CN1091864C - 用液态二氧化碳流制造细粒雪的装置 - Google Patents

用液态二氧化碳流制造细粒雪的装置 Download PDF

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Abstract

一种制造细粒雪流的系统，它包括输送加压低温制冷剂液体流的管道和与管道连结的喷嘴，该喷嘴具有进出口通道与管道相通。喷嘴内安装有膨胀构件以掩盖进口通道。膨胀构件上有多个微细孔道供低温制冷剂流体通过而进入较低压力的区域，从而使低温制冷剂流体得以在通过膨胀构件时发生膨胀。一种优选实施方案是低温制冷剂流体为二氧化碳，而系统的参数则调定在使低温制冷剂流体在膨胀构件出口表面或其附近变成固相，并以细粒雪的形态从出口表面喷出。

Description

用液态二氧化碳流制造细粒雪的装置
本发明涉及制造细碎低温雪颗粒的装置，更具体地说是涉及一种改进的喷嘴结构，用以接受液态二氧化碳流并从它那里喷出二氧化碳细粒雪。
用二氧化碳制造的雪颗粒被用于广泛的致冷和冷冻用途。举例说，二氧化碳颗粒可在冷藏中用作工艺致冷和冷冻，还可用于生产干冰。更具体地说，这种雪颗粒可用在食品和非食品应用场合，例如，在食品致冷、冷冻和冷藏方面，以及在多种非食品材料加工中的快速和/或局部致冷方面，都是有用的。
二氧化碳雪颗粒通常是借助于液态二氧化碳通过小孔时的迅速膨胀来制造的。液态二氧化碳是压缩二氧化碳气体并把它保持在冷藏用的适宜压力和温度下而制得的。例如，在散装贮罐中，当二氧化碳的贮藏压力约为2.07×106帕(每平方英寸300磅)，贮藏温度约为-17.8℃(0°F)时，它是液态。在使用时，液态二氧化碳由于通过小孔迅速膨胀，就转变为二氧化碳雪和蒸气的混合物。
现有技术的生产二氧化碳雪的装置用的是较简单的小孔来使二氧化碳液体料发生膨胀。但是，现有技术的膨胀设备/喷嘴如造雪喇叭口或造雪孔，常常产生出一种局部冲击模式，而且是松散的，难以适合于小的空间。现有技术的设备/喷嘴也众所周知是以高速从造雪喇叭口和小孔射出雪颗粒的。高速的二氧化碳雪使得难于形成平的覆盖层，并能损坏脆性的物品，如皮札饼(pizza)上的乳酪面层、烘烤类食品上的搅拌物面层等。另外，当用于工艺致冷时，高速就会引起易碎材料如涂层屏障材料的表面点蚀甚至破裂。更有甚者，高速射出雪颗粒会产生高的噪声水平，这对在附近工作的人员会引起安全和环保问题。
为克服二氧化碳雪不利于应运用的问题，已经进行过多种尝试。例如，在膨胀孔的出口处安装特殊形状的喇叭口；使用喷向反冲板的固定小孔；使用喷向闭合容器的各种小孔；以及以上各种方法的组合等，都已经作过尝试。
例如，Kilburn的美国专利3,667,242描述了一种制造二氧化碳雪的结构，它有一个中空的双层壁的圆柱形喇叭口，它底部开口。顶部封闭，将液态二氧化碳导向该结构物的上部。位于该圆柱形喇叭口最上部的喷嘴使喇叭口内形成的雪呈旋涡正切运动。
Jr.Carter的美国专利4,111,362描述了一种制造二氧化碳雪的喷嘴结构，其中一对二氧化碳喷嘴交叉配置，以便把二氧化碳射入喇叭口区。膨胀的雪和蒸气的混合物被导入对撞的通道，从而耗散掉喷射能量。
Frank等的美国专利4,145,894描述了一种二氧化碳雪生产装置，其中液态二氧化碳通过喷嘴导入箱室中。做成的雪被用马达驱动的上装刷状板片的滚筒分散开，这些板片把雪托起放在用输送带运送的物件上。
Jr.Franklin的美国专利4,376,511描述了一种制造二氧化碳雪的设备，其中管道构件内装有岐管，用它把二氧化碳雪分散到管道构件的侧面上，从而使二氧化碳雪的某些动能得以耗散。
Jr.Franklin的美国专利4,462,423描述了一种制造二氧化碳雪的喷头，其中集流管上装置有多个喷嘴，使得二氧化碳雪可沿喷头有多个分散区。
