(57)【要約】【課題】  ヒートシンクの冷媒流路の腐食を防ぎ、長期にわたり半導体レーザアレイを安定して冷却することのできる半導体レーザ装置を提供する。【解決手段】  半導体レーザ装置１は、半導体レーザユニット１００ａ〜１００ｃが積層されてなる半導体レーザスタック２００と、チラー（冷媒供給手段）５００と、これらを接続する配管６００と、これらの中を流通する冷媒４００から成る。チラー５００は、冷媒４００を半導体レーザスタック２００に供給する。冷媒４００はフルオロカーボンから成る。半導体レーザユニット１００ａ〜１００ｃは、それぞれ半導体レーザアレイ２ａ〜２ｃ、ヒートシンク１０ａ〜１０ｃを有する。ヒートシンク１０ａ〜１０ｃはそれぞれ冷媒流路を有する。冷媒流路内を流通する冷媒の流速は１〜１０ｍ／ｓ以下である。冷媒流路は、流路断面積の変化が±３０％以下である。【選択図】図１
2005268445.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザアレイと、冷媒流路を有するヒートシンクと、該冷媒流路内を流通する冷媒と、該冷媒を前記ヒートシンクに供給する冷媒供給手段とを備え、
前記冷媒は、フルオロカーボンを含んでいることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記冷媒流路内を流通する冷媒の流速が１０ｍ／ｓ以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記冷媒流路内を流通する冷媒の流速が１ｍ／ｓ以上であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記冷媒流路は、流路断面積の変化が±３０％以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記ヒートシンクが、マイクロチャネル型または噴流冷却型のヒートシンクであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項６】
前記冷媒流路は、幅１ｍｍ以下の微細流路を含んでいることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項７】
前記ヒートシンクは、上面に第１の溝部が形成された第１の平板状部材と、下面に第２の溝部が形成された第２の平板状部材と、前記第１の平板状部材の上面と前記第２の平板状部材の下面との間に配置される仕切り板と、を有しており、
前記仕切り板には、前記第１の溝部と前記第２の溝部とを連通する複数の穴が設けられ、
前記第１の溝部から延在し、前記第２の溝部に連通することなく前記第１の平板状部材、仕切り板および第２の平板状部材を貫通する冷媒供給口と、
前記第２の溝部から延在し、前記第１の溝部に連通することなく前記第２の平板状部材、仕切り板および第１の平板状部材を貫通する冷媒排出口と、を含んでおり、
前記冷媒供給口、第１の溝部、複数の孔、第２の溝部、冷媒排出口により前記冷媒流路が構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項８】
請求項７に記載の半導体レーザ装置であって、
第１のヒートシンクと、第２のヒートシンクと、第１の半導体レーザアレイと、第２の半導体レーザアレイとを備え、
前記第１の半導体レーザアレイは、前記第１のヒートシンクにおける前記第２の平板状部材の上面と、前記第２のヒートシンクにおける前記第１の平板状部材の下面との間に配置されており、
前記第２の半導体レーザアレイは、前記第２のヒートシンクにおける前記第２の平板状部材の上面に配置されており、
前記第１のヒートシンクの冷媒供給口と前記第２のヒートシンクの冷媒供給口が連通し、
前記第１のヒートシンクの冷媒排出口と前記第２のヒートシンクの冷媒排出口が連通する
