專利名稱：用于對機械冷凍機低溫增強的系統(tǒng)和方法
用于對機械冷凍機低溫增強的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制冷和冷凍系統(tǒng)，尤其涉及用于使用液態(tài)氮或二氧化碳的對機械冷凍 機低溫增強的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
在典型的機械制冷或冷凍系統(tǒng)中，對冷卻食品的冷凍機系統(tǒng)的能力具有固有的性 能限制。一個這樣的限制是當制冷線圈上形成過多的冰時而引起。線圈上過多的冰要求冷 凍機系統(tǒng)應(yīng)定期除霜，這妨礙并不利地影響食品生產(chǎn)。另一常見的冷凍機性能限制是當機 械冷凍機系統(tǒng)中的冷凝器單元以滿負荷運行，并且冷凍機系統(tǒng)不能充分抵制來自冷凝器單 元的任何多余熱量時發(fā)生。這些設(shè)備問題經(jīng)常導致對冷凍機系統(tǒng)制冷潛能的局限，這反過 來又經(jīng)常是在食品生產(chǎn)線中的限制因素?，F(xiàn)有技術(shù)試圖解決采用低溫制冷技術(shù)與機械制冷相結(jié)合的組合冷凍機的使用所 涉及的系統(tǒng)低效的這些問題。在這樣的現(xiàn)有技術(shù)的低溫增強系統(tǒng)中，低溫冷凍機和機械冷 凍機通常設(shè)置在單一機殼中，其中每個冷凍機獨立操作。例如參見，美國專利第4，856，285 號(阿查里雅等人，Acharyaet al.)、第4，858，445號(拉瑟維奇，Rasovich)和第 5，170，631 號(朗等人，Lang et al.)。例如，在阿查里雅等人和拉瑟維奇的披露中，低溫冷凍機與機械冷凍機相分離，并 且存在于組合冷凍機中的任何低溫蒸汽都間接用于補充機械制冷。因為低溫蒸汽被用于以 間接方式實現(xiàn)冷卻，所以低溫蒸汽和機械制冷空氣是分別獨立控制和管理的。朗等人的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)以直接制冷能力使用低溫蒸汽，但低溫冷凍機也是在空間 和操作上與機械冷凍機相分離，這使得低溫蒸汽和機械制冷空氣相分離。此外，朗等人文獻 沒有解決如何去安全處理當?shù)蜏卣羝蜋C械制冷空氣混合時引起的危險大氣。因此，需要的是一種安全和相對低成本的整合的低溫增強機械冷凍機系統(tǒng)，該低 溫增強機械冷凍機系統(tǒng)將結(jié)合低溫蒸汽和機械制冷空氣去影響食品的冷凍。低溫蒸汽和 機械制冷空氣的結(jié)合效果相對于單純的機械冷凍機來說，可以提高冷凍機能力和冷凍機性 能，而不改變機械冷凍機的成本。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明可以表征為一種低溫增強機械冷凍機系統(tǒng)，其包括(i)機械冷凍機，其包括設(shè)置于機械冷凍機室內(nèi)的輸送器；(ii)機殼，其設(shè)置在機械冷凍機室中輸送器的一部分 周圍以限定遮蔽區(qū)；(iii)制冷劑注入系統(tǒng)，其用于將制冷劑直接注入遮蔽區(qū)；(iv) —個 或多個溫度傳感器，其設(shè)置于冷凍機室中用于確定機械冷凍機室內(nèi)的溫度；(ν)排氣系統(tǒng)， 其具有靠近遮蔽區(qū)設(shè)置的第一排風機，用于將源自遮蔽區(qū)的制冷劑蒸汽排放到機械冷凍機 室外的場所；以及(Vi)冷凍機控制系統(tǒng)，其用于響應(yīng)于溫度傳感器的輸入來控制機械冷凍 機、排氣系統(tǒng)和制冷劑注入系統(tǒng)，其中排氣系統(tǒng)和制冷劑注入系統(tǒng)被按比例地控制。在另一方面，本發(fā)明可以表征為一種低溫增強機械冷凍機系統(tǒng)，其包括(i)機械冷凍機，其用于冷凍食品，機械冷凍機包括設(shè)置于機械冷凍機室內(nèi)的輸送器；(ii)制冷劑 注入系統(tǒng)，其包括靠近輸送器設(shè)置以限定一個或多個局部制冷區(qū)的多個噴嘴，制冷劑注入 系統(tǒng)用于將制冷劑直接注入一個或多個局部制冷區(qū)內(nèi)的食品；(iii)溫度傳感器，其設(shè)置 于冷凍機室中以確定機械冷凍機室內(nèi)的溫度；(iv)排氣系統(tǒng)，其具有用于將來自局部制冷 區(qū)的制冷劑蒸汽排放到機械冷凍機室外的場所的排風機；以及(V)冷凍機控制系統(tǒng)，其用 于響應(yīng)于溫度傳感器的輸入來控制機械冷凍機、排氣系統(tǒng)和制冷劑注入系統(tǒng)，以將機械冷 凍機室維持在或高于預(yù)定溫度設(shè)定點，從而不會對機械制冷能力產(chǎn)生不利影響。在又一方面，本發(fā)明可以表征為一種冷凍機械冷凍機中食品的方法，其包括步驟 (i)機械地制冷冷凍機室；(ii)感測冷凍機室中的溫度；(iii)基于冷凍機室的溫度，可控 地將制冷劑直接注入靠近食品的冷凍機室中的遮蔽區(qū)，以低溫增強食品的冷凍；以及(iv) 可控地排放來自冷凍機室中的遮蔽區(qū)的制冷劑蒸汽，其中響應(yīng)于冷凍機室中的溫度，來控 制制冷劑的注入和制冷劑蒸汽的排放，以將機械冷凍機室維持在或高于預(yù)定溫度設(shè)定點， 從而不會對機械冷凍機系統(tǒng)相關(guān)的機械制冷能力產(chǎn)生不利影響。

