专利名称：：具有可变筒身中间限制器和相邻高强度混合组件的挤压机的制作方法
技术领域：
：本发明涉及用于加工动物饲料或人类食品的改进的挤压组件，与传统挤压机设计相比，该挤压组件给出提高的单位机械能值。具体来说，本发明涉及如此的挤压组件，其中，挤压机筒身装备有筒身中间阀组件，该阀组件允许有选择地通过其中的可变的材料流量，挤压机筒身还装备有位于该阀组件上游的破碎化/均质化螺杆部分。在本发明其它优选方面，通向大气的通气口设置在可变阀组件的下游。
背景技术：
：各种挤压系统普遍用于人类食品和动物饲料的生产中。广义地说，有两种类型的挤压系统，即，单螺杆系统和双螺杆系统。顾名思义，单螺杆挤压机包括细长筒体，筒中只有单个细长的制有螺旋齿的绕轴线转动的螺杆组件。相比之下，双螺杆挤压机具有特别构造的筒体，其有一对并列的制有螺旋齿的绕轴线转动和相互交错的螺杆组件。还为相当常见的是在单或双螺杆挤压机的上游使用预处理装置，其用来至少部分地烧煮起始材料并使其含有淀粉的组分糊化。一般地，若要求烧煮和糊化水平越高，则由于这降低了下游挤压机的烧煮要求，导致产品质量和产量越高。过去，人们提出了许多特殊的挤压机结构，其旨在使单位机械能(SME)和烧煮水平最大化，而不伴随有借助于热能来提高能量的输入。为此目的，人们已经知道使用沿挤压机螺杆长度的蒸汽锁(steamlock)以及可变的阀门系统，以提供固定的和可变的材料限制流量。尽管如此的权宜之计很普遍，但它们没有提供挤压处理器所要求的较高的SME和烧煮值。因此，行内需要有改进的挤压组件，其在处理动物饲料或人类食品过程中能够提高SME和烧煮值，而无需显著地提高能量输入。
发明内容本发明克服上述的诸多问题并提供一种挤压组件(其既可以是单螺杆挤压组件也可以是双螺杆挤压组件)，所述挤压组件包括细长筒身，筒身具有入口和间距开的限制孔径的口模出口，筒身中间阀组件沿筒身长度定位并包括用来有选择地可变地限制通过阀组件的材料流量的结构。该组件还具有至少一个位于筒身内的细长的、绕轴线制有螺纹齿的的螺杆组件，操作该螺杆组件可移动材料从入口经过筒身和阀组件而从口模出口流出。该螺杆组件包括位于筒身阀组件上游的破碎化/均质化螺杆部分，其中，破碎化/均质化螺杆部分具有多个制有螺纹齿的螺杆零件，其中至少一个螺杆零件具有右手螺距，而至少另一个螺杆零件具有左手螺距。筒身中间阀组件连同如此一个破碎化/均质化螺杆部分的组合使用业已证明给出了理想的饲料或食品加工处理的结果。在一些优选形式中，螺杆零件布置成相邻螺杆零件具有相反的螺距。最佳地是，破碎化/均质化螺杆部分紧邻于阀组件，由此，从破碎化/均质化螺杆部分退出的材料直接流入阀组件内，不遭遇到附加的制有螺纹齿的螺杆部分。还有，通向大气的通气孔可设置在阀3组件下游，最好紧邻于阀组件。通常使用通气孔是为了使最终挤出物的过量膨胀为最小。许多情形中，在挤出机筒身上游处设置有预处理机，其中，预处理机呈细长的容器，该容器具有预处理机入口和预处理机出口，所述预处理机出口可操作地与筒身入口联接，以让材料从预处理机流入筒身内。特别优选的预处理机是如美国专利No.4，752，139(体文以参见方式引入该专利)所述的双轴设计，且对于个别的轴具有相应的可变速度驱动器。