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Die vorliegende Erfindung geht aus von einer Stromrichteranordnung,
- - wobei die Stromrichteranordnung ein Gehäuse aufweist, in dem ein elektronischer Stromrichter angeordnet ist,
- - wobei innerhalb des Gehäuses ein Kühlkanal für eine Kühlung des Stromrichters mit einer Kühlflüssigkeit angeordnet ist,
- - wobei der Kühlkanal je einen Anschluss zum Zuführen der Kühlflüssigkeit zum Kühlkanal und zum Abführen der Kühlflüssigkeit aus dem Kühlkanal aufweist,
- - wobei das Gehäuse zwei Gegenanschlüsse aufweist, die mit je einem der Anschlüsse des Kühlkanals verbunden sind,
- - wobei die Anschlüsse und die Gegenanschlüsse einander zugewandte Dichtungsflächen aufweisen,
- - wobei das Innere des Gehäuses und der Kühlkanal über im Bereich der jeweiligen Dichtungsflächen angeordnete jeweilige Dichtungseinrichtungen flüssigkeitsdicht abgedichtet ist.
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Derartige Stromrichteranordnungen sind allgemein bekannt. Sie werden vielfach im Bereich der Leistungselektronik eingesetzt, beispielsweise bei Nutzfahrzeugen zur Versorgung von deren Traktionsantrieben mit elektrischer Energie. Insbesondere bei diesem Anwendungsfall, aber auch bei vielen anderen Anwendungsfällen, muss das Innere des Gehäuses sowohl gegenüber dem Kühlkanal als auch gegenüber der Umgebung des Gehäuses flüssigkeitsdicht abgedichtet sein. Dies wird durch die Dichtungseinrichtungen gewährleistet.
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Die Stromrichteranordnungen des Standes der Technik arbeiten vom Ansatz her zufriedenstellend. Sofern jedoch eine der Dichtungseinrichtungen undicht wird (beispielsweise weil ein Dichtungsring bricht), kann die Kühlflüssigkeit in das Innere des Gehäuses eindringen und können weiterhin auch Staub, Öl, Luftfeuchtigkeit usw. aus der Umgebung des Gehäuses in das Innere des Gehäuses eindringen. Dadurch können erhebliche Schäden an der Elektronik verursacht werden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Stromrichteranordnung der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass ein Eindringen der Kühlflüssigkeit in den Innenraum des Gehäuses mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit vermieden werden kann und weiterhin das Gehäuse auch vor einem Eindringen von Staub, Schmutz und dergleichen aus der Umgebung des Gehäuses in den Innenraum geschützt ist.
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Die Aufgabe wird durch eine Stromrichteranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Stromrichteranordnung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 7.
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Erfindungsgemäß wird eine Stromrichteranordnung der eingangs genannten Art dadurch ausgestaltet,
- - dass die Dichtungseinrichtungen jeweils zwei Dichtungsringe aufweisen,
- - dass die beiden Dichtungsringe einer jeweiligen Dichtungseinrichtung geometrisch voneinander beabstandet sind,
- - dass der eine Dichtungsring einer jeweiligen Dichtungseinrichtung den Kühlkanal flüssigkeitsdicht abdichtet und der andere Dichtungsring einer jeweiligen Dichtungseinrichtung das Gehäuse flüssigkeitsdicht abdichtet und
- - dass in die Dichtungsflächen im Bereich zwischen den Dichtungsringen der jeweiligen Dichtungseinrichtung eine jeweilige Ringnut eingebracht ist, von der ein jeweiliger in das Gehäuse eingebrachter Abflusskanal abgeht, der an der Außenseite des Gehäuses mündet.
