一种冻融机

1.一种冻融机，其特征是由冻融仓室，制冷系统，循环热媒系统和温控系统组成, 冻融仓室和制冷系统及循环热媒系统通过管路联通，制冷系统、循环热媒系统和温控系统集成在一个框架上，冻融仓室，制冷系统和循环热媒系统由温控系统操控，执行运行动作；所述冻融仓室包括机架、摇床机构、和夹持机构，所述摇床机构由摇床电机组、偏心轮、推板、摇床架和摇床导轨组成，摇床电机组固定安装在机架上，与摇床电机组连接有偏心轮，偏心轮一端套有轴套插入推板中，推板连着摇床架，摇床架底部安装有摇床导轨；所述夹持机构包括夹持电机组、电机固定板、传动轴A 、固定座A、传动轴B、固定座B、鸭嘴件A 、固定座C、板层A、鸭嘴件B、固定座D、连杆、导轨固定板和夹持导轨组成；夹持电机组安装在电机固定板上，夹持电机组连接传动轴A，传动轴A由安装在摇床架上的固定座A固定，传动轴B连接固定座B，鸭嘴件A 一端通过键连接固定在传动轴A上，另一端连接固定座C焊接固定在板层A上；
鸭嘴件B一端通过键连接固定在传动轴B上，另一端连接固定座D焊接固定在板层A 上，连杆连接传动轴A上的鸭嘴件A和传动轴B上的鸭嘴件B，板层A通过螺栓由导轨固定板连接在夹持导轨上；所述制冷系统包括高温制冷系统和低温制冷系统两个系统，高温制冷系统包括：
双级压缩机、冷凝器、中冷板换、板冷板换和蒸发冷凝板换，双级压缩机通过管路连通冷凝器，冷凝器分两路输出，一路连通中冷板换然后连回双级压缩机，另一路又分为两路：一路经过板冷板换，然后连回到双级压缩机；另一路连通蒸发冷凝板换，然后连回到双级压缩机；低温制冷系统包括：单级压缩机、膨胀容器、换热器、储冷器、蒸发冷凝板换，单级压缩机输出分为两路：一路连通膨胀容器，然后连回到单级压缩机；另一路连通蒸发冷凝板换，经过换热器后通过管路连通储冷器，然后再次连回换热器进行换热后连回到单级压缩机；循环热媒系统包括电加热器、双头循环泵、硅油桶和板冷板换，电加热器通过管路连接双头循环泵，双头循环泵输出端通过管路连接硅油桶，板冷板换的输入端接硅油桶，板冷板换的输出端接电加热器；所述温控系统其控制回路包括制冷系统、制冷板换、双头循环泵、电加热器和融冻板组，制冷系统、制冷板换通过循环回路连通，并在一个回路上设有制冷阀，制冷板换分别通过管路连接电加热器和双头循环泵，电加热器和双头循环泵分别连接融冻板组，并在冻融板组入口设置温度探头。
2.根据权利要求1所述的一种冻融机，其特征是，所述制冷系统和热媒循环系统共用板冷板换。

一种冻融机\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种冷冻和加热设备，更具体地，本发明公开了一种可以完成冷冻和融化的冻融机,可广泛用于生物、医药、食品、材料研究、选矿等各个领域。\n背景技术\n[0002] 目前，公知的生物制药中对蛋白产品的冻融是通过制冷设备利用低温冷冻产品，利用其他加热设备解冻产品。市场上无同时完成蛋白冷冻和融化的双功能设备。更重要的是，传统的冷冻工艺非常容易造成产品不均一，不同阶段冷冻的产品蛋白浓度差异极大，最大可达到10倍以上，尤其在冷冻过程中在内核部分蛋白浓度过高，容易引起蛋白质发生不可逆聚合或者变性，而导致产品纯度降低；融化过程因热传递效率问题，而导致效率降低。\n发明内容\n[0003] 本发明的目的是提供一种可以完成冷冻和融化的冻融机，主要解决目前没有同时完成蛋白冷冻和融化的双功能设备以及产品不均一和低效的技术问题，本发明不仅能完成生物制药产品的冷冻储存和融化，而且在此期间通过摇床振荡装置使冻融仓内的冻融板组架进行特定频率的往复运动，使产品在冻结过程中通过液体产品振荡，提高产品浓度的均一性；同时，在融化过程中，通过振荡增加产品液相部分的流动，加速热传递过程，加速产品融化。