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Die
Erfindung betrifft eine Kryoeinrichtung zur Kryokonservierung von
Kühlgut,
insbesondere von biologischen Proben, mittels eines Kühlmittels, wie
beispielsweise flüssigem
Stickstoff, gemäß Anspruch
1. Weiterhin umfasst die Erfindung ein entsprechendes Betriebsverfahren
gemäß dem Nebenanspruch.
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Biomaterialbanken
gewinnen im Zusammenhang mit der Biotechnologie und der zellbasierten Medizin
mehr und mehr an Bedeutung. Hierbei lagern immer umfangreichere
und wertvoller werdende Probensammlungen in Kryotanks, die mit flüssigem Stickstoff
als Kühlmittel über thermisch
isolierte Kühlmittelzuleitungen
versorgt werden. Die Kryotanks sind hierbei in der Regel sogenannte
Dewar-Gefäße und bestehen
aus Metall, so dass sie einer Brandlast von unten sowie von der
Seite aufgrund ihrer guten thermischen Isolation und der Kühlung im
Inneren recht gut widerstehen. Kritisch sind im Brandfall dagegen
die obere Öffnung
und der Deckelverschluss des Kryotanks. Im Brandfall kann nämlich der
Deckelverschluss wegschmelzen, wodurch die thermische Isolation
des Kryotanks von oben aus verloren gehen kann. Darüber hinaus
können
beim Wegschmelzen des Deckelverschlusses Teile in den Kryotank hineinfallen.
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Der
Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Kryoeinrichtung
mit einem effektiven Brandschutz zu schaffen und ein entsprechendes Betriebsverfahren
hierfür
anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Kryoeinrichtung bzw. ein
entsprechendes Betriebsverfahren gemäß den Nebenansprüchen gelöst.
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Die
Erfindung umfasst die allgemeine technische Lehre, das Kühlmittel
(z. B. flüssigen
Stickstoff) nicht nur zur Kühlung
zu verwenden, sondern auch zur Brandbekämpfung im Brandfalle. Die erfindungsgemäße Kryoeinrichtung
weist deshalb eine Feuerlöscheinrichtung
auf, die das Kühlmittel
als Löschmittel
benutzt.
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Der
im Rahmen der Erfindung verwendete Begriff einer Kryoeinrichtung
stellt vorzugsweise auf die vorstehend erwähnten Kryotanks ab, in denen das
Kühlgut
bei der Temperatur flüssigen
Stickstoffs kryokonserviert wird. Der Begriff einer Kryoeinrichtung
ist jedoch im Rahmen der Erfindung allgemeiner zu verstehen und
umfasst auch vollständige
Kryobanken und Baugruppen oder Bestandteile derartiger Kryobanken.
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Vorzugsweise
dient die erfindungsgemäße Kryoeinrichtung
zur Kryokonservierung von biologischen Proben als Kühlgut. Die
Erfindung ist jedoch hinsichtlich des zu konservierenden Kühlguts nicht auf
biologische Proben beschränkt,
sondern auch mit anderen Arten von Proben realisierbar, wie beispielsweise
chemischen Proben oder Materialproben.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der
Erfindung weist die Kryoeinrichtung zusätzlich einen Brandmelder auf,
um in der Kryoeinrichtung einen Brandfall zu erkennen und gegebenenfalls
die Feuerlöscheinrichtung
zu aktivieren. Hierbei sind im Rahmen der Erfindung verschiedene
Typen von Brandmeldern einsetzbar, wie beispielsweise Brandgasmelder,
Wärmemelder,
Rauchmelder, Flammenmelder oder Multikriterien-Melder, die mehrere
Eingangssignale (z. B. Temperatur und Rauchinten sität) berücksichtigen.
Darüber
hinaus kann der Brandmelder im Rahmen der Erfindung auch Signale
einer Temperaturregelung auswerten, die in der Kryoeinrichtung eine
vorgegebene Temperatur in dem Kryotank regelt. Falls beispielsweise
die Temperaturregelung eine Übertemperatur
registriert und dementsprechend die Zufuhr des Kühlmittels steigert, so kann
dies beim Überschreiten
eines vorgegebenen Grenzwertes eine Brandmeldung auslösen.
