DE3238535A1 - Verfahren und apparat zum gesteuerten kuehlen eines produktes - Google Patents

Verfahren und apparat zum gesteuerten kuehlen eines produktes

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Planer Products Ltd
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Description

  • Verfahren und Apparat zum gesteuerten Kühlen
  • eines Produktes Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und einen Apparat zum gesteuerten Kühlen eines Produktes. Die Erfindung betrifft insbesondere das gesteuerte Kühlen von Proben, welche zumindest teilweise flüssig sind. Eine besondere Anwendung der Erfindung besteht.im Gefrieren, beispielsweise das Konservieren biologischer Materialien.
  • Es ist bekannt, biologische oder andere Mat.erialien, wie beispielsweise tierische Embryos, Blutkonstituente usw.
  • für Zwecke der Konservierung in einem Trägermedium ein zufrieren. Das Material wird in einem flüssigen Trägermedium bei einer genau gesteuerten Rate gefroren, beispielsweise durch das Freisetzen eines flüssigen Stickstoffs oder eines anderen Kühl- oder Kältemittels, welches in der Nähe der Probe verdampft. Eine geeignete Steuerausrüstung wird durch Zutritt des Kältemittels verwendet, um eine geeignete Kühlrate aufrechtzuerhalten. Wenn biologi--sches Material gekühlt wird, beginnt die kritische Rate, beispielsweise typischerweise -1OC/min, oberhalb des Gefrierpunktes der Lösung/Suspension. Eine bei solch gesteuerten Gefriervorgängen festgestellte Schwierigkeit, beispielsweise beim Gefrieren von Embryos in flüssigem Stickstoff, besteht in der plötzlichen Kristallisation der Bestandteile des zu gefrierenden Materials, beispielsweise bei Temperaturen zwischen -7°C und -160C. Versuche haben gezeigt, daß ohne spezielle Vorsichtsmaßnahmen die Kristallisation während des Kühlens wirksam durch den gesamten Körper der Probe stattfindet, wobei der dadurch resultierende "Schock eine Beschädigung des biologischen Materials verursacht. Aus diesem Grund ist es übliche Praxis, in solchen Fällen am oberen Ende der Ampulle oder eines anderen Behälters für die Proben eine Kristallisation einzuleiten, und zwar durch physikalische Berührung der Ampulle oder des Behälters mit Zungen oder einem anderen metallischen Teil, welches zuvor in flüssigem Stickstoff gekühlt wurde. Die lokale Kristallisation, welche dadurch eingeleitet wird, pflanzt sich progressiv nach unten durch die Ampulle oder den Behälter oder durch den Körper der Probe fort. Da diese Kristallisation mehr progressiv ist, wird dadurch die Überlebensrate des biologischen Materials wesentlich erhöht.
  • Ein anderes bei solch gesteuerten Gefriervorgängen festgestelltes Problem, und dies ist nicht auf biologische Proben begrenzt, besteht darin, daß, wenn die Kristallisation auftritt, die latente Fusionswärme der. Lösung/Suspension freigegeben wird und dadurch die Temperatur der Flüssigkeit ansteigt. Dabei besteht ebenso das potentielle Problem der Überkühlung der Flüssigkeit, worin wiederum eine Gefahr der momentanen massiven Kristallisation über den instanten Körper der Flüssigkeit besteht.
  • Unter diesen Nachteilen der bekannten, zuvor beschriebenen Verfahren, wobei insbesondere Metallzungen verwendet werden, besteht die Notwendigkeit des Einführens einer mechanischen Bewegung innerhalb der Kühlkammer. In einigen Fällen besteht das Erfordernis, den Probenbehälter momentan wegzuziehen, wodurch das Risiko eines Umfallens der Steuerung der Kühlrate geschaffen wird. Außerdem sind solche.Manöver für die Bedienungsperson höchst unangenehm und erfordern eine hohe Erfahrung und übung, um konsistent zufriedenstellende Ergebnisse zu erzielen.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und einen Apparat zum Modifizieren der Kühlrate einer Probe, welche zumindest teilweise flüssig ist, auf gesteuerte Weise zu schaffen. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß die Kristallisation des Körpers der Flüssigkeit an einer bestimmten Stelle induziert wird, oder aber eine Fällung oder Sedimentation von Material aus der Flüssigkeit, oder aber es kann die Wärme einer exothermen Reaktion absorbiert werden.
  • Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren und einen Apparat zu schaffen, mit dem zumindest teilweise die latente Kristallisationswärme der Flüssigkeit entfernt wird, welche progressiv gekühlt wird, um dadurch den Temperaturanstieg innerhalb der Flüssigkeit zu reduzieren, welcher aus der latenten Kristallisationswärme resultiert.
  • Eine solch bevorzugte Absorption der latenten Kristallisations- oder Fusionswärme wird entweder automatisch oder unter manueller Steuerung bewirkt, ohne jegliches Erordernis für eine mechanische Bewegung der Probe oder das Einführen eines Fremdkörpers, wie beispielsweise ein Paar von kalten Zungen.
  • Es ist weiterhin eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und einen Apparat zum Modifizieren der Kühlrate einer flüssigen Probe zu schaffen, mittels denen man.diese Probe einer zusätzlichen Kühlung unterwerfen kann, die bei einem vorbestimmten Punkt eingeleitet wird, der vorzugsweise näher am Gefierpunkt der Flüssigkeit liegt als es ansonsten praktikabel wäre. Es ist von Vorteil, diese zusätzliche Kühlung nahe beim Gefrierpunkt einzuleiten, wie dies möglich ist, da man dann einen geringeren Energieeingang erfordert und Fehler reduziert werden.
  • Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Modifizieren der Kühlrate einer Probe vorgesehen, welches zumindest teilweise flüssig ist. Dieses Verfahren umfaßt folgende Schritte: a) Kühlen der ganzen Probe auf ein Temperaturniveau, welches dicht an einer vorgegebenen kritischen Temperatur liegt undb) Unterwerfen der Probe bei diesem genannten Temperaturniveau einem zusätzlichen Kühlen dadurch, daß ein elektrischer Strom durch eine Peltiereffekt-Einrichtung geleitet wird, die mit der Pro-.
  • be in thermischer Berührung steht.
  • In Übereinstimmung mit der Erfindung ist eine Kühlvorrichtung zum Modifizieren der Kühlrate einer Probe vorzusehen, welche teilweise flüssig ist, welche Kühlvorrichtung gekennzeichnet ist durch eine Kühleinrichtung, die so angeordnet ist, daß sie mit einer elektrischen Stromquelle verbunden ist und entsprechend dem Peltiereffekt funktion.iert, um eine Fläche vorzusehen, an der Wärme durch diese absorbiert wird, um die Fläche zu kühlen, durch einen Behälter für die Probe, welcher in thermischer Berührung mit der genannten Fläche steht, und durch eine Steuereinrichtung, welche dahingehend betriebsam ist, daß sie die Erregung der Kühleinrichtung bei einer Temperatur einleitet, die dicht bei der gegebenen kritischen Temperatur der genannten Probe liegt.
  • Die Erfindung erstreckt sich auf einen Kühlapparat, welcher solch eine Kühlvorrichtung umfaßt, eine Arbeitskammer innerhalb der die Kühlvorrichtung positioniert ist, eine Einrichtung zum Versorgen der Arbeitskammer mit einem Kühlmittel und eine Temperaturfühleinrichtung innerhalb der Arbeitskammer, die mit der Steuereinrichtung verbunden ist.
  • Vorzugsweise erfolgt das zusätzliche Kühlen nur an einem Teil der Probe. Wenn die Probe länglich ist, -erfolgt dies an einem Ende derselben. Die kritische Temperatur kann der Gefrierpunkt der Flüssigkeit sein oder die Temperatur, bei der die Ausfällung oder die Sedimentation auftritt.
  • Obwohl man bei einer Ausführungsform der Erfindung anstreben kann, die latente Wärme mit der Peltiereffekt-Einrichtung zu absorbieren und den gesteuerten Fluß des allgemeinen Kühlmittels unverändert zu lassen, sollte zu verstehen sein, daß die Erfindung ebenfalls ein Verfahren umfaßt, bei dem die Peltiereinrichtung einfach als Trigger verwendet wird, beispielsweise zum Einleiten des Keimens.
  • Dies ist begleitet oder gefolgt von einer Verstärkung der durch das externe Kühlmittel bewirkten Kühlung, beispielsweise ein flüssiger Stickstoff. Hier wird die latente Wärme durch die. Peltiereffekt-Einrichtung nicht oder nur teilweise entfernt. Man kann daher kleinere Peltiereffekt-Vorrichtungen mit solch einem System verwenden.
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den Zeichnungen rein schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele. Es zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung eines biologischen Gefrierapparates mit einer eine Probe haltenden Arbeitskammer, welche Probe auf gesteuerte Weise entsprechend der Erfindung zu kühlen ist, Fig. 2 eine graphische Darstellung des typischen Temperaturanstieges, welcher in einer Flüssigkeit auftritt, wenn diese kristallisiert, Fig. 3 eine ähnliche graphische Darstellung der Auswirkung bei der Verwendung des Verfahrens und des Apparates gemäß der Erfindung beim Reduzieren des Temperaturanstieges innerhalb der Probe, Fig. 4a und 4b eine perspektivische bzw. eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform eines Kühlapparates entsprechend der Erfindung, Fig. 5a und 5b ebenfalls eine perspektivische bzw. eine Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform des Kühlapparates der Erfindung, Fig. 6 eine.schematische Darstellung einer optischen Vorrichtung, die in Verbindung mit dem Apparat der Erfindung verwendet werden kann und Fig. 7a und 7b Seitenansichten einer weiteren Ausführungsform des Kühlapparates der Erfindung.
  • Es wird nun zuerst auf Fig. 1 Bezug genommen, in der ein.
  • Gefrierapparat 10, beispielsweise ein herkömmlicher biologischer Gefrierapparat dargestellt ist, welcher eine allgemein mit 12 bezeichnete Arbeitskammer beinhaltet. Ebenso ist eine Programmierer/Steuerung-Einheit 14 vorgesehen, welche dahingehend wirksam ist, das Temperatur/.Zeit-Profil des Kühlprozesses zu steuern, welcher innerhalb der Arbeitskammer stattfindet. Für diesen Zweck ist die Einheit 14 mit einem Temperturfühler 16 verbunden, der innerhalb der Arbeitskammer befestigt ist. An die Arbeitskammer 12 ist ein Kühlmittelversorgungsrohr 18 angeschlossen, welches mit einem geeigneten Steuerventil 20 bestückt ist. Dieses Steuer- ventil ist mit der Einheit 4 verbunden. Ein Ausgangsrohr 22 ist ebenso mit der Arbeitskammer 12 verbunden. Der Gefrierapparat 10 ist eine herkömmliche Einheit, deren andere Teile, nämlich mechanische, elektrische und/oder elektronische Teile im einzelnen nicht beschrieben werden.
  • Innerhalb der Arbeitskammer 12 befindet sich eine Probe 24.
