EP4792358A1 - Leistungselektronik-kühler zur kühlung einer leistungselektronikvorrichtung, leistungselektronikvorrichtung und inverter - Google Patents

Leistungselektronik-kühler zur kühlung einer leistungselektronikvorrichtung, leistungselektronikvorrichtung und inverter

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EP4792358A1
EP4792358A1 EP24790827.0A EP24790827A EP4792358A1 EP 4792358 A1 EP4792358 A1 EP 4792358A1 EP 24790827 A EP24790827 A EP 24790827A EP 4792358 A1 EP4792358 A1 EP 4792358A1
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EP
European Patent Office
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cooler
flow direction
pin fins
strip
strips
Prior art date
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Pending
Application number
EP24790827.0A
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English (en)
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Inventor
Georg Weigl
Johannes Fetzer
Youssef Salhi
Alexander Sauermann
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Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG and Co KG
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Publication date
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Abstract

Offenbart wird ein Leistungselektronik-Kühler (KL) zur Kühlung einer Leistungselektronikvorrichtung, aufweisend: - eine Kühleroberfläche (O1) zur Beströmung mit einem Kühlmedium entlang einer Strömungsrichtung (SR), die einen mittleren, sich in der Strömungsrichtung (SR) erstreckenden Oberflächenstreifen (S1) und zwei seitliche, sich in der Strömungsrichtung (SR) zueinander und zum mittleren Oberflächenstreifen (S1) parallel erstreckende Oberflächenstreifen (S2, S3) aufweist, wobei die beiden seitlichen Oberflächenstreifen (S2, S3) in der Strömungsrichtung (SR) betrachtet auf zwei voneinander abgewandten Seiten des mittleren Oberflächenstreifens (S1) angeordnet sind; - wobei der mittlere Oberflächenstreifen (S1) in der Strömungsrichtung (SR) durchgehend mit Kühler-Pin-Fins (PF) versehen ist; und - die beiden seitlichen Oberflächenstreifen (S2, S3) jeweils zwei mit Kühler-Pin-Fins (PF) versehenen Oberflächenflächenbereiche (PB) und einen Kühler-Pin-Fin-freien Oberflächenflächenbereich (FB) zwischen den jeweiligen zwei Kühler-Pin-Fins (PF) versehenen Oberflächenflächenbereichen (PB) der jeweiligen seitlichen Oberflächenstreifen (S2, S3) aufweisen. Ferner werden eine Leistungselektronikvorrichtung mit einem genannten Kühler und ein Inverter mit einer genannten Leistungselektronikvorrichtung beschrieben.

Description

Beschreibung
Leistungselektronik-Kühler zur Kühlung einer Leistungselektronikvorrichtung, Leistungselektronikvorrichtung und Inverter
Technisches Gebiet:
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Leistungselektronik-Kühler zur Kühlung einer Leistungselektronikvorrichtung, bspw. eines DCDC-Wandlers oder eines Inverters, insb. eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs. Ferner betrifft die Erfindung eine Leistungselektronikvorrichtung mit einem genannten Kühler und einen Inverter mit einer genannten Leistungselektronikvorrichtung.
Stand der Technik und Aufgabe der Erfindung:
Leistungselektronik-Kühler zur Kühlung einer Leistungselektronikvorrichtung sind bekannt und werden unter anderem in (Leistungs-)DCDC-Wandlern oder (Leistungs-)lnvertern, bspw. von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, zur Kühlung der Leistungselektronikvorrichtungen bzw. Leistungsmodule dieser DCDC-Wandler bzw. Inverter angewendet.
Bspw. werden in so genannten EPF2.3 (in Englisch „Electronic Powerunit Fluidcooled“) - Invertern von diversen Elektroautos Kühler zur Kühlung der Leistungsmodule der Inverter eingesetzt.
Aufgrund der stetig steigenden Leistungsanforderung besteht die allgemeine Anforderung, die Kühleffizienz des genannten Kühlers zu verbessern.
Damit besteht die Aufgabe der vorliegenden Anmeldung darin, die Kühlungseffizienz eines eingangs genannten Kühlers zu verbessern.
Beschreibung der Erfindung:
Diese Aufgabe wird durch Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Leistungselektronik-Kühler zur Kühlung einer Leistungselektronikvorrichtung, bspw. eines DCDC-Wandlers oder eines Inverters, insb. eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, bereitgestellt.
Der Kühler weist eine Kühleroberfläche auf, an der ein Kühlmittel, wie z. B. Kühlwasser, entlang einer vorbestimmten Strömungsrichtung (von einer Kühlmittel-Einlassöffnung bis zu einer Kühlmittel-Auslassöffnung des Kühlers, wobei die Strömungsrichtung insb. auch die Längsrichtung des Kühlers sein kann) beim Kühlbetrieb strömt und dabei die Abwärme von dieser und somit von dem Kühler aufnehmen und somit abführen kann.
