KR100483329B1 - 액체 동결물 형성장치 - Google Patents

Abstract

목적: 액체 조성물을 극저온 냉매에 적하시켜 구슬형 액체 동결물을 제조하는 장치에 있어서, 극저온 냉매의 손실을 최소화하면서 균일한 크기를 갖는 구슬형 액체 동결물을 제조하는 장치에 관한 것이다.

구성: 액체 원료(14) 또는 적당한 크기를 갖는 가공품(15)으로부터 액체 조성물(18)을 공급받는 용기(19)와, 냉동 챔버(4)에 균일한 크기로 액체 조성물을 공급하기 위하여 상기의 액체 조성물의 양과 속도를 제어하기 위한 속도 제어기(20)와, 상기의 제어기에 연결되는 상광하협의 형태로 구성되는 다수의 공급 부재(21)를 갖고, 상기의 공급 부재에 의하여 냉동 챔버(4)의 상부에 위치하는 경사 수로판(7)에 일차적으로 적하되어 약 60∼70% 정도 구형으로 동결되고, 일정한 압력과 속도로 규정된 양의 극저온 냉매(8)에 의해 이동되어, 최종적으로 냉매탕(10)에서 균일한 크기의 구슬형 액체 동결물을 형성하고, 상기의 동결물을 냉동 챔버(4) 밖으로 이동하는 수단(22)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

효과: 불규칙한 미세 액체 동결물의 발생을 현저히 줄이고 균일한 크기의 구형 입자를 갖는 동결물을 얻을 수 있으며, 수율이 약 95%에 도달하여 제품의 품질과 생산성을 크게 향상시킬 수 있다. 특히, 혈액과 같은 의료 생물 분야에서 균일하게 액체를 동결하여 보관하고, 동일한 온도 조건에서 같은 시간 동안에 모든 동결물을 녹여 재활용할 수 있으므로 이에 대한 효과는 현저하다.

Description

액체 동결물 형성장치{Apparatus for producing liquid frozen particles}

본 발명은 액체 조성물을 극저온 냉매에 적하시켜 구슬형 액체 동결물을 제조하는 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 극저온 냉매의 손실을 최소화하면서 균일한 크기를 갖는 구슬형 액체 동결물을 제조하는 장치에 관한 것이다. 특히, 우유, 아이스크림, 요쿠르트, 과일, 빙과류를 포함하는 식품과, 혈액 및 정액과 같은 의료 생물학적 액체 물질의 동결에 관한 것이다.

최근에 액체 동결 식품에 대한 관심이 고조되고 있다. 특히, 아이스크림, 요쿠르트, 빙과류의 경우에는 종래의 방법으로 제조되어 시판되고 있는 크림형 또는 막대형 아이스크림보다는 아이스크림의 액체 원료를 극저온 냉매에 자유 낙하시켜 제조하는 구슬형 아이스크림에 대한 구매가 날로 증가 추세에 있다. 그러나, 단순히 아이스크림의 원료를 액체 질소 (끓는점: 영하 196 도)와 같은 냉매에 떨어뜨려서 그것의 표면장력에 의해 구슬형 아이스크림을 제조하는 방법으로는 소비자의 입맛에 알맞는 적당한 크기의 균일한 구슬형 입자를 만들 수 없고, 냉매의 급속한 증발에 의한 손실이 커서 액체 동결물을 제조하기 위한 원가가 상당히 높은 단점이 있다. 또한, 혈액과 정액을 동결시키는 경우에도 직경 약 5 mm의 크기를 갖는 구슬형 동결물이 적합하므로 균일성은 아주 중요한 문제이다. 만일 혈액 및 정액과 같은 의료 생물학적 액체 동결물의 크기가 일정하지 않고 불규칙하다면, 이런 동결물을 완전히 녹여 재생시켜 사용하기 위해서는 동일한 시간 동안에 일부의 동결물은 완전히 녹는 반면에 일부의 동결물은 녹지 않아서, 그 일부의 동결물을 완전히 녹이기 위해서는 더 많은 시간과 열이 공급되어야 하는데, 이것은 이미 녹아있는 다른 물질에 나쁜 영향을 미치는 치명적인 단점을 초래할 수 있다.

