JP2022063819A - Local cooling device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は局所高負荷発熱体、特に半導体レーザ対し、高効率に冷却することができる冷却装置に関する。The present invention relates to a cooling device capable of highly efficiently cooling a locally high-load heating element, particularly a semiconductor laser.
電子冷却素子とラジエターとのハイブリッド冷却と、電子冷却素子内の相対する表裏温度差を最小になるように冷却流路を制御することにより、電子冷却素子が高効率に駆動できる入熱面と放熱面の温度差dT≦10℃に抑える。By controlling the cooling flow path so as to minimize the temperature difference between the front and back sides of the electronic cooling element and the hybrid cooling of the electronic cooling element and the radiator, the heat input surface and heat dissipation that can drive the electronic cooling element with high efficiency. The surface temperature difference dT ≦ 10 ° C is suppressed.
図3に従来の実施例を示す。
サーバラックシステム(伝導システムと対流システムを組み込んだハイブリッドシステム10)は、内部にサーバー12を収納するサーバーラック11と熱伝達装置との組み合わせ体であって、サーバーラックと、ハウジングの形態のヒートシンクと、サーバーラックとヒートシンクとを熱接触させる熱接触構造体13、14と、サーバーラックを冷却する冷却液の供給源を提供する冷却器19と、を備え伝導熱伝達と対流熱伝達の両熱伝達によって、サーバーラックから熱を除去し、サーバーラックを所定の温度範囲内に維持している。FIG. 3 shows a conventional embodiment.
The server rack system (
しかしながら、半導体レーザ(以下LDと略す)等の局所的に高発熱体を室温以下に冷却しようとするとペルチェ等の冷却手段が必要になる。しかしペルチェ冷却は熱を高効率で放熱しないと、ペルチェ自体が高熱伝導体なので表裏で高温熱が冷却部に伝導するので冷却能力が低下する。よって、できるだけペルチェ両面の温度差dT≦10℃しなくてはならないが、ペルチェ単体で高能力かつ高効率に温度差dT≦10℃を得るのは困難であった。However, in order to locally cool a high heating element such as a semiconductor laser (hereinafter abbreviated as LD) to room temperature or lower, a cooling means such as Pelche is required. However, if Pelche cooling does not dissipate heat with high efficiency, since Pelche itself is a high thermal conductor, high temperature heat is conducted to the cooling part on the front and back, so the cooling capacity decreases. Therefore, the temperature difference dT ≦ 10 ° C. on both sides of Pelche must be as high as possible, but it is difficult to obtain the temperature difference dT ≦ 10 ° C. with high capacity and high efficiency by Pelche alone.
本発明はこの課題を解決すべく、電子冷却素子とラジエターとのハイブリッド冷却と、電子冷却素子内の相対する表裏温度差を最小になるように冷却流路を制御し、更にペルチェ等の電子冷却素子が高効率に駆動できる入熱面と放熱面の温度差dT≦10℃に抑えることにより、高出力LD等の高熱密度かつ高負荷発熱体に対しても、高効率に冷却することができる。In order to solve this problem, the present invention controls the hybrid cooling of the electronic cooling element and the radiator, the cooling flow path so as to minimize the relative front and back temperature difference in the electronic cooling element, and further electronic cooling of Pelche and the like. By suppressing the temperature difference dT ≤ 10 ° C between the heat input surface and the heat radiation surface where the element can be driven with high efficiency, it is possible to highly efficiently cool even a high heat density and high load heating element such as a high output LD. ..
以上のように、本発明の請求項1~請求項4に記載された発明は、高出力LDや電流制御デバイスの様に局所的に大きな発熱が発生する高負荷デバイスに対し、高効率で冷却できる。As described above, the invention according to claim 1 to 4 of the present invention cools with high efficiency for a high load device such as a high output LD or a current control device that locally generates a large amount of heat. can.
