低温冷却的方法和系统.pdf

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。

权利要求书
1.   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，该方法包括：
提高所述致冷剂的压力至其临界点压力之上；以及
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。

2.   如权利要求1所述的方法，其中所述热动力学路径提高所述致冷剂的温度至环境温度。

3.   如权利要求2所述的方法，其进一步包括从所述致冷剂和所述物体的热连通中除去所述致冷剂以后，降低所述致冷剂的压力至环境压力。

4.   如权利要求1所述的方法，其进一步包括在提高位于其临界点温度之上的所述致冷剂的压力以后且在热连通所述致冷剂和所述物体以前，无需降低所述致冷剂的压力至其临界点压力之下即可降低所述致冷剂的温度。

5.   如权利要求4所述的方法，其中降低所述致冷剂的温度的步骤包括将所述致冷剂与温度低于所述致冷剂的温度的第二液体致冷剂进行热连通。

6.   如权利要求5所述的方法，其中所述致冷剂和所述第二致冷剂是化学上相同的。

7.   如权利要求5所述的方法，其中所述第二液体致冷剂基本上在环境压力下。

8.   如权利要求4所述的方法，其中在降低所述致冷剂的温度时，所述致冷剂的压力基本上不变。

9.   如权利要求1所述的方法，其中在热连通所述致冷剂和所述物体期间，所述致冷剂的压力基本上不变。

10.   如权利要求1所述的方法，其中提高所述致冷剂的压力至其临界点压力之上的步骤包括提高所述致冷剂的压力至接近其临界点压力。

11.   如权利要求1所述的方法，其中提高所述致冷剂的压力至其临界点压力之上的步骤包括在接近其临界点温度下提供所述致冷剂。

12.   如权利要求1所述的方法，其中提高所述致冷剂的压力至其临界点压力之上的步骤包括在其临界点温度±10％内的温度下提供所述致冷剂。

13.   如权利要求1所述的方法，其中提高所述致冷剂的压力至其临界点压力之上的步骤包括：
在绝热罐内放置所述致冷剂；以及
在所述绝热罐内进行加热至少直至达到所述绝热罐内的预定压力。

14.   如权利要求1所述的方法，其中所述致冷剂包括N2。

15.   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，该方法包括：
提高所述致冷剂的压力至其临界点压力的0.8至1.2倍之间，以及在其临界点温度±10％内的温度下提供所述致冷剂；
然后，无需降低所述致冷剂的压力至其临界点压力的0.8倍以下而降低所述致冷剂的温度；
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至环境温度，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压力大于所述临界点压力的0.8倍；
然后，从所述致冷剂和所述物体的热连通中除去所述致冷剂；以及
然后，降低所述致冷剂的压力至环境压力。

16.   如权利要求15所述的方法，其中降低所述致冷剂的温度的步骤包括热连通所述致冷剂和一种液态致冷剂，所述液态致冷剂具有相同的化学结构并基本上保持在环境压力下。

17.   如权利要求15所述的方法，其中所述致冷剂选自以下组中：N2、SF6、N2O、He和CO2。

18.   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，该方法包括：
提高所述致冷剂的压力至接近其临界点压力；以及
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接近所述临界点压力。

19.   如权利要求15所述的方法，其中：
提高所述致冷剂的压力的步骤包括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；以及
所述热动力学路径保持该压力大于所述特定压力数值。

20.   如权利要求16所述的方法，其中所述特定压力数值在所述临界点压力的0.8至1.2倍之间。

21.   如权利要求16所述的方法，其中提高所述致冷剂的压力的步骤包括在其临界点温度±10％内的温度下提供所述致冷剂。

22.   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系统，该系统包括：
一个适用于提高所述致冷剂的压力的致冷剂产生器；
一个位于所述致冷剂产生器的出口处且适用于在所述致冷剂的压力超过所述致冷剂产生器内的预定压力时释放所述致冷剂的流的阀门，所述预定压力大于特定压力数值从而以防止气阻的减少的摩尔体积提供所述致冷剂；
一个适用于和所述物体热连通的低温应用装置；
一条连接所述阀门和所述低温应用装置以从所述阀门输送所述致冷剂至所述低温应用装置的导管；以及
一个用于调节通过所述导管和所述低温应用装置的所述致冷剂的流的流量控制器；
其中沿着一条热动力学路径热连通所述应用装置和所述物体时，所述致冷剂的温度增加，而在热连通所述应用装置和致冷剂期间，所述热动力学路径保持所述致冷剂的压力大于所述预定压力。

23.   如权利要求22所述的系统，其中所述致冷剂产生器包括：
内部容量用以容纳所述致冷剂的绝热罐；以及
用于在所述内部容量中进行加热的加热元件。

24.   如权利要求23所述的系统，其中所述加热元件包括电阻加热元件。

25.   如权利要求22所述的系统，其进一步包括第二液体致冷剂的浴，该浴包围在所述阀门和所述低温应用装置之间的所述导管的一部分周围。

26.   如权利要求25所述的系统，其中所述第二液体致冷剂的浴基本上在环境压力下。

27.   如权利要求25所述的系统，其中所述致冷剂和所述第二致冷剂是化学上相同的。

28.   如权利要求22所述的系统，其中：
所述致冷剂产生器包括多个致冷剂产生器，该多个致冷剂产生器中的每一个适用于提高所述致冷剂的压力；
所述阀门包括多个阀门，该多个阀门中的每一个位于该多个致冷剂产生器之一的出口处，且被配置成在所述致冷剂的压力超过该多个致冷剂产生器之一内的预定压力时，释放所述致冷剂的流；
所述导管被配置成在该多个阀门之一和所述低温应用装置之间提供选择性连接。

29.   如权利要求28所述的系统，其进一步包括所述致冷剂的液体浴，其中所述多个致冷剂产生器设置于所述液体浴中。

30.   如权利要求29所述的系统，其进一步包括多个热交换器，每个所述热交换器设置于所述致冷剂的液体浴中，并且在所述多个致冷剂产生器之一和所述导管之间进行液体连通。

31.   如权利要求29所述的系统，其中所述多个致冷剂产生器中的每一个包括用于从所述致冷剂的液体浴接收致冷剂的入口。

32.   如权利要求22所述的系统，其中所述致冷剂选自以下组中：N2、SF6、N2O、He和CO2。

33.   如权利要求22所述的系统，其中所述系统是手提式的尺寸。

34.   如权利要求22所述的系统，其中所述低温应用装置包括可拆卸的喷雾控制喷嘴。

35.   如权利要求34所述的系统，其中所述可拆卸的喷雾控制喷嘴包括适用于释放在使用所述低温应用装置时反射的致冷剂的出口。

36.   如权利要求22所述的系统，其进一步包括适用于测量所述物体的温度的测温装置。

37.   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系统，该系统包括：
一个容纳所述致冷剂的液体浴的容器；
设置于所述液体浴内的多个致冷剂产生器，该多个致冷剂产生器中的每一个包括：
内部容量用于容纳所述致冷剂的绝热罐；
用于在所述容量中进行加热的加热元件；以及
用于从所述致冷剂的液体浴选择性地接收致冷剂的入口，
多个阀门，每个阀门位于所述多个致冷剂产生器中的相应一个的出口处，且适用于在所述多个致冷剂产生器中的相应一个内的致冷剂的压力超过预定压力时释放所述致冷剂的流，所述预定压力大于特定压力数值从而以防止气阻的减少的摩尔体积提供所述致冷剂；以及
一条与所述多个阀门中的每一个进行液体连通的导管，从而根据所述阀门的状态选择性地流过来自所述致冷剂产生器的导管。

