CN100541079C - 快速冷冻装置和快速冷冻方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种快速冷冻装置和方法，其使得能够防止在要被冷冻物品和其冷冻储藏区内部气体之间的细微反应，由此尽可能防止要被冷冻物品的变形和变质，并且长期地以高标准冷冻保存维持其新鲜度和质量的物品，并由此适合于存活组织的长期保存。本发明中，一种快速冷冻装置包括：冷冻储藏区(11)，其具有用于放入或拿出要被冷冻物品的门(3)；制冷器(17)，其能够降低冷冻储藏区内部温度到等于或低于大约-30℃；压力调节器(60)，其能够调节在冷冻储藏区内部的气压；以及通风机(31)，其用于以1到5m/sec的风速朝向在冷冻储藏区内部放置的要被冷冻物品发送冷空气。压力调节器(60)包括用于检测冷冻储藏区内部温度的启动控制器(68)；如果检测的内部温度等于或大于预定温度，那么启动降压器(62)降低内部气压到等于或小于大气压的压力；并且当内部温度降低到预定值以下时，停止降压器(62)并且启动加压器(61)增加内部气压到等于或大于大气压的压力。

Description

快速冷冻装置和快速冷冻方法
技术领域
本发明涉及一种快速冷冻装置和快速冷冻方法，其使得能够尽可能抑制需要长时间保存的冷冻物品(例如，食品、食品成分、药品、药、活体组织或存活细胞)的变形和变质。
背景技术
传统上，已经研发了不同的冷冻方法和冷冻装置，以便实现食品或食品成分的储藏，同时以高标准保持其新鲜度和质量。作为使得即使存活细胞都能够冷冻保存/储藏的技术，国际专利公开No.WO01/024647揭示了一种快速冷冻方法和装置，其已经由本申请的发明人提出。
该快速冷冻装置包括冷冻储藏区，其能够降低储藏区内部温度到-30℃到-100℃；波动磁场发生器，其用于施加单向磁场，其强度相对于设定作为参考值的任意固定值、在正和负两个方向上、在预定范围内波动；用于以1到5m/sec的风速循环在冷冻储藏区中的冷空气的风速；声波发生器，其将处于音频范围内的声波叠加到由风速循环的冷风上；以及电磁发生装置，其用于施加电场到冷冻储藏区内部。
该冷冻装置在保存食物成分或食品中获得显著的结果，同时保存其新鲜度。
参考文献1：国际专利公开No.WO01/024647
发明内容
本发明要解决的问题
同时，在最近几年，要被冷冻物品不限于食品和食物成分，并且其范围已经极大地扩展到包括药品、药、存活组织、存活细胞等等。因此，已经产生强烈需求来研发一种能够更有效防止变形和变质的冷冻保存方法和冷冻装置。
例如，考虑到存活组织，如下处理将变得可行，其中存活组织的保存期设定为几年到几十年的长期，并且存活组织随后用于再生治疗。具体地说，在牙科领域，牙齿再生十分接近实际应用，也即当人还年轻时拔出人的牙齿例如智齿，冷冻保存它几十年以上，并且然后使用它用于再生治疗。
然而，当目的是如上述在长时间冷冻保存存活组织/细胞等等以便执行移植或再生治疗时，即使上述此前的快速冷冻技术还不足够有效地抑制变形和变质，并且该技术留有发展空间。也就是说，随后的调查和研究已经揭示如果目的是再生治疗的话，有必要抑制甚至由冷冻和保存过程中进行的在要被冷冻物品和围绕物品的保藏大气中气体之间的细微反应例如水蒸发或氧化所引起的，或者由从物品自身发出的有害物质等等所引起的变形和变质。
考虑到上述情况已经设计了本发明，并且其目的在于提供一种快速冷冻装置和快速冷冻方法，使得能够抑制即使在要被冷冻物品和围绕要保护物品的保藏大气中气体之间的细微反应，尽可能地抑制要被冷冻物品的变形和变质，并且长时间地以高标准冷冻保存维持其新鲜度和质量的物品，并由此应用于长期保存存活组织。
解决问题的手段
为了获得前面的目的，根据本发明的快速冷冻装置和快速冷冻方法包括一个或多个下面的特征：
根据本发明的快速冷冻装置包括冷冻储藏主体，其带有用于放入或拿出要被冷冻物品的门；制冷器，其能够降低冷冻储藏区内部温度到等于或低于大约-30℃；压力调节器，其能够调节在冷冻储藏区内部的气压；以及通风机，其用于以1到5m/sec的风速发送冷空气到在冷冻储藏区中放置的要被冷冻物品。
在一些实施例中，压力调节器可以是加压器，其通过供应加压气体到冷冻储藏区内部而将内部气压增加到等于或大于大气压的压力。
在其他实施例中，压力调节器可以是降压器，其通过抽出内部气体而将内部气压降低到等于或小于大气压的压力。
在再其他的实施例中，压力调节器可以包括加压器和降压器，该加压器通过供应加压气体到冷冻储藏区内部而将内部气压增加到等于或大于大气压的压力，并且降压器通过抽出内部气体而将内部气压降低到等于或小于大气压的压力。
优选地，压力调节器可以包括用于检测冷冻储藏区内部温度的启动控制器；如果内部温度等于或大于预定温度，那么启动降压器降低内部气压到等于或小于大气压的压力；并且当内部温度降低到预定值以下时，停止降压器并且启动加压器增加内部气压到等于或大于大气压的压力。
在一些实施例中，加压器可以包括加压泵，并且加压泵的气体导入路径可以连接到循环路径上，冷冻储藏区内部的气体通过上述循环路径进行循环。
在一些实施例中，降压器可以包括抽吸泵，并且抽吸泵的排放侧可以连接到循环路径上，抽吸的气体通过上述循环路径循环到冷冻储藏区内部。
在其他实施例中，加压器可以包括加压泵并且降压器可以包括抽吸泵，并且抽吸泵的排放侧可以连接到循环路径上，抽吸的气体通过上述循环路径循环到加压泵的气体导入路径。
