低温冷却的方法和系统 本申请是原案申请号为 200580040675.8 的发明专利申请 ( 国际申请号 ： PCT/ US2005/034532， 申请日 ： 2005 年 9 月 26 日， 发明名称 ： 低温冷却的方法和系统 ) 的分案申 请。
相关申请的交叉引用
本申请是名称为 “冷冻疗法系统” ， 由皮特· J· Littrup 等于 2004 年 1 月 14 日申请 的美国申请 10/757,769 的部分继续申请 ； 该美国申请是一件要求名称为 “冷冻治疗系统” ， 由皮特· J· Littrup 等于 2003 年 1 月 1 5 日申请的要求美国临时申请 60/440,662 申请日 权益的的美国正式申请。 这两件申请的全文， 都合并在本申请内以作为所有用途的参考， 包 括用于附录。本申请也是名称为 “冷冻疗法探针” ， 由皮特·J·Littrup 等于 2004 年 1 月 14 日申请的美国申请 10/757,768 的部分继续申请 ； 该美国申请是一件要求名称为 “冷冻治 疗探针” ， 由皮特· J· Littrup 等于 2003 年 1 月 15 日申请的要求美国临时申请 60/440,541 申请日权益的美国正式申请。这两件申请的全文， 都合并在本申请内以作为所有用途的参 考， 包括用于附录。
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 ±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 ±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。
附图说明 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 Pc ＝ 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，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 ：
[ 等式 1]其中 p ≡ P/Pc， v ≡ V/Vc， 和 t ＝ T/Tc， Pc、 Vc 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/Pc 数值。虽然任何 p ＞ 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℃ ) 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 Pc 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 Pc 的点开始， 虽然该压力最好位于临界点压力 Pc 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 Pc 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 Pc 的 0.8 至 1.2 倍之间 ； 在一个实施例中初始压力大约为 Pc 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 Pc 的 5 倍、 小于 Pc 的 2 倍、 小于 Pc 的 1.5 倍、 小于 Pc 的 1.2 倍、 小于 Pc 的 1.1 倍、 小于 Pc 的 1.01 倍或小于 Pc 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 Tc， 从而在不同的实施例中， 初始温度可以是 Tc± 摄氏 50 度、 Tc± 摄氏 25 度、 Tc± 摄氏 10 度、
Tc± 摄氏 5 度、 Tc± 摄氏 1 度、 Tc± 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 Pc， 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
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 (6×15)+(6×10) ＝ 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＝ 125×48×64 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 π×12 平方厘米 ×137 厘米 ×9 ＝ 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 ×2 升 /( 探针小时 )×1.25 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 ：
