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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung
zur Erzeugung von Partikeln wie mikrofeinen Partikeln, die
zur Verwendung in der Lebensmittelaufbereitung, in der
pharmazeutischen Industrie und in der Halbleitertechnik bestimmt
sind.
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Eine übliche Vorrichtung für die Erzeugung mikrofeiner
gefrorener Partikel ist im japanischen Gebrauchsmuster mit der
Veröffentlichungsnummer 1-88365 (Heisei) beschrieben.
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Wie in Fig. 4 oder 5 dargestellt, weist eine solche
Vorrichtung einen oberen Abschnitt eines Gefriermittelkessels 3,
einen Zerstäuber 4 zum Zerstäuben bzw. Versprühen eines
Gefriermittels 7 wie flüssigem Stickstoff und einen Zerstäuber
5 zum Zerstäuben bzw. Versprühen eines zu gefrierenden
Materials 9 auf, wobei diese Komponenten der Vorrichtung im
oberen Bereich des oberen Kesselabschnittes angeordnet sind. Im
Bodenbereich weist der Kessel 3 ferner einen Auslaß 6 auf,
der der Abführung gefrorener Partikel aus dem Kessel 3 dient.
Bei der Vorrichtung gemäß Fig. 4 (nachfolgend als "die erste
bekannte Vorrichtung" bezeichnet) ist vorgesehen, daß das
Gefriermittel 7 von einem einzigen Ausgangspunkt aus nach unten
gesprüht wird. Die Vorrichtung gemäß Fig. 5 (nachfolgend als
"die zweite bekannte Vorrichtung" bezeichnet) ist ein
ringförmiger Zerstäuber 4 mit einer Mehrzahl von Sprühdüsen 4a
vorgesehen, mit dem von einer Mehrzahl von Ausgangspunkten
aus das Gefriermittel 7 nach unten gesprüht wird.
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In jeder der obengenannten Vorrichtungen wird im Kessel 3 die
Innenbedingung infolge des verdampften Gases 7a des
Gefriermittels 7 als kalte Gasphase erhalten, wenn das Gefriermittel
7 mittels des Zerstäubers 4 zerstäubt worden ist. Das
Gefriergas 7a tritt durch den Auslaß 6 aus und im Kessel 3
bildet sich ein nach unten zum Auslaß 6 gerichtete Strömung des
Gefriergases 7a aus. Tritt das zu gefrierende Material 9 aus
dem Zerstäuber 5 aus, so werden ausgesprühte Partikel 9a des
Materials 9 dadurch zum Gefrieren gebracht, daß ein
thermischer Austausch zwischen dem Gefriergas 7a und den Partikeln
9a stattfindet, während diese nach unten fallen und zu
gefrorenen Partikeln 9b werden. Die auf diese Weise gefrorenen
Partikel 9b werden im Gefriergasstrom 7a weiter nach unten
mitgenommen, um am Ende aus dem Kessel 3 durch den Auslaß 6
ausgetragen zu werden.
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Mit jeder der vorgenannten Vorrichtungen können gefrorene
Partikel hocheffizient erzeugt werden und gefrorene Partikel
können mit hoher Stabilität bzw. konstant gesammelt werden.
Trotzdem bestehen dabei eine ganze Reihe von Problemen, die
gelöst werden sollten und eine weitere Verbesserung dieser
Vorrichtungen ist wünschenswert.
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Bei der ersten der beiden genannten konventionellen
Vorrichtungen wird das Gefriermittel 7 von einer Stelle aus
versprüht und der Gefriermittelstrom 7a läuft Gefahr, in
verschiedenen Innenbereichen des Kessels 3 unterschiedlich
wirksam zu sein, so daß am Ende Partikel 9b vorliegen, die nicht
gleichmäßig gefroren sind und Partikelteile unterschiedliche
Härten aufweisen. Es kann sogar vorkommen, daß sich das
Gefriermittel 7 nach dem Versprühen in einem bestimmten Bereich
des Kessels konzentriert. Die Folge hiervon kann sein, daß
das Gefriermittel 7 manchmal den Kessel durch den Auslaß 6
unzulänglich verdampft verläßt, was wiederum bedeutet, daß
u.U. die Bedinungen innerhalb des Kessels 3 nur mit
Schwierigkeiten im Zustand der kalten Gasphase gehalten werden
können.
