PL242799B1 - Urządzenie i sposób do utrzymywania niskiej temperatury z wykorzystaniem ciekłego azotu - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest urządzenie chłodnicze niskotemperaturowe do utrzymywania niskiej temperatury, gdzie urządzenie chłodnicze niskotemperaturowe (1) zbudowane jest z komory przechowalniczej (4), w której znajduje się zbiornik (5) z cieczą chłodzącą (7) wyposażony w pierwotną wężownicę chłodzącą (6), urządzenie chłodnicze niskotemperaturowe (1) zawiera układ zasilania ciekłym i/lub gazowym azotem (2) z dwufazowego niskociśnieniowego zbiornika azotu (3), komora przechowalnicza (4) jest zaizolowana izolacją typu MLI (8) o bardzo niskim współczynniku przewodzenia ciepła znacznie mniejszym od 0,1 W/m² K, gdzie na zewnętrz izolacji (8) umieszczona jest wężownica chłodząca (9), pokryta obudową komory (10). Przedmiotem zgłoszenia również sposób utrzymywania niskiej temperatury w komorze przechowalniczej urządzenia chłodniczego niskotemperaturowego.

Description

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie i sposób utrzymywania niskiej temperatury od -85 do -20°C, gdzie w komorze urządzenia chłodniczego niskotemperaturowego wykorzystuje proces odparowywania ciekłego azotu i/lub podgrzewania jego par, a niska temperatura jest utrzymywana za pomocą zbiornika z cieczą, korzystnie etanolem rektyfikowanym 98% lub więcej, o temperaturze zamarzania niższej od temperatury roboczej urządzenia chłodniczego niskotemperaturowego.

Znane są kaskadowe instalacje chłodnicze, które działają na zasadzie dwóch niezależnych urządzeń chłodniczych. Jedno z urządzeń pracuje w układzie niskotemperaturowym i przekazuje ciepło odebrane z komory niskotemperaturowej do urządzenia wysokotemperaturowego. Jednak rozwiązanie to jest skomplikowane technicznie, a przez to drogie inwestycyjnie i skomplikowane w serwisowaniu. Oddzielny problem stanowi czynnik chłodniczy w układzie niskotemperaturowym. Tradycyjne czynniki chłodnicze w tego typach urządzeniach to czynniki o wysokiej szkodliwości ekologicznej (Global Warming Potential - GWP - potencjał tworzenia efektu cieplarnianego).

Znane są również urządzenia chłodnicze pracujące w układzie jednosprężarkowym. Zastosowany czynnik chłodniczy EP88 zawiera do 75% węglowodorów, które są czynnikami palnymi.

Urządzenia kaskadowe, jak również jednosprężarkowe, w celu zapewnienia bezpieczeństwa przechowywanych produktów, wyposażane są również w układ backup CO 2 lub LN2. Zadaniem tych układów jest, w przypadku awarii urządzenia chłodniczego, wpuszczanie z butli do komory przechowalniczej rozprężonego zimnego CO 2 lub ciekłego LN2 (ciekłego azotu). Rozwiązanie to zapewnia utrzymanie niskiej temperatury w komorze przechowalniczej do czasu usunięcia awarii urządzenia sprężarkowego.

Znane są również urządzenia przechowalnicze zasilane zespolonym CO2. Zasada pracy polega na napełnieniu zaizolowanej komory przechowalniczej suchym lodem - zestalony CO2 sublimujący pod ciśnieniem atmosferycznym w temperaturze -78.5°C. Metoda ta jest stosowana od bardzo dawna i popularna w transporcie na krótkich odcinkach - np. w obecnym łańcuchu dystrybucyjnym szczepionki przeciwko COVID-19.

Kriogeniczne zamrażarki zasilane LN2. W zamrażarkach tych wpuszczany jest do komory przechowalniczej ciekły azot w ilościach wynikających z żądanej temperatury przechowywania i chwilowego obciążenia cieplnego. Rozwiązania te stosowane są w laboratoriach medycznych, farmaceutycznych i badawczych.

