DE19962182A1

DE19962182A1 - Magnetrosanzgerät mit einem einkreisigen Kühlkreislauf

Info

Publication number: DE19962182A1
Application number: DE19962182A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Nerreter
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 1999-12-22
Filing date: 1999-12-22
Publication date: 2001-07-12
Anticipated expiration: 2019-12-23
Also published as: DE19962182C2; US20010019266A1; JP2001198107A; US6525537B2; JP4261764B2

Abstract

Ein Magnetresonanzgerät mit einem einkreisigen, mit einem Kühlmedium betriebenen Kühlkreislauf (1) zur Kühlung eines Gradientenspulensystems (2), so daß sich eine Temperatur wenigstens einer Oberfläche des Gradientenspulensystems (2) innerhalb eines vorgebbaren Temperaturbereichs bewegt. Dabei entspricht eine Bemessungsleistung des Kühlkreislaufs (1) einer mittleren ohmschen Verlustleistung des Gradientenspulensystems (2). Der Kühlkreislauf (1) beinhaltet einen zumindest ein- und ausschaltbaren Wärmetauscher (6, 6a), der einen hohen Ein-Aus-Schalttakt aufweist. Das Gradientenspulensystem (2) weist eine hohe mittlere spezifische Wärmekapazität auf und die Kühlflüssigkeit weist einen über den vorgebbaren Temperaturbereich hinausgehenden Betriebstemperaturbereich auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein Magnetresonanzgerät mit einem einkreisigen, mit einem Kühlmedium betriebenen Kühlkreislauf zur Kühlung eines Gradientenspulensystems, so daß sich eine Temperatur wenigstens einer Oberfläche des Gradientenspulen systems innerhalb eines vorgebbaren Temperaturbereichs be wegt.

Bei einer Ausführung eines Magnetresonanzgerätes als Tomogra phiegerät werden einem statischen Grundmagnetfeld, das von einem Grundfeldmagneten erzeugt wird, schnell geschaltete Gradientenfelder überlagert, die von einem Gradientenspulen system erzeugt werden. Üblicherweise weist das Gradientenspu lensystem mehrere Gradientenspulen auf, um drei senkrecht aufeinander stehende Magnetfeldgradienten zu erzeugen. Bei den heute häufig eingesetzten, aktiv geschirmten Gradienten spulensystemen sind zusätzlich zu sogenannten Primärspulen, die ein Nutzgradientenfeld erzeugen, Sekundärspulen vorhan den, die verhindern, daß in metallischen Teilen des Grund feldmagneten, der das Gradientenspulensystem umgibt, Wirbel ströme erzeugt werden.

Typischerweise wird das Gradientenspulensystem von einem pulsförmigen Strom durchflossen. Dabei erreichen die Ströme Amplitudenwerte von bis zu mehreren 50 A und unterliegen häu figen und raschen Wechseln der Stromrichtung mit Anstiegs- und Abfallraten von mehreren 50 kA/s. Durch den ohmschen Wi derstand des Gradientenspulensystems setzen vorgenannte Strö me eine beträchtliche Energiemenge in Wärme um. Zur Aufrecht erhaltung einer vollen Leistungsfähigkeit des Gradientenspu lensystems und/oder zur Verhinderung einer unangenehmen Er wärmung für einen im Gerät gelagerten Patienten wird vorge nannte Wärme auf geeignete Art und Weise abgeführt. Dazu um faßt das Gradientenspulensystem beispielsweise eine Anzahl von Kühlkanälen, durch welche ein Kühlmedium geleitet wird.

