专利名称：使用液态冷冻剂的冷冻器及方法
技术领域：
本发明总体上涉及冷冻器，并且具体涉及将液态制冷剂用作冷冻剂的冷冻器。
背景技术：
用于存储生物标本、样品、材料、产品等的冷冻器通常用低温液体作为冷冻剂。这种冷冻器的典型特征在于，液态制冷剂例如液氮的储蓄器在所述冷冻器的存储室的底部中，其中产品存储在所述储蓄器之上或者部分地浸没在所述低温液体中。所述冷冻器的典型特征也在于具有双壁的、真空绝热结构，使得所述存储室是良好地绝热的。这种冷冻器提供从大约-90°C到_195°C范围的存储温度。现有技术的液态制冷剂式冷冻器的缺点是不能直接控制温度。通过维持所述储蓄器中的低温液体的量来控制温度。取决于冷冻器中的液态制冷剂的量，冷冻器的存储室的温度因此变化。现有技术的液态制冷剂式冷冻器的进一步的缺点是有些担心将生物标本浸没在低温液体中带来的标本容器之间的交叉污染的风险。甚至当所存储的标本容器放置在低温液体储蓄器之上的冷蒸气中时，如果所述冷冻器的低温液体装得太满，仍然有样本容器接触或浸没在低温液体中的可能。用机械式冷冻系统代替液态制冷剂储蓄器的冷冻器也是可用的。所述机械式冷冻系统典型地包括压缩机、蒸发器、冷凝器和风扇。空气循环通过所述存储室并且经过冷却盘管以在所述冷冻器的存储室中维持所期望的温度。所述冷冻器通常特征在于不具有真空绝热而是用材料诸如泡沫和/或玻璃纤维绝热体来绝热所述存储室。这种冷冻器典型地提供-40V到-80°C范围内的存储温度。机械式冷冻器的缺点是机械式冷冻系统需要相当大量的电力以维持所述冷冻器的存储室内的期望温度。而且，机械式冷冻系统从所述存储室移除热并且将它释放到所述冷冻器周围的环境中。这将相当大量的热添加到存储所述冷冻器的房间，从而需要为所述房间准备额外的空调能力。这增加了设备的额外的电力需求。此外，在电力故障的情况下， 所述存储室将很快升温，其能导致所存储的生物材料的损失。
发明内容
本发明提供了一种将液态制冷剂用作冷冻剂的冷冻器，包括a)限定存储室的内容器；b)外罩，所述外罩基本围绕所述内容器，从而在所述外罩和所述内容器之间限定绝热空间；C)定位在所述存储室中的热交换器，所述热交换器具有出口和入口，所述入口适于与液态冷冻剂的供应源连通，使得液态冷冻剂能流过所述热交换器以在蒸发时冷却所述存储室；d)与所述热交换的出口连通的放气管，所述放气管包括被定位成与所述热交换器的外部邻近的放气出口 ；和e)放气阀，所述放气阀被定位在所述放气管内，使得来自所述热交换器的已蒸发的液态制冷剂能被选择性地引导到所述热交换器的外部以减少在所述热交换器上的结冰。
图1是本发明的使用液态冷冻剂的冷冻器的一实施方式的示意图；图2是流程图，示出了由图1的控制器执行的处理。
具体实施例方式在图1中总体用10表示本发明的使用液态冷冻剂的冷冻器的一实施方式。所述冷冻器包括限定存储室14的内容器12。外罩16大体围绕所述容器12，从而在所述内容器 12和所述外罩16之间限定绝热空间18。优选地在所述绝热空间18中抽真空使得所述存储室14是绝热的。在可选实施方式中，可以用本领域中已知的绝热材料，包括但不限于泡沫或玻璃纤维来补充或代替所述真空绝热空间18。绝热塞或盖20可拆卸地设置在所述冷冻器的允许出入所述存储室14的偏心出入开口 22内。所述盖20优选为通过铰接支架M安装到所述冷冻器的其余部分。旋转盘沈设置在所述存储室14内并且保持所存储的物品，同时也提供当打开所述盖20时通过偏心出入开口 22的存取(access)。