JP6085368B2 - 受動型真空逃し弁 - Google Patents

Description

本発明は、生物材料を保管するために使用する種類の超低温冷凍機に関し、特に使用者が冷凍機の利用扉やその他の容器の閉鎖手段を閉めた後に、超低温冷凍機内の圧力を迅速に大気圧と平衡させる真空逃し弁に関する。

超低温（以下「ULT」という。）冷凍機は、通常マイナス７０℃からマイナス１４５℃の温度で作動する。冷凍機の容器の扉を開けると、対流によって大気が容器の内部空間に流入し、容器内の低温の空気と入れ替わる。扉を閉じると、流入した暖かい空気は、低温まで急速に冷却されて、ボイルの法則により収縮し、容器の内圧が低下する。このような状態が生じると、扉の内外に差圧が生じ、この差圧によって生じる扉を閉じようとする大きな力によって、使用者が人力で扉を開けることが困難あるいは不可能になる。

一般的に、この問題は、真空逃し弁を設け、扉を閉めたときに大気を容器内に流入させて圧力を平衡させることによって解決してきた。扉を挟む両側の圧力を平衡させれば、扉を開くことの妨げとなるULT冷凍機内の圧力の低下を回避し、したがって扉を開くことが容易となる。しかるに真空逃し弁は、冷凍機の容器の内部に一端が開口し、容器の外側を囲む大気に他端が開口する通路を必要とし、両端の間に挿入する弁が必要となる。なぜなら、通路に弁が無いと、容器の内外に向かう連続的な対流が生じるからである。このような対流は、絶えず熱と湿気とを容器内に運び入れて、容器内と保存材料の周囲とに氷と雪とを過度に蓄積させ、冷凍機の容器内を低温に保つために必要なエネルギーを増加させる。

大気に含まれる湿気は、真空逃し弁に問題を発生させる。この問題の一つは、弁が０℃より低温になるため、湿気が弁の周りに凝縮して凍結し、作動不能になることである。他の問題は、湿気が容器の内部と周囲を取囲む大気とを連結する通路において凍結し、やがて通路を詰まらせたり完全に閉塞させたりすることである。これらの問題に対する従来技術による解決手段では、真空逃し弁に熱的に連結した小さな電気ヒーターを設け、重要な部品を十分に暖めて氷結を防ぎ、これによって上述した問題の発生を防止している。電気ヒーターの難点は、電気的なエネルギーを消費することだけでなく、ヒーターが作動不良になったり電力が一時的に失われたりして、ヒーターが作動不能になった場合には、扉を挟んで両側の圧力差を、もはや平衡にすることができなくなる。その結果、かなりの圧力差が生じて、使用者が扉を手動で開けることを妨げる。このように圧力によって施錠された扉は、修理が終わるまで、中身を冷凍機に挿入したり、冷凍機から取り出したりすることを妨げる。

そこで本発明の目的及び特徴は、電気的なエネルギー、あるいは他のいかなるエネルギー形態の入力にも依存しない真空逃し弁、すなわちヒーターを有せず、したがってヒーターの作動不良の可能性は無く、それにもかかわらず十分熱せられて、冷凍機の容器の内部と外部とを連結する通路を含む内部における氷結を妨げたり、氷を融解したりすることができる真空逃し弁を提供することにある。

本発明は、超低温冷凍機用の受動型真空逃し弁に関する。このような冷凍機は、冷凍機の容器の断熱性の壁に囲まれた内部保管空間、及びこの内部保管空間を利用するための扉（closure）を有している。逃し弁は、冷凍機の容器の壁内に延伸すると共に、容器の内部空間に開口して流体的に連通する、伝熱性の材料からなる伝熱性の管を有する。この伝熱性の管は、また冷凍機を取囲む大気に熱的にさらされた容器の壁から外側に延伸して、大気から熱を受け取る。弁容器が伝熱性の管に取付けられ、この弁容器は、伝熱性の管内に開口する室を有すると共に大気中に置かれる。逆止弁が弁容器に取付けられて、この逆止弁は、大気を室と伝熱性の管の内部に流入させる一方、室から大気中に流出する逆流を妨げるように二極化される。この逆止弁は、冷凍機の容器内の圧力と大気圧とを等しくする。

