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Technisches Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein superschnelles Einfrierverfahren
und eine Vorrichtung, welche die Frische von Lebensmittelzutaten
und Lebensmittelprodukten bewahren und ihre lange Lagerung ermöglichen
können
und weiter zur Konservierung und Lagerung lebender Zellen in der
Lage sind.
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Technischer Hintergrund
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Herkömmlicherweise
wurden verschiedene Einfrierverfahren und Einfriervorrichtungen
als Maßnahme zum
Lagern von Lebensmittelzutaten und Lebensmittelprodukten unter Konservierung
ihrer Frische für
eine lange Zeitdauer entwickelt. Beim Einfrieren von verderblichen
Lebensmitteln, wie beispielsweise Fischereiprodukten, war es jedoch
nicht möglich,
(1) ein Absondern eines befremdlichen Geruchs nach dem Einfrieren
und Auftauen, (2) eine Verfärbung,
(3) eine Verschlechterung im Geschmack und (4) ein Abtropfen (Ausströmen von
Saft beim Auftauen) vollständig
zu verhindern. (1) bis (3) resultieren aus einem Fäulnisprozess
der Lebensmittelzutaten, der durch Bakterien, die in der Anzahl
erhöht
werden, und eine Oxidierung der Lebensmittelzutaten verursacht wird.
Abtropfen wie in (4) tritt wegen der zum Einfrieren benötigten langen
Zeitdauer auf. D.h. Eiskristalle, die durch Einfrieren von freiem
Wasser, das in einem einzufrierenden Gegenstand wie beispielsweise
Lebensmittelzutaten und Lebensmittelprodukten existiert, gebildet
werden, werden zu groß und massig
und bewirken eine Beschädigung
der Zellenstruktur. (Freies Wasser ist Wasser, das nicht unter dem Zwang
von Proteinen oder dergleichen liegt und das sich frei bewegen kann.)
Mit anderen Worten tritt dies auf, weil es eine lange Zeit benötigt, um
durch einen Temperaturbereich von 0°C bis –20°C zu gehen, was der Temperaturbereich
ist, in dem die Erstarrung beginnt und endet, und die Eiskristalle
werden zu groß und
massig.
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Als
ein Verfahren zum Verhindern dieser Probleme wurde kürzlich eine
Einfriertechnik vorgeschlagen, wie sie in der japanischen Patentveröffentlichung
Nr. 10-179105 offenbart
ist.
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Die
Druckschrift JP 10-300251 offenbart eine Tiefkühlvorrichtung, bei welcher
ein Magnetfeld angewendet wird.
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Bei
der oben vorgeschlagenen Einfriertechnik wird das Einfrieren durch
direktes Eintauchen eines einzufrierenden Gegenstandes in ein flüssiges Kühlmittel
oder durch Sprühen
eines flüssigen
Kühlmittels
auf den Gegenstand ausgeführt,
um die Abkühlrate
zu beschleunigen. Dies hindert die Eiskristalle an einem Wachsen während des
Einfrierens und verhindert eine Zerstörung der Zellenstruktur. Weiter
wird durch Anwenden einer elektromagnetischen Energie (insbesondere
ferne Infrarotstrahlen) auf den einzufrierenden Gegenstand die Größe von Wasseranhäufungen
reduziert. (Diese werden nachfolgend als „kleine Anhäufungen" bezeichnet.) Diese
kleinen Anhäufungen
können
einfach in den einzufrierenden Gegenstand eindringen. Wegen der Bakterienanstiegsverhinderungswirkung
der kleinen Anhäufungen
kann die Anzahl lebender Bakterien in dem einzufrierenden Gegenstand
begrenzt werden, was in einer Verbesserung der Qualität resultiert.
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In
dem oben vorgeschlagenen Verfahren ist es jedoch, da Methanol, Ethanol,
Aceton oder dergleichen Materialien als die flüssigen Kühlmittel verwendet werden,
in vielen Fällen
nicht möglich,
den einzufrierenden Gegenstand direkt einzutauchen. Um einen direkten
Kontakt des flüssigen
Kühlmittels
mit dem einzufrierenden Gegenstand zu vermeiden, ist es notwendig,
einen Voreinfriervorgang zum Packen des Gegenstandes in einen Behälter oder
dergleichen Verpackungen vorzusehen. Beim Einfrieren durch direktes
Eintauchen wird es auch notwendig sein, einen Nachbehandlungsvorgang
des Reinigens und Entfernens des flüssigen Kühlmittels von der Oberfläche des
Gegenstandes nach dem Auftauen vorzusehen. Die obigen Vorgänge sind
lästig und
benötigen
eine gewisse Zeit, während
welcher Zeit eine Verschlechterung der Frische auftreten kann.
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Weiter
wird in dem obigen Einfrierverfahren das Kühlen und Einfrieren durch eine
Wärmeübertragung bewirkt,
die durch den Kontakt mit dem flüssigen
Kühlmittel verursacht
wird, und daher wird die Kälte
von der Außenfläche nach
innen übertragen.
Deshalb beginnt das Einfrieren von der Außenfläche des einzufrierenden Gegenstandes
und schreitet allmählich
nach innen fort. Mit anderen Worten wird eine gefrorene Schicht
zuerst an der Außenfläche gebildet
und schreitet nach innen fort. Während
dieses Prozesses geht die Kälte
durch die anfänglich
gebildete äußere gefrorene
Schicht und wird dann nach innen übertragen, sodass die Übertragung durch
die gefrorene Schicht stark behindert wird. Daher benötigt es
eine beträchtlich
lange Zeit zum vollständigen
Einfrieren, insbesondere am inneren Kern, was es schwierig macht,
eine Zerstörung
einer Zellenstruktur vollständig
zu verhindern.
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Weiter
wird beim Benutzen einer Einfrierlagerung auf dem Gebiet biomedizinischer
Transplantation eine Zerstörung
der Zellenstruktur und eine Verlängerung
der Arbeitszeit fatal, und daher kann das oben vorgeschlagene Einfrierverfahren
nicht angewendet werden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung löst
die oben genannten Probleme, und es ist ihre Aufgabe, ein superschnelles
Einfrierverfahren und eine superschnelle Einfriervorrichtung vorzusehen,
die ein gleichmäßiges, schnelles
und augenblickliches Einfrieren eines einzufrierenden Gegenstandes
ermöglichen,
wobei keine Notwendigkeit für
Vor/Nachbehandlungsprozesse und kein Unterschied von Innen- und
Außentemperatur
im Gegenstand existieren, was eine Langzeitlagerung unter Beibehaltung
der Frische von Lebensmittelzutaten und Lebensmittelprodukten auf
hohem Niveau ermöglicht
und auch eine Einfrierlagerung und Konservierung von lebenden Zellen
ermöglicht.
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Um
die obige Aufgabe zu lösen,
weist das superschnelle Einfrierverfahren gemäß einem Aspekt der vorliegenden
Erfindung einen Schnellgefrierschritt des Kühlens der Umgebungstemperatur
eines einzufrierenden Gegenstandes auf –30°C bis –100°C, wobei ein unidirektionales
Magnetfeld an den einzufrierenden Gegenstand angelegt wird, auf.
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Gemäß dieser
Konstruktion wird während
des Schnellgefrierens des Gegenstandes in zum Beispiel einem Gefrierfach
ein unidirektionales Magnetfeld an den einzufrierenden Gegenstand
angelegt. Daher macht es dieses Magnetfeld möglich, das magnetische Moment,
das durch den Elektronenspin oder den Kernspin der den einzufrierenden
Gegenstand bildenden Moleküle
und der darin enthaltenen freien Wassermoleküle verursacht wird, in einer
Richtung auszurichten. Daher kann die Kälte sehr schnell zum inneren
Bereich des einzufrierenden Gegenstandes übertragen werden. D.h. der
Unterschied in Innen- und Außentemperatur
im einzufrierenden Gegenstand, der während des Kühlens auftritt, d.h. die Ungleichmäßigkeit
im Kühlen,
kann deutlich vermindert werden, um ein schnelles Kühlen zu
realisieren. Deshalb findet das Einfrieren in einer gleichmäßigen und
gleichzeitigen Weise gründlich
statt und beginnt nicht von der Außenfläche. Auch wird, da das Gefrieren
nicht von der Außenfläche des
einzufrierenden Gegenstandes aus beginnt, keine äußere gefrorene Schicht gebildet,
die die Wärmeübertragung
behindern würde,
und so ist es möglich,
eine effiziente Übertragung
von Kälte
zum inneren Bereich des Gegenstandes zu realisieren. Dies resultiert
in einer deutlichen Beschleunigung der Abkühlrate des inneren Bereichs
des Gegenstandes. Deshalb kann die Zeitdauer, in welcher das Gefrieren
beginnt und endet, auf eine extrem kurze Zeit über den gesamten einzufrierenden
Gegenstand reduziert werden.
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Weiter
kann, da das Kühlen
durch Anlegen eines Magnetfeldes an den einzufrierenden Gegenstand ausgeführt wird,
freies Wasser in dem einzufrierenden Gegenstand in einen unterkühlten Zustand
gebracht werden. (Hierbei wird, wie später beschrieben werden wird,
da die Anhäufungen
von freiem Wasser durch das Magnetfeld sehr klein gemacht sind und
eine Hydrationsstruktur durch Förderung
einer Hydrationsreaktion der Anhäufungen
an dem Substrat der Lebensmittel gebildet wird, die Menge freien
Wassers in dem einzufrierenden Gegenstand reduziert und ein Unterkühlen wird
weiter gefördert.)
Ein weiteres Kühlen
lässt das
unterkühlte
freie Wasser beginnen, zu gefrieren, aber da eine der latenten Wärme zur
Eisbildung äquivalente
Wärmemenge
bereits entnommen worden ist, wird das Gefrieren schnell fortschreiten,
und demgemäß kann die
Zeitdauer, in welcher das Gefrieren beginnt und endet, auf eine
extrem kurze Zeit reduziert werden.
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Als
Ergebnis machen es die obigen zwei Effekte möglich, durch den Temperaturbereich
von 0 bis –20°C, in dem
Eiskristalle geneigt sind, während
des Einfrierens zu wachsen, in einer extrem kurzen Zeit zu passieren.
