低温冷却的方法和系统的制作方法

专利名称：低温冷却的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于低温冷却的方法和系统。“低温冷却”一般是指使用液化气体，即 “冷冻剂”，冷却的过程，其可以采取冷冻或简单的急冷的方式冷却目标系统或物料。
背景技术：
有许多医疗和非医疗的应用都需要有效的冷却过程。任何冷却过程都可被视为涉 及以下四个当中一个或多个除去热负荷的基本过程蒸发、传导、辐射、对流。低温冷却技术 里其中一个难题源自蒸发的过程，而这可以利用一条小的通道里的冷却过程来说明。在蒸 发液化气体的过程中，液体转换成气体，产生巨大的膨胀；此膨胀的程度的系数级为200。 在一个直径小的系统中，此程度的膨胀一贯地会导致本领域称为“气阻”的现象。此现象可 被一支低温探针般直径幼小的管道中冷冻剂的流动所例证。一股相对大量的膨胀气体在其 膨胀之前形成，阻碍液体冷冻剂的流动。传统上用以避免气阻的技术包括限制管道的直径 大小，确保它足够大以容纳蒸发作用产生的气阻。其它复杂的低温探针和管道配置都被用 以“排出”传送管道中产生的氮气。这些设计也限制了成本效益和探针的直径大小。因此，本领域普遍需要一些经过改良用于低温冷却的方法和系统。

发明内容
因此，本发明的实施例提供了冷却一个物体的方法和系统。所述方法和系统沿着 一条永不越过所述冷冻剂的一条液_气相线的热动力学路径，改变压力/温度的特性，以避 免气阻的出现。在若干实施例中，这由保持所述冷冻剂的压力接近或大于它的临界点压力 而达到。在许多实施例中，所述冷冻剂包括氮气(N2)，尽管在其它的实施例中可以使用其它 的冷冻剂。
第一组实施例提供了一种使用一种由临界点压力和临界点温度决定临界点的冷 冻剂冷却一个物体的方法。该致冷剂的压力被提高至它的临界点压力之上。随后，该冷冻 剂和该物体沿着一条热动力学路径热连通，使该冷冻剂的温度增加，而在该冷冻剂和该物 体热连通期间，该热动力学路径保持该冷冻剂的压力大于它的临界点压力。在某些情况下，所述热动力学路径可以增加所述冷冻剂的温度至环境温度。从所 述冷冻剂和所述物体的热连通中移去该冷冻剂以后，该冷冻剂的压力可以降低至环境压 力。在某些实施例中，在提高所述冷冻剂的压力至它的临界点温度之上以后和在热连通该 冷冻剂和所述物体以前，无需降低该冷冻剂的压力至它的临界点压力之下就可以降低该冷 冻剂的温度。例如，所述冷冻剂和另外的，其温度低于该冷冻剂的温度的液体冷冻剂热连通 后，该冷冻剂的温度可被降低。所述冷冻剂和所述另外的冷冻剂可以是化学上相同的，而该 另外的冷冻剂的压力也可以大体上处于环境压力。在一个实施例中，在降低所述冷冻剂的 温度时该冷冻剂的压力大体上不变。所述冷冻剂的压力被提高至它的临界点压力之上时，该冷冻剂的压力可被提高至 接近或大约等于它的临界点压力。并且，在所述冷冻剂的压力被提高至它的临界点压力之 上时，该冷冻剂的温度会接近它的临界点温度。在一个实施例中，所述冷冻剂的温度会在它 的临界点温度士 10 %范围之间。在一个实施例中，所述冷冻剂被放置在一个保温储罐内，在 该保温储罐内加热直至该保温储罐里的压力达到预定的压力时，该冷冻剂的压力可被提高 至它的临界点压力之上。第二组实施例提供了另一种使用一种由临界点压力和临界点温度决定临界点的 冷冻剂冷却一件物体的方法。该冷冻剂的压力被提高至在它的临界点压力的0. 8倍和1. 2 倍之间，且该冷冻剂的温度在它的临界点温度士 10%之间。之后，该冷冻剂的温度被降低而 无需降低该冷冻剂的压力至它的临界点压力的0. 8倍之下。随后，该冷冻剂和该物体沿着 一条热动力学路径热连通，使该冷冻剂的温度增加至环境温度，而在该冷冻剂和该物体热 连通期间，该热动力学路径保持该冷冻剂的压力大于它的临界点压力的0. 8倍。该冷冻剂 接下去从该冷冻剂和该物体的热连通中被移去，并且该冷冻剂的压力被降低至环境压力。第三组实施例提供了一种进一步使用一种由临界点压力和临界点温度决定临界 点的冷冻剂冷却一件物体的方法。该冷冻剂的压力被提高至接近它的临界点压力。随后， 该冷冻剂和该物体沿着一条热动力学路径热连通，使该冷冻剂的温度增加，而在该冷冻剂 和该物体热连通期间，该热动力学路径保持该冷冻剂的压力接近它的临界点压力。在所述 冷冻剂的压力被提高至一个提供该冷冻剂约减摩尔体积以防止气阻的特定压力数值之上， 而所述热动力学路径保持该冷冻剂的压力大于该特定压力数值之上时，该冷冻剂的压力可 被提高至接近它的临界点压力。在某些情况下，所述特定的压力在所述临界点压力的0. 8 倍和1.2倍之间。第四组实施例提供了一种使用一种由临界点压力和临界点温度决定临界点的冷 冻剂的系统。一个冷冻剂产生器用于提高该冷冻剂的压力。一个阀门位于该冷冻剂产生器 的一个出口且当该冷冻剂产生器里的压力超过一个预定的压力时适于释放该冷冻剂流。该 预定的压力大于一个提供该冷冻剂约减摩尔体积以防止气阻的特定压力数值。并且，一个 降温应用装置适于和该物体热连通。一条导管连接该阀门和该降温应用装置以从阀门输送 冷冻剂至降温应用装置。一个流量控制器用以调节该导管和该降温应用装置中的冷冻剂
