DE10018165A1 - Gradientenspule mit direkter Kühlung - Google Patents

Abstract

Gradientenspule für MR-Anlagen mit einer direkten Kühlung durch in die Spule eingebettete, von einem Kühlmittel durchströmte Kühlleitungen, wobei die Kühlleitungen im Wesentlichen parallel zueinander, vorzugsweise parallel zur Achse der Gradientenspule verlaufend, zu Wärmetauschermodulen zusammengefasst sind, deren einzelne Kühlleitungen derart miteinander gekoppelt sind, dass die maximale Länge zwischen Zu- und Ablauf eines Moduls der doppelten Spulenhöhe entspricht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gradientenspule für MR- Anlagen mit einer direkten Kühlung durch in die Spule einge­ bettete von einem Kühlmittel durchströmte Kühlleitungen.

In Gradientenspulen für MR-Systeme entsteht wegen der hohen elektrischen Verluste sehr viel Wärme. Diese muss durch akti­ ve Kühlung effektiv abgeführt werden. Wesentliche Gründe für diese Temperaturabfuhr sind einerseits eine unzulässige Be­ lastung des Patienten mit erhöhter Temperatur sowie eine Er­ wärmung des verwendeten Gießharzformstoffes über seine Glas­ übergangstemperatur. Wird der Gießharzformstoff über seine Glasübergangstemperatur erwärmt, so kommt es zu drastischen Veränderungen der mechanischen Eigenschaften, einer möglichen Rissbildung im Formstoff bzw. einer Ablösung von Grenzflächen und daraus folgendem Rückgang der TE-Einsetzspannung. Ver­ schärft wird die Situation durch zunehmend große Unterschiede der thermischen Ausdehnung der verwendeten Materialien (Kup­ fer, GFK, Gießharz) bei höherer Temperatur. Die maximal zu­ lässige Temperatur stellt dabei eine unerwünschte Begrenzung bei der Leistungsauslegung dar.

Neben der Möglichkeit eine Kühlung durch Vorsehen hohler mit Kühlmittel durchströmter elektrischer Leitungen der Spulen­ windungen zu erzielen, besteht die Möglichkeit zur Abführung der Verlustwärme über zwei Lagen bei den gängigen Ausfüh­ rungsformen aus eng gewickelten Kühlschläuchen aus Metall o­ der Polyamid. Neben der nicht optimalen Kühlung durch die häufig schlechte Wärmeleitfähigkeit des verwendeten Schlauch­ materials (Temperatursprung an der Schlauchwand) ergeben sich bei den meisten verwendeten Anordnungen, zu denen unter ande­ rem spiralig gewickelte Strukturen gehören, große Schlauch­ längen zwischen dem Einlass- und Auslass von ca. 50 Metern. Daraus resultiert ein hoher Druckabfall in den Leitungen, was bei eingegossenen Verbindungsteilen zu Undichtigkeiten führen kann, die nachträglich infolge des Vergießens der Gradienten­ spule nur schwer oder überhaupt nicht zu beseitigen sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine neue di­ rekte Kühlung für Gradientenspule zu schaffen, die bei einfa­ chem Aufbau unter Vermeidung großer Kühlleitungslängen effek­ tiv arbeitet und damit eine hohe Leistungsauslegung der Gra­ dientenspule ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Kühlleitungen im Wesentlichen parallel zueinander, vorzugsweise parallel zur Achse der Gradientenspule verlau­ fend, zu Wärmetauscher-Modulen zusammengefasst sind, deren einzelne Kühlleitungen derart miteinander gekoppelt sind, dass die maximale Länge zwischen dem Zulauf und dem Ablauf eines Moduls der doppelten Spulenhöhe entspricht.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung, bei der die durch­ strömte Rohrlänge nur noch maximal das Zweifache der Spulen­ höhe betragen soll, ergeben sich geringe Druckverluste, was auch einen niedrigeren Vordruck erlaubt. Dies wiederum ermög­ licht unter anderem auch eine günstigere Auslegung mit gerin­ geren Wandstärken und damit reduziertem Wärmewiderstand, so dass die Aufnahme der Wärme aus den umgebenden erwärmten Be­ reichen der Gradientenspule verbessert ist. Wegen der Anord­ nung der Kühlleitungen in parallel zueinander verlaufenden Gruppen, die jeweils einen Modul mit einem Zulauf und einem Ablauf bilden, entfällt auch das zeitaufwendige Wickeln der Kühlschlangenebenen, wie es bei einigen bekannten Gradienten­ spulen vorgesehen ist.

Die Kühlleitungen eines Moduls können am einen Ende an einen gemeinsamen Kühlmittelzulauf und am anderen Ende an einen ge­ meinsamen Kühlmittelablauf angekoppelt sein, wobei bei einer ersten Ausführungsform einer solchen Konstruktion der Kühl­ mittelzulauf und/oder der Kühlmittelablauf vorzugsweise mittig in querschnittlich gegenüber den Kühlleitungen erweiterte Verteilkanäle einmünden können. Dabei liegen dann allerdings der Zulauf und der Ablauf abwechselnd an unterschiedlichen Stirnenden der Gradientenspule, was bei der gängigen Ferti­ gung solcher Gradientenspulen Schwierigkeiten bereiten kann. Üblicherweise werden diese nämlich nach dem Wickeln in einer Form von unten nach oben geflutet, so dass die eine Stirnsei­ te vergossen ist und somit dort ein nach außen geführter Kühlmittelzu- oder -ablauf nur schlecht angeordnet werden kann.