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Durch die beiden Dichtungsringe wird somit eine Aufteilung der beiden Aufgaben der jeweiligen Dichtungseinrichtung bewirkt. Dadurch wird insbesondere erreicht, dass bei Versagen einer der beiden Dichtungsringe dennoch das Innere des Gehäuses und damit auch der elektronische Stromrichter vor der Kühlflüssigkeit geschützt bleibt. Falls der den Kühlkanal abdichtende Dichtungsring versagt, kann die Kühlflüssigkeit zwar aus dem Kühlkanal austreten. Sie wird aber über die Ringnut und den Abflusskanal nach außen abgeleitet. Dadurch kann unter Umständen sogar durch einfache Inaugenscheinnahme erkannt werden, dass eine Undichtigkeit aufgetreten ist. Weiterhin kann sich dadurch kein Druck zwischen den beiden Dichtungsringen aufbauen. Weiterhin kann eine Undichtigkeit beispielsweise durch einen Abfall des Druckes der Kühlflüssigkeit erkannt werden. Der das Gehäuse abdichtende Dichtungsring gewährleistet jedoch weiterhin eine flüssigkeitsdichte Abdichtung des Gehäuses. Falls umgekehrt der das Gehäuse abdichtende Dichtungsring versagt, kann die Kühlflüssigkeit ebenfalls nicht in das Innere des Gehäuses eindringen, da der flüssigkeitsdichte Abschluss nach wie vor durch den den Kühlkanal abdichtenden Dichtungsring gewährleistet bleibt. Die - äußerst unwahrscheinliche - Situation, dass beide Dichtungsringe versagen, ist ebenfalls vergleichsweise unproblematisch, da die Kühlflüssigkeit auch in diesem Fall über den Abflusskanal abfließen kann und damit nicht unter Druck in das Innere des Gehäuses gepresst wird.
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In der Regel ist der eine Dichtungsring näher am Kühlkanal angeordnet, der andere Dichtungsring näher am Inneren des Gehäuses. Zumindest im Sinne eines Weges, den die Kühlflüssigkeit nehmen müsste, um entlang der Dichtungsflächen vom Kühlkanal zum Inneren des Gehäuses fließen zu können, ist dies der Fall.
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Beim Übergang von jeweils einem der Anschlüsse zu je einem der Gegenanschlüsse oder umgekehrt weist die Kühlflüssigkeit eine Fließrichtung auf. Es ist möglich, dass die Dichtungsflächen - zumindest im wesentlichen - parallel zur Fließrichtung orientiert sind. Alternativ ist es möglich, dass die Dichtungsflächen - zumindest im wesentlichen - orthogonal zur Fließrichtung orientiert sind. Letztgenannte Vorgehensweise ist im Regelfall vorzuziehen.
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Falls die Dichtungsflächen - zumindest im wesentlichen - orthogonal zur Fließrichtung orientiert sind, können die Dichtungsringe einer jeweiligen Dichtungseinrichtung in derselben Ebene liegen. Alternativ können sie in voneinander verschiedenen Ebenen liegen. Die beiden Vorgehensweisen sind gleichwertig zueinander.
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Vorzugsweise ist innerhalb des Gehäuses mindestens eine Sensoreinrichtung angeordnet, mittels derer ein für die Luftfeuchtigkeit im Inneren des Gehäuses und/oder ein Eindringen der Kühlflüssigkeit in das Gehäuse charakteristisches Sensorsignal erfassbar ist. Dadurch kann in den seltenen Ausnahmefällen, in denen doch Feuchtigkeit und/oder Kühlflüssigkeit in das Innere des Gehäuses eindringen, rechtzeitig eine Schutzmaßnahme ergriffen werden, also insbesondere bevor Schäden an dem elektronischen Stromrichter auftreten.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigen in schematischer Prinzipdarstellung:
- 1 eine perspektivische Darstellung einer Stromrichteranordnung,
- 2 eine perspektivische Darstellung eines Schnitts entlang einer Ebene II in 1,
- 3 ein Detail von 2,
- 4 eine zu 3 alternative Ausgestaltung und
- 5 eine zu 4 alternative Ausgestaltung.
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Gemäß den 1 und 2 weist eine Stromrichteranordnung ein Gehäuse 1 auf. Das Gehäuse 1 kann beispielsweise aus einem Kunststoff (insbesondere einem schlagfesten Kunststoff) oder aus Metall (beispielsweise Stahl oder Aluminium) bestehen. Im Betrieb ist das Gehäuse 1 vollständig geschlossen. In den 1 und 2 ist das Gehäuse 1 jedoch ohne Deckel dargestellt, um einen Einblick in das Innere des Gehäuses 1 bieten zu können.
