JP7236383B2 - 耐衝撃性デュワー容器 - Google Patents

Description

[0001]（優先権の主張）
本願は、２０１６年１２月２７日出願の米国仮特許出願第６２／４３９，３７７号の恩典を主張し、その内容をこれにより参考文献として援用する。

[0002]本開示は、概括的には極低温流体収容器に関し、厳密には衝撃後も存続できる構築を特徴とするデュワーに関する。

[0003]デュワーと呼ばれる収容器が極低温材料の非常に低い温度での貯蔵及び輸送に使用されている（例えば液体窒素は標準圧では７７Ｋ又は－１９６℃で沸騰する）。それらは、必然的に、必要最小限の熱的接続部で構築されていて、外槽と極低温材料を収容する内槽との間に真空排気空間を含んでいる（極低温材料は、多くはＬＮ２とも呼ばれる液体窒素及び外界から内槽内への軽微な熱の漏れにより蒸発するためにＬＮ２によって低温に保たれなくてはならない一部の貴重な品目又は物質である）。容器間空間は、対流的及び伝導的な熱移動を排除するために真空排気される。

[0004]デュワーにおける内槽と外槽の間の唯一の避けられない接続部は、内槽を外界から充填すること及び空にすることを可能にさせるネック開口部である。これらのネックが唯一のその様な接続部であって、内槽及び全ての内槽内容物は、排他的に、外槽の頂部領域へ付着されるネックを介して懸下されているのが望ましい。

[0005]デュワーのネックは、低伝導性材料から作られていて、更に、ネックに沿った伝導的な熱の漏れを最小限にするために可能な限り薄くなっているのが有益である。残念ながら、その様な低伝導性材料（例えばガラス繊維強化エポキシ樹脂）は脆くもある。それらは内槽と外槽の間の主要な構造的接続部としての機能を果たしているので、運送時及び輸送時の乱暴な取り扱い中に起こり得る突然の加速又は減速の様な衝撃をデュワーが被れば、これらの脆いネックは槽への付着箇所で破損するか又は分離するかのどちらかによって失陥しかねない。

[0006]その様なデュワーネックの失陥は、内槽と外槽の間の真空を破壊し、大気温度に近い外槽と低温の内槽の間の熱的対流の急激な発生を招く。追加される熱入力と共に、内槽内の何らかの液体が急速に沸騰し、依然として低温の気体及び／又は液体の噴流を出射させることにでもなれば望ましくない。

[0007]また、絶縁真空の損失は、加温によって損なわれるデュワー内の貴重な材料の損失を意味する。より詳しくいうと、農業用種子の配給、ラボラトリの生物試料の輸送、及び他の温度感受性生成物の輸送の様な運送及び輸送の用途では多くの小型デュワーが使用されている。輸送される材料が希少又は固有（例えば癌についての長期医学研究の要素）であるという一部の事例では、真空の損失及びそれら内容物の損失は、内容物の所有者にとって壊滅的とまではいかないにせよ極めて高くつく。

[0008]その様な損傷及び損失が起こった場合、運送会社側にデュワーの取り扱いミスの過失があるのか或いはデュワー自体が製造又は設計上の欠陥のせいで失陥したのかに関し幾ばくかの疑義が存在するのが常である。最も高頻度で経験される取り扱い時負荷の下には失陥しないが標準的な設計及び運送取り扱いの許容度を超過している負荷についてはその目に見える痕跡を露呈させるいっそう堅牢なデュワーを提供することができれば、損害も、その様な損害の根本原因を特定する労力及び出費も、減らすことができるだろう。

[0009]デュワーの過激な取り扱いの表示器が小型の付加的製品の形態で既存している。梱包体へ付着されているとき、当該製品は視覚的表示器を使用していて、梱包体が９０度近く乃至はそれより大きく、又は製造者の限界を超えて、傾けられたかどうかを示すようになっている。しかしながら、これらの付加的表示器は過度の加速又は減速（衝撃）を記録しない。

[0010]「衝撃表示器」の様な、過度の加速及び減速の付加的表示器もある。これらの付加的表示器は、使用者の要件に基づく事前設定の衝撃限界を有しており、それらは最小衝撃限界を超過したかどうかを表示する視覚的ディスプレイを利用している。

[0011]これらの付加的製品は、非常に有用であり、物流業界で広く使用されている。しかしながら、これらの製品は、梱包体の向き又は過度の衝撃による製品損傷を未然に防ぐには無為無策である。

