WO2023062674A1 - 冷却器及び電気機器 - Google Patents

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WO2023062674A1
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cooler
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coolant
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満 杷野
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東芝三菱電機産業システム株式会社
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/06—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media
    • F28F13/08—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media by varying the cross-section of the flow channels
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/42—Fillings or auxiliary members in containers or encapsulations selected or arranged to facilitate heating or cooling
    • H01L23/427—Cooling by change of state, e.g. use of heat pipes
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating

Definitions

  • Embodiments of the present invention relate to coolers and electrical equipment.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a cooler and an electric device that can improve the cooling capacity while suppressing the increase in size and the occurrence of abnormalities.
  • the cooler of the embodiment includes a contact surface, a flow path forming portion, a supply portion, a discharge portion, and at least one retention portion.
  • the contact surface contacts the object to be cooled.
  • a channel through which the coolant flows is formed in the channel forming portion.
  • the supply unit supplies the coolant to the channel.
  • the discharge part discharges the coolant from the flow path.
  • the flow passage cross-sectional area of the retention portion changes so as to promote the residence of the coolant locally in the flow passage.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of temperature distribution of each of the cooler of the embodiment and the cooler of the comparative example; Sectional drawing of the cooler which concerns on the modification of embodiment. Sectional drawing of the cooler which concerns on the comparative example of the modification of embodiment.
  • FIG. 1 is a perspective view showing the configuration of an electric device 1 including a cooler 10 of the embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the cooler 10 of the embodiment.
  • the directions of the X-axis, Y-axis, and Z-axis which are orthogonal to each other in the three-dimensional space, are directions parallel to each axis.
  • the Z-axis direction is parallel to the thickness direction of the cooler 10 .
  • the Y-axis direction is parallel to the lateral direction of the cooler 10 .
  • the X-axis direction is parallel to the longitudinal direction of cooler 10 .
  • the electrical device 1 of the embodiment is, for example, a board provided in electrical equipment.
  • the board is a distribution board, a distribution board, a control board, or the like that constitutes a power conversion device, a power supply device, a motor drive device, or the like.
  • the electrical equipment 1 includes various circuit components such as semiconductor elements, resistors, conductors, fuses, capacitors, transformers, switches, circuit breakers, and measuring equipment.
  • circuit components such as semiconductor elements, resistors, conductors, fuses, capacitors, transformers, switches, circuit breakers, and measuring equipment.
  • heat sources such as semiconductor elements and resistors are objects to be cooled OB cooled by the cooler 10 .
  • a plurality of discharge resistors 3 and a plurality of snubber resistors 5 are arranged on both sides of the cooler 10 in the thickness direction as objects to be cooled OB.
  • the heat generated by the discharge resistor 3 is relatively smaller than the heat generated by the snubber resistor 5 .
  • a plurality of snubber resistors 5 are connected to the busbar 7 on each of the positive and negative sides.
  • An appropriate cable 9 is connected to each discharge resistor 3 and each of the plurality of discharge resistors 3 connected by each bus bar 7 .
  • the plurality of discharge resistors 3 and the plurality of snubber resistors 5 are arranged in each of two rows along the X-axis direction, while being shifted in the X-axis direction between the two rows.
  • the plurality of discharge resistors 3 and the plurality of snubber resistors 5 are alternately arranged in a zigzag arrangement when viewed from the thickness direction of the cooler 10 .
  • a plurality of discharge resistors 3 and a plurality of snubber resistors 5 constitute each one object to be cooled OB by a pair of discharge resistors 3 or a pair of snubber resistors 5 arranged alternately.
  • the cooler 10 is, for example, a heat sink that cools an object to be cooled with a liquid or gas coolant that flows inside. As shown in FIG. 1, the outer shape of the cooler 10 is, for example, a rectangular parallelepiped box shape.
  • the cooler 10 includes a channel forming portion 11 and a supply portion 13 and a discharge portion 15 communicating with the channel forming portion 11 .
  • a channel 21 through which the coolant flows inside the cooler 10 is formed in the channel forming portion 11 .
  • a coolant supply port 23 and a coolant discharge port 25 for communicating the channel 21 and the outside of the cooler 10 are formed in the channel forming portion 11 .
  • the coolant supply port 23 and the coolant discharge port 25 are, for example, one end (the right end in FIG. 2, hereinafter referred to as the first end 11a) of both ends of the flow path forming portion 11 in the X-axis direction. is formed in
  • the first end portion 11a side of the flow path forming portion 11 is simply referred to as the first end portion 11a side.
  • the end portion opposite to the first end portion 11a is referred to as a second end portion 11b.
  • the second end portion 11b side of the flow path forming portion 11 is simply referred to as the second end portion 11b side.
  • the channel 21 reciprocates along the X-axis direction a plurality of times between both ends of the channel-forming portion 11 in the X-axis direction.
  • the flow path 21 is provided so as to meander between both end portions of the flow path forming portion 11 in the X-axis direction and extend from the central portion in the Y-axis direction toward the peripheral portion.
  • the flow path 21 includes, for example, a plurality of linear portions 31, a plurality of curved portions 33 connected to both longitudinal ends of the plurality of linear portions 31, and a plurality of retention portions provided in the middle of the linear portions 31. 35;
  • the plurality of linear portions 31 are, for example, four linear portions 31 (first outer linear portion 31a, first inner linear portion 31b, second outer linear portion 31c, second inner linear portion 31d). be.
  • Each of the plurality of linear portions 31 is provided so as to extend in parallel along the X-axis direction between both end portions of the flow path forming portion 11 in the X-axis direction.
