DE3404457C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Kühlung eines Magnetsystems, insbesondere in einer Anlage zur Kernspintomographie, wobei das Magnetsystem mehrere scheibenförmige Magnetspulenwicklungen aufweist, die aus Bändern aus normalleitendem Material erstellt sind und an ihren Stirnflächen großflächig mit Kühlele­ menten wärmeleitend verbunden sind, die durch ein in Kühlmittelleitungen forciert strömendes Kühlme­ dium zu kühlen sind. Eine derartige Kühleinrichtung ist für ein Magnetsystem vorgesehen, wie es in der Zeit­ schrift "Computertomographie", Band 1 (1981), Seiten 2 bis 10, insbesondere Seite 6, beschrieben ist.

Für Anlagen der Kernspintomographie wird ein starkes Grundfeld angestrebt, von dem die Größe des Kernresonanzsignals abhängt und an das hinsichtlich seiner Homogenität hohe Anforderungen gestellt werden. So soll z. B. ein entspre­ chendes Magnetsystem in einem kugelförmigen Volumen von ca. 50 cm Durchmesser nur noch eine relative Feldabweichung von weniger als 50 ppm aufweisen.

Das magnetische Grundfeld eines derartigen Magnetsystems wird im allgemeinen von vier oder mehr rotationssymmetri­ schen Spulenwicklungen erzeugt, die für Feldstärken bis etwa 250 mT aus normalleitendem, elektrisch gut leiten­ dem Material gefertigt werden. Für den Aufbau dieser Wick­ lungen kommen Scheiben, sogenannte Bitter-Spulen, oder rohrförmige, innengekühlte Hohlleiter oder breites Me­ tallband in Frage. Bei der Verwendung von Metallband, das z. B. aus Kupfer oder Aluminium bestehen kann, ver­ binden sich hohe Präzision mit verhältnismäßig niedrigem Herstellungsaufwand. Bei dem der eingangs genannten Li­ teraturstelle zu entnehmenden Magnetsystem sind seine vier Spulenwicklungen aus einem derartigen Metallband aus Aluminium erstellt.

Da der elektrische Leistungsbedarf solcher Spulenwick­ lungen für die genannten Feldstärkeverhältnisse ganz erheblich ist und praktisch vollständig in Wärme umge­ setzt wird, muß eine Joule'sche Leistung in der Größen­ ordnung von 100 kW durch entsprechende Kühlmaßnahmen zu­ mindest teilweise abgeführt werden. Dabei dürfen sich die einzelnen Spulenwicklungen nicht unzulässig verfor­ men, um die Homogenität nicht zu verschlechtern. Auch darf die Temperatur gewisse Grenzwerte nicht überschrei­ ten, um die technische Sicherheit wie z. B. die elektri­ sche Isolation zu gewährleisten. Es besteht somit die Forderung, daß die Temperatur der Spulenwicklungen hoch­ stabil gehalten wird, da sonst Magnetfeldschwankungen entstehen können, die bei der Kernspintomographie die Bildqualität beeinträchtigen.

Die Spulenwicklungen des bekannten Magnetsystems weisen eine schlechte thermische Leitfähigkeit in radialer Rich­ tung auf, weil ihre z. B. 100 bis 300 Windungen aus dem breiten Metallband durch eine entsprechende Anzahl von dünnen Isolierschichten untereinander beabstandet sind. Eine wirkungsvolle Kühlung ist deshalb nur von den Stirn­ flächen möglich. Im Falle einer Verwendung der Spulen­ wicklungen für die Kernspintomographie sollen entspre­ chende Kühlmaßnahmen nur wenig Raum senkrecht zur Stirn­ fläche beanspruchen, um nicht mit verhältnismäßig nah benachbarten Spulenwicklungen zu kollidieren. Außerdem dürfen diese Maßnahmen nicht in den radialen Innenraum hineinragen, da dort der Platz für Gradientenspulen, Hochfrequenzspulen und den zu untersuchenden Körper benötigt wird.