图1是根据本发明的优选挤压机的侧视图，带有与挤压机可操作地相联接的优选的上游预处理机；图2是根据本发明的筒身中间流量限制阀组件的立体图；图3是图1所示挤压机的垂直截面图，示出筒身中间流量限制阀组件与上游高强度的破碎化/均质化螺杆组件及下游通气孔的组合；图4是一分解的立体图，示出破碎化/均质化螺杆组件的诸部件；图5是破碎化/均质化螺杆部分的垂直截面图；图6是图1和3所示挤压机的局部的垂直截面图，示出筒身中间流量限制阀组件和上游的破碎化/均质化螺杆组件的各部分；图7是显示优选的筒身中间流量限制阀组件设计的垂直截面图；图8是图1和3所示挤压机的局部的垂直截面图，示出材料处理过程中挤压机的操作；图9是本发明的筒身中间流量限制阀组件另一实施例的垂直截面图，其设计用于一双螺杆挤压机；图10是图9所示筒身中间流量限制阀组件的局部垂直截面图；图11是局部截面图，示出双螺杆挤压机中相邻的破碎化/均质化螺杆部分；图12是用于本发明中的较佳的预处理机的立体图；图13是图12预处理机的侧视图；图14是沿图13中的线14-14截取的截面图，示出预处理机的内部结构；以及图15是沿图13中的线15-15截取的截面图，进一步示出预处理机的结构。具体实施例方式图1示出挤压机组件20，其包括挤压机22和上游预处理机24。所示实例中的挤压机22是单螺杆挤压机，其包括细长的多节筒身26，筒身具有最端部处的限制孔径的口模28和入口30。筒身中间的流量限制阀组件(MBV)32插入在筒身中间段之间，筒身通气孔34位于组件32的下游。预处理机24包括具有入口38和出口40的双腔外壳36，出口40与筒身入口30相连。此外，可见中间头50装备有位于组件32下游处的大气通气口34。参照图3，图中详细地示出了挤压机22。挤压机筒身26由包括入口30的入口头42以及五个中间头44、46、48、50和52以及出口头54组成。头42-54端对端地互连，从而合作地形成从入口30延伸到口模出口28的中心区域56。此外，还可见头44-54装备有内部管形的成螺旋地加肋的套筒44a-54a。可有选择地进行调整的筒身中间阀组件32被夹在头48和50之间，但它也可位于除入口头之外的任何相邻头之间。该组件32是属于美国专利公布No.US2007/0237850中所示的类型，该专利出版于2007年10月11日，本文以参见方式引入该专利。挤压机22具有细长的制有螺旋齿的螺杆组件58，其沿着区域56的长度延伸，并进行操作而沿着筒身26长度传送通过入口30接受到的材料，最终挤压通过口模28。螺杆组件58包括一对第一和第二入口部分60和62、第三部分64、通向MBV组件32的特殊破碎化/均质化螺杆部分66、下游螺杆部分68和70，以及最后的未切制的锥形鼻螺杆部分72。传统的蒸汽锁元件74位于螺杆部分62和64、64和66之间，组件32的下游端和螺杆部分68之间，以及螺杆部分70和72之间。螺杆部分60-72安装在六角形中心轴76(图7)上，中心轴可操作地连接到传统的驱动电动机和减速齿轮箱组件(未示出)，以使螺杆组件58在动力作用下转动。特殊的螺杆部分66包括入口部分78以及下游破碎化/均质化部分80。入口部分78是一节短螺杆段，其类型如共同待审查的和同时提交的美国专利申请中详细描述的，该专利申请题为"SingleScrewExtruderForProcessingofLowViscosityPreconditionedMaterials(处理低粘度预处理过材料的单螺杆挤压机)"——本文以参见方式引入该专利。破碎化/均质化部分80包括多个交变螺距的邻接的、制有螺旋齿的部分82-92，例如，螺杆部分82具有右手螺距，而相邻的螺杆部分84具有左手螺距；个别的螺杆部分82-92最好各小于全螺距或回旋长度。部分78和80具有六角形中心孔78'、80'，以便接纳轴76。MBV组件32示于图2中，并包括中心剪切锁(shearlock)元件94和匹配的外侧限制单元96。