In einer Ausführung ist der Grundfeldmagnet als ein Perma nentmagnet ausgebildet. Dabei ist ein stabiles Grundmagnet feld Voraussetzung für eine hohe Qualität von Magnetresonanz bildern. Zur Verminderung von Grundmagnetfeldschwankungen in folge von Temperaturschwankungen des Permanentmagneten ist der Permanentmagnet mit einer entsprechenden Temperaturstabi lität zu betreiben. Dazu wird der Permanentmagnet mit großem Aufwand durch Isolation und Regelung auf einer Arbeitstempe ratur von beispielsweise 32°C gehalten. Weil das Gradienten spulensystem direkt oder in unmittelbarer Nähe des Permanent magneten angeordnet ist, darf eine Erwärmung des Gradienten spulensystems infolge des Betriebs die Arbeitstemperatur des Permanentmagneten nur in sehr engen Grenzen verändern. Dabei ist beispielsweise sicherzustellen, daß die Arbeitstemperatur sich in einem Temperaturband bewegt, dessen Breite beispiels weise dadurch vorgegeben ist, daß Mittenfrequenzen von Mag netresonanzsignalen, die im zeitlichen Abstand von 10 Minuten aufgenommen werden, um nicht mehr als 20 Hz voneinander ab weichen.

Bei einem Magnetresonanzgerät mit einem elektrisch normal leitenden Grundfeldmagneten wird die im Betrieb entwickelte Wärme des Grundfeldmagneten sowie des Gradientenspulensystems über je einen sekundären Flüssigkeitskühlkreislauf abgeführt. Dabei geben beide sekundäre Flüssigkeitskühlkreisläufe ihre Wärme in einem Zwischenwärmeaustauscher an einen primären Flüssigkeitskühlkreislauf ab. Dieser beinhaltet zur Abgabe seiner Wärme an die Außenluft einen weiteren Wärmeaustauscher in Außenaufstellung. Insbesondere vorgenannter Zwischenwärme austauscher und der Wärmeaustauscher in Außenaufstellung sind dafür verantwortlich, daß das gesamte Kühlsystem aufwendig und kostenintensiv ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Magnet resonanzgerät der eingangs genannten Art so zu schaffen, daß ein Kühlkreislauf eines Gradientenspulensystems den Anforde rungen eines Permanentgrundfeldmagneten genügt und vorgenann te Nachteile des Standes der Technik vermeidet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des An spruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Gemäß dem Anspruch 1 beinhaltet das erfindungsgemäße Magnet resonanzgerät mit einem einkreisigen, mit einem Kühlmedium betriebenen Kühlkreislauf zur Kühlung eines Gradientenspulen systems folgende Merkmale:

- Eine Bemessungsleistung des Kühlkreislaufs entspricht ei ner mittleren ohmschen Verlustleistung des Gradientenspu lensystems,
- der Kühlkreislauf beinhaltet einen zumindest ein- und aus schaltbaren Wärmeaustauscher,
- der Wärmeaustauscher weist einen hohen Ein-Aus-Schalttakt auf,
- das Gradientenspulensystem weist eine hohe mittlere spezi fische Wärmekapazität auf und
- das Kühlmedium weist einen über den vorgebbaren Tempera turbereich hinausgehenden Betriebstemperaturbereich auf.

Unter Ausnutzung einer oftmals ohnehin vorhandenen hohen mittleren spezifischen Wärmekapazität des Gradientenspulen systems ist ein überaus kostengünstiger Kühlkreislauf aus führbar, der gewährleistet, daß eine Temperatur wenigstens einer Oberfläche des Gradientenspulensystems sich innerhalb eines vorgebbaren Temperaturbereichs bewegt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Ein-Aus-Schalt takt kleiner etwa 10 min.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die mittle re spezifische Wärmekapazität größer etwa 1 J/gK. Dabei wird die mittlere spezifische Wärmekapazität aus den spezifischen Wärmekapazitäten der im Gradientenspulensystem eingesetzten Materialien entsprechend ihrer Massenanteile gebildet. Dabei ist insbesondere eine hohe spezifische Wärmekapazität desje nigen Materials vorteilhaft, das Leiter des Gradientenspulen systems zum Zwecke der elektrischen Isolation und/oder der mechanischen Festigkeit umgibt. In vielen Ausführungen ist dieses Material ein Gießharz, das von Hause aus eine hohe spezifische Wärmekapazität aufweist.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Wärmeaustauscher ein luftgekühlter Wärmeaustauscher für Innenraumaufstellung. Insbesondere ein für Innenraumaufstellung dimensionierter Wärmeaustauscher weist deutliche Kostenvorteile gegenüber ei nem Wärmeaustauscher für Außenaufstellung auf.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung beinhaltet das Magnetre sonanzgerät folgende weitere Merkmale:

