JP3380469B2 - 液体二酸化炭素から微粉雪粒子を生成する装置 - Google Patents

液体二酸化炭素から微粉雪粒子を生成する装置

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  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は微細な低温雪粒子を
生成するための装置に関し、より詳しくは液体二酸化炭
素の流れを受け取りそれを微細な二酸化炭素よりなる雪
（以下二酸化炭素雪と称する）粒子の流れに変換するた
めの改良されたノズル構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】二酸化炭素から生成される雪粒子は冷却
及び凍結技術の分野で広く使用されている。二酸化炭素
雪粒子は例えば冷凍、プロセスの冷却及び凍結、ドライ
アイスの製造等に使用される。具体的にはこのような雪
粒子は食品及びその他の分野のいずれにおいても有用で
あり、例えば、食品の保冷、凍結、冷凍があり、また各
種の食品以外の材料の処理において、迅速なまたは局所
冷却に使用される。
【０００３】二酸化炭素雪粒子は典型的には液体二酸化
炭素を小さなオリフィスを通して急激に膨張させること
により生成される。液体二酸化炭素は二酸化炭素ガスを
圧縮し、冷凍に適した適正な圧力と温度条件に保持する
ことにより得られる。二酸化炭素は例えば大型の貯蔵タ
ンクに約２１ｋｇ／ｃｍ2及び−１７℃で保存された時
に液体である。使用の際に、液体二酸化炭素は小さいオ
リフィスを通して急激に膨張された時に二酸化炭素と蒸
気の混合物に変換される。
【０００４】従来の二酸化炭素雪を製造する装置は比較
的単純なオリフィスを使用して液体二酸化炭素供給流の
膨張させた。しかし、典型的には従来の膨張装置及びノ
ズル、例えばスノーホーンとオリフィスはスポット状の
衝突パターンを作り、かさばり、小さなスペースには収
容することが困難であった。従来の装置及びノズルはま
た雪粒子を高速度でホーンとオリフィスから押し出すこ
とが知られている。二酸化炭素雪の高速度は均一な雪相
を形成することを困難にし、脆い品物例えばピザのチー
ズトッピングや、パン類のクリームトッピングなどを崩
してしまう可能性がある。さらに、プロセス冷却に使用
するとき、この高速度のため被覆したバリア材料のよう
な脆い材料の表面に凹入部を生じたり、あるいは破るこ
とすらある。その上、雪粒子の高速度の流出により、そ
の近くで働いている人々に安全上及び環境上の不安感を
与えるほどの高い雑音を生じる。
【０００５】二酸化炭素雪の不均一な形成を回避する方
法が試みられている。例えば、特別な形状のホーンを膨
張オリフィスの出口に設けること、固定オリフィスから
の雪の放出流を反跳板に衝突させること、雪を閉鎖した
容器中に放出する可変オリフィスを使用すること、ある
いはこれらの組み合わせがある。
【０００６】例えば、米国特許第３６６７２４２号は、
液体二酸化炭素を開放した底部と閉鎖した頂部を有する
中空の二重壁の円筒状ホーンに差し向ける構造を有する
二酸化炭素製造装置を記載している。円筒状ホーンの頂
端部に設けたノズルがホーン中で形成された雪に渦巻き
を生じる切線方向の運動を与える。
【０００７】米国特許第４１１１３６２号は、二酸化炭
素をホーン領域に差し向けるために複数対の二酸化炭素
ジェットを横向きに配置した二酸化炭素雪製造装置を記
載している。雪と蒸気の膨張するジェット混合物は互い
に衝突する通路に差し向けられ、それによりジェットの
エネルギーを分散させる。
【０００８】米国特許第４１４５８９４号は、液体二酸
化炭素をノズルから室内へ差し向ける二酸化炭素製造装
置を記載している。得られる雪はブラシ状ブレードを備
えたモータ駆動式ドラムにより分散される。ブラシ状ブ
レードは雪を取り込み、これをコンベアベルト上を移動
している品物の上に沈着させる。
【０００９】米国特許第４３７６５１１号は、マニフォ
