KR100468305B1 - 미세한 스노우 입자를 응집시키는 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 장치는 가압된 이산화탄소 유체로부터 스노우를 생성시킨다. 공급 도관은 가압된 유체 흐름을 전달한다. 공급 도관에 부착된 팽창 부재는 유체상에 가해지는 압력을 감소시켜 압력이 감소된 유체를 가스와 미세한 스노우 입자의 혼합상 스트림으로 전환시키기 위해 다수의 채널을 지닌다. 상기 채널은 평균 직경, 및 평균 직경의 2배 이상이 되는 평균 길이를 갖는다. 다수의 채널에 부착된 응집 챔버는 미세한 스노우 입자를 함께 접촉시킴으로써 미세한 스노우 입자를 응집시킨다.

Description

미세한 스노우 입자를 응집시키는 방법 및 장치 {METHOD AND APPARATUS FOR AGGLOMERATING FINE SNOW PARTICLES}

본 발명은 극저온 스노우(snow) 입자를 생성시키기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 이산화탄소 유체의 흐름을 증기 및 미세한 스노우 입자의 흐름으로 전환시킨 후 미세한 스노우 입자를 거대한 플레이크로 추가로 응집시키기 위한 개선된 방법 및 노즐 구조체에 관한 것이다.

이산화탄소로부터 생성된 스노우 입자는 냉동 식품의 제조에 널리 사용된다. 이산화탄소 액체의 대규모 저장은 이산화탄소 가스를 냉동 조건에 적합한 압력 및 온도하에서 유지시킴으로써 가능해진다. 저장 탱크가 0℉(-18℃) 및 제곱 인치당 약 300lbs.의 압력(2MPa)에서 유지되는 경우에, 이산화탄소는 액체 형태로 존재하게 된다. 상기 이산화탄소를 사용하는 경우에, 액체 이산화탄소는 다수의 작은 오리피스를 통한 급팽창에 의해 미세한 이산화탄소 스노우와 증기의 혼합물로 전환된다.

이산화탄소 스노우를 생성시키기 위한 종래의 장치는 비교적 단순한 오리피스를 사용하여 이산화탄소 액체 공급물의 팽창이 일어날 수 있게 한다. 그러나, 전형적으로, 스노우 호른(horn) 및 오리피스와 같은 종래의 팽창 장치 또는 노즐은 스폿 충격식 패턴을 생성시킨다. 이들은 소리가 크고, 부피가 크며, 작은 공간에는 부적합하다. 또한, 고속의 이산화탄소 스노우는 고른 스노우 블랭킷(blanket)을 적용할 수 없게 하고, 피자위의 치즈 토핑 또는 제과점 품목위의 거품 토핑과 같은 부서지기 쉬운 품목을 손상시킬 수 있다.

킬번(Kilburn)의 미국특허 제 3,667,242호에는 이산화탄소 스노우를 생성시키기 위한 구조체가 기술되어 있는데, 상기 구조체에서는 액체 이산화탄소가 중공의 이중 측벽의 원통형 호른의 상부로 흐른다. 이러한 호른은 개방된 바닥 및 폐쇄된 상부를 갖는다. 원통형 호른의 최상단부에 있는 노즐은 호른내에서 형성된 스노우에 소용돌이식 접선 이동을 제공한다.

카터, 쥬니어(Carter, Jr.)의 미국특허 제 4,111,362호에는 이산화탄소 스노우 제조용 노즐 장치가 기술되어 있다. 이산화탄소 트랜스버스(transverse) 제트의 쌍이 이산화탄소를 호른 영역으로 분사시킨다. 스노우와 증기의 팽창성 제트 혼합물은 충돌하여 제트의 에너지를 분산시킨다.

미국특허 제 4,287,719호는 만곡된 직사각형 튜브(J 호른)를 사용하여 J 호른 출구에 정위된 두 개의 실린더의 벽을 따라 방사상으로 증기 및 고체 혼합물을 분사시킨다. 상기 정위는 하나의 실린더의 벽을 따라 CO₂의 흐름의 절반을 분사시키고, 나머지 실린더의 벽을 따라 나머지 절반을 분사시키게 한다. 이러한 분사는 CO₂스노우의 두 개의 반대 회전 흐름을 형성시킨다. 이들 흐름은 수직 하향으로 떨어지고, 함께 혼합되어 커다란 저속 스노우를 형성시킨다.

프랭클린, 주니어(Franklin, Jr.)의 미국특허 제 4,376,511호에는 매니폴드가 채널 부재내에 정위되고 이산화탄소 스노우가 채널 부재 측면을 향해 분배되는 이산화탄소 스노우 형성 장치가 기술되어 있다. 이러한 장치는 스노우의 운동 에너지의 일부를 분산시킨다.

프랭클린, 주니어의 미국특허 제 4,462,423호에는 이산화탄소 스노우 형성 헤더가 기술되어 있다. 상기 헤더를 따라 정위된 노즐은 다수의 영역이 이산화탄소 스노우를 분배할 수 있게 해준다.

프랭클린, 주니어의 미국특허 제 4,640,460호에는 한쌍의 노즐이 내장된 이산화탄소 스노우 형성 헤더가 기술되어 있다. 액체 이산화탄소 공급물은 노즐의 유입 단부로 공급된다. 또한, 액체 이산화탄소를 노즐의 유입 단부에 적용시키는 것은 공급 라인을 냉각시켜서 공급되는 액체 이산화탄소의 온도를 삼중점으로 감소시킨다.

앞서의 응집 방법 및 디자인의 문제를 해소시키기 위한 연구가 진행되어 왔다. 그러나, 미세한 스노우 응집 또는 미세한 스노우 응집 방법과 관련된 종래 기술은 거의 존재하지 않는다.

