专利名称：产生二氧化碳雪的装置和方法
技术领域：
本发明涉及将固态二氧化碳雪喷施到某种物品上面(比如一种要冷却或冻结的产品，或者是一种用于进行该冷却或冻结的制冷装置传送带)的方法和装置。
背景技术：
通常，将二氧化碳雪施加到物品上是通过一种称为导雪板(snowhorn)的装置来完成的。导雪板通常是声响很大的庞大装置，该装置一般需要在竖直方向活动而且特别容易堵塞和使流动不均匀。从普通导雪板出来的流体很难均匀地分布到较宽的产品阵列或者宽的传送带上。
雪施加到传送带上是为了防止产品粘结到传送带上并提供制冷作用。要冷却或冻结的产品通常下落到导雪板下游的传送带上。导雪板的高度通常限定了产品在开始接触传送带上的雪之前应当在多远处下落。当需要使产品下落的距离减到最小时，则需要使导雪板的尺寸减到最小。
现有技术描述了利用导雪板形成并凝聚二氧化碳雪的其他尝试。
US4111671描述了一种从雪和蒸气的混合物中分离二氧化碳雪的方法和装置。该方法包括使液态二氧化碳膨胀进入一个横截面逐渐增加的矩形管道内从而在管道内产生固态和气态二氧化碳流，引导该流体围绕一个弯道，并通过一个物理分离隔板在弯道外边缘将雪分离出来。该分离雪的装置包括一个横截面连续变大的矩形管道，用来引导二氧化碳雪和蒸气的混合物的装置，有弯曲截面用来集中固态二氧化碳的管道，以及从蒸气中分离集中起来的固体的刀片。
US4444023公开了一种导板结构，其中液态二氧化碳膨胀进入横截面逐渐增大的矩形弯曲导板。导板在内侧弯曲表面上有一个与大气相通的开口。固态二氧化碳沿弯管的外部流动，与大气相通的开口引起的压差使固态二氧化碳沿外侧弯曲表面被均匀分布。带状固态二氧化碳按照均匀的形式从导板排出，一般施用到传送带上。
US4652287公开了一种在矩形区域上产生均匀固态二氧化碳流的矩形导板/喷射装置。液态二氧化碳被喷射到导板上部并在漏斗形区域膨胀。在上部设有一些挡板，这些挡板将二氧化碳喷射装置隔开并使得到的固态二氧化碳向下跌落并均匀通过导板的横截面。
US5450732公开了一种将低温制冷剂分配到传送带上的装置。它由一个封闭外壳(横截面为圆形或者矩形均可)组成，外壳上有一个沿外壳长度方向的细槽，该细槽用来形成低温制冷剂幕并将之分配到要冻结的产品上。低温制冷剂被注入一个装在外壳内并与之同轴的歧管内。低温制冷剂通过歧管或者一个烧结金属管上的多个孔在径向的所有方向上被注入。
US6000238公开了一种覆盖二氧化碳层的装置。该装置包括带有至少一个输送二氧化碳的通道的外壳。通道的一端与一个二氧化碳发生器连接，另一端放置在需要堆积二氧化碳雪的底物上。设有加热该通道的装置用来防止固态二氧化碳附着在壁面上并堵塞通道。
US6023941公开了一种二氧化碳导雪板，它可以在竖直和水平方向活动而且可以调节以产生不同稠度的二氧化碳雪。该基本装置包含一个接收液态二氧化碳的输入管，一个分配固态二氧化碳的输出管，一个多孔部件，它位于输入管的内部或者端部用来使液态二氧化碳膨胀为固体和气体。
US6151913公开了一种凝聚细小雪粒的方法和装置。该装置包括一个通过许多细小通道与一个膨胀装置连接的独立导雪板。导板使膨胀装置出来的流体凝集。
EP0721801公开了一种射流式喷嘴，该喷嘴的构形和操作能够推动固态二氧化碳颗粒以足够高的速度从喷嘴出来喷射到一个表面上，将表面上非常细微的杂质去除，从而清洁了该表面。该现有技术与本发明的差别就象颗粒束射枪与造雪机之间的差别一样。
发明概述本发明的一个方面是一种用于输送二氧化碳雪的装置，它包括一个提供加压二氧化碳流的供给管，该管有一轴线并且有一个沿着并围绕所述轴线延伸的壁；多个并排布置的管子，每个管子在长度方向的横截面构形和面积恒定不变，每个管子有第一端和第二端，第一端的周边密封在供给管的外壁面上，第二端向大气敞开，其中每个管子的轴线至少在所述第一端处与所述供给管的轴线垂直；多个穿过供给管壁面的孔，与所述多个管子中的每个管子内部至少连通有一个孔；孔的尺寸能够使加压的二氧化碳从供给管内部流进一个相应管子内并膨胀成为固态二氧化碳和二氧化碳气体；管子的长和宽尺寸能够使所述固态二氧化碳在管内凝聚成雪。