雖然本說明書以權(quán)利要求書結(jié)束，權(quán)利要求書清楚地指出申請人視為他們發(fā)明的主題，但是相信，當結(jié)合所附附圖時，本發(fā)明將得到更好的理解。其中圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的低溫增強機械冷凍機系統(tǒng)的示意圖。圖2是適合用于本發(fā)明實施例的控制系統(tǒng)的示意圖。圖3是用在本發(fā)明實施例中的優(yōu)選門聯(lián)鎖裝置的詳細視圖。圖4是描繪低溫促進增強的安全操作所涉及的優(yōu)選步驟的流程圖。圖5是制冷劑注入系統(tǒng)的局部剖視圖，制冷劑注入系統(tǒng)包括限定機械隧道式冷凍 機的產(chǎn)品出口附近的遮蔽制冷區(qū)的制冷結(jié)構(gòu)或機殼。圖6是制冷劑注入系統(tǒng)的局部剖視圖，制冷劑注入系統(tǒng)包括限定機械螺旋式冷凍 機頂部附近的一部分輸送器上方的遮蔽制冷區(qū)的制冷結(jié)構(gòu)或機殼。
具體實施方式以下描述提出了實現(xiàn)用于低溫冷凍機增強的系統(tǒng)和方法的目前所預(yù)期的最佳實 施方式。不應(yīng)把該披露視為一種限制，而是應(yīng)結(jié)合所附權(quán)利要求書理解該披露。參照圖1，揭示了本低溫冷凍機增強系統(tǒng)10的一個實施例。如其中所見，低溫冷凍 機增強系統(tǒng)10包括機械式冷凍機室12，該機械式冷凍機室12帶有門14或用于進出冷凍機 室12內(nèi)部的其他裝置。在冷凍機室12中可包括多種輸送器或用于容納食品的其他結(jié)構(gòu)。 冷凍機系統(tǒng)10還包括用于將制冷劑引入冷凍機室12中以處理食品的制冷劑注入系統(tǒng)，以 及排氣子系統(tǒng)和冷凍機控制子系統(tǒng)。在所示實施例中，制冷劑注入子系統(tǒng)優(yōu)選包括如液態(tài)氮或二氧化碳的制冷劑源 21，所述制冷劑源21容納于儲存容器23內(nèi)，并通過制冷劑回路24連接到設(shè)置于冷凍機室 12內(nèi)的制冷劑噴嘴25。沿制冷劑回路設(shè)置多個閥，如切斷閥26、控制閥27、安全卸壓閥28 等，并可操作地把這些閥連接到冷凍機控制面板42。直接將制冷劑注入機械制冷的冷凍機 中是對相對于生產(chǎn)能力提高整體冷凍機性能的一種高效和成本效益的方法。當制冷劑的制冷能力直接應(yīng)用到冷凍機室中的機械制冷空間時，制冷劑的制冷能力配合機械制冷能力工 作并提高了機械制冷能力。然而，在許多情況下，進一步密封機械冷凍機室可能是必要的或 有利的，從而防止制冷劑蒸汽通過泄漏從冷凍機室漏出到外界。設(shè)計在使用如液態(tài)氮或二氧化碳的制冷劑的機械冷凍機促進制冷能力的優(yōu)選過 程，以運行機械制冷系統(tǒng)在最佳條件下以使效率最大化，這通常是在預(yù)定的設(shè)定點溫度下。 低溫促進(cryo-boost)過程優(yōu)選是在略高于機械制冷系統(tǒng)設(shè)定點溫度的溫度控制點下運 行。設(shè)定低溫促進溫度控制點略高于機械制冷系統(tǒng)設(shè)定點溫度，在不對機械制冷系統(tǒng)的運 行產(chǎn)生不利影響的情況下控制向冷凍機室12注入氮或二氧化碳的需求。低溫促進過程的 較高溫度控制點確保了機械制冷系統(tǒng)以最高效率或接近最高效率運行。僅當制冷需求接近 或超過機械制冷能力時，才會增加氮或二氧化碳。當制冷需求減弱，因為低溫促進控制溫度 高于機械制冷溫度設(shè)定點，所以制冷劑流會在機械制冷系統(tǒng)卸載前終止。在所示實施例中，排氣系統(tǒng)優(yōu)選包括主制冷劑排氣管31和主排風機33，所述主制 冷劑排氣管31和主排風機33用于在冷凍機運行期間聚集和釋放使用的制冷劑蒸汽。所示 的排氣系統(tǒng)還包括用于啟動后迅速排放冷凍機室內(nèi)的制冷劑蒸汽及制冷空氣的輔助排氣 管35和輔助排風機37。輔助排氣的啟動優(yōu)選由來自控制器的命令發(fā)起，所述控制器的命 令響應(yīng)于各種用戶輸入或編程在控制器中的自動保護。包括冷排氣或?qū)Ｓ弥评鋭┡艢獾念~ 外排風機也可以被納入到低溫增強(cryo-enhanced)機械冷凍機中，以在冷卻劑注入不久 后，迅速移走制冷劑蒸汽并減小來自機械冷凍機室內(nèi)的壓力。迅速移走注入的制冷劑蒸汽 減少了來自冷凍機室的蒸汽的泄漏，所述的泄漏可由冷凍機室內(nèi)較高的壓力導致發(fā)生。 