特開 2022-63819 局所冷却装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022063819

(43)【公開日】2022-04-22

(54)【発明の名称】局所冷却装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/38 20060101AFI20220415BHJP

   H01L 23/473 20060101ALI20220415BHJP

   H05K 7/20 20060101ALI20220415BHJP

【ＦＩ】

H01L23/38

H01L23/46 Z

H05K7/20 P

H05K7/20 S

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】書面

(21)【出願番号】P 2020180926

(22)【出願日】2020-10-12

(71)【出願人】

【識別番号】519128200

【氏名又は名称】高橋 一哲

(72)【発明者】

【氏名】高橋 一哲

(72)【発明者】

【氏名】橋本 知也

【テーマコード（参考）】

5E322

5F136

【Ｆターム（参考）】

5E322AA05

5E322AA10

5E322AB06

5E322BB03

5E322DA01

5E322DC01

5E322FA01

5E322FA06

5F136CB08

5F136DA34

5F136HA01

5F136JA03

(57)【要約】      （修正有）

【課題】局所高負荷発熱体に対し、高効率に冷却することができる局所冷却装置を提供する。
【解決手段】局所冷却装置は、電子冷却素子とラジエターとのハイブリッド冷却と、電子冷却素子内の相対する表裏温度差を最小になるように冷却流路を制御することにより、電子冷却素子が高効率に駆動できる入熱面と放熱面の温度差ｄＴ≦１０℃に抑える。
【選択図】なし

【特許請求の範囲】

【請求項1】

板状の電子冷却デバイスの放熱側に設けられた空間に、複数の整流板を配置して、長距離の放熱側冷却水路を設ける。一方、前記電子冷却デバイスの吸熱側には高熱伝導性材を貼り付ける。前記放熱側冷却水路と前記の高熱伝導性材の各位置に於いて、前記電子冷却デバイスに対し表裏対称位置における温度差ｄＴのバラツキが最小になる様に配置されたことを特徴とした局所冷却装置

【請求項2】

板状の電子冷却デバイスの放熱側に設けられた空間に、複数の整流板を配置して、長距離の放熱側冷却水路を設ける。一方、前記電子冷却デバイスの吸熱側には多孔水路を有する高熱伝導性材と、水冷式の局所高発熱体を固定して水の注入と排出を行う水路を有する高熱伝導性材が貼り付けられている。
前記多孔水路を有する高熱伝導性多孔体を通過して冷却された水は、前記高熱伝導性固定台を通過後、前記放熱側に設けられた空間の端に送られている。
前記放熱側冷却水路は、前記電子冷却デバイスの吸熱側に貼付けられた前記高熱伝導性多孔体と前記高熱伝導性固定台の前記貼付け面に対し、表裏対称位置おける温度差ｄＴのバラツキが最小になる様に配置されたことを特徴とした局所冷却装置

【請求項3】

前記電子冷却デバイスに対し、表裏対称位置における温度差のバラツキはｄＴ≦２０℃、好適にはｄＴ≦１０℃なる様に、前記整流板の配列と電子冷却デバイス制御と流量と熱負荷を制御したことを特徴とした請求項１、２記載の局所冷却装置

【請求項4】

前記電子冷却デバイスの包括体からの高温排水をラジエターで冷却後、前記包括体の入水孔に戻したことにより、電子冷却デバイス式冷却とラジエター式冷却を複合したハイブリッド冷却を行うことを特徴とした請求項１～３記載の局所冷却装置

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は局所高負荷発熱体、特に半導体レーザ対し、高効率に冷却することができる冷却装置に関する。

【解決手段】

電子冷却素子とラジエターとのハイブリッド冷却と、電子冷却素子内の相対する表裏温度差を最小になるように冷却流路を制御することにより、電子冷却素子が高効率に駆動できる入熱面と放熱面の温度差ｄＴ≦１０℃に抑える。