38.   如权利要求37所述的系统，其进一步包括多个热交换器，每个热交换器设置于所述液体浴中，并且与所述多个致冷剂产生器中的相应一个以及所述导管进行液体连通，用以提供流经来自所述多个致冷剂产生器中的相应一个的导管的致冷剂之间的热交换。

39.   如权利要求37所述的系统，其中所述液体浴基本上在环境压力下。

40.   如权利要求37所述的系统，其中所述致冷剂选自以下组中：N2、SF6、N2O、He和CO2。

41.   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，该方法包括：
于第一致冷剂产生器内提高所述致冷剂的压力至特定压力数值从而以防止气阻的减少的摩尔体积提供所述致冷剂；
然后，使所述致冷剂从所述第一致冷剂产生器流出，以热连通所述致冷剂和所述物体，而在热连通所述致冷剂和所述物体期间，所述致冷剂的压力大于所述特定压力数值；
然后，于第二致冷剂产生器内提高所述致冷剂的压力至所述特定压力数值之上；
然后，使所述致冷剂从所述第二致冷剂产生器流出，热连通所述致冷剂和所述物体，而在热连通所述致冷剂和所述物体期间，所述致冷剂的压力大于所述特定压力数值；以及
然后，重新补充所述第一致冷剂产生器内的致冷剂。

42.   如权利要求41所述的方法，其中使所述致冷剂从所述第一或第二致冷剂产生器流出的步骤包括使所述致冷剂流经与液体致冷剂的浴热连通的导管，以降低所述致冷剂的温度。

43.   如权利要求42所述的方法，其中：
所述致冷剂和所述液体致冷剂的浴是化学上相同的；以及
重新补充所述第一致冷剂产生器的步骤包括从所述液体致冷剂的浴重新补充致冷剂。

44.   如权利要求42所述的方法，其中所述致冷剂和所述液体致冷剂的浴选自以下组中：N2、SF6、N2O、He和CO2。

45.   如权利要求41所述的方法，其中于所述第一和第二致冷剂产生器内提高所述致冷剂的压力至所述特定压力数值之上的步骤包括提高所述致冷剂的压力至接近其临界点压力。

46.   如权利要求41所述的方法，其中于所述第一和第二致冷剂产生器内提高所述致冷剂的压力至所述特定压力数值之上的步骤包括在绝热罐内进行加热至少直至达到所述绝热罐内的预定压力。

47.   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系统，该系统包括：
用于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的装置；以及
用于随后在一条热动力学路径上热连通所述致冷剂和所述物体以使所述致冷剂的温度增加的装置，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压力大于所述特定压力数值。

48.   如权利要求47所述的系统，其进一步包括从所述致冷剂和所述物体的热连通中除去所述致冷剂以后，用于降低所述致冷剂的压力至环境压力的装置。

49.   如权利要求47所述的系统，其进一步包括在提高位于其临界点温度之上的所述致冷剂的压力以后且在热连通所述致冷剂和所述物体以前，用于无需降低所述致冷剂的压力至其临界点压力之下而降低所述致冷剂的温度的装置。