而且，杀菌器可以提供在加压器的气体循环路径上。
类似地，杀菌器可以提供在降压器的气体循环路径上。
而且，氧气吸收器可以提供在加压器的气体循环路径上。
类似地，氧气吸收器可以提供在降压器的气体循环路径上。
而且，用于选择和供应任意适合于要被冷冻物品的气体例如氮气的气体供应源可以提供到加压器的气体循环路径。
该快速冷冻装置可以进一步包括气体导入器，当打开冷冻储藏区的门时，其用于将任意适合于要被冷冻物品的气体例如氮气供应到冷冻储藏区内，以便增加内部气压返回到大气压水平。
该快速冷冻装置可以进一步包括气体帘单元，其提供在冷冻储藏区的门开口附近，用于从上侧朝向下侧产生分层气流，其中当门打开时，分层气流防止外部气体与内部气体混合。
而且，氧气吸收器可以设置在冷冻储藏区。
而且，杀菌器可以设置在冷冻储藏区。
优选地，冷冻储藏区可以包括静态磁场发生器，其用于将具有任意固定值强度的静态磁场施加到在冷冻储藏区内部的要被冷冻物品；波动磁场发生器，其用于给在冷冻储藏区内部的要被冷冻物品施加波动磁场，该波动磁场相对于作为参考值设定的任意固定值在正和负方向上在预定范围内波动；电场发生器，其用于施加电场到在冷冻储藏区内部的要被冷冻物品；以及声波发生器，其用于将处于音频范围内的声波叠加到冷空气上。
根据本发明的快速冷冻方法包括维持大约-30℃或更低的温度作为冷冻储藏区内部温度，该冷冻储藏区包括用于放入和拿出要被冷冻物品的门；增加冷冻储藏区内部的气压到大于大气压的气压；以及在以1到5m/sec的风速发送冷空气到放在冷冻储藏区中的要被冷冻物品的同时冷冻要被冷冻物品。
根据本发明的另一快速冷冻方法包括维持大约-30℃或更低的温度作为冷冻储藏区内部温度，该冷冻储藏区包括用于放入和拿出要被冷冻物品的门；降低冷冻储藏区内部的气压到低于大气压的气压；以及在以1到5m/sec的风速发送冷空气到放在冷冻储藏区中的要被冷冻物品的同时冷冻要被冷冻物品。
优选维持大约-30℃或更低的温度作为冷冻储藏区内部温度，该冷冻储藏区包括用于放入和拿出要被冷冻物品的门；降低冷冻储藏区内部的气压到低于大气压的气压，直到冷冻储藏区内部的气体温度降到预定温度为止；一旦内部温度降到预定温度，则增加内部气压到等于或大于大气压的压力；以及在以1到5m/sec的风速发送冷空气到放在冷冻储藏区中的要被冷冻物品的同时冷冻要被冷冻物品。
在增加内部气压过程中，优选压缩任意适合于要被冷冻物品的气体例如氮气并且供应它进入冷冻储藏区。
在降低内部气压过程中，优选用抽吸泵抽吸冷冻储藏区内部气体以便降低气压；并且在开门过程时，供应任意适合于要被冷冻物品的气体例如氮气进入冷冻储藏区，以便增加内部气压返回打开门之前的大气压水平。
在打开门的过程中，优选由在门开口附近提供的气体帘单元从上侧朝向下侧产生分层气流，其中该分层气流防止外部气体与内部气体混合。
发明效果
根据如上构造的本发明的快速冷冻装置和冷冻方法，可以长时间冷冻保存要被冷冻物品，同时尽可能地抑制其变质。
更具体地说，通过使用压力调节器调节冷冻储藏区内部气压以便降低内部压力到等于或小于大气压的压力，变得能够减少在冷冻储藏区大气中有害气体例如氧气的量，并且排放和消除从要被冷冻物品自身排出的有害气体，使得变得能够冷冻要被冷冻物品，同时尽可能地抑制物品氧化及由有害气体引起的变质。
而且，通过降低气压，能够方便温度下降，使得变得能够加速冷却到预定温度并因此尽可能提高操作效率。
另一方面，通过增加内部气压到等于或大于大气压的压力，变得能够抑制在要被冷冻物品细胞中的水的蒸发，并且防止物品干燥。因此，能够尽可能地防止变质。
在以上加压中，例如，供应低氧水平或者根本没有氧的气体，例如加压氮气以便增加内部气压。这有助于减少在冷冻储藏区中有害气体的集中或者氧气水平，使得变得能够冷冻物品，同时尽可能抑制由有害气体或氧气引起的变质。这里，加压泵可以用作加压器，或者例如通过使用高压氮气槽，无害气体可以直接从高压槽供应。
通过为冷冻储藏区内部气体提供循环路径，变得能够在冷冻储藏区内部循环已经冷却的空气，由此促进冷冻操作的效率并且提供一种节能冷冻系统。另外，通过在循环路径上提供氧气吸收器和杀菌器，能够方便返回气体的净化，并且变得能够进一步提高在长保存期内维持高质量的效果。
同时，在放入或拿出要被冷冻物品时应当注意，使得在打开门时包含在外部空气中的有害气体、细菌、灰尘等等不流入冷冻储藏区内。通过保持冷冻储藏区内部处于加压状态，这能够获得而没有任何特别的注意。
而且，通过在冷冻储藏区内部靠近其门设置气体帘单元，能够更可靠地防止这种不期望的流入，上述气体帘单元使用具有类似于内部大气的状况的气体。该气体帘单元可以用于冷冻物品，同时仅仅执行降压。
而且，组合降压和加压可以是有用的，也即，当开始冷冻操作时，为了执行冷冻同时降低内部气压到小于大气压的压力，直到冷冻储藏区内部温度降到预定温度(例如，-30℃)为止，并且此后，增加内部气压到大于大气压的压力。由降压和加压带来的效果组合来产生协同效果，这有助于更有效的抑制保存物品的变质。另外，可以有效和容易地将冷冻储藏区内部的氧气更换为诸如氮气之类的无害气体。
根据本发明，在冷冻储藏区中快速冷冻物品的过程中，单向磁场施加给要被冷冻物品。从而，该磁场使得能够在一个方向上指向磁矩，磁矩由构成要被冷冻物品的分子以及包含在其内的自由水分子的电子自旋和原子核自旋产生。从而冷能够快速传递到要被冷冻物品的内部。也即，在冷却过程中产生的在要被冷冻物品中内部和表面温度之间的差别，也即冷却的不均匀性能够相当大地减少，以便实现快速冷却。
