を捕集して、１キロｅＶのＸ線解析を行
ったところ、冷却水中にＮｉ化合物が存在していた。ま
た、そのＸ線解析像からそれは、Ｎｉ（ＯＨ）であるこ
とが判明した。シール部周辺の拡大写真である図９に示
されるピンホール１０８の左側のＡｕ層１０７の斜線で
示される一部分１０９は、やがて剥がれ落ちるであろう
と推定される。総括すれば、電気化学的に腐食してでき
あがったＮｉ（ＯＨ）がシール材周辺に堆積し、更に、
Ａｕ層１０７の下部にＮｉ層１０６が浸食されることに
より残ったＡｕ層はやがて水圧により剥がれ落ち、冷却
水路の特定部分で堆積し、その水路を梗塞し、冷却水の
循環を阻害して、冷却不良により発振媒体が熱的に損傷
するのであろうとほぼ確定的に推定される。

【０００５】冷却水の酸素濃度と化学分析から、次の反
応が起きていることが判明した。Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻→４ＯＨ⁻ ４ＯＨ⁻＋２Ｎｉ_２＋→２Ｎｉ（ＯＨ）_２このようにＡｕ層、Ｎｉ層、ＣＵ層の断面が接液した場
合、電解によりＮｉが水中の溶存酸素により電子が放出
され、酸素と水から水酸基が生成し、その水酸基とＮｉ
とが反応して水酸化Ｎｉが生成し、冷却水路に堆積しそ
れを梗塞する。このような反応を引き起こすコーティン
グ層のピンホール１０８の生成や境界面の発生を抑制す
ることがレーザー発振媒体の長寿命化のために重要であ
る。

【０００６】高出力用のレーザー発振媒体（固体）の長
寿命化が求められる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、レー
ザー発振媒体（固体）の長寿命化のために冷却水路内の
腐食の阻止を確実に実現する固体レーザーの冷却装置、
及び、ヒートシンクを提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】その課題を解決するため
の手段が、下記のように表現される。その表現中に現れ
る技術的事項には、括弧（）つきで、番号、記号等が添
記されている。その番号、記号等は、本発明の実施の複
数・形態又は複数の実施例のうちの少なくとも１つの実
施の形態又は複数の実施例を構成する技術的事項、特
に、その実施の形態又は実施例に対応する図面に表現さ
れている技術的事項に付せられている参照番号、参照記
号等に一致している。このような参照番号、参照記号
は、請求項記載の技術的事項と実施の形態又は実施例の
技術的事項との対応・橋渡しを明確にしている。このよ
うな対応・橋渡しは、請求項記載の技術的事項が実施の
形態又は実施例の技術的事項に限定されて解釈されるこ
とを意味しない。

【０００９】本発明による固体レーザーの冷却装置は、
固体レーザー発振素子（１３）に接合して固体レーザー
発振素子（１３）を冷却するヒートシンク（９）と、ヒ
ートシンク（９）に供給する冷却水を循環させる循環系
に介設されるバッファタンク（２）とから構成されてい
る。バッファタンク（２）は、冷却水に溶存する酸素を
随伴的にその冷却水から分離する随伴分離気体を冷却水
の中に供給する気体供給器（７）を備えている。随伴分
離気体は、冷却水の中に入り込む溶存酸素を効率的に随
伴させて、又は、その溶存酸素に効率的に随伴して、そ
の溶存酸素を冷却水から分離する。随伴分離気体として
は、活性電子が存在しない冷却水では水に反応しない窒
素ガスが好適である。

【００１０】バッファタンク（２）は、ヒドラジンを冷
却水の中に供給するヒドラジン供給器（８）を更に備え
ていることが特に好ましい。ヒドラジンは、随伴分離気
体により除去されない溶存酸素を有効にその冷却水から
除去する。バッファタンク（２）は、冷却水の流れを昇
降的に曲折させる曲折流路を形成する仕切り（６）を更
に備えている。気体供給器は、随伴分離気体を供給する
供給管（７）を備え、供給管（７）の供給開口は、その
曲折流路の下方部位で開口することが好ましい。随伴分
離気体は、その供給開口から冷却水中に導入されバブル
になってその冷却水中で浮上して上昇し、その上昇過程
で溶存酸素を冷却水から随伴的に効率的に除去する。バ
ッファタンク（２）は、ヒドラジンを冷却水の中に供給
するヒドラジン供給器（８）を更に備え、ヒドラジン供
給器は、ヒドラジンを供給する他の供給管（８）を備え
ている。他の供給管（８）の供給開口は、曲折流路の他
の下方部位で開口する。

