KR101172104B1 - 급속 냉동장치 - Google Patents

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Abstract

보존 대상물과 냉동고 내의 기체와의 미묘한 반응을 억제하고, 보존 대상물의 변형, 변질을 가급적으로 방지하여 장기간 동안에도 신선도와 품질을 높게 유지하여 냉동 보존하는 것이 가능하며, 생체조직의 장기 보존에도 적용 가능한 급속 냉동장치 및 급속 냉동방법을 제공한다.
상기 급속 냉동장치에 있어서, 냉동 대상물(3)을 출납하는 문을 갖춘 냉동고 (11), 냉동고 내부 온도를 약 -30℃ 이하로 냉각 가능한 냉각기(17) 및 냉동고 내의 기체 압력을 조절 가능한 압력 조정기(60) 및 냉동고 내에 수용한 냉동 대상물에 1 내지 5m/sec의 풍속으로 냉풍을 송풍하는 송풍기(31)를 갖춘다.
압력 조정기(60)는, 냉동고 내의 온도를 감지하여 냉동고 내의 온도가 소정치 이상인 경우에는, 감압수단(62)을 작동시켜 냉동고 내부를 대기압 이하로 감압하고, 냉동고 내의 온도가 소정치를 상회하고 감압수단(62)의 작동을 정지시키는 것과 함께 가압수단(61)을 작동시켜 냉동고 내를 대기압 이상으로 가압하는 작동 제어수단(68)을 갖추고 있다.
Figure R1020077025137
급속 냉동장치, 방법, 압력 조정기, 감압수단, 작동제어수단, 송풍기

Description

급속 냉동장치{Quick Refrigeration Apparatus}
본 발명은 장기 보존을 필요로 하는 냉동 대상물(식품, 식재, 의약품, 생체 조직 및 세포 등)의 변형 및 변질을 가급적으로 억제할 수 있도록 한 급속 냉동장치에 관한 것이다.
종래부터, 식품이나 식재의 신선도 및 품질을 장기간 유지하면서 보관하기 위해서, 여러 가지의 냉동방법 및 냉동장치가 개발되었지만, 생체 세포의 냉동보존보관을 가능하게 하는 기술로서는 본 발명의 발명자가 제안한 급속 냉동방법 및 냉동장치가 국제 공개공보 제W0 01/024647호에 이미 개시되어 있다.
위의 급속 냉동장치는 냉동고의 내부 온도를 -30℃ 내지 -100℃로 냉각 가능한 냉동고와, 세기가 임의 고정치를 기준으로 하여, 해당 기준치에 대해서 정부(正負) 방향으로 소정의 범위에서 움직임이 변동하는 단일 방향의 자장을 작용시키는 변동 자장 발생수단을 갖추고 있다.
또한, 냉동고 내의 냉기를 1 내지 5m/sec의 풍력으로 순환시키는 송풍기와 당해 송풍기에 의해서 순환되는 냉풍에 가청 대역의 음파를 중첩시키는 음파 발생수단을 구비하고 있다. 게다가, 냉동고 내에 전기장을 작용시키는 전기장 발생 장치도 구비되어 있다.
그리고, 해당 냉동장치는 식재나 식품의 신선도를 보관 유지하면서 보존하는 것에 있어서 큰 효과를 볼 수 있다.
특허문헌 1: 국제 공개공보 제W0 01/024647호
[발명이 해결하고자 하는 과제]
그런데, 근래에는 냉동 보존의 대상물은 식품이나 식재에 그치지 않고, 이들 이외의 의·약품이나 생체 조직·세포 등으로 크게 진전하여, 보다 한층 더 변형, 변질을 방어할 수 있는 냉동 보존방법 및 냉동장치의 개발에 대한 강한 요구가 시작되어 왔다.
예를 들어, 생체 세포에 대해서는 이의 보존 기간을 수년에서 수십 년으로 장기간으로 설정하여 재생 치료에 이용하려고 하는 치료방법이 현실성을 띠고 있다. 구체적으로, 치과 부문에 있어서는 사랑니 등의 자기의 이를 젊을 때 발치하고 이를 수십 년 이상 냉동 보존하여 재생 치료에 이용하는 것이 이미 실행 단계의 직전에 와있다.
그러나, 생체 조직이나 세포 등을 이식이나 재생 치료의 목적으로 상기와 같이 장기간에 걸쳐서 냉동 보존하는 것은 종래의 급속 냉동 기술에 있어서도 이의 변형·변질의 억제 면에서 아직 충분하다고 말할 수 없고 한층 더 개선의 여지가 있었다. 이를테면, 재생 치료를 목적으로 하는 경우에 있어서, 냉동·보존 과정에서 진행하는 보존 대상물과 보존 분위기 중의 기체와의 미묘한 반응, 예를 들어 수분의 증발이나 산화, 냉동 대상물 자신으로부터 발생하는 유해 물질 등에 기인하는 변질, 변형도 억제할 필요가 있는 것이, 그 후의 연구 개발의 결과 판명되었다.
본 발명은, 위의 사정을 감안한 것으로서, 그 목적은, 보존 대상물과 보존 분위기 중의 기체와의 미묘한 반응을 억제하고, 해당 보존 대상물의 변형·변질을 가급적으로 방지하면서 장기간에 걸쳐서 신선도나 품질을 높게 유지하면서 냉동 보존함으로써 생체 조직의 장기 보존에도 적용 가능한 급속 냉동장치 및 급속 냉동방법을 제공하는 데에 있다.
[과제를 해결하기 위한 수단]
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상기의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에서는 급속 냉동장치 및 급속 냉동방법은 하기와 같이 구성된다.
즉, 본 발명에 따르는 급속 냉동장치는, 냉동 대상물을 출납하는 문을 갖춘 냉동고 본체, 냉동고의 내부 온도를 약 -30℃ 이하로 냉각 가능한 냉각기, 냉동고 내부의 기체 압력을 조절 가능한 압력 조정기 및 냉동고 내부에 수용한 냉동 대상물에 1 내지 5m/sec의 풍속으로 냉풍을 송풍하는 송풍수단을 갖춘 것을 특징으로 한다.
특정 구현예에서, 상기 압력 조정기로서는 상기 냉동고 내부에 가압 기체를 공급하고, 상기 냉동고 내부를 대기압 이상으로 가압하는 가압수단을 채용할 수 있다.
다른 구현예에서는, 상기 압력 조정기로서는 상기 냉동고 내부의 기체를 흡인하여 대기압 이하로 감압하는 감압수단을 채용할 수 있다.
또 다른 구현예에서는, 상기 압력 조정기로서 상기 냉동고 내부에 가압 기체감압수단의 쌍방을 채용하는 것도 좋다.
상기 압력 조정기는 상기 냉동고 내부의 온도를 감지하여 상기 냉동고 내부의 온도가 소정 온도 이상일 경우, 상기 감압수단을 작동시켜 상기 냉동고 내부를 대기압 이하로 감압하고, 상기 냉동고 내부의 온도가 소정치 이하로 내려가면, 상기 감압수단의 작동을 정시시키는 동시에, 상기 가압수단을 작동시켜 상기 냉동고를 대기압 이상으로 가압하는 작동 제어수단을 포함하고 있는 것이 바람직하다.
특정 구현예에서, 상기 가압수단은 가압 펌프를 포함하며, 상기 가압 펌프의 기체 도입로에 상기 냉동고 내부의 기체를 환류시키는 환류로를 접속하는 구성으로도 할 수 있다.
특정 구현예에서, 상기 감압수단은 흡인 펌프를 포함하며, 상기 흡인 펌프의 배출 측에 흡인한 기체를 상기 냉동고 내부로 환류시키는 환류로를 접속하는 구성으로도 할 수 있다.
다른 구현예에서는, 상기 가압수단은 가압 펌프를 포함하는 동시에, 상기 감압수단은 흡인 펌프를 포함하며, 상기 흡인 펌프의 배출 측에 흡인한 기체를 상기 가압 펌프의 기체 도입로로 환류시키는 환류로를 접속하는 구성으로도 할 수 있다.
