ES2283296T3 - Mezcla de gases para aplicaciones criogenicas. - Google Patents

Abstract

Una mezcla de fluidos para uso en refrigeración Joule-Thomson, consistente esencialmente en 42% a 52% de kriptón, hasta 15% de R-22, 15% a 35% de R-23 y 10% a 20% de R-116, en la que las concentraciones se dan en fracciones con respecto a volumen.

Description

Mezcla de gases para aplicaciones criogénicas.

Esta invención se encuadra en el campo de pequeñas áreas de enfriamiento de tejido biológico a muy bajas temperaturas.

Durante la ejecución de una criocirugía, puede ser deseable poder enfriar porciones discretas en miniatura de tejido biológico a muy bajas temperaturas sin enfriar sustancialmente los tejidos adyacentes del órgano. La criocirugía se ha convertido en un procedimiento importante en los campos médico, odontológico y veterinario, habiendo experimentado particular éxito en las especialidades de ginecología y dermatología. Otras especialidades, tales como neurocirugía, cardiología y urología, pueden también beneficiarse de la implementación de técnicas crioquirúrgicas, si bien esta implementación se ha producido sólo de manera limitada. Desafortunadamente, los instrumentos crioquirúrgicos actualmente conocidos tienen varias limitaciones que hacen su uso difícil o imposible en algunos de tales campos. Específicamente, los sistemas conocidos no están óptimamente diseñados para poseer la suficiente precisión y flexibilidad para permitir la extensión de su uso por vía endoscópica y percutánea.

En la ejecución de una criocirugía, es típico usar un sistema de aplicación crioquirúrgica diseñado para congelar adecuadamente el tejido blanco, destruyendo, por tanto, las células del tejido enfermas o degeneradas. Las células anormales a ser destruidas se encuentran frecuentemente rodeadas por tejido sano que debe mantenerse sin sufrir daños. En consecuencia, la sonda concreta, u otro aplicador usado en una aplicación dada, se diseña con la forma y tamaño óptimos para la aplicación, con objeto de conseguir este congelamiento selectivo de tejido. En los casos en que se usa una sonda, la parte restante del sistema de refrigeración se debe diseñar para proporcionar el enfriamiento adecuado, hecho que incluye disminuir hasta la temperatura deseada la porción operativa de la sonda y tener potencia o capacidad suficiente para mantener la temperatura deseada para una carga de calor dada. Todo el sistema debe estar diseñado para situar la porción operativa de la sonda en la ubicación del tejido a ser congelado, sin ejercer ningún efecto indeseable sobre otros órganos o sistemas.

En los sistemas crioquirúrgicos actualmente conocidos, se usan típicamente nitrógeno líquido u óxido nitroso como fluidos refrigerantes. Usualmente, el nitrógeno líquido o bien se extiende sobre el tejido a ser destruido, o bien se hace circular para enfriar una sonda que se aplica al tejido. El nitrógeno líquido posee una temperatura extremadamente baja, de aproximadamente 77K, hecho que lo convierte en muy deseable para este propósito. Sin embargo, el nitrógeno líquido normalmente se evapora y escapa a la atmósfera durante el uso, requiriéndose el recambio continuo de los tanques de almacenamiento. Además, debido a que el líquido está tan frío, las sondas y demás equipamientos usados para su aplicación requieren camisas de vacío u otros tipos de aislamiento. Este hecho hace que las sondas sean relativamente complejas, voluminosas y rígidas y, en consecuencia, inadecuadas para uso endoscópico o intravascular. Además, la necesidad de usar mangos relativamente voluminosos y el enfriamiento progresivo de todos los componentes relacionados convierten a los utensilios de la técnica de nitrógeno líquido en incómodos para el médico, pudiendo causar al tejido daños indeseados.

