Способ быстрого замораживания и установка быстрого замораживания (варианты)
Изобретение предназначено для использования при охлаждении пищевых продуктов. Способ быстрого охлаждения предусматривает понижение температуры воздуха вокруг объекта замораживания до -30...-100°С и приложение к нему однонаправленного магнитного поля. На объект воздействуют потоком воздуха, имеющим скорость 1...5 м/с. На этот поток воздуха накладывают звуковую волну слышимого частотного диапазона. Возможно приложение электрического поля к объекту замораживания. Установка содержит морозильник, способный понизить температуру до -30...-100°С, генератор пульсирующего магнитного поля, вентилятор для циркуляции холодного воздуха в морозильнике, генератор звуковой волны. Для прикладывания электрического поля интенсивностью 100...1000 кВ/м к центральной части морозильника установка содержит генератор электрического поля. Генератор пульсирующего магнитного поля включает постоянные магниты для прикладывания статического магнитного поля к центральной части морозильника с интенсивностью заданного опорного уровня и электромагнитные катушки для приложения пульсирующего магнитного поля, которое пульсирует в пределах предварительно заданного диапазона относительно статического магнитного поля в центральной части морозильника. 4 с. и 6 з.п. ф-лы, 4 ил., 3 табл.
Область техники
Настоящее изобретение относится к технологии сверхбыстрого замораживания и позволяет сохранять свежесть пищевых продуктов и их ингредиентов при долговременном хранении, обеспечивает возможность консервирования и хранения живых клеток.
Предшествующий уровень техники
Обычно различные способы и устройства для замораживания и разрабатываются как средства хранения пищевых ингредиентов и пищевых продуктов при сохранении их свежести в течение длительного времени. Однако при замораживании скоропортящихся пищевых продуктов, таких как рыбопродукты, невозможно полностью предотвратить (1) выделение неприятных запахов после замораживания и размораживания, (2) обесцвечивания, (3) ухудшения вкуса, (4) просачивания (выделения сока в процессе размораживания). Позиции (1), (2), до (3) являются следствием разложения пищевых ингредиентов, вызванного бактериями, число которых увеличивается, и окислением пищевых ингредиентов. Просачивание, позиция (4), происходит из-за длительного периода времени, необходимого для замораживания. То есть, кристаллы льда, которые образуются при замерзании свободной воды, существующей в объектах замораживания, например пищевых ингредиентах и пищевых продуктах, становятся слишком большими и объемными и вызывают повреждения структуры клеток. (Свободная вода - это вода, которая не связана протеинами и которая, таким образом, может свободно перемещаться). Другими словами, это происходит потому, что требуется слишком много времени для прохождения температурного диапазона от 0°С до -20°С, который является тем диапазоном, в котором начинается и прекращается затвердевание, и кристаллы льда становятся слишком большими и объемными.
В качестве метода предотвращения данных проблем недавно была предложена техника, описанная в выложенной заявке Японии №10-179105.
При вышепредложенной технике замораживания оно производится прямым помещением объекта замораживания в жидкий охладитель либо разбрызгиванием жидкого охладителя по объекту, чтобы ускорить процесс замораживания. Это ограничивает рост кристаллов при замораживании и предотвращает разрушение клеточной структуры. Далее, путем приложения электромагнитной энергии (дальней инфракрасной области, в частности) к замораживаемому объекту уменьшается размер водных скоплений (далее мы будем именовать их «малыми скоплениями»). Такие малые скопления могут легко проникать в объект замораживания. Благодаря эффекту ограничения роста числа бактерий малыми скоплениями, можно ограничить число бактерий внутри объекта замораживания, что приводит к повышению качества.
Тем не менее, поскольку при вышепредложенном методе в качестве жидкого охладителя используются этиловый или метиловый спирт, ацетон или подобные материалы, во многих случаях невозможно прямое погружение в них объекта замораживания. Для того, чтобы избежать прямого контакта жидкого охладителя с объектом замораживания, необходимо произвести предварительную процедуру упаковки объекта в контейнер или подобную тару. При замораживании прямым погружением также будет необходимо произвести после обработки процесс очистки и удаления жидкого охладителя с поверхности объекта после размораживания. Вышеуказанные процессы причиняют неудобства и занимают некоторое время, в течение которого может произойти потеря свежести.
Далее, при вышеуказанных методах замораживания охлаждение и замораживание осуществляются теплопередачей при контакте с жидким охладителем, и, таким образом, холод передается от внешней поверхности внутрь объекта. Поэтому замораживание начинается с внешней поверхности объекта замораживания и постепенно проникает внутрь. Другими словами, замороженный слой сначала образуется на внешней поверхности, а затем продвигается в направлении внутренней полости. В продолжение этого процесса холод проходит сквозь первично сформированный внешний замороженный слой и далее передается внутрь, и теплопередача сильно сдерживается замороженным слоем. Таким образом, требуется значительное время для окончания замораживания, особенно внутреннего ядра, что делает затруднительным предотвращение разрушения клеточной структуры.
Далее, при использовании замораживания и хранения в сфере биомедицинских транс плантантов разрушение клеточной структуры и увеличение времени процесса становится фатальным, так что вышеописанный метод не может быть применен.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение решает вышеупомянутые проблемы, и его задачей является предложить метод быстрого замораживания и аппаратуру, которые обеспечивали бы равномерное, быстрое и незамедлительное замораживание объекта, при этом не существует необходимости в предварительной/последующей обработке, и нет разницы между внутренней и внешней температурой объекта, что обеспечивает длительное хранение при сохранении свежести пищевых ингредиентов и пищевых продуктов на уровне высоких стандартов, а также делает возможным замораживание, хранение и консервацию живых клеток.
Для того, чтобы достигнуть вышеуказанной цели, способ быстрого замораживания, в соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения, включает в себя стадию быстрого замораживания понижением окружающей температуры до -30°С...-100°С при приложении однонаправленного магнитного поля к объекту замораживания; при этом в способе быстрого замораживания предусматривают понижение температуры вокруг объекта замораживания до -30...-100°С и приложение к нему однонаправленного магнитного поля, при этом охлаждение объекта производят потоком холодного воздуха, имеющим скорость 1...5 м/с, с одновременным наложением звуковой волны слышимого частотного диапазона на указанный поток холодного воздуха; при этом напряженность указанного однонаправленного магнитного поля пульсирует относительно произвольного фиксированного опорного уровня в положительном и отрицательном направлении в пределах предварительно заданного диапазона.
Однонаправленное магнитное поле прикладывается к объекту замораживания во время быстрого замораживания объекта, например, в морозильнике. Таким образом, данное магнитное поле делает возможным ориентацию магнитного момента, что вызывается ориентацией спинов электронов или ядерных спинов молекул, составляющих объект замораживания, и молекул свободной воды, в нем содержащейся, в одном направлении; холод может передаваться к внутренним частям объекта замораживания весьма быстро; разница между внешней и внутренней температурой объекта замораживания, то есть неравномерность охлаждения, может быть значительно снижена для осуществления быстрого охлаждения. Таким образом, замораживание происходит совершенно равномерно и одновременно, а не начинается с внешней поверхности; поскольку замораживание не начинается с внешней поверхности объекта замораживания, не формируется внешний замороженный слой, замедляющий теплопередачу, становится возможным осуществить эффективную передачу холода к внутренним частям объекта. Это приводит к значительному ускорению охлаждения внутренней части объекта. Таким образом, период времени, в течение которого замораживание начинается и прекращается, может быть сокращен до очень короткого промежутка времени по всему объекту замораживания.
Далее, поскольку охлаждение производится при приложении магнитного поля к объекту замораживания, свободная вода внутри объекта замораживания может быть приведена в сверхохлажденное состояние. (Здесь, как будет описано позднее, поскольку скопления воды делаются малыми с помощью магнитного поля, а гидратационная структура формируется усилением реакции гидратации скоплений на пищевой субстрат, количество свободной воды внутри объекта замораживания снижается, а сверхохлаждение обеспечивается в дальнейшем). Дальнейшее охлаждение приведет к тому, что сверхохлажденная свободная вода начнет замерзать, но поскольку количество теплоты, эквивалентное скрытой теплоте формирования льда, удалено, замерзание произойдет быстро, и соответственно, период, в течение которого замораживание начинается и прекращается, будет сокращен до очень короткого промежутка времени.
