CN101828084A - 通过与液氮按剂量直接接触的超快食品冷冻设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超快冷冻设备，该设备通过施加足以对食品进行超快冷冻的液氮流量来冷冻容纳在用于销售的具有多个空腔的包装中的食品。液氮从大气压力下的真空隔离容器，通过重力穿过多个喷嘴分配至各个空腔的上表面的中心，在各空腔中形成短时浸渍。生成的氮气用于形成实际上无氧的气氛，足够冷以保持分配后的冷冻工艺。与其它冷冻工艺相比，该工艺减少了所需的液氮量以及工作人员、设备和用于安装和操作设备所需的物理空间，降低了相关成本。

Description

通过与液氮按剂量直接接触的超快食品冷冻设备

技术领域

本发明涉及食品冷冻工艺，具体说，涉及用液氮对限制在用于销售至最终消费者的容器中的食品进行操作以冷冻保存食品的冷冻设备。

背景技术

长时间保存食品有多个必须解决的问题。食品在环境温度下只能保存非常短的有限时间，而且通常即使在低温下也难以长时间保存食品。

要以相对较长的时间周期、尤其是在环境温度或有时在低温下保存食品，需要防止因生长的例如细菌、真菌等微生物引起的食品变质。食品中这种微生物的生长有赖于食品中存在的水以及例如保存温度、环境温度等条件。包括细菌在内的微生物的生长，在环境温度或更高温度下得到促进，使得食品变质速度在较高温度下加快，而在短时间内发生腐败。

因此，食品在低温下保存，以便微生物不易生长，并能控制微生物的繁殖和防止食品的变质。然而，在低温下保存食品，当冷冻或冰冻食品解冻时，食品又会产生新问题，如下所述。

目前，保存新鲜和未加工食品达一定时间而不引起变质的最佳选择是冷冻或冰冻食品并保存在冷却室中。

食品冷冻法是一种基于使食品中的水份凝固的保存方法。因此，必须将产品中的水份作为一个因素来考虑。冷冻潜热取决于水量。其它因素包括开始温度和结束温度，因为它们决定了从产品中引出的热量。在食品领域，冷冻定义为能够阻止细菌和酶反应破坏食品的极度冷却。

食品冷冻包括降低水温(显热)以及从液体向固体的进一步相变(潜热)，因为水是主要成分(50～90％)。食品中的水的冷冻比纯水复杂，因为有适应食品本身的以下物质存在：脂质、蛋白质、纤维、淀粉、糖份和水，它们能改变冷冻参数。

作为冷冻的第一步，一部分水的温度降低以达到冰点(0℃)，然后开始生成小冰核(“冷冻种子”)。冰开始在这种冰核周围形成，并且基于冷冻速度，冰晶可以是细长的、端部软化的、大的、小的，或者生成在细胞内部/外部。基于冷冻速度，可出现以下现象：

蛋白质变性：当产品冷冻较慢时，或者保存期间温度发生波动，生成的冰晶在生长时从蛋白质中汲出水份，使蛋白质变得紊乱而且不能在解冻时回收水份，因此失去的水份带走了水溶性养分。该过程改变了食品组织，引起硬化并降低溶解度和营养值。

淀粉收缩：淀粉由称作直链淀粉的葡萄糖直链和称作支链淀粉的复杂支链结构形成。淀粉颗粒在冷悬浮体中易于胀大，保持水份，并且当达到一定温度时，它们转变为胶凝状态，使液体变稠。当该凝胶熟化(rest)时，直链淀粉的直链发生聚集，如同结晶一样，释放出先前保持在其组织中的水份。因此，容易在直链淀粉率极低的食品中选取淀粉。例如，大米的直链淀粉率为16％，玉米的为24％，高粱和木薯没有直链淀粉。

