KR100341012B1 - 오르비탈형냉동장치와방법 - Google Patents

Abstract

액체와 동결결정의 슬러리 (20)를 연속생산하기 위하여 액체를 냉동 또는 냉각시키기 위한 냉동기/냉각기(75)가 액체를 수직배치형 전열튜우브(1)의 상축단부로 공급한다. 튜우브 외측면(1b)의 냉각제유동류(39)는 증기/포말류의 형태로 증발하여 튜우브 내측면(1a)에서 액체를 동결한다. 자유롭게 세워지는 휩롯드(9)가 내측면(1a)에서 회전하여 동결된 결정을 기계적으로 분리하고 액체를 분배한다. 액체에 첨가되는 에틸렌 글리콜(수용액)과 같은 첨가제는 분리작용에 도움을 준다. 한 실시형태에서 외측면을 둘러싸고 있는 기계적인 유동안내수단(35)은 비등하는 냉각제의 얇고 고속의 상향유동류(39)를 생성하여 열전달효과를 증가시키나, 오비탈 드라이브(4-8, 107, 108, 109, 110, 111)가 휩롯드(9)를 추진한다. 한 실시형태에서오비탈드라이브는 횝롯드(9)와 적어도 하니의 편심클랭크(109,109')사이에 결합된 한싸의 수평판(101, 102)을 포함한다. 다른 형태에서, 이 드라이브는 시스템의 역학적 설계특징에 따라 별도 모우트(8,8)에 의하여 위상동기 상태로 회전토록 전열튜우브에 견고히 결합된 한쌍의 평형체(7,7)를 포함한다.

Description

오르비탈형 냉동장치와 방법 {ORBITAL TYPE FREEZING APPARATUS AND METHOD}

기계적인 교반하에 아이스 슬러리(ice slurry)를 만드는 것은 아이스 크림이나 냉동오랜지주우스와 같은 식품의 제조로부터 주행이 원활하도록 고속도로의 빙판에 소금을 뿌려 이를 부드럽게 처리하는 것까지 다양한 분야에 이용되고 있다. 특히 중요한 것은 냉장용으로 사용될 얼음을 슬러리형태로 제조하는 것이다. 아이스 슬러리는 또한 어상자에서 해산물을 보존하는 냉각제로서 유용하게 사용될 수 있다. 또한 냉동 및 급냉장치와 방법이 소금의 제조, 여러 용액과 현탁액의 농축, 그리고 물 또는 기타 액체의 정화에도 이용된다.

공조시스템용 냉각저장방식은 공기냉각을 위한 전력수요를 낮시간으로 밤시간으로 옮기므로서 전체 전력공급시스템의 전력수요가 전체적으로 완만하게 되도록 강요되었다. 물을 얼음으로 동결시키는 것은 그 잠열을 빼앗으므로서 효과적인 냉장이 이루어질 수 있다. 그러나, 열전달면, 즉 전열면 상에서 형성된 얼음은 상기 전열면에 달라붙어 이 전열면의 전열특성을 차단한다. 이는 냉장용 얼음의 광범위한 이용에 주요한 장애물이 된다.

현재, 얼음을 이용하는 시장에는 두 가지 형태의 냉장시스템이 있다. 그 하나는 일단의 제빙기가 개방형 저장탱크상에 설치되는 아이스 하베스터(ice harvester)형으로서 알려진 것이 있다. 주기적으로 일정한 두께가 되게 형성되는 얼음이 제상싸이클(defrosting cycle)의하여 탱크내에 수확된다. 다른 하나는 아이스 뱅크(ice bank)형이다. 이는 통상적으로 플라스틱으로 만들어지고 가격이 저렴한 일단의 전열유니트를 이용하며 냉장에 필요한 모든 얼음이 각 냉각싸이클 중에 연속적으로 누적된다. 이들 두가지 형태 모두에 있어서, 제빙과정중에 물로부터 냉각제로의 열전달 효과가 요구된 바와 같이 효과적이지 못하여 설비비용이 증가될 수 밖에 없다.

제빙기가 중단없이 연속으로 작동될 수 있고 어느 정도 전열특성이 개선된 상태에서 작동될 수 있는 슬러리형태의 얼음을 만드는 개념은 시카고 브린지 앤드 아이언사(the Chicago Bridge and Iron, Ine.)와 같은 회사, 그리고 최근에는 "슬리퍼리 아이스"(slippery ice)"라고 자사제품을 선전하고 있는 일렉트릭 파워 리서치 인스티튜트사(Electiric Power Research Institute "EPRI")에 의하여 당해 산업분야에서 도입시도되었다. 현재에 슬리퍼리 아이스 냉장시스템의 성능을 아직 평가 단계에 있다.

EPRI사에서 후원한 "슬리퍼리 아이스" 시스템의 개발에 관한 조사에 관한 것이 EPRI Journal로 발생된 1992년 7/8월호의 제목 "냉장:비용과 에너지 절약"에 보고 되었다. EPRI 사의 계획에서는 방빙형 항공기에 사용되는 화학품과 유사한 물질로서 칼슘 마그네슘 아세테이트가 물에 혼합된다. EPRI사에 따라서 이러한 첨가물의 이용으로 얼음은 열교환기 표면으로 부터 분리되어 액체화되도록 하고 금속에 달라붙지 않는 진창형의 물질이 된다. 경제적인 면을 개선하기 위한 "슬리퍼리 아이스"의 잇점이 1992년 9월 27일자 더 뉴욕 타임즈(The New York Times)에 "Keeping Buildings Cool With Greater Etticiency"로 보고되었다. 이 보고서에서는 동결될물에 대한 자동차부동액의 이용이 보고되었으나 이것은 빙점이 너무 낮아 만족스럽지 못한 것으로 보고되었다.

슬리퍼리-아이스 개념은 이것이 아이스 슬러리가 기계적인 도움없이 단지 중력의 작용하에 냉각표면에서 흘러내리도록 하므로 매력적인 것이다. 슬리퍼리 아이스가 작용하는 동안에 이것이 어떻게 작용하는지는 알려져 있지 않다. 더우기, 이러한 방법은 여러 가지 결점을 갖는다. 첫째로 다만 한 가지 알려진 첨가제가 얼음이 냉각면을 따라 결정체가 중력으로 하향공급되는 초기의 점착성 장애를 극복토록 한다. 처리될 액체가 음식물인 경우에는 특별한 문제가 있다. 이 첨가제는 음식물에 사용될 수 없다. 다른 문제점은 슬리퍼리 아이스를 형성하는데 열류속, 습윤율과 첨가제 농도가 조심스럽게 조절되어야 하는 제약이 있다는 점이다. 또한 전열면을 전해연마 되어야 한다.

본원 발명자의 한 사람은 용기내에 착설되고 궤도운동으로 구동되는 하나 이상의 수직전열관(HTT)를 이용하는 증발 및 중류장치와 방법을 제안한 바 있다. 이들 장치가 미국특허 제4,230,529호, 제4,441,963호, 제4,618,399호 및 제4,762,592호에 기술되어 있다. 이들 튜우브의 표면은 매끄럽고 단면이 원형이며 양단부가 개방되고 양호한 열전도 특성을 갖는 재질로 만들어 진다. 분배기가 공급액체를 각 튜우브의 내부로 안내한다. 궤도운동은 액체가 필름형태가 되게 확산시킨다. 튜우브의 벽을 통하여 방사상내측으로 전달되는 열이 공급액체의 일부를 증기로 증발시킨다.

여러 가지 알려진 전열장치가 점성액체를 얇고 균일하게 분포되는 필름형태로 확산시키도록 튜우브내에서 적극적으로 회전구동되는 견고한 와이퍼 바아(wiper bar)를 이용한다. 그러나 이러한 와이퍼, 즉 스크랩퍼는 몇가지 결점을 갖는다. 첫째로, 회전구동축을 삽입하여 밀폐하는 것이 필요하다. 둘째로, 와이퍼 또는 스크랩퍼가 견고하고 폐쇄공간에서 전체 고정면상을 이동하여야 하므로 제작과 조립이 어렵고 비용이 많이 들어간다. 표면은 와이퍼/스크랩퍼 및 그 지지구조물과 함께 허용공차가 적게 연마 되어야 한다. 더우기 이들 견고한 구성은 내마모성이어야 한다.

