JPH1194421A - クライオジェンを噴霧するための装置および方法 - Google Patents

クライオジェンを噴霧するための装置および方法

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JPH1194421A JP10182445A JP18244598A JPH1194421A JP H1194421 A JPH1194421 A JP H1194421A JP 10182445 A JP10182445 A JP 10182445A JP 18244598 A JP18244598 A JP 18244598A JP H1194421 A JPH1194421 A JP H1194421A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 噴霧ゾーン内にて１つ以上の噴霧ノズルから
クライオジェンを熱負荷に噴霧する、というクライオジ
ェンを噴霧するための装置と方法を提供する。 【解決手段】 熱伝導性エレメントが物品の下方に配置
されており、オーバースプレーされたクライオジェンの
液体内容物を捕捉し、これによって熱伝導性エレメント
との直接的な熱伝達によりオーバースプレーを気化させ
るべく造られた大きさの表面を有している。他の態様に
おいては、本発明は、液体クライオジェンの流れを第１
と第２の補助流れに分割するというフローネットワーク
を使用する装置と方法を提供する。第２の補助流れを前
記ネットワークのブランチ中で気化させ、これを第１の
補助流れに合流混合して、クライオジェンの二相流れを
生成させる。次いでクライオジェンを二相流れとして噴
霧する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、１つ以上の噴霧ノ
ズルから物品にクライオジェンを噴霧するための装置お
よび方法に関する。さらに詳細には、本発明は、熱伝導
性エレメント（物品の下に配置されている）が液体オー
バースプレーと接触し、熱伝導性エレメントとの直接的
な熱伝達によりこうしたオーバースプレーを気化させ
る、という装置および方法に関する。他の態様において
は、本発明は、クライオジェンの液体流れを噴霧の前に
二相流れに転化させる、という装置および方法に関す
る。さらに詳細には、本発明は、液体流れの補助流れを
気化させることによって、そして得られた蒸気ともう一
つの補助流れとを混合して二相流れを生成させることに
よって二相流れへの転化を果たす、という装置および方
法に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】物品
に噴霧しようとする液体内容物を含んだクライオジェン
を必要とするような多くの工業的アプリケーションがあ
る。例えば、食品加工業においては、冷凍目的のために
物品にクライオジェン冷媒（例えば、液体窒素や液体空
気）を噴霧する。特定の食品加工用途においては、脱水
を防止するための保護層として作用するクラスト冷凍効
果（crust freezing effect）を生成させるために、物
品にクライオジェン冷媒を噴霧する。こうしたクラスト
冷凍はトンネルフリーザー（tunnel freezer）中におい
ても、あるいはスパイラルフリーザー（spiral freeze
r）の出入り場（vestibule）においても行うことができ
る。スパイラルフリーザーは、機械的な冷凍サイクルに
よって、あるいはクライオジェン冷凍手段によって物品
の冷凍が行われる、というタイプのフリーザーである。
非食品技術おいては、コンクリートスラブにクライオジ
ェンを噴霧することによって、コンクリートスラブを硬
化させている。洗い落とすべきペイントやグリースが付
着している物品に対しても、除去すべき表面物質をばら
ばらにして落とすためにクライオジェンが噴霧されてい
る。
【０００３】液体内容物を含有するクライオジェンを噴
霧する、というクライオジェンを利用した種々のアプリ
ケーションの全てに共通している問題は、オーバースプ
レー（すなわち、物品と接触しても実際には気化しない
クライオジェン）が物品の下にたまりやすいという点で
ある。クライオジェンが幾らか存在すると、下側に存在
する構造物（例えば、食品フリーザーの底部）が損傷を
受け、窒素のような物質の場合には、密閉構造物から液
体がしみ出てきて呼吸困難を引き起こす、という問題を
起こすことがある。液体空気や酸素と窒素との合成混合
