Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein explosionsgesichertes Gehäuse, sowie einen Photovoltaik- Wechselrichter mit einem solchen Gehäuse.

Bei leistungselektronischen Vorrichtungen, beispielsweise Wechselrichtern zur Umwandlung von als Gleichstrom bereitgestellter Eingangsleistung in eine als Wechselstrom bereitgestellte Ausgangsleistung, kann es im Inneren von Gehäusen dieser Vorrichtungen zu einer Explosion von Komponenten, beispielsweise Kondensatoren oder Schaltmodule kommen, deren möglicher Explosionsdruck mit der aufgrund der technologischen Weiterentwicklung kontinuierlich steigenden Leistungsdichte zunimmt. Die Gefährdung, die hiervon ausgeht, wurde in der Vergangenheit unterschätzt. Daher gibt es derzeit nur unzureichende Sicherheitsvorschriften zur Auslegung von Gehäusen für solche Vorrichtungen, und es wurde bereits von Vorfällen berichtet, in denen Personen, die sich in der Nähe der Vorrichtung befunden haben, durch herumfliegende Gehäuseteile verletzt wurden, die sich durch eine Explosion gelöst haben.

Ein Gehäuse eines derartigen elektrischen Gerätes muss je nach Anwendungsgebiet verschiedenen normativen Anforderungen gerecht werden. Insbesondere kann das Gehäuse den Innenraum des Geräts gegenüber der Umgebung abschirmen und beispielsweise staub- und wasserdicht verschließen, so dass das Gehäuse eine IP-Schutzart gemäß DIN EN 60529 aufweist und/oder einer der NEMA-Schutzarten gemäß NEMA Standard 250-2003 entspricht. Darüber hinaus muss ein Gehäuse gegebenenfalls weitere mechanische Tests gemäß DIN- und/oder UL-Normen bestehen können, beispielsweise hinsichtlich Kompression, Schlagprüfung, Fremdeinwirkung wie Vogelaufprall und/oder spezieller Wasserbestrahlung.

Das Handhaben hoher elektrischer Leistungen mit einem elektrischen Gerät bringt es mit sich, dass sich in kürzester Zeit höchste Energiekonzentrationen in dem Gehäuse des Gerätes akkumulieren können. Dies kann gewünscht sein, beispielsweise um Kapazitäten oder Induktivitäten zur Zwischenspeicherung elektrischer Energie im Rahmen der dynamischen Umwandlung von einer Stromform in eine andere zu nutzen. Es können jedoch auch unerwünschte Energiekonzentrationen auftreten, insbesondere in einem Fehlerfall, bei einer Fehlbedienung, einer thermischen Überlastung oder nach Alterungsprozessen. Dabei kann elektrische Energie in erheblichem Umfang in thermische und/oder mechanische Energie umgewandelt werden, beispielsweise indem sich Bauteile stark erwärmen und platzen, oder indem sich entzündliche Stoffe in einem Gehäuse ansammeln, beispielsweise aufgrund (elektro-)chemischer Umwandlungsprozesse, und durch an sich harmlose elektrische Überschläge gezündet werden.

Daher kann sich ein erheblicher Überdruck in dem an sich verschlossenen Gehäuse des elektrischen Gerätes aufbauen. Im Falle eines leistungselektronischen Umrichters, der beispielsweise eine der üblichen Schutzklassen IP44 oder IP65 aufweist, kann sich der Überdruck zudem unter ungünstigen Umständen sehr schnell, zum Beispiel innerhalb weniger Millisekunden aufbauen. Dies darf jedoch nicht dazu führen, dass das Gehäuse in unvorhersehbarer Weise zerstört wird, zum Beispiel indem es unkontrolliert zerbricht und gegebenenfalls Teile aus dem Innenraum herausgeschleudert werden. Um dieses Problem zu entschärfen, existieren Lösungen, Gehäuse derart zu gestalten, dass sich auch bei einer Explosion keine Gehäuseteile lösen. Um nicht unnötig stabile und damit materialintensive Gehäuseformen herstellen zu müssen, erscheint es vorteilhaft, Gehäuse so zu gestalten, dass ein Deckel als erste Gehäusekomponente sich im Explosionsfall von einer Wanne als zweiter Gehäusekomponente unter Bildung eines Auslassspalts kontrolliert abzulösen vermag, damit der Explosionsdruck durch den Auslassspalt entweichen kann. Häufig sind die sich so bildenden Spalte zu klein, so dass insbesondere bei starken Explosionen kein ausreichend schneller Druckabbau stattfinden kann, und Befestigungselemente, die eigentlich die Gehäusekomponenten miteinander in Verbindung halten sollen, versagen.

