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Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Modul mit einem Dichtelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Derartige elektrische (Sub-)Module sind bei solchen bekannten Umrichtern oft dicht nebeneinander angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet. Die elektrischen Ventile z.B. in Form von Bipolartransistoren mit isolierter Gateelektrode (IGBT) sind zur Kühlung an wärmeleitenden Platten befestigt. Die Platten liegen auf Rahmenelementen auf, die eine Ringöffnung aufweisen, in welche sich die Ventile erstrecken. Die von zwei Platten abgedeckte Ringöffnung bildet jeweils den geschlossenen Innenraum des Moduls. Zur Kontaktierung der Ventile sind Kontaktschienen seitlich in das Modulgehäuse geführt.
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Die Druckschrift
WO 2012/156261 A2 beschreibt ein Ausführungsbeispiel für einen Mehrstufenumrichter, bei dem elektrische Module, wie sie hier nachfolgend beschrieben werden, eingesetzt werden können.
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Insbesondere im Bereich der Energieübertragungstechnik werden die beschriebenen elektrischen Module mit sehr großen elektrischen Strömen belastet, so dass im Falle eines Ausfalls einer Komponente bzw. einem Fehlerfall aufgrund der umgesetzten elektrischen Leistung eine explosionsartige Zerstörung der im Modulgehäuse befindlichen elektrischen Komponente bzw. Komponenten erfolgen kann; weicht Explosionsgas (z.B. metallischer/kohlenstoffhaltiger Staub, Splitter etc.) aus dem Modulgehäuse aus, können benachbarte elektrische Module, die zuvor noch elektrisch einwandfrei arbeiteten, von dem Explosionsgas beeinträchtigt oder zerstört werden, da dadurch die Luftstrecke aufgrund der Verunreinigungen unterschritten wird, so dass eine Kettenreaktion auftreten kann, durch die eine Vielzahl an benachbarten elektrischen Modulen zerstört wird. Bei den oben beschriebenen Umrichtern kann dies - insbesondere im Hochspannungsbereich - dramatische Folgen haben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Modul mit einem Dichtelement anzugeben, wobei das Dichtelement des elektrischen Moduls im Falle eines Fehlers bzw. einer Explosion im Innenraum des Modulgehäuses einen Gasfluss nach außen bzw. ein Austreten von Explosionsgasen nach außen verhindert, zumindest aber deutlich hemmt.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in Unteransprüchen angegeben.
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Die Lösung ist gekennzeichnet durch eine zumindest teilringförmige Berührungsfläche, an der sich die Platte und das Rahmenelement flächenmäßig berühren, ein zumindest teilringförmiges elastischen Dichtelement, das von der Ringöffnung radial nach außen gesehen jeweils vor der Berührungsfläche verläuft und einen Hohlraum ausfüllt, wobei der Hohlraum gebildet ist a) aus einer Vertiefung der Platte und einer gegenüberliegenden Vertiefung des Rahmenelements oder b) aus einer Vertiefung der Platte und einem Vorsprung des Rahmenelements oder umgekehrt einem Vorsprung der Platte und einer Vertiefung des Rahmenelements, wobei der Vorsprung jeweils in die Vertiefung eingreift und der Eingriff unter Belassung des Hohlraums erfolgt, und eine Durchgangsöffnung, die vom Hohlraum aus nach außen verläuft und durch die viskoses Dichtmaterial von außen einbringbar ist, wobei das eingebrachte Dichtmaterial den Hohlraum ausfüllt und nach seiner Verfestigung das elastische Dichtelement bildet.
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Zweckmäßigerweise bildet die Berührungsfläche einen geschlossenen Ring.
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Weiter ist der Hohlraum als geschlossener Ring ausgebildet, der von einem durchgehend umlaufenden elastischen Dichtring ausgefüllt ist.
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Die Zahl der Anwendungen erhöht sich, wenn der Dichtring aus mehreren Dichtelementen zusammengesetzt ist, die aneinander anstoßen, ineinander übergehen und/oder einander überlappen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Dabei zeigen
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines elektrischen Moduls mit einem Modulgehäuse und Dichtelementen,
- 2 eine Ansicht von unten auf das Modulgehäuse gesehen mit abgenommener Kühlplatte,
- 3 ein zweites Ausführungsbeispiel für die Dichtelementen des elektrischen Moduls gemäß 1 und
- 4 eine Ansicht von unten auf das Modulgehäuse gemäß 3 gesehen mit abgenommener Kühlplatte.
