(57)【要約】本発明は、少なくとも１つの個別の電気ケーブルと、冷却流体が通って流れる少なくとも１つの冷却導管とを有する導体束とを含む導電体の配置に関する。導体束を少なくとも１つの冷却導管に熱的に接続するために、少なくとも１つの冷却導管の一部分および導体束は、低融点温度の金属に埋め込まれ、少なくとも１つの個別のケーブルの絶縁シースが、プラスチック絶縁材、好ましくはポリイミド絶縁材またはポリエステル絶縁材として形成される。また、本発明はそのような配置を製造する方法に関する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの個別の電気ケーブル（２）を有する導体束と、
冷却流体が通って流れる少なくとも１つの冷却導管（４、４ａ、４ｂ）と、
を含む導体の配置であって、
前記導体束を前記少なくとも１つの冷却導管（４、４ａ、４ｂ）に熱的に接続するように、前記少なくとも１つの冷却導管（４、４ａ、４ｂ）の一部分（４）および前記導体束が低融点金属（５）に埋め込まれ、
特徴として、
前記少なくとも１つの個別の電気ケーブル（２）の絶縁シース（３）が、プラスチック絶縁材として埋め込まれている、
導体の配置。
【請求項２】
前記プラスチック絶縁材が、ポリイミド絶縁材またはポリエステル絶縁材であることを特徴とする、請求項１に記載の導体の配置。
【請求項３】
前記導体束は、前記低融点金属（５）の流し込みによって前記少なくとも１つの冷却導管（４、４ａ、４ｂ）の前記一部分（４）に固着されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の導体の配置。
【請求項４】
（ａ）前記ポリイミド絶縁材は、押し出しカプトン（Kapton（登録商標））のシースであり、および／または
（ｂ）前記ポリエステル絶縁材は、ポリエステルラッカー絶縁材であり、および／または
（ｃ）前記個別のケーブル（２）の導電体は銅線である
ことを特徴とする、請求項２または３に記載の導体の配置。
【請求項５】
（ａ）前記低融点金属（５）は、２６０℃未満の融点を有し、さらに好ましくは、１５０℃未満の融点を有し、および／または
（ｂ）前記低融点金属（５）は、スズ−ビスマス合金、スズ−鉛合金、またははんだ合金であり、および／または
（ｃ）前記低融点金属（５）は、スズ、スズ−鉛、スズ−亜鉛、およびスズ−ビスマスからなる群から選択された少なくとも１種の金属または１種の合金を含むものである
ことを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の導体の配置。
【請求項６】
前記配置が電気的または電磁気的な液体冷却式コイル（１）として構成され、前記少なくとも１つの個別の電気ケーブル（２）を有する前記導体束が前記コイルの少なくとも１つの巻線を形成することを特徴とする、請求項１乃至５のいずれかに記載の導体の配置。
【請求項７】
前記少なくとも１つの巻線および前記冷却導管（４、４ａ、４ｂ）の前記埋め込まれた一部分（４）を包囲する、前記少なくとも１つの巻線の支持体としての、中空トーラス状のコイル体（６）を含むことを特徴とする、請求項６に記載の導体の配置。
【請求項８】
前記導体束および前記少なくとも１つの冷却導管（４、４ａ、４ｂ）の前記一部分（４）の、前記低融点金属（５）への埋め込みを、真空鋳造法によって行うことを特徴とする、請求項１乃至７のいずれかに記載の導体の配置を製造する方法。
【請求項９】
前記コイル体が真空気密になるよう設計され、
前記真空鋳造法が、
前記コイル体（６）に流入管（７）および流出管（８）を配置する工程（Ｓ１）と、
前記流入管（７）を低融点金属で塞ぐ工程（Ｓ２）と、
前記コイル体（６）を前記流出管（８）を通して排気する工程（Ｓ３）と、
低融点金属の貯留槽中に浸漬された（Ｓ４）前記流入管における前記低融点金属（５）を溶融させて（Ｓ５）、前記流入管（７）における前記低融点金属が溶融した後で、溶融状態の低融点金属が、真空力によって前記貯留槽の外に排出されて、前記コイル体（６）の空洞空間中に流入するようにする（Ｓ６）工程と、
