(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
極低温プローブ内で熱を高圧ガス流から低圧ガス流に伝達する超小形熱交換器であって、
熱伝導性材料でできた複数のプレートから成る積層組立体と、
前記積層組立体を貫通する高圧通路であって、極低温ガス供給源に連結可能な入口ポートと、ガス膨張要素の入口に連結可能な出口ポートとを有する高圧通路と、
前記高圧通路の略横に位置した状態で前記積層組立体を貫通する低圧通路であって、ガス膨張要素の出口に連結可能な入口ポートと、出口ポートとを有する低圧通路と、を備え、
前記高圧通路の前記入口ポートから出口ポートへの流れの方向は、前記低圧通路の前記入口ポートから出口ポートへの流れの方向と略逆であり、
前記各通路は、これを通る極低温ガスの乱流を確実に生じさせるようにするために曲がりくねった流路を形成するよう配置され、
前記プレートは、互いに積層され、長手方向軸線の周りに巻かれて円筒形積層組立体を形成し、
前記高圧通路は、第１の前記プレートに形成された第１のチャンネルから成り、
前記低圧通路は、第２の前記プレートに形成された第２のチャンネルから成る、
ことを特徴とする超小形熱交換器。
【請求項２】
前記積層組立体の前記各通路のかなりの部分は、前記長手方向軸線に平行であり、
前記高圧通路の前記各部分は、前記低圧通路の前記部分の一つに隣接し、
前記高圧通路から前記低圧通路への熱の伝達は、前記長手方向軸線に対して略半径方向である、
請求項１に記載の超小形熱交換器。
【請求項３】
極低温プローブ内で熱を高圧ガス流から低圧ガス流に伝達する超小形熱交換器であって、
入口ポート及び出口ポートを備えた高圧通路を形成するようエッチングにより設けられた第１の流れチャンネルを有する第１のシートであって、前記高圧入口ポートは、前記第１のシートの第１の縁部のところに形成され、前記高圧出口ポートは、前記第１のシートの第２の縁部のところに形成されている第１のシートと、
入口ポート及び出口ポートを備えた低圧通路を形成するようエッチングにより設けられた第２の流れチャンネルを有する第２のシートであって、前記低圧入口ポートは前記第２のシートの第１の縁部のところに形成され、前記低圧出口ポートは前記第２のシートの第２の縁部のところに形成されている第２のシートと、を備え、
前記第１のシートと前記第２のシートは、前記第１のシートの前記第１の縁部が前記第２のシートの前記第１の縁部と整列すると共に前記第１のシートの前記第２の縁部が前記第２のシートの前記第２の縁部と整列した状態で互いに積層され、
前記第１のシートと前記第２のシートは、第１の端部のところに前記高圧入口ポート及び前記低圧出口ポートを有し、第２の端部のところに前記高圧出口ポート及び前記低圧入口ポートを有する円筒形の形に巻かれている、
ことを特徴とする超小形熱交換器。
【請求項４】
前記第１のシートの前記第１の流れチャンネルのかなりの部分は、前記熱交換器の長手方向軸線に平行であり、
前記第２のシートの前記第２の流れチャンネルのかなりの部分は、前記熱交換器の長手方向軸線に平行であり、
前記高圧通路の前記各部分は、前記低圧通路の前記部分の一つに隣接し、
前記高圧通路から前記低圧通路への熱の伝達は、前記長手方向軸線に対して略半径方向である、
請求項３に記載の超小形熱交換器。
【請求項５】
極低温プローブに用いられる超小形熱交換器の製造方法であって、
少なくとも１つの可撓性基材をフォトレジスト配合物の層で被覆する工程と、
一つが第１の端部に入口及び第２の端部に出口を備えた高圧流れチャンネルであり、もう一つが第１の端部に出口及び第２の端部に入口を備えた低圧流れチャンネルであるような曲がりくねった流れチャンネルの少なくとも２つのデザインを創成する工程と、
前記デザインをレーザでトレースして前記フォトレジスト配合物を部分的に前記少なくとも１つの基材に接合することにより前記デザインを前記少なくとも１つの基材に転写する工程と、
前記少なくとも１つの基材をエッチング配合物中で洗浄してエッチングにより高圧流れチャンネル及び低圧流れチャンネルを前記少なくとも１つの基材の非接合部分中に形成して、第１の縁部に前記高圧入口及び第２の縁部に前記高圧出口を備えた高圧流れチャンネルを有する高圧流れシート及び第１の縁部に前記低圧出口及び第２の縁部に前記低圧入口を備えた低圧流れチャンネルを有する低圧流れシートを形成する工程と、
前記高圧流れチャンネルが前記低圧流れチャンネルに略平行に位置し、しかも前記高圧流れシートの前記第１の縁部が前記低圧流れシートの前記第１の縁部に隣接すると共に前記高圧流れシートの前記第２の縁部が前記低圧流れシートの前記第２の縁部に隣接した状態で前記高圧流れシートを前記低圧流れシートに積層する工程と、
前記積層された流れシートを前記各流れシートの第３の縁部の周りに巻いて円筒形の熱交換器を形成する工程とを有し、前記高圧入口及び前記低圧出口は、前記熱交換器の第１の端部のところに位置し、前記高圧出口及び前記低圧入口は、前記熱交換器の第２の端部のところに位置する、
ことを特徴とする超小形熱交換器製造方法。
【請求項６】
前記デザインは、コンピュータ支援される、
請求項５に記載の超小形熱交換器製造方法。
【請求項７】
レーザは、数値制御される、
請求項５に記載の超小形熱交換器製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
〔発明の背景〕
本発明は、超小形の物体又は物体の非常に小さな部分を非常に低い温度に冷却するのに用いられる装置の分野に関する。被冷却物体としては、生物学的物体、電子部品その他が挙げられる。多くの互いに異なる技術分野において、非常に小形の、極端に小さいといってよいほどの物体を周囲の物体の温度に影響を及ぼさないで非常に低い温度に選択的に冷却できることが好ましい。このことは、冷却作用を回路基板上の小形の素子に、これに隣接した素子を実質的に冷却しない状態で及ぼすことが望ましいエレクトロニクス分野にも当てはまる。また、冷凍外科の施術中に生体組織の非常に小さな別個の部分を、これに隣接した器官の組織を実質的に冷却しないで非常に低い温度に冷却することが望ましい医療分野においても当てはまる。説明の簡略化のために、本明細書は、医療分野におけるこの要望に答えようとするが、他の分野、例えばエレクトロニクスにおける本発明の用途も本発明の範囲に含まれることは理解されるべきである。
【０００２】
冷凍外科は、医療、歯科及び獣医分野において重要な手術になっている。婦人科及び皮膚科の専門分野において特に成功している。他の専門分野、例えば神経外科及び泌尿器科も又、冷凍外科技術の実用化により利益を享受できる可能性があるが、これは限定された手法で行われたに過ぎない。残念ながら、現在知られている冷凍外科用器具は、或るかかる分野では利用を困難又は不可能にする幾つかの制約がある。具体的に述べると、公知のシステムは、内視鏡を用いて経皮的に普及させることができるほどの精度及び可撓性を有するようには最適設計されたものではない。
【０００３】
冷凍外科の施術の際、ターゲット組織を適度に凍結し、それにより組織中の疾患のある又は変質した細胞を破壊するように設計された冷凍外科用システムを用いることが通例である。破壊されるべき異常細胞は、無傷のままにしておかなければならない健常な細胞によって取り囲まれていることが多い。したがって、所与の用途で用いられる専用のプローブ又は他のアプリケータは、この選択的な組織凍結を達成するように用途に合った最適の形状寸法を備えるよう設計される。プローブを用いる場合、冷凍システムの残部は、プローブの作業部分を所望温度に下げ、そして、所与の熱負荷の場合に所望温度を維持できるのに十分な出力又は能力を有する適度の冷却作用を生じさせるよう設計されなければならない。システム全体は、プローブの作業部分を凍結対象の組織の存在場所に配置し、しかも他の器官及び組織には望ましくない影響を及ぼさないよう設計されなければならない。
【０００４】
現在知られている冷凍外科用システムは典型的には、冷却流体として液体窒素又は亜酸化窒素を使用している。通常、液体窒素を破壊対象の組織に吹きつけるか、或いはこれを循環させて組織に当てたプローブを冷却する。液体窒素は約７７Ｋという極めて低い温度を有しているので冷却能力が高く、この目的にとっては非常に望ましい。しかしながら、液体窒素は通常は蒸発して使用中に大気中へ逃げるので貯蔵タンクを頻繁に交換する必要がある。さらに、液体は上記のような低温なのでその用途に用いられるプローブ及び他の装置は、真空ジャケット又は他の形式の断熱手段を必要とする。これにより、プローブは比較的複雑になると共に大きくて扱いにくくなり、しかも剛性になるので、内視鏡又は脈管内用途としては不適当になる。比較的嵩張った供給ホースが必要になると共に関連構成要素の全てが次第に冷却されることにより、液体窒素利用器具は外科医にとって使い勝手の悪いものとなり、しかも望ましくない組織の損傷が生じる場合がある。
【０００５】
亜酸化窒素利用システムは一般に、ガスを加圧して、次にこれをプローブ先端部のところに設けられたジュール・トムソン膨張要素、例えば弁、オリフィス、又は他形式の流体絞り手段に通して膨張させることにより冷却を達成する。かかる任意の器具を以下、単にジュール・トムソン「膨張要素」という。典型的な亜酸化窒素利用システムは、約１９０Ｋ〜２１０Ｋ以上の実用温度が得られるようガスを７００〜８００psiaに加圧する。亜酸化窒素利用システムは、液体窒素利用システムによって達成される温度及び出力を生じさせることはできない。亜酸化窒素利用システムで達成できる最大温度低下は、１８４Ｋまでであり、これは亜酸化窒素の沸点である。亜酸化窒素利用システムは、入口高圧ガスがプローブ先端部のジュール・トムソン膨張要素に達するまでは本質的に室温状態なので或る幾つかの利点を有している。これにより、システムの断熱が不要であり、小形化すると共に或る程度まで可撓性のものにすることが容易になる。しかしながら、温度が比較的高く且つ出力が比較的低いので、組織の破壊及び他の用途には制限がある。かかる多くの用途については、１８４Ｋよりも低い温度が望ましい。さらに、亜酸化窒素は通常、システムの通過後、大気中へ逃がす必要がある。というのは、必要とされる高圧を達成するのに適した価格の手頃な圧縮機は、市販されているが信頼性がないからである。
【０００６】