Zur Kühlung der einzelnen Spulenwicklungen des bekannten Magnetsystem ist deshalb an den beiden Stirnseiten je­ der Wicklung jeweils eine große ringscheibenförmige Plat­ te aus Aluminium vorgesehen, die eingepreßte Kupferrohre enthält, durch welche Wasser als Kühlmedium forciert hin­ durchgeleitet wird. Jede Platte mit ihren rohrförmigen Kühlmittelleitungen stellt somit ein Kühlelement dar. Die beiden Kühlelemente jeder Wicklung sind mittels ge­ genseitiger Verschraubungen auf den jeweiligen Stirn­ flächen gehalten. Dabei muß der Wärmekontakt von Kühl­ element zu Wicklung über eine dauerplastische Masse be­ werkstelligt werden. Eine Klebung würde nämlich wegen der hohen Temperaturspannungen zwischen den Stirnflächen und dem jeweiligen Kühlelement reißen. Die Dicke dieser Masse ist jedoch verhältnismäßig groß zu wählen, so daß der thermische Widerstand dieser Masse dementsprechend hoch ist. Außerdem können bei dieser Fixierung die Kühl­ elemente auf dem Wickel wandern, so daß sich die Justie­ rung der einzelnen Wicklungen dementsprechend ändert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die eingangs genannte Kühleinrichtung dahingehend zu verbessern, daß eine wirkungs­ volle und sichere stirnseitige Kühlung der Spulenwick­ lungen aus Metallbändern gewährleistet ist, so daß die­ se Spulenwicklungen die Anforderungen an Anlagen der Kernspintomographie erfüllen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf jeder Stirnfläche einer Magnetspulenwicklung eine vorbestimmte Anzahl von in Umfangsrichtung regelmäßig verteilten, gleichgestalteten Kühlelementen aufgeklebt ist, wobei jedes Kühlelement mindestens eine ringschei­ bensektorförmige Wärmeleitplatte aufweist, die mit einer vorbestimmten Anzahl von in Umfangsrichtung regelmäßig verteilten Schlitzen versehen ist und mit der die Kühl­ mittelleitung wärmeleitend ver­ bunden ist.

Auf Grund der erfindungsgemäßen Strukturierung der Kühl­ elemente und ihrer vorbestimmten Anzahl und damit je­ weiligen Ausdehnung in Umfangsrichtung sind diese Ele­ mente vorteilhaft hinreichend flexibel auszuführen, um sie direkt auf den Stirnflächen der jeweiligen Spulen­ wicklungen aufkleben zu können. In Umfangsrichtung sind nämlich diese Spulenwicklungen verhältnismäßig steif. Durch den Temperaturunterschied zwischen Wicklung und starren Kühlelementen wie gemäß der bekannten Ausfüh­ rungsform würden so starke mechanische Spannungen auf­ treten, daß eine Klebung aufreißen würde. Die Kühlele­ mente sind deshalb gemäß der Erfindung in Umfangsrich­ tung fein segmentiert. Ein Reißen der Klebung auf Grund thermisch bedingter Dehnungsunterschiede zwischen Wick­ lung und Kühlelement ist deshalb nicht zu befürchten. Da­ bei sind nur verhältnismäßig geringe Schichtdicken des Klebers erforderlich, so daß der thermische Widerstand zwischen Kühlelement und Wicklung vorteilhaft entspre­ chend klein ist. Außerdem ist es für die Fertigung vor­ teilhaft, daß die Kühleinrichtung aus mehreren identi­ schen sektorartigen Kühlelementen aufzubauen ist, wo­ bei ihr Raumbedarf zur Stirnfläche sehr gering ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Kühleinrichtung nach der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteransprüchen gekennzeichneten Weiterbildungen wird auf die Zeichnung verwiesen, aus deren

Fig. 1 und 2 eine Aufsicht bzw. ein Längsschnitt durch ein Kühlelement schematisch veranschau­ licht ist. In den

Fig. 3 und 4 ist in entsprechender Dar­ stellung eine weitere Ausführungsform für ein solches Kühlelement dargestellt. Aus

Fig. 5 geht ein Verbindungs­ schema der einzelnen Kühlelemente für eine Spulenwicklung hervor.

