DE3701041A1 - Vorrichtung zur temperierung einer fluessigkeitsgekuehlten spulenanordnung zur erzeugung eines homogenen magnetfeldes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs. Eine solche Vorrichtung ist insbesondere für die Verwendung in Verbindung mit einem Kernmagnetresonanzcomputertomographieaufnahmegerät (nachfolgend als KMR-Computertomograph bezeichnet) geeignet.

Ein KMR-Computertomograph muß ein homogenes Magnetfeld einer Stärke von wenigsten 0,1 bis 0,2 T und einer Gleichförmigkeit von 100 ppm innerhalb eines kugelförmigen homogenen Magnetfeldraums mit einem Durchmesser von etwa 40 cm in der Mitte einer flüssigkeitsgekühlten Spulenanordnung, in die der zu untersuchende menschliche Körper gebracht wird, erzeugen. Außerdem dürfen Schwankungen der magnetischen Feldstärke während der Dauer einer Aufnahme (Aufnahmezeit) nicht mehr als 10 ppm betragen, damit Störungen des tomographischen Bildes verhindert werden. Die Aufnahmezeit liegt im Bereich von 10 bis 20 Minuten. Es ist bekannt, daß Dehnung, Schrumpfung oder andere Deformationen der Spulenanordnung infolge von Temperaturänderungen zu erheblichen Änderungen des Magnetfeldes führen, weshalb man eine Kühlanordnung vorsieht, die Temperaturänderungen der Spulenanordnung während der Aufnahmezeit innerhalb von maximal ±0,1°C Abweichung von der Solltemperatur hält. Ferner sieht man eine Vorrichtung zum Vorheizen vor, durch die die Temperatur der Spulenanordnung auch nach einer Aufnahme eines tomographischen Bildes gehalten wird, damit die Zeitspanne zur Stabilisierung der Spulentemperatur zu Beginn der nächsten Aufnahme verkürzt wird.

Fig. 4 zeigt schematisch den Aufbau einer Kühlvorrichtung und einer Vorheizvorrichtung für eine Spulenanordnung der in Frage stehenden Art gemäß einem Beispiel des Standes der Technik.1

Fig. 4 bezeichnet 1 eine Spulenanordnung zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes, die aus zwei Paaren von Helmholtz- Spulen 2 besteht. Dicht an beiden Seiten der ringförmigen, mit rechteckigem Querschnitt versehenen Spulen befinden sich je flüssigkeitsgekühlte Platten 3. Die in Reihe geschalteten Spulen der Spulenanordnung 1 sind zum Zwecke der Erregung an eine Gleichstromquelle 4 angeschlossen. Mit 10 ist eine Kühlvorrichtung bezeichnet, die von einer Kühlflüssigkeit 100 wie Wasser, Öl, etc. Gebrauch macht und ein Freon-Kühlaggregat 5, einen Wärmetauscher 6, eine Umwälzpumpe 7, eine Rücklaufpumpe 8, einen Flüssigkeitsbehälter 9 und ein Zirkulationssystem aufweist. Das Kühlaggregat 5 umfaßt einen Kompressor 5 A, einen Verflüssiger 5 B, einen Verdampfer 5 C und ein Drosselorgan (Kapillarrohr) 5 D, etc. Der Wärmetauscher 6 wird vom Kühlaggregat 5 gekühlt. Der Flüssigkeitsbehälter 9 dient zugleich als Entlüftung für die Kühlflüssigkeit und ist mit einem Schwimmerventil 9 A und einem Temperaturfühler 9 B versehen. Das Zirkulationssystem umfaßt die Kühlplatten 3 der Spulenanordnung, die über Regelventile 13 B und Kühlleitungen 13 A an die Kühlvorrichtung angeschlossen sind, sowie Kühlleitungen 14 A, über die ein Gleichrichter der Gleichstromquelle 4 gekühlt wird. Mit 24 ist eine Vorheizvorrichtung bezeichnet, die mit einem Temperaturfühler 24 A die Temperatur am Kühlflüssigkeitseinlaß erfaßt. Ein Regler 24 B der Vorheizvorrichtung 24 empfängt das Ausgangssignal des Temperaturfühlers 24 A und erzeugt ein Stellsignal zur Steuerung des Ausgangsstroms der Gleichstromquelle 4.

