(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
閉ループジュールトムソン冷凍システムで使用するための、流体混合物を選択する方法であって、該方法が
閉ループジュールトムソン冷凍システムを稼働する、温度範囲および圧力範囲を選択する工程と、
複数の成分流体を選択する工程と、ここで該成分流体各々は、該選択された温度範囲および該選択された圧力範囲に渡り、既知のエンタルピー値を有し、該成分流体の複数の組み合わせを選択して、複数の流体混合物を処方する工程と、
該温度範囲および該圧力範囲に渡る、複数のデータ点において、該流体混合物各々について、エンタルピー値を計算する工程と、
該選択された温度および圧力範囲に渡り、該流体混合物各々を使用する向流式熱交換機で達成できる、理論的熱伝達量を計算する工程と、
該選択された温度および圧力範囲に渡り、該流体混台物各々を使用して達成できる、理論的ジュールトムソン冷凍出力を計算する工程と、
該流体混合物各々について、該理論的冷凍出力対該理論的熱伝達量で表される性能比を計算する工程と、
該温度範囲および該圧力範囲に渡る、閉ループジュールトムソン冷凍システム用の最良の性能の流体混合物として、最大の該性能比を有する該流体混合物を選択する工程と、
を含むことを特徴とする、上記方法。
【請求項２】
更に、該選択された混合物の該選択された成分流体の一つを、置換成分流体で置換する工程をも含み、該置換流体が、該選択された成分流体の沸点と実質的に同一の沸点を有する、請求の範囲第１項に記載の流体混合物の選択方法。
【請求項３】
更に、該選択された流体混合物各々が、該選択された温度範囲以下の三重点をもつ、請求の範囲第１項に記載の流体混合物の選択方法。
【請求項４】
該成分流体各々が、該選択された温度範囲以下の三重点をもつ、請求の範囲第３項に記載の流体混合物の選択方法。
【請求項５】
流体混合物各々に対するエンタルピー値を計算する該工程が、それぞれの該成分流体の飽和境界を比較して、該流体混合物に対する飽和境界の近似値を見出す工程を含む、請求の範囲第１項に記載の流体混合物の選択方法。
【請求項６】
該理論的熱伝達量の計算工程が、
該温度範囲の低温側限界および該圧力範囲の低圧側限界における、該流体混合物の第一のエンタルピーを、該温度範囲の高温側限界および該圧力範囲の低圧側限界における、該流体混合物の第二のエンタルピーから差し引いて、低圧エンタルピー差を得る工程と、
該温度範囲の該低温側限界および該圧力範囲の高圧側限界における、該流体混合物の第三のエンタルピーを、該温度範囲の該高温側限界および該圧力範囲の該高圧側限界における、該流体混合物の第四のエンタルピーから差し引いて、高圧エンタルピー差を得る工程と、
該低圧エンタルピー差および該高圧エンタルピー差のより低い値に、該流体混合物の選択された流量を掛けて、該理論的な熱伝達量を得る工程と、
を含む、請求の範囲第１項に記載の流体混合物の選択方法。
【請求項７】
該理論的なジュールトムソン冷凍出力を計算する工程が、
第一の選択された温度および該圧力範囲の高圧側の限界における、該流体混合物の第一のエンタルピー値を、該選択された温度および該圧力範囲の低圧側の限界における、該流体混合物の第二のエンタルピー値から差し引いて、該選択された温度におけるエンタルピー差を得る工程と、
該選択された温度範囲内の複数の温度におけるエンタルピー値を差し引く工程を繰り返して、該複数の温度における、複数のエンタルピー差を得る工程と、該複数のエンタルピー差の最小値と、該流体混合物の選択された流量とを掛けて、該理論的なジュールトムソン冷凍出力を得る工程と、
を含む、請求の範囲第１項に記載の流体混合物の選択方法。
【請求項８】
小型冷凍システムを稼働する方法であって、該方法が、
圧縮機、向流式熱交換機、およびジュールトムソン膨張要素を含む、小型閉ループ冷凍システムを作成する工程と、
該閉ループ冷凍システムで使用するための流体混合物に対する、作動圧力範囲を選択する工程と、ここで該圧力範囲は、４２０ｐｓｉａを越えない高圧側限界を有しており、
該閉ループ冷凍システムで使用するための流体混合物に対する、作動温度範囲を選択する工程と、ここで該温度範囲は、１８３Ｋを越えない低温側限界を有し、
複数の成分流体を選択する工程と、ここで該成分流体各々は、該選択された温度範囲および該選択された圧力範囲に渡り、既知のエンタルピー値を有し、該成分流体の複数の組み合わせを選択して、複数の流体混合物を処方する工程と、
該温度範囲および該圧力範囲に渡る、複数のデータ点において、該流体混合物各々について、エンタルピー値を計算する工程と、
該選択された温度および圧力範囲に渡り、該流体混合物各々を使用する向流式熱交換機で達成できる、理論的熱伝達量を計算する工程と、
該選択された温度および圧力範囲に渡り、該流体混合物各々を使用して達成できる、理論的ジュールトムソン冷凍出力を計算する工程と、
該複数の流体混合物各々について、該理論的冷凍出力対該理論的熱伝達量で表される性能比を計算する工程と、
最大の該性能比を有する該流体混合物を選択する工程と、
該選択された流体混合物を、該選択された圧力範囲の該高圧側の限界および該選択された温度範囲の高温側の限界まで圧縮する工程と、
該圧縮された流体混合物を、該熱交換機内で冷却する工程と、
該膨張要素内の該流体混合物を、該選択された圧力範囲の該高圧側の限界から該選択された圧力範囲の該低圧側の限界まで、等エンタルピー的に膨張させて、該流体混合物を、該選択された温度範囲の該低温側の限界まで冷却する工程と、
を含むことを特徴とする、上記方法。
【請求項９】
更に、該選択された流体混合物各々が、該選択された温度範囲以下の三重点をもつ、請求の範囲第８項に記載の小型冷凍システムの稼働方法。
【請求項１０】
流体混合物各々に対するエンタルピー値を計算する該工程が、それぞれの該成分流体の飽和境界を比較して、該流体混合物に対する飽和境界の近似値を見出す工程を含む、請求の範囲第８項に記載の小型冷凍システムの稼働方法。
【請求項１１】
該理論的熱伝達量の計算工程が、
該温度範囲の該低温側限界および該圧力範囲の該低圧側限界における、該流体混合物の第一のエンタルピー値を、該温度範囲の該高温側限界および該圧力範囲の該低圧側限界における、該流体混合物の第二のエンタルピー値から差し引いて、低圧エンタルピー差を得る工程と、
該温度範囲の該低温側限界および該圧力範囲の該高圧側限界における、該流体混合物の第三のエンタルピー値を、該温度範囲の該高温側限界および該圧力範囲の該高圧側限界における、該流体混合物の第四のエンタルピー値から差し引いて、高圧エンタルピー差を得る工程と、
該低圧エンタルピー差および該高圧エンタルピー差のうちのより低い値に、該流体混合物の選択された流量を掛けて、該理論的な熱伝達量を得る工程と、を含む、請求の範囲第８項に記載の小型冷凍システムの稼働方法。
【請求項１２】
該理論的なジュールトムソン冷凍出力を計算する工程が、
第一の選択された温度および該圧力範囲の該高圧側の限界における、該流体混合物の第一のエンタルピー値を、該選択された温度および該圧力範囲の該低圧側の限界における、該流体混合物の第二のエンタルピー値から差し引いて、該選択された温度におけるエンタルピー差を得る工程と、
該選択された温度範囲内の複数の温度におけるエンタルピー値を差し引く工程を繰り返して、該複数の温度における、複数のエンタルピー差を得る工程と、該複数のエンタルピー差の最小値と、該流体混合物の選択された流量とを掛けて、該理論的なジュールトムソン冷凍出力を得る工程と、
を含む、請求の範囲第８項に記載の小型冷凍システムの稼働方法。
【請求項１３】
閉ループジュールトムソン冷凍システムで使用するための、流体混合物を選択する方法であって、該方法が
閉ループジュールトムソン冷凍システムを稼働する、温度範囲１５０Ｋ〜２７０Ｋおよび圧力範囲１バール〜２１バールを選択する工程と、
Ａｒ、ＣＨ4、Ｃ2Ｈ4、Ｃ3Ｈ4、Ｋｒ、Ｎ2、ＮＦ3、１−ペンテン、イソブタン、イソペンタン、プロピレン、Ｒ１４、Ｒ２２、Ｒ２３、Ｒ３２、Ｒ１２４およびＲ１４２ｂを含む群から、成分流体の複数の組み合わせを選択して、複数の流体混合物を処方する工程と、
該温度範囲および該圧力範囲に渡る、複数のデータ点において、該流体混合物各々について、エンタルピー値を計算する工程と、
該選択された温度および圧力範囲に渡り、該流体混合物各々を使用する向流式熱交換機で達成できる、理論的熱伝達量を計算する工程と、
該選択された温度および圧力範囲に渡り、該流体混合物各々を使用して達成できる、理論的ジュールトムソン冷凍出力を計算する工程と、
該流体混合物各々について、該理論的冷凍出力対該理論的熱伝達量で表される性能比を計算する工程と、
該温度範囲および該圧力範囲に渡り、該成分流体から処方された該流体混合物から、閉ループジュールトムソン冷凍システムで使用するための、可能な最良の性能の流体混合物として、最大の該性能比を有し、７％のＲ２２、７％のＲ２３、２０％のＲ１４２ｂ、５５％のクリプトン、および１１％のＮＦ3を含む流体混合物を選択する工程と、ここで該モル百分率は＋／−１０％の範囲を有する、を含むことを特徴とする、上記方法。
【請求項１４】
閉ループジュールトムソン冷凍システムで使用するための、非−毒性流体混合物を選択する方法であって、該方法が
閉ループジュールトムソン冷凍システムを稼働する、温度範囲１５０Ｋ〜２７０Ｋおよび圧力範囲１バール〜２１バールを選択する工程と、
Ａｒ、ＣＨ4、Ｃ2Ｈ4、Ｃ3Ｈ4、Ｋｒ、Ｎ2、１−ペンテン、イソブタン、イソペンタン、プロピレン、Ｒ１４、Ｒ２２、Ｒ２３、Ｒ３２、Ｒ１２４およびＲ１４２ｂからなる群から、成分流体の複数の組み合わせを選択して、複数の流体混合物を処方する工程と、
該温度範囲および該圧力範囲に渡る、複数のデータ点において、該流体混合物各々について、エンタルピー値を計算する工程と、
該選択された温度および圧力範囲に渡り、該流体混合物各々を使用する向流式熱交換機で達成できる、理論的熱伝達量を計算する工程と、
該選択された温度および圧力範囲に渡り、該流体混合物各々を使用して達成できる、理論的ジュールトムソン冷凍出力を計算する工程と、
該流体混合物各々について、該理論的冷凍出力対該理論的熱伝達量で表される性能比を計算する工程と、