由于在磁场施加给要被冷冻物品的同时执行冷却，在要被冷冻物品内的自由水能够进入超冷状态。(同时，此时，磁场的应用引起自由水簇变小，并由此促使簇与食品基质的水合以便形成水合结构。因此，在要被冷冻物品中自由水的量减少，并由此进一步促使超冷。)进一步的冷却将引起处于超冷状态的自由水发生冷冻，但是由于等于固化(形成冰)潜热的热量已经被去除，冷冻能快速进行。因此，能够极大缩短从冷冻开始到结束的时间。
由于以上两种效果的组合，冷冻过程快速通过0到-20℃的温度范围，其中在冷冻过程中晶体易于生长。因此防止自由水的冰晶体生长得太大和粗，并且相反变小和细。通过这些小和细的冰晶体，可以尽可能防止在冷冻过程中要被冷冻物品的细胞结构的破坏，并由此当解冻时抑制流滴并且以高标准保存新鲜度。
而且，由于磁场波动，磁通量改变并且电磁感应在要被冷冻物品内部产生。然后，通过由电磁感应引起的感应电动势，在其内产生自由电子。要被冷冻物品由这些自由电子还原并且防止氧化。
根据本发明，要被冷冻物品由具有1到5m/sec风速的冷空气冷却，并且处于音频范围内的声波叠加到冷空气上。由于声波叠加到接触要被冷冻物品的冷空气上，由声波引起的气压的轻微改变能够有效地搅起空气边界层，该空气边界层在要被冷冻物品的表面上或者放置要被冷冻物品的面板的表面上形成，并且其阻止热传递。因此，提高热传递并且加速由冷空气引起的要被冷冻物品的冷却，由此使得温度快速下降。因此，冷冻过程能够快速通过0到-20℃的温度范围，其中自由水的冰晶体变粗大。因此，能够防止冰晶体生长得太大。
由于冷空气的风速设定在1到5m/sec的范围内，可以实现足够有效于加速冷却率的对流热传递，同时通过保持在要被冷冻物品表面上的粘附水膜免于蒸发，防止在要被冷冻物品的表面上的氧化。也即，当风速太低时，在冷空气和要被冷冻物品之间的热传递将很少，因此使得难于使用快速温度下降来获得冷冻；然而，由于风速是1m/sec或更大，能够尽可能避免该问题。另一方面，当风速超过5m/sec，粘附水膜将蒸发并且要被冷冻物品的表面将露出，引起表面的氧化；然而，由于风速是5m/sec或更低，也能够避免该问题。
当电场施加给要被冷冻物品时，对在冷冻储藏区内的水分子和氧分子给出电子，并由此转化为带电子水(H2Oe)或过氧化负离子(O2 -)。该带电子水和过氧化负离子产生氢氧自由基等等，由其能够破坏细胞膜或诸如细菌之类的微生物。从而，通过在冷冻过程中施加电场，能够显著减少存活微生物的数目，抑制要被冷冻物品的腐败。
总的来说，根据本发明，在调节气压的同时执行冷冻，例如增加内部压力到大于大气压的压力，降低内部压力到低于大气压的压力，或者降低它并随后增加它，以及施加波动磁场和电场到冷冻储藏区内部并且也发送叠加有声波的冷空气到要被冷冻物品。这些布置使得能够尽可能抑制由在冷冻保存过程中、在要被冷冻物品和围绕物品的保存大气中的气体之间产生的细微反应，例如水蒸发和氧化，或者由从物品自身发出的有害物质等所引起的变质和变形，并因此使得能够实现适合于存活组织的长期保存的冷冻保存。
附图说明
图1是示意图，说明了根据本发明的快速冷冻装置的冷冻储藏区内部的中间截面。
图2是示意图，说明了包括根据本发明的快速冷冻装置的冷冻储藏区和开/关门的横截面。
图3A示出在使用根据本发明的快速冷冻装置和方法冷冻保存之后解冻的鲭鱼的电子显微镜图像，并且图3B示出在使用传统的快速冷冻装置和方法冷冻保存之后解冻的鲭鱼的电子显微镜图像。
图4A示出在使用根据本发明的快速冷冻装置和方法冷冻保存之后解冻的龙虾的电子显微镜图像，并且图4B示出在使用传统的快速冷冻装置和方法冷冻保存之后解冻的龙虾的电子显微镜图像。
参考数字的说明
1   快速冷冻装置
3   要被冷冻物品
11  冷冻储藏区
13  主体
13c 门
17  制冷器
21  波动磁场发生器
21a 静磁场发生器
21b 动磁场发生器
31  风扇(通风机)
41  声波发生器
51  电场发生器
60  压力调节器
61  加压器
61a 加压泵
61b 气体导入路径
62  降压器
62a 吸入泵
63  循环路径
65  气体净化器(杀菌器、氧气吸收器)
66  气体供应源
67  气体导入器
68  启动控制器
70  气体帘单元
具体实施方式
参照附图将在下面详述本发明的优选实施例。图1和2是示意图，示出根据本发明的超快速冷冻装置的示意性实施例。图1是其冷冻储藏区内部的中间截面，而图2是其截面的侧视图。
如图1和2所示，本发明的超快速冷冻装置1包括能够实现内部温度-30℃到-100℃的冷冻储藏区11；用于施加波动磁场到冷冻储藏区11内部的中间部分的波动磁场发生器21，该波动磁场相对于设定作为参考值的任意固定值例如100Gs，在正和负方向上波动5Gs；风扇31，其用作以1到5m/sec的风速在冷冻储藏区11中循环冷空气的通风机；用作声波发生器的声波发生装置41，用于叠加声波到由风扇31循环的冷空气上，该声波具有2Pa的声压等级和10-2W/m2的声强等级并且处于音频范围内；以及用作电场发生器的电场发生装置51，用作施加100到1000kV/m范围的电场到冷冻储藏区11内部的中间部分。
冷冻储藏区11包括主体13和用于冷却主体13的制冷器17，该主体13在其前部具有开/关门13c，其能够密封地闭合并且基本上呈矩形立体形状。