冷凍機の容器に搭載された発明の実施例を備える超低温冷凍機の容器の斜視図である。

図１に示す発明の実施例を上方から見た斜視図である。

図１に示す発明の実施例を下方から見た他の斜視図である。

図１に示す発明の実施例を、図２に示す直線４−４によって切断した場合の垂直軸を含む断面図である。

図面に示した本発明の望ましい実施の形態を説明する際には、説明を明確にするために特定の専門用語が用いられる。しかし本発明を、そのように選択された特定の用語に限定することを意図するものではなく、それぞれの特定の用語は、同様の目的を達成するために同様の態様で作動する全ての技術的に等価なものを含むものと理解すべきである。

図１は、閉鎖手段として蝶番で支持する扉１２を有するULT冷凍機の容器１０を示し、この扉は、時には冷凍機の容器の断熱性の壁１６に囲まれた内部保管空間１４を開放し、時には内部保管空間１４を密閉する。扉１２を密閉すると、冷凍装置が冷凍機を低温に冷やす。扉１２は、対流によって空気が冷凍機内に流入しないように容器の壁に密封されるが、この密封によって、扉１２の両側に圧力差を生じさせる。図４に示すように、冷凍機の容器の壁１６は、通常断熱材２２で仕切られた外側金属壁１８と内側金属壁２０とを含む金属壁から成る。

図４は、受動型真空逃し弁２４の望ましい実施の形態全体について、詳細を図示している。図１は、冷凍機の容器１６から外側に延伸する逃し弁２４の一部を図示しており、図２及び３は、圧力逃し弁２４の全体外観を図示している。図に示す逃し弁２４は、全ての図において参照符号と共に記載してある。銅あるいはアルミニウムのような伝熱性の材料から成る伝熱性の管２６が、冷凍機の容器の断熱性の壁１６に設けた通気口を貫通して延伸する。管２６は、円断面形状で図示してあるが、他のいかなる断面形状でも良く、内部通路を有することだけが必要とされる。管２６は、容器の内部空間１４に開口して流体的に連通し、また冷凍機の容器の壁から外側に延伸して、冷凍機の容器１０を取囲む大気に熱的にさらされて、冷凍機の容器１０を取囲む大気から熱を受け取る。容器１０の外側の大気から、熱が伝熱性の管２６に沿って伝わり、真空逃し弁の全ての部品を、水の氷結温度である０℃より高い温度に保つ。管２６は、断熱性の容器壁２２を含む容器の壁１６を貫通する。管２６は、ポリカーボネートや同等の低伝熱性材料のような部材で製作された断熱性の管２８に直接囲まれつつ貫通する。断熱性の管２８は、圧力を平衡にする間、容器の壁１６を介して真空逃し弁２４に伝わる、いかなる熱も遮断する。断熱性の管２８は、２つの鍔（止め環）３０、３２によって支持され、容器の壁１６に一体的に嵌め込まれる。鍔状のストッパー３４が、伝熱性の管２６の周りに、ぴったりと取付けられ、管２６が容器に入り込む長さを設定する。

