ANORDNUNG ELEKTRISCHER LEITER UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINER ANORDNUNG ELEKTRISCHER LEITER

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Anordnung elektrischer Leiter, umfassend ein Leiterbündel mit mindestens einem elektrischen Einzelkabel und wenigstens eine Kühlleitung zur Durchströmung mit einem Kühlfluid. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Anordnung elektrischer Leiter.

[0002] Anordnungen elektrischer Leiter in Form von wassergekühlten elektrischen Drähten sind seit Längerem im Stand der Technik bekannt, beispielsweise in Form elektrischer oder elektromagnetischer Spulen mit einer aus Drahtwindungen gebildeten Wicklung. Der Widerstand der Spule bewirkt eine Erhitzung der Spule, so dass Spulen, die mit hoher Leistung beaufschlagt werden, üblicherweise gekühlt werden müssen, um die Spule in einem bestimmten optimalen Betriebstemperaturbereich zu halten.

[0003] Zur Kühlung derartiger Spulen ist es aus der Praxis bekannt, die elektrischen Leiter der Spule als Hohlleiter, z. B. in Form von hohlen Kupferleitungen, auszuführen, die zur Ableitung der entstandenen Stromwärme in der hohlen Innenseite des Drahts mit einem Kühlfluid, in der Regel Wasser, durchströmt werden. Ferner ist es aus der Praxis bekannt, die Wicklungen der Spule in eine abgeflachte Geometrie, z. B. in eine sogenannte "Pfannkuchenform" zu bringen, so dass eine Randkühlung der Wicklungen effizient ist. Bei niedrigen Leistungsdichten ist es auch bekannt, die Wicklungen mittels einer Luftkühlung zu kühlen.

[0004] Nachteilig an den aus dem Stand der Technik bekannten hohlen Kupferleitern ist, dass diese relativ ineffizient und aufwändig für kleine Spulen sind, weil der Strömungswiderstand p stark mit kleiner werdendem Kühlkanalradius ansteigt, da gemäß Poiseuilles Formel der Strömungswiderstand p proportional zu r^-4 ist (ρ ∼ r^-4). Die flachen pfannkuchenartigen Geometrien sind andererseits für viele Anwendungen nicht praktikabel. Die bekannte Luftkühlung funktioniert nur für niedrige elektrische Leistungen und für eine nicht kompakte Geometrie.

[0005] Die JP 3841340 B2 schlägt eine Spule mit mineralisolierten Kabeln (MIC) vor, bei denen beispielsweise eine Kupferleitung mittels einer umgebenden Magnesiumoxid-Schicht isoliert ist, welche wiederum von einem Kupfermantel umgeben ist. Zur Kühlung der Spule wird vorgeschlagen, die mineralisolierten Kabel der Spule mit einem Niedrigschmelztemperatur-Metall zu umgeben, das die thermische Anbindung zwischen den Kabeln und einer oder mehreren wasserdurchströmten Kühlleitungen der Spule bildet. Nachteilig an diesem Ansatz ist jedoch, dass die Verwendung von mineralisolierten Kabeln für viele Anwendungen ungeeignet ist, da diese vergleichsweise teuer sind und sich insbesondere kleine Hochleistungsspulen aufgrund des vergleichsweise großen Durchmessers derartiger mineralisolierter Kabel nicht mit einer gewünschten Leistungsdichte realisieren lassen.

[0006] Ferner ist aus der Offenlegungsschrift DE 100 42 013 A1 ein Elektromagnet mit einem Joch und einer Magnetspule, deren Wicklungen gegeneinander eine elektrische Isolation aufweisen, bekannt. Es wird vorgeschlagen, dass die Vergussmasse ein Metall oder eine Metalllegierung ist, deren Schmelztemperatur über der höchsten Betriebstemperatur und unter der Temperatur liegt, bei der die Isolation zerstört wird.

[0007] Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Anordnung fluidgekühlter elektrischer Leiter bereitzustellen, mit der Nachteile herkömmlicher Techniken vermieden werden können. Die Aufgabe der Erfindung ist es insbesondere, eine Anordnung fluidgekühlter elektrischer Leiter bereitzustellen, die auch bei Beaufschlagung mit einer hohen Leistungsdichte kompakt angeordnet und gleichzeitig effizient gekühlt werden kann und die vorzugsweise kostengünstig herstellbar ist. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Anordnung bereitzustellen, das sich insbesondere durch eine vereinfachte Verfahrensführung auszeichnet.

[0008] Diese Aufgaben werden durch eine Anordnung elektrischer Leiter mit den Merkmalen des Hauptanspruchs und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und werden in der folgenden Beschreibung unter teilweiser Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.

