(57)【要約】【課題】生体物質を冷却するために用いることができる改善された冷却システムを提供すること。【解決手段】本発明によれば、生体試料の冷却に特に有用な冷却システムであって、液体冷却剤またはパージ流体を冷却するための冷却を発生させるために、圧力波発生装置からの圧力波を採用したようなクライオクーラーが使用され、この液体冷却剤またはパージ流体は、貯蔵装置の密閉空間に面した中空構造内部または貯蔵装置の貯蔵空間内部で使用され、その後貯蔵空間から取り除かれた汚染物を除去される冷却システムが提供される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却システムであって、
（Ａ）密閉された空間に面した少なくとも１つの中空構造を有する貯蔵装置であって、前記中空構造が液体冷却剤を含む貯蔵装置と、
（Ｂ）低温熱交換器、アフタークーラーおよび蓄冷器を含むコールド・ヘッドを有するクライオクーラーと、
（Ｃ）冷却を前記コールド・ヘッドから前記液体冷却剤へ伝える手段と
を有する冷却システム。
【請求項２】
冷却をコールド・ヘッドから液体冷却剤へ伝える前記手段が、前記液体冷却剤を前記貯蔵装置から前記クライオクーラーへ送る手段と、前記液体冷却剤を前記クライオクーラーから前記貯蔵装置へ送る手段とを有している請求項１に記載の冷却システム。
【請求項３】
前記液体冷却剤が多成分冷却流体である請求項１に記載の冷却システム。
【請求項４】
前記クライオクーラーが、圧力波発生装置と、該圧力波発生装置から圧力波を受けるための作動ガスを含んだパルスチューブとを有するパルスチューブ冷凍機である請求項１に記載の冷却システム。
【請求項５】
冷却システムであって、
（Ａ）貯蔵空間を有する貯蔵装置と、
（Ｂ）パージ・ガス発生装置、コールド・ヘッドを有するクライオクーラー、ガスを前記パージ・ガス発生装置から前記クライオクーラーのコールド・ヘッドへ送る手段、および流体を前記クライオクーラーのコールド・ヘッドから前記貯蔵空間内へ送る手段と、
（Ｃ）ガス汚染物清浄システム、およびガスを前記貯蔵空間内部から前記ガス汚染物清浄システムへ送る手段と
を有する冷却システム。
【請求項６】
ガスをパージ・ガス発生装置からクライオクーラーのコールド・ヘッドへ送る前記手段が、前記ガス汚染物清浄システムを含む請求項５に記載の冷却システム。
【請求項７】
前記パージ・ガス生成装置が空気圧縮機および空気清浄システムを有する請求項５に記載の冷却システム。
【請求項８】
前記パージ・ガス生成装置が膜式窒素発生装置を有する請求項５に記載の冷却システム。
【請求項９】
熱交換器をさらに含み、ガスをパージ・ガス生成装置からクライオクーラーのコールド・ヘッドへ送る前記手段が該熱交換器を含み、ガスを貯蔵空間内部からガス汚染物清浄システムへ送る前記手段が該熱交換器を含む請求項５に記載の冷却システム。
【請求項１０】
前記クライオクーラーが、圧力波発生装置と、該圧力波発生装置から圧力波を受けるための作動ガスを含んだパルスチューブとを有するパルスチューブ冷凍機である請求項５に記載の冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広義の概念では冷凍に関するものであり、特に生体物質の冷凍に適したものである。
【背景技術】
【０００２】
生体物質の極低温保存は、多くの医学および製薬分野できわめて重要である。生体試料の極低温保存に関しては２つの観点がある。第１の観点は、冷凍用の新鮮な試料を準備すること、およびこの試料を制御された度合いで冷凍することである。第２の観点は、極低温状態で試料を長期保存することである。いくつかの極低温試料貯蔵システムでは、液体窒素など消耗性の寒剤を用いて試料を冷たく保ち、熱漏れを緩和している。問題は、こうしたシステムを動作させ続けるには高価なインフラ（真空配管など）およびメンテナンス（液体窒素のモニタリングや供給など）が必要となることである。いくつかの機械的な冷却システムが、試料の低温（極低温ではない）貯蔵に利用可能である。市販されているこうした装置では、液体窒素による貯蔵システムのような低い温度は得られない（機械的なものの場合は−１４０℃、液体窒素の場合は−１９６℃）。こうした装置では、その冷却を維持するのに消耗性の寒剤は不要である。