50.   如权利要求49所述的系统，其中所述用于降低所述致冷剂的温度的装置包括用于热连通所述致冷剂和温度低于所述致冷剂的温度的第二液体致冷剂的装置。

51.   如权利要求47所述的系统，其中所述用于提高所述致冷剂的压力的装置包括在一个绝热容器内进行加热直至达到所述绝热容器内的预定压力的装置。

说明书低温冷却的方法和系统
相关申请的交叉引用
本申请是由Peter J.Littrup等人于2004年1月14日递交的名称为“冷冻疗法系统”的第10/757,769号美国申请的部分继续申请；该申请正式要求享受由Peter Littrup等人于2003年1月15日递交的名称为“冷冻治疗系统”的第60/440,662号美国临时申请的申请日，将这两件申请所公开的全部内容合并在本申请内作为所有用途的参考，包括附录。本申请还是由Peter J.Littrup等人于2004年1月14日递交的名称为“冷冻疗法探针”的第10/757,768号美国申请的部分继续申请；该申请正式要求享受由Peter Littrup等人于2003年1月15日递交的名称为“冷冻治疗探针”的第60/440,541号美国临时申请的申请日，将其所公开的全部内容合并在本申请内作为所有用途的参考，包括附录。
技术领域
本申请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“致冷剂”，进行冷却的过程，其可以采取冷冻或简单急冷系统或物料的方式。
背景技术
有许多医疗和非医疗的应用都需要提供有效的冷却过程。任何冷却过程都可被视为涉及以下四个除去热负荷的基本过程当中的一个或多个：蒸发、传导、辐射和对流。低温冷却技术中的一个难题源自蒸发过程，而这可以利用一条小的通道里的冷却过程加以说明。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；该体积膨胀的程度为200倍。在一个小直径的系统中，该膨胀的程度通常会导致在本领域中称为“气阻”的现象。该现象由例如通常是低温探针的直径细小的管道中致冷剂的流动加以例证。形成相对大体积的膨胀气体，然后其阻碍液体致冷剂的流动。用以避免气阻的传统技术包括限制管道的直径，要求其足够大以容纳导致气阻的蒸发作用。其他复杂的低温探针和管道配置都用以“排出”沿着传送管道产生的N2。这些设计也限制了成本效益和探针直径。
因此，本领域通常需要用于低温冷却的改进的方法和系统。
发明内容
因此，本发明的实施方案提供了用于冷却物体的方法和系统。所述方法和系统通过沿着不越过致冷剂的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。在一些实施方案中，这是通过保持致冷剂的压力接近或大于其临界点压力而实现的。在许多实施方案中，致冷剂包括氮气(N2)，但是在其他的实施方案中可以使用其他致冷剂。
第一组实施方案提供了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。使该致冷剂的压力提高至其临界点压力之上。随后，使该致冷剂与该物体沿着热动力学路径热连通，以提高该致冷剂的温度，而在该致冷剂与该物体热连通期间，该热动力学路径保持压力大于所述临界点压力。
在某些情况下，所述热动力学路径可以增加所述致冷剂的温度至环境温度。从所述致冷剂与所述物体的热连通除去该致冷剂以后，该致冷剂的压力可以降低至环境压力。在某些实施方案中，在提高位于其临界点温度之上的所述致冷剂的压力以后且在该致冷剂与所述物体热连通以前，无需降低该致冷剂的压力至其临界点压力之下即可降低该致冷剂的温度。例如，可以通过所述致冷剂与温度低于该致冷剂温度的第二液体致冷剂进行热连通，而使该致冷剂的温度降低。所述致冷剂与第二致冷剂可以是化学上相同的，而该第二液体致冷剂可以基本上处于环境压力下。在一个实施方案中，在降低所述致冷剂的温度时，该致冷剂的压力基本上不变。
若所述致冷剂的压力升高至其临界点压力之上，则该致冷剂的压力可以升高至接近或约等于其临界点压力。并且，若所述致冷剂的压力升高至其临界点压力之上，则该致冷剂的温度接近于其临界点温度。在一个实施方案中，所述致冷剂的温度在其临界点温度±10％的范围内。在一个实施方案中，通过将所述致冷剂放置在绝热罐内，并在该罐内加热至少直至达到该罐内的预定压力，该致冷剂的压力可以升高至其临界点压力之上。
在第二组实施方案中，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另一种方法。该致冷剂的压力升高至其临界点压力的0.8至1.2倍之间，且该致冷剂的温度在其临界点温度±10％内。然后，该致冷剂的温度下降而无需降低压力至其临界点压力的0.8倍之下。随后，该致冷剂与该物体沿着热动力学路径热连通，以提高该致冷剂的温度至环境温度，而在该致冷剂与该物体热连通期间，该热动力学路径保持压力大于临界点压力的0.8倍。随后将该致冷剂从该致冷剂与该物体的热连通除去，并且该致冷剂的压力降低至环境压力。
在第三组实施方案中，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另一种方法。该致冷剂的压力升高至接近其临界点压力。随后，该致冷剂与该物体沿着热动力学路径热连通，以提高该致冷剂的温度，而在该致冷剂与该物体热连通期间，该热动力学路径保持压力接近临界点压力。通过使所述致冷剂的压力升高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该致冷剂，其中所述热动力学路径保持该压力大于该特定压力数值，则该压力可以升高至接近临界点压力。在某些情况下，所述特定压力数值在所述临界点压力的0.8至1.2倍之间。
在第四组实施方案中，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系统。致冷剂产生器适用于提高该致冷剂的压力。一个阀门位于该致冷剂产生器的出口处，当该致冷剂的压力超过该致冷剂产生器内的预定压力时，该阀门适用于释放该致冷剂流。该预定压力大于特定压力数值，从而以防止气阻的减少的摩尔体积提供该致冷剂。还提供低温应用装置，其适用于与该物体热连通。一条导管连接该阀门与该低温应用装置，从而将致冷剂从该阀门输送至该低温应用装置。流量控制器用以调节通过该导管和该低温应用装置中的致冷剂流。当该应用装置与该物体沿着热动力学路径热连通时，该致冷剂的温度升高，而在该应用装置与该致冷剂热连通期间，该热动力学路径保持该致冷剂的压力大于该预定的压力。
所述致冷剂产生器可以包括一个具有用以容纳该致冷剂的内部容量的绝热罐和一个用以在该内部容量中加热的加热元件。在一个实施方案中，所述加热元件包括一个电阻加热元件。第二液体致冷剂的浴可以包围在所述阀门与所述低温应用装置之间的所述导管的一部分周围。在一个实施方案中，所述第二液体致冷剂的浴基本上处于环境压力下。在另一个实施方案中，所述致冷剂与所述第二致冷剂是化学上相同的。