Deshalb werden die Eiskristalle des freien Wassers daran gehindert,
zu groß zu
wachsen, und feine Eiskristalle werden gebildet. Da die Eiskristalle
extrem klein sind, ist es daher möglich, eine Zerstörung der
Zellenstruktur des einzufrierenden Gegenstandes während des
Einfrierens zu verhindern, ein Auftreten des Abtropfens beim Auftauen
einzuschränken
und die Frische auf hohem Niveau beizubehalten.
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Nachfolgendes
wird erklären,
warum ein unterkühlter
Zustand durch Anwendung eines Magnetfeldes bewirkt wird und warum
die Gesamtzeit, in welcher das Einfrieren beginnt und endet, auf
eine extrem kurze Zeit reduziert werden kann.
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Die
thermischen Aktivitäten
von Molekülen
des einzufrierenden Gegenstandes und der freien Wassermoleküle, die
in dem einzufrierenden Gegenstand existieren, sind im gekühlten Zustand
abgeschwächt,
und daher fällt
die Temperatur des einzufrierenden Gegenstandes. (Da die thermischen
Hauptaktivitäten
die Streckschwingung und Verformungsschwingung von Bindungen zwischen
den die Moleküle
bildenden Atomen und die durch molekulare thermische Aktivitäten wie
beispielsweise Translations- und Rotationsbewegungen der Moleküle verursachte
thermische Schwingungen sind, werden die Aktivitäten nachfolgend als thermische Schwingungen
definiert.) Da sich die Temperatur in einen Niedertemperaturbereich
unter 0°C
verschiebt, werden die thermischen Schwingungen kleiner. Wegen der
Kreiselbewegung des Elektronenspins oder des Kernspins wird jedoch
die durch den Elektronenspin oder Kernspin verursachte thermische
Schwingung dominant, und die durch die molekularen thermischen Aktivitäten verursachten
thermischen Schwingungen werden an einer Reduzierung gehindert.
Auch werden die Orbitalbewegungen der Elektronen, die zu den Zwischenatombindungen
beitragen, in eine Kreiselbewegung versetzt, und der durch eine
solche Bewegung verursachte Einfluss muss auch berücksichtigt
werden. Allgemein heben sich diese Einflüsse durch den Spin der Elektronenpaare
oder die Kernspins gegenseitig auf, und daher hat eine solche Bewegung
wenig Einfluss auf die thermische Schwingung. Da die Schwingung
klein gehalten wird, ist deshalb die Position der freien Wassermoleküle entsprechend
der Wasserstoffbindung fixiert, und Eiskristalle werden gebildet.
Mit anderen Worten beginnt das Gefrieren.
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Wenn
jedoch ein Magnetfeld angelegt wird, ist es einfach, da das magnetische
Moment des Elektronenspins oder Kernspins in einer Richtung ausgerichtet
wird, die Richtung der Kreiselbewegungsachse des Elektronenspins
oder Kernspins zu vereinheitlichen. Daher kann der Einfluss des
Elektronenspins oder Kernspins auf die thermische Schwingung nicht
gegenseitig aufgehoben werden und die thermische Schwingung wird
durch den Elektronenspin oder Kernspin verstärkt und erhöht. Deshalb sind, selbst wenn
die Temperatur auf ein Maß fällt, bei
dem ein Gefrieren allgemein beginnt, die Schwingungen der Wasserstoffbindung,
die zwischen den Wassermolekülen
der freien Wassermoleküle
arbeitet, nach wie vor zu groß,
um die Wasserstoffbindung zu fixieren und in Eis umzuwandeln, und
stattdessen wird das freie Wasser in einen unterkühlten Zustand
gebracht. D.h. obgleich eine Wärmemenge äquivalent
zu der zur Erstarrung erforderlichen latenten Wärme bereits entnommen worden
ist, kann sich das freie Wasser nicht in Eis umwandeln und bleibt
in einer Form instabilen Wassers. Wenn die Temperatur weiter auf
ein Maß gekühlt wird,
bei dem die Schwingung kleiner als ein bestimmtes Niveau wird, oder
wenn das Magnetfeld abgebaut wird und der Einfluss des Elektronenspins oder
Kernspins auf die thermische Schwingung gegenseitig aufgehoben wird,
um das Niveau der Schwingung, welche das Auftreten des Gefrierens
verhindert hatte, unter ein bestimmtes Niveau zu senken, wird die
Position der Moleküle
entsprechend der Wasserstoffbindung fixiert und das Gefrieren schreitet
sofort fort. Deshalb wird die Zeitdauer, in welcher das Gefrieren
beginnt und endet, auf eine extrem kurze Zeit reduziert.
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Es
wird in Betracht gezogen, dass es gemäß dem obigen Mechanismus möglich ist,
einen unterkühlten Zustand
durch Anlegen eines Magnetfeldes zu bewirken und die Zeitdauer,
in welcher das Gefrieren beginnt und endet, extrem zu verkürzen.
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Weiter
bilden allgemein Wasseranhäufungen
Wasserstoffbindungen mit polaren Gruppen, die von der Außenfläche einer
tertiären
Struktur, welche die kleinste Einheit von Proteinen oder Kohlenhydraten
ist, die den einzufrierenden Gegenstand bilden, nach außen zeigen,
und die Anhäufungen
werden in gebundenes Wasser umgewandelt. (Eine tertiäre Struktur
ist eine im Wesentlichen sphärische
Struktur, die durch Aufrollen einer primären Struktur, d.h. einem durch
lineares Verbinden verschiedener Aminosäuren gebildeten Kondensationspolymers,
gebildet wird.) Die Anwendung eines Magnetfeldes lässt jedoch
die Wasseranhäufungen,
die Aggregationen von freien Wassermolekülen sind, sich in kleinere
Gruppen aufteilen. (Diese werden nachfolgend als kleine Anhäufungen
bezeichnet.) So hängen
sich die kleinen Anhäufungen
kompakt und gleichmäßig an die
Außenfläche der
tertiären
Strukturen an, um eine quasi-monomolekulare Schicht gebundenen Wassers zu
bilden und die Oberfläche
wie eine Hülle
zu überdecken.
D.h. die kleinen Anhäufungen
hängen
sich an die gesamte Außenfläche in einer
gleichmäßigen, monomolekularschichtweisen
Art, um eine Hülle
gebundenen Wassers zu bilden. Weiter werden auf diese monomolekulare
Schicht, d.h. die erste Schicht von gebundenem Wasser, Wassermoleküle durch
intermolekulare Kraft gebunden, und eine Hydrationsstruktur einer
zweiten Schicht und dritten Schicht wird gebildet. Deshalb verhindert
diese Hydrationsstruktur, die durch die Hülle gebundenen Wassers gebildet
wird, die Oxidierung der tertiären
Strukturen, d.h. des einzufrierenden Gegenstandes, und die Frische
kann auf hohem Niveau beibehalten werden.
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Da
gebundenes Wasser stark an den tertiären Strukturen anhaftet, wird
der Gefrierpunkt des gebundenen Wassers in den Bereich von –10 bis –100°C gedrückt. Daher
ist das gebundene Wasser allgemein Wasser, das nicht gefriert. Durch
Bilden kleiner Anhäufungen
wird freies Wasser durchgängig
an der Außenfläche der
tertiären
Struktur gebunden, und so wird das freie Wasser in gebundenes Wasser
umgewandelt. Deshalb wird die absolute Menge freien Wassers verringert
und es ist möglich,
ein zu großes
Wachsen freier Wasserkristalle indirekt einzuschränken.
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Da
die Umgebungstemperatur im Bereich von –30 bis –100°C eingestellt ist, ist es ferner
möglich,
das Auftreten einer Oxidierung an der Oberfläche des einzufrierenden Gegenstandes
in vorteilhafter Weise einzuschränken,
wobei ein übermäßiges Kühlen verhindert
wird. Falls die Temperatur über –30°C liegt,
kann der Fortschritt einer Oxidierung nicht verhindert werden, selbst
wenn sich der Gegenstand in einem gefrorenen Zustand befindet; falls
er unter –100°C gekühlt wird,
steigen nur die für
den Kühlkreis
erforderlichen Betriebskosten, da ein Fortschreiten der Oxidierung
nicht weiter verzögert
wird, was unökonomisch
wäre.
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In
dem superschnellen Einfrierverfahren gemäß einem Aspekt der Erfindung
kann die Stärke
des unidirektionalen Magnetfeldes um einen beliebigen festen Referenzwert
in sowohl der positiven als auch der negativen Richtung innerhalb
eines vorbestimmten Bereichs schwanken. Gemäß dieser Konfiguration wird
es möglich,
da das Magnet feld während
eines schnellen Einfrierens des einzufrierenden Gegenstandes schwankt,
die Gegenwirkung gegen die Wirkung des statischen Magnetfeldes zu
reduzieren, d.h. den Gegeneffekt zum statischen Feld zu reduzieren,
und die durch Anwendung des Magnetfeldes verursachten Wirkungen
zu ermöglich,
um effizient zu arbeiten.
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Außerdem wird,
weil das Magnetfeld schwankt, der Magnetfluss verändert und
eine elektromagnetische Induktion findet im einzufrierenden Gegenstand
statt. So erzeugt die durch die elektromagnetische Induktion bewirkte
induzierte elektromotorische Kraft freie Elektronen im Gegenstand.
Der einzufrierende Gegenstand selbst wird durch diese freien Elektronen
reduziert und an einer Oxidation gehindert. Hinsichtlich der Wassermoleküle und Sauerstoffmoleküle im Gefrierfach
werden ihnen die freien Elektronen gegeben, und sie wandeln sich
in Wasser mit verliehenen Elektronen (H2Oe)
und Peroxidanionen (O2 –)
um. Das Wasser mit gegebenen Elektronen und die Peroxidanionen erzeugen
Radikale wie beispielsweise Hydroxiradikale (von der Art mit aktivem
Sauerstoff·OH),
und die Zellmembran von Mikroben wie beispielsweise Bakterien kann
durch diese Hydroxiradikale zerstört werden. Deshalb ist es möglich, die
Anzahl der lebenden Bakterien zu begrenzen.