該温度範囲および該圧力範囲に渡り、該成分流体から処方された該流体混合物から、閉ループジュールトムソン冷凍システムで使用するための、可能な最良の性能を有する非−毒性〔非−炎症性〕流体混合物として、最大の該性能比を有し、７．５％のＲ２２、７．５％のＲ２３、２０％のＲ１４２ｂ、および６５％のクリプトンを含む流体混合物を選択する工程と、ここで該モル百分率は＋／−１０％の範囲を有する、
を含むことを特徴とする、上記方法。
【請求項１５】
閉ループジュールトムソン冷凍システムで使用するための、フレオンを配合する、環境的に安全な流体混合物を選択する方法であって、該方法が
閉ループジュールトムソン冷凍システムを稼働する、温度範囲１５０Ｋ〜２７０Ｋおよび圧力範囲１バール〜２１バールを選択する工程と、
Ａｒ、ＣＨ4、Ｃ2Ｈ4、Ｃ3Ｈ4、Ｋｒ、Ｎ2、ＮＦ3、１−ペンテン、イソブタン、イソペンタン、プロピレン、Ｒ１４、Ｒ２３、Ｒ３２、およびＲ１２４からなる群から、成分流体の複数の組み合わせを選択して、複数の流体混合物を処方する工程と、
該温度範囲および該圧力範囲に渡る、複数のデータ点において、該流体混合物各々について、エンタルピー値を計算する工程と、
該選択された温度および圧力範囲に渡り、該流体混合物各々を使用する向流式熱交換機で達成できる、理論的熱伝達量を計算する工程と、
該選択された温度および圧力範囲に渡り、該流体混合物各々を使用して達成できる、理論的ジュールトムソン冷凍出力を計算する工程と、
該流体混合物各々について、該理論的冷凍出力対該理論的熱伝達量で表される性能比を計算する工程と、
該温度範囲および該圧力範囲に渡り、該成分流体から処方された該流体混合物から、閉ループジュールトムソン冷凍システムで使用するための、可能な最良の性能の環境的に安全な流体混合物として、最大の該性能比を有し、７．５％のＲ３２、７．５％のＲ２３、２０％のＲ１２４、および６５％のクリプトンを含む流体混合物を選択する工程と、ここで該モル百分率は＋／−１０％の範囲を有する、
を含むことを特徴とする、上記方法。
【請求項１６】
閉ループの、予備冷却されたジュールトムソン冷凍システムで使用するための、流体混合物を選択する方法であって、該方法が
閉ループの、予備冷却されたジュールトムソン冷凍システムを稼働する、温度範囲および圧力範囲を選択する工程と、
複数の、成分流体の組み合わせを選択して、複数の流体混合物を処方する工程と、
該温度範囲および該圧力範囲に渡る、複数のデータ点において、該流体混合物各々について、エンタルピー値を計算する工程と、
該選択された温度および圧力範囲に渡り、該流体混合物各々を使用する向流式熱交換機で達成できる、理論的熱伝達量を計算する工程と、
該選択された温度および圧力範囲に渡り、該流体混合物各々を使用して達成できる、理論的ジュールトムソン冷凍出力を計算する工程と、
該流体混合物各々について、該理論的冷凍出力対該理論的熱伝達量で表される性能比を計算する工程と、
最大の該性能比を有する該流体混合物を選択する工程と、
該選択された流休混合物で使用する該成分流体の一つの沸点以下の、上限をもつ変更された温度範囲を選択する工程と、
該変更された温度範囲の該上限を越える沸点を有する該成分流体を排除して、該成分流体から処方された該流体混合物から、該閉ループの、予備冷却されたジュールトムソン冷凍システムで使用するための、可能な最良の性能の流体混合物として、変更された流体混合物を誘導する工程と、ここで該変更された混合物は該変更された温度範囲の該上限まで、予備冷却されている、
を含むことを特徴とする、上記方法。
【請求項１７】
閉ループの、予備冷却されたジュールトムソン冷凍システムで使用するための、流体混合物を選択する方法であって、該方法が
閉ループの、予備冷却されたジュールトムソン冷凍システムを稼働する、温度範囲１５０Ｋ〜２７０Ｋおよび圧力範囲１バール〜２１バールを選択する工程と、
Ａｒ、ＣＨ4、Ｃ2Ｈ4、Ｃ3Ｈ4、Ｋｒ、Ｎ2、１−ペンテン、イソブタン、イソペンタン、プロピレン、Ｒ１４、Ｒ２２、Ｒ２３、Ｒ３２、Ｒ１２４およびＲ１４２ｂからなる群から、成分流体の複数の組み合わせを選択して、複数の流体混合物を処方する工程と、
該温度範囲および該圧力範囲に渡る、複数のデータ点において、該流体混合物各々について、エンタルピー値を計算する工程と、
該選択された温度および圧力範囲に渡り、該流体混合物各々を使用する向流式熱交換機で達成できる、理論的熱伝達量を計算する工程と、
該選択された温度および圧力範囲に渡り、該流体混合物各々を使用して達成できる、理論的ジュールトムソン冷凍出力を計算する工程と、
該流体混合物各々について、該理論的冷凍出力対該理論的熱伝達量で表される性能比を計算する工程と、
最大の該性能比をもつものとして、７．５％のＲ２２、７．５％のＲ２３、２０％のＲ１４２ｂ、および６５％のクリプトンを含む該流体混合物を選択する工程と、
Ｒ１４２ｂの沸点以下の上限をもつ、変更された温度範囲として、１５０Ｋ〜２４５Ｋを選択する工程と、
該選択された流体混合物からＲ１４２ｂを排除して、該閉ループの、予備冷却されたジュールトムソン冷凍システムで使用するための、２０％のＲ２２、２０％のＲ２３、および６０％のクリプトンを含む該変更された流体混合物を誘導する工程と、ここで該変更された流体混合物は、２４５Ｋまで予備冷却され、該モル百分率は＋／−１０％の範囲を有する、
を含むことを特徴とする、上記方法。
【請求項１８】
閉ループの、予備冷却されたジュールトムソン冷凍システムで使用するための、流体混合物を選択する方法であって、該方法が
閉ループの、予備冷却されたジュールトムソン冷凍システムを稼働する、温度範囲１５０Ｋ〜２７０Ｋおよび圧力範囲１バール〜２１バールを選択する工程と、
Ａｒ、ＣＨ4、Ｃ2Ｈ4、Ｃ3Ｈ4、Ｋｒ、Ｎ2、１−ペンテン、イソブタン、イソペンタン、プロピレン、Ｒ１４、Ｒ２２、Ｒ２３、Ｒ３２、Ｒ１２４およびＲ１４２ｂからなる群から、成分流体の複数の組み合わせを選択して、複数の流体混合物を処方する工程と、
該温度範囲および該圧力範囲に渡る、複数のデータ点において、該流体混合物各々について、エンタルピー値を計算する工程と、
該選択された温度および圧力範囲に渡り、該流体混合物各々を使用する向流式熱交換機で達成できる、理論的熱伝達量を計算する工程と、
該選択された温度および圧力範囲に渡り、該流体混合物各々を使用して達成できる、理論的ジュールトムソン冷凍出力を計算する工程と、
該流体混合物各々について、該理論的冷凍出力対該理論的熱伝達量で表される性能比を計算する工程と、
最大の該性能比をもつものとして、７．５％のＲ２２、７．５％のＲ２３、２０％のＲ１４２ｂ、および６５％のクリプトンを含む流体混合物を選択する工程と、
Ｒ１４２ｂの沸点以下の上限をもつ、変更された温度範囲として、１５０Ｋ〜２４５Ｋを選択する工程と、
該選択された流体混台物からＲ１４２ｂを排除して、該閉ループの、予備冷却されたジュールトムソン冷凍システムで使用するための、２５％のＲ２２、２５％のＲ２３、および５０％のクリプトンを含む該変更された流体混合物を誘導する工程と、ここで該変更された流体混合物は、２４５Ｋまで子備冷却され、該モル百分率は＋／−１０％の範囲を有する、
を含むことを特徴とする、上記方法。
【請求項１９】
閉ループジュールトムソン冷凍システムで使用するための、流体混合物を選択する方法であって、該方法が
閉ループジュールトムソン冷凍システムを稼働する、温度範囲１２０Ｋ〜２７０Ｋおよび圧力範囲１バール〜２１バールを選択する工程と、
Ａｒ、ＣＨ4、Ｃ2Ｈ4、Ｃ3Ｈ4、Ｋｒ、Ｎ2、ＮＦ3、１−ペンテン、イソブタン、イソペンタン、プロピレン、Ｒ１４、Ｒ２２、Ｒ２３、Ｒ３２、Ｒ１２４およびＲ１４２ｂからなる群から、成分流体の複数の組み合わせを選択し、複数の流体混合物を処方する工程と、
該温度範囲および該圧力範囲に渡る、複数のデータ点において、該流体混合物各々について、エンタルピー値を計算する工程と、
該選択された温度および圧力範囲に渡り、該流体混合物各々を使用する向流式熱交換機で達成できる、理論的熱伝達量を計算する工程と、
該選択された温度および圧力範囲に渡り、該流体混合物各々を使用して達成できる、理論的ジュールトムソン冷凍出力を計算する工程と、
該流体混合物各々について、該理論的冷凍出力対該理論的熱伝達量で表される性能比を計算する工程と、
該温度範囲および該圧力範囲に渡り、該成分流体から処方された該流体混合物から、閉ループジュールトムソン冷凍システムで使用するための、可能な最良の性能の流体混合物として、最大の該性能比を有し、４３％のＡｒ（＋／−７．５％）、１３％のＫｒ（＋／−５％）、１１％のＲ１４（＋／−５％）、２％のＲ２２（＋／−５％）、１４％のＲ２３（＋／−５％）、４％のＲ１２４（＋／−５％）、および１３％のイソペンタン（＋／−５％）を含む流体混合物を選択する工程と、
を含むことを特徴とする、上記方法。
【請求項２０】
閉ループジュールトムソン冷凍システムで使用するための、流体混合物を選択する方法であって、該方法が
閉ループジュールトムソン冷凍システムを稼働する、温度範囲１００Ｋ〜２６０Ｋおよび圧力範囲１バール〜２１バールを選択する工程と、
Ａｒ、ＣＨ4、Ｃ2Ｈ4、Ｃ3Ｈ4、Ｋｒ、Ｎ2、ＮＦ3、１−ペンテン、イソブタン、イソペンタン、プロピレン、Ｒ１４、Ｒ２２、Ｒ２３、Ｒ３２、Ｒ１２４およびＲ１４２ｂからなる群から、成分流体の複数の組み合わせを選択し、複数の流体混合物を処方する工程と、
該温度範囲および該圧力範囲に渡る、複数のデータ点において、該流体混合物各々について、エンタルピー値を計算する工程と、
該選択された温度および圧力範囲に渡り、該流体混合物各々を使用する向流式熱交換機で達成できる、理論的熱伝達量を計算する工程と、
該選択された温度および圧力範囲に渡り、該流体混合物各々を使用して達成できる、理論的ジュールトムソン冷凍出力を計算する工程と、
該流体混合物各々について、該理論的冷凍出力対該理論的熱伝達量で表される性能比を計算する工程と、
該温度範囲および該圧力範囲に渡る、該成分流体から処方された該流体混合物から、閉ループジュールトムソン冷凍システムで使用するための、可能な最良の性能の流体混合物として、最大の該性能比を有し、５０％のＡｒ（＋／−１０％）、１０％のＣＨ4（＋／−５％）、１８％のＣ2Ｈ4（＋／−５％）、５％のＮＦ3（＋／−５％）および１７％のＲ１４２ｂ（＋／−５％）を含む流体混合物を選択する工程と、
