DE102008023610A1 - Magnetic coil with cooling device - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine aktiv gekühlte Magnetspule 10, welche zumindest eine stromführende Wicklung 310 zur Erzeugung eines Magnetfeldes und zumindest ein in Form einer Wicklung 210, 220 durchströmtes Kupferrohr 211, 221 als Kühlsystem aufweist. Die stromführende Wicklung 310 und die Kupferrohrwicklung 210, 220 sind parallel zueinander und, in Richtung der Spulenlängsachse N der Magnetspule 10 gesehen, hintereinander angeordnet. Beide Wicklungen 210, 220, 310 weist annähernd dasselben Wicklungsauge und/oder dieselben Innen- und/oder Außenabmessungen auf. Als stromführende Wicklung 310 dient ein spiralförmig geführtes, flaches Aluminium-Band 311. Das stromführende Aluminium-Band 311 und das Kupferrohr 211, 221 stehen in mechanischem und thermischem Kontakt, sind aber elektrisch voneinander isoliert.The invention relates to an actively cooled magnetic coil 10, which has at least one current-carrying winding 310 for generating a magnetic field and at least one copper tube 211, 221 in the form of a winding 210, 220 as a cooling system. The current-carrying winding 310 and the copper tube winding 210, 220 are parallel to each other and, viewed in the direction of the coil longitudinal axis N of the magnetic coil 10, arranged one behind the other. Both windings 210, 220, 310 have approximately the same winding eye and / or the same inner and / or outer dimensions. As a current-carrying winding 310 is a spirally guided, flat aluminum strip 311. The current-carrying aluminum strip 311 and the copper tube 211, 221 are in mechanical and thermal contact, but are electrically isolated from each other.

Description

Die Erfindung betrifft eine Magnetspule zur Erzeugung eines Magnetfeldes, die mit einer Kühleinrichtung zur Kühlung der Magnetspule ausgestattet ist.The Invention relates to a magnetic coil for generating a magnetic field, with a cooling device for cooling the Magnetic coil is equipped.

Minimalinvasive diagnostische und therapeutische Verfahren haben in der modernen Medizin in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Die bei den Verfahren notwendigen Eingriffe werden typischerweise mit Hilfe von Kathetern oder Endoskopen durchgeführt. Dabei besteht in der Regel eine direkte mechanische Verbindung zwischen einem Diagnosemittel, beispielsweise einer Kamera, und der Hand des Arztes. Diagnostische Untersuchungen, insbesondere solche an inneren Hohlorganen des menschlichen Körpers, z. B. dem Gastrointestinaltrakt, können mit derartigen Methoden durchgeführt werden. Typische Diagnoseverfahren sind die Gastroskopie und die Koloskopie. Im Rahmen solcher Untersuchungen werden typischerweise Foto- und/oder Videosequenzen des betreffenden Hohlorgans aufgenommen, Gewebs- und/oder Flüssigkeitsproben entnommen oder lokal Medikamente verabreicht.minimally Invasive diagnostic and therapeutic procedures have in the modern day Medicine has become increasingly important in recent years. The In the procedures necessary procedures are typically with Help performed by catheters or endoscopes. there There is usually a direct mechanical connection between one Diagnostic means, such as a camera, and the doctor's hand. Diagnostic examinations, in particular those on internal hollow organs of the human body, e.g. B. the gastrointestinal tract, can be carried out with such methods. Typical diagnostic procedures are gastroscopy and colonoscopy. In the context of such investigations are typically photographic and / or Recorded video sequences of the relevant hollow organ, tissue and / or fluid samples taken or locally administered drugs.

Für derartige diagnostische oder therapeutische Eingriffe bzw. Untersuchung kann insbesondere eine in einem magnetischen Feld navigierbare Endoskopiekapsel eingesetzt werden.For Such diagnostic or therapeutic procedures or examination In particular, a navigable in a magnetic field endoscopy capsule be used.

Typische Magnetspulensysteme zur Navigation einer Endoskopiekapsel sind bspw. in der DE 103 40 925 B3 oder auch in der DE 10 2005 010 489 A1 offenbart. Derartige Magnetspulensysteme umfassen typischerweise ein System aus 8 bis 14 einzeln ansteuerbaren Navigations- bzw. Magnetspulen.Typical magnetic coil systems for navigating an endoscopy capsule are, for example, in the DE 103 40 925 B3 or in the DE 10 2005 010 489 A1 disclosed. Such magnet coil systems typically comprise a system of 8 to 14 individually controllable navigation or magnetic coils.

Für den erfolgreichen Einsatz einer Endoskopiekapsel ist ein Magnetfeld zur Steuerung der Endoskopiekapsel notwendig. Darüber hinaus kann je nach Anwendung ggf. eine Positionsbestimmung der Endoskopiekapsel mittels eines Ortungssystems benötigt werden. Speziell für den Fall, dass die Endoskopiekapsel in Wasser navigiert werden soll, kann auf die Positionsmessung ggf. verzichtet werden, da in Wasser keine nennenswerten Störkräfte, d. h. ortsabhängige Reibungs- oder Blockierungskräfte, auftreten. Unter einer Positionsbestimmung ist in diesem Zusammenhang die Bestimmung der räumlichen Lage der Endoskopiekapsel, bspw. in einem kartesischen Koordinatensystem, sowie die Bestimmung der Orientierung der Endoskopiekapsel in dem entsprechenden Arbeitsvolumen zu verstehen. Die Orientierungsbestimmung kann für alle drei oder weniger Achsen der Endoskopiekapsel erfolgen.For The successful use of an endoscopy capsule is a magnetic field necessary to control the endoscopy capsule. Furthermore Depending on the application, if necessary, a position determination of the endoscopy capsule needed by means of a location system. specially in the event that the endoscopy capsule navigates in water should be possible to dispense with the position measurement, if necessary, there is no appreciable disturbance in water, d. H. location-dependent frictional or blocking forces, occur. Under a position determination is in this context the determination of the spatial position of the endoscopy capsule, For example, in a Cartesian coordinate system, as well as the determination the orientation of the endoscopy capsule in the corresponding working volume to understand. The orientation determination can be for all three or fewer axes of the endoscopy capsule done.