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Die 1 zeigt ein elektrisches Modul 1, das als eines von mehreren Sub-Modulen zu einem modularen Mehrstufenumrichter (Multilevelumrichter MMC) elektrisch in Reihe zusammenschaltbar ist. Das Modul 1 umfasst ein nach außen verschlossenes Modulgehäuse 2, in dem sich ein bezogen auf 1 unteres Halbleiterschaltelement 3 und ein bezogen auf 1 oberes Halbleiterschaltelement 4 befinden. Bei den Halbleiterschaltelementen 3 und 4 handelt es sich um gesteuerte elektrische Ventile in Form von Bipolartransistoren mit isolierter Gateelektrode (IGBT). Zur Kontaktierung der beiden Halbleiterschaltelemente 3 und 4 sind Kontaktschienen 5 vorhanden, die seitlich aus dem Modulgehäuse 2 herausgeführt sind.
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Das Modulgehäuse 2 umfasst zur Kühlung des unteren Halbleiterschaltelements 3 eine in der 1 untere wärmeleitende Kühlplatte 21, auf der ein in der 1 unteres ringförmiges Rahmenelement 22, hier als ein geschlossener Rahmen mit einer Ringöffnung 22b, aufliegt, wobei die Kühlplatte 21 die Ringöffnung 22b von unten abdeckt und zusammen mit dem Rahmenelement 22 zur Kühlplatte 21 hin den unteren Teil eines Innenraums 2a bildet, in den sich das untere Halbleiterschaltelement 3 hinein erstreckt.
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Auf dem unteren ringförmigen Rahmenelement 22 befindet sich ein mittleres ringförmiges Rahmenelement 23, das den mittleren Teil des Innenraums 2a bildet. Auf dem Rahmenelement 23 liegt wiederum ein in der 1 oberes ringförmiges Rahmenelement 24 auf.
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Nach oben hin wird das Modulgehäuse 2 von einer oberen Kühlplatte 25 abgeschlossen, die auf dem oberen ringförmigen Rahmenelement 24, hier auf einem geschlossenen Rahmen mit einer Ringöffnung, aufliegt und zur Kühlung des Halbleiterschaltelements 4 dient. Die Kühlplatte 25 deckt die Ringöffnung von oben ab und bildet zusammen mit dem oberen Rahmenelement 24 zur Kühlplatte 25 hin den oberen Teil des Innenraums 2a, in den sich das obere Halbleiterschaltelement 4 hinein erstreckt.
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Der geschlossene Innenraum 2a wird hier von den drei Ringöffnungen der übereinander liegenden ringförmigen Rahmenelemente 22, 23, 24 (Gehäuseteile 22a, 23a, 24a) und den anliegenden Kühlplatten 21, 25 (Gehäuseteile 21a, 25a) gebildet. Selbstverständlich kann die Ringöffnung auch von einem einzigen ringförmigen Rahmenelement und den beiden oben und unten an diesem anliegenden Kühlplatten 21, 25 gebildet sein.
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Die Kontaktschienen 5 sind zwischen dem mittleren ringförmigen Rahmenelement 23 und dem unteren ringförmigen Rahmenelement 22 bzw. zwischen dem mittleren ringförmigen Rahmenelement 23 und dem oberen ringförmigen Rahmenelement 24 seitlich herausgeführt.
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Zum Zusammenhalten der durch die Gehäuseteile (22a, 23a, 24a, 21a, 25a) des Modulgehäuses 2 gebildeten Sandwichstruktur dienen vorzugsweise Schrauben oder eine externe Spannvorrichtung, die aus Gründen der Übersicht in der 1 nicht weiter gezeigt sind. Beispielsweise können auch mehrere elektrische Module 1 mit ihren Kühlplatten (elektrisch isoliert voneinander) aufeinander liegen; im Falle einer solche Ausführungsform hält die Spannvorrichtung vorzugsweise den Stapel aus Sandwichstrukturen zusammen.
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Weiter ist bei dem elektrischen Modul 1 gemäß 1 ein unteres Dichtelement 110e in Form eines Dichtrings 110 vorhanden, der ringförmig um den Innenraum 2a des Modulgehäuses 2 umläuft und hier einen geschlossenen Ring bildet (s. 2) .
