DE102004061869B4 - Einrichtung der Supraleitungstechnik und Magnetresonanzgerät - Google Patents

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Abstract

Einrichtung der Supraleitungstechnik
– mit einem Magneten (2, 2A, 2B, 2C) der mindestens eine supraleitfähige Wicklung (50, 50A, 50B, 50C, 50D) enthält,
– mit einer Kälteeinheit (16), die mindestens einen Kaltkopf (26) und ein Reservoir (14, 14A) aufweist und
– mit einem Leitungssystem mit wenigstens einer Rohrleitung (6, 6A, 6B) für ein darin nach einem Thermosiphon-Effekt zirkulierendes, teilweise flüssiges Kältemittel zur indirekten thermischen Ankopplung der mindestens einen Wicklung (50, 50A, 50B, 50C, 50D) an den mindestens einen Kaltkopf (26),
– wobei das Reservoir (14, 14A) unterhalb eines am höchsten liegenden Punkts der mindestens einen Wicklung (50, 50A, 50B, 50C, 50D) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitung (6, 6A, 6B) derart ausgebildet ist, dass verdampfendes Kältemittel innerhalb des flüssigen Kältemittels zurück in das Reservoir (14, 14A) geführt wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung der Supraleitungstechnik
    • – mit einem Magneten, der mindestens eine supraleitfähige Wicklung enthält,
    • – mit einer Kälteeinheit, die mindestens einen Kaltkopf und ein Reservoir aufweist und
    • – mit einem Leitungssystem mit wenigstens einer Rohrleitung für ein darin nach einem Thermosiphon-Effekt irkulierendes, teilweise flüssiges Kältemittel zur indirekten thermischen Ankopplung der mindestens einen Wicklung an den mindestens einen Kaltkopf, und ein Magnetresonanzgerät.
  • Zur Kühlung von supraleitfähigen Magneten, insbesondere bei Magnetresonanzgeräten, wird im Allgemeinen flüssiges Helium eingesetzt. Dabei befindet sich der supraleitfähige Magnet in einem Bad aus flüssigem Helium (vgl. US 6,246,308 B1 ). Es sind Magnete mit Kälteeinheiten verfügbar, in denen verdampftes Helium kondensiert wird, so dass Verluste von Helium weitestgehend ausgeschlossen sind. Die Magnete sind von Druckbehältern umgeben, die auch das flüssige Helium aufnehmen. Bei einer Betriebsstörung des Magneten kann es zu einem nicht beabsichtigten Übergang von zunächst supraleitenden Teilen des Magneten in den normalleitenden Zustand kommen, woraufhin sich der Magnet lawinenartig erwärmt. Dadurch wird ein Großteil des Heliums verdampft wird. Dies wird als Quench bezeichnet. Um Beschädigungen zu vermeiden muss der jeweilige Druckbehälter für große Drücke im Bereich mehrerer Bar ausgelegt sein, die während des Quenchs auftreten können. Der Druckbehälter muss dazu stabil gebaut sein, was beispielsweise durch eine Wandstärke von mehreren Millimetern realisierbar ist. Zusätzlich ist der Druckbehälter zur thermischen Isolation gegenüber der Umgebung von einem Vakuumgefäß umgeben. Dies resultiert in hohen Produktionskosten und hat im Fall von Magnetresonanzgeräten den zusätzlichen Nachteil, dass die Entfernung zwischen Magneten und einem Patienten vergrößert wird. Eine Badkühlung hat außerdem den Nachteil, dass mehrere 100 Liter flüssiges Helium zur Kühlung des Magneten erforderlich sind, die im Fall eines Quenchs verloren gehen. Dies führt zu erhöhten Kosten beim Betreiber des Magnetresonanzgeräts.
  • Es sind bereits mehrere zur Badkühlung alternative Kühleinrichtungen bekannt, die teilweise unterschiedliche Lösungsansätze verwenden.
  • In der US 4,578,962 ist ein Kühlsystem zur indirekten Kühlung eines supraleitfähigen Magneten beschrieben. Die supraleitfähigen Windungen des Magneten enthalten Kanäle, die von flüssigem Helium durchflossen werden. Durch einen unterhalb der Kanäle ausgebildeten Zuführungskanal fließt Helium aus einem oberhalb des Magneten gelegenen Reservoir durch die Kanäle zu einem oberhalb der Windungen angeordneten Rückführungskanal. Das verdunstete Helium wird durch den Rückführungskanal in das Reservoir zurückgeführt, wo ein Kaltkopf zur Kondensation vorgesehen ist. Ein derartiges Kühlsystem arbeitet nach dem so genannten Thermosiphon-Effekt und benötigt im Vergleich zu einer Badkühlung deutlich weniger flüssiges Helium. Im Fall eines Quenchs entstehen so geringere Kosten für den Betreiber. Außerdem ist kein großvolumiges Druckgefäß erforderlich, da sich das Helium vollständig innerhalb der Kanäle und des Reservoirs befindet.
