本发明涉及将液体原料冷冻成固体的机器，特别是制造片状冰的机器。 用于食品工业生产中、用于建筑行业中冷冻混凝土及其它用途的连续自动地制造大量片冰的机器是众所周知的，普通类型的常规制冰机是利用一个固定的柱型园桶，园桶外表面暴露于冷却剂或致冷剂而其内部装水，水在园桶的内表面冷冻并通过旋转的刀排切削成大块冰。这种机器可以生产大量的冰，但该机器制造起来相对较大并且较贵。
已设计成一种利用旋转冷冻盘代替园桶的片冰机以提高制冰效率。Treuer的美国专利3，863，462公开了一种园盘制冰机的例子。不蒸发的致冷剂流过一对几何上复杂的盘内通道。水加在旋转园盘的平坦的外表面部分，低温冷却，然后用装在邻近园盘外表面的一系列径向间隔排列的刀片切削下来。
其它的常规转旋园盘制冰机用数目更多的通常等长的内通道以达到整个园盘外表面均匀冷却地目的。流入园盘的致冷剂分路输送以便对各个内通道提供等量的致冷剂。然而，在实际中已发现各通道长度的细微差别，通道的横截面尺寸在制造中的变化，以及和不同通道外形有关的致冷剂压力损失的变化，导致了各个通道的冷却程度的不同。
常规的园盘机器的致冷循环系统提供给园盘的致冷剂流速是受限制的，以确保所有致冷剂在盘内蒸发。实际上所有致冷剂离开园盘时变成过热蒸汽。园盘致冷系统的这种结构和操作形式导致了园盘内流动通道的最大冷却效能没能全部利用。致冷剂的流速必须限制在一个和具有最低冷却能力的通道内的蒸发速率相应的数值，以确保所有的致冷剂在最低效率通道内大量蒸发。但具有较高蒸发效率的流动通道，（即，从受冷冻的液体原料中吸收更多热量）还受和较低效率通道相应的流速的限制，因此馈送不足的致冷剂。
除了常规的制冰机性能受限，常规园桶或园盘机器的另外的缺点是制冰质量不稳定。为了保证从机器冷却表面上把冰恰当的分离下来，防止冰片粘在一起，并把冰片制成预定大小，必须给要冷冻的水中加入少量盐。常规机器是依赖每隔一定周期间隔手工往贮水池中加盐，间歇式加入盐导致水中盐浓度的不稳定以及制出的冰的质量不一致。
另外，在常规园盘或园桶型机器中所用冰块切削刀片必须安装在离机器冷却表面一定距离，适应该冷却部件的旋转偏差而不致引起冷却表面的磨损。
本发明提供一种改进操作性能的片冰制冰机。本机器包括一个有许多致冷剂流动内通道的冷却部件和将液体物质输送到其上的一部分的冷却表面。致冷剂供给系统给通道进口提供过量的蒸发性液体致冷剂，这样一部分液体致冷剂在每个通道内蒸发以冷冻输送到冷却面的液体物质，而剩余部分的液体致冷剂以液体状态从每个通道出口流出。本发明机器还包括一个从冷却表面切削冷冻物质的切削工具。安装冷却部件使之相对于液体物质输送点和切削工具旋转，这样冷冻表面周期性地经历液体的输送和冷冻物质的切削。
不管各通道在冷冻效率上的差别，提供过量的蒸发性致冷剂能使每个通道在最满额负荷条件下操作，这样从实质上增加机器上的冷冻物质的总的生产率。
本发明的最佳实施例中，冷冻部件是旋转的园盘并且冷冻的原料是含有微量盐份的水。机器还包括自动盐份控制装置来控制水中盐的浓度在一期望的范围内，以生产均匀高质量的冰。盐份控制装置包括一个用来给冷冻表面输送水的水箱，一个蓄有饱和盐水的蓄水器和一个调整蓄水器中饱和盐水流入水箱的流速以调节水箱中盐份的自动控制器。