Jr.Franklin的美国专利4,640,460描述了一种制造二氧化碳雪的喷头，其中容器内装有一对喷嘴。约2.07×106帕(约300磅/平方英寸)的液态二氧化碳被输送到该一对喷嘴的入口端部。此外还通过供料管往喷嘴入口端喷液态二氧化碳，以使供料管冷却到足以使被输送的液态二氧化碳的温度降到三相点。
Roades等的美国专利5,020,330描述了一种食品冻结器，它包括有一个或多个往食品上引导二氧化碳雪颗粒的喷嘴。液态二氧化碳被用管子输送到只是呈向上或呈水平方向流向喷嘴，这样，任何可能聚集在喷嘴孔上游近处的固体二氧化碳，都会被在管子中倾向上升的二氧化碳蒸气所融化。
现需要有一种二氧化碳雪的分散头和喷嘴，它能产生出细粒雪，并能避免高速的雪颗粒。再有，该装置应能产生出颗粒尺寸较稳定的二氧化碳雪颗粒，以保证较均匀地铺盖在被冷却的食品或其它产品或材料上。
据此，本发明的一个目的是提供出一种制造二氧化碳细粒雪的改进的喷嘴结构。
本发明的另一个目的是提供出一种改进的提供二氧化碳细粒雪的结构，它能避免喷嘴被固化的二氧化碳颗粒所堵塞。
一种能制造细粒雪流的系统，它包括提供低温流体的加压液流的管道和与管道连结的喷嘴，喷嘴上有出口通道和入口通道与管道相通。在喷嘴内部装有膨胀构件，它盖住出口通道。膨胀构件上开有多条细小直径的孔道，以使低温流体通过而进入较低压力的区域，从而使低温流体得以在通过膨胀构件时发生膨胀。在一种优选实施方案中，低温流体为二氧化碳，而系统的参数则调定在能使二氧化碳流体在膨胀构件出口表面上或表面附近成为固相和气相，出口的固相呈细粒雪。
本发明的系统是预计来替代所有现存的制雪设备的。据此，象所预计的那样，本发明可以单独地作为单个设备来使用，例如代替造雪喇叭口或局部冷却设备，或者，也可作为整个系统的一部分来使用，例如可用在食品冷冻器、冷藏箱或往输送带式加雪的装置内。本领域的技术人员会承认，本发明不限于任何专门用途，而是可用于任何需要用低温制冷剂来制冷、冷却或冷冻的场合的。
本发明人特别设想本发明可用于各种各样的食品冷却、冷冻和冷藏的用途，它包括但不限于输送带式加雪的装置、食品冷冻器和食品冷藏箱。例如，在冻结磨碎食品如冻碎肉的加工中，生肉在绞碎后必须在包装和冻结前迅速地加以冷却(因为绞碎时会内在地往产品中引入一定量的热)。本发明所产生的细粒雪可在碎肉被挤出绞肉机时连续地、可控制地铺撒到碎肉上，因此本发明用于这一目的是有利的。当本发明用于那里的工作人员是很接近机器的加工工厂中时，还有低噪声的额外优点，这是因为本发明中的雪是不以高速输出的。
本发明还可用于食品与低温制冷剂之间直接接触的食品冷藏箱和食品冷冻器中。本发明可用于这类设备中是因为有许多商业冷冻器和冷藏箱用的是现有技术的造雪装置。使用本系统的优越性在于，它制造的细粒雪由于与食品的接触面积较大因而能提供出较强的热交换效果。
还进一步设想，本发明可用于任何冷却操作的工艺中，例如，生产涂层材料或用熔融或半熔融原料制造的材料时可能是需要的。例如，沥青屏障材料是在衬底上涂热沥青而制成的。在涂覆以后，在进一步加工以前必须将屏障材料的整个面积均匀地冷却，以防加工系统发生胶结。通常这是靠在生产线外进行冷却。这样，就使这种材料的加工难以连续进行。但是，若使用本发明就可取得迅速、高效和连续的冷却，这是因为本发明能提供细粒雪，它能均匀铺撒在材料的整个表面上。
由此可见，本发明提供生产细粒雪流的通用系统，该系统可用于广泛的冷却、冷藏和冷冻用途，包括食品工业和非食品工业在内。
图1为属于本发明的喷嘴第一实施方案的断面图。
图1a为图1中喷嘴的改进型，其中使用了扣环来箝制装于喷嘴内部的膨胀构件。
图2为按照本发明组装的喷嘴的另一实施方案的断面图，其中能产生出扇形的喷雪模式。
图3a为第一实施方案喷嘴的顶视断面图，它加装了一个喇叭口，以扩宽其喷雪模式。
图3b为图3a中喷嘴的侧视断面图。