所述冷冻器的存储室14，并且因此存储在其内的物品，被布置在所述存储室的顶部部分内的热交换器冷却。所述热交换器优选为呈现冷却盘管观的形式，但是能可代替地使用其它热交换器部件或结构。容纳所供应的液态冷冻剂的存储容器四与进给管32的入口 30连通。进给管32 与冷却盘管观的入口连通。尽管在下面的讨论中将液氮作为液态冷冻剂，应当理解，能用其它低温液态代替液氮。例如用泵33加压所述液氮用以传送到所述进给管32的入口 30。 可选地，能在压力下将液氮存储在存储容器四中从而不需要泵。用于在压力下供应低温液体的其它可选方案在本领域中是已知的并且也是可以使用的。关于图1的冷冻器的操作，开始所述冷冻器的所有阀都是关闭的。当期望冷却所述存储室14时，操作员经由电子控制器34开始冷却循环。控制器34可以是微处理器或本领域中已知的任何其它电子控制装置。如同由图2的块43所示的那样，图1的控制器34 打开自动旁通阀42使得液氮流过进给管32的入口 30。最初，在连接所述进给管的入口 30与加压液氮源的传送管中有气体。该气体通常将比所述冷冻器的存储室更热。为了防止该气体进入所述热交换器，具有出口 40的旁通管 38也与所述进给管32的设置在所述冷却盘管28的入口和所述进给管的入口 30之间的部分连通。当控制器打开旁通阀42时，通过旁通管38和出口 40排出通过入口 30进入的暖气体。通过进给温度传感器14监测进入所述进给管32的气体的温度，所述进给温度传感器14也与控制器34连通。当进入气体的温度(在图2的判断块45中用Te表示)已被冷却到比在所述冷冻器的存储室14的温度(在图2的判断块45中用Tai表示)更低的温度时，所述控制器关闭旁通阀42并且打开放气阀46，如同在图2中分别用48和50表示的那样。结果是，液氮冷冻剂流过所述冷却盘管观。流过所述冷却盘管的液氮比存储室14 内部的气体更冷从而它从所述室的内部吸收热。当液氮吸收热时，它蒸发并且使所吸收的热与它一起流出热交换器。如同由图1中的箭头51a和51b所示的那样，所述存储室内部的围绕所述热交换器产生的冷气体经由自然对流在整个所述室内循环。更具体地，来自供所述冷却盘管设置在其中的所述室的顶部部分的较高密度的冷气体下降(箭头51a)，从而促使较暖的较低密度的气体上升(箭头51b)以被所述冷却盘管冷却。如同在图1中所示的那样，打开的放气阀46设置在所述热交换器的出口侧上。因为排出阀56处于关闭状态，蒸发的氮冷冻剂通过出口管52流出所述热交换器的出口并且行进到放气管M中。放气管M被提供有设置成邻近所述冷却盘管并且在所述冷却盘管之上的放气出口 62使得氮气作为放出气体流出所述放气管并且为所述存储室14提供额外的冷却。此外，形成在所述冷却盘管28的外表面上的冰能使它与所述冷冻器的存储室绝热并且降低盘管的冷却效率。从所述冷却盘管28之上的放气出口 62流出的氮放出气体是干气体。这个干氮放出气体取代来自围绕所述冷却盘管的外表面的空间的周围空气(其能含有水)以减少在所述盘管上形成冰的可能性。而且，当执行图2的处理时，放气通常继续进行直到足够量的干氮放出气体被引入到所述室以代替所述室中的任何潮湿空气。为了防止显著地冷于所述冷冻器的所期望的存储室温度的放出气体流到所述室 14中，所述控制器34经由放出气体温度传感器64监测放出气体的温度。