Los sistemas de óxido nitroso consiguen el enfriamiento típicamente por presurización del gas seguida de expansión mediante un elemento de expansión Joule-Thomson, tal como una válvula, orificio u otro tipo de constricción del flujo, situado en el extremo de la punta de la sonda. De aquí en adelante, se hará referencia a cualquiera de estos dispositivos simplemente como "elemento de expansión" Joule-Thomson. Un sistema típico de óxido nitroso presuriza el gas a 700 a 800 psia., para alcanzar en la práctica temperaturas no menores que aproximadamente 190K a 210K. Los sistemas de óxido nitroso no pueden llegar a la temperatura y potencia alcanzadas por los sistemas de nitrógeno. La caída máxima de temperatura que se puede alcanzar en un sistema de óxido nitroso es hasta 184K, que es el punto de ebullición del óxido nitroso. El sistema de óxido nitroso presenta algunas ventajas referentes al hecho de que el gas de entrada a alta presión se encuentra esencialmente a temperatura ambiente hasta que llega al elemento Joule-Thomson situado en la punta de la sonda. Este hecho elimina la necesidad de aislamiento del sistema, facilitando la miniaturización y flexibilidad en cierta extensión. Sin embargo, debido a las temperaturas relativamente templadas y a la baja potencia, la destrucción de tejidos y otras aplicaciones se ven limitadas. Para muchas de tales aplicaciones son deseables temperaturas por debajo de 184K. Además, el óxido nitroso tiene que ser típicamente descargado a la atmósfera después de pasar a través del sistema, puesto que los compresores asequibles adecuados para alcanzar las altas presiones requeridas no son fiables y no se encuentran fácilmente disponibles en el mercado.

En la mayoría de los sistemas Joule-Thomson se presurizan gases únicos no ideales y a continuación se expanden a través de un componente de estrangulamiento o elemento de expansión para producir un enfriamiento isoentálpico. Las características del gas usado, tales como punto de ebullición, temperatura de inversión, temperatura crítica y presión crítica, determinan la presión de partida necesaria para alcanzar la temperatura de enfriamiento deseada. En los sistemas Joule-Thomson se usa típicamente un cambiador recuperador de calor para enfriar el gas entrante a alta presión con el gas saliente expandido, con objeto de conseguir una caída de temperatura mayor en la expansión y una potencia mayor de enfriamiento. Para un sistema Joule-Thomson dado, el enfriamiento deseado determina la capacidad requerida del cambiador de calor.

Se puede conseguir una mejora drástica en el enfriamiento de los sistemas Joule-Thomson mediante el uso de una mezcla óptima de gases en lugar de un gas único. Por ejemplo, la adición de hidrocarburos a nitrógeno puede aumentar la potencia de enfriamiento y la caída de temperatura para una presión de entrada dada. Adicionalmente, es posible reducir la presión y alcanzar una eficacia comparable a la del sistema de gas único a alta presión. La mejora en la eficacia del enfriamiento efectuada por los sistemas de gases mezclados es muy deseable para sistemas médicos y otros sistemas en microminiatura.

Por ejemplo, en el documento US-5.787.715 se describe un sistema de refrigeración de mezcla de gases en miniatura y un método de operación del sistema. El sistema posee un catéter coaxial con un canal de abastecimiento interno de alta presión y un canal de retorno externo de baja presión. La mezcla de gases óptima se formula a partir de un grupo de fluidos componentes, de acuerdo con las propiedades termodinámicas calculadas de un grupo de mezclas de fluidos candidatas. La mezcla de gases se expande isoentálpicamente a una temperatura inferior, con objeto de enfriar el elemento de transferencia de calor montado en el catéter, para enfriar un objeto externo.

Se han diseñado algunos sistemas de gases mezclados para los casos en que una alta presión no es el interés principal y para los casos en que pueden usarse cambiadores de calor voluminosos de alta eficiencia, si bien se usan típicamente en aplicaciones de defensa y aeroespaciales.

Las sondas y catéteres crioquirúrgicos deben tener una presión de operación relativamente baja por razones de seguridad. La sonda o el catéter deben tener la capacidad de enfriamiento necesaria para superar la carga de calor ambiental, debiendo ser además capaces de alcanzar una temperatura suficientemente baja para destruir el tejido blanco. Finalmente, el elemento de transferencia de calor a baja temperatura debe estar limitado a la región de la punta o del extremo de la sonda o del catéter, con objeto de impedir daños a tejidos diferentes del tejido blanco.

Un objetivo de la presente invención es proporcionar una mezcla de fluidos óptima para uso en un sistema de refrigeración de gases mezclados en miniatura, que es capaz de alcanzar una temperatura de enfriamiento de 183K o menor utilizando una alta presión no mayor que 420 psia., con componentes capaces de adaptarse a sistemas de emisión en miniatura, tales como una sonda crioquirúrgica o un catéter cardiaco transvascular.