예를 들어, 시마스(Simas) 등의 미국특허 제 5,868,003호에는 0.2 내지 300미크론 범위의 미세한 스노우 입자를 생성시키기 위한 장치가 기술되어 있다. 이러한 장치는 다양한 응집 장치에 직접 커플링되거나 중간적인 압력 팽창부를 통해서 커플링된다. 이러한 장치는 미세한 고속 플레이크 스트림을 생성시킨다. 이들 플레이크는 실온 상태의 식품과 접촉시에 승화한다. 이러한 기술은 물체를 급속하게 냉동시키는데는 매우 효과적이다. 불운하게도, 고속은 연약한 저밀도 식품과 관련해서는 문제가 된다. 더욱이, 식품 공급업자는 신선한 생선과 같은 다수의 식품을 냉각시키기를 원하지만 냉동시키기를 원하지는 않는다. 이러한 기술에 의해 생성된 미세한 플레이크는 보호 코팅으로서 형성되기 전에 식품을 냉동시킨다.

고도로 응집된 스노우를 생성시키는 개선된 스노우 분배 장치 및 방법이 여전히 요구되고 있다. 더욱이, 이러한 장치는 냉각되는 식품 또는 그 밖의 제품을 가로지르는 입자의 고른 적용을 보장하도록 비교적 일정한 입자 치수를 갖는 스노우 입자를 생성시켜야 한다.

스노우 분배 노즐 장치는 노즐 또는 배출관을 막히게 하는 스노우 입자로 인해 문제가 될 수 있다. 게다가, 노즐은 스노우처리되는 제품 또는 표면에 대하여 거의 수직 배향이 될 필요가 있었다. 이들은 또한 비교적 거대한 호른 배출 장치를 필요로 하였는데, 이러한 장치는 물리적으로 제한된 공간에서 적용하기에 그리고 매우 국소적인 영역으로 배출시키기에는 적합하지 않다.

미세한 스노우 분배 노즐의 적용은 제한적이었는데, 그 이유는 예를 들어 약 10 내지 300미크론의 미세 입자의 고속 스트림이 일부 스노잉 적용에 유용하지 않았기 때문이다. 미세한 스노우 입자는 랜딩(landing) 즉시 승화하는 경향이 있으므로, 제품상에 축적되지 않는다. 보통의 실온 공기로 유입되는 이러한 미세한 스노우 제트는 미세한 스노우와 가온 공기의 혼합으로 인해 노즐로부터 팽창될 때 거의 곧바로 승화할 것이다. 또한, 미세한 입자의 고속 흐름은 이들 입자가 특정의 표면에 부착되지 못하게 하는 경향이 있다. 응집 장치에는 전형적으로 고체 증기 혼합물을 고르게 팽창시키고 감속시키는 호른 및 분사장치가 들어있다. 이러한 유형의 장치는 미세한 스노우를 충분하게 응집시키지 못한다. 전형적인 호른은 영역내에서의 갑작스런 팽창 및 수축을 피하기 위해 사용된다. 이것은 흐름 재순환으로 인한 막힘 문제를 유발시킨다.

따라서, 본 발명의 목적은 스노우 입자를 응집시켜 거대한 스노우플레이크를 제공할 수 있는 개선된 스노우 분배 노즐 장치를 제공하는 데에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 스노우 입자 크기, 속도 및 스노우 패턴을 변경시킬 수 있는 개선된 스노우 분배 노즐을 제공하는 데에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 소음이 적고, 소형이고, 디자인이 단순하며 모든 배향으로 작동되는 개선된 스노우 분배 노즐을 제공하는 데에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 팽창 부재를 지지하고 이를 스노우 분배 노즐에 장착시키기 위한 개선된 구조체를 제공하는 데에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 미세한 스노우 입자를 커다랗고 보다 유용한 크기의 입자로 응집시키는 개선된 방법을 제공하는 데에 있다.

도 1은 원통형 호른이 부착된 스노우 생성 장치의 수직 단면도로서, 고체/증기 흐름 패턴을 보여주고 있다.

도 2는 다수의 채널 삽입체를 보유하는 팽창 부재 조립체의 수직 단면도이다.

도 3은 다공성 채널 삽입체를 보유하는 팽창 부재 조립체의 수직 단면도이다.

도 4는 부분 파단면도로 도시한 노즐 장치의 수직 단면도로서, 고체/증기 흐름 패턴을 보여주고 있다.

도 5는 굽은 튜브 및 스노우 호른이 결합된 노즐 장치의 수직 단면도이다.

도 6은 굽은 튜브가 결합된 노즐 장치의 또 다른 구체예의 수직 단면도이다.

도 7은 도 6의 굽은 튜브를 통한 고체 및 기상 이산화탄소의 흐름 패턴을 도시하는 부분 파단면도로 도시된 수직 단면도이다.

도 8은 중간 압력 챔버를 포함하는 노즐 장치의 수직 횡단면도이다.

도 9는 슬롯 형상의 노즐이 결합된 노즐 장치의 수직 횡단면도이다.

도 10은 도 9의 라인 10-10을 따라 절취한 덕트(duct) 수단의 일부를 도시하는 측면도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

12 : 공급 도관 14 : 채널

16 : 덕트 수단 18 : 호른

20, 92 : 보어 22, 86 : 입구

24 : 호른 출구 34 : 재순환 영역

50 : 팽창 부재 조립체 52 : 홀더

54 : 공동 55, 70 : 채널

56 : 팽창 부재 62 : 중심부

64 : 주변부 68 : O-링

80 : 노즐 장치 82 : 관형 부재

84 : 칼라 100 : 배출 호른

본 발명의 장치는 가압된 이산화탄소 유체로부터 스노우를 형성시킨다. 공급 도관은 가압된 유체 흐름을 전달한다. 공급 도관에 부착된 팽창 부재는 유체에 대한 압력을 감소시키고 감압 상태의 유체를 가스와 미세한 스노우 입자의 혼합상 스트림으로 전환시키기 위한 다수의 채널을 함유한다. 상기 채널은 평균 직경, 및 평균 직경의 2배 이상이 되는 평균 길이를 갖는다. 다수의 채널에 부착된 응집 챔버는 미세한 스노우 입자를 함께 접촉시킴으로써 미세한 스노우 입자를 응집시킨다.

본 발명의 방법은 가압된 이산화탄소로부터 거대한 스노우플레이크를 생성시킨다. 본 발명의 방법은 먼저 가압된 유체의 공급물을 제공한 후, 가압된 유체를 다수의 채널을 통해 저압 챔버로 보낸다. 가압된 유체의 팽창은 미세한 스노우 입자와 가스의 혼합물을 생성시킨다. 다수의 채널은 평균 직경, 및 평균 직경의 2배 이상되는 평균 길이를 갖는다. 마지막으로, 미세한 스노우 입자를 스노우플레이크로 응집시키는 것은 다수의 냉각 적용에 적합한 생성물을 형성시킨다.

