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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Magnetresonanzvorrichtung mit einer Magneteinheit, die zumindest eine supraleitende Hauptmagnetspule, eine die zumindest eine supraleitende Hauptmagnetspule umgebende Magnetgehäuseeinheit, ein Kühlsystem, das zumindest einen Kühlkreislauf und eine Wärmeaufnahmeeinheit zur Kühlung der zumindest einen supraleitenden Hauptmagnetspule aufweist, umfasst und einer weiteren Einheit.
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Magnetresonanzvorrichtungen umfassen in der Regel zur Kühlung der supraleitenden Hauptmagnetspulen ein Kühlsystem mit zwei Kühlkreisläufen. Ein erster Kühlkreislauf koppelt dabei thermisch an eine Kryostateinheit mit einem Helium-Kompressor und einem Kaltkopf, der zur Kühlung von Helium bei Temperaturen von ca. –270°C ausgelegt ist. Hierbei wird eine Abwärme der Kryostateinheit auf den ersten Kühlkreislauf übertragen. Ein zweiter Kühlkreislauf des Kühlsystems koppelt thermisch an den ersten Kühlkreislauf, so dass eine Wärmeenergie des ersten Kühlkreislaufs an den zweiten Kühlkreislauf übertragen wird. Derart wird sichergestellt, dass der erste Kühlkreislauf stets eine vorteilhafte Kühltemperatur zur Kühlung der Kryostateinheit aufweist.
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Kommt es nun zu einem Ausfall des zweiten Kühlkreislaufs, ist eine Kühlung der supraleitenden Hauptmagnetspule nicht mehr gewährleistet, da dies letztendlich auch zu einem Überhitzen und/oder einem Abschalten des ersten Kühlkreislaufs führt. Insbesondere wird das Abschalten des ersten Kühlkreislaufs bei Ausfall des zweiten Kühlkreislaufs erforderlich, da ein Abführen einer Abwärme des ersten Kühlkreislaufs und damit der der Kryostateinheit nicht mehr gegeben ist. Kann die Kryostateinheit, insbesondere der Helium-Kompressor und der Kaltkopf, nicht mehr betrieben werden, führt dies zu einem Verdampfen des in einem Heliumgefäß der Kryostateinheit vorhandenen Heliums und erhöht damit einen Heliumdruck in dem Heliumgefäß. Überschreitet dabei der Heliumdruck einen Grenzwert, beginnt das Helium aus dem Heliumgefäß zu entweichen, wodurch hohe Kosten bei der Wiederbeschaffung von Helium für den Betrieb des Magnetresonanzgerätes entstehen können. Beispielsweise kann bei einem Ausfall des Kühlsystems eine Abdampfrate ca. 2 l bis 3 l flüssigem Helium pro Stunde umfassen.
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Diese Problematik ist insbesondere bei Magnetresonanzvorrichtungen mit reduziertem Helium-Füllvolumen besonders nachteilig. Hier kann bereits nach einer kurzen Zeitdauer eines Ausfalls des Kühlsystems eine für einen sicheren Betrieb der Magnetresonanzvorrichtung erforderliche minimale Füllmenge von flüssigem Helium innerhalb des Heliumgefäßes unterschritten werden.
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Aus der
DE 44 08 874 A1 ist ein supraleitender Magnet für eine MRI-Vorrichtung bekannt, wobei der Magnet zur Kühlung in ein Flüssigkeitsgefäß mit flüssigem Helium eintaucht. Zur Kühlung des Heliums steht eine externe Kühlvorrichtung zur Verfügung.
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Des Weiteren ist aus der
DE 36 21 562 A2 eine Kältemaschine bekannt für einen supraleitenden Magneten eines Magnetresonanz-Abbildungsgeräts. Der supraleitende Magnet taucht zur Kühlung in Flüssighelium ein.
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Der vorliegenden Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, ein Kühlsystem zur Kühlung zumindest einer supraleitenden Hauptmagnetspule bereitzustellen, das bei einer Störung von einzelnen Teilkomponenten des Kühlsystems weiterhin eine Kühlung der supraleitenden Hauptmagnetspule gewährleistet und damit auch eine Supraleitfähigkeit des Hauptmagneten zu erhalten. Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die Erfindung geht aus von einer Magnetresonanzvorrichtung mit einer Magneteinheit, die zumindest eine supraleitende Hauptmagnetspule, eine die zumindest eine supraleitende Hauptmagnetspule umgebende Magnetgehäuseeinheit und ein Kühlsystem, das zumindest einen Kühlkreislauf und eine Wärmeaufnahmeeinheit zur Kühlung der zumindest einen supraleitende Hauptmagnetspule aufweist, umfasst, und einer weiteren Einheit.