Ein Magnetspulensystem, welches zur drahtlosen bzw. berührungslosen Bewegung eines magnetischen Körpers in einem Arbeitsraum geeignet sein soll, muss in der Lage sein, hohe magnetische Feldstärken zu erzeugen. Zur magnetischen Steuerung einer Endoskopiekapsel sind typischerweise magnetische Feldstärken von bis zu 100 mT sowie Magnetfeldgradienten von bis zu 400 mT/m notwendig. Die Werte der Feldgradienten liegen ungefähr um einen Faktor 10 über den typischen Werten für Magnetresonanztomographie (MRT) Anlagen. Im Vergleich zwischen einem Magnetspulensystem zur Navigation einer Endoskopiekapsel und einem Magnetspulensystem einer MRT-Anlage ergibt sich für das Navigations-Magnetspulensystem ein erhöhter Bedarf für die Kühlung der Magnetspulen. Bei der Kapselnavigation in Wasser werden zwar weniger starke Felder benötigt, nichtsdestotrotz kann auch hier auf eine effektive Kühlung nicht verzichtet werden.One Magnetic coil system, which for wireless or non-contact Movement of a magnetic body in a workspace should be capable of high magnetic field strengths to create. For magnetic control of an endoscopy capsule are typically magnetic field strengths of up to 100 mT and magnetic field gradients of up to 400 mT / m necessary. The values the field gradients are approximately a factor of 10 above typical values for magnetic resonance imaging (MRI) Attachments. In comparison between a magnet coil system for navigation an endoscopy capsule and a magnetic coil system of an MRI system results for the navigation solenoid system increased demand for the cooling of the magnetic coils. When capsule navigation in water, although less strong fields needed, nevertheless, can also be effective here Cooling can not be waived.

Zur Kühlung von Spulen können bspw. Kühlplatten aus Metall, vorzugsweise aus Kupfer, an den Außenflächen der Spulen bzw. zwischen einzelnen Wicklungslagen der Spulen angebracht werden. Dies ist jedoch zumindest dann nachteilig, wenn das Endoskopiekapsel-System neben der Erzeugung hoher Feldstärken für die Navigation eine Positionsbestimmung durchführen soll: Die Positionsbestimmung der Endoskopiekapsel in dem von den Navigationsspulen umschlossenen Raum erfolgt typischerweise mittels in diesem Raum angeordneter Sendespulen, die mit Wechselstrom betrieben werden. Das Ortungssystem, d. h. die Sendespule wird dabei typischerweise in einem Frequenzbereich zwischen 500 Hz und 100 kHz betrieben. Werden für ein Kühlsystem, wie zuvor erwähnt, großflächig an den Außenflächen der Navigationsspulen angebrachte Metall bzw. Kupferplatten verwendet, so werden in diesen Metallplatten durch die Sendespule Wirbelströme induziert. Die in den Metallplatten durch die Sendespule induzierten Wirbelstürme führen zu einer Verfälschung des von der Sendespule emittierten Feldes, und somit zu Übertragungsfehlern im Ortungssystem des Endoskopiekapsel-Systems.to Cooling of coils can, for example, cooling plates made of metal, preferably copper, on the outer surfaces the coils or between individual winding layers of the coils attached become. However, this is disadvantageous at least when the endoscopy capsule system in addition to generating high field strengths for the Navigation to perform a position determination: The Positioning of the endoscopy capsule in that of the navigation coils enclosed space is typically done by means of in this room arranged transmitting coils, which are operated with alternating current. The location system, d. H. the transmitter coil is typically operated in a frequency range between 500 Hz and 100 kHz. Are used for a cooling system, as mentioned above, large area on the outer surfaces of the Used navigation coils mounted metal or copper plates, Thus, eddy currents are generated in these metal plates by the transmitting coil induced. The induced in the metal plates by the transmitting coil Hurricanes lead to a falsification of the field emitted by the transmitting coil, and thus to transmission errors in the locating system of the endoscopy capsule system.

Die Kühlung von Magnetspulen mittels großflächiger an diesen angebrachten Metallplatten ist daher für ein mit einem Navigationsspulensystem und einem Ortungssystem ausgestattetes Endoskopiekapsel-Systems ungeeignet.The Cooling of magnetic coils by means of large area attached to these metal plates is therefore for a equipped with a navigation coil system and a positioning system Endoscopy capsule system unsuitable.

Eine weitere Möglichkeit zur Kühlung einer Magnetspule besteht darin, die Windungen der Spule als Hohlkörper auszubilden und von einem Kühlmedium durchströmen zu lassen, die Spule somit direkt zu kühlen.A Another possibility for cooling a magnetic coil is to form the turns of the coil as a hollow body and to be flowed through by a cooling medium, thus cooling the coil directly.

