KR930008005B1 - "제빙기(마크 ⅰ과 ⅱ)" - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

제빙기(마크 Ⅰ과 Ⅱ)

제 1 도는 본 발명을 실시하기 위한 장치의 도식도.

제 2 도는 소금물 혼합액에 대한 온도 농도 곡선의 도시도.

제 3 도는 제빙기의 제 2 실시예의 단면도.

제 4 도는 제 3 도의 선 4-4의 단면도.

제 5 도는 상기 실시예의 분해 사시도.

제 6 도는 제빙기의 제 3 실시예의 도식도.

본 발명은 연속 제빙방법에 관한 것으로 1979년 4월 3일 출원된 출원 시리얼 제 26561호의 계속 출원이고, 1980년 10월 16일 출원된 시리얼 제 06/197553호의 계속 출원이고, 1982년 9월 17일 출원된 출원 시리얼 제 067/419,548호의 계속 출원이고 또한 1984년 7월 17일 출원된 출원 제 631,592호의 계속 출원이다.

오늘날의 사회에 있어서 식료품의 보존과 저장에는 막대한 양의 얼음이 사용된다. 예로, 가금 1파운드를 싱싱한 상태로 저장하는 데는 2파운드의 얼음이 필요하다. 어업, 낙농업 및 과일이나 야채업 또한 많은 양의 얼음을 소비하고 그리고 호텔, 식당 및 병원과 같은 서비스산업 또는 막대한 양의 얼음을 사용한다. 또한, 수많은 제조산업에 있어서도 막대한 양의 얼음이 소비된다.

따라서, 얼음제조 그 자체는 중요한 산업인데, 오늘날 상당한 비율의 얼음제조는 배치(batch)토대위의 블록에서 이루어진다. 상기 방법은 큰 얼음 블록을 형성하는데 48시간이 걸리므로 시간을 많이 소비하고 또 노동력을 많이 요구하기 때문에 비교적 효과적이지 못하다. 또한, 얼음과 증발건조기 사이의 결속을 녹이기 위해 열을 이용해야 할 필요성이 있으므로 그의 효율성이 떨어진다. 즉, 얼음 수확단계에서 필요한 열을 제공하는데 드는 비용으로 인해 상기 방법의 효율성은 상당히 떨어진다. 그러나, 상기와 같은 비효율성에도 불구하고, 상기의 방법은 꾸준히 계속 사용되왔다.

오늘날 연속 제빙방법 또는 성공적으로 사용되고 있다. 현재 사용되는 연속 제빙방법에 있어서 물로부터 증발건조기의 벽위에 형성된 얼음은 회전송곳에 의해 분리된다. 이때, 결속 강도의 차이와 불규칙한 얼음형성방식은 상기 송곳 샤프트 드라이브에 불규칙한 토오크(torque)을 일으킨다. 상기 토오크 필요량이 불규칙하기 때문에 연속 제빙장치를 위한 수많은 건조증발기의 설계시도가 실패로 돌아갔다.

공정 농도 이하의 혼합물을 취하여, 이를 용기에 담아, 상기 혼합물을 교반하고, 그리고 용액 상태의 물을 결정화 시키고 그 나머지는 농축 시키기 위해 상기 용기의 측벽을 냉각시키는 것이 공지되어 있다. 상기와 같은 일반적인 방법은 아이스크림을 제조하는 기본적 방법이다. 상기의 방법은 또한 상기의 용액이, 예로, 끓인 커피 또는 오렌지 쥬스일 경우에 있어 공정 용액의 농축에 사용되도록 제안되었다. 상기와 같은 제안은 스바노의 미합중국 특허 제 3,328,972호 및 제 3,328,058호에서 찾아볼 수 있다.

상기 스바노 특허를 참조하면, 커피등과 같은 양조물은 형성된 얼음 결정등을 연속 제거함으로써 농축된다고 기재되어 있다. 상기 특허에 있어서는 양조 혼합물을 용기에 수용하여 상기 용기의 측벽을 냉각하므로써 상기 혼합물을 그의 응고점 이하로 냉각시켜 제거될 얼음 결정을 형성한다. 이 경우 상기 용기의 측벽위에 결정이 형성되는 것을 방지해줄 필요성이 있는데, 스바노는 교반기의 단부와 상기 용기의 냉각벽에 의해 형성되는 환상 단면적 구역을 상기 교번기에 의해 교반시켜줌으로써 이를 수행할 수가 있다고 설명한다. 상기 구역에서의 액체의 교반은 상기 측벽을 닦아 얼음 결정이 쌓이는 것을 방지해 준다. 상기 혼합물은 상기의 교반구역에서 반냉각된후 그를 지나 수확할 만큼 큰 얼음 결정이 설장하는 중앙구역으로 들어간다. 상기와 같은 큰 얼음 결정은 좀더 농축된 양조물을 산출하게끔 제거된다. 상기의 방법에 있어서 얼음 제조는 본래의 목적이 아니라 부수로 얻어지는 것이고 그의 본래의 목적은 상기 양조물을 농축시키는 것이다.

상기 스바노의 방법은 매우 섬세한 방법이기 때문에 작동조건을 주의깊게 조절해야만 한다. 상기 용기의 측벽에 얼음 결정이 형성된 공정이 중단될 수 있으므로 반드시 그렇치 않게해야 한다. 그리고 상기 얼음 결정은 수확할만한 크기에 도달하기 전에 용기 중앙으로 안내되어야 한다. 상기 스바노의 방법이 적어도 이와같은 것을 행할 수 있다면, 상기 방법은, 시판 목적으로 얼음을 제조하는 수단으로 연장될 경우, 단지 충분한 양의 얼음을 제공하지 못하는 속도로만 어렵게 조건들을 조절할 수 있다.

