CN1006494B - 快速冷却冷冻物品的设备及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于快速冷却或冷冻物品的设备及其方法，其特征在于使用一种在室温下是非挥发性的、残留沉积性低的、冻结温度低于0°的冷冻液体，如液态碳氟化物或具有相似性质的40-60%的酒***溶液等无毒低味液体；同时该设备具有除去浸入物品取出后表面残留液体的装置。采用本发明的设备可以实现物品的快速冷却或冷冻。

Description

本发明涉及一种冷却箱和冷冻箱，特别是涉及冷却饮料罐、易腐性食物及类似小物品的冷却箱。

用冷却液体来冷却瓶罐装饮料的冷却箱，就本身来说，并不是新发明。实际上，在过去的几年中，公布了许多有关这类冰箱或冷却箱的专利。其中一些是美国专利证号码：2，287，581（Hazard）;2，418，300（Hagstrom），2，436，426（Fish）;2，546，417（Anglin）;2，618，127（Shyman）;2，812，643（Woschitz），及4，377，076（Staudt，et    al.），

美国专利第2，287，681号（Hazard）是关于冷冻瓶装饮料的装置。其基本单元做成将制成的冰块放置于冷冻的冰水中，并把瓶装饮料放入冰水中，以便冷却该饮料。水面上漂浮的冰块向想购买冷饮料的顾客直观地显示饮料已被冷却到应有温度，从而提高了销售吸引力。这一发明参照的原则是将沉浸容器安装在一个高位的装有绝热壁的第一分隔间中，该绝热壁内装有与之密切接触的冷却或冷冻盘管，还有一个提供干冷区域的第二分隔间，一旦水在沉浸容器中出现部分冷冻，自动控制器将冷冻单元关闭。其结果，第二分隔间的空气的温度比沉浸容器至少要高10度，空气流入沉浸容器中，使冰块在液体上的第二容器边壁上溶化，正如设计要求，随后，冰块会从边壁上跌落并漂浮在沉浸的水面上。

美国专利第2，418，300号（Hagstrom）是关于瓶装饮料冷却机。该冷却机将瓶装饮料浸入水槽中，所述水槽通过常规型的冷冻盘管32来冷却。冷冻盘管安装在机壳60内，当水通过机壳20，流向饮料瓶容器24时，与流动水接触，可达到降温的目的。这种双分隔水槽的主要目的是提供 最终保持饮料瓶容器24内的水槽的循环冷却水量不变。

美国专利第2，436，426号（Fish）是关于利用直流电动机将部分供给电动机工作的直流电压转换成交流电压。然后用此交流电来操作小功率交流电动机。

这一发明声称：

“人们无法得到一个用直流电操作的有实用意义的小功率电动机……”（第一栏，14-16行，全引）。

常规型的冰水沉浸冷却机中将交流电驱动的小功率电动机用来驱动搅拌器，使冷却液体流动得更快，并使饮料均匀地冷却。

美国专利第2，546，417号（Anglin）是关于瓶装饮料冷却或冷冻单元，该单元以标准尺寸形状，使之可不必经提起而高过冷冻箱顶部而可进行装卸，冷冻箱5装有固定瓶装饮料托盘54（如图5所示），该托盘底下另有一个箱可储藏冷却流体和冷冻盘管。

美国专利第2，618，127号（Shipman）是关于一个饮料冷却箱，这里冷却流体（水）与饮料容器分开，饮料容器（这里是牛奶罐14）通过一个旁侧装载门2容易地进行移动，旁侧装载门在3处与绝热箱1连结，冷冻单元安装在水箱30上部绝热箱1的顶部，罩住洒在牛奶罐上的冷却流体，以致把它们冷却至10℃以下。

美国专利第2，812，643号（Worschitz）是关于低温条件下装纳诸如食物饮料类容易腐坏物质的容器。所述容器，通常取圆桶型，且便于携带。把支持并装纳容易腐坏物质的容器b再装进一个圆桶型容器，冷冻流体通过输入管26及输出管27用外部冷冻机d冷却。冷却液体由外部冷冻机d冷却至适当温度，便将它与冷冻机分离，使圆桶便于移动和密封，圆桶的外层8是密封的，可防止热量进入桶内，这样容易腐坏物质被保持在适当储存温度中，并将之运到消费者处。冷冻流体与被冷冻物品是完全分开的。