图4为属于本发明的另一实施方案喷嘴的断面图，它装有一个中压室。
图5为图4中喷嘴的变型，其中在中压室中装有弯曲部分，以改变所产生的雪的方向。
图6示出图4的喷嘴，其中中压区将雪喷射在曲面上，以扩大喷雪模式。
图7示出图5的喷嘴，其中有一喷雪喇叭口与中压室的出口相通，喷雪喇叭口可防止雪与周围大气混合并可防止被周围大气蒸发。
图8～10为图4所示喷嘴形状的试验结果表，图8中的喷嘴切口宽为0.559毫米(0.022英寸)，图9中的喷嘴切口宽为0.889毫米(0.035英寸)，图10中的喷嘴切口宽为1.575毫米(0.062英寸)。
以下所描述的每种喷嘴装置都包括有膨胀构件或有多个微细孔道穿过它的其它构件，这些构件遮断低温制冷剂流体通道并提供多个膨胀孔道。在膨胀孔道中，低温制冷剂流体发生膨胀并把正在膨胀的低温制冷剂流体(如果是二氧化碳)转变为雪颗粒和蒸气。
膨胀构件的优选材料为烧结的或经微型打孔的不锈钢，但任何材料，只要是具有多孔道或微孔可供低温制冷剂流体通过而进入较低压力区域的材料，都是适用的。膨胀构件材料必须具有多个供低温制冷剂膨胀的通道，以使在与加在其上的压力梯度相组合时，低温制冷剂流体，如果是二氧化碳，所转变成的蒸气和细粒雪，以比在同样流体、同样压降下穿过单个小孔时要低的速度从膨胀插件处喷出。以下使用的膨胀构件材料一词，作为基体材料，可包括金属、陶瓷、玻璃、塑料、组合物、筛网、钢丝绒构件以及上述材料的所有加工材料。
不锈钢烧结多孔产品可从康涅狄格州Farmington市FarmingtonIndustrial Park，84 Spring Lane的Mott Metallurgical Corporation公司购得。多孔插件可以做成各种各样的厚度和直径，其技术规格如孔隙大小可从0.2至100μm分为多个等级，优选约为5～20μm。多孔插件的形状和孔隙大小可根据用途和喷嘴结构而变化。例如。5μm孔隙的插件单位面积所产生的雪量会比10μm孔隙的相等表面积的插件所产生的少。如果加工工艺要求圆的喷雪模式，那就可用盘形的。如果要求扇形喷雪模式，那就可用其上带有扇形多孔区的圆盘形或圆盖形插件装在喷嘴出口上。另外，膨胀圆盘或其它形状的插件可对着偏射板喷出它的喷雪模式以使雪颗粒按要求弥散开。
本发明也考虑使用经微型打孔的膨胀构件。在此，“微型打孔”一词是指膨胀构件上的多个微细孔道是用钻孔、冲孔等机械方法加工而成的。设想这样的经微型打孔膨胀构件的孔径最高可达约300μm，优选为大约10～200μm的范围内。
优选的低温致冷剂流体为二氧化碳，这是因为它用于食品时具有有益于健康的特性，并可用于多种冷却用途。但是，应该理解，对于通过在喷嘴结构中安装的膨胀构件可控制地产生出微细分散型的冷冻剂的其它低温制冷剂流体来说，本发明也是同样适用的。
众所周知，二氧化碳在压力为约4.13×105帕(60磅/平方英寸)表压、温度为-56.7℃(-70°F)时出现“三相点”。如上所述，液态二氧化碳通常是储存在约2.07×106帕(300磅/平方英寸)表压和约-17.8℃(0°F)之下的。当液态二氧化碳在这样的压力和温度下被送入本发明的喷嘴时，优选的是膨胀构件的厚度和细孔直径在给定的入口和出口压力下能使二氧化碳液体在通过它时能在膨胀构件的出口面上或其附近达到三相点。
前己指出，液态二氧化碳(从贮罐)抵达膨胀构件时温度约为-17.8℃(0°F)。它进入膨胀构件的孔道并开始膨胀(由于孔道两端的压差)，膨胀会引起流体的冷却。如果有足够厚的膨胀构件，在构件出口表面或其附近温度就会达到大约-56.7℃(-70°F)、压力大约为4.13×105帕(60磅/平方英寸)表压，从而提供了能产生雪颗粒的条件。微细孔道的直径会限制所产生雪颗粒的大小。加在膨胀构件上的压力差和蒸气组分起到了促使雪颗粒喷出的驱动力的作用。