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Es wird vorgeschlagen, dass das Kühlsystem eine Umschalteinheit mit zumindest einem ersten Kühlungsmodus aufweist, wobei die Umschalteinheit in dem ersten Kühlungsmodus den zumindest einen Kühlkreislauf des Kühlsystems mit der weiteren Einheit zu einem Wärmeenergieaustausch koppelt. Es kann hierdurch mittels der weiteren Einheit der Magnetresonanzvorrichtung ein Kühlbetrieb der supraleitenden Hauptmagnetspule und/oder des Kühlsystems vorteilhaft unterstützt werden. Insbesondere kann hierbei bei einem Ausfall und/oder einer Störung der Wärmeaufnahmeeinheit ein Kühlbetrieb der supraleitenden Hauptmagnetspule und/oder des Kühlsystems aufrechterhalten werden, da vorteilhafterweise eine Wärmeenergie von dem Kühlkreislauf an die weitere Einheit abgegeben werden kann. Insbesondere kann hierbei eine Supraleitfähigkeit der supraleitenden Hauptmagnetspule gesichert werden. Dabei kann eine Abdampfrate eines Kühlungsfluids, beispielsweise von Helium, einer Kryostateinheit zur Kühlung der supraleitenden Hauptmagnetspule insbesondere während des Ausfalls und/oder des Störung der Wärmeaufnahmeeinheit vorteilhaft reduziert und/oder verhindert werden. Vorzugsweise umfasst die weitere Einheit zumindest eine Teilkomponente mit einer hohen Wärmekapazität und/oder einer hohen Masse so dass eine vorteilhafte Aufnahme und/oder Zwischenspeicherung von Wärmeenergie innerhalb der weiteren Einheit erfolgen kann und derart ein Ausfall von insbesondere der der Wärmeaufnahmeeinheit kompensiert werden kann. Die weitere Einheit kann eine speziell zur Wärmeenergieaufnahme ausgelegte Einheit umfassen und/oder eine Einheit umfassen, die innerhalb der Magnetresonanzvorrichtung eine weitere Funktionalität einnimmt und nur in dem ersten Kühlungsmodus der Umschalteinheit eine zusätzliche Funktion der Wärmeenergieaufnahme und/oder der Zwischenspeicherung von Wärmeenergie einnimmt. In diesem Zusammenhang soll unter einer Umschalteinheit insbesondere eine Einheit verstanden werden, die in Abhängigkeit eines Kühlungsmodus den Kühlkreislauf mit der Wärmeaufnahmeeinheit und/oder mit der weiteren Einheit bezüglich eines Austauschs von Wärmeenergie zwischen dem Kühlkreislauf und der Wärmeaufnahmeeinheit und/oder der weiteren Einheit koppelt. Vorzugsweise ist in einem zweiten Kühlungsmodus der Kühlkreislauf mit der Wärmeaufnahmeeinheit für einen Wärmeaustausch zwischen dem Kühlkreislauf und der Wärmeaufnahmeeinheit gekoppelt. Weiterhin soll unter einer Kopplung des Kühlkreislaufs mit der weiteren Einheit insbesondere eine thermische Kopplung verstanden werden. Der Kühlkreislauf des Kühlsystems ist bevorzugt thermisch mit einer Kryostateinheit der supraleitenden Hauptmagnetspule gekoppelt, wobei die Kryostateinheit einem Helium-Kompressor und/oder einem Kaltkopf insbesondere eines Helium-Kühlkreislaufs zur Kühlung der supraleitenden Hauptmagnetspule aufweist, so dass mittels der Umschalteinheit eine Abwärme des Helium-Kühlkreislaufs und/oder des Helium-Kompressors über den Kühlkreislauf an die weitere Einheit abgeführt werden kann. Die Wärmeaufnahmeeinheit kann hierbei einen zweiten Kühlkreislauf umfassen, der vorzugsweise separat zu dem zumindest einen Kühlkreislauf ausgebildet ist, und/oder eine Wärmeaufnahmeeinheit, die zumindest teilweise in den zumindest einen Kühlkreislauf integriert sein kann, wie beispielsweise eine Wärmetauschereinheit, die eine Wärmeenergie des Kühlkreislaufs an eine Umgebung, insbesondere an Luft, abgibt, umfassen.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Umschalteinheit zumindest zwei Kühlungsmodi aufweist und eine Auswahl eines Kühlungsmodus der Umschalteinheit abhängig ist von einem Betriebszustand der Wärmeaufnahmeeinheit. Es kann hierbei vorteilhaft ein redundantes Kühlsystem zur Kühlung und/oder zu einer Ableitung einer Wärmeenergie der Kryostateinheit, insbesondere des Helium-Kühlkreislaufs, der supraleitenden Hauptmagnetspule erreicht werden. Ein Betriebszustand der Wärmeaufnahmeeinheit kann beispielsweise einen normalen Kühlungszustand der Wärmeaufnahmeeinheit oder einen Störzustand der Wärmeaufnahmeeinheit umfassen. Hierbei wird in dem normalen Kühlungszustand der Wärmeaufnahmeeinheit über beispielsweise einen Wärmetauscher eine Wärmeenergie von dem Kühlkreislauf an die Wärmeaufnahmeeinheit, insbesondere an ein Kühlmedium, an beispielsweise Luft, der Wärmeaufnahmeeinheit, übertragen und/oder abgeführt. In dem Störzustand der Wärmeaufnahmeeinheit liegt ein Ausfall und/oder eine Störung der Wärmeaufnahmeeinheit vor, so dass eine Funktion eines Austauschs einer Wärmeenergie von dem Kühlkreislauf an die Wärmeaufnahmeeinheit verhindert ist.
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Umfasst beispielsweise der Betriebszustand der Wärmeaufnahmeeinheit einen Störzustand der Wärmeaufnahmeeinheit, kann durch den ersten Kühlungsmodus der Umschalteinheit und eine Abgabe der Wärmeenergie an die weitere Einheit eine Kühlung und damit ein Betrieb der supraleitenden Hauptmagnetspule trotz des Störzustands der Wärmeaufnahmeeinheit aufrechterhalten werden. Insbesondere kann hierbei mittels der weiteren Einheit der Ausfall der Wärmeaufnahmeeinheit vorteilhaft überbrückt werden und damit eine Supraleitfähigkeit der Hauptmagnetspule erhalten werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Wärmeaufnahmeeinheit einen zweiten Kühlkreislauf umfasst, wodurch vorteilhafterweise die Wärmeaufnahmeeinheit von dem zumindest einen Kühlkreislauf des Kühlsystems entkoppelt werden kann. Vorzugsweise koppelt der zweite Kühlkreislauf mittels einer Wärmetauschereinheit mit dem zumindest einen Kühlkreislauf des Kühlsystems.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das Kühlsystem eine Kryostateinheit aufweist, die zu einer Kühlung eines Kühlungsfluids der supraleitenden Hauptmagnetspule ausgelegt ist, wobei die Kryostateinheit in dem ersten Kühlungsmodus in einen Sicherungsbetriebszustand mittels der Umschalteinheit schaltbar ist. Derart kann eine bei der Kühlung des Kühlungsfluids mittels der Kryostateinheit entstehende Wärmeenergiemenge minimiert werden, da in dem Sicherungsbetriebszustand die Kryostateinheit beispielsweise nur noch ein Minimum einer Kühlleistung, die für einen Betrieb der supraleitenden Hauptmagnetspule erforderlich ist, erzeugt wird. Zudem kann der Betrieb der supraleitenden Hauptmagnetspule über einen langen Zeitraum, bei dem sich beispielsweise die Wärmeaufnahmeeinheit in einem Störzustand befindet, vorteilhaft aufrechterhalten und/oder überbrückt werden, wobei der zu überbrückende Zeitraum in dem Störzustand insbesondere bis zu einigen Stunden betragen kann. Der Sicherungsbetriebszustand der Kryo-stateinheit kann beispielsweise einen Standby-Betriebszustand und/oder einen gepulsten Betriebszustand umfassen, bei dem sich ein aktiver Modus, bei dem eine Kühlleistung zur Kühlung des Heliums erzeugt wird, und ein nichtaktiver Modus, bei dem keine Kühlleistung erzeugt wird, der Kryostateinheit abwechseln.
