JPH07110175A - 加熱と冷却を急速に変更する装置及び方法 - Google Patents

加熱と冷却を急速に変更する装置及び方法

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 低温範囲において可変温度エレメントの速や
かな温度変化を可能にする方法及び装置を提供する。 【構成】 オリフィス３の開口につながる熱交換器２
を、加熱及び冷却される表面と連絡し、この表面と接触
する流体を入れることのできるリザーバーを形成するジ
ャケット４の中に入れ、おのおのが熱交換器２に独立に
つながれ、一方は上記のオリフィス３を通って膨張する
と液化する第一のガスを供給し、他方は第一のガスの液
化により得られる温度よりも低い反転温度を有する第二
のガスを供給する二つのガス源５、６を備え、ジャケッ
ト４から流れ出てくる排ガスに熱交換器２を流れさせて
流入してくるガスを予熱又は予冷し、第一及び第二のガ
スに上記の熱交換器２とオリフィス３を交互に流れさせ
て上記の表面を冷却又は加熱する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、可変温度エレメントの
温度の速やかな変化を得るための方法及び装置に関し、
またこのような方法及び装置を使用することに関する。
より詳しく言えば、本発明は、低温範囲(cryogenic ran
ge) において所定領域を非常に短い時間で冷却し、そし
て同じ領域を相対的に高い温度に非常に短い時間で加熱
するのを可能にし、またその逆も同様に可能にする方法
及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】所望の
表面且つ所望の箇所において、温度を急速に変化させる
こと、特に非常に低い温度と室温あるいはもっと高い温
度との間で急速に変化させることができることは、多く
の用途において実際的に重要なことである。速やかな温
度変化は、例えば、シールする又は硬化させる(curing)
等の目的で種々の材料を処理する際に活用することがで
きる。
【０００３】低温及び高温の表面は医療用途にも利用さ
れる。例えば、悪性の組織を破壊するため、あるいは形
成外科のために、低温技術が使用される。そのような用
途の一例がSU 774,549号明細書に提示されており、これ
は冷凍外科プローブに熱キャリヤーを通して生物学的組
織を熱処理することに関するものである。この方法は、
人間の脳の冷凍外科に有効であると言われている。しか
しながら、この方法は、外科用プローブに熱キャリヤー
を通し、後にそれを加熱し、そして繰返してプローブを
通過させることを必要とする。アセトン又はアルコール
が熱キャリヤーとして使用される。プローブを通過する
前に、熱キャリヤーは -70〜-75 ℃に冷却されるか、あ
るいは +70〜90℃に加熱される。このタイプの装置は、
温度変化の遅れが長く、プローブ外部の扱いにくい加熱
冷却装置を必要とし、そして複雑であって使用するのに
経費がかかるため、重大な欠点を有する。
【０００４】低温冷却する能力と加熱する能力の両方を
もつ冷凍外科設備も当該技術分野において知られてい
る。一つのそのような装置とそれを医療用に使用するこ
とが、Andrew A. Gage, "Current Issues in Cryosurge
ry", Cryobiology 19, 219-222(1982)の 220〜221 ペー
ジに記載されている。これに記載されている装置は、止
血を行うために、液体窒素で冷却され、そして電気で加
熱される。しかしながら、電気加熱は本質的に比較的ゆ
っくりしたものである。
【０００５】SU 1,217,377号明細書には、オリフィスを
通してガスが膨張するのを利用する別の装置が記載され
ている。しかしながら、オリフィスを通しての単純なガ
スの膨張では、得られる温度変化は比較的ゆっくりであ
って、温度の変化は比較的穏やかである。従って、例え
ば、SU 1,217,377号明細書の装置では窒素を液化するこ
とは不可能である。その上、この従来技術の装置は、室
温でヘリウムを使用し、これは約 300気圧の圧力から膨
張して、単に約30℃ほどの加熱を達成する。いずれにせ
よ、この参考文献に記載された単流（単一パス）の膨張