[0009] Die erfindungsgemäße Anordnung elektrischer Leiter umfasst ein Leiterbündel mit zumindest einem elektrischen Einzelkabel und wenigstens einer Kühlleitung zur Durchströmung mit einem Kühlfluid. Unter einem Einzelkabel wird ein isolierter Metalldraht, d. h. ein Metalldraht mit einer isolierenden Ummantelung, verstanden. Der Metalldraht kann ein Kupferdraht sein. Der wenigstens eine Kühlkanal kann als Kupferrohr ausgeführt sein. Das Leiterbündel besteht vorzugsweise aus mehreren elektrischen Einzelkabeln, kann aber auch nur aus einem Einzelkabel bestehen.

[0010] Gemäß allgemeinen Gesichtspunkten der Erfindung werden die genannten Aufgaben dadurch gelöst, dass zur thermischen Anbindung des Leiterbündels, d.h. des Einzelkabels oder der Einzelkabel, an die wenigstens eine Kühlleitung ein Abschnitt der wenigstens einen Kühlleitung und die Einzelkabel in ein Niedrigschmelztemperatur-Metall eingebettet sind, wobei die isolierende Ummantelung der Einzelkabel als Kunststoffisolierung ausgeführt ist.

[0011] Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird eine hohe Wärmeleitung von den Metalldrähten der Einzelkabel zu der Kühlleitung realisiert, bedingt einerseits durch die üblicherweise intrinsisch hohe Wärmeleitfähigkeit von Niedrigschmelztemperatur-Metallen und andererseits durch die dünne Isolationsummantelung der Drähte, die eine große Kontaktfläche zwischen der Kunststoffisolierung der Metalldrähte und dem Niedrigschmelztemperatur-Metall ausbildet.

[0012] Überraschenderweise wurde von den Erfindern festgestellt, dass trotz der dünnen Kunststoffisolierung herkömmlicher Drähte bei deren Einbettung in ein elektrisch leitendes geschmolzenes Niedrigschmelztemperatur-Metall keine Kurzschlüsse auftreten. Versuche im Rahmen der Erfindung haben gezeigt, dass die elektrische Kunststoff-Isolierung von kommerziell verfügbaren elektrischen Drähten ausreicht, solche Kurzschlüsse zu vermeiden.

[0013] Besonders bevorzugte Ausführungsformen sehen hierbei vor, dass die Kunststoffisolierung eine Polyimid-Isolierung oder eine Polyester-Isolierung ist. Eine besonders vorteilhafte Variante einer Polyimid-Isolierung ist eine Ummantelung aus extrudiertem Kapton®. Eine besonders vorteilhafte Variante der Polyester-Isolierung ist eine Polyesterlack-Isolierung. Diese Varianten bieten den Vorteil, dass keine störenden chemischen Reaktionen zwischen einer Polyimid- oder Polyester-Isolierung und gängigen Niedrigschmelztemperatur-Metallen, insbesondere einer Zinn-Bismut-Legierung, stattfindet.

[0014] Diese Isolierungsvarianten bieten gegenüber einer Mineralisolierung ferner den Vorteil, dass beide Isolierungsvarianten uneingeschränkte Drahtbiegeradien ermöglichen und überraschenderweise in Bezug auf Kurzschlüsse, verursacht durch Porosität oder Risse, deutlich robuster als Mineralisolierungen sind.

[0015] Einen besonderen Vorzug von polyesterlackisolierten Drähten stellen zudem deren geringe Herstellungskosten dar, die üblicherweise um bis zu einem Faktor 50 günstiger als typische mineralisolierte Kabel sind.

[0016] Ein weiterer Vorzug der Erfindung liegt darin, dass bei einer Kühlung mittels eines separaten eigenen Kühlkanals, der über das Niedrigschmelztemperatur-Metall thermisch an die Einzelkabel angebunden ist, der Durchmesser des Kühlkanals unabhängig vom Durchmesser der Drähte festgelegt werden kann, was eine wesentlich effizientere Optimierung der Kühlung und eine davon unabhängige Festlegung des Spannungs-Stromstärke-Verhältnisses ermöglicht. Dieser Vorteil ist besonders für kleine Spulen aufgrund der starken Lichtlinearität der Wasserflüsse bedeutsam, vgl. Poiseuilles Formel.

