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Title:
METHOD AND DEVICE FOR REFRIGERATING, ESPECIALLY FREEZING, GOODS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1999/010693
Kind Code:
A2
Abstract:
In order to improve heat transfer in freezing processes, goods that are to be refrigerated (12) and a pre-refrigerated body (3, 4) with a high heat capacity are pressed against each other. Heat transfer is improved by means of a device (11) comprising a holding device allowing the goods that are to be refrigerated (12) to be held in such a way that they remain substantially deformation-free and enabling direct contact between the cooling liquid and the goods to be refrigerated (12). Preferably, vertically running channels (17) for the cooling liquid are arranged in between the holding device and the items that are to be refrigerated (12).

Inventors:
HESCHEL INGO (DE)
RAU GUENTER (DE)
Application Number:
PCT/DE1998/002427
Publication Date:
March 04, 1999
Filing Date:
August 20, 1998
Export Citation:
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Assignee:
HESCHEL INGO (DE)
RAU GUENTER (DE)
International Classes:
F25D3/10; F25D31/00; (IPC1-7): F25D31/00
Domestic Patent References:
WO1990009184A11990-08-23
Foreign References:
DE3142521A11983-07-21
DE4437091A11996-04-18
Other References:
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 016, no. 552 (C-1006), 20. November 1992 & JP 04 211351 A (MITSUBISHI KASEI ENJINIARINGU KK;OTHERS: 01), 3. August 1992
Attorney, Agent or Firm:
Castell, Klaus (Schillingsstrasse 335 Düren, DE)
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Claims:
Patentansprüche :
1. Verfahren zum Kühlen, insbesondere Gefrieren, eines Kühlgutes, insbesondere biologischen Materials, bei dem das Kühlgut und ein vorgekühlter Körper mit hoher Wärmekapazität aneinandergepreßt werden.
2. Verfahren nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, da,/3 die Wärmekapazität des vorgekühlten Körpers zumindest so groß gewählt ist, daß das Kühlgut von oberhalb der Erstarrungstemperatur bis auf mindestens18° Celsius gekühlt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da# der Körper eine an die Form des Kühlgutes angepaßte Fläche aufweist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, da# die Fläche poliert ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, da,/ das Kühlgut zwischen mindestens zwei Körpern mit hoher Wärmekapazität gepreßt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, da# der oder die Kühlgutumschlie#en.das.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, da,/3 im Körper ein Kühlfluid geführt wird.
8. Vorrichtung zum Kühlen, insbesondere Gefrieren, eines Kühlgutes, insbesondere biologischen Materials, bei der wenigstens ein vorgekühlter Körper einen Kühlraum für das Kühlgut begrenzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse des vorgekühlten Körpers (3,4) in g (Gramm) zumindest zweieinhalb (2,5) mal so groß ist, wie das Volumen des Kühlraumes (10) in ml (Milliliter).
9. Vorrichtung zum Kühlen, insbesondere Gefrieren, eines Kühlgutes, insbesondere biologischen Materials, mit einer Halterung, die das Kühlgut während des Kühlprozesses im wesentlichen unverformbar hält und mindestens einen Raum bildet, der einen direkten Kontakt zwischen einem Kühlfluid und dem Kühlgut ermöglicht.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktfläche zwischen Halterung und Kühlgut kleiner ist, als die Kontaktfläche zwischen Kühlfluid und Kühlgut.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung Führungskanäle zum Leiten des Kühlfluids aufweist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurclz gekennzeichnet, daß der Einlaß der Führungskanäle tiefer als deren Auslaß angeordnet ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß am Einlaß und/oder Auslaß durchflußbegrenzende, verstellbare Einrichtungen angeordnet sind.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, da,/3 die Halterung das Kühlgut in der Form einer Platte hält.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dafl die Halterung das Kühlgut in der Form eines Zylinders oder Hohlzylinders hält.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, da,/3 eine Kammer vorgesehen ist, in die die Halterung einsetzbar ist und die vorzugsweise beheizbar ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, da,/3 die Kammer einen Zulauf mit Kältefluidpumpe aufweist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dafl die Kammer einen Überlauf und einen Abscheider für flüssiges Kältefluid aufweist.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder Vorrichtung nach einem der ansprüche 8 bis 18 zum Gefrieren von mit einer Flüssigkeit, insbesondere Blutkomponenten, gefüllten Beuteln.
20. Verfahren bzw. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Beutel eine mikroporöse Oberfläche aufweisen.
21. Verfahren nach einem der ansprüche 1 bis 7,19 und 20 oder Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 20, bei dem Körper bzw. Halterung im wesentlichen mit einem konstanten Druck auf das Kühlgut gedrückt werden.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und 19 bis 21 oder Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 21 bei dem Körper bzw. Halterung auf der Seite des Kühlfluids eine mikroporöse Oberfläche aufweist.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und 19 bis 21 oder Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 22, bei dem Körper bzw. Halterung pneumatisch oder hydraulisch an das Kühlgut gedrückt werden.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und 19 bis 23 oder Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper bzw. die Halterung vor Kühlen des Kühlgutes eine Temperatur unterhalb der Erstarrungstemperatur des Kühlgutes aufweisen.
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 23, dadurch gekennzeichnet, da# der Körper bzw. die Halterung vor Kühlen des Kühlgutes eine Temperatur oberhalb der Erstarrungstemperatur des Kühlgutes aufweisen.
Description:
Verfahren und Vorrichtung zum Kühlen, insbesondere Gefrieren eines Kühlgutes Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kühlen, insbesondere Gefrieren eines Kühlgutes, insbesondere biologischen Materials.

