CN1160165A - 喷气撞击式冷冻装置及其方法 - Google Patents

Abstract

一种具有一分区冷冻室的喷气撞击式冷冻装置，其中每个区域的温度都可以独立地控制，其中：靠近出口的区域内最冷而靠近入口的区域内最热，从而可最大限度地利用制冷剂的热焓。此外，每股撞击用气流的速度可以分区独立调节，这样，靠近冷冻室入口的区域中的撞击用气流便可调节为具有最大流速以产生最大的传热系数。用喷嘴来形成撞击用气流，诸喷嘴在两个正交方向上均为锥形，以防止结霜。

Description

喷气撞击式冷冻装置及其方法

本发明涉及一种喷气撞击式冷冻装置及其冷冻方法，其中的制冷剂气流被导向一冷冻室内的物品。更具体地说，本发明涉及这样一种撞击式冷冻装置，其中冷冻室具有若干冷冻区域，每个区域内产生的撞击用气流的质量流量可独立于其它区域加以调节。

在商用冷冻装置中，所要冷藏或冻结的物品的热量直接传递给制冷剂，如冷空气或蒸发的液化气(例如蒸发的液氮)。典型地，这样的冷冻装置包括一冷冻室或隧道，需要冷冻的物品通过一传送带而通过该冷冻室或隧道。在很多设计中，低温氮气通过风扇在冷冻室的整个长度循环。

进入冷冻室的物品具有一主要由滞止空气构成的边界层。该边界层将物品和制冷剂隔开。为了尽可能减薄这种边界层以便更好地利用制冷剂，人们已经研制出了喷气撞击式冷冻装置，如欧洲专利申请0612966A1中所述。在喷气撞击式冷冻装置中，制冷剂气流撞击到物品上。这些撞击用气流是使有压力的制冷剂从多个平行而狭长的槽状元件之间所构成的喷口中喷出的。由喷口流出的强制对流，造成多股柱状高速气流，垂直地撞击产品表面。采用这种方式，可能在撞击点附近的滞流区域获得较高的传热系数。为了降低厚边界层造成的隔热影响，使用了多撞击气流造成无数的撞击气流单元。

在一不断消耗如液态冷冻剂之类的制冷剂的冷冻场合下，需要尽可能优化制冷剂的使用。在一撞击式冷冻装置中，这便通常要兼顾提供高排出温度和维持足够高的撞击用气流速，而后者则是产生高的传热系数进而产生所需的冷冻速度所必需的。除此之外，使用风扇和电动机可以使任何冷冻装置内热负荷上升高达30％。

如下文所述，本发明提供了一种喷气撞击式冷冻装置，该冷冻装置内的温度和对流传热系数的分布是可控的以便更有效地利用制冷剂。而且，在较佳的实施例中不使用电动风扇或鼓风机之类的热负荷装置，可以实现较高的效率。

本发明提供了一种撞击式冷冻装置，包括一冷冻室，它具有一用来接收所需冷冻物品的入口以及一排出已冷冻完毕物品的出口。还设有一将物品从入口传送到出口的传送装置，以及至少两个区域，包括一靠近入口的入口区域以及一靠近出口的出口区域。至少两个区域中的每一个都具有气流喷嘴，用来将至少一股制冷流体引导至所需冷冻物品上，一循环装置连接于所述气流喷嘴，用来将与物品完成热交换后的制冷剂吸入而和新的制冷剂形成一混合物，并且将所述混合物排入所述气流喷嘴。该循环装置通过部分地蒸发新制冷剂而得以驱动。还设有一控制装置，用来独立地控制所述新制冷剂进入所述至少两个区域的循环装置的流量。一蒸发装置位于所述冷冻室内，用来在所述新制冷剂和由所述至少两个区域中至少一个区域的循环装置吸入的制冷剂之间进行热交换，以至少部分地蒸发所述新进的制冷剂。一分配装置连接于蒸发装置和控制装置，用来将新制冷剂从蒸发装置分配到所述控制装置。