종래에 극저온의 결빙 챔버를 사용하여 액체 동결물을 제조하는 장치로 몇가지가 공지되어 있다. 선행 기술인 미국 특허공보 제 5,126,156 호 (1992. 6. 30)의 경우에는, 도 1에서 보듯이 공급 컨테이너(30)의 액체 원료를 인레트(35)를 통하여 트레이(32)에 공급한다. 이 때 공급된 원료는 다수의 0.125∼0.3125 인치의 직경을 갖는 구멍을 통과하여 냉동실 (12)의 냉매에 적하하여 구형의 동결물이 제조된다. 이런 경우에는 냉매에 적하된 작은 액체 원료 입자들끼리 용이하게 뭉쳐져서 상당히 큰 동결물을 형성하고, 일부는 작은 동결 상태를 그대로 유지하여 매우 불규칙한 크기의 동결물이 형성되어 소비자가 원하는 일정한 크기를 갖는 균일한 동결물을 만들기가 용이하지 않고, 중력에 의해서 적하되는 액체 원료의 속도와 흐름의 율을 제어하기 어려운 단점이 있다.

미국 특허공보 제 4,077,227 호 (1978. 3. 7)의 경우에는 액체 동결물이 극저온 냉매에 적하하여 서로 엉겨 붙는 것을 방지하며 균일한 입자를 형성하기 위한 방법을 제시하고 있다. 도 2에서 보듯이, 동결시키고자 하는 액체 조성물을 포함하는 용기(12)가 저온 냉매를 포함하는 용기(32) 상부에 위치하고 있고, 상기의 용기(12) 바닥에는 액체 조성물을 배출하는 튜브(16, 20)와 상기 튜브의 하부에는 튜브형 바늘(24)을 갖는 금속 주사장치(22)로 구성된다. 이때 바늘 끝(14a)에서 냉매로 떨어지는 액체 조성물에 전하를 유도하기 위하여 상기의 바늘(24)에는 양(+)의 전극을, 상기의 바늘(24)과 동심원 형태로 배치되어 있는 하부의 금속 링(26)에는 음(-)의 전극을 공급한다. 액체 조성물의 방울이 바늘(24)의 끝에 형성되면 바늘과 금속 링(26) 사이에 설정된 전기장에 의하여 방울의 표면에 전하가 유도된다. 액체 방울이 바늘 팁에서 중력에 의해 냉매로 떨어짐에 따라 액체 방울은 고전압원(28)과 전극(24, 26)의 연결에 따라서 양극 혹은 음극의 총 정전기를 갖는다. 계속해서 바늘로부터 적하되는 방울들은 각각 같은 양의 전하를 소유하고, 냉매 표면에서 움직인다. 같은 전하를 띤 방울들은 쿨롱의 법칙에 의하여 서로 미는 척력을 작용함으로써 서로 엉겨 붙지 않고 일정한 거리를 두고 멀어지므로 균일한 크기의 동결물을 형성시킨다. 이런 방법의 경우에 액체 방울이 적하되는 속도 조절과 방울의 크기 증가에 따른 적당한 세기의 전기장을 공급하는데 어려움이 있어서 극저온 냉매의 급격한 증발을 막고 적당한 크기를 갖는 균일한 동결물을 형성시키는데는 한계가 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 극저온 냉매의 손실을 최소화하면서 균일한 크기를 갖는 구슬형 액체 동결물을 제조하는 것을 목적으로 한다.

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 외벽(1)과 내벽(2)을 갖는 바깥 냉동 챔버(4) 안에 이중벽 용기(5)를 설치하여 극저온 냉매의 손실을 최소화 하였다. 또한, 균일한 크기의 동결물을 형성시키기 위하여 극저온 냉매탕(10)에 적하되는 액체 조성물(18)의 흐름을 제어하는 속도 제어기(20)와 상기 제어기 하부에 상광하협의 다단계 노즐(21)을 부착하고, 속도 제어기에 의해 그 양이 조절되어 자유 낙하되는 액체 조성물이 직접 냉매탕(10)에 떨어지기 직전에, 먼저 냉동 챔버(4) 상부에 설치되어 챔버의 하부보다 온도가 높고 일정한 양의 극저온 냉매가 일정한 압력으로 공급되는 경사 수로판(7)에 적하시켜 약 60∼70% 정도 동결시키고, 그 다음에 서서히 극저온 냉매탕(10)으로 공급되는 장치를 제안한다.