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Bei der zweiten konventionellen Vorrichtung bildet das
Gefriergas 7a eine einheitliche nach unten gerichtete
Gasströmung im gesamten Querschnittsbereich des Kessels 3. Das führt
zwar zu einer gleichmäßigen Verteilung gefrorener Partikel
über den Querschnittsbereich des Kessels, es kann jedoch
trotzdem geschehen, daß die gefrorenen Partikel den konischen
Kesselboden 3a durch Brückenbildung verschließen, was dazu
führt, daß ein gleichmäßiger Austrag von gefrorenen Partikeln
aus dem Kessel durch den Auslaß 6 zumindest erschwert sein
kann. Um zu verhindern, daß gefrorene Partikel 9 im konischen
Teil des Kessels zurückbehalten werden, müssen besondere
Mittel eingesetzt werden, die die gefrorenen Partikel
zwangsweise zum Austritt aus dem Kessel veranlassen. Dem dienen
beispielsweise auf den Kessel 3 aufgebrachte
Vibrationskräfte, was aber wieder dazu führt, daß das System einen größeren
Platzbedarf hat und vielteilig und kompliziert wird.
Zusammenfassung der Erfindung
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Unter einem Gesichtspunkt wird mit der vorliegenden Erfindung
eine Vorrichtung zum Erzeugen gefrorener Partikel
vorgeschlagen, mit der gefrorene Partikel gleichmäßiger Härte erzielt
werden können.
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Unter einem weiteren Gesichtspunkt wird mit der vorliegenden
Erfindung eine Vorrichtung für die Erzeugung gefrorener
Partikel vorgeschlagen, die die Erzeugung der gefrorenen
Partikel effizient ermöglicht, ohne daß versprühtes Gefriermittel
beim Verlassen des Kessels durch einen Auslaß für gefrorene
Partikel verdampft.
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Unter einem weiteren Gesichtspunkt liegt gemäß der Erfindung
eine Vorrichtung zum Erzeugen gefrorener Partikel vor, die in
der Lage ist, in ihr erzeugte gefrorene Partikel gleichmäßig
und ruckfrei aus dem Kessel austreten zu lassen und bei der
verhindert ist, daß ein Auslaß für die gefrorenen Partikel
verstopft wird und gefrorene Partikel, statt aus dem Kessel
auszutreten, im Kessel zurückbleiben.
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Schließlich liegt unter einem Gesichtspunkt der Erfindung
eine Vorrichtung vor, mit der gefrorene Partikel erzeugt werden
können und die in der Lage ist, den Temperaturaustausch
zwischen Gefriermittel und zu gefrierenden Partikeln auf einem
relativ langen Weg stattfinden zu lassen, ohne daß eine
entsprechende Vergrößerung des Kessels, in dem der
Temperaturaustausch erfolgt, notwendig wäre, was also bedeutet, daß die
Effizienz des Temperaturaustausches zwischen Gefriermittel
und zu gefrierenden Partikeln sehr hoch ist und die
Betriebskosten gesenkt werden können.
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Eine Vorrichtung mit diesen Kriterien zur Erzeugung
gefrorener Partikel weist folgende Bestandteile auf:
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einen luftdichten Kessel mit adiabatischem Innendruck
und mit einem Auslaß für gefrorene Partikel am unteren
Kesselende, der nicht nur Auslaß für gefrorene Partikel,
sondern auch Gasauslaß ist;
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einen Materialzerstäuber, mit dem zu gefrierendes Material
im Kessel nach unten gesprüht wird;
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eine Mehrzahl von Gefriermittelzerstäubern, die gleichmäßig
voneinander beabstandet um einen kreisringförmigen Bereich
herum angeordnet sind, wobei der kreisringförmige Bereich
den Sprühbereich des Gefrierproduktzerstäubers im oberen
Kesselinnenbereich umgibt und wobei die
Gefriermittelzerstäuber Gefriermittel im wesentlichen tangential an den
Sprühbereich des Kühlproduktzerstäubers einsprühen derart,
daß alle Gefriermittelzerstäuber in oder entgegen dem
Uhrzeigersinn gerichtet sind. Gegebenenfalls können
jeweils mehrere der Gefriermittelzerstäuber zu Gruppen
zusammengefaßt in mehreren Quer- oder Radialebenen des
Kessels angeordnet sein.