В результате два вышеупомянутых эффекта делают возможным пройти диапазон температур 0°С...-20°С, в котором кристаллы имеют тенденцию к росту во время замораживания, в очень короткий промежуток времени. Поэтому сдерживается рост кристаллов льда из свободной воды, и образуются мелкие кристаллы льда. Таким образом, поскольку кристаллы весьма малы, становится возможным предотвратить разрушение клеточной структуры объекта замораживания во время замораживания, ограничить просачивание, происходящее при размораживании, и сохранить свежесть на уровне высоких стандартов.
Ниже будет объяснено, почему сверхохлажденное состояние вызывается приложением магнитного поля и почему общее время, в течение которого начинается и прекращается замораживание, может быть сокращено до весьма короткого промежутка времени.
Тепловая активность молекул объекта замораживания и молекул свободной воды, которая существует внутри объекта замораживания, снижается при охлаждении, и, таким образом, температура объекта замораживания снижается. Поскольку главными видами тепловой активности являются растягивающие вибрации и деформирующие вибрации связей между атомами, составляющими молекулы, и тепловые вибрации, вызванные молекулярной тепловой активностью, такие как поступательные и вращательные движения молекул, такие виды активности далее будут определяться как тепловые вибрации. Когда температура переходит в низкотемпературный диапазон ниже 0°С, тепловые вибрации уменьшаются. Тем не менее из-за прецессии электронного или ядерного спина тепловые вибрации, вызванные электронным или ядерным спином, становятся доминирующими, а возможность сдерживания тепловых вибраций, вызванных тепловой активностью молекул, ограничивается. В дополнение, орбитальные движения электронов, которые вносят вклад во внутриатомные связи, также прецессируют, и влияние этого движения также должно приниматься во внимание. В общем, данные движения взаимно гасятся спином парных электронных или ядерных спинов, и, таким образом, такое движение имеет малое влияние на тепловые вибрации. Таким образом, поскольку данные вибрации остаются малыми, положение молекул свободной воды фиксируется в соответствии с водородной связью, и формируются кристаллы льда. Другими словами, начинается замораживание.
Тем не менее, когда прикладывается магнитное поле, поскольку спин электронов или ядерный спин выстраивается в одном направлении, легко объединить направления осей прецессии электронного или ядерного спина. Таким образом, даже когда температура падает до значения, при котором замораживание в общем случае начинается, вибрация водородной связи, работающая между молекулами свободной воды, по-прежнему слишком велика, чтобы зафиксировать водородную связь и дать возможность воде превратиться в лед; вместо этого свободная вода переводится в сверхохлажденное состояние. То есть, даже если количество теплоты, эквивалентное скрытой теплоте, необходимой для отверждения, уже удалено, свободная вода не может превратиться в лед и остается в состоянии нестабильной воды. Когда температура далее снижается до значения, при котором вибрация становится меньше определенного уровня, либо когда ослабляется магнитное поле и влияние электронного или ядерного спина на тепловую вибрацию взаимно уничтожается для того, чтобы резко снизить уровень вибрации, которая предотвращает от замерзания, ниже определенного уровня, положение молекул фиксируется в соответствии с водородной связью, и замораживание немедленно прогрессирует. Таким образом, время, в течение которого начинается и прекращается замораживание, сокращается до весьма короткого промежутка времени.
Принимается во внимание, что в соответствии с описанным механизмом возможно осуществить сверхохлажденное состояние приложением магнитного поля и чрезвычайно сократить время, в течение которого начинается и прекращается замораживание.
Далее, в общем случае, скопления воды формируют водородные связи с полярными группами, которые повернуты наружу от внешней поверхности третичной структуры, которая является наименьшей единицей протеинов или углеводов, составляющих объект замораживания, и скопления обращаются в связанную воду. (Третичная структура - это, в основном, сферическая структура, сформированная свертыванием первичной структуры, т.е. конденсатный полимер, сформированный линейным соединением различных аминокислот). Тем не менее, приложение магнитного поля заставляет скопления воды, которые являются агрегациями молекул свободной воды, разделяться на меньшие группы. (Они далее именуются малыми скоплениями). Таким образом, малые скопления прикрепляются компактно и равномерно к внешней поверхности третичных структур, чтобы сформировать квази-мономолекулярный слой связанной воды и покрыть поверхность оболочкой. То есть, малые скопления прикрепляются по всей внешней поверхности равномерным, похожим на мономолекулярный, слоем, чтобы образовать оболочку из связанной воды. Далее к этому мономолекулярному слою, т.е. первому слою связанной воды, привязываются молекулы воды межмолекулярными связями, и образуется гидратационная структура второго слоя, и формируется третий слой.
Таким образом, данная гидратационная структура, сформированная оболочкой из связанной воды, предохраняет третичные структуры, т.е. объект замораживания, от окисления, и свежесть поддерживается на уровне высоких стандартов.
Поскольку связанная вода крепко связана с третичными структурами, точка замерзания связанной воды понижается до диапазона -10°С...-100°С. Таким образом, в общем, связанная вода - это вода, которая не замерзает. При формировании малых скоплений свободная вода полностью связывается с внешней поверхностью третичной структуры, и, таким образом, свободная вода превращается в связанную воду. Поэтому абсолютное количество воды снижается, и становится возможным косвенно ограничить кристаллы воды от избыточного роста.
Далее, поскольку окружающая температура устанавливается в диапазоне -30°С...-100°С, становится возможным выгодно ограничить окисление, происходящее на поверхности объекта замораживания, в то же время предотвращая избыточное охлаждение. Если температура выше -30°С, прогрессирование окисления нельзя предотвратить, даже если объект находится в замороженном состоянии; если он охлажден ниже -100°С, эксплуатационные расходы, необходимые для замораживания, будут лишь возрастать, поскольку прогресс окисления не будет отложен далее, что является неэкономичным.
При сверхбыстром методе замораживания, в соответствии с одним из аспектов данного изобретения, интенсивность однонаправленного магнитного поля может колебаться относительно произвольного фиксированного опорного уровня в положительном и отрицательном направлении в предварительно определенном диапазоне. В соответствии с такой конфигурацией, поскольку магнитное поле колеблется в течение быстрого замораживания объекта, будет возможно снизить противодействие действию статического магнитного поля, т.е. снизить противоэффект статическому магнитному полю, и дать возможность эффектам, вызванным приложением магнитного поля, работать эффективно.
Далее, поскольку магнитное поле пульсирует, магнитный поток меняется и в объекте замораживания возникает электромагнитная индукция. Возникающая таким образом индуцированная электромагнитная сила создает внутри объекта свободные электроны. Объект замораживания сам по себе восстанавливается за счет этих свободных электронов и предохраняется от окисления. Что касается молекул воды и молекул кислорода в морозильнике, свободные электроны передаются им, и они соответственно превращаются в воду с добавленным электроном (Н2Ое) и перекисный анион 
Вода с добавленным электроном (Н2Ое) и перекисный анион 
образуют радикалы, такие как гидроокисные радикалы (виды активного кислорода •ОН), и клеточные мембраны бактерий могут разрушаться этими гидроокисными радикалами. Таким образом, можно ограничить число живых бактерий.
Поскольку охлаждение объекта замораживания производится холодным потоком воздуха, имеющим скорость 1...5 м/сек, а звуковая волна в слышимом диапазоне накладывается на холодный поток, небольшие изменения давления воздуха, вызываемые звуковыми волнами, могут эффективно удалять барьерный слой воздуха, который образуется около объекта замораживания, либо поверхности поддона, на котором объект размещен и который замедляет теплопередачу. Таким образом, теплопередача улучшается и скорость охлаждения объекта замораживания, вызываемого холодным воздухом, увеличивается, давая возможность температуре быстро падать. В результате диапазон температур 0°С...-20°С, в котором кристаллы свободной воды становятся объемными, преодолевается в течение короткого времени. Таким образом, кристаллы льда ограничиваются от роста до слишком большого размера.
Благодаря использованию слышимого частотного диапазона становится возможным предотвратить окисление поверхности объекта замораживания, не вызывая разрушения оболочки из связанной воды, сформированной на поверхности объекта замораживания. Другими словами, возможно предотвратить срывание оболочки из связанной воды с поверхности объекта замораживания, что могло бы случиться, если частота была слишком высока, например находилась бы в ультразвуковом диапазоне, поскольку скорость потока холодного воздуха находится в диапазоне 1...5 м/сек, теплопередача достигается за счет конвекции.
