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Die
Erfindung betrifft einen supraleitenden Magneten gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1. Solch ein Magnet ist aus dem Dokument
US 4,535,595 bekannt.
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Es
ist bekannt, dass supraleitende Magneten durch ihre Platzierung
in einer extrem kalten Umgebung, so wie durch das Einschließen in einen
Kryostaten oder in einen flüssiges
Helium oder ein anderes Kältemittel
enthaltenden Druckbehälter,
supraleitend gemacht werden. Die extreme Kälte stellt sicher, dass der
supraleitende Betrieb in den Magnetspulen aufrechterhalten bleibt,
so dass wenn die Energiequelle anfänglich für eine relativ kurze Zeitdauer
mit der Spule verbunden wird, um den Stromfluss durch die Spulen
einzuleiten, aufgrund der Abwesenheit eines elektrischen Widerstandes
in den Spulen der Strom weiterhin durch die Spulen fließt, sogar
auch nach Entfernung der Energie, und dadurch ein starkes Magnetfeld
aufrecht erhält.
Supraleitende Magnet-Anordnungen finden eine breite Anwendung im Bereich
der MRI.
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Beträchtliche
Forschungs- und Entwicklungsbemühungen
wurden darauf gerichtet, die Notwendigkeit zum Nachfüllen von
siedendendem Kältemittel
sowie Helium zu minimieren. Dies hat zur Nutzung von Gas-Rekondensationssystemen
für Kältemittel
geführt,
wobei ein mechanisches Kühlgerät oder ein
Kryokühler
verwendet wird, um das Kältemittelgas
zu kühlen
und es für
die Wiederverwendung zurück
zu flüssigem
Kältemittel
zu rekondensieren.
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Jedoch
ist es von Zeit zu Zeit erforderlich, den Kryokühler zum Austausch und/oder
zum Kundendienst zu entfernen. Es ist wünschenswert dies, wegen der
Zeit und der Kosten, die aus einer vergleichsweise langen Abschalt-
und der nachfolgenden Anfahrzeit, die den Magnet in den supraleitenden Betrieb
zurückbringt,
resultieren, ohne Unterbrechung des supraleitenden Betriebs des
Magneten zu bewerkstelligen.
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Jedoch
hat es sich wegen der Wechselwirkung des vorliegenden starken Magnetfelds
und den magnetischen Materialen im Kryokühler als schwierig herausgestellt,
einen Austausch-Kryokühler
in den abgeschlossenen Kryokühler-Hohlraum
des sich in Betrieb befindlichen supraleitenden Magneten einzuführen. Die
anziehenden magnetischen Kräfte
neigen dazu, den Kopf des Kryokühlers
aus der Ausrichtung zu ziehen, was während der Einführung zur Falschausrichtung
und mangelhaftem thermischen Kontaktes mit den thermischen Schnittstellen
des thermischen Strahlungsschildes und des Rekondensators des supraleitenden
Magneten führt.
Auch das Gewicht des Kryokühlers
(typischer Weise 45-47 Pfund) macht eine einwandfreie Positionierung
des Kryokühlers,
insbesondere in Gegenwart der starken magnetischen Kräfte, schwer.
Die magnetischen Kräfte
können,
wenn sie zum Gewicht des Kryokühlers
hinzukommen auch ein mögliches
Sicherheitsproblem für
den Feld-Ingenieur darstellen. Darüber hinaus wird die Durchhaltezeit,
während
welcher der supraleitende Betrieb des Magneten fortgesetzt wird ohne
dass Kältemittel
rekondensiert, begrenzt, und Verzögerungen in der Sicherstellung
einer einwandfreien Ausrichtung und eines einwandfreien thermischen
Kontaktes kann zum ungeplanten und nicht gewünschten Quenchen des supraleitenden
Betriebs führen.
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Somit
besteht ein besonderes Bedürfnis nach
einem Kryokühl-System,
das die Schwierigkeiten zur einwandfreien Positionierung eines Kryokühlers in
einem abgeschlossenen Hohlraum minimiert, und nach der Erlangung
eines guten thermischen Kontaktes zwischen dem Kryokühler, dem
Magneten und dem Rekondensator während
der kurzen Durchhaltezeit.
