(57)【要約】【課題】略密閉構造の盤内に配置されたレーザダイオードモジュールと熱的に接続された受熱部材を、充分低温に保つために必要なサイズの放熱フィンを備える一方で、小型かつ低コストの空冷式レーザ装置の提供。【解決手段】第１のフィン群２のフィン間を通る空気の流れ方向と第２のフィン群３のフィン間を通る空気の流れ方向とは互いに略反対であり、さらに第１のフィン群２と第２のフィン群３は互いに隣接配置されているので、第１のフィン群２の流出部と第２のフィン群３の流入部も互いに隣接し、結果として、第１のフィン群２のフィン間から流れ出た空気の大半は、筐体１６装置の内壁に当って方向を転換して第２のフィン群３のフィン間に流入する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザダイオードモジュールを略密閉構造の筐体内に配置した空冷式レーザ装置であって、
前記筐体内に配置され、前記レーザダイオードモジュールに受熱部材を介して熱的に接続された熱伝導部材に取り付けられた複数の放熱フィンと、
前記複数の放熱フィン間に空気を流すためのファンとを有し、
前記複数の放熱フィンは第１のフィン群及び第２のフィン群を含み、前記第１のフィン群の放熱フィン間を流れる空気の流れの方向と、前記第２のフィン群の放熱フィン間を流れる空気の流れの方向が互いに略反対方向となり、前記第１のフィン群の放熱フィン間から流出した空気のうち少なくとも５０％が前記第２のフィン群の放熱フィン間を流れるように前記ファンが構成された、空冷式レーザ装置。
【請求項２】
前記熱伝導部材がヒートパイプである、請求項１に記載の空冷式レーザ装置。
【請求項３】
前記レーザダイオードモジュールの熱を吸収した空気を冷却するための冷却装置を備える、請求項１又は２に記載の空冷式レーザ装置。
【請求項４】
前記冷却装置は、前記筐体に隣接配置された盤用クーラーである、請求項３に記載の空冷式レーザ装置。
【請求項５】
前記盤用クーラーからの冷風を前記ファンの方向に導く導風板を前記筐体に設けた、請求項４に記載の空冷式レーザ装置。
【請求項６】
前記第１のフィン群の放熱フィン間を流れる空気の流れと前記第２のフィン群の放熱フィン間を流れる空気の流れとの間に仕切板を設けた、請求項１〜５のいずれか１項に記載の空冷式レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光源又は励起光源としてレーザダイオードを有し、該レーザダイオードで発生する熱を放熱する構造を備えた空冷式レーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザダイオード（半導体レーザ）を発光源又は励起光源とするレーザ装置には、該レーザダイオードを有するレーザダイオードモジュールで発生する熱を空気で放熱する空冷式と、循環式冷却水供給装置（チラー）等に接続して使用される水冷式とがある。
【０００３】
空冷式レーザ装置は、装置の可搬性が高い、占有面積が小さい、設置場所に制約が少ない、さらに設置コストが低い等の点で水冷式より優れているが、レーザダイオードモジュールの温度を水冷式レーザ装置と同程度まで下げることが困難であった。特に、高出力のレーザ装置は、発熱量の大きい多数のレーザダイオードモジュールを備える必要があり、装置の大型化を抑制するためは、効率のよい放熱構造が不可欠である。
【０００４】
これに関連する技術として、特許文献１には、半導体レーザアレイから発生する熱を放熱する半導体レーザ放熱部材と、ファイバレーザ用光ファイバから発生する熱を放熱するファイバレーザ放熱部材と、冷却風を送風する冷却ファンと、冷却ファンから送風される冷却風を導風するガイド部材とを備えたレーザ発振装置が記載されている。
【０００５】