優(yōu)選地，迅速排風機37的大小適于在幾分鐘內(nèi)，優(yōu)選小于4分鐘，排出機械冷凍機 室12內(nèi)的大氣，并用補充空氣源替換此大氣。從安全立場來看，機械冷凍機室大氣的排出 應(yīng)要求4至5倍量的交換，以確保冷凍機室中安全可以吸入的大氣。例如，2000立方英尺冷 凍機，優(yōu)選采用大小在大約每分鐘4000立方英尺的輔助排風機。當啟動迅速排風機時，為 了達到退出制冷劑注入時的4倍量交換，將優(yōu)選運行至少2分鐘。優(yōu)選地，也包括連接到補 充空氣源的補充空氣端口 39，當啟動迅速排風機37時，所述補充空氣端口 39作為排氣子系 統(tǒng)的一部分來使用。每當冷凍機室12的門14打開允許進入冷凍機室12時，可調(diào)用額外的 安全預(yù)防措施保持一個或更多個排風機運行。主制冷劑排氣和輔助迅速排氣是用于防止注入冷凍機室12中的大部分低溫蒸汽 進入冷凍機室12周圍的處理區(qū)50。主排氣管31和輔助排氣管35將排出氣流運走并釋放 到冷凍機室12以外并且遠離處理區(qū)50。理想情況下，用于迅速排氣的排氣收集器的位置靠 近冷凍機室12的低壓區(qū)，且通常靠近地面或冷凍機室12底部，因為兩種優(yōu)選制冷劑，即氮 和二氧化碳，在接近-30° F的溫度時比空氣稠密，傾向于下沉到冷凍機底部。作為選擇，專 用制冷劑排氣可以和制冷劑注入系統(tǒng)協(xié)同設(shè)置(co-locate)。為了最大化用于更換冷凍機 室內(nèi)空氣的迅速排氣的效力，補充空氣優(yōu)選應(yīng)從冷凍機室12頂部的管39或端口進入，而較 冷的低溫蒸汽從冷凍機室12的較低部流出。冷凍機控制子系統(tǒng)優(yōu)選包括基于微處理器的控制面板42，控制面板用于接收多個 輸入，該多個輸入至少包括溫度傳感器輸入和氣體分析儀輸入以及各種用戶輸入，并且基 于這些輸入控制低溫增強機械冷凍機的運行。如圖1和2所示，溫度傳感器44和氣體分析 儀46作為輸入連接到冷凍機控制面板42。本冷凍機控制子系統(tǒng)中也使用代表或?qū)?yīng)于冷凍或制冷參數(shù)的其他輸入。這樣的其他輸入可以包括，例如，所用制冷劑的特性，處理中產(chǎn) 品的溫度或其他特性，或處理區(qū)、相關(guān)設(shè)備和其中元件的操作特性。冷凍機控制子系統(tǒng)通過響應(yīng)于以上說明的各種輸入控制選擇閥26、27、28，可操作 地控制制冷劑回路24中制冷劑的流動及冷凍機室12中制冷劑的注入。在優(yōu)選實施例中， 注入冷凍機室12中制冷劑的量是基于由溫度傳感器44確定的冷凍機室12中的溫度，從而 優(yōu)化了機械制冷系統(tǒng)的效率。這種低溫促進增強優(yōu)選是由用戶發(fā)起或選定的過程，其可依 據(jù)冷凍機室內(nèi)產(chǎn)品的制冷需求打開或關(guān)閉。例如，在進行大量生產(chǎn)期間或在夏季月份期間， 這時處理區(qū)的溫度已經(jīng)升高，通過低溫增強或低溫促進補充的制冷能力對于實現(xiàn)產(chǎn)品的理 想溫度是既有用又具有成本效益的。冷凍機控制子系統(tǒng)也響應(yīng)于選定的輸入和操作參數(shù)控制迅速排氣及低溫增強冷 凍機系統(tǒng)10的其他安全特征。當啟動低溫促進特征時，部分基于冷凍機室12內(nèi)的溫度，精 確控制制冷劑通過噴嘴25注入冷凍機室12。低溫促進增強過程保持有效，直到控制系統(tǒng)或 操作員關(guān)閉低溫促進增強或有人試圖進入冷凍機室12。一旦這兩種情況的任意一種發(fā)生， 啟動排風機37的迅速排氣特征，以在短時間內(nèi)，優(yōu)選在大約4分鐘或更少內(nèi)，清除冷凍機室 12內(nèi)的大氣。在本實施例中，通過門14或其他出口進入冷凍機室12受到嚴格控制。當啟動低 溫促進增強時，不可從外面進入通向冷凍機室12的門14。更具體地說，當冷凍機室12內(nèi)的 大氣缺氧時，通過用適當?shù)穆?lián)鎖裝置48覆蓋和固定門把手阻止從外部進入冷凍機室12。此外，還提供可操作地連接到冷凍機控制面板42和門聯(lián)鎖裝置48的氣體分析儀 46。以這樣的方式，工作中的氣體分析儀作為輸入以控制(例如停止)迅速排氣也限制通 過門14進入冷凍機室12。在本優(yōu)選實施例中，只要氣體分析儀46顯示冷凍機室12內(nèi)存在 缺氧大氣，則保持不能從外部通過門14進入冷凍機室12。在低溫促進增強過程的液氮實施 例中，氣體分析儀46優(yōu)選是氧氣氣體分析儀，其將僅當?shù)蜏卮龠M增強退出(即關(guān)閉)，且冷 凍機室12中有充足的氧氣以允許安全可以吸入的環(huán)境時，才允許進入冷凍機室12。