组件32设计成分别用于诸如图3和7中所示的单螺杆或双螺杆挤压机，组件32并用来提供可变的通过挤压机筒身26的流量限制水平，以便在挤压机22内产生增加的背压和剪切水平，提高输入到被处理材料中的机械能量。详细地说，组件32的剪切锁元件94是实心的环形金属体，其具有中心的设计用来接纳轴76的六角形孔98，带有呈最外面的光滑操作表面100的圆形截面。这样，元件94与轴76和螺杆组件58—致地转动。限制单元96包括大致圆形的初级本体102，其具有侧向延伸的贯通槽104(图6)，该槽具有一对侧边缘的开口106。本体102是金属结构，并具有一系列轴向孔108，它们设计成与设置在头部凸缘内的类似孔相匹配。采用螺纹紧固件(未示出)来互连头部48和50的相邻凸缘之间的本体102，以使本体102实际上被夹在对齐的头部48和50之间。组件32还包括一对限制部件110、112，它们各可滑动地被接纳在狭槽104内。部件110、112彼此成镜面对称图像，其结构清楚地显示在图7中。因此，可以看到，各个部件具有金属制的钳口状的本体114，本体114具有最内的弧形表面116。各表面116的中心区域具有接近于元件94半径的大致圆形半径，而各表面116的外侧区域具有一对最端部的不圆的突出部118。各个本体114装备有接纳柔性密封件122的界限的槽120。各个本体114还具有一体的向外延伸的耳形物124，其具有形成在其中的一个端部槽口126。板128设置在该槽口126之上并通过紧固件130固定就位。组件32还包括驱动装置132，该装置可操作地与部件110、112联接，以便朝向或远离剪切锁元件94移动这些部件，这将在下面予以解释。驱动装置132包括一对驱动螺杆134、136，它们具有向前的对接端138、中心的螺纹部分140和方形的驱动端142。可以看到，各个驱动螺杆134U36的向前的对接端138位于相关本体114的槽口126内，使螺杆的其余部分向外延伸。驱动装置132还包括一对弓形盖板144、146，它们相应地设置在侧向开口106上，并用紧固件148固定就位。各个盖板144、146具有中心的螺纹孔150，该孔接纳相关驱动螺杆134、136的螺纹部分140。因此应该认识到，驱动螺杆134、136的转动用来向内或向外地滑动部件110、112，以便在部件110、112的表面116和剪切锁元件94的操作表面100之间形成选定的间隙。利用附连到驱动端142上的曲轴152，可手工地实现驱动螺杆134U36的如此的转动。或者，如图6示意地所示，相应的电动机154、156可联接到驱动螺杆134、136，以使限制部件110、112动力地运动。通常地，电动机154、156可联接到控制器158，控制器可形成对挤压机22的全部数字控制的一部分。图9和10示出用于双螺杆挤压机的流量限制组件32a，该挤压机具有并排互相啮合交错设置的螺杆160、162，如图11所示，螺杆160、162位于合适地构造的双螺杆筒身164内。如图所示，各挤压机螺杆160、162的螺纹外表面延伸入螺纹外周缘和螺杆中心体的内根圆直径之间的相邻螺纹齿的界限范围内。组件32a的诸部件，其大部分与组件32的部件相同，因此，在图9-10中使用了相同的标号，例外地加上以示区别的字母"a"。因此，组件32a具有一对剪切锁元件94a，各相应地安装在其中一个六角形螺杆轴76a上。还有，设置一对相对的限制部件110a、112a，最好如图所示地安装在垂直定向上。部件110a、112a的内操作表面116a具有一对并列的弓形区域，以便同时地容纳和接合两个剪切锁元件94a。在该实施例中，驱动装置132a稍有不同。具体来说，相应部件110a、112a的驱动螺杆134a、136a被接纳在分叉的驱动外壳166内，该外壳具有间距的孔168、170。