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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum Kühlen von
Objekten, sowie deren Verwendung. Bevorzugter Einsatzbereich einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist das Gefrieren von Objekten in der Lebensmittelindustrie, insbesondere
das Gefrieren von Tropfen einer pastösen und/oder flüssigen Masse.
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Bisher
werden insbesondere Lebensmittel gefroren, indem die zu gefrierenden
Objekte in einen Strom eines Kühlmittels
eingebracht werden, beispielsweise in flüssigen Stickstoff. Durch den
Kontakt mit dem flüssigen
Stickstoffbeispielsweise in einer Rinne erfolgt ein Abkühlen und
Gefrieren der entsprechenden Objekte, wenn die Verweildauer im flüssigen Stickstoff
groß genug
ist. Diese Apparaturen können
nicht im durchgehenden Betrieb betrieben werden, vielmehr weisen
diese relativ lange Zeiten auf, in denen sie nicht betrieben werden,
beispielsweise durch Reinigungsarbeiten, die zwischen Chargenwechseln
notwendig werden. Beim Anfahren dieser Apparaturen erfolgt dabei
regelmäßig eine
Vorkühlung,
die zu einer Verformung insbesondere zu einem Durchbiegen der für das Durchströmen des Kühlmittels
eingesetzten Rinnen führt.
Dies führt
zu nicht durchgängig
definierten Durchflusseigenschaften des Kühlmittels durch die Rinne und
damit zu ungleichen Kühl-
bzw. Gefrierbedingungen.
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Hiervon
ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde,
eine Vorrichtung zum Kühlen
von Objekten vorzuschlagen, mit der die aus dem Stand der Technik
bekannten Probleme zumindest verringert und insbesondere überwunden werden
können
und insbesondere gleichmäßige Durchströmungsbedingungen
des oder der Kühlmittel
unabhängig
von der Position der Rinne gewährleistet
werden können.
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Diese
Aufgaben werden gelöst
durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte
Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Kühlen
von Objekten umfasst mindestens eine Rinne, die mit einer ersten
Kühlmittelquelle
so verbindbar ist, dass ein erster Strom eines ersten Kühlmittels durch
die Rinne strömen
kann, wobei die zu kühlenden
Objekte in den Strom einbringbar sind. Erfindungsgemäß ist mindestens
ein Querschnittsstabilisator zur Stabilisation des Querschnitts
der mindestens einen Rinne ausgebildet.
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Der
Querschnittsstabilisator dient dazu, den Querschnitt der Rinne im
Wesentlichen konstant zu halten und ein Durchbiegen der Rinne zu
verhindern. Durch den mindestens einen Querschnittsstabilisatoren
wird eine Versteifung der Rinne erreicht, wobei diese gleichzeitig
so ausgebildet sind, dass eine freie Zugänglichkeit der Rinne zu Reinigungszwecken
ermöglicht
wird. Durch den mindestens einen Querschnittsstabilisator wird ein
Durchbiegen der Rinne, insbesondere beim Abkühlen und/oder beim Betrieb mit
flüssigem
Stickstoff, verringert. Dies bedeutet, dass sich die mindestens
eine Rinne um höchstens weniger
als 1,5 mm/m (Millimeter pro Meter Rinnenlänge), bevorzugt um weniger
als 1 mm/m durchbiegt. Bei aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen
kann es zu so erheblichen Durchbiegungen kommen, dass ein Betrieb
der Vorrichtung nicht mehr möglich
ist, dass also das Kühlmittel
die Rinne nicht mehr durchströmen
kann. Insbesondere wird bei aus dem Stand der Technik bekannten
Systemen die Rinne im oberen Bereich flacher und im unteren Bereich
steiler. Dies wird bei erfindungsgemäßen Vorrichtungen in vorteilhafter
Weise durch die Querschnittsstabilisatoren verhindert.
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Hierzu
bewirkt der Querschnittstabilisator bevorzugt eine im Wesentlichen
punktförmige
Fixierung zumindest eines Teils der mindestens Rinne und/oder der
Rinnen an einem anderen Bauteil erlaubt. Unter einer im Wesentlichen
punktförmigen
Fixierung wird hier eine Fixierung in einer räumlichen Ausdehnung verstanden,
die deutlich geringer als die Länge
der Rinne beträgt.