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In
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung weist die Feuerlöscheinrichtung
mindestens ein Löschmittelventil
auf, das im Brandfall Kühlmittel
aus dem Kryotank und/oder aus der Kühlmittelzuleitung zur Brandbekämpfung über mindestens eine
Löschmitteldüse in die
Umgebung des Kryotanks freigibt.
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In
einer Variante der Erfindung wird das als Löschmittel dienende Kühlmittel
also aus der Kühlmittelzuleitung
entnommen und in die Umgebung des Kryotanks abgegeben.
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In
einer anderen Variante der Erfindung wird das als Löschmittel
dienende Kühlmittel
dagegen aus dem Kryotank entnommen und über das Löschmittelventil und die Löschmitteldüse in die
Umgebung des Kryotanks abgegeben. Im einfachsten Fall kann dies geschehen,
indem das Löschmittelventil
als Ablassventil ausgebildet ist, über das in dem Kryotank befindliches
Kühlmittel
abgelassen werden kann.
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Vorzugsweise
handelt es sich bei dem Löschmittelventil
jedoch um ein Zwei- oder Mehrwegeventil, das in der Kühlmittelzuleitung
angeordnet ist, wobei das Löschmittelventil
das Kühlmittel
im normalen Betrieb in den Kryotank leitet und im Brandfall in die
Umgebung des Kryotanks freigibt.
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Vorzugsweise
weist der Kryotank an seiner Oberseite eine Öffnung auf, durch die die Proben
in den Kryotank eingeführt
bzw. aus dem Kryotank entnommen werden können, was an sich aus dem Stand der
Technik bekannt ist. Die Öffnung
des Kryotanks ist hierbei vorzugsweise von einer Haube abgedeckt, wobei
die Löschmitteldüse das als
Löschmittel
dienende Kühlmittel
im Brandfall von oben auf die Außenfläche der Haube abgibt. Bei der
Verwendung von flüssigem
Stickstoff als Kühlmittel
verdampft das Kühlmittel
beim Auftreffen auf die relativ warme Haube, was in verschiedener
Hinsicht zur Brandbekämpfung
vorteilhaft ist. Zum einen wird dadurch der Sauerstoffgehalt in
der Nähe
des Kryotanks verringert, was einen Brand in der Umgebung des Kryotanks
abschwächt
oder vollständig
erstickt. Zum anderen wird durch den flüssigen Stickstoff und das kalte
Stickstoffgas die Oberfläche
der Haube und des Kryotanks gekühlt,
so dass diese Bauteile nicht oder nur schwer entflammbar sind und
auch längeren
Bränden
standhalten.
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In
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung gibt die Feuerlöscheinrichtung
das als Löschmittel
dienende Kühlmittel
allseitig in die Umgebung des Kryotanks ab, d. h. in verschiedene
Richtungen, um einem Brandangriff aus verschiedenen Richtungen standhalten
zu können.
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Hierzu
weist die erfindungsgemäße Kryoeinrichtung
vorzugsweise eine Ringleitung auf, welche die Kühlmittelzuleitung ringförmig umgibt
und ringförmig
verteilt angeordnete Löschmitteldüsen zur
Abgabe des Löschmittels
aufweist, wobei das Löschmittelventil
die Kühlmittelzuleitung
mit der Ringleitung verbindet. Hierbei verläuft die Kühlmittelzuleitung also vorzugsweise
von oben senkrecht nach unten in den Kryotank, wobei die Ringleitung
waagerecht ausgerichtet ist und die senkrechte Kühlmittelzuleitung ringförmig umgibt.
Die Löschmit teldüsen geben
das als Löschmittel
dienende Kühlmittel
dann vorzugsweise seitlich, nach schräg oben oder nach schräg unten
ab.