在某些实施方案中，所述致冷剂产生器包括多个致冷剂产生器，所述阀门包括多个阀门。多个致冷剂产生器中的每一个均适用于提高所述致冷剂的压力。多个阀门中的每一个均位于该多个致冷剂产生器之一的出口处，且该阀门被配置成当该致冷剂的压力超过多个致冷剂产生器之一内的预定压力时释放该致冷剂流。所述导管被配置成提供在该多个阀门之一与所述低温应用装置之间的选择性连接。在某些实施方案中，所述系统还包括一个所述致冷剂的液体浴，其中所述多个致冷剂产生器置于该液体浴中。此外，所述系统还可包括多个热交换器，每个热交换器置于所述致冷剂的液体浴中，并且在所述多个致冷剂产生器之一和所述导管之间进行液体连通。此外，所述多个致冷剂产生器中的每一个还可以包括用以从所述致冷剂的液体浴接收致冷剂的入口。所述低温应用装置可以包括一个可拆卸的喷雾控制喷嘴，在某些情况下，该喷雾控制喷嘴可以包括一个适用于在使用低温应用装置时释放反射的致冷剂的出口。在一个实施方案中，所述系统还包括一个适用于测量所述物体的温度的测温装置。
在第五组实施方案中，提供一种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。在第一致冷剂产生器内该致冷剂的压力升高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该致冷剂。随后，该致冷剂从该第一致冷剂产生器流出，与该物体热连通，而在该致冷剂与该物体热连通期间，该致冷剂的压力大于该临界点压力。随后，于第二致冷剂产生器内该致冷剂的压力升高至该特定压力数值之上。随后，该致冷剂从该第二致冷剂产生器流出，与该物体热连通，而在该致冷剂与该物体热连通期间，该致冷剂的压力大于该特定压力数值。随后，重新补充该第一致冷剂产生器内的致冷剂。
在某些实施方案中，在致冷剂从所述第一或第二致冷剂产生器流出时，该致冷剂流经一条与用以降低该致冷剂的温度的液体浴热连通的导管。在一个实施方案中，所述致冷剂和致冷剂的液体浴是化学上相同的，其中从该致冷剂的液体浴重新补充所述第一致冷剂产生器内的致冷剂。在提高所述致冷剂的压力至所述第一和第二致冷剂产生器内的特定压力数值之上时，该压力可升高至接近其临界点压力。在一个实施方案中，在一个绝热罐内进行加热至少直至达到该绝热罐内的预定压力时，升高该压力。
附图说明
参照说明书的余下部分和附图可以进一步理解本发明的特性和优点，这些附图中所用的相同附图标记是指相同的组件。在某些情况下，子标记与附图标记相关并跟在连字符后以表示许多相似组件之一。当提到某个附图标记但没有特别写明已有的子标记时，就是指所有这些类似的组件。
图1A所示为典型的致冷剂相图；
图1B提供如何确定低温探针的最低操作压力的示意图；
图1C使用致冷剂相图以举例说明单流致冷剂冷却中气阻的产生；
图1D使用致冷剂相图以举例说明焦耳-汤姆生中用以避免产生气阻的冷却循环；
图2A所示为根据本发明的一个实施方案的低温冷却系统的示意图；
图2B使用致冷剂相图以举例说明本发明的一个实施方案中的低温冷却方法；
图3提供概括了图2A的冷却方法的特征的流程图；
图4所示为根据本发明的另一个实施方案的低温冷却系统的示意图；
图5所示为根据本发明的再一个实施方案的低温冷却系统的示意图；
图6所示为被配置成独立的手提式装置的低温系统的一个实施方案的图像；
图7A所示为另一个手提式实施方案，其使用可互换的针尖以控制接近临界的氮气作为针尖式喷雾或作为更加平均地散布的不同直径的圆形覆盖区域；
图7B所示为使用圆锥形针尖与间隙开孔针相结合的肿瘤表面处理的方法，以及使用多点电阻测温阵列的更深层监测的方法；以及
图8提供不同的低温冷却过程的冷却功率的比较图。
具体实施方式
本发明的实施方案使用了利用致冷剂进行冷却而不会遇到气阻现象的热动力学过程。从以下的叙述可以清楚得知本发明的不同实施方案所提供的其他不同的好处和优点。
本申请使用相图以举例说明和比较不同的热动力学过程。这些相图在本领域内是众所周知的，而图1A提供了致冷剂的一个典型实例。相图的两轴对应于压力P和温度T，并且包括一条描绘了液态和气态共存的所有(P，T)点的轨迹的相线102。当(P，T)值位于该相线102左侧时，致冷剂呈液态，通常达到更高的压力和更低的温度，而位于该相线102右侧的(P，T)值确定了致冷剂呈气态的范围，通常达到更低的压力和更高的温度。该相线102突然终止于称为临界点104的一点。在氮气N2的情况下，该临界点是Pc＝33.94巴，Tc＝-147.15℃。
在压力逐渐增加过程中流体同时存在液相和气相时，系统沿着液气相线102向上移动。在N2的情况下，低压下的液相的密度比气相密度大最多二百倍。压力的持续增加导致液体密度降低，而气相密度增加，直至它们仅在临界点104处恰好相等。在临界点104处液态和气态之间的区别消失。因此，通过临界点周围的条件避免在液态致冷剂之前由气体膨胀阻碍其向前流动，在此定义为“接近临界的条件”。允许更大地偏离临界点同时维持功能性流动的因素包括更快的致冷剂流速、更大的流动管腔直径和更低的换热器或低温探针针尖上的热负荷。
当从下方接近临界点时，气相密度增加，而液相密度降低，直至恰好位于临界点上，此时这两相密度恰好相等。在临界点上方，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华状态方程：
(p+3v2)(3v-1)=8t]]>[等式1]，
其中p≡P/Pc，v≡V/Vc，而t＝T/Tc，Pc、Vc和Tc分别是临界压力、临界摩尔体积和临界温度。变量v、p和t通常分别称作“减少的摩尔体积”、“减少的压力”和“减少的温度”。因此，当任何两种物质具有相等的p、v和t数值时，它们处于接近其临界点的相同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 PhaseTransitions and Critical Phenomena(Oxford Science Publications，1971)更加完整地对此进行说明，在此并入其所公开的全部内容作为所有目的的参考。重新排列等式1得到以下的v作为p和t的函数的表达式：
pv3-(p+8t)v2+9v-3＝0           [等式2]。
因此，流体的减少的摩尔体积v可被看成仅为减少的温度t和减少的压力p的精确函数。
在本发明的实施方案中，通常减少的压力p固定于接近1的恒定值，因此处于接近临界压力的固定的物理压力下，同时减少的温度t随着施加在针上的热负荷而改变。若减少的压力p是由系统操作所设定的常数，则减少的摩尔体积v是减少的温度t的精确函数。在本发明的实施方案中，可以调节针的操作压力p，从而在针的温度t改变时，v保持在气阻条件会出现的一些最大值以下。通常优选保持p于最小值，因为升高压力以达到p的更高数值可能需要使用更复杂且更昂贵的压缩器，导致整个针支持系统的采购和保养更加昂贵，整体的插座效率更低。此处所用的“插座效率”是指针的总冷却功率除以由线路所得的用以操作系统的功率。
需要施加于v的条件以复杂且非解析的方式取决于体积流速dV/dt、液相和气相的热容量，和液态和气态两者的运输特性，例如热导率、粘度等。该精确关系不能用封闭式代数推导出来，但可以在数值上通过对描述针内的质量和热转输的模型方程进行积分来确定。概念上，当针的加热速率产生气相，并与气体流速乘以其热容量再除以其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率时，便会产生气阻。当发生该情况的时候，形成越来越多的气相，以通过致冷剂流内液相转化成气相而吸收过量的热量。这导致液相转化成气相而充满针的失控条件，而所有致冷剂流都由于导致该气相的大的压力而实际上停止流动，因为进入针的热流迅速增加其压力和温度。该条件被称为“气阻”。因为液相和气相的摩尔体积相等，因此位于临界点的冷却功率相等，所以位于临界点或其上的冷却系统不会发生气阻。但是略低于临界点的条件也可以避免针发生气阻。对应于最小可接受的气相密度的最小可接受的摩尔体积、针的尺寸、流速以及气相和液相的热物理性质之间的关系是由清楚复杂的非线性系统得出的。v值可以有多大以及因此p值可以有多小从而可靠地防止气阻，可以通过实验加以确定，如图1B中的数据所示。