总的来说， 与现今的基于 JT 的系统相比， 一个近临界液氮系统只占用不到一半的 诊疗空间， 和轻过一个数量级的需要技术人员在安装时需移动的总重量， 即可以执行全日 的诊疗工作量。减少的生产成本的量化因地区成本的差异而变得复杂， 但是要注意的是现 时基于 JT 的系统包括一个大概每个病例平均 $200 的压缩气体的不可回收成本。再者， 重 量和空间需求的量化不包括工作时间和对医院人员需移动、 连接以及固定高压储罐的安全 影响。
本发明的某些实施例特别适合低容量和短持续时间的低温冷却应用， 可以独立的 手提式仪器的形式出现， 如图 6 中的图片所示的例子。该综合手提式仪器特别适合用于相 对地短暂的低温冷却应用， 例如皮肤病学和间隙的低容量冷冻应用 ( 例如， 乳腺纤维腺瘤 的治疗、 冷冻免疫疗法的发展 )。 如此的一个仪器的构造大体上如图 2A 所述， 而当中的组件 组成一个小型独立的装置。特别是， 一个相对地小型的冷冻剂产生器 604 与一个小型的环
境状液体冷冻剂储罐 608 和一个已装配的低温装置 612 相连。在图 6 所示的例子中， 该低 温装置是一个冷冻治疗装置， 被永久装配到仪器中， 尽管其它类型的低温装置可被用于不 同的实施例中。 该独立的手提式仪器在不同的实施例中可被用作一件可丢弃的一次性仪器 或可再装填液体冷冻剂。该冷冻剂产生器 604 和环境状态的液体冷冻剂储罐 608 被真空夹 套着， 又或从周围环境和彼此之间绝热。为了方便显示， 图 6 所示的仪器被照像时， 一条保 持冷冻剂产生器 604 和液体冷冻剂储罐 608 于真空状态的外部导管被移去。
在应用时， 一个开关被提供以容许一位操作员去控制冷冻剂产生器中的一个小型 加热器。 当加热器被启动时， 近临界冷冻剂流经设定的流阻， 该设定的流阻可如上述般因特 定的冷却工作被定制。该近临界冷冻剂流可以持续至仪器中一个该冷冻剂的储液库被耗 尽， 而随后该仪器可被丢弃或再装填供将来使用。 在某些实施例中， 例如冷却高感度的电子 接收器时， 该手提式的装置可通过一个自动封闭的连接口与被冷却的物体接口。这容许该 被冷却的物体在使用之间自该件可丢弃或可再装填式的仪器分离开来。
上述手提式仪器的实施例可被视为本发明所容许的规模变化的延续的一部分。 特 别的是， 这不单是可选的提供足够的近临界或高压冷冻剂作高容量的临床或其它用途， 更 可以作短持续时间和低容量的用途。在此延续的全部范围中， 非常小的尺寸， 也就是小于 1 毫米的冷却装置的操作变得可能， 因为当中没有气阻现象所做成的障碍。 例如， 可操作小型 尺寸装置的能力可以允许一个现实的配置， 当中小型可再装填或可丢弃式的液体冷冻剂筒 被用作供应， 除去了对大型、 不便的冷却系统的需要。例如， 在医疗应用如一个神经切除或 镇痛治疗的临床设置中， 一个内含液氮小型桌面式的杜瓦瓶可被用以提供液氮去再注满神 经切除中所需的多个液筒。根据在如此的临床设置中所需的典型容量， 该桌面式的杜瓦瓶 会可能需要每星期再装填以提供足够的液体， 再注满液筒用于当星期的应用。类似的好处 可由工业设定中的本发明的实施例去实现， 例如在需要短期冷却时使用可丢弃式的液筒。在该应用中， 即使液筒有完善的绝热及 / 或是高压密封， 一个较小的改动也会提供适当的 排气预防， 排出当中很可能出现的很少量蒸发气体。 因此， 本发明的实施例增加了很多类型 的应用中低温冷却的选择范围 .
一个进一步的实施例利用了近临界冷冻剂的产生作医疗 ( 例如， 皮肤病学和作为 任何肿瘤切除手术之中的手术辅助工具 ) 和非医疗两者的应用中的直接喷雾。现今的皮肤 病学的液氮分配器依赖一个针孔喷嘴之中液氮的自发沸腾缓慢且相对地不精确的调配冷 冻剂， 也就是说通过该细小的孔实际上飞溅出冷冻剂。 再者， 不能精确地控制冷冻的界限使 皮肤损害更为广泛， 令邻近的正常皮肤组织间接受到损害。该溅射式的转送也使应用液氮 于靠近重要组织的位置， 例如眼睛周边积聚的脂肪， 更危险和通常都避免。图 7A 显示了一 个由电池推动的喷罐 702， 该喷罐 702 的后面放置了一枚小型电池 704。电池 704 沿着电线 706 驱动电流至一个位于该喷罐的底部的线圈配置 708。该喷罐可被装满液氮 710 和替换 了罐盖 712。