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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Kühleinrichtung
für eine
Gradientenspule, wobei die Kühleinrichtung
wenigstens einen flexiblen, an einer Trägerplatte gemäß eines
vorgegebenen Musters verlaufend angeordneten Kühlschlauch umfasst.
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Eine
solche Kühleinrichtung
ist beispielsweise aus
DE
197 21 985 A1 bekannt. Sie umfasst einen flexiblen Kühlschlauch,
der aus Metall oder Kunststoff bestehen kann, und der in einem vorgegebenen Muster,
das sich am Verlauf der Spulenwicklungen der benachbarten Gradientenspulenbaugruppe,
mit der die Kühleinrichtung
zu verbinden ist, ausgelegt ist. Der Kühlschlauch – in der Regel mehrere Kunststoffschläuche, die
in separaten Kühlkreisläufen eingebunden
sind – wird
an einer geeigneten Trägerplatte
befestigt, die elektrisch isolierend ausgeführt ist, jedoch hinreichend
flexibel ist, damit die gesamte Kühleinrichtung im Bedarfsfall
gebogen werden kann, wenn die Gradientenspule eine zylindrische Spule
ist. Zur Fixierung des Kühlschlauchs
an der Trägerplatte,
beispielsweise einer glasfaserverstärkten Kunststoffplatte, kommen
entweder elastische Fäden
zum Einsatz, das heißt,
der oder die Schläuche
werden mit der Trägerplatte
vernäht.
Denkbar ist es aber auch, die Kühlschläuche über einen
Kleber punktweise auf den Träger
zu fixieren.
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Über eine
solche Kühleinrichtung
ist es möglich,
die beim Betrieb der Gradientenspule entstehende Wärme abzuführen. Eine
Gradientenspule weist üblicherweise
mehrere Spulen auf, um drei senkrecht aufeinander stehende Magnetfeldgradienten
zu erzeugen. Bei den heute häufig
eingesetzten aktiv geschirmten Gradientenspulen sind zusätzlich zu
das Nutzfeld erzeugenden Primärspulen
auch Sekundärspulen
vorhanden, die verhindern, dass in metallischen Teilen eines die
Gradientenspule umgebenden Grundfeldmagneten Wirbelströme erzeugt
werden. Diese Sekundärspulen
sind konzentrisch um die Primärspulen
und in einem Abstand zu diesen angeordnet. Typischerweise wird jede
Gradientenspule von einem impulsförmigen Strom in der Größenordnung von
mehreren hundert Ampere, üblicherweise
ca. 300 A, durchflossen. Durch den ohmschen Widerstand der Spule
wird eine beträchtliche
Energiemenge in Wärme
umgewandelt, die zur Vermeidung einer zu starken Erwärmung der
Gradientenspule und darüber
des Innenraums des Magnetresonanzgeräts, in dem der Patient liegt,
abzuführen
ist. Dies geschieht sehr zweckmäßig über eine
Kühleinrichtung,
wie sie in
DE 197
21 985 A1 beschrieben ist.
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Als
Kühlschläuche zur
Herstellung einer solchen Kühleinrichtung
werden üblicherweise
Kunststoffschläuche
runden Querschnitts, üblicherweise ein
PA-Rohr, verwendet, die auf einer Trägerplatte, die üblicherweise
eine Stärke
von ca. 1 mm aufweist, angeordnet werden. Eine solche Kühleinrichtung wird
wie beschrieben zwischen die einzelnen Spulenlagen gebracht und
zusammen mit den Spulenlagen in eine Trägermatrix, beispielsweise aus
Epoxidharz, eingegossen. Typischerweise werden mehrere 100 m Kühlschlauch
pro Spule in mehreren parallelen Kühlkreisläufen unter Verwendung mehrerer
solcher Kühleinrichtungen
eingebracht. Infolge der zwingend erforderlichen Integration der
Kühleinrichtungen
in die Gradientenspule baut diese jedoch radial beachtlich auf,
was im Hinblick auf das begrenzte zur Verfügung stehende Einbauvolumen
einer Gradientenspule und dem Wunsch zu einer möglichst großen Patientenaufnahme nicht
wünschenswert
ist. Darüber
hinaus besteht stets der Wunsch, die Kühlleistung weiter zu verbessern.
