NL9001954A

NL9001954A - Rapid freezing with programmed temperature control - using blast freezer with cascade cooling and nitrogen@ vapour

Info

Publication number: NL9001954A
Application number: NL9001954A
Authority: NL
Original assignee: Brouwer Scient B V
Priority date: 1990-09-05
Filing date: 1990-09-05
Publication date: 1992-04-01

Abstract

Unless cooled rapidly, some products, notably factor 8 in blood plasma, lose potency. At too low a temperature, the bags in which products are contained can fail. Optimum results are achieved with a special freezer programmed to attain a time-dependent target temperature. An insulated box (1) has a normal freezer element (14) and cascade cooling spiral (16). A fan (9) provides for blast cooling. Liquid nitrogen is sprayed into the freezer via the nozzle (11). It vaporises at -196 deg.C before the gas mixture enters the inner container (6, 7) via the perforations (8) to reach the product trays (5).

Description

Werkwijze en inrichting voor het invriezen van objecten.Method and device for freezing objects.

De uitvinding heeft betrekking op een invrieswerkwijze, waarbij in te vriezen objecten worden bloot gesteld aan een gedwongen stroming van een gasvormig medium, zoals lucht, welke stroming voor het medium zijn opgenomen.The invention relates to a freezing method in which objects to be frozen are exposed to a forced flow of a gaseous medium, such as air, which flow is incorporated for the medium.

Bij verschillende toepassingen van het invriezen van objecten kan de invriessnelheid van groot belang zijn. Een voorbeeld hiervan is het invriezen van bloedplasma, waarbij de factor 8 bij langzame invriezing althans gedeeltelijk verloren gaat. Ook bij andere medische, biologische of biochemische processen kan een zeer snelle invriezing van belang zijn.In various applications of freezing objects, the freezing speed can be very important. An example of this is the freezing of blood plasma, in which the factor 8 is at least partly lost with slow freezing. Very fast freezing can also be important for other medical, biological or biochemical processes.

Tot dusver is bij het invriezen van bloedplasma gebruik gemaakt van baden van sterk gekoelde alcohol, waarin zakken . met bloedplasma werden gedompeld. Dit is de op dit ogenblik snelste wijze van invriezen van bloedplasma, hetgeen evenwel niet wegneemt, dat bij hogere invriessnelheden betere resultaten, in het bijzonder ten aanzien van de genoemde factor 8, mogelijk zijn. Bovendien is een grote voorraad alcohol een belangrijke factor voor brandgevaar, in het bijzonder omdat deze alcohol in het algemeen wordt opgeslagen in de buurt van elektrische apparatuur.So far, freezing of blood plasma has used baths of strongly cooled alcohol, in which bags. dipped with blood plasma. This is the fastest method of freezing blood plasma at the moment, but this does not alter the fact that at higher freezing speeds better results, in particular with regard to the aforementioned factor 8, are possible. In addition, a large stock of alcohol is an important factor for fire hazard, especially since this alcohol is generally stored near electrical equipment.

De uitvinding gaat uit van een zogenaamde "blast freezer", waarbij binnen een vries- of koelkast of -kist een koude snelle luchtstroom wordt opgewekt, die langs de in te vriezen objecten wordt gevoerd. Het temperatuurverschil tussen de objecten vóór zij aan de koelwerking zijn onderworpen en de temperatuur van de gasstroom kan evenwel zeer aanmerkelijk zijn. Daardoor zal de gasstroom bij het passeren van de objecten in het algemeen een aanmerkelijke temperatuur-verhoging ondergaan. In de praktijk is het niet mogelijk deze temperatuurverhoging kort na het starten van de invriesbe-werking geheel op te heffen. Daarbij moet er rekening mee worden gehouden, dat bij het invriezen van bijvoorbeeld bloedplasma, dit gebeurt in zakken van kunststof, die evenwel mechanisch betrouwbaar zijn boven een bepaalde temperatuur. Bijgevolg is niet toelaatbaar het gas tot beneden deze temperatuur te koelen, zodat na de betrekkelijk plotselinge verwarming van het gas door de betrekkelijk warme in te vriezen objecten de temperatuur van de gasstroom moeilijk gehandhaafd kan worden.The invention is based on a so-called "blast freezer", in which a cold rapid air flow is generated within a freezer or refrigerator or box, which is passed along the objects to be frozen. However, the temperature difference between the objects before they are subjected to the cooling action and the temperature of the gas flow can be very significant. As a result, the gas flow will generally undergo a considerable increase in temperature when passing the objects. In practice it is not possible to completely cancel this temperature increase shortly after the freezing operation has started. It must be taken into account that when freezing blood plasma, for example, this takes place in plastic bags, which, however, are mechanically reliable above a certain temperature. Consequently, it is not permissible to cool the gas below this temperature, so that after the relatively sudden heating of the gas by the relatively warm objects to be frozen, the temperature of the gas flow is difficult to maintain.

