PL193001B1 - Sposób uzyskiwania mieszaniny ciekło-gazowej oraz urządzenie do uzyskiwania mieszaniny ciekło-gazowej - Google Patents

Abstract

1. Sposób uzyskiwania mieszaniny ciekło-gazowej w aplikatorach zimna przy ich zasilaniu ze standardowej butli ciśnieniowej wypełnionej płynnym czynnikiem chłodniczym, znamienny tym, że pobiera się czynnik chłodniczy w postaci gazowej znad powierzchni lustra cieczy, po czym kieruje się do wymiennika ciepła (3), w którym schładza się go poprzez zewnętrzne źródło chłodu (4), a następnie w postaci mieszaniny ciekłogazowej kieruje się do aplikatora zimna (9). 7. Urządzenie do uzyskiwania mieszaniny ciekłogazowej w aplikatorach zimna zasilanych ze standardowej butli ciśnieniowej wypełnionej płynnym czynnikiem chłodniczym, w którym co najmniej jedna butla z czynnikiem chłodniczym jest połączona linią zasilającą ze sterownikiem zawierającym, co najmniej zawór otwierający, manometr i reduktor, znamienny tym, że sterownik (2) połączony jest z układem zawierającym wymiennik ciepła (3) oraz zewnętrzne źródło chłodu (4), przy czym wymiennik ciepła (3), połączony jest poprzez linię doprowadzającą (5) z aplikatorem zimna (9, 12).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób uzyskiwania mieszaniny ciekło-gazowej do zasilania aplikatora zimna oraz urządzenie do uzyskiwania mieszaniny ciekło-gazowej znajdujące zastosowanie w przemyśle oraz kriochirurgii, w krioterapii oraz w wielu innych dziedzinach techniki i medycyny.

Kriochirurgia i krioterapia są coraz bardziej powszechnymi metodami zabiegowymi stosowanymi w medycynie i fizjoterapii. Do stosowania tych metod koniecznym jest wytwarzanie niskich temperatur. Obecnie, do tych zastosowań niskie temperatury uzyskuje się stosując skroplony azot LN2 o punkcie wrzenia (-196°C) oraz poprzez wykorzystanie adiabatycznego rozprężenia sprężonych gazów głównie podtlenku azotu N2O (-89°C) i dwutlenku węgla CO2 (-70°C). Znacznie rzadziej stosowane są inne czynniki chłodnicze takie jak freon, argon czy hel. W dalszych rozważaniach mówiąc o podtlenku azotu i dwutlenku węgla będziemy mieli na uwadze również inne chłodziwa, które poprzez rozprężenie dają efekt oziębienia. Zamrażać lub schładzać tkankę możemy przez bezpośredni natrysk chłodziwa aplikatorem lub poprzez dotknięcie do tkanki metalową końcówką sondy kriogenicznej, wewnątrz której przepływa czynnik chłodzący. Do zalet urządzeń wykorzystujących sprężone gazy N2O i CO2 należy, powszechna dostępność czynników chłodniczych, możliwość dowolnie długiego przechowywania bez strat czynnika w bardzo tanich cylindrach ciśnieniowych, ciepłe, a zatem bezpieczne powierzchnie sond kriogenicznych aż do samej końcówki (nie występuje potrzeba stosowania płaszczy próżniowych), możliwość zastosowania wielu rodzajów konstrukcji sond np. bardzo cienkich lub elastycznych niemożliwych do wykonania w technice z zastosowaniem ciekłego azotu. Jedyną wadą powyższego systemu jest mniejsza moc chłodnicza sond kontaktowych.

Natomiast poważną wadą urządzeń zasilanych ciekłym azotem jest: konieczność przechowywania ciekłego azotu w drogich zbiornikach tzw. naczyniach Dewara, stałe straty czynnika w trakcie jego składowania, konieczność stosowania płaszczy próżniowych lub grubych specjalnych izolacji na niemrożącej części sondy, stosowanie drogich, specjalnych systemów ciśnieniowych do zasilania cienkich kriosond, niemożliwość zastosowania sond o średnicy poniżej 2-3 mm oraz kriosond elastycznych. Bardzo ważną właściwością sprężonych ciekłych gazów N2O i CO2 jest ich duże ciepło parowania. Ciekły podtlenek azotu ma około dwukrotnie większe ciepło parowania niż ciekły azot. W praktyce oznacza to, że taka sama kropla ciekłego N2O odbierze od tkanki dwukrotnie więcej ciepła niż ciekły azot. Próbowano już wykorzystać tę właściwość ciekłego N2O przez zastosowanie butli syfonowych, umożliwiających bezpośrednie pobieranie cieczy z dna butli. Butle te nie są jednak szeroko rozpowszechnione i wymagają specjalnych procedur podczas dystrybucji. Z tego powodu w przypadku aparatów do kriochirurgii z zastosowaniem N2O rozwiązanie to nie znalazło większego zastosowania. Obecnie stosuje się je bardzo rzadko i tylko z CO2 w zabiegach krioterapeutycznych.

