JPH0614297B2 - 液体温度制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 I発明の背景 （１）技術分野 本発明は熱媒体となる液体の液温を制御する液体温度制
御装置に関するものである。

（２）先行技術およびその問題点 従来、人工心肺回路内の熱交換器に任意の温度の液体を
供給し、間接的に血液温度を制御することを目的とする
熱媒体液体制御装置の主流は氷冷却または冷凍機内蔵の
冷水槽とヒータ内蔵の温水槽の二槽のタンクを有し、送
水回路の接続をいずれかに切換えることにより、冷却、
もしくは加熱を行うものであるが、冷水槽に昇温能力、
温水槽の降温能力がないため、温度設定の誤りや、再冷
却時、再冷却後の加温時などで必要以上に冷水温度が低
い場合、あるいは温水温度が高い場合でも冷水温度を高
くしたり温水温度を低くしたりすることができないとい
う点が問題である。また、一槽のタンクに冷却器とヒー
タを内蔵し、昇温、降温を任意の温度で自由に行うこと
が出来るものもあるが、冷却から加温、加温から冷却へ
の切換に時間がかかるという欠点を有していた。

II．発明の目的 本発明は上記先行技術の問題点を解決するためになされ
たもので、液体の温度を任意に設定でき、すみやかに、
また繰り返し昇温、降温を行なうことができる液体温度
制御装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成する本発明の液体温度制御装置は、液
体を冷却する水槽を有する冷却手段と、液体を加熱する
水槽を有する加熱手段とを備え、冷却手段の水槽および
加熱手段の水槽は、そのいずれか一方が他方より大きな
液体収容容積を有し、液体収容容積が小さな槽より液体
を取り出して送出する液体送出手段と、液体収容容積が
小さな槽から液体収容容積が大きな槽に液体を供給する
と共に、該供給量に対応する量の液体を前記液体収容容
積が大きな槽より液体収容容積が小さな槽に供給する液
体供給手段と、前記液体送出手段から送出される液体の
温度を所定の温度とするよう前記液体供給手段の液体の
供給量を制御する制御手段とを有する液体温度制御装置
により達成される。

また、冷却手段の水槽の液体収容容積は加熱手段の水槽
の液体収容容積より大きく、第２の液体供給手段は加熱
手段の水槽より第１の液体送出手段で送出される液体の
温度を所定の温度とするよう加熱手段より冷却手段への
液体の供給量を制御する液体温度制御装置により達成さ
れる。

また更に、加熱手段の水槽の液体収容容積は冷却手段の
水槽の液体収容容積より大きく、第２の液体供給手段は
冷却手段の水槽より第１の液体送出手段で送出される液
体の温度を所定の温度とするよう冷却手段より加熱手段
への液体の供給量を制御する液体温度制御装置により達
成される。

また、加熱手段は発熱源を備え、冷却手段は吸熱源を備
え、発熱源及び吸熱源の能力を制御手段で制御する液体
温度制御装置により達成される。

また、冷却手段の水槽と加熱手段の水槽の液体収容容積
の比は２倍以上である液体温度制御装置により達成され
る。

III．発明の具体的説明 以下、図面を参照して本発明の一実施例を詳細に説明す
る。

第１図は本発明に係る一実施例の構成図であり、図中１
００は本実施例の液体温度制御装置であり、２００は人
工心肺回路内に設けられた熱交換器であり、両者間は送
液パイプ１３３、吸熱パイプ１３４により接続されてい
る。液体温度制御装置１００内において、１０１は本実
施例全体の制御を司どる制御装置であり、制御装置１０
１には送液温度設定部１０１ａ、冷却水槽温度設定部１
０１ｂがあり、それぞれ加熱手段の水槽１１０及び冷却
手段の水槽１２０内の液温を任意に設定することができ
る。１０２は熱交換器２００に所定温度の液体を送るた
めの送液ポンプ、１１０は加熱手段の水槽であり、内部
に送液温度検出センサ（以下Ｓ_Ｈと称す）１１１及び加
熱ヒータ（１Kw，0.5Kw各１本内蔵）１１２が配設され
ている。また１２０は冷却手段の水槽であり、内部に冷
水温度検出センサ（以下Ｓｃと称す）１２１及び冷凍機
１２２よりの吸熱用蒸発コイル１２２ａが配設されてい
る。また１２２は冷凍機であり、１５０は第２のポンプ
Ｐ_２１５１の停止時に冷却水槽１２０より加温水槽１１
０への冷水の逆流を防ぐ逆止弁（又は電磁弁）Ｖ_Ｒ、１
５１は第２のポンプＰ_２である。