예를 들어 1-1,000 c.p. 정도의 점도를 갖는 저점성액체에 대하여 이들 문제점을 해결하기 위하여 미국특허 제4,618,399호에 있어서는 휩롯드(whip rod)가 튜우브내에 배치되어 공급액체의 열저항을 줄이고 그 증발을 높이도록 이를 아주 얇고 균일한 필름형태로 확산시킬 수 있게 되어 있다. 이 휩롯드는 증발고체잔류물의 생성을 제어한다. 상기 미국특허 제4,618,399호에서는 적정 길이의 케이블, 기부와 롯드의 하측단부사이에 연결되는 유연성의 비회전형 앵커와, 역시 휩롯드의 하측단부와 기부사이에 연결된 이중유니버셜조인트를 포함하여 롯드를 설치하기 위한 여러 구성들이 기술되어 있다. 휩롯드가 필름분배기로서는 효과적인 반면에 취부구조는 다수의 결점을 갖는다. 이들은 전체 재료의 증가를 가져오고 조립 및 운전비용의 증가를 가져온도, 또한 이들은 취약하다. 휩롯드를 지지하는 유연성 케이블의 재질상 피로가 특히 문제이다.

오르비탈 튜우브방식이 증발과 증류에는 이용되었으나 지금까지 이는 냉동용으로 적용되지 않았다. 그 한 이유는 수돗물이 오르비탈 튜우브 증발기의 전열면에 동결되어 성능을 크게 떨어뜨리기 때문이다.

본 발명은 액체의 증발, 증류, 냉동 또는 냉각을 위한 장치와 방법에 관한 것으로, 특히 수직의 전열(傳熱)튜우브와 함께 사용되는 오르비탈 휩롯드구동형의 냉동장치와 방법에 관한 것이다.

제1도는 본 발명에 따른 오르비탈 튜우브냉동기/냉각기의 일부를 절개표시한 사시도.

제2도는-제4도는 제1도에서 보인 열교환 튜우브의 수평단면을 보이고 여러 단면형태의 휩롯드를 보인 개략설명도.

제5도는 열교환튜우브를 둘러싸고 있는 냉각제유동자켓트를 갖는 제1도에서 보인 냉동기/냉각기의 다른 실시형태를 절개표시한 사시도.

제5A도 슬라이더와 중량체를 포함하는 제1도 또는 제5도에 사용하기 위한 다른 휩롯드의 수직단면도.

제6도는 고정자켓을 이용하는 제5도에서 보인 롯드, 튜우브 및 자켓의 개략 수평단면도.

제7도는 궤도운동에 응답하여 자켓이 운동하는 제6도에 일치하는 개략 수평단면도.

제8도는 냉동기/냉각기가 7개의 열교환튜우브와 동수의 휩롯드를 이용하고 드라이브가 냉동기/냉각기에 견고하게 결합된 직경방향으로 대향된 쌍의 회전평형체를 포함하는 제1도 또는 제5도에 따른 냉동기/냉각기용 오르비탈 드라이브의 개략평면도.

제9도는 다수의 열교환튜우브가 고정되고 오르비탈 드라이브가 휩롯드에만 결합된 본 발명에 따른 오르비탈 튜우브 냉동기/냉각기의 다른 실시형태를 보인 절개표시 사시도.

제9A도는 단일 구동모우터가 하우징상에서 중심에 배치된 제9도에 일치하는 사시도.

제10도는 본발명에 따른 다른 형태의 오르비탈 휩롯드, 고정튜우브와 드라이브의 개략 수평단면도.

제11도는 제8도의 오르비탈 드라이브에 사용하기에 적합한 액체분배시스템의 부분절개탄면도.

제12도는 본 발명에 따른 오르비탈 구동판과 공급분배장치를 보인 제11도에 해당하는 단면도.

따라서, 본 발명의 목적은 슬러리를 연속하여 생산하고 에너지 효율이 높은 처리유체의 냉동 및 냉각을 위한 장치와 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 장치를 용이하게 대형화할 수 있도록 하는데 있다. 또 다른 목적은 어떠한 하나의 첨가제로 제한되지 않고 해수나 음식물을 포함하는 광범위한 액체를 냉동 및 냉각시킬수 있는 냉동기와 그 운전방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 열류속, 습윤율 및 첨가제 농도와 같은 운전조건의 불필요한 제약이 요구됨이 없이 상기 언급된 잇점을 제공하는데 있다.

또 다른 목적은 상기 잇점을 가지며 매우 콤팩트한 냉동기와 냉동방법을 제공하는데 있다.

또 다른 목적은 상기 잇점을 제공하는 한편 종래기술의 장치와 방법에 비하여 자본과 운전경비가 유리하도록 하는데 있다.

액체를 냉각하기 위한 장치가 액체를 수직이고 양단이 개방된 전열튜우브의상부에서 내면으로 공급한다. 한 실시형태에서 외측튜우브가 냉각실을 형성토록 각전열튜우브의 둘레에 배치된다. 구체화된 우선실시형태에서, 전열튜우브의 외측면으로 통상의 냉각제를 상향유동시켜 적어도 일부를 증발시킨다. 그 결과도 전열튜우브를 통하여 방사상 외측으로 향하는 열유동으로 내측튜우브 표면의 액체를 냉각시킨다. 액체내의 첨가제는 전열면에 대한 결정체의 점착강도를 감소시킨다. 물에 첨가되는 적당한 첨가제로서는 에칠렌 글리콜(자동차부동액), 프로필렌 글리콜, 해수, 우유와 무수결정체를 형성하는 무기염류 등이 있다. 적당한 참가제는 크고 평편하며 조각을 이루는 결정구조가 아니고 분말상 결정구조를 얼음내에서 생성한다.

휩롯드가 각 튜우브내에 배치된다. 그 하측단부는 튜우브의 하측에서 공간을 둔 수평판상에 자유롭게 지지되는 것이 좋다. 휩롯드는 단면이 원형 또는 비원형인 스텐레스 스틸로 구성되는 것이 좋다. 이 휩롯드는 휘저어질 때에 내면에 적응토록 휘어질 수 있다. 한 실시형태에서 이 휩롯드는 그 하측단부에 마찰이 적은 슬라이더가 착설되고 역시 그 하측단부 가까운 부분이 무겁게 되어 있다.

오르비탈 드라이브는 휩롯드를 궤도운동으로 구동시킨다. 한 실시형태에서 이 드라이브는 HTT와 이에 고정된 구조물(질량 M을 갖는 시스템)을 수용하는 외갑체를 구동시킨다. 휩롯드는 튜우브의 궤도운동에 응답하여 회전될 수 있게 역학적으로 결합된다. 이 드라이브는 수평취부판과 같은 견고한 결합부재를 통하여 고정 기준구조물로 부터 외갑체를 지지하는 케이블과 같은 다수의 힘 담지부재를 포함할 수 있다. 운동은 위상동기화 상태에서 별도의 모우터에 의하여 회전되는 적어도 하나, 좋기로는 한쌍의 평형체에 의하여 발생된다. 이러한 위상동기화가 이루어질 수있도록 질량 M의 중심으로 부터 평형체(T)의 회전 중심 까지의 거리(L)는 √2p 를 넘어야 한다. 여기에서 p는 질량(M)의 궤도선회의 반경이다.

다른 실시형태에서 HTT는 고정되나 휩롯드는 그 내부에서 궤도운동한다. 다른 실시형태에서, 각 휩롯드는 액체를 내면에 분배하고 내면으로 부터 동결결정체를 기계적으로 제거한다. 실제의 휩롯드 드라이브를 위한 우선구조에 있어서 이는 수직방향으로 간격을 둔 한쌍의 수평판을 포함하고 이 수평판은 이에 형성된 정렬 공내에서 자유롭게 휩롯드를 고정할 수 있게 되어 있다. 일련의 편심크랭크가 수평판을 궤도운동토록 구동시키고 이러한 운동은 수평판을 통하여 휩롯드에 결합된다.

이들 궤도운동판을 이용하므로서 오르비탈 드라이브기구로부터 각 휩롯드에 궤도운동을 전달하여 극단의 경우에 궤도운동판의 모든 초과영역이 궤도운동판의 질량을 가볍게 하고 튜우브에 대한 유체의 자유로운 유동을 허용토록 제거될 수 있다.

