Aus
der
US 5 441 658 A ist
eine Vorrichtung zur Kälteerzeugung
bekannt, bei der ein Kondensator das Kältemittelgemisch auf minimal
Umgebungstemperatur abkühlt.
Bei
der Kryokonservierung biologischer Stoffe werden die zu konservierenden
Stoffe unter eine bestimmte Temperatur gekühlt, so daß die biologische Aktivität der Stoffe,
insbesondere der Stoffwechsel der zu konservierenden Zellen, zum
völligen Stillstand
kommt. Werden die biologischen Stoffe danach unter entsprechenden
Vorsichtsmaßnahmen wieder
aufgetaut, so wird der Stoffwechsel wieder aktiviert und die Alterung
der Zellen setzt sich fort. Dabei ist es für die Eigenschaften der wieder
aufgetauten Zellen unerheblich, ob die Zellen einige Wochen oder
Jahre bei den Tieftemperaturen gelagert wurden. Somit erlaubt die
Kryokonservierung die Haltbarmachung biologischer Zellen für praktisch
beliebig lange Zeit, solange bei der Lagerung Temperaturen unterhalb
der zur Kryokonservierung notwendigen Temperatur, in der Regel 140
K, eingehalten werden. Dies liegt darin begründet, daß reines Wasser unter Normaldruck
eine Glasübergangstemperatur
in der Nähe
von 134 K aufweist. Eine Kristallisation und eine damit verbundene
Zerstörung
der Zellstrukturen ist deshalb innerhalb "vernünftiger" Zeiträume unmöglich. Darunter
ist zu verstehen, daß z.
B. bei 120 K für
reines Wasser aufgrund der behinderten Diffusion die mögliche Wachstumsgeschwindigkeit
für Eis 0,3 μm pro Jahr
beträgt.
Zur
Kryokonservierung biologischer Stoffe sind zwei Vorrichtungen bekannt.
Zum einen können die
biologischen Stoffe in Konservierungsbehältern, sog. Kryo-Behältern, aufbewahrt
werden. Bei diesen Konservierungsbehältern handelt es sich um vakuum-isolierte
Behälter,
die mit kryogenem Medium gefüllt
werden und in denen die biologischen Stoffe gelagert werden. Andererseits
sind zur Kryokonservierung sog. Kühltruhen bekannt, in denen
mittels mechanischer Kälte
dauerhaft eine Temperatur von weniger als 140 K gehalten wird, ohne
daß flüssige kryogene
Medien eingesetzt werden müssen.
Beim
Einsatz von Kryo-Behältern
hat es sich gezeigt, daß ein
Teil des flüssigen
kroygenem Mediums durch die über
die Behälterwände einfallende Wärme verdampft
wird. So müssen
bei derartigen Behältern
Mittel vorgesehen werden, die es ermöglichen, dem Behälter die
verdampften Teile des kryogenen Mediums zu entziehen und ihm flüssiges kryogenes
Medium zuzuführen.
Hierzu
ist es bekannt, an den Konservierungsbehälter einen Speicherbehälter für flüssiges kryogenes
Medium anzuschließen.
Dadurch kann dem Konservierungsbehälter je nach Bedarf kaltes, flüssiges kryogenes
Medium zugeführt
werden. Eine derartige Vorrichtung ist in der Regel sehr robust
und kostengünstig
und stellt bis zur völligen
Entleerung des Speicherbehälters
sicher, daß die
Temperatur in dem Konservierungsbehälter unter der zur Kryokonservierung notwendigen
Temperatur bleibt. Nachteilig bei einer derartigen Vorrichtung ist,
daß der Speicherbehälter regelmäßig mit
kaltem kryogenen Medium befüllt
werden muß.
Unterbleibt
eine derartige Befüllung,
kann bei leerem Speicherbehälter
dem Konservierungsbehälter
kein flüssiges
kryogenes Medium zugeführt werden,
so daß das
im Konservierungsbehälter
vorhandene Medium verdampft und die Temperatur in dem Konservierungsbehälter über die
zur Kryokonservierung notwendige Temperatur steigt.
Alternativ
ist eine Vorrichtung bekannt, bei der an den Konservierungsbehälter eine
Kältemaschine
angeschlossen ist, die dem Konservierungsbehälter fortlaufend kryogenes
Medium entzieht, dieses abkühlt
und dem Konservierungsbehälter
wieder zuführt.
