CN111520948A - 过冷却冷冻方法及冷冻装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了过冷却冷冻方法及冷冻装置，过冷却冷冻方法包括：预冷却降温阶段，将待冷冻物品降温至第一冻结点接近温度T2；过冷却降温阶段，将待冷冻物品降温至第二冻结点温度T4；快速冻结降温阶段，将待冷冻物品降温至低于第二冻结点温度T4的冷冻温度T6；至少有两个相邻的降温阶段向待冷冻物品所在的冷冻室施加不同的能量场，相邻两个施加不同能量场的降温阶段之间设有过渡阶段，过渡阶段不施加能量场。本发明通过在不同降温阶段向待冷冻物品施加不同的能量场，不仅可以缩短物品的冷冻时间，还可以明显提升冷冻品质。

Description

过冷却冷冻方法及冷冻装置

技术领域

本发明涉及冷冻保鲜技术领域，尤其涉及提高冷冻品质的过冷却冷冻方法及冷冻装置。

背景技术

随着生活水平的不断提高，冰箱等冷冻装置被广泛应用中生活中，为提高果蔬生鲜等物品的冷冻品质，现有技术中出现了种类繁多的冷冻保鲜方法，例如专利申请号201510897316.X和201521009944.1公布的冷藏冷冻装置，通过先将待冷冻物品的温度降至冻结温度，然后对冷冻间室施加匀强磁场，使待冷冻物品进入过冷却状态，处理一段时间后，关闭匀强磁场，破坏冷冻食品的过冷却状态，快速降低温度至其最大冰晶生成带以下，从而较好地保存了食品冷冻过程中的细胞的完整性，提高食品的冷冻品质。再例如申请公布号为CN110671876A的冰箱，其通过控制冷冻室的温度和在不同阶段向冷冻室内施加内能量场，使食品中的水分子发生轻微共振，提高食品的传热效果。

现有冷冻方法的缺点如下：1、整个冷冻过程中向待冷冻物品施加单一磁场或能量场，专利申请号201510897316.X和201521009944.1公布的冷藏冷冻装置存在冷冻时间长的问题，申请公布号为CN110671876A的冰箱存在破坏冷冻品质的问题；2、申请公布号为CN110671876A的冰箱进入过冷却阶段和快速冻结阶段之前无过渡阶段，磁场或能量场连续施加，使得待冷冻物品在冰晶生成过程中，冰晶和液态水分子不断接触碰撞，冰晶颗粒体积增大，待冷冻物品的冷冻品质下降。

因此，如何设计有效提高冷冻品质的过冷却冷冻方法及冷冻装置是业界亟待解决的技术问题。

发明内容

为了解决现有冷冻品质差的缺陷，本发明提出过冷却冷冻方法及冷冻装置，该过冷却冷冻方法通过在不同降温阶段向待冷冻物品施加不同的能量场，不仅可以缩短物品的冷冻时间，还可以明显提升冷冻品质。

本发明采用的技术方案是，设计过冷却冷冻方法，包括：

预冷却降温阶段，将待冷冻物品降温至第一冻结点接近温度T2；

过冷却降温阶段，将待冷冻物品降温至第二冻结点温度T4；

快速冻结降温阶段，将待冷冻物品降温至低于第二冻结点温度T4的冷冻温度T6；

至少有两个相邻的降温阶段向待冷冻物品所在的冷冻室施加不同的能量场。

优选的，相邻两个施加不同能量场的降温阶段之间设有过渡阶段，过渡阶段不施加能量场。

优选的，预冷却降温阶段和过冷却降温阶段向冷冻室施加不同的能量场，预冷却降温阶段施加的能量场为交变磁场，过冷却降温阶段施加的能量场为匀强磁场。预冷却降温阶段和过冷却降温阶段之间设有第一过渡阶段，第一过渡阶段将待冷冻物品从第一冻结点接近温度T2降温至高于第二冻结点温度T4的第一冻结点温度T3。

优选的，过冷却降温阶段和快速冻结降温阶段施加不同的能量场，过冷却降温阶段施加的能量场为匀强磁场，快速冻结降温阶段施加的能量场为交变磁场。过冷却降温阶段和快速冻结降温阶段之间设有第二过渡阶段，第二过渡阶段解除过冷却，使待冷冻物品从第二冻结点温度T4回升至第二冻结点接近温度T5。