Die Kühleroberfläche weist einen mittleren, sich in der genannten Strömungsrichtung erstreckenden Oberflächenstreifen und zwei seitliche, sich ebenfalls zueinander und zum mittleren Oberflächenstreifen parallel in der Strömungsrichtung erstreckende Oberflächenstreifen auf. Dabei sind die beiden seitlichen Oberflächenstreifen in der Strömungsrichtung betrachtet auf zwei voneinander abgewandten Seiten des mittleren Oberflächenstreifens verteilt angeordnet.
Der mittlere Oberflächenstreifen ist in der Strömungsrichtung (weitgehend und im Vergleich zu den beiden seitlichen Oberflächenstreifen) durchgehend mit Kühler-Pin-Fins versehen.
Die beiden seitlichen Oberflächenstreifen weisen jeweils mindestens zwei mit Kühler-Pin-Fins versehenen Oberflächenflächenbereiche und mindestens einen Kühler-Pin-Fin-freien Oberflächenflächenbereich auf, wobei sich der Kühler-Pin-Fin-freie Oberflächenflächenbereich der jeweiligen seitlichen Oberflächenstreifen (in der Strömungsrichtung) zwischen den beiden mit Kühler-Pin-Fins versehenen Oberflächenflächenbereiche der jeweiligen korrespondierenden seitlichen Oberflächenstreifen befinden. Damit sind die beiden seitlichen Oberflächenstreifen jeweils mit Unterbrechung an mindestens einem Kühler-Pin-Fin-freien Oberflächenflächenbereich mit Kühler-Pin-Fins versehen.
Hierbei bedeutet der Ausdruck „Kühler-Pin-Fin-freien Oberflächenflächenbereich“, dass dieser Oberflächenflächenbereich, dessen Flächengröße mindestens das Zehnfache, insbesondere mindestens das Zwanzigfache oder mindestens das Dreißigfache oder mindestens das Fünfzigfache, der Flächengröße einer Querschnittsfläche der um diesen Oberflächenflächenbereich umliegenden Kühler-Pin-Fins und zugleich mindestens das Fünffache, insbesondere mindestens das Zehnfache oder mindestens das Zwanzigfache oder mindestens das Dreißigfache, der Flächengröße einer Zwischenfläche, deren Ecken von mindestens drei der um den Oberflächenflächenbereich umliegenden Kühler-Pin-Fins begrenzt sind. Insb. ist mit diesem Ausdruck „Kühler-Pin-Fin-freien Oberflächenflächenbereich“ nicht mit (Kühler-Pin-Fin-freien) Lücken zwischen benachbarten Kühler-Pin-Fins, bspw. eines mit Kühler-Pin-Fins versehenen Oberflächenflächenbereichs, gemeint.
Diese Kühler-Pin-Fin-freien Oberflächenflächenbereiche dienen zum einen dazu, dass in dem Kühlmittel, das von einem in der Strömungsrichtung oberhalb des jeweiligen Kühler-Pin-Fin-freien Oberflächenflächenbereichs liegenden mit Kühler-Pin-Fins versehenen Oberflächenflächenbereichs in diesen Kühler-Pin-Fin-freien Oberflächenflächenbereich hineinfließt, in diesem jeweiligen Kühler-Pin-Fin-freien Oberflächenflächenbereich (bzw. in dem korrespondierenden Kühlkanalbereich) (dank fehlendem Hindernis durch die Kühler-Pin-Fins) gezielt einen erhöhten Wärmeübergang herbeiführen kann. Dadurch bildet sich ein erhöhter Massenstrom im Kühlmittel in dem diesem Kühler-Pin-Fin-freien Oberflächenflächenbereich in der Strömungsrichtung folgenden mit Kühler-Pin-Fins versehenen Oberflächenflächenbereich und somit in den beiden seitlichen Oberflächenstreifen (bzw. in den korrespondierenden Kühlkanalbereichen). Werden Komponenten der zu kühlenden Leistungselektronikvorrichtung mit vergleichsweise hohen Verlustleistungen, wie z. B. Leistungshalbleiterschalter, in der (unmittelbaren) Nähe dieses mit Kühler-Pin-Fins versehenen Oberflächenflächenbereichs angeordnet und mit diesem Bereich (direkt) thermisch verbunden, so können die Verlustleistung dieser Komponenten dank dem erhöhten Massenstrom beim durch diesen mit Kühler-Pin-Fins versehenen Oberflächenflächenbereich durchströmenden Kühlmittel effizienter abgeführt werden.
Zum anderen dienen die Kühler-Pin-Fin-freien Oberflächenflächenbereiche dazu, dass das Kühlmittel, das aus den beiden seitlichen Oberflächenstreifen und aus den jeweiligen in der Strömungsrichtung oberhalb der jeweiligen Kühler-Pin-Fin-freien Oberflächenflächenbereiche befindlichen, mit Kühler-Pin-Fins versehenen Oberflächenflächenbereichen in die jeweiligen Kühler-Pin-Fin-freien Oberflächenflächenbereiche hineinfließt, in den jeweiligen Kühler-Pin-Fin-freien Oberflächenflächenbereichen (bzw. in den korrespondierenden Kühlkanalbereichen) zu einer Verwirbelung kommt und somit durchmischt wird.