美国专利第4，377，076号（Staudt等）主要是关于饮料冷却机，这一装置是为了在优选温度范围内4℃-10℃（39.2°F-50°F）储存饮料。这一冷却装置旨在使饮料在所选择的均匀温度下储存，明显地减少温度的波动，防止在储藏的冷却流体中产生温度梯度。这一发明与此处公开的本发明有关，基本上如图2所示，冰水保持处于在0℃（32°F）。在0℃时，冰凝结在旋绕的蒸发盘管8上，蒸发盘管保证了在容器内的水始终处在0℃（冰水）。当凝结在蒸发盘管8上的冰增加到足够厚度（没有具体说明）时，冷凝压缩机就被关掉，直至冰溶化到足够程度（没有说明具体数目或厚度）。

以上所提所有关于现有的饮料冷却装置，除了美国专利第2，812，643号以外，都使用水作为冷却体，水、甚至冰水，没有很快冷却的功能，也就是说水不能在三分钟之内冷却饮料容器，或根据需要快速冷冻置于其中的物品（如为非饮料的食物）。大部分设计是为了把饮料保持在特别适当的储存温度，如4℃至10℃之间，且经过一段长的时间后，饮料仍然保持适当的温度，而且也一直是随时可取用的。

这些现有的冷却装置，由于用水做冷却液体，使其应用局限于非冻结用途，因而受到很大的限制，即，温度需等于或高于0℃或接近0℃，0℃为水凝结成冰的温度。甚至用在0℃的水作冷却液体时，必须搅拌冰水，以防止结冰。假如凝结有足量的冰，整个冷冻和冷却过程都会停止，相应地，大部分冷冻***都使用某些反馈***装置，当冰凝结时，就关闭冷冻单元，以便让冰溶化后再恢复冷冻循环操作。

虽然盐-盐水可用来防止水在0℃F时凝结，盐-盐水溶液会留下气味，并在被冷却物品上留下残渣，同时对冷冻单元中所用的各金属部件具有严重的化学腐蚀性。

有关饮料冷却的现有装置没有一个能另外提供快速冷冻非饮料物品的装置。

这里所述的各种单元没有一个使用在25℃标准温度和压力下为非挥发性的化学惰性的冷却流体，又对冷冻单元的金属部件没有腐蚀性。

至于用于冷冻易腐性食物的现有技术，没有一个装置利用了在25℃标准温度和压力下的冷冻液体。

所有用于冷冻易腐性物品如食物的现有装置，使用R-12，一种在标准温度和压力下沸点为-29.4℃的氟利昂混合物，或在标准温度和压力下沸点为-196℃的液氮和沸点为-78℃的液态二氧化碳，或者固态二氧化碳。没有一个有关冷冻食物的现有装置和方法使用的液体温度范围与本发明者所想象的一样。那些工艺和方法中使用了经受从固态或液态，到气态的相变的化学品，在温度和压力远远低于0℃至-45.5℃的适当操作条件，而最佳操作温度则依赖于每一具体用途，被冷冻物品及所期望得到的结果而定。

没有一个有关饮料冷却的现有装置提供消除被冷却物品上的冷却液体残渣的办法。而本发明设计的产品及其方法则使用各种综合方法，利用时间，振动，空气，冲洗循环或真空来消除各种流体或其他残渣。

没有一个有关冷却饮料的先有工艺装置使用的冷却液体在远远低于0℃温度下，以至当被饮料污染发生时，比如由于饮料罐破漏，能把泄漏的饮料立即凝结成固体，把它与冷却液体分开，从而固有地防止了冷却液介质的污染。