또한, 상기 가압수단의 기체 환류로에는 감균재(減菌材)를 설치한 구성으로 해도 좋다.
유사하게, 상기 감압수단의 기체 환류로에 감균재를 설치하는 구성으로 해도 좋다.
또한, 상기 가압수단의 기체 환류로에는 산소 흡수재를 설치하는 구성으로 해도 좋다.
유사하게, 상기 감압수단의 기체 환류로에 산소 흡수재를 설치하는 구성으로 해도 좋다.
또한, 상기 가압수단의 기체 환류로에는, 질소 가스 등의 냉동 대상물에 적합한 임의의 기체를 선택하여 공급하는 기체 공급원을 설치하여도 좋다.
또한, 상기 냉동고의 문 개방시, 냉동고 내에 질소 가스 등의 냉동 대상물에 적합한 임의의 기체를 공급하고, 냉동고 내부의 압력을 대기압으로 되돌리는 기체 도입수단을 설치하는 구성으로 해도 좋다.
상기 문의 개방시, 냉동고 내부 기체와 외부 기체와의 혼류를 방지하기 위한 층상 기체류를 상부로부터 하부로 향하여 형성하는 기체 커튼 장치를 상기 냉동고의 문 개구부의 근방에 설치하는 구성으로 해도 좋다.
추가로, 상기 냉동고 내부에 산소 흡수재를 배치하여도 좋다.
또한, 상기 냉동고 내에 감균재를 배치하도록 해도 좋다.
한층 더 바람직하게는, 상기 냉동고에는 냉동고 내부의 냉동 대상물에 대해서, 임의의 고정치 세기의 정자장(靜磁場)을 작용시키는 정자장 발생수단, 임의의 고정치를 기준으로 하여 상기 기준에 대해서 정부 방향(positive and negative direction)으로 소정의 범위에서 움직임이 변동하는 자장을 작용시키는 변동 자장 발생수단, 전기장을 작용시키는 전기장 발생수단 및 상기 냉풍에 가청 주파수 대역의 음파를 중첩시키는 음파 발생수단을 설치하는 구성으로 하는 것이 좋다.
본 발명에 따르는 급속 냉동방법은 냉동 대상물을 출납하는 문을 구비한 냉동고 내부의 온도를 약 -30℃ 이하로 유지하는 것과 함께, 상기 냉동고 내의 기체 압력을 대기압보다 높게 가압하고, 상기 냉동고 내부에 수용한 냉동 대상물에 1 내지 5m/sec의 풍속으로 냉풍을 송풍하면서 상기 냉동 대상물을 냉동하는 것을 특징으로 한다.
또는, 냉동 대상물을 출납하는 문을 갖춘 냉동고 내부의 온도를 약 -30℃ 이하로 유지하는 것과 함께, 냉동고 내부의 기체 압력을 대기압보다 낮게 감압하고, 상기 냉동고 내부에 수용한 냉동 대상물에 1 내지 5m/sec의 풍속으로 냉풍을 송풍하면서 상기 냉동 대상물을 냉동하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 냉동 대상물을 출납하는 문을 갖춘 냉동고 내부의 온도를 약 -30℃ 이하로 유지하는 것과 동시에, 상기 냉동고 내부의 기체 온도가 소정 온도로 저하하기까지 상기 냉동고 내부의 기체 압력을 대기압보다 낮게 감압하여 상기 냉동고 내부의 온도가 소정 온도까지 저하하게 한 다음, 기체 압력을 대기압 이상으로 가압하고, 상기 냉동고 내부에 수용한 냉동 대상물에 1 내지 5m/sec의 풍속으로 냉풍을 송풍하면서 상기 냉동 대상물을 냉동하도록 하는 것이 좋다.
또한, 상기 냉동고 내부를 가압하는 경우에는, 질소 가스 등의 냉동 대상물에 적합한 임의의 기체를 압축하여 냉동고 내에 공급하도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 냉동고 내부를 감압하는 경우에는, 냉동고 내부의 기체를 흡인 펌프로 흡인하여 감압하고, 상기 문을 개방할 때에는, 미리 질소 가스 등의 냉동 대상물에 적합한 임의의 기체를 냉동고 내부에 공급하여 냉동고 내부의 압력을 대기압으로 되돌리도록 하는 것이 바람직하다.
상기 문을 개방시키는 경우에는, 상기 문 입구부의 근방에 설치된 기체 커튼 장치에 의해서 냉동고 내부의 기체와 외부 공기와의 혼류를 방지하기 위한 층상 기체류를 상부로부터 하부로 향하여 형성하도록 하는 것이 바람직하다.
[발명의 효과]
상기 구성에 따른 본 발명의 급속 냉동장치 및 냉동방법에 의하면, 냉동 대상물을 장기간에 걸쳐서 품질의 열화를 가급적으로 억제하면서 냉동 보존할 수 있다.
즉, 압력 조정기에 의해서 냉동고 내부의 기체 압력을 조절하고 대기압 이하로 감압하면, 냉동고 내부의 분위기 중에서 유해 가스의 양, 예를 들어 산소량을 감소시키거나, 보존 대상물 자체로부터 발생하는 유해 가스를 배출하여 제거하는 것이 가능하기 때문에, 냉동 대상물의 산화나 유해 가스 등에 의한 품질 열화를 가급적으로 억제하여 냉동하는 것이 가능하게 된다.
또한, 감압시키는 것에 의해 온도 강하(降下)를 촉진할 수 있어서 소정의 온도까지의 냉각속도를 빠르게 하여 운전 효율의 가급적인 향상을 도모할 수 있다.
한편, 냉동고 내부를 대기압 이상으로 가압하면, 세포 내의 수분의 증발을 억제하여 건조를 막아, 품질 열화를 가급적으로 방지하는 것이 가능하다.
그리고, 상기 가압시에는, 예를 들어 산소 등의 농도를 억제한 기체, 또는 산소를 포함하지 않는 기체, 예를 들어 압축된 질소 등을 공급하여 냉동고 내부 압력이 올라가도록 함으로써, 냉동고 내부 분위기의 유해 가스의 농도나 산소 농도를 낮출 수도 있어서 해당 유해 가스나 산소에 기인하는 품질 열화도 가급적으로 억제하여 냉동하는 것이 가능해진다.
여기서, 가압수단에는 가압 펌프를 채용할 수 있는 것 외에, 예를 들어 고압의 질소 봄베(Bomb)를 이용하는 등, 무해한 기체를 고압 봄베(Bomb)에서 직접적으로 공급할 수도 있다.
또한, 냉동고 내부 기체의 환류로를 설치하는 것으로, 한 번 차가워진 냉동고 내의 냉기를 재이용할 수 있어서 냉동 운전의 효율화와 에너지 절약형 냉동 시스템을 제공할 수 있다. 게다가 환류로에 산소 흡수재 및 감균재를 제공함으로써, 리턴 가스의 청정화를 촉진할 수 있어서 장기 보존 기간에의 품질 유지를 더욱더 향상시킬 수가 있다.
또한, 냉동고 내부의 대상물의 반입·반출시의 주의점으로서, 문의 개폐시에 외부 공기에 포함되는 유해 가스나 잡균, 진애, 먼지 등의 혼입을 피하는 것이 필요하지만, 냉동고 내부를 가압 상태로 해두면 자연스럽게 이것을 막을 수가 있다.
게다가 문에 가까운 냉동고 내측에, 냉동고 내부 분위기에 근접한 조건으로의 기체를 이용한 기체 커튼 장치를 설치함으로써, 상기 혼입을 보다 한층 더 확실히 막을 수 있게 된다. 또한, 해당 기체 커튼 장치는 감압 처리만을 실시하고 냉동하는 경우에도 채용할 수 있다.