を含むことを特徴とする、上記方法。
【請求項２１】
モル百分率で、以下の成分、７％のＲ２２、７％のＲ２３、２０％のＲ１４２ｂ、５５％のクリプトン、および１１％のＮＦ3を含み、該モル百分率が＋／−１０％の範囲をもつことを特徴とする、ジュールトムソン冷凍において使用するための流体混合物。
【請求項２２】
モル百分率で、以下の成分、７．５％のＲ２２、７．５％のＲ２３、２０％のＲ１４２ｂ、および６５％のクリプトンを含み、該モル百分率が＋／−１０％の範囲をもつことを特徴とする、ジュールトムソン冷凍において使用するための、非−毒性かつ非−炎症性の流体混合物。
【請求項２３】
モル百分率で、以下の成分、７．５％のＲ３２、７．５％のＲ２３、２０％のＲ１２４および６５％のクリプトンを含み、該モル百分率が＋／−１０％の範囲をもつことを特徴とする、ジュールトムソン冷凍において使用するための、フレオンを配合する、環境的に安全な流体混合物。
【請求項２４】
モル百分率で、以下の成分、２０％のＲ２２、２０％のＲ２３、および６０％のクリプトンを含み、該モル百分率が＋／−１０％の範囲をもつことを特徴とする、ジュールトムソン冷凍で使用するための、非−毒性かつ非−炎症性の流体混合物。
【請求項２５】
モル百分率で、以下の成分、２５％のＲ２２、２５％のＲ２３、および５０％のクリプトンを含み、該モル百分率が＋／−１０％の範囲をもつことを特徴とする、ジュールトムソン冷凍で使用するための、非−毒性かつ非−炎症性の流体混合物。
【請求項２６】
モル百分率で、以下の成分、４３％のＡｒ（＋／−７．５％）、１３％のＫｒ（＋／−５％）、１１％のＲ１４（＋／−５％）、２％のＲ２２（＋／−５％）、１４％のＲ２３（＋／−５％）、４％のＲ１２４（＋／−５％）、および１３％のイソペンタン（＋／−５％）を含むことを特徴とする、ジュールトムソン冷凍において使用するための流体混合物。
【請求項２７】
モル百分率で、以下の成分、５０％のＡｒ（＋／−１０％）、１０％のＣＨ4（＋／−５％）、１８％のＣ2Ｈ4（＋／−５％）、５％のＮＦ3（＋／−５％）および１７％のＲ１４２ｂ（＋／−５％）を含むことを特徴とする、ジュールトムソン冷凍において使用するための流体混合物。
【請求項２８】
Ｋｒ、Ｒ２２、Ｒ２３、Ｒ１４２ｂ、Ｒ１２４およびＮＦ3の群から選択される複数の成分から製造され、
少なくとも５０％がＫｒであり、残部が残りの該成分の一つ以上で構成されることを特徴とする、閉サイクル冷凍外科システムで使用するための、極低温ガス混合物。
【発明の詳細な説明】
発明の属する分野
本発明は、小型物体または物体の極く小さな部分を、極めて低い温度に冷却する領域に関する。冷却すべき該物体は、生物学的なもの、電子部品等を含むことがてきる。
発明の背景
努力がなされている多くの分野においては、極めて小さなまたは微視的な物体を、該物体を取り巻く環境の温度に影響を及ぼすことなしに、極めて低い温度まで、選択的に冷却できることが望ましい。このことは、エレクトロニクスの分野において真であり、ここでは、隣接する部品を冷却することなしに、回路基板上の小型部品を冷却することが望ましい場合がある。これは、医薬の分野においても真であり、この分野では所定器官の隣接する組織を実質的に冷却することなしに、生物学的な組織の微小な別々の部分を、冷凍外科の実施において、極めて低い温度まで冷却できることが望ましい場合がある。簡単化のために、本明細書では、医薬の分野におけるこの要求を扱うことにするが、エレクトロニクス等の他の分野における本発明の適用も、本発明の範囲内に入るものとする。
冷凍外科は、医学、歯科学および獣医学における重要な手法となっている。顕著な成功は、婦人科学および皮膚科学の専門分野において経験されている。その他の専門分野、例えば神経外科学および泌尿器科学等は、この冷凍外科技術の実施による利益を得る可能性があるが、これは僅かに限定された様式でのみ見られる。不幸なことに、一般的に知られている冷凍外科装置には、いくつかのこのような分野におけるその使用を、困難もしくは不可能としている、幾つかの限界がある。具体的には、公知のシステムは、広範な内視鏡的なまたは経皮的な使用を可能とするに十分な精度および融通性をもつように、最適に設計されている訳ではない。
冷凍外科の実施においては、ターゲット組織を適当に冷凍するように設計された冷凍外科用のシステムを使用して、該組織内の疾患に罹ったまたは変質した細胞を破壊することが、典型的である。破壊すべき異常な細胞は、しばしば損傷させないままに維持すべき健康な組織によって取り巻かれている。従って、所定の用途において使用されている、特別なプローブまたは他のアプリケータは、該用途に対して最適の形状およびサイズをもつように設計され、組織の選択的な冷凍を達成している。プローブを使用した場合、該冷凍装置の残りの部分は、十分な冷却をもたらすように設計される必要があり、該プローブの該操作部分を所定の温度に低下させ、かつ所定の熱的負荷のために望ましい温度を維持するのに十分な、出力または能力をもたせることを含む。このシステム全体は、該プローブの該操作部分を、他の器官または系に対していかなる望ましからぬ作用をも及ぼすことなく、凍結すべき該組織部分に配置させるように、設計されている必要がある。
一般的に公知の冷凍外科システムは、典型的に冷却流体として液体窒素または亜酸化窒素を使用している。液体窒素は、通常破壊すべき該組織上に噴霧されるか、あるいは該組織に適用されるプローブを冷却するように循環される。液体窒素は、約７７Ｋの極めて低い温度および高い冷却能をもち、従ってこの目的にとって極めて望ましい。しかしながら、液体窒素は、典型的には使用中に蒸発して、大気中に散逸するので、貯蔵タンクを継続的に置換する必要がある。更に、該液体は非常に低温であるので、該用途で使用する該プローブおよび他の機器は、真空ジャケットまたは他の型の絶縁を必要とする。このことは、該プローブを比較的複雑で、嵩高く、しかも剛性のものとし、そのために内視鏡または血管内での使用を不適当にする。比較的嵩高い供給ホースの必要性および段階的な関連する部品全体の冷却は、該液体窒素設備を、医師にとってあまり快適なものではなくしており、しかもこれらは望ましからぬ組織の損傷を生ずる。
亜酸化窒素システムは、典型的には該ガスを加圧し、次いでこれをジュールトムソン膨張要素、例えばバルブ、オリフィス、または他の型の流動制限手段を介して、プローブ先端にて膨張させることにより冷却を達成する。任意のこのようなデバイスは、以下簡単にジュールトムソン「膨張要素」と呼ぶことにする。典型的な亜酸化窒素システムは、ガスを７００〜８００ｐｓｉａに加圧して、約１９０Ｋ〜２１０Ｋ程度の実用的な温度を達成している。亜酸化窒素システムは、該窒素システムにより達成される温度および出力を達成することができない。亜酸化窒素システムにより達成できる最大の温度降下は、１８４Ｋまでであり、これは亜酸化窒素の沸点である。該亜酸化窒素システムは、入口部の高圧ガスが、該プローブ先端部の該ジュールトムソン要素に到達するまで、本質的に室温下にある等の幾つかの欠点をもつ。これは、該システムの絶縁の必要性を排除し、ある程度まで小型化および融通性の達成を容易にする。しかしながら、比較的高い温度および低い出力のために、組織の破壊および他の用途の点で制限される。多くのこのような用途にとっては、１８４Ｋ以下の温度が望ましい。更に、該亜酸化窒素は、典型的には該システムに通した後、大気中に排気する必要がある。というのは、必要とされる該高圧を達成するのに適した入手可能な圧縮機が信頼性が低く、かつ容易に市場で入手できないからである。
多くのジュールトムソンシステムにおいては、単一の非−理想気体を加圧し、次いで絞り部材または膨張要素を介して膨張させて、等−エンタルピー性の冷却を達成している。使用するガスの諸特性、例えば沸点、反転温度、臨界温度および臨界圧が、所定の冷却温度を達成するのに必要な開始圧力を決定する。ジュールトムソンシステムでは、典型的に熱交換機を使用して、流入する高圧ガスを、流出する膨張ガスで冷却し、膨張した際により高い温度降下とより大きな冷却出力を達成している。与えられたジュールトムソンシステムについては、該所定の冷却とは、該必要とされる熱交換容量を意味する。フィン付きチューブ型熱交換機が使用されているが、これらは該所定の冷却を達成するためには、必然的に嵩高いものとなり、このことは、カテーテルを備えた設備等の極微小なシステムにおけるその利用を阻害している。より小型の熱交換機も公知であり、これらはフォトエッチング処理したガラスプレートで構成されている。これらの熱交換システムは、そのサイズにおいて依然として数ｃｍ角程度に止まっており、内視鏡、カテーテルおよび他のシステムにおける等の、真に極微小の用途に対しては、依然として過度に嵩高いものとなっている。更に、これら熱交換機は、平坦であり、カテーテルまたは内視鏡等の管状の構造体に組み込むことを困難にしている。これら多くの医学的用途においては、該部晶の寸法は、幅約３ｍｍ未満であって、カテーテルまたは内視鏡に組み込むことが可能であり、かつ好ましくは長さ１５ｍｍ未満であって、十分な可撓性を保証する必要がある。
熱交換の要件は、該プローブ先端部の熱交換前に、該ガスを予備冷却することにより、幾分は緩和できる。これは、ペルチェデバイスを、該プローブ先端部の熱交換前に、該流路内に組み込むことにより達成できる。該ペルチェデバイスの低温側の表面上の熱交換機を流動するガスは、該プローブ先端部の熱交換機に達する前に冷却される。あるいはまた、該入口の高圧流を分流して、該流れの一部を流用しかつ膨張させて、該プローブ先端部の熱交換機に達する前に、該入口部の流れの残部を冷却することもできる。
ジュールトムソンシステム内での冷却の画期的な改善が、単一のガスではなく寧ろガス混合物を使用することにより実現できる。例えば、窒素に炭化水素を添加することにより、与えられた入口圧に対する、該冷却出力および温度降下を増大することができる。更に、圧力を減じかつ高圧における該単一ガスシステムに匹敵する、性能を達成することが可能である。単一ガスシステムと同様に、これらの混合ガスシステムは、熱交換機を必要とし、かつ該熱交換機のサイズのために、その小型化能力の点で制限される。混合ガスシステムにより実現される、冷却における改良は、医学的および他の極微小システムにとって極めて望ましいことである。