大抵のジュール・トムソン式システムでは、単一の非理想ガスを加圧し、次に絞り構成部品又は膨張要素を通して膨張させて等エンタルピー冷却作用を生じさせる。用いられるガスの性質、例えば沸点、逆転温度、臨界温度及び臨界圧力は、所望の冷却温度を達成するのに必要な開始圧力を決定する。ジュール・トムソン式システムは通常、流入中の高圧ガスを流出中の膨張ガスで冷却して膨張の際の温度低下を大きくすると共に冷却能力を高めるために熱交換器を用いている。所与のジュール・トムソン式システムの場合、所望の冷却作用の度合いにより所要の熱交換器容量が決まる。フィンチューブ形熱交換器が使用されていたが、これらは所要の冷却効果を達成するためには必然的に大型のものとなるので、超小形システム、例えばカテーテル給送システムには使用できない。また、フォトエッチングされたガラス板で作られた小形熱交換器が知られている。これら熱交換システムは、大きさが依然として数センチ四方の範囲にあり、真に超小形の用途、例えば内視鏡、カテーテルその他のシステムにとっては依然として大きすぎる。さらに、これら熱交換器は平べったいので管状構造体、例えばカテーテル又は内視鏡に組み込むことが困難である。これら医療用途のうち多くでは、構成部品の寸法は、カテーテル又は内視鏡に組み込むことができるようにするためには幅が約３mm以下であり、十分な可撓性をもつためには好ましくは長さが１５mmでなければならない。
【０００７】
小形熱交換器を冷却作用の送出し箇所の近く、例えばカテーテル又は内視鏡の末端部の近くに配置する場合、熱交換器は必然的に患者の身体のその領域の温度環境にさらされることになる。これにより、熱交換器を介して相当大きな熱負荷が冷凍システムに別途加わる場合がある。その箇所ではスペース上の制約があるので、熱交換器を環境の熱得影響から隔離できないのが通例である。冷却箇所の近くの温度環境により冷凍システムに及ぼされる追加の熱負荷は、熱交換器内を流れている高圧ガス流と低圧ガス流の両方を温めるので熱交換器の性能を制限することになる。さらに、熱交換器の付近の生体組織は、事実上断熱処理が施されていない熱交換器にさらされることにより望ましくない冷却作用を受ける場合がある。
【０００８】
熱交換器に課される要件は、プローブ先端部の熱交換器の前でガスを予冷することにより幾分緩和できる。これは、ペルチエ効果利用装置をプローブ先端部の熱交換器の前で流路に組み込むことによって行うことができる。ペルチエ効果利用装置の低温側の表面上に設けられた熱交換器を通って流れるガスは、プローブ先端部の熱交換器への到達前に冷却される。別法として、入口高圧流を分割して流れの一部をそらし、膨張させて入口流の残りの部分を、プローブ先端部の熱交換器に達する前に冷却してもよい。
【０００９】
ジュール・トムソン式システムによる冷却技術における飛躍的な技術進歩が、単一ガスではなく、ガスの混合物を用いることにより実現可能である。たとえば、炭化水素を窒素に添加することにより、所与の入口圧力で冷却能力及び温度低下を向上させることができる。さらに、圧力を減少させても、高圧の単一ガス利用システムと同等の性能を達成することが可能である。単一ガス利用システムと同様、これら混合ガス利用システムは、熱交換器に関する各種要件を有するので、熱交換器の大きさに起因して小形化の可能性が制約される。混合ガス利用システムにより実現される冷却性能の向上は、医療及び他の超小形システムにとって非常に望ましい。
【００１０】
混合ガス利用システムの中には、高圧が大きな関心事ではない場合及び嵩張った高効率熱交換器を使用できるが、代表的は防衛及び宇宙用途に用いられる場合に設計されたものがある。上述のガラス板形熱交換器は、かかるシステムのうち或るものには用いられており、これらシステムは、１２００psiaの圧力を必要とする場合がある。多くの用途、例えばレーザシステム、超伝導体、エレクトロニクス及び冷凍外科では、約４２０psiaを越える圧力は、安全上の理由及びかかる装置は寿命が短く、費用が高くつき、しかも信頼性が低いという理由で望ましくない。さらに、内視鏡用途又は経皮的用途の場合、幅が約３mm以上又は長さが約１５mm以上の熱交換器は使えない。
【００１１】
具体的に言えば、小形の給送システム、例えば脈管内心臓カテーテルに用いられる長くてほっそりとした細長い可撓性の極低温プローブを開発することが望ましい。遠隔に位置した血管の接近箇所から心臓中へ挿入するためには、心臓カテーテルは、非常に細く、即ち５mm未満の範囲にあるものでなければならず、しかも相当な可撓性を有するものでなければならない。かかる用途で用いられる冷凍外科用カテーテルは又、安全上の理由で動作圧力が比較的低いものでなければならない。かかる冷凍外科用カテーテルは、循環中の血液により課される周囲熱負荷に打ち勝つ冷却能力を備えるものでなければならず、しかもターゲット組織を破壊するほど十分に低い温度を達成できるものでなければならない。最後に、ターゲット組織以外の組織の損傷を防止するために、低温の熱伝達要素は、カテーテルの先端部又は端部領域に限定されなければならない。
【００１２】
本発明の目的は、少なくとも１８３Ｋという低い膨張ガス温度を、熱負荷の作用を受けてもこの温度を維持するのに十分な冷却能力で達成すると共に４２０psia以下の高い入口圧力でこの機能を発揮する小形ジュール・トムソン式冷凍システム用の超小形熱交換器を提供することにある。本発明の別の目的は、不利な温度環境に熱交換器がさらされた場合の悪影響を最小限に抑える一体形真空断熱ジャケットを有する超小形熱交換器を提供することにある。本発明の更に別の目的は、上述の熱交換器を大量に製造する高精度の且つ経済的な方法を提供することにある。
【００１３】
〔発明の概要〕
本発明は、小形冷凍システムに用いられる円筒形の超小形積層熱交換器を提供する。小形冷凍システムは、ガス混合物を最高４２０psiaの圧力に圧縮する圧縮機を有する。圧縮機からの高圧ガス混合物を高圧供給管、例えば同軸心臓カテーテルの内側管に送り込み、更に、高圧供給管が高圧ガス混合物を本発明の円筒形超小形向流式熱交換器の基端側即ち手元側の端部の入口ポートに送り込む。高圧ガス混合物は、熱交換器内の高圧供給通路を通過して熱交換器の末端部のポートから出る。熱交換器の末端部高圧ポートは、ジュール・トムソン膨張要素の入口に連結され、かかるジュール・トムソン膨張要素内では、ガス混合物が等エンタルピー膨張して低い圧力状態及び少なくとも１８３Ｋという低い温度状態になる。膨張要素は、ガス混合物を更に等温膨張させて周囲から熱を別途吸収する第２の段(ステージ)を有するのがよい。
【００１４】
ジュール・トムソン膨張要素から出たガス混合物は、内側管と同軸の外側管の壁内に収納された伝熱要素の内面にさらされる。膨張後のガス混合物は、伝熱要素を少なくとも１８３Ｋという低い温度に冷却し、次に熱交換器の低圧戻り通路を通って戻る。これにより、高圧ガスはその元々の周囲温度からこれよりも低い温度に冷却される。膨張後のガス混合物は、熱交換器の低圧出口から内側高圧管の外部で外側管の内腔中へ流れ、圧縮機に戻る。
【００１５】
本発明の熱交換器は、幾つかの互いに異なる形式のうち任意のものであるのがよい積層構造を有する。好ましい実施形態では、熱交換器は、熱交換器の軸方向寸法に沿って交互に積み重ねられた複数の丸いプレートとリング状のスペーサで構成されている。プレートは、熱交換器の高圧通路を構成する第１の複数の穴及び熱交換器の低圧通路を構成する第２の複数の穴を有している。高圧穴は、低圧穴から分離されている。実質的に環状のチャンネルが、各プレート及び各スペーサを貫通してその周囲に隣接して形成されている。この環状チャンネルは、隣接して位置するプレートを貫通して設けられた環状チャンネルは整列して熱交換器の周囲を実質的に包囲する一体形の断熱真空ジャケットを構成する。この一体に形成された環状真空ジャケットは、熱交換器の外部に追加的に設置される公知の真空ジャケットよりも一層均一のデッドスペースを構成し、従って、一体形真空ジャケットは、熱交換器の一層効果的な断熱手段となる。
【００１６】
プレートは、比較的大きくて非常に薄い無酸素銅板又はシートから作られる。先ず最初に銅シートを薄いフォトレジスト配合物の層で被覆する。各プレートの所望の外形と穴及び環状チャンネルの配置場所を定めるパターンをコンピュータ援用設計システムで設計し、次にパターンを数値制御レーザで銅シートに転写する。レーザは、フォトレジスト層を銅シートに所望のパターンで接合する。次に、銅シートをエッチング用化学薬品中で洗浄し、フォトレジスト配合物の接合パターンは、銅板のその部分をエッチングから保護する。エッチング用化学薬品は、非接合領域の銅を溶解する。これにより、多数の所望の銅プレートがシート中に形成され、各プレートは、エッチングにより設けられた所望パターンの穴及び環状チャンネルを有する。これにより、多数の銅プレートを単一の丸いシートから形成できる。大きなシートを非常に小さな丸いプレートの場合よりも一層正確に整列させることができるので、これにより銅プレートと隣のプレート又はスペーサとの正確な整列関係を容易に取ることができる。また、これにより、多数の熱交換器の製造が一層経済的になる。
【００１７】
同様に、比較的大きくて非常に薄いステンレス鋼シートをエッチングすることにより多数のスペーサが形成される。各スペーサは、各高圧通路のための大きな開口部及び各低圧通路のための大きな開口部を有する。実質的に環状のチャンネルが、各スペーサリングを貫通してその周囲の近くに形成される。この環状チャンネルは隣接したプレート及びスペーサを貫通した環状チャンネルと整列して熱交換器の周囲を実質的に包囲する一体形断熱真空ジャケットの一部を構成する。
【００１８】
大きなシート状のプレートと大きなシート状のスペーサは、これらが銅プレートとステンレス鋼スペーサを交互に配置した多数の円筒体の状態に形成されるよう積み重ねられる。特別なエンドプレートのシートを積重ね体の各端部に配置して高圧通路及び低圧通路の端部に接近ポートを形成すると共に一体形真空断熱ジャケットの端部を閉鎖する。次に、銅シートと鋼シートの積重ね体を真空中に置き、それにより高圧通路、低圧通路、環状チャンネル及びシート相互間の空間を全て排気する。次に、プレートとスペーサの積重ね体を互いに拡散接合する。
【００１９】