  • Diese Probe 24 enthält die Flüssigkeit oder eine Flüssigkeit und einen Feststoff, die behandelt, beispielsweise. gefrierbehandelt werden sollen. Die Probe kann beispielsweise eine Glasampulle, einen Sack oder einen anderen Behälter, einen dickwandigen Kunststoffbehälter, einen Kunststoffstrohhalm oder einen Metallbehälter umfassen. Es ist zu versehen, daß die Erfindung für die Verwendung mit einem Probenbehälter jeder Form oder jeden Materials geeignet ist.
  • Innerhalb der Arbeitskammer 12 ist ebenso eine Einheit befestigt, die allgemein mit dem Bezugszeichen 26 versehen ist, welche Einheit das Wesen der Erfindung darstellt und eie Kühlvorrichtung des Peltiereffekt-Typs umfaßt. Zwei Ausführungsformen einer solchen Vorrichtung sind in Fig. 4 und 5 dargestellt und werden nachfolgend mehr im einzelnen beschrieben. Der Peltiereffekt ist das Phänomen, durch das Wärme absorbiert oder frei wird,und zwar bei einer Verbindung, bei der ein elektrischer Strom von einem Metall zum -anderen fließt..
  • Fig.. 2 zeigt, was geschieht, wenn eine Flüssigkeit, beispielsweise eine Lösung oder eine Suspension über ihren Gefrierpunkt gekühlt wird. Es ist ersichtlich, daß, wenn die Temperatur von OOC auf -50C fällt, die Abkühlkurve linear ist.
  • Beim Gefrierpunkt, d.h. -5°C, bei der Kristallisation auftritt, wird eine latente Wärme erzeugte welche das weitere Abkühlen der Flüssigkeit verzögert und begleitend damit das Risiko einer Beeinträchtigung der biologischen Probe erzeugt.
  • Die latente Kristallisationswärme muß durch das Gas absorbiert werden, welches die Probe 24 innerhalb der Arbetskammer 12 umgibt. Entsprechend der Darstellung in Fig. 3 erreicht man dagegen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und Apparat eine vollständig andere Rate der Abkühlkurve.
  • Die Kurve weicht nur sehr wenig von der geraden Linie ab,-weil die latente Wärme mit dem System der Erfindung viel schneller absorbiert wird. Wie dies noch später erläutert wird, sehen das Verfahren und der Apparat der Erfindung ein lokales Abkühlen der Probe vor, entweder zum Absorbieren dieser latenten Wärme, anstatt dies dem die Probe innerhalb der Kammer umgebenden Gas zu überlassen, oder um bei der Kühlung durch das umgebende Gas in dem Fall eine Verstärkung einzuleiten, indem das lokale Kühlen gerade für das Induzieren einer Kristallausbildung verwendet wird.
  • Es wird nun auf Fig. 4a und 4b Bezug genommen;. in denen eine erste Ausführungsform der Kühlvorrichtung 26 des Peltier-.effekt-Typs dargestellt ist. Zwei Peltiereffekt-Module 28a und 28b sind hier in Reihe an eine geeignete Gleichstromquelle (nicht dargestellt) geschaltet. Obwohl eine elektrische Reihenschaltung dargestellt ist, könnten alternativ die Module auch parallel oder in einer gewissen Verbundanordnung geschaltet sein. Obwohl ebenso bei der bevorzugten Ausführungsform ein Paar von Peltiereffekt-Modulen' verwendet wird, könnte alternativ auch nur eines dieser Module verwendet werden. Jedes Modul umfaßt eine Reihe von p- und n-gedopten, Wismut-Tellurid-Glieder, die so in Reihe ange-.ordnet sind, daß sie eine Kalt- und eine Heißverbindung erzeugen. Die "Heiß"-Fläche 30 jedes Moduls 28a, 2-8b ist mit einem geeigneten Wärmeübertragungsverbund abgedeckt, beispielsweise. einem Fett. Ein Paar von Wärmesenkplatten 32a und 32b sind jeweils an der Heißfläche jedes Moduls befestigt.
  • Jede Wärmesenkplatte 32a, 32b ist mit Rippen 34 ausgerüstet, damit die auf die Wärmesenkplatten übertragene Wärme in die Arbeitskammer 12 sich auf solche Weise verbreiten kann, daß .das Temperatur/Zeit-Profil , welches durch die Temperatur/- Programmierer/Steuerung-Einheit 14 eingestellt ist, aufrechterhalten wird..Die "Kalt"-Flächen 36 der Peltiereffekt-Module 28a, 28b sind ebenso mit einem geeigneten Wärmeübertragungsverbund, wie einem Fett, überzogen. Ein leitender Metallstreifen -oder -platte 38 sind so angebracht, daß sie die beiden Kaltflächen 36 verbinden. Wie in Fig. 4a dargestellt ist, hat der leitende Metallstreifen 38, welcher beispielsweise aus Kupfer, Aluminium oder irgendeinem ähnlich hochleitfähigen Material besteht, drei getrennte Bereiche. Diese bestehen aus einem Paar von Endplatten in aneinandergrenindem und überlappendem Verhältnis mit den jeweiligen Modu-.len 28a und 28b. Weiterhin bestehen diese aus einem zentralen überbrückenden Streifen 40, welcher mit einer oder mehreren Wellungen oder Eindrücken 42 versehen ist, die so geformt sind daß sie den Probenbehälter 24 mit Flächenberührung aufnehmen.