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Demzufolge wird das Gefriermittel von einer Mehrzahl von
Stellen aus in gleicher tangentialer Richtung in den
vorgenannten Ringraum, der den Sprühbereich der
Gefrierproduktzerstäubungseinrichtung umgibt, eingesprüht. Dadurch wird das
Gefriermittel vollständig verdampft, nachdem es eingesprüht
worden ist und es wird im Kessel die Bedingung einer kalten
Gasphase erhalten, aber auch eine Gasströmung in der Form
einer Wirbelsenke entlang der Kesselinnenwand ausgebildet, die
auf den Gefrierpartikelauslaß gerichtet ist.
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Wird zu gefrierendes Material, also Gefrierprodukt in der
vorbeschriebenen Weise in den Kessel eingesprüht, so erfolgt
ein Temperaturaustausch zwischen Gefrierprodukt und
Gefriermittel in Gasform, der gefrorene Partikel entstehen läßt. Das
Einsprühen von Gefriermittel von verschiedenen Stellen aus
aber unter nahezu gleichen und gleichbleibenden Bedingungen,
bewirkt die Bildung gefrorener Partikel von ausgezeichneter
Qualität, die alle die gleiche Härte, entstanden während des
Gefrierens, haben.
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Die gefrorenen Partikel, wie sie durch Temperaturaustausch
mit dem Gefriermittel erhalten werden, werden in dem
vorgenannten Gasstrom verwirbelt und zum Auslaß für die gefrorenen
Partikel befördert. Das führt dazu, daß auch bei einem
kegelförmig
nach unten und zum Auslaß hin sich verjüngenden
unteren Kesselende die gefrorenen Partikel durch den Auslaß
gleichmäßig ausgetragen werden, ohne daß im kegelförmigen
Teil Brücken gebildet werden, die Ursache dafür sein könnten,
daß gefrorene Partikel im Kessel zurückbleiben. Durch die
Führung des Gasstromes an der inneren Kesselwand entlang in
der Form einer Wirbelsenke wird zudem nachhaltig verhindert,
daß gefrorene Partikel an der inneren Kesselwand anbacken.
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Darüber hinaus führt die Wirbelsenkenform der
Gefriergasströmung bei der Erfindung abweichend von bekannten Vorrichtungen
mit einem geradewegs nach unten gerichteten Gefriergasstrom
zu einem relativ langen Strömungsweg mit Kontakt zwischen
Gefriergas und zu gefrierendem Material also Gefrierprodukt und
die thermische Effizienz ist nachhaltig verbessert, was zu
einer Verringerung der Betriebskosten führt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines
Ausführungsbeispieles, insbesondere unter Bezugnahme auf die zugehörige
Zeichnung beschrieben; in der Zeichnung zeigen in
schematischer Darstellung:
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Fig. 1 als Vertikalschnitt eine Vorrichtung für
die Herstellung gefrorener Partikel gemäß
der vorliegenden Erfindung,
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Fig. 2 einen Querschnitt der Vorrichtung gemäß
der Linie A-A in Figur 1,
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Fig. 3 als Vertikalschnitt die wesentlichen Teile
einer anderen Vorrichtung gemäß der
vorliegenden Erfindung,
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Fig. 4 als Vertikalschnitt eine erste
Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß dem Stand der
Technik und
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Fig. 5 als Vertikalschnitt eine zweite
Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß dem Stand der
Technik.