物（呼吸可能であってまだ安全である）等のクライオジ
ェン冷媒の場合、窒素の揮発性がより低いので、液体は
継続的に酸素が多くなる。噴霧しようとする炭化水素含
有物品（例えば食品）と酸素富化とが相俟って、あらゆ
る作業が危険になることがある。
【０００４】低温ガス冷媒による冷凍が必要とされる従
来技術の冷凍装置においては、プーリング（pooling）
という問題に対する取り組みがなされている。例えば米
国特許第 2,479,821号においては、鉄道車両の上部内側
に設置されているプレート集成体上に液体クライオジェ
ンが噴霧される。鉄道貨物に液体クライオジェンが直接
噴霧されないよう、これらのプレートによって全ての液
体を確実に気化させる。さらに、米国特許第 4,726,195
号は、液体クライオジェンが容器内で循環を起こすため
の駆動力を与えるよう、ベンチュリ様の装置を介して液
体クライオジェンを噴霧する、という低温冷凍システム
を提供している。このような目的を達成する上で、液体
流れ中に加温蒸気を送り込み、これによって液体を気化
させる。ベンチュリ様装置の出口の温度を感知し、この
温度が設定温度（クライオジェン冷媒の液相温度以上）
にまで低下したときに、制御システムが制御弁を作動さ
せてクライオジェン冷媒の流れを切り離す。容器が充分
に加温された後、制御弁を開いてクライオジェンの流れ
を再開させる。
【０００５】上記特許のいずれも、そしてこれらに関す
る従来技術も、液体クライオジェンがスプレーとして直
接施されるときの、そして液体クライオジェンから熱負
荷によっては気化されないようなオーバースプレーが生
成されるときのプーリングの防止を意図していない。例
えば、米国特許第 2,479,821号においては、クライオジ
ェンを噴霧前に気化させてから蒸気として使用してい
る。米国特許第 4,726,195号においては、クライオジェ
ンの内容物が液体になると、クライオジェンを液体とし
て使用するのを避けるために、したがってこれによって
プーリングを防ぐためにクライオジェンの供給を停止す
る。
【０００６】熱伝達という観点からクライオジェンを二
相流れとして噴霧すること、また冷凍という観点からプ
ロセスを制御するために、このような二相流れの品質
（蒸気内容物の品質）を制御することが望ましい、とい
うことが本発明者らによって見いだされた。さらに、二
相流れの品質を制御することにより、プーリングを防ぐ
ことができる。後述するように、本発明はさらに、それ
にもかかわらずオーバースプレーが生成されたとして
も、プーリングを防止するために制御された仕方でオー
バースプレーが気化される、という装置と方法を提供す
る。
【０００７】
【課題を解決するための手段】液体内容物を含有するク
ライオジェンを噴霧するための装置が提供される。本発
明の装置は、噴霧ゾーン内に設置された熱負荷に噴霧す
るように配置された少なくとも１つの噴霧ノズルを含
む。熱伝導性エレメントが噴霧ゾーンの下に配置されて
おり、クライオジェンの液体内容物から形成されるオー
バースプレーを捕捉すべく、そしてこれによって熱伝導
性エレメントとの直接的な熱伝達によりオーバースプレ
ーを気化させるべく造られた大きさの表面を有する。他
の態様においては、本発明は、液体内容物を含有するク
ライオジェンを噴霧する方法を提供する。本発明の方法
によれば、噴霧ゾーン内にて熱負荷にクライオジェンを
噴霧する。クライオジェンの液体内容物から形成される
オーバースプレーを、噴霧ゾーンの下に配置されてい
て、オーバースプレーを捕捉するような大きさに造られ
た表面を有する熱伝導性エレメントとの直接的な熱伝達
により気化させる。オーバースプレーを気化させること
により、プーリングが防止される。
【０００８】前述したように、クライオジェンは、液体
流れとしてよりむしろ二相流れとして噴霧するのが好ま
しい。したがって、本発明のさらに他の態様によれば、
液体クライオジェンを二相流れとして噴霧するための装
置が提供される。このような態様では、液体クライオジ
ェンを第１と第２の補助流れに分けるための第１と第２
のレッグを有するフローシステムが提供される。第２の
レッグ内に、第２の補助流れを気化させるための気化器
が設置されている。第２の補助流れを、気化させた後に
第１の補助流れと混合し、これによって二相流れを形成
させるための混合装置が第１と第２のレッグに連結され
ている。二相流れを噴霧するための少なくとも１つの噴