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Ein
erfindungsgemäßer supraleitender
Magnet weist die in Anspruch 1 definierten Merkmale auf. Die Führungs-Vorrichtung weist
ein hohles Rohr mit einer Befestigungsklammer zur Befestigung außerhalb
des Magneten, und angrenzend an den abgeschlossenen Hohlraum, auf.
Die Gleit-Vorrichtung beinhaltet
einen Gleit-Stab, der so bemessen ist, dass er sich durch das hohle
Rohr der Führungs-Vorrichtung und die
Klammern zur Befestigung des Stabs am warmen Ende des Kryokühler-Flansches und
darüberhinaus
erstreckt. Der Gleit-Stab ist wesentlich länger als das hohle Rohr, so
dass der Stab geführt
und in das hohle Rohr eingeführt
werden kann während
sich der Kryokühler
außerhalb
des abgeschlossenen Hohlraums und in einem schwachen Feld oder einem
Bereich befindet, in dem das durch den sich im Betrieb befindlichen
supraleitenden Magneten erzeugte Magnetfeld schwach ist. Die Kombination
der Stab- und Führungs-Vorrichtungen vermeidet
die Falschausrichtung und den potenziell geringen thermischen Kontakt
zwischen dem Kryokühler
und dem Magneten, die ansonsten aus den auf den Kryokühler wirkenden
magnetischen Feldkräften resultieren
könnte.
Dies erleichtert die schnelle Entfernung des Kryokühlers während sich
der supraleitende Magnet im Einsatzfeld befindet.
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Ein
Befestigungsmittel mit Gewinde, das sich durch das Führungs-Rohr
hindurch erstreckt und den Gleit-Stab kontaktiert, sichert den Stab
und den sich in Position befindlichen Kryokühler, nachdem zwischen dem
Kryokühler
und den thermischen Schnittstellen des abgeschlossenen Hohlraums
ein guter thermischer Kontakt erreicht wurde, um den guten thermischen
Kontakt aufrecht zu erhalten.
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Die
Erfindung wird nun detaillierter mit Hilfe von Beispielen und unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in welchen:
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1 ist
ein Schnittbild von einem supraleitenden MRI-Magneten, der eine
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zeigt.
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2 ist
eine isometrische Ansicht, welche die Details der Führungs-Vorrichtung
aus 1 zeigt.
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3 ist
eine isometrische Ansicht, welche die Details der Gleit-Vorrichtung
aus 1 zeigt.
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4 ist
eine isometrische Ansicht, welche die Details der zusammenwirkenden
Führungs-
und Gleit-Vorrichtungen
aus den 1-3 zeigt.
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Zuerst
wird auf 1 Bezug genommen; der zweistufige-Kryokühler 10 umfasst
das Gehäuse 8, das
einen internen zylindrischen Kern 12 bildet, in welchem
der durch einen AC-Antriebsmotor
(nicht gezeigt) angetriebene Verdränger mit einem mechanischen
Antrieb, so wie durch den Pfeil 9 angezeigt, entlang der
Achse 21 des Kryokühlers
und des abge schlossenen Hohlraums 22, der unten gemäß der aus
dem Stand der Technik bekannten Weise beschrieben ist, bewegt wird.
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Der
Kryokühler 10 wird
in den abgeschlossenen, durch die Wände 4 und den Flansch 13 innerhalb
des supraleitenden MRI-Magneten 30 gebildeten Hohlraum 22,
eingesetzt. Bei Betrieb reduziert der Kryokühler 10 die Temperatur
des Kältemittel-Rekondensationsapparates 32,
mit dem dieser thermisch verbunden ist, auf supraleitende Temperaturen.