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Die untere Kühlplatte 21 weist eine ringförmig um den Innenraum 2a umlaufende Vertiefung 101 auf, die - senkrecht zur Auflagefläche A zwischen den beiden Gehäuseteilen 21a und 22a gesehen - mit einer ringförmig umlaufenden Vertiefung 102 im unteren ringförmigen Rahmenelement 22 fluchtet, wobei die Vertiefungen 101 und 102 einen ringförmig umlaufenden Hohlraum H1 in Form eines geschlossenen Hohlraumrings bilden, von dem aus eine kanalförmige Durchgangsöffnung 110a bis nach außen verläuft und von außen zugänglich ist. In die zwei ringförmigen Vertiefungen 101 und 102 erstreckt sich der Dichtring 110, und zwar ein unterer Dichtabschnitt 111 in die Kühlplatte 21 hinein und in entsprechender Weise ein oberer Dichtabschnitt 112 in das darüber liegende untere ringförmige Rahmenelement 22 hinein, hier jeweils senkrecht zur Auflagefläche A der beiden aufeinanderliegenden Gehäuseteile 21a und 22a. Der Dichtring 110 weist also Dichtflächen auf, die an senkrecht zur Auflagefläche A liegenden Wandabschnitten beider Gehäuseteile 21a und 22a anliegen.
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Die umlaufende Auflagefläche A ist von den beiden ringförmigen Vertiefungen 101 und 102 in zwei beabstandete ringförmig durchgehend umlaufende Berührungsflächen A1, A2 unterteilt, an denen sich die Kühlplatte 21 und das Rahmenelement 22 im Auflagebereich flächenmäßig berühren. Der Dichtring 110 verläuft jeweils zwischen den beiden Berührungsflächen A1, A2. Bei der Ausführung gemäß 1 grenzen die beiden Berührungsflächen A1, A2 an dem die beiden Vertiefungen 101 und 102 ausfüllenden elastischen Dichtring 110 an, d.h. sie reichen unmittelbar bis zum Dichtring 110. Zur Sicherstellung der Dichtungsfunktion muss jeweils - wie hier - mindestens die außenliegende durchgehend umlaufende Berührungsfläche A2 vorhanden sein.
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Der untere Dichtring 110 ist durch Einbringen (Injektion) von Dichtmaterial in den Hohlraum H1 hergestellt, indem eine Injektionskanüle in eine Durchgangsöffnung 110a (kanalförmige Öffnung, Injektionskanal) eingeführt und anschließend Dichtmaterial mit einer geeigneten Viskosität injiziert (eingebracht) wird, bis der Hohlraum H1 vollständig ausgefüllt ist. Dann wird das Dichtmaterial verfestigt oder es verfestigt sich von selbst, wenn entsprechendes Dichtmaterial verwendet wird, so dass schließlich ein elastischer Dichtring 110 den Hohlraum H1 formschlüssig und spannungsfrei ausfüllt. Der Dichtring 110 kann sich teilweise oder vollständig in den Injektionskanal 110a hinein erstrecken. Grundsätzlich kann der Injektionskanal 110a aber auch frei von Dichtmaterial sein (wie in 1 und 2 gezeigt), je nachdem, wie das Dichtmaterial injiziert wird.
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Zusätzlich zu den in 1 nur schematisch dargestellten Durchgangsöffnungen 110a können weitere Durchgangsöffnungen 110b vorhanden sein (s. 2). In 1 sind zwei Durchgangsöffnungen 110a zu sehen, in 2 die beiden Durchgangsöffnungen 110a sowie beispielhaft zwei weitere Durchgangsöffnungen 110b.
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Die 2 zeigt - von unten auf das Modulgehäuse 2 mit abgenommener Kühlplatte 21 gesehen - den vollständig um den Innenraum 2a des Modulgehäuses 2 herum umlaufenden Dichtring 110. Außerdem sind die ebenfalls nur schematisch dargestellten Durchgangsöffnungen 110a und 110b zu sehen.
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Wieder bezugnehmend auf 1 lässt sich in der 1 darüber hinaus ein weiterer Dichtring 120 erkennen, der mit dem Dichtring 110 identisch und in ringförmig umlaufende Vertiefungen im oberen ringförmigen Rahmenelement 24 sowie in der oberen Kühlplatte 25 eingesetzt ist. Der Dichtring 120 dichtet die obere Kühlplatte 25 und das obere ringförmig umlaufende Rahmenelement 24 gegeneinander ab, und zwar in entsprechender Weise, wie dies im Zusammenhang mit dem Dichtring 110 erläutert worden ist.
