ITMI20102179A1 - Congelatore ult con ridotta formazione di ghiaccio - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un congelatore a bassa temperatura, in particolare del tipo per laboratorio e/o per la conservazione di campioni biologici, quali ad esempio sangue o suoi derivati. Qui con congelatori a bassa temperatura si intendono congelatori con temperatura inferiore ai -50°C. Ad esempio, congelatori a bassa temperatura per emoderivati operano in genere a temperatura nell’ordine di -80°C o anche più basse. I congelatori funzionanti a tali basse temperature (almeno sotto i -50°C) sono di solito chiamati congelatori ULT (Ultra Low Temperature). Tali congelatori ULT soffrono dell’inconveniente di avere una elevata e deleteria produzione di ghiaccio nella cella refrigerata a causa della rapidissima condensazione e congelamento del vapore acqueo ambientale che penetra nella cella ad ogni apertura della porta. In particolare, tale effetto deleterio si ha maggiormente nei congelatori verticali, dotati di una ampia porta frontale per un comodo accesso alla cella refrigerata.

Sebbene il problema sia molto sentito, non à ̈ sino ad ora stata proposta una soluzione soddisfacente per la sua soluzione.

Nella tecnica nota dei congelatori e frigoriferi a temperatura molto più elevata (da circa zero ad un minimo di temperatura nell’intorno, ad esempio, dei -20 ÷ -30°C) sono da tempo conosciuti congelatori e frigoriferi detti “no-frost†. Essi adottano un sistema di sbrinamento automatico che prevede il periodico riscaldamento dell’evaporatore del circuito frigorifero, per provocare lo scioglimento del ghiaccio che si forma sull’evaporatore a causa della sua temperatura che, durante il funzionamento normale, à ̈ più bassa di quella del resto della cella refrigerata. In alcuni casi, a tale accorgimento si aggiunge una circolazione di aria forzata fra la cella e la zona dove à ̈ posto l’evaporatore. Ad esempio, simili soluzioni sono descritte in WO01/46630, US4272969, GB1082764 e TW269856.

Sebbene i sistemi “no-frost†siano alquanto diffusi nel caso di temperature di raffreddamento relativamente alte, essi non sono correntemente impiegati a temperature inferiori ai -40°C. In particolare, il tecnico esperto ritiene che tali sistemi siano completamente inadatti all’impiego in congelatori a bassa temperatura o ULT.

Tale inadeguatezza à ̈ dovuta principalmente al fatto che nei noti congelatori “no-frost†la temperatura del contenuto del congelatore necessariamente si alza durante i cicli di sbrinamento, a causa del riscaldamento dell’evaporatore sopra la temperatura di congelamento dell’acqua. Mentre ciò può essere accettabile per congelatori domestici o comunque di tipo funzionante a temperatura relativamente alta (dove, fra l’altro, lo sbalzo di temperatura dell’evaporatore fra la temperatura di esercizio e la temperatura di sbrinamento, sopra la soglia di congelamento dell’acqua, à ̈ relativamente ridotto), una sensibile variazione di temperatura diviene inaccettabile nel caso di congelatori a bassa temperatura, per esempio per l’uso di laboratorio o di immagazzinamento di materiale biologico, quale sacche di sangue e similari, dove sbalzi temporanei di temperatura in salita oltre una decina di gradi possono degradare i prodotti conservati.

Si tenga presente che per produrre lo sbrinamento di un evaporatore funzionante a temperature nell’ordine di -80°C à ̈ necessario il riscaldamento dell’evaporatore fino ad almeno qualche grado sopra lo zero, con un delta termico perciò molto elevato e che raggiunge anche i 90°C. Il tecnico esperto ritiene che un simile delta termico non può che provocare una inaccettabile instabilità della temperatura di una cella ULT, con sicuro degrado dei campioni in essa contenuti. Inoltre, durante i cicli di sbrinamento può intervenire una sublimazione dell’acqua che può rovinare o alterare prodotti di laboratorio in contenitori non perfettamente a tenuta. I tecnici hanno perciò sempre cercato soluzioni alternative al problema della formazione di ghiaccio, abbandonando completamente l’idea di una possibile soluzione che impiegasse il riscaldamento dell’evaporatore.

