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Die
Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung zur
Anordnung zwischen zwei Flächenspulen
einer Gradientenspule zum Abführen
der bei Bestromung der Flächenspule
entstehenden Wärme
mittels eines in der Kühleinrichtung
strömenden
Kühlmittels.
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Gradientenspulen
für Magnetresonanzgeräte bestehen
im Wesentlichen aus dreiachsigen Magnetfeldspulen, die in einer
Harzmatrix (meist Epoxycharz) vergossen werden, um die gewünschten
mechanischen und elektrischen Eigenschaften der Spule zu erzeugen.
Die Magnetfeldspulen sind üblicherweise
als Flächenspulen
ausgeführt,
umfassend einen Träger,
auf dem die Spulenleiter in einem vorbestimmten Muster aufgebracht
bzw. aufgewickelt sind. Diese Flächenspulen
sind zur Herstellung der üblicherweise
zylindrischen Gradientenspulen gebogen, sie beschreiben in der Regel
einen Teilkreis von etwas weniger als 180°.
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Zum
Erzeugen der Gradientenfelder werden die Flächenspulen bestromt. Die Gradientenströme von mehreren
einhundert Ampere bei elektrischen Spannungen bis 2 kV sind üblich und
führen
zu Verlustleistungen von üblicherweise > 10 kW in Form von
Wärme,
die abgeführt
werden muss. Zu diesem Zweck weist jede Gradientenspule eine Kühleinrichtung
auf. Um die dissipative Leistung möglichst effektiv abführen zu
können
werden zwischen den einzelnen Flächenspulen,
die relativ eng beieinander liegen, die Kühleinrichtung bildende Kühlschläuche in das
Harz eingebettet, wobei typischerweise mehrere 100 m Kühlschlauch
pro Flächenspule
sowie mehrere parallele Kühlkreise
vorgesehen sind. Das Einbringen bzw. Wickeln der Kühlschläuche ist
jedoch sehr aufwändig
und langdauernd. Denn die Kühlschläuche werden
von Hand auf eine Trägerplatte
gewickelt und durch Bohrungen in der Trägerplatte mit Wachsseidenschnüren fixiert,
wobei die Schlauchenden für den
Wasserein- und -auslass unmittelbar nebeneinander platziert werden.
Nachteilig ist ferner, dass mit einem Kühlschlauch, typischerweise
in Form eines Polyamid-Rohres mit einem Außendurchmesser von 8 mm bei
einer Wandstärke
von 1 mm, keine allzu engen Radien gewickelt werden können, ohne
der Gefahr einer zu starken Querschnittsverengung oder der Bildung
eines Knicks, weshalb mitunter Zonen entstehen, die nicht mit einem
Kühlschlauch
belegt werden können.
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Der
Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, eine Kühleinrichtung
anzugeben, die einfach und kostengünstig herstellbar ist und die
Abfuhr großer
Wärmemengen
ermöglicht.
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Zur
Lösung
dieses Problems ist die erfindungsgemäße Kühleinrichtung als flexibles,
mattenartiges Flächengebilde
ausgebildet, ferner weist sie einen wenigstens einen Kühlmittelzufluss
und wenigstens einen Kühlmittelabfluss
aufweisenden Kühlmittelaufnahmeraum
auf.
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Die
erfindungsgemäße Kühleinrichtung
ist nach Art einer Matte, also großflächig ausgebildet und flexibel
ausgeführt.
Das bedeutet, dass sie ohne weiteres der gegebenen Geometrie zwischen
den Flächenspulen
aufgrund der Flexibilität
angepasst werden kann, wie sie auch wegen ihrer geringen Dicke infolge
der mattenartigen Flächengebildeausführung ohne
weiteres in den Zwischenraum integriert werden kann. Infolge der
flächigen
Ausführung
und dem Umstand, dass das Kühlmittel
durch den gesamten Innenraum, den Kühlmittelaufnahmeraum, vom Zufluss
zum Abfluss zirkulieren kann, ergibt sich zwangsläufig eine
sehr große
Kontakt- oder Wärmeaufnahmefläche zu den
Wärmequellen,
also den Flächenspulen
hin, so dass ein hervorragender Wärmeaustausch und die Möglichkeit
zur Abfuhr sehr großer Wärmemengen
infolge der großflächigen Belegung gegeben
ist.
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Eine
solche Kühleinrichtung
als großes
Flächengebilde
lässt sich
wesentlich einfacher herstellen als eine bisherige Kühl einrichtung,
bei der wie beschrieben die mehreren 100 m Kühlschläuche manuell auf den Träger gewickelt
und dort festgebunden werden müssen.