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Eine
Kühleinrichtung,
wie sie hier beschrieben wurde, ist auch aus der
WO 03/093853 A1 bekannt,
welche eine neuartige Vergussmasse und ein neues Kühlschlauchmaterial
vorschlägt.
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Ohne
hierauf näher
einzugehen, wird dort offenbart, dass der Querschnitt des Schlauches
rund oder oval sein kann.
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Der
Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung
einer Kühleinrichtung
sowie eine Kühleinrichtung
anzugeben, mit dem bzw. der bei verringerter Bauhöhe der Kühleinrichtung
eine verbesserte Kühlleistung
erreicht werden kann.
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Zur
Lösung
dieses Problems ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art
erfindungsgemäß vorgesehen,
dass der wenigstens eine einen runden Querschnitt aufweisende, gemäß dem vorgegebenen
Muster gelegte Kühlschlauch
zur bleibenden Verformung seiner Querschnittsform flach gedrückt wird.
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Beim
erfindungsgemäßen Verfahren
bzw. deren hiernach hergestellten Kühleinrichtung ist der ursprünglich querschnittlich
gesehen runde Kühlschlauch
aktiv verformt, er wird unter Verwendung eines Werkzeugs flach gedrückt. Die
Verformung ist bleibend, das heißt, der Kühlschlauch, sei es ein Metall-
oder Kunststoffschlauch, relaxiert nicht mehr in die ursprüngliche
querschnittlich runde Form, sondern verbleibt in der flach gedrückten, gestauchten Form.
Hierüber
kann mit besonderem Vorteil die Wärmeübergangsfläche vergrößert werden, bzw. wird bei gleich
guter Leitfähigkeit
von Schlauchmaterial und Vergussmasse der Abstand zur Wärmequelle
verringert, woraus eine verbesserte Kühlung resultiert, da wesentlich
mehr Wärme über die
vergrößerte Wärmeübergangsfläche aufgenommen
und abgeführt werden
kann. Auch kann hierdurch der radiale Platzbedarf für die Kühleinrichtung
verringert werden, so dass insgesamt der radiale Aufbau der Gradientenspule
verringert werden kann. Auch profitieren die entsprechenden Gradientenspulenachsen
von diesem radialen Platzgewinn, da die Effektivität der Gradientenfelderzeugung
etwa mit der fünften
Potenz des Radius bei einer Radiusverringerung steigt. Im Umkehrschluss
wird beispielsweise bei gleich bleibender Sensitivität weniger
Verlustleistung erzeugt.
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Die
Verformung kann so weit erfolgen, dass kein wesentlicher Anstieg
des Strömungswiderstands
aus dieser Verformung resultiert. Die Radiusverringerung über das
Flachdrücken
sollte also so gewählt
sein, dass sich kein wesentlicher Anstieg im Strömungswiderstand bzw. eine unangemessen hohe
Verringerung des hydraulischen Durchmessers ergibt. Beispielsweise
ist es ohne Weiteres möglich, einen
Schlauch mit einem Innendurchmesser von 6 mm um 1,5–2 mm im
Durchmesser zu stauchen.
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Ein
weiterer beachtlicher Vorteil neben dem flachen Kühlungsaufbau
ist darin zu sehen, dass auch weniger Schlauchlänge erforderlich ist, da infolge
des Flachdrückens
zwangsläufig
die Schlauchbreite vergrößert wird,
verbunden mit der Vergrößerung der
Wärmeübergangsfläche. Hierüber kann eine
beachtliche Schlauchlänge
eingespart werden, was die Gestehungskosten reduziert. Auch kann hierüber gegebenenfalls
eine Verringerung der Anzahl der Parallelkühlkreise erfolgen, so dass
die Anzahl an Schlauchkopplungen zur Kühlmittelversorgung und eine
etwaige Leckagegefahr reduziert werden kann.
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Zweckmäßigerweise
wird der Kühlschlauch zu
einer im Wesentlichen ovalen Form mit ebener Ober- und Unterseite
verformt. Über
die ebenen Seitenflächen
kann an der Seite, an der die unmittelbare Wärmekopplung zu den benachbarten
Spulenwicklungen besteht, eine große Übergangsfläche bei gleich bleibendem Abstand
der Schlauchseite zu den Spulenwicklungen erreicht werden.