[0017] Der Begriff eines Niedrigschmelztemperatur-Metalls (nachfolgend auch abgekürzt als NSTM, in Englisch: low melt temperature metal (LMTM)) soll auch Niedrigschmelztemperatur-Legierungen umfassen. Unter einem Niedrigschmelztemperatur-Metall wird somit ein Metall oder eine Legierung mit einer niedrigen Schmelztemperatur verstanden. Derartige Metalle werden auch als niedrigschmelzende Metalle oder Metalllegierungen bezeichnet. Das zur Wärmeanbindung der Einzelkabel verwendete Niedrigschmelztemperatur-Metall hat insbesondere eine hohe Wärmeleitfähigkeit.

[0018] Vorzugsweise hat das Niedrigschmelztemperatur-Metall einen Schmelzpunkt unter 260 °C, weiter vorzugsweise einen Schmelzpunkt unter 150 °C. Das Niedrigschmelztemperatur-Metall kann beispielsweise eine Zinn-Bismut-Legierung, eine Zinn-Blei-Legierung oder eine Lot-Legierung sein. Im Rahmen der Erfindung kann das Niedrigschmelztemperatur-Metall mindestens ein Metall oder eine Legierung aus der Gruppe Zinn, Zinn-Blei, Zinn-Zink oder Zinn-Bismut enthalten.

[0019] Die vorgegebene maximale Soll-Betriebstemperatur des Materials der isolierenden Ummantelung ist vorzugsweise größer als die Schmelztemperatur des Niedrigschmelztemperatur-Metalls, so dass beim Einbringen des geschmolzenen Metalls sichergestellt wird, dass die Isolierung der Einzelkabel nicht beschädigt wird.

[0020] Das Leiterbündel ist mit dem Abschnitt der zumindest einen Kühlleitung vorzugsweise durch Vergießen mit dem Niedrigschmelztemperatur-Metall stoffflüssig verbunden, um eine gute thermische Anbindung sicherzustellen.

[0021] Eine hervorgehobene Anwendung der Erfindung betrifft eine Ausführung der Anordnung elektrischer Leiter als elektrische oder elektromagnetische flüssigkeitsgekühlte Spule, bei der das Leiterbündel mit dem mindestens einen elektrischen Einzelkabel wenigstens eine Wicklung der Spule ausbildet. Der in das Niedrigschmelztemperatur-Metall eingebettete Abschnitt der Kühlleitung ist hierbei vorzugsweise zirkulär.

[0022] Eine so ausgeführte Spule kann aufgrund der Verwendung kunststoffisolierter Drähte kompakt und kostengünstig und aufgrund der effizienten Kühlung gleichzeitig mit hoher Leistungsfähigkeit bereitgestellt werden. Im Rahmen der Erfindung besteht hierbei die Möglichkeit, dass die Spule einen hohltorusförmigen Spulenkörper als Träger der wenigstens einen Wicklung der Spule aufweist, der die wenigstens eine Wicklung und den eingebetteten Abschnitt der Kühlleitung umgibt. Ein derartiger hohltorusförmiger Spulenkörper bietet ferner den Vorteil, dass dieser gleichzeitig als Gießform bei der Herstellung der Spule dienen kann. Die Kühlleitung kann beispielsweise als Kupferrohr ausgeführt sein und/oder im Wesentlichen in der Mitte des Hohlraums des Spulenkörpers verlaufen und somit gleichmäßig von den Wicklungen der Spule umgeben sein. Am Spulenkörper können ferner eine Zufluss- und eine Abpumpröhre angebracht sein, die zur Evakuierung des Spulenkörpers im Rahmen eines Vakuumgießverfahrens und zum Einbringen des geschmolzenen Niedrigschmelztemperatur-Metalls verwendet werden können.

[0023] Erfindungsgemäß wird ferner ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Anordnung elektrischer Leiter, wie vorstehend offenbart, vorgeschlagen. Gemäß allgemeinen Gesichtspunkten der Erfindung erfolgt die Einbettung des Leiterbündels bzw. der Einzelkabel und des Abschnittes der wenigstens einen Kühlleitung in das Niedrigschmelztemperatur-Metall mittels eines Vakuumgießverfahrens.

[0024] Das Einbringen des geschmolzenen Niedrigschmelztemperatur-Metalls mittels eines Vakuumgießverfahrens verhindert, dass sich Luftblasen bilden, und stellt ferner sicher, dass auch an Engstellen zwischen Drähten keine Lücken entstehen.