本发明的另一个方面是一种提供二氧化碳雪的方法，该方法包括将加压的液态二氧化碳流送到前述装置的供给管中，随之二氧化碳流过所述孔并膨胀以便在所述管内形成固态二氧化碳和二氧化碳气体，所述固态二氧化碳在所述管内凝聚成为雪。
本发明的再一个方面包括将这样形成的二氧化碳雪提供到某物品或表面上。
图1是表示本发明一个实施方案的视图；图2是本发明所用供给管的一个实施方案的剖面图；图3是本发明另一个实施方案的透视图。
发明的详细描述本发明涉及一种方法和装置，其用于将液态二氧化碳(通常压力达到300psig、温度为零华氏度或更低)膨胀到大气压力，其中二氧化碳在大气压力下为固气混合物，然后将固体凝聚成雪，再将凝聚成的雪均匀喷施到某一表面上。
首先参考图1，该装置包括给装置提供加压的液态二氧化碳流的供给管1。供给管1有一个内径和具有一定厚度并沿一轴线延伸的壁面2。它由可承受供给管1内二氧化碳压力的材料制成。首选的结构材料是不锈钢。其他合适的材料包括其他金属比如铜和铝。
供给管的合适尺寸包括内径为1/4到2英寸，壁厚约0.028英寸到约0.065英寸。最佳外径是5/8英寸，最佳壁厚约为0.049英寸。
供给管1的一端与高压液态二氧化碳源(未示)比如钢瓶或储罐连接。优选有一台泵设置在二氧化碳源和供给管1之间的连接管上，以保证能够维持适当高的压力和合适的流量分布。进入供给管的液态二氧化碳压力优选最高达到约320psig。为了达到要求的装置性能，供给管1内的二氧化碳压力应当至少为100psig，优选至少为150psig。优选压力为280到320psig，更优选为约300psig。
供给管1的另一端可以盖住或供给到另一个装置或应用场合上。实际操作中，比如在制冷机、回转式制冷机或者其他类似装置上，可用合适的连接支架和操作者很熟悉的常规方式将供给管1固定就位。
从供给管1伸出许多管子3。这些管子并排布置。二氧化碳雪流的轴线，至少是从供给管1流出时的二氧化碳流的轴线是平行的而且与供给管1的轴线垂直。
每个管子3有端部4，该端的周边密封到供给管1的外壁。这种密封连接可通过保护焊、钎焊等实现，只要不让二氧化碳从端部4与供给管1的接缝处泄露就行。另外，端部4和供给管1的密封方式必须能够承受操作时管3内部所受的压力和温度。
每个管子3有第二端5，该端向大气敞开。
每个管子3具有恒定的截面构形而且横截面积恒定。图1中，横截面构形是矩形，该构形是优选的，因为它易于成型且操作效果好。矩形构形有切成方形的角，如图所示，或者可以是有小半径的弧形角。其他有效的截面构形包括圆形、椭圆、卵形、正方形。
已经测定出每个管子3的长宽比(这里引用为最大内管宽度比最小内管宽)应为1到10。优选的长宽比是5。如果长宽比过大，则会逐渐形成导致堵塞或流动不稳定的回流现象。为了克服这个问题，采用多个单独的管子3，从而使长宽比不是很大。从堵塞的角度看，用多个管子也是有利的。如果只有一个管子堵了，则其他管子不受此管的影响而且可以继续正常工作。
还发现每个管子3的长度应为2-24英寸，优选为6-10英寸。
管子3优选是面积恒定的管形构件，其长度(即二氧化碳流动方向的轴向长度)与当量直径(即与管的横截面积相等的圆管之直径)之比约大于3而且小于50，更优选约3-约15。管件横截面通常是矩形。
