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Gebiet der
Erfindung
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Diese
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Erzeugen fein aufgeteilter
kryogener Schneeartikel, und genauer auf eine verbesserte Düsenstruktur
zur Aufnahme eines Stroms von flüssigem
Kohlendioxid und zur Abgabe eines Stroms von feinen Kohlendioxidschneepartikeln
aus dieser Struktur.
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Hintergrund der Erfindung
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Aus
Kohlendioxid erzeugte Schneepartikel werden in einer breiten Vielzahl
von Kühl-
und Gefrieranwendungen verwendet. Kohlendioxidschneepartikel können beispielsweise
bei der Tiefkühlung, Verfahrenskühlung und
-gefrierung sowie bei der Herstellung von Trockeneis benutzt werden.
Genauer erweisen sich derartige Schneepartikel sowohl in Lebensmittel-
wie in Nichtlebensmittel-Anwendungen wie z.B. bei der Kühlung, Gefrierung
und Tieflkühlung von
Lebensmitteln, und für
die Schnell- und/oder Punktkühlung
während
der Verarbeitung verschiedener Nichtlebensmittel-Materialien als
nützlich.
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Kohlendioxidschneepartikel
werden typischerweise durch eine rasche Expansion von flüssigem Kohlendioxid
durch eine kleine Öffnung
erzeugt. Das flüssige
Kohlendioxid wird erhalten, indem Kohlendioxidgas komprimiert wird
und es unter den geeigneten Druck- und Temperaturbedingungen für die Tiefkühlung gehalten
wird. In Großtanks
liegt beispielsweise Kohlendioxid, das bei einem Druck von ungefähr 20 bar
(300 lbs pro inch2) und einer Temperatur
von etwa –18°C (0°F) gespeichert
wird, in der Form einer Flüssigkeit
vor. An der Verwendungsstelle wird das flüssige Kohlendioxid mittels
einer schnellen Expansion durch eine kleine Öffnung in ein Gemisch aus Kohlendioxidschnee
und Dampf umgewandelt.
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Beim
Stand der Technik vorliegende Vorrichtungen für die Herstellung von Kohlendioxidschnee verwenden
relativ einfache Öffnungen,
um das Auftreten einer Expansion des flüssigen Kohlendioxideinsatzes
zu ermöglichen.
Allerdings erzeugen beim Stand der Technik vorliegende Expansionsvorrichtungen/düsen wie
z.B. Schneehörner
und Öffnungen
typischerweise ein punktförmiges
Auftreffmuster und sie sind sperrig und schwierig in kleinen Räumen unterzubringen.
Ebenfalls sind diese Vorrichtungen/Düsen vom Stand der Technik dafür bekannt,
die Schneepartikel mit einer hohen Geschwindigkeit aus den Schneehörnern und
-öffnungen
auszustoßen. Die
hohe Geschwindigkeit des Kohlendioxidschnees erzeugt Schwierigkeiten
beim Auftragen eines gleichmäßigen Schneeteppichs
und kann brüchige
Gegenstände
wie z.B. Käseauflagen
auf Pizza oder Schlagsahneaufsätze
auf Bäckereierzeugnissen
beschädigen.
Bei einer Verwendung in Verfahrenskühlungsanwendungen kann die
hohe Geschwindigkeit darüber
hinaus zu einer Grübchenbildung
auf der Oberfläche
oder sogar zu einem Bruch zerbrechlicher Materialien wie z.B. von
beschichteten Barrierematerialien führen. Weiterhin erzeugt die
Hochgeschwindigkeitsabgabe von Schneepartikeln hohe Lärmpegel,
die für das
in der Nähe
befindliche Arbeitspersonal Sicherheits- und Umweltrisiken aufwerfen
können.
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Es
sind Versuche unternommen worden, den ungleichmäßigen Auftrag von Kohlendioxidschnee zu überwinden.
Beispielsweise sind speziell geformte Hörner an dem Austritt einer
Expansionsöffnung
bereitgestellt worden, es sind feststehende gegen eine Aufprallplatte
ausgebende Öffnungen
sowie variable Öffnungen
benutzt worden, deren Abgabe in geschlossene Behälter erfolgte, und außerdem ist
die Anwendung von Kombinationen aller dieser Anordnungen versucht
worden.