De uitvinding beoogt nu een werkwijze te verschaffen waarmede het mogelijk is de gasstroom in zeer korte tijd elke gewenste temperatuurdaling binnen een bepaald traject te laten ondergaan. Daarbij is het verder van belang, dat geen traagheids-verschijnselen optreden, zoals bijvoorbeeld bij het verlagen van de temperatuur van een koellichaam, maar dat nagenoeg zonder enige vertraging beïnvloeding van de temperatuur naar beneden mogelijk is.The object of the invention is now to provide a method with which it is possible to have the gas flow undergo any desired temperature drop within a certain range in a very short time. It is further important that no inertia phenomena occur, such as, for example, when the temperature of a heat sink is lowered, but that the temperature can be influenced downwards without any delay.

De bovengenoemde doeleinden worden volgens de uitvinding bereikt door er in te voorzien, dat de koelmiddelen vloeibare stikstof in de stroming spuiten.The above objects are achieved according to the invention by providing that the cooling means inject liquid nitrogen into the flow.

Bij voorkeur wordt er daarbij in voorzien, dat de inspuiting van de stikstof plaats heeft onder bestuur van een tempera-tuursonde en een geprogrammeerde stuurinrichting.It is preferably provided here that the injection of nitrogen takes place under the control of a temperature probe and a programmed control device.

Het programma van de stuurinrichting kan daarbij neerkomen op het streven naar een constante temperatuur van het gas alvorens dit de ruimte met de objecten binnen gaat, maar veelal is een verbetering van de resultaten mogelijk door een tijdsafhankelijke temperatuurstreefwaarde in te voeren.The program of the steering device may amount to striving for a constant temperature of the gas before it enters the space with the objects, but it is often possible to improve the results by entering a time-dependent temperature target value.

Zo is het bijvoorbeeld mogelijk direct bij het begin van het invriezen het gas· een lagere temperatuur te geven dan die waarbij de zakken mechanisch minder betrouwbaar worden, omdat de temperatuur van de zakken in het begin, mede door het goede warmtecontact met het bloedplasma, nog aanmerkelijk boven die van de gasstroom zal liggen. Daarbij heeft de koel-werkwijze met behulp van inspuiting van stikstof het voordeel, dat zonder enig bezwaar de temperatuur verlaagd kan worden.For example, it is possible immediately at the start of freezing to give the gas a lower temperature than that at which the bags become mechanically less reliable, because the temperature of the bags in the beginning, partly due to the good heat contact with the blood plasma, will be significantly above that of the gas flow. The cooling method with the injection of nitrogen has the advantage that the temperature can be lowered without any problem.

Zo is bijvoorbeeld in de praktijk een temperatuurwaarde voor de gasstroom gelegen in de buurt van -85° C, aangezien de thans gebruikelijke zakken bij ongeveer -90° C mechanisch onbetrouwbaar worden. Vloeibare stikstof heeft evenwel na verdamping bij atmosferische druk een temperatuur van -196°C, zodat een ruime marge beschikbaar is beneden -85° C, waarvan een beperkt gebruik gemaakt kan worden om de invriestijd nog verder te verkorten.For example, in practice, a temperature value for the gas flow is in the region of -85 ° C, since the bags currently used at about -90 ° C become mechanically unreliable. Liquid nitrogen, however, has a temperature of -196 ° C after evaporation at atmospheric pressure, so that a wide margin is available below -85 ° C, which can be used to reduce the freezing time even further.

