DE19835414C2 - Spulensystem für MR-Anlagen mit integrierter Kühleinheit - Google Patents

Abstract

Gradientenspule für MR-Anlagen mit einer indirekten Kühlung durch in die Spule eingebettete, von einem Kühlmittel durchströmte Kühlleitungen, wobei Kühlleitungen (8, 9, 9') in die Zwischenräume (6, 7) der Leiterstruktur der Spulenlagen (1, 3) zur Kühlung der Leiterstrukturen in einer darunter- und/oder darüberliegenden Spulenlage integriert sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Spulensystem für MR-Anla­ gen, welches ein im wesentlichen zylindrisches Untersuchungs­ volumen umschließt, wobei die sogenannten Spulenlagen durch die symmetrisch zur YZ-Ebene angeordneten, voneinander beab­ standeten X-Gradientenspulen, die symmetrisch zur XZ-Ebene angeordneten, voneinander beabstandeten Y-Gradientenspulen und die symmetrisch zur XY-Ebene angeordneten, voneinander beabstan­ deten Z-Gradientenspulen gebildet sind, und das mit einer indirekten Kühlung durch eingebettete, von einem Kühlmittel durchströmte Kühlleitungen versehen ist.

Um eine maximal zulässige Temperatur des Spulensystems zu ge­ währleisten, ist es notwendig, die anfallenden hohen elektri­ schen Verlustleistungen gezielt abzuführen.

Neben der baulich relativ aufwendigen und auch im Betrieb häufig sehr komplizierten und teuren Direktkühlung, bei der die elektrischen Leiter der Spulenwicklungen mit inneren Kühlkanälen versehen sind, sowie der wenig effektiven Luft­ kühlung, wie sie beispielsweise in der DE 195 47 279 A1 be­ schrieben ist, wird häufig die, allerdings weniger effektive, indirekte Kühlung der Gradientenspulen verwendet. Bei dieser indirekten Kühlung werden entweder (man vgl. beispielsweise die DE 34 45 448 A1) die Kühlleitungen in die Zwischenräume der Leiterstrukturen einer Spulenlage integriert oder Kupfer­ kühlschlangen mäanderförmig in Längsrichtung zwischen einzel­ nen Spulenlagen plaziert oder aber Kunststoffschläuche spi­ ralförmig gewickelt zwischen den Spulenlagen angeordnet (DE 196 41 319 A1). In beiden Fällen ist die Effektivität dieser Kühlung begrenzt, da die abzuführende Wärme von der Quelle bis zur Senke, also von der wärmsten Stelle bis zur Schicht der Kühlleitungen, alle dazwischenliegenden Schichten durchsetzen muß. Im Falle der spiralförmig gewickelten Kunst­ stoffschläuche ist wegen des Wärmewiderstands der Kunststoff­ schläuche die Effektivität noch schlechter als jene der fla­ chen Kupferrohre.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Spulen­ system der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß mit einer indirekten Kühlung eine verbesserte Wärmeabfuhr nahe am Entstehungsort möglich ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß Kühlleitungen in die Zwischenräume der Leiterstruktur der Spulenlagen zur Kühlung der Leiterstrukturen in einer darun­ ter- und/oder darüberliegenden Spulenlage integriert ist.

Während man beispielsweise bisher um ein Spulensystem mit drei umeinander konzentrisch angeordneten Spulenlagen für die X-, Y- und Z-Spule eine Kühlleiterlage angeordnet hat, was zur Folge hatte, daß beispielsweise von der innersten Spulen­ lage die Wärme nur unter Durchsetzung der zwei darüber ange­ ordneten Spulenlagen zur Kühlleiterebene gelangen konnte und somit eine nur sehr ineffektive Wärmeabfuhr möglich war, nutzt die erfindungsgemäße Kühlung die Tatsache aus, daß in den einzelnen Spulenlagen sowohl zwischen den beiden vorzugs­ weise als Sattelspulen ausgebildeten X- und Y-Gradienten­ spulen als auch zwischen den beabstandeten Wicklungen der spiraligen Wicklungen der Z-Gradientenspulen Zwischenräume vorhanden sind, in die Kühlleitungen eingebaut werden können. Die Kühlleitungen in diesen Zwischenräumen, zwischen bei­ spielsweise zwei Sattelspulen einer Spulenlage, dienen dabei nicht zur Kühlung der Leiterstrukturen dieser Spulenlage, sondern, da sie direkt flächig daran anliegen, zur Kühlung der darüber- oder darunterliegenden Leiterstrukturen der Nachbar-Spulenlage. Damit ergibt sich hier eine unmittelbare Kühlung der Leiterstrukturen einer jeden Spulenlage, bei der nicht erst andere dazwischenliegende Spulenlagen von der Wär­ me durchsetzt werden müssen, ehe sie von der Wärmequelle, also den jeweiligen Leiterstrukturen, zur Wärmesenke, also den Kühlrohren, gelangen.