Um diese Schwierigkeiten zu vermeiden, kann in Weiterbildung der Erfindung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Er­ findung vorgesehen sein, dass der Kühlmittelrücklauf über ei­ ne Rückführleitung im Wesentlichen parallel zu den Kühllei­ tungen zur Einspeisungsstirnfläche der Gradientenspule mit dem Kühlmittelzulauf zurückgeführt ist, wobei die Rückführ­ leitung einen erweiterten Querschnitt gegenüber den einfachen Kühlleitungen aufweisen soll. Die Ausbildung soll dabei ins­ besondere so getroffen sein, dass die Rückführleitung einen im Wesentlichen ovalen oder rechteckigen Querschnitt auf­ weist, dessen radiale Abmessung der radialen Abmessung der Kühlmittelleitungen entspricht, so dass ein Modul aus Kühl­ leitungen mit einer derartigen Rückführleitung eine einheit­ liche Stärke aufweist, und somit beispielsweise auch zwischen aufeinanderfolgende Wicklungslagen einer Gradientenspule, insbesondere aber auch als Zylindersegment in Wicklungszwi­ schenräume einer Gradientenspule, eingebaut werden kann.

Schließlich liegt es auch noch im Rahmen der Erfindung, einen Teil, vorzugsweise genau eine Hälfte, der Kühlleitungen eines Moduls auf der dem Zulauf abgelegenen Seite als Rückführlei­ tungen miteinander zu koppeln. Im Gegensatz zu den beiden vorherigen Ausführungsbeispielen, bei denen die Kühlleitungen jeweils nur so lang sind wie die Höhe der Gradientenspule, ergeben sich hier effektive Kühlleitungslängen gleich der doppelten Spulenhöhe.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er­ geben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einiger Ausfüh­ rungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Wärmetauscher- Moduls,

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 eine Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmetauscher-Moduls mit Zu- und Ablauf an entgegengesetzten Stirnenden,

Fig. 4 eine Ansicht eines symmetrischen Wärmetauscher- Moduls, bei dem die Kühlleitungen teilweise als Vor- und teilweise als Rücklauf ausgebildet sind,

Fig. 5 einen vergrößerten schematischen Schnitt durch ei­ nen Teil einer Gradientenspule mit erfindungsgemä­ ßen Wärmetauscher-Modulen, und

Fig. 6 einen der Fig. 5 entsprechenden Schnitt durch eine abgewandelte Ausführungsform einer Gradientenspule.

Zur effektiven direkten Kühlung von Gradientenspulen sind er­ findungsgemäß im Wesentlichen als Zylindersegmente ausgebil­ dete Wärmetauscher-Module 1 vorgesehen, die aus einer Mehr­ zahl von parallel zueinander verlaufenden Kühlleitungen 2 be­ stehen, die insgesamt oder in Gruppen am einen Stirnende und am anderen Stirnende derart miteinander gekoppelt sind, dass sich eine maximale Länge zwischen Zulauf 3 und Ablauf 4 eines Moduls 1 entsprechend der doppelten Spulenhöhe ergibt.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind die Kühlleitungen 2 an der Seite des Vorlaufs durch einen gemeinsamen Verteilka­ nal 5 miteinander verbunden, in welche der Zulauf 3 vorzugsweise mittig einmündet. In gleicher Weise sind die Kühllei­ tungen 2 auch an der gegenüberliegenden Seite durch einen Verteilkanal 6 miteinander verbunden, der das gesammelte Kühlwasser über eine Rückführleitung 7 zum Ablauf 4 auf der gleichen Stirnseite wie der Zulauf 3 zurückführt. Der Quer­ schnitt der Verteilkanäle und der Rückführleitung 7 ist dabei größer gewählt als der Querschnitt der Kühlleitungen 2, um nicht den Vorteil der geringen Kühlleitungslängen und damit des geringen Druckabfalls bei der ja mit entsprechend größe­ rem Durchfluss belasteten Rückführleitung wieder zu verlie­ ren. Die Kühlleitungen 2 können dabei Schläuche oder aber auch Metallrohre, beispielsweise Kupferrohre sein, wobei die Kühlleitungen mit ihren Verteilkanälen 5, 6 und der Rückführ­ leitung 7 einen Modul bilden, der als vorgefertigtes Bauteil in eine im Aufbau befindliche Gradientenspulenkonstruktion eingefügt werden kann. Beispielsweise können derartige Module 1, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist, als eine Spulenlage 8 ü­ berdeckende Konstruktion aufgebracht sein, wobei um diese Wärmetauscher-Module dann wieder eine weitere Lage an Gra­ dientenspulenwicklungen angeordnet sein kann usw.