当行进通过放气管M的放出气体的温度(在图2的判断块66中用Tp表示)被冷却到所述冷冻器的存储室的最小期望温度(在图2的判断块66中用Tllmin表示)时，用控制器34关闭所述放气阀 46，如同由图2中的72表示的那样。当关闭所述放气阀46时，通过控制器34打开冷却气体排出阀56，如同由图2中的 73表示的那样，以经由排出管74和排出孔76将氮气从所述冷却盘管排到所述冷冻器的外部。只要冷却盘管观的温度小于所述存储室14η内部的气体温度，对流冷却将发生。所述控制器34经由排出气体温度传感器82监测所述排出气体温度。当流过出口管52和排出管74的氮排出气体的温度(在图2的判断块78中用Te表示)冷到低于所述存储室的最小期望存储室温度大约10°C到20°C (在图2的判断块78中用Tllmin-X表示)时， 通过所述控制器关闭所述排出阀56，如同图2中的84表示的那样，使得暂停液氮流到所述冷却盘管中。所述冷却盘管中的氮(液态或气态)然后从所述室吸收热并且膨胀或蒸发从而实现无流动冷却。尽管上面所描述的并且在图2的判断块78中的预定量X优选为是大约10°C到20°C，可以替换地使用其它温度量。所述排出气体温度传感器82设置在所述冷冻器的外部。结果是，在没有流体通过所述冷却盘管观时，它被周围外部空气加热。一旦所述排出气体温度传感器探测到管52 之内的气体已经加热到高于最大期望存储室温度(在图2的判断块86中用Tllmax表示)了， 再次通过所述控制器打开所述排出阀56。如同由图2的判断块90表示的那样，所述排出阀56根据上述进行循环直到所述冷冻器的存储室14冷却到最小期望温度，如由室温度传感器92所测量。在那时，如同判断块94表示的那样，关闭所有阀并且所述控制器仅仅监测所述存储室的温度。如同由判断块96所表示的那样，当由所述室温度传感器92所测量的所述存储室的存储室温度再次加热到最大期望温度时，再次通过所述控制器打开所述旁通阀42并且图2的处理再次开始。图1和2的冷冻器因此通过蒸发所述冷却盘管中的液氮并且然后根据需要将气体排出到所述冷冻器的外部，并且排出到供所述冷冻器位于其中的房间的外部，而从所述存储室移除热。通过蒸发液氮形成的气体能仅被加热到所述冷冻器的存储室的温度，而不是如典型的现有技术的机械式冷冻器的冷冻那样在环境温度之上。结果是，没有热被增加到供所述冷冻器位于其中的所述房间以增加所述房间所需要的空气调节。图1和2的冷冻器也允许在没有机械式冷冻器的缺点的情况下控制所述冷冻器的温度，对于典型的现有技术的液态制冷剂式的冷冻器来说，这是不可能的。此外，图1和 2的冷冻器通过从所述冷冻器的存储室移除掉液态制冷剂而防止所存储的产品与液态制冷剂接触和/或浸没在液态制冷剂内。图1和2的冷冻器也消除了典型的现有技术的机械式冷冻器所使用的机械制冷部件并且因此消除了相关的大电力需求。图1和2的冷冻器需要的动力最小，用于操作监测和控制所述冷冻器及操作所需要的相关螺线管阀的控制器。而且，在电力故障的情况下，图1和2的冷冻器不立即受到影响。因为冷冻器包括真空-绝热存储室，所述存储室的温度维持更长的时期，因此与典型的现有技术的机械式冷冻器所需要的连续冷却相反，需要很少的冷却循环。这提供了足够时间以在所述冷冻器内侧的存储温度受到影响之前解决电力故障问题。尽管已经示出和描述了本发明的优选实施方式，但是本领域技术人员将会认识到，在不脱离本发明的精神的情况下可以对其进行改变和修改，本发明的范围由附属的权利要求限定。
权利要求
