JP7275156B2 - 外部流体の温度を制御するための装置、その動作方法、およびこのような方法の命令を含むコンピュータプログラム製品 - Google Patents

Description

本発明は、外部流体の温度を制御するための装置であって、内部流体を圧縮するための圧縮機と、内部流体と外部流体との間で熱エネルギーを伝達するための温度制御回路内の第１熱交換器とを含む、装置に関する。

本発明はまた、血液の温度を制御するためのシステムにも関する。

外部流体の温度を制御するための装置では、装置の内部流体と外部流体との間の熱エネルギーの所望の伝達に応じて圧縮機動作を開始および停止することが知られている。圧縮機の始動および停止動作の欠点は、圧縮機が停止動作状態から再び完全に動作するまでに時間がかかることである。この遅延により、外部流体の温度を正確に制御できなくなる。さらに、圧縮機のオンオフ動作は、たとえば、比較的短い保守間隔となり得る高い摩耗を含む多くの理由のため、望ましくない。

本発明の主な目的は、比較的正確な方法で外部流体の温度を制御するための装置を提供することである。加えて、二次的な目的は、好ましくは比較的簡単な構造を有する、外部流体の温度を制御するための比較的信頼できる装置を提供することである。

これらの目的の少なくとも１つは、請求項１で定義される特徴を備える装置を用いて達成される。

外部流体の温度を制御するための装置は、内部流体を圧縮するための圧縮機と、内部流体と外部流体との間で熱エネルギーを伝達するための温度制御回路内の第１熱交換器と、バイパス回路内の圧縮機の入口と出口との間で、好ましくは圧縮機と並列に接続された第２熱交換器と、開位置と閉位置との間およびその逆に少なくとも１つの弁を切り換えることによって外部流体の温度を制御するように構成されたコントローラとを含み、少なくとも１つの弁の閉位置では、圧縮機からの内部流体は圧縮機の出口から第２熱交換器を介して圧縮機の入口に導かれ、少なくとも１つの弁の開位置では、内部流体は圧縮機の出口から第１熱交換器に導かれる。

外部流体の温度を制御するための装置は、少なくとも２つのモード、すなわち外部流体が内部流体と外部流体との間の熱エネルギー伝達によって加熱または冷却される第１モードと、温度制御回路内の第１熱交換器を迂回することにより、圧縮機を始動および停止することなく、または圧縮機の動作を他の方法で妨げることもなく、圧縮機が連続的に稼働できる第２モードとを有する。第２モードでは、圧縮機の出口からの内部流体はもはや第１熱交換器に導かれないので、内部流体と外部流体との間には熱エネルギー伝達がないか、または最小限である。第２モードは、内部流体と外部流体との間で（それ以上の）エネルギー伝達が望ましくない場合に、コントローラによって選択され得る。外部流体がその所望の温度に到達し、それ以上の加熱／冷却が必要ない場合に、エネルギー伝達を停止することが望まれ得る。したがって、第２熱交換器を使用することで、圧縮機の出口と圧縮機の入口との間で内部流体の温度を低下させることができるので、第２モードでの圧縮機の動作は、たとえば圧縮機の過熱による損傷のリスクを伴わずに継続できる。さらに、外部流体の温度を調整する突然の要求がある場合、圧縮機は、大幅な遅延のない比較的正確な方法で外部流体の温度を制御できるように、第２モードから第１モードに切り換えることによって、ほぼ瞬時に応答できる。好ましくは、温度が所定の温度で一定に維持されなければならない場合、外部流体の実際の温度と外部流体の所望の温度との間の温度差は、０．２℃以下、好ましくは０．１℃以下である。

加えて、外部流体の温度を制御するための装置で使用されるコンポーネントは比較的信頼性があり、すなわち装置は、開位置すなわち装置の上記の第１モードと閉位置すなわち装置の上記の第２モードとの間およびその逆に少なくとも１つの弁を制御する、コントローラを使用する。