In Dokument DE 202020 101 874 U1 wird daher vorgeschlagen, den Deckel mit einer Vielzahl von Schrauben im Randbereich an der Wanne zu befestigen. Entlang einer Seite weist der Randbereich des Deckels eine Verstärkung auf, die dafür sorgt, dass der Deckel in diesem Bereich in jedem Fall durch die Schrauben an der Wanne gehalten wird, während an den anderen Seiten die Schrauben so dimensioniert sind, dass sie sich im Explosionsfall lösen können, so dass durch die Verstärkung der Deckel wie mit einem Scharnier aufklappen kann, aber mit der Wanne verbunden bleibt.

In dem Dokument DE 102019 122 812 Alwird alternativ vorgeschlagen, einen Gehäusedeckel nur mit einer einzigen, zentral angeordneten Schraube zu befestigen und eine ausreichende Dichtkraft auf eine im Randbereich des Deckels angeordnete umlaufende Dichtung auszuüben. Diese zentrale Schraube ist so dimensioniert, dass sie auch im Explosionsfall den Deckel zuverlässig hält. Der Deckel kann sich dabei aber im Randbereich so verformen, dass er von der Wanne abhebt und so einen Auslassspalt für den Explosionsdruck bildet. Nachteilig bei dieser Lösung ist aber, dass die Wanne ein zentral angeordnetes, ausreichend mechanisch stabiles Gegenlager für die Schraube aufweisen muss, was dem Wunsch nach einer kompakten Bauform mit geringem Gewicht und einfacher Montierbarkeit entgegensteht. Die Druckschrift DE 766456 C offenbart ein explosionsgeschütztes Gehäuse mit Dichtungsflanschen für elektrische Geräte, wobei in den Dichtungsflanschen abgefederte, starre Dichtungsmittel zwischen dem Gehäuse und dem Deckel vorgesehen sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Gehäuse mit einem Deckel und einer Wanne aufzuzeigen, das eine kompakte, leichtgewichtige Bauform bei einfacher Zugänglichkeit erlaubt, und bei dem ein Ablösen von Gehäusekomponenten im Explosionsfall im Inneren des Gehäuses zuverlässig verhindert wird.

Diese Aufgabe wird durch ein Gehäuse mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Merkmale von bevorzugten Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung umfasst ein explosionsgesichertes Gehäuse für ein leistungselektronisches Gerät eine Gehäusewanne und einen die Gehäusewanne über eine Dichtung schließenden Deckel. Deckel und Gehäusewanne werden ausschließlich jeweils an zwei gegenüberliegenden, durch Randbereiche von Deckel und Gehäusewanne gebildeten Seiten über eine Mehrzahl von durch Drehung lösbaren, in Arretierungsstrukturen eingreifenden Befestigungen gegeneinandergedrückt. Die Mehrzahl von Befestigungen sind in einem zentralen Drittel der jeweiligen Seiten angeordnet.

Hierdurch entstehen angrenzend an das zentrale Drittel zwei Außenbereiche des Deckels, die nicht durch weitere Befestigungselemente gegen die Dichtung gedrückt werden. Durch diese Anordnung der Befestigungen kann ein Explosionsdruck effektiv auf diese Außenbereiche wirken und dort - anschaulich gesprochen - den Deckel aufhebeln, so dass sich zwischen Deckel und Gehäusewanne gegenüber einer konventionellen Anordnung von Befestigungen auch im Außenbereich bereits bei verringertem Explosionsdruck ein Auslassspalt für den Explosionsdruck durch ein Verbiegen des Deckels bildet. Der Begriff zentrales Drittel ist hierbei so zu verstehen, dass die Ausdehnung dieses Bereichs entlang der gegenüberliegenden Seiten maximal ein Drittel der Seitenlänge umfasst und kleiner oder gleich der Ausdehnung beider angrenzenden Außenbereiche ist, um die beschriebene Hebelwirkung und damit ein zuverlässiges Verbiegen des Deckels im Explosionsfall in gewünschtem Maße zu erreichen.