발명의 상세한 설명

본 발명의 장치 및 방법은 승화되기 쉬운 스노우의 미세한 스트림을 유용한 응집된 스노우플레이크로 전환시킨다. 미세한 스트림은 채널을 통해 극저온 유체의 조절된 팽창으로부터 형성된다. 바람직한 극저온 유체는 이산화탄소이다. 그러나, 본 발명은 채널을 통해 팽창되어 미세하게 분산된 극저온 패턴을 생성시키는 다른 극저온 유체에 대해서도 동일하게 적용되는 것으로 이해되어야 한다.

도 1을 보면, 액체 이산화탄소와 같은 가압된 가스가 공급 도관(12)으로 유입된다. 가압된 가스는 채널(14)을 통해 이동하여 미세한 스노우 입자 스트림을 생성시킨다. 유리하게는, 극저온 유체는 액체로서 채널로 유입되고 스노우와 가스의 혼합물로서 채널로부터 배출된다. 가장 유리하게는, 액체는 포화 상태로 채널로 유입된다. 상기 채널은 이들의 평균 직경의 2배 이상 되는 평균 길이를 갖는다. 이러한 길이 대 직경 관계는 점진적인 압력 강하를 제공하고, 유용한 미세 시준된 스노우 스트림을 제공해준다. 평균 길이가 이의 평균 직경의 5배 이상인 경우, 장치는 파열성 압력 강하없이 시준된 스노우 스트림을 생성시킨다. 덕트 수단(16)은 원통형 스노우 호른(18)에 직접 연결되어 입구(22)로부터 호른의 출구(24)까지 연속적인 평탄한 표면을 갖는 보어(20)를 제공한다. 덕트 수단(16)은 스노우 호른(18)상에 동심적으로 정위되는 상판(28)의 입구(26)에 의해 결정되는 영역내에서 뾰족하고(sharp) 불연속적인 팽창부를 통해 호른(18)과 연통하고 이에 연결된다.

스노우 호른(18)은 이산화탄소 스노우 입자와 증기의 흐름을 감속시키고 혼합시키며 스노우 입자를 응집시키는 노즐로서 작용한다. 스노우 호른(18)의 영역과 덕트 수단(16)을 통한 분사되는 흐름 영역의 미스매치는 입구(22)에서의 순환 패턴을 생성시킨다. 호른(18)의 입구 영역에서 분기되는 속도 벡터(30)는 고체 및 증기 흐름이 덕트 수단으로부터 배출되는 제트로부터 호른의 외벽으로 분기되는 방식을 보여준다. 호른(18)의 출구 영역에서의 균일한 속도 벡터(32)는 응집된 고체 및 증기 흐름이 호른(18)으로부터 배출되는 방식을 보여준다. 재순환 영역(34)은 스노우 흐름을 분기시키고 감속시킨다. 이러한 재순환 영역은 미세한 고체 입자가 거대한 플레이크로 응집하는 것을 향상시킨다. 따라서, 호른 출구(24)에서의 가스/고체 혼합물의 스트림 속도는 비교적 균일하고 느리며, 입자 크기는 크고, 스노우의 분무 패턴은 호른(18)의 출구 직경과 거의 동일하다. 이것은 부서지기 쉬운 제품 또는 벨트 또는 냉각될 필요가 있는 그 밖의 물질상에 비교적 큰 스노우 플레이크를 부드럽게 분배시키기에 적합하다. 호른(18)이 공급 도관(12) 직경의 3배 이상이 되는 직경을 갖는다면, 실온 물체와의 접촉시에 곧바로 승화하지 않는 거대한 스노우플레이크를 효과적으로 형성시킨다.

도 2를 보면, 팽창 부재 조립체(50)는 팽창 부재 홀더(52)를 포함한다. 상기 홀더(52)는 그 안에 공동(54)을 가지며, 상기 공동내에서 팽창 부재 홀더를 컷팅하는 다수의 미세한 채널(55)로 구성되는 팽창 부재(56)를 갖는다. 홀더(52)의 몸체는 마주보는 주표면, 즉, 하부 표면(58) 및 상부 표면(60), 중심부(62) 및 주변부(64)를 갖는다. 표면(60)의 주변부(64)는 그 안에 환상 그루브(groove)(66), 및 상기 그루브내에 정위된 씰런트(sealant) 부재 또는 O-링(68)을 갖는다. 홀더(52)의 하부표면 및 상부표면(58 및 60)은 각각 하부 홀 및 다수의 미세한 채널 (70, 55)을 갖는다. 이들은 공동(54)과 연통한다. 다수의 미세한 채널(55)은 상기 공동(54)의 직경 보다 훨씬 더 작은 직경을 갖는다. 상기 홀(70) 및 채널(55)은 다수의 미세한 채널(55)을 노출시키도록 되어 있는데, 즉, 구조적으로 크기조절되고 정위된다. 이는 액체 이산화탄소가 하부 홀(70)을 통과할 수 있게 해주고, 이산화탄소 스노우와 증기의 혼합물이 채널(55)로부터 배출될 수 있게 해준다.

도 3은 공동(54)이 내부에 있고 공동내에 팽창 부재(56)가 있는 팽창 부재 홀더(52)를 도시하고 있다. 팽창 부재(56')는 다공성 부재, 디스크 또는 삽입물로 구성된다. 홀더(52)의 몸체는 마주보는 주표면, 즉, 하부표면(58) 및 상부표면(60), 중심부(62) 및 주변부(64)를 갖는다. 상기 표면(60)의 주변부(64)는 내부에 환상 그루브(66)를 가지며, 상기 그루브내에 정위된 씰런트 부재 또는 O-링(68)을 갖는다. 상기 홀더(52)의 하부표면(58) 및 상부표면(60)은 하부 홀(70) 및 상부 홀(72)을 갖는다. 이들은 공동(54)과 연통한다. 상부 홀(72)은 상기 홀더(52)의 중심부(62)가 상부 홀(72)에 인접한 위치에 립(lip)(74)을 갖도록 공동(54)의 직경 보다 작은 직경을 갖는다. 이것은 위에 놓여지며 부분적으로 공동(54)을 한정한다. 상기 립(74)은 팽창 부재(56')가 상부 홀(72)을 통해 연장되지 못하게 한다. 상기 홀(70 및 72)은 다공성 팽창 부재(56)내의 다수의 미세한 채널(도시하지 않음)을 노출시킨다. 이는 액체 이산화탄소가 하부 홀(70)을 통과할 수 있게 해주고, 이산화탄소 스노우와 증기가 이의 상부 홀(72)로부터 배출될 수 있게 해준다.