Bevorzugt wird hierunter eine Fixierung in einem Bereich von 1%
oder weniger der Länge
der Rinne verstanden.
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Nach
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung weist mindestens
eine Rinne mindestens einen Kühlkanal
auf, durch den ein zweiter Strom eines Kühlmittels strömen kann.
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Bevorzugt
ist hierbei eine Ausgestaltung, bei der ein Kühlkanal mehreren Rinnen zugeordnet
ist. Grundsätzlich
bevorzugt ist eine Ausgestaltung, bei der mindestens zwei Rinnen
ausgebildet sind. Der zweite Strom des Kühlmittels dient zunächst der
weiteren Kühlung
der Rinne, weiterhin kann dieser Strom in vorteilhafter Weise auch
zum Abkühlen
der Rinne vor Betriebsaufnahme verwendet werden. Insbesondere bevorzugt
ist eine Ausgestaltung, bei der die Rinne durch die Oberseite eines
Sinus- und/oder wellenförmig
gewellten Bleches gebildet werden, während die Unterseite gemeinsam
mit einer Art Wanne unter derselben einen einzigen Kühlkanal
bildet. Eine solche Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass aufgrund
einer konstanten Temperatur über
die Dicke der die Rinnen bildenden Blechlage ein Verziehen der Rinne
verringert wird.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung weist die Rinne
eine Oberseite, durch die der ersten Strom strömen kann und eine Unterseite
auf, die in den mindestens einen Kühlkanal hineinragt.
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Dies
erlaubt in einfacher Weise eine Ausgestaltung, bei der die Rinne
neben einer Kühlung durch
den durch die strömenden
ersten Strom eines ersten Kühlmittels
eine weitere Kühlung
durch einen zweiten Strom eines Kühlmittels, bevorzugt eines
anderen Kühlmittels
als des ersten Kühlmittels,
erfahren kann.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung ist mindestens
ein Querschnittsstabilisator ausgebildet, der mindestens einen Teil
der Oberseite einer Rinne räumlich
fixiert.
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Die
Fixierung der Oberseite kann bevorzugt an einem anderen Bauteil
oder auch an einem anderem Bereich des gleichen Bauteils erfolgen,
so beispielsweise an einem Rahmen und/oder an einem Teilbereich
des die Rinne bildenden Bleches, welcher nicht gewellt ist oder
welcher grundsätzlich
nicht zur Ausbildung der Rinne verwendet wird. Die räumliche Fixierung
an der Oberseite hat den Vorteil, dass eine Ausgestaltung gefunden
werden kann, bei der weder die Strömungseigenschaften in den Rinnen
noch Kühlkanal
wesentlich beeinträchtigt
werden. Dies bedeutet, dass insbesondere die Strömung im Kühlkanal nicht beeinflusst wird,
da dieser üblicherweise
bei geringen Drücken
wie insbesondere bei 0,2 bar oder weniger betrieben wird. Gerade
hier können
Einbauten im Kühlkanal
zu ungewollten Turbulenzen führen, die
die Kühlwirkung
durch den zweiten Strom des Kühlmittels
beeinträchtigen
können.
Bevorzugt erfolgt die Fixierung mindestens einer, bevorzugt mehrerer,
insbesondere aller oberen Ränder
der mindestens einen Rinne. Bei mehreren parallel zu einander ausgebildeten
Rinnen wird die Fixierung der oberen Ränder der Rinnen aneinander
bevorzugt, da so auf einfache Art und Weise eine Fixierung erreicht
werden kann, bei der die Strömungseigenschaften
in den Rinnen vergleichmässigt
werden und so eine gleichmäßigere Kühlung erreicht
wird.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung erfolgt die
Fixierung an einem Verbindungsbereich zwischen der mindestens einen
Rinne und einem Basisbauteil.
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Unter
einem Basisbauteil ist insbesondere ein Bauteil zu verstehen, welches
gemeinsam mit der Unterseite der Rinne den Kühlkanal bildet. In dem Verbindungsbereich
kann eine stoffschlüssige
Verbindung zwischen Basisbauteil und dem die mindestens eine Rinne
bildenden Bauteil erzielt werden.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung ist mindestens
ein Querschnittsstabilisator ausgebildet, der mindestens einen Teil
der Unterseite einer Rinne räumlich
fixiert.
