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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.
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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.
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Es
sind bereits mehrere zur Badkühlung
alternative Kühleinrichtungen
bekannt, die teilweise unterschiedliche Lösungsansätze verwenden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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 ).
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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.
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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.
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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.
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Weitere
Vorteile der Erfindung werden anhand des im Folgenden beschriebenen
Ausführungsbeispiels
in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen
erläutert:
Es zeigen in schematischer Darstellung:
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1 eine
bekannte Ausführung
eines Magneten mit Thermosiphon-Kühlung,
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2 eine
alternative bekannte Ausführung eines
Magneten,
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3 einen
Schnitt durch ein Magnetresonanzgerät mit einem Magneten nach der 3,
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4 einen
Schnitt durch einen Teil einer supraleitfähige Wicklung,
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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,
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8 einen
Schnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung,
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9 einen
Schnitt durch eine alternative Ausführungsform der Erfindung,
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10 einen
Schnitt durch ein Magnetresonanzgerät mit einem Magneten nach der
in 10 dargestellten Ausführungsform der Erfindung,
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11 einen
Schnitt durch eine Rohrleitung und
-
12 einen
Schnitt durch eine alternative Ausführungsform einer Rohrleitung.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.