WO2024053287A1 - 光源装置 - Google Patents

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WO2024053287A1
WO2024053287A1 PCT/JP2023/028096 JP2023028096W WO2024053287A1 WO 2024053287 A1 WO2024053287 A1 WO 2024053287A1 JP 2023028096 W JP2023028096 W JP 2023028096W WO 2024053287 A1 WO2024053287 A1 WO 2024053287A1
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WO
WIPO (PCT)
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flow path
cooling plate
light source
source device
refrigerant
Prior art date
Application number
PCT/JP2023/028096
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
竹夫 松島
Original Assignee
ウシオ電機株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ウシオ電機株式会社 filed Critical ウシオ電機株式会社
Publication of WO2024053287A1 publication Critical patent/WO2024053287A1/ja

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21S—NON-PORTABLE LIGHTING DEVICES; SYSTEMS THEREOF; VEHICLE LIGHTING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR VEHICLE EXTERIORS
    • F21S2/00—Systems of lighting devices, not provided for in main groups F21S4/00 - F21S10/00 or F21S19/00, e.g. of modular construction
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V29/00—Protecting lighting devices from thermal damage; Cooling or heating arrangements specially adapted for lighting devices or systems
    • F21V29/50—Cooling arrangements
    • F21V29/56—Cooling arrangements using liquid coolants
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21Y—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO THE FORM OR THE KIND OF THE LIGHT SOURCES OR OF THE COLOUR OF THE LIGHT EMITTED
    • F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
    • F21Y2115/30—Semiconductor lasers

Definitions

  • This invention relates to a light source device.
  • Light source devices that use multiple light emitting elements such as LEDs and LDs are used in various fields.
  • the light emitting element generates heat as it emits light.
  • the temperature of the light emitting element increases due to heat generation, the luminous efficiency of the light emitting element decreases. Therefore, it is known to bond a substrate on which a plurality of light emitting elements are arranged to a cooling plate to suppress the temperature rise of the light emitting elements (see Patent Document 1).
  • a light source device using a plurality of light emitting elements such as LEDs and LDs is also used for drying printing ink, adhering electronic components with ultraviolet curable resin, or exposing photosensitive resists.
  • LEDs and LDs are also used for drying printing ink, adhering electronic components with ultraviolet curable resin, or exposing photosensitive resists.
  • the market demands uniform illuminance on the irradiated surface of the light source device. In order to achieve uniform illuminance, it is necessary to equalize the light output between the plurality of light emitting elements.
  • the present inventor focused on the fact that the temperature of a light-emitting element affects the light output of the light-emitting element, and considered increasing the uniformity of light output by equalizing the temperature between light-emitting elements.
  • the inventor came up with the idea of optimizing the design of a cooling plate that is in contact with a substrate on which a plurality of light emitting elements are arranged, in order to equalize the temperature among the light emitting elements, and devised the following light source device.
  • the light source device of the present invention includes a substrate having a plurality of light emitting elements arranged on one main surface, and a cooling plate that is joined to the other main surface of the substrate and includes a spiral flow path through which a coolant flows.
  • the cooling plate is the refrigerant inlet; an outlet for the refrigerant; a first flow path connected to the inlet and through which the refrigerant flows from outside to inside of the cooling plate; a second flow path connected to the first flow path and the outlet, through which the refrigerant that has passed through the first flow path flows from the inside to the outside of the cooling plate;
  • the first flow path and the second flow path are alternately arranged from the outside to the inside of the cooling plate.
  • the term "principal surface” refers to a surface that is much larger in area than other surfaces among the surfaces constituting a plate-shaped object.
  • a “substrate” and a “cooling plate” that are plate-shaped objects each have two opposing main surfaces.
  • the "flow path” when simply expressed as a "flow path", the “flow path” includes a “first flow path” and a “second flow path”.
  • thermally conductive material such as thermally conductive grease may be interposed between the substrate and the cooling plate.
  • thermally conductive material is treated as a part of the cooling plate.
  • a cooling plate is bonded to the main surface of the substrate on which a plurality of light emitting elements are arranged, which is opposite to the main surface on which the light emitting elements are arranged.
  • the plurality of light emitting elements can be cooled while extracting light from the plurality of light emitting elements.
  • the intervals between each light emitting element and the cooling plate are uniform, a more uniform cooling effect can be obtained for each light emitting element.
  • the cooling effect of the cooling plate varies locally depending on the arrangement of the channels.
  • the refrigerant near the inlet has not yet absorbed heat, so its temperature is relatively low and the cooling effect is large.
  • the refrigerant near the outlet has already absorbed a lot of heat, so its temperature is relatively high and the cooling effect is small. Therefore, a light emitting element near the first flow path near the inlet is more easily cooled than a light emitting element near the second flow path near the outlet, and this difference in cooling effect may result in a difference in light output of the light emitting elements. be.
  • the first channel close to the inlet and the second channel close to the outlet are alternately arranged from the outside to the inside of the cooling plate.
  • heat transfer occurs from the refrigerant in the second flow path to the refrigerant in the first flow path, and the temperature difference between the refrigerant flowing in the first flow path and the refrigerant flowing in the second flow path becomes small.
  • the temperature of the cooling plate becomes more uniform, and the plurality of light emitting elements can be cooled more evenly.
  • the first flow path and the second flow path are partitioned by a first strip located on the left side of the first flow path and the second flow path in the direction in which the refrigerant travels; and a second strip located on the right side of the first flow path and the second flow path in the direction of travel of the refrigerant. It doesn't matter if it is done.
  • strip refers to a thin, elongated, strip-like object.
  • a first flow path and a second flow path are defined by the two strips.
  • the first strip and the second strip each have an end, At least one of the ends may have a rounded shape when viewed from the normal direction of the main surface of the cooling plate. This makes it difficult for the refrigerant to become turbulent, improving cooling efficiency.
  • the width of the flow path may be larger than the thickness of the flow path.
  • the channel width is larger than the channel thickness, the amount of refrigerant can be increased and the cooling efficiency can be improved even though the thickness of the cooling plate is limited.
  • equation (1) When the sum of the thickness of the substrate and the thickness of the base of the cooling plate is t, the pitch of the flow path is Pw, and the dimension of the light emitting element is L1, equation (1) may be satisfied.
  • the details will be described later, by designing the dimensions of the cooling plate as described above, it is possible to suppress the influence of the difference in cooling efficiency due to the temperature difference of the coolant between the first flow path 35a and the second flow path 35b on the heat absorption of the light emitting element. Can be done.
  • the pitch Pw of the flow paths may be less than or equal to the pitch PL of the light emitting elements.
  • the channel width of the first channel may be approximately the same as the channel width of the second channel. “Substantially the same” indicates that the difference (absolute value) between the channel width of the first channel and the channel width of the second channel is within 10% of the channel width of the first channel. In addition, it is more preferable that the difference (absolute value) between the channel width of the first channel and the channel width of the second channel is within 5% with respect to the channel width of the first channel, and is within 3%. and even more preferable.
  • the inlet may be located at a distance from the outlet so that heat conduction from the outlet is suppressed.
  • the refrigerant flowing in the first flow path near the inlet is suppressed from receiving heat from the refrigerant flowing in the second flow path near the outlet. This can prevent the coolant flowing through the first flow path near the inlet from absorbing heat that does not contribute to lowering the temperature of the light emitting element. As a result, effective cooling can be performed.
  • the power supply section that supplies power to the light emitting element may overlap an area without the flow path on the main surface of the cooling plate.
  • the cooling plate has a region with a flow path and a region without a flow path.
  • the cooling plate may include a main body and a lid, and the main body may be made of a solid metal plate.
  • the main body may be joined to the substrate on which the light emitting element is arranged, or the lid body may be joined to the substrate on which the light emitting element is arranged.