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Eine konstruktiv einfache thermische Kopplung der weiteren Einheit mit dem ersten Kühlkreislauf kann vorteilhaft erreicht werden, wenn das Kühlsystem zumindest eine Ventileinheit aufweist, wobei die Ventileinheit von der Umschalteinheit steuerbar ist. Vorzugsweise kann hierbei die Ventileinheit, insbesondere einzelne Ventile der Ventileinheit, in Abhängigkeit von einem Kühlungsmodus der Umschalteinheit gesteuert werden, so dass in einem Störzustand der Wärmeaufnahmeeinheit der Kühlkreislauf des Kühlsystems derart variiert werden kann, dass er mit der weiteren Einheit thermisch koppeln kann.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das Kühlsystem eine Temperatursensoreinheit zu einer Erfassung einer Kühltemperatur umfasst. Es kann derart vorteilhafterweise eine Temperatur der weiteren Einheit, insbesondere eines Wärmeenergiespeichers der weiteren Einheit, erfasst werden. Vorzugsweise wird die Kühltemperatur von der Temperatursensoreinheit an die Umschalteinheit übertragen und/oder weitergeleitet, so dass stets eine Überwachung und/oder Kontrolle der Kühltemperatur mittels der Umschalteinheit erfolgen kann.
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Ist die Umschalteinheit dazu ausgelegt, bei einem Überschreiten eines Schwellenwerts durch die Kühltemperatur die weitere Einheit von dem ersten Kühlkreislauf thermisch zu entkoppeln, kann ein vorteilhafter Schutz der weiteren Einheit erreicht werden. Insbesondere kann hierbei die weitere Einheit vor einer Überhitzung geschützt werden, wie dies insbesondere bei einer weiteren Einheit, die eine bereits bestehende Einheit der Magnetresonanzvorrichtung, wie beispielsweise eine Gradientenspuleneinheit und/oder eine Elektronikeinheit usw., umfasst, mit einer von einer Wärmeenergiespeicherung abweichenden Funktionalität von Vorteil ist.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die weitere Einheit unabhängig von der Wärmeaufnahmeeinheit ausgebildet ist, wodurch die weitere Einheit für eine Wärmeenergiedeposition, insbesondere bei einem Störzustand der Wärmeaufnahmeeinheit, zur Verfügung steht, so dass stets ein Wärmereservoir zur Speicherung der Abwärme des Kryostateinheit zur Verfügung steht.
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Vorzugsweise umfasst die weitere Einheit eine bereits existierende Einheit innerhalb der Magnetresonanzvorrichtung, wobei die weitere Einheit neben einer Speicherung einer Wärmeenergie insbesondere eine weitere Funktionalität für einen Betrieb der Magnetresonanzvorrichtung aufweist, so dass eine besonders kompakte und Kosten sparende weitere Einheit für eine Zwischenspeicherung einer Wärmeenergie zur Verfügung steht.
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Weist die Magneteinheit eine Gradientenspuleneinheit auf und ist die weitere Einheit zumindest teilweise von der Gradientenspuleneinheit gebildet, kann das Kühlsystem besonders kompakt und Kosten sparend innerhalb der Magnetresonanzvorrichtung, insbesondere innerhalb der Magneteinheit, integriert werden. Insbesondere kann hierbei bereits eine bestehende Einheit der Magnetresonanzvorrichtung mit einer von einer Wärmespeicherung und/oder Energiespeicherung abweichenden Funktionalität, wie beispielsweise einer Erzeugung von Gradientenpulsen, als Wärmeenergiespeicher zu einer Überbrückung einer Störung der Wärmeaufnahmeeinheit verwendet werden. Die Gradientenspuleneinheit ist bevorzugt aus einem Kupfermaterial und einem glasfaserverstärktem Material gebildet, wobei das Kupfermaterial eine spezifische Wärmekapazität von ca. 0,35 kJ/kgK und das glasfaserverstärkte Material eine spezifische Wärmekapazität von ca. 1,1 kJ/kgK aufweist. Bei einer Masse von ca. 500 kg der Gradientenspuleneinheit könnte die Gradientenspuleneinheit nach beispielsweise einer Kopplungszeit von ca. 1 Stunde mit dem Kühlkreislauf des Kühlsystems mit einer Heizleistung von ca. 6 kW der Kryostateinheit einen Temperaturanstieg von ca. 60 K aufweisen.