본 발명의 장치는 도 3에 도시된 바와 같이, 크게 액체 조성물을 공급하는 부분, 일정한 크기의 동결물을 제조하기 위한 액체 조성물의 양과 속도를 제어하는 부분과, 액체 조성물을 동결 및 추출하는 부분으로 구성되고, 이를 실현함으로써 액체 동결물을 균일하게 만들고 극저온 냉매의 손실을 최소화시킨다. 이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

액체 동결물 형성장치는 외벽(1)과 내벽(2)을 가진 냉동 챔버(4)로 구성된다. 두 벽은 충격과 부식에 강한 스테인레스강으로 제조되고, 두 벽 사이에 열 전달을 최소화하기 위하여 두꺼운 단열층(3)을 형성한다.액체질소와 같은 극저온 냉매의 증발에 따른 손실을 줄이기 위하여 냉동 챔버(4) 내부에 또 하나의 이중벽 용기(5)를 설치한다. 상기 이중벽 용기(5)는 아래쪽을 향해 점차 좁아지다가 하단에 출구가 형성되어 있는 구조로 하고, 용기의 벽에는 다수의 오리피스(6)를 형성하여 냉매가 자유로이 왕래하도록 하며, 노즐(21)에서 적하되는 액체 조성물이 일단계로 착지하는 강철로 제작된 경사 수로판(7)을 고정시킨다. 도시된 바와 같이, 경사 수로판(7)은 아래쪽으로 경사지게 지그재그식으로 배치되어 있다.상기의 수로판에는 극저온 냉매통(8)에서 압력 제어기(9)를 통하여 적당한 압력과 양으로 제어되는 냉매가 공급된다. 이 때 상기의 수로판(7)에 적하되는 액체 조성물은 표면장력에 의하여 바깥 부분이 구형의 형체를 가지며 약 60∼70% 정도 동결되고 내부는 완전히 동결되지 않은 상태에 머물러 있다.계속 외부의 냉매통(8)에서 공급되는 극저온 냉매에 의하여 상기의 동결물은 이동해 나가며, 최종적으로 냉동 챔버(4) 내부의 냉매탕(10)에 적하된다.냉동 챔버(4)에서 극저온 냉매의 양을 측정하고, 제어 및 공급하기 위하여 냉매 측정용 레벨기(11)를 냉동 챔버 내부에 배치하며, 냉동 챔버의 상단부 벽체 내부에 벤트(12)를 설치한다.상기의 벤트(12)는 냉동 챔버 내부에서 증발된 냉매의 기화로 인하여 냉동 챔버의 내부 압력 증가 또는 상단 부근의 과다한 온도 저하로 인해 노즐과 같은 적하 장치가 냉동되는 것을 방지하기 위함이다. 벤트(12)를 통과해 나오는 차가운 증기는 공정의 다른 부분으로 보내져서 동결물을 포장하거나 저장하기 위해 이용할 수 있다. 특히, 차거운 기화된 질소 가스에 의해 노즐(21) 입구가 막히는 효과를 제거하기 위하여 흡입팬(13)을 설치할 수 있다. 본 발명에 사용되는 극저온 액체 냉매는 액체 조성물을 급속히 동결시킬 수 있고, 의료 식품 위생상 무해한 몇가지 냉매가 있으나 현재 액체 질소가 가격과 안정성에서 가장 좋다.

본 발명에 있어서 구형의 동결물을 만들기 위해 원료로 사용하는 액상물은 광범위하다. 예를 들면, 물, 우유, 요쿠르트, 기름류와 같은 식용류와, 여기에 추가되는 유지, 당류, 과일 추출물, 착색료, 착향료, 유화제, 결합재 등을 적당하게 첨가 혼합하여 얻어지는 액체 조성물(18)과, 혈액과 정액 등을 포함하는 의료 및 생물학적 액체 원료 및 조성물을 들 수 있다. 특히, 과일 또는 고체 상태의 원료인 경우에는 잘게 부순 다음에 과일 낱알 보관통(15)에 담아 펌프(16)를 이용하여 일정한 속도로 필터(17)를 통과시켜 액체 조성물 용기(19)로 공급한다.