霧ノズルが混合装置に連結されている。さらに他の態様
によれば、本発明は、液体クライオジェンを第１と第２
の補助流れに分ける、という液体クライオジェンを噴霧
する方法を提供する。第２の補助流れを気化させ、第２
の補助流れの気化後に、第１と第２の補助流れを混合し
て、二相流れを形成させる。次いで、こうして得られた
二相流れを噴霧する。後述するように、本発明のこれら
の態様は、プーリングを防止するための、そしてさらに
クライオジェンによってなされる冷凍を調節するための
熱伝導性エレメントを組み込む、という態様と組み合わ
せて使用することができる。
【０００９】本明細書は、発明者らが発明であるとみな
す主題を明確に指摘している特許請求の範囲に結論を明
記しているが、添付の図面を参照しつつ考察を加えれ
ば、本発明の理解がより深まるであろう。
【００１０】図１を参照すると、本発明による装置１が
示されている。このような装置は、トンネルフリーザー
内に収容することもできるし、あるいは図示のように、
低温貯蔵室中においてハウジングなしで使用することも
できる。オープンであるか、あるいは作業員が室内から
出ていけるようなアプリケーションにおいては、クライ
オジェン冷媒は、液体空気であっても、あるいは酸素と
窒素の合成混合物であってもよい。完全に閉じられた環
境においては、液体窒素などの他の液体クライオジェン
冷媒も使用することができる。この点に関して、明細書
本文および特許請求の範囲にて使用している“クライオ
ジェン”という用語は、標準的な大気温度および大気圧
において通常は蒸気として存在する物質を意味してい
る。
【００１１】装置１は、冷凍しようとする物品12を搬送
するのに使用されるエンドレスベルトであるコンベヤー
10を含む。したがって、噴霧するクライオジェンと相互
作用する物品12は熱負荷である。噴霧を行うために、噴
霧ゾーン20内で物品12に対しクライオジェンをスプレー
18として噴霧するための噴霧ノズル16を有するマニホル
ド14が設けられている。ここで指摘しておかなければな
らないことは、明細書本文および特許請求の範囲におい
て使用している“噴霧ノズルまたはノズル”とは、スプ
レーを発出するいかなる装置をも含む、という点であ
る。したがって、本発明にて使用される噴霧ノズルは、
パイプにおける孔であってもよい。噴霧ゾーン20は、ス
プレー18がとる空間区域によって画定される。図面から
わかるように、物品12と接触しても、クライオジェンの
液体内容物の全てが気化するわけではない。コンベヤー
10はオープン構造物（例えば、孔やスロット等の開口を
有するベルト）であり、したがってスプレー18は、ノズ
ル16から噴霧ゾーン20を通って物品に達したり、またコ
ンベヤー10を通過したりすることもある。言うまでもな
いが、コンベヤー10は、搬送という典型的な目的に対し
て示されており、フックやローラー等の他の搬送手段も
使用することができる。噴霧ゾーン20内において、物品
12またはコンベヤー10との接触前後に気化されないクラ
イオジェンの液体内容物はオーバースプレーを構成し、
これは熱伝導性エレメント22によって捕捉される。
【００１２】図２を参照すると、噴霧ゾーン20の下に熱
伝導性エレメント22が配置され、オーバースプレーされ
た液体クライオジェン冷媒と接触するような大きさに造
られた表面24が設けられている。したがって、熱伝導性
エレメント22は、アルミニウム、銅、または他の熱伝導
性材料から製造しなければならない。後述するように、
熱伝導性エレメント22は周囲からの熱を伝導する。例え
ば、液体クライオジェンを冷媒として使用する多くのフ
リーザーでは、フリーザーの内部は、液体クライオジェ
ンより温度が約５０℃高い。したがって、熱伝導性エレ
メント22によって伝導すべき熱は、装置１が作動する環
境において生じる。
【００１３】図面からわかるように、熱伝導性エレメン
ト22と接触しても直ぐには気化しない液体クライオジェ
ンが、熱伝導性エレメント22の表面24の傾斜を下向きに
流れて最後には気化されやすいように、熱伝導性エレメ
ント22は、プロセスのより温度の高い端部に対して下向
きに傾斜しているのが好ましい。気化していない液滴を
移動させるために、また液滴がより大きな液滴に凝集す
るのを防ぐために、公知のバイブレーター26を設けて、
熱伝導性エレメント22内に継続的な振動を生成させるこ
とができる。液体を熱伝導性エレメント22の表面24に閉
じ込めるために、周縁リップ部分28を設けて液体を表面