【００１１】本発明によるヒートシンクは、本体（１
０）と、本体（１０）の表面に接合し冷却水と化学的に
反応しにくい材料で形成される接合体（１５）とから構
成されている。このようなヒートシンクの本体（１０）
は、一層以上の金属層で表面コーティングが施されてい
る。本体（１０）は、熱伝導性がよく、且つ、熱伝導性
がよい材料（例示：銅）で形成されている。一層以上の
金属層の表面コーティングにより、既述の梗塞が防止さ
れる。

【００１２】本体（１０）は、本体（１０）の内部で前
記冷却水を流し前記本体の中で交叉する複数流路から形
成される交叉流路を備えている。従って、その交叉流路
の相貫線領域にも表面コーティングが施されている。相
貫線領域の表面コーティングは、既述の梗塞の防止のた
めに特に有効である。本体の露出面はそれの全面が金属
層の面であることが特に重要であり、全面の均等なコー
ティングは、局所的剥がれを有効に防止する。本体（１
０）は、既述の通り銅で形成されることが好ましい。こ
の場合、その２層の内の内側層はＮｉ層であり、その２
層の内の外側層はＡｕ層である。

【００１３】本体（１０）は、本体（１０）の内部で冷
却水を流し本体（１０）の中で交叉する複数流路（１
１，１２，１４）から形成される交叉流路と、その交叉
流路が本体（１０）の表面で開口する開口とを備えてい
る。その複数流路の相貫線領域は、滑らかに形成されて
いる。エッジ上に施工されるコーティングではコーティ
ング厚を均一に施工することが困難であるため施工不良
が発生するが、滑らかな形成面にコーティングが施さ
れ、そのような相貫線領域は、２層の金属層で滑らかに
表面処理されている。

【００１４】接合体（１５）は、開口（１１，１２）に
接続し冷却水を通す穴と、その穴の周囲を囲むシールリ
ング（１７）を嵌め込むシーリング溝（１６）とを有し
ている。このようなシーリング溝（１６）は、本体（１
０）に形成されていないので、既述のエッチングを防止
する。接合体は、金属でなく、絶縁体で形成されている
ことが好ましい。シールリング（１７）としては、Ｏリ
ングが好適である。

【００１５】

【発明の実施の形態】図に対応して、本発明による固体
レーザーの冷却装置の実施の形態は、冷却水供給源がバ
ッファタンクとともに設けられている。その冷却水供給
源１は、図１に示されるように、そのバッファタンク２
に接続している。冷却水供給源１は、冷却水タンク３と
ポンプ４とを備えている。冷却水タンク３は、ポンプ４
を介してバッファタンク２に接続している。冷却水タン
ク３は、冷却水を導入する冷却水入口５を備えている。
冷却水入口５から、純水が導入される。冷却水入口５か
ら大気中の空気（酸素と炭酸ガス）が進入することは回
避することができない。

【００１６】バッファタンク２は、内部に鉛直方向に向
く複数の仕切板６を備えている。バッファタンク２の壁
と仕切板６とで仕切られる領域に、Ｎ２ガス供給管７
と、ヒドラジン供給管８とが挿入されている。Ｎ２ガス
供給管７は、Ｎ２ガスをバッファタンク２の内部の水中
に導入する。ヒドラジン供給管８は、ヒドラジンをバッ
ファタンク２の内部の水中に導入する。ヒドラジンは、
水中に溶存する酸素に反応して除去する。

【００１７】仕切板６は、バッファタンク２の中で、冷
却水を上昇させ、且つ、下降させる曲折流路を形成す
る。Ｎ２ガス供給管７は、Ｎ２ガスを冷却水の中に導入
して供給する供給開口を有し、その供給開口は、その曲
折流路の下方部位で開口している。ヒドラジン供給管８
は、ヒドラジンを冷却水の中に導入して供給する供給開
口を有し、その供給開口は、その曲折流路の他の下方部
位で開口している。Ｎ２ガス供給管７の供給開口は、ヒ
ドラジン供給管８の供給開口よりも上流側に配置されて
いることが好ましい。

【００１８】バッファタンク２に導入されたＮ２ガス
は、水中のバブリング効果により水中溶存酸素を誘い出
し酸素を引き連れ随伴して浮上する。このように導入さ
れ泡化されるＮ２ガスは、水中の溶存酸素の溶存酸素濃
度を低下させる。仕切板６は、バブリング効率を向上さ
せて、溶存酸素濃度の低下を促進する。１０ｐｐｍ以下
で導入されるヒドラジンＮＨ４は、このように溶存酸素
濃度が低下した冷却水の溶存酸素濃度を更に低下させ、
又は、その溶存酸素濃度の上昇を抑制することができ
る。