ールド（分配管）が通路部材内に配置され、二酸化炭素
雪が通路部材の両側に向けて分与され、それにより動的
エネルギーの一部を発散させるようにした二酸化炭素油
機製造装置を記載している。
【００１０】米国特許第４４６２４２３号は、複数個の
ノズルがヘッダーパイプに沿って配置されて二酸化炭素
雪に対する複数の分与領域がヘッダーに沿って形成され
るようにした、二酸化炭素雪形成ヘッダーを記載してい
る。
【００１１】米国特許第４６４０４６０号は、一対のノ
ズルがタンク内に配置された二酸化炭素油機製造ヘッダ
ーを記載している。ほぼ２１ｋｇ／ｃｍ2の液体二酸化
炭素がノズルの入口端に供給される。さらに、液体二酸
化炭素は供給管を通じてノズルの入口端に供給され、そ
れにより液体二酸化炭素の温度を三重点に低下させる。
【００１２】米国特許第５０２０３３０号は二酸化炭素
雪粒子を食品に吹きつける１個以上のノズルを含む食品
フリーザを記載している。液体二酸化炭素は管路により
上方に及び／又は水平に噴霧ノズルに向けて流れる。こ
のようにして、噴霧オリフィスの上流側にたまる固体二
酸化炭素は管路中の上方に向かう二酸化炭素蒸気により
融解される。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】高速度の雪粒子が回避
されるようにして粉末状の二酸化炭素雪を生成して分与
するヘッド及びノズルを提供することが必要である。さ
らに、このような装置は比較的一定の粒子寸法の二酸化
炭素雪を生成して、冷却すべき食品又は他の製品又は材
料に比較的一様に雪を吹きつけることを保証しなければ
ならない。従って、本発明の目的は微細な二酸化炭素雪
粒子を生成することができる改良されたノズル構造を提
供することである。本発明の他の目的はノズルが固形二
酸化炭素粒子により閉塞されることのないように、微細
に分割された二酸化炭素雪の粒子を生成するための改良
されたノズル構造を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】本発明の微細な雪粒子の
流れを生成するための装置は、低温液体の加圧流を供給
する導管とノズルとを有し、前記ノズルは前記導管に接
続された出口と、該出口と前記導管との間を連結するた
めの内部通路を有する。前記内部通路を覆い且つ前記低
温液体を前記出口に流すための多数の微細通路を有する
膨張部材が設けられる。膨張部材は低温流体が低圧領域
に流れる多数の微小直径の通路を提供し、それにより低
温液体が膨張部材を通過して膨張することを可能にして
いる。好ましい実施例においては、低温液体は二酸化炭
素であり、装置のパラメータは液体二酸化炭素が膨張部
材の出口表面及びその近傍で固体相と気体相に入り、そ
れにより微細な雪粒子としてそこから出ていくように選
択される必要がある。
【００１５】本発明の装置は、従来の造雪装置の代わり
に使用することを意図している。従って、本発明の装置
は例えば雪ホーン、スポット冷却装置等の単独の装置と
して、或いは食品フリーザ、冷凍機、ベルト式造雪機、
等の総合的な装置の一部として使用することが出来る。
当業者には本発明の装置が特定の用途に限定されず、冷
凍、冷却、凍結のために低温源を使用することが必要な
任意の用途に使用できることは明らかであろう。
【００１６】本発明の装置は特に種々の食品の冷却、凍
結、及び冷凍に使用することを意図しており、限定され
ないが例えば、ベルト式造雪機、食品フリーザ、食品冷
凍機等に使用される。例えば、凍結挽き肉のような凍結
粉砕食品の処理に際しては、原料肉の粉砕後、包装及ぶ
凍結の前に急速に冷却しなければならない。なぜなら粉
砕は必然的に或る量の熱を製品に加えるからである。本
発明の装置は、挽き肉が挽き肉機を出ていく際に、連続
的且つ制御された態様で挽き肉上に付着することができ
る微細な雪粒子を生成するので、この目的に特に有利で
ある。本発明は人が装置に接近した位置で働くような処
理プラントで使用する際に特に有利である。なぜなら雪