Bei der beschriebenen Vorrichtung erfolgt die Temperatursteuerung (Kühlung) der das homogene Magnetfeld 11 erzeugenden Spulenanordnung 1 auf folgende Weise: Zuerst werden die Regelventile 13 B geöffnet und ein Bypassventil 14 C geschlossen. Durch Anschalten der Pumpen 7 und 8 und des 2 Kühlaggregats 5 wird die auf eine festgelegte Temperatur T 0 von beispielsweise 20 ± 0,1°C gekühlte Kühlflüssigkeit zu einer Zirkulation durch die einzelnen Kühlplatten 3 der Spulenanordnung 1 und die Gleichstromquelle 4 gezwungen. Durch Anschalten der Gleichstromquelle 4 wird die Spulenanordnung 1 mit einem festgelegten Erregerstrom I 0 gespeist. Da der Wärmewiderstand zwischen der Spulenanordnung und der Kühlflüssigkeit bedeutend geringer als der zwischen der Spulenanordnung und der umgebenden Luft ist, wird die Temperatur der Spulenanordnung 1 von der umgebenden Luft so gut wie nicht beeinflußt und kann auf einer Temperatur T 1 von beispielsweise 40°C konstant gehalten werden, wo die von der Spulenanordnung erzeugte Wärme gerade mit der von der Kühlflüssigkeit 100 abgeführten Wärme im Gleichgewicht steht. Mit anderen Worten, ein stabiles tomographisches Bild kann dadurch erhalten werden, daß die Temperatur der Kühlflüssigkeit 100 während der Aufnahmezeit mit Hilfe des Temperaturfühlers 9 B so geregelt wird, daß die Regelabweichung 0,1°C oder weniger beträgt. Wenn die Aufnahme beendet ist, werden die Regelventile 13 B geschlossen und nur noch durch Einstellung des Bypassventils 14 B die Gleichstromquelle 4 gekühlt. Die Spulenanordnung 1 wird dadurch in einen "Selbstkühlzustand" versetzt, wobei die Vorheizvorrichtung 24 mit dem Temperaturfühler 24 A und dem Regler 24 B die Gleichstromquelle 4 in einen Vorheizbetriebszustand steuert. Wenn die Solltemperatur des Reglers 24 B nahezu gleich der Betriebs- oder Aufnahmetemperatur T 1 der Spulenanordnung 1 ist, wird der Ausgangsstrom der Gleichstromquelle 4 vermindert, wenn die Temperatur der Kühlplatten 3 in die Nähe der Betriebstemperatur T 1 kommt. Dadurch kann die Temperatur der Spulenanordnung stabilisiert und in der Nähe der Betriebstemperatur gehalten werden, wobei die von der Spulenanordnung erzeugte Wärme mit der durch natürliche Kühlung abgestrahlten Wärme im Gleichgewicht steht.

Wenn sich die Spulenanordnung 1 in einem klimatisierten Raum befindet, der zu Zwecken der Temperaturregelung abgeschlossen ist, dann stellt sich in Vertikalrichtung ein Temperaturgradient der Raumtemperatur ein, der die Spulenanordnung im Selbstkühlzustand beeinflußt, derart, daß die Temperatur am oberen Teil der Spulenanordnung etwas höher und die am unteren Teil der Spulenanordnung etwas niedriger wird. Dies verursacht thermische Spannungen innerhalb der Spulenanordnung, die zu einer - wenn auch geringen - Verformung führen. Wenn unter dieser Voraussetzung der Betrieb dadurch gestartet wird, daß das Bypassventil 14 B geschlossen wird, die Regelventile 13 geöffnet werden und durch Umstellung der Gleichstromquelle 4 von Vorheizbetrieb auf Normalbetrieb der Erregerstrom I 0 an die Spulenanordnung 1 geliefert wird, dann erweist sich, daß eine Wartezeit von wenigstens 45 Minuten erforderlich ist, bevor ein stabiles tomographisches Bild aufgenommen werden kann. Dies ist so, obwohl die von der Kühlvorrichtung 10 auch während des Vorheizens auf die Temperatur T 0 gekühlte Kühlflüssigkeit 100 nun durch die Kühlplatten der Spulenanordnung 1 strömt und die Spule sofort aufgeheizt werden kann. Trotz der Vorheizung vergeht eine längere Zeitspanne als erwartet, bis der Gleichgewichtszustand bei der Betriebstemperatur T 1 der Spulenanordnung erreicht ist. Die erstrebte Verringerung der Wartezeit vor Durchführung einer Aufnahme und damit die Verbesserung des Nutzungsgrads eines KMR-Computertomographen werden mit diesem Stand der Technik nicht in zufriedenstellender Weise erzielt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs angegebenen Art zu schaffen, bei der mit einfachen Mitteln erreicht wird, daß die zur Stabilisierung der Temperatur der Spulenanordnung erforderliche Zeit deutlich verkürzt und damit der Ausnutzungsgrad erhöht wird.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Vorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs angegebenen Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs gelöst.