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Zudem kann die Magnetresonanzvorrichtung eine Elektronikeinheit aufweisen, wobei die weitere Einheit zumindest teilweise von der Elektronikeinheit gebildet ist, wodurch ebenfalls das Kühlsystem besonders kompakt und Kosten sparend innerhalb der Magnetresonanzvorrichtung integriert werden kann. Auch hier kann bereits eine bestehende Einheit der Magnetresonanzvorrichtung mit einer von einer Wärmespeicherung und/oder Energiespeicherung abweichenden Funktionalität als Wärmeenergiespeicher zu einer Überbrückung einer Störung der Wärmeaufnahmeeinheit verwendet werden. Die Elektronikeinheit kann hierbei einen separaten Kühlkreislauf mit einem Kühlungsfluid zur Kühlung von einzelnen Elektronikkomponenten aufweisen, wobei insbesondere dieser separate Kühlkreislauf vorzugsweise im Störfall der Wärmeaufnahmeeinheit von der Umschalteinheit thermisch mit dem Kühlkreislauf des Kühlsystems gekoppelt wird. Das Kühlungsfluid umfasst vorzugsweise Wasser mit einer spezifischen Wärmekapazität von ca. 4 kJ/kgK. Bei einer zur Gradientenspuleneinheit entsprechenden Gewichtsannahme von 500 kg Wasser und einer Heizleitung der Kryostateinheit von ca. 6 KW ist nach einer Stunde lediglich ein Temperaturanstieg von ca. 10 K zu erwarten.
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Des Weiteren kann die weitere Einheit zumindest teilweise auch ein Außengehäuse der supraleitenden Hauptmagnetspule umfassen und/oder weitere, dem Fachmann als sinnvoll erscheinende Einheiten der Magneteinheit und/oder der Magnetresonanzvorrichtung.
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Eine besonders vorteilhafte Ableitung von Wärmeenergie aus dem ersten Kühlkreislauf kann vorteilhaft erreicht werden, wenn die weitere Einheit zumindest teilweise eine speziell zur Wärmespeicherung und/oder zur Energiespeicherung ausgelegte Einheit umfasst. Hierbei kann die weitere Einheit beispielsweise eine Paraffinspeichereinheit, deren Schmelzenthalpie ca. 200 kF/kg ist, umfassen. Zudem sind weitere, dem Fachmann als sinnvoll erscheinende externe Einheiten zur Speicherung und/oder Aufnahme von Wärmeenergie aus dem Kühlsystem der Magnetresonanzvorrichtung denkbar, wie beispielsweise bereits innerhalb eines Gebäudes, in dem die Magnetresonanzvorrichtung installiert ist, und/oder innerhalb einer Heizungsanlage installierte Energiespeichereinheiten und/oder Wärmespeichereinheiten.
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Des Weiteren geht die Erfindung aus von einem Verfahren zu einer Kühlung einer supraleitenden Hauptmagnetspule einer Magnetresonanzvorrichtung, wobei ein Störzustand einer Wärmeaufnahmeeinheit eines Kühlsystems zu einem ersten Kühlungsmodus einer Umschalteinheit führt und in diesem ersten Kühlungsmodus ein Kühlkreislauf des Kühlsystems mit einer weiteren Einheit thermisch gekoppelt wird. Es kann hierdurch mittels der weiteren Einheit der Magnetresonanzvorrichtung ein Kühlbetrieb der supraleitenden Hauptmagnetspule und/oder das Kühlsystem vorteilhaft unterstützt werden. Insbesondere kann hierbei bei einem Ausfall und/oder bei einer Störung der Wärmeaufnahmeeinheit ein Kühlbetrieb der supraleitenden Hauptmagnetspule und/oder des Kühlsystems aufrechterhalten werden, da vorteilhafterweise eine Wärmeenergie von dem Kühlkreislauf des Kühlsystems an die weitere Einheit abgegeben werden kann. Insbesondere kann hierbei eine Supraleitfähigkeit der supraleitenden Hauptmagnetspule gesichert werden. Dabei kann eine Abdampfrate eines Kühlungsfluids, beispielsweise von Helium, einer Kryostateinheit zur Kühlung der supraleitenden Hauptmagnetspule insbesondere während des Ausfalls und/oder des Störung der Wärmeaufnahmeeinheit vorteilhaft reduziert und/oder verhindert werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird vorgeschlagen, dass in dem ersten Kühlungsmodus der Umschalteinheit eine Kryostateinheit des Kühlsystems in einen Sicherungsbetriebszustand betrieben wird. Derart kann eine bei der Kühlung des Kühlungsfluids mittels der Kryostateinheit entstehende Wärmeenergiemenge minimiert werden, da in dem Sicherungsbetriebszustand die Kryostateinheit beispielsweise nur noch ein Minimum einer Kühlleistung, die für einen Betrieb der supraleitenden Hauptmagnetspule erforderlich ist, erzeugt wird. Zudem kann der Betrieb der supraleitenden Hauptmagnetspule über einen langen Zeitraum, bei dem sich beispielsweise die Wärmeaufnahmeeinheit in einem Störzustand befindet, vorteilhaft aufrechterhalten und/oder überbrückt werden, wobei der zu überbrückende Zeitraum in dem Störzustand beispielsweise bis zu einige Stunden betragen kann. Der Sicherungsbetriebszustand der Kryostateinheit kann beispielsweise einen gepulsten Betriebszustand umfassen.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass in dem ersten Kühlungsmodus eine Kühltemperatur der weiteren Einheit überwacht wird. Derart kann die weitere Einheit vorteilhaft vor einer Überhitzung geschützt werden, wie dies insbesondere von Vorteil ist, wenn die weitere Einheit zumindest teilweise eine innerhalb der Magneteinheit und/oder der Magnetresonanzvorrichtung integrierte Einheit, die neben einer Funktion einer Wärmeenergieaufnahme auch eine weitere Funktionsweise für einen regulären Betrieb der Magneteinheit und/oder der Magnetresonanzvorrichtung aufweist, umfasst.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen.
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Es zeigen:
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1 eine erfindungsgemäße Magnetresonanzvorrichtung in einer schematischen Darstellung,
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2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Kühlsystems der Magnetresonanzvorrichtung in einer schematischen Darstellung,
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3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Kühlsystems der Magnetresonanzvorrichtung in einer schematischen Darstellung,
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4 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Kühlsystems der Magnetresonanzvorrichtung in einer schematischen Darstellung und
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5 ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Kühlung einer supraleitenden Hauptmagnetspule.