5流。当该冷冻剂和该物体沿着一条热动力学路径热连通时，该冷冻剂的温度增加，而在该冷 冻剂和该物体热连通期间，该热动力学路径保持该冷冻剂的压力大于该预定的压力。所述冷冻剂产生器可以包括一个其内部容量用以容纳该冷冻剂的保温储罐和一 个用以在该内部容量中加热的加热元件。在一个实施例中，所述加热元件包括一个电阻性 加热元件。一个另外的冷冻剂的液体浴可以包围连接所述阀门和所述降温应用装置的所述 导管的一部分。在一个实施例中，所述另外的冷冻剂的液体浴大体上处于环境压力。在另 一个实施例中，所述冷冻剂和所述另外的冷冻剂是化学上相同的。在某些实施例中，所述冷冻剂产生器包括多个冷冻剂产生器，所述阀门包括多个 阀门。这其中每一个冷冻剂产生器适用于提高所述冷冻剂的压力。每一个阀门位于该多个 冷冻剂产生器的当中一个的一个出口，且被配置成当该个冷冻剂产生器里的冷冻剂的压力 超过一个预定的压力时，释放该冷冻剂流。所述导管被配置成提供该多个阀门的当中一个 和所述降温应用装置之间的选择性连接。在当中某些实施例中，所述系统进一步包括一个 所述冷冻剂的液体浴，其中所述多个冷冻剂产生器布置于该液体浴中。此外，所述系统可以 进一步包括多个换热器，每一个换热器布置于所述冷冻剂的液体浴中，并且与所述多个冷 冻剂产生器的当中各自的一个和所述导管进行液体交流。此外，所述多个冷冻剂产生器的 当中的每一个还可以包括一个入口，用以从所述冷冻剂的液体浴中接收冷冻剂。所述降温 应用装置可以包括一个可卸下的喷雾控制口，在某些情况下，该喷雾控制口可以包括一个 当使用降温应用装置时，适用于释放反射的冷冻剂的出口。在一个实施例中，所述的系统进 一步包括一个适用于测量所述物体温度的温度测量装置。第五组实施例提供了一种使用一种由临界点压力和临界点温度决定临界点的致 冷剂冷却一件物体的的方法。于第一个冷冻剂产生器里该冷冻剂的压力被提高至一个提供 该冷冻剂约减摩尔体积以防止气阻的特定压力数值之上。随后，该冷冻剂自该第一个冷冻 剂产生器流出，和该物体热连通，而在该冷冻剂和该物体热连通期间，该冷冻剂的压力大于 该临界点压力。随后，于第二个冷冻剂产生器里该冷冻剂的压力被提高至该特定的压力数 值之上。随后，该冷冻剂自该第二个冷冻剂产生器流出，和该物体热连通，而在该冷冻剂和 该物体热连通期间，该冷冻剂的压力大于该特定的压力数值。随后，该第一个冷冻剂产生器 内的冷冻剂被重新补充。在当中某些实施例中，所述冷冻剂自所述第一个或第二个的冷冻剂产生器流出 时，该冷冻剂流经一条和一个冷冻剂的液体浴热连通的导管，用以降低该冷冻剂的温度。在 一个实施例中，所述冷冻剂和所述冷冻剂的液体浴是化学上相同的，所述第一个冷冻剂产 生器内的冷冻剂被重新补充自该冷冻剂的液体浴。于所述第一个和第二个冷冻剂产生器里 提高所述冷冻剂的压力至所述特定的压力数值之上时，该冷冻剂的压力可被提高至接近它 的临界点的压力。在一个实施例中，在一个保温储罐内加热至少到该保温储罐内的压力达 到预定的压力时，该压力可被提高。


参照本说明书的余下部分和附图可以对本发明的性能和优点作进一步的理解；这 些附图中同一个组件的标号相同。在某些情况下，子标记被放在某个标号与连字符后面以 表示许多相似组件的其中一个。当提到某个标号但没有特别写明某一个已有的子标记时，就是指所有这些类似的组件。图1A显示了一幅典型的冷冻剂相图；图1B提供了一幅确定一支低温探针的最低操作压力的指引图；图1C展示了一幅冷冻剂相图，用以举例说明简单流程的冷冻剂冷却中所产生的 气阻；图1D展示了一幅冷冻剂相图，用以举例说明焦耳-汤姆生中用以避免产生气阻的 冷却循环；图2A是一幅根据本发明的一个实施例而构建的低温冷却系统的概图；图2B展示了一幅冷冻剂相图，用以举例说明本发明的一个实施例中一个低温冷 却的方法；图3提供了一幅概括图2A中的冷却方法的特征的流程图；图4是一幅根据本发明的另一个实施例而构建的低温冷却系统的概图；图5是一幅根据本发明的一个进一步的实施例而构建的低温冷却系统的概图；图6是一幅一个降温系统的一个被配置成一个独立的手提式装置的实施例的图 片；图7A展示了另一个手提式的实施例，使用可互换的针尖去控制近临界氮作为一 种针尖式喷雾或使其较平均地散布于不同直径的范围内；图7B展示了一种使用一个圆锥状的针尖和一支间隙开孔针的肿瘤表面处理方 法，和使用一个拥有多点电阻性温度测量阵列作较深层的监测的方法；以及图8提供了一幅显示不同的低温冷却过程的冷却功率的比较图。