【００１９】バッファタンク２は、気水分離器２１を伴
っている。気水分離器２１は、バッファタンク２の頂部
に配置されている。気水分離器２１は、酸素随伴Ｎ２ガ
スを効率的に水から分離して、大気中に放出する公知の
装置である。このように酸素が効率的に除去された冷却
水は、ヒートシンク９の内部に形成されているマイクロ
チャンネル（細い冷却水路）１４の入口側から導入され
る。ヒートシンク９の出口側から出る冷却水は、ポンプ
４の吐出圧に押されて冷却水タンク３に循環的に戻る。
冷却水タンク３は、全体的に密封構造化されており、冷
却水入口５は冷却水タンク３の頂部に配置され、ポンプ
４から進入することを回避できない空気と冷却水の水面
との接触面積が最小化されていて、ポンプ４から酸素が
冷却水中に溶解する量を極力に最小化している。

【００２０】図２と図３は、本発明によるヒートシンク
の実施の形態を示し、特に、そのマイクロチャンネル１
４の構造の改良を示している。ヒートシンク９には、共
に断面が楕円形状である冷却水導入穴１１と冷却水導出
穴１２が形成されている。図３は、冷却水導入穴１１と
冷却水導出穴１２の断面を同一平面に表している。冷却
水導入穴１１と冷却水導出穴１２は、ヒートシンク９に
並んで配置されている。冷却水導入穴１１は、ヒートシ
ンク９の表面側から送り側マイクロチャンネル１４に接
続し、冷却水導出穴１２は、ヒートシンク９の裏面側か
ら戻り側マイクロチャンネル１４に接続している。冷却
水導入穴１１と冷却水導出穴１２は、レーザー発振媒体
１３の方に向かいレーザー発振媒体１３の方から戻る冷
却水路としてのマイクロチャンネル１４にそれぞれに接
続している。レーザー発振媒体１３は、ヒートシンク９
の一方の端部の表面側に接合している。

【００２１】ヒートシンク９のヒートシンク本体１０の
表裏面に、図３に示されるように、セラミック被覆体１
５が接合している。冷却水導入穴１１と冷却水導出穴１
２にそれぞれに位置対応して、Ｏリング装着穴１６がセ
ラミック被覆体１５に開けられていて、ヒートシンク本
体１０には開けられていない。Ｏリング装着穴１６がヒ
ートシンク本体１０に開けられていないことは、公知の
ヒートシンク１１２を表す図４，５に示されるように、
Ｏリング装着穴１１１がヒートシンク１１２そのもの
（ヒートシンク本体）に開けられている点で著しく異な
っている。

【００２２】公知のヒートシンク本体１１２は、Ｏリン
グ１１３が安定的に装着されるように、ヒートシンク本
体１１２に溝（１１１）が形成されていて、ＮｉとＡｕ
の剥がれを助長している。本発明によるヒートシンク９
には、Ｏリング１７を安定的に装着する溝又は穴はセラ
ミック被覆体１５の側に形成され、ヒートシンク本体１
０の側には形成されていない。

【００２３】図６は、冷却水導入穴１１又は冷却水導出
穴１２とマイクロチャンネル１４の形状面を更に詳細に
示している。冷却水導入穴１１又は冷却水導出穴１２の
各開口線領域（例示：楕円線領域（図２参照）、円線領
域、四角形線領域）は、滑らかに変化する曲率を有する
丸みＲ１，Ｒ２がそれぞれに形成されている。冷却水導
入穴１１又は冷却水導出穴１２とマイクロチャンネル１
４が交叉して形成する相貫線領域は、滑らかに変化する
曲率を有する丸みＲ３が形成されている。このような丸
みＲ１，Ｒ２，Ｒ３が形成されたヒートシンク本体１０
（銅製）の表面に、図７に示されるように、Ｎｉ層１８
が形成され、更にＮｉ層１８にＡｕ層１９が形成されて
いる。このように表面が滑らかであれば、電池イオン反
応の局所的特異的電池電圧の発生が有効に抑制され、エ
ロージョンが抑制される。また、コーティングの厚みを
十分確保することができ、コーティング不良を抑制し、
Ｎｉ、Ａｕ断面の接液部をなくすことができる。

【００２４】図７に示されるような局所領域のみにＮｉ
層１８とＡｕ層１９の２層形成処理が施されるのではな
く、ヒートシンク本体１０の露出表面の全表面（特にマ
イクロチャンネルの内表面）にこのような２層形成処理
が施されることが好ましい。これにより、コーティング
の境界がなくなり、Ｎｉ、Ａｕ層の断面が水中に表出す
ることがない。

