JP2005217033A - 放熱器 - Google Patents

Abstract

【課題】 製作コストを極力上げることなく冷却性能を向上させること。
【解決手段】 ＬＤアレイ１７で発生した熱を放熱するための上下の放熱フィン１０−１，１３−１を、各フィンの先端部から根元部までの長さを交互に長短サイズとし、当該放熱器４−１におけるＬＤアレイ１７の搭載端面３ａ，１ａに近い長サイズ側の根元部同士を直線状に配列し、その長サイズ側の根元部よりも端面３ａ，１ａから離れた短サイズ側の根元部同士を直線状に配列して形成し、中受熱体２−１に、上受熱体３−１と下受熱体１−１との放熱フィン１０−１，１３−１における長短サイズの各フィン根元部分で流路１２０ａ，１２０ｂ，１３０ａ，１３０ｂを連通する連通穴１１ａ，１１ｂを形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高出力ＬＤ（レーザーダイオード）アレイ等の高熱を発生する装置に適用される水冷式の放熱器に関する。

この種の従来技術として、例えば図６、図７及び図８に示す高出力ＬＤアレイ用の放熱器がある。ここで、図６は、放熱器４全体の縦断面図である。図７の（ａ）は図６に示すＡ１−Ａ２から見た上受熱体３の下面図、（ｂ）は図６に示すＢ１−Ｂ２から見た平面図、（ｃ）は図６に示すＣ１−Ｃ２から見た平面図である。図８は、図６に示すＨ１−Ｈ２線で切断した際の断面図である。

高出力ＬＤアレイ１７は、発熱密度が数十〜数百Ｗ／ｃｍ^２程度と大きいため、ＬＤアレイ１７の温度上昇によりレーザー出力、効率、発信波長、素子寿命に大きな影響を与える。従って、ＬＤアレイ１７で発生した熱をいかに除去するかが非常に重要な課題になる。
また、このＬＤアレイ１７の大きさが長さ１０ｍｍ×幅１〜１．５ｍｍ程度と上受熱体３との接触面積が非常に小さく、空冷式では温度上昇が押えきれないため、この種の放熱器４では内部に水路を設け水冷式の放熱を行っている。
この放熱器４の水路は、図７の（ａ）に示す上面水路、（ｂ）に示す中面水路、（ｃ）に示す下面水路が設けられた３層の構造となっている。

このような構造の放熱器の動作を、図６〜図８を参照して説明する。
受熱体１の給水口５に導かれた冷却水は、受熱体２の円形連通穴６を通り、上受熱体３の給水口７まで到達する。ここで冷却水は、概略扇形の上面水路８によって拡がり、櫛歯状の多数の放熱フィン１０に到達する。この際、給水側の圧力損失を低減させるために上座グリ部３０を設けることによって、続路断面積を拡大させている。上座グリ部３０は、放熱フィン１０の手前まで形成され、放熱フィン１０に冷却水が流入する際、流速を向上させ熱交換効率を高める役割を果たしている。

この放熱フィン１０の上面の端部にはＬＤアレイ１７が接合されている。放熱フィン１０まで到達した冷却水は、当該放熱フィン１０で熱交換され中受熱体２の円形連通穴１１を通り下受熱体１に設けられた放熱フィン１３の間を通り、下面水路１４に到達する。
ここで、冷却水は流路絞り部１５により２つに分流し、排水口１６で再び合流し、放熱器４外に排出される。この際、排水口の圧力損失を低減させる為、中受熱体２に貫通口３１を設けることによって流路断面積を拡大させている。

なお、受熱体１、２、３は熱伝導が良好な金属材料を用いて製作され、各受熱体１〜３は半田等で気密かつ熱伝導良好な状態に接合されている。
この種の従来の放熱器として、例えば特許文献１及び特許文献２に記載のものがある。
ＷＯ００／１１９２２号公報 特開平８−１３９４７９号公報