【背景技術】

【先行技術文献】

【特許文献】

【0002】

【特許文献1】特開２０１９－３７７５７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

図３に従来の実施例を示す。
サーバラックシステム（伝導システムと対流システムを組み込んだハイブリッドシステム１０）は、内部にサーバー１２を収納するサーバーラック１１と熱伝達装置との組み合わせ体であって、サーバーラックと、ハウジングの形態のヒートシンクと、サーバーラックとヒートシンクとを熱接触させる熱接触構造体１３、１４と、サーバーラックを冷却する冷却液の供給源を提供する冷却器１９と、を備え伝導熱伝達と対流熱伝達の両熱伝達によって、サーバーラックから熱を除去し、サーバーラックを所定の温度範囲内に維持している。

【0004】

しかしながら、半導体レーザ（以下ＬＤと略す）等の局所的に高発熱体を室温以下に冷却しようとするとペルチェ等の冷却手段が必要になる。しかしペルチェ冷却は熱を高効率で放熱しないと、ペルチェ自体が高熱伝導体なので表裏で高温熱が冷却部に伝導するので冷却能力が低下する。よって、できるだけペルチェ両面の温度差ｄＴ≦１０℃しなくてはならないが、ペルチェ単体で高能力かつ高効率に温度差ｄＴ≦１０℃を得るのは困難であった。

【課題を解決するための手段】

【解決手段】

【0005】

本発明はこの課題を解決すべく、電子冷却素子とラジエターとのハイブリッド冷却と、電子冷却素子内の相対する表裏温度差を最小になるように冷却流路を制御し、更にペルチェ等の電子冷却素子が高効率に駆動できる入熱面と放熱面の温度差ｄＴ≦１０℃に抑えることにより、高出力ＬＤ等の高熱密度かつ高負荷発熱体に対しても、高効率に冷却することができる。

【発明の効果】

【0006】

以上のように、本発明の請求項１～請求項４に記載された発明は、高出力ＬＤや電流制御デバイスの様に局所的に大きな発熱が発生する高負荷デバイスに対し、高効率で冷却できる。

【0007】

そして、従来の強制空冷放熱板とペルチェによる放熱と比較して、高出力ＬＤ等の冷却能力を倍以上に増加させるので、同じ高出力ＬＤを搭載したレーザ出力に於いて、倍以上にレーザ出力をあげることができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は本発明の実施の形態１に係るレーザ装置の全体構成図であり、（ａ）上面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）はＡ－Ａ断面、（ｄ）は側面外観図である。

【0009】

【図2】図２は本発明の実施の形態２に係るレーザ装置の全体構成図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）Ｘ－Ｘ断面図、（ｃ）はＹ－Ｙ断面図、（ｄ）は上面図、（ｅ）はＡ－Ａ断面図である。

【図3】図３は従来の実施例である。

【図4】図４はペルチェの冷却能力特性である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１と図２の番号を用いて説明する。

【実施の形態１】

【0011】

図１は本発明の実施の形態１に係るレーザ装置の全体構成図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）はＡ－Ａ断面、（ｄ）は側面外観図である。

【0012】

電子冷却素子であるペルチェ１０１（太線）が内蔵された熱交換部１０２からの排水口１０３、１０４から排水された排水１０５はポンプ１０６を介してファン１０７により空冷されたラジエター１０８で冷却後、熱交換部１０２への入水配管１０９を介して熱交換部１０２の入水口１１０に入水されていることにより、熱交換部１０２での冷却とラジエター１０８での冷却とのハイブリッド冷却構成となっている。

【0013】

係る構成に於いて熱交換部１０２の冷却機能について説明する。
ペルチェ１０１の吸熱側１１１にはペルチェ１０１の全面に対して、高熱伝導体である銅板１１２が、高熱伝導ペースト１１３により接着されている。
この銅板１１２には、更にペルチェ１０１より小さな面積の有するペルチェ１１４（太線）の放熱側１１５が高熱伝導ペースト１１３により接着されている。
ペルチェ１１４の吸熱側１１６には、再び銅板１１７に高熱伝導ペースト１１３にて接着されていて、更に、ＬＤ等の局所高発熱体１１８を冷却している。