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Beispielsweise
beschreibt US-A-3 667 242, Kilburn, eine Struktur zum Erzeugen von
Kohlendioxidschnee, wobei flüssiges
Kohlendioxid in einen oberen Bereich eines hohlen zylindrischen
Horns mit doppelten Seitenwänden,
das mit einer offenen Unter- und einer verschlossenen Oberseite
versehen ist, geführt
wird. Eine Düse
in dem obersten Bereich des zylindrischen Horns verleiht dem in
dem Horn ausgebildeten Schnee eine herumwirbelnde Tangentialbewegung.
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US-A-4
111 362, Carter Jr., beschreibt eine Düsenanordnung für die Herstellung
von Kohlendioxidschnee, bei der Paare von Kohlendioxidstrahlen quer
angeordnet sind, damit Kohlendioxid in einen Hornbereich injiziert
wird. Die expandierenden Strahlgemische aus Schnee und Dampf werden
in Aufprallpfaden zueinander ausgerichtet, wodurch die Energie der
Strahlen abgegeben wird.
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US-A-4
145 894, Frank et al., beschreibt eine Erzeugungsvorrichtung für Kohlendioxidschnee,
bei der flüssiges
Kohlendioxid durch eine Düse
in eine Kammer geleitet wird. Der sich ergebende Schnee wird durch
eine motorbetriebene Trommel mit bürstenähnlichen Messern dispergiert,
die den Schnee aufnehmen und ihn auf Gegenstände abscheiden, die auf einem
Förderband
bewegt werden.
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US-A-4
376 511, Franklin Jr., beschreibt eine Erzeugungsvorrichtung für Kohlendioxidschnee,
bei der ein Verteiler innerhalb eines Kanalbauteils angeordnet ist
und Kohlendioxidschnee zu den Seiten des Kanalbauteils hin abgegeben
wird, wodurch bewirkt wird, dass ein gewisser Teil der kinetischen
Energie des Kohlendioxidschnees abgegeben wird.
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US-A-4
462 423, Franklin Jr., beschreibt ein Kopfstück für die Kohlendioxidschnee-Erzeugung, bei
welcher mehrere Düsen
entlang eines Kopfstückrohrs
angeordnet sind, um mehrere Abgabebereiche für Kohlendioxidschnee entlang
des Kopfstückes
zu ermöglichen.
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US-A-4
640 460, Franklin Jr., beschreibt ein Kopfstück für die Kohlendioxidschnee-Erzeugung, bei
der ein Paar Düsen
innerhalb eines Behälters
bereitgestellt werden. Eine Zufuhr von flüssigem Kohlendioxid wird bei
ungefähr
20 bar (300 psi) in die Einlassenden der Düsen eingespeist. Weiterhin
wird flüssiger
Kohlendioxid durch eine Zufuhrleitung zu den Einlassenden der Düse geführt, um
die Zufuhrleitung bis zu einem Ausmaß scharf abzukühlen, das ausreicht,
um die Temperatur des zu dem Triple-Punkt zugeführten flüssigen Kohlendioxids zu reduzieren.
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US-A-5
020 330, Rhoades et al., beschreibt eine Lebensmittelgefriervorrichtung,
die eine oder mehrere Düsen
zum Ausrichten von Kohlenstoffschneepartikeln auf Lebensmittelprodukte
umfasst. Das flüssige
Kohlendioxid wird durch Rohre geleitet, sodass es nur nach oben
und/oder horizontal zu den Spritzdüsen strömt. Somit wird jegliches feste
Kohlendioxid, das sich neben der stromaufwärtigen Seite der Sprühöffnungen
ansammeln kann, durch den Kohlendioxiddampf, der durch die Schwerkraft
in der Rohrleitung nach oben aufsteigt, geschmolzen.