ところで、従来の放熱器においては、放熱フィン１０の構造を、ＬＤアレイ１７で発生した熱を上受熱体３で受熱し、板厚方向に熱伝導させ、ＬＤアレイ１７の数倍の長さに設計した放熱フィン１０に導かせるようにしている。また、上受熱体３に設けられた放熱フィン１０だけでは、放熱量が充分でないため、中受熱体２の隔壁１１ｇに熱伝導させ、更に下受熱体１に設けた放熱フィン１３に熱伝導させることによって、放熱量を増加させる構造としている。
この放熱フィン１０の構造では、給水口５の円形形状を矩形の平面状に拡大し、ＬＤアレイ１７で発生した熱を幅方向前面で熱交換し、熱交換された冷却水が、円形連通穴１１を通り下層の水路へ導かれ、排水口１６より排出されるので、ＬＤアレイ１７の熱を効率良く除去することが可能である。

また、ＬＤアレイ１７の更なる出力増加に伴う温度上昇を抑えるためには、冷却水との熱交換効率を更に高める必要がある。このため、従来の放熱器４では、上受熱体３からの熱を放熱フィン１０を介して中受熱体２の隔壁１１ｇに伝導させている。しかし、図６に示すようにＬＤアレイ１７等の発熱体は、通常、放熱器４の片側端面に合わせて接合されているので、発熱体で発生した熱は、矢印Ｙ１，Ｙ２で示すように受熱体内部を通り、各受熱体３〜１に拡散する際に、上受熱体３の正面壁３ａ、側面壁３ｂ及び放熱フィン１０により中受熱体２の正面壁２ａ、側面壁２ｂ及び隔壁１１ｇを経て、下受熱体１の正面壁１ａ、側面壁１ｂ及び放熱フィン１３に伝導され、放熱器４全体へ熱が拡散される。

この際、放熱フィン１０の面積が小さいので、中受熱体２への熱拡散は主に正面壁３ａを通って中受熱体２の正面壁２ａに熱伝導される。ここで、矢印Ｙ３及びＹ４で示すように、中受熱体２の内部方向へ熱が移動する場合、実装密度の高い放熱フィン１０の幅と等しい隔壁１１ｇの間隔が狭いので、熱抵抗が大きく熱が伝導しにくい。このため、発熱体の発熱量が大きい場合は、その温度上昇を抑えることができないという問題がある。
この問題を解消するために、放熱フィン１０を増加させる等の対策も考えられるが、製造コスト等の製造上の制約で限界があり、現状では温度上昇を抑えるための対策がなかった。

また、図７に示すように、上受熱体３の放熱フィン１０と下受熱体１の放熱フィン１３とは上下で形成位置が一致し、その上下の放熱フィン１０，１３の一列に配列された根元部分の位置に、中受熱体２の隔壁１１ｇがあり、各隔壁１１ｇの間に上の各放熱フィン１０間の冷却水の流路と下の放熱フィン１３間の冷却水の流路とを接続する連通穴１１が形成されている。このため、上下の放熱フィン１０，１３と、連通穴１１と高精度に形成しないと、図９（ａ）に示すように位置ズレを起こして流路の断面積が小さくなり、冷却性能が低下するという問題がある。

この問題を解消するために、図９（ｂ）に示すように、中受熱体２の連通穴１１の直径Ｌ１を大きくすることで位置ズレを吸収することが可能であるが、隔壁１１ｇの幅Ｌ２が益々小さくなるので上述で説明したように熱抵抗がより大きくなって熱拡散がより低下し、発熱体の温度上昇をより抑えることができなくなる。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、製作コストを極力上げることなく冷却性能を向上させることができる放熱器を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１による放熱器は、熱を受け取る板状の受熱体が少なくとも上中下の３層に積層されて接合され、このうち上受熱体の上面に熱を発生する発熱体が接合され、その発熱体の下方で中受熱体と上下で接合する上受熱体及び下受熱体の双方の接合面に、前記発熱体の熱を放熱するための櫛歯状を成す放熱フィンがフィン間に冷却水の流路を伴って形成され、その流路が中受熱体を貫通して上下で連通されると共に下受熱体の給水口及び排水口に連通されてなる放熱器において、前記放熱フィンを、各フィンの先端部から根元部までの長さを交互に長短サイズとし、当該放熱器における前記発熱体の搭載端面に近い長サイズ側の根元部同士を直線状に配列し、その長サイズ側の根元部よりも前記端面から離れた短サイズ側の根元部同士を直線状に配列して形成し、前記中受熱体に、前記上受熱体と前記下受熱体との双方の放熱フィンにおける長短サイズの各フィン根元部分で流路を連通する連通穴を形成したことを特徴としている。

