JP2006038220A - 極低温デュアー瓶 - Google Patents

Abstract

【課題】選択可能な略均一な貯蔵温度を有する極低温デュアー瓶を提供する。
【解決手段】本発明は、外側シェル４２により取り囲まれた内部タンク４４を有し、それらの間の空間４６が真空絶縁されていることを特徴とする。例えば液体窒素等の極低温液体冷却剤を含む圧力容器６０は、該冷却剤を冷却するためデュアー瓶４０の内部に少なくとも部分的に配置されている。圧力容器６０は、極低温液体の温度を制御することができるように加圧される。冷却装置及び温度又は圧力センサーは、圧力容器６０内の極低温液体と連通している。センサーが、極低温液体の温度が所定レベルを超えて暖められたことを検出したとき、冷却装置は、圧力容器６０内の極低温液体を冷却するため自動的に作動される。
【選択図】 図２

Description

本出願は、２００４年７月１４日に出願された米国仮特許出願シリアル番号６０／５８７，６９６号から優先権を主張する。

本発明は、概して、低温で材料を格納するための冷凍装置又はデュアー瓶に係り、特に、略均一の制御可能な温度分配機能を備えた極低温のデュアー瓶に関する。
極低温冷凍装置内に生物学的材料を格納するとき、均一の制御された温度に標本を維持することが望ましい。温度が均一であることに加えて、所望の温度それ自体は、格納された材料の種類及びその意図された使用法に応じて変化する。生物学的細胞の長期間に亘る格納のために、例えば、温度を−１６０℃に維持することが望ましい。血漿又は移植組織の短期間の格納に関しては、−５０℃が要求される全てである。格納のための異なる要求事項を取り扱うために、極低温冷凍装置は、２つの異なる経路に沿って、冷却され若しくは機械的に冷却された液体窒素（又は“ＬＮ_２”）を生成した。

従来のＬＮ２極低温デュアー瓶は、一般に、図１の１０で指し示されており、内側タンク１４を収容する外側シェル１２を特徴としている。外側シェル及び内側シェルは、真空絶縁空間１６により分離され、取り外し可能な絶縁蓋部又はプラグ１８は、内側タンクの内部へのアクセスを可能にしている。多数のステンレス鋼ラックは、そのうちの一つが２２で示されており、生物学的標本を含むボックスを保持することは、デュアー瓶の内部に配置されている。ラックは、円形回転トレイプラットフォーム２６上に載っている。貯蔵ラック２にアクセスするため、使用者は、ハンドル２８を使用してトレイ２６を回転させる。デュアー瓶の底部には、液体窒素のプール３２（−１９６℃）が存在し、液体窒素は、生物学的標本を、デュアー瓶冷却部内に保持する。

図１のデュアー瓶１０に関しては、ラックは、液体窒素と直接接触しておらず、液体の上方の蒸気空間内に存在している。かくして、ラックの温度は、液体窒素からの距離に従って変化する。より詳しくは、最下温度は、窒素プールに最も近いラックの底部近傍にあり、その一方で、最高温度は、プールから最も遠いラックの頂部近傍にある。そのようなデュアー瓶の初期バージョンでは、デュアー瓶の頂部から底部にかけて、１００℃の温度差を観察することは珍しいことではない。

より近代的なデュアー瓶は、この温度層化を最小にするため、ラック用に及びデュアー瓶において熱伝導材料を使用し、それを頂部から底部にかけて液体窒素プール温度に近づける。そのようなデュアー瓶の一例が、ブルックスらに付与された共有譲渡された米国特許番号６，３９３，８４７号で与えられている。ブルックスらによる‘８４７号特許は、液体冷寒剤のプールを備え、円柱スリーブを特徴とする、ターンテーブル又は回転可能なトレイを備えるデュアー瓶を開示している。円柱スリーブは、トレイ上に格納された生物学的サンプルから熱を放散するように液体冷寒剤のプール内に下方に延在するスカートを特徴としている。そのような層形成対抗法が働く間、デュアー瓶における温度は、ＬＮ２温度に接近する傾向にあり、デュアー瓶を長期間の格納用途に最も適切なものとする。

