KR19990013800A - 액체 이산화탄소의 흐름으로부터 미세 스노우 입자를 제조하기 위한 장치 - Google Patents

액체 이산화탄소의 흐름으로부터 미세 스노우 입자를 제조하기 위한 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저온 액체의 가압된 흐름을 제공하기 위한 도관 및 도관과 연통하는 출입구를 갖는 도관에 연결된 노즐을 포함하는 미세 스노우(snow) 입자의 제조 장치에 관한 것이다. 팽창 부재는 노즐 내에 위치하며 유입구 경로를 덮고 있다. 팽창 부재는 극저온 유체를 저압 영역으로 통과시키기 위해 다수의 미세 채널을 제공함으로써, 팽창 부재를 통과하는 동안에 극저온 유체를 팽창시킬 수 있다. 바람직한 구체예에 있어서, 극저온 유체는 이산화탄소이며, 장치 파라미터는 극저온 유체를 팽창 부재의 유출구 표면에 있는 또는 유출구 표면 근처에 있는 고체상내로 유입시키고 고체상으로부터 미세 스노우 입자로서 유출시킬 수 있도록 고정되어 있다.

Description

액체 이산화탄소의 흐름으로부터 미세 스노우 입자를 제조하기 위한 장치
본 발명은 미세하게 분할된 극저온 스노우 입자의 제조 장치에 관한 것이며, 보다 상세하게는, 액체 이산화탄소의 흐름을 수용하고 이것으로부터 미세 이산화탄소 스노우 입자의 흐름을 제공하기 위한 개선된 노즐 구조에 관한 것이다.
이산화탄소로부터 제조된 스노우 입자는 광범위한 냉각 및 냉동 분야에서 사용되고 있다. 이산화탄소 스노우 입자는 예를 들어, 공업용 냉각 및 냉동을 위한 냉장 뿐만 아니라 드라이아이스의 제조에 사용될 수 있다. 더욱 상세하게는, 이러한 스노우 입자는 예를 들어, 식품 냉각, 냉동 및 냉장 분야, 및 다양한 식품 이외의 재료의 가공 동안 급속 냉각 및/또는 국소 냉각 분야와 같은 식품 및 식품 이외의 분야에 유용하다.
이산화탄소 스노우 입자는 작은 오리피스를 통한 액체 이산화탄소의 급속 팽창에 의해 제조되는 것이 일반적이다. 액체 이산화탄소는 이산화탄소 기체를 압축시키고, 냉장에 적합한 압력 및 온도 조건하에서 유지시킴으로써 수득된다. 예를 들어, 대형 저장 탱크의 경우, 약 300 lbs/inch2의 압력 및 약 0℉의 온도로 저장된 이산화탄소는 액체 상태이다. 사용 시에 액체 이산화탄소는 작은 오리피스를 통한 급속 팽창에 의해 이산화탄소 스노우 및 증기의 혼합물로 전환된다.
종래의 이산화탄소 스노우의 제조 장치는 비교적 단순한 오리피스를 이용하여 이산화탄소 액체 공급물의 팽창을 일으킬 수 있다. 그러나, 전형적으로, 스노우 호온(horn) 및 오리피스와 같은 종래의 팽창 장치/노즐은 국소 임핀지멘트(impingement) 패턴을 생성시키고, 거대하고, 작은 공간에 적용하기가 어렵다. 이러한 종래의 장치/노즐은 스노우 입자를 스노우 호온 및 오리피스로부터 고속으로 밀어내는 것으로 또한 공지되어 있다. 이산화탄소 스노우의 빠른 속도는 고른 스노우 블랭킷의 적용을 어렵게 하며, 피자 상의 치즈 토핑 또는 제빵 품목 상의 거품 토핑과 같은 무른 품목들을 손상시킬 수 있다. 더욱이, 공업용 냉각 분야에 사용되는 경우, 빠른 속도는, 피복된 장벽 재료와 같은 무른 재료의 표면에 피팅을 발생시키거나 심지어 파손시킬 수 있다. 더욱이, 스노우 입자의 고속 배출은 근처에서 작업중인 근로자에 대해 안전 및 환경 문제를 유발할 정도의 높은 소음 수준을 야기시킨다.