Die Erfindung basiert auf der Tatsache, daß die längere Stabilisierungs- oder Übergangszeit beim Stand der Technik von einem Temperaturgradienten der Spulenanordnung und dadurch bedingten thermischen Spannungen herrührt. Zur Vermeidung dieser Schwierigkeiten wird eine Vorheizvorrichtung so ausgebildet, daß ein Heizaggregat in einem Hauptteil der Kühlvorrichtung für die Kühlflüssigkeit angeordnet und abhängig von der Temperatur am Kühlflüssigkeitseinlaß der Kühlplatten ein/ausgesteuert wird, um so die Spulenanordnung auf die Betriebstemperatur vorzuheizen. Auf diese Weise kann die Temperatur der Spulenanordnung ohne Beeinflussung durch die Raumtemperatur der Umgebung auf der Betriebstemperatur gehalten werden, indem der geringe Wärmewiderstand zwischen den Spulen und den Kühlplatten ausgenutzt und so ein Temperaturgradient in Vertikalrichtung der Spulen vermieden wird.

Ungeachtet der Temperaturverteilung der die Spulenanordnung umgebenden Atmosphäre kann demnach die Spulenanordnung nahezu gleichförmig auf eine Temperatur vorgewärmt werden, die den Normalbetrieb der Spulenanordnung simuliert. Wenn dann von der Betriebsart Vorheizen auf die Normalbetriebsart umgestellt wird, dann ergibt sich eine Warte- oder Übergangszeit, bis die Temperaturverteilung der Spulenanordnung sich auf den normalen Betriebszustand stabilisiert hat, die etwa auf ein Viertel der entsprechenden Zeit beim Stand der Technik verkürzt ist. Wenn die Spulenanordnung beispielsweise für einen KMR-Computertomographen verwendet wird, dann wird nicht nur die Wartezeit bis zum Beginn einer neuen Aufgabe nach Anschalten der Spulenanordnung merklich verkürzt, vielmehr wird auch der Nutzungsgrad des teuren Geräts wesentlich erhöht. Die Vorheizvorrichtung kann auf besonders wirtschaftliche Weise unter Ausnutzung des Zwangszirkulationskreises ausgebildet werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß während des Vorheizbetriebs das Kühlaggregat abgeschaltet und die Spulentemperaturstabilisierungszeit kürzer gemacht werden kann, wodurch verglichen mit dem Stand der Technik der unnötige Verbrauch elektrischer Leistung verringert werden kann.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch den Aufbau einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 ein Diagramm mit dem Temperaturverlauf für die erste Ausführungsform,

Fig. 3 schematisch eine weitere Ausführungsform der Erfindung, und

Fig. 4 den Aufbau einer bekannten Vorrichtung.

Es sei zunächst eine bevorzugte Ausführungsform anhand der Fig. 1 und 2 erläutert. Elemente in Fig. 1, die Elementen der beschriebenen Anordnung von Fig. 4 gleichen oder im wesentlichen entsprechen, sind mit denselben Bezugszahlen versehen und sollen hier nicht noch einmal im einzelnen erläutert werden.

In Fig. 1 ist mit 30 ein Heizaggregat mit einem Heizer 31, einem Temperaturfühler 33 und einem Temperaturregler 32 bezeichnet. Bei dem Heizer 31 kann es sich um eine Rohrschlange oder ähnliches handeln, die innerhalb des Flüssigkeitsbehälters 9 angeordnet ist. Der Flüssigkeitsbehälter 9 dient, wie eingangs erwähnt, zur Entlüftung und Versorgung mit Kühlflüssigkeit 100 wie Kühlwasser, Öl, etc. Der Temperaturfühler 33 mißt die Temperatur der Kühlflüssigkeit am Kühlflüssigkeitseinlaß der flüssigkeitsgekühlten Platten 3, die ganz in der Nähe der Spulenanordnung 1 angeordnet sind. Der Temperaturregler 32 empfängt das Ausgangssignal des Temperaturfühlers 33 und schaltet den Heizer 31 ein und aus, derart, daß die Betriebstemperatur T 1 der Spulenanordnung erreicht wird.