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Weiter
kann in dem superschnellen Einfrierverfahren gemäß einem Aspekt der vorliegenden
Erfindung ein Kühlen
des einzufrierenden Gegenstandes durch eine kalte Luft mit einer
Geschwindigkeit von 1 m/s bis 5 m/s bewirkt werden, und eine Schallwelle
im Niederfrequenzbereich kann der kalten Luft überlagert werden. Gemäß dieser
Konfiguration kann, da Schallwellen der kalten Luft überlagert
werden, die den einzufrierenden Gegenstand kontaktiert, die leichte
Veränderung
des Luftdrucks, der durch die Schallwellen bewirkt wird, eine Grenzschicht
der Luft, die um die Oberfläche
des einzufrierenden Gegenstandes oder die Oberfläche eines Kastens, auf den
der einzufrierende Gegenstand gesetzt ist und der eine Wärmeübertragung
behindert, gebildet wird, effektiv umrühren. Deshalb wird eine Wärmeübertragung
verbessert und die durch die kalte Luft verursachte Kühlrate des
einzufrierenden Gegenstandes wird beschleunigt, wodurch ein schneller
Temperaturabfall ermöglicht
wird. Als Ergebnis wird der Temperaturbereich von 0 bis –20°C, in dem
die Eiskristalle des freien Wassers massig werden, in einer kurzen
Zeit passiert. Deshalb können
die Eiskristalle an einem zu großen Wachstum gehindert werden.
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Weiter
ist es aufgrund der Verwendung von Schallwellen im Niederfrequenzbereich
möglich,
eine Oxidation der Oberfläche
des einzufrierenden Gegenstandes zu verhindern, ohne eine Zerstörung der
an der Oberfläche
des einzufrierenden Gegenstandes gebildeten Hülle gebundenen Wassers zu verursachen.
Mit anderen Worten ist es möglich,
ein Abreißen
der Hülle
gebundenen Wassers an der Oberfläche
des einzufrierenden Gegenstandes zu verhindern, was auftreten würde, falls
die Frequenz zu hoch ist, wie beispielsweise im Ultraschallbereich.
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Ferner
wird, da die Luftgeschwindigkeit der kalten Luft im Bereich von
1 bis 5 m/s liegt, die Wärmeübertragung
durch Konvektion erzielt. Daher ist es möglich, die Kühlrate zu
beschleunigen, ein Verdampfen der Hülle gebundenen Wassers an der
Oberfläche
des einzufrierenden Gegenstandes einzuschränken und ein Auftreten der
Oxidation an der Oberfläche
des einzufrierenden Gegenstandes zu verhindern. D.h. falls die Luftgeschwindigkeit
zu langsam ist, wird eine Wärmeübertragung
zwischen der kalten Luft und dem einzufrierenden Gegenstand zu klein,
was es unmöglich
macht, die Temperatur zum Einfrieren schnell genug abfallen zu lassen;
aber da die Luftgeschwindigkeit 1 m/s oder größer ist, kann ein solches Problem
aufs Äußerste vermieden
werden. Falls andererseits die Luftgeschwindigkeit über 5 m/s
liegt, wird die Hülle
des Wassers verdampfen und die Oberfläche des einzufrierenden Gegenstandes
wird freigelegt, was eine Oxidation der Oberfläche bewirkt; aber da die Geschwindigkeit
5 m/s oder geringer ist, kann dieses Problem ebenso vermieden werden.
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Weiter
kann bei dem superschnellen Einfrierverfahren gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung ein elektrisches Feld an den einzufrierenden
Gegenstand angelegt werden. Gemäß dieser
Konfiguration bewirkt das elektrische Feld, dass den Wassermolekülen und
Sauerstoffmolekülen
im Gefrierfach Elektronen gegeben werden und diese sich in Wasser
mit gegebenen Elektronen (H2Oe) bzw. Peroxidanionen
(O2 –) umwandeln. Das Wasser
mit gegebenen Elektronen und die Peroxidanionen erzeugen Radikale
wie beispielsweise Hydroxiradikale, und die Zellmembran von Mikroben
wie beispielsweise Bakterien wird durch diese Hydroxiradikale zerstört. Daher
ist es durch Anlegen eines elektrischen Feldes während des Einfrierens möglich, die Anzahl
lebender Bakterien extrem zu verringern und einen Fäulnisprozess
des einzufrierenden Gegenstandes einzuschränken.
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Eine
superschnelle Einfriervorrichtung gemäß einem weiteren Aspekt der
vorliegenden Erfindung weist ein Gefrierfach, das die den einzufrierenden
Gegenstand umgebende Innentemperatur auf –30°C bis –100°C kühlen kann; und eine Magnetfelderzeugungseinrichtung
zum Anlegen eines unidirektionalen Magnetfeldes an den im Gefrierfach
platzierten einzufrierenden Gegenstand auf.
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Die
Magnetfelderzeugungseinrichtung kann eine schwankende Magnetfelderzeugungseinrichtung sein,
die ein schwankendes Magnetfeld anlegen kann, wobei die Stärke des
unidirektionalen Magnetfeldes um einen Referenzwert, der ein beliebiger
fester Wert ist, in sowohl der positiven als auch der negativen
Richtung innerhalb eines vorbestimmten Bereichs schwankt. Die schwankende
Magnetfelderzeugungseinrichtung kann aus einer statischen Magnetfelderzeugungseinrichtung,
die ein statisches Magnetfeld mit einer Stärke des beliebigen festen Werts
anlegen kann, und einer dynamischen Magnetfelderzeugungseinrichtung,
die ein Magnetfeld anlegen kann, das innerhalb des vorbestimmten
Bereichs schwankt, bestehen. Gemäß dieser
Konfiguration kann, da die schwankende Magnetfelderzeugungseinrichtung
aus einer separaten statischen Magnetfelderzeugungseinrichtung und
dynamischen Magnetfelderzeugungseinrichtung aufgebaut ist, die Magnetfelderzeugungseinrichtung
freier ausgewählt
werden.
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Die
superschnelle Einfriervorrichtung gemäß dem obigen Aspekt kann mit
einer Ventilationseinrichtung, die kalte Luft im Gefrierfach zu
dem einzufrierenden Gegenstand mit einer Windgeschwindigkeit von
1 bis 5 m/s blasen kann, und einer Schallwellenerzeugungseinrichtung
zum Überlagen
einer Schallwelle im Niederfrequenzbereich auf die durch die Ventilationseinrichtung
geblasene kalte Luft versehen sein. Weiter kann die superschnelle
Einfriervorrichtung eine elektrische Felderzeugungseinrichtung aufweisen,
die an den einzufrierenden Gegenstand ein elektrisches Feld anlegen
kann. Die elektrische Felderzeugungseinrichtung kann wenigstens
ein Paar Elektroden aufweisen, die so angeordnet sind, dass sie
einander über
den im Gefrierfach platzierten einzufrierenden Gegenstand gegenüberliegen,
und einen Potentialgenerator, der ein Potential zwischen die Elektroden
anlegen kann.
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Das
Gefrierfach kann Gefrierfachwände,
die einen Kammerraum definieren, eine Ferninfrarotstrahlen-Absorptionseinrichtung,
die an der Innenwandfläche
der Gefrierkammerwände
angeordnet ist, und Wärmeisolatoren,
die die Gefrierkammerwände
umgeben, aufweisen. Gemäß dieser
Konfiguration absorbiert die Ferninfrarotstrahlen-Absorptionseinrichtung
die vom einzufrierenden Gegenstand abgestrahlte Wärme, und
so kann die Kühlrate
beschleunigt werden. Ebenso tragen die Wärmeisolatoren zum Aufrechterhalten
der Kammertemperatur bei, und so kann die Kühlleistung verbessert werden.
Weiter ist es bezüglich
der statischen Magnetfelderzeugungseinrichtung möglich, Permanentmagnete zu
verwenden, die an den Außenwandflächen der
Gefrierkammerwände
vorgesehen sind und die ein statisches Magnetfeld in der Kammer
erzeugen. Bezüglich
der dynamischen Magnetfelderzeugungseinrichtung ist es möglich, elektromagnetische
Spulen vorzusehen, die außerhalb
und seitlich der Gefrierkammerwände
angeordnet sind und die in der Kammer ein Magnetfeld erzeugen, das
um das statische Magnetfeld vor und zurück schwankt. Gemäß dieser
Konfiguration ist es möglich,
da Permanentmagnete als die statische Magnetfelderzeugungseinrichtung
benutzt werden, die Kapazität
der elektromagnetischen Spule, die das schwankende Magnetfeld erzeugt,
zu reduzieren, die Gesamtkosten der superschnellen Einfriervorrichtung
zu senken und auch den Energieverbrauch zu reduzieren. Ebenso ist
es durch Vorsehen der elektromagnetischen Spulen außerhalb
der Gefrierkammerwände
möglich, eine
Hemmung der Kühlung
in der Kammer zu verhindern, welche sonst durch das Heizen der elektromagnetischen
Spulen bewirkt werden würde.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Vorderansicht eines Ausführungsbeispiels
einer superschnellen Einfriervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung; 2 ist
eine schematische Darstellung eines Zentralschnitts eines Gefrierfachs; 3 ist
eine graphische Darstellung, die die Kühlrate einer superschnellen
Einfriervorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung und einer herkömmlichen
schnellen Einfriervorrichtung vergleicht; und 4 ist eine
schematische Darstellung eines Zentralschnitts eines modifizierten
Ausführungsbeispiels
einer superschnellen Einfriervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezug auf die
beiliegenden Zeichnungen im Detail beschrieben. 1 ist
eine Vorderansicht eines Ausführungsbeispiels einer
superschnellen Einfriervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung,
und 2 ist eine schematische Darstellung eines Zentralschnitts
eines Gefrierfachs. 3 ist eine graphische Darstellung,
die die Kühlrate einer
superschnellen Einfriervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
und einer herkömmlichen
schnellen Einfriervorrichtung vergleicht.