を含むことを特徴とする、請求項６に記載の配置を製造するための、請求項８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも１つの個別の電気ケーブルと、冷却流体が通って流れる少なくとも１つの冷却導管（Kuehlleitung）とを有する導体束を含む、導電体の配置（Anordnung：配置物）に関する。本発明は、さらに、そのような導電体の配置を製造する方法に関する。
【０００２】
水冷式電線（電気ワイヤ）の形態の複数の導電体の配置は、従来技術において或る期間、例えば複数の線（ワイヤ）巻回で形成された巻線を有する電気コイルまたは電磁コイルの形態で、知られている。コイルの抵抗はコイルの加熱を生じさせるので、コイルを或る最適な動作温度範囲内に保つように、通常、高電力が供給されるコイルを冷却させなければならない。
【０００３】
そのようなコイルを冷却するための実際の経験で、コイルの導電体を、中空導体として形成し、例えば、生成されるジュール熱を放散するように線冷却流体（一般的には水）が空洞内側中を流れる中空の銅導体の形態に形成することが、知られている。さらに、実際の経験で、コイルの巻線を扁平なまたは平らな形状、例えば巻線の端縁冷却が効率的である所謂“パンケーキ形状”にすることが知られている。また、低い電力密度では、空冷によって巻線を冷却することが知られている。
【０００４】
ポアズイユ（Poiseuille）の式によれば、流れ抵抗ρはｒ−４に比例する（ρ〜ｒ−４）ので、冷却流路（チャネル）半径（radius）が減少するにつれて、流れ抵抗ρが急激に上昇するので、従来技術で既知の中空銅導体の欠点は、中空銅導体が小さいコイルでは相対的に非効率的で高価であることである。一方、扁平なパンケーキ状の幾何学的形状は、多くの適用例について実用的でない。既知の空冷は、低い電気的出力および小型でない幾何学的形状の場合だけ有効に機能する。
【０００５】
日本特許第３８４１３４０号公報（Ｂ２）では、無機物絶縁ケーブル（ＭＩＣ）からなるコイルが提案され、それ（ケーブル）において、例えば、銅導体が酸化マグネシウムの包囲層（被覆）によって絶縁され、その包囲層が銅シース（鞘）によって包囲されている。コイルを冷却するために、水が中を流れるコイルの１つまたは複数の冷却導管と各ケーブルの間の熱的接続を形成する低融点（低溶融温度）金属で、コイルの無機物絶縁ケーブルを包囲することが提案されている。しかし、この手法の欠点は、無機物絶縁ケーブルが、比較的高価であり、特に小型の高性能コイルがその無機物絶縁ケーブルの比較的大きい直径のせいで望ましい電力密度を達成できないので、無機物絶縁ケーブルの使用が多くの適用例に不向きである、ということである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３８４１３４０号公報
【発明の開示】
【０００７】
従って、本発明の目的は、通常の技術の欠点を回避することができる複数の流体冷却導電体の改良された配置を実現することである。特に、本発明の目的は、高い電力密度で供給されてもコンパクトに配置され同時に効率的に冷却されかつ製造が好ましくは安価である流体冷却式導電体の配置を実現することである。本発明の別の目的は、特に簡略化されたプロセス制御（Verfahrensfuehrung：処理手順）を特徴とするそのような配置を製造する方法を実現することである。
【０００８】
これらの目的は、第１の独立請求項の特徴を有する導電体の配置（配置物）によって、および第２の独立請求項の特徴を有する方法によって達成される。本発明の有利な実施形態および適用例は、従属請求項の構成であり、図面を部分的に参照して以下の記載でより詳しく説明する。
【０００９】
本発明による導電体の配置または配置物は、少なくとも１つの個別の電気ケーブルと、冷却流体が通って流れる少なくとも１つの冷却導管とを有する導体束を含んでいる。個別のケーブルは、絶縁金属線（ワイヤ）、即ち絶縁シース（外皮）を有する金属線として理解される。金属線は銅線とすることができる。その少なくとも１つの冷却流路は、銅管として実装することができる。導体束は、複数の個々の電気ケーブルからなることが好ましいが、１つの個別のケーブルのみで構成することもできる。