幾つかの混合ガスシステムが工夫され、そこでは高圧は重大な事項ではなく、また嵩高い高効率の熱交換機が使用できるが、これらは典型的には防衛および宇宙空間用途において利用されている。上記のガラスプレート熱交換機が、このような幾つかのシステムで使用されており、またこれらのシステムは、しばしば１２００ｐｓｉａなる圧を必要とする。レーザーシステム、超伝導体、エレクトロニクスおよび冷凍外科等の多くの用途において、約４２０ｐｓｉａ以上の圧は、安全性の理由により、および該デバイスが貧弱な寿命、高いコストおよび低い信頼性を示すことから望ましくない。更に、内視鏡および経皮用途は、約３ｍｍを越える幅または約１５ｍｍを越える長さの、任意の熱交換機の利用を阻害する。
具体的には、長く幅の狭い、可撓性の低温プローブ、例えば経血管心臓カテーテルを開発することが望まれている。離れた血管内のアクセス点から、心臓内に挿入されるためには、心臓カテーテルは、極めて細く、５ｍｍ未満である必要があり、またかなりの可撓性を示す必要がある。このような用途で使用する冷凍外科用のカテーテルは、同様に安全性の理由から、比較的低い作動圧をもつ必要がある。循環血液により及ぼされる周辺の加熱負荷を克服するために、冷却能力をもつ必要があり、しかも十分な低温を達成し、該ターゲット組織を破壊できるものである必要がある。最後に、該低温熱伝達要素を、該カテーテルの先端または端部領域に制限して、該ターゲット組織以外の組織破壊を防止する必要がある。
本発明の目的は、最適の流体混合物を処方し、かつ該混合物を小型混合ガス冷凍システムで使用する方法を提供することにあり、該冷凍システムは、１８３Ｋ以下の冷却温度を、４２０ｐｓｉａを越えることのない高圧を利用して達成でき、また経血管心臓カテーテル等の小型放出システム内に取り付け可能な部品を有している。
本発明のもう一つの目的は、最適の流体混合物を処方し、かつ該流体混合物を、極微小の熱交換機を使用する、小型の冷凍システムで使用して、ジュールトムソン膨張要素による等−エンタルピー膨張用の、十分に低温の高圧ガス混合物を生成して、少なくとも１８３Ｋ程度の膨張ガス温度を達成し、十分な冷却能力をもたせて、熱負荷が掛けられた場合に、この温度を維持し、かつ４２０ｐｓｉａを越えることのない高い入口圧で、これを達成する方法を提供することにある。
発明の概要
本発明は、小型冷凍システムを作動させる方法を含み、その冷媒として使用するための、最適な流体混合物を選択する方法を包含する。該用語「ガス混合物」とは、ある程度まで本明細書で使用するが、一般的にガスと呼ばれる多くの組成物が、実際には幾つかの温度および圧において、幾分かの液体を含むという周知の事実から、液状成分を全く含まない混合物に制限するつもりはない。該冷凍システムは、ガス混合物を４２０ｐｓｉａまで圧縮するための圧縮機を含む。該圧縮機からの高圧ガス混合物は心臓カテーテルの内部チューブ等の高圧供給チューブに供給され、これは順に該高圧ガス混合物を、円筒状の極微小向流式熱交換機の近位末端における、入口に供給する。この高圧ガス混合物は、該熱交換機内の高圧供給通路を通り、かつ該熱交換機の遠位端部における開口を通して排出される。該高圧の遠位出口は、ジュールトムソン膨張要素と接続しており、該要素において該ガス混合物は、少なくとも１８３Ｋ程度の低温かつより低い圧まで、等−エンタルピー膨張する。該膨張要素は、第二ステージをもつことができ、そこで該ガス混合物は更に等−エンタルピー膨張して、周囲から付随的な熱を吸収することができる。
該ジュールトムソン膨張要素は、外部チューブの壁に、該内部チューブと同心状に取り付けられた、熱伝達要素の内部表面に暴露される。この膨張したガス混合物は、該熱伝達要素を少なくとも１８３Ｋ程度の温度まで冷却し、次いで該熱交換機の低圧復路を通って戻る。これは、該高圧ガスをその元の周囲温度から低温に冷却する。該熱交換機の該低圧出口から、該膨張ガス混合物は、該内部高圧チューブの外側の該外部チューブの空洞内に流入し、該圧縮機に戻る。
該熱交換機は、幾つかの異なる型の積層構造をもつことができる。好ましい態様においては、該熱交換機は、その軸方向の軸に沿って交互に積み重ねられた複数のプレートおよびスペーサで構成される。該プレートは、該熱交換機の該高圧を設定するための第一の複数の孔、および該熱交換機の該低圧を設定するための第二の複数の孔を有する。該高圧の孔は、該低圧の孔から分離されている。大きな開口をもつスペーサは、該プレート間に積み重ねられ、乱流の生成を促進し、かつ効率的な熱交換を保証する。該プレートおよびスペーサは、拡散結合等の方法により一緒に固定できる。
該ジュールトムソン膨張要素は、所定の圧力降下を与えるように、複数の金属ビーズを焼結して、金属カップとすることにより製造される、焼結金属プラグであり得る。存在する場合には、これら２つの異なるステージでは、異なるサイズのビーズ、異なる断面領域、および異なる充填密度を使用することができる。該熱伝達要素は、該冷却すべき物質または組織と整合するように、最適の形状をとることができる。該外部チューブまたはカテーテルの先端に金属プラグを取り付けて、該カテーテルの遠位の先端を介して冷却を行うことができる。あるいはまた、比較的狭い金属ストリップを、該カテーテルの側壁に、該遠位の先端に設けて、組織の狭いストリップを冷却することができる。
上記の装置を稼働する方法は、該冷媒として使用するための最適なガス混合物を選択することを含む。この装置の使用のためにもくろまれた徴小環境においては、使用する該熱交換機に過酷な制限が課せられる。例えば、必然的に、心臓カテーテルは、これが貫通される血管の径によって、その径は厳密に制限される。更に操縦性要件は、該カテーテルが幾分か可撓性であり、かつ該熱交換機は完全に剛性ではないとしても、幾分か剛性であることが必要とされる。従って、該熱交換機の許容長さは、厳密に制限される。該熱交換機のサイズの制限は、当然のことながら、該交換機内で伝達できる熱の量を制限する。
該熱交換機のサイズおよび能力に関するこの型の厳密な制限は、適当な熱力学的特性を有する、ガス混合物を選択することにより、該システムを最適化して、これが可能な限り良好に機能するようにすべきであることを要求する。この選択工程の目標は、該予備冷却熱交換機と該ジュールトムソン膨張要素との組み合わせの冷却能力を最大にすることにある。選択された高および低圧間でおよび選択された高および低温度間で動作する、与えられたガス混合物に対しては、完全な熱交換機においてさえ、伝達できる熱の量に限界がある。本発明は、ガス混合物の一群の候補からある混合物を選択する方法を包含し、該混合物は、該ジュールトムソン膨張要素の冷凍出力と完全な熱交換機の熱伝達能力との間の性能比を最適化するであろう。
この方法は、まず成分流体のリストを収集することを含み、該成分流体を、種々の混合物と組み合わせて、最適の混合物を得る。各流体混合物は、これが該装置内で凍結しないことを保証するために、遭遇する最低温度以下の三重点をもつ必要がある。種々の方法を利用して、各流体混合物がこの性質をもつことを保証することができる。その方法の一つは、該成分流体各々が、遭遇する最低温度以下に三重点をもつことを保証することである。このことは、これら流体の任意の混合物がこの基準を満たすことを保証するであろう。しかしながら、流体混合物が、その成分の幾つかの三重点以下に三重点をもつことが一般的である。従って、各流体混合物の三重点が、該遭遇する最低温度以下であると計算される限りにおいて、該遭遇する最低温度以上に三重点をもつ数種の成分流体を使用することは、可能であろう。
該流体混合物が正のジュールトムソン係数をもち、結果として圧力における降下が、温度の降下を伴うことを保証する必要もある。該三重点基準に関連して、この基準は、各成分流体が正のジュールトムソン係数をもつことを保証することにより達成できる。しかしながら、たとえ成分流体の幾つかが負のジュールトムソン係数を有していたとしても、流体混合物に正のジュールトムソン係数をもたせることも可能である。従って、各流体混合物の該係数が正の値であると計算される限り、負の係数をもつ幾つかの成分流体を使用することは可能であろう。
このリスト中の該成分流体各々に関連して、選択された温度範囲および選択された圧力範囲に渡る複数のデータ点において、モルエンタルピーが公知であり、これらの範囲は、該流体混合物が該装置を介してポンプ輸送されるであろう点における温度および圧を含む。次いで、該流体の種々の混合物を選択する。その各混合物は、選択された最大数までの成分流体を含む。次いで、該成分流体の既知の熱力学的な特性に基いて、各流体混合物のモルエンタルピーを、選択された温度範囲および選択された圧力範囲に渡る複数のデータ点において、計算する。
次に、各流体混合物に関連して、一連の計算を実施する。該高圧側または該低圧側における、該熱交換機を介する該圧力降下は、無視できるものと仮定する。あるいはまた、出発圧は、該熱交換機内での関連する圧力降下を考慮して、選択することができる。該選択された圧力範囲における該低圧に関連して、該選択された温度範囲における該低温での、該流体混合物のモルエンタルピーを、該範囲内の該高温での、モルエンタルピーから差し引き、これら２つの温度における該流体混合物の状態間の、低圧エンタルピー差を得る。同様に、該選択された圧力範囲の該高圧に対しては、該低温におけるモルエンタルピーを、該高温におけるモルエンタルピーから差し引いて、これら２つの温度における該流体混合物の状態間の、高圧エンタルピー差を得る。これら２つのエンタルピー差のうちの低い方が、最大モルエンタルピー差であり、これは選択された温度範囲および選択された圧力範囲に渡り、選択された流体混合物を使用して稼働した、完全向流式熱交換機において達成できる。該選択された流体混合物を使用するこのような熱交換機の、可能な最大の熱伝達能は、該流体混合物のモル流量とこのモルエンタルピー差との積である。