Vorrichtungen und Verfahren zum Gefrieren biologischer Materialien sind aus der Kryobiologie bekannt.

In vielen Bereichen der biologischen Probenpräparation sowie der Tiefkühlkonservierung oder Vitrifikation von Zellen, Organen oder Organismen bzw. anderer biologischer Materialien kommt es aus unterschiedlichen Gründen darauf an, die Proben möglichst schnell abzukühlen.

Bei der biologischen Probenpräparation durch Kryotechniken für z. B. histologische Untersuchungen ist es wichtig, die Probenmorphologie trotz der Probenabkühlung möglichst zu erhalten. Hierzu ist eine schnelle Abkühlung notwendig, um das Ausmaß der Eisbildung gering zu halten.

Besonders gut erforscht sind Vorrichtungen zum Gefrieren von Blutzellen. Die Blutkomponenten werden hierbei mit Gefrierschutzadditiven wie beispielsweise Hydroxyethylstärke (HES) oder Glycerin versehen, die erforderlich sind, um eine ausreichend hohe Zellüberlebensrate nach dem Frier-Tau-Prozeß zu erzielen. Die in einem Folienbeutel vorliegenden Blutkomponenten werden in einen Container eingelegt, der anschließend durch Eintauchen in z. B. flüssigen Stickstoff abgekühlt wird.

Um ein großes Oberflächen-Volumenverhältnis am Beutel zu erzielen und Falten und Auswölbungen am Beutel zu vermeiden, wurde in der DE 31 42 521 C2 und der DE A 44 37 091 vorgeschlagen, den Beutel zwischen zwei parallel zueinander angeordneten Platten zu halten und den Beutel mitsamt der Halterung im Stickstofffluid zu kühlen. Eine ähnliche Halterung ist auch aus der WO 90/09184 bekannt.

Die vorbekannten Halterungen haben zwar den Vorteil, daß am Beutel ein hohes Oberflächen-Volumenverhältnis erzielt wird. Nachteilhaft ist jedoch, daß der Wärmeübergang vom Kühlfluid zum biologischen Material durch die Halterung behindert wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art anzugeben, mit denen das Kühlen eines Kühlgutes beschleunigt werden kann.