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In dem Gehäuse 1 ist ein elektronischer Stromrichter 2 angeordnet. Zum Zuführen und Abführen der elektrischen Lastströme kann das Gehäuse 1 Durchtrittsöffnungen 3 aufweisen, über welche entsprechende Kabel (nicht dargestellt) in das Innere des Gehäuses 1 geführt und dort angeschlossen werden können. Zum Zuführen von Steuersignalen und Abführen von Sensorsignalen kann das Gehäuse 1 eine vorkonfektionierte Steckverbindung 4 aufweisen.
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Der Stromrichter 2 umfasst Leistungshalbleiter, beispielsweise IGBTs oder MOSFETs. Die Leistungshalbleiter sind in den FIG nicht dargestellt. Beim Betrieb des Stromrichters 2 fällt - im wesentlichen gemäß dem Produkt der Durchlassspannung eines Halbleiterschalters und dem von dem Leistungshalbleiter geführten Laststrom - eine Verlustleistung an. Die Verlustleistung kann durchaus im Bereich von 100 W und mehr liegen. Der Stromrichter 2 erwärmt sich daher. Um die Erwärmung des Stromrichters 2 in einem zulässigen Bereich zu halten, ist innerhalb des Gehäuses 1 ein Kühlkanal 5 angeordnet. In dem Kühlkanal 5 fließt eine Kühlflüssigkeit 6, mittels derer der Stromrichter 2 gekühlt wird. Die Kühlflüssigkeit 6 kann insbesondere Wasser sein bzw. auf Wasser basieren.
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Der Kühlkanal 5 weist einen Anschluss 7 auf, über den die Kühlflüssigkeit 6 dem Kühlkanal 5 zugeführt wird. Weiterhin weist der Kühlkanal 5 einen Anschluss 8 auf, über den die Kühlflüssigkeit 6 aus dem Kühlkanal 5 abgeführt wird. Das Gehäuse 1 wiederum weist zwei Gegenanschlüsse 9, 10 auf. Der eine Gegenanschluss 9 ist mit dem Anschluss 7 verbunden, der andere Gegenanschluss 10 mit dem Anschluss 8.
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Der Aufbau und die Wirkungsweise der Anschlüsse 7, 8 und der Gegenanschlüsse 9, 10 wird nachstehend insbesondere in Verbindung mit 3 für den Anschluss 7 und den Gegenanschluss 9 erläutert. Für den Anschluss 8 und den Gegenanschluss 10 gelten analoge Ausführungen.
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Gemäß 3 weisen der Anschluss 7 und der Gegenanschluss 9 Dichtungsflächen 11, 12 auf. Im Bereich der Dichtungsflächen 11, 12 ist eine Dichtungseinrichtung angeordnet, über welche das Innere des Gehäuses 1 und der Kühlkanal 5 flüssigkeitsdicht abgedichtet ist. Die Ausgestaltung der Dichtungseinrichtung (und auch der korrespondierenden Dichtungseinrichtung für den Anschluss 8 und den Gegenanschluss 10) ist der Kerngegenstand der vorliegenden Erfindung.
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Gemäß 3 weist die Dichtungseinrichtung zwei Dichtungsringe 13, 14 auf. Die Dichtungsringe 13, 14 können beispielsweise als O-Ringe ausgebildet sein. Die beiden Dichtungsringe 13, 14 sind geometrisch voneinander beabstandet. In der Regel ist der Dichtungsring 13 näher am Kühlkanal 5 angeordnet, der Dichtungsring 14 näher am Inneren des Gehäuses 1. Der Dichtungsring 13 dichtet den Kühlkanal 5 im Bereich der Dichtungsflächen 11, 12 flüssigkeitsdicht ab. In analoger Weise dichtet der Dichtungsring 14 das Gehäuse 1 im Bereich der Dichtungsflächen 11, 12 flüssigkeitsdicht ab.
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Gemäß 3 ist in die Dichtungsfläche 12 im Bereich zwischen den Dichtungsringen 13, 14 eine Ringnut 15 eingebracht. Die Ringnut 15 könnte aber ebenso auch in die Dichtungsfläche 11 eingebracht sein. Auch wäre es möglich, in beide Dichtungsflächen 11, 12 jeweils eine Ringnut einzubringen, die zusammen eine resultierende Ringnut ergeben. Unabhängig von der konkreten Ausgestaltung ist jedoch in das Gehäuse 1 ein Abflusskanal 16 eingebracht, der von der Ringnut 15 abgeht und an der Außenseite des Gehäuses 1 mündet. Der Abflusskanal 16 kann beispielsweise als Bohrung ausgebildet sein. Er kann aber auch auf andere Art und Weise in das Gehäuse 1 eingebracht sein.