Die thermische Verbindung wird durch trennbare thermische Verbindungen
oder thermische Schnittstelle 50, die ein thermisches Kupfer-Glied 47 auf dem
Kryokühler 10 und
ein thermisches Kupfer-Glied 40 in dem supraleitenden MRI-Magneten 30 beinhaltet
und die Oberfläche
am Grund des Hohlraums 22 bildet. Dies ermöglicht die
Entfernung des Kryokühlers 10,
ohne das Vakuum in dem supraleitenden Magneten 30 zu zerstören oder
den supraleitenden Betrieb des Magneten zu unterbrechen. Der Rekondensor 32 sorgt
für die
Rekondensation und die Rückführung des
siedenden Kältemittels,
bei dem es sich typisch um Heliumgas handelt, das durch das Sieden des
flüssigen
Heliums vom Heliumvorrat 36 innerhalb des unter Druck stehenden
Behälters 35 entsteht, welches
dazu dient, die Magnetspulen 34 auf supraleitende Temperaturen
zu kühlen
und um für
ein starkes Magnetfeld im Bildgebungsvolumen innerhalb der Öffnung 38 zu
sorgen.
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Das
Heliumgas wird zwischen den Rekondensations-Oberflächen 40 hindurchgeleitet,
um rekondensiert zu werden und um über die Rückleitung 44 als flüssiges Helium
in den Flüssigheliumvorrat, allgemein
mit 36 bezeichnet, innerhalb des Druckbehälters 35 des
supraleitenden MRI-Magneten 30 zurückgeleitet zu werden. Die Rekondensations-Oberflächen 40 werden
durch Spalten in den thermischen Gliedern 54 ge bildet,
durch welche das Heliumgas fließt,
um rekondensiert zu werden. Das Ergebnis ist ein geschlossener Kreislauf
eines Helium-Verdampfungs- und Rekondensations-Systems mit einer
Verdampfungsrate von Null, ohne die Notwendigkeit zum Nachfüllen von
verdampftem Helium durch periodische Zugaben an Flüssighelium
von außen.
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Das
thermische Strahlungsschild 9 ist thermisch mit dem ersten
Abschnitt des Kryokühlers 10 durch
Kupferlitzen (nicht gezeigt) mit der thermischen Schnittstelle zwischen
dem abgeschlossenen Hohlraum 22 und dem Kryokühler verbunden.
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Von
Zeit zu Zeit ist es erforderlich den Kryokühler 10 aufgrund von
Fehlfunktionen des Kryokühlers
oder aufgrund der Notwendigkeit zur Durchführung einer Routinewartung,
zu ersetzen. Es ist sehr erstrebenswert, den Kryokühler 10 schnell
aus dem abgeschlossenen Hohlraum 22 zu entfernen, um einen
Austausch des Kryokühlers
ohne Störung
des supraleitenden Betriebes des Magneten 30 zu gewährleisten,
um eine MRI-Ausfallszeit und um die Zeit und die Kosten zu vermeiden,
die ansonsten entstehen würden,
wenn der Magnet quenchen würde oder
der supraleitende Betrieb aufhören
würde und schließlich erneut
hochgefahren werden müsste
und zurück
in den supraleitenden Betrieb versetzt werden müsste.
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Die
Entfernung und der Austausch des Kryokühlers 10 muss daher
in der relativ kurzen Zeitdauer, die zur Verfügung steht bevor das Flüssighelium 34 verdampf
und so die Unterbrechung des supraleitenden Betriebs der Spulen 34 verursacht,
die sogenannte Durchhalte-Zeitdauer, bewerkstelligt werden. Außerdem übt das durch
die supraleitenden Spulen 34 erzeugte Magnetfeld starke
magnetische Kräfte auf
das magnetische Material, wie den Edelstahl, des Kryokühler 10 aus.
Die magnetischen Kräfte
neigen dazu den Kryokühler
aus seiner Ausrichtung oder seiner Zentrierung innerhalb des abgeschlossenen Hohlraums 22 zu
ziehen, was im Gegenzug den guten thermischen Kontakt zwischen den
Oberflächen der
thermischen Schnittstellen sowie den thermischen Kupfer-Gliedern 47 und 49 dem
thermischen Anschluss 50 verhindert. Der Mangel an einem
guten thermischen Kontakt im thermischen Anschluss 50 kann
den durch den Rekondensator 32 bewirkten notwendigen Rekondensationsvorgang
unterbrechen und/oder verhindern.