具体实施例方式本发明的实施例使用了利用冷冻剂冷却而不会遇到气阻现象的热动力学过程。从 以下的叙述可以轻易得知本发明的各个实施例所提供的其它不同的好处和优点。本发明使用了相图来举例说明和比较不同的热动力过程。这些相图在本领域内是 众所周知的，而图1A提供了一个典型的冷冻剂相图样本。相图的两轴对应于压力P和温度 T，并包括一条描绘了液态和气态共存的所有(P，T)点的集中位置的相线102。当(P，T)值 位于相线102的左边，冷冻剂是液态状，通常其压力较高和温度较低，而位于相线102的右 边的(P，T)值决定了冷冻剂是气态状的范围，通常其压力较低和温度较高。相线102突然 地终止于某一点，该点被称为临界点104。在氮气的情况中，临界点是P。= 33.94巴，T0 = 摄氏-147. 15度。当压力渐增而一个流体同时拥有液相和气相时，系统沿着相线102向上移动。在 氮气的情况中，低压的液相的密度比气相的密度高多达二百倍。压力持续的增加引致液相 的密度降低和气相的密度增加，直到它们只在临界点104完全相等。在临界点104液态和 气态的区别消失。因此，临界点周围的状态避免气体膨胀在液态冷冻剂之前造成堵塞，阻碍 其向前流动，在此称该状态为“近临界状态”。允许偏离临界点较多而又同时维持功能性流 动的因素包括较快的冷冻剂流动速度、较大的流动管腔的直径和换热器或低温探针针尖中 较低的热负荷。当从下接近临界点时，气相的密度增加，液相的密度降低，直至正好到达临界点，
7此时两相密度相等。在临界点上液相和气相的区别消失，只剩下一个单一的超临界相。所
有气体都很好地遵循以下的范德瓦耳斯状态方程 f 3 ^ P + i (3v-l) = 8/,[等式 1] 、 V 其中p三P/P。，v三V/V。，和t = T/T。，P。、V。和T0分别是临界压力、临界摩尔体积 和临界温度。变数v、p和t时常分别被称作“约减摩尔体积”、“约减压力”和“约减温度”。 因此，当任何两个物质拥有相等的P、v和t数值时，它们近临界点时都拥有相等的流体热动 力学状态。因此，等式1具体表达了 “相应状态定律”。H. E. Stanley的Introduction to Phase Transitions and Critical Phenomena(Oxford Science Publications,1971)一书 对此有更充分的说明，在此并入其全文作为所有用途的参考。重新排列等式1得到以下一 条v作为P和t的函数的表示式pv3-(p+8t) v2+9v-3 = 0。[等式 2]因此，流体的约减摩尔体积v可被看成一个只包括约减压力p和约减温度t的精 确函数。在大多数情况下，在本发明的实施例中，约减压力p被固定于一个接近1的恒值， 因此它也被固定于一个近临界压力的固定的物理压力，与此同时约减温度t会跟随针的热 负荷而改变。假设约减压力P是一个系统操作所设定的常数，那么约减摩尔体积v是一个 约减温度t的精确函数。在本发明的实施例中，针的约减压力p可被调整至从而在针的温 度t改变时，v被保持在气阻会出现的一些最大值以下。通常，p会被保持于最小的数值，因 为增加P至更高的压力数值可能需要使用更复杂和更昂贵的增压器，令整个针支持系统的 采购和保养较昂贵，整体的插座效率也较低。本文所称“插座效率”是指针的总共冷却功率 除以从线路所得用以操作系统的功率。施加于v的条件复杂且非解析地依赖于视乎体积流速dV/dt、液相和气相的热容 量和液态和气态两态的运输属性，例如热导性、粘性等等。此精确关系不能用闭式代数推导 出来，但数字上可以通过对描述针的质量和其中的热转输的模型方程进行积分来确定。概 念上，当针的加热速度产生了气相，且与气体的流速乘以它的热容量再除以它的摩尔体积 成正比的该气相的冷却功率不能跟上针的加热速度时，气阻便会产生。当这种情况发生的 时候，冷冻剂流内液相转化成气相，产生更多气相，用以吸收过量的热量。这导致了一种失 控条件，液相转化成气相充满了针，而所有冷冻剂流都因为导致气相产生的压力增大而实 际上停止流动，因为进入针的热流急速的增加压力和温度。这种情况被称为“气阻”。因为 液相和气相的摩尔体积，和因此在临界点的冷却功率相等，所以于临界点或其之上的冷却 系统不可能发生气阻。但略低于临界点的情况也可避免针的气阻。对应于最小可接受气相 密度的最小可接受摩尔体积、针的尺寸、以及气相和液相的热物性之间的关系是由一个清 楚的复杂非线性系统所产生的。v值可以有多大，和因此P值可以有多小以可靠地防止气 阻，都可由实验中确定，就如图1B中的数据所说明的一样。图1B显示了通过实验确定操作压力P的最小值，和因此约减压力p的最小值的方 式。上表中较高的曲线代表针内氮的压力，而上表中底部的曲线代表因此流经探针的质量 流速，单位是流经针时的标准公升每秒。下表中显示了与上表同一时间针尖的温度。记录 数据时，6. 6瓦特的热负荷被加至针尖。例如，在工作压力是12. 6巴和22巴时，气阻条件在这个等级的热负荷和流速时出现，证据是当该流动被暂时中断和恢复时，针尖的温度不 能回复至它的低温值。但压力是28. 5巴时，当流动被中断后，针尖的温度可靠地回复至它 的低温值。流经针的质量流速趋向下降，表示压力很接近但仍略低于能可靠地和连续地运 作而没有气阻的最小可接受压力。