Un esempio di un congelatore ULT à ̈ descritto in US7621148. In tale brevetto, per ridurre la formazione di ghiaccio à ̈ fra l’altro proposto di mantenere almeno quasi in sovrappressione la cella refrigerata, così da ridurre l’ingresso di aria umida dall’esterno.

Le soluzioni note restano insoddisfacenti e lo svantaggio della formazione di ghiaccio non viene sufficientemente ridotto, anche con gli accorgimenti più complessi che sono proposti in tecnica nota.

Scopo generale della presente invenzione à ̈ fornire un congelatore ULT con caratteristiche di bassa formazione di ghiaccio, mentre nel contempo à ̈ mantenuta una soddisfacente bassa e costante temperatura nella cella refrigerata.

In vista di tale scopo si à ̈ pensato di realizzare, secondo l'invenzione, un congelatore ULT per temperature inferiori ai -50°C per la conservazione di campioni biologici, comprendente una cella interna refrigerata e chiusa da uno sportello verticale di accesso, sopra la cella essendo presente un vano superiore che contiene una unità evaporatore di un circuito frigorifero del congelatore, l’unità evaporatore essendo dotata di elementi elettrici di riscaldamento per lo sbrinamento e fra vano superiore e cella essendo presente un isolamento termico, il vano superiore essendo posteriormente e anteriormente collegato ai due estremi di un circuito di circolazione di aria attorno alla cella, l’aria essendo spinta ad attraversare l’unità evaporatore mediante mezzi ventilatori contenuti nel vano, il circuito di circolazione dell’aria comprendendo nell’ordine uno spazio verticale disposto fra lo sportello e l’interno della cella, nel quale entra il flusso d’aria in uscita anteriormente dal vano superiore dopo essere passato attraverso l’unità evaporatore, una intercapedine orizzontale sotto la cella e una intercapedine verticale dietro la cella per il ritorno del flusso d’aria posteriormente nel vano, il flusso di aria nel detto spazio verticale generando una lama di aria dall’alto in basso, sostanzialmente parallela allo sportello, un dispositivo di controllo essendo connesso agli elementi di riscaldamento e ai mezzi ventilatori per attivare ciclicamente gli elementi di riscaldamento con contemporaneo arresto dei mezzi ventilatori per realizzare cicli di sbrinamento dell’unità evaporatore con mantenimento della temperatura nella cella sotto un valore massimo prestabilito nell’intorno di una temperatura di esercizio della cella.

Per rendere più chiara la spiegazione dei principi innovativi della presente invenzione ed i suoi vantaggi rispetto alla tecnica nota si descriverà di seguito, con l'aiuto dei disegni allegati, una realizzazione esemplificativa applicante tali principi. Nei disegni:

-figura 1 rappresenta una vista schematica in sezione di un congelatore secondo l’invenzione;

-figura 2 rappresenta una vista schematica in prospettiva del congelatore di figura 1;

-figura 3 rappresenta uno schema a blocchi del circuito frigorifero del congelatore di figura 1.

Con riferimento alle figure, in figura 1 à ̈ mostrato un congelatore ULT, indicato genericamente con 10, realizzato secondo i principi della presente invenzione per conservare il contenuto (ad esempio, campioni biologici, sacche di sangue o suoi derivati, ecc) a bassa temperatura, vale a dire almeno al di sotto di -50°C e, preferibilmente, nell’intorno di -80°C o anche meno.

Il congelatore 10 comprende una cella refrigerata 11 che à ̈ isolata rispetto all’ambiente esterno per mezzo di uno sportello verticale 12 e di pareti esterne opportunamente coibentate.

Vantaggiosamente, controsportelli 13 sono previsti dietro lo sportello 12 per chiudere i vani (o i cassetti) della cella, creando una intercapedine fra i controsportelli e la faccia interna dello sportello 12. Nella cella sono solitamente presenti ripiani o divisori orizzontali 14.