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EP-A-0
721 801 offenbart eine CO2-Strahl-Sprühreinigungsdüse, die
eine Öffnungsscheibe
umfasst, welche mit einer Reihe runder Öffnungen versehen ist. Diese Öffnungen
sind in einem vorbestimmten Muster, das vorzugsweise kreisförmig oder
linear ist, durch einen zentralen Bereich der Öffnungsscheibe hinweg angeordnet
und sie werden beispielsweise durch Laserbohren oder alternativ dazu
durch eine Elektronenentladungsbearbeitung hergestellt. Bei der
Verwendung der Strahlspritzdüse wird
CO2-Gas über
eine kreisförmige
Eingangsöffnung
der Düse
zu der Mehrzahl von Öffnungen
geleitet, während
derjenige Ausgangsstrahlsprühdruck aufrechterhalten
wird, der für
die Bereitstellung einer Präzisionsreinigung
erforderlich ist.
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Es
besteht ein Bedarf nach Kohlendioxidschnee-Abgabeköpfen und
-düsen,
die einen feinen Feststoffschnee erzeugen, wobei Hochgeschwindigkeitsschneepartikel
vermieden werden. Weiterhin sollten derartige Vorrichtungen Kohlendioxid/Schneepartikel
mit relativ konstanten Teilchenabmessungen erzeugen können, um
einen relativ gleichförmigen
Auftrag der Teilchen über
Lebensmittel, andere Produkte oder andere gekühlte Materialien sicherzustellen.
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Dementsprechend
besteht eine Aufgabe dieser Erfindung in der Bereitstellung einer
verbesserten Düsenstruktur
für die
Herstellung feiner Kohlendioxidschneepartikel.
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Eine
weitere Aufgabe dieser Erfindung besteht in der Bereitstellung einer
verbesserten Struktur für
die Zufuhr von fein aufgeteilten Kohlendioxidschneepartikeln, wobei
eine Blockierung der Düsen durch
verfestigte Kohlendioxidpartikel vermieden wird.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Ein
Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht in einer Vorrichtung gemäß Anspruch
1. Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren gemäß Anspruch
9.
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Ein
System zum Erzeugen eines Stroms aus feinen Schneepartikeln umfasst
eine Leitung zur Zufuhr eines unter Druck stehenden Stroms eines
kryogenen Fluids sowie eine an die Leitung gekoppelte Düse, wobei
die Düse
einen Auslass- und einen Einlassweg hat, die mit der Leitung in
Verbindung stehen. Ein Expansionsbauteil ist innerhalb der Düse angeordnet
und deckt den Auslassweg ab. Das Expansionsbauteil stellt mehrere
Kanäle
mit feinem Durchmesser zum Durchleiten des kryogenen Fluids in einen
Bereich mit einem niedrigeren Druck bereit, wodurch eine Expansion
des kryogenen Fluids während
des Durchtritts durch das Expansionsbauteil ermöglicht wird. In einer bevorzugten
Ausführungsform ist
das kryogene Fluid Kohlendioxid und die Systemparameter werden dahingehend
eingestellt, dass das Kohlendioxidfluid bei oder nahe bei der Auslassfläche des
Expansionsbauteils in eine Feststoff und Dampfphase eintreten kann
und dass die Feststoff-Phase daraus als feine Schneefeststoffe austreten
kann.
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Es
ist berücksichtigt,
dass das System der vorliegenden Erfindung als ein Ersatz für jegliche
bestehenden Schnee-Erzeugungsvorrichtungen verwendet werden kann.
Dementsprechend kann je nach Betracht die vorliegende Erfindung
getrennt als einzelne Vorrichtung wie z.B. anstelle eines Schneehorns
oder einer Punktkühlvorrichtung,
oder als Teil eines gesamten Systems wie z.B. in einer Lebensmittelgefriervorrichtung,
Kühlanlage
oder Bandbeschneiungsvorrichtung verwendet werden. Für den Fachmann
versteht sich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf irgendeine
besondere Verwendung begrenzt ist und in jeder Anwendung angewendet werden
kann, in der die Verwendung eines Kryogens für die Tiefkühlung, das Kühlen oder
Gefrieren erwünscht
ist.