스바노는, 그의 명세서에서, 상기 용기의 벽위에 얼음 결정이 형성되는데에 대해 관심을 표시했는데, 그 이유는 상기 용기벽위에 얼음 결정이 형성된다면 상기 방법이 정지되기 때문이다. 이는 상기 방법의 일반적인 공정이 본질적으로 상기 용기벽위에 상기 혼합물을 반냉각시키고 이어 반냉각시키는 것을 상기 중앙구역으로 이전시켜 거기서 합당한 속도로 결정을 성장하게 하여 제거하기 때문이다. 따라서, 용기벽에 얼음 결정이 형성되는 것을 방지해 주는 일은 중요한데, 스바노는 이를 상기 용기벽 가까이에 심한 교반구역을 유지시켜 줌으로써 해결하고자 했다. 전술한 바와같이, 상기 용기벽에 가까운 교반된 액체는 상기 벽을 훑어내는 얼음입자가 수확할만큼 크기로 성장하기전에 제거한다. 그러나, 상기 방법은 효과적이지 못하다. 스바노의 명세서 컬럼 7, 라인 42에 기재되어 있는 바와같이, 열은 입방피트 및 시간당 약 300 내지 1600 BTU의 속도로 상기 용기의 열전달 표면을 통해 전달된다. 그러나 상기 스바노의 방법으로 열전달 속도를 증가시키는 것은 상기 용기벽에 결정이 쌓이는 결과를 초래하여 상기 방법의 붕괴를 가져온다. 따라서, 비교적 낮은 열전달 속도를 상기의 스바노 방법과 균형을 이루도록 해주기 위해서는 많은 주의를 기울여야 한다. 예로, 결정성장을 위해 얼음 결정을 피이드-백(feed-back)시켜야 하고, 또 시스템을 통해 온도 차이를 정확하게 조절해야 한다. 따라서, 스바노의 방법은 단지 낮은 열전달 속도만을 사용할 수 있고 그리고 섬세하게 균형이 유지되어야 하므로, 상업적으로 얼음을 생산하는 관점에서 볼때는 충분히 효과적이지 못하다.

상기 스바노의 방법은 효과적이지 못했으나, 상기 스바노 타입의 설비를 본 출원인의 방법으로 작동함으로써 스바노 방법보다 열배가 넘는 얼음 산출량을 달성할 수 있다. 스바노는 그의 명세서에서 본 출원인의 발명을 사용함으로써 입당피트 및 시간당 약 300 내지 1600 BTU로 전달할 수가 있다고 주장한다.

본 출원인은 스바노와는 다르게 훑어내며 그에 대해 열전달 표면에서의 임계 온도 범위를 제빙 효율이 놀라울 정도로 증가하게끔 상기 표면에서의 얼음 결정화가 효과적으로 방지될 수 있도록 유지해 준다.

본 출원인의 방법과 스바노의 방법의 본질적인 차이는 본 출원인의 방법이 상기 열전달 표면의 내부를 날개(blade)로 닦아줌에 의해 얼음 결정의 형성을 방지해 주는데 비해 스바노의 방법은 과냉된 액체층을 상기 표면으로부터 중앙으로 이동시켜 주는 완전히 별개의 방법을 사용하는 것인데, 이때 이들의 차이는 본출원인의 개량된 결과를 달성하는데 매우 중요한 요소이다.

본 기술 방면에 있어서 스피겔과 같은 다른 특허권 소유자는 용기의 측벽에 결정을 형성하여 이를 벗겨내었다. 이것은 매우 비효율적인 결정 형성 방법으로서 소정 크기의 용기의 용기 벽에 걸친 냉각제로 부터의 냉각 전달성이 매우 낮다.

스바노는 용기내의 액체의 표면층을 반냉각하여 이를 상기 표면으로부터 내부로 전달시켜줄 것을 제안했으나, 그러나 그는 높은 산출량을 얻을 수 있도록 상기 개념을 효과적으로 실시하는 방법을 알지못했다. 상기 스바노 방법에 있어서 상기 표면층은 응고점 이하의 일도 이상으로 상당히 냉각되므로 그에따라 상기 냉각시스템에 얼음 결정이 형성되는 것을 피할 수 없었다. 상기와 같은 사태가 발생할 경우 상기 냉각시스템은 붕괴되므로 그 효율성은 용기 벽으로부터 결정을 벗겨내는 스피겔의 경우로 되돌아간다. 본 출원인은 스바노가 설명한 상기 시스템의 불가피한 붕괴를 피하므로써 높은 열전달 속도와 얼음 결정 제조율을 유지시킬 수 있다.

닦아줌은 작동자가 벽에 얼음 결정을 형성하는 위험없이 상기 시스템을 작동할 수 있도록 해주는데, 이는 숫자상으로 표현하면 상기 용기의 측벽에 가장 인접한 혼합물층을 상기 혼합물의 응고점 아래의 1°이하로 냉각시켜 줌에 의해 달성된다. 상기 스바노 특허에서 설명한 교반은, 상기 벽이 용기벽의 입방피트당 적어도 4000 BTU의 속도로 냉각될 경우, 온도를 1도 범위내로 유지시켜 주는 속도로 상기 표면층을 제거시킬 수 있다. 상기와 같은 요건들의 조화는 스바노의 방법이 본 출원인의 효율성 근처에 접근할 수 없기 때문에 상기 스바노의 방법으로는 가능하지 않다.

