JP4242645B2 - 超低温流体の移動用搬送ライン及び搬送方法 - Google Patents

Description

【０００１】
発明の背景
超低温流体を搬送する多くの場合では、できる限り完全な液体状態で流体を移動することが重要である。従来は、流体をまず相分離したり、熱交換器で過冷したり、真空ジャケッティングによりラインを断熱状態に保ったりすることが必要であった。さもなければ、搬送ラインの熱漏れはボイルオフを招来し、ひいては搬送ライン内における波動、不安定さ、脈動等、一般的に望ましくない流れの原因となる。長い搬送ラインでは、特に熱漏れが問題となる。
【０００２】
本発明は、超低温流体の第一部分が内方の管内を流れ、第二部分が内方の管と外方の管との間の環体内を流れ、外方の管における環体が内方の管よりも圧力が低く同軸、又は“チューブインチューブ”構造の超低温搬送ラインに関するものである。この圧力の違いにより、容易に環体内の流体により内方の管内（煮沸など）にある液体の冷却が可能になり、飽和液体状態に留められる。液体をさらに冷却し、冷却“クッション”として熱漏れに対応可能にする事が望ましい。
【０００３】
また、多くの超低温流体搬送装置では搬送ラインが軽量で可撓性を有することが重要である。これは導入時、操作時、保守時に最大の自由度を提供し、ラインが繰り返し曲がることを防げるようにする。本発明は第二に可撓性材料（ポリマー物質など）からラインの少なくとも一部分を形成する超低温搬送ラインに関するものである。
【０００４】
従来の技術では超低温搬送ラインのこれら双方の重要な問題が解決されていない。
米国特許第３６９６６２７号（ロングスワース（Ｌｏｎｇｓｗｏｒｔｈ））の超低温搬送システムは、堅固な同軸パイピングの構成により超低温流の過冷や安定化を開示している。米国特許第４２９６６１０号（デービス（Ｄａｖｉｓ））、米国特許第４３３６６８９号（デービス（Ｄａｖｉｓ））、米国特許第４７１５１８７号（スターンズ（Ｓｔｅａｒｎｓ））及び、米国特許第５４７７６９１号（ホワイト（Ｗｈｉｔｅ））でも同様のシステムを開示している。
【０００５】
チャン等（Ｃｈａｎｇ ｅｔ ａｌ）が開示した非金属、可撓超低温搬送ラインは超低温を冷凍手術システム内のクリオプローブを冷却する超低温システムに使用している（“高パフォーマンスマルチプルーブ冷凍手術デバイスの開発”バイオメディカル インストゥルメンション アンド テクノロジー（Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｔｅｃｈｏｌｏｇｙ）、 ９月／１０月 １９９４年 ３８３−３９０ページ）。チャンの可撓性を有するライン設計に起因する熱漏れボイルオフのため、本質的に防熱が弱いこともあいまって、これらのラインは短くする必要があり、適切に稼動させるため十分に過冷された（−２１４℃）超低温液体で充満される必要がある。これは複雑にして高価な超低温の貯蔵装置と、供給装置と制御システムを上流側に必要とする。
【０００６】
また超低温搬送ラインが機械加工に使用されることも知られている。機械加工においては、起寒剤は切削工具や被加工物のインターフェースとして使用される。例として、米国特許第２６３５３９９号（ウエスト（Ｗｅｓｔ））、米国特許第５１０３７０１号（ランデン（Ｌｕｎｄｉｎ））、米国特許第５５０９３３５号（エマーソン（Ｅｍｅｒｓｏｎ））、米国特許第５５９２８６３号（ジャスコウィック（Ｊａｓｋｏｗｉａｋ））、米国特許第５７６１９７４号（ワグナー（Ｗａｇｎｅｒ））、米国特許第５９０１６２３号（ホン（Ｈｏｎｇ））がある。チャンと同様に、これらのラインは短く、熱漏れボイルオフの防止のために過冷超低温液体を流す必要があり、従って上流に高価な過冷システムを必要とする。