では窒素を液化することができない。とは言え、ヘリウ
ムは約45Ｋの反転温度を有し、そしてこの参考文献で行
われているように、ネオン又は水素を第二のガスとして
使用するのを可能にする。一番高いネオンの反転温度は
約 200Ｋであり、水素の反転温度は約 180Ｋである。従
って、これらのガスは、液体窒素の温度が80Ｋであるた
め第一のガスとして窒素を使用しながら使用することが
できず、ネオンと水素で得ることができる加熱は少な
い。更に、ネオンと水素はそれらの最高温度より低い反
転温度にあって、そのため加熱が得られないことがあ
る。ネオンは高価であり、水素は危険であって、得るこ
とができる温度は多くの用途にとって満足のいかないも
のであり、このことが上述の装置が成功しないことの原
因となる。
【０００６】これまで、従来技術の装置と方法は、産業
や医学において低温技術の可能性を活用するために使用
することができる、簡単で且つ効果的な素早い温度変化
手段を提供することができなかった。従って、可能な限
りたくさんの用途においてそのような方法を活用するこ
とができることが大変に望ましいということは明らかで
ある。
【０００７】本発明の目的は、簡単で且つ効果的なやり
方でもって、低温範囲(cryogenic range) まででさえ
も、表面温度の急速で周期的な変化を、所望の箇所にお
いて生じさせる方法を提供することである。本発明のも
う一つの目的は、簡単であって且つ製作するのと操作す
るのに費用がかからず、そして従来技術の装置の欠点を
克服する、上記の方法を活用する装置（簡潔のために、
以下においては「プローブ」と呼ぶ）を提供することで
ある。本発明のこのほかの目的は、以下の説明の進行に
つれて明らかとなろう。
【０００８】
【課題を解決するための手段及び作用効果】本発明によ
る、急速に温度変化する表面を作る方法は、オリフィス
開口につながる熱交換器を加熱及び冷却されるべき表面
と連絡するジャケットの中に入れ、このジャケットは加
熱及び冷却されるべき表面と接触する流体を入れること
ができるリザーバーを形成しており、そしておのおのが
上記の熱交換器に独立につながれるガス源であって、一
方のガス源は上記のオリフィスを通って膨張すると液化
する第一のガスを供給するものであり、他方のガス源は
第一のガスの液化により得られる温度よりも低い反転温
度を有する第二のガスを供給するものである二つのガス
源を用意し、上記のジャケットから流れ出てくる排ガス
に上記の熱交換器を流れさせて流入してくるガスを場合
に応じて予熱又は予冷し、そして更に、上記の第一及び
第二のガスに上記の熱交換器及びオリフィスを交互に流
れさせて上記の表面を冷却又は加熱し、各ガスを上記の
オリフィスを通って流れさせるため及びその流れを止め
るための手段を設けることを含む方法である。
【０００９】本発明に従って使用されるべき適当なガス
の選択は重要である。例えば、ヘリウムの最高の反転温
度は43Ｋである。従って、77.3Ｋで沸騰する窒素により
いくらか予冷される場合でも、なおもそれはジュール−
トムソン膨張をすると温まる。更に、流入するガスを予
熱又は予冷することはただの効率又は節約の問題ではな
く、本発明の本質的な部分である。と言うのは、適当な
熱交換器による熱の交換を利用しないで単流（単一パ
ス）の加熱又は冷却を使用するプロセスや装置は、十分
に低いあるいは十分に高い温度をもたらさず、そして温
度変化を甚だゆっくりしたものにするからである。先に
述べたように、一方の終端の(extreme) 温度から他方へ
と急速に変わることが本発明の本質的な特徴である。
【００１０】熱交換器はどのようなタイプのものでもよ
く、例えば、フィンチューブ熱交換器又は多孔質マトリ
ックス熱交換器、例えば英国特許第１４２２４４５号明
細書に記載されているタイプのものでよい。この英国特
許明細書に記載されている装置は、プローブの低温冷却
(cryocooling) をするだけのものであって、目的はプロ
ーブの温度を -80℃未満に維持して、プローブを加熱す
る必要を完全に回避することである。この特許明細書の
教示に従えば、プローブが組織にくっつくのを防ぐ目的
で -80℃より高い温度で操作する場合には加熱が必要で
あった、ということに言及すべきである。しかしなが