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Grundsätzlich sind
zwei unterschiedliche Herstellungsverfahren denkbar. Nach einer
ersten Verfahrensalternative wird der Kühlschlauch in eine gemäß dem vorgegebenen
Muster profilierte Wickelplatte gelegt, anschließend verformt und anschließend mit
der Trägerplatte
verbunden. Eine solche üblicherweise
ebene Wickelplatte weist entsprechende Wickelnuten auf, in die der
ursprünglich
runde Kühlschlauch
gelegt wird. Die Querschnittsform der Nuten der Wickelplatte kann
rechteckig oder der gewünschten
Ovalform entsprechend sein, in jedem Fall muss eine ausreichende
Nutbreite gegeben sein, die die stauchungsbedingte Verbreiterung
des Kühlschlauchs
aufnimmt. Nach dem bleibenden Verformen des Kühlschlauchs wird bei dieser
Erfindungsausgestaltung die Trägerplatte,
also die beispielsweise ca. 1 mm starke GFK-Isolierplatte, mit dem Schlauch
verbunden, beispielsweise angenäht
oder mit ihm verklebt.
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Eine
alternative Verfahrensvariante sieht demgegenüber vor, dass der Kunststoffschlauch
gemäß dem vorgegebenen
Muster direkt auf die Trägerplatte
gelegt und mit dieser verbunden wird, beispielsweise vernäht oder
verklebt wird, wonach er verformt wird. Hier erfolgt also die Schlauchverformung
bei bereits auf der Platte fixiertem Schlauch.
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Besonders
zweckmäßig bei
Verwendung eines Kunststoff-Kühlschlauchs
ist es, wenn der Kühlschlauch
vor und gegebenenfalls auch während
der Verformung erwärmt
wird, bevorzugt soweit, dass er plastisch verformbar ist, mithin
also zwangsläufig eine
bleibende Verformung erreicht werden kann.
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Zum
Verformen wird zweckmäßigerweise
ein geeignetes Werkzeug in Form einer Druckplatte eingesetzt, mit
welcher auf den oder die verlegten Kühlschläuche, die in entsprechender
Weise gegengelagert sind, gedrückt
wird. Für
den Fall, dass die Kühlschläuche in
eine Wickelplatte gelegt werden, dient die Wickelplatte als Gegenlagerplatte,
mit der Druckplatte wird also direkt auf die aus der Wickelplattenebene
hervorstehenden Kühlschläuche gedrückt und diese
in die wickelplattenseitigen Nuten eingeformt. Bei der Herstellungsalternative,
bei der die unverformten Kühlschläuche zunächst auf
der Trägerplatte aufgebracht
und erste anschließend
verformt werden, ist zweckmäßigerweise
eine die Trägerplatte
gegenlagernde Gegenlagerplatte vorgesehen, mit der Druckplatte wird
von der anderen Seite her auf die frei liegenden Kühlschläuche zur
Verformung derselben gedrückt.
Die Erwärmung
der Kühlschläu che kann
dabei entweder über
die Druckplatte oder über die
Gegenlagerplatte, sei es die Wickelplatte oder eine separate Gegenlagerplatte,
oder aber durch Druckplatte und Gegenlagerplatte erfolgen. Der Formungsvorgang
kann in seiner Dauer solange gestaltet werden, bis sicher gestellt
ist, dass eine vollständige
Durchwärmung
des Schlauchmaterials erfolgt ist, dass also der Kunststoffschlauch
tatsächlich
plastisch verformt werden kann und die erreichte Verformung nicht
wieder relaxiert. Die Abkühlung
kann bei noch geschlossenem Presswerkzeug erfolgen, das heißt, die
flach gedrückten
Kühlschläuche kühlen bei gegebener
Belastung über
die Druckplatte ab. Alternativ besteht die Möglichkeit, das Werkzeug vorher zu öffnen und
die Kühlschläuche im
unbelasteten Zustand abkühlen
zu lassen.
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Neben
dem Verfahren betrifft die Erfindung ferner eine Kühleinrichtung
für eine
Gradientenspule, die nach dem beschriebenen Verfahren hergestellt ist.
Die Kühleinrichtung
umfasst eine Trägerplatte
mit wenigstens einem darauf gemäß eines
vorgegebenen Musters laufend angeordneten Kühlschlauch, der eine flache
Form, insbesondere eine ovale Form mit einer ebenen Ober- und Unterseite
aufweist. Die Kühleinrichtung
wird durch Verformung querschnittlich ursprünglich runder Kühlschläuche hergestellt. Würden flach
geformte Kühlschläuche verwendet, wäre in diesem
Fall jedoch die Verlegung schwieriger, da diese flachen Kühlschläuche im
Bereich einer Biegung dazu tendieren, sich aufzustellen.