  • Das Vorsehen solcher Wellungen 42 erlaubt einen-vergrößerten Flächenbereichkontakt zwischen dem Streifen 40 und dem Behälter 24, was insbesondere geeignet ist für Behälter 24 mit einer schlechten Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise Glas oder dickwandige Kunststoffbehälter. Ein Federclip oder -klemme 44 ist quer über die Vorrichtung vorgesehen, um den Behälter oder die Behälter 24 auf den leitenden Streifen 40 zu klemmen. Der Abstand, um den die Peltiereffekt-Module 28a und 28b zueinander eingestellt sind, wird durch die Dimensionen bestimmt, die erforderlich sind, den' Behälter oder Behälter 24 auf dem Streifen 40 aufzunehmen. Zwei thermisch isolierende Platten 46a und 46b sind auf den jeweiligen Flügelabschnitten des leitenden Streifens 38, d.h. auf deren Flächen, vorgesehen, die den Flächen abgewandt sind, welche mit den Modulen 28a und 28b in Berührung stehen.
  • Obwohl bei einer bevorzugten Ausführungsform der Probenbehälter 24 in direktem Flächenkontakt mit dem leitenden Streifen 38, 40 steht, könnte man einfach den Behälter im geringen Abstand vom Streifen oder von der "kalten" Fläche vorsehen, wodurch die thermische Berührung, nicht jedoch notwendigerweise die Flächenberührung aufrechterhalten wird. Ebenso könnte natürlich der Probenbehälter eher horizontal als vertikal ausgerichtet sein und einfach auf dem Streifen oder der "kalten" Fläche liegen.
  • Fig.5a und 5b zeigen eine leicht modifizierte Anordnung, bei der der mittlere überbrückende Abschnitt 40 des leitenden Streifens 38 nicht eingedrückt oder gewellt ist, sondern ebenflächig. Diese Ausführungsform, bei denen eine reduzierte Flächenberührung (Fläche an Fläche) zwischen dem Probenbehälter 24 und dem überbrückenden Abschnitt 40 des Streifens 38 vorliegt, ist für Behälter 24 geeignet, welcher eine kleinere thermische Masse hat als beispielsweise Kunststoffstrohhalme oder Metallbehälter. Es ist anzunehmen, daß andere Gestalten des leitenden Streifens vorgesehen sein können, um den Erfordernissen der besonderen Formen der Behälter und insbesondere den Behältermaterialien zu genügen.
  • Fig. 6 zeigt eine optische Vorrichtung, welche in Verbindung mit der gesteuerten Kühlvorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, um den Phasenwechsel vom flüssigen Zustand in den kristallinen Zustand abzufühlen. Ein Lichtstrahl einer Lichtquelle 50 wird durch den Probenbehälteer 24 auf, einen Empfänger 52 übertragen. Wenn die Probe innerhalb des Behälters 24 sich im flüssigen Zustand befindet, wird der Lichtstrahl vom Empfänger 52 empfangen. Wenn jedoch nach dem Gefrieren oder nach dem Schaffen einer Fällung oder eines Sedimentes innerhalb des Behälters ein Wechsel zum kristallinen Zustand erfolgt ist, wird der Lichtstrahl geschwächt oder vollständig blockiert, so daß der Empfänger 52 den Wechsel feststellt. Dieser Detektor kann an die Einheit 14 angeschlossen sein, so daß ein zusätzliches Kühlen, eingeführt durch die Peltiermodule 26, so bald immobilisiert wird, als die Kristalliation, die Fällung oder die Sedimentation stattfindet. Der Ausdruck "Lichtstrahl", wie er in Verbindung mit Fig. 6 verwendet wird, umfaßt nicht nur sichtbares Licht, sondern andere elektromagnetische Strahlung, welche in Form eines Strahles übertragen werden kann. Außerdem können andere Typen von Sensoren als optische Sensoren verwendet werden, um den vorgenannten Phasenwechsel festzustellen.
  • Eine bevorzugte Betriebsmethode des Apparates der zuvor beschriebenen Art wird nachfolgend angegeben. Der Apparat wird mit einer Probe bestückt, die sich in einem Probenbehälter 24 befindet, welcher auf den leitenden Streifen 38,40 geklemmt wird. Die Peltier-Anordnung wird in der Arbeitskammer 12 des Gefrierapparates befestigt. Ein Kühlmittel, wie flüssiger Stickstoff, gelangt durch den Einlaß 18 in die Arbeitskammer und verursacht das Kühlen der Probe und des Behälters 24. Vorzugsweise wird der Probenbehälter so befestigt, daß ein Ende des Behälters sich in Berührung mit dem überbrückenden Abschnitt 40 des leitenden Streifens befindet, so daß die durch den Streifen hervorgerufene lokale Kühlung an einem Ende des Behälters bewirkt wird. Insbesondere,wenn biologische Proben gefroren werden, ist es wünschenswert, die Kristallisation von einem Ende des Behälters einzuleiten, vorzugsweise vom oberen Ende.-Außerdem wird die Peltier-Anordnung innerhalb der Kühlkammer federbelastet damit sie über den gesamten Kühlprozeß mit dem Probenbehälter 24 in Berührung steht.
  • Der Grad der Wärmeleitung zwischen dem Probenbehälter 24 und dem Streifen 38,40 wird vorzugsweise zunächst durch ein Ausgangsexperiment bestimmt, zusammen mit dem Messen des Gefrierpunktes. Wenn man so die Parameter des besonderen Systems bestimmt hat, kann das System für das Einleiten des lokalen Kühlens mittels der Peltier-Vorrchtung auf vorzugsweise weniger als ungefähr 2"C über dem bestimmten Gefrierpunkt der Probe eingestellt werden. Es soll die lokal um die obere Fläche der Flüssigkeit in dem Behälter 24 befindliche Wärme absorbiert werden, um lokal innerhalb der Flüssigkeit Kristallkeime bzw. Impfkristalle zU bilden.
