JP2005209874A - 放熱器 - Google Patents

Abstract

【課題】 放熱器用の冷却水循環装置の大型化やコストアップ並びに放熱器自体の製作コストアップを招かないように、熱交換性能の向上を図ること。
【解決手段】 熱を受け取る板状の受熱体１０１〜１０５が複数層積層されて接合され、最上層の受熱体１０１の上面に熱を発生するＬＤアレイ１７が接合されている。受熱体１０１に形成された放熱フィン１０−１と同じ放熱フィン１０−２，１０−３を、最上と最下層の間の受熱体１０２，１０３に形成する。この際、全放熱フィン１０−１〜１０−３の隣接流路１ａ〜３ａの合計断面積が、放熱フィンが１層のみに形成される場合に予め設計値として定められる隣接流路の断面積と等しくなるように形成する。給水口５から最上の受熱体１０１へ導かれる冷却水を、中間の受熱体１０２，１０３に追加形成された放熱フィン１０−２，１０−３の隣接流路２ａ，３ａに分流して導く流路である貫通穴２ｂ，３ｂを形成する。
【選択図】 図１

Description

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。

この種の従来技術として、例えば図７及び図８に示す高出力ＬＤアレイ用の放熱器がある。ここで、図７は、放熱器４全体の縦断面図、図８の（ａ）は図７に示すＡ１−Ａ２から見た上受熱体３の下面図、（ｂ）は図７に示すＢ１−Ｂ２から見た平面図、（ｃ）は図７に示すＣ１−Ｃ２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／ｃｍ^２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。

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４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４の水路は、図８の（ａ）に示す上面水路、（ｂ）に示す中面水路、（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。

このような構造の放熱器の動作を、図７及び図８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の円形連通穴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、概略扇形の上面水路８によって拡がり、多数の放熱フィン１０に到達する。この際、給水側の圧力損失を低減させるために上座グリ部３０を設けることによって、続路断面積を拡大させている。上座グリ部３０は、放熱フィン１０の手前まで形成され、放熱フィン１０に冷却水が流入する際、流速を向上させ熱交換効率を高める役割を果たしている。

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の円形連通穴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。
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４外に排出される。この際、排水口の圧力損失を低減させる為、中受熱体２に貫通口３１を設けることによって流路断面積を拡大させている。

なお、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及び特許文献２に記載のものがある。
ＷＯ００／１１９２２号公報 特開平８−１３９４７９号公報

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。

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、円形連通穴１１を通り下層の水路へ導かれ、排水口１６より排出されるので、ＬＤアレイ１７の熱を効率良く除去することが可能である。
また、ＬＤアレイ１７の更なる出力増加に伴う温度上昇を抑えるためには、冷却水との熱交換効率を更に高める必要がある。製作コストを無視すれば、熱交換効率をより高くすることは可能である。

しかし、実際には低コスト化が要求されるので、現状の構造で熱交換効率を高める必要がある。これには、流速を増加させる方法、放熱フィン部分の表面積を増加させる方法などが有効である。
流速を増加させる方法としては、流量を増加させると共に流速を増加させる方法と、放熱フィン１０の高さｔを低く、即ち放熱フィン１０に隣接する流路の高さ（＝ｔ）を低くして流速を上げる方法が考えられる。前者の方法は、放熱器４に接続される図示せぬ冷却水循環装置の大型化並びにコストアップにつながる。後者も流路の断面積が減少するので圧力損失が著しく増大し、冷却水循環装置の大型化並びにコストアップにつながる。

また、放熱フィン部分の面積を増加させるには放熱フィンの実装数を増やす方法があるが、これは、放熱器４の外形寸法の制約で大きくすることができないので、細分化する必要がある。しかし、放熱フィンを形成するには、製造コストが高くならないように考慮すると、プレスかエッチングによる形成方法となるので、より細分化することは不可能であり、従来技術程度の実装数が限界となる。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、放熱器用の冷却水循環装置の大型化やコストアップ並びに放熱器自体の製作コストアップを招かないように、熱交換性能の向上を図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。