또한, 감압 처리와 가압 처리를 조합하는데, 냉동 운전 개시에 냉동고 내부의 소정 온도(예를 들어, -30℃)로 강하하기까지는 냉동고 내부를 대기압보다 낮게 감압하여 냉동 운전하고, 그 이후는 냉동고 내부를 대기압보다 높게 가압하여 냉동 운전하도록 하면, 이러한 감압 처리 효과 및 가압 처리 효과와 더불어 보존 대상물의 품질 열화를 보다 더 억제할 수 있다. 게다가 냉동고 내의 산소를 질소 등 무해한 기체로 대체하는 것도 효율적으로 매우 용이하게 실시하게 된다.
냉동고 내부 등에서 냉동 대상물을 급속 냉동할 경우에는, 냉동 대상물에 단일 방향의 자장을 작용시키도록 한다면, 이러한 자장에 의해서, 냉동 대상물의 구성 분자 및 그 중에 포함되는 자유 물 분자의 전자 스핀이나 핵 스핀에 의해서 생기는 자기 모멘트를 단일 방향으로 맞출 수 있어서 냉기를 냉동 대상물의 내부까지 급속히 전달할 수 있다. 즉, 냉각시에 냉동 대상물 내의 내외 온도차, 요컨대 냉각이 고르지 않은 것을 현저하게 줄여 급속히 냉각하는 것이 가능하게 된다.
또한, 냉동 대상물에 자장을 작용시키면서 냉각함으로써, 냉동 대상물 내의 자유수를 과냉각 상태로 할 수 있다. (즉, 이때에는, 자장 때문에 자유수의 클러스터(Cluster)가 작아져서 클러스터와 식품의 기질의 수화 반응이 촉진되어 수화 구조체를 만들게 되어, 냉동 대상물 내의 자유수가 적어지게 되므로, 더욱 더 과냉각이 촉진된다.) 그리고, 더욱 냉각함으로써, 과냉각 상태의 자유수는 동결을 개시하지만, 이미 얼음이 되기 위해서 잠열 상당분의 열량은 빼앗겼기에 동결은 급속히 진행되고, 그 결과, 동결 개시부터 완료까지의 시간을 극히 단시간으로 단축할 수 있다.
그리고, 이러한 두 개의 작용이 합쳐져서, 동결시에 결정(結晶) 성장을 일으키기 쉬운 온도 범위인 O℃ 내지 -20℃의 온도 범위을 극히 단시간에 통과하고, 따라서 자유수의 얼음의 결정이 크게 성장하는 것을 억제하여 미세한 얼음 결정을 생성한다. 따라서, 얼음 결정은 미세하기 때문에, 동결의 과정에서 냉동 대상물의 세포조직을 파괴하는 것을 가급적으로 방지하고, 해동시의 드립(drip)의 발생을 억제하여 신선도를 높은 레벨로 유지하는 것이 가능하게 된다.
또한, 자장이 변동함으로써 자속이 변화하여 냉동 대상물 내부에 전자기 유도(electromagnetic induction)가 일어나고, 이러한 전자기 유도에 의해서 생긴 유도 기전력에 의해서 그 내부에 자유전자를 유기시킨다. 이 때문에, 냉동 대상물 자신은 자유전자에 의해서 환원되고, 냉동 대상물의 산화가 방지된다.
또한, 냉동 대상물을 1 내지 5m/sec의 냉풍으로 냉각시키는 것과 함께, 냉풍으로 가청 주파수 대역의 음파를 중첩되도록 하면, 냉동 대상물에 맞추는 냉풍으로 음파를 중첩하고 있기 때문에, 음파에 의한 공기의 미소한 압력 변동에 의해서, 냉동 대상물의 표면이나 냉동 대상물을 놓는 팬 케이스의 표면에 형성되는 열전달을 저해하는 공기 경계층을 효과적으로 교란할 수 있다. 이 때문에, 열전달이 양호해져서 냉기에 의한 냉동 대상물의 냉각속도가 향상되어 급속한 온도 강하가 가능하게 된다. 그리고, 그 결과, 자유수의 얼음의 결정 조대화(粗大化)가 생기는 O℃ 내지 -20℃의 온도 범위를 단시간에 통과시킬 수 있어서 얼음 결정의 성장을 억제할 수 있다.
더욱이, 냉기의 풍속을 1 내지 5m/sec로 하고 있기에, 대류 열전달이 되어 냉각속도를 크게 하면서, 냉동 대상물 표면의 결합 수막의 증발을 억제하여 냉동 대상물 표면의 산화를 방지할 수 있다. 즉, 풍속이 작은 경우에는 냉기와 냉동 대상물간의 열전달이 작아져서 급속한 온도 강하에 의한 냉동을 할 수 없게 되지만, 풍속을 1m/sec 이상으로 하고 있으므로, 이것을 가급적으로 방지할 수 있다. 또한, 풍속이 5m/sec를 넘어 커진다면 수막이 증발해 버려 냉동 대상물 표면이 드러나기 때문에, 표면이 산화해 버리지만, 5m/sec 이하로 하고 있으므로, 그것도 방지할 수 있다.
게다가, 냉동 대상물에 전기장을 작용시키는 것으로, 냉동고 내에 존재하는 물 분자나 산소 분자에 전자가 부가되어, 각각 전자 부가수(H2Oe)나 초산화물 음이온(O2 -)이 되고, 전자 부가수(H2Oe) 및 초산화물 음이온(O2 -)은 하이드록시 라디칼 등을 생성하기 때문에, 하이드록시 라디칼에 의해서 세균 등과 같이 미생물의 세포막을 파괴한다. 이 때문에, 냉동시에 전기장을 작용시킴으로써 세균의 생균수를 현저히 감소하는 것이 가능하여 냉동 대상물의 부패를 억제할 수 있다.
즉, 냉동고 내부 압력을 대기압보다 크게 가압하거나 혹은 작게 감압, 혹은 감압한 후에 가압하는 등의 압력 조정을 실시하는 것과 함께, 냉동고 내부에 변동 자장과 전기장을 작용시키고, 동시에 음파를 중첩시킨 냉풍을 냉동 대상물에 내뿜어 냉동하도록 하면, 냉동·보존 과정에서 진행하는 보존 대상물과 보존 분위기 중의 기체와의 미묘한 반응, 예를 들어 수분의 증발이나 산화, 냉동 대상물 자신으로부터 발생하는 유해 물질 등에 기인하는 변질, 변형을 가급적으로 억제하고, 생체 조직의 장기 보존에도 적합한 냉동 보존이 가능해진다.
[본 발명을 실시하기 위한 최선의 형태]
이하, 본 발명의 바람직한 실시형태에 대해서, 첨부 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 초급속 냉동장치의 일실시형태에 있어서 냉동고 내의 중심 단면을 나타내는 개략 구성도이며, 도 2는 이의 측단면을 나타내는 개략 구성도이다.
도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 본 실시형태의 초급속 냉동장치(1)는, 냉동고 내부 온도를 -30℃ 내지 -100℃로 냉각 가능한 냉동고(11)와 임의의 변동하는 자장, 예를 들어 임의의 고정치로서 100Gs를 기준치로 하여 당해 기준치에 대해서 정부 방향으로 5Gs의 변동 자장을 냉동고(11) 내의 중심에 작용시키는 변동 자장 발생수단(21), 냉동고(11) 내의 냉기를 1 내지 5m/sec의 풍속으로 순환시키는 송풍수단인 송풍기(31), 당해 송풍기(31)에 의해서 순환되는 냉풍에, 음압(音壓) 레벨이 2Pa, 이의 에너지가 10-2W/㎡인 가청 주파수 영역의 음파를 중첩시키는 음파 발생수단인 음파 발생장치(41) 및 냉동고(11) 내의 중심에 100 내지 1000kV/m의 전기장을 작용시키는 전기장 발생수단인 전기장 발생장치(51)로 구성된다.
냉동고(11)는, 전면에 개폐 도어(13c)를 갖춘 밀폐식의 대략 직육면체의 본체(13)와 당해 본체(13)를 냉각시키는 냉각기(17)로 구성되어 있다.