Zwischen den Kanten der Seitenwände der Gehäusewanne und dem Deckel kann eine umlaufende Dichtung angeordnet sein. Auf die Dichtung wird durch die Befestigungen über den Deckel eine Druckkraft ausgeübt. Die erreichbare Kompressionskraft ist abhängig von der Steifigkeit des Deckels, der so gestaltet werden muss, dass die Kompressionskraft ausreicht, um das Gehäuse über den gesamten Dichtungsverlauf entsprechend einer vorgegebenen Schutzart verschließbar zu gestalten. Dadurch kann eine Schutzart des Innenraums des Gehäuses von mindestens IP45, bevorzugt von mindestens IP65 und/oder Nema Type 4X gewährleistet werden. Hierbei ist es aufgrund der Steifigkeit des Deckels möglich und im Sinne der vorliegenden Erfindung gerade erwünscht, jeweils Außenbereiche des Deckels vorzusehen, die frei von Befestigungen sind, um im Explosionsfalls eine zuverlässige Bildung eines Auslassspalts durch eine Verformung des Deckels in diesen Außenbereichen zu ermöglichen, ohne dass Befestigungen dieser Verformung entgegenwirken.

In einer bevorzugten Ausführung ist auf jeder Seite genau eine Befestigung in der Seitenmitte angeordnet, so dass jeweils zwei gleichgroße Außenbereiche entstehen. Hierdurch kann bereits bei besonders geringem Explosionsdruck ein Auslassspalt entstehen. Alternativ können auf mindestens einer Seite zwei Befestigungen angeordnet sein. Hierdurch kann eine verbesserte Verteilung des Anpressdrucks des Deckels auf die zwischen Deckel und Gehäusewanne angeordnete Dichtung erzielt werden. Ein besonders vorteilhafter Kompromiss zwischen einer gleichmäßigen Verteilung des Anpressdrucks zwischen Deckel und Gehäusewanne einerseits und einem möglichst geringen Grenzwert des Explosionsdrucks, ab dem sich ein Auslassspalt zwischen Deckel und Gehäusewanne bilden kann, wird erreicht, wenn auf beiden Seiten genau zwei Befestigungen vorgesehen werden, die jeweils ungefähr bei einem Drittel beziehungsweise zwei Drittel der Seitenlänge angeordnet sind, also an gegenüberliegenden Enden des zentralen Drittels der jeweiligen Seiten.

Bevorzugt befinden sich die Befestigungen an denjenigen Seiten des Gehäuses, die länger sind als die Seiten, an denen sich keine Befestigungen befinden, um eine Verringerung des Grenzwerts des Explosionsdrucks zu erreichen, ab dem sich ein Auslassspalt für den Explosionsdruck zwischen Deckel und Gehäusewanne bilden kann.

Damit die Befestigungen von der Vorderseite des Gehäuses unsichtbar sind, können die Befestigungen von der Gehäusewannenseite aus zugänglich angeordnet sein, und jeweils in die im oder am Deckel angeordneten, von der der Gehäusewanne abgewandten Seite des Deckels gesehen bevorzugt unsichtbaren Arretierungsstrukturen eingreifen.

In einer Ausführungsform sind die Befestigungen als Schrauben und die Arretierungsstrukturen als Gewinde ausgebildet, wobei die Schrauben durch Öffnungen der Gehäusewanne hindurch in die im oder am Deckel angeordneten Gewinde eingreifen. Die Gewinde können direkt als integraler Bestandteil des Deckels ausgeführt sein, oder Teil eines Fixierbügels sein, der seinerseits mit dem Deckel fest verbunden, beispielsweise verschraubt ist. Durch den Einsatz eines Fixierbügels kann erreicht werden, dass der Fixierbügel sich bei einem Druckanstieg in dem Gehäuseinneren derart verformt, dass auch in einem Bereich der Befestigungen ein Spalt zwischen Gehäusewanne und Deckel entsteht, durch den der Innendruck entweichen kann.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind die Befestigungen jeweils als Vierteldrehverschluss ausgeführt. Ein solcher Verschluss kann besonders einfach nur durch eine Drehung um 90° mittels eines geeigneten Werkzeugs, alternativ aber auch per Hand und ohne Werkzeug, gelöst werden und umfasst einen Verschlusszapfen, der in eine als Haltenocken ausgebildete Arretierungsstruktur eingreift und durch die 90°-Drehung von einer verriegelten Stellung in eine freie Stellung, in der der Verschlusszapfen aus dem Haltenocken entnehmbar ist, gebracht wird. Der Haltenocken ist bevorzugt als Teil eines Fixierbügels ausgebildet, der an gegenüberliegenden Enden am Deckel befestigt und in einem zentralen Bereich derart geformt ist, dass der Haltenocken vom Deckel beabstandet ist. Der Vierteldrehverschluss sollte verliersicher angebracht sein. Bevorzugt weist der Vierteldrehverschluss einen optisch erkennbaren Indikator auf, der einen Verriegelungszustand des Vierteldrehverschlusses anzeigt. Der Indikator kann beispielsweise durch unterschiedliche Farben oder unterschiedliche Zeichen an Seitenflächen des Vierteldrehverschlusses gebildet sein und anzeigen, ob sich der Vierteldrehverschluss in einer verriegelten Stellung oder einer freien Stellung befindet.

