(57)【要約】      （修正有）【課題】  高い放熱性能を維持しながら製造コストを低減すること。【解決手段】  冷却水を導入するための給水口２２と、冷却水を排水するための排水口２３とを互いに離して形成した底板２１と、給水口２２から導入される冷却水が一端部分から他端部分へ向かって流れる凹状の通路による給水流路２６と、給水流路２６と隔壁２５ａ，２５ｂによって区切られ、熱交換された冷却水を排水口２３へ導く凹状の通路による排水流路３０ａ，３０ｂと、給水流路２６における冷却水の流出側と排水流路３０ａ，３０ｂにおける冷却水の流入側とを接続する半円状で凹状の排水流路２８ａ，２８ｂとを有し、発熱体の熱が伝導される多数の放熱フィン２９を排水流路２８ａ，２８ｂに配置して形成した板状の受熱体２０とを備え、給水流路２６、排水流路３０ａ，３０ｂ及び半円状流路２８ａ，２８ｂが底板２１で密閉されるように、底板２１と受熱体２０とを接合する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱体から発生する熱を冷却水による熱交換によって放熱する放熱器において、
冷却水を導入するための貫通穴による給水口と、冷却水を排水するための貫通穴による排水口とを互いに離して形成した底板と、
前記給水口から導入される冷却水が一端部分から他端部分へ向かって流れる凹状の通路による給水流路と、前記給水流路と壁によって区切られ、前記熱交換された冷却水を前記排水口へ導く凹状の通路による排水流路と、前記給水流路における冷却水の流出側と前記排水流路における冷却水の流入側とを接続する半円状で凹状の半円状流路とを有し、前記発熱体の熱が伝導される多数の放熱フィンを前記半円状流路に配置して形成した板状の受熱体とを備え、
前記給水流路、前記排水流路及び前記半円状流路が前記底板で密閉されるように、当該底板と前記受熱体とを接合する
ことを特徴とする放熱器。
【請求項２】
前記放熱フィンは、円柱形状又は略円柱形状を成し、前記半円状流路に千鳥格子状に配置されている
ことを特徴とする請求項１に記載の放熱器。
【請求項３】
前記半円状流路の外周を、凹凸形状とした
ことを特徴とする請求項１または２に記載の放熱器。
【請求項４】
前記底板に、前記給水口の周囲で且つ前記受熱体の前記給水流路と対向する位置に凹状の第１の水路を形成すると共に、前記排水口の周囲で且つ前記受熱体の前記排水流路と対向する位置に凹状の第２の水路を形成した
ことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の放熱器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
この種の従来技術として、例えば図３及び図４に示す高出力ＬＤアレイ用の放熱器がある。ここで、図３は、放熱器４全体の縦断面図、図４（ａ）は図３に示すＡ−Ａから見た上受熱体３の下面図、図４（ｂ）は図３に示すＢ−Ｂから見た平面図、図４（ｃ）は図３に示すＣ−Ｃから見た平面図である。
高出力ＬＤアレイ１７は、発熱密度が数十〜数百Ｗ／ｃｍ２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。
【０００３】
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いく、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。
この放熱器の水路は、図４（ａ）に示す上面水路、図４（ｂ）に示す中面水路、図４（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。
【０００４】
このような構造の放熱器の動作を、図３及び図４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の円形連通口６を通り、上受熱体３の給水口７まで到達する。ここで冷却水は上面水路８より面積が拡大され、放熱フィン１０に到達する。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の円形連通口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。
【０００５】
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、放熱器外に排出される。尚、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に記載のものがある。
【特許文献１】ＷＯ００／１１９２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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１１ａ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。