在一实施例中，待冷冻物品的冰晶生成带为-5℃至-1℃；其中，-1.5℃≤第一冻结点接近温度T2≤-0.5℃、-6℃≤第二冻结点温度T4≤-4℃、-7℃≤冷冻温度T6≤-5.5℃、-2℃≤第一冻结点温度T3≤-1℃、-1℃≤第二冻结点接近温度T5≤-0.5℃。

预冷却降温阶段的运行时间为A，第一过渡阶段的运行时间为B，过冷却降温阶段的运行时间为C，述第二过渡阶段的运行时间为D，快速冻结降温阶段的运行时间为E；其中，45min≤A≤120min、30min≤B≤60min 、20min≤C≤90min、0.5min≤D≤2min、 20min≤E≤60min。

优选的，过冷却降温阶段和快速冻结降温阶段的冷量供应速度大于预冷却降温阶段。

优选的，过冷却冷冻方法还包括：在快速冻结降温阶段之后进行环境降温阶段，将待冷冻物品所在的冷冻室降温至低于冷冻温度T6的储藏温度T7。

优选的，过冷却冷冻方法还包括：在预冷却降温阶段之前进行的环境预冷阶段，将冷冻室维持在高于第一冻结点接近温度T2的预冷温度T1，放入待冷冻物品后进入预冷却降温阶段。

本发明还提出了冷冻装置，包括：冷冻室、检测冷冻室温度的第一检测器、检测冷冻室中待冷冻物品温度的第二检测器、向冷冻室内施加能量场的能量场发生装置，冷冻装置采用上述过冷却冷冻方法进行物品冷冻。

优选的，能量场发生装置包括：设于冷冻室内的赫姆霍兹线圈、与赫姆霍兹线圈连接的交直流交换器、与交直流交换器连接的控制面板，控制面板控制交直流交换器的工作状态。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、通过在不同降温阶段向待冷冻物品施加不同的能量场，在预冷却降温阶段和快速冻结降温阶段加快冷冻速度，在过冷却降温阶段保持待冷冻物品的过冷度，保障冷冻品质；

2、相邻两个施加不同能量场的降温阶段之间设有过渡阶段，过渡阶段的设置可以有效防止待冷冻物品内部处于亚稳定状态时，能量场突然切换导致冰晶或水分子相互碰撞生成大颗粒冰晶，提升冷冻品质。

附图说明

下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明，其中：

图1是本发明中冷冻装置的结构示意图。

具体实施方式

在冷冻过程中，细胞内外的水分子如果不是同时结冰，细胞内外之间的渗透压会引起细胞内液浓度增高、冰晶点下降，导致于使得细胞间隙的冰晶越来越大，以至于刺破食品细胞，造成汁液流失，食用品质下降。因此，传统冷冻技术通常会对待冷冻物品进行缓慢降温，以使细胞内外的水分子同时结冰，但该过程往往耗时长，且需耗冷量大。

冷冻食品通过最大冰晶生成带（-1℃ - -5℃）的时间，往往也可以决定食品的冷冻品质，通过最大冰晶生成带的时间越短，生长的冰晶对食品细胞的破坏程度也就越小，其冷冻品质也越好。但在此过程中，冰晶和液态水之间形成了固-液界面，使得传热阻力大大增加，不利于食品温度的降低，通过最大冰晶生成带时间延长，不利于冷冻品质的保持。

本发明提供的过冷却冷冻方法将不同能量场与制冷系统结合作用于冷冻过程，既能在较短时间内完成物品冷冻，又可以提升冷冻品质。在优选实施例中，能量场为磁场，交变磁场可以增强水分子的振动及水分子之间的碰撞几率，进而可达到传热的效果，确保食品细胞内外的温度一致，以使细胞内外的水分子同时结冰。匀强磁场可使食品细胞内外的水分子定向排列，减少彼此的接触，晶核难以形成，可在温度较低的条件下，使食品不冻结，保持过冷状态，食品的过冷却状态有助于食品在冷冻过程中形成细小、均匀的冰晶，有利于细胞保持完整性，使食品保持较佳的食用品质。

具体来说，过冷却冷冻方法包括：预冷却降温阶段、过冷却降温阶段和快速冻结降温阶段，预冷却降温阶段和过冷却降温阶段向冷冻室施加不同的能量场，过冷却降温阶段和快速冻结降温阶段施加不同的能量场，预冷却降温阶段施加的能量场为交变磁场，过冷却降温阶段施加的能量场为匀强磁场，快速冻结降温阶段施加的能量场为交变磁场。

