WO2017211405A1 - Verfahren zum einbringen eines elastischen dichtelements in ein modul eines modularen mehrstufenumrichters und modul mit einem entsprechend eingebrachten dichtelement - Google Patents

Verfahren zum einbringen eines elastischen dichtelements in ein modul eines modularen mehrstufenumrichters und modul mit einem entsprechend eingebrachten dichtelement Download PDF

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WO2017211405A1
WO2017211405A1 PCT/EP2016/062987 EP2016062987W WO2017211405A1 WO 2017211405 A1 WO2017211405 A1 WO 2017211405A1 EP 2016062987 W EP2016062987 W EP 2016062987W WO 2017211405 A1 WO2017211405 A1 WO 2017211405A1
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plate
cavity
module
frame element
ring
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PCT/EP2016/062987
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Stephan FRENKEL
Steffen PIERSTORF
Daniel Schmitt
Frank Schremmer
Marcus Wahle
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/003—Constructional details, e.g. physical layout, assembly, wiring or busbar connections
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    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/4835—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels comprising two or more cells, each including a switchable capacitor, the capacitors having a nominal charge voltage which corresponds to a given fraction of the input voltage, and the capacitors being selectively connected in series to determine the instantaneous output voltage

Definitions

  • the invention relates to a method for introducing a sealing element into an electrical module of a modular multi-stage converter and an electrical module with a correspondingly introduced sealing element according to the preamble ⁇ fen of claims 1 and 2.
  • Such electrical (sub-) modules are often arranged close to each other in such known converters and electrically connected in series.
  • the electrical valves for example in the form of bipolar transistors with insulated gate electrode (IGBT) are attached to the heat-conducting plates for cooling.
  • the plates rest on frame members having an annular opening into which the valves extend.
  • the covered by two plates ring opening forms the ge ⁇ closed interior of the module.
  • contact rails are laterally ge ⁇ leads in the module housing.
  • the electrical modules described are loaded with very large electrical currents, so that in the event of failure ei ⁇ ner component or a fault due to the converted electrical power explosion-like destruction of the module housing located in the electrical component or compo ⁇ nents can take place; deviates explosion gas (eg metalli ⁇ shear / carbonaceous dust, debris, etc.) from the module housing, can adjacent electrical modules, which previously worked electrically perfectly, be affected or destroyed by the explosion gas, as this the air gap is exceeded due to the impurities, so that a chain reaction can occur, is destroyed by a plurality of adjacent electrical modules. In the case of the converters described above, this can have dramatic consequences, in particular in the high-voltage range
  • the invention has for its object to provide a simpler method for introducing a sealing element in an electrical module of a modular Mehrlabnumrichters and an electrical module with a corresponding introduced sealing element, wherein the sealing element of the electrical ⁇ rule module in the event of a fault or an explosion in the interior the module housing prevents gas flow to the outside or escape of explosive gases to the outside, but at least significantly inhibited.
  • the solution is based on the method on a module feasible, which is characterized by an at least partially ⁇ annular cavity seen radially from the ring opening to the outside in each case in front of the contact surface is, where formed ⁇ wherein the cavity is a) of a recess b) from a recess of the plate and a projection of the frame member or vice versa a projection of the plate and a recess of the frame member, wherein the projection engages respectively in the recess and the engagement takes place while leaving the cavity , and a through ⁇ opening, which extends from the cavity to the outside.
  • the method that can be carried out on such a module has the following method steps: a) inserting a cannula into the passage opening, b) introducing sealing material into the passageway Cavity and c) solidification of the sealing material to form a form-fitting and stress-free in the cavity arrange ⁇ th elastic sealing element.
  • the solution is based on the module characterized by ei ne at least part-annular contact surface on which touch the plate and the frame member in terms of area, an at least partially annular elastic sealing element, the radially from the ring opening to the outside in each case before the loading rroundungs Salt runs and fills a cavity wherein the cavity is formed a) from a recess of the plate and an opposite recess of the frame member or b) from a recess of the plate and a projection of the frame member or vice versa a projection of the plate and a recess of the frame member, wherein the projection respectively in the Recess engages and the intervention takes place while leaving the cavity, and a through hole which extends from the cavity to the outside and through the visko ses sealing material from the outside can be introduced, wherein the introduced sealing material fills the cavity and there after its solidification s elastic sealing element forms.
  • the contact surface forms a closed-end ring.
  • the cavity is formed as a closed ring, which is filled by a continuous circumferential elastic sealing ring.
  • the number of applications increases when the sealing ring is composed of a plurality of sealing elements which abut one another, merge into one another and / or overlap one another.
