JPS58189539A - 極低温化方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、物質の低温処理の分野に関し、特に、生物学
上の標本の極低温処理に関する。

（従来技術） 科学技術的方法、特に、生物学−Ｆの物質を包含する処
理に、極低温が利用される。例えば、後の顕微鏡を用い
ての検査のために生物標本を安定化すべく、標本を急速
に凍らせ、また、低温下でア七トンのような適当な有機
溶媒で標本中の水分を交換あるいは置換する。標本の損
傷を減するために、水分に代えて有機液体の置換は、約
−８０°Ｃから約−１２０°Ｃの範囲における温度で行
なわれ、またこの温度は、ある時間以上維持されなけれ
ばならない。米国特許第４．３０６．４２５によれば、
そのような置換に必要な時間は約６日から約３週間の範
囲である。遺伝工学の分野における種々の処理は、標本
を極低温の下におくことが要求される。ある生物学上の
処理のために、冷却時間率が重要とされる。

極低温は、心臓の弁、角膜、骨髄細胞、皮膚組織、精子
等のような種々の生物学上の物質の貯蔵に利用される。

生物標本、あるいは他の物質の温度を制御下のもとに下
げ、また維持することを可能とする種々の装置が提案さ
れている。そのような装置のあるものは、液状、あるい
は気体の冷凍剤を組み合せて、標本冷却のために利用し
ており、また標本カロ熱のために電熱ヒータのような加
熱器が利用されて、標本ホルダに供給する熱エネルギー
の量を変化させることにより、可能な範囲まで、標本温
度の制御がなされる。たとえば、前述の米国特許第４，
５０６．４２５を参照すれば、ｆユ“アルフラスコ内に
、液状の冷凍剤の水平面上方に標本を懸吊し、所望の温
度、あるいは冷却率を得るため、標本を一ヒげ下げする
ことが提案されている。

標本を温めるための加熱器に対して、標本を冷却するた
めに冷凍剤を利用する装置は、一般に制御が困難である
。たとえば、隔壁内に電気的ヒータを備えた隔室内に、
気体状の冷凍剤が蒸散しているような装置では、隔室内
温度の均一化のため、隔室は室内ファンを備えている。

この装置は、正確な温度調節が困難とされる。

なぜなら、隔室が温度一定となるまで多くの時間を要し
、あるいは、温度変換に多くの時間を要する。すなわち
、この装置は、応答時間が多く必要である。プーアルフ
ラスコ内の所定の高さに標本を置くことは、同様に、制
御が困難である。なぜなら、液状の冷凍剤の液面からフ
ラスコの口までの温度勾配は、一般的に、液状の冷凍剤
の近くて犬であり、したがって、液状の冷凍剤の上の僅
かな空間内で、温度が大きく変わる。

（発明の目的、構成） プーアルフラスコあるいは、他の容器内の液状の冷凍剤
の液面上の垂直方向の温度勾配の直線化、均等化は、容
器の内壁に高熱伝導性の材料を利用することにより、大
きく改善されることを発見した。内壁材料の熱伝導性は
、約４０８ｔｕ−ｆｔ／（ｆｉ２）（ｈｒ）　（”Ｆ）
より低くないことが望ましい。より好ましくは、内壁は
ステンレス・スチールのような金属で作ることが好まし
い。金属製内壁は容器内の液状の冷凍剤の液面に近接し
た点または液面下から連続した垂直面をなしているべき
である。内壁は全てステンレス・スチールのような金属
製であることが望ましいが、内壁は、金属あるいは液状
の冷凍剤の液面下、あるいは近傍から上方に延びる高熱
伝導性材料の壁セグメントであってもよい。あらゆる液
状の冷凍剤がほぼ使用しうるが、最も一般的な液状の冷
凍剤として液体空気と液体窒素が挙げられる。

ここに、本発明は生物標本のような目的物の温度を制御
する方法を提供する。この方法は、液状の冷凍剤を収容
し、かつ上方に向けて開口する容器内に目的物を支持し
、前記容器は高熱伝導性の垂直に延びる内壁を備えて、
液状の冷味剤の液面上方の垂直的な温度勾配を与え、（
しｊ曲物を容器内で上下に移動させることにより）目的
物と液状の冷凍剤の液面との垂直間隔を変化させて、夫
々目的物の温度を−Ｌげ下げすることからなる。この方
法は、好ましくは、目的物の温度を検出し、（すなわち
、目的物の温　　　。