脂质收缩：固态脂质称作脂肪，而液态脂质称作油类。从固体到液体的状态变化取决于脂质的熔点。如果食品被冷冻，则油类发生凝固，并能发生收缩。

水份含量低的食品具有较低的初始冰点，因为蒸汽压因溶质而降低。无法冷冻全部水份含量，因为只有所谓的自由水份(约75％)在该工艺中被冷冻。

冷冻类型：

·空气法：冷空气流从产品带走热量，直到达到最终温度。

·接触法：与产品接触的冷表面带走热量。

·低温法：用氮或二氧化碳等低温流体来代替冷空气以达到冷冻效果。

冷冻效果：

干燥：动物全重的近80％为水份，而植物则更多。水份是来源于动物和植物的食品中的主要组分。当食品被冷冻后，水转变成冰，从而形成干燥效果。

形核：当在正常大气压力下冷冻食品时，温度降至0℃，这时水开始转变成冰。在该温度下保持一段时间，当结晶完成时，温度降至与环境温度平衡。温度不发生降低的时间为取出冷冻潜热(80cal/g)所需的时间。在该时间期间，冷影响与水份因状态变化所释放的热量平衡。温度仍然保持恒定，并在图中形成水平线，其长度取决于散热速度。在该时间期间，结晶与熔化之间形成平衡。

在水平区段的起点，观察到轻微的凹陷，表明在结晶开始前水份中存在过冷(这在例如细胞和微生物等小体积中更加明显)。这伴随着快速排热，并确保冰晶的快速形成。由于食品中的水份并不是纯的，而是盐、糖和可溶蛋白质的溶液、以及胶态悬浮体蛋白质分子的化合物，所以冷冻点较低。该降低与溶解元素的浓度成比例。常见食品在0℃～-4℃之间结冰。该区域被称为最大结晶区。当水份结冰后，残留在水份中的溶解元素的浓度逐渐增加，使冰点降低更大。

结晶：为了促进结晶，需要有起结晶核心作用的颗粒或不溶盐的存在。温度越低，越容易发生该现象，使结晶数量增多，从而使晶体尺寸减小。相反，在温度接近熔点的情况下，形核慢，晶核少，从而生成较大的晶体。通过显微镜对冰晶形状的研究表明速冻形成较圆的晶体，而慢冻形成较大的细长形或针状晶体。该慢冻的结果是纤维和细胞壁破裂，并且食品会丧失性质。在固体或高粘性食品中，晶体尺寸在食品的不同区域各不相同。在周缘区域，晶体形成快，因此尺寸小，而在内部传热较难，所以晶体生长慢，使得尺寸较大。当温度降低时，达到被称作共晶点的饱和点，在该点剩余水份和浓缩溶质一起凝固。该点比多种工业冷冻器能达到的温度低数倍，允许存在微生物可存活的少量未结冰水份，而使它们不能生长和繁殖。

体积变化：从液态水变成冰，体积增大近9％。因此，富水食品膨胀大于低水食品。这能导致裂纹或破裂。如果容器是拉长的，则生产容器时考虑这点很重要。

冷冻速度：冷冻产品的质量取决于该产品被冷冻的速度。所述速度定义为表面与临界点之间的最小距离除以临界点从0℃降至-15℃所需的时间。因此，冷冻工艺的特征如下：

·慢速：＜1cm/h，即-18℃时空气静止的家用冰箱。基本上在建造并配备为在低温下操作的冷藏室中进行。设备提供额外的制冷能力，进一步配备有使空气循环的风扇。这些系统的冷冻速度低，并用于例如人造黄油和牛排或者屠宰体等不需要高质量的产品。这种冷冻的难点是：产品的结霜和脱水(5～10％)。此外，还存在冷平衡的问题，因为如果室达到饱和，则系统过载，而不能达到期望的冷冻温度。

·中速：1～5cm/h，20km/h的冷空气隧道和-40℃。这些设备设计为用于高效率的空气循环，它们达到非常高的传热速度，并且它们的脱水损失为2～6％产品重量。必须根据工艺和产品的特性来选择设备。这种冷冻集成有气流冷冻器(Blast Freezer)、流化床(Fluidized bed)和陀螺冷冻器(Gyrofreezer)设备。

气流冷冻器：在该设备中，冷空气在按预定方法布置有平台的房间内高速循环。使用该设备能冷冻几乎所有产品，但是必须在产品包装后进行，以避免脱水或结霜。它也用于冷冻由导轨运送的生肉。

流化床：这些设备用于小型产品(它们最初设计为用于豆类加工)。在该设备中，从下部向上吹强风，使产品几乎悬浮，并使之旋转，以进行均匀速冻。该设备的主要问题是强风可能会因为高速和冷强度使产品损坏或结霜。

