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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Leiter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Es ist bekannt, massive elektrische Leiter (sogenannte „Busbars“) zur Übertragung hochfrequenter Ströme einzusetzen. Ein Beispiel hierfür sind für moderne, schnell drehende elektrische Maschinen benötigte hochfrequente Ströme, die in den Wicklungen der drehenden elektrischen Maschine bereitgestellt werden. Dabei werden typischerweise zur Kontaktierung zwischen einem Elektromotor und der zugehörigen Elektronik insbesondere für höhere Leistungsbereiche massive elektrische Leiter eingesetzt.
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Solche massiven elektrischen Leiter sind einer thermischen Grundbelastung ausgesetzt. Diese thermische Grundbelastung erfährt Spitzen in Zeiten eines Überlastbetriebs des elektrischen Leiters, wenn ein Überlaststrom vorliegt. Ein solcher Überlastbetrieb liegt beispielsweise vor, wenn ein mit Elektromotoren angetriebenes Flugzeug sich im Steigflug befindet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen elektrischen Leiter bereitzustellen, der sich durch vorteilhafte thermische Eigenschaften auszeichnet. Weiter soll ein Verfahren bereitgestellt werden, das einen effektiven Betrieb eines elektrischen Leiters auch im Falle eines Überlastbetriebs möglich.
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Diese Aufgabe wird durch einen elektrischen Leiter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruch 15 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Danach betrachtet die vorliegende Erfindung einen elektrischen Leiter, der ein Kupferprofil zur Leitung eines elektrischen Stroms aufweist, wobei das Kupferprofil einen Hohlraum im Inneren des Leiters definiert. Die Erfindung sieht vor, dass im Hohlraum des elektrischen Leiters ein Latentwärmespeicher angeordnet ist. Der Latentwärmespeicher umfasst ein Phasenwechselmaterial, das einen Phasenübergang von den Aggregatzuständen fest zu flüssig bei einer Temperatur im Bereich zwischen 30 °C und 200 °C erfährt.
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Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die Überlastfähigkeit eines Leiters bei gleichem oder sogar geringerem Gewicht durch die Integration eines Latentwärmespeichers verbessert werden kann.
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Sofern der Leiter mit Wechselstrom betrieben wird, ergibt sich, dass bei höheren Frequenzen der sogenannte Skin-Effekt auftritt, der zu einer Einschränkung der tatsächlich leitenden Schicht auf die äußeren Bereiche eines Leiters führt. Der innere Bereich des Leiters, der aufgrund des Skin-Effekts ohnehin kaum von Strom durchflossen wird, wird dabei als Hohlraum ausgeführt, in dem ein Latentwärmespeicher angeordnet ist.
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Latentwärmespeicher nutzen Materialien, die einen Phasenwechsel durchlaufen, um die zu speichernde Energie aufzunehmen. Solche Materialien werden als Phasenwechselmaterialien bzw. „Phase Change Material“ (PCM) bezeichnet. Eine Wärmespeicherung erfolgt dabei unter Ausnutzung der sogenannten Phasenwechselenthalpie. Dabei handelt es sich um die Menge an Energie, die ein Material benötigt, um seinen Aggregatzustand zu ändern. Während dieses Vorgangs erhöht sich die Temperatur des Materials nicht, da sämtliche zugeführte Energie für den Phasenwechsel aufgewendet werden muss.
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Die vorliegende Erfindung beruht somit auf der Grundidee, ein Phasenwechselmaterial in den Kern eines elektrischen Leiters zu integrieren, welches durch die Schmelzenthalpie eine auftretende Verlustleistung bzw. eine damit einhergehende Temperaturerhöhung puffert.
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Der erfindungsgemäß im Inneren des elektrischen Leiters ausgebildete Latentwärmespeicher ist somit in der Lage, Wärmespitzen, die beispielsweise durch einen Überlastbetrieb des Leiters erzeugt werden, zu absorbieren, und damit die Temperatur des elektrischen Leiters konstant zu halten. Die thermische Performance des Leiters wird dadurch erheblich verbessert. Zusätzlich kann das Gewicht minimiert werden.
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Dabei ist vorgesehen, dass ein Phasenwechselmaterial eingesetzt wird, das einen Phasenübergang von fest zu flüssig bei einer Temperatur im Bereich zwischen 30 °C und 200 °C erfährt. Ausgestaltungen hier zu sehen vor, dass das Phasenwechselmaterial einen Phasenübergang von fest zu flüssig bei einer Temperatur im Bereich zwischen 50 °C und 150 °C, insbesondere im Bereich zwischen 50 °C und 100 °C erfährt. Ein in diesem Temperaturbereich erfolgender Phasenwechsel stellt sicher, dass der elektrische Leiter die übliche Betriebstemperatur von Leistungselektroniken, die typischerweise bei bis ca. 150 °C liegt, nicht überschreitet.
