CN103018690A

CN103018690A - 用于梯度线圈的冷却装置及其使用方法

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Publication number: CN103018690A
Application number: CN2012103480872A
Authority: CN
Inventors: N.休伯; L.舍恩; S.斯托克; M.托拉克
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthineers AG
Priority date: 2011-09-22
Filing date: 2012-09-18
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2032-09-18
Also published as: CN103018690B; US20130075068A1; DE102011083204B4; US9470768B2; DE102011083204A1

Abstract

本发明涉及一种用于布置在梯度线圈（1）的两个平面线圈（3、4、8、11、12、13）之间的冷却装置（25）及其使用方法，所述冷却装置（25）带有至少一个第一薄膜（15）和至少一个第二薄膜（16），所述薄膜在区域内相互连接，使得形成了用于冷却流体的贯通的冷却通道（17）。所述冷却通道（17）具有分支，以此在低厚度的冷却装置（25）的情况下产生了改进的冷却效果。

Description

用于梯度线圈的冷却装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种用于布置在梯度线圈的两个平面线圈之间的冷却装置和冷却装置的使用方法，所述冷却装置带有至少一个第一薄膜和至少一个第二薄膜，所述薄膜在区域内相互连接，使得形成了用于冷却流体的贯通的冷却通道。

背景技术

用于核自旋断层成像装置的梯度线圈包括电线圈以用于三维空间方向中的磁共振（MR）信号的位置编码。线圈通常布置在圆柱形表面上的多个层内。在线圈层之间布置了水冷软管或水冷垫以作为冷却层，以可将运行中线圈系统上发生的大量损耗热排出，且可将温度保持在临界温度以下。线圈层和冷却层分别被绑扎且整体地被真空包封。

用于产生梯度场的导体距圆柱形表面的中心越远，则要求的电流越高，以在中心内产生希望的或要求的场强度。对于通过线圈的电流I和圆柱形线圈的内部半径R，存在I~R⁵的关系。在导体中的欧姆损耗或由此导致的热量与I²成比例。因此，力求将线圈导体尽可能布置在其中例如布置了待检查的患者的中心上。为此，线圈和布置在其间的冷却层必须尽可能薄。

已知的冷却层由平行走向的冷却软管构成，所述冷却软管曲折形地在冷却层内紧密包封地布置。通过冷却软管的厚度所确定的冷却层的最小厚度超过5mm。对于梯度线圈，需要数百米的冷却软管，这必须在制造中昂贵地通过手工布置在由塑料制成的支承垫上。在此布置中，在软管的转折点处仅实现差的冷却效果。如果在制造时在冷却软管的仅一个位置处出现通道缩窄，则由于由冷却软管制成的冷却层的线性通道结构，就会影响整个冷却层的冷却效果。

替代地，为冷却而使用了带有规则地布置的形成通道的凹部的板，所述板相互堆叠地形成了冷却垫。这样的冷却垫例如从DE102007009204A1中已知。为此，将薄膜成型且相互堆叠。薄膜例如通过焊接或粘合相互连接。但已知的带有沟槽形结构的冷却垫不具有良好的冷却效果。

发明内容

因此，本发明所要解决的技术问题是给出用于布置在梯度线圈的两个平面线圈之间的冷却装置及其使用方法，所述冷却装置具有改进的冷却效果、简单且廉价，其中冷却装置具有低的厚度。

根据本发明的用于布置在梯度线圈的两个平面线圈之间的冷却装置具有至少一个第一薄膜和至少一个第二薄膜，所述薄膜在区域内相互连接，使得形成了用于冷却流体的贯通的冷却通道。贯通的冷却通道具有分支。

通过冷却通道的分支，实现了与根据前述现有技术的简单的线性冷却通道结构相比改进的冷却效果。冷却流体不仅在流动方向上而且在横向于流动方向的方向上换热且传热。即使在冷却通道的缩窄位置处冷却流体也通过分支几乎不受阻碍地在冷却方向上流动。