在这个举例说明的实施例中，这些数据显示最小可接受 的工作压力是大约29巴。因此，在此实施例中，配备一支细管管长22厘米，流入细管直径 0. 020厘米和流出细管直径0. 030厘米的真空夹套的针时，在此热负荷和流速下，标准的最 小操作压力是29巴。这对应于最小p值=29巴/33. 9巴=0. 85。因此，在这个举例说明 的实施例中，“近临界”相当于一个不低于临界压力的85%的压力。更普遍地，在此所述的“近临界”压力是指一个超过被确定用以满足上述条件的最 小压力的压力。特别的，当p的最小值如上述实验步骤般被确定后，“近临界”压力范围包含 所有相等或大于该被确定的最小压力的P = P/P。数值。虽然任何？ > 1的超临界压力都 能被接受以防止气阻，发明人发现在实际中可用又不会引起气阻情况的P的最小值可以更 低，并且使用这更低的数值可以有利地提高系统效能和简单性。图1C说明了在一个简单流程的冷冻剂冷却系统中气阻的出现，其中氮气的相图 被用以示范，当中液_气相线106终止于临界点108。该简单流程的冷却过程通过压缩液 态冷冻剂和强迫它流经一支低温探针而继续。某些预冷却可以用来强迫液相的冷冻剂自相 图中的指示点流经一个低温探针的入口 110至一个冷冻剂蒸发从而提供蒸发冷却的区域。 冷冻剂被强迫自入口 110流至一个排气口 114而其所取的热动力学路径116与液-气相线 106相交于点112，而该点是发生蒸发的位置。因为蒸发的位置是在液-气相线106上远低 于临界点108的一点，密度较高的液体蒸发变成它的气态相，流路的体积突然膨胀，从而形 成气阻。另一种防止气阻但较复杂的冷冻剂冷却技术利用了焦耳_汤姆生效应。当一些气 体被压缩时，它的焓减少，该减少的幅度随压力而变化。当该气体之后经过一个小阀口(被 称为“JT阀口”或“节流阀”)膨胀至较低的压力时，温度会降低，而产生的冷却是压缩时焓 的减少的函数。当一个换热器被配备于压缩器和膨胀阀门之间时，可以逐渐达到较低的温 度。在一些情况下，纵使使用氩(Ar)可得到较低的温度，焦耳-汤姆生冷却使用较便宜的 气体如二氧化碳或一氧化二氮。除了较高的成本以外，使用氩也可能有较高的风险，但在一 些应用中两者都合乎情理，因为可以快速的开始和终止冷冻。因此，相对于简单流程的冷冻剂冷却，图1D中的相图所显示的焦耳_汤姆生冷却 过程使用了一个完全不同的冷却循环。该冷却循环被叠加在氮气的相图作为一个实例，其 中氮气的液-气相线122终止于临界点128。最开始，在相图的点130上，氮被提供以很大 的压力和正常环境(室内)温度。通常该压力是大约400巴，即大于临界点128压力的十 倍。氮气在低温探针沿着热动力学路径124流动直到它来到相图上点132的JT膨胀阀口。 氮气在JT阀口突然膨胀，使它的压力急剧降低，在一个JT喷射流142中流向相图的下方。 这急速膨胀导致喷射流142中的下游氮气被部分液化，从而使得在JT喷射流142中的膨胀 之后，被液化的氮气与其气相处于热平衡。因此，所述氮气位于相图中的点134，即在略高于 环境压力的液_气相线106的位置之上，亦即远低于临界点128。氮气在沿着热动力学路径 126的气体回流中被加热，其时可被用于冷却，且之后，也许在回到控制台途中，通过排气口 140被排放至环境条件。值得注意的是，焦耳_汤姆生冷却永不会接近液_气系统的临界
9点，而且其主要使用蒸发流程的冷却。焦耳-汤姆生冷却中被冷却的气体流通常通过入口高压供应管的一端送回。该逆 流的低压回流气体有利地冷却进入的还未膨胀的高压气体。该换热器144在气流之间的效 果在相图中很明显，因为沿着入口管到JT阀口(热动力学路径124)的压力由于高压气流 被逆流换热器冷却，阻抗其流动而降低。类似的，冷而低压的氮通过逆流换热器144冷却进 入的高压气流，使回流(热动力学路径126)的压力稍稍降低。逆流换热器144的作用能提 高焦耳_汤姆生冷却的效率，但尝试将低温探针的直径变得更小却限制了该作用。当低温 探针变小时，回流速度变大。对于典型容量流速和直径大约1. 5毫米的探针来说，气体回流 速度逐渐达到音速。当探针进一步缩小时，焦耳-汤姆生冷却过程也继续失去效率，直至 该过程不能产生更多的冷却能力。因此，即使可以以合理的成本可靠地生产直径小于1. 2 毫米的探针，其在最小冷却容量点的运作的物理特性也严重地限制了它们。焦耳_汤姆生 探针的制造成本随着探针直径的减小而急剧增加，主要是因为逆流换热器的制造和组装成 本。本发明的实施例通过运作于避免任何越过液_气相线的冷冻剂压力_温度的制 度，避免了气阻的发生，并使更小的探针尺寸成为可能。在个别的实施例中，低温冷却通过 在冷冻剂临界点附近运作而实现。当在该区域运作时，热量从周围环境流入近临界冷冻剂， 因为临界点温度(例如，在氮气冷冻剂一例中是_147°C)比周围环境的温度要低很多。即 使冷却过程中没有蒸发潜热的帮助，这些热量也能通过低温探针尖端近临界冷冻剂的流动 而排走。