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Die
Erfindung betrifft einen Kryostaten mit einem mit einer Kühlmittelkammer
kommunizierenden, endseitig offenen Anschlussstutzen z.B. gemäß der
DE 39 24 579 A1 .
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Solche
Kryostaten sind bekannt und kommen überall dort zum Einsatz, wo
ein Gegenstand auf eine sehr niedrige Temperatur gekühlt werden
muss. Üblicherweise
dient als Kühlmittel,
das in einer Kühlmittelkammer
des Kryostaten vorgesehen ist, flüssiger Stickstoff mit einer
Temperatur von 77 K oder flüssiges
Helium mit einer Temperatur von 4,3 K. Ein Kryostat kommt beispielsweise
bei einer Magnetresonanzuntersuchungseinrichtung, die vornehmlich
zu medizinischen Zwecken verwendet wird (vgl. z.B.
DE 39 24 579 A1 ,
EP 0 587 423 B1 oder
EP 0 736 778 B1 ),
oder aber bei Untersuchungseinrichtungen für analytische Zwecke im Bereich
der Chemie (vgl. z.B.
US
4,291,541 A ) zum Einsatz. Bei Einsatz eines Kryostaten
bei einem Magnetresonanztomographen dient der Kryostat zum Kühlen des
superleitenden Magneten, der für
die Erzeugung des Grundfelds dient. Der in Rede stehende Kryostat
besitzt einen offenen Anschlussstutzen, d.h. es handelt sich um
ein offenes System, bei dem die Kühlmittelkammer in der das flüssige Kühlmittel
ist mit der Umgebung kommuniziert. Dass das flüssige Kühlmittel über den offenen Anschlussstutzen
nicht schnell abdampft liegt daran, dass sich ein Siedegleichgewicht
einstellt, und die Wärme-
bzw. Energiezufuhr zum Kühlmittel über den Anschlussstutzen
relativ gering ist, so dass sehr wenig Kühlmittel verdampft. Übliche Wartungszyklen, innerhalb
welcher Kühlmittel
nachgefüllt
werden muss, betragen bei bekannten Magnetresonanztomographen rund
ein Jahr.
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Dem
Anschlussstutzen kommen bei einem solchen Kryostaten eines Magnetresonanztomographen
mehrere Eigenschaften zu. Zum einen kann über ihn die Erstbefüllung der
Kühlmittelkammer mit Kühlmittel
und ein Nachfüllen
des Kühlmittels
erfolgen. Zum anderen kann über
ihn verdampfendes Kühlmittel
abdampfen, das bei einem offenen System zur Vermeidung eines unzulässig hoch
ansteigenden Innendrucks in der Kühlmittelkammer abdampfen muss.
Darüber
hinaus dient der Anschlussstutzen gegebenenfalls auch zur Aufnahme
einer Elektrode, die mit dem supraleitenden Magneten beim Hochfahren
der Anlage verbunden ist. Über
diese Elektrode und eine zweite, ebenfalls mit dem supraleitenden Magneten
verbundene Elektrode wird ein Strom über den supraleitenden Magneten
geführt,
der nach Erreichen der Sprungtemperatur bei hinreichender Abkühlung des
Magneten verlustfrei im Magneten geführt wird, wonach die beiden
Elektroden vom supraleitenden Magneten getrennt werden.
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Dabei
sind im Wesentlichen drei Erfordernisse vom Anschlussstutzen zu
erfüllen.
Zum einen soll er sich bei einer Aufnahme eine Elektrode möglichst wenig
aufheizen, um zu vermeiden, dass ein unzulässig hoher Wärmetransport über den
Anschlussstutzen in Richtung der Kühlmittelkammer oder die die
Kühlmittelkammer
nach außen
isolierenden Schilde erfolgt. Ferner soll ein geringer Wärmetransport
von der Umgebung über
den Anschlussstutzen in das Kryostatinnere während des Betriebs erfolgen. Schließlich muss
ein möglichst
geringer Druckverlust beim Durchströmen des Anschlussstutzens mit
abdampfendem Kühlmittel
beispielsweise im Falle eines Quench's gegeben sein. Bei einem Quench wird der
supraleitende Magnet an einer Stelle unzulässig warm und geht in den normalleitenden
Zustand über, was
mit einer lokalen Erwärmung,
die sich ausbreitet und dazu führt,
dass im schlimmsten Fall der gesamte supraleitende Magnet in den
normalleitenden Zustand übergeht,
verbunden ist. Vor allem der Wärmetransport
in das Kryostateninnere über
den Anschlussstutzen besitzt einen großen Einfluss auf die Wartungszyklusdauer.