根据本发明的另一方面，一种冷冻物品的方法包括如下步骤。使物品通过一冷冻室，其传送方向是从所述冷冻室的入口到出口。将制冷剂流引导至物品，以通过所述制冷剂和所述物品之间的直接热交换而使所述制冷剂变热。将所述撞击用气流引导到冷冻室的至少两个区域内的所述物品上。所述至少两个区域包括一靠近冷冻室入口的入口区域以及一靠近冷冻装置出口的出口区域。新制冷剂通过与加热过的制冷剂进行热交换而至少部分地蒸发，在新制冷剂至少部分地蒸发后，将其至少第一和第二部分分别传送到所述出口和入口区域。消耗至少部分蒸发的新制冷剂的功而使所述加热过的制冷剂从入口和出口区域被吸入。使加热过的制冷剂和新制冷剂的第一和第二部分混合。用加热过的制冷剂分别和新制冷剂的所述第一和第二部分混合而形成出口和入口区域的所述撞击用气流。应该指出的是，上面对本发明所作的描述并不排除制冷剂在所述区域间的传递，例如，制冷剂第二混合流实际上部分地来自从出口区域流向入口区域的制冷剂。

在另一方面，本发明提供的一种撞击式冷冻装置包括一冷冻室，它具有一用来接收所需冷冻物品的入口以及一将已冷冻所述物品排出的出口。还设有将物品从所述入口传送到所述出口的传送装置。还有至少第一多个的气流喷嘴，用来将制冷剂流引导至需要冷冻的物品。还设有至少一个引射器，它具有用来接收新制冷剂流的高压入口、一吸取在冷冻室内和物品完成热交换的制冷剂以便随后和新制冷剂形成混合物的低压入口、以及一用来将混合物排入所述气流喷嘴的高压出口。一蒸发装置连通于所述至少一个引射器的所述高压入口，用来至少部分地蒸发新制冷剂以及将制冷剂流排入所述引射器。该蒸发装置位于所述冷冻室内，在所述物品和所述低压入口之间，以使制冷剂在冷却了所述物品而且其本身也变热了之后，将热量传递给新制冷剂，然后再被吸入而形成混合物。

如上述前两个方面所述的本发明的优点在于，新制冷剂流向每个区域的质量流量是可调节或控制的。这便使每个区域内的对流传热系数得以控制，进而控制了每个区域的制冷程度。例如，本发明的撞击式冷冻装置可以以这样一种方式加以控制，即，一低温制冷剂进入出口区域内的一蒸发器，在蒸发过程中，它朝着入口区域流入一热交换器，或是逆向地流向需要冷冻的物品。应该注意的是，用本发明的任何实施例中的构造或操作方法可以使蒸发发生在冷冻室内，因而新制冷剂，例如液化气体、氮气或其它液化的大气气体之类的液态制冷剂的制冷能力便没有什么损失。这样的蒸发可以发生在位于冷冻室的区域内的一系列蒸发器中，因而冷冻室在操作时出口区域的温度最低，而朝着入口区域方向的各区域内的温度相继逐渐升高。在本发明的一特定的较佳实施例中，入口区域内没有设置蒸发器，因而排气所在的入口区域内的温度更高。

因而，在本发明的撞击式冷冻装置内可以得到一个典型的逆向的温度分布，其在冷冻室的出口处温度最低，在冷冻室的入口处温度最高。这样，在冷冻装置内蒸发的诸如液氮之类制冷剂的排气温度便高于已有技术的排气温度，从而能更有效地利用制冷剂。

在这种较佳的撞击式冷冻装置或冷冻操作中，进入每个区域的制冷剂的数量可以保持平衡，其中冷冻装置入口端的气流喷嘴的制冷剂质量流量要比冷冻装置的出口端大。这样，最高温度处的传热系数也最大，因而可产生所需的冷冻效果。

如上所述的本发明的最后一个方面提到了引射器的使用。应该注意的是，另一方面，本发明也使用了已有技术中已知的类似于文杜里喷管的装置。这样便进一步提高了本发明的撞击式冷冻装置的热效率，即，利用需要冷冻物品的热能来推动对流，并且消除了由于风扇或风机而带来的额外的热负荷。应注意的是，本发明也可以用附属的风扇或风机。这种情况下，采用引射器或其它类似于文杜里喷管的装置可减少其潜在的热负荷。

