(57)【要約】臨界点圧力および臨界点温度によって規定される臨界点を有する寒剤で目的物を冷却する方法およびシステムが提供される。この寒剤の圧力は、蒸気ロックを防ぐ減少したモル容量でこの寒剤を提供するために決定された圧力値を超えて高められる。その後、この寒剤は、目的物との熱連通に配置され、この寒剤の温度を、この寒剤および目的物が熱連通にある持続時間の間、上記臨界点圧力より大きい圧力を維持する熱力学的経路に沿って、上記寒剤の温度を増加する。
2008515469.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
臨界点圧力および臨界点温度によって規定される臨界点を有する寒剤で目的物を冷却する方法であって：
該寒剤の圧力をその臨界点圧力を超えて高める工程；および
その後、該寒剤を該目的物との熱連通に配置する工程であって、該圧力を、該寒剤および目的物が熱連通にある持続時間の間、該臨界点圧力より大きく維持する熱力学的経路に沿って、該寒剤の温度を増加する工程、を包含する、方法。
【請求項２】
前記熱力学的経路が、前記寒剤の温度を周囲温度まで増加する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記寒剤の圧力を、該寒剤を前記目的物との熱連通から除去した後、周囲圧力に減少する工程をさらに包含する、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記寒剤の圧力をその臨界点温度圧力を超えて高める工程の後、そして前記寒剤を前記目的物との熱連通に配置する工程の前に、該寒剤の圧力を、その臨界圧力未満に減少することなく、該寒剤の温度を減らす工程をさらに包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記寒剤の温度を減らす工程が、該寒剤を、該寒剤の温度より低い温度を有する第２の液体寒剤との熱連通に配置することを包含する、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記寒剤および第２の寒剤が、化学的に同一である、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記第２の液体寒剤が、実質的に周囲圧力である、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記寒剤の圧力が、該寒剤の温度を減らす間、実質的に一定である、請求項４に記載の方法。
【請求項９】
前記寒剤の圧力が、前記寒剤と目的物が熱連通にある持続時間の間、実質的に一定である、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記寒剤の圧力をその臨界点圧力を超えて高める工程が、該寒剤の圧力をその臨界圧力の近傍に高めることを包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記寒剤の圧力をその臨界点圧力を超えて高める工程が、該寒剤を、ほぼその臨界点温度で提供することを包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記寒剤の圧力をその臨界点圧力を超えて高める工程が、該寒剤を、ほぼその臨界点温度の±１０％の温度で提供することを包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記寒剤の圧力をその臨界点圧力を超えて高める工程が：
該寒剤を熱的に隔離されたタンク内に配置すること；および
該熱的に隔離されたタンク内に、少なくとも該熱的に隔離されたタンク内で所定の圧力が到達されるまで熱を付与すること、を包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記寒剤がＮ２を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
臨界点圧力および臨界点温度によって規定される臨界点を有する寒剤で目的物を冷却する方法であって：
該寒剤の圧力をその臨界点圧力の０．８と１．２との間に高める工程、および該寒剤をその臨界点温度の±１０％内の温度で提供する工程；
その後、該寒剤の圧力をその臨界点圧力の０．８倍未満に減少することなく該寒剤の温度を減少する工程；
その後、該寒剤を該目的物との熱連通に配置する工程であって、該寒剤の温度を、該寒剤および目的物が熱連通にある持続時間の間、該臨界点圧力の０．８倍より大きい圧力に維持する熱力学的経路に沿って、該寒剤の温度を周囲温度まで増加する工程、
その後、該寒剤を、該目的物との熱連通から除く工程；および
その後、該寒剤の圧力を周囲圧力に減少する工程、を包含する、方法。
【請求項１６】
前記寒剤の温度を減少する工程が、該寒剤を、実質的に周囲温度で維持される同じ化学構造を有する液体寒剤との熱連通に配置することを包含する、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記寒剤が、Ｎ２、ＳＦ６、Ｎ２Ｏ、Ｈｅ、およびＣＯ２からなる群から選択される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
臨界点圧力および臨界点温度によって規定される臨界点を有する寒剤で目的物を冷却する方法であって：
該寒剤の圧力をその臨界点圧力の近傍まで高める工程；および
その後、該寒剤を該目的物との熱連通に配置する工程であって、該圧力を、該寒剤および目的物が熱連通にある持続時間の間、該臨界点圧力の近傍に維持する熱力学的経路に沿って、該寒剤の温度を増加する工程、を包含する、方法。
【請求項１９】
前記寒剤の圧力を高める工程が、該寒剤の圧力を、蒸気ロックを防ぐ減少したモル容量で該寒剤を提供するために決定された圧力値より大きいまで高めることを包含し、そして前記熱力学的経路が、該圧力を、該決定された圧力値を超えて維持する、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記決定された圧力値が、前記臨界点圧力の０．８倍と１．２倍と間である、請求項１６に記載の方法。
【請求項２１】
前記寒剤の圧力を高める工程が、該寒剤を、その臨界点温度の±１０％内の温度で提供することを包含する、請求項１６に記載の方法。
【請求項２２】
臨界点圧力および臨界点温度によって規定される臨界点を有する寒剤で目的物を冷却するシステムであって：
該寒剤の圧力を増加するように適合された寒剤発生器；
該寒剤発生器の出口に提供され、そして該寒剤の圧力が該寒剤発生器内の所定の圧力を超えるとき、該寒剤の流れを放出するように適合されたバルブであって、該所定の圧力が、蒸気ロックを防ぐ減少したモル容量で該寒剤を提供するために決定された圧力値より大きいバルブ；
該目的物と熱連通するように適合された寒剤分与デバイス；
該寒剤を該バルブから該寒剤分与デバイスに輸送するために、該バルブを該寒剤分与デバイスと連結する導管；および
該導管および寒剤分与デバイスを通る寒剤の流れを調節するための流れコントローラーを備え、
ここで、該寒剤が、該分与デバイスが該寒剤の圧力を該所定の圧力を超えて維持する熱力学的経路に沿って該目的物と熱連通しているとき、該分与デバイスおよび寒剤が熱連通している持続時間の間、温度を増加する、システム。
【請求項２３】
前記寒剤発生器が：
前記寒剤を保持するための内部容量を有する熱的に隔離されたタンク；および
該内部容量内で熱を付与する加熱要素、を備える。請求項２２に記載のシステム。
【請求項２４】
前記加熱要素が、抵抗加熱要素を備える、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２５】
前記バルブと前記寒剤分与デバイスとの間の導管の一部分を取り囲む第２の液体寒剤の浴をさらに備える、請求項２２に記載のシステム。
【請求項２６】
前記第２の液体寒剤の浴が、実質的に周囲圧力である、請求項２５に記載のシステム。
【請求項２７】
前記寒剤および第２の寒剤が化学的に同一である、請求項２５に記載のシステム。
【請求項２８】
前記寒剤発生器が複数の寒剤発生器を備え、該複数の寒剤発生器の各々が該寒剤の圧力を増加するように適合され；
前記バルブが複数のバルブを備え、該複数のバルブの各々が該複数の寒剤発生器の１つの出口に提供され、そして該寒剤の圧力が該複数の寒剤発生器の１つ内の所定の圧力を超えるとき、該寒剤の流れを放出するような形態であり；
前記導管が、該複数のバルブの１つと前記寒剤分与デバイスとの間の選択的連結を提供するような形態である、請求項２２に記載のシステム。
【請求項２９】
寒剤の液体浴さらに備え、前記複数の寒剤発生器が該液体浴内に配置される、請求項２８に記載のシステム。
【請求項３０】
複数の熱交換器をさらに備え、熱交換器の各々が、前記寒剤の液体浴内に配置され、そして前記複数の寒剤発生器の個々の１つと前記導管との間で流体連通している、請求項２９に記載のシステム。
【請求項３１】
前記複数の寒剤発生器の各々が、前記寒剤の液体浴から寒剤を受容するための入口を備える、請求項２９に記載のシステム。
【請求項３２】
前記寒剤が、Ｎ２、ＳＦ６、Ｎ２Ｏ、Ｈｅ、およびＣＯ２からなる群から選択される、請求項２２に記載のシステム。
【請求項３３】
前記システムが、ハンドヘルドサイズである、請求項２２に記載のシステム。