ようにされていることを特徴とする半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体レーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、数Ｗ〜１００Ｗという高い出力を有する半導体レーザ装置が開発されている。このような半導体レーザ装置は、レーザメス、レーザハンダゴテ、レーザマーカーの光源としても使用されている。
【０００３】
半導体レーザアレイの電気−光変換効率は、５０％程度であるため、投入した電力の半分が熱となる。この熱により、レーザ出力、効率、素子寿命は大きな影響を受ける。このような熱を効率良く冷却するため、熱伝導率が高く、熱容量が大きい水を冷媒とするヒートシンクが用いられる。このようなヒートシンクとしては、例えば、複数の銅製の平板状部材を組み合せて微細な流路を形成し、この流路内に冷却水を循環させる構成を有するヒートシンクが知られている。冷却水は、流路の上部に載置された半導体レーザアレイと熱交換して半導体レーザアレイを冷却する（例えば特許文献１および２参照）。
【０００４】
このような装置は、半導体レーザアレイが複数積層されたスタック構造を有する。高出力化を図る場合には、複数のヒートシンクが、積層された各半導体レーザアレイの間にそれぞれ挿入されるようにして配置される。この場合、各ヒートシンクは各半導体レーザアレイの冷却を行うだけでなく、各々の半導体レーザアレイの間で電気的導通路の役割も果すため、各半導体レーザアレイの作動中にはヒートシンクにも電界が印加される（例えば特許文献１の図１参照）。
【特許文献１】国際公開第００／１１７１７号パンフレット
【特許文献２】特開平１０−２０９５３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の水を冷媒とするヒートシンクを備えた半導体レーザ装置では、以下に示す流路の腐食を充分に防止することができず、長期にわたり冷却すべき半導体レーザアレイを効率良くかつ安定して冷却することができないという問題があった。
【０００６】
すなわち、上記のような半導体レーザスタック装置においては、ヒートシンクは電気回路の一部を構成し、ヒートシンク自体にも電流を流すことから、ヒートシンク内部を流れる水に電流が流れる。冷却水には導電率を抑制したイオン交換水が用いられるが、イオン交換水も１ＭΩ程度の抵抗値を有するため、１Ｖ程度の印加電圧により１μＡ程度の電流が流れ、流路内でヒートシンクを電極として水の電気分解が発生してしまう。そうすると、流路の内壁に電気化学的に腐食が発生する。このような腐食が進行すると、流路の目詰まり、水漏れ、漏電によるショート等の問題が発生する。
【０００７】
本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、ヒートシンクの冷媒流路の腐食を防ぎ、長期にわたり半導体レーザアレイを安定して冷却することのできる半導体レーザ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、半導体レーザアレイと、冷媒流路を有するヒートシンクと、冷媒流路内を流通する冷媒と、冷媒をヒートシンクに供給する冷媒供給手段とを備え、冷媒はフルオロカーボンを含んでいることを特徴とする。
上記の構成によれば、冷媒として、水よりもはるかに反応性や導電性が低いフルオロカーボン（fluoro carbon）を用いたことにより、冷媒流路の腐食を防止することができる。
【０００９】
この場合、冷媒流路内を流通する冷媒の流速が１０ｍ／ｓ以下であることが好ましい。
このように冷媒の流速を１０ｍ／ｓ以下にすることにより、キャビテーションの発生を防止することができる。
【００１０】
この場合、冷媒流路内を流通する冷媒の流速が１ｍ／ｓ以上であることが好ましい。
このように冷媒の流速を１ｍ／ｓ以上とすることにより、熱抵抗を減少させて十分な冷却効率を達成することができる。
【００１１】
この場合、冷媒流路は、流路断面積の変化が±３０％以下であることが好ましい。