Je geringer der Wärmeeintrag desto
länger
können
die Wartungszyklen sein, was sich deutlich auf die Konkurrenzfähigkeit
des Produktes auswirkt.
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Der
Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, einen Kryostaten mit
verringertem Wärmeeintrag über den
Anschlussstutzen anzugeben.
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Zur
Lösung
dieses Problems ist bei einem Kryostaten der eingangs genannten
Art erfindungsgemäß vorgesehen,
dass an zumindest einem Teil der Innenwand des Anschlussstutzens
die Wandoberfläche
vergrößernde Erhöhungen und/oder
Vertiefungen vorgesehen sind.
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Die
Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Wandoberfläche der
Stutzeninnenwand gezielt mittels Erhöhungen und/oder Vertiefungen
vergrößert wird.
Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich der Wärmeeintrag über den
Anschlussstutzen in den Kryostaten wie folgt bilanziert: Qgesamt = QStrahlung +
QLeitung – αΔTA, mit Qgesamt =
gesamter Wärmeeintrag
QStrahlung = Wärmeeintrag durch Wärmestrahlung
QLeitung = Wärmeeintrag durch Wärmeleitung
α = Wärmeübergangskoeffizienz
ΔT = Temperaturdifferenz
zwischen Innenwandtemperatur und Temperatur des abdampfenden Kühlmittels
A
= Oberfläche
der Innenwand.
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Wie
aus obiger Gleichung ersichtlich ist erhöht die Wärmestrahlung, die durch den
Anschlussstutzen in den Kryostaten eingekoppelt wird, und die Wärmeleitung,
die durch den Anschlussstutzen bzw. das Stutzenmaterial selbst eingetragen
wird, den Energieeintrag. Demgegenüber wird er durch den Wärmeübergang
von der Wand an den Ausstrom des verdampfenden Kühlmittel verringert. Wie beschrieben handelt
es sich um ein offenes System, bei dem in wenngleich geringen Mengen
etwas Kühlmedium verdampft.
Dieses streicht an der Innenwand des Anschlussstutzens vorbei und
nimmt dort Wärme
auf, wobei die aufgenommene Wärmemenge
abhängig vom
Wärmeübergangskoeffi zienten,
der gegebenen Temperaturdifferenz und der Oberfläche, die vom abströmenden Kühlmitteldampf
bestrichen wird, ist.
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Hier
setzt die Erfindung an, indem die Wandoberfläche bewusst über die
Erhöhungen
oder Vertiefungen vergrößert wird.
Die größere Wandfläche erhöht folglich
den den Energieeintrag erniedrigenden Wärmemengenanteil, der über den
Kühlmittelausstrom
abgeführt
wird, so dass sich insgesamt eine Erniedrigung des Gesamtwärmeeintrags
bzw. der Gesamtwärmebilanz
des Kryostaten ergibt.
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Gegebenenfalls
kann in dem von dem Anschlussstutzen umschlossenen Raum sich mindestens
ein längliches,
vorzugsweise zentral angeordnetes Bauteil in axialer Richtung erstrecken.
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Falls
dieses Bauteil aus metallischem Material besteht, kann auch über dieses
Bauteil ein Wärmeeintrag
in das Innere des Kryostaten erfolgen. Infolgedessen ist es zweckmäßig, wenn
bei einem Kryostaten, bei dem im Anschlussstutzen ein vorzugsweise
als Elektrode dienendes längliches
Bauteil vorgesehen ist, auch an dessen Außenwand die Außenwandfläche vergrößernde Erhöhungen und/oder
Vertiefungen vorgesehen sind. Denn auch an diesem Bauteil strömt der Kühlmitteldampf
vorbei und kann so Wärme
von diesem Bauteil aufnehmen und nach außen abführen.
