伝熱制御式極細径・長尺クライオプローブの試作に関する研究

1992 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 02555044
• Research Institution: TOHOKU UNIVERSITY
• Principal Investigator: 相原 利雄 東北大学, 流体科学研究所, 教授 (90006172)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 藤間 克己 前川製作所, 技術研究所, 研究員 ; 笠原 敬介 前川製作所, 副社長 ; 鈴木 和弥 前川製作所, 技術研究所, 研究員 ; 小原 拓 東北大学, 流体科学研究所, 助手 (40211833)
• Keywords: クライオプローブ / 冷凍外科 / 沸騰熱伝達 / 低温工学 / 衝突噴流 / 強制対流 / 熱伝達 / 真空断熱

Research Abstract

本年度は、外径3.1mm、長さ1mの液体窒素型クライオプローブを用い、その伝熱性能(冷却能力)をデュワー圧力制御方式によりオンラインシステムで動的に制御し、生体の温度免疫に対処するための伝熱制御のソフト開発と理論付けを行った。本年度に得られた結果を要約すれば以下のとおりである。
(1)クライオプローブの断熱層圧力pが10^<-4>Torr以下では、漏洩熱通過率は圧力変化に対してほぼ一定であるが、p>10^<-3>Torrでは熱通過率が急増し、断熱性能が劣化する。
(2)断熱性能が劣化するとクライオプローブの流路内で液体窒素が蒸発し、流動抵抗が増して窒素流量が急減する傾向があり、クライオプローブの断熱層圧力を10^<-3>Torr以下にする必要がある。
(3)スペーサとしてポリエステル糸を二重螺旋に交差させて中管に巻いた真空断熱層は、ナイロン糸を二重螺旋に交差させて巻いたスペーサに比べ、10^<-4>Torr以下の高真空域で約3倍の優れた断熱性能を示した。
(4)漏洩熱通過率に関する本測定値は、自由分子熱伝導域及び温度飛躍熱伝導域の計算値と極めてよい一致を示した。
(5)極細径・長尺クライオプローブの非定常冷却特性に基づき、デューワー圧力をコンピューター制御することにより、生体組織(細胞)の凍結破壊(壊死)に影響を与える主因子の一つである冷却速度や到達温度を制御できるシステム及びソフトを開発した。
(6)実用的な観点から、クライオプローブの冷却能力を最大限生かすには、予め無負荷状態で液体窒素を流してクライオプローブを予冷し、プローブ先端温度を100K以下で熱負荷を印加するが良いことが明らかとなった。
以上の成果のごとく、総合的な自己評価として、平成4年度の研究目標はほぼ達成されたと考えられる。

Research Products

• [Publications] T.Aihara,J.-K.Kim,K.Suzuki,K.Kasahara,: "Boiling Heat Transfer of a Micro-Impinging Jet of Liquid Nitrogen in a Very Slender Cryoprobe" Int.Jour.of Heat and Mass Transfer. 36-1. 169-175 (1992)
• [Publications] 鈴木 和弥,相原 利雄: "細径・長尺クライオプローブにおける断熱特性と非定常却特性" 低温工学. (1993)