Ten einde het gebruik van vloeibare stikstof te beperken verdient het aanbeveling dat de gasstroom gehandhaafd wordt in een ruimte of vries- of koelkast of -kist, die reeds een zeer lage temperatuur heeft. In de praktijk kan men hier gebruik maken van een cascade koelkist of - kast met een inwendige temperatuur van -85° C, waarbij de ventilator wordt aangedreven door een buiten de kist opgestelde motor.In order to limit the use of liquid nitrogen, it is recommended that the gas flow is maintained in a room or freezer or refrigerator or chest that already has a very low temperature. In practice, one can use a cascade cool box or cabinet with an internal temperature of -85 ° C, the fan being driven by a motor mounted outside the box.

Wanneer er volgens een nadere uitwerking van deze gedachte in wordt voorzien, dat de stroming in aanraking is met gekoelde oppervlakken in het deel van haar circuit tussen de objecten en de verspuiting van vloeibare stikstof, is het mogelijk een verdere beperking van het gebruik van vloeibare stikstof te verkrijgen. Immers op deze wijze is het mogelijk de door de in te vriezen objecten opgewarmde lucht eerst middels de kist- of kastkoeling gedeeltelijk weer af te koelen alvorens de vloeibare stikstof zorgt voor de optimale lage eindtemperatuur.If, according to a further elaboration of this idea, provision is made for the flow to contact cooled surfaces in the part of its circuit between the objects and the spraying of liquid nitrogen, it is possible to further limit the use of liquid nitrogen to obtain. After all, in this way it is possible to cool the air heated by the objects to be frozen first again partly by means of the box or cabinet cooling before the liquid nitrogen ensures the optimum low end temperature.

Bij toepassing van de uitvinding wordt stikstof aan de circulerende gasstroom toegevoerd. Dit betekent, dat deze stikstof ook weer moet worden afgevoerd. Volgens een nadere uitwerking van de uitvinding wordt er daarbij in voorzien, dat het gasmengsel wordt afgevoerd vanaf een plaats die in de stroming tussen de objecten en de stikstofverspuiting ligt. Daar heeft het gas de hoogste temperatuur, zodat de koude-verliezen door afvoer vanuit deze plaats het meeste beperkt worden.When using the invention, nitrogen is supplied to the circulating gas stream. This means that this nitrogen must also be removed again. According to a further elaboration of the invention, provision is made herein for the gas mixture to be discharged from a location which lies in the flow between the objects and the nitrogen spray. There the gas has the highest temperature, so that the cold losses due to discharge from this location are most limited.

De uitvinding omvat eveneens een inrichting voor het toepassen van de werkwijze, voorzien van een koel- of vrieskast of -kist met een ruimte voor het opnemen van in te vriezen objecten, ventilatormiddelen voor het door deze ruimte circuleren van een gasstroom en koelmiddelen voor de gasstroom. Volgens de uitvinding bevatten in een dergelijke inrichting de koelmiddelen een verspuitingsorgaan voor vloeibare stikstof.The invention also includes an apparatus for applying the method, comprising a refrigerator or freezer or chest with a space for receiving objects to be frozen, fan means for circulating a gas flow through this space and cooling means for the gas flow . According to the invention, in such an arrangement the cooling means comprise a spraying device for liquid nitrogen.

Vloeibare stikstof en vaten die geschikt zijn voor het bewaren daarvan, evenals afsluit- en regelorganen zijn bekend en worden in de praktijk op ruime schaal gebruikt. Uiteraard kan de uitvinding ook van door derden geleverde stikstof gebruik maken, hetgeen het belangrijke voordeel heeft, dat de bereiding van de vloeibare stikstof op grote schaal en bijgevolg met een relatief hoog rendement gebeurt.Liquid nitrogen and vessels suitable for its storage, as well as shut-off and control means, are known and widely used in practice. The invention can of course also make use of nitrogen supplied by third parties, which has the important advantage that the preparation of the liquid nitrogen is carried out on a large scale and, consequently, with a relatively high efficiency.

Volgens een nadere uitwerking van de inrichting volgens de uitvinding kan er in worden voorzien, dat het verspuitingsorgaan een regelventiel bevat dat onder bestuur staat van een temperatuuropnemer en een geprogrammeerde regelinrichting. Er zijn verspuitingsorganen, zowel als regelventielen daarvoor bekend, waarbij de regelinrichting bij voorkeur intermitterend of pulsgewijze werkt, ten einde steeds een voldoende verspuitingsdruk aan te houden.According to a further elaboration of the device according to the invention, it can be provided that the spraying member comprises a control valve which is under the control of a temperature sensor and a programmed control device. Spraying devices, as well as control valves therefor, are known, the control device preferably operating intermittently or in a pulsed manner, in order always to maintain a sufficient spraying pressure.