そして、従来の強制空冷放熱板とペルチェによる放熱と比較して、高出力LD等の冷却能力を倍以上に増加させるので、同じ高出力LDを搭載したレーザ出力に於いて、倍以上にレーザ出力をあげることができる。And, compared with the conventional forced air-cooled heat sink and heat dissipation by Pelche, the cooling capacity of high output LD etc. is more than doubled, so the laser output with the same high output LD is more than doubled. Can be given.
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図1と図2の番号を用いて説明する。Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
This will be described with reference to the numbers of FIGS. 1 and 2.
図1は本発明の実施の形態1に係るレーザ装置の全体構成図であり、(a)は上面図、(b)は側面図、(c)はA-A断面、(d)は側面外観図である。1A and 1B are overall configuration views of a laser apparatus according to a first embodiment of the present invention, where FIG. 1A is a top view, FIG. 1B is a side view, FIG. 1C is a cross section taken along the line AA, and FIG. 1D is a side view. It is a figure.
電子冷却素子であるペルチェ101(太線)が内蔵された熱交換部102からの排水口103、104から排水された排水105はポンプ106を介してファン107により空冷されたラジエター108で冷却後、熱交換部102への入水配管109を介して熱交換部102の入水口110に入水されていることにより、熱交換部102での冷却とラジエター108での冷却とのハイブリッド冷却構成となっている。The
係る構成に於いて熱交換部102の冷却機能について説明する。
ペルチェ101の吸熱側111にはペルチェ101の全面に対して、高熱伝導体である銅板112が、高熱伝導ペースト113により接着されている。
この銅板112には、更にペルチェ101より小さな面積の有するペルチェ114(太線)の放熱側115が高熱伝導ペースト113により接着されている。
ペルチェ114の吸熱側116には、再び銅板117に高熱伝導ペースト113にて接着されていて、更に、LD等の局所高発熱体118を冷却している。The cooling function of the
A
The
The endothermic side 116 of the Pelche 114 is again adhered to the copper plate 117 with the high thermal
次に熱交換部102の排熱機能について説明する。ラジエター108にて冷却され、入水口110から侵入した循環水119はペルチェ101の放熱側120の中央部に流れ込んでいる。その後、千鳥状に配置された仕切り板121を通過中にペルチェ101からの熱を吸収し高温水となって排水口103、104から排出されている。Next, the heat exhaust function of the
なお、水は最も熱容量が大きく、温めにくいので、単にペルチェ101の放熱側120全体を水没させても、熱伝導は僅かであった。この理由としては、層流を形成している為、ペルチェ101表面での流速が0に近くなり、この層流の低流速部が熱伝導壁となり温度上昇は少なく、ペルチェ101表面近傍に熱がこもり、冷却効率は低かったと推測した。そこで、千鳥状に配置された仕切り板121を多くして水路長を5倍UPさせると、温度上昇は6~10倍と遥かに増加し、ペルチェ101に20Wの電力を投入すると10℃以上温度上昇させることができた。これは千鳥状に配置された仕切り板121を多く追加することにより、流速が増加して乱流となりペルチェ101表面の流速増加による放熱が増加したからだと考える。Since water has the largest heat capacity and is difficult to heat, even if the entire
一方ラジエター108は内部の水温と室温との温度差が増えると、急激に冷却効率が増加する。本実施例では、ペルチェ101に20W、ペルチェ101に10W供給し、10Wの熱負荷を局所高発熱体118に与え20℃に調整した場合、ラジエター108での温度差は10℃以上となり、効率よく冷却することができた。なお、ラジエター108での温度差は、時間経過や各構成要素の姿勢やサイズや形状、各界面状態や室温分布等、多くのパラメータがあり、それらで大きく変化するので、詳細な測定条件は割愛する。On the other hand, the cooling efficiency of the
また、ペルチェ101はペルチェ電源122により駆動されているが、ペルチェ電源122からの熱がラジエター108に入らない様に、ラジエター108は吸気するようにファン107を回転させているが、ラジエター108とファン107の順番を逆にしてもラジエター108での温度差10℃は殆ど差がなかった。これはラジエター108にファン107から吹き付ける場合は、流速が上がるが、ファン107の発熱が加算される、逆の場合は、ラジエター108に吸引される流速は吹き付ける時より低速であるが、ファン107の発熱の影響を受けないから、結局はラジエター108での温度差10℃には、差が殆ど観察されなかったからだと考える。Further, although the Perche 101 is driven by the Perche
更に、ペルチェ101を長くしたり、千鳥状に配置された仕切り板121を多く追加すると、ペルチェ101からの排熱が大きくなり、ラジエター108での温度差が更に大きくできるので、冷却能力が更に増加する。Further, if the