次いで、該選択された温度範囲に渡る複数の選択された温度における、各選択された流体混合物に対しては、該選択された圧力範囲内の該高圧における該流体混合物のモルエンタルピーを、該範囲内の該低圧におけるモルエンタルピーから差し引いて、該複数の温度各々に対する、これら２つの圧力における該流体混合物の状態間のモルエンタルピー差を得る。この計算を実施した該複数の温度は、該選択された温度範囲に渡り、一定の間隔で選択される。一例として、該選択された温度範囲が、１２０Ｋ〜２７０Ｋである場合には、該選択された複数の温度間の間隔は、全体で３０の間隔に対して、かつ３１の選択された温度に対して、５°間隔で設定できる。次に、この計算を、該３１の温度各々について実施する。使用する選択された温度の数が多い程、該計算された情報の有用性は高いであろう。これらの選択された温度各々において算出された該モルエンタルピー差は、エンタルピー増加であり、これは、温度が一定に維持されているとして場合には、該高圧から該低圧への、該選択された流体混合物の膨張中に起こるであろう。
ジュールトムソン膨張においては、該流体からまたは該流体への熱の伝達は、殆どあるいは全くなく、これは該熱が該膨張要素を流動するからであり、この際には該流体のポテンシャルエネルギーに変化はなく、何の仕事もなされず、かつ該流体の運動エネルギーにも殆どまたは全く変化は見られない。従って、該膨張前後の該流体のエンタルピー状態は、本質的に同一である。該圧力が急激に減少すると、該流体の温度も急激に変化し、本質的に一定のエンタルピーが維持される。次に、このより低温の流体を使用して、回りを冷却することができる。該選択された流体混合物を使用した場合、該選択された圧力範囲に渡る、ジュールトムソン膨張により利用可能な最大の冷凍出力は、該流体混合物のモル流量と、該選択された温度範囲に渡る任意の温度において算出された、最小のモルエンタルピー差との積である。
従って、該群の各流体混合物は、可能な最大の冷却出力と、可能な最大の熱伝達能を示す。本発明の装置の動作を最適化するために、上記候補から、該利用可能な冷却出力と該熱交換機を横切る利用可能な伝熱との間の最大の性能比を与えるであろう、流体混合物を選択する。これが、選択された温度および圧力範囲内で、最適の流体混合物である。該利用可能な冷却出力が、該利用可能な熱伝達と同様に大きいことを意味する、該性能比が１以上である場合には、該所定の温度および圧力範囲に渡る、可能な最大の冷却は、ジュールトムソン膨張のみで達成でき、かつ熱交換機は必要とされないことを理解することができる。該最大の性能比が１未満である場合には、熱交換機が必要とされる。
本発明の新規な特徴並びに本発明自体は、以下の説明と共に、添付図面を参照することにより、最もよく理解されるであろう。該添付図面において、同様な参照符号は類似する部品を意味する。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明で使用する典型的なガス混合物に関する、エンタルピー対温度のグラフである。
第２図は、本発明の小型冷凍システムの一態様の斜視図である。
第３図は、第２図に示した該冷凍システムの冷凍外科用プローブ部分の、遠位端部部分の部分断面図である。
第４図は、第３図に示した該冷凍外科用プローブで使用した、極微小熱交換機において使用する、熱交換プレートの一形態の好ましい構成の正面図である。
第５図は、第４図に示した配向とは異なる角配向で孔を示す、熱交換プレートの第二の構成の正面図である。
第６図は、第３図に示した該プローブで使用した、極微小熱交換機において使用する、スペーサの好ましい一態様を示す正面図である。
第７図は、該極微小熱交換機の第二の態様において使用するスペーサの第二の態様を示す正面図である。
第８図は、該極微小熱交換機の第二の態様において使用する、プレートの第一の構成を示す正面図である。
第９図は、高圧および低圧開口の異なる配向を示す、該極微小熱交換機の第二の態様において使用する、プレートの第二の構成を示す正面図である。
第１０図は、供給および戻りガス混合物の流動を示す、該極微小熱交換機の第二の態様において使用する、プレートのおよびスペーサの一連の正面図である。
第１１図は、供給および戻りガス混合物の流動を示す、第１０図に示された該複数のプレートのおよびスペーサの断面図である。
第１２図は、最終的な成形前に、本発明において使用する該極微小熱交換機の第三の態様の斜視図である。
第１３図は、最終的な成形後の、第１２図に示された熱交換機の斜視図である。
第１４図は、本発明において使用する該冷凍外科用プローブの該遠位端部部分の第二の態様を示す、部分断面図であり、幅の狭い、長い熱伝達要素を示す。
第１５図は、第１４図のライン１５−１５に沿ってとった、該第二の態様の断面図である。
第１６〜３２図は、例示の目的で与えられた、１７個の流体混合物の、エンタルピー表およびグラフである。
好ましい態様の説明
本発明の成功のカギは、最適な流体混合物の選択にある。というのは、如何なる公知の単一ガスも、与えられた温度にて、選択された用途で使用するためのシステムについて課せられた、所定のサイズ上の制限および圧力に関する制限において、所定の冷却能を達成することを可能としないからである。幾つかのガス混合物を、本発明で使用するために同定した。また他のガス混合物の同定にも関連する。適当なガス混合物は、種々の形態をとることができ、またこれら炭化水素−ベースまたは非−炭化水素−ベースのものであり得る。幾つかの流体混合物は他のものよりも有意に機能する。というのは、利用可能な一群の混合物から、最適の混合物を同定し、かつ選択できることが重要であるからである。多くの用途に対して有用であるとして一般的に認識されている一つの混合物は、３０％のメタンと、２３％の窒素と、２３％のイソブタンと、１９％のエタンと、５％のプロパンを含むものである。このようなガス混合物の等エンタルピー膨張の該温度容量は、第１図に示されており、該図は、１バール（１４．４ｐｓｉａ）、２１バール（３０５ｐｓｉａ）、および４１バール（５９５ｐｓｉａ）なる圧力における、該混合物のエンタルピー曲線を示す。該高圧の一つから該低圧への等エンタルピー膨張は、該グラフを横切って左側に水平に進み、温度降下を伴っている。達成可能な最低温度は、１００Ｋ以下の何れかにおける、該曲線が交差している点にある。該高圧ガス混合物の温度が低い程、該ジュールトムソン膨張要素を介する該等エンタルピー膨張により達成できる温度が低くなる。この曲線から、４１バールからの膨張および２１バールからの膨張により達成可能な温度間には殆ど差がないことも理解できる。例えば、使用した熱交換機が該高圧ガス混合物を、該膨張要素の直ぐ上流部にて、２１０Ｋなる温度まで冷却することができると仮定する。２１バールなる高圧を使用した場合、該等エンタルピー膨張は、１８０Ｋなる温度を与えるであろう。逆に、該ガス混合物が４１バールに加圧された場合には、等エンタルピー膨張後に達成できる温度は、依然として約１７３Ｋである。更に、所定温度における該１バール曲線と該高圧曲線との間の差によって表される冷却能または出力は、該高圧が２１バールであるか、４１バールであるかによらず、同等である。従って、該初期圧を２１バールまたは約３００ｐｓｉａに低下することにより達成される付随的な安全性は、性能のほんの僅かな低下をもたらすに過ぎない。明らかに、与えられたガス混合物に対しては、該熱交換機の効率が高い程、最終的に達成できる該プローブの温度は低く、かつ該冷却出力は大きくなるであろう。
第２図は、冷凍外科用の本発明の冷凍システム１０を示す。このシステム１０は、市販品として入手可能な一段階圧縮機１２、該圧縮機１２の入口および出口と接続している、可撓性二重内腔ホース１４、ステアリングハンドル１６および冷凍外科用プローブ１８からなっている。該圧縮機１２は、幾つかの入手可能な任意のものであり得、しばしば後部冷却機、オイル分離器および吸着フィルタを使用する。あるいはまた、オイルフリーの圧縮機も使用できる。ホース１４は、関連する圧力および化学的暴露に対して適した、使用する該ガス混合物に適した任意の可撓性の二重内腔ホースであり得る。該ハンドル１６は、医師が該ガス混合物の流量を絞るために使用するように設けられた、制御膨張要素をもつことができる。あるいは、該流れは、該圧縮機における流れを調節するフットスイッチを介して調節することもできる。該プローブ１８は、該圧縮機１２の該出口からの該高圧ガス混合物を誘導するための、かつ該圧縮機１２の該入口に該膨張した低圧ガスを戻すための内部チューブを有する同心状のカテーテルである。該プローブ１８は、遠位の部分または領域２０を有し、そこには該熱交換機、膨張要素、および熱伝達要素が位置している。該プローブ１８は、適当な径、長さおよび可撓性をもつものであって、冷却すべき該物体に、例えば患者の血管系を通して、その心臓に挿入される。
第３図は、該同心状のカテーテル１８の該遠位端部部分２０の部分断面図である。該カテーテル１８は、外部チューブ２２および内部チューブ２４とからなっている。該外部チューブ２２は、該カテーテル１８の端部まで連続していてもよく、あるいは延長部２３をもつこともでき、これは全ての実際上の目的に対する、該外部チューブ２２の一体化部分と考えることができる。該外部チューブ２２は、ワイヤーブレードポリマー、例えばポリアミド−エーテルコポリマーから公知の方法に従って作成される。該内部チューブ２４は特定の用途に関連した該最大の高圧に対して十分な圧力能を有するワイヤーブレードポリアミドから作成される。該内部チューブ２４は、入口の嵌合手段２６により、極微小熱交換器２８の近位端部に接続されている。該熱交換機２８の遠位端部には、ジュールトムソン膨張要素３０が取り付けられている。該膨張要素３０の遠位端部は、該外部チューブ２２または延長部２３の該遠位端部において、内腔３１に対して露出しており、熱伝達要素３２により閉じられている。該膨張したガス混合物は該熱伝達要素３２の内部表面６６を冷却し、結果としてその外部表面６８を冷却する。該外部表面６８は、医師により冷却される該物体に対向して配置される。