【００１０】
本発明の概略的な態様（特徴）によれば、導体束すなわち１つの個別のケーブルまたは複数の個別のケーブルを少なくとも１つの冷却導管に熱的に接続するために、少なくとも１つの冷却導管の一部分およびその個別のケーブルが低融点（低溶融温度）金属中に埋め込まれ、その個別のケーブルの絶縁シースがプラスチック絶縁材として埋め込まれることによって、上述の目的が達成される。
【００１１】
本発明による配置を用いて、各個別のケーブルの金属線から冷却導管へ高い熱伝導が形成され、それ（高い熱伝導）は、一方の、低融点金属の通常の本来的に高い熱伝導率と、他方の、金属線のプラスチック絶縁材と低融点金属の間に大きい接触面を形成するその金属線上の絶縁材の薄いシースと、によるものである。
【００１２】
驚くことに、発明者たちは、通常の線の薄いプラスチック絶縁材にもかかわらず、それら（線）が導電性の溶融低融点金属に埋め込まれたときに短絡が発生しないこと、を発見した。本発明の範囲内の実験では、市販の電線のプラスチック電気絶縁材がそのような短絡を防止するのに充分であること、が示された。
【００１３】
特に好ましい実施形態では、この場合、プラスチック絶縁材はポリイミド絶縁材またはポリエステル絶縁材である。ポリイミド絶縁材の特に有利な変形例は、押出し（extruded：押出し成型）カプトン（登録商標）（Kapton（登録商標））のシースである。ポリエステル絶縁材の特に有利な変形例は、ポリエステルラッカー（Polyesterlack）絶縁材である。これらの変形例は、ポリイミドまたはポリエステル絶縁材と、一般的な低融点金属、特にスズ−ビスマス合金との間に、破壊的な化学反応が生じない、という利点を有する。
【００１４】
これらの絶縁材の変形例は、さらに、双方の絶縁材の変形例では制限のない線（ワイヤ）曲げ半径が可能であり、双方の絶縁材の変形例が、驚くことに気孔または亀裂によって生じる短絡に関して無機物絶縁材よりもかなり頑丈であるという点で、無機物絶縁材よりも有利である。
【００１５】
また、ポリエステルラッカー絶縁線の特別な利点は、その製造コストが低く、典型的な無機物絶縁ケーブルよりも係数５０（５０分の１の割合）まで概して安価にできることである。
【００１６】
本発明の別の利点は、低融点金属を介して個別のケーブルに熱的に接続された別個の専用冷却流路による冷却中に、その冷却流路の直径を、線の直径と関係なく指定することができ、それによって、冷却の、実質的により効率的な最適化が可能になり、それと関係なく電圧／電流強度比の指定が可能になる。この利点は、ポアズイユ（Poiseuille）の式を参照すると、水流の強い光（非）線形性に起因して、小さいコイルにとって特に重要である。
【００１７】
また、低融点金属（以下、英語で短くＬＭＴＭ（low melt temperature metal）または独語で短くＮＳＴＭ（Niedrigschmelztemperatur-Metalls）と称する）の概念は低融点の金属合金を含むことを意図している。従って、低融点金属は、低い融点（溶融温度）を有する金属または合金として理解される。また、そのような金属は、低融点の金属または金属合金とも称される。個々のケーブルを熱的に接続するのに使用される低融点金属は、特に高い熱伝導率を有する。
【００１８】
低融点金属は、好ましくは２６０℃未満の融点を有し、さらに好ましくは１５０℃未満の融点を有する。低融点金属は、例えば、スズ−ビスマス合金、スズ−鉛合金、またははんだ合金とすることができる。本発明の範囲内で、低融点金属は、スズ、スズ−鉛、スズ−亜鉛、またはスズ−ビスマスからなる群から選択される少なくとも１種の金属または１種の合金を含むことができる。
【００１９】
絶縁シースの材料の特定の最高目標動作温度は、溶融金属が導入されたときに個々のケーブルの絶縁が確実に損傷を受けないように、低融点金属の融点（溶融温度）より高いことが好ましい。