Sopra il soffitto della cella e sotto il suo pavimento sono presenti rispettivamente un vano superiore 15 e una intercapedine inferiore orizzontale 16 che sono fra loro interconnessi posteriormente per mezzo di una intercapedine posteriore verticale 17 la quale à ̈ posta dietro la parete di fondo della cella. La cella ha una struttura scatolare o vasca più interna 18 che à ̈ realizzata con pareti in materiale non termicamente isolante, ad esempio acciaio, così che vi sia scambio termico fra l’interno della cella e le intercapedini, che sono invece termicamente isolate verso l’esterno dalle pareti coibentate 19 del congelatore. Le intercapedini inferiore e posteriore possono essere ad esempio spesse nell’intorno di 30 mm e larghe quanto à ̈ larga la vasca 18.

Il vano superiore 15 ha la parete inferiore che à ̈ termicamente isolata rispetto alla sottostante cella 11 e contiene una unità scambiatore di calore o unità evaporatore 25 che realizza l’evaporatore di un opportuno circuito frigorifero (il cui compressore può essere vantaggiosamente accolto nella base del congelatore sotto l’intercapedine 16) e mezzi ventilatori 26, vantaggiosamente in forma di più ventilatori affiancati in parallelo (ad esempio quattro ventilatori) per soffiare un flusso di aria attraverso lo scambiatore. I ventilatori sono scelti adatti per funzionare alle bassissime temperature di esercizio. Ad esempio, i cuscinetti avranno grasso di lubrificazione speciale per le bassissime temperature di esercizio presenti nel congelatore.

Il vano superiore e l’intercapedine inferiore hanno rispettive aperture 20, 21 nella parte frontale, vicino allo sportello 12, così da comunicare fra loro attraverso uno spazio 22 presente dietro allo sportello. Tale spazio 22 può essere anch’esso in forma di una intercapedine verticale fra la superficie posteriore dello sportello e i controsportelli 13 eventualmente presenti. I ventilatori 26 aspirano l’aria dalla intercapedine posteriore 17 e la inviano (attraverso lo scambiatore 25) nello spazio anteriore 22, dal quale ritorna alla intercapedine posteriore 17 attraverso l’intercapedine inferiore 16, generando una circolazione di aria che si raffredda passando attraverso lo scambiatore superiore 25 e raffredda poi la cella. Per una migliore efficienza, l’intercapedine posteriore 17 può anche essere affiancata da ulteriori intercapedini ai lati della cella 11, con opportuni convogliatori di collegamento di tali ulteriori intercapedini con l’intercapedine inferiore 16 e il vano superiore 15 a monte dei ventilatori 26, così da aumentare lo scambio termico fra l’aria fredda e la cella.

Le aperture 20 e 21 hanno rispettive pareti o setti 23, 24 che delimitano la parte frontale del vano e dell’intercapedine inferiore così che le aperture 20 e 21 siano rivolte una verso l’altra. Le aperture 20, 21 realizzano sottili bocche orizzontali, allungate parallelamente allo sportello per produrre un flusso preferibilmente a lama d’aria in un piano parallelo allo sportello e subito dietro di esso. In tale modo, la lama d’aria che scorre anteriormente alla cella e dietro lo sportello genera un effetto di barriera d’aria nel tratto che separa le due aperture o bocche 20, 21. Ciò à ̈ ben visibile anche dalla figura 2.

Si ha così che l’aria in movimento, oltre a raffreddare il vano utile della cella, sottraendo calore attraverso le pareti non isolate delle intercapedini, forma una barriera fredda quando viene aperto lo sportello. Ciò contribuisce a condensare il vapore acqueo esterno prima che possa penetrare nella cella. Vantaggiosamente, per i motivi che saranno chiari dal seguito, il congelatore presenta anche un secondo evaporatore 27 del circuito frigorifero. L’evaporatore 27 à ̈ costituito da una classica serpentina disposta intorno o dentro alla vasca per essere in contatto termico con il suo interno. Vantaggiosamente, l’evaporatore 27 può estendersi anche a contatto con le pareti laterali della cella. Vantaggiosamente, l’evaporatore 25 e l’evaporatore 27 possono funzionare sia contemporaneamente sia in modo indipendente l’uno dall’altro dietro comando del dispositivo di controllo. Durante le aperture della porta 12 la barriera d’aria entra in contatto con l’ambiente esterno e quindi viene “inquinata†dall’umidità esterna. La barriera d’aria ostacola però l’ingresso dell’umidità nella cella e il carico di vapore acqueo viene trasportato dal flusso di aria all’interno delle intercapedini, per poi accumularsi sotto forma di brina/ghiaccio sulle superfici dell’unità scambiatore 25, dal momento che sono le parti più fredde con le quali entra in contatto. Vantaggiosamente, l’effetto di condensa nella barriera d’aria provoca una visibile formazione di nebbia che rende immediatamente apprezzabile all’utente la presenza ed efficacia della barriera.