  • the material of the strip defining the flow path may be the same as the material of the base joined to the other surface of the substrate.
  • the strips and base that constitute the main body of the cooling plate are formed by cutting out a single metal plate. This eliminates material joints within the body, increasing the strength and thermal conductivity of the body.
  • a light source device that can improve the uniformity of light output between multiple light emitting elements can be provided.
  • FIG. 3 is a view of the main body of the cooling plate viewed from the -Z side of the cooling plate.
  • FIG. 4 is an enlarged view of the connection area between the first flow path and the second flow path in FIG. 3; It is a figure which shows the reference form of the connection area of a 1st flow path and a 2nd flow path.
  • FIG. 3 is a view of the light source device viewed from the +Z side in the normal direction of the main surface of the substrate.
  • FIG. 6 is a view showing the main body of the cooling plate where the inlet is close to the outlet. It is a figure which shows the main body of the cooling plate of 2nd embodiment. It is a sectional view of a light source device of a third embodiment. It is a sectional view of a light source device of a fourth embodiment.
  • FIG. 1 is a perspective view of a light source device 100.
  • the light source device 100 includes a substrate 10 and a cooling plate 30.
  • the main surface of the substrate 10 and the main surface of the cooling plate 30 are each shown extending along the XY plane.
  • the thickness direction of the substrate 10 and the cooling plate 30 is shown in the Z direction.
  • a plurality of light emitting elements 2 are arranged on one main surface of the substrate 10.
  • one of the plurality of light emitting elements 2 is designated by the symbol "2".
  • the plurality of light emitting elements 2 of this embodiment are arranged at equal pitches.
  • adjacent light emitting elements 2 are arranged at six points around one light emitting element 2 and equidistant from the one light emitting element 2.
  • the light emitting elements 2 arranged at six points constitute the vertices of a regular hexagon.
  • the light emitting elements 2 are arranged at equal pitches on the XY plane.
  • the plurality of light emitting elements 2 do not necessarily have to be arranged so as to constitute the vertices of a regular hexagon.
  • the plurality of light emitting elements 2 may be arranged to constitute the vertices of a square. Furthermore, the plurality of light emitting elements 2 do not have to be arranged at equal pitches. For example, the plurality of light emitting elements 2 may be arranged to constitute vertices of a polygon that is not a regular polygon (a hexagon that is not a regular hexagon, a rectangle, etc.).
  • a cooling plate 30 is bonded to the other main surface of the substrate 10.
  • the cooling plate 30 includes therein a flow path through which a refrigerant flows. Details of the flow path will be described later.
  • the refrigerant is supplied from the supply pipe 41 to the cooling plate 30 , passes through a flow path inside the cooling plate 30 , and is discharged from the cooling plate 30 to the discharge pipe 42 .
  • the supply pipe 41 and the discharge pipe 42 are not included in the light source device 100.
  • the cooling plate 30 includes a main body 30a and a lid 30b joined to the main body 30a. Although details will be described later, a flow path is formed inside by joining the main body 30a and the lid 30b.
  • the light from the light emitting element 2 is emitted in the +Z direction.
  • the light emitting element 2 When the light emitting element 2 is viewed from the emission side (+Z side) in the -Z direction, the light emitting element 2 has a square shape.
  • the shape of the light emitting element 2 is not particularly limited, and may be rectangular, circular, or elliptical, for example.
  • the light emitting element 2 is not limited to a chip type light emitting element in which a plurality of light emitting elements are mounted on a substrate as shown in FIG. 1.
  • a single light emitting element or a package type light emitting element in which a plurality of light emitting element groups are packaged may be used.
  • the dimension L1 of the light emitting element 2 is not particularly limited, but in the case of a chip type, it may be, for example, 0.3 mm or more and 3 mm or less, and in the case of a package type, it may be 1 mm or more and 15 mm or less. Note that the dimension L1 of the light emitting element 2 is expressed by the length of the longest side or the maximum diameter of the light emitting element 2.
  • the light emitting element 2 is preferably a solid state light emitting element.
  • the light emitting element 2 is an LED, but a semiconductor laser element (LD) may also be used as the light emitting element 2.
  • the emission wavelength of the light emitting element 2 is not particularly limited, and for example, visible light, ultraviolet light, or infrared light may be emitted.
  • the number of light emitting elements 2 arranged on the substrate 10 is not particularly limited. In both cases, the total number of light emitting elements 2 mounted on the substrate bonded to one cooling plate may be 20 or more, preferably 50 or more, and more preferably 100 or more. Good to have. The number of light emitting elements 2 arranged on the substrate 10 may be 5000 or less, preferably 1000 or less, and more preferably 500 or less.
  • the dimensions of the substrate 10 to be joined to one cooling plate are preferably 50 mm or more in each of the X/Y directions, and more preferably 80 mm or more.
  • the dimensions of the substrate 10 are preferably 500 mm or less in each of the X and Y directions, and more preferably 200 mm or less.
  • the light source device 100 includes a power supply section 5 for supplying power to each of the light emitting elements 2.
  • the power supply section 5 is a power supply connector configured to be connectable to an external power source.
  • the light source device 100 includes four power supply units 5 so that power can be shared and supplied to the plurality of light emitting elements 2 that constitute the light source device 100.
  • FIG. 2 is a perspective view of the light source device 100. However, FIG. 2 shows a state in which the lid 30b is removed so that the flow path 35 can be confirmed.
  • the main body 30a of the cooling plate 30 has a refrigerant inlet 31 and a refrigerant outlet 32.
  • the inlet 31 is connected to the supply pipe 41 and the outlet 32 is connected to the discharge pipe 42.
  • the refrigerant used is not limited.
  • the refrigerant is preferably a liquid, for example water. However, the refrigerant may be a liquid other than water.
  • the refrigerant may be a liquid containing gas.
  • the refrigerant may be a gas.
  • FIG. 3 is a view of the main body 30a viewed from the ⁇ Z side of the cooling plate 30 in the +Z direction along the normal to the main surface of the cooling plate 30.
  • hatching is applied to areas where water does not flow. Similar hatching is applied to FIGS. 4A, 4B, 7, and 8, which will be described later.
  • the flow path 35 will be explained with reference to FIG.
  • the flow path 35 has a first flow path 35a connected to the inlet 31 and a second flow path 35b connected to the outlet 32. Most of the flow path 35 except for the vicinity of the inlet 31 and the outlet 32 has a spiral shape.
  • the first flow path 35a includes a portion where the refrigerant flows from the outside to the inside of the cooling plate 30, and the second flow path 35b includes a portion where the refrigerant flows from the inside of the cooling plate 30 toward the outside.
  • the first flow path 35a is connected to the second flow path 35b at point P1. Point P1 can be said to be the center point of the spiral.
  • the first flow path 35a and the second flow path 35b are arranged alternately from outside the cooling plate 30 toward the center point P1. The reason for this will be explained.
  • the refrigerant flowing through the flow path 35 absorbs more heat and becomes hotter as it goes downstream. Therefore, the refrigerant flowing through the second flow path 35b tends to have a higher temperature than the refrigerant flowing through the first flow path 35a.
  • the first flow path 35a and the second flow path 35b are arranged alternately, heat transfer occurs from the refrigerant in the second flow path 35b to the refrigerant in the first flow path 35a.
  • the temperature difference of the refrigerant flowing through the second flow path 35b becomes smaller. When the temperature difference between the coolant flowing through the two channels (35a, 35b) becomes smaller, the substrate 10 bonded to the cooling plate 30 and, by extension, the plurality of light emitting elements 2 can be evenly cooled.
  • the spiral flow path 35 is a generally circular (or approximately elliptical) spiral with no corners as a whole. exhibits a condition. Since the spiral flow path 35 has no corners as a whole, the refrigerant can flow smoothly. However, the spiral flow path may have a shape including an angular portion as a whole (for example, a polygon).