- Der Kühlkreislauf beinhaltet einen Temperaturfühler zur Ermittlung einer Vorlauftemperatur,
- der Kühlkreislauf beinhaltet einen Zweipunktregler, dessen Regelgröße die Vorlauftemperatur ist und dessen Stellgröße das Ein- und Ausschalten des Wärmeaustauschers regelt, und
- der Zweipunktregler weist zur Erzielung des hohen Ein-Aus- Schalttaktes eine kleine Schaltdifferenz auf.

Dadurch ist mit einem einfachen und kostengünstigen Zwei punktregler sowie mit einer einfachen Erfassung der Vorlauf temperatur der hohe Ein-Aus-Schalttakt erzeug- und regelbar.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er geben sich aus den im folgenden beschriebenen Ausführungsbei spielen der Erfindung anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

Fig. 1 einen einkreisigen Kühlkreislauf für ein Gradienten spulensystem mit einem Wärmeaustauscher, der einen Kälte kreislauf beinhaltet,

Fig. 2 einen einkreisigen Kühlkreislauf für ein Gradienten spulensystem mit einem unmittelbar luftgekühlten Wärmeaustau scher,

Fig. 3 einen zeitlichen Verlauf einer Vorlauftemperatur für die Kühlkreisläufe gemäß Fig. 1 und Fig. 2,

Fig. 4 einen zeitlichen Verlauf einer Temperatur an einer Oberfläche eines Gradientenspulensystems für die Kühlkreis läufe gemäß Fig. 1 und Fig. 2,

Fig. 5 zu Vergleichszwecken einen zeitlichen Verlauf einer Vorlauftemperatur eines herkömmlichen Flüssigkeitskühlkreis laufs und

Fig. 6 zu Vergleichszwecken einen zeitlichen Verlauf einer Temperatur an einer Oberfläche eines Gradientenspulensystems für einen herkömmlichen Flüssigkeitskühlkreislauf.

Fig. 1 zeigt als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung einen einkreisigen, mit einer Kühlflüssigkeit betriebenen Kühl kreislauf 1 für ein Gradientenspulensystem 2. Dabei beinhal tet das Gradientenspulensystem 2 neben elektrischen Leitern 4 von Gradientenspulen, von denen lediglich eine Leiterbahn ge strichelt angedeutet ist, und einem Gießharzverguß 5 Kühlka näle zur Durchführung der Kühlflüssigkeit. Das Gradientenspu lensystem 2 ist unmittelbar an einem Grundfeldmagneten ange ordnet, der als ein Permanentmagnet 3 ausgeführt ist. Der Kühlkreislauf 1 beinhaltet unter anderem einen Wärmeaustau scher 6 zur Abgabe von im Gradientenspulensystem 2 aufgenom mener Wärme an die Luft eines Innenraumes, einen Temperatur fühler 7 für eine Vorlauftemperatur der Kühlflüssigkeit sowie eine Pumpe 8, die eine konstante Durchflußgeschwindigkeit der Kühlflüssigkeit bewirkt. Der Wärmeaustauscher 6 beinhaltet einen Kältekreislauf 9, der dem Kühlkreislauf 1 Wärme ent zieht und entsprechend an die Umluft des Innenraumes abgibt.

Dabei beinhaltet der Kältekreislauf 9 ein Expansionsventil 10 sowie einen Kältekompressor 11.