从而能够显著提高产品冻融的质量和效率。\n[0004]  本发明的技术方案为：一种冻融机，是由冻融仓室，制冷系统，循环热媒系统和温控系统组成, 冻融仓室和制冷系统及循环热媒系统通过管路联通，制冷系统、循环热媒系统和温控系统集成在一个框架上，冻融仓室，制冷系统和循环热媒系统由温控系统操控，执行运行动作。\n[0005] 所述冻融仓室包括机架、摇床机构、和夹持机构，所述摇床机构由摇床电机组、偏心轮、推板、摇床架和摇床导轨组成，摇床电机组固定安装在机架上，与摇床电机组连接有偏心轮，偏心轮一端套有轴套插入推板中，推板连着摇床架，摇床架底部安装有摇床导轨。\n所述夹持机构包括夹持电机组、电机固定板、传动轴A 、固定座A、传动轴B、固定座B、鸭嘴件A 、固定座C、板层A、鸭嘴件B、固定座D、连杆、导轨固定板和夹持导轨组成；夹持电机组安装在电机固定板上，夹持电机组连接传动轴A，传动轴A由安装在摇床架上的固定座A固定，传动轴B连接固定座B。鸭嘴件A 一端通过键连接固定在传动轴A上，另一端连接固定座C焊接固定在板层A上；鸭嘴件B一端通过键连接固定在传动轴B上，另一端连接固定座D焊接固定在板层A 上。连杆连接传动轴A上的鸭嘴件A和传动轴B上的鸭嘴件B，板层A通过螺栓由导轨固定板连接在夹持导轨上。\n[0006] 制冷系统包括高温制冷系统和低温制冷系统两个系统。高温制冷系统包括：双级压缩机、冷凝器、中冷板换、板冷板换和蒸发冷凝板换，双级压缩机通过管路连通冷凝器，冷凝器分两路输出，一路连通中冷板换然后连回双级压缩机，另一路又分为两路：一路经过板冷板换，然后连回到双级压缩机；另一路连通蒸发冷凝板换，然后连回到双级压缩机。低温制冷系统包括：单级压缩机、膨胀容器、换热器、储冷器、蒸发冷凝板换，单级压缩机输出分为两路：一路连通膨胀容器，然后连回到单级压缩机；另一路连通蒸发冷凝板换，经过换热器后通过管路连通储冷器，然后再次连回换热器进行换热后连回到单级压缩机。高、低温系统共用蒸发冷凝板换。\n[0007] 循环热媒系统包括电加热器、双头循环泵、硅油桶和板冷板换，电加热器通过管路连接双头循环泵，双头循环泵输出端通过管路连接硅油桶，板冷板换的输入端接硅油桶，板冷板换的输出端接电加热器。其中板冷板换为循环热媒系统和制冷系统共用。\n[0008] 循环热媒系统分两种不同工作过程：1、冷冻时：双头循环泵提供动力使硅油桶内的硅油进入管路后，硅油在板冷板换处吸收冷量进入冻融仓室板层组内实现冷凉传递。2、加热时：双头循环泵提供动力使硅油桶内的硅油进入管路后，经过电加热器进行加热，然后进入冻融仓室板层组内实现热量传递。\n[0009] 温控系统控制回路包括制冷系统、制冷板换、双头循环泵、电加热器和融冻板组，制冷系统、制冷板换通过循环回路连通，并在一个回路上设有制冷阀，制冷板换分别通过管路连接电加热器和双头循环泵，电加热器和双头循环泵分别连接融冻板组，并在冻融板组入口设置温度探头。\n[0010] 控温开始后，启动双头循环泵，硅油在循环管路经过制冷板换、三个融冻板组进行循环。由于在系统的硅油循环中制冷作用的制冷板换和电加热器与冻融板入口温度探头的安装位置之间有一定的距离，因此在进行控制时会产生滞后误差。采用系统的控制策略是：\n如果设定控制的温度时是T，要求冻融板温度探头的实际温度控制在T±1℃范围之内。