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In
einer Variante der Erfindung ist hierbei zusätzlich ein Prallkörper vorgesehen,
auf dessen Oberfläche
die Löschmitteldüsen das
Löschmittel
abgeben. Dies ist insbesondere bei der Verwendung von flüssigem Stickstoff
als Löschmittel
vorteilhaft, da der flüssige
Stickstoff dann beim Auftreffen auf die relativ warme Oberfläche des
Prallkörpers
verdampft und dann für
Personen in der Umgebung der Kryoeinrichtung weniger gefährlich ist.
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Vorzugsweise
ist die Löschmitteldüse hierbei unter
dem Prallkörper
angeordnet und spritzt das Löschmittel
nach oben oder schräg
nach oben gegen den Prallkörper.
Vorteilhaft ist es hierbei, wenn der Prallkörper aus einem thermisch gut
leitfähigen
Material besteht, wie beispielsweise Metall oder Stahl, da der im
Brandfall aufgeheizte Prallkörper
dann das auftreffende Löschmittel
schlagartig erwärmen
und dadurch verdampfen kann.
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Hinsichtlich
der Formgebung des Prallkörpers
bestehen im Rahmen der Erfindung vielfältige Möglichkeiten, jedoch ist der
Prallkörper
vorzugsweise haubenförmig,
plattenförmig
oder gitterförmig.
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Weiterhin
besteht im Rahmen der Erfindung die Möglichkeit, dass die Löschmitteldüse durch
einen Leitungsabschnitt mit dem Löschmittel gespeist wird, in
dem das flüssige
Kühlmittel
vor der Abgabe als Löschmittel
durch einen Wärmekörper oder
eine Wärmequelle
verdampft wird. Dies ist vorteilhaft, weil das Löschmittel dann in nicht-flüssiger Form
durch die Löschmitteldüse abgegeben
wird, was weniger gefahrenträchtig
ist.
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Darüber hinaus
führt die
Verdampfung des Löschmittels
in dem Leitungsabschnitt zu einer Volumenzunahme und einer entsprechenden
Druckzunahme, wodurch die Austrittsgeschwindigkeit des Löschmittels
erhöht
wird, was ebenfalls vorteilhaft ist.
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Bei
dem Wärmekörper zur
Erwärmung
des Löschmittels
kann es sich beispielsweise um Rippen oder sonstige Oberflächenvergrößerungen
handeln, mit denen das Löschmittel
passiv erwärmt
wird.
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Es
ist jedoch alternativ auch möglich,
dass das Löschmittel
beim Durchströmen
des Leitungsabschnitts vor dem Verlassen der Löschmitteldüse durch eine Wärmequelle
aktiv erwärmt
wird.
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In
einer Variante der Erfindung sind mehrere Löschmitteldüsen vorgesehen, die vorzugsweise über dem
Kryotank angeordnet sind und einen Löschmittelvorhang nach unten
abgeben. Hierbei sind die Löschmitteldüsen vorzugsweise
ringförmig um
den Kryotank angeordnet, so dass der Löschmittelvorhang den Kryotank
seitlich umgibt. Dadurch werden im Brandfall die Flammen nach unten
und zur Seite gedrückt,
was die Brandwiderstandsfestigkeit des Kryotanks erhöht.
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In
einer Variante der Erfindung weist die erfindungsgemäße Kryoeinrichtung
eine Temperaturregelung auf, um die Temperatur in dem Kryotank zu regeln,
was an sich aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die Temperaturregelung
weist hierbei mindestens einen Temperatursensor auf, um einen Ist-Wert
der Temperatur in dem Kryotank als Regelgröße zu erfassen. Weiterhin umfasst
die Temperaturregelung einen Regler zur Bestimmung einer Stellgröße in Abhängigkeit
von einer Soll-Ist-Abweichung zwischen
dem gemessenen Ist-Wert der Temperatur und einem vorgegebenen Soll-Wert
der Temperatur. Schließlich umfasst
die Temperaturregelung noch ein Stellglied, das die Löschmittelabgabe
entsprechend der von dem Regler erzeugten Stellgröße einstellt, wobei
das Stellglied beispielsweise ein Kühlmittelventil umfassen kann,
das die Menge des zu Kühlzwecken
abgegebenen Kühlmittels
entsprechend der von dem Regler erzeugten Stellgröße einstellt.