일부의 경우에 있어서, 상부궤도운동판은 공급액체가 사전에 결정된 유량으로 유동할 수 있는 자유간극을 가지고 휩롯드를 고정하는 개방부를 통해 공급액체를 분배하는데 사용될 수 있다. 이와 같이 하므로서 휩롯드를 구동시키는데 사용되는 개방부는 공급액체분배노즐로서 사용되고 공급액체는 휩롯드의 드라이브기구의 윤활제로서 사용되며 휩롯드는 노즐의 폐색을 방지하는 교반기로서 사용된다. 이러한 구성에 있어서 궤도운동판은 휩롯드를 구동시키는 개방부만이 천공될 수 있을 것이다.

HTT의 외면에서 전열효율을 증가시키기 위하여 관상유동자켓이 상하측 단부에 유동공을 갖는 HTT를 둘러싸므로서 외면전체에 걸쳐 냉각제증기 또는 증기/포말의 고속대류가 이루어질 수 있도록 한다. 다수의 HTT에 대한 공급수 분배는 반경에 따라 공급량이 달라지는 다수의 노즐을 갖는 회전베인에 의하여 이루어진다.

본 발명을 첨부도면에 의거하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

제1도는 본 발명에 따른 오르비탈 튜우브 냉동기/냉각기(75)를 보이고 있다. 설명을 간편히 하기 위하여, 본 발명은 액체인 물을 처리하여 아이스 슬러리(20)를 만드는 것으로 설명될 것이다. 수직으로 배치되고 벽이 얇으며 단부가 개방된 전열 튜우브(HTT)가 탁월한 전열특성을 가지고 처리될 액체 및 표준냉각제와 함께 사용될 수 있는 재질로 구성된다. Freon냉각제를 사용하여 아이스 슬러리를 만들어 내는데 우수한 재질로서는 구리와 강철이 있다. HTT(1)는 외측튜우브(2)내에 동심원상으로 삽입된다. 양단부에서 환상단부벽(2a)이 HTT(1)에 대하여 튜우브(2)를 밀폐하여 환상냉각실(3)을 형성한다.

튜우브(1)(2)의 조립체는 케이블(5)의 하측단부에 착설되는 수평연장형 프레임(4)에 견고하게 고정된다. 이러한 케이블은 적어도 3개가 사용되는 바, 도면에는 4개의 케이블이 사용되는 것으로 보이고 있다. 케이블(5)의 상측단부는 부분적으로 도시한 고정기준 구조물(6)에 착설된다. 이와 같이 하므로서, 프레임(4)은 이 프레임(4)과 케이블(5)에 의하여 결정되는 수평평면에서 자유로운 궤도운동(30)을 할 수 있다(궤도운동의 처음과 끝에서는 약간 수직운동성분이 있으나 안정된 작동상태에서는 프레임 4가 한 평면에서 궤도운동한다). 튜우브(1)(2)의 조립체는 수직으로 정렬되어 있다.

궤도운동(30)은 한 쌍의 모우터(8)(8)에 의하여 동기화되어 회전토록 구동되는 한쌍의 평형체(7)(7)의 회전으로 일어난다. HTT(1)의 내부에는 일련의 견고한 부재(11)(11)에 의하여 튜우브조립체에 착설된 판(10)에 그 하측단부가 지지되는 자유직립형 휩롯드(9)가 배치되어 있다. 작동에 있어서, 평형체(7)(7)의 회전으로 프레임(4)과 튜우브(1)(2)가 작은 원으로 궤도운동(30)(원운동이 아님)을 한다. 이러한 궤도운동은 다시 휩롯드(9)를 HTT(1)의 내부에서 회전토록 구동시킨다. 휩롯드(9)의 하측단부는 원형 진로(31)를 따라서 판(10)상에서 활동한다. 이러한 평형체의 역학적인 결합과 동기화를 위한 기구가 이후 상세히 언급될 것이다.

처리액은 공급류(13)로서 공급튜우브(12)로부터 HTT(1)의 내측면(1a)의 상측단부에서 냉동기/냉각기(75)에 도입된다.

냉동기/냉각기(75)가 궤도운동(30)으로 회전하므로 휩롯드(9)는 공급류(13)를 롯드(9)의 전면에서 유동하는 하향유동류(14)로 밀어내나 내측면(1a)에는 처리액체의 얇은 필름(26)이 원통형 형태로 남게 되어 여기에서 냉각된다. 하향유동류(14)는 HTT(1)로 부터 배출되고 유출류(15)의 형태로 판(10)의 상측으로 유동하여 탱크(19)로 보내어진다. 유출류에는 아이스 슬러리(20)를 형성토록 휩롯드(9)에 의하여 내측면(1a)으로 부터 제거된 동결액체 결정이 실려 있다.

통상적인 냉각수단(80)인 냉각시스템은 튜우브(17)를 통하여 냉동시스템의 증발기로서 작용하는 챔버(3)의 일측단부에 통상의 액상냉각제를 공급하는 압축기와 응축기(16)를 포함한다. 기화된 냉각제는 튜우브(18)를 통하여 대향단부(도시된 바와 같은 상측단부)로 부터 압축기/응축기로 회수된다. 액화냉각제의 증발열은 튜우브(1)의 내부에 있는 물을 냉동시키므로서 HTT(1)로 부터 얻는다. 환언컨데, 튜우브(1)내에서 물을 얼음으로 냉동시키므로서 발생되는 잠열이 튜우브(1)의 벽을 통하여 방사상으로 그 외측면(16)으로 전달되어 잠열을 액화냉각제를 증기형태로 증발시키도록 공급한다. 이와 같이 HTT(1)의 전열특성은 처리액은 냉각/응축시켜 얼음을 제조함에 있어 냉동기/냉각기(75)의 효능에 중요하다.

HTT(1)의 증발측에서 전열특성은 튜우브 외면(1b)의 대부분을 습윤상태로 유지하므로서 개선된다. 이러한 습윤상태를 유지하는 것은 제5도-제7도에서 보인 바와 같이 상승필름 또는 상승포말 증발기 방식으로 간단하고 효율적으로 성취된다. HTT(1)의 둘레의 배치된 자켓튜우브(35)는 챔버(3')를 챔버(37)(38)로 구획한다(여러 실시형태에서 동일부분에 대하여서는 프라임부호를 붙여 동일부호로 표시하였다). 통공(36)이 자켓튜우브(35)의 하측단부에 형성되고 개방공간(48)이 그 상측단부에 형성되어 챔버(37)가 챔버(38)와 연통된다. 이러한 구조는 챔버(37)내부의 냉각제가 HTT(1')로 부터 열입력으로 인하여 내측챔버(38)보다 따뜻할 때에 이들 두 챔버사이의 대류를 촉진한다.

특히 증기가 HTT(1')와 접촉하는 냉각제에서 발생될 때에 이들은 챔버(38)의 평균밀도에 비교하였을 때에 챔버(37)내의 액주의 평균밀도를 더욱 낮춘다. 이는 챔버(37)내에서의 상향유동 속도를 가속시킨다. 이와 같은 방법으로 HTT(1')에서 이러한 두 유동상은 비교적 높은 속도로 상향하여 일소해 버리므로서 이러한 유동의 강한 전단력에 의하여 튜우브(1')의 전열특성을 개선한다. 이는 열전달율의 제어함수인 액체필름의 얇은 하위층 두께를 감소시킨다.

제6도는 점선원은 단일 튜우브 구조인 냉각제 챔버(3)의 외측튜우브(2')를 나타낸다. 외측튜우브는 챔버(3)를 형성하고 냉동기/냉각기(75)의 외측하우징이다. 제5도의 다중튜우브 실시형태에서, 외측튜우브(2'), 즉 하우징은 다중 HTT와 자켓 튜우브(35)를 둘러싸고 있다. 따라서 이는 제1도에서 외측튜우브(2)와 같이 작용하고 모든 HTT-횝롯드 조립체의 용기, 즉 하우징으로서 작용한다. 다만 제5도에서는 설명을 간편히 하기 위하여 다중튜우브시스템에서 하우징 튜우브(2')의 일부만을 표시하였다.