米国仮特許出願第６２／４３９，３７７号

[0022]本主題の幾つかの態様は、以下に説明され及び請求されている装置及びシステムに別々に又は一体に具現化され得る。これらの態様は、単独で採用されてもよいし、又は、ここに記載されている主題の他の態様と組み合わせて採用されてもよく、これらの態様の一まとまりとしての説明は、これらの態様を別々に使用することを排除しようとするものでもなければ、その様な態様を付随の特許請求の範囲に記載されている様に別々に又は異なる組合せとして請求することを排除しようとするものでもない。

[0023]１つの態様では、極低温流体を貯蔵するためのデュワーが、極低温流体を貯蔵するように構成されている内槽を含んでいる。外槽が、外上側ヘッドと外下側ヘッドを含んでおり、外上側ヘッドは中央領域を含み、外上側ヘッドと外下側ヘッドは内部チャンバを画定するように接合されている。内槽は外槽の内部チャンバの中に、内槽と外槽の間に空気を抜かれる絶縁空間が画定されるように位置付けられている。ネックが、内槽と外上側ヘッドの中央領域の間を延びていて、それらへ付着されている。外上側ヘッドとネックは、過度の衝撃負荷がデュワーへ加えられたときにネックを破損させること無しに中央領域が永久的に変形するように構成されている。

[0024]別の態様では、極低温流体を貯蔵するためのデュワーが、極低温流体を貯蔵するように構成されている内槽を含んでいる。外槽が、外上側ヘッドと外下側ヘッドを含んでおり、外上側ヘッドは中央領域を含み、外上側ヘッドと外下側ヘッドは内部チャンバを画定するように接合されている。内槽は外槽の内部チャンバの中に、内槽と外槽の間に空気を抜かれる絶縁空間が画定されるように位置付けられている。ネックが、内槽と外上側ヘッドの中央領域の間を延びていて、それらへ付着されている。外上側ヘッドの中央領域は、デュワーが衝撃負荷に曝されたときにネックの破損より前に自身が変形するように浅皿形状を特徴としている。

[0025]別の態様では、極低温流体を貯蔵するためのデュワーのための外槽上側ヘッドは、外槽下側ヘッドへ付着するように構成されているリム領域と、リム領域へ付着されていて、内槽へ付着するように適合されているネックを受け入れるように構成されている中央領域と、を含んでいる。中央領域は、過度の衝撃負荷が外槽上側ヘッドへ加えられたときにネックを破損させること無しに中央領域が永久的に変形するように構成されている。

[0026]別の態様では、極低温流体を貯蔵するためのデュワーのための外槽上側ヘッドは、外槽下側ヘッドへ付着するように構成されているリム領域と、リム領域へ付着されていて、内槽へ付着するように適合されているネックを受け入れるように構成されている中央領域と、を含んでいる。中央領域は、外槽上側ヘッドが衝撃負荷に曝されたときにネックの破損より前に自身が変形するように浅皿形状を特徴としている。

[0012]先行技術の外槽上側ヘッドの断面図である。 [0013]開示の或る実施形態の外槽上側ヘッドの前方立面図である。 [0014]図２Ａの上側ヘッドの拡大部分図である。 [0015]開示の或る実施形態での図２Ａ及び図２Ｂの外槽上側ヘッドを含んでいるデュワーの断面側方立面図である。 [0016]開示の或る実施形態により構築されていて、ネックの軸に垂直の過度の負荷を被ったデュワーの破断図である。 [0017]図４Ａのデュワーの最上部分の拡大図である。 [0018]開示の或る実施形態により構築されていて、ネックの軸に沿った過度の負荷を被ったデュワーの破断図である。 [0019]図５Ａのデュワーの最上部分の拡大図である。 [0020]開示の或る実施形態により構築されているデュワーの斜視図である。 [0021]先行技術のデュワーの斜視図である。

[0027]先行技術のデュワーは、典型的に、平坦なアルミニウム合金から形成される「ヘッド」と呼ばれる端部片で構築されている。ヘッドは、それぞれが上側ヘッド及び下側ヘッドからなる内槽と外槽を形成するように溶接されており、ネックが、内槽の上側ヘッドへ付着されていて、上側ヘッドから突き出し、外槽の上側ヘッドへ延びている。内槽が最初に組み立てられ溶接される。次いで内槽は、多層放射反射性材料で包まれ、完成途上の外槽の中へ挿入される。次いで、外槽がその上側ヘッドを受け入れ、上側ヘッドが溶接されて、内槽を内包する内部チャンバが形成される。次いで、ネックと外槽上側ヘッド（典型的にはカラー部分）の間の最終的な接合が、接着剤又は技術的に知られている他の締結方法を使用して完成される。その後、内槽の熱的絶縁を完成させるために、内槽と外槽の間の絶縁空間が真空排気される。