当冻融板入口温度探头温度升高到T+t1时，关闭电加热器，打开制冷阀对硅油进行冷却，由于硅油循环速度的原因，冷量到达冻融板入口温度探头的位置时需要一定的时间。这时冻融板入口温度探头温度继续上升，等冷量到达冻融板入口温度探头处时，此温度开始下降。等降到温度T-t2时关闭制冷阀并开始启动电加热器，等到加热的热量到达融冻板温度探头处时，冻融板温度探头温度开始上升。其中t1和t2值可以进行修改并且t1和t2的值在-1到+1范围之内。当t1和t2修改到合适的值时冻融板温度始终在T±1℃范围之内，达到控制冻融板组1 温度的目的。 在每一步中，除了第一步以冻融板的入口温度作为开始温度（T0），其它步按照上一步的设定值（Tn-1）作为初始温度。本步设定温度（Tn）作为目标温度，以本步设定时间（t）计算这一步温度上升的斜率（Kn）。根据斜率（Kn）和初始温度(Tn-1)以6秒作为步长计算本步需要控制的温度（T）。计算公式为：\n[0011] Kn=(Tn-Tn-1)/t n=1,2,3……50 T=Tn-1+Kn*(6s*j) ,j=1,2,3,……[t/6s].[0012] 其中，n为每隔6秒计算一次控制温度T，直到步时间结束。\n[0013] 在本步运行时间结束且控制温度到达目标温度时，步骤跳入下一步中。根据生物制药产品的冻融工艺需要，除了上述条件满足以外还可选择所有产品温度都到达目标温度时，进行跳步。\n[0014] 冻融机系统原理是：制冷系统高低温系统通过复叠原理实现制冷，并通过对和循环热媒共用的板冷板换作用实现对循环热媒系统内硅油进行制冷；循环热媒系统自身电加热器实现对系统内硅油的制热；硅油作为温度传递媒介，将冷量和热量传送到冻融仓内的冻融板组上，为冷冻产品提供能源；冻融仓室的摇床机构采用直流电机带动凸轮旋转驱动摇床，摇床机构和箱体机架间通过滑轨对接实现摇床的水平往复运动。摇床机构中的夹持机构采用直流电机带动传动轴驱动鸭嘴件机构摆动，带动板层在滑轨上水平运动，并通过位置感受器定位，实现夹紧动作，将装有待冻融物料的容器固定在板组之间。控制系统中将冻融板入口硅油温度作为系统的主控温度，入口温度探头安装在设备箱体外部离冻融板最近的位置。\n[0015] 通过制冷系统和循环热媒系统特定的控制策略使冻融板的入口温度跟随设定的温度。冻融板的出口温度作为参考温度，在每一个生物制药产品中安装一个温度探头，作为生物制药产品温度的监视。根据生物制药产品冻融工艺编辑配方，配方最多可编辑50步，每一步包括步骤类型、步骤设定温度、步骤运行时间等数据组成。并根据配方每一步设置的数据计算需要控制的温度。\n[0016] 本发明的有益效果是：不仅能完成生物制药产品的冷冻储存和融化，而且在此期间通过摇床振荡装置使冻融仓内的冻融板组架进行特定频率的往复运动，使产品在冻结过程中通过液体产品振荡，提高产品浓度的均一性；同时，在融化过程中，通过振荡增加产品液相部分的流动，加速热传递过程，加速产品融化。从而能够显著提高产品冻融的质量和效率。当设备处于满载时：最低温度可达到-80℃，制品冻结温度-70℃。在常规工艺模式下，降温速率为1℃/分钟；在预冷工艺模式下。降温速度可达2℃/分钟。制品融化速率可达2℃/分钟。\n附图说明\n[0017] 图1是本发明总体结构示意图。\n[0018] 图2是发明冻融仓室内部结构示意图。\n[0019] 图3是发明加持机构结构示意主视图。\n[0020] 图4是本发明加持机构结构示意左视图。\n[0021] 图5是本发明制冷系统结构示意图。