Es besteht jedoch im Rahmen der Erfindung auch die Möglichkeit,
dass das Stellglied eine steuerbare Wärmequelle umfasst, die das
Kühlmittel
entsprechend der Stellgröße erwärmt.
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Bei
einer derartigen Temperaturregelung in dem Kryotank ist in einer
Variante der Erfindung eine Steuereinheit vorgesehen, welche die
Feuerlöscheinrichtung
in Abhängigkeit
von mindestens einer Größe aktiviert,
die im Rahmen der Temperaturregelung verwendet wird. Beispielsweise
kann die Steuereinheit die Feuerlöscheinrichtung aktivieren,
wenn die Soll-Ist-Abweichung
einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet,
was auf einen Brandfall hindeutet. Anstelle der Soll-Ist-Abweichung kann die
Steuereinheit jedoch auch die Stellgröße der Temperaturregelung auswerten.
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Aus
der vorstehenden Beschreibung ist bereits ersichtlich, dass die
Erfindung nicht nur die vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Kryoeinrichtung
umfasst, sondern auch ein entsprechendes Betriebsverfahren.
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Andere
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet
oder werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der Figuren näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kryotanks mit einer integrierten Feuerlöschein richtung,
die als Löschmittel
flüssigen Stickstoff
verwendet,
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2 eine
Abwandlung des Kryotanks aus 1,
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3 eine
Aufsicht auf eine Anordnung mit mehreren Löschmitteldüsen, die bei den Kryotanks aus
den 1 und 2 eingesetzt werden kann,
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4 eine
Anordnung von Löschmitteldüsen mit
einer Prallplatte zur Verdampfung des Löschmittels,
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5 eine
Anordnung von Löschmitteldüsen mit
einer passiven Erwärmung
des Löschmittels
sowie
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6 eine
schematische Darstellung eines Kryotanks mit einer Düsenanordnung,
die einen Löschmittelvorhang
um den Kryotank abgibt.
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Die
Zeichnung in 1 zeigt einen Kryotank 1 zur
Kryokonservierung biologischer Proben, wobei der Kryotank 1 mit
flüssigem
Stickstoff als Kühlmittel gekühlt wird.
Das Kühlmittel
wird hierbei über
eine Kühlmittelzuleitung 2,
ein Kühlmittelventil 3 und
ein Zweiwegeventil 4 in den Kryotank 1 eingeleitet,
was an sich aus dem Stand der Technik bekannt ist.
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Im
normalen Betrieb leitet das Zweiwegeventil 4 das Kühlmittel
nach unten in den Kryotank 1, um das Innere des Kryotanks
abzukühlen.
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Im
Brandfall gibt das Zweiwegeventil 4 das über die
Kühlmittelzuleitung 2 und
das Kühlmittelventil 3 zugeführte Kühlmittel
dagegen seitlich in die Umgebung des Kryotanks 1 ab, so dass
der Kryotank 1 von einem Löschmittelvorhang 5 umgeben
ist, der eine Brandeinwirkung auf den Kryotank 1 abschwächt.
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Das
Zweiwegeventil 4 wird hierbei von einer Steuereinheit 6 angesteuert,
die eingangsseitig mit zwei Brandmeldern 7, 8 verbunden
ist. Die Steuereinheit 6 wertet die Ausgangssignale der
beiden Brandmelder 7, 8 aus und steuert das Zweiwegeventil 4 im Brandfalls
so an, dass der als Kühlmittel
dienende flüssige
Stickstoff seitlich in die Umgebung des Kryotanks 1 abgegeben
wird.
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An
der Oberseite des Kryotanks 1 ist hierbei eine Haube 9 angeordnet,
wobei das Zweiwegeventil 4 von einer Düsenanordnung 10 umgeben
ist, die den flüssigen
Stickstoff allseitig schräg
nach unten auf die Außenfläche der
Haube 9 abgibt. Beim Auftreffen auf die Außenfläche der
Haube 9 verdampft dann der Stickstoff, wodurch der Sauerstoffgehalt
in der Umgebung des Kryotanks 1 herabgesetzt wird.