[0028]本発明により構築されているデュワーの或る実施形態が図３に描かれており、デュワーは、外槽２０の中に、外槽２０との間に絶縁空間２２を形成して位置付けられている内槽１８を含んでいて、絶縁空間２２は真空絶縁を提供するように空気を抜かれるのが望ましい。ネック１４が、内槽１８と外槽２０の間を延びていて、その上端によって外槽上側ヘッドのカラー７へ固定されている。図３のデュワーは、更に、以下に説明されている様にネック破損より前に上側ヘッド変形をもたらすための追加の構造の詳細及び特徴を特色としている。

[0029]仕上がったデュワーは典型的には箱に入れられ、個別に出荷されるか又は運送中の転倒を最小限にするようパレットに載せて出荷される。極低温デュワーには、それらの耐用年数を静止状態で過ごすものがある一方、低温・極低温材料を、単に一例としてデュワー内部の液体窒素で輸送材料を低温に保ちながら、輸送することを目的に運送取扱者による繰り返される移動を意図した他のモデルもある。これらの「荷主デュワー」は、段ボール箱にすら入れられず、そのまま取り扱われることもある。それらは、持ち上げられ、吊るされ、傾けられ、落とされ、又は他の物体にドスンとぶつけられることもある。ネックは、普通の使用過程での全てのその様な取り扱いに耐えるべく十分に頑丈でなくてはならない。

[0030]時として、デュワーの取り扱いは、国際安全輸送協会（ＩＳＴＡ）によって広範に定義されているところの受容される輸送規範を上回る衝撃又は加速／減速での過度に乱暴な扱いを含む。製品の梱包はＩＳＴＡの全般的なガイドラインを満たしているはずであるが、費用効果の高い梱包はあらゆる製品を運送界で日常的に遭遇されるあらゆる起こり得る過度の衝撃から護るとは限らないだろう。

[0031]先行技術のデュワーは、典型的には、真空に対する大気の圧力負荷を支えることを要求される材料を最小限にするための高いクラウン又は中央領域８（深皿）を有する外上側ヘッドを備えて作られており、その一例が図１に示されている。その様なスタンピング及びスピニング加工されたヘッドは、２段階製造プロセスによって重度に加工硬化され、ヘッドの強度及び剛性が増加される。この強靭な剛性は、圧力負荷に対しては有益であるが、構造のなかで次に最も弱い要素、即ち付着されている脆いネックを、過度に高い衝撃負荷の遭遇時に最も失陥し易い箇所にしてしまう。しかも、破損したネックは、その終焉の原因の形跡を見せない。

[0032]本発明により構築されている外上側ヘッドが、図２Ａに全体を９で表示されている。ヘッドは、望ましいことに、全体的に液圧プレス成形されていて、ネック（カラー７を取り囲んでいる）に近い中央領域（又はクラウン）１０の材料のより少なくより均一な加工硬化をもたらし、中央領域を浅皿の形状にしている。単に非限定的な例として、図２Ａ及び図２Ｂに示されている様に、中央領域１０は、アーチ状断面を特徴としていてもよく、及び／又は、水平軸（図２Ｂに１１で表示）に対して大凡２３度より小さい角度（図２Ｂの１３）を有する部分を含んでいてもよい。中央領域１０を周方向に取り囲む外上側ヘッドのリム領域（図２Ａの１７Ａ、１７Ｂ、及び１７Ｃ）は、圧力負荷に抵抗するために各々の更に深い皿形状を保持している。

[0033]図２Ａ及び図２Ｂの構築は、ヘッドの中央領域１０がその軸（図２Ａに１２で表示）に沿った方向により弾性であることを意味し、即ちトルクが当該軸に垂直に加えられた場合に、さもなければ丸ごとネックへ移ってしまうはずのエネルギーを中央領域が幾らか吸収するので、ネックは普通に遭遇される負荷下に失陥しないように保全される、ということを意味している。

[0034]その様な普通に遭遇される負荷は、こうして構築された外ヘッドを可塑的に変形させることはないだろうが、合金の形状及び調質は、過度の負荷が加えられたときにネックに隣接する領域に永久的な変形を誘導するように、しかもネックへの過負荷及び破損無しに誘導するように選定されている（ネックは図３及び図５Ｂに１４で表示、また、普通は図２Ａの軸１２と整列しているネックの長手方向軸は図３に１５で表示）。このやり方では、全てとまではいかなくとも殆どの過酷な負荷では真空が保全され、但し、ユニットには以下に解説されている様に永久的な変形によって、ユニットがその様な過度の衝撃負荷に見舞われたことを示唆する目に見える印が付けられるわけである。単に非限定的な例として、外上側ヘッドは５０５２－０アルミニウムから構築され、ネック１４はガラス繊維強化エポキシ樹脂で構築されていてもよい。図３の寸法は、単に非限定的な例として提供されている。