La presente invención incluye la operación de un sistema de refrigeración en miniatura con una mezcla de fluidos óptima para uso como medio de enfriamiento. La terminología "mezcla de gases" se utilizará en cierta extensión en la presente solicitud, pero debe entenderse que no se pretende limitar esta terminología a mezclas que poseen componentes no líquidos, en vista del hecho bien conocido de que la mayoría de las composiciones a las que comúnmente se hace referencia como gases, en realidad tienen algún contenido líquido a ciertas temperaturas y presiones. El sistema de refrigeración tiene un compresor para comprimir una mezcla de gases a una presión de hasta 750 psia, preferiblemente menor que 420 psia. La mezcla de gases a alta presión procedente del compresor es alimentada a un cambiador de calor en contracorriente. La mezcla de gases a alta presión pasa a través de un pasaje de abastecimiento de alta presión situado dentro del cambiador de calor y sale a través de un orificio situado en el extremo distal del cambiador de calor. El orificio distal de alta presión está conectado a la entrada de un elemento de expansión Joule-Thomson, en el que la mezcla de gases se expande a una presión menor y a una temperatura tan baja como de al menos 183K.

La mezcla de gases que escapa del elemento de expansión Joule-Thomson se expone a la superficie interna de un elemento de transferencia de calor montado en la pared del catéter o en el extremo distal del elemento de expansión Joule-Thomson de la sonda. La mezcla de gases expandida enfría el elemento de transferencia de calor a una temperatura tan baja como de al menos 183K y retorna a continuación a través del pasaje de retorno de baja presión del cambiador de calor. Este hecho enfría el gas a alta presión desde su temperatura ambiente original a una temperatura inferior. Desde la salida de baja presión del cambiador de calor, la mezcla de gases expandida vuelve al compresor.

El elemento de transferencia de calor puede adoptar la forma óptima para combinar con el objeto o tejido a ser enfriado. Por ejemplo, se puede instalar una clavija de metal en la punta de la sonda o catéter para aplicar el frío a través de la punta del extremo distal de la sonda o del catéter. Alternativamente, se puede montar una tira de metal relativamente estrecha en una pared lateral de la sonda o del catéter, próxima a la punta distal, para aplicar el frío a una tira estrecha de tejido.

El método de operación del aparato anteriormente descrito incluye la selección de una mezcla de gases óptima para uso como medio de enfriamiento. En los ambientes en miniatura previstos para el uso de estos aparatos se impondrán rigurosas limitaciones de tamaño en el aparato usado. Por ejemplo, una sonda o un catéter cardiaco necesariamente están rigurosamente limitados en cuanto a su diámetro.

Por consiguiente, el sistema se optimiza por la selección de una mezcla de gases que tiene las propiedades termodinámicas adecuadas para llevar a cabo su función tan bien como es posible. El objetivo de este proceso de selección es maximizar la potencia de enfriamiento de la combinación del cambiador de calor y el elemento de expansión Joule-Thomson. Para una mezcla de gases dada que opera entre altas y bajas presiones seleccionadas y entre altas y bajas temperaturas seleccionadas, existe un límite de la cantidad de calor que puede ser transferida, incluso en un cambiador de calor ideal. En la presente invención se proporciona una mezcla que maximizará la relación de eficacia entre la potencia de refrigeración del elemento de expansión Joule-Thomson y la capacidad de transferencia de calor de un cambiador de calor ideal.

La clave del éxito de un instrumento crioquirúrgico en miniatura radica en la selección de una mezcla de fluidos óptima, ya que los gases únicos conocidos no son capaces de alcanzar la capacidad de enfriamiento necesaria a las temperaturas requeridas, dadas las limitaciones de tamaño y las limitaciones de presión impuestas a los sistemas cuyo uso se pretende en las aplicaciones seleccionadas. Algunas mezclas funcionan significativamente mejor que otras mezclas, siendo así importante poder identificar y seleccionar una mezcla óptima.