ら、本発明に従って、素早い冷却−加熱サイクルで操作
する場合には、熱交換器を加熱のためにも利用すること
ができる。
【００１１】本発明の一つの好ましい態様では、急速な
温度変化は周期的なものである。本発明のもう一つの好
ましい態様では、急速な温度変化は操作者により制御さ
れて、選ばれた時点において果たされる。本発明の好ま
しい態様によれば、第一のガスは、アルゴン、窒素、空
気、クリプトン、ＣＦ4 、キセノン及びＮ2 Ｏから本質
的になる群から選ばれ、そして第二のガスはヘリウムで
ある。低温液化は、冷却された金属表面のもとで、下記
においてもっとよく説明されるように本発明に従って運
転する装置の低温終端部の先端で起こる。 Linde-Hamps
on法を応用し、液化のため冷却するのにジュール−トム
ソン効果を利用する。
【００１２】本発明はまた、 １）ジャケットの中に開口しているオリフィスにつなが
る熱交換器、 ２）加熱及び冷却されるべき表面と連絡し、加熱及び冷
却されるべき表面と接触する流体を入れることができる
リザーバーを形成しているジャケット、 ３）上記の熱交換器におのおのが独立に接続されている
二つの加圧ガス源、 ４）各ガスを上記のオリフィスを通って流れさせるため
及びその流れを止めるための手段、 を含む、表面を低温冷却及び加熱するための装置を包含
するものである。
【００１３】本発明の一つの態様によれば、加圧ガス源
は圧力をかけてガスを入れたガスリザーバーである。本
発明のもう一つの態様によれば、ガス源は、所望の圧力
よりも低い圧力のガスが入ったリザーバーからガスを引
き出す１又は２以上の圧縮機を含む。加熱及び冷却され
る表面は、所望のどのような形状のものでもよい。一つ
の好ましい態様によれば、ジャケットに取付けられ、プ
ローブを使用しようとする用途に応じていろいろな形状
を有する、交換可能なエレメントが用意される。
【００１４】更に、用途によっては、温度変化を高い頻
度で行うことが重要である一方で、極端の(extreme) 温
度に到達することはそれほど重要ではない、ということ
を理解すべきである。従って、例えば、所定の用途にと
って、 -50℃の温度とと+100℃の温度の間だけを変動す
ることが望まれることがある。当業者により理解される
ように、所望の温度の上限及び／又は下限を制限するこ
とはそれらの間をはるかにより速く変動することを可能
にし、そして本発明も、極端でなく且つ低温でない温度
についてそのように速く変化することを含むものであ
る。もちろんながら、熟練した技術者は、使用しようと
する温度に応じて、所定の用途に使用すべき適切なガス
を選ぶことができよう。
【００１５】本発明はまた、破壊すべき生体細胞が位置
している表面に本発明によるプローブを接触させ、そし
てその接触表面で終端温度の変化を起こさせることを含
む、生体の複数の細胞を選択的に破壊する方法を提供す
る。焼灼を行うため又はプローブが細胞にくっつくのを
避けるために加熱を電気的手段により行う従来技術の方
法と違って、本発明によれば、加熱における変化は本発
明の方法の本質的な部分であって、そしてこの変化は、
上述の利点とは別に、冷たい前方部分が貫入する深さを
制御するのと、細胞に温度衝撃を与えるのを可能にす
る、ということに注目すべきである。
【００１６】本発明の好ましい態様によれば、処理され
る表面は表皮である。本発明のもう一つの好ましい態様
によれば、処理される表面は人間の脳又は眼である。本
発明はまた、ジュール−トムソン液化装置にガスをかわ
るがわる供給して表面を連続的に冷却／加熱することを
含む、温度の急速な周期的変化を生じさせるための方法
をも包含するものである。
【００１７】
【実施例】次に、本発明の好ましい態様を詳しく説明す
る。図１を参照すると、１は、ジュール−トムソン装置
を全体として構成する、熱交換器２、オリフィス３、及
び絶縁されたジャケット４を含んでなるプローブを一般
的に示している。約40MPa の圧力でガスを入れた二つの
ガスリザーバー５と６は、逆止弁８及び９、オンオフ弁
10及び11を通り、管路７を経て、上記の熱交換器２に接
続される。あるいはまた、リザーバー５と６のガスを圧
縮するため２台の圧縮機を用意することができる。オン
オフ弁（10又は11）を開けると、ガスが管路７を通って
