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公開番号2025090746
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-06-17
出願番号2025039128,2023086072
出願日2025-03-12,2017-11-07
発明の名称極低温冷凍機
出願人エム・ブイ・イー・バイオロジカル・ソリューションズ・ユー・エス・リミテッド・ライアビリティ・カンパニー,MVE BIOLOGICAL SOLUTIONS US, LLC
代理人個人,個人
主分類F25B 9/00 20060101AFI20250610BHJP(冷凍または冷却;加熱と冷凍との組み合わせシステム;ヒートポンプシステム;氷の製造または貯蔵;気体の液化または固体化)
要約【課題】低温で物質を貯蔵するための冷凍機またはデュワに関し、特定的には、冷却するために極低温流体貯留部と組み合わせた機械式冷凍システムを使用する極低温冷凍機を提供する。
【解決手段】極低温冷凍機40は、貯蔵空間72を規定するデュワ42を特徴とする。貯留部78は貯蔵空間72内に位置し、貯蔵空間72に対して封止されている貯留部内部空間内において極低温液体の上方にヘッドスペースを有するように極低温液体を含むように構成されている。冷凍モジュール60は貯留部78のヘッドスペースと熱交換関係にある。センサは貯留部78内の温度または圧力を決定するように構成されている。システム制御部はセンサと冷凍モジュールに接続され、ヘッドスペース内の圧力または温度が上昇した場合に、冷凍モジュールが貯留部のヘッドスペースに追加の冷却を与えるように調整されるように構成されている。
【選択図】図5
特許請求の範囲【請求項１】
貯蔵空間を規定するデュワと、
前記貯蔵空間内に、または、前記貯蔵空間に隣接して位置し、貯留部ネックによって前記デュワの前記貯蔵空間内に固定された、極低温液体を収容するように構成された貯留部であって、極低温液体の上方にヘッドスペースと、低温先端部を受容する前記貯留部ネックとを有し、前記低温先端部は前記貯留部の前記ヘッドスペースと熱交換関係にあり、前記低温先端部は前記極低温液体の上方のヘッドスペース内であって、前記デュワに前記貯留部を固定する前記貯留部ネック内に位置する、前記貯留部と、
前記貯留部の前記ヘッドスペースと熱交換する冷凍モジュールであって、前記低温先端部を備える、前記冷凍モジュールと、
前記冷凍モジュールに接続されて、前記冷凍モジュールに供給される電力を調整することによって前記貯留部の前記ヘッドスペースの冷却の量を制御するように構成されているシステム制御部であって、前記調整は、（１）前記ヘッドスペースの圧力または温度が上昇した場合に前記冷凍モジュールに供給される電力を可変的に増加させること、および、（２）前記ヘッドスペースの圧力または温度が低下した場合に前記冷凍モジュールに供給される電力を可変的に減少させることを含む、前記システム制御部を備える、極低温冷凍機。
続きを表示（約 800 文字）【請求項２】
前記冷凍モジュールは、前記デュワに取り外し可能に設置されている、請求項１に記載の極低温冷凍機。
【請求項３】
前記デュワは真空断熱空間を含み、前記真空断熱空間を通り前記貯留部の前記ヘッドスペースと流体連通にある蒸気分岐管をさらに備え、前記低温先端部は前記蒸気分岐管の上部の内部に位置する、請求項１に記載の極低温冷凍機。
【請求項４】
前記冷凍モジュールはアコースティック・スターリング冷凍サイクルを使用する、請求項１に記載の極低温冷凍機。
【請求項５】
前記冷凍モジュールはハウジングを含む、請求項４に記載の極低温冷凍機。
【請求項６】
前記ハウジングは、前記ハウジングの内部を、前記システム制御部を含む前方室と前記冷凍モジュールのモータを含む後方室とに分離するための隔壁を含む、請求項５に記載の極低温冷凍機。
【請求項７】
前記ハウジングは、前記前方室の内部に位置する吸気孔と、前記後方室内に位置する排気孔を含み、前記隔壁内に位置するファンをさらに備え、前記吸気孔を通して冷気をハウジング内に引き、前記排気孔を通して前記ハウジングの外に空気を放出するように構成されている、請求項６に記載の極低温冷凍機。
【請求項８】
前記ハウジングの前記後方室の内部に位置して前記排気孔に対向するバッフル壁をさらに備える、請求項７に記載の極低温冷凍機。
【請求項９】
前記冷凍モジュールは前記吸気孔に隣接するヒートシンクを含む、請求項７に記載の極低温冷凍機。
【請求項１０】
前記ヒートシンクに取り付けられ、前記吸気孔を通して前記ヒートシンクを超えて空気を引くように構成されるファンをさらに備える、請求項９に記載の極低温冷凍機。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には、低温で物質を貯蔵するための冷凍機またはデュワに関し、特定的には、冷却するために極低温流体貯留部と組み合わせた機械式冷凍システムを使用する極低温冷凍機に関する。