\n[0022] 图6是本发明高温制冷系统放大图。\n[0023] 图7是本发明循环热媒系统结构示意图。\n[0024] 图8是本发明温控系统控制策略图。\n[0025] 图9是本发明温控曲线图。\n[0026] 其中：1、冻融仓室；2、制冷系统；3、循环热媒系统；4、温控系统；5、机架； 6、摇床机构；7、夹持机构；8、摇床电机组；9、偏心轮；10、推板；11、摇床架；12、摇床导轨；13、夹持电机组 14、电机固定板；15、传动轴A ；16、固定座A；17、传动轴B；18、固定座B；19、鸭嘴件A； 20、固定座C；21、板层A；22、鸭嘴件B；23、固定座D；24、连杆；25、导轨固定板；26、夹持导轨；27、高温制冷系统； 28、低温制冷系统； 29、双级压缩机；30、冷凝器； 31、中冷板换； 32、板冷板换；33、蒸发冷凝板换；34、单级压缩机；35、膨胀容器；36、换热器；37、储冷器；38、电加热器；39、双头循环泵；40、硅油桶；41、制冷板换；42、融冻板组；43、温度探头；44、制冷阀。\n具体实施方式\n[0027] 参照图1，一种冻融机，是由冻融仓室1，制冷系统2，循环热媒系统3和温控系统4组成, 冻融仓室1和制冷系统2及循环热媒系统3通过管路联通，制冷系统2、循环热媒系统3和温控系统4集成在一个框架上，冻融仓室1，制冷系统2和循环热媒系统3由温控系统4操控，执行运行动作。\n[0028] 参照图2、3、4，所述冻融仓室1包括机架5、摇床机构6、和夹持机构7，所述摇床机构\n6由摇床电机组8、偏心轮9、推板10、摇床架11 和摇床导轨12组成；所述夹持机构7包括夹持电机组13、电机固定板14、传动轴A 15、固定座A 16、传动轴B 17、固定座B 18 、鸭嘴件A \n19、固定座C 20、板层A 21、鸭嘴件B 22、固定座D 23、连杆24、导轨固定板25和夹持导轨26组成。其中冻融仓室1所包含的摇床机构6，摇床电机组8 固定安装在机架5上，与摇床电机组8连接有偏心轮9，偏心轮9一端套有轴套插入推板10中，推板连着摇床架11，摇床架11底部安装有摇床导轨12。冻融仓室1所包含的夹持机构7，夹持电机组13安装在电机固定板14上，夹持电机组13连接传动轴A 15 ，传动轴A 15由安装在摇床架11上的固定座A 16固定，传动轴B 17 连接固定座B 18。鸭嘴件A 19 一端通过键连接固定在传动轴A 15上，另一端连接固定座C 20 焊接固定在板层A 21上；同理，鸭嘴件B 22一端通过键连接固定在传动轴B 17上，另一端连接固定座D 23焊接固定在板层A 21 上。连杆 24 连接传动轴A 15上的鸭嘴件A 19和传动轴B 17 上的鸭嘴件B 22 ，板层A 21通过螺栓由导轨固定板25连接在夹持导轨26上。\n[0029] 参照图5、6，制冷系统2分为高温制冷系统27和低温制冷系统28两个系统。高温制冷系统包括：双级压缩机29、冷凝器30、中冷板换31、板冷板换32、蒸发冷凝板换33；低温制冷系统28包括：单级压缩机34、膨胀容器35、换热器36、储冷器37、蒸发冷凝板换33。高、低温系统共用蒸发冷凝板换33。在高温制冷系统27中制冷剂从双级压缩机29 进入冷凝器30，从冷凝器30出来以后分为两路：一路进入中冷板换31，然后回到双级压缩机29；另一路又分为两路：一路经过板冷板换32，然后回到双级压缩机29；另一路进入蒸发冷凝板换33，然后回到双级压缩机29。