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、熱を受け取る板状の受熱体が複数層積層されて接合され、このうち最上層の受熱体の上面に熱を発生する発熱体が接合され、この接合面と対向する同受熱体の下面に前記発熱体の熱を放熱するための放熱フィンが形成されると共にその放熱フィンからの熱を冷却水を流して冷却するための流路が当該放熱フィンに隣接して形成され、その隣接流路が最上層と最下層との１乃至は複数の中間層の受熱体を貫通して、最下層の受熱体の給水口及び排水口に接続されてなる放熱器において、前記中間層の受熱体に、前記最上層の受熱体の放熱フィンと同構造の放熱フィンを形成し、この際、最上層と中間層との放熱フィンの隣接流路の合計断面積が、放熱フィンが１層のみに形成される場合に予め設計値として定められる隣接流路の断面積と等しくなるように形成し、前記給水口から最上層の受熱体へ導かれる冷却水を、前記中間の受熱体に追加形成された放熱フィンの隣接流路に分流して導く流路を形成したことを特徴としている。

この構成によれば、放熱フィンが１つの場合の隣接流路の断面積と等しくなるように、放熱フィンを追加することによって隣接流路も追加されるので、流路を流れる冷却水の圧力を変えることなく隣接流路の表面積を増やすことができる。これによって、熱交換量が増加するので、発熱量が多い発熱体を最上層の受熱体に搭載しても、過剰な冷却水循環装置を用いて流量を増加させることなく温度上昇を低減させることができる。

以上説明したように本発明の放熱器によれば、放熱器用の冷却水循環装置の大型化やコストアップ並びに放熱器自体の製作コストアップを招かないように、熱交換性能の向上を図ることができるという効果がある。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。但し、本明細書中の全図において相互に対応する部分には同一符号を付し、重複部分においては後述での説明を適時省略する。
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る放熱器１００の全体の縦断面図である。
図２は、図１に示す放熱器１００をＤ１−Ｄ２線で切断した際の断面図である。

図３は、図１に示す放熱器１００の第１の受熱体１０１の構造を示し、（ａ）は第１の受熱体１０１の平面図、（ｂ）は第１の受熱体１０１を（ａ）のＥ１−Ｅ２線で切断した際の断面図、（ｃ）は第１の受熱体１０１の下面図である。
図４は、図１に示す放熱器１００の第２の受熱体１０２（又は第３の受熱体１０３）の構造を示し、（ａ）は第２の受熱体１０２（又は第３の受熱体１０３）の平面図、（ｂ）は第２の受熱体１０２（又は第３の受熱体１０３）を（ａ）のＦ１−Ｆ２線で切断した際の断面図、（ｃ）は第２の受熱体１０２（又は第３の受熱体１０３）の下面図である。

図５は、図１に示す放熱器１００の第４の受熱体１０４の構造を示し、（ａ）は第４の受熱体１０４の平面図、（ｂ）は第４の受熱体１０４を（ａ）のＧ１−Ｇ２線で切断した際の断面図、（ｃ）は第４の受熱体１０４の下面図である。
図６は、図１に示す放熱器１００の第５の受熱体１０５の構造を示し、（ａ）は第５の受熱体１０５の平面図、（ｂ）は第５の受熱体１０５を（ａ）のＨ１−Ｈ２線で切断した際の断面図、（ｃ）は第５の受熱体１０５の下面図である。

本実施の形態の放熱器１００は、次のような特徴を有する。まず、図１及び図２に示すようにＬＤアレイ１７の熱を受けて放熱するための受熱体を、第１〜第５の受熱体１０１〜１０５による５層構造とした。但し、５層でなくとも４層以上であればよい。また、放熱器１００の製造時には、最下層の第５の受熱体１０５から上方向に第４、第３と順次積層されて熱的に接合される。

更に、図３及び図４にも示すように、第１の受熱体１０１の下面に形成される放熱フィン１０−１と同一の寸法及び数量の櫛歯状の放熱フィン１０−２，１０−３を、第２及び第３の受熱体１０２，１０３の下面にも互いに位置が上下で一致するように形成する。そして、給水口５から第１の受熱体１０１の放熱フィン１０−１へ流れる冷却水が分流されて、第２及び第３の受熱体１０２，１０３の放熱フィン１０−２，１０−３にも流れるようにした。