De temperatuursonde of -opnemer kan zich in de gasstroom bevinden, maar het is eveneens mogelijk een temperatuuropnemer te gebruiken, die de oppervlaktetemperatuur van de in te vriezen objecten meet, welke opnemer bij voorkeur additioneel is aan die voor de gastemperatuur.The temperature probe or sensor may be in the gas stream, but it is also possible to use a temperature sensor that measures the surface temperature of the objects to be frozen, which sensor is preferably additional to that for the gas temperature.

De uitvinding wordt in het volgende nader toegelicht aan de hand van de tekening, waarin schematisch een doorsnede door een inrichting voor toepassing van de uitvinding is weergegeven. Daarin is een vrieskast getoond in de vorm van een bak 1 met warmteisolatie 2. Deze bak wordt afgesloten met een deksel 3 met warmteisolatie 4. In de bak bevindt zich een ruimte die geschikt is voor het opnemen van boven elkaar liggende trays 5, die aan de bovenzijde wordt begrensd door de isolatie 4 van het deksel. Aan de benedenzijde heeft deze ruimte een gesloten bodem 6 en aan de in de tekening linkerzijde een gasverdelingsschot 7 met openingen 8. Een ventilator 9, die door een as 10 wordt aangedreven die door de kist 1 en de isolatie 2 is gevoerd handhaaft een gasstroming door de ruimte 5 met de trays en van daar onder deze ruimte langs naar de linkerzijde en de verdeelplaat 7. In de gasstroom bevindt zich verder een sproeier 11 met een regelventiel 12, dat bestuurd wordt door een besturingsinrichting, die tevens de temperatuur verwerkt, die door een temperatuuropnemer 13 wordt verschaft. De ingespoten fijn verdeelde stikstof heeft gelegenheid te verdampen alvorens door de openingen 8 in de plaat 7 naar de ruimte met de trays 5 te worden gevoerd.The invention is explained in more detail below with reference to the drawing, which schematically shows a cross-section through an apparatus for applying the invention. It shows a freezer in the form of a tray 1 with heat insulation 2. This tray is closed with a lid 3 with heat insulation 4. In the tray there is a space suitable for accommodating trays 5 lying one above the other the top is bounded by the insulation 4 of the cover. On the bottom side, this space has a closed bottom 6 and on the left-hand side in the drawing a gas distribution partition 7 with openings 8. A fan 9, which is driven by a shaft 10 which is passed through the box 1 and the insulation 2, maintains a gas flow through the space 5 with the trays and from there under this space to the left and the distribution plate 7. In the gas flow there is furthermore a sprinkler 11 with a control valve 12, which is controlled by a control device, which also processes the temperature, which is a temperature sensor 13 is provided. The injected finely divided nitrogen is allowed to evaporate before being passed through the openings 8 in the plate 7 to the space with the trays 5.

Verder is in de tekening een normaal koelblok 14 aangegeven, dat de door de ruimte 5 gevoerde gasstroom weer enigszins afkoelt alvorens daar door de sproeier 11 vloeibare stikstof in wordt gespoten. De koeling van dit koelblok kan zijn ontleend aan de cascadekoeling van de vries- of koelkast of -kist, die de met 16 aangeduide koelspiraal voedt. De cascadekoelinrichting is van gebruikelijk type en bevindt zich bij voorkeur in een aan de vries- of koelkast of -kist grenzende niet getekende kamer. In de praktijk is koelblok 14 in het algemeen niet noodzakelijk. Wel kan daarmede het totale energiegebruik (dus met inbegrip van de energie, die nodig is voor de vloeibare stikstof) enigszins beperkt worden. Tenslotte is met 15 een afvoer aangeduid voor gas, wanneer de druk in de inrichting oploopt door de toevoer van stikstof.Furthermore, a normal cooling block 14 is shown in the drawing, which cools the gas flow conducted through the space 5 again before liquid nitrogen is injected into it through the nozzle 11. The cooling of this cooling block can be taken from the cascade cooling of the freezer or refrigerator or box, which feeds the cooling coil indicated by 16. The cascade cooling device is of conventional type and is preferably located in a room, not shown, adjacent to the freezer or refrigerator or chest. In practice, cooling block 14 is generally not necessary. However, this can somewhat limit the total energy consumption (including the energy required for the liquid nitrogen). Finally, 15 denotes a discharge for gas when the pressure in the device increases due to the supply of nitrogen.