Erfindungsgemäß sollen dabei Kühlleitungen parallel zur Spu­ lenachse zwischen den Sattelspulen der X- und Y-Richtung angeordnet sein, während zwischen die Wicklungen der Z-Gra­ dientenspule in Umfangsrichtung verlaufende Kühlleitungen angeordnet sind.

Um die Zuführung und Ableitung der Kühlflüssigkeit besonders einfach an nur einem Stirnende durchführen zu können, kann in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, daß in jedem Zwischenraum jeweils mehrere zueinander parallele Kühlleitun­ gen verlaufen, die paarweise an einem Stirnende verbunden sind. Auf diese Art und Weise liegt die Zu- und die Abführ­ öffnung jeweils am anderen Stirnende. Sollte dabei beispiels­ weise mehr als ein Kühlleitungspaar in einer Lücke zwischen zwei Sattelspulen angeordnet sein, so verbindet man sie nicht so untereinander, daß nur ein Zulauf und ein Ablauf für das Kühlmittel vorgesehen ist, sondern man verkoppelt nur immer zwei an einem Stirnende und bildet die anderen Enden dieser beiden als direkten Kühlwasserzu- und -rücklauf aus. Dies er­ fordert dann zwar mehrere Zuläufe und mehrere Abläufe, hat aber den Vorteil, daß das Kühlwasser nur zwei Leitungen durchsetzen muß und somit sich nicht so sehr erwärmen kann, wodurch die Wärmeabfuhr von der anliegenden Leiterstruktur einer Nachbar-Spulenlage durch die erhöhte Temperaturdiffe­ renz verbessert ist.

Die Kühlleitungen können aus Metall oder Kunststoff bestehen und als Rund- oder Rechteckrohre ausgebildet sein, wobei im Falle metallischer Kühlleitungen auch eine thermisch leitfä­ hige elektrische Isolierung vorgesehen sein kann.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Aus­ führungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch ein Spulensystem aus Gradientenspulen mit intergrierten Kühlleitun­ gen,

Fig. 2 eine Draufsicht auf das Spulensystem in Richtung des Pfeils II in Fig. 1,

Fig. 3 eine der Fig. 2 entsprechende Draufsicht bei einer Struktur mit größerem Zwischenraum zwischen den Leiterstrukturen und erhöhter Anzahl der Kühllei­ tungen,

Fig. 4 einen vergrößerten Teilschnitt längs des Aus­ schnitts IV in Fig. 1, bei der in die Zwischenräume metallische Rechteckrohre als Kühlleitungen einge­ baut sind, und

Fig. 5 einen der Fig. 4 entsprechenden vergrößerten Schnitt, bei dem die Kühlleitungen runde Kunst­ stoffrohrleitungen sind.

Das schematisch in Fig. 1 gezeigte Spulensystem weist eine innere Spulenlage 1 mit zwei einander diametral gegenüberlie­ genden Sattelspulen, beispielsweise den X-Gradientenspulen 2, eine darüberliegende Spulenlage 3 mit wiederum zwei einander diametral gegenüberliegenden, jedoch um 90° gegenüber den X- Gradientenspulen 2 versetzten Sattelspulen, in diesem Fall den Y-Gradientenspulen 4, und eine konzentrisch darüberlie­ gende Lage 5 auf. Bei dieser Lage 5 kann es sich um die Z- Gradientenspule oder um eine herkömmliche Kühlebene für die indirekte Kühlung handeln, also beispielsweise um wasser­ durchströmte Kühlleitungen.

Erfindungsgemäß sind in die Zwischenräume 6 und 7 der Leiter­ strukturen der Spulenlagen 1 und 3, also jeweils zwischen die X- und Y-Gradientenspulen 2 und 4, von einem Kühlmittel, vor­ zugsweise Wasser, durchströmte Kühlschlangen eingebaut, wie dies in den Fig. 2 bis 5 im einzelnen dargestellt ist. In den Zwischenraum 7 - entsprechendes gilt für die Zwischen­ räume 6 - sind beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 zwei, im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 vier, als Rund- oder Recht­ eckrohrleitungen ausgebildete Kühlleitungen 8 bzw. 9 einge­ legt, wobei die radiale Höhe dieser Rohre selbstverständlich nicht größer sein darf als die radiale Dicke der jeweiligen Spulenlage, in deren Leiterstruktur-Zwischenraum 6, 7 die Kühlleitungen eingelegt sind. Die Kühlleitungen sind paar­ weise am einen Ende miteinander verbunden, so daß jeweils zwei einen eigenen Kühlkreislauf bilden, d. h. selbsttätig an den äußeren Kühlkreislauf angeschlossen sind und die Kühl­ flüssigkeit nicht beispielsweise alle vier Kühlleitungen 9 in Fig. 3 nacheinander durchströmt. Dadurch würde sie erheblich stärker erwärmt und könnte demzufolge auch nicht im gleich­ hohen Maß wie bei den gezeigten Ausführungsbeispielen Wärme von den Leiterstrukturen der jeweils darüber- oder darunter­ liegenden Spulenlagen abführen.