このように流路断面積の変化を少なくすることにより、冷媒の流速の変化を抑制することができる。そのため、キャビテーションの発生をさらに確実に防止することができる。なお、上記「流路断面積」とは、流線に垂直な断面における流路の面積の合計を意味する。冷媒流路に分岐路がないときは、「流路断面積」とは、その１本の流路の断面積を意味する。また、冷媒流路が複数の分岐路を有するときは、「流路断面積」とは、流線に垂直な断面における分岐路の断面積の合計を意味する。
【００１２】
この場合、ヒートシンクが、マイクロチャネル型または噴流冷却型のヒートシンクであることが好ましい。
マイクロチャネル型のヒートシンクは、微細な冷媒流路に冷媒を流通させ半導体レーザアレイの直下を冷却する型式のヒートシンクである。また噴流冷却型のヒートシンクは、半導体レーザアレイの直下に設けられた小孔から冷媒を噴出させ、その冷媒の噴流乱流により、熱交換を効率的に行う型式のヒートシンクである。フルオロカーボンを冷媒として用いた場合に、ヒートシンクがこのような微細な冷媒流路を有するものであれば、ヒートシンクの冷却効率はより高いものとなる。
【００１３】
また、冷媒流路は幅１ｍｍ以下の微細流路を含んでいることが好ましい。
フルオロカーボンを冷媒として用いた場合に、ヒートシンクが幅１ｍｍ以下の微細流路を含んでいるものであれば、ヒートシンクの冷却効率はより高いものとなる。なお、上記「幅１ｍｍ以下」とは、冷媒流路の流線に垂直な流路断面において、その最小の幅が１ｍｍ以下であることを意味する。
【００１４】
また、ヒートシンクは、上面に第１の溝部が形成された第１の平板状部材と、下面に第２の溝部が形成された第２の平板状部材と、第１の平板状部材の上面と第２の平板状部材の下面との間に配置される仕切り板と、を有しており、仕切り板には、第１の溝部と第２の溝部とを連通する複数の穴が設けられ、第１の溝部から延在し、前記第２の溝部に連通することなく第１の平板状部材、仕切り板および第２の平板状部材を貫通する冷媒供給口と、第２の溝部から延在し、第１の溝部に連通することなく第２の平板状部材、仕切り板および第１の平板状部材を貫通する冷媒排出口と、を含んでおり、冷媒供給口、第１の溝部、複数の孔、第２の溝部、冷媒排出口により冷媒流路が構成されているものとできる。
【００１５】
このように溝部と穴により冷媒流路が構成されていることにより、冷媒を多数に分岐することができ、分岐された流路の１つあたりの流速を抑制しつつ、多数の熱変換部でトータルの熱量は除去可能とすることができる。また、第１、第２の平板状部材と仕切り板とで構成することによりヒートシンクの薄型化が可能となる。
【００１６】
さらにこの場合、第１のヒートシンクと、第２のヒートシンクと、第１の半導体レーザアレイと、第２の半導体レーザアレイとを備え、第１の半導体レーザアレイは、第１のヒートシンクにおける第２の平板状部材の上面と、第２のヒートシンクにおける第１の平板状部材の下面との間に配置されており、第２の半導体レーザアレイは、第２のヒートシンクにおける第２の平板状部材の上面に配置されており、第１のヒートシンクの冷媒供給口と第２のヒートシンクの冷媒供給口が連通し、第１のヒートシンクの冷媒排出口と第２のヒートシンクの冷媒排出口が連通するようにされているものとできる。
【００１７】
このように本発明の半導体レーザ装置は、複数の半導体レーザアレイと複数のヒートシンクを積層した半導体レーザスタック装置とすることができる。このような半導体レーザスタック装置は、ヒートシンクが長寿命であり安定して冷却することができるので、長期にわたり安定した出力を得ることができる。また、ヒートシンクは薄型であるため、半導体レーザスタック装置の小型化が可能となる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の半導体レーザ装置によれば、ヒートシンクの冷媒流路の腐食を防ぎ、長期にわたり半導体レーザアレイを安定して冷却することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る半導体レーザ装置の構成図である。この半導体レーザ装置１は、半導体レーザユニット１００ａ〜１００ｃが積層されてなる半導体レーザスタック２００と、チラー（冷媒供給手段）５００と、これらを接続する配管６００と、これらの中を流通する冷媒４００から成る。
