DE102007008122B4

DE102007008122B4 - Anordnung zur Kühlung einer Gradientenspule

Info

Publication number: DE102007008122B4
Application number: DE102007008122.9A
Authority: DE
Inventors: Peter Gröppel; Jürgen Huber; Johann Schuster; Lothar Schön; Stefan Stocker
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2007-02-19
Filing date: 2007-02-19
Publication date: 2014-01-09
Anticipated expiration: 2027-02-20
Also published as: US20080197954A1; DE102007008122A1

Abstract

Anordnung zur Kühlung einer Gradientenspule (GS), – bei der zur Wärmeableitung von Spulenlagen (SL) der Gradientenspule (GS) Kühlschläuche (KS) zum Kühlmitteltransport angeordnet sind, – bei der zur elektrischen Isolierung sowohl zwischen den Spulenlagen (SL) als auch zwischen den Spulenlagen (SL) und den jeweiligen Kühlschläuchen (KS) Isolierplatten (IP) angeordnet sind, – bei der die Isolierplatten (IP) als Prepregs bezeichnete Gewebelagen (GW) aufweisen, die mit einem Reaktionsharz (RH) imprägniert sind, dadurch gekennzeichnet, – dass die Prepreg-Gewebelagen der Isolierplatten Fasern mit einer Wärmeleitfähigkeit von größer oder gleich 0,5 W/m·K aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kühlung einer Gradientenspule gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein Gradientenspulensystem eines Magnetresonanzgeräts weist drei Magnetfeldspulen auf, die längs dreier Raumachsen ausgerichtet sind.
Das Gradientenspulensystem wird meist in einer so genannten Harzmatrix unter Verwendung von Epoxydharz vergossen, um gewünschte mechanische und elektrische Eigenschaften zu gewährleisten. Das Erreichen gewünschter mechanischer Eigenschaften wird beispielsweise in DE 10 2005 029 475 A1 beschrieben.
Bei Gradientenspulen sind Gradientenströme von mehreren hundert Ampere bei elektrischen Spannungen von bis zu 2000 Volt durchaus üblich, so dass aufgrund von Verlustleistungen entstehende große Wärmemengen abgeführt bzw. abgeleitet werden müssen.
Zur Wärmeableitung wird Wasser verwendet, das zur Kühlung der Gradientenspulen vorgesehen ist. Zu diesem Zweck sind zwischen einzelnen Spulenlagen der Gradientenspule Kühlschläuche vorgesehen, die in das Harz eingebettet sind. Typischerweise werden mehrere hundert Meter Kühlschlauch pro Gradientenspule verwendet, die in parallelen Kühlungskreisen angeordnet sind.
Zusätzlich werden einerseits zwischen den Spulenlagen und andererseits auch zwischen den einzelnen Spulen und der jeweilig zugeordneten Wasserkühlung Isolierplatten angeordnet, die aus einem Glasgewebe-Epoxydharzlaminat bestehen. Das Glasgewebe-Epoxydharzlaminat besteht abhängig von der Dicke aus mehreren so genannte ”Prepreg”-Lagen, die bei erhöhter Temperatur und unter Druck verpresst werden.
Als ”Prepregs” bezeichnet man Gewebelagen, die mit einem Reaktionsharz imprägniert sind. Das Reaktionsharz befindet sich im so genannten B-Zustand, d. h. es ist teilweise chemisch vorreagiert. Wird das Reaktionsharz bei erhöhter Temperatur verpresst, schmilzt Harz in der Gewebelage erneut auf, so dass die einzelnen Gewebelagen miteinander verklebt werden – das Reaktionsharz härtet zu einem so genannten ”Duroplasten” aus. Die Wärmeleitfähigkeit der Prepreg-Lagen aufweisenden Isolierplatten beträgt ca. 0,3 W/m·K bis 0,4 W/m·K, so dass diese Isolierplatten einen entscheidenden Wärmewiderstand darstellen, der den Wärmeabtransport von der Gradientenspule zur Wasserkühlung behindert.
Jeweils verbleibende Spulenzwischenräume werden abschließend mit einer Vergussmasse ausgefüllt, wobei als Vergussmasse beispielsweise ein mit Säureanhydrid gehärtetes Epoxydharz verwendet wird. Dieses enthält üblicherweise ca. 65 Gew.-% Quarzmehl als Füllstoff, so dass die Vergussmasse eine Wärmeleitfähigkeit von ca. 0,8 W/m·K bis 0,9 W/m·K aufweist.
4 zeigt einen Querschnitt einer Kühlanordnung gemäß dem Stand der Technik.
Dabei sind Kühlschlauchwindungen KSW in Epoxydharz Epoxy eingebettet. Eine erste Spulenwicklung SW1 und eine zweite Spulenwicklung SW2, die eine jeweilige Wärmequelle WQ bilden, sind durch schlecht wärmeleitfähige Isolierplatten ISO voneinander getrennt. Eine zusätzliche Isolierplatte ISO ist zwischen der zweiten Spulenwicklung SW2 und dem Epoxydharz Epoxy vorgesehen. Ein von den beiden Wärmequellen WQ1, WQ2 gebildeter Wärmefluss WF soll von den beiden Spulenwicklungen SW1, SW2 direkt zu den Kühlschlauchwindungen KSW abgeleitet werden.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung zur Kühlung für eine Gradientenspule anzugeben, mit der einerseits eine verbesserte Ableitung von Verlustwärme erreichbar ist und mit der andererseits eine hochwertige elektrische Isolation zwischen den Gradientenspulenwicklungen gewährleistet wird.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Anordnung verwendet Isolierplatten, die eine oder mehrere und mit einem Reaktionsharz imprägnierte Prepreg-Lagen bzw. Prepreg-Gewebelagen aufweisen. Dabei weisen die Isolierplatten gegenüber handelsüblichen, mit Glasfasern verstärkten Isolierplatten eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit auf – damit ist die Wärmeleitfähigkeit bevorzugt ≥0,5 W/mK.
Die erhöhte Wärmeleitfähigkeit der Isolierplatte wird dadurch erreicht, daß die Prepreg-Gewebelagen aus Fasern (Faserrovings, Einzelfasern bzw. Kurzfasern) mit einer gegenüber Glasfasern erhöhten Wärmeleitfähigkeit bestehen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weisen die Gewebelagen Aluminiumoxydfasern auf.