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Die Dichtringe 110, 120 können jeweils aus mehreren teilringförmigen elastischen Dichtelementen 110e, 120e zusammengesetzt sein, die aneinander anstoßen, ineinander übergehen und/oder einander überlappen. Jedes teilringförmige Dichtelement 110e, 120e verläuft von der Ringöffnung 22b radial nach außen gesehen jeweils vor einer zugehörigen teilringförmigen Berührungsfläche A2 und füllt entsprechend den zugehörigen Hohlraum H1 aus.
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Die Abdichtung zwischen den ringförmigen Rahmenelementen 22, 23 und 24 kann analog zur Abdichtung zwischen der Kühlplatte 25 und dem ringförmigen Rahmenelement 24 bzw. zwischen der Kühlplatte 21 und dem ringförmigen Rahmenelement 22 erfolgen. Entsprechend liegen auch die drei ringförmigen Rahmenelemente 22, 23 und 24 in 1 jeweils unmittelbar aneinander an, und zwar mit zumindest einer ringförmig durchgehend umlaufende Berührungsfläche A2, die vom Innenraums 2a aus gesehen jeweils hinter dem vollständig umlaufenden Hohlraum und dem darin angeordneten Dichtring liegt.
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Eine speziellere Ausführung der Abdichtung zwischen den unmittelbar aneinander anliegenden ringförmigen Rahmenelementen 22, 23 und 24 im Bereich der Kontaktschienen 5 ist in der 1 dargestellt, in der in diesem Bereich teilringförmige Dichtelemente, nachfolgend als Plattendichtelemente 130e bezeichnet, gezeigt sind. Es lässt sich erkennen, dass die Plattendichtelemente 130e jeweils an einer zugeordneten Kontaktschiene 5 anliegen und sich in Richtung Innenraum 2a des Modulgehäuses 2 - senkrecht zur Auflagefläche A bzw. zur Berührungsfläche A2 zwischen den jeweiligen Rahmenelementen - verdicken bzw. aufweiten. Die entsprechende Formgebung der Plattendichtelemente 130e wird durch eine korrespondierende bzw. komplementäre Formgebung von Höhlräumen H3 (d.h. von entsprechenden Vertiefungen) in den ringförmigen Rahmenelementen 22, 23 und 24 ermöglicht.
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Durch das Aufweiten bzw. Verdicken der Plattendichtelemente 130e in Richtung des Innenraums 2a wird gewährleistet, dass der Gasdruck im Innenraum 2a im Falle einer Explosion die verdickten Abschnitte der Plattendichtelemente 130e im Sinne einer Stopfen- bzw. Stöpselbildung weiter verdicken bzw. aufweiten wird, wodurch die Dichtwirkung der Plattendichtelemente 130e bei Erhöhung des Gasdrucks innerhalb des Innenraums 2a in vorteilhafter Weise sogar vergrößert wird.
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Um eine Abdichtung außerhalb des Bereichs der Kontaktschienen 5 beispielsweise zwischen dem unteren ringförmigen Rahmenelement 22 und dem darüber befindlichen mittleren ringförmigen Rahmenelement 23 zu ermöglichen, sind zwischen diesen beiden Gehäuseteilen 22a, 23a zwei halbringförmige (allgemein teilringförmige) Dichtelemente (nicht gezeigt) vorgesehen, die jeweils analog zur Abdichtung zwischen der Kühlplatte 25 und dem ringförmigen Rahmenelement 24 bzw. zwischen der Kühlplatte 21 und dem ringförmigen Rahmenelement 22 mit einem unteren Dichtabschnitt in das untere ringförmige Rahmenelement 22 und mit einem oberen Dichtabschnitt in eine korrespondierende Vertiefung im mittleren ringförmigen Rahmenelement 23 hineinragen.
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Die beiden halbringförmigen Dichtelemente liegen einander gegenüber, und zwar derart, dass ein erstes Dichtelementende des einen Dichtelements einem ersten Dichtelementende des anderen Dichtelements unter Bildung eines ersten Endenpaares gegenüberliegt und ein zweites Dichtelementende des eines Dichtelements einem zweiten Dichtelementende des anderen Dichtelements unter Bildung eines zweiten Endenpaares gegenüberliegt. Zwischen den paarweise gegenüberliegenden Dichtelementenden ist jeweils eine elektrische Kontaktschiene 5 angeordnet, die mit dem unteren Halbleiterschutzelement 3 elektrisch in Kontakt steht.
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Bei der Ausführung gemäß 1 bilden die beiden halbringförmigen Dichtelemente und die beiden Plattendichtelemente 130e einen durchgehend umlaufenden Dichtring 130 analog zu den Dichtringen 110, 120, allerdings mit radialen Verbreiterungen im Bereich der Kontaktschienen 5. Die elastischen Dichtelemente stoßen hier aneinander an, können aber auch ineinander übergehen und/oder einander überlappende Übergänge aufweisen.