Dies trägt positiv bei der Kühlungseffizienz des Kühlmittels bei.
Damit ist eine Möglichkeit bereitgestellt, die Kühlungseffizienz eines Leistungselektronik-Kühlers zu verbessern.
Bspw. können mindestens 50% der Fläche des Kühler-Pin-Fin-freien Oberflächenflächenbereichs eines ersten seitlichen Oberflächenstreifens und mindestens 50% der Fläche des Kühler-Pin-Fin-freien Oberflächenflächenbereichs eines zweiten seitlichen Oberflächenstreifens in der Strömungsrichtung betrachtet auf derselben Höhe liegen.
Bspw. können der Kühler-Pin-Fin-freie Oberflächenflächenbereich des ersten seitlichen Oberflächenstreifens und der Kühler-Pin-Fin-freie Oberflächenflächenbereich der zweiten seitlichen Oberflächenstreifens in der Strömungsrichtung betrachtet zueinander symmetrisch angeordnet und/oder zueinander symmetrisch geformt sein.
Bspw. können die Kühler-Pin-Fins des ersten seitlichen Oberflächenstreifens und die Kühler-Pin-Fins des zweiten seitlichen Oberflächenstreifens in der Strömungsrichtung zueinander symmetrisch gebildet sein.
Bspw. können die Anzahl und/oder die Höhe und/oder die Größe und/oder die Form und/oder die Dichte der Kühler-Pin-Fins des mittleren Oberflächenstreifens in der Strömungsrichtung homogen oder inhomogen variieren.
Alternativ können die Anzahl und/oder die Höhe und/oder die Größe und/oder die Form und/oder die Dichte der Kühler-Pin-Fins des mittleren Oberflächenstreifens in der Strömungsrichtung gleichbleiben.
Bspw. können die Anzahl und/oder die Höhe und/oder die Größe und/oder die Form und/oder die Dichte der Kühler-Pin-Fins der jeweiligen mit Kühler-Pin-Fins versehenen Oberflächenflächenbereiche der jeweiligen seitlichen Oberflächenstreifen in der Strömungs-richtung homogen oder inhomogen variieren.
Alternativ können die Anzahl und/oder die Höhe und/oder die Größe und/oder die Form und/oder die Dichte der Kühler-Pin-Fins der jeweiligen mit Kühler-Pin-Fins versehenen Oberflächenflächenbereiche der jeweiligen seitlichen Oberflächenstreifen in der Strömungsrichtung gleichbleiben.
Der Kühler kann ferner zwei randliche (bzw. äußere, also an Rändern des Kühlers befindliche), sich in der Strömungsrichtung zueinander und zum mittleren Oberflächenstreifen parallel erstreckende Oberflächenstreifen aufweisen. Dabei können sich die beiden randlichen Oberflächenstreifen jeweils auf einer vom mittleren Oberflächenstreifen abgewandten Seite der jeweiligen seitlichen Oberflächenstreifen befinden und jeweils in der Strömungsrichtung durchgehend mit Kühler-Pin-Fins versehen sein.
Bspw. können die Anzahl und/oder die Höhe und/oder die Größe und/oder die Form und/oder die Dichte der Kühler-Pin-Fins der jeweiligen randlichen Oberflächenstreifen in der Strömungsrichtung homogen oder inhomogen variieren.
Bspw. ist die Dichte der Kühler-Pin-Fins des mittleren Oberflächenstreifens in einem Bereich des mittleren Oberflächenstreifens - in einer Querrichtung quer zur Strömungsrichtung betrachtet - zwischen dem Kühler-Pin-Fin-freien Oberflächenflächenbereich des ersten seitlichen Oberflächenstreifens und dem Kühler-Pin-Fin-freien Oberflächenflächenbereich des zweiten seitlichen Oberflächenstreifens geringer als die Dichte der Kühler-Pin-Fins des mittleren Oberflächenstreifens außerhalb des genannten Bereichs des mittleren Oberflächenstreifens.
Bspw. beträgt der größte Abstand von (jeweils) zwei benachbarten Kühler-Pin-Fins des mittleren Oberflächenstreifens (also der größte Abstand aller Abstände von jeweils zwei benachbarten Kühler-Pin-Fins), insb. in dem obengenannten Bereich mit der geringeren Dichte der Kühler-Pin-Fins, in der Strömungsrichtung (also der größte Abstand in der Strömungsrichtung) maximal 60% oder maximal 50% oder maximal 40% oder maximal 30% der maximalen Ausdehnung der (jeweiligen) Kühler-Pin-Fin-freien Oberflächenflächenbereiche der beiden seitlichen Oberflächenstreifen in der Strömungsrichtung (also die maximale Ausdehnung der (jeweiligen) Kühler-Pin-Fin-freien Oberflächenflächenbereiche in der Strömungsrichtung).