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Spezifisch
berücksichtigt
ist, dass die vorliegende Erfindung in einer Vielzahl von Lebensmittelkühl-, - gefrier- und Tiefkühlungsanwendungen
einschließlich,
jedoch ohne darauf begrenzt zu sein, Bandbeschneiungsvorrichtungen,
Lebensmittelgefriervorrichtungen und -kühlanlagen, verwendet werden
kann. Bei der Verarbeitung von gefrorenen zerkleinerten Lebensmitteln
wie z.B. gefrorenem Hackfleisch muss das rohe Fleisch nach dem Hacken
beispielsweise rasch gekühlt
werden (da das Hacken dem Produkt inhärent eine gewisse Wärmemenge zuführt), bevor
es verpackt und eingefroren wird. Die vorliegende Erfindung kann
für diesen
Zweck vorteilhaft benutzt werden, da sie feine Schneepartikel erzeugt,
die auf gesteuerte Weise kontinuierlich auf dem Hackfleisch abgeschieden
werden können, wenn
es aus dem Zerkleinerer austritt. Wenn die vorliegende Erfindung
in einer Verarbeitungsanlage verwendet wird, in der das Personal
in enger Nachbarschaft zu der Ausrüstung arbeitet, weist sie den
zusätzlichen
Vorteil eines geringen Arbeitsgeräusches auf, da der Schnee ohne
eine Abgabe mit hoher Geschwindigkeit ausgeliefert wird.
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Ebenfalls
kann die vorliegende Erfindung beispielsweise in Lebensmittelkühlanlagen
und -gefriervorrichtungen verwendet werden, in denen ein direkter
Kontakt zwischen dem Lebensmittel und dem kryogenen Stoff auftritt.
Die vorliegende Erfindung kann in einer solchen Ausrüstung benutzt
werden, da viele kommerzielle Gefriervorrichtungen und Kühlanlagen
bestehende Schnee-Erzeugungsvorrichtungen verwenden. Der Vorteil
des vorliegenden Systems besteht in der Erzeugung feiner Schneepartikel,
die aufgrund ihrer Fähigkeit
zur Herstellung eines größeren Oberflächenkontakts
mit dem Lebensmittel eine gesteigerte Wärmeübertragung bereitstellen.
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Es
ist weiter berücksichtigt,
dass die vorliegende Erfindung in jeder Verfahrenskühlungsanwendung
verwendet werden kann, die beispielsweise bei der Herstellung beschichteter
Materialien oder von Materialien erforderlich sein kann, die aus
schmelzflüssigen
oder halbschmelzflüssigen
Ausgangsmaterialien angefertigt werden. Beispielsweise werden Asphaltbarrierematerialien
durch das Überziehen von
heißem
Asphalt auf ein Substrat hergestellt. Nach dem Überziehen muss das Barrierematerial gleichmäßig über seine
gesamte Oberfläche
gekühlt werden,
bevor es zur Vermeidung eines Verstopfens des Verfahrenssystems
weiterverarbeitet wird. Dies wird traditioneller Weise durch ein
Offline-Kühlen
bewerkstelligt. Dies erschwert eine kontinuierliche Verarbeitung
derartiger Materialien. Allerdings kann unter Verwendung der vorliegenden
Erfindung eine rasche, effiziente und kontinuierliche Kühlung bewerkstelligt
werden, da die vorliegende Erfindung einen feinen Feststoffschnee
bereitstellt, der gleichmäßig auf
die gesamte Oberfläche
eines Materials aufgetragen werden kann.
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Dementsprechend
stellt die vorliegende Erfindung ein vielseitiges System zum Erzeugen
eines Stroms von feinen Schneepartikeln bereit, der in einer breiten
Vielzahl einer Kühl-
oder Tiefkühlung,
sowie von Gefrieranwendungen in der Lebensmittel- und Nichtlebensmittelindustrie
verwendet werden kann.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform einer Düse, die
gemäß der Erfindung
in Kombination mit einem Zwischendruckkammer und einem in 1 nicht
dargestellten Horn verwendet wird.
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2 ist
eine modifizierte Version der Düse von 1,
wobei ein Rückhaltering
dazu verwendet wird, ein innerhalb der Düse angeordnetes Expansionsbauteil
zurückzuhalten.
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3A ist
eine Schnittaufsicht der Düse
der ersten Ausführungsform,
die ein Horn einschließt,
um ein durch sie erzeugtes Schneemuster aufzuweiten, wobei die Zwischendruckkammer
nicht illustriert ist.
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3B ist
eine Seitenschnittansicht der Düse
von 3A.