Etwaige Bereiche, die nicht von der Kühleinrichtung erfasst werden,
sind infolge der flächigen
Ausgestaltung nicht gegeben.
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Die
Kühleinrichtung
als Flächengebilde
kann in einfacher Weise beispielsweise dadurch hergestellt werden,
dass zwei flexible Flächenelemente, die
zwischen sich den Kühlmittelaufnahmeraum
bilden, miteinander dicht verbunden werden, wobei lediglich der
wenigstens eine Zufluss und der wenigstens eine Abfluss vorgesehen
sind. Diese flexiblen Flächenelemente
bestehen zweckmäßigerweise
aus Kunststoff, bevorzugt in Form von dünnen Folien, die bevorzugt
eine Dicke ≤ 0,5
mm, insbesondere ≤ 0,2 mm
aufweisen. Derartige Kunststofffolien sind sehr einfach verarbeitbar,
sie können
ohne weiteres beispielsweise miteinander thermisch verschweißt werden
oder miteinander verklebt werden. Zum Verschweißen ist beispielsweise ein
Laserschweißen denkbar
oder eine Verbindung über
heiße
Formplatten (Hotplate-Vefahren). Im Rahmen des Verklebens kann jedweder
auf das Material der Folien abgestellte Kleber, der eine hinreichend
feste und dichte Verbindung ermöglicht,
verwendet werden. Als Material kann jeder thermoplastische Kunststoff,
der im Hinblick auf die gegebenen Temperaturen an den Flächenspulen
hinreichend stabil ist, verwendet werden.
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Alternativ
zum Verbinden der beiden Flächenelemente
wäre es
grundsätzlich
auch denkbar, das flexible, mattenartige und hohle Flächengebilde in
einem Kunststoffblasverfahren als einstückiges Bauteil unter Verwendung
einer geeigneten Blasform herzustellen.
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In
jedem Fall ist es zweckmäßig, wenn
der Kühlmittelaufnahmeraum
in Form eines oder mehrerer Kühlmittelkanäle ausgeführt ist.
Diese Kühlmittelkanäle können insbesondere
bei Verwendung zweier miteinander verbundener Flächengebilde, die miteinander
verschweißt
oder verklebt werden, sehr einfach her ausgearbeitet werden, da zur
Kanalbildung lediglich die Flächengebilde,
also die Kunststofffolien, entsprechend der gewünschten Kanalform, -breite
und -geometrie lokal miteinander verbunden werden. Dabei kann bei
Vorhandensein mehrerer Kühlmittelkanäle ein Kanalsystem
ausgebildet werden, bei dem die einzelnen Kühlmittelkanäle voneinander unabhängig sind,
mithin also jeder Kühlmittelkanal über einen
eigenen Zu- und Abfluss verfügt,
also mehrere parallele Kühlkreisläuse vorgesehen
sind. Denkbar wäre
es auch, ausgehend von einem gemeinsamen Kühlmittelzufluss das Kühlmittel
in verschiedene Kanäle
zu verzweigen und diese wieder an einem gemeinsamen Kühlmittelabfluss
zusammenzuführen.
Letztlich richtet sich zweckmäßigerweise
die Form, der Verlauf und/oder die Anzahl des oder der Kühlmittelkanäle nach
dem Verlauf der Spulenwicklungen einer oder beider angrenzenden
Flächenspulen
der Gradientenspule, für
die die Kühleinrichtung
konzipiert bzw. vorgesehen ist.
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Die
erfindungsgemäße mattenartige
Kühleinrichtung
wird ebenfalls beim Vergießen
der einzelnen Flächenspulen
zur Bildung der Gradientenspule mit in das Vergussmaterial, beispielsweise
ein Epoxydharz, eingegossen. Zur Festigung der Struktur sind zweckmäßigerweise
in der Fläche
der Kühleinrichtung
eine oder verteilt mehrere einen Durchtritt der Vergussmasse ermöglichende
Durchbrechungen vorgesehen, die bevorzugt bereits beim Verbinden der
Flächengebilde
herausgearbeitet werden können,
indem beispielsweise über
die heißen,
dem Verschweißen
dienenden Pressplatten entsprechende Bereiche thermisch herausgeschnitten
werden oder über
den Schweißlaser
herausgetrennt werden. Natürlich
ist auch bei Herstellung des Flächengebildes in
einem Hohlblasverfahren die Herausarbeitung entsprechender Durchbrechungen
ohne weiteres möglich.