1.一种将液态制冷剂用作冷冻剂的冷冻器，包括a)限定存储室的内容器；b)外罩，所述外罩基本围绕所述内容器，从而在所述外罩和所述内容器之间限定绝热空间；c)定位在所述存储室中的热交换器，所述热交换器具有出口和入口，所述入口适于与液态冷冻剂的供应源连通，使得液态冷冻剂能流过所述热交换器以在蒸发时冷却所述存储室；d)与所述热交换的出口连通的放气管，所述放气管包括被定位成与所述热交换器的外部邻近的放气出口 ；和e)放气阀，所述放气阀被定位在所述放气管内，使得来自所述热交换器的已蒸发的液态制冷剂能被选择性地引导到所述热交换器的外部以减少在所述热交换器上的结冰。
2.如权利要求1所述的冷冻器，其中所述热交换器被定位在所述存储室的顶部部分内。
3.如权利要求2所述的冷冻器，其中所述放气出口被定位在所述热交换器之上。
4.如权利要求1所述的冷冻器，其中所述热交换器是冷却盘管。
5.如权利要求1所述的冷冻器，其中所述放气出口被定位在所述热交换器之上。
6.如权利要求1所述的冷冻器，其中所述液态冷冻剂是液氮。
7.如权利要求1所述的冷冻器，其中所述绝热空间是真空绝热空间。
8.如权利要求1所述的冷冻器，进一步包括形成为穿过所述内容器和所述外罩的出入开口和用于可拆卸地封闭所述出入开口的盖。
9.如权利要求8所述的冷冻器，进一步包括被定位在所述存储室内的旋转盘。
10.如权利要求1所述的冷冻器，进一步包括f)与所述热交换器的出口和所述放气管连通的出口管；g)具有排出孔的排出管；h)定位在所述排出管内的排出阀；i)与所述热交换器的入口连通并且适于与液态制冷剂的供应源连通的进给管； j)与所述进给管连通的旁通管；k)定位在所述旁通管中的旁通阀； 1)与所述进给管连通的进给温度传感器； m)与所述放气管连通的放出气体温度传感器； η)与所述出口管连通的排出气体温度传感器； ο)与所述存储室连通的室温度传感器；P)与所述进给温度传感器、放出气体温度传感器、排出气体温度传感器和室温度传感器以及所述旁通阀、放气阀和排出阀连通的控制器，所述控制器被编程以i.当流过所述进给管的气体的温度高于所述存储室的温度时打开所述旁通阀； 当流过所述进给管的气体的温度低于所述存储室的温度时关闭所述旁通阀；iii.当流过所述放气管的气体的温度大于所述存储室的最小期望温度时打开所述放气阀并且关闭所述排出阀；iv.当流过所述放气管的气体的温度低于所述存储室的最小期望温度时关闭所述放气阀并且打开所述排出阀；v.当流过所述出口管的气体的温度低于所述存储室的最小期望温度一预定量时关闭所述排出阀；和vi.当所述存储室的温度小于最小期望温度时关闭所有阀。
11.如权利要求10所述的冷冻器，其中ρ)v.中的所述预定量是大约10°C到20°C。
12.如权利要求1所述的冷冻器，进一步包括f)与所述热交换器的出口和所述放气管连通的出口管；g)具有排出孔的排出管；h)定位在所述排出管内的排出阀。
13.如权利要求12所述的冷冻器，进一步包括i)与所述放气管连通的放出气体温度传感器； j)与所述出口管连通的排出气体温度传感器； k)与所述存储室连通的室温度传感器；1)与所述放出气体温度传感器、排出气体温度传感器和室温度传感器以及所述放气阀和排出阀连通的控制器，所述控制器被编程以i.当流过所述放气管的气体的温度大于所述存储室的最小期望温度时打开所述放气阀并且关闭所述排出阀； 当流过所述放气管的气体的温度低于所述存储室的最小期望温度时关闭所述放气阀并且打开所述排出阀；iii.当流过所述出口管的气体的温度低于所述存储室的最小期望温度一预定量时关闭所述排出阀；和iv.当所述存储室的温度小于最小期望温度时关闭所有阀。