【請求項３４】
前記寒剤分与デバイスが、離脱可能なスプレー制御ノズルを備える、請求項２２に記載のシステム。
【請求項３５】
前記離脱可能なスプレー制御ノズルが、前記寒剤分与デバイスの使用の間に反射される寒剤を放出するように適合されたベントを備える、請求項３４に記載のシステム。
【請求項３６】
前記目的物の温度を測定するように適合された検温デバイスをさらに備える、請求項２２に記載のシステム。
【請求項３７】
臨界点圧力および臨界点温度によって規定される臨界点を有する寒剤で目的物を冷却するシステムであって：
該寒剤の液体浴を保持するコンテナ；
該液体浴内に配置された複数の寒剤発生器であって、寒剤発生器の各々が：
該寒剤を保持するための内部容量を有する熱的に隔離されたタンク；
該容量内で熱を付与するための加熱要素；および
該寒剤の液体浴から寒剤を選択的に受容するための入口を備える、複数の寒剤発生器；
複数のバルブであって、バルブの各々が、該複数の寒剤発生器の個々の１つの出口に提供され、そして該複数の寒剤発生器の個々の１つの内の寒剤が、蒸気ロックを防ぐ減少したモル容量で該寒剤を提供するために決定された圧力値より大きい所定の圧力を超えるとき、該寒剤の流れを放出するように適合された、複数のバルブ；および
該複数のバルブの各々と流体連通する導管であって、該バルブの状態に従って、該寒剤発生器から導管を選択的に流す、導管、を備える、システム。
【請求項３８】
複数の熱交換器をさらに備え、熱交換器の各々が、前記液体浴内に配置され、そして前記複数の寒剤発生器の個々の１つおよび前記導管と流体連通し、該複数の寒剤発生器の個々の１つから該導管を通って流れる寒剤流れ間の熱交換を提供する、請求項３７に記載のシステム。
【請求項３９】
前記液体浴が、実質的に周囲圧力である、請求項３７に記載のシステム。
【請求項４０】
前記寒剤が、Ｎ２、ＳＦ６、Ｎ２Ｏ、Ｈｅ、およびＣＯ２からなる群から選択される、請求項３７に記載のシステム。
【請求項４１】
臨界点圧力および臨界点温度によって規定される臨界点を有する寒剤で目的物を冷却する方法であって：
第１の寒剤発生器中の該寒剤の圧力を、蒸気ロックを防ぐ減少したモル容量で該寒剤を提供するために決定された圧力値を超えて高める工程；
その後、該目的物と熱連通し、そして該寒剤と該目的物が熱連通している間に、該決定された圧力値より大きい圧力を有する該第１の寒剤発生器から該寒剤を流す工程；
その後、第２の寒剤発生器中の寒剤の圧力を、該決定された圧力値を超えて高める工程；
その後、該目的物と熱連通し、そして該寒剤と該目的物が熱連通している間に、該決定された圧力値より大きい圧力を有する該第２の寒剤発生器から該寒剤を流す工程；および
その後、該第１の寒剤発生器中の寒剤を補給する工程、を包含する、方法。
【請求項４２】
前記第１または第２の寒剤発生器からの寒剤の流れが、液体寒剤浴と熱連通する導管寒剤の流れを含み、該寒剤の温度を減少する、請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
前記寒剤および前記液体寒剤浴が化学的に同一であり；そして
前記第１の寒剤発生器中の寒剤を補給する工程が、該液体寒剤浴から寒剤を補給することを包含する、請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
前記寒剤および液体寒剤浴が、Ｎ２、ＳＦ６、Ｎ２Ｏ、Ｈｅ、およびＣＯ２からなる群から選択される、請求項４２に記載のシステム。
【請求項４５】
前記第１および第２の寒剤発生器中の決定された圧力値を超えて寒剤の圧力を高める工程が、該寒剤の圧力をその臨界点圧力の近傍に高めることを包含する、請求項４１に記載の方法。
【請求項４６】
前記第１および第２の寒剤発生器中の決定された圧力値を超えて寒剤の圧力を高める工程が、熱的に隔離されたタンク内で、少なくとも該熱的に隔離されたタンク内の所定の圧力に到達されるまで熱を付与することを包含する、請求項４１に記載の方法。
【請求項４７】
臨界点圧力および臨界点温度によって規定される臨界点を有する寒剤で目的物を冷却するシステムであって：
蒸気ロックを防ぐ減少したモル容量で該寒剤を提供するために決定された圧力値を超えて該寒剤の圧力を高める手段；および
その後、該寒剤を該目的物との熱連通に配置する手段であって、該寒剤の温度を、該寒剤と目的物が熱連通している持続時間の間に、決定された圧力値より大きい圧力を維持する熱力学的経路に沿って増加する手段、を備える、システム。
【請求項４８】
前記寒剤を前記目的物との熱連通から外した後、該寒剤の圧力を周囲圧力に減少するための手段をさらに備える、請求項４７に記載のシステム。
【請求項４９】
前記寒剤の圧力をその臨界点温度を超えて高めた後、そして該寒剤を前記目的物との熱接触に配置する前に、該寒剤の圧力をその臨界点圧力未満に減少することなく該寒剤の温度を減少する手段、をさらに備える、請求項４７に記載のシステム。
【請求項５０】
前記寒剤の温度を減少する手段が、該寒剤を、該寒剤の温度より低い温度を有する第２の液体寒剤との熱連通に配置する手段を備える、請求項４９に記載のシステム。
【請求項５１】
前記寒剤の圧力を高める手段が、熱的に隔離された保持手段内の該寒剤に、該熱的に隔離された保持手段内で所定の圧力に到達されるまで、熱を付与する手段を備える、請求項４７に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願への相互参照）
本出願は、Ｐｅｔｅｒ  Ｊ．Ｌｉｔｔｒｕｐらによって、２００４年１月１４日に出願された「寒冷療法システム」と題する米国特許出願第１０／７５７，７６９号の一部継続出願であり、この米国特許出願は仮出願ではなく、Ｐｅｔｅｒ  Ｊ．Ｌｉｔｔｒｕｐらによって、２００３年１月１５日に出願された「寒冷療法システム」と題する米国仮出願番号第６０／４４０，６６２号の出願日の利益を主張しており、これら両者の全体の開示は、添付物を含んで、すべての目的のために本明細書中に参考として援用される。本出願はまた、Ｐｅｔｅｒ  Ｊ．Ｌｉｔｔｒｕｐらによって、２００４年１月１４日に出願された「寒冷療法プローブ」と題する米国特許出願第１０／７５７，７６８号の一部継続出願であり、この米国特許出願は仮出願ではなく、Ｐｅｔｅｒ  Ｊ．Ｌｉｔｔｒｕｐらによって、２００３年１月１５日に出願された「寒冷療法プローブ」と題する米国仮出願番号第６０／４４０，５４１号の出願日の利益を主張しており、これら両者の全体の開示は、添付物を含んで、すべての目的のために本明細書中に参考として援用される。
【０００２】
（発明の背景）
本出願は、低温冷却のための方法およびシステムに関する。「低温冷却」は、一般に、冷却することを提供する際、システムまたは材料を凍結または単に冷却する形態をとり得る、液化ガス、すなわち、「寒剤」を用いるプロセスをいう。
【背景技術】
【０００３】
医療および非医療の両方で、有効な冷却を提供することが所望される多くの適用がある。任意の冷却プロセスは、熱負荷：蒸発、伝導、放射、および対流、の除去を生じる４つの基礎的なプロセスの１つ以上を含むと考えられ得る。低温冷却技法で提示される１つの挑戦は蒸発のプロセスから生じ、そして小チャネル内で冷却することを考慮することによって理解され得る。液化ガスの蒸発のプロセスは、この液体がガスに変換するとき、大きな膨張を生じ；この容量膨張は２００の因子のオーダーである。小直径システムでは、この程度の膨張は、一致して、「蒸気ロック（気こう）（ｖａｐｏｒ  ｌｏｃｋ）」として当該分野で知られた現象を生じる。この現象は、低温プローブで一般に提供されるような、細い直径チューブ中の寒剤の流れによって例示される。それに先行する比較的大量の容量の膨張するガスか、液体寒剤の流れを妨害する。蒸気ロックを避けるために用いられる伝統的な技法は、チューブの直径に対する制限を含み、それが、蒸気ロックに至る蒸発効果を収容するに十分大きいことを必要とする。その他の複雑な低温プローブおよび管材形態は、それが輸送管材に沿って形成されるとき、Ｎ２ガスを「通風する」ことを用いている。これらの設計はまた、コスト効果およびプローブ直径を制限する原因である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って、当該技術分野には、低温冷却を提供するための改良された方法およびシステムに対する一般的な必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（発明の簡単な要旨）
本発明の実施形態は、従って、目的物を冷却するための方法およびシステムを提供する。この方法およびシステムは、蒸気ロックの発生を防ぐ圧力／温度特徴における変化を、寒剤の液体−ガス相線を決して横切らない熱力学に従うことによって提供する。多くの実施形態では、これは、上記寒剤の圧力をその臨界点圧力の近傍またはその上に維持することによって達成される。多くの実施形態では、上記寒剤は、窒素（Ｎ２）を包含するけれども、その他の実施形態では、その他の寒剤が用いられ得る。
【０００６】
第１のセットの実施形態では、臨界点圧力および臨界点温度によって規定される臨界点を有する寒剤で目的物を冷却する方法が提供される。上記寒剤の圧力は、その臨界点圧力を超えて高められる。その後、上記寒剤は、上記目的物との熱連通に配置され、上記寒剤および目的物が熱連通にある持続時間の間、上記圧力を上記臨界点圧力より大きく維持する熱力学的経路に沿って、上記寒剤の温度を増加する。