は高速度を持たないので騒音が少ないからである。
【００１７】本発明はまた、例えば食品と冷却源が直接
接触するような食品冷凍機、食品フリーザに使用でき
る。本発明はまた多くの市販の冷蔵庫やフリーザが雪生
成手段を有しているような装置において使用出来る。本
発明の装置の利点は、食品とより大きい接触面積を有す
るために熱伝達効率が高い微細な雪粒子を生成すること
ができることである。本発明はさらに、例えば塗料、あ
るいは融解したまたは半融解した供給原料から製造され
る材料の製造において必要となるプロセス冷却に使用出
来る。例えば、アスファルトバリア材料は熱いアスファ
ルトを基体に塗布することにより得られる。塗布に続い
て、バリア材料はさらに処理する前に全体を均一に冷却
することにより処理系のべとつきを防止する必要があ
る。これはライン外の冷却工程により行うのが通例であ
る。これによりこうした材料を連続処理することが困難
になる。しかし、本発明を使用することにより、迅速
で、能率的な冷却が達成出来る。なぜなら本発明は材料
の全面に均一に適用できる微細な粒状の雪を製造できる
からである。従って、本発明は、食品及び商品以外の分
野において、広範囲な冷却、冷凍、凍結に使用できる微
細な雪粒子の流れを製造する融通性のある装置を提供す
る。
【００１８】
【発明の実施の形態】本発明のノズル装置は、膨張部
材、または他の多数の微細通路を有する部材を有し、内
部に低温液体通路と多数の膨張通路とを提供している。
膨張通路内では、低温液体の膨張が起き、膨張する低温
液体（二酸化炭素等）は雪粒子と蒸気に変換される。
【００１９】膨張部材の好ましい材料は、焼結された多
孔質の、または微細に穿孔されたステンレス鋼である
が、低温液体が低圧領域に流れるための多数の微細な多
孔質または微細な多数通路を提供できるならば任意の材
料が使用できる。膨張部材のための膨張材料は低温液体
の膨張のための多数の通路を有することにより、圧力勾
配と共に、低温液体（二酸化炭素等）を蒸気と微細な雪
粒子に変換し、それら蒸気と微細な雪粒子が、単一のオ
リフィスにより同一の圧力降下の下に生成される場合よ
りも低速で膨張部材を出ていくようにすることが必要で
ある。ここで膨張材料とは、基礎材料として金属、セラ
ミック、ガラス、プラスチック、複合材料、スクリー
ン、スチールウール、その他上記を満足するすべての材
料である。
【００２０】焼結された多孔質のステンレス鋼材料はＭ
ｏｔｔＭｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌＣｏｒｐ（米国コネ
チカット州、ファーミントン、スプリングレーン８４）
より入手できる。こうした多孔質材料（挿入体）は種々
の厚さ及び直径に加工され、また、多孔としては例えば
０．２〜１００μｍ、好ましくは約５〜２０μｍの細孔
を有することができる。多孔質挿入体の形状と細孔寸法
は用途とノズルの構造に依存する。例えば５μｍの細孔
を有する多孔質挿入体は、１０μｍの細孔を有するもの
よりも単位面積あたりに生成できる雪の量が少ない。も
しもプロセスが円形分布パターンを必要とするならば、
円板を使用する。もしも扇形の雪分布パターンが必要な
らば扇形の多孔質領域を有する円板またはキャップをノ
ズルの出口に装着する。さらに、膨張円板または他の形
状を使用して、雪パターンを偏向板に当てて所望の分散
した雪粒子を得ることができる。
【００２１】微細に穿孔した膨張部材も本発明で使用で
きる。ここに微細に穿孔したとは、ドリル、刺通、その
他の方法で機械的に開けた多数の微細な通路を設けたこ
とを指す。このような微細に穿孔した膨張部材は約３０
０μｍまでの細孔直径を有することができ、好ましくは
約１０〜２００μｍである。
【００２２】好ましい低温流体は二酸化炭素であり、食
品に当てた時に穏やかに作用し、また多くの冷却用途に
使用できる。しかし、本発明はノズルに取りつけた膨張
部材を通して微細な低温物質の分布パターンを生成する