拡散接合を完了すると、高圧通路及び低圧通路は、これらの端部がポートを介して開口したままであり、これに対して一体形環状真空ジャケットは密封されて真空を維持する。任意の一つのプレートの高圧穴は、その隣のプレートの何れか一方の高圧穴と完全には整列せず、それによりガス混合物の流れは乱流状態になって熱伝達を促進する。銅プレートの穴が相対的に不整列状態であること及びスペーサの穴が互いに整列状態にあることを用いると、半径方向の熱伝達を伴う実質的に軸方向の流れか、或いは軸方向の熱伝達を伴う実質的に横方向の流れかの何れかを達成できる。プレート及びスペーサから成る所与の円筒体の環状チャンネルは互いに整列状態に保たれて、円筒体の事実上全長にわたってこれを貫通する軸方向に連続した実質的に環状の真空ジャケットを形成する。
【００２０】
比較的大きなシート状のプレート及びスペーサを積み重ねて拡散接合することは、個々の超小形有孔プレート及びスペーサを互いに整列させようとする場合の問題を解決する。これら構成要素の戦列は、個々のプレート及びスペーサではなく、大きなシートを互いに正確に整列させることにより達成される。開口部及び内視鏡に用いられる熱交換器の製造に用いられるプレートとスペーサは、非常に小さいので正確な整列状態にすることは事実上不可能であり、又はこれを行うには費用が非常に高くつく。これは、乱流状態の高圧流を生じさせるために高圧通路の個々の穴が隣接のプレートの個々の高圧穴と僅かに不整列状態にあり、乱流状態の低圧流を生じさせるために隣り合うプレートの低圧穴が同様に不整列状態にあるような本発明の熱交換器では特に重要である。個々の穴のこの僅かな不整列状態に起因して生じる乱流は、最大熱伝達量を達成する上で非常に重要であることが判明した。
【００２１】
また、比較的大きなシート状のプレート及びスペーサの積重ね及び拡散接合により、各円筒体の各端部への更に別の超小形機能要素の形成、例えば一端への膨張オリフィス及び他端への入口／出口コネクタのそれぞれの形成が可能になる。エッチングにより多数の膨張オリフィスを大きなシートに設けてシートの積重ね体の頂端部上に配置することができる。同様に、数枚の連続シート状のスペーサリングを、銅シートを介在させない状態で、シートの積重ね体の底端部上に配置すると、入口ガス管及び出口ガス管の取付け用コネクタマニホルドを形成することができる。この製造方法を用いなければ、かかる膨張オリフィス又はかかる入口／出口コネクタの取付けを正確に行うことは困難であって、しかも費用が高くつく。というのは、開口部又は内視鏡の用いられるのに適したシステム内のかかる要素の大きさは非常に小さいからである。
【００２２】
変形実施形態では、エッチングにより回り道状の通路又はチャンネルを薄い銅シート中に形成することにより熱交換器を構成してもよい。これら銅シートのうち２枚をこれらの間に中実シートを挟んだ状態で積層するのがよい。次に、積層シートを巻いて円筒形の形にするのがよい。エッチングした銅シートのうち一方のチャンネルは高圧通路としての役目を果たすことができ、他方のエッチングした銅シートのチャンネルは低圧通路としての役目を果たすことができる。中実シートは、高圧チャンネルを低圧チャンネルから分離するのに役立つ。
【００２３】
本発明の新規な特徴及び本発明の全体は、添付の図面を参照して以下の説明を読むと最もよく理解されよう。
【００２４】
〔発明の詳細な説明〕
本発明の熱交換器は、単一のガスに代えてガス混合物を用いるジュール・トムソン式冷凍システムに用いられる。というのは、選択された用途に用いられるようになったシステムに課されるサイズに関する制限及び圧力に関する制限が所与のものであるとすれば、所要の温度で必要な冷却能力を達成することができる公知の単一のガスは存在しないからである。本発明には数種類のガス混合物が使えることがわかり、他のガス混合物も同様に使えると予想される。適当なガス混合物は種々の形態をとることができ、これらは炭化水素を主成分としていてもよく、或いは非炭化水素を主成分としていてもよい。
【００２５】
一例として挙げるに過ぎないが、多くの用途の好ましい混合物として現在認められている混合物は、３０％メタン、２３％窒素、２３％イソブタン、１９％エタン及び５％プロパンである。かかるガス混合物の等エンタルピー膨張の温度に関する影響が、図１に示されており、この図１は、１バール（１４．５psia）、２１バール（３０５psia）及び４１バール（５９５psia）の圧力におけるこのガス混合物についてのエンタルピー曲線を示している。高い圧力のうちの１つから低い圧力への等エンタルピー膨張は、グラフを横切って左側に、温度の低下を伴って水平に進行する。達成可能な最も低い温度は、曲線が交わる点、１００Ｋより下のあたりである。高圧ガス混合物の温度が低ければ低いほどそれだけいっそう、ジュール・トムソン膨張要素を介して等エンタルピー膨張により達成できる温度は低くなる。また、グラフから分かることは、４１バールからの膨張によって達成できる温度と２１バールからの膨張によって達成できる温度の間には差がほとんどないことである。
【００２６】
例えば、使用される熱交換器が高圧ガス混合物を膨張要素の直ぐ上流側で２１０Ｋの温度まで冷却できるものとする。もし２１バールの高圧を用いると、等エンタルピー膨張の結果として、温度は１８０Ｋになる。それに代えて、もしガス混合物を４１バールに加圧すると、等エンタルピー膨張後の達成可能な温度は依然として約１７３Ｋに過ぎない。さらに、所与の温度のもとにおける高圧曲線と１バールの曲線との相違によって表わされる冷凍能力又はパワーは、高圧が２１バールであっても、或いは４１バールであってもいずれにしてもほぼ同一である。したがって、初期圧力を２１バール又は約３００psiaに下げることによって安全性を一段と上げたことの結果として生じる性能低下は僅かにすぎない。明らかなこととして、所与のガス混合物の場合、熱交換器の効率が高ければ、それだけいっそう最終的に達成可能なプローブ温度は低くなり、しかも冷却能力が高くなるであろう。
【００２７】
図２は、冷凍外科用途のための本発明による熱交換器を有する冷凍システム１０を示している。システム１０は、市販の単段圧縮機１２、圧縮機１２の入口及び出口に連結された二重フレキシブルホース１４、かじ取り用取手１６及び冷凍外科用プローブ１８から成る。圧縮機１２は、典型的にはアフタークーラ、油分離機及び吸着フィルタを用いる利用可能な数種類の潤滑式圧縮機のうち任意のものであってよい。変形例として、無潤滑式圧縮機も利用できる。ホース１４は、用いられるガス混合物に関する圧力及び化学的暴露に適した二重フレキシブルホースであるのがよい。取手１６は、外科医がガス混合物の流量を絞る際に用いるために取り付けられた制御膨張要素を有するのがよい。変形例として、圧縮機のところで流量を調整するフットスイッチにより流量を制御してもよい。プローブ１８は、高圧ガス混合物を圧縮機１２の出口から導き出したり、膨張した低圧ガスを圧縮機１２の入口に戻すための内側チューブを有する同軸カテーテルである。プローブ１８は、熱交換器、膨張要素及び伝熱要素が収納されている遠方端部又は領域２０を有している。プローブ１８は、冷却されるべき物体、例えば心臓に至る患者の脈管系に挿入できるのに適した直径、長さ及び可撓性のものである。
【００２８】
図３は、同軸カテーテル１８の遠方端部２０の部分断面図を示している。カテーテル１８は、外側チューブ２２及び内側チューブ２４から成る。外側チューブ２２は、カテーテル１８の端部まで連続したものであってもよく、或いは延長部２３を有していてもよく、この延長部２３は、実用上の全ての目的に関して外側チューブ２２の一体部分であると考えられるべきである。外側チューブ２２は、ワイヤ編組ポリマー、例えばポリイミド−エーテルコポリマーから公知の方法で作られる。内側チューブ２４は、特定の要素について予想される最大高圧値に対して十分な耐圧性を有するワイヤ編組ポリイミドから作られている。内側チューブ２４は、入口取付け具２６によって超小形熱交換器２８の基端部に連結されている。熱交換器２８の末端部には、ジュール・トムソン膨張要素３０が取り付けられている。膨張要素３０の末端部は、外側チューブ２２の末端部のところのキャビティ３１に露出し、或いは伝熱要素３２によって閉鎖された延長部２３に露出している。膨張後のガス混合物は、伝熱要素３２の内面６６を冷却し、それにより外面６８を冷却する。外面６８は、外科医によって冷却されるべき物体に当てられる。
【００２９】
より具体的に説明すると、内側高圧チューブ２４の末端部は、入口取付け具２６によって、熱交換器２８の基端部のところの高圧入口ポート３４に連結されている。この高圧入口ポート３４は、この実施形態では、熱交換器２８の中央軸方向部分として示されている熱交換器を通る高圧供給通路３６に通じている。熱交換器２８は又、キャビティ３１に露出したその末端部のところの低圧入口ポート３８を有している。この低圧入口ポート３８は、高圧通路３６を包囲する熱交換器の外側環状部分として示された低圧戻り通路４０に通じている。低圧通路を通って流れる低圧低温のガス混合物は、高圧通路を通って流れている高圧高温のガス混合物を予冷する。
【００３０】
熱交換器２８は、銅プレート４２とステンレス鋼スペーサ４４を交互に積み重ねてこれらを互いに拡散接合したものから成る。熱交換器２８は、この図を簡単にするために、銅プレート４２及びスペーサ４４上の一つの外層を有するものとして示されているが、実際には、この外層は、各スペーサ４４に設けられていて、各銅プレート４２の最も外側の環状部分に接合された外側リング４５によって構成されているものが最も良く、これについては以下に明らかにする。各銅プレート４２の中央部分には、複数の穴４６が貫通して設けられており、これらの穴は、スペーサ４４の中央開口部と一緒になって、末端方向に熱交換器２８を長手方向に通る高圧通路３６を構成する。同様に、各銅プレート４２の外側部分には、複数の穴４８が貫通して設けられており、これらの穴は、スペーサ４４の外側開口部と一緒になって、基端側即ち手元側の方向に熱交換器２８を長手方向に通る低圧通路４０を構成する。高圧通路３６は、各スペーサ４４に設けられた内側リング４７によって低圧通路４０から分離されている。銅プレート４２とスペーサ４４は両方とも、以下に説明するように、熱交換器の性能を最大にするための一体形真空ジャケットを構成する貫通チャンネルを備えるのがよい。
【００３１】