냉각기(17)는 압축기(17a), 응축기(17b), 팽창 밸브[또한, 모세관(capillary tube; 17c)] 및 증발기(evaporator; 17d)가 순차적으로 원환(円環) 모양으로 연결되어 냉매가 순환하는 지극히 일반적인 냉동 사이클이며, 냉기를 발생하는 증발기(17d), 팽창 밸브(17c)가 본체(13)의 냉동고 안에 배치되고 압축기(17a), 응축기(17b)는 냉동고 밖에 배치되어 있다.
본체(13)는 냉동고 내부 공간을 구획하는 냉동실 구획벽(13a)과 이의 외부 주위를 간격을 두고 덮어씌워, 외부를 구획하는 외곽벽(13b)으로 구성되어 있는 이중벽 구조이고, 외곽벽(13b)과 냉동실 구획벽(13a)과의 사이에는 단열 부재(미도시)가 배치되는 것과 함께, 냉동실 구획벽의 전체 내벽 면에는 원적외선 흡수부재(미도시)가 코팅되어 냉동고 내부의 냉각효율을 높이는 구성으로 되어 있다.
냉동고 내의 실질적인 중앙에는, 식재, 식품 등의 냉동 대상물(3)이 놓여져 있는 선반(19)이 설치된다. 이 선반(19)은 대략 コ-자형의 문형(門形) 프레임을 전후에 대향하여 배치하고, 앵글 등의 막대 모양 부재로 상호간에 접속된 격자모양의 프레임체(19a)와 당해 프레임체(19a)의 높이 방향에 적절한 간격으로 고정 설치된 계지(係止)도구(19c)에 의해서 지지되는 팬 케이스(19b)로 구성되며, 당해 팬 케이스(19b) 위에 냉동 대상물(3)이 놓인다. 그리고, 팬 케이스(19b)는 계지도구(19c) 위에 착탈 자재로 계지되고, 프레임체(19a) 내에 복수 단의 착탈 자재의 선반부를 형성한다. 선반(19)의 도시한 우측에는 증발기(17d)가 배치된다.
증발기(17d)는 동파이프를 여러 번 접어 꺾어 구부려서 형성되고, 그 내부에 흐르는 냉매가 기화할 경우, 잠열로 냉동고 내부를 냉각시킨다. 즉, 냉동고 내부의 냉기를 생성하는 것이며, 냉동고 내부 외부의 압축기(17a), 응축기(17d), 팽창 밸브(17c) 및 배관 등과 환상으로 접속되어 냉동고 내부 온도를 -30℃ 내지 -100℃로 냉각 가능한 냉동 사이클을 구성한다.
선반(19)의 양측에는, 냉동고 내부의 냉기를 순환시키는 송풍수단인 송풍기(31)가 배치되어 있다. 한쪽 옆의 송풍기(31)는 증발기(17d)의 전면에 위치하고 있으며, 해당 증발기(17d)에서 냉각된 냉기를 선반(19) 위의 냉동 대상물(3)로 향하여 수평 방향으로 송풍하고, 각각의 냉동 대상물(3)에 대해서 균등한 풍속의 냉풍을 공급하도록 높이 방향 및 깊이 방향에 적절한 간격으로 복수 대가 배설된다. 그리고, 냉동 대상물(3)의 위치에서의 풍속을 1 내지 5m/sec의 범위로 조정가능하고, 풍속은 주로 냉동 대상물의 종류에 따라서 설정된다.
더욱이, 해당 냉기의 풍속을 1 내지 5m/sec로 하고 있기 때문에, 대류 열전달이 되어 냉각속도를 크게 하는 것과 함께, 냉동 대상물 표면의 결합 수막의 증발을 억제하여 냉동 대상물 표면의 산화를 방지할 수 있다. 요컨대, 풍속이 작은 경우에는 대류 열전달 유효성에 흠이 있어, 냉기와 냉동 대상물 간의 열전달이 작아져 급속 냉동을 달성하기가 어려워지지만, 풍속을 1m/sec 이상으로 하고 있기 때문에, 이것을 가급적으로 방지할 수 있다. 또한, 풍속이 5m/sec 이상으로 큰 경우에는, 결합 수막이 증발해 버려 냉동 대상물 표면이 드러나기 때문에, 이의 표면이 산화해 버리지만, 5m/sec 이하로 하고 있기에 그것도 방지할 수 있다.
냉풍은, 냉동 대상물(3)을 냉각하는 것으로 자신은 따뜻해지기 때문에, 냉동 대상물(3)과 접촉한 후, 대향하는 냉동실 구획 벽면을 따라서 상승하고, 천정 하부면 및 냉각기(17)의 후방의 냉동실 구획 벽면을 따라 이동하여 증발기(17d)로 돌아오는 것으로 순환 경로를 형성한다.
순환 경로의 일부인 천정 하부면 바로 아래에는 음파 발생장치(41)가 배치된다. 음파 발생장치(41)는, 50Hz 혹은 60Hz의 상용 교류 전원에 접속된 전자 코일(미도시)의 진동에 의해서 공기의 진동을 일으켜서 음파를 발생하는 장치이다. 그리고, 음파는 상용 교류 전원의 주기와 같은 50Hz 혹은 60Hz, 및 이의 정수 배의 배음으로 이루어진 가청 주파수 대역의 저주파음이며, 순환하는 냉기에 중첩되어 냉동 대상물(3)로 맞추게 된다. 그리고, 음파에 의한 공기의 미소한 압력 변동 때문에, 냉동 대상물(3)의 표면이나 냉동 대상물(3)이 놓여진 팬 케이스(19b)의 표면에 형성되는, 열전달을 저해하는 공기 경계층을 교란하고, 열전달이 양호해지도록 한다.
더욱이, 음파에 가청 주파수 대역의 것을 사용하고 있기에, 냉동 대상물(3) 표면의 결합 수막이 파손되는 것이 없이 냉동 대상물(3) 표면의 산화를 가급적으로 방지할 수 있다. 즉, 초음파 주파수 대역 등의 주파수가 큰 경우에 생기는, 냉동 대상물(3) 표면의 결합 수막의 박리를 방지할 수 있다.
또한, 음파는 음압 레벨 2×10-4 Pa 및 에너지 10-10 W/m2로부터 음압 레벨 60Pa 및 에너지가 10W/m2까지의 범위를 적용하는 것이 바람직하고, 이 범위를 적용함으로써, 결합 수막의 박리 및 소음을 방지하면서, 공기 경계층을 효과적으로 교란할 수 있다.
전기장 발생장치(51)는 선반(19)의 각 팬 케이스(19b)마다 바로 위쪽에 배치되는 전극판, 최하단의 팬 케이스(19b)의 바로 아래에 배치되는 전극판, 당해 전극판에 한 장 간격으로 접속되는 교류의 고압 전위, 이를테면, 고압 교류 전위를 인가하는 고압 교류 전위 발생장치(51c) 및 당해 고압 교류 전위 발생장치(51c)에 접속되지 않는 나머지 전극판에 접속되는 어스부(earth; 51d)로 구성되어 있다.
전극판은 고압 교류 전위 발생장치(51c)에 의해서 고압 교류 전위가 인가되는 제1 전극판(51a)과 어스부(51d)를 개입시켜 지면에 접지되는 제2 전극판(51b)으로 크게 분류되고, 양자가 상하 방향으로 교호로 배치되어 있다. 그리고, 제1 전극판에 고압 교류 전위가 부여되면, 제1 전극판과 대향하는 상하의 제2 전극판과의 사이의 공간에 주기적으로 방향이 반전하는 전기장이 발생되고, 그 공간에 위치하는 팬 케이스(19b) 위의 냉동 대상물(3)에 연직 방향의 전기장이 작용하도록 되어 있다. 이때, 제1, 제2 전극판이 교호로 배치되어 있기에, 냉동 대상물(3)에 작용하는 전기장의 방향은, 도 1에서 파선으로 도시한 바와 같이, 상하의 인접하는 선반부에는 서로 역방향으로 작용하도록 되어 있다(단, 고압 교류 전위가 제1 전극판에 부여되기 때문에, 파선으로 나타낸 전기장의 방향은 주기적으로 반전한다). 또한, 제1 전극판(51a)은 절연재(미도시)를 개입시켜 프레임체(19a)에 고정 설치되어 있고, 고압 교류 전위 발생장치(51c) 이외는 전기적으로 완전하게 절연되어 있다. 그리고, 제2 전극판(51b)도 절연재(미도시)를 개입시켜 프레임체(19a)에 고정 설치되어 있어서 어스부(51d) 이외에는 전기적으로 완전하게 절연되어 있다.