特許文献２には、Ｌ字状に屈曲したヒートパイプと、該ヒートパイプの略水平部に取り付けられた複数の放熱フィンと、複数のヒートパイプの略垂直部が取り付けられた受熱板とを有する放熱器と、受熱板に取り付けられた複数の電子機器と、複数の電子機器が収納される収納容器とを有する電子機器冷却構造が記載されている。
【０００６】
特許文献３には、遠心ファンを収納する空洞部を備え、所定間隙で積層され、空気誘導部を備えた複数の薄板状体と、薄板状体の端部に接続され、薄板状体の前記空気誘導部に導かれた空気がその中を通る少なくとも１つの放熱フィン部と、一方の端部が発熱部品と熱的に接続された薄板状体の部分に熱的に接続され、他方の端部が放熱フィン部に熱的に接続され、少なくとも一部が、薄板状体との間に、空間部を備えて配置されている少なくとも１つのヒートパイプとを備えた薄型ヒートシンクが記載されている。
【０００７】
さらに特許文献４には、発熱体を構成する電子部品に熱的に接続される受熱ブロックと、該受熱ブロックの表面に立設され、該受熱ブロックから受熱して熱輸送を行うヒートパイプと、該ヒートパイプに設けられた複数の放熱フィンとを備える冷却装置が開示されており、該放熱フィンは、ヒートパイプの直線部に設置される第１のフィン群と、曲げ部に設置される第２のフィン群とから構成される、と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−０２１８９９号公報
【特許文献２】特開２０１２−０５９９５２号公報
【特許文献３】特開２００９−２３９１６６号公報
【特許文献４】国際公開第２０１４／０９２０５７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
レーザ装置の外部の空気を吸込んで、レーザダイオードの熱を吸って温度の上がった空気をレーザ装置の外部に排気する、いわゆる開放型空冷式レーザ装置では、レーザ装置の外部の温度（環境温度）が上昇すると、その外部の温度の上昇に伴って、吸込む空気の温度も上昇するので、レーザダイオードの効率的な放熱が難しくなるという問題があった。そこで、環境温度が高い条件下でもレーザダイオードモジュールの高信頼性、長寿命を確保するためには、盤用クーラーを用いて、ほぼ密閉構造の盤（レーザ装置）内の空気を冷却し、冷却した空気で、レーザダイオードの熱を受ける受熱部材に熱伝導部材を介して熱的に接続された放熱フィン群を冷却することが考えられる。
【００１０】
しかし、光出力の大きいレーザ装置、すなわちレーザダイオードの発熱量の大きいレーザ装置では、受熱部材の温度を充分下げるには大きなフィン群、特に流入部分の面積の大きいフィン群を設置する必要があるため、盤（レーザ装置）が大型化してしまうという問題があった。
【００１１】
上述の特許文献１〜４はいずれも、上記課題に対する十分な解決策を提供するものではない。例えば、特許文献１の図５には開放型の空冷式レーザ発振装置が記載されているが、該装置を略密閉構造の盤内に収納する場合、排気口から排気された空気を再び吸気口に還流させることや、そのための流路が必要であり、さらには高い放熱特性を得るために大量の空気を高速で循環させることも必要となる。従って該流路の断面積を大きくする必要が生じ、結果として装置が大型化してしまうという問題がある。装置が大型化すると、その設置面積や装置重量が増大するとともに、装置の表面積の増大に伴って特に高温環境下では外部からの入熱量が増加するため、より冷却能力の高い盤用クーラーが必要になり、装置コストや運転費用のアップにもつながる。
【００１２】
そこで本発明は、上記課題に鑑み、略密閉構造の盤内に配置されたレーザダイオードモジュールと熱的に接続された受熱部材を、充分低温に保つために必要なサイズの放熱フィンを備える一方で、小型かつ低コストの空冷式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】
【００１３】