熱交換器２８を通過する高圧ガス混合物は、熱交換器の中央末端部分のところに設けられた高圧出口ポート５０のところで高圧通路から出て等エンタルピージュール・トムソン膨張要素３０の入口５２に流入する。この膨張要素３０は、第１の直径の第１のステージ５４を有し、この第１のステージ５４内では、これよりも大きな第２の直径部分に至るまで等エンタルピー膨張が起こり、それによりガス混合物の温度を設計温度まで下げる。ガス混合物は次に、第２のステージ５６を通り、この第２のステージ５６内では、等温膨張がおこり、ガス混合物を依然として所望の温度のままにしておくが、プロセス中の周囲の構造体から熱を吸収する。第１のステージ５４は、ガスの所望の膨張率を達成するために選択された充填密度で選択されたサイズの金属ビーズで金属円筒体５８を満たすことにより構成されている。同様に、第２のステージ５６は、ガスの所望の膨張率を達成するために選択された充填密度で選択されたサイズの金属ビーズで別の金属円筒体６０を満たすことにより構成されている。代表的には、第２のステージ５６内のビーズは、伝熱作用を高めるために大きな表面積を有するものとなる。変形例として、焼結ビーズ膨張要素ではなく、膨張要素として膨張オリフィスを用いてもよい。以下に焼結ビーズ膨張要素という場合には、膨張オリフィスを含むものとして理解されたい。
【００３２】
基端側の方向に熱交換器２８を通る膨張後のガス混合物は、熱交換器２８の基端部のところに設けられた低圧出口ポート６２のところで環状低圧通路４０から出る。この膨張後のガス混合物は、内側チューブ２４を包囲している外側チューブ２２の内側内腔６４に入って圧縮機１２に戻される。
【００３３】
図４及び図５は、熱交換器２８の一実施形態中における銅プレート４２の構造及びこれらの角度配向状態又は向きを一層明らかに示している。各銅プレート４２は、その中央部分を貫通した第１の複数の高圧穴４６及びその外側環状部分を貫通した第２の複数の低圧穴４８を有している。代表的には、内側穴４６の直径及び間隔は、外側の穴４８の直径及び間隔よりも小さい。２つの互いに異なる通路について穴の直径及び間隔を選択することは、設計上、周知の設計原理にしたがって２つの互いに異なる圧力状態において最小圧力降下及び最大熱伝達率の最適化が得られるよう行われる。
【００３４】
図４及び図５はまた、隣り合う銅プレート４２相互間の相対的な角度配向状態を示している。２つの図は実際には、同一銅プレート構成を示しており、図５の銅プレート４２は、図４の銅プレート４２に対して単に回転したものであることが分かる。銅プレート４２で用いられる穴パターンを、ガス混合物と銅プレート４２との熱交換を伴う接触を最大限にするために、様々のものにすることができる。ガスは、図３に示してあるように銅プレート４２と間に配置されたスペーサ４４の内側リング４７との接触によって阻止されるので、銅プレートの高圧側部分から低圧側部分に流れることはない。隣り合う銅プレート４２相互間の相対的な角度の向きもまた、ガス混合物の乱流を最大限にして熱伝達を促進する目的で、選択された穴パターンにしたがって様々なものにすることができる。
【００３５】
図３、図４及び図５から明らかに分かることとして、通路３６又は通路４０のいずれかの中で熱交換器２８を通って流れるガスは、幾分曲りくねった経路を辿り、この流路の相当な部分は、熱交換器２８の軸線に対して横方向の運動の際にかかわる。図示の実施形態では、流れの横方向成分は、隣り合う銅プレート４２相互間の相対的な角度の向きに起因して生じる。この曲りくねった経路は、効率的な熱伝達を促進し、超小形熱交換器２８が所要の温度低下を達成して流れ絞り形ジュール・トムソン膨張要素３０を通じて所望の等エンタルピー膨張を可能にし、最終的には設計冷却温度を生じさせる。この実施形態における熱の流れは、実質的に半径方向に向く傾向がある。
【００３６】
図６は、銅プレート４２相互間に配置されたスペーサ４４の一実施形態を示している。スペーサ４４は、スポーク７０によって所望の同心関係に支持された外側リング４５と内側リング４７を有している。内側リング４７内の内側開口部７２は、銅プレート４２相互間の高圧通路３６の一部として役立つ。内側リング４７と外側リング４５との間の複数の外側開口部７４は、銅プレート４２相互間の低圧通路４０の一部として役立つ。内側リング４７は、高圧開口部７２と低圧開口部７４との間の仕切りとして役立つ。
【００３７】
図７は、図８及び図９に示す銅板の第２の実施形態４２′に用いることができるスペーサの第２の実施形態４４′を示している。スペーサ４４′は、外側リング４５′及び高圧と低圧の仕切り４７′を有している。この仕切り４７′は、高圧側開口部７２′を低圧側開口部７４′から分離している。このスペーサ４４′を図７に示す向きから逆さまにして仕切り４７′の向きを逆にできることが理解される。この理由については以下に明らかにする。図８は、比較的小さな矩形高圧穴４６′及び比較的大きな矩形低圧穴４８′を備えた銅プレート４２′を示しており、矩形の穴４６′，４８′の6長手方向寸法は垂直方向に整列している。図９は、同一タイプの銅板４２′を示しており、矩形の穴４６′，４８′は水平方向に配置されている。スペーサ４４について取ることができるこれら２つの穴パターン及び２つのスペーサの向きは、図１０に示すような一連の隣り合う銅プレート４２′及びスペーサ４４′を構成するために用いられる。
【００３８】
図１０は、銅プレートを熱交換器の基端部から低圧側端部に向かって連続した状態で配置した場合の左から右に構成されたこの一連の構造を示している。ＨＰの矢印は、この紙面に向かう高圧ガス混合物の流路を示し、ＬＰの矢印は、この紙面から出る低圧ガス混合物の経路を示している。図１１は、積重ね状態の銅プレート４２′とスペーサ４４′の縦断面を示すことによりこの流路をさらに示している。破線は、隠れた高圧及び低圧側の穴の位置を示すために用いられている。この場合もまた、ガス混合物は、高圧通路３６と低圧通路４０の両方を通って曲りくねった経路を辿るが、この実施形態では、流れの横方向成分は、第１の実施形態の場合よりもいっそう顕著であり、熱の流れは半径方向よりもいっそう軸方向に向く傾向がある。
【００３９】
図１２及び図１３は、積重ね状態のプレートとスペーサではなく、圧延シート材（圧延薄板）で構成された本発明の熱交換器の更に別の実施形態を示している。カテーテル１８の内側管２４は、第１のシート７６にエッチングにより形成されたラビリンス状高圧通路３６′に連結された状態で示されている。絞りもまたエッチングにより高圧通路３６′の出口に形成され、ジュール・トムソン膨張要素３０′を形成している。第２のシート８０が、エッチングにより形成された低圧通路４０′を有し、この通路は入口３８′及び出口６２′を有している。高圧通路３６′と低圧通路４０′を分離するためのスペーサシート７８が第１のシート７６と第２のシート８０との間に配置されている。シート７６，７８，８０を図示の向きで積層して互いに拡散接合してもよく、或いはある他の適当な方法で接合してもよい。次に、組立体を図１３に示すように巻いて円筒形熱交換器２８′を構成する。
【００４０】
図１４及び図１５は、ほっそりとして細長い伝熱要素３２′を有するカテーテル１８′の末端部の第２の実施形態を示している。この実施形態は、カテーテル末端部は、膨張要素３０に取り付けられた流体チューブ２７、流体室２９及び流体室２９と延長チューブ２３との間に設けられた断熱材２５を有するのがよいことを示している。この構成により、冷却能力は、主として伝熱要素３２′を介して適用されることになる。
【００４１】
図１６及び図１７は、本発明の熱交換器の第３の実施形態で用いることができる熱交換プレート１４２，１４２′を示している。これら熱交換プレートは、比較的高い熱伝達係数を有する材料、例えば金属から成るシート１５３から作られている。一例として、プレート１４２，１４２′を構成するシート１５３は、無酸素銅シートであるのがよい。以下に説明するように、熱交換器は、スペーサを間に挟んでプレート１４２，１４２′を交互に積層することによって構成されることになる。各プレート１４２，１４２′は、最終組立体に側部溝を形成するよう複数の凹み又は切欠き１４３を有している。これにより、計装ワイヤをカテーテルの先端部まで運ぶことができ、したがってこれらは心臓の温度又は電気的伝導をモニターすることができる。
【００４２】
各プレート１４２，１４２′は、高圧ガス通路を形成する中央に配置された高圧穴１４６のパターン及び低圧ガス通路を形成する低圧穴１４８の環状パターンを有している。各プレート１４２，１４２′にはさらにこれを貫通する実質的に環状のチャンネル２８２が設けられていて、以下に説明する真空ジャケットが形成されている。図示のように、環状チャンネル２８２は、切欠き１４３を飛び越す２又は３以上の実質的に環状のチャンネルセグメントとして形成されたものであるのがよい。プレート１４２，１４２′は、まず最初にシート１５３から形成されると、複数の細長いストラット又は支柱１４９によってシート１５３から支持される。複数の開放ボイド１５１が、プレート１４２，１４２′とシート１５３の残部との間で各プレート１４２，１４２′を包囲している。プレート１４２′の高圧穴１４６の中央パターンは、プレート１４２の高圧穴１４６の中央パターンに対して３０°の角度で配向していることがわかる。これにより、プレート１４２の各高圧穴１４６は、その隣のプレート１４２′の高圧穴１４６と実質的には整列しないようになる。同様に、プレート１４２′の低圧穴１４８の環状パターンは、プレート１４２の低圧穴１４８の環状パターンに対して３０°の角度で配向している。この相対的な角度の向きは様々であってよいが、ガスがプレート１４２からその隣のプレート１４２′に流れるとき、或いはその逆に流れる時に層流ではなく乱流を生じさせるほどのものでなければならない。この乱流状態のガスの流れは、中央領域における高圧ガスからプレート１４２，１４２′への熱伝達を促進し、しかも中央領域の周りの環状領域におけるプレート１４２，１４２′から低圧ガスへの熱伝達を促進する。これも重要であるが、その理由は、本システムで用いられる流体混合物は一部が液体である場合があり、より良好な熱伝達は液体が穴を真っ直ぐに通過するのではなく、銅表面に跳ねかかる時に生じるからである。
【００４３】