[0025] Eine vorteilhafte Ausführungsvariante sieht hierbei vor, dass der Spulenkörper vakuumdicht ausgeführt ist und somit als Gießform verwendet werden kann. Das Vakuumgießverfahren kann die folgenden Schritte aufweisen:
Am Spulenkörper werden eine Zuflussröhre und eine Abflussröhre angebracht, die jeweils fluidisch mit dem Hohlraum des Spulenkörpers in Verbindung stehen. Die Zuflussröhre wird vor der Evakuierung des Spulenkörpers mit einem Niedrigschmelztemperatur-Metall, vorzugsweise mit dem Niedrigschmelztemperatur-Metall, das im nachfolgenden Vakuumgießverfahren in den Spulenkörper zur thermischen Anbindung eingebracht wird, verschlossen. Die Zuflussröhre kann beispielsweise dadurch verschlossen bzw. verstopft werden, indem die Öffnung der Zuflussröhre in eine kleine Menge geschmolzenen Niedrigschmelztemperatur-Metalls eingetaucht wird, was anschließend wieder fest wird und dadurch die Öffnung verschließt.

[0026] Anschließend wird das Innere des Spulenkörpers, in dem sich die Spulenwicklungen und ein Kühlleitungsabschnitt befinden, über die Abflussröhre evakuiert. Hierbei hat sich gezeigt, dass die mit einer Vorvakuumpumpe erzielbare Evakuierung ausreichend ist. Nach der Evakuierung des Spulenkörpers wird das die Zuflussröhre verschließende Niedrigschmelztemperatur-Metall geschmolzen, z. B. durch Bestromen und dadurch Erwärmen der Spule bis auf eine Temperatur etwas oberhalb der Schmelztemperatur des NSTMs. Vor dem Wiederöffnen der Zuflussröhre durch Schmelzen des NSTMs wird die Zuflussröhre so positioniert, dass ihre Eintrittsöffnung in ein Reservoir flüssigen NSTMs eingetaucht ist, so dass nach Schmelzen des NSTMs in der Zuflussröhre das geschmolzene NSMT, durch die Vakuumkraft im Spulenkörper getrieben, aus dem Reservoir in den Hohlraum des Spulenkörpers einfließt, bis der verbleibende Hohlraum im Spulenkörper vollständig mit dem NSTM ausgefüllt ist. Durch Abkühlen wird das NSTM dann fest.

[0027] Zur Vermeidung von Wiederholungen sollen rein vorrichtungsgemäß offenbarte Merkmale auch als im Rahmen des Herstellungsverfahrens offenbart gelten und beanspruchbar sein. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Figur 1

eine schematische Schnittansicht durch eine Abschnitt der Spule gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Figur 2

eine Perspektivansicht einer Spule, wobei zu Darstellungszwecken ein Viertel des Außenkörpers und der NSTM-Füllung weggelassen wurden;

Figur 3

ein Ablaufdiagramm zur Illustration der Schritte des Herstellungsverfahrens; und

Figur 4

eine schematische Perspektivdarstellung der Spule gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

[0028] Die nachfolgenden Figuren beschreiben eine wassergekühlte Spule als hervorgehobenes Anwendungsbeispiel der Erfindung und deren Herstellungsverfahren. Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.

[0029] Ein Ausführungsbeispiel der wassergekühlten Spule ist in den Figuren 1 und 2 schematisch dargestellt. Die Spule 1 umfasst einen Außenkörper 6 aus Kupfer, der hohltorusförmig ausgeführt ist. In Figur 1 zeigt einen Querschnitt entlang der Schnittebene A-A der Figur 2 zur Darstellung eines Meridians des Torus, während Figur 2 eine perspektivische Ansicht der Spule 1 zeigt, in der zur Verdeutlichung des inneren Aufbaus ein Achtel des Außenkörpers 6 sowie das Niederschmelztemperatur-Metall 5 an dieser Stelle weggelassen wurde.

[0030] In den Figuren 1 und 2 ist erkennbar, dass mittig von dem durch den Spulenaußenkörper 6 gebildeten inneren Hohlraum ein zirkulärer Abschnitt 4 der Kühlleitung verläuft zur Durchströmung mit einem Kühlfluid, vorzugsweise Wasser. Der Abschnitt 4 des Kühlkanals ist durch eine einzige Wicklung eines hohlen Kupferrohres mit einem Durchmesser von 3 mm gebildet. Über eine Zuflussleitung 4a tritt Wasser in den zirkulären Leitungsabschnitt 4 ein und wird über eine Austrittsleitung 4b wieder aus dem Spulenkörper 6 herausgeführt. Der Rest des Kühlkreislaufs, der in sich bekannter Weise ausgeführt ist, ist nicht dargestellt.