本发明的另一方面，通过将刀片的刀刃安装在靠近冷却部件的冷却表面而将冷却表面的冷冻物切削下来，并能够使刀刃响应冷却表面和粘在冷冻表面上的冷冻物质的变化从标定位置上发生偏移。在一个较佳的实施例中，刀片由弹性材料制造，使得刀片在操作开始起动时弯曲离开冷却表面以让过坚硬地粘在冷却表面的冷冻原料，或响应冷却部件的旋转偏差而弯曲离开冷却表面。刀片的弹性特征还允许刀片标定地拭抹冷冻面以除掉矿物沉积物，但不实质性地损坏冷却表面。
本发明的致冷系统所用部件比常规片冰机致冷系统所用部件更少，这样，在制造和操作上比常规园盘片冰机更便宜。
用实施例进一步详细描述本发明，并用附图作参考，其中：
图1：给出根据本发明制造的片冰机透视图。
图2：给出图1的园盘、转动装置和水喷洒器的侧视图。
图3：给出图1机器切削刀片的局部放大的端视图。
图4：给出图1机器的致冷系统的示意图。
图5：给出图1机器的冷却园盘轮毂的部分横截面图。
图6：给出根据本发明制造的一个可替换的实施例的片冰机的侧视图，其中，水从喷洒器和浸没箱输送。
图7：给出根据本发明制造的一个可替换的实施例的冰切削工具的局部横断面图。
图8：给出根据本发明制造的有多个冷却园盘的一个可替换的实施例的透视图。
图1给出按本发明制造的片冰机10的最佳实施例。冷却部件，如园盘12，安装在中心毂上（未示出）以便绕中心轴14旋转。由进口管16供给的要冷冻的液体原料由喷洒器18喷洒到两个冷却表面20上，冷却表面20就是园盘12的园形两面。发动机22驱动驱动齿轮24，驱动齿轮24由链条26和从动齿轮28相连。从动轮28轴向地固定在园盘12的毂上，这样便驱动园盘旋转。过量的液体蒸发性致冷剂通过致冷系统，经连在输入支管34上的进口管32送到园盘12的毂上。然后致冷剂流过在园盘12中形成的内通道（未示出），并部分蒸发以冷却表面20，其余以液体形式从和致冷剂回流管36相通的排出支管（未示出）排出。
水被循环地输送到冷却表面20冷冻，并且在园盘12旋转通过一对切削刀片38时被切削下来，切削刀片38安装在靠近冷却表面20的园盘的两边。大块冰40从园盘掉到储存斗42中收集。
片冰机10最好连续操作来最大限度地生产片冰。关于机器的操作将在下文描述。尽管显而易见地，机器的操作有可能出现不连续，这样园盘12间歇地旋转以在冷却表面20上聚集较厚的冰层。
A.液体原料的输入
参照图1和2，水由输入管进口16注入水箱44底部。安装在井坑48中的油池泵46将水泵出，通过排出管50分流提供给第一和第二喷洒管18，两个喷洒管安装在邻近园盘12的两侧。参照图2，喷洒管包括上部分52和下部分54。喷洒管线包括喷洒喷头，将水喷在冷却器表面20上成至少180°的喷湿扇面，更好些可将水喷洒在225°扇面内，再好些可达230°扇面。这样，在大部分旋转周期中，冷却园盘表面20的每一面洒上了水，最大限度地利用流经园盘的致冷剂产生厚层的冰。洒在冷却表面20的多余的水流回水箱44底部，通过泵46再循环。
B.盐份控制器
片冰机10还包括一个自动控制输送到冷却表面的水的盐份的系统。盐份对控制生产片冰的质量是很重要的，并使冰很容易脱离冷却表面20。仍参照图1和图2，自动控制盐1份系统包括电导传感器56，与排出管50及下游的油池泵合成整体。电导传感器56包括两个电极，与管50中的水流相连通。电导传感器56产生一个与水中盐份成适当比例的讯号。