虽然本发明的范围意在包括运作于任何具有大于临界点压力的压力的制度，但冷 却的效率随着压力被提高至临界点压力之上而逐渐降低。这是为了达到较高的工作压力的 流动而令能量需求增加的的结果。图2A提供了一个实施例中一个低温冷却系统结构排列的概图；图2B提供的相图 展示了当图2A的系统运作时，冷冻剂行进的热动力学路径。这两幅图中圈住的数字标识互 相对应，所以图2A中指向一个其位于热动力学路径上的工作点得以达到的物理位置。因此 以下的叙述在描述冷却流程的物理和热动力方面有时候会同时参照图2A的结构图和图2B 的相图。为了展示的目的，图2A和图2B都特别地指氮冷冻剂的情况，但这并没有限制之 意。本发明可以更普遍的使用任何合适的冷冻剂，就像本领域的技术人员能够理解的那样； 仅仅举个例子，其它可以使用的冷冻剂包括氩、氦、氢和氧。在图2B中，液-气相线用附图 标记256标明，而冷冻剂行经的热动力学路径用附图标记258标明。冷冻剂产生器246用来在其出口提供冷冻剂一个超过该冷冻剂临界点P。的压力， 这在图2A和2B中用①来表示。该冷却循环通常可以在相图中任何压力大于或稍微低于P。 的点开始，虽然该压力最好位于临界点压力P。的附近。本文描述的过程的冷却效率在初始 压力接近临界点压力P。的时候通常会比较高，因此在高压力的时候为了达到需要的流动可 能需要更多的能量。所以，实施例有时候会采用不同的更高的压力上限，但通常都是在临界 点附近开始，例如P。的0. 8至1. 2倍之间；在一个实施例中初始压力大约为P。的0. 85倍。 不同的实施例中的初始冷冻剂压力可以大于临界点压力的0.8倍，但小于P。的5倍、小于P。 的2倍、小于P。的1. 5倍、小于P。的1. 2倍、小于P。的1. 1倍、小于P。的1. 01倍或小于P。 的1. 001倍。同时，在几个实施例中，冷冻剂的初始温度最好是达到或接近临界点温度T。， 从而在不同的实施例中，初始温度可以是T。士摄氏50度、T。士摄氏25度、T。士摄氏10度、Tc士摄氏5度、T。士摄氏1度、T。士摄氏0. 1度或大体上等于Tc。该冷冻剂在一根细管中流动，该根细管至少有一部分被该冷冻剂的液体的储液库 240所包围，因此可以降低其温度而不用明显的改变其压力。在图2A中，储液库用液氮表 示，而该储液库240内部包括一个换热器242以从流动的冷冻剂中吸取热量。在储液库240 的外面，绝热材料220可以用在细管外围以防止从冷冻剂产生器246流出的冷冻剂意外的 升温。在点②，在经由与液体冷冻剂进行热接触而被冷却之后，冷冻剂的温度会变低但其 压力大体上处于初始压力。在某些情况下，压力可以改变，如图2B中所示压力会稍微降低 一样，前提是压力不会明显地降到临界点压力Pc以下，也就是不会降到预定的最小压力之 下。在图2B所示的例子中，由于流经液体冷冻剂而导致的温度下降是大约摄氏47度。然后，该冷冻剂就会提供给一个装置以用于低温应用。在图2A示例的实施例中， 该冷冻剂被供应至低温探针224的一个入口 236，例如用在医疗的低温应用中，但这不是必 需的。在冷冻剂被供应到这样一个装置的那个点，如图2A和2B中标记③所示的，冷冻剂的 压力及/或温度可能会随该冷冻剂流经与该装置的接口，例如在图2A中由细管流进低温探 针的入口 236而稍微变化。这些变化可能较典型的是温度的略微上升和压力的略微下降。 在冷冻剂的压力保持在预定的最小压力(以及相关的条件)之上的前提下，温度的略微上 升不会明显地影响性能，因为冷冻剂只是向临界点返回而不会接触到液-气相线256，从而 避免了气阻。沿着冷疗针的杆，以及沿着传递给这些针近临界冷冻能力的支持系统的绝热材 料，可以使用不高于百万分之一大气压力的真空。这样的真空可能无法通过传统的二级低 真空泵实现。一实施例中的经皮冷冻疗法系统因此结合了一种简化的吸收式抽气方法而不 是使用昂贵且需要频繁保养的真空泵，例如扩散泵或是涡轮分子泵等。这可以通过一个木 炭内部系统储器，或者是在每一支可丢弃的探针上制造而实现。该系统的实施例结合了一种吸收式抽气方法，其中用于在接近其临界点局部冷却 进入的氮气气流的液氮浴也被用于冷却少量的干净木炭。木炭的巨大表面积令其可以吸收 绝大多数多余的气体分子，从而在其容量内降低环境压力至用于保持针杆和相关的支持硬 件的温度的真空以下。此含有冷木炭的容量通过细幼的导管连接到隔绝近临界冷冻剂流向 针的空间。取决于每一种临床用途的系统设计要求，木炭可以合并到图2A中的液体冷却剂 的冷却液体储液库240中，也可以靠近接近入口 236的延伸管的连接，而成为低温探针224 的一部分。增加附件可以通过一支装配到位于真空衬套的针的外杆以及运送近临界冷冻 剂，并与周围组织隔热的内部毛细管之间的真空的热收缩卡口来实现。通过这种方式，该系 统的可伸缩性从简单的设计结构得以延伸，因此木炭-真空的概念可以运用到更小的储液 库从而可能更方便的抽成真空。