作為選 擇，在低溫促進增強過程的二氧化碳實施例中，氣體分析儀46是二氧化碳氣體分析儀，其 將當?shù)蜏卮龠M增強過程被啟動(即打開)時或在二氧化碳的濃度低于安全閾值水平之前， 拒絕通過冷凍機室12的門14進入。在圖2中，揭示了低溫增強機械冷凍機的實施例的另一示意圖，其突出本系統(tǒng)和 過程的一些冷凍機控制方面。如其中所示，控制面板42用于接收至少包括選定的用戶輸入 69、溫度傳感器輸入67和氣體分析儀輸入68的各種輸入。如上所述，用戶輸入69代表或 對應(yīng)于如溫度、制冷劑的流動和類型、冷凍中產(chǎn)品的制冷需求等的冷凍或制冷參數(shù)。本優(yōu)選 的控制面板42是基于微處理器的控制單元，其用于接收選定的輸入并產(chǎn)生一系列命令或 指令61、62、63、64、65、66以操作低溫促進增強過程?？刂泼姘?2優(yōu)選還包含適當?shù)挠脩?接口，如顯示屏和操作者按鈕(未顯示)，以及適當?shù)臄?shù)據(jù)和指令存儲裝置。使用以上所述輸入的一個或更多個，冷凍機控制子系統(tǒng)通過來自控制面板42的命令或輸出，使用輸出命令61、62、63、64、65、66可操作地控制主制冷劑排風機33、迅速排 風機37、制冷劑注入、補充空氣補給以及冷凍機門14上的聯(lián)鎖裝置48。制冷劑注入的控制 由控制制冷劑21從制冷劑源23通過制冷劑回路24并流到噴嘴25的流動來可操作地控制， 該制冷劑回路24包括多個流控制和安全閥26、27、28，噴嘴25用于將制冷劑注入到靠近待處理食品的冷凍機室。制冷劑和空氣流出冷凍機室12的控制是由主排氣收集器32、主排 氣管31、主制冷劑排風機33、迅速排氣收集器34、迅速排氣管35以及迅速排風機37來支 配。借由支配通過吸入管39或端口的流動可操作地控制補充空氣，所述補充空氣用以替換 通過排氣釋放的大氣。了解冷凍機門位置的狀態(tài)和條件對安全考慮是重要的。這些狀態(tài)和條件包括冷凍 機門14是否打開或關(guān)閉以及是否可從外部進入或不可進入冷凍機門14。圖3描繪了與上 述低溫增強機械冷凍機系統(tǒng)結(jié)合使用的聯(lián)鎖裝置48的實施例。在所示實施例中，接近開關(guān) 52設(shè)置在每個冷凍機門14上，并作為輸入連接到冷凍機控制面板42。接近開關(guān)52監(jiān)控通 向冷凍機室12的冷凍機門14的位置。門聯(lián)鎖裝置48包括不銹鋼蓋53和保持機構(gòu)，不銹鋼蓋用一個或多個導引55固定 地接合到靠近門把手54的冷凍機上。蓋53用于在隱藏門把手54的第一位置和暴露門把 手54的第二位置之間移動。在解鎖位置，蓋53很容易滑動、旋轉(zhuǎn)或者暴露門把手54，以允 許期望進入冷凍機室12的人使用門把手54。然而，在鎖定位置，蓋53保持在阻止人使用門 把手54的位置，從而阻止接近或進入冷凍機室12。在所示的實施例中，保持機構(gòu)包括由來自冷凍機控制面板42的命令而可操作地 促動的小氣缸56。當促動氣缸56時，桿57延伸并接合蓋53，以將蓋53物理地鎖定在門把 手54上，并阻止進入冷凍機室12。當冷凍機室12中大氣是安全的，冷凍機控制面板42斷 開氣缸56并縮回桿57，允許蓋53移動并暴露門把手54。門聯(lián)鎖裝置的替代裝置利用磁性 閂，磁性閂當加電時，阻止從外部進入冷凍機?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖4，其中顯示了概括地表征控制邏輯的流程圖，該控制邏輯關(guān)于低溫促 進增強過程的安全運行。所述的控制過程的預(yù)備步驟是建立用于冷凍機的運行參數(shù)、溫度 控制點和溫度設(shè)定點(框塊81)。這些運行參數(shù)的設(shè)置優(yōu)選是通過對冷凍機系統(tǒng)的控制面 板的用戶輸入完成。低溫促進控制過程包括運行機械冷凍機，同時監(jiān)控選定的運行條件，即 冷凍機室內(nèi)的溫度和/或食品的溫度(框塊82)。在這種冷凍機運行期間，基于微處理器的 控制單元不斷地詢問是否存在啟動低溫促進增強的條件(框塊83)。如果不希望啟動低溫 促進，則冷凍機控制子系統(tǒng)繼續(xù)監(jiān)控運行條件。另一方面，如果運行條件指示需要啟動冷凍 促進增強過程，則冷凍機控制子系統(tǒng)啟動門聯(lián)鎖裝置并開始低溫促進過程(框塊84)。在低 溫促進過程開始后，啟動制冷劑排氣(框塊85)并且氣體分析儀有效(框塊86)。冷凍機控制子系統(tǒng)然后繼續(xù)監(jiān)控冷凍機的運行條件，以及控制制冷劑注入子系統(tǒng)和制冷劑排氣(框塊87)。在這種低溫促進增強的運行期間，基于微處理器的控制單元不斷 地詢問是否存在停止或退出低溫促進過程的條件(框塊88)。如果運行條件指示繼續(xù)運行 低溫促進過程，則冷凍機控制子系統(tǒng)繼續(xù)監(jiān)控冷凍機的運行條件及控制制冷劑注入子系統(tǒng) 和制冷劑排氣(框塊87)。