機械式冷凍装置は、家庭用の冷蔵庫とほとんど同じ態様で作動する。絶縁コンテナは、電動冷蔵システムにより冷却される。しかし、これらの冷凍装置は、それらが冷凍装置及び冷却システムそれ自身の断熱効率により達成することができるその温度において、限定される。それらは、−４０℃乃至−１００℃の温度範囲で作動する傾向にある。

機械式冷凍装置により与えられる最大の欠点は、それらが作動する上で電気に依存していることである。電力が断絶したり又は冷却装置が故障した場合、冷凍装置は、短期間（２日）で暖まる。液体窒素式冷凍装置に関しては、電力が供給されないか又は液体レベルコントローラが故障した場合、デュアー瓶の底部にある窒素プールは、典型的には、１ヶ月に亘る冷却を提供する。この理由のために、冷凍装置の市場は、低温貯蔵を要する状況又は高い値の材料が冷却される場合に、液体窒素式冷凍装置の使用を選択する傾向にある。機械式冷凍装置は、極端に低い温度を要しないか又はより容易に代替される内容物を冷却する状況で使用される。

従来の液体窒素式冷凍装置は、均一ではあるがなおも選択可能である温度を維持するという２つの固有の問題を有する。第１には、上述されたように、液体窒素冷却剤は、冷凍装置の底部に格納される。低温ガスは、暖かいガスよりも密度が高いので、底部に液体プールを備えた冷凍装置は、自然に温度を層形成しようとする。冷凍装置に至る熱の全ては、より薄くなり、頂上へと上昇する蒸気を暖める。ほとんどのＬＮ２冷凍装置は、頂上開口部を有するので、冷凍装置に入る熱の大部分は、先ず第１に頂上部で流入し、底部では液体によっては効果的に吸収されない。この問題は、層形成問題に追加される。

第２には、液体窒素は、大気圧で格納され、よって、その温度は、常に約−１９６℃となるということである。その結果、デュアー瓶内の層形成の全てを無くすならば、温度は、約−１９６℃となる。

従って、本発明の目的は、略均一の貯蔵温度を特徴とする極低温デュアー瓶を提供することである。
本発明の別の目的は、選択可能な貯蔵温度を特徴とする極低温デュアー瓶を提供することである。

本発明の別の目的は、機械的な故障の場合に長い待機時間に亘って冷凍機能を維持する極低温デュアー瓶を提供することである。
本発明の更に別の目的は、経済的に作動する極低温デュアー瓶を提供することである。

本発明は、デュアー瓶の内部を画定する内部タンクと、該内部タンクを取り囲む外側シェルとを備える極低温デュアー瓶に関する。加圧された極低温液体冷却剤を含む圧力容器は、少なくとも部分的にデュアー瓶の内部内に配置されている。圧力容器は、デュアー瓶の内部を冷却し、それにより生物学的サンプル等を格納することができる。冷却剤の温度を、圧力容器の内部の圧力を介して制御することができる。

冷却装置は、圧力又は温度センサーと連通すると共に圧力容器内の極低温液体と連通する。センサーが、極低温液体の温度が所定レベルを超えて暖められたことを検出したとき、冷却装置は、圧力容器内の極低温液体を冷却するため作動される。

本発明の実施例の次の詳細な説明は、添付された図面及び添付された請求の範囲を参照するとき、本発明の本質及び範囲についてより完全な理解を提供するであろう。

本発明の第１の実施例に係る極低温デュアー瓶が、図２において全体として４０で指し示されている。デュアー瓶は、内側タンク４４を取り囲む外側シェル４２を特徴としており、それらの間で真空絶縁空間４６を備えている。絶縁蓋部又はプラグ４８は、開口部５０を介してデュアー瓶４０の内部へのアクセスを可能にするため取り外し可能である。外側シェル４２及び内側タンク４４は、ステンレス鋼又はアルミニウムから構成されるのが好ましい。