制冷器17采用典型的制冷循环，其中压缩机17a、冷凝器17b、膨胀阀(或毛细管)17c和蒸发器17d顺序循环连接在一起，并且制冷剂在其内循环。产生冷空气的蒸发器17d和膨胀阀17c布置在主体13内部，同时压缩机17a和冷凝器17b放在冷冻储藏区的外部。
主体13具有双壁结构，包括限定冷冻储藏区内部空间的冷冻腔限定壁13a和以一定距离离开并围绕壁13a以便限定外部的外壁13b。绝热材料(未示出)布置在外壁13b和冷冻储藏区限定壁13a之间，并且红外线吸收材料(未示出)涂覆在冷冻腔限定壁的整个内表面上，以便提高在冷冻储藏区内部的冷却效率。
架19设置在冷冻储藏区内部的基本中间部分，诸如食品成分或食品之类的要被冷冻物品3放在该架19上。该架19包括格栅状框架19a，其中彼此相对放置的基本U形门架由诸如角铁之类的杆状构件连接在一起；以及面板19b，其由在垂直方向上以合适间隔固定到框架19a上的结合构件19c支撑。面板19b依次在其上支撑要被冷冻物品3。面板19b可拆卸-可安装地结合到结合构件19c上以便在框架19a中形成几个可拆卸/可安装的搁板。在图1中前述的蒸发器17d放置在架19的右侧上。
通过几次折叠铜管而形成蒸发器17d。冷冻储藏区的内部在流动通过蒸发器的制冷剂的蒸发期间由潜热冷却，也即，冷空气由蒸发器17d产生。蒸发器17d通过管路或者其他方法循环连接到前述外部压缩机17a和冷凝器17b和膨胀阀17c上，并且构建实现-30℃到-100℃的内部温度的制冷循环。
用作在冷冻储藏区内部循环冷空气的通风机的风扇31布置在架19的两侧上。在一侧上的风扇31位于蒸发器17d的前面并且朝向由架19支撑的要被冷冻物品3水平地传送由蒸发器17d冷却的冷空气。为了将均匀速率的冷风供应给每个要被冷冻物品3，在垂直和深度方向上以合适间隔布置多个风扇31。在要被冷冻物品3处的风速在1到5m/sec的范围内可调节，并且主要取决于要被冷冻物品的类型而确定。
由于冷空气具有1到5m/sec范围内的风速，能够实现足够有效加速冷却率的对流热传递，同时通过在要被冷冻物品的表面上保持粘附水膜免于蒸发，从而防止在要被冷冻物品表面上的氧化。也即，当风速太低时，对流热传递将不再有效并且在冷空气和要被冷冻物品之间的热传递会很少，因此使得难于获得快速冷冻；然而，由于风速是1m/sec或更大，该问题能够尽可能避免。另一方面，当风速超过5m/sec时，粘附水膜将蒸发并且要被冷冻物品的表面将会露出，引起表面氧化；然而，由于风速是5m/sec或更小，也能够避免该问题。
在冷却要被冷冻物品3的同时加热冷空气自身。从而，形成循环路径使得在与要被冷冻物品3接触之后，空气在相反侧上沿着冷冻腔限定壁的表面上升，并且沿着天花板的底表面和在制冷器17后面的冷冻腔限定壁的表面移动，并且随后返回到蒸发器17d。
声波发生装置41正好设置在作为上述循环路径一部分的天花板底表面下面。该声波发生装置41使用连接到50或60Hz的商业AC电源上的电磁线圈(未示出)的振动通过产生空气振动而产生声波。如此产生的声波是处于音频范围内的低频声，其包括等于商业AC电源频率的频率，也即50或60Hz，以及其整数倍频率的和谐陪音。该声波叠加到循环冷空气上并且进入与要被冷冻物品3接触。该声波引起气压的稍微改变并由此搅起在要被冷冻物品3的表面上以及在放置要被冷冻物品3的面板19b的表面上形成的空气边界层。该空气边界层阻止热传递，使得搅起促进热传递。
由于使用在音频范围内的声波，能够尽可能地防止在要被冷冻物品3的表面上的氧化，而不引起在要被冷冻物品3的表面上形成的粘附水膜的破坏。换句话说，可以防止在要被冷冻物品3的表面上形成的粘附水膜的脱落，当频率太高例如在超声波范围内时，上述现象将会产生。
优选使用2×10-4Pa到60Pa的声压等级和10-10W/m2到10W/m2声强等级的声波。使用在这些范围内的声波将防止粘附水膜脱落以及发出噪音，同时使得有效搅起空气边界层。
前述电场发生装置51包括直接放在架19的各个面板19b上的电极板；直接放在最下面板19b下面的电极板；高压交流电压发生器51c，其连接到电极板的每另一个板上，以便施加交变高压电压或高压交流电压；以及接地部分51d，其连接到未连接到高压交流电压发生器51c的其余电极板上。电极板广义地分组为通过高压交流电压发生器51c施加高压交流电压的第一电极板51a和通过接地部分51d接地的第二电极板51b，第一和第二电极板51a、51b在垂直方向上交替放置。当高压交流电压给予第一电极板时，其方向周期性倒转的电场在第一电极板和在其上下侧上面向该第一电极板的第二电极板之间的空间内产生，并且电场在垂直方向上施加到放在该空间中在面板19b上的要被冷冻物品3。这里应当指出由于第一和第二电极板交替放置，要施加给要被冷冻物品3的电场在相反方向上施加给垂直相邻的搁板，如在图1中虚线所示。(由于高压交流电压给予第一电极板，由虚线指示的电场方向周期性倒转。)第一电极板51a固定到框架19a上，同时在它们之间具有电绝缘体(未示出)，使得除了它们连接到高压交流电压发生器51c之外它们完全电绝缘。类似地，第二电极板51b固定到框架19a上，同时它们之间具有电绝缘体(未示出)，使得除了它们连接到接地部分51d之外它们完全电绝缘。
电场的强度取决于施加给第一电极板51a的高压交流电压，以及在电极板51a和面板19b之间的距离，并且根据要被冷冻物品3的类型通过改变高压交流电压，调节该强度处于100到1000kV/m的范围。另外，调节高压交流电压以便相对于时间正弦改变。