이산화탄소 스노우의 고르지 못한 적용을 해결하려는 노력이 경주되었다. 예를 들어, 특수하게 성형된 호온이 팽창 오리피스의 유출구에 제공되었고; 바운스 플레이트(bounce plate)에 대해 배출하는 고정식 오리피스가 사용되었고; 밀폐된 컨테이너로 배출하는 변동식 오리피스가 사용되었고, 이들의 조합물이 모두 시도되었다.
예를 들어, 킬번(Kilburn)의 미국 특허 제 3,667,242호는, 액체 이산화탄소를 개방 기부 및 폐쇄 상부가 제공된 이중 측벽이 있는 속이 빈 원통형 호온의 상부로 전달시키는, 이산화탄소 스노우 제조용 구조물을 기술한다. 원통형 호온의 최상부에 있는 노즐은 호온에서 생성된 스노우에 맴돌이 접선 운동을 부여해준다.
카터 주니어(Carter, Jr)의 미국 특허 제 4,111,362호는, 이산화탄소를 호온 영역에 주입시키도록 이산화탄소 제트의 쌍이 가로로 배열되어 있는, 이산화탄소 스노우 제조용 노즐 장치를 기술한다. 스노우 및 증기의 팽창 제트 혼합물은 충돌 경로로 전달됨으로써, 제트의 에너지가 소산된다.
프랭크(Frank) 등의 미국 특허 제 4,145,894호는 액체 이산화탄소가 노즐을 통해 챔버로 전달되는 이산화탄소 스노우의 제조 장치를 기술한다. 생성된 스노우는 스노우를 적출하고 컨베이어 벨트를 따라 이동하는 물품상에 이를 침착시키는 브러시류 날이 장착된 모터-구동 드럼에 의해 분산된다.
프랭클린 주니어(Franklin, Jr.)의 미국 특허 제 4,376,511호는, 매니포울드가 채널 부재 내에 위치하고 이산화탄소 스노우가 채널 부재의 측면쪽으로 분배됨으로써, 이산화탄소 스노우의 운동 에너지의 일부가 소산되는 이산화탄소 스노우의 제조 장치를 기술한다.
프랭클린 주니어(Franklin, Jr.)의 미국 특허 제 4,462,423호는 다수의 노즐이 헤더 파이프를 따라 위치하여 헤더를 따라 이산화탄소 스노우를 위한 다수의 분배 영역을 가능하게 하는 이산화탄소 스노우-제조 헤더를 기술한다.
프랭클린 주니어(Franklin, Jr.)의 미국 특허 제 4,640,460호는 한 쌍의 노즐이 탱크내에 제공되어 있는 이산화탄소 스노우-제조 헤더를 기술한다. 약 300 psi에서 일정량의 액체 이산화탄소가 노즐의 유입구 말단에 공급된다. 부가하여, 공급되는 액체 이산화탄소의 온도를 삼중점까지 감소시키기에 충분한 정도로 공급 라인을 냉각시키기 위하여, 액체 이산화탄소는 공급 라인을 통해 노즐의 유입구 말단에 전달된다.
로우즈(Rhoades) 등의 미국 특허 제 5,020,330호는 탄소 스노우 입자를 식품 상에 분출시키기 위한 노즐을 하나 이상 포함하는 식품 냉동기를 기술한다. 액체 이산화탄소는 분무 노즐쪽으로 오로지 상향으로 및/또는 수평으로 흐르도록 관을 통해 이동된다. 따라서, 분무 오리피스의 상류면 근처에 축적될 수 있는 고체 이산화탄소는 관 내에서 위로 끌리는 이산화탄소 증기에 의해 용해된다.
고속의 스노우 입자가 회피되는, 미세 스노우 입자를 제조하는 이산화탄소 스노우 분배 헤드 및 노즐이 필요하다. 또한, 이러한 장치는 냉각되는 식품, 또는 그 밖의 제품 또는 재료에 걸쳐 입자가 비교적 고르게 적용됨을 보장하기 위하여 비교적 일정한 입자 치수를 갖는 이산화탄소 스노우 입자를 제조해야 한다.
따라서, 본 발명의 목적은 미세 이산화탄소 스노우 입자를 제조하기 위한 개선된 노즐 구조를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 응고된 이산화탄소 입자에 의한 노즐 막힘이 회피되는, 미세하게 분할된 이산화탄소 스노우 입자를 제공하기 위한 개선된 노즐 구조를 제공하는 데에 있다.