24に閉じ込めることができる。したがって、熱伝導性エ
レメント22はトレー様の形状を有すると言うことができ
る。
【００１４】図面からわかるように、オーバースプレー
を捕捉するためには、熱伝導性エレメントの表面24がオ
ーバースプレーを捕捉するような大きさに造られていな
ければならない。この点に関して、このようなサイズ形
成では実際、噴霧ゾーン20より大きく造られた幅と長さ
を有する熱伝導性エレメント22が必要となる。
【００１５】前述したように、最も効率的な熱伝達を得
るためには、液体クライオジェン冷媒を二相流れとして
噴霧すべきである、ということが本発明者らによって見
いだされた。約６０：４０の液体：蒸気比が好ましい。
二相流れを生成させるためには、液体クライオジェン冷
媒の流れを第１のレッグ30内の第１の補助流れと第２の
レッグ32内の第２の補助流れに分けるための第１と第２
のレッグ30と32を有するフローネットワークに液体クラ
イオジェン冷媒を通す。気化器34（必要とされる気化を
引き起こすに足る寸法のチューブのコイルから造ること
ができる）を組み込むことによって、液体クライオジェ
ン冷媒を第２のレッグ32内で気化させる。本発明の冷凍
装置へのアプリケーションにおいては、このような気化
器34を介しての熱取得を避けるために、したがって熱効
率の低下を防ぐために、気化器34は、このような冷凍装
置の区切られた領域内に配置される。新たに気化させた
第２の補助流れを、単に配管用Ｔ字管（a piping Tee）
であってもよい混合装置36によって、第１の流れと合流
させる。このような配管用Ｔ字管にオリフィス（または
好ましくは噴霧ノズル）を取り付けて、気化した第２の
補助流れを第１の補助流れの液体との乱流混合物中に引
き込むための液体ジェットを生成させ、これによってマ
ニホルド14中に導入すべき二相流れを生成させることが
できる。さらに必要に応じて、第２の補助流れが液体を
霧化するための噴霧流体として作用するような噴霧ノズ
ルを使用することもできる。
【００１６】装置１は、定常状態の操作用に設計するこ
とができるが、制御システムによってその操作にフレキ
シビリティをもたせるのが好ましい。噴霧ゾーン20の噴
霧ゾーン温度は、温度センサー38によって測定する。感
知した温度を示す噴霧ゾーン温度シグナルが、温度制御
器40（プログラム可能なＰＩＤタイプの制御器であるの
が好ましい）にインプットとして導入される。オリフィ
スプレート42により、第１のレッグ30内の最大液体流量
が決定される。定比弁66（後述する）の位置とオリフィ
スプレート42とが相俟って、第１と第２のレッグ30と32
を通過する流量のほとんど一定の比が、したがって定比
弁66がオープンである程度に依存して、噴霧ゾーン20に
噴霧されるクライオジェン中の液体対蒸気の、通常の設
計運転比（designed normal operating ratio）が得ら
れる。混合用Ｔ字管36それ自体がオリフィスまたは噴霧
ノズルを組み込むことができるが、適切な実施態様にお
いては、別個のオリフィスプレートを配置することもで
きる。通常の設計運転比は、前述のように60−40であっ
てよい。さらに、後述するように、使用されるオリフィ
スプレートは、熱伝導性エレメント22に対する必要な設
計基準である最大流量を設定するように作用する。言う
までもないが、第１と第２のレッグ30と32内に組み込ま
れている配管と弁は、実際の流れ分割に寄与する。
【００１７】温度制御器40は、噴霧ゾーン20内を所望の
設定温度にするための機器である。温度制御器40はさら
に、噴霧ゾーン20中に導入されるクライオジェンの流量
を調節するための定比弁44を制御する。噴霧ゾーン20内
の温度が増大すると（温度センサー38によって測定）、
温度制御器40が定比弁44に対して開放するよう指示し、
これによって噴霧ゾーン20に入るクライオジェンの流量
を増大させる（この逆の場合もある）。このような態様
においては、噴霧ゾーン20の温度は、予備設定された実
質的に一定のゾーン温度に保持される。
【００１８】噴霧ゾーン20内の温度が低くなりすぎた場
合は、物品12上で気化する液体の量が充分でない。熱負
荷が実質的に減少した場合にこうしたことが起こりう
る。この結果、物品12上に液体が保持され、したがって
熱伝導性エレメント22上で気化されない。これを防ぐた
めに、別の熱交換器50をマニホルド14に連結して、蒸気