在还有另一方面中，本发明提供了一种撞击式冷冻装置，包括一冷冻室，它具有一用来接收所需冷冻物品的入口以及一排出已冷冻完毕物品的出口。还设有将物品从入口传送到出口的传送装置。还有多个将制冷剂流导向撞击用气流冷冻装置内需要冷冻物品的喷嘴。在喷气撞击式冷冻装置中，特别是在低温制冷剂的情况下，有这样一个问题，即，气流喷嘴内有结霜的趋势。为了尽量减小结霜的影响，本发明的喷嘴是一细长体，它具有一近端以及一和所述近端相对的远端，在两个正交的方向上所述细长体自近端到远端是锥形的。这种双向锥形的喷嘴防止了结霜的出现和积聚。

在说明书和权利要求书中，术语“制冷”意味着使物品冷冻。该术语包括了一使物品从降温到完全冻结的全部过程。说明书和权利要求书中的术语“制冷剂”包括任何液化的大气气体或液化气体本身形成的低温制冷剂。

尽管权利要求中清楚地指出了本发明申请的主题和范围，但应该相信，参照较佳实施例及其附图将更有助于理解本发明。

图1是本发明的一喷气撞击式冷冻装置的示意图；

图2是沿图1中线2-2剖取的剖视图；

图3是使用在图1的喷气撞击式冷冻装置内的蒸发器的连接示意图；

图4是根据本发明的一气流喷嘴的俯视图。

参见图1和图2，其中示出了一根据本发明的喷气撞击式冷冻装置1。喷气撞击式冷冻装置1设有一冷冻室10，它具有一用来接收需要冷冻的物品的入口12和一排出已冷冻完毕物品的出口14。喷气撞击式冷冻装置1的入口通道上设有一开放部分16，用以排放已经用来冷冻过物品的制冷剂。一多孔的传送带18将物品从入口12传送到出口14。多孔的传送带18是装在辊子20上的，这些辊子装有原动机以拖动多孔传送带18。

喷气撞击式冷冻装置1具有三个区域，包括：一靠近出口14的出口区域22、靠近出口区域22的中间区域24以及靠近入口12的入口区域26，而中间区域24位于出口区域22和入口区域26之间。从下文清楚可见，本发明的喷气撞击式冷冻装置可具有至少两个区域，也可以具有多于三个区域。

出口区域22具有两排上气流喷嘴28和29，以及两排下气流喷嘴30和32。大型的冷冻装置最好使用多排气流喷嘴。中间区域24类似地具有两排上气流喷嘴34和36以及两排下气流喷嘴38和40。最后，入口区域26具有两排上气流喷嘴42和44以及两排下气流喷嘴46和48。上述的上、下排气流喷嘴28～48分别连接于上、下挡板50和52。位于上挡板50上方和下挡板52下方空间内的冷冻室10又被分隔为分别与出口、中间和入口区域22～26相关的三套上、下分隔室。这些上、下分隔室分别用编号54，56；58，60；以及62，64来表示。上分隔室54，58和62用隔板66～69隔成，而下分隔室56，60和64用隔板70～73隔成，制冷剂被引入分隔室54～64，进而经过喷嘴28～48形成喷气流撞击到由传送带18传送经过冷冻室10的物品上。

分隔室54～64内分别装着与出口区域22相关的上、下引射器74和76，与中间区域24相关的上、下引射器78和80，以及与入口区域26相关的上、下引射器82和84。引射器74～84分别装在分隔室54～64内，并且经过它们的低压入口86到96而连接于上、下挡板50～52中。每个引射器74～84还设有一高压入口(如引射器74上的高压入口98)以及一高压出口(如引射器74上的高压出口100)。这样，每个引射器便通过其高压出口将高压制冷剂引入分隔室54～64。这就使得在气流喷嘴28～48内形成气流撞击到需要冷冻的物品上。在制冷剂将物品冷却之后，制冷剂被加热而形成加热过的制冷剂，它从低压入口(如引射器74的低压入口86)被引射而与新进来的制冷剂混合。这一混合物形成出口区域22中的撞击用气流。