冷却通道可形成在刚好两个薄膜之间，特别是形成在一个直的和/或弯曲的面内。通过使用仅两个薄膜可将冷却装置制成为很薄。仅两个线圈是廉价的，且可简单地重叠布置和连接。

在薄膜的连接区域内，可通过冲压至少两个薄膜而形成贯通的开口。所述开口能够例如使用浇注物填充。由此形成了薄的、稳定的冷却装置，以此可制造带有多个线圈平面和冷却装置平面的梯度线圈，这允许了线圈平面距中心的短的距离。例如以树脂浇注平面导致了梯度线圈的高的机械稳定性。

开口的直径可在5mm至20mm的范围内。开口相互间的距离、尤其是规则的距离可在20mm至50mm的范围内。带有这样的直径和相互间距的开口使得在将线圈和冷却装置相互交替地堆叠在例如圆柱上之后能够实现良好的浇注。即，在浇注时例如粘稠地流动的树脂可很好地通过开口分布到梯度线圈内。

在冷却通道内，可形成至少两个薄膜的相互支撑，特别是通过至少两个薄膜的点状连接和/或点状深拉。所述支撑防止了在制造梯度线圈时或者在线圈和冷却装置平面上下叠置地堆叠时和/或在浇注时冷却通道的封闭或缩窄。

冷却通道的整体可基本上具有蜂窝状模式。在此，结构的蜂窝壁表现了冷却通道的结构。此模式产生了机械强度高且良好地分支的冷却通道。

薄膜的材料可由热塑性塑料制成或包括热塑性塑料。此材料在厚度低时具有良好的导热能力，成本廉价且加工简单，特别是成型良好和/或粘合或焊接良好。

薄膜的材料厚度可例如为0.1mm至0.5mm。冷却装置的厚度可在1mm至5mm的范围内。这基本上比现有技术中已知的例如由冷却软管制成的冷却装置更薄。这产生了前述的对于梯度线圈的优点，例如对于在中心内所需的磁场强度的更低需求的电流强度且与之相关的更低的发热，这又要求了更低需求的冷却功率。

至少一个第一薄膜和至少一个第二薄膜可通过焊接和/或粘合相互连接，特别是导热良好地相互连接。这产生了前述的薄的冷却装置的优点。

冷却装置可包括用于冷却流体的至少一个来流通道和至少一个流出通道，所述通道具有尤其在10mm至50mm的范围内的通道宽度和/或带有对于所述至少一个来流通道和所述至少一个流出通道相同的通道厚度。通过来流通道和流出通道，冷却流体可流来和流出。在所给出的通道宽度下，可防止流动阻塞和可能形成的逆着流动方向的回流。

通过冷却通道形成了冷却区域，且至少一个来流通道和至少一个流出通道可分别布置在冷却区域的对置的侧上。可在一个共同的侧上布置与至少一个来流通道和至少一个流出通道的流体连接。

冷却装置的至少一个边长，特别是冷却装置的所有边长可在0.2m至2m的范围内。这产生了很好地适合于冷却梯度线圈的冷却装置。

根据本发明的所述冷却装置的使用方法包括使得核自旋断层成像装置的梯度线圈的两个平面线圈之间的冷却装置用于将在平面线圈通电时形成的热通过在冷却装置中流动的冷却流体导出。可使用水作为冷却流体。水可大量廉价地使用，且具有高的热容量且因此具有高的冷却效果。但也可使用另外的冷却流体，例如油。