Dabei werden Kältemaschinen
verwendet, die nach dem "Joule-Thomson-Verfahren" betrieben werden.
Bei diesem Verfahren wird ein gasförmiges Kältemittel in einem Kompressor
von einem relativ geringen Druck (Niederdruck) auf einen relativ
hohen Druck (Hochdruck) verdichtet und in einem Nachkühler auf
Umgebungstemperatur abgekühlt.
Anschließend
wird das verdichtete Kältemittel
im Hochdruckstrom in einem Wärmeübertrager
im Gegenstrom zu dem noch nicht verdichteten Kältemittel abgekühlt und
schließlich
mit Hilfe eines Drosselventils in das Zweiphasengebiet des Kältemittels
entspannt. Nach der Entspannung wird der flüssige Anteil des Kältemittels
in einem Verdampfer unter Aufnahme der Kälteleistung teilweise verdampft.
Die zur Verdampfung notwendige Energie wird dabei dem der Kältemaschine
zugeführten
kryogenen Medium entzogen, wodurch dies abgekühlt wird. Das aus dem Verdampfer
kommende Kältemittel
im Niederdruckstrom wird dem Wärmeübertrager
im Gegenstrom zugeführt
und darin durch das verdichtete Kältemittel aufgewärmt. Anschließend wird
das aufgewärmte
Kältemittel
dem Kompressor wieder zugeleitet.
Für die Verdichtung
des Kältemittels
werden in der Regel ölgeschmierte
Verdichter eingesetzt. Die Verwendung eines ölgeschmierten Verdichters ist
jedoch mit Nachteilen verbunden, da Öl aus dem Verdichter in das
Kältemittel
gelangen und so in den Kältekreislauf
verschleppt werden kann. Gelangt das Öl in den kalten Teil der Kältemaschine,
dann friert es bei den im Verdampfer auftretenden tiefen Temperaturen
aus und verstopft den Verdampfer. Dem Verdichter müssen daher
entsprechende Bauteile nachgeschaltet werden, um Öl aus dem
Kältemittel
nach dessen Verdichtung abzuscheiden.
Aufgrund
der relativ hohen Temperaturen des verdichteten Kältemittels
sind in der Regel sowohl Aerosole als auch dampfförmige Ölanteile
in dem Kältemittel
vorhanden. Als Reinigungseinheit kann vorteilhaft ein Flüssigkeitsölabscheider
mit Ölrückführung in
den Verdichter und ein nachgeschalteter Adsorber zum Entfernen von
dampfförmigen Ölanteilen
und noch verbliebenen feinsten Tröpfchen eingesetzt werden. Diese
Anordnung wurde in R. C. Longsworth, M. J. Boiarski, L.A. Klusmier, "80 K Closed Cycle
Throttle Refrigerator",
(Proceedings of the 8th International Cryocooler
Conference, Vail Co., June 1994) bereits beschrieben.
Die
Funktionsweise eines Adsorbers ist diskontinuierlich. Der Adsorber
ist beladen, wenn die ganze innere Oberfläche des Adsorptionsmittel von den
fremden Molekülen
besetzt ist. Dann kann der Adsorber seine Funktion nicht mehr erfüllen. Daher wird
der Adsorber in regelmäßigen Abständen ausgetauscht
bzw. regeneriert. Der Zeitraum zwischen dem Austausch bzw. der Regeneration
des Adsorbers bestimmt nachteilig den wartungsfreien Zeitraum der
gesamten Kältemaschinen.
Ein
weiterer Nachteil des Adsorbers ist die Selektivität des Adsorptionsmittel
in bezug auf bestimmte Komponenten des Kältemittels, d.h. seine Eigenschaften
verschiedene Komponenten unterschiedlich zu adsorbieren. Beim Durchströmen des Adsorbers
verschiebt sich die Zusammensetzung des Kältemittels aus diesem Grund
in der Regel zugunsten der tiefsiedenden Komponenten. Die Effektivität eines
Joule-Thomson-Verfahrens
hängt stark von
der Zusammensetzung des Kältemittels
ab. Die Änderung
der Zusammensetzung führt
zu einer wesentlichen Verschlechterung der Charakteristika des Systems,
wodurch die erforderliche Kälteleistung oder
Kühltemperatur
nicht mehr erreicht werden. Eine Erneuerung des Kältemittels
ist dann notwendig.