  • Hierzu vergleichbare Kühlsysteme sind auch von M. A. Green in „Cryogenics", Vol. 32, 1992, ICEC Supplement, Seiten 126 bis 129, beschrieben bzw. aus der US 4,020,275 , der EP 0 392 771 A und der DE 36 21 562 A1 bekannt.
  • Ein ebenfalls vergleichbares Kühlsystem ist von J. C. Lottin et al. in Proc. 12th Int. Cryog. Engng. Conf. [ICEC 12]'', Southampton, UK, 12–15 July 1988, Verlag Butterworth & Co (UK), Seiten 117 bis 121, beschrieben worden. Die hier beschriebene Kühleinheit arbeitet analog zur oben beschriebenen nach einem Thermosiphon-Effekt. Allerdings sind zwischen dem Reservoir und den Kanälen für das flüssige Helium Druckventile angebracht, die im Fall eines Quenchs das Helium im Reservoir vor der Erwärmung schützen. Das in den Kanälen innerhalb des Magneten befindliche und beim Quench verdampfende Helium wird über Umgehungsleitungen mit entsprechenden Druckventilen am Reservoir vorbei geleitet. So wird bei einem Quench nur ein Bruchteil des im System vorhandenen Heliums verdampft.
  • Aus der US 5,461,873 A ist eine Kühleinheit bekannt, mittels der Heliumgas unter Druck durch Kühlkanäle in einer supraleitfähigen Windung gepresst wird. Das Gas wird durch eine Kälteeinheit abgekühlt und unter Druck durch die Kanäle gepumpt. Oberhalb der Kanäle befindet sich eine Rückführungsleitung, die analog zu den oberen Beispielen das Gas der Kälteeinheit zurückführt.
  • Die beschriebenen Magneten weisen allerdings aufgrund der oberhalb des Magneten angeordneten Kälteeinheit im Vergleich zu Magneten mit Badkühlung eine verhältnismäßig hohe Bauhöhe auf. Dies ist insbesondere im Fall von Magneten für Magnetresonanzgeräte nachteilig, da diese im Allgemeinen in Räumen mit gängiger Bauhöhe (2,5 bis 3 Meter) aufzustellen sind. Folglich muss der Durchmesser des Magneten kleiner gewählt werden, als dies bei der Verwendung einer Badkühlung notwendig wäre. Dies wiederum wirkt sich nachteilig auf die Flussdichte des Magneten und damit auf die bildgebenden Eigenschaften des Magnetresonanzgeräts aus. Dies könnte prinzipiell durch eine Erhöhung der Wicklungszahl oder des Anteils des supraleitenden Materials an einem entsprechenden Draht kompensiert werden, was allerdings aus Kostengründen nicht praktikabel ist.
  • Aus der DE 10 2004 057 204 A1 ist eine Supraleitungseinrichtung mit einem Kryosystem bekannt, das ein Reservoir für ein Kältemittel umfasst. Das Reservoir ist in der offenbarten Ausführung nicht oberhalb sondern neben dem Magnetsystem angeordnet.
  • Es sind auch Kühlmethoden bekannt, die ohne flüssiges Helium auskommen. Dabei kommen bevorzugt Kälteeinheiten in Form von so genannten Kryokühlern mit geschlossenem Helium-Druckgaskreislauf zum Einsatz. Sie haben den Vorteil, dass die Kälteleistung quasi auf Knopfdruck zur Verfügung steht und dem Anwender die Handhabung von tiefkalten Flüssigkeiten erspart wird. Bei einer Verwendung solcher Kälteeinheiten wird die supraleitfähige Wicklung nur durch Wärmeleitung zu einem Kaltkopf eines Refrigerators indirekt gekühlt, ist also kältemittelfrei (vgl. Proc. 16th Int. Cryog. Engng. Conf. [ICEC 16]'', Kitakyushu, JP, 20.–24.05.1996, Verlag Elsevier Science, 1997, Seiten 1109 bis 1132).