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Wie
man aus 1 und 2 sehen
kann, weist die superschnelle Einfriervorrichtung 1 des
vorliegenden Ausführungsbeispiels
ein Gefrierfach 11, das eine Innentemperatur von –30°C bis –100°C realisieren kann;
einen schwankenden Magnetfeldgenerator 21 als eine schwankende
Magnetfelderzeugungseinrichtung, der ein schwankendes Magnetfeld
an den Mittelabschnitt einer Kammer des Gefrierfachs 11 anlegt,
wobei das schwankende Magnetfeld in sowohl der positiven als auch
der negativen Richtung um 5 Gs um einen Referenzwert von 100 Gs,
der als ein beliebiger fester Wert genommen wird, schwankt; Ventilatoren 31 als
Ventilationseinrichtung, die kalte Luft im Gefrierfach 11 mit
einer Windgeschwindigkeit von 1 bis 5 m/s zirkulieren; einen Schallwellengenerator 41 als
eine Schallwellenerzeugungseinrichtung, der eine Schallwelle der
durch den Ventilator 31 zirkulierten kalten Luft überlagert,
wobei die Schallwelle auf einem Schalldruckniveau von 2 Pa und im
Niederfrequenzbereich liegt und eine Energie von 10–2 W/m2 aufweist; und einen elektrischen Feldgenerator 51 als
eine elektrische Felderzeugungseinrichtung, der ein elektrisches
Feld im Bereich zwischen 100 und 1.000 kV/m an den Mittelabschnitt
der Kammer des Gefrierfachs 11 anlegt, auf.
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Das
Gefrierfach 11 besteht aus einem dicht geschlossenen Gehäuse 13,
das im Wesentlichen von rechtwinkliger fester Form ist und eine
Tür 13c zum Öffnen und
Schließen
besitzt, und einem Gefrierapparat 17 zum Kühlen des
Gehäuses 13.
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Der
Gefrierapparat 17 verwendet einen gewöhnlichen Kühlkreis, in dem ein Kompressor 17a,
ein Kondensator 17b, ein Kapillarrohr (Expansionsventil) 17c und
Verdampfapparate (Verdampfer) 17d im Kreis miteinander
verbunden sind, in dem ein Kältemittel
hindurchzirkuliert wird. Die Verdampfapparate 17d, die
kalte Luft erzeugen, und das Kapillarrohr 17c sind in einer
Kammer des Gehäuses 13 angeordnet,
während
der Kompressor 17a und der Kondensator 17b außerhalb
der Kammer platziert sind.
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Das
Gehäuse 13 hat
eine Doppelwandkonstruktion mit Gefrierfachwänden 13a, die den
Innenkammerraum mit einem Ausmaß von
1,0 m Länge × 1,5 m
Höhe × 0,8 m
Breite definieren, und Außenwänden 13b, die
die Kammerwände
in einem Abstand umgeben, um einen äußeren Abschnitt zu definieren.
Wärmeisolatoren,
die nicht dargestellt sind, sind zwischen den Außenwänden 13b und den Gefrierfachwänden 13a angeordnet,
und ein Ferninfrarotstrahlen-Absorptionsmaterial, das nicht gezeigt
ist, ist auf der gesamten Innenfläche der Gefrierkammerwände beschichtet,
um die Kühlleistung
innerhalb der Kammer zu verbessern. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
werden Aluminiumplatten als Gefrierkammerwände 13a verwendet,
und die gesamte Innenfläche
davon ist mit einer Keramik mit einem Ferninfrarotstrahlen-Absorptionsvermögen von 95%
beschichtet. Es ist jedoch auch möglich, Ferninfrarotstrahlen-Absortionsplatten
an der Innenfläche
der Wände
anzubringen.
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Im
Wesentlichen in der Mitte der Kammer ist ein Gestell angeordnet,
auf das der einzufrierende Gegenstand, wie beispielsweise Lebensmittezutaten/Lebensmittelprodukte,
gesetzt werden. Das Gestell 19 besteht aus einem gitterartigen
Rahmen 19a, wobei im Wesentlichen U-förmige Portalrahmen, die an
vorderen und hinteren Positionen einander gegenüberliegen, durch stabartige
Elemente wie beispielsweise Winkeleisen miteinander verbunden sind;
und Blechen 19b, die durch Eingriffselemente 19c gehalten
werden, die an dem Rahmen 19a in geeigneten Abständen in
der Höhenrichtung
befestigt sind. Die einzufrierenden Gegenstände 3 werden auf diese
Bleche 19b gesetzt. Die Bleche 19b werden lösbar auf
die Eingriffselemente 19c gesetzt, um mehrere lösbare Regalböden im Rahmen 19a zu
bilden.
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In
der Figur sind die oben beschriebenen Verdampfapparate 17d auf
der rechten Seite des Gestells 19 angeordnet. Der Verdampfapparat 17d ist
durch mehrmaliges Falten eines Kupferrohrs gebildet, und die Kammer
wird durch die Verdampfungswärme
des Kältemittels,
das hindurchzirkuliert, gekühlt.
D.h. die Verdampfapparate 17d erzeugen die kalte Luft in
der Kammer und sind zyklisch mit dem obigen Kompressor 17a und
Kondensator 17b, die außerhalb der Kammer platziert
sind, und dem Kapillarrohr 17c durch Rohrleitungen verbunden,
um den Kühlkreis
zu bilden, der die Innenkammertemperatur von –30°C bis –100°C realisieren kann.
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Die
Ventilatoren 31 als eine Ventilationseinrichtung sind zwischen
den Verdampfapparaten 17d und dem Gestell 19 angeordnet,
um die kalte Luft in der Kammer zu zirkulieren. Die Ventilatoren 31 blasen
die durch die Verdampfapparate 17d gekühlte kalte Luft waagrecht zu
den auf dem Gestell 19 platzierten einzufrierenden Gegenständen 3 mittels
Flügeln 31a,
die durch Motoren oder dergleichen gedreht werden. Um die kalte
Luft zu den einzufrierenden Gegenständen 3 mit einer gleichmäßigen Geschwindigkeit
zu blasen, sind mehrere Ventilatoren 31 in geeigneten Abständen in
sowohl der Höhen-
als auch der Längsrichtung
angeordnet. Es ist möglich,
die Windgeschwindigkeit so einzustellen, dass die Geschwindigkeit
am Ort der einzufrierenden Gegenstände 3 im Bereich von
1 bis 5 m/s liegt. Diese Windgeschwindigkeit wird hauptsächlich gemäß der Art
des einzufrierenden Gegenstandes bestimmt.
-
Weil
die Windgeschwindigkeit der kalten Luft im Bereich von 1 bis 5 m/s
liegt, erfolgt die Wärmeübertragung
durch Konvektion. Daher wird es möglich, die Kühlrate zu
beschleunigen, ein Verdampfen der Hülle gebundenen Wassers an der
Oberfläche
des einzufrierenden Gegenstandes zu beschränken und ein Auftreten der
Oxidation an der Oberfläche
des einzufrierenden Gegenstandes zu verhindern. D.h. falls die Windgeschwindigkeit
zu langsam ist, ist die Wärmeübertragung
per Konvektion nicht effektiv und die Wärmeübertragung zwischen der kalten
Luft und dem einzufrierenden Gegenstand wird zu klein, was es unmöglich macht, ein
schnelles Einfrieren zu realisieren; aber da die Windgeschwindigkeit
1 m/s oder größer ist,
können
solche Probleme aufs Äußerste vermieden
werden. Falls andererseits die Windgeschwindigkeit über 5 m/s
liegt, wird die Hülle
gebundenen Wassers verdampfen und die Oberfläche des einzufrierenden Gegenstandes
wird freigelegt, was eine Oxidation der Oberfläche verursacht; aber da die
Geschwindigkeit 5 m/s oder weniger beträgt, kann dieses Problem ebenfalls
vermieden werden.
-
Die
kalte Luft selbst wird geheizt, während sie den einzufrierenden
Gegenstand 3 kühlt.
So wird ein Zirkulationspfad derart gebildet, dass die Luft nach
dem Kontakt mit dem einzufrierenden Gegenstand entlang der Oberfläche der
Gefrierkammerwand an der anderen Seite aufsteigt, entlang der Oberfläche der
Decke und entlang der Oberfläche
der Gefrierkammerwand hinter den Gefrierapparaten 17 transportiert
wird und zu den Verdampfapparaten 17d zurückgeleitet
wird.
-
Der
Schallwellengenerator 41 ist unter der Oberfläche der
Decke, die ein Teil des obigen Zirkulationspfades ist, angeordnet.
Dieser Schallwellengenerator 41 ist ein Gerät, das Schallwellen
durch Bewirken einer Luftschwingung durch Vibration einer mit einer
handelsüblichen
Wechselstromquelle verbundenen elektromagnetischen Spule (nicht
dargestellt) von 50 oder 60 Hz erzeugt. Die Schallwelle ist ein
Niederfrequenzschall in der Niederfrequenzbandbreite und mit 50/60
Hz ähnlich
der Schwingungsperiode der handelsüblichen Wechselstromquelle,
und ihren Oberschwingungen der ganzzahligen Vielfachen. Die Schallwellen
werden der zirkulierten kalten Luft überlagert, die mit dem einzufrierenden
Gegenstand 3 in Kontakt gebracht wird. Die Schallwellen
bewirken eine leichte Veränderung
des Luftdrucks, um dadurch eine Grenzschicht der Luft umzurühren, die
um die Oberfläche
des einzufrierenden Gegenstandes 3 oder an der Oberfläche des
Blechs 19b auf das der einzufrierenden Gegenstand 3 gesetzt
ist und das eine Wärmübertragung
verhindert, gebildet ist. Deshalb wird die Wärmeübertragung verbessert.
-
Wegen
der Verwendung von Schallwellen im Niederfrequenzbereich ist es
möglich,
das Auftreten der Oxidation an der Oberfläche des einzufrierenden Gegenstandes
zu verhindern, ohne eine Zerstörung
der an der Oberfläche
des einzufrierenden Gegenstandes 3 gebildeten Hülle gebundenen
Wassers zu verursachen. D.h. es ist möglich, ein Abreißen der
Hülle gebundenen
Wassers an der Oberfläche
des einzufrierenden Gegenstandes 3 zu verhindern, was stattfinden
würde,
falls die Frequenz zu hoch ist, wie beispielsweise im Ultraschallbereich.