도 4는 칼라(84)내에 축방향으로 삽입된 축방향으로 길어진 관형 부재(82)를 포함하는 노즐 장치(80)를 도시하고 있다. 관형 부재(82)는 입구(86), 입구 단면(88), 출구(90), 및 입구(86)와 출구(90) 사이에 연장되는 보어(92)를 갖는다. 관형 부재(82)의 외측 표면은 마찰에 의해 칼라(84)의 보어(92)와 맞물려서 관형 부재(82)와 칼라(84) 사이에서의 상대적 축방향 이동을 못하게 한다. 따라서, 리테이닝 링 마운트(mount)가 압착 작용을 함에 따라, 이들은 칼라(84)의 입구 단면을 홀더(52)에 대해 견고하게 밀봉시킨다.

이 도면은 미세한 고체 및 기상 이산화탄소를 좁은 영역을 통해 커다란 덕트 수단(16)내로 분사시키는 것이 스노우 재순환 영역(34)을 형성시킴을 도시하고 있다. 상기 덕트 수단(16)의 보어는 연속적이고 평탄한 표면을 가져 스노우 입자가 축적되지 못하게 한다. 따라서, 예를 들어, 관형 부재(82)의 보어(92)는 유리하게는 이의 입구로부터 이의 출구까지 연속적이고 평탄한 표면을 갖는다. 관형 부재의 입구 단면을 홀더(52)의 상부표면에 대하여 직접적으로 장착시킴으로써, 팽창 부재(56)로부터 배출된 이산화탄소 스노우 입자는 스노우 입자의 조절되지 않은 축적 및 후속적인 막힘을 유발시킬 수 있는 어떠한 불규칙한 형상 또는 돌출부를 갖지 않게 된다.

덕트 수단은 입구부터 출구까지 하나의 유닛으로 구성될 필요는 없다. 따라서, 덕트 수단은 평탄한 표면 또는 전이부를 통해 함께 결합되는 개개의 섹션을 포함할 수 있다. 덕트 수단의 출구는 덕트 수단으로부터의 스노우 입자의 흐름을 조절하거나 유도하기 위해 덕트 수단의 종결 단부에 정위된 스노우 호른 또는 기타 장치를 포함할 수 있다.

도 5를 보면, 임의의 노즐 장치(80')는 보어(102)에 입구(104)로부터 출구(106)까지 연속적인 평탄한 표면을 제공하기 위해 곧은 표면 전이부를 통해 원뿔형 배출 호른(100)에 연결된 관형 부재(82)를 갖는다. 상기 관형 부재(82)는 이산화탄소 스노우 입자가 만곡부(110)의 보어 섹션(102)을 통과할 때 이들의 응집을 증가시키기 위해 만곡부(110)를 가진다. 관형 부재(82)는 또한 만곡부(110)의 상류부에 곧은 입구부(112)를 가지며, 상기 입구부는 만곡부(110)와 연통한다. 상기 만곡부(110)는 또한 평탄한 전이부를 통해 축방향으로 정렬된 호른(100)에 연결되는 하향 조준된 관형 부분(114)를 포함하며, 이와 연통한다. 호른(100)의 벽은 벌어져 있어 흐름을 적절하게 분산시킨다. 원뿔형 호른(100)은 이산화탄소 스노우 입자와 증기의 흐름을 분기시키고 감속시켜서 상기 스노우 입자를 응집시키는 분기 노즐로서 작용한다. 이와 같이, 흐름 스트림 속도는 비교적 느리고, 입자 크기는 크며, 스노우의 분무 패턴은 호른(100)의 출구 직경 보다 약간 넓다. 이것은 부서지기 쉬운 제품상에 또는 냉각을 필요로 하는 벨트 또는 다른 물질상에 비교적 큰 이산화탄소 스노우 플레이크를 부드럽게 분배시키기에 적합하다.

호른(100)의 길이는 팽창 부재(56)의 유량을 결정한다. 고유량 노즐이 요망되는 경우, 보다 긴 호른이 흐름을 충분히 감속시켜서, 이산화탄소 스노우 입자를 응집시킨다. 호른의 길이가 일정하고 가압된 가스가 저유량으로 유입되면, 흐름 스트림 중의 이산화탄소 스노우 입자 및 증기의 양이 충분치 않을 수 있고, 공기가 호른(100)의 내부로 잠입할 수 있을 것이다. 이러한 공기 동반은 불리할 수 있는데, 그 이유는 공기중의 습기가 호른(100)의 내부 표면상에 결빙되고 축적되어 스노우 입자의 흐름을 방해할 것이기 때문이다.

도 6을 보면, 바람직한 노즐 장치(120)는 관형 부재(128)의 곧은 입구부(126)를 축방향으로 수용하고 이를 마찰에 의해 맞무는 직경이 큰 보어(125)를 제공하여 칼라(122)와 관형 부재(128)의 접속부 또는 인터페이스를 통해 연속적인 평탄한 보어 표면을 제공하기 위해 방사상 외향단(124)을 구비한 칼라(122)를 갖는다. 관형 부재(128)는 이산화탄소 스노우 입자를 응집시키기 위해 약 90°의 각도로 연장되는 만곡부(130)를 갖는다. 만곡부(130)의 하류부에 있는 곧은 출구부(132)는 출구부(134) 및 이의 출구(136)를 통해 응집된 이산화탄소 스노우 입자의 엄격하게 시준된 흐름 스트림을 제공한다. 관형 부재(128)는 이의 출구(136)에서 임으로 벌어져 스노우가 축적되지 못하도록 한다. 플레이크의 고속 배출을 위해, 관형 부재(128) 및 출구(136)는 동일한 횡단면적을 갖는다.