熱交換器２へ流入し、オリフィス３から出て、12で指示
される低温液体プールを形成する。プローブ表面13は、
その時に使用されているガスに応じてこのプールにより
冷却されるかあるいは加熱され、またそれと接触する、
模式的に14で指示されている対象物の表面を冷却する。
【００１８】本発明の一態様によるプローブの設計を、
図２でもってもっと十分に説明する。絶縁スリーブ15
は、低温冷却器17を入れる鋼の被包(encapsulation) 16
を含めて、プローブのいろいろな部品を収容する。高圧
ガスは供給管路18を通して供給され、オリフィス（図示
せず）を通って膨張する。高温又は低温のガスは、処理
物を冷却及び加熱するために使用される表面である加熱
／冷却面20と接触するプール19を作る。低温冷却器17を
所定の場所に保持するために別のスリーブ21が用意さ
れ、そして排ガスはその中の空間22を通ってプローブを
出てゆく。
【００１９】図５は、本発明に関係して使用される熱交
換器のフィンチューブ23の部分を模式的に示している。
このチューブに沿ってフィン24が配列されている。矢印
で示すように、高い圧力P1のガスはチューブ23内をオリ
フィス25に向かって流れ、その一方より低い圧力P2の排
ガスはこのチューブを横切って流れる。
【００２０】図６に熱交換器を示す。この熱交換器は、
内側のマンドレル26と外側のマンドレル27の間に入れら
れた、フィン24が付いた高圧チューブ23で製作される。
矢印Ｂで指示される、冷却又は加熱される面20から逆流
してくるガスは、熱交換器に流入しそしてフィンチュー
ブ23の外表面と接触して、その中側を流れるガスと熱を
交換する。
【００２１】既に述べたように、本発明は様々な医療用
途に利用することができる。本発明で得られる利点のい
くつかを挙げると次のとおりである。 ａ．既に知られている技術によってなされているよう
に、冒されている領域を冷却するだけである低温プロー
ブを使用する場合よりも、温度サイクルを用いて操作す
る場合には、生体細胞の破壊がより効果的である。 ｂ．温度サイクルを用いるので、従来技術の低温プロー
ブを使用する場合に起こるのと対照的に、低温の前方部
分は健康な層に非常に深く貫入することがない。従っ
て、本発明によれば、冒された表面領域をより長く処理
することが可能である一方、健康な細胞に対する損傷は
減少する。言い換えれば、冷たい前方部分の貫入する深
さはサイクルの頻度により制限及び制御され、そして更
に、それは接触時間と無関係である。当業者により認め
られるように、調和的な表面温度プロファイルによっ
て、得られる貫入の深さは（α・τ）1/2 に比例する。
ここで、αは温度拡散率であり、τは時間である。これ
は、例えばH. S. Carslaw and J. C. Jaeger, "Conduct
ion of Heat in Solids", Chapter 2.6, Clavendon Pre
ss, Oxford, 1959から知られていることである。 ｃ．処理サイクルの最後には、プローブを表皮がプロー
ブ表面に付着しない温度まで加熱することができる。こ
のようにして、皮膚から冷たい低温プローブを取去ろう
とする際に起こるのと対照的に、表面の損傷が避けられ
る。
【００２２】当業者により認められるように、本発明に
よるプローブは、いろいろな用途のために、非常に細い
プローブから比較的大きな面積のプローブまでの範囲に
わたる様々な大きさで作製することができる。と言うの
は、例えば電気ヒーターのような場所をとる部品の必要
がないので、この加熱／冷却装置は非常に小さな容積で
も収容することができるからである。このように、例え
ば、図７は、例えば表皮の処理のためあるいは非医療用
途に適しているような、平らな、面積の大きなプローブ
を例示している。その一方、図８は、癌の治療のため例
えば肝臓に貫入させるのに使用することができるよう
な、細く、尖ったプローブを示している。
【００２３】図７を参照すると、この図では理解を容易
にするため図６と同じ符号を用いており、冷却及び加熱
される面20は、内側のマンドレル26と外側のマンドレル
27の間にある熱交換器のチューブ23の近くに位置してい
る。ガスは、外部のシース28の中にあるガス管を通って
プローブの先端まで流れる。シース28の中には、所望な