预冷却降温阶段，将待冷冻物品降温至第一冻结点接近温度T2，第一冻结点接近温度T2接近冰晶生成带，预冷却降温阶段的运行时间为A，此阶段施加交变磁场可以增强待冷冻物品内的水分子震动及水分子之间的碰撞几率，使得待冷冻物品的温度快速降至第一冻结点接近温度T2，待冷冻物品细胞内外水分温度一致，不仅需要耗费大量的冷量，同时耗时短。

过冷却降温阶段，将待冷冻物品降温至第二冻结点温度T4，过冷却降温阶段的运行时间为C，第二冻结点温度T4处于冰晶生产带中，此阶段施加匀强磁场可以使待冷冻物品细胞内外的水分子定向排列，减少彼此的接触，晶核难以形成，保持过冷状态，有助于带冷却物品在快速冻结降温阶段中形成细小、均匀的冰晶，有利于细胞保持完整性，使待冷冻物品保持较佳的食用品质。由于不同的食品如水果、肉类食品的最佳匀强磁场作用强度不同，实际应用中可以根据待冷冻物品的种类选择匀强磁场的强弱。

快速冻结降温阶段，将待冷冻物品降温至低于第二冻结点温度T4的冷冻温度T6，快速冻结降温阶段的运行时间为E，冷冻温度T6低于冰晶生产带，此阶段施加交变磁场可以增强待冷冻物品内的水分子震动及水分子之间的碰撞几率，使得待冷冻物品的温度快速降至冷冻温度T6，生成细小、均匀的冰晶，待冷冻物品的冻结品质高，而且耗时短。

较优的，相邻两个施加不同能量场的降温阶段之间设有过渡阶段，过渡阶段不施加能量场，即预冷却降温阶段和过冷却降温阶段之间设有第一过渡阶段，过冷却降温阶段和快速冻结降温阶段之间设有第二过渡阶段，第一过渡阶段和第二过渡阶段均不施加能量。

第一过渡阶段将待冷冻物品从第一冻结点接近温度T2降温至高于第二冻结点温度T4的第一冻结点温度T3，第一过渡阶段的运行时间为B，待冷冻物品经过预冷却降温阶段降至第一冻结点接近温度T2时，其内部处于亚稳定状态，此时如果突然将交变磁场切换为匀强磁场，则致使亚稳定状态更不稳定，水分子之间加速碰撞，生成冰晶影响冷冻品质，第一过渡阶段可以有效抑制冰晶的产生。

第二过渡阶段解除过冷却，使待冷冻物品从第二冻结点温度T4回升至第二冻结点接近温度T5，第二过渡阶段的运行时间为D，待冷冻物品经过过冷却降温阶段降至第二冻结点温度T4时，如果突然将匀强磁场切换为交变磁场，则水分子震动碰撞，在温度回升的过程中就不断有冰晶产生，在快速冻结降温过程中，冰晶相互碰撞粘合在一起会形成大颗粒冰晶，影响冷冻品质，第二过渡阶段也可以有效抑制冰晶的产生。

需要说明的是，过冷却降温阶段和快速冻结降温阶段的冷量供应速度大于预冷却降温阶段，预冷却降温阶段采用制冷模式I供冷，过冷却降温阶段和快速冻结降温阶段采用制冷模式II供冷，制冷模式I为常规制冷模式，制冷模式II为快速制冷模式，且制冷系统以制冷模式II工作时会比制冷模式I向冷冻室提供更多的冷量。

预冷却降温阶段：-1.5℃≤第一冻结点接近温度T2≤-0.5℃，优选是-1℃≤第一冻结点接近温度T2≤-0.8℃，45min≤A≤120min，最优是60 min≤A≤90 min。

第一过渡阶段：-2℃≤第一冻结点温度T3≤-1℃，优选是-1.8℃≤第一冻结点温度T3≤-1.5℃，30min≤B≤60min，最优是30min≤B≤45min。

过冷却降温阶段：-6℃≤第二冻结点温度T4≤-4℃，优选是-5℃≤第二冻结点温度T4≤-4.5℃，20min≤C≤90min，最优是30min≤C≤60min。

第二过渡阶段：-1℃≤第二冻结点接近温度T5≤-0.5℃，优选是-1℃≤第二冻结点接近温度T5≤-0.8℃，0.5min≤D≤2min，最优是0.8min≤D≤1min。