当电场施加给冷冻储藏区内部时，对在冷冻储藏区内的水分子和氧分子给出电子，并由此转化为带电子水(H2Oe)或过氧化负离子(O2 -)。该带电子水和过氧化负离子产生氢氧自由基等等，由其能够破坏细胞膜或诸如细菌之类的微生物。从而，通过在冷冻期间施加电场，可以实现抗菌效果，防止要被冷冻物品3的腐败并且保持其高质量。应当指出，尽管在要被冷冻物品3的表面上的细胞也由氢氧自由基破坏，但考虑到要被冷冻物品的整体细胞，该数量是可忽略的。
如更早所述的，优选地，在100到1000kV/m的范围内调节电场强度。这是因为如果其小于100kV/m，产生的氢氧自由基的数目将会太少而对于防腐作用没有效果，而如果大于1000kV/m，放电风险将变得更高。然而，在实际应用中，2kV/m到60kV/m范围内的强度是合适的。
波动磁场发生器21包括静态磁场发生器21a，其用于施加静态磁场到冷冻储藏区11内部的中间部分；以及动态磁场发生器21b，其用于施加波动磁场到冷冻储藏区内部的中间部分，上述波动磁场具有数量为静态磁场强度5％的振幅并且相对于静态磁场在正和负方向上波动。静态磁场发生器21a是永磁铁21a，其由具有1500Gs强度的铁素体板制成并且形成为1.0m×0.1m×0.05m的矩形带条。其长侧中之一具有N极的极性，并且另一长侧具有S极的极性。多个永磁铁21a以适当分开的关系放置在冷冻腔限定壁13a当中的侧壁的外表面上，同时它们的N极长侧向上。磁铁也放置在另三个侧壁的外表面上，以便具有相同的极性方向，并由此垂直静态磁场施加给在位于冷冻储藏区内部中间部分的架19上的要被冷冻物品3。在当前实施例中，在冷冻储藏区内部中间部分处的静态磁场的强度通过具有1500Gs强度的永磁铁21a而调节到100Gs。然而，通过适当选择永磁铁而能够改变在中间部分处的静态磁场的强度。如果该强度大于地磁场(0.3Gs到0.5Gs)则能够获得由磁场带来的上述效果。从而，磁场可以具有1Gs或更大的任意强度。然后，考虑到在制造永磁铁的限制，设定强度在1到20000Gs的范围内是合适的。
动态磁场发生器是当施加电流时产生磁场的电磁线圈21b。两个电磁线圈21b在冷冻储藏区的相反侧上设置在冷冻腔限定壁13a的外部和侧部上。设置电磁线圈21b使得其轴在垂直方向上延伸，并且当具有某种指定频率的交流行进通过电磁线圈21b时，具有相同频率并且周期性和正弦前后波动的磁场平行于上述静态磁场施加给冷冻储藏区内部的中间部分。静态磁场和非静态磁场也即动态磁场彼此叠加，并由此波动磁场施加给冷冻储藏区内部的中间部分。
例如，在当前实施例中，交流电通过50Hz或60Hz的商业AC电源22施加给电磁线圈21b。然后，产生具有±5Gs强度的动态磁场，其等于静态磁场强度的5％。该动态磁场叠加到具有100Gs强度的静态磁场上，并且具有50Hz或60Hz频率的在95到105Gs范围内正弦波动的波动磁场施加给冷冻储藏区内部的中间部分。
在当前实施例中，磁场的波动范围是振幅等于静态磁场强度5％的范围，也即，相对于静态磁场强度-5％到+5％的范围。然而，更大的振幅更好。然而，考虑到电磁线圈的电消耗，振幅1Gs到100Gs的范围在实际应用中是合适的。
现在，描述磁场的效果。
当在冷却期间磁场施加给要被冷冻物品3时，由构成要被冷冻物品3的分子和其内包含的自由水分子的电子自旋和原子核自旋产生的磁矩通过磁场在一个方向上对齐。这使得能够更快地传冷到要被冷冻物品3的内部。也即，在物品3被冷却时，在要被冷冻物品3的内部温度和表面温度之间的差值，也即冷却非均匀性显著减少，并且甚至内部也得到快速冷却，并因此从冷冻开始到冷冻结束耗费的时间能够尽可能减少。
而且，当磁场施加给要被冷冻物品3之际执行冷却时，在要被冷冻物品3内的自由水进入超冷却状态。(同时，此时，如后面讲述的，磁场的应用引起自由水簇变小，并由此促使这些簇与食品基质的水合，以便形成水合结构。因此，在要被冷冻物品中的自由水的数量减少，并由此促使超冷却。)进一步的冷却将引起发生冷冻，但是由于已经去除了等于固化(形成冰)潜热的热量，冷冻快速进行，并因此要被冷冻物品3的温度快速下降。
因此，以上两种效果一起有助于显著减少从自由水冷冻开始到其结束消耗的时间，也即，冷冻过程快速通过0到-20℃的温度范围，其中该范围的冰晶体容易生长。因此防止自由水的冰晶体生长得太大和粗，并且相反地变得小和细。通过这些小和细的冰晶体，能够尽可能防止在冷冻过程中要被冷冻物品3的细胞结构破坏，并由此当解冻时防止流滴并以高标准保藏新鲜度。
一般，通过与极性基氢结合，水簇转化为粘附水，极性基浮在构成要被冷冻物品3的蛋白质的第三结构的外部上。施加磁场引起作为自由水分子的集合的水簇分解为小集团，并且随后小簇紧密和均匀地附着到第三结构的外表面上，以便形成信封状覆盖物。也即，小簇以单分子层状方式均匀附着在整个外表面上，以便形成粘附水膜。如此形成的粘附水膜防止第三结构也即要被冷冻物品3氧化，并且能够以高标准保藏其新鲜度。
通常，上述粘附水不冷冻，因为粘附水强烈接近第三结构，并因此其冷冻点下降到-10到-100℃的范围。通过形成小簇，自由水完全粘附到第三结构的外表面，并且从而，多数自由水转化为粘附水。因此，自由水的绝对量减少，并变得能够间接防止自由水晶体生长得太大和粗。
而且，通过波动磁场，可能减少抵抗静态磁场作用的反作用，也即去磁场作用，并且使得通过施加主磁场而给予的功能更有效运行，并相当大地提高磁场的以上解释的效果。