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4 illustriert
die Düse
von 1, wobei ein Schneehorn mit dem Auslass von einer
Zwischendruckkammer in Verbindung steht und das Schneehorn den Schnee
daran hindert, sich mit der Umgebungsatmosphäre zu vermischen und dort zu verdampfen.
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5–7 sind
Tabellen, die Ergebnisse anführen,
welche aus Tests der in 2 dargestellten Düsenform
und einer zugeordneten Zwischendruckkammer stammen, wobei die Düse von 5 eine
Schlitzbreite von 0,56 mm (0,022 inch), von 6 0,89 mm
(0,035 inch) und von 7 1,57 mm (0,062 inch) aufweist.
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Ausführliche
Beschreibung der Erfindung
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Jede
der nachfolgend beschriebenen Düsenanordnungen
umfasst ein Expansionsbauteil mit mehreren dadurch hindurch laufenden
feinen Kanälen,
die den Weg des kryogenen Fluids versperren und mehrere Expansionskanäle bereitstellen.
In den Expansionskanälen
vollzieht sich eine Expansion des kryogenen Fluids und eine Umwandlung
des expandierenden kryogenen Fluids (falls es Kohlendioxid ist)
zu einem Schneefeststoff und Dampf.
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Das
bevorzugte Material für
das Expansionsbauteil ist gesinterter rostfreier Stahl, allerdings
ist jedes Material akzeptabel, das mehrere poröse Kanäle zum Durchleiten eines kryogenen
Fluids in einen Bereich mit geringerem Druck bereitstellt. Für die Expansion
des kryogenen Fluids muss das Expansionsmaterial mehrere Pfade aufweisen,
sodass, in Kombination mit einem Druckgradient darüber das
kryogene Fluid, falls es Kohlendioxid ist, zu Dampf und einem feinen
Schneefeststoff umgewandelt wird, der mit einer geringeren Geschwindigkeit
aus dem Expansionseinsatz austritt als dies der Fall wäre, wenn der
Druckabfall für
den gleichen Strom durch eine einzelne Lochöffnung erzeugt werden würde. Der
Begriff Expansionsmaterial umfasst wie im folgenden benutzt als
das Basismaterial Metalle, keramische Materialien, Glasarten, Kunststoffe,
Verbundwerkstoffe, Sieb(e), Anordnungen aus "Stahlwolle" und sämtliche Fabrikationsmaterialien
dieser Materialien.
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Gesinterte
poröse
Produkte aus rostfreiem Stahl sind von der Mott Metallurgical Corporation, Farmington
Industrial Park, 84 Spring Lane, Farmington, Connecticut USA erhältlich.
Die porösen
Einsätze
können
mit verschiedenen Dicken und Durchmessern angefertigt werden und
ihre Porosität
kann in verschiedenen Abstufungen auf z.B. von 0,2 bis 100 μm reichend
spezifiziert werden, wobei von etwa 5 bis zu etwa 20 μm bevorzugt
ist. Die Form und Porengröße des porösen Einsatzes
können
gemäß der Anwendung
sowie der Struktur der Düse
variieren. Beispielsweise erzeugt ein Einsatz mit einer Porosität von 5 μm weniger
Schnee pro Einheit Fläche
als ein Einsatz mit einer Porosität von 10 μm, der die gleiche Oberfläche aufweist.
Benötigt
das Verfahren ein kreisförmiges
Muster, kann eine Scheibe verwendet werden. Sollte ein fächerförmiges Schneemuster
erforderlich sein, kann eine Scheibe oder Kappe mit einem fächerförmigen porösen Bereich
an dem Auslass der Düse
bereitgestellt werden. Weiterhin kann eine Expansionsscheibe oder
eine andere Form ihr/sein Schneemuster gegen eine Ablenkplatte abgeben,
um eine erwünschte
Dispersion der Schneepartikel zu bewerkstelligen.
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Das
bevorzugte kryogene Fluid ist Kohlendioxid, da es einen günstigen
Charakter aufweist, wenn es für
Lebensmittel verwendet wird, und ebenfalls ist es für viele
Kühlanwendungen
anwendbar. Allerdings versteht sich, dass die Erfindung gleichermaßen für andere
kryogene Fluide angewendet werden kann, die dahingehend gesteuert
werden können,
ein fein dispergiertes kryogenes Muster durch Verwendung eines innerhalb
einer Düsenstruktur
angeordneten Expansionsbauteils abzugeben.