快速冻结降温阶段：-7℃≤冷冻温度T6≤--5.5℃，优选是-6.5℃≤冷冻温度T6≤-6℃，20min≤E≤60min，最优是30min≤E≤45min。

较优的，过冷却冷冻方法还包括：在预冷却降温阶段之前进行的环境预冷阶段和在快速冻结降温阶段之后进行环境降温阶段。

环境预冷阶段将冷冻室维持在高于第一冻结点接近温度T2的预冷温度T1，放入待冷冻物品后进入预冷却降温阶段，环境预冷阶段的运行时间为A，环境预冷阶段的冷量供应速度与预冷却降温阶段相同，其采用制冷模式I供冷。

环境降温阶段将待冷冻物品所在的冷冻室降温至低于冷冻温度T6的储藏温度T7，环境降温阶段的运行时间为F，环境降温阶段的冷量供应速度与过冷却降温阶段和快速冻结降温阶段相同，其采用制冷模式II供冷，冷冻室温度降至储藏温度T7之后，恢复制冷模式I供冷。

如图1所示，本发明还提出了冷冻装置，冷冻装置可以是冰箱等电器，其包括：冷冻室1、第一检测器4、第二检测器12和能量场发生装置，冷冻室1中设有用于放置待冷冻物品5的载物台11，冷冻室1的内壁和门体均由具有磁屏蔽的材料制成，冷冻室1的内壁中填充有保温材料2。第一检测器4检测冷冻室温度，其采用红外温度传感器，第二检测器12检测冷冻室中待冷冻物品温度，其采用热电偶。

能量场发生装置向冷冻室内施加磁场，能量场发生装置包括：设于冷冻室1内部左右两侧的赫姆霍兹线圈3、与赫姆霍兹线圈3连接的交直流交换器7、与交直流交换器7连接的控制面板10、串联在控制面板10和交直流交换器7之间的电源输入模块8，控制面板10控制交直流交换器7的工作状态，控制面板10上设有旋钮，通过旋钮调节能量场发生装置输出的磁场强度，以满足不同食品的磁场作用强度需求。为保障能量场发生装置的用电安全，电源输入模块8和交直流交换器之间还串联有电路保护装置9，通过电路保护装置9对电路进行保护，避免发生过载、漏电及短路等线路故障。

具体来说，其控制过程如下：

开启冷冻装置的制冷系统，以制冷模式I向冷冻室提供冷量，使其内部温度稳定在T1，打开冷冻室1的门体，将待冷冻物品5放置于载物台11上，关闭冷冻室1的门体，开启磁场发生装置，将控制面板10的旋钮旋至“AC”档，将控制面板10上的另一旋钮旋至“3”档，此时装置产生交变磁场，交变磁场强度为1.5 mT。

以制冷模式I向冷冻室1的间室提供冷量持续运行A min，直至待冷冻物品5的中心温度经热电偶12测定为T2时，将控制面板10上的旋钮旋至“OFF”档，此时能量场发生装置停止工作。

以制冷模式I向冷冻室1提供冷量，制冷系统持续运行B min，直至待冷冻物品5的中心温度经热电偶12测定为T3时，将控制面板10上的旋钮旋至“DC”档，此时装置产生匀强磁场。其中，若此时待冷冻食品5为水果类，将控制面板10上的另一个旋钮旋至“1”档，若此时冷冻食品5为肉类，将控制面板10上的另一旋钮旋至“2”档。“1档”对应的匀强磁场的强度为20mT，“2档”对应的匀强磁场的强度为10mT。

以制冷模式II向冷冻室1提供冷量，制冷系统持续运行C min，直至待冷冻食品5的中心温度经热电偶12测定为T4时，将控制面板10的旋钮旋至“OFF”档，并将控制面板10的另一个旋钮旋至“3”档，此时能量场发生装置停止工作。

以制冷模式I向冷冻室1提供冷量，制冷系统持续运行D min，直至待冷冻食品5的中心温度经热电偶12测定为T5时，将控制面板10的旋钮旋至“AC”档。

以制冷模式II向冷冻室1提供冷量，制冷系统持续运行E min，直至待冷冻食品5的中心温度经热电偶12为T6时，将控制面板10的旋钮旋至“OFF”档。

以制冷模式II向冷冻室1提供冷量，制冷系统持续运行F min，直至冷冻室1的温度经红外温度传感器测定为T7之后，恢复制冷模式I供冷。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (17)

