DE4209162C2

DE4209162C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von hyperfeinen, gefrorenen Partikeln mittels Laminarströmung

Info

Publication number: DE4209162C2
Application number: DE4209162A
Authority: DE
Inventors: Cozy Ban; Itaru Kanno; Takaaki Fukumoto
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1991-03-25
Filing date: 1992-03-20
Publication date: 1995-07-27
Anticipated expiration: 2012-03-21
Also published as: DE4209162A1; US5216890A; JPH04295573A; KR950001396B1; KR920017952A; JP2618104B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vor richtung zur Erzeugung von hyperfeinen, gefrorenen Parti keln, die beispielsweise für Reinigungszwecke verwendet werden.

Zum Stand der Technik wird auf die beigefügten Fig. 2 und 3 Bezug genommen, die eine herkömmliche Vorrichtung zur Er zeugung von hyperfeinen, gefrorenen Partikeln in einem sche matischen Längsschnitt bzw. einem vergrößerten Querschnitt nach der Linie A-A in der Fig. 2 zeigen, sowie auf DE-OS 39 37 221 verweisen.

Gemäß Fig. 2 ist im oberen Teil eines Beschickungstrichters 1, der der Herstellung von Eis in seinem Inneren dient, eine Reinwasser-Sprühdüse 2 angeordnet, mit der ein Reinwasser-Zuleitungsrohr 3 verbunden ist, so daß durch die Sprühdüse 2 Reinwasser in den Trichter 1 eingesprüht wird. An der Seitenwand des kreisförmigen Trichters 1 sind mehrere Zufuhrrohre 5 angeordnet, um flüssigen Stickstoff einzuführen,

Wie der Fig. 3 zu entnehmen ist, wird der flüs sige Stickstoff durch diese Zufuhrrohre 5 in einer spiralförmigen Weise eingeführt. Im untersten Teil des Beschickungs trichters 1 ist eine Austragöffnung 4 vorhanden, um die hy perfeinen, gefrorenen Partikel auszu tragen.

Bei dieser herkömmlichen Vorrichtung zur Erzeugung von hyper feinen, gefrorenen Partikeln wird das durch das Reinwasser-Zuleitungs rohr 3 zugeführte Reinwasser in den Trichter 1 mittels der Reinwasser-Sprühdüse 2 eingesprüht. Das zerstäubte Reinwas ser unterliegt einem Wärmetausch mit dem flüssigen Stick stoff, der spiralartig durch die in Mehrzahl vorhandenen Stickstoff-Zufuhrrohre 5 eingebracht wird, so daß hyperfei ne, gefrorene Partikel aus dem Wasser entstehen, die inner halb des Trichters 1 absinken, um an der Austragöffnung 4 entnommen zu werden.

Bei der oben beschriebenen Vorrichtung zur Erzeugung von hyperfeinen, gefrorenen Partikeln sind die folgenden Proble me jedoch vorhanden:

(1) Dem flüssigen Stickstoff wird die Möglichkeit gegeben, mit der Innenwand des Trichters 1 in Berührung zu kommen, wodurch die Wandteile des Trichters 1 rapid gekühlt werden, was zum Ergebnis hat, daß in den Wandteilen Risse hervorge rufen werden. Derartige Risse resultieren in der Erzeugung von metallischen Verunreinigungen, die sich mit den erzeug ten hyperfeinen, gefrorenen Partikeln mischen.
2) In dem flüssigen Stickstoff, der als das Kühlmittel für ein Frieren des Reinwassers dient, sind eine Menge von feinen Verunreinigungspartikeln enthalten, die schwerlich oder kaum zu entfernen sind und die Möglichkeit haben, mit den hyper feinen, gefrorenen Partikeln gemischt zu werden, was es unmög lich macht, hyperfeine, gefrorene Partikel von hoher Rein heit auch hier zu erlangen.
(3) Wenn das zerstäubte Reinwasser und der Strom an flüssi gem Stickstoff miteinander gemischt werden, so wird neben der Spiralströmung eine turbulente Strömung oder ein Wir beln hervorgerufen, wodurch bewirkt wird, daß gefrorene Par tikel an der Innenwand sowie der Deckenpartie des Trichters 1 haften.
(4) Wenn die erzeugten hyperfeinen, gefrorenen Partikel zur Austragöffnung 4 absinken, wird in demjenigen Teil des Trich ters 1, der sich zur Austragöffnung 4 hin verjüngt, eine tur bulente Strömung erzeugt, die dazu führt, daß gefrorene Par tikel an der Trichterwand und der Austragöffnung 4 anhaf ten. Durch das Anhaften der gefrorenen Partikel in Form von Eis an der Deckenpartie, der Wandfläche sowie der Austrag öffnung 4 des Trichters 1 werden die hyperfeinen, gefrorenen Partikel an einem störungsfreien, gleichmäßigen Austragen gehindert, weshalb die Vorrichtung nicht kontinuierlich be trieben werden kann, weil eine häufige Beseitigung von Eis, das an Teilen der Vorrichtung haftet, notwendig ist.
5) Da das Anhaften der gefrorenen Partikel das stetige, gleichförmige Austragen dieser Partikel verhindert, wird der Druck im Trichter 1 instabil, wodurch eine Wirbelströ mung hervorgerufen wird, was zu einem Teufelskreis der Erzeu gung einer turbulenten Strömung und des Anhaftens von gefro renen Partikeln führt.