この構成によれば、上下の放熱フィンにおけるフィン間に位置する流路の先端が、ジグザグ状に配置されることになる。このようにジグザグ状となった場合、上下の放熱フィンには、その流路の先端で囲まれたランド領域が形成されることになる。また、中受熱体に形成される上下の流路の先端を連通する連通穴もジグザグ状に形成されることになる。このように各連通穴がジグザグ状に形成された場合、従来の連通穴のように全てが一列に配列された場合よりも、各連通穴同士の間隔が広くなる。また、中受熱体においても、上と下受熱体のランド領域に対応する部分にランド領域が形成されることになる。このランド領域によって伝熱面積が拡大されているので、発熱体からの熱がランド領域を通るようになって伝熱量が増大される。更に、中受熱体の連通穴の間隔が広くなって熱抵抗が大幅に低下しているので、伝熱量が増大されている。これらのことから、熱が伝導しやすくなって熱拡散性が向上する。

以上説明したように本発明の放熱器によれば、製作コストを極力上げることなく冷却性能を向上させることができるという効果がある。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。但し、本明細書中の全図において相互に対応する部分には同一符号を付し、重複部分においては後述での説明を適時省略する。
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る放熱器４−１の全体の縦断面図である。
図２は、図１に示す放熱器４−１の上受熱体３−１の構造を示し、（ａ）は上受熱体３−１の平面図、（ｂ）は上受熱体３−１を（ａ）のＥ１−Ｅ２線で切断した際の断面図、（ｃ）は上受熱体３−１の下面図である。
図３は、図１に示す放熱器４−１の中受熱体２−１の構造を示し、（ａ）は中受熱体２−１の平面図、（ｂ）は中受熱体２−１を（ａ）のＦ１−Ｆ２線で切断した際の断面図、（ｃ）は中受熱体２−１の下面図である。

図４は、図１に示す放熱器４−１の下受熱体１−１の構造を示し、（ａ）は下受熱体１−１の平面図、（ｂ）は下受熱体１−１を（ａ）のＧ１−Ｇ２線で切断した際の断面図である。
図５は、図１に示す放熱器４−１をＨ１−Ｈ２線で切断した際の断面図である。
本実施の形態の放熱器４−１の特徴は、まず、互いに上下で位置が一致するように形成される上受熱体３−１の放熱フィン１０−１と、下受熱体１−１の放熱フィン１３−１との形状を、図１、図２及び図４に示すような形状とした点にある。

即ち、放熱フィン１０−１を、全体で櫛歯状を成し、各間に冷却水の流路１２０ａ，１２０ｂが形成された各フィンの先端部から根元部１０ａ，１０ｂまでの長さを交互に長短サイズとし、正面壁３ａに近い根元部１０ａ同士を一直線に配列し、その根元部１０ａよりも正面壁３ａから離れた根元部１０ｂ同士も一直線に配列して形成した。
同様に、放熱フィン１３−１を、全体で櫛歯状を成し、各間に冷却水の流路１３０ａ，１３０ｂが形成された各フィンの先端部から根元部１３ａ，１３ｂまでの長さを交互に長短サイズとし、正面壁１ａに近い根元部１３ａ同士を一直線に配列し、その根元部１３ａよりも正面壁１ａから離れた根元部１３ｂ同士を一直線に配列して形成した。