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An
den Kühlmittelzu-
und -abflüssen
sind zweckmäßigerweise
jeweils entsprechende Anschlussstücke vorgesehen, die unmittelbar
beim Verschweißen
der Flächengebilde
oder beim Verkleben derselben in den Zufluss/Abfluss des Flächengebildes
eingeschweißt
bzw. eingeklebt werden können. Selbstverständlich besteht
auch die Möglichkeit,
diese erst nachträglich
dort zu fixieren, was bevorzugt ebenfalls durch Verschweißen oder
Verkleben erfolgt, auch im Falle einer Herstellung des Flächengebildes
durch Hohlblasen.
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Insgesamt
ist die erfindungsgemäße Kühleinrichtung
sehr einfach und schnell und kostengünstig herstellbar, nachdem
das aufwändige
Aufwickeln und Vernähen
der Kühlschläuche auf
die Trägerplatten
gänzlich
entfällt.
Ferner bietet sich eine sehr große gestalterische Freiheit
hinsichtlich der Ausgestaltung des Flächengebildes bzw. der Form
des Kühlmittelaufnahmeraums
zur Ausbildung eines oder mehrerer Kühlmittelkanäle, es können ohne weiteres Reihen-
und Parallelkreise ausgebildet werden, die Form und Führung der
Kanäle
kann beliebig gewählt und
bezogen auf die lokale Wärmeentwicklung
an den einzelnen, thermisch gekoppelten Flächenspulen optimiert werden.
Der – bezogen
auf die Integration in der Gradientenspule gesehen – radiale
Aufbau des Flächengebildes
kann sehr flach ausgeführt
sein, verglichen mit den runden Kühlmittelschläuchen, so dass
sich insgesamt eine Bauraumverringerung trotz verbesserter Kühlung erreichen
lässt und
eine sehr effektive Gradientenspulenkühlung mit geringem Druckverlust
erreicht werden kann. Infolge der Verwendung extrem dünner Kunststofffolien
ergibt sich darüber
hinaus auch ein sehr geringer thermischer Widerstand, das heißt, die
Wärmeleitung
zum Kühlmittel
hin ist gegenüber
den relativ dicken Kunststoffrohren deutlich effektiver, was sich
letztlich auch auf eine effektivere Gradientenspulenkühlung auswirkt.
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Neben
der Kühleinrichtung
betrifft die Erfindung ferner eine Gradientenspule, umfassend wenigstens
eine zwischen Flächenspulen
angeordnete Kühleinrichtung
der beschriebenen Art.
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Bevorzugt
sind zwei solche erfindungsgemäßen großflächigen und
mattenartigen Kühleinrichtungen
vorgesehen, die jeweils um ≤ 180° umlaufen. Das
heißt,
die beiden Kühleinrichtungen
ergänzen sich
zu einer gesamten belegten Kühlfläche von
etwas weniger als 360° und
ermöglichen
so eine Kühlung
um den ge samten Gradientenspulenumfang. Denkbar wäre es aber
auch, nur eine Kühleinrichtung vorzusehen,
die um ≤ 360° umläuft. Hier
kommt also eine quasi doppelt große Kühlmatte zum Einsatz, die zwischen
zwei aneinander grenzende Flächenspulen gelegt
wird. Die Länge
der oder jeder Kühleinrichtung sollte
zweckmäßigerweise
im Wesentlichen der Länge
der Flächenspulen
entsprechen, so dass in der gesamten Fläche, in der es zu einer verlustbedingten Wärmeentwicklung
kommen kann, eine optimale Kühlung
erreicht wird.
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Die
radiale Ausdehnung des Kühlmittelaufnahmeraums
oder des oder der Kühlmittelkanäle sollte
zweckmäßigerweise ≤ 10 mm, insbesondere ≤ 5 mm sein.
In Verbindung mit der Verwendung extrem dünner Folien zur Herstellung
der mattenartigen Kühleinrichtung
(Entsprechendes gilt für
die Ausbildung entsprechender Wandstärken bei der Herstellung des
Flächengebildes
in einem Hohlblasverfahren) ist es möglich, den radialen Aufbau
im Bedarfsfall sehr klein zu machen, nachdem trotz allem ein extrem
großes
Kühlmittelvolumen
zur Verfügung
steht. Das heißt,
der vorhandene Bauraum kann noch besser ausgenutzt werden bzw. die
Gradientenspule können
etwas näher
zueinander angeordnet werden.