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Grundsätzlich kann im Inneren des elektrischen Leiters ein beliebiges Phasenwechselmaterial eingesetzt werden, das seine Schmelztemperatur in dem genannten Bereich besitzt. Eine Ausgestaltung hierzu sieht vor, dass als Phasenwechselmaterial Paraffin eingesetzt wird. Paraffine sind gesättigte Kohlenwasserstoffe mit der allgemeinen Summenformel CnH2n+2. Für Paraffine gilt, dass die Phasenwechseltemperatur mit steigender Kohlenstoffatomzahl ansteigt, so dass die Phasenwechseltemperatur in gewünschter Weise eingestellt werden kann. Paraffine sind gleichzeitig elektrisch isolierend und allgemein reaktionsträge. Weitere Beispiele für das eingesetzte Phasenwechselmaterial sind Lotwerkstoffe sowie allgemein Metalle und Metalllegierungen, die in dem genannten Temperaturbereich aufschmelzen, zum Beispiel Lithium mit einem Schmelzpunkt bei 180 °C.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass der Latentwärmespeicher eine poröse oder schwammartige Grundstruktur aufweist, in deren Hohlräume das Phasenwechselmaterial infiltriert ist. Dabei ist in die Hohlräume der porösen oder schwammartige Grundstruktur beispielsweise Paraffin als Phasenwechselmaterial infiltriert ist. Die Verwendung eines Latentwärmespeichers mit einer porösen oder schwammartigen Grundstruktur ermöglicht in effektiver Weise die Integration eines Phasenwechselmaterial in das Innere des elektrischen Leiters. Die poröse oder schwammartige Grundstruktur stellt dabei eine große Oberfläche bereit, über die eine Wärmeübertragung zwischen der Grundstruktur und dem Phasenwechselmaterial erfolgen kann.
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Die poröse Grundstruktur wird gemäß einem Ausführungsbeispiel durch eine Graphitmatrix bereitgestellt ist, die beispielsweise aus gepresstem, expandiertem Graphit besteht. Graphit weist bei hoher Temperaturbeständigkeit und geringer Dichte eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit auf, so dass eine effektive Absorption von Wärme durch das in die Hohlräume des Graphits infiltrierte Phasenwechselmaterial wie beispielsweise Paraffin erfolgen kann.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass in das Phasenwechselmaterial zusätzlich ein Pulver integriert ist, das die Durchwärmung bzw. die Temperaturleitfähigkeit des Phasenwechselmaterial verbessert. Ein solches Pulver erreicht, dass das Phasenwechselmaterial gleichmäßig Wärme absorbiert. Bei dem Pulver handelt es sich beispielsweise um ein Metallpulver, beispielsweise um Kupfer. Alternativ wird ein anderes, die Temperaturleitfähigkeit des Phasenwechselmaterials verbesserndes Pulver in das Phasenwechselmaterial integriert, beispielsweise ein Graphitpulver.
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Das Kupferprofil des elektrischen Leiters ist in einem Ausführungsbeispiel im Querschnitt rechteckig ausgebildet ist. Dies ist jedoch nur beispielhaft zu verstehen. Grundsätzlich kann das Kupferprofil eine beliebige Querschnittsform aufweisen, beispielsweise alternativ eine Kreisform oder eine ovale Form.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass der durch das Kupferprofil gebildete Hohlraum nicht vollständig mit Material des Latentwärmespeichers gefüllt ist, wenn das Phasenwechselmaterial fest ist. Hierdurch besteht die Möglichkeit, dass sich das Phasenwechselmaterial beim Aufschmelzen ausdehnen kann.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Kupferprofil innenseitig eine Oberflächenstruktur mit einer gegenüber einer planen Oberfläche vergrößerten Oberfläche ausbildet, um die Wärmeleitung zwischen dem Kupferprofil und dem Latentwärmespeicher zu verbessern. Ein Beispiel für eine solche Oberflächenstruktur sind innenseitig im Kupferprofil ausgebildete Pins, die in den Latentwärmespeicher hineinragen. Die Pins dienen der Vergrößerung der Oberfläche bzw. der Kontaktfläche zwischen dem Kupferprofil und dem Latentwärmespeicher.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass die Pins von einer Seite des rechteckförmigen Kupferprofils in den Latentwärmespeicher hineinragen. In einem Ausführungsbeispiel erstrecken sich die Pins über eine Länge zur gegenüberliegenden Seite der rechteckförmigen Kupferprofils erstrecken, die mindestens 50 % des Abstands zwischen den gegenüberliegenden Seiten beträgt. Die einzelnen Pins können äquidistant angeordnet sein und fingerartig oder alternativ als Längsrippen ausgebildet sein.