Wie bereits eingangs beschrieben, ist für den Permanentmagne ten 3 sicherzustellen, daß sich seine Arbeitstemperatur bei spielsweise in einem Temperaturband bewegt, dessen Breite beispielsweise dadurch vorgegeben ist, daß Mittenfrequenzen von Magnetresonanzsignalen, die im zeitlichen Abstand von 10 Minuten aufgenommen werden, um nicht mehr als 20 Hz voneinan der abweichen. Da das Gradientenspulensystem 2 unmittelbar am Permanentmagneten 3 angeordnet ist, ist diese Forderung auf die angrenzende Oberfläche des Gradientenspulensystems 2 zu übertragen. Insbesondere infolge des Gießharzvergusses 5 weist das Gradientenspulensystem 2 eine hohe mittlere Wärme kapazität auf. Dabei weist der Gießharzverguß 5, der die Lei ter 4 des Gradientenspulensystems 2 umgibt, eine spezifische Wärmekapazität von ca. 1,7 J/gK auf. Dies bedeutet, daß so wohl eine Erwärmung infolge eines Stromflusses in den Leitern 4 des Gradientenspulensystems 2 als auch eine Abkühlung durch die Kühlflüssigkeit lediglich eine zeitlich verzögerte und gedämpfte Erwärmung bzw. Abkühlung der Oberfläche des Gra dientenspulensystems 2 bewirken. Dadurch ist es unter anderem möglich, im Inneren des Gradientenspulensystems 2 eine größe re Erwärmung infolge des Stromflusses zuzulassen und gleich zeitig eine stärkere Abkühlung durch die Kühlflüssigkeit zu erlauben, als dies das Temperaturband an der Oberfläche des Gradientenspulensystems 2 vorschreibt.

Der Kühlkreislauf 1 beinhaltet ferner einen Zweipunktregler 12, dem als Regelgröße die Vorlauftemperatur der Kühlflüssig keit von dem Temperaturfühler 7 zugeführt wird und der als Stellgröße das Ein- und Ausschalten des Kältekompressors 11 regelt. Zur Erzielung eines hohen Ein-Aus-Schalttaktes für den Kältekompressor 11 wird eine Schaltdifferenz zwischen ei ner unteren Grenzvorlauftemperatur ϑ₁ und einer oberen Grenz vorlauftemperatur ϑ₂ entsprechend klein eingestellt. Zur Ein haltung der durch das Temperaturband vorgegebenen Oberflä chentemperatur des Gradientenspulensystem 2 sind innerhalb des Gradientenspulensystems 2 partielle Erwärmungen bzw. Ab kühlungen, die über vorgenanntes Temperaturband hinausgehen, zulässig, solange durch einen genügend hohen Ein-Aus- Schalttakt des Kühlkreislaufs 1 eine ausreichende Abfuhr der im Gradientenspulensystem 2 erzeugten Wärme sichergestellt ist.

Fig. 2 zeigt als ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfin dung einen einkreisigen Kühlkreislauf 1 für ein Gradienten spulensystem 2 eines Magnetresonanzgerätes, der einen unmit telbar luftgekühlten Wärmeaustauscher 6a beinhaltet. Dabei unterscheidet sich der in Fig. 2 dargestellte Wärmeaustau scher 6a von dem in Fig. 1 dargestellten Wärmeaustauscher 6 lediglich dadurch, daß der Wärmeaustauscher 6a keinen Kälte kreislauf 9 beinhaltet, sondern statt dessen einen Lüfter 13, der anstelle des Kältekompressors 11 vom Zweipunktregler 12 gesteuert wird. Ansonsten sind die in den Fig. 1 und 2 darge stellten Kühlsysteme identisch.

Fig. 3 und 4 zeigen für die Kühlkreisläufe 1 gemäß Fig. 1 und 2 einen zeitlichen Verlauf 21 der Vorlauftemperatur T_K sowie einen zeitlichen Verlauf 22 der Temperatur T_M der Oberfläche des Gradientenspulensystems 2, die identisch mit der Tempera tur am Permanentmagneten 3 ist. In Fig. 3 erkennt man anhand der Vorlauftemperatur T_K den vergleichsweise hohen Ein-Aus- Schalttakt des Kühlkreislaufs 1 sowie den vergleichsweise weiteren Betriebstemperaturbereich der Kühlflüssigkeit, der über das vom Permanentmagneten 3 vorgeschriebene Temperatur band hinausgeht. Dadurch ergibt sich wunschgemäß für die Tem peratur T_M ein im Idealfall konstanter Verlauf 22.