  • Bei supraleitfähigen Magneten wurden bereits Refrigerator-Kühlungen unter Verwendung von gut wärmeleitenden Verbindungen wie z.B. in Form von gegebenenfalls auch flexibel ausgeführten Kupfer-Stäben oder -Bändern zwischen einem Kaltkopf einer entsprechenden Kälteeinheit und der supraleitfähigen Wicklung des Magneten realisiert (vgl. die genannte Literaturstelle aus ICEC 16, insbesondere Seiten 1113 bis 1116). Je nach Abstand zwischen dem Kaltkopf und dem zu kühlenden Objekt führen dann aber die für eine ausreichend gute thermische Ankopplung erforderlichen großen Querschnitte zu einer beträchtlichen Vergrößerung der Kaltmasse. Insbesondere bei den in Magnetresonanzgeräten üblichen, räumlich ausgedehnten Magnetsystemen ist dies auf Grund der verlängerten Abkühlzeiten von Nachteil.
  • Statt einer solchen thermischen Ankopplung der mindestens einen Wicklung an den mindestens einen Kaltkopf über wärmeleitende Festkörper kann auch ein Leitungssystem vorgesehen sein, in dem ein He-Gasstrom zirkuliert (vgl. z.B. US 5,485,730 A ).
  • Die beschriebenen Kühleinrichtungen für supraleitfähige Magnete arbeiten recht zufrieden stellend. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein weiter verbessertes Magnetsystem anzugeben, das insbesondere zum Einsatz in Magnetresonanzgeräten geeignet ist.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Einrichtung der Supraleitungstechnik mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Einrichtung umfasst einen Magneten mit mindestens einer supraleitfähigen Wicklung, eine Kälteeinheit mit mindestens einem Kaltkopf und ein Leitungssystem mit. wenigstens einer Rohrleitung für ein darin nach einem Thermosiphon-Effekt zirkulierendes Kältemittel zur indirekten thermischen Ankopplung der mindestens einen Wicklung an den Kaltkopf. Der Kaltkopf ist dabei unterhalb eines am höchsten liegenden Punkts der mindestens einen Wicklung angeordnet. Dies vermeidet den Nachteil der im Stand der Technik bekannten Lösungen der Thermosiphon-Kühlungen, dass die Kälteeinheit oberhalb der Wicklungen angeordnet ist. Somit kann der Magnet im Vergleich zu derartigen Lösungen größer ausgebildet sein. Bei Raumhöhen im Bereich von 2,5 bis 3 m, in denen Magnetresonanzgeräte üblicherweise aufzustellen sind, bedeutet dies, dass für den Durchmesser des Magneten durch seitlich angeordnete Kälteeinheit etwa 40 bis 50 cm mehr Platz zur Verfügung stehen als bei bekannten Lösungen mit Thermosiphon-Kühlung. Es steht die volle Raumhöhe zur Unterbringung des Magneten bzw. eines Isolationsbehälters, in dem sich der Magnet befindet, als größte Einheit des Magnetresonanzgerätes zur Verfügung. Die Rohrleitung ist derart ausgebildet, dass verdampfendes Kältemittel innerhalb des flüssigen Kältemittels zurück in das Reservoir geführt wird.
  • Das gemäß dem Thermosiphon-Effekt zirkulierende Kältemittel, beispielsweise Helium, wird im Kaltkopf kondensiert und über das Leitungssystem zur mindestens einen Wicklung transportiert. Da der Kaltkopf neben der Wicklung angeordnet ist, ist es nicht möglich, die Rohrleitung vollständig mit flüssigem Helium zu füllen. Dies hat zur Folge, dass ein Teil der Wicklung lediglich mit gasförmigem und damit wärmerem Helium in Kontakt steht. Zum Betrieb des Magneten ist allerdings eine homogene Temperaturverteilung für die ganze Wicklung erforderlich. Deshalb umfasst die Wicklung einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung ein Material höherer Wärmeleitfähigkeit als ein in der Wicklung vorgesehenes supraleitfähiges Material. Durch dieses Material kann der Teil der Wicklung, der nicht direkt mit dem flüssigen Helium in Kontakt steht, über das Material hoher Wärmeleitfähigkeit thermisch an das flüssige Helium angekoppelt werden. Beim Abkühlen oder bei auftretenden Temperaturschwankungen kann die Wärme über das Material hoher Wärmeleitfähigkeit zum Heliumbad abtransportiert werden.
  • Weitere Vorteile der Erfindung werden anhand des im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiels in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen erläutert: Es zeigen in schematischer Darstellung:
  • 1 eine bekannte Ausführung eines Magneten mit Thermosiphon-Kühlung,
  • 2 eine alternative bekannte Ausführung eines Magneten,
  • 3 einen Schnitt durch ein Magnetresonanzgerät mit einem Magneten nach der 3,
  • 4 einen Schnitt durch einen Teil einer supraleitfähige Wicklung,
  • 5 einen Schnitt durch einen Teil einer alternativer Ausführungsform einer supraleitfähigen Wicklung,
  • 6 einen Schnitt durch ein Magnetresonanzgerät mit einem Magneten,
  • 7 einen Schnitt durch ein weiteres Magnetresonanzgerät mit einem Magneten,
  • 8 einen Schnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung,
  • 9 einen Schnitt durch eine alternative Ausführungsform der Erfindung,
  • 10 einen Schnitt durch ein Magnetresonanzgerät mit einem Magneten nach der in 10 dargestellten Ausführungsform der Erfindung,
  • 11 einen Schnitt durch eine Rohrleitung und
  • 12 einen Schnitt durch eine alternative Ausführungsform einer Rohrleitung.