Diese Aufgabe wird verfahrensmäßig dadurch gelöst, daß das Kühlgut und ein vorgekühlter Körper mit hoher Wärmekapazität aneinandergepreßt werden.

Der vorgekühlte Körper mit hoher Wärmekapazität hat den Vorteil, daß der Körper während der Wärmeaufnahme aus dem Kühlgut zumindest über einen Anfangszeitraum nicht nachgekühlt werden muß, und die hohe Wärmekapazität des Körpers ist so gewählt, daß idealer Weise der Körper die gesamte freigesetzte Wärme aus dem Kühlgut aufnehmen kann, ohne sich maßgeblich zu erwärmen.

Dadurch ist ein Wärmedurchgang vom Kühlgut über den Körper zum Kühlfluid während des schnellen Abkühlvorgangs nicht notwendig.

Vorteilhafterweise kann die Wärmekapazität des vorgekühlten Körpers so groß gewählt werden, daß ein oberhalb der Erstarrungstemperatur temperiertes Kühlgut ohne Nachkühlen auf mindestens-18° Celsius, vorzugsweise auf mindestens-30° Celsius, gekühlt wird. Insbesondere ä#t sich das Verfahren derart führen, daß ein derartiges Kühlgut bis unter die Erstarrungstemperatur gekühlt wird, sogar wenn die Erstarrungstemperatur streng genommen ein gewisses Erstarrungstemperaturintervall abdeckt. Es kann die Wärmekapazität des vorgekühlten Körpers auch so groß gewählt werden, daß ein oberhalb der Erstarrungstemperatur temperiertes Kühlgut ohne Nachkühlen bis unter die Glasübergangstemperatur gekühlt wird. Hierdurch erfolgt der Kühlvorgang in besonders geeigneter Weise, insbesondere auch für eine Vitrifikation.

Um einen besonders guten Wärmeübergang vom gekühlten Körper auf das Kühlgut zu erzielen, werden erfindungsgemäß der gekühlte Körper und das Kühlgut aneinander gepreßt. Die beim Aufeinanderpressen erzeugten Drücke im Bereich von 0,01 bar-4 bar, (vorteilhaft sind 0,1 bar-0,4 bar Überdruck) verbessern den Wärmeübergang vom vorgekühlten Körper auf das Kühlgut. Auch wenn das Kühlgut in einem Folienbeutel vorliegt, wird durch den hohen Druck der Wärmeübergang vom gekühlten Körper auf den Folienbeutel und vom Folienbeutel auf das Kühlgut verbessert.

Durch die Kombination von der Verwendung eines Körpers mit hoher Wärmekapazität und der Anlage des Körpers an das Kühlgut mit hohem Druck, kann eine besonders schnelle Kühlgutabkühlung erzielt werden, so daß bei biologischem Material eine Schädigung des Materials verhindert oder zumindest vermindert wird.

Um eine flächige Anlage zwischen dem gekühlten Körper und dem Kühlgut zu erzielen wird vorgeschlagen, daß der Körper eine an die Form des Kühlgutes angepaßte Fläche aufweist. Bei einem flüssigen, in einem Beutel abgepackten Kühlgut kann der Körper entweder der Beutelform angepaßt sein oder den Beutel in eine bestimmte Form drücken. Ein flüssiges oder verformbares Kühlgut kann dabei beispielsweise zu Platten geformt werden, um die Weglänge des Wärmedurchgangs im Kühlgut zu verringern. Durch eine Verformung der Oberfläche beispielsweise zu einer Welle, kann jedoch die Wärmeübergangsfläche erhöht werden, um einen besseren Wärmeübergang zu erzielen.

Eine weitere Steigerung des Wärmeübergangs zwischen gekühltem Körper und Kühlgut wird dadurch erreicht, daß die Fläche poliert ist. Eine möglichst glatte Oberfläche verhindert einen Lufteinschluß zwischen Kühlgut und gekühltem Körper, der den Wärmeübergang behindern würde.