Z publikacji międzynarodowych WO 2014/197511 oraz WO 2014/197515 znane są urządzenia kriogeniczne, w których CO2 (suchy lód) jest stosowany do utrzymania strefy temperatury poniżej 50°C, w której można przechowywać próbki.

Znane jest zgłoszenie patentowe EP1617129A3 opisujące kriogeniczne naczynie Dewara, zwierające zbiornik z ciekłym azotem służący do podtrzymywania zada nej niskiej temperatury. Zbiornik azotu jest wyposażony w czujniki ciśnienia i temperatury, które po wykryciu przekroczenia zadanych wartości generują sygnał uruchamiający zewnętrzne urządzenie chłodnicze w celu schłodzenia azotu do zadanej temperatury.

Znany jest patent US5469711A dotyczący komory kriogenicznej o temperaturze 150 K (-123°C) lub niższej, która to temperatura jest utrzymywana przez ciągły przepływ zimnego gazu. Gaz chłodzący krąży w obiegu zamkniętym, a jego niska temperatura jest utrzymywana przez zewnętrzne urządzenie chłodnicze (np. realizujące odwrotny obieg Braytona).

Znany jest patent EP1237425B1 opisujący hermetyczny zasobnik do przechowywania materiałów (np. żywności) w niskiej temperaturze, uzyskiwanej dzięki przepływowi w zasobniku kriogenicznego gazu, dostarczanego przez zewnętrzne urządzenie chłodnicze.

Znane jest zgłoszenie patentowe EP2627955A2 opisujące pojemnik kriogeniczny do przechowywania próbek materiałów biologicznych w temperaturze do -190°C. Pojemnik posiada izolację próżniową minimalizującą dopływ ciepła z otoczenia. W jego wnętrzu znajduje się komora przechowalnicza, pod którą znajduje się zespół dysz - wtryskiwaczy cieczy chodzącej. Działanie wtryskiwaczy jest uzależnione od temperatury w komorze przechowalniczej. W przypadku nadmiernego wzrostu tej temperatury, natrysk cieczy chłodzącej powoduje jej obniżenie.

Jednym z kluczowych zagadnień przedmiotowego wynalazku jest wykonanie izolacji termicznej o współczynniku przenikania ciepła znacznie mniejszym od 0,1 W/m² K.

Z opisu wynalazku US 2,396,459 znany jest zbiornik o podwójnych ścianach, z izolacją próżniową do 10^-3 Tor i wypełnieniem rozdrobnionym materiałem stałym.

W opisie wynalazku US 2,643,022 ujawniono izolację radiacyjną polegającą na wielokrotnym polerowaniu ściany zbiornika.

Natomiast patent US 3,007,596, przedstawia koncepcję wielowarstwowych materiałów izolacyjnych, które zastąpiły standardowy materiał, jakim był perlit.

Praca S.D. Augustynowicza, J.E. Fesmire oraz J.P. Wikstrom „Cryogenic insultaion systems” opublikowana w materiałach 20th International Congress of Refrigeration, IIR/IIF, Sydney, 1999 https://ntrs.nasa.goV/api/citations/19990053342/downloads/19990053342.pdf opisuje wyniki porównania różnych materiałów izolacyjnych w tym MLI.

Celem wynalazku jest nowe urządzenie chłodnicze, które stabilnie podtrzymuje niską temperaturę od -85 do -20°C w czasie i/lub ma możliwość włączenia trybu awaryjnego utrzymując nominalną temperaturę.

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie chłodnicze niskotemperaturowe do utrzymywania niskiej temperatury, które zawiera:

- urządzenie chłodnicze niskotemperaturowe zbudowane jest z komory przechowalniczej, w której znajduje się zbiornik z cieczą chłodzącą wyposażony w pierwotną wężownicę chłodzącą, która na wlocie połączona jest z układem zasilania ciekłym i/lub gazowym azotem poprzez zawór elektromagnetyczny z dwufazowego niskociśnieniowego zbiornika azotu, a na wylocie z wężownicą zewnętrzną,

- komora przechowalnicza jest zaizolowana izolacją typu MLI o bardzo niskim współczynniku przewodzenia ciepła mniejszym od 0,1 W/m² K, gdzie na zewnętrz izolacji umieszczona jest wężownica chłodząca, pokryta obudową komory.