또한 제5도의 하측부는 다중튜우브시스템에서 각 튜우브에 냉각제의 균일한 공급이 이루어지도록하는 이중시이트구성을 보이고 있다. 이 도면에서 부호(40)는 상부시이트를 보인 것으로 여기에서 튜우브의 상측단부가 용접점(45) 또는 이러한목적으로 사용되는 기타 표준방식을 이용하여 고정된다. 단 하나의 인접한 튜우브 조립체의 상측단부가 도시되어 있으나 이는 모든 다른 HTT(1')에서도 동일하다. 하부시이트(41)는 점(46)에서 튜우브의 하측단부에 착설된다. 시이트(40)(41)와 용기벽을 구성하는 외측튜우브(2'), 모든 튜우브(1')는 냉각제 챔버(3')를 형성한다. 내부격벽(42)이 저면튜우브시이트(41)와 평행하게 챔버(3')내에 배치되어 수평챔버(47)를 형성한다. 각 튜우브의 둘레에는 좁은 간극(43)이 형성되어 냉각제가 화살표(39)로 보인 바와 같이 챔버(47)로부터 챔버(37)를 향하여 상측으로 유동할 수 있도록 한다. 돌출부(44)는 간극(43)의 정확한 폭을 유지하도록 튜우브(1')의 정확한 위치선정과 모든 튜우브둘레로 냉각제의 균일한 유동분배가 이루어지도록하는데 사용될 수 있다. 튜우브(17')를 통하여 챔버(47)로, 그리고 통로(37)를 통하여 이루어지는 액화냉각제의 유입(53)은 화살표(39)와 같이 상측으로 기화되어 이동한다. 그리고 이러한 유동은 개방부(48)에서 챔버(38)로 넘어가고(챔버 3'의 상측부) 튜우브(18')를 통하여 용기의 상측부로부터 흡인에 의하여 최종적으로 배출된다.

제7도는 자켓튜우브(35')를 보인 것으로 이는 튜우브(1')와 외측튜우브(2') 조립체에 취부되지 있지 않고 휩롯드와 유사한 방식으로 HTT(1')의 둘레에서 궤도 운동토록 구동된다.

오르비탈 튜우브냉동기에 있어서, 냉각제측의 개선된 전열효과는 내부의 얼음측에서 전열튜우브의 전열계수가 휩롯드의 궤도운동으로 증가된 후에 냉각제측에서 HTT(1)(1')의 전열저항이 현저한 열전달율을 현저히 제한하므로 통상적인 냉동기에서 보다 중요하다. 시험결과 전통적인 판형 얼음제조기에서는 75BTU/ft², ℉, hr 이었으나 1100BTU/ft², ℉, hr 이상의 전열효율을 얻었다.

아이스 슬러리의 제조에 있어서, 저장탱크(19)가 유출유동류(15)를 수집토록하고 벌크생성물인 아니스 슬러리(20)을 수용토록 제공된다. 재순환펌프(21)은 공급류(13)가 되도록 튜우브(12)를 통하여 탱크(19)로부터 슬러리 생성물을 내보낸다.

슬러리의 제조를 용이하게 하도록, 본 발명의 다른 특징은 탱크(19)에 저장된 물에 첨가되는 통상의 자동차부동액과 같은 용질을 소량 이용하는 것이다. 약 5%의 부동액 용액이 전형적이다. 이 첨가제는 내측면(1a)에서 형성되는 얼음의 결정구조를 변화시킨다.

첨가제가 첨가되므로서, 얼음은 눈에 띠는 평면상의 조각형태의 구조를 갖는 대형결정구조와는 다르게 분말상으로 보이는 매우, 미세한 결정을 형성한다. 미세분말상의 결정은 내측면(1a)에 강하게 달라붙지 아니하고 휩롯드가 내측면(1a)에서 형성되는 얼음위로 회전할 때에 휩롯드의 기계적인 작용으로 내측면으로부터 조직형태의 대형결정보다 더 잘 분리된다. 하향유동류(14)가 내측 튜우브(1)의 하측으로 유동할 때에 이는 냉동시스템에 의하여 냉각되어 탱크(19)측으로 배출되어 하측단부에서 아이스 슬러리를 형성한다. 이 시스템은 얼음없이 작동이 시작되고 대개 펌프흡인에 대한 액체슬러리의 유동에 의하여 제한되는 50%-70% 사이의 얼음밀도에 이를 때까지 점차 보다 많은 아이스 슬러리가 형성될 것이다.

첨가제의 특성과 양은 휩롯드의 형상, 크기 및 하중, 궤도운동의 반경과 속도, 열류속밀도, 공급액의 유통량, 증발측 전열계수와 HTT(1)의 표면조건에 따라 달라진다. 대부분의 물질들은 오르비탈 냉동기/냉각기 ("OTF")(75)에서 작동에 필요한 미세결정의 형성을 촉진한다. 공지된 물질로서는 시중의 자동차부동액, 밀크, 칼슘 마그네슘아세테이트와 중탄산나트륨과 같이 해수에서 발견되는 일부 무기염이 있다.

상업적으로 입수가능한 자동차 부동액 화합물은 모두 에틸렌 글리콜류로서 약95%의 에틸렌과 디에텔렌 글리콜을 함유한다. 부동액 조성은 부식을 방지하고 산화를 억제하며 포말형성을 제어하고 생성물의 겉보기를 지배하도록 사용된 2차 첨가제와는 다르다. 에틸렌 글리클은 1차 첨가제로서 자동차의 라디에타에 사용된 산업용급 에틸렌 글리콜에 불순물로서 존재하는 것이다.

자동차용 냉각시스템은 구리, 알루미늄, 주철 및 강철로 구성된다. 이들 물질은 pH 버퍼(pH 9가 좋다)와 같은 2차 첨가물에 의하여, 그리고 부식억제제(물질 마다 특정될 수 있다)에 의하여 부식이 방지된다. 수산화칼륨 또는 수산화나트륨과 인산등이 pH 버퍼로서 좋다. 알카리 붕산염과 인산염이 4개의 모든 물질을 보호할 수 있다. 질화나트륨 또는 질화칼륨은 알루미늄을 보호할 것이다. 여러 유기화합물(폴리트리아졸과 같은 유기화합물)은 구리를 보호한다. 규산염과 규산염 안정제가 공통으로 첨가된다.

본 발명에서 사용되는 부동액은 매우 미세한 얼음결정의 형성을 촉진한다. 작용하지 않는 첨가제는 현저한 조각결정을 보이는 매우 큰 결정의 형성을 촉진한다. 부동액 화합물은 가정용 냉장고의 냉동실에 시험용액을 하루동안 넣어두어 여과될 수 있을 것이다. 성공적인 부동액 조성물은 농후하나 교반가능한 슬러리로 변화한다. 그렇지 않는 조성물은 매우 큰 얼음조각으로 변하고 휘저을 수도 없다. 이와 같이 5%의 농도로서는 적합치 않는 자동차용 부동액이 Fist Brands Corp, 에서 상품명 "Prestone"과 특허된 부식방지첨가제가 포함되었다고 하는 "STP Heary Duty"과 특허된 부식방지첨가제가 포함되었다고 하는 "STP Heary Duty"로 제조되고 있다. 자동차용 부동액에 있어서는 빙점강하가 글리콜농도를 증가시키므로서 슬러쉬 탱크내의 온도는 얼음이 형성될 때에 안정되게 강하한다. 또한 무기염류의 포화용액을 이용하므로서 일정한 냉동온도로 오르비탈 튜우브 냉동기/냉각기(75)를 작동시킬 수 있다. 과잉염류가 존재할 때에 액상은 항상 형성될 얼음의 양에 관계없이 동일(포화)농도의 염류를 포함한다. 빙점강하(농도에 따라 달라짐)와 빙점은 이 경우에 있어서 모두 일정하다. 이를 소위 공용혼합물의 염류는 저온열저장시스템을 설계할 때에 유용하다. 예를 들어 중탄산나트륨의 공용혼합물은 27℉에서 언다. 모든 공융혼합물이 사용되는 것은 아니다. 그러나 성공적인 염류는 모두 무수결정을 형성한다.

다시 휩롯드(9)의 설계와 작동으로 돌아가서, 휩롯드가 내측면(1a)에 대하여 궤도운동할 때에 이는 하향유동류(14)를 궤도운동(30)의 방향으로 밀어낸다. 이러한 작용으로 롯드의 후측에는 얇은 필름(26)이 남는다. 교란되는 하향유동류(14)와 얇은 필름(26)에서 모두 동결이 일어난다. 하향유동류(14)의 교란과 얇은 필름의 생성은 냉동의 전열특성을 크게 향상시킨다. 이러한 이유로 휩롯드(9)는 얼음이 튜우브의 내측면(1a)에 달라붙는 것을 방지하고 또한 전체 냉동시스템의 효율을 개선한다.