상기의 준비된 액체 조성물(18)을 균일한 크기로 동결시키기 위하여 액체 조성물의 양과 속도를 제어하는 제어기(20)로 보낸다. 상기의 제어기(20)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 액체 조성물을 일정한 직경을 갖는 튜브(28)를 통하여 공급한다. 튜브의 입력부(29)와 출력부(30)는 잠김조정 스위치(31)를 조정하여 회전판(32) 둘레에 고정되며, 상기의 튜브는 회전판을 회전시키는 속도제어 손잡이에 의해 원하는 수준으로 조절된다. 여기서 손잡이는 스테핑 모터와 같은 일반 전기 구동회로로 구성할 수 있다. 튜브의 출력부(30)는 상광하협의 다단계형 노즐(21)에 연결된다.

상기의 노즐(21)을 통과하는 액체 조성물의 방울은 먼저 일단계로 적당한 압력과 속도를 갖는 극저온 액체 냉매가 공급되는 경사 수로판(7)에 적하되어 액체 냉매에 접촉하여 냉매의 냉열에 의하여 외부부터 급속히 동결하여 구슬 형체의 고형물로 된다. 이 때 전체의 약 60∼70% 정도가 동결된다. 액체 동결물 입자의 크기는 액체 조성물의 점성도, 적하되는 액체 조성물의 속도와 양, 노즐 구멍의 크기와 표면장력의 크기에 의해 제어할 수 있다. 특히, 액체 조성물의 원료 성분이 결정되면 점성도와 그것의 표면장력이 결정됨으로써 적하되는 액체 조성물의 속도와 양, 노즐의 크기가 동결 입자의 크기를 결정하는데 있어서 중요한 요소가 된다. 최종적으로, 경사 수로판(7)을 따라 이동하는 동결물은 냉매탕(10)에 떨어져 내린다. 경사 수로판(7)를 따라서 깊이 2∼3 cm 정도의 극저온 냉매가 공급된다. 액체 조성물은 경사 수로판 상부의 약 5∼15 cm 되는 지점에 놓여있는 다단계형 노즐(21)로부터 방출되고, 냉매는 0.01∼0.5 m/s의 속도로 경사 수로판(7)를 따라 흘러간다. 적하되는 액체 방울은 구형의 입자로 동결되며 20초∼3분 동안 냉매에 거주한다.

상기의 액체 동결물을 회수하기 위하여 냉동 챔버(4)의 바닥에 스크류 컨베이어(22)를 장착한다. 동결물의 동결 상태를 조절하기 위하여 냉동 챔버(4) 내에 설치된 스크류 컨베이어의 운반 속도를 조절할 수 있다. 스크류 컨베이어의 선단에서 모든 액체 동결물들이 제 1 차 필터(23)로 떨어지며, 규정된 크기의 액체 동결물은 제 2 차 필터(24)로 모아져서 수거되어 포장 시스템으로 전달되고, 제 1 차 필터(23)를 통과하지 못한 규정된 크기 이상의 액체 동결물과 제 2 차 필터(24)를 통과하는 규정된 크기보다 작은 입자들은 믹서(25)로 보내지고, 이것들은 히터에 의해 용융되어 펌프(26)에 의해 최초의 액체 원료(14)와 함께 액체 조성물 용기(19)로 공급된다. 스크류 펌프(27)가 모터에 의해 회전하면 냉동 챔버(4) 내부에 존재하는 극저온 냉매가 원주 혹은 나선 운동을 행하여 구형의 액체 동결물이 냉매탕(10)에서 주거하는 시간과 엉기는 현상을 제어할 수 있다.