  • the first flow path 35a and the second flow path 35b are formed by being partitioned by a thin, long, spiral strip.
  • the strips include a first strip 36 located on the left side of the first flow path 35a and the second flow path 35b in the traveling direction (left side with respect to the refrigerant traveling direction), and a first strip 36 located on the left side of the first flow path 35a and the second flow path 35b (left side with respect to the refrigerant traveling direction);
  • a second strip 37 is located on the right side of the second flow path 35b in the traveling direction (right side with respect to the direction in which the refrigerant travels).
  • the first strip 36 and the second strip 37 each protrude from a part of the main body 30a and have a shape wound around the center point P1.
  • the first strip 36 and the second strip 37 define a first flow path 35a and a second flow path 35b.
  • the flow path 35 may be divided by three or more strips.
  • the strips may be arranged so as to provide two sets of inflow ports 31 and outflow ports 32.
  • FIG. 4A is an enlarged view of the connection region C1 in FIG. 3 where the first flow path 35a connects to the second flow path 35b.
  • the first strip 36 has an end 36e in the connection region C1.
  • the second strip 37 has an end 37e in the connection area C1.
  • the center point P1 of the spiral of the flow path (35a, 35b) is located at the midpoint of the line segment LS connecting the end portion 36e and the end portion 37e.
  • the two ends (36e, 37e) are both rounded and have no corners.
  • the end portion is square (FIG. 4B)
  • the flow of the refrigerant changes its direction sharply and tends to become turbulent.
  • the rounded ends (36e, 37e) shown in FIG. 4A the flow of the refrigerant changes its direction smoothly and is less likely to become turbulent.
  • the channel width Wn is defined as the width of the first strip 36 and the second strip 37 on a line LO perpendicular to the intermediate line LI that is equidistant from the first strip 36 and the second strip 37 that are arranged opposite to form the channel 35. It is represented by the spacing of the strips 37. It is preferable that the deviation in channel width is smaller. When the deviation in channel width is large, the flow velocity increases where the channel width is narrow and the flow velocity decreases where the channel width is wide, which tends to cause turbulence. On the other hand, when the deviation of the channel width is small, the flow velocity becomes constant and turbulence is less likely to occur.
  • W1, W2, and W3 are all channel widths.
  • the roundness of the ends (36e, 37e) reduces deviation in channel width.
  • the average channel width Wx is determined by the average value obtained by measuring the channel width at a plurality of locations (for example, five locations) in the channel of the spiral portion.
  • FIG. 4B is a reference form of the flow path shape in the connection region C1.
  • the end 36e of the first strip 36 and the end 37e of the second strip 37 have corners.
  • the channel width changes with respect to the direction in which the refrigerant flows. In other words, the deviation in channel width becomes larger than in the case of FIG. 4A. Therefore, in the connection region C1 shown in FIG. 4B, the refrigerant is more likely to flow turbulently than in FIG. 4A.
  • the channel width is constant not only in the connection region C1 but also in the entire first channel 35a and second channel 35b.
  • the width of the first flow path 35a is preferably approximately the same as the width of the second flow path 35b.
  • the deviation in channel width is preferably within 5 mm, more preferably within 3 mm, and even more preferably within 1 mm.
  • Either one of the end 37e of the second strip 37 and the end 36e of the first strip 36 may have a rounded shape.
  • FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view of a portion of the light source device 100.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken on a plane perpendicular to the main surface of the cooling plate 30 and perpendicular to the direction of movement of the coolant in the flow path 35.
  • the main body 30a of the cooling plate 30 includes strips (36, 37) and base portions 30d of the strips (36, 37) in the thickness direction.
  • the main body 30a is made of a solid metal plate. That is, the strips (36, 37) and the base portion 30d of the strips (36, 37) are formed by cutting out a single metal plate. Therefore, since the strips (36, 37) and the base 30d are made of the same material, there is no difference in thermal expansion between them, and they are not subject to thermal distortion due to the difference in thermal expansion. Furthermore, since there is no joint between the strips (36, 37) and the base 30d, there is no decrease in strength at the joint, and the heat of the substrate 10 is easily conducted to the cooling plate 30.
  • the main body 30a of the cooling plate 30 may be manufactured using other methods.
  • the first strip 36 and the second strip 37 may be joined to the base 30d by welding, adhesive, or the like.
  • a groove into which the first strip 36 and the second strip 37 are fitted may be formed in the base 30d, and the main body 30a may be constructed by fitting the first strip 36 and the second strip 37 into the groove.
  • the first strip 36, the second strip 37, and the base portion 30d may be formed by a 3D modeling method.
  • the method for forming the main body 30a described above may be applied to the lid 30b of the cooling plate 30.
  • the main body 30a having strips (36, 37) is bonded to the substrate 10, but the present invention is not limited thereto.
  • a lid 30b without strips (36, 37) may be joined to the substrate 10.
  • the channel thickness H2 is smaller than the channel width W4. That is, by relatively narrowing the interval between each flow path, it is easy to maintain heat transport between the flow paths. For example, as shown in Fig. 5, by making the cross section of the flow channel flat, the width of the flow channel is expanded to promote heat transport, while the thickness H2 of the flow channel is made relatively small. Easy to maintain transportation.
  • the cross-sectional shape forming the flow path 35 can be any shape such as a circle.
  • the first strip 36 and the second strip 37 separating the channels have a flat shape in a direction perpendicular to the main surface.
  • the flow paths formed by the first strip 36 and the second strip 37 be formed at equal intervals.
  • the light source device 100 calculates the equation (1). It doesn't matter if you fill it.
  • each light emitting element 2 is diffused in the ⁇ Z direction and simultaneously in the ⁇ Y direction. As the total thickness t increases, heat diffuses in the ⁇ Y direction. When formula (1) is satisfied, the diffusion of heat in the ⁇ Y direction expands beyond the pitch Pw of the flow paths 35. As a result, the heat generated in any of the light emitting elements 2 diffuses in the ⁇ Y direction, reaches the two adjacent channels (first channel 35a and second channel 35b), and flows through the first channel 35a. It is absorbed by both the refrigerant and the refrigerant flowing through the second flow path 35b.
  • the total thickness t is preferably 1.8 mm or more, for example.
  • the light source device 100 may further satisfy equation (2).
  • the total thickness t may be such that it is diffused throughout the channels (first channel 35a and second channel 35b). Further, as the total thickness t increases, the cost increases and the space is occupied. Therefore, if the light source device 100 is designed so that the total thickness satisfies equation (2), it can be effectively cooled.
  • the total thickness t may be, for example, 4.7 mm or less.
  • the pitch Pw of the flow paths 35 may be equal to or less than the pitch P L of the light emitting elements 2 (see FIG. 5).
  • the pitch Pw of the flow paths 35 is, for example, 3 mm or more and 15 mm or less, and preferably 5 mm or more and 10 mm or less.
  • the pitch P L of the light emitting elements 2 is, for example, 4 mm or more and 20 mm or less, preferably 5 mm or more and 15 mm or less, and more preferably 6 mm or more and 10 mm or less.
  • the distance D1 between adjacent light emitting elements 2 is, for example, 4 mm or more and 20 mm or less, and preferably 6 mm or more and 10 mm or less.
  • the channel width W4 (or average channel width Wx) is, for example, 5 mm or more and 19 mm or less, and preferably 6 mm or more and 10 mm or less.
  • the thickness T2 of the strips (36, 37) is, for example, 0.5 mm or more and 3 mm or less, and more preferably 0.8 mm or more and 1.5 mm or less.
  • the corners 39 of the flow passages (35a, 35b) are rounded. This allows the refrigerant to flow smoothly within the flow paths (35a, 35b).
  • FIG. 6 is a diagram of the light source device 100 viewed from the +Z side in the normal direction of the main surface of the substrate 10.