본 발명의 목적은 간단, 견고하며, 심각한 작동 문제점이 없고, 단순하게 설계된 설비를 사용하고 또한 경제적이며 연속적으로 얼음을 제조하는 제빙기를 제공하는 것이다.

본 발명은 네폴리탄 복트-모델 V3100 아이스크림 냉동기의 냉동시스템과 소금물 혼합액을 사용하여 성공적으로 실시되었으므로, 이하 상기 장치와 혼합물을 중심으로 본 발명을 설명하겠다. 그러나, 본 발명은 상기 장치와 혼합물에 국한되는 것이 아니다.

제 1 도에 있어서 참조번호(10)으로 표시되는 냉동실린더는 펌프(14)에 의해 소금물 혼합액을 연속 순환시키는 교반실(12)을 갖는다. 상기 소금물 혼합액은 (16)을 통해 상기 교반실로 들어간 다음 얼음 결정을 형성하도록 그 내부에서 냉각되고 이어 펌프질 가능한 진창-같은 혼합물로서 출구(18)를 통해 상기 교반실을 빠져나온다. 그후 상기 혼합액은 오늘날까지 성공적으로 작동되었던 상기 냉동장치에 있어 얼음 결정을 걸러주고 혼합액체는 통과시키는 여과기에 해당하는 기계적 분리기(20)로 진행한다. 상기 얼음 결정은 거기서 제거되고 그리고 그 나머지의 혼합액은 순환탱크로 안내된다. 이때, 얼음 결정의 제거에 의해 소금물 혼합액으로부터 없어진 물은 공급원(24)의 물을 상기 순환탱크에 첨가해줌으로써 보충된다. 따라서, 얼음을 만드는 물은 보충으로 상기 시스템에 첨가된 물이다. 번호(23)은 없어진 용질을 대신하도록 상기 시스템에 첨가할 수 있는 농축된 용질을 함유하는 탱크이다.

상기 교반실 내에서 닦는 페달은 상기 교반실의 측벽을 훑어내려 그위에 얼음이 쌓이는 것을 방지하도록 모터(26)에 의해 계속 회전된다. 상기 닦는 페달은 상기와 같은 장치에서 표준 설계로 된다.

상기 교반실은 응축기(30)로 부터 응축된 냉각제를 연속 공급받는 자켓(28)에 의해 둘러싸인다. 상기 냉각제는 상기 자켓에서 비등하고, 그리고 교반실내에 얼음 결정이 형성되게끔 상기 교반실내의 소금물 혼합액을 냉각시킨다. 그후 팽창된 냉각제는 상기 자켓으로부터 압축기(32)로 이동하여 거기서 압축된 후 종래의 냉각 사이클에서 처럼 연속 재순환되도록 상기 응축기로 다시 전달된다.

전술한 바와같이, 냉동기, 교반실, 닦는 페달 및 그와 연관된 냉동회로는 표준형이며 또 잘알려진 설비의 부품이므로 그에 대한 상세한 설명은 하지 않겠다.

제 2 도를 참조로 본 발명을 설명하겠는데, 상기 제 2 도는 용매가 물이고 용질이 NaCl인 소금물 혼합액의 공지된 특징을 도시한 것이다. 상기와 같은 용액의 온도가 그의 응고점을 향해 냉각될 때 일어나는 물리적 현상은 그의 농도에 따라 결정된다. 곡선상에서 점 D의 온도는 공정온도 그리고 점 D₁의 농도는 공정농도로 알려져 있다.

제 2 도에 있어, 32F 온도이상이며 공정보다 적은 농도의 용액 X가 냉각될 경우, 상기 용액은 32F에 도달할 때 고상화 하지 않으며 점 B에 도달할때까지 액체상태로 계속 냉각된다. 상기점에서, 순수한 물의 얼음 결정은 그의 잠열이 제거됨에 따라 형성되기 시작한다. 이로인해 잔류용액의 농도가 높아진다.

그리고 계속 온도가 낮아짐에 따라, 상기와 같은 얼음 결정은 계속 형성되므로, 그에따라 얼음 결정과 소금물의 혼합물이 형성된다. 점 C에 도달할 경우, C₂의 얼음 결정과 농도 C₁의 소금물은 혼합부분(L₁+L₂)에 있어 소금물 부분 L₁대 얼음 결정 L₂의 비율로 혼합되어 있다. 상기 냉각공정을 점 D까지 계속할 경우, 공정 소금물 용액부분 m₁과 D₂농도의 얼음부분 m₂가 혼합된 상태로 되는데, 이때 둘 모두는 공정온도이다. 더 많은 열이 제거됨에 따라, 공정 소금물 부분 m₁은 모든 잠열이 제거될때까지 일정한 온도에서 응고한다. 응고된 공정은 용액이 아니고 소금과 얼음의 기계적 혼합물이므로, 그 결과 상기의 잠열을 반드시 용액의 열에 대해 수정하여야 한다. 상기의 잠열이 양이면, 이는 유효 잠열을 감소시키고, 음이면 유효잠열을 증가시킨다.

초기의 용액농도가 상기의 공정보다 클 경우, 온도가 낮아짐에 따라 소금이 응고되므로, 그 결과 공정온도의 공정농도에 도달할때까지 농도는 감소한다. 냉각 유체로서 소금물을 사용하는 경우, 때때로 농도가 너무 높기 때문에 소금이 응고된다.