图1B显示了如何通过实验确定操作压力P的最小值，和因此确定减少的压力p的最小值。上图中较高的曲线代表针内氮气的压力，而上图中的底部曲线显示了产生的流经探针的质量流速，单位是每秒流经针的标准升。下图显示了与上图同一时间的针尖温度。记录这些数据时，将6.6瓦的热负荷施加至针尖。例如，在操作压力为12.6巴和22巴时，气阻条件在该等级的热负荷和流速下出现，证据是当该流被暂时中断然后恢复时，针尖的温度不能恢复其低温值。但在28.5巴的压力下，流中断后，针尖的温度可靠地恢复其低温值。流经针的质量流速趋向于下降，这表示非常接近但仍略低于能够可靠且连续地运行而没有气阻的最小可接受的压力。在该举例说明的实施方案中，这些数据建议最小可接受的操作压力是大约29巴。因此，在此实施方案中，真空夹套针配备22厘米长的细管，其流入细管直径为0.020厘米和流出细管直径为0.030厘米，在此热负荷和流速下，典型的最小操作压力是29巴。这对应于最小p值＝29巴/33.9巴＝0.85。因此，在该举例说明的实施方案中，“接近临界”对应于不低于临界压力的85％的压力。
更普遍地，在此所述的“接近临界”的压力是指超过被确定用以满足上述条件的最小压力的压力。具体而言，当p的最小值例如以所述实验步骤加以确定之后，“接近临界”的压力范围包含所有等于或大于该确定的最小压力的p＝P/Pc数值。任何p＞1的超临界压力通常都是可以接受的，以防止气阻，本发明的发明人发现实际上可用的又不会引起气阻条件的p的最小值可以更低，并且使用该更低的数值可以有利地提高系统的效能和简单性。
参考图1C可以理解在一个单流致冷剂冷却系统中气阻的出现，其中出于示例性的目的，N2相图中液气相线106终止于临界点108。通过压缩液态致冷剂和强迫它流经低温探针而实施该单流的冷却过程。一些预冷却可以用于迫使液相的致冷剂通过低温探针的入口110从相图中的指示点流至致冷剂蒸发而提供蒸发冷却的区域。迫使致冷剂从入口110流至出口114所采取的热动力学路径116与液气相线106相交于发生蒸发的点112。因为蒸发发生于沿着液气相线106而远低于临界点108的点上，密度更高的液体蒸发而变成其气态相，流的体积突然膨胀，从而形成气阻。
另一种防止气阻但较复杂的致冷剂冷却技术利用焦耳-汤姆生效应。当气体被压缩时，它的焓减少，减少的幅度随压力而变化。当该气体之后经过一个小阀口(称为“JT阀口”或“节流阀”)膨胀至更低的压力时，温度会降低，而产生的冷却是压缩时焓的减少的函数。当一个热交换器被配备于压缩器和膨胀阀门之间时，可以逐渐达到更低的温度。在一些情况下，即使利用氩(Ar)可以达到更低的温度，焦耳-汤姆生冷却使用更便宜的气体，如CO2或N2O。除了其成本更高以外，使用氩还会面临更高的风险，但在一些应用场合中，两者都是合理的，因为可以快速开始和终止冷冻。
因此，相对于单流的致冷剂冷却，图1D中的相图所示的焦耳-汤姆生冷却过程使用了一个完全不同的冷却循环。所示冷却循环被叠加在N2相图上作为一个特殊的实例，其中N2的液气相线122终止于其临界点128。开始时在相图的点130上，在非常大的压力和正常环境(室内)温度下提供氮气。通常该压力约为400巴，即大于临界点128的压力的十倍。N2在低温探针内沿着热动力学路径124流动，直至其到达相图上的点132的JT膨胀阀口。N2在JT阀口突然膨胀，其压力急剧降低，在JT射流142中于相图中向下流动。该急速膨胀导致射流142中的下游N2被部分液化，从而使得在JT射流142处膨胀之后，液化的N2与其气相处于热平衡。因此，氮气位于相图中的点134处，即略高于环境压力的液气相线106上，因此远低于临界点128。氮气在沿着可用于冷却的热动力学路径126的气体回流中被加热，然后可能在回到控制台的途中，通过出口140被排放至环境条件。值得注意的是，焦耳-汤姆生冷却不会接近液气系统的临界点，而且其主要使用蒸发流的冷却。
焦耳-汤姆生冷却中经冷却的气体流通常沿着入口高压供应管的一侧被送回。该逆流的低压回流气体有利地冷却进入的尚未膨胀的高压气体。位于气流之间的该热交换器144的效果在该相图中很明显，因为高压气流被逆流热交换器冷却而阻碍其流动从而降低沿着入口管至JT阀口(热动力学路径124)的压力。类似的，冷且低压的氮气通过逆流热交换器144冷却进入的高压流，使回流(热动力学路径126)的压力小幅降低。逆流热交换器144的作用有助于提高焦耳-汤姆生冷却的效果，但尝试将低温探针的直径变得更小却限制了该效果。当低温探针变小时，对于典型的体积流速和直径约为1.5毫米的探针设计而言，气体回流速度变大，最终达到音速。当探针进一步缩小时，焦耳-汤姆生冷却过程也会继续失去效果，直至不再产生冷却功率的位置。因此，即使可以合理的成本可靠地构造直径小于1.2毫米的探针，它们也受其运行至最小冷却容量点的物理特性的严重限制。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，主要因为逆流热交换器的制造和组装成本。
本发明的实施方案通过运行于避免任何跨越液气相线的致冷剂压力温度的规则，而避免气阻的发生，并使减小的探针尺寸成为可能。在特别的实施方案中，通过在致冷剂临界点附近的操作而实现低温冷却。当在该区域内操作时，热量从周围环境流入接近临界的致冷剂，因为临界点温度(例如，在N2情况下是-147℃)明显低于周围环境的温度。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的接近临界的致冷剂的流动而被排除。本发明的范围有意包括运行于任何压力大于临界点压力的规则，但冷却的效率随着压力升高至临界点压力之上而趋向于降低。这是因为用于达到更高的操作压力的流而增加能量需求。
图2A提供了一个实施方案中的低温系统的结构排列示意图；图2B提供了一个相图，其展示了当图2A的系统运行时，致冷剂所采取的热动力学路径。这两幅图中所圈注的标记互相对应，所以图2A中指向一个达到沿着该热动力学路径的工作点的物理位置。因此以下的叙述在描述冷却流程的物理和热动力学方面有时会同时参照图2A的结构图和图2B的相图。为了展示的目的，图2A和图2B都特别地指氮致冷剂的情况，但这并不用于限制。本发明可以更普遍地使用任何合适的致冷剂，如本领域技术人员所能理解那样；仅以举例的方式，其他可以使用的致冷剂包括氩、氦、氢和氧。在图2B中，液气相线用附图标记256标明，而致冷剂所遵循的热动力学路径用附图标记258标明。
致冷剂产生器246用于在其出口处以超过致冷剂临界点压力Pc的压力供应该致冷剂，这在图2A和图2B中用①来表示。该冷却循环通常可以在该相图中任何大于或稍微低于Pc的压力的点处开始，虽然该压力优选接近于临界点压力Pc。此处所述过程的冷却效率在初始压力接近临界点压力Pc时通常更高，因此在更高压力下为了达到所需的流可能需要提高的能量。所以，实施方案有时会引入不同的更高的压力上限，但通常在临界点附近开始，例如在Pc的0.8至1.2倍之间；而在一个实施方案中，约为Pc的0.85倍。不同的实施方案中的初始致冷剂压力可以大于临界点压力的约0.8倍，但小于Pc的5.0倍，小于Pc的2.0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，在几个实施方案中，致冷剂的初始温度优选等于或接近临界点温度Tc，从而在不同的实施方案中，初始温度是Tc±50℃、Tc±25℃、Tc±10℃、Tc±5℃、Tc±1℃、Tc±0.1℃或基本上等于Tc。