Przykładowe rozwiązanie znane ze stanu techniki pokazuje uproszczoną zasadę działania typowego obecnie na świecie systemu gazowego N2O. Gaz pobiera się znad lustra cieczy z typowej butli ciśnieniowej (N2O jest gazem anestezjologicznym powszechnie i bardzo szeroko używanym na całym świecie) i przepuszcza się przez sterownik zawierający reduktor, zawory sterujące i odcinające powrót gazu, manometr itp. następnie elastyczną linią zasilającą doprowadza się do zewnętrznego płaszcza i rozpręża się go przez dyszę oziębiając końcówkę. Wraca wewnętrzną rurką a następnie elastyczną linią powrotną do sterownika gdzie przechodzi przez zawór odcinający na zewnątrz. Wymiana ciepła w kriosondzie pomiędzy gazem wchodzącym o temperaturze otoczenia a gazem wychodzącym o temperaturze ujemnej powoduje niewielkie częściowe skroplenie gazu wlotowego tak, że w końcówce kriosondy występuje zjawisko Joula-Thomsona oraz odparowanie malej ilości ciekłego N2O. Takie rozwiązania przedstawiono w opisach patentowych GB2226497, US4275734 i US3613689.

Dotychczasowe próby zasilania aplikatorów i kriosond płynnym N2O wiązały się z koniecznością zastosowania nietypowej butli syfonowej lub zwykłej, lecz posadowionej w specjalnym stojaku i odwróconej zaworem do dołu jak przedstawiono w polskim opisie patentowym PL151 826.

Powyższe rozwiązania jednak jako niepraktyczne nie znalazły szerszego zastosowania.

Celem niniejszego rozwiązania jest zapewnienie udoskonalonego systemu kriochirurgicznego w oparciu o podtlenek azotu (N2O) i dwutlenek węgla (CO2), w którym aplikator w postaci kriosondy kontaktowej lub natryskowej zasilany jest mieszaniną ciekło-gazową o płynnie regulowanym składzie.

Sposób uzyskiwania mieszaniny ciekło-gazowej w aplikatorach zimna przy ich zasilaniu ze standardowej butli ciśnieniowej wypełnionej płynnym czynnikiem chłodniczym charakteryzuje się tym, że pobiera się czynnik chłodniczy w postaci gazowej znad powierzchni lustra cieczy, po czym

PL 193 001 B1 kieruje się do wymiennika ciepła, w którym schładza się go poprzez zewnętrzne źródło chłodu, a następnie w czynnik chłodniczy postaci mieszaniny ciekło-gazowej kieruje się do aplikatora zimna.

Korzystnie, gazowy czynnik chłodniczy skrapla się częściowo w wymienniku ciepła, a jako zewnętrzne źródło chłodu stosuje się agregat chłodniczy z użyciem mieszanin freonopodobnych. W innym rozwiązaniu jako zewnętrzne źródło chłodu stosuje się urządzenie termoelektryczne wykorzystujące efekt Peltiera. Korzystnie stopień skraplania mieszaniny ciekło-gazowej reguluje się ciśnieniem gazowego czynnika chłodzącego, a w innym rozwiązaniu stopień częściowego skraplania w wymienniku reguluje się poprzez zmianę mocy chłodniczej zewnętrznego źródła chłodu.

Urządzenie do uzyskiwania mieszaniny ciekło-gazowej w aplikatorach zimna zasilanych ze standardowej butli ciśnieniowej wypełnionej płynnym czynnikiem chłodniczym, w którym co najmniej jedna butla z czynnikiem chłodniczym jest połączona linią zasilającą ze sterownikiem zawierającym co najmniej zawór otwierający, manometr i reduktor, według wynalazku, posiada sterownik połączony z układem zawierającym wymiennik oraz zewnętrzne źródło chłodu, przy czym wymiennik, połączony jest poprzez linię doprowadzającą z aplikatorem zimna.

Korzystnie aplikator zimna wykonany jest w postaci kriosondy lub w innym rozwiązaniu aplikator zimna stanowi dysza rozprężna, a sterownik, wymiennik i źródło chłodu stanowią integralny zespół, zaś w jeszcze innym rozwiązaniu sterownik stanowi wyodrębniony moduł sterujący zintegrowany z zespołem składającym się z wymiennika i zewnętrznego źródła chłodu.