続きを表示（約 2,100 文字）【背景技術】
【０００２】
生物学的材料を極低温冷凍機内で保存する場合、試料を単一の、制御された温度に維持する要求がある。温度が単一であることに加えて、所望の温度自体は貯蔵される材料のタイプと使用の目的によって変化する。例えば、生物細胞の長期間の保存では、温度を－１６０℃未満に保つことが望ましい。血漿または移植組織の短期間の貯蔵では、要求されるのは－５０℃である。貯蔵の様々な要求に応えるために、極低温冷凍機は２つの別個の経路で展開されてきた。液体窒素（または「ＬＮ２」）による冷却と、機械式冷却である。
【０００３】
従来のＬＮ２極低温デュワは、図１の１０によって概略的に示されており、内側タンク１４を収容する外側シェル１２が特徴である。外側シェルと内側タンクは真空断熱空間１６によって分離されており、取り外し可能な断熱蓋またはフラグ１８が内側タンクの内部にアクセスを許す。いくつかのステンレス鋼の貯蔵ラック（そのうちの１つは２２で図示されている）は、生物学的試料を収容する箱を保持し、デュワの内部に配置される。ラックは、円形の回転トレイ・プラットフォーム２６に載せられる。貯蔵ラック２２にアクセスするためには、使用者は、ハンドル２８を使用してトレイ２６を回転させる。デュワの底には液体窒素（－１９６℃）の溜まり３２があり、デュワ内の生物学的試料を低温に保つ。
【０００４】
図１のデュワ１０では、ラックは液体窒素に直接接触しておらず、液体の上方の蒸気空間内にある。したがってラックの温度は液体窒素からの距離によって変化する。より具体的には、窒素の溜まりに最も近い、ラックの底部付近では最も低い温度であり、一方、溜まりから最も離れたラックの頂部では最も高い温度である。このような貯蔵デュワの初期のものでは、デュワの頂部から底部までの温度差が１００℃になることも珍しくない。
【０００５】
もっと最近のデュワは、ラックに熱伝導材料の使用し、デュワの構造の中で、この温度の層化を最小にし、頂部から底部まで液体窒素溜まりの温度に近づける。このようなデュワの例は一般的にブルックスらに所有される米国特許第６，３９３，８４７号に表されている。ブルックスらの’８４７号特許は、底部の液体の寒剤の溜まりと、円筒状のスリーブを特徴とするターンテーブルまたは回転可能なトレイを有するデュワを開示する。円筒状のスリーブは、トレイ上に貯蔵される生物学的試料から熱を輸送するために液体冷凍剤の溜まりの中に広がるスカートを特徴とする。このような対層化方法は作用するが、デュワの温度は液体窒素温度に近くなる傾向があり、そのようなデュワを長期間の貯蔵の用途に最も適するようにしている。
【０００６】
機械式冷凍機は、家庭用の冷凍機と同じような方法で作用する。電気的に駆動される冷凍システムによって断熱容器が冷却される。極低温液体を冷媒として使用する冷凍システムもある。しかしながら、機械式冷凍機は、冷凍機の断熱と冷凍システムの効率によって達成される温度に限定される。それらは－４０℃から－１００℃の温度範囲で動作する傾向がある。
【０００７】
機械式冷凍機によって示される最大の短所は、動作が電気に依存することである。電力が失われたり、冷凍システムが故障すると、冷凍機は短期間（２日間）で温まる。液体窒素式の冷凍機では、電力が落ちるか、または、液面制御部が故障すると、デュワの底部の窒素の溜まりが典型的には１か月の冷凍を提供する。この理由のために、冷凍機の市場は、低温での貯蔵または高価な材料が冷却される状況では、液体窒素の冷凍機の使用を好む傾向がある。機械式冷凍機は、極端な低温を要求しない、または、容易に代替可能な内容物を冷却する状況で使用される。
【０００８】
従来の液体窒素冷凍機は、単一の、さらに、選択的な温度を維持するための２つの固有の問題を有する。第１に、上述のように、液体窒素冷媒は冷凍機の底部に貯蔵される。低温の気体は温かい気体よりも密度が高いので、底部に窒素溜まりを有る冷凍機は、当然、温度の層化をする傾向がある。冷凍機の内部に入る全ての熱は蒸気を温め、蒸気の密度は小さくなり、頂部に上昇する。大部分の液体窒素冷凍機は頂部開口を有しているので、冷凍機に入った熱の大部分はまず頂部に到達し、底部の液体によって効率よく吸収されない。これが層化の問題に加わる。
【０００９】
第２に、液体窒素は大気圧で貯蔵されるので、その温度は常におよそ－１９６℃である。その結果、もしデュワ内の層化が除かれると、中の温度はおよそ－１９６℃になるだろう。
【００１０】
さらに、液体窒素冷凍機は液体窒素が消費された場合に再充填するシステムを要求する。これは導入の費用を増加させ（すなわち、配管とタンクの資本の費用）、消費される液体窒素の費用も非常に高い。
【図面の簡単な説明】
（【００１１】以降は省略されています）

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