  • the plurality of linear portions 31 are arranged, for example, along the Y-axis direction.
  • the refrigerant discharge port 25 is connected to the first end 11a side of the first outer linear portion 31a provided at one end in the Y-axis direction of the linear portions 31 .
  • the coolant supply port 23 is connected to the first end portion 11a side of the first inner linear portion 31b arranged in the Y-axis direction with the first outer linear portion 31a.
  • the plurality of bending portions 33 are, for example, three bending portions 33 (first bending portion 33a, second bending portion 33b, third bending portion 33c). Each of the plurality of curved portions 33 is arranged, for example, at either end of the flow path forming portion 11 in the X-axis direction. Each curved portion 33 is formed in a U shape so as to protrude outward in the X-axis direction of the flow path forming portion 11 . Both ends of each curved portion 33 are connected to the X-axis direction end portions of predetermined linear portions 31 .
  • the first curved portion 33a of the three curved portions 33 is located on the second end portion 11b side of the first outer linear portion 31a and on the side opposite to the first outer linear portion 31a in the Y-axis direction.
  • the second outer linear portion 31c provided at the end is connected to the second end portion 11b side.
  • the second curved portion 33b of the three curved portions 33 is located between the second end portion 11b of the first inner linear portion 31b and between the first inner linear portion 31b and the second outer linear portion 31c. and the second end portion 11b side of the second inner linear portion 31d provided in the .
  • the third curved portion 33c of the three curved portions 33 connects the first end portion 11a side of the second outer linear portion 31c and the first end portion 11a side of the second inner linear portion 31d. are doing.
  • the flow path 21 is provided so as to meander between both ends of the flow path forming portion 11 in the X-axis direction and extend from the central portion in the Y-axis direction toward the peripheral portion.
  • Each of the plurality of retention portions 35 is provided, for example, so that the channel cross-sectional area changes so as to locally promote retention of the coolant in the linear portion 31 of the channel 21 .
  • the channel cross-sectional area of each retention portion 35 is formed larger than, for example, the channel cross-sectional area of the linear portion 31 .
  • Each retention portion 35 is formed, for example, so as to expand in the Y-axis direction compared to the linear portion 31 .
  • the residence time of the refrigerant in each residence portion 35 is shorter than the residence time of the refrigerant in the linear portion 31 .
  • the residence time is, for example, the time required for the coolant to flow through the flow path 21 per unit length along the X-axis direction.
  • a plurality of retaining portions 35 provided in any two linear portions 31 adjacent in the Y-axis direction among the plurality of linear portions 31 are arranged in a staggered manner, for example, when viewed from the Z-axis direction.
  • the distance between any one of the linear portions 31 and the retention portion 35 is smaller than the distance between the two linear portions 31 .
  • each of the plurality of retention portions 35 is provided so as to overlap the object to be cooled OB of the electrical equipment 1 when viewed from the normal direction of the contact surface 37 of the cooler 10 described later.
  • the normal direction of the contact surface 37 is parallel to the thickness direction of the cooler 10, for example, the Z-axis direction.
  • the flow path 21 from the coolant supply port 23 to the coolant discharge port 25 inside the cooler 10 is first set towards.
  • the channel 21 is provided from the central portion of the channel forming portion 11 toward the peripheral edge portion (both end portions) in the Y-axis direction.
  • the channel 21 is provided from the periphery of the channel forming portion 11 toward the coolant discharge port 25 .
  • Each of the supply portion 13 and the discharge portion 15 constitutes, for example, a connection portion or the like for connecting a pipe leading to each of the coolant supply port 23 and the coolant discharge port 25 .
  • the cooler 10 includes, for example, contact surfaces 37 on which a plurality of objects to be cooled OB are arranged on both sides in the thickness direction.
  • a plurality of objects to be cooled OB are arranged in a row in the X-axis direction on each contact surface 37 along the linear portion 31 of the flow path 21, for example.
  • the object to be cooled OB having a relatively large amount of heat generation is located closer to the supply portion 13 and the object to be discharged 15 in the X-axis direction than the object to be cooled OB having a relatively small amount of heat generation. is placed near the
  • an object to be cooled OB formed by a pair of discharge resistors 3 with a relatively small amount of heat is farther from the supply unit 13 and the discharge unit 15 than an object OB to be cooled by a pair of discharge resistors 3 with a relatively small amount of heat. are placed.
  • the object to be cooled OB by the pair of discharge resistors 3 is located opposite the first end 11a in the X-axis direction of the flow path forming portion 11 where the coolant supply port 23 and the coolant discharge port 25 are provided. side second end 11b.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of cooler 40 according to a comparative example of the embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of temperature distribution of each of the cooler 10 of the embodiment and the cooler 40 of the comparative example.
  • the external shape of the cooler 40 of the comparative example is the same as the external shape of the cooler 10 of the embodiment.
  • the arrangement of the plurality of objects to be cooled OB in the cooler 40 of the comparative example is the same as the arrangement of the plurality of objects to be cooled OB in the cooler 10 of the embodiment.
  • the difference between the cooler 40 according to the comparative example of the embodiment and the cooler 10 of the above-described embodiment is that the flow path 41 of the cooler 40 of the comparative example and the cooler 10 of the embodiment It differs from the flow path 21 in that it is different.
  • the difference between the cooler 40 according to the comparative example of the embodiment and the cooler 10 of the above-described embodiment is that the retention portion 35 provided in the flow path 21 of the cooler 10 of the embodiment is different from that of the cooler 40 of the comparative example. It's on the spot.