  • 1 zeigt in schematisch perspektivischer Darstellung einen supraleitfähigen Magneten 2 mit einem Kühlsystem. Eine Anordnung der gezeigten Art ist beispielsweise aus der DE 33 44 046 C2 bekannt. Der Magnet 2 ist zylinderförmig ausgebildet und umfasst eine Anzahl supraleitfähiger Wicklungen, die hier nicht dargestellt sind. Die Wicklungen sind in an sich bekannter Weise um einen Spulenkörper 4 gewickelt, beispielsweise innerhalb von Vertiefungen. In mehreren Querschnittsebenen des Spulenkörpers 4 sind Rohrleitungen 6 zur Aufnahme eines Kältemittels, beispielsweise von flüssigem Helium eingebettet. Die Rohrleitungen 6 sind als Kupfer-Rohre ausgeführt. Sie können alternativ zur Einbettung auch in weiteren Vertiefungen um den Spulenkörper 4 verlaufen und einen guten thermischen Kontakt mit diesem aufweisen. Der thermische Kontakt kann beispielsweise durch an sich bekannte Techniken wie Schweißen, Einpressen, Eingießen oder Kleben erreicht werden. Als alternative Materialien für die Rohrleitungen 6 können auch Edelstahl oder Aluminium verwendet werden. Durch innerhalb der Rohrleitungen 6 befindliches flüssiges Helium wird eine Kühlung des Spulenkörpers 4 und der supraleitfähigen Wicklungen erreicht.
  • Unterhalb des Spulenkörpers 4 ist eine axial ausgerichtete Verteilerleitung 8 angeordnet, die mit allen Rohrleitungen 6 verbunden ist. Die Verteilerleitung 8 ist über eine Zuleitung 10 mit einem Bodenausfluss 12 eines Reservoirs 14 zur Aufnahme von flüssigem Helium verbunden. Das Reservoir 14 ist Teil einer oberhalb des Magneten 2 angeordneten Kälteeinheit 16. Oberhalb des Spulenkörpers 4 ist eine axial ausgerichtete Sammelleitung 18 angeordnet, die mit allen Rohrleitungen 6 verbunden ist. Sie ist außerdem über eine Rückleitung 20 mit einem oberen Teil des Reservoirs 14 verbunden. Ein Heliumspiegel 22 des Reservoirs 14 liegt unterhalb eines Eintritts 24 der Rückleitung 20. Die Kälteeinheit 16 umfasst einen Kaltkopf 26, dessen Temperatur niedrig genug ist, um gasförmiges Helium zu kondensieren. Durch die unterhalb des Reservoirs 14 liegende Zuleitung 10 stellt sich unter Ausnutzung der Schwerkraft im gesamten Rohrleitungssystem derselbe Heliumspiegel 22 ein, wie im Reservoir 14. Bei der in 1 gezeigten Ausführung sind die Rohrleitungen 6 innerhalb des Spulenkörpers 3 vollständig mit flüssigem Helium gefüllt, so dass der gesamte Spulenkörper 3 gleichmäßig gekühlt wird. Verdampfendes Helium wird über die Sammelleitung 18 und die Rückleitung 20 dem Reservoir 14 zugeführt und durch den Kaltkopf 26 kondensiert.