Zur Kühlung einer Navigationsspule eines Endoskopiekapsel-Systems, welche vollständig aus Hohlkörpern gewickelt ist, ist ein spezielles Kühlmedium notwendig. Typischerweise kann zu diesem Zweck deionisiertes Wasser verwendet werden. Die Kühlung einer derartigen Navigationsspule weist darüber hinaus die folgenden technischen Probleme auf: Im Querschnitt betrachtet nimmt der Kühlkanal, welcher sich im Inneren des Hohlkörpers befindet, einen erheblichen Teil der Querschnittsfläche ein. Aus diesem Grund verschlechtert sich der Füllgrad der gesamten Navigationsspule. Unter dem Füllgrad ist in diesem Zusammenhang der Quotient aus dem Querschnitt der stromtragenden Leiter und dem Gesamtquerschnitt der Navigationsspule zu verstehen. Um den Füllgrad der Navigationsspule zu erhöhen, kann der Durchmesser des Kühlkanals klein gewählt werden. Um eine gewünschte Amperewindungszahl zu erreichen, muss die Navigationsspule eine große Zahl von Windungen aufweisen. Für eine große Anzahl von Windungen ist wiederum ein entsprechend langer Hohlkörper notwendig. Über die Länge des Hohlkörpers findet wiederum ein erheblicher Druckabfall des Kühlmediums statt. Wird der Kühlkanal entsprechend vergrößert, führt dies zu einer Navigationsspule mit einem großen Volumen und schlechtem Füllgrad. Wird die Magnetspule mit einer geringen Windungsanzahl realisiert, so ist zur Erreichung einer gewünschten Amperewindungszahl ein entsprechend hoher Strom notwendig. Dies führt wiederum zu einem hohen technischen Aufwand zur Erzeugung dieser hohen Ströme.For cooling a navigation coil of an endoscopy capsule system, which is completely wound from hollow bodies, a special cooling medium is necessary. Typically, this can be Purpose deionized water can be used. The cooling of such a navigation coil also has the following technical problems: viewed in cross section, the cooling channel, which is located in the interior of the hollow body, occupies a considerable part of the cross-sectional area. For this reason, the filling level of the entire navigation coil deteriorates. Under the degree of filling is to be understood in this context, the quotient of the cross section of the current-carrying conductor and the total cross section of the navigation coil. In order to increase the degree of filling of the navigation coil, the diameter of the cooling channel can be chosen small. To achieve a desired ampere-turn number, the navigation coil must have a large number of turns. For a large number of turns turn a correspondingly long hollow body is necessary. Over the length of the hollow body again takes place a considerable pressure drop of the cooling medium. If the cooling channel is increased accordingly, this leads to a navigation coil with a large volume and poor filling level. If the solenoid is realized with a small number of turns, a correspondingly high current is necessary to achieve a desired ampere-turn number. This in turn leads to a high technical effort to generate these high currents.

Eine weitere Möglichkeit zur Kühlung einer Spule besteht darin, aus einem nichtleitenden Material, insbesondere aus einem Kunststoff gefertigte Kühlwasserrohre bzw. -schläuche zwischen den Leitern oder Wicklungen einer Spule zu platzieren. Diese Lösung weist jedoch den Nachteil auf, dass zum Einen der Wärmeübergang durch den Kunststoffschlauch deutlich schlechter ist als bspw. durch ein Kupferrohr und dass zum Anderen die Kunststoffschläuche nur bis max. etwa 70–75°C temperaturbeständig sind.A further possibility for cooling a coil exists in, of a non-conductive material, in particular of a Plastic-made cooling water pipes or hoses between the conductors or windings of a coil. However, this solution has the disadvantage that on the one hand the heat transfer through the plastic tube is significantly worse than, for example, by a copper tube and that on the other hand the plastic hoses only up to max. about 70-75 ° C are temperature resistant.

Typischerweise wird das Kühlmedium in einer solchen Kühlanlage mit einem Druck von mehreren Bar durch die Kühlleitungen gepresst. Im Inneren einer Navigationsspule können leicht Temperaturen von über 100°C erreicht werden. Außerdem treten bei der Erzeugung hoher magnetischer Felder zwischen den einzelnen Leitern der Navigationsspulenwicklungen nicht zu vernachlässigende Lorenzkräfte auf. Diese können dazu führen, dass selbst bei hinreichend mechanisch stabilem Aufbau der Navigationsspule einzelne Leiter oder Wicklungslagen gegeneinander mechanisch verschoben werden. Erfolgt eine solche mechanische Verschiebung an einem Ort, an dem ein aus Kunststoff hergestellter Kühlkanal in die Wicklung eingezogen ist, so erfolgt die mechanische Verschiebung typischerweise über das Kunststoffbauteil, welches somit enormen Scherkräften ausgesetzt ist. Offensichtlich ist sowohl aus mechanischen Gründen wie auch hinsichtlich der auftretenden Betriebstemperatur der Einsatz eines solchen Kühlsystems unter Verwendung derzeit verfügbarer, handelsüblicher Kunststoffe in einem Navigationsspulensystem für eine Kapselendoskopieanlage aus Gründen der Zuverlässigkeit nicht ratsam.typically, is the cooling medium in such a cooling system with a pressure of several bar through the cooling lines pressed. Inside a navigation coil can easily Temperatures of over 100 ° C can be achieved. Furthermore occur in the generation of high magnetic fields between the individual conductors of the navigation coil windings not negligible Lorenz forces on. These can cause that even with sufficiently mechanically stable construction of the navigation coil individual conductors or winding layers mechanically shifted against each other become. If such a mechanical displacement takes place in one place, on which a cooling channel made of plastic in the Winding is retracted, so the mechanical displacement takes place typically via the plastic component, which thus exposed to enormous shear forces. Obviously, both for mechanical reasons as well as in terms of occurring Operating temperature the use of such a cooling system using currently available, more commercial Plastics in a navigation coil system for a capsule endoscopy system for reasons of reliability inadvisable.

In der DE 10 2007 007 801 A1 wird ein Magnetspulensystem mit einem Navigationsspulensystem und einem Ortungssystem beschrieben, wobei ein Kühlsystem vorgesehen ist, das zur Kühlung des Navigationsspulensystems bzw. dessen Navigationsspulen ausgelegt ist. Eine vom Kühlsystem geschaffene Wärmesenke befindet sich in radialer Richtung zwischen zwei Wicklungslagen der Navigationsspule. Die Kühlung der Navigationsspule ist jedoch vergleichsweise ungleichmäßig, da unterschiedliche Wicklungslagen unterschiedlich Abstände von der Wärmesenke haben, so dass die Kühlung nicht ideal effektiv erfolgt. Es kann zu lokalen Überhitzungen kommen.In the DE 10 2007 007 801 A1 a magnet coil system is described with a navigation coil system and a location system, wherein a cooling system is provided, which is designed for cooling the navigation coil system or its navigation coils. A created by the cooling system heat sink is located in the radial direction between two winding layers of the navigation coil. However, the cooling of the navigation coil is relatively uneven, since different winding layers have different distances from the heat sink, so that the cooling is not ideal effectively. It can come to local overheating.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine mit einem effektiven Kühlsystem ausgestattete und vergleichsweise einfach herzustellende Magnetspule anzugeben sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Magnetspule.It is therefore the object of the invention, one with an effective cooling system to provide equipped and comparatively easy to manufacture solenoid and a method of manufacturing such a solenoid.

Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Erfindungen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.These The object is achieved by that in the independent claims solved inventions. Advantageous embodiments result from the dependent claims.

Die erfindungsgemäße Magnetspule weist zur Erzeugung des Magnetfeldes eine stromführenden Wicklung aus elektrisch leitfähigem Material auf. Zusätzlich ist zur Kühlung der Magnetspule zumindest eine von einem Kühlmedium durchflossene Hohlkörperwicklung vorgesehen. Die stromführende Wicklung und die Hohlkörperwicklung sind parallel zueinander und in Richtung der Spulenlängsachse N der Magnetspule gesehen hintereinander angeordnet.The Magnetic coil according to the invention has to generate of the magnetic field, a current-carrying winding of electric conductive material. In addition to cooling the magnetic coil at least one hollow body through which a cooling medium flows intended. The current-carrying winding and the hollow body winding are parallel to each other and in the direction of the coil longitudinal axis N of the solenoid seen arranged one behind the other.

Die stromführende Wicklung ist dabei ein in radialer Richtung, d. h. in einer Richtung senkrecht zur Spulenlängsachse gesehen flaches Band aus elektrisch leitfähigem Material, das spiralförmig aufgewickelt ist. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um ein Aluminium-Band. Die Oberfläche des Bandes ist elektrisch isoliert, wobei die Isolierung bspw. durch eine Eloxalschicht oder mit Hilfe einer zwischengelegten Isolationsfolie erreicht wird.The current-carrying winding is one in the radial direction, d. H. in a direction perpendicular to the coil longitudinal axis seen flat band of electrically conductive material, which is spirally wound. Preferably this is an aluminum band. The surface of the Bandes is electrically isolated, the insulation, for example, by a Eloxalschicht or with the help of an interposed insulation film is reached.

Die stromführende Wicklung und die Hohlkörperwicklung sind derart gewickelt, dass sie im Wesentlichen dasselbe Wicklungsauge und/oder in radialer Richtung gesehen dieselben Innen- und/oder Außenabmessungen aufweisen. Unter dem Wicklungsauge einer Wicklung wird dabei der in Richtung der Spulenlängsachse gesehene offene Querschnitt der Wicklung verstanden.The current-carrying winding and the hollow body winding are wound in such a way that they have essentially the same winding eye and / or the same inner and / or outer dimensions seen in the radial direction. Under the winding eye of a winding is seen in the direction of the coil longitudinal axis open cross-section the winding understood.

Die Hohlkörperwicklung kann ein spiralförmig gebogener, rohrförmiger Hohlkörper sein, bspw. ein Kupferrohr. Der Hohlkörper wird von einem Kühlmedium durchflossen und ist vorzugsweise von einem elektrisch isolierenden Material, bpsw. von einem Glasfaserband, umwickelt, um aus den oben genannten Gründen zu vermeiden, dass eine ausgedehnte elektrisch leitfähige Fläche entsteht. Darüber hinaus sind die stromführende Wicklung und die Hohlkörperwicklung elektrisch voneinander isoliert, bspw. durch eine zusätzliche, zwischen der stromführenden Wicklung und der Hohlkörperwicklung gelegte Folie oder durch eine Ummantelung der gesamten Hohlkörperwicklung mit einem Glasfaserband.The Hollow body winding can be a spirally curved, be a tubular hollow body, for example. A copper tube. The hollow body is traversed by a cooling medium and is preferably of an electrically insulating material, bpsw. from a fiberglass tape, wrapped around from the above Reasons to avoid having an extended electric conductive surface is created. Furthermore are the current-carrying winding and the hollow body winding electrically isolated from each other, for example by an additional, between the current-carrying winding and the hollow body winding laid film or by a jacket of the entire hollow body winding with a fiberglass tape.

Die stromführende Wicklung und die Hohlkörperwicklung sind derart miteinander verbunden, dass sie in mechanischem und thermischem Kontakt stehen.The current-carrying winding and the hollow body winding are so interconnected that they are in mechanical and are in thermal contact.

Vorteilhafterweise liegt eine stromführende Wicklung zwischen zwei Hohlkörperwicklungen, so dass eine effektivere Kühlung erreicht wird. Grundsätzlich können mehrere stromführende Wicklungen und/oder mehrere Hohlkörperwicklungen vorgesehen sein, die abwechselnd hintereinander angeordnet sind und in thermischem und mechanischem Kontakt miteinander stehen. Bspw. kann die Magnetspule zwei Hohlkörperwicklungen und eine stromführende Wicklung aufweisen, wobei die stromführende Wicklung zwischen den Hohlkörperwicklungen angeordnet ist.advantageously, is a current-carrying winding between two hollow body windings, so that more effective cooling is achieved. in principle can have multiple live windings and / or be provided a plurality of hollow body windings, which alternately are arranged one behind the other and in thermal and mechanical contact standing together. For example. the solenoid can have two hollow body windings and a current-carrying winding, wherein the current-carrying winding is arranged between the hollow body windings.

Zum Aufwickeln der stromführunden Wicklung und der Hohlkörperwicklung der Magnetspule kann vorteilhafterweise ein und dasselbe Wickelwerkzeug verwendet werden. Die stromführende Wicklung und die Hohlkörperwicklung sind unabhängig voneinander aufgewickelt. Zur Herstellung der Magnetspule wird zunächst die stromführende Wicklung gewickelt und vom Wickeldorn genommen. Anschließend wird auf demselben Wickel dorn die Hohlkörperwicklung gewickelt. Durch Verklebung, Umbandelung und/oder ähnliche Maßnahmen werden die beiden Wicklungen danach mechanisch miteinander verbunden. Der endgültige mechanische und thermische Kontakt erfolgt durch Verguss der gesamten Spule.To the Winding the current-carrying winding and the hollow body winding the solenoid can advantageously one and the same winding tool be used. The current-carrying winding and the hollow body winding are wound up independently of each other. For the production the solenoid is first the current-carrying Winding wound and taken from winding mandrel. Subsequently is wound on the same winding mandrel, the hollow body winding. By gluing, banding and / or similar measures The two windings are then mechanically interconnected. The final mechanical and thermal contact occurs by casting the entire coil.