没有一个已知的装置，使用流量集管来迫使冷却介质从绝热容器壁中储存处流动到物品上或周围。

简而言之，没有一个现有的冷却装置具有类似“反”微波炉的作用，能根据需要，通过极其迅速地移走热量来冷却物品，这正好为微波炉向物品快速加热之“反”。

而且，近年来饮料沉浸冷却机大部分已被非液体沉浸，也就是冷空气冷却或冷冻***所代替。目前冷冻物品的沉浸冷却机不得不使用消耗 性致冷剂诸如，LN₂（液态氮）CO₂（液态二氧化碳）和R-12（氟利昂碳氟化合物），这些都需要复杂和昂贵的回收***。但是，这样的非液体冷冻***与液体沉浸***相比在能源使用成本上，效率较差。冷空气或任何非液体（根据前定义）的传热特征不能与冷却液体的传热能力相比，冷液体要比任何空气冷却介质更要有效100-1000倍。液体沉浸单元失去广泛使用，也许是因为没有一种理想液体致冷剂，此种液体致冷剂须具有不腐蚀金属，不助长水藻和细菌，不从设备中滴漏出来，不会因水溶杂质而污染，同时在-3.9℃标准温度和压力下不蒸发等特点。本发明的设计及其所建议的致冷剂并没有以上那种真正液体沉浸冷却或冷冻方法的现有技术中存在的缺陷。

近年来，由于电源成本大幅度上涨，因此要求改进沉浸冷却机，同时对能用作快速冷冻的装置的需求大大增加。即使在一家小小的简易食品商店，冷却或冷冻饮料食物的空气-液体冷冻***的操作，每月消耗的能源成本可达几百元，占店主每月杂费的很大一部分。其结果，显而易见，免除这些具有很大维持费用的大型空气储存***，可减少开支。取而代之的是一种效率更高的液体沉浸冷却机或冷冻机，不仅合乎需要，又降低成本。特别是这些装置在需要时几分钟内便可冷却或冷冻物品，而在不用时，只消耗维持操作用的少量能源。

用于快速冷却或冷冻物品及其类似物，其方法是将物品沉浸于温度低于0℃的冷冻液体。设备包括：一绝热箱及其盖子;绝热箱中有两个室，一室用来支托待冷却物品，另一与之分开的室用于冷却其中的冷冻液体;冷冻机单元;放置于绝热箱中液体冷却室的散热盘管;待冷却液体，所述液体放置于绝热箱中冷却室内，安排成操作时可自由流动于冷冻机单元蒸发部分的散热盘管周围;泵装置，以便把冷却液体泵进和抽出去托物品室，控制泵装置的操作的定时器，用于控制待冷冻物品被冷却液体冷冻的时间。

快速冷却物品方法由以下步骤组成;利用置于其中的冷冻蒸发盘管将一液体冷却至远低于水的冰点温度，所述液体的表面张力较低，并具低残留沉积特性，包括液态碳氟化合物类化学品或具有类似液态碳氟化合物类性质的各种含40%至60%的酒精的酒类和水的溶液，该液体为无毒，几乎无味;然后将需要冷却或冷冻的物品沉浸于液体之中，经过一定的时间，将物品取出。如果使用不同于以上所叙的其它液体，将留下讨厌的残渣，则这方法还包括冲洗步骤，即将被冷却或冷冻的物品上的残渣冲洗掉。

本发明的目的之一是提供一种方法及设备，根据需要有选择地冷却或冷冻食物或非食物用品。

本发明的目的之一是提供一种方法及设备，根据需要冷却或冷冻物品，不使用水基液体或单纯由盐-水形成的盐水，而能灵活地使用其它液体作为冷却或冷冻液体。

本发明另一重要及主要目的是提供一种快速冷却冷冻物品的方法，而又不在被冷却或冷冻物品上留下讨厌的残渣。

本发明的目的之一是提供一种移去热量的方法和设备，能够具有像“反”微波炉的那样方便的功能。

本发明另一目的是提供一种方法，该方法能使用一种在25℃标准温度和压力下是化学惰性的冷却或冷冻液体，快速冷却或冷冻物品，该液体例如为液态碳氟化合物化学品，各种含40%至60%的酒精和水的溶液的组合物，以及包括那些含有乙二醇、盐类及水的盐水溶液。

本发明另一重要及主要目的是提供一种冷却或冷冻的方法，使用温度远低于0℃的液体作为移去热量的介质。

本发明目的之一是使用一种冷却或冷冻介质，在通常称为标准温度和压力的周围空气和环境条件下，能迅速蒸发，而又不留下讨厌的残渣。

本发明另一目的是使用一种冷却和/或冷冻的方法，该方法利用表面张力基本上比水的表面张力要低的一种冷却或冷冻液体。

阅读以下对某些实施例的详细描述及其附图，便可以更好地理解改进后的冷却和冷冻安排，它的建造及操作方式，以及其它特色和优点。

图1是发明的正视图，显示部分剖面，它详尽地展示放置待冷却或冷冻物品的绝热箱内室，并图解地解释了冷却所述液体之各种必要因素，待冷却或冷冻的物品是放置在该冷却液体中的。