上記目的を達成するために、第１の発明は、レーザダイオードモジュールを略密閉構造の筐体内に配置した空冷式レーザ装置であって、前記筐体内に配置され、前記レーザダイオードモジュールに受熱部材を介して熱的に接続された熱伝導部材に取り付けられた複数の放熱フィンと、前記複数の放熱フィン間に空気を流すためのファンとを有し、前記複数の放熱フィンは第１のフィン群及び第２のフィン群を含み、前記第１のフィン群の放熱フィン間を流れる空気の流れの方向と、前記第２のフィン群の放熱フィン間を流れる空気の流れの方向が互いに略反対方向となり、前記第１のフィン群の放熱フィン間から流出した空気のうち少なくとも５０％が前記第２のフィン群の放熱フィン間を流れるように前記ファンが構成された、空冷式レーザ装置を提供する。
【００１４】
第２の発明は、第１の発明において、前記熱伝導部材がヒートパイプである、空冷式レーザ装置を提供する。
【００１５】
第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記レーザダイオードモジュールの熱を吸収した空気を冷却するための冷却装置を備える、空冷式レーザ装置を提供する。
【００１６】
第４の発明は、第３の発明において、前記冷却装置は、前記筐体に隣接配置された盤用クーラーである、空冷式レーザ装置を提供する。
【００１７】
第５の発明は、第４の発明において、前記盤用クーラーからの冷風を前記ファンの方向に導く導風板を前記筐体に設けた、空冷式レーザ装置を提供する。
【００１８】
第６の発明は、第１〜第５のいずれか１つの発明において、前記第１のフィン群の放熱フィン間を流れる空気の流れと前記第２のフィン群の放熱フィン間を流れる空気の流れとの間に仕切板を設けた、空冷式レーザ装置を提供する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、略密閉構造の筐体内において、レーザダイオードモジュールから熱を放熱するために第１のフィン群の放熱フィン間を通過した空気を、続いて第２のフィン群の放熱フィン間を通して筐体内を還流させることができるので、還流のために別途流路を確保する必要がなく、装置の小型化及び低コスト化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る空冷式レーザ装置の概略構造を示す断面図である。
【図２】図１の空冷式レーザ装置の内部を、放熱フィンが設置されている側から見た概略図である。
【図３】図１の空冷式レーザ装置の内部を、図２とは反対の方向から見た概略図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る空冷式レーザ装置の概略構造を示す断面図である。
【図５】本発明の第３の実施形態に係る空冷式レーザ装置の概略構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１〜図３は、本発明の第１の実施形態に係る空冷式レーザ装置１の概略構造を示す図であり、図１は空冷式レーザ装置１の断面図である。空冷式レーザ装置１は、少なくとも１つのレーザダイオードチップ又はレーザダイオードアレイを含む、少なくとも１つ（通常は複数）のレーザダイオードモジュール７と、略水平に配置されるとともに、レーザダイオードモジュール７が熱的に接続された受熱部材６と、受熱部材６の内部又は表面をその面方向（厚さ方向と略直交する方向）に延び、かつ受熱部材６の外部で略直角に屈曲して略鉛直方向の上方に延在する少なくとも１つのＬ字状の熱伝導部材４と、熱伝導部材４の略鉛直方向部分に、略水平方向に延びるように取り付けられた第１の放熱フィン群２及び第２の放熱フィン群３と、フィン群２及びフィン群３の間に空気（冷却風）をそれぞれ流すための軸流ファン５ａ及び５ｂとを備え、これらの構成要素は略密閉構造の筐体１６内に配置されている。また本実施形態は、フィン群２に流入する空気又はフィン群３を通過した空気が、受熱板６の上方に配置された、レーザダイオードモジュール２以外の発熱部品１２を冷却することもできる。