52のスプレー（液体を物品12から吹き払うよう作用す
る）を生成させる。
【００１９】液体が熱伝導性エレメント22上にたまるの
を防止するために、熱伝導性エレメントの温度を噴霧ゾ
ーン20の温度より高く保持するよう、スプレー18の品質
を調節する。このため、熱伝導性エレメントの温度を、
熱伝導性エレメント22の平均温度として感知する。これ
は、熱伝導性エレメント22の端部および中心部に配置さ
れた３つの温度センサー54、56、および58による別々の
温度測定によって行われる。効果は劣るが、温度センサ
ーを中央に設置して使用することもできる。これらの温
度は、このような平均温度に、したがって熱伝導性エレ
メントの温度に帰することのできる出力シグナルを生じ
る多チャンネル温度モニター60にて平均化される。この
出力シグナルは、温度制御器64（プログラム可能な別の
ＰＩＤ制御器）に入力シグナルとして送られる。
【００２０】温度制御器64は、設定された基準割合の開
放（定比弁66が開いている程度を制御するのに使用され
る）を記録するための手段を有するのが好ましい。した
がって、定比弁66は、噴霧しようとするクライオジェン
冷媒の所望の液体−蒸気比（例えば ６０-４０）を制御
するための調節可能な流量係数（flow coefficient）を
示すことができる。温度制御器64はさらに、噴霧ゾーン
20内に保持されるべき温度より好ましくは約１０℃高い
設定基準温度を記録するための手段を有する。温度制御
器64は、以下のような仕方でプログラムされるのが好ま
しい。すなわち、温度モニター60によって示される温度
が設定基準温度より高い場合は、定比弁66がその設定さ
れた基準割合の開放のままである。温度モニター60によ
って示される温度が設定基準温度より低い場合は、定比
弁66が温度制御器64から命令を受けて開き、これによっ
て噴霧しようとするクライオジェン冷媒中の蒸気の量を
増大させる。モニター60によって示される温度が再び設
定基準温度より高くなったときは、定比弁66が、温度制
御器64中に記録されている設定割合の開放に戻る。
【００２１】本発明の制御システムを使用した場合で
も、液体クライオジェン冷媒が熱伝導性エレメント22上
にプールを形成するという過渡的状態が生じることがあ
る。このような場合には、制御弁68が閉じる。熱伝導性
エレメント22の最下点における温度を温度センサー70に
よって感知するのが好ましい。温度センサー70は、温度
制御器72（好ましくは、オン/オフ制御器またはサーモ
スタット制御器）に入力として送られる感知温度に帰す
ることのできる出力シグナルを生成する。温度制御器72
は、クライオジェンの沸点より通常約８０℃のマージン
だけ高い温度に設定される。感知した温度が設定温度よ
り高い場合は、制御器72が弁68の閉止を起こさせるため
のインターロックとして機能する。
【００２２】本発明のある実施態様においては、熱伝導
性エレメント24に動きを加えることによって、その熱伝
達係数を変えることができる。例えば、振動運動を熱伝
導性エレメント24に加えることができる。これとは別
に、図３に本発明の１つの実施態様が示されており、上
に向かった縁を有するディスク様の熱伝導性エレメント
74が供給されている。モーター76によって熱伝導性エレ
メント74を回転させる。図面には制御システムが示され
ていないが、同じものを組み込むことができる。
【００２３】図４には他の可能な実施態様が示されてお
り、熱伝導性エレメント82中に加熱コイル80が埋め込ま
れている。この実施態様においては、熱伝導性エレメン
ト82の温度を感知するための、またこのようなシグナル
を制御器86（プログラム可能なＰＩＤ制御器）に入力と
して供給するための温度センサー84が組み込まれてい
る。制御器86が電源88を調節して加熱エレメント80への
電力を調節し、これによって熱伝導性エレメント82の表
面温度を、液体クライオジェンの沸点より高くなるよう
制御する。本実施態様は、単に装置１を加えて使用する
ことができる。このような場合は、熱伝導性エレメント
22の代わりに、埋め込まれた加熱コイルを有する熱伝導
性エレメント82が使用される。この点に関しては、温度
センサー70の出力を使用して、加熱エレメント80と弁68
を制御する。したがって、設定温度においては、弁68が
閉じるだけでなく、加熱エレメント80に電力が供給され
る。
【００２４】ここで注意しておかねばならないことは、
制御器40、64、および86は入手の容易なＰＩＤ（Ｐropo