该致冷剂在管中流动，该管至少有一部分被该液态致冷剂的储液罐240所包围，从而降低其温度而无需明显改变其压力。在图2A中，储液罐用液体N2表示，而该储液罐240内具有热交换器242以从流动的致冷剂中提取热量。在储液罐240外部，绝热材料220可以包围在该管周围以防止从致冷剂产生器246流出的致冷剂意外的升温。在点②处，通过与液体致冷剂进行热接触而被冷却之后，致冷剂的温度更低，但基本上处于初始压力下。在某些情况下，压力可以改变，如图2B中所示压力稍微降低，前提是压力不会明显地降至临界点压力Pc以下，即不会降至确定的最小压力以下。在图2B所示的实例中，由于流经液体致冷剂而导致的温度下降约为47℃。
然后，将该致冷剂提供给用于低温应用的装置。在图2A中所示的示例性实施方案中，该致冷剂被供应至低温探针224的入口236，例如用于医疗低温应用中，但这不是必需的。在将致冷剂供应至该装置时的点处，如图2A和图2B中的标记③所示，致冷剂的压力和/或温度会随着其流经与该装置的接口而稍微变化，例如图2A中的由管供应至低温探针的入口236时。这些变化可以典型地显示出温度的略微上升和压力的略微下降。在致冷剂的压力保持在确定的最小压力(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，因为致冷剂简单地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至这些针的接近临界的冷冻能力的支持系统的绝热材料，可以使用优于百万分之一个大气压的真空。该真空可能无法仅通过传统的二级低压真空泵实现。一个实施方案中的经皮的冷冻疗法系统因此引入一种简化的吸收式抽气方法而不使用昂贵且需要频繁保养的高真空泵，例如扩散泵或涡轮分子泵。这可以在木炭的内部系统储存器上实现，或者在每个单独的可丢弃的探针内制造。
该系统的实施方案引入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流的液氮浴也用于冷却小体积的干净木炭。木炭的巨大表面积使其可以吸收绝大多数残余的气体分子，从而在其体积内降低环境压力至用于使针杆和相关的支持硬件绝热的真空以下。该含有冷木炭的体积通过小直径的管连接至隔绝接近临界的致冷剂流朝向针的空间。取决于各种临床用途的系统设计要求，木炭可以引入图2A所示的液体冷却剂的冷却储液罐240中，或者成为低温探针224的一部分，靠近接近入口236的延伸软管的连接。附件可以通过装配到位于真空衬套的针的外杆以及运送接近临界的致冷剂并与周围组织绝热的内部毛细管之间的真空空间的热收缩卡口来实现。以此方式，该系统的可伸缩性从简单的设计结构延伸，因此木炭真空的概念可以运用到更小的储液罐从而可以更方便地抽真空。选择性地，优选多探针系统可以单独将小木炭包引入各个低温探针，接近于延伸软管/低温探针与机器界面236的结合处，从而使每支软管和低温探针都具有各自的真空，而进一步降低制造成本。
在示例性的实施方案中，致冷剂从致冷剂产生器246通过低温探针224或其他装置的流动是由包括瓣阀216、流阻以及流量控制器的装配加以控制的。低温探针224本身可以包括沿着其长度的真空夹套232，可具有用于低温应用的冷尖228。不同于焦耳-汤姆生探针中位于针尖的工作致冷剂压力的显著变化，本发明的这些实施方案中整个探针的压力变化相对较小。因此，在点④处，致冷剂的温度已经上升至大约环境温度，但压力仍维持在提高的水平。通过在整个过程中保持压力大于临界点压力Pc，液气相线256不会与热动力学路径258相交，从而避免气阻。致冷剂在流经通常远离低温探针224的流动控制器208之前，于点⑤处回到环境压力。然后，致冷剂可以通过出口204基本上以环境条件被排出。
在一个实施方案中用于冷却的方法中，致冷剂沿着图2B所示热动力学路径移动，该方法用图3的流程图表示。在方块310处，致冷剂产生时的压力超过临界点压力，接近临界点温度。产生的致冷剂的温度通过与较低温度的物体进行热交换而在方块314处降低。在某些情况下，这可以通过与环境压力下的液态致冷剂进行热交换而方便地实施，虽然在不同实施方案中的其他条件下可以实施热交换。例如，在某些实施方案中，可以使用不同的致冷剂，例如在工作液体是氩时，提供与液氮的热交换。同时，在其他可选择的实施方案中，可以与压力不同于环境压力的致冷剂进行热交换，例如提供更低压力的致冷剂以产生更低的环境温度。
将其他经冷却的致冷剂在方块318处提供至低温应用装置，其可以用于方块322处的冷却用途。取决于物体是否由该冷却应用而被冷冻，该冷却应用可以包括急冷和/或冷冻。致冷剂的温度由于致冷剂的使用而上升，经加热的致冷剂流至方块326处的控制台。存在一些变化，但是致冷剂的压力从方块310至326通常都会保持在高于临界点压力；致冷剂的热动力学特性在这些阶段的基本变化是其温度。在方块330处，经加热的致冷剂的压力可以允许降至环境压力，从而可在方块334处被排出或循环。在其他的实施方案中，方块326处剩余的经增压的致冷剂也可沿着一条路径回到方块310处以循环，而不是在环境压力下被排出。
有许多不同的设计可用于使致冷剂产生器246提供压力高于临界点压力的致冷剂，或者满足接近临界的流动条件以提供在接近其临界点的压力和温度下的基本上未受干扰的致冷剂流。在描述这些设计的实例中，再次出于示例性的目的讨论氮，但应理解选择性的致冷剂也可用在不同的选择性的实施方案中。图4提供在一个实施方案中用于致冷剂产生器的结构的示意图。绝热罐416具有可以打开以用环境液体致冷剂装填该罐416的入口阀408。电阻加热元件420设置在该罐416内，例如在该罐416的底部，在入口阀关闭时用于加热致冷剂。施加热量，直至达到需要的操作点，即超过接近临界流动条件的压力。瓣阀404连接至罐416的出口，并且在期望的压力下开启。例如，在一个使用氮作为致冷剂的实施方案中，该瓣阀404可以在约33.9巴的压力下打开，约比临界点压力大1巴。一旦瓣阀404打开，则将致冷剂流提供给系统，如结合图2A和图2B所述。
还可以根据安全工程实践提供防爆片412以调和可能产生的致冷剂高压。安全组件的范围也可部分地取决于待使用的致冷剂，因为它们具有不同的临界点。在某些情况下，可以在它们达到该罐416的设计极限以发生失控过程之前，安装更多的防爆片和/或止回阀以释放压力。
在致冷剂产生器的典型运行期间，电子反馈控制器保持通过该电阻加热器420的电流至足以产生进入系统的高压致冷剂的期望流速的水平。该流出系统的致冷剂实际流量可由该流路径末端处的机械式流量控制器208加以控制，如图2A所示。当进口阀408关闭时，达到该期望的致冷剂压力所需的热能的量通常是恒定的。然后，可以调节该电阻加热器420所消耗的功率以保持对该机械式流量控制器208的正向控制。在一个选择性的实施方案中，该机械式流量控制器208被致冷剂产生器的加热控制器代替。在该实施方案中，当瓣阀404打开且高压致冷剂输送至系统的其他部分时，反馈控制器通过该电阻加热器连续地调节电流，以保持流出该系统的气体致冷剂的期望的流速。因此，该反馈控制器可包括计算单元，其与加热器电流供应和流量控制器相连接。