陀螺冷冻器：该系统是最现代和有效的机械系统之一。在该设备中，从设计为产生均冷的风扇生成湍流。产品在螺旋带中旋转，并在从45分到1小时的周期内被冷却。由于空气流不是直接的，所以脱水(1％～2％)对产品的损坏更小。由于是螺旋系统，所以不需要很大的空间。这种设备的唯一缺点是购买和安装的初始成本较高。

·快速：＞5cm/h，浸渍在液氮中。速冻是使用液氮在极低温度(-196℃)进行的，方式是浸渍或喷洒，基于食品特性。通过这种冷冻，能获得高的个体速冻(IQF)质量，食品各部分彼此分开，并且不粘附到带上。与其它工艺相比，这种冷冻能实现更好地保持产品质量，原因如下：

о它生成不使细胞变形的微型冰晶，避免了组织损失和脱水，保持了产品质量。

о产品不会变形，因为没有强风，并且不会粘附到带上。

保存效果：已经证明-18℃的温度是保存冷冻食品的适当和安全水平。在该温度微生物不能生长，并且酶作用非常慢，然而保存工艺本身在食品中产生变动：

再结晶：在保存期间，小晶体趋于相互结合，以生成更大的晶体。这是因为：由于单位质量具有更高的能量，所以小晶体没有大晶体稳定。该现象在0℃附近保存产品时得以加强。温度越低，影响越小，在60℃以下几乎可忽略。

冷霜：进入冷冻室的任意热空气在内部冷空气与渗入的热空气之间生成温度梯度。当空气受热时，其吸湿能力增加。在冷冻室中，水份的唯一来源是冷冻食品中所含的冰。热空气取走缺乏保护的食品中的水份，使之脱水。然后，当空气冷却时，水份沉积在冷冻器的冷表面上。湿气不经过液态而形成冰被称作升华。

受冷结霜是由上述脱水在冷冻食品中引起的主要表面干燥。当色素在最外层集中和氧化时，冷霜作为黑斑出现在产品的表面上。还出现灰白区域，因为冰升华后留下了间隙。如果该现象持续足够长，则表层开始形成海绵状，而底层开始脱水。如果霜小，则通过暴露于水份和再水化，该现象是可逆的。这通过加热微霜区而得到验证。相反，如果霜大，则形成了氧化，且化学变化是不可逆的。因此，使用适当的包装很重要，能够减少4～20倍的水份损失。冷霜导致产品的重大损失，而其价值的损失导致感官质量降低。

过去和现在，食品低温冷冻法，虽然能提供优质、无害和保质期，但因气体、设备和安装的高成本而使用较少。

发明内容

鉴于现有技术中迄今所提出的各种发展的局限，本发明的目的之一是提供一种通过与成剂液氮直接接触的超快冷冻设备。

另一目的是以一种方法提供超快食品冷冻设备，使得在冷冻室中长时间保存后的食品在解冻后原始性质和味道不发生改变。

本发明的另一目的是提供一种用于食品的超快低温冷冻设备。

本发明的再一目的是提供一种超快低温食品冷冻设备，其中食品能作为限制在用于展览和销售的容器中的独立部分引入工艺中。

本发明的再一目的是提供一种超快食品冷冻设备，实现建立稳定状态的生产工艺，因为待冷冻食品能容纳在密封前的最终包装中。

本发明的另一目的是提供一种液氮消耗效率最高的超快食品冷冻设备。

本发明的另一目的是提供一种超快食品冷冻设备，其中通过直接向待冷冻产品按剂量快速且精确地分配液氮来实现冷冻。

本发明的再一目的是提供一种超快食品冷冻设备，其中对于食品使用精确剂量的液氮。

本发明的另一目的是提供一种具有成本竞争力的超快食品冷冻设备。

本发明的上述以及其它目的和优点在将以下参考附图对本发明优选实施例的描述中变得清楚明了，以下描述应该理解为只起示例作用，而不是用于限制本发明。

鉴于现有的发展，特别是在食品冷冻保存领域，需要开发一种设备，该设备能够降低低温冷冻的成本以便冷冻食品企业能够承担，从而向市场提供优质、无害和保质期长的产品；本发明的设备，以下称作UFGF(ultra-fastgravity freezing，超快重力冷冻)，基于向待冷冻产品快速且精确地按剂量分配液氮来实现高效率的液氮消耗，从而获得高的成本竞争力。