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Es
ist wohlbekannt, dass Kohlendioxid einen "Triple-Punkt" bei einem Druck von ungefähr 5,2 bar (60
lbs psig) und bei –57°C (–70°F) aufweist.
Wie oben erwähnt
wird flüssiges
Kohlendioxid häufig
bei etwa 22 bar (300 psig) und etwa –18°C (0°F) gelagert. Wenn flüssiges Kohlendioxid
bei einem derartigen Druck- und Temperaturpegel in eine Düse gemäß dieser
Erfindung eingespeist wird, ist es bevorzugt, dass das Expansionsbauteil
eine Dicke sowie einen feinen Kanaldurchmesser aufweist, die/der
es bei gegebenen Einlass- und Auslassdrücken ermöglichen, dass die hindurch
fließende
Kohlendioxidflüssigkeit
den Triple-Punkt bei oder nahe bei der Auslassstirnseite des Expansionsbauteils
erreicht.
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Wie
oben erwähnt
erreicht das flüssige
Kohlendioxid das Expansionsbauteil bei etwa –18°C (0°F) (von einem Speicherbehälter). Es
tritt in die Kanäle
des Bauteils ein, wo mit seiner Expansion begonnen wird (aufgrund
des Druckdifferentials darüber),
welche eine Kühlung
des Fluids bewirkt. Bei einem ausreichend dicken Expansionsbauteil
erreicht die Temperatur ungefähr –57°C (–70°F) und ungefähr 5 bar
(60 psig) bei oder nahe bei der Auslassfläche des Expansionsbauteils,
wodurch Bedingungen bereitgestellt werden, die eine Erzeugung der
Schneepartikel gestatten. Die feinen Kanaldurchmesser begrenzen
die Größe der erzeugten
Schneepartikel. Das Druckdifferential über das Expansionsbauteil und
die Dampfkomponente dienen als die Antriebskraft für das Ausstoßen der
Schneepartikel.
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Auf
eine derartige Weise wird die Flüssigkeit bzw.
Dampf, die/der die feinen Kanäle
durchlaufen, an der Auslassseite der Düse oder nahe bei ihr zu Schneepartikeln
umgewandelt. Es hat sich gezeigt, dass sogar dann, wenn der Triple-Punkt
innerhalb der Struktur des Expansionsbauteils auftritt, es das wesentliche
Druckdifferential zwischen den Einlass- und den Auslass-Stirnseiten
des Expansionsbauteils bewirkt, dass sich die Schneeteilchen und
der Dampf auf eine ungehinderte Weise durch die feinen Kanäle bewegen.
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Nun
auf 1 Bezug nehmend nimmt eine Düse 10 einen flüssigen Kohlendioxidstrom
durch einen Einlass 12 auf. Eine Expansionsscheibe 14 (vorzugsweise
aus porösem
rostfreiem Stahl gefertigt) wird an dem Austrittsende der Düse 10 angeordnet und
durch eine Rückhaltemutter 16 an
Ort und Stelle gehalten, die auf die Düse 10 geschraubt ist.
In den Einlass 12 strömendes
flüssiges
Kohlendioxid tritt in die Expansionsscheibe 14 ein und
durchläuft
während
des Durchtritts durch die Poren der Expansionsscheibe 14 eine
Expansion. Dementsprechend wird Schnee an oder nahe bei der Auslassfläche der
Expansionsscheibe 14 erzeugt und tritt aus ihr infolge des über ihr
liegenden Druckdifferentials aus.
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In 2 ist
eine alternative Version der Düse von 1 dargestellt,
die einen Rückhaltering 18 einschließt, der
um den Umfang der Expansionsscheibe 14 herum angeordnet
ist. Der Rückhaltering 18 verhindert
einen Strom von flüssigem
Kohlendioxid um die Ränder
der Expansionsscheibe 14 herum und ermöglicht es, dass die Düse 10 an
unterschiedlich große
Scheiben in einer "Standard"-Scheibenhaltevorrichtung
angepasst werden kann.
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Die 3A und 3B illustrieren
die Anordnung eines Horns 30 an dem Auslass der Düse 10 zur
Bereitstellung einer Führung/Ablenkung
von aus der Expansionsscheibe 14 austretenden Schneefeststoffen.