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Bevorzugt
ist hierbei eine Ausgestaltung, bei der mindestens ein Querschnittsstabilisator
ausgebildet ist, welcher mindestens einen punktförmigen Bereich der Unterseite
der Rinne an dem Kühlkanal
fixiert.
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So
kann in vorteilhafter Weise der Kühlkanal zur Stabilisierung
der Rinnen benutzt werden, ohne dass nach außen vorstehende Bauteile in
Kauf genommen werden müssen.
Hierdurch wird insbesondere erreicht, dass eine vorteilhafte Reinigungsmöglichkeit
der mindestens einen Rinne besteht, die aufgrund der nach unten
durchgehenden Fixierung komplett der Reinigung zugänglich bleibt.
Insbesondere ist so eine einfache mechanische Reinigung beispielsweise
mittels Bürsten
oder ähnlichem
möglich.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
wird bevorzugt zum Gefrieren mindestens eines der folgenden Güter eingesetzt:
- a) Lebensmittel;
- b) flüssige
Stoffe;
- c) pastöse
Stoffe;
- d) Wachsen;
- e) biologische Materialien;
- f) Blut;
- f) Medikamente; und
- g) pharmazeutische Wirkstoffe.
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Unter
biologischen Materialien werden insbesondere Blutplasma und Blutserum
verstanden. Unter Medikamenten und pharmazeutischen Wirkstoffen
werden insbesondere auch Medikamente und pharmazeutische Wirkstoff
in einem Trägerstoff,
beispielsweise einem polymeren Trägerstoff verstanden. Unter
Wachsen wird insbesondere Lipide, bevorzugt Einfach-Ester von gesättigten
Fettsäuren
mit langkettigen aliphatischen Alkoholen verstanden, die insbesondere
eine Kettenlänge
von 25 bis 32 Kohlenstoffatomen pro Molekülteil aufweisen.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert, ohne
dass die Erfindung auf die dort gezeigten Details und Vorteile beschränkt wäre. Es zeigen
schematisch:
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1:
ein Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
im Längsschnitt;
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2:
ein erstes Beispiel einer Rinne mit Querschnittsstabilisatoren im
Querschnitt; und
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3:
ein zweites Beispiel einer Rinne mit Querschnittsstabilisatoren
im Querschnitt.
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum
Kühlen
von Objekten 5 im Längsschnitt. Erfindungsgemäß umfasst
die Vorrichtung 1 mindestens eine Rinne 2, die
mit einer ersten Kühlmittelquelle 3 so
verbindbar ist, dass ein erster Strom 4 eines ersten Kühlmittels
durch die Rinne 2 strömen
kann. Die zu kühlenden
Objekte 5 stellen im vorliegenden Ausführungsbeispiel Tropfen einer
zu gefrierenden pastösen
oder flüssigen
Masse dar, die mit einem Tropfenbildner 6 in den ersten
Strom 4 eingebracht werden, so dass die Rinne 2 von
einem ersten Strom 4 eines ersten Kühlmittels durchströmt wird,
in den die zu kühlenden
Objekte 5 eingebracht sind und mit dem diese mitschwimmen.
Durch thermischen Kontakt der Objekte 5 mit dem Kühlmittel
im ersten Strom 4 kühlen
die Objekte 5 ab. Der Grad der erreichten Temperatur der
Objekte 5 nach Durchströmen
der Rinne 2 ist dabei abhängig von der Verweildauer in der
Rinne 2, sowie der Temperatur des ersten Kühlmittels.
Hierbei kommt bevorzugt flüssiger
Stickstoff zum Einsatz. Die Rinne 2 selbst wird unten im
Detail in den 2 und 3 anhand
von Ausführungsbeispielen
beschrieben.
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Die
erste Kühlmittelquelle 3 umfasst
eine archimedische Schraube, mittels der flüssiger Stickstoff aus einem
Stickstoffsumpf 7 förderbar
ist. Objekte 5 im ersten Strom 4 bewegen sich
mit diesem durch die Rinne 2. Nach Erreichen des Rinnenendes 8,
werden der erste Strom 4 mit Objekten 5 auf die
Trennungszuführung 9 zugegeben,
die das Gemisch aus erstem Strom 4 und Objekten 5 zum
Produkttrenner 10 führen.