【０００７】
いくつかの例では、上記熱力学的経路は、上記寒剤の温度を周囲温度まで増加し得る。上記寒剤の圧力は、上記寒剤を上記目的物との熱連通から除去した後、周囲圧力に減少され得る。いくつかの実施形態では、上記寒剤の圧力をその臨界点圧力を超えて高めた後、そして上記寒剤を上記目的物との熱連通に配置する前に、上記寒剤の温度は、その臨界圧力未満に減少することなく減らされる。例えば、上記寒剤の温度は、上記寒剤を、この寒剤の温度より低い温度を有する第２の液体寒剤との熱連通に配置することにより減らされ得る。上記寒剤および第２の寒剤は、化学的に同一であり得、そして上記第２の液体寒剤は、実質的に周囲圧力であり得る。１つの実施形態では、上記寒剤の圧力は、上記寒剤の温度を減らす間、実質的に一定である。
【０００８】
上記寒剤の圧力が、その臨界点圧力を超えて高められるとき、この寒剤の圧力は、ほぼその臨界点圧力またはその近傍に高められ得る。また、この寒剤の圧力がその臨界点圧力を超えて高められるとき、この寒剤は、ほぼその臨界点温度で提供され得る。１つの実施形態では、上記寒剤は、その臨界点温度の±１０％以内の温度で提供される。この寒剤の圧力は、１つの実施形態では、この寒剤を熱的に隔離されたタンク内に配置すること、およびこのタンク内に、少なくともこのタンク内の所定の圧力が到達されるまで熱を付与することによってその臨界点圧力を超えて高められ得る。
【０００９】
第２のセットの実施形態では、臨界点圧力および臨界点温度によって規定される臨界点を有する寒剤で目的物を冷却する別の方法が提供される。この寒剤の圧力は、その臨界点圧力の０．８と１．２との間に高められ、そしてこの寒剤は、その臨界点温度の±１０％内の温度で提供される。この寒剤の温度は、その後、圧力をその臨界点圧力の０．８倍未満に減少することなく減少される。その後、この寒剤を上記目的物との熱連通に配置され、この寒剤の温度を、この寒剤および目的物が熱連通にある持続時間の間、この臨界点圧力の０．８倍より大きい圧力に維持する熱力学的経路に沿って、この寒剤の温度を周囲温度まで増加する。この寒剤は、次いで、上記目的物との熱連通から除かれ、そしてこの寒剤の圧力を周囲圧力に減少する。
【００１０】
第３のセットの実施形態では、臨界点圧力および臨界点温度によって規定される臨界点を有する寒剤で目的物を冷却するさらなる方法が提供される。この寒剤の圧力は、その臨界点圧力の近傍まで高められる。その後、この寒剤は、上記目的物との熱連通に配置され、上記圧力を、上記寒剤および目的物が熱連通にある持続時間の間、上記臨界点圧力の近傍に維持する熱力学的経路に沿って、上記寒剤の温度を増加する。上記圧力は、上記寒剤の圧力を、蒸気ロックを防ぐ減少したモル容量で上記寒剤を提供するために決定された圧力値より大きいまで高められ得、上記熱力学的経路は、上記圧力を、上記決定された圧力値を超えて維持する。いくつかの例では、上記決定された圧力値は、上記臨界点圧力の０．８倍と１．２倍と間である。
【００１１】
第４のセットの実施形態では、臨界点圧力および臨界点温度によって規定される臨界点を有する寒剤で目的物を冷却するシステムが提供される。寒剤発生器は、上記寒剤の圧力を増加するように適合されている。バルブが、上記寒剤発生器の出口に提供され、そしてこの寒剤の圧力が上記寒剤発生器内の所定の圧力を超えるとき、上記寒剤の流れを放出するように適合されている。上記所定の圧力は、蒸気ロックを防ぐ減少したモル容量で上記寒剤を提供するために決定された圧力値より大きい。寒剤分与デバイスがまた提供され、そして上記目的物と熱連通するように適合されている。導管が、上記バルブを、上記寒剤分与デバイスと、上記寒剤を上記バルブから上記寒剤分与デバイスに輸送するために連結する。流れコントローラーが、上記導管および寒剤分与デバイスを通る寒剤の流れを調節する。上記寒剤は、上記分与デバイスが上記寒剤の圧力を上記所定の圧力を超えて維持する熱力学的経路に沿って上記目的物と熱連通しているとき、上記分与デバイスおよび寒剤が熱連通している持続時間の間、温度を増加する。
【００１２】
上記寒剤発生器は、上記寒剤を保持するための内部容量を有する熱的に隔離されたタンク、およびこの内部容量内で熱を付与する加熱要素を備える。１つの実施形態では、上記加熱要素は、抵抗加熱要素を備える。第２の液体寒剤の浴が、上記バルブと上記寒剤分与デバイスとの間の導管の一部分を取り囲み得る。１つの実施形態では、上記第２の液体寒剤の浴は、実質的に周囲圧力である。別の実施形態では、上記寒剤および第２の寒剤は、化学的に同一である。
【００１３】
特定の実施形態では、上記寒剤発生器は、複数の寒剤発生器を備え、上記バルブは、複数のバルブを備える。上記複数の寒剤発生器の各々は、上記寒剤の圧力を増加するように適合されている。上記複数のバルブの各々は、上記複数の寒剤発生器の１つの出口に提供され、そして上記寒剤の圧力が上記複数の寒剤発生器の１つ内の所定の圧力を超えるとき、上記寒剤の流れを放出するような形態である。上記導管は、上記複数のバルブの１つと上記寒剤分与デバイスとの間の選択的連結を提供するような形態である。いくつかのこのような実施形態では、上記システムは、寒剤の液体浴さらに備え、上記複数の寒剤発生器がこの液体浴内に配置される。さらに、上記システムは、複数の熱交換器をさらに備え得、熱交換器の各々は、上記寒剤の液体浴内に配置され、そして上記複数の寒剤発生器の個々の１つと上記導管との間で流体連通している。上記複数の寒剤発生器の各々は、上記寒剤の液体浴から寒剤を受容するための入口をさらに備え得る。上記寒剤分与デバイスは、離脱可能なスプレー制御ノズルを備え、これは、いくつかの例では、寒剤分与デバイスの使用の間に反射される寒剤を放出するように適合されたベントを備え得る。１つの実施形態では、上記システムは、上記目的物の温度を測定するように適合された検温デバイスをさらに備える。
【００１４】
第５のセットの実施形態では、臨界点圧力および臨界点温度によって規定される臨界点を有する寒剤で目的物を冷却する方法が提供される。第１の寒剤発生器中の上記寒剤の圧力は、蒸気ロックを防ぐ減少したモル容量で上記寒剤を提供するために決定された圧力値を超えて高められる。その後、上記寒剤は、上記目的物と熱連通し、そして上記寒剤と上記目的物が熱連通している間に、上記臨界点圧力より大きい圧力を有する上記第１の寒剤発生器から流される。その後、第２の寒剤発生器中の寒剤の圧力は、上記決定された圧力値を超えて高められる。その後、上記寒剤は、上記目的物と熱連通し、そして上記寒剤と上記目的物が熱連通している間に、上記決定された圧力値より大きい圧力を有する上記第２の寒剤発生器からを流される。その後、上記第１の寒剤発生器中の寒剤が補給される。
【００１５】
いくつかのこのような実施形態では、寒剤が、上記第１または第２の寒剤発生器から流れるとき、それは、液体浴と熱連通する導管を通って流され、上記寒剤の温度を減少する。１つの実施形態では、寒剤および上記液体寒剤浴は、化学的に同一であり、上記第１の寒剤発生器中の寒剤は、上液体寒剤浴から補給される。上記寒剤の圧力が、上記第１および第２の寒剤発生器中の決定された圧力値を超えて高められるとき、それは、その臨界点圧力近傍に高められ得る。１つの実施形態では、熱的に隔離されたタンク内で、少なくともこの熱的に隔離されたタンク内の所定の圧力に到達されるまで熱を付与することは、上記圧力を高める。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
（発明の詳細な説明）
本発明の実施形態は、蒸気ロックの現象に遭遇することなく低温を提供する寒剤を用いる熱力学的プロセスを使用する。本発明の異なる実施形態で提供される種々のその他の利益および利点は、以下の説明から明らかである。
【００１７】
本適用は、種々の熱力学プロセスを示し、そして比較するために相図を用いる。このような相図は、当該技術分野で周知であり、そして寒剤について代表的な例は、図１Ａに提供される。この図の軸は、圧力Ｐおよび温度Ｔに対応し、そして液体およびガスが共存するすべての（Ｐ、Ｔ）点の位置を描写する相線１０２を含む。相線１０２の左の（Ｐ、Ｔ）値について、寒剤は液体状態にあり、一般に、より高い圧力およびより低い温度で達成され、その一方、相線１０２の右の（Ｐ、Ｔ）値は、寒剤がガス状状態にある領域を規定し、一般に、より低い圧力およびより高い温度で達成される。この相線１０２は、臨界点１０４として知られる単一の点で急激に終了する。窒素Ｎ２の場合には、この臨界点はＰｃ＝３３．９４ｂａｒにおいて、そしてＴｃ＝−１４７．１５℃である。
【００１８】
流体が、圧力における段階的な増加の間に存在する液体相およびガス相の両方を有するとき、系は、この液体−ガス相線１０２に沿って上方に移動する。Ｎ２の場合、低圧にある液体は、ガス相より２００倍までより密である。圧力の連続的増加は、液体の密度を低減し、そしてガス相の密度は、それらが臨界点１０４でのみ等しいまで増加する。液体とガスとの間の区別は、臨界点１０４で消失する。液体寒剤より先に膨張するガスによる前方流れの妨害は、それ故、本明細書では、「近臨界状態」と規定される臨界点を取り囲む状態によって避けられる。機能的流れを維持しながら臨界点からのより大きな離脱を可能にする因子は、より大きな速度の寒剤流れ、より大きな直径の流れ管腔、および熱交換器に対するより低い熱負荷、または低温プローブチップを含む。