Per non compromettere il funzionamento del congelatore, l’accumulo di brina/ghiaccio sullo scambiatore deve essere rimosso periodicamente per mezzo di una operazione di sbrinamento.

Per realizzare tale operazione, l’unità scambiatore 25 comprende elementi elettrici di riscaldamento 28 (ad esempio resistenze elettriche riscaldanti), attivabili a comando durante un ciclo periodico di sbrinamento durante il quale viene anche interrotto il flusso di fluido refrigerante nello scambiatore 25. Gli elementi 28 sono dimensionati in modo da potere elevare rapidamente la temperatura dello scambiatore sopra lo 0°C.

Un vassoio di raccolta 29 à ̈ previsto sotto lo scambiatore 25 per raccogliere le gocce d’acqua dovute allo sbrinamento e che vengono portate all’esterno attraverso un piccolo tubo 30 per essere eliminata. Per evitare il ricongelamento dell’acqua le superfici del vassoio e del tubo possono essere vantaggiosamente riscaldate mediante rispettivi elementi riscaldanti elettrici 31, 32 (vantaggiosamente sempre resistenze elettriche).

Il calore sviluppato dagli elementi di sbrinamento nella parte superiore del congelatore viene isolato dalla cella mediante l’uso di un opportuno isolante termico 33 fra il vano e la sottostante cella. Per ridurre lo spessore di isolante, possono essere vantaggiosamente impiegati pannelli isolanti nanoporosi, vale a dire pannelli isolanti caratterizzati da strutture porose interne di diametro nanometrico, posti come riempimento all’interno del controsoffitto della cella e che hanno un alto potere isolante.

Vantaggiosamente, durante lo sbrinamento il fluido refrigerante viene fatto passare attraverso la serpentina 27 in modo da limitare ulteriormente l’innalzamento di temperatura della cella, mantenendo così la temperatura sotto una soglia prefissata.

Grazie alla barriera d’aria che impedisce la penetrazione di umidità nella cella e che la condensa sullo scambiatore 25 durante il funzionamento normale, l’evaporatore tradizionale 27 patisce molto meno la formazione di ghiaccio rispetto ai congelatori noti funzionanti a temperatura paragonabile. Ciò à ̈ vero sia durante un eventuale ciclo di funzionamento con i due scambiatori entrambi in funzione (ad esempio durante il recupero della condizione normale dopo un ciclo di sbrinamento) sia durante il funzionamento del solo scambiatore a serpentina 27 mentre si esegue il ciclo di sbrinamento dello scambiatore 25. Infatti, nel primo caso (che può durare relativamente a lungo nel tempo) si ha l’effetto di barriera d’aria con condensazione sullo scambiatore 25, nel secondo caso viene a mancare tale effetto (poiché la circolazione d’aria viene arrestata per evitare un flusso di aria riscaldata attorno alla cella) ma il tempo di funzionamento in tali condizioni dello scambiatore 27 à ̈ relativamente limitato e il numero di aperture dello sportello durante tale tempo à ̈ solitamente molto piccolo se non addirittura pari a zero, mentre la cella à ̈ già priva di umidità condensabile.

Vantaggiosamente, l’evaporatore superiore può essere anche fornito di due capillari in ingresso collegabili a comando in parallelo (ad esempio per mezzo di una elettrovalvola). Durante il normale funzionamento della macchina viene impiegato un solo capillare; quando invece c’à ̈ bisogno di una rapida discesa della temperatura (ad esempio dopo lo sbrinamento o dopo una prolungata apertura della porta) viene impiegato anche il secondo capillare, in modo da raddoppiare la portata del fluido refrigerante che passa nell’evaporatore.