弁の中間組立３６が、伝熱性の管２６の上端に取付けられる。弁の中間組立３６は、弁容器３８及び逆止弁４０を含む。弁容器３８は、大気中に置かれると共に、管２６に開口する室４２を有する。弁容器３８は、容器の壁１６から外側に間隔を隔てて置かれており、容器の壁１６と弁容器３８との間において、大気から吸熱できる長さを、伝熱性の管２６に付与している。弁容器３８も、伝熱性の管２６と同様に、大気から吸熱できるように伝熱性の材料で構成することが望ましい。逆止弁４０が取付けられて弁容器３８の構成部品となり、この逆止弁は、大気を室４２と管２６の内部に流入させる一方、室４２から大気中へ逆流することを妨げるように二極化される。望ましい逆止弁４０は、球弁座４６の上に位置する球４４を有するボール弁からなり、大気圧と内部保管空間内の圧力が等しくなったときに、この球に働く重力によってボール弁を閉じる。弁容器３８は、カバー５０と基部４８との２つの部品で構成すると便利である。カバー５０は、基部４８を密閉して、逆止弁の弁容器３８を密封し、球弁座４６の開口穴５２を介してのみ、空気が弁容器３８内に入り込むようにする。球は低質量にすべきであり、通常の大きさの利用扉については、球と球弁座との間において開口穴５２を囲む環状の密閉面積に対する球の重量の割合を、０．０２５lbs/in²と（ポンド／平方インチ）より小さくすべきである。逆止弁の球弁座４６の中心の孔５２は、基体４８の底壁に形成してあり、基体４８は、基体４８の底壁を貫通する入出口５４において、管２６を密閉するように搭載される。代替手段として、弁容器を、外部端にカバーあるいは蓋を有する、管２６の一体的な延伸部として形成することもできる。

一つあるいはさらに多数の伝熱性の熱交換フィンを、伝熱性の管２６に熱が伝わるように接続して取付け、冷凍機の外部において大気にさらして、大気から伝熱性の管２６に伝わる熱量が増すようにすることが望ましい。望ましい実施例としては、互いに直交する一対の熱交換フィン５６、５８を、伝熱性の管２６に熱が伝わるように接続して取付ける。これらの一対のフィン５６、５８は、フィン５６、５８が無い場合に比べて、より高い熱の流入比率にて、大気からフィン５６、５８を介して管２６に熱が伝わるように、銅またはアルミニウムのような材質で製作する。管２６に熱が伝わるように接続した熱交換器の構成は、自然あるいは強制対流によって、要求される伝熱率にて、大気の熱が弁組立に十分供給されることを確実にする。

本発明の作用を説明する。断熱性の管２８は、伝熱性の管２６を断熱して、管２６の温度を、常に氷の融点、通常は０℃より高くする。この温度に保持するための熱は、自然または強制対流によって、大気からフィン５６、５８及び管２６に供給される。本発明による真空逃し弁を用いれば、容器内部の圧力が低いと、大気の圧力が逆止弁の球４４を持ち上げ、大気から温かい空気が真空逃し弁組立に入り込み、容器内に流入して圧力を等しくするため、扉を閉じたほとんど直後から、扉を開けることが可能となる。弁が開く圧力は、扉の両側における圧力差が大きくて、扉を開けることが困難にならないように、低く設計する。また真空逃し弁は、空気が大きく圧力低下することなく通過して、できる限り迅速に圧力を平衡することができるように設計する。伝熱性の管２６が常に０℃より高い温度であるため、管２６の低温部分に凝縮した空気中のいかなる水分も氷結しない。凝縮した水分は、突入する空気によって容器内に吹き込まれて氷結し、雪あるいは細かい氷片となるので、真空逃し弁内の空気が流れる通路を閉塞するという問題を回避できる。

本発明による真空逃し弁は、伝わる熱エネルギーが、この真空逃し弁を凍結から守るために十分となる大きさの伝熱経路によって、受動的に熱せられる。真空逃し弁に伝わる熱エネルギーは、この真空逃し弁を容器内部の伝熱性の表面から隔てる断熱部材によって、容器内に伝わることを妨げられる。真空逃し弁は、簡単な逆止弁を採用し、容器内の圧力を平衡させる。

本発明の更なる利点は、軽く摺動可能に結合して固定するため、容易に交換、修理及び点検ができることにある。真空逃し弁の組立は、重力又は他の適切な手段によって、所定の位置に保持される。ボール弁は、重力又は取付けた弱いバネの力によって密閉し、大気が最小限の抵抗と開口圧力で冷凍機の容器内に入り込むようにする。