작동에 있어서, 휩롯드는 수중익작용에 의하여 유체의 얇은 필름(26)상에서 미끄럼운동하고 마모와 마찰손실을 감소시킨다. 더우기 휩롯드는 궤도운동의 역학적인 결합을 통하여 회전토록 모우터(8)(8)에 의하여 구동된다. 이는 전통적인 와이퍼와 같이 기계적으로 구동되지 아니한다. 이러한 이유로 휩롯드는 길이방향으로 강도가 클 필요는 없으며 다만 휩롯드가 일측단부에서 세워질 수만 있으면 된다. 실제로 휩롯드는 튜우브의 형상에 적응할 수 있을 정도의 유연성을 가지면 되고 제조허용 공차로 인하여 완벽한 원형이거나 직선일 필요는 없다.

오르비탈형 전열장치에 있어서, 자유롭게 회전하는 휩롯드는 그 전 길이를 따라서 휩롯드의 각 부분에서 원심력이 유체내에서의 교란이 일어나도록 또는 전열면에 대한 고체의 퇴적을 방지하는 것과 같이 서두에서 언급된 바와 같은 기능을 갖도록 사용된다. 기계적인 수단을 통하여 그 결합압력을 유도하는 적극 구동형 와이퍼와는 다르게 오르비탈 구동형 롯드는 요구된 기능을 발휘토록 자체 질량에 의존하고 휩롯드로서 작용하는 면에서 이를 휩롯드라 하였다.

역학적 결합과 얼음제거효율은 휩롯드의 특성, 즉 그 무게와 단면적에 따라 좌우된다. 얼음제어를 위한 필요하중과 견고도를 얻기 위하여 강철 또는 스텐레스 스틸이 좋은 물질이다. 4 피이트(1.22m)길이의 휩롯드(9)는 원형단면의 직경이 3/8 인치(0.94m)인 것이 좋다. 제1도, 제3도와 제5도-제8도에서 보인 원형단면에 부가하여 사각형 휩롯드(9*)(제2도), 삼각형 휩롯드(9**)(제2도에서 가상선으로 보임)또는 길이를 따라서 세로홈이 형성된 기어형 단면의 횝롯드(9***)(제4도)등의 비원 형단면의 롯드가 사용될 수 있다. 사각형과 삼각형의 형상이 자유회전하는 원형단면의 휩롯드(9)(제3도)보다는 저농도첨가제에서 보다 양호하게 작동한다. 변부가 끌과 같은 작용을 한다. 기어형상은 원형과 모가 난 변부형상의 특징을 조합하여 갖는다.

제5A도는 기다란 유니트, 예를 들어 상기 언급된 바와 같이 길이가 4 피이트인 튜우브와 휩롯드로 구성되는 기다란 유니트에 보다 효과적인 것으로 확인된 다른 형태의 휩롯드를 보인것이다. 저마찰물질의 슬라이더(90)가 판(10')에서 휩롯드의 운동이 원활하게 이루어지도록 휩롯드의 하측단부에 착설된다. 오비탈 튜우브(1')에 대한 역학적인 결합을 향상시키기 위하여 휩룻드의 하측 단부부근에 중량체(92)가 착설된다.

휩롯드가 튜우브의 궤도운동으로 회전토록 구동되므로, 시스템 용량은 더 많은 전열튜우브와 휩롯드를 부가하므로서 증가되고 이들이 동일하게 비례하여 확장된 오르비탈 구동시스템에 의하여 구동된다. 이러한 비례화가능성은 OTF 냉동기/냉각기(75)의 주요 잇점이다.

종래 아이스크림 제조기에서 와이퍼와 교반기의 사용은 잘 알려진 기술이다. 여기에서는 통상 1,000,000 c.p.이상의 매우 높은 점성을 갖는 성분을 움직이도록 강력결합형 기구가 사용된다. 오르비탈형 전열장치에 있어서는 처리될 유체의 점성 도범위가 1,000 c.p. 이하로 매우 낮은 반면에 튜우브당 유체의 출력은 1갈론/분으로 매우 크다.

전열장치에 궤도운동을 도입토록 한 셋트 이상의 회전평형체를 이용하는 것이 상기 언급된 미국특허 제4,762,592호에 기술되어 있다. 근본적으로 이러한 종래 기술의 구성에 있어서, 중량체의 무게중심은 공통의 오르비탈중심에 대하여 180° 위상각도관계에서 주요 용기와 모든 휩롯드의 질량에 대하여 평형을 이룬다. 이러한 효과는 해머를 휘두르기 위하여 상체를 뒤로 제치는 해머작업자 또는 남자 아이스스케이터가 자신의 파트너를 회전시키기 위하여 상체를 뒤로 제치는 것과 유사하다. 제1도에서 보인 바와같이 두개의 평형체를 갖는 오르비탈 드라이브(그리고 제8 도에서는 다중튜우브시스템)에 대하여, 하나의 간단한 해법은 중량체가 하나의 단일중량체로서 작용하도록 타이밍벨트, 연결롯드, 기어 또는 전기서보시스템과 같은 여러 가지 형태의 기계적인 커플링을 통하여 두(또는 그 이상) 평형체를 동위상으로 구동시키는 것이 있으며, 이때에 공통의 유효질량중심이 동일 수평면에서 주요 질량의 중심 둘레를 회전한다.

그러나, 실제로는 제1도 또는 제8도에서 보인 바와같이 두개의 평형체가 두 모우드중의 하나, 즉 바람직하기로는 0° 위상각도모우드나 바람직하지 않는 180° 위상각도로 질량 M인 용기, HTT, 휩롯드와 프레임(4), 시이트(40)(41)(42), 부재(11)(11) 및 판(10)과 같이 이들에 견고히 결합된 모든 질량의 분포에 따라서 상호 자동적으로 동기화 될 수 있다.

실제로 제8도에서 보인 주용기, 즉 외측튜우브(2')내의 HTT에서 모든 휩롯드는 평형체에 대하여 180°위상차이에 가깝게 회전토록 구동된다. 이러한 논리에 의하여 상대측에 대한 두 평형체의 효과는 이들사이의 위상각이 180°가 되도록 이러한 성향을 따르는 것으로 생각할 수 있다. 하나의 간단한 경우에 있어서, 제로 궤도운동에 있어서는 동일 중심축상에 착설되어 독립적으로 구동되는 두개의 중량체가 상기 언급된 바와 같은 해머작동과 같이 180° 떨어져 있을 때에 안정화되는 것임을 알 수 있다. 그러나, 본 발명에 대하여서는 위상차이가 제로인 것이 바람직하다.

제8도에서 보인 바와 같이 대칭이 되게 착설되어 독립적으로 구동되는 두 평형체 사이의 상호동기화 효과는 ASME Press 에 의하여 영어번역문과 함께 발간된 I.I. Bleckhman 의 "Synchronizarion In Science And Technology"(1988 판, p78)에서 이론적으로 다루어진 일반적인 역학문제에 속한다. 만족스러운 오르비탈 드라이브는 두개의 평형체가 질량 M의 중심으로 부터 현저하게 멀리 떨어져 위치하는 경우 독립적으로 구동되는 이들 두개의 평형체로 얻을 수 있음을 알 수 있을 것이다. 그밖에 이들은 180° 모우드를 가지므로서 질량이 오르비탈 모우드 대신에 회전 모우드로 진동할 것이다. 특히 이러한 시스템에 있어서 동위상운전 모우드를 얻기 위하여서는 다음 관계식을 만족하여야 한다.

L > √2p

여기에서, L은 시스템 중심으로 부터 평형체의 회전축거리이고 p 는 질량 M 의 회전반경이다.

이 조건은 두 구동모우터(8)(8)중의 하나의 전원입력이 차단되었을 때에는 이들 동기화모우드가 유지될 수 있을 정도로 시험결과를 잘 체크한다. 이러한 조건은 역시 매우 실질적이다. 예를 들어 제8도에서 보인 바와 같이 L의 값은 간단한설계규칙에 의하여 거의 √2p 와 같다.