전기장의 세기는 제1 전극판(51a)에 인가되는 고압 교류 전위, 및 전극판(51a)과 팬 케이스(19b) 사이의 거리에 의해서 결정되지만, 냉동 대상물(3)에 반응하는 고압 교류 전위에 의해서 조정되어 100 내지 1,000㎸/m의 범위로 설정된다. 또한, 고압 교류 전위는 시간에 대해서 정현적으로(sinusoidally) 변화하도록 조정되어 있다.
전기장이 냉동고 내에 작용하면, 냉동고 내에 존재하는 물 분자나 산소 분자에 전자가 부가되고, 각각 전자 부가수(H2Oe)나 초산화물 음이온(02 -)이 되지만, 전자 부가수 및 초산화물 음이온은 하이드록시 라디칼 등을 생성하기 때문에, 하이드록시 라디칼에 의해서 세균 등의 미생물의 세포막을 파괴할 수 있다. 이로 인해, 냉동시에 전기장을 작용하게 되므로, 세균을 억제하는 것이 가능해져서 냉동 대상물(3)의 부패를 억제하여 품질을 향상시킬 수 있다. 냉동 대상물(3)의 표면의 세포도 하이드록시 라디칼에 의해서 파괴되지만, 그 양은 냉동 대상물의 전체에서 보면 무시할 수 있는 수준이다.
여기서, 전기장을 100 내지 1,000㎸/m로 하는 것은 100㎸/m보다 작으면 하이드록시 라디칼의 생성이 감소하여 생균 효과가 작아지기 때문이고, 1,000kV/m를 넘으면 방전의 우려가 있으므로, 실질적으로는 2㎸/m 내지 60㎸/m의 범위가 적당하다.
변동 자장 발생수단 (21)은, 냉동고(11)의 내부 중심에 정자장을 작용시키는 정자장 발생수단(21a)과 냉동고 내부 중심으로 정자장 세기의 5%의 진폭으로 정자장의 정부 방향으로 움직임 변동하는 자장을 작용시키는 동자장(動磁場) 발생수단(21b)으로 구성되어 있다. 정자장 발생수단(21a)은 1,500Gs의 페라이트판(ferrite plate)의 영구 자석(21a)이고, 1.Om × O.1m × O.05m의 직사각형 판으로, 한쪽의 긴 변이 N극, 다른 쪽의 긴 변이 S극의 극성을 가지고 있다. 그리고, 영구 자석(21a)은 냉동실 구획벽(13a)의 측벽 외면의 위에 N극 측의 긴 변이 위치하여 적절한 간격으로 복수 개가 배설된다. 나머지 세 방면의 측벽 외면에도 극성 방향이 동일하게 되도록 배설되고 냉동고 내의 중심에 위치하는 선반(19) 위의 냉동 대상물(3)에 연직 방향의 정자장을 작용하도록 되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 1,500Gs의 영구 자석(21a)에 의해 냉동고 내부의 중심의 정자장은 100Gs로 설정되어 있지만, 영구 자석의 선정에 의해서 정자장의 힘은 변경 가능하다. 또한, 지자기(地磁氣)(0.3Gs 내지 0.5Gs)보다 크면, 전술한 자장에 의한 작용은 얻을 수 있으므로, 1Gs 이상인 어떤 자장이어도 좋으며, 영구 자석의 제조 한계 등을 고려하면 1Gs 내지 20,000Gs의 범위가 적당하다.
또한, 동자장 발생수단은 전류를 흘리는 것으로 자장을 발생하는 전자 코일(21b)이며, 냉동실 구획벽(13a)의 외측 측방에 냉동실을 사이에 두고 2대 설치된다. 그리고, 전자 코일(21b)은, 전자 코일(21b)의 축이 연직 방향으로 향하여 설치되는 것과 동시에 일정 주파수의 교류 전류가 흘러가는 것으로, 정자장과 평행으로 주파수에 순역방향으로 정현적으로 주기 변동하는 자장을 냉동고 내부 중심으로 작용한다. 그리고, 정자장과 변동하는 자장, 즉 동자장이 중첩되고, 움직임 변동하는 자장이 냉동고 내부의 중심으로 작용한다.
예를 들어, 본 실시형태에 있어서는, 전자 코일(2lb)과 50Hz 혹은 60Hz의 상용 교류 전원(22)에 의해서 교류 전류를 흘리고, 정자장의 세기의 5%인 5Gs의 동자장을 형성하지만, 당해 동자장과 lOOGs의 정자장이 중첩되고, 냉동고 내부의 중심으로는 95Gs 내지 l05Gs의 범위 및 50Hz 혹은 60Hz의 주기로 정현적으로 변동하는 움직임 자장(fluctuation field)이 작용하도록 되어 있다.
또한, 자장의 변동의 범위를 상기 정자장의 세기의 5%의 진폭의 범위, 이를테면 정자장의 세기를 기준으로 하여 정부 방향으로 각각 5%의 범위로 하고 있지만, 진폭은 클수록 좋다. 단지, 전자 코일의 전력 소비를 고려하면, 진폭은 lGs 내지 lOOGs의 범위가 적절하다.
여기서, 자장의 작용에 대하여 설명한다.
냉각 중에 자장이 냉동 대상물(3)에 작용하면, 자장에 의해서 냉동 대상물(3)의 구성 분자 및 그 중에 포함되는 자유수 분자의 전자 스핀 및 핵 스핀에 의해서 생기는 자기 모멘트가 단일방향으로 정렬되기 때문에, 냉기는 냉동 대상물(3)의 내부까지 급속하게 전달한다. 이를테면, 냉각시의 냉동 대상물(3) 내의 내외 온도차, 즉 냉각 불균일이 현저하게 작아져서 내부까지 급속하게 냉각되어 동결 개시부터 완료까지의 시간을 가급적으로 단축시키는 것이 가능하도록 한다.
또한, 냉동 대상물(3)에 자장을 작용시키면서 냉각하면 냉동 대상물(3) 내의 자유수가 과냉각 상태가 된다(더욱이, 이때에는 후술하는 자장에 의해서 자유수의 클러스터가 작아져서 클러스터의 식품 기질에의 수화 반응이 촉진되어 수화 구조체를 만드는 것으로, 냉동 대상물 내의 자유수가 줄어들게 되어, 과냉각은 더욱더 촉진된다). 그리고 더욱더 냉각되도록 하여 동결이 개시되지만, 이미 얼음이 되어 있기 때문에, 잠열의 상당분의 열량은 빼앗겼기에 동결은 급속하게 진행하고, 이와 함께 냉동 대상물(3)은 급속하게 온도 하강한다.
결과적으로, 이러한 두 가지 작용이 함께하여, 자유수의 동결 개시부터 완료까지의 시간이 극히 짧아지는데, 즉 얼음의 결정 성장을 일으키기 쉬운 온도 영역인 0℃ 내지 -20℃의 온도 영역을 급속하게 온도 하강한다. 그로 인해 자유수의 얼음의 결정이 크게 성장하는 것이 억제되어 미세한 얼음 결정이 생성되고, 얼음 결정은 미세하기 때문에, 동결 과정에서 냉동 대상물(3)의 세포 조직을 파괴하는 것이 가급적으로 방지되어 해동시의 드리핑(dripping)의 발생도 억제되고, 신선도를 높은 레벨에서 유지되는 것이 가능해진다.