  • the cooler 40 of the comparative example includes a channel forming portion 43 in which a channel 41 through which the coolant flows is formed.
  • the outer shape of the flow path forming portion 43 of the comparative example is the same as the outer shape of the flow path forming portion 11 of the embodiment.
  • a coolant supply port 45 and a coolant discharge port 47 for communicating the flow channel 41 and the outside of the cooler 40 are formed in the flow channel forming portion 43 of the comparative example.
  • the coolant supply port 45 and the coolant discharge port 47 are, for example, one of both ends of the flow path forming portion 43 in the X-axis direction (the right end in FIG. 3, hereinafter referred to as the first end 43a). is formed in
  • the first end portion 43a side of the flow path forming portion 43 is simply referred to as the first end portion 43a side.
  • the end portion opposite to the first end portion 43a is referred to as a second end portion 43b.
  • the second end portion 43b side of the flow path forming portion 43 is simply referred to as the second end portion 43b side.
  • the channel 41 reciprocates along the X-axis direction a plurality of times between both ends of the channel-forming portion 43 in the X-axis direction.
  • the flow path 41 meanders between both ends of the flow path forming portion 43 in the X-axis direction, and extends from one side in the Y-axis direction (the upper side in FIG. 3, hereinafter referred to as the Y-axis direction upper side) to the opposite side (the , hereinafter referred to as Y-axis direction bottom).
  • the flow path 41 includes, for example, a plurality of linear portions 51 and a plurality of curved portions 53 connected to both longitudinal ends of the plurality of linear portions 51 .
  • the plurality of linear portions 51 are, for example, four linear portions 51 (first outer linear portion 51a, first inner linear portion 51b, second outer linear portion 51c, second inner linear portion 51d). be.
  • Each of the plurality of linear portions 51 is provided so as to extend in parallel along the X-axis direction between both end portions of the flow path forming portion 11 in the X-axis direction.
  • the plurality of linear portions 31 are arranged, for example, along the Y-axis direction.
  • the coolant supply port 45 is connected to the first end portion 43a side of the first outer linear portion 51a provided at the upper end in the Y-axis direction among these linear portions 51 .
  • a refrigerant discharge port 47 is connected to the first end portion 43a side of the second outer linear portion 51c provided at the lower end in the Y-axis direction of the linear portion 51 .
  • the plurality of bending portions 53 are, for example, three bending portions 53 (first bending portion 53a, second bending portion 53b, third bending portion 53c). Each of the plurality of curved portions 53 is arranged, for example, at either end of the flow path forming portion 43 in the X-axis direction. Each curved portion 53 is formed in a U shape so as to protrude outward in the X-axis direction of the flow path forming portion 43 . Both ends of each curved portion 53 are connected to the X-axis direction end portions of predetermined linear portions 51 .
  • the first curved portion 53a of the three curved portions 53 is located near the second end 43b of the first outer linear portion 51a and the first inner linear portion adjacent to the first outer linear portion 51a. 51b on the side of the second end 43b.
  • the second curved portion 53b of the three curved portions 53 is formed between the second outer linear portion 51c on the second end portion 43b side and the second inner linear portion 51d adjacent to the second outer linear portion 51c. and the second end 43b side.
  • the third curved portion 53c of the three curved portions 53 connects the first end portion 43a side of the first inner linear portion 51b and the first end portion 43a side of the second inner linear portion 51d. are doing.
  • the flow path 21 is provided so as to extend from the upper side in the Y-axis direction to the lower side in the Y-axis direction while meandering between both ends of the flow path forming portion 43 in the X-axis direction.
  • the flow path 41 from the coolant supply port 45 to the coolant discharge port 47 inside the cooler 40 is firstly formed from the coolant supply port 45 to the upper peripheral edge portion of the flow path forming portion 43 in the Y-axis direction. It is provided toward (the first peripheral portion).
  • the channel 41 is provided from the first peripheral portion of the channel forming portion 43 toward the central portion in the Y-axis direction.
  • the channel 41 is provided from the central portion of the channel forming portion 43 toward the lower peripheral edge portion (second peripheral edge portion) in the Y-axis direction.
  • the channel 41 is provided from the second peripheral portion of the channel forming portion 43 toward the coolant discharge port 47 .
  • the temperature distribution in the Y-axis direction is uniform in the cooler 10 of the embodiment, whereas the temperature distribution in the Y-axis direction is uneven in the cooler 40 of the comparative example. It can be seen that the cooling is uniform and that there is some bias in the cooling action in the Y-axis direction.
  • the cooler 40 of the comparative example from the first end in the Y-axis direction, where the flow path length from the coolant supply port 45 is relatively short, to the second end side in the Y-axis direction, where the flow path length is relatively long. Along with going, the temperature changes so that it increases.
  • the difference in flow path length from the coolant supply port 45 is small between the first end side and the second end side in the Y-axis direction, and the temperatures are the same. It is about
  • the above-described flow path 21 includes a plurality of retaining portions 35 whose flow path cross-sectional areas change so as to promote local retention of the coolant. Therefore, the cooling capacity of the cooler 40 can be improved while suppressing the enlargement of the cooler 40 and preventing the cooler 40 from becoming abnormal due to an increase in the flow velocity of the refrigerant in the flow path 21 .
  • the residence time of the refrigerant in each retention portion 35 is longer than the residence time of the refrigerant in each linear portion 31 in the direction of flow of the refrigerant.
  • the retention time of the coolant in the flow path 21 can be extended, for example, compared to the case where the retention portion 35 is not provided. Therefore, it is possible to improve the cooling capacity of the cooler 40 while suppressing an increase in the size of the cooler 40 and an increase in the flow velocity of the coolant in the flow path 21 .