在这种状态下，通过微细孔道的液体/蒸气就在喷嘴的出口侧或其附近转变成雪颗粒。已经发现，即使在膨胀构件结构内部出现三相点，膨胀构件入口面和出口面之间的基本压力差也会促使雪颗粒和蒸气以无阻碍的方式穿越微细孔道。
现参阅图1，喷嘴10通过入口12接受液态二氧化碳。在喷嘴10的出口端装有膨胀圆盘14(优选为烧结多孔的不锈钢)，并用拧在喷嘴10上的固定螺母16把它固定在该处。流入入口12的液态二氧化碳进入到膨胀圆盘14中，并在通过膨胀圆盘14的孔道时发生膨胀。因此在膨胀圆盘14的出口表面上或在其附近就产生出雪，并在压差的作用下从那里喷出。
在图1a中示出图1中喷嘴的变形，它在膨胀圆盘14的周边附近加装了一个扣环18。扣环18可防止液态二氧化碳沿膨胀圆盘14的周边流出，并使喷嘴10在用“标准的”圆盘固定设备的情况下可装入多种尺寸的圆盘。
现参阅图2，图1中的喷嘴结构已被改进，以促使产生扇形的喷雪模式。一段管子20被插入喷嘴10的出口端并固定住。在管子20的出口端加接了一个具有半圆形多孔区的帽盖22，帽盖的端部24用一块平板或其它封头封住。其结果是，当低温制冷剂流体进入入口12时，可利用的唯一出口区就是通过半圆形多孔区28，该多孔区则能提供出所要求的扇形雪颗粒喷射模式。
帽盖22可以预制，或者把多孔帽盖的外部周边区域26封住来制造，密封的方法是磨去多孔材料表层、用吹粒或其它喷丸硬化工艺封闭多孔材料、在外表面上掺杂环氧树脂硬化材料或用某些其它的密封方法。
图3a和3b示出在喷嘴10出口上安装的喇叭口30，它可对从膨胀圆盘14出来的雪颗粒进行导向和偏射。喇叭口30不仅能给二氧化碳雪定向，而且能防止所产生的雪在抵达被冷却物以前汽化。喇叭口30设计成被雪和蒸气流充满，以保持围绕在喇叭口30周围的湿气或其它可凝结成分不被吸入也不在喇叭口30内冷凝。这种冷凝会导致喷嘴10堵塞。
下面将描述的本发明的各实施方案都采用了中压室来控制膨胀圆盘插件出口侧的压力。膨胀插件出口侧的背压会降低膨胀圆盘插件那面的压差。由于出口侧加了压，因此出口侧压力与膨胀圆盘内部的二氧化碳三相点之间的压差就减小了，中压室的装设可使入口侧的压力降低，同时仍能保持膨胀圆盘构件出口面上或其附近的二氧化碳三相点。
中压室的功能有：(i)使固体和蒸气被“管送”到要求的方向；(ii)提供压降，以使第二次膨胀成为可能；(iii)使第二次膨胀得以成形以提供所要求的出口喷雪模式；以及(iv)使第二次膨胀得以有较低的压降，从而产生出较低出口速度的雪和蒸气。
中压室还能防止空气在蒸气和雪的喷流模式达到要求的形状以前进入喷流之中。由于空气中的湿气在冷蒸气和雪喷流中含凝结，而冻结的水汽会堵塞并使冷蒸气和雪改向。另外，膨胀圆盘构件所产生的细雪在中压区所产出的干燥稳定环境中不会结团，这使得雪能够继续喷射而不会被形成的干冰所阻塞。
由于第二次膨胀是从1.38×105帕(20磅/平方英寸)表压(或更低)到大气压，因此产生的喷射速度比从2.07×106帕(300磅/平方英寸)表压膨胀到大气压(加在膨胀构件两面)的喷射速度要小。
中压室的平衡压力条件的优选范围为高于环境压力的正压到约1.38×105帕(20磅/平方英寸)表压。当压力高于1.38×105帕(20磅/平方英寸)表压时，似乎就更趋向于在中压室(即低压出口侧)内出现三相点约4.13×105帕(60磅/平方英寸表压)，而不是在通过膨胀圆盘构件时出现三相点，并会造成中压室涌入液态二氧化碳。另外，还可能存在一种不稳定的压力条件，在此条件下，中压室内的液体会达到三相点并形成固态二氧化碳。一旦形成就可能阻塞中压室的第二次膨胀的出口。
图4示出图1a的喷嘴，其中在喷嘴10的出口处附加了中压室30。中压室30包括封闭小室31和在其上开出的切口32，切口是为喷出二氧化碳蒸气和雪颗粒用的。切口32的尺寸可控制中压室30内的压力，并可有助于确保在通过膨胀构件34时达到三相点。