また、本実施例1では中央部に配置された局所高発熱体118の冷却能力をあげる為に、ラジエター108からの循環水119は中央部から取り込んでいるが、局所高発熱体118であるLDの設置位置に最も近づく様に入水口110を移動しても良い。Further, in the first embodiment, in order to increase the cooling capacity of the locally
更に、LDドライバ等の発熱体を水冷発熱体123としてラジエター108への水路124に挿入することにより、LD駆動能力を更に大きくできるのは自明である。更に、銅板112に第2のペルチェ114を接着せずに、代わりに局所高発熱体118を接着しても良い。Further, it is obvious that the LD drive capacity can be further increased by inserting a heating element such as an LD driver into the
また、銅板117から局所高発熱体118を外し無負荷状態に最適化すると、ペルチェ101とペルチェ114共に温度差は30℃以上得られた。よって循環水温度を10℃にすると、10℃-30℃×2=-50℃といった極低温が期待できる。Further, when the local
図2は本発明の実施の形態2に係るレーザ装置の全体構成図であり、(a)は高温側の上面図、(b)X-X断面図、(c)はY-Y断面図、(d)は低温側の上面図、(e)はA-A断面図である。
第1の実施例との相違点は、局所高発熱体であるLDが水冷型LD50であり水冷が必要な場合に対し、高効率に冷却させる構成を提供する点である。2A and 2B are overall configuration views of the laser apparatus according to the second embodiment of the present invention, where FIG. 2A is a top view on the high temperature side, FIG. 2B is a sectional view taken along the line XX, and FIG. 2C is a sectional view taken along the line YY. (D) is a top view on the low temperature side, and (e) is a sectional view taken along the line AA.
The difference from the first embodiment is that the LD, which is a local high heating element, is a water-cooled LD50 and provides a configuration for cooling with high efficiency when water cooling is required.
ペルチェ101が内蔵された熱交換部51からの排水口52で排水された排水105はポンプ106を介してファン107により空冷されたラジエター108で冷却後、熱交換部51への入水配管109を介して熱交換部51の入水口53に入水されていることにより、熱交換部51での冷却とラジエター108での冷却とのハイブリッド冷却構成となっている。The
係る構成に於いて熱交換部51の冷却機能について説明する。
図2の低温側の上面図(d)に示すように、入水配管109から戻り、入水口53から侵入した循環水54は、ペルチェ101の吸熱側111に接着された、多孔水路55を有する方形銅材56により冷却される。The cooling function of the
As shown in the upper surface view (d) on the low temperature side of FIG. 2, the circulating
多孔水路55通過後の循環水57は、斜線部の水路58を通り、再度方形銅材56の第2の多孔水路59を通過し、点状部の水路60を通過後、局所高発熱体である水冷LD50に密着固定された水冷ベース61内の入水水路62を通過して水冷LD50に入水する。なお、入水口53と点状部の水路60は隔離板63により隔離されている。The circulating
水冷LD50から排出された循環水64は、水冷ベース61内の排出水路65を通過後、ペルチェ101の低温の吸熱側111から高温の放熱側120に通じている2重斜線水路66通じて、ペルチェ101の高温の放熱側120に入水している。その後、千鳥状に配置された仕切り板67を通過中にペルチェ101の放熱側120からの熱を多く吸収し、高温水となって排水口52から排出されている。The circulating
次に本実施例における水冷能力の高効率化について、図4のグラフ1を用いて説明する。一般的にペルチェの冷却効率を高くする為には、ペルチェ101の放熱側と吸熱側の温度差dTを限りなく0に近づけることが必要なことが知られている。図4のグラフ1は本実施例に持ちいたペルチェ101の冷却能力特性である。縦軸のCOPは冷却量/投入電力の比であり、横軸は電流である。Next, the improvement of the efficiency of the water cooling capacity in this embodiment will be described with reference to
例えば電流5A、dT=10℃(赤線)とするとCOP=3.3となり、投入した電力の3.3倍の冷却能力となる。5A時dT=0℃ではCOP>4となり更に効率が良くなる。
即ち、dT≦10℃にすることで高い効率が得られるが、本発明の実施例1、2はいずれも、ラジエター冷却とペルチェ冷却のハイブリッド構成により、高負荷時にペルチェ単独では実現不可能なdT≦10℃を本発明で実現することができた。For example, if the current is 5A and dT = 10 ° C. (red line), COP = 3.3, which is 3.3 times the cooling capacity of the input power. At 5A, at dT = 0 ° C., COP> 4, and the efficiency is further improved.