【００２０】
チラー５００は、空冷ユニット５１０と循環ポンプ５２０を備える。空冷ユニット５１０は冷媒を冷却し、循環ポンプ５２０は配管６００を介して冷媒４００を半導体レーザスタック２００に供給する。
【００２１】
冷媒４００はフルオロカーボンから成る。フルオロカーボンは、炭化水素の水素原子の一部あるいは全部をフッ素原子で置換した化合物である。フッ素原子の原子半径は水素原子のそれに比べて大きいため、フッ素原子は炭素の原子骨格を被覆する形となる。またフッ素原子は電気陰性度が大きく、電子雲はフッ素原子側に局在する。このため炭素骨格部の電子濃度が低下し、反応性は大幅に低下する。その結果、フルオロカーボンはほとんどの物質と反応しない高い化学的安定性を有する。また、フルオロカーボンは、１０１３Ω・ｍという、水の１０７Ω・ｍに比べてはるかに高い抵抗率を有するので、水と異なり通電による電気分解を起こしにくい。さらに好ましくは、冷媒は、炭化水素の水素原子の全部をフッ素原子で置換した化合物であるパーフルオロカーボン（per fluoro carbon）である。パーフルオロカーボンは、特に化学的安定性が高く、抵抗率も高いため、冷媒として特に好ましい。
【００２２】
図２は本実施形態に係る半導体レーザスタックを示す構成図である。半導体レーザスタック２００は、３つの半導体レーザユニット１００ａ〜１００ｃ、プラス電極１１０、マイナス電極１２０、止めネジ１４０、供給口１６０、排出口１８０を備えて構成される。半導体レーザユニット１００ａ〜１００ｃは、それぞれ半導体レーザアレイ２ａ〜２ｃ、ダミースペーサ４ａ〜４ｃ、ｎ型電極６ａ〜６ｃ、シーリング用シリコンラバー８ａ〜８ｃ、ヒートシンク１０ａ〜１０ｃを有する。半導体レーザアレイ２ａはヒートシンク１０ａの上面（後述の上側平板部材４０の上面。以下同じ）とヒートシンク１０ｂの下面（後述の下側平板部材２０の下面。以下同じ）との間に配置され、半導体レーザアレイ２ｂはヒートシンク１０ｂの上面とヒートシンク１０ｃの下面との間に配置され、半導体レーザアレイ２ｃはヒートシンク１０ｃの上面に載置されている。これらは止めネジ１４０により積層されたまま固定される。
【００２３】
各ヒートシンク１０ａ〜１０ｃは導電性であり、プラス電極１１０、ヒートシンク１０ａ、半導体レーザアレイ２ａ、ｎ型電極６ａ、ヒートシンク１０ｂ、半導体レーザアレイ２ｂ、ｎ型電極６ｂ、ヒートシンク１０ｃ、半導体レーザアレイ２ｃ、ｎ型電極６ｃ、およびマイナス電極１２０が順次、電気的に接続されている。これにより、プラス電極１１０とマイナス電極１２０との間に電圧を印加することで、半導体レーザアレイ２ａ〜２ｃからレーザ光を出力させることができる。
【００２４】
半導体レーザアレイ２ａ〜２ｃは、一次元的に配列された複数の半導体レーザ素子を含んでおり、したがって、一列に並んだ複数のレーザ発光スポットを有する。本実施形態では、複数の半導体レーザ素子がモノリシックに集積された半導体レーザアレイを使用する。このような半導体レーザアレイでは、通常、活性層や電極を複数のストライプに分割して並列に配置することにより、複数のストライプ導波路が設けられている。なお、本発明では、このような構造の半導体レーザアレイに代えて、独立した複数の半導体レーザチップを一列に並べた構造の半導体レーザアレイを使用することもできる。
【００２５】
供給口１６０、排出口１８０のそれぞれは、半導体レーザユニット１００ａ〜１００ｃを貫通して設けられている。供給口１６０は、半導体レーザユニット１００ａ〜１００ｃにそれぞれ形成された供給口１６０ａ〜１６０ｃと接続されており（詳細は後述）、排出口１８０は、半導体レーザユニット１００ａ〜１００ｃにそれぞれ形成された排出口１８０ａ〜１８０ｃと接続されている（詳細は後述）。これにより、供給口１６０からヒートシンク１００ａ〜１００ｃに対してフルオロカーボンからなる冷媒を供給でき、ヒートシンク１００ａ〜１００ｃから排出口１８０に対して冷媒を排出することが可能となる。