제9도는 다른 방식의 오르비탈 튜우브 전열시스템을 보인 것으로, 여기에서 튜우브조립체는 고정된 반면에 휩롯드는 궤도운동으로 구동된다. 이 도면에서, 상부 오르비탈 휩롯드 구동판(101)과 하부 오르비탈 휩롯드 구동판(102)은 휩롯드(9)의 상측단부가 느슨히 결합된다. 하부판(102)의 통공(104)은 역시 휩롯드의 하측단부가 결합된다. 판(101)(102)는 브라킷트(111)(111), 편심크랭크(109)(109)와 판에 착설된 베어링(107)(107)에 결합되는 크랭크 핀(108)(108)을 통하여 작용하는 적어도 하나의 구동축(110)에 의하여 궤도운동으로 구동된다. 오르비탈 쉐이커용으로 공통사용되는 유사종류의 드라이브에서 병진운동과 같은 운동이 이루어지도록 상하판에 두개의 부가적인 크랭크가 사용된다. 축(110)은 벨트(113)로 함께 결합된 풀리(112)(114)를 통하여 모우터(116)에 의하여 구동된다. 모우터(116)의 회전으로 축(110)이 회전하고 이는 판(101)(102)과 이에 결합된 휩롯드(9)를 궤도운동으로 구동시킨다. 또한 튜우브(1)상에 배치된 단일모우터(116')(제9A도)가 튜우브의 단부벽을 통하여 회전베어링(190)으로 연장된 구동축(110')을 회전시킨다. 평형체(7a)가 축에 착설되어 있다. 편심체(109')가 구동축을 제2축(108')에 연결하고 이는 외측 튜우브 단부벽에 착설된 베어링(190)에서 회전하는 축(110a)에 결합된 다른 편심체(109')에 HTT(1)의 하나를 통하여 연장된다. 축(110a)은 또한 평형체(7a)를 재가한다.

공급유체(102)가 상부판(101)에 공급된다. 튜우브가 고정되어 있으므로 튜우브상에서 액체의 균일한 분배가 와이퍼형 분배기와 같은 전통적인 방법으로 이루어진다. 제12도는 휩롯드(9)의 상측단부를 구동시키는데 사용되는 개방부(103)를 통하여 공급액을 분배토록 오르비탈 드라이브 상부판(101)의 이용을 보인 것이다. 이와 같이, 공급액은 개방부(103)내측에서 운동하는 휩롯드(9)의 윤활제로서 사용되며 휩롯드(9)의 운동으로 개방부(103)는 얼음의 일부를 포함하여 공급액에 의해 실려오는 다른 고체에 의하여 폐색되는 것이 방지된다.

제11도의 유출류(15)는 HTT(1)의 하측에 배치된 하부판(102)의 통공(106)을 통하여 하측으로 배출된다.

제1도, 제5도와 제8도의 실시형태에서, 튜우브(1)의 하측으로 흐르는 하향유체(14)는 휩롯드 없이도 역학적인 오르비탈 결합을 통하여 튜우브내측에서 회전토록 구동된다. 이에 반하여 제9도에서의 고정형 튜우브구조에서는 튜우브내의 유체가 튜우브내에서 회전하는 동안 원심력에 의하여 결합압력을 발생하는 회전롯드에 의하여 확산된다. 롯드는 휩롯드이지 와이퍼 롯드가 아니다. 이는 판(10)에서 그 하측단부에 의하여 자유롭게 세워진 상태에 있게 된다. 상기 언급된 설계 및 작동요소에 따라 관련된 내측면(1a)에 마주보는 위치라고 가정해도 좋다.

적극적인 기구로서 휩롯드를 구동시키는 것이 번거로운 것처럼 보이나 무게가 전체 냉동기/냉각기(75)의 10%이하인 그 관련기구를 포함하여 휩롯드를 구동시키는 것은 매우 유리하다. 따라서 초대형 설비용의 대형현가시스템을 이용하지 않아도 되고 가동형 전열장치와 이에 관련된 고정실비사이의 가압냉각제의 유동을 취급하기 위한 다양성을 갖는 커플링을 필요로 하지 않을 수 있다.

이러한 고정튜우브/궤도운동 휩롯드의 실시형태는 특히 냉동기/냉각기(75)가착설되는 관성기준프레임이 해양선박이나 이동수송수단처럼 움직이는 경우에 적합하다. 실제 적용예의 하나는 어선에서 포획하여 저장하는 해산물의 냉동이 있다.

제9도에서 보인 오르비탈 휩롯드 실시형태의 한 관점은 구동판(101)(102)과 모우터 사이에 씨일을 필요로 하는 튜우부(2)의 외부에 전기 모우터(116)를 배치하는 것이 좋다는 점이다. 다양한 형태의 공지된 회전씨일이 사용될 수 있다. 그러나, 이러한 씨일은 마모되어 파손되기 쉬우며 부가적인 비용도 소요된다.

회전씨일을 사용하지 않는 다른 형태의 밀폐 및 구동구성이 제10도에 도시되어 있다. 외갑체(119)가 각각 휩롯드(9)를 갖는 다중 튜우브(1)(2)를 둘러싸고 있다. 한쌍의 견고한 링(120)(120)이 오르비탈 휩롯드 구동판으로서 작용한다. 두 셋트의 와이어(121)와 롯드취부링(103)이 각 링(120)으로 부터 각 휩롯드에 궤도운동을 총체적으로 전달하는 형태로 도시된 바와 같이 연결되어 있다. 각 링(120)은 두셋트의 케이블(122)(122)(122*)(122*)사이에 연장되고 세일로서 작용하는 4개의 벨로우즈(123)를 갖는 구동판(124)(124*)을 통하여 구동된다. 이들 구동판(124)(124*)의 선형진동운동은 합성궤도운동을 일으키도록 한다.

제10도의 드라이브는 제11도에서 보인 바와같이 회전베인형 유체분배시스템에 사용토록 되어 있는 것이다. 이는 유체를 HTT(1)의 상측단부로 균일하게 분배토록 회전베인(133)에 착설된 노즐(134-137)(134'-137')를 사용한다. 유체는 통공(140)을 갖는 주도관(130)과 회전베인의 하우징(132)이 지지된 스러스트 베어링(131)으로 도입된다. 중공형 베인(133)은 도시된 바와같이 각각 수개의 노즐(134-137)(134'-137')을 갖는 직경방향으로 정렬된 두개의 암으로 구성된다.이러한 배치구조로 베인을 잔디밭 스프링클러와 같이 사전에 결정된 방향으로 회전시킨다. 노즐의 오리피스는 사전에 주어진 압력강하시에 각 스프레이(141-144)의 환상트랙사이의 횡방향 유동을 최소화하도록 제공된다.

방법으로서 보았을 때에 본 발명은 전열튜우브를 제공하는 단계, 전열튜우브를 수직으로 배치하는 단계, 전열튜우브의 내측면으로 액체를 유동시키는 단계, 튜우브의 외면을 냉각시키는 단계와, 튜우브외면으로 휩롯드를 궤도운동시키므로서 내측면에 대한 동결액체를 제어하는 단계로 구성된다. 또한 본 발명의 방법은 기계적인 제거가 용이하게 이루어지도록 결정과 내면사이의 결합강도를 줄이는 화학제를 액체에 첨가하는 단계를 포함한다.

구체화된 형태에서, 냉각은 외측면에서 상측으로 냉각제 액체를 유동시켜 이것이 증발되도록 하므로서 이루어진다. 또한 본 발명은 전열효율을 높이도록 외측면으로 냉각제와 증발된 증기를 고속으로 대류시키는 단계를 포함한다. 또한 본 발명서 방법은 연속으로 튜우브로 부터 나오는 유출류가 수집되고 다시 튜우브로 보내어질 수 있게 되어 있다. 이러한 방법은 액체를 동시에 다수의 전열튜우브로 공급하고 다수의 튜우브로 부터의 유출류를 수집하여 재순환시키는 것과 같이 전열튜우브의 크기와 수효면에서 변경될 수 있다. 제어단계는(1) 휩롯드가 역학적인 결합을 통하여 구동되게 튜우브를 궤도운동으로 구동시키는 단계와 (2)튜우브를 고정시킨 상태에서 휩롯드를 적극적인 결합으로 구동시키는 단계를 포함한다. 구동과정은 상호 위상동기화 상태로 튜우브에 확고하게 고정된 다수의 평형체를 회전시키는 단계와, 평형체를 시스템의 무게 중심으로부터 √2p 보다 큰 거리 L의 위치에 배치하는 단계로 구성되며, 여기에서 p는 시스템 질량 M의 회전반경을 나타낸다. 본 발명의 적극구동형 롯드의 형태에 있어서, 오르비탈 구동은 궤도운동을 일으키는 단계, 이를 롯드에 기계적으로 결합하는 단계와, 전열튜우브에 인접한 영역으로 부터 발생하는 궤도운동의 영역을 밀폐하는 단계를 포함한다.

