DE10203788A1

DE10203788A1 - Elektrische Leiteranordnung und Verwendung der elektrischen Leiteranordnung

Info

Publication number: DE10203788A1
Application number: DE10203788A
Authority: DE
Inventors: Johann Schuster; Stefan Stocker
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2002-01-31
Filing date: 2002-01-31
Publication date: 2003-08-21
Also published as: GB2386425A; GB0300210D0; US6771072B2; US20030141870A1; CN1435696A; GB2386425B

Abstract

Bei einer elektrischen Leiteranordnung mit einem inneren Leiter und einem äußeren Leiter, der den inneren Leiter koaxial umschließt, ist zwischen dem inneren und dem äußeren Leiter ein Kühlkanal zum Durchleiten eines Kühlmediums angeordnet. Die elektrische Leiteranordnung wird bei einem Magnetresonanzgerät verwendet.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Leiteranordnung mit einem inneren Leiter und einem äußeren Leiter, der den inneren Leiter koaxial umschließt, und eine Verwendung der elektrischen Leiteranordnung.

Die technischen Einsatzgebiete von elektrischen Leiteranordnungen sind insbesondere auf dem Gebiet der elektrischen Energieversorgung in Form von Kabeln und Leitungen vielfältig. So sind beispielsweise bei einem Magnetresonanzgerät Gradientenspulen eines Gradientenspulensystems zur Energieversorgung über ein Kabel mit einem speisenden Gradientenverstärker verbunden. Dabei ist die Magnetresonanztechnik eine bekannte Technik zum Gewinnen von Bildern eines Körperinneren eines Untersuchungsobjekts. Dazu werden in einem Magnetresonanzgerät einem statischen Grundmagnetfeld, das von einem Grundfeldmagneten erzeugt wird, schnell geschaltete Gradientenfelder überlagert, die von den Gradientenspulen erzeugt werden. Ferner umfasst das Magnetresonanzgerät ein Hochfrequenzsystem, das zum Auslösen von Magnetresonanzsignalen Hochfrequenzsignale in das Untersuchungsobjekt einstrahlt und die erzeugten Magnetresonanzsignale aufnimmt, auf deren Basis Magnetresonanzbilder erstellt werden.

Zum Erzeugen der Gradientenfelder sind in den Gradientenspulen entsprechende Ströme einzustellen. Dabei betragen die Amplituden der erforderlichen Ströme bis zu mehreren 100 A. Die Stromanstiegs- und -abfallraten betragen bis zu mehreren 100 kA/s. Die treibende, vom Gradientenverstärker bereitzustellenden Spannungen für die Ströme beträgt dabei bis zu mehrere kV.

Auf elektrische Leiter der Gradientenspulen, die diese sich zeitlich verändernden Ströme führen, wirken bei vorhandenem Grundmagnetfeld in der Größenordnung von 1 T erhebliche Lorentzkräfte, die zu Schwingungen des gesamten Gradientenspulensystems führen. Auf im Bereich des Grundmagnetfeldes, beispielsweise zwischen Gradientenspulen und Gradientenverstärker angeordnete, stromdurchflossene elektrische Leiteranordnungen wirken ebenfalls Lorentzkräfte.

Aus der US 5,394,086 ist für ein Magnetresonanzgerät ein Anschlusskabel für eine einsetzbare Gradientenspule bekannt, wobei Hin- und Rückleiter des Anschlusskabels derart angeordnet sind, dass sich die Kräfte, die bei einem Stromfluss in den Leitern auf das im statischen Grundmagnetfeld angeordnete Anschlusskabel wirken, gegenseitig aufheben. Dabei ist in einer Ausführungsform das Anschlusskabel als ein koaxiales Kabel ausgebildet.

Zum Beherrschen vorgenannter hoher elektrischer Leistungen werden Gradientenspulen oftmals gekühlt. Dazu ist beispielsweise aus der DE 197 21 985 A1 eine Kühleinrichtung zur indirekten Kühlung von Leitern der Gradientenspulen bekannt. Dabei ist in einer zylindermantelförmigen Ebene eines hohlzylinderförmigen, gießharzvergossenen Gradientenspulensystems eine dicht an dicht verlegte flexible Kühlleitung eingebracht, durch die zum Kühlen der Gradientenspulen ein Kühlmedium geleitet wird. In einer anderen Ausführungsform entsprechend der DE 198 39 987 A1 wird ein Leiter einer Gradientenspule direkt gekühlt, indem durch einen inneren Kühlkanal, der vom Leiter in einer Ausbildung als Profilsegmentleiter umgeben ist, ein Kühlmedium geleitet wird.