度あるいは標本を保持する支持体のような近接構造物の
温度を検出し）、所望の温度が得られるまて、液状の冷
凍液の液面上方の目的物の垂直間隔を変化させる段階を
含む。

本発明は、直ちに、自動化に適し、所望の温度と検出温
度を比較し、その温度差を表わす信号を発し、目的物の
垂直方向の高さを変える手段が前記信号に応答して、検
出温度が所望の温度より低い場合には、前記の目的物の
位置を高くし、検出温度が所望の温度より高い場合には
、前記の目的物の位置を低くする。所望の温度は意のま
まに変えることができる。すなわち、時間の経過に伴っ
て、目的物の温度を変える好ましい実施例にあっては、
デジタルコンビーータに使われるような、予めセットさ
れたプログラムに従って、所望の温度を変えることがで
きる。

他の実施例において、本発明は目的物の温度を制御する
装置に関するものである。この装置は、液状の冷凍液を
収容し、上方に向けて開口する容器を有し、該容器は高
熱伝導性の垂直方向に延在する内壁を備えて、容器内に
、液状の冷凍剤の液面−ヒの垂直的な温度勾配を形成す
る。

この装置は、容器内に、液状の冷凍剤の液面上方に目的
物を支持する支持手段を有し、更に、該支持手段と液状
の冷凍剤の液面との垂直方向の間隔を接近離間する昇降
手段を有している。

この装置は、目的物の温度を検出するため、前記支持手
段によって移動する温度検出手段を有していることが好
ましく、そのこと（こより、目的物の温度は、よく追従
する。望ましくは、制御手段を備え、該制御手段は、検
出温度と所望の温度との差を表わす電気信号を発する温
度検出手段に、応答する。この実施例における前記昇降
手段は、前記電気信号に応答し、容器内で液状の冷凍液
の液面上、前記支持手段の垂直高さを変える手段を含む
ものである。

（実施例） 以下図面に示す実施例を参照しながら本発明を説明する
と、第１図は本発明に係る装置を示すもので、上方に向
けて開口する開口面（１２，１）を有する容器０渇は、
プラスチックまたはコルり等の、好ましくは熱伝導率が
約ｏ、　５　Ｂｔｕ−ｆｔ／（ｆ　ｔ２）　（ｈｒ　）
　（’Ｔ；’）よりも小さい値を有する断熱材からなる
外壁（１２，２）を備えている。容器の内壁（１２，３
）は、熱伝導性の良い、好ましくは約４、　ＯＢｔｕ−
ｆｔ／（ｆｔ２）（ｈｒ）（’Ｆ）の材料からなる。こ
の内壁（１２ろ）としてはステンレス・スチールのよう
な金属が好ましい。同図に示すように、内壁（１２，３
）は容器０３の内面沿いに設けられており、事実上容器
は夫々の壁（１２，３）、　（１２，２）によって形成
された内外の容器内に間隔をおいて収納されていること
になり、壁相互の間隔■には空間が形成されている。内
壁（１２，３）は、液状の冷凍剤Ｃの液面りに近接した
点かまたは液面り下の点から容器の開口面にかけては連
続した鉛直面をなしていることが重要であり、望むなら
ば、高い熱導率を有する金属のような材質からなるほぼ
鉛直のストリップまたは壁セグメントを備えた内壁を有
する容器を用いてもよ（ｉ’。

以下にさらに詳細に説明するように、容器の熱伝導性を
有する内壁（１２，３）は、容器の上部から下方に熱を
伝導し、液体の冷凍剤の液面Ｉ７よ６）も上部において
均一な温度勾配を形成する、と考えられている。望むな
らば、外壁（１２，２）を内壁（１２，３）から間隔を
おいて設け、その間隔を空気用空間または真空用空間と
し、容器の壁を通過して内方に伝わる熱を減少させるよ
うにしてもよい。容器（１２）は、内外壁間の空間と、
高い熱伝導性の内壁が得られるよう金属のコンテナまた
は壁セグメントを形成する鉛直ストリップが内部に嵌合
されるガラス面とを有する通常のデュワールフラスコの
タイプにしてもよい。

容器θ２内の液状の冷凍剤の液面は、例えば米国特許第
５，９５８，５４７号（Ｒｉｅｄｅｌ）に記載されてい
るような既知の手段によって調節することかできる。

第１図の台（＋４）による支持手持は、容器ｆｌＺ内て
冷凍剤の液面りよりも上方において支持されている。台
Ｉは環状であってかつその局面は容器　　　゛（１２１
の内壁（１２，５）に近接しているのが好ましい。