  • Durch Abstimmung und Anpassung an die thermischen Massen der Kühlvorrichtung und des Behälters 24 ist es möglich, eine sorgfältig gesteuerte Initiierung dieser Kristallkeime zu erreichen. Vorzugsweise ist die Programmierer/Steuerung-Einheit 14 (Fig. 1) durch eine Leitung 54 mit dem Peltier-Modul 26 verbunden und erzeugt bei vorbestimmten Temperaturen getrennte Signalausgänge, welche durch die Peltier-Vorrichtung 26 gelangen, so daß die Peltier-Vorrichtung bei einer präzisen vorbestimmten Temperatur betätigt wird.
  • Wenn die Temperatur der Probe innerhalb des Behälters 24 nahe dem Gefrierpunkt liegt, fließt ein elektrischer Strom durch die Peltier-Vorrichtung, woraus resultiert, daß die Kaltflächen 36 kälter werden und die Temperatur des leitenden Streifens 38,40 abgesenkt wird. Ein elektrischer Strom von beispielsweise 0,5 amps bei 12 V kann in der Praxis durch die Peltier-Module fließen, wenn die Probe die vorbestimmte Temperatur unmittelbar oberhalb des kritischen Kristallisations-Fällungs- oder Sedimentationspunktes erreicht. Der Strom wird für eine Periode von beispielsweise 10's aufrechterhalten, um das notwendige lokale Kühlen zu produ--zieren, welchesdie Kristallisation, die Fällung oder-die Sedimentation an diesem Teil des Behälters erzeugt, welcher -in Flächenberührung mit dem Streifen 40 steht. Diese Kristallisation, Fällung oder Sedimentation breitet sich dann progressiv über die gesamte Probe bei einer Temperatur aus, die kontinuierlich infolge der kontinuierlichen Anwesenheit des umgebenden Kühlmittels fällt, ob verstärkt oder nicht.
  • Wenn eine optische Vorrichtung der in Fig. 6 dargestellten, Art verwendet wird, dann wird diese den Phasenwechsel vom flüssigen Zustand zum kristallinen Zustand in diesem Teil des Probenbehälters feststellen, indem das lokale Kühlen initiiert worden ist. Diese Vorrichtung kann daher dazu ver- wendet werden, die Einheit 14 zu schalten, beispielsweise um die Beendigung des zusätzlichen Kühlens durch die Peltier-Vorrichtung zu bewirken, sobald die lokale Kristallisation, Fällung oder Sedimentation festgestellt worden ist.
  • Es wird bevorzugt, daß keine mechanische Bewegung erforderlich ist, um das lokale Kühlen der Probe einzuleiten. Es besteht kein Erfordernis für die Bedienungsperson, während des Kühlprozesses auf den Probenbehälter selbst einzuwirken.
  • Durch die Verwendung einer Steuereinheit des Mikroprozessortyps, wie die Programmierer/Steuerung-Einheit 14, ist es möglich, dies auf solche Weise zu programmieren, daß die Peltier-Vorrichtung bei einer bestimmten voreingestellten Temperatur arbeitet.
  • Es ist ebenso von Vorteil, die Probe während des Kühlprozesses zu vibrieren. Dies kann erreicht werden durch Befestigen der gesamten Anordnung 24,26 an einem geeigneten Vibrator, welcher entweder an der Außenseite oder innerhalb der Arbeitskammer 12 befestigt ist. Die Vibration der Probe innerhalb des Behälters 24 während des Kühlprozesses reduziert den Wechsel des lokalen überkühlens der Probe. Dies macht es leichter, den Kristallisationspunkt vorherzusagen. Bei den.
  • Ausführungsformen der zuvor beschriebenen Kühlvorrichtung werden die Probenbehälter 24 entweder an den Peltier-Modulen angeclipt oder gegen diese geklemmt gehalten. Die Peltier-Module selbst werden in einer festen Lage angebracht. Fig.7a und 7b zeigen eine alternative Ausführungsform der Kühlvorrichtung entsprechend der Erfindung, welche insbesondere -für die partielle Automatisierung der Kühl zyklen und Kühlprozeduren verwendbar ist, die die vorliegende Erfindung ins besondere betrifft. Bei dieser Ausführungsform ist der Peltier-Modul nicht fest, sondern beweglich angebracht, und zwar tatsächlich beweglich in Erwiderung auf die Anwesenheit oder Abwesenheit des Probenbehälters. Wie mehr im einzelnen erläutert wird, wird durch Einsetzen des Probenbehälters in die Kühlvorrichtung das Peltier-Modul automatisch in die richtige Lage für eine innige Berührung mit dem Probenbehälter am richtigen Punkt gebracht, um das gewünschte, gegebenenfalls kurzzeitige zusätzliche Kühlen zu erleichtern.
  • Fig. 7a zeigt die Situation, in der ein Probenbehälter in Form einer Ampulle sich kurz vor dem Absenk-en in einer Arbeitskammer befindet, welche das Peltier-Modul enthält.
  • Fig. 7b zeigt die Relativlagen der Komponenten, nachdem die Ampulle in das Gehäuse in thermische Berührung mit dem Peltier-Modul abgesenkt worden ist.
  • Es ist zu bevorzugen, daß bei dieser Ausführungsform ein einzelnes Peltier-Modul verwendet wird, und zwar im Vergleich mit der Verwendung eines Doppelmoduls bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Jedoch ist die in Fig.7a und 7b dargestellte Vorrichtung besonders für die Verwendung geeignet, wenn man eine Arbeitskammer hat, die eine Vielzahl von Probenbehältern aufnehmen kann, und wenn man dann eine Anzahl von Peltier-Modulen haben würde, di in Reihe oder Linien oder in einer anderen Reihe innerhalb der Arbeitskammer angebracht sind, wobei an jeder Stelle ein jeweiliger Probenbehälter aufgenommen wird. Es ist so möglich, das geeignete Kühlen einer Anzahl von Proben unter denselben Bedingungen zu derselben Zeit zu bewirken.