Bspw. ist der größte Abstand von zwei benachbarten Kühler-Pin-Fins des mittleren Oberflächenstreifens (also der größte Abstand aller Abstände von jeweils zwei benachbarten Kühler-Pin-Fins), insb. in dem obengenannten Bereich mit der geringeren Dichte der Kühler-Pin-Fins, in der Strömungsrichtung gleich oder kleiner als die minimale Ausdehnung der (jeweiligen) Kühler-Pin-Fin-freien Oberflächenflächenbereiche der beiden seitlichen Oberflächenstreifen in der Strömungsrichtung (also die minimale Ausdehnung der (jeweiligen) Kühler-Pin-Fin-freien Oberflächenflächenbereiche in der Strömungsrichtung).
Alternativ können die Anzahl und/oder die Höhe und/oder die Größe und/oder die Form und/oder die Dichte der Kühler-Pin-Fins der jeweiligen randlichen Oberflächenstreifen in der Strömungsrichtung gleichbleiben.
Bspw. können die Kühler-Pin-Fins aller Oberflächenstreifen um einer sich in der Strömungsrichtung erstreckenden Mittellängslachse symmetrisch gebildet und/oder angeordnet sein.
Bspw. kann der Kühler ferner eine der Kühleroberfläche abgewandte Kontaktoberfläche mit mindestens vier Kontaktzonen zur thermischen Kontaktierung der Leistungselektronikvorrichtung aufweisen. Dabei können jeweils eine der Kontaktzonen und jeweils einer der mit Kühler-Pin-Fins versehenen Oberflächenflächenbereichen der beiden seitlichen Oberflächenstreifen zueinander paarweise gegenüberliegen.
Entsprechend befinden sich jeweils zwei der vier Kontaktzonen zueinander in der Strömungsrichtung hintereinander. In der Querrichtung quer zur Strömungsrichtung betrachtet befinden sich ebenfalls jeweils zwei der vier Kontaktzonen zueinander.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Leistungselektronikvorrichtung bereitgestellt, die bspw. ein Teil eines DCDC-Wandlers oder eines Inverters bildet.
Die Vorrichtung weist mindestens vier Gruppen von jeweils mindestens einem Leistungshalbleiter, insb. mindestens einem Leistungshalbleiterschalter, und einen zuvor beschriebenen Kühler auf. Dabei sind jeweils eine der Leistungshalbleiter-Gruppen auf jeweils einer der vier Kontaktzonen angeordnet und (unmittelbar bzw. lediglich über eine thermisch leitende, insb. elektrisch isolierende, Verbindungsschicht) mit dem Kühler thermisch kontaktiert.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Inverter bereitgestellt, der eine zuvor genannte Leistungselektronikvorrichtung und eine Steuerschaltung (bzw. eine Treiberschaltung) zum Steuern (bzw. Betreiben) der Leistungselektronikvorrichtung aufweist. Dabei ist die Steuerschaltung über Steuersignalverbindungen mit den Leistungshalbleitern der Leistungselektronikvorrichtung elektrisch (bzw. signaltechnisch) verbunden.
Mit der oben beschriebenen Lösung wird der Massenstrom des Kühlmediums durch die Optimierung in der Kühlstruktur, insb. durch die gezielte Platzierung der Kühler-Pin-Fins-freien Oberflächenflächenbereiche zwischen den mit Kühler-Pin-Fins versehenen (vergleichsweise hohe Verlustleistungen aufnehmenden) Oberflächenflächenbereichen, in der Art beeinflusst, dass sich an den Stellen des Kühlers mit höheren Verlustleistungen erhöhte Massenströme und damit einhergehend bessere Kühlungseffizienz bzw. Steigerung des lokalen Wärmeübergangs erfolgen und folglich die Kühlleistung des Kühlers insgesamt optimiert bzw. verbessert wird.
Die oben beschriebene Lösung kann sowohl in einer seriellen aber auch in einer parallelen Kühlmitteldurchströmung eingesetzt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
Im Folgenden wird eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1 in einer schematischen Draufsichtdarstellung die Unterseite eines Kühlers gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung; und
Figur 2 in einer weiteren schematischen Draufsichtdarstellung die Oberseite des Kühlers aus Figur 1 .
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen:
Figur 1 zeigt in einer schematischen Draufsichtdarstellung eine Unterseite eines Leistungselektronik-Kühlers KL bzw. ein Teil davon, die einem Kühlkanal des Kühlers KL zugewandt ist, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
Der Kühler KL ist in dieser Ausführungsform als ein Kühler KL mit dem Kühlkanal zum Durchleiten eines Kühlwassers gebildet. Dabei ist der Kühler KL bspw. Teil eines Leistungsinverters eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs und dient zur Kühlung von Leistungsmodulen bzw. Leistungshalbleiterschaltern der Leistungselektronikvorrichtung des Inverters.
Der Inverter weist ferner die Leistungselektronikvorrichtung mit drei Leistungsmodulen auf, wobei jedes der drei Leistungsmodule jeweils eine Gruppe von mehreren (bzw. mindestens einem) positivspannungsseitigen Leistungshalbleiterschaltern und eine Gruppe von mehreren (bzw. mindestens einem) negativspannungsseitigen Leistungshalbleiterschaltern aufweist.