第３図に示すように、台０．ｌ）はプラスチックまたは
それと類似の材質からなる輪（１４，１）によって形成
されており、（１４，２）によって示す支持開放格子部
材は、輪に接着剤で固着されているかまたは他の手段で
取付けられることにより、標本または標本ホルダを支持
する開口した有孔床を構成している。第１図及び第５図
の実施例において、アーム（１４，５）は上方に伸長し
、次いで輪（１４，１）の相対向する側から内方に伸長
し、支持板（１４，４）によって結合されている。

この支持板（１４，４）は垂直支持杆Ｏｅの下端（１６
，１）に連結されている。

水平の温度勾配、即ち容器ａｚを横切って伸びる勾配を
減少させるため、ワイヤグリッドＯａによる熱伝導手段
が台０４）によって運ばれるようになっており、同グリ
ッドは連結ストラット（１４，５）によって台０（イ）
に取付けられている。グリッド（ＩＩＣは第１図に示す
ように、台α荀の下方に間隔をおいて配置されているの
が好ましく、またグリッド（１８）の周縁は容器の内壁
（１２，５）に接触しない程度に近接しているのが好ま
しい。支持に際しては、格子（１４，２）は第２図に示
すような標本ホルダに載せられる。標本ホルダは、図示
の如く、略炉形状のフレームを有しており、その相対向
する上端には、ガラス製の標本チューブＳを受けかつ容
器内において標本チューブを水平に保持するための切欠
き等が形成されている。

支持杆（１６）は、容器０２）の上部開口面から上方に
伸長しており、そして同杆には、その長手方向に沿う歯
を有する平坦側部が設けられている。

歯は第１図で（１６，２）により略示的に示されている
。容器の上部開口面（１２，１）は、スプリットカバー
（１２，４）による蓋または他のカバーにより既知の態
様で部分的に覆われており、支持杆（１０はスプリット
カバー（１２，４）の半々間を何の干渉もなしに上方に
通過している。

容器（１２１の周囲には、垂直スタンド（イ）が設けら
れている。同スタンドは、その底部において水平に伸長
するサポート（２２，１）と上方に伸長しかつ上端が水
平ブラットホーム（２２，３）に達するフレーム部材（
２２，２）とを有している。水平プラットホームは容器
０３を囲む中央開口部（２２，４）を備えている。容器
のヌブリットヵバ−（１２，４）は、容器の−り部間口
面の周縁に載せてもよく、またプラットホーム（２２，
３）に載セてもよい。プラットホーム（２２，３）から
上方に伸長する支持ストラソ）（２２，４）間には、サ
ポートパネル（２２，５）が設けられている。サポート
パネルにはベアリングブロック（２２，６，２２，７）
が取付けられており、同ブロックを支持杆ＱｌｌＧが摺
動自在に貫通している。台（１４１の垂直高さを変える
−ための手段の典型例が第１図に示されている。同手段
は、サポートパネル（２２，５）の背面に装置されたス
テップモータ（ハ）を備えている。

同モータは歯車（２４，１）を有するシャフトを備えて
いる。この歯車（２４，１）の歯（２４，２）は支持杆
Ｏｅの長手方向沿いに形成された歯（１６，２）に噛合
している。かかる態様において、ステップモータ（ハ）
が正転または逆転すると、歯車（２４，１）は回転し、
これによって支持杆ｏ６）が−Ｌ下動し、これに伴って
台Ｑ＝ｌ）が容器ｏａ内を上下動する。勿論１（口の高
さ調整手段を用いることも可能である。

例えば、液状の冷凍剤の液面の高さは容器の一ヒ下動に
よっても変えることができるし、或いは容器内の液体冷
凍剤の体積を変化させることによっても変えることがで
きる。