도 1은 본 발명에 따른 노즐의 제 1 구체예의 단면도이다.
도 1a는 노즐 내에 위치한 팽창 부재를 제한하기 위해 리테이닝 링이 사용되는 제 1도의 노즐의 변형예이다.
도 2는 팬형 스노우 패턴이 생성되는 본 발명에 따라 구성된 노즐의 또 다른 구체예의 단면도이다.
도 3a는 생성된 스노우 패턴을 넓히기 위해 호온이 일체화된 제 1 구체예 노즐의 상단면도이다.
도 3b는 도 3a의 노즐의 측단면도이다.
도 4는 중간 압력 챔버가 일체화된 본 발명에 따른 또 다른 구체예 노즐의 단면도이다.
도 5는 생성된 스노우에 방향 변화를 제공하기 위해 중간 압력 챔버 내에 휨이 제공되어 있는 도 4의 노즐의 개선된 형태이다.
도 6은 스노우 패턴을 확산시키기 위해 중간 압력 영역이 곡면에 걸쳐 스노우를 주입하는 도 4의 노즐을 도시한다.
도 7은 주위 대기와 혼합되고 주위 대기에 의해 증발되는 것을 방지하는 스노우 호온이 중간 압력 챔버로부터의 유출구와 연통하는 도 5의 노즐을 도시한다.
도 8 내지 10은 도 4에 도시된 노즐의 시험으로부터 수득된 결과를 기록한 표로서, 도 8의 노즐의 슬롯 폭은 0.022˝이고, 도 9는 0.035˝이며, 도 10은 0.062˝이다.
본 발명은 극저온 유체의 가압된 흐름을 제공하기 위한 도관 및 도관과 연통하는 출입구 경로를 갖는 도관에 연결된 노즐을 포함하는 미세 스노우 입자의 흐름을 제조하는 장치에 관한 것이다. 팽창 부재는 노즐 내에 위치하며 유출구 경로를 덮고 있다. 팽창 부재는 극저온 유체를 저압 영역으로 전달시키기 위해 미세 직경을 갖는 다수의 채널을 제공함으로써, 팽창 부재를 통과하는 동안에 극저온 유체를 팽창시킬 수 있다. 바람직한 구체예에 있어서, 극저온 유체는 이산화탄소이며, 장치 파라미터는 이산화탄소 유체를 팽창 부재의 유출구 표면에 또는 유출구 표면 근처에 있는 고체 및 증기상으로 유입시키고 고체상으로부터 미세 스노우 입자로서 배출시킬 수 있도록 고정되어 있다.
본 발명의 장치를 기존의 스노우 형성 장치의 대체물로 사용하려고 한다. 따라서, 의도된 바와 같이, 본 발명은 예를 들어, 스노우 호온 또는 국소 냉각 장치 대신에 단독 장치로서 독립적으로 사용될 수 있거나 전체 장치의 일부로서 식품 냉동기, 냉장기 또는 벨트 스노어(belt snower)에 사용될 수 있다. 당업자는 본 발명이 특별한 용도에 제한되지 않고, 냉장, 냉각 또는 냉동용 극저온 유체의 사용이 바람직한 모든 분야에서 사용될 수 있음을 인식할 것이다.
본 발명자는 본 발명이, 이들에 한정되지는 않지만, 벨트 스노어, 식품 냉동기 및 식품 냉장기를 포함하는 다양한 식품 냉각, 냉동 및 냉장 분야에서 이용할 수 있을 것으로 기대한다. 예를 들어, 냉동한 다진 고기와 같은 냉동한 다진 식품의 가공의 경우, 날고기는 포장하고 냉동하기 전에 다진후 급속 냉각시켜야 한다(왜냐하면, 분쇄 그 자체로 일정량의 열이 제품에 가해지기 때문임). 본 발명은 분쇄기를 빠져나올 때 다진 고기상에 조절되는 방식으로 연속적으로 침착될 수 있는 스노우 입자를 생성시키기 때문에, 상기 목적을 위해 유리하게 이용될 수 있다. 근로자가 장치 근처에서 작업하는 가공 공장에서 본 발명이 이용되는 경우, 본 발명은 스노우가 고속 배출됨이 없이 전달되기 때문에 저소음의 추가 잇점을 갖는다.