That is, although high efficiency can be obtained by setting dT ≦ 10 ° C., in both Examples 1 and 2 of the present invention, dT that cannot be realized by Pelche alone under a high load due to the hybrid configuration of radiator cooling and Pelche cooling. ≦ 10 ℃ could be realized by the present invention.
次に本発明にて高負荷時でもペルチェ101全面でdT≦10℃実現した原理について、図2を持ちいて説明する。
入水口53から侵入した循環水54の温度T1=30℃になる様に設定する。循環水54は、多孔水路55、59を有する方形銅材56により冷却され、水冷ベース61内の入水水路62を通過時点の水温を温度T2=20℃になる様に、ペルチェ101の電流をペルチェ電源122で調整する。
次に、水冷LD50から排出された循環水64の水温T3=30℃になる様に水冷LD50の電流を調整する。Next, the principle in which dT ≦ 10 ° C. is realized on the entire surface of
The temperature of the circulating
Next, the current of the water-cooled LD50 is adjusted so that the water temperature T3 of the circulating
水温T3=30℃に調整された循環水64は2重斜線水路66通じて、ペルチェ101の放熱側120に入水している。よってペルチェ101の領域1におけるdTはほぼ0となる。The circulating
その後、千鳥状に配置された仕切り板67を通過中にペルチェ101からの熱を多く吸収し、領域4ではT4=40℃となる。領域4におけるペルチェ101の反対面の温度T3は30℃なので、dT=40-30=10℃となる。すなわちペルチェ全面に対しdT≦10℃に制御できるので、高負荷・高効率放熱を実現することができる。After that, a large amount of heat from the
(参考)実施例1に用いた主な試験環境を示す。
ペルチェ101 ・・・フェローテック製9506 □55x55x4.8mm
最大定格40A 4.3V Qc92W
局所高発熱体118・・・ピーク2.4kW at270A Duty2%
0.3ms時66Hz
最大発熱 ・・・(270A×15.2V-2.4kW)×0.02=
(4.1kW-2.4kW)×0.02=34W
ファンサイズ ・・・□120x120x40mm 15W
ラジエターサイズ ・・・□120x120x20mm
ポンプ ・・・最大吐出圧10Kpa、最大流量400ml毎分(Reference) The main test environment used in Example 1 is shown.