  • the distance between any one of the linear portions 31 and the retention portion 35 is smaller than the distance between the two linear portions 31 .
  • heat transfer between the refrigerant flowing through any two adjacent linear portions 31 can be facilitated, and temperature uniformity can be improved, compared to the case where the retention portion 35 is not provided, for example.
  • the plurality of retention portions 35 are locally provided in the flow path 21, it is possible to suppress an increase in pump capacity compared to, for example, the case where the cross-sectional area of the flow path is expanded over the entire flow path 21. can be done.
  • Each retention portion 35 overlaps the object to be cooled OB when viewed from the normal direction of the contact surface 37, thereby promoting cooling of the object to be cooled OB. For example, cooling of the object to be cooled OB by the coolant can be accelerated compared to the case where each retention portion 35 does not overlap the object to be cooled OB when viewed from the normal direction of the contact surface 37 .
  • a plurality of retaining portions 35 provided in any two linear portions 31 adjacent in the Y-axis direction are staggered in a staggered arrangement when viewed in the Z-axis direction. effective heat transfer can be ensured.
  • the plurality of retention portions 35 are arranged in the Y-axis direction. can do.
  • the flow path forming portion 11 is provided so as to extend from the central portion in the Y-axis direction toward the peripheral portion thereof.
  • the temperature distribution in the axial direction can be made uniform.
  • the temperature in the Y-axis direction It is possible to prevent the distribution from becoming non-uniform and the cooling action from being biased in the Y-axis direction.
  • the flow path 21 reciprocates a plurality of times along the X-axis direction between both ends of the flow path forming portion 11 in the X-axis direction, but the present invention is not limited to this.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of cooler 10A according to a modification of the embodiment.
  • the flow path 21A formed in the flow path forming portion 11A of the cooler 10A of the modified example rotates a plurality of times between two predetermined portions 11c and 11d in the circumferential direction. Move back and forth along the direction.
  • 21 A of flow paths of a modification are provided so that it may go to an outer peripheral part from an inner peripheral part, meandering along the circumferential direction between two predetermined
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a cooler 40A according to a comparative example of the modified example of the embodiment.
  • the flow path 41A formed in the flow path forming portion 43A of the cooler 40A according to the comparative example of the modification spirals along the circumferential direction a plurality of times, for example.