进一步地，通过波动磁场，改变磁通量，并且在要被冷冻物品内产生电磁感应。然后，通过由电磁感应引起的感应电动势在其内产生自由电子。因此，通过这些自由电子还原要被冷冻物品并防止氧化。
至今已经描述的当前实施例的冷冻装置1与在这里作为现有技术提供的国际专利公开No.WO01/024647中、由本申请的申请人揭示的装置具有相同的特征和构造。然而，根据本发明的冷冻装置1包括后面将描述的附加特征。
冷冻储藏区11进一步包括压力调节器60，其能够调节在冷冻储藏区内的气压。压力调节器60包括增加在冷冻储藏区11内气压的功能，或者相反地，包括降低气压的功能。优选地，压力调节器60可以包括增加和降低气压的两种功能。在当前实施例中，压力调节器60包括加压器61，其通过供应加压气体到冷冻储藏区11内部而增加在冷冻储藏区11内部的气压，使得气压超过大气压；以及降压器62，其通过抽出储藏区11内部的气体而降低冷冻储藏区11内部的气压，使得气压变得低于大气压。
具体地说，在当前实施例中，加压泵61a用作加压器61。加压泵61a的排放侧通过压力调节阀61c与冷冻储藏区11的内部连通，并且压力计61d提供在排放侧连通路径上，以便监测加压水平。
类似地，在当前实施例中，抽吸泵62a用作降压器62。抽吸泵62a的进口侧通过压力调节阀62c与冷冻储藏区11的内部连通，并且压力计62d提供在进口侧连通路径62b上，以便监测降压水平。
提供管63a，其将抽吸泵62a的排放侧与加压泵61a的空气导入路径61b连接，形成气体循环路径63，在冷冻储藏区11内部的气体通过该气体循环路径63循环。气体净化器65提供在气体循环路径63上，并且提供开/关阀64分别靠近抽吸泵62a的排放侧和加压泵61a的气体导入路径61b。气体净化器65消除包含在循环内部气体中的细菌，并减少其内的氧气量，并且氧气吸收器和杀菌器提供在净化器65中，以便存在于其他循环路径上。作为杀菌器，可以采用银。例如通过在气体循环路径的内表面上涂覆银而提供作为杀菌器的银。同时，额外的杀菌器和氧气吸收器可以提供在冷冻储藏区11内部。氧气吸收器(未示出)可以附着到冷冻储藏区11的内壁上，以便用作减少储藏区11内部的氧气水平。另外，杀菌器(例如，银箔或叶)也可以附着到冷冻储藏区11的内壁上。
在这里示出的当前实施例中，气体循环路径63由加压器61和减压器62共享，但是可以平行布置为加压器61和减压器62独立提供的气体循环路径。
而且，在加压泵61a的气体导入路径61b上，气体供应源66平行布置到气体循环路径63上。气体供应源66将根据要被冷冻物品的类型选择的气体例如氮气供应到冷冻储藏区内。该气体供应源66包括多个槽66a，不同气体密封地包含在每一个槽中处于压缩状态；以及用于槽66a的开/关阀66b。根据要被冷冻物品3的类型，槽66a的开/关阀66b选择地打开或闭合，以便通过加压泵61a供应适合于物品3的气体进入冷冻储藏区。在其他实施例中，槽中之一可以由通过在容器内填充氧气吸收器而制成的氧气过滤器更换，使得外部空气能够通过进入，并且包含很少氧气的空气可以供应作为安全气体源。
另一方面，在抽吸泵62a的进口侧上，提供气体导入器67。当储藏区11内部的气压压力低于大气压并且冷冻储藏区11的门13c需要打开时，气体导入源67将根据要被冷冻物品3的类型选择的气体例如氮气供应到冷冻储藏区11内，并且在打开门之前增加气压到与大气压相同的水平。类似于在加压泵61a的侧部上提供的上述气体供应源66，气体导入源67包括多个槽67a，不同气体密封地包含在每一个槽中处于压缩状态；以及用于槽67a的开/关阀67b。根据要被冷冻物品3的类型，槽67a的开/关阀67b选择地打开或闭合，以便供应适合于物品3的气体进入冷冻储藏区11内。该气体导入源67连接压力调节阀62c的上游侧，该压力调节阀62c也用作提供在进口侧连通路径62b上的开/关阀。同时在该源中，槽中之一可以由通过在容器内填充氧气吸收器而制成的氧气过滤器更换，使得外部空气能够通过进入，并且包含很少氧气的空气可以供应作为安全气体源。
在当前实施例中，电磁阀用作开/关阀67b，并且通过操作安装在门或其他部分上的开关(未示出)而打开或闭合该电磁阀，并且例如在打开门之前打开。
压力调节器60进一步包括启动控制器68，其检测冷冻储藏区11内部温度；如果内部温度等于或大于预定温度，则启动减压器的抽吸泵62a，以便降低内部气压到等于或小于大气压的压力；并且当内部温度降低到预定值以下时，停止降压器的抽吸泵62a并且启动加压器的加压泵61a，以便增加内部气压到等于或大于大气压的压力。启动控制器68包括具有微机的控制单元68a，设置在冷冻储藏区内部的压力传感器68b和温度传感器68c，以及操作面板68d。启动器68响应于从传感器68b和68c发送的传感器信号控制抽吸泵62a和加压泵61a的启动。
迎合要被冷冻物品类型数量的多个操作控制程序预先存储在控制单元68a的存储器中。根据通过操作面板68d具体说明的要被冷冻物品的类型，自动选择以及执行操作控制程序。这些操作控制程序大致分为三种操作模式，也即，连续加压操作模式，通过该模式从开始到结束控制单元68a增加冷冻储藏区内部压力到超过大气压的压力；连续降压操作模式，通过该模式从开始到结束控制单元68a降低冷冻储藏区内部压力到低于大气压的压力；以及加压-降压组合操作模式，通过该模式当启动时控制单元68a首先降低冷冻储藏区内部到低于大气压的压力，并且一旦内部温度降到预定值则增加内部压力到高于大气压的压力。诸如要被加压或降压气体类型之类的信息、随时间的气压改变以及压力水平作为控制数据被设定和存储，以便获得冷冻目标的优化条件，例如要被冷冻物品3的类型和冷冻周期的长度。