Beschreibung einer Vorrichtung gemäß der Erfindung in einer
bevorzugten Ausführungsform
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Gemäß Fig. 1,2 weist eine Vorrichtung für die Herstellung
gefrorener Partikel 1 eine Mehrzahl von Zerstäubern 4 für ein
Gefriermittel auf sowie einen Zerstäuber 5 für zu
gefrierendes Material. Sowohl die Gefriermittelzerstäuber 4 als auch
die Gefrierproduktzerstäuber 5 ragen in einen luftdichten
adiabatischen Kessel 3 (Kessel mit adiabatischem Innendruck)
hinein. Die Gefriermittelzerstäuber 4 dienen dem Zerstäuben
bzw. Versprühen eines Gefriermittels 7, wie flüssigen
Stickstoff, während der Gefrierproduktzerstäuber 5 dem Zerstäuben
bzw. Versprühen eines Materials 9 dient, das in gefrorenen
Zustand versetzt werden soll und sich aus dem Anwendungsfall
bestimmt.
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Der Kessel 3 hat einen kreisförmigen Querschnitt, bildet im
oberen Teil einen Zylinder und im unteren Teil einen nach
unten sich verjüngenden konischen Kesselabschnitt 3a, dessen
Querschnitte ebenfalls kreisförmig sind. Der konische
Kesselabschnitt 3a mündet in einen Auslaß 6 für gefrorene Partikel,
der jedoch auch als Gasauslaß dient. Im übrigen kann der
Kessel jede zweckentsprechende Ausbildung und Bauweise haben,
seine Abmessungen bestimmen sich nach dem Durdhmesser der
gefrorenen Partikel, die erzeugt werden sollen, und nach der
Gesamtmenge des zu verarbeitenden Materials. Bei der
vorliegenden Vorrichtung ist vorzugsweise ein Durchmesser der
gefrorenen Partikel von etwa 100 um angenommen, was eine Höhe
des Kessels von 550 mm und einen Innendurchmesser von 300 mm
zweckmäßig macht. Der Auslaß 6 für die gefrorenen Partikel
ist mit einem Durchmesser von etwa 10 mm unterstellt, was zu
einem Innendruck im Kessel 3 führt, der im Zeitpunkt der
Erzeugung gefrorener Partikel auf etwa 0,2 kg/cm²G ansteigt.
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Die Gefriermittelzerstäuber sind im oberen Bereich des Kessels
3 so angeordnet, daß ihre Auslaßdüsen im wesentlichen entlang
dem Umfang der Innenseite der Wand des Kessels 3 gerichtet
sind, um Kühlmittel 7 in den Kessel einzusprühen. Für die
vorliegende Ausführungsform sind vier Gefriermittelzerstäuber
4 in einer Quer- oder Radialebene des Kessels 3 vorgesehen
und in einem Umfangsabstand von jeweils 90º entlang der
Innenseite des oberen Teils des Kessels 3 angeordnet. Wenn auch
im Ausführungsbeispiel vier Gefriermittelzerstäuber 4 in
einer Radialebene vorgesehen sind, sollten in entsprechender
Weise in einer Radialebene wenigstens zwei
Gefriermittelzerstäuberdüsen vorgesehen sein. Desweiteren sind zwar im
Ausführungsbeispiel die Gefriermittelzerstäuber 4 in einer
gemeinsamen Radialebene vorgesehen, die
Gefriermittelzerstäuberdüsen 4 können jedoch auch zu Gruppen zusammengefaßt in
zwei oder mehreren Radialebenen angeordnet sein, wie es in
Fig. 3 gezeigt ist.
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Der Einbauwinkel von jeder der
Gefriermittelsprühvorrichtungen 4 sollte unter Berücksichtigung des Sprühkegelwinkels
für das Gefriermittel 7 so gewählt sein, daß weder
Gefriermittel 7 noch kaltes Gas direkt den
Gefrierproduktzerstäuber 5 treffen. Erfolgt ein direkter Kontakt zwischen
Gefriermittel 7 oder altem Gas und Gefrierproduktzerstäuber 5,
so kann es geschehen, daß das Material des Zerstäubers 5
selbst gefriert, oder es kann sich ein Ring aus gefrorenem
Material um den Zerstäuberauslaß herum oder es können sich
Eisklumpen im Zerstäuberauslaß bilden und den Auslaß
verstopfen oder dieser kann sonst unbenutzbar werden, so daß kein
Gefrierprodukt mehr austreten kann oder austretende
Produktpartikel 9a werden beispielsweise nach oben geblasen und
fallen als überdimensionierte Gefrierpartikel nach unten und
verstopfen den Auslaß 6.