Die folgenden Vorteile ergeben sich mit der erfindungsgemäßen Magnetspule:

  • – Es finden keine elektrochmischen Reaktionen mit dem Kühlwasser statt, da die Hohlkörperwicklung zum Einen aus Kupfer hergestellt und zum Anderen unbestromt ist. Als Kühlwasser kann daher Leitungswasser verwendet werden.
  • – Die Isolation der Hohlkörperwicklung führt dazu, dass kein großflächiges, elektrisch leitendes Gebiet vorhanden ist, in dem bspw. durch äußere elektromagnetische Wechselfelder Wirbelströme angeregt werden können, die wiederum zu EMV-Problemen oder zu zusätzlicher Wärmeeinkopplung führen können.
  • – Für den Fall, dass die stromführende Wicklung und die Hohlkörperwicklung unabhängig voneinander auf dem selben Wickelwerkzeug hergestellt werden, ist eine einfache und preiswerte Produktion der Magnetspule, insbesondere bei geringer Stückzahl, möglich.
The following advantages arise with the magnet coil according to the invention:
  • - There are no electrochemical reactions with the cooling water instead, since the hollow body winding made on the one hand of copper and on the other hand is de-energized. As cooling water can therefore be used tap water.
  • - The insulation of the hollow body winding causes no large area, electrically conductive area is present in which, for example, can be excited by external electromagnetic alternating fields eddy currents, which in turn can lead to EMC problems or additional heat coupling.
  • - In the event that the current-carrying winding and the hollow body winding are produced independently on the same winding tool, a simple and inexpensive production of the solenoid, especially in small quantities, is possible.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnungen.Further Advantages, features and details of the invention will become apparent the embodiment described below as well based on the drawings.

Dabei zeigt:there shows:

1 ein System zur kapselendoskopischen Untersuchung oder Behandlung eines Patienten, 1 a system for capsule endoscopic examination or treatment of a patient,

2 eine perspektivische Ansicht einer Magnetspule der Magnetspulenanordnung, 2 a perspective view of a magnetic coil of the solenoid assembly,

3 einen Querschnitt der Magnetspule und 3 a cross section of the solenoid and

4 einen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform der Magnetspule. 4 a cross section of another embodiment of the magnetic coil.

Die 1 zeigt in Teilen ein System zur kapselendoskopischen Untersuchung oder Behandlung eines Patienten. Das System 1 umfasst ein Magnetspulensystem 2 zur kabellosen Navigation einer Endoskopiekapsel (nicht dargestellt), wie es beispielsweise in DE 10 2005 010 489 A1 beschrieben wird. Das Magnetspulensystem 2 beinhaltet mehrere Magnetspulen 10 (in der 1 ist nur eine der Magnetspulen explizit gekennzeichnet), die ggf. unterschiedlich dimensioniert sein können, im Wesentlichen aber eine Form aufweisen, wie sie exemplarisch in der 2 dargestellt ist. In der 1 ist darüber hinaus eine Führung 3 für eine Patientenliege angedeutet, auf der sich der Patient zur Untersuchung oder Behandlung befindet. Ebenfalls nur angedeutet ist ein Gehäuse 4, welches das Magnetspulensystem 2 und ggf. andere Gerätschaften wie bspw. ein Ortungssystem umgibt.The 1 shows in part a system for capsule endoscopic examination or treatment of a patient. The system 1 includes a magnet coil system 2 for wireless navigation of an endoscopy capsule (not shown), as for example in DE 10 2005 010 489 A1 is described. The magnet coil system 2 includes several solenoid coils 10 (in the 1 only one of the magnetic coils is explicitly marked), which may possibly be dimensioned differently, but essentially have a shape, as exemplified in the 2 is shown. In the 1 is beyond a leadership 3 for a patient couch on which the patient is for examination or treatment. Also only indicated is a housing 4 which is the magnet coil system 2 and possibly other equipment such as surrounds a location system.

Die 2 zeigt eine Magnetspule 10 in perspektivischer Ansicht. Die Magnetspule 10 hat im dargestellten Ausführungsbeispiel eine rechteckige Form und weist ein sog. Wicklungsauge 11 auf. Unter dem Wicklungsauge einer Wicklung bzw. einer Spule wird dabei der in Richtung der Spulenlängsachse N, welche in Richtung der z-Achse des in der 2 angedeuteten Koordinatensystems, orientiert ist, gesehene offene Querschnitt der Wicklung verstanden, d. h. die von der eigentlichen Wicklung umgebene Öffnung der Spule. Die Magnetspule 10 kann aber davon abweichend grundsätzlich auch bspw. eine kreisrunde, eine elliptische oder eine quadratische Form aufweisen.The 2 shows a magnetic coil 10 in perspective view. The magnetic coil 10 In the illustrated embodiment has a rectangular shape and has a so-called. Winding eye 11 on. Under the winding eye of a winding or a coil is in the direction of the coil longitudinal axis N, which in the direction of the z-axis of the in the 2 indicated coordinate system, oriented, seen open cross-section of the winding understood, ie the surrounded by the actual winding Öff coil. The magnetic coil 10 However, it may also have a circular, elliptical or square shape, for example.

Die 3 zeigt den in der 2 angedeuteten Querschnitt durch einen Abschnitt der Magnetspule 10, der sich in Blickrichung der Pfeile 12, 13 ergibt. In Richtung der Spulenlängsachse N gesehen sind hintereinander eine erste Hohlkörperwicklung 210, eine stromführende Wicklung 310 und eine zweite Hohlkörperwicklung 220 angeordnet. Die Hohlkörper wicklungen 210, 220 und die stromführende Wicklung 310 sind jeweils spiralförmig aufgewickelt und parallel zueinander orientiert, d. h. die Querschnittsflächen der Hohlkörperwicklungen 210, 220 und der stromführenden Wicklung 310 liegen parallel zueinander.The 3 shows the in the 2 indicated cross-section through a portion of the solenoid 10 looking in the direction of the arrows 12 . 13 results. Seen in the direction of the coil longitudinal axis N are consecutively a first hollow body winding 210 , a current-carrying winding 310 and a second hollow body winding 220 arranged. The hollow body windings 210 . 220 and the live winding 310 are each spirally wound and oriented parallel to each other, ie the cross-sectional areas of the hollow body windings 210 . 220 and the live winding 310 lie parallel to each other.