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Die Kühlflüssigkeit 6 weist beim Übergang vom Anschluss 7 zum Gegenanschluss 9 eine Fließrichtung 17 auf. In der Ausgestaltung gemäß den 1 bis 3 sind die Dichtungsflächen 11, 12 parallel oder zumindest im wesentlichen parallel zur Fließrichtung 17 orientiert. „Im Wesentlichen parallel“ ist eine Abweichung von maximal 15°. Meist beträgt die Abweichung, sofern sie überhaupt vorhanden ist, sogar 10° oder weniger, insbesondere 5° oder weniger. Gemäß 3 laufen die Dichtungsflächen 11, 12 zylindrisch um die Fließrichtung 17 um.
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4 zeigt eine zu 3 alternative Ausgestaltung. Der Unterschied besteht im wesentlichen darin, dass die Dichtungsflächen 11, 12 nicht parallel oder zumindest im wesentlichen parallel zur Fließrichtung 17 orientiert sind, sondern orthogonal oder zumindest im wesentlichen orthogonal zur Fließrichtung 17 orientiert sind. Wie zuvor bedeutet der Begriff „im Wesentlichen orthogonal“ eine Abweichung von maximal 15°. Meist beträgt die Abweichung, sofern sie überhaupt vorhanden ist, sogar 10° oder weniger, insbesondere 5° oder weniger. Gemäß 4 sind die Dichtungsflächen 11, 12 plane Flächen, die exakt orthogonal zur Fließrichtung 17 orientiert sind. Im übrigen gelten die Ausführungen zu den 1 bis 3.
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Bei der Ausgestaltung gemäß 4 liegen die Dichtungsringe 11, 12 in derselben Ebene. Alternativ ist es entsprechend der Darstellung in 5 möglich, dass die Dichtungsringe 11, 12 in voneinander verschiedenen Ebenen liegen. Im übrigen gelten die Ausführungen zu 4.
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Es ist möglich, dass innerhalb des Gehäuses 1 (mindestens) eine Sensoreinrichtung angeordnet ist. Mittels der Sensoreinrichtung kann, sofern sie vorhanden ist, beispielsweise ein Sensorsignal erfasst werden, das charakteristisch für die Luftfeuchtigkeit im Inneren des Gehäuses 1 ist. Für die Erfassung der Luftfeuchtigkeit ist es in der Regel ausreichend, wenn eine einzige Sensoreinrichtung vorhanden ist, wobei die Sensoreinrichtung nach Bedarf und nach Möglichkeit angeordnet sein kann. Alternativ oder zusätzlich kann mittels der Sensoreinrichtung beispielsweise ein Eindringen der Kühlflüssigkeit 6 in das Gehäuse 1 erfasst werden. Für das Erfassen des Eindringens der Kühlflüssigkeit 6 in das Gehäuse 1 ist vorzugsweise im Bereich der Anschlüsse 7, 8 jeweils eine eigene Sensoreinrichtung angeordnet. Das Sensorsignal der Sensoreinrichtung kann insbesondere über die bereits erwähnte vorkonfektionierte Steckverbindung 4 nach außen geführt und dort abgegriffen werden.
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Die vorliegende Erfindung weist viele Vorteile auf. Am wichtigsten ist, dass die Gesamtkonstruktion einfach, kostengünstig und zuverlässig ist und auch im Dauerbetrieb eine hohe Betriebssicherheit bietet.
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Die obige Beschreibung dient ausschließlich der Erläuterung der vorliegenden Erfindung. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung soll hingegen ausschließlich durch die beigefügten Ansprüche bestimmt sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuse
- 2
- Stromrichter
- 3
- Durchtrittsöffnungen
- 4
- Steckverbindung
- 5
- Kühlkanal
- 6
- Kühlflüssigkeit
- 7, 8
- Anschlüsse
- 9, 10
- Gegenanschlüsse
- 11, 12
- Dichtungsflächen
- 13, 14
- Dichtungsringe
- 15
- Ringnut
- 16
- Abflusskanal
- 17
- Fließrichtung