さらなる態様では、装置は、圧縮機の出口と第１熱交換器との間に位置する第１弁と、第１弁と圧縮機の入口との間に位置する第２弁とを含んでもよく、コントローラは、閉位置と開位置との間およびその逆に第２弁を切り換えることによって外部流体の温度を制御するように構成されており、第２弁の閉位置では、圧縮機からの内部流体は圧縮機の出口から第２熱交換器を介して圧縮機の入口に導かれ、第２弁の開位置では、内部流体は圧縮機の出口から第１弁を介して第１熱交換器に導かれ、第１弁および第２弁を介して圧縮機の入口に戻る。第２弁を通った後、内部流体は、圧縮機の入口に直接導かれてもよい。第２の構成では、内部流体は、第２弁を通った後、第２熱交換器を介して圧縮機の入口に導かれてもよい。第２の構成は、装置のモードに関係なく、圧縮機の入口から圧縮機に流入する内部流体の状態は、その状態が、たとえば所定の温度範囲内または所定の温度で一定にまたは実質的に一定に保たれるように、第２熱交換器によって制御できることを保証する。言い換えると、圧縮機に流入する内部流体の状態は、装置の第１モードおよび装置の第２モードで、第２熱交換器によって制御され得る。制御される内部流体の重要な条件の１つは、たとえば内部流体の温度であり、すなわち圧縮機に流入する内部流体の温度が比較的高いかまたは比較的低いと、圧縮機を損傷するリスクが高くなる。

第１弁と圧縮機の入口との間に位置する第２弁を使用する装置のこの構成は、装置の応答時間をさらに最適化し、および／または第２弁の閉位置で圧縮機が過熱／損傷するリスクをさらに抑える。

装置はさらに、圧縮機と第１熱交換器との間に配置された温度制御回路内に、第３熱交換器を含んでもよい。

第３熱交換器は、３つのモード、すなわち、外部流体を加熱するための第１モード、上記のような第２のバイパスモード、および外部流体を冷却するための第３モードを有する装置を提供する。装置の比較的簡単な構成では、第１弁は、装置の第１モードと第３モードとの間で確実かつ高速に装置を切り換えることができる、四方弁である。

コントローラは、加熱様式（第１モード）と冷却様式（第３モード）との間で四方弁を切り換えるように構成されてもよく、冷却様式では、外部流体は第１熱交換器の内部流体によって冷却され、加熱様式では、外部流体は第１熱交換器の内部流体によって加熱される。

加熱様式では、圧縮機の出口からの内部流体は、四方弁、第１熱交換器、膨張絞り、第３熱交換器、四方弁、および第２弁を介して圧縮機の入口に導かれ、冷却様式では、圧縮機の出口からの内部流体は、四方弁、第３熱交換器、膨張絞り、第１熱交換器、四方弁、および第２弁を介して圧縮機の入口に導かれる。

本明細書に開示される装置は、正確な温度制御、室温制御、特にクリーンルームの温度制御を必要とする工業プロセスを含む様々な用途で使用することができるがこれらに限定されない。本明細書に記載される装置は、食品技術および加工に使用／実装することも可能である。たとえば、外部流体の温度を制御するための装置は、温度制御された外部流体と食品との間で熱エネルギーを交換するために使用される。外部流体を食品とすることも可能である。一例として、チョコレートの正確な温度制御が重要な３Ｄチョコレートプリンタがある。この文献で開示される装置は、たとえば特定の温度条件下でサンプルを調製するための押出機など、正確な温度制御を必要とする（科学）材料処理にも適用され得る。さらに、この明細書で指定された装置は、医薬品を調製するプロセスでの温度制御にも使用することができる。

本発明による装置は、血液の温度を制御するためのシステムでの使用に特に適している。上述のように、装置は、体外で血液を扱うのに欠くことのできない非常に正確な方法で、外部流体の温度を制御することができる。装置は、心肺バイパス手術および／または体外式模型人工肺（ＥＣＭＯ）または体外生命維持装置に不可欠なものとして、システム内で使用することができる。システムによって循環され得る外部流体、たとえば水と血液との間の温度差は、エネルギー（熱）伝達を決定し、患者を灌流する血液の温度を調整する。