【０００７】
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、円形連通孔１１を通り下層の水路へ導き排水口１６より排出されるので、大出力のＬＤアレイ１７の熱を効率良く除去することが可能である。しかし、各受熱体１〜３による３層構造としているので、半田シート等で接合する際、下受熱体１と中受熱体２との間で１枚のシート、中受熱体２と上受熱体３との間で１枚の半田シートと、計２枚の半田シートが必要となるので、材料費が高くなる。
【０００８】
また、半田シートの接合時の前準備として、下受熱体１、半田シート、中受熱体２、半田シート、上受熱体３の順に積層し、位置ズレ等治具により補正しながらセットしなければならないので、接合するまでの組立工数が掛かる。これらの理由から製造コストが高なるという問題がある。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、高い放熱性能を維持しながら製造コストを低減す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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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、発熱体から発生する熱を冷却水による熱交換によって放熱する放熱器において、冷却水を導入するための貫通穴による給水口と、冷却水を排水するための貫通穴による排水口とを互いに離して形成した底板と、前記給水口から導入される冷却水が一端部分から他端部分へ向かって流れる凹状の通路による給水流路と、前記給水流路と壁によって区切られ、前記熱交換された冷却水を前記排水口へ導く凹状の通路による排水流路と、前記給水流路における冷却水の流出側と前記排水流路における冷却水の流入側とを接続する半円状で凹状の半円状流路とを有し、前記発熱体の熱が伝導される多数の放熱フィンを前記半円状流路に配置して形成した板状の受熱体とを備え、前記給水流路、前記排水流路及び前記半円状流路が前記底板で密閉されるように、当該底板と前記受熱体とを接合することを特徴としている。放熱器。
【００１０】
この構成によれば、放熱器を、受熱体と底板との２層で形成することができるので、従来の３層構造に比べ材料費を削減することができる。また、従来の３層を位置決めしながら組み立てるのと異なり、上下層を合わせて組み立てるだけなので、位置決めが容易となり、また、組み立て時間も大幅に短縮されるので、工数を削減することができる。
また、本発明の請求項２による放熱器は、請求項１において、前記放熱フィンは、円柱形状又は略円柱形状を成し、前記半円状流路に千鳥格子状に配置されていることを特徴としている。
【００１１】
この構成によれば、多数の放熱フィンが円柱形状又は略円柱形状であることによって、冷却水の抵抗が少なくなるので流速を上げることができ、また、多数の放熱フィンが千鳥格子状に配置されているので、冷却水が接触する際の熱交換部分の表面積を大きくすることができると共に、乱流を起こすことができる。つまり、熱交換部分を通過する際の冷却水の熱交換率を向上させることができる。
【００１２】
また、本発明の請求項３による放熱器は、請求項１または２において、前記半円状流路の外周を、凹凸形状としたことを特徴としている。
この構成によれば、半円状流路の外周を、凹凸形状とすることによって、放熱フィンの役目を果たすので、放熱効果を向上させることができる。
また、本発明の請求項４による放熱器は、請求項１から３の何れか１項において、前記底板に、前記給水口の周囲で且つ前記受熱体の前記給水流路と対向する位置に凹状の第１の水路を形成すると共に、前記排水口の周囲で且つ前記受熱体の前記排水流路と対向する位置に凹状の第２の水路を形成したことを特徴としている。
【００１３】
この構成によれば、第１の水路により給水流路の断面積が拡大されているので、冷却水流入の際の圧力損失が大幅に低減される。また、第１の水路は給水流路では存在し、給水流路に続く半円状流路では存在しないので、給水流路から半円状流路に入る部分で断面積が小さくなる。このため、冷却水は、給水流路から半円状流路に流入する際に、流速が著しく速くなる。流速が速くなった冷却水は、勢いよく放熱フィンに当たるので熱交換率が良くなる。更に、排水流路も水路により流路断面積が拡大されているので、排水の際の圧力損失が大幅に低減される。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように本発明は、放熱器を、受熱体と底板との２層で形成することを可能としたので、従来の３層構造に比べ材料費を削減することができる。また、従来の３層を位置決めしながら組み立てるのと異なり、上下層を合わせて組み立てるだけなので、位置決めが容易となり、また、組み立て時間も大幅に短縮されるので、工数を削減することができる。