盐份控制系统还包括饱和盐水蓄水池58，盐水蓄水池58装着水和一层固体盐60，如氯化钠，这些水被盐饱和。偶尔往蓄水池58中加入盐以确保蓄水池中盐水保持饱和状态。蓄水池供给管62把水从排出管50转向到蓄水池58。蓄水池供给管62使排出管50中的水流入蓄水池58的水流量。一个两级电子控制器（未显示）与电导传感器56和阀63相联，响应传感器56的讯号，开启或关闭阀63。注入蓄水池58的水导致蓄水池中的饱和盐水靠重力通过回流管65流入水箱44，以增加水箱44所贮水的盐浓度。
电子控制器不论于高盐份水平或低盐份水平的情况下工作。在制冰机的最初操作状态，阀63被控制以将大量饱和盐水流入水箱44，使输送到园盘12的水中盐份升到一个高水平，大约1000ppm量级。初始的高水平是必需的，因为在冷却表面20形成的第一块冰非常难从冷却表面上切削下来。高盐份可以使冰剥离更容易。一但达到这样高水平，控制器自动换挡到低水平操作状态，水箱44中不再加入盐，直到水箱中水的盐份降低到正常操作范围以内。
常规制冰机依靠手工批量将盐加入到水供给系统，并在250ppm到500ppm之间盐份范围操作。然而，发现本发明允许的正常操作范围中盐份可以接近在150ppm至250ppm之间，还可进一步控制在150ppm至200ppm。这样窄的盐份范围可以使生产的冰的组成更均匀，也降低了盐消耗。本发明加入氯化钠运行良好，本发明机器的水供应系统中也可以加入其它的无机盐。
c.冰切削刀片
参考图1和图3，图中描述冰块切削刀片38的结构和操作。水洒到冷却表面20后，形成的冰层64经过一个旋转循环的低温冷却过程。在旋转循环过程中，冰冷却到冰点以下、收缩、从冷却表面20上疏松。通过切削刀片38，大块的冰40从疏松的冰层64上剥离。参考图3，切削刀片38装在位于靠近园盘12两侧的夹持装置66中。刀片最好是由薄的细长的弹性材料制成，如用锻钢。每个切削刀片38被弯曲形成一个细长的基座部分68和一个细长刀尖部分70，基座部分被夹持装置66夹住，刀尖部分70与基座部分68有一个角度。如图3所示，刀尖部分70的内刃72标定地定位成与邻近的园盘12的冷却表面20相接触。刀片38构形成并安装在夹持装置66中，使得刀尖部分70的平面与冷却表面20平面的相交成45°或更小的角度，相对于冷却表面20的平面优选小于或等于30°的角度。
在正常操作中，每个刀片38的刀刃72标定地轻抹冷却表面20以除去由冷冻水留下的矿物质沉淀物。刀片38有足够的弹性和韧性以避免对冷却表面20或刀片38的过分损伤。有时，如在园盘刚转动时那样，园盘表面20上的冰层64可能坚硬地粘在冷却表面20上。当出现这种情况时，刀片38的刀尖部分70弯曲到图3虚线所示的位置，使刀刃72偏离冷却表面。然后刀刃72压在坚硬粘着的冰层上运动，直到冰层疏松，刀片于是回到它们的标定位置。刀片38的弹性可弯曲性还可以和园盘12的旋转偏差所造成的不规则性相适应，减少对园盘盘12的细致的精度和机械加工的要来。
D.致冷系统
参考图4和图5描述致冷系统30的构造和操作。首先参考图5，园盘12安装在轮毂74上作为致冷系统蒸发器。园盘包括数目众多的、用常规方法制成的园盘内的致冷剂流动内通道76。通常，园盘12由主、副相配合的园盘板制成。流动内槽可以在一个园盘板上形成，该圆盘板和副平板配合。也可以在两圆盘板上用机械加工或其它方法制成成镜像的槽，然后配合在一起形成通道。常规园盘结构的是在主盘板上通过焊接或在主盘板上形成阻挡物，然后将之配对副平板而形成通道。通过上述方法加工的典型的流动内通道描绘几何上复杂的通路，以使各通路等长并覆盖园盘的大部分面积。