In einer bevorzugten Weiterbildung werden zumindest zwei Prepreg-Gewebelagen verwendet, wobei zwischen den einzelnen Prepreg-Lagen ein gut wärmeleitfähiger Füllstoff angeordnet ist.
Alternativ oder zusätzlich dazu werden die Prepreg-Lagen mit einem Harz imprägniert, das den gut wärmeleitfähigen Füllstoff beinhaltet.
Als Füllstoff werden in einer bevorzugten Weiterbildung partikelförmige oder faserförmige oder plättchenförmige Materialien verwendet – beispielsweise Quarz oder Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid oder gecoatetes bzw. ummanteltes Aluminiumnitrid oder Titandioxid sowie Bornitrid.
In einer bevorzugten Weiterbildung wird der Füllstoff der Prepreg-Lagen vor der Verwendung mit einem Harz ”gecoatet” bzw. ummantelt, wobei das Harz kompatibel zu den Prepreg-Lagen ist und mit diesen reagiert.
Die Füllstoffe werden in einer bevorzugten Weiterbildung auch dazu verwendet, verbleibende, als ”Zwickel” bezeichnete Zwischenräume an Kreuzungsstellen der so genannten Faser-Rovings auszufüllen. Vorteilhaft wird dadurch der Laminat-Harzanteil verringert und die Wärmeleitfähigkeit erhöht.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden Füllstoffe verwendet, die Nanopartikel aufweisen – beispielsweise Naturalien wie Quarz, Aluminiumoxid, Titandioxid oder Bornitrid.
Diese Nanopartikel unterliegen aufgrund ihrer Größe keinen Filtrationseffekten, so dass eine Wanderung der Nanopartikel zwischen den Filamenten der Faserrovings ermöglicht wird. Dies führt zu einer erhöhten Homogenität der Füllstoffverteilung und damit zu einer verbesserten mechanischen bzw. elektrischen Festigkeit des Spulengesamtsystems.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden Mischungen von Füllstoffen hinsichtlich der Art und/oder der Partikelform verwendet.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung werden die beschriebenen Füllstoffe auch bei konventionellen Prepreg-Gewebelagen verwendet, die auf Glasfasern oder auf Basaltfasern basieren.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung werden zur Imprägnierung so genannte ”flüssig kristalline” Harze verwendet, beispielsweise Epoxydharze. Diese zeichnen sich durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit aus.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird eine effektive, verbesserte Kühlung von Spulenwicklungen der Gradientenspule erreicht.
Damit wird ein Betrieb der Gradientenspule auch bei hohen Stromstärken ermöglicht, ohne eine vorbestimmte Maximaltemperatur unzulässig zu erhöhen.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung werden Temperaturspitzen im Bereich eng gewickelter, leitender Ebenen der Gradientenspulen vermieden, so dass eine gleichmäßigere Temperaturverteilung und geringere mechanische Spannungen im Spulenaufbau ermöglicht werden.
Die erfindungsgemäße Anordnung ist eine Voraussetzung für den Bau von Hochleistungsspulen auf geringstem Bauraum, da die erfindungsgemäße Anordnung zur Kühlung lediglich einen geringen Raumbedarf aufweist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
1 eine erste Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung mit zwei Gewebelagen,
2 eine zweite Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung mit drei Gewebelagen,
3 einen Querschnitt der erfindungsgemäßen Kühlanordnung, und
4 den in der Beschreibungseinleitung beschriebenen Querschnitt einer Kühlanordnung gemäß dem Stand der Technik.
1 zeigt eine erste Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung mit einer ersten Gewebelage GW1 und mit einer zweiten Gewebelage GW2.
Die beiden Gewebelagen GW1 und GW2 weisen jeweilige Faserrovings FR auf und sind durch eine Isolierplatte IP, die den erfindungsgemäß ausgestalteten Füllstoff beinhaltet, voneinander getrennt.
Der Füllstoff weist hier beispielsweise Partikel PAR auf, die beispielsweise aus Quarz oder aus Aluminiumoxid oder aus Aluminiumnitrid oder aus gecoatetem Aluminiumnitrid oder aus Titandioxid oder aus Bornitrid bestehen.
2 zeigt eine zweite Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung mit einer ersten Gewebelage GW1, mit einer zweiten Gewebelage GW2 und mit einer dritten Gewebelage GW3.
Die drei Gewebelagen GW1, GW2 und GW3 weisen jeweilige Faserrovings FR auf und sind durch einen erfindungsgemäß ausgestalteten Füllstoff voneinander getrennt.
Der Füllstoff weist hier beispielsweise wiederum Partikel PAR auf, die beispielsweise aus Quarz oder aus Aluminiumoxid oder aus Aluminiumnitrid oder aus gecoatetem Aluminiumnitrid oder aus Titandioxid oder aus Bornitrid bestehen.
3 einen Querschnitt der erfindungsgemäßen Kühlanordnung.
Bei einer Gradientenspule GS sind zur Wärmeableitung WL von Spulenlagen SL der Gradientenspule GS Kühlschläuche KS zum Kühlmitteltransport angeordnet.
Zur elektrischen Isolierung sind sowohl zwischen den Spulenlagen SL als auch zwischen den Spulenlagen SL und den jeweiligen Kühlschläuchen KS Isolierplatten IP angeordnet.
Die Isolierplatten IP weisen als Prepregs bezeichnete Gewebelagen GW auf, die mit einem Reaktionsharz RH imprägniert sind.
Die Prepreg-Gewebelagen GW weisen Fasern FA auf, die eine gegenüber Glasfasern erhöhte Wärmeleitfähigkeit besitzen.