또한, 통상적인 냉동 대상물(3)을 구성하는 단백질의 3차 구조의 외부 표피에서 표출하는 극성기와 수소 결합하는 클러스터는 결합수가 되지만, 자장을 작용시킴으로써, 자유수 분자의 집합체인 클러스터는 작은 집단으로 분해된다. 이 때문에, 3차 구조의 외피면에 극간이 없이, 구석구석까지 미세한 클러스터가 결합된 막모양으로 덮어지게 된다. 이를테면, 외피 전면에 미세한 클러스트가 일체로 단분자 층상으로 부착하여 결합 수막을 형성한다. 따라서, 결합 수막에 의해서 3차 구조, 즉 냉동 대상물(3)의 산화를 방지할 수 있어서 신선도를 고도로 유지할 수 있다.
더욱이, 결합수는 3차 구조로 강하게 끌어 당겨질 수 있기 때문에, 응고점은 하강하여 -10℃ 내지 -100℃로 되어 통상적으로 동결하지 않는 물이 된다. 한편, 미세한 클러스터인 경우에는, 3차 구조의 외피면에 구석구석까지 자유수를 결합시켜 많은 자유수가 결합수가 된다. 그 때문에, 자유수의 절대량이 감소하므로, 자유수의 결정이 크게 되는 것을 간접적으로 억제할 수 있다.
더욱이 자장을 움직임 변동시키면, 정자장의 작용에 대한 반작용, 이를테면 반자장 작용을 완화하고, 주된 자장의 작용에 의한 기능을 유효하게 발현시킬 수 있고, 전술한 자장의 효과를 현저하게 향상할 수 있다.
또한, 자장이 움직임 변동함으로써 자속이 변화하고 냉동 대상물 내부에 전자기 유도가 일어나며, 이러한 전자기 유도에 의해서 생긴 유도 기전력으로 내부에 자유전자를 유발한다. 이 때문에, 냉동 대상물 자신에 대해서는 자유전자에 의해 환원되고, 자신의 산화가 방지된다.
그런데, 위에서 설명한 본 실시형태에 있어서 냉동장치(1)의 구성은, 본원 명세서에서 종래 예로써 보여주고 있는 본 출원인이 국제 공개공보 제W0 01/024647호에서 이미 제안한 것과 동일한 모양이지만, 본 발명에 따르는 냉동장치(1)는 이하에서 설명하는 것을 특징 사항으로 갖추고 있다.
즉, 냉동고(11)에는 냉동고 내부의 기체 압력을 조정할 수 있는 압력 조정기(60)가 갖추어져 있다. 압력 조정기(60)는 냉동고(11) 내부의 기체 압력을 가압하는 기능, 또는 반대로 감압하는 기능을 가지는 것이며, 바람직하게는 가압 기능과 감압 기능과의 양 기능을 가지는 것이 좋다. 본 실시의 한 가지 형태의 압력 조정기(60)에 있어서는, 냉동고(11) 내부에 가압 기체를 공급하여 내부 분위기의 기체 압력을 대기압 이상으로 가압하는 가압수단(61)과 냉동고(11) 내부의 기체를 흡인하여 대기압 이하로 감압하는 감압수단(62)을 갖춘 구성으로 되어 있다.
구체적으로는, 가압수단(61)에는 가압 펌프(61a)가 사용되고, 가압 펌프(61a)의 토출측 압력 조정 밸브(61c)를 개입시켜 냉동고(11) 내에 연통하고 토출측 연통로에는 가압 상태를 감시하기 위한 압력계(61d)가 설치되어 있다.
또한, 감압수단(62)에는 흡인 펌프(62a)가 사용되어 흡인 펌프(62a)의 흡인측은 압력 조정 밸브(62c)를 개입시켜 냉동고(11) 내로 연통되고, 흡인측 연통로(62b)에는 감압 상태를 감시하기 위한 압력계(62d)가 설치되어 있다.
그리고, 흡인 펌프(62a)의 배출측과 가압 펌프(61a)의 기체 도입로(61b)에는 이들을 결합하는 파이프(63a)가 설치되고, 냉동고(11) 내의 기체를 순환시키는 기체 환류로(63)가 형성되어 있다. 기체 환류로(63)에는 가스 청정기(65)가 설치되는 것과 함께, 흡인 펌프(62a)의 배출부와 가압 펌프(31a) 기체 도입 (61b)에 근접하여 개폐 밸브(64, 64)가 각각 설치되어 있다. 가스 청정기(65)는 환류되는 냉동고 내부의 기체에 포함되는 잡균을 멸균하는 동시에 산소량을 저감시키는 것으로, 이의 내부에는 기체 유로에 대하여 산소 흡수재와 감균재가 배치되어 설치되어 있다. 여기서, 감균재로는 은을 채용할 수 있다. 예를 들어, 감균재로 제공되는 은은 기체 유로의 내면에 코팅하여 배치될 수 있다. 또한, 감균재 및 산소 흡수재는 냉동고(11) 내부에도 설치하도록 하는 것이 좋다.
즉, 냉동고(11)의 내벽에는, 산소 흡수재(미도시)를 붙이고 있어 냉동고 내의 산소 농도를 저하시키는 역할을 하고 있다. 게다가 냉동고(11)의 내벽에는 감균재(은박 등)가 접착되어 있다.
덧붙여, 도시한 본 실시형태로는, 기체 환류로(63)는 가압수단(61)과 감압수단(62)을 공유하는 형태로 이루어져 있지만, 가압수단(61)과 감압수단(62)을 각각 개별적으로 독립시켜 병렬로 설치하도록 하는 것도 좋다.
또한, 가압 펌프(61a)의 기체 도입로(61b)는, 질소 가스 등의 냉동 대상물에 적합한 임의의 기체를 선택하고 냉동고 내에 공급하는 기체 공급원(66)이 기체 환류로(63)와 함께 병렬적으로 설치되어 있다. 기체 공급원(66)은 각각에 다른 기체가 압축 밀폐된 복수 개의 봄베(66a)와 개폐 밸브 (66b)로 구성되어 있다. 즉, 냉동 대상물(3)의 종류에 대응하는 각 봄베(66a)의 개폐 밸브(66b)를 선택적으로 개폐하여, 냉동 대상물(3)에 적합한 기체를 가압 펌프(61a)를 통해서 냉동고 내에 공급하도록 되어 있다. 혹은, 한쪽 봄베는 그에 대신하여 용기 내에 산소 흡수재를 충전하여 산소 필터로 구성된 것을 이용하여 바깥 공기를 거둬들이게 하여 산소량이 적은 공기를 안전한 기체 공급원으로 공급하도록 하는 것도 좋다.
한편, 흡인 펌프(62a)의 흡인 측에는, 냉동고(11) 내부가 대기압보다 낮아 지는 경우에 있어서, 상냉동고(11)의 문(13c)을 개방하는 경우, 개방 이전에 냉동고(11) 내부에 질소 가스 등으로 냉동 대상물(3)에 적합한 임의의 기체를 공급하고, 냉동고 내부의 압력을 미리 대기압으로 되돌리기 위한 기체 도입수단(67)이 설치되어 있다. 기체 도입수단(67)은 가압 펌프(61a) 측에 설치되는 기체 공급원(66)과 같은 모양으로, 각각에 다른 기체가 압축 밀폐된 복수의 봄베(67a)와 개폐 밸브(67b)로 되어 있다. 즉, 냉동 대상물(3)의 종류에 대응하는 봄베(67a)의 개폐 밸브(67b)를 선택적으로 개폐하여 냉동 대상물(3)에 적합한 기체를 냉동고(11) 내에 공급하도록 하여 흡인측 연통로(62b)에 설치된 개폐 밸브로서 기능하는 압력 조정 밸브(62c)의 상류측에 접속되어 있다. 여기서, 이러한 경우에 있어서도, 한쪽 봄베는 이것에 대신하여, 용기 내에 산소 흡수재를 충전하여 산소 필터로 구성된 것을 이용하여 바깥 공기를 거둬들이게 하여, 산소량이 적은 공기를 안전한 기체 공급원으로 공급하도록 하는 것도 좋다.
또한, 개폐 밸브(67b)에는 전자 밸브가 채용되어 있고, 당해 전자 밸브는 문 등에 설치된 스위치(미도시)에 의해서 개폐 작동되도록 되어 있으며, 문의 개방 전에 개방 조작된다.