[0031] Um das Wasserkühlrohr 4 herum sind mehrere Wicklungen eines Kupferdrahtes angeordnet, so dass in der Darstellung der Figur 2 der zirkuläre Leitungsabschnitt 4 des Kühlrohres größtenteils von den Wicklungen überdeckt ist. Im vorliegenden Beispiel sind dies 60 Wicklungen. Die Wicklungen bestehen somit aus Einzelkabeln 2, deren elektrischer Leiter aus Kupferdrähten gebildet wird, die mit einer Polyimid-Isolierung oder einer Polyester-Isolierung 3 ummantelt sind. Die Einzelkabel 2 bzw. Wicklungen sind durch Vergießen mit einem Niedrigschmelztemperatur-Metall (NSTM) 5 mit dem zirkulären Abschnitt 4 der Kühlleitung stoffschlüssig verbunden. Das NSTM 5 füllt somit alle Zwischenräume zwischen den Kabeln und dem Abschnitt 4 der Kühlleitung aus und leitet somit die im Betrieb der Spule entstehende Wärme der Einzelkabel 2 an den Abschnitt 4 der im Betrieb der Spule wasserdurchströmten Kühlleitung.

[0032] Es ist zu betonen, dass die Figuren 1 und 2 lediglich eine Prinzipdarstellung zeigen und die tatsächlichen Abstände zwischen den Wicklungen kleiner als tatsächlich dargestellt sind. Der Durchmesser der Einzelkabel 3 beträgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel beispielsweise 1,2 mm, während der Durchmesser der Kühlleitung 4 mm beträgt. Diese Angaben sind lediglich beispielhaft und können abhängig vom Anwendungsgebiet der Spule entsprechend verändert werden.

[0033] In Figur 2 sind zusätzlich noch die beiden elektrischen Anschluss-Leitungen 2a zur Bestromung der Wicklungen gezeigt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde als Beispiel für eine Polyimid-Isolierung extrudiertes Kapton® verwendet. Die maximale Soll-Betriebstemperatur des Kapton®-Drahts liegt laut Herstellerangaben bei 230 °C und somit deutlich unterhalb der Schmelztemperatur der verwendeten Zinn-Bismut-Legierung. Die Kapton®-Isolierung wird somit beim Einbringen einer geschmolzenen Zinn-Bismut-Legierung nicht beschädigt.

[0034] Als Polyester-Beispiel wurde eine Polyesterlack-Isolierung vom Typ W210 der Firma Stefan Maier GmbH verwendet. Als NSTM 5 wurde eine Zinn-Bismut-Legierung verwendet, die mit einem Vakuumgießverfahren in den Spulenkörper 6 eingebracht wurde.

[0035] Derartige wassergekühlte Spulen finden Anwendungen in unterschiedlichen technischen Gebieten, beispielsweise für Physik-Experimente, für kompakte Hochleistungstransformer oder verschiedene kompakte Aktuatorvorrichtungen.

[0036] Ein vorteilhaftes Herstellungsverfahren der Spule 1 ist nachfolgend anhand der Figur 3 näher beschrieben.

[0037] In Schritt S1 wird der Spulenkörper 6 für das Vakuumgießverfahren vorbereitet. Dabei werden die vorstehend beschriebenen Wicklungen der Einzelkabel 2 und der zirkuläre Abschnitt 4 des Kühlrohres in den Hohlraum des Spulenaußenkörpers 6 eingebracht. Hierfür kann der Spulenaußenkörper 6 beispielsweise aus zwei Halbschalen gebildet sein, die um die Einzelkabel 2 und den Kühlrohrabschnitt 4 gelegt und durch Löten vakuumdicht miteinander verbunden werden. Der Spulenaußenkörper 6 weißt Durchgangsöffnungen für die Zuflussleitung und die Austrittsleitung 4b des Kühlkreislaufs auf. Ferner werden eine Zuflussröhre 7 (siehe Figur 4) und eine Abflussröhre 8 am Spulenkörper 6 angebracht. Die Abflussröhre 8 dient auch als Abpumprohr für eine angeschlossenene Vorvakuumpumpe.

[0038] Die Öffnung der Zuflussröhre 7 wurde zu einem ungefähr 1 mm² großen Spalt verengt, so dass die NSTM-Fließrate (siehe Schritt S6) um ein bis zwei Größenordnungen reduziert wird auf ungefähr einen Liter pro Minute. Dadurch kann sichergestellt werden, dass das NSTM während des Gießschrittes kontrolliert ein- und ausfließt und nicht die angeschlossene Vorvakuumpumpe erreicht, sondern stattdessen das Abpumprohr 8 verstopft, nachdem der Spulenkörper 6 vollständig gefüllt wurde. Dadurch können zuverlässig Vakuumblasen in der Spule und eine Beschädigung der Vorpumpe vermieden werden.