Um die Geschwindigkeit der Abkühlung weiter zu forcieren, wird vorgeschlagen, da# das Kühlgut zwischen mindestens zwei Körpern mit hoher Wärmekapazität gepreßt wird. Dies erlaubt es, das Kühlgut von mehreren Seiten zu kühlen, um eine schnelle Abkühlung innerhalb des Kühlguts zu erreichen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß sich gegenüberliegende, gekühlte Körper mit sich entsprechenden Oberflächen so auf das Kühlgut gepreßt werden, daß das Kühlgut in einem schmalen, beispielsweise wellenförmigen Spalt liegt.

Um die gesamte Kühlgutoberfläche zu kühlen wird vorgeschlagen, daß der oder die Körper das Kühlgut umschließen. Dies hat den weiteren Vorteil, daß das Kühlgut durch die auf das Kühlgut ausgeübten Kräfte nicht unkontrolliert verformt wird und mit Flüssigkeit gefüllte Beutel nicht platzen.

Sofern die Wärmekapazität des Körpers nicht ausreicht, die geforderte Abkühlrate zu erzielen, wird vorgeschlagen, daß im Körper ein Kühlfluid geführt wird.

Dadurch kann der Körper während der Wärmeaufnahme nachgekühlt werden und au#erdem ist es möglich, den Körper nach der Kälteabgabe durch das in ihm geführte Kühlfluid wieder abzukühlen. Alternativ dazu oder zusätzlich kann der Körper auch selbst im Kühlfluid stehen, so daß er vom Kühlfluid umströmt wird.

Ebenso wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe durch eine Vorrichtung zum Kühlen, insbesondere gefrieren, eines Kühlgutes, insbesondere biologischen Materials, bei der wenigstens ein vorgekühlter Körper einen Kühlraum für das Kühlgut begrenzt, gelöst, dadurch daß die Masse des vorgekühlten Körpers in g (Gramm) zumindest zweieinhalb (2,5) mal so groß ist, wie das Volumen des Kühlraumes in ml (Milliliter).

Durch ein derartiges Verhältnis kann ein hervorragender Kühlvorgang gewährleistet sein, der eine für viele Zwecke ausreichend schnelle Abkühlung des Kühlgutes ermöglicht. Es versteht sich hierbei, daß als Kühlraum derjenige Raum zu verstehen ist, der während des Kühlens durch das Kühlgut eingenommen bzw. von dem vorgekühlten Körper begrenzt wird.

Bessere Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn das vorgenannte Verhältnis

mindestens fünf (5) beträgt. Insbesondere ab einem Verhältnis von dreißig (30), vorzugsweise ab einem Verhältnis von fünfzig (50), ergibt sich eine Vorrichtung, die besonders hohe Abkühlungsgeschwindigkeiten garantiert. Die vorbeschriebenen Vorrichtungen eignen sich insbesondere für Kühlgüter ab lmg Masse aufwärts. Insbesondere eignen sie sich für Kühlgüter über lg bzw. für makroskopische Kühlgüter, wie beispielsweise Kühlkonserven.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auch mit einer Vorrichtung gelöst, die eine Halterung aufweist, die das Kühlgut während des Kühlprozesses im wesentlichen unverformbar hält und einen direkten Kontakt zwischen dem Kühlfluid und dem Kühlgut ermöglicht.

Ebenso löst die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Kühlen, insbesondere Gefrieren, von Kühlgut, insbesondere biologischen Materials, bei welchem das Kühlgut während des Kühlens im Wesentlichen umverformbar gehalten und an mindestens einem Raum mit einem Kühlfluid in unmittelbaren Kontakt gebracht wird.

Der Raum verläuft vorzugsweise wenigstens eine gewisse Strecke entlang des Kühlgutes.