現在の機械的冷却装置は非常に大きく、またその気泡断熱型の壁を通してかなりの熱が漏れるため非効率的である。こうした機械的冷却システムの断熱材を改善し、熱漏れを低減すれば、必要な冷却能力を大きく減らすことができる。より低い貯蔵温度での試料の生存可能性および生存期間が高まったことにより、極低温の試料貯蔵システムはますます普及しつつある。こうしたシステムでは液体窒素の定期的な供給および処理が必要であるため、運転コストは高く、利便性は低くなる。標準的な極低温の貯蔵冷却装置のサイズは、安全上の問題、および熱漏れを最小限に抑えて液体窒素を節約する必要性によって制限される。出し入れは上部を通して行われる。侵入する大気中の汚染物を除去するために、装置を定期的に解凍しなければならない。解凍は労力を要し、試料を解凍するリスクを負うことになり危険である。サイズの制限により、規模の利益を犠牲にして多数の個別の装置を使用することが必要となる場合がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
したがって、本発明の目的は、生体物質を冷却するために用いることができる改善された冷却システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本開示を読めば当業者には明らかになるであろう上記および他の目的は本発明によって達成される。その１つの観点は、
（Ａ）密閉空間に面した少なくとも１つの中空構造を有する貯蔵装置であって、この中空構造が液体冷却剤を含んでいる貯蔵装置と、
（Ｂ）低温熱交換器、アフタークーラーおよび蓄冷器を有するコールド・ヘッドを備えたクライオクーラーと、
（Ｃ）冷却をコールド・ヘッドから液体冷却剤へ伝える手段と
を有する冷却システムである。
【０００５】
本発明の他の観点は、
（Ａ）貯蔵空間を有する貯蔵装置と、
（Ｂ）パージ・ガス発生装置、コールド・ヘッドを有するクライオクーラー、ガスをパージ・ガス発生装置からクライオクーラーのコールド・ヘッドへ送る手段、および流体をクライオクーラーのコールド・ヘッドから貯蔵空間内へ送る手段と、
（Ｃ）ガス汚染物清浄システム、およびガスを貯蔵空間内部からガス汚染物清浄システムへ送る手段と
を有する冷却システムである。
【０００６】
本明細書で使用する「圧力波」という用語は、大量のガスを周期的に高圧および低圧レベルに順次変化させるエネルギーを意味する。
【０００７】
本明細書で使用する「コールド・ヘッド」という用語は、クライオクーラーの、低温熱交換器、アフタークーラーおよび蓄冷器を含む部分を意味する。
【０００８】
本明細書で使用する「膜式窒素発生装置」という用語は、透過性の膜を用いて窒素を圧縮空気流の他の成分から選択的に分離する装置を意味する。
【０００９】
本明細書で使用する「エゼクタ（ｅｊｅｃｔｏｒ）」という用語は、第１の高エネルギーの液流を用いて、第２の、より低いエネルギーの液流を伴出または移動させる装置を意味する。エゼクタは可動部品を含まない。第１および第２の流体は処理中に混合される。
【００１０】
本明細書で使用する「クライオクーラー」という用語は、２００Ｋ以下の冷却を生成することができる、５０キロワット未満の圧縮出力を採用した冷却装置を意味する。
【実施例】
【００１１】
図面を参照して本発明について詳細に論じる。ここで図１および図２を参照すると、貯蔵装置１は真空断熱、超断熱およびゲッターなどの極低温断熱技術を利用した断熱壁２を有している。図１および図２に示した壁の形が正方形または長方形である貯蔵装置は、正方形または長方形の断面を有している。しかし、貯蔵装置は円筒形の貯蔵装置など、他の任意の適切な形のものとすることができる。１または複数の中空構造３が、貯蔵装置１の壁２に沿って壁２の内部表面に隣接して配置されている。図１および図２に示した本発明の実施例では、中空構造３は中空パネルの形状をしている。この中空構造は、生体物質を貯蔵する密閉空間または容積４を画定する働きをしている。
【００１２】