らば、２本以上の管を入れることも、電線を入れること
もできる。気体についての接続と電気についての接続
は、例えばコネクター29を通して行うことができる（こ
れらの接続は詳しく示されてはいない）。本発明のこの
特別の態様によれば、ガスの流量はプローブホルダーに
ある押ボタン又はスイッチ30により制御され、そのため
プローブの作用は、持ち替える必要なく且つ操作を止め
ることなく使用者によって容易に制御される。例えば加
熱用又は冷却用のガスがいつ流れているか、あるいはプ
ローブの操作がいつ完全に停止されたかを指示するため
に、管理ライト31を設けることもできる。
【００２４】同様に、図８には、接触面20が平らでな
く、尖っている、細いプローブが示されている。プロー
ブが細いために、内側のマンドレルと外側のマンドレル
は太さが低下しており、図面をはっきりさせるためこの
図面には示されていない。本発明のこの態様におけるプ
ローブホルダー32は、プローブの尖った先端から離れた
ところに位置することができ、また図７におけるよう
に、ボタンや指示ライト（図示せず）を備えることもで
きる。もちろんのことながら、それらを使用しようとす
る用途に応じて、多くのいろいろな形状及び大きさのプ
ローブを供給することができ、上記の例は可能な種々の
プローブのうちの二つを例示する目的で示したに過ぎな
い。
【００２５】次に、以下に掲げる例によって本発明を更
に説明する。例 １ 加熱−冷却サイクル 先に説明した装置を使って、加熱−冷却サイクルを生じ
させる実験を行い、プローブの表面（13）で得られた温
度を記録した。熱交換器（２）の直径は 5.2mmであっ
た。そしてこの熱交換器を 100Paを超える減圧下に保持
した。オリフィスの直径は0.12mmであった。10,000psi
(680気圧) のヘリウムを使用した。窒素は6000psi (408
気圧) であって、その流量は約50GLPMであった。室温か
ら 120℃の温度に達するまで加熱を行い、その後ガスを
変更して、プローブを-190℃まで冷却した。冷却時間と
加熱時間はほとんで同じであり、サイクル全体で約30秒
かかった。当業者により認められるように、これはその
ようなサイクルにとっては驚くべきほど短い時間であっ
て、従来技術の装置ではほとんど得ることができない。
得られた結果を図３に示す。
【００２６】例 ２ 加熱の実験 例１におけるのと同じプローブを急速な加熱について試
験した。例１に関連して説明したのとおなじ条件下で、
プローブを 170℃まで加熱した。結果は図４に示され、
これより室温から 170℃までの加熱が 6.5秒で達成され
たことが分かる。この結果は、反転温度の効果を説明す
るものであり、ヘリウムを使って加熱を行うことができ
ることを証明するものである。温度の終端を 205℃にし
て同じように実験を繰返し、加熱時間が12秒という同等
の結果が得られた。
【００２７】上記の説明と例は全て、説明を目的として
提示したものであって、本発明をどのようにも限定しよ
うとするものではない。本発明の装置の種々の部品、形
状及び構成には多くの改変を施すことができる。同じよ
うに、いずれも本発明の範囲をはずれることなしに、い
ろいろなガスの組み合わせやガス混合物を使用すること
ができ、またいろいろな低温及び高温を利用することが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法を説明するのに使用される、本発
明による装置の代表例を模式的に示す図である。
【図２】本発明の一つの好ましい態様によるプローブの
代表例を詳しく示す断面図である。
【図３】図２のプローブを用いて行った加熱−冷却実験
の結果を示す図である。
【図４】加熱実験の結果を示す図である。
【図５】フィンチューブの部分を模式的に示す図であ
る。
【図６】本発明の一つの好ましい態様による装置の熱交
換器を示す模式断面図である。
【図７】本発明の一つの好ましい態様によるプローブを
模式的に示す図である。
【図８】本発明のもう一つの好ましい態様によるプロー
ブを模式的に示す図である。
【符号の説明】
１…プローブ ２…熱交換器 ３…オリフィス ４…ジャケット ５…ガスリザーバー ６…ガスリザーバー １２…低温液体プール １３…プローブ表面 １４…対象物 １５…スリーブ １７…低温冷却器 １９…プール ２０…加熱／冷却面 ２３…フィンチューブ ２４…フィン ２５…オリフィス