  • 41 A of flow paths of the comparative example of a modification are reversed, after heading to an inner peripheral part from the outer peripheral part of 43 A of flow-path formation parts, spiraling along one of the circumferential directions (1st direction). And it is provided so that it may go to an outer peripheral part from an inner peripheral part, winding along one opposite direction (2nd direction) of the circumferential direction.
  • cooling by the refrigerant is achieved by diametrically adjoining the portion on the outward path from the outer peripheral portion to the inner peripheral portion and the portion on the return path from the inner peripheral portion to the outer peripheral portion.
  • the temperature distribution gradually changes from the inner peripheral portion where the cooling action is relatively strong toward the outer peripheral portion where the cooling action is relatively small, and the cooling target is cooled by the refrigerant. Effectively acts on objects OB.
  • the cooling capacity of the cooler 40 is increased by providing the flow passage 21 with a plurality of retention portions 35 in which the cross-sectional area of the flow passage changes so as to promote the residence of the coolant locally.
  • the cooling capacity of the cooler 40 is increased by providing the flow passage 21 with a plurality of retention portions 35 in which the cross-sectional area of the flow passage changes so as to promote the residence of the coolant locally.
  • an increase in the size of the cooler 40 can be suppressed, and an abnormality of the cooler 40 due to an increase in the flow velocity of the refrigerant in the flow path 21 can be prevented.

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Abstract

実施形態の冷却器は、接触面と、流路形成部と、供給部と、排出部と、少なくとも１つの滞留部とを備える。接触面は冷却対象物に接触する。流路形成部には冷媒が流通する流路が形成される。供給部は流路に冷媒を供給する。排出部は流路から冷媒を排出する。滞留部は流路で局所的に冷媒の滞留を促すように流路断面積が変化する。

Description

冷却器及び電気機器
　本発明の実施形態は、冷却器及び電気機器に関する。
　従来、水等の液体の冷媒を流通させる流路が内部に形成されたヒートシンクを備える電力変換装置がある。
　しかしながら、ヒートシンクの冷却能力を増大させるために、冷媒の流量又は流速を増大させる場合、装置が大型になる又は装置に異常が生じる可能性があった。例えば、流路断面積の拡大によって冷媒の流量を増大させる場合、冷媒を流通させるポンプの容量が増大する可能性があった。例えば、冷媒の流速を増大させる場合、流路の内部に損傷等の異常が発生する可能性があった。
特開２００４－２７４９５９号公報 特開２０１９－１６０８４９号公報
　本発明が解決しようとする課題は、大型化や異常の発生を抑制しつつ冷却能力を向上させることができる冷却器及び電気機器を提供することである。
　実施形態の冷却器は、接触面と、流路形成部と、供給部と、排出部と、少なくとも１つの滞留部とを備える。接触面は冷却対象物に接触する。流路形成部には冷媒が流通する流路が形成される。供給部は流路に冷媒を供給する。排出部は流路から冷媒を排出する。滞留部は流路で局所的に冷媒の滞留を促すように流路断面積が変化する。
実施形態の冷却器を備える電気機器の構成を示す斜視図。 実施形態の冷却器の断面図。 実施形態の比較例に係る冷却器の断面図。 実施形態の冷却器及び比較例の冷却器の各々の温度分布の例を示す図。 実施形態の変形例に係る冷却器の断面図。 実施形態の変形例の比較例に係る冷却器の断面図。
　以下、実施形態の冷却器及び電気機器を、図面を参照して説明する。
　図１は、実施形態の冷却器１０を備える電気機器１の構成を示す斜視図である。図２は、実施形態の冷却器１０の断面図である。
　以下、３次元空間で互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各軸方向は、各軸に平行な方向である。例えば図１及び図２に示すように、Ｚ軸方向は冷却器１０の厚さ方向に平行である。Ｙ軸方向は冷却器１０の短手方向に平行である。Ｘ軸方向は冷却器１０の長手方向に平行である。