Neben dem Kühler KL und den Leistungsmodulen bzw. der Leistungselektronikvorrichtung weist der Inverter zudem unter anderem noch eine Steuerschaltung zum Steuern der Leistungselektronikvorrichtung, die über Steuersignalverbindungen mit den Leistungsmodulen bzw.
Leistungshalbleiterschaltern der Leistungselektronikvorrichtung elektrisch verbunden ist.
Der Kühler KL weist auf der Unterseite eine Kühleroberfläche 01 auf, die dem Kühlkanal zugewandt ist, sodass diese beim Betrieb des Kühlers KL von dem Kühlwasser beströmt wird, das entlang einer vorbestimmten Strömungsrichtung SR durch den Kühlkanal durchströmt und dabei die Abwärme von der Kühleroberfläche 01 aufnimmt.
Die Kühleroberfläche 01 weist einen mittleren Oberflächenstreifen S1 , zwei seitliche Oberflächenstreifen S2, S3, sowie zwei randliche bzw. äußere Oberflächenstreifen S4, S5 auf.
Dabei erstrecken sich alle Oberflächenstreifen S1 , S2, S3, S4, S5 zueinander parallel in der Strömungsrichtung SR von einem Kühlwasser-Einlass bis zu einem Kühlwasser-Auslass. Der mittlere Oberflächenstreifen S1 befindet sich in der Mitte der Kühleroberfläche 01 und zwischen den beiden seitlichen Oberflächenstreifen S2, S3, wobei sich die beiden randlichen Oberflächenstreifen S4, S5 in Bezug auf dem mittleren Oberflächenstreifen S1 und den beiden seitlichen
Oberflächenstreifen S2, S3 voneinander abgewandt auf jeweils einem der beiden Randbereiche der Kühleroberfläche 01 verteilt befinden. Entsprechend befinden sich die beiden seitlichen Oberflächenstreifen S2, S3 in der Strömungsrichtung SR betrachtet auf zwei voneinander abgewandten Seiten des mittleren Oberflächenstreifens S1. Die beiden randlichen Oberflächenstreifen S4, S5 befinden sich wiederum jeweils auf einer vom mittleren Oberflächenstreifen S1 abgewandten Seite der jeweiligen seitlichen Oberflächenstreifen S2, S3.
Der mittlere Oberflächenstreifen S1 ist in der Strömungsrichtung SR über dessen gesamte Länge durchgehend homogen mit Kühler-Pin-Fins PF versehen. Dabei bleiben die Anzahl, die Höhe bzw. die Größe und die Form sowie die Dichte der Kühler-Pin-Fins PF (bzw. die räumlichen Abstände der benachbarten Pin-Fins voneinander) des mittleren Oberflächenstreifens S1 in der Strömungsrichtung SR gleich. Alternativ können diese Parameter je nach Kühlanforderungen in der Strömungsrichtung SR homogen oder inhomogen variieren.
Die beiden randlichen Oberflächenstreifen S4, S5 sind ebenfalls jeweils in der Strömungsrichtung SR über deren jeweilige gesamte Länge durchgehend homogen mit Kühler-Pin-Fins PF versehen. Wie bei den Kühler-Pin-Fins des mittleren Oberflächenstreifens S1 bleiben die Anzahl, die Höhe bzw. die Größe und die Form sowie die Dichte der Kühler-Pin-Fins PF (bzw. die räumlichen Abstände der benachbarten Pin-Fins voneinander) der jeweiligen randlichen Oberflächenstreifen S4, S5 in der Strömungsrichtung SR gleich. Alternativ können diese Parameter je nach Kühlanforderungen in der Strömungsrichtung SR homogen oder inhomogen variieren.
Die beiden seitlichen Oberflächenstreifen S2, S3 sind dagegen nicht über dessen gesamte Länge durchgehend homogen mit Kühler-Pin-Fins PF versehen. Die beiden seitlichen Oberflächenstreifen S2, S3 weisen jeweils drei mit Kühler-Pin-Fins PF versehenen Oberflächenflächenbereiche PB und jeweils zwei Kühler-Pin-Fin-freien Oberflächenflächenbereiche FB auf, wobei sich die jeweiligen Kühler-Pin-Fin-freien Oberflächenflächenbereiche FB der jeweiligen seitlichen Oberflächenstreifen S2, S3 jeweils zwischen je zwei in der Strömungsrichtung SR benachbarten Kühler-Pin-Fins PF versehenen Oberflächenflächenbereichen PB der jeweiligen korrespondierenden Oberflächenstreifen S2, S3 befinden. Damit weist die Kühleroberfläche 01 insgesamt vier Kühler-Pin-Fin-freien Oberflächenflächenbereiche FB auf, die jeweils zwischen zwei von insgesamt sechs mit Kühler-Pin-Fins PF versehenen Oberflächenflächenbereichen PB der beiden seitlichen Oberflächenstreifen S2, S3 angeordnet sind und jeweils von diesen sechs mit Kühler-Pin-Fins PF versehenen Oberflächenflächenbereichen PB, dem mittleren Oberflächenstreifen S1 , sowie den beiden randlichen Oberflächenstreifen S4, S5 umrandet und zudem voneinander räumlich isoliert sind. Dabei umfassen die jeweiligen Kühler-Pin-Fin-freien Oberflächenflächenbereiche FB jeweils mindestens eine Flächengröße, die ausreicht, um mindestens zehn Kühler-Pin-Fins PF der benachbarten mit Kühler-Pin-Fins versehenen Oberflächenflächenbereiche PB in der gleichen Dichte (bzw. in der gleichen Platzierungsdichte) anzuordnen.