본 발명은 예를 들어, 식품 및 극저온 유체가 직접 접촉하는 식품 냉장기 및 식품 냉동기에도 이용될 수 있다. 많은 시판용 냉동기 및 냉장기는 기존의 스노우 생성 장치를 사용하기 때문에, 본 발명은 이러한 장치에 이용될 수 있다. 본 발명의 장치의 잇점은 식품과의 접촉 표면을 증대시키는 성능으로 인해 증가된 열 전달을 제공하는 미세 스노우 입자를 생성시키는 데에 있다.
본 발명은 모든 공업용 냉각 분야에 이용될 수 있고, 예를 들어 용융된 또는 반(半)용융된 공급원료로 만들어지는 피복된 재료 또는 재료의 제조에 필요할 수 있을 것으로 더욱 기대된다. 예를 들어, 아스팔트 장벽 재료는 고온 아스팔트를 기질 상에 피복시킴으로써 생성된다. 피복시킨 후에, 장벽 재료는 가공 장치의 거밍(gumming)을 방지하기 위하여 추가 가공하기 전에 전체 표면에 걸쳐 고르게 냉각되어야 한다. 이것은 오프-라인 냉각시킴으로써 통상 달성된다. 이점이 이러한 재료를 연속적으로 가공하는 것을 어렵게 한다. 그러나, 본 발명은 재료의 전체 표면에 걸쳐 고르게 적용될 수 있는 미세 스노우 입자를 제공하기 때문에, 본 발명을 이용함으로써 신속하고 효율적이고 연속적인 냉각이 이루어질 수 있다.
따라서, 본 발명은 식품 산업 및 식품 이외의 산업의 다양한 냉각, 냉장, 및 냉동 분야에 사용될 수 있는 미세 스노우 입자의 흐름을 생성시키는 다목적 장치를 제공한다.
하기에 설명하려는 각각의 노즐 장치는 극저온 유체 경로를 폐색하고 다수의 팽창 채널을 제공하는 팽창 부재 또는 그 밖의 부재를 포함하며, 이들 부재는 다수의 미세 채널을 갖는다. 팽창 채널 내에서, 극저온 유체의 팽창이 일어나고 팽창하는 극저온 유체(이산화탄소의 경우)는 스노우 입자 및 증기로 전환된다.
팽창 부재용으로 바람직한 재료는 소결된 또는 마이크로크기로 드릴링된(micro-drilled) 스테인레스 강이지만, 극저온 유체를 저압 영역으로 전달시키기 위한 다수의 다공성 채널 또는 마이크로채널를 제공하는 모든 재료가 허용된다. 팽창 재료는, 압력 경도와 함께, 극저온 유체(이산화탄소의 경우)를 증기 및 동일한 흐름에 대한 압력 강하가 단일 구멍 오리피스에 의해 생성되는 경우 발생하는 것보다 저속으로 팽창 인서트로부터 배출되는 증기 및 미세 스노우 입자로 전환시키도록 극저온 유체의 팽창을 위해 다수의 경로를 가져야 한다. 본원에서 사용되는 팽창 재료란 용어는 이들의 기초 재료로서 금속, 세라믹, 유리, 플라스틱, 복합물(composites), 스크린(들), 강면(steel wool) 배합물 및 상기 재료가 조합된 모든 재료를 포함할 것이다.
스테인레스 강 다공성 소결 제품은 모트 메탈러지컬 코포레이션[Mott Metallurgical Corporation](Farmington Industrial Park, 84 Spring Lane, Farmington, Conneticut)으로부터 구입할 수 있다. 다공성 인서트는 다양한 두께 및 직경으로 제조할 수 있고, 기공률에 관하여, 예를 들어 다양한 입도에서 0.2 내지 100 마이크론, 바람직하게는 약 5 내지 약 20 마이크론으로 규격화될 수 있다. 다공성 인서트의 형태 및 구멍 크기는 노즐의 적용 및 구조에 따라 다를 수 있다. 예를 들어, 기공률이 5 마이크론인 인서트는 동일 표면적을 갖는 기공률이 10 마이크론인 것보다 단위 면적 당 스노우를 덜 생성할 것이다. 가공이 원형 패턴을 요하는 경우 디스크가 사용될 수 있다. 팬 스노우 패턴을 요하는 경우, 팬형 다공성 영역을 갖는 디스크 또는 캡이 노즐의 유출구에 제공될 수 있다. 또한, 팽창 디스크 또는 그 밖의 형태는 스노우 입자의 바람직한 분산을 이루기 위해 스노우 입자를 편향판(deflection plate)에 대해 배출시킬 수 있다.