본 발명에 있어 소금물의 농도는 공정 이하 바람직하게는 상기 공정 곡선상의 점 B로 유지된다. 그리고 상기 공정온도까지 냉각하지 않고 단지 얼음을 형성할 정도로 냉각한다. 얼음이 형성됨에 따라, 얼음과 그 때의 농도의 혼합물은 펌프질 가능한 진창같은 조성물로 형성되어 상기 분리기로 보내진다.

얼음제조에 사용되는 물은 상기 용액의 농도를 상기 공정농도 이하로 유지시켜 주기 위한 물의 첨가에 의해 제공된다. 상기 냉동실린더(10)는 특히 효과적인 제빙장치인데, 이는 상기 냉각제로 부터 얼음을 형성할 물에 효과적으로 열을 전달하기 때문이다.

물이 응고하여 그의 결정화 열을 흡수함에 따라, 열은 형성되는 결정의 전 표면둘레에서 흡수된다. 이것은 물 단위당 매우 큰 표면적을 나타낸다.

많은 제빙장치에 있어 얼음 형성이 실린더의 열전달 표면위에 층을 형성함에 의해 달성될 경우 상기 열전달 표면은 비교적 적다.

상기 방법에 있어서는 소정양의 소금물이 얼음과 함께 제거되므로 농축기(23)로 소금의 강도를 유지시켜 주어야 한다. 상기 농축기는 필요에 따라 소금을 첨가시키도록 작동될 수 있다.

상기 닦는 페달은 냉각된 층이 용기의 측벽위에서 결정화 하기전에 용기측벽의 냉각된 혼합물층을 상기용기의 중앙을 향해 운반시키게끔 충분히 빠른 속도로 작동한다. 상기 페달은 나선상 통로내의 냉각된 표면층을 상기 교반실의 길이 방향 중심측을 향해 이동시키고 그에 의해 상기의 표면층은 상기 교반실내에서 혼합물의 전 몸체와 혼합되어 상기 혼합물의 전 몸체를 냉각시킴으로써 상기 혼합물의 전 몸체를 통해 얼음결정이 형성되도록 한다. 이때 상기 페달의 속도는 설비설계와 작동 조건에 따라 달라지나, 두 개의 닦는 날개와 약 3인치의 직경을 갖는 원통형 교반실의 경우에 있어선 약 350 r.p.m이 바람직하다는 것을 발견했다.

액체로부터 결정 또는 고체 상태로의 물의 변태는 갑자기 발생하여 또 상당한 양의 에너지를 요한다. 상기 액체 소금물은 결정화가 일어나기전에 그의 응고점 이하로 냉각되어야 한다. 따라서 상기 액체 소금물은 상기 교반실의 측벽에서 표면층 형상으로 응고점 이하로 냉각되고 이어 결정화가 발생하기전까지의 막간의 시간에 응고점 이하로 냉각된 상기의 표면층은 회전하는 닦는 페달에 의해 용기의 측벽으로부터 용기의 중앙을 향해 이동된다. 따라서, 상기 소금물은 상기 혼합물의 몸체를 통한 얼음 형성에 있어 이차적인 냉각제로서 작용한다.

상기 페달은 교반실의 열교환 벽 주위를 회전하고 그리고 바람직하게는 냉각된 액체를 상기 교반실의 중앙쪽으로 보내도록 상기 열교환 벽과 함께 회전방향으로 약 45도의 국자형 각을 형성한다.

상기 시스템은 얼음을 형성하는데 매우 효과적이고 그리고 상기 교반실의 열교환표면과 소금물과의 최대 접촉을 제공한다.

예로서, 3인치 직경을 갖는 전형적인 열교환실은 상기 소금물과 냉각제 사이에서 시간, 평방피트 및 화씨도 당 500 BTU의 열 전달 계수를 갖고 그리고 상기 냉각제와 소금물 사이의 온도차는 화씨 10도이다.

따라서, 상기 열교환실의 능력은 시간 및 열교환실 벽의 평방피트당 500×10=5000 BTU이다.

상기 열교환실내의 칼날은 두 개이며 또 회전하면 상기 실의 측벽을 분당 350번 닦으므로 그 결과 상기 실의 측벽에 머무는 혼합물 표면층의 거주시간은

시간이다.

상기 거주시간내에 상기 소금물 혼합액에 의해 열교환 벽에 주어진 열은 상기 칼날의 열회전 및 평방피트당 5000×0.000024=01119 BTU이다.

얼음을 형성하는데는 얼음 파운드당 150 BTU가 요구된다.

따라서, 상기 나사송곳의 일 회전에 있어 열교환 벽의 평방피트당 0.119/150=0.00079 파운드의 얼음이 형성되도록 충분한 열교환이 발생한다.

화씨 28도의 얼음은 입방피트당 57.3 파운드의 밀도를 갖는다. 얼음 평방피트당 0.00079 파운드가 상기 나사송곳의 각 회전시 형성된다고 가정하면, 상기 실의 측벽으로부터 제거되기전인 얼음층의 최대 두께는 0.00079/57.3=0.000013인치이다. 이것은 얼음층을 구성하기에 충분치 않다.

상기 장치로부터 수확되는 얼음 결정의 직경은 0.002와 0.003인치 사이인데, 이는 닦음 사이시 상기 벽에 형성될 수 있는 얼음 두께의 154 내지 384배이다. 따라서 상기의 결정닦는 속도를 가지고는 상기 열교환기의 측벽에 수확할만한 크기의 결정을 성장시킬 수 없음은 분명하다. 즉, 소금물과 상기 벽의 0.09초 접촉시간은 결정을 형성하기에는 충분치 못하다.