Die erfindungsgemäße Halterung ist so ausgebildet, daß sie insbesondere in Beuteln abgefüllte, flüssige Blutkomponenten in einer für die Abkühlung günstigen Form hält und trotzdem einen direkten Kontakt zwischen dem Kühlfluid und dem Kühlgut ermöglicht. Dadurch wird einerseits das Kühlgut optimal gehalten und andererseits werden die aus dem Stand der Technik bekannten

Probleme des Wärmeübergangs vom Kühlgut durch die Halterung auf das Kühlfluid vermieden.

Um einen guten Wärmeübergang vom Kühlgut auf das Kühlfluid zu erzielen, wird vorgeschlagen, daß die Kontaktfläche zwischen Halterung und Kühlgut kleiner ist als die Kontaktfläche zwischen Kühlfluid und Kühlgut.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung sieht vor, daß die Halterung Führungskanäle zum Leiten des Kühlfluids aufweist. Dies erlaubt insbesondere bei siedenden Kühlmedien eine freie Konvektion oder ein Pumpen des Kühlmediums durch die Kanäle.

Versuche haben gezeigt, daß allein die Konvektion durch Verdampfung innerhalb der beschriebenen Führungskanäle zu einer starken Beschleunigung des Kühlfluids führt, wenn der Einlaß der Führungskanäle tiefer als deren Auslaß angeordnet ist.

Dieser Kamineffekt ist so stark, daß vorgeschlagen wird, am Einlaß und/oder Auslaß durchflußbegrenzende, verstellbare Einrichtungen anzuordnen. Dadurch ist auf einfache Art und Weise eine Steuerung oder Regelung des Kühlfluiddurchlaufs zu erzielen. Die durchflußbegrenzenden verstellbaren Einrichtungen sollten vorteilhaft auch während des Abkühlvorganges verstellbar sein, wodurch die Unterschiede in den Kühlraten vom Rand zur Mitte der Probe ausgeregelt werden können, die ansonsten zu lokal unterschiedlichen Überlebensraten führen könnten.

Ein einfacher Aufbau der Vorrichtung wird dadurch erzielt, daß die Halterung das Kühlgut in der Form einer Platte hält. Insbesondere durch eine beidseitige Abkühlung des plattenförmigen Gefrierguts sind gute Abkühlraten zu erzielen.

Das Kühlgut kann jedoch auch in der Form eines Zylinders gehalten werden und besonders vorteilhaft ist eine Halterung, die das Kühlgut in Form eines Hohlzylinders hält, da dadurch das Kühlgut einen Hohlraum umschließt, der als Führungskanal für das Kühlfluid dienen kann.

Da im Bereich der Siedetemperatur des Kühlfluids beim Blasensieden die beste Abkühlrate zu erzielen ist, wird eine Kammer vorgeschlagen, in die die Halterung einsetzbar ist und die vorzugsweise beheizbar ist. Die Beheizbarkeit der Kammer erlaubt eine genaue Einstellung der Verdampfungsrate des Kühlfluids und damit der Konvektion. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Halterung selbst beheizbar ausgestaltet sein.

Vorteilhaft ist es, wenn die Kammer einen Zulauf mit Kühlfluidpumpe aufweist.

Dadurch ist eine Zwangsströmung des Kühlfluids durch die Kammer und zwischen Kühlgut und Halterung zu erzielen, die den Wärmeübergang vom Kühlgut auf das Kühlfluid verbessert.

Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, daß die Kammer einen Überlauf und einen Abscheider für flüssiges Kühlfluid aufweist. Während das flüssige Kühlfluid zur weiteren Kühlung verwendet wird, wird der gasförmige Anteil des Kühlfluids entweder verworfen oder in einer angeschlossenen Vorrichtung wieder

verflüssigt.