可分别在两个平面线圈之间使用一个冷却装置，特别是带有最小厚度的冷却装置。

冷却装置和平面线圈可在多个层内上下叠置地布置在圆柱形表面上。冷却装置和平面线圈能被用树脂浇注在一起。

与冷却装置的使用方法相联系的优点类似于前文中参考用于布置在梯度线圈的两个平面线圈之间的冷却装置所述的优点。

附图说明

在下文中根据附图详细解释本发明，但本发明不限制于此。

各图为：

图1示出了沿带有根据现有技术的冷却管路6的梯度线圈系统1的横截面的示意性横截图，和

图2示出了带有根据现有技术的冷却垫14的如在图1中所示的梯度线圈系统1的示意截面图，和

图3以俯视图示出了根据现有技术的冷却垫14的原理图，和

图4在作为沿线IV-IV的截面的横截面中图示了图3的冷却垫14，和

图5示出了形式为带有分支的冷却通道17的垫的根据本发明的冷却装置25的局部剖视图，和

图6示出了带有用于冷却通道17的附加的支承件的如图5所示的根据本发明的冷却装置25的局部剖视图，和

图7示出了沿图6中的线VII-VII的截面，和

图8示出了带有来流通道29和流出通道30的如图5、图6、图7所示的根据本发明的冷却装置25的示意图。

具体实施方式

图1示出了根据现有技术的梯度线圈系统1。此梯度线圈系统1具有中空圆筒形式的同心布置的层结构2。层结构2的各层的安装在径向方向上从内向外进行。第一中空圆柱形层3安装在为简化起见在附图中未示出的圆柱形安装辅助件的周面上。第二层4安装在第一层3的外周面上。

最内的两层是第一梯度线圈层3和第二梯度线圈层4，以分别产生各一个横向梯度磁场。在这两个梯度线圈层3、4中构建的梯度线圈是鞍形线圈。

作为下一层，连接了第一冷却层5。在此，所述第一冷却层5是在第二梯度线圈层4的外周面上曲折形地布置的冷却管路6，以将由梯度线圈层生成的热排出。此冷却管路6通过缝合固定在示例载体上，在其上布置了第二梯度线圈层4的梯度线圈。

冷却管路6嵌入在塑料基质7内。填充薄膜形成了塑料基质7的部分，所述填充薄膜在图中未示出且改进了塑料基质的导热能力。

在第一冷却层5上连接了用于产生纵向梯度磁场的第三梯度线圈层8。此第三梯度线圈层8包括轴向布置的梯度线圈。所谓的填隙组件9作为下一层。此填隙组件9包括在梯度线圈系统的轴向方向上布置的且在图1中未示出的袋形中空空间，以接收同样在图中未示出的填隙元件，所述填隙元件基本上是金属条。以此填隙元件，可形成静态基本磁场或主磁场并使之均匀化。

在填隙组件9上连接了另外的第二冷却层10，其中冷却管路6根据已描述的方式布置且固定在位于其下的层上。在径向方向上向外观察时，在此第二冷却装置10上连接了用于产生纵向梯度磁场的第四梯度线圈层11，以及用于产生两个横向梯度磁场的第五梯度线圈层12和第六梯度线圈层13。更靠外的梯度线圈层11、12、13原理上具有与更靠内的梯度线圈层3、4、8相同的构造。但在此，所述更靠外的梯度线圈层11、12、13被设置为使其屏蔽了梯度线圈系统外侧的散射场。以此方式保证，梯度线圈磁场仅存在于梯度线圈系统的内部内。

在将梯度线圈系统1的所有层安装好之后，将间隙以例如环氧树脂或聚氨酯的塑料浇注，使得尤其形成了包围冷却通道6的塑料基质。

第一冷却层5和第二冷却层10用于冷却总计六个梯度线圈层3、4、8、11、12、13。由梯度线圈层3、4、8、11、12、13生成的热通过塑料基质7接收、被传输到流过冷却管路6的冷却流体上且被冷却流体输送出。使用基于水或油的液体作为冷却流体。

将冷却管路6铺设为曲折形的结构导致高的工作成本。此外，梯度线圈系统的层结构的层至少是同心布置的中空圆柱形。在此，冷却管路6必须布置在弯曲的表面上。为在以塑料基质浇注前使得冷却管路6基本上保持其曲折形的结构，将各个冷却管路6在不同的位置上固定地缝合在位于其下方的层上。在此，缝合主要与塑料载体进行，在所述塑料载体上施加了位于下方的梯度线圈层的梯度线圈。这意味着附加的高工作成本。在缝合中此外存在如下风险，即冷却管路6被缝针刺穿且因此不密封。通常，仅在梯度线圈系统1制造完成后在密封性测试时才发现此不密封性。在冷却管路6内的一些孔因此可能使得整个梯度线圈系统1不可使用。