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Das
Ausführungsbeispiel
gemäß 2 stimmt
weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel überein,
so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung
verwiesen wird, wobei für
entsprechende Einzelheiten dieselben Bezugszeichen verwendet werden.
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Eine
Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels
besteht darin, dass an der Oberseite des Kryotanks 1 keine
Haube 9 vorgesehen ist.
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Die 3 und 4 zeigen
ein alternatives Ausführungsbeispiel
einer Düsenanordnung 11,
die anstelle der Düsenanordnung 10 in
den 1 und 2 eingesetzt werden kann.
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Der
senkrechte Abschnitt der Kühlmittelzuleitung 2 ist
hierbei von einer waagerecht verlaufenden Ringleitung 12 umgeben,
wobei die Kühlmittelzuleitung 2 über eine
Stichleitung 13 mit der Ringleitung 12 verbunden
ist, so dass Kühlmittel
aus der Kühlmittelleitung 2 über die
Stichleitung 13 in die Ringleitung 12 gelangen
kann.
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In
der Stichleitung 13 ist hierbei ein Löschmittelventil 14 angeordnet,
das von der Steuereinheit 6 angesteuert werden kann und
die Löschmittelabgabe
steuert.
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In
der Ringleitung 12 sind über den Umfang verteilt mehrere
Löschmitteldüsen 15 angeordnet, die
das Löschmittel
schräg
nach oben auf eine haubenförmige
Prallplatte 16 abgeben. Beim Auftreffen des flüssigen Stickstoffs
auf die Prallplatte 16 verdampft der Stickstoff, so dass
die Stickstoffabgabe keine größeren Gefahren
für umstehende
Personen birgt.
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5 zeigt
eine Abwandlung der vorstehenden Ausführungsbeispiele, bei der von
dem senkrechten Abschnitt der Kühlmittelzuleitung 2 eine Stichleitung 17 seitlich
zu Kugelköpfen 18 abzweigt, die
den flüssigen
Stickstoff über
zahlreiche Austrittsöffnungen
räumlich
verteilt abgeben.
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Eine
weitere Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels
besteht darin, dass die Stichleitung 17 zahlreiche Wärmerippen 19 aufweist,
welche den flüssigen
Stickstoff beim Durchströmen
der Stichleitung 17 erwärmen
und verdampfen, was zu einer entsprechende Volumenvergrößerung führt und
die Austrittsgeschwindigkeit des Löschmittels erhöht.
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Schließlich zeigt 6 ein
alternatives Ausführungsbeispiel
einer Düsenanordnung 20,
die anstelle der Düsenanordnung 10 aus
den 1 und 2 eingesetzt werden kann. Die Düsenanordnung 20 besteht
im Wesentlichen aus einem Düsenring
mit zahlreichen über
den Umfang des Düsenrings
verteilt angeordneten Löschmitteldüsen, die
einen Löschmittelvorhang 5 nach
unten abgeben, wobei die Düsen so
angeordnet sind, dass der Löschmittelvorhang 5 den
Kryotank 1 seitlich umgibt.
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Die
Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt.
Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die
ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb
in den Schutzbereich fallen.
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- 1
- Kryotank
- 2
- Kühlmittelzuleitung
- 3
- Kühlmittelventil
- 4
- Zweiwegeventil
- 5
- Löschmittelvorhang
- 6
- Steuereinheit
- 7
- Brandmelder
- 8
- Brandmelder
- 9
- Haube
- 10
- Düsenanordnung
- 11
- Düsenanordnung
- 12
- Ringleitung
- 13
- Stichleitung
- 14
- Löschmittelventil
- 15
- Löschmitteldüsen
- 16
- Prallplatte
- 17
- Stichleitung
- 18
- Kugelkopf
- 19
- Wärmerippen
- 20
- Düsenanordnung