  • Figure 1 shows a first embodiment of an electrical
  • FIG. 2 shows a view from below of the module housing, with the cooling plate removed
  • FIG 3 shows a second embodiment of the Dichtele ⁇ elements of the electrical module according to Figure 1 and
  • Figure 4 is a bottom view of the module housing according to
  • FIG. 1 shows an electrical module 1 which can be interconnected electrically in series as one of a plurality of submodules to form a modular multistage converter (multilevel converter MMC).
  • the module 1 comprises a module housing 2 closed to the outside, in which a semiconductor switching element 3, which is lower in relation to FIG. 1, and a semiconductor switching element 4 which is upper in relation to FIG.
  • the semiconductor switching elements 3 and 4 are controlled electrical valves in the form of bipolar transistors with insulated gate electrode (IGBT). For contacting the two semiconductor switching elements 3 and 4 contact rails 5 are present, which are led out laterally from the module housing 2.
  • IGBT insulated gate electrode
  • the module housing 2 For cooling the lower semicon ⁇ ter switching element 3, the module housing 2 comprises a lower, heat-conducting cooling plate 21, on which a lower ring-shaped frame element 22 in FIG. 1 rests, here as a closed frame with an annular opening 22b, wherein the cooling plate 21 the annular opening 22b covers from below and together with the frame member 22 to the cooling plate 21 towards the lower part of an interior 2a forms, in which the lower semiconductor ⁇ switching element 3 extends into it.
  • a middle annular frame member 23 which forms the mittle ⁇ ren part of the interior 2a.
  • an upper in the figure 1 annular frame member 24 On the frame member 23 is in turn an upper in the figure 1 annular frame member 24.
  • the module housing 2 Towards the top, the module housing 2 is closed off by an upper cooling plate 25, which rests on the upper annular frame element 24, here on a closed frame with an annular opening, and serves to cool the semiconductor switching element 4.
  • the cooling plate 25 covers the ring opening from above and forms together with the upper frame member 24 to the cooling plate 25 toward the upper part of the inner space 2a, in which the upper semiconductor switching element 4 he ⁇ stretches.
  • the closed interior 2a is here formed by the three Ringöff ⁇ openings of the superimposed annular frame members 22, 23, 24 (housing parts 22a, 23a, 24a) and the adjacent cooling plates 21, 25 (housing parts 21a, 25a). Even ⁇ course, the ring opening may also be of a single ring-shaped frame member and the two top and bottom of this adjacent cooling plates 21, be formed 25th
  • the contact rails 5 are led out laterally between the central annular frame member 23 and the lower annular termeele ⁇ ment 22 and between the middle annular frame member 23 and the upper annular frame member 24.
  • the sandwich structure formed by the housing parts (22a, 23a, 24a, 21a, 25a) of the module housing 2 are preferably screws or an external clamping device, which are not shown in the figure 1 for reasons of clarity.
  • an external clamping device For example, several electrical ⁇ cal modules 1 with their cooling plates (electrically isolated from each other) are superimposed; in the case of such an embodiment, the tensioning device preferably holds the stack of sandwich structures together.
  • a lower sealing element is at the electrical module 1 according to Figure 1 llOe in the form of a sealing ring 110 EXISTING ⁇ annularly around the interior of the module housing 2a 2 runs around and here forms a closed ring (see Figure 2).
  • the lower cooling plate 21 has a recess 101 which extends annularly around the inner space 2a and which is perpendicular to the
  • the sealing ring 110 thus has sealing surfaces, which abut perpendicular to the support surface A wall portions at ⁇ of the housing parts 21a and 22a.
  • the circumferential bearing surface A of the two is ringförmi ⁇ gen recesses 101 and 102 in two spaced annularly continuous circumferential contact surfaces Al, A2 divided on which the cooling plate 21 and the frame member 22 in the contact region are in contact in terms of area.
  • the sealing ring 110 extends in each case between the two contact surfaces AI, A2.
  • the two contact surfaces AI, A2 adjoin the two recesses 101 and
  • the lower sealing ring 110 is made by introducing (injecting) sealing material into the cavity Hl by j ekomskanüle in a through hole 110a (channel-shaped opening, the injection channel) is introduced and then sealing ⁇ material having an appropriate viscosity is injected (introduced ⁇ introduced) is, until the cavity is completely filled Hl. Then, the sealing material is solidified or it solidifies by itself when appropriate sealing material is used, so that finally an elastic sealing ring 110 fills the cavity Hl positive and stress-free.