Die stromführende Wicklung 310 und die Hohlkörperwicklungen 210, 220 sind derart gewickelt, dass sie im Wesentlichen dasselbe Wicklungsauge 11 und in radialer Richtung gesehen im Wesentlichen dieselben Innen- und/oder Außenabmessungen di, da aufweisen (siehe 2).The current-carrying winding 310 and the hollow body windings 210 . 220 are wound so that they are essentially the same winding eye 11 and seen in the radial direction have substantially the same inner and / or outer dimensions d i , d a (see 2 ).

Als stromführende Wicklung 310 dient ein elektrisch leitfähiges, flaches Aluminium-Band 311, dessen Oberfläche elektrisch isoliert ist, wobei die Isolierung 312 bspw. durch eine Eloxalschicht oder mit Hilfe einer zwischengelegten Isolationsfolie erreicht wird.As a current-carrying winding 310 serves an electrically conductive, flat aluminum band 311 whose surface is electrically insulated, the insulation 312 For example, by an anodized or with the help of an interposed insulation film is achieved.

Die Hohlkörperwicklungen 210, 220 bestehen idealerweise jeweils aus einem spiralförmig gebogenen, einen Kühlmittelkanal aufweisenden Hohlkörper 211, 221 bzw. aus einem spiralförmig gebogenen, rohrförmigen Hohlkörper 211, 221. Vorzugsweise ist der Hohlkörper 211, 221 als Kupferhohlleiter bzw. Kupferrohr mit quadratischem oder rechteckigem Außenquerschnitt ausgebildet. Ein derartiger Kupferhohlleiter 211, 221 wird vom Hersteller in der Regel unisoliert, insbesondere ohne Lackioslierung, geliefert. Der Kupferhohlleiter 211, 221 kann, bevor er endgültig in die Spiralform gewickelt wird, mit einem elektrisch isolierenden Material 212, 222, bspw. mit einem Glasfaserband, ummantelt werden, um zu vermeiden, dass eine ausgedehnte, elektrisch leitfähige Fläche entsteht.The hollow body windings 210 . 220 ideally each consist of a spirally curved, a coolant channel having hollow body 211 . 221 or from a spirally curved, tubular hollow body 211 . 221 , Preferably, the hollow body 211 . 221 designed as a copper waveguide or copper tube with a square or rectangular outer cross-section. Such a copper waveguide 211 . 221 is generally supplied uninsulated by the manufacturer, in particular without paint lamination. The copper waveguide 211 . 221 can, before it is finally wound into the spiral shape, with an electrically insulating material 212 . 222 , For example, be covered with a glass fiber tape, in order to avoid that an extended, electrically conductive surface is formed.

Die Hohlkörperwicklungen 210, 220 bzw. die Kupferhohlleiter 211, 221 werden zur Kühlung der Magnetspule 10 bzw. der stromführenden Wicklung 310 von einem Kühlmedium, bspw. von Leitungswasser, durchströmt. Dabei können die Hohlkörperwicklungen 210, 220 prinzipiell sowohl parallel als auch in Reihe an die Quelle des Kühlmediums angeschlossen sein. Für den Fall, dass die Hohlkörperwicklungen 210, 220 in Reihe an die Quelle angeschlossen sind, ist die Temperatur des Kühlmediums jedoch bereits erhöht, wenn es die in Strömungsrichtung gesehen hintere Hohlkörperwicklung durchströmt. Die Kühlwirkung ist daher herabgesetzt. Darüber hinaus ist der Leitungswiderstand von in Reihe geschalteten Leitungen erhöht. Vorzugsweise sind die Hohlkörperwicklungen 210, 220 daher parallel an die Quelle angeschlossen, da dann zum Einen eine bessere Kühlungwirkung erreicht wird und zum Anderen der Leitungswiderstand geringer ist.The hollow body windings 210 . 220 or the copper waveguide 211 . 221 are used to cool the solenoid coil 10 or the current-carrying winding 310 from a cooling medium, for example. From tap water flows through. In this case, the hollow body windings 210 . 220 in principle be connected both in parallel and in series to the source of the cooling medium. In the event that the hollow body windings 210 . 220 connected in series to the source, however, the temperature of the cooling medium is already increased when it flows through the seen in the flow direction rear hollow body winding. The cooling effect is therefore reduced. In addition, the line resistance of serially connected lines is increased. Preferably, the hollow body windings 210 . 220 therefore connected in parallel to the source, since then on the one hand a better cooling effect is achieved and on the other hand, the line resistance is lower.

Zusätzlich zur oben erwähnten Isolierung der Kupferhohlleiter 211, 221 mit einem elektrisch isolierenden Band 212, 222 sind die beiden Hohlkörperwicklungen 210, 220 mit Hilfe einer Isolierung 213, 223 auch von der stromführenden Wicklung 310 elektrisch isoliert. Dies erfolgt bspw. durch zusätzliche, zwischen der stromführenden Wicklung 310 und den Hohlkörperwicklungen 210, 220 gelegte Folien, über eine Ummantelung der gesamten Hohlkörperwicklungen 210, 220 mit Glasfaserband oder, wie in der 3 dargestellt, mit Hilfe eines Vakuumvergusses mit einem Epoxydharz 213, 223. Gleichzeitig stehen die Hohlkörperwicklungen 210, 220 über eine Verbindung 313 mit der stromführenden Wicklung 310 sowohl in mechanischem als auch in thermischem Kontakt, wobei über den thermischen Kontakt die in der stromführenden Wicklung 310 entstehende Wärme an die Hohlkörperwicklungen 210, 220 abgeführt wird.In addition to the above-mentioned insulation of copper waveguides 211 . 221 with an electrically insulating tape 212 . 222 are the two hollow body windings 210 . 220 with the help of an insulation 213 . 223 also from the current-carrying winding 310 electrically isolated. This takes place, for example, by additional, between the current-carrying winding 310 and the hollow body windings 210 . 220 laid films over a sheathing of the entire hollow body windings 210 . 220 with fiberglass tape or, as in the 3 represented by means of a Vakuumvergusses with an epoxy resin 213 . 223 , At the same time are the hollow body windings 210 . 220 over a connection 313 with the current-carrying winding 310 both in mechanical and in thermal contact, wherein the thermal contact in the current-carrying winding 310 resulting heat to the hollow body windings 210 . 220 is dissipated.