Таким образом, будет возможно увеличить скорость охлаждения, предохранить оболочку из связанной воды на поверхности объекта замораживания от испарения и предотвратить окисление на поверхности объекта замораживания. То есть, если скорость ветра слишком мала, теплообмен между холодным воздухом и поверхностью объекта замораживания будет слишком медленным, что сделает скорость падения температуры недостаточной для замораживания; но поскольку скорость потока воздуха 1 м/сек или выше, такой проблемы можно максимально избежать. С другой стороны, если скорость ветра превосходит 5 м/сек, водная оболочка испарится, и окажется обнаженной поверхность объекта замораживания, что вызовет окисление поверхности; но поскольку скорость потока воздуха 5 м/сек или ниже, такой проблемы также можно избежать.
При применении способа сверхбыстрого замораживания к объекту замораживания может быть приложено электрическое поле. При этом электрическое поле вызовет присоединение электронов к молекулам воды и молекулам кислорода внутри морозильника, и они соответственно превратятся в воду с добавленным электроном (Н2Ое) и перекисный анион 
Вода с добавленным электроном (Н2Ое) и перекисный анион образуют радикалы, такие как гидроокисные радикалы (виды активного кислорода •ОН), и клеточные мембраны бактерий могут разрушаться этими гидроокисными радикалами. Таким образом, приложением электрического поля во время замораживания можно ограничить число живых бактерий и сдержать разложение объектов замораживания.
Установка для быстрого замораживания, в соответствии с другим аспектом данного изобретения, включает морозильник, способный понижать внутреннюю температуру вокруг замораживаемого объекта до -30...-100°С, устройство генерации магнитного поля для приложения к указанному объекту однонаправленного магнитного поля, пульсирующего относительно произвольного фиксированного опорного уровня (в положительном и отрицательном направлении) в пределах предварительно заданного опорного уровня, причем указанные устройства включают устройства генерации статического магнитного поля для приложения статического магнитного поля с напряженностью произвольного фиксированного уровня и устройства генерации динамического магнитного поля для приложения пульсирующего магнитного поля, которое пульсирует в пределах указанного предварительно заданного диапазона, при этом установка содержит вентиляционные устройства для вентиляции холодного воздуха внутри указанного морозильника в направлении объекта замораживания со скоростью 1...5 м/сек, и устройство генерации звуковой волны для наложения звуковой волны слышимого частотного диапазона на указанный поток холодного воздуха, вентилируемый указанными устройствами вентиляции; при этом содержит устройства генерации электрического поля для приложения электрического поля к указанному объекту замораживания; при этом указанные устройства генерации электрического поля включают, как минимум, одну пару электродов, расположенных таким образом, что они находятся друг против друга поперечно объекту замораживания, помещенному в указанный морозильник, и устройство генерации потенциала для приложения электрического потенциала между указанными электродами; при этом указанный морозильник содержит стенки морозильной камеры, которые ограничивают объем камеры, средства поглощения инфракрасных лучей, расположенные на внутренней поверхности стенок морозильной камеры, и теплоизоляцию вокруг указанных стенок морозильной камеры; при этом в качестве указанных устройств генерации статического магнитного поля использованы постоянные магниты, которые генерируют статическое магнитное поле внутри камеры и расположены на внешней поверхности стенок указанной морозильной камеры, а в качестве указанных устройств генерации пульсирующего магнитного поля использована электромагнитная катушка, которая генерирует пульсирующее в положительном и отрицательном направлении магнитное поле и расположена вне стенок указанной морозильной камеры; установка для быстрого замораживания, включающая: морозильник, способный понизить внутреннюю температуру вокруг объекта замораживания до -30°С...-100°С, устройства генерации пульсирующего магнитного поля для приложения однонаправленного магнитного поля к указанному объекту в морозильнике, напряженность которого пульсирует относительно произвольного фиксированного опорного уровня в положительном и отрицательном направлении в пределах предварительно заданного диапазона, устройства для вентиляции холодного воздуха внутри указанной морозильной камеры, устройство генерации звуковой волны для наложения звуковой волны слышимого частотного диапазона на указанный поток холодного воздуха, вентилируемый указанными устройствами вентиляции, устройства генерации электрического поля для приложения электрического поля к объекту замораживания; установка для быстрого замораживания, содержащая морозильник, включающий стенки, которые ограничивают объем морозильной камеры, средства поглощения инфракрасных лучей, расположенные на внутренней поверхности стенок морозильной камеры, теплоизоляцию, расположенную вокруг стенок морозильной камеры, морозильник, способный понизить внутреннюю температуру вокруг объекта замораживания до -30°С...-100°С, устройство генерации пульсирующего магнитного поля, включающее, по меньшей мере, один постоянный магнит, расположенный на внешней поверхности стенки указанной морозильной камеры для генерирования статического магнитного поля внутри объема указанной камеры, и, по меньшей мере, одну электромагнитную катушку для генерации магнитного поля, пульсирующего относительно статического магнитного поля внутри объема камеры, при этом указанные устройства генерации пульсирующего магнитного поля прикладывают однонаправленное магнитное поле, пульсирующее относительно произвольного фиксированного опорного уровня в положительном и отрицательном направлении в пределах предварительно заданного диапазона, к указанному объекту в морозильнике, устройства для вентиляции холодного воздуха внутри указанного морозильника в направлении объекта замораживания со скоростью воздушного потока 1...5 м/сек, устройства генерации звуковой волны для наложения звуковой волны слышимого частотного диапазона на указанный поток холодного воздуха, вентилируемый указанными устройствами вентиляции, устройство генерации электрического поля, включающее, по меньшей мере, одну пару электродов, расположенных друг против друга поперечно объекту замораживания, помещенному в указанный морозильник, и устройство генерации потенциала для приложения электрического потенциала между указанными электродами, причем указанные устройства генерации электрического поля прикладывают электрическое поле к указанному объекту замораживания.
Средства поглощения инфракрасных лучей будут поглощать излучаемое объектом замораживания тепло, и, таким образом, скорость охлаждения может быть повышена. Также теплоизоляция вносит свой вклад в поддержание температуры внутри камеры, и, таким образом, повышается эффективность охлаждения. Далее, что касается устройства генерации магнитного поля, возможно использовать постоянные магниты, располагаемые на внешних поверхностях стенок морозильной камеры, которые будут создавать статическое магнитное поле в камере. Что касается устройства генерации динамического магнитного поля, возможно установить электромагнитные катушки, которые располагаются вне морозильной камеры по боковым стенкам и которые генерируют магнитное поле, которое пульсирует назад и вперед по отношению к статическому магнитному полю внутри камеры. В соответствии с данной конфигурацией, поскольку для создания статического магнитного поля используются постоянные магниты, возможно снизить мощность электромагнитной катушки, генерирующей пульсирующее магнитное поле, снизить общие затраты на установку сверхбыстрого замораживания, а также снизить потребление энергии. Также при установке электромагнитных катушек на внешней стороне стенок морозильной камеры возможно предотвратить замедление охлаждения внутри камеры, которое в ином случае будет вызвано нагревом электромагнитных катушек.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 показывает вид спереди одного из конструктивных исполнений аппаратуры для быстрого замораживания в соответствии с данным изобретением;
Фиг.2 является схематическим видом, показывающим центральный разрез морозильника;
Фиг.3 является графиком скорости охлаждения установки сверхбыстрого замораживания в соответствии с настоящим изобретением в сопоставлении с обычной установкой быстрого замораживания;
Фиг.4 является схематическим видом, показывающим центральный разрез модифицированного конструктивного исполнения аппаратуры для быстрого замораживания в соответствии с настоящим изобретением.
Лучший вариант осуществления изобретения
Предпочтительное конструктивное исполнение настоящего изобретения будет детально описано ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Как можно видеть на Фиг.1 и Фиг.2, аппаратура для быстрого замораживания 1 в данном конструктивном исполнении включает морозильник 11, который может создавать внутреннюю температуру -30°С...-100°С, генератор пульсирующего магнитного поля 21 в качестве устройства генерации пульсирующего магнитного поля, которое прикладывается к центральной части камеры морозильника 11, где пульсирующее магнитное поле пульсирует на 5 Гс в положительном и отрицательном направлении относительно опорного значения в 100 Гс, взятого в качестве произвольного фиксированного значения; вентилятор 31 в качестве вентиляционного устройства, которое обеспечивает циркуляцию холодного воздуха в морозильнике 11 со скоростью потока 1...5 м/сек; генератор звуковой волны 41 в качестве устройства генерации звуковых волн, которое накладывает звуковую волну на холодный воздух, циркулирующий с помощью вентилятора 31, звуковая волна имеет уровень звукового давления 2 Па в слышимом диапазоне и имеет энергию 10-2 Вт/м2; генератор электрического поля 51 в качестве устройства генерации электрического поля, которое прикладывает электрическое поле в диапазоне 100...1000 кВ/м к центральной части камеры морозильника 11.