【0014】

次に熱交換部１０２の排熱機能について説明する。ラジエター１０８にて冷却され、入水口１１０から侵入した循環水１１９はペルチェ１０１の放熱側１２０の中央部に流れ込んでいる。その後、千鳥状に配置された仕切り板１２１を通過中にペルチェ１０１からの熱を吸収し高温水となって排水口１０３、１０４から排出されている。

【0015】

なお、水は最も熱容量が大きく、温めにくいので、単にペルチェ１０１の放熱側１２０全体を水没させても、熱伝導は僅かであった。この理由としては、層流を形成している為、ペルチェ１０１表面での流速が０に近くなり、この層流の低流速部が熱伝導壁となり温度上昇は少なく、ペルチェ１０１表面近傍に熱がこもり、冷却効率は低かったと推測した。そこで、千鳥状に配置された仕切り板１２１を多くして水路長を５倍ＵＰさせると、温度上昇は６～１０倍と遥かに増加し、ペルチェ１０１に２０Ｗの電力を投入すると１０℃以上温度上昇させることができた。これは千鳥状に配置された仕切り板１２１を多く追加することにより、流速が増加して乱流となりペルチェ１０１表面の流速増加による放熱が増加したからだと考える。

【0016】

一方ラジエター１０８は内部の水温と室温との温度差が増えると、急激に冷却効率が増加する。本実施例では、ペルチェ１０１に２０Ｗ、ペルチェ１０１に１０Ｗ供給し、１０Ｗの熱負荷を局所高発熱体１１８に与え２０℃に調整した場合、ラジエター１０８での温度差は１０℃以上となり、効率よく冷却することができた。なお、ラジエター１０８での温度差は、時間経過や各構成要素の姿勢やサイズや形状、各界面状態や室温分布等、多くのパラメータがあり、それらで大きく変化するので、詳細な測定条件は割愛する。

【0017】

また、ペルチェ１０１はペルチェ電源１２２により駆動されているが、ペルチェ電源１２２からの熱がラジエター１０８に入らない様に、ラジエター１０８は吸気するようにファン１０７を回転させているが、ラジエター１０８とファン１０７の順番を逆にしてもラジエター１０８での温度差１０℃は殆ど差がなかった。これはラジエター１０８にファン１０７から吹き付ける場合は、流速が上がるが、ファン１０７の発熱が加算される、逆の場合は、ラジエター１０８に吸引される流速は吹き付ける時より低速であるが、ファン１０７の発熱の影響を受けないから、結局はラジエター１０８での温度差１０℃には、差が殆ど観察されなかったからだと考える。

【0018】

更に、ペルチェ１０１を長くしたり、千鳥状に配置された仕切り板１２１を多く追加すると、ペルチェ１０１からの排熱が大きくなり、ラジエター１０８での温度差が更に大きくできるので、冷却能力が更に増加する。

【0019】

また、本実施例１では中央部に配置された局所高発熱体１１８の冷却能力をあげる為に、ラジエター１０８からの循環水１１９は中央部から取り込んでいるが、局所高発熱体１１８であるＬＤの設置位置に最も近づく様に入水口１１０を移動しても良い。

【0020】

更に、ＬＤドライバ等の発熱体を水冷発熱体１２３としてラジエター１０８への水路１２４に挿入することにより、ＬＤ駆動能力を更に大きくできるのは自明である。更に、銅板１１２に第２のペルチェ１１４を接着せずに、代わりに局所高発熱体１１８を接着しても良い。

【0021】

また、銅板１１７から局所高発熱体１１８を外し無負荷状態に最適化すると、ペルチェ１０１とペルチェ１１４共に温度差は３０℃以上得られた。よって循環水温度を１０℃にすると、１０℃－３０℃×２＝－５０℃といった極低温が期待できる。