rtional, Integral, Ｄifferential）制御器であり、好
ましい特定のメーカーがあるわけではないということで
ある。各制御器に対する比例係数、積分係数、および微
分係数は、実際には当業界に公知の仕方で実験的に求め
られる。当然のことながら、類似の制御器も使用可能で
あるが、あまり好ましいとは言えない。
【００２５】熱伝導性エレメント24、74、および82の種
々の実施態様は、オーバースプレーと接触するためにフ
ラットな表面を供給するものとして示されているけれど
も、不規則な表面を供給して熱伝達を増大させることも
できる。しかしながら、このような不規則表面（例え
ば、メッシュやリッジ等によって得られる表面）は、冷
凍しようとする物品の細片を捕捉しやすい。したがっ
て、装置１を食品の冷凍用途に適用する場合は危険が生
じることがある。本発明はさらに、制御システムをもた
ない単なる熱伝導性エレメントのみ、二相流れよりむし
ろ高純度液体のスプレー、または部分的な制御手段（例
えば、熱伝導性エレメントの表面温度がクライオジェン
の沸点に近づいたときに、液体の流れを停止するための
制御弁68）を組み込んだ実施態様も含む。
【００２６】本発明にしたがって設計された熱伝導性エ
レメントは、温度センサー70によって感知した温度が制
御器72の設定温度未満に低下したときに、感知可能の充
分な熱エネルギーを保持して、液体の一時的なオーバー
スプレーを完全に気化させるのに充分な程度の質量を有
していなければならない。熱伝導性エレメントの必要な
質量を算出するためには、制御システムによって制御弁
68が閉じられる前に、熱伝導性エレメント上にこぼれる
可能性のある液体の量を先ず最初に評価しなければなら
ない。当然のことながら、これは、センサー70の応答時
間、制御弁68が閉じる速度、および残留する液体の量の
関数である。残留液体の量は、以下のような単純な式で
示される。
【００２７】Ｍe＝Ｍs＋［（{Ｔr＋Ｔv}×Ｆc）＋Ｍl］
×Ｖc/Ｃe/△Ｔemp. 式中、Ｍe は、熱伝導性エレメントの質量であり、Ｍl
は、制御弁68より下流ラインにおける液体の質量であ
り、Ｍs は、熱伝導性エレメントに対して許容される安
全性マージンであり、Ｔr は、温度センサーの応答時間
であり、Ｔv は、制御弁68の応答時間であり、Ｆc は、
クライオジェンの質量流量であり、Ｖc は、単位質量当
たりのクライオジェンの気化エネルギーであり、Ｃe
は、熱伝導性エレメント材料の比熱容量であり、そして
△Ｔemp＝設定基準温度−クライオジェンの沸点であ
る。
【００２８】前述したように、クライオジェンの液体内
容物の最大流量は、オリフィスプレート42または混合用
Ｔ字管36内のオリフィスもしくは噴霧ノズル、およびＭ
l に対する値として使用されるような最大流量によって
決定される。
【００２９】好ましい実施態様を挙げて本発明を説明し
てきたが、当業者にとっては、本発明の精神と範囲を逸
脱することなく、多くの変形、付加形、および簡略形が
可能であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による方法を実施するための装置の概略
図である。
【図２】図１のライン２−２に沿って切り取ったときの
一部省略断面図である。
【図３】熱伝導性エレメントの他の実施態様の一部省略
図である。
【図４】図１の装置に連結して使用する熱伝導性エレメ
ントのさらに他の実施態様の一部省略図である。
フロントページの続き (72)発明者 マイケル・ブルース・プーリー イギリス国ロンドン エスダブリー18・１ エヌイー，メルローズ・ロード 24 ディ ー (72)発明者 デービッド・ジー・ワードル アメリカ合衆国ニュージャージー州08807, ブリッジウォーター，ブランチ・ロード 122 (72)発明者 ロン・シー・リー アメリカ合衆国ニュージャージー州08804, ブルームスバリー，ファーン・ラン ９

Claims (23)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 （ａ） 噴霧ゾーン内に設置された熱負
    荷に噴霧するように配置された少なくとも１つの噴霧ノ
    ズル；および（ｂ） 前記噴霧ゾーンの下に配置され、
    クライオジェンの液体内容物から形成されるオーバース
    プレーを捕捉すべく、そしてこれによって直接的な熱伝