图2示出了根据现有技术的带有作为冷却层5、10的冷却垫14的已知的梯度线圈系统1。与图1中相同，各个梯度线圈层同心地布置在中空圆柱形上。

与图1相同，在径向方向上从内向外布置了三个梯度线圈层3、4和8。然后，布置了填隙组件9。在此填隙组件9上也与图1相同连接了三个梯度线圈层11、12和13。

在各两个相邻的梯度线圈层之间，例如在第一梯度线圈层3和第二梯度线圈层4之间以及在各一个梯度线圈层3、4、8、11、12、13和填隙组件9之间也布置了作为冷却层5、10的冷却垫14。相比如图1中带有冷却管路6的冷却层5、10，此冷却垫14具有显著地低的结构高度。冷却垫14也如两个冷却层5和10将由梯度线圈层3、4、8、11、12、13所生成的热导出。因为图2中的单独的冷却层5、10的结构高度比图1中更小，所以在梯度线圈系统1的各两个相邻的层之间布置了具有冷却垫14的形式的此类冷却层5、10，而不使得整个梯度线圈系统1在径向方向上的结构高度被放大。以此，在可比较的结构高度下可实现对于由梯度线圈层3、4、8、11、12、13所产生的热的明显改进的且均匀的散热。各个冷却垫14的结构在图2和图3中详细解释。

在各个梯度线圈层3、4、8、11、12、13和冷却垫14之间的间隙在梯度线圈系统1的全部层安装好之后以塑料基质填充。由此，各个梯度线圈层3、4、8、11、12、13和冷却垫14相互连接为一体。基于例如环氧树脂制造的塑料基质7具有带有高导热能力的填充物，以实现从梯度线圈层到冷却垫14的良好的传热。此外，塑料基质7具有弹性，以便承受由于各个梯度线圈之间的很高的电流而导致的洛伦兹力。以此方式，在运行中同时衰减了梯度线圈的机械振动，使得梯度线圈系统1在运行中的噪声产生保持为相对低。

图3在俯视图中详细示出了前述的从现有技术中已知的冷却垫14。在图4中在沿剖面线IV-IV的横截面内示出了图3的冷却垫14。冷却垫14包括由热塑性塑料材料制成的两个分开的薄膜15、16。为形成带有平行冷却通道17的通道几何形状，薄膜15、16按照一种成型方法、例如通过深拉成型。

按照深拉方法为每个薄膜提供在所示示例中垂直走向的冷却通道部分18、19，其中冷却通道部分18、19在薄膜15、16相互重叠之后连接成一个形状稳定的冷却介质通道17。此冷却介质通道17近似于曲折形地从入口20行进到出口21，其中在端侧上形成了在截面中未详细示出的各汇总通道部分22。两个薄膜15、16以热连接方法在连接部分23的区域内相互流体密封地连接。这合适地直接在其中可嵌入和深拉每一个薄膜15、16的具有两个成型部分的成型工具内进行。然后，将两个成型部分放置在一起，从而通过在连接部分23的区域内的相应的压力将两个薄膜15、16相互焊接。然后，可将制成的冷却部件从成型件中取出。

如在图4中所图示，在现有技术的所示的实施例中，通道部分18、19在横截面内是多边形的，使得在此总体上形成了冷却流体通道的六边形形状的横截面。通常，为安装在构造梯度线圈时将冷却装置14弯曲，例如弯曲90度或180度。在此，冷却流体通道的壁受到弯曲载荷。其厚度小于0.5mm的薄膜15、16是充分弹性的，使得可能出现的膨胀或压缩可容易地被补偿。

仅在汇合通道22的区域内，合适地将在图中为简化起见而未示出的相应地可变形的结构提供在两个薄膜15、16的区域内，例如具有手风琴结构的形式。此结构容易地允许了弯曲走向的即使横行于弯曲轴线的弯曲走向的汇合通道22。

图5示出了根据本发明的带有蜂窝形结构的冷却通道17的冷却装置25。为形成带有分支的冷却通道17的通道几何形状，两个分开的薄膜15、16按照成型方法如前所述地例如通过深拉而成型。薄膜15、16例如由热塑性塑料材料制成。在冷却通道17之间的区域内，例如通过冲压形成贯通的开口26，所述开口26允许了经过各层浇注梯度线圈系统1。因此，梯度线圈系统1可例如以环氧树脂浇注，且因此机械上被稳定。混入环氧树脂可导致梯度线圈层3、4、8、11、12、13到冷却装置25或14的改进的传热。