Die Kühlleitungen in den Zwischenräumen 6 der X-Gradienten­ spulen 2 der innersten Spulenlage dienen der Wärmeabfuhr von den Leiterstrukturen der umgebenenden Spulenlage 3, also von den Y-Gradientenspulen 4, während die Kühlleitungen in den Zwischenräumen 7 dieser weiter außen liegenden Spulenlage 3 direkt an den X-Gradientenspulen 2 aufliegend von dort eine erhöhte Wärmeabfuhr bewerkstelligen können.

Die Fig. 4 zeigt einen Teilschnitt IV in Fig. 1 mit vier Kühlschlangen entsprechend Fig. 3 bei einer Rechteckrohraus­ bildung der Kühlschlangen. Die Fig. 5 zeigt einen der Fig. 4 entsprechenden Schnitt bei einer Ausbildung, bei der in einem Zwischenraum 7 zueinander parallele, achsparallel zum Spulen­ system verlaufende Kühlleitungen 9' untergebracht sind, die hier als vorzugsweise aus Kunststoff bestehende Rundleitungen ausgebildet sind.

Die Lage 5 kann die Spulenlage für die Z-Gradientenspule sein. In diesem Fall sind zwischen die im Wesentlichen spi­ ralig verlaufenden Leiter dieser Z-Gradientenspule in Um­ fangsrichtung gewickelte Kühlleitungen integriert, die bevor­ zugt der Kühlung der Y-Gradientenspulen 4 der darunterliegen­ den Spulenlage 3 dienen. Gegebenenfalls kann aber die Lage 5 auch eine indirekte Kühllage sein mit lediglich in sie ein­ gebetteten Kühlschlangen, während die Spulenlage für die Z- Gradientenspule dann erst außen auf dieser Lage 5 angeordnet wäre. Bei dieser Anordnung bedarf es der Anordnung der inte­ grierten Kühlleitungen in den Zwischenräumen zwischen der Leiterstruktur der spiraligen Z-Gradientenspule nicht mehr, da ja die Z-Spule dann unmittelbar durch die darunterliegende Kühlanordnung in der Lage 5 gekühlt wird.

Claims (7)

1. Spulensystem für MR-Anlagen, welches ein im wesentlichen zylindrisches Untersuchungsvolumen umschließt, wobei die so­ genannten Spulenlagen durch die symmetrisch zur YZ-Ebene an­ geordneten, voneinander beabstandeten X-Gradientenspulen, die symmetrisch zur XZ-Ebene angeordneten, voneinander beabstan­ deten Y-Gradientenspulen und die symmetrisch zur XY-Ebene angeordneten, voneinander beabstandeten Z-Gradientenspulen gebildet sind, und das mit einer indirekten Kühlung durch eingebettete, von einem Kühl­ mittel durchströmte Kühlleitungen versehen ist, da­ durch gekennzeichnet, daß die Kühllei­ tungen (8, 9, 9') in die Zwischenräume (6, 7) der Leiter­ struktur der Spulenlagen (1, 3) zur Kühlung der Leiterstruk­ turen in einer darunter- und/oder darüberliegenden Spulen­ lage (1, 3, 5) integriert sind.

2. Spulensystem nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kühlleitungen (8, 9, 9') parallel zur Spulenachse zwischen den als Sattelspulen ausge­ bildeten X- und Y-Gradientenspulen (2, 4) angeordnet sind.

3. Spulensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Kühlleitungen in Um­ fangsrichtung verlaufend zwischen den Wicklungen der Z-Gra­ dientenspulen angeordnet sind.

4. Spulensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß in jedem Zwischenraum (6, 7) jeweils mehrere zueinander parallele Kühlleitungen (8, 9, 9') verlaufen, die paarweise an einem Stirnende verbunden sind.

5. Spulensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Kühlleitungen (8, 9, 9') Rohrleitungen aus Metall oder Kunst­ stoff sind.

6. Spulensystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlleitungen (8, 9) als Rechteckrohre ausgebildet sind.

7. Spulensystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Kühl­ leitungen (8, 9) elektrisch isoliert sind.