低温制冷系统28中制冷剂由单级压缩机34出来后分为两路：一路进入膨胀容器35，然后回到单级压缩机34；另一路进入蒸发冷凝板换33，经过换热器36后进入储冷器37，然后再次进入换热器36进行换热后回到单级压缩机34。\n[0030] 参照图7，循环热媒系统3包括电加热器38、双头循环泵39、硅油桶40和板冷板换\n32。其中板冷板换32为循环热媒系统和制冷系统共用。\n[0031] 循环热媒系统3分两种不同工作过程：1、冷冻时：双头循环泵39提供动力使硅油桶\n40内的硅油进入管路后，硅油在板冷板换32处吸收冷量进入冻融仓室1板层组内实现冷凉传递。2、加热时：双头循环泵39提供动力使硅油桶40内的硅油进入管路后，经过电加热器38进行加热，然后进入冻融仓室1板层组内实现热量传递。\n[0032] 温控系统4控制策略如图8、9所示：控温开始后，启动双头循环泵39，硅油在循环管路经过制冷板换41、三个融冻板组 42进行循环。由于在系统的硅油循环中制冷作用的制冷板换41和电加热器38与冻融板入口的温度探头43的安装位置之间有一定的距离，因此在进行控制时会产生滞后误差。采用系统的控制策略是：如果设定控制的温度时是T，要求冻融板温度探头的实际温度控制在T±1℃范围之内。当冻融板入口的温度探头43温度升高到T+t1时，关闭电加热器38，打开制冷阀44对硅油进行冷却，由于硅油循环速度的原因，冷量到达冻融板入口的温度探头43位置时需要一定的时间。这时冻融板入口的温度探头43温度继续上升，等冷量到达冻融板入口的温度探头43处时，此温度开始下降。等降到温度T-t2时关闭制冷阀44并开始启动电加热器38，等到加热的热量到达温度探头43处时，温度探头43温度开始上升。其中t1和t2值可以进行修改并且t1和t2的值在-1到+1范围之内。当t1和t2修改到合适的值时冻融板温度始终在T±1℃范围之内，达到控制冻融板组1 温度的目的。 在每一步中，除了第一步以冻融板的入口温度作为开始温度（T0），其它步按照上一步的设定值（Tn-1）作为初始温度。本步设定温度（Tn）作为目标温度，以本步设定时间（t）计算这一步温度上升的斜率（Kn）。根据斜率（Kn）和初始温度(Tn-1)以6秒作为步长计算本步需要控制的温度（T）。计算公式为：\n[0033] Kn=(Tn-Tn-1)/t n=1,2,3……50 T=Tn-1+Kn*(6s*j) ,j=1,2,3,……[t/6s].[0034] 其中，n为每隔6秒计算一次控制温度T，直到步时间结束。\n[0035] 在本步运行时间结束且控制温度到达目标温度时，步骤跳入下一步中。根据生物制药产品的冻融工艺需要，除了上述条件满足以外还可选择所有产品温度都到达目标温度时，进行跳步。\n[0036] 冻融机系统原理是：制冷系统高低温系统通过复叠原理实现制冷，并通过对和循环热媒共用的板冷板换作用实现对循环热媒系统内硅油进行制冷；循环热媒系统自身电加热器实现对系统内硅油的制热；硅油作为温度传递媒介，将冷量和热量传送到冻融仓内的冻融板组上，为冷冻产品提供能源；冻融仓室的摇床机构采用直流电机带动凸轮旋转驱动摇床，摇床机构和箱体机架间通过滑轨对接实现摇床的水平往复运动。摇床机构中的夹持机构采用直流电机带动传动轴驱动鸭嘴件机构摆动，带动板层在滑轨上水平运动，并通过位置感受器定位，实现夹紧动作，将装有待冻融物料的容器固定在板组之间。控制系统中将冻融板入口硅油温度作为系统的主控温度，入口温度探头安装在设备箱体外部离冻融板最近的位置。