DE19839987A1 - Direktgekühlte Magnetspule, insbesondere Gradientenspule - Google Patents

Abstract

Direktgekühlte Magnetspule, insbesondere Gradientenspule für Magnetresonanzgeräte, bei der die Leiter für die Wicklungen mit einem inneren Kühlkanal zum Durchleiten einer Kühlflüssigkeit versehen sind, wobei die Leiter als Profilsegmentleiter (1, 1') ausgebildet sind, deren einzelne Profilsegmente (2, 2') ein Kühlrohr (3, 3') aus elektrisch nicht oder nur gering leitfähigem Werkstoff, insbesondere aus einem flexiblen Kunststoff, umschließen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine direktgekühlte Magnetspu­ le, insbesondere Gradientenspule für Magnetresonanzgeräte, bei der die Leiter für die Wicklungen mit einem inneren Kühl­ kanal zum Durchleiten einer Kühlflüssigkeit versehen sind.

Um die maximal zulässige Temperatur der Gradientenspule zu gewährleisten, ist es notwendig, die anfallenden elektrischen Verlustleistungen in Form von Wärme gezielt und effektiv ab­ zuführen. Wenn man dabei berücksichtigt, daß es sich um Ver­ lustleistungen in der Größenordnung mehr als 20 kW handeln kann, ergeben sich daraus erhebliche Anforderungen an die Kühlung. Neben indirektgekühlten Gradientenspulen, bei denen die Leiterwicklungsschichten konzentrisch umgebende Kühlrohr­ schichten vorgesehen sind, was aber weniger effektiv ist durch den Temperaturanstieg in aufbaubedingten Isolations­ schichten zwischen den Lagen, sind dabei auch bereits direkt­ gekühlte Magnetspulen der eingangs genannten Art vorgeschla­ gen und verwendet worden, bei denen durch die Anordnung eines inneren Kühlkanals in den elektrischen Leitern eine unmittel­ bare direkte Wärmeabfuhr quasi am Ort der Entstehung dieser Wärme stattfinden kann.

Das Vorsehen eines Kühlkanals im elektrischen Leiter für die Wicklungen der Gradientenspule bedingt wegen der hohen und teilweise unterschiedlichen Spannungen im Bereich der Gra­ dientenspule eine vollständige Isolierung des Kühlmittel­ kreislaufs und, bei Verwendung von Wasser als Kühlmittel, die Verwendung von hochdestilliertem nichtleitendem Wasser, was den Betrieb doch außerordentlich verkompliziert und verteu­ ert. Bei den hohen Spannungen und dem direkten Kontakt zwi­ schen dem Wasser und den metallischen Leitern ergibt sich be­ reits nach relativ kurzer Zeit wiederum eine ionische Verun­ reinigung und damit eine Leitfähigkeit des Wassers, die wegen der Gefahr von Hochspannungsüberschlägen unbedingt vermieden werden sollte.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine direkt­ gekühlte Magnetspule der eingangs genannten Art so auszuge­ stalten, daß ein einfacher Betrieb unter Verwendung von nichtaufbereitetem Wasser möglich ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Leiter als Profilsegmentleiter ausgebildet sind, deren einzelne Profilsegmente ein Kühlrohr aus elektrisch nicht oder nur gering leitfähigem Werkstoff, insbesondere aus einem flexiblen Kunststoff, umschließen.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung ist die Kühlflüssigkeit vollständig von der Innenwandung des zu kühlenden elektri­ schen Leiters isoliert, so daß es auch überhaupt keine Rolle spielt, ob bei Verwendung von Wasser dieses Wasser durch na­ türliche Verunreinigungen eine mehr oder weniger große elek­ trische Leitfähigkeit besitzt. Auf der anderen Seite findet eine, durch die geringe Wandstärke der elektrisch isolieren­ den Kühlrohre nur wenig behinderte, quasi direkte Kühlung der Leiter der Spulenwicklungen durch die Kühlflüssigkeit statt, so daß eine sehr effektive Kühlung gegeben ist, die der Ge­ fahr einer übermäßigen Erwärmung der Magnetspule entgegen­ wirkt. Durch den geringen Platzbedarf bei einem erfindungsge­ mäßen Aufbau einer Gradientenspule gegenüber bisherigen Vari­ anten mit direkter Kühlung und hoher aufwendiger Außenisolie­ rung bzw. indirekter Kühlung mit die Gradientenwicklungen um­ gebenden Kühlwicklungen, können die Gradientenspulenwicklun­ gen radial extremer positioniert werden, was einen zusätzli­ chen Effektivitätsgewinn bei der Felderzeugung bewirkt. Der Wegfall von Wasserkonditionierungsmaßnahmen zur Absenkung der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit und zur Minimierung von Korrosionseffekten mit dem Leiterwerkstoff vereinfacht und verbilligt den Betrieb einer erfindungsgemäß aufgebauten direktgekühlten Magnetspule.