[0039] Nachfolgend wird in Schritt S2 die Zuflussröhre 7 verschlossen, indem die Zuflussröhre 7 in eine kleine Menge des NSTMs, hier eine Zinn-Bismut-Legierung, eingetaucht wird. Die geschmolzene Zinn-Bismut-Legierung wird dann in der Zuflussröhre 7 fest und verstopft diese. Anschließend wird in Schritt S3 das Abpumprohr 8 mit einer Vorvakuumpumpe verbunden und der Spulenkörper 6 mit der Spulenwicklung evakuiert, d. h. mit der Vorvakuumpumpe leergepumpt.

[0040] Die bisher verstopfte Öffnung der Zuflussröhre 7 wird nun in Schritt S5 in ein Reservoir eingetaucht, dass das NSTM im geschmolzenen Zustand enthält. Ferner wird die Spule durch Bestromung auf eine Temperatur bis 140 °C aufgeheizt, d. h. eine Temperatur, die etwas über der Schmelztemperatur des NSTMs, vorliegend 132 °C, liegt. Dadurch schmilzt die Verstopfung der Zuflussröhre 7 aus dem NSTM-Material, so dass das NSTM aus dem Reservoir, getrieben durch die Vakuumkräfte, über die nun nicht mehr verstopfte Zuflussröhre 7 in das Innere des Spulenkörpers 6 fließt und diesen vollständig ausfüllt, so dass die Wicklungen der Einzelkabel 2 und das Kühlrohr 4 im Innern des Spulenkörpers 6 vollständig mit dem NSTM eingebettet werden und dadurch thermisch aneinander angebunden sind. Anschließend wird die Spule abgekühlt, so dass das NSTM fest wird (Schritt S6).

[0041] Das Trennen zwischen dem Evakuieren des Innenvolumens des Spulenkörpers 6 (Schritt S3) von dem anschließenden Eingießen des geschmolzenen NSTMs (Schritt S6) vermeidet zuverlässig die Bildung von Luftbläschen und verbessert die Wärmeübertragung aus der Spule in die Kühlleitung und damit in das Kühlfluid.

[0042] In Figur 4 ist die Spule 1 aus Figur 2 gezeigt, mit dem Unterschied, dass, wie vorstehend bereits erwähnt, noch zusätzlich die Zuflussröhre 7 und die Abflussröhre 8 am Spulenaußenkörper 6 vorgesehen sind, die nach Abfluss des Gießverfahrens entfernt werden können.

[0043] Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, ist es für einen Fachmann ersichtlich, dass verschiedene Änderungen ausgeführt werden können und Äquivalente als Ersatz verwendet werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Zusätzlich können viele Modifikationen ausgeführt werden, ohne den zugehörigen Bereich zu verlassen. Folglich soll die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele begrenzt sein, sondern die Erfindung soll alle Ausführungsbeispiele umfassen, die in den Bereich der beigefügten Patentansprüche fallen. Insbesondere beansprucht die Erfindung auch Schutz für den Gegenstand und die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von den in Bezug genommenen Ansprüchen.

Ansprüche

1. Anordnung elektrischer Leiter, umfassend
ein Leiterbündel mit mindestens einem elektrischen Einzelkabel (2); und
wenigstens eine Kühlleitung (4, 4a, 4b) zur Durchströmung mit einem Kühlfluid,
wobei zur thermischen Anbindung des Leiterbündels an die wenigstens eine Kühlleitung (4, 4a, 4b) ein Abschnitt (4) der wenigstens einen Kühlleitung (4, 4a, 4b) und das Leiterbündel in ein Niedrigschmelztemperatur-Metall (5) eingebettet sind; dadurch gekennzeichnet, dass eine isolierende Ummantelung (3) des mindestens einen Einzelkabels (2) als Kunststoff-Isolierung ausgeführt ist.

2. Anordnung elektrischer Leiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoff-Isolierung eine Polyimid-Isolierung oder eine Polyester-Isolierung ist.

3. Anordnung elektrischer Leiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Leiterbündel mit dem Abschnitt (4) der zumindest einen Kühlleitung (4, 4a, 4b) durch Vergießen mit dem Niedrigschmelztemperatur-Metall (5) stoffschlüssig verbunden ist.

4. Anordnung elektrischer Leiter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,

(a) dass die Polyimid-Isolierung eine Ummantelung aus extrudiertem Kapton® ist; und/oder

(b) dass die Polyester-Isolierung eine Polyesterlack-Isolierung ist; und/oder

(c) dass die elektrischen Leiter der Einzelkabel (2) Kupferdrähte sind.