-
Weiter
ist es hinsichtlich der Schallwelle wünschenswert, einen Bereich
von 2 × 10–4 Pa
im Schalldruckpegel mit einer Energie von 10–10 W/m2 bis 60 Pa im Schalldruckpegel mit einer
Energie von 10 W/m2 anzulegen. Das Halten
des Pegels in diesem Bereich ermöglicht
die Verhinderung des Abreißens
der Hülle gebundenen
Wassers, die Verhinderung einer Geräuschemission und ein effizientes
Umrühren
der Grenzschicht der Luft.
-
Der
elektrische Feldgenerator 51 weist Elektrodenplatten, die über jedem
Blech 19b des Gestells 19 angeordnet sind, wobei
eine Elektrodenplatte unter dem untersten Blech 19b angeordnet
ist; und einen Hochspannungs-Wechselstrompotentialgenerator 51c,
der mit jeder zweiten Elektrodenplatte verbunden ist, um ein Wechselhochspannungspotential,
d.h. ein Hochspannungs-Wechselstrompotential anzulegen; und eine
mit den Elektrodenblechen, die nicht mit dem Hochspannungs-Wechselstrompotentialgenerator 51c verbunden sind,
verbundene Erdung 51d auf. Die Elektroden sind hauptsächlich in
erste Elektrodenplatten 51a, an die ein Hochspannungs-Wechselstrompotential
durch den Hochspannungs-Wechselstrompotentialgenerator 51c angelegt
wird, und zweite Elektrodenplatten 51b, die durch die Erdung 51d mit
Erde verbunden sind, gruppiert, wobei beide in der vertikalen Richtung
abwechselnd angeordnet sind. Wenn ein Hochspannungs-Wechselstrompotential
an die ersten Elektrodenplatten angelegt wird, wird in den zwischen
jeder ersten Elektrodenplatte und den jeder ersten Elektrodenplatte
oben und unten gegenüberliegenden
zweiten Elektrodenplatten ein elektrisches Feld erzeugt, wobei die
Richtung des elektrischen Feldes periodisch invertiert wird. Das
elektrische Feld wird in der vertikalen Richtung gegen die auf den
Blechen 19b in jedem dieser Räume platzierten einzufrierenden
Gegenstände 3 angelegt.
Da hier die ersten und zweiten Elektrodenplatten abwechselnd angeordnet
sind, ist die Richtung des an die einzufrierenden Gegenstände 3 angelegten
elektrischen Feldes für jeweils
vertikal benachbarte Regalböden
in der umgekehrten Richtung ausgerichtet, wie durch gestrichelte
Linien in 2 angegeben. (Da ein Hochspannungs-Wechselstrompotential
an die ersten Elektrodenplatten angelegt wird, wird die Richtung
des durch die gestrichelten Linien angezeigten elektrischen Feldes
periodisch umgekehrt.) Die ersten Elektrodenplatten 51a sind
an dem Rahmen 19a mit nicht dargestellten, dazwischen angeordneten
elektrischen Isolatoren befestigt. Daher sind die Elektrodenplatten 51a abgesehen
von dem Hochspannungs-Wechselstrompotentialgenerator 51c vollständig isoliert.
Die zweiten Elektrodenplatten 51b sind ebenfalls an dem
Rahme 19a mit nicht dargestellten, dazwischen angeordneten
elektrischen Isolatoren befestigt. Daher sind sie abgesehen von
der Erdung 51d vollständig
isoliert.
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Die
Stärke
des elektrischen Feldes wird durch das an die ersten Elektrodenplatten 51a angelegten Hochspannungs-Wechselstrompotential
und den Abstand zwischen den Elektroden 51a und den Blechen 19b bestimmt,
und sie wird auch durch Ver ändern
des Hochspannungs-Wechselstrompotentials entsprechend dem einzufrierenden
Gegenstand 3 justiert und wird im Bereich von 100 bis 1.000
kV/m eingestellt. Das Hochspannungs-Wechselstrompotential wird so
eingestellt, dass es mit der Zeit sinusförmig schwankt.
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Wenn
das elektrische Feld im Gefrierfach angelegt wird, werden den Wassermolekülen und
Sauerstoffmolekülen
im Gefrierfach Elektronen gegeben, und sie wandeln sich in Wasser
mit gegebenen Elektronen (H2Oe) und Peroxidanionen
(O2 –) um. Das Wasser mit
gegebenen Elektronen und die Peroxidanionen erzeugen Radikale wie
beispielsweise Hydroxiradikale, und die Zellmembranen von Mikroben
wie beispielsweise Bakterien können
durch diese Hydroxidradikale zerstört werden. Daher ist es durch
Anlegen eines elektrischen Feldes während des Einfrierens möglich, einen
bakteriostatischen Effekt zu realisieren, einen Fäulnisprozess des
einzufrierenden Gegenstandes 3 zu verhindern und die Qualität zu verbessern.
Obwohl die Zellen an der Oberfläche
des einzufrierenden Gegenstandes 3 durch die Hydroxiradikale
ebenfalls zerstört
werden, ist diese Menge auf einem vernachlässigbaren Niveau, berücksichtigt
man die Gesamtzahl der Zellen des einzufrierenden Gegenstandes.
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Das
elektrische Feld soll im Bereich von 100 bis 1.000 kV/m liegen,
weil, wenn es kleiner als 100 kV/m ist, die Anzahl der erzeugten
Hydroxiradikale zu klein ist und der bakteriostatische Effekt schwächer wird
und, falls es über
1.000 kV/m liegt, es eine Tendenz zur elektrischen Entladung gibt.
Praktischerweise ist es für
den Bereich geeignet, zwischen 2 kV/m und 60 kV/m zu liegen.
-
Der
schwankende Magnetfeldgenerator 21 weist einen statischen
Magnetfeldgenerator 21a, der ein statisches Magnetfeld
im Mittelabschnitt der Kammer des Gefrierfachs 11 anlegt;
und einen dynamischen Magnetfeldgenerator 21b, der ein
schwankendes Magnetfeld im Mittelabschnitt der Kammer anlegt, wobei
das Magnetfeld in sowohl der positiven als auch der negativen Richtung
um das statische Magnetfeld mit einer Amplitude schwankt, die 5%
der Stärke
des statischen Magnetfeldes beträgt,
auf. Der statische Magnetfeldgenerator 21a ist ein Permanentmagnet 21a,
der aus einer Ferritplatte mit einer Stärke von 1.500 Gs besteht und in
einen rechtwinkligen Streifen von 1,0 m × 0,1 m × 0,05 m geformt ist. Eine
der Längen
hat eine Polarität
des N-Pols, und die andere Länge
hat eine Polarität
des S-Pols. Mehrere Permanentmagnete 21a sind in geeigneten
Abständen
an der Außenfläche einer
Seitenwand der Gefrierkammerwände 13a angeordnet,
wobei die Seite des N-Pols nach oben zeigt. Die Magnete sind an
den Außenflächen der
drei anderen Seitenwände
so angeordnet, dass die Polarität
in der gleichen Richtung ausgerichtet ist. Daher wird ein vertikales
statisches Magnetfeld an den auf das Gestell 19, das im
Mittelabschnitt der Kammer platziert ist, gesetzten einzufrierenden
Gegenstand 3 angelegt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
wird das statische Magnetfeld im Mittelabschnitt der Kammer mittels
der Permanentmagnete 21a mit einer Stärke von 1.500 Gs auf 100 Gs
eingestellt. Die Stärke
des statischen Magnetfeldes kann jedoch durch geeignetes Auswählen der
Permanentmagnete geändert
werden. Die durch ein Magnetfeld bewirkte obige Wirkung kann erzielt
werden, falls die Stärke
größer als
der Erdmagnetismus (0,3 Gs bis 0,5 Gs) ist, und daher kann das Magnetfeld
von irgendeiner Stärke
sein, falls sie 1 Gs oder mehr beträgt. Deshalb ist es unter Berücksichtigung
der Grenzen der Fertigung der Permanentmagnete bevorzugt, die Stärke der
Permanentmagnete im Bereich von 1 bis 20.000 Gs einzustellen.
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Der
dynamische Magnetfeldgenerator ist eine elektromagnetische Spule 21b,
die ein Magnetfeld erzeugt, wenn eine elektrischer Strom zugeführt wird,
und zwei von ihnen sind außerhalb
und seitlich der Gefrierkammerwände 13a vorgesehen,
wobei das Gefrierfach dazwischen angeordnet ist. Die Achsen der
elektromagnetischen Spulen 21b sind in der vertikalen Richtung
angeordnet. Wenn ein Wechselstrom mit einer bestimmten Frequenz
durch die elektromagnetische Spule 21b fließt, wird
ein Magnetfeld, das die obige Frequenz hat und das periodisch und
sinusförmig
vor- und zurückschwankt,
im Mittelabschnitt der Kammer parallel zu dem obigen statischen
Magnetfeld angelegt. Das statische Magnetfeld und das schwankende
Magnetfeld, d.h. das dynamische Magnetfeld, sind einander überlagert,
und ein schwankendes Magnetfeld wird an den Mittelabschnitt der
Kammer angelegt.
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Zum
Beispiel wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Wechselstrom
eines handelsüblichen Wechselstroms 22 von
50/60 Hz durch die elektromagnetischen Spulen 21b geleitet,
um ein dynamisches Magnetfeld zu erzeugen, das um ±5 Gs schwankt,
was 5% der Stärke
des statischen Magnetfeldes ist. Dieses dynamische Magnetfeld wird
dem statischen Magnetfeld mit einer Stärke von 100 Gs überlagert,
und ein schwankendes Magnetfeld, das sinusförmig im Bereich von 95 bis
105 Gs mit einer Frequenz von 50/60 Hz schwankt, wird dem Mittelabschnitt
der Kammer angelegt.