마이크로크기로 드릴링된 팽창 부재를 또한 본 발명에서 사용하려 한다. 본원에 사용되는 마이크로크기로 드릴링된이란 용어는 드릴링, 천공 등에 의해 기계적으로 형성된 다수의 미세 채널을 갖는 팽창 부재를 의미하려 한다. 이러한 마이크로크기로 드릴링된 팽창 부재는 약 300 마이크론 이하의 직경, 바람직하게는 약 10 마이크론 내지 약 200 마이크론의 직경의 구멍을 가질 수 있다.
바람직한 극저온 유체는 식료품에 적용되는 경우 양성(benign) 특성을 나타내는 이산화탄소이며, 이것은 많은 냉각 분야에 적용될 수 있다. 그러나, 본 발명은 노즐 구조 내에 위치한 팽창 부재의 사용에 의해 미세하게 분산된 극저온 유체 패턴을 생성시키도록 조절될 수 있는 그 밖의 극저온 유체에 동일하게 적용될 수 있는 것으로 해석된다.
이산화탄소가 약 60 lbs. psig의 압력, -70℉의 온도에서 삼중점(triple point를 나타낸다는 것은 널리 공지되어 있다. 상기에 나타난 바와 같이, 액체 이산화탄소는 약 300 psig 및 약 0℉에서 흔히 저장된다. 액체 이산화탄소가 이러한 압력 및 온도로 본 발명에 따른 노즐에 공급되는 경우, 팽창 부재는, 유입구 및 유출구 압력이 제공되는 경우 부재를 통과하는 액체 이산화탄소가 팽창 부재의 유출구 표면에서 또는 유출구 표면 근처에서 삼중점에 이르게 할 수 있는 두께 및 미세 채널 직경을 갖는 것이 바람직하다. 상기에 나타난 바와 같이, 액체 이산화탄소는 약 0℉로 팽창 부재에 도달한다(저장 컨테이너로부터). 액체 이산화탄소는 부재의 채널로 유입되어 팽창을 개시하며(압력차로 인해), 이러한 팽창에 의해 유체가 냉각된다. 충분히 두꺼운 팽창 부재가 제공된 경우, 팽창 부재의 유출구 표면 또는 표면 근처의 온도 및 압력은 약 -70℉ 및 약 60 psig에 이르며, 이로 인해 스노우 입자를 생성시킬 수 있는 조건이 제공된다. 미세 채널 직경은 생성되는 스노우 입자의 크기를 제한한다. 팽창 부재를 가로지르는 압력차 및 증기 성분은 스노우 입자를 배출시키는 구동력의 역할을 한다.
이러한 방식으로, 미세 채널을 통과하는 액체/증기는 노즐의 유출구면에서 또는 유출구면 근처에서 스노우 입자로 전환된다. 삼중점이 팽창 부재의 구조 내에서 발생한다고 하더라도 팽창 부재의 유입구 및 유출구면 사이의 실질적인 압력차는 스노우 입자 및 증기를 지연되지 않는 방식으로 미세 채널에 통과시키는 것으로 알려져 있다.
도 1과 관련하여, 노즐(10)은 유입구(12)를 통해 액체 이산화탄소 흐름을 수용한다. 팽창 디스크(14)(바람직하게는 다공성 스테인레스 강)는 노즐(10)의 유출구 말단에 위치하며, 노즐(10)상으로 나사선형태로 결합된 리테이닝 너트(16)에 의해 적소에 지지되어 있다. 유입구(12)로 유동하는 액체 이산화탄소는 팽창 디스크(14)로 유입되고, 팽창 디스크(14)의 구멍을 통과하는 동안 팽창한다. 따라서, 스노우는 팽창 디스크(14)의 유출구 표면에서 또는 표면 근처에서 생성되고, 압력차로 인해 배출된다.