下面将继续参考附图，100表示本发明的设备，即为快速冷却和/或冷冻物品设备，被冷却和/或冷冻的物品，特别为罐装饮料34，该设备包括以下各部件：一个顶部开口的绝热箱，一般称为40，盖住绝热箱开口顶部的盖子41，连结盖子41与箱40的铰链2，可以将盖子打开或关上，以便于提供进入容器40内部的通道;冷冻液体38，如液态碳氟化合物化学品类通常是指氟利昂，含酒精40%至60%的酒精-水溶液或盐水与乙二醇盐水的混合溶液，具有较低的表面张力;冷冻机单元通常表示为101，包括由冷凝单元21，置于绝热箱40的下层室90的蒸发盘管组件16，恒温膨胀阀组件19A及19B。通道及泵装置18用来将需要冷冻的液体38通过冷冻蒸发盘管组件16，然后使之进入下层室上面的物品室12中以便将该液体再循环；物品室12用于支托需冷却或冷冻的物品，***孔36用于泄放物品室内的冷冻液体，溢流孔13，提供上部排液孔，以防止液体溢流过物品箱的开口的边缘而进入箱40；液流集管17将定向冷却剂流循环于物品上，底栅架23将物品提高到***冷冻液体池上面；振动器22供在冷却液体沉浸循环步骤后，提高从物品上排除多馀液体和讨厌残渣的速度之用；冲洗集管24，供在冷却液体沉浸循环步骤后，从物品上加强排除多馀液体和讨厌残渣之用；浮阀和开关装置25A和25B，用来监视和控制液体冷却剂的液面高度；温度探头和控制器15A和15B供调节冷 却机的冷凝器之用，***和冲洗继电器44A和44B，与必要的电气开关5一起，用来控制物品沉浸循环步骤。

现在将重点放于图例1上，绝热箱，一般表示为40，最好制成长方体结构，具有四边壁39及底壁42。边壁39和底壁42由绝热材料29制成，如合成泡沫塑料，具有较高的R值（热损耗阻力）。其它适用于作绝热箱40的边壁39，底壁42（及本文下文所提）和盖41的绝热材料，就本身来说，都已为公众所知，因此不在此详尽说明。复盖着绝热箱40的边壁38，底壁42及盖41的外表层30，通常由热传导性能较差的不锈钢板材料制成，也可由其它类似的耐久、结实和承重的材料制成。这一类承重的材料保护了里面的绝热材料部分29，绝热箱40及其盖子41主要用来盛装冷却或冷冻的物品所用的冷冻液体38，实际上，边壁39与其中装有本发明的其它部件的下层箱43相连。

铰链2装在盖子41边缘及固定在箱40的边壁39的较上部分，把手1装在盖子41没有装上铰链的一边上，使得铰连的盖子能打开或关闭，以便置放和取出所需冷却或冷冻的物品，铰链2使得盖41绕枢轴旋转，使盖子能从它的关闭的位置而盖住绝热箱40的开口顶部到敞开的位置（见图1）以便把需冷却冷冻物品置入物品室12中，或从其中将物品取出。

物品室12的边壁与箱40的内部尺寸几乎一致。大约是箱40内部尺寸容积的四分之一至三分之一。溢流孔13，用来防止冷却沉浸液体38的溢出，一旦液体38的液面超过溢流孔13的进口时，液体38流进溢流孔，并轻易地回到下层室90，物品室12底部有多个孔隙36，通过通道和泵装置18或简单利用地心引力将冷却液体38从室12排出，这样使冷却液体能与待冷却或冷冻的物品直接接触。当使用会产生残渣的冷冻剂，或冷冻液体38时，则使用继电器装置来分开从冲洗步骤中回流的冷却剂（在此没显示）。物品室12所用材料最好与箱40外表层30的材料相近或一致。这里提出的本发明的实施例材料是不锈钢板。

