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Die Erfindung betrifft einen Stromrichter zum Umwandeln einer elektrischen Stromart in eine andere mit mindestens zwei Leistungsmodulen und mit einer Kühlvorrichtung, die einen zusammenhängenden Kühlkanal aufweist, wobei jedes Leistungsmodul mindestens eine Abwärmeoberfläche und der Kühlkanal mindestens zwei Kanalöffnungen aufweist, und wobei die Kanalöffnungen des Kühlkanals von den Abwärmeoberflächen der Leistungsmodule abgeschlossen sind, sodass ein durch den Kühlkanal strömendes Kühlfluid entlang der Abwärmeoberflächen strömen kann und die mit dem Kühlfluid in thermischer Wirkverbindung stehen Abwärmeoberflächen eine Abwärme der Leistungsmodule abgeben können. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Kühlen eines Stromrichters mit mindestens zwei Leistungsmodulen und mit einer Kühlvorrichtung, die einen zusammenhängenden Kühlkanal aufweist, wobei jedes Leistungsmodul mindestens eine Abwärmeoberfläche und der Kühlkanal mindestens zwei Kanalöffnungen aufweist, und wobei die Kanalöffnungen des Kühlkanals von den Abwärmeoberflächen der Leistungsmodule abgeschlossen sind, wobei ein Kühlfluid durch den Kühlkanal geströmt wird und derart geführt wird, dass alle Abwärmeoberflächen der Leistungsmodule von dem Kühlfluid mindestens abschnittsweise beaufschlagt werden.
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Aus der Praxis sind verschiedene Stromrichter zum Umwandeln einer Stromart in eine andere bekannt, wobei die Stromrichter nach der umgewandelten Stromart unterschieden werden. Gleichrichter wandeln dabei einen Wechselstrom in einen Gleichstrom um, Wechselrichter einen Gleichstrom in einen Wechselstrom und Umrichter einen Wechselstrom in einen Wechselstrom mit anderer Amplitude oder Frequenz.
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Die Umwandlung erfolgt demnach üblicherweise durch ein getaktetes Schalten von Halbleiterschaltern in dem Stromrichter, wobei die Halbleiterschalter eine pulsweitenmodulierte, gewünschte Ausgangsspannung bereitstellen können. Allen Stromrichtern ist jedoch gemein, dass ein Stromfluss in dem Stromrichter und das Takten von Halbleiterschaltern in den Leistungsmodulen Leit- und Schaltverluste generieren, wobei die generierten Verluste als Abwärme weg von dem Stromrichter abgeführt werden müssen, damit der Stromrichter nicht überhitzt und beschädigt wird.
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Die abzuführende Abwärme wird üblicherweise mit Hilfe der Kühlvorrichtung von dem Stromrichter wegtransportiert, wobei die Kühlvorrichtung ein Kühlfluid zu exponierten Stellen und Abwärmeoberflächen des Stromrichters und der Leistungsmodule führen kann, an denen die Abwärme in das Kühlfluid übergehen kann. Das Kühlfluid kann dabei je nach Leistung des Stromrichters und Umfang der generierten Abwärme ein Luftstrom oder eine Flüssigkeit sein.
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Aus der Druckschrift
EP 2 605 392 B1 ist ein elektrischer Leistungswandler (Stromrichter) mit einem Leistungsmodul und mit einem Leistungshalbleiterelement zum Umwandeln von Gleichstrom in Wechselstrom, einem Kondensatormodul mit einem Kondensatorelement zum Glätten des Gleichstroms, einem Flachplattenleiter zum elektrischen Verbinden des Leistungsmoduls und des Kondensatormoduls und einer Kanalbildung zum Bilden eines Kühlmediumkanals, in dem ein Kühlmedium fließt, bekannt; wobei das Leistungsmodul und das Kondensatormodul an gegenüberliegenden Seiten der Kanalformation angeordnet sind, und der Flachplattenleiter zwischen dem Kondensatorelement und der Kanalformation angeordnet ist, und wobei Anschlüsse des Kondensatormoduls durch Biegen eines Endes des Flachplattenleiters in Richtung des Leistungsmoduls gebildet sind.