【００２０】
導体束は、好ましくは良好な熱的接続を確保するために低融点金属で鋳造する（を流し込む）ことによって、少なくとも１つの冷却導管の一部分に永続的に固着、接着または結合される。
【００２１】
本発明の強調される適用例は、少なくとも１つの個別の電気ケーブルを有する導体束がコイルの少なくとも１つの巻線を形成する、液体冷却式の電気または電磁コイルとしての導電体の配置の実施形態に関する。この場合、低融点金属中に埋め込まれる冷却導管の一部分は円環状または円形状（zirkulaer）であることが好ましい。
【００２２】
そのようにして形成されたコイルは、プラスチック絶縁線の使用によりコンパクトで安価に実装することができ、効率的な冷却により高性能を同時に実現することができる。本発明の範囲内で、この場合、コイルは、そのコイルの少なくとも１つの巻線および冷却導管の埋め込まれた一部分を包囲するその少なくとも１つの巻線の支持体として、中空のトーラス状の（torusfoermigen：環状体の、円環体の、トロイダル）コイル体（Spulenkoerper：コイル・ボディ）を有することが可能である。そのような中空トーラス状のコイル体は、さらに、コイルの製造中に鋳型として同時に機能できるという利点を提供する。冷却導管は、例えば、銅管として実装することができ、および／またはコイル体の空洞空間の実質的に中心部において伸び、従ってコイルの巻線によって均一に包囲することができる。さらに、真空鋳造法の一部分としてコイル体の排気（真空引き）と、溶融した低融点金属の導入とに使用できる流入管および排出管を、コイル体に取り付けることができる。
【００２３】
また、本発明によれば、上述したような本発明による導電体の配置を製造する方法が提案される。本発明の一般的な態様（特徴）によれば、導体束または個々のケーブルおよび少なくとも１つの冷却導管の一部分を低融点金属中に埋め込むことが、真空鋳造法によって行われる。
【００２４】
真空鋳造法による溶融した低融点金属の導入によって、気泡の形成が防止され、収縮時でも線間に間隙（隙間）が確実に発生しないようにされる。
【００２５】
有利な変形例は、この場合、コイル体が真空気密に構成されるようにし、従って鋳型として使用することができる。真空鋳造法は、以下の複数の工程を含むことができる。
【００２６】
コイル体の空洞空間と流体的に連通する流入管および流出管が上述のコイル体に取り付けられる。コイル体を排気または真空引きする前に、流入管は、低融点金属で封止され、好ましくは、熱的に接続するために次の真空鋳造プロセスにおいてコイル体中に導入される低融点金属で、封止される。流入管は、例えば、流入管の開口部を少量の溶融した低融点金属に浸漬することによって、封止しまたは塞ぐ（栓をする）ことができ、その後でその金属が再び凝固してそれによって開口部を封止する。
【００２７】
次いで、コイル巻線および冷却導管の一部分が中に配置されるコイル体の内部は、流出管を介して排気または真空引きされる。この場合、補助（真空）ポンプ（Vorvakuumpumpe：粗引き真空ポンプ）で達成可能な排気または真空引きで充分であることが示された。コイル体を排気または真空引きした後、流入管を封止する低融点金属が溶融され、例えばそれに電流を供給することによって溶融され、それによってコイルをＬＭＴＭ（低融点金属）の融点より僅かに高い温度まで加熱する。ＬＭＴＭを溶融することによって流入管を再び開く前に、流入管の配置（位置決め）は、その入口開口部が液体ＬＭＴＭの貯留槽（貯留層）に浸漬されるように、行われ、流入管内でのＬＭＴＭの溶融後に、溶融ＬＭＴＭが、コイル体における真空力で駆動されて、貯留槽から流出して、コイル体中の残りの空洞空間にＬＭＴＭが完全に充填されるまでコイル体の空洞空間に流入するように、行われる。次いで、ＬＭＴＭは冷却することによって固体になる。
【００２８】