温度検出手段が第１及び第２図に示されている。同手段
は、第２図に示すように標本ホルダＳ内に挿入された熱
電対を有している。この熱電対は、容器の開口面（１２
，１）を通って上方に伸張し温度検出装置（２６，２）
に到るリード線（２６，１）を有している。温度検出装
置（２６，２）は、リード線（２６，３）によってコン
トローラ（２６，４）に連結されている。温度検出装置
（２６，２）とコン）ｏ−ラ（２６，４）とは、交渉種
目が共通である。典型的な実施例において、温度検出装
置（２６，２）は、台（１４）の高さレベルにおける温
度を小す信号を発生する。コントローラ（２６，４）は
所定のまたは所望の温度と検出した温度とを電　　　　
゛気的に比較し、そして検出温度と所望のまたは所定の
温度吉の差を表わす信号を発生する。この信号はリード
線（２６，５）によってステップモータ（ハ）に伝えら
れ、同モータはこの信号に応答して台０υを上下動させ
る。台（１４）を上方に上げると検出温度が上昇し、ま
た下げると検出温度が減少する、ということが今や理解
し得るであろう。所望の温度と検出温度との差信号を発
生ずる装置は既知のものであり、さらなる説明は不要で
あろう。台Ｏａによって運ばれる標本の温度を上昇また
は下降させるために支持杆ＯＥ９を手動により上動また
は下動させてもよい。標本が予め設定された割合で冷却
または温められなければならないような場合、望むなら
ば、所望の時間に所望の割合で温度が変化するようコン
）。

−ラ（２６，４）を既知の態様でプログラミングするこ
ともできる。この種のタイプの温度センサー及びコント
ローラに関しては、米国特許第４、３０６．４２５号を
参照すればよい。

図示の実施例に関し、生物標本が１本または１本以−１
−の標本チー−ブＳに挿入自在であり、相隣のチーーブ
は、熱電対のような温度センサの端部を保持し得るよう
になっている。４２ゲージワイヤからなりかつ冷却接点
の小さな温度変化に対して迅速に応答する極めて小さい
冷却接点を有する銅−コンスタン熱電対を用いることに
より良好な結果が得られた。望むならば熱電対の冷却接
点を標本に取付けるかまたは標本内に差込んでもよい。

結局、冷却接点は、その検出する温度が標本の温度と相
関関係を有するように、即ち標本の温度とほぼ等しいか
またはその温度に応じて変化するように配置される。

標本ホルダ（２■は、支持杆０６）によって容器の上部
開口面近傍まで運ばれる台０４）の格子部材（１４，２
）に載せられる。温度センサーのリード線（２６，１）
は、例えば、標本の温度を即座に決定するキャリプレー
トされたポテンショメータに接続してもよい。次いて台
０４）は容器（１２内へ下降させられるが、この時、ベ
アリング（２２，６，２２，７）は台０４）の周面が容
器の内壁（１２，３）との間に僅かな間隔を保持するよ
う支持杆０６１を案内する。支持杆（Ｉｌｉ）は、所望
の温度に達する迄手で垂直に位置させることかできる。

自動的に制御するには、コントローラ（２６，４）（第
１図）が、検出された温度と所望の温度吉の差を示す電
気信号を発生し、ステップモータ（ハ）はこの信号に応
答して台＜１４１を上昇または下降させて容器の温領域
または冷領域に移動させる。

冷凍剤の液面りの上方における極低温蒸気空間内に形成
された非常に均一かつ垂直的な温度勾配は、主に容器の
内壁（１２，３）の高伝導性により熱が下方に連続的に
伝達されることに起因すると考えられており、しかも内
壁（１２，３）を通しての下方向への熱の移動及び容器
の側部、底部及び頂部から内側への熱の移動が、液状の
冷凍剤の蒸発熱及び容器の頂部からの極低温蒸気の逸出
によって均衡している時実質的に確実な状態に達する。

但しこの場合、ラデイエイション効果は無視するものと
する。容器内の極低温気相中での熱伝達は最小になる。

標本の熱は、主に台（１４）及び極低温蒸気への熱伝達
により、そして蒸気及び容器の内壁（１２，３）への輻
射によって失われると考えられている。液体の冷凍剤の
液面りより上方の垂直的な温度勾配は完全に均一または
直線的である必要はないが、均一性と直線性は容器の内
壁（１２，３）を高伝導性とすることによって非常に優
れたものとなる。

本発明は主に第１図ないし第３図に示す実施例に関して
述べられているが、台、台の形状及び台を」−下動させ
る手段については広範囲の変形が可能であり、容器Ｏｚ
は図面に示すように円筒形である必要はな（、他の形状
でもよく、例えは極低温容器に共通しているように壁を
容器の頂部近傍で内側に傾斜させてもよい。