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Nach der Druckschrift
EP 2 101 402 B1 umfasst eine dort beschriebene elektrische Energieumwandlungsvorrichtung: ein Kanalgehäuse, in dem ein Kühlwasserkanal ausgebildet ist; ein Halbleitermodul mit doppelseitiger Kühlung, das eine obere und untere Armreihenschaltung einer Wechselrichterschaltung umfasst; ein Kondensatormodul; einen Gleichstromanschluss; und einen Wechselstromanschluss. Das Halbleitermodul umfasst ein erstes und ein zweites Wärmeableitungsmetall, deren Außenflächen Wärmeableitungsflächen sind, die obere und untere Armreihenschaltung ist dicht zwischen dem ersten Wärmeableitungsmetall und dem zweiten Wärmeableitungsmetall angeordnet, und das Halbleitermodul umfasst ferner einen positiven Gleichstromanschluss, einen negativen Gleichstromanschluss und einen Wechselstromanschluss, die nach außen vorstehen. Das Kanalgehäuse ist mit einem Kühlwasserkanal versehen, der sich von einem Kühlwassereinlass zu einem Kühlwasserauslass erstreckt, sowie mit einer ersten Öffnung, die in den Kühlwasserkanal mündet.
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Die Gesamtleistung eines Stromrichters ist daran auszurichten, wie stark die wärmste Komponente ist. Die aus der Praxis bekannten und vorstehenden Verfahren und Vorrichtungen weisen den Nachteil auf, eine ungleichmäßige Erwärmung der die Verluste generierenden Komponenten in dem Stromrichter nicht effektiv kompensieren zu können.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen Stromrichter bereitzustellen, dessen Komponenten und Bauteile möglichst gleichverteilt erwärmt sind, sodass eine einzelne erhitzte Komponente keinen Ausfall des gesamten Stromrichters zur Folge hat.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß nach dem Patentanspruch 1 gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Abwärmeoberflächen jeweils mindestens zwei Oberflächenabschnitte zur Kühlfluidbeaufschlagung aufweisen, wobei mindestens ein Oberflächenabschnitt jeder Abwärmeoberfläche in einer Zulaufreihenfolge der Leistungsmodule entlang des Kühlkanals angeordnet sind und wobei mindestens ein Oberflächenabschnitt jeder Abwärmeoberfläche in einer der Zulaufreihenfolge umgekehrten Ablaufreihenfolge entlang des Kühlkanals angeordnet sind, sodass das Kühlfluid die Abwärmeoberflächen abschnittsweise in der Zulaufreihenfolge und der Ablaufreihenfolge beaufschlagen kann.
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Die Abwärmeoberflächen stehen in einer thermischen Wirkverbindung mit den Leistungsmodulen, in denen durch die Taktung der Halbleiterschalter (MOSFET, IGBT etc.) eine Verlustleistung umgesetzt wird. Damit das Leistungsmodul nicht thermisch beschädigt wird, ist es notwendig, die generierte Verlustleistung in Form von Abwärme abzuführen. Insofern können die Leistungsmodule ihre Abwärme über die Abwärmeoberflächen an das Kühlfluid abgeben. Dabei kann es sich bei dem Kühlfluid um strömende Luft oder strömendes Wasser handeln. Thermisch vorteilhafter ist demnach ein flüssiges Kühlfluid, wohingegen Luft als Kühlfluid kostengünstiger ist und konstruktiv mit weniger Aufwand in dem Stromrichter umgesetzt werden kann.