或者，多探针系统可以将许多木炭包分别放入每一支低温 探针，在延伸管/探针与机器界面236结合的地方，从而使每一支延伸管和超低温探针都有 其自己的真空，而进一步降低制造成本。冷冻剂从冷冻剂产生器246通过低温探针224或其它装置的流动是由举例说明 的实施例及一个包括瓣阀216，一个流阻，以及一个流量控制器的装配而控制的。低温探针 224本身也可沿着其纵向包括一个真空夹套232和一个用于低温冷却的冷尖228。不同于 焦耳-汤姆生探针中位于针尖的起效冷冻剂压力显著的变化，本发明的这些实施例中整支 探针压力的变化相对比较小。因此，在点④，冷冻剂的问题已经大约升到环境温度，但是压力还是维持在高水平。靠着在整个过程中保持压力大于临界点压力P。，液-气相线256永 远不会与热动力学路径258相会，因此气阻也得以避免。冷冻剂在流经通常远离超低温探 针224的流动控制器208前，于点⑤回到环境压力。然后，冷冻剂就可以通过排气口 204以 大体上环境条件排出。在一个实施例中用于冷却的方法，其中冷冻剂沿着图2B中热动力学路径而移动 的，用图3中的流向图来表示。在方块310，冷冻剂产生时的压力超过临界点压力，其温度接 近临界点温度。产生的冷冻剂温度通过与一个较低温度的物体进行热交换而在方块314得 以降低。在某些情况下，这可以通过将其与环境压力下的液体状态冷冻剂进行热交换，即使 在其它实施例中，热交换可以在其它条件下完成。比如，在某些实施例中可以使用另外的冷 冻剂，例如当工作的液体是氩的话，提供与液氮的热交换。同时，在其它替代的实施例中，热 交换可以与一种压力不同于环境温度的冷冻剂进行，比如更小压力的冷冻剂能提供更低的 环境温度。更多的冷却的冷冻剂在方块318被提供给低温冷却装置，其可以用于方块322的 冷却用途。取决于一个物体是否经过该冷却应用而被冰冻，该冷却应用可以由急冷和(或) 冷冻组成。冷冻剂的温度随着其被使用而上升，而被加热的冷冻剂会流到方块326的控制 台。虽然会有一些变化，但是冷冻剂的压力从方块310至326通常都会保持在高于临界点 压力；冷冻剂的热动力学属性在这些阶段的最主要的变化是其温度。在方块330，被加温的 冷冻剂的压力可以允许降到环境压力，从而在方块334时被排放或循环。在其它的实施例 中，方块326的剩下的被增压冷冻剂也可以沿着一条路径回到方块310以循环，而不是在环 境压力下将其排放。有许许多多不同的设计都可以用来使冷冻剂产生器246提供高于临界点压力的 冷冻剂，或是满足近临界的流动条件，以提供在接近其临界点温度和压力的条件下冷冻剂 大体未受干扰的流动。在描述这些设计的例子中，氮气再一次被用作举例说明的对象，但是 要明白其它的冷冻剂也可以用在许多不同的实施例中。图4提供了一个实施例中可以用来 当作冷冻剂产生器的结构的概图。一个保温储罐416具有一个可用环境状液体冷冻剂注满 保温储罐416的入口阀408。一个电阻型加热元件420被放置在储罐416内，在入口阀关闭 的时候加热冷冻剂。热量被一直提供，直到需要的操作环境，也就是压力超过近临界流动条 件为止。一个瓣阀404被连接到槽416的一个出口，并被设定为在某个压力时开启。在一 个使用氮气作为冷冻剂的实施例中，该瓣阀404可以在比方说比临界压力大1巴的33. 9巴 压力的时候打开。一旦瓣阀404打开，一股冷冻剂就将提供给系统，如图2A和2B合起来所 叙述的那样。防爆片412可以根据安全工程惯例而被提供以调和冷冻剂中所产生的高压。安 全组件的程度部分地也要视乎使用哪一种冷冻剂而定，因为不同的冷冻剂的临界点是不同 的。在某些情况下，较多的防爆片及/或止回阀可被安装用以减轻压力，避免它们达到储罐 416的设计限度以防失控的过程发生。当冷冻剂产生器典型地运作时，一个电子式反馈控制器保持通过电阻型加热器 420的电流水平足够产生一个流进系统的高压冷冻剂的期望流速。该冷冻剂流出系统的实 际流程可被该流程径末的一个机械式流量控制器208所控制，如图2A所示。当进口阀408 关闭时，达到该期望的冷冻剂压力所需的热能通常是恒定的。然后，该电阻加热器420所耗
12用的功率可被调至保持对该机械式流量控制器208的正向控制。在一个替代的实施例中， 该机械式流量控制器208被替换为一个冷冻剂产生器的加热器控制器。在这样的实施例 中，当瓣阀404打开和高压冷冻剂被递送至系统的其它部分时，反馈控制器通过该加热器 控制器连续地调整电流，以将流出系统的气体冷冻剂保持于一个期望的流速。因此，该反馈 控制器可包括一个计算单元，作为加热器的电流供应和流量控制器的接口。在另一个实施例中，多个冷冻剂产生器可被用以在特定应用中增加流动。图5展 示了一个这样的实施例，当中该实施例使用了两个冷冻剂产生器512，尽管在其它的实施例 中显然地还可使用更多的冷冻剂产生器。该多个冷冻剂产生器512被安装于内含处于环境 压力的冷冻剂516，且处于环境压力的冷冻剂杜瓦瓶502之内。冷冻剂产生器512所产生的 近临界冷冻剂被提供至一个与图2A所描绘的换热器242以同样方式冷却该冷冻剂的换热 器508。