本明細書に開示される装置によって、温度制御された水を送達するための従来の温水および冷水タンクは、医療システムから省略され得る。システムには、水（または水溶液）出口および／または入口と、たとえばシステムを使用した後、システム内の水（または水溶液）の存在を検出するためのセンサとが設けられている。出口と入口は同じであってもよい。システムを使用した後、たとえば手術の後、水は好ましくは、排出口によってシステムから排出されるべきである。手術のたびにシステムにおいて新鮮な水を使用することで、システム内の細菌負荷、およびたとえばＭキメラ（Ｍ．ｃｈｉｍａｅｒａ）および／またはレジオネラ感染のリスクなど、関連するリスクを低減する。この排出ステップは、センサによって監視することができる。このセンサは、たとえば装置がオペレータによってオフにされたときに、自動的に起動され得る。システム内に水がある場合、オペレータは、たとえばセンサによって起動された警報によって警告される。すると、オペレータはシステムから水を排出するステップを実行することができる。

本発明はまた、本発明に記載される外部流体の温度を制御するための装置またはシステムを動作させる方法、ならびに少なくとも１つのプロセッサ上で実行されたときに少なくとも１つのプロセッサに方法を実行させる命令を含む可読記憶媒体を含むコンピュータプログラム製品にも関する。

次に、図面を参照して、いくつかの外部流体の温度を制御するための装置の例示的な実施形態、および血液の温度を制御するためのシステムの例示的な実施形態の説明によって、本発明が説明される。

外部流体の温度を制御するための装置の概略図である。 血液の温度を制御するためのシステムの概略図である。 外部流体の温度を制御するための装置の第２の実施形態の概略図である。

図１は、外部流体の温度を制御するための装置１を概略的に示す。外部流体は、ラインＰ－１０を通じて第１熱交換器３に流入し、ラインＰ１１を通じて第１熱交換器３から流出する。外部流体は液体であり、ラインＰ１１内に、液体を輸送するためにポンプ５が設けられている。

装置１は、内部流体を圧縮するための圧縮機７を含む。内部流体は、内部流体ラインＰ－１からＰ－６およびＰ－８を通って流れることができる。内部流体は気体である。

第１熱交換器３は、温度制御回路１０内に配置されている。第１熱交換器３は、内部流体と外部流体との間で熱エネルギー、たとえば熱を伝達するように構成されている。

装置１は、バイパス回路２０内で圧縮機７の入口１３と出口１５との間で圧縮機７と並列に接続された第２熱交換器１１をさらに含む。装置１は、コントローラ８も含む。

加えて、装置１は、圧縮機の出口１５と第１熱交換器３との間に位置する第１弁Ｖ－４と、第１弁Ｖ－４と圧縮機の入口１３との間に位置する第２弁Ｖ－３とを含む。

コントローラ８は、閉位置（第２モード）と開位置（第１モード）との間およびその逆に第２弁Ｖ－３を切り換えることによって、外部流体の温度を制御するように構成されている。第２弁Ｖ－３の閉位置では、圧縮機７からの内部流体は、圧縮機７の出口１５から第２熱交換器１１を介して圧縮機７の入口１３に直接導かれ、第２弁Ｖ－３の開位置では、内部流体は、圧縮機７の出口１５から第１弁Ｖ４を介して第１熱交換器３に導かれる。

装置のこの構成では、圧縮機７を過熱するリスクを最小限に抑えて外部流体の正確な温度制御を実現することができる。圧縮機７を過熱するリスクは、圧縮機７から直接来る流体が冷却される第２熱交換器１１を使用することで低減される。したがって、第２モードでの圧縮機７の動作は、圧縮機７を過熱するリスクなしに連続し得る。

第１弁Ｖ－４は、四方弁Ｖ－４である。装置１は、圧縮機７と第１熱交換器３との間に配置された温度制御回路１０内の第３熱交換器１５をさらに含む。四方弁Ｖ－４は、ラインＰ－４で第１熱交換器３に接続され、別のラインＰ－２で第３熱交換器１５に接続されている。第１熱交換器３および第３熱交換器１５は、ラインＰ－３で接続されている。ラインＰ－３には、膨張絞り１７と、様式、すなわち以下で説明されるような加熱様式および冷却様式に応じて第１熱交換器３または第３熱交換器１５に輸送される内部流体を調節するための調節器（フィルタ）１９とが設けられている。