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Die
Erhöhungen
und/oder Vertiefungen sind zweckmäßigerweise in Strömungsrichtung
verlaufend angeordnet, so dass sich einerseits ein möglichst
gleichförmiges
und homogenes Strömungsprofil
ergibt, und zum anderen der Druckverlust zwischen dem Kryostateninneren
bzw. der Kühlmittelkammer
und der an den Anschlussstutzen anschließenden Umgebung (gegebenenfalls
auch eine Abströmkammer) über den
Anschlussstutzen möglichst gering
ist.
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Die
Erhöhungen
selbst können
rippen- oder plattenförmig
aus der Wandfläche
hervorstehen. Beispielsweise können
diese rip pen- oder plattenartigen Erhöhungen als schmale Blechabschnitte
ausgebildet sein, die an der Innenwand des Anschlussstutzens angeordnet
sind. Sie sind, zweckmäßigerweise wie
auch der Anschlussstutzen, aus Edelstahl, das bei den extrem niedrigen
Temperaturen von Haus aus eine geringe Wärmeleitung zeigt.
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Besonders
zweckmäßig ist
es, wenn die Erhöhungen
in Richtung zur Kühlmittelkammer
hin voneinander beabstandet angeordnet sind. D.h. die Erhöhungen sind
quasi unterbrochen, um zu vermeiden, dass sie in ungewollter Weise
die Wärmeleitung in
den Kryostaten erhöhen.
Werden beispielsweise die genannten Edelstahlblechabschnitte verwendet, so
können
mehrere kurze Blechabschnitte hintereinander folgend und um ein
kurzes Stück
voneinander beabstandet über
die Länge
des Anschlussstutzens verteilt symmetrisch oder asymmetrisch angeordnet sein.
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Neben
den beschriebenen rippen- oder plattenartigen Erhöhungen beispielsweise
in Form der Blechabschnitte ist es natürlich auch denkbar, durch entsprechende
Nuten die Eintiefungen und daraus resultierend zwischen ihnen die
Erhöhungen
zu erzeugen. Denkbar ist jede Art der Strukturierung durch Materialabtrag
oder Anfügen
von zusätzlichen
Elementen, die zu einer Oberflächenerhöhung führen.
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Neben
dieser beschriebenen Ausführungsform,
bei der also gezielte Strukturierungsmaßnahmen durch Anfügen von
Elementen oder durch gezielten Materialabtrag genutzt werden, sieht
eine Erfindungsalternative vor, dass die Wandoberfläche zur Erzeugung
der Erhöhungen
und/oder Vertiefungen oder weiterer Erhöhungen und/oder Vertiefungen
rau oder strukturiert ist. Diese Aufrauung oder Strukturierung kann
beispielsweise durch gezieltes Anätzen der Oberfläche oder
durch Aufbringen einer eine raue, strukturierte oder reliefartig
vergrößerte Oberfläche aufweisenden
Beschichtung erfolgen. Selbstverständlich kann diese Maßnahme auch
zusätzlich zu
den eingangs beschriebenen Maßnahmen
verwendet werden.
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Neben
dem Kryostaten selbst betrifft die Erfindung ferner eine Magnetresonanzeinrichtung,
umfassend einen Kryostaten der beschriebenen Art als Teil dieser
Einrichtung.
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Weitere
Vorteile, Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus
den folgenden beschriebenen Beispielen sowie anhand der Zeichnungen.