本发明的UFGF设备是对使用目前已知的方法的食品冷冻技术的巨大改进，现有技术的设备不能像本发明的设备那样提供优质且保质期长的冷冻产品。

本发明设备的优势之一是不会在产品中生成细长晶体，因为它使用成剂量的液氮与食品进行快速且精确的接触，冷冻水分子，并形成微晶，这些微晶因其尺寸而不会损坏细胞壁；能够获得这种冷冻的原因是液氮与食品(在-196℃或-325F)的接触速度以及能够根据目标食品的需要按确切剂量来分配液氮。

本发明的设备在实现超快冷冻时提供一系列优点：不需要大的安装空间、重量轻、与具有同等处理能力的通过气体喷洒进行冷冻的现有隧道型设备相比成本相当低，在所述现有隧道型设备中是气体而不是液体与待冷冻食品的表面接触，导致冷冻延缓并且会生成尺寸能够损坏食品细胞的晶体。

UFGF技术是有效的并使食品质量最佳化，保存了食品的例如维生素、矿物质和蛋白质等原始性质，并且在适当条件下使它们在冷冻、运输和保存期间保持不变，因此食品的性质得以完整无缺的保存。

UFGF设备在购买、安装或操作面积方面不需要高投资，相比之下，例如气体喷洒型隧道或浸渍缸(immersion tub)等现有低温冷冻设备的成本较高，可比本发明的设备高达10倍之多。

低温冷冻的成本影响基于待冷冻食品，对喷洒或浸渍为15％～50％，而对UFGF设备为5％～25％；喷洒或浸渍情况下的生产线是间歇式的(按批次)，而UFGF是连续的(稳定状态)，避免了额外时间和多于工作人员方面的成本。

当比较喷洒型设备和本发明设备的安装和操作面积时，本发明设备只需2～6平方米，而喷洒隧道需要至少40平方米。

附图说明

为了更好地理解本发明的系统的优点，下面以示例方式给出一系列附图来说明本系统的优选实施例的特性，本发明并不局限于这些示例。

图1示意性地示出了本发明设备的一优选实施例的正视图；

图2a示意性地示出了本发明设备的所述优选实施例的右侧侧视图；

图2b示意性地示出了图1和2a所示本发明设备的优选实施例的液氮容纳箱体底部的顶视图；

图3示意性地示出了图1所示本发明设备的优选实施例的分相器；

图4示意性地示出了图1所示本发明设备的优选实施例的正视图，示出了主要部件；

图5示意性地示出了图1所示本发明设备的优选实施例的正视图，示出了主要控制部件；

图6示意性地示出了图1所示本发明设备的优选实施例的右视图，示出了主要控制部件；

图7示意性地示出了本发明设备的优选实施例；

图8是能够用于在本发明设备中进行冷冻的容器的透视图；

图9是图8所示容器的示意图，示出了用于本发明设备的分配测试的排放喷嘴的内径；

图10示出了在通过喷嘴进行液氮分配的均匀性测试中液氮分配量随分配时间变化的波动图；

图11示出了液氮分配期间和分配后在被本发明设备处理的物品的两个位置处的温度随时间变化的分布图。

具体实施方式

下面将参考上述附图来进行描述，必须明白的是以下描述只是本发明优选实施例的示例，而不是用于限制发明概念。图中公用元件以相同标号表示。

本发明涉及对布置并限制在销售包装中的成组的个体部分组成的物品(优选为食品，生食或熟食)进行冷冻的设备。

图1和2示意性地示出了本发明的设备的实施例，整体由标号100表示，其包括分相器110、液氮分配区120、分配用控制装置130、相对本设备送进送出待冷冻材料的传送带140、隧道型冷室150、和供氮气通往大气的出口160。

图2以示意图详细地示出了液氮分配区120，包括具有真空隔离壁123的箱体121，真空隔离壁123限定出用于大气压力下的液氮的容器122，大气压力因通向大气的通风口125而形成，通风口125位于覆盖箱体121的入口的帽体124中；在帽体与箱体的中间，如有需要，可使用防止向工作人员所在的工作区域漏氮的密封件。箱体121的底部设置有供液氮离开的多个孔口，图2b示出了具有8个出口的优选实施例，这8个出口表示为126a、126b、126c、126d、126e、126f、126g和126h，位于两个平行排中，每排4个孔口并成对相应。