Морозильник 11 включает герметично закрытый корпус 13, представляющий собой, главным образом, прямоугольный твердый короб, имеющий открывающуюся дверь 13с и морозильную установку 17 для охлаждения корпуса 13.
Морозильная установка 17 поддерживает общий цикл охлаждения, в котором компрессор 17а, конденсатор 17b, капиллярная трубка (расширительный клапан) 17с и испарители (испаритель) 17d соединены вместе по кругу и по которым циркулирует хладагент. Испарители 17d, которые создают холодный воздух, размещены внутри камеры корпуса 13, в то время как компрессор 17а и конденсатор 17b расположены вне камеры.
Корпус 13 имеет структуру с двойными стенками, включающую стенки морозильной камеры 13а, которые определяют внутреннее пространство камеры размерами 1,0 м (длина) × 1,5 м (высота) × 0,8 м (ширина), а также внешние стенки 13b, которые окружают стенки камеры на некотором расстоянии, определяют внешние размеры. Теплоизоляция, которая не показана, расположена между внешними стенками 13b и стенками морозильной камеры 13а, а материал, поглощающий инфракрасные лучи дальней области, покрывает полностью внутреннюю поверхность стенок морозильной камеры для того, чтобы повысить эффективность охлаждения внутри камеры. В настоящем конструктивном исполнении для изготовления стенок морозильной камеры 13а использованы алюминиевые пластины, а вся их внутренняя поверхность покрыта керамикой, имеющей коэффициент поглощения дальней инфракрасной области 95%. Тем не менее, возможно закрепить пластины, поглощающие инфракрасные лучи далекой области, на внутренней поверхности стенок.
В центральной части камеры расположен стеллаж 19, на который помещается объект замораживания, например пищевые ингредиенты/продукты. Стеллаж 19 включает решетчатую раму 19а, в которой, главным образом, U-образные портальные рамы расположены друг против друга в переднем и заднем положениях и которые соединены стяжками из угловой стали; поддоны 19b, которые поддерживаются зацепляющими деталями 19с, зафиксированы на раме 19а с необходимыми интервалами по высоте. Объекты замораживания 3 должны располагаться на данных поддонах 19b. Поддоны 19b съемные и подвешены на зацепляющих деталях 19с, чтобы образовать большое количество полок в пределах рамы 19а.
На чертеже испарители 17d расположены справа от стеллажа 19. Испаритель 17d формируется из согнутой несколько раз медной трубки, а камера охлаждается за счет скрытой теплоты испарения хладагента, который по нему циркулирует. То есть, испарители 17d создают холодный воздух внутри камеры и циклически соединены с вышеупомянутым компрессором 17а и конденсатором 17b, которые расположены вне камеры, а также с капиллярной трубкой 17с трубной разводкой для того, чтобы осуществить цикл охлаждения, позволяющий достичь температуры внутри камеры -30°С...-100°С.
Вентиляторы 31, действующие в качестве вентиляционного устройства, расположены между испарителями 17d и стеллажом 19 для обеспечения циркуляции холодного воздуха внутри камеры. Вентиляторы 31 подают холодный воздух, охлажденный испарителями 17d, горизонтально в направлении объектов замораживания 3, помещенных на стеллаж 19, с помощью лопастей 31а, вращаемых двигателями или иным образом. Для того, чтобы подавать холодный поток воздуха к объектам замораживания 3 с одинаковой скоростью, несколько вентиляторов 31 располагаются с соответствующими интервалами по длине и высоте. Возможна регулировка скорости воздушного потока таким образом, чтобы скорость у объектов замораживания составляла 1...5 м/сек. Скорость потока определяется в основном типом объекта замораживания.
Поскольку скорость потока холодного воздуха находится в диапазоне 1...5 м/сек, теплопередача осуществляется за счет конвекции. Таким образом, будет возможно увеличить скорость охлаждения, предохранить оболочку из связанной воды на поверхности объекта замораживания от испарения и предотвратить появление окисления на поверхности объекта замораживания. То есть, если скорость потока воздуха слишком низка, теплопередача за счет конвекции не будет эффективной, и теплопередача между холодным воздухом и объектом замораживания будет слишком медленной, делая невозможным осуществление быстрого замораживания; поскольку скорость потока составляет 1 м/сек или выше, данной проблемы можно максимально избежать. С другой стороны, если скорость потока воздуха больше 5 м/сек, оболочка из связанной воды испарится и поверхность объекта замораживания будет оголена, что ведет к окислению поверхности; но поскольку скорость потока составляет 5 м/сек или меньше, данной проблемы также можно избежать.
Холодный воздух сам по себе нагревается, пока он охлаждает объект замораживания 3. Таким образом, путь циркуляции формируется таким образом, что после контакта с объектом замораживания 3 воздух поднимается вдоль поверхности стенки морозильной камеры на другой стороне, переносится вдоль поверхности потолка и вдоль поверхности стенки морозильной камеры за морозильной установкой 17, затем возвращается к испарителям 17d.
Генератор звуковой волны 41 установлен за поверхностью потолка, который является частью вышеописанного пути циркуляции. Данный генератор звуковой волны 41 является устройством, которое генерирует звуковые волны, вызывая вибрацию воздуха с помощью вибрации электромагнитной катушки (не показана), соединенной с промышленным источником переменного тока 50 Гц или 60 Гц. Звуковая волна представляет низкочастотный звук в слышимом диапазоне и имеет частоту 50/60 Гц в соответствии с частотой промышленного источника переменного тока и его целочисленных множественных гармоник. Звуковые волны накладываются на циркулирующий холодный воздух и входят в контакт с объектом замораживания 3. Звуковые волны вызывают небольшие изменения в давлении воздуха для того, чтобы таким образом перемешать барьерный слой воздуха, который формируется около поверхности объекта замораживания 3 или на поверхности поддона 19b, на который помещен объект замораживания 3 и который замедляет теплопередачу. Таким образом, теплопередача улучшается.
Благодаря использованию звуковых волн в слышимом диапазоне, становится возможным предотвратить появление окисления на поверхности объекта замораживания 3, не вызывая разрушения оболочки из связанной воды, сформированной на поверхности объекта замораживания 3. То есть, возможно предохранить оболочку из связанной воды на поверхности объекта замораживания 3 от срыва, что могло бы случиться, если бы частота была слишком высока, например лежала бы в ультразвуковом диапазоне.
Далее, что касается звуковой волны, желательно прикладывать волну с параметрами в диапазоне от 2×10-4 Па по звуковому давлению с энергией 10-10 Вт/м2 до 60 Па по звуковому давлению с энергией 10 Вт/м2. Поддержание уровня в данном диапазоне позволяет предотвратить срывание оболочки из связанной воды, предотвратить излучение звука и эффективно перемешивать барьерный слой воздуха.