상기 방법으로 반냉각되는 상기 용기의 냉각표면에 이웃한 상기 혼합물은 혼합물 응고점 보다 약 섭씨 0.2도 낮다. 그리고, 상기 소금물에 의해 상기 열교환기에 주어지는 열은 상기 날개 회전 및 평방 열교환면적당 0.119 BTU이다. 상기 열전달양은 상기 혼합물을 그의 응고점 아래의 섭씨 약 0.2 도로 반냉각 시키는 것을 나타낸다. 앞에서 참조된 스바노 특허에서 설명한 방법에 있어서는 상기 열전달 표면에 가까운 혼합물은 응고점 이하 섭씨 약 3 내지 8 도까지 반냉각 된다. 이와같은 현저한 차이는 본 출원인이 사용한 닦는 방법과 스바노의 방법이 근본적으로 다르기 때문에 발생한다. 스바노의 방법에 있어서는 상기 열전달 표면에 아주 인접한 반냉각된 액체를 효과적으로 제거할 수 없었기 때문에 상기 구역에 얼음이 형성되는 문제를 피할 수 없다. 스바노의 방법은 열전달 표면에 상당한 두께의 교반 구역을 갖으므로 그 결과 상당히 더 많은 양의 혼합물이 더 심하게 반냉각된다. 그러므로 스바노의 방법은 상기 용액내에 큰 온도차이를 일으킨다. 그러나, 본 발명의 경우에 있어서는 반냉각된 층이 전술한 바와같이 매우 미소하다. 상기 반냉각된 층은 형성되자마자 매우 빠른 속도로 제거되므로 그 결과 온도는 상기의 매우 적은 양은 별도로 하고 상기 용기의 혼합물 대부분을 통해 거의 동일하다. 이는 상기 용기에 걸쳐 우수한 결정성장을 유도한다.

상기 닦는 속도는 설비와 용량에 따라 달라질수 있으나 그러나 모든 경우에 있어 표면에서 응고점 상당히 아래에서 냉각되는 것을 피하고 또 열교환실의 측벽에서 결정이 성장하는 것을 피하는 속도로 닦아주므로써 상기 혼합물 대부분을 통해 결정이 성장 및 형성하도록 조정해 주어야 한다.

상기 표면을 기계적으로 닦아줌으로써 상기 용기벽위에 결정이 성장되는 것을 방지해 줄수 있는 높은 닦는 속도를 얻을 수 있다. 이것은 또한 우수한 얼음 결정산출을 가져다 준다. 소정의 설비에 있어 얼음 산출량은 열전달 온도율과 함께 증가한다는 것은 명백하다. 용기로 부터 상기 혼합물로의 열전달율이 용기벽의 평방피트 및 시간당 4000 BTU 이하로 된다면 상기 방법은 불충분하게 된다. 소정 크기의 설비에 있어 성공적인 작동여부는 높은 얼음 산출량을 얻을 수 있느냐에 따라 결정된다. 평방피트 및 시간당 4000 내지 5000 BTU 사이의 열전달율이 적당하다고 생각된다. 상기 열전달율이 높아질수록 용량에 대한 작동 효율도 더 높아진다.

전술한 스바노 특허에서 설명한 방법은 상기와 같은 산출율로 작동할 수 없다. 스바노 방법은 상기 벽으로부터의 얼음 형성을 상기의 속도로 제거할 수 없다.

본 발명의 방법은 또한 열교환실의 벽위에서 결정이 성장하는 것을 허용하고 그후 저속의 나사송곳에 의해 상기 벽으로부터 결정을 벗겨 냄으로써 수확하는 방법에 비해 기계적인 능력에 있어 방대한 개량을 달성한다. 상기와 같은 종래의 방법에 있어 상기 혼합물 대부분의 온도는 항상 응고점보다 상당히 높으므로 그 결과 얼음 결정이 단지 상기 실의 벽의 제한된 구역에서만 형성되고, 응고온도 이상인 상기 혼합물 대부분내에서는 얼음 결정이 형성될 수 없다.

또한, 얼음 제거 장소는 중요하지 않으며 설명한 장치에 있어서는 원통형상으로 그에 첨가되는 물을 보충한다.

소금물 외의 다른 용액을 사용할 수 있는데, 이 경우 물론 용매는 얼음을 제조하도록 물이어야 하나 용질은 적당한 공정특성을 갖는 비독성 물질일 수 있다. 즉, 소금 대시 글리세린, 프로필렌 글리콜, 에타놀 또는 칼슘 염화물을 사용할 수 있다.

상기 얼음 결정은 벽으로부터 층상으로 외부로 성장하기 보다는 차라리 상기 액체를 통해 성장한다. 상기 벽 근처에서 형성되는 결정은 상기 벽에 부착될 수 있으나 상기 날개의 회전에 따라 상기 벽으로부터 제거된다. 상기 액체를 통한 얼음 결정의 성장은 상기 벽의 온도가 응고점 이하 섭씨 1도 보다 적고 바람직하게는 응고점 이하 섭씨 0.2도 보다 적도록 소정의 속도로 상기 벽을 기계적으로 닦아줌에 의해 상기 냉각된 표면에 큰 결정이 쌓이는 것을 방지해줌으로써 달성된다.