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 オリフィス開口につながる熱交換器を加
    熱及び冷却されるべき表面と連絡するジャケットの中に
    入れ、このジャケットは加熱及び冷却されるべき表面と
    接触する流体を入れることのできるリザーバーを形成し
    ており、そしておのおのが上記の熱交換器に独立につな
    がれるガス源であって、一方のガス源は上記のオリフィ
    スを通って膨張すると液化する第一のガスを供給するも
    のであり、他方のガス源は第一のガスの液化により得ら
    れる温度よりも低い反転温度を有する第二のガスを供給
    するものである二つのガス源を用意し、上記のジャケッ
    トから流れ出てくる排ガスに上記の熱交換器を流れさせ
    て流入してくるガスを場合に応じて予熱又は予冷し、そ
    して更に、上記の第一及び第二のガスに上記の熱交換器
    及びオリフィスを交互に流れさせて上記の表面を冷却又
    は加熱し、各ガスを上記のオリフィスを通って流れさせ
    るため及びその流れを止めるための手段を設けることを
    含む、急速に温度変化する表面を作る方法。
  2. 【請求項２】 急速な温度変化が周期的である、請求項
    １記載の方法。
  3. 【請求項３】 急速な温度変化が操作者によって制御さ
    れ、そして選ばれた時点において果たされる、請求項１
    記載の方法。
  4. 【請求項４】 第一のガスが、アルゴン、窒素、空気、
    クリプトン、ＣＦ4、キセノン及びＮ2 Ｏから本質的に
    なる群から選ばれ、そして第二のガスがヘリウムであ
    る、請求項１から３までのいずれか一つに記載の方法。
  5. 【請求項５】 下記の１）〜４）のものを含んでなる、
    表面を冷却及び加熱するための装置。 １）ジャケット内に開口しているオリフィスにつながる
    熱交換器 ２）加熱及び冷却されるべき表面と連絡しており、加熱
    及び冷却されるべき表面と接触する流体を入れることが
    できるリザーバーを形成しているジャケット ３）上記の熱交換器におのおのが独立に接続されている
    二つのガス源 ４）各ガスを上記のオリフィスを通って流れさせるため
    及びその流れを止めるための手段
  6. 【請求項６】 前記ガス源が加圧ガスを入れたガスリザ
    ーバーである、請求項５記載の装置。
  7. 【請求項７】 前記ガス源が、所望の圧力よりも低い圧
    力のガスが入ったリザーバーからガスを引き出す１又は
    ２台以上の圧縮機を含む、請求項５記載の装置。
  8. 【請求項８】 前記熱交換器が細管又は多孔質マトリッ
    クス熱交換器である、請求項５記載の装置。
  9. 【請求項９】 前記冷却が低温冷却(cryocooling) であ
    る、請求項５記載の装置。
  10. 【請求項１０】 下記の１）及び２）のものを含んでな
    る、表面を冷却及び加熱するためのプローブ。 １）ジャケット内に開口しているオリフィスにつながる
    熱交換器 ２）加熱及び冷却されるべき表面と連絡しており、加熱
    及び冷却されるべき表面と接触する流体を入れることが
    できるリザーバーを形成しているジャケット
  11. 【請求項１１】 加熱及び冷却されるべき表面が変更可
    能なものである、請求項10記載のプローブ。
  12. 【請求項１２】 前記冷却が低温冷却である、請求項10
    記載のプローブ。
  13. 【請求項１３】 入ってくるガスが排ガスと熱を交換す
    る熱交換器を含んでなるジュール−トムソン液化装置に
    ガスをかわるがわる供給して表面を連続的に冷却／加熱
    することを含む、温度の急速な周期的変化を生じさせる
    ための方法。
  14. 【請求項１４】 温度変化の頻度をそれほど極端でない
    温度を使用して増大させる、請求項13記載の方法。
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