El tamaño y la capacidad de transferencia de calor inherente del cambiador de calor están limitados independientemente del diseño usado. En los ambientes en miniatura previstos para el uso de este aparato, el espacio es un premio. Por tanto, se impondrán al cambiador de calor limitaciones rigurosas de tamaño. Limitar el tamaño del cambiador de calor resultará, por supuesto, en una limitación proporcional de la cantidad de calor que puede ser transferida en el cambiador de calor. Este tipo de limitación rigurosa del tamaño y capacidad del cambiador de calor requiere la refrigeración global del sistema para mantener el más alto nivel posible de eficacia mediante la selección de una mezcla de gases óptima. La mezcla de gases o fluidos óptima debe poseer propiedades termodinámicas que permitan al sistema llevar cabo el enfriamiento tanto como es posible, a pesar de las limitaciones de tamaño. El objetivo de la selección de una mezcla de fluidos óptima es maximizar la potencia de enfriamiento de la combinación del cambiador de calor y el elemento de expansión Joule-Thomson.

Para cualquier mezcla de gases en particular y para cualquier intervalo de presión e intervalo de temperatura seleccionados, existe un límite teórico de la cantidad de calor que puede ser transferida, incluso en un cambiador de calor ideal. Ese límite viene dado por la ecuación

Q_{hx} = n[h(P, T_{h}) - h(P, T_{c})]_{min}

en la que n es la velocidad de flujo molar, h es la entalpía molar, T_{h} es la temperatura en el extremo caliente del cambiador de calor, T_{c} es la temperatura en el extremo frío del cambiador de calor y P es la presión, calculándose el valor de Q_{hx} tanto a alta presión como a baja presión. El subíndice _{min} indica el hecho de que el valor de Q_{hx} usado es el menor de los valores calculados a las dos presiones.

De manera similar, para esa mezcla de fluidos en particular y para esa presión e intervalo de temperatura particulares, existe un límite teórico de la potencia de refrigeración que se puede alcanzar, incluso mediante un elemento de expansión Joule-Thomson ideal. Ese límite viene dado por la ecuación

Q_{r} = n[h(P_{l}, T)-h(P_{h}, T)]_{min}

en la que P_{l} es la presión baja, P_{h} es la presión alta y T es la temperatura, calculándose el valor de Q_{r} a una variedad de temperaturas seleccionadas entre las temperaturas alta y baja de los extremos del intervalo de temperaturas seleccionado. El subíndice _{min} indica el hecho de que el valor de Q_{r} usado es el más bajo de los valores calculados a la variedad de temperaturas seleccionadas.

La razón de la potencia de refrigeración teórica a la capacidad de transferencia de calor teórica, Q_{r}/Q_{hx}, puede considerarse como una razón de la eficacia característica de esa mezcla de fluidos en particular, a esa presión e intervalo de temperatura particulares. Es también beneficioso incluir en la mezcla de gases un componente que es un disolvente relativamente poderoso, con objeto de minimizar la obturación en el sistema, tal como en el elemento de expansión J-T, que es la constricción menor del sistema y que tiene la temperatura más baja del sistema. Un disolvente adecuado para este propósito es el R-116. Con estos principios en mente, se ha encontrado que una mezcla de fluidos óptima para esta aplicación incluye kriptón, refrigerante R-22, refrigerante R-23 y refrigerante R-116, en las concentraciones apropiadas. Específicamente, con concentraciones dadas en fracciones con respecto a volumen, la mezcla de gases óptima consistirá en 42% a 52% de kriptón, 1% a 15% de R-22, 15% a 35% de R-23 y 10% a 20% de R-116.

Si bien la invención particular mostrada y dada a conocer en detalle en este documento es completamente capaz de satisfacer los objetivos previamente establecidos, debe entenderse que esta descripción es meramente una ilustración de las formas de realización actualmente preferidas de la invención y que no se pretenden limitaciones diferentes a las descritas en las reivindicaciones adjuntas.

Claims (2)

1. Una mezcla de fluidos para uso en refrigeración Joule-Thomson, consistente esencialmente en 42% a 52% de kriptón, hasta 15% de R-22, 15% a 35% de R-23 y 10% a 20% de R-116, en la que las concentraciones se dan en fracciones con respecto a volumen.

2. Una mezcla de fluidos para uso en refrigeración Joule-Thomson, consistente en 42% a 52% de kriptón, hasta 15% de R-22, 15% a 35% de R-23 y 10% a 20% de R-116, en la que las concentraciones se dan en fracciones con respecto a volumen.