Urządzenie, gdzie układ zasilania ciekłym i/lub gazowym azotem wężownic i - składa się z dwóch zaworów elektromagnetycznych, gdzie jeden zawór jest zainstalowany na rurociągu cieczowym (Zc), a drugi na rurociągu gazowym (Zg).

Urządzenie, gdzie na wylocie zewnętrznej wężownicy znajduje się grzałka.

Urządzenie, gdzie zewnętrzna wężownicą chłodząca opcjonalnie otoczona jest materiałem zmiennofazowym.

Urządzenie, gdzie kontroler sterujący pracą zaworów wyposażony jest w bezprzewodowy system transmisji danych i nadajnik GPS umożliwiający jego zdalną lokalizacją.

Sposób utrzymywania niskiej temperatury w komorze przechowalniczej urządzenia chłodniczego niskotemperaturowego zdefiniowanego powyżej polega na:

- w komorze przechowalniczej znajduje się zbiornik z cieczą chłodzącą wyposażony w pierwotną wężownicę chłodzącą, w której zimny azot, odparowując i ogrzewając się, ochładza znajdującą się w zbiorniku ciecz chłodzącą,

- komora przechowalnicza jest zaizolowana izolacją, gdzie na zewnętrz izolacji umieszczona jest zewnętrzna wężownicą chłodząca zasilana azotem z pierwotnej wężownicy, który uległ częściowemu podgrzaniu w zbiorniku, zewnętrzna wężownica ochładza przestrzeń pomiędzy izolowaną obudową komory przechowalniczej, a zaizolowaną komorą przechowalniczą, opcjonalnie przestrzeń tę wypełnia dobrany materiał zmiennofazowy np. woda z glikolem,

- w celu utrzymania zadanej temperatury w komorze przechowalniczej od -85 do -20°C, wykorzystuje się azot w postaci gazowej (dozowany zaworem gazowym Zg), zaś w przypadku konieczności szybkiego uzyskania zadanych parametrów pracy urządzenia chłodniczego niskotemperaturowego podczas jego rozruchu zawór cieczowy (Zc) dozuje azot w postaci ciekłej,

- w przypadku awarii zaworu gazowego (Zg) możliwe jest też zasilanie wężownic przez zawór cieczowy (Zc), a w celu unikania zjawiska wypuszczania azotu o zbyt niskiej temperaturze zasilania na wylocie z wężownicy zainstalowano grzałkę, do podgrzewania,

Sposób, gdzie ciecz chłodząca o stężeniu 98% i wyższym znajdująca się w zbiorniku to etanol rektyfikowany lub butanol, lub metanol, lub aceton.

Sposób, gdzie zimny azot jest ciekły lub gazowy.

Zaletą urządzenia jest jego ekologiczność, bezpieczny czynnik roboczy, mobilność (niezależność od istnienia sieci elektrycznej), stosunkowo niskie koszty utrzymania i szeroki zakres temperatur chłodzenia od -85 do -20°C.

Określenie stosowane powyżej oraz w opisie i zastrzeżeniach patentowych, ma następujące znaczenie:

Urządzenie chłodnicze niskotemperaturowe - oznacza urządzenie o obniżonej temperaturze pracy od -85 do -20°C

LN2 - oznacza ciekły azot

MLI - oznacza izolację termiczną (multi-layer insulation).

Opis figury:

Fig. 1 - przedstawia schemat urządzenia chłodzącego

Oznaczenia:

- oznacza urządzenie chłodnicze niskotemperaturowe

- oznacza układ zasilania ciekłym lub gazowym azotem

- oznacza dwufazowy niskociśnieniowy zbiornik azotu

- oznacza komorę przechowalniczą

- oznacza zbiornik na ciecz chłodzącą

- oznacza pierwotną wężownicę chłodzącą

- oznacza ciecz chłodzącą

- oznacza izolację typu MLI

- oznacza wężownicę zewnętrzną

- oznacza obudowę komory przechowalniczej

- oznacza zawory elektromagnetyczne

- oznacza kontroler

- oznacza grzałkę

- oznacza przetrzymywany produkt/szczepionki w temperaturze od -85 do -20°C

Zg - oznacza zawór gazowy

Zc - oznacza zawór cieczowy

T - oznacza temperaturę azotu gazowego na wyjściu urządzenia chłodniczego

Ts - oznacza temperaturę cieczy chłodzącej

Ta - oznacza temperaturę azotu w wężownicy zewnętrznej

Wynalazek ilustrują następujące przykłady wykonania, nie stanowiące jego ograniczenia Przykład 1