【００２２】
図１では、受熱部材６は、略水平に保持された板状の部材（受熱板）として記載されている。第１の実施形態では、レーザダイオードモジュール７を受熱板６の上面に搭載しているが、受熱板６の下面又は両面にレーザダイオードモジュール７を搭載してもよい。或いは、レーザ装置１がレーザダイオードを励起光源とするファイバレーザ装置である場合には、ファイバレーザ等を受熱板６にさらに実装してもよい。
【００２３】
受熱板６の上面に配置されたレーザダイオードモジュール７からレーザ光出力とともに発生する熱は、一旦受熱板６に伝わり、レーザダイオードモジュール７に受熱板６を介して熱的に接続された熱伝導部材４を経由して、放熱フィン群２又は３の各放熱フィンから、軸流ファン５ａ、５ｂによって各放熱フィン間を流れる空気に放熱される。これにより、受熱板６（レーザダイオードモジュール７）の温度上昇が抑えられる。
【００２４】
なお、熱伝導部材４は、銅等の熱伝導率の高い材料から形成されることが好ましいが、特定の材料に限定されるものではない。また熱伝動部材４としては、実質的に銀の約１，０００倍の熱伝導率を持つとされているヒートパイプを用いることが望ましい。ヒートパイプの使用により、レーザダイオードモジュールとフィンの温度差を大幅に低減できる。特に、ヒートパイプ内の作動液が凝結する放熱部（低温部）は略鉛直に延びるため、凝結した作動液がスムーズに下方の高温部に還流され、ヒートパイプの熱抵抗を低く、最大熱輸送量を大きく保つことができる。
【００２５】
レーザダイオード７を搭載した受熱部材６は、略密閉構造のケース１３内に収容可能である。ケース１３の上面の蓋を外すか、ケース１３の底面を外すことにより、受熱板６、熱伝導部材４及び放熱フィン群２、３が組み上がった状態でも、受熱板６の少なくとも一方の面にアクセスでき、部品の実装や保守を行うことができる。また、受熱板６をケース１３に収納することにより、放熱フィンを通過して温度が上昇した空気からの熱によって、受熱板６や受熱板６上に搭載したレーザダイオードモジュール７を含む部品の温度が上昇してしまうことを防ぐことができる。
【００２６】
レーザモジュール７と受熱部材６との間の熱抵抗を下げるために、両者の界面にペースト状の熱伝導材料を配置してもよい。熱伝導部材４は、受熱部材６の内部に設けた穴あるいは受熱部材６の表面に設けた溝等に、受熱部材６との熱抵抗が小さい状態で熱的に接続されている。熱伝導部材４は、受熱部材６内の温度差をできるだけ小さくするために、受熱部材６に挿入されている側から、受熱部材６の略反対側まで受熱部材６内を略水平方向に延在していることが好ましい。
【００２７】
図１において、白抜きの矢印は筐体１６内の空気の流れ方向を表している。筐体１６内には、フィン群２及び３のフィン間に空気を流すために、フィン間に空気を押込むか、又は、フィン間から空気を吸出すためのファンを設置する必要があるが、本実施形態では、筐体１６内の略上半分に配置された第１のフィン群２については、そのフィン間に空気を押込む軸流ファン５ａが設置されており、図１で白抜きの矢印で示すように、空気はフィン間を左から右に流れる。一方、筐体１６内の略下半分に配置された第２のフィン群３については、そのフィン間から空気を吸出す軸流ファン５ｂが設置されており、図１で白抜きの矢印で示すように、空気はフィン間を右から左に流れる。
【００２８】
つまり、第１のフィン群２のフィン間を通る空気の流れ方向と第２のフィン群３のフィン間を通る空気の流れ方向とは互いに略反対であり、さらに第１のフィン群２と第２のフィン群３は互いに隣接配置されているので、第１のフィン群２の流出部と第２のフィン群３の流入部も互いに隣接し、結果として、第１のフィン群２のフィン間から流れ出た空気の大半は、筐体１６装置の内壁に当って方向を転換して第２のフィン群３のフィン間に流入する。従って本発明では、一定値以上の風量で冷却風を還流させるための流路を別途設ける必要がない。ここで「大半」とは、少なくとも５０％（５０％以上）を意味し、好ましくは６０％以上、７０％以上、８０％以上又は９０％以上を意味する。