  • the flow paths inside the cooling plate 30 are shown with broken lines.
  • the flow path 35 cannot necessarily be arranged over the entire area of the cooling plate 30.
  • the power supply section 5 on the substrate 10 is located on the main surface of the cooling plate 30 in a manner that mainly overlaps an area where there is no flow path 35 (the four corners of the cooling plate 30). in position. Since the amount of heat generated by the power supply section 5 is negligible compared to the amount of heat generated by the light emitting element 2, it is possible to arrange the light emitting element 2, which has a large amount of heat, so as to overlap with a certain area of the flow path 35. , the power supply unit 5 is arranged so as to overlap an area where there is no flow path 35. In other words, by arranging the flow path 35 to give priority to cooling the light emitting element 2, effective cooling can be performed.
  • the inlet 31 is located at a position across the spiral flow path from the outlet 32. In other words, the inlet 31 is located at a distance from the outlet 32. The effect of separating the inlet 31 from the outlet 32 will be explained with reference to FIG. 7.
  • FIG. 7 is a diagram showing the main body 40a of the cooling plate in which the inlet 31 is not separated from the outlet 32. Since the inlet 31 is close to the outlet 32, heat transfer Tm occurs between the refrigerants flowing through the respective flow paths (35a, 35b) within the region R1. In FIG. 7, the direction of heat transfer is indicated by thick arrows, and "Tm" is attached to one of the thick arrows.
  • the refrigerant flowing through the first flow path 35a within the region R1 including the inlet 31 and the outlet 32 receives heat from the refrigerant flowing through the second flow path 35b within the region R1. This increases the temperature of the refrigerant in the first flow path 35a.
  • the refrigerant flowing through the second flow path 35b within the region R1 gives heat to the refrigerant flowing through the first flow path 35a within the region R1. As a result, the temperature of the refrigerant in the second flow path 35b decreases.
  • the refrigerant flowing near the inlet 31 does not receive heat from the refrigerant flowing near the outlet 32.
  • the first flow path 35a and the second flow path 35b can be placed adjacent to each other in a region where uniform cooling is desired. As a result, the coolant flowing through the first flow path 35a is prevented from absorbing heat that does not contribute to a decrease in the temperature of the light emitting element 2, and a decrease in cooling capacity can be suppressed.
  • FIG. 8 is a diagram showing the main body 50a of the cooling plate in the light source device of the second embodiment.
  • the heat insulating part 51 is made of a material having a lower thermal conductivity than the material of the main body 50a other than the heat insulating part 51.
  • the presence of the heat insulating portion 51 prevents heat transfer from the refrigerant in the second flow path 35b near the outlet 32 to the refrigerant in the first flow path 35a near the inlet 31. This prevents the coolant flowing through the first flow path 35a from absorbing heat that does not contribute to a decrease in the temperature of the light emitting element 2, thereby suppressing a decrease in cooling capacity.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of the light source device of the third embodiment.
  • the corner 39 of the channel (35a, 35b) is not rounded but angular.
  • the distance T2 between adjacent flow channels becomes uniform in the thickness direction (Z direction) of the cooling plate, and the transfer of heat between the adjacent flow channels can be promoted.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of the light source device of the fourth embodiment.