Die erfindungsgemäße Kühleinrichtung soll insbesondere für ein Magnetsystem einer Anlage zur Kernspintomographie, wie es aus der eingangs genannten Literaturstelle "Com­ putertomographie" hervorgeht, vorgesehen sein. Das Ma­ gnetsystem setzt sich dabei aus mehreren, beispielsweise vier bis sechs, ringscheibenförmigen Magnetspulenwick­ lungen zusammen, die längs einer Achse hintereinanderge­ reiht angeordnet sind. Die einzelnen Spulen sind dabei aus breiten Bändern aus normalleitendem Material wie Kupfer oder Aluminium gewickelt, wobei die einzelnen Windungen durch eine dünne elektrische Isolation ge­ trennt sind. Die Wicklungen weisen deshalb ringschei­ benförmige Stirnflächen auf, an denen die erfindungs­ gemäßen Kühleinrichtungen anzubringen sind. Diese Kühl­ einrichtungen weisen besonders gestaltete Kühlelemente auf, von denen aus den Fig. 1 bis 4 zwei verschiedene Ausführungsformen hervorgehen.

Das in Fig. 1 als Aufsicht veranschaulichte und allge­ mein mit 2 bezeichnete Kühlelement enthält eine Wärme­ leitplatte 3, welche die Form eines Ringscheibensektors hat. Dieser Sektor kann beispielsweise 60° des gesamten Umfangsbogens der Kühleinrichtung einnehmen, so daß auf der Stirnfläche der in der Figur nicht dargestellten ringscheibenförmigen Magnetwicklung sechs derartige, gleichgestaltete Elemente 2 anzuordnen sind. Vorteil­ haft werden mindestens vier Kühlelemente pro Stirnflä­ che vorgesehen. Mit der Wärmeleitplatte 3 ist eine aus Fig. 2 näher ersichtliche Kühlmittelleitung 4 ther­ misch verbunden, indem beispielsweise diese Kühlmittel­ leitung in die Platte integriert, insbesondere gegossen, ist. Für diese Leitung kann vorteilhaft ein gut wärme­ leitendes Material wie Kupfer vorgesehen werden. Diese Leitung 4 hat vorteilhaft eine Sinoid- oder Mäanderform. Durch sie wird ein Kühlmedium M, wie z. B. Wasser, ein Öl oder mit hoher Geschwindigkeit strömende Luft hindurch­ geleitet. Die Strömung dieses Mediums M durch die Lei­ tung 4 und die Strömungsrichtung sind durch eine gestri­ chelte Linie s bzw. durch Pfeile 5 und 6 an dieser Linie in der Fig. 1 veranschaulicht. Um eine ausreichende Dehnbarkeit der Wärmeleitplatte 3 und damit des gesamten Kühlelementes 2 in Umfangrichtung so gewährleisten, ist die Wärmeleitplatte 3 mit radialen Schlitzen 7 versehen, die sich in die von den einzelnen Windungen der Kühl­ mittelleitung 4 begrenzten Bereiche erstrecken, ohne daß sie bis direkt an die Kühlmittelleitungen führen. Auf diese Weise ist die Wärmeleitplatte 3 entsprechend der Form der Kühlmittelleitung 4 gestaltet, wobei sich stets die Kühlmittelleitung 4 in dem Vollmaterial der Wärme­ leitplatte 3 befindet. Dabei soll die Anzahl der Schlit­ ze 7 so gewählt sein, daß der von benachbarten Schlitzen eingeschlossene zentrale Bogenwinkel a höchstens 20°, vorzugsweise höchstens 10°, beträgt. Gemäß dem dargestell­ ten Ausführungsbeispiel ist die Wärmeleitplatte 3 mit neun Schlitzen regelmäßig unterteilt, so daß α 6° ist.