  • the sealing ring 110 may extend partially or completely into the injection channel 110a. Basically, the injection channel 110a may also free of sealing material (as in Figure 1 and 2), depending on how the Dichtma ⁇ TERIAL is injected. In addition to those shown in Figure 1 only schematically
  • FIG. 1 shows two through-openings 110a
  • FIG. 2 shows two through-openings 110a
  • FIG. 2 shows two through-openings 110a
  • FIG. 2 shows two through-openings 110a
  • FIG. 2 shows two through-openings 110a
  • FIG. 2 shows two through-openings 110a
  • FIG. 2 shows two through-openings 110a
  • FIG. 2 shows two through-openings 110a
  • FIG. 2 shows two through-openings 110a
  • FIG. 1 a further sealing ring 120 can be seen in FIG. 1 which is identical to the sealing ring 110 and inserted into annular recesses in the upper annular frame element 24 and in the upper cooling plate 25.
  • the sealing ring 120 up ⁇ tet the upper cooling plate 25 and the upper annular umlau ⁇ Fende frame member 24 against each other, and that in a corresponding manner as has been explained in connection with the sealing ring 110th
  • the sealing rings 110, 120 may each be composed of a plurality of partial ring ⁇ shaped elastic sealing elements llOe, 120e, which abut each other, merge into one another and / or overlap each other.
  • Each partially annular sealing element 11Oe, 120e extends radially outward from the annular opening 22b, in each case in front of an associated part-annular contact surface A2 and fills in accordance with the associated cavity H1.
  • the sealing between the annular frame members 22, 23 and 24 can be done analogously to the sealing between the cooling plate 25 and the annular frame member 24 and between the cooling plate 21 and the annular frame member 22. Accordingly are also the three ring-shaped frame members 22, 23 and 24 in Figure 1 in each case directly abut each other, with at least one annularly continuous circumferential contact area A2, as viewed from the inner space 2a of each ⁇ wells behind the completely circumferential cavity and disposed therein sealing ring lies.
  • FIG. 1 A more specific embodiment of the seal between the immediately abutting annular frame elements 22, 23 and 24 in the region of the contact bars 5 is shown in Figure 1, below 130e as a plate sealing elements be ⁇ records in the part-annular in this area sealing elements, are shown. It can be seen that the panel sealing elements 130e respectively to an associated Kon ⁇ clocked rail 5 rest and extending towards the interior 2a of the module casing 2 - perpendicular to the support surface A and for loading rroundungs salt A2 between the respective frame members - thicken or widen.
  • the corresponding shaping of the plate sealing elements 130e is made possible by a corresponding or complementary shaping of cavities H3 (ie of corresponding depressions) in the annular frame elements 22, 23 and 24.
  • the two semi-annular sealing elements lie opposite one another in such a way that a first sealing element end of the one sealing element faces a first sealing element end of the other sealing element to form a first end pair and a second sealing element end of a sealing element a second sealing element end of the other sealing element to form a second End pair opposite ⁇ over.
  • An electrical contact rail 5, which is in electrical contact with the lower semiconductor protection element 3, is arranged in each case between the paired sealing element ends.
  • the two semi-ring-shaped sealing elements form and the two plate sealing elements 130e a continuous circumferential sealing ring 130 similar to the seal rings 110, 120, however with radial Spread ⁇ stanchions in the region of the contact rails 5.
  • the elastic Sealing elements abut each other here, but can also merge into one another and / or have overlapping transitions.
  • Analog 130a present passage openings and the plate-ten Actuallylemente 130e also teilwei ⁇ se or completely extending in a through hole 130a in here. Also, the through hole 130a may be free of sealing material as shown in FIG.
  • FIG 3 shows a further embodiment of the cavity and therefore of the shape and arrangement of the log message ⁇ management.
  • cooling plate 21 and the overlying lower annular frame member 22 is in the embodiment according to Figure 3 also an annularly provided around the inner space 2a of the module housing 2 um secured- of the sealing element 310e here in the form of a closed sealing ⁇ rings 310 ,
  • the sealing ring 310 is U-shaped in cross-section and has two side walls 311 and 312 which are connected by a bottom wall 313. Each of the two side walls 311 and 312 is at an angle to the support surface A, in which the two housing parts 21a and 22a lie on one another.
  • the bottom wall 313 of the sealing ring ⁇ 310 is preferably parallel to the support surface A.
  • the cross-sectionally U-shaped sealing ring 310 is located in an annular circumferential recess 101 of the lower cooling plate 21. In through the two side walls 311 and 312 of
  • Sealing ring 310 defined recess 101 engages a projection 103 of the lower annular frame member 22 under Belas ⁇ tion of a gap, which here forms the cavity H4, which receives the sealing ring 310.