Die Spulenanordnung kann bei diesem Aufbau auf folgende Weise von dem Normalbetrieb, bei dem das homogene Magnetfeld 11 erzeugt wird, auf den Vorheizbetrieb umgeschaltet werden. Das Kühlaggregat 5, die Umwälzpumpe 7 und die Gleichstromquelle 4 werden abgeschaltet. Die Regelventile 14 B werden geschlossen und der Heizer 31 eingeschaltet. Dadurch wird die Kühlflüssigkeit 100, die von der Rücklaufpumpe 8 getrieben wird, während ihrer Zirkulation durch den Wärmetauscher 6, der nicht mehr kühlt, den Flüssigkeitsbehälter 9 mit dem Heizer 31, die abgeschaltete Umwälzpumpe 7, die Regelventile 13 B, die Kühlleitungen 13 A und den von der Vielzahl von Kühlplatten 3 gebildeten Zirkulationskreis auf die Betriebstemperatur T 1 der Spulenanordnung 1 erwärmt. Hierdurch kann die die Kühlplatten umfassende Spulenanordnung auf der Betriebstemperatur T 1 gehalten werden. Da der Wärmewiderstand zwischen den Spulen und der Kühlflüssigkeit leicht auf einen Wert gebracht werden kann, der ein Zehntel oder weniger des Wärmewiderstands zwischen der Spulenoberfläche und der umgebenden Atmosphäre ist, kann die gesamte Spulenanordnung einschließlich der Kühlplatten auf der Betriebstemperatur T 1 gehalten werden. Hierdurch werden ein Temperaturgradient, das heißt Temperaturunterschiede der Spulenanordnung in Vertikalrichtung und damit verbundene thermische Spannungen der Spulenanordnung nahezu perfekt ausgeschlossen. Das Umschalten vom Vorheizbetrieb zum Normalbetrieb, wo das homogene Magnetfeld 11 erzeugt wird, erfolgt durch die genannten Schritte in umgekehrter Reihenfolge.

Fig. 2 zeigt den Verlauf der Temperatur der Spulenanordnung und der Kühlflüssigkeit, wenn bei der obigen Ausführungsform von Vorheizen auf Normalbetrieb umgeschaltet wird. Das Diagramm betrifft den Fall einer Spulenanordnung für einen KMR-Computertomographen mit einem homogenen Magnetfeld einer Stärke von 0,18 T und einer Gleichförmigkeit des magnetischen Feldes von 100 ppm, die von Vorheizen auf Normalbetrieb umgeschaltet wird. Wasser wird als Kühlflüssigkeit verwendet. Die Betriebstemperatur beträgt T 1 = 39,74 ± 0,1°C, und die Wassertemperatur am Einlaß der Kühlplatten beträgt 20 ± 0,1°C. In Fig. 2 zeigt W 1 eine mittlere Temperatur der Spulenanordnung 1 und W 100 die Temperatur des Kühlwassers 100 am Einlaß der Kühlplatten 3. Während des Vorheizens strömt das auf 39,74°C geregelte Kühlwasser in die Kühlplatten, so daß auch die Temperatur T 1 der Spulenanordnung auf 39,74°C gehalten wird. Zum Zeitpunkt t = 0 wird der Heizer 31 abgeschaltet, während die Gleichstromquelle 4 und die Kühlvorrichtung 10 sofort zu arbeiten beginnen. Zu diesem Zeitpunkt werden das auf T 1 = 39,74°C erwärmte Kühlwasser und das Heizaggregat vom Kühlaggregat gekühlt, und nach einer Übergangszeit von t 1 ist die Temperatur des Kühlwassers auf T 0 = 20 ± 0,1°C abgesenkt und wird auf diesem Wert gehalten. Inzwischen steigt die Temperatur der Spulenanordnung aufgrund der Tatsache vorübergehend an, daß die vom Erregerstrom I 0 herrührende Wärme während der Übergangszeit t 1 die durch die Kühlung abgeführte Wärme übersteigt. Nach der Übergangszeit t 1 fällt die Temperatur der Spulenanordnung allmählich ab und wird nach der Übergangszeit t 2 bei 39,74 ± 0,1°C stabilisiert. Bei dem beschriebenen Beispiel dieser Ausführungsform der Erfindung betrug die Übergangszeit t 1 3 Minuten, der Überschwinger der Spulentemperatur 2,53°C und die Übergangszeit t 2 12 Minuten. Damit ist die Übergangszeit t 2, das heißt, die Zeit bis zum Erreichen einer stabilen Spulentemperatur, gegenüber den 45 Minuten des Standes der Technik auf etwa ein Viertel verkürzt.