액체 원료들로 혼합되는 액체 조성물(18) 뿐만 아니라 과일의 경우에는 커터를 사용하여 일정한 크기로 잘라 과일 낱알 보관통(15)에 저장 시킨다. 이후에, 압력 펌프(16)를 사용하여 상기의 보관통(15)에 저장된 과일 낱알을 끌어올려서 필터(17)를 통과시켜 균일한 크기를 갖는 과일 낱알을 만들어 액체 조성물 용기(19)에 공급한다. 상기의 액체 조성물에 섞인 과일 낱알들은 속도 제어기(20)와 노즐(21)을 통과하여 경사 수로판(7)에 적하되어 구형 동결물로 형성된다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 장치와 방법에 의하여 원하는 크기의 직경을 갖는 균일한 입자의 구형 동결물을 얻을 수 있다. 특히, 약 4∼5 mm 직경을 갖는 균일한 구형의 동결물을 용이하게 얻을 수 있다. 동결물의 수율은 약 95%에 도달한다. 이렇게 실시함으로써 종전에 발생하는 미세 액체 동결물의 발생을 현저하게 줄일 수 있어 제품의 품질과 생산성을 상당히 증가시킬 수 있다. 특히, 혈액과 같은 의료 생물 분야에서 균일하게 액체를 동결하여 보관하고, 동일한 온도 조건에서 같은 시간 동안에 모든 동결물을 녹여 재사용할 수 있어 이에 대한 효과는 현저하다.

한편, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 발명에 한정되지 아니하며, 특허 청구의 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능할 것이다.

제 1 도는 종래의 액체 조성물 동결 장치의 단면도.

제 2 도는 종래의 동결물이 서로 엉겨 붙는 것을 방지하는 장치의 단면도.

제 3 도는 본 발명의 액체 조성물 동결 장치의 단면도.

제 4 도는 본 발명의 실시예에 따른 액체 조성물의 속도와 양을 제어하는 속도 제어기의 단면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

4 - 냉동 챔버 6 - 오리피스

7 - 경사 수로판 12 - 벤트

18 - 액체조성물 20 - 속도제어기

21 - 노즐 22 - 스크류 컨베이어

Claims (8)

1. 액체 조성물을 공급받아 저장하는 용기와, 상기 액체 조성물의 양과 속도를 제어하기 위해 상기 저장용기의 출구에 설치되는 제어기와, 상기 제어기의 출력부에 연결되는 다수의 상광하협의 다단계형 노즐과, 상기 노즐로부터 액체 조성물이 공급되며, 극저온 냉매탕이 수용되는 냉동 챔버와, 상기 냉동 챔버 내부에 설치된 경사 수로판과, 상기 경사 수로판에 극저온 냉매를 공급하는 냉매 공급수단으로 구성된 액체 동결물 형성장치에 있어서,

   상기 냉동 챔버(4)의 내부에 수용되며, 상기 냉매탕에 잠기는 일 부분에는 오리피스(6)가 형성되어 있고, 아래쪽을 향해 점차 좁아지다가 하단에 출구가 형성되어 있는 이중벽 용기(5)와;

   상기 이중벽 용기(5)의 안쪽에 설치되며, 아래쪽으로 경사지게 지그재그식으로 배치된 2개 이상의 경사 수로판(7)과;

   상기 냉동 챔버(4)의 외부에 설치되어 극저온 냉매를 상기 경사 수로판(7)에 공급하는 냉매통(8)과;

   상기 냉매통(8)에 연결된 압력 제어기(9)와;

   상기 이중벽 용기(5)의 출구에 설치된 액체 동결물 이송수단(22)과;

   를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 액체 동결물 형성장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 액체 동결물 이송수단(22)은 스크류 컨베이어인 것을 특징으로 하는 액체 동결물 형성장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   냉동 챔버(4)에는, 챔버 내부의 팬을 구동시키는 스크류 펌프(27)가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 액체 동결물 형성장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   냉동 챔버(4)의 상부에는 벤트(12)가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 액체 동결물 형성장치.
5. 제 1 항에 있어서,

   냉동 챔버(4)의 상부에는 흡입팬(13)이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 액체 동결물 형성장치.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 액체 조성물 저장용기(19)에는, 과일 낱알 보관통(15)과 필터(17)가 추가적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 액체 동결물 형성장치.
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