【００１９】
臨界点に下から接近するとき、蒸気相密度は増加し、そして液体相密度は、臨界点で右まで減少し、そこで、これら２つの相の密度は正確に等しい。臨界点の上では、液体および蒸気相の区別は消滅し、単一の超臨界のみを残す。すべてのガスは、以下のｖａｎ  ｄｅｒ  Ｗａａｌｓの状態式に極めて良好に従う：
（ｐ＋３／ν２）（３ν−１）＝８ｔ、［式１］
ここで、ｐ＝Ｐ／Ｐｃ、ν＝Ｖ／Ｖｃ、そしてｔ＝Ｔ／Ｔｃ、そしてＰｃ、Ｖｃ、およびＴｃは、それぞれ、臨界圧力、臨界モル容量、および臨界温度である。これら変数ν、ｐ、およびｔは、しばしば、「減少モル容量」、「減少圧力」、および「減少温度」とそれぞれ称される。これ故、同じ値のν、ｐ、およびｔを有する任意の２つの物質は、その臨界点近傍の流体の同じ熱力学的状態にある。式１は、それ故、「対応状態の法則」を具現化するとして称される。これは、Ｈ．Ｅ．Ｓｔａｎｌｅｙ、Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ｔｏ  Ｐｈａｓｅ  Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｓ  ａｎｄ  Ｃｒｉｔｉｃａｌ  Ｐｈｅｎｏｍｅｎａ（Ｏｘｆｏｒｄ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ、１９７１）により詳細に記載され、その全体の開示は、すべての目的のために本明細書中に参考として援用される。式１をならべ変えて、νをｐおよびｔの関数として以下の式を提供する：
ｐν３−（ｐ＋８ｔ）ν２＋９ν−３＝０．［式２］
流体νの減少したモル容量は、それ故、減少温度ｔおよび減少圧力ｐのみのまさに関数であると考えられ得る。
【００２０】
代表的には、本発明の実施形態では、減少圧力ｐは、約１の一定値、そしてこれ故、臨界圧力近傍の固定された物理的圧力で固定され、その一方、減少温度ｔは、ニードルに付与される熱負荷とともに変動する。減少圧力ｐが、系の工学技術よって一定であるように設定されると、減少モル容量νは、減少温度ｔの正確な関数である。本発明の実施形態において、ニードルの操作圧力ｐは、ニードルの温度ｔにおける変動の経過に亘り、νが蒸気ロック状態が生じる特定の最大値未満に維持される。一般に、これが真実である最低値にｐを維持することが所望される。なぜなら、ｐのより高い値を達成するために圧力を増やすことは、より複雑でかつより高価なコンプレッサーの使用を含み得、全体のニードル支持システムのより高価な達成および維持、ならびにより低い全体の壁を塞ぐ効率を生じるからである。本明細書で用いられるとき、「壁を塞ぐ効率」は、系を作動するためにラインから得られる力によって除されるニードルの総冷却力をいう。
【００２１】
νに対して配置されることが必要な条件は、複雑および非分析的な様式で、液体および蒸気の両方で、容量流れ速度ｄＶ／ｄｔ、液体相および蒸気相の熱容量、および熱伝導性、粘度などのような輸送性質に依存する。この正確な関係は、代数的に閉じた形態では派生され得ないが、ニードル内の質量および熱移動を説明するモデル等式を積分することによって数値的に決定され得る。概念的には、蒸気ロックは、ニードルの加熱の速度が蒸気相を生成するとき、およびそのモル容量によって除される熱容量を乗じた蒸気の流速に比例するこの蒸気相の冷却力が、ニードルへの加熱の速度に追いつくことができないときに生じる。これが生じるとき、寒剤流れで液体相から蒸気への変換を通じて過剰の熱を吸収するために、ますます蒸気相が形成される。これは、液体が蒸気相に変換されニードルを満たす暴走状態を生成し、そしてニードル中への熱流れが、その温度および圧力を迅速に増加するとき、この蒸気相で生じる大きな圧力に起因してすべての寒剤流れを効率的に停止する。この状態は、「蒸気ロック」と呼ばれる。液体相および蒸気相は、それらのモル容量、そしてこれ故、臨界点における冷却力は同じであるので、臨界点またはそれを超える冷却システムは、決して蒸気ロックし得ない。臨界点をわずかに下回る状態を除いて、ニードルは、同様に蒸気ロックを避け得る。最小の受容可能なガス相密度に対応する最小の受容可能なモル容量と、ニートルの寸法と、ガス相および液体相の熱力学的性質との間の関係は、明白に複雑な非線形系の結果である。蒸気ロックを信頼性良く避けるために、いかに大きくνがあり得るか、およびこれ故、いかに小さくｐがあり得るかの決定は、図１Ｂに示されるデータで示されるように、実験的に決定され得る。
【００２２】
図１Ｂは、最小作動圧力Ｐ、そしてこれ故、最小減少圧力ｐが、どのように実験的に決定されるのかを示す。上部パネル内の上の曲線は、ニードル中の窒素の圧力を示し、そして上部パネル中の下の曲線は、ニードルを通る秒あたりの標準リットルの単位で表示されたプローブを通る得られる質量流速を示す。下のパネルは、上部のプロットと同時でニードルチップ温度を示す。６．６Ｗの熱負荷がニードルチップに付与され、その一方、これらのデータが取られた。例えば、１２．６ｂａｒおよび２２ｂａｒの作動圧力では、流れが一時的に中断され、そして次に回復されたとき、ニードルチップ温度をその低温値に回復することの失敗によって証明されるように、蒸気ロック状態が、このレベルの熱負荷および流速で生じた。しかし、２８．５ｂａｒの圧力では、このチップ温度は、流れ中断後、信頼性良くその低温値を回復した。ニードルを通る質量流速における下方傾向は、蒸気ロックなくして信頼性ある連続作動のための最低の受容可能な圧力に非常に近いが、なお僅かに下である指標である。これらのデータは、約２９ｂａｒの圧力が、この例示の実施形態では、最低の受容可能な作動圧力であることを示す。従って、流入キャピラリーについて０．０２０ｃｍ直径、および流出キャピラリーについて０．０３０ｃｍ直径で、２２ｃｍ長キャピラリーを備えた減圧ジャケットニードルのこの実施形態について、この熱負荷および流速の下、２９ｂａｒが代表的な最小操作圧力である。これは、最小値ｐ＝２９ｂａｒ／３３．９ｂａｒ＝０．８５に対応する。これ故、この例示の実施形態では、「近臨界（ｎｅａｒ  ｃｒｉｔｉｃａｌ）」は、臨界圧力の８５％よりは少なくない圧力に対応する。
【００２３】
より一般的には、本明細書で「近臨界」圧力への参照は、上記で説明された条件に合致することが決定された最小圧力を超える圧力をいうことが意図される。特に、一旦、説明された実験手順でのような最小値ｐが決定されると、この「近臨界」圧力範囲は、決定された最小圧力またはその上であるｐ＝Ｐ／Ｐｃのすべての値を含む。ｐ＞１を有する任意の超臨界圧力が蒸気ロックを避けるために一般に受容可能であるが、本発明者らは、蒸気ロック状態を生成することなく用いられ得る最小値のｐが、実際、より低くあり得、そしてこのようなより低い値の使用がシステムの効率および単純さを有利に改善し得ることを発見した。
【００２４】
単純流れ寒剤冷却システム中の蒸気ロックの発生は、図１Ｃを参照して理解され得、これは、例示の目的のためにＮ２についての相図を示し、液体−ガス相線１０６は、臨界点１０８で終了する。単純流れ冷却は、液体寒剤を圧縮すること、およびそれを低温プローブを通して流すために押すことによって進行する。特定の予備冷却が、液体−相寒剤を、低温プローブの入口１１０を通り、相図上の示された点から、寒剤が蒸発して蒸発冷却を提供する領域まで押すために用いられ得る。寒剤によってとられる熱力学的経路１１６は、それが入口１１０からベント１１４で押されるとき、点１１２で液体−ガス相線１０６を横切り、そこで、蒸発が起こる。蒸発は、臨界点１０８のかなり下の液体−ガス相線１０６に沿った点で生ずるので、かなりより密な液体がそのガス状相に蒸発するとき、流れストリームの容量の劇的な膨張があり、蒸気ロックの発生に至る。
【００２５】
多くの複雑さを犠牲にして蒸気ロックを避ける代替の寒剤冷却技法は、ジュール−トムソン効果を利用する。ガスが圧縮されるとき、そのエンタルピーにおける減少があり、この減少のサイズは圧力とともに変動する。ガスが次いで小ポートを通ってより低い圧力に膨張されるとき（「ＪＴポート」または「スロットル」と称される）、温度の減少があり、得られる冷却は、圧縮の間のエンタルピーの減少の関数である。コンプレッサーと膨張バルブとの間に熱交換器が提供されると、漸次より低い温度が到達される。いくつかの例では、ジュール−トムソン冷却は、ＣＯ２またはＮ２Ｏのようなより安いガスを用いるが、より低い温度は、アルゴン（Ａｒ）で達成され得る。そのより高いコストに加え、Ａｒに関連するより高いリスクがあり得るが、これらの両方は、いくつかの適用では正当化され得る。なぜなら、凍結の迅速な開始および終結が提供され得るからである。
【００２６】