Eine bevorzugte Verwendung des beschriebenen Verfahrens oder der beschriebenen Vorrichtung liegt im Gefrieren von mit einer Flüssigkeit, insbesondere Blutkomponenten gefüllten Beuteln. Diese Beutel sind flexibel in ihrer Form und müssen möglichst schnell heruntergekühlt werden. Obwohl Gefrierschutzadditive die Schädigung der Blutkomponenten einschränken, sollten besonders hohe Kühlraten erzielt werden. Dies ist mit dem beschriebenen Verfahren oder der beschriebenen Vorrichtung auf einfache Weise zu erreichen.

Beim Abkühlen von Körpern und insbesondere beim Abkühlen von Flüssigkeiten ändert sich das Volumen des Kühlguts und bei wäßrigen Systemen zusätzlich noch durch die Kristallisation und es wird daher vorgeschlagen, dal3 der beschriebene Körper bzw. die beschriebene Halterung im wesentlichen mit einem konstanten Druck auf das Kühlgut gedrückt werden. Dies ist beispielsweise durch eine vorgespannte Feder mit flacher Federkennlinie, mit pneumatischen oder hydraulischen Einrichtungen zu erzielen. Insbesondere eine hydraulische oder pneumatische Vorrichtung mit entsprechender Regelung ermöglicht es, den Druck auf das Kühlgut im wesentlichen konstant zu halten. Obwohl die Volumenzunahme bei der Kristallisation durch Regelung des Drucks prinzipiell aufgefangen werden kann, ist es zusätzlich vorteilhaft, den Folienbeutel nicht vollständig zu befüllen, sondern ein Gaspolster oberhalb des Gefriergutes zu belassen, damit die Volumenausdehnung die Beutelschweißnähte nicht zu stark belastet.

Um den Wärmeübergang am Körper bzw. an der Halterung zu verbessern wird

vorgeschlagen, daß bei dem Körper bzw. der Halterung auf der Seite des Kühlfluids eine mikroporöse Oberfläche vorgesehen ist. Zur Bildung einer mikroporösen Oberfläche kann die Oberfläche selbst aufgerauht werden oder es kann eine Klebeschicht mit mikroporöser Oberflaches wie beispielsweise LeukosilkR, auf die Oberfläche aufgebracht werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn diese mikroporöse Schicht direkt am Beutel angebracht ist.

Je nach gewählter Vorrichtung bzw. je nach gewünschtem Kühlverlauf kann der Körper bzw. die Halterung vor Kühlen des Kühlgutes eine Temperatur unterhalb der Erstarrungstemperatur des Kühlgutes aufweisen. Ebenso ist es jedoch auch möglich, daß der Körper bzw. die Halterung vor dem Kühlen des Kühlgutes eine Temperatur oberhalb der Erstarrungstemperatur des Kühlgutes aufweisen.

Mehrere Ausführungsbeispiele zur Erläuterung des beschriebenen Verfahrens und der beschriebenen Vorrichtung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt, Figur 1 schematisch eine Vorrichtung zum Anpressen gekühlter Körper an ein Kühlgut, Figur 2 das Prinzip der waagerechten Kühlgutzuführung, Figur 3 das Prinzip der senkrechten Kühlgutzuführung, Figur 4 schematisch eine Seitenansicht einer Vorrichtung mit einer Halterung mit Kühlrippen,

Figur 5 einen Schnitt durch die Vorrichtung gemäß Figur 4, Figur 6 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur freien Konvektion mit Heizeinrichtung und Figur 7 eine alternative Ausführungsform einer Vorrichtung zur freien Konvektion mit Heizeinrichtung.