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Des
Weiteren betrifft die Erfindung ferner eine Gradientenspule, umfassend
mehrere Kühleinrichtungen
dieser Art.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der
Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 eine
Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Kühleinrichtung in einer Aufsicht,
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2 eine
Prinzipdarstellung zur Erläuterung
des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens
einer ersten Variante,
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3 eine
Prinzipdarstellung zur Erläuterung
des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens
einer zweiten Variante, und
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4 eine
Teilansicht im Schnitt einer erfindungsgemäßen Gradientenspule.
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße Kühleinrichtung 1,
bestehend aus einer Trägerplatte 2,
beispielsweise einer GFK-Platte.
Auf dieser sind in Form eines vorgegebenen Musters mehrere parallel
verlaufende Kühlschläuche 3 befestigt,
beispielsweise durch Vernähen
mit der Trägerplatte 2,
wie durch die Nähte 4 angedeutet
ist. Die Kühlschläuche 3 sind
beispielsweise Kunststoffschläuche,
die, worauf nachfolgend noch eingegangenen wird, aus ihrer ursprünglich querschnittlich
gesehenen runden Form zu einer flachen, im Wesentlichen ovalebenflächigen Form
verformt werden. Die Kühleinrichtung 1 ist
hier ebenflächig
dargestellt. Üblicherweise
werden solche Kühleinrichtungen
in zylindrische Gradientenspulen verbaut, weshalb die Kühleinrichtung 1 in
der Verbausituation gebogen ist, üblicherweise um ca. 180°. Nicht näher gezeigt
sind entsprechende Anschlüsse, die
zum Verbinden der einzelnen Kühlschläuche 3, die
jeweils einen separaten Kreislauf bilden, mit einer Kühlmittelzufuhr
vorzusehen sind. Diese Anschlüsse werden
an den an einem gemeinsamen Ort positionierten Zu- und Abläufen 5, 6 der
Kühlschläuche 3 angebracht.
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2 zeigt
eine erste Verfahrensvariante zur Herstellung der Kühleinrichtung 1 aus 1.
Gezeigt ist ein Ausschnitt aus einer Wickelplatte 7, in
der eine Vielzahl von Nuten 8 eingebracht sind, die gemäß dem vorgegebenen
Muster 9 des Verlaufs der Kühlschläuche 3, siehe 1,
verlaufen. Die Nuten 8 sind im Querschnitt im Wesentlichen
rechteckig und breiter als tief. In die Nuten 8 werden
die Kühlschläuche 3 eingelegt.
Sodann wird mit einer Druckplatte 10 auf die aus der Wickelplattenebene
hervorstehenden Kühlschläuche 3,
bevorzugt Kunststoffschläuche
aus Polyamid (PA) gedrückt,
wie durch den Pfeil F dargestellt ist. Die Wickelplatte 7 und/oder die
Druckplatte 10 können
dabei erwärmt
sein, so dass sich während
des Verpressens auch die Kühlschläuche 3 erwärmen, und
zwar auf eine Temperatur, bei welcher das Kunststoffmaterial plastisch
verformbar ist.
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Wie
dargestellt, wird die Druckplatte 10 auf die Wickelplatte 7 gepresst.
Hierbei werden die Kühlschläuche 3 deformiert,
sie passen sich weitgehend der Form der Nuten 8 an und
werden zwangsläufig gestaucht,
siehe 2. Infolge der Erwärmung über die eine plastische Verformung
ermöglichende
Materialtemperatur verbleiben die verformten Kühlschläuche 3 in der gestauchten
Form, auch wenn die Druckplatte 10 nach dem Stauchen wieder
angehoben wird. Die erkalteten, noch in der Wickelplatte 7 aufgenommenen
Kühlschläuche 3 werden
anschließend mit
der Trägerplatte 2 verbunden.
Diese wird direkt auf die Wickelplatte 7 aufgelegt, wonach
die Trägerplatte 2 mit
den Kühlschläuchen 3 vernäht wird.