操作时与物品室12配合的有泵装置18和液流集管17，将冷却液体38喷洒在物品室内的物品上继而进行循环。物品沉浸栅架20与盖41连结，当盖41关闭时，物品浸栅架20与物品处于并置的位置，保证了物品不会漂浮，物品只是部分沉浸于液体中，但又沉浸于液流集管17喷洒的液体流液面之下。装孔底栅架23装在物品室12之中，该栅架可将物品从室12底部提起，这样，从液流集管17喷晒的液体38可循环于整个物品，结果，物品始终高于冷却液体38***槽，也不会堵塞***孔36。振动器22，作为选择性的附加设备可用来振动物品上的多余冷却液体38。

***和冲洗继电器44A和44B设计为用来控制冲洗集管24的循环程序，防止讨厌的残渣在冷却或冷冻后残留在物品上。此外，它防止冲洗循环的液体，通常是水，污染箱40内的液体38。放水孔37将冲洗液体（水）及讨厌的残渣排除掉，并且因为它封包在绝热体29之中，因此防止了冲洗液体冻结。

浮阀25A和浮动开关25B监视和控制冷却液体38的液平面，这样液体在降到临界操作面以前，就会响起蜂呜警号或关闭机器。

为了在盖子关闭时在盖子41与箱40开口边缘形成空气密封，防止外界湿气进入***中，在盖41的底部各边离其边缘1.27厘米处装上一对门盖封条3，同样，在离其边缘5.1厘米处又装有一条门盖封条3，这样在内外封条3之间造成了液体壁垒。

磁性激励开关4装在盖子41上，与泵18电性配合，必要时与***继电器44A配合，当揭开盖子超过5.1厘米时，将会关闭泵18，和/或激励***继电器44A，这样就防止了人们与冷却液体38的接触。

冷却液体38循环于室12内，放置在其中的物品被冷却或冷冻的时间，可用常规方法决定，即通过使用电定时器5来决定。定时器输出与控制箱组件20偶合。指示灯7操作时与定时器5以常见的方法配合，即当泵18循环冷冻液体38于室12内时，指示灯总是亮着。定时器5的电输 出通过控制箱组件20，输送到冷却剂循环泵18和蜂呜警号控制装置中。

在物品室12下的分隔间90，装有一系列的蛇管形式的蒸发盘管组件或冷却元件16，待冷冻的冷却液体38，通过室12底壁下的通道被液泵18抽起并送进室12中，液体38被液流集管17射到室12的号一边。然后又从***孔36回到装有蒸发盘管16的分隔间。当液体38在其中通过时，它又被泵18回送到上面的室12中。该蒸发盘管，在操作时与下面所述膨胀阀输出口配合，被膨胀的气态冷却液体通过蒸发盘管而吸收其周围的热量。

冷却***是常规的，包括一冷冻剂液化单元，它由以下部分组成，一个由电动机通过常规的皮带与飞轮联结驱动的压缩机21，另外还装上带有马达驱动的风扇冷凝器。该压缩机是用来装纳及压缩冷冻液体之用。

一对温度探测元件15B和19B用来按常规方法在操作时控制冷冻机。温度探测器15B装在箱40的内室底部，其中液体38的温度一旦发生变化，探测器15B立即响应，并以电信号传递到温度控制器15A，以便控制冷冻***的压缩机21的电动机。一旦启动电动机，压缩机21从蒸发器16中把蒸发的冷冻剂抽出，经过一低压管道，然后压缩冷冻剂蒸汽，并把具有压力的蒸汽经过管道输送至冷凝盘管。所述冷凝盘管与蒸发盘管出口配合，接受蒸发盘管中排出的冷冻液体，借此将气态冷冻液体冷凝至液体状态，冷凝盘管的出口与压缩机的进口配合。风扇驱动的空气循环在冷凝盘管上，造成压缩冷冻剂的凝结，凝结后的冷冻剂然后流进接收器。从接收器再经过管道把冷凝冷冻剂输送至高压管道，一旦低压管道温度到达预先调整的特定数值，温度探测器19B以电的方式激励冷冻剂膨胀阀19A，使压缩冷冻体通过膨胀阀19A，到达蒸发器或冷却盘管16，从而冷却在其周围的液体38。所述膨胀阀与压缩机输出口配合，使压缩液态冷冻流体有控制地膨胀吸热。