전술한 예는 약 섭씨 0.2 도의 반냉각을 갖는다. 따라서 상기 혼합물을 통한 반냉각은 상기의 값보다 클수가 없다. 본 발명에 있어 반냉각의 양은 상기 반냉각된 층이 감지할 수 있는 크기로 성장하기 전에 반드시 제거해야 하기 때문에 필연적으로 적다. 상기 표면에 있어 섭씨 1도까지의 반냉각이 적당하고 그 이상의 반냉각은 열전달을 나쁘게 한다.

전술한 바와같이 직경이 3인치이고 길이가 4피트인 교반실을 갖는 장치를 본 발명에 따라 작동시켜 시간당 400파운드의 얼음을 제조했다. 물은 바람직하게는 일정한 비율로 연속적으로 첨가되나 상기 소금물의 농도가 지나치게 높지 않을 경우는 이따금 첨가될 수도 있다. 상기 농도가 지나치게 높으면 상기 방법은 효과가 적어지고 그리고 상기 농도가 공정점을 통과할 정도로 그렇게 높아지면 소금이 적어지고 그리고 상기 농도가 공정점을 통과할 정도로 그렇게 높아지면 소금이 상기 탱크내에 침적된다. 농도가 높아짐에 다라 얼음산출량은 줄어들고 그 반면 농도가 지나치게 낮으면 상기 장치의 기계적 작동이 용이하지 않을 정도로 너무 많은 얼음이 산출된다. 진창같은 혼합물로 부터 얼음의 분리는 원심력을 포함한 많은 방법으로 분리할 수 있다.

제 3 도에서 제 5 도까지에서는 또 다른 형상의 제빙기를 설명한다. 이 제빙기(110)에는 상단 및 하단판(114, 116)과 측벽(118)로 이루어지는 하우징(112)가 포함된다. 상기의 상단 및 하단판(114, 116)은 사각형의 평면 형태이고 각판(114, 116)의 모서리를 측벽(118)으로 폐쇄하여 밀폐 하우징을 형성한다. 상기의 하우징은 상단 및 하단판(114, 116) 및 측벽(118)을 통한 열전달을 방지하기 위해 절연물질로 제작된다.

상기 상단판(114)에는 2차 냉각제가 유입되는 유입구(120)가 제공되고, 직경 반대방향으로 하단판(116)에는 상기 냉각제가 유출되는 유출구(122)가 형성된다. 따라서, 유입구(120)를 통해 유입된 냉각제는 하우징(112)을 가로질러 유출구(112)를 통해서 배출된다.

상단판(114)과 하단판(116)사이에는 교반측(124)이 구비되는데, 상기 교반축(124)은 하우징의 외곽에 위치하는 베어링(126, 128)에 의해서 양단부가 회전 가능하도록 지지된다. 상기 교반축(124)은 상단판(114)위에 설치되는 모터(130)에 의해서 구동된다.

상기 하우징(112)내에는 한쌍의 1차 및 2차 열교환기 조립체(132, 134)가 구비되는데, 이것은 서로 마주대하는 측벽(118)사이의 거리와 근사한 직경을 갖으며 상단판(114) 및 하단판(116)과 평행이고 교반축(124)에 수직을 이룬다. 각각의 열교환기 조립체(132, 134)에는 중앙개구(136, 138)가 형성되어 교반축(124)이 끼워진다.

상기의 1차 및 2차 열교환기 조립체(132, 134)는 서로 동일한 구조를 갖기 때문에 여기서는 상부에 있는 1차 열교환기 조립체(132)에 대해서만 상세하게 설명한다. 상기의 1차 열교환기 조립체(132)는 서로 이격된 상태로 평행하게 설치된 한쌍의 상, 하부 원판(140, 142)으로 구성된다. 상기의 판(140, 142)은 구조물의 형태를 유지하면서 판(140, 142)사이에서 유동하는 유체의 유동을 허용할 수 있도록 개방향 그물눈 칸막이를 갖고 있는 벌집형 구조물(144)에 의해 평행 이격된 구조를 유지하게 된다. 상기 열교환기(132)와 연결된 냉각제 유입구(146)가 하우징의 측벽(118)을 통해 관통한다. 그리고 반경반대 방향에도 유출구(148)가 제공되어 유입구(146)를 통해서 들어온 냉각제가 원판(140, 142)사이의 벌집형 구조물(144)을 통과하여 유출구(148)을 통해 유출된다.

상기 1차 열교환기(132) 및 측벽(118)사이에 생기는 공간은 하우징(112)의 구석에 구비되는 스페이서(149)에 의해 밀봉되어 진다. 상기 스페이서(149)중 하나에는 개구(151)가 형성되어 열교환기의 한쪽 면으로부터 다른쪽 면으로 유체가 유동할 수 있도록 허용하며 또 다른 2차 열교환기(134)의 스페이서(149)상에 역시 또 하나의 개구(151)가 형성되어 하우징(112)을 통해 유동하는 유체가 열교환기(132, 134) 각각을 횡단하며 유동하도록 한다.

상기 원판(140, 142)에는 열교환표면(150)이 구비되어 유입구(120)를 통해서 들어오는 유체와 접촉한다.

상기의 열교환표면(150)상에 얼음이 축적되는 것을 방지하기 위해 축(124)에는 교반기 조립체가 연결 구비된다. 상기의 교반기 조립체는 교반축(124)에 고정되어 축(124)과 함께 회전하는 일련의 디스크(152, 154, 156)로 구성되어 있다. 1차 디스크(152)는 상단판(114)과 1차 열교환기(132)사이에 위치하며, 2차 디스크(154)는 1차 열교환기(132)와 2차 열교환기(134)사이에, 그리고 3차 디스크(156)는 2차 열교환기(134)와 하단판(116)사이에 각각 위치한다.