図１８は、図１６及び図１７に示すプレート１４２，１４２′とともに用いられるのに適したスペーサ１７６を示している。スペーサ１７６の外周部は、二重外側リング１４５によって形成され、外側リング１４５の２つの周囲部分は、実質的に環状のチャンネル２８２によって分離されている。外側リング１４５に加えて、スペーサ１７６は、リング状の間仕切り１４７によって仕切られている。リング状間仕切り１４７は、隣り合うプレート１４２，１４２′の高圧穴１４６を包囲するよう設計された高圧室１８０を包囲している。リング状間仕切り１４７と外側リング１４５との間には、複数の低圧室１８２が設けられている。低圧室１８２は、隣り合うプレート１４２，１４２′の低圧穴１４８を全体的に包囲するよう設計されている。リング状間仕切り１４７は、高圧室１８０を低圧室１８２から密封するほど十分な幅１８４を有している。熱交換器の組立て及び積層後、スペーサ１７６が隣り合うプレート１４２，１４２′相互間に位置した状態で、リング状間仕切り１４７は高圧室１８０を低圧室１８２から隔離して熱交換器を通る高圧通路と低圧通路を形成していることが理解できる。高圧通路は、熱交換器の実質的に長手方向軸線に沿って延び、低圧通路は高圧通路と実質的に同軸状に延びる。したがって、高圧ガスと低圧ガスの両方は、熱交換器を通って実質的に軸方向に流れ、熱伝達は軸線に対して実質的に横方向に、この場合高圧通路から低圧通路に半径方向外方に生じる。結果的に半径方向ではない熱の横方向の流れを生じさせる通路に関する他の配列を、本発明の精神から逸脱することなく用いてもよい。また、熱交換器の組立て及び積層後、スペーサ１７６が隣り合うプレート１４２，１４２′相互間に位置した状態で、プレート及びスペーサの環状チャンネル２８２は、熱交換器の周囲の回りに一体の実質的に環状の真空ジャケットを構成するよう互いに整列することも理解できよう。真空ジャケットは、熱交換器の長手方向軸線と実質的に同軸である。この形態では、高圧通路は軸線に沿って延び、低圧通路は環状領域中において高圧通路と同軸であるので、スペーサ１７６は、熱交換器の端部において高圧ガスの流れを中央入口ポート又は出口オリフィスに連結し、低圧ガスの流れを環状入口又は出口ポートに連結するためのマニホルドとしての役目も果たすことができ、これについては以下に説明する。
【００４４】
熱交換器に用いられる全てのスペーサ又はマニホルドは、共通又は標準の外側プロフィールを有するであろう。外側プロフィールは、複数のストラット又は支柱１４９によって、スペーサ及びマニホルドの構成材料としてのシート１５５から支持されると共に分離されている。スペーサ及びマニホルドは、プレート１４２，１４２′の構成材料よりも熱伝達係数が比較的低いものであるのがよい材料、例えば金属のシート１５５から形成されている。一例として、スペーサ及びマニホルドの構成材料としてのシート１５５はステンレス鋼であるのがよい。スペーサ及びマニホルドについて比較的硬い材料を用いることにより、熱交換器の耐久性が向上する。スペーサ１７６の標準型の外側プロフィールの外径は、プレート１４２，１４２′の外径に一致している。標準型外側プロフィールは、プレート１４２，１４２′の凹み１４３と整列する複数の凹み１６５を有している。凹み１６５の曲率の中心は、これと対応したプレート１４２の凹み１４３の曲率の中心と整列し、それにより熱交換器を組み立てる際のプレート、スペーサ及びマニホルドのすべての整列関係を確保するようにする。
【００４５】
図１９に示すように、プレート１４２，１４２′を銅シート１５３内に支持すると共に位置決めし、さらにスペーサ又はマニホルドをステンレス鋼シート１５５内に支持すると共に位置決めするために用いられるストラット１４９は、必要な支持及び位置決めを行うのに十分な広い幅１７０を有している。加うるに、ストラット１４９は、シートの積層を達成した後、プレート、スペーサ又はマニホルドのシートから折りやすいよう各端部に狭い幅１７２を有している。さらに、シート及びプレート、スペーサ又はマニホルドからストラット１４９を取り除きやすさを高めるためにストラット１４９がシート１５３，１５５を接合しているところに切込み状態のコーナー部１７４が設けられている。
【００４６】
図２０は、図１６及び図１７に示すプレート１４２，１４２′に用いられ、図１８に示すスペーサ１７６に用いられるのに適したエンドキャップ１５９を示している。エンドキャップ１５９の外周部は、単一の外側リング１４４によって形成されている。単一の外側リング１４４は、スペーサ１７６の二重外側リング１４５の全幅に等しい幅を有している。上述したように標準型外側プロフィールを備えた単一外側リング１４４に加えて、エンドキャップ１５９は、スペーサ１７６のリング状間仕切り１４７と同一のリング状間仕切り１４７によって仕切られている。リング状間仕切り１４７は、高圧室１８０を包囲している。複数の低圧室１８２が、リング状間仕切り１４７と外側リング１４４との間に設けられている。熱交換器の組立て及び積層後、スペーサ１７６が隣り合うプレート１４２，１４２′相互間に位置し、エンドキャップ１５９が各端部に取り付けられた状態で、環状チャンネル２８２の相互整列により熱交換器の壁内に一体に形成された真空ジャケットの各端部にはキャップが取り付けられる。
【００４７】
図２１及び図２２は、図１６及び図１７に示す第３の形態よりもいっそう効率的な熱伝達が得られることになる熱交換プレート１８６，１８６′の第４の形態を示している。各プレート１８６，１８６′は、同軸低圧ガス通路を形成するよう低圧穴１４８の環状パターンと共に中央に配置された低圧穴１４８のパターンを有している。各プレート１８６，１８６′は、高圧ガス通路を形成するよう高圧穴１４６の環状パターンを更に有している。これら高圧穴は、低圧穴１４８の中央パターンと環状パターンと同軸に且つこれらの間にサンドイッチされた状態で３つのグループをなして設けられている。この形態における高圧通路は、熱交換器の長手方向軸線と実質的に同軸であり、低圧通路は、この軸線に沿う中央領域及び高圧通路と実質的に同軸状である外側環状領域を有している。したがって、高圧ガスと低圧ガスの両方は、熱交換器を通って実質的に軸方向に流れ、熱伝達は、熱交換器の軸線に対して実質的に横方向であり、この場合、高圧通路から低圧通路の２つの領域に、内向き半径方向と外向き半径方向の両方で生じる。プレート１８６，１８６′は、先ず最初にシート１５３から形成されると、複数の細長いストラット１４９によってシート１５３から支持される。複数の開放ボイド１５１が、プレート１８６，１８６′とシート１５３との残部との間で各プレート１８６，１８６′を包囲している。
【００４８】
プレート１８６′の高圧穴１４６の３つのグループはプレート１８６の高圧穴１４６の３つのグループと全体として整列することが分かる。しかしながら、プレート１８６′の３つのグループは各々、個々の穴を実質的に不整列状態にするようその隣のプレート１８６の対応のグループとは異なる形状をしていて、高圧ガスの乱流を促進する。同様に、プレート１８６′の低圧穴１４８の中央パターンは全体として、プレート１８６の低圧穴１４８の中央パターンと整列する。しかしながら、プレート１８６′の中央パターンは、個々の穴を実質的に不整列状態にするようその隣のプレート１８６の中央パターンとは異なる形状をしていて、低圧ガスの乱流を促進する。他方、プレート１８６′の低圧穴１４８の外側環状パターンは、プレート１８６の低圧穴１４８の外側環状パターンに対して３０°の角度をなして配向している。これにより、プレート１８６の外側環状パターンの各低圧穴１４８はその隣のプレート１８６′の低圧穴１４８と実質的に整列しないようになる。外側環状パターンのこの相対的な角度の向きは様々であってよいが、低圧ガスがプレート１８６からその隣のプレート１８６′に流れるとき、或いはその逆に流れる時に層流ではなく乱流を生じさせるほどのものでなければならない。この乱流状態の高圧ガスの流れは、サンドイッチされた状態の環状領域における高圧ガスからプレート１８６，１８６′への熱伝達を促進し、乱流状態の低圧ガスの流れは、中央領域及び外側環状領域におけるプレート１８６，１８６′から低圧ガスへの熱伝達を促進する。
【００４９】
環状チャンネル２８２は、図１６及び図１７のプレート中に示されているのとは異なり、図２１及び図２２のプレート中には示されていないが、本明細書で開示するプレートのこれらの実施形態及び他の全ての実施形態は、一体形真空ジャケットを有する熱交換器を形成するよう環状チャンネル２８２を同様に有するのがよいことは理解されるべきである。環状チャンネル２８２は、プレート及びスペーサに設けられる場合、図２０に示すエンドキャップ１５９と類似していて、単一の幅の広い外側リングを有するエンドキャップが、一体形真空ジャケットを包囲するよう熱交換器の各端部に用いられる。
【００５０】
図１６及び図１７に示すプレートの形態とは異なり、図２１及び図２２に示す形態では、熱交換器の２つの端部への連結を容易にするための専用のエンドプレートが必要になる。図２３は、かかるエンドプレート１８８を示している。エンドプレート１８８には、低圧穴の中央パターンが設けられておらず、これに対し高圧穴の環状パターン及び低圧穴１４８の外側環状パターンは、図２１のプレート１８６に示す状態と実質的に同一のままである。低圧穴の中央パターンをエンドプレート１８８から除くことにより、マニホルドの作用による中央入口ポート又は出口オリフィスへの高圧ガスの流れが容易になると共に環状入口又は出口ポートへの低圧ガスの流れが容易になる。これについては以下に説明する。
【００５１】
図２４は、図２１及び図２２に示すプレート１８６，１８６′及び図２３に示すエンドプレートとともに用いられるのに適したスペーサ１９０を示している。上述の標準型外側プロフィールを備える外側リング１９２に加えて、スペーサ１９０は、３つの環状間仕切り１９４によって仕切られている。環状間仕切り１９４は、隣り合うプレート１８６，１８６′に３つの環状のグループをなして設けられた高圧穴１４６を包囲するように設計された３つの高圧室１９６を構成している。複数の低圧室１９８が、環状間仕切り１９４と外側リング１９２との間に設けられている。低圧室１９８は、隣り合うプレート１８６，１８６′に中央パターン及び外側環状パターンをなして設けられた低圧穴１４８を全体として包囲するように設計されている。環状間仕切り１９４は、高圧室１９６を低圧室１９８から密封するのに十分な幅を有している。熱交換器の組立て及び積層後、スペーサ１９０が隣り合うプレート１８６，１８６′間に位置した状態で、環状間仕切り１９４は高圧室１９６を低圧室１９８から隔離して熱交換器を通る高圧通路及び低圧通路を形成することが分かる。上述したように、この形態における高圧通路は、熱交換器の長手方向軸線と実質的に同軸であり、低圧通路は、この軸線に沿う中央領域及び高圧通路の外部に位置していてこれと実質的に同軸の外側環状領域を有している。したがって、高圧ガスと低圧ガスの両方は、熱交換器を通って実質的に軸方向に流れ、熱伝達は、熱交換器の軸線に対して実質的に横方向であり、この場合、高圧通路から低圧通路の２つの領域に、内向き半径方向と外向き半径方向の両方で生じる。