ように制御できる任意の他の低温液体も同様に使用する
ことができる。
【００２３】二酸化炭素は約−５７℃、約４．２ｋｇ／
ｃｍ2（ゲージ）の圧力において、「三重点」を示すこ
とは良く知られている。上記のように、液体二酸化炭素
はしばしば約−１８℃で、約２１ｋｇ／ｃｍ2で貯蔵さ
れる。液体二酸化炭素がノズルにこのような圧力と温度
で供給されるとき、膨張部材は、与えられた入口及び出
口圧力において、膨張部材を通過する二酸化炭素液体が
膨張部材の出口またはその近傍で三重点に達するよう
に、その厚さと微細通路の直径が定められていることが
好ましい。
【００２４】上記のように、液体二酸化炭素は膨張部材
の温度を貯蔵温度彫の約−１８℃にする。液体は膨張部
材の微細通路に入り、圧力差により膨張を開始し、膨張
による冷却を進める。充分な厚さの膨張部材を使用する
と、温度は約−５７℃に達し、また、圧力は約４．２ｋ
ｇ／ｃｍ2に達するので、雪粒子を形成できる条件が満
たされる。微細通路の直径は生成される雪粒子の寸法を
制限する。膨張部材を横切る圧力差と上記成分は雪粒子
を放出するための推進力になる。
【００２５】このようにして、微細通路を流れる液体と
蒸気はノズルの出口近辺で雪粒子に変換される。膨張部
材の内部で三重点が生じても、入口及び出口間の圧力差
が充分に存在すると、雪粒子及び蒸気は微細通路を邪魔
されないで通過する。
【００２６】図１の（ａ）を参照するに、ノズル１０は
入口１２から液体二酸化炭素の流れを受け取る。膨張円
板１４（好ましくは多孔質ステンレス鋼製）がノズル１
０の出口に配置され、ノズル１０にねじ込まれた止めナ
ット１６により所定位置に保持される。液体二酸化炭素
は入口１２に流入し、膨張円板１４に入り、膨張円板１
４の内部を通過しながら膨張する。従って、雪が膨張円
板１４の出口近くで生成され、次いで円板を横切る圧力
差により駆動されてそこから出て行く。
【００２７】図１の（ｂ）において、図１の変形例が示
され、膨張円板１４の周面に保持リング１８が設けられ
ている。保持リング１８は液体二酸化炭素の流れが膨張
円板１４の周りに流れないように阻止し、また、各種の
寸法の円板を単一の標準の円板保持具を使用して取付け
可能にする。
【００２８】図２を参照するに、図１のノズルは扇形の
雪分布パターンを形成するように変形されている。管２
０がノズル１０の出口に挿入されてそこに固定されてい
る。半円形の多孔領域を有するキャップ２２が管２０の
出口に固定され、キャップの端部２４は板または他の閉
鎖部材で閉鎖されている。その結果、低温流体が入口１
２に流入すると、唯一の出口は半円形の多孔領域２８で
あり、それにより雪粒子の所望の扇形パターンが得られ
る。
【００２９】キャップ２２の外周領域２６は、多孔質材
料の外表面を研磨し、ショットブラストその他のピーニ
ング法により多孔質材料を閉じ、外表面にエポキシ硬化
剤を塗布し、或いは他の封止剤を塗布することにより、
別に製作しておくことができる。
【００３０】図３の（ａ）と（ｂ）は膨張円板１４から
出ていく雪粒子に案内或いは偏向を行わせるためノズル
１０に設けたホーン３０を例示する。ホーン３０は二酸
化炭素の雪に対して方向づけを行うだけでなく、生成し
た雪が冷却すべき品物に到達しない前に揮発するのを防
止する。ホーン３０は雪及び蒸気の流れにより満たさ
れ、ホーンの周りの水分その他の凝縮性成分がホーンの
内部に吸引され凝縮されることがないように防ぐ。もし
もこのような凝縮が生じるとノズル１０の閉塞が生じ
る。
【００３１】以下に説明する本発明の実施例は中間圧力
室を利用して膨張円板挿入体の出口側の圧力を制御す
る。膨張円板の出口側の背圧は膨張円板を横切る圧力差
を減じる。出口側は加圧されているので、出口側の圧力
と、膨張円板の内部にある二酸化炭素の三重点の間の圧
力差は減少することになる。中間圧力室を設けることに
より、入口側の圧力は減少するが、二酸化炭素の三重点
を円板の出口またはその近傍に維持することができる。