Die Verbindung 313 kann dabei auf verschiedene Arten realisiert sein:

  • – Mechanische Umwicklung des 3-Spulen-Systems bestehend aus den Hohlkörperwicklungen 210, 220 und der stromführenden Wicklung 310 mit Glasfaserband und anschließender Vakuumverguss.
  • – Einlage von Prepreg-Matten zwischen den Hohlkörperwicklungen 210, 220 und der stromführenden Wicklung 310, Ummantelung des 3-Spulen-Systems mit Prepreg-Matten und anschließende thermische Verpressung und Aushärtung.
  • – Kaltverklebung mit einem Epoxy-Kleber.
The connection 313 can be realized in different ways:
  • - Mechanical wrapping of the 3-coil system consisting of the hollow body windings 210 . 220 and the live winding 310 with glass fiber tape and subsequent vacuum casting.
  • - Insertion of prepreg mats between the hollow body windings 210 . 220 and the live winding 310 , Sheathing the 3-coil system with prepreg mats, followed by thermal compression and curing.
  • - Cold gluing with an epoxy glue.

Die 4 zeigt eine Ausführungsform mit zwei unabhängigen stromführenden Wicklungen 310, 320. Dementsprechend sind drei Hohlkörperwicklungen 210, 220, 230 vorgesehen, wobei die stromführenden Wicklungen 310, 320 und die Hohlkörperwicklungen 210, 220, 230 in Richtung der Spulenlängsachse N gesehen abwechselnd angeordnet sind. Die Wicklungen stehen dabei in thermischem und mechanischem Kontakt, sind aber elektrisch voneinander isoliert. Im Übrigen entspricht der Aufbau der Magnetspule 10 der 4 mit den Kupferhohlleitern 211, 221, 231, dem elektrisch isolierenden Material 212, 222, 232, der Isolierung 213, 223, 233, dem Aluminium-Band 311, 321, der Isolierung 312, 322 und der Verbindung 313 dem im Zusammenhang mit der 3 beschriebenen Aufbau.The 4 shows an embodiment with two independent current-carrying windings 310 . 320 , Accordingly, there are three hollow body windings 210 . 220 . 230 provided, wherein the current-carrying windings 310 . 320 and the hollow body windings 210 . 220 . 230 in the direction of the coil longitudinal axis N are arranged alternately. The windings are in thermal and mechanical contact, but are electrically isolated from each other. Incidentally, the structure of the solenoid corresponds 10 of the 4 with the copper waveguides 211 . 221 . 231 , the electrically insulating material 212 . 222 . 232 , the insulation 213 . 223 . 233 , the aluminum band 311 . 321 , the insulation 312 . 322 and the connection 313 in connection with the 3 described structure.

Vorteilhafterweise kann zur Herstellung der Magnetspule 10 bzw. zum Wickeln der stromführenden Wicklung(en) 310, 320 und der Hohlkörperwicklung(en) 210, 220, 230 ein und dasselbe Wickelwerkzeug verwendet werden.Advantageously, for the production of the magnetic coil 10 or for winding the current-carrying winding (s) 310 . 320 and the hollow body winding (s) 210 . 220 . 230 one and the same winding tool can be used.

Die Magnetspule 10 gemäß 3 wird in folgender Weise hergestellt: Zunächst wird die stromführende Wicklung 310 aufgewickelt und vom Wickeldorn der Wickelmaschine genommen. Anschließend werden nacheinander auf demselben Wickeldorn die Hohlkörperwicklungen 210, 220 gewickelt. Durch Verklebung, Umbandelung und/oder ähnliche Maßnahmen werden die Wicklungen 210, 220, 310 danach mechanisch miteinander verbunden. Der endgültige mechanische und thermische Kontakt erfolgt durch Verguss der gesamten Spule.The magnetic coil 10 according to 3 is made in the following way: First, the current-carrying winding 310 wound up and taken from the winding mandrel of the winding machine. Subsequently, the hollow body windings are successively on the same winding mandrel 210 . 220 wound. By gluing, Umbandelung and / or similar measures are the windings 210 . 220 . 310 then mechanically connected. The final mechanical and thermal contact is made by potting the entire coil.

Grundsätzlich kann die Reihenfolge natürlich auch umgekehrt werden.in principle Of course, the order can be reversed.

Vor dem Wickeln der Hohlkörperwicklung 210, 220 sollte der entsprechende zu wickelnde Kupferhohlleiter 211, 221, 231 jedoch falls gewünscht mit dem elektrisch isolierenden Band 212, 222, 232 ummantelt werden.Before winding the hollow body winding 210 . 220 should the corresponding copper waveguide to be wound 211 . 221 . 231 however, if desired with the electrically insulating tape 212 . 222 . 232 be sheathed.