より具体的には、該内部高圧チューブ２４の該遠位端部は、該入口の嵌合手段２６により、該熱交換機２８の近位端部における該高圧入口３４と接続している。該高圧入口３４は、該熱交換機を通して高圧供給路３６に導かれ、本態様では該熱交換機２８の中心軸部分として示されている。該熱交換機２８は、該内腔３１に対して露出した遠位端部において、低圧入口３８をも有する。この低圧入口３８は、低圧帰還路４０に導かれ、該熱交換機の外部環状部分として示されており、該高圧路３６を包囲している。該低圧路を介して流動する、該低圧かつ低温ガス混合物は、該高圧路を流動する該高圧かつ高温ガス混合物を予備冷却する。該熱交換機２８は、交互に積層された銅板４２およびステンレススチールスペーサ４４により構成され、これらは一緒に拡散結合されている。本発明の精神を逸脱することなしに、他の結合法を使用することも可能である。該熱交換機２８は、本図では簡単化のために、該板４２およびスペーサ４４上に外部スキンをもつものとして図示されているが、実際には該スキンは、最適には各スペーサ４４上の外部リング４５により与えられ、以下においてより明らかにされるように、各板４２の最外部の環状部分に結合している。各板４２の中央部分は、複数の貫通孔４６を有し、これらは該スペーサ４４の中央部の開口と共に、該遠位方向に、該熱交換機２８を貫通する長手方向に、該高圧路３６を設定する。同様に、各板４２の該外部部分は複数の貫通孔４８を有し、これらは該スペーサ４４の外部開口と共に、該近位方向における、該熱交換機２８を通る長手方向に、該低圧路４０を確立する。該高圧路３６は、各スペーサ４４上の内部リング４７により該低圧路４０から分離されている。
該熱交換機２８を通る高圧ガス混合物は、該熱交換機の中央部の速位部分における高圧出口開口５０において、該高圧路を出て、該ジュールトムソン膨張要素３０の入口５２に入る。この膨張要素３０は、第一の径をもつ第一ステージ５４を有し、そこで第二の大きな径まで等エンタルピー膨張を起こし、該ガス混合物の温度を所定の温度まで下げる。次いで、該ガス混合物は、第二のステージ５６を通り、ここで等エンタルピー膨張を起こして、該ガス混合物を依然として該所定の温度に維持するが、該工程における周辺部の構造体から熱を吸収する。該第一のステージ５４は、金属シリンダー５８を、選択された充填密度で、選択された金属ビーズで満たすことにより作成され、該ガスの所定の膨張率を達成する。該ビーズは、該シリンダー５８内の所定の位置で焼結される。同様に、該第二のステージ５６は、第二の金属シリンダー６０を、所定の充填密度にて、選択されたサイズの金属ビーズで満たすことにより製造され、該ガスの所定の膨張率を達成する。典型的には、該第二のステージ５６は、より大きな表面積を有していて、熱伝導を促進する。
該近位方向において、該熱交換機２８を通過する、該膨張したガス混合物は、該熱交換機２８の該近位端部において、低圧出口開口６２における、該環状の低圧路４０を出る。この膨張ガス混合物は、該内部チューブ２４を取り巻く、該外部チューブ２２の内側内腔６４に入り、該圧縮機１２に戻されることになる。
第４および５図は、該プレート４２の構造および該熱交換機２８内のその角度方向の配向をより明確に示している。各プレート４２は、その中央部分を貫通する、第一の複数の高圧孔４６およびその外部環状部分を貫通する、第二の複数の低圧孔４８を有する。該内部孔４６の径および間隔は、該外部孔４８の径および間隔よりも小さい。該２つの異なる経路に関する孔の径および間隔の選択は、周知の設計原理によれば、これら２つの異なる圧力において、最小の圧力降下および最大の熱伝達量を最適化するように工夫される。第４および５図は、また隣接プレート４２間の相対的な角度配向をも示している。これら２つの図は、実際に同一のプレート構成を示し、第５図の該プレート４２は、単に第４図の該プレート４２に対して回転したものである。該該プレート４２において使用した該孔パターンは、変えることができ、その目的は、該ガス混合物と該プレート４２との間の熱交換接触を最大にすることにある。ガスは該プレートの該高圧部分から該低圧部分には流れず、前に第３図に示したように、該プレート４２と該挿入スペーサ４４の一般内部リング４７との間の接触により阻止される。隣接プレート４２間の相対的な角度配向は、また選択された孔のパターンに従って、変えることができ、その目的は、該ガス混合物の乱流を最大にし、熱伝導を促進することにある。第３、４および５図から明らかな如く、該通路３６、４０の何れかにおける該熱交換機２８を流動するガスは、幾分曲がりくねった通路に沿って流動し、該流路の実質的部分は、該熱交換機２８の軸を横切る運動に関与している。図示した態様においては、該流れの横方向の成分は、隣接プレート４２間の相対的な角度配向により生ずる。この曲がりくねった通路は、効果的な熱伝導を促進し、該極微小熱交換機２８が、該所定の温度降下を達成し、該ジュールトムソン膨張要素３０による該所定の等エンタルピー膨張を可能とし、最終的に該所定の冷却温度を与える。この態様における熱の流れは、実質的に半径方向をとる傾向がある。
第６図は該スペーサ４４の好ましい態様を示し、これは該プレート４２間に挿入されている。該スペーサ４４は、スポーク７０により所定の同心的関係で支持されている、外部リング４５および内部リング４７を有する。該内部リング４７内の内部開口７２はプレート４２間の該高圧通路３６の一部として機能する。該内部リング４７と該外部リング４５との間の複数の外部開口７４は、該プレート４２間の該低圧通路４０の一部として機能する。該内部リング４７は該高圧および低圧開口７２、７４間の仕切りとして機能する。
第７図は、該スペーサ４４’の第二の態様を示し、これは第８および９図に示したプレート４２’の第二の態様と共に使用できる。このスペーサ４４’は、外部リング４５’と高圧／低圧仕切り４７’とを有する。この仕切り４７’は、該高圧開口７２’と該低圧開口７４’とを分離している。該スペーサ４４’を、第７図に示された配向から引っ繰り返して、以下において明らかにされる理由のために、該仕切り４７’の配向と逆転させる得ることを理解できる。第８図は、プレート４２’を示し、これは比較的小さな矩形の高圧孔４６’と比較的大きな矩形の低圧孔４８’とを有し、該矩形孔４６’、４８’の長手方向は、垂直に配置されている。第９図は、同一の型のプレート４２’を示し、その矩形の孔４６’、４８’は水平に配置されている。これら２つの孔のパターンおよび該スペーサ４４’について可能な該２つのスペーサ配向は、第１０図に示すような、一連の隣接プレート４２’およびスペーサ４４’を形成するのに使用される。
第１０図は、左から右に配列されたこの群を示し、これらは該熱交換機の近位端部から、連続的に該低圧端部に向かって配置されている。矢印ＨＰは該高圧ガス混合物の該頁の面における流路を示し、一方で矢印ＬＰは該頁の面からの該低圧ガス混合物の流路を示す。第１１図は、更に該積層されたプレート４２’およびスペーサ４４’を貫通する垂直断面を示すことにより、この流路を示した図である。隠れた高圧および低圧孔の位置を示すために、破線を使用した。ここでも、該ガス混合物が、該高圧および低圧流路３６、４０両者を貫く曲がりくねった通路に沿って流動することが分かるが、この態様においては、該流れの横方向の成分は、該第一の態様におけるよりも一層顕著であり、該熱の流れは、放射方向ではなく、より軸方向をとる傾向がある。
第１２および１３図は、本発明の熱交換機の更に別の態様を示し、これは積み重ねられたプレートとスペーサではなく、巻回シートにより構成される。該カテーテル１８の該内部チューブ２４が示されており、これは第一のシート７６にエッチングにより形成された、迷路状の高圧通路３６’と接続されている。絞りも、該高圧通路３６’の出口に、エッチングにより形成され、ジュールトムソン膨張要素３０’を構成している。第二のシート８０は、そこにエッチングにより形成された低圧通路４０’を有し、また入口３８’および出口６２’を備えている。該第一のシート７６と該第二のシート８０との間には、スペーサシート７８が配置されて、該高圧および低圧通路３６’、４０’を分離している。これらシート７６、７８、８０は、図示した配向で積層され、かつ拡散結合されており、あるいはある他の適当な方法により接合されている。次いで、このアセンブリーを第１３図に示すように巻取り、円筒状の熱交換機２８’を形成する。
第１４および１５図は、該カテーテル１８’の該遠位端部部分の第二の態様を示し、これは幅が狭く長い熱伝達要素３２’を有する。この態様は、該カテーテルの端部部分が該膨張要素３０に固定された流体チューブ２７、流体チャンバー２９、および該流体チャンバー２９と該延長チューブ２３との間の絶縁２５をもつことかできることを示している。この構成は、その冷却出力が、主として該熱伝達要素３２’を介して適用されることを保証している。
この熱交換機のサイズおよび固有の熱伝導能力は、使用した形状とは無関係に制限される。この装置を使用する微小環境においては、空間が重要である。従って、心臓カテーテルまたは印刷回路基板何れで使用するかに応じて、厳密なサイズ上の制限が、該熱交換機に及ぼされる。例えば、心臓カテーテルを血管を通して、冷却すべきターゲット領域まで、挿入しかつそこで操作する必要がある。従って、心臓カテーテルは、必然的にこれを通過させる必要のある該血管の径によって、その径は厳密に制限される。その上、該カテーテルは、高い操縦性を有していて、医師の調節下で、該血管系に通すことができる必要がある。これらの操縦性は、該カテーテルが、特に該熱交換機が位置するその先端部において、幾分かは可撓性である必要がある。不幸にも、該熱交換機の多くの形状は、完全に剛性ではないにしても、恐らくかなりの程度剛性である。従って、該熱交換機の長さを、厳密に制限して、該カテーテルに、該領域における幾分かの可撓性を残す必要がある。勿論該熱交換機のサイズ上の制限は、該熱交換機に伝達できる熱量の、同一基準の制限をもたらすであろう。該熱交換機のサイズおよび容量におけるこの種の厳密な制限は、最適のガス混合物を選択することによって、性能を可能な最高のレベルに維持するために、該冷凍システム全体に要求される。該最適のガスまたは流体混合物は、該サイズに係わる制限にも拘らず、該システムが可能な限り良好に、冷却を実行することを可能とする、熱力学的な特性をもつであろう。この流体混合物選択工程の目的は、該予備冷却熱交換機と該ジュールトムソン膨張要素との組み合わせの該冷却出力を最大にすることである。
