DE10018165C2 - Gradientenspule für MR-Anlagen mit direkter Kühlung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gradientenspule für MR- Anlagen mit einer direkten Kühlung durch in die Spule einge­ bettete von einem Kühlmittel durchströmte Kühlleitungen, wo­ bei die Kühlleitungen im Wesentlichen parallel zueinander und parallel zur Achse der Gradientenspule, verlau­ fend angeordnet sind.

In Gradientenspulen für MR-Systeme entsteht wegen der hohen elektrischen Verluste sehr viel Wärme. Diese muss durch akti­ ve Kühlung effektiv abgeführt werden. Wesentliche Gründe für diese Temperaturabfuhr sind einerseits eine unzulässige Be­ lastung des Patienten mit erhöhter Temperatur sowie eine Er­ wärmung des verwendeten Gießharzformstoffes über seine Glas­ übergangstemperatur. Wird der Gießharzformstoff über seine Glasübergangstemperatur erwärmt, so kommt es zu drastischen Veränderungen der mechanischen Eigenschaften, einer möglichen Rissbildung im Formstoff bzw. einer Ablösung von Grenzflächen und daraus folgendem Rückgang der TE-Einsetzspannung. Ver­ schärft wird die Situation durch zunehmend große Unterschiede der thermischen Ausdehnung der verwendeten Materialien (Kup­ fer, GFK, Gießharz) bei höherer Temperatur. Die maximal zu­ lässige Temperatur stellt dabei eine unerwünschte Begrenzung bei der Leistungsauslegung dar.

Neben der Möglichkeit eine Kühlung durch Vorsehen hohler mit Kühlmittel durchströmter elektrischer Leitungen der Spulen­ windungen zu erzielen, besteht die Möglichkeit zur Abführung der Verlustwärme über zwei Lagen bei den gängigen Ausfüh­ rungsformen aus eng gewickelten Kühlschläuchen aus Metall o­ der Polyamid. Neben der nicht optimalen Kühlung durch die häufig schlechte Wärmeleitfähigkeit des verwendeten Schlauch­ materials (Temperatursprung an der Schlauchwand) ergeben sich bei den meisten verwendeten Anordnungen, zu denen unter anderem spiralig gewickelte Strukturen gehören, große Schlauch­ längen zwischen dem Einlass- und Auslass von ca. 50 Metern. Daraus resultiert ein hoher Druckabfall in den Leitungen, was bei eingegossenen Verbindungsteilen zu Undichtigkeiten führen kann, die nachträglich infolge des Vergießens der Gradienten­ spule nur schwer oder überhaupt nicht zu beseitigen sind.

Darüber hinaus ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 198 35 414 A1 bereits eine Gradientenspule mit integrier­ ter Kühleinheit bekannt geworden, bei der - dort speziell zwischen den Leiterstrukturen der Spulenlagen liegend - eine Mehrzahl von parallel nebeneinander liegenden einzelnen Kühl­ leitungen vorgesehen sind, die jeweils paarweise am einen En­ de miteinander verbunden sein können, so dass der Auslauf mit der einen und der Einlauf mit der anderen Leitung eines sol­ chen gekoppelten Paars verbunden wird. Dabei ergeben sich zwar relativ kurze durchströmte Rohrlängen, jedoch ist es nachteilig, dass eine Vielzahl von Zu- und Ablaufleitungen erforderlich sind. Darüber hinaus ist das Verlegen dieser Einzelleitungen und ihre einzelne paarweise Verbindung in der Praxis umständlich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine neue di­ rekte Kühlung für Gradientenspule zu schaffen, die bei einfa­ chem Aufbau unter Vermeidung großer Kühlleitungslängen effek­ tiv arbeitet und damit eine hohe Leistungsauslegung der Gra­ dientenspule ermöglicht.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 2.

Die beiden vorstehenden nebengeordneten Lösungen für eine Gradientenspule zeichnen sich gemeinsam dadurch aus, dass der Zulauf und der Rücklauf jeweils auf der gleichen Seite der Gradientenspule angeordnet ist, was sowohl im Gebrauch der Spule vorteilhaft ist, da die Verbindungen zu einem Kühlag­ gregat nebeneinander und nicht auf verschiedenen Spulenseiten angeordnet sind, als auch die Fertigung solcher Gradienten­ spulen erleichtert. Üblicherweise werden diese nämlich nach dem Wickeln in einer Form von unten nach oben geflutet, so­ dass die eine Stirnseite vergossen ist und somit dort ein nach außen geführter Kühlmittelzu- oder -ablauf nur schlecht angeordnet werden kann.