在另一个实施方案中，可将多个致冷剂产生器用于在特定的应用中增加流量。图5展示了该实施方案，其中该实施方案使用两个致冷剂产生器512，虽然在其他实施方案中显然也可使用更多的致冷剂产生器。将该多个致冷剂产生器512安装于包含环境压力下的致冷剂516的处于环境压力下的致冷剂的杜瓦瓶502内。将由致冷剂产生器512产生的接近临界的致冷剂提供至与图2A的热交换器242以同样方式冷却该致冷剂的热交换器508。与每个致冷剂产生器512相关的瓣阀504容许该高压的局部冷却(即临界温度以下的冷却)的致冷剂沿着管420提供至致冷剂应用装置。
在一个特定的实施方案中，每个致冷剂产生器通常是圆柱形的，其内部直径约为30厘米，内部高度约为1.5厘米，以提供约为1升的内部容量。这些致冷剂产生器可以方便地堆叠起来，如图4所示，其中每个致冷剂产生器均具有各自独立的绝热夹套和内部加热器。围绕该堆叠的致冷剂产生器的外径可以缠绕一卷管道，其中来自每个致冷剂产生器的高压致冷剂输出流分别流经止回阀，然后进入缠绕管状的热交换器的入口侧。该缠绕的热交换器的出口优选可被真空夹套，或者被隔绝以避免高压致冷剂在其流向待冷却的物体时被加热。该堆叠的致冷剂产生器和外部缠绕的热交换器可被装配朝向液态致冷剂杜瓦瓶的底部，例如可容纳约40升液氮的标准杜瓦瓶。该杜瓦瓶还可配备方便的机制，用以将液体致冷剂注满杜瓦瓶和用于从杜瓦瓶排出蒸发气体。在某些情况下，该液体致冷剂保持于或接近环境压力，但也可选择性地在不同的压力下提供。例如，可以更低的压力提供该液体致冷剂，以产生更冷的液体致冷剂浴环境温度。例如在液氮的情况下，该压力可以下降至约98托，以提供于约为63K的液氮冰点温度下的致冷剂。该实施方案具有提供甚至更低温度的优点，但是操作低于环境压力的液体致冷剂杜瓦瓶会增加额外的工程复杂性。
可有利地配置多个致冷剂产生器的实施方案的操作，以对低温装置基本上连续地供应高压致冷剂。该环境液体致冷剂516用于供应耗尽的致冷剂产生器512，其中该耗尽的致冷剂产生器512被再次注满，致冷剂产生器512中的另一个用以提供高压的或接近临界的致冷剂。因此，图5中具有两个致冷剂产生器的实例显示了处于操作状态的致冷剂产生器，其中第一致冷剂产生器512-1被耗尽，其进口阀被打开以提供流520，从而用环境液体致冷剂516再次注满。同时，第二致冷剂产生器512-2中的液体致冷剂以所述方式进行加热，从而使该致冷剂通过其出口瓣阀504作为接近临界的致冷剂进行输送。当该第二致冷剂产生器512-2变空时，该第一致冷剂产生器512-1的注入阀被关闭，而其加热器以全功率运行，使其通过其止回阀供应接近临界的致冷剂。该第二致冷剂产生器512-2的进口阀被打开而使其可被再次注满；因此，两个致冷剂产生器512以图5所示的方式交换角色。
两个致冷剂产生器512以此方式异相操作，直至整个杜瓦瓶502中的环境液体致冷剂被耗尽，前提是基本上连续地提供接近临界的致冷剂流至低温应用装置。因此，该系统可有利地升级以符合几乎任何预期的应用。例如，在由总冷却时间和致冷剂被消耗的速率所确定的应用中，可以提供适当尺寸的杜瓦瓶以适应该应用。下面可以注意到，接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致冷剂，以及按比例缩放接近临界的致冷剂产生器至特定的应用需要所规定的总冷冻时间要求。例如，本发明的发明人计算了在医疗低温冷冻应用中可以使用每支每小时消耗约2升的环境液氮的接近临界的低温探针。
与结合大型罐的基于JT的装置相比，使用多支探针的致冷剂消耗提供了一个接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明显更小。特别的，本发明的发明人所收集的测试数据建议使用接近临界的液氮，1.6毫米的低温探针产生直径为4厘米的明胶状的冰球，类似于目前基于JT的2.4毫米的氩气低温探针。基于发明人所实施的测试，相信10支使用接近临界的液氮的低温探针可以产生的冷冻体积可与不低于6支基于JT的氩气低温探针相比较。这清楚地表明，对目前接受的最多每日3个病例的前列腺使用年龄的适当系统内容。目前的2.4毫米低温探针利用最多40PSI/分钟，因此每支探针从单一的注满氩的罐中产生不多于80分钟的总冷冻时间(即在6000PSI的注满氩的罐内不多于3200PSI的可用压力)。因此，对于每个前列腺病例，通常至少使用两个上述的氩气罐(最多160分钟)，而通常至少需要使用6支2.4毫米的低温探针，操作两个独立的冷冻循环，第一个通常为15分钟，而第二个通常为10分钟(即(6×15)+(6×10)＝150探针-分钟总冷冻时间)。此外，对于每个前列腺病例，还使用含有2000PSI的氦气罐，该罐与氩气罐的大小及重量相近。将80千克(175磅)、0.38m3的Endocare系统箱(即尺寸＝125×48×64cm3)与9个罐(每个病例3个)相结合后，其中每个罐182千克(总重1638千克)且0.062m3(总尺寸为π×12cm2×137cm×9＝0.56m3)，总系统在0.94m3的体积内重达1718千克(即3780磅或1.9吨)。
对于接近临界的液氮系统，即使同时使用10支低温探针75分钟(即每个病例25分钟)，仍可被25升的杜瓦瓶容纳(10支探针×2升/(探针小时)×1.25小时)。该25升杜瓦瓶直径约为30厘米，高度为1米(即外部体积为0.07m3，隔绝的内部储罐的直径为20厘米，0.75米高，容量是25升)。该注满的杜瓦瓶重达40千克(即20千克的杜瓦瓶重量+20千克的25升密度为0.81克/cm3的液氮)，并且至少一部分可以装在相对较空的Endocare箱内。因此，本发明的实施方案所提供的独立式接近临界的系统可以轻于120千克(即80千克的盒子+40千克装满的杜瓦瓶)，并占据小于0.40cm3的空间(即0.37+0.07/2cm3)。因此，下列的比例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。对于手提式的实施方案，长度约为25厘米，直径为50厘米，并包含100毫升的液氮，其可以不同的皮肤病学速率或有限的间隙冷冻时间运行：
  种类  总冷冻时间  (分钟)  重量  (千克)  体积  (立方米)  病例 罐  JT-氩  25  626  0.56  1前列腺 2氩+1氦  JT-氩  75  1718  0.94  3前列腺 2氩+1氦  NC-液氮  75  120  0.40  3前列腺 无  NC-液氮  5-20  1  0.0005  1个超声引导 单探针
总之，与目前的基于JT的系统相比，接近临界的液氮系统占用小于一半的诊疗空间，和轻一个量级的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由于存在地区成本的差异而变得复杂，但是要注意的是目前基于JT的系统成本包括平均约$200/病例的压缩气体的不可回收的成本。重量和空间需求的量化不考虑工作时间和医院人员必须移动、连接以及固定高压罐的安全性影响。