5. Anordnung elektrischer Leiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

(a) dass das Niedrigschmelztemperatur-Metall (5) einen Schmelzpunkt unter 260 °C, weiter vorzugsweise einen Schmelzpunkt unter 150 °C hat; und/oder

(b) dass das Niedrigschmelztemperatur-Metall (5) eine Zinn-Bismut-Legierung, eine Zinn-Blei-Legierung oder eine Lotlegierung ist; und/oder

(c) dass das Niedrigschmelztemperatur-Metall (5) mindestens ein Metall oder eine Legierung aus der Gruppe Zinn, Zinn-Blei, Zinn-Zink und Zinn-Bismut enthält.

6. Anordnung elektrischer Leiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung als elektrische oder elektromagnetische flüssigkeitsgekühlte Spule (1) ausgeführt ist, bei der das Leiterbündel mit dem wenigstens einen elektrischen Einzelkabel (2) wenigstens eine Wicklung der Spule ausbildet.

7. Anordnung elektrischer Leiter nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen die wenigstens eine Wicklung und den eingebetteten Abschnitt (4) der Kühlleitung (4, 4a, 4b) umgebenden hohltorusförmigen Spulenkörper (6) als Träger der wenigstens einen Wicklung.

8. Verfahren zur Herstellung einer Anordnung elektrischer Leiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbettung des Leiterbündels und des Abschnitts (4) der wenigstens einen Kühlleitung (4, 4a, 4b) in das Niedrigschmelztemperatur-Metall (5) mittels eines VakuumGießverfahrens hergestellt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8 zur Herstellung einer Anordnung nach Anspruch 7, wobei der Spulenkörper vakuumdicht ausgeführt ist, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte des Vakuumgießverfahrens:

Anordnen einer Zuflussröhre (7) und einer Abflussröhre (8) am Spulenkörper (6) (S1);

Verschließen der Zuflussröhre (7) mit einem Niedrigschmelztemperatur-Metall (S2);

Evakuieren des Spulenkörpers (6) über die Abflussröhre (8) (S3);

Schmelzen des Niedrigschmelztemperatur-Metalls (5) in der Zuflussröhre (S5), die in ein Reservoir flüssigen Niedrigschmelztemperatur-Metalls eingetaucht ist (S4), so dass nach Schmelzen des Niedrigschmelztemperatur-Metalls in der Zuflussröhre (7) geschmolzenes Niedrigschmelztemperatur-Metall aus dem Reservoir getrieben durch Vakuumkräfte in den Hohlraum des Spulenkörpers (6) einfließt (S6).

Claims

1. Arrangement of electrical conductors, comprising
a conductor bundle having at least one individual electrical cable (2); and
at least one cooling line (4, 4a, 4b) through which a cooling fluid is to flow,
wherein in order to thermally connect the conductor bundle to the at least one cooling line (4, 4a, 4b), a portion (4) of the at least one cooling line (4, 4a, 4b) and the conductor bundle are embedded in a low melt temperature metal (5); characterised in that the insulating sheath (3) of the at least one individual cable (2) is embodied as plastic insulation.

2. Arrangement of electrical conductors according to claim 1, characterised in that the plastic insulation is a polyimide insulation or a polyester insulation.

3. Arrangement of electrical conductors according to claim 1 or 2, characterised in that the conductor bundle is permanently positively bonded to the portion (4) of the at least one cooling line (4, 4a, 4b) by casting with the low melt temperature metal (5).

4. Arrangement of electrical conductors according to claim 2 or 3, characterised in that

(a) the polyimide insulation is a sheath of extruded Kapton®; and/or

(b) the polyester insulation is a polyester lacquer insulation; and/or

(c) the electrical conductors of the individual cables (2) are copper wires.

5. Arrangement of electrical conductors according to one of the preceding claims, characterised in that

(a) the low melt temperature metal (5) has a melting point below 260 °C, further preferably a melting point below 150 °C; and/or

(b) the low melt temperature metal (5) is a tin-bismuth alloy, a tin-lead alloy or a soldering alloy; and/or

(c) the low melt temperature metal (5) contains at least one metal or one alloy selected from the group tin, tin-lead, tin-zinc and tin-bismuth.

6. Arrangement of electrical conductors according to one of the preceding claims, characterised in that the arrangement is configured as an electrical or electromagnetic liquid-cooled coil (1) in which the conductor bundle having the at least one individual electrical cable (2) forms at least one winding of the coil.

7. Arrangement of electrical conductors according to claim 6, characterised by a hollow torus-shaped coil form (6), surrounding the at least one winding and the embedded portion (4) of the cooling line (4, 4a, 4b), as the carrier of said at least one winding.