Der Aufbau der Leiter für eine erfindungsgemäße direktgekühl­ te Magnetspule kann in der Weise erfolgen, daß die Leiterseg­ mente ineinander verdrehte Einzellitzen eines das Kühlrohr umhüllenden Litzenleiters sind, wobei die Herstellung eines solchen Leiters bevorzugt in der Weise erfolgen kann, daß das Kühlrohr mit den Einzellitzen umsponnen wird.

Als besonders vorteilhaft hat sich bei umfangreichen, der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Versuchen eine Kon­ struktion erwiesen, bei der die Profilsegmente Rechteckstan­ gen mit querschnittlich halbkreisförmigen, das Kühlrohr form­ schlüssig umschließenden Rinnen sind. Ein solcher Aufbau läßt sich sehr einfach fertigen, wobei die querschnittlich recht­ eckförmigen Leiter auch der für hochbelastete Gradientenspu­ len üblichen, über Schablonen leicht verlegbaren Profilform entsprechen. Auf die Außenflächen der Profilsegmente können dabei weitere Einzelleiter, d. h. sowohl Massivleiter als auch Litzenleiter, zur Erhöhung der effektiven Leiterflächen auf­ gebracht sein.

Gemäß einer weiteren Variante der Ausgestaltung der Erfindung können am Kühlrohr die Leitersegmente zumindest teilweise halternd umgreifende Halterungsstege angeformt sein, bei­ spielsweise derart, daß am Kühlrohr um 180° gegeneinander versetzte Längsstege angeformt sind, an denen wiederum beab­ standete, beidseits überstehende Hakenquerstege angeformt sind. Diese letztere Ausführungsform ergibt ein flexibles Kunststoffbauteil, so daß das Biegen des fertigen Leiters - die eigentlichen beispielsweise aus Kupfer bestehenden Lei­ tersegmente lassen sich ja sowieso gut formhaltend verbiegen - problemlos möglich ist.

In Weiterbildung der Erfindung kann dabei vorgesehen sein, daß am vorzugsweise querschnittlich rechteckförmigen Kühlrohr seitliche, jeweils ein Profilsegment formschlüssig aufnehmen­ de Rohrprofile angeformt sind. Diese seitlichen Rohrprofile sollen dabei vorteilhafterweise querschnittlich rechteckför­ mig sein und eine glatte, rechteckförmige Außenkontur bilden. Gegebenenfalls können dabei parallel beabstandete Schlitze in den die Außenkontur bildenden Wandungen der seitlichen Rohr­ profile vorgesehen sein, um - ähnlich wie beim vorher be­ schriebenen Ausführungsbeispiel mit den beabstandeten Haken­ querstegen - ein einfacheres formhaltendes Verbiegen der fer­ tigen Leiter zu ermöglichen.

Die Herstellung eines solchen Leiters mit in seitlichen Rohr­ profilen des Kühlrohrs angeordneten Profilsegmenten des elek­ trischen Leiters kann sehr einfach über Coating- oder Extru­ sionsverfahren unter Verwendung thermoplastischer Kunststoffe erfolgen.