Maximum rating 40A 4.3V Qc92W
Local
66Hz at 0.3ms
Maximum heat generation ... (270A x 15.2V-2.4kW) x 0.02 =
(4.1kW-2.4kW) x 0.02 = 34W
Fan size ・ ・ ・ □ 120x120x40mm 15W
Radiator size ・ ・ ・ □ 120x120x20mm
Pump ・ ・ ・ Maximum discharge pressure 10Kpa, maximum flow rate 400ml / min
以上説明したように、本発明の請求項1~請求項4に記載された発明は、高出力半導体レーザや電流制御デバイスの様に局所的に大きな発熱が発生する高負荷デバイスに対し、高効率で冷却できる。
従来の強制空冷放熱板とペルチェによる放熱と比較では、同レーザ出力に於いて、倍以上にレーザ出力をあげることができた。例えば、従来50mJ20Hzであったレーザを50Hz以上で駆動させることが確認できた。
更に、ペルチェの高速応答性により、負荷変動に対し高速に冷却制御できるのでレーザ出力等の安定性も大幅向上する
また、ペルチェをカスケード構成にすることもできるので<-50℃といった極低温が期待できる。こうした極低温は電子部品のヒートサイクル温度試験条件―40℃を超えた能力を有しているので、レーザ加熱等と併用することで、高速・コンパクトな小型温度試験機も実現できる。As described above, the inventions according to
Compared with the conventional forced air-cooled heat sink and heat dissipation by Pelche, the laser output could be more than doubled in the same laser output. For example, it was confirmed that a laser that was conventionally 50
Furthermore, due to the high-speed response of Pelche, cooling control can be performed at high speed against load fluctuations, which greatly improves the stability of laser output, etc. Also, since Pelche can be configured in a cascade configuration, an extremely low temperature of <-50 ° C is expected. can. Since such an extremely low temperature has a capacity exceeding the heat cycle temperature test condition of -40 ° C for electronic components, a high-speed and compact compact temperature tester can be realized by using it in combination with laser heating or the like.
50・・・水冷型LD
51・・・ペルチェ1が内蔵された熱交換部
52・・・排水口
53・・・入水口
54・・・循環水
55・・・多孔水路
56・・・方形銅材
57・・・循環水
58・・・水路
59・・・第2の多孔水路
60・・・点状部の水路
61・・・水冷ベース
62・・・入水水路
63・・・隔離板
64・・・循環水
65・・・水冷ベース61内の排出水路
66・・・2重斜線水路
67・・・千鳥状に配置された仕切り板
101・・・ペルチェ
102・・・熱交換部
103、104・・・排水口
105・・・排水
106・・・ポンプ
107・・・ファン
108・・・ラジエター
109・・・入水配管
110・・・入水口
111・・・ペルチェ1の吸熱側
112・・・銅板
113・・・高熱伝導ペースト
114・・・ペルチェ1より小さな面積の有するペルチェ
115・・・ペルチェ14の放熱側
116・・・ペルチェ14の吸熱側
117・・・銅板
118・・・局所高発熱体
119・・・入水口10から侵入した循環水
120・・・ペルチェ1の放熱側
121・・・千鳥状に配置された仕切り板
122・・・ペルチェ電源
123・・・水冷発熱体
124・・・水路50 ... Water-cooled LD
51 ...
Claims (4)
前記多孔水路を有する高熱伝導性多孔体を通過して冷却された水は、前記高熱伝導性固定台を通過後、前記放熱側に設けられた空間の端に送られている。
前記放熱側冷却水路は、前記電子冷却デバイスの吸熱側に貼付けられた前記高熱伝導性多孔体と前記高熱伝導性固定台の前記貼付け面に対し、表裏対称位置おける温度差dTのバラツキが最小になる様に配置されたことを特徴とした局所冷却装置A plurality of straightening vanes are arranged in the space provided on the heat radiation side of the plate-shaped electronic cooling device to provide a long-distance heat radiation side cooling water channel. On the other hand, a high thermal conductive material having a porous water channel and a high thermal conductive material having a water channel for injecting and discharging water by fixing a water-cooled local high heat generating body are attached to the heat absorbing side of the electronic cooling device. ing.
The water cooled by passing through the high thermal conductive porous body having the porous water channel is sent to the end of the space provided on the heat dissipation side after passing through the high thermal conductive fixing table.
In the heat radiation side cooling water channel, the variation in the temperature difference dT at the symmetrical positions on the front and back sides is minimized with respect to the affixed surface of the high thermal conductive porous body attached to the endothermic side of the electronic cooling device. Local cooling device characterized by being arranged so as to be
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