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In 1 ist eine erfindungsgemäße Magnetresonanzvorrichtung 10 schematisch dargestellt. Die Magnetresonanzvorrichtung 10 umfasst eine Magneteinheit 11 mit einem Hauptmagneten 12, der eine supraleitende Hauptmagnetspule 13 oder mehrere supraleitenden Hauptmagnetspulen 13 zu einem Erzeugen eines starken und insbesondere konstanten Hauptmagnetfelds 14 aufweist.
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Für einen Betrieb der Magnetresonanzvorrichtung 10 ist es erforderlich, dass die eine supraleitende Hauptmagnetspule 13 oder die mehreren supraleitenden Hauptmagnetspulen 13 mit einem von flüssigem Helium gebildeten Kühlungsfluid auf eine Temperatur von ca. –270°C gekühlt werden. Hierzu weist die Magnetresonanzvorrichtung 10, insbesondere die Magneteinheit 11, ein Kühlsystem 15 mit einer Kryostateinheit 16 auf. Die Kryostateinheit 16 umfasst einen Helium-Kompressor 17 und einen nicht näher dargestellten Kaltkopf zur Kühlung des Heliums. Die supraleitende Hauptmagnetspule 13 ist mittels einer Magnetgehäuseeinheit 24 nach außen abgeschirmt.
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Die Magneteinheit 11 weist weiterhin eine Gradientenspuleeinheit 18 zu einer Erzeugung von Magnetfeldgradienten auf, die für eine Ortskodierung während einer Bildgebung verwendet wird. Des Weiteren weist die Magneteinheit 11 eine Hochfrequenzantenneneinheit 19 zu einer Anregung einer Polarisation, die sich in dem von dem Hauptmagneten 12 erzeugten Hauptmagnetfeld 14 einstellt, auf. Die Hochfrequenzantenneneinheit 19 strahlt hochfrequente Magnetresonanzsequenzen in einen Untersuchungsraum, der im Wesentlichen von einem Patientenaufnahmebereich 20 gebildet ist, ein. Des Weiteren weist die Magnetresonanzvorrichtung 10 eine Elektronikeinheit 21 auf, die zu einer Steuerung der Gradientenspuleneinheit 18 und zu einer Steuerung der Hochfrequenzantenneneinheit 19 ausgelegt ist.
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Ferner weist die Magnetresonanzvorrichtung 10 einen zylinderförmigen Patientenaufnahmebereich 20 auf zu einer Aufnahme eines Patienten 22, wobei der Patientenaufnahmebereich 20 in einer Umfangsrichtung von der Magneteinheit 11 zylinderförmig umschlossen ist. Der Patient 22 kann mittels einer Patientenlagerungsvorrichtung 23 der Magnetresonanzvorrichtung 10 in den Patientenaufnahmebereich 20 geschoben werden. Die Patientenlagerungsvorrichtung 20 weist hierzu einen Liegentisch auf, der bewegbar innerhalb der Magnetresonanzvorrichtung 10 angeordnet ist.
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Zu einer Abführung einer Abwärme der Kryostateinheit 16 weist das Kühlsystem 15 einen Kühlkreislauf 25, der von einem ersten Kühlkreislauf gebildet ist, und eine Wärmeaufnahmeeinheit 26 auf, wobei die Wärmeaufnahmeeinheit 26 einen zweiten Kühlkreislauf umfasst. Der erste Kühlkreislauf 25 ist hinsichtlich eines Wärmeaustauschs mit der Kryostateinheit 16 gekoppelt, um eine Abwärme des Kaltkopfs und/oder des Helium-Kompressors 17 während der Erzeugung einer Kühlleistung abzuführen. Hierzu weist der erste Kühlkreislauf 25 Kühlleitungen auf, in denen ein Kühlungsfluid zirkuliert. Das Kühlungsfluid kann beispielsweise von Wasser und/oder von weiteren, dem Fachmann als sinnvoll erscheinenden Fluiden gebildet sein. Der zweite Kühlkreislauf ist über eine Wärmetauschereinheit 27 mit dem ersten Kühlkreislauf 25 hinsichtlich eines Wärmeaustauschs gekoppelt, so dass eine Wärmeenergie aus dem ersten Kühlkreislauf 25 in den zweiten Kühlkreislauf abgeführt werden kann und derart stets eine effektive Kühlung der Kryostateinheit 16 gewährleistet ist. Die Wärmetauschereinheit 27 kann hierbei innerhalb des ersten Kühlkreislaufs 25 und/oder des zweiten Kühlkreislaufs angeordnet sein. Zudem kann die Wärmetauschereinheit auch separat zum ersten Kühlkreislauf 25 und zum zweiten Kühlkreislauf ausgebildet sein.
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Das Kühlsystem 15 weist weiterhin eine Umschalteinheit 28 auf. Die Umschalteinheit 28 umfasst mehrere Kühlungsmodi, wobei eine Auswahl eines Kühlungsmodus innerhalb der Umschalteinheit 28 in Abhängigkeit von einem Betriebszustand der Wärmeaufnahmeeinheit 26, insbesondere von einem Betriebszustand des zweiten Kühlkreislaufs, gewählt wird. Hierzu ist die Umschalteinheit 28 mit dem zweiten Kühlkreislauf hinsichtlich einer Erfassung des Betriebszustands des zweiten Kühlkreislaufs gekoppelt.
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Der Betriebszustand des zweiten Kühlkreislaufs kann von einem Störzustand, bei dem insbesondere eine Kühlung und/oder eine Ableitung einer Wärmeenergie mittels des zweiten Kühlkreislaufs nicht mehr gewährleistet werden kann und/oder verhindert ist, umfassen. Zudem kann in dem Störzustand auch einen Zustand umfassen, bei dem ein Wärmeaustausch des zweiten Kühlkreislaufs mit dem ersten Kühlkreislauf 25 nicht mehr gewährleistet werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann der Störzustand des zweiten Kühlkreislaufs 26 hierbei auch eine Störung der Wärmetauschereinheit 27 umfassen. Ein weiterer Betriebszustand des zweiten Kühlkreislaufs kann beispielsweise einen normalen Kühlungsbetriebszustand umfassen, bei dem der zweite Kühlkreislauf keine Störung aufweist und insbesondere ein Wärmeenergieaustausch zwischen dem ersten Kühlkreislauf 25 und dem zweiten Kühlkreislauf erfolgt.