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Üblicherweise wird das Kühlfluid über eine Zulauföffnung in den Kühlkanal der Kühlvorrichtung eingeleitet, wobei das Kühlfluid innerhalb des Kühlkanals entlang strömen kann und die von den Leistungsmodulen generierte Abwärme durch ein Vorbeiströmen an den Abwärmeoberflächen in das Kühlfluid übergehen kann. Entscheidend ist dabei, dass die Abwärmeoberflächen innerhalb des Kühlkanals liegen und somit von dem Kühlfluid beaufschlagt werden können, bevor das Kühlfluid den Kühlkanal wieder über eine Ablauföffnung verlässt.
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Trotz einer kostengünstigen Luft- oder einer effektiven Wasserkühlung weisen die aus dem Stand der Technik bekannten Kühlvorrichtungen das Problem auf, dass das Kühlfluid in einem Bereich um die Zulauföffnung naturgemäß am kühlsten ist und sich mit der Abwärme jedes Leistungsmoduls entlang des Kühlkanals erwärmt. Werden die Leistungsmodule und deren Abwärmeoberflächen entlang des Kühlkanals und dem Lauf des Kühlfluids in der Zulaufreihenfolge an dem Kühlkanal angeordnet und festgelegt, wird das entlang der Zulaufreihenfolge letzte Leistungsmodul entsprechend der Erwärmung des durch die Abwärme der vorherigen Leistungsmodule erwärmten Kühlfluids schlechter gekühlt. Die Leistungsmodule sind demnach ungleichmäßig warm. Das wirkt sich nachteilig auf die Gesamtleistung aller Leistungsmodule und des Stromrichters aus, denn eine Leistungsreduktion zum Schutz der Leistungsmodule bemisst sich nach dem wärmsten Leistungsmodul.
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Erfindungsgemäß strömt das Kühlfluid entlang des Kühlkanals in der Zulaufreihenfolge an allen Abwärmeoberflächen der Leistungsmodule vorbei und beaufschlagt die Abwärmeoberflächen an einem Oberflächenabschnitt der mindestens zwei Oberflächenabschnitte je Abwärmeoberfläche. Beim letzten Leistungsmodul in der Zulaufreihenfolge angekommen, wird das Kühlfluid umgelenkt, sodass es entgegen der Zulaufreihenfolge in der Ablaufreihenfolge an allen Abwärmeoberflächen der Leistungsmodule mindestens abschnittsweise vorbeiströmt und den anderen Oberflächenabschnitt der mindestens zwei Oberflächenabschnitte beaufschlagt.
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Die Umlenkung des Kühlfluids und die damit verbundene Beaufschlagung der mindestens zwei Oberflächenabschnitte je Abwärmeoberfläche je Leistungsmodul in der Zulaufreihenfolge und der Ablaufreihenfolge hat erfindungsgemäß den Vorteil, dass dem letzten Leistungsmodul in Zulaufreihenfolge bzw. dem ersten Leistungsmodul in Ablaufreihenfolge zwar nur ein durch die Abwärme der vorherigen Leistungsmodule erwärmtes Kühlfluid zur Verfügung steht, diesem Leistungsmodul aber nach der Umlenkung des Kühlfluids das Kühlfluid als erstes zur Verfügung steht. Insoweit werden die Leistungsmodule in der Zulaufreihenfolge und der Ablaufreihenfolge asymmetrisch mit dem vortemperierten Kühlfluid beaufschlagt.