　実施形態の電気機器１は、例えば、電気設備等に設けられる盤である。盤は、電力変換装置、電源装置及びモータ駆動装置等を構成する配電盤、分電盤及び制御盤等である。
　図１に示すように、電気機器１は、例えば、半導体素子、抵抗、導体、ヒューズ、コンデンサ、トランス、開閉器、遮断器及び計測機器等の各種の回路構成要素を備える。各種の回路構成要素のうち、例えば、半導体素子及び抵抗等の発熱源は、冷却器１０によって冷却される冷却対象物ＯＢである。
　実施形態の電気機器１では、例えば、複数の放電抵抗３及び複数のスナバ抵抗５が冷却対象物ＯＢとして冷却器１０の厚さ方向の両側に配置されている。電気機器１の動作時等にて、相対的に放電抵抗３の発熱はスナバ抵抗５の発熱よりも小さい。
　例えば、冷却器１０の厚さ方向の両側の各々にて、複数のスナバ抵抗５は正極側及び負極側の各々でバスバー７に接続されている。各放電抵抗３と、各バスバー７によって接続された複数の放電抵抗３との各々には、適宜のケーブル９が接続されている。
　例えば、複数の放電抵抗３及び複数のスナバ抵抗５は、Ｘ軸方向に沿う２列の各々でＸ軸方向に並びながら、２列同士ではＸ軸方向でずれるように配置されている。複数の放電抵抗３及び複数のスナバ抵抗５は、冷却器１０の厚さ方向から見て千鳥配置状に互い違いに配置されている。複数の放電抵抗３及び複数のスナバ抵抗５は、互い違いに配置される一対の放電抵抗３又は一対のスナバ抵抗５によって各１つの冷却対象物ＯＢを構成する。
　冷却器１０は、例えば、内部を流通する液体状又は気体状等の冷媒によって冷却対象物を冷却するヒートシンクである。図１に示すように、冷却器１０の外形は、例えば直方体の箱型である。冷却器１０は、流路形成部１１と、流路形成部１１に通じる供給部１３及び排出部１５と、を備える。
　図２に示すように、流路形成部１１には、冷却器１０の内部で冷媒が流通する流路２１が形成されている。流路形成部１１には、流路２１と冷却器１０の外部とを通じさせる冷媒供給口２３及び冷媒排出口２５が形成されている。冷媒供給口２３及び冷媒排出口２５は、例えば、流路形成部１１のＸ軸方向の両端部のうち一方の端部（図２における右側の端部、以下、第１端部１１ａと称する）に形成されている。
　以下の説明では、流路形成部１１における第１端部１１ａの側を、単に第１端部１１ａ側と称する。流路形成部１１のＸ軸方向の両端部のうち、第１端部１１ａとは反対の端部（図２における左側の端部）を第２端部１１ｂと称する。流路形成部１１における第２端部１１ｂの側を、単に第２端部１１ｂ側と称する。
　流路２１は、例えば、流路形成部１１のＸ軸方向の両端部間を複数回に亘ってＸ軸方向に沿って往復する。流路２１は、流路形成部１１のＸ軸方向の両端部間を蛇行しながら、Ｙ軸方向の中央部から周縁部に向かうように設けられている。流路２１は、例えば、複数の直線状部３１と、複数の直線状部３１の長手方向両端に連結された複数の湾曲部３３と、直線状部３１の途中に設けられた複数の滞留部３５と、を備える。
　複数の直線状部３１は、例えば４個の直線状部３１（第１外側直線状部３１ａ、第１内側直線状部３１ｂ、第２外側直線状部３１ｃ、第２内側直線状部３１ｄ）である。複数の直線状部３１の各々は、流路形成部１１のＸ軸方向の両端部間をＸ軸方向に沿って平行に延びるように設けられている。複数の直線状部３１は、例えば、Ｙ軸方向に沿って並ぶように設けられている。
　これら直線状部３１のうち、Ｙ軸方向で一方の端部に設けられた第１外側直線状部３１ａの第１端部１１ａ側に、冷媒排出口２５が接続されている。第１外側直線状部３１ａとＹ軸方向で並ぶ第１内側直線状部３１ｂの第１端部１１ａ側に、冷媒供給口２３が接続されている。
　複数の湾曲部３３は、例えば３個の湾曲部３３（第１湾曲部３３ａ、第２湾曲部３３ｂ、第３湾曲部３３ｃ）である。複数の湾曲部３３の各々は、例えば、流路形成部１１のＸ軸方向の両端部のいずれかに配置されている。各湾曲部３３は、流路形成部１１のＸ軸方向外側に向かって凸となるようにＵ字状に形成されている。各湾曲部３３の両端が、所定の直線状部３１のＸ軸方向端部に連結されている。
　例えば、３個の湾曲部３３のうちの第１湾曲部３３ａは、第１外側直線状部３１ａの第２端部１１ｂ側と、Ｙ軸方向で第１外側直線状部３１ａとは反対側の端部に設けられた第２外側直線状部３１ｃの第２端部１１ｂ側と、を連結している。
　３個の湾曲部３３のうちの第２湾曲部３３ｂは、第１内側直線状部３１ｂの第２端部１１ｂ側と、第１内側直線状部３１ｂと第２外側直線状部３１ｃとの間に設けられた第２内側直線状部３１ｄの第２端部１１ｂ側と、を連結している。
　３個の湾曲部３３のうちの第３湾曲部３３ｃは、第２外側直線状部３１ｃの第１端部１１ａ側と、第２内側直線状部３１ｄの第１端部１１ａ側と、を連結している。
　これにより、流路２１は、流路形成部１１のＸ軸方向の両端部間を蛇行しながら、Ｙ軸方向の中央部から周縁部に向かうように設けられる。
　複数の滞留部３５の各々は、例えば、流路２１の直線状部３１で局所的に冷媒の滞留を促すようにして流路断面積が変化するように設けられている。各滞留部３５の流路断面積は、例えば、直線状部３１の流路断面積に比べてより大きく形成されている。各滞留部３５は、例えば、直線状部３１に比べてＹ軸方向に拡大するように形成されている。
　各滞留部３５での冷媒の滞留時間は、直線状部３１での冷媒の滞留時間よりも小さい。滞留時間は、例えば、冷媒が流路２１のＸ軸方向に沿った単位長さ当たりを流通するのに要する時間である。
　複数の直線状部３１のうちＹ軸方向で隣り合う任意の２つの直線状部３１に設けられる複数の滞留部３５は、例えばＺ軸方向から見て千鳥配置状に互い違いに配置されている。Ｙ軸方向で隣り合う任意の２つの直線状部３１にて、いずれかの直線状部３１と滞留部３５との間の距離は、２つの直線状部３１間の距離よりも小さい。
　複数の滞留部３５の各々は、例えば、後述する冷却器１０の接触面３７の法線方向から見て、電気機器１の冷却対象物ＯＢと重なり合うように設けられている。接触面３７の法線方向は、冷却器１０の厚さ方向に平行であり、例えばＺ軸方向である。
　このような構成のもと、例えば冷却器１０の内部で冷媒供給口２３から冷媒排出口２５に至る流路２１は、先ず、冷媒供給口２３から流路形成部１１のＹ軸方向の中央部に向かって設けられる。次に、流路２１は、流路形成部１１の中央部からＹ軸方向の周縁部（両端部）に向かって設けられる。次に、流路２１は、流路形成部１１の周縁部から冷媒排出口２５に向かって設けられる。