Dabei zeigen:
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1 als Prinzipskizze einen
Ausschnitt aus einem Magnetresonanzgerät mit einem erfindungsgemäßen Kryostaten,
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2 eine vergrößerte Ansicht
des Anschlussstutzens des Kryostaten aus 1 einer ersten Ausführungsform,
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3 eine Aufsicht auf den
Anschlussstutzen aus 2,
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4 eine zweite Ausführungsform
eines Anschlussstutzens eines erfindungsgemäßen Kryostaten, und
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5 eine Aufsicht auf einen
Anschlussstutzen einer dritten Ausführungsform.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Magnetresonanzeinrichtung 1,
bei der aus Übersichtlichkeitsgründen das
Gehäuse
nicht dargestellt ist. Gezeigt ist ein Kryostat 2, der
bereits um den supraleitenden Grundfeldmagneten der Magnetresonanzeinrichtung 1 herum
angeordnet ist. Ersichtlich umgibt der Kryostat 2 den Magneten
sowie die sonstigen Bauteile vollständig, d.h. sowohl an den Wandflächen als
auch den Stirnseiten. Im oberen Bereich des Kryostaten 2 ist
ein Turm 3 vorgesehen, in dem sich ein nachfolgend noch
beschriebener Anschlussstutzen befindet, der mit einer Kühlmittelkammer
des Kryostaten 2, in der sich im Betrieb ein Kühlmittel,
beispielsweise flüssiger
Stickstoff oder vornehmlich flüssiges
Helium befindet, kommuniziert. Über
den Anschlussstutzen kann also dieses Kühlmittel in die Kühlmittelkammer
eingebracht und im Bedarfsfall nachgefüllt werden.
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2 zeigt in Form einer Prinzipskizze
einen erfindungsgemäßen Anschlussstutzen 4 einer
ersten Ausführungsform.
Der Anschlussstutzen 4, der – siehe 3 – im
gezeigten Ausführungsbeispiel
hohlzylindrisch ist – ist
mit der Wand 5 des Kryostaten verbunden, wobei hier die
Wand 5 lediglich exemplarisch dargestellt ist, da es auf
ihren konkreten Aufbau nicht ankommt. In der Regel besteht die Wand 5 aus mehreren
Wandabschnitten, die Vakuumkammern und Temperaturschilde umfassen,
um die im Inneren befindliche Kühlmittelkammer
bestmöglich
nach Außen
hin zu isolieren. Der Anschlussstutzen 4 ist mit der Wand 5 über faltenbalgartige
Dehnungsabschnitte 6 verbunden, die eine gewisse Dehnung
in diesem Bereich, die aufgrund der hier gegebenen Verhältnisse
mithin auftreten kann, kompensieren können.
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Wie 2 zeigt, sind an der Innenwand 7 des
Anschlussstutzens 4 mehrere nach Innen vorspringende Erhöhungen 8 in
Form schmaler Blechabschnitte 9, vornehmlich aus Edelstahl,
vorgesehen, die – siehe 3 – im gezeigten Ausführungsbeispiel
symmetrisch zueinander angeordnet sind. Die Blechabschnitte 9 sind
so angeordnet, dass sie in Strömungsrichtung
bezogen auf das im Betrieb aus der Kühlmittelkammer durch den Anschlussstutzen 4 ausströmenden Kühlmittelstrom
liegen, so dass sie einen minimalen Strömungswiderstand darstellen.
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Wie 2 zeigt, sind die einzelnen
hintereinander angeordneten Blechabschnitte 9 voneinander beabstandet,
um zu vermeiden, dass über
sie eine Wärmeleitung
von außen
in das Kryostateninnere erfolgen kann.