Für die Ausgestaltung
von Tieftemperatur-Behältern
ist aus der
US 5,586,437
A ein Behälter bekannt,
in dem ein "magnetic
resonance imaging" (MRI)
Kryostat angeordnet ist. Zur Kühlung
des supraleitenden Magneten des MRI-Kryostat wird dieser in flüssigem kryogenen
Medium gelagert. Aus der
US 5,586,437
A ist es bekannt, für
den Behälter
einen Kühlmittelkreislauf
vorzusehen, der einen Wärmetauscher
aufweist, der in dem Behälter
angeordnet ist und in thermischen Kontakt mit einem äußeren Strahlungsschild
steht, das in der den Behälter
umgebenden Vakuumisolierung zum Aufnehmen möglicher die Vakuumisolierung
durchdringender Strahlung vorgesehen ist.
Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren
zur Kryokonservierung zu schaffen, das die Nachteile der bekannten Verfahren
und Vorrichtungen vermeidet. Ferner ist es erwünscht, die Zahl der Betriebsstunden
zu erhöhen, in
der das Verfahren und die Vorrichtung zur Kryokonservierung wartungsfrei
betrieben werden.
Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Kryokonservierung biologischer Stoffe
gelöst,
bei dem ein den zu konservierenden biologischen Stoff enthaltender,
mit flüssigem
und/oder dampfförmigem
kryogenen Medium gefüllter
Konservierungsbehälter über Mittel
zum Austausch von Wärme mit
einer Kältemaschine
verbunden ist, die einen Kältemittelkreislauf
mit einem ölgeschmierten Verdichter
zur Verdichtung eines Kältemittels,
einem nachgeschalteten Nachkühler
zur Abkühlung
des Kältemittels
auf Umgebungstemperatur, einer daran anschließenden Vorrichtung zur Abtrennung
von Öl aus
dem Kältemittel
und einem der Vorrichtung zur Abtrennung des Öls nachgeschalteten Joule-Thomson-Wärmeübertrager
aufweist, und bei dem zwischen dem Nachkühler und dem Joule-Thomson-Wärmeübertrager
ein Ölkondensator
angeordnet ist.
Durch
die Mittel zum Austausch von Wärme besteht
somit die Möglichkeit,
daß dem
in dem Konservierungsbehälter
vorhandenen kryogenen Medium Wärme
entzogen wird. Insbesondere besteht die Möglichkeit, daß der durch
den Wärmeeinfall über die Behälterwände verdampfende
Teil des kryogenen Mediums gekühlt
wird. Dadurch kann bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf einen separaten Speicherbehälter für flüssiges kryogenes
Medium, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist, verzichtet
werden, da bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
die Möglichkeit
besteht, die verdampften Teile des kryogenen Mediums abzukühlen und
möglicherweise
zu kondensieren, so daß nur
noch in geringem Maße
verdampftes kryogenes Medium aus dem Behälter abgeführt werden muß.
Durch
den zwischen dem Nachkühler
und dem Joule-Thomson-Wärmeübertrager
angeordneten Ölkondensator
werden beträchtliche
Mengen des zur Schmierung des Ölverdichters
verwendeten und in den Kältemittelstrom
gelangten Öls
aus dem Kältemittelstrom
kondensiert. Dieses Öl
kann dann in einfacher Weise von dem Kältemittel abgetrennt werden.
Durch die effektive Abtrennung von Öl aus dem Kältemittelstrom kann der Einsatz
von Adsorbern in den Joule-Thomson-Verfahren reduziert werden, so daß die oben
beschriebene Änderung
der Zusammensetzung des Kältemittels
reduziert wird. Die damit verbundene Verlängerung des Zeitintervalls, nachdem
das Kältemittel
und der Adsorber erneuert werden müssen, führt zu einer erhöhten Effektivität der Vorrichtung
zur Kryokonservierung.
Bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist es zweckmäßig, wenn
die Mittel zum Austausch von Wärme
derart ausgestaltet sind, daß der
Kältemittelkreislauf
einen Wärmetauscher
aufweist, der in dem Konservierungsbehälter angeordnet ist. Somit
ist der Wärmetauscher
direkt an den Kältemittelkreislauf
der Kältemaschine
angeschlossen und kann ohne weitere Wärmeverluste dem kryogenen Medium
in dem Konservierungsbehälter
Wärme entziehen.
Alternativ
ist es jedoch auch denkbar, daß der
Kältemittelkreislauf
einen Wärmetauscher
aufweist, der im Gegenstrom mit einem separaten Kühlmittelkreislauf
in Verbindung steht und daß der
separate Kühlmittelkreislauf
einen Wärmetauscher
aufweist, der in dem Konservierungsbehälter angeordnet ist. Somit
ist die Kältemaschine
von dem Konservierungsbehälter
entkoppelt.
Es
ist jedoch auch denkbar, daß die
Kältemaschine
aus Gründen
der Platzersparnis in dem Konservierungsbehälter angeordnet wird.
Bezüglich des
Verfahrens wird die Aufgabe derart gelöst, daß mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung
die Temperatur des flüssigen
und/oder gasförmigen
kryogenen Mediums über
die Mittel zum Austausch von Wärme
auf der zur Kryokonservierung biologischer Stoffe notwendigen Temperatur
gehalten wird. Somit wird dem Konservierungsbehälter über die Mittel zum Austausch
von Wärme
jeweils soviel Wärme
entzogen, wie zum Beibehalten der zur Kryokonservierung biologischer
Stoffe notwendigen Temperatur notwendig ist.
Es
ist jedoch auch denkbar, daß bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
die Temperatur des flüssigen
und/oder gasförmigen
kryogenen Mediums über
die Mittel zum Austausch von Wärme
unter der zur Kryokonservierung biologischer Stoffe notwendigen
Temperatur gehalten wird. Somit würde in dem Konservierungsbehälter eine
Temperatur herrschen, die unter der zur Kryokonservierung biologischer Stoffe
zwingend notwendigen Temperatur liegt. Dies entspricht einer Sicherheitsreserve,
die sicherstellt, daß auch
bei einem Defekt der Kältemaschine
die biologischen Stoffe immer noch über einen gewissen Zeitraum
gelagert werden können.
Dieser Zeitraum wird z. B. durch die Menge des zu verdampfenden kryogenen
Mediums in dem Konservierungsbehälter bestimmt.
Erst wenn das gesamte flüssige
kryogene Medium in dem Konservierungsbehälter verdampft ist, besteht
die Möglichkeit,
daß die
Temperatur in dem Konservierungsbehälter über die zur Kryokonservierung
biologischer Stoffe notwendige Temperatur steigt.
Die
Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß bei Vorrichtungen und Verfahren
zur Kryokonservierung biologischer Stoffe durch die Verwendung einer
Kältemaschine,
die einen Kühlmittelkreislauf mit
einem ölgeschmierten
Verdichter zur Verdichtung eines Kältemittels, einem nachgeschalteten
Nachkühler
zur Abkühlung
des Kältemittels
auf Umgebungstemperatur, einer daran anschließenden Vorrichtung zur Abtrennung
von Öl
aus dem Kältemittel und
einem der Vorrichtung zur Abtrennung des Öls nachgeschalteten Joule-Thomson-Wärmeübertrager
aufweist, und bei dem zwischen dem Nachkühler und dem Joule-Thomson-Wärmeübertrager
ein Ölkondensator
angeordnet ist, gelöst.
Nachfolgend
wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel
darstellenden Zeichnung näher
erläutert.
Darin zeigen
Im
folgenden wir die Funktionsweise der Kältemaschine 6 anhand
der schematischen Darstellung der 2 näher erläutert. In 2 ist
eine Kältemaschine 6 nach
dem erfindungsgemäß modifizierten Joule-Thomson-Verfahren
dargestellt. Die Kältemaschine 6 besteht
aus einem ölgeschmierten
Verdichter 7, einem Nachkühler 8, einem Joule-Thomson-Wärmeübertrager 9,
einem Drosselvorgang 10, einem Wärmetauscher 11, einem
Flüssigkeitsölabscheider 12,
einer Kapillarleitung 13, einem Ölkondensator 14, einem
Vorkühler 15,
einem Wärmeübertrager 16 und
einer Kälteanlage 17.