円形ターンテーブル又は回転可能なトレイ５２が、枢動部５４及びベアリング５６を介して内側タンクの底部に取り付けられている。円柱側壁５８は、トレイ５２の周辺部に取り付けられている。一連の周辺に沿って間隔を隔てられたローラーは、円柱側壁５８の頂部の周りに取り付けられ、垂直軸の周りに回転する。ローラーは、それらが回転するときトレイ５２及び側壁５８を案内するため、内側端部４４の内側表面と係合する。一連の周辺に沿って間隔を隔てられたハンドル６２は、ターンテーブル５２及びその円柱側壁５８を旋回させるためデュアー瓶の開口部５０を介してユーザーによってアクセスされることができる。

例えば６４で示されたラック等の幾つかのラックを、トレイ５２に配置することができる。トレイ５２は、ユーザーが開口部５０を通してラックにアクセスするため回転されることができる。ラックは、例えば、生物学的標本を保持するように使用されてもよい。そのようなラックは、当該技術分野で周知されている。そのようなラックの一例が、デラッテに付与された米国特許番号５，２２６，７１５号に開示されている。

ターンテーブル５２及び側壁５８は、ターンテーブルの特徴が必要ではなく所望もされていない場合に、内側タンク４４の底部を覆う単なる非回転箇所にオプションで置き換えられてもよい。

図２の実施例では、液体窒素であるのが好ましい液体低温冷却剤が、全体として６０で指し示された圧力容器内に格納されている。圧力容器６０は、外側シェル６４により取り囲まれた内側タンク６２を含むのが好ましい。内側タンク及び外側シェルの間の空間は、真空絶縁されていても、又は、されていなくてもよい。単一の壁圧力容器が、図２に示された二重壁圧力容器に代用されていてもよい。内側端部６２及び外側シェル６４は、アルミニウム又はステンレス鋼から構成されるのが好ましく、ジョージア州、広東のチャート工業社により提供された極低温液体シリンダーに類似の構成を特徴としてもよい。液体窒素６６は、内側タンク６２を充填している。加圧された液体窒素は、当該技術分野で周知されている方法及び設備を使用してポート６８を介して圧力容器６０に追加されてもよい。

図２に示されるように、圧力シリンダー６０は、それがデュアー瓶の頂部に配置されるように、内側タンク４４の頂部に取り付けられている。その結果、自然の対流が、デュアー瓶に有利なように働く。デュアー瓶の頂部で圧力容器と接触したガスは、冷却され、自動的に底部に沈み込み、圧力容器の下方で均一温度を維持する。

極低温液体冷却剤を格納することは、２つの利点を提供する。第１に、液体低温冷却剤即ち液体窒素の沸点はその圧力に正比例するので、液体窒素の温度、よってデュアー瓶の温度は、圧力容器６０の圧力を制御することによって調整することができる。例えば、大気圧における液体窒素は、−１９６℃であるが、１２５ｐｓｉｇでは、−１７０℃である。第２には、冷却流体は圧力容器内に格納され、冷凍装置内に格納されている製品と接触しないので、必ずしも窒素を冷却剤として使用する必要はないことである。液体酸素は、その抵抗に起因して、開放貯蔵デュアー瓶内で使用することができないが、別個の圧力容器の内部に含まれている場合には、それは、より高い温度貯蔵範囲に関して有用な冷却流体をなすことができる。室温では、液体酸素は、−１８３℃であり、それは、１２５ｐｓｉｇでは−１５０℃にまで暖められる。メタンのような液体ガス又は他の液体ガス混合物を、更に高い温度を達成するため、使用することができる。