为了更有效地操作，特定装置的所有管子3都应有相同的面积和长度，以便保证将二氧化碳均匀分配到表面上。然而，对于不需要很均匀的沉积构形的装置，可以让一个或多个管子稍长些。管子3的构形可以是直的，如图1所示，或者可以如图3所示那样为弯曲的，或者是面积逐渐增大的螺旋形。我们相信面积不变的直管是最好的形式，因为其简单而易得。管3可以放置成与接受二氧化碳雪的表面6垂直，如图1所示，或者管3以较大的锐角(未示)放置以便从开口5出来的二氧化碳雪的流向与传送带的表面6成锐角。
为了在传送带表面6上均匀地形成并沉淀二氧化碳雪，每个管子3最好与相同数量和布置的孔7相通。物品比如食物块、包装物、或者其他物品可以从开口5下面经过以接受二氧化碳雪。如果需要的话，管子3可以在传送带6的整个宽度上排成一行。
再来参考图1，若干孔7延伸过供给管1的壁面。这些孔是二氧化碳可以通过的狭窄通道，当二氧化碳通过时其压力降低，因此从这些孔流出供给管1的二氧化碳包含了细微的固体颗粒和气体。
形成这些孔的优选方式是采用传统微钻设备和技术进行激光钻孔。孔径应为0.005到0.040英寸，优选比0.005英寸大直到0.015或0.020英寸。直径优选为0.010英寸。
这些孔布置成使每个管子3的内部至少与一个孔连通。尽管每个对应管子用的孔数可高达200个，但是每个管子对应的孔数优选为5到24个。在图1所示实施方案中，每个管子有5个孔。其他布置方式也是有效的，包括其中用两排或多排孔代替图1所示的一排孔与一个管子连通这样的布置。尤其是，当多于一个孔与一根管子连通时，可以并排地钻出这些孔，或者一些甚至全部孔都钻成图2所示那样发散的形式。当有两排或多排孔时，这种备选形式尤其有效。所有这些孔都布置在供给管1的一侧，这样它们可以并排地与管子3连接。这些孔的轴线最好平行于管子的长轴，二氧化碳雪沿该长轴流动。
操作时，液态二氧化碳流进供给管1并流到孔7处。孔7使液态二氧化碳膨胀，压力从约300psig或更小变为0psig。液体膨胀为气态和固态二氧化碳。固体在管子3内凝聚形成更大的雪片，这取决于流量和流通面积，雪片以相当低的速度流动，速度最好小于100英尺每秒，该速度是均匀布雪所需要的。凝聚的雪然后被施用到传送带或物品上。
送到供给管1的液态二氧化碳温度一般为0华氏度，压力为300psig。在一个最佳实施方案中，温度更低，比如-5到-20华氏度。液态二氧化碳在进入供给管之前可以经过一个适当的换热器而过冷到该温度。利用该过冷液态二氧化碳对本发明的运行带来其他好处。具体地，相对于供给的液态二氧化碳为0华氏度的已经很安静的操作来说，本发明的装置将更加安静地运行。
我们相信优良的运转(比如减小噪音)是这样实现的运行时将液态二氧化碳冷却到足以使其以液态形式经过孔而且进入管子后方才形成固体和气体。相信以300psig、-20华氏度或更低温度进入供给管的液态二氧化碳能够按照这种方式工作。
带有许多管子3的装置可在要求的区域上提供分布极其均匀的二氧化碳雪，该区域比如是图1所示的传送带的上表面6。
本发明提供了诸多有意义且意想不到的优点。它可提供大量松软、低速、高度凝聚的二氧化碳雪。造雪时非常安静，而且比常规造雪装置安静得多。它需要的总高度象6英寸那样小，因此它在制冷和冷冻系统中不象现有装置那样占有大量的空间。由于它的造雪能力不受管子取向的影响，因此在将该装置安装到新的或者现有的冷却和冷冻物品用的设备内时，提供了前所未有的灵活性。
本发明提供的结构很简单。现有装置包含了不方便易得的特殊制造部件。本发明有一个非常简单的导板几何构形，它可以轻易购买得到。该导板是直的或弯曲的，简单且造价低。本装置的简单性则意味着，与复杂装置相比，本装置能够既容易又廉价地建造、维护、改进和运行，而且能够更可靠地工作。
本发明提供了令人满意的运行状态而且在紧凑尺寸方面具有设计的灵活性。现有技术的导雪板较大而且通常需要垂直定向才能正常运行。本发明可以在任何位置取向，甚至是水平方向。这在许多空间有限的场合是很有利的。