装置のコントローラ８は、加熱様式と冷却様式との間で四方弁Ｖ－４を切り換えるように構成されており、冷却様式では、外部流体は第１熱交換器３内の内部流体によって冷却され、加熱様式では、外部流体は第１熱交換器３の内部流体によって加熱される。加熱様式では、圧縮機７の出口１５からの内部流体は、四方弁Ｖ－４、第１熱交換器３、膨張絞り１７、およびフィルタ１９、第３熱交換器１５、四方弁Ｖ－４、および第２弁Ｖ－３を介して圧縮機の入口１３に導かれる。冷却様式では、圧縮機７の出口１５からの内部流体は、四方弁Ｖ－４、第３熱交換器１５、膨張絞り１７、第１熱交換器３、四方弁Ｖ－４、および第２弁Ｖ－３を介して圧縮機７の入口１３に導かれる。

図１に点線で示されるように、コントローラ８は、第２弁Ｖ－３を制御することができる。さらに、コントローラ８は、四方弁Ｖ－４を制御することができる。加えて、コントローラ８は、第１熱交換器３に流入するラインＰ－１０内の外部流体の温度および／またはラインＰ－１１を通って熱交換器４から流出する外部流体の温度を測定するセンサ２７、２９の少なくとも１つに接続されてもよい。

装置１は、圧縮機７の出口１５および第２熱交換器１１の入口を接続するラインＰ－５およびＰ－６の間に位置する追加弁Ｖ－２をさらに含む。第２弁Ｖ－３を遮断した後、追加弁Ｖ－２は、第２弁Ｖ－３を遮断することによって生じた圧力差によって閉位置から開位置に自動的に開放される。第２弁Ｖ－３が開放されている場合、第２弁Ｖ－３は圧力差によって自動的に閉鎖される。

コントローラ８は、追加弁Ｖ－２が圧力によって動作しないように、第２弁Ｖ－３を閉鎖すると追加弁Ｖ－２を開放し、第２弁Ｖ－３を開放すると追加弁Ｖ－２を閉鎖するように構成される（図１には図示せず）ことも可能である。

装置１には、過圧保護３１が設けられることも可能である。

一方向の第２弁Ｖ－３の代わりに、バイパスモードとエネルギー伝達モードとの間で切り換えるために、ラインＰ－１およびＰ－５の交差点で少なくとも１つの三方弁（図示せず）を使用することも可能であろう。この三方弁は、コントローラ、たとえば図１に示されるようなコントローラ８によって制御される。ラインＰ－８と弁Ｖ－１を含むラインとの間の交差点で、第２の三方弁（図示せず）を使用することも可能である。第２の三方弁もまた、コントローラによって動作し得る。

弁Ｖ－１は、たとえば圧縮機７の保守のため、または圧縮機７を交換するために、ラインＰ－８を閉鎖するために使用される。

図１に示される装置１は、３つのモード、すなわち加熱様式、冷却様式、およびバイパス様式を実行するように構成されている。

装置は２つのモード、すなわち加熱様式または冷却様式およびバイパス様式用に構成されることも可能である。

外部流体の温度を制御するための装置の外部流体は、特定用途向けの温度制御、すなわち直接温度制御を必要とする流体、たとえば以下で論じられるような血液であってもよく、または外部流体は、別の外部製品の温度を制御する、すなわち間接温度制御のための流体である。

一例として、図２に、血液の温度を制御するためのシステム１００が示されている。システム１００は、上記で説明され、図１により詳細に示されるような装置１を含む。ラインＰ－１０、Ｐ－１１は、酸素供給器１０２、すなわち、体、重要な器官、または大血管の中の血流の中断または停止を必要とする可能性がある外科的処置中に人間の患者の血中のたとえば酸素および／または二酸化炭素を交換することが可能な装置に接続されている。酸素供給器は、酸素および／または二酸化炭素に加えて、麻酔薬、および場合により他のガスを循環の内外に輸送することもできるので、ガス交換器である。装置１は、酸素供給器１０２に組み込まれてもよい。さらに、血液の温度が装置１によって制御され得る限り、本発明に鑑みて、酸素供給器のガス交換機能は省略されてもよい（図２には図示せず）。