更具体地说，当连续加压操作模式适合通过操作面板68d输入和设定的要被冷冻物品的类型时，控制单元68a使得加压泵61a连续或者间歇操作以便维持超过大气压的指定内部压力。当连续降压操作模式适合输入和设定的要被冷冻物品的类型时，控制单元68a使得抽吸泵62a连续或者间歇操作以便维持低于大气压的指定内部压力。当加压-降压组合操作模式适合输入和设定的要被冷冻物品的类型时，当启动时，控制单元68a使得抽吸泵62a连续或者间歇操作以便维持指定内部压力低于大气压，直到内部温度降到指定温度为止，并且一旦内部温度降到预定值，那么控制单元68a使得加压泵61a连续或者间歇操作，以便维持指定内部压力高于大气压。
通过连续加压操作模式，要被冷冻物品的表面由加压和冷却气体围绕，同时冷渗入要被冷冻物品的内部，使得防止在冷冻过程中产生的氧化并且减少变形。通过连续降压操作模式，可以积极地抽吸从要被冷冻物品3的表面和内部释放的促使变质气体，使得可以少变质和变形地完成冷冻。而且，通过降压模式，冷却能够更快地到达要被冷却物品3的内部，使得能够尽可能地防止组织和细胞变形。而且，在从要被冷却物品3释放的气体影响靠近它的另一物品3之前，能够排出该气体，使得能够消除在每个要被冷却物品3和其邻接物品3之间的有害影响。
通过加压-降压组合操作模式，其中使用抽吸泵62a首先降低冷冻储藏区内部的压力及其氧气量，并且随后使用加压泵61a增加内部压力，组合由降压和加压带来的上述质量保持效果，以便产生协同效果，这有助于更强地防止变质和变形。同时，在加压中，替代使用空气，根据要被冷却物品选择的气体例如氮气可以被加压和压缩，并随后积极地供应。通过该布置，变得能够有效和容易地将冷冻储藏区内部气体与具有更少有害成分的气体更换。
图2是示意图，说明了包括根据本发明的快速冷冻装置的冷冻储藏区和开/关门的横截面。如图2所示，开口在冷冻储藏区11的主体13的前表面上形成，以便放入或拿出要被冷冻物品3。开/关门13c提供给该开口以便露出和盖住开口。
同时，具有如下可能性，使得在打开门13c以便放入或拿出要被冷冻物品3时，外部空气与灰尘等等一起会流入冷冻区域内。有必要防止这种不期望的流入，以便维持内部气体在任意时间处于清洁和优化状态。这里，如果内部压力大于外部压力，则内部气体流出冷冻储藏区，并且只要加压泵61a连续供应气体，就没有必要担心外部气体流入。然而，如果内部压力等于或低于外部压力(大气压)，应当注意防止外部空气流入。
然后，作为该问题的一种措施，在靠近其门开口的冷冻储藏区中，提供气体帘单元70，其从上侧流动到下侧的分层气流A。当门13c打开时，气流A防止外部气体与内部气体混合。气体帘单元70包括气体供应源71、用于加压从气体供应源71供应的气体的加压器72、用于将由加压器72加压的气体引导到冷冻储藏区11的开口上边缘的排放管73、包括位于冷冻储藏区11的门开口下边缘处的抽吸端口74a的抽吸管74、在排放管73的顶端处抽出从排放端口73a送出的气体的抽吸端口74a、以及通过抽吸管74用于抽出从排放端口73a送出气体的抽吸器75。排放管73分支，并且抽吸管74也与管73一样分支有相同数量的分支(未示出)。排放端口73a分别在管73的顶端处形成，并且抽吸端口74a分别在管74的顶端处形成。端口73a和74a沿着门开口的侧向方向对齐，使得每个端口73a相对于每个端口74a垂直定位。开/关阀76分别提供在排放管73和抽吸管74中。同时，开/关阀76提供在连接气体供应源71和加压器72的管中。
在当前实施例中，采用电磁阀作为开/关阀76，并且通过操作安装在门13c或其他部分上的开关(未示出)而打开和闭合电磁阀。该相同的开关也能够同步地启动排放泵72和抽吸泵75，并且启动泵72和75以便在打开门13c之前执行打开操作。用于调节内部压力的前述加压泵61a和抽吸泵62a可以额外地用作排放泵72和抽吸泵75。
已经描述了本发明的实施例，本发明不应当解释为由该描述的任意细节限定。在不脱离权利要求的范围的情况下，能够改变和修改当前发明。
图3A示出在使用根据本发明的快速冷冻装置冷冻保存之后解冻的鲭鱼的组织截面的显微镜图像。图3B示出在使用传统的快速冷冻装置冷冻保存之后解冻的鲭鱼的组织截面的显微镜图像。两个图像均使用扫描电子显微镜以300×放大率获取。
通过这些图像的比较能够清楚看到，本发明的冷冻技术的图像示出该组织保藏在良好状态而没有受到破坏。另一方面，传统冷冻技术的图像明显示出剩余在组织细胞中的冰压缩和损坏其周围的组织。在图中示出的黑洞是在组织中形成的冰升华之后的痕迹。
类似地，图4A示出在使用根据本发明的快速冷冻装置冷冻保存之后解冻的龙虾的组织截面的电子显微镜图像。图4B示出在使用传统的快速冷冻装置冷冻保存之后解冻的龙虾的组织截面的电子显微镜图像。
通过这些图像的比较能够清楚看到，本发明的冷冻技术的图像示出该组织保藏在良好状态而没有受到破坏。另一方面，传统冷冻技术的图像明显示出剩余在组织细胞中的冰压缩和损坏其周围的组织。在图中示出的黑洞是在组织中形成的冰升华之后的痕迹。

Claims (19)

1、一种快速冷冻装置，包括：
冷冻储藏区，其具有用于放入或拿出要被冷冻物品的门；