繰り返しを避けるために、純粋に装置に従って開示された特徴は、製造法の一部として開示されその保護を請求可能とされるべきである。本発明の他の詳細および利点を、関連する図面を参照して以下説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、本発明の一実施形態によるコイルの一部分の概略的な断面図である。
【図２】図２は、図示のために外側体の４分の１の部分とＬＭＴＭ充填物とが切り欠かれた状態の、コイルの斜視図である。
【図３】図３は、製造プロセスの各工程を示すフロー図である。
【図４】図４は、本発明の別の実施形態によるコイルの概略的な斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
各図は、本発明の強調される適用例としての水冷式コイルとその製造方法を示している。同じまたは機能的に同等の要素は、全ての図において同じ参照番号で示されている。
【００３１】
図１および２は、水冷式コイルの一実施形態を概略的に示している。コイル１は、中空トーラス状の銅製の外側体（Aussenkoerpers：外側本体、外装体、外側ボディ）６を含んでいる。図１は、トーラスの経線（meridian：子午線）を示すために図２の断面Ａ−Ａに沿った断面を示し、一方、図２は、コイル１の斜視図を示し、内部構造を説明するために、外側体６の８分の１の部分と、その位置における低融点（低溶融温度）金属５とが省かれている。
【００３２】
図１および図２から、冷却流体、好ましくは水、が中を通って流れる冷却導管の円環状部分４が、コイル外側体６によって形成された内部空洞空間の中心部または中央において伸びていることが、分かる。冷却流路の部分４は、直径３ｍｍの中空銅管の単一巻線によって形成される。水は、流入導管４ａを通して円環状導管部分４に入り、流出導管４ｂを通して再びコイル体６から引き出される。既知の形態で設計された冷却回路（循環系）の残部は図示されていない。
【００３３】
水冷管４の周りに複数巻線の銅線が配置されていて、図２において冷却管の円環状導管部分４が複数の巻線によって大部分が覆われている。この例では６０巻（ターン）の巻線が存在する。従って、その巻線は、個々のケーブル２からなり、その導電体は、ポリイミド絶縁材またはポリエステル絶縁材３で覆われた（のシースに収容された）銅線で形成されている。個々のケーブル２または巻線は、低融点金属（ＬＭＴＭ）５で鋳造する（を流し込む）ことによって、冷却導管の円環状部分４に永続的に確実に結合または固着される。従って、ＬＭＴＭ５は、個々のケーブルと冷却導管の部分４の間の全ての間隙（空間）を満たし、従ってコイルの動作中に生成される個々のケーブル２の熱を、コイルの動作中に中を通って水が流れる冷却導管の部分４に伝導する。
【００３４】
強調すべきこととして、図１および２は概略図を示しているだけであり、巻線間の実際の距離は、実際に示されているよりも小さい。この実施形態では、個々のケーブル３の直径は、例えば、１．２ｍｍであり、冷却導管の直径は４ｍｍである。これらの詳細は単なる例示であり、コイルの適用分野に応じて適宜変更することができる。
【００３５】
図２は、さらに、巻線に電流を供給するための２つの電気接続ケーブル２ａを示している。この実施形態では、ポリイミド絶縁材の例として、押し出し（extrudiertes）カプトン（Kapton（登録商標））が使用された。製造業者のデータによれば、カプトン（Kapton（登録商標））線（ワイヤ）の最高目標使用（動作）温度は、２３０℃であり、従って、使用されるスズ−ビスマス合金の融点（溶融温度）よりかなり低（高）い。従って、溶融スズ−ビスマス合金が導入されるとき、カプトン（Kapton（登録商標））絶縁材は損傷を受けない。
【００３６】
シュテファン・マイヤー社（Stefan Maier GmbH）による型番Ｗ２１０のポリエステルラッカー絶縁材が、ポリエステルの例として使用された。スズ−ビスマス合金が、真空鋳造法を用いてコイル体６内に導入され、ＬＭＴＭ５として使用された。
【００３７】