孔168、170之间的驱动螺杆134a、136a的中心部分装备有驱动螺母172。部件110a、112a的调整通过驱动螺母172的转动来实现，由此，用来移动相关的部件110a、112a朝向和远离剪切锁元件94a。从以上的讨论中，可以容易地认识到，一旦驱动螺杆134a、136a转动，部件110a、112a就沿着大致对齐的和呈直线的路径移动朝向和远离剪切锁元件94a。图11示出被夹在构成筒身164—部分的一对双螺杆挤压机圆筒头部174U76之间的组件32a。图11中还可见，组件32a上游处的螺杆部分66a以上述螺杆部分66的方式进行构造，即，各个部分66a包括交替的相反螺距的螺杆部分82a-92a。预处理机24显示在图12-14中，其属于2007年10月19日提交的共同待审查的美国专利申请S/N11/875,033中所述的类型，本文以参见方式引入该专利。预处理机24包括细长的双级混合容器178，容器178具有一对平行细长的沿着其长度轴向地延伸和可转动的混合轴180和182。轴180、182与个别可变驱动装置联接，驱动装置可操作地与控制装置(未示出)联接。可变驱动装置最好呈变速驱动器(VSD)形式，而控制器可以是控制器、处理器、特定用途集成电路(ASIC)、或能够执行逻辑指令的任何其它类型的数字或模拟装置。该装置甚至可以是个人的或服务器的计算机，诸如由Del1、Compaq、Gateway公司或任何其它计算机制造商制造和销售的计算机，以及运行WindowsNT、NovelNetware、Unix或任何其它网络运行系统的网络计算机。VSD驱动器装置可按需要进行编程以达到本发明的目的，例如，它们可以构造成不同的转动速度范围、转动方向和额定功率。容器178具有细长的横向弓形侧壁184，侧壁具有一对细长并列的互连腔室186和6188，以及材料入口190和材料出口192。腔室188具有比相邻腔室186大的横截面面积，这是有待说明的重要原因。各个腔室186、188装备有一系列沿着对应腔室长度的间距开的入口端口194、196，而中间一组端口198位于腔室186、188的连接处。这些端口194-198适于连接通向腔室内部的水和/或蒸汽注射器。全部的容器178还具有前端板200和后端板202，以及中心板204。如图所示，轴180、182基本上中心地位于对应腔室186、188内。为此目的，安装在板200上的前部轴承206支承着轴180、182的前端，同样地，固定在板202上的后轴承208支承着轴的后端。轴180、182具有向后延伸的延伸部180a、182a，它们从轴承208中伸出以提供与先前所述的可变频率驱动器的连接。轴182装备有多个径向向外地延伸的混合元件210，它们沿着轴长以错列关系定位。各个元件210(图5)包括被接纳在轴182相应螺纹孔214内的内侧螺纹段212，而向外突出段216具有基本上平的桨板状构件218。如图14中所示，混合元件210的桨板构件218与相对于材料从入口190到出口192移动方向为反向的方向定向。即，这些构件用于阻碍材料通过预处理机24的流动。位于较小腔室186内的轴180同样具有一系列混合元件144，它们沿着其长度保持交替错列的关系。元件220与元件210相同，只是元件220尺寸稍许小一些。各个元件220具有外侧的桨板状构件222。在此情形中，构件220与构件210的方向相反定向，S卩，它们沿向前方向定向，以便更加有效地推进材料流动，从入口190朝向出口192并流出出口192。相邻的成对混合元件210和220彼此轴向地偏移和交错；因此这些元件不是自擦拭的设计。