Rozwiązanie według wynalazku zobrazowane jest na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat ideowy rozwiązania, fig. 2 - schemat konstrukcji urządzenia według wynalazku, fig. 3 - schemat przykładowego rozwiązania urządzenia kriochirurgicznego, zaś fig. 4 kolejne zastosowanie zewnętrznego źródła chłodu dla krioterapii.

Jak przedstawiono na fig. 1, zgodnie z wynalazkiem, gaz pobiera się z typowej butli (niesyfonowej) zawierającej sprężony skroplony czynnik chłodniczy znad lustra cieczy i linią zasilającą 1 kieruje się go do sterownika 2 zawierającego zawór, manometr i reduktor ciśnienia w przypadku urządzenia kriochirurgicznego, a następnie przepuszcza się przez wymiennik ciepła 3 w którym ulega skropleniu i jako ciecz lub mieszaninę ciekło-gazową kierowany jest linią doprowadzającą 5 do dysz nadmuchowych w przypadku krioterapii lub sond kriochirurgicznych w przypadku kriochirurgii. Do wymiennika dostarcza się zimno przez źródło chłodu 4. W zastosowaniu praktycznym dla pojedynczej sondy kriochirurgicznej zasilanej N2O lub CO2 jako źródło chłodu można zastosować wymiennik z zespołem termoelektrycznych ogniw Peltiera. Jest to rozwiązanie bardzo wygodne, gdyż wymaga ono jedynie zainstalowania kilku płytek termoelektrycznych ogniw zasilanych z sieci elektrycznej. Zapotrzebowanie na ciekły N2O albo CO2, jaki jest potrzebna do zasilania jednej sondy kriochirurgicznej wynosi od 0,2 do 1 kg/godz. W zależności od rodzaju sondy. Moc termoogniw powinna zawierać się w granicach 50 do 250W. W przypadku urządzeń kriochirurgicznych wielosondowych lub urządzeń krioterapeutycznych, gdzie ilość zużywanej cieczy N2O albo CO2 jest większa, wymagane jest źródło chłodu większej mocy. Można tu zastosować jako źródło chłodu powszechnie używany w chłodnictwie agregat freonowy lub oparty na ekologicznej mieszaninie o właściwościach freonu.

Figura 2 prezentuje przykładowe rozwiązanie urządzenia kriochirurgicznego z urządzeniem chłodzącym wymiennik opartym na zespole termoelektrycznych ogniw Peltiera. Butla z N2O albo CO2 umieszczona jest w obudowie 6 zaopatrzonej w układ jezdny. Z butli, gaz doprowadza się do sterownika 2. Zestaw składający się z butli zawierającej czynnik chłodzący wraz ze sterownikiem stanowi typowy moduł wielu urządzeń kriochirurgicznych. Wymiennik z zespołem termoelektrycznych ogniw Peltiera umieszczony jest w dodatkowym module 8, ale w innym nieprzedstawionym na rysunku rozwiązaniu może stanowić integralną część sterownika 2. Gaz ze sterownika 2 kierowany jest poprzez linię zasilającą 10 najpierw do modułu 8 zawierającego wymiennik z zestawem termoelektrycznych ogniw Peltiera, tam częściowo lub całkowicie skrapla się, a następnie kieruje się go w postaci mieszaniny ciekło-gazowej linią doprowadzającą 5 do aplikatora zimna 9, 12w postaci kriosondy albo do aplikatora natryskowego, którym mieszaninę ciekło-gazową podaje się bezpośrednio na tkankę, a w przypadku sondy kontaktowej (zamkniętej) po ochłodzeniu jej końcówki wraca linią odprowadzającą 11 do sterownika 2.

Na fig. 3 pokazano przykładowe rozwiązanie urządzenia krioterapeutycznego. Butla lub zespól butli niesyfonowych, zawierających skroplony CO2 wstawia się do obudowy wyposażonej w układ jezdny. W tej samej obudowie umieszczony jest sterownik 2 oraz źródło chłodu 4 z wymiennikiem ciepła 3. Gaz z połączonych butli kierowany jest do sterownika 2 a następnie do wymiennika chłodzonego przez źródło chłodu 4 i po częściowym lub całkowitym skropleniu kierowany jest do natryskowego aplikatora zimna 12 mającego postać dyszy rozprężnej. Ilość ciekłego CO2 wytwarzana w wymienniku

PL 193 001 B1 a potrzebna do schładzania tkanki wynosi od 5 do 15 kg/godz. Zależy ona bezpośrednio od intensywności schładzania i od powierzchni tkanki poddawanej krioterapii. Dlatego też używa się różnych dysz nadmuchowych. Na niewielkie powierzchnie ciała takie jak palce lub łokieć używa się dyszy o mniejszej mocy i mniejszym obszarze działania, w której element rozprężny ma średnicę około 0,1 do 0,2 mm. Na większe obszary, jak pośladki, bark stosuje się w dyszach elementy rozprężne o średnicy 0,3 do 0,4 mm. Moc źródła chłodu powinna zawierać się w granicach 400 W do 1000 W.