  • 2 zeigt in zu 1 vergleichbarer Darstellung einen supraleitfähigen Magneten 2A. Der innere Aufbau des Magneten 2A ist vergleichbar zu dem in 1 gezeigten Magneten 2. Im Spulenkörper 4 und/oder in den supraleitfähigen Wicklungen sind Rohrleitungen 6 eingebettet, die über die Verteilerleitung 8 und die Zuleitung 10 bzw. über die Sammelleitung 18 und die Rückleitung 20 mit dem Reservoir 14 der Kälteeinheit 16 verbunden sind. Das Reservoir 14 ist im Unterschied zu der in 1 gezeigten Ausführung neben dem Magneten 2A angeordnet. Dadurch liegt der Heliumspiegel 22A im Rohrleitungssystem entsprechend niedriger als bei der Ausführung in 1. Dementsprechend sind die Rohrleitungen 6 innerhalb des Spulenkörpers 4 nicht vollständig mit flüssigem Helium gefüllt. Verdampftes Helium wird analog zur oben gezeigten Ausführung über die Rückleitung 20 zum Reservoir 14 zurückgeführt, wo es durch den Kaltkopf 26 kondensiert. Die aus dem niedrigen Heliumspiegel 22A resultierende ungleichmäßige Verteilung der Kühlleistung wird durch den Spulenkörper 4 und die supraleitfähigen Wicklungen selbst ausgeglichen. Vergleichbar zu dem bekannten Prinzip der Ankopplung von Wicklungen an einen Kryokühler wird der nicht direkt im Kontakt mit dem flüssigen Helium stehende Teil des Spulenkörpers 4 und der supraleitfähigen Wicklungen durch Wärmeleitung an das flüssige Helium angekoppelt. Dies ist anhand von 3 detailliert beschrieben.
  • 3 zeigt einen Schnitt durch einen Teil eines Magnetresonanzgeräts 40 mit einem auf Standfüßen 41 ruhenden Vakuumgefäß 43 und einer Patientenöffnung 45. Das Magnetresonanzgerät 40 umfasst einen Magneten 2A der in 2 gezeigten Bauweise. Ein derartiger Magnet 2A hat den Vorteil, dass kein Heliumbad zur Kühlung notwendig ist. Dadurch wird die benötigte Menge an Helium deutlich reduziert. Das Magnetresonanzgerät 40 umfasst einen Strahlungsschild 42 zur Isolation des Magneten 2A gegen Wärmestrahlung. Das Magnetresonanzgerät 40 ist innerhalb eines Raumes 44 aufgestellt. Die durch den Doppelpfeil 46 symbolisierte Höhe des Magnetresonanzgeräts 42 ist nur wenig kleiner als die den Doppelpfeil 48 symbolisierte Höhe des Raumes 44. Durch die neben dem Magneten 2A angeordnete Kälteeinheit 16 kann das Magnetresonanzgerät 40 und damit der Magnet 2A bei gleicher Raumhöhe 48 größer gebaut werden, als dies bei der Verwendung eines Magneten 2 mit oberhalb positionierter Kälteeinheit 16 nach 1 möglich wäre. Alternativ kann der Magnet in Räumen reduzierter Raumhöhe aufgestellt werden. Im Vergleich zu einem Magnetresonanzgerät mit Badkühlung wird kein Druckgefäß mehr benötigt. Außerdem ist der Bedarf an flüssigem Helium deutlich reduziert.
  • Der Magnet 2A umfasst mehrere supraleitfähige Wicklungen 50, die auf den Spulenkörper 4 gewickelt sind und von denen nur eine dargestellt ist. Innerhalb der Wicklung 50 ist die Rohrleitung 6 ausgebildet, die über die Zuleitung 10 und die Verteilerleitung 8 mit dem Reservoir 14 verbunden ist. Oberhalb der supraleitfähigen Wicklung 50 ist die Sammelleitung 18 über die Rückleitung 20 ebenfalls mit dem Reservoir 14 verbunden. Der Heliumspiegel 22A ist in der Rohleitung 6 und im Reservoir 14 gleich hoch. Unterhalb des Heliumspiegels 22A ist die Wicklung 50 in direktem Kontakt mit dem flüssigen Helium, wodurch sie gekühlt wird. Die Ankopplung zwischen der Wicklung 50 und dem flüssigen Helium erfolgt durch Wärmeleitung des Wicklungsmaterials. Dabei ist die zu überbrückende Distanz verhältnismäßig gering, was durch die Pfeile 52 angedeutet ist. Durch den direkten Kontakt zwischen der Wicklung 50 und dem Spulenkörper 4 wird letzterer ebenfalls gekühlt. Alternativ kann die Rohrleitung 6 auch lediglich im Spulenkörper 4 liegen, der dann in gutem thermischem Kontakt mit der Wicklung 50 stehen muss. Das kann beispielsweise durch das Wickeln eines die Wicklung bildenden Drahts unter Zug auf den Spulenkörper 4 sichergestellt werden.