図２では、血液ライン１０４は、酸素供給器１０２によって調節された血液を、たとえば手術を受けている人の大血管１０６に輸送し、その人の体の外部を流れる血液の血液温度は、装置１によって所望の温度に正確に維持される。処理対象の血液は、リザーバ１０８に収集され、血液ライン１１４およびポンプ１１２によって酸素供給器１０２および装置１に輸送され得る。血液ライン１０４と大血管１０６および大血管１０６とリザーバ１０８との間における、図２に示される実施形態の点線は、これらのラインが部分的に人の体の中を通り得ることを示している。

図示される実施形態では、血液の温度は外部流体の温度を制御することによって制御され、好ましくは外部流体は水または水溶液である。

システム１００、特に装置１は、外部流体出口／入口１１５と、装置１内、たとえばラインＰ－１０およびＰ－１１内の水の存在を検出するためのセンサ（図示せず）とを含む。

センサは、システム１００から水を除去すべきであることを手術の最後にオペレータに通知し得る警報ユニット１１６に接続されている。

センサは、装置１のスイッチが切られたときに自動的にオンされてもよい。あるいは、センサはまた、装置１の内部流体と水との間の熱伝達が所定の期間行われなかったときにも起動され得る。すると、起動したセンサは、装置１内、たとえばラインＰ－１０およびＰ－１１内に水が存在するか否かを検出する。水が存在する場合、センサは可能であれば水を排出するようにオペレータに通知するために、警報ユニット１１６を起動する。警報信号は、装置１のディスプレイ（図示せず）に表示されてもよい。

図３には、外部流体の温度を制御するための装置１’の第２の実施形態の概略図が示されている。装置１’の多くの構成要素は装置１の構成要素と同一であり、対応する構成要素には、図１および図３で同一の参照符号が付されている。簡潔にするために、これらの対応する構成要素はここでは繰り返されない。装置１に対する装置１’の主な違いは、ラインＰ－８’が、図示される例では、ラインＰ－６を介して第２弁Ｖ－３を第２熱交換器１１の入口に接続することである。この構成では、第２弁Ｖ－３の開位置（第１モード）で、第２弁Ｖ－３から圧縮機７の入口１３に流れる内部流体を第２熱交換器１１によって調節することができる。結果として、温度などの内部流体の状態は、第２熱交換器１１によって制御されることが可能であり、たとえば装置１’がどの（第１、第２、または第３）様式またはモードで動作されるかにかかわらず、比較的一定に維持されることが可能である。たとえば、第２熱交換器１１は、圧縮機７の入口１３に流入する内部流体の温度を上昇または下降させてよく、これにより、比較的高いまたは比較的低い温度を有する内部流体によって圧縮機７が損傷するのを防ぎやすくする。

図３に示されるように、第２熱交換器１１は、弁Ｖ－１を介して、ラインＰ－７によって圧縮機１３の入口１３に接続されている。

装置１’のバイパス回路２０’は、圧縮機７、ラインＰ－１、Ｐ－５、弁Ｖ－２、ラインＰ－６、圧縮機７と並列に接続された第２熱交換器１１、ラインＰ－７、および圧縮機７の入口１３に接続された弁Ｖ－１によって提供される。

第１弁Ｖ４と、ラインＰ－１とＰ－５との間の交差点との間に、装置１’は逆止弁Ｖ－６を含む。この逆止弁Ｖ－６は、図１に示される装置１でも、第１弁Ｖ４とラインＰ－１とＰ－５との間の交差点との間で使用することができる。

さらに、温度制御回路１０’のラインＰ－３には、図３に示される膨張絞り（または毛細管）１７’および調節器（フィルタドライヤー）１９’が、図１とは異なる順序で配置されている。しかしながら、図１に示される膨張絞り１７および調節器（フィルタドライヤー）１９の配置は図３でも使用でき、その逆も可能である。

装置１’のコントローラ８は、図１に示される装置１と同じ方法で四方弁Ｖ－４を加熱様式と冷却様式との間で切り換えるように構成されており、加熱様式では、圧縮機７の出口１５からの内部流体は四方弁Ｖ－４、第１熱交換器３、フィルタ１９’、膨張絞り１７’、第３熱交換器１５、四方弁Ｖ－４、ラインＰ－８’、第２弁Ｖ－３、第２熱交換器１１、ラインＰ－７、および弁Ｖ－１を介して圧縮機７の入口１３に導かれる。冷却様式では、圧縮機７の出口１５からの内部流体は、四方弁Ｖ－４、第３熱交換器１５、膨張絞り１７’、フィルタ１９’、第１熱交換器３、四方弁Ｖ－４、ラインＰ－８’、第２弁Ｖ－３、第２熱交換器１１、ラインＰ－７、および弁Ｖ－１を介して圧縮機７の入口１３に導かれる。