开口26也可具有另外的几何形状，只要所述几何形状使物质能够通过。所述几何形状也可在优选的一些制造步骤中在将成型部分置于一起时被冲压，从而产生对应于成型部分的轮廓。

冷却装置25或冷却层5、10、14如例如在图5中所示由刚好两个相连接的薄膜15、16形成的堆叠构成，在所述薄膜之间形成了冷却通道17。由此，冷却装置25可形成为很薄，例如其厚度在1mm至5mm的范围内。

冷却通道17的多重分支的通道结构使冷却流体能够在平面内——例如也横向于图5中所示的冷却流体的流动方向27——很均匀地分布，且因此实现了良好的冷却效果，即将梯度线圈层3、4、8、11、12、13的热良好地输送出。通过冷却装置25的低厚度可制成薄的梯度线圈系统1，其中在相同的场强度下已可提供更大的患者开口。在线圈几何形状相同时，可实现更大的功率。在相同的场强度下，也可降低铜的份额且可降低线圈的直径，这要求了基本磁场的更小的尺寸且因此节约了超导材料。这又节约了成本。制造也是简单的且成本廉价的，因为无需昂贵地铺设和布置冷却管路6。通过所形成的蜂窝状冷却通道17的多孔结构，与用于冷却流体的冷却管路6相比流动阻力降低。因此，用于为梯度线圈系统1供给冷却流体的供给装置构造为更小且更廉价。

在图6中图示了根据本发明的冷却装置25的另外的实施例，所述实施例具有在冷却通道17内分布的支承件28，尤其是规则地分布的支承件28。支承件28可在制造和缠绕梯度线圈层3、4、8、11、12、13和冷却装置层25时或在冷却装置层25弯曲时防止冷却通道17缩窄和/或封闭。在图7中图示了沿图6中的线VII-VII的截面。支承件可如在图示的实施例中是点形的，或也具有另外的形状，例如具有梁形。支承件可例如在薄膜15、16的深拉时且因此在制造通道结构时同时产生。

在图8中图示了根据本发明的带有来流通道29和流出通道30的冷却装置25。通道29、30位于冷却区域的相对的侧上，如在图5或图6中所示地构造。通道29、30第三侧相互并排地结束且在其端部处构造为带有入口20或出口21。冷却流体可通过入口20例如被泵送到冷却装置25内，且通过出口21再从冷却装置25中取出。图8中的箭头意味着冷却流体的流动方向。另外的来流通道29和流出通道30以及入口20和出口21的布置也是可行的。在一个实施例中，冷却装置25的长度l在1132mm的范围内，且宽度b在433mm的范围内。来流通道29和流出通道30的通道宽度

在38.2mm的范围内。这可以是对于梯度线圈系统1的冷却装置25的典型的值，但另外的值也是可以的。

通道壁的内侧可提供以例如具有交叉的槽的形式的表面结构。这些表面结构使湍流的流动得以产生，这促进了从梯度线圈到冷却介质（例如水）的传热。作为带有槽的表面结构的替代，也可使用向内指向的槽作为表面结构，如在此未详细示出的凸块等。这些表面结构分别向内指向通道内部。这例如也实现了使用本来以表面结构优选地完全覆盖的薄膜15、16。在此情况下，表面结构例如在所有通道部分内提供。结构化的薄膜15、16的连接尽管存在表面结构化也容易地实现，然后在成型部分内将热塑性物质加热且因此使之软化，使得通过相应的压力使表面结构在连接时消失且产生完全的薄膜焊接。当然，可在两个通道壁上，即在两个薄膜15、16上提供相应的表面结构。

所使用的薄膜例如包括聚碳酸酯，但也可使用每个另外的以简单的方式可被深拉且具有至少120℃的热稳定性的热塑料，所述热稳定性被要求以在浇注时存在的最高温度下保持状态。