한계를 두는 것은 아니고 다만 설명을 위하여 제5도-제8도에서 보인 형태의 냉동기/냉각기(75)는 각각 높이가 4 피이트(1.2m)이고, 벽두께가 0.049 인치(1.24 mm)인 탄소강으로 만들어지며 외경이 1 1/2 인치(3.175cm)인 7개의 HTT를 이용한다. 휩롯드 또한 높이가 4 피이트이고 단면이 원형이며 직경이 3/8 인치(0.95cm)인 스텐레스 스틸로 만들어진다. 첨가제는 자동차용 부동액을 물기 용해한 5%-10% 용액이고 튜우브마다 약 1.2 gpm의 유량으로 공급된다. 오르비탈 드라이브는 궤도반경(9)이 1/4 인치(0.635cm)이고 380 rpm의 속도를 보인다. 이러한 구성은 800 BUT/sg.ft/hr/℉이상의 전열효율을 가지고 연속으로 아이스 슬러리를 생산할 수 있는 것으로 입중된바, 이는 슬리퍼리 아이스를 생산하는 현재의 냉동기에 비하여 약 3배이고 현재의 판상형 제빙기보다는 약 10배의 효율이다. 본 발명의 일반적인 오르비탈 튜우브방식을 이용하여 보다 큰 효율을 기대할 수 있을 것이다.

신형 "슬리퍼리 아이스" 냉동기에 비교하였을 때에 슬리퍼리 아이스 기술에 단 하나만의 첨가제만 알려져 있는 반면에 본발명에 있어서는 해수를 포함하는 다양한 첨가제를 이용할 수 있다는 점이 결정적인 잇점이다. 다른 잇점은 열류속이 두배 개선된 점으로, 슬리퍼리 아이스는 열류속이 너무 높을 때에 전열면에 달라붙기 시작한다. 다른 잇점은 슬리퍼리 아이스의 경우에 빙점이 -2.3℃인 것에 반하여예를 들어 -1.7℃로 빙점이 높은 점이며, 이러한 빙점은 주위온도에 따라 에너지 비용을 2%-3% 절감시킬 수 있도록 한다. 본 발명에서는 고분자량의 첨가제를 이용하므로서(이에 따라 빙점도 증가한다) 절감효과가 더욱 커질 수 있다. 슬리퍼리 아이스 유니트는 얼음이 달라붙지 않도록 표면이 고도로 광택처리되는 것이 요구되나 본 발명은 그렇치 않다. 또한 설비크기의 감소, 오르비탈 튜유브 대 슬리퍼리 아이스는 약 2:1, 그리고 판상제빙기에 대하여서는 10:1로 설비크기가 감소될 수 있어 오르비탈 드라이브에 특별경비가 소요된다는 점을 고려하여도 설비비용을 절감할 수 있다.

이상은 냉동 및 냉각장치와 방법을 설명하였으며 이러한 본 발명의 장치와 방법은 냉각과/또는 냉동된 슬러리를 연속하여 생산할 수 있으며 종래의 기술에 비하여 전열효율이 수 배가 크다. 본발명은 처리액체나 첨가제에 제한을 두지 아니한다. 설비도 기계적인 와이퍼 시스템과 같이 어떠한 제한적인 구성이나 마모성이 부품이 사용되지 아니한다.

이상의 발명이 상향류 증발시스템에 대하여 설명되었으나 전열튜우브의 외측면에서 열을 빼앗는데 여러 가지 구성이 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 또한 요구된 궤도운동을 위하여 다양한 구성이 사용될 수 있다. 예를 들어 하나 이상의 동축상 회전평형체와 조합하여 작용하는 스프링탄지형 스트러트를 이용하는 구성이 미국특허 제4,762,592호에 기술되어 있다. 또한 냉동기/냉각기의 내부에 있는 궤도운동요소에 자기결합되고 비-기계적인 드라이브가 사용될 수 있다. 또한 본 발명이냉장용의 아이스 슬러리를 생산하는데 촛점을 맞추고 있으나 과실쥬우스와 같은 음료제품의 농축과 같이 액체를 냉각 또는 동결하는데에도 적용할 수 있다. 이들 및 다른 변형형태는 수정형태는 본 발명의 청구범위내에 속할 것이다.

Claims (38)