Ferner ist aus dem von der Vereinigung Deutscher Elektrizitätswerke e. V. herausgegebenen Buch "Kabelhandbuch", VWEW- Verlag, Frankfurt am Main, 1997, Seite 61, ein Kabel mit einer direkten Zwangskühlung eines elektrischen Leiters bekannt. Dazu umfasst das Kabel im Innern einen Hohlleiter, der vom elektrischen Leiter umgeben ist. Ein Abführen von im elektrischen Leiter bei Stromfluss entstehender Verlustwärme erfolgt dabei durch ein Durchleiten eines Kühlmediums, beispielsweise Öl, durch den Hohlleiter.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte elektrische Leiteranordnung mit einem inneren Leiter und einem äußeren Leiter, der den inneren Leiter koaxial umschließt, zu schaffen, mit der unter anderem bei einem kompakten Aufbau eine hohe elektrische Leistung übertragbar ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Gemäß Anspruch 1 ist bei einer elektrischen Leiteranordnung mit einem inneren Leiter und einem äußeren Leiter, der den inneren Leiter koaxial umschließt zwischen dem inneren und dem äußeren Leiter ein Kühlkanal zum Durchleiten eines Kühlmediums angeordnet.

Dadurch ist gegenüber einer vergleichbaren koaxialen Leiteranordnung mit vergleichbaren Außenabmessungen ohne Kühlungsmöglichkeit zwischen den Leitern eine höhere elektrische Übertragungsleistung realisierbar.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
Fig. 1 ausschnittsweise einen Längsschnitt durch ein Magnetresonanzgerät mit einer elektrischen Leiteranordnung für ein Versorgen eines Gradientenspulensystems,
Fig. 2 einen Querschnitt durch die Leiteranordnung der Fig. 1,
Fig. 3 einen Querschnitt durch eine weitere elektrische Leiteranordnung und
Fig. 4 ausschnittsweise einen Längsschnitt durch ein Magnetresonanzgerät mit einer weiteren elektrischen Leiteranordnung für ein Versorgen eines Gradientenspulensystems.
Die Fig. 1 zeigt als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ausschnittsweise einen Längsschnitt durch ein Magnetresonanzgerät. Dabei umfasst das Magnetresonanzgerät einen Grundfeldmagneten 10, der im Wesentlichen entsprechend einem Hohlzylinder mit horizontaler Längsachse ausgebildet ist und mit dem innerhalb einer Höhlung des Grundfeldmagneten 10 ein möglichst homogenes statisches Grundmagnetfeld erzeugbar ist. Des Weiteren umfasst das Magnetresonanzgerät zum Erzeugen von Gradientenfeldern ein Gradientenspulensystem 15, das ebenfalls im Wesentlichen entsprechend einem Hohlzylinder mit horizontaler Längsachse ausgebildet ist. Dabei ist das Gradientenspulensystem 15 in der Höhlung des Grundfeldmagneten 10 fest eingebaut. In dem entlang der vertikalen Hauptsymmetrieebene der Hohlzylinder geführten Längsschnitts zeigt die Fig. 1 dabei einen oberen Bereich der Hohlzylinder an deren Stirnflächen.
Eine elektrische Energieversorgung wenigstens einer Gradientenspule des Gradientenspulensystems 15 erfolgt dabei über eine elektrische Leiteranordnung mit einem inneren Leiter 21 und einem äußeren Leiter 22, der den inneren Leiter 21 koaxial umschließt, wobei zwischen dem inneren und äußeren Leiter 21 und 22 ein Kühlkanal zum Durchleiten eines Kühlmediums angeordnet ist. Am Gradientenspulensystem 15 sind die Leiter 21 und 22 über entsprechende elektrische Anschlüsse mit der Gradientenspule verbunden. Die Leiteranordnung ist dabei innerhalb der Höhlung in etwa parallel zur Hohlzylinderlängsachse geführt und an der Öffnung der Höhlung bogenartig nach oben geführt, wo die Leiteranordnung über eine nicht dargestellte Isolierplatte an der Stirnfläche des Grundfeldmagneten 10 befestigt ist. Dort ist über die elektrischen Anschlüsse 29 ein elektrisches Versorgungskabel anschließbar, das von einem die Gradientenspule speisenden Gradientenverstärker herkommt.
Der äußere und der innere Leiter 21 und 22 sind dabei als Hin- und Rückleiter der Gradientenspule für eine gleiche Stromtragfähigkeit ausgebildet. Der innere, eindrahtig ausgebildete Leiter 21 weist einen kreisförmigen Querschnitt und der äußere Leiter 22 einen kreisringförmigen Querschnitt auf, wobei die Leiter 21 und 22 beispielsweise aus weichem Elektrolytkupfer oder reinem Aluminium ausgebildet sind. Der äußere Leiter 22 ist dabei aus einem Vollmaterial, beispielsweise als ein biegbares Kupferrohr, ausgebildet.