【００２５】酸素溶存濃度が低いので、既述のＮｉイオ
ンとＯＨイオンの反応が抑制され、更に、ヒドロジンの
存在によりその酸化反応が更に抑制され、Ｎｉ層の腐食
及び析出物の堆積が阻止できる。また、Ｎｉ腐食により
その上層にあるＡｕ層の剥がれ落ちが防止されて、水路
の閉塞が効果的に回避される。１０００時間の耐久テス
トの結果では、冷却水中にＮｉの存在は見出されなかっ
た。

【００２６】

【発明の効果】本発明による固体レーザーの冷却装置、
及び、ヒートシンクは、酸素除去によりヒートシンクの
腐食を有効に防止して、その冷却性能の劣化を抑制す
る。そのヒートシンクは、その内部の流路の腐食を有効
に阻止する。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明による固体レーザーの冷却装置
の実施の形態を示す断面図である。

【図２】図２は、本発明によるヒートシンクの実施の形
態を示す平面図である。

【図３】図３は、図２に一部の断面図である。

【図４】図４は、公知のヒートシンクを示す平面図であ
る。

【図５】図５は、図４の一部の断面図である。

【図６】図６は、図３のヒートシンクの一部を詳細に示
す断面図である。

【図７】図７は、図６の一部を更に詳細に示す断面図で
ある。

【図８】図８は、公知のヒートシンクを示す断面図であ
る。

【図９】図９は、図８の一部を詳細に示す断面図であ
る。

【符号の説明】

２…バッファタンク６…仕切り７…気体供給器（供給管）８…ヒドラジン供給器（他の供給管）９…ヒートシンク（本体）１０…本体１１，１２，１４…複数流路１１，１２…開口１３…固体レーザー発振素子１５…接合体１６…シーリング溝１７…シールリング

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固体レーザー発振素子に接合して前記固体
レーザー発振素子を冷却するヒートシンクと、前記ヒートシンクに供給する冷却水を循環させる循環系
に介設されるバッファタンクとを含み、前記バッファタンクは、前記冷却水に溶存する酸素を随伴的に前記冷却水から分
離する随伴分離気体を前記冷却水の中に供給する気体供
給器を備える固体レーザーの冷却装置。
【請求項２】前記随伴分離気体は、窒素ガスである請求
項１の固体レーザーの冷却装置。
【請求項３】前記バッファタンクは、ヒドラジンを前記冷却水の中に供給するヒドラジン供給
器を更に備える請求項２の固体レーザーの冷却装置。
【請求項４】前記バッファタンクは、前記冷却水の流れを昇降的に曲折させる曲折流路を形成
する仕切りを更に備え、前記気体供給器は、前記随伴分離気体を供給する供給管を備え、前記供給管の供給開口は、前記曲折流路の下方部位で開
口する請求項１の固体レーザーの冷却装置。
【請求項５】前記バッファタンクは、ヒドラジンを前記冷却水の中に供給するヒドラジン供給
器を更に備え、前記ヒドラジン供給器は、前記ヒドラジンを供給する他
の供給管を備え、前記他の供給管は供給開口は、前記曲折流路の他の下方
部位で開口する請求項４の固体レーザーの冷却装置。
【請求項６】本体と、前記本体の表面に接合し冷却水と化学的に反応しにくい
材料で形成される接合体とを含み、前記本体は一層以上の金属層で表面コーティングが施さ
れているヒートシンク。
【請求項７】前記本体は、前記本体の内部で前記冷却水を流し前記本体の中で交叉
する複数流路から形成される交叉流路を備え、前記交叉流路の相貫線領域は、前記表面コーティングが
施されている請求項６のヒートシンク。
【請求項８】前記本体の露出面はそれの全面が前記金属
層の面である請求項６又は７のヒートシンク。
【請求項９】前記本体は、銅で形成され、前記２層の内の内側層はＮｉ層であり、前記２層の内の
外側層はＡｕ層である請求項６〜８から選択される１請
求項のヒートシンク。
【請求項１０】前記接合体は、絶縁体で形成されている
請求項９のヒートシンク。
【請求項１１】前記本体は、前記本体の内部で前記冷却水を流し前記本体の中で交叉
する複数流路から形成される交叉流路と、前記交叉流路が前記本体の表面で開口する開口とを備
え、前記接合体は、前記開口に接続し前記冷却水を通す穴と、前記穴の周囲を囲むシールリングを嵌め込むシーリング
溝とを有している請求項６のヒートシンク。