Генератор электрического поля 51 включает электродные пластины, которые размещены над каждым поддоном 19b стеллажа 19; электродная пластина размещена под самым нижним поддоном 19b; высоковольтный генератор потенциала переменного тока 51с, который подключен к каждой из электродных пластин для того, чтобы прикладывать высоковольтный потенциал переменного тока; заземление 51d соединено с электродными поддонами, которые не подключены к высоковольтному генератору потенциала переменного тока 51с. Электроды, в основном, сгруппированы в первых электродных пластинах 51а, куда подается высоковольтный потенциал переменного тока от высоковольтного генератора потенциала переменного тока 51с, а также во вторых электродных пластинах 51b, которые заземлены посредством заземления 51d, при этом обе группы расположены попеременно в вертикальном направлении. Когда высоковольтный потенциал переменного тока прикладывается к первым электродным пластинам, электрическое поле создается в пространствах между каждой первой электродной пластиной и вторыми электродными пластинами, противостоящими каждой первой электродной пластине с верхней и нижней сторон, а направление электрического поля периодически меняется на противоположное. Электрическое поле прикладывается в вертикальном направлении к объекту замораживания 3, расположенному на поддонах 19b, находящихся в каждом из этих пространств. Здесь, поскольку первые и вторые электроды размещены попеременно, направление электрического поля, прикладываемого к объекту замораживания 3, направлено в переворачивающемся направлении для каждой вертикально граничащей полки, как показано прерывистыми линиями на фиг. 2. (Поскольку высоковольтный потенциал переменного тока приложен к первым электродным пластинам, направление электрического поля, указанное прерывистыми линиями, периодически меняется). Первые электродные пластины 51а закреплены на раме 19а с помощью не показанных здесь электрических изоляторов, расположенных в промежутке. Таким образом, отдельно от высоковольтного генератора потенциала переменного тока 51с электродные пластины полностью изолированы. Вторые электродные пластины 51b также закреплены на раме 19а с помощью не показанных здесь электрических изоляторов, расположенных в промежутке. Таким образом, отдельно от заземления 51d они полностью изолированы.
Напряженность электрического поля определяется высоковольтным потенциалом переменного тока, прикладываемым к первым электродам 51а, и расстоянием между электродами 51а и поддонами 19b и может регулироваться изменением высоковольтного потенциала переменного тока в соответствии с объектом замораживания 3; интенсивность может быть установлена в диапазоне 100...1000 кВ/м. Высоковольтный потенциал переменного тока регулируется таким образом, что он синусоидально пульсирует по времени.
Когда внутри морозильника прикладывается электрическое поле, электроны присоединяются к молекулам воды и молекулам кислорода внутри морозильника, и они соответственно превратятся в воду с добавленным электроном (Н2Ое) и перекисный анион 
Вода с добавленным электроном (H2Oe) и перекисный анион образуют радикалы, такие как гидроокисные радикалы, и клеточные мембраны бактерий могут разрушаться этими гидроокисными радикалами. Таким образом, приложением электрического поля во время замораживания можно достичь бактериостатического эффекта, сдержать разложение объектов замораживания 3 и улучшить качество. Хотя клетки на поверхности объекта замораживания 3 также разрушаются гидроокисными радикалами, их количество находится на пренебрежимо малом уровне, принимая во внимание общее количество клеток объекта замораживания.
Электрическое поле должно находиться в диапазоне 100...1000 кВ/м, поскольку, если оно составляет менее 100 кВ/м, количество гидроокисных радикалов будет слишком мало, и бактериостатический эффект будет ослаблен; если оно составляет более 1000 кВ/м, возникает тенденция возникновения электрического разряда.
Практически подходящим является диапазон 2...60 кВ/м. Генератор пульсирующего магнитного поля 21 включает генератор статического магнитного поля 21а, который прикладывает статическое магнитное поле в центральной части камеры морозильника 11; и динамический генератор магнитного поля 21b, который прикладывает пульсирующее магнитное поле в центральной части камеры, где магнитное поле пульсирует в положительном и отрицательном направлении относительно статического магнитного поля с амплитудой до 5% от интенсивности статического магнитного поля. Генератором статического магнитного поля 21а является постоянный магнит 21а, сделанный из ферритовой пластины, создающей интенсивность 1500 Гс и сформированной в прямоугольную полосу 1,0×0,1×0,5 м. Одна из длин имеет полярность М-полюса, а другая имеет полярность 8-полюса. Несколько постоянных магнитов 21а расположены с соответствующими интервалами на внешней поверхности боковой стенки морозильной камеры 13а, при этом М-полюсы обращены вверх. Магниты расположены на трех других боковых стенках таким образом, что полярность направлена в том же направлении. Таким образом, вертикальное статическое магнитное поле прикладывается к объектам замораживания 3 на стеллаже 19, который расположен в центральной части камеры. В данном конструктивном исполнении статическое магнитное поле в центральной части камеры настраивается на 100 Гс с помощью постоянных магнитов 21а, создающих напряженность магнитного поля 1500 Гс. Тем не менее, напряженность статического магнитного поля может быть изменена соответствующим подбором постоянных магнитов. Вышеупомянутый эффект, вызываемый магнитным полем, может быть достигнут, если напряженность выше, чем земной магнетизм (0,3...0,5 Гс), и, таким образом, магнитное поле может иметь любую напряженность от 1 Гс и выше. Таким образом, учитывая пределы производителей постоянных магнитов, предпочтительно устанавливать напряженность магнитного поля постоянных магнитов в диапазоне 1...20000 Гс.
Динамический генератор магнитного поля является электромагнитной катушкой 21b, которая генерирует магнитное поле, когда к ней приложено напряжение; две катушки расположены вне и поперечно стенкам морозильной камеры 13а, морозильная камера располагается между ними. Оси электромагнитных катушек 21b ориентированы в вертикальном направлении. Когда переменный ток определенной частоты протекает через катушки 21b, магнитное поле, имеющее указанную частоту и пульсирующее в противоположных направлениях, периодически и синусоидально прикладывается к центральной части камеры параллельно вышеупомянутому статическому магнитному полю. Статическое магнитное поле и пульсирующее магнитное поле, т.е. динамическое магнитное поле, накладываются друг на друга, и к центральной части камеры прикладывается пульсирующее магнитное поле.
Например, в данном конструктивном исполнении переменный ток частотой 50/60 Гц берется от промышленного источника переменного тока 22 и протекает через электромагнитные катушки 21b для генерации динамического магнитного поля, которое пульсирует ±5 Гс, что дает 5% от напряженности статического магнитного поля. Данное динамическое магнитное поле накладывается на статическое магнитное поле, имеющее напряженность 100 Гс, а пульсирующее магнитное поле, колеблющееся в диапазоне 95...105 Гс с частотой 50/60 Гц, прикладывается к центральной части камеры.
Диапазон пульсации магнитного поля установлен в диапазоне 5% от напряженности статического магнитного поля, то есть в диапазоне 5% в положительном и отрицательном направлениях, принимая напряженность статического магнитного поля в качестве опорного уровня; но предпочтительно, чтобы амплитуда была больше. Тем не менее, принимая во внимание потребляемую электромагнитной катушкой мощность, практически целесообразно принимать амплитуду в диапазоне 1...100 Гс.
Пояснение эффекта магнитного поля приведено ниже. Когда магнитное поле прикладывается к объекту замораживания 3 во время охлаждения, магнитный момент, который вызывается электронным спином или ядерным спином молекул, составляющих объект замораживания 3, и молекул свободной воды, в нем содержащихся, ориентируется в одном направлении магнитным полем. Таким образом, холод быстро передается ко внутренним частям объекта замораживания 3. То есть, разница внутренней и внешней температур внутри объекта замораживания 3, которая образуется во время охлаждения, т.е. неравномерность охлаждения, значительно уменьшается для осуществления быстрого охлаждения даже внутренних частей. Также, поскольку охлаждение не начинается с внешней поверхности, не будет образован внешний замороженный слой, который замедляет теплопередачу, и, таким образом, может быть осуществлена эффективная передача холода к внутренним частям объекта, ведущая к значительному увеличению скорости охлаждения внутренней части. В результате замораживание происходит равномерно и одновременно по всему объекту замораживания 3, а период времени, в течение которого замораживание начинается и прекращается, сокращается до очень короткого промежутка.
Когда охлаждение происходит при приложенном к объекту замораживания 3 магнитном поле, свободная вода внутри объекта замораживания 3 переводится в сверхохлажденное состояние. (Здесь, как будет описано ниже, поскольку скопления холодной воды уменьшаются за счет магнитного поля и гидратационная структура формируется повышением реакции гидратации на пищевой субстрат, количество свободной воды внутри объекта замораживания уменьшается, а далее происходит сверхохлаждение). Дальнейшее охлаждение может инициировать замораживание, но поскольку количество теплоты, эквивалентное скрытой теплоте образования льда, уже удалено, замораживание произойдет быстро и, соответственно, быстро упадет температура объекта замораживания 3.
В результате два вышеуказанных эффекта совместно вносят вклад в сокращение периода времени, в течение которого замерзание свободной воды начинается и прекращается до очень короткого промежутка, то есть вносят вклад в падение температуры достаточно быстрое, чтобы пройти диапазон 0...-20°С, в котором кристаллы льда склонны к росту. Таким образом, кристаллы льда из свободной воды ограничиваются в росте, и создаются мелкие кристаллы. Поскольку кристаллы льда весьма малы, возможно предотвратить разрушение клеточной структуры объекта замораживания 3 во время замораживания, сдержать просачивание, возникающее после размораживания, и сохранить свежесть на уровне высоких стандартов.