14.如权利要求13所述的冷冻器，其中1)iii.中的所述预定量是大约10°C到20°C。
15.如权利要求1所述的冷冻器，进一步包括f)与所述热交换器的入口连通的且适于与液态制冷剂的供应源连通的进给管；g)与所述进给管连通的旁通管；h)定位在所述旁通管中的旁通阀。
16.如权利要求15所述的冷冻器，进一步包括i)与所述进给管连通的进给温度传感器；j)与所述进给温度传感器和所述旁通阀连通的控制器，所述控制器被编程以 当流过进给管的气体的温度高于所述存储室的温度时打开所述旁通阀并且当流过所述进给管的气体的温度低于所述存储室的温度时关闭所述旁通阀。
17.一种冷冻器，包括a)限定存储室的内容器；b)外罩，所述外罩基本围绕所述内容器，从而在所述外罩和所述内容器之间限定绝热空间；c)液态冷冻剂的供应源；d)定位在所述存储室中的热交换器，所述热交换器具有出口和入口，所述入口与所述液态冷冻剂的供应源连通，使得所述液态冷冻剂选择性地流过所述热交换器以在蒸发时冷却所述存储室；e)与所述热交换器的出口连通的放气管，所述放气管包括被定位成邻近所述热交换器的外部的放气出口 ；和f)放气阀，所述放气阀被定位在所述放气管内，使得来自所述热交换器的已蒸发的液态制冷剂被选择性地引导到所述热交换器的外部以减少在所述热交换器上的结冰。
18.如权利要求17所述的冷冻器，其中所述热交换器被定位在所述存储室的顶部部分内。
19.如权利要求18所述的冷冻器，其中所述放气出口被定位在所述热交换器之上。
20.如权利要求17所述的冷冻器，其中所述热交换器是冷却盘管。
21.如权利要求17所述的冷冻器，其中所述放气出口被定位在所述热交换器之上。
22.如权利要求17所述的冷冻器，其中所述液态冷冻剂是液氮。
23.如权利要求17所述的冷冻器，其中所述绝热空间是真空绝热空间。
24.如权利要求17所述的冷冻器，进一步包括形成为穿过所述内容器和所述外罩的出入开口和用于可拆卸地封闭所述出入开口的盖。
25.如权利要求M所述的冷冻器，进一步包括被定位在所述存储室内的旋转盘。
26.如权利要求17所述的冷冻器，进一步包括g)与所述热交换器的出口和所述放气管连通的出口管；h)具有排出孔的排出管；i)定位在所述排出管内的排出阀；j)与所述热交换器的入口和所述液态制冷剂的供应源连通的进给管；k)与所述进给管连通的旁通管；1)定位在所述旁通管中的旁通阀；m)与所述进给管连通的进给温度传感器；η)与所述放气管连通的放出气体温度传感器；ο)与所述出口管连通的排出气体温度传感器；P)与所述存储室连通的室温度传感器；q)与所述进给温度传感器、放出气体温度传感器、排出气体温度传感器和室温度传感器以及所述旁通阀、放气阀和排出阀连通的控制器，所述控制器被编程以i.当流过所述进给管的气体的温度高于所述存储室的温度时打开所述旁通阀； 当流过所述进给管的气体的温度低于所述存储室的温度时关闭所述旁通阀；iii.当流过所述放气管的气体的温度大于所述存储室的最小期望温度时打开所述放气阀并且关闭所述排出阀；iv.当流过所述放气管的气体的温度低于所述存储室的最小期望温度时关闭所述放气阀并且打开所述排出阀；v.当流过所述出口管的气体的温度低于所述存储室的最小期望温度一预定量时关闭所述排出阀；和vi.当所述存储室的温度小于最小期望温度时关闭所有阀。