【００３２】中間圧力室は、（１）固体及び蒸気が所望
の方向にパイプ状に並ぶことを可能にし、（２）二次膨
張を可能にするような圧力差を与え、（３）この二次膨
張を出口において所望の雪分布パターンを与えるような
形状にし、また（４）二次膨張部分の圧力降下を低下し
て、出ていく雪及び蒸気を低速にすることができる。
【００３３】中間圧力室はまた雪と蒸気の流れが所望の
形状になるまで空気がそこに侵入しないようにする。さ
もないと、空気中の水分は冷たい蒸気及び雪の流れの中
で凝縮するので、氷結した水分は冷たい雪と蒸気の流れ
の方向を変える。さらに、膨張円板により作られる微細
な雪は中間圧力室に形成される乾燥した平衡環境中では
凝縮しないので、ドライアイスの形成による閉塞を生じ
ることなく雪の放出を継続させることができる。
【００３４】二次膨張は約１．４ｋｇ／ｃｍ2（ゲー
ジ）から大気圧に向けて行われるので、放出速度は膨張
が２１ｋｇ／ｃｍ2（ゲージ）から大気圧に向けて行わ
れる場合よりも低下する。
【００３５】中間圧力室の平衡圧力条件は好ましくは周
囲圧力から約１．７ｋｇ／ｃｍ2（ゲージ）までの正圧
にする。これよりも高い圧力では三重点（約４．２ｋｇ
／ｃｍ2）が膨張円板部材内を通過している間に生じな
いで、中間圧力室内（つまり低圧出口側）になり、その
ため中間室は液体二酸化炭素で満たされてしまう。さら
に、不安定な圧力条件が中間圧力室内に生じ、中間圧力
室内の液体が三重点に達して固形の二酸化炭素を生じて
しまう。このような固体の形成は中間圧力室からの二次
膨張流体の出口を塞いでしまう。
【００３６】図４は図１の（ａ）のノズル１０の出口
に、中間圧力室３６を接続したものである。中間圧力室
３６は、二酸化炭素蒸気と雪粒子の出口となるスロット
３２を有し他は閉じた室３１を含む。スロット３２の側
面は中間圧力室３６内の圧力を制御すると共に、三重点
が膨張部材の通過中に達することを保証する。板３５を
ノズル１０の出口端に設けることによりスロット３２か
ら放出される雪の分布パターンを広げることができる。
【００３７】図５はスロット３８から放出される雪の方
向が変わるように湾曲した経路を有する中間圧力室３６
をノズル１０に固定した状態を示す。
【００３８】ノズル１０を出ていく雪パターンは、図４
の状態から図６の構造により修正することができる。図
において、中間圧力室３６は湾曲した板４０に開けた開
口を貫通しており、そしてスロット３２が二酸化炭素の
蒸気及び雪のパターンを板４０のほぼ切線方向に出て行
かせるように向けられている。出て行く二酸化炭素の蒸
気及び雪のパターンの出口速度は湾曲板４０の面に沿っ
た圧力降下により広がりを持つ。従って、板４０の曲率
を調整することによりスロット３２を出て行く二酸化炭
素の蒸気及び雪のパターンは調整可能であり、所望の経
路に向けて再配向出来る。
【００３９】図７は図５に示したノズルに、スロット３
８からの蒸気及び雪を受けるためのホーン４２を接続し
たものである。蒸気及び雪はホーン４２の入口４４に入
ると、ホーン内部で拡散する傾向を有し、その速度は減
速する。さらに、ホーン４２は中間圧力室３６から蒸気
及び雪を受け取ることにより、雪と蒸気が周囲の空気と
混合することを防ぎ、それにより雪をそれが適用される
べき箇所まで保全する。
【００４０】次に表１〜３に各種の直径のステンレス鋼
製の多孔質挿入体（膨張部材）を図４のノズルで試験し
た結果を示す。表１は０．５４ｍｍの出口スロット幅を
有するノズルから得た結果である。表２、３はそれぞれ
０．８６ｍｍ及び１．５２ｍｍのスロット幅を有するノ
ズルから得た結果である。各試験において、次のパラメ
ータは一定であった。 スロット角度：４５度 多孔質挿入体の厚さ：１．５３ｍｍ 細孔径：０．１２７ｍｍ 入口圧力：２０．６５ｋｇ／ｃｍ2 各スロット幅に対して、４つの異なった直径の多孔質挿
入体を使用して、問題のない雪分布パターンが得られる
かどうか（つまり三重点が膨張部材の外表面またはその