致冷剂通过输入支管34提供给园盘，致冷剂从该输入支管34流进进口78，进口78是通过机械加工或其它方法形成在轮毂74里的。进口78在园盘内分叉以形成众多通道76。液体致冷剂流过每个通道76，在通道76中致冷剂部分蒸发，园盘冷却表面20被冷却。部分蒸发的致冷剂和剩余的液体致冷剂流出通道76、汇集并从轮毂74流经在其中形成的出口80然后通过排出支管82排出。
致冷系统30以图解形式在图4给出。本发明的一个重要方面是给冷却园盘12提供过量致冷剂。蒸发性致冷剂如氟利昂、氨或其它致冷剂，以一定流率提供，使得只有流出每个通道76的部分致冷剂被蒸发。这可确保有充足的致冷剂以便利用每个致冷剂通道的满额的冷却效能而与每个通道的效率无关。流到园盘的液体致冷剂的流率优选比具有最高冷却效率的通道76中使所有致冷剂完全蒸发的流率高出大于0%和小于大约50%之间，也就是说，所述所有致冷剂完全蒸发是指在通道76中最大数量的致冷剂蒸发。更优选以比在最高效率的通道76中使所有致冷剂蒸发的流率高出大约10%和50%之间的流率将致冷剂输送到园盘上。实际上，现发现高于使最高效率通道内所有致冷剂蒸发的流率的大约20%的流率输送到园盘上已很有效。
参照图4，高压、过冷的液体致冷剂从冷却器84流出，流经进口管32和安装在输入支管34中的膨胀孔86。膨胀孔86的固定直径是由片冰机10预定操作条件确定的。膨胀孔86的尺寸主要由通过水进口管16提供给片冰机的水的温度确定的。片冰机10通过替换直径不同的膨胀孔86改变不同的操作条件，但当安装上一特定的膨胀孔，它就在不变的条件下操作。这与常规片冰机相反，常规片冰机使用在操作过程中需要调节的比较贵的膨胀阀。
致冷剂流过膨胀孔86，然后流过输入支管34进入流动内通道76。每个通道76排出的部分蒸发的致冷剂通过排出支管82，经致冷剂回流管36进入低压蓄箱88。低压蓄箱是用来代替常规的高压蓄箱组合体，并安装在冷却器和园盘蒸发器之间，并在园盘蒸发器后面安装一个独立的储蓄器。来自圆盘未蒸发的液体致冷剂没有全部丧失潜在的冷却性能，收集到低压蓄箱88的底部，蒸发的致冷剂由吸气管90从蓄箱88抽出送入油润滑压缩机92。经压缩，过热的致冷剂气体从压缩机92经管线94返回冷却器84。离开压缩机92的经压缩的过热致冷剂也可以流过“过热降温器”的热交换器96，该热交换器96使压缩的致冷剂和低压蓄箱88中的蒸发的致冷剂进行热交换。
经冷凝的温热的致冷剂由致冷剂进口管32离开冷却器84，通过热交换器98，热交换器98使冷凝的致冷剂与盛在低压蓄箱的未蒸发的低压致冷剂进行热交换，热交换器98致使流经管线32的冷凝致冷剂过冷，并使低压蓄88中的致冷剂进一步蒸发。
在本发明的另一方独特方面，致冷系统30包括一个自动的致冷剂/油热交换分离器100，回收从压缩机92跑到已压缩的致冷剂中的润滑油。这些从压缩机92跑出的润滑油经致冷系统，并以油和未蒸发致冷剂混合物的形式收集在低压蓄箱88中，从低压蓄箱88抽出的油和未蒸发的致冷剂混合物经油回路102到达热交换分离器100。热交换分离器100使致冷剂/油混合物与经进口管32而冷凝器84流出的较热的冷凝致冷剂交换热量。从较热的冷凝致冷剂吸收的热量使部分致冷剂/油混合物中的液体致冷剂蒸发，这使油经渗滤作用上升到达压缩机抽气管90。合适的致冷剂/油热交换分离器由华盛顿PA15301的Superior Valve公司出售。