  • the projection 103 of the frame member 22 thus engages in a complementary recess 101 of the cooling plate 21, wherein between projection 103 and recess 101 each have a circumferential cavity H4 remains, in which the sealing ring 310 is arranged.
  • the reverse embodiment is possible lent that the projection 103 is disposed in the cooling plate and engages in a complementary recess 101 of the frame member 22.
  • the protrusion 103 extends here, for example by way ⁇ angle or perpendicular to the support surface A between the two housing parts 21a and 22a.
  • Figure 3 also shows a further sealing element 320e in the form of a sealing ring 320 disposed between the upper ring-shaped frame member 24 and the upper cooling plate 25 and the two housing parts 24a, seals in the ⁇ same way 25a, as shown in connection with the Sealing ring 310 has been explained.
  • FIG. 4 shows the sealing ring 310 in a plan view analogous to FIG. 2, which extends in a ring around the interior 2a.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Einbringen eines Dichtelements (110e, 120e, 130e, 310e, 320e) in mit gesteuerten Ventilen (IGBT) ausgerüstete und für einen Mehrstufenumrichter geeignete elektrische Module (1), die aufweisen: eine Platte (21, 25) zur Kühlung eines Ventils (IGBT) und ein Rahmenelement (22, 24), auf dem die Platte (21, 25) aufliegt, die dessen Ringöffnung (22b) abdeckt und so einen Innenraum für das Ventil (IGBT) bildet, eine Berührungsfläche (A2) zwischen der Platte (21, 25) und dem Rahmenelement (22, 24), ein Dichtelement (110e, 120e, 130e, 310e, 320e) vor der Berührungsfläche (A2), das einen Hohlraum (H1, H2, H3, H4) ausfüllt, der gebildet ist a) aus einer Vertiefung (101) der Platte (21, 25) und einer gegenüberliegenden Vertiefung (102) des Rahmenelements (22, 24) oder b) aus einer Vertiefung (101) der Platte (21, 25) und einem Vorsprung (103) des Rahmenelements (22, 24) oder umgekehrt einem Vorsprung der Platte (21, 25) und einer Vertiefung des Rahmenelements (22, 24), wobei der Vorsprung (103) jeweils in die Vertiefung (101) eingreift und der Eingriff unter Belassung des Hohlraums (H4) erfolgt. Das Einbringen erfolgt durch eine Durchgangsöffnung (110a, 110b, 120a, 130a, 310a, 320a), die vom Hohlraum (H1, H2, H3, H4) aus nach außen verläuft und durch die viskoses Dichtmaterial von außen eingebracht wird, so dass es den Hohlraum (H1, H2, H3, H4) ausfüllt.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Einbringen eines elastischen Dichtelements in ein Modul eines modularen Mehrstufenumrichters und Modul mit einem entsprechend eingebrachten Dichtelement
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Einbringen eines Dichtelements in ein elektrisches Modul eines modularen Mehrstufenumrichters und ein elektrisches Modul mit einem entsprechend eingebrachten Dichtelement gemäß den Oberbegrif¬ fen der Ansprüche 1 und 2.
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 ge¬ schlossenen Innenraum des Moduls. Zur Kontaktierung der Ventile sind Kontaktschienen seitlich in das Modulgehäuse ge¬ führt . Die Druckschrift WO 2012/156261 A2 beschreibt ein Ausfüh¬ rungsbeispiel für einen Mehrstufenumrichter, bei dem elektrische Module, wie sie hier nachfolgend beschrieben werden, eingesetzt werden können. Insbesondere im Bereich der Energieübertragungstechnik werden die beschriebenen elektrischen Module mit sehr großen elektrischen Strömen belastet, so dass im Falle eines Ausfalls ei¬ ner Komponente bzw. einem Fehlerfall aufgrund der umgesetzten elektrischen Leistung eine explosionsartige Zerstörung der im Modulgehäuse befindlichen elektrischen Komponente bzw. Kompo¬ nenten erfolgen kann; weicht Explosionsgas (z.B. metalli¬ scher/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
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfacheres Verfahren zum Einbringen eines Dichtelements in ein elektrisches Modul eines modularen Mehrstufenumrichters und ein elektrisches Modul mit einem entsprechend eingebrachten Dichtelement anzugeben, wobei das Dichtelement des elektri¬ schen Modul 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 gehemmt wird.
Diese Aufgabe wird bezogen auf das Verfahren durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und bezogen auf das Modul durch die Merkmale des Patentanspruchs 2 gelöst. Vorteilhafte Aus¬ gestaltungen sind in Unteransprüchen angegeben.