도 1a의 경우, 도 1의 노즐의 변형예가 도시되며, 팽창 디스크(14)의 주변에 리테이닝 링(18)이 일체화되어 있다. 리테이닝 링(18)은 팽창 디스크(14)의 에지 주변에서 액체 이산화탄소의 흐름을 방해하고, 노즐(10)이 표준(standard) 디스크 지지 장치에서 다양한 크기의 디스크를 수용할 수 있게 한다.
도 2와 관련하여, 도 1의 노즐 구조는 팬형 스노우 패턴을 생성시킬 수 있도록 변형되었다. 튜브(20)는 노즐(10)의 유출구 말단으로 삽입되고, 여기에 고정된다. 반(半)원형 다공성 영역을 갖는 캡(22)은 튜브(20)의 유출구 말단에 부착되어 있고, 이것의 말단부(24)는 플레이트 또는 그 밖의 클로져(closure)에 의해 밀폐된다. 결과적으로, 극저온 유체가 유입구(12)에 유입하는 경우, 이용가능한 유일한 유출구 영역은 스노우 입자의 바람직한 팬 형태를 제공하는 반원형 다공성 영역(28)을 통과하는 것이다.
캡(22)은, 다공성 재료 표면을 마멸시켜 다공성 캡의 외부 원주 영역(26)을 밀폐시키거나, 쇼트 블라스트(shot blast) 또는 그 밖의 피이닝(peening)법에 의해 다공성 재료를 폐쇄(closing)시키거나, 외부 표면상에 에폭시 경화 재료를 독터링(doctoring)시킴으로써 예비제조하거나 제조할 수 있다.
도 3a 및 3b는 팽창 디스크(14)로부터 배출되는 스노우 입자에 가이딩(guiding)/편향을 제공하기 위해 노즐(10)의 유출구에 호온(30)을 정위시킨 것을 도시한다. 호온(30)은 이산화탄소 스노우에 대해 방향성을 제공할 뿐만 아니라 이산화탄소 스노우가 냉각시키려는 재료에 도달하기 전에 생성된 스노우가 증발하지 않게 해준다. 호온(30)은 스노우 및 증기의 흐름에 의해 충전되도록 설계되어, 호온(30)을 둘러싸는 습기 또는 그 밖의 응축가능한 성분이 들어오지 못하고 호온(30) 내부에서 응축되지 못하게 한다. 이러한 응축은 노즐(10)의 막힘을 초래할 수 있다.
하기에 설명될 본 발명의 구체예는 팽창 디스크 인서트의 유출구면상의 압력을 조절하기 위해 각각 중간 압력 챔버를 사용한다. 팽창 인서트의 유출구면상의 배압은 팽창 디스크 인서트를 가로지르는 압력차를 감소시킨다. 유출구면이 가압되기 때문에, 유출구면 압력 및 팽창 디스크 내의 이산화탄소 삼중점 사이의 차이는 감소된다. 중간 압력 챔버가 제공되는 경우, 팽창 디스크 부재의 유출구 표면에 또는 표면 근처에서 이산화탄소 삼중점을 유지시키는 동안 유입구면상의 압력을 감소시킨다.
중간 압력 챔버는, (i) 고체 및 증기를 바람직한 방향으로 관에 의해 이동(piped)시키고, (ii) 제 2 팽창을 가능하게 하는 압력 강하를 제공하고, (iii) 바람직한 유출구 스노우 패턴을 제공하기 위해 제 2 팽창을 형태화시킬 수 있고, (iv) 제 2 팽창을 가로지르는 낮은 압력 강하를 가능하게 하여, 저속 배출하는 스노우 및 증기를 생성시킨다.
중간 압력 챔버는 또한 증기 및 스노우 스트림이 바람직한 형태로 될 때까지 증기 및 스노우 스트림에 공기가 유입하지 못하게 한다. 공기로부터의 습기가 한랭 증기 및 스노우 스트림에서 응축되기 때문에, 결빙된 습기는 한랭 증기 및 스노우를 블록킹하고 다른 쪽으로 우회시킬 수 있다. 또한, 팽창 디스크 부재에 의해 생성된 미세 스노우는 드라이아이스의 형성에 의한 플러깅(plugging) 없이 스노우 배출을 지속시킬 수 있는 중간 압력 영역에서 생성된 건조 평형 환경에서 응집하지 않는다.