任意の特定のガス混合物に対して、および任意の選択された圧力範囲および温度範囲に対して、完全な熱交換機においてさえ、伝達できる熱量には理論的な制限がある。その制限は以下の式で与えられる：
Ｑhx＝ｎ［ｈ（Ｐ，Ｔh）−ｈ（Ｐ，Ｔc）］min
ここで、ｎはモル流量であり、ｈはモルエンタルピーであり、Ｔhは熱交換機の高温側端部における温度であり、Ｔcは該熱交換機の低温側端部の温度であり、Ｐは圧力であり、該Ｑhxの値は、該高圧および低圧両者において算出する。下付番ｍｉｎは、使用したＱhxの値が、該２つの圧力において計算した値よりも低いという事実を示す。
同様に、この特定の流体混合物に対しておよび該特定の圧力および温度範囲に対して、完全なジュールトムソン膨張要素によっても、達成可能な該冷凍出力には、理論上の限界がある。その限界は以下の式により与えられる：
Ｑｒ＝ｎ［ｈ（Ｐl，Ｔ）−ｈ（Ｐh，Ｔ）］min
ここで、Ｐlは該低圧であり、Ｐhは該高圧であり、またＴは該温度であり、また該Ｑrの値は、該選択された温度範囲の両極における該低温と高温との間で選択された複数の温度において計算した。
該理論上の冷凍出力対該理論上の熱伝導能の比、即ちＱr／Ｑhxは、性能比と考えることができ、これは該特定の圧力および温度範囲に渡る、この特定の流体混合物の特徴である。本発明は、一群の候補混合物から、該候補群中の任意の流体混合物の最大の性能比をもつであろう、流体混合物を選択する方法をも包含する。
まず、純成分流体のリストを作成し、これから該候補流体混合物を処方する。各成分流体は、基本的な流体であり、あるいはこれは幾つかの元素の化合物であり得る。各成分流体は有機または無機の何れてあってもよい。該流体混合物は、該装置内での該流体混合物の凍結を防止するために、該選択された温度範囲で、最低の温度以下の三重点をもつ必要があることが、要件の一つである。該リスト中の各成分流体が、遭遇する最低の温度以下の三重点をもつことを保証することにより、この要件を満たすことができる。あるいは、該成分流体の幾つかが、該処方された流体混合物の各々の該三重点が、該関連する温度範囲以下の三重点をもつ限りにおいて、該関連する温度範囲内で三重点をもつことができる。第二の要件は、各流体混合物が、正のジュールトムソン係数をもつ必要があり、即ち該流体混合物中の圧力降下が、温度降下を伴う必要があることである。このことを保証する一つの方法は、該リスト上の該成分流体各々が、正の係数をもつことを保証することである。あるいはまた、幾つかの成分流体は、各流体混合物の該係数が正の係数をもつ限りにおいて、負の係数をもつことができる。
このリストにおける該成分流体各々について、そのモルエンタルピーは、該選択された温度範囲および該選択された圧力範囲に渡る、複数のデータ点において公知である必要があり、ここで該選択された範囲は、該流体混合物が、該冷凍装置を介してポンプ輸送される、温度および圧力範囲である。
次いで、各流体混合物が幾つかの成分流体を含み、かつ各成分流体が特定のモル分率で存在する、該成分流体の複数の混合物を選択する。ある一つの流体混合物は、理論的には任意の数の成分流体を含むことができる。実際上は、勿論計算可能性は、幾つかの制限を、任意の一つの流体混合物中に含められる、可能な最大の成分流体数に置くことが必要となろう。同一の成分流体を含むが、該成分流体が異なるモル分率で存在する、２種の流体混合物は、異なる流体混合物であると考えられる。２種程度の候補流体混合物が、最も単純な場合における比較のために選択される。しかしながら、考慮中の該成分流体から処方できる最大数までの、任意の数の混合物を処方できる。該成分流体各々の既知の熱力学的特性に基づいて、処方された各流体混合物のモルエンタルピーを、次に該選択された温度範囲および該選択された圧力範囲に渡る、複数のデータ点において計算する。
該選択された温度および圧力範囲に渡る、複数のデータ点における、各流体混合物のモルエンタルピーを計算するための既知の方法の一つは、ミックスチャープロパティーデータベース（Ｍｉｘｔｕｒｅ  Ｐｒｏｐｅｒｔｙ  Ｄａｔａｂａｓｅ；ＤＤＭＩＸ）プログラムおよびサーモフィジカルプロパティーズオブハイドロカーボンミックスチャーズ（Ｔｈｅｒｍｏｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  Ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎ  Ｍｉｘｔｕｒｅｓ；ＳＵＰＥＲＴＲＡＰＰ）プログラム（両者共にＴｈｅ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ｓｔａｎｄａｒｄｓ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＮＩＳＴ）から入手できる）で使用されているような、拡張対応状態法（ｅｘｔｅｎｄｅｄ  ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ  ｓｔａｔｅｓ  ｍｅｔｈｏｄ）である。該候補流体混合物のエンタルピー値および他の熱物理的諸特性は、これらのプログラムを使用し、飽和境界整合（ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ  ｂｏｕｎｄａｒｙｍａｔｃｈｉｎｇ）に基づいて、適当な形状因子を使用することによって、評価することができる。典型的には、基準の流体を選択し、その他の流体の熱物理的特性は該基準流体の呈する特性との関連で与えられる。冷媒Ｒ１３４が、これらの計算のための適当な基準流体として機能することを見出した。しかしながら、他の流体を該基準流体として使用することも可能である。
選択された該成分流体は、該選択された温度範囲の低温側限界以下の三重点をもち、固体を処方する可能性を排除する必要がある。成分流体の該データベースは、冷媒、アルカンおよびアルケンを包含する軽質炭化水素、およびアルゴン、クリプトンおよびネオンを包含する貴ガスを含むことができる。各選択された流体混合物の相分離（ｐｈａｓｅ  ｓｐｌｉｔ）およびエンタルピー含量は、温度および圧力の関数として計算される。
各候補流体混合物に対して、次に一連の計算を実施する。しばしば、該高圧側または該低圧側における、該熱交換機を介する該圧力降下は無視できるものと仮定することができる。あるいは、かなりの圧力降下が関与している場合には、出発圧力を、該熱交換機内での該圧力降下を考慮して、選択することができる。該選択された圧力範囲における該低圧に対しては、該選択された温度範囲内の該低温における該流体混合物のモルエンタルピーを、該範囲内の高温におけるモルエンタルピーから差し引いて、結果としてこれら２つの温度における該流体混合物の状態間の、低圧エンタルピー差を得る。同様に、該選択された圧力範囲における該高圧に対しては、該低温におけるモルエンタルピーを、該高温におけるモルエンタルピーから差し引いて、結果としてこれら２つの温度における該流体混合物の状態間の、高圧エンタルピー差を得る。これら２つのエンタルピー差のより小さな方が、該選択された温度および圧力範囲に渡る、該選択された流体混合物を使用して動作される、完全な向流式の熱交換機において達成できる、理論上のモルエンタルピー差である。該選択された流体混合物を使用して、該選択された温度および圧力範囲に渡って動作される、この種の熱交換機の理論上の熱伝達能は、該流体混合物の該モル流量と、この理論的なモルエンタルピー差との積である。この理論的な熱伝達容量を、各候補流体混合物について計算する。
次いで、該選択された温度範囲に渡り、均一増加分にて、複数の温度を選択する。該温度増分の数およびその大きさは、変えることができる。往々にして、５°なる温度増分が満足なものである。一例として、該選択された温度範囲が１２０Ｋ〜２７０Ｋである場合、また該増分の大きさを５°に設定した場合には、これは全体で３０の増分および３１の選択された温度を与える。各候補流体混合物に対して、該選択された圧力範囲の高圧側の端部における、該流体混合物のモルエンタルピーを、該圧力範囲の低圧側端部におけるモルエンタルピーから差し引き、結果としてこれら２つの圧力における、該流体混合物の状態間の、モルエンタルピー差を得る。この計算を、該３１個の選択された温度の各々において実施する。使用した選択された温度の数が多い程、かつ該温度増分の大きさが小さい程、該算出された情報の有用性は高くなるであろう。これらの選択された各温度にて算出した、該モルエンタルピー差は、一定に維持された場合の該温度における、該高圧から該低圧への、該流体混合物の膨張の際に生ずるであろう、理論的なエンタルピー増加である。
しかしながら、ジュールトムソン膨張においては、該流体からのまたは該流体への熱の伝達の機会は殆どまたは全くない。というのは、熱は該膨張要素を流動し、該流体のポテンシャルエネルギーには何の変化もなく、仕事も全くなされずしかも該流体の運動エネルギーは全く変化しないか、あるいは極めて僅かに変化するに過ぎないからである。従って、該膨張の前後における該流体のエンタルピー状態は、本質的に同一である。該圧力は、膨張中に急峻な低下を示すので、該流体の温度も急激に低下し、かくして本質的に一定のエンタルピーを維持する。次いで、該より低温の流体を、周囲環境の冷却のために使用することができる。
従って、実際には、該温度は膨張中一定に保たれることはなく、また該選択された温度範囲において、該候補流体混合物のジュールトムソン膨張により利用できる、理論的な冷凍出力は、該選択された温度の何れかにおける、最低の理論的エンタルピー差の関数である。より具体的には、該候補流体混合物のジュールトムソン膨張により利用できる、理論的冷凍出力は、該流体混合物のモル流量と、該選択された温度範囲に渡る、任意の温度において計算された、該最低の理論的モルエンタルピー差との積である。該理論的冷凍出力を、各候補流体混合物について算出する。