  • Oberhalb des Heliumspiegels 22A hingegen befindet sich lediglich gasförmiges Helium in der Rohrleitung 6. Die oberhalb des Heliumspiegels 22A liegenden Teile der Wicklung 50 und des Spulenkörpers 4 sind demnach nur mit Heliumgas in unmittelbarem Kontakt. Zur Abführung von Wärme aus dem oberen Teil ist es erforderlich, die Wärme entlang der Wicklung 50 bis zum flüssigen Helium zu führen, was durch die Pfeile 54 ver deutlicht ist. Zum Transport der Wärme über diese vergleichsweise lange Distanz ist eine hohe Wärmeleitfähigkeit des Spulenkörpers 4 oder der Wicklung 50 erforderlich. Durch Verwendung von Materialien guter thermischer Leitfähigkeit, wie z.B. hochreinem Kupfer, Aluminium ist es möglich, die gesamte Wicklung 50 an das flüssige Helium anzukoppeln und den Magneten 2A so bei einer Temperatur von 4,2 K zu betreiben.
  • Die 4 und 5 zeigen jeweils einen Ausschnitt eines Schnitts durch den Spulenkörper 4 quer zu einer Wicklung 50. In 4 ist im Spulenkörper 4 eine Nut 102 ausgeformt, in die ein Verbunddraht eingewickelt ist. Der Verbunddraht ist dabei mehrfach um den Spulenkörper 4 gewickelt und hier nur als Wickelpaket 104 dargestellt. Der Verbunddraht ist an sich bekannt und umfasst beispielsweise mehrere Filamente aus einem supraleitfähigen Material, wie z.B. NbTi, Nb3Sn, MgB2 oder einen Hochtemperatursupraleiter. Die Filamente sind beispielsweise in eine Kupfermatrix eingebettet, wobei die Kupfermatrix elektrisch isoliert ist.
  • Das Wickelpaket 104 wird bei an sich bekannten Herstellungsverfahren während des oder nach dem Wickeln mit Epoxidharz verklebt und mechanisch stabilisiert. Die Nut 102 dient zur Formung des Wickelpakets 104 während des Wickelvorgangs und gleichzeitig zur thermischen Ankopplung des Wickelpakets 104 an den Spulenkörper 4. In den Spulenkörper 4 sind Rohrleitungen 6 zur Aufnahme des Heliums eingebettet. Die Ankopplung des Wickelpakets 104 an das in den Rohrleitungen 6 befindliche Helium erfolgt über Wärmeleitung durch das Epoxidharz im Wickelpaket 104 und das Material des Spulenkörpers 4. Der Wärmetransport ist durch Pfeile 106 angedeutet. Falls die Wärmeleitfähigkeit des Spulenkörpers 4 nicht ausreichend ist, kann zusätzlich Material hoher Wärmeleitfähigkeit wie hochreines Aluminium oder Kupfer in den Spulenkörper 4 eingebracht werden. Durch die hohe Wärmeleitfähigkeit ist es möglich, dass die in 3 gezeigten, oberhalb des Heliumlevels liegenden Teile der Wicklung 50 durch Wärmeleitung des Spulenkörpers 4 und das Epoxidharz thermisch an das flüssige Helium angekoppelt und dadurch gekühlt werden.
  • 5 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel für den Aufbau des Wickelpakets 104 in der Nut 102 des Spulenkörpers 4. Hier sind auch Rohrleitungen 6 in das Wickelpaket 104 eingebettet und beim durch den Verguss mit Epoxidharz thermisch gut angekoppelt. Ansonsten entspricht der Aufbau dem bereits in 4 dargestellten.
  • 6 zeigt eine alternative Ausführungsform der in 3 gezeigten Wicklung 50. Das umgebende Vakuumgefäß ist hier nicht dargestellt. Zusätzlich zum bereits beschriebenen Aufbau umfasst das Reservoir 14 am Bodenausfluss 12 einen Druckanschluss 152. Dieser ist mit einer externen Zuleitung 154 verbindbar, über die ein Kühlmittel unter Druck in die Zuleitung 10 eingebracht werden kann. Dies ist insbesondere für einen Abkühlprozess des Magneten 2B von Raumtemperatur zur Betriebstemperatur von 4,2 K hilfreich, um die Kühlleistung zu erhöhen. Als Kühlmittel kommt für diesen Zweck beispielsweise flüssiger Stickstoff in Frage, der deutlich kostengünstiger als Helium ist. Während des Abkühlprozesses mit flüssigem Stickstoff befindet sich kein Helium im System.
  • Durch den erhöhten Druck ist es möglich, die innerhalb der Wicklung 50 verlaufende Rohrleitung 6 derart mit flüssigem Stickstoff zu durchspülen, dass der Magnet 2B schnell abkühlt. Die für die Wärme zu überbrückende Distanz ist gering und durch die Pfeile 52 angedeutet. Der Stickstoff wird über die Rückleitung 20 in das Reservoir 14 zurückgeführt, wo verdampfter Stickstoff durch ein Überdruckventil 156 entweicht. Durch den flüssigen Stickstoff ist eine Temperatur von 77 K erreichbar, für das weitere Abkühlen bis zur Betriebstemperatur wird nach Entfernung des Stickstoffs aus dem System flüssiges Helium in das Reservoir gefüllt.