도 7을 보면, 관형 부재(128)는 팽창 부재(56)(도 6 참조)로부터 배출된 미세한 이산화탄소 스노우 입자 및 증기를 함유하고 있다. 전형적으로, 대기 조건으로 팽창되는 액체 이산화탄소의 경우, 혼합물은 40/60의 스노우/가스 중량% 비율로 배출된다. 이러한 혼합물은 관형 부재(128)의 곧은 입구부(126)를 채운다. 혼합된 스트림이 만곡부(130)를 통과할 때, 고체 입자 또는 플레이크의 고밀도는 이들이 관형 부재(128)의 보어(125)의 외측 표면쪽으로 이동하게 한다. 따라서, 스노우 입자는 상기 입자가 서로 닿아서 거대한 플레이크로 응집되도록 상기 표면에 근접하여 이 표면을 따라 흐른다. 통상의 노즐로부터 형성된 스노우와는 같지 않게, 이러한 스노우는 큰 표면적을 가지며 증기상과의 혼합물로서 흐르지만 통상의 노즐은 증기상과는 무관하게 움직이고 응집되는 경향이 있는 작은 표면적을 갖는 스노우를 형성시킨다. 표면적이 큰 스노우의 이러한 독특한 흐름 특성은 혼합물이 벤드(bend) 주위를 흐를 수 있게 해준다. 따라서, 이러한 흐름은 고비율의 응집된 스노우 플레이크(138)를 지니면서 만곡부(130)의 하류부에 있는 곧은 출구부(134)를 통과한다. 곧은 출구부(134)는 흐름을 분배시키고, 응집된 거대한 플레이크의 엄격하게 시준된 출구 흐름 스트림을 제공한다.

도 8을 보면, 노즐 장치(140)는 단이 형성된 도관(142)을 가지며, 관형 부재(144)를 축방향으로 수용하고 이와 맞물려 있다. 덕트 수단(146)는 중간 압력 튜브 또는 부재(148)를 포함한다. 중간 압력 튜브(148)의 내부는 중간 압력 챔버(150)를 형성한다. 중간 압력 튜브(148)는 관형 부재(144)내에서 축방향으로 장착되어 있고, 바람직하게는 상기 부재와 마찰에 의해 맞물린다. 중간 압력 부재(148)의 입구 단부는 외측으로 뻗은 플랜지(152), 및 리테이닝 링(156)을 홀더(52)에 대하여 단단하게 압착함으로써 장착되는 입구 단부 표면(154)을 갖는다. 중간 압력 부재(148)는 관형 부재(144)의 곧은 입구부(158)의 일부를 통해 연장된다. 상기 부재는 스노우 입자와 증기의 스트림을 관형 부재 보어(162)의 근접한 하부 표면에 대해 역행하여 유도시키는 각진 슬롯(160)을 단부에 갖는다. 바람직하게는, 상기 슬롯(160)은 만곡부(160)의 개시점으로부터 상류부에 있는 보어(162)의 직경의 약 2배 또는 3배 이상에 해당하는 최소의 길이를 갖는다. 중간 압력 부재(148)는 응집 효과를 향상시키는 관형 부재(144)의 내부에 재순환 흐름을 생성시킨다. 관형 부재(144)의 보다 큰 직경(중간 압력 부재(148)와 비교할 때)은 증기/스노우 입자의 흐름 속도를 감속시키고, 이들이 관형 부재(144)를 통해서 이동할 때 이산화탄소 스노우 입자의 추가의 응집을 가능하게 한다.

도 9 및 10은 노즐(170)이 관형 부재(172) 및 만곡부(174)를 지니는 또 다른 구체예를 도시하고 있다. 만곡부(174)는 90°미만의 각도로 연장되어 스노우 입자를 응집시킨다. 응집된 스노우는 감소된 직경부(178) 및 벌어진 출구(180)를 갖는 곧은 부분(176)을 통해 배출된다. 도 10에 도시된 바와 같이, 그리고 횡단면(도시하지 않음)으로 알 수 있는 바와 같이, 벌어진 출구(180)는 바람직하게는 둥근 코너(corner)를 갖는 길다랗고 좁은 직사각형 슬롯(182)을 갖는다. 벌어진 출구(180)는 관형 부재(172)의 상류의 보통 직경의 횡단면적 보다 작은 횡단면적을 갖는다. 이러한 사실 및 벌어진 출구(180)의 슬롯 형상은 응집된 스노우 입자가 상기 슬롯(182)을 통해 흐를 때 이들의 흐름을 가속시키고 이들의 크기를 감소시킨다. 이것은 노즐 장치의 스트림 보다 높은 속도 및 작은 입자 크기를 갖는 넓고 평평한 출구 흐름 스트림을 제공한다. 노즐 장치(170)에 의해 제공된 흐름 스트림은 노출된 제품으로부터의 높은 열전달을 달성하는데 적합하다. 이와 같은 흐름 스트림을 제공한 노즐 장치(170)의 구체예는 보어 내부 직경이 약 0.465인치(1.18cm)인 관형 부재(172), 및 내부 슬롯 폭이 약 0.075인치(0.19cm)이고 내부 슬롯 길이가 약 0.75인치(1.9cm)인 슬롯 형상의 출구(182)를 지녔다.

도 9 및 10에서와 같이 벌어진 슬롯 형상의 좁은 출구(180)를 갖는 덕트 수단을 사용할 때, 유량, 보어 직경 및 덕트 수단, 예를 들어 관형 부재(172)의 기하학, 및 응집되는 양 및 출구부(178)에서의 입자 크기는 슬롯 형상의 출구 영역과 일치하여야 한다. 이렇게 하여, 스노우 입자의 스트림은 축적 또는 막힘 없이 출구(180)를 통해 적절하게 흐르게 된다. 예를 들어, 관형 부재(172)와 관련하여 사용된 유량이 2.4 lb/분(1.09Kg/분)이고, 0.075인치(0.19cm) X 0.75인치(1.9cm)의 슬롯 형상의 출구 영역을 갖는 팽창 부재는 아무 문제없이 사용되었지만, 동일한 장치내에서 사용된 유속이 1 lb/분(0.453Kg/분)으로 낮은 팽창 부재는 출구부(178)에서의 응집률을 증가시키고 입자 크기를 보다 크게하여 출구(180)에 축적되고 출구를 막히게 하였다. 이와 같이, 유속이 감소함에 따라, 덕트 수단의 직경 및 기하학 및 팁 갭은 보다 큰 입자가 출구를 통해 흐를수 있게 하기 위해 응집을 감소시키거나 출구 영역을 증가시키도록 조정되어야 한다.