【００５２】
環状チャンネル２８２は、図１８のスペーサ中に示されているのとは異なり、図２４のスペーサ中には示されていないが、本明細書で開示するスペーサのこれらの実施形態及び他の全ての実施形態は、一体形真空ジャケットを有する熱交換器を形成するよう環状チャンネル２８２を同様に有するのがよいことは理解されるべきである。環状チャンネル２８２は、プレート及びスペーサに設けられる場合、図２０に示すエンドキャップ１５９と類似していて、単一の幅の広い外側リングを有するエンドキャップが、一体形真空ジャケットを包囲するよう熱交換器の各端部に用いられる。
【００５３】
図２５は、図２１及び図２２に示すプレート１８６，１８６′及び図２３に示すエンドプレートとともに用いられるのに適したマニホルド２００を示している。標準型外側プロフィールを備える外側リング２０２に加えて、マニホルド２００は、異形のリング状間仕切り２０４によって仕切られている。リング状間仕切り２０４は、エンドプレート１８８の高圧穴１４６を包囲するように設計された高圧室２０６を構成している。凹み２１０により、リング状間仕切り２０４は又、エンドプレート１８８の低圧穴１４８を遮っている。複数の低圧室２０８が、リング状間仕切り２０４と外側リング２０２との間に設けられている。低圧室２０８は、エンドプレート１８８の低圧穴１４８を全体として包囲するよう設計されている。リング状間仕切り２０４は、高圧室２０６を低圧室２０８から密封するのに十分な幅を有している。熱交換器の組立て及び積層後、スペーサ１９０が隣り合うプレート１８６，１８６′相互間に位置し、エンドプレート１８８が各端部に取り付けられ、しかもマニホルド２００がエンドプレート１８８の外部に位置した状態で、リング状間仕切り２０４は、マニホルド作用により高圧通路を中央の場所に連結し、低圧通路を外側環状の場所に連結することが分かる。これにより、熱交換器の端部のところでの中央入口ポート又は出口オリフィスへの高圧ガスの流れの連結が可能になり、しかも環状入口又は出口ポートへの低圧ガスの流れの連結が可能になる。これについては以下に説明する。
【００５４】
図２６及び図２７は、熱交換プレート２１２，２１２′の第５の形態を示している。各プレート２１２，２１２′は、同軸低圧ガス通路を形成するよう低圧穴１４８の環状パターンと共に中央に配置された低圧穴１４８のパターンを有している。各プレート２１２，２１２′は、高圧ガス通路を形成するよう高圧穴１４６のパターンを更に有している。これら高圧穴１４６は、低圧穴１４８の中央パターンと環状パターンと同軸に且つこれらの間にサンドイッチされた状態で３つの丸いグループをなして設けられている。この形態における高圧通路は、熱交換器の長手方向軸線に実質的に平行な３つ領域をなし、低圧通路は、この軸線に沿う中央領域及び高圧通路と実質的に同軸状である外側環状領域を有している。したがって、高圧ガスと低圧ガスの両方は、熱交換器を通って実質的に軸方向に流れ、熱伝達は、熱交換器の軸線に対して実質的に横方向であり、この場合、高圧通路から低圧通路の２つの領域に、内向き半径方向と外向き半径方向の両方で生じる。プレート２１２，２１２′は、先ず最初にシート１５３から形成されると、複数の細長いストラット１４９によってシート１５３から支持される。複数の開放ボイド１５１が、プレート２１２，２１２′とシート１５３との残部との間で各プレート２１２，２１２′を包囲している。
【００５５】
プレート２１２′の高圧穴１４６の３つのグループはプレート２１２の高圧穴１４６の３つのグループと全体として整列することが分かる。しかしながら、プレート２１２′の３つのグループは各々、プレート２１２の高圧穴１４６の対応のグループに対して３０°の角度をなして配向している。これにより、プレート２１２の３つのグループの各高圧穴１４６はその隣のプレート２１２′の高圧穴１４６と実質的に整列しないようになる。３つのグループの各々の相対的な角度の向きは様々であってよいが、高圧ガスがプレート２１２からその隣のプレート２１２′に流れるとき、或いはその逆に流れる時に層流ではなく乱流を生じさせるほどのものでなければならない。同様に、プレート２１２′の低圧穴１４８の外側環状パターンは、プレート２１２の低圧穴１４８の外側環状パターンに対して３０°の角度をなして配向している。これにより、プレート２１２の外側環状パターンの各低圧穴１４８はその隣のプレート２１２′の低圧穴１４８と実質的に整列しないようになる。外側環状パターンのこの相対的な角度の向きは様々であってよいが、高圧ガスがプレート２１２からその隣のプレート２１２′に流れるとき、或いはその逆に流れる時に層流ではなく乱流を生じさせるほどのものでなければならない。他方、プレート２１２′の低圧穴１４８の中央パターンはプレート２１２の低圧穴１４８の中央パターンと全体として整列する。しかしながら、プレート２１２′の中央パターンは、個々の穴を実質的に不整列状態にするようその隣のプレート２１２の中央パターンとは異なる形状をしていて、低圧ガスの乱流を促進する。この乱流状態の低圧ガスの流れは、３つの高圧グループの周りにおける高圧ガスからプレート２１２，２１２′への熱伝達を促進し、乱流状態の低圧ガスの流れは、中央領域及び外側環状領域におけるプレート２１２，２１２′から低圧ガスへの熱伝達を促進する。
【００５６】
図２１及び図２２に示すプレートの形態と同様、図２６及び図２７に示す形態では、熱交換器の２つの端部への連結を容易にするための専用のエンドプレートが必要になる。図２８は、かかるエンドプレート２１４を示している。エンドプレート２１４には、低圧穴の中央パターンが設けられておらず、これに対し高圧穴１４６のパターン及び低圧穴の中央環状パターンは、図２６のプレート２１２に示す状態と実質的に同一のままである。低圧穴の中央パターンをエンドプレート２１４から除くことにより、マニホルドの作用による中央入口ポート又は出口オリフィスへの高圧ガスの流れが容易になると共に環状入口又は出口ポートへの低圧ガスの流れが容易になる。これについては以下に説明する。
【００５７】
図２９は、図２６及び図２７に示すプレート２１２，２１２′に用いられるのに適したスペーサ２１６を示している。本質的に標準型外側プロフィール１５９である外側リング２１８に加えて、スペーサ２１６は、３つの円形間仕切り２２０によって仕切られている。円形間仕切り２２０は、隣り合うプレート２１２，２１２′に３つの丸いグループをなして設けられた高圧穴１４６を包囲するように設計された３つの高圧室２２２を構成している。複数の低圧室２２４が、円形間仕切り２２０と外側リング２１８との間に設けられている。低圧室２２４は、隣り合うプレート２１２，２１２′に中央パターン及び外側環状パターンをなして設けられた低圧穴１４８を全体として包囲するように設計されている。円形間仕切り２２０は、高圧室２２２を低圧室２２４から密封するのに十分な幅を有している。熱交換器の組立て及び積層後、スペーサ２１６が隣り合うプレート２１２，２１２′間に位置した状態で、円形間仕切り２２０は高圧室２２２を低圧室２２４から隔離して熱交換器を通る高圧通路及び低圧通路を形成することが分かる。上述したように、この形態における高圧通路は、熱交換器の長手方向軸線と実質的に平行な３つの領域をなし、低圧通路は、この軸線に沿う中央領域及び高圧通路と実質的に同軸の外側環状領域を有している。したがって、高圧ガスと低圧ガスの両方は、熱交換器を通って実質的に軸方向に流れ、熱伝達は、熱交換器の軸線に対して実質的に横方向であり、この場合、高圧通路から低圧通路の２つの領域に、内向き半径方向と外向き半径方向の両方で生じる。
【００５８】
図３０は、図２６及び図２７に示すプレート２１２，２１２′及び図２８に示すエンドプレート２１４とともに用いられるのに適したマニホルド２２６を示している。標準型外側プロフィールを備える外側リング２２８に加えて、マニホルド２２６は、異形の間仕切り２３０によって仕切られている。間仕切り２３０は、エンドプレート２１４の高圧穴１４６を包囲するように設計された高圧室２３２を構成し、エンドプレート２１４の低圧穴１４８を遮っている。複数の低圧室２３４が、間仕切り２３０と外側リング２２８との間に設けられている。低圧室２３４は、エンドプレート２１４の低圧穴１４８を全体として包囲するよう設計されている。間仕切り２３０は、高圧室２３２を低圧室２３４から密封するのに十分な幅を有している。熱交換器の組立て及び積層後、スペーサ２１６が隣り合うプレート２１２，２１２′相互間に位置し、エンドプレート２１４が各端部に取り付けられ、しかもマニホルド２２６がエンドプレート２１４の外部に位置した状態で、間仕切り２３０は、マニホルド作用により高圧通路を中央の場所に連結し、低圧通路を外側環状の場所に連結することが分かる。これにより、熱交換器の端部のところでの中央入口ポート又は出口オリフィスへの高圧ガスの流れの連結が可能になり、しかも環状入口又は出口ポートへの低圧ガスの流れの連結が可能になる。これについては以下に説明する。
【００５９】
図３１及び図３２は、図８及び図９に示す形態と幾分類似した仕方で働く熱交換プレート２３６，２３６′の第６の形態を示している。各プレート２３６，２３６′は、高圧ガス通路を形成するよう高圧穴１４６の実質的に三角形パターンを有している。各プレート２３６，２３６′は、低圧ガス通路を形成するよう低圧穴１４８の実質的に三角形パターンを更に有している。高圧穴と低圧穴のパターンは、プレート２３６，２３６′の別々の半部に設けられている。プレート２３６，２３６′は、先ず最初にシート１５３から形成されると、複数の細長いストラット１４９によってシート１５３から支持される。複数の開放ボイド１５１が、プレート２３６，２３６′とシート１５３との残部との間で各プレート２３６，２３６′を包囲している。
【００６０】
プレート２３６′の高圧穴１４６のパターンは、プレート２３６の高圧穴１４６のパターンから全体的に９０°回転させたものであり、高圧穴１４６は図３１で見て左側に且つ図３２で見て底部に位置することが分かる。さらに、使用される上述の２つの追加の互いに類似したプレートに関し、一つは、左側に低圧穴１４８の三角形パターンを有している点を除きプレート２３６と同一であり、一つは、底部に低圧穴１４８の三角形パターンを有している点を除きプレート２３６′と同一である。その結果、低圧通路は又、熱交換器の軸線に対して本質的に横方向に延び、流れはこの場合も又、平らな渦巻き状である。これにより、プレート２３６の各低圧穴１４８はその隣のプレート２３６′の低圧穴１４８と整列しないようになる。隣り合うプレートの低圧パターンのこの相対的な角度の向きは様々であってよいが、低圧ガスがプレート２３６からその隣のプレート２３６′に流れるとき、或いはその逆に流れる時に層流ではなく横方向の乱流を生じさせるほどのものでなければならない。