Die in Figur 1 gezeigte Vorrichtung 1 dient zur Kühlung eines mit einem Kühlgut befülltem Kühlbeutels 2, der zwischen zwei Platten 3 und 4 gehalten ist. Diese Platten 3 und 4 in einem Kühlraum 10 sind aus Metall, wie Stahl oder vorzugsweise Kupfer, hergestellt und haben eine hohe Wärmekapazität. Ein Pneumatikzylinder 5 ist über eine Kolbenstange 6 mit der Platte 3 verbunden, so daß die Platte 3 parallel gegen den Kühlbeutel 2 mit großer Kraft gedrückt werden kann. Dadurch wird der Kühlbeutel 2 zwischen den Platten 3 und 4 eingeklemmt. Alternativ kann die Führung der Platten 3 und 4 auch durch ein Seilzugsystem bzw. durch ein Zahnrad-, Gelenk-oder Kettengetriebe realisiert werden. Hierdurch kann die Plattenbewegung durch einen außerhalb des tiefkalten Bereichs angeordneten Antrieb, wie durch einen Pneumatikzylinder, erfolgen. Die Platten 3 und 4 sind entweder durch Überströmen mit flüssigem Stickstoff kühlbar oder es wird flüssiger Stickstoff durch die Rohrleitungen 7 durch die Platten geleitet, um die Platten abzukühlen. Zur Steigerung des Wärmeübergangs innerhalb der Rohrleitungen 7 sind die Innenflächen der Leitungen mit einer mikroporösen Schicht 8 überzogen.

Die Verwendung der Vorrichtung 1 ist schematisch in Figur 2 gezeigt. Zunächst

wird mit flüssigem Stickstoff 9 zumindest eine Platte auf die gewünschte Temperatur heruntergekühlt und anschließend wird ein Kühlbeutel 2 auf die untere Platte 4 mittels einer speziellen Schablone gelegt. Hierbei können vorhandene kreisrunde Ausstanzungen am Rand der Kühlbeutel dazu genutzt werden, den Kühlbeutel beispielsweise durch Aufnahmedorne innerhalb des Kühlcontainers zu fixieren. Mittels der pneumatischen Einrichtung 5 wird die Platte 3 auf den Kühlbeutel 2 gepreßt, so daß die Wärme vom Beutel 2 auf die Platten 3 und 4 übergeht. Nach Abkühlung des Kühlbeutels 2 wird die Platte 3 mittels der pneumatischen Einrichtung 5 angehoben und der Kühlbeutel 2 wird entsprechend dem Betätigungspfeil 10 aus der Vorrichtung 1 entnommen.

Eine alternative Vorrichtungsvariante zeigt Figur 3. Bei dieser Vorrichtung 1' wird der Kühlbeutel 2'zwischen zwei senkrecht angeordnete Platten 3'und 4' gegeben und mittels der pneumatischen Einrichtung 5'werden die abgekühlten Platten 3'und 4'auf den Beutel 2'gedrückt. Nach Kühlen des Beutels 2'wird dieser entsprechend dem Betätigungspfeil 10'in senkrechter Richtung wieder aus der Vorrichtung 1'entnommen.

Eine weitere Vorrichtung 11 zum Gefrieren bzw. Kühlen eines Kühlbeutels 12 zeigt Figur 4. Hierbei wird der Beutel zwischen zwei L-förmigen Platten 13 und 14 eingeklemmt, die den Beutel 12 vollständig umschließen. Die Platten 13 und 14 werden über Pneumatikzylinder 15,16 so aufeinander gepreßt, daB der Kühlbeutel 12 zwischen den Platten festgehalten wird.

Die Platten 13 und 14 haben auf der dem Beutel 12 zugewandten Seite eine kammartige Struktur, die in Figur 5 zu sehen ist. Dadurch bilden sich beim

Anlegen der Platten 13,14 an den Kühlbeutel 12 Kanäle 17, in denen Kühlfluid längs der Pfeile 18 zwischen den Platten und dem Kühlbeutel 12 aufsteigen kann.

Die Platten 13,14 und der Kühlbeutel 12 sind in einer Kammer 19 angeordnet, die mit einem Deckel 20 verschlossen ist. Die Platten sind vom Kammerboden beabstandet angeordnet, um ein Unterströmen der Platte zu ermöglichen. In diese Kammer wird über die Leitung 21 und die Pumpe 22 flüssiger Stickstoff geleitet.