Der Artikel "Ausfrieren von Eis an vibrierten Kühlflächen" auf Seite 169 der Zeitschrift "Çhemie Ingenieur Technik" 49 (1977) Nr. 2 beschreibt ein Verfahren zur Verhinderung des Anhaftens von Eiskristallen an den Kühlflächen, bei dem die Kühlflächen in Vibrationen versetzt werden. Die Probleme der Verunreinigung, sowie der turbulenten Strömung werden allerdings nicht erwähnt.

Es ist demzufolge die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren anzugeben und eine Vorrichtung zu schaffen, um hyperfeine, gefrorene Partikel zu erzeugen, wobei das Verfahren und die Vorrichtung verhindern, daß in den metallischen Teilen, wie dem Trichter, entstandene Verunreinigungen, mit den hyperfeinen, gefrore nen Partikeln gemischt werden, die, daß die Verunreinigungspartikel die im Kühlgas vorhan den sind, mit den hyperfeinen, gefrorenen Partikeln gemischt werden, zu welchem Zweck ein Kühlgas mit niedriger Tempera tur zur Anwendung gelangt, die darüber hinaus die Erzeu gung einer turbulenten Strömung verhindern, indem das Kühlgas in Form einer laminaren Strömung zugeführt wird, und die Menge an gefrorenen Partikeln, die an der Wandung, der Decke sowie der Austrag öffnung des Trichters haften, vermindern, so daß die Er zeugung von hyperfeinen, gefrorenen Partikeln in einer kon stanten, gleichbleibenden Weise ermöglicht wird.

Um die gestellte Aufgabe zu lösen, wird gemäß einem Gesichts punkt der Erfindung eine Vorrichtung zur Erzeugung von hyper feinen, gefrorenen Partikeln geschaffen, die im Patentanspruch 1 angegeben ist.

Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung wird zur Lösung der gestellten Aufgabe ein Verfahren zur Erzeugung von hyperfeinen, gefrorenen Partikeln angegeben, das in den Verfahrensansprüchen gekennzeichnet ist.

Erfindungsgemäß wird die Temperatur der Trichterwandtei le im wesentlichen gleich derjenigen des Inneren des Trich ters gehalten. Aufgrund dessen werden die Trichterwandteile gegenüber einer rapiden Abkühlung geschützt, wodurch anson sten Risse in den Oberflächenbereichen des Trichters, wenn das Kühlgas oder gefrorene Partikel mit diesen in Berührung kommen, erzeugt werden, so daß gemäß der Erfindung die hy perfeinen, gefrorenen Partikel nicht mit auf derartige Risse zurückzuführende metallischen Verunreinigungen gemischt wer den. Durch die Verwendung eines Kühlgases, das die Entfernung von Verunreinigungspartikeln leichter bewerkstelligen läßt als ein flüssiges Kühlmittel, ist es darüber hinaus möglich, die Menge an Verunreinigungspartikeln, für die ein Mischen mit den hyperfeinen, gefrorenen Partikeln noch zulässig ist, zu vermindern. Zusätzlich ruft das am einen Ende des Trich ters befindliche Filter eine laminare Kühlgasströmung hervor, was zum Ergebnis hat, daß die Erzeugung einer turbulenten Strömung oder eines Wirbelns innerhalb des Trichters vermie den werden kann, so daß das Haften von gefrorenen Partikeln an den Wandteilen und der Deckenpartie des Trichters ver hindert wird.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß der Erfindung tragen somit dazu bei, die Menge an Verunreinigungspartikeln, für die ein Mischen mit den erzeugten hyperfeinen, gefrorenen Partikeln als noch zulässig angesehen wird, zu vermindern sowie die Erzeugung dieser hyperfeinen, gefrorenen Partikel und den Betrieb der Vorrichtung zu stabilisieren.