可在喷嘴10的出口端加装一块平板36，以扩宽从切口32喷出的雪的模式。
图5示出一个装有中压室36的喷嘴，该中压室呈现出弯曲的通道，以使从切口38喷出的雪得以改变方向。图4所示喷嘴10的啧雪模式可用图6所示的结构来改变。其中，中压室30穿过曲面40上的孔而这样伸出，使得切口32能导致喷出的二氧化碳蒸气和雪的模式能与曲面基本上成切线方向。结果，所喷出的蒸气和雪的速度就被曲面40上的压差所分散。由些可见，调节曲面40的曲率，就可调节从切口32喷出的雪的模式并可沿要求的路线改变方向。
图7示出图5所示的喷嘴，其中连接了一个喇叭口42来接受从切口38出来的蒸气和雪。当蒸气和雪进入入口44到达喇叭口42中时，喷雪模式往往会在喇叭口42内部扩大，而其速度则趋于降低。另外，喇叭口42借助于从中压室36接收雪和蒸气就可防止雪和蒸气与周围大气混合并保护雪直到使用地点。
图8-10示出按照图4制造的喷嘴在使用各种不同直径的不锈钢多孔插件时所进行的试验结果表。图8示出的是对带有中压室出口切口宽度为0.559毫米(0.022英寸)的喷嘴进行试验的结果。图9和10分别示出从0.889毫米(0.035英寸)和1.575毫米(0.062英寸)切口宽度所得出的试验结果。
对每种被试的喷嘴来说，下述参数都是固定不变的：切口角度-45°；多孔插件厚度-1.588毫米(1/16英寸)；小孔尺寸-0.127毫米(5密耳)；入口压力-2.03×106帕(295磅/平方英寸)。对每种切口宽度，都试验了四种不同直径的多孔插件，以确定是否能得到可适用的喷雪模式(亦即是否会在膨胀构件出口表面上或其附近达到三相点)。在所有试验中，除图8中的试验4以外，都得到了可适用的喷雪模式。在图8的试验4中，中压室被涌入了液态二氧化碳，没有产生雪。试验还显示，中压室的压力可用不同的切口宽度和膨胀构件的孔道大小来控制。如试验所展示的那样，使用较大的切口宽度、增大膨胀构件的孔道尺寸或两者相组合，就会在中压室内得到较低的压力。因此，试验表明，喷雪模式和雪/蒸气的喷出速度都可借助于改变上述参数来调节，以适应指定的用途。
应该理解，以上描述只是本发明的说明性描述。本领域的技术人员可不脱离本发明而创造出多种多样的变通和改进。据此，本发明理应包括所附权利要求范围之内的所有这样的变通、改进和变型。

Claims (9)

1.一种制造微细型冷冻剂的系统，它包括：
输送加压低温制冷剂液体流的管道；
与该管道连结的喷嘴，喷嘴上有出口和内部通道，该内部通道位于管道与出口之间；
掩盖内部通道并给低温制冷剂流体提供多个微细孔道使之流往出口的膨胀构件；以及
连结在喷嘴出口上的中压室，该中压室具有出口孔，该孔在存在着加压低温制冷剂液体流时能保证中压室内为中间压力。
2.权利要求1的系统，其中所说的膨胀构件总的是平面形的，它被安装在喷嘴上并被固定圈所围绕。
3.权利要求1的系统，其中所说的低温制冷剂流体是二氧化碳。
4.权利要求3的系统，其中加压二氧化碳流体是在穿过膨胀构件的微细孔道时变成固相，并以微细型雪的状态从构件中喷出。
5.权利要求3的系统，其中膨胀构件的尺寸、构件内部微细孔道的尺寸、加压二氧化碳流体的压力和出口压力，应调节得能使二氧化碳在膨胀构件的出口处或其附近出现三相点。
6.权利要求1的系统，其中所说的膨胀构件中包括有烧结不锈钢。
7.权利要求1的系统，其中所说的膨胀构件中包括有经微型打孔的不锈钢。
8.权利要求1的系统，它还包括出口导流装置，用以引导从出口孔喷出的雪和蒸气的方向。
9.权利要求8的系统，其中所说的出口导流装置是做成凸形曲面并与出口孔并置，以使能与凸形曲面基本上呈正切方向来接受从出口孔喷出的雪颗粒流。
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