従って、この群における各候補流体混合物は、該選択された温度および圧力範囲に渡り、理論的な冷凍出力および理論的熱伝達容量を示す。該理論的な冷凍出力対該理論的熱伝達容量の比は、性能比と呼ぶことができ、これは該温度および圧力範囲に渡る、この特定の流体混合物の特徴である。本発明の装置の動作を最適化するために、該候補混合物の中から、最大の性能比を与えるであろう流体混合物を選択する。これが、該選択された温度および圧力範囲内の、該候補流体混合物群中の、最適の流体混合物である。該理論的な冷凍出力が、該理論的熱伝達容量と同程度に高いことを意味する、該性能比が１以上である場合には、該選択された温度および圧力範囲に渡り、可能な最大の冷却が、ジュールトムソン膨張のみによって達成でき、かつ熱交換機は必要とされない。該群における該最大の性能比が１未満である場合には、熱交換機が必要とされるであろう。
第１６〜３２図は、該拡張対応状態法により誘導された、種々の流体混合物のエンタルピー値の第Ａ〜Ｑ表を示すものである。該候補流体混合物を処方するのに使用した成分流体は、Ａｒ、ＣＨ4、Ｃ2Ｈ4、Ｃ3Ｈ4、Ｋｒ、Ｎ2、ＮＦ3、１−ペンテン、イソブタン、イソペンタン、プロピレン、Ｒ１４、Ｒ２２、Ｒ２３、Ｒ３２、Ｒ１２４、およびＲ１２４ｂであった。これら成分流体の種々の混合物が、小型混合ガス冷凍システムの稼働において有用であり得ることを見出した。各表におけるエンタルピー値は、欄「低Ｈ」では１．０バールの低圧における値を示し、また欄「高Ｈ」では２１．０バールの高圧における値を示す。これらエンタルピー値に基づいて、計算を行い、各増加温度において計算された値δＨを得る。次いで、以下に記載する方法に従って、該選択された温度範囲に基づいて、δＨ*の値を、各増加温度に於いて算出する。エンタルピーおよび関連する値の表に加えて、各図は、δＨ*対温度のグラフ、および低Ｈおよび高Ｈ対温度のグラフをも示す。表Ａ〜Ｈは、１５０Ｋ〜３００Ｋの範囲内のエンタルピー値とδＨ*を示し、対象とする該選択された温度範囲は１５０Ｋ〜２７０Ｋである。表Ｉ〜Ｍは、１２０Ｋ〜２７０Ｋの範囲の、エンタルピー値とδＨ*を示し、対象とする該選択された温度範囲は１２０Ｋ〜２７０Ｋである。表Ｎ〜Ｑは、１００Ｋ〜２８０Ｋの範囲の、エンタルピー値とδＨ*を示し、対象とする該選択された温度範囲は１００Ｋ〜２６０Ｋである。
これらの表によりカバーされる温度範囲は、ある混合物に対するエンタルピー値を、任意の所定の温度範囲に渡り与えることができ、与えられた表における該δＨ*値が、対象とする該選択された温度範囲に基づいて計算されることを立証するために、任意に選択された。流体混合物間の比較は、同一の選択された温度範囲に基づいて計算されたδＨ*値をもつ表のみから採用することができる。例えば、全ての表は、１５０Ｋ〜２７０Ｋの範囲に渡るエンタルピー値を含む。しかしながら、表Ａ〜Ｈのみが、選択された温度範囲１５０Ｋ〜２７０Ｋに基づいて計算されたδＨ*値を比較するのに使用できる。というのは、その他の表のδＨ*値は、異なる選択温度範囲に基づいて計算されたからである。
同様に、表Ｉ〜Ｑは全て、１２０Ｋ〜２７０Ｋの範囲に渡るエンタルピー値を示すが、表Ｉ〜Ｍのみが、この選択温度範囲に基づいて計算されたδＨ*値を比較するのに使用できる。というのは、表Ｎ〜Ｑの計算されたδＨ*値は、選択された温度範囲１００Ｋ〜２６０Ｋに基づいて計算されたからである。与えられた表の、該選択された温度範囲外にある、δＨ*の列挙された値は本発明の方法により計算され、また表に示されているが、これらは、該選択された温度範囲内で使用する流体混合物の選択には関与しない。
以下の議論が、引用した表によりカバーされる、選択された温度範囲を特定するであろう。全ての場合において、温度増分はケルビン温度で５°である。Ｈはモルエンタルピーである。熱物理特性の値は、Ｒ１３４ａに対する値と関連する。各表は、１．０バールの低圧および２１．０バールの高圧に対する、温度増分５°における該候補流体混合物のモルエンタルピー値を列挙する。更に、該範囲に渡る各温度増分に対して、δＨが与えられ、δＨは、該温度での、該低圧におけるエンタルピー値と高圧におけるエンタルピー値との間の差である。
ある与えられた表における該低圧に対しては、該選択された範囲の該低温におけるエンタルピー値を、該選択された範囲の該高温におけるエンタルピー値から差し引いて、低温エンタルピー差を得ることが可能であることが理解できる。これは、該表の左下方の角部近傍に示されたｙ値である。同様な計算は、該高圧に対して実施でき、高圧エンタルピー差が得られる。これが、該左下方の角部近傍に示されたＸ値である。該低圧エンタルピー差および高圧エンタルピー差のうちの低い値が該選択された温度範囲に渡り利用できる、該理論的なエンタルピー差である。これが、該左下方の角部近傍に示されたｎｈ値である。ギブスのモル自由エネルギーも示されている。
各温度増分に対して、該δＨの欄に示された値を、該理論的エンタルピー差ｎｈで割り、その結果を、「δＨ*」と名付けた欄に示す。該理論的エンタルピー差ｎｈは、選択された温度範囲に基づいているので、δＨ*の計算値も、該温度範囲に基づくものである。該選択された温度範囲内の、δＨ*の最小の値は、任意の与えられた表に対して、該理論的熱伝達容量で割った該理論的冷凍出力と同一である。というのは、該モル流量がこれら両項において同一であるからである。この値、即ちδＨ*minは、該選択された温度範囲に渡る、該流体混合物に関する性能比である。
一例として、温度範囲１２０Ｋ〜２７０Ｋを選択し、かつ圧力範囲１．０バール〜２１．０バールを選択する。表Ｉ〜Ｍは、この選択された温度範囲に渡る、５種の流体混合物に関するδＨ*値を含む。この選択された温度範囲に渡り、δＨ*minの最大値をもつ該流体混合物を、表Ｊに与え、また該流体混合物に関するδＨ*minの値は０．２１８０である。このことは、この選択された温度および圧力範囲に渡る、選択された温度範囲１２０Ｋ〜２７０Ｋに基づき計算されたδＨ*の値を示す表に与えられた該流体混合物に関する、最適の流体混合物が４３％のアルゴン、１３％のクリプトン、１１％のＲ１４、２％のＲ２２、１４％のＲ２３、４％のＲ１２４、および１３％のイソペンタンであることを意味する。表Ｉ〜Ｍにおいて、５０％またはこれを越えるモル組成値は、可能な誤差＋／−１０％を有し、２０％〜４９％の値は、可能な誤差＋／−７．５％を有し、また２０％に満たない値は、可能な誤差＋／−５％を有する。
もう一つの例として、温度範囲１５０Ｋ〜２７０Ｋを選択する。表Ａ〜Ｈは、この温度範囲に基づいて、７種の流体混合物について計算されたδＨ*の値を含み、δＨ*minの最大の値をもつ該流体混合物を、表Ｅに与え、またこの流体混合物に対するδＨ*minの値は０．３７５６である。このことは、この選択された温度および圧力範囲に渡る、これら表に与えられた該流体混合物に関する、最適の流体混合物が７％のＲ２２、７％のＲ２３、２０％のＲ１４２ｂ）５５％のクリプトン、および１１％のＮＦ3であることを意味する。表Ａ〜Ｈにおいて、該モル組成値は可能な誤差＋／−１０％を有する。
表の利用を、更に該選択されたガス混合物における毒性および炎症性を排除する手段を示すことにより、説明することができる。例えば、ＮＦ3が潜在的にヒトに対して有害であることに注意して、最後の例で使用した該流体混合物は、心臓カテーテルで使用されるような、混合ガス冷凍システムで使用するには、望ましくない可能性がある。同様ではあるが、この成分流体を含まない流体混合物を、表Ｃに与える。同一の選択された温度範囲に渡る、この流体混合物に対するδＨ*minの値は０．３５８０であることが分かる。このことは、この選択された温度および圧力範囲に渡る、これら表に与えられた該流体混合物に関する、最適の流体混合物が７．５％のＲ２２、７．５％のＲ２３、２０％のＲ１４２ｂＮおよび６５％のクリプトンであることを意味する。従って、毒性および炎症性は、選択された該ガス混合物における僅かな変更により排除できる。
該表の更なる利用は、該流体混合物を該極微小な熱交換機に供給する前に、該混合物を予備冷却する効果を考察することにより、説明することができる。これは、例えば該流体混合物を該カテーテルに導入する前に、公知の比較的大きな熱交換機を使用することにより、達成できる。これら表に与えられた該流体混合物の幾つかに対して、δＨ*の最小値は、該選択された温度範囲の上部部分において見られる。このような流体混合物に対しては、該混合物の予備冷却は、該温度範囲の高温部を、該混合物が該膨張要素を流動する際に、δＨ*minの高い値を与えるようなレベルまで下げることを可能とする。
例えば、該流体混合物を該カテーテルに導入する前に、その温度を２７０Ｋから２６０Ｋに低下するための、予備冷却器の使用の可能性を考察する。表Ｂに与えられた該混合物は、４０％に及ぶ、δＨ*minにおける比例的な増加を示し、これは、表Ｄに与えられた該混合物に見られる、２０％に及ぶ該比例的な増加の殆ど２倍である。従って、該流体混合物を該極微小の熱交換機に導入する前に、該混合物を予備冷却することが可能なシステムにおいて、かつ該システムの性能を調節するために、該予備冷却を使用することが望ましいシステムにおいては、表Ｂの該混合物が、より有利であると考えられる。
同様な沸点をもつガスは、選択された流体混合物中で、互換性をもつことに注目すべきである。例えば、Ｒ１２４はＲ１４２ｂまたはイソブタンと交換でき、また窒素はアルゴンと交換可能である。この交換を、これらの割合を等しくまたは僅かに異なる割合で行って、δＨ*minにおける変化をほんの僅かなレベルとする。その良好な例は、表ＣおよびＨを検討することにより見出すことができる。表Ｃの該混合物は、７．５％のＲ２２、７．５％のＲ２３、２０％のＲ１４２ｂ、および６５％のクリプトンからなるものであり、そのδＨ*minは０．３５８０である。表Ｈに示した該混合物では、Ｒ３２をＲ２２の代わりに使用し、またＲ１２４をＲ１４２ｂの代わりに使用して、環境的に安全な混合物を得ている。しかしながら、そのδＨ*minのみが、０．３４９１に低下しており、その低下率は僅かに２％である。
本明細書に示され、かつ詳細に説明された特定の発明は、完全に前に述べた本発明の目的を満足するが、この開示は、本発明の現時点で好ましい態様の単なる例示であり、本発明は、添付した請求の範囲の記載以外のなにものによっても限定されないものと理解すべきである。
【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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