Z praktycznego punktu widzenia źródło chłodu 4, wymiennik ciepła 3, sterownik 2 mogą stanowić jedną całość z możliwością umieszczania w obudowie z układem jezdnym, a butla lub zespół butli CO2 wraz z obudową z układem jezdnym, mogą stanowić oddzielny element. Oba zespoły powinny być w łatwy sposób łączone ze sobą.

Figura 4 pokazuje jeszcze inne zastosowanie zewnętrznego źródła chłodu dla krioterapii. W przypadku, gdy w ośrodkach medycznych lub fizjoterapeutycznych wykonuje się bardzo dużo zabiegów kriochirurgicznych można używać dużych butli z CO2, które składuje się w oddzielnym pomieszczeniu. W pokazanym na fig. 4 rozwiązaniu, sterownik 2 wraz ze źródłem chłodu 4 i wymiennikiem ciepła 3 stanowi jedno urządzenie zabudowane i umieszczone na układzie jezdnym. Do tego urządzenia zespół dużych butli 13 z CO2 jest połączony za pomocą linii ciśnieniowej 14.

Wynalazek ma również zastosowanie w przemyśle do uzyskiwania połączeń skurczowych wymagających schłodzenia jednego z łączonych detali.

Główną zaletą przedstawionego rozwiązania jest wyeliminowanie niewygodnego w dystrybucji systemu butli syfonowych. Stosując sposób według wynalazku zyskuje się zarówno możliwość stosowania standardowych butli jak i możliwość kontroli ilości skraplanego gazu, a tym samym mocy krioaplikatorów zimna, do których mieszanina ciekło-gazowa jest dostarczana, oraz uzyskuje się możliwość płynnej regulacji wydajności chłodniczej aplikatorów zimna do celów przemysłowych jak i w kriochirurgii oraz w krioterapii, co jest niezwykle ważne dla lekarzy i terapeutów.

Claims (11)

1. Sposób uzyskiwania mieszaniny ciekło-gazowej w aplikatorach zimna przy ich zasilaniu ze standardowej butli ciśnieniowej wypełnionej płynnym czynnikiem chłodniczym, znamienny tym, że pobiera się czynnik chłodniczy w postaci gazowej znad powierzchni lustra cieczy, po czym kieruje się do wymiennika ciepła (3), w którym schładza się go poprzez zewnętrzne źródło chłodu (4), a następnie w postaci mieszaniny ciekło-gazowej kieruje się do aplikatora zimna (9).

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że gazowy czynnik chłodniczy skrapla się częściowo w wymienniku ciepła (3).

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako zewnętrzne źródło chłodu (4) stosuje się agregat chłodniczy z użyciem mieszanin freono-podobnych.

4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako zewnętrzne źródło chłodu (4) stosuje się urządzenie termoelektryczne wykorzystujące efekt Peltiera.

5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stopień skraplania mieszaniny ciekło-gazowej reguluje się ciśnieniem gazowego czynnika chłodzącego.

6. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że stopień częściowego skraplanie w wymienniku reguluje się poprzez zmianę mocy chłodniczej zewnętrznego źródła chłodu (4).

7. Urządzenie do uzyskiwania mieszaniny ciekło-gazowej w aplikatorach zimna zasilanych ze standardowej butli ciśnieniowej wypełnionej płynnym czynnikiem chłodniczym, w którym co najmniej jedna butla z czynnikiem chłodniczym jest połączona linią zasilającą ze sterownikiem zawierającym, co najmniej zawór otwierający, manometr i reduktor, znamienny tym, że sterownik (2) połączony jest z układem zawierającym wymiennik ciepła (3) oraz zewnętrzne źródło chłodu (4), przy czym wymiennik ciepła (3), połączony jest poprzez linię doprowadzającą (5) z aplikatorem zimna (9, 12).

8. Urządzenie według zastrz. 7, znamienne tym, że aplikator zimna (9 ) wykonany jest w postaci Kriosondy.

9. Urządzenie według zastrz. 7, znamienne tym, że aplikator zimna (12) stanowi dysza rozprężna.

10. Urządzenie według zastrz. 7, znamienne tym, że sterownik (2), wymiennik ciepła (3) i źródło chłodu (4) stanowią integralny zespół.

11. Urządzenie według zastrz. 7, znamienne tym, że sterownik (2) stanowi wyodrębniony moduł sterujący zintegrowany zespołem składającym się z wymiennika ciepła (3) i zewnętrznego źródła chłodu (4).