Das Stromheizsystem des Standes der Technik unterscheidet sich wesentlich vom Warmwasserheizsystem der vorliegenden Erfindung bezüglich der Übergangszeit t 2, das heißt der Spulentemperaturstabilisierzeit, aus dem leicht verständlichen Grund, daß das Stromheizsystem merklich dem Einfluß der Umgebungstemperatur (ihrer Verteilung) unterliegt und zu Temperaturunterschieden an einzelnen Spulenteilen führt, während beim Warmwasserheizsystem der Einfluß der Umgebungstemperatur (Verteilung) gering ist und die Temperaturverhältnisse während des Betriebs der Spulenanordnung simuliert werden, so daß geringere Unterschiede der thermischen Spannungen zwischen Vorheizbetrieb und Normalbetrieb auftreten. Die beschriebene Ausführungsform der Erfindung besitzt den weiteren Vorteil, daß die Vorheizvorrichtung auf wirtschaftliche Weise realisiert wird, indem ein Heizer vorgesehen wird und vom Zwangszirkulationskreis des Kühlvorrichtung 10 Gebrauch gemacht wird. Das Kühlaggregat und die Umlaufpumpe sind während des Vorheizbetriebs abgeschaltet, wodurch bei geringerem Energieverbrauch als beim Stand der Technik in besserer Weise die Temperaturverhältnisse beim Betrieb der Spulenanordnung simuliert werden.

Fig. 3 zeigt schematisch eine andere Ausführungsform der Erfindung. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der vorgenannten darin, daß eine Vorheizvorrichtung 40 mit einem Heizbehälter 49, einem Heizer 41, einem Temperaturregler 42, einem Temperaturfühler 43 und einer Umwälzpumpe 48 über ein Ventil 44 an die Kühlleitungen 13 A angeschlossen ist. Die Vorheizvorrichtung 40 kann durch Trennung von Kühlvorrichtung und Vorheizvorrichtung in der Größe reduziert werden, und dadurch kann die thermische Kapazität der Vorheizvorrichtung 40 verringert werden. Dies erlaubt, die Übergangstemperatur t 1 bis zum Erreichen einer stabilen Wassertemperatur zu verkürzen und den Überschwinger der Spulentemperatur zu verringern sowie damit auch die Übergangszeit t 2 bis zur Erzielung einer stabilen Spulentemperatur zu verkürzen.

Claims (1)

1. Vorrichtung zur Temperierung einer flüssigkeitsgekühlten Spulenanordnung (1), die mit flüssigkeitsgekühlten Kühlplatten (3) versehen ist, zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes, umfassend eine Kühlvorrichtung (10), die mit den Kühlplatten (3) kommuniziert, eine Kühlflüssigkeit (100) auf eine konstante Temperatur kühlt und die Kühlflüssigkeit zwangsweise umwälzt, eine Gleichstromquelle (4) zur Lieferung eines Erregerstroms an die Spulenanordnung (1) und eine Einrichtung zum Vorheizen der Spulenanordnung (1) vor Lieferung des Erregerstroms auf eine Temperatur, die nahezu gleich der Betriebstemperatur ist, wobei die Vorheizeinrichtung einen Temperaturfühler (33) und einen Temperaturregler (32) aufweist, durch welche die Vorheizung ein/aussteuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Heizer (31) im Umwälzkreis der Kühlvorrichtung (10) oder in einem damit in Verbindung stehenden Kreis angeordnet ist, und daß der Heizer (31) von Temperaturfühler (33) und Regler (32) derart ein- bzw. ausgeschaltet wird, daß die Temperatur der Kühlflüssigkeit am Einlaß der Kühlplatten (3) auf der Betriebstemperatur gehalten wird.