[0035]上記効果の諸例が図４Ａ－図５Ｂに示されている。図４Ａ及び図４Ｂは、本発明により構築されているデュワーを示しており、外ヘッドのカラー７はネックの軸に垂直の力（図４Ｂの矢印１６）による過度の負荷を被ってしまっている。外ヘッドの中央領域１０が、ネック１４とカラー７の間の接合部の周りで変形していることが見て取れる。より詳しくいうと、ネックの軸（図３の１５）は、元のヘッドの軸（図２の１２）ともはや整列しておらず、切断されたデュワーで中央領域の材料は元の形に比べて左側では上に（図４Ｂの２０）右側では下に（図４Ｂの２２）ずれている。

[0036]図５Ａ及び図５Ｂは、本発明により構築されているデュワーであって、ネックの軸に沿った力（矢印２４）による過度の負荷を被ってしまったデュワーを示している。外上側ヘッド中央領域の材料がネック１４とカラー７の間の接合部を一周して周方向に下へずれている（内槽が外槽に比べて下方へ動いてしまった）ことが２６に見て取れる。

[0037]図４Ａ－図５Ｂの変形のそれぞれは永久的（非弾性）であり、過度の負荷が加えられたということの外から見て分かる証拠を提供している。更に、何れの場合も、ガラス繊維のネック１４又はネック１４のどちらかの槽への付着部が何らかの失陥に見舞われても、こうして真空は損傷（図４Ａ－図５Ｂを作成するために遂行された切断以前）を経て保全されたわけである。

[0038]図６は、開示のデュワーの代わりの実施形態の非断面図を描いており、アーチ状又は浅皿形状のクラウン又は中央領域３２を有する怒り肩の上側ヘッド３０を示している。図７は、高くて堅い上側ヘッド中央領域３４を有する従来式構築の先行技術デュワーを描いている。

[0039]以上の実施形態は、完成時の最大熱的性能を有するデュワーであって、但し格段に高いレベルの衝撃負荷後も真空の損失無しに存続し、それによりその様な衝撃負荷事象を通しての貯蔵材料の安全と保護の両方を改善することのできるデュワーを提供している。以上の実施形態は、何れかのその様な負荷事象後に、デュワーがその様な過酷な負荷を受けてしまい交換するか又は輸送使用から退かせるべきであることを監視者に立証する証拠となる痕跡をもたらす。

[0040]本開示の好適な実施形態を示し説明してきたが、付随の特許請求の範囲によってその範囲が定義されているところの開示の精神から逸脱すること無しに変更及び修正が行われ得ることが当業者には自明であろう。

７ カラー
８ 中央領域（先行技術）
９ 外上側ヘッド
１０ 中央領域
１１ 水平軸
１２ 垂直軸
１３ 水平方向軸に対する２３度未満の角度
１４ ネック
１５ ネックの軸
１６ ネックの軸に垂直の力
１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃ リム領域
１８ 内槽
２０ 外槽
２２ 絶縁空間
２４ ネックの軸に沿った力
２０、２２ 衝撃による中央領域の材料のずれ
３０ 怒り肩の上側ヘッド
３２ 中央領域
３４ 高くて堅い上側ヘッド領域（先行技術）

Claims (19)