【００２６】
次に、半導体レーザユニット１００ａ〜１００ｃについて説明する。なお、半導体レーザユニット１００ａ〜１００ｃはそれぞれ同一の構成を有するため、以下、半導体レーザユニット１００ａについてのみ説明する。
【００２７】
図３は、本実施形態に係る半導体レーザスタックを構成する半導体レーザユニットを示す構成図である。半導体レーザユニット１００ａは、半導体レーザアレイ２ａ、ダミースペーサ４ａ、ｎ型電極６ａ、シーリング用シリコンラバー８ａ、ヒートシンク１０ａを備えて構成される。ヒートシンク１０ａの上面には、半導体レーザアレイ２ａ、ダミースペーサ４ａ、シーリング用シリコンラバー８ａが載置されている。半導体レーザアレイ２ａに隣接して載置されたダミースペーサ４ａは、半導体レーザアレイ２ａとほぼ同じ厚さを持ち、半導体レーザアレイ２ａと一緒にその上にｎ型電極６ａを載置される。供給口１６０ａ、排出口１８０ａが貫通して設けられたシーリング用シリコンラバー８ａは、その上に載置されるヒートシンク間の絶縁を確保するとともに、冷媒の漏洩を防止する役割を果たす。
【００２８】
図４は、上記ヒートシンク１０ａの一例として示す、３層構造のヒートシンクの構成図である。このヒートシンク１０ａは噴流冷却型のヒートシンクである。ヒートシンク１０ａは、下側平板部材２０（第１の平板状部材）、中間平板部材３０（仕切り板）、上側平板部材４０（第２の平板状部材）を順次積層して形成されている。下側平板部材２０は約４００μｍ程度の厚さを有する銅製の平板で、２つの貫通口２２、２４を有している。下側平板部材２０の上面（中間平板部材３０と接触する面）側には、深さが約２００μｍの冷媒流路用溝部２６（第１の溝部）が形成されている。冷媒流路用溝部２６は釣鐘形状をなし、その釣鐘形状頂部は上記貫通口２２とつながっており、釣鐘形状下部は下側平板部材２０の一端（半導体レーザアレイ２ａが配置される方向）に拡がっている。貫通口２２、２４の間であって、下側平板部材２０のほぼ中央部には、ネジ用穴２８が設けられ、前述の止めネジ１４０によるネジ止めに用いられる。
【００２９】
上側平板部材４０も約４００μｍ程度の厚さを有する銅製の平板で、下側平板部材２０の貫通口２２、２４に対応する位置に、２つの貫通口４２、４４を有している。上側平板部材４０の下面（中間平板部材３０と接触する面）側には、深さが約２００μｍの冷媒流路用溝部４６（第２の溝部）が形成されている。冷媒流路用溝部４６は釣鐘形状をなし、その釣鐘形状頂部は貫通口４４とつながっており、釣鐘形状下部は上側平板部材４０の一端（半導体レーザアレイ２ａが配置される方向）に拡がっている。一方、図４に示すように、貫通口４２は、冷媒流路用溝部４６中で島状に隔離され、溝部とはつながっていない。また、下側平板部材２０には、下側平板部材のネジ用穴２８に対応する位置に、ネジ用穴４８が設けられている。
【００３０】
中間平板部材３０は、１００μｍ程度の厚さを有する銅製の平板で、下側平板部材２０の貫通口２２、２４に対応する位置に貫通口３２、３４が設けられている。また、下側平板部材のネジ用穴２８に対応する位置に、ネジ用穴３８が設けられている。さらに、半導体レーザアレイ２ａが配置される部分には、複数の導水孔３６が形成されている。
【００３１】
下側平板部材２０の上面と中間平板部材３０の下面、中間平板部材３０の上面と上側平板部材４０の下面とを接合することにより、下側平板部材２０に形成された冷媒流路用溝部２６と中間平板部材３０の下面とによって、冷媒流路の一部を成す空間が形成される。同様に、上側平板部材４０に形成された冷媒流路用溝部４６と中間平板部材３０の上面とによって、冷媒流路の一部を成す空間が形成される。
【００３２】
下側平板部材２０に形成された貫通口２２、中間平板部材３０に形成された貫通口３２、上側平板部材４０に形成された貫通口４２は連結されて、冷媒流路に冷媒を供給するための供給口１６０ａを形成する。また下側平板部材２０に形成された貫通口２４、中間平板部材３０に形成された貫通口３４、上側平板部材４０に形成された貫通口４４は連結されて、冷媒流路から冷媒を排出するための排出口１８０ａを形成する。