然而，如果運行條件指示停止或退出低溫促進過程，則冷凍機控 制子系統(tǒng)停止進一步注入制冷劑(框塊89)，并且如果需要的話，開始迅速排氣(框塊99)。 快速或迅速排氣的開始是響應(yīng)于來自基于用戶輸入或預(yù)設(shè)的運行條件的冷凍機控制子系 統(tǒng)的命令。在低溫促進過程關(guān)閉期間，冷凍機控制子系統(tǒng)繼續(xù)監(jiān)控冷凍機的運行條件(框 塊90)，所述運行條件包括由氣體分析儀確定的冷凍機室內(nèi)的適當溫度和選定的氣體濃度。 僅當冷凍機室內(nèi)的大氣已被確定為安全時(框塊91)，如有需要，冷凍機控制子系統(tǒng)進入關(guān) 閉迅速排氣(框塊92)，并且禁用門聯(lián)鎖裝置(框塊93)。此時，可進入冷凍機室(框塊95)。然而，門聯(lián)鎖裝置被禁用后，其他排風機可繼續(xù)運行。此外，冷凍機控制子系統(tǒng)繼續(xù)監(jiān)控冷 凍機的運行條件(框塊82)，以防需要低溫促進過程的進一步參與。雖然對機械冷凍機添加制冷劑補充了冷凍機的整體制冷能力，但也有可能引入不 利或不必要的條件。例如，制冷劑的引入增加了冷凍機室內(nèi)的壓力，這可能導致蒸汽從冷凍 機室泄漏。此外，如果冷凍機中的溫度太低，機械制冷效率會受到不利影響。 緩解這些與機械冷凍機中引入制冷劑有關(guān)的不利條件是通過精確控制制冷劑注 入系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)，以將機械冷凍機室維持在或高于預(yù)定溫度設(shè)定點和最佳壓力而實現(xiàn)。雖然本控制方案主要是考慮控制制冷劑注入、制冷劑排氣，并限制在低溫促進或 低溫增強運作期間進入冷凍機室，但也預(yù)期本控制方案可以用來同時控制其他設(shè)備，如轉(zhuǎn) 換風扇、產(chǎn)品輸送器等。此外，除了冷凍機的運行溫度以外的控制參數(shù)可用于在低溫增強運 行期間控制制冷劑注入和排氣子系統(tǒng)。轉(zhuǎn)到圖5和6，其中顯示了低溫增強機械冷凍機系統(tǒng)的另一實施例的部分示圖，該 系統(tǒng)包括限定局部遮蔽的制冷區(qū)的制冷結(jié)構(gòu)或機殼以及專用制冷劑排氣。圖5中，制冷結(jié) 構(gòu)或機殼110設(shè)置在機械制冷隧道式冷凍機中的部分輸送器112上，并且優(yōu)選靠近冷凍機 室120的產(chǎn)品輸送器112的出口。制冷結(jié)構(gòu)或機殼110限定遮蔽的制冷區(qū)125，其中制冷 齊IJ，如二氧化碳或氮，通過制冷劑注入系統(tǒng)130直接注入到遮蔽的制冷區(qū)125內(nèi)輸送器112 上運輸?shù)漠a(chǎn)品。所示的制冷結(jié)構(gòu)或機殼110限定了入口和出口，通過此入口，輸送器112上 的產(chǎn)品被送入遮蔽的制冷區(qū)125，通過此出口，輸送器112上的產(chǎn)品接觸到制冷劑后離開遮 蔽的制冷區(qū)125。制冷劑注入系統(tǒng)130優(yōu)選包括多個注入噴嘴132，每個噴嘴都連接到制冷劑歧管。 制冷劑源(未顯示)通過管道供應(yīng)到制冷劑歧管。制冷劑注入系統(tǒng)130優(yōu)選是由基于微處 理器的控制器(未顯示)控制，控制器支配制冷劑注入形式(profile)或模式(pattern)。 該制冷結(jié)構(gòu)或機殼110優(yōu)選包含一個或多個檢修門118，以方便遮蔽的制冷區(qū)125、制冷劑 注入器132和輸送器112的定期清洗。包括排風機140和排氣外殼142的制冷劑排氣裝置靠近遮蔽的制冷區(qū)125，且優(yōu)選 在沿輸送器112的制冷結(jié)構(gòu)或機殼110的下游。該制冷劑排風機140在功能上類似于上面 討論的輔助排風機，參考圖1，并且選擇地包括迅速排氣特征，迅速排氣特征可在大約幾分 鐘內(nèi)排出冷凍機室中的全部大氣。在正常運行中，排氣外殼142優(yōu)選構(gòu)造成將來源于遮蔽 的制冷區(qū)125內(nèi)的任何制冷劑蒸汽引入到排風機140，在排風機中，制冷劑蒸汽被從機械冷 凍機室中迅速排放或移走。如同制冷結(jié)構(gòu)或機殼110，排氣外殼142靠近輸送器112設(shè)置， 且優(yōu)選包含一個或多個檢修門144，以方便排氣外殼142和輸送器112內(nèi)表面的定期清洗。雖然圖5中所示的排氣外殼142是作為與制冷結(jié)構(gòu)或機殼110相分離的單獨結(jié) 構(gòu)，但應(yīng)意識到，這兩種結(jié)構(gòu)和功能可整合到單一的制冷裝置中。類似地，雖然所示實施例 優(yōu)選設(shè)想將制冷劑注入應(yīng)用到產(chǎn)品輸送器的端部和機械冷凍機出口附近，但這種機械冷凍 機的低溫促進也可安裝在機械冷凍機內(nèi)輸送器的幾乎任何部分上。