前述实施例可相互组合，但也与现有技术的实施例组合。尺寸可根据要求匹配。根据本发明的冷却装置25的低厚度和冷却通道17的分支的形状，使通过冷却流体进行的良好冷却能够在梯度线圈系统1的与前述优点相联系的低的总厚度下实现。可能的材料节约和更简单的制造在改进的特征下产生了更低的成本。在降低的流动阻力下也垂直于冷却流体的流动方向27的冷却流体的改进的分布改进了冷却装置25的冷却效果且使热量能更好地从梯度线圈系统1热输出。

Claims

1.一种用于布置在梯度线圈（1）的两个平面线圈（3、4、8、11、12、13）之间的冷却装置（25），所述冷却装置（25）带有至少一个第一薄膜（15）和至少一个第二薄膜（16），所述薄膜在区域内相互连接，使得形成了用于冷却流体的贯通的冷却通道（17），其特征在于，所述冷却通道（17）具有分支。

2.根据权利要求1所述的冷却装置（25），其特征在于，冷却通道（17）形成在刚好两个薄膜（15、16）之间，尤其是在一个直的和/或弯曲的面内。

3.根据前述权利要求中任一项所述的冷却装置（25），其特征在于，在薄膜的连接区域（23）中通过冲压至少两个薄膜（15、16）而形成了贯通的开口（26），所述开口（26）尤其能够以浇注物填充。

4.根据权利要求3所述的冷却装置（25），其特征在于，开口（26）的直径在5mm至20mm的范围内，并且/或者开口（26）相互间的距离、特别是规则的距离在20mm至50mm的范围内。

5.根据前述权利要求中任一项所述的冷却装置（25），其特征在于，在冷却通道（17）内形成了至少两个薄膜（15、16）相互的支承件（28），尤其通过至少两个薄膜的点状的连接和/或点状的深拉形成。

6.根据前述权利要求中任一项所述的冷却装置（25），其特征在于，冷却通道（17）的整体基本上具有蜂窝状的模式。

7.根据前述权利要求中任一项所述的冷却装置（25），其特征在于，薄膜（15、16）的材料由热塑性塑料形成或包括热塑性塑料。

8.根据前述权利要求中任一项所述的冷却装置（25），其特征在于，薄膜（15、16）的材料厚度分别在0.1mm至0.5mm的范围内，和/或冷却装置（25）的厚度在1mm至5mm的范围内。

9.根据前述权利要求中任一项所述的冷却装置（25），其特征在于，至少一个第一薄膜（15）和至少一个第二薄膜（16）通过焊接和/或粘合相互连接，尤其是良好导热地连接。

10.根据前述权利要求中任一项所述的冷却装置（25），其特征在于，所述冷却装置（25）包括用于冷却流体的至少一个来流通道（29）和流出通道（30），所述通道的通道宽度尤其在10mm至50mm的范围内和/或带有对于至少一个来流通道（29）和流出通道（30）相同的通道厚度。

11.根据权利要求10所述的冷却装置（25），其特征在于，通过冷却通道（17）形成了冷却区域（31），且至少一个来流通道（29）和流出通道（30）分别布置在冷却区域（31）的对置的侧上，尤其在一个共同的侧上带有与至少一个来流通道（29）和至少一个流出通道（30）的流体连接（20、21）。

12.根据前述权利要求中任一项所述的冷却装置（25），其特征在于，所述冷却装置（25）的至少一个边长，尤其是冷却装置的所有边长在0.2m至2米的范围内。

13.一种根据前述权利要求中一项所述的冷却装置（25）的使用方法，其特征在于，将核自旋断层成像装置的梯度线圈（1）的两个平面线圈（3、4、8、11、12、13）之间的冷却装置（25）用于将在平面线圈（3、4、8、11、12、13）通电时产生的热通过在冷却装置（25）中流动的冷却流体、尤其是作为冷却流体的水导出。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，分别在两个平面线圈（3、4、8、11、12、13）之间使用一个冷却装置（25），尤其是具有最小厚度的冷却装置（25）。

15.根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于，冷却装置（25）和平面线圈（3、4、8、11、12、13）在多个层内上下叠置地布置在圆柱形表面上，尤其是被用树脂浇注在一起。