팽창 부재 홀더는 황동, 스테인레스강, 알루미늄 또는 또 다른 비교적 비부식성 물질과 같은 어떠한 적합한 물질로도 만들어질 수 있다. 바람직한 물질은 스테인레스강이다. 도 2에 도시된 디자인에서, 홀더(52)는 이의 공동(54)이 팽창 부재의 직경 보다 작은 직경, 예를 들어 약 0.001 내지 약 0.002인치(0.002 내지 0.005cm)의 직경을 갖도록 제작되어야 한다. 이러한 크기로 제작되어야 홀더가 억지끼워맞춤으로 공동내에서 팽창 부재를 정위시키고 보유한다. 이렇게 하여, 팽창 부재의 미세한 채널을 오염시킬 수 있는 접착제의 사용을 피한다. 팽창 부재는 공동(54)내로 깊숙이 압착되어 팽창 부재와 립 사이에서 홀더의 립에 대하여 단단히 밀봉된다. 이러한 방식에 의해, 불규칙한 유량 및 패턴이 팽창 부재로부터 배출되게 할 수 있는, 팽창 부재와 립 사이에서의 스노우 입자 블로우-바이(blow-by)를 피한다. 홀더내 상부 홀더의 크기 및 형상은 팽창 부재로부터 방출되는 고체 및 기상 이산화탄소의 분무 패턴 및 흐름 영역을 결정한다. 상부 홀의 직경의 감소는 팽창 부재의 흐름 영역 및 유량을 감소시킨다.

노즐 장치는 장치로부터의 출구를 통한 이들의 시초부로부터의 이산화탄소 스노우 입자의 연속적이고 매끄러운 흐름 스트림을 촉진시킨다. 연속적이고 매끄러운 보어 표면은 유리하게는 스노우 입자의 자리를 제공하거나 이들 입자의 축적을 야기하여 장치를 막히게 할 수 있는 불규칙한 표면, 예를 들어, 용접 슬래그, 또는 갭, 또는 접합부 또는 인터페이스에 있는 돌출 에지와 같은 돌출부를 갖지 않는다. 덕트 수단은 팽창 부재의 하류부에 있는 노즐의 내부 경로의 일부를 포함할 수 있다. 이것은 이의 내부 경로내에서 작동적이다. 연속적이고 매끄러운 표면은 팽창 부재로부터, 바람직하게는 홀더로부터 덕트 수단의 출구까지 연장된다. 덕트 수단은 비원형 횡단면 형태일 수 있다.

노즐 장치는 가압된 이산화탄소 유체를 약 0.2 내지 500미크론 범위의 미세한 채널을 갖는 다공성 팽창 부재에 강제 통과시킴으로써 이산화탄소 스노우 입자를 생성시킨다. 가장 유리하게는, 상기 채널은 약 50 내지 500미크론의 평균 직경을 갖는다. 노즐 장치는 스노우 입자 크기, 속도 또는 흐름 패턴을 변경시켜서 광범위한 적용에 알맞게 하는 구조를 포함한다. 예를 들어, 노즐 장치는 미세한 스노우 입자가 만곡부를 통과할 때 팽창 부재로부터 방출되는 미세한 스노우 입자를 응집시키기 위해 만곡부를 갖는 덕트 수단의 사용을 통해 거대한 입자 크기를 제공할 수 있다. 만곡부의 범위는 90°미만의 각도 내지 약 250°의 각을 포함하여, 어떠한 적합한 각도로도 확대될 수 있다. 바람직하게는, 만곡부는 약 90°이상의 각을 통해 형성된다. 예를 들어, 도 5는 만곡부가 90°보다 크고, 도 6 내지 8은 만곡부가 약 90°인 관형 부재 형태의 덕트 수단을 도시하고 있다. 도관의 만곡부는 요망되는 응집량 및 입자 크기를 달성한다. 유리하게는, 이들 플레이크는 약 0.5mm 이상의 평균 최대 치수를 갖는다. 가장 유리하게는, 플레이크는 5mm 이상의 평균 최대 치수를 갖는다.

바람직하게는 덕트 수단의 입구부에 있는 중간 압력 튜브 또는 부재는 또한 커다란 플레이크를 생성시킨다. 중간 압력 부재내에서의 고체 및 기상 이산화탄소 흐름 스트림의 압력이 삼중점 압력 내지 0psig(0 Pa)일 수 있지만, 바람직한 압력은 5psig(34KPa) 미만의 압력이다. 중간 압력 부재에서의 압력은 슬롯의 개구를 유량에 대하여 충분히 광범위해지게 만듦으로써 조정된다. 슬롯으로부터의 흐름은 관형 부재의 보어의 표면상에 충돌하는 웨지(wedge) 모양의 제트이다. 관형 부재의 반경 및 제트의 형상은 보어내에서 소용돌이식 흐름 패턴을 형성한다. 이로 인해 흐름 스트림의 스노우 입자가 서로 맞물려지고 응집된다. 중간 압력 부재의 어떠한 배향도 만족스럽게 작동할 것이지만, 도 8은 슬롯(160)의 하향각이 관형 부재(144)의 만곡부와 동일한 평면내에 있는 바람직한 배향을 도시하고 있다.

보다 큰 입자 크기는 또한 스노우의 스트림을 분기시키고 감속시키며 상기 스트림내에서 이산화탄소 스노우 입자를 응집시키는 스노우 호른과 같은 장치를 포함하는 덕트 수단에 의해 얻어질 수 있다.