제 2 팽창은 20 psig(이하) 내지 대기압에서 일어나고, 팽창이 300 psig 내지 대기압에서 이루어지는 경우(팽창 부재를 가로질러) 감소된 배출 속도 결과가 발생할 것이다.
중간 압력 챔버에서의 평형 압력 조건은 바람직하게 주위 환경 이상의 플러스 압력에서 약 20 psig 까지이다. 약 20 psig 이상의 압력에서, 삼중점(약 60 psig)은 팽창 디스크 부재를 통과하는 동안이 아니라 중간 챔버에서(즉, 저압 유출구면) 발생하고 중간 압력 챔버를 액체 이산화탄소로 범람시킬 것으로 더 예측된다. 또한, 중간 압력 챔버 내의 액체를 삼중점에 이르게 하고 고체 이산화탄소를 형성시키는 불안정한 압력 조건이 존재할 수 있다. 이러한 고체 이산화탄소의 형성은 중간 압력 챔버로부터 제 2 팽창 유출구를 블록킹시킬 수 있다.
도 4는 중간 압력 챔버(30)가 노즐(10)의 유출구에 추가된 도 1a의 노즐을 도시한다. 중간 압력 챔버(30)는 이산화탄소 증기 및 스노우 입자의 유출구용 슬롯을 갖는 폐쇄된 챔버(31)를 포함한다. 슬롯(32)의 크기는 중간 압력 챔버(30) 내의 압력을 조절하고, 나아가 팽창 부재(34)를 통과하는 동안 삼중점이 달성됨을 보장하는 것을 돕는다.
플레이트(36)는 슬롯(32)으로부터 배출되는 스노우의 패턴을 넓히기 위해 노즐(10)의 유출구 말단에 추가될 수 있다.
도 5는 슬롯(38)으로부터 배출되는 스노우의 방향을 변화시킬 수 있도록 곡선 경로를 나타내는 중간 압력 챔버가 부착된 노즐을 도시한다. 도 4에 도시된 노즐(10)의 변형 노즐로부터 배출되는 스노우 패턴은 도 6에 도시된 구조에 의해 변경될 수 있다. 이 점에 있어, 중간 압력 챔버(30)는 슬롯(32)이 이산화탄소 증기 및 스노우 패턴을 일반적으로 곡면에 접선 방향으로 배출시키는 방식으로 곡면(40)의 개구부를 통해 연장된다. 배출되는 증기 및 스노우의 결과적인 속도는 압력차에 의해 곡면(40)위를 이동한다. 따라서, 곡면(40)의 만곡을 조정함으로써, 슬롯(32)으로부터 배출되는 스노우 패턴이 조정되고 바람직한 경로를 따라 다른 쪽으로 우회될 수 있다.
도 7는 슬롯(38)으로부터 배출되는 증기 및 스노우를 수용하도록 호온(42)이 연결된 도 5에 도시된 바와 같은 노즐을 도시한다. 증기 및 스노우가 유입구(44)를 거쳐 호온(42)으로 유입한 경우, 스노우 패턴은 호온(42)의 내부에서 확산하는 경향이 있고, 이것의 속도는 또한 감소하는 경향이 있다. 또한, 중간 압력 챔버(36)로부터 스노우 및 증기를 수용함으로써 호온(42)은 스노우 및 증기가 주위 대기와 혼합되는 것을 방지하고, 사용 순간까지 스노우를 보존한다.
도 8 내지 10은 다양한 직경을 갖는 스테인레스 강 다공성 인서트를 사용하여, 도 4에 따라 형성된 노즐에 대해 수행한 시험으로부터 수득된 결과를 도시하는 표이다. 도 8은 중간 압력 챔버로부터 0.022˝ 유출구 슬롯 폭을 갖는 노즐로부터 수득된 결과를 도시한다. 도 9 및 10은 각각 0.035˝ 및 0.062˝슬롯 폭에 대해 수득된 결과를 도시한다.