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie chłodnicze niskotemperaturowe (1) wyposażane w układ zasilania ciekłym lub gazowym azotem (2) z dwufazowego niskociś nieniowego zbiornika azotu (3) - zbiornika DEWARA.

Urządzenie chłodnicze niskotemperaturowe (1) zbudowane jest z komory przechowalniczej (4), w której znajduje się zbiornik z cieczą chłodzącą (5) wyposażony w wężownicę chłodzącą (6), w której zimny azot (ciekły lub gazowy), odparowując i ogrzewając się, ochładza znajdującą się w zbiorniku ciecz chłodzącą (7) - etanol rektyfikowany o stężeniu 98% i wyższym, lub butanol -90°C, lub metanol -97°C, lub aceton -94,8°C. Komora przechowalnicza (4) jest zaizolowana izolacją typu MLI (8) o bardzo niskim współczynniku przewodzenia ciepła znacznie mniejszym od 0,1 W/m²K. Na zewnętrznej izolacji (8) umieszczona jest wężownica chłodząca (9) zasilana azotem z wężownicy (6), który uległ częściowemu podgrzaniu w zbiorniku (5). Wężownica (9) ochładza przestrzeń pomiędzy izolowaną obudową komory przechowalniczej (10) a zaizolowaną komorą przechowalniczą (4).

Układ zasilania ciekłym i/lub gazowym azotem (2) wężownic (6) i (9) - składa się z dwóch zaworów elektromagnetycznych (11). Jeden zawór jest zainstalowany na rurociągu cieczowym (Zc), a drugi na rurociągu gazowym (Zg). Kontroler (12) steruje pracą obu zaworów (11). W celu utrzymania zad anej temperatury w komorze przechowalniczej (4) od -85 do -20°C, wykorzystywany jest azot w postaci gazowej (dozuje zawór gazowy (Zg), zaś w przypadku konieczności szybkiego uzyskania zadanych parametrów pracy urządzenia chłodniczego niskotemperaturowego (1) podczas jego rozruchu zawór cieczowy (Zc) dozuje azot w postaci ciekłej.

W przypadku awarii zaworu gazowego (Zg) możliwe jest też zasilanie wężownic (6) i (9) przez zawór cieczowy (Zc). W celu unikania zjawiska wypuszczania azotu o zbyt niskiej temperaturze zasilania na wylocie z zewnętrznej wężownicy (9) zainstalowana jest grzałka (13).

W przypadku awarii układu zasilania azotem (2) urządzenia chłodniczego (1), zainstalowany zbiornik z cieczą chłodzącą (5) dzięki swojej bezwładności cieplnej zapewnia, że temperatura w komorze przechowalniczej nie wzrośnie w zadanym czasie powyżej określonej temperatury.

Zainstalowany kontroler (12) nie tylko steruje pracą zaworów elektromagnetycznych (11) w sposób optymalizujący zużycie azotu (ciekłego i/lub gazowego), lecz rejestruje też parametry pracy, informuje na odległość o bieżących parametrach pracy układu urządzenia chłodniczego niskotemperaturowego (1) dwufazowego niskociśnieniowego zbiornika azotu (3), czy powstałych stanach awaryjnych. Kontroler wyposażony jest w bezprzewodowy system transmisji danych, nadajnik GPS umożliwiający jego zdalną lokalizację oraz układ podtrzymania jego pracy w przypadku braku zasilania w energie elektryczną przez zadany czasokres.