【０００７】
米国特許第３４３３０２８号（クレー（Ｋｌｅｅ））は、純単層内において超低温流体を一定の距離にわたって運ぶ同軸システムを開示している。大きさが決定された、超低温搬送内部ラインの入口オリフィスを使用することにより、外部熱漏れの影響を受ける場合、液体は蒸発するために外部ラインへ通過することが許容される。同軸ラインの出口端に設置された温度センサよりなるフロー制御ユニットは、内部ライン内の液体の沸点よりも高いことを必要とする温度（通常、５０−１００°Ｆ）になると、外部ラインの蒸気の流れを止める。その結果、外部ラインの圧力が超低温ソースの圧力に近づいてくる。また、外部ラインの蒸気は常に内部ラインの液体よりも暖かくなる。さらに、蒸発するために外部ラインへ通過する液体の量は、入口に設けた非可変的に設けられたオリフィスにより常に制限されるため、高い熱漏れは完全に防ぐことができない。これらの操作原理において、ラインの設置工事中に耐高圧材、非可撓性金属管材、や断熱素材の使用を必要とする。
【０００８】
日本国特許出願公開０６２１０１０５号は非超低温のガス抜き用ポリマー同軸搬送ラインを開示している。このチューブの素材の特性では、超低温にて使用される搬送ラインの使用が困難である。
【０００９】
発明の概要
本発明は超低温流体の搬送方法及び搬送装置に関する。ポリマー同軸搬送ラインは内方の導管を超低温流体の第一部分が流れるように使用され、超低温流体の第二部分が内方の導管と外方の導管との間の環体内を流れる。環体内の圧力は内方の導管内の圧力よりも低い。一実施例においては、内方の導管はほぼ非孔質であり、搬送ラインの上流には流れ制御手段が設けられている。流れ制御手段は、超低温流体の第一の部分と第二の部分の少なくとも一部を内方の導管と環体とに分配をする。第二の実施例では、内方の導管の少なくとも一部分は、超低温流体の第一部分の気体浸透や液体浸透に対応するように浸透性を有し、第一部分の気体部及び液状部が環体に浸透して第二部分の少なくとも一部を構成する。
【００１０】
本発明の詳細な説明
本発明のポリマー同軸搬送ラインは、図１に示すように、流れ制御ボックス２０の下流側に搬送ライン２２が配置されている。搬送ライン２２において、内方の管７２の周囲に外方の管７４が配置されている。外方の管７４の周囲には断熱材７０が設けられ、同断熱材７０の周囲には可撓保護ケース６８が設けられている。超低温流体の第一部分は内方の管内を流れ、第二部分は内方の管と外方の管の間の環体内を流れる。第一部分は第二部分より高い圧力を有する。
【００１１】
搬送ラインの少なくも一部分はポリマー物質など、可撓性材料で形成される。ほぼ全ての内方の管と、ほぼ全ての外方の管を可撓性のあるポリマー物質にて形成することも可能である。さらに、ほぼ全ての外方の管を可撓性に富むポリマー物質で形成し、ほぼ全ての内方の管を、超低温下で脆くならず、かつ可撓性を備えた非ポリマー物質、例えば、（ｉ）銅やその合金、（ii）アルミニウムやその合金、（iii）ニッケルやその合金（iv）オーステナイトステンレス鋼、（ｖ）高濃度のグラファイト（vi）セラミックファイバー編みこみ製品から形成することも可能である。さらに、ほぼ全ての内方の管と、ほぼ全ての外方の管を（ｉ）銅やその合金、（ii）アルミニウムやその合金、（iii）ニッケルやその合金（iv）オーステナイトステンレス鋼、（ｖ）高濃度のグラファイト（vi）セラミックファイバー編みこみ管状製品などから選択された可撓性非ポリマー物質から形成することも可能である。加えて、ほぼ全ての外方の管を可撓性を有する断熱材料で形成することも可能である。さらに、内方の導管及び外方の導管のうちの少なくとも一方がほぼ四辺形、多辺形、楕円形、他の一般的な幾何学的な断面を有する形状にしてもよい。