  • the flow path (35a, 35b) In the cross section of the flow path (35a, 35b) of the main body 30a of the cooling plate in the light source device 400, the flow path (35a, 35b) is approximately circular. Since the cross section of the flow path (35a, 35b) has no corners, the flow of the refrigerant in the flow path (35a, 35b) is less likely to become turbulent.
  • Cooling plates 30a, 40a, 50a Main body 30b (of the cooling plate): Lid body 30d (of the cooling plate): Base 31 (of the cooling plate): Inflow port 32 : Outlet port 35 : Channel 35a : First channel 35b : Second channel 36 : First strip 36e : End 37 (of the first strip) : Second strip 37e : End 39 (of the second strip): Corner part 41 of the channel in the channel cross section: Supply pipe 42: Discharge pipe 51: Heat insulating section 100, 300, 400: Light source device C1: Connection area P1 (of the first channel and second channel): Center point

Abstract

複数の発光素子間の光出力の均一性を高められる光源装置を提供する。　光源装置は、一方の主面に複数の発光素子が配置された基板と、前記基板の他方の主面に接合され、冷媒が流通する渦巻状の流路を内部に含む冷却板と、を備え、前記冷却板は、前記冷媒の流入口と、前記冷媒の流出口と、前記流入口に接続され、前記冷媒が前記冷却板の外から内に向かって流れる第一流路と、前記第一流路と前記流出口に接続され、前記第一流路を通過した前記冷媒が前記冷却板の内から外に向かって流れる第二流路と、を含み、前記第一流路と前記第二流路は、前記冷却板の外から内に向かって交互に配置される。

Description

光源装置
　この発明は、光源装置に関する。
　ＬＥＤやＬＤ等の発光素子を複数用いた光源装置が、様々な分野で利用されている。発光素子は発光とともに発熱する。発熱によって発光素子の温度が上昇すると、発光素子の発光効率が低下する。そこで、複数の発光素子を配置した基板を冷却板に接合し、発光素子の温度上昇を抑えることが知られている（特許文献１参照）。
　ところで、発光素子ではない半導体素子に視点を移すと、半導体素子の冷却機構には様々な種類が存在する。電力半導体素子を、冷媒を通流させる流路を有する冷却板で挟むように幾層にもわたって積層し、電力半導体素子を冷却する方法が知られている（特許文献２参照）。
特開２０１９－１７５８７１号公報 特開平７－３０７４２３号公報
　ＬＥＤやＬＤ等の発光素子を複数用いた光源装置は、印刷用インクの乾燥、紫外線硬化樹脂による電子部品等の接着、又は感光性レジストへの露光においても使用される。これらの技術分野では、市場から光源装置の被照射面における照度均一化が要求されている。
照度均一化を図るには、複数の発光素子間の光出力を均一化する必要がある。
　そこで、複数の発光素子間の光出力の均一性を高められる光源装置を提供することを目的とする。
　本発明者は、発光素子の温度が発光素子の光出力に影響を与えることに着目し、発光素子間の温度均一化を図ることで、光出力の均一性を高めることを検討した。本発明者の鋭意研究の結果、発光素子間の温度均一化のために、複数の発光素子を配置した基板と接する冷却板の設計の最適化を着想し、以下の光源装置を案出した。
　本発明の光源装置は、一方の主面に複数の発光素子が配置された基板と、前記基板の他方の主面に接合され、冷媒が流通する渦巻状の流路を内部に含む冷却板と、を備え、
　前記冷却板は、
　前記冷媒の流入口と、
　前記冷媒の流出口と、
　前記流入口に接続され、前記冷媒が前記冷却板の外から内に向かって流れる第一流路と、
　前記第一流路と前記流出口に接続され、前記第一流路を通過した前記冷媒が前記冷却板の内から外に向かって流れる第二流路と、を含み、
　前記第一流路と前記第二流路は、前記冷却板の外から内に向かって交互に配置される。
　はじめに、本明細書で用いられる用語について説明する。本明細書において、「主面」とは、板状の物体を構成する表面のうち、他の面よりもはるかに面積の広い面を指す。本明細書において、板状の物体である「基板」と「冷却板」は、それぞれ、対向する二つの主面を有する。
　本明細書において、単に、「流路」と表現するとき、「流路」は「第一流路」と「第二流路」を包含する。
　基板と冷却板は他の物を介することなく直接接合する以外に、基板と冷却板との間に、熱伝導性グリスなどの熱伝導性を有する材料を介在させることがある。本明細書において、このような「熱伝導性を有する材料」は、冷却板を構成する一部として取り扱う。
　上述した前記光源装置は、複数の発光素子が配置された基板のうち、発光素子の配置された主面と反対側の主面に冷却板を接合する。これにより、複数の発光素子の光を取り出しながら、複数の発光素子を冷却できる。さらに、各発光素子と冷却板との間隔が均一であるため、各発光素子に対して、より均一な冷却効果を得られる。
　しかしながら、冷却板をより詳細に分析すれば、冷媒が流通する流路を内部に含む冷却板の場合、冷却板の冷却効果は、前記流路の配置によって局所的に異なってくる。特に、流入口に近い冷媒は、未だ熱を吸収していないため温度が比較的低く、冷却効果が大きい。これに対し、流出口に近い冷媒は、既に多くの熱を吸収しているため温度が比較的高く、冷却効果が小さい。よって、流入口に近い第一流路に近い発光素子は、流出口に近い第二流路に近い発光素子に比べて冷却されやすく、この冷却効果の違いが発光素子の光出力差となるおそれがある。
　前記光源装置では、流入口に近い第一流路と流出口に近い第二流路を、冷却板の外から内に向かって交互に配置している。これにより、冷却板において、第二流路の冷媒から第一流路の冷媒へ熱の移動が発生し、第一流路を流れる冷媒と第二流路を流れる冷媒の温度差が小さくなる。その結果、冷却板の温度がより均一化し、前記複数の発光素子をより均等に冷却できる。
　前記第一流路と前記第二流路は、
　前記第一流路及び前記第二流路の前記冷媒の進行方向左側に位置する第一ストリップと、前記第一流路および前記第二流路の前記冷媒の進行方向右側に位置する第二ストリップによって区画されていても構わない。本明細書において、「ストリップ」は、薄く細長い帯状の物体を表す。二つのストリップによって第一流路と第二流路が区画される。
　前記第一流路が前記第二流路に接続する接続領域において、前記第一ストリップと前記第二ストリップは、それぞれ端部を有し、
　前記冷却板の主面の法線方向からみて、前記端部の少なくとも一つは、丸みのある形状を有しても構わない。これにより、冷媒が乱流になりにくく、冷却効率が向上する。
　前記渦巻状の流路において、流路幅は、流路厚みより大きい形状であっても構わない。
流路幅が流路厚みより大きいと、冷却板の厚みが限られるなか、冷媒量を増やし、冷却効率を高めることができる。
　前記基板の厚みと前記冷却板の基部の厚みの合計をｔ、前記流路のピッチをＰｗ、前記発光素子の寸法をＬ１とするとき、（１）式を満たしても構わない。詳細は後述するが、このような冷却板の寸法設計により、第一流路３５ａと第二流路３５ｂ間の冷媒の温度差による冷却効率の違いが、発光素子の熱吸収に与える影響を抑えることができる。
　前記流路のピッチＰｗは前記発光素子のピッチＰＬ以下であっても構わない。
　前記渦巻状の流路部分において、前記第一流路の流路幅は、第二流路の流路幅と略同一であっても構わない。「略同一」とは、第一流路の流路幅の第二流路の流路幅の差異（絶対値）が、第一流路の流路幅に対して１０％以内にあることを示す。なお、第一流路の流路幅の第二流路の流路幅の差異（絶対値）が、第一流路の流路幅に対して５％以内にあるとより好ましく、３％以内にあるとさらに好ましい。
　前記流出口からの熱伝導が抑制されるように、前記流入口は前記流出口に対して離間した位置にあっても構わない。流入口付近の第一流路を流れる冷媒が、流出口付近の第二流路を流れる冷媒から熱を受け取ることが抑制される。これにより、流入口付近の第一流路を流れる冷媒が、発光素子の温度低下に寄与しない熱の吸収を防ぐことができる。その結果、効果的な冷却を行うことができる。