В общем, скопления воды формируют водородную связь с полярными группами, которые направлены от внешней поверхности третичных структур протеинов, составляющих объект замораживания. Тем не менее, приложение магнитного поля заставляет скопления воды, которые являются агрегациями молекул воды, разделяться на меньшие группы. Таким образом, малые скопления прикрепляются ко всей внешней поверхности третичной структуры компактно и равномерно для образования покрытия типа оболочки. То есть, малые скопления прикрепляются ко всей внешней поверхности равномерным мономолекулярным слоем связанной воды. Таким образом, оболочка из связанной воды предохраняет третичные структуры, т.е. объект замораживания 3, от окисления и позволяет сохранить свежесть на уровне высоких стандартов.
Поскольку связанная вода прочно прикреплена к третичной структуре, ее точка замерзания понижается до диапазона -10°С...-100°С. Таким образом, в общем случае связанная вода не подвержена замерзанию. Формируя малые скопления, свободная вода полностью связывается с внешней поверхностью третичной структуры, и, таким образом, большая часть свободной воды превращается в связанную воду. Поэтому абсолютное количество свободной воды уменьшается, и становится возможным косвенно ограничить кристаллы свободной воды от избыточного роста.
Далее, за счет пульсации магнитного поля возможно снизить противодействие действию статического магнитного поля, т.е. снизить обратное действие статического поля, давая возможность значительно улучшить эффекты, вызванные магнитным полем.
Далее, поскольку магнитное поле пульсирует, магнитный поток изменяется, и внутри объекта замораживания появляется электромагнитная индукция; индуцированная электродвижущая сила, вызванная электромагнитной индукцией, создает свободные электроны внутри объекта. Объект замораживания сам по себе восстанавливается за счет этих электронов и предохраняется от окисления. Далее, свободные электроны присоединяются к молекулам воды и молекулам кислорода внутри морозильника, и они, соответственно, превратятся в воду с добавленным электроном (H2Oe) и перекисный анион 
Вода с добавленным электроном (Н2Ое) и перекисный анион образуют радикалы, такие как гидроокисные радикалы, и клеточные мембраны бактерий могут разрушаться этими гидроокисными радикалами. Таким образом, можно ограничить количество живых бактерий.
Результаты сравнительных испытаний вышеописанной установки для быстрого замораживания обычной аппаратуры быстрого замораживания приведены ниже.
Испытания проводились на одинаковых объектах замораживания для каждой установки быстрого замораживания с использованием одинаковых моделей охлаждения и одной и той же целевой температуры охлаждения и замораживания (-50°С). В течение указанного периода оценивалась температура ядра объекта замораживания. Далее объекты хранились в течение 4 месяцев при -50°С, а затем также оценивалось качество каждого объекта замораживания после размораживания.
Условия испытаний приведены в таблице 1. Результаты испытаний по скорости охлаждения в процессе замораживания приведены на Фиг.3, а результаты испытаний по качеству каждого объекта после размораживания показаны в таблицах 2 и 3.
| Таблица 1 | |||
| Способ и установка по настоящему изобретению | Обычные способ и установка | ||
| Интенсивность магнитного поля | 100 Гс | нет | |
| Пульсация магнитного поля | ±5 Гс | нет | |
| Скорость потока воздуха | холодный воздух 1 м/сек | то же | |
| Звуковая волна | 20...2000 Гц | нет | |
| Статическое электрическое поле | Интенсивность поля 6000 В/см (приложен высоковольтный потенциал переменного тока) | нет | |
| Целевая температура | -50°С (температура ядра объекта замораживания) | -50°С (температура ядра объекта замораживания) |
Как можно видеть на Фиг.3, одинаковая модель охлаждения используется для температуры камеры морозильника для обоих сравниваемых установок. Температура камеры устанавливается в начале процесса замораживания на уровне -40°С и падает со скоростью 1°С/сек в течение первых 20 минут, а спустя 20 минут температура камеры поддерживается на уровне -60°С.
При наблюдении температуры ядра объекта замораживания можно отметить, что кривые охлаждения для обычной установки и настоящего изобретения различаются в пределах 10°С, что является температурой в начале замораживания, и до -2°С имеют в точности одинаковую форму, представляя легкий изгиб с постепенным падением температуры. Тем не менее, после 45 минут после начала замораживания, когда температура достигает -2°С, температура ядра объекта замораживания, помещенного в установку для быстрого замораживания по настоящему изобретению, внезапно падает и достигает температуры -20°С через 58 минут. То есть, лишь короткий промежуток времени, а именно 13 минут, требуется для того, чтобы пройти диапазон, в котором замораживание начинается и прекращается, а именно диапазон 0...-20°С, в котором лед свободной воды вырастает при замерзании в объемные кристаллы. Температура ядра объекта замораживания достигает целевой температуры -50°С в течение следующих 15 минут, то есть через 70 минут от начала замораживания. Напротив, в обычной морозильной установке, хотя это и не показано на рисунке, целевая температура -50°С не может быть достигнута даже через 180 минут от начала замораживания.
Качество различных скоропортящихся продуктов и число живых бактерий после 4-месячного хранения продуктов при -50°С и размораживания объекта показаны в таблице 2. Можно отметить, что, хотя объекты замораживания в обычной установке быстрого замораживания обнаруживают как просачивание, так и обесцвечивание, а также выделяют неприятный запах, объекты, хранившиеся в установке для быстрого замораживания по настоящему изобретению, не обнаруживают признаков таких недостатков, а свежесть объектов можно сохранить на уровне высоких стандартов, сравнимой с той, что была в начале замораживания; в обычной установке число живых бактерий не уменьшается, но в установке по настоящему изобретению их число заметно сокращается, в особенности ликвидируются Е-coli.
| Таблица 2 | ||||
| Способ и установка по настоящему изобретению | Обычные способ и установка | |||
| Качество* | Тунец | Нет просачивания, нет изменения цвета, нет неприятного запаха | Наблюдается просачивание, изменение цвета и неприятный запах | |
| Сардины | Нет просачивания, нет изменения цвета, нет неприятного запаха | Наблюдается просачивание, изменение цвета и неприятный запах | ||
| Свинина | Нет просачивания, нет изменения цвета, нет неприятного запаха | Наблюдается просачивание, изменение цвета и неприятный запах | ||
| Количество бактерий | E-coli | Перед замораживанием | 103 | 103 |
| После размераживания* | 0 | 103 | ||
| Общее число бактерий | Перед замораживанием | 103 | 103 | |
| После размераживания* | 101 | 103 | ||
| * после замораживания на 4 месяца при -50°С |
Из вышеизложенного понятно, что в соответствии с настоящим изобретением возможно сохранять объекты замораживания в хорошем свежем состоянии путем предохранения клеток от разрушения, сдерживания окисления и уничтожения живых бактерий и предотвращения разложения. Было подтверждено, что данные преимущества также могут быть достигнуты при применении условий, не указанных в таблице 1, до той степени, пока они находятся в пределах данного изобретения.
Для сравнения тот же тест был проведен таким же образом для других пищевых ингредиентов, таких как соки, результаты приведены в таблице 3. Были достигнуты великолепные результаты; соки и вино не разделяются на воду и компоненты сока после размораживания, а апельсины и кексы не изменяют внешнего вида, формы или вкуса. Что касается соков и вин, это происходит потому, что оболочка из связанной воды формируется полностью на внешней поверхности третичных структур компонентов соков и вин, обеспечивая быструю гидратацию третичных структур окружающей водой. В отношении апельсинов и кексов вышеуказанные результаты достигнуты благодаря тому, что оболочка из связанной воды, формирующаяся вокруг внешней поверхности третичных структур, предотвращает окисление, а связанная вода превращается в свободную воду после размораживания и диспергируется в то же состояние, в котором она была до замораживания, т.е. диспергируется равномерно внутри апельсинов и кексов.
| Таблица 3 | |||
| Способ и установка по настоящему изобретению | Обычные способ и установка | ||
| Качество* | Соки | Не происходит разделения на воду и компоненты сока | Происходит разделение |
| Вина | Не происходит разделения на воду и компоненты вина | Происходит разделение | |
| Апельсины | Нет изменений цвета и запаха, нет обесцвечивания | Ухудшение цвета и запаха, небольшое обесцвечивание | |
| Кексы | Нет изменений по форме и вкусу | Изменения по форме и вкусу | |
| * после замораживания на 4 месяца при -50°С |
Фиг.4 представляет центральный разрез установки для быстрого замораживания, которая является модифицированным конструктивным исполнением вышеописанного конструктивного исполнения.