Przykład 2

Urządzenie chłodnicze (1) może działać w następujących trybach:

(A) schładzania zawartości komory przechowalniczej (4) od temperatury otoczenia do zadanej, ni- skiej temperatury z przedziału od -85 °C do -20°C;

(B) utrzymywania zawartości komory przechowalniczej (4) w zadanej temperaturze, uzyskanej po zakończeniu trybu (A);

(C) utrzymywania przez określony czas zawartości komory przechowalniczej (4) w temperaturze trybu (B) z tolerancją 10 K, po wystąpieniu awarii powodującej utratę zasilania z dwufazowego niskociśnieniowego zbiornika azotu (3).

Urządzenie chłodnicze niskotemperaturowe (1) pracujące w trybie schładzania (A) jest zasilane strumieniem ciekłego azotu, dopływającego ze zbiornika (3) z natężeniem regulowanym przez układ zasilania (2) do wężownicy (6) w zbiorniku (5), gdzie następuje wymiana ciepła między przepływem azotu i cieczą chłodzącą (etanol rektyfikowany o stężeniu 98% i wyższym, lub butanol -90°C, lub metanol -97°C, lub aceton -94,8°C). W rezultacie tego procesu temperatura cieczy chłodzącej obniża się, podobnie jak temperatura w komorze przechowalniczej (4). Azot wypływający z pierwotnej wężownicy (6) trafia bezpośrednio do zewnętrznej wężownicy (9), umieszczonej pomiędzy izolowaną obudową komory przechowalniczej (10) a zaizolowaną komorą przechowalniczą (4), a następnie wypływa z wężownicy (9) w postaci gazowej do otoczenia. Przepływ azotu w wężownicy (9) powoduje obniżenie temperatury powietrza wypełniającego obudowę komory przechowalniczej (10) do wartości pośredniej pomiędzy temperaturą cieczy w zbiorniku (5) a temperaturą otoczenia. Po osiągnięciu w komorze (4) zadanej temperatury składowania produktu (14), urządzenie chłodnicze (1) przechodzi w tryb (B).

Tryb (B) polega na utrzymywaniu zadanej niskiej temperatury w komorze przechowalniczej (4), jest zasadniczym stanem pracy urządzenia chłodniczego (1). W tym trybie konieczne jest odbieranie ciepła dopływającego z otoczenia do komory przechowalniczej (4). Strumień ciepła z otoczenia jest istotnie zredukowany przez warstwę izolacji termicznej (8), obudowę (10) oraz przez schłodzone powietrze w przestrzeni z wężownicą (9) pomiędzy zbiornikiem (5) i obudową (10). Ciepło z otoczenia, w trybie (B), jest odbierane przez azot przepływający w wężownicach (6) i (9) pod kontrolą układu (2). Strumień azotu jest regulowany przez układ (2) w zależności od temperatury bieżącej w komorze przechowalniczej (4) tak, aby temperatura bieżąca nie różniła się od temperatury zadanej o wartość większą niż tolerancja termostatu, 10 K. W tym trybie będzie wykorzystywany strumień gazowego azotu wypływający samoistnie ze zbiornika (3) wskutek przenikania do niego ciepła z otoczenia. Spełnienie tego warunku jest możliwe dzięki odpowiedniemu doborowi właściwości warstw izolacji termicznej (8), oraz obudowy (10) oraz temperatury w komorze z wężownicą (9).

Urządzanie chłodnicze (1) pracuje w trybie (C) w sytuacji awaryjnej, która może wystąpić wskutek wyczerpania się azotu w zbiorniku (3), i/lub usterki układu zasilania (2) lub utraty jego zasilania w energię elektryczną, lub innych okoliczności powodujących utratę dopływu zimnego azotu do wężownicy (6). Zakłada się, że w takim stanie awaryjnym, w ciągu 48 godzin temperatura w komorze przechowalniczej (4) nie wzrośnie więcej niż o 10 K, przy normalnej temperaturze otoczenia. Realizacja tego celu jest możliwa poprzez odpowiedni dobór pojemności cieplnej cieczy chłodzącej w zbiorniku (5) - etanol rektyfikowany o stężeniu 98% i wyższym, lub butanol -90°C, lub metanol -97°C, lub aceton -94,8°C, dopasowanej do parametrów izolacji termicznej (8), i obudowy (10), oraz opcjonalnie poprzez wypełnienie przestrzeni z wężownicą zewnętrzną (9) pomiędzy izolacją termiczną (8), i obudową (10), dobranym materiałem zmiennofazowym np. wodą z glikolem.