　前記発光素子に電力を供給する電力供給部は、前記冷却板の主面上において、前記流路のない領域に重なっても構わない。冷却板には、流路のある領域と流路のない領域がある。電力供給部が流路のない領域に重なることを許容することにより、流路の配置を、発光素子の冷却を優先した配置にできる。その結果、効果的な冷却を行うことができる。
　前記冷却板は本体と蓋体とを含み、前記本体は金属無垢板から構成されても構わない。
ここで、前記本体が、前記発光素子が配置された基板に接合されても構わないし、又は、前記蓋体が、前記発光素子が配置された基板に接合されても構わない。前記流路を区画するストリップの材料は、前記基板の他方の面に接合される基部の材料と同じであっても構わない。一例として、冷却板の本体を構成するストリップと基部は、一枚の金属板を削り出して形成される。これにより、本体内に材料の接合部がなく、本体の強度と熱伝導率が向上する。
　複数の発光素子間の光出力の均一性を高められる光源装置を提供できる。
第一実施形態の光源装置の斜視図である。 第一実施形態の光源装置の斜視図である。 冷却板の－Ｚ側から冷却板の本体を見た図である。 図３の第一流路と第二流路の接続領域の拡大図である。 第一流路と第二流路の接続領域の参考形態を示す図である。 第一実施形態の光源装置の断面図である。 基板の主面の法線方向に、＋Ｚ側から光源装置を見た図である。 流入口が流出口に近接する冷却板の本体を示す図である。 第二実施形態の冷却板の本体を示す図である。 第三実施形態の光源装置の断面図である。 第四実施形態の光源装置の断面図である。
　図面を参照しながら光源装置の各実施形態を説明する。なお、本明細書に開示された各図面は、あくまで模式的に図示されたものである。すなわち、図面上の寸法比と実際の寸法比とは必ずしも一致しておらず、また、各図面間においても寸法比は必ずしも一致していない。
　図面はＸＹＺ座標系を参照して説明される。本明細書において、方向を表現する際に、正負の向きを区別する場合には、「＋Ｘ方向」、「－Ｘ方向」のように、正負の符号を付して記載される。また、正負の向きを区別せずに方向を表現する場合には、単に「Ｘ方向」と記載される。すなわち、本明細書において、単に「Ｘ方向」と記載されている場合には、「＋Ｘ方向」と「－Ｘ方向」の双方が含まれる。Ｙ方向及びＺ方向についても同様である。
＜第一実施形態＞
［光源装置の概要］
　図１を参照しながら、光源装置の第一実施形態が説明される。図１は、光源装置１００の斜視図である。図１に示されるように、光源装置１００は、基板１０と冷却板３０を有する。基板１０の主面及び冷却板３０の主面は、それぞれ、ＸＹ平面に沿って延びるように示されている。そして、基板１０及び冷却板３０の厚み方向がＺ方向となるように示されている。
　基板１０の一方の主面には複数の発光素子２が配置されている。図１では、複数の発光素子２のうちのひとつに対し、符号「２」を付している。詳細は後述するが、本実施形態の複数の発光素子２は、互いに等ピッチを形成するように配置されている。具体的には、基板１０上で、一つの発光素子２を中心として、その周囲かつ前記一つの発光素子２から等距離に配置された６点に、隣の発光素子２が配置されている。６点に配置された発光素子２は正六角形の頂点を構成する。これにより、ＸＹ平面上において、各発光素子２が等ピッチで配置される。しかしながら、複数の発光素子２は、必ずしも、正六角形の頂点を構成するように配置されなくても構わない。例えば、複数の発光素子２は、正方形の頂点を構成するように配置されても構わない。さらに、複数の発光素子２は、等ピッチで配置されなくても構わない。例えば、複数の発光素子２は、正多角形でない多角形（正六角形でない六角形、又は、長方形等）の頂点を構成するように配置されても構わない。
　基板１０の他方の主面に、冷却板３０が接合される。冷却板３０は、その内部に、冷媒を通流させる流路を含む。流路の詳細は、後述する。冷媒は、供給管４１から冷却板３０に供給され、冷却板３０の内部の流路を通り、冷却板３０から排出管４２へ排出される。
供給管４１及び排出管４２は、光源装置１００に含まれない。冷却板３０は、本体３０ａと、本体３０ａに接合される蓋体３０ｂとを有する。詳細は後述するが、本体３０ａと蓋体３０ｂが接合されることにより、流路が内部に形成される。
　発光素子２の光は、＋Ｚ方向に出射される。出射側（＋Ｚ側）から－Ｚ方向に発光素子２をみたとき、発光素子２は正方形を呈する。しかしながら、発光素子２の形状は特に限定されず、例えば、矩形、円形又は楕円形を呈しても構わない。発光素子２は、図１に示されるような、基板上に複数の発光素子が実装されたチップタイプの発光素子に限らない。例えば、一個の発光素子、若しくは、複数の発光素子群がパッケージされたパッケージタイプの発光素子でも構わない。発光素子２の寸法Ｌ１は、特に限定されないが、チップタイプの場合、例えば、０．３ｍｍ以上３ｍｍ以下であっても構わないし、パッケージタイプの場合、１ｍｍ以上１５ｍｍ以下であっても構わない。なお、発光素子２の寸法Ｌ１は、発光素子２の最長辺の長さ又は最大直径で表される。
　発光素子２は、固体発光素子であるとよい。本実施形態では、発光素子２はＬＥＤであるが、発光素子２として半導体レーザ素子（ＬＤ）を使用しても構わない。発光素子２の発光波長は特に限定されず、例えば、可視光、紫外光、又は赤外光を発光しても構わない。
　発光素子２がチップタイプの場合、又は、パッケージタイプの場合に拘わらず、基板１０に配置される発光素子２の数は、特に限定されない。両方の場合において、一つの冷却板に接合される基板に積載される発光素子２の総数は、２０個以上であるとよく、好ましくは５０個以上であるとよく、より好ましくは１００個以上であるとよい。基板１０に配置される発光素子２の数は、５０００個以下であるとよく、好ましくは、１０００個以下であるとよく、より好ましくは５００個以下であるとよい。
　一つの冷却板に接合される基板１０の寸法は、Ｘ／Ｙ方向それぞれに５０ｍｍ以上であるとよく、８０ｍｍ以上であるとより好ましい。基板１０の寸法は、Ｘ／Ｙ方向それぞれに５００ｍｍ以下であるとよく、２００ｍｍ以下であるとより好ましい。
　光源装置１００は、発光素子２の各々に電力を供給するための電力供給部５を有する。
本実施形態において、電力供給部５は、外部電源に接続可能に構成される給電コネクタである。光源装置１００は、光源装置１００を構成する複数の発光素子２に対し、分担して電力を供給できるように、４つの電力供給部５を備える。
　図２は、光源装置１００の斜視図である。ただし、図２では、流路３５が確認できるように、蓋体３０ｂを取り去った状態を示す。冷却板３０の本体３０ａは、冷媒の流入口３１と、冷媒の流出口３２と、を有する。流入口３１は供給管４１に接続され、流出口３２は排出管４２に接続される。使用する冷媒は限定されない。冷媒は、液体であると好ましく、例えば、水であると好ましい。しかしながら、冷媒は、水以外の液体であっても構わない。冷媒は気体を含む液体であっても構わない。冷媒は、気体であっても構わない。
　図３は、冷却板３０の主面の法線に沿って、冷却板３０の－Ｚ側から＋Ｚ方向に本体３０ａを見た図である。流入口３１、流出口３２及び流路３５を認識し易くするため、水が流れない部分にハッチングを施している。後述する図４Ａ、図４Ｂ、図７及び図８も、同様のハッチングを施している。
［渦巻状の流路］
　図３を参照しながら流路３５について説明する。流路３５は、流入口３１に接続される第一流路３５ａと、流出口３２に接続される第二流路３５ｂを有する。流路３５のうち、流入口３１の近傍及び流出口３２の近傍を除く大部分は、渦巻状を呈する。第一流路３５ａは、冷媒が冷却板３０の外から内に向かって流れる部分を含み、第二流路３５ｂは、冷媒が冷却板３０の内から外に向かって流れる部分を含む。第一流路３５ａは、点Ｐ１で第二流路３５ｂに接続される。点Ｐ１は、渦巻の中心点といえる。
　第一流路３５ａと第二流路３５ｂは、冷却板３０の外から中心点Ｐ１に向かって、交互に配置される。この理由を説明する。流路３５を流れる冷媒は、下流に向かうほど熱を吸収し、高温になる。よって、第二流路３５ｂを流れる冷媒は、第一流路３５ａを流れる冷媒よりも高温となりやすい。しかしながら、第一流路３５ａと第二流路３５ｂが交互に配置されると、第二流路３５ｂの冷媒から第一流路３５ａの冷媒へ熱の移動が発生し、第一流路３５ａを流れる冷媒と第二流路３５ｂを流れる冷媒の温度差が小さくなる。二つの流路（３５ａ，３５ｂ）を流れる冷媒の温度差が小さくなると、冷却板３０に接合される基板１０、延いては複数の発光素子２を均等に冷却できる。