8. Method for manufacturing an arrangement of electrical conductors according to one of the preceding claims, characterised in that embedding of the conductor bundle and the portion (4) of the at least one cooling line (4, 4a, 4b) in the low melt temperature metal (5) is carried out by means of a vacuum casting process.

9. Method according to claim 8 for manufacturing an arrangement according to claim 7, wherein the coil form is designed to be vacuum-tight, characterised by the following steps of the vacuum casting process:

Arranging of an inflow tube (7) and an outflow tube (8) on the coil form (6) (S1);

Plugging of the inflow tube (7) with a low melt temperature metal (S2);

Evacuating of the coil form (6) via the outflow tube (8) (S3) ;

Melting of the low melt temperature metal (5) in the inflow tube (S5) which is dipped into a reservoir of low melt temperature metal (S4) such that, after melting of the low melt temperature metal in said inflow tube (7), molten low melt temperature metal, driven out of the reservoir by vacuum forces, flows into the hollow space of the coil form (6) (S6).

Revendications

1. Système de conducteurs électriques, comprenant un faisceau de conducteurs avec au moins un câble unique électrique (2) ; et
au moins une conduite de refroidissement (4, 4a, 4b) pour l'écoulement d'un fluide de refroidissement,
dans lequel une section (4) de l'au moins une conduite de refroidissement (4, 4a, 4b) et le faisceau de conducteurs sont intégrés dans un métal à basse température de fusion (5) pour la liaison thermique du faisceau de conducteurs à l'au moins une conduite de refroidissement (4, 4a, 4b), caractérisé en ce qu'une enveloppe isolante (3) de l'au moins un câble unique (2) est réalisée en tant qu'isolant plastique.

2. Système de conducteurs électriques selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'isolant plastique est un isolant en polyimide ou un isolant en polyester.

3. Système de conducteurs électriques selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le faisceau de conducteurs est relié par correspondance de matière à la section (4) de l'au moins une conduite de refroidissement (4, 4a, 4b) par moulage avec un métal à basse température de fusion (5).

4. Système de conducteurs électriques selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce

(a) que l'isolant en polyimide est une enveloppe en Kapton® extrudé ; et/ou

(b) que l'isolant en polyester est un isolant en peinture de polyester ; et/ou

(c) que les conducteurs électriques des câbles uniques (2) sont des fils en cuivre.

5. Système de conducteurs électriques selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce

(a) que le métal à basse température de fusion (5) a un point de fusion inférieur à 260 °C, de manière davantage préférée un point de fusion inférieur à 150 °C ; et/ou

(b) que le métal à basse température de fusion (5) est un alliage étain-bismuth, un alliage étain-plomb ou un alliage de soudure ; et/ou

(c) que le métal à basse température de fusion (5) contient au moins un métal ou un alliage du groupe étain, étain-plomb, étain-zinc ou étain-bismuth.

6. Système de conducteurs électriques selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le système est réalisé en tant que bobine (1) électrique ou électromagnétique refroidie par fluide, dans laquelle le faisceau de conducteurs forme avec l'au moins un câble unique électrique (2) au moins un enroulement de la bobine.

7. Système de conducteurs électriques selon la revendication 6, caractérisé par un corps de bobine (6) torique creux entourant l'au moins un enroulement et la section intégrée (4) de la conduite de refroidissement (4, 4a, 4b) en tant que support de l'au moins un enroulement.

8. Procédé de fabrication d'un système de conducteurs électriques selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'intégration du faisceau de conducteur et de la section (4) de l'au moins une conduite de refroidissement (4, 4a, 4b) dans le métal à basse température de fusion (5) est établie par un procédé de moulage sous vide.

9. Procédé selon la revendication 8 pour la fabrication d'un système selon la revendication 7,
dans lequel le corps de bobine est réalisé de manière étanche au vide, caractérisé par les étapes suivantes du procédé de moulage sous vide :

agencement d'un tuyau d'alimentation (7) et d'un tuyau d'évacuation (8) au niveau du corps de bobine (6) (S1) ;

fermeture du tuyau d'alimentation (7) avec un métal à basse température de fusion (S2) ;

évacuation du corps de bobine (6) via le tuyau d'évacuation (8) (S3) ;

fusion du métal à basse température de fusion (5) dans le tuyau d'alimentation (S5), qui est immergé dans un réservoir de métal à basse température de fusion fluide (S4), de sorte qu'après la fusion du métal à basse température de fusion dans le tuyau d'alimentation (7), du métal à basse température de fusion fondu se déverse, conduit hors du réservoir par forces de vide dans la cavité du corps de bobine (6) (S6) .

Zeichnung