Die Lösung ist bezogen auf das Verfahren auf einem Modul aus führbar, das gekennzeichnet ist durch einen zumindest teil¬ ringförmigen Hohlraum, der von der Ringöffnung radial nach außen gesehen jeweils vor der Berührungsfläche verläuft, wo¬ bei der Hohlraum gebildet ist a) aus einer Vertiefung der Platte und einer gegenüberliegenden Vertiefung des Rahmenele ments 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 Durch¬ gangsöffnung, die vom Hohlraum aus nach außen verläuft. Das auf einem solchen Modul ausführbare Verfahren weist folgende Verfahrensschritte auf: a) Einführen einer Kanüle in die Durchgangsöffnung, b) Einbringen von Dichtmaterial in den Hohlraum und c) Verfestigung des Dichtmaterials zur Bildung eines formschlüssig und spannungsfrei im Hohlraum angeordne¬ ten elastischen Dichtelements.
Die Lösung ist bezogen auf das Modul gekennzeichnet durch ei ne 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 Be rührungsfläche 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 visko ses Dichtmaterial von außen einbringbar ist, wobei das einge brachte Dichtmaterial den Hohlraum ausfüllt und nach seiner Verfestigung das elastische Dichtelement bildet.
Zweckmäßigerweise bildet die Berührungsfläche einen geschlos senen Ring.
Weiter ist der Hohlraum als geschlossener Ring ausgebildet, der von einem durchgehend umlaufenden elastischen Dichtring ausgefüllt ist.
Die Zahl der Anwendungen erhöht sich, wenn der Dichtring aus mehreren Dichtelementen zusammengesetzt ist, die aneinander anstoßen, ineinander übergehen und/oder einander überlappen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie len näher erläutert. Dabei zeigen
Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines elektrischen
Moduls mit einem Modulgehäuse und Dichtelementen, Figur 2 eine Ansicht von unten auf das Modulgehäuse gesehen mit abgenommener Kühlplatte,
Figur 3 ein zweites Ausführungsbeispiel für die Dichtele¬ menten des elektrischen Moduls gemäß Figur 1 und
Figur 4 eine Ansicht von unten auf das Modulgehäuse gemäß
Figur 3 gesehen mit abgenommener Kühlplatte.
Die Figur 1 zeigt ein elektrisches Modul 1, das als eines von mehreren Sub-Modulen zu einem modularen Mehrstufenumrichter (Multilevelumrichter MMC) elektrisch in Reihe zusammenschalt- bar ist. Das Modul 1 umfasst ein nach außen verschlossenes Modulgehäuse 2, in dem sich ein bezogen auf Figur 1 unteres Halbleiterschaltelement 3 und ein bezogen auf Figur 1 oberes Halbleiterschaltelement 4 befinden. Bei den Halbleiterschalt¬ elementen 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.
Das Modulgehäuse 2 umfasst zur Kühlung des unteren Halblei¬ terschaltelements 3 eine in der Figur 1 untere wärmeleitende Kühlplatte 21, auf der ein in der Figur 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 Halbleiter¬ schaltelement 3 hinein erstreckt.
Auf dem unteren ringförmigen Rahmenelement 22 befindet sich ein mittleres ringförmiges Rahmenelement 23, das den mittle¬ ren Teil des Innenraums 2a bildet. Auf dem Rahmenelement 23 liegt wiederum ein in der Figur 1 oberes ringförmiges Rahmenelement 24 auf. 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 Halbleiterschalt¬ elements 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 er¬ streckt .
Der geschlossene Innenraum 2a wird hier von den drei Ringöff¬ nungen der übereinander liegenden ringförmigen Rahmenelemente 22, 23, 24 (Gehäuseteile 22a, 23a, 24a) und den anliegenden Kühlplatten 21, 25 (Gehäuseteile 21a, 25a) gebildet. Selbst¬ verständlich kann die Ringöffnung auch von einem einzigen ringförmigen Rahmenelement und den beiden oben und unten an diesem anliegenden Kühlplatten 21, 25 gebildet sein.
Die Kontaktschienen 5 sind zwischen dem mittleren ringförmigen Rahmenelement 23 und dem unteren ringförmigen Rahmenele¬ ment 22 bzw. zwischen dem mittleren ringförmigen Rahmenelement 23 und dem oberen ringförmigen Rahmenelement 24 seitlich herausgeführt .
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 Figur 1 nicht weiter gezeigt sind. Beispielsweise können auch mehrere elektri¬ sche Module 1 mit ihren Kühlplatten (elektrisch isoliert voneinander) aufeinander liegen; im Falle einer solche Ausführungsform hält die Spannvorrichtung vorzugsweise den Stapel aus Sandwichstrukturen zusammen.