一个与每一个冷冻剂产生器512关联的瓣阀504容许该高温和局部冷却(也就是 临界温度以下冷却)的冷冻剂沿着管道420被提供至冷冻剂应用装置。在一个具体的实施例中，每一个冷冻剂产生器通常是圆柱形的，其内部直径大约 是30厘米，内部高度大约是1. 5厘米，以提供一个大约是一公升的内部容量。该多个冷冻剂 产生器可被方便地堆叠起来，当中每一个冷冻剂产生器如图4所述拥有各自独立的绝热夹 套和内部加热器。该叠冷冻剂产生器的外部直径可被一圈管道缠绕，当中来自每一个冷冻 剂产生器的高压冷冻剂输出流分别流经一个止回阀，再进入该旋管形的换热器的入口。该 旋管形的换热器的出口最好可以是被真空夹套着，或者绝热以避免高压冷冻剂在流向被冷 却物体的途中被加热。如此的冷冻剂产生器和外部旋管形的换热器可被装配至液态冷冻剂 杜瓦瓶的底部，例如一个标准可容纳大约40公升液氮的杜瓦瓶。该杜瓦瓶也可被配备一个 方便的机制，用以将液体冷冻剂注满杜瓦瓶和排出杜瓦瓶中的蒸发气。在某些情况下，该液 体冷冻剂被保持于或接近环境压力，但也可另外被提供一个不同的压力。例如，该液体冷冻 剂可被提供一个较低的压力，用以创造一个较冷的液体冷冻剂浴环境温度。例如在液氮的 例中，压力可被降至大约98托以提供冷冻剂于一个与液氮的冰点相等，大约是63开尔文的 温度。虽然如此的实施例拥有提供更低的温度的优点，但操作低于环境压力的液体冷冻剂 杜瓦瓶会增加工程上的复杂性。配备多个冷冻剂产生器的实施例的操作可被有利地配置，以对低温装置提供大体 上连续的高压冷冻剂。该环境状态的液体冷冻剂516被用作供应一个耗尽的冷冻剂产生器 512，而当该耗尽的冷冻剂产生器512被再注满时，另一个冷冻剂产生器512被用以提供高 压的或近临界的冷冻剂。因此，图5显示了配备两个处于操作状态的冷冻剂产生器的例子， 当中第一个冷冻剂产生器512-1被耗尽，它的进口阀被打开以提供流动520，用以再注满处 于环境状态的液体冷冻剂516。同一时间，第二个冷冻剂产生器512-2中的液体冷冻剂如所 述般被加热，从而使该冷冻剂通过出口瓣阀504作为近临界的冷冻剂而递送。当该第二个 冷冻剂产生器512-2变空时，该第一个冷冻剂产生器512-1的注入阀会被关上，而其加热器 以全功率运行，使其通过其止回阀供应近临界的冷冻剂。该第二个冷冻剂产生器的进口阀 512-2被打开使其可再被注满；因此，该两个冷冻剂产生器512如图5所示般交换角色。该两个冷冻剂产生器512以此方法异相地操作，直至杜瓦瓶502中全部的环境状 态的液体冷冻剂被耗尽，前提是大体上连续地提供近临界的冷冻剂流到低温冷却的应用装 置。该系统因此可有利地通过改变其规模，符合几乎任何预期中的应用。例如，在一项由总冷却时间和冷冻剂被消耗的速度所定义的应用中，可提供一个适当大小的杜瓦瓶去适应该 应用。往后可留意到，近临界的液氮的冷却能力容许以最长的操作时间有效地消耗冷冻剂， 以及按比例缩放近临界的冷冻剂产生器去迎合特定的应用需要所要求的总冷冻时间。例 如，发明人已计算了在医疗的低温冷冻应用中可使用每支每小时消耗大约二公升的环境状 态的液氮的近临界低温探针。与基于JT和结合大型储罐的装置作比较，配备多支探针的使用所消耗的冷冻剂 提供了一个近临界的液氮系统的相对效率的证明，使整个系统配置的功能尺寸更小。特别 的，发明人所收集的测试数据表明一支使用近临界液氮，1. 6毫米宽的低温探针能产生直径 4厘米，明胶状的冰球，与现今基于JT的，2. 4毫米宽，使用氩的低温探针类似。从发明人的 测试所得，发明人相信10支使用近临界的液氮的低温探针可产生的冷冻量能与不低于6支 基于JT，使用氩的低温探针可产生的冷冻量相比。这清楚示范了对现在接受的最多每日三 个病例的前列腺使用方法的适当系统内容。现今的2. 4毫米宽低温探针每分钟利用最多40 磅/平方寸，因此每一支探针从单一注满的氩储罐中产生不多于80分钟的总冷冻时间(也 就是自一个6000磅/平方寸，注满的氩储罐不多于3200磅/平方寸的可用压力)。因此， 每个前列腺病例通常至少使用两个上述的氩储罐(最多160分钟)，而通常至少要使用六支 2. 4毫米宽的低温探针，操作两个独立的冷冻循环，第一个通常长15分钟，第二个通常长10 分钟(亦即(6 X 15)+ (6 X 10) = 150探针-分钟的总冷冻时间)。再进一步，每个前列腺病 例也使用一个含有2000磅/平方寸的氦储罐，而该储罐大小以及重量和氩储罐的相近。当 80千克(175磅)重，0. 38立方米大的Endocare系统箱(也就是尺寸=125 X 48 X 64立方 厘米)与九个储罐(每个病例三个)，每个182千克重(总重1638千克)和每个0. 062立 方米大(总尺寸η X 12平方厘米X 137厘米Χ9 = 0.56立方米)，结合后，总系统在一个 0. 94立方米的体积内重达1718千克(亦即3780磅或1. 