また、図２に示すように、各放熱フィン１０−１，１０−２，１０−３の高さｔ１，ｔ２，ｔ３の合計が、従来技術の放熱フィン１０の高さｔと同一となるようにする。即ち、１つの高さ（例えばｔ１）が、ｔ×（１／放熱フィン数）となるようにした。必然的に、各放熱フィン１０−１〜１０−３に隣接する流路１ａ，２ａ，３ａの高さも放熱フィン１０−１〜１０−３の高さｔ１〜ｔ３と同じとなる。

このように複数の放熱フィン１０−１〜１０−３を設けることによって、各放熱フィン１０−１〜１０−３の流路１ａ〜３ａ内の合計面積が、従来の放熱フィン１０の流路内の面積の約３倍（以降、３倍と表現する）となる。何故なら、図２に示すように、流路１ａの上面Ｓａ及び下面Ｓｂが、従来の３倍に増加するからである。
このように従来の３倍の流路面積が得られると、放熱フィン１０−１〜１０−３と冷却水との接触面積が増え熱交換量が増大する。熱交換量は、通常下式（１）により定義されているので、流路の表面積が３倍になれば、放熱量と熱伝達率を同じとすれば温度上昇は１／３となる。従って、ＬＤアレイ１７の発熱量に応じて、新たに放熱フィンを形成する受熱体をｎ個増加すれば、ＬＤアレイ１７の温度上昇を抑えることが可能となる。

Ｑ＝ｈ×ΔＴ×Ｓ
ΔＴ＝Ｑ／（ｈ×Ｓ） …（１）
但し、Ｑ：放熱量（Ｗ）、ｈ：熱伝達率（Ｗ／ｍ^２Ｋ）、ΔＴ：温度上昇（Ｋ）、Ｓ：表面積（ｍ^２）とする。
また、第４の受熱体１０４は、仕切り板の役割で積層され、当該第４の受熱体１０４の下面には、図５に示すように、給水側の圧力損失の低減を防止するために、第５の受熱体１０５の上面に形成された下面水路１０８と同形状の座グリ部１０９が設けられている。この座グリ部１０９によって下面水路１０８の部分の放熱フィン１３と対向して接合する放熱フィン１３−１が形成されている。

また、第２〜第４の受熱体１０２〜１０４には、第５の受熱体１０５の給水口５から給水された冷却水を第１の受熱体１０１の流路１ａへ導くと共に、第２及び第３の受熱体１０２，１０３の流路２ａ，３ａに導くための連通穴４ｂ，３ｂ，２ｂが各流路１ａ〜３ａに接続されて形成されている。つまり、第２及び第３の受熱体１０２，１０３に設けられた連通穴３ｂ，２ｂは、冷却水を自層の上層へ導くと共に、自層の流路２ａ，３ａにも導く分流構造となっている。

次に、このような構造の放熱器１００による放熱動作を説明する。
図示せぬ冷却水循環装置から第５の受熱体１０５の給水口５に導かれた冷却水は、概略扇形の下面水路１０８により拡がって放熱フィン１３まで到達する。この際、第４の受熱体１０４に設けられた座グリ部１０９によって給水側の圧力損失が低減される。
放熱フィン１３まで導かれた冷却水は、第４の受熱体１０４の連通穴４ｂを通り、第３の受熱体１０３の連通穴３ｂに導かれると、この上の第２の受熱体１０２の連通穴２ｂと自受熱体１０３の放熱フィン１０−３の流路３ａとに分流される。流路３ａに導かれた冷却水は、放熱フィン１０−３を冷却しながら流れ、第３の受熱体１０３のランド１１５−３で分かれる水路１１４−３を通って連通穴１１６−３に導かれ、第４の受熱体１０４の連通穴１１６−４を通って、第５の受熱体１０５の座グリ部１２０を経て排水口１６より冷却水循環装置へ排出される。但し、水路１１４−３は、この下の第４の受熱体１０４に設けられた座グリ部１１２−４によって断面積が拡げられているので給水側の圧力損失が低減される。