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Bei dem elektrischen Leiter handelt es sich beispielsweise um eine Sammelschiene (englisch: „busbar“), d.h. einen Metallstreifen oder eine Metallschiene, der bzw. die für eine lokale Verteilung von Hochstrom vorgesehen ist.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass der Latentwärmespeicher im Kupferprofil verpresst ist, somit mit einem gewissen Innendruck gegen die Innenseite des Kupferprofils drückt. Hierdurch wird die Wärmeleitfähigkeit zwischen Kupferprofil und Latentwärmespeicher verbessert.
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Gemäß einem weiteren Erfindungsaspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Reduktion der thermischen Belastung eines elektrischen Leiters. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- - Bereitstellen eines elektrischen Leiters gemäß Anspruch 1,
- - Betreiben des elektrischen Leiters im Normalbetrieb,
- - Betreiben des elektrischen Leiters im Überlastbetrieb, und
- - Absorption der im Überlastbetrieb entstehenden Wärme durch den Latentwärmespeicher des elektrischen Leiters.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die effektive Absorption von thermischer Energie, die im Überlastbetrieb entsteht, ohne dass eine Temperaturerhöhung des elektrischen Leiters erfolgt. Sie ermöglicht damit eine konstante Temperatur des elektrischen Leiters auch im Überlastbetrieb.
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Die vorliegende Erfindung ist beispielsweise für Leiter geeignet, die mit Gleichstrom oder mit Wechselstrom mit einer Frequenz bis 1 MHz geeignet.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
- 1 ein Ausführungsbeispiel eines elektrischen Leiters, in den ein Latentwärmespeicher integriert ist;
- 2 schematisch die Herstellung des elektrischen Leiters gemäß der 1;
- 3 ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Leiters, in den ein Latentwärmespeicher integriert ist, wobei ein Kupferprofil des elektrischen Leiters innenseitig eine Vielzahl von Pins ausbildet, die in den Latentwärmespeicher hineinragen; und
- 4 eine Schnittansicht einer porösen Graphitmatrix, in die Paraffin infiltriert ist, als Beispiel des Latentwärmespeichers der 1 und 3.
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Die 1 zeigt schematisch einen elektrischen Leiter 1, dessen elektrisch leitfähige Schicht durch ein Kupferprofil 2 gebildet ist. Das Kupferprofil 2 kann auch als Kupferummantelung bezeichnet werden. Das Kupferprofil 2 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel, jedoch nicht notwendigerweise, im Querschnitt rechteckig ausgebildet. Dementsprechend umfasst es eine obere Platte 21 und eine untere Platte 22, die parallel verlaufen, und zwei seitlichen Platten 23, 24, die parallel verlaufen. Die Platten 21-24 bilden eine obere Seite, eine untere Seite und zwei seitliche Seiten des Kupferprofils 2.
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Der elektrische Leiter 1 erstreckt sich geradlinig in Längsrichtung senkrecht zur Zeichenebene.
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Das Kupferprofil 2 bildet im Inneren einen Hohlraum 20 aus, der durch die Innenflächen der Platten 21-24 gebildet ist. Im Hohlraum 20 befindet sich ein Latentwärmespeicher 3, der ein Phasenwechselmaterial aufweist. Das Phasenwechselmaterial weist Eigenschaften derart auf, dass es einen Phasenübergang von den Aggregatzuständen fest zu flüssig bei einer Temperatur im Bereich zwischen 30 °C und 200 °C erfährt. Insbesondere liegt diese Temperatur im Bereich zwischen 50 °C und 150 °C. Der Latentwärmespeicher 3 kann grundsätzlich aus beliebigen Materialien bestehen, beispielsweise Paraffin als Phasenwechselmaterial aufweisen.
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Die 4 zeigt beispielhaft einen Latentwärmespeicher 3 in einer Schnittansicht. Der Latentwärmespeicher 3 besitzt eine poröse Grundstruktur, die durch eine Graphitmatrix 31 gebildet ist. Die poröse Graphitmatrix 31 bildet in natürlicher Weise Hohlräume aus. In diese Hohlräume ist ein Phasenwechselmaterial infiltriert. Bei dem Phasenwechselmaterial handelt es sich beispielsweise um Paraffin 31.
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Matrixförmige Latentwärmespeicher aus Graphit mit infiltrierten Paraffin sind grundsätzlich bekannt und werden beispielsweise von dem Unternehmen Schunk GmbH in
DE 35452 Heuchelheim unter der Bezeichnung „Latent Heat Carbon“ hergestellt.