冷凍装置は、極低温液体槽が更に与えられているので、その長い待機時間をなおも維持する。
図３で全体として７０で示された、本発明の第２の実施例に係る極低温デュアー瓶では、液体窒素７４が充填された別個の圧力容器７２が、デュアー瓶の内部の高さ方向に延在している。本実施例は、デュアー瓶内で更により均一な温度分布を可能にしているが、それは、明らかに空間上の不利益な点をもたらしている。単一壁の圧力容器が図３で示されているが、図２の圧力容器に類似した、二重壁のバージョンを代用で使用することができる。圧力容器７２は、当該技術分野で周知されている方法及び設備を使用して、ネック部７６及びポート部７８を通して、加圧された液体窒素又は別の極低温液体を充填することができる。デュアー瓶７０の残りの部分は、図２のデュアー瓶４０に類似した構成を特徴としている。

図４で全体として８０で示された、本発明の第３の実施例に係る極低温デュアー瓶では、極低温圧力容器８２が、別個に収容され、低温指部８４を介して、極低温デュアー瓶の内部と連通している。圧力容器は、好ましくは、二重壁であり、図２の圧力容器６０に類似した構成を特徴としている。圧力容器８２からの加圧液体窒素８６は、低温指部８４を充填し、それにより、低温指部は、デュアー瓶の内部を冷却している。

図５で全体として９０で示された、本発明の第４の実施例に係る極低温デュアー瓶では、極低温デュアー瓶内の極低温圧力容器９２が、好ましくは液体窒素である低温冷却剤を格納している。単一壁の圧力容器が示されているが、その代わりに二重壁の圧力容器を使用することもできる。圧力容器９２は、温度又は圧力のセンサー９６が備え付けられている。センサー９６は、自動スイッチ又はマイクロプロセッサ９８と連通し、これは機械式冷却装置１００と連通している。その結果、冷却装置１００は、センサー９６により検出された、圧力容器の圧力又は温度により作動される。より詳しくは、圧力又は温度のセンサー９６が、液体窒素９４の温度が暖かすぎることを検出したときは、スイッチ９８は、冷却装置１００を作動させ、蒸発器又は低温端部１０２を介して圧力容器内の液体窒素を冷却する。その結果、液体窒素９４からの熱は、極低温液体冷却式デュアー瓶の有用性を犠牲にすることなく、システムから機械的に除去される。これは、均一なユーザー選択可能な温度の機械式冷凍装置又はデュアー瓶を形成し、液体冷却式の冷凍装置又はデュアー瓶の長い待機時間を維持する。適切な機械式冷却装置１００は、ニューヨーク州、トロイのＱＤｒｉｖｅ社から入手可能である。

なお、図５における圧力容器９２の位置は、単なる一例である。冷却装置１００、自動スイッチ９８及びセンサー９６は、図２又は図４におけるように配置された圧力容器を用いて使用することができ、又は、圧力容器がデュアー瓶の内部と連通することを可能とされる任意の位置で使用することができる。

上述した態様で極低温デュアー瓶に機械式冷却装置を備えることから生まれる改善点に加えて、冷却装置それ自身が、システムにおけるその備え付けによって改善される。より詳しくは、典型的な機械式冷凍装置では、冷却装置の蒸発器（低温端部）は、効率的に作動する上で非常に大きくなければならない。これは、発生した低温表面の氷形成に起因している、それは、冷凍装置の空気と直接接触しているからである。空気中の水蒸気は、蒸発器上に凍り付き、冷凍装置の内部の空気と蒸発器との間の熱輸送を妨げる氷層を形成する。図５に示された本発明の実施例では、蒸発器又は低温端部１０２は、圧力容器の内部に位置している。かくして、蒸発器は、圧力容器の内部の冷凍流体（窒素又は他の液体ガス）と単に接触しているだけである。この液体ガスは純粋であり、水を含んでいないので、非常に小さい蒸発器表面を使用することができ、これによって、機械式冷凍装置で使用される典型的な冷却装置よりも、冷却装置全体をより小型に且つ構成上より簡単にさせる。