１または複数の中空構造３は、流体冷却剤を含んでいる。この冷却剤は熱を拒絶することに加えて、貯蔵する材料を出し入れするために装置を開けたときに貯蔵空間４を低温に保つように熱バラスト（ｔｈｅｒｍａｌ  ｂａｌｌａｓｔ）を提供している。この熱バラストにより、停電が発生した場合にも試料は低温に保たれる。本発明で使用する場合には、不燃性で無害であり、オゾンを減少させない流体または混合流体であることが好ましい。流体冷却剤として、例えばペルフルオロプロポキシメタン（ＨＦＥ−３４７）、ヘプタフルオロプロパン（ＨＦＣ−２２７ｅａ）、ペンタフルオロプロパン（ＨＦＣ−２４５ｆａ）およびペルフルオロプロパン（Ｃ５Ｆ１２）を単独で用いることができ、あるいは混合物の形で用いてもよい。ＨＦＥ−３４７とＨＦＣ−２２７ｅａの混合物、並びにＨＦＥ−３４７とＣ５Ｆ１２の混合物は、最低１４０Ｋ（約−１３５℃）まで動作が可能である。これらの流体は室温で低い蒸気圧を有する。本発明の液体冷却剤として好ましい冷媒はテトラフルオロメタン（Ｒ１４）である。Ｒ１４は、最低１２０Ｋ（約−１５０℃）までの動作温度を可能にする。本発明の好ましい動作温度の範囲は、１４０Ｋから７０Ｋの間である。
【００１３】
液体冷却剤は、スターリング型クライオクーラー、ギフォード・マクマホン型クライオクーラーまたはパルスチューブ冷凍機などのクライオクーラーによって作り出される冷却により、必要な低温に維持される。本発明の一実施例では、クライオクーラーのコールド・ヘッドまたはコールド・フィンガーを中空構造に挿入することにより、液体冷却剤に対する冷却が行われる。図２に示した本発明の他の実施例では、液体冷却剤は中空構造またはパネル３から取り出されて導管５に入り、液体ポンプ６によってラインまたは導管７に注入され、図２に示した実施例ではパルスチューブ冷凍機８であるクライオクーラーへ送られ、その中でパルスチューブ冷凍機が作り出す冷却によって冷却される。次いで、その結果生じる冷却された液体冷却剤は、ライン９を通ってパルスチューブ冷凍機８から貯蔵装置１の中空構造またはパネル３へ戻される。
【００１４】
パルスチューブ冷凍機８は、作動ガスを密閉サイクルで振動させ、その際に熱負荷を低温部分から高温部分へ伝える閉じた冷却システムである。振動周波数および位相調整はシステムの構成によって決まる。駆動装置または圧力波発生装置１０は、ピストン若しくは他のいくつかの機械的圧縮装置、または音響波若しくは熱音響波発生装置、またはパルス若しくは圧縮波を作動ガスに与えるのに適した他の任意の装置とすることができる。すなわち、圧力波発生装置はパルスチューブ１１内部の作動ガスにエネルギーを与えて、圧力振動および速度振動を発生させる。ヘリウムは好ましい作動ガスであるが、パルスチューブ冷凍機には任意の有効な作動ガスを使用することが可能であり、なかでも窒素、酸素、アルゴンおよびネオン、または空気などのそれらのうちの１つまたは複数を含む混合物を挙げることができる。
【００１５】
振動する作動ガスは、コールド・ヘッドまたはコールド・フィンガーとしても知られる低温熱交換器に向かって移動する際に、アフタークーラー、次いで蓄冷器内で冷却さることが好ましい。パルスチューブ冷凍システムの幾何形状およびパルス形状は、コールド・ヘッド１２内で振動する作動ガスがパルス・サイクルのわずかの間に膨張するようになされており、且つ液体冷却剤に対して冷却をもたらす間接的熱交換によって熱が作動ガスに吸収されるようになされている。作動ガスによる冷却は、間接的熱交換によって液体冷却剤に伝えられる。エネルギーの一部はオリフィス内で消費され、その結果生じる熱は、一般に水などの冷却媒体を用いた間接的熱交換による高温熱交換器（ｗａｒｍ  ｈｅａｔ  ｅｘｃｈａｎｇｅｒ）を使用することにより、高温端から除去される。パルスチューブ冷凍システムでは、ガスの変位および圧力パルスを適当な位相に維持するために、イナータンス・チューブおよびリザーバを使用することが好ましい。リザーバのサイズは、パルスチューブを流れる振動中にリザーバ内で圧力振動が本質的にほとんど発生しないように十分に大きいものとする。
【００１６】