如同本技术领域熟练人员所希望的那样，由于出口、中间和入口区域22～26彼此间没有隔离，因而加热过的制冷剂也可以从出口区域22反向流往入口区域26，这样，在一些区域内被吸入该区域引射器的热制冷剂可能并不来源于该特定区域。应注意的是，本发明并不限制于使用引射器。例如，还可使用另外一些和文杜里喷管相类似的装置以及辅助风扇或鼓风机。

另请参见图3，优先采用的作为制冷剂的液氮进入一对上、下蒸发器102和104。上、下蒸发器102和104为一管束，由六根串联的管子构成。还可采用其它结构的蒸发器。液氮进入入口管106，接着再通过支管108和110分别流入上、下蒸发器102和104。液氮在与出口区域22相关的上、下蒸发器102和104内至少部分地被蒸发。在出口区域22中，在制冷剂气流撞击到所要冷冻的物品上之后，制冷剂经上、下蒸发器102和104而被引入上、下引射器的低压入口86和88。随后，流过上、下蒸发器102和104的新制冷剂经输送管112和114流入一对设计得与上、下蒸发器102和104相类似的上、下蒸发器116和118。上、下蒸发器116和118与中间区域24相关。已经作为撞击用气流排出并且已经被物品加热的制冷剂经上、下蒸发器116和118重新被引入上、下引射器78和80的低压入口90和92。接着，新制冷剂再通过一总管120而分别流向上、下成对的引射器74～84的高压入口。新制冷剂流入每对引射器的质量流量分别由质量流量控制阀122、124和126加以控制。

尽管本发明利用了流量控制阀122～126，但这些阀并不是用来控制上、下成对引射器74～84的制冷剂流量的唯一方法。确定引射器的合适尺寸是一种直接控制。阀122～126提供了一进一步的控制。应注意的是，本发明也涉及一种不用阀的控制方法，例如用孔板等固定流量限制装置或相应尺寸的引射器喷嘴，即可对流入制冷剂的质量流量进行合适的控制。或者，本发明也可以只用阀而不用这样具有一定尺寸的孔板或引射器。

用了总管120、具有一定尺寸的引射器以及所述的流量控制阀122～126的这种布置后，流向上、下引射器74～84的流体都具有同样的最大而合理的焓值。制冷剂的蒸发增大了制冷剂的焓，而且这种增大可用循环功来表示。同时，加热后再循环的制冷剂的温度是变化的，由于液氮先进入上、下蒸发器102和104，而后再流入与中间区域24相关的上、下蒸发器116和118，故而在出口区域22处的温度最低。由于入口区域26内没有设置蒸发器，所以入口区域26的工作温度是所有区域中最高的。因而，温度的分布便保持为在出口区域22最冷，而在入口区域26最热，从而使制冷剂的使用量最小。此外，由于蒸发器位于冷冻室内，因而新制冷剂的制冷能力没有损失。

液氮的蒸发增大了新制冷剂的焓值，该焓值可由引射器78～84的循环功来表示。如上所述，在所述实施例中，诸引射器设计成一定的尺寸以得到最佳的流量分布，即在最热区域，也就是入口区域26内，所得的质量流量最大。这便使入口区域26内撞击用气流具有最高的速度，因而产生最高的传热系数。于是，独立控制各区的撞击气流速度，可控制新制冷剂流体传给出口、中间和入口区域22～26的作功能力，使所传递的总热量为最大。特别是，在所需冷冻物品和其所在区域的温差较小时，区域内需要获得较高的传热系数。

如上所述，成排的气流喷嘴是相互错开的，以使撞击用气流尽可能覆盖全部需要冷冻的物品。如果对比图1和图2来看气流喷嘴的情况，可以看出，气流喷嘴在两个方向上都是渐缩的。再请参见图4，其中的气流喷嘴28是典型的气流喷嘴的构造。气流喷嘴28具有一近端28a以及一远端28b，近端28a附接在上挡板50上，远端28b构成了一使撞击用气流从中流出的矩形开口。近端28a和远端28b都是矩形的。然而，气流喷嘴28从近端28a在两个正交的方向上逐渐缩向远端28b。气流喷嘴的这种双向锥形构造可避免结冰或结霜。