Der Erfindungsgegenstand wird unter Bezugnahme auf die Zeich nungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt einer herkömmlichen Vorrichtung;

Fig. 3 den Querschnitt nach der Linie A-A in der Fig. 2.

Für gleiche Teile zu den Fig. 2 und 3 in der Fig. 1 werden dieselben Bezugszahlen verwendet.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung von Fig. 1 ist am Außenumfang eines Beschickungstrichters 1A ein Wärmetauscher 6 vorgesehen, durch den mittels einer Kühlmittel-Umwälzpumpe 8 ein Kühlmittel 7, wie Stickstoffgas oder flüssiger Stick stoff, umgewälzt wird. In dieser Kühlmittel-Umwälzvorrichtung 8 ist eine (nicht dargestellte) Einrichtung zur Wärmeabfuhr an die Außenseite oder zum Äußeren hin vorgesehen.

Oberhalb des Trichters 1A ist ein Stickstoffgaseinlaß 10 angeordnet, durch den ein Kühlmittel, wie beispielsweise Stickstoffgas 9 niedriger Temperatur, zugeführt wird, und zwischen diesem Stickstoffgaseinlaß 10 sowie dem Trichter 1A befindet sich ein Filter 11 z. B. ein aus Glasfaser bestehendes (High Efficiency Particulate Air-Filter) "HEPA-Filter", das zum Einführen des Stickstoffgases 9 in den Trichter 1A in Form einer laminaren Strömung geeignet oder hergerich tet ist.

Der obere Teil des Trichters 1A kann beispielsweise zylin drisch ausgestaltet sein, während derjenige Teil des Trich ters, der zu der am Boden des Trichters vorgesehenen Austrag öffnung 4 führt, beispielsweise ein wahrer Kegel (ein Rota tionskörper) ist. Der Verjüngungswinkel Θ dieses Kegels wird nach der Strömungsgeschwindigkeit des Stickstoffgases und der Strömungsmenge sowie der Verteilung (Expansion) des zu geführten Reinwassers bestimmt. Dieser Winkel wird mit einem Wert festgesetzt, der nicht dazu führt, daß die Erzeugung einer turbulenten Strömung hervorgerufen wird.

Bei der Vorrichtung zur Erzeugung von hyperfeinen, gefrore nen Partikeln wird der Beschickungstrichter 1A von der Außenseite her durch den Wärmetauscher 6 auf eine Temperatur abgekühlt, die an nähernd dem Siedepunkt von Stickstoff entspricht, wobei die vom Trichter abgezogene Wärme zur Außenseite hin durch die Kühlmittel-Umwälzeinrichtung 8 mittels einer (nicht darge stellten) Austrageinrichtung abgeführt wird. Reinwasser zur Eisherstellung wird durch das Reinwasser-Zuleitungsrohr 3 zugeführt und mittels einer Reinwasser-Sprühdüse 2 in den Trichter 1A gesprüht. Das Stickstoffgas 9, das auf einer niedrigen Temperatur ist, die annähernd dem Siedepunkt von Stickstoff entspricht, wird in den Trichter durch den Stick stoffgaseinlaß 10 eingebracht und bei seinem Strömen durch das Filter 11 als gleichförmige laminare Strömung, die ab wärts gerichtet ist, ausgebildet. Dieses Stickstoffgas 9, das laminar in den Trichter einströmt, wird verwendet, um das zerstäubte Reinwasser im Trichter 1A tiefzukühlen. Da Verunreinigungspartikel, die im Stickstoffgas enthalten sind, aus diesem leichter entfernt werden können als das für flüs sigen Stickstoff der Fall ist, trägt die Verwendung von Stick stoffgas 9 dazu bei, die Menge an Verunreinigungspartikeln, die zulässigerweise mit den hyperfeinen, gefrorenen Partikeln gemischt werden dürfen, herabzusetzen. Abgesehen von der Ausbildung einer laminaren Strömung für das Stickstoffgas 9 dient das Filter 11 auch dazu, in dem Gas 9 enthaltene Verunreinigungspartikel zurückzuhalten und zu beseitigen.

Die auf diese Weise erzeugten gefrorenen Partikel werden durch die Abwärtsströmung des Stickstoffgases 9 mitgeführt und bewegen sich zur Austragöffnung 4 hin, ohne daß irgendeine turbulente Strömung hervorgerufen wird. Da die Wandteile des Trichters 1A durch den Wärmetauscher 6 auf eine Tempera tur gekühlt werden, die im wesentlichen gleich derjenigen des Inneren des Trichters ist, werden die Trichterwände durch das Kühlmittel nicht rapid gekühlt, so daß in den Trichterwänden keine Risse hervorgerufen werden. Darüber hinaus trägt das dazu bei, ein Anhaften von gefrorenen Partikeln an den Trichterwänden zu vermeiden.