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Weiterhin
betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Gradientenspule
der beschriebenen Art. Im Rahmen dieses Verfahrens wird zwischen
zwei lagefest fixierte Flächenspulen
bzw. – bezogen
auf den gesamten Umfang der Gradientenspule – zwischen vier jeweils um
ca. 180° umlaufende
Flächenspulen
eine oder mehrere Kühleinrichtungen
der einleitend beschriebenen Art angeordnet, wonach die eine oder
die mehreren Kühleinrichtungen
mit einem Füllmedium,
beispielsweise Luft oder Wasser, befüllt, mithin also aufgeblasen
und in flächige
Anlage an die benachbarten Flächenspulen
gebracht werden, wonach die Flächenspulen
und die befüllte(n)
Kühleinrichtung(en)
in eine Vergussmasse eingegossen werden. Die integrierten Kühleinrichtungen
werden also vor dem Vergießen
mit hinreichend hohem Druck auf geweitet, so dass sie sich optimal in
den vorhandenen Bauraum zwischen den Flächenspulen ausdehnen, wonach
der Verguss erfolgt. Dabei muss genügend Druck in den Kühleinrichtungen
aufgebaut werden, um ein Kolabieren durch den hydrostatischen Druck
der flüssigen
Harzmasse zu vermeiden. Die Vergussmasse benetzt zweckmäßigerweise
die Außenwand
der Kühleinrichtungen,
so dass nach Entlasten des Drucks die Kühleinrichtungen in der auf
geweiteten, offenen Form verbleiben, mithin also die Kühlmittelkanäle etc.
stets geöffnet sind.
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Zweckmäßig ist
es ferner, wenn die eine oder die mehreren Kühleinrichtungen vor dem Einbringen zwischen
die Flächenspulen
einer Corona-Entladungsbehandlung unterzogen werden, was für eine gute
Anbindung des Materials der Kühleinrichtungen, üblicherweise
der Kunststofffolien, an die Vergussmasse, üblicherweise ein Epoxydharz,
vorteilhaft ist.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der
Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 eine
Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Kühleinrichtung,
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2 eine
Schnittansicht in Richtung der Linie II-II durch die Kühleinrichtung
aus 1, und
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3 eine
Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Gradientenspule mit zwei
vergossenen, erfindungsgemäßen Kühleinrichtungen
in einer Schnittansicht.
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße Kühleinrichtung 1 in
Form eines flexiblen, mattenartigen Flächengebildes 2, bestehend
aus zwei großflächigen Flächenelementen 3, 4 (s. 2),
bei denen es sich bevorzugt um Kunststofffolien handelt, die eine
Dicke von bevorzugt ca. 0,2 mm aufweisen. Zwischen den beiden Flächenelementen 3, 4,
die wie beschrieben flexibel sind, ist ein Kühlmittelaufnahmeraum 5 ausgebildet,
wie in 2 angedeutet ist, wo in der linken Schnitthälfte die
beiden Flä chenelemente 3, 4 voneinander
beabstandet gezeichnet sind, was lediglich zu Darstellungs- und
Erläuterungszwecken
erfolgte, um zu zeigen, dass es sich um separate, lokal nicht miteinander
verbundene und folglich voneinander entfernbare Teile handelt, die
zwischen sich einen Kühlmittelaufnahmeraum
ausbilden.
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In
den Kühlmittelaufnahmeraum 5 führt ein Kühlmittelzufluss 6 und
von ihm ab ein Kühlmittelabfluss 7,
die jeweils über
entsprechende Ventile 8, 9 gesteuert, geöffnet und
geschlossen werden können. Der
Kühlmittelaufnahmeraum 5 ist,
siehe die Aufsicht, randseitig über
eine umlaufende Schweißnaht 10 seitlich
abgedichtet. Über
die Fläche
verteilt sind verschiedene innere Schweißnähte 10 vorgesehen, die
die Ausbildung eines Kühlmittelkanals 11,
der vom Kühlmittelzufluss 6 zum
Kühlmittelabfluss 7 gewunden
geführt
ist, vorgesehen. Die Fließrichtung
ist durch die Flusspfeile dargestellt.
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An
dieser Stelle ist darauf hinzuweisen, dass anstelle des lediglich
einen Kühlmittelkanals 11 in 1 auch
mehrere, gegebenenfalls über
separate Zu- und Abflüsse
verfügende
Kühlmittelkanäle durch entsprechende
Anordnung bzw. durch entsprechenden Verlauf der inneren Schweißnähte 10 herausgearbeitet
und vorgesehen werden können.
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Vorgesehen
sind ferner über
die Fläche
verteilt verschiedene abgedichtete Durchbrechungen 12,
die den Durchtritt der Vergussmasse, in die die Kühleinrichtung 1,
wie nachfolgend noch beschrieben wird, eingegossen wird, ermöglichen.