虽然图2b示出的是本设备的具有8个用于液氮的出口的优选实施例，但实际上，本设备可设计成满足用户需要，增加或减少孔口数或者修改其布局，来适应待冷冻的食品容器，并且如下所述，对于特定应用，还能只使用所有可用孔口的一部分。

回到图2a，在箱体121下方、作为分配区的一部分设置有分配控制用装置130，在内部以高密度聚氨酯泡沫隔离出该区域。从该图下部可看出，存在代表喷嘴131a、131b、131c和131d的4个突部，其分别对应于孔口126a、126b、126c和126d；在这些喷嘴后，存在另一组完全相同的喷嘴，其对应于平行的孔口126e、126f、126g和126h。各喷嘴与电磁线圈致动低温针阀(未示出)相关联；各低温阀分别由该图中的致动器(优选为气动型)132a、132b、132c、132d控制。

控制装置包括检测、传送、显示和控制其它变量的装置，例如箱体121内部氮水平的指示器300、液氮水平调控器310和氮气流量计320等。

向箱体121中供给液氮是从分相器110通过箱体121上部区域的供给孔128来进行的。

下面参考分相器110，如图3示意性地示出的，液氮从存储箱体(未示出)穿过管头111供入，并穿过控制低温阀112直到排放口113，排放口113使液氮进入室114中，液氮在室114中保持为环境压力，同时经由出口115排放气体，使得待供给的液氮保持为适当的水平，穿过下管116向分配区120前进，最后液氮穿过管117进入分配区120。

在分配区120中，如图4所示，液氮从大气压力下的箱体121仅通过液氮的重力流动、穿过箱体121底部127的孔口126、分配至多个喷嘴131，所述多个喷嘴131使液氮直接到达各待冷冻物品的上表面的中心，在待冷冻物品为食品的情况下，各待冷冻物品对应于各个个体部分。箱体121中的液氮水平确定箱体底部的流体静压，从而确定单位时间从孔口126传向喷嘴131的液氮量；因此对所述水平保持控制的重要性如下所述。

为了获得有效的冷冻，有必要以足够量的液氮来完成分配以保证食品部分的冷冻，而待分配量的确定取决于待冷冻产品的本性和性质，这如上所述在食品的情况下是至关重要的，以保证在处理期间或在冷室中的保存期间不会改变食品的营养和感官特性。由于在这点上至关重要，所以本设备配备有非常精确的用于控制允许到达待冷冻的一个或多个物品的液氮量的控制系统；图4～7示出了所述控制系统。

参考图4，其示出了液氮控制系统的基本元件，所述元件对于各个液体出口是公用的，所以通过主标号即131来作为整体指代各个液体出口，而不指明区分出各自位置的字母，如131a、131b等，因此存在从大气压力下的箱体121排放通过重力作用而流动的液氮的多个喷嘴131，氮穿过位于底部的孔口126排出，流至喷嘴131的液氮受到低温阀135的作用而停止，低温阀优选为针型阀且其主动元件(active elements)由不锈钢制成，低温阀定位成使其杆部为水平取向，因此当低温阀135被操作时液氮垂直地向下流动；各低温阀135被校准以在单位时间排放一定量的液氮，并且低温阀135通过具有气源134的气动致动器132致动以实现开闭，而致动器的气源由五路电磁阀(5-ways solenoid valve)133提供。

五路电磁阀133的操作基于连续的打开/闭合周期，所述周期受到打开时长能由操作员选择的时间控制器200或计时器的电控制。图5示出了具有双实线的电线即主源210和用于五路阀的操作线220；用于供给电磁阀133的气动线136画有斜线。控制装置还包括总开关(general switch)230和用于低温阀112的致动器240，所述低温阀112用于从管头111供给来自存储箱体(图7中以标号500示出)的液氮。

在本设备的一个简单实施例中，时间控制器200通过手工设置，并且一旦操作员将容器置于喷嘴组下方后，容器的任意冷冻周期的开始也有手工完成。启动计时器200，并在按下致动器按钮250后开始排放液氮。