但し、図２に示すように、正面壁３ａ（又は１ａ）から根元部１０ｂ（又は１３ｂ）までの長さＬ３は、ＬＤアレイ１７の短手方向の幅Ｌ４以上とする。
このように上下の放熱フィン１０−１，１３−１を形成することによって、各フィン間に形成される流路１２０ａ，１２０ｂと１３０ａ，１３０ｂの先端は、ジグザグ状に配置されることになる。このようにジグザグ状となった場合、上下の放熱フィン１０−１，１３−１には、その流路１２０ａ，１２０ｂと１３０ａ，１３０ｂの先端で囲まれたランド領域２０３，２０１が形成されることになる。

また、図３及び図５に示すように、中受熱体２−１に連通穴１１ａ，１１ｂを形成する。この連通穴１１ａ，１１ｂは、上下の放熱フィン１０−１，１３−１におけるフィン間の流路１２０ａ，１２０ｂと１３０ａ，１３０ｂの先端部分を冷却水が流れるように接続するものである。つまり、各連通穴１１ａ，１１ｂは、ジグザグ状に形成されることになる。
このように各連通穴１１ａ，１１ｂがジグザグ状に形成された場合、図７に示した従来の連通穴１１のように全てが一列に配列された場合よりも、各連通穴１１ａ，１１ｂの隔壁１１ｇ−１の間隔Ｌ５が広くなる。また、中受熱体２−１においても、上受熱体３−１と下受熱体１−１とのランド領域２０３，２０１に対応する部分にランド領域２０２が形成されることになる。

次に、このような特徴を有する放熱器４−１による放熱動作を説明する。
下受熱体１−１の給水口５に導かれた冷却水は、概略扇形の下面水路１３０により拡がって放熱フィン１３−１まで到達する。この際、中受熱体２−１に設けられた流路面積拡大用の座グリ部１３１によって給水側の圧力損失が低減される。
このように放熱フィン１３−１間の流路１３０ａ，１３０ｂに導かれた冷却水は、中受熱体２−１の各連通穴１１ａ，１１ｂを通って上受熱体３−１の放熱フィン１３−１間の流路１２０ａ，１２０ｂに導かれる。この導かれた冷却水は、放熱フィン１０−１を冷却しながら流れ、ランド１３２−１で分かれる水路１３３−１を通って座グリ部１３４−１に導かれ、更に中受熱体２−１の連通穴１３４−２を通って、下受熱体１−１の座グリ部１３４−３を経て排水口１６より排出される。

但し、上受熱体３−１の水路１３３−１は、この下の中受熱体２−１に設けられた座グリ部１３３−２によって断面積が拡げられているので給水側の圧力損失が低減される。同様に、下受熱体１−１に設けられた座グリ部１３４−３によっても、排水口１６から排水される際の排水の圧力損失が低減される。
なお、上受熱体３−１と中受熱体２−１とに上下で合致するように設けられたランド１３２−１，１３２−２は、次のように使用される。この種の放熱器４−１は、レーザーダイオードの出力を大きくする為に同一面上に積層して使用する場合があるので、この際、先のランド１３２−１，１３２−２に、給水口５と同等の直径の連通穴を設けて冷却水を上段に設置された放熱器に導くために使用される。本実施の形態では、放熱器４−１単体での動作説明のため、詳細は割愛する。

上記のように流れる冷却水によって、次のような熱交換が行われる。
図１に矢印Ｙ１１，Ｙ１２で示すように、ＬＤアレイ１７で発生した熱は、上受熱体３−１、中受熱体２−１、下受熱体１−１の内部へ熱伝導良く拡散してゆく。この際、各受熱体３−１，２−１，１−１のランド領域２０３，２０２，２０１においては、伝熱面積が拡大されているので、図３に矢印Ｙ１３、図５に矢印Ｙ１４で示すように、伝熱量が増大される。
更に言及すれば、ランド領域２０３，２０２，２０１に伝導した熱は、中受熱体２−１の連通穴１１ａ，１１ｂがジグザグ状に配置されていることによって、隔壁１１ｇ−１の間隔Ｌ５が広くなっているので、放熱器４−１の長手方向の熱抵抗が大幅に低下しているので、その分、熱が伝導しやすくなって熱拡散性が向上する。