【００１５】
また、多数の放熱フィンを円柱形状又は略円柱形状としたので、冷却水の抵抗が少なくなるので流速を上げることができ、また、多数の放熱フィンを千鳥格子状に配置したので、冷却水が接触する際の熱交換部分の表面積を大きくすることができると共に、乱流を起こすことができる。つまり、熱交換部分を通過する際の冷却水の熱交換率を向上させることができる。
また、半円状流路の外周を凹凸形状としたので、放熱フィンの役目を果たすため、放熱効果を向上させることができる。
【００１６】
また、底板に、給水口の周囲で且つ受熱体の給水流路と対向する位置に凹状の第１の水路を形成すると共に、排水口の周囲で且つ受熱体の排水流路と対向する位置に凹状の第２の水路を形成した。これによって、第１の水路により給水流路の断面積が拡大されているので、冷却水流入の際の圧力損失が大幅に低減される。第１の水路は給水流路では存在し、給水流路に続く半円状流路では存在しないので、給水流路から半円状流路に入る部分で断面積が小さくなる。このため、冷却水は、給水流路から半円状流路に流入する際に、流速が著しく速くなる。流速が速くなった冷却水は、勢いよく放熱フィンに当たるので熱交換率が良くなる。更に、排水流路も水路により流路断面積が拡大されているので、排水の際の圧力損失が大幅に低減される。
従って、上記のことから、高い放熱性能を維持しながら製造コストを低減することができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る放熱器の構造を示し、（ａ）は全体の縦断面図、（ｂ）は（ａ）に示すＤ−Ｄ矢視図、（ｃ）は下面図である。
この図１に示す放熱器４０は次のように形成されている。受熱体の構造を、受熱体２０と底板２１との２層で構成し、長方形の底板２１の中心に円形状に貫通した給水口２２を設け、底板２１の長手方向の中心線上にあって給水口２２から離れた当該底板２１の一端近傍位置に円形状に貫通した排水口２３を設けた。
【００１８】
また、受熱体２０に、底板２１に設けられた給水口２２と水導入部分が重なるように冷却水導入孔２４を設け、この冷却水導入孔２４の両側で且つ底板２１の他端近傍位置の発熱体搭載部に向かって、適当な長さの隔壁２５ａ，２５ｂを設けることにより当該隔壁２５ａ，２５ｂ間に給水流路２６を設ける。
これら隔壁２５ａ，２５ｂの先端２７ａ，２７ｂを中心にした同心円上に、適当な距離を隔てて各半円状流路２８ａ，２８ｂを確保する。給水流路２６の任意部分から各半円状流路２８ａ，２８ｂに、円柱形状又は略円柱形状のフィンが千鳥格子状に配置された放熱フィン２９を有する。
【００１９】
また、各半円状流路２８ａ，２８ｂにおける給水流路２６への接続端部の逆の端部と、排水口２３との間に、給水流路２６とは隔壁２５ａ，２５ｂで仕切られた排水流路３０ａ，３０ｂを設けた。
但し、放熱フィン２９は、隔壁２５ａ，２５ｂの先端２７ａ，２７ｂを中心に同心円上に配置されていることから、中心に近い部分では円弧の長さが短いので、放熱フィン２９の外形寸法を小さくすることによって、出来るだけ多くの放熱フィン２９を形成できるようにしてある。また、半円状流路２８ａ，２８ｂの外周を、凹凸形状とすることによって、放熱フィンの役目を果たす様にしてある。
【００２０】
また、底板２１における発熱体搭載部側の端と、隔壁２５ａ，２５ｂの先端２７ａ，２７ｂとの長さＬ１は、下式（１）で示すように、ＬＤアレイ１７の長さＬ２に受熱体２０の厚さｔを加えた長さ以上となるようにする。
Ｌ１≧Ｌ２＋ｔ  …（１）
更に、受熱体２０と底板２１とは、半田接合等により水密で且つ熱伝導良く接合された一体構造となっている。また、受熱体２０及び底板２１は、熱を輸送する機能を持たせているため、熱伝導率の良好な材料、例えば銅、銅−タングステン、アルミなどを用いて作られている。
【００２１】
次に、このような構造の放熱器４０の動作を説明する。
底板２１に設けられた給水口２２に導かれた冷却水は、受熱体２０の冷却水導入孔２４に導かれ、左右の隔壁２５ａ，２５ｂで形成された給水流路２６を通り、隔壁２５ａ，２５ｂの先端２７ａ，２７ｂに到達する。ここで冷却水は、各半円状流路２８ａ，２８ｂにより２つに分流される。また、放熱フィン２９にはＬＤアレイ１７からの熱が伝達されている。
【００２２】
各半円状流路２８ａ，２８ｂに流れてきた冷却水は、放熱フィン２９が千鳥格子状に配置されているので、放熱フィン２９の隙間を通る際に乱流状態となりながら流れる。これによって効率よく熱交換しながら排水流路３０ａ，３０ｂに導かれ、排水口２３から排水される。