Claims

Anordnung zur Kühlung einer Gradientenspule (GS), – bei der zur Wärmeableitung von Spulenlagen (SL) der Gradientenspule (GS) Kühlschläuche (KS) zum Kühlmitteltransport angeordnet sind, – bei der zur elektrischen Isolierung sowohl zwischen den Spulenlagen (SL) als auch zwischen den Spulenlagen (SL) und den jeweiligen Kühlschläuchen (KS) Isolierplatten (IP) angeordnet sind, – bei der die Isolierplatten (IP) als Prepregs bezeichnete Gewebelagen (GW) aufweisen, die mit einem Reaktionsharz (RH) imprägniert sind, dadurch gekennzeichnet, – dass die Prepreg-Gewebelagen der Isolierplatten Fasern mit einer Wärmeleitfähigkeit von größer oder gleich 0,5 W/m·K aufweisen.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Prepreg-Gewebelagen Aluminiumoxidfasern aufweisen.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zumindest zwei Prepreg-Gewebelagen ein gut wärmeleitfähiger Füllstoff angeordnet ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prepreg-Gewebelagen mit einem Harz imprägniert sind, das einen gut wärmeleitfähigen Füllstoff beinhaltet.
Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff partikelförmig oder faserförmig oder plättchenförmig ausgebildet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff Quarz und/oder Aluminiumoxid und/oder Aluminiumnitrid und/oder ummanteltes Aluminiumnitrid und/oder Titandioxid und/oder Bornitrid beinhaltet.
Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff vor seiner Verwendung mit einem Harz ummantelt ist, wobei das Harz kompatibel zu den Prepreg-Gewebelagen ist, um mit diesen zu reagieren.
Anordnung nach einem der Ansprüche 3–7, dadurch gekennzeichnet, dass Zwickel zwischen Faser-Rovings mit dem Füllstoff ausgefüllt sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 3–7, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff Nanopartikel aufweist.
Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel aus Quarz und/oder Aluminiumoxid und/oder Titandioxid und/oder Bornitrid sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Prepreg-Gewebelagen aus Glasfasern oder aus Basaltfasern gefertigt sind.