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Claims (11)

Magnetspule mit zumindest einer stromführenden Wicklung (310, 320) aus elektrisch leitfähigem Material und zumindest einer von einem Kühlmedium durchflossen Hohlkörperwicklung (210, 220, 230), dadurch gekennzeichnet, dass die stromführende Wicklung (310, 320) und die Hohlkörperwicklung (210, 220, 230) parallel zueinander und in Richtung der Spulenlängsachse N der Magnetspule (10) gesehen hintereinander angeordnet sind.Magnetic coil with at least one current-carrying winding ( 310 . 320 ) made of electrically conductive material and at least one of a cooling medium through which flows hollow body winding ( 210 . 220 . 230 ), characterized in that the current-carrying winding ( 310 . 320 ) and the hollow body winding ( 210 . 220 . 230 ) parallel to each other and in the direction of the coil longitudinal axis N of the magnetic coil ( 10 ) are arranged one behind the other as seen. Magnetspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die stromführende Wicklung (310, 320) ein flaches Band (311) aus elektrisch leitfähigem Material ist, insbesondere ein Aluminium-Band, wobei das Band (311) spiralförmig aufgewickelt ist.Magnetic coil according to claim 1, characterized in that the current-carrying winding ( 310 . 320 ) a flat band ( 311 ) of electrically conductive material, in particular an aluminum strip, wherein the strip ( 311 ) is spirally wound. Magnetspule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die stromführende Wicklung (310, 320) und die Hohlkörperwicklung (210, 220, 230) im Wesentlichen dasselbe Wicklungsauge (11) und/oder in einer Richtung senkrecht zur Spulenlängsachse im Wesentlichen dieselben Innen- und/oder Außenabmessungen (di, da) aufweisen.Magnetic coil according to claim 1 or 2, characterized in that the current-carrying winding ( 310 . 320 ) and the hollow body winding ( 210 . 220 . 230 ) substantially the same winding eye ( 11 ) and / or in a direction perpendicular to the coil longitudinal axis substantially the same inner and / or outer dimensions (d i , d a ) have. Magnetspule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkörperwicklung (210, 220, 230) einen Hohlkörper (211, 221, 231) aufweist, der von einem elektrisch isolierenden Material (212, 222, 232) ummantelt ist.Magnetic coil according to one of the preceding claims, characterized in that the hollow body winding ( 210 . 220 . 230 ) a hollow body ( 211 . 221 . 231 ) made of an electrically insulating material ( 212 . 222 . 232 ) is sheathed. Magnetspule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die stromführende Wicklung (310, 320) und die Hohlkörperwicklung (210, 220, 230) mit Hilfe einer Isolierung (213, 223, 233) voneinander elektrisch isoliert sind.Magnetic coil according to one of the preceding claims, characterized in that the current-carrying winding ( 310 . 320 ) and the hollow body winding ( 210 . 220 . 230 ) by means of insulation ( 213 . 223 . 233 ) are electrically isolated from each other. Magnetspule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die stromführende Wicklung (310, 320) und die Hohlkörperwicklung (210, 220, 230) über eine Verbindung (313) in mechanischem und in thermischem Kontakt miteinander stehen.Magnetic coil according to one of the preceding claims, characterized in that the current-carrying winding ( 310 . 320 ) and the hollow body winding ( 210 . 220 . 230 ) via a connection ( 313 ) are in mechanical and thermal contact with each other. Magnetspule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die die stromführende Wicklung (310, 320) und/oder die Hohlkörperwicklung (210, 220, 230) spiralförmig aufgewickelt sind.Magnetic coil according to one of the preceding claims, characterized in that the current-carrying winding ( 310 . 320 ) and / or the hollow body winding ( 210 . 220 . 230 ) are spirally wound. Magnetspule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bestehend aus mehreren stromführenden Wicklungen (310, 320) und mehreren Hohlkörperwicklungen (210, 220, 230), wobei die stromführenden Wicklungen (310, 320) und die Hohlkörperwicklungen (210, 220, 230) in Richtung der Spulenlängsachse N gesehen abwechselnd aneinander gesetzt sind und über eine Verbindung (313) in mechanischem und thermischem Kontakt stehen.Magnetic coil according to one of the preceding claims, consisting of several current-carrying windings ( 310 . 320 ) and a plurality of hollow body windings ( 210 . 220 . 230 ), wherein the current-carrying windings ( 310 . 320 ) and the hollow body windings ( 210 . 220 . 230 ) in the direction of the coil longitudinal axis N are alternately set together and via a connection ( 313 ) are in mechanical and thermal contact. Verfahren zur Herstellung einer Magnetspule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die stromführende Wicklung (310, 320) und die Hohlkörperwicklung (210, 220, 230) mit ein und demselben Wickelwerkzeug hergestellt werden.Method for producing a magnet coil according to one of the preceding claims, characterized in that the current-carrying winding ( 310 . 320 ) and the hollow body winding ( 210 . 220 . 230 ) are produced with one and the same winding tool. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Wickelwerkzeug einen Wickeldorn aufweist, wobei – auf dem Wickeldorn zunächst die stromführende Wicklung gewickelt wird, – die fertige stromführende Wicklung vom Wickeldorn genommen wird, – anschließend auf dem Wickeldorn die Hohlkörperwicklung gewickelt wird, – die fertige Hohlleitewicklung vom Wickeldorn genommen wird und – die stromführende Wicklung und die Hohlkörperwicklung mechanische miteinander verbunden werden.Method according to claim 9, characterized that the winding tool has a winding mandrel, wherein - on the mandrel first the current-carrying winding is wrapped - the finished current-carrying Winding is taken from the mandrel, - subsequently on the winding mandrel, the hollow body winding is wound, - the finished hollow conductor winding is taken from the winding mandrel and - the current-carrying winding and the hollow body winding mechanical interconnected. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Wickelwerkzeug einen Wickeldorn aufweist, wobei – auf dem Wickeldorn zunächst die Hohlkörperwicklung gewickelt wird, – die fertige Hohlkörperwicklung vom Wickeldorn genommen wird, – anschließend auf dem Wickeldorn die stromführende Wicklung gewickelt wird, – die fertige stromführende Wicklung vom Wickeldorn genommen wird und – die stromführende Wicklung und die Hohlkörperwicklung mechanische miteinander verbunden werden.Method according to claim 9, characterized that the winding tool has a winding mandrel, wherein - on the winding mandrel first, the hollow body winding is wrapped - The finished hollow body winding taken from the winding mandrel, - subsequently wound on the mandrel the current-carrying winding becomes, - the finished current-carrying winding is taken from the mandrel and - the current-carrying Winding and the hollow body winding mechanical with each other get connected.
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