请注意，箱体121的底部是水平的，因此液氮的高度在任一点都是相同的，以保证均一的流体静压，这在测试设备中得到了用以确定八个喷嘴的潜在流动差动的对比测试的证实。通过水平调控器310来将箱体中液氮水平的波动维持在最小。

该测试由穿过八个喷嘴分配液氮来完成，配置方式对应于待冷冻食品被限制在例如国际申请WO 2007/011199(Maccise，2007年)所描述的如图8所示的托盘型容器600中的设备的操作，喷嘴位于各空腔的中心上，并根据图9所示模板700来编号。结果见下表1：

表1 测试设备中穿过八个喷嘴所分配的氮量的均匀性测试

从表1可看出，测量结果反映了分配的均匀性；从图10的图形可得知分配的体积波动最小。

用于运送待冷冻物品的容器应该适于使得食品的各部分(或各物品)被限制在一个空腔中，足够窄以保证物品位于各空腔的中心，从而保证各喷嘴正好位于该中心上。空腔可为任意形状，但优选为能使待冷冻物品松动地容纳于其中的形状。

要使容器就位，如图1所示，本发明的设备还包括运送器140，运送器140可为辊型，从设备本体前的距离延伸直到足以容纳容器，容器被运送直到就位于喷嘴131下方进行冷冻，然后被运至食品的下一处理区域。

在确定穿过壁隔离室150所形成的温度分布的测试中，对寿司太卷(sushi roll)的样品进行冷冻，将热电偶“1”放入太卷中心，并将热电偶“2”放入太卷最外层的内壁。详情如下表2所示，值得指出的是该样品太卷是在容器中与其它6个太卷一起冷冻，因此表2中的数据是7个成品太卷的数值。

表2 示例的测试参数

施加预定剂量的液氮25秒，该剂量适于冷冻包含有用于制备太卷所需的配料特征的整卷太卷，结果如图11所示，观察高影响I温度和降到-170℃以下所需的时间以及在15分钟周期内延迟以达到-21℃的增加时间，将产品暴露至7℃的环境温度，提供足以处理产品直到工艺结束而没有物理变化的时间。

在本发明的优选实施例中，运送器140用于形成壁隔离冷室150，其内部允许生成富氮低氧气氛，温度足够低以允许液氮接触被处理的物体以继续冷却它(根据产品本身的特性)，在被冷冻物品中保持温度分布轮廓。

运送器140具有缝道160，由离开喷嘴131的液体与周围空气或容器和待冷冻物品的表面之间的热冲击所生成的氮气穿过该缝道160被引出；吸力(由连接至室150的出口管道190的引出装置提供)在室150的入口处生成帘幕，以防止氮气扩散至工作人员所在区域；生成的氮气沿室150在被冷冻容器的上方和下方180被进一步引导，如箭头所示；冷室150在冷冻点的远端被功能与前述缝道160相同的缝道170限制。氮气穿过连接至引出装置(未示出)的管道190被引出，以排放至大气。

图7是示意地示出了操作本发明的设备100所需的设施，包括液氮用沉积箱体500、用于调控向分相器的管头111供给的液氮流的阀门机构510、和减少由向环境转移而造成的冷度损失所需的隔离体520。可观察到，通过本发明的设备和如上所述的设施，能减少对液氮以及工作人员、地基和空间的需求量，从而降低相关成本。