上記構成において加温水槽１１０は内容積約２であ
り、加温水槽１１０と一枚の隔壁をもって隔てられる冷
却水槽１２０は内容積約８であり、また冷凍機１２２
は呼称出力６００Ｗの密閉型小型冷凍機である。

第１の液体送出手段を構成する送液ポンプ１０２の吸込
口は加温水槽１１０に接続されており、送液ポンプ１０
２より送液パイプ１３３を介して熱交換器２００に送ら
れた液体は第１の液体供給手段を構成する吸液パイプ１
３４より本実施例装置に変換され、この吸液パイプ１３
４は加温水槽１１０に戻されており、これにより液体は
再びこの加温水槽１１０に戻されている。

そして加温水槽１１０と冷却水槽１２０間は両槽間に設
けられた第２の液体送出手段を構成する第２のポンプＰ
_２１５１及びその第２のポンプＰ_２１５１停止時に冷却
水槽１２０より加温水槽１１０への冷水の逆流を防ぐ逆
止弁（又は電磁弁）Ｖ_Ｒ１５０を介して接続されてい
る。

冷却水槽１２０は所定量（実施例では８）の液体を常
時収容しており、第２のポンプＰ_２１５１より加温槽１
１０よりの液体の供給を受けると、余剰の液体は冷却水
槽から加温水槽へのみ液体流通可能とする連結手段の隔
壁を越えて加温水槽に流入（オーバーフロー）するよう
連結されている。

制御装置１０１による温度調節制御を第２図のフローチ
ャートを参照して以下に説明する。

まず、Ｓ１で加温水槽１１０内のＳ_Ｈ１１１より送液温
度Ｔｓを読込み、続くＳ２でこの送液温度Ｔｓと制御装
置１０１内の送液温度設定つまみＶＯ_Ｈ（１０１ａ）に
よって与えられる目標温度Ｔｓ′とを比較し、送液温度
Ｔｓが設定温度Ｔｓ′より１℃以上高いか否かを調べ、
１℃以上高くない場合にはＳ３に進み、逆止弁Ｖ_Ｒ１５
０を閉じ、続くＳ４で第２のポンプＰ_２１５１を停止さ
せる。（なお、逆止弁Ｖ_Ｒ１５０を受動弁で構成し、第
２のポンプＰ_２１５１が停止すれば水圧差により自動的
に閉じられる構成としてもよい。）以上の制御により液
体は加温水槽１１０より→送液ポンプ１０２→送液パイ
プ１３３→熱交換器２００→送液パイプ１３４→加温水
槽１１０という一巡回路のみを形成することになる。

そして続くＳ５にて、送液温度Ｔｓが設定温度Ｔｓ′よ
り0.2℃以上低いか否かを調べ、0.2℃以上低い場合には
Ｓ６でヒータ１１２を比例帯幅0.2℃周期約３秒の時間
分割比例制御を行なわせる。Ｓ５で0.2℃以上低くない
場合にはＳ７に進み、ヒータ１１２をオフする。

以上の制御により加温水槽１１０内の液温Ｔｓを設定温
度Ｔｓ′の±0.2℃以内に安定されることができる。そ
してＳ６，Ｓ７共にＳ１２に進む。

上述のＳ２で送液温度Ｔｓが設定温度Ｔｓ′より１℃以
上高い場合にはＳ１０に進み、逆止弁Ｖ_Ｒ１５０を開
き、続くＳ１１で第２のポンプＰ_２１５１を駆動する。
なお、上述の如く逆止弁Ｖ_Ｒ１５０を受動弁で構成した
場合には、該逆止弁Ｖ_Ｒ１５０は第２のポンプＰ_２１５
１の作動に伴う水圧により自動的に開放される。以上の
制御により液体は加温水槽１１０より→送液ポンプ１０
２→送液パイプ１３３→熱交換器２００→送液パイプ１
３４→加温水槽１１０という一巡回路を形成すると共
に、加温水槽１１０→逆止弁Ｖ_Ｒ１５０→第２のポンプ
Ｐ_２１５１→冷却水槽１２０→（オーバーフロー）→加
温水槽１１０に戻るという温水と冷水の混合を行なう一
巡回路を形成される。このため、加温水槽１１０内の液
温は低下する。そしてＳ１１より前述のＳ７に進む。