Bij het bedrijven van deze inrichting wordt eerst de vries-of koelkast of -kist 1 met haar eigen koelinstallatie, die bijvoorbeeld een cascade-installatie is, inwendig op een temperatuur van -85° C gebracht voor het invriezen van bloedplasma. Vervolgens worden trays met zakken bloedplasma boven elkaar in de ruimte 5 gebracht, de deksel 3 weer gesloten en de ventilator 10 aangezet, waarna de luchtcirculatie begint. De door de objecten in de trays (en de trays zelf) opgewarmde gasstroom wordt e.erst in de koel-blokken 14 weer afgekoeld, maar kan daarin onmogelijk in korte tijd weer de temperatuur van -85° C bereiken. Daartoe dient het inspuiten van stikstof.Dit geeft de mogelijkheid aan het gas elke gewenste temperatuurverlaging toe te dienen, maar gewoonlijk zal zoveel stikstof worden ingespoten, dat de gasstroom weer op een temperatuur is van -85° C. Wanneer de objecten in de trays 5 kouder worden zal de gasstroom minder worden afgekoeld en kan met een iets kleinere hoeveelheid ingespoten stikstof worden volstaan.When operating this device, the freezer or refrigerator or chest 1 with its own cooling installation, which is, for example, a cascade installation, is first brought to a temperature of -85 ° C internally for freezing blood plasma. Trays with bags of blood plasma are then placed one above the other in space 5, the lid 3 is closed again and the fan 10 is switched on, after which the air circulation starts. The gas stream heated by the objects in the trays (and the trays themselves) is first cooled again in the cooling blocks 14, but it is impossible to reach the temperature of -85 ° C therein again in a short time. This is done by injecting nitrogen. This gives the possibility to supply the desired temperature decrease to the gas, but usually so much nitrogen will be injected that the gas flow is again at a temperature of -85 ° C. When the objects in the trays 5 colder, the gas flow will be cooled less and a slightly smaller amount of injected nitrogen will suffice.

Wanneer men de snelheid van invriezen verder wil verhogen kan men aanvankelijk zoveel stikstof inspuiten, dat de temperatuur van het circulerende gas beneden -85° C ligt, evenwel niet zoveel daar beneden, dat gevaar bestaat voor een te lage temperatuur van de zakken.If one wishes to further increase the speed of freezing, it is initially possible to inject so much nitrogen that the temperature of the circulating gas is below -85 ° C, but not so much below that that there is a danger of the bag temperature being too low.

Uiteraard kan de afvoer 15 zijn voorzien van een drukregel-ventiel, dat bij het optreden van een bepaalde overdruk de gasaflaat in werking stelt.The drain 15 can of course be provided with a pressure regulating valve, which activates the gas discharge when a certain overpressure occurs.

Claims

Freezing method, in which objects to be frozen are exposed to a forced flow of a gaseous medium, such as air, which flow takes place in a circulation circuit, in which cooling means for the medium are included, characterized in that the cooling means in liquid nitrogen spray the flow.

2. Method according to claim 1, characterized in that the injection of the nitrogen takes place under the control of a temperature probe and a programmed control device.

Method according to claim 1 or 2, characterized in that a circulation circuit with a space for receiving the objects is cooled to a temperature which is below the necessary final temperature of the objects to be frozen, that objects are placed in the space. and the flow and the supply of liquid nitrogen are activated.

Method according to claim 3, characterized in that the flow is in contact with cooled surfaces in the part of its circuit between the objects and the spraying of liquid nitrogen.

Method according to one or more of the preceding claims, characterized in that excess gas resulting from the evaporation of liquid nitrogen is discharged from a location in the flow between the objects and the nitrogen spray.

Device for applying the method according to one or more of the preceding claims, provided with a refrigerator or freezer with a space for receiving objects to be frozen, fan means for circulating a gas flow through this space and gas flow coolants, characterized in that the coolants comprise a liquid nitrogen sprayer.

Device as claimed in claim 6, characterized in that the spraying member comprises a control valve controlled by a temperature sensor and a programmed control device.

8. Device as claimed in claim 6 or 7, characterized in that a gas discharge is present, which discharges a part of the gas flow from a point past the space and for the supply of liquid nitrogen.