Weiter ist bei dem elektrischen Modul 1 gemäß Figur 1 ein unteres Dichtelement llOe in Form eines Dichtrings 110 vorhan¬ den, der ringförmig um den Innenraum 2a des Modulgehäuses 2 umläuft und hier einen geschlossenen Ring bildet (s. Figur 2) .
Die untere Kühlplatte 21 weist eine ringförmig um den Innen- räum 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 Hohl- räum Hl in Form eines geschlossenen Hohlraumrings bilden, von dem aus eine kanalförmige Durchgangsöffnung 110a bis nach au¬ ßen 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 Auflage¬ fläche A der beiden aufeinanderliegenden Gehäuseteile 21a und 22a. Der Dichtring 110 weist also Dichtflächen auf, die an senkrecht zur Auflagefläche A liegenden Wandabschnitten bei¬ der Gehäuseteile 21a und 22a anliegen.
Die umlaufende Auflagefläche A ist von den beiden ringförmi¬ gen Vertiefungen 101 und 102 in zwei beabstandete ringförmig durchgehend umlaufende Berührungsflächen AI, 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 AI, A2. Bei der Ausführung gemäß Figur 1 grenzen die beiden Berüh- rungsflächen AI, 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.
Der untere Dichtring 110 ist durch Einbringen (Injektion) von Dichtmaterial in den Hohlraum Hl hergestellt, indem eine In- j ektionskanüle in eine Durchgangsöffnung 110a ( kanalförmige Öffnung, Injektionskanal) eingeführt und anschließend Dicht¬ material mit einer geeigneten Viskosität injiziert (einge¬ bracht) wird, bis der Hohlraum Hl 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 Hl formschlüssig und spannungsfrei ausfüllt. Der Dichtring 110 kann sich teilweise oder vollständig in den In- j ektionskanal 110a hinein erstrecken. Grundsätzlich kann der Injektionskanal 110a aber auch frei von Dichtmaterial sein (wie in Figur 1 und 2 gezeigt), je nachdem, wie das Dichtma¬ terial injiziert wird. Zusätzlich zu den in Figur 1 nur schematisch dargestellten
Durchgangsöffnungen 110a können weitere Durchgangsöffnungen 110b vorhanden sein (s. Figur 2) . In Figur 1 sind zwei Durchgangsöffnungen 110a zu sehen, in Figur 2 die beiden Durchgangsöffnungen 110a sowie beispielhaft zwei weitere Durch- gangsöffnungen 110b.
Die Figur 2 zeigt - von unten auf das Modulgehäuse 2 mit ab¬ genommener Kühlplatte 21 gesehen - den vollständig um den Innenraum 2a des Modulgehäuses 2 herum umlaufenden Dichtring 110. Außerdem sind die ebenfalls nur schematisch dargestell¬ ten Durchgangsöffnungen 110a und 110b zu sehen.
Wieder bezugnehmend auf Figur 1 lässt sich in der Figur 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 dich¬ tet die obere Kühlplatte 25 und das obere ringförmig umlau¬ fende Rahmenelement 24 gegeneinander ab, und zwar in entspre- chender Weise, wie dies im Zusammenhang mit dem Dichtring 110 erläutert worden ist. Die Dichtringe 110, 120 können jeweils aus mehreren teilring¬ förmigen elastischen Dichtelementen llOe, 120e zusammengesetzt sein, die aneinander anstoßen, ineinander übergehen und/oder einander überlappen. Jedes teilringförmige Dichtele- ment llOe, 120e verläuft von der Ringöffnung 22b radial nach außen gesehen jeweils vor einer zugehörigen teilringförmigen Berührungsfläche A2 und füllt entsprechend den zugehörigen Hohlraum Hl aus. 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 Figur 1 jeweils unmittelbar aneinander an, und zwar mit zumindest einer ringförmig durchgehend umlaufende Berührungsfläche A2, die vom Innenraums 2a aus gesehen je¬ weils hinter dem vollständig umlaufenden Hohlraum und dem darin angeordneten Dichtring liegt.
Eine speziellere Ausführung der Abdichtung zwischen den unmittelbar aneinander anliegenden ringförmigen Rahmenelementen 22, 23 und 24 im Bereich der Kontaktschienen 5 ist in der Figur 1 dargestellt, in der in diesem Bereich teilringförmige Dichtelemente, nachfolgend als Plattendichtelemente 130e be¬ zeichnet, gezeigt sind. Es lässt sich erkennen, dass die Plattendichtelemente 130e jeweils an einer zugeordneten Kon¬ taktschiene 5 anliegen und sich in Richtung Innenraum 2a des Modulgehäuses 2 - senkrecht zur Auflagefläche A bzw. zur Be- rührungsfläche 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 Rahmenele- menten 22, 23 und 24 ermöglicht.