Ｓ６又はＳ７よりＳ１２に進むと、制御装置１０１は冷
却水槽１２０内のＳｃ１２１より冷却水槽温度Ｔｃを読
込み、続くＳ１３で読込んだ冷却水槽温度Ｔｃと制御装
置１００の冷却水槽液温設定つまみＶＯｃ（１０１ｂ）
にて設定された設定温度Ｔｃ′とを比較し、Ｔｃ＞Ｔ
ｃ′の場合にはＳ１４で冷凍機１２２をオンし、Ｔｃ＜
Ｔｃ′＋0.2の場合にはＳ１５に進み、冷凍機１２２を
オフする。これらの制御によりヒステリシス約0.2℃の
範囲で冷凍機１２２をオン／オフ制御することになる。
尚、発熱源、および吸熱源の制御はオン／オフに限られ
ず、インバータ等による電力制御等での能力制御でもよ
い。また、本実施例においては、吸熱源はある温度以下
に保つだけで良く、精密な温度制御を必要としないた
め、十分な量の氷又は蓄冷材を使用し、特に吸熱源の制
御を行なわない方法でもよい。

そしてＳ１４又はＳ１５の処理終了後再びＳ１に戻り、
温度制御を続行する。

以上のような制御システムにおいて、冷水温度をあらか
じめ予想し得る必要最低水温より、やや低めに維持して
おくことにより任意かつ迅速な送液温度の制御が実現で
きるのは明白である。即ち、加温時は従来の一槽式の場
合、内蔵する冷却コイル等の物理的大きさ等による制限
のため、通常水の全体積は１０程度となるのに対し、
本実施例では加温の対象となる水は２となり、同じ容
量のヒータを用いれば５倍の速度で加温することができ
る。２の水のみの加温速度は1500wのヒータを用いる
と約10.7℃／分となり、５℃から40℃まで加温するのに
要する時間は約３分２０秒である。また、冷却時は目標
送水温度よりも冷却水槽内の冷水温度が十分低く保たれ
ていれば、必要量だけ第２のポンプＰ_２１５１を駆動
し、冷水と温水とを混合することによって即座に目標送
水温度に達することになる。

表１は加温水槽容積２、温水温度４０℃の時の両水槽
の混合のみで到達し得る最低到達温を表中の各冷却水槽
容積と冷水温度に対して示したものである。

以上の説明より容易にわかるように、本実施例の２の
加温水槽１１０、８の冷却水槽１２０の場合は冷水温
度を１５℃に保つならば４０℃の降温からでも４５秒以
内に２０℃まで送水温度を下げることができる。これに
対し、従来の一槽式の場合、冷凍機の能力を1100Kcal／
ｈｒとすると１０の水を４０℃から２０℃まで降温す
るのに要する時間は約１１分である。

本実施例における実験結果の一例を第３図に示す。

第３図に示したように本実施例によれば任意かつ迅速な
送液温度制御が実現される。（なお、この実験は熱交換
器２００の血液側は無負荷状態となっている。） 上記実験結果において明らかなように、本実施例におい
ては加温水槽のみを液体が循環する時、液体の送液回路
中での圧力損失に起因する発熱や、周囲からの吸熱によ
る水温上昇が無視できない程大きくなる場合がある。こ
の場合にも混合切換点Ｔｓ＋１℃の所で冷水の混入と停
止を繰り返す準安定状態となり、±１℃程度の温度変動
を生じるが、この程度の温度変動は実用上全く問題がな
い。

また、ＴｓがＴｓ′のごく近傍であるとき、例えば（Ｔ
ｓ′−１）＜Ｔｓ＜（Ｔｓ′＋１）の範囲内のときに
は、第２のポンプＰ_２１５１をごく低速で回転させた
り、またＶ_Ｒ１５０として流量制御弁を用い、「全
開」、「数１０cc／分程度の部分開放」、「完全閉鎖」
の３段階制御を行なう等の機構を用いることにより、上
記と全く同様の制御でさらに精密な温度制御が実現する
ことは明らかである。

尚、前述の実施例は冷却水槽が加熱水槽より大きな液体
収容容積で、加熱水槽に送液手段を備えたものについて
説明したが、加熱水槽を冷却水槽より大きな収容容積と
し、冷却水槽に送液ポンプ１０２を接続し、冷却水槽の
液体をＶ_Ｒ１５０、第２のポンプＰ_２１５１を経て加熱
水槽に送液し、両水槽の液体を混合させることも本発明
の範囲に含まれ、かつ十分有効である。

冷却水槽に組込まれる冷却装置については、アンモニ
ア、フロンガス等の冷媒を使用したコンプレッサ式冷凍
サイクルによるものが一般的であるが、電子冷却装置も
十分使用可能である。また、より簡便な手段として、氷
又は蓄冷材を使用してもよい。