ジュール−トムソン冷却プロセスは、それ故、図１Ｄの相図とともに示されるように、単純流れ寒剤冷却について用いられるのとは完全に異なる冷却サイクルを用いる。この冷却サイクルは、特定の例としてＮ２ガス相図上に重ねられて示され、Ｎ２の液体−ガス相線１２２は、その臨界点１２８で終わる。窒素は、最初、相図上の点１３０において、通常の周囲（室）温で非常に高い圧力で提供される。この圧力は、代表的には、約４００ｂａｒであり、すなわち、臨界点１２８における圧力の１０倍より大きい。Ｎ２は、低温プローブ内を、それが相図上の点１３２でＪＴ膨張ポートに到達するまで熱力学的経路１２４に沿って流れる。このＮ２は、ＪＴポートで急激に膨張し、その圧力が急激に減少するとき、ＪＴジェット１４２中を相図中で下方に流れる。この迅速な膨張は、ジェット１４２中の下流のＮ２を、ＪＴジェットにおける膨張の後、液化Ｎ２が、そのガス状相との熱平衡にあるように、部分的に液化する。この窒素は、それ故、相図中の点１３４、すなわち、液体−ガス相線１０６上で、周囲圧力の僅かに上、そしてそれ故、臨界点１２８のかなり下にある。この窒素は、熱力学的経路１２６に従う戻りガス流れ上で加熱され、そこで、それは、冷却のために用いられ得、そしておそらくは、制御コンソールへの戻りの途中にあるベント１４０を通って周囲状態に次いで排気される。ジュール−トムソン冷却は、液体−ガス系の臨界点に決して接近せず、しかも、それは、優先的に蒸発−流れ冷却を用いる。ジュール−トムソン冷却中の冷却されたガスの流れは、代表的には、流入高圧供給ラインの側面に沿って戻って提供される。この低圧戻りガスの向流れは、膨張前の入来する高圧ガスを有利に冷却する。ガス流れ間のこの熱交換器１４４の効果は相図において明らかである。なぜなら、ＪＴポートへの入口ラインに沿った（熱力学的経路１２４）圧力は、その流れ妨害に起因して、高圧ガスの流れが向流流れ熱交換器によって冷却されるとき、低下するからである。同様に、戻り流れ（熱力学的経路１２４）の圧力は、この冷たい低圧窒素が向流熱交換器１４４を通る高圧の入来流れを冷却するとき、わずかに低下する。この向流熱交換器１４４の効果は、ジュール−トムソン冷却の効率を改善する際に有益であるが、低温プローブニードルの直径をより小さくする試みからこの効率を制限する。低温プローブニードルがより小さくなるとき、戻りガス流れはより大きくなり、最終的には、代表的な容量流れ速度について音速に到達し、そしてプローブにおけるプローブ設計は約１．５ｍｍの直径を有する。上記ジュール−トムソン冷却プロセスは、プローブがさらにミニチュア化されると、もはや冷却力が生成され得ない点まで効率を失い続ける。１．２ｍｍ未満の直径をもつプローブは、それによって、たとえ、それらが合理的なコストで確実に構築され得るとしても、それらが最小の冷却能力を有し得る点までそれらの作動の物理学によって重度に制限される。ジュール−トムソンプローブ構築のコストは、プローブ直径が低減されるとき、主に、向流熱交換器と関連する製作およびアセンブリコストのために急速に増加する。
【００２７】
本発明の実施形態は、蒸気ロックの発生を防ぎ、そして液体−ガス相線の任意の交差を避ける寒剤圧力−温度レジメで操作することによって低減されたプローブサイズを許容する。特定の実施形態では、低温冷却は、この寒剤の臨界点近傍で作動することによって達成される。このレジメで作動するとき、熱は、周辺環境から近臨界寒剤中に流れる。なぜなら、この臨界点温度（例えば、Ｎ２の場合には−１４７℃）は、周辺環境よりかなり低いからである。この熱は、低温プローブのチップを通り近臨界寒剤の流れによって、この冷却プロセスを支援する蒸発の潜熱がたとえなくても、除去される。本発明の範囲は、臨界点圧力より大きい圧力を有する任意のレジメにおける操作を含むことが意図されるが、冷却効率は、圧力が臨界圧力を超えて増加されるとき減少する傾向がある。これは、より高い圧力で流れを達成するために必要な増加するエネルギー要求の結果である。
【００２８】
図２Ａは、１つの実施形態における低温システムのための構造配列の概略図であり、そして図２Ｂは、図２Ａのシステムが作動されるとき、寒剤によってとられる熱力学経路を示す相図を提供する。これら２つの図における丸で囲まれた数字の識別子は、物理的位置が、熱力学的経路に沿って識別された作動点が達成される図２Ａ中に示されるように、対応する。以下の説明は、それ故、冷却流れの物理学および熱力学的局面を記載する際に、しばしば、図２Ａの構造図および図２Ｂの相図の両方への同時参照を行う。例示の目的のために、図２Ａおよび２Ｂの両方は、窒素寒剤への詳細な参照を行うが、これは、制限していることは意図されない。本発明は、当業者によって理解され得るように、任意の適切な寒剤とより一般に用いられ得；単なる例として、用いられ得る代替の寒剤は、アルゴン、ヘリウム、水素、および酸素を含む。図２Ｂでは、液体−ガス相線は、参照ラベル２５６で識別され、そして寒剤が従う熱力学的経路は、参照ラベル２５８で識別される。
【００２９】
寒剤発生器２４６は、図２Ａおよび２Ｂでラベル（１）によって参照される、その出口にある寒剤についてその臨海点圧力Ｐｃを超える圧力で寒剤を供給するために用いられる。この冷却システムは、一般に、Ｐｃを超えるか、またはわすかにその下の圧力を有する相図中の任意の点で始まり得るが、この圧力は、臨海点圧力Ｐｃ近傍にあることが有利である。本明細書中に記載されるプロセスの冷却効率は、一般に、より高い圧力では、所望の流れを達成するために増加したエネルギー要求が存在し得るように初期圧力が臨海点圧力Ｐｃ近傍にあるとき、より大きい。それ故、実施形態は、しばしば、種々のより高い上部境界圧力を取り込み得るが、一般に、Ｐｃの０．８倍と１．２倍の間、そして１つの実施形態ではＰｃの０．８５倍でのような臨界点近傍で始まる。異なる実施形態は、その臨界点圧力の約０．８倍より大きいが、Ｐｃの５．０倍よりは小さく、Ｐｃの２．０倍よりは小さく、Ｐｃの１．５倍よりは小さく、Ｐｃの１．２倍よりは小さく、Ｐｃの１．１倍よりは小さく、Ｐｃの１．０１倍よりは小さく、またはＰｃの１．００１倍よりは小さい初期寒剤圧力を有し得る。また、いくつかの実施形態では、上記寒剤の初期温度は、臨界点温度Ｔｃまたはその近傍であることが有利であり得、その結果、異なる実施形態では、初期温度はＴｃ±５０℃であり、Ｔｃ±２５℃であり、Ｔｃ±１０℃であり、Ｔｃ±５℃であり、Ｔｃ±１℃であり、Ｔｃ±０．１℃であるか、または実質的にＴｃに等しい。
【００３０】
寒剤は、チューブを通って流され、少なくともその一部は、液体状態の寒剤のリザーバー２４０によって取り囲まれ、その圧力を実質的に変更することなくその温度を減少する。図２Ａでは、リザーバーは液体Ｎ２であるとして示され、熱交換器２４２がこのリザーバー２４０内に提供され、流れる寒剤から熱を取り出す。リザーバー２４０の外側には、熱隔離２２０がチューブの周りに提供され、寒剤が寒剤発生器２４６から流れるとき、その所望されない加温を防ぐ。点（２）では、液体寒剤との熱接触にもたらされることによって冷却された後、この寒剤は、より低い温度を有するが、実質的に初期圧力にある。いくつかの例では、圧力が、臨界点圧力Ｐｃ未満に実質的に低下しない、すなわち、所定の最小圧力未満に低下しないと仮定して、わずかな圧力減少の形態で，図２Ｂに示されるように、圧力変化が存在し得る。図２Ｂに示される例では、液体寒剤を通る流れの結果としての温度低下は、約４７℃である。
【００３１】
この寒剤は、次に、低温適用における使用のためのデバイスに提供される。図２Ａに示される例示の実施形態では、寒剤は、医療低温適用で用いられ得るように、低温プローブ２２４の入口２３６に提供されるが、これは、必要条件ではない。寒剤が、図２Ａおよび２Ｂでラベル（３）によって示されるこのようなデバイスに提供される時点で、寒剤の圧力および／または温度において、それがデバイスとの界面を通って移動するとき、すなわち、それが図２Ａにおいてチューブから低温プローブ入口２３６に提供されるとき、わずかな変化が存在し得る。このような変化は、代表的には、温度におけるわずかな増加、および圧力におけるわずかな減少を示す。寒剤圧力が所定の最小圧力を超えて（および関連する条件も）維持されると仮定して、温度におけるわずかな増加は、性能におけるわずかな増加は有意に影響しない。なぜなら、寒剤は、液体−ガス相線２５６に遭遇することなく単に臨界点に向かい戻って移動するに過ぎないからであり、それによって蒸気ロックを防ぐ。
【００３２】
低温療法ニードルのシャフトに沿う、そして近臨界凍結能力をこれらのニードルに送達する支持システムに沿う熱隔離は、大気圧の百万分の１より良好な減圧を用い得る。このような減圧は、従来の２ステージの荒削りなポンプ単独によっては達成されないかも知れない。実施形態における経皮的低温療法システムは、それ故、拡散ポンプまたはターボモレキュラーポンプのような、高価でかつ維持集約的な高減圧ポンプを用いるよりは、吸収ポンプの単純な方法を組み込む。これは、木炭の内部システムリザーバーに対してなされ、および各個々の使い捨てプローブ中に構築される。
【００３３】
このシステムの実施形態は、その臨界点近傍で入来する窒素の流れを予備冷却するために用いられる液体窒素浴がまた、小容量の清澄な木炭を冷却するために用いられる吸収ポンプの方法を組み込む。木炭の大きな表面積は、それが大部分の残存ガス原子を吸収することを許容し、それ故、その容量内の周囲圧力を、ニードルシャフトおよび関連する支持ハードウェアを熱的に隔離するために用いられる減圧の十分下に低下させる。冷たい木炭を含むこの容量は、小直径管材を通じて、ニードルへの近臨界寒剤流れを隔離するスペースに取り付けられる。各臨床使用のためのシステム設計必要条件に依存して、木炭は、図２Ａに見られる液体寒剤２４０の冷却リザーバー中に組み込まれ得るか、または入口２３６近傍の延長ホースの連結部近傍で低温プローブ２２４の一部になる。取り付けは、熱収縮差込カップリング取り付けを通じ、減圧ジャケットニードルの外側シャフトと近臨界寒剤を運ぶ内部キャピラリーとの間の減圧スペースになされ、そしてこれは、周辺組織から熱的に隔離されている。このようにして、このシステムの拡張性は、単純設計構築から拡張され、それによって、木炭−減圧概念が、減圧を引くことがより便利であり得る、より小さなリザーバー中に組み込まれ得る。あるいは、複数プローブシステムが、小さな木炭パッケージを、各ホースおよび低温プローブが自身の減圧を引き、それによって構築コストをさらに低減するように、延長閉鎖の接続部近傍の低温プローブ／機械インターフェース２３６を備えた低温プローブの各々に個々に取り込むことが所望され得る。