按照本发明的片冰机，通过一个24英寸直径的园盘和提供60°F的水，每天大约可生产两公吨的冰。这个生产率比使用常规片冰机大。如象后面所描述的，使用多个冷却园盘或更大的冷却盘或输入更凉的水，可以得到更高的生产率。
本领域的普通技术人员将认识到，根据本发明对片冰机10可作各种变化和改进。例如，图6给出一个变化形式的片冰机104。片冰机104的结构和片冰机10相同，只是水洒到园盘冷却表面的方式不同。构形相似的部件仍用同样的部件号码，只是加（′）表示。机器104包括一个安装在靠近园盘12′两侧的仅有向上喷洒部分52′的喷洒管18′。园盘12′的湿扇面的第一部分被喷洒管18′喷湿，用喷洒管18′喷出的水向下流过冷却表面20′进入水箱44′。水箱44′装满水，通过浸没弄湿园盘的湿扇面的剩下部分。通过喷洒和浸没使园盘12′的表面20′变湿的程度与片冰机10相同，两者都适用于最广泛应用的范围。然而，在片冰机10中因只用喷洒器，更适用于船上，因为船纵横摇动会引起浸没箱的水外溢。
园盘片冰机10的进一步改进是用弧形切削刀片106（如图7所示）代替切削刀片38′。弧形刀片106与切削刀片38基本相似，所不同的是刀片106从由夹持装置66夹住的刀身基础部分108到靠近园盘12冷却表面20的刀尖部110连续弯曲。刀片106的弯曲使刀尖110到园盘表面20形成0°到最大30°的锐角。刀片106的弯曲部分允许刀片更易弯曲以使刀刃112从园盘盘面20偏移以响应园盘盘面或坚硬粘着的冷冻物的变化而变化。
虽然制冰机10使用如上描述的弹性可弯曲的刀片38或106，显而易见地，也可以用弹性夹具固定的刚性刀片来代替。例如，用弹性可偏移的夹具固定的刚性刀片来代替。具有一定弹性允许刀刃偏离园盘以响应园盘表面的变化，然后推动刀片返回抹拭园盘冷却表面的位置。
本发明片冰机的进一步变化是，片状制冰机可以使用多个冷却园盘。图8示出多园盘机器114的一个替换的实施例，它包括四个园盘116、118、120和122，装在一个中心轴组件上（未示出），用一个发动机123驱动同时旋转。致冷剂系统经进口管线124提供给每个园盘流量过量的致冷剂。从一个大的水箱126到单个喷洒管128给每个园盘供水。依照本发明可制造其它形式的多盘机器，如两盘、三盘或五盘。
虽然上文描述了本发明的园盘片冰机，本发明的原理可应用于其它类型的片冰机。例如，除了旋转园盘外，还可以用旋转柱型园桶构成的片冰机。提供过量致冷剂给园桶可同样达到产冰效率的增加。类似地，本发明的自动盐份控制装置和弹性刀片也可以用在这样的系统中。
本发明的片冰机装置也可用来将水以外的液体原料制成片状冷冻物。例如，本发明的片冰机10可用于冷冻桔汁浓缩物和其它食品工业加工。另一个例子是本发明的片冰机可用来冷冻人血制品。
本领域的一个普通技术人员通过阅读前面说明书内容可以作出各种其它变化、变形和替换的等同物而不脱离上面所公开的基本原理和范围。因此意味着本发明所要保护的范围仅受附属的权利要求书及其等同内容限定。