制冷器，其能够降低冷冻储藏区内部温度到等于或低于-30℃；
压力调节器，其能够调节在冷冻储藏区内部的气压；以及
通风机，其用于以1到5m/sec的风速朝向在冷冻储藏区内部放置的要被冷冻物品发送冷空气，
其中，压力调节器包括加压器和降压器，该加压器通过供应加压气体到冷冻储藏区内部而将内部气压增加到等于或大于大气压的压力，并且降压器通过抽出内部气体而将内部气压降低到等于或小于大气压的压力，
其中，压力调节器适合操作于以下三种操作模式，
连续加压操作模式，通过该模式从开始到结束快速冷冻装置的加压器增加冷冻储藏区内部压力到超过大气压的压力，
连续降压操作模式，通过该模式从开始到结束快速冷冻装置的降压器降低冷冻储藏区内部压力到低于大气压的压力，以及
加压-降压组合操作模式，通过该模式当启动时降压器首先降低冷冻储藏区内部到低于大气压的压力，并且一旦内部温度降到预定值则加压器增加内部压力到高于大气压的压力。
2.如权利要求1所述的快速冷冻装置，其中，压力调节器包括用于检测冷冻储藏区内部温度的启动控制器，
如果检测的内部温度等于或大于预定温度，那么启动降压器降低内部气压到等于或小于大气压的压力，并且
当内部温度降低到预定温度以下时，停止降压器并且启动加压器增加内部气压到等于或大于大气压的压力。
3.如权利要求1所述的快速冷冻装置，其中，加压器包括加压泵，并且加压泵的气体导入路径可以连接到循环路径上，冷冻储藏区内部的气体通过上述循环路径进行循环。
4.如权利要求1所述的快速冷冻装置，其中，降压器包括抽吸泵，并且抽吸泵的排放侧可以连接到循环路径上，抽吸的气体通过上述循环路径循环到冷冻储藏区内部。
5.如权利要求1所述的快速冷冻装置，其中，加压器包括加压泵并且降压器包括抽吸泵，并且抽吸泵的排放侧可以连接到循环路径上，抽吸的气体通过上述循环路径循环到加压泵的气体导入路径。
6.如权利要求3所述的快速冷冻装置，其中，杀菌器提供在加压器的气体循环路径上。
7.如权利要求4所述的快速冷冻装置，其中，杀菌器提供在降压器的气体循环路径上。
8.如权利要求3所述的快速冷冻装置，其中，氧气吸收器提供在加压器的气体循环路径上。
9.如权利要求4所述的快速冷冻装置，其中，氧气吸收器提供在降压器的气体循环路径上。
10.如权利要求3所述的快速冷冻装置，其中，气体供应源提供到加压器的气体循环路径，该气体供应源用于选择和供应任意适合于要被冷冻物品的气体。
11.如权利要求1所述的快速冷冻装置，其中，进一步包括气体导入器，当打开冷冻储藏区的门时，其用于将任意适合于要被冷冻物品的气体供应到冷冻储藏区内，以便增加内部气压返回到大气压水平。
12.如权利要求1所述的快速冷冻装置，其中，进一步包括气体帘单元，其提供在冷冻储藏区的门开口附近，用于从上侧朝向下侧产生分层气流，当门打开时，分层气流防止外部气体与内部气体混合。
13.如权利要求1所述的快速冷冻装置，其中，氧气吸收器设置在冷冻储藏区。
14.如权利要求1所述的快速冷冻装置，其中，杀菌器设置在冷冻储藏区。
15.如权利要求1所述的快速冷冻装置，其中，冷冻装置包括：
静态磁场发生器，其用于将具有任意固定值强度的静态磁场施加到在冷冻储藏区内部的要被冷冻物品，
波动磁场发生器，其用于给在冷冻储藏区内部的要被冷冻物品施加波动磁场，该波动磁场相对于作为参考值设定的任意固定值在正和负方向上在预定范围内波动，
电场发生器，其用于施加电场到在冷冻储藏区内部的要被冷冻物品，以及
声波发生器，其用于将处于音频范围内的声波叠加到冷空气上。
16.一种快速冷冻方法包括：
从第一，第二以及第三操作模式中选择一种操作模式；
若选择第一操作模式，
维持-30℃或更低的温度作为冷冻储藏区内部温度，该冷冻储藏区包括用于放入和拿出要被冷冻物品的门，
增加冷冻储藏区内部的气压到大于大气压的气压，以及
在以1到5m/sec的风速发送冷空气到放在冷冻储藏区中的要被冷冻物品的同时冷冻要被冷冻物品；
若选择第二操作模式，
维持-30℃或更低的温度作为冷冻储藏区内部温度，该冷冻储藏区包括用于放入和拿出要被冷冻物品的门，
降低冷冻储藏区内部的气压到低于大气压的气压，以及
在以1到5m/sec的风速发送冷空气到放在冷冻储藏区中的要被冷冻物品的同时冷冻要被冷冻物品；以及
若选择第三操作模式，
维持-30℃或更低的温度作为冷冻储藏区内部温度，该冷冻储藏区包括用于放入和拿出要被冷冻物品的门，
降低冷冻储藏区内部的气压到低于大气压的气压，直到冷冻储藏区内部的气体温度降到预定温度为止，
一旦内部温度降到预定温度，则增加内部气压到等于或大于大气压的压力，以及
在以1到5m/sec的风速发送冷空气到放在冷冻储藏区中的要被冷冻物品的同时冷冻要被冷冻物品。
17.如权利要求16所述的快速冷冻方法，进一步包括，在增加内部气压过程中，压缩任意适合于要被冷冻物品的气体并且供应它进入冷冻储藏区。
18.如权利要求16所述的快速冷冻方法，进一步包括，
在降低内部气压过程中，用抽吸泵抽吸冷冻储藏区内部气体以便降低气压，并且
在开门过程时，供应任意适合于要被冷冻物品的气体进入冷冻储藏区，以便增加内部气压返回打开门之前的大气压水平。
19.如权利要求16所述的快速冷冻方法，进一步包括，在打开门的过程中，由在门开口附近提供的气体帘单元从上侧朝向下侧产生分层气流，该分层气流防止外部气体与内部气体混合。
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