Dabei versteht es sich von selbst, dass Zulauf und Ablauf auch vertauscht werden können, d. h. bei 3 könnte der Ablauf und bei 4 der Zulauf angeordnet sein.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 sind die Kühlleitungen 2 wiederum durch Verteilkanäle 5 und 6 an beiden Stirnenden miteinander verbunden, wobei allerdings der Zulauf 3 am einen Stirnende und der Ablauf 4 am anderen Stirnende angeordnet ist, was bei manchen Bauformen von Gradientenspulen konstruk­ tiv Probleme bereiten kann.

Bei der Anordnung nach Fig. 4 liegen wiederum der Zulauf 3 und der Ablauf 4 an der gleichen Stirnseite des Moduls 1 und damit natürlich auch auf der gleichen Stirnseite der Gradien­ tenspule, in die dieser Modul 1 eingebaut ist. Die eine Hälf­ te der Kühlleitungen 2 dient als Vorlauf, wobei nur diese Hälfte der Kühlleitungen 2 über den Verteilkanal 3 miteinan­ der verbunden und an den Zulauf 3 angeschlossen sind. Die an­ deren Kühlleitungen 2' sind durch einen innerhalb des Ver­ teilkanals 3 angeordneten Unterverteilkanal miteinander ge­ koppelt und an den Ablauf 4 angeschlossen. Durch den Verteil­ kanal 6 auf der rechten Seite erfolgt die Verbindung der Kühlleitungen 2 und 2' untereinander, so dass das über die Kühlleitungen 2 nach rechts geförderte Kühlmittel über die Kühlleitungen 2' wieder nach links zurück und zum Ablauf 4 transportiert wird.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 erkennt man zusätzlich die querschnittlich vergrößerte Ausbildung der Rückführlei­ tung 7', die im Wesentlichen als ovale Leitung ausgebildet ist, deren radiale Höhe dem Durchmesser der normalen Kühllei­ tungen 2 entspricht. Die Fig. 6 zeigt schematisch eine Aus­ führungsform einer Gradientenspule, bei der in die Zwischen­ räume zwischen den Leiterstrukturen 9 einer jeden Spulenlage erfindungsgemäße Wärmetauscher-Module 1 eingebracht sind, wo­ bei eine solche Einbringung von Wärmetauscher-Modulen 1 in allen Spulenlagen oder in mehreren Spulenlagen erfolgen kann. Üblicherweise sind die Leiterstrukturen 9 in den unterschied­ lichen Spulenlagen gegeneinander versetzt und entsprechend sind dann auch die Module 1 im Umfang versetzt zueinander in den einzelnen Spulenlagen angeordnet. Auch hier erkennt man wiederum, dass die im Querschnitt rechteckigen Rückführlei­ tungen 7" einen erheblich größeren Querschnitt aufweisen als die Kühlleitungen 2".

Claims (7)

1. Gradientenspule für MR-Anlagen mit einer direkten Küh­ lung durch in die Spule eingebettete, von einem Kühlmittel durchströmte Kühlleitungen, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Kühlleitungen (2, 2', 2") im Wesentlichen parallel zueinander, vorzugsweise paral­ lel zur Achse der Gradientenspule verlaufend, zu Wärmetau­ scher-Modulen (1) zusammengefasst sind, deren einzelne Kühl­ leitungen derart miteinander gekoppelt sind, dass die maxima­ le Länge zwischen Zulauf (3) und Ablauf (4) eines Moduls (1) der doppelten Spulenhöhe entspricht.

2. Gradientenspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlleitungen (2, 2") eines Moduls am einen Ende an einen gemeinsamen Kühlmit­ telzulauf (3) und am anderen Ende an einen gemeinsamen Kühl­ mittelablauf (4) angekoppelt sind.

3. Gradientenspule nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelzulauf (3) und/oder der Kühlmittelablauf (4) vorzugsweise mittig in querschnittlich gegenüber den Kühlleitungen (2, 2') erweiter­ ten Verteilkanäle (5, 6) einmünden.

4. Gradientenspule nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel über ei­ ne Rückführleitung (7, 7") im Wesentlichen parallel zu den Kühlleitungen (2, 2', 2") zur Einspeisungsstirnfläche der Gradientenspule mit dem Kühlmittelzulauf (3) rückgeführt ist.

5. Gradientenspule nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführleitung (7, 7") einen erweiterten im Wesentlichen ovalen oder rechtecki­ gen Querschnitt aufweist, dessen radiale Abmessung der radia­ len Abmessung der Kühlleitungen (2, 2")entspricht.

6. Gradientenspule nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil, vorzugsweise die Hälfte der Kühlleitungen (2') eines Moduls (1) auf der dem Zulauf (3) abgelegenen Seite als Rück­ führleitungen miteinander gekoppelt sind.

7. Gradientenspule nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscher-Module als Zylindersegmente, vorzugsweise zum Einbau in Wicklungszwischenräume der Gradientenspule, ausge­ bildet sind.