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Insoweit die mindestens zwei Oberflächenabschnitte der Abwärmeoberflächen eine unterschiedliche Temperatur aufweisen, wird dieser Temperaturunterschied dadurch ausgeglichen, dass ein Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit für die Abwärmeoberflächen verwendet wird; die Leistungsmodule untereinander aber eine nahezu identische Erwärmung aufweisen - Abwärmeoberflächen aus Kupfer oder Aluminium sind demnach sinnvoll.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Stromrichters kann vorgesehen sein, dass der Kühlkanal abschnittsweise entlang einer Strömungsrichtung des Kühlfluids in zwei Kühlabschnitte geteilt ist, wobei die Oberflächenabschnitte der Zulaufreihenfolge entlang des ersten Kühlabschnittes und die Oberflächenabschnitte der Ablaufreihenfolge entlang des zweiten Kühlabschnitts angeordnet sind. Die Umlenkung des Kühlfluids erfolgt nach dieser Ausgestaltung ebenfalls nach dem letzten Leistungsmodul in der Zulaufreihenfolge bzw. vor dem ersten Leistungsmodul in der Ablaufreihenfolge, sodass das Kühlfluid beginnend bei der Zulauföffnung hin zur Ablauföffnung einen Kühlfluidkreislauf darstellt. Optional kann vorgesehen sein, dass der Kühlkanal eine stegartige Innenwandung zum Trennen der zwei Kühlabschnitte aufweist, wobei die stegartige Innenwandung Öffnungen aufweist, sodass das Kühlfluid teilweise von einem Kühlabschnitt in den anderen einströmen kann und umgekehrt. Die Öffnungen in der Innenwandung bewirken einen Austausch des Kühlfluids des ersten und des zweiten Kühlabschnitts, wobei es zu Verwirbelungen des Kühlfluids kommen kann, die zusätzlich eine bessere Kühlwirkung als eine laminare Strömung des Kühlfluids aufweisen.
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Eine verbesserte Kühlwirkung der Kühlvorrichtung kann dadurch erreicht werden, wenn nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen ist, dass an den Abwärmeoberflächen der Leistungsmodule jeweils ein Kühlkörper festgelegt ist, der mindestens abschnittsweise in den Kühlkanal hineinragt, sodass das Kühlfluid den Kühlkörper durchströmen kann. Der Kühlkörper steigert die für einen Wärmeübergang thermisch wirksame Abwärmeoberfläche zwischen dem Leistungsmodul und dem Kühlfluid, sodass die Abwärme, die in das Kühlfluid übergehen kann, gesteigert werden kann. Denkbar sind demnach Kühlkörperausgestaltungen, die mittels Strangpressen hergestellt werden, oder auch sogenannte Pin-Fin-Kühlkörper, die eine zusätzliche Verwirbelung des Kühlfluids mit einer gesteigerten Wärmeübertragung bewirken können.
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Um eine erhöhte Gleichverteilung der Temperaturen der Leistungsmodule erzielen zu können, kann nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass eine Querschnittsfläche des Kühlkanals sich mindestens abschnittsweise entlang der Strömungsrichtung des Kühlfluids verjüngt. Entsprechend der thermodynamischen Kontinuitätsgleichung des Kühlfluids nimmt bei einem gleichbleibendem Massenstrom und geringerer Querschnittsfläche die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlfluids zu. Dies wiederum führt zu einer verbesserten Übertragung der Abwärme in das Kühlfluid, wodurch eine Temperaturdifferenz sowohl unter den mindestens zwei Oberflächenabschnitten der Abwärmeoberfläche des Leistungsmoduls als auch unter den Leistungsmodulen untereinander reduziert werden kann. Demnach kann die Querschnittsfläche entlang des Kühlkanals konstruktiv in Zulaufreihenfolge reduziert werden, sodass sich die Strömungsgeschwindigkeit hin zum letzten Leistungsmodul in der Zulaufreihenfolge erhöht und eine Kühlwirkung verbessert werden n kann; entsprechend kann die Querschnittsfläche entlang des Kühlkanals konstruktiv in Ablaufreihenfolge reduziert werden, sodass die Kühlwirkung hin zur Ablauföffnung trotz dem erwärmten Kühlfluid verbessert werden kann.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Leistungsmodule mindestens zwei Leistungshalbleiter aufweisen, wobei mindestens einer der Leistungshalbleiter je Leistungsmodul in thermischer Wirkverbindung mit dem Oberflächenabschnitt der Zulaufreihenfolge steht und mindestens einer der Leistungshalbleiter je Leistungsmodul in thermischer Wirkverbindung mit dem Oberflächenabschnitt der Ablaufreihenfolge steht. Optional kann vorgesehen sein, dass die Leistungsmodule jeweils eine energiespeichernde Zwischenkreisschaltung aufweisen, die in einer thermischen Wirkverbindung mit der Abwärmeoberfläche des Leistungsmoduls steht. Danach können die Leistungsmodule eine Halbbrückenschaltung mit zwei Halbleiterschaltern, eine Vollbrückenschaltung mit vier, sechs oder mehr Halbleiterschaltern oder auch eine komplette Stromrichter-Topologie aufweisen. In allen Varianten kann das Leistungsmodul einen maximalen Nutzen aus der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung ziehen.