  • 7 zeigt eine alternative Ausführungsform des in 3 gezeigten Magnetresonanzgeräts 40. Dabei sind mehrere (im vorliegenden Beispiel zwei) Wicklungen 50A und 50B mit verschiedenen Durchmessern ausgebildet. In jeder Wicklung ist eine Rohrleitung 6 ausgeformt, die jeweils mit der Verteilerleitung 8 und der Sammelleitung 18 verbunden ist. Die Funktionsweise entspricht der bereits im Zusammenhang mit 3 erläuterten. Alternativ ist es möglich, die verschiedenen Rohrleitungen 6 über unterschiedliche Verteilerleitungen und der Sammelleitungen mit dem Reservoir 14 zu verbinden, was hier nicht dargestellt ist.
  • 8 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung. Hier findet die Rückführung des gasförmigen Heliums nicht wie in 3 über die separate Rückleitung 20 statt, sondern über die Zuleitung 10 des flüssigen Heliums. Die Rohrleitung 6 ist in dieser Ausführung nur in einem Viertel des Umfangs der Wicklung 50C ausgebildet. Innerhalb der nahezu vollständig mit Helium gefüllten Rohrleitung 6 wird verdampfendes Helium innerhalb des flüssigen Heliums zurück in das Reservoir 14 geführt und dort durch den Kaltkopf 26 kondensiert. Im Unterschied zu dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Abstand des entferntesten Teils der supraleitfähigen Wicklung 50C vom flüssigen Helium weiter entfernt, d.h. Wärme muss über einen größeren Weg zum flüssigen Helium transportiert werden, was durch die Pfeile 170 angedeutet ist. Dies ist durch eine Vergrößerung der Nut 102 der Wicklung 50C oder durch den Einsatz von Materialien mit höherer Wärmeleitfähigkeit realisierbar.
  • 9 zeigt eine alternative Ausführungsform der Erfindung. Hier ist keine Rohrleitung in Umfangsrichtung der Wicklung 50D des Magneten 2C vorgesehen. Die supraleitfähige Wicklung 50D ist vielmehr direkt an das Reservoir 14 thermisch gekoppelt. Das Reservoir 14 erstreckt sich zweckmäßig über die komplette Länge des Magneten senkrecht zur Zeichnungsebene. Dies ist in 10 zu erkennen, die eine Seitenansicht ei nes entsprechenden Magnetresonanzgeräts zeigt. Hier ist eine noch höhere Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu den in den 3 und 8 gezeigten Ausführungen erforderlich. Alternativ kann auch ein größerer Querschnitt des Spulenkörpers 4 zum Wärmetransport beitragen.
  • 10 zeigt einen Schnitt durch ein Magnetresonanzgerät 40A mit einem Magneten 2C gemäß der in 9 gezeigten Ausführung. Das Vakuumgefäß 43 des Magnetresonanzgeräts 40A ist geschnitten dargestellt. Innerhalb des Vakuumgefäßes 43 befindet sich der ebenfalls geschnitten dargestellte Strahlungsschild 42, das den Spulenkörpers 3 umgibt, auf den mehrere supraleitfähige Wicklungen 50D unterschiedlichen Durchmessers gewickelt sind. Das Reservoir 14A ist bis zu einem Heliumspiegel 22B mit flüssigem Helium gefüllt. Das Reservoir 14A ist länglich ausgeformt und steht mit den Wicklungen 50D in gutem thermischem Kontakt. Bei dieser Ausführung muss die Wärmeleitfähigkeit der Wicklungen 50D bzw. des Spulenkörpers 4 im Vergleich zu der in 3 gezeigten Ausführung größer sein. Durch den Kaltkopf 26 wird verdampftes Helium kondensiert. Zur besseren thermischen Ankopplung des Spulenkörpers 4 an das Reservoir können zusätzlich Kühlringe 180 um den Spulenkörper 4 angebracht sein sein. Diese sind z.B. als Kupfer oder Aluminium-Wicklungen ausgeführt und stehen sowohl mit dem Reservoir 14A, als auch mit dem Spulenkörper 3 in gutem thermischem Kontakt. Zusätzlich ist es möglich, derartige Kühlringe 180 um die Wicklungen 50D zu wickeln, damit der thermische Kontakt zwischen den Wicklungen 50D und dem Reservoir 14A verbessert wird. Dies ist beispielhaft anhand von einer Wicklung 50D' dargestellt.