Die beiden Lösungsvarianten unterscheiden sich dabei im We­ sentlichen durch die Art der Rückführung. Während bei der ei­ nen Ausführungsform ein in seinem Querschnitt entsprechend erweiterter Rückführkanal vorgesehen ist, sind bei der zweiten Ausführungsform die Vielzahl der Kühlleitungen abwech­ selnd in hinführende und rückführende Leitungen aufgeteilt, sodass die eine Hälfte das Kühlmittel von der Einspeisungs­ stelle zum weiteren Verteilkanal auf der Gegenseite der Gradientenspule leitet und die anderen Kühlleitungen die Rückführung vom Verteilkanal zum Auslass-Stutzen auf der gleichen Seite des Kühlmitteleinlaufstutzens bewirken.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung, bei der die durch­ strömte Rohrlänge nur noch maximal das Zweifache der Spulen­ höhe betragen soll, ergeben sich geringe Druckverluste, was auch einen niedrigeren Vordruck erlaubt. Dies wiederum ermög­ licht unter anderem auch eine günstigere Auslegung mit gerin­ geren Wandstärken und damit reduziertem Wärmewiderstand, so dass die Aufnahme der Wärme aus den umgebenden erwärmten Be­ reichen der Gradientenspule verbessert ist. Wegen der Anord­ nung der Kühlleitungen in parallel zueinander verlaufenden Gruppen, die jeweils einen Modul mit einem Zulauf und einem Ablauf bilden, entfällt auch das zeitaufwendige Wickeln der Kühlschlangenebenen, oder das paarweise Verbinden der einzel­ nen Kühlrohre wie es bei einigen bekannten Gradientenspulen vorgesehen ist.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einiger Ausführungsbei­ spiels sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Wärmetauscher- Moduls,

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 eine Ansicht eines symmetrischen Wärmetauscher- Moduls, bei dem die Kühlleitungen teilweise als Vor- und teilweise als Rücklauf ausgebildet sind,

Fig. 4 einen vergrößerten schematischen Schnitt durch ei­ nen Teil einer Gradientenspule mit erfindungsgemä­ ßen Wärmetauscher-Modulen, und

Fig. 5 einen der Fig. 4 entsprechenden Schnitt durch eine abgewandelte Ausführungsform einer Gradientenspule.

Zur effektiven direkten Kühlung von Gradientenspulen sind er­ findungsgemäß im Wesentlichen als Zylindersegmente ausgebil­ dete Wärmetauscher-Module 1 vorgesehen, die aus einer Mehr­ zahl von parallel zueinander verlaufenden Kühlleitungen 2 be­ stehen, die insgesamt oder in Gruppen am einen Stirnende und am anderen Stirnende derart miteinander gekoppelt sind, dass sich eine maximale Länge zwischen Zulauf 3 und Ablauf 4 eines Moduls 1 entsprechend der doppelten Spulenhöhe ergibt.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind die Kühlleitungen 2 an der Seite des Vorlaufs durch einen gemeinsamen Verteilka­ nal 5 miteinander verbunden, in welche der Zulauf 3 vorzugs­ weise mittig einmündet. In gleicher Weise sind die Kühllei­ tungen 2 auch an der gegenüberliegenden Seite durch einen Verteilkanal 6 miteinander verbunden, der das gesammelte Kühlwasser über eine Rückführleitung 7 zum Ablauf 4 auf der gleichen Stirnseite wie der Zulauf 3 zurückführt. Der Quer­ schnitt der Verteilkanäle und der Rückführleitung 7 ist dabei größer gewählt als der Querschnitt der Kühlleitungen 2, um nicht den Vorteil der geringen Kühlleitungslängen und damit des geringen Druckabfalls bei der ja mit entsprechend größe­ rem Durchfluss belasteten Rückführleitung wieder zu verlie­ ren. Die Kühlleitungen 2 können dabei Schläuche oder aber auch Metallrohre, beispielsweise Kupferrohre sein, wobei die Kühlleitungen mit ihren Verteilkanälen 5, 6 und der Rückführ­ leitung 7 einen Modul bilden, der als vorgefertigtes Bauteil in eine im Aufbau befindliche Gradientenspulenkonstruktion eingefügt werden kann. Beispielsweise können derartige Module 1, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist, als eine Spulenlage 8 ü­ berdeckende Konstruktion aufgebracht sein, wobei um diese Wärmetauscher-Module dann wieder eine weitere Lage an Gra­ dientenspulenwicklungen angeordnet sein kann usw.

Dabei versteht es sich von selbst, dass Zulauf und Ablauf auch vertauscht werden können, d. h. bei 3 könnte der Ablauf und bei 4 der Zulauf angeordnet sein.