한쌍의 날개(158)가 각각의 디스크(152, 154, 156)로부터 열교환표면(150)쪽으로 확장되어 구성된다. 상기날개(158)는 힌지(157)에 의해 디스크에 연결되어 있으며, 작동할때는, 디스크 판쪽으로 기울어진다. 상기의 날개(158)는 경사날(160)에서 열교환표면(150)과 서로 마찰하는 접촉관계를 유지한다. 상기의 날개(158)는 직사각형의 형상이며, 디스크의 표면에 형성된 직사각형의 홈(159)에 설치한다. 상기의 날개(158)는 교반축(124)이 회전하는 경우 상기 날개를 통과하는 유체의 유동에 의해 열교환표면(150)과 접촉할 수 있도록 편향된다. 상기와 같이 열교환표면(150)쪽으로 날개를 편향시키기 위해서 힌지(157)에 구비되는 비틀림 스프링과 같은 탄력성 편향 수단을 제공한다.

1차 디스크(152)는 1차 열교환기(132)의 상부 열교환표면(150)쪽으로 형성되는 날개(158)를 그리고 3차디스크(156)는 2차 열교환기(134)의 하부 열교환표면(150)쪽으로 형성되는 날개(158)를 각각 지지한다. 2차 디스크(154)는 두쌍의 날개(158)를 지지하며, 상기 두쌍의 날개중 한쌍은 1차 열교환기(132)의 하부 열교환표면(150)쪽으로, 그리고 나머지 한쌍은 2차 열교환기(134)의 상부 열교환표면(150)쪽으로 형성되어 있다. 상기 각각의 날개쌍은 두쌍이 서로 직교하는 형식으로 2차 디스크(154)의 직경위치에 각각 설치된다.

작동에 있어서는, 소금물 혼합액이 유입구(120)를 통해서 들어와 개구(151)를 통해서 1차 및 2차 열교환기(132, 134)주변을 순환하고 유출구(122)를 통해 나간다. 그리고 냉각제(프레온)가 응축기(30)로 부터 각 열교환기(132, 134)에 구비된 냉각제 유입구(146)를 통해 들어와서 열교환기 내부를 순환하고 냉각제 유출구(148)를 통해서 나간다. 냉각제는 열교환기(132, 134)내부를 유동하는 동안 열교환표면(150)을 통해 열을 흡수하여 끓는다. 그리고 상기 열교환표면(150)과 접촉하는 소금물은 과냉각된다. 상기의 열교환표면(150)상에 얼음이 끼이는 것을 방지하기 위해(열교환표면(150)상에 얼음이 축적되어 쌓이면 열교환을 못하게 된다) 교반기 조립체가 교반축(124)에 의해 회전하고, 상기 교반기 조립체가 회전함에 따라 거기에 부착된 날개(158)도 같이 회전하여 열교환표면(150)을 스치게 된다. 이와같이 날개(158)가 회전하면 열교환표면(150)으로부터 과냉각된 소금물이 제거되고 이 소금물은 대부분의 소금물이 잔류하고 있는 곳을 보내진다. 그리고, 상기의 과냉각된 소금물은 소금물 내부의 결정화 중심부 상에서 결정화하기 시작하여 새로운 결정화 중심부로써 작용하면서 소금물내에서 물의 3차원 결정화를 이루게 한다. 이와같이 하여 얼음이 형성되는 것이다. 결정화된 얼음과 소금물이 섞여서 출구(122)를 통해 추출되어, 얼음 분리기(20)으로 보내져 소금물과 얼음을 분리하고 분리된 얼음은 적재 수단으로 보내지거나 열집적 열교환기(52)로 보낸다.

열교환기(132, 134)를 교반축(124)에 대해 직교하는 판으로 배치하는 것은 제빙기에 추가적인 구조물의 하중을 부가하지 않고도 제빙능력을 향상시킬 수 있게함으로써 제빙기의 규모, 특히 직경 크기에 있어 유리함을 제공한다.

30인치의 직경을 갖는 한쌍의 열교환기를 구비하는 제빙기의 제빙용량은 하루에 6∼12톤에 달한다. 열교환표면(150)의 두께는 3/8∼1인치의 크기로 하여 소정의 길이를 갖는 벌집형 구조물(144)과 더불어 냉각제와 소금물 사이에서의 용이한 열교환을 달성할 수 있도록 한다.

9∼18gal/min의 소금물 순환용량을 갖는 제빙기의 교반축 회전수는 150∼400rpm으로 한다.

만약 필요하다면, 열교환표면(150)상에 얼음이 축적되는 것을 방지하기 위해 열교환표면(150)상에 분리제로 코우팅하기도 한다. 상기와 같은 코우팅재료는 대체로 폴리테트라풀르오르에틸렌, 즉 Dow cornings Latex, 실리콘 804 또는 실리콘 890과 같은 실리콘 방수액을 쓴다. 코우팅 할때는 통상적인 방법으로 재료를 입히고 가열하여 경화시킨다. 만약 코우팅 처리를 할 경우라면 날개(158)의 작용은, 열교환표면(150)자체에서 결정 얼음이 축적되는 것을 스스로 방지하기 때문에 긁어내는 작용이라기 보다는 그냥 닦아내기만 하는 작용이 될 것이다.