【００１２】
内方の管はほぼ非浸透性を有することができ、このため環体内における流体の第二部分は内方の管を通じた浸透の結果ではない。又は、内方の管の少なくとも一部分には複数の穴が形成可能であり、及び／又は、気体浸透及び液体浸透が可能なように浸透性を有することができ、第一の部分の気体状部及び液状部が環体に浸透し、第二の部分の少なくとも一部を形成する。また、内方の管の複数の部分は、より詳細に述べるならば内方の管の長さ方向において等間隔をおいて配置された複数の部分は、それら浸透性が増強され得る。
【００１３】
搬送ラインの上流には、超低温流体の第一部分と第二部分の少なくとも一部を内方の導管と環体に対して分配する流れ制御手段、例えば図１に示す流れ制御ボックス２０が有効に配置されている。流れ制御手段は、一般に環体に分配される流体の第二部分の圧力を減少する手段（バルブなど）と一体化され、流体の第二部分の少なくとも少量が液体として環体内に分配される。この差圧により、環体内の液体が内方の管の内部の流体を冷却できる。内方の管が少なくとも部分的に浸透性を有する場合、内方の管から環体気体内への浸透は流れ制御ボックスによって実行される流体分配の少なくとも一部分を補完することができる。流れ制御ボックスの連結部及び内部コンポーネントは３つのオン／オフ（ソレノイド）バルブ６１，６２，６３と手動計量バルブ６４を備え、これらのバルブは入口３０を介して流れ制御ボックスに連通し、超低温の流れの受け入れ、圧力を制御する。流れ制御ボックス２０内部の主要コンポーネントは３方向連結器６６であり、これは内方の管と環体にそれぞれ超低温流体の第一部分と第二部分を導入する。ねじ連結部７８は３方向連結器６６を外方の管７４に連結する。任意の直線クランプ部材７６は、外方の管をねじ連結部に固定するために使用され得る。流れ制御ボックス２０は断熱ケーシングを有し、断熱フィルターを任意に備える。圧力リリーフ弁８４を設けてもよい。オン／オフバルブ６２、６３はその内壁又はバルブシートに開口が形成され、バイパスオリフィス（８６，８８）が設けられている。
【００１４】
環体内における流体の第二部分の少なくとも少量は内方の管内の液体と共に搬送目的箇所及び／又は冷却対象に搬送される。任意に、環体内の流体の第二部分の少なくとも少量が搬送目的箇所及び／又は冷却対象から発散される。前者の場合、搬送ラインの内方の導管と連通する内方管と、搬送ラインの環体と連通する外方管とからなる同軸ノズルの使用により達成される。後者の場合、環体の流体全てが発散され、このことは、環体内の流れの方向が内方の管の流れの方向と同一であるという制限がなくなるだろう。任意のノズルが搬送ラインのインターフェースとノズルとの間の漏れを防止するために熱収縮コネクタを含むことが望ましい。
【００１５】
本発明の搬送ラインに適したポリマー物質として、炭素系ポリマー、フッ化炭素系ポリマー、コポリマー及びその混合物、例えばテフロン（Ｅ．Ｉ．デュポン社の商標名）が挙げられる。
【００１６】
本発明における搬送ラインで搬送され得る超低温流体の例としては、窒素、アルゴン、これらの混合物が挙げられる。
本発明における超低温流体を搬送する装置と方法は、搬送目的箇所や冷却対象が、比較的流速が低く、液体の高い応答性を必要とする時、特に使用に適している。このような本発明の搬送ラインが使用される搬送目的箇所及び／又は冷却対象の例として以下に示すものが挙げられる。
【００１７】
（ｉ）ストレススクリーニング電子コンポーネントに使用される環境試験チャンバー
（ii）収縮させた後に締りばめされたコンポーネント
（iii ）生物学的な保存に使用される標本保存用コンテナ
（iv）窒素飛沫ディスペンサー
（ｖ）機械加工に使用される切削工具及び／又は被加工物
（ vi ）冷凍手術システムのクリオプローブ