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Ist der zweite Kühlkreislauf in dem von dem Störzustand gebildeten Betriebszustand, wird innerhalb der Umschalteinheit 28 ein erster Kühlungsmodus ausgewählt. Ist der zweite Kühlkreislauf dagegen in einem normalen Kühlungsbetriebszustand, wird innerhalb der Umschalteinheit 28 ein zweiter Kühlungsmodus ausgewählt. In diesem zweiten Kühlungsmodus wird von der Umschalteinheit 28 der zweite Kühlkreislauf 26 mit dem ersten Kühlkreislauf 25 hinsichtlich eines Austauschs einer Wärmeenergie thermisch gekoppelt.
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Die Erfassung eines Betriebszustands des zweiten Kühlkreislaufs und eine Auswahl eines entsprechenden Kühlungsmodus innerhalb der Umschalteinheit 28 erfolgen automatisch und/oder selbsttätig innerhalb der Umschalteinheit 28. Hierzu weist die Umschalteinheit 28 eine erforderliche Software und/oder Computerprogramme auf, die innerhalb einer Speichereinheit der Umschalteinheit 28 gespeichert sind und während eines Ablaufs auf einem Prozessor der Umschalteinheit derartige Schritte zur Erfassung eines Betriebszustands des zweiten Kühlkreislaufs und/oder zur Auswahl eines entsprechenden Kühlungsmodus ausführen und/oder veranlassen.
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In dem ersten Kühlungsmodus der Umschalteinheit 28 erfolgt von der Umschalteinheit 28 eine Kopplung des ersten Kühlkreislaufs 25 hinsichtlich eines Austauschs einer Wärmeenergie mit einer weiteren Einheit 29, die von der Magnetresonanzvorrichtung 10 umfasst ist. Die weitere Einheit 29 ist hierbei unabhängig von dem zweiten Kühlkreislauf des Kühlsystems 15 ausgebildet, so dass bei einer Störung des zweiten Kühlkreislaufs eine Wärmeenergie des ersten Kühlkreislaufs 25 an die weitere Einheit 29 abgegeben werden kann und derart ein Betrieb der Magneteinheit 11 trotz des Störzustands des zweiten Kühlkreislaufs aufrechterhalten werden kann.
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Das Kühlsystem 15 weist weiterhin eine Ventileinheit 30 auf mit mehreren Ventilen. Die einzelnen Ventile der Ventileinheit 30 sind mittels der Umschalteinheit 28 steuerbar. In dem ersten Kühlungsmodus der Umschalteinheit 28 werden von der Umschalteinheit 28 alle Ventile, die innerhalb des ersten Kühlkreislaufs 25 angeordnet sind, derart von der Umschalteinheit 28 geschalten, dass Kühlleitungen innerhalb des ersten Kühlkreislaufs 25 einen geschlossenen Kreislauf bilden, der sowohl eine nicht näher dargestellte Zirkulationspumpe des ersten Kühlkreislaufs 25 als auch eine Wärmetauscheinheit mit der Kryostateinheit 16 umfasst. Die Stellung der Ventileinheit 30, insbesondere der einzelnen Ventile, ermöglicht auch eine Kopplung, insbesondere eine thermische Kopplung, des geschlossenen Kreislaufs mit der weiteren Einheit 29.
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Des Weiteren wird in dem ersten Kühlungsmodus der Umschalteinheit 28 die Kryostateinheit 16 von der Umschalteinheit 28 in einen Sicherungsbetriebszustand geschalten. Der Sicherungsbetriebszustand kann beispielsweise einen gepulsten Betriebszustand umfassen, bei dem innerhalb der Kryostateinheit 16 nur die Menge an Kälteleistung erzeugt wird, die gerade ein Abdampfen und/oder Entweichen von Helium zu verhindern. Alternativ hierzu können auch weitere Komponenten des Kühlsystems 15 und/oder der Magneteinheit 11 hierbei von der Umschalteinheit 28 in einen Standby-Modus geschalten werden, so dass ein weiteres Erzeugen von Wärmenergie vorteilhaft verhindert wird.
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Die weitere Einheit 29 umfasst bevorzugt eine Einheit mit einer hohen Masse und einer hohen Wärmespeicherfunktionalität. Die weitere Einheit 29 kann hierbei beispielsweise die Gradientenspuleneinheit 18 und/oder ein Gehäuse der Magneteinheit 11 und/oder die Elektronikeinheit 21, insbesondere einem nicht näher dargestellten Kühlkreislauf der Elektronikeinheit 21, und/oder weitere, dem Fachmann als sinnvoll erscheinende Einheiten umfassen.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst die weitere Einheit 29 die Gradientenspuleneinheit 18. Die Gradientenspuleneinheit 18 ist bevorzugt aus einem Kupfermaterial und einem glasfaserverstärktem Material gebildet, wobei das Kupfermaterial eine spezifische Wärmekapazität von ca. 0,35 kJ/kgK und das glasfaserverstärkte Material eine spezifische Wärmekapazität von ca. 1,1 kJ/kgK aufweist. Bei einer Masse von ca. 500 kg der Gradientenspuleneinheit 18 kann die Gradientenspuleneinheit 18 nach ca. 1 Stunde bei einer eine Heizleistung von ca. 6 kW der Kryostateinheit 16 einen Temperaturanstieg von ca. 60 K aufweisen.