应该指出的是，尽管在所述实施例中顶部和底部的气流喷嘴和引射器是对称设置的，但也可以用其它的型式。例如，可以取消下部的引射器和气流喷嘴等。这种情况下，气流将从冷冻装置的底部反射到需要冷冻的物品上。同样，引射器可以相对它们在冷冻装置内的位置而设计成不同大小，例如，上部引射器可以大于下部引射器。

尽管已经结合较佳实施例详细描述了本发明，但本技术领域的熟练人员仍可在不偏离本发明实质的范围内作出种种变型、添加和省略，因而本发明的保护范围仅由所附权利要求来限定。

Claims (19)

1.一种喷气撞击式冷冻装置包括：

一冷冻室，它具有一用来接收所需冷冻物品的入口以及一排出已冷冻完毕物品的出口；

将物品从所述入口传送到所述出口的传送装置；

至少两个区域，包括一靠近所述入口的入口区域以及一靠近所述出口的出口区域；

所述至少两个区域中的每一个都具有气流喷嘴，用来将至少一股制冷流体引导至所需冷冻物品上，以及

连接于所述气流喷嘴的循环装置，用来将与所述物品完成热交换后的制冷剂吸入而和新的制冷剂形成一混合物，并且将所述混合物排入所述气流喷嘴以形成所述至少一股制冷流体；

控制装置，用来独立地控制所述新制冷剂进入所述至少两个区域的所述循环装置的流量；

位于所述冷冻室内的蒸发装置，用来在所述新制冷剂和由所述至少两个区域中至少一个区域的所述循环装置吸入的所述制冷剂之间进行热交换，以至少部分地蒸发所述新的制冷剂；以及连接于所述热交换装置的分配装置，以将从所述蒸发装置而来的所述新制冷剂分配到所述控制装置。

2.如权利要求1所述的喷气撞击式冷冻装置，其特征在于，所述蒸发装置包括至少一个位于所述出口区域的蒸发器。

3.如权利要求1或2所述的喷气撞击式冷冻装置，其特征在于，所述分配装置包括一连接于所述蒸发装置以及所述至少两个区域的每一个区域的控制装置的总管。

4.如权利要求1所述的喷气撞击式冷冻装置，其特征在于，所述气流喷嘴装置包括位于所述传送装置之上的成排错开的上部喷嘴组，以将所述撞击用气流向下引导至所述物品。

5.如权利要求4所述的喷气撞击式冷冻装置，其特征在于，所述气流喷嘴装置还包括位于所述传送装置之下的成排错开的下部喷嘴组，以将所述撞击用气流向上引导至所述物品。

6.如权利要求4或5所述的喷气撞击式冷冻装置，其特征在于，每个所述气流喷嘴都具有一细长的构造，它具有一连接于所述循环装置的近端以及一撞击用气流从中喷出的远端，从两个正交的方向上看每个所述气流喷嘴自所述近端到所述远端都是锥形的。

7.如权利要求6所述的喷气撞击式冷冻装置，其特征在于，所述近端和远端都具有矩形构造。

8.如权利要求3所述的喷气撞击式冷冻装置，其特征在于，所述循环装置包括至少一个类似于文杜里喷管的装置，它具有一连接于所述总管的高压入口和一连通于所述冷冻室的低压入口，以使从冷冻室内吸入冷却了所述物品而本身被加热的制冷剂。