以上説明したように本実施の形態の放熱器４−１によれば、ＬＤアレイ１７で発生した熱を放熱するための上下の放熱フィン１０−１，１３−１を、各フィンの先端部から根元部までの長さを交互に長短サイズとし、当該放熱器４−１におけるＬＤアレイ１７の搭載端面３ａ，１ａに近い長サイズ側の根元部１０ａ，１３ａ同士を直線状に配列し、その長サイズ側の根元部１０ａ，１３ａよりも端面３ａ，１ａから離れた短サイズ側の根元部１０ｂ，１３ｂ同士を直線状に配列して形成し、中受熱体２−１に、上受熱体３−１と下受熱体１−１との放熱フィン１０−１，１３−１における長短サイズの各フィン根元部分で流路１２０ａ，１２０ｂ，１３０ａ，１３０ｂを連通する連通穴１１ａ，１１ｂを形成した。

これによって、上下の放熱フィン１０−１，１３−１におけるフィン間に位置する流路の先端が、ジグザグ状に配置されることになる。このようにジグザグ状となった場合、上下の放熱フィン１０−１には、その流路の先端で囲まれたランド領域２０３が形成されることになる。また、中受熱体２−１に形成される上下の流路の先端を連通する連通穴１１ａ，１１ｂもジグザグ状に形成されることになる。このように各連通穴１１ａ，１１ｂがジグザグ状に形成された場合、従来の連通穴のように全てが一列に配列された場合よりも、各連通穴１１ａ，１１ｂ同士の間隔Ｌ５が広くなる。また、中受熱体２−１においても、上受熱体３−１と下受熱体１−１のランド領域２０３，２０１に対応する部分にランド領域２０２が形成されることになる。このランド領域２０３，２０２，２０１によって伝熱面積が拡大されているので、ＬＤアレイ１７からの熱がランド領域２０３，２０２，２０１を通るようになって伝熱量が増大される。更に、中受熱体２−１の連通穴１１ａ，１１ｂの間隔Ｌ５が広くなって熱抵抗が大幅に低下しているので、伝熱量が増大されている。これらのことから、熱が伝導しやすくなって熱拡散性が向上する。
従って、製作コストを極力上げることなく冷却性能を向上させることができる。

また、この種の放熱器４−１は、中受熱体２−１の伝熱が重要である。中受熱体２−１が良好に受熱し、内部に熱を拡散しないと、その下に設けられた下受熱体１−１へ熱が伝導し難くなるので、放熱器４−１全体の熱抵抗が大きくなり、ＬＤアレイ１７の温度上昇が大きくなってしまうからである。
ところで、放熱フィン１０−１，１３−１の根元部分全体を短くし、正面壁３ａ，２ａ，１ａのランド領域２０３，２０２，２０１の面積を広くすれば、上受熱体３−１からの熱伝導は良好になるが、それでは放熱フィン１０−１，１３−１全体の表面積が小さくなるのと、ＬＤアレイ１７の直下に冷却水が届かないので、冷却効率を低下させる恐れがあって好ましくない。

しかし、本実施の形態では、ＬＤアレイ１７の直下にも冷却水を導きながら中受熱体２−１の正面壁２ａへの伝熱量も増加させることができるので、大出力のＬＤアレイ１７を搭載しても、温度上昇を低く抑えられることが可能となる。
また、製造方法も放熱フィン１０−１，１３−１の根元部分の寸法を変えているだけなので従来技術と同様エッチングやプレス加工などで容易に成形可能となる。従って、コストアップの恐れもない。