날개(158)를 지지하는 것은 실시예에서 설명한 바와같이 디스크(152, 154, 156)에 지지하는 것외에, 삼각대(spider)배치와 같은 또다른 지지장치에 의해서 이루어질 수 있다. 또한 상부 및 하부원판(140, 142)은 그 사이에 위치하는 간주(間柱, stud)에 의해 서로 이격된 상태를 유지할수도 있다. 이때 간주는 상기 원판(140, 142)와 직교하도록 설치된다. 벌집형 구조물(144)에 의해 증가된 추가 면적도 유리한 것으로 생각되지만 상기와 같이 간주를 적용하고 원판(140, 142)의 내면에 코우팅 처리를 하여 얻어지는 결과도 역시 만족할만한 것이다. 상기의 코우팅 처리에는 Union Carbide 사제품의 상표 High Flux 코우팅을 사용할 수 있다.

Claims (12)

1. 얼음을 생성할 유체를 수용하는 유입구(120)와 얼음의 배출을 위한 배출구(122)를 갖는 하우징(112)과, 상기 하우징내에 위치되고, 상기 유체로부터 열을 추출하도록 냉각제의 흐름을 허용키 위해 냉각제 유입구(146)와 냉각제 배출구(148)를 갖으며 상기 유체로 부터 냉각제를 격리하도록 적어도 하나의 열교환표면(150)을 포함하는 열교환기(132, 134)와, 상기 하우징을 충진하고 상기 열교환표면을 덮도록 상기 하우징내의 대부분의 유체를 유지하기 위한 수단과, 상기 열교환표면과 접촉하고 그리고 상기 열교환표면을 스쳐지나 운동하도록 축을 중심으로 움직일 수 있고, 상기 축에 반대로 뻗은 날개 수단(158)과, 상기 축을 중심으로 상기 날개 수단을 구동 시키도록 상기 날개 수단에 작용하고, 상기 열교환표면을 스쳐지나가는 상기 날개 수단의 연속적인 통과가 상기 열교환표면상의 얼음이 결정화되기 전에 상기 표면으로부터 상기 유체의 냉각층을 제거하는 속도로 상기 표면을 스쳐지나가도록 상기 날개 수단을 움직이며, 내부에 균일한 온도를 유지하도록 상기 열교환표면으로부터의 유체를 상기 하우징내의 상기 대부분 유체속으로 배출시키는 형상인 구동 수단(130)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 제빙기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 날개수단은 상기 표면의 각각을 닦도록 상기 축을 중심으로 각각 운동하는 다수개의 날개를 포함하는 것을 특징으로 하는 제빙기.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 날개는 그의 각각의 열교환표면에 대해 경사지는 것을 특징으로 하는 제빙기.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 날개들은 상기 하우징을 통과하는 축에 연결되어 상기 축에서 회전할 수 있고 그리고 상기 열교환표면에 평행한 축을 중심으로 운동할 수 있는 것을 특징으로 하는 제빙기.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 날개들은 축과 함께 회전하도록 상기 축에 연결된 원판에 피벗 장착되는 것을 특징으로 하는 제빙기.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 날개의 선단은 상기 열교환표면으로부터 얼음층의 제거가 용이하도록 경사지는 것을 특징으로 하는 제빙기.
7. 유체의 순환을 위한 유입구(120) 및 배출구(122)를 구비한 하우징(122)과, 상기 하우징내에 설치되어, 냉각제의 순환을 위한 유입구(146) 및 배출구(148)를 각각 가지며, 상기 하우징내의 유체로 부터 상기 냉각제로 열을 전달하도록 한쌍의 대향하는 열교환표면(150)을 포함하는 복수의 열교환기(132, 134)와, 상기 하우징을 충진하고 상기 열교환표면을 덮도록 상기 하우징내의 대부분의 유체를 유지하기 위한 수단과, 상기 열교환표면상의 얼음이 끼는 것을 방지하도록 상기 열교환기와 함께 작동하고, 상기 열교환표면의 각각과 접촉해서 상기 표면을 포함하는 평면에 수직한 축을 중심으로 회전 가능한 복수의 날개(158)를 포함하는 날개 조립체와, 상기 표면상의 상기 날개의 연속적인 통과사이의 간격이 상기 표면상의 얼음이 결정화되기전에 상기 표면에서 상기 유체의 냉각층을 제거하기 위한 형상에 부합되는 속도로 상기 날개 조립체를 회전하며, 내부에 균일한 온도를 유지하도록 상기 표면으로부터의 유체를 상기 하우징내의 상기 대부분의 유체속으로 배출시키는 형상인 구동 수단(130)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 제빙기.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 열교환기중 하나의 열교환표면중 하나는 또 다른 열교환기의 열교환표면 쪽으로 대향하도록 구성되고, 상기 날개 조립체에는 통상의 지지 수단위에 지지되어 함께 회전하는 두쌍의 날개가 구비되고, 그중 한쌍은 1차 열교환기 쪽으로 그리고 나머지 한쌍의 2차 열교환기 쪽으로 구성되는 것을 특징으로 하는 제빙기.
9. 제 8 항에 있어서, 상기의 날개들이 상기 열교환표면과 평행접촉할 수 있도록 축을 중심으로 회전하는 것을 특징으로 하는 제빙기.
10. 제 9 항에 있어서, 상기의 통상적 지지수단이란 상기 하우징을 관통하는 교반축에 지지된 디스크인 것을 특징으로 하는 제빙기.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 날개는 상기 디스크의 평면쪽으로 기울어진 것을 특징으로 하는 제빙기.
12. 제 8 항에 있어서, 상기 각각의 열교환표면은 방수 코우팅으로 코우팅된 것을 특징으로 하는 제빙기.

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