In der Strömungsrichtung SR betrachtet liegen die Kühler-Pin-Fin-freien Oberflächenflächenbereiche FB eines ersten seitlichen Oberflächenstreifens S2 und die Kühler-Pin-Fin-freien Oberflächenflächenbereiche FB eines zweiten seitlichen Oberflächenstreifens S3 jeweils paarweise auf derselben Höhe und sind zudem jeweils paarweise zueinander symmetrisch gebildet.
Ferner sind die Kühler-Pin-Fins PF des ersten seitlichen Oberflächenstreifens S2 und die Kühler-Pin-Fins PF des zweiten seitlichen Oberflächenstreifens S3 zueinander symmetrisch gebildet und angeordnet.
Die Anzahl, die Höhe bzw. die Größe und die Form sowie die Dichte der Kühler-Pin-Fins (bzw. die räumlichen Abstände der benachbarten Pin-Fins voneinander) der jeweiligen mit Kühler-Pin-Fins versehenen Oberflächenflächenbereiche PB der jeweiligen seitlichen Oberflächenstreifen S2, S3 bleiben in der Strömungsrichtung SR gleich. Alternativ können diese Parameter je nach Kühlanforderungen in der Strömungsrichtung SR homogen oder inhomogen variieren.
Außerdem sind die Kühler-Pin-Fins aller Oberflächenstreifen S1 , S2, S3, S4, S5 um einer sich in der Strömungsrichtung SR erstreckenden Mittellängslachse MA des Kühlers KL symmetrisch gebildet und angeordnet.
Figur 1 und 2 zeigen jeweils in einer schematischen Draufsichtdarstellung die Unterseite bzw. die Oberseite eines Kühlers KL bzw. ein Teil davon gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
Figur 2 zeigt in einer weiteren schematischen Draufsichtdarstellung eine Oberseite des Kühlers KL aus Figur 1 , die dem Kühlkanal des Kühlers KL abgewandt ist.
Der Kühler KL weist auf der Oberseite eine Kontaktoberfläche 02 auf, die dem
Kühlkanal bzw. auch der Kühleroberfläche 01 abgewandt ist. Die Kontaktoberfläche 02 dient zur thermischen Kontaktierung der Leistungselektronikvorrichtung des Inverters und weist hierzu sechs Kontaktzonen KZ auf, die jeweils mit einem der mit Kühler-Pin-Fins versehenen Oberflächenflächenbereichen PB der beiden seitlichen Oberflächenstreifen S2, S3 zueinander paarweise gegenüberliegen.
Die Kühler-Pin-Fin-freien Oberflächenflächenbereiche FB der Kühleroberfläche 01 befinden sich somit jeweils im Wesentlichen jeweiligen Bereichen der Kontaktoberfläche 02 gegenüber, die sich jeweils zwischen je zwei in der Strömungsrichtung SR zueinander in der Strömungsrichtung hintereinander liegenden Kontaktzonen KZ der Kontaktoberfläche 02 befinden.
Auf die jeweiligen Kontaktzonen KZ sind jeweils eine von zwei Leistungshalbleiterschalter-Gruppen LH der jeweiligen Leistungsmodule LM (jeweils eine Gruppe von den positivspannungsseitigen Leistungshalbleiterschaltern LH und eine Gruppe von den negativspannungsseitigen Leistungshalbleiterschaltern LH) angeordnet und mit den jeweiligen Kontaktzonen KZ (elektrisch isoliert) körperlich wie thermisch verbunden.
In einer in den oben genannten Figuren nicht dargestellten Alternativlösung können die Dichte der Kühler-Pin-Fins PF (bzw. die räumlichen Abstände der benachbarten Kühler-Pin-Fins voneinander) des mittleren Oberflächenstreifen S1 (und ggf. auch der beiden randlichen Oberflächenstreifen S4, S5) in der Strömungsrichtung SR inhomogen variieren.
Dabei können die Kühler-Pin-Fins PF in Bereichen BR des mittleren Oberflächenstreifens S1 , die sich jeweils zwischen den beiden in der Strömungsrichtung SR betrachtet auf derselben Höhe liegenden Kühler-Pin-Fin-freien Oberflächenflächenbereichen FB der beiden seitlichen Oberflächenstreifen S2, S3 befinden, mit einer (wesentlich) geringeren Dichte angeordnet sein als die Kühler-Pin-Fins PF des mittleren Oberflächenstreifens S1 außerhalb der genannten Bereiche BR des mittleren Oberflächenstreifens S1.