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

Fig. 1 eine vereinfachte perspektivische Ansicht eines von zwei Leitersegmenten umschlossenen Kühlrohrs,

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

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines aus zwei Leitern mit isoliertem Kühlkanal gemäß Fig. 1 aufgebauten Doppelleiters,

Fig. 4 einen vergrößerten Schnitt längs der Linie IV-IV in Fig. 3,

Fig. 5 eine abgewandelte Ausführungsform eines erfindungs­ gemäßen Segmentleiters mit die Leitersegmente hal­ ternd umgreifenden Hakenstegen,

Fig. 6 einen Schnitt längs der Linie VI-VI in Fig. 5,

Fig. 7 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemä­ ßen Leiters mit rechteckigem Kühlrohr und dieses umgebenden Rohrprofilen zur formschlüssigen Aufnah­ me der Profilsegmente des Leiters,

Fig. 8 einen Querschnitt längs der Linie VIII-VIII in Fig. 7, und

Fig. 9 eine Anordnung eines erfindungsgemäßen Leiters, bei dem das Kühlrohr von einem Litzenleiter umsponnen ist.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 besteht der Profilsegmentleiter 1 aus zwei als Rechteckstangen ausge­ bildeten Profilsegmenten 2 mit querschnittlich halbkreisför­ migen, ein beispielsweise aus Kunststoff bestehendes Kühlrohr 3 formschlüssig umschließenden Rinnen 4. Bei dem in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel, bei dem sich die beiden Profilsegmente gegeneinander bewegen können, so daß enge Krümmungsradien möglich sind, sind zusätzlich zu den beiden Profilsegmenten 2 noch zwei weitere Einzelleiter 5 vorgesehen, die auf die Außenflächen der Profilsegmente 2 zur Erhöhung der effektiven Leiterfläche aufgebracht sind. Diese zusätzlichen Einzelleiter 5 könnten dabei auch noch mit einer strukturierten Oberfläche oder beispielsweise als Litzenlei­ ter ausgebildet sein.

Die Fig. 3 und 4 zeigen einen Doppelleiter aus zwei neben­ einander angeordneten, mit einem inneren Kühlrohr versehenen Leitern 1. Auf diese Art und Weise kann bei besonders dicken hochbelasteten Einzelleitern für Gradientenspulen ein einfa­ cherer und effektiverer gekühlter Aufbau erfolgen, als wenn man einen entsprechend größeren Aufbau der Einzelleiteranord­ nung nach den Fig. 1 und 2 wählt. Die Verbindung mehrerer solcher Einzelleiter zu einem Bauelement wie in Fig. 2 und 3, ggf. auch unter Übereinanderanordnung solcher Doppelleiter nach den Fig. 2 und 3, ist herstellungstechnisch einfacher und ergibt eine noch effektivere Kühlung, da die Wege vom Entstehen der Wärme im Leiter zur Kühlflüssigkeit, im allge­ meinen Wasser, im Kühlkanal 6 des Kühlrohrs geringer sind.

Der direktgekühlte Leiter gemäß Fig. 5 und 6 umfaßt ein Kühl­ rohr 3 mit um 180° versetzt gegeneinander angeformten Längs­ stegen 7, an denen wiederum vertikal zur Mittelebene 8 der Längsstege verlaufende Hakenquerstege 9 angeformt sind, die mit ihren Haken 10 die Profilsegmente 2 umgreifen und damit haltern. Eine besondere Verbindung der Teile miteinander, wie bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 bis 4, ist da­ mit bei der Anordnung nach den Fig. 5 und 6 nicht erfor­ derlich. Durch die Beabstandung der Hakenquerstege 9 ergibt sich eine Struktur, die sehr einfach verbiegbar ist, so daß die einfache formhaltende Verbiegbarkeit mit engen Biegeradi­ en der metallischen Profilsegmente 2 auch für den gesamten direktgekühlten Leiter mit dem Kühlrohr und den angeformten Stegen noch gewährleistet ist.