从功能上看，本发明所提出的设备在性能上匹敌并改善了市场上现有的通常用于同类应用的设备，例如基于浸渍缸的设备。在进行性能对比的测试中，获得了表3所示结果：

表3 将液氮用于同基被处理产品的对比分析

	浸渍缸	本发明的设备
			产品重Kg	7,500	7,500
液氮净消耗(m3)	19,983	15,112
			比率m3/kg	2.664	2.015

从被处理食品的观点来看，在诸多因素中，对本发明的设备所确定的一些优点如下：

·由于液氮与待冷冻食品之间的直接接触，显著提高了任意冷冻食品的质量。

·食品中的营养性得以完整保留，并且由于低温和冷冻速度，食品保持完全无毒。

·与任意其它类型的冷冻相比保质期大幅增加，保留了食品的原始特性和性质。

·生成不会损害食品细胞膜的微型冰晶，保留了食品的原始特性和性质。

·允许精确分配待冷冻食品所需的液氮剂量。

·由于剂量分配超快，基于食品的传热速度和传热量，冷冻食品所需的时间大幅下降至几秒左右。

·允许建立稳态生产线，因为待冷冻食品能容纳在其最终包装中。

·能提供高安全性，因为不存在操作员与液氮直接接触的危险。

·能显著降低产品损失，因为一旦产品在最终包装内冷冻消除了接触。

有关所需投资的一些优点：

·显著降低了投资，因为本设备和设施的成本只占现有设备投资成本的30％～40％。

·与现有设备相比，使所使用的操作空间的尺寸降低高达80％。

有关操作成本的一些优点：

·能降低冷冻成本，因为能精确控制液氮消耗剂量，以避免过度消耗，主要是损失到环境中。

·能显著降低产品损失，因为不必手工处理产品，并且能增加冷冻效率和生产力，因为能根据需要确切控制液氮剂量。

以上描述了本发明的优选实施例，为说明起见，其中的设备包括八个用于分配液氮的喷嘴；然而本领域的技术人员应该明白，可对所述优选实施例进行修正，以使本设备适合于各特定用户的特定操作状态。例如，在所示的八个喷嘴实施例中，可暂时关闭一些喷嘴，以便用较少数量例如4个进行操作。相似地，原本装配为操作12个喷嘴的设备也可适于较少数量，如10个、8个、6个、4个或2个喷嘴，不必限制为成对减少。

由于分配区中的箱体底部的流体静力负载是均匀的，所以可“从工厂”修改孔口的位置从而修改与之相关联的喷嘴的位置，来实现特定应用。还可在不显著影响液氮朝喷嘴的分布轮廓的情况下，进一步修改箱体的垂直壁的几何形状，以采用圆柱形形状或平底正棱柱形状。

此外，显然在优选实施例所示的设备中所描述的手工操作能替换为自动控制，以允许建立高容量生产线。

根据所附权利要求书，上述修改以及其它修改对本领域的技术人员来说显然是在本发明范围内的。

Claims (27)

1.一种通过液氮对食品进行超快冷冻的设备，包括：

a.分相器；

b.液氮分配区；

c.分配控制装置；

d.朝/从所述设备搬运待冷冻材料的运送器；

e.隧道型冷室；和

f.供氮气逸向大气的通风口，

其中，所述液氮从箱体供给至大气压力下的所述分相器；在所述分配区中，当液氮被分配至待冷冻产品前，气相被排出至大气，而液氮被供给并保持在大气压力下的隔离容器中；从所述箱体到所述待冷冻产品的液氮流仅通过重力作用来实现穿过多个喷嘴，并通过能按剂量分配液氮的控制装置来控制；液氮被直接分配到所述待冷冻产品上，所述待冷冻产品优选限制在其最终包装中，所述最终包装在液氮得以分配后被运送器运送至所述分配区外，所述运送器被隔离材料盖住以形成隧道型冷室，在该冷室中产品周围的剩余氮被气化以生成冷气；最后，在所述冷室的末端，氮气被排至大气，而所述产品进入包装和保存工序。

2.如权利要求1所述的通过液氮对食品进行超快冷冻的设备，其中，供给至所述分相器的液氮来自加压线路，所述液氮被供给至所述分相器，并且通过将压力降低至大气压力来实现分相。

3.如权利要求2所述的通过液氮对食品进行超快冷冻的设备，其中，所述分相器中的气相排出至大气。

4.如权利要求1所述的通过液氮对食品进行超快冷冻的设备，其中，从所述分相器将液氮通过重力供给至所述分配区中的隔离箱体。

5.如权利要求4所述的通过液氮对食品进行超快冷冻的设备，其中，所述分配区中的箱体为带真空隔离体的双壁形式。

6.如权利要求4所述的通过液氮对食品进行超快冷冻的设备，其中，所述分配区中的箱体具有平坦的底部。

7.如权利要求6所述的通过液氮对食品进行超快冷冻的设备，其中，所述箱体中的所述平坦的底部包括多个排放孔口，这些排放孔口分别与多个相应的分配喷嘴相连接。

8.如权利要求7所述的通过液氮对食品进行超快冷冻的设备，其中，所述孔口配置为成对分布，使得各孔口位于具有多个或成对空腔的容器的容纳待冷冻食品的各个空腔的中心上方。