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Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren nach Patentanspruch 8 gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, dass alle Abwärmeoberflächen von dem Kühlfluid in einer Zulaufreihenfolge und einer der Zulaufreihenfolge umgekehrten Ablaufreihenfolge angeströmt werden, sodass eine von den Leistungsmodulen generierte Abwärme über die Abwärmeoberflächen in das Kühlfluid übergehen kann. Wobei optional das Kühlfluid in der Zulaufreihenfolge von einer Abwärmeoberfläche jedes Leistungsmoduls zur nächsten Abwärmeoberfläche des nächsten Leistungsmoduls geströmt wird und in der Ablaufreihenfolge in einer umgekehrten Reihenfolge geströmt wird. Die Abwärmeoberflächen der Leistungsmodule jeweils in einer Zulauf- und einer Ablaufreihenfolge zu beaufschlagen, hat den erfindungsgemäßen Vorteil, dass ein in der Zulaufreihenfolge von dem erwärmten Kühlfluid später beströmtes Leistungsmodul in der Ablaufreihenfolge wiederrum früher von dem erwärmten Kühlfluid beströmt wird. Dabei kann ein Temperaturunterschied zwischen den Leistungsmodulen aufgrund des nach jedem Leistungsmodul mehr erwärmten Kühlfluids kompensiert und ausgeglichen werden.
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Der Temperaturunterschied kann weiter reduziert werden, wenn nach einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen ist, dass eine Strömungsgeschwindigkeit des Kühlfluids entlang des Kühlkanals erhöht oder reduziert wird. Konstruktive Maßnahmen in der Geometrie des Kühlkanals können eine Reduktion bzw. Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlfluids bewirken, wobei bei gleichbleibendem Massestrom des Kühlfluids die Kühlwirkung des Kühlfluids maßgeblich von der Strömungsgeschwindigkeit abhängt.
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Nachfolgend sind beispielhaft schematische Darstellungen der Erfindung beschrieben. Es zeigt:
- 1 einen Stromrichter mit erfindungsgemäßer Kühlvorrichtung und mit längs der Strömungsrichtung des Kühlfluids ausgerichteter Abwärmeoberflächen der Leistungsmodule sowie
- 2 einen Stromrichter mit erfindungsgemäßer Kühlvorrichtung, mit quer der Strömungsrichtung des Kühlfluids ausgerichteter Abwärmeoberflächen der Leistungsmodule und mit einer entlang der Strömungsrichtung verjüngter Querschnittsfläche des Kühlkanals.
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In 1 ist ein Stromrichter 1 mit drei Leistungsmodulen 2 dargestellt, wobei die drei Leistungsmodule 2 jeweils zwei Abwärmeoberflächen 3 aufweisen. Der Stromrichter 1 umfasst auch eine Kühlvorrichtung 4. Die Kühlvorrichtung 4 weist in 1 einen Kühlkanal 5 mit einer Zulauföffnung 6 und einer Ablauföffnung 7 auf, wobei in die Zulauföffnung 6 ein Kühlfluid 8 eingeleitet werden kann, das entlang des Kühlkanals 5 zur Ablauföffnung 7 strömen kann.