Das Horn 30 sorgt nicht nur für eine Ausrichtung des Kohlendioxidschnees,
sondern verhindert auch ein Verdampfen des erzeugten Schnees, bevor dieser
das zu kühlende
Material erreicht. Das Horn 30 ist dazu ausgelegt, von
dem Strom aus Schnee und Dampf befüllt zu werden, um zu verhindern,
dass Feuchtigkeit oder andere kondensierbare Komponenten, die das
Horn 30 umgeben, in das Horn 30 hineingezogen
werden und dort kondensieren. Eine derartige Kondensation kann zu
einer Blockierung der Düse 10 führen.
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Die
Vorrichtung der Erfindung verwendet zur Steuerung des Drucks an
der Auslassseite der Expansionsscheibeneinsätze eine Zwischendruckkammer.
Rückdruck
an der Austrittsseite des Expansionseinsatzes reduziert das Druckdifferential über dem
Expansionsscheibeneinsatz. Da die Austrittsseite unter Druck steht,
wird das Differential zwischen dem Austrittsseitendruck und dem
Kohlendioxid-Triple-Punkt innerhalb der Expansionsscheibe reduziert. Die
Bereitstellung einer Zwischendruckkammer ermöglicht es, dass der Druck an
der Einlassseite verringert werden kann, während der Kohlendioxid-Triple-Punkt
immer noch bei oder nahe bei der Austrittsfläche des Expansionsscheibenbauteils
aufrechterhalten wird.
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Die
Zwischendruckkammer ermöglicht
es, dass (1) die Feststoffe und der Dampf zu einer erwünschten
Ausrichtung hin "geleitet" werden können, (2)
sorgt für
einen Druckabfall zur Bewerkstelligung einer zweiten Expansion,
(3) ermöglicht
die Gestaltung der zweiten Expansion zur Bereitstellung eines erwünschten
Abgabeschneemusters, und (4) ermöglicht
einen geringeren Druckabfall über
der zweiten Expansion, wodurch der Schnee und der Dampf mit einer
niedrigeren Geschwindigkeit austreten.
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Ebenfalls
verhindert eine Zwischendruckkammer so lange das Eindringen von
Luft in den Dampf- und Schneestrom, bis dieser Strom in der erwünschten
Form vorliegt. Da die Feuchtigkeit aus der Luft in dem kalten Dampf-
und Schneestrom kondensiert, kann die gefrorene Feuchtigkeit den
kalten Dampf und Schnee blockieren und umleiten. Ebenfalls häuft sich
der durch das Expansionsscheibenbauteil erzeugte feine Schnee nicht
in der in dem Zwischendruckbereich erzeugten trockenen Gleichgewichtsumgebung
an, wodurch ein anhaltendes Ausstoßen von Schnee ohne ein Verstopfen
durch die Ausbildung von Trockeneis ermöglicht wird.
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Da
sich die zweite Expansion von 2,4 bar (20 psig) (oder weniger) auf
Atmosphärendruck
vollzieht, ergibt sich eine verringerte Abgabegeschwindigkeit als
dies der Fall ist, wenn die Expansion (über das Expansionsbauteil)
von 22 bar (300 psig) auf Atmosphärendruck erfolgte.
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Der
Gleichgewichtsdruckzustand in der Zwischendruckkammer reicht vorzugsweise
von einem positiven Druck über
der Umgebungstemperatur bis zu etwa 2,4 bar (20 psig). Bei Druckpegeln über etwa 2,4
bar (20 psig) ist es wahrscheinlicher, dass der Triple-Punkt (etwa
5,2 bar (60 psig)) in der Zwischenkammer (d.h. in der Niederdruckauslassseite)
anstatt während
des Durchtritts durch das Expansionsscheibenbauteil auftritt, was
dazu führt,
dass die Zwischendruckkammer mit flüssigem Kohlendioxid überflutet
wird. Weiterhin kann ein instabiler Druckzustand vorliegen, der
es ermöglicht,
dass die Flüssigkeit
in der Zwischendruckkammer den Triple-Punkt erreicht und festes
Kohlendioxid ausbildet. Eine solche Ausbildung kann den zweiten
Expansionsauslass von der Zwischendruckkammer blockieren.