각각의 시험 노즐에 대하여, 다음의 파라미터는 일정하다: 슬롯 각도 - 45˚, 다공성 인서트 두께 - 1/16˝, 구멍 크기 - 5 밀(mils), 유입구 압력 - 295 psi. 각각의 슬롯 폭에 대하여, 허용되는 스노우 패턴이 생기는 지를(즉, 삼중점이 팽창 부재의 유출구 표면에서 또는 표면 근처에서 달성되는 지를) 결정하기 위해 4가지의 서로 다른 직경을 갖는 다공성 인서트를 시험한다. 모든 시험에 있어서, 도 8의 시험 4를 제외하고는, 허용되는 스노우 패턴이 달성되었다. 도 8의 시험 4의 경우, 중간 압력 챔버는 액체 이산화탄소로 범람되었고, 스노우는 생성되지 않았다. 시험은 또한 중간 챔버에서의 압력은 다양한 슬롯 폭 및 팽창 부재의 채널 크기를 사용함으로써 조절될 수 있음을 입증하였다. 도시된 바와 같이, 보다 낮은 압력은 보다 큰 슬롯 폭을 사용하거나, 팽창 부재의 채널 크기를 증가시키거나, 이들을 조합함으로써 중간 챔버에서 달성되었다. 따라서, 시험은 스노우 패턴 및 스노우/증기 유출구 속도가 주어진 사용과 부합하는 전술한 파라미터를 변화시킴으로써 조정될 수 있음을 나타내었다.
지금까지의 설명은 본 발명의 예시에 불과한 것으로 해석되어야 한다. 당업자라면 본 발명 내에서 다양한 대안 및 변형을 고안할 수 있다. 따라서, 본 발명은 첨부된 특허청구의 범위 내에 속하는 이러한 모든 대안, 변형 및 변화를 포함하고자 한다.
본 발명에 따른 장치에 의해 제조된 미세 이산화탄소 스노우 입자는 냉각되는 식품, 또는 그 밖의 제품 또는 재료에 걸쳐 비교적 고르게 적용됨으로써, 종래의 오프-라인 냉각에 의한 가동 중단의 문제점을 해결하며, 미세 스노우 입자로 인해 응고된 이산화탄소에 의한 노즐 막힘의 문제도 해소된다. 또한 스노우 입자의 배출 속도가 빠르지 않기 때문에 작업 환경도 저소음으로 만들 수 있다.

Claims (10)

  1. 극저온 유체의 가압된 흐름을 제공하기 위한 도관;
    상기 도관에 연결되어 있고, 유출구, 및 상기 도관과 유출구 사이의 내부 경로를 갖는 노즐; 및
    상기 경로를 덮고 있고, 상기 극저온 유체를 상기 도관에 통과시키는 다수의 미세 채널을 제공하는 팽창 부재를 포함하는 극저온 유체의 미세 패턴의 제조 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 팽창 부재가 일반적으로 평면 형태를 갖고 있고, 상기 노즐 내에 장착되어 있고, 리테이너에 의해 둘러싸여 있음을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 극저온 유체가 이산화탄소임을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 이산화탄소 유체의 가압된 흐름이 상기 팽창 부재의 상기 미세 채널을 통과하는 동안 고체상내로 유입되고, 고체상으로부터 미세 스노우 패턴으로 배출됨을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 3항에 있어서, 상기 팽창 부재의 치수, 상기 팽창 부재 내의 미세 채널, 상기 이산화탄소의 가압된 흐름의 압력 및 유출구 압력이 조정되어 상기 이산화탄소의 삼중점이 상기 팽창 부재의 유출구에서 또는 유출구 근처에서 발생함을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 팽창 부재가 소결된 스테인레스 강을 포함함을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 팽창 부재가 마이크로크기로 드릴링된 스테인레스 강을 포함함을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 극저온 액체의 상기 가압된 흐름의 존재하에서 상기 중간 압력 챔버 내에 중간 압력이 존재함을 보장하는 배출구를 갖고, 상기 노즐의 상기 유출구와 연결된 중간 압력 챔버를 더 포함하는 장치.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 배출구로부터 배출되는 스노우 입자 및 증기를 우회시키는 배출 우회 수단을 더 포함하는 장치.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 배출 우회 수단이 볼록 곡면에 대해 실질적으로 접선 방향으로 상기 배출구로부터 스노우 입자의 유출을 수용하는 방식으로 상기 배출구와 병렬을 이루는 볼록 곡면으로서 구성됨을 특징으로 하는 장치.
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