또한, 압력 조정기(60)에는, 냉동고(11) 내의 온도를 검지하고, 냉동고 내의 온도가 소정 온도 이상일 때, 감압수단의 흡인 펌프(62a)를 작동시켜 냉동고 내부를 대기압 이하로 감압하고, 냉동고 내의 온도가 소정 온도 이하로 내려가면. 감압수단인 흡인 펌프(62a)의 작동을 정지시키는 것과 동시에 가압수단의 가압 펌프(61a)를 작동시켜 냉동고 내부를 대기압 이상으로 가압하는 작동 제어수단(68)이 부설되어 있다. 작동 제어수단(68)은 마이크로 컴퓨터로 구성된 제어 유닛 (68a), 냉동고 내에 배치된 압력 센서(68b) 및 온도 센서(68c), 조작 패널(68d)을 갖추어, 이러한 센서(68b, 68c)로부터의 검지 신호에 따르고, 흡인 펌프(62a)와 가압 펌프(61a)의 작동을 제어하도록 되어 있다.
제어 유닛(68a)의 기억 수단에는 다수 종의 냉동 대상물에 대응하는 각종 운전 제어 프로그램이 미리 다수 기억되고 있어 조작 패널(68d)로부터 입력 설정되는 냉동 대상물의 품종에 적합한 운전 제어 프로그램이 자동적으로 선택되어 실행하도록 되어 있다. 운전 제어 프로그램에는, 크게 나누어 3종의 운전 모드가 있다. 냉동고 내의 압력을 기동시부터 정지시에 이르기까지 대기압보다 크게 하는 연속 가압 운전 모드와 냉동고 내부 압력을 기동시부터 정지시에 이르기까지 대기압보다 작게 하는 연속 감압 운전 모드, 또는 냉동고 내부의 압력 기동시에 일단 대기압보다 작게 감압하고, 냉동고 내부의 온도가 소정 값까지 강하하면, 대기압보다 크게 하는 가압/감압 혼재 운전 모드이다. 또한, 가압 또는 감압하는 기체의 종류나 압력의 시간적인 변화, 압력의 정도 등은 냉동 대상물(3)의 종류나 냉동 기간의 길이 등의 목적에 따라 최적 조건이 되도록 제어 데이터로서 설정 기억하게 되어 있다.
즉, 조작 패널(68d)로부터 입력 설정된 냉동 대상물의 품종이 연속 가압 운전 모드에 해당되면, 제어 유닛(68a)은 지정된 대기압보다 큰 압력치로 냉동고 내부를 유지하기 위해 가압 펌프(61a)를 연속적으로 또는 간헐적으로 작동시킨다. 또한, 입력 설정된 냉동 대상물의 품종이 연속 감압 운전 모드에 해당하고 있으면, 제어 유닛(68a)은 지정된 대기압보다 작은 압력치로 냉동고 내를 유지하기 위해 흡인 펌프(62a)를 연속적으로 또는 간헐적으로 작동시킨다. 또한, 입력 설정된 냉동 대상물의 품종이 가압/감압 혼재 운전 모드에 해당하고 있으면, 제어 유닛(68a)은 기동 후에 지정된 온도로 냉동고 내부를 강하할 때까지는, 대기압보다 작은 지정 압력치로 냉동고 내부를 유지하기 위해서 흡인 펌프(62a)를 연속적으로 또는 간헐적으로 작동시키고, 냉동고 내부의 온도가 소정치까지 강하하면, 대기압보다 큰 지정 압력치에 냉동고 내부를 유지하기 위해 가압 펌프(61a)를 연속적으로 또는 간헐적으로 작동시킨다.
그리고, 연속 가압 운전 모드에서는, 냉동 대상물(3)의 표면은 가압되어 차가워진 기체로 포위되는 것과 동시에 냉열이 내부로 침투해 가고, 냉동 과정에 의한 산화 방지나 변형이 억제된다. 또한, 연속 감압 운전 모드에서는, 냉동 대상물(3)의 표면이나 내부로부터 방출되는 품질의 열화를 촉진시키는 가스를 적극적으로 흡인할 수 있으므로, 변질·변형이 적은 형태로 냉동이 가능해진다. 또한, 감압의 기타 효과로서는, 냉동 대상물(3)의 내부까지의 냉각속도를 보다 가속시켜 조직·세포의 변형을 가급적으로 막을 수 있고, 또한, 인접하게 배치된 냉동 대상물(3)의 배출 가스가 이웃한 냉동 대상물에 영향을 주기 전에 가스를 배출할 수 있기 때문에, 상호간의 악영향을 제거할 수 있다.
게다가, 최초로 흡인 펌프(62a)로 냉동고 내부의 압력을 내려 산소량 등을 내리고, 이어서 가압 펌프(61a)로 냉동고 내부 압력을 올리는 가압/감압 혼재 운전 모드에서는, 감압에 의한 품질 유지 효과와 가압에 의한 품질 유지 효과의 상승효과로 보다 변질·변형을 막는 것이 가능하게 된다. 또한, 가압시에 공기 이용은, 기체 공급원(66)으로부터 질소 등의 냉동 대상물에 적합한 임의의 기체를 가압 압축하여 적극적으로 공급하면, 냉동고 내부의 분위기를 유해한 기체 성분의 양을 감소하는 데 효율적으로 매우 용이하게 치환시키는 것이 가능하다.
도 2는 본 발명에 따른 급속 냉동장치를 냉동고와 개폐문을 포함한 횡단면에서 나타낸 개략 구성도이다. 도시한 바와 같이, 냉동고(11)의 본체(13) 전면에는 냉동 대상물(3)을 출납하기 위한 개구부가 형성되어 있고, 개구부에는 이것을 개폐하는 문(13c)이 설치되어 있다.
이러한 구조에 있어서는, 냉동 대상물(3)의 반출·반입시에 문(13c)을 개방하면, 냉동고 외부의 공기가 진애 등을 수반하여 혼입하는 우려가 있으며, 따라서 이의 혼입을 막고, 냉동고(11) 내의 분위기를 항상 청결하고 최적인 상태로 유지할 필요가 있다. 여기서, 냉동고 내부 압력이 바깥 공기 압력보다 높은 경우에는, 냉동고 내부에서 기체가 유출하는 경우뿐으로, 가압 펌프(61a)로부터 기체 공급을 계속하기에 특히 바깥 공기의 혼입의 문제는 발생하지 않는다. 그러나 냉동고 내의 압력이 바깥 공기 압력(대기압)보다 낮거나, 또한 동등의 압력의 경우에는, 혼입의 방지를 고려가 필요하다.
여기에서, 이의 대책으로서 문 개구부 근방의 냉동고 내부에, 문(13c)의 개방시에 냉동고 내부의 기체와 바깥 공기와의 혼류를 방지하기 위한 층상 기체류 A를 상부로부터 하부로 향하여 형성하도록 하는 기체 커튼 장치(70)를 설치하고 있다. 즉, 기체 커튼 장치(70)는 가스 공급원 (71), 당해 가스 공급원으로부터 공급되는 기체를 가압하는 가압수단(72), 당해 가압수단(72)으로 가압된 기체를 냉동고(11)의 개구부의 상부 엣지(upper edge)로 안내하는 토출 파이프(73), 당해 토출 파이프(73) 선단의 토출구(73a)로부터 배출되는 기체를 흡인 도입하는 흡인구(74a)가 문 개구부의 하부 엣지(lower edge)에 위치하여 설치된 흡인 파이프(74) 및 흡인 파이프(74)를 통하는 토출구(73a)로부터 배출되는 기체를 흡인하는 흡인수단(75)으로 구성되어 있다.
토출 파이프(73)와 흡인 파이프(74)는, 도시하지 않았지만, 각각 동일한 수의 가지수로 가지(branch) 형성되어 있으며, 각각의 가지 파이프의 선단에 형성된 토출구(73a)와 흡인구(74a)는 상하로 대향되고, 문 개구부의 횡방향에 따라서 정렬 배치되어 있다. 또한, 토출 파이프(73)와 흡인 파이프(74)에는, 각각 개폐 밸브(76)가 설치되고, 가스 공급원(71)과 가압수단(72)을 연결하는 관로에도 개폐 밸브(76)가 설치되어 있다.