9.如权利要求7所述的通过液氮对食品进行超快冷冻的设备，其中，所述排放孔口在箱体的底部分布成使得各孔口仅位于具有多个空腔的容器的容纳待冷冻食品的各个空腔的中心上方。

10.如权利要求7所述的通过液氮对食品进行超快冷冻的设备，其中，所述箱体的底部中的孔口各自与一个喷嘴相连接，所述喷嘴用于使液氮穿过控制流股经过的阀而分配至待冷冻食品。

11.如权利要求10所述的通过液氮对食品进行超快冷冻的设备，其中，能够对液氮穿过各个喷嘴的排放进行控制，以使液氮只穿过位于具有多个空腔的容器中的容纳待冷冻食品的空腔的中心的喷嘴进行分配。

12.如权利要求11所述的通过液氮对食品进行超快冷冻的设备，其中，单位时间穿过孔口、低温阀和喷嘴构成的每个组的流量均相同。

13.如权利要求12所述的通过液氮对食品进行超快冷冻的设备，其中，穿过各个喷嘴的液氮量由所述低温阀的开放时长确定。

14.如权利要求10所述的通过液氮对食品进行超快冷冻的设备，其中，用于控制流量的所述低温阀优选为低温针阀。

15.如权利要求10所述的通过液氮对食品进行超快冷冻的设备，其中，用于控制流量的所述低温阀优选由不锈钢制成。

16.如权利要求10所述的通过液氮对食品进行超快冷冻的设备，其中，用于控制流量的所述低温阀中的每一个由独立的气动致动器致动。

17.如权利要求15所述的通过液氮对食品进行超快冷冻的设备，其中，用于控制流量的所述低温阀中的每一个布置为使杆部处于水平位置，以使液氮在所述低温阀被操作时垂直流动。

18.如权利要求11所述的通过液氮对食品进行超快冷冻的设备，其中，每个独立的气动致动器由五路气动电磁阀致动。

19.如权利要求1所述的通过液氮对食品进行超快冷冻的设备，其中，用于分配的控制装置包括：

a.用于致动低温阀以将液氮供给至所述分相器的开关；

b.用于打开或关闭所述设备的总开关；

c.用于对流至所述喷嘴的液氮进行时间控制的计时器；

d.手动操作按钮致动器；

e.用于所述分配区中的箱体中的液氮的水平指示器；

f.用于所述分配区中的箱体中的液氮的水平调控器；和

g.用于氮气的流量计。

20.如权利要求19所述的通过液氮对食品进行超快冷冻的设备，其中，在一个操作周期中，在所述计时器中设置液氮排放时长，当按下操作按钮时，传送信号以操作与用于调配剂量的各个低温阀相关联的每一个五路气动电磁阀，使之打开达到设置在所述计时器中的时长，并在该时长结束时使之关闭，从而通过各个喷嘴精确地分配液氮量。

21.如权利要求1所述的通过液氮对食品进行超快冷冻的设备，其中，用于待冷冻材料的所述运送器从所述分配区前的位置开始延伸，经过用于冷冻待冷冻材料的分配区，并移动趋向下一处理步骤，例如包装的密封。

22.如权利要求21所述的通过液氮对食品进行超快冷冻的设备，其中，所述运送器优选为辊式传送机类型的传送带。

23.如权利要求21所述的通过液氮对食品进行超快冷冻的设备，其中，沿着所述运送器，在所述分配区下方及其后方，通过用隔离壁围绕所述运送器而形成冷室，以允许形成富含氮气的气氛。

24.如权利要求21所述的通过液氮对食品进行超快冷冻的设备，其中，所述运送器包括位于所述分配区的前方界限的一个缝道和位于靠近终端的区域的另一个缝道，生成的氮气穿过这些缝道被引出。

25.如权利要求21所述的通过液氮对食品进行超快冷冻的设备，其中，通过在所述冷室的入口和出口处的缝道的吸附力生成帘幕，防止氮气扩散至工作人员所在区域。

26.如权利要求21所述的通过液氮对食品进行超快冷冻的设备，其中，在所述冷室中生成的氮气沿所述冷室在所述运送器的带的上方和下方被引导。

27.如权利要求21所述的通过液氮对食品进行超快冷冻的设备，其中，通过与所述冷室的出口管道相连接的引出装置从所述冷室将氮气引出。

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