本发明的某些实施方案特别适合于低容量和短持续时间的低温应用，可以独立的手提式仪器的形式提供，如图6中的图片所示的实例。该集成的手提式仪器特别适用于相对简单的低温冷却的应用，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)。该仪器的构造基本上如图2A所述，其中的组件组成一个小的独立装置。具体而言，相对较小的致冷剂产生器604与小的环境液体致冷剂罐608和已装配的低温装置612相连。在图6所示的实例中，该低温装置是冷冻治疗装置，被永久地装配到仪器中，虽然其他类型的低温装置可用于不同的实施方案中。该独立的手提式仪器可在不同的实施方案中用作可丢弃的一次性仪器或者可以再次装填液体致冷剂。该致冷剂产生器604和环境液体致冷剂罐608被真空夹套，或者与其周围环境以及彼此之间绝热。为了方便显示，图6所示仪器的照片中略去了保持致冷剂产生器604和液体致冷剂罐608处于真空下的外部导管。
在应用时，提供开关以容许操作员控制致冷剂产生器中的小的加热器。当加热器启动时，接近临界的致冷剂流通过设定的流阻，该设定的流阻可以如上所述的方式根据特定的冷却目的加以定制。该接近临界的致冷剂可以持续流动直至仪器中的该致冷剂的储液罐被耗尽，然后该仪器可被丢弃或者再次装填供将来使用。在某些实施例中，例如冷却敏感的电子接收器时，该手提式装置可以通过自封闭的连接阀口与被冷却的物体相连接。这容许该待冷却的物体在使用之间从该可丢弃或可再装填的仪器分离出来。
该手提式仪器的实施方案可被视为本发明所容许的规模变化的连续体的一部分。具体而言，不仅存在提供足够的接近临界或高压致冷剂用于高容量的临床或其他用途的选择，还可以用于短持续时间和低容量的用途。在此连续体的全部范围中，非常小的尺寸，即小于1毫米的冷却装置的操作变得可能，因为其中没有气阻现象所表现出的障碍。例如，可以操作小尺寸装置的能力允许现实的配置，其中提供小的可再装填或可丢弃的液体致冷剂筒作为供应，除去了对大的不方便的低温系统的需要。例如，在医疗应用，如神经切除或镇痛治疗的临床设置中，内含液氮的小型桌上型杜瓦瓶可用于提供液氮以再次注满神经切除所需的多个液筒。根据在该临床设置中的典型容量，该桌上型杜瓦瓶可能需要每星期再装填一次以提供足够的液体，再次注满液筒用于当星期的使用。类似的好处可由工业设定中的本发明的实施方案加以实现，例如在短期冷却时需要使用可丢弃的筒。即使液筒具有完善的绝热和/或增压密封，一个小的改动也会为这些应用提供适当的排气预防措施，其中可能出现很少量的蒸发气体。因此，本发明的实施方案能够为很多类型的应用提供增加的低温冷却的选择范围。
另一个实施方案利用了接近临界的致冷剂的产生作为医疗(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)和非医疗的应用中的直接喷雾。目前的皮肤病学的液氮分配器取决于通过针孔喷嘴的液氮的自发沸腾，而缓慢且相对不精确地分配致冷剂，即通过该细小的孔有效地喷溅出。此外，无法精确地控制冷冻的边界，使皮肤损害更为广泛，使邻近的正常皮肤组织受到间接的损害。该喷溅式的输送也使液氮的施加接近于重要组织的位置，例如眼睛周围积聚的小脂肪，更危险且通常都避免。图7A显示了由电池驱动的小罐702，沿着该小罐702背面放置有小型电池704。电池704沿着电线706驱动电流至位于该小罐底部的线圈配置708。该小罐可装满液氮710，并替换盖子712。当该盖子712形成密封时，低功率的电流流至线圈708，以产生临界N2压力(例如大于600PSI)。此时该系统处于带电状态，可以使用，通过已校准的阀714排出过量的压力(例如大于700PSI)。当触发器716被拉动时，可变的功率控制718于喷雾期间启动更多的电力以加快临界N2的产生。拉动触发器716时还可手动释放被设置为当压力下降至600PSI以下时自动关闭的特别的压力阀720。以此方式，只有临界的N2通过该针尖机械被释放，才避免气阻和/或喷溅。为了得到精确但有力的喷雾，可以为医生提供容许精细控制的铅笔尖状的针尖722。
临界N2在直接的皮肤或者手术中的应用，可以通过使用开孔圆锥形针尖724加以进一步控制。例如，该针尖724可作为可丢弃的一次性用具(例如聚氨基甲酸酯)，以迅速地连接至喷嘴而取代铅笔尖状的针尖722。该圆锥的一个开放端可以使用几种可改变的尺寸，以容纳从很小至更大的病变组织(例如3、5、7、9、11、13、15毫米等)。在手术中，该圆锥针尖放置于病变组织上方，可以同时容纳外生性(例如皮赘)以及裂隙病变(例如老人斑)。该临界N2沿着中央传输管向下移动，同时反射的喷雾沿着圆锥的侧壁被排放得更高。以此方式，只有暴露于圆锥针尖下方的含有病变组织的皮肤/组织才会被处理，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展示了另一个实施方案，气孔针730可以作为分配端，而不是铅笔尖状的针尖722或者开孔的圆锥724。该针可以具有约1毫米的外部直径。临界N2可以在封闭端内由中轴732向下移动至膛736。对于皮肤病学/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。该针也许不需要绝热杆，因为它可以直接植入皮肤，或者手术中的肿瘤738，可以沿着其整个暴露的长度进行冷冻。
测温法也可以在皮肤的处理或者肿瘤的手术中发挥作用，以有助于彻底切除普通恶性病变。基底细胞癌的完全坏死已经知道需要极低的温度来进行，接近-160℃。因此，针尖测温阵列可直接放在肿瘤的下方，使用触觉或超声波引导。然后，就可以安全地进行冷冻，直至通过集中的直接喷射方法，间隙针尖放置，或者它们的组合来达到均匀的测温读数-160℃。高度受控的皮肤块肿瘤切除也可以使用桌上型多探针单元以实现冷冻过程的计算机控制。例如，位于肿瘤下方的测温阵列742允许对肿瘤内的间隙低温探针740进行直接反馈，从而在达到适当的细胞毒素低温时立即将其关闭。使用单独控制的直接喷射技术的医生还可以直接处理肿瘤的更多表面。
相对于单流的致冷剂冷却，或者焦耳-汤姆生冷却，本发明的实施方案提供了提高的冷却功率，即使在没有再循环过程时，也不需要多个高压的致冷剂的罐。图8显示了三种不同的冷却系统中每摩尔致冷剂的冷却功率的比较。顶部的曲线对应于此处所述的冷却循环，根据图2B使用N2作为致冷剂，底部的两点表示的是焦耳-汤姆生过程使用氩和氮作为致冷剂的冷却功率。焦耳-汤姆生结果显示了这些过程的最大值，因为它们是为了完美的逆流热交换而确定的；该热交换随着探针直径的减小而变得非常低效。
所示的结果表明，液氮的气阻可能在更低的压力下发生，但是在画圈区域804内则不会发生，因为此时该过程满足压力接近于氮的临界点压力33.94巴的接近临界的条件。如前所述，在接近临界的流动条件下可以避免气阻，虽然在压力接近临界点压力时该过程的效率提高。结果显示，根据本发明的实施方案的冷却循环的效率比理想化的焦耳-汤姆生循环要高5倍以上。由于使用大于临界点压力的压力的实施方案的效率不会因为探针尺寸的变化而显著变化，每克的冷却功率经常是焦耳-汤姆生循环的冷却功率的10倍以上。该更高的效率是由明显更少的排气流量，即1/5至1/10而证明的，因此该过程更加安静，破坏性更小，以及不需要笨重地更换多个罐。
因此，在介绍了几个实施例之后，本领域技术人员可以认识到，可以使用不同的改动、选择性的结构、等价物，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。