这里公开的本发明之显著特点之一是在沉浸冷却设备中使用温度远低于水的冰点，即0℃的冷却液体。至今，还没有用过象这样一种冷冻 液体能够显著地减少或消除冷却冷冻物品上聚积的残渣。这一液体是氟利昂，即三氟三氯乙烷的商名，或更具体地说为氟利昂113，这是杜邦公司生产的碳氟化合物类产品商标名称。在工业中，通常用作蒸汽去油剂。另一种这样的液体是酒精与水的溶液。

液态碳氟化合物类的化学品作为优选冷冻液体，特别有用，它们的密度大约是水的两倍，沸点高于0℃，冰点在-18.8℃，另外它们对人无毒。蒸发时，由于密度大故紧贴在地面上，并且不会燃烧。它们对金属的反应的特性，适合于冷冻装置中常见的所要求的工作环境。诸如铝，钢及其类似物。另外，它们几乎无臭无味。

冷冻液体38的最理想温度范围是在-34.4℃至-45.4℃。当液态碳氟化合物或碳氟化合物的混合物在-34.4℃时，如把六个标准罐装汽水如莎示或可乐浸入冷冻液态碳氟化合物中，汽水在沉浸约80秒后完全冷冻并开始冻结。

假如需要进一步减低液态碳氟化合物的冷冻温度，液体38可用各种液态碳氟化合物产品的液态混合剂。

另一种可选的有用的液体是水与酒精的混合溶液，其混合量为其中含40%至60%的酒精，几乎具有液态碳氟化合物类之特点。

应该清楚理解的是，以上描述及图例对实施例之叙述，是为了解释而不是为了限制。精通本技术领域的专业人士，可以用各种具体实施方案，而又不离本发明之实质精神和范围去实现本发明。因此这类配合和改进应该被认为，也将被认为，也将被认为显然地属于本发明所要求保护的权利的含义和同类范围之内。

Claims (10)

1、一种快速冷却冷冻物品的设备，待冷却的物品可以是饮料罐，易腐性物品及其类似物，与其它需要快速冷却到预定温度的物品，该设备包括：

a)一个顶部开口的绝热箱；

b)一个密封盖，盖住绝热箱的顶部开口；

c)箱内盛放一种液体；

d)把该液体冷却到低于0℃的所需温度的冷冻装置；

e)支托浸入液体中的待冷却冷冻物品的装置；

其特征在于该液体是一种在室温下是非挥发性的、残留沉积性低的液体，其冻结温度低于0℃，

其特征还在于该设备具有将浸入该液体内的物品取出后，除去物品外面任何残留液体的装置。

2、按照权利要求1所述的设备，其特征在于该液体是一种液体碳氟化合物。

3、按照权利要求2所述的设备，其特征在于该液体是一种液体碳氟化合物的混合物。

4、按照权利要求1，2或3所述的设备，其特征在于该残留液体除去装置包括一个与冷冻箱液面之上的支托装置相连接操作的震动器。

5、按照权利要求1，2，3所述的设备，其特征在于所述的残留物除去装置包括一个冲洗集管，***管和与之相连的冲洗继电器，通过用水冲洗从物品上除去残留物，并防止水沾染冷冻箱内的液体。

6、按照权利要求5所述的设备，其特征在于具有控制冲洗继电器操作的定时控制电路。

7、一种采用如权利要求1所述设备来实现快速冷却或冷冻物品的方法，包括下列步骤：

a）将凝固点低于0℃的液体冷却到所需的温度之下;

b）将待冷物品浸入冷却液以所需的时间;

c）将物品从液体中取出;

其特征在于所述液体是一种残留沉积性低的液体，它在室温下不挥发，物品外面的任何残留物可用快速冲洗或将盛放着该物品的托架振动的方法将其除去。

8、按照权利要求7所述的方法，其特征在于该液体是一种液体碳氟化合物。

9、按照权利要求8所述的方法，其特征在于该液体是一种液体碳氟化合物的混合物。

10、按照权利要求7所述的方法，其特征在于该液体是一种酒精含量为40%-60%的酒精与水的混合物。

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