Die radiale Ausdehnung a des Kühlelementes 2 ist unkri­ tisch, wenn die Spulenwicklung an ihrem Rande in radia­ ler Richtung eine gewisse Restweichheit aufweist. Zur Fixierung der einzelnen Aluminiumbänder innerhalb der Spulenwicklung brauchen nämlich diese Bänder nur in ih­ rer Mitte miteinander verklebt zu sein, d. h. an den seitlichen Rändern kann vorteilhaft eine Zone freigehal­ ten werden, so daß die jeweilige Kante der Spulenwick­ lung den thermischen Ausdehnungen der Kühlelemente fol­ gen kann. Deshalb lassen sich vorteilhaft mit Al₂O₃ oder Quarzmehl gefüllte Kleber, z. B. auf Epoxydharz-Basis, zum Aufkleben der Kühlelemente verwenden. Diese Kleber haben eine ausreichend gute Wärmeleitfähigkeit und sind hart genug, um jegliche weitere mechanische Fixierung der Kühlelemente entbehrlich zu machen.

Da sich die Kühlelemente durch ihre erfindungsgemäße Strukturierung der jeweiligen Stirnfläche anpassen kön­ nen, beeinflußt nur deren Fertigungstoleranz die Schicht­ dicke des Klebers. Es lassen sich so vorteilhaft Schicht­ dicken unter 1 mm erreichen. Da die Schicht auch elek­ trisch isolieren muß, ist im allgemeinen eine Mindest­ dicke zu gewährleisten. Hierzu kann vorteilhaft ein po­ röses Glasfaservlies zur Verstärkung der Kleberschicht verwendet werden.

Aus Fig. 2 geht ein Längsschnitt durch das Kühlelement 2 nach Fig. 1 hervor, der längs einer in dieser Figur mit II bezeichneten bogenförmigen Schnittlinie gelegt ist. Aus Dieser Figur ist insbesondere die Querschnittsform der Kühlmittelleitung 4 ersichtlich.

Neben der in den Fig. 1 und 2 angenommenen Ausbildung des Kühlelementes 2 aus einem Kupfer-Rohr, das mit Alu­ minium umgossen wird, können selbstverständlich auch an­ dere Rohrprofile und andere Rohrmaterialien, wie z. B. Aluminium, Stahl oder Neusilber, vorgesehen werden. Die Wärmeleitplatte 3 kann man auch aus zwei ebenen Platten zusammensetzen, die mit solchen Ausnehmungen versehen sind, daß sich bei ihrem Aneinanderfügen Hohlräume bil­ den, in welche die entsprechende Kühlmittelleitung ein­ zupassen ist oder welche direkt die Kühlmittelleitung darstellen. Daneben können auch die als Kühlmittellei­ tung verwendeten Profile in entsprechend geformte Aus­ nehmungen einer Wärmeleitplatte eingefügt, beispielswei­ se geklebt oder eingepreßt werden. Ferner läßt sich die Kühlmittelleitung auch mit dünnen Blechteilen erstellen, die auf der Wärmeleitplatte mit dem Kühlmittelweg entsprechender Form aufgeschweißt wer­ den und dann unter Druck zu dem gewünschten Kanalquer­ schnitt verformt werden (vgl. DE-OS 31 12 194).