【００６１】
この横方向乱流状態の高圧ガスの流れは、他方の側に低圧ガスを有する隣り合うプレート２３６，２３６′の整列状態にある盲状四分円部分への高圧ガスからの熱伝達を促進し、横方向乱流状態の低圧ガスの流れは、他方の側に低圧ガスを有する隣り合うプレート２３６，２３６′の整列状態にある盲状四分円部分への低圧ガスからの熱伝達を促進する。
図３３及び図３４は、ガスの流れを上述の高圧及び低圧渦巻パターンに差し向けるために２つの上述の追加の類似のプレートと共に図３１及び図３２に示すプレート２３６，２３６′とともに用いられるのに適したスペーサ２３８，２３８′を示している。標準型外側プロフィールを備えた外側リング２４０に加えて、スペーサ２３８，２３８′は、実質的に真っ直ぐな間仕切り２４２，２４２′によって仕切られている。間仕切り２４２，２４２′は、高圧室２４４を低圧室２４６から仕切っている。スペーサ２３８は、プレート２３６とプレート２３６′の間に積層状態にされており、スペーサ２３８′は、プレート２３６′と、プレート２３６と同一の第１の追加のプレートとの間に積層状態にされている。最後に、別スペーサ２３８が、第１の追加のプレートと、プレート２３６′と同一の第２の追加のプレートとの間に積層状態にされている。
【００６２】
スペーサ２３８の高圧室２４４は、プレート２３６の高圧パターンを包囲し、高圧ガスの流れを図で見て反時計回りに差し向ける。同様に、スペーサ２３８の低圧室２４６は、プレート２３６の低圧パターンを包囲し、低圧ガスの流れを図で見て反時計回りに差し向ける。さらに、スペーサ２３８′の高圧室２４４は、プレート２３６′の高圧パターンを包囲し、高圧ガスの流れを図で見て反時計回りに差し向ける。同様に、スペーサ２３８′の低圧室２４６は、プレート２３６′の低圧パターンを包囲し、低圧ガスの流れを図で見て反時計回りに差し向ける。
【００６３】
熱交換器の組立て及び積層中、プレートとスペーサのこの連続配置状態の繰り返し及び間仕切り２４２，２４２′の回転配向の結果として、渦巻き状態の一連の高圧室２４４を通る高圧ガスの流れが生じ、それにより熱交換器を通る渦巻状の高圧通路が形成されることが分かる。同様に、間仕切り２４２，２４２′の回転配向の結果として、渦巻き状態の一連の低圧室２４６を通る低圧ガスの流れが生じ、それにより熱交換器を通る渦巻状の低圧通路が形成される。したがって、高圧ガスと低圧ガスは両方とも、熱交換器内を実質的に横方向に渦巻パターンで流れ、熱交換は、隣り合うプレート２３６，２３６′の盲状四分円部分を介して実質的に軸線に平行に生じる。
【００６４】
上述の他の形態のうち幾つかと同様、図３１及び図３２に示す形態では、熱交換器の２つの端部への連結を容易にするための専用のエンドプレートが必要になる。図３５は、かかるエンドプレート２４８を示している。エンドプレート２４８には、低圧穴の三角形パターンの中央部分が設けられておらず、それによりこれを部分環状パターンに変えており、これに対し高圧穴１４６の三角形パターンは、図３１及び図３２のプレート２３６，２３６′に示す状態と本質的に同一のままである。低圧穴１４８の三角形パターンの中央部分をエンドプレート２４８から除くことにより、マニホルドの作用による中央入口ポート又は出口オリフィスへの高圧ガスの流れが容易になると共に環状入口又は出口ポートへの低圧ガスの流れが容易になる。これについては以下に説明する。
【００６５】
図３６は、図３１及び図３２に示すプレート２３６，２３６′及び図３５に示すエンドプレート２４８とともに用いられるのに適したマニホルド２５０を示している。本質的に標準型外側プロフィールを備える外側リング２５２に加えて、マニホルド２５０は、半円形の間仕切り２５４によって仕切られている。間仕切り２５４は、エンドプレート２４８の高圧穴１４６を包囲するように設計された高圧室２３２を構成し、エンドプレート２４８の低圧穴１４８を遮っている。間仕切り２５４の他方の側には低圧室２５８が設けられている。低圧室２５８は、エンドプレート２４８の低圧穴１４８を全体として包囲するよう設計されている。熱交換器の組立て及び積層後、スペーサ２３８，２３８′が隣り合うプレート２３６，２３６′相互間に位置し、エンドプレート２４８が各端部に取り付けられ、しかもマニホルド２５０がエンドプレート２４８の外部に位置した状態で、間仕切り２５４は、マニホルド作用により高圧通路を中央の場所に連結し、低圧通路を外側の部分的に環状の場所に連結することが分かる。これにより、熱交換器の端部のところでの中央入口ポート又は出口オリフィスへの高圧ガスの流れの連結が可能になり、しかも環状入口又は出口ポートへの低圧ガスの流れの連結が可能になる。これについては以下に説明する。
【００６６】
さらに説明すると、図３７は、プレート１４２又は１４２′上に重ね合わされたスペーサ１７６を示している。図３８は、プレート１８６又は１８６′上に重ね合わされたスペーサ１９０を示している。図３９は、プレート２１２上に重ね合わされたスペーサ２１６を示している。図４０は、プレート２３６′上に重ね合わされたスペーサ２３８′を示し、高圧穴の別の形態を有している。
【００６７】
図４１は、適当なエンドプレート及びマニホルドと連携して、図４及び図５、図１６及び図１７、図２１及び図２２、又は図２６及び図２７に示す形態の熱交換プレートとともに用いられるのに適したオリフィスプレート２６０を示している。中央開口部２６２が、適当な直径を有していて、ジュール・トムソン式オリフィスとしての役目を果たすことができる。外側の環状開口部２６４は、適当な外径部２６６及び内径部２６８を備えていて、入口低圧ポートとしての役目を果たすことができる。オリフィスプレート２６０の外径部２７０は、熱交換プレート、スペーサ、エンドプレート及びマニホルドの外径部と整列する。
【００６８】
図４２は、適当なエンドプレート及びマニホルドと連携して、図８及び図９、又は図３１及び図３２に示す形態の熱交換プレートとともに用いられるのに適したオリフィスプレート２７２を示している。中央開口部２７４が、適当な直径を有していて、ジュール・トムソン式オリフィスとしての役目を果たすことができる。外側の環状開口部２７６が、適当な外径部２７８及び内径部２８０を備えていて、入口低圧ポートとしての役目を果たすことができる。オリフィスプレート２７２の外径部２８４は、熱交換プレート、スペーサ、エンドプレート及びマニホルドの外径部と整列する。
本発明の熱交換器は、平らでなく、具体的には円筒形の超小形熱交換器である。これは、写真平版法及び拡散接合法によって作られる。これにより、熱交換を助ける上述の多数のデザイン及び複雑なパターンの作製が可能になる。加うるに、多数の小型熱交換器を、一度にエッチングして製造でき、多量の完全なユニットが得られる。さらに、高圧ガスライン及び低圧ガスラインを熱交換器に連結するのに必要な構成部品を、この製造工程中に組み込むことができ、それにより製作が簡単になると共に精度が向上する。連結用構成部品の高精度の製作は、熱交換器が小形であって閉塞を生じさせたり、或いは漏れの経路を作る恐れがあるので重要である。最後に、ジュール・トムソン式オリフィス又は機械的インピーダンス構成部品を、この製造工程中に組み込んでもよく、この場合もまた製作が単純になると共に精度が一層向上する。
【００６９】
本発明の熱交換器は本質的には、銅プレートとステンレス鋼スペーサを交互に配置してエッチングにより適当なパターンを施した積層ユニットである。エッチングは、シートをフォトレジスト材料の薄膜で被覆することにより実施される。これは、液体の形態のシート又は薄い中実層の形態のシートにも適用できる。所望のエッチングパターンを有するアートワークをＣＡＤソフトウエアを用いて作る。このアートワークを用いてレーザフォトツールを駆動してこれによりパターンをフォトレジスト被覆シート上に再現する。このパターンをネガの像又はポジの像として作ることができる。フォトツールからのレーザ光は、フォトレジスト被膜と相互作用して被膜を金属シートに結合し、被覆された領域を当該技術分野で知られているエッチング用化学薬品による劣化から保護する。次に、シートを、保護されていない金属を溶解し、エッチング用化学薬品内で洗浄して適当なパターンを後に残す。
【００７０】
熱交換器の性能における２つの制限要因は、熱交換に利用できる表面積と流体が熱交換器を通っているときに生じる圧力降下である。穴の大きさ、プレートの数及び外径は全て圧力降下及び表面積に影響を及ぼす。圧力降下を最小限にすると共に表面積を最大限にすることが重要である。小さくて数多くの穴を用いると、表面積が多くなるが、これにより圧力降下が大きくなる。最適の穴の大きさ及び圧力降下を最終的に決定して冷却能力を最大限に高めるためには用途毎に実験をする必要がある。
【００７１】
図４３は、単一のシート又は層３００を示しており、この層は、複数の積層サブアセンブリを含む積層メイン組立体を形成するよう他の層に積層され、各積層サブアセンブリは単一の熱交換器を構成する。積層及び接合後、サブアセンブリをメイン組立体から分離する。図示の層３００は、熱交換プレート及びエンドプレートの銅シート１５３又はスペーサ及びマニホルドのステンレス鋼シート１５５を表わすことができる。例えば、心臓組織の経管切除法に適した熱交換器を製作するために、５０ミクロンの高圧穴及び８０ミクロンの低圧穴を備えた熱交換プレート３０２又はエンドプレートをエッチングにより図４３に示すように無酸素銅シート１５３に形成する。シート１５３の厚さは０．００２インチ（約０．０５１mm）である。各プレート３０２は、例えば図１６に示すようにプレートの縁部からシート１５３に延びる細いストラット１４９によりシート１５３へのその取付け状態を保つ。ストラット１４９は、プレート３０２及びシート１５３へのこれらの取付け箇所のところで細くなっており、それによりシート１５３からの取り除きのために折れやすくなっている。互いに異なる圧力状態にある互いに異なるガス混合物の流れを最適化するために穴の大きさを種々のものにするのがよい。穴の大きさ及びシートの厚さもまた、表面積を最適化するために種々のものにするのがよい。