Die Arretierungsstruktur kann als gefederter Haltenocken oder auch als steifer Haltenocken ohne Federung ausgeführt sein, wobei dann ein gefedert ausgeführter Verschlusszapfen verwendet wird, der beispielsweise eine Tellerfeder aufweist, die eine Haltekraft in der verriegelten Stellung des Verschlusszapfens in dem Haltenocken bereitstellt. Alternativ kann die Federkraft auch durch den Fixierbügel selbst unter Verzicht auf eine Tellerfeder oder ein anderes zusätzliches Federelement bereitgestellt werden.

Um den Grenzwert des Explosionsdrucks, ab dem sich ein Auslassspalt zwischen Deckel und Gehäusewanne bilden kann, wunschgemäß einzustellen, kann der Deckel Strukturelemente aufweisen, die eine für die Verbiegung des Deckels entlang einer zwischen den Befestigungen verlaufenden Biegelinie erforderlichen Kräfte reduzieren. Insbesondere Einkerbungen am Deckelrand im Bereich der Befestigungen, Faltungen des Deckels oder eine reduzierte Deckeldicke im Bereich der Biegelinie können zum Erreichen dieses Zwecks eingesetzt werden. Dies erleichtert ein Biegen beziehungsweise Knicken des Deckels entlang der Biegelinie, so dass im Explosionsfall ein Auslassspalt schneller und in größerem Ausmaß gebildet wird.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein Photovoltaik- Wechselrichter mit einem vorstehend beschriebenen explosionsgesicherten Gehäuse ausgestattet, wodurch ein Wechselrichter gebildet wird, bei dem sich auch im Falle einer Explosion im Inneren des Wechselrichters keine Gehäuseteile lösen oder zumindest sich lösende Gehäuseteile im Innenraum verbleiben und nicht in die Umgebung geschleudert werden.

Im Folgenden wird die Erfindung mithilfe von Figuren dargestellt, von denen

Fig. 1 eine erste erfindungsgemäße Ausführung eines explosionsgesicherten Gehäuses in Vorderansicht,

Fig. 2 eine zweite erfindungsgemäße Ausführung eines explosionsgesicherten Gehäuses in Rückansicht,

Fig. 3 zwei Detailansichten einer Befestigung eines Gehäuses, und

Fig. 4 einen Deckel mit Strukturelementen zur Reduzierung der für die Bildung eines Auslassspalts erforderlichen Kräfte zeigen.

Fig. 1 zeigt eine erste erfindungsgemäße Ausführung eines explosionsgesicherten Gehäuses 1 eines leistungselektronischen Geräts. Das Gehäuse weist eine Gehäusewanne 2 auf, in deren Inneren die Gerätekomponenten enthalten sind, und die durch einen Deckel 3 verschlossen ist. Eine zwischen Deckel 3 und Gehäusewanne 2 angeordnete Dichtung verhindert ein Eindringen von Schmutz und/oder Flüssigkeit in das Gehäuseinnere.

Der Deckel 3 wird durch zwei Befestigungen 4 gegen die Gehäusewanne 2 gedrückt, wobei die Befestigungen 4 mittig an gegenüberliegenden Seiten 6 des rechteckigen Gehäuses 1 angeordnet sind. Weitere Befestigungselemente, mit denen der Deckel 2 an der Gehäusewanne 3 gehalten wird, sind in der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform nicht vorgesehen. Die Seiten, an denen die Befestigungen 4 angeordnet sind, sind hierbei länger als die Seiten ohne Befestigung.

Die Befestigungen 4 können durch Schrauben gebildet sein, die von der Deckelseite zugänglich sind und in ein Gewinde der Gehäusewanne 2 eingreifen. Die Schrauben können aber auch von der Seite der Gehäusewanne 2 zugänglich sein und in am oder im Deckel 3 angeordnete Gewinde eingreifen. Letztere Variante erlaubt auch eine von der Deckelseite unsichtbare Gestaltung der Befestigung 4.