尚、加熱手段、冷却手段の槽を水槽と称したが、本発明
の液体は水に限定されるものでなく、公知の液状熱媒体
であれば本発明の技術範囲に含まれる。

IV．発明の具体的効果 以上説明した様に本発明によれば、液体を冷却する水槽
を有する冷却手段と、液体を加熱する水槽を有する加熱
手段とを備え、前記冷却手段の水槽および加熱手段の水
槽は、そのいずれか一方が他方より大きな液体収容容積
を有し、液体収容容積が小さな槽より液体を取り出して
送出する液体送出手段と、液体収容容積が小さな槽から
液体収容容積が大きな槽に液体を供給すると共に、該供
給量に対応する量の液体を前記液体収容容積が大きな槽
より液体収容容積が小さな槽に供給する液体供給手段
と、前記液体送出手段から送出される液体の温度を所定
の温度とするよう前記液体供給手段の液体の供給量を制
御する制御手段とを有することにより、迅速に、かつ繰
り返し液体温度を任意の温度に制御することができる。

また、本発明の好適な実施例に従えば、加熱手段の水槽
の容量を冷却手段の水槽よりも大きくすることにより、
効率のよい液体温度制御が行なえる。

さらに、本発明の好適な実施例に従えば、冷却手段の水
槽の容量を発熱手段の水槽の容量より大きくすることに
より、効率のよい液体温度制御が行なえる。

また加熱手段の水槽を発熱源を備えた液槽とし、冷却手
段の水槽を吸熱手段を備えた液槽として発熱手段及び吸
熱手段のオン／オフ等による能力制御を行なうことによ
り小型でかつ効率のよい液体温度制御装置を提供するこ
とができる。

またさらに本発明の他の好適な実施例に従えば、大きな
槽の容積を小さな槽の容積の２倍以上とすることによ
り、液体温度の上昇制御及び下降制御を極めて迅速に、
かつ効率よく行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る一実施例の構成図、 第２図は本実施例の温度制御フローチャート、 第３図は本実施例における温度制御実験結果を示す図で
ある。 図において、１００……液体温度制御装置、１０１……
制御装置、１０１ａ……送液温度設定部、１０１ｂ……
冷却水槽液温設定部、１０２……送液ポンプ、１１０…
…加温水槽、１２０……冷却水槽、１２２……冷凍機、
１５０……逆止弁、１５１……ポンプ、２００……熱交
換器である。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】液体を冷却する水槽を有する冷却手段と、
   液体を加熱する水槽を有する加熱手段とを備え、 前記冷却手段の水槽および前記加熱手段の水槽は、その
   いずれか一方が他方より大きな液体収容容積を有し、 液体収容容積が小さな槽より液体を取り出して送出する
   液体送出手段と、 液体収容容積が小さな槽から液体収容容量が大きな槽に
   液体を供給すると共に、該供給量に対応する量の液体を
   前記液体収容容積が大きな槽より液体収容容積が小さな
   槽に供給する液体供給手段と、 前記液体送出手段から送出される液体の温度を所定の温
   度とするよう前記液体供給手段の液体の供給量を制御す
   る制御手段とを有することを特徴とする液体温度制御装
   置。
2. 【請求項２】冷却手段の水槽の液体収容容積は加熱手段
   の水槽の液体収容容積より大きく、液体供給手段は加熱
   手段の水槽より液体送出手段で送出される液体の温度を
   所定の温度とするよう前記加熱手段より前記冷却手段へ
   の液体の供給量を制御することを特徴とする特許請求の
   範囲第１項に記載の液体温度制御装置。
3. 【請求項３】加熱手段の水槽の液体収容容積は冷却手段
   の水槽の液体収容容積より大きく、液体供給手段は冷却
   手段の水槽より液体送出手段で送出される液体の温度を
   所定の温度とするよう前記冷却手段より前記加熱手段へ
   の液体の供給量を制御することを特徴とする特許請求の
   範囲第１項に記載の液体温度制御装置。
4. 【請求項４】加熱手段は発熱源を備え、冷却手段は吸熱
   源を備え、前記発熱源及び吸熱源の能力を前記制御手段
   で制御することを特徴とする特許請求の範囲第１項ない
   し第３項のいずれかに記載の液体温度制御装置。
5. 【請求項５】冷却手段の水槽と加熱手段の水槽の液体収
   容容積の比は２倍以上であることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項ないし第４項のいずれかに記載の液体温度
   制御装置。