9吨)。对于近临界的液氮系统，就算是十支低温探针并联使用75分钟(也就是每个病例 25分钟)也可以被一个25升的杜瓦瓶所容纳(10支探针Χ2升/(探针小时)Χ1.25小 时)。这样的一个杜瓦瓶直径大概是30厘米，高度是1米(也就是0. 07立方米的外容积， 包含一个20厘米直径，0. 75米高，容量是25升的内部保温储罐)。这样的一个注满的杜瓦 瓶可以重达40千克(也就是20千克的杜瓦瓶重量+20千克的总共25升的液氮，其密度是 0. 81克/立方厘米)，并且至少有一部分可以装在相对较空的Endocare箱内。本发明的实 施例所提供的自给式近临界系统因此可以轻于120千克(也就是80千克的盒子+40千克 的全杜瓦瓶)，并占据小于0.40立方米的空间(也就是0.37+0. 07/2立方米)。因此，下列 的比例图表提供了外科手术单元或放射学单元内与实际临床覆盖范围相关的系统性能的 比较。对于一个手提式的实施例，大概25厘米长，50厘米的直径，并包括100毫升的液氮，
其可以以不同的皮肤病学速率或者有限的间隙结冰时间运行
权利要求
一种使用一种由临界点压力和临界点温度决定临界点的冷冻剂冷却一件物体的系统，其包括(a)一个用以容纳该冷冻剂的液体浴的容器；(b)布置于该液体浴中的多个冷冻剂产生器，当中每一个冷冻剂产生器包括i.一个保温储罐，其内部容量用以容纳该冷冻剂；ii.一个加热元件，用以在该容量中加热；以及iii.一个入口，用以从该冷冻剂的液体浴中选择性地接收冷冻剂。(c)多个阀门，当中每一个阀门位于该多个冷冻剂产生器的当中各自的每一个的一个出口且适于当该个冷冻剂产生器里的冷冻剂的压力超过一个预定的压力时释放该冷冻剂流，该预定的压力大于一个特定提供该冷冻剂一个约减摩尔体积以防止气封的压力数值；以及(d)一条与该多个阀门的当中的每一个进行液体交流的导管，根据该批阀门的状态，用以选择性地传导来自该多个冷冻剂产生器的液体流。
2.如权利要求1所述的系统进一步包括多个换热器，当中每一个换热器布置于所述液 体浴中，并且与所述多个冷冻剂产生器的当中各自的每一个以及所述导管进行液体交流， 用以提供与流经该个冷冻剂产生器冷冻剂，流经该导管的冷冻剂换热。
3.如权利要求1所述的系统，其中所述液体浴的压力大体上和环境压力相同。
4.如权利要求1所述的系统，其中所述冷冻剂选自由N2，SF6，N20,He，和C02组成的一组。
5.一种使用一种由临界点压力和临界点温度定义临界点的冷冻剂冷却一件物体的方 法，其包括以下步骤(a)于第一个冷冻剂产生器里提高该冷冻剂的压力至一个特定提供该冷冻剂一个约减 摩尔体积以防止气封的压力数值之上；(b)随后，使该冷冻剂自该第一个冷冻剂产生器流出，热连通该冷冻剂和该物体，而在 热连通该冷冻剂和该物体期间，该冷冻剂的压力大于该特定的压力数值；(c)随后，于第二个冷冻剂产生器里提高该冷冻剂的压力至该特定的压力数值之上；(d)随后，使该冷冻剂自该第二个冷冻剂产生器流出，热连通该冷冻剂和该物体，而在 热连通该冷冻剂和该物体期间，该冷冻剂的压力大于该特定的压力数值；以及(e)随后，重新补充该第一个冷冻剂产生器内的冷冻剂。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述使所述冷冻剂自所述第一个或第二个的冷冻剂 产生器流出的步骤包括包括使该冷冻剂流经一条和一个冷冻剂的液体浴热连通的导管，用 以降低该冷冻剂的温度的步骤。
7.如权利要求6所述的方法，其中(a)所述冷冻剂和所述冷冻剂的液体浴是化学上相同的；以及(b)重新补充所述第一个冷冻剂产生器的步骤包括重新补充自该冷冻剂的液体浴的步骤。
8.如权利要求6所述的方法，其中所述冷冻剂和所述冷冻剂的液体浴选自由氮气、六 氟化硫、一氧化二氮、氦和二氧化碳组成的一组。
9.如权利要求5所述的方法，其中所述于第一个和第二个冷冻剂产生器里提高所述冷冻剂的压力至所述特定的压力数值之上的步骤包括提高该冷冻剂的压力至接近它的临界 点的压力的步骤。
10.如权利要求5所述的方法，其中所述于第一个和第二个冷冻剂产生器里提高所述 冷冻剂的压力至所述特定的压力数值之上的步骤包括在一个保温储罐内加热至少至该保 温储罐内的压力达到预定的压力的步骤。
全文摘要
本发明提供使用具有由临界点压力和临界点温度确定的临界点的致冷剂以冷却物体的方法和系统。提高所述致冷剂的压力至特定压力数值之上从而以防止气阻的减少的摩尔体积提供所述致冷剂。然后，沿着一条热动力学路径热连通所述致冷剂和所述物体，以提高所述致冷剂的温度，而在热连通所述致冷剂和所述物体期间，所述热动力学路径保持上述压力大于所述临界点压力。
文档编号A61B18/02GK101972167SQ20101052500
公开日2011年2月16日 申请日期2005年9月26日 优先权日2004年9月27日
发明者A·V·巴布金, P·利特鲁普, R·邓肯, S·博尔达列夫 申请人:低温动力有限公司