1.一种过冷却冷冻方法，包括：

预冷却降温阶段，将待冷冻物品降温至第一冻结点接近温度T2；

过冷却降温阶段，将待冷冻物品降温至第二冻结点温度T4；

快速冻结降温阶段，将待冷冻物品降温至低于所述第二冻结点温度T4的冷冻温度T6；

其特征在于，至少有两个相邻的降温阶段向所述待冷冻物品所在的冷冻室施加不同的能量场。

2.根据权利要求1所述的过冷却冷冻方法，其特征在于，相邻两个施加不同能量场的降温阶段之间设有过渡阶段，所述过渡阶段不施加能量场。

3.根据权利要求2所述的过冷却冷冻方法，其特征在于，所述预冷却降温阶段和所述过冷却降温阶段之间设有第一过渡阶段，所述第一过渡阶段将待冷冻物品从所述第一冻结点接近温度T2降温至高于所述第二冻结点温度T4的第一冻结点温度T3。

4.根据权利要求3所述的过冷却冷冻方法，其特征在于，所述预冷却降温阶段施加的能量场为交变磁场，所述过冷却降温阶段施加的能量场为匀强磁场。

5.根据权利要求2所述的过冷却冷冻方法，其特征在于，所述过冷却降温阶段和所述快速冻结降温阶段之间设有第二过渡阶段，所述第二过渡阶段解除过冷却，使待冷冻物品从第二冻结点温度T4回升至第二冻结点接近温度T5。

6.根据权利要求5所述的过冷却冷冻方法，其特征在于，所述过冷却降温阶段施加的能量场为匀强磁场，所述快速冻结降温阶段施加的能量场为交变磁场。

7.根据权利要求1至6任一项所述的过冷却冷冻方法，其特征在于，所述待冷冻物品的冰晶生成带为-5℃至-1℃；其中，-1.5℃≤第一冻结点接近温度T2≤-0.5℃、-6℃≤第二冻结点温度T4≤-4℃、-7℃≤冷冻温度T6≤-5.5℃。

8.根据权利要求3所述的过冷却冷冻方法，其特征在于，-2℃≤第一冻结点温度T3≤-1℃。

9.根据权利要求5所述的过冷却冷冻方法，其特征在于，-1℃≤第二冻结点接近温度T5≤-0.5℃。

10.根据权利要求1至6任一项所述的过冷却冷冻方法，其特征在于，所述预冷却降温阶段的运行时间为A，所述过冷却降温阶段的运行时间为C，所述快速冻结降温阶段的运行时间为E；其中，45min≤A≤120min、20min≤C≤90min、20min≤E≤60min。

11.根据权利要求3所述的过冷却冷冻方法，其特征在于，所述第一过渡阶段的运行时间为B，30min≤B≤60min。

12.根据权利要求5所述的过冷却冷冻方法，其特征在于，所述第二过渡阶段的运行时间为D，0.5min≤D≤2min。

13.根据权利要求1至6任一项所述的过冷却冷冻方法，其特征在于，所述过冷却降温阶段和所述快速冻结降温阶段的冷量供应速度大于所述预冷却降温阶段。

14.根据权利要求1至6任一项所述的过冷却冷冻方法，其特征在于，还包括：在所述快速冻结降温阶段之后进行环境降温阶段，将所述待冷冻物品所在的冷冻室降温至低于所述冷冻温度T6的储藏温度T7。

15.根据权利要求1至6任一项所述的过冷却冷冻方法，其特征在于，还包括：在所述预冷却降温阶段之前进行的环境预冷阶段，将冷冻室维持在高于所述第一冻结点接近温度T2的预冷温度T1，放入待冷冻物品后进入所述预冷却降温阶段。

16.一种冷冻装置，包括：冷冻室、检测所述冷冻室温度的第一检测器、检测所述冷冻室中待冷冻物品温度的第二检测器、向所述冷冻室内施加能量场的能量场发生装置，其特征在于，所述冷冻装置采用权利要求1至15任一项所述的过冷却冷冻方法进行物品冷冻。

17.根据权利要求16所述的冷冻装置，其特征在于，所述能量场发生装置包括：设于所述冷冻室内的赫姆霍兹线圈、与所述赫姆霍兹线圈连接的交直流交换器、与所述交直流交换器连接的控制面板，所述控制面板控制所述交直流交换器的工作状态。

Images