Analog können die Kühler-Pin-Fins PF der beiden randlichen Oberflächenstreifen S4, S5 in entsprechenden Bereichen der jeweiligen randlichen Oberflächenstreifen S4, S5 und in der Strömungsrichtung SR betrachtet auf derselben Höhe der Kühler-Pin-Fin-freien Oberflächenflächenbereichen FB mit einer (wesentlich) geringeren Dichte angeordnet sein als die Kühler-Pin-Fins PF der jeweiligen randlichen Oberflächenstreifen S4, S5 außerhalb der genannten Bereiche der jeweiligen randlichen Oberflächenstreifen S4, S5. In diesem Fall sind die Kühler-Pin-Fins PF des mittleren Oberflächenstreifens S1 (bzw. der beiden randlichen Oberflächenstreifen S4, S5) in den jeweiligen obengenannten Bereichen wie BR in der Strömungsrichtung SR mit vorgegebenen Abständen voneinander paarweise beabstandet angeordnet, wobei die vorgegebenen Abstände maximal 60% bzw. weit unter 60% der maximalen Ausdehnung der jeweiligen Kühler-Pin-Fin-freien Oberflächenflächenbereiche FB der beiden seitlichen Oberflächenstreifens S2, S3 in der Strömungsrichtung SR betragen. Zugleich sind die vorgegebenen Abstände gleich oder (wesentlich) kleiner als die minimale Ausdehnung der jeweiligen Kühler-Pin-Fin-freien Oberflächenflächenbereiche FB der beiden seitlichen Oberflächenstreifens S2, S3.

Claims

Patentansprüche
1 . Leistungselektronik-Kühler (KL) zur Kühlung einer Leistungselektronikvorrichtung, aufweisend:
- eine Kühleroberfläche (01 ) zur Beströmung mit einem Kühlmedium entlang einer Strömungsrichtung (SR), die einen mittleren, sich in der Strömungsrichtung (SR) erstreckenden Oberflächenstreifen (S1) und zwei seitliche, sich in der Strömungsrichtung (SR) zueinander und zum mittleren Oberflächenstreifen (S1 ) parallel erstreckende Oberflächenstreifen (S2, S3) aufweist, wobei die beiden seitlichen Oberflächenstreifen (S2, S3) in der Strömungsrichtung (SR) betrachtet auf zwei voneinander abgewandten Seiten des mittleren Oberflächenstreifens (S1) angeordnet sind;
- wobei der mittlere Oberflächenstreifen (S1 ) in der Strömungsrichtung (SR) durchgehend mit Kühler-Pin-Fins (PF) versehen ist; und
- die beiden seitlichen Oberflächenstreifen (S2, S3) jeweils zwei mit Kühler-Pin-Fins (PF) versehenen Oberflächenflächenbereiche (PB) und einen Kühler-Pin-Fin-freien Oberflächenflächenbereich (FB) zwischen den jeweiligen zwei Kühler-Pin-Fins (PF) versehenen Oberflächenflächenbereichen (PB) der jeweiligen seitlichen Oberflächenstreifen (S2, S3) aufweisen.
2. Kühler (KL) nach Anspruch 1 , wobei mindestens 50% der Fläche des Kühler-Pin-Fin-freien Oberflächenflächenbereichs (FB) eines ersten seitlichen Oberflächenstreifens (S2) und mindestens 50% der Fläche des Kühler-Pin-Fin-freien Oberflächenflächenbereichs (FB) eines zweiten seitlichen Oberflächenstreifens (S3) in der Strömungsrichtung (SR) betrachtet auf derselben Höhe liegen.
3. Kühler (KL) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Kühler-Pin-Fin-freie Oberflächenflächenbereich (FB) des ersten seitlichen Oberflächenstreifens (S2) und der Kühler-Pin-Fin-freie Oberflächenflächenbereich (FB) der zweiten seitlichen Oberflächenstreifens (S3) in der Strömungsrichtung (SR) betrachtet zueinander symmetrisch angeordnet sind und/oder zueinander symmetrisch geformt sind.
4. Kühler (KL) nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Kühler-Pin-Fins des ersten seitlichen Oberflächenstreifens (S2) und die Kühler-Pin-Fins des zweiten seitlichen Oberflächenstreifens (S3) in der Strömungsrichtung (SR) zueinander symmetrisch gebildet sind.
5. Kühler (KL) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Anzahl und/oder die Höhe und/oder die Größe und/oder die Form und/oder die Dichte der Kühler-Pin-Fins des mittleren Oberflächenstreifens (S1 ) in der Strömungsrichtung (SR) homogen oder inhomogen variieren.
6. Kühler (KL) nach Anspruch 5, wobei die Dichte der Kühler-Pin-Fins des mittleren Oberflächenstreifens (S1 ) in einem Bereich (BR) des mittleren Oberflächenstreifens (S1 ) zwischen dem Kühler-Pin-Fin-freien Oberflächenflächenbereich (FB) des ersten seitlichen Oberflächenstreifens (S2) und dem Kühler-Pin-Fin-freien Oberflächenflächenbereich (FB) des zweiten seitlichen Oberflächenstreifens (S3) geringer als die Dichte der Kühler-Pin-Fins des mittleren Oberflächenstreifens (S1 ) außerhalb des (genannten) Bereichs (BR) des mittleren Oberflächenstreifens (S1 ) ist.