【００２９】
略密閉構造の空冷式レーザ装置では、従来のように全てのフィン間に同方向に空気を流した場合は、空気を還流させるための流路を別途設ける必要があり、これによってレーザ装置が大型化したり、（特に高温環境下で）外部からの入熱量が増加したりしていた。しかし本実施形態では、空冷式レーザ装置１内で空気を還流させるための流路を別途設ける必要がないため、筐体１６内のほぼ全域を占めるような大型のフィンが設置可能であり、筐体１６の大きさに比して冷却効率を高くすることができ、結果としてレーザ装置を小型化しつつ、受熱部材６の温度上昇を抑えて、レーザダイオードモジュール７の高信頼性と長寿命を確保することができる。
【００３０】
図２は、空冷式レーザ装置１を、放熱フィン群２、３が設置されている側から（すなわち図１の矢印IIの方向に）見た図であり、筐体１６の側板は図示を省略している、筐体１６内に配置された１０個の軸流ファンのうち、上段の５つのファン５ａが第１のフィン群２のフィン間に空気を押込むファンであり、下段の５つのファン５ｂが第２のフィン群３のフィン間から空気を吸取るファンある。また、フィンと受熱部材６との間の熱抵抗をできるだけ減らし、各フィン間の温度差を少なくして全体のフィン効率を高めるために、略水平方向に並べた６つの熱伝導部材（ヒートパイプ）が使用されている。
【００３１】
図３は、空冷式レーザ装置１を、図２と反対の方向から（すなわち図１の矢印IIIの方向に）見た図であり、筐体１６の側板は図示を省略している。図３に示すように、ケース１３、熱伝導部材４、フィン群２、３、ファン５ａ、５ｂから構成される放熱構造が占める領域以外に、電源ユニット等の他の部品１２を配置することができるが、このとき、部品１２を、その空気の流れ方向についての投影面積ができるだけ小さくなるように配置すると、空気の流れ抵抗が小さくなるので、筐体１６内の空気の流れ（還流）は殆ど妨げられない。
【００３２】
一般に、略密閉構造の空冷式レーザ装置においては、装置内に熱が篭るため、発熱部品等の熱を吸収したレーザ装置内の空気の温度を下げる冷却装置が必要であり、例えば、装置内部の空気と外部の空気の間で熱交換を行うための熱交換器を設けることが考えられる。しかし、環境温度が上昇すると、レーザ装置内の空気の温度も上昇するので、冷却装置としては、図１〜図３に示すような、レーザダイオードモジュール７の熱を装置（盤）１の外部に放熱するための盤用クーラー８を設けることが望ましい。盤用クーラー８の使用により、高温環境下でも、レーザダイオードモジュール７の温度上昇を効果的に抑制できる。なお、図１〜図３では、盤用クーラー８の内部構造については、冷風吹出し用ファン１１を除き、図示を省略している。
【００３３】
図１に示すように、盤用クーラー８を筐体１６に隣接配置して使用する場合、筐体１６には、筐体１６内の空気の一部を盤用クーラー８内に取り込むための吸気口１０と、盤用クーラー８で冷却され、吹出し用ファン１１によって送り出された空気（冷風）を筐体１６内に導入するための吹出し口９とが形成される。盤用クーラー８を使用した場合は、全てのフィン間に同方向に空気を流しても、盤用クーラー８を経由した還流ループが成立するとも思われるが、盤用クーラー８を経由する空気の流量は、十分な放熱特性を得るために放熱フィン間を流す空気の流量に比べ相当に小さい。従って盤用クーラー８を使用しても、本発明のように、複数のフィン群間で空気の流れ方向を変えなければ、十分な還流流量は得られない。
【００３４】