\n[0037] 通过制冷系统和循环热媒系统特定的控制策略使冻融板的入口温度跟随设定的温度。冻融板的出口温度作为参考温度，在每一个生物制药产品中安装一个温度探头，作为生物制药产品温度的监视。根据生物制药产品冻融工艺编辑配方，配方最多可编辑50步，每一步包括步骤类型、步骤设定温度、步骤运行时间等数据组成。并根据配方每一步设置的数据计算需要控制的温度。\n[0038] 分别介绍蛋白原液均匀冷冻和蛋白原液融化2个过程。\n[0039] 蛋白原液均匀冷冻：\n[0040] 1.参数设置：首先设置在主控设置系统运行参数，在本实施例中，分别设置板层入口温度为-20℃,控制温度为-50℃，摇床工作时间为30分钟。\n[0041] 2.预冷：\n[0042] 启动制冷系统2压缩机组，高温制冷系统27完成对板冷板换32的制冷；高温制冷系统27和低温制冷系统28通过蒸发冷凝板换33换热，完成对低温制冷系统28内制冷剂的制冷，低温制冷系统28制冷在换热器36内把冷量传递给硅油，从而将大量冷量存储在储冷器\n37内。约30分钟后，测得板层入口温度为-22℃，达到(低于)设定温度即-20℃，预冷完成，制冷系统（2）停止工作。进行下一步：装料。\n[0043] 3.装料：\n[0044] 打开冻融仓室1大门，物料袋/容器推进摇床架11，夹持电机组13启动使固定在固定座A 16上的传动轴A15转动，传动轴A15带动鸭嘴件A19转动，实现水平方向的移动。同时，固定在固定座B18上的传动轴B17通过转化来自于传动轴A15的竖直运动力而转动形成水平方向的移动，从而使与转动轴B17键连接的鸭嘴件B22转动，实现水平方向的移动。从而，在板层上形成4个力点，使板层A21水平移动。移动至提前设定好的位置感受器停止，实现物料夹紧，将蛋白原液容器固定。装料完成后，关闭大门，夹持机构紧锁及板层入口温度达到（低于）-20℃，装料完成。进行下一步，冷冻。\n[0045] 4.冷冻时：\n[0046] 进入降温冷冻阶段时，热媒循环系统3启动，通过硅油从板冷板换32获得冷量，把冷量传递给冻融仓室1的板层组；与此同时，摇床电机组8启动，直流电机通过减速器调速后，以固有频率转动，电机组件通过键与偏心轮9的一端固定连接，偏心轮9的另一端套有轴套，插入推板10的长方孔中，推板10与摇床架11一体固定在摇床导轨12上。其中摇床导轨12由上下导板和导板间两组导轨组成，摇床架11连接上导板，机架连接下导板，上下导板通过其间的两组导轨只能做水平方向上的相对运动。因此便将偏心轮9的旋转运动转化为水平方向的左右往复运动，对摇床架11上物料袋/容器的进行振动。根据参数设定，摇床电机组8在进入降温冷冻阶段后，工作30分钟即停止；约25分钟后，测得制品温度为-51℃，达到（低于）设定温度-50℃，均匀冷冻完成。\n[0047] 蛋白原液融化：\n[0048] 1.参数设置：首先设置在主控设置系统运行参数，在本实施例中，分别设置板层入口温度为17℃（接近室温），摇床工作时间为30分钟。\n[0049] 2.融化：\n[0050] 进入融化阶段时，热媒循环系统3与电加热器38启动，热媒循环系统3通过硅油把热量传递给冻融仓室1的三个冻融板组42，使产品融化。摇床装置运行方式同冷冻阶段。根据参数设定，摇床电机组8在进入融化阶段后，工作30分钟即停止；约40分钟后，测得制品温度为19℃，达到（高于）设定温度17℃，融化完成。进行下一步，卸料。\n[0051] 3.卸料：\n[0052] 开启冻融仓室1大门，松开夹持电机组13，卸下物料袋/容器。