Claims (8)

1. Urządzenie chłodnicze niskotemperaturowe do utrzymywania niskiej temperatury znamienne tym, że

- urządzenie chłodnicze niskotemperaturowe (1) zbudowane jest z komory przechowalniczej (4), w której znajduje się zbiornik (5) z cieczą chłodzącą (7) wyposażony w pierwotną wężownicę chłodzącą (6), która na wlocie połączona jest z układem zasilania ciekłym i/lub gazowym azotem (2) poprzez zawór elektromagnetyczny (11) z dwufazowego niskociśnieniowego zbiornika azotu (3), a na wylocie z wężownicą zewnętrzną (9),

- komora przechowalnicza (4) jest zaizolowana izolacją typu MLI (8) o bardzo niskim współczynniku przewodzenia ciepła mniejszym od 0,1 W/m² K, gdzie na zewnętrz izolacji (8) umieszczona jest wężownicą chłodząca (9), pokryta obudową komory (10).

2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że układ zasilania ciekłym i/lub gazowym azotem (2) wężownic (6) i (9) - składa się z dwóch zaworów elektromagnetycznych (11), gdzie jeden zawór jest zainstalowany na rurociągu cieczowym (Zc) a drugi na rurociągu gazowym (Zg).

3. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że na wylocie zewnętrznej wężownicy (9) znajduje się grzałka (13).

4. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że zewnętrzna wężownica chłodząca (9) opcjonalnie otoczona jest materiałem zmiennofazowym.

5. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że kontroler (12) sterujący pracą zaworów (11) wyposażony jest w bezprzewodowy system transmisji danych i nadajnik GPS umożliwiający jego zdalną lokalizacją.

6. Sposób utrzymywania niskiej temperatury w komorze przechowalniczej urządzenia chłodniczego niskotemperaturowego zdefiniowanego w zastrzeżeniu 1, znamienny tym, że

- w komorze przechowalniczej (4) znajduje się zbiornik (5) z cieczą chłodzącą wyposażony w pierwotną wężownicę chłodzącą (6), w której zimny azot, odparowując i/lub ogrzewając się, ochładza znajdującą się w zbiorniku (5) ciecz chłodzącą (7),

- komora przechowalnicza (4) jest zaizolowana izolacją (8), gdzie na zewnętrz izolacji (8) umieszczona jest zewnętrzna wężownicą chłodząca (9) zasilana azotem z pierwotnej wężownicy (6), który uległ częściowemu podgrzaniu w zbiorniku (5), zewnętrzna wężownicą (9) ochładza przestrzeń pomiędzy izolowaną obudową komory przechowalniczej (10), a zaizolowaną komorą przechowalniczą (4), opcjonalnie przestrzeń tą wypełnia dobrany materiał zmiennofazowy taki jak woda z glikolem,

- w celu utrzymania zadanej temperatury w komorze przechowalniczej (4) od -85 do -20°C, wykorzystuje się azot w postaci gazowej dozowany zaworem gazowym (Zg), zaś w przypadku konieczności szybkiego uzyskania zadanych parametrów pracy urządzenia chłodniczego niskotemperaturowego podczas jego rozruchu zawór cieczowy (Zc) dozuje azot w postaci ciekłej, - w przypadku awarii zaworu gazowego (Zg) możliwe jest też zasilanie wężownic (6) i (9) przez zawór cieczowy (Zc), a w celu unikania zjawiska wypuszczania azotu o zbyt niskiej temperaturze zasilania na wylocie z wężownicy (9) zainstalowano grzałkę (13), do podgrzewania.

7. Sposób według zastrz.6, znamienny tym, że ciecz chłodząca (7) o stężeniu 98% i wyższym znajdująca się w zbiorniku (5) to etanol rektyfikowany lub butanol, lub metanol, lub aceton.

8. Sposób według zastrz.6 znamienny tym, że zimny azot jest ciekły lub gazowy.