Fig. 5 und 6 zeigen zu Vergleichszwecken hinsichtlich der Fig. 3 und 4 entsprechende Verläufe 23 und 24 eines herkömm lichen Flüssigkeitskühlkreislaufs, der infolge einer anderen Dimensionierung, verbunden mit einem vergleichsweise niedri gen Ein-Aus-Schalttakt sowie einem vergleichsweise kleinen Betriebstemperaturbereich einer Kühlflüssigkeit, eine uner wünschte, sich zeitlich verändernde Temperatur T_M an einem Permanentmagneten hervorruft.

Claims

1. Magnetresonanzgerät mit einem einkreisigen, mit einem Kühlmedium betriebenen Kühlkreislauf (1) zur Kühlung eines Gradientenspulensystems (2), so daß sich eine Temperatur we nigstens einer Oberfläche des Gradientenspulensystems (2) in nerhalb eines vorgebbaren Temperaturbereichs bewegt, beinhal tend folgende Merkmale:

- Eine Bemessungsleistung des Kühlkreislaufs (1) entspricht einer mittleren ohmschen Verlustleistung des Gradienten spulensystems (2),
- der Kühlkreislauf (1) beinhaltet einen zumindest ein- und ausschaltbaren Wärmeaustauscher (6, 6a),
- der Wärmeaustauscher (6, 6a) weist einen hohen Ein-Aus- Schalttakt auf,
- das Gradientenspulensystem (2) weist eine hohe mittlere spezifische Wärmekapazität auf und
- das Kühlmedium weist einen über den vorgebbaren Tempera turbereich hinausgehenden Betriebstemperaturbereich auf.

2. Magnetresonanzgerät nach Anspruch 1, wobei der Ein-Aus- Schalttakt kleiner etwa zehn Minuten ist.

3. Magnetresonanzgerät nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die mittlere spezifische Wärmekapazität größer etwa
ist.

4. Magnetresonanzgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Gradientenspulensystem (2) einen Gießharzverguß (5) umfaßt.

5. Magnetresonanzgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Wärmeaustauscher (6, 6a) ein luftgekühlter Wär meaustauscher (6, 6a) für Innenraumaufstellung ist.

6. Magnetresonanzgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Wärmeaustauscher (6a) einen Lüfter (13) beinhal tet, der zumindest ein- und ausschaltbar ausgebildet ist.

7. Magnetresonanzgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Wärmeaustauscher (6) einen Kältekreislauf (9) beinhaltet, der einen Kältekompressor (11) beinhaltet, der zumindest ein- und ausschaltbar ausgebildet ist.

8. Magnetresonanzgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Kühlmedium eine Kühlflüssigkeit ist.

9. Magnetresonanzgerät nach Anspruch 8, wobei die Kühl flüssigkeit Wasser beinhaltet.

10. Magnetresonanzgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, beinhaltend folgende Merkmale:

- Der Kühlkreislauf (1) beinhaltet einen Temperaturfühler (7) zur Ermittlung einer Vorlauftemperatur,
- der Kühlkreislauf (1) beinhaltet einen Zweipunktregler (12), dessen Regelgröße die Vorlauftemperatur ist und des sen Stellgröße das Ein- und Ausschalten des Wärmeaustau schers (6, 6a) regelt, und
- der Zweipunktregler (12) weist zur Erzielung des hohen Ein-Aus-Schalttaktes eine kleine Schaltdifferenz auf.

11. Magnetresonanzgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Magnetresonanzgerät einen Permanentmagneten (3) als Grundfeldmagneten umfaßt und das Gradientenspulensystem (2) am Permanentmagneten (3) angeordnet ist.