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施の形態を示す概略図

Claims (12)

1. 超低温流体の搬送ラインであって、前記搬送ラインは前記超低温流体の少なくとも一部を搬送目的箇所と冷却対象のうちの少なくとも一方に配送するために使用され、前記搬送ラインの少なくとも一部は可撓性材料によって形成され、前記搬送ラインは、
   （ａ）前記超低温流体の第１部分が通るように構成される内方導管（７２）と；
   （ｂ）前記内方導管（７２）を包囲する外方導管（７４）であって、前記外方導管（７４）は前記内方導管（７２）との間に前記超低温流体の第２部分が通る環体を区画形成することと；
   （ｃ）前記内方導管（７２）に前記第１部分を流し、前記環体に前記第２部分を流すように分配する流れ制御手段と
   を備え、
   前記流れ制御手段は、
   （ｉ） 前記超低温流体の受入れに適した流路入口（３０）と；
   （ｉｉ）３方向連結器（６６）と；
   （ｉｉｉ） 前記流路入口（３０）から前記３方向連結器（６６）まで延びる第１流路であって、前記第１流路は前記３方向連結器（６６）によって前記内方導管（７２）に連結され、前記第１流路は前記流路入口（３０）から前記３方向連結器（６６）に向かって順に第１分岐部と第１結合部を有することと；
   （ｉｖ） 前記第１分岐部と前記第１連結部の間において前記第１流路に設けられる第１オンオフバルブ（６３）であって、前記第１オンオフバルブ（６３）は第１バイパスオリフィス（８６）を有し、前記第１バイパスオリフィス（８６）は前記第１オンオフバルブ（６３）の閉じ状態において前記第１流路を絞ることと；
   （ｖ） 前記第１分岐部において前記第１流路から分岐して前記３方向連結器（６６）まで延びる第２流路であって、前記第２流路は前記３方向連結器（６６）によって前記環体に連結され、前記３方向連結器は前記第１部分を前記内方導管に導入し、前記第２部分を前記外方導管に導入し、前記第２流路は前記第１分岐部と前記３方向連結器（６６）の間に第２分岐部を有することと；
   （ｖｉ） 前記第１分岐部と前記第２分岐部の間において前記第２流路に設けられる第２オンオフバルブ（６２）であって、前記第２オンオフバルブ（６２）は第２バイパスオ
   リフィス（８８）を有し、前記第２バイパスオリフィス（８８）は前記第２オンオフバルブ（６２）の閉じ状態において前記第２流路を絞ることと；
   （ｖｉｉ） 前記第２分岐部において前記第２流路から分岐して、前記第１結合部において前記第１流路に連結される第３流路と；
   （ｖｉｉｉ） 前記第３流路に設けられる手動計量バルブ（６４）と
   を備え、
   前記流路入口（３０）から前記第１流路に受入れた前記超低温流体を前記第１部分と前記第２部分に分配し、前記第２部分の少なくとも一部の圧力を減少させ、前記環体内の前記第２部分の少なくとも少量は液体として前記環体内に分配されつつ前記内方導管（７２）内の前記第１部分を冷却し、前記第２部分の少なくとも一部は前記搬送目的箇所と前記冷却対象のうちの少なくとも一方に搬送されるように、前記第２オンオフバルブ（６２）の閉じ状態において前記手動計量バルブ（６４）が調整されることによって前記超低温流体の流れは圧力調整される、搬送ライン。
2. 前記外方導管（７４）は管であり、前記内方導管（７２）はほぼ非浸透性のポリマー物質によって形成される管である、請求項１に記載の搬送ライン。
3. 前記環体内の流体の第２部分の少なくとも少量は、同軸ノズルの作用によって前記内方導管（７２）内の液流とともに前記搬送目的箇所と前記冷却対象のうちの少なくとも一方にまで搬送され、
   前記同軸ノズルは、