　図３に示されるように、渦巻状の流路３５は、冷却板３０の－Ｚ側から＋Ｚ方向に本体３０ａを見たとき、全体として角がない略円形（又は、略楕円形）の渦巻状を呈する。渦巻状の流路３５は全体として角がないために、冷媒が円滑に流れることができる。しかしながら、渦巻状の流路に、全体として角のある部分を含む形状（例えば、多角形）を呈しても構わない。
　第一流路３５ａと第二流路３５ｂは、薄く長い、渦巻状のストリップによって区画されることで形成される。図３に示されるように、ストリップは、第一流路３５ａ及び第二流路３５ｂの進行方向左側（冷媒の進む方向に対して左側）に位置する第一ストリップ３６と、第一流路３５ａおよび第二流路３５ｂの進行方向右側（冷媒の進む方向に対して右側）に位置する第二ストリップ３７と、を有する。
　図３に示されるように、第一ストリップ３６及び第二ストリップ３７は、それぞれ、本体３０ａの一部から突出し、中心点Ｐ１の回りを巻かれる形状を呈する。第一ストリップ３６及び第二ストリップ３７が、第一流路３５ａ及び第二流路３５ｂを区画する。なお、三つ以上のストリップによって流路３５が区画されても構わない。例えば、流入口３１と流出口３２の組み合わせを２セット設けるようにストリップを配置しても構わない。
　図４Ａは、図３の、第一流路３５ａが第二流路３５ｂに接続する接続領域Ｃ１の拡大図である。第一ストリップ３６は、接続領域Ｃ１において端部３６ｅを有する。第二ストリップ３７は、接続領域Ｃ１において端部３７ｅを有する。流路（３５ａ，３５ｂ）の渦巻の中心点Ｐ１は、端部３６ｅと端部３７ｅとを結ぶ線分ＬＳの中点に位置する。
　二つの端部（３６ｅ，３７ｅ）は、いずれも、丸みのある形状であり、角がない。端部が角形状である場合（図４Ｂ）、冷媒の流れは急峻にその方向を転換し、乱流化しやすい。これに対し、図４Ａに示される丸みのある端部（３６ｅ，３７ｅ）の場合、冷媒の流れは滑らかにその方向を転換し、乱流化しにくい。
　流路幅Ｗｎは、流路３５を形成するために対向配置される第一ストリップ３６と第二ストリップ３７から等距離にある中間線ＬＩに直交する線ＬＯ上における、第一ストリップ３６と第二ストリップ３７の間隔で表される。流路幅の偏差は小さい方が好ましい。流路幅の偏差が大きいと、流路幅の狭いところで流速が上がり、流路幅の広いところで流速が下がるため、乱流化しやすい。これに対し、流路幅の偏差が小さいと、流速が一定になり、乱流化しにくい。
　図４Ａに示す、Ｗ１、Ｗ２及びＷ３はいずれも流路幅である。流路幅（Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３）の偏差（それぞれの位置における流路幅と平均流路幅Ｗｘとの差）は、小さいほど好ましい。端部（３６ｅ，３７ｅ）の丸みが流路幅の偏差を小さくする。なお、平均流路幅Ｗｘは、渦巻状部分の流路における流路幅を複数個所（例えば、５箇所）測定した平均値によって求められる。
　図４Ｂは、接続領域Ｃ１における流路形状の参考形態である。図４Ｂでは、図４Ａの場合とは異なり、第一ストリップ３６の端部３６ｅ及び第二ストリップ３７の端部３７ｅは角を有する。端部（３６ｅ，３７ｅ）が角を有する場合、冷媒の流れる方向に対して流路幅が変化する。つまり、流路幅の偏差が図４Ａの場合と比べて大きくなる。そのため、図４Ｂに示す接続領域Ｃ１では、図４Ａに比べて冷媒が乱流化しやすい。
　接続領域Ｃ１に限らず、第一流路３５ａ及び第二流路３５ｂの全体において、流路幅は一定である方が好ましい。第一流路３５ａの流路幅は、第二流路３５ｂの流路幅と略同一であると好ましい。渦巻状の流路部分において、流路幅の偏差は、５ｍｍ以内であると好ましく、３ｍｍ以内であるとより好ましく、１ｍｍ以内であるとさらに好ましい。
　第二ストリップ３７の端部３７ｅと、第一ストリップ３６の端部３６ｅのいずれか一方が丸みのある形状を呈しても構わない。
　図５は、光源装置１００の一部分を拡大して示した断面図である。図５は、冷却板３０の主面に直交し、かつ、流路３５における冷媒の進行方向に直交する面における断面図である。
　図５に示されるように、冷却板３０の本体３０ａは、厚み方向に、ストリップ（３６，３７）と、ストリップ（３６，３７）の基部３０ｄを含む。本実施形態において、本体３０ａは金属無垢板から構成されている。即ち、ストリップ（３６，３７）と、ストリップ（３６，３７）の基部３０ｄは、一枚の金属板を削り出して形成されている。よって、ストリップ（３６，３７）及び基部３０ｄは同じ材料であるから、両者の間に熱膨張差が存在せず、熱膨脹差の違いによる熱歪みを受けない。さらに、ストリップ（３６，３７）と基部３０ｄの間に接合部が存在しないから、接合部における強度低下がなく、基板１０の熱を冷却板３０に熱伝導しやすい。
　冷却板３０の本体３０ａは、他の方法で製造されても構わない。本体３０ａは、例えば、第一ストリップ３６及び第二ストリップ３７を基部３０ｄに溶接や接着剤などで接合されても構わない。基部３０ｄに第一ストリップ３６及び第二ストリップ３７を嵌入する溝を形成し、本体３０ａは、当該溝に、第一ストリップ３６及び第二ストリップ３７を嵌入することにより構成しても構わない。第一ストリップ３６及び第二ストリップ３７及び基部３０ｄを３Ｄ造形法により形成しても構わない。
　上述した本体３０ａの形成方法を、冷却板３０の蓋体３０ｂに適用しても構わない。図５では、ストリップ（３６，３７）を有する本体３０ａが、基板１０に接合されているが、これに限らない。本体３０ａに代えて、ストリップ（３６，３７）を有さない蓋体３０ｂが、基板１０に接合されても構わない。
　流路厚みＨ２は、流路幅Ｗ４よりも小さい。すなわち、各流路間の間隔を相対的に狭めることで、流路間の熱輸送を維持しやすい。例えば、図５に示すように流路断面を扁平形状にすることで、流路幅を拡大して熱輸送を促進させつつ、流路厚みＨ２を相対的に小さくすることで流路間の熱輸送を維持しやすい。また、流路３５を形成する断面形状は、円形など、任意の形状が採用できる。しかしながら、流路間の熱輸送を促進させる観点から、流路間を隔てる第一ストリップ３６及び第二ストリップ３７は、主面に直行する方向に平坦な形状を有することが望ましい。また、第一ストリップ３６及び第二ストリップ３７により形成される各流路は、等間隔に形成されることが望ましい。
　基板１０の厚みＴ１と冷却板３０の基部３０ｄの厚みＴ３の合計厚みをｔ、流路３５のピッチをＰｗ、発光素子２の寸法をＬ１とするとき、光源装置１００は、（１）式を満たしても構わない。
　各発光素子２の熱は、－Ｚ方向に拡散すると同時に±Ｙ方向に拡散する。合計厚みｔが大きくなるほど、熱は±Ｙ方向に拡散する。（１）式を満たすとき、熱の±Ｙ方向への拡散は、流路３５のピッチＰｗ以上に拡大することになる。その結果、いずれの発光素子２においても発生した熱は±Ｙ方向への拡散により、隣接する二つの流路（第一流路３５ａ及び第二流路３５ｂ）に到達し、第一流路３５ａを流れる冷媒と第二流路３５ｂを流れる冷媒の両方に吸収される。このような寸法設計により、第一流路３５ａと第二流路３５ｂにおける冷媒の温度差による冷却効率の違いが発光素子２の熱吸収に与える影響を抑えることができる。合計厚みｔは、例えば、１．８ｍｍ以上あるとよい。
　光源装置１００は、さらに、（２）式を満たしても構わない。
　第一流路３５ａと第二流路３５ｂにおける冷媒の温度差による冷却効率の違いが発光素子２の熱吸収に与える影響を抑えるためには、各発光素子２からの熱が、隣接する二つの流路（第一流路３５ａ及び第二流路３５ｂ）の全体に拡散するような合計厚みｔであればよい。また、合計厚みｔが厚くなるほどコストが上昇し、空間を占有することから、合計厚みが（２）式を満たすように光源装置１００を設計すると効果に冷却できる。合計厚みｔは、例えば、４．７ｍｍ以下であるとよい。
　流路３５のピッチＰｗは、発光素子２のピッチＰＬ（図５参照）以下であっても構わない。流路３５のピッチＰｗは、例えば、３ｍｍ以上１５ｍｍ以下であり、５ｍｍ以上１０ｍｍ以下であると好ましい。発光素子２のピッチＰＬは、例えば、４ｍｍ以上２０ｍｍ以下であり、５ｍｍ以上１５ｍｍ以下であると好ましく、６ｍｍ以上１０ｍｍ以下であるとより好ましい。
　隣り合う発光素子２間の距離Ｄ１は、例えば、４ｍｍ以上２０ｍｍ以下であり、６ｍｍ以上１０ｍｍ以下であると好ましい。流路幅Ｗ４（又は、平均流路幅Ｗｘ）は、例えば、５ｍｍ以上１９ｍｍ以下であり、６ｍｍ以上１０ｍｍ以下であると好ましい。ストリップ（３６，３７）の厚みＴ２は、例えば、０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下であり、０．８ｍｍ以上１．５ｍｍ以下であるとより好ましい。
　図５に示されるように、光源装置１００における冷却板の本体３０ａの流路（３５ａ，３５ｂ）の断面において、流路（３５ａ，３５ｂ）の角部３９は丸く形成されている。これにより、冷媒は、流路（３５ａ，３５ｂ）内を円滑に流れるようになる。