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Des Weiteren umfasst im vorliegenden Ausführungsbeispiel die weitere Einheit 29 zumindest teilweise die Elektronikeinheit 21, insbesondere einen bereits bestehenden, separat zu dem Kühlsystem 15 der supraleitenden Hauptmagnetspule 13 ausgebildeten Kühlkreislauf der Elektronikeinheit 21. Der separat zu dem Kühlsystem 15 der supraleitenden Hauptmagnetspule 13 ausgebildete Kühlkreislauf der Elektronikeinheit 21 weist ein Kühlungsfluid zur Kühlung von einzelnen Elektronikkomponenten der Elektronikeinheit 21 auf. Das Kühlungsfluid umfasst im vorliegenden Ausführungsbeispiel Wasser, das eine spezifische Wärmekapazität von ca. 4 kJ/kgK aufweist. Bei einer gegenüber der Gradientenspuleneinheit 18 gleichen Heizleistung von ca. 6 KW der Kryostateinheit 16 und einer gleichen angenommen Masse des Kühlungsfluids von ca. 500 kg wäre nach ca. einer Stunde lediglich ein Temperaturanstieg von ca. 10 K zu erwarten.
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Das Kühlsystem 15 weist ferner eine Temperatursensoreinheit 32 auf, die zu einer Erfassung einer Kühltemperatur innerhalb der weiteren Einheit 29 ausgelegt ist. Die Temperatursensoreinheit 32 ist innerhalb der weiteren Einheit 29 angeordnet. Die von der Temperatursensoreinheit 32 erfasste Kühltemperatur wird von der Umschalteinheit 28 ausgewertet. Überschreitet hierbei die erfasste Kühltemperatur einen vorgegebenen Schwellenwert, wird von der Umschalteinheit 28 die thermische Kopplung zwischen dem ersten Kühlkreislauf 25 und der weiteren Einheit 29 entkoppelt und damit ein Wärmeenergieaustausch des ersten Kühlkreislaufs 25 mit der weiteren Einheit 29 gestoppt, um eine Überhitzung der weiteren Einheit 29 zu verhindern. Hierzu werden auch die einzelnen Ventile der Ventileinheit 30 von der Umschalteinheit 28 in die entsprechende Ventilstellung geschalten und/oder gebracht.
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Der Schwellenwert ist innerhalb der Umschalteinheit 28 gespeichert, wobei hierzu die Umschalteinheit 28 eine nicht näher dargestellte Speichereinheit aufweist. Vorzugsweise ist der Schwellenwert hierbei abhängig von einer Ausbildung der weiteren Einheit 29, insbesondere abhängig von einer weiteren Funktionalität der weiteren Einheit 29. Bei mehreren zur Verfügung stehenden weiteren Einheiten 29 können diesen auch jeweils unterschiedliche Schwellenwerte zur Überwachung der Kühltemperatur von der Umschalteinheit 28 zugeordnet werden.
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Die Umschalteinheit 28 ist mit der Temperatursensoreinheit 32, der Ventileinheit 30, insbesondere den einzelnen Ventilen der Ventileinheit 30, und/oder weiteren Einheiten oder Komponenten des Kühlsystems 15 über eine nicht näher dargestellt Datenaustauscheinheit verbunden. Die Datenaustauscheinheit kann hierbei eine drahtlose und/oder kabellose Datenaustauscheinheit und/oder weitere, dem Fachmann als sinnvoll erscheinende Datenaustauscheinheiten umfassen.
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Alternativ zur 2 kann die weitere Einheit 29 auch nur eine einzige Einheit, die die Gradientenspuleneinheit 18 oder die Elektronikeinheit 21 oder eine weitere, dem Fachmann als sinnvoll erscheinende Einheit der Magnetresonanzvorrichtung 10 aufweist, umfassen, die in einem Störzustand des zweiten Kühlkreislaufs für eine Kopplung mit dem ersten Kühlkreislauf 25 zur Verfügung steht.
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In 3 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel der Magnetresonanzvorrichtung 10 dargestellt. Im Wesentlichen gleich bleibende Bauteile, Merkmale und Funktionen sind grundsätzlich mit den gleichen Bezugszeichen beziffert. Die nachfolgende Beschreibung beschränkt sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zu dem Ausführungsbeispiel in den 1 und 2, wobei bezüglich gleich bleibender Bauteile, Merkmale und Funktionen auf die Beschreibung des Ausführungsbeispiels in den 1 und 2 verwiesen wird.
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In 3 ist eine Magnetresonanzvorrichtung 10 mit einem Kühlsystem 15 und einer weiteren Einheit 40 dargestellt. Das Kühlsystem 15 in 3 entspricht im Wesentlichen den Ausführungen zu 2. Die weitere Einheit 40 dagegen umfasst eine Energiespeichereinheit 41, die ausschließlich zu einer Speicherung von Wärmeenergie ausgelegt ist. Die weitere Einheit 40 umfasst hierbei einen Paraffinspeicher. Paraffin weist eine Schmelzenthalpie ca. 200 kF/kg auf. Bei beispielsweise einer Heizleistung von ca. 6 KW der Kryostateinheit 16 und einer angenommenen Masse von ca. 500 kg kann die Paraffinspeichereinheit ca. 4,6 Stunden Wärmeenergie von dem ersten Kühlkreislauf 25 aufnehmen, ohne dass hierbei das Paraffin signifikant erwärmt wird.
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Des Weiteren kann die weitere Einheit 40 weitere, dem Fachmann als sinnvoll erscheinende Energiespeichereinheiten 41 umfassen, wie beispielsweise bereits in einem Heizkreislauf integrierte Energiespeichereinheiten und/oder Wärmespeichereinheiten eines Gebäudes, in dem die Magnetresonanzvorrichtung 10 installiert ist, usw.
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In 4 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel der Magnetresonanzvorrichtung 10 dargestellt. Im Wesentlichen gleich bleibende Bauteile, Merkmale und Funktionen sind grundsätzlich mit den gleichen Bezugszeichen beziffert. Die nachfolgende Beschreibung beschränkt sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zu dem Ausführungsbeispiel in den 1 bis 3, wobei bezüglich gleich bleibender Bauteile, Merkmale und Funktionen auf die Beschreibung des Ausführungsbeispiels in den 1 bis 3 verwiesen wird.