【0022】

図２は本発明の実施の形態２に係るレーザ装置の全体構成図であり、（ａ）は高温側の上面図、（ｂ）Ｘ－Ｘ断面図、（ｃ）はＹ－Ｙ断面図、（ｄ）は低温側の上面図、（ｅ）はＡ－Ａ断面図である。
第１の実施例との相違点は、局所高発熱体であるＬＤが水冷型ＬＤ５０であり水冷が必要な場合に対し、高効率に冷却させる構成を提供する点である。

【0023】

ペルチェ１０１が内蔵された熱交換部５１からの排水口５２で排水された排水１０５はポンプ１０６を介してファン１０７により空冷されたラジエター１０８で冷却後、熱交換部５１への入水配管１０９を介して熱交換部５１の入水口５３に入水されていることにより、熱交換部５１での冷却とラジエター１０８での冷却とのハイブリッド冷却構成となっている。

【0024】

係る構成に於いて熱交換部５１の冷却機能について説明する。
図２の低温側の上面図（ｄ）に示すように、入水配管１０９から戻り、入水口５３から侵入した循環水５４は、ペルチェ１０１の吸熱側１１１に接着された、多孔水路５５を有する方形銅材５６により冷却される。

【0025】

多孔水路５５通過後の循環水５７は、斜線部の水路５８を通り、再度方形銅材５６の第２の多孔水路５９を通過し、点状部の水路６０を通過後、局所高発熱体である水冷ＬＤ５０に密着固定された水冷ベース６１内の入水水路６２を通過して水冷ＬＤ５０に入水する。なお、入水口５３と点状部の水路６０は隔離板６３により隔離されている。

【0026】

水冷ＬＤ５０から排出された循環水６４は、水冷ベース６１内の排出水路６５を通過後、ペルチェ１０１の低温の吸熱側１１１から高温の放熱側１２０に通じている２重斜線水路６６通じて、ペルチェ１０１の高温の放熱側１２０に入水している。その後、千鳥状に配置された仕切り板６７を通過中にペルチェ１０１の放熱側１２０からの熱を多く吸収し、高温水となって排水口５２から排出されている。

【0027】

次に本実施例における水冷能力の高効率化について、図４のグラフ１を用いて説明する。一般的にペルチェの冷却効率を高くする為には、ペルチェ１０１の放熱側と吸熱側の温度差ｄＴを限りなく０に近づけることが必要なことが知られている。図４のグラフ１は本実施例に持ちいたペルチェ１０１の冷却能力特性である。縦軸のＣＯＰは冷却量／投入電力の比であり、横軸は電流である。

【0028】

例えば電流５Ａ、ｄＴ＝１０℃（赤線）とするとＣＯＰ＝３．３となり、投入した電力の３．３倍の冷却能力となる。５Ａ時ｄＴ＝０℃ではＣＯＰ＞４となり更に効率が良くなる。
即ち、ｄＴ≦１０℃にすることで高い効率が得られるが、本発明の実施例１、２はいずれも、ラジエター冷却とペルチェ冷却のハイブリッド構成により、高負荷時にペルチェ単独では実現不可能なｄＴ≦１０℃を本発明で実現することができた。

【0029】

次に本発明にて高負荷時でもペルチェ１０１全面でｄＴ≦１０℃実現した原理について、図２を持ちいて説明する。
入水口５３から侵入した循環水５４の温度Ｔ１＝３０℃になる様に設定する。循環水５４は、多孔水路５５、５９を有する方形銅材５６により冷却され、水冷ベース６１内の入水水路６２を通過時点の水温を温度Ｔ２＝２０℃になる様に、ペルチェ１０１の電流をペルチェ電源１２２で調整する。
次に、水冷ＬＤ５０から排出された循環水６４の水温Ｔ３＝３０℃になる様に水冷ＬＤ５０の電流を調整する。

【0030】

水温Ｔ３＝３０℃に調整された循環水６４は２重斜線水路６６通じて、ペルチェ１０１の放熱側１２０に入水している。よってペルチェ１０１の領域１におけるｄＴはほぼ０となる。