【００３４】
低温プローブ２２４またはその他のデバイスを通る、寒剤発生器２４６からの寒剤の流れは、例示の実施形態では、クラックバルブ２１６、流れインピーダンス、および流れコントローラーを含むアセンブリで制御される。この低温プローブ２２４それ自体は、その長さに沿って減圧ジャケット２３２を備え得、そして低温適用のために用いられる冷チップ２２８を有し得る。ジュール−トムソンプローブとは異なり、作業寒剤の圧力がプローブチップで有意に変化する場合、本発明のこれらの実施形態は、プローブ全体の圧力に比較的小さな変化を提供する。従って、点（４）では、寒剤の温度は、ほぼ周囲温度まで増加するが、圧力は高められたままである。この圧力をプロセス全体で臨界点圧力Ｐｃを超えて維持することにより、液体−ガス相線２５６は、熱力学的経路２５８に沿って決して遭遇されず、そして蒸気ロックは、それによって避けられる。寒剤圧力は、流れコントローラー２０８を通過する前に、点（５）で周囲圧力に戻り、これは、代表的には、低温プローブ２２４からかなり離れて位置される。寒剤は、次いで、ベント２０４を通じ、実質的に周囲状態で排気され得る。
【００３５】
寒剤が図２Ｂに示される熱力学的経路に従う、１つの実施形態における冷却のための方法は、図３のフロー図で示される。ブロック３１０で、寒剤は、臨界点圧力を超える圧力で生成され、そして臨界点温度近傍にある。生成された寒剤の温度は、より低い温度を有する物質で熱交換を通じブロック３１４で低下される。いくつかの例では、これは、寒剤の周囲圧力液体状態との熱交換を用いることにより便利に実施され得るが、この熱交換は、異なる実施形態では、その他の状態の下で実施され得る。例えば、異なる寒剤が、いくつかの実施形態では、作業流体がアルゴンであるとき、液体窒素との熱交換を提供することによるように用いられ得る。また、その他の代替の実施形態では、熱交換は、より冷たい周囲を生成するためにより低い圧力で寒剤を提供することによるような、周囲圧力とは異なる圧力である寒剤で実施され得る。
【００３６】
さらに冷却された寒剤は、ブロック３１８で低温適用デバイスに提供され、これは、ブロック３２２で冷却適用のために用いられ得る。この冷却適用は、目的物が冷却適用とともに凍結されるか否かに依存して冷却および／または凍結を含み得る。寒剤の温度は、この冷却適用の結果として増加し、そして加熱された寒剤は、ブロック３２６で制御コンソールに流される。いくつかの改変例が存在し得るが、この寒剤の圧力は、一般に、ブロック３１０〜３２６を通じ臨界点圧力より大きく維持され；寒剤の熱力学的性質における主な変化は、その温度である。ブロック３３０で、加熱された寒剤の圧力は、次いで、寒剤がブロック３３４で排気またはリサイクルされ得るように、周囲圧力に低下される。その他の実施形態では、ブロック３２６で残存する加圧寒剤はまた、経路に沿ってブロック３１０に戻り得、周囲圧力で寒剤を排気するよりはむしろリサイクルされる。
【００３７】
臨界点圧力を超えか、または近臨界流れ規準に合致する圧力で寒剤を提供し、その臨界点近傍の圧力および温度で実質的に中断されない寒剤流れを提供することで、寒剤発生器２４６のために用いられ得る種々の異なる設計がある。このような設計の例を記載することで、窒素が例示の目的のために再び論議され、代替の寒剤が種々の代替の実施形態で用いられ得ることが理解される。図４は、寒剤発生器のための１つの実施形態で用いられ得る構造の概略図を提供する。熱的に隔離されたタンク４１６は、周囲液体寒剤でタンク４１６を満たすために開放され得る入口バルブ４０８を有する。抵抗加熱要素４２０がタンク４１６内に、タンク４１６の底セクションにおけるように位置され、そして入口バルブが閉鎖されるとき寒剤を加熱するために用いられる。熱は、所望の操作点、すなわち、近臨界流れ規準を超える圧力が達成されるまで付与される。クラックバルブ４０４がタンク４１６の出口に取り付けられ、そして所望の圧力で開くように設定される。例えば、寒剤として窒素を用いる１つの実施形態では、クラックバルブ４０４は、臨界点圧力より約１ｂａｒ大きい約３３．９ｂａｒの圧力で開くように設定される。一旦、クラックバルブ４０４が開くと、寒剤の流れが、上記図２Ａおよび２Ｂと組み合わせて説明されたようにシステムに供給される。
【００３８】
バーストディスク４１２がまた、安全工学実務と一致して提供され得、発生され得る高寒剤圧力を収容する。安全構成要素の程度はまた、どの寒剤が用いられるべきかに一部依存し得る。なぜなら、それらは異なる臨界点を有するからである。いくつかの例では、より多くの数のバーストディスクおよび／またはチェックバルブが設置され得、それらが暴走プロセスが起こる場合、タンク４１６の設計限界に到達する前に圧力を解放する。
【００３９】
寒剤発生器の代表的な作動の間、電気的フィードバックコントローラーが、抵抗ヒーター４２０を通る電流を、システム中への高圧寒剤の所望の流速を生成するに十分なレベルに維持する。システムからの寒剤の実際の流れは、図２Ａと組み合わせて示される流れ経路の端部にある流れコントローラー２０８によって制御され得る。所望の寒剤圧力に到達するために必要な熱エネルギーの量は、代表的には、一旦、入口バルブ４０８が閉鎖されると一定である。抵抗ヒーター４２０中で散逸する力は、次いで、機械的流れコントローラー２０８に対するポジティブ制御を維持するために調節され得る。代替の実施形態では、この機械的流れコントローラー２０８は、寒剤発生器のためのヒーターコントローラーと置換され得る。このような実施形態では、一旦、クラックバルブ４０４が開き、そして高圧寒剤がシステムの残りに送達されると、フィードバックコントローラーが抵抗ヒーターを通って流れる電流を連続的に調節し、システムをからのガス状寒剤の所望の流速を維持する。このフィードバックコントローラーは、それ故、ヒーター電流供給および流れコントローラーがインターフェースで連結されるコンピューター要素を備え得る。
【００４０】
別の実施形態では、複数の寒剤発生器が特有の用途のための増加した流れを提供するために用いられ得る。このような実施形態は、２つの寒剤発生器５１２を用いる実施形態について図５に示されるが、より多くの数がなおその他の実施形態で用いられ得ることは明瞭である。複数の寒剤発生器５１２は、所定容量の周囲圧力寒剤５１６を含む周囲圧力寒剤デュワー（Ｄｅｗａｒ）５０２内に取り付けられる。寒剤発生器５１２で発生される近臨界寒剤は、図２Ａの熱交換器２４２に関して説明されたのと同じ様式で寒剤を冷却する熱交換器５０８に提供される。寒剤発生器５１２の各々と関連するクラックバルブ５０４は、高圧の予備冷却された（すなわち、臨界温度未満に冷却）寒剤が、チューブ４２０に沿って寒剤適用デバイスに提供されることを可能にする。
【００４１】
特定の実施形態では、寒剤発生器の各々は、約３０ｃｍの内径および約１．５ｃｍの内部高さをもつほぼ円筒形形状を有し、約１リットルの内部容量を提供する。これら寒剤発生器は、便利には積み上げられ、各寒剤発生器は、図４と組み合わせて説明されたように、それ自身の独立隔離ジャケットおよび内部ヒーターを有する。管材のコイルは、積み上げられた寒剤発生器の外径の周りで包まれ、各寒剤発生器からの高圧寒剤の出力流れは、コイルされた熱交換器の入口側面に入る前に個々のチェックバルブを通過する。コイル熱交換器からの出口は、有利には、減圧でジャケットされ得るか、またはそうでなければ、それ高圧寒剤が冷却される目的物に向かって流れるとき、その加熱を避けるために隔離され得る。このような寒剤発生器の積み上げ、および外側コイル熱交換器は、充填されたとき約４０リットルの液体Ｎ２を保持する標準的なデュワーのような、液体寒剤デュワーの手底部に向かって取り付けられ得る。このデュワーはまた、このデュワーを液体寒剤で満たすため、およびデュワーからのボイルオフを排気するための便利な機構が装備され得る。いくつかの例では、液体寒剤は、近臨界またはその近傍に維持されるか、それに代わって、異なる圧力で提供され得る。例えば、液体寒剤は、より低い圧力で提供され得、より低い周囲液体−寒剤浴温度を生成する。液体Ｎ２の場合、例えば、圧力は、約６３Ｋの液体−Ｎ２スラッシュ温度で寒剤を提供するために約９８ｔｏｒｒまで低下され得る。このような実施形態は、なおより低い温度を提供する利点を有するが、周囲圧力未満で液体−寒剤デュワーを作動する際にさらなる工学的複雑さが存在し得る。
【００４２】