Aus den Fig. 3 und 4 ist eine weitere Ausführungsform eines Kühlelementes für eine Kühleinrichtung nach der Erfindung in Aufsicht bzw. als Längsschnitt einer mit IV bezeichneten bogenförmigen Schnittlinie durch die Kühleinrichtung nach Fig. 3 schematisch veranschaulicht. Das Kühlelement 2 unterscheidet sich dabei von dem Kühlelement 2 nach den Fig. 1 und 2 im wesent­ lichen nur dadurch, daß die Schlitze 7 in seiner Wärmeleit­ platte 3 sich über die gesamte radiale Ausdehnung er­ strecken, so daß die Wärmeleitplatte in eine entspre­ chende Anzahl von etwa gleich großen Teilsegmenten 13 unterteilt ist. Auf die z. B. aus einem Kupfer-Blech so hergestellte Wärmeleitplatte 3 ist dann eine Kühlmittel­ leitung 4 in wärmeleitender Verbindung aufgebracht. Bei dieser Kühlmittelleitung kann es sich beispielsweise um ein Vierkant-Kupferrohr handeln, das auf die Teilsegmen­ te 13 der Wärmeleitplatte 3 aufgelötet ist. Statt der angenommenen Rechteckform dieser Kupferrohrprofile kann die Kühlmittelleitung auch eine andere Querschnittsform, beispielsweise eine Ringform, haben. Darüber hinaus kann das Kühlelement 2 auch aus anderen Materialien, wie z. B. aus Aluminium, bestehen, indem Aluminiumprofile als Kühl­ mittelleitung 4 auf Aluminiumblechen als Wärmeleitplat­ te 3 aufgeschweißt sind.

Für die ringscheibenförmigen Magnetspulenwicklungen, die mit der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung zu versehen sind, werden im allgemeinen mindestens zwei voneinander unabhängigen Kühlmittelströme vorgesehen. Dabei ist zu berücksichti­ gen, daß die beiden ringscheibenförmigen Stirnflächen einer Spulenwicklung unterschiedlich ausfallen können; d. h., ihre vordere und hintere Stirnfläche lassen sich im allgemeinen nicht ideal eben ausführen. Dies kann be­ wirken, daß die Effektivität des Wärmeaustausches zwi­ schen einer Stirnfläche und den auf ihr aufgebrachten Kühlelementen verschieden von dem Wärmeaustausch auf der gegenüberliegenden Stirnfläche ist. Um nun die Belastung der beiden Kühlmittelströme möglichst gleich zuhalten, können diese vorteilhaft zwischen beiden Seiten wechselnd geführt werden. Ein entsprechendes Schema geht aus Fig. 5 hervor. Hierbei sollen für die vordere Stirnfläche v und die hintere Stirnfläche h einer durch Schraffur angedeu­ teten ringscheibenförmigen Magnetspulenwicklung W je­ weils sechs gleichgroße Kühlelemente gemäß Fig. 1 oder Fig. 3 vorgesehen sein. Zur Verdeutlichung wurde in der Figur eine Abwicklung des Spulenumfangs in eine Ebene angenommen, wobei die Lage der einzelnen Kühlelemente dem auf einer Geraden aufgetragenen Bogenwinkel mit 360° des Wicklungsumfanges zugeordnet sind. Außerdem sind die Kühlelemente beispielsweise nach Fig. 3 durch ge­ strichelte Linien angedeutet und je nach ihrer Lage auf der vorderen oder hinteren Stirnfläche der Spulen­ wicklung W mit 2 v bzw. 2 h bezeichnet. Die Strömungs­ richtungen der beiden gegeneinander verlaufen­ den Kühlmittelströme A und B sind durch Pfeile veran­ schaulicht. Das Kühlmittel M der beiden Ströme wird an Einlaßstellen 20 bzw. 21 in die jeweiligen Kühleinrich­ tungen eingespeist und an entsprechenden Auslaßstellen 22 bzw. 23 aus diesen wieder ausgeleitet. Wie aus der Figur zu entnehmen ist, sind jeweils die Kühlmittel­ strömungen zweier benachbarter, auf verschiedenen Stirn­ flächen liegender Kühlelemente entgegengesetzt. Benach­ barte Kühlelemente auf einer Stirnfläche weisen eben­ falls entgegengesetzt verlaufende Kühlmittelströmungen auf, wobei diese Kühlmittelströmungen s den verschiede­ nen Kühlmittelströmen A und B zugehören.