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Der
Bereich, in dem das Magnetfeld schwankt, ist auf einen Bereich eingestellt,
in dem die Amplitude 5% der Stärke
des statischen Magnetfeldes beträgt,
d.h. ein Bereich von 5% in sowohl der positiven als auch der negativen
Richtung, wobei die Stärke
des statischen Magnetfeldes als ein Referenzwert genommen wird; aber
es ist bevorzugter, falls die Amplitude größer ist. Unter Berücksichtigung
des Energieverbrauchs der elektromagnetischen Spule ist es jedoch
für die
Amplitude praktisch, in einem Bereich von 1 Gs bis 100 Gs zu liegen.
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Es
folgt eine Erläuterung
des Effekts eines Magnetfeldes.
-
Wenn
das Magnetfeld während
des Kühlens
an den einzufrierenden Gegenstand 3 angelegt wird, wird das
magnetische Moment, das durch den Elektronenspin oder Kernspin der
den einzufrierenden Gegenstand 3 bildenden Moleküle und der
darin enthaltenen freien Wassermoleküle verursacht wird, durch das
Magnetfeld in eine Richtung ausgerichtet. Daher wird die Kälte schnell
auf den inneren Teil des einzufrierenden Gegenstands 3 übertragen.
D.h. der Unterschied in der inneren und der äußeren Temperatur im einzufrierenden
Gegenstand 3, der während
des Kühlens
eintritt, d.h. die Ungleichmäßigkeit
beim Abkühlen,
wird beträchtlich
reduziert, um ein schnelles Abkühlen
auch im inneren Teil zu realisieren. Ebenso wird, da das Einfrieren
nicht von der Außenfläche her
beginnt, auch keine äußere gefrorene
Schicht gebildet, die eine Wärmeübertragung blockiert,
und daher kann eine effiziente Übertragung
der Kälte
zum inneren Teil des Gegenstandes realisiert werden, was in einer
beträchtlichen
Beschleunigung der Abkühlgeschwindigkeit
des inneren Teils resultiert. Als Ergebnis wird das Einfrieren gleichmäßig und
gleichzeitig durch den gesamten einzufrierenden Gegenstand 3 ausgeführt, und
die Zeitdauer, in welcher das Einfrieren beginnt und endet, kann
auf eine extrem kurze Zeit verringert werden.
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Wenn
das Abkühlen
ausgeführt
wird, während
ein Magnetfeld an den einzufrierenden Gegenstand 3 angelegt
wird, wird das freie Wasser im einzufrierenden Gegenstand 3 in
einen unterkühlten
Zustand gebracht. (Wie später
beschrieben, wird hierbei, da die Anhäufungen des freien Wassers
durch das Magnetfeld klein gemacht sind und eine Hydrationsstruktur
durch Förderung
einer Hydrationsreaktion der Anhäufungen
auf das Substrat der Lebensmittel gebildet wird, die Menge freien
Wassers im einzufrierenden Gegenstand reduziert, und das Unterkühlen wird
weiter gefördert.)
Ein weiteres Abkühlen
veranlasst den Beginn des Gefrierens, aber da eine Wärmemenge äquivalent
zur latenten Wärme
der Eisbildung bereits entnommen worden ist, wird das Gefrieren
schnell fortschreiten, und demgemäß wird die Temperatur des einzufrierenden
Gegenstands 3 schnell fallen.
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Als
Ergebnis tragen die obigen zwei Effekte zusammen zum Reduzieren
der Zeitdauer, in welcher das Gefrieren des freien Wassers beginnt
und endet, auf eine extrem kurze Zeit bei, d.h. tragen dazu bei,
dass die Temperatur schnell genug abfällt, um durch den Temperaturbereich
von 0 bis –20°C zu gelangen,
in dem Eiskristalle dazu neigen, zu wachsen. Deshalb werden die
Eiskristalle des freien Wassers an einem zu großen Wachstum gehindert und
feine Eiskristalle werden erzeugt. Da die Eiskristalle so klein
sind, ist es möglich,
eine Zerstörung
der Zellstruktur des einzufrierenden Gegenstandes 3 während des
Einfrierens zu verhindern, das Auftreten eines Abtropfens beim Auftauen
einzuschränken
und die Frische auf hohem Niveau zu konservieren.
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Allgemein
bilden Wasseranhäufungen
eine Wasserstoffbindung mit polaren Gruppen, die von der Außenfläche der
tertiären
Struktur von Proteinen, die den einzufrierenden Gegenstand 3 bilden,
nach außen
zeigen, und werden in gebundenes Wasser umgewandelt. Das Anlegen
eines Magnetfeldes veranlasst jedoch die Wasseranhäufungen,
welche Aggregationen von freien Wassermolekülen sind, sich in kleinere
Gruppen aufzuteilen. Daher haften die kleinen Anhäufungen
kompakt und gleichmäßig an der
Außenfläche der
tertiären Struktur
an, um eine hüllenartige
Deckschicht zu bilden. D.h. die kleinen Anhäufungen haften an der gesamten Außenfläche in einer
gleichmäßigen, monomolekularschichtartigen
Weise an, um eine Hülle
gebundenen Wassers zu bilden. Deshalb verhindert die Hülle gebundenen
Wassers, dass die tertiäre
Struktur, d.h. der einzufrierende Gegenstand 3, oxidiert,
und kann die Frische auf hohem Niveau konservieren.
-
Da
das gebundene Wasser fest an der tertiären Struktur anhaftet, ist
sein Gefrierpunkt in den Bereich von –10 bis –100°C gedrückt. Daher unterliegt das gebundene
Wasser allgemein keinem Gefrieren. Durch Bilden kleiner Anhäufungen
wird das freie Wasser über
die gesamte Oberfläche
der tertiären
Struktur gebunden, und daher wird das meiste freie Wasser in gebundenes
Wasser umgewandelt. Deshalb wird die absolute Menge freien Wassers
verringert und es wird möglich,
ein zu großes
Wachstum freier Wasserkristalle indirekt einzuschränken.
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Weiter
ist es durch Fluktuieren des Magnetfeldes möglich, die Gegenwirkung gegen
die Wirkung des statischen Magnetfeldes zu reduzieren, d.h. die
Gegenwirkung zum statischen Feld zu reduzieren, die durch Anlegen
des Magnetfeldes vermittelten Funktionen effizient wirken zu lassen
und die durch das Magnetfeld bewirkten Effekte deutlich zu verbessern.
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Außerdem wird,
weil das Magnetfeld schwankt, der Magnetfluss geändert und im einzufrierenden
Gegenstand findet eine elektromagnetische Induktion statt. Daher
erzeugt die durch die elektromagnetische Induktion bewirkte induzierte
elektromotorische Kraft freie Elektronen im Gegenstand. Der einzufrierende
Gegenstand selbst wird durch diese freien Elektronen reduziert und
an einer Oxidation gehindert. Weiter werden den Wassermolekülen und
Sauerstoffmolekülen
im Gefrierfach die freien Elektronen gegeben, und sie wandeln sich
in Wasser mit gegebenen Elektronen (H2Oe)
und Peroxidanionen (O2 –)
um. Das Wasser mit gegebenen Elektronen und die Peroxidanionen erzeugen
Radikale wie beispielsweise Hydroxiradikale, und die Zellmembranen
von Mikroben wie beispielsweise Bakterien können durch diese Hydroxiradikale
zerstört
werden. Deshalb ist es möglich,
die Anzahl lebender Bakterien zu begrenzen.
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Die
Ergebnisse von Tests, die Einfiermerkmale der oben beschriebenen
superschnellen Einfriervorrichtung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
und jene einer herkömmlichen
schnellen Gefriervorrichtung vergleichen, sind nachfolgend beschrieben.
-
Um
den Unterschied zwischen den Vorrichtungen zu untersuchen, wurde
ein Test ausgeführt,
indem der gleiche einzufrierende Gegenstand in jede schnelle Einfriervorrichtung
gesetzt wird, das gleiche Kühlmuster
für die
Kammertemperatur verwendet wird, und die einzufrierenden Gegenstände auf
eine Solltemperatur (–50°C) abgekühlt und
eingefroren werden. Während
der obigen Periode wurde die Veränderung
der Kerntemperatur jedes einzufrierenden Gegenstandes abgeschätzt. Die
Gegenstände
wurden dann für
4 Monate bei –50°C gelagert,
und die Qualität
jedes einzufrierenden Gegenstandes nach dem Auftauen wurde ebenfalls
abgeschätzt.
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Die
Testbedingungen sind in Tabelle 1 dargestellt. Die Ergebnisse des
Tests in der Abkühlrate
während des
Einfriervorgangs sind in 3 dargestellt, wobei die Ergebnisse
des Tests in der Qualität
jedes einzufrierenden Gegenstandes nach dem Auftauen in Tabelle
2 und Tabelle 3 dargestellt sind.
-
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Wie
man in 3 sehen kann, wird das gleiche Abkühlmuster
für die
Kammertemperaturen der Gefrierfächer
sowohl der superschnellen Einfriervorrichtung der vorliegenden Erfindung
als auch der herkömmlichen
Einfriervorrichtung eingesetzt. Die Kammertemperatur ist zu Beginn
des Einfriervorgangs auf –40°C gesetzt
und sinkt bei einer Abkühlrate
von 1 °C/s
für die
ersten 20 Minuten, und nach 20 Minuten wird die Kammertemperatur
auf –60°C gehalten.
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Durch
Beobachten der Kerntemperaturen der einzufrierenden Gegenstände kann
man erkennen, dass die Abkühlkurven
für die
herkömmliche
Vorrichtung und die vorliegende Erfindung im Bereich zwischen 10°C, was die
Temperatur zu Beginn des Einfrierens ist, und –2°C beide exakt die gleiche Form
haben, eine sanfte Kurve mit einem allmähliche Temperaturabfall. Nach
45 Minuten ab dem Beginn des Einfrierens jedoch, wenn die Temperatur –2°C erreicht,
fällt die
Kerntemperatur des in die superschnelle Einfriervorrichtung der
vorliegenden Erfindung gesetzten einzufrierenden Gegenstandes plötzlich und
erreicht bei 58 Minuten –20°C. D.h. nur
eine kurze Zeitdauer, d.h. 13 Minuten, ist erforderlich, um den
Temperaturbereich zu passieren, in dem das Gefrieren beginnt und
endet, d.h. den Temperaturbereich von 0 bis –20°C, in dem beim Einfrieren Eis
von freiem Wasser in massige Kristalle wächst. Die Kerntemperatur des
einzufrierenden Gegenstandes erreicht die Solltemperatur von –50°C in den
nächsten
15 Minuten, d.h. bei 70 Minuten ab Beginn des Einfrierens. Im Gegensatz
dazu konnte, obwohl in der Figur nicht dargestellt, bei der herkömmlichen
schnellen Einfriervorrichtung die Solltemperatur von –50°C selbst
nach 180 Minuten ab Beginn des Einfrierens nicht erreicht werden.