そのような水冷式コイルは、異なる技術分野で、例えば、物理実験、小型高性能（高電力）変圧器、または種々の小型アクチュエータ装置、等で、使用される。
【００３８】
コイル１の有利な製造方法を、図３を参照して以下詳細に説明する。
【００３９】
工程Ｓ１において、真空鋳造法のためにコイル体６が用意される。この場合、コイル外側体６の空洞空間内に、上述の個々のケーブル２の巻線と、冷却管の円環状部分（断面）４とが導入される。このために、コイル外側体６は、例えば、複数の個々のケーブル２および冷却管部分４の周囲に配置されはんだ付けによって真空気密に共に結合または接合された２つの半殻部（ハーフシェル）、で形成することができる。コイル外側体６は、冷却回路の流入導管（４ａ）および流出導管４ｂ用の各貫通孔を有する。さらに、流入管７（図４参照）および流出管８がコイル体６に取り付けられる。また、流出管８は、接続された補助（真空）ポンプの排気管としても使用される。
【００４０】
ＬＭＴＭ流量（流速）（工程Ｓ６参照）が、１乃至２のオーダ（桁）の大きさでおよび約１リットル／分に低減されるように、流入管７の開口部が約１ｍｍ２の開口（間隙）に狭められる。それによって、ＬＭＴＭは、鋳造工程中に、確実に、制御された形態で流入および流出させ、接続された補助（真空）ポンプに達することなく、むしろその代わりに、いったんコイル体６が完全に充填されると流出管８を塞ぐようにすることができる。その結果、コイル内の真空気泡および補助（真空）ポンプへの損傷を防止することができる。
【００４１】
続いて、工程Ｓ２において、流入管７は、少量のＬＭＴＭ中に、ここではスズ−ビスマス合金中に、浸漬することによって、密封または封止される。次いで、溶融スズ−ビスマス合金は、流入管７内で凝固し、それ（管）を詰まらせる。次いで、工程Ｓ３において、排出管８が補助（真空）ポンプに接続され、コイル体６がコイル巻線を使用して排気され、即ち補助（真空）ポンプで空（乾燥）状態に排気される。
【００４２】
次いで、先に塞がれた流入管７の開口部は、工程Ｓ５において、溶融状態のＬＭＴＭを含む貯留槽中で（貯留層に）浸漬される。さらに、コイルを、それ（コイル）に電流を供給することによって加熱して、最高１４０℃の温度、即ちＬＭＴＭの融点より僅かに高い温度に、この場合は１３２℃に、なるようにする。その結果、ＬＭＴＭ材料で形成された流入管７の栓（詰め物）が溶けて、貯留槽から、ＬＭＴＭが、真空力によって駆動されて、次いでもはや塞がれていない流入管７を通してコイル体６の内部に流れ込み、それ（内部）を完全に満して、コイル体６の内部における個々のケーブル２の巻線および冷却管４が完全にＬＭＴＭに埋め込まれ、結果的に互いに熱的に接続されるようになる。次いで、コイルが冷却されてＬＭＴＭが固体になるようになる（工程Ｓ６）。
【００４３】
コイル体６の内側空間の排気（工程Ｓ３）と後続の溶融ＬＭＴＭの注入（工程Ｓ６）との間を分離することによって、気泡の形成が確実に防止され、コイルから冷却導管への、従って冷却流体中への、熱伝達が改善される。
【００４４】
図４は、流入管７および流出管８が、コイル外側体６に追加的に設けられ、鋳造プロセスでの排気後に取り外すことができるという点で、既に上述したような図２と相違する、コイル１を示している。
【００４５】
本発明を特定の実施形態を参照して説明したが、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更を行うことができ均等手段を代替手段として使用できることは、当業者には明らかである。さらに、関連する範囲から逸脱することなく、多くの変形を行うことができる。従って、本発明は、開示された実施形態に限定されるべきでなく、むしろ、本発明は、特許請求の範囲内に入る全ての実施形態を含むべきである。特に、本発明は、引用する請求項に関係なく、構成および従属請求項の特徴に対する保護も請求する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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