Der innere und der äußere Leiter 21 und 22 werden durch mehrere, entlang der Leiteranordnung verteilt angeordnete Zentrierelemente 35 zueinander auf Abstand gehalten. Dabei sind die Zentrierelemente 35 aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise aus Teflon ausgebildet, in einem Abstand von beispielsweise etwa 5 cm zueinander angeordnet und weisen eine Dicke von wenigen Millimetern auf. Ferner sind die zwischen dem inneren und dem äußeren Leiter 21 und 22 angeordneten Zentrierelemente 35 derart gestaltet, dass im Bereich der Zentrierelemente 35 zwischen dem inneren und dem äußeren Leiter 21 und 22 Öffnungen verbleiben, so dass zwischen dem inneren und dem äußeren Leiter 21 und 22 in Längsrichtung der Leiteranordnung ein Kühlmedium durchströmen kann.
Im Bereich zur Gradientenspule hin weist der äußere Leiter 22 Bohrungen 24 auf. Dadurch kann neben der Öffnung 25 am gradientenspulenseitigen Ende des äußeren Leiters 22 zusätzlich durch die Bohrungen 24 Luft als Kühlmedium in den Kühlkanal zwischen innerem und äußerem Leiter 21 und 22 eintreten und aufgrund des Kamineffekts an der Öffnung 26 am anderen Ende des äußeren Leiters 22 wieder austreten. Die somit entstehende Konvektionskühlung bewirkt insbesondere eine Kühlung des ansonsten nur schwer zugänglichen inneren Leiters 21. Damit wird die elektrische Übertragungsleistung gegenüber einer vergleichbaren koaxialen Leiteranordnung ohne Kühlung des inneren Leiters deutlich erhöht.
In einer anderen Ausführungform ist das Gradientenspulensystem in der Höhlung des Grundfeldmagneten 10 wenigstens in einer horizontalen Richtung verfahrbar ausgebildet. Dabei ist die Leiteranordnung zwischen den Befestigungsstellen an der Stirnfläche des Grundfeldmagneten 10 und am verfahrbaren Gradientenspulensystem flexibel zu gestalten. Dies ist beispielsweise mit einer faltenbalgartigen oder gewellten Ausbildung des äußeren Leiters und einem mehrdrahtig ausgeführten inneren Leiter erzielbar.
Die Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch die Leiteranordnung der Fig. 1 im Bereich eines der Zentrierelemente 35. Dabei erkennt man, dass das Zentrierelement 35 durch seine Ausbildung mit einem kreisförmigen Innenquerschnitt entsprechend dem Querschnitt des inneren Leiters 21 und einem sechseckförmigen Außenquerschnitt zum äußeren Leiter 22 hin entsprechende Öffnungen zum Durchlassen des Kühlmediums in Längsrichtung der Leiteranordnung freilässt. In anderen Ausführungsform werden funktionsgleiche Zentrierelemente anderen Querschnitts eingesetzt und/oder es wird lediglich ein Zentrierelement eingesetzt, das sich über den gesamten Längsverlauf der Leiteranordnung erstreckt.
Die Fig. 3 zeigt als ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Querschnitt durch eine weitere elektrische Leiteranordnung mit einem inneren, mehrdrahtig verdichteten Leiter 21' und einem äußeren Leiter 22', der den inneren Leiter 21' koaxial umschließt. Dabei weist die in der Fig. 3 dargestellte Leiteranordnung gegenüber der in der Fig. 2 dargestellten Leiteranordnung außen auf dem inneren und äußeren Leiter 21' und 22' aufgebrachte, elektrisch isolierende Schichten 31 und 32 auf. Dabei wird durch die Schicht 31 auf dem inneren Leiter 21' eine hohe, bis zu mehreren kV reichende Durchschlagsfestigkeit zwischen den Leitern 21' und 22' bei vergleichsweise kleinem Abstand zwischen den Leitern 21' und 22' erzielt. Dabei kann die Schicht 31 des inneren Leiters 21' funktionsgleich auch auf der Innenseite des äußeren Leiters 22' angebracht sein, wodurch dann der innere Leiter 21' mit Vorteil besser kühlbar ist. Das Anbringen der Schicht 32 auf der Außenseite des äußeren Leiters 22' erfolgt dabei insbesondere mit Hinblich auf eine Berührsicherheit der Leiteranordnung.
Die Fig. 4 zeigt als ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ausschnittsweise einen Längsschnitt durch ein Magnetresonanzgerät mit einer weiteren elektrischen Leiteranordnung mit einem inneren Leiter 21" und einem äußeren Leiter 22". Im Unterschied zur Fig. 1 weist die Leiteranordnung der Fig. 4 sowohl am Ende des äußeren Leiters 22" am Gradientenspulensystem 15" als auch am Ende an der Stirnfläche des Grundfeldmagneten 10" elektrisch isolierende Dichtungselemente 36 zum dichten Verschließen des Ringspalts zwischen innerem und äußerem Leiter 21" und 22" auf. Ferner weist der äußere Leiter 22" an beiden Enden je wenigstens eine Bohrung 24" auf, an die eine Verschlauchung 39 anschließbar ist, so dass über die Verschlauchung 39 zwischen dem inneren und dem äußeren Leiter 21" und 22" ein flüssiges Kühlmedium, beispielsweise ein Isolieröl oder Wasser durchgeleitet werden kann. Es kann aber auch ein gasförmiges Kühlmedium verwendet werden. Zum einfachen Anschluss der Verschlauchung 39 können die Öffnungen der Bohrungen 24" nach außen hin tüllenartig verlängert sein. Ansonsten gilt das bei der Fig. 1 Beschriebene bei der Fig. 4 entsprechend.