第２の受熱体１０２の連通穴２ｂに導かれた冷却水は、この上の第１の受熱体１０１の放熱フィン１０−１の流路１ａと自受熱体１０２の放熱フィン１０−２の流路２ａとに分流される。流路２ａに導かれた冷却水は、放熱フィン１０−２を冷却しながら流れ、第２の受熱体１０２のランド１１５−２で分かれる水路１１４−２を通って連通穴１１６−２に導かれ、更に第３の受熱体１０３の連通穴１１６−３及び第４の受熱体１０４の連通穴１１６−４を通って、第５の受熱体１０５の座グリ部１２０を経て排水口１６より冷却水循環装置へ排出される。但し、水路１１４−２は、この下の第３の受熱体１０３に設けられた座グリ部１１２−３によって断面積が拡げられているので給水側の圧力損失が低減される。

第１の受熱体１０１の流路１ａに導かれた冷却水は、放熱フィン１０−１を冷却しながら流れ、ランド１１５−１で分かれる水路１１４−１を通って第２の受熱体１０２の連通穴１１６−２に導かれ、更に第３の受熱体１０３の連通穴１１６−３及び第４の受熱体１０４の連通穴１１６−４を通って、第５の受熱体１０５の座グリ部１２０を経て排水口１６より冷却水循環装置へ排出される。但し、水路１１４−１は、この下の第２の受熱体１０２に設けられた座グリ部１１２−２によって断面積が拡げられているので給水側の圧力損失が低減される。

このように流れる冷却水によって、次のような熱交換が行われる。
図２に矢印Ｙ１で示すようにＬＤアレイ１７で発生した熱は、第１の受熱体１０１の内部に熱伝導良く拡散していく。この伝導した熱は、放熱フィン１０−１の先端から第２の受熱体１０２に伝導し、放熱フィン１０−２の先端から第３の受熱体１０３に伝導し、同様に放熱フィン１０−３から第４の受熱体１０４を経て放熱フィン１３−１から第５の受熱体１０５の放熱フィン１３まで熱伝導し、放熱器１００の内部全体に熱が拡散していく。

このように複数の放熱フィン１０−１〜１０−３によって放熱器１００全体に熱が拡散するが、各放熱フィン１０−１〜１０−３及び１３−１，１３に隣接して流路１ａ〜３ａ及び下面水路１０８を形成して放熱面積が増大させてあるので、各流路１ａ〜３ａ及び下面水路１０８を冷却水が流れることで熱交換量が増大することになる。
この際、特に各放熱フィン１０−１〜１０−３の流路１ａ〜３ａ内の合計面積が、従来の放熱フィン１０の流路内の面積の３倍とされているので、放熱フィン１０−１〜１０−３と冷却水との接触面積が増え熱交換量が増大する。そして、流路１ａ〜３ａの表面積が３倍になれば、温度上昇が１／３となる。従って、ＬＤアレイ１７の温度上昇を抑えることができる。

以上説明したように本実施の形態の放熱器１００によれば、ＬＤアレイ１７で発生した熱を受ける第１の受熱体１０１に形成された放熱フィン１０−１と同構造の放熱フィン１０−２，１０−３を、第１の受熱体１０１の下層に接合される第２及び第３の受熱体１０２，１０３に形成する。これによって、各放熱フィン１０−１〜１０−３に隣接する流路１ａ〜３ａの表面積を約３倍に増加させることができるので、高出力のＬＤアレイ１７を搭載しても、流量を増加させることなく温度上昇を低減させることができる。

また、新たに追加する第２及び第３の受熱体１０２，１０３は、同じ形状のものを積層すればよいので、２以上追加しても製造コストもあまり高くなることはない。つまり、追加分の積層数はＬＤアレイ１７の放熱量に応じて増減させればよい。
また、各流路１ａ〜３ａの総断面積は、従来技術の放熱フィン１０の流路断面積と同じとなるようにしているので、圧力損失が上昇することが無く、これによって冷却水循環装置を大型させることもない。