  • Entsprechend der Darstellung in Fig. 7a und 7b ist der Probenbehälter 24, hier eine Ampulle, so angeordnet, daß sie von einem Becher getragen wird, welcher an einem Ampullenhalter 62 in Form einer länglichen Stange mit einem gekrümmten unteren Ende 64 befestigt ist oder mit diesem integriert ausgebildet ist, obwohl der Behälter auch ein Strohhalm oder ein anderer Behälter sein könnte. Das obere Ende des Ampullenhalters 62 ist mit einem zylindrischen Stopfen 66 versehen, der so bemessen ist, daß er in ein Loch 68 paßt, welches in der oberen Wand 70 der Arbeits- kammer ausgebildet ist. Außerdem ist das obere Ende des Ampullenhalters 62 mit einer zylindrischen Kappe 72 versehen, mittels der die Halteanordnung ergriffen werden kann.
  • Der Peltier-Modul 28 ist wie bei den vorherigen Ausführungsformen mit Kühlrippen 34 versehen und auf einem gekröpften Stützglied 74 befestigt. Das Stützglied 74 ist durch ein Gelenkglied 76 kippbar befestigt und hat eine Bodenfläche -78, welche in der in Fig. 7b dargestellten Lage einem stationären Anschlag 80 angenähert ist. Ein weiterer Anschlag 82 ist vorgesehen, gegen den das Stützglied 74 anliegt, wenn sich die Anordnung in der in Fig. 7a dargestellten Lage befindet. Eine Stange 84, welche am Stützglied 74 befestigt ist oder mit diesem integriert ausgebildet ist, ragt nach vorne vom Stützglied ab und ist so angeordnet, daß sie horizontal verläuft, wenn sich die Anordnung in der in Fig. 7b dargestellten Lage befindet. Die "kalte" Fläche des Peltier-Mod.uls 28 hat ein daran befestigtes, Joch 86, welches beispielsweise durch Löten angebracht ist.
  • Das Joch 86 besteht aus einem Material, welches ein extrem guter-Wärmeleiter ist, vorzugsweise aus Kupfer. Das Joch 86 hat eine solche Form, daß es in Richtung weg von der Fläche des Peltier-Moduls einen reduzierten Querschnittsbereich hat. Die Fläche des Jochs neben der Ampulle ist auf geeignete Weise so ausgebildet, daß sie mit der Ampulle eine innige Berührung einnimmt. So ist diese Fläche des Joches im allgemeinen glatt konkav ausgebildet.
  • Unter der Peltiermodul-Anordnung ist ein stationärer Rezeptor 88 befestigt, welcher ein nach oben gerichtetes Loch oder Schlitz aufweist, das so angeordnet ist, daß es den Ampullenhalter 62 in der in die Arbeitskammer abgesenkten Lage -aufnimmt. Der Rezeptor 88 ist relativ zum Ampullenhalter 62 so positioniert, daß, wenn das gekrümmte untere Ende 64 des Ampullenhalters auf den Rand des Loches oder des Schlitzes des Rezeptors 88 trifft, der Ampullenhalter 62 so "gelenkt" wird, daß der Becher 60 am Ampullenhalter sich seitlich in Richtung auf die Peltiermodul-Anordnung bewegt, wenn der Ampullenhalter in die Arbeitskammer abgesenkt wird. Eine Rückenstütze 90 in Form einer Stange ist am Ampullenhalter 62 an einer Lage vorgesehen, welche hinter der Ampulle 24 liegt.
  • Bei der Verwendung, wenn der Ampullenhalter 62 nicht anwesend ist oder sich in der angehobenen Lage entsprechend Fig. 7a befindet, kippt die Peltiermodul-Anordnung um den Schwenkpunkt 76 nach hinten in Berührung mit dem Anschlag 82, und zwar infolge des Auslegereffektes, entstehend durch: das Peltiermodul, welches am oberen Ende des gekröpften Armes des Stützgliedes 74 befestigt ist. Wenn der Ampullenhalter 62 mit einer Ampulle 24 bestückt ist, deren Basis im Becher 60 sitzt, und durch das Loch 68 in der Oberseite der Arbeitskammer abgesenkt wird, stößt das gekrümmte unteje Ende 64 des Ampullenhalters zunächst gegen den Rand des Schlitzes im Rezeptor 88. Der Ampullenhalter 62 wird danach so versetzt, daß die Basis des Bechers 60 gegen die vorstehende Stange 84 des Stützgliedes 74 stößt und die Peltiermodul-Anordnung in eine aufrechte Lage kippt, wie dies in Fig. 7b dargestellt ist. In dieser Lage drückt das Joch 86 gegen die gewünschte Stelle der Ampulle 24 in Richtung auf das obere Ende der Ampulle und übt gegen die Ampulle einen Druck aus, und zwar gegen die Haltewirkung der Stützstange 90.
  • Wenn sich die Komponenten in der in Fig. 7b dargestellten Lage befinden, so kann der Kühlprozeß auf die schon beschriebene Weise beginnen.