1. 액체를 냉동 또는 냉각시키기 위한 냉동장치에 있어서, 이 냉동장치가 전열특성이 높은 물질로 구성되고 상하측단부와 내외측면(1a)(1b)이 수직으로 배치되며 상측단부부근의 내측면(1a)에서 냉동 또는 냉각될 액체가 공급 될 수 있게 된 전열튜우브(1), 상기 전열튜우브(1)의 외면에서 폐쇄된 증발기 챔버(3)를 형성하도록 상기 전열튜우브(1)를 둘러싸고 있는 하우징을 구성하는 외측튜우브(2), 상기 전열튜우브(1)의 외측면(1b)으로 상기 챔버(3)를 통하여 냉각제를 순환시키므로서 냉각제가 상기 전열튜우브(1)를 통하여 상기 액체로 부터 상기 냉각제로 전달되는 열에 의하여 순환토록 하는 냉각수단(80), 상기 전열튜우브(1)내에 배치된 횝롯드(9)와, 상기 내측면(1a)의 주위를 회전토록 상기 휩롯드(9)를 궤도운동으로 구동시키기 위한 오르비탈 구동수단으로 구성됨을 특징으로 하는 오르비탈형 냉동장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 액체유동류내에 상기 내측면(1a)에 형성된 동결액체의 결정을 기계적으로 제거하는 것이 용이하도록 하는 화학제가 포함됨을 특징으로 하는 오르비탈형 냉동장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 화학제가 에틸렌 글리콜, 에틸렌 글리콜용액, 프로필렌 글리콜용액, 우유, 해수, 칼슘 마그네슘아세테이트와 무수결정을 형성하는 무기염류로 구성되는 그룹으로 부터 선택됨을 특징으로 하는 오르비탈형 냉동장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 오르비탈 구동수단이 상기 전열튜우브(1)에 결합되어 이를 구동시키고 상기 휩롯드(9)가 상기 오르비탈 구동수단과의 역학적인 결합으로 구동됨을 특징으로 하는 오르비탈형 냉동장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 전열튜우브(1)가 고정되고 상기 오르비탈 구동수단이 상기 휩롯드(9)만을 구동시킴을 특징으로 하는 오르비탈형 냉동장치.
6. 제1항에 있어서, 액체유동류를 수집하기 위하여 상기 전열튜우브(1)의 하측에 배치되고 그 하측단부에서 상기 전열튜우브(1)로부터 나오는 액체를 냉동시키는 수단인 탱크(19)와, 상기 수집된 액체유동류를 상기 전열튜우브(1)로 재순환시키기 위한 수단으로서 공급튜우브(12)와 재순환펌프(21)가 구성되어 있음을 특징으로 하는 오르비탈형 냉동장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 휩롯프(9)가 그 일측단부에서 상기 전열튜우브(1)내에 자유스럽게 세워질 수 있을 정도로 강인함을 특징으로 하는 오르비탈형 냉동장치.
8. 제7항에 있어서, 상기 휩롯드(9)가 작동중에 상기 내측면(1a)에 불규칙한 형상에 순응토록 충분한 유연성을 가짐을 특징으로 하는 오르비탈형 냉동장치.
9. 제7항에 있어서, 상기 휩롯드(9)의 단면이 원형임을 특징으로 하는 오르비탈형 냉동장치.
10. 제9항에 있어서, 상기 휩롯드(9)의 외측면에 세로홈이 형성됨을 특징으로 하는 오르비탈형 냉동장치.
11. 제7항에 있어서, 상기 휩롯드(9)의 단면이 비원형임을 특징으로 하는 오르비탈형 냉동장치.
12. 제7항에 있어서, 상기 휩룻드(9)가 상기 하측 단부에 마찰이 적은 판(10)이 배치됨을 특징으로 하는 오프비탈형 냉동장치.
13. 제7항에 있어서, 상기 휩롯트(9)가 상기 궤도운동이 용이하게 이루어지도록 그 하측단부 가까이에 중량체(92)가 착설됨을 특징으로 하는 오르비탈형 냉동장치.
14. 제1항에 있어서, 상기 냉각제의 유동을 제어하기 위하여 상기 챔버 내에 배치된 기계적인 수단이 구성되어 있음을 특징으로 하는 오르비탈형 냉동장치.
15. 제14항에 있어서, 상기 냉각제의 유동을 제어하기 위한 기계적인 수단이 상기 챔버(3)내에서 상기 냉각제를 위한 대류통로를 형성하도록 상기 전열튜우브(1)의 둘레에서 상기 챔버(3)내에 단부개방형 자켓튜우브(35)가 배치됨을 특징으로 하는 오르비탈형 냉동장치.
16. 제15항에 있어서, 상기 단부개방형 자켓튜우브(35)가 상기 전열튜우브(1)의 외측면(1b)상에서 증기/포말 상태인 상기 냉각제의 고속환상유동이 이루어지도록 상기 전열튜우브(1)에 대하여 고정됨을 특징으로 하는 오르비탈형 냉동장치.
17. 제15항에 있어서, 상기 단부개방형 자켓튜우브(35)가 상기 오르비탈 구동에 응답하여 상기 전열튜우브(1)의 둘레를 자유롭게 회전함을 특징으로 하는 오르비탈형 냉동장치.
18. 제15항에 있어서, 상기 단부개방형 자켓튜우브(35)에 대하여 하나씩 각각 결합된 다수의 상기 전열튜우브(1)가 있음을 특징으로 하는 오르비탈형 냉동장치.
19. 제18항에 있어서, 상기 자켓튜우브와 상기 전열튜우브로 구성되는 냉동기조립체내에 상기 냉각제를 분배하기 위한 기계적인 분배수단이 구성되어 있음을 특징으로 하는 오르비탈형 냉동장치.
20. 제19항에 있어서, 상기 기계적인 분배수단이 수평으로 연장되고, 상기 챔버(3)를 형성토록 상기 다수의 전열튜우브(1)에 밀폐된 상부 및 하부시이트(40)(41)와, 상기 상부시이트로부터 근접하게 간격을 두고 상기 전열튜우브(1)의 각각으로부터 환상으로 간격을 두고 수평으로 연장된 제3의 내부격벽(42)으로 구성됨을 특징으로 하는 오르비탈형 냉동장치.
21. 제4항에 있어서, 상기 오르비탈 구동수단이 고정기준구조물(6), 상기 외측튜우브(2)에 견고히 결합된 지지부재인 프레임(4), 상기 외측튜우브(2)와 상기 전열튜유브(1)의 자유로운 궤도운동을 허용토록 상기 고정기준구보물(6)에 상기 프레임(4)을 취부하기 위한 수단, 평형체 수단과, 상기 평형체를 수평면에서 회전시키기 위하여 상기 프레임에 견고하게 결합된 수단으로 구성됨을 특징으로 하는 오르비탈형 냉동장치.
22. 제21항에 있어서, 상기 취부수단이 상기 고정기준구조물(6)과 상기 프레임(4)사이에 연장된 3개 이상의 수직방향 힘 담지부재인 케이블(5)로 구성됨을 특징으로 하는 오르비탈형 냉동장치.
23. 제21항에 있어서, 상기 평형체 수단이 공통평면상에 놓이는 한쌍의 평형체(7, 7)로 구성되고, 상기 평형체를 회전시키기 위한 수단이 상기 각 평형체를 위한 독립된 구동모우터(8, 8)로 구성됨을 특징으로 하는 오르비탈형 냉동장치.
24. 제23항에 있어서, 상기 한쌍의 평형체(7, 7)의 회전중심으로 부터 상기 냉동장치(75)에 견고히 부착된 모든 질량을 포함하여 상기 냉동장치의 질량 M의 중심까지의 거리 L이 √2p (여기에서, p는 질량 M의 회전반경)보다 큼을 특징으로 하는 오르비탈형 냉동장치.
25. 제1항에 있어서, 상기 구동수단이 회전구동을 일으키기 위한 수단, 상기 회전운동을 궤도운동으로 변화시키기 위한 변환수단과, 상기 궤도운동을 상기 휩롯드에 결합시키기 위한 결합수단을 포함함을 특징을 하는 오르비탈형 냉동장치.
26. 제25항에 있어서, 상기 변환수단이 구동축(110)과 상기 축(110)에 착설된 하나 이상의 편심크랭크(109)로 구성되고, 상기 결합수단이 상기 편심크랭크(109)와 상기 휩롯드(9)사이에 연결된 상호 평행하게 간격을 둔 한 쌍의 판(101, 102)을 포함함을 특징으로 하는 오르비탈형 냉동장치.
27. 제1항에 있어서, 상기 구동수단이 궤도운동을 일으키기 위한 수단과 상기 궤도운동을 상기 휩롯드(9)에 기계적으로 결합시키기 위한 결합수단을 포함함을 특징으로 하는 오르비탈형 냉동장치.
28. 제27항에 있어서, 다수의 전열튜우브(1)와 이에 결합된 휩롯드(9)로 구성되고, 상기 기계적인 결합수단이 상기 휩롯드(9)를 둘러싸고 있는 하나 이상의 견고한 링(120)과, 상기 링(120)과 휩롯드(9)를 연결하기 위한 수단을 포함함을 특징으로 하는 오르비탈형 냉동장치.
29. 제28항에 있어서, 궤도운동을 일으키기 위한 상기 수단이 각 쌍이 직경방향으로 대향된 두 쌍의 구동판(124)과 상기 챔버로 부터 상기 구동판을 밀폐하기 위한 수단으로 구성됨을 하는 오르비탈형 냉동장치.
30. 액체를 냉동 또는 냉각시키기 위한 냉동방법에 있어서, 상기 냉동방법이 높은 전열특성을 갖는 물질의 열교환튜유브(1)를 제공하는 제공단계, 개방형 상하측 단부를 갖도록 튜우브를 수직으로 배치하는 배치단계, 상측단부에서 상기 전열튜우브(1)의 내측면(12a)에 액체를 도입하여 상기 전열튜우브(1)의 내측면(1a)을 따라 액체가 하측으로 유동토록 하는 도입단계, 상기 액체가 하측으로 유동하는 상기 전열튜유브(1)의 외측면(1b)을 따라 냉각제를 유동시켜 열이 전열튜우브(1)를 통하여 액체로 부터 냉각제로 열이 유동토록하여 일부의 냉각제가 증발하여 액체를 냉각시키므로서 이를 냉동시키는 단계와, 상기 전열튜우브의 내측면에서 전열튜우브내의 휩롯드(9)를 궤도운동으로 회전시켜 상기 전열튜우브의 내측면에 동결액체의 형성을 제어한는 제어단계로 구성됨을 특징으로 하는 오르비탈형 냉동방법.
31. 제30항에 있어서, 액체가 물이고 상기 제어단계가 얼음이 분말상결정구조를 형성하므로서 상기 제어단계가 용이하게 이루어지도록 화학제를 물에 첨가하는 화학제첨가단계로 구성됨을 특징으로 하는 오르비탈형 냉동방법.
32. 제31항에 있어서, 상기 화학제첨가단계가 글리콜수용액을 생성하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 오르비탈형 냉동방법.
33. 제31항에 있어서, 상기 화학제첨가단계가 냉동시 무수결정을 생성하는 액체무기염류에 용해하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 오르비탈형 냉동방법.
34. 제30항에 있어서, 상기 전열튜우브(1)의 하측단부로 부터 옮겨지는 액체와 냉동액체를 수집하는 단계와 상기 전열튜우브로 수집된 액체를 재순환시키는 단계를 포함함을 특징으로 하는 오르비탈형 냉동방법.
35. 제30항에 있어서, 상기 액체를 도입하여 유동시키는 도입단계가 상기 전열튜우브(1)의 외측면(1b)에 인접하여 증기/포말상태로 상기 냉각제의 얇은 고속유동이 이루어지도록 하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 오르비탈형 냉동방법.
36. 제30항에 있어서, 상기 회전단계가 상기 전열튜우브(1)에 한 셋트의 평형체(7, 7)를 견고히 결합하는 단계와 이들 평형체(7, 7)를 위상동기화상태로 회전시키는 단계를 포함함을 특징으로 하는 오르비탈형 냉동방법.
37. 제34항에 있어서, 상기 회전단계가 상기 제공단계, 상기 도입단계, 상기 증발단계와 상기 제어단계를 위하여 기계적인 요소가 사용되는 역학적 특징을 상기 위상동기화를 유지함을 특징으로 하는 오르비탈형 냉동방법.
38. 제30항에 있어서, 상기 회전단계가 상기 전열튜우브(1)가 고정되어 있는 동안에 상기 휩롯드(9)를 궤도운동으로 적극적이고 기계적으로 구동시키는 단계를 포함함을 특징으로 하는 오프비탈형 냉동방법.