Bei der Anordnung nach Fig. 3 liegen wiederum der Zulauf 3 und der Ablauf 4 an der gleichen Stirnseite des Moduls 1 und damit natürlich auch auf der gleichen Stirnseite der Gradien­ tenspule, in die dieser Modul 1 eingebaut ist. Die eine Hälf­ te der Kühlleitungen 2 dient als Vorlauf, wobei nur diese Hälfte der Kühlleitungen 2 über den Verteilkanal 5 miteinan­ der verbunden und an den Zulauf 3 angeschlossen sind. Die an­ deren Kühlleitungen 2' sind durch einen innerhalb des Ver­ teilkanals 5 angeordneten Unterverteilkanal miteinander ge­ koppelt und an den Ablauf 4 angeschlossen. Durch den Verteil­ kanal 6 auf der rechten Seite erfolgt die Verbindung der Kühlleitungen 2 und 2' untereinander, so dass das über die Kühlleitungen 2 nach rechts geförderte Kühlmittel über die Kühlleitungen 2' wieder nach links zurück und zum Ablauf 4 transportiert wird.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 erkennt man zusätzlich die querschnittlich vergrößerte Ausbildung der Rückführlei­ tung 7', die im Wesentlichen als ovale Leitung ausgebildet ist, deren radiale Höhe dem Durchmesser der normalen Kühllei­ tungen 2 entspricht.

Die Fig. 5 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer Gra­ dientenspule, bei der in die Zwischenräume zwischen den Lei­ terstrukturen 9 einer jeden Spulenlage erfindungsgemäße Wär­ metauscher-Module 1 eingebracht sind, wobei eine solche Ein­ bringung von Wärmetauscher-Modulen 1 in allen Spulenlagen o­ der in mehreren Spulenlagen erfolgen kann. Üblicherweise sind die Leiterstrukturen 9 in den unterschiedlichen Spulenlagen gegeneinander versetzt und entsprechend sind dann auch die Module 1 im Umfang versetzt zueinander in den einzelnen Spu­ lenlagen angeordnet. Auch hier erkennt man wiederum, dass die im Querschnitt rechteckigen Rückführleitungen 7" einen er­ heblich größeren Querschnitt aufweisen als die Kühlleitungen 2".

Claims (2)

1. Gradientenspule für MR-Anlagen mit einer direkten Küh­ lung durch in die Spule eingebettete, von einem Kühlmittel durchströmte Kühlleitungen, wobei die mehr als zwei Kühllei­ tungen im Wesentlichen parallel zueinander und pa­ rallel zur Achse der Gradientenspule verlaufend angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Kühlleitungen zu zylindersegmentförmi­ gen Wärmetauscher-Modulen (1) zusammengefasst sind, deren einzelne Kühlleitungen derart miteinander gekoppelt sind, dass die maximale Länge zwischen Zulauf (3) und Ablauf (4) eines Moduls (1) der doppelten Spulenhöhe entspricht, dass die Kühlleitungen (2, 2") eines Moduls an der Seite des Zulaufs (3) durch einen gemeinsamen Verteilkanal (5) miteinander verbunden sind, in welche der Zulauf (3) einmündet, daß die Kühlleitungen (2, 2") an der gegenüberliegenden Seite durch einen weiteren Verteilkanal (6) miteinander verbunden sind, der das gesammelte Kühlwasser über eine Rückführleitung (7, 7', 7") zum Ablauf (4) auf dergleichen Stirnseite wie der Zulauf (3) zurückführt, daß die Verteilkanäle (5, 6) und die Rückführleitung (7, 7', 7") querschnittlich gegenüber den Kühlleitungen (2, 2") erweitert sind, wobei die Rückführleitung (7, 7', 7") im We­ sentlichen parallel zu den Kühlleitungen (2, 2") zur Einspeisungsstirnfläche der Gradientenspule mit dem Kühlmit­ telzulauf (3) rückgeführt ist, und einen im We­ sentlichen ovalen oder rechteckigen Querschnitt aufweist, dessen radiale Abmessung der radialen Abmessung der Kühllei­ tungen (2, 2") entspricht.

2. Gradientenspule für MR-Anlagen mit einer direkten Küh­ lung durch in die Spule eingebettete, von einem Kühlmittel durchströmte Kühlleitungen, wobei die mehr als zwei Kühllei­ tungen im Wesentlichen parallel zueinander und pa­ rallel zur Achse der Gradientenspule verlaufend angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Kühlleitungen zu zylindersegmentförmi­ gen Wärmetauscher-Modulen (1) zusammengefasst sind, deren einzelne Kühlleitungen derart miteinander gekoppelt sind, dass die maximale Länge zwischen Zulauf (3) und Ablauf (4) eines Moduls (1) der doppelten Spulenhöhe entspricht, dass eine Hälfte der Kühlleitungen (2) als Vorlauf dient, wobei nur diese Hälfte der Kühlleitungen (2) über einen Verteilkanal (5) miteinander verbunden und an den Zulauf (3) angeschlossen sind, daß die andere Hälfte der Kühlleitungen (2') durch einen inner­ halb des Verteilkanals (5) angeordneten Unterver­ teilkanal miteinander gekoppelt und an den auf der gleichen Stirnfläche der Gradienten­ spule wie der Zulauf (3) angeordneten Ablauf (4) angeschlossen sind, daß die Kühlleitungen (2, 2') auf der dem Zulauf (3) gegenüberliegenden Seite durch einen weiteren Verteilkanal (6) miteinander verbunden sind, wobei die Verteilkanäle (5, 6) querschnittlich gegenüber den Kühl­ leitungen (2, 2') erweitert sind.