近傍で得られるかどうか）を試験した。
【００４１】
【表１】
【００４２】
【表２】
【００４３】
【表３】
【００４４】すべての試験において、（表１の試験４は
除く）問題のない雪パターンが得られた。表１の試験４
では中間圧力室が液体二酸化炭素により満たされ、雪は
製造出来なかった。試験はまた中間室内の圧力が異なっ
たスロット幅と膨張部材の通路寸法を使用することによ
り調整できることを示す。低圧は大きいスロット幅を有
する中間圧力室を使用することにより、膨張部材の細孔
寸法を増やすことにより、またはそれらの組み合わせに
より達成できる。従って試験は雪の分布パターンと、雪
と蒸気の出口速度が、蒸気パラメータを所定用途に合わ
せて変化させることにより調整できる。
【００４５】上の説明は本発明を例示するものであり、
他にも本発明の範囲内で多くの変形例が可能であること
は当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明による第１実施例のノズルを示
す断面図，（ｂ）はその変形例を示す断面図である。
【図２】ファン形の雪分布を生じる本発明のノズルの他
の実施例を示す断面図である。
【図３】（ａ）は雪の分布を広げるためのホーンを有す
るノズルの第１実施例を示す平面断面図、（ｂ）は同側
面断面図である。
【図４】中間圧力室を有する本発明のノズルの他の例を
示す断面図である。
【図５】図４を改良した他のノズルを示す断面図であ
り、中間圧力室に湾曲部が形成されて製造された雪の方
向を変えている。
【図６】図４のノズルの使用状態を示す断面図であり、
中間圧力室が雪の分布を広げるために湾曲した表面に沿
って雪を投射するようになっている。
【図７】図５のノズルの使用状態を示す断面図であり、
中間圧力室の出口に行きホーンが接続されていおり、雪
ホーンがその周りの空気と混合または気化しないように
している。
【符号の説明】
１０ ノズル １２ 入口 １４、３４ 膨張円板又は部材 １６ ナット １８ 保持リング ２０、３６ 中間圧力室 ２４ 閉鎖部材 ２６ 外周領域 ２８ 多孔領域 ３０、４２ ホーン ３２ スロット ３５ 板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 スティーブ・マッカーティー アメリカ合衆国ニューヨーク州グレンデ イル・ハイツ、サンドラ・コート358 (56)参考文献 特開 平７−48113（ＪＰ，Ａ) 特公 昭52−29277（ＪＰ，Ｂ２) 実公 平１−29216（ＪＰ，Ｙ２) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C01B 31/22 F25C 3/04

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 低温液体の加圧流を供給する導管と、前
    記導管に接続され且つ出口と前記導管と前記出口の間を
    連結するための内部通路を有するノズルと、前記内部通
    路を覆い且つ前記低温液体が前記出口に流れるための多
    数の微細通路を有する膨張部材と、前記ノズルの前記出
    口に結合されている中間圧力室とを有し、前記中間圧力
    室は、前記低温液体の前記加圧流体が存在する時、前記
    中間圧力室内の中間圧力を保証する出口開口を有してい
    る、低温体の微細模様を形成するための装置。
  2. 【請求項２】 さらに、前記出口開口から出ていく雪粒
    子と蒸気を逸らせるための出口偏向手段を有する請求項
    １の装置。
  3. 【請求項３】 前記出口偏向手段は、凸形に湾曲した表
    面を有し、該湾曲した表面は、前記出口開口から前記凸
    形に湾曲した表面に対してほぼ切線方向の流出する雪粒
    子の流れを受けるようにして前記出口開口に併置されて
    いる請求項２の装置。
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