Bei den Ausführungsbeispielen für die Kühlelemente nach den Fig. 1 und 3 wurde davon ausgegangen, daß ihre Kühl­ mittelleitungen sinoid- oder mäanderförmig gestaltet sind. Selbstverständlich sind auch andere Gestaltungs­ formen möglich, sofern eine großflächige thermische Ver­ bindung zwischen den Kühlmittelleitungen und den jewei­ ligen Wärmeleitplatten gewährleistet ist. Hierzu müssen die Kühlmittelleitungen auf alle Fälle in mehreren Win­ dungen mit den Wärmeleitplatten thermisch verbunden sein. Beispielsweise können die Kühlmittelleitungen in Form von einer oder mehrerer Spiralen auf der jeweiligen Wärmeleitplatte aufgebracht oder in dieser eingelassen sein.

Claims (13)

1. Einrichtung zur Kühlung eines Magnetsystems, insbe­ sondere in einer Anlage zur Kernspintomographie, wobei das Magnetsystem mehrere ringscheibenförmige Magnet­ spulenwicklungen aufweist, die aus Bändern aus normal­ leitendem Material erstellt sind und an ihren Stirnflä­ chen großflächig mit Kühlelementen wärmeleitend verbun­ den sind die durch ein in Kühlmittelleitungen for­ ciert strömendes Kühlmedium zu kühlen sind, da­ durch gekennzeichnet, daß auf je­ der Stirnfläche (v, h) einer Magnetspulenwicklung (W) eine vorbestimmte Anzahl von in Umfangsrichtung regel­ mäßig verteilten, gleichgestalteten Kühlelementen ( 2 ) aufgeklebt ist, wobei jedes Kühlelement ( 2 ) min­ destens eine ringscheibensektorförmige Wärmeleitplatte (3) aufweist, die mit einer vorbestimmten Anzahl von in Umfangsrichtung regelmäßig verteilten Schlitze (7) versehen ist und mit der die Kühlmittelleitung (4) wärmeleitend verbunden ist.

2. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (7) in radialer Richtung verlaufen.

3. Kühleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine derartige An­ zahl von Schlitzen (7) vorgesehen ist, daß der von benachbarten Schlitzen eingeschlossene Bogenwinkel (α) höchstens 20°, vorzugsweise höchstens 10°, beträgt.

4. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelleitungen (4) siniod- oder mäanderförmig gestaltet sind.

5. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelleitungen spiralförmig gestaltet sind.

6. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelleitungen (4) in die jeweilige Wärmeleitplatte (3) eingelassen sind.

7. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelleitungen (4) auf der jeweiligen Wärmeleit­ platte (3) angeordnet sind.

8. Kühleinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Schlitze (7) in der Wärmeleitplatte (3) über deren gesamte radiale Ausdehnung erstrecken.

9. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf jeder Stirn­ fläche (v, h) in den Kühlmittelleitungen (4) benach­ barter Kühlelemente ( 2 ) entgegengesetzte Kühlmittel­ strömungsrichtungen vorgesehen sind.

10. Kühleinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelströme (A, B) zwischen den beiden Stirnflächen (v, h) jeder Ma­ gnetspulenwicklung (W) wechselnd geführt sind (Fig. 5).

11. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch mindestens vier gleichgestaltete Kühlelemente ( 2 ) pro Stirn­ fläche der Magnetspulenwicklung (W).

12. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kleberschicht zwischen den Kühlelementen ( 2 ) und der jeweiligen Stirnfläche (v, h) der Magnetspulenwick­ lung (W) mittels eines Glasfaservlieses verstärkt ist.

13. Kühleinrichtung nach einem der An­ sprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Bänder der ringscheibenförmigen Magnetspulen­ wicklungen nur in einem mittleren, in Um­ fangsrichtung verlaufenden Bereich gegenseitig zu einem kompakten Wickel verklebt sind.