  • Es ist bevorzugt, daß die Kühlvorrichtung, wie sie im Zusammenhang mit der letzten Ausführungsform beschrieben ist, besonders attraktiv ist, wenn man die Halbautomatisierung des Kühlens einer großen Anzahl von Proben betrachtet. Die Ampullen oder Strohhalme oder andere Behälter können außerhalb der Arbeitskammer in die Ampullenhalter geladen und durch einfaches Absenken derselben in die Arbeitskammer gebracht werden Das Peltiermodul wird genau und zuverlässig mit dem angemessenen Teil der Ampulle ohne Einstellung von Hand und ohne das Erfordernis von Clips, Feder und dgl. in Berührung gebracht. Es ist angemessen, daß das für das Durchführen dieser Technik verwendete mechanische Gebilde innerhalb des Schutzumfanges der Erfindung modifiziert werden kann. Beispielsweise kann anstatt der Verwendung eines Ampullenhalters 62 mit einem gekrümmten unteren Ende eine gerade starre Stange verwendet und eine stationäre, schräge Fläche anstatt eines Rezeptors 88 verwendet werden, wodurch das untere Ende der Stange gegen die schräge Fläche stößt und- nach unten gleitet, wodurch diese gerade Stange in Richtung auf die Peltiermodul-Anordnung verschoben wird, damit der Becher 6Q gegen die vorstehende Stange 84 stößt.
  • Ein weiterer Vorteil der zuletzt beschriebenen Ausführungsform besteht darin, daß der Probenbehälter, gleich ob er ein Ampulle, ein Strohhalm oder ein anderer Behälter ist, zuverlässig in der richtigen Lage gehalten wird, so daß der richtige Abschnitt des Probenbehälters für die Berührung mit dem an dem Peltiermodul selbst angebrachten Joch präsentiert wird.
  • Obwohl die in Fig. 7 dargestellte beschriebene Ausführungsform eine direkte mechanische Berührung des Probenhalters mit der Kühlanordnung verwendet, um die Bewegung der Kühlanordnung einzuleiten, könnte man alternativ ein elektromechan.
  • sches System verwenden, bei dem das Einsetzendes Proben- halters An die Arbeitskammer einen Schalter betätigt, welcher einen Motor einschaltet, um die Kühlanordnung aus ihrer Außerberührungslage in ihre Betriebslage anzutreiben.
  • Obwohl bei der in Fig. 7a und 7b beschriebenen Ausführungsform der Probenhalter entlang einem im wesentlichen geraden Verlauf bewegbar ist, hier ein im wesentlichen vertikaler Verlauf, und die Kühlanordnung für eine Schwenkbewegung verschwenkt wird, sollte die Erfindung so verstanden werden, daß diese nicht auf diese besondere Anordnung begrenzt ist.
  • Andere Wege zum Erzielen der Relativbewegung zwischen der Kühlanordnung und des Probenhalters liegen innerhalb des Schutzumfanges der Erfindung.
  • Es wird hervorgehoben, daß sich der breiteste Aspekt der Erfindung auf das Bewirken oder Modifizieren der Kühlrate der Probe bezieht. Das Verfahren und die Vorrichtung der Erfindung.sind daher ebenso für die Absorption der Wärme einer exothermischen Reaktion geeignet, die während eines Kühlprozesses auftritt, sogar wenn keine Kristallisation, Fällung oder Sedimentation an diesem Punkt des Kühlprozesses auftritt.
  • Leerseite

Claims (1)

  1. Verfahren und Apparat zum gesteuerten Kühlen eines Produktes Patentansprüche Verfahren zum Modifizieren der Kühlrate einer Probe, welche zumindest teilweise flüssig ist, g"e k e n n -z e i c h n e t durch a) Kühlen der ganzen Probe auf ein Temperaturniveau, welches dicht an einer vorgegebenen kritischen Temperatur liegt und b) Unterwerfen der Probe bei diesem genannten Temperaturniveau einem zusätzlichen Kühlen dadurch, daß ein elektrischer Strom durch eine Peltiereffekt-Einrichtung geleitet wird, die mit der Probe in thermischer Berührung steht.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß das zusätzliche Kühlen auf nur einem Teil der Probe durchgeführt wird.
    3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß die Probe in ihrer Form länglich ist und das zusätzliche Kühlen an einem Ende der Probe erfolgt.
    11. Kühlvorrichtung zum Modifizieren der Kühlrate einer Probe, die -zumindest teilweise flüssig ist, g e k e n n -z e i c h n e t durch eine Kühleinrichtung (28; 28a, 28b), die so angeordnet ist, daß sie mit einer elektrischen Stromquelle verbunden ist und entsprechend dem Peltiereffekt funktioniert, um eine Fläche vorzusehen, an der Wärme durch diese absorbiert wird, um die Fläche zu kühlen, durch einen Behälter (24) für die Probe, welcher in thermischer Berührung mit der genannten Fläche steht, und durch eine Steuereinrichtung (14), welche dahingehend betriebsam ist, daß sie die Erregung der Kühleinrichtung bei einer Temperatur einleitet, die dicht bei der gegebenen kritischen Temperatur der genannten Probe liegt.
    12. Kühlvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die genannte Kühleinrichtung zwei Peltiereffekt-Module (28a, 28b) umfaßt, von.denen jede eine Fläche (36) aufweist, an der Wärme absorbiert wird, und daß die Kühleinrichtung weiterhin eine thermisch leitfähige Einrichtung (38,40) aufweist, die die Flächen miteinander verbindet und mit dem Probenbehälter (24) in thermischer Berührung steht.
    13. Kühlvorrichtuhg nach Anspruch 12, dadurch: g e k.e n n -z e i c h n e t , daß die thermisch leitfähige Einrichtung einen Metallstreifen umfaßt, welcher mit dem Probenbehälter (24) durch einen Mittelabschnitt (40) in Berührung gehalten wird, welcher die Endabschnitte (38), die mit den Modulflächen (36) in Berührung stehen, überbrückt.
    14. Kühlvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß der überbrückende Abschnitt (40) eine Fläche hat, die so geformt ist, daß sie der Gestalt des Teiles des Probenbehälters (24) angepaßt ist, we-lcher mit de.
    genannten Fläche in Berührung gehalten wird.