Eine abgewandelte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen di­ rektgekühlten Leiters mit einem inneren Kühlkanal 6 und einer Halterung der Profilsegmente 2' zeigen die Fig. 7 und 8. Dabei ist das im wesentlichen rechteckförmigen Kühlrohr 3' von vier gemeinsam mit dem Kühlrohr 3' eine glatte rechteck­ förmige, im dargestellten Ausführungsbeispiel quadratische Außenkontur bildende, seitlich anschließende Rohrprofile 11 umgeben, wobei diese Struktur mit den eingebetteten Profil­ segmenten 2' über ein Extrusionsverfahren erhalten werden kann.

Die Fig. 9 zeigt schließlich im Querschnitt eine Ausführungs­ form eines erfindungsgemäßen Leiters, bei dem das Kühlrohr 3 in einen Litzenleiter 12 eingebettet, vorzugsweise mit den Einzellitzen 13 des Litzenleiters 12 umsponnen ist. Diese Ausführungsform ist hinsichtlich des Wärmeübergangs von den äußeren Litzen zu der im Kühlkanal 6 laufenden Kühlflüssig­ keit aber ungünstiger als die vorher gezeigten Varianten. Der Vorteil dieses Ausführungsbeispiels ist ein niedriger elek­ trischer Widerstand bei hohen Frequenzen durch Aufteilung in viele Einzelströme durch den Lichtleiter.

Claims (9)

1. Direktgekühlte Magnetspule, insbesondere Gradientenspule für Magnetresonanzgeräte, bei der die Leiter für die Wicklun­ gen mit einem inneren Kühlkanal zum Durchleiten einer Kühl­ flüssigkeit versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter als Profilsegmentleiter (1, 1') ausgebildet sind, deren einzelne Profilsegmente (2, 2') ein Kühlrohr (3, 3') aus elektrisch nicht oder nur gering leitfähigem Werkstoff, insbesondere aus einem flexiblen Kunststoff, umschließen.

2. Direktgekühlte Magnetspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Profil­ segmente ineinander verdrehte Einzellitzen (13) eines das Kühlrohr (3) umhüllenden Litzenleiters (12) sind.

3. Direktgekühlte Magnetspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Profil­ segmente (2) Rechteckstangen mit querschnittlich halbkreis­ förmigen, das Kühlrohr (3) formschlüssig umschließenden Rin­ nen (4) sind.

4. Direktgekühlte Magnetspule nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Außenfläche der Profilsegmente (2, 2') weitere Ein­ zelleiter (5) aufgebracht sind.

5. Direktgekühlte Magnetspule nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß am Kühl­ rohr (3) die Profilsegmente (2) zumindest teilweise halternd umgreifende Halterungsstege (7, 9, 10) angeformt sind.

6. Direktgekühlte Magnetspule nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß am Kühlrohr (3) um 180° gegeneinander versetzte Längsstege (7) angeformt sind, an denen beabstandete, beidseits überstehende Haken­ querstege (9) angeformt sind.

7. Direktgekühlte Magnetspule nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß am quer­ schnittlich vorzugsweise rechteckförmigen Kühlrohr (3') seit­ liche, jeweils ein Profilsegment (2') formschlüssig aufneh­ mende Rohrprofile (11) angeformt sind.

8. Direktgekühlte Magnetspule nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die seitli­ chen Rohrprofile querschnittlich rechteckförmig sind und eine glatte, rechteckförmige, vorzugsweise quadratische, Außenkon­ tur bilden.

9. Verfahren zur Herstellung eines Leiters für eine direkt­ gekühlte Magnetspule nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlrohr (3') mit sei­ nen angeformten Rohrprofilen (11) durch Extrusionspressen un­ ter gleichzeitiger Einlagerung der Profilsegmente (2') gefer­ tigt wird.