약 10 내지 약 40미크론의 정격(rating)을 갖는 다공성 팽창 부재, 또는 50 내지 약 300미크론의 직경을 갖는 다수의 미세한 채널을 사용하는 노즐의 경우, 도 6 내지 8의 노즐 장치가 박스 스노잉 적용 또는 그 밖의 국소화된 스폿 스노잉 요구에 적합한 거대한 입자 크기 및 응집을 제공하기에 바람직한 것으로 밝혀졌다.

약 40 내지 약 100미크론의 미크론 정격을 갖는 팽창 부재를 사용하는 노즐 장치의 경우 도 1, 6 및 7에 도시된 바와 같이 중간 압력 부재가 없는 덕트 수단이 박스 스노잉 적용 또는 그 밖의 국소화된 스폿 스노잉 요구에 대해 충분히 응집되고 충분히 거대한 입자 크기를 제공하는 것으로 밝혀졌다.

약 10 내지 약 40미크론의 정격을 갖는 팽창 부재, 또는 50 내지 약 300미크론의 직경을 갖는 다수의 미세한 채널을 사용하는 노즐 장치의 경우, 도 1의 노즐 장치와 같이 원뿔형 또는 원통형 호른에 부착되는 덕트 수단이 벨트 스노잉 또는 그 밖의 영역 스노잉 적용에 적합한 응집작용 및 거대한 입자 크기를 제공하기에 바람직한 것으로 밝혀졌다.

덕트 수단으로부터 배출되는 스노우 입자의 속도는 예를 들어 호른을 사용하여 흐름을 분기시키고 출구로부터의 흐름 속도를 감소시키거나, 도 9 및 10에 도시된 바와 같은 보다 작은 직경의 벌어진 슬롯 형상의 출구를 사용함으로써 변경될 수 있다. 이것은 응집률을 감소시키고 출구를 통한 흐름을 가속시킨다. 속도는 또한 팽창 부재의 유량의 선택에 의해 또는 팽창 부재의 미세한 채널의 수 및 직경을 증가시킴으로써 또는 팽창 부재 홀더의 상부 홀의 크기를 변경시킴으로써 변경될 수 있다.

질량 유량은 장치를 통해 달성된 응집량, 및 유효 직경 D1에서 팽창 부재로부터 유출되는 고체 및 증기의 스트림에 부착된 튜브 또는 호른의 유효 직경, 즉, D2에 영향을 미친다. D2/D1의 비가 무한대로 접근할 때, 응집량은 0에 접근한다. 이것은 어떠한 호른도 없이 공기중으로 직접 분사되는 것과 동일하다. D2/D1의 비가 1에 접근할 때는 극미의 응집만 있을 뿐이다. 이것은 중간 압력 튜브로 분사시키는 것과 유사하다. 매우 높은 속도 및 극미의 응집만 존재하게 된다. 바람직하게는, D2/D1의 비가 약 1.5 내지 10사이에 있어야만 양호하게 응집될 수 있다.

시스템을 통한 질량 흐름이 증가함에 따라, 시스템내에서의 응집량은 감소한다. 이러한 현상은 속도에 의한 것이다. 영역 스노잉 적용에 있어, 약 2.25 내지 10의 직경비의 경우, 분 당 약 800 내지 35피트(분 당 240 내지 11m)의 각각의 증기 속도가 양호한 응집을 달성하는 것으로 밝혀졌다. 굽은 튜브를 사용하는 스폿 스노잉 적용에 있어, 약 1.5 내지 2.25의 직경비의 경우, 분 당 약 3500 내지 800피트(분 당 1070 내지 240m)의 각각의 증기 속도가 양호한 응집을 달성하는 것으로 밝혀졌다. 덕트 수단으로부터 배출되는 흐름 패턴은 예를 들어 엄격하게 조준된 스트림을 제공하기 위해 도 6 내지 8에서와 같은 곧은 출구부를 갖는 관형 부재와 같은 덕트 수단의 사용에 의해, 흐름을 분기시키기 위해 도 1에서와 같은 호른의 사용에 의해, 또는 평탄한 흐름 패턴을 제공하기 위해 도 9 및 10에서와 같은 벌어진 슬롯 형상의 출구의 사용에 의해 추가로 변경될 수 있다.

본 발명의 노즐 장치는 이들이 작고, 조용하며, 어떠한 요망 배향으로도 사용될 수 있다는 추가적인 이유 때문에 유리하다. 스노우 분배 노즐은 미세한 스노우 입자를 응집시키고 스노우 입자 크기, 속도 및 스노우 패턴을 변경시킬 수 있다. 더욱이, 이러한 노즐은 모든 배향으로 작동된다. 또한, 이는 팽창 부재를 보유하고 이를 스노우 분배 노즐에 장착시키기 위한 개선된 구조를 제공한다. 마지막으로, 이러한 노즐은 미세한 스노우 입자를, 실온 물체와의 접촉시에 곧바로 승화하지 않는 커다랗고 보다 유용한 크기의 입자로 응집시키는 개선된 방법을 제공한다. 이것은 식품을 냉각시키고 동결시키는데 유용하다.

이상에서와 같이, 상기된 설명은 단지 본 발명을 설명하기 위한 것으로 이해되어야 한다. 다양한 대안 및 변형예가 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 당업자에 의해 만들어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 모든 대안, 변형 및 하기의 특허청구범위에 속하는 변경예를 포함하도록 의도된다.

이상에서와 같이, 본 발명의 장치 및 방법은, 스노우 입자를 응집시켜 거대한 스노우플레이크를 제공할 수 있으며, 스노우 입자 크기, 속도 및 스노우 패턴을 변경시킬 수 있고, 단순한 디자인이면서도 조용하고 작으며 모든 배향으로 작동된다.