圖6是制冷劑注入系統(tǒng)的部分剖視圖，制冷劑注入系統(tǒng)包括制冷結(jié)構(gòu)或機殼，制 冷結(jié)構(gòu)或機殼在機械螺旋式冷凍機頂部附近的部分輸送器上方限定一遮蔽的制冷區(qū)。如其 中所示，制冷結(jié)構(gòu)或機殼150設(shè)置在冷凍機室154部分螺旋輸送器152上，且優(yōu)選靠近螺旋 輸送器152頂部和冷凍機室154出口。所示的制冷結(jié)構(gòu)或機殼150是安裝在現(xiàn)有的支撐結(jié)構(gòu)158上，這種支撐結(jié)構(gòu)158通常在許多機械螺旋式冷凍機中被發(fā)現(xiàn)，并且制冷結(jié)構(gòu)或機殼 被顯示限定沿螺旋輸送器152約90度的弧形路徑上方的空間。制冷結(jié)構(gòu)或機殼150限定 遮蔽的制冷區(qū)155，在遮蔽的制冷區(qū)中，二氧化碳或氮借助于制冷劑注入系統(tǒng)160注入到螺 旋輸送器152上的食品中。機殼的實際大小和配置在很大程度上取決于制冷劑注入系統(tǒng)的 大小和方向，但不應(yīng)明顯影響機械冷凍機的空氣流動和運行。與圖5中所示實施例相似，圖6中的制冷劑注入系統(tǒng)160優(yōu)選包括多個制冷劑注 入噴嘴162，每個噴嘴連接到制冷劑歧管。制冷劑源(未顯示)是通過管道166供應(yīng)到制冷 劑歧管。制冷劑注入系統(tǒng)160優(yōu)選由基于微處理器的控制器(未顯示)來控制，控制器支 配制冷劑注入形式或模式，其包括低溫促進過程啟動(打開)、退出(關(guān)閉)、制冷劑注入流 速、持續(xù)時間、頻率等。制冷結(jié)構(gòu)或機殼150還包含一個或多個檢修門158，以方便遮蔽的制 冷區(qū)155、制冷劑注入器162和輸送器152的定期清洗。雖然未顯示，用于機械螺旋式冷凍 機的低溫促進裝置還將包括制冷劑排氣外殼和排風機，它們靠近遮蔽區(qū)155設(shè)置，并配置 成將來自機械螺旋式冷凍機室的遮蔽的制冷區(qū)155中的任何制冷劑蒸汽排出。
還已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，提供間歇式制冷劑注入模式或形式增強了與制冷劑注入系統(tǒng) 和制冷劑的使用相關(guān)的特別是基于氮氣的低溫促進裝置的效率。制冷劑注入優(yōu)選借助于控 制器來控制，以使得制冷劑通過噴嘴間歇流過整個低溫促進循環(huán)。在低溫促進循環(huán)期間也 可進行對每個噴嘴的注入循環(huán)，從而制冷劑始終通過一個或多個噴嘴傳輸，但不是所有的 噴嘴同時注入制冷劑。因為大量冷制冷劑蒸汽被迅速排出，制冷劑的間歇循環(huán)減小或避免 在低溫促進循環(huán)期間過量注入制冷劑。從單一噴嘴的連續(xù)制冷劑注入也可導致食品的局部 過度冷凍以及損壞或降低噴嘴性能。通過該噴嘴或多個噴嘴的制冷劑注入的打開和關(guān)閉循 環(huán)時間可以是周期性的或非周期性的，并且每次打開或關(guān)閉循環(huán)的優(yōu)選持續(xù)時間以及其他 注入?yún)?shù)是由用戶設(shè)定或被編程到基于微處理器的控制器中。圖5和6中所示的機殼限定單一制冷區(qū)，機殼描繪了完全設(shè)置在機殼內(nèi)的制冷劑 注入系統(tǒng)。本低溫促進系統(tǒng)的替代配置將包括具有較小機殼和僅部分制冷劑注入系統(tǒng)的裝 置，制冷劑注入系統(tǒng)例如設(shè)置在機殼內(nèi)的噴嘴或噴嘴末端。進一步預(yù)想的裝置設(shè)想多個遮 蔽的制冷劑噴嘴，每一個噴嘴靠近輸送器設(shè)置，并限定機械冷凍機室內(nèi)的多個局部制冷區(qū)。在替代實施例中，靠近制冷劑注入系統(tǒng)設(shè)置的冷排氣也可被設(shè)定大小，以在必要 時作為迅速排氣運行，并且當需要進入冷凍機室時排出全部冷凍機大氣。類似地，冷排氣 可配置成基于不同溫度和命令輸入，將部分制冷劑蒸汽返回冷凍機室。如果冷排氣配置成 將部分制冷劑蒸汽返回冷凍機室，則冷蒸汽的剩余部分將優(yōu)選被排放或被引導轉(zhuǎn)作其他用 途，例如冷卻機械冷凍機的外部冷凝器。制冷劑排風機或冷排氣優(yōu)選位于或靠近制冷劑注入系統(tǒng)設(shè)置。通過協(xié)同設(shè)置制冷 劑注入系統(tǒng)和制冷或冷排氣，由制冷劑注入提供的制冷能力直接應(yīng)用到遮蔽的制冷區(qū)或局 部制冷區(qū)內(nèi)部或附近的食品，而由此產(chǎn)生的制冷劑蒸氣隨后由制冷劑排風機排出。雖然優(yōu) 選控制制冷劑排風機的速度或使其成比例于或直接相關(guān)于制冷劑注入速率的其他項，但也 有可能獨立于制冷劑注入系統(tǒng)的控制而控制制冷劑排氣系統(tǒng)，或根據(jù)不同參數(shù)或運行條件 控制排氣和注入子系統(tǒng)。重要的是，制冷劑注入系統(tǒng)的控制和制冷劑排氣系統(tǒng)的控制可以 將機械冷凍機室維持在或高于預(yù)定溫度設(shè)定點，從而不會對機械冷凍機相關(guān)的機械制冷能 力產(chǎn)生不利影響。