更に、中受熱体２−１の連通穴１１ａ，１１ｂの位置がジグザグ状に配置されるようにしたので、上下の放熱フィン１０−１，１３−１の根元部分の加工精度による位置ズレが生じた場合に、そのズレを吸収するために、従来例で説明したように中受熱体２−１の連通穴１１ａ，１１ｂの直径を大きくしても、隔壁１１ｇ−１の間隔Ｌ５を充分に大きくとることができる。これによって、従来技術のような高精度な位置決め精度を必要としないので、コストを低く抑えられるメリットもある。

本発明の実施の形態に係る放熱器の全体の縦断面図である。 上記実施の形態に係る放熱器の上受熱体の構造を示し、（ａ）は上受熱体の平面図、（ｂ）は上受熱体を（ａ）のＥ１−Ｅ２線で切断した際の断面図、（ｃ）は上受熱体の下面図である。 上記実施の形態に係る放熱器の中受熱体の構造を示し、（ａ）は中受熱体の平面図、（ｂ）は中受熱体を（ａ）のＦ１−Ｆ２線で切断した際の断面図、（ｃ）は中受熱体の下面図である。 上記実施の形態に係る放熱器の下受熱体の構造を示し、（ａ）は下受熱体の平面図、（ｂ）は下受熱体を（ａ）のＧ１−Ｇ２線で切断した際の断面図である。 上記実施の形態に係る放熱器をＨ１−Ｈ２線で切断した際の断面図である。 従来の放熱器の全体の縦断面図である。 （ａ）は図６に示すＡ１−Ａ２から見た上受熱体の下面図、（ｂ）は図６に示すＢ１−Ｂ２から見た平面図、（ｃ）は図６に示すＣ１−Ｃ２から見た平面図である。 図６に示すＨ１−Ｈ２線で切断した際の断面図である。 （ａ）従来の放熱器において上下の放熱フィンと連通穴とが位置ズレを起こして冷却水流路の断面積が小さくなった状態を表す図、（ｂ）連通穴の直径を大きくした状態を表す図である

符号の説明

１，１−１ 下受熱体
１ａ，２ａ，３ａ 放熱器の正面壁
２，２−１ 中受熱体
３，３−１ 上受熱体
４，４−１ 放熱器
５ 給水口
１０，１３，１０−１，１３−１ 放熱フィン
１０ａ，１３ａ 長サイズの放熱フィンの根元部
１０ｂ，１３ｂ 短サイズの放熱フィンの根元部
１１ａ，１１ｂ，１３４−２ 連通穴
１１ｇ−１ 連通穴の隔壁
１６ 排水口
１７ ＬＤアレイ
１２０ａ，１２０ｂ，１３０ａ，１３０ｂ 冷却水の流路
１３０ 下面水路
１３１，１３３−２，１３４−１，１３４−３ 座グリ部
１３２−１，１３２−２ ランド
１３３−１ 水路
２０１，２０２，２０３ ランド領域

Claims (1)

1. 熱を受け取る板状の受熱体が少なくとも上中下の３層に積層されて接合され、このうち上受熱体の上面に熱を発生する発熱体が接合され、その発熱体の下方で中受熱体と上下で接合する上受熱体及び下受熱体の双方の接合面に、前記発熱体の熱を放熱するための櫛歯状を成す放熱フィンがフィン間に冷却水の流路を伴って形成され、その流路が中受熱体を貫通して上下で連通されると共に下受熱体の給水口及び排水口に連通されてなる放熱器において、
   前記放熱フィンを、各フィンの先端部から根元部までの長さを交互に長短サイズとし、当該放熱器における前記発熱体の搭載端面に近い長サイズ側の根元部同士を直線状に配列し、その長サイズ側の根元部よりも前記端面から離れた短サイズ側の根元部同士を直線状に配列して形成し、
   前記中受熱体に、前記上受熱体と前記下受熱体との双方の放熱フィンにおける長短サイズの各フィン根元部分で流路を連通する連通穴を形成した
   ことを特徴とする放熱器。

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