Claims

1. Elektrische Leiteranordnung mit einem inneren Leiter und einem äußeren Leiter, der den inneren Leiter koaxial umschließt, wobei zwischen dem inneren und dem äußeren Leiter ein Kühlkanal zum Durchleiten eines Kühlmediums angeordnet ist.

2. Elektrische Leiteranordnung nach Anspruch 1, wobei zwischen dem inneren und dem äußeren Leiter wenigstens ein Zentrierelement angeordnet ist, das den inneren und den äußeren Leiter zueinander auf Abstand hält.

3. Elektrische Leiteranordnung nach Anspruch 2, wobei das Zentrierelement wenigstens eine Aussparung zum Durchlassen des Kühlmediums umfasst.

4. Elektrische Leiteranordnung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei das Zentrierelement aus einem elektrisch isolierenden Material ausgebildet ist.

5. Elektrische Leiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der äußere Leiter Öffnungen zum Zu- und Abführen des Kühlmediums umfasst.

6. Elektrische Leiteranordnung nach Anspruch 5, wobei wenigstens eine der Öffnungen an einem axialen Ende der Leiteranordnung angeordnet ist.

7. Elektrische Leiteranordnung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei an wenigstens einer der Öffnungen eine Verschlauchung zum Zu- oder Abführen des Kühlmediums anschließbar ist.

8. Elektrische Leiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Kühlmedium ein bei Raumtemperatur gasförmiges Kühlmedium, insbesondere Luft, ist.

9. Elektrische Leiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Kühlmedium ein bei Raumtemperatur flüssiges Kühlmedium, insbesondere ein Isolieröl oder Wasser, ist.

10. Elektrische Leiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Leiter für eine gleiche Stromtragfähigkeit ausgebildet sind.

11. Elektrische Leiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Leiter als Hin- und Rückleiter ausgebildet sind.

12. Elektrische Leiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der innere Leiter ein- oder mehrdrahtig ausgebildet ist.

13. Elektrische Leiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der äußere Leiter aus einem Vollmaterial ausgebildet ist.

14. Elektrische Leiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei wenigstens einer der Leiter Kupfer und/oder Aluminium umfasst.

15. Elektrische Leiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei der innere Leiter einen in etwa kreisförmigen und der äußere Leiter einen in etwa kreisringförmigen Querschnitt aufweisen.

16. Elektrische Leiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei wenigstens eine Oberfläche wenigstens eines der Leiter mit einer elektrisch isolierenden Schicht belegt ist.

17. Elektrische Leiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei die Leiteranordnung flexibel ausgebildet ist.

18. Verwendung der elektrischen Leiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 17 bei einem Magnetresonanzgerät, insbesondere zum elektrischen Versorgen einer Gradientenspule des Magnetresonanzgeräts.

19. Verwendung nach Anspruch 18, wobei die Gradientenspule im Magnetresonanzgerät fest eingebaut ist.

20. Verwendung nach Anspruch 18, wobei die Gradientenspule in einem Untersuchungsraum des Magnetresonanzgeräts verfahrbar ausgebildet ist.