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 Plattendichtele- mente 130e bei Erhöhung des Gasdrucks innerhalb des Innen¬ raums 2a in vorteilhafter Weise sogar vergrößert wird.
Um eine Abdichtung außerhalb des Bereichs der Kontaktschienen 5 beispielsweise zwischen dem unteren ringförmigen Rahmenele- ment 22 und dem darüber befindlichen mittleren ringförmigen Rahmenelement 23 zu ermöglichen, sind zwischen diesen beiden Gehäuseteilen 22a, 23a zwei halbringförmige (allgemein teil¬ ringförmige) 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 hinein- ragen.
Die beiden halbringförmigen Dichtelemente liegen einander gegenüber, und zwar derart, dass ein erstes Dichtelementende des einen Dichtelements einem ersten Dichtelementende des an- deren 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 gegen¬ überliegt. Zwischen den paarweise gegenüberliegenden Dicht- elementenden ist jeweils eine elektrische Kontaktschiene 5 angeordnet, die mit dem unteren Halbleiterschutzelement 3 elektrisch in Kontakt steht.
Bei der Ausführung gemäß Figur 1 bilden die beiden halbring- förmigen Dichtelemente und die beiden Plattendichtelemente 130e einen durchgehend umlaufenden Dichtring 130 analog zu den Dichtringen 110, 120, allerdings mit radialen Verbreite¬ rungen im Bereich der Kontaktschienen 5. Die elastischen Dichtelemente stoßen hier aneinander an, können aber auch ineinander übergehen und/oder einander überlappende Übergänge aufweisen . Analog sind Durchgangsöffnungen 130a vorhanden und die Plat- tendichtelemente 130e erstrecken sich hier ebenfalls teilwei¬ se oder vollständig in eine Durchgangsöffnung 130a hinein. Auch kann die Durchgangsöffnung 130a von Dichtmaterial frei sein, wie in Figur 1 gezeigt.
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.
Die Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für den Hohlraum und damit für die Form und Anordnung des Dichtele¬ ments .
Zur Abdichtung der in der Figur 3 unteren Kühlplatte 21 und dem darüber liegenden unteren ringförmigen Rahmenelement 22 ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 ebenfalls ein ringförmig um den Innenraum 2a des Modulgehäuses 2 umlaufen- des Dichtelement 310e hier in Form eines geschlossenen Dicht¬ rings 310 vorgesehen.
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 Dicht¬ rings 310 liegt vorzugsweise parallel zur Auflagefläche A. 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 Belas¬ sung 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 Ver- tiefung 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.
Selbstverständlich ist auch die umgekehrte Ausführung mög- lieh, 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 beispiel¬ haft winklig bzw. senkrecht zur Auflagefläche A zwischen den beiden Gehäuseteilen 21a und 22a.
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.
Die Figur 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 der¬ selben Weise abdichtet, wie dies im Zusammenhang mit dem Dichtring 310 erläutert worden ist.
Analog wie oben beschrieben sind auch hier Durchgangsöffnun- gen 310a, 320a vorhanden, durch welche Dichtmaterial mit ei¬ ner geeigneten Viskosität eingeführt werden kann, welches die Dichtringe 310, 320 bildet. Die Figur 4 zeigt den Dichtring 310 in einer Draufsicht ana¬ log zu Figur 2, welches ringförmig um den Innenraum 2a herum verläuft .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Einbringen eines elastischen Dichtelements (HOe, 120e, 130e, 310e, 320e) in ein Modul (1) für einen Mehrstufenumrichter, bei dem mehrere Module (1) mit zumindest je einem gesteuerten elektrischen Ventil (IGBT) elektrisch in Reihe zusammengeschaltet sind,
wobei das Modul (1) aufweist:
eine wärmeleitende Platte (21, 25), an der auf einer Seite ein gesteuertes elektrisches Ventil (IGBT) angeordnet ist, ein eine Ringöffnung (22b) aufweisendes Rahmenelement (22, 24), auf dem die Platte (21, 25) aufliegt, wobei die Platte (21, 25) die Ringöffnung (22b) abdeckt und mit dem Rahmenele¬ ment (22, 24) einen Innenraum bildet, in den sich das Ventil (IGBT) erstreckt,