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Die
Blechabschnitte 9 führen
zu einer beachtlichen Vergrößerung der
Wandoberfläche
der Innenwand 7. Da sie vornehmlich relativ dünnwandig ausgeführt sind,
nehmen sie sehr leicht und schnell die Temperatur des anliegenden
Wandabschnitts an. Strömt
nun abdampfendes, im unteren Bereich noch auf der eigentlichen über den
Kryostaten gekühlten Temperatur
befindliches Kühlmittel
(im Falle von flüssigem
Stickstoff 77 K, bei flüssigem
Helium 4,3 K) an der Innenwand 7 vorbei, so bestreicht
der Kühlmittelgasstrom
zum einen die Innenwand 7 selbst als auch die Blechabschnitte 9. Überall dort
findet ein Wärmeübergang
von der Wand bzw. den Blechabschnitten auf den Kühlmittelgasstrom statt. Diese
Wärme wird also
dem Anschlussstutzen 4 entzogen und kann nicht in das Kryostateninnere
eingetragen werden. D.h. der Gesamtwärmemengeneintrag kann im Vergleich
zu bekannten Anordnungen durch die Vergrößerung der Oberfläche deutlich
verringert werden. Dies gilt sowohl im normalen Betrieb als auch
dann, wenn die Anlage in Betrieb genommen werden soll und der Supraleiter
hochgefahren werden soll. In diesem Fall wird über den Anschlussstutzen 4,
der dann als Elektrode fungiert und mit dem supraleitenden Magneten
elektrisch gekoppelt ist, ein Strom geführt, der über den Supraleiter fließt und in
diesem erst bei Erreichen der Sprungtemperatur bei hinreichender Abkühlung verlustfrei
geführt
wird. Während
dieser Zeit kann sich der Anschlussstutzen 4 stark aufheizen.
Gleichzeitig strömt
aber auch hier abdampfendes Kühlmittel
aus der Kühlmittelkammer
durch den Anschlussstutzen. Es ist offensichtlich, dass auch hier
eine deutliche Abkühlung
aufgrund der Oberflächenvergrößerung erfolgen
kann, so dass sich insgesamt eine geringere Erwärmung des Anschlussstutzens
ergibt. Je größer die
Vergrößerung der
Oberfläche
durch die gewählten
Maßnahmen
ist, desto größer ist
die auf diesem Weg abführbare
Wärmemenge.
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4 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform
eines Anschlussstutzens 10, der ebenfalls in nicht näher gezeigter
Weise mit der Wand 11 des Kryostaten verbunden ist. Neben
den an der Innenwand 12 des Anschlussstutzens 10 vorgesehenen
Erhöhungen 13 in
Form rippen- oder plattenartiger Blechabschnitte 14, die
in gleicher Weise angeordnet und ver teilt sind wie bezüglich der
Ausführungsformen
in 2 und 3 beschrieben, ist hier zusätzlich die
Oberfläche
der Innenwand strukturiert und weist eine Rauhigkeit auf, wie durch
das Bezugszeichen 15 dargestellt ist. Diese Rauhigkeit,
die beispielsweise durch Oberflächenbehandlung
der Innenwand 12 erzeugt werden kann, vergrößert die Oberfläche ebenfalls,
so dass der oben beschriebene Effekt hierdurch noch vergrößert werden
kann.
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Im
Inneren des Anschlussstutzens ist, vorzugsweise konzentrisch mit
ihm, ein im Wesentlichen stabförmiges
Bauteil 16 vorgesehen. Auch an diesem Bauteil, das gleichermaßen zum
Kryostateninneren führt
und bei dem ebenfalls insbesondere über Wärmeleitung ein Wärmeeintrag
erfolgen kann, sind entsprechende Erhöhungen 13 in Form
der Blechabschnitte 14 vorgesehen, so dass auch diese Oberfläche deutlich
vergrößert ist.
Natürlich
besteht auch hier die Möglichkeit,
der Oberfläche
des Bauteils 16 eine gewisse Rauhigkeit zu verleihen, wenngleich dies
in 4 nicht dargestellt
ist.
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Schließlich zeigt 5 eine Prinzipdarstellung
in Form einer Aufsicht auf einen weiteren Anschlussstutzen 17,
dessen Innenwand exemplarisch mit zwei unterschiedlichen, die Oberfläche vergrößernden
Strukturierungen versehen ist. In der linken Bildhälfte ist
die Innenwand 18 über
kanal- oder nutenartige Eintiefungen 19, die zweckmäßigerweise ebenfalls
in Strömungsrichtung
verlaufen, strukturiert. Im rechten Bildteil ist die Innenwand 18 über eine
zickzack-förmige
Struktur 20 mit Erhebungen und Eintiefungen profiliert,
wobei auch diese zweckmäßigerweise
in Strömungsrichtung
verlaufen.