그리고, 개폐 밸브(76)에는 전자 밸브가 채용되어 있고, 전자 밸브는 문(13c) 등에 설치된 스위치(미도시)에 의해서 개폐 작동되고, 또한 동일한 스위치로 토출 펌프(72)와 흡인 펌프(75)는 동시에 작동되도록 되어 있어, 이것들은 문(13c)의 개방에 앞서서 개방 작동 조작된다. 덧붙여 토출 펌프(72)와 흡인 펌프(75)는 위에서 언급한 냉동고 내부를 가압/감압하는 가압 펌프(61a) 및 흡인 펌프(62a)로 겸용시켜도 좋다.
이상으로, 본 발명의 실시형태에 대해 설명했지만, 본 발명은 이와 같은 실시형태로 한정되는 것은 아니며, 이의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지의 변형이 가능하다.
도 3(a)는 본 발명에 따른 급속 냉동장치로 냉동 보존한 고등어의 해동 후의 상태를 나타내는 조직 단면의 현미경 촬영 화상이며, 도 3(b)는 종래의 급속 냉동장치로 냉동 보존한 고등어의 해동 후의 상태를 나타내는 조직 단면의 현미경 촬영 화상으로, 양 화상은 주사형 전자현미경을 이용하여 300배의 측정 배율로 촬영한 것이다.
이러한 양 화상의 비교로부터 분명한 것은, 본 발명의 냉동 기술에 의하면, 조직이 파괴되지 않고 흠 없이 보존되고 있는 것을 알 수 있다.
한편, 종래의 냉동 기술에서는, 조직 세포 내에 남은 빙결이 주위의 조직을 압박하여 파괴한 상태가 명확하게 확인할 수 있다.
검게 남는 구멍은 조직 내에서 빙결한 얼음이 승화한 후를 보여주기 때문이다.
또한, 도 4(a)는 본 발명에 따른 급속 냉동장치로 냉동 보존한 바다가재(lobster)의 해동 후의 상태를 나타내는 조직 단면의 전자현미경 촬영 화상이며, 도 4(b)는 종래의 급속 냉동장치로 냉동 보존한 바다가재의 해동 후의 상태를 나타내는 전자현미경 촬영 화상이다.
이러한 양 화상의 비교로부터 분명한 것은, 본 발명의 냉동 기술에 의하면, 조직이 파괴되지 않고 흠 없이 보존되고 있는 것을 알 수 있다. 한편, 종래의 냉동 기술에서는, 조직 세포 내에 남은 빙결이 세포 조직을 압박하여 파괴한 모양이 육안으로 잘 확인된다. 검게 남은 구멍은 조직 내에 빙결한 얼음이 승화한 후를 나타내기 때문이다.
도 1은 본 발명에 따른 급속 냉동장치를 냉동고 내부의 중심 단면으로 나타낸 개략 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 급속 냉동장치를 냉동고와 개폐문을 포함한 횡단면으로 나타낸 개략구성도이다.
도 3(a)는 본 발명에 따른 급속 냉동장치와 급속 냉동방법으로 냉동 보존한 고등어의 해동 후의 상태를 나타낸 전자현미경 촬영 화상이며, 도 3(b)는 종래의 급속 냉동장치와 급속 냉동방법으로 냉동 보존한 고등어의 해동 후의 상태를 나타낸 전자현미경 촬영 화상이다.
도 4(a)는 본 발명에 따른 급속 냉동장치와 급속 냉동방법으로 냉동 보존한 바다가재의 해동 후의 상태를 나타내는 전자현미경 촬영 화상이며, 도 4(b)는 종래의 급속 냉동장치와 급속 냉동방법으로 냉동 보존한 바다가재의 해동 후의 상태를 나타내는 전자현미경 촬영 화상이다.
*도면 부호에 대한 설명*
1 : 급속 냉동장치 3 : 냉동 대상물
11 : 냉동고 13 : 본체
13c : 문 17 : 냉각기
21 : 변동자장 발생수단 21a : 정자장(瀞磁場) 발생수단
21b : 동자장(動磁場) 발생수단 31 : 송풍기(환기수단)
41 : 음파 발생수단 51 : 전기장 발생수단
60 : 압력 조정기 61 : 가압수단
61a : 가압 펌프 61b : 기체 도입로
62 : 감압수단 62a : 흡인 펌프
63 : 환류로 65 : 가스 청정기(감균재, 산소 흡수재)
66 : 기체 공급로 67 : 기체 도입수단
68 : 작동 제어수단 70 : 기체 커튼 장치

Claims (24)

  1. 냉동 대상물을 출납하는 문을 구비한 냉동고,
    냉동고의 내부 온도를 -30℃ 이하로 냉각 가능한 냉각기,
    냉동고 내부의 기체 압력을 조절 가능한 압력 조정기 및
    냉동고 내부에 수용한 냉동 대상물에 1 내지 5m/sec의 풍속으로 냉기를 송풍하는 송풍수단을 포함하고,
    상기 압력 조정기는 가압 기체를 냉동고에 공급하여 내부 기체 압력을 대기압 이상으로 가압하는 가압수단과 내부 기체를 흡인하여 내부 기체 압력을 대기압 이하로 감압하는 감압수단을 포함하고,
    상기 압력 조정기는, 감지된 내부 온도가 소정 온도 이상이면, 감압수단을 작동시켜 내부 기체 압력을 대기압 이하로 감압하고, 내부 온도가 소정 온도 이하로 저하되는 경우, 감압수단의 작동을 정지시키는 동시에, 가압수단을 작동시켜 내부 기체 압력을 대기압 이상으로 가압하는, 냉동고의 내부 온도 감지용 작동 제어수단을 포함하는 급속 냉동장치.
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  6. 제1항에 있어서, 상기 가압수단이 가압 펌프를 포함하고, 상기 감압수단이 흡인 펌프를 포함하며, 당해 흡인 펌프의 배출 측에는 흡인된 기체를 가압 펌프의 기체 도입로로 환류시키는 환류로가 접속되어 있는 급속 냉동장치.
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  14. 제1항에 있어서, 상기 냉동고의 문 개방시, 냉동 대상물에 적합한 질소 가스를 냉동고에 공급하여 내부 기체 압력을 대기압 수준으로 증가시키는 기체 도입수단을 추가로 포함하는 급속 냉동장치.
  15. 제1항에 있어서, 상기 냉동고의 문 개방시, 냉동고의 내부 기체와 외부 기체와의 혼류(混流)를 방지하기 위한 층상 기체류를 상부로부터 하부를 향하여 형성하는 기체 커튼 장치를 상기 냉동고의 문 개구부 근방에 추가로 포함하는 급속 냉동장치.
  16. 제1항에 있어서, 산소 흡수재가 상기 냉동고 내부에 배치되어 있는 급속 냉동장치.
  17. 제1항에 있어서, 감균재가 상기 냉동고 내부에 배치되어 있는 급속 냉동장치.
  18. 제1항에 있어서, 상기 가압수단이 가압 펌프를 포함하고, 당해 가압 펌프의 기체 도입로에는 냉동고 내부의 기체를 환류시키는 환류로가 접속되어 있는 급속 냉동장치.
  19. 제1항에 있어서, 상기 감압수단이 흡인 펌프를 포함하며, 당해 흡인 펌프의 배출 측에는 흡인된 기체를 가압 펌프의 기체 도입로로 환류시키는 환류로가 접속되어 있는 급속 냉동장치.
  20. 제6항에 있어서, 산소 흡수재가 상기 가압수단의 기체 도입로에 구비되어 있는 급속 냉동장치.
  21. 제6항에 있어서, 냉동 대상물에 적합한 질소 가스를 선택하여 공급하는 기체 공급원이 상기 가압수단의 기체 환류로에 구비되어 있는 급속 냉동장치.
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