Der Produkttrenner 10 ist Teil einer zweiten archimedischen
Schraube 11. Durch diese zweite archimedische Schraube 11 wird
ein Gemisch 12 aus Objekten 5 und Kaltgas geführt, welches
durch die Verdampfung des flüssigen
Stickstoffs entstanden ist. Der Produkttrenner 10 stellt
dabei einen außenperforierten
Bereich der zweiten archimedischen Schraube 11 dar, durch
den aufgrund der wirkenden Fliehkraft und aufgrund der wirkenden
Gravitationskraft der flüssige
Stickstoff als erstes Kühlmittel
aus der zweiten archimedischen Schraube 11 heraus und als
Flüssigstickstoffstrom 13 in
den Stickstoffsumpf 7 strömt. Am Ende der zweiten archimedischen Schraube 11 erfolgt
eine Abführung
eines Produktstroms 14, der die erfindungsgemäß gekühlten Objekte 5,
insbesondere gefrorene Tropfen einer pastösen oder flüssigen Masse, enthält und eine
Abführung
eines Kaltgasstroms 15. Der Produktstrom 14 wird
durch den Produktauslaß 16 entnommen.
Die gesamte Vorrichtung 1 ist in einem im Wesentlichen gasdichten
Gehäuse 17 ausgebildet,
welches das Austreten von verdampftem flüssigen Stickstoff verhindert,
sowie eine thermische Isolation zur Reduktion des Kühlmittelverbrauchs
ermöglicht.
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2 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel umfassend
mehrere Rinnen 2. Die Rinnen 2 weisen eine Oberseite 18 und
eine Unterseite 19 auf. Auf der Oberseite 18 kann
der erste Strom 4 des ersten Kühlmittels strömen. An
der Unterseite 19 der Rinnen 2 ist ein Kühlkanal 20 ausgebildet,
durch den ein zweiter Strom 21 eines Kühlmittels strömen kann.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist der Kühlkanal 20 allen
Rinnen 2 gemeinsam zugeordnet. Die Rinnen 2 werden
hier durch ein im Wesentlichen wellenförmig verformtes Blech, insbesondere
aus Edelstahl, bevorzugt aus Edelstahl der Gruppe 316 gemäß AISI (American
Iron and Steel Institute). Der Kühlkanal 20 wird
dabei durch die Unterseite 19 der Rinnen 2 und ein
Basisbauteil 22 gebildet. Das Basisbauteil 22 ist bevorzugt
stoffschlüssig
mit dem Blech verbunden, aus dem die Rinnen 2 hergestellt
werden. Bevorzugt erfolgt diese stoffschlüssige Verbindung in einem Verbindungsbereich 23.
Unter einer stoffschlüssigen Verbindung
wird hier insbesondere eine Schweiß- und/oder Lötverbindung verstanden. Bevorzugt
sind die Verbindungsbereiche 23 so ausgebildet, dass diese
dicht ausgeführt
sind, insbesondere sowohl in Bezug auf flüssiges Kühlmittel als auch auf verdampftes
Kühlmittel,
insbesondere sowohl in Bezug auf möglicherweise austretenden flüssigen Stickstoff als
auch in Bezug auf gasförmigen
Stickstoff.
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Erfindungsgemäß sind Querschnittsstabilisatoren 24 ausgebildet,
die im ersten Ausführungsbeispiel
stabförmige
Verbindungselemente umfassend, mit dem mindestens ein Teil der Unterseite 19 der
Rinnen 2 am Kühlkanal 20 und
insbesondere am Basisbauteil 22 fixiert werden. Im vorliegenden
Ausführungsbeispiel
wird in 2 gezeigt, dass diese Querschnittsstabilisatoren 24 jedes
Minimum jeder Rinne 2 fixieren, wobei jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen
wird, dass in vorteilhafter Weise auch nur eine Anbindung eines
Teils der Minima der Rinnen 2 an dem Basisbauteil 22 vorteilhaft
möglich
ist. Die Anzahl und/oder die Anordnung der Querschnittsstabilisatoren 24 kann
besonders vorteilhaft in Abhängigkeit
mindestens eines der folgenden Parameter variiert werden: a) Länge der
Rinne 2; b) Breite der Rinne 2; c) Dicke des Materials,
aus dem die Rinne 2 ausgebildet wurde; d) Kühlkapazität des Kühlkanals 20;
e) Kühlkapazität der Rinne 2 (jeweils bezogen
auf einen Maximalstrom des Kühlmittels) und
f) Art des einzusetzenden Kühlmittels.