1. 極低温流体を貯蔵するためのデュワーであって、
   ａ．前記極低温流体を貯蔵するように構成されている内槽と、
   ｂ．外上側ヘッドと外下側ヘッドを含んでいる外槽であって、前記外上側ヘッドは中央領域とカラーとを含み、前記外上側ヘッド及び前記外下側ヘッドは内部チャンバを画定するように接合されている、外槽と、
   ｃ．前記内槽と前記外槽の間に空気を抜かれる絶縁空間が画定されるように前記外槽の前記内部チャンバ内に位置付けられている前記内槽と、
   ｄ．前記内槽と前記外上側ヘッドの前記中央領域の間を延びていて、それらへ付着されているネックと、
   ｅ．過度の衝撃負荷が前記デュワーへ加えられたときに、前記中央領域が前記ネックと前記カラーに隣接する領域の周りで変形するように構成されている前記外上側ヘッド及び前記ネックと、
   を備えているデュワー。
2. 前記外上側ヘッドは全体的に液圧プレス成形されている、請求項１に記載のデュワー。
3. 前記外槽はアルミニウム合金で構築されている、請求項１及び請求項２の何れか一項に記載のデュワー。
4. 前記ネックはガラス繊維強化エポキシ樹脂で構築されている、請求項１から請求項３の何れか一項に記載のデュワー。
5. 前記外上側ヘッドの前記中央領域はアーチ状断面を特徴としている、請求項１から請求項４の何れか一項に記載のデュワー。
6. 前記衝撃負荷は、前記ネックの長手方向軸に平行の力及び／又は前記ネックの前記長手方向軸に垂直の力を含んでいる、請求項１から請求項５の何れか一項に記載のデュワー。
7. 前記外上側ヘッドの形状及び材料調質は、過度の負荷が加えられたときに前記ネックを破損させること無しに前記中央領域に永久的な変形を誘導する、請求項１から請求項６の何れか一項に記載のデュワー。
8. 前記内槽は一体に接合されている内上側ヘッドと内下側ヘッドを含んでいる、請求項１から請求項７の何れか一項に記載のデュワー。
9. 前記中央領域は浅皿形状を含んでいる、請求項１から請求項８の何れか一項に記載のデュワー。
10. 極低温流体を貯蔵するためのデュワーであって、
    ａ．前記極低温流体を貯蔵するように構成されている内槽と、
    ｂ．外上側ヘッド及び外下側ヘッドを含んでいる外槽であって、前記外上側ヘッドは中央領域を含み、前記外上側ヘッドと前記外下側ヘッドは内部チャンバを画定するように接合されている、外槽と、
    ｃ．前記内槽と前記外槽の間に空気を抜かれる絶縁空間が画定されるように前記外槽の前記内部チャンバ内に位置付けられている前記内槽と、
    ｄ．前記内槽と前記外上側ヘッドの前記中央領域の間を延びていて、それらへ付着されているネックとを備え、
    前記外上側ヘッドの前記中央領域は浅皿形状を有し、また前記デュワーが衝撃負荷に曝されたときに、前記ネックの破損より前に、前記ネックまたはカラーの周りで変形を形成する、
    デュワー。
11. 前記外上側ヘッドは全体的に液圧プレス成形されている、請求項１０に記載のデュワー。
12. 前記外槽はアルミニウム合金で構築されている、請求項１０及び請求項１１の何れか一項に記載のデュワー。
13. 前記ネックはガラス繊維強化エポキシ樹脂で構築されている、請求項１０から請求項１２の何れか一項に記載のデュワー。
14. 前記外上側ヘッドの前記中央領域はアーチ状断面を特徴としている、請求項１０から請求項１３の何れか一項に記載のデュワー。
15. 前記衝撃負荷は、前記ネックの長手方向軸に平行の力及び／又は前記ネックの前記長手方向軸に垂直の力を含んでいる、請求項１０から請求項１４の何れか一項に記載のデュワー。
16. 前記外上側ヘッドの形状及び材料調質は、過度の負荷が加えられたときに前記ネックを破損させること無しに前記中央領域に永久的な変形を誘導する、請求項１０から請求項１５の何れか一項に記載のデュワー。
17. 前記内槽は一体に接合されている内上側ヘッドと内下側ヘッドを含んでいる、請求項１０から請求項１６の何れか一項に記載のデュワー。
18. 極低温流体を貯蔵するためのデュワーのための外槽上側ヘッドであって、
    ａ．外槽下側ヘッドへ付着するように構成されているリム領域と、
    ｂ．内槽へ付着するように適合されているネックを取り囲むカラーと、
    ｃ．前記リム領域へ付着されていて、内槽へ付着するように適合されているネックを受け入れるように構成されている中央領域であって、過度の衝撃負荷が前記外槽上側ヘッドへ加えられたときに、前記ネックと前記カラーに隣接する領域の周りで当該中央領域が永久的に変形し、かくして前記ネックを保全するように構成されている中央領域と、
    を備えている外槽上側ヘッド。
19. 極低温流体を貯蔵するためのデュワーのための外槽上側ヘッドであって、
    ａ．外槽下側ヘッドへ付着するように構成されているリム領域と、
    ｂ．内槽へ付着するように適合されているネックを取り囲むカラーと、
    ｃ．前記リム領域へ付着されていて、前記内槽へ付着するように構成されている前記ネックを受け入れるように構成されている中央領域であって、前記外槽上側ヘッドが衝撃負荷に曝されたときに前記ネックと前記カラーに隣接する領域の周りで自身が変形し、かくして前記ネックを保全するように浅皿形状を特徴としている中央領域と、
    を備えている外槽上側ヘッド。

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