Данное модифицированное конструктивное исполнение отличается тем, что в нем направление и расположение электромагнитной катушки, применяемой в качестве динамического генератора магнитного поля, изменены. Поскольку структура в целом остается той же, как и у вышеописанного основного конструктивного исполнения, те же цифры использованы для тех же компонентов, а единственное отличие будет объяснено.
Как показано на чертеже, одна электромагнитная катушка 21с расположена на внешней стороне верхней стенки морозильной камеры 13а. Электромагнитная катушка 21с расположена так, что ее оси ориентированы в горизонтальном направлении. Когда по катушке протекает переменный ток, имеющий постоянную частоту, пульсирующее магнитное поле, расположенное вертикально по отношению к постоянному магнитному полю, т.е. расположенному в горизонтальном направлении, и которое периодически пульсирует вперед и назад по синусоиде, прикладывается в центре морозильника. То есть, в центре морозильника статическое магнитное поле и динамическое магнитное поле, которое расположено вертикально по отношению к статическому магнитному полю и является пульсирующим магнитным полем, взаимно накладываются.
В соответствии с данным модифицированным конструктивным исполнением, хотя магнитный момент электронного спина или ядерного спина молекул свободной воды в объекте замораживания ориентированы в одном направлении статическим магнитным полем, направление магнитного момента периодически меняется за счет динамического магнитного поля ортогонального статическому магнитному полю.
Далее, особенно потому, что водородная связь, действующая между молекулами воды, вибрирует и фиксация водородной связи ограничивается, легко происходит вышеописанное сверхохлаждение.
В модифицированном конструктивном исполнении динамическое магнитное поле, ориентированное в горизонтальном направлении, прикладывается к статическому магнитному полю в вертикальном направлении. Тем не менее, приложением динамического магнитного поля в направлении, отличном от направления статического магнитного поля, может быть достигнут вышеупомянутый эффект усиления вибраций молекул воды. Таким образом, направление динамического магнитного поля не должно обязательно находиться в вертикальном направлении статического магнитного поля. То есть, приемлемо, если пульсирующее магнитное поле, которое пульсирует в положительном и отрицательном направлении с предварительно заданной напряженностью в направлении, отличном от направления однонаправленного магнитного поля, прикладывается к объекту замораживания.
Вышесказанное является объяснением конструктивного исполнения настоящего изобретения, и, таким образом, настоящее изобретение не ограничивается вышеописанным конструктивным исполнением; могут быть сделаны различные модификации до тех пределов, пока они не выходят за рамки данной патентной формулы.
(a) В вышеописанном конструктивном исполнении, хотя барьерный слой воздуха, перемешивался звуковыми волнами, наложенными на поток холодного воздуха, перемещаемого вентиляторами 31, пульсирующая вибрация воздушного давления может быть вызвана вибрацией лопастей 31а вентиляторов 31; такая вариация дает те же преимущества, как и звуковые волны. Таким образом, вместо того, чтобы гасить вибрации лопастей 31а, их можно выгодно использовать.
Далее, звуковая волна генерируется за счет колебаний электромагнитной катушки, используемой в качестве устройства генерации динамического магнитного поля. Хотя такая звуковая волна находится в низкочастотном диапазоне промышленного источника переменного тока 50/60 Гц и его целочисленных множественных гармоник, возможно с выгодой использовать такую звуковую волну. Тем не менее, желательно, чтобы уровень звукового давления и энергия звуковой волны находились в вышеуказанном диапазоне.
(b) Хотя электрическое поле прикладывалось в вертикальном направлении путем расположения пар электродных пластин 51а, 51b друг против друга в вертикальном направлении, это не лимитируется в данной конфигурации до тех пор, пока электрическое поле напряженностью 100...1000 кВ/м прикладывается к объекту замораживания. Возможно расположить пары электродных пластин в горизонтальном направлении и прикладывать электрическое поле к объекту замораживания 3 в горизонтальном направлении.
Далее, в вышеописанном конструктивном исполнении в качестве аппарата генерации потенциала использован высоковольтный генератор переменного тока, периодически пульсирующего по синусоидальному закону по времени. Тем не менее, электрический потенциал может периодически меняться и по ступенчатому закону либо представлять собой статический потенциал, т.е. электрический потенциал, который не меняется периодически, может быть использован с применением высоковольтного генератора потенциала постоянного тока, и может прикладываться постоянное электрическое поле.
(с) Хотя магнитное поле в вышеописанном конструктивном исполнении прикладывается в вертикальном направлении, это в принципе не обязательно лимитировать до тех пор, пока к объекту замораживания 3 прикладывается однонаправленное магнитное поле, и, таким образом, может прикладываться магнитное поле в горизонтальном направлении. Например, при расположении постоянных магнитов 21а на внешних поверхностях верхней и нижней стенок морозильной камеры 13а и расположении электромагнитных катушек за постоянными магнитами таким образом, чтобы оси катушек были сориентированы в горизонтальном направлении, возможно генерировать магнитное поле в горизонтальном направлении.
Далее, в данном конструктивном исполнении пульсирующее магнитное поле, которое пульсирует ±5% в положительном и отрицательном направлении от опорного уровня, который принят как произвольное фиксированное значение, создается наложением динамического магнитного поля, которое генерируется электромагнитными катушками и которое имеет интенсивность в пределах 5% от статического магнитного поля, на статическое магнитное поле, генерируемое постоянными магнитами. Тем не менее, это также не обязательно лимитировать таким конкретным вариантом. Возможно создать структуру, которая не будет использовать постоянные магниты. Например, вместо промышленного источника тока 22 можно подключить электромагнитную катушку 21b к специальному источнику тока, который может обеспечивать постоянный ток такой величины, чтобы генерировать магнитное поле с опорным значением, которое может управлять величиной постоянного тока, вызывая периодические пульсации в пределах диапазона ±5%.
Далее, хотя в данном конструктивном исполнении используется пульсирующее магнитное поле, которое пульсирует периодически по синусоидальному закону, вместо этого может быть использовано динамическое магнитное поле, периодически изменяющееся по ступенчатому закону.
(d) В вышеописанном конструктивном исполнении компрессор 17а, конденсатор 17b, капиллярная трубка 17с и испарители 17d, которые в общем случае используются, были использованы для осуществления для обеспечения холодильного цикла морозильника 17; при этом возможно и другое конструктивное исполнение, которое обеспечивает температуру вокруг объекта замораживания (температура камеры) в диапазоне -30°С...-100°С.
(e) В вышеописанном конструктивном исполнении охлаждение производится вентиляцией холодного воздуха в камере к объекту замораживания и вокруг него, т.е. газообразное тело используется для охлаждения объекта замораживания. Тем не менее, пока температура вокруг объекта замораживания может быть понижена до диапазона -30°С...-100°С и если вышеописанные процессы предварительной и последующей обработки могут быть выполнены, возможно использовать в качестве хладагентов такие спирты, как этанол или метанол, или этиленгликоль. В особенности это может применяться в тех случаях, когда контейнер, заполненный жидким хладагентом, помещается в центральную часть камеры, и охлаждение объекта замораживания производится погружением в жидкий хладагент с приложением магнитного, а при необходимости и электрического полей к центральной части камеры.
Промышленная применимость
Как можно видеть из вышеприведенного описания, в соответствии с настоящим изобретением быстрое замораживание может производиться понижением окружающей температуры объекта замораживания до -30°C...-100°C с одновременным приложением к объекту однонаправленного магнитного поля. Таким образом, возможно предохранить клетки объекта замораживания от разрушения во время процесса замораживания, предотвратить окисление путем создания оболочки из связанной воды на поверхности третичных структур, составляющих объект замораживания, обеспечить свежесть продукта даже после размораживания.
Поскольку окружающая температура устанавливается в диапазоне -30°С...-100°С, возможно воспрепятствовать росту эксплуатационных расходов во время цикла хладопроизводства и в то же время эффективно предохранить поверхность объектов замораживания от окисления. Также возможно сохранить эксплуатационные расходы на низком уровне в период хранения.