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Die
Länge L
der in 1 gezeigten Kühleinrichtung
entspricht der axialen Länge
der Flächenspulen,
die zum Aufbau der nachfolgend noch beschriebenen Gradientenspule
verwendet werden. Die Breite B der Kühleinrichtung 1 entspricht
ebenfalls im Wesentlichen der Breite der Flächenspulen, die in der Montagestellung,
worauf nachfolgend noch eingegangen wird, wie auch die Kühleinrichtung 1 gebogen
sind, wobei die Kühleinrichtung 1 in
ihrer Länge
B so bemessen ist, dass sie im Wesentlichen einen Teilumfang von
ca. 180° oder
etwas weniger belegt.
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3 zeigt
in Form einer Prinzipdarstellung eine Schnittansicht durch eine
erfindungsgemäße Gradientenspule 13.
Sie besteht aus insgesamt sechs Flächenspulen, die jeweils paarweise
auf verschiedenen Radien liegen. Vorgesehen ist ein inneres Paar
an Flächenspulen 14a, 14b,
bestehend aus jeweiligen Spulenträgern 15a, 15b und
den darauf aufgebrachten Spulenwicklungen 16a, 16b.
Diesen folgt unmittelbar in direktem Kontakt ein zweites Paar an
Flächenspulen 17a, 17b,
ebenfalls bestehend aus jeweils einem Spulenträger 18a, 18b mit
darauf aufgebrachten Spulenwicklungen 19a, 19b.
Zu diesem Flächenspulenpaar 17a, 17b radial
etwas beabstandet ist ein drittes Paar an Flächenspulen 20a, 20b vorgesehen,
ebenfalls bestehend aus einem Träger 21a, 21b sowie
entsprechenden Wicklungen 22a, 22b.
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Zwischen
die beiden Paare an Flächenspulen 17a, 17b und 20a, 20b sind
im gezeigten Beispiel zwei erfindungsgemäße Kühleinrichtungen 1a, 1b eingebracht.
Die Flächenspulen 17a, 17b bzw. 20a, 20b sind
so angeordnet, dass die Spulenwicklungen 19a, 19b bzw. 22a, 22b unmittelbar
an die Kühleinrichtungen 1a, 1b angrenzen.
Zum Einbringen der Kühleinrichtungen 1a, 1b werden
zunächst
die inneren Flächenspulen 14a, 14b und 17a, 17b aufgebaut und
lagefest fixiert, wonach die flexiblen, mattenartigen Kühleinrichtungen 1a, 1b aufgelegt
werden. Anschließend
werden die äußeren Flächenspulen 20a, 20b lagefest
positioniert. Hiernach wird dieser gesamte Aufbau in eine Vergussmasse 23 eingegossen.
Diese Vergussmasse 23 bildet sowohl die Innenfläche 24 wie
auch die Außenfläche 25 der
Gradientenspule 13 und fixiert alle Flächenspulen 14a, 14b, 17a, 17b, 20a, 20b sowie
die Kühleinrichtungen 1a, 1b,
die vor dem Vergießen
unter Verwendung eines Füllmittels
und mit hohem Druck aufgeblasen wurden, ein, fixiert diese also
lagefest und nach dem Aushärten
unverrückbar.
Die auf geweiteten Kühleinrichtungen 1a, 1b haften
an der Vergussmasse an, so dass die Kühlmittelaufnahmeräume 5a, 5b auch nach
dem Entlasten der Kühleinrichtungen 1a, 1b offen
bleiben. Ersichtlich durchsetzt die Vergussmasse 23 auch
die Durchbrechungen 12, die an den Kühleinrichtungen 1a, 1b vorgesehen
sind. Zum Kühlen der
Gradientenspule werden die Kühleinrichtungen 1a, 1b über die
entsprechenden Kühlmittelzuflüsse 6a, 6b mit
Kühlmittel
versorgt, das über
die entsprechenden Kühlmittelabflüsse 7a, 7b abgezogen
wird. Ersichtlich erfolgt ein großflächiger, über die gesamte Fläche der
benachbarten Flächenspulen
erfolgender Wärmeaustausch
zum Kühlmittel
hin statt, nachdem die Kühleinrichtung 1a, 1b die
Flächenspulen
um fast den gesamten Umfang belegen. Die seitens der Flächenspulen 14a, 14b entstehende
Verlustwärme
wird über
die anschließenden
Flächenspulen 17a, 17b, die
mit den inneren Flächenspulen 14a, 14b thermisch
gekoppelt sind, zum Kühlmittel,
bevorzugt Wasser, transportiert.
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Schließlich ist
festzuhalten, dass die in 3 gezeigte
Darstellung selbstverständlich
nicht maßstabgerecht
ist, sondern lediglich exemplarischer und erläutender Natur ist.