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Der Kühlkanal 5 ist durch eine stegartige Innenwandung 9 abschnittsweise zweigeteilt, wobei die Leistungsmodule 2 jeweils mit einer Abwärmeoberfläche 3 in einem Zulaufabschnitt 10 und mit der anderen Abwärmeoberfläche 3 in einem Ablaufabschnitt 11 des Kühlkanals 5 eingebracht sind. Eine Anordnung der Leistungsmodule 2 entlang des Kühlkanals 5 bewirkt, dass je eine Abwärmeoberfläche 3 jedes Leistungsmoduls 2 in einer Zulaufreihenfolge 12 und einer der Zulaufreihenfolge 12 umgekehrten Ablaufreihenfolge 13 angeordnet sind, sodass das Kühlfluid 8 einen Oberflächenabschnitt 14 der Abwärmeoberflächen 3 der Leistungsmodule 2 beaufschlagen kann und eine Abwärme der Leistungsmodule 2 durch eine thermische Wirkverbindung in das Kühlfluid 8 übergehen kann.
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Eine Umlenkung des Kühlfluids 8 in einem Endbereich 15 des Kühlkanals 5 bewirkt infolgedessen, dass das letzte Leistungsmodul 2 in der Zulaufreihenfolge 10 als erstes in der Ablaufreihenfolge 11 von dem Kühlfluid 8 angeströmt wird, sodass die Temperaturen der Leistungsmodule 2 entsprechend gleichverteilter sind und eine Temperaturdifferenz zwischen den Leistungsmodulen 2 durch die Umlenkung des Kühlfluids 8 in dem Endbereich 15 des Kühlkanals 5 reduziert werden kann. Eine Temperaturdifferenz zwischen den Abwärmeoberflächen 3 der Leistungsmodule 2 wird dadurch ausgeglichen, dass die Abwärmeoberflächen 3 innerhalb des Leistungsmoduls 2 thermisch leitend verbunden sind.
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In 2 ist ein Stromrichter 1 mit drei Leistungsmodulen 2 dargestellt, der abweichend zu dem in 1 gezeigten Stromrichter 1 anders angeordnete Abwärmeoberflächen 3 aufweist, wobei sowohl in 1 als auch 2 jeder Abwärmeoberfläche 3 der Leistungsmodule 2 ein Halbleiterschalter zugeordnet ist, der seine generierte Abwärme über die Abwärmeoberfläche 3 an das Kühlfluid 8 abgeben kann. Weist das Leistungsmodul 2 eine Halbbrückenschaltung auf, kann der topologisch obere Halbleiterschalter einer Abwärmeoberfläche 3 und der topologisch untere Halbleiterschalter der anderen Abwärmeoberfläche 3 thermisch zugeordnet sein.
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Der Stromrichter 1 in 2 weist zudem eine quer zu einem Verlauf des Kühlkanals 5 ausgerichtete Innenwandung 9 des Kühlkanals 5 auf. Die nach 2 schräg ausgerichtete Innenwandung 9 des Kühlkanals 5 reduziert abschnittsweise eine Querschnittsfläche des Kühlkanals 5 entlang des Zulaufabschnitts 10 bzw. des Ablaufabschnitts 11, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlfluids 8 abschnittsweise beeinflusst werden kann und eine mit steigender Strömungsgeschwindigkeit abschnittsweise verbesserte Kühlwirkung des Kühlfluids 8 bewirkt werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stromrichter
- 2
- Leistungsmodul
- 3
- Abwärmeoberfläche
- 4
- Kühlvorrichtung
- 5
- Kühlkanal
- 6
- Zulauföffnung
- 7
- Ablauföffnung
- 8
- Kühlfluid
- 9
- Innenwandung
- 10
- Zulaufabschnitt
- 11
- Ablaufabschnitt
- 12
- Zulaufreihenfolge
- 13
- Ablaufreihenfolge
- 14
- Oberflächenabschnitt
- 15
- Kühlkanalendbereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2605392 B1 [0005]
- EP 2101402 B1 [0006]