7. Kühler (KL) nach Anspruch 5 oder 6, wobei der größte Abstand von zwei benachbarten Kühler-Pin-Fins des mittleren Oberflächenstreifens (S1 ) in der Strömungsrichtung (SR) maximal 60% oder maximal 50% der maximalen Ausdehnung der Kühler-Pin-Fin-freien Oberflächenflächenbereiche (FB) des ersten und des zweiten seitlichen Oberflächenstreifens (S2, S3) in der Strömungsrichtung (SR) beträgt.
8. Kühler (KL) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei der größte Abstand von zwei benachbarten Kühler-Pin-Fins des mittleren Oberflächenstreifens (S1 ) in der Strömungsrichtung (SR) gleich oder kleiner als die minimale Ausdehnung der Kühler-Pin-Fin-freien Oberflächenflächenbereiche (FB) des ersten und des zweiten seitlichen Oberflächenstreifens (S2, S3) in der Strömungsrichtung (SR) ist.
9. Kühler (KL) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Anzahl und/oder die Höhe und/oder die Größe und/oder die Form und/oder die Dichte der Kühler-Pin-Fins des mittleren Oberflächenstreifens (S1 ) in der Strömungsrichtung (SR) gleichbleiben.
10. Kühler (KL) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Anzahl und/oder die Höhe und/oder die Größe und/oder die Form und/oder die Dichte der Kühler-Pin-Fins der jeweiligen mit Kühler-Pin-Fins versehenen Oberflächenflächenbereiche (PB) der jeweiligen seitlichen Oberflächenstreifen (S2, S3) in der Strömungsrichtung (SR) homogen oder inhomogen variieren.
11 . Kühler (KL) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Anzahl und/oder die Höhe und/oder die Größe und/oder die Form und/oder die Dichte der Kühler-Pin-Fins der jeweiligen mit Kühler-Pin-Fins versehenen Oberflächenflächenbereiche (PB) der jeweiligen seitlichen Oberflächenstreifen (S2, S3) in der Strömungsrichtung (SR) gleichbleiben.
12. Kühler (KL) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei:
- der Kühler (KL) ferner zwei randliche, sich in der Strömungsrichtung (SR) zueinander und zum mittleren Oberflächenstreifen (S1 ) parallel erstreckende Oberflächenstreifen (S4, S5) aufweist;
- wobei sich die beiden randlichen Oberflächenstreifen (S4, S5) jeweils auf einer vom mittleren Oberflächenstreifen (S1 ) abgewandten Seite der jeweiligen seitlichen Oberflächenstreifen (S2, S3) befinden und jeweils in der Strömungsrichtung (SR) durchgehend mit Kühler-Pin-Fins versehen sind.
13. Kühler (KL) nach Anspruch 12, wobei die Anzahl und/oder die Höhe und/oder die Größe und/oder die Form und/oder die Dichte der Kühler-Pin-Fins der jeweiligen randlichen Oberflächenstreifen (S4, S5) in der Strömungsrichtung (SR) homogen oder inhomogen variieren.
14. Kühler (KL) nach Anspruch 12, wobei die Anzahl und/oder die Höhe und/oder die Größe und/oder die Form und/oder die Dichte der Kühler-Pin-Fins der jeweiligen randlichen Oberflächenstreifen (S4, S5) in der Strömungsrichtung (SR) gleichbleiben.
15. Kühler (KL) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kühler-Pin-Fins aller Oberflächenstreifen (S1 , S2, S3, S4, S5) um einer sich in der Strömungsrichtung (SR) erstreckenden Mittel längslachse symmetrisch gebildet sind und/oder angeordnet sind.
16. Kühler (KL) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei: - der Kühler (KL) ferner eine der Kühleroberfläche (01 ) abgewandte Kontaktoberfläche (02) mit vier Kontaktzonen (KZ) zur thermischen Kontaktierung der Leistungselektronikvorrichtung aufweist;
- wobei jeweils eine der vier Kontaktzonen (KZ) und jeweils einer der mit Kühler-Pin-Fins versehenen Oberflächenflächenbereichen (PB) der jeweiligen seitlichen Oberflächenstreifen (S2, S3) zueinander paarweise gegenüberliegen.
17. Leistungselektronikvorrichtung, aufweisend:
- vier Gruppen von jeweils mindestens einem Leistungshalbleiter (LH);
- einen Kühler (KL) nach Anspruch 16;
- wobei jeweils eine der Leistungshalbleiter-Gruppen (LH) auf jeweils einer der Kontaktzonen (KZ) angeordnet sind und mit der jeweiligen Kontaktzone (KZ) thermisch kontaktiert sind.
18. Inverter, aufweisend:
- eine Leistungselektronikvorrichtung nach Anspruch 17;
- eine Steuerschaltung zum Steuern der Leistungselektronikvorrichtung, die über Steuersignalverbindungen mit den Leistungshalbleitern elektrisch verbunden ist.
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