Nach dem Vernähen,
wozu ein entsprechender mehr oder weniger elastischer Kunststofffaden
verwendet wird, wird die Isolierplatte 2 samt der daran
befestigten Kühlschläuche 3,
mithin also die weitgehend fertige Kühleinrichtung 1 (es
fehlen gegebenenfalls noch die Anschlüsse an den Zu- und Abläufen 5, 6)
aus der Wickelplatte 7 entfernt.
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Ersichtlich
weisen die Kühlschläuche 3 ein deutlich
von der ursprünglichen
kreisrunden Form abweichendes Querschnittsprofil auf. Sie sind im
Wesentlichen oval und weisen ebene Ober- und Unterseiten auf.
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3 zeigt
eine weitere alternative Herstellungsvariante. Hier werden die Kühlschläuche 3 vor dem
Verformen bereits mit der Trägerplatte 2 verbunden,
wiederum beispielsweise durch Vernähen, denkbar war auch durch
Verkleben. Das heißt,
die Kunststoffschläuche 3 sind
bereits im vorgegebenen Muster 9 auf der Trägerplatte 2 verlegt
und befestigt. Die Trägerplatte 2 wird
nun auf eine Gegenlagerplatte 11 gelegt, wonach wiederum
die Druckplatte 10, wie durch den Pfeil F dargestellt ist,
auf die frei liegenden, noch unverformten und runden Kühlschläuche 3 gedrückt wird.
Diese werden bei gleichzeitig gegebener Erwärmung über die Druckplatte 10 und/oder
die Gegenlagerplatte 11 plastisch verformt, das heißt, die
Druckplatte 10 wird definiert abgesenkt, bis die gewünschte Form
eingenommen ist. Anschließend
wird auch hier die Druckplatte wieder angehoben, entweder bei bereits
erkalteten Kühlschläuchen oder
bei noch warmen, sich jedoch nicht mehr in die Ursprungsform zurückformenden
Kühlschläuchen 3,
wonach – gegebenenfalls
bis auf die noch fehlenden Anschlüsse an den Zu- und Abläufen 5, 6 – die Kühleinrichtung 1 hergestellt
ist. Auch hier weisen ersichtlich die Schläuche 3 ein im Wesentlichen
ovales Profil mit ebener Ober- und Unterseite auf.
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4 zeigt
in Form einer Prinzipdarstellung eine erfindungsgemäße Gradientenspule 12 in
einer Teilansicht im Schnitt. Gezeigt sind hier drei Flächenspulen,
eine erste innere Flächenspule 13 bestehend aus
einem Spulenträger 13a und
darauf aufgebrachten Spulenwicklungen 13b, eine zweite
Flächenspule 14 bestehend
aus einem Spulenträger 14a und
den Spulenleitern 14b, sowie eine dritte Flächenspule 15 bestehend
aus dem Spulenträger 15a und
den darauf befindlichen Wicklungen 15b. Die gesamte Gradientenspule
weist jeweils zwei Flächenspulen 13 bzw. 14 bzw. 15 auf,
die jeweils um ca. 180° umlaufen
und sich zu einem Spulenring ergänzen.
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Zwischen
jeweils zwei Flächenspulen,
also zwischen die Flächenspulen 13 und 14 bzw. 14 und 15,
ist jeweils eine Kühleinrichtung 1a bzw. 1b gesetzt.
Jede der Kühleinrichtungen
besteht in der beschriebenen Weise aus der Trägerplatte 2a bzw. 2b sowie
den Kühlschläuchen 3a bzw. 3b,
die in der erfindungsgemäßen Weise
deformiert wurden. Ersichtlich ergibt sich durch diese Deformation
eine deutlich größere Wärmeübergangsfläche zu den
jeweils benachbarten Flächenspule,
seien es die dortigen Spulenwicklungen 13b, 14b, 15b oder
die Spulenträger 13a, 14a, 15a,
so dass sich eine deutlich verbesserte Kühlleistung und eine Verringerung
im radialen Aufbau erreichen lässt.
Der gesamte Aufbau ist in einer Harzmatrix 16, beispielsweise
aus Hypoxidharz, einge gossen, welche Harzmatrix 16 die
Außenseite
und die Innenseite der Gradientenspule 12 bildet und sämtliche
Zwischenräume
zwischen Spulenleitern bzw. Kühlschläuchen etc.
ausfüllt.