【0031】

その後、千鳥状に配置された仕切り板６７を通過中にペルチェ１０１からの熱を多く吸収し、領域４ではＴ４＝４０℃となる。領域４におけるペルチェ１０１の反対面の温度Ｔ３は３０℃なので、ｄＴ＝４０－３０＝１０℃となる。すなわちペルチェ全面に対しｄＴ≦１０℃に制御できるので、高負荷・高効率放熱を実現することができる。

【0032】

（参考）実施例１に用いた主な試験環境を示す。
ペルチェ１０１ ・・・フェローテック製９５０６ □５５ｘ５５ｘ４．８ｍｍ
最大定格４０Ａ ４．３Ｖ Ｑｃ９２Ｗ
局所高発熱体１１８・・・ピーク２．４ｋＷ ａｔ２７０Ａ Ｄｕｔｙ２％
０．３ｍｓ時６６Ｈｚ
最大発熱 ・・・（２７０Ａ×１５．２Ｖ－２．４ｋＷ）×０．０２＝
（４．１ｋＷ－２．４ｋＷ）×０．０２＝３４Ｗ
ファンサイズ ・・・□１２０ｘ１２０ｘ４０ｍｍ １５Ｗ
ラジエターサイズ ・・・□１２０ｘ１２０ｘ２０ｍｍ
ポンプ ・・・最大吐出圧１０Ｋｐａ、最大流量４００ｍｌ毎分

【産業上の利用可能性】

【0033】

以上説明したように、本発明の請求項１～請求項４に記載された発明は、高出力半導体レーザや電流制御デバイスの様に局所的に大きな発熱が発生する高負荷デバイスに対し、高効率で冷却できる。
従来の強制空冷放熱板とペルチェによる放熱と比較では、同レーザ出力に於いて、倍以上にレーザ出力をあげることができた。例えば、従来５０ｍＪ２０Ｈｚであったレーザを５０Ｈｚ以上で駆動させることが確認できた。
更に、ペルチェの高速応答性により、負荷変動に対し高速に冷却制御できるのでレーザ出力等の安定性も大幅向上する
また、ペルチェをカスケード構成にすることもできるので＜－５０℃といった極低温が期待できる。こうした極低温は電子部品のヒートサイクル温度試験条件―４０℃を超えた能力を有しているので、レーザ加熱等と併用することで、高速・コンパクトな小型温度試験機も実現できる。

【符号の説明】

【0034】

５０・・・水冷型ＬＤ
５１・・・ペルチェ１が内蔵された熱交換部
５２・・・排水口
５３・・・入水口
５４・・・循環水
５５・・・多孔水路
５６・・・方形銅材
５７・・・循環水
５８・・・水路
５９・・・第２の多孔水路
６０・・・点状部の水路
６１・・・水冷ベース
６２・・・入水水路
６３・・・隔離板
６４・・・循環水
６５・・・水冷ベース６１内の排出水路
６６・・・２重斜線水路
６７・・・千鳥状に配置された仕切り板
１０１・・・ペルチェ
１０２・・・熱交換部
１０３、１０４・・・排水口
１０５・・・排水
１０６・・・ポンプ
１０７・・・ファン
１０８・・・ラジエター
１０９・・・入水配管
１１０・・・入水口
１１１・・・ペルチェ１の吸熱側
１１２・・・銅板
１１３・・・高熱伝導ペースト
１１４・・・ペルチェ１より小さな面積の有するペルチェ
１１５・・・ペルチェ１４の放熱側
１１６・・・ペルチェ１４の吸熱側
１１７・・・銅板
１１８・・・局所高発熱体
１１９・・・入水口１０から侵入した循環水
１２０・・・ペルチェ１の放熱側
１２１・・・千鳥状に配置された仕切り板
１２２・・・ペルチェ電源
１２３・・・水冷発熱体
１２４・・・水路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】