eine zumindest teilringförmige Berührungsfläche (A2), an der sich die Platte (21, 25) und das Rahmenelement (22, 24) flä¬ chenmäßig berühren,
g e k e n n z e i c h n e t d u r c h
einen zumindest teilringförmigen Hohlraum (Hl, H2, H3, H4), der von der Ringöffnung (22b) radial nach außen gesehen jeweils vor der Berührungsfläche (A2) verläuft, wobei der Hohl¬ raum (Hl, H2, H3, H4) gebildet ist
a) aus einer Vertiefung (101) der Platte (21, 25) und einer gegenüberliegenden Vertiefung (102) des Rahmenelements (22,
24) oder
b) aus einer Vertiefung (101) der Platte (21, 25) und einem Vorsprung (103) des Rahmenelements (22, 24) oder umgekehrt einem Vorsprung der Platte (21, 25) und einer Vertiefung des Rahmenelements (22, 24), wobei der Vorsprung (103) jeweils in die Vertiefung (101) eingreift und der Eingriff unter Belas¬ sung des Hohlraums (H4) erfolgt, und
eine Durchgangsöffnung (110a, 110b, 120a, 130a, 310a, 320a), die vom Hohlraum (Hl, H2, H3, H4) aus nach außen verläuft, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist: a) Einführen einer Kanüle in die Durchgangsöffnung (110a, 110b, 120a, 130a, 310a, 320a),
b) Einbringen von Dichtmaterial in den Hohlraum (Hl, H2, H3, H4) und
c) Verfestigung des Dichtmaterials zur Bildung eines formschlüssig und spannungsfrei im Hohlraum (Hl, H2, H3, H4) an¬ geordneten elastischen Dichtelements (llOe, 120e, 130e, 310e, 320e) .
2. Modul (1) für einen modularen Mehrstufenumrichter, bei dem mehrere Module (1) mit zumindest je einem gesteuerten elekt¬ rischen Ventil (IGBT) elektrisch in Reihe zusammengeschaltet sind,
wobei das Modul (1) aufweist:
eine wärmeleitende Platte (21, 25), an der auf einer Seite ein gesteuertes elektrisches Ventil (IGBT) angeordnet ist, und ein eine Ringöffnung (22b) aufweisendes Rahmenelement (22, 24), auf dem die Platte (21, 25) aufliegt, wobei die Platte (21, 25) die Ringöffnung (22b) abdeckt und mit dem Rahmenelement (22, 24) einen Innenraum bildet, in den sich das Ventil (IGBT) erstreckt,
g e k e n n z e i c h n e t d u r c h
eine zumindest teilringförmige Berührungsfläche (A2), an der sich die Platte (21, 25) und das Rahmenelement (22, 24) flä¬ chenmäßig berühren,
ein zumindest teilringförmiges elastischen Dichtelement
(llOe, 120e, 130e, 310e, 320e) , das von der Ringöffnung (22b) radial nach außen gesehen jeweils vor der Berührungsfläche (A2) verläuft und einen Hohlraum (Hl, H2, H3, H4) ausfüllt, wobei der Hohlraum (Hl, H2, H3, H4) gebildet ist
a) aus einer Vertiefung (101) der Platte (21, 25) und einer gegenüberliegenden Vertiefung (102) des Rahmenelements (22, 24) oder
b) aus einer Vertiefung (101) der Platte (21, 25) und einem Vorsprung (103) des Rahmenelements (22, 24) oder umgekehrt einem Vorsprung der Platte (21, 25) und einer Vertiefung des Rahmenelements (22, 24), wobei der Vorsprung (103) jeweils in die Vertiefung (101) eingreift und der Eingriff unter Belas¬ sung des Hohlraums (H4) erfolgt, und
eine Durchgangsöffnung (110a, 110b, 120a, 130a, 310a, 320a), die vom Hohlraum (Hl, H2, H3, H4) aus nach außen verläuft und durch die viskoses Dichtmaterial von außen einbringbar ist, wobei das eingebrachte Dichtmaterial den Hohlraum (Hl, H2, H3, H4) ausfüllt und nach seiner Verfestigung das elastische Dichtelement (HOe, 120e, 130e, 310, 320) bildet.
3. Modul (1) nach Anspruch 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Berührungsfläche (A2) einen geschlossenen Ring bil¬ det .
4. Modul (1) nach Anspruch 2 oder 3,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass der Hohlraum (Hl, H2, H3, H4) als geschlossener Ring ausgebildet ist, der von einem durchgehend umlaufenden elas- tischen Dichtring (110, 120, 130, 310, 320) ausgefüllt ist.
5. Modul (1) nach Anspruch 2, 3 oder 4,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass der Dichtring (110, 120, 130, 310, 320) aus mehreren Dichtelementen (llOe, 120e, 130e, 310e, 320e) zusammengesetzt ist, die aneinander anstoßen, ineinander übergehen und/oder einander überlappen.
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