冷排氣系統(tǒng)的另一重要方面是排氣風扇轉(zhuǎn)速和排放氣體溫度。無論冷排氣是什么用途，不管它是成比例地依賴于制冷劑注入速率的獨立制冷劑排氣，還是具有迅速排氣和 主制冷劑排氣功能的雙重目的的排氣，重要的是，冷排氣的風扇轉(zhuǎn)速必須足夠快，以防止在 冷排氣回路和設(shè)備上結(jié)冰。一般來說，排放的制冷劑蒸汽當流經(jīng)排氣管道和排風機而傾向 于變暖。冷排氣系統(tǒng)的設(shè)計，特別是，冷排氣風扇轉(zhuǎn)速應(yīng)確保在冷排氣管道中的冷排氣溫度 足夠低，以避免在所有運行條件下結(jié)冰。如本文所述，本用于對機械冷凍機系統(tǒng)低溫增強的系統(tǒng)和方法提供了安全和低成 本的替代方案，其提高了機械冷凍機系統(tǒng)的性能和效率。本系統(tǒng)和方法相對于現(xiàn)有的對機 械冷凍系統(tǒng)低溫增強來說，其許多優(yōu)點之一是披露的安全特征，當?shù)蜏卮龠M被啟動時，和/ 或在冷凍機室內(nèi)的大氣被確定為安全可以吸入之前，安全特征阻止進或出冷凍機室。本系 統(tǒng)中體現(xiàn)的另一與安全有關(guān)的優(yōu)點通過將迅速排氣的控制連接到冷凍機室內(nèi)大氣監(jiān)控而 實現(xiàn)。本發(fā)明的其他優(yōu)點和關(guān)鍵方面是可操作控制制冷劑注入系統(tǒng)和制冷劑排氣系統(tǒng)， 以將制冷劑集中在遮蔽的或局部的制冷區(qū)，維持機械冷凍機室內(nèi)合理的壓力，并且將機械 冷凍機室維持在或高于預(yù)定溫度設(shè)定點，從而不會對機械冷凍機相關(guān)的機械制冷能力產(chǎn)生 不利影響。雖然本發(fā)明已經(jīng)參照優(yōu)選實施例描述，但是可做出多種變化、添加和省略，而不會 脫離如在所附的權(quán)利要求書中所界定的本發(fā)明的實質(zhì)和范圍。
權(quán)利要求
一種低溫增強機械冷凍機系統(tǒng)，其包括機械冷凍機，其用于冷凍食品，機械冷凍機包括設(shè)置在機械冷凍機室內(nèi)的輸送器；機殼，其設(shè)置在機械冷凍機室中輸送器的一部分周圍，用以限定遮蔽區(qū)；制冷劑注入系統(tǒng)，其用于將制冷劑直接注入遮蔽區(qū)；一個或多個溫度傳感器，其設(shè)置在冷凍機室中，用于確定機械冷凍機室內(nèi)的溫度；排氣系統(tǒng)，其具有第一排風機，所述第一排風機靠近遮蔽區(qū)設(shè)置，并用于將源自遮蔽區(qū)的制冷劑蒸汽排放到機械冷凍機室外的場所；以及冷凍機控制系統(tǒng)，其用于響應(yīng)于來自一個或多個溫度傳感器的輸入，來控制機械冷凍機、排氣系統(tǒng)和制冷劑注入系統(tǒng)，其中排氣系統(tǒng)和制冷劑注入系統(tǒng)被按比例地控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，冷凍機控制系統(tǒng)響應(yīng)于從一個或多個溫度傳感 器接收的輸入，而控制制冷劑注入系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)，以將機械冷凍機室維持在或高于預(yù)定 溫度設(shè)定點，從而不會對機械冷凍機相關(guān)的機械制冷能力產(chǎn)生不利影響。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，冷凍機控制系統(tǒng)響應(yīng)于從一個或多個溫度傳感 器接收的輸入，并且只要機械冷凍機室中的溫度高于預(yù)定溫度設(shè)定點，控制制冷劑注入系 統(tǒng)注入制冷劑，從而不會對機械冷凍機相關(guān)的機械制冷能力產(chǎn)生不利影響。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，排氣系統(tǒng)還包括第二排風機，第二排風機設(shè)置在 機械冷凍機室中，以當需要進入冷凍機室時，迅速從機械冷凍機室排放大氣。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中，控制制冷劑注入系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)，從而，當制冷 劑注入系統(tǒng)起作用時，排氣系統(tǒng)不斷地移走制冷劑蒸汽，當制冷劑注入系統(tǒng)不起作用并且 需要進入冷凍機室時，排氣系統(tǒng)迅速排放來自冷凍機室的制冷劑蒸汽。