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Analog sind Durchgangsöffnungen 130a vorhanden und die Plattendichtelemente 130e erstrecken sich hier ebenfalls teilweise oder vollständig in eine Durchgangsöffnung 130a hinein. Auch kann die Durchgangsöffnung 130a von Dichtmaterial frei sein, wie in 1 gezeigt.
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Zur Abdichtung zwischen dem mittleren ringförmigen Rahmenelement 23 und dem oberen ringförmigen Rahmenelement 24 sind ebenfalls halbringförmige Dichtelemente vorgesehen, die mit den halbringförmigen Dichtelementen identisch sein können. Diesbezüglich sei auf die obigen Ausführungen verwiesen.
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Die 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für den Hohlraum und damit für die Form und Anordnung des Dichtelements.
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Zur Abdichtung der in der 3 unteren Kühlplatte 21 und dem darüber liegenden unteren ringförmigen Rahmenelement 22 ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 ebenfalls ein ringförmig um den Innenraum 2a des Modulgehäuses 2 umlaufendes Dichtelement 310e hier in Form eines geschlossenen Dichtrings 310 vorgesehen.
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Der Dichtring 310 ist im Querschnitt u-förmig und weist zwei Seitenwände 311 und 312 auf, die durch eine Bodenwand 313 verbunden sind. Jede der beiden Seitenwände 311 und 312 steht winklig zur Auflagefläche A, in der die beiden Gehäuseteile 21a und 22a aufeinanderliegen. Die Bodenwand 313 des Dichtrings 310 liegt vorzugsweise parallel zur Auflagefläche A.
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Der im Querschnitt u-förmige Dichtring 310 liegt in einer ringförmig umlaufenden Vertiefung 101 der unteren Kühlplatte 21. In die durch die beiden Seitenwände 311 und 312 des Dichtrings 310 definierte Vertiefung 101 greift ein Vorsprung 103 des unteren ringförmigen Rahmenelements 22 unter Belassung eines Zwischenraums ein, der hier den Hohlraum H4 bildet, welcher den Dichtring 310 aufnimmt. Der Vorsprung 103 des Rahmenelements 22 greift also in eine komplementäre Vertiefung 101 der Kühlplatte 21 ein, wobei zwischen Vorsprung 103 und Vertiefung 101 jeweils ein umlaufender Hohlraum H4 verbleibt, in dem der Dichtring 310 angeordnet ist.
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Selbstverständlich ist auch die umgekehrte Ausführung möglich, dass der Vorsprung 103 in der Kühlplatte angeordnet ist und in eine komplementäre Vertiefung 101 des Rahmenelements 22 eingreift. Der Vorsprung 103 erstreckt sich hier beispielhaft winklig bzw. senkrecht zur Auflagefläche A zwischen den beiden Gehäuseteilen 21a und 22a.
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Durch das Eingreifen des Vorsprungs 103 in der u-förmige Dichtring 310 wird eine Art Mäandrierung bzw. Mäanderbildung im Bereich der Schnittstelle bzw. Auflagefläche zwischen den Gehäuseteilen 21a und 22a erreicht, durch die im Falle einer Spaltbildung zwischen den Gehäuseteilen nach einer Explosion ein Gasstrom mehrfach umgelenkt werden muss, bevor er nach außen gelangen kann. Dadurch erfolgt eine Verlängerung des Gaswegs und damit einhergehend eine signifikante Druck- und Temperaturreduktion des womöglich trotz des Dichtrings 310 dennoch austretenden Restgasstromes.
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Die 3 zeigt darüber hinaus ein weiteres Dichtelement 320e in Form eines Dichtrings 320, das zwischen dem oberen ringförmigen Rahmenelement 24 und der oberen Kühlplatte 25 angeordnet ist und diese beiden Gehäuseteile 24a, 25a in derselben Weise abdichtet, wie dies im Zusammenhang mit dem Dichtring 310 erläutert worden ist.
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Analog wie oben beschrieben sind auch hier Durchgangsöffnungen 310a, 320a vorhanden, durch welche Dichtmaterial mit einer geeigneten Viskosität eingeführt werden kann, welches die Dichtringe 310, 320 bildet.
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Die 4 zeigt den Dichtring 310 in einer Draufsicht analog zu 2, welches ringförmig um den Innenraum 2a herum verläuft.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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