複数寒剤発生器実施形態の作動は、有利には、高圧寒剤の低温デバイスへの実質的に連続する供給を提供するような形態であり得る。周囲液体−寒剤５１６が、枯渇した寒剤発生器５１２のための供給として用いられ、枯渇した寒剤発生器５１２は、別の寒剤発生器５１２が高圧または近臨界寒剤を供給するために用いられるとき、再充填される。従って、２つの寒剤発生器をもつ図５中の例は、第１の寒剤発生器５１２−１が枯渇し、そして流れ５２０を提供するためにその入口バルブを開くことによって周囲液体寒剤５１６で再充填されている作動状態で示される。同時に、第２の寒剤発生器５１２−２は、記載のように加熱されている所定容量の寒剤を有し、その結果、寒剤は、その出口クラックバルブ５０４を通り近臨界寒剤として送達されている。第２の寒剤発生器５１２−２が空になるとき、第１の寒剤発生器５１２−１の充填バルブは閉鎖され、そしてそのヒーターは、全開パワーにもたらされ、それを、そのチェックバルブを通る近臨界寒剤を提供する点にもたらす。第２の寒剤発生器５１２−２の入口バルブは、それが再充填プロセスに入り得、それによって、２つの寒剤発生器５１２が図５で描写されるものから交換された役割を有するように開かれ得る。
【００４３】
この２つの寒剤発生器５１２は、このようにして、周囲液体寒剤の全デュワー５０２が枯渇されるまで相の外で作動し、そのときまでに低温適用デバイスに近臨界寒剤の実質的に連続な流れを提供する。このシステムは、それ故、有利に拡張性があり、大部分の任意の意図された適用に合致する。例えば、寒剤が消費される総冷却時間および速度によって規定される適用には、この適用を収容するために適切なサイズのデュワーを提供することによる。後に記載されるように、近臨界液体Ｎ２の冷却能力は、最大作動時間のための寒剤の効率的消費を可能にし、そして総凍結時間必要条件に対する近臨界寒剤発生器の規模は、特定の適用必要性によって指示される。例えば、本発明者らは、医療低温凍結適用は、１時間あたり器具あたり約２リットルの周囲液体Ｎ２を消費する近臨界低温プローブを用い得ると算出した。
【００４４】
複数プローブ使用のための寒剤消費は、大きな関連するタンクをもつＪＴベースユニットと比較された近臨界液体−Ｎ２システムの相対的効率の１つの実証を提供し、全体システム形態のかなりより小さい機能的サイズに至る。詳細には、本発明者らによって収集された試験データは、１．６ｍｍ近臨界液体−Ｎ２  １．６ｍｍ低温プローブが、２．４ｍｍＪＴベースの現在のアルゴン低温プローブに類似のゼラチンファントム内の直径が４ｃｍまでのアイスボールを生成することを示唆する。本発明者らによって実施された試験に基づき、１０の近臨界液体−Ｎ２低温プローブは、６つのＪＴベースのアルゴン低温プローブを下まわらない匹敵する凍結容量を生成し得る。これは、１日あたり３事例までの現在受容された前立腺使用熟成の適切なシステム内容の明瞭な実証を可能にする。現在の２．４ｍｍの低温プローブは、４０ＰＳＩ／分までを利用し、それによって、単一の完全なアルゴンタンクから、単一のプローブについて、８０分を超えない総凍結時間を生じる（なすなわち、３２００ＰＳＩの完全６０００−ＰＳＩアルゴンタンク内の使用可能な圧力は超えない）。従って、少なくとも２つのこれらアルゴンタンク（１６０分最大）が、各前立腺事例のために一般に用いられ、これは、通常、第１が通常１５分そして第２が通常１０分の２つの別個の凍結サイクルについて少なくとも６つの２．４ｍｍの低温プローブ作動を必要とする（すなわち、（６×１５）＋（６×１０）＝１５０プローブ−分総凍結時間）。さらに、２０００ＰＳＩを含む１つのヘリウムタンクがまた、各前立腺事例に対して用いられ、そしてタンクは、アルゴンタンクと類似のサイズおよび重量である。８０ｋｇ（１７５ポンド）、０．３８ｍ３のＥｎｄｏｃａｒｅシステムボックス（すなわち、寸法＝１２５×４８×６４ｃｍ３）を、各々１８２ｋｇの重量の９のタンク（合計１６３８ｋｇ）（各事例について３つ）、および０．９４ｍ３容量内に総システム重量１７１８ｋｇ（すなわち、３７８０ポンドまたは１．９トン）になる各配置０．０６２ｍ３と組み合わせる。
【００４５】
近臨界液体−Ｎ２システムについて、７５分（すなわち、各事例について２５分）間平行に用いられた一様な１０の低温プローブが、それ故、２５リットルのデュワーによって収容され得る（１０プローブ×２Ｌ／（プローブ時間）×１．２５時間）。このような２５リットルデュワーは、直径が約３０ｃｍ、そして高さが１．０メートルの寸法であり得る（すなわち、２０ｃｍ直径および０．７５メートル高さの隔離された内部リザーバーを含み、２５リットル容量を保持する、０．０７ｍ３外側容量）。この全体のデュワーは、４０ｋｇ（すなわち、２０ｋｇのデュワー重量＋０．８１ｇ／ｃｍ３の液体Ｎ２の２５リットルの２０ｋｇ）までであり得、そして比較的空のＥｎｄｏｃａｒｅボックス寸法内に少なくとも部分的に含まれ得る。本発明の実施形態によって提供される内蔵式近臨界システムは、それ故、１２０ｋｇ（すなわち、８０ｋｇボックス＋４０ｋｇ全デュワー）より少ない重量であり得、そして０．４０ｍ３（すなわち、０３．７＋０．０７／２ｍ３）より少ないスペースを占める。従って、以下の拡張性チャートは、外科的または放射線学適応内の実際の臨床的フットプリントに関するシステム性能の比較を提供する。長さが約２５ｃｍ、直径が５０ｃｍ、および皮膚科または限定介在性凍結時間のために可変速度で稼動され得る１００ｍＬの液体Ｎ２を含む寸法のハンドヘルド実施形態には：
【００４６】
【表１】
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である。
【００４７】
要するに、近臨界液体−窒素システムは、現在のＪＴベースのシステムと比較して、半分より少ない臨床スペース必要条件およびセットアップで技術者によって移動される必要があるより少ない総重量の大きさのオーダーで完全な臨床の日々の取扱件数を実施し得る。より低い生産コストの定量化は、地域のコスト差異の存在によって複雑であるが、ＪＴベースのシステムについての現在のコストは、圧縮ガスについて２００ドル／事例の平均払い戻し不能コストを含むことに注目すべきである。重量およびスペース必要条件の定量化はまた、病院職員が高圧タンクを移動、連結、および固定しなければならない作業時間および安全性効果を説明しない。
【００４８】
本発明のいくつかの実施形態は、低容量の短い持続時間の低温適用に特に適切であり、そして内蔵式ハンドヘルド器具の形態で提供される。その例は、図６の写真で示される。一体化ハンドヘルド器具は、皮膚科および介在性低容量凍結適用（例えば、胸部線維腺腫の治療、低温免疫療法の展開）のような比較的短い低温冷却を含む適用での使用のために特に適している。このような器具の構造は、実質的に図２Ａと組み合わせて説明されたようであり、その構成要素は、小さな内蔵式ユニットとして提供される。特に、比較的小さな低温発生器６０４は、小さな周囲液体−寒剤タンク６０８、および取り付けられた低温デバイス６１２と連続して連結される。図６に示される例では、この低温デバイスは、器具に永久的に取り付けられている低温外科用デバイスであるが、その他のタイプの低温デバイスが異なる実施形態では用いられ得る。内蔵式ハンドヘルド器具は、使い捨ての単回使用器具として提供され得るか、または異なる実施形態では液体寒剤で再充填可能であり得る。寒剤発生器６０４および室温液体−寒剤タンク６０８は、減圧ジャケット式であるか、その他でそれらの周辺環境から、および互いから熱的に隔離されている。表示の便利さのために、図６に示される器具は、低温発生器６０４および液体−寒剤タンク６０８を保持する外側チューブを除去された減圧下で写真をとったものである。
【００４９】
用いられるべきものとして、操作者が低温発生器中の小ヒーターを制御することを可能にするスイッチが提供される。このヒーターの能動化は、上記のような特定の冷却タスクのために特別に製作され得る設定流れインピーダンスを通る近臨界寒剤の流れを生じる。この近臨界寒剤の流れは、器具内のこのような寒剤のリザーバーが消費されるまで継続し得、その後、この器具は廃棄されるか、または将来の使用のために再充填され得る。感知受信機電子製品の冷却のためのようないくつかの実施形態では、ハンドヘルドユニットは、内蔵式シール相互連結ポートを通じて冷却されている目的物とインターフェースし得る。これは、冷却されるべき目的物が、使用の間に使い捨て可能または再充填可能な器具から外されることを可能にする。
【００５０】
ハンドヘルド器具実施形態は、本発明によって可能にされる拡張性の連続の一部であると考えられ得る。特に、高容量臨床またはその他の使用のために十分な近臨界または高圧寒剤を提供するのみならず、短い持続時間の低容量使用のための選択がある。この連続の全範囲に亘り、非常に小さな低温デバイスサイズ、すなわち、１ｍｍ以下で作動が可能である。なぜなら、上記ロックの現象によって提示される障壁がないからである。例えば、小さなデバイスサイズで作動する能力は、小さな再充填可能または使い捨て可能液体−寒剤カートリッジが供給源として提供される現実的な配列を可能にし、大きく不便な低温システムの必要性をなくする。例えば、神経切除、または痛み処理のための臨床状況におけるような医療適用の内容では、液体Ｎ２の小さなデスクトップデュワーを用いて、神経切除のための必要性に応じて複数カートリッジを再充填するために液体Ｎ２を提供し得る。このような臨床状況における代表的な容量には、デスクトップデュワーは、おそらくは週に一度の再充填を必要とし得、その週の使用のためにカートリッジを再充填するに十分な液体を提供する。類似の利点は、短期間冷却が、必要に応じて使い捨てカートリッジを用いることによって提供される場合のような工業的状況における本発明の実施形態で実現され得る。このような適用のための小さな順応は、良好に隔離され、そして／または加圧されたカートリッジでさえ、生じる可能性のある少量のボイルオフのための適切な予防排気を提供することであり得る。本発明の実施形態は、それ故、多くのタイプの適用について低温冷却オプションの増加した範囲を可能にする。