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其還包括氣體分析儀，其與冷凍機室可操作的關(guān)聯(lián)設(shè)置，用于監(jiān)控冷凍機室內(nèi)制冷劑蒸汽的濃 度并且給冷凍機控制系統(tǒng)提供輸入；以及一個或多個冷凍機室聯(lián)鎖裝置，其可操作地連接到冷凍機控制系統(tǒng)； 其中，如果冷凍機室內(nèi)制冷劑蒸汽的濃度超過預(yù)定限額或如果制冷劑注入系統(tǒng)正在注 入制冷劑，則冷凍機室聯(lián)鎖裝置阻止進入冷凍機室。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中，冷凍機室聯(lián)鎖裝置還包括門把手蓋，其可活動地連接到靠近門把手的冷凍機室，門把手蓋用于在遮蔽門把手的 第一位置和暴露門把手的第二位置之間移動；以及保持機構(gòu)，如果冷凍機室內(nèi)制冷劑蒸汽的濃度超過預(yù)定限額或如果制冷劑注入系統(tǒng)正 在注入制冷劑，則保持機構(gòu)用于將門把手蓋鎖定在第一位置。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中，制冷劑為二氧化碳，且氣體分析儀監(jiān)控冷凍機室 內(nèi)二氧化碳的濃度。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中，制冷劑為氮氣，且氣體分析儀監(jiān)控冷凍機室內(nèi)氧 氣的濃度。
10.一種冷凍機械冷凍機系統(tǒng)中食品的方法，其包括步驟 機械地制冷冷凍機室；感測冷凍機室中的溫度；基于冷凍機室的溫度，可控地將制冷劑直接注入靠近食品的冷凍機室中的遮蔽區(qū)，以低溫增強食品的冷凍；以及可控地將源自遮蔽區(qū)的制冷劑蒸汽排放到冷凍機室外的場所；其中，響應(yīng)于冷凍機室中的溫度控制制冷劑的注入和制冷劑蒸汽的排放，以將冷凍機 室維持在或高于預(yù)定溫度設(shè)定點，從而不會對機械冷凍機系統(tǒng)相關(guān)的機械制冷能力產(chǎn)生不 利影響。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其還包括步驟當需要進入冷凍機室時，迅速排放來 自冷凍機室的制冷劑蒸汽。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，制冷劑為氮氣，注入制冷劑的步驟還包括以間 歇模式將制冷劑注入到冷凍機室中的遮蔽區(qū)。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其還包括步驟監(jiān)控冷凍機室內(nèi)選定氣體的濃度；以及聯(lián)鎖進入冷凍機室的任何入口，以當冷凍機室內(nèi)選定氣體的濃度超過預(yù)定限額，或當 制冷劑注入系統(tǒng)正在注入制冷劑時阻止進入冷凍機室。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，制冷劑為二氧化碳，且監(jiān)控選定氣體的濃度的 步驟還包括監(jiān)控冷凍機室內(nèi)二氧化碳的濃度。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，制冷劑為氮氣，且監(jiān)控選定氣體的濃度的步驟 還包括監(jiān)控冷凍機室內(nèi)氧氣的濃度。
全文摘要
提供了一種低溫增強機械冷凍機系統(tǒng)和方法。該披露的系統(tǒng)包括用于冷凍輸送器上食品的機械冷凍機室(12)、用于將制冷劑直接注入到靠近機械冷凍機室中輸送器的遮蔽區(qū)的制冷劑注入系統(tǒng)(21、24、25)、用于迅速排放冷凍機室的制冷劑蒸汽的排氣系統(tǒng)(37)、以及冷凍機控制系統(tǒng)(42)，所述冷凍控制系統(tǒng)用于響應(yīng)于選定輸入，可操作地控制排氣系統(tǒng)和制冷劑注入系統(tǒng)，從而不會對機械冷凍機相關(guān)的機械制冷能力產(chǎn)生不利影響。選定輸入可包括用戶輸入以及設(shè)置于冷凍機室的一個或多個溫度傳感器(44)和用于監(jiān)控冷凍機室(12)內(nèi)選定氣體濃度的氣體分析儀接收的輸入。在任何制冷劑注入操作期間及當由氣體分析儀確定的冷凍機室中大氣不安全時，使用門聯(lián)鎖(48)裝置阻止進入冷凍機室。
文檔編號F25D3/11GK101842650SQ200880114688
公開日2010年9月22日 申請日期2008年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月6日
發(fā)明者D·J·金, G·T·賽姆施馬, G·庫茲克, J·M·吉拉德, J·N·賴恩, R·J·張伯倫, R·J·謝菲爾, T·H·加斯泰耶 申請人:普萊克斯技術(shù)有限公司