また、図１に示すように、盤用クーラー８からの冷気の大半がフィン間に流れるように、発熱部品１２とファン５ａ又は５ｂは、冷風吹出し口９の近傍に配置することが好ましい。このようにすれば、盤用クーラー８からの冷気の大半が（図示例では第１のフィン群２の）放熱フィン間を流れ、レーザダイオードモジュール７の温度上昇を効率的に抑制でき、レーザダイオードモジュール７の長寿命化、高信頼性化が図れる。
【００３５】
図４は、本発明の第２の実施形態に係る空冷式レーザ装置１′の概略構造を示す断面図である。なお第２の実施形態において、第１の実施形態と実質同等の構成要素については同一の参照符号を付与し、詳細な説明は省略する。
【００３６】
第２の実施形態では、盤用クーラー８からの冷気を軸流ファン５ａの方向に導く導風板１４が、筐体１６の吹出し口９近傍に設けられている。導風板１４の使用により、盤用クーラー８からの冷風がさらにフィン間に流れやすくなるので、フィンからの放熱量がさらに増加して、レーザダイオードモジュール７の温度上昇をより効率的に抑制できる。
【００３７】
図５は、本発明の第３の実施形態に係る空冷式レーザ装置１″の概略構造を示す断面図である。なお第３の実施形態において、第２の実施形態と実質同等の構成要素については同一の参照符号を付与し、詳細な説明は省略する。
【００３８】
第３の実施形態では、第１のフィン群２のフィン間を流れる空気の流れと、第２のフィン群３のフィン間を流れる空気の流れとの間に、仕切板が配置されている。より具体的には、軸流ファン５ａと５ｂとの間に、ファン５ａの吸い込み側（ファン５ｂの吐出側）に延びる仕切板１５ａが配置され、第１のフィン群２と第２のフィン群３との間に、第１のフィン群２の排気側（第２のフィン群３の吸気側）に延びる仕切板１５ｂが配置される。
【００３９】
仕切板１５ａにより、第２のフィン群３のフィン間を流れて温度が上昇した空気が、直ちに第１のフィン群２のフィン間に流れ込むことが抑制される。換言すれば、第２のフィン群３のフィン間から流出した（比較的高温の）空気は、盤用クーラー８内に取り込まれて冷却されるか、盤用クーラー８からの冷風と混合してある程度温度が低下した後に、第１のフィン群２のフィン間に流れ込むようになるので、放熱フィンの冷却効率を向上させることができる。
【００４０】
一方、仕切板１５ｂがないと、流れ方向が異なる空気（具体的には、第１のフィン群２の最下部から流出した空気と、第２のフィン群３の最上部に流入する空気）が接することで、その界面に渦が発生して流れが乱れ、その結果、圧力損失が増加して還流流量が減少する場合があるが、仕切板１５ｂを設けることでそのような不具合が排除又は低減される。なお仕切板１５ａ及び１５ｂは、いずれか一方のみ設けてもよい。
【００４１】
上述の第１〜第３の実施形態ではいずれも、熱伝導部材４は略Ｌ字形状を具備しているが、該熱伝導部材を棒状（略直線状）に形成し、該棒状部材を受熱部材６に略鉛直方向に挿入してもよい。その場合、受熱部材６内の温度差をできるだけ小さくするために、棒状の熱伝導部材が挿入されている受熱部材の部分の近傍から、該受熱部材の周縁に向けて略水平方向に延在する別の熱伝導部材を配設してもよい。
【符号の説明】
【００４２】
１、１′、１″    空冷式レーザ装置
２    第１の放熱フィン群
３    第２の放熱フィン群
４    熱伝導部材（ヒートパイプ）
５ａ、５ｂ    軸流ファン
６    受熱部材
７    レーザダイオードモジュール
８    盤用クーラー
９    冷風吹出し口
１０    吸気口
１１    冷風吹出し用ファン
１２    発熱部品
１３    ケース
１４    導風板
１５ａ、１５ｂ    仕切板
１６    筐体
【図１】
2016162771.tif 000003
【図２】
2016162771.tif 000004
【図３】
2016162771.tif 000005
【図４】
2016162771.tif 000006
【図５】
2016162771.tif 000007