Die zur Austragöffnung 4 hin absinkenden hyperfeinen, gefro renen Partikel werden mit dem Winkel Θ eingezogen, wenn sie sich zum unteren Ende des Trichters 1A hin bewegen. Wie be reits festgestellt wurde, wird dieser Winkel Θ so bestimmt, daß er nicht zu einer Erzeugung einer turbulenten Strömung beiträgt, so daß die hyperfeinen Partikel durch die Austrag öffnung 4 ohne das Vorhandensein einer turbulenten Strömung abgeführt werden. Insofern kann auch hier ein Haften von gefrorenen Partikeln an den Trichterwänden vermieden werden.

Aufgrund des kombinierten Effekts der Zufuhr des Stickstoff gases 9 zum Trichter und der sich verjüngenden Ausgestaltung des Trichters zur Austragöffnung 4 hin ist der Druck im Trichter 1A positiv. Eine Schwankung in einem vorbestimmten Innendruck des Trichters 1A kann ein Verstopfen in der Aus tragöffnung 4 oder eine Erzeugung einer turbulenten Strö mung oder eines Wirbelns hervorrufen. Im Hinblick hierauf wird erfindungsgemäß ein Druckfühler 12 zur Druckmessung vorgesehen, der den Innendruck des Trichters ermittelt und die Meßergebnisse zum Zufuhrsystem für das Stickstoffgas 9 und zum Zufuhrsystem für das Reinwasser rückkoppelt, so daß es möglich ist, den Innendruck des Trichters 1A auf einem konstanten Niveau zu halten. Mit dieser Anordnung wird die Stabilität im Eisherstellungsprozeß aufrechterhalten, da die Erzeugung einer turbulenten Strömung aufgrund einer Druckschwankung in den mittleren und unteren Bereichen des Trichters 1A verhindert wird. Darüber hinaus ermöglicht eine solche Anordnung, daß die Vorrichtung kontinuierlich betrieben werden kann, da sie verhindert, daß an der Austrag öffnung 4 Verstopfungen auftreten.

Claims

1. Vorrichtung zur Erzeugung von hyperfeinen, gefrorenen Partikeln, bestehend aus:

- einer senkrecht stehenden rohrförmigen Kühlkammer,
- einer Düse, durch die am einen Ende der Kühlkammer Reinwasser einsprühbar ist, und aus
- einer Vorrichtung zum Einbringen eines Kühlmittels in die Kühlkammer,
dadurch gekennzeichnet, daß
- die Kühlkammer an ihrem anderen Ende einen trichterförmigen Austrag (1A) besitzt,
- die Kühlkammer an ihrem Außenumfang einen Wärmetauscher (6) zum Kühlen ihrer Innenwände aufweist,
- ein Kühlgas (9) als Kühlmittel verwendet wird, das die Kühlkammer in Form einer abwärtsgerichteten Laminarströmung durchströmt, und daß
- die Vorrichtung (10) zum Einbringen des Kühlmittels sich am einen Ende der Kühlkammer befindet und einen Filter (11) enthält, der das Kühlgas (9) reinigt und in Form der abwärtsgerichteten Laminarströmung in die Kühlkammer einführt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlgas (9) Stickstoffgas ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Trichter (1A) mit einem den Druck in dessen Innerem messenden Druckfühler (12) versehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (6) mit einer Kühlmittel-Umwälzeinrichtung (8) ausgestattet ist.

5. Verfahren zur Erzeugung von hyperfeinen, gefrorenen Partikeln, bei dem Reinwasser vom einen Ende einer Kühlkammer her in diese eingesprüht wird,
dadurch gekennzeichnet, daß

- ein Kühlgas als Kühlmittel verwendet wird,
- das Kühlgas vom einem Ende der Kühlkammer her durch ein Filter hindurch in die Kühlkammer eingeführt wird und diese in Form einer abwärtsgerichteten Laminarströmung durchströmt, und daß
- ein zweites Kühlmittel durch einen am Außenumfang der Kühlkammer vorhandenen Wärmetauscher umgewälzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Trichter mit einem den Druck in dessen Innerem messenden Druckfühler versehen ist, dessen gemessene Druckwerte zu dem Zufuhrsystem des Kühlgases sowie dem Zuführsystem des Reinwassers rückgekoppelt werden, um den Druck im Trichter auf einem konstanten Niveau zu halten.