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Eine
oder mehrere Kombinationen 82 der zusammenwirkenden Führungs-Vorrichtung 52 und
der Gleit- oder Stab-Vorrichtung 70 werden
bereitgestellt, um den Kryokühler 10 in
dem abgeschlossenen Hohlraum 22 zu positionieren. Die Details
der Führungs-Vorrichtung 52 und
der Gleit-Vorrichtung 70 werden in den 2-4 gezeigt.
Zuerst wird auf die 1 und 3 Bezug
genommen; die Führung-Vorrichtung 52 beinhaltet
eine zentral-axiale Öffnung 54 durch
die Befestigungsklammer 56 und das Führungsrohr 58. Die Öffnung 54 ist
mit rechtwinkligem Querschnitt gezeigt, der für eine positive Positionierung
wünschenswert
ist, wenn nur ein einzelner Satz an zusammenwirkenden Führungs- 52 und
Gleit-Vorrichtungen 60 verwendet
wird. Die Öffnung 54 kann
andere Querschnitte, so wie z.B. kreisförmige, aufweisen, besonders
falls eine Vielzahl von zusammenwirkenden Führungs-Vorrichtungs- 52 und Gleit-Vorrichtungs-Kombinationen 82 in
der den Kryokühler 10 umgebenden
Peripherie verwendet werden.
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So
wie es in 2 am deutlichsten gezeigt ist,
beinhaltet die Gleit-Vorrichtung 70 einen Gleit-Stab 60 und
Befestigungsklammern 57 und 61. Der Stab 60 ist
so dimensioniert um passgenau, aber gleitfähig in die Öffnung 54 der Führungs-Vorrichtung 52 zu
passen. Es ist festzuhalten, dass das Führungs-Rohr 58 beträchtlich
kürzer
ist als der Gleit-Stab 60 und dass in einer Anwendung war
das Führungsrohr
34,13 cm (9,5 Inch) lang war, während der
Gleit-Stab 60 60,96 cm (24 Inch) lang war. Um das Gesamtgewicht
der Kryokühler-Vorrichtung 10 zu
reduzieren, hat der Stab 60 Rohrform einschließlich eines
hohlen Innerens oder einer Öffnung 64. Das
Führungsrohr 58 ist
3,17 × 3,17
cm (1,25 × 1,25 Inch)
mit einer Wandstärke
von 0,28 cm (0,11 Inch) und die Öffnung 54 hat
eine innere Ausdehnung von 2,90 × 2,90 cm (1,14 × 1,14 Inch).
Der Stab 60 ist 2,54 × 2,54
cm (1,00 × 1,00
Inch), so dass ein nomineller Gesamtabstand von 0,36 cm (0,14 Inch)
zwischen den gegenüberliegenden
Seiten der Öffnung 54 der
Führungs-Vorrichtung 52 bereitgestellt
wird, um das Einführen
und das Herausziehen des Kryokühlers 10,
an dem der Stab befestigt ist, zu erleichtern.
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So
wie es am besten in den 1 und 3 gezeigt
ist wird die Führungs-Vorrichtung 52 angrenzend,
aber außerhalb
des abgeschlossenen Hohlraums 22 durch Befestigung an dem
Flansch 13 des supraleitenden Magneten 30 positioniert.
Die Bolzen 53 erstrecken sich durch die Öffnungen 55 im Flansch 13 hin
zu den Gewinde-Öffnungen 57 in
den Ohren 59 der Befestigungsklammer 56.