このように、第１の実施の形態によれば、放熱器４０を、給水路と排水路とを中間層で区切って上下に分けないで、一面上に配置すると共に、その給水路と排水路との間に熱交換部分を配置して形成した。つまり、放熱器４０を、受熱体２０と底板２１との２層で形成することができるので、層接合時の半田シートが１枚で済み、また、層自体も従来よりも少なくてすむので、材料費を削減することができる。
【００２３】
また、従来の３層を位置決めしながら組み立てるのと異なり、上下層を合わせて組み立てるだけなので、位置決めが容易となり、また、組み立て時間も大幅に短縮されるので、工数を削減することができる。
更に、熱交換部分を、熱伝導率の良い材料を円柱形状又は略円柱形状としたフィンを千鳥格子状に配置して構成した。これによって、多数のフィンが円柱形状又は略円柱形状であることによって、冷却水の抵抗が少なくなるので流速を上げることができ、また、多数のフィンが千鳥格子状に配置されているので、冷却水が接触する際の熱交換部分の表面積を大きくすることができると共に、乱流を起こすことができる。つまり、熱交換部分を通過する際の冷却水の熱交換率を向上させることができる。
従って、これらのことから、高い放熱性能を維持しながら製造コストを低減することができる。
【００２４】
（第２の実施の形態）
図２は、本発明の第２の実施の形態に係る放熱器の構造を示し、（ａ）は全体の縦断面図、（ｂ）は（ａ）に示すＤ−Ｄ矢視図、（ｃ）は下面図である。但し、図２に示す第２の実施の形態において、図１に示した第１の実施の形態の各部に対応する部分には同一符号を付し、その説明を省略する。
図２に示す放熱器５０が、図１に示した放熱器４０と異なる点は、底板２１において、給水口２２の周囲で且つ受熱体２０の給水流路２６と対向する位置に凹状の水路３１を形成し、また、排水口２３の周囲で且つ受熱体２０の排水流路３０ａ，３０ｂと対向する位置に凹状の水路３２ａ，３２ｂを形成したことにある。
次に、このような構造の放熱器５０の特徴部分の動作を説明する。
【００２５】
底板２１の給水口２２に流入された冷却水は給水流路２６を流れるが、ここで水路３１により給水流路２６の断面積が拡大されているので、冷却水流入の際の圧力損失が大幅に低減される。
また、水路３１は給水流路２６では存在し、給水流路２６に続く半円状流路２８ａ，２８ｂでは存在しないので、給水流路２６から半円状流路２８ａ，２８ｂに入る部分で断面積が小さくなる。このため、冷却水は、給水流路２６から半円状流路２８ａ，２８ｂに流入する際に、流速が著しく速くなる。流速が速くなった冷却水は、勢いよく放熱フィン２９に当たるので熱交換率が良くなる。半円状流路２８ａ，２８ｂを通り効率良く熱交換された冷却水は、排水流路３０ａ，３０ｂに導かれる。この時、排水流路３０ａ，３０ｂは、水路３２ａ，３２ｂにより流路断面積が拡大されているので、排水の際の圧力損失が大幅に低減される。
【００２６】
このように、第２の実施の形態によれば、給水口２２と排水口２３との圧力損失が大幅に低くなるので、冷却水循環装置（例えばポンプなど）の１次側発生圧力も低くできることから放熱器を用いた装置全体を小型化することが可能となる。
また、半円状流路２８ａ，２８ｂに冷却水が流入される際に流速を速くすることができるので、冷却水を勢いよく放熱フィン２９に当てることができ、これによって熱交換率を向上させることができる。
【００２７】
以上説明した第１及び第２の実施の形態においては、図１及び図２に示したように、排水流路３０ａ，３０ｂが２つの放熱器を例に挙げたが、放熱器を長手方向の中心線から切断して排水流路３０ａが１つとなった形状としてもよい。但し、切断された給水流路２６の切断面は排水流路３０ａ側と同様に水が漏れないような壁があるとする。この場合にも、ＬＤアレイ１７の搭載数は減少するものの、上記同様な効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る放熱器の構造を示し、（ａ）は全体の縦断面図、（ｂ）は（ａ）に示すＤ−Ｄ矢視図、（ｃ）は下面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る放熱器の構造を示し、（ａ）は全体の縦断面図、（ｂ）は（ａ）に示すＤ−Ｄ矢視図、（ｃ）は下面図である。
【図３】従来の放熱器全体の縦断面図である。
【図４】（ａ）は図３に示すＡ−Ａから見た上受熱体３の下面図、（ｂ）は図３に示すＢ−Ｂから見た平面図、（ｃ）は図３に示すＣ−Ｃから見た平面図である。
【符号の説明】
【００２９】
２０  受熱体
２１  底板
２２  給水口
２３  排水口
２４  冷却水導入孔
２５ａ，２５ｂ  隔壁
２７ａ，２７ｂ  隔壁の先端
２８ａ，２８ｂ  半円状流路
２９  放熱フィン
３０ａ，３０ｂ  排水流路
３１，３２ａ，３２ｂ  水路
４０，５０  放熱器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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