本発明の好ましい実施例について述べられているが、本
発明の思想及び特許請求の範囲から逸脱しない範囲で種
々の変形、適合及び修正が【１丁能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る装置の一部切欠正面　　　　図
、 第２図は、第１図に示す装置において有用な、標本ある
いは他の目的物のホルダの斜視図、第３図は、第１図に
示す装置において使用されるプラットフォームの一部切
欠、分解組立て図である。 １２　・・・・・・・・・・容　器 １２１・・・・・・・・・・開　口 １２６・・・・・・・・・・内　壁 １４・・・・・・・・・、・・台 ２０　・・・・・・・・・・・・標本ホルダ２６２・・
・・・・・・・・・温度検出装置２６４・・・・・・・
・・・・・　コントローラＬ　・・・・・・・・・・・
・冷凍剤の液面特許出願人　ディーン　ダブリュウ、７
−リング手続補正書 ２°発′“４　Ｏ名利；憧低τ晶化方法及びその装置３
、補１１：、する者 ’ＪＴ件との関係　特許出願人 氏　名　　ディーン　ダブリュウ、　ツーリング・１０
代　理　人 １ｊ、浦１臼宿令の１−１付

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （＋Ｎａ）　　上方に開口する容器内に液状の冷凍剤を
   収容し、前記容器は高熱伝導性の垂直方向に連続する内
   壁を備えて、液状の冷凍剤の液面上に垂直的な温度勾配
   を形成し、 （ｂ）　　前記液状の冷凍剤上方のコンテナ内に目的物
   を支持すると共に、該目的物の温度を検出し、 （Ｃ）　　所望の温度が得られるまで、液状の冷凍剤の
   液面上方の目的物の垂直間隔を変化させる、 ことからなる、目的物の温度の制御方法。 （２）　（ａ）　　−り方に開口する容器内に液状の冷
   凍剤を収容し、かつ、前記容器は高熱伝導性の垂直方向
   に連続する内壁を備えて、前記容器内の液状の冷凍剤の
   液面上に垂直的な温度勾配を形成し、 （１〕）前記容器内に液状の冷凍剤の液面上方に目的物
   を支持し、かつ、該目的物の温度を検出し、 （ｃ）　　所望の温度と検出温度を比軟して、温度差を
   表わす信号を発し、 （ｄ）液状の冷凍剤上方の目的物の垂直間隔を変化させ
   る手段が前記信号に応答し、検出温度が所望の温度より
   近い場合には前記垂直間隔を大にし、検出温度が所望の
   温度より高い場合には前記垂直間隔を小にする、ことか
   らなる、目的物の温度の制御装置。 （３）液状の冷凍剤が収容された上方に開口する容器内
   に目的物を支持し、前記冷凍剤の液面を前記目的物の垂
   直下方に間隔をおいて設定し、前記容器内における液状
   の冷凍剤の液面の上方に垂直的な温度勾配が形成される
   よう該容器の内壁を高熱伝導性にすると共に垂直方向に
   連続性をもたせ、かつ前記容器内における前記目的物と
   液状の冷凍液の液面との垂直間隔を、前記目的物の温度
   が上昇または下降するように変化させることを特徴とす
   る目的物の温度の制御方法。 （，１）　（ａ）　　液状の冷凍剤が収容されかつ該冷
   凍液の液面の一ヒ方に垂直的な温度勾配を形成するよう
   垂直に連続する高熱伝導性の内壁が設けられた一Ｆ方に
   開口する容器と、 （１））前記容器内において前記液状の冷凍剤の液面の
   上方に目的物を支持するための支持手段と、 （Ｃ）　　前記目的物の温度を変えるために前記液状の
   冷凍剤の液面と前記支持手段との垂直間隔を変えるため
   の昇降手段とを有することを特徴とする目的物の温度を
   制御する装置０ （５）　　目的物の温度を検出するために、支持手段に
   よって移動させられる温度検出手段を含む、特許請求の
   範囲第４項に記載の装置。 （６）検出温度と所望の温度との差を表わす電気信号を
   発するために、前記温度検出手段に応答する制御手段と
   、前記電気信号に応答する手段を含み、容器内で液状の
   冷凍剤の液面ｌ−１ｉｉｌ記支持手段の高さを変える引
   降手段とを含も１ 特許請求の範囲第５項に記載の装置。 （７）容器の内壁の熱伝導率は約４．０　Ｂｔｕ−ｆｔ
   ／（ｆ【２）（ｈｒ）　（’Ｆ”）よりも小さくない、
   特許請求の範囲第４項記載の装置。 （８）所望の温度を時間の関数として変化させる、特許
   請求の範囲第６項記載の装置。 （り）　　水平方向の温度勾配を減少させるために容器
   の内側方向に熱を伝導させる支持手段によって容器内を
   ほぼ水平に移動させられる熱伝導手段を備えている、 特許請求の範囲第４項記載の装置。