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Die
Qualität
der verschiedenen verderblichen Lebensmittel und die Anzahl der
lebenden Bakterien nach dem Gefrierlagern der einzufrierenden Gegenstände für 4 Monate
bei –50°C und Auftauen
des Gegenstandes sind in Tabelle 2 dargestellt. Man kann erkennen,
dass, obwohl die Gegenstände
in der herkömmlichen
schnellen Einfriervorrichtung sowohl Abtropfen als auch Verfärbung zeigen
und auch befremdliche Gerüche
abgeben, die in der superschnellen Einfriervorrichtung der vorliegenden
Erfindung gelagerten Gegenstände
kein Zeichen solcher Nachteile zeigen, und die Frische der Gegenstände kann
auf einem hohen Niveau konserviert werden, welches vergleichbar
zu jenem zu Beginn des Einfrierens ist. Weiter wird in der herkömmlichen
Vorrichtung die Anzahl lebender Bakterien nicht verringert; aber
in der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung wird die Anzahl deutlich
reduziert, und insbesondere werden Kolibakterien vernichtet. Tabelle
2
- * nach dem Einfrieren für 4 Monate bei –50°C
-
Aus
dem Obigen versteht man, dass es gemäß der vorliegenden Erfindung
möglich
ist, die einzufrierenden Gegenstände
in einem guten, frischen Zustand zu halten, indem eine Zerstörung von
Zellen der Gegenstände
verhindert wird, eine Oxidation eingeschränkt wird und lebende Bakterien
vernichtet werden und ein Fäulnisprozess
verhindert wird. Es wurde bestätigt,
dass die obigen Vorteile auch erreicht werden können, wenn in Tabelle 1 nicht
gezeigte Bedingungen verwendet werden, sofern sie im Schutzumfang
der vorliegenden Erfindung liegen.
-
Als
Beleg wurde der gleiche Test in der gleichen Weise für weitere
Lebensmittelzutaten, wie beispielsweise Säfte, ausgeführt, die Ergebnisse davon sind
in Tabelle 3 dargestellt. Es wurde ein ausgezeichnetes Ergebnis
erzielt; Säfte
und Weine trennten sich nicht in Wasser und Saftbestandteil nach
dem Einfrieren und Auftauen, Orangen und Kuchen zeigten keine Veränderung
in Aussehen, Form oder Geschmack. Bezüglich der Säfte und Weine liegt dies daran,
dass eine Hülle
gebundenen Wassers durchgehend um die Außenflächen der tertiären Strukturen
der Bestandteile der Säfte
und Weine gebildet wird, was eine einfache Hydration der tertiären Strukturen
mit dem umliegenden Wasser ermöglicht.
Bezüglich
der Orangen und Kuchen werden die obigen Ergebnisse erreicht, weil
die um die Außenfläche der
tertiären
Strukturen gebildete Hülle
gebundenen Wassers die Oxidation verhindert und sich das gebundene
Wasser nach dem Auftauen in freies Wasser umwandelt und sich in
dem gleichen Zustand auflöst,
den es vor dem Einfrieren hatte, d.h. gleichmäßig in den Orangen und Kuchen
auflöst. Tabelle
3
- * nach dem Einfrieren für 4 Monate bei –50°C
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4 ist
ein Zentralschnitt einer superschnellen Einfriervorrichtung, die
ein modifiziertes Ausführungsbeispiel
des oben beschriebenen Ausführungsbeispiels
ist.
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Dieses
modifizierte Ausführungsbeispiel
ist so, dass die Richtung und die Anordnung der elektromagnetischen
Spule, die als der dynamische Magnetfeldgenerator im obigen Ausführungsbeispiel
verwendet wurde, verändert
sind. Da die Konstruktion allgemein gleich jener des obigen Ausführungsbeispiels
ist, werden die gleichen Bezugszeichen für die gleichen Elemente benutzt,
und nur die Unterschiede werden erläutert.
-
Wie
in der Figur dargestellt, ist eine elektromagnetische Spule 21c an
einer Außenseite
der oberen Wand der Gefrierkammerwände 13a vorgesehen.
Die elektromagnetische Spule 21c ist so angeordnet, dass ihre
Achse in der horizontalen Richtung ausgerichtet ist. Wenn ein Wechselstrom
mit einer konstanten Frequenz fließt, wird ein schwankendes Magnetfeld,
das senkrecht zum statischen Magnetfeld, d.h. in der horizontalen
Richtung ist und das periodisch in einer sinusförmigen Weise vor- und zurückschwankt,
in der Mitte des Faches angelegt. D.h. in der Mitte des Fachs werden
das statische Magnetfeld und das dynamische Magnetfeld, das in der
senkrechten Richtung des statischen Magnetfeldes ist und das schwankende
Magnetfeld ist, überlagernd
angelegt.
-
Gemäß diesem
modifizierten Ausführungsbeispiel
wird, obwohl das magnetische Moment des Elektronenspins oder Kernspins
der freien Wassermoleküle
in dem einzufrierenden Gegenstand durch das statische Magnetfeld
in eine Richtung ausgerichtet wird, die Richtung des magnetischen
Moments durch das dynamische Magnetfeld senkrecht zum statischen
Magnetfeld periodisch verändert
und in Schwingung versetzt. Weiter wird ein schwankendes elektrisches
Feld durch die durch das dynamische Magnetfeld verursachte elektromagnetische
Induktion erzeugt, und der elektrische Dipol des Wassermoleküls wird
durch das schwankende elektrische Feld in Schwingung versetzt. Da
die zwischen den Wassermolekülen
wirkende Wasserstoffbindung in Schwingung versetzt ist und eine
Fixierung der Wasserstoffbindung eingeschränkt wird, tritt ferner insbesondere
der obige Unterkühlungszustand
einfach ein.
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Im
modifizierten Ausführungsbeispiel
wird ein dynamisches Magnetfeld in der horizontalen Richtung auf
ein statisches Magnetfeld in der vertikalen Richtung angelegt. Durch
Anlegen eines dynamischen Magnetfeldes in einer Richtung unterschiedlich
zu jener des statischen Magnetfeldes kann man jedoch die obige Wirkung
des Erhöhens
der Schwingung des Wassermoleküls
erzielen. Daher muss die Richtung des dynamischen Magnetfeldes nicht
in der vertikalen Richtung des statischen Magnetfeldes sein. D.h.
es ist passend, falls ein schwankendes Magnetfeld, das in der positiven
und der negativen Richtung bei einer vorbestimmten Stärke in einer
Richtung unterschiedlich zu jener eines unidirektionalen Magnetfeldes
schwankt, an den einzufrierenden Gegenstand angelegt wird.
-
Obiges
ist eine Erläuterung
eines Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung, und daher soll die vorliegende Erfindung
nicht auf das obige Ausführungsbeispiel
beschränkt
sein, und verschiedene Modifikationen können vorgenommen werden, sofern
sie nicht den Schutzumfang der Ansprüche verlassen.
- (a) Im obigen Ausführungsbeispiel
kann, obwohl die Grenzschicht der Luft durch Überlagern von Schallwellen
auf die durch die Ventilatoren 31 geblasene kalte Luft
umgerührt
wurde, eine pulsierende Veränderung im
Luftdruck auch durch die Schwingungen der Flügel 31a der Ventilatoren 31 bewirkt
werden, welche Veränderung ähnlich Vorteile
wie die durch Schallwellen bewirkten hat. Daher ist es anstelle
des Dämpfens
der Schwingungen der Flügel 31a möglich, sie
in vorteilhafter Weise zu nutzen.
Weiter wird die Schallwelle
durch die Schwingung der elektromagnetischen Spule als die dynamische
Magnetfelderzeugungseinrichtung erzeugt. Obwohl eine solche Schallwelle
in einem Niederfrequenzbereich mit einer Periode von 50/60 Hz wie
die handelsübliche
Wechselstromquelle und ihre Oberschwingungen ganzzahliger Vielfacher
ist, ist es möglich,
eine solche Schallwelle in vorteilhafter Weise zu nutzen. Es ist jedoch
für das
Schalldruckniveau und die Energie der Schallwelle wünschenswert,
in dem obigen Bereich zu liegen.
- (b) Obwohl im obigen Ausführungsbeispiel
eine elektrisches Feld in der vertikalen Richtung durch vertikales Anordnen
von Paaren einander gegenüberliegender
Elektronenplatten 51a, 51b angelegt wurde, ist
es nicht auf diese Konfiguration beschränkt, sofern ein elektrisches
Feld mit einer Stärke
von 100 bis 1.000 kV/m an den einzufrierenden Gegenstand angelegt
wird. Es ist möglich,
ein Paar Elektrodenplatten in der seitlichen Richtung gegenüber anzuordnen
und ein elektrisches Feld an den einzufrierenden Gegenstand 3 in
der horizontalen Richtung anzulegen.
Weiter wurde im obigen
Ausführungsbeispiel
ein Hochspannungs-Wechselstrompotentialgenerator als eine Potentialerzeugungsvorrichtung
zum Anlegen eines Hochspannungs-Wechselstrompotentials, das in einer sinusförmigen Weise über der
Zeit periodisch schwankt, verwendet. Es ist jedoch nicht auf diese
Konfiguration beschränkt,
und das elektrische Potential könnte
auch in einer stufenartigen Weise periodisch verändert werden; oder ein statisches
Potential, d.h. ein elektrisches Potential, das sich nicht periodisch ändert, könnte unter
Verwendung eines Hochspannungs-Gleichstrompotentialgenerators bewirkt
werden, und ein konstantes elektrisches Feld kann angelegt werden.