Таким образом, возможно сохранить свежесть объекта замораживания на уровне высоких стандартов и поставлять потребителям высококачественные пищевые ингредиенты и продукты по низким ценам. Также, поскольку возможно замораживать клетки крови, кожи и нервные клетки, не повреждая их, возможно замораживать органы для трансплантации, не нарушая их функций, и, таким образом, спасти жизни многих людей.
Сделав магнитное поле пульсирующим, возможно снизить противодействие действию статического магнитного поля, т.е. снизить противоэффект статического поля. Поскольку внутри морозильника генерируются свободные электроны, можно предотвратить окисление объекта; внутри объекта замораживания вырабатываются радикалы, например гидроксидные радикалы, и поскольку гидроксидные радикалы разрушают клеточные мембраны микробов, например бактерий, возможно ограничить число живых бактерий. Таким образом, возможно предотвратить разложение объекта замораживания, повысить свежесть и качество пищевых ингредиентов и пищевых продуктов.
Поскольку звуковые волны еще больше увеличивают скорость охлаждения объекта, может быть осуществлено быстрое замораживание и предотвращено разрушение клеток. Используя звуковые волны в слышимом диапазоне и установив скорость потока холодного воздуха в диапазоне 1...5 м/сек, возможно предотвратить окисление объекта замораживания без разрушения водной оболочки, сформированной на его поверхности, одновременно увеличив скорость охлаждения.
При приложении электрического поля к объекту замораживания молекулы воды и молекулы кислорода, существующие внутри морозильника, соответственно превращаются в воду с добавленным электроном (Н2Oе) и перекисный анион 
что приводит к образованию радикалов, таких как гидроокисные радикалы, и клеточные мембраны бактерий могут разрушаться этими гидроокисными радикалами, таким образом ограничивая количество живых бактерий.
Далее, за счет раздельного создания генератора статического магнитного поля и генератора динамического магнитного поля устройства генерации магнитного поля можно выбирать более свободно. Таким образом, возможно использовать менее дорогие устройства для того, чтобы снизить общие расходы на морозильную установку.
Применение материалов, поглощающих лучи дальнего инфракрасного спектра, на внутренней поверхности стенок морозильной камеры и применение теплоизоляции вокруг внешнего контура стенок морозильной камеры позволяют эффективно поддерживать температуру камеры и осуществить снижение энергопотребления при охлаждении.
Используя постоянные магниты в качестве генераторов статического магнитного поля, возможно снизить мощность электромагнитных катушек, создающих пульсирующее магнитное поле, снизить стоимость морозильной установки, а также энергопотребление; расположение электромагнитных катушек за стенками морозильной камеры позволяет избежать снижения охлаждающей способности камеры, которое в ином случае было бы вызвано нагревом электромагнитных катушек, и таким образом энергопотребление при охлаждении также может быть снижено.
1. Способ быстрого замораживания, предусматривающий понижение температуры вокруг объекта замораживания до (-30)÷(-100)°С и приложение к нему однонаправленного магнитного поля, при этом охлаждение объекта производят потоком холодного воздуха, имеющим скорость 1÷5 м/с, с одновременным наложением звуковой волны слышимого частотного диапазона на указанный поток холодного воздуха.
2. Способ быстрого замораживания по п.1, отличающийся тем, что напряженность указанного однонаправленного магнитного поля пульсирует относительно произвольного фиксированного опорного уровня в положительном и отрицательном направлении в пределах предварительно заданного диапазона.
3. Способ быстрого замораживания по п.1, отличающийся тем, что предусматривает приложение электрического поля к указанному объекту замораживания.
4. Установка для быстрого замораживания, содержащая морозильник, способный понижать внутреннюю температуру вокруг замораживаемого объекта до (-30)÷(-100)°С, устройство генерации магнитного поля для приложения к указанному объекту однонаправленного магнитного поля, пульсирующего относительно произвольно фиксированного опорного уровня в положительном и отрицательном направлениях в пределах предварительно заданного опорного уровня, причем указанное устройство включает устройства генерации статического магнитного поля для приложения статического магнитного поля с напряженностью произвольного фиксированного уровня и устройства генерации динамического магнитного поля для приложения пульсирующего магнитного поля, которое пульсирует в пределах указанного предварительно заданного диапазона, при этом установка содержит вентиляционные устройства для вентиляции холодного воздуха внутри указанного морозильника в направлении объекта замораживания со скоростью 1÷5 м/с, и устройство генерации звуковой волны для наложения звуковой волны слышимого частотного диапазона на указанный поток холодного воздуха, вентилируемый указанными устройствами вентиляции.
5. Установка для быстрого замораживания по п.4, отличающаяся тем, что содержит устройства генерации электрического поля для приложения электрического поля к указанному объекту замораживания.
6. Установка для быстрого замораживания по п.5, отличающаяся тем, что указанные устройства генерации электрического поля включают, как минимум, одну пару электродов, расположенных таким образом, что они находятся друг против друга поперечно объекту замораживания, помещенному в указанный морозильник, и устройство генерации потенциала для приложения электрического потенциала между указанными электродами.
7. Установка для быстрого замораживания по п.5, отличающаяся тем, что указанный морозильник содержит стенки морозильной камеры, которые ограничивают объем камеры, средства поглощения инфракрасных лучей, расположенные на внутренней поверхности стенок морозильной камеры, и теплоизоляцию вокруг указанных стенок морозильной камеры.
8. Установка для быстрого замораживания по п.7, отличающаяся тем, что в качестве указанных устройств генерации статического магнитного поля использованы постоянные магниты, которые генерируют статическое магнитное поле внутри камеры и расположены на внешней поверхности стенок указанной морозильной камеры, а в качестве указанных устройств генерации пульсирующего магнитного поля использована электромагнитная катушка, которая генерирует пульсирующее в положительном и отрицательном направлениях магнитное поле, и расположена вне стенок указанной морозильной камеры.
9. Установка для быстрого замораживания, включающая морозильник, способный понизить внутреннюю температуру вокруг объекта замораживания до (-30)÷(-100)°С, устройства генерации пульсирующего магнитного поля для приложения однонаправленного магнитного поля к указанному объекту в морозильнике, напряженность которого пульсирует относительно произвольного фиксированного опорного уровня в положительном и отрицательном направлениях в пределах предварительно заданного диапазона, устройства для вентиляции холодного воздуха внутри указанной морозильной камеры, устройство генерации звуковой волны для наложения звуковой волны слышимого частотного диапазона на указанный поток холодного воздуха, вентилируемый указанными устройствами вентиляции, устройства генерации электрического поля для приложения электрического поля к объекту замораживания.
10. Установка для быстрого замораживания, содержащая морозильник, включающий стенки, которые ограничивают объем морозильной камеры, средства поглощения инфракрасных лучей, расположенные на внутренней поверхности стенок морозильной камеры, теплоизоляцию, расположенную вокруг стенок морозильной камеры, морозильник, способный понизить внутреннюю температуру вокруг объекта замораживания до (-30)÷(-100)°С, устройство генерации пульсирующего магнитного поля, включающее, по меньшей мере, один постоянный магнит, расположенный на внешней поверхности стенки указанной морозильной камеры для генерирования статического магнитного поля внутри объема указанной камеры, и, по меньшей мере, одну электромагнитную катушку для генерации магнитного поля, пульсирующего относительно статического магнитного поля внутри объема камеры, при этом указанные устройства генерации пульсирующего магнитного поля прикладывают однонаправленное магнитное поле, пульсирующее относительно произвольного фиксированного опорного уровня в положительном и отрицательном направлении в пределах предварительно заданного диапазона, к указанному объекту в морозильнике, устройства для вентиляции холодного воздуха внутри указанного морозильника в направлении объекта замораживания со скоростью воздушного потока 1...5 м/сек, устройства генерации звуковой волны для наложения звуковой волны слышимого частотного диапазона на указанный поток холодного воздуха, вентилируемый указанными устройствами вентиляции, устройство генерации электрического поля, включающее, по меньшей мере, одну пару электродов, расположенных друг против друга поперечно объекту замораживания, помещенному в указанный морозильник, и устройство генерации потенциала для приложения электрического потенциала между указанными электродами, причем указанные устройства генерации электрического поля прикладывают электрическое поле к указанному объекту замораживания.