　供給部１３及び排出部１５の各々は、例えば冷媒供給口２３及び冷媒排出口２５の各々に通じる配管を接続するための接続部等を構成する。
　図１に示すように、冷却器１０は、例えば、厚さ方向の両側に複数の冷却対象物ＯＢが配置される接触面３７を備える。複数の冷却対象物ＯＢは、例えば、流路２１の直線状部３１に沿うように、各接触面３７上でＸ軸方向に一列に並んで配置されている。各接触面３７の複数の冷却対象物ＯＢのうち、相対的に発熱量が大きい冷却対象物ＯＢは相対的に発熱量が小さい冷却対象物ＯＢよりもＸ軸方向で供給部１３及び排出部１５の近くに配置されている。
　例えば、相対的に発熱量が小さい一対の放電抵抗３による冷却対象物ＯＢは、相対的に発熱量が小さい一対の放電抵抗３による冷却対象物ＯＢよりも供給部１３及び排出部１５から離れて配置されている。例えば図２に示すように、一対の放電抵抗３による冷却対象物ＯＢは、流路形成部１１のＸ軸方向での冷媒供給口２３及び冷媒排出口２５が設けられる第１端部１１ａの反対側の第２端部１１ｂに配置されている。
　図３は、実施形態の比較例に係る冷却器４０の断面図である。図４は、実施形態の冷却器１０及び比較例の冷却器４０の各々の温度分布の例を示す図である。
　比較例の冷却器４０の外形状は、実施形態の冷却器１０の外形状と同一である。比較例の冷却器４０での複数の冷却対象物ＯＢの配置は、実施形態の冷却器１０での複数の冷却対象物ＯＢの配置と同一である。
　図３に示すように、実施形態の比較例に係る冷却器４０と上述の実施形態の冷却器１０との相違点は、比較例の冷却器４０の流路４１と実施形態の冷却器１０の流路２１とが異なる点にある。実施形態の比較例に係る冷却器４０と上述の実施形態の冷却器１０との相違点は、実施形態の冷却器１０の流路２１に設けられた滞留部３５が、比較例の冷却器４０には設けられていない点にある。
　すなわち、比較例の冷却器４０は、冷媒が流通する流路４１が形成された流路形成部４３を備える。比較例の流路形成部４３の外形状は、実施形態の流路形成部１１の外形状と同一である。比較例の流路形成部４３には、流路４１と冷却器４０の外部とを通じさせる冷媒供給口４５及び冷媒排出口４７が形成されている。冷媒供給口４５及び冷媒排出口４７は、例えば、流路形成部４３のＸ軸方向の両端部のうち一方の端部（図３における右側の端部、以下、第１端部４３ａと称する）に形成されている。
　以下の説明では、流路形成部４３における第１端部４３ａの側を、単に第１端部４３ａ側と称する。流路形成部４３のＸ軸方向の両端部のうち、第１端部４３ａとは反対の端部（図３における左側の端部）を第２端部４３ｂと称する。流路形成部４３における第２端部４３ｂの側を、単に第２端部４３ｂ側と称する。
　流路４１は、例えば、流路形成部４３のＸ軸方向の両端部間を複数回に亘ってＸ軸方向に沿って往復する。流路４１は、流路形成部４３のＸ軸方向の両端部間を蛇行しながら、Ｙ軸方向の一方側（図３における上側、以下、Ｙ軸方向上側と称する）から反対側（図３における下側、以下、Ｙ軸方向下側と称する）に向かうように設けられている。流路４１は、例えば、複数の直線状部５１と、複数の直線状部５１の長手方向両端に連結された複数の湾曲部５３と、を備える。
　複数の直線状部５１は、例えば４個の直線状部５１（第１外側直線状部５１ａ、第１内側直線状部５１ｂ、第２外側直線状部５１ｃ、第２内側直線状部５１ｄ）である。複数の直線状部５１の各々は、流路形成部１１のＸ軸方向の両端部間をＸ軸方向に沿って平行に延びるように設けられている。複数の直線状部３１は、例えば、Ｙ軸方向に沿って並ぶように設けられている。
　これら直線状部５１のうち、Ｙ軸方向上側端に設けられた第１外側直線状部５１ａの第１端部４３ａ側に、冷媒供給口４５が接続されている。直線状部５１のうち、Ｙ軸方向下側端に設けられた第２外側直線状部５１ｃの第１端部４３ａ側に、冷媒排出口４７が接続されている。
　複数の湾曲部５３は、例えば３個の湾曲部５３（第１湾曲部５３ａ、第２湾曲部５３ｂ、第３湾曲部５３ｃ）である。複数の湾曲部５３の各々は、例えば、流路形成部４３のＸ軸方向の両端部のいずれかに配置されている。各湾曲部５３は、流路形成部４３のＸ軸方向外側に向かって凸となるようにＵ字状に形成されている。各湾曲部５３の両端が、所定の直線状部５１のＸ軸方向端部に連結されている。
　例えば、３個の湾曲部５３のうちの第１湾曲部５３ａは、第１外側直線状部５１ａの第２端部４３ｂ側と、第１外側直線状部５１ａと隣り合う第１内側直線状部５１ｂの第２端部４３ｂ側と、を連結している。
　３個の湾曲部５３のうちの第２湾曲部５３ｂは、第２外側直線状部５１ｃの第２端部４３ｂ側と、第２外側直線状部５１ｃと隣り合う第２内側直線状部５１ｄの第２端部４３ｂ側と、を連結している。
　３個の湾曲部５３のうちの第３湾曲部５３ｃは、第１内側直線状部５１ｂの第１端部４３ａ側と、第２内側直線状部５１ｄの第１端部４３ａ側と、を連結している。
　これにより、流路２１は、流路４１は、流路形成部４３のＸ軸方向の両端部間を蛇行しながら、Ｙ軸方向上側からＹ軸方向下側に向かうように設けられる。
　このような構成のもと、冷却器４０の内部で冷媒供給口４５から冷媒排出口４７に至る流路４１は、先ず、冷媒供給口４５から流路形成部４３のＹ軸方向上側の周縁部（第１周縁部）に向かって設けられる。次に、流路４１は、流路形成部４３の第１周縁部からＹ軸方向の中央部に向かって設けられる。次に、流路４１は、流路形成部４３の中央部からＹ軸方向下側の周縁部（第２周縁部）に向かって設けられる。次に、流路４１は、流路形成部４３の第２周縁部から冷媒排出口４７に向かって設けられる。
　図４に示すように、実施形態の冷却器１０では、Ｙ軸方向での温度分布が均一化されていることに対して、比較例の冷却器４０では、Ｙ軸方向での温度分布が不均一であって、Ｙ軸方向での冷却作用に偏りがあることが認められる。比較例の冷却器４０では、冷媒供給口４５からの流路長が相対的に短いＹ軸方向の第１端部側から流路長が相対的に長いＹ軸方向の第２端部側に向かうことに伴い、温度が増大するように変化している。比較例の冷却器４０に比べて、実施形態の冷却器１０では、Ｙ軸方向の第１端側及び第２端側での冷媒供給口４５からの流路長の差が小さく、温度が同程度になっている。
　このように、上述の流路２１は、局所的に冷媒の滞留を促すように流路断面積が変化する複数の滞留部３５を備える。このため、冷却器４０の大型化を抑制し、かつ流路内２１での冷媒の流速の増大による冷却器４０の異常を防止しつつ、冷却器４０の冷却能力を向上させることができる。