    達により前記オーバースプレーを気化させるべく造られ
    た大きさの表面を有する熱伝導性エレメント；を含む、
    液体内容物を含有するクライオジェンを噴霧するための
    装置。
  2. 【請求項２】 前記クライオジェン冷媒の少なくとも一
    部を気化させるための、前記少なくとも１つの噴霧ノズ
    ルと連通関係にある気化器をさらに含む、請求項１記載
    の装置。
  3. 【請求項３】 （ａ） 前記クライオジェン冷媒の流れ
    を主要流れと補助流れに分けるための第１と第２のレッ
    グを有するフローネットワーク、このとき前記補助流れ
    を気化させるよう、前記気化器が前記第２のレッグ中に
    設置されている；および（ｂ） 前記補助流れと前記主
    要流れとを合わせ、これによって前記クライオジェン冷
    媒の二相流れを生成させるための、前記第１と第２のレ
    ッグに連結された混合装置、このとき前記少なくとも１
    つの噴霧ノズルが前記混合装置と連通している；をさら
    に含む、請求項２記載の装置。
  4. 【請求項４】 （ａ） 前記混合装置と前記少なくとも
    １つのノズルとの間に介在させた定比弁；（ｂ） 噴霧
    ゾーンの温度を感知するための温度センサー；および
    （ｃ） 前記噴霧ゾーンが、予め設定された実質的に一
    定の噴霧ゾーン温度のままであるよう、前記定比弁を制
    御するための、したがって前記噴霧ゾーンに流入する前
    記クライオジェン冷媒の流量を制御するための、前記温
    度センサーに応答する噴霧ゾーン温度制御器；をさらに
    含む請求項３記載の装置。
  5. 【請求項５】 （ａ） 前記熱伝導性エレメントの境界
    温度を感知し、前記境界層温度に応じた第２の温度シグ
    ナルを発生するための境界温度センサー；（ｂ） 前記
    第１と第２のレッグの両方に連結された制御弁；および
    （ｃ） 前記第３の温度シグナルに応答し、前記クライ
    オジェンの沸点より高い温度において前記制御弁を閉じ
    るように設計されているインターロック制御器；をさら
    に含む、請求項４記載の装置。
  6. 【請求項６】 前記温度センサーと前記定比弁が、第１
    の温度センサーと第１の定比弁を含み；前記第２のレッ
    グが、前記噴霧ゾーン内で噴霧される前記クライオジェ
    ン冷媒の蒸気内容物を制御するための第２の定比弁を有
    し；そして（ａ） 前記熱伝導性エレメントの熱伝導温
    度を感知するための、少なくとも１つの第２の温度セン
    サー；および（ｂ） 前記第２の定比弁の位置を制御す
    るための第２の温度制御器、このとき前記第２の温度制
    御器は、前記第２の定比弁の設定した割合の開放と、前
    記熱伝導性エレメントに対する設定した基準温度を記録
    するための手段を有し、前記熱伝導性エレメントの前記
    熱伝導温度が前記設定基準温度より高い場合は、前記第
    ２の温度制御器が、前記第２の定比弁を前記設定割合の
    開放に位置決めするように、そして前記熱伝導性エレメ
    ントの前記熱伝導温度が前記設定基準温度より低い場合
    は、前記熱伝導温度が再び前記設定基準温度より高くな
    るまで、前記設定割合の開放より大きな割合の開放に開
    くよう、前記第２の温度制御器が、前記第２の定比弁を
    再位置決めするように設計されている；をさらに含む、
    請求項４記載の装置。
  7. 【請求項７】 前記熱伝導性エレメントの前記表面が下
    向きに傾斜している、請求項１記載の装置。
  8. 【請求項８】 前記熱伝導性部材が、前記オーバースプ
    レーを保持するための周縁リップ部分を備えたトレー様
    の形状を有する、請求項１記載の装置。
  9. 【請求項９】 前記熱伝導性部材がシート材料から造ら
    れていて、オーバースプレーした液体が凝集するのを防
    ぐためのバイブレーターをさらに含む、請求項１記載の
    装置。
  10. 【請求項１０】 前記熱伝導性エレメント中に埋め込ま
    れたヒーターをさらに含む、請求項１記載の装置。
  11. 【請求項１１】 前記熱伝導性エレメントがスピニング
    ディスクを含む、請求項１記載の装置。
  12. 【請求項１２】 （ａ） 前記クライオジェンの一部を
    気化させるためのもう一つの気化器；および（ｂ） 前