9.如权利要求8所述的喷气撞击式冷冻装置，其特征在于：

所述至少两个区域中的每一个区域都具有至少一个分隔室，它有一个和所述冷冻室相通的开口；

所述气流喷嘴装置连接于所述分隔室；

所述至少一个类似于文杜里喷管的装置包括一位于所述至少一个分隔室内的引射器，其所述低压入口对准了所述开口。

10.如权利要求9所述的喷气撞击式冷冻装置，其特征在于，所述控制装置包括一流量控制阀，它位于所述总管和所述引射器的所述高压入口之间。

11.如权利要求3所述的喷气撞击式冷冻装置，其特征在于：

所述至少两个区域包括一位于所述入口区域和所述出口区域之间的中间区域；以及

所述蒸发装置包括至少两个位于所述出口和中间区域并且串联起来的蒸发器，这样，所述新的制冷剂便流向所述出口区域、所述中间区域、进而流向所述总管。

12.一种喷气撞击式冷冻装置包括：

一冷冻室，它具有一用来接收所需冷冻物品的入口以及一排出完成冷冻后物品的出口；

将物品从所述入口传送到所述出口的传送装置；以及

多个将制冷剂流导向所述需要冷冻物品的喷嘴，每个所述喷嘴是一细长体，它具有一近端以及一和所述近端相对的远端，所述细长体的自近端到远端的部分从两个正交的剖面上看是锥形的。

13.一种喷气撞击式冷冻装置包括：

一冷冻室，它具有一用来接收所需冷冻物品的入口以及一排出完成冷冻后物品的出口；

将物品从所述入口传送到所述出口的传送装置；

至少第一组多个气流喷嘴，用来将制冷剂流引导至需要冷冻的物品，

至少一个引射器，它具有用来接收新制冷剂流的高压入口、一从所述冷冻室内吸入已和所述物品完成热交换的所述制冷剂而和新制冷剂形成混合物的低压入口、以及一用来将所述混合物排入所述气流喷嘴的高压出口；以及

连通于所述至少一个引射器的所述高压入口的蒸发装置，用来至少部分地蒸发所述新制冷剂以及将所述新制冷剂流排入所述引射器；

该蒸发装置位于所述冷冻室内、在所述物品和所述低压入口之间，以使所述制冷剂在冷却了所述物品而且其本身也变热了之后，将热量传递给新的制冷剂，然后再被吸入所述混合物。

14.如权利要求13所述的喷气撞击式冷冻装置，其特征在于，每个所述气流喷嘴都具有一细长的构造，它具有一连通于所述循环装置的近端以及一撞击用气流从中喷出的远端，从两个正交的方向上看每个所述气流喷嘴自所述近端到所述远端都是锥形的。

15.如权利要求12或14所述的喷气撞击式冷冻装置，其特征在于，所述气流喷嘴成排错开地设置。

16.如权利要求12或14所述的喷气撞击式冷冻装置，其特征在于，所述近端和远端都具有一矩形构造。

17.一种冷冻物品的方法包括如下步骤：

使所述物品通过一冷冻室，其传送方向是从所述冷冻室的入口到出口；

将制冷剂流引导至所述物品，以通过所述制冷剂和所述物品之间的直接热交换而使所述制冷剂变热并使物品变冷；

将所述撞击用气流引导到所述冷冻室的至少两个区域内的所述物品上，所述冷冻室包括一靠近所述入口的入口区域以及一靠近所述出口的出口区域；

通过与所述加热过的制冷剂进行热交换而至少部分地蒸发新的制冷剂；

在所述新制冷剂至少部分地蒸发后，将所述新制冷剂的至少第一和第二部分分别送到所述出口和入口区域；

通过消耗至少部分蒸发的新制冷剂的功而使所述加热过的制冷剂从入口和出口区域被吸入；

使所述加热过的制冷剂和所述新制冷剂的所述第一和第二部分混合；以及

用所述加热过的制冷剂分别和所述新制冷剂的所述第一和第二部分混合而形成所述出口和入口区域的所述撞击用气流。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述新制冷剂在所述出口区域内被部分地蒸发。

19.如权利要求17所述的方法，其特征在于：

所述至少两个区域还包括位于所述入口和出口区域之间的一中间区域；

所述加热过的制冷剂被从所述中间区域吸入，并且与至少部分地蒸发后的新制冷剂的第三部分混合，以产生制冷剂的第三混合流，与所述中间区域相关的所述撞击用气流来自于所述制冷剂的第三混合流；

所述新制冷剂和被吸入的所述加热过的制冷剂通过在所述出口区域内进行的非直接的热交换，而后再通过在所述中间区域内进行的非直接的热交换而被至少部分地蒸发，这样，所述出口区域的温度便低于所述中间区域，而所述入口区域的温度则高于所述中间区域。

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