- (c) Obwohl im obigen Ausführungsbeispiel
das Magnetfeld in der vertikalen Richtung angelegt wird, muss es
nicht auf diese Konfiguration beschränkt sein, falls ein unidirektionales
Magnetfeld an den einzufrierenden Gegenstand 3 angelegt
wird, und daher kann auch ein horizontales Magnetfeld angelegt werden.
Zum Beispiel ist es durch Anordnen der Permanentmagnete 21a an
den Außenflächen der
Decke und der Bodenwand der Gefrierkammerwände 13a und durch
Anordnen der elektromagnetischen Spulen außerhalb der Permanentmagnete
derart, dass die Achsen der Spulen in der horizontalen Richtung
ausgerichtet sind, möglich,
ein Magnetfeld in der horizontalen Richtung zu erzeugen.
-
Ferner
wird im obigen Ausführungsbeispiel
ein schwankendes Magnetfeld, das ±5% in sowohl der positiven
als auch der negativen Richtung um einen Referenzwert, der ein beliebiger
fester Wert ist, schwankt, durch Überlagern eines dynamischen
Magnetfeldes, das durch die elektromagnetischen Spulen erzeugt wird und
das eine Stärke
innerhalb 5% des statischen Magnetfeldes auf das statische Magnetfeld
hat, das durch die Permanentmagnete erzeugt wird, realisiert. Es
ist möglich,
eine Konstruktion zu erzielen, die keinen Permanentmagneten verwendet.
Zum Beispiel ist es anstelle der handelsüblichen Wechselstromquelle 22 möglich, die
elektromagnetische Spule 21b mit einer speziellen Stromquelle
zu verbinden, die einen Gleichstrom mit einer Stärke zum Erzeugen eines Magnetfeldes
mit dem Referenzwert leiten kann und die den Gleichstromwert zum
periodischen Schwanken im ±5%-Bereich
steuern kann.
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Obwohl
im obigen Ausführungsbeispiel
ein dynamisches Magnetfeld, das in einer sinusförmigen Weise mit der Zeit periodisch
schwankt, als das schwankende Magnetfeld benutzt wurde, muss es
außerdem
nicht auf dieses Verfahren beschränkt sein, und es kann stattdessen
ein dynamisches Magnetfeld eingesetzt werden, das sich periodisch
in einer stufenartigen Weise ändert.
- (d) Im obigen Ausführungsbeispiel wurden ein Kompressor 17a,
ein Kondensator 17b, ein Kapillarrohr 17c und
Verdampfapparate 17d, die alle allgemein verwendet werden,
eingesetzt, um den Kühlkreis
der Gefriervorrichtung 17 zu bilden. Es muss jedoch nicht
auf diese Konfiguration beschränkt
sein, sofern die Umgebungstemperatur um den einzufrierenden Gegenstand
(die Kammertemperatur) auf –30
bis –100°C fallen
kann.
- (e) Im obigen Ausführungsbeispiel
wurde das Abkühlen
durch Blasen der kalten Luft in der Kammer zu und um den einzufrierenden
Gegenstand realisiert, d.h. ein gasförmiger Körper wurde als Kühlmittel
zum Abkühlen
des einzufrierenden Gegenstandes verwendet. Sofern die Temperatur
um den einzufrierenden Gegenstand auf –30 bis –100°C fallen kann und falls der
oben beschriebene Voreinfriervorgang und der Nachbehandlungsvorgang
durchgeführt
werden können,
ist es jedoch auch möglich,
Alkohole wie beispielsweise Methanol und Ethanol oder Ethylenglykol
als Kühlmittel
zu benutzen. Insbesondere kann dies verwirklicht werden, indem ein
mit einem flüssigen
Kühlmittel
gefüllter
Behälter
im Mittelteil der Kammer platziert wird und der einzufrierende Gegenstand
durch Eintauchen in das flüssige
Kühlmittel
unter gleichzeitiger Anwendung eines Magnetfeldes und falls erforderlich
auch eines elektrischen Feldes an den Mittelteil der Kammer eingefroren
wird.
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INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
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Wie
man aus der obigen Beschreibung sehen kann, wird gemäß der vorliegenden
Erfindung ein schnelles Einfrieren durch Senken der Umgebungstemperatur
des einzufrierenden Gegenstandes auf –30 bis –100°C, während gleichzeitig ein unidirektionales
Magnetfeld an den Gegenstand angelegt wird, ausgeführt. Es
ist daher möglich,
eine Zerstörung
der Zellen des einzufrierenden Gegenstandes während des Einfriervorgangs
zu verhindern und eine Oxidation mittels der an der Außenfläche der
tertiären
Strukturen, die den einzufrierenden Gegenstand bilden, gebildeten
Hülle gebundenen
Wassers zu verhindern. Deshalb ist es möglich, die gleiche Frische
selbst nach dem Auftauen zu realisieren.
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Weiter
ist es möglich,
da die Umgebungstemperatur im Bereich von –30 bis –100°C eingestellt wird, die Betriebskosten
während
des Kühlkreises
von einer Erhöhung
abzuhalten, während
eine Oxidation der Oberfläche
der einzufrierenden Gegenstände
effizient verhindert wird. Es ist auch möglich, die Betriebskosten selbst
während
der Gefrierlagerung niedrig zu halten.
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Auf
diese Weise ist es möglich,
die Frische eines einzufrierenden Gegenstandes auf einem hohen Niveau
zu konservieren und hochqualitative Lebensmittelzusätze und
-produkte zu Verbrauchern bei niedrigen Kosten zu liefern. Da es
auch möglich
ist, Blut, Haut und Nervenzellen ohne Beschädigung einzufrieren, ist es möglich, für Transplantationen
verwendete Organe, wie beispielsweise biomedizinische Transplantate,
ohne Beeinträchtigung
ihrer Funktionen einzufrieren und daher Leben vieler Leute zu retten.
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Indem
das unidirektionale Magnetfeld zum Schwanken gebracht wird, ist
es möglich,
die Gegenwirkung gegen die Wirkung des statischen Magnetfeldes zu
verringern, d.h. die Gegenwirkung zum statischen Feld zu reduzieren
und die durch Anlegen des Magnetfeldes verursachten Wirkungen zu
ermöglichen,
um effizienter zu arbeiten. Da im Gefrierfach freie Elektronen erzeugt
werden, kann eine Oxidation des Gegenstands verhindert werden, und
Radikale wie beispielsweise Hydroxiradikale werden im einzufrierenden
Gegenstand erzeugt. Da diese Hydroxiradikale die Zellmembranen der
Mikroben wie beispielsweise Bakterien zerstören, ist es möglich, die
Anzahl lebender Bakterien einzuschränken. Deshalb ist es möglich, einen
Fäulnisprozess des
einzufrierenden Gegenstandes zu verhindern, seine Frische zu verbessern
und hochqualitative Lebensmittelzusätze und Lebensmittelprodukte
zu Verbrauchern zu liefern.
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Ferner
kann, da die Schallwellen die Abkühlrate des einzufrierenden
Gegenstandes weiter beschleunigen, ein schnelles Einfrieren realisiert
werden und eine Zellenzerstörung
kann sicher verhindert werden. Durch Verwenden von Schallwellen
im Niederfrequenzbereich und Einstellen der Windgeschwindigkeit
der kalten Luft auf 1 bis 5 m/s ist es möglich, eine Oxidation des einzufrierenden
Gegenstandes ohne Aufbrechen der an seiner Oberfläche gebildeten
Wasserhülle
zu verhindern, wobei die Abkühlgeschwindigkeit
erhöht
wird.
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Außerdem wandeln
sich im Gefrierfach existierende Wassermoleküle und Sauerstoffmoleküle durch Anlegen
des elektrischen Feldes an den einzufrierenden Gegenstand in Wasser
mit gegebenen Elektronen (H2Oe) bzw. Peroxidanionen
(O2 –) um, welche Radikale
wie beispielsweise Hydroxiradikale erzeugen, und die Zellmembrane
von Mikroben wie beispielsweise Bakterien werden durch diese Hydroxiradikale
zerstört,
um so die Anzahl lebender Bakterien einzuschränken. Deshalb ist es möglich, einen
Fäulnisprozess
der einzufrierenden Gegenstände
zu verhindern und ihre Frische zu verbessern und auch hochqualitative
Lebensmittelzusätze und
Lebensmittelprodukte zu Verbrauchern zu liefern.
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Außerdem kann
die Magnetfelderzeugungseinrichtung durch separates Aufbauen des
statischen Magnetfeldgenerators und des dynamischen Magnetfeldgenerators
freier ausgewählt
werden. Deshalb wäre
es unter Berücksichtigung
der Kosteneffektivität
möglich
eine kostengünstigere
Einrichtung zu verwenden, um die Gesamtkosten der Einfriervorrichtung
zu verringern.
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Durch
Anordnen eines Ferninfrarotstrahlen-Absorptionsmaterials an der
Innenfläche
der Gefrierfachwände
und durch Vorsehen von Wärmeisolatoren
um den Außenumfang
der Gefrierfachwände
ist es möglich, die
Kammertemperatur effizient aufrechtzuerhalten und eine Reduzierung
des zum Abkühlen
benötigten Stromverbrauchs
zu realisieren.
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Durch
Verwenden von Permanentmagneten als die statische Magnetfelderzeugungseinrichtung
ist es möglich,
die Kapazität
der elektromagnetischen Spulen, die das schwankende Magnetfeld realisieren,
zu reduzieren, die Kosten der Einfriervorrichtung zu senken und
auch den Energieverbrauch zu reduzieren. Ebenso kann durch Vorsehen
der elektromagnetischen Spulen außerhalb der Gefrierfachwände ein
Abfall des Kühlvermögens in
der Kammer verhindert werden, welches sonst durch das Heizen der
elektromagnetischen Spulen verursacht werden würde, und daher kann der zum
Abkühlen
erforderliche Stromverbrauch reduziert werden.