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In 4 ein Kühlsystem 15 einer Magnetresonanzvorrichtung 10 mit einer zu den 2 und 3 alternativ ausgestalteten Wärmeaufnahmeeinheit 50 schematisch dargestellt. Die Wärmeaufnahmeeinheit 50 ist innerhalb eines ersten Kühlkreislaufs 25 integriert, wobei das Kühlsystem 15 nur einen einzigen Kühlkreislauf 25 neben der Kryostateinheit 16 aufweist. Die Wärmeaufnahmeeinheit 50 umfasst im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine nicht näher dargestellte Wärmetauschereinheit, die eine Wärmeenergie des ersten Kühlkreislaufs 25 an eine Umgebung, beispielsweise an eine Luft, abgibt und derart eine Kühlung des ersten Kühlkreislaufs 25 bewirkt.
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In einem Störzustand der Wärmeaufnahmeeinheit 50 bzw. in dem ersten Kühlungsmodus der Umschalteinheit 28 werden von der Umschalteinheit 28 alle Ventile, die innerhalb des ersten Kühlkreislaufs 25 angeordnet sind, derart von der Umschalteinheit 28 geschalten, dass Kühlleitungen innerhalb des ersten Kühlkreislaufs 25 einen geschlossenen Kreislauf bilden, wobei der geschlossene Kreislauf eine Kopplung, insbesondere eine thermische Kopplung, mit der weiteren Einheit 29 40 ermöglicht. Zudem können die einzelnen Ventile der Ventileinheit 30 derart geschalten werden, dass die Wärmeaufnahmeeinheit 50 von dem ersten Kühlkreislauf 25 entkoppelt, insbesondere thermisch entkoppelt, ist.
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Die weitere Einheit 29, 40 kann im vorliegenden Ausführungsbeispiel gemäß der weiteren Einheiten 29 in den Ausführungen zu 2 und/oder gemäß der weiteren Einheit 40 in den Ausführungen zu 3 ausgebildet sein. Zudem ist auch denkbar, dass in dem ersten Kühlungsmodus mittels der Umschalteinheit eine thermische Kopplung des ersten Kühlkreislaufs 25 mit mehreren weiteren Einheiten 29, 40 erfolgt.
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In 5 ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Kühlung einer supraleitenden Hauptmagnetspule 13 oder mehrerer supraleitenden Hauptmagnetspulen 13 schematisch dargestellt. In einem ersten Verfahrensschritt 100 wird von der Umschalteinheit 28 ein Betriebszustand der Wärmeaufnahmeeinheit 26, 50 erfasst. Umfasst dieser Betriebszustand einen Störzustand der Wärmeaufnahmeeinheit 26, 50, so wird innerhalb der Umschalteinheit 28 in einem weiteren Verfahrensschritt 101 der erste Külungsmodus aus mehreren, zur Verfügung stehenden Kühlungsmodi ausgewählt. In dem ersten Kühlungsmodus erfolgt in dem weiteren Verfahrensschritt 101 von der Umschalteinheit 28 eine thermische Kopplung des ersten Kühlkreislaufs 25 mit der weiteren Einheit 29, 40, so dass eine Wärmeenergie von dem ersten Kühlkreislauf 25 an die weitere Einheit 29, 40 abgegeben wird. Hierbei werden von der Umschalteinheit 28 in dem weiteren Verfahrensschritt 101 die einzelnen Ventile der Ventileinheit 30 derart gesteuert und geschalten, dass der erste Kühlkreislauf 25 thermisch mit der weiteren Einheit 29, 40 koppelt.
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Die Wärmeaufnahmeeinheit 26, 50 und die weitere Einheit 29, 40 sind gemäß den Ausführungen zu den 1 bis 4 ausgebildet.
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In dem ersten Kühlungsmodus der Umschalteinheit 28 wird zudem in einem weiteren Verfahrensschritt 102 von der Umschalteinheit 28 die Kryostateinheit 16 in einen Sicherungsbetriebszustand geschalten. Der Sicherungsbetriebszustand kann beispielsweise einen gepulsten Betriebszustand umfassen, bei dem innerhalb der Kryostateinheit 16 nur die Menge an Kälteleistung erzeugt wird, die gerade ein Abdampfen und/oder Entweichen von Helium zu verhindert.
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In einem weiteren Verfahrensschritt 103 wird von der Umschalteinheit 28 zusammen mit der Temperatursensoreinheit 32 eine Temperatur, insbesondere eine Kühltemperatur, der weiteren Einheit 29, 40 erfasst und überwacht. Von der Umschalteinheit 28 wird hierzu die Kühltemperatur mit dem Schwellenwert in einem weiteren Verfahrensschritt 104 verglichen. Der Verfahrensschritt 104 ist von einer Abfrage gebildet, die innerhalb der Umschalteinheit ausgeführt wird. Hierbei wird von der Umschalteinheit abgefragt, ob die erfasste Kühltemperatur der weiteren Einheit 29, 40 den Schwellenwert überschreitet. Überschreitet die erfasste Kühltemperatur den Schwellenwert, wird in einem weiteren Verfahrensschritt 105 von der Umschalteinheit 28 die weitere Einheit 29, 40 von dem ersten Kühlkreislauf 25 thermisch entkoppelt, so dass eine Überhitzung und/oder eine Beschädigung der weiteren Einheit 29, 40 vorteilhaft verhindert ist.
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Ist dagegen die erfasste Kühltemperatur der weiteren Einheit 29, 40 unterhalb des Schwellenwerts, wird weiterhin von der Temperatursensoreinheit 32 eine Kühltemperatur erfasst und diese Kühltemperatur von der Umschalteinheit 28 in den Verfahrensschritten 103, 104, 105 überwacht.
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Zu einer Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst die Umschalteinheit 28 eine hierzu erforderliche Software und Computerprogramme, die in einer nicht näher dargestellten Speichereinheit der Umschalteinheit 28 gespeichert sind. Zudem umfasst die Umschalteinheit 28 einen Prozessor zur Ausführung der erforderlichen Software und Computerprogramme.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