図面と関連する上記詳細な説明は、主に本発明の現時点における望ましい実施例についての説明として意図されており、本発明を構成したり、あるいは利用したりすることができる唯一の構成を表すことを意図するものではない。この説明は、図示の実施形態と関連して、本発明を実施する設計、機能、手段および方法を記述している。しかしながら、本発明の思想および範囲内に包含するように意図された異なる実施形態によって、同一または同等な機能および特徴を達成でき、また本発明あるいは次の請求の範囲から逸脱することなく、様々な変更を採用することができると理解すべきである。

Claims (8)

1. 冷凍機の容器の断熱性の壁に囲まれた内部保管空間と、この内部保管空間を利用するための閉鎖手段とを有する超低温冷凍機用の受動型真空逃し弁であって、
   上記受動型真空逃し弁は、伝熱性の材料からなる伝熱性の管、弁容器及び逆止弁を備え、
   上記伝熱性の管は、上記冷凍機の容器の壁内に延伸すると共に、上記内部保管空間内に開口して流体的に連通し、
   さらに上記伝熱性の管は、上記冷凍機の容器の壁から外部に延伸して、上記冷凍機を囲む大気に熱的にさらされ、
   上記伝熱性の管は、大気から熱を受け取って、この受け取った熱をこの伝熱性の管に伝え、この伝熱性の管の温度を略０℃に維持し、
   上記弁容器は、上記伝熱性の管に開口する室を有すると共に大気中に置かれ、
   上記逆止弁は、上記弁容器に取付けられて、大気を上記室と上記伝熱性の管とに流入させると共に、この室から大気へ逆流することを防止する
   ことを特徴とする。
2. 請求項１に記載の受動型真空逃し弁において、上記伝熱性の管は、上記冷凍機の容器の壁を貫通するように延伸すると共に、この冷凍機の容器の壁内において断熱部材で囲まれている
   ことを特徴とする。
3. 請求項１に記載の受動型真空逃し弁において、上記弁容器は、上記冷凍機の容器の壁から外側に間隔を隔てて置かれ、この冷凍機の容器の壁と弁容器との間において、大気から熱を吸収するための長さを上記伝熱性の管に設けている
   ことを特徴とする。
4. 請求項１に記載の受動型真空逃し弁において、上記逆止弁は、弁座の上に球を有するボール弁であって、
   上記ボール弁は、大気圧と上記内部保管空間内の圧力とが等しくなったときに、この球に加わる重力によってこのボール弁を閉じる
   ことを特徴とする。
5. 請求項１に記載の受動型真空逃し弁において、さらに少なくとも１つの伝熱性の熱交換フィンを備え、
   上記熱交換フィンは、上記冷凍機の外側において上記伝熱性の管に熱が伝わるように取付けられると共に大気にさらされて、大気からこの伝熱性の管への熱伝導を促進する
   ことを特徴とする。
6. 請求項１に記載の受動型真空逃し弁において、上記伝熱性の管は、上記冷凍機の容器の壁を貫通するように延伸すると共に、この冷凍機の容器の壁内において断熱部材で囲まれており、
   上記弁容器は、上記冷凍機の容器の壁から外側に間隔を隔てて置かれ、この冷凍機の容器の壁と弁容器との間において大気から受熱すると共に、この伝熱性の管に沿って熱を冷凍機の容器の壁内に伝えて、この伝熱性の管内において氷結を防止するための長さをこの伝熱性の管に設けてある
   ことを特徴とする。
7. 請求項６に記載の受動型真空逃し弁において、上記逆止弁は、弁座の上に球を有するボール弁であって、
   上記ボール弁は、大気圧と上記内部保管空間内の圧力とが等しくなったときに、この球に加わる重力によって上記逆止弁を閉じる
   ことを特徴とする。
8. 請求項７に記載の受動型真空逃し弁において、さらに少なくとも１つの伝熱性の熱交換フィンを備え、
   上記熱交換フィンは、上記冷凍機の外側において上記伝熱性の管に熱が伝わるように取付けられると共に大気にさらされて、大気からこの伝熱性の管への熱伝導を促進する
   ことを特徴とする。

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