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So
wie es am besten in den 1 und 2 gezeigt
ist wird die Gleit-Vorrichtung 70 am warmen Ende des Flansches 15 des
Kryokühlers 10 durch
die Befestigungs-Klammern 62, die ein Paar von Platten 57 und 61 aufweisen,
die auf gege nüberliegenden Seiten
des Flansches 15, der das warme obere Ende des abgeschlossenen
Hohlraums 22 umgibt und abschließt, befestigt sind. Der Flansch 13 des
abgeschlossenen Hohlraums und der Kryokühler-Flansch 15 am
warmen Ende des Kryokühlers 10 wirken
zusammen, um den Abschluss des abgeschlossenen Hohlraums 22 zu
vervollständigen,
nachdem der Kryokühler
innerhalb des abgeschlossenen Hohlraums des supraleitenden Magneten 30 gesichert
ist. Die Bolzen 59 greifen durch die Öffnungen 63 in der
Platte 61 bis zu den Gewindeöffnungen 65 in der
Platte 57, um den Kryokühler-Flansch 15 und
die Klammer-Gleit-Vorrichtung 70 sandwichartig mit dem
Kryokühler 10 zu
verbinden.
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Die
ausgedehnte Länge
des Gleit-Stabes 60 ist passend, um die Ausrichtung des
Gleitstabes und seine Einführung
in die Öffnung 54 der
Führung 52 zu ermöglichen,
während
der Kryokühler 10 oberhalb und
außerhalb
der inneren Bereiche des abgeschlossenen Hohlraums 22 positioniert
wird. Dies erlaubt die Anordnung und Einführung des Gleit-Stabes 60 ohne
signifikante magnetische Feldkräfte
des durch die supraleitenden Magnetspulen 34 generierten
Magnetfeldes, das auf den Kryokühler 22 einwirkt,
wodurch die starken Kräfte
vermieden werden, die dazu neigen den Kryokühler 10 aus seiner
axialen Ausrichtung in dem abgeschlossenen Hohlraum 22 zu
ziehen. Das heißt,
wenn der supraleitende Magnet 30 im feld- oder supraleitenden
Betrieb ist, wird der Gleit-Stab 60 in
das Rohr 58 eingeführt,
während
der Kryokühler 10 in
einem Bereich mit einem schwachen Magnetfeld ist, danach führt die
Rohr- und Gleit-Kombination 82 die Achse des Kryokühlers 30 exakt
entlang der Achse 21, während
sie der starken magnetischen Anziehungskraft des durch die supraleitenden
Spulen 34 erzeugten Magnetfeldes widersteht, während der
Kryokühler
in den abgeschlossenen Hohlraum ab gesenkt wird. Dies verringert
die Möglichkeit
einer Fehlausrichtung des Kryokühlers 10 und
einer fehlerhaften thermischen Verbindung der thermischen Schnittstellen,
indem die vollständig parallele
und zentrierte Verbindung der Oberflächen der thermischen Glieder
so wie 47 und 49 der thermischen Schnittstellen
oder Verbindungen 50 sichergestellt wird. Die Führungs-Vorrichtung 52 und
der Stab 60 der Gleit-Vorrichtung 70 minimieren
auch die Kraft und das Gewicht, die der Feld-Ingenieur beim Installieren
des Kryokühlers 10 in
dem abgeschlossenen Hohlraum 22 überwinden und aufbringen muss,
wodurch die Möglichkeit
einer Verletzung verringert wird und ein Beitrag zur Sicherheit
des Installateurs oder Feld-Ingenieurs geleistet wird.
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Ein
Paar von diametral gegenüberliegenden Führung- und
Gleitkombinationen 82 (siehe 1-4)
kann, verwendet werden, und der Gleit-Stab 60, die Öffnung 54 und
das Rohr 58 können
einen kreisrunden oder anderen Querschnitt aufweisen.
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Die
Gewinde-Haltebolzen 80 (siehe 3 und 4)
erstrecken sich durch die Gewindeglieder 83 und das Führungsrohr 58,
um den Gleit-Stab 60 zu kontaktieren, und um den Stab und
den daran befestigten Kryokühler 10 in
Position zu halten, nachdem der Kryokühler eingeführt und an den thermischen
Schnittstellen, wie 50, der einwandfreie thermische Kontakt
erreicht wurde. Die Nutzung dieser Befestigungsmittel kann erleichtert
werden durch die Rändelung 81 des
Bolzens 80.