【００３３】
そして、上記供給口１６０ａ、冷媒流路用溝部２６、導水孔３６、冷媒流路用溝部４６、排出口１８０ａにより冷媒流路が形成される。導水孔３６は１μｍ以下の幅を有する微細流路である。ここで導水孔３６は、冷媒流路用溝部４６に冷媒を噴出させ、噴流乱流にするために十分小さい径を有する。さらに、冷媒を噴流乱流にするために、ヒートシンク１０ａ内を流通する冷媒の流速は１ｍ／ｓ以上、より好ましくは２ｍ／ｓ以上とされる。その一方で、導水孔３６は複数設けられており、冷媒流路を流通する冷媒の流速は、冷媒流路の全流域で１０ｍ／ｓ以下となるようにされている。この冷媒の流速の制御は、例えば図１に示すチラー５００の循環ポンプ５２０の冷媒供給圧力を調整することにより行う。さらに、ヒートシンク１０ａの冷媒流路は、複数の導水孔３６により分岐されており、その分岐路を合計して計算した場合の流路断面積の変化は、±３０％以下とされている。
【００３４】
次に、本実施形態の半導体レーザ装置の機能について説明する。
本発明の半導体レーザ装置では、冷媒として従来用いられていた水に替えてフルオロカーボンを用いる。図７は、微細流路を流れる水およびフルオロカーボンついて流速と熱抵抗の関係を示すグラフ図である。横軸は流速を示し、縦軸は熱抵抗を示す。従来から、フルオロカーボンは水に比べて熱伝達特性がかなり劣ることが知られており、半導体レーザアレイの冷媒としては用いられていなかった。図７のグラフの実線および破線は、フルオロカーボンと水について流速と熱抵抗との関係を計算により求めたものである。この計算値に示すように、フルオロカーボンの熱抵抗（実線）は、各流速域で水の熱抵抗（破線）に比べてかなり大きく、冷媒として劣ることを示しており、従来からの認識を裏付けている。
【００３５】
ところが、本発明者らが、実際にフルオロカーボンと水を半導体レーザ装置のヒートシンクの冷媒として用いた場合を想定して実験を行ったところ、フルオロカーボンの熱伝達特性は予想よりも優れたものとなることが判明した。図７の菱形印および丸印は、半導体レーザ装置のヒートシンクの冷媒流路を想定した幅１ｍｍの微細な流路にフルオロカーボンと水を各々流通させ、その流速に対する熱抵抗の測定値をプロットしたものである。図７実測値に示すように、実際のフルオロカーボンの熱抵抗は計算値よりもかなり小さく、計算値（実線）では、フルオロカーボンの熱抵抗は水のそれに比べて、各流速域で１℃／Ｗ以上も大きいのに対し、実測値（菱形印）では０．５℃／Ｗ程度しか大きくないことが判る。なお、水は計算値（破線）および実測値（丸印）ともよく一致していることが判る。
【００３６】
このようにフルオロカーボンの熱伝達特性が計算値よりも、半導体レーザ装置を想定した実測値で優れたものとなる理由は、以下のようなものであると推測される。すなわち、フルオロカーボンは水よりも表面張力が小さい。そのため、半導体レーザ装置のような微細な冷媒流路にフルオロカーボンを流通させると、冷媒流路により微細なところまで進入することができるため、熱伝導の効果が推定したよりも大きくなる。その結果として、計算値よりも熱抵抗値が小さくなると考えられる。
【００３７】
以上より、フルオロカーボンを半導体レーザ装置のヒートシンク用冷媒として用いた場合は、水に近い冷却効率を得ることができることが判明した。そして、フルオロカーボンは水に比べてはるかに化学的安定性が高く、導電性が低いため、冷媒流路の腐食を防止する効果も高いものとなる。
【００３８】
一方、フルオロカーボンを冷媒として用いた場合、水を用いた場合に比べてキャビテーションが生じやすいことが判明した。キャビテーションは、流体の流れで局部的に低い圧力を生ずる部分で、流体の蒸発、溶解ガスの分離などが起こり、流体中に空洞を生じる現象である。キャビテーションが発生すると、発熱体との接触面積が減るため、熱交換効率が低下してしまう。