Claims (18)

1. 가압된 유체로부터 스노우를 형성하기 위한 장치로서,

   가압된 유체의 흐름을 전달하기 위한 공급 도관과,

   상기 공급도관에 부착되고, 상기 유체를 감압하여 가스와 미세한 스노우 입자의 혼합상 스트림으로 전환하도록 유체에 미치는 압력을 감소하기 위하여 다수개의 채널을 포함하는 팽창 부재로서, 상기 다수개의 채널은 평균 지름 및 상기 평균지름의 두배 이상의 평균 길이를 구비한 팽창부재와,

   미세한 스노우 입자를 서로 접촉시킴으로써 미세한 스노우 입자를 응집시키기 위하여 상기 공급도관의 단부에 부착된 응집 챔버를 포함하고,

   상기 응집 챔버는 응집된 스노우 입자를 배출하기 위하여 상기 공급 도관의 3배 이상의 직경을 구비한 실린더형 스노우 호른을 구비하거나, 또는 미세한 스노우 입자의 응집을 위한 굽은 관형 부재의 표면에 대항하여 미세한 스노우 입자를 안내하는, 개방 단부가 형성된 굽은 관형 부재를 구비하는, 가압된 유체로부터 스노우를 생성시키기 위한 장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 응집 챔버는 미세한 스노우 입자의 응집을 위한 굽은 관형 부재의 표면에 대항하여 미세한 스노우 입자를 안내하는, 개방 단부가 형성된 굽은 관형 부재를 구비하는, 가압된 유체로부터 스노우를 생성시키기 위한 장치.
3. 제 1항에 있어서, 홀더 몸체를 더 포함하고, 상기 홀더 몸체가 마주보는 표면 사이에 팽창 부재를 지니는, 가압된 유체로부터 스노우를 생성시키기 위한 장치.
4. 제 3항에 있어서, 상기 홀더 몸체는 팽창 부재를 통하여 가압된 가스를 안내하기 위한 상기 공급 도관에 인접한 립을 형성하고 있는, 가압된 유체로부터 스노우를 생성시키기 위한 장치.
5. 제 1항에 있어서, 상기 다수개의 채널은 평균 채널 지름의 5배 이상의 평균길이를 가지는, 가압된 유체로부터 스노우를 생성시키기 위한 장치.
6. 제 1항에 있어서, 상기 다수개의 채널은 약 0.2에서 500 미크론의 평균 지름을 가지는, 가압된 유체로부터 스노우를 생성시키기 위한 장치.
7. 제 6항에 있어서, 상기 응집 챔버는 응집된 스노우 입자의 배출을 위한 실린더형 스노우 호른을 구비하고, 상기 스노우 호른은 저속 흐름을 생성하기 위하여 상기 공급 도관의 지름의 3배 이상의 지름을 가지는, 가압된 유체로부터 스노우를 생성시키기 위한 장치.
8. 가압된 유체로부터 거대한 스노우플레이크를 생산하기 위한 방법으로서,

   (A) 공급 도관을 통하여 가압된 유체를 공급하는 단계;

   (B) 미세한 스노우 입자 및 가스의 혼합물을 만들기 위하여 평균 지름 및 상기 평균지름의 두배 이상의 평균 길이를 갖는 다수의 채널을 통하여 저압 챔버로 가압된 유체를 보내는 단계;

   (C) 응집 챔버 내에서 미세한 스노우 입자를 스노우플레이크로 응집시키는 단계로서, 상기 응집 챔버는 응집된 스노우 입자를 배출하기 위하여 실린더형 스노우 호른을 구비하고 상기 스노우 호른은 상기 공급 도관의 3배 이상의 직경을 구비하고, 또는 미세한 스노우 입자의 응집을 위한 굽은 관형 부재의 표면에 대항하여 미세한 스노우 입자를 안내하기 위한 개구 단부가 형성된 굽은 관형 부재를 구비하는, 가압된 유체로부터 거대한 스노우플레이크를 생산하기 위한 방법.
9. 제 8항에 있어서, 상기 응집 단계는 실온 물체와 접촉하였을 때 즉각적인 승화를 막기 위하여 충분한 크기의 스노우플레이크를 형성하는, 가압된 유체로부터 거대한 스노우플레이크를 생산하기 위한 방법.
10. 제 9항에 있어서, 상기 응집 단계에서는 약 0.5mm 이상의 평균 최대 크기를 가지는 스노우플레이크를 형성하는, 가압된 유체로부터 거대한 스노우플레이크를 생산하기 위한 방법.
11. 제 8항에 있어서, 상기 다수의 채널을 통해 액체 이산화탄소가 이동하여 이산화탄소 스노우플레이크와 이산화탄소 가스를 생성시키는, 가압된 유체로부터 거대한 스노우플레이크를 생산하기 위한 방법.
12. 제 8항에 있어서, 상기 저압 챔버는 상기 미세한 스노우 입자의 평행한 스트림을 형성하고 상기 응집 단계에서는 상기 평행한 스트림으로부터 상기 스노우플레이크 안으로 미세한 스노우 입자를 결합하는, 가압된 유체로부터 거대한 스노우플레이크를 생산하기 위한 방법.
13. 제 8항에 있어서, 상기 다수개의 채널은 평균 지름의 5배 이상의 평균 길이를 가지는, 가압된 유체로부터 거대한 스노우플레이크를 생산하기 위한 방법.
14. 제 8항에 있어서, 상기 관형 부재는 약 90도 이상으로 휘어지고, 상기 굽은 관형 부재에서 약 90도 이상으로 스노우를 안내하는 추가 단계를 더 포함하는, 가압된 유체로부터 거대한 스노우플레이크를 생산하기 위한 방법.
15. 제 8항에 있어서, 음식을 냉각시기기 위하여 스노우플레이크를 공급하는 추가 단계를 더 포함하는, 가압된 유체로부터 거대한 스노우플레이크를 생산하기 위한 방법.
16. 제 8항에 있어서, 음식을 얼리기 위하여 상기 스노우플레이크를 공급하는 추가 단계를 더 포함하는, 가압된 유체로부터 거대한 스노우플레이크를 생산하기 위한 방법.
17. 제 8항에 있어서, 상기 응집 챔버는 응집된 스노우 입자를 배출하기 위한 실린더형 스노우 호른을 구비하고, 상기 스노우 호른은 공급도관의 지름의 3배 이상의 지름을 갖는, 가압된 유체로부터 거대한 스노우플레이크를 생산하기 위한 방법.
18. 제 8항에 있어서, 상기 응집 챔버는 미세한 스노우 입자의 응집을 위한 굽은 관형 부재의 표면에 대항하여 미세한 스노우 입자를 안내하기 위한 개구 단부가 형성된 굽은 관형 부재를 구비하는, 가압된 유체로부터 거대한 스노우플레이크를 생산하기 위한 방법.