    記熱負荷に向けられる蒸気流れを形成して、前記熱負荷
    上に保持されているスプレーを吹き払うための、前記も
    う一つの気化器に連結されたノズル；をさらに含む、請
    求項１記載の装置。
  13. 【請求項１３】 （ａ） 液体クライオジェンを第１と
    第２の補助流れに分けるための第１と第２のレッグを有
    するフローシステム；（ｂ） 前記第２の補助流れを気
    化させるための、前記第２のレッグ内に設置された気化
    器；（ｃ） 前記第２の補助流れを、気化させた後に、
    前記第１の補助流れと混合し、これによって二相流れを
    形成させるための、前記第１と第２のレッグに連結され
    た混合装置；および（ｄ） 前記二相流れを噴霧するた
    めの、前記混合装置と連通関係にある少なくとも１つの
    噴霧ノズル；を含む、液体クライオジェンを二相流れと
    して噴霧するための装置。
  14. 【請求項１４】 前記二相流れの品質を調節するための
    制御弁が前記第２のレッグ内に設置されている、請求項
    １１記載の装置。
  15. 【請求項１５】 （ａ） 噴霧ゾーン内にて、液体内容
    物を含有するクライオジェンを熱負荷に噴霧する工程；
    および（ｂ） クライオジェンの液体内容物から形成さ
    れるオーバースプレーを、前記噴霧ゾーンの下に配置さ
    れていて、オーバースプレーを捕捉するようなサイズの
    表面を有する熱伝導性エレメントとの直接的な熱伝達に
    より気化させる工程；を含む、液体内容物を含有するク
    ライオジェンを噴霧する方法。
  16. 【請求項１６】 前記クライオジェン冷媒を、噴霧する
    前に一部気化させる工程をさらに含む、請求項１５記載
    の方法。
  17. 【請求項１７】 （ａ） 前記クライオジェン冷媒の流
    れを第１と第２の補助流れに分ける工程；（ｂ） 前記
    第２の補助流れを気化させる工程；（ｃ） 前記第１と
    第２の補助流れを、第２の補助流れを気化させた後に混
    合し、これによって前記クライオジェン冷媒の二相流れ
    を生成させる工程；および（ｄ） 前記二相流れを噴霧
    する工程；をさらに含む、請求項１６記載の方法。
  18. 【請求項１８】 クライオジェン冷媒の流量を調節して
    噴霧ゾーンの温度を制御する工程をさらに含む、請求項
    １７記載の方法。
  19. 【請求項１９】 （ａ） 熱伝導性エレメントの境界温
    度を感知する工程；および（ｂ） 境界温度がクライオ
    ジェンの沸点未満に低下しないよう、主要流れと補助流
    れを切り離す工程；をさらに含む、請求項１８記載の方
    法。
  20. 【請求項２０】 （ａ） 前記熱伝導性エレメントの熱
    伝導温度を感知する工程；および（ｂ） 前記熱伝導温
    度と前記熱伝導性エレメントに対する基準温度とを比較
    することによって二相流れの蒸気内容物を制御する工
    程、このとき前記熱伝導温度が前記基準温度より高い場
    合は、前記蒸気内容物を実質的に一定に保持し、また前
    記熱伝導温度が前記基準温度より低い場合は、前記熱伝
    導温度が再び前記設定基準温度より高くなるまで、前記
    蒸気内容物を増大させる；をさらに含む、請求項１８記
    載の方法。
  21. 【請求項２１】 蒸気流れを生成させるために、クライ
    オジェンの一部を噴霧の前に気化させる工程；および
    （ｂ） 熱負荷からスプレーを吹き払うために、熱負荷
    に向けて蒸気流れを当てる工程；をさらに含む、請求項
    １５記載の方法。
  22. 【請求項２２】 （ａ） 前記液体クライオジェンを第
    １と第２の補助流れに分ける工程；（ｂ） 前記第２の
    補助流れを気化させる工程；（ｃ） 前記第１と第２の
    補助流れを、第２の補助流れを気化させた後に混合し、
    これによって二相流れを生成させる工程；および（ｄ）
    前記二相流れを噴霧する工程；を含む、液体クライオ
    ジェンを噴霧する方法。
  23. 【請求項２３】 第２の補助流れの流量を制御し、これ
    によって二相流れの品質を調節する工程をさらに含む、
    請求項２２記載の方法。
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