DE19962182C2 - Magnetresonanzgerät mit einem einkreisigen Kühlkreislauf - Google Patents
Magnetresonanzgerät mit einem einkreisigen KühlkreislaufInfo
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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 umfaßt
das Gradientenspulensystem beispielsweise eine Anzahl
von Kühlkanälen, durch welche ein Kühlmedium geleitet wird.
Aus der DE 197 21 985 A1 ist beispielsweise eine Kühleinrich
tung zur indirekten Kühlung von Leitern einer Gradientenspule
bekannt. Dabei ist in einer hohlzylinderförmigen Schicht ei
nes hohlzylinderförmigen gießharzvergossenen Gradientenspu
lensystems eine dicht an dicht verlegte flexible Kühlleitung
eingebracht, durch die zum Kühlen der Gradientenspule 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
infolge 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.
In der US 5,652,517 ist für ein Magnetresonanzgerät ein als
Permanentmagnet ausgebildeter Grundfeldmagnet beschrieben,
der mit einer Wärmeisolierung, einer Wechselstrom- sowie ei
ner Gleichstromheizvorrichtung versehen ist. Dabei wird die
Wechselstromheizvorrichtung lediglich während einer Hochlauf
phase zum Erreichen einer Betriebstemperatur des Permanent
magneten eingesetzt, wohingegen nach dem Erreichen der Be
triebstemperatur zum Halten der Betriebstemperatur lediglich
die Gleichstromheizvorrichtung im Rahmen einer Zweipunktrege
lung eingesetzt wird.
Bei einem Magnetresonanzgerät mit einem elektrisch normal
leitenden Grundfeldmagneten wird die im Betrieb entwickelte
Wärme des Grundfeldmagneten sowie des Gradientenspulensystems
über je einen primären Flüssigkeitskühlkreislauf abgeführt.
Dabei geben beide primären Flüssigkeitskühlkreisläufe ihre
Wärme in einem Zwischenwärmeaustauscher an einen sekundären
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 Oberflächentemperatur
des Gradientenspulensystems 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 TK sowie
einen zeitlichen Verlauf 22 der Temperatur TM der Oberfläche
des Gradientenspulensystems 2, die identisch mit der Tempera
tur am Permanentmagneten 3 ist. In Fig. 3 erkennt man anhand
der Vorlauftemperatur TK 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 TM 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 TM an einem
Permanentmagneten hervorruft.
Claims (11)
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.
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.
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