本発明の他の好ましい実施例では、冷却された流体は貯蔵装置の貯蔵空間に直接流入して生体物質を冷却し、次いで貯蔵空間から取り出され、したがって貯蔵空間から二酸化炭素や酸素などの汚染物を取り除く働きをする。この実施例では、冷却流体およびパージ流体は、一般に圧縮機からの空気または膜式窒素発生装置からの窒素である。次いでこのガスを、クライオクーラーのコールド・ヘッドからもたらされる冷却によって冷却し、全体的若しくは部分的に液化して、貯蔵装置の貯蔵空間に流入させることができる。その結果生じる、暖められて気化している可能性もある流体を、貯蔵空間に存在していた汚染物を含む貯蔵空間から取り出し、ガス汚染物清浄システムに送る。パージおよび冷却の観点による本発明の一実施例を図３に示す。
【００１７】
次に図３を参照すると、流れ２０の空気がパージ・ガス発生装置２１に送られている。このパージ・ガス発生装置２１は空気圧縮機および空気清浄システムでもよいし、膜式窒素発生装置でもよい。パージ・ガス発生装置２１が膜式窒素発生装置である場合、生成された窒素ガスは９０〜９９モルパーセントの範囲内の窒素濃度を有している。図３に示した実施例では、窒素ガスは膜式窒素発生装置２１から取り出されて流れ２２に入り、図３に示した実施例ではエゼクタ２３であるガス汚染物清浄システムへ送られる。
【００１８】
エゼクタは、高エネルギーの液流を用いて、第２の、より低いエネルギーの液流を伴出または移動させる装置である。エゼクタは、第１の流体と第２の流体のエネルギー・レベルの間のエネルギー・レベルを有する（すなわちエネルギーが保存された）混合流であって、混合された第１および第２の流体の質量流量を有する混合流を発生させる。第１の高エネルギー液流はエゼクタの合流ノズルに入る。これは、圧力を犠牲にしてこの第１の流れの速度を高める。次いでこの流れは混合チャンバに入り、ここで第１の流れによって生じた運動量および粘性力により低圧領域が生成される。この低圧領域を用いて、第２の低エネルギー流を混合チャンバ内に引き込む。この２種類の流体はこの過程で混合される。次いで混合流体は混合チャンバを出て、速度を犠牲にして流体の圧力を回復させるディフューザに入る。
【００１９】
エゼクタ２３からの窒素ガスは、ライン２４を通って熱交換器２５に送られ、その中で戻り窒素ガスを用いた間接的熱交換によって冷却され、次いでライン２６を通って、図３に示した実施例ではコールド・ヘッド４０から冷却を受けるパルスチューブ冷凍機２７であるクライオクーラーへ送られる。パルスチューブ冷凍機２７は図２と共に論じたパルスチューブ冷凍機８と同様の方法で動作する。冷却された窒素流体は気体、液体、または混相の形態であってもよく、パルスチューブ冷凍機２７から貯蔵装置２９へライン２８を通して送られる。
【００２０】
貯蔵装置２９は、大気に対して密閉または開放することが可能な貯蔵空間あるいは貯蔵容積を画定する断熱壁を有している。この貯蔵空間または貯蔵容積は、コールド・ヘッド４０からの流体によって貯蔵空間内にもたらされる冷却によって冷却、冷凍、および／または冷却あるいは冷凍状態に維持される生体物質を含む。結果として得られる流体は一般に完全にガス状であり、周囲の大気および／または生体物質からもたらされる貯蔵領域からの汚染物を含んでおり、その後、貯蔵空間から取り出されて貯蔵装置２９からライン３０を通して熱交換器２５へ送られ、そこで上述のように暖められる。次いで、窒素ガスはライン３１を通って熱交換器２５からエゼクタ２３へ送られる。流れ３１の一部３２は、大気中に排出される。
【００２１】
本発明をいくつかの好ましい実施例を参照して詳細に説明してきたが、当業者には特許請求の範囲の趣旨および範囲内で本発明の他の実施例も存在することが理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明を実施する際に用いることができる貯蔵装置の代表的な図である。
【図２】本発明の冷却システムの好ましい一実施例の簡略化した図である。
【図３】本発明の好ましい他の実施例の簡略化した図である。
【符号の説明】
【００２３】
１、２９  貯蔵装置
２  断熱壁
３  中空構造
４  貯蔵空間
５、７  導管
６  液体ポンプ
８、２７  パルスチューブ冷凍機
９  ライン
１０  圧力波発生装置
１１  パルスチューブ
１２、４０  コールド・ヘッド
２１  パージ・ガス生成装置
２３  エゼクタ
２５  熱交換器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【外国語明細書】
2005098688000001.pdf