　すなわち、冷媒の流通方向で各滞留部３５での冷媒の滞留時間は各直線状部３１での冷媒の滞留時間よりも長い。これにより、例えば滞留部３５を備えない場合に比べて、流路２１内での冷媒の滞留時間を延長することができる。このため、冷却器４０の大型化や流路内２１での冷媒の流速の増大を抑制しつつ、冷却器４０の冷却能力を向上させることができる。
　Ｙ軸方向で隣り合う任意の２つの直線状部３１にて、いずれかの直線状部３１と滞留部３５との間の距離は、２つの直線状部３１間の距離よりも小さい。これにより、例えば滞留部３５を備えない場合に比べて、隣り合う任意の２つの直線状部３１を流れる冷媒間での熱伝達を促し、温度の均一性を向上させることができる。
　複数の滞留部３５は、流路２１に局所的に設けられていることによって、例えば流路２１の全体に亘って流路断面積を拡大する場合に比べて、ポンプ容量の増大を抑制することができる。
　各滞留部３５は、接触面３７の法線方向から見て冷却対象物ＯＢと重なり合うことによって、冷却対象物ＯＢの冷却を促進することができる。例えば、接触面３７の法線方向から見て各滞留部３５が冷却対象物ＯＢと重なり合わない場合に比べて、冷媒による冷却対象物ＯＢの冷却を促すことができる。
　Ｙ軸方向で隣り合う任意の２つの直線状部３１に設けられる複数の滞留部３５は、Ｚ軸方向から見て千鳥配置状に互い違いに配置されていることによって、冷却器１０の全体で均一的な熱の伝達を確保することができる。例えば、Ｚ軸方向から見て複数の滞留部３５がＹ軸方向で並ぶ等のように複数の滞留部３５が局所的に近接する場合に比べて、冷却作用に位置による偏りが生じることを抑制することができる。
　流路２１は、冷媒供給口２３から冷媒排出口２５に至る場合に、流路形成部１１のＹ軸方向の中央部から周縁部に向かうように設けられていることによって、冷却器１０のＹ軸方向での温度分布を均一化することができる。例えば、比較例のように、流路４１が流路形成部４３のＹ軸方向の第１端部側から第２端部側に向かうように設けられる場合に比べて、Ｙ軸方向での温度分布が不均一になること及びＹ軸方向での冷却作用に偏りが生じることを抑制することができる。
　以下、変形例について説明する。
　上述した実施形態では、流路２１は、流路形成部１１のＸ軸方向の両端部間を複数回に亘ってＸ軸方向に沿って往復するとしたが、これに限定されない。
　図５は、実施形態の変形例に係る冷却器１０Ａの断面図である。
　図５に示すように、変形例の冷却器１０Ａの流路形成部１１Ａに形成される流路２１Ａは、例えば、周方向での所定の２つの部位１１ｃ，１１ｄ間を複数回に亘って周方向に沿って往復する。変形例の流路２１Ａは、流路形成部１１Ａの所定の２つの部位１１ｃ，１１ｄ間を周方向に沿って蛇行しながら、内周部から外周部に向かうように設けられている。
　図６は、実施形態の変形例の比較例に係る冷却器４０Ａの断面図である。
　図６に示すように、変形例の比較例に係る冷却器４０Ａの流路形成部４３Ａに形成される流路４１Ａは、例えば、渦巻状に複数回に亘って周方向に沿って周回する。変形例の比較例の流路４１Ａは、周方向の一方（第１方向）に沿って渦を巻きながら流路形成部４３Ａの外周部から内周部に向かった後に反転する。そして、周方向の一方の反対方向（第２方向）に沿って渦を巻きながら内周部から外周部に向かうように設けられている。
　変形例の比較例の冷却器４０Ａでは、外周部から内周部に向かう往路側の部位と内周部から外周部に向かう復路側の部位とが径方向で隣り合うことによって、冷媒による冷却が冷却対象物ＯＢに効率よく作用しないおそれがある。これに対して、変形例の冷却器１０Ａでは、相対的に冷却作用が強い内周部から相対的に冷却作用が小さい外周部に向かって徐々に変化する温度分布となり、冷媒による冷却が冷却対象物ＯＢに効率よく作用する。
　なお、実施形態の変形例に係る冷却器１０Ａの流路２１Ａには、実施形態の冷却器１０と同様に、局所的に冷媒の滞留を促すようにして流路断面積が変化する滞留部３５が設けられてもよい。
　以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、流路２１は局所的に冷媒の滞留を促すように流路断面積が変化する複数の滞留部３５を備えることにより、冷却器４０の冷却能力を向上させることができる。この結果、冷却器４０の大型化を抑制でき、かつ流路内２１での冷媒の流速の増大による冷却器４０の異常を防止しできる。
　本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
　１…電気機器、３…放電抵抗、５…スナバ抵抗、７…バスバー、９…ケーブル、１０，１０Ａ…冷却器、１１，１１Ａ…流路形成部、２１，２１Ａ…流路、３１…直線状部、３３…湾曲部、３５…滞留部、３７…接触面、ＯＢ…冷却対象物

Claims (6)

  1. 　冷却対象物に接触する接触面と、
    　冷媒が流通する流路が形成された流路形成部と、
    　前記流路に前記冷媒を供給する供給部及び前記流路から前記冷媒を排出する排出部と、
    　前記流路で局所的に前記冷媒の滞留を促すように流路断面積が変化する少なくとも１つの滞留部と、を備える
    冷却器。
  2. 　前記滞留部は、前記接触面の法線方向から見て前記冷却対象物と重なり合うように設けられる
    請求項１に記載の冷却器。
  3. 　前記流路のうち任意に隣り合う２つの部位での複数の前記滞留部は、千鳥配置状に互い違いに設けられる
    請求項２に記載の冷却器。
  4. 　前記流路は、先ず、前記供給部から前記流路形成部の中央部に向かって設けられ、次に、前記中央部から前記流路形成部の周縁部に向かって設けられ、次に、前記周縁部から前記排出部に向かって設けられる
    請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の冷却器。
  5. 　冷却対象物に接触する接触面と、
    　冷媒が流通する流路が形成された流路形成部と、
    　前記流路に前記冷媒を供給する供給部及び前記流路から前記冷媒を排出する排出部と、を備え、
    　前記流路は、先ず、前記供給部から前記流路形成部の中央部に向かって設けられ、次に、前記中央部から前記流路形成部の周縁部に向かって設けられ、次に、前記周縁部から前記排出部に向かって設けられる
    冷却器。
  6. 　請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の冷却器と、
    　少なくとも１つの前記冷却対象物と、を備える
    電気機器。
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