Claims (14)

1. 外部流体の温度を制御するための装置であって、前記装置は、内部流体を圧縮するための圧縮機と、前記内部流体と前記外部流体との間で熱エネルギーを伝達するための温度制御回路内の第１熱交換器と、バイパス回路内の前記圧縮機の入口と出口との間に接続された第２熱交換器と、前記圧縮機の前記出口と前記第１熱交換器との間に位置する四方弁である第１弁と、前記第１弁と前記圧縮機の前記入口との間に位置する第２弁と、開位置と閉位置との間およびその逆に前記第２弁を切り換えることによって前記外部流体の温度を制御するように構成されたコントローラとを含み、前記第２弁の前記閉位置では、前記圧縮機からの前記内部流体は前記圧縮機の前記出口から前記第２熱交換器を介して前記圧縮機の前記入口に導かれ、前記第２弁の前記開位置では、前記内部流体は前記圧縮機の前記出口から前記第１弁を介して前記第１熱交換器に導かれ、前記第１弁および前記第２弁を介して前記圧縮機の前記入口に戻る、装置。
2. 前記装置は、前記圧縮機と前記第１熱交換器との間に配置された前記温度制御回路内に第３熱交換器をさらに含む、請求項１に記載の装置。
3. 前記コントローラは、加熱様式と冷却様式との間で前記四方弁を切り換えるように構成されており、前記冷却様式では、前記外部流体は前記第１熱交換器内の前記内部流体によって冷却され、前記加熱様式では、前記外部流体は前記第１熱交換器の前記内部流体によって加熱される、請求項１に記載の装置。
4. 前記装置は、前記圧縮機と前記第１熱交換器との間に配置された前記温度制御回路内に第３熱交換器をさらに含み、
   前記加熱様式では、前記圧縮機の前記出口からの前記内部流体は、前記四方弁、前記第１熱交換器、膨張絞り、前記第３熱交換器、前記四方弁、および前記第２弁を介して前記圧縮機の前記入口に導かれ、前記冷却様式では、前記圧縮機の前記出口からの前記内部流体は、前記四方弁、前記第３熱交換器、前記膨張絞り、前記第１熱交換器、前記四方弁、および前記第２弁を介して前記圧縮機の前記入口に導かれる、請求項３に記載の装置。
5. 前記装置は、前記圧縮機の前記出口と前記第２熱交換器の入口との間に位置する追加弁を含む、請求項１に記載の装置。
6. 前記コントローラは、前記第２弁の閉鎖時に前記追加弁を開放し、前記第２弁の開放時に前記追加弁を閉鎖するように構成されている、請求項５に記載の装置。
7. 前記追加弁は圧力制御される、請求項５に記載の装置。
8. 前記第２熱交換器内で、前記圧縮機からの前記内部流体が冷却される、請求項１から７のいずれか一項に記載の装置。
9. 前記第２弁の前記開位置では、前記内部流体は前記圧縮機の前記出口から前記第１弁を介して前記第１熱交換器に導かれ、前記第１弁、前記第２弁、及び前記第２熱交換器を介して前記圧縮機の前記入口に戻る、請求項１から８のいずれか一項に記載の装置。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載の前記装置を含む、血液の温度を制御するためのシステム。
11. 前記血液の温度は前記外部流体の温度を制御することによって制御され、前記外部流体は水である、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記システムは、外部流体出口および／または入口と、前記システム内の前記外部流体の存在を検出するためのセンサとを含み、前記センサは警報ユニットに接続されている、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記外部流体の温度を制御するための請求項１から９のいずれか１項に記載の装置または請求項１０から１２のいずれか１項に記載のシステムを動作させる方法。
14. 少なくとも１つのプロセッサ上で実行されたときに、前記少なくとも１つのプロセッサに請求項１３に記載の方法を実行させる命令を含む可読記憶媒体を含む、コンピュータプログラム製品。
    
    

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