In Fig. 2 ist eine zweite erfindungsgemäße Ausführung eines explosionsgesicherten Gehäuses 1 eines leistungselektronischen Geräts gezeigt. Hier sind an mindestens einer Seite 6 des Gehäuses 1 zwei Befestigungen 4 angeordnet, die sich in dem zentralen Drittel 6.2 der Länge der Seite 6 befinden. Die angrenzenden beiden äußeren Drittel 6.1 und 6.3 weisen keine Befestigungen 4 auf. Entlang der der Seite 6 gegenüberliegenden, verdeckten gezeigten Seite können eine einzelne, mittige Befestigung oder ebenfalls zwei Befestigungen an zu den Positionen entlang der Seite 6 korrespondierenden Positionen angeordnet sein.

Wie in dem vergrößert dargestellten Ausschnitt der Fig. 2 gezeigt, ist die Befestigung 4 hier als Vierteldrehverschluss 8 gestaltet, der von der Seite der Gehäusewanne 2 zugänglich ist. Hierdurch ist ein aufwandsarmes Lösen des Deckels 3 von der Gehäusewanne 2 möglich, so dass das Gehäuseinnere zum Beispiel zu Reparaturzwecken leicht zugänglich ist.

Die Fig. 3 zeigt eine mögliche Gestaltung der einzelnen Befestigungen als Vierteldrehverschluss in zwei perspektivischen Darstellungen. Die obere Darstellung der Fig. 3 zeigt einen Fixerbügel 7, der an gegenüberliegenden Enden mit dem Deckel 3 verschraubt ist. In einem zentralen Bereich des Fixierbügels 7, der durch entsprechende Prägung beabstandet vom Deckel 3 gestaltet ist, ist ein Haltenocken 5 für einen darin einzuführenden Vierteldrehverschluss angeordnet. Die Verschraubung des Fixierbügels 7 mit dem Deckel 3 erfolgt über Langlöcher, die es gestatten, dass sich bei hoher Zugkraft auf den Haltenocken 5 der Abstand zwischen dem zentralen Bereich des Fixierbügel 7 und dem Deckel 3 erhöhen kann. Weiterhin weist der Deckel 3 direkt neben dem Haltenocken 5 eine Einkerbung 10 auf, auf dessen Wirkung später eingegangen wird.

In der unteren Darstellung der Fig. 3 ist ein an der Gehäusewanne 2 angeordneter Vierteldrehverschluss 8 in den Haltenocken 5 des an dem Deckel 3 befestigten Fixerbügels 7 eingeführt. Durch Verriegelung des Vierteldrehverschlusses 8 im Haltenocken 5 wird der Deckel 3 an der Gehäusewanne 2 befestigt.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform eines Deckels 2 eines erfindungsgemäßen explosionsgesicherten Gehäuses. Entlang einer direkten Verbindungslinie zwischen den beiden einzigen Befestigungen 4 weist der Deckel 3 eine Prägung 11 auf, die im Rahmen des Formgebungsprozesses in den Deckel 3 eingebracht werden kann. Diese Prägung 11 als Strukturelement stellt eine gezielte Schwächung des Deckels 3 gegenüber einer im Montagezustand des Deckels 3 auf der Gehäusewanne 2 auf die Außenbereiche des Deckels 3 vom Gehäuseinneren wirkenden Druckkraft dar, wodurch der Deckel unter einer solchen Krafteinwirkung entlang einer der Verbindungslinie im Wesentlichen entsprechenden Biegelinie biegt beziehungsweise knickt, und sich hierdurch bereits bei verringertem Explosionsdruck ein Auslassspalt zwischen Deckel 3 und Gehäusewanne 2 bildet.

Alternativ oder zusätzlich kann als Strukturelement für eine gezielte Schwächung des Deckels 3 gegenüber einem Biegen entlang der Biegelinie auch eine Einkerbung 10 im Deckelrand im Schnittbereich mit der Biegelinie und/oder eine reduzierte Deckeldicke im Bereich der Biegelinie eingesetzt werden. Im Fall, dass auf beiden gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses jeweils zwei Befestigungen angeordnet sind, und dadurch zwei Biegelinien, jeweils zwischen den beiden dem gleichen Außenbereich zugeordneten Befestigungen, entstehen, können jeder Biegelinie jeweils Strukturelemente zur Schwächung des Deckels gegenüber einem Biegen vorgesehen sein. Es können gleiche oder auch unterschiedliche der erwähnten Strukturelemente vorgesehen sein.

Bezugszeichenliste

1 Gehäuse

2 Gehäusewanne

3 Deckel

4 Befestigung

5 Haltenocken

6 Seite

6.1, 6.3 äußeres Drittel

6.2 zentrales Drittel

7 Fixierbügel

8 Vierteldrehverschluss

9 Indikator

10 Einkerbung

11 Prägung