   前記内方導管（７２）に連通する内方通路と、
   前記環体に連通する外方通路と
   を備える、請求項１に記載の搬送ライン。
4. 前記第２部分の少なくとも少量は、前記搬送目的箇所と前記冷却対象のうちの少なくとも一方から離間した前記環体から発散される、請求項１に記載の搬送ライン。
5. 前記可撓性材料は、炭素系ポリマー、フッ化炭素系ポリマー、コポリマー、およびそれらの混合物から選択されるポリマー物質である、請求項１に記載の搬送ライン。
6. 前記超低温流体は、窒素、アルゴン、およびそれらの混合物から選択される、請求項１に記載の搬送ライン。
7. 前記搬送目的箇所と前記冷却対象のうちの少なくとも一方は
   （ｉ）ストレススクリーニング電子コンポーネントに使用される環境試験チャンバー、
   （ii）収縮させた後に締りばめされたコンポーネント、
   （iii ）生物学的な保存用に使用される標本保存用コンテナ、
   （iv）窒素飛沫ディスペンサー、
   （ｖ）機械加工に使用される切削工具と被加工物のうちの少なくとも一方、および
   （vi）冷凍手術システムのクリオプローブ
   のうちから選択される、請求項１に記載の搬送ライン。
8. ほぼ全ての前記内方導管（７２）とほぼ全ての前記外方導管（７４）は、可撓性を有するポリマー物質からなる、請求項１に記載の搬送ライン。
9. ほぼ全ての前記外方導管（７４）は、可撓性を有するポリマー物質によって形成され、
   ほぼ全ての前記内方導管（７２）は、（ｉ）銅やその合金、（ii）アルミニウムやその合金、（iii）ニッケルやその合金、（iv）オーステナイトステンレス鋼、（ｖ）高濃度のグラファイト（ｄｅｎｓｅ ｇｒａｐｈｉｔｅ）、および（vi）セラミックファイバー
   編込管状製品から選択された可撓性を有する非ポリマー物質によって形成された、請求項１に記載の搬送ライン。
10. ほぼ全ての前記内方導管（７２）とほぼ全ての前記外方導管（７４）は、（ｉ）銅やその合金、（ii）アルミニウムやその合金、（iii）ニッケルやその合金、（iv）オーステナイトステンレス鋼、（ｖ）高濃度のグラファイト、および（vi）セラミックファイバー編込管状製品から選択された可撓性を有する非ポリマー物質から形成される、請求項１に記載の搬送ライン。
11. ほぼ全ての前記外方導管（７４）は、可撓性を有する断熱物質によって形成され、
    ほぼ全ての前記内方導管（７２）は、（ｉ）銅やその合金、（ii）アルミニウムやその合金、（iii）ニッケルやその合金、（iv）オーステナイトステンレス鋼、（ｖ）高濃度のグラファイト、および（vi）セラミックファイバー編込管状製品から選択された可撓性を有する非ポリマー物質から形成される、請求項１に記載の搬送ライン。
12. 請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載の搬送ラインを用いて前記超低温流体を搬送する方法であって、前記方法は、
    前記第１部分を前記内方導管（７２）に流すとともに前記第２部分を前記環体に流すことと、
    前記流路入口（４０）から前記第１流路に受入れた前記超低温流体を前記第１部分と前 記第２部分に分配し、前記第２部分の少なくとも一部の圧力を減少させ、前記環体内の前記第２部分の少なくとも少量は液体として前記環体内に分配されつつ前記内方導管（７２）内の前記第１部分を冷却し、前記第２部分の少なくとも一部は前記搬送目的箇所と前記冷却対象のうちの少なくとも一方に搬送されるように、前記オンオフバルブ（６２）の閉じ状態において前記手動計量バルブ（６４）を調整することと
    を備える、方法。

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