【００３９】
図８は、水およびフルオロカーボンについて流速とキャビテーション数との関係を示すグラフ図である。図８から判るように、水（破線）に比べてフルオロカーボン（実線）は、各流速域でキャビテーション数が小さくキャビテーションが生じやすいことが判る。キャビテーション数が５以下になるとキャビテーション発生のリスクが大きくなる。ところが図８が示すように、フルオロカーボンの場合も、流速が１０ｍ／ｓ以下ではキャビテーション数は急激に大きくなり、キャビテーション発生のリスクは急減する。そこで、本実施形態では、冷媒流路を溝部や導水孔で冷媒を多数に分岐することにより、分岐の１つあたりの流速を１０ｍ／ｓ以下に抑制してキャビテーションを防止しつつ、多数の熱交換部でトータルの熱量は除去可能に設計されている。
【００４０】
図９は、上記の関係をまとめ、水およびフルオロカーボンについて流速と熱抵抗、並びに流速とキャビテーション数との関係を示すグラフ図である。
図９の熱抵抗−流速曲線ＴＦは、図７で示した水とフルオロカーボンの流速に対する熱抵抗の関係を示し、破線が水を、実線がフルオロカーボンを示す。また図９のキャビテーション数−流速曲線ＣＦは、図８で示した水とフルオロカーボンの流速に対するキャビテーション数の関係を示し、破線が水を、実線がフルオロカーボンを示す。これより、流速に対し、熱抵抗とキャビテーション発生リスクは、トレードオフ（二律背反）の関係にあることが判る。キャビテーションが発生すると熱交換効率の低下、また壊食（機械的腐食）といった大きな悪影響が生ずる。従って、流速を抑えつつ、熱効率を高める必要がある。以上のような観点から、本発明者らは、ヒートシンクの冷媒流路を流通するフルオロカーボンからなる冷媒の流速を、１〜１０ｍ／ｓ、より好ましくは２〜８ｍ／ｓ、さらに好ましくは３〜７ｍ／ｓとすることとにした。この流速であれば、キャビテーションのリスクは抑えつつ、水を冷媒として用いた場合に比べてそれほど劣らない冷却効率を維持することができる。
【００４１】
キャビテーションの発生リスクは、冷媒流速の変化によっても影響される。冷媒流速の変化が大きい場合は、平均冷媒流速が同じでも、キャビテーションが生じやすくなる。冷媒流速は、冷媒流路の流路断面積に反比例する関係にある。そこで、本実施形態では、ヒートシンクにおける冷媒流路の流路断面積の変化を±３０％以下になるように設計した。
【００４２】
図１０は、ヒートシンクの冷媒流路における供給口から排出口までの流路断面積変化を示すグラフ図である。図１０より、ヒートシンクの供給口から導水孔までは、流路断面積はほぼ一定である。導水孔（ヒートシンクの仕切り板にある複数孔）の部分になると、冷媒を噴出させる関係から、流路断面積はより小さくなる。そして、導水孔の部分を過ぎるとまた流路断面積は大きくなる。しかし、その流路断面積の変化は±３０％以下であり、より好ましくは±１０％以下とされる。これにより、冷媒流速の変動を抑え、キャビテーションの発生を防止することができる。
【００４３】
図１に示すような、以上説明した構成の半導体レーザ装置１が動作する場合、チラー５００により冷却されたフルオロカーボンからなる冷媒４００が、配管６００を介して半導体レーザスタック２００に供給される。冷媒４００は、ヒートシンク１０ａ〜１０ｃに供給される。ヒートシンク１０ａ〜１０ｃに供給されたフルオロカーボンからなる冷媒４００は、ヒートシンク１０ａ〜１０ｃ上に配置された半導体レーザアレイ２ａ〜２ｃを冷却する。ヒートシンク１０ａ〜１０ｃから排出された冷媒４００は、配管６００を介してチラー５００に戻され、再び冷却されて半導体レーザスタック２００のヒートシンク１０ａ〜１０ｃを冷却する。
【００４４】
ヒートシンク１０ａ〜１０ｃを流通するフルオロカーボンからなる冷媒４００は、流速が１〜１０ｍ／ｓにされ、効率よく冷却でき、かつキャビテーションが生じないようにされる。さらに、ヒートシンクの冷媒流路断面積の変化は±３０％以下に抑えられているため、流速変化によるキャビテーションの発生も抑えられる。このため、半導体レーザアレイ２ａ〜２ｃは効率良く冷却され、冷媒流路に壊食が生じることもない。