【００７２】
同様に、エッチングによりスペーサ、オリフィスプレート又はマニホルド３０３をステンレス鋼シート１５５上に設ける。最終組立て工程では、スペーサ３０３は隣り合う銅プレート３０２を互いに分離する。プレート３０２と同様に、スペーサ、オリフィスプレート及びマニホルド３０３は、これらをシート１５５に取り付けるストラット１４９を有している。これらストラット１４９もまた、プレート３０３又はシート１５５へのこれらの取付け箇所のところで細くなっており、それによりシート１５５からの取り除きのために折れやすくなっている。この場合も又、多数の銅プレート３０２及びスペーサ３０３を単一のシート１５３，１５５から作ってもよい。種々の設計のプレート３０２をエッチングにより単一の銅シート１５３に設けてもよく、或いは種々の設計のスペーサ、マニホルド、エンドキャップ又はオリフィスプレート３０３をエッチングにより単一のステンレス鋼シート１５５に設けてもよい。実線３０４又は破線３０６は、シート３００を互いに異なる設計のセグメントの状態に分割することができる２つの方法を示している。
【００７３】
熱交換が半径方向に生じる上述の形態では、高圧通路を分割し、これを半径方向に移動させて低圧通路に近接させることにより或る程度の熱抵抗を克服することができる。この原理は、図２１、図２２、図２６及び図２７に示す形態に示されている。熱交換器は高圧ラインと低圧ラインを分離するよう連結されなければならないので、銅製エンドプレート及びステンレス鋼製マニホルドを熱交換器のうち幾つかの入口に用いる必要がある。これにより、熱交換器に出入りする際の高圧ガスと低圧ガスの混合が防止される。
【００７４】
フォトエッチング後、ステンレス鋼シート１５５と銅製シート１５３を交互に（例えば各々５０枚）互いの上に積み重ねる。シート１５３，１５５を互いに拡散接合して長さが０．５cm〜１．５cm、直径が０．２５mmの複数の熱交換器を形成する。銅プレートのシートとステンレス鋼スペーサのシートを交互に配置することにより、軸方向熱交換が減少し、これに対して半径方向の熱交換が促進される。上述したように必要な場合には、銅製エンドプレートのシートを組立体の各端部のところに配置し、ステンレス鋼製マニホルドのシートをエンドプレートの各シートの外部上に配置する。オリフィスプレートのシートを最後のシートとして組立体の一端に追加し、マニホルドのシートを最後のシートとして他端部に残す。銅プレートを介在させないで２５〜５０個のステンレス鋼製マニホルドを積み重ねることにより、高圧ガスライン及び低圧ガスラインのコネクタを製造するのがよい。
【００７５】
シート３００を、これらシートの２又は３以上の組をなす整列穴３０８，３１５を互いに整列させるセラミック製のピン上に積み重ねて、シート３００の所望の向きを維持し、それにより各熱交換器サブアセンブリの精密な整列状態を維持する。金属シート３００の組立体は、セラミックプレート相互間にサンドイッチされ、これらセラミック製プレートは黒鉛ブロック相互間にサンドイッチされている。セラミック製プレートは、金属シート３００と黒鉛ブロックの接合を防止する。黒鉛ブロックは、拡散接合中、組立体の端部に加えられた重量を均等に分散させる。
【００７６】
拡散接合を９２５℃〜１０１０℃に加熱された炉内で実施する。シートがいったんこの温度に達すると、これを当該技術分野で知られている慣行にしたがって３０分〜２時間の間維持する。接合具合を向上させるために組立て前にプレートを無電解ニッケル溶液で電気メッキするのがよいが、これを行うかどうかは任意である。２５０psi 〜１０００psi の圧力を生じさせるために接合中、重量を組立体の最上部に加える。温度及び重量を変動させることにより接合具合を最適化することができ、低い温度では一層大きな重量が必要であり、高い温度では重量をそれほど必要としない。加うるに、組立体をキャニスタ内で真空シールし、熱間等方圧プレス法を用いて接合するのがよい。また、積重ね体に真空を及ぼすと、環状チャンネル２８２が設けられている場合にはこれによって形成される真空ジャケットを排気でき、それにより熱交換器の最適断熱状態を得ることができる。
【００７７】
最後に、図１２及び図１３に示すような円筒形熱交換器を異なる製造法で作ることができる。この構成例では、チャンネルをフォトエッチング法により平らな金属又はプラスチック状に形成し、次にシートを円筒形の形に巻くことによりチャンネルを形成する。熱交換器は、長さが５〜１０mmであり、全幅が２０〜４０mmに及ぶ幅１０〜１５ミクロンのチャンネルを必要とするであろう。これにより、毎分２〜４リットルのガス流量を扱い、効率上の要件を満足するのに十分な表面積が得られる。絞りオリフィス又はジュール・トムソン弁を流入管の端部で箔上にフォトエッチングしてもよい。
【００７８】
本明細書において詳細に図示・説明した本発明は、上述の目的を完全に達成できると共に上述の利点を奏するものであるが、開示内容は、本発明の現時点において好ましい実施形態の例示に過ぎず、請求の範囲の記載されている技術的限定以外の限定を意図したものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の熱交換器を組み込んだ冷凍システムで用いられる選択されたガス混合物についてのエンタルピーと温度の関係を表すグラフ図である。
【図２】  本発明を具体化した小形冷凍システムの一実施形態の斜視図である。
【図３】  図２に示す冷凍システムの冷凍外科プローブ部分の末端部の部分断面図である。
【図４】  本発明の超小形熱交換器の第１の実施形態で用いられる熱交換プレートの第１の形態の立面図である。
【図５】  第１の実施形態で用いられる熱交換プレートの第２の形態の立面図であり、図４に示す配向状態とは異なる角度的配向状態の穴を示す図である。
【図６】  本発明の超小形熱交換器の第１の実施形態で用いられる一スペーサの立面図である。
【図７】  本発明の超小形熱交換器の第２の実施形態で用いられるスペーサの立面図である。
【図８】  本発明の超小形熱交換器の第２の実施形態で用いられるプレートの第１の形態の立面図である。
【図９】  本発明の超小形熱交換器の第２の実施形態で用いられるプレートの第２の形態の立面図であり、高圧ポートと低圧ポートの配向状態の違いを示す図である。
【図１０】  本発明の超小形熱交換器の第２の実施形態で用いられるプレートとスペーサの一連の立面図であり、供給ガス混合物及び戻りガス混合物の流れを示す図である。
【図１１】  図１０に示す複数のプレートとスペーサの断面図であり、供給ガス混合物及び戻りガス混合物の流れを示す図である。
【図１２】  本発明の超小形熱交換器の第３の実施形態を最終の造形工程前の状態で示す斜視図である。
【図１３】  最終造形工程後の図１２に示す熱交換器の斜視図である。
【図１４】  本発明で用いられる冷凍外科用プローブの末端部の第２の実施形態の部分断面図であり、幅の狭い細長い伝熱要素を示す図である。
【図１５】  図１４の１５−１５線におけるプローブの末端部の第２の実施形態の断面図である。
【図１６】  本発明の熱交換器の第３の実施形態で用いられる熱交換プレートの一形態の立面図である。
【図１７】  本発明の熱交換器の第３の実施形態で用いられる熱交換プレートの別の一形態の立面図である。
【図１８】  本発明の第３の実施形態で用いられるスペーサの立面図であり、図１６及び図１７に示すプレートを用いている図である。
【図１９】  本発明の熱交換器の製作中におけるプレート及びスペーサをこれらのそれぞれのシートに連結するのに用いられるストラット又は支柱の立面図である。
【図２０】  図１６及び図１７に示すプレート及び図１８に示すスペーサに用いられるエンドキャップの立面図である。
【図２１】  本発明の熱交換器の第４の実施形態で用いられる熱交換プレートの立面図である。
【図２２】  本発明の熱交換器の第４の実施形態で用いられる熱交換プレートの立面図である。
【図２３】  図２１及び図２２に示すプレートに用いられるエンドプレートの立面図である。
【図２４】  図２１及び図２２に示すプレートに用いられるスペーサの立面図である。
【図２５】  図２１及び図２２に示すプレートに用いられるエンドマニホルドの立面図である。
【図２６】  本発明の熱交換器の第５の実施形態で用いられる熱交換プレートの立面図である。
【図２７】  本発明の熱交換器の第５の実施形態で用いられる熱交換プレートの立面図である。
【図２８】  図２６及び図２７に示すプレートに用いられるエンドプレートの立面図である。
【図２９】  図２６及び図２７に示すプレートに用いられるスペーサの立面図である。
【図３０】  図２６及び図２７に示すプレートに用いられるエンドマニホルドの立面図である。
【図３１】  本発明の熱交換器の第６の実施形態で用いられる熱交換プレートの立面図である。
【図３２】  本発明の熱交換器の第６の実施形態で用いられる熱交換プレートの立面図である。
【図３３】  図３１及び図３２に示すプレートに用いられるスペーサの立面図である。
【図３４】  図３１及び図３２に示すプレートに用いられるスペーサの立面図である。
【図３５】  図３１及び図３２に示すプレートに用いられるエンドプレートの立面図である。
【図３６】  図３１及び図３２に示すプレートに用いられるエンドマニホルドの立面図である。
【図３７】  図１６又は図１７のプレート上に重ね合わされた図２０のスペーサの立面図である。
【図３８】  図２１又は図２２のプレート上に重ね合わされた図２４のスペーサの立面図である。
【図３９】  図２６又は図２７のプレート上に重ね合わされた図２９のスペーサの立面図である。
【図４０】  図３２のプレート上に重ね合わされた図３４のスペーサの立面図である。
【図４１】  図１６及び図１７、図２１及び図２２、又は図２６及び図２７の熱交換プレートに用いることができるオリフィスプレートの立面図である。
【図４２】  図３１及び図３２の熱交換プレート用いることができるオリフィスプレートの立面図である。
【図４３】  本発明の熱交換器の製作に用いられるシート状の熱交換プレート、スペーサ，エンドプレート又はマニホルドの立面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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