与通常声音很大的现有导雪板相比，本发明的运转较为安静。这里描述的本发明中，既长又薄、面积恒定的导板通过孔与注入结合，因此本发明能够进行非常安静的注入操作。对于必须靠近这些装置工作的人员来说，安静的导雪板对其安全和舒适是很有利的。
在生产和使用二氧化碳雪时，本发明也比现有装置更不易于发生堵塞。大的L/D比值结合低的横截面长宽比以及穿过多个微小孔的注入，将导致从端部出来的流体非常均匀，而且消除了在导板出口的空气回流。空气回流是引起导板堵塞的常见原因，因为空气回流进入导板出口会将水汽带入，水汽则冻结在导板的内表面上。当冻结的水汽聚集在导板上时，它将改变流动模式，最终引起堵塞或者降低导板的性能。对于试图产生低流速雪的导板来说，这尤其是一个问题。本发明中的管子3的均匀横截面防止了回流，同时也提供了在任何方向上工作的能力。此外，由于管子结构简单，所以可以在系统中保持微量的二氧化碳吹扫气流，就可以防止雪聚集在管子内面导致中断使用。用一个标准导板是不可能做到这一点的。
本发明还能够容易而均匀地将二氧化碳雪施加到一个较宽阔的目标区域。现有技术中用于凝聚微小颗粒的导雪板倾向于生产集中的雪流，它们对局部区域进行局部降温是有效的。这些对于将雪均匀分布到大面积产品或传输带则不很适合。
权利要求
1.一种用于提供二氧化碳固体的装置，它包括一个提供加压二氧化碳流的供给管(1)，该管有一个轴线和沿着并围绕所述轴线延伸的壁(2)；多个并排布置的管子(3)，每个管子在整个长度上的横截面构形和面积恒定不变，每个管子有第一端(4)和第二端(5)，第一端的周边密封在供给管的外壁面上，第二端向大气敞开，其中每个管子(3)的轴线至少在所述第一端处与所述供给管的轴线垂直；多个穿过供给管壁(2)的孔(7)，与所述多个管子(3)中的每个管子内部至少连通有一个孔(7)；孔(7)的尺寸能够使加压的二氧化碳从供给管内部流进一个相应管子(3)内并膨胀成为固态二氧化碳和二氧化碳气体；管子(3)的长和宽尺寸能够使所述固态二氧化碳在管内凝聚成雪。
2.根据权利要求1所述的装置，其中每个管子(3)的长宽比为1到10。
3.根据权利要求1所述的装置，其中每个管子(3)的长度是2到24英寸。
4.根据权利要求3所述的装置，其中所有管子(3)的长度相等。
5.根据权利要求1所述的装置，其中每个孔(7)的直径为0.005到0.020英寸。
6.根据权利要求1所述的装置，其中每个管子(3)的长度与当量直径之比为3到50。
7.根据权利要求1所述的装置，其中每个管子(3)的长度与当量直径之比为3到15。
8.一种提供二氧化碳雪的方法，它包括将加压液态二氧化碳流送到根据权利要求1所述的装置的供给管(1)中，随之二氧化碳流过所述孔(7)并膨胀从而在所述管(3)内形成固态二氧化碳和二氧化碳气体，所述固态二氧化碳在所述管(3)内凝聚成为雪，所述雪以低于100英尺每秒的速度从所述管子(3)出来。
9.根据权利要求8所述的方法，其中液态二氧化碳在320psig或更小的压力下被送入所述供给管(1)。
10.根据权利要求8所述的方法，其中液态二氧化碳在小于0华氏度的温度下被送入所述供给管(1)。
全文摘要
一种用于提供二氧化碳雪的装置，包括提供加压二氧化碳流的供给管(1)，多个并排布置的管子(3)，每个管子(3)在长度方向的横截面构形和面积恒定不变，每个管子(3)有第一端(4)和第二端(5)，第一端的周边密封在供给管的外壁面上，第二端向大气敞开，多个用来使二氧化碳流动穿过供给管的壁面并膨胀成为固体和气体的孔(7)，与所述多个管子(3)中的每一个管子内部至少连通有一个孔(7)。
文档编号C01B31/00GK1605010SQ02825137
公开日2005年4月6日 申请日期2002年10月9日 优先权日2001年10月17日
发明者T·H·加斯特耶三世, Y·－C·S·候, G·D·朗, S·M·麦卡蒂 申请人:普莱克斯技术有限公司