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Der Sprühdruck des Gefriermittels 7 an jedem
Gefriermittelzerstäuber wird abbhängig vom Innendruck im Kessel 3
bestimmt; im vorliegenden Fall ist er beispielsweise für 1.0
bis 1.5 kg/cm ²G bestimmt.
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Das Gefriermittel 7 tritt aus jedem Gefriermittelzerstäuber 4
in der Richtung des Umfanges des Kessels aus, wird nach dem
Verlassen der jeweiligen Sprühvorrichtung verdampft und
bewirkt im Kessel 3 den Zustand einer kalten Gasphase, während
das dampfförmige Gefriermittel an der Innenseite der
Kesselwand einen Wirbel bzw. eine Wirbelsenke bildend nach unten
wandert, um schließlich den Kessel 3 durch den Auslaß 6 zu
verlassen.
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Die Menge des von jedem Gefriermittelzerstäuber 4 in den
Kessel eingebrachten Gefriermittels wird von einem
Temperaturfühler (nicht dargestellt) gesteuert, um die Temperatur im
Kessel 3 auf etwa -110ºC oder darunter zu halten.
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Der Gefrierproduktzerstäuber 5 ist in der Mitte der Oberseite
bzw. des Deckels des Kessels 3 so angeordnet, daß das zu
gefrierende Material 9 in einer nach unten weisenden Richtung
in den Kessel 3 eingebracht wird. Der Auslaßdruck des
Gefrierproduktes 9 wird so bestimmt, daß er unbeeinflußt ist
vom im Kessel 3 herrschenden Druck; bei der vorliegenden
Vorrichtung
ist der Druck für die Einbringung des
Gefrierproduktes auf beispielsweise 8 kg/cm²G festgelegt.
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Die Partikel 9a des zu gefrierenden Materials bzw.
Gefrierproduktes 9 werden mittels des Gefrierproduktzerstäubers 5
eingesprüht und durch thermischen Austausch zwischen
Partikeln 9a und Gefriergas 7a zum Gefrieren gebracht, wo Partikel
9a und Gefriergas 7a miteinander in Kontakt kommen. Durch die
Wirbelbewegung des Gefriergases kommen Partikel 9a und
Gefriergas 7a auf einem langen Weg bzw. für lange Zeit in
Kontakt miteinander. Hierdurch werden die eingesprühten Partikel
9a sehr effizient gefroren und die erhaltenen gefrorenen
Partikel 9b haben ausgezeichnete Qualität.
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Die erzeugten gefrorenen Partikel 9b werden mit dem Gasstrom
aus Gefriergas 7a auf der Wirbelbahn entlang der
zylindrischen Innenwand des Kessels 3 nach unten und hin zum Auslaß 6
bewegt. Durch diese Partikelbewegung ist es nahezu
ausgeschlossen, daß gefrorene Partikel 9b im konischen Teil 3a des
Kessels 3 zurückbleiben, denn sie werden zum Auslaß 6 hin als
Teil einer wirkungsvollen und stabilen Gasströmung
mitgenommen.
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In der vorbeschriebenen Vorrichtung werden die gefrorenen
Partikel 9b also zum Auslaß 6 transportiert und dann aus dem
Kessel 3 mittels einer Auslaßeinheit 2 für gefrorene Partikel
herausgebracht.
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Wie aus Fig. 1 zu ersehen, weist die Auslaßeinheit 2 für
gefrorene Partikel einen mit dem Auslaß 6 verbundenen Sprühkopf
10 sowie ein Zuführungsmittel für ein Treibgas 11 auf, als
das gasförmiger Stickstoff dienen kann. Die Einheit 2
arbeitet derart, daß im Sprühkopf 10 mittels des Treibgases 11 ein
Ejektoreffekt erzielt wird, mit dem die gefrorenen Partikel
9b und das Gefriergas 7a durch den Auslaß 6 aus dem Kessel 3
durch den Sprühkopf 10 abgesaugt werden.