【００４５】
さらに、フルオロカーボンからなる冷媒４００は、冷媒流路を腐食することがないため、長期間にわたり安定して半導体レーザアレイ２ａ〜２ｃを冷却することができ、素子寿命の向上、光出力の安定に寄与するものとなる。
【００４６】
図５は、３層構造のヒートシンクの別の態様を示す構成図である。このヒートシンク１０ａ’は、導水孔３６の数が図４に示すヒートシンク１０ａより多い点で、図４に示すヒートシンク１０ａと相違をなす。このため、冷媒流路はさらに多くの分岐路を有することになり、分岐路を合計して計算した流路断面積の変化は、より少なくなる。
【００４７】
図６は、５層構造のヒートシンクを示す構成図である。このヒートシンク１０ａ”は、上記３層構造ヒートシンク１０ａの下側平板部材２０の下側に下側中間平板部材５０が接合されている点と、上側平板部材４０の上側に上側中間平板部材６０が接合されている点が、図４に示すヒートシンク１０ａと相違をなす。下側中間平板部材５０には、下側平板部材２０の貫通口２２、２４、ネジ用穴２８に対応した、貫通口５２、５４、ネジ用穴５８が設けられている。また上側中間平板部材６０には、上側平板部材４０の貫通口４２、４４、ネジ用穴４８に対応した、貫通穴６２、６４、ネジ用穴６８が設けられている。そして、ネジ用穴５８，６８に止めネジを締結することにより、下側中間平板部材５０および上側中間平板部材６０が、下側平板部材２０および上側平板部材４０に接合される。その結果、貫通口５２、貫通口２２、貫通口３２、貫通口４２、および貫通口６２が連結されて、冷媒流路に冷媒を供給するための供給口１６０ａが形成される。また、貫通口５４、貫通口２４、貫通口３４、貫通口４４、および貫通口６４が連結されて、冷媒流路から冷媒を排出するための排出口１８０ａが形成される。この５層構造のヒートシンク１０ａ”は、下側中間平板部材５０と上側中間平板部材６０が追加配置されているため、耐久性がより向上している。
【００４８】
尚、本発明の半導体レーザ装置は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
例えば、上記実施形態では、噴流冷却型ヒートシンクの場合を中心に説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、マイクロチャンネル型のヒートシンクにも適用可能なものである。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本実施形態に係る半導体レーザ装置の構成図である。
【図２】本実施形態に係る半導体レーザスタックの構成図である。
【図３】本実施形態に係る半導体レーザスタックを構成する半導体レーザユニットの構成図である。
【図４】３層構造のヒートシンクを示す構成図である。
【図５】３層構造のヒートシンクの別の態様を示す構成図である。
【図６】５層構造のヒートシンクを示す構成図である。
【図７】微細流路を流れる水およびフルオロカーボンついて流速と熱抵抗の関係を示すグラフ図である。
【図８】水およびフルオロカーボンについて流速とキャビテーション数との関係を示すグラフ図である。
【図９】水およびフルオロカーボンについて流速と熱抵抗、並びに流速とキャビテーション数との関係を示すグラフ図である。
【図１０】ヒートシンクの冷媒流路における供給口から排出口までの流路断面積変化を示すグラフ図である。
【符号の説明】
【００５０】
１…半導体レーザ装置、２ａ，２ｂ，２ｃ…半導体レーザアレイ、１０ａ，１０ａ’，１０ａ”，１０ｂ，１０ｃ…ヒートシンク、１００ａ，１００ｂ，１００ｃ…半導体レーザユニット、２００…半導体レーザスタック、４００…冷媒、５００…チラー（冷媒供給手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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