    4. Verfahren hach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die vorgegebene kritische Temperatur der Gefrierpunkt der Flüssigkeit ist.
    5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das zusätzliche Kühlen bei einer Temperatur von weniger als ungefähr 20C oberhalb der kritischen Temperatur eingeleitet wird.
    6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das allgemeine Kühlen der Probe durch eine Steuerung .(14) entsprechend einem vorbestimmten Temperatur/Zeit-Profil durchgeführt wird, und daß das Einleiten der zusätzlichen Kühlung automatisch durch die Steuerung.bewirkt wird.
    7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Probe während des Kühlprozesses vibriert wird.
    8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Wechsel der Probe von der Flüssigkeitsphase in eine zumindest teilweise kristalline oder feste Phase festgestellt wird. ~ .7: o b s 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch g e k e n n z- e i c h -n e t , daß ein Beenden des zusätzlichen Kühlens in Erwiderung auf das Erfassen des Wechsels getriggert wird.
    10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g. e k e n n z e i c h n e t , daß das zusätzliche Kühlen begleitet. oder gefolgt wird durch eine Verstärkung der äußeren Kühlung der Probe.
    15. Kühlvorridhtung nach Anspruch 14, dadurch g e k e h n -z e i c h n e t , daß der überbrückende Flächenabschnitt gewellt ist, um zumindest eine halbzylindrische Fläche (42) für die Berührung mit dem Behälter (24) vorzusehen.
    16. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß- die Peltiereffekt-Module mit einer Wärmedissipationseinrichtung (34) auf den Flächen versehen sind, die denen.abgewandt liegen, an denen Wärme absorbiert wird.
    17. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, g e -k e n n z e i c h n e t durch eine Einrichtung zum Vibrieren zumindest des Probenbehälters (24).
    18. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, g e k e n n z e i c h n e t durch eine Fühleinrichtung (50,52), die dahingehend wirkt, einen Wechsel der Probe von der flüssigen Phase in eine zumindest teilweise kristalline oder feste Phase festzustellen.
    19.. Kühlvorrichtung nach Anspruch 18, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Fühleinrichtung (50, 52).
    die Steuereinrichtung (40) triggert, um die Kühleinrichtung in Erwiderung auf das Feststellen eines solchen Wechsels zu entregen.
    20. Kühlvorrichtung zum Modifizieren der Kühlrate einer Probe, welche zumindest teilweise flüssig ist, g e -k e n n z e i c h n e t durch eine Kühleinrichtung (28), die so angeordnet ist, daß sie mit einer elektrischen Stromquelle verbunden ist und entsprechend dem Peltiereffekt funktioniert, um eine Fläche vorzusehen, an der Wärme absorbiert wird, um die genannte Fläche zu kühlen, und durch einen Probenhalter (62), welcher so angeordnet ist, daß er eine Probe (24) hält, wobei die Kühleinrichtung (28) und der Probenhalter (62) relativ zueinander bewegbar sind, um die genannte Fläche der Kühleinrichtung in thermische Berührung mit der Probe (24) zu bringen.
    21. Kühlvorrichtung-nach Anspruch 20, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Kühleinrichtung (28) zwischen .einer ersten Lage, in der die genannte Fläche in thermischer Berührung mit der Probe (24) steht und einer zweiten Lage bewegbar ist, in der die genannte Fläche von der Probe entfernt ist, und daß das Verschieben der Probe (24) in eine Lage zum Kühlen das Verlagern der genannten Kühleinrichtung (28) aus ihrer zweiten Lage in ihre erste Lage einleitet.
    22. Kühlvorrichtung nach Anspruch 21, dadurch g e k e n n -e e i c h n e t , daß das Einleiten des Verschiebens der Kühleinrichtung (28) in Richtung auf ihre erste Lage durch den Probenhalter (60) bewirkt wird, welcher gegen einen Abschnitt (84) der Kühleinrichtung stößt.
    23. Kühlvorrichtung nach Anspruch 21 und 22, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Kühleinrichtung um eine Schwenkeinrichtung schwenkbar ist, und zwar für das Verschieben zwischen der ersten und der zweiten Lage.
    24. Kühlvorrichtung nach den Ansprüchen 21 bis 23, dadurch g e k e n n z e i c h n e t ,. daß die Kühleinrichtung ein Peltiereffekt-Modul (28) umfaßt, welches an einer auskragenden Stütze (74) befestigt ist, wodurch die Kühleinrichtung sich automatisch in ihre zweite Lage bewegt, wenn der Probenhalter (62) entfernt wird, 25. Kühlvorrichtung nach den Ansprüchen 20-24, dadurch g e -k e n n z e i c h n.e t , daß die Kühleinrichtung ein Peltiereffekt-Modul (28) und ein wärmeleitendes Element (86) umfaßt, welches mit dem Modul in Berührung steht und die genannte Fläche definiert.
    26. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 20-25, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Probenhalter eine längliche Stange (62) mit einer Trageinrichtung (60) umfaßt, um den Probenbehälter (24) abzustützen und zu lokalisieren, wobei die Trageinrichtung mit einem vorstehenden Abschnitt (84) der Kühleinrichtung in Eingriff bringbar ist, um das Verschieben der letzteren einzuleiten.
    27. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 20-25, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Probenhalter eine längliche Stange (62) mit einem gekrümmten unteren Ende (64) umfaßt, welches mit einer stationären Anschlageinrichtung (88) gleitend in Berührung bringbar ist, um den Probenhalter in einen Verlauf abzulenken, in dem dieser die Kühleinrichtung berührt, um das Versetzen der letztereneinzuleiten.
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