  • 11 zeigt einen Schnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform einer Rohrleitung 6A. In den bisher beschriebenen Ausführungen wurde Rohrleitungen 6 mit gewöhnlicher Metalloberfläche verwendet. Die Innenseite der in 11 gezeigten Rohrleitung 6A ist mit einem Edelstahlnetz 190 verbunden, dass als Docht fungiert. Diese Bauart wird auch als Wärmerohr bezeichnet. Durch das Edelstahlnetz 190 wird flüssiges Helium entgegen der Schwerkraft transportiert, so dass es auch zu den oberhalb des Heliumspiegels liegenden Teilen der Rohrleitung 6A gelangt. Dadurch wird dir Kühlleistung verbessert.
  • Alternativ zu der in 11 gezeigten Ausführung ist es möglich die Oberfläche der Rohrleitung 6B durch eine Vielzahl von Vertiefungen 200 zu vergrößern, was in 12 schematisch dargestellt ist. Durch die Vertiefungen 200 wird flüssiges Helium analog zur Wirkung des Edelstahlnetzes 190 entgegen der Schwerkraft transportiert und benetzt so auch oberhalb des Heliumspiegels liegende Teile der Rohrleitung 6B.
  • Ein gemäß der Erfindung ausgeführter Magnet mit Kälteeinheit für ein Magnetresonanzgerät bringt den Vorteil einer kompakten Bauweise. So ist im Vergleich zur Badkühlung kein stabiler Druckbehälter für flüssiges Helium mehr erforderlich. Dies spart neben Herstellungskosten auch Platz, der beispielsweise zur Aufnahme eines größeren Magneten verwendet werden kann. Dadurch lassen sich die Abbildungseigenschaften des entsprechenden Magnetresonanzgeräts bei gleicher Baugröße verbessern. Zusätzlich ergibt sich der deutlich reduzierte Verlust von Helium im Fall eines Quenchs.

Claims (13)

  1. Einrichtung der Supraleitungstechnik – mit einem Magneten (2, 2A, 2B, 2C) der mindestens eine supraleitfähige Wicklung (50, 50A, 50B, 50C, 50D) enthält, – mit einer Kälteeinheit (16), die mindestens einen Kaltkopf (26) und ein Reservoir (14, 14A) aufweist und – mit einem Leitungssystem mit wenigstens einer Rohrleitung (6, 6A, 6B) für ein darin nach einem Thermosiphon-Effekt zirkulierendes, teilweise flüssiges Kältemittel zur indirekten thermischen Ankopplung der mindestens einen Wicklung (50, 50A, 50B, 50C, 50D) an den mindestens einen Kaltkopf (26), – wobei das Reservoir (14, 14A) unterhalb eines am höchsten liegenden Punkts der mindestens einen Wicklung (50, 50A, 50B, 50C, 50D) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitung (6, 6A, 6B) derart ausgebildet ist, dass verdampfendes Kältemittel innerhalb des flüssigen Kältemittels zurück in das Reservoir (14, 14A) geführt wird.
  2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Rohrleitung (6, 6A, 6B) zumindest teilweise parallel zu der wenigstens einen Wicklung (50, 50A, 50B, 50C) geführt ist.
  3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Rohrleitung (6, 6A, 6B) zumindest teilweise innerhalb es Materials höherer Wärmeleitfähigkeit ausformt ist.
  4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Rohrleitung (6, 6A, 6B) zumindest teilweise innerhalb eines Spulenkörpers (4) verläuft.
  5. Einrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung einen Spulenkörper (4) umfasst, wobei die mindestens eine supraleitfähige Wicklung (50, 50A, 50B, 50C, 50D) um den Spulenkörper (4) gewickelt ist.
  6. Einrichtung nach einem der obigen Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenkörper (4) mindestens eine Nut zur Aufnahme der mindestens einen supraleitfähigen Wicklung (50, 50A, 50B, 50C, 50D) aufweist
  7. Einrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung (50, 50A, 50B, 50C, 50D) ein Material höherer Wärmeleitfähigkeit als ein in der mindestens einen Wicklung (50, 50A, 50B, 50C, 50D) vorgesehenes supraleitfähiges Material umfasst.
  8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Material höherer Wärmeleitfähigkeit in den Spulenkörper (4) eingebettet ist.
  9. Einrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Material höherer Wärmeleitfähigkeit Kupfer ist.
  10. Einrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Material höherer Wärmeleitfähigkeit eine Kupferlegierung ist.
  11. Einrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Material höherer Wärmeleitfähigkeit Aluminium ist.
  12. Einrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Material höherer Wärmeleitfähigkeit eine Aluminiumlegierung ist.
  13. Magnetresonanzgerät umfassend eine Einrichtung nach einem der obigen Ansprüche.
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