本発明の実施の形態に係る放熱器の全体の縦断面図である。 上記実施の形態に係る放熱器をＤ１−Ｄ２線で切断した際の断面図である。 上記実施の形態に係る放熱器の第１の受熱体の構造を示し、（ａ）は第１の受熱体の平面図、（ｂ）は第１の受熱体を（ａ）のＥ１−Ｅ２線で切断した際の断面図、（ｃ）は第１の受熱体の下面図である。 上記実施の形態に係る放熱器の第２の受熱体（又は第３の受熱体）の構造を示し、（ａ）は第２の受熱体（又は第３の受熱体）の平面図、（ｂ）は第２の受熱体（又は第３の受熱体）を（ａ）のＦ１−Ｆ２線で切断した際の断面図、（ｃ）は第２の受熱体（又は第３の受熱体）の下面図である。 上記実施の形態に係る放熱器の第４の受熱体の構造を示し、（ａ）は第４の受熱体の平面図、（ｂ）は第４の受熱体を（ａ）のＧ１−Ｇ２線で切断した際の断面図、（ｃ）は第４の受熱体の下面図である。 上記実施の形態に係る放熱器の第５の受熱体の構造を示し、（ａ）は第５の受熱体の平面図、（ｂ）は第５の受熱体を（ａ）のＨ１−Ｈ２線で切断した際の断面図、（ｃ）は第５の受熱体の下面図である。 従来の放熱器の全体の縦断面図である。 従来の放熱器の構造を示し、（ａ）は図７に示すＡ１−Ａ２から見た上受熱体の下面図、（ｂ）は図７に示すＢ１−Ｂ２から見た平面図、（ｃ）は図７に示すＣ１−Ｃ２から見た平面図である。

符号の説明

１ 下受熱体
１ａ，２ａ，３ａ 放熱フィンの隣接流路
２ 中受熱体
３ 上受熱体
４，１００ 放熱器
５ 給水口
６ 円形連通穴
８ 上面水路
１０，１０−１，１０−２，１０−３，１３，１３−１ 放熱フィン
１１，２ｂ，３ｂ，４ｂ 円形連通穴
１１ａ 隔壁
１４ 下面水路
１６ 排水口
１７ ＬＤアレイ
３０ 上座グリ部
３１ 貫通口
１０１ 第１の受熱体
１０２ 第２の受熱体
１０３ 第３の受熱体
１０４ 第４の受熱体
１０５ 第５の受熱体
１０８ 下面水路
１０９，１２０，１１２−２，１１２−３，１１２−４ 座グリ部
１１５−１，１１５−２，１１５−３ ランド
１１６−２，１１６−３，１１６−４ 連通穴
１１４−１，１１４−２，１１４−３ 水路
ｔ，ｔ１，ｔ２，ｔ３ 放熱フィンの高さ及び放熱フィンの隣接流路の高さ

Claims (1)

1. 熱を受け取る板状の受熱体が複数層積層されて接合され、このうち最上層の受熱体の上面に熱を発生する発熱体が接合され、この接合面と対向する同受熱体の下面に前記発熱体の熱を放熱するための放熱フィンが形成されると共にその放熱フィンからの熱を冷却水を流して冷却するための流路が当該放熱フィンに隣接して形成され、その隣接流路が最上層と最下層との１乃至は複数の中間層の受熱体を貫通して、最下層の受熱体の給水口及び排水口に接続されてなる放熱器において、
   前記中間層の受熱体に、前記最上層の受熱体の放熱フィンと同構造の放熱フィンを形成し、この際、最上層と中間層との放熱フィンの隣接流路の合計断面積が、放熱フィンが１層のみに形成される場合に予め設計値として定められる隣接流路の断面積と等しくなるように形成し、
   前記給水口から最上層の受熱体へ導かれる冷却水を、前記中間の受熱体に追加形成された放熱フィンの隣接流路に分流して導く流路を形成した
   ことを特徴とする放熱器。

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