　図６は、基板１０の主面の法線方向に、＋Ｚ側から光源装置１００を見た図である。冷却板３０の内部にある流路を破線で示す。流路３５は冷却板３０の全域に配置できるとは限らない。本実施形態では、図６に示されるように、冷却板３０の四隅に、流路３５が配置されない領域が存在する。なお、流路３５の配置されない領域が、冷却板３０の四隅以外に存在しても構わない。
　図６の基板１０に視点を移すと、基板１０上の電力供給部５は、冷却板３０の主面上において、主に、流路３５のない領域（冷却板３０の四隅）に重なるような位置にある。電力供給部５の発熱量は発光素子２の発熱量に比べて無視できる程度であることから、できるだけ、発熱量の大きい発光素子２を、流路３５のある領域に重なるように配置する一方で、電力供給部５を、流路３５のない領域にまで重なるように配置する。つまり、流路３５を、発光素子２の冷却を優先した配置にすることにより、効果的な冷却を行うことができる。
［流入口と流出口の配置］
　図３に示されるように、本実施形態の光源装置１００において、流入口３１は流出口３２に対して渦巻状の流路を挟んだ位置にある。つまり、流入口３１は流出口３２から離間した位置にある。流入口３１を流出口３２から離間させることの効果を、図７を参照しながら説明する。
　図７は、流入口３１が流出口３２から離間していない冷却板の本体４０ａを示す図である。流入口３１が流出口３２に近接するため、領域Ｒ１内で、それぞれの流路（３５ａ，３５ｂ）を流れる冷媒間で熱移動Ｔｍが生じる。図７では、熱移動の方向を太い矢印で示し、太い矢印のうちの一つに「Ｔｍ」を付している。
　具体的には、流入口３１及び流出口３２を含む領域Ｒ１内で第一流路３５ａを流れる冷媒は、領域Ｒ１内の第二流路３５ｂを流れる冷媒から熱を受け取る。これによって、第一流路３５ａにおける冷媒の温度が上昇する。領域Ｒ１内で第二流路３５ｂを流れる冷媒は、領域Ｒ１内で第一流路３５ａを流れる冷媒に熱を与える。これによって、第二流路３５ｂにおける冷媒の温度が低下する。
　しかしながら、領域Ｒ１内の第二流路３５ｂの近くに、発光素子２はない。それゆえ、領域Ｒ１内において、第二流路３５ｂにおける冷媒の温度を低下させる必要性がない。それどころか、領域Ｒ１内で第一流路３５ａにおける冷媒の温度が上昇するため、冷媒の冷却能力を低下させることになる。
　これに対し、図３に示すように、流入口３１が流出口３２から離間した位置にあると、流入口３１付近を流れる冷媒が、流出口３２付近を流れる冷媒から熱を受け取ることがない。そして、均一に冷却させたい領域で、第一流路３５aと第二流路３５bを隣接させることができる。その結果、第一流路３５ａを流れる冷媒が、発光素子２の温度低下に寄与しない熱の吸収を防ぎ、冷却能力の低下を抑えられる。
＜第二実施形態＞
　第二実施形態の光源装置を説明する。第一実施形態の光源装置と相違する事項を中心に説明する。以下に説明の無い事項については、第一実施形態の光源装置と同様の特徴を有する。第三実施形態以降も同様に、既出の光源装置と同様の特徴を有する事項については、説明を省略する。
　図８は、第二実施形態の光源装置における冷却板の本体５０ａを示す図である。本体５０ａでは、図７と同様に流入口３１が流出口３２から離間していない状態であるが、流入口３１と流出口３２との間に、断熱部５１を有する。断熱部５１は、断熱部５１以外の本体５０ａの材料に比べて、熱伝導率の小さい材料で構成されている。断熱部５１が存在するため、流出口３２付近の第二流路３５ｂの冷媒から、流入口３１付近の第一流路３５ａの冷媒への熱移動が妨げられる。これにより、第一流路３５ａを流れる冷媒が、発光素子２の温度低下に寄与しない熱の吸収を防ぎ、冷却能力の低下を抑えられる。
＜第三実施形態＞
　図９は、第三実施形態の光源装置の断面図である。光源装置３００における冷却板の本体３０ａの流路（３５ａ，３５ｂ）の断面において、流路（３５ａ，３５ｂ）の角部３９は丸く形成されておらず、角張っている。隣り合う流路との間隔Ｔ２が、冷却板の厚み方向（Ｚ方向）で一様となり、隣り合う流路間の熱の移動を促進できる。
＜第四実施形態＞
　図１０は、第四実施形態の光源装置の断面図である。光源装置４００における冷却板の本体３０ａの流路（３５ａ，３５ｂ）の断面において、流路（３５ａ，３５ｂ）は略円形である。流路（３５ａ，３５ｂ）の断面において角がない形状であるため、流路（３５ａ，３５ｂ）内の冷媒の流れは、乱流になりにくい。
　以上で第一実施形態～第四実施形態と各実施形態の変形例を説明した。しかしながら、本発明は、上述した各実施形態及び各実施形態の変形例に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、上述の各実施形態又は変形例を組み合わせることができる。さらに、各実施形態及び変形例に対して、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の変更又は改良を加えても構わない。
２　　　：発光素子
５　　　：電力供給部
１０　　：基板
３０　　：冷却板
３０ａ，４０ａ，５０ａ　：（冷却板の）本体
３０ｂ　：（冷却板の）蓋体
３０ｄ　：（冷却板の）基部
３１　　：流入口
３２　　：流出口
３５　　：流路
３５ａ　：第一流路
３５ｂ　：第二流路
３６　　：第一ストリップ
３６ｅ　：（第一ストリップの）端部
３７　　：第二ストリップ
３７ｅ　：（第二ストリップの）端部
３９　　：流路断面における流路の角部
４１　　：供給管
４２　　：排出管
５１　　：断熱部
１００，３００，４００　：光源装置
Ｃ１　　：（第一流路と第二流路の）接続領域
Ｐ１　　：中心点
 

Claims (11)

  1. 　一方の主面に複数の発光素子が配置された基板と、前記基板の他方の主面に接合され、冷媒が流通する渦巻状の流路を内部に含む冷却板と、を備え、
    　前記冷却板は、
    　前記冷媒の流入口と、
    　前記冷媒の流出口と、
    　前記流入口に接続され、前記冷媒が前記冷却板の外から内に向かって流れる第一流路と、
    　前記第一流路と前記流出口に接続され、前記第一流路を通過した前記冷媒が前記冷却板の内から外に向かって流れる第二流路と、を含み、
    　前記第一流路と前記第二流路は、前記冷却板の外から内に向かって交互に配置されることを特徴とする、光源装置。
  2. 　前記第一流路と前記第二流路は、
    　前記第一流路及び前記第二流路の前記冷媒の進行方向左側に位置する第一ストリップと、前記第一流路および前記第二流路の前記冷媒の進行方向右側に位置する第二ストリップによって区画されていることを特徴とする、請求項１に記載の光源装置。
  3. 　前記第一流路が前記第二流路に接続する接続領域において、前記第一ストリップと前記第二ストリップは、それぞれ端部を有し、
    　前記冷却板の主面の法線方向からみて、前記端部の少なくとも一つは、丸みのある形状を有することを特徴とする、請求項２に記載の光源装置。
  4. 　前記渦巻状の流路において、流路幅は、流路厚みより大きい形状であることを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載の光源装置。
  5. 　前記基板の厚みと前記冷却板の基部の厚みの合計をｔ、前記流路のピッチをＰｗ、前記発光素子の寸法をＬ１とするとき、（１）式を満たすことを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載の光源装置。
  6. 　前記流路のピッチＰｗは前記発光素子のピッチＰＬ以下であることを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載の光源装置。
  7. 　前記渦巻状の流路部分において、前記第一流路の流路幅は、第二流路の流路幅と略同一であることを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載の光源装置。
  8. 　前記流出口からの熱伝導が抑制されるように、前記流入口は前記流出口に対して離間した位置にあることを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載の光源装置。
  9. 　前記発光素子に電力を供給する電力供給部は、前記冷却板の主面上において、前記流路のない領域に重なることを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載の光源装置。
  10. 　前記冷却板は本体と蓋体とを含み、前記本体は金属無垢板から構成されることを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載の光源装置。
  11. 　前記流路を区画するストリップの材料は、前記基板の他方の面に接合される基部の材料と同じであることを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載の光源装置。
     
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