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4 illustriert
die Düse
von 1, wobei eine Zwischendruckkammer 36 zu
dem Auslass der Düse 10 hinzugefügt worden
ist. Die Zwischendruckkammer 36 umfasst eine geschlossene
Kammer 31 mit einem Schlitz 32 für den Austritt
von Kohlendioxiddampf und Schneefeststoffen. Die Größe des Schlitzes 32 steuert
den Druck in der Zwischendruckkammer 30 und trägt weiterhin
zur Sicherstellung bei, dass der Triple-Punkt während des Durchtritts durch das
Expansionsbauteil 14 erreicht wird.
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Wie
in 4 dargestellt ist ein Horn 42 zur Aufnahme
von aus dem Schlitz 38 austretenden Dampf und Schnee verbunden
worden. Wenn der Dampf und der Schnee in einen Einlass 44 zu
dem Horn 42 eintreten, tendiert das Schneemuster dazu, sich
im Inneren des Horns 42 auszubreiten und an Geschwindigkeit
zu verlieren. Indem es den Schnee und Dampf von der Zwischendruckkammer 35 aufnimmt,
verhindert das Horn 42 weiterhin ein Vermischen des Schnees
und Dampfs mit der Umgebungsatmosphäre und erhält den Schnee bis zu dessen Einsatzpunkt.
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5–7 sind
Tabellen, welche die Ergebnisse von Tests darstellen, die mit einer
gemäß 4 ausgebildeten
Düse unter
Verwendung von porösen
Einsätzen
aus rostfreiem Stahl mit verschiedenen Durchmessern erhalten wurden. 5 illustriert
die Ergebnisse, die von einer Düse
mit einer Austrittsschlitzbreite von der Zwischendruckkammer von
0,56 mm (0,022 inch) erhalten wurden. Die 6 und 7 stellen
die Ergebnisse dar, die für
Schlitzbreiten von 0,89 mm (0,035 inch) bzw. 1,57 mm (0,062 inch)
erhalten wurden.
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Für alle Testdüsen waren
die folgenden Parameter konstant: Schlitzwinkel 45°, Dicke des
porösen
Einsatzes 1,59 mm (1/16 inch), Porengrößen 0,127 mm (5 mil), Einlassdruck
20,3 bar (295 psi). Für
jede Schlitzbreite wurden vier poröse Einsätze mit unterschiedlichen Durchmessern
getestet, um zu bestimmen, ob ein akzeptables Schneemuster bewerkstelligt
werden würde
(d.h. ob der Triple-Punkt bei oder nahe bei der Auslassfläche des
Expansionsbauteils erreicht werden würde). In sämtlichen Tests mit Ausnahme
des Tests 4 in 5 wurden akzeptable Schneemuster
bewerkstelligt. In Test 4 von 5 wurde
die Zwischendruckkammer mit flüssigem
Kohlendioxid überflutet
und es wurde kein Schnee erzeugt. Ebenfalls demonstrierten die Tests, dass
der Druck in der Zwischenkammer unter Verwendung unterschiedlicher
Schlitzbreiten und Kanalgrößen des
Expansionsbauteils gesteuert werden kann. Wie gezeigt wurden niedrigere
Drücke
in der Zwischenkammer durch die Verwendung größerer Schlitzbreiten, durch
eine erhöhte
Kanalgröße des Expansionsbauteils,
oder durch eine Kombination von beidem bewerkstelligt. Somit gaben
die Tests an, dass das Schneemuster und die Austrittsgeschwindigkeiten
des Schnees/Dampfes durch eine Variation der oben erwähnten Parameter
gesteuert werden könnten,
um sich an eine gegebene Anwendung anzupassen.
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Es
sollte sich verstehen, dass die obige Beschreibung die Erfindung
lediglich illustriert. Vom Fachmann können verschiedene Alternativen
und Modifikationen ersonnen werden, ohne von dem Rahmen der Erfindung
abzuweichen. Dementsprechend beabsichtigt die vorliegende Erfindung
alle derartigen Alternativen, Modifikationen und Variationen, die
in den Rahmen der beiliegenden Ansprüche fallen, einzuschließen.