In figura 3 à ̈ mostrato un possibile schema del circuito del congelatore dell’invenzione, secondo quanto già sopra descritto. Si ha perciò l’unità evaporatore 25 alimentata attraverso capillari 42,43 per mezzo di una valvola di selezione 44. Un compressore 41 e un condensatore 40 completa il circuito frigorifero. L’ulteriore evaporatore a serpentina 27 à ̈ connesso al circuito per mezzo di un capillare 45 e sono presenti valvole 46, 47 per selezionare l’inserimento nel circuito di uno, dell’altro o di entrambi gli evaporatori 25, 27. In figura 3 sono anche schematicamente mostrate le ventole 26 che realizzano i mezzi ventilatori di circolazione forzata dell’aria e agli elementi di riscaldamento 28.

Un dispositivo di controllo 50 à ̈ connesso quanto meno agli elementi di riscaldamento 28 e ai mezzi ventilatori 26 per attivare ciclicamente gli elementi di riscaldamento con contemporaneo arresto dei mezzi ventilatori così da realizzare i cicli di sbrinamento dell’unità evaporatore 25. Vantaggiosamente, per l’attivazione ciclica, il dispositivo di controllo realizza anche un timer che avvia lo sbrinamento ad intervalli prestabiliti. Il dispositivo di controllo (vantaggiosamente un controllore a microprocessore opportunamente programmato come facilmente immaginabile dal tecnico alla luce della presente descrizione) comanda vantaggiosamente anche le valvole 44, 46 e 47 per attivare un raffreddamento supplementare (con i due capillari 42, 43 in parallelo) e per impiegare alternativamente o insieme i due scambiatori 25 e 27, come già sopra descritto.

Opportune note sonde di temperatura connesse al dispositivo di controllo permetteranno il controllo e la sorveglianza della temperatura interna della cella. Il dispositivo di controllo può anche possedere interfacce di scambio dati con sistemi esterni di gestione di più congelatori, come ad esempio d’uso nel caso di emoteche o simili.

A questo punto à ̈ chiaro come si siano ottenuti gli scopi prefissati. Un congelatore secondo l’invenzione, pure avendo una struttura semplice, robusta e di costo accettabile, può funzionare a temperature estremamente basse (anche oltre i -80°C) con ridottissimi problemi di ghiaccio, anche in caso di frequenti aperture dello sportello di accesso, e con una soddisfacente costanza di temperatura nella cella refrigerata durante ogni condizione di funzionamento.

La temperatura nella cella durante lo sbrinamento à ̈ mantenuta sotto un valore massimo prestabilito nell’intorno di una temperatura di esercizio della cella. Vantaggiosamente, l’innalzamento di temperatura può essere contenuto in pochi gradi o, al massimo, entro la decina di gradi rispetto alla normale temperatura di esercizio della cella.

Fra l’altro, l’uso di ventilatori che forzano il movimento dell’aria permette una ottima uniformità termica all’interno del congelatore oltre che a favorire il trasporto del vapore acqueo verso la superficie dello scambiatore. Naturalmente, la descrizione sopra fatta di una realizzazione applicante i principi innovativi della presente invenzione à ̈ riportata a titolo esemplificativo di tali principi innovativi e non deve perciò essere presa a limitazione dell'ambito di privativa qui rivendicato. Ad esempio, il circuito frigorifero e/o le dimensioni e proporzioni del congelatore possono variare a seconda delle specifiche preferenze ed esigenze pratiche. I due scambiatori possono anche avere circuiti frigoriferi completamente separati, ciascuno con il proprio compressore e il proprio condensatore. Per temperature particolarmente basse, il circuito frigorifero può essere di tipo a due stadi. Infine, per facilitare la rimozione del ghiaccio che potrebbe eventualmente formarsi sporadicamente nell’intercapedine inferiore, può essere prevista una base facilmente estraibile e smontabile per tale intercapedine. La posizione dell’evaporatore aggiuntivo 27 può anche variare a seconda di preferenze e/o specifiche esigenze d’uso o costruttive.