Dieser flüssige Stickstoff sammelt sich zunächst am Boden der Kammer 19 und steigt dann in den Kanälen 17 auf, wobei er sich erwärmt und in die dampfförmige Phase übergeht. Die Kanäle 17 bewirken hierbei einen Kamineffekt, der zu einer besonders starken Strömung innerhalb der Kanäle führt. Um diese Strömung zu regulieren, sind am Eingang der Kanäle 17 Klappen 23,24 vorgesehen. Der am oberen Ende der Kanäle 17 austretende Stickstoff fließt zu einem Abscheider 25, der flüssigen von gasförmigem Stickstoff trennt.

Hierbei umfaßt der Abscheider 25 eine Dampfaustrittsöffnung, durch welche der gasförmige Stickstoff abgeführt wird.

An den Stellen, an denen die Platten 13 und 14 direkt zwischen dem Kühlfluid und dem Kühlbeutel 12 angeordnet sind, ist eine mikroporöse Schicht 26,27 vorgesehen, die den Wärmeübergang vom Kühlfluid auf die Platte und somit den Wärmedurchgang zum Kühlbeutel verbessert. Dadurch daß die Oberfläche des Kühlbeutels 12 zumindest im Bereich der Kanäle 17 und/oder weitere Oberflächenbereiche der Platten 13,14, die mit dem flüssigen Stickstoff in Kontakt stehen, mit einer mikroporösen Schicht versehen werden, ließe sich die Kühlleistung weiter erhöhen.

Die Vorrichtung 11 ist entsprechend der Beschreibung zu den Figuren 2 und 3 verwendbar.

Figur 6 zeigt eine schematische Anordnung einer Vorrichtung nach Figur 4 mit Heizelementen 28 und 29, die an den dem Kühlbeutel 30 gegenüberliegenden Seiten der Platten 31 und 32 angeordnet sind. Dadurch kann die Strömungsgeschwindigkeit in den Kanälen 34,35 gesteigert und geregelt werden.

Eine weitere Heizeinrichtung 36 ist im Bodenbereich der Einrichtung vorgesehen, um ebenfalls die Strömung des Kühlfluids zu verstärken und zu regeln. Der flüssige Anteil des nach oben austretenden Kühlfluids wird bei dieser Variante in einer nicht dargestellten Vorrichtung aufgefangen.

Figur 7 zeigt eine weitere alternative Ausgestaltung der Vorrichtung nach Figur 4 mit zwei Heizeinrichtungen 37,38 fOr die Halterungen 43,44. Bei dieser Variante wandert das Kältemittel im äußeren Bereich eines Behälters 39 nach unten und wird über einen Trichter 40 zu den Kanälen 41 und 42 in den Platten 43 und 44 gelenkt. Oberhalb der Kanäle 41,42 sind Umleitbleche 45,46 vorgesehen, durch welche flüssiges Kältemittel, welches aus den Kanälen 41,42 austritt, zurückgeleitet wird. Oberhalb der Umleitbleche 45,46 ist ein Deckel 47 mit einem Gasaustritt 48 vorgesehen. Der Flüssigkeitsspiegel 49 des Kältemittels wird kurz oberhalb des Kühlbeutels und unterhalb der Umleitbleche 45,46 gehalten. Hierdurch läßt sich der Verbrauch von flüssigem Stickstoff vermindern.

Auch in den Ausführungsbeispielen nach Figur 6 und 7 kann der untere Eingang der Kanäle durch Klappen geregelt werden.

Die Ausführungsbeispiele nach den Figuren 4,5,6 und 7 können einerseits so betrieben werden, daß das Kühlgut und der Container bzw. die Platten zu Beginn oberhalb der Erstarrungstemperatur des Kühlgutes gehalten werden. Andererseits kann der Container bzw. die Platten bereits vorgekühlt sein und nur das Kühlgut oberhalb der Erstarrungstemperatur gehalten werden, bevor es der Vorrichtung aufgegeben wird.