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Die
Querschnittsstabilisatoren 24 stabilisieren den Querschnitt
der mindestens einen Rinne 2 bei jeglichen, üblichen
Betriebsbedingungen insbesondere auch während des Vorgangs des Abkühlens der
Rinnen 2. Weiterhin verhindern die Querschnittstabilisatoren 24 ein
Durchbiegen der Rinne 2, insbesondere in Längsrichtung
derselben. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise ein bei aus dem
Stand der Technik bekanntem Frostern bekanntes Durchbiegen, welches
zu einer Verzerrung der Rinnen 2 und damit zu geänderten
Druck und Fließeigenschaften des
Kühlmittelstroms
im Kanal führt,
verhindert werden. So können
gleichmäßige Kühlbedingungen
in sämtlichen
Rinnen 2 erreicht werden, so dass die Objekte 5 unabhängig davon,
durch welche der Rinnen 2 sie geführt wurden, jeweils die gleichen
Kühlbedingungen
erfahren haben. Dies bedingt ein gleichmäßiges Kühlergebnis der zu kühlenden
Objekte 5.
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3 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel,
bei dem die Querschnittsstabilisatoren 24 mindestens einen
Teil der Oberseite 18 der Rinnen 2 räumlich fixiert. 3 ist
weiterhin zu entnehmen, dass hier nicht jede der Kuppen der Rinnen 2 mit
dem Querschnittsstabilisator 24 verbunden ist, sondern vielmehr
nur einzelne Kuppen. Die Zahl der mit Querschnittsstabilisatoren 24 ausgebildeten
Kuppen, kann in Abhängigkeit
von der Materialdicke der Rinnen 2, der Materialauswahl
der Rinnen 2, der Anzahl der Rinnen 2, den zu
erreichenden Temperaturen, den Durchflußbedingungen des Kühlmittelstroms 4 usw.
angepasst werden. Die Ausführungsform
gemäß 3 hat
den Vorteil, dass der Kühlkanal 20 nicht
durch die Querschnittstabilisatoren 24 beeinträchtigt wird,
so dass insbesondere keine Stellen auftreten können, die zu Turbulenzen im
zweiten Strom 21 des Kühlmittels
im Kühlkanal 20 führen. Dies
ermöglicht
eine definiertere Kühlung
der Rinnen 2 durch den zweiten Strom eines Kühlmittels
im Kühlkanal 20.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
erlaubt in vorteilhafter Weise die definierte Kühlung von Objekten 5,
insbesondere das Gefrieren von Tropfen eines flüssigen oder pastösen Materials,
insbesondere von flüssigen
oder pastösen
Lebensmitteln. Insbesondere eine Verformung wie ein Verbiegen der
Rinnen 2 aufgrund starker Temperaturgradienten und/oder -transienten
wird wirkungsvoll verringert. So können auch nach Abkühlvorgängen gleichmäßige Kühlbedingungen
gewährleistet
werden.
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- 1
- Vorrichtung
zum Kühlen
von Objekten
- 2
- Rinne
- 3
- erste
Kühlmittelquelle
- 4
- Erster
Strom
- 5
- Objekt
- 6
- Tropfenbildner
- 7
- Stickstoffsumpf
- 8
- Rinnenende
- 9
- Trennungszuführung
- 10
- Produkttrenner
- 11
- zweite
archimedische Schraube
- 12
- Gemisch
- 13
- Flüssigstickstoffstrom
- 14
- Produktstrom
- 15
- Kaltgasstrom
- 16
- Produktauslaß
- 17
- Gehäuse
- 18
- Oberseite
- 19
- Unterseite
- 20
- Kühlkanal
- 21
- Zweiter
Strom
- 22
- Basisbauteil
- 23
- Verbindungsbereich
- 24
- Querschnittsstabilisator