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Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass in das Phasenwechselmaterial 30 ein Pulver mit guter Wärmeleitfähigkeit integriert ist, beispielsweise ein Metallpulver, wie zum Beispiel ein Kupferpulver, oder ein Graphitpulver. Ein solches Pulver stellt sicher, dass innerhalb des Phasenwechselmaterial eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung besteht und das Phasenwechselmaterial die latente Wärme gleichmäßig aufnimmt.
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Die 2 verdeutlicht den Herstellungsprozess des elektrischen Leiters der 1. Dabei ist vorgesehen, dass der Latentwärmespeicher 3 im Kupferprofil 2 verpresst wird. Hierdurch wird die Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Kupferprofil 2 und dem Latentwärmespeicher 3 optimiert. Für den Vorgang des Verpressen ist beispielsweise vorgesehen, dass die obere Platte 21 und die beiden seitlichen Platten 23, 24 eine Art Aufnahme für den Latentwärmespeicher 3 bilden, wobei der Latentwärmespeicher 3 etwas über den Rand übersteht. Nach Einfüllung des Latentwärmespeichers 3 in den Hohlraum 20 wird die untere Platte 22 als eine Art Deckel unter Druck auf die seitlichen Platten 23, 24 auf gepresst.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die Platten 21, 23, 24 einteilig ausgebildet sein können. Auch wird darauf hingewiesen, dass das Kupferprofil 2 in alternativen Ausführungsvarianten auch insgesamt einstückig ausgebildet sein kann, beispielsweise durch Extrusion, wobei das Material des Latentwärmespeichers 3 in einem solchen Fall beispielsweise durch Löcher im Kupferprofil 2 in den Hohlraum 20 eingebracht wird. Die Ausführung des Kupferprofils 2 mit vier Platten 21-24 ist lediglich beispielhaft zu verstehen.
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Die 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem das Kupferprofil 2 zusätzlich nach innen ragende Pins 25 ausbildet. Hierdurch wird die Kontaktoberfläche zwischen dem Kupferprofil 2 und dem Latentwärmespeicher 3 weiter vergrößert. Dabei ist vorgesehen, dass eine Mehrzahl von Pins 25 sich von der oberen Platte 21 senkrecht in den Latentwärmespeicher 3 erstreckt. Die Pins 25 sind äquidistant zueinander angeordnet und können fingerartig (mit beispielsweise kreisförmigen oder quadratischen Durchmesser) ausgebildet sein oder sich senkrecht zur Zeichenebene in Längsrichtung erstrecken. Alternativ können auch Pins vorgesehen sein, die sich von anderen der Platten 21-24 nach innen erstrecken. Weiter wird darauf hingewiesen, dass die Erstreckung der Pins 25 insofern substantiell ist, als die Pins 25 sich über eine Länge zur unteren Platte 22 hin erstrecken, die größer ist als 50 % des Abstands zwischen den beiden gegenüberliegenden Platten 21, 22.
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In anderen Ausgestaltungen umfasst das Kupferprofil 2 an seiner Innenseite andere Strukturen, die eine Vergrößerung der Oberfläche bewirken. Beispiele hierfür sind Oberflächenvergrößerungen in Form von vorstehenden Rauten oder Quadern.
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Weiter wird darauf hingewiesen, dass eine innenseitige Oberflächenvergrößerung auch bei Leitern erfolgen kann, die nicht rechteckförmig ausgebildet sind, sondern beispielsweise im Querschnitt rund oder oval sind.
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Die 3 zeigt schematisch die Einbringung eines Pulvers 4, beispielsweise eines Metallpulvers oder Graphitpulvers in das Phasenwechselmaterial, wie bereits in Bezug auf die 1 erläutert. Ein in das Phasenwechselmaterial eingebrachtes Pulver 4 mit hoher Wärmeleitfähigkeit bewirkt ein gleichmäßiges Erwärmen des gesamten Volumens des Phasenwechselmaterials.
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Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und verschiedene Modifikationen und Verbesserungen vorgenommen werden können, ohne von den hier beschriebenen Konzepten abzuweichen. Beispielsweise sind die Form des beschriebenen Leiters 1 sowie die für den Latentwärmespeicher genannten Materialien lediglich beispielhaft zu verstehen.
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Es wird darauf hingewiesen, dass beliebige der beschriebenen Merkmale separat oder in Kombination mit beliebigen anderen Merkmalen eingesetzt werden können, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen. Die Offenbarung dehnt sich auf alle Kombinationen und Unterkombinationen eines oder mehrerer Merkmale aus, die hier beschrieben werden und umfasst diese. Sofern Bereiche definiert sind, so umfassen diese sämtliche Werte innerhalb dieser Bereiche sowie sämtliche Teilbereiche, die in einen Bereich fallen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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