図５に示された本発明の実施例に係るデュアー瓶の作動の一例は、次の通りである。１ヶ月の待機時間を必要とする１０ワットの熱損失のデュアー瓶は、その圧力容器内に〜９０ｋｇの液体窒素を含んでいる。これによって、仮に全てのパワーが損失されたならばデュアー瓶を冷却するため３ｋｇ／日の比率で沸騰するであろう液体の貯蔵を提供する。デュアー瓶が−１８０℃±１℃で作動するべきであるならば、圧力制御式冷却装置は、圧力が５９ｐｓｉｇに達したときオンにされ、圧力が４９ｐｓｉｇに達したときオフにされる。冷却装置へのパワーが失われたならば、圧力は、圧力容器リリーフバルブの圧力に達するまで、毎時〜１ｐｓｉｇで上昇する。１５０ｐｓｉｇリリーフバルブを備えた圧力容器では、これは、｛（１５０ｐｓｉｇ−５９ｐｓｉｇ）／１｝９１時間の最小非損失保持時間を与えるであろう。１５０ｐｓｉｇでは、窒素は−１６７℃まで暖められる。パワーが９１時間より短い時間の間でオフにされたならば、製造物は失われず、パワーが再貯蔵されるならば、冷却装置は、４８ｐｓｉｇに戻って単に冷凍装置を冷凍するだけであろう。パワーの損失が９１時間を超過したならば、窒素ガスが、製造物が排気されるまで（３０日後）、又はパワーが再貯蔵されるまで、毎日３ｋｇの率で排気されるであろう。冷凍装置の元々の性能を維持するために、圧力容器内の窒素は、長いパワー供給停止の後に、最充填されなければならないであろう。

本発明の好ましい実施例が示され、説明されたが、様々な変更及び変形が、その範囲が添付した請求の範囲により画定される本発明の精神から逸脱すること無くなし得ることが当業者には明らかであろう。

図１は、従来技術の極低温デュアー瓶の側断面図である。 図２は、本発明の第１の実施例に係る極低温デュアー瓶の側断面図である。 図３は、本発明の第２の実施例に係る極低温デュアー瓶の側断面図である。 図４は、本発明の第３の実施例に係る極低温デュアー瓶の側断面図である。 図５は、本発明の第４の実施例に係る極低温デュアー瓶の側断面図である。

Claims (12)

1. 極低温デュアー瓶であって、
   ａ． 前記デュアー瓶の内部を画定する内部タンクと、
   ｂ． 前記内部タンクを取り囲む外側シェルと、
   ｃ． 前記デュアー瓶の内部と連通する圧力容器であって、該圧力容器は、極低温液体の供給物を含む、前記圧力容器と、
   ｄ． 前記圧力容器と連通する冷却装置であって、該冷却装置は、前記圧力容器の極低温液体を冷却する、前記冷却装置と、
   を備える、極低温デュアー瓶。
2. 前記圧力容器は、内部タンクと、外側シェルと、を備える、請求項１に記載の極低温デュアー瓶。
3. 前記圧力容器の極低温液体及び前記冷却装置と連通するセンサーを更に備え、該センサーは、前記極低温液体が所定レベルを超えて上昇したとき該冷却装置を作動させる、請求項１に記載の極低温デュアー瓶。
4. 前記センサーは、温度センサーである、請求項３に記載の極低温デュアー瓶。
5. 前記センサーは、圧力センサーである、請求項３に記載の極低温デュアー瓶。
6. 前記センサーと前記冷却装置との間の回路に自動スイッチを更に備える、請求項３に記載の極低温デュアー瓶。
7. 前記圧力容器は、前記デュアー瓶の頂部に配置されている、請求項１に記載の極低温デュアー瓶。
8. 前記圧力容器は、前記デュアー瓶の内部の高さ方向に沿って延在する、請求項１に記載の極低温デュアー瓶。
9. 前記極低温液体は、液体窒素である、請求項１に記載の極低温デュアー瓶。
10. 前記デュアー瓶の内部に配置されたターンテーブルを更に備える、請求項１に記載の極低温デュアー瓶。
11. 前記圧力容器内の前記極低温液体は、大気圧を超える圧力下にある、請求項１に記載の極低温デュアー瓶。
12. 前記内部タンクと外側シェルとの間の空間は、真空絶縁されている、請求項１に記載の極低温デュアー瓶。

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