当该罐盖 712 造成密封时， 一股低功率电流流至线圈 708， 产生近临界氮气的 压力 ( 例如， ＞ 600 磅 / 平方寸 )。此时该系统处于带电状态和可以使用， 通过一个已校准 的阀口排出过量的压力 ( 例如， ＞ 700 磅 / 平方寸 )。当触发器 716 被拉时， 一个可变的功 率控制 718 于喷雾时启动更多的电力以加快近临界氮气的产生。触发器 716 被拉时也可手 动地打开一个特别的压力阀 720， 被装配成如压力降至 600 磅 / 平方寸以下会自动关闭。 如 此， 只有近临界的氮气通过该针尖的机理被释放， 避免了气阻和 / 或溅射。为了得到精确且 有力的喷雾， 可以提供于医生一颗容许精细控制的铅笔头样针尖 722。 临界氮气在直接的皮肤， 或者手术中的应用， 可以通过使用开孔圆锥针尖 724 进 行进一步的控制。 例如， 该针尖 724 可以作为一件可丢弃的， 一次性的用具 ( 例如聚氨酯 )， 以快速的连接到喷嘴而取代铅笔头样针尖 722。该圆锥的一个开放端可以使用几种可变的 尺寸， 以容纳从很小到大的病变组织 ( 例如 3， 5、 7、 9、 11、 13、 15 毫米、 等等 )。在手术中， 该 圆锥针尖被放置于病变组织之上， 可同时容纳外生性 ( 例如皮赘 ) 以及裂隙病变 ( 例如老 人斑 )。 该近临界氮气沿着中央传输管向下移动， 而此时反射的喷雾沿着圆锥的侧壁而被排 放得更高。通过这种方式， 只有暴露于圆锥针尖下方的含有病变组织的皮肤 / 组织会被处 理， 而排出的气体远离治疗的区域， 从而进一步保存旁边的组织。
图 7B 展示了一个进一步的实施例中， 一支气孔针 730 可以作为分配端， 而不是铅 笔头样针尖 722 或者开孔圆锥 724。这样的针可以是大约 1 毫米的外部直径。临界氮气可 以在封闭端内由中轴 732 向下移动到膛 736。 对于皮肤病学或者手术中的用途， 返回的氮气 734 可以在靠近针的中心， 或者沿着相关的连接管而排出。这样的针也许不需要绝热杆， 因 为它可以直接植入皮肤， 或者手术中的。 成套， 因为手术中的肿瘤 738， 可以冷冻其整个暴露 的长度。
温度测量法也可以在皮肤的处理或者肿瘤的手术中， 以帮助彻底地切除普通恶性 病变。基底细胞癌的坏死已经知道需要极低的温度来进行， 接近摄氏 -160 度。因此， 针尖 温度测量阵列需要放在肿瘤的正下方， 使用触觉或者超声波引导。然后， 冷冻就可以安全 的进行， 直到通过集中直接喷射方法， 间隙针尖放置， 或者是它们的组合来达到均匀的温度 测量读数摄氏 -160 度。高度受控的皮肤块肿瘤切除也可以使用一个桌面多探针单元以实 现冷冻过程的计算机控制。比如说， 位于肿瘤下方的温度测量阵列 742 能允许对肿瘤内的 间隙低温探针 740 的直接反馈， 从而在细胞毒素的低温达到合适水平的时候及时的把它关
掉。使用单独控制的直接喷射技术的内科医师也可以直接处理肿瘤更多的表面的方面。
本发明的实施例提供了相对于简单流动的冷冻剂冷却， 或者焦耳 - 汤姆生冷却来 说， 提高的冷却功率， 并且即使在没有再循环过程的时候， 也不需要多个高压力的冷冻剂储 罐。图 8 显示了三种不同的冷却系统中每摩尔冷冻剂的冷却功率的比较。最顶部的曲线 对应这里介绍的冷却循环， 并如图 2B 中使用氮气作为冷冻剂。最底下的两点标示的是焦 耳 - 汤姆生过程分别使用氩和氮作为冷冻剂的情况。焦耳 - 汤姆生结果显示的是这些过程 的最大值， 因为它们是为了最优倒流热交换而确定的 ； 该热交换会随着探针直径的减小而 变得非常低效。
介绍的结果显示液氮的气阻可能在较低的压力下发生， 但是在画圈区域 804 则不 会发生， 因为这时过程满足了压力接近临界点压力， 对于液氮来说就是 33.94 巴的近临界 的条件。 如之前提到的， 在近临界条件下气阻可以被避免， 虽然在压力接近临界点的时候整 个过程的效率会提高。结果显示， 本发明的实施例中的冷却循环的效率比一个理想化的焦 耳 - 汤姆生循环要高五倍以上。由于使用大于临界点的压力的实施例的效率不会因为探 针尺寸的变化而显著的变化， 冷却功率每克经常是焦耳 - 汤姆生循环的冷却功率的十倍以 上。这种更高的效率是由显著减少的排气量， 也就是五分之一至十分之一而证明的。如此 一来该过程就更加安静， 具有更小的破坏性， 以及不需要笨重地更换多个储罐。
因此， 在介绍了几个实施例之后， 本领域的技术人员可以认识到， 不同的改动、 另 外的结构、 等同物， 都可以被使用而不会背离本发明的本质。相应的， 以上的描述不应该被 视为对如以下的权利要求所确定的本发明范围的限制。