27.如权利要求沈所述的冷冻器，其中q)v.中的所述预定量是大约10°C到20°C。
28.如权利要求17所述的冷冻器，进一步包括g)与所述热交换器的出口和所述放气管连通的出口管；h)具有排出孔的排出管；i)定位在所述排出管内的排出阀。
29.如权利要求观所述的冷冻器，进一步包括 j)与所述放气管连通的放出气体温度传感器； k)与所述出口管连通的排出气体温度传感器； 1)与所述存储室连通的室温度传感器；m)与所述放出气体温度传感器、排出气体温度传感器和室温度传感器以及所述放气阀和排出阀连通的控制器，所述控制器被编程以i.当流过所述放气管的气体的温度大于所述存储室的最小期望温度时打开所述放气阀并且关闭所述排出阀； 当流过所述放气管的气体的温度低于所述存储室的最小期望温度时关闭所述放气阀并且打开所述排出阀；iii.当流过所述出口管的气体的温度低于所述存储室的最小期望温度一预定量时关闭所述排出阀；和iv.当所述存储室的温度小于最小期望温度时关闭所有阀。
30.如权利要求四所述的冷冻器，其中m)iii.中的所述预定量是大约10°C到20°C。
31.如权利要求17所述的冷冻器，进一步包括g)与所述热交换器的入口和所述液态制冷剂的供应源连通的进给管；h)与所述进给管连通的旁通管；i)定位在所述旁通管中的旁通阀。
32.如权利要求31所述的冷冻器，进一步包括 j)与所述进给管连通的进给温度传感器；k)与所述进给温度传感器和所述旁通阀连通的控制器，所述控制器被编程以当流过所述进给管的气体的温度高于所述存储室的温度时打开所述旁通阀并且当流过所述进给管的气体的温度低于所述存储室的温度时关闭所述旁通阀。
33.如权利要求17所述的冷冻器，其中所述液态冷冻剂的供应源包括容纳所述液态冷冻剂的加压容器。
34.如权利要求17所述的冷冻器，其中所述液态冷冻剂的供应源包括容纳所述液态制冷剂的容器和在所述容器与所述热交换器的入口之间的线路中的泵。
35.一种使用液态冷冻剂的冷冻器的存储室的冷却方法，包括以下步骤a)将热交换器设置在所述存储室的顶部部分中；b)将所述液态冷冻剂进给到所述热交换器；c)使用来自所述存储室的热来蒸发所述热交换器中的液态冷冻剂，使得所述存储室被冷却并且产生冷冻剂蒸气；d)从所述热交换器放出所述冷冻剂蒸气；e)将放出的冷冻剂蒸气引导到所述热交换器的外部以减少在所述热交换器上的结冰。
36.如权利要求35所述的方法，进一步包括以下步骤f)探测所述冷冻剂蒸气的温度；g)如果所述冷冻剂蒸气的温度小于所述存储室的所期望的最小温度，则将所述冷冻剂蒸气排到所述冷冻器的外部。
全文摘要
使用液态冷冻剂的冷冻器及方法，该冷冻器包括外罩和限定存储室的内容器，该外罩基本围绕所述内容器从而在它们之间限定绝热空间。热交换器被定位在所述存储室的顶部部分中并且具有与液态冷冻剂的供应源连通的入口，使得液态冷冻剂选择性地流过所述热交换器以在蒸发时冷却所述存储室。放气管与所述热交换器的出口连通并且包括设置在所述热交换器的外部之上的放气出口。放气阀被定位在所述放气管内使得来自所述热交换器的已蒸发的液态制冷剂被选择性地引导到所述热交换器的外部以减少在所述热交换器上的结冰。
文档编号F25D3/10GK102192626SQ20111006590
公开日2011年9月21日 申请日期2011年3月18日 优先权日2010年3月18日
发明者杰弗里.S.布鲁克斯 申请人:查特股份有限公司