Claims (9)

1. RIVENDICAZIONI 1. Congelatore ULT per temperature inferiori ai -50°C per la conservazione di campioni biologici, comprendente una cella interna refrigerata (11) e chiusa da uno sportello verticale di accesso (12), sopra la cella essendo presente un vano superiore (15) che contiene una unità evaporatore (25) di un circuito frigorifero del congelatore, l’unità evaporatore (25) essendo dotata di elementi elettrici di riscaldamento (18) per lo sbrinamento e fra vano superiore (15) e cella (11) essendo presente un isolamento termico, il vano superiore (15) essendo posteriormente e anteriormente collegato ai due estremi di un circuito di circolazione di aria attorno alla cella (11), l’aria essendo spinta ad attraversare l’unità evaporatore (25) mediante mezzi ventilatori (26) contenuti nel vano superiore, il circuito di circolazione dell’aria comprendendo nell’ordine uno spazio verticale (22) disposto fra lo sportello (12) e l’interno della cella (11), nel quale entra il flusso d’aria in uscita anteriormente dal vano superiore (15) dopo essere passato attraverso l’unità evaporatore (25), una intercapedine orizzontale (16) sotto la cella e una intercapedine verticale (17) dietro la cella per il ritorno del flusso d’aria posteriormente nel vano superiore (15), il flusso di aria nel detto spazio verticale (22) generando una lama di aria dall’alto in basso, sostanzialmente parallela allo sportello (12), un dispositivo di controllo (50) essendo connesso agli elementi di riscaldamento (28) e ai mezzi ventilatori (26) per attivare ciclicamente gli elementi di riscaldamento (28) con contemporaneo arresto dei mezzi ventilatori (26) per realizzare cicli di sbrinamento dell’unità evaporatore (25) con mantenimento della temperatura nella cella sotto un valore massimo prestabilito nell’intorno di una temperatura di esercizio della cella.
2. 2. Congelatore secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che comprende un evaporatore a serpentina (27) che à ̈ posto in contatto termico con l’interno della cella (11) e che viene attivato dal dispositivo di controllo (50) almeno per un periodo durante i cicli di sbrinamento per mantenere la temperatura nella cella sotto una soglia massima prefissata.
3. 3. Congelatore secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che sotto l’unità evaporatore (25) à ̈ presente una vasca (29) di raccolta di acqua di sbrinamento con un condotto (30) di evacuazione dell’acqua, vasca e condotto essendo dotati di mezzi elettrici di riscaldamento (31, 32) attivabili per mantenere liquida l’acqua in essi.
4. 4. Congelatore secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che l’isolamento termico fra vano superiore (15) e cella (11) comprende un materiale isolante nanoporoso.
5. 5. Congelatore secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che l’unità evaporatore (25) comprende in ingresso un primo capillare (42) e un secondo capillare (43) e almeno una elettrovalvola (44) connessa per il suo azionamento al detto dispositivo di controllo (50) per l’inserimento a comando nel circuito frigorifero di uno solo o di entrambi i capillari in parallelo.
6. 6. Congelatore secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il detto spazio verticale (22) à ̈ delimitato verso l’interno della cella da controsportelli (13) che chiudono la cella parallelamente allo sportello.
7. 7. Congelatore secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che superiormente allo spazio verticale (22) à ̈ presente un setto verticale (20) che individua una bocca o apertura (20) diretta verso il basso ed estesa lungo l’ampiezza dello sportello per l’uscita del flusso di aria dal vano superiore (15) e per indirizzarlo verticalmente entro il detto spazio verticale (22).
8. 8. Congelatore secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che inferiormente allo spazio verticale (22) à ̈ presente un setto verticale (24) che individua una bocca o apertura (21) diretta verso l’alto ed estesa lungo l’ampiezza dello sportello per l’ingresso del flusso di aria dal detto spazio verticale (22) entro l’intercapedine orizzontale inferiore (16).
9. 9. Congelatore secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che in contatto termico con l’interno della cella (11) à ̈ presente un evaporatore supplementare (27) del circuito frigorifero, l’evaporatore supplementare essendo connesso per essere attivabile in aggiunta e/o in alternativa all’unità evaporatore (25) a comando del dispositivo di controllo.