【００５１】
さらなる実施形態は、医療（例えば、皮膚科、そして任意の腫瘍切除の間の術中の手術支援ツールとして）および非医療適用の両方のための直接スプレーのための近臨界寒剤の生成を用いる。現在の皮膚科のためのＬＮ２分与器は、ピンホールノズルを通る液体Ｎ２の自然沸騰に依存し、寒剤の遅く、そして比較的不正確な分与を生成し、すなわち、それは、小さな穴を通り効率的に跳ね飛ばす。さらに、凍結の縁を正確に制御できないその能力は、隣接する正常皮膚組織の関連する側方損傷とともに皮膚損傷のより広い破壊を生じる。飛び散る送達はまた、例えば、眼を取り囲む小さな脂肪堆積物のような難しい構造物に近い液体Ｎ２付与を、より危険にし、そして一般に避ける。図７Ａは、バッテリー電力のキャニスター（缶）７０２を、このキャニスター７０２の背面に沿って配置された小バッテリー７０４とともに示す。このバッテリー７０４は、ワイヤ７０６に沿ってキャニスターの底部にあるコイル形態物７０８への電流を駆動する。このキャニスターは、液体窒素７１０で充填され得、そして蓋７１２が置かれる。蓋７１２が密なシールをするとき、低電力電流がコイル７０８に流れ、臨界Ｎ２圧力（例えば、＞６００ＰＳＩ）を生じる。このシステムは、ここでチャージ状態であり、そして使用準備が整い、較正バルブ７１４を通って過剰の圧力（例えば、＞７００ＰＳＩ）を排気する。トリガー７１６が引かれるとき、可変電力制御７１８が増加した電力を能動化し、噴霧の間に加速された臨界Ｎ２生成を引き起こす。トリガー７１６を引くことはまた、圧力が６００ＰＳＩ未満に低下した場合、自動的に閉じるような形態である特別の圧力バルブ７２０の手動解放を能動化する。このようにして、チップ機構を通り、臨界Ｎ２のみが放出され、上記ロックおよび／またはスパッタリングを避ける。正確で強力なスプレーを達成するために、ペンシル−ポイントチップ７２２が医師による精緻な制御を可能にするために提供され得る。
【００５２】
皮膚直接、または手術中の臨界Ｎ２の付与は、排気錐体チップ７２４の適用によってさらに制御され得る。例えば、このチップ７２４は、ペンシル−ポイントチップ７２２の代わりに、ノズルに迅速連結される使い捨ての単回使用品目（例えば、ポリウレタン）として提供され得る。この錐体の開放端部は、いくつかの可変サイズで提供され得、非常に小さな損傷から、より大きな損傷（例えば、３、５、７、９、１１、１３、１５ｍｍなど）までの範囲に順応する。作動において、この錐体チップは、損傷の上に配置され、外方増殖（例えば、皮膚タグ）および欠陥損傷（例えば、加齢スポット）の両方に順応する。臨界Ｎ２は中央送達チューブを下方に辿り、その一方、反射されたスプレーは、錐体の両側面に沿ってより高く排気されるようになる。このようにして、損傷を含む錐体チップの下の曝された皮膚／器官のみが処置され、そして排気ガスは処置部位からなくなり、さらに側方組織を保存する。
【００５３】
図７Ｂは、なおさらなる実施形態において、排気ニードル７３０がペンシル−ポイントチップ７２２または排気錐体７２４に代わって分与チップとして配置され得ることを示す。このようなニードルは、外径が約１ｍｍであり得る。臨界Ｎ２は、閉鎖チップ内のチャンバー７３６に中央シャフト７３２を下方に辿り得る。皮膚科／術中使用には、戻り窒素７３４はニードルハブの近傍で、またはともなう連結チューブに沿って排気され得る。このようなニードルは、隔離されたシャフトを要求しなくても良い。なぜなら、それは、皮膚、または術中、腫瘍７３８中に直接配置され得るからであり、その全体の剥き出た長さに沿って凍結することが可能である。
【００５４】
検温がまた、皮膚または術中の腫瘍の処置で役割を演じ得、一般の悪性損傷の完全な切除を確実にすることを支援する。基底細胞癌腫は、完全壊死のために−１６０℃に接近する極低温を必要とすることが記載されている。従って、ニードル検温アレイが、感知可能であるか、または超音波ガイダンスのいずれかを用いて腫瘍の下に直接配置され得る。凍結は、次いで、−１６０℃の均一な検温の読み取り値が集中直接スプレー技法、介在性ニードル配置、またはそれらの組み合わせによって到達されるまで安全に進行する。皮膚塊の高度に制御された腫瘍切除はまた、凍結プロセスのコンピューター制御を可能にするミニチュアの複数プローブユニットを用い得る。例えば、腫瘍の下に配置された検温アレイ７４２は、腫瘍内に配置された介在性低温ニードル７４０への直接フィードバックを可能にし得、適切な細胞傷害性低温に到達するやいなやそれらを切る。別個に制御される直接スプレー技法を用いる医師はまた、腫瘍のより多くの表在局面を直接処置し得る。
【００５５】
本発明の実施形態は、単純流れ寒剤冷却またはジュール−トムソン冷却と比較したとき、増加した冷却力を提供し、１つの結果は、寒剤の複数の高圧タンクの必要性が、リサイクルプロセスなくしてさえ避けられることである。３つの異なる冷却システムについて、寒剤のモルあたりの冷却力の比較が図８でなされる。上の曲線は、寒剤としてＮ２を用いる図２Ｂと組み合わせて本明細書で説明された冷却サイクルに対応し、その一方、下の２つの点は、寒剤としてアルゴンおよび窒素を用いるジュール−トムソンプロセスについての冷却力を識別する。このジュール−トムソン結果は、これらプロセスの最大値を表す。なぜなら、これらは、完全な向流流れ熱交換について決定されたからであり；この熱交換は、プローブ直径が減少されるとき非常に非効率的になる。
【００５６】
提示された結果は、液体Ｎ２の蒸気ロックが、より低い圧力で生じ得るが、プロセスが、３３．９４ｂａｒのＮ２について臨界点圧力の近傍の圧力の近臨界状態に合致するとき、丸で囲まれた領域８０４で避けられることを注記する。先に注記したように、蒸気ロックは、近臨界流れ状態で避けられ得、プロセスの効率は、圧力が臨界点圧力の近傍にあるとき改善される。これらの結果は、本発明の実施形態によって提供される冷却サイクルは、理想化されたジュール−トムソンサイクルより５倍より効率的であることを示す。臨界点圧力を超える圧力を用いる実施形態の効率は、プローブサイズの変化によって実質的に影響されないので、グラムあたりの冷却力は、ジュール−トムソンサイクルの冷却力よりしばしば１０倍以上である。このより大きな効率は、実質的により少ない、すなわち、１／５〜１／１０の排気ガス流れの使用によって顕示され、かさばる複数タンク置換の必要性なくして、プロセスをかなりより静か、より非破壊的にする。
【００５７】
それ故、記載されたいくつかの実施形態を有することで、当業者によって、種々の改変物、代替構築物、および等価物が、本発明の思想から逸脱することなく用いられ得ることが認識される。従って、上記の記載は、添付の特許請求の範囲で規定される本発明の範囲を制限するとしてとるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
本発明性質および利点のさらなる理解は、本明細書および図面の残りの部分を参照することによって実現され得、ここで、同様の参照番号が、いくつかの図を通じて用いられ、類似の構成要素に言及する。いくつかの例では、参照番号にサブラベルがともない、そして複数の類似の構成要素の１つを示すためにハイフンに続く。存在するサブラベルへの詳細なくして参照番号への参照がなされるとき、それは、すべてのそのような複数の類似の構成要素に言及することが意図される。
【図１Ａ】図１Ａは、代表的な寒剤の相図を示す。
【図１Ｂ】図１Ｂは、低温プローブについて最小操作圧力を決定する方法の図を提供する。
【図１Ｃ】図１Ｃは、単純−流れ寒剤冷却にともなう蒸気ロックの発生を示すために寒剤相図を用いる。
【図１Ｄ】図１Ｄは、蒸気ロックの発生を避けるためにジュール−トムソン冷却において用いられる冷却サイクルを示すために寒剤相図を用いる。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の実施形態による寒剤冷却システムの概略図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本発明の実施形態における低温冷却のための方法を示す寒剤相図を用いる。
【図３】図３は、図２Ａの冷却方法の局面を要約するフロー図を提供する。
【図４】図４は、本発明の別の実施形態による低温冷却システムの概略図である。
【図５】図５は、本発明のさらなる実施形態による低温冷却システムの概略図である。
【図６】図６は、内蔵タイプハンドヘルドデバイスとしての形態である低温システムの実施形態の写真である。
【図７Ａ】図７Ａは、交換可能なチップを、ピンポイントスプレーとして、または種々の直径の領域のためにより均一に分与される円形範囲として、近臨界窒素を方向付けることを可能にする別のハンドヘルド実施形態を示す。
【図７Ｂ】図７Ｂは、介在性排気ニードルと組み合わせた錐体チップでの腫瘍の表面処理、および複数点抵抗検温アレイでのより深いモニタリングの組み合わせを示す。
【図８】図８は、異なる低温冷却プロセスについて冷却力のグラフ比較を提供する。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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