这允许轴可以很大不同的转速进行转动，同时避免由于元件210和220之间机械干涉引起的任何可能的锁住。本发明的预处理机设计允许以比迄今为止可能更大的程度来处理材料。例如，美国专利No.4，752，139中所述类型的现有技术的预处理机不能进行现场调节，以在轴之间达到不同的相对转速。即，在如此的现有技术预处理机中，一旦在该装置制造过程中建立起转速差，若不对装置完全地再构造，则此后就不能变化。该类型的普通预处理机在小和大腔室内的轴之间相应地具有2:1的转速差。然而，在本发明中，可容易地实现更大和无限可调的转速差。因此，在优选的形式中，轴180、182之间的速度差至少为5:l，通常地范围从3:1至18:l，较小腔室轴180通常的转动速度大于较大腔室轴182的转速。该后一速度差对应于轴180的900rpm转速，轴182的50rpm转速。该性能提高的设计提供了多个处理优点。为给出一个实例，在'139专利的现有技术预处理机设计中，以前可达到的最大烧煮程度通常约为30%，最大约为43%(根据Mason等人的"(ANewMethodforDeterminingDegreeofCook)确定烧煮程度的新方法"一文中所述方法用淀粉组分糊化进行测量，该文章发表在美国谷物化学家协会的第67届年会(1982年10月26日)上，本文以参见方式引入该文)。然而，根据本发明，显著较大的烧煮百分比可达到至少50%，较佳地达到至少55%，最佳地至少约为75%。同时，这些提高的烧煮值以相同的或甚至比现有技术预处理机短的驻留时间来获得；具体来说，如此的现有技术设计会需要约为160-185秒的持续时间来获得最大的烧煮值，而在本发明的预处理机中，持续时间少得多，大约在120-150秒的量级上就可达到该同样的烧煮。此外，如果采用的通常预处理机驻留时间较长，则烧煮值范围通常会显著地提高。结合上游破碎化/均质化螺杆部分组合地使用筒身中间阀可给予多个意想不到的优点。参照图8，图中示出破碎化/均质化螺杆部分66的作用。因此，通过挤压机筒身的材料被螺杆部分82-92切断和破碎化，随着材料进入筒身中间阀组件32和通气头50，达到材料处于"完全哽住"状态的效果(即，材料完全地填充螺杆组件58和筒身头48之间的自由容积)。这业已发现给出了比传统挤压机设计显著提高的单位机械能(SME)值。使用本发明可达到量级在10-25%上的提高的SME值，而不增加热能的输入。优选的筒身中间阀的另一优点在于，它提供标准挤压机结构中尚未有的一定程度的灵活性。例如，对于某种类型产品，如果需要的话，该阀可以维持在完全打开的位置无需改变挤压机螺杆或筒身结构。因此，使用筒身中间阀可允许处理器仅有单个挤压机，但可合适地处理更多种类的材料。以下实例阐述了根据本发明的优选装置和方法。然而，应该理解到，提供该实例只是为了说明而已，不应看作对本发明全部范围的限制。实例在此实例中，使用标准7头的单螺杆挤压机设备(运行1和3)，相对于与标准设备相同的7头单螺杆设备，例外地是在第四头(运行2和4)内提供如图3所示的交替螺距的破碎化/均质化螺杆部分，来处理两个不同鲑鱼饲料配方。每个设备在第四和第五头部之间包括如图2所示类型的筒身中间阀，真空通气孔紧邻于该阀下游。每次试验中使用挤压机上游处的标准型号16Wenger(温吉尔)DDC预处理机。产品由添加蒸汽和水的初始预处理机进行处理，其后用蒸汽和水的注入进行挤压。在这些运行中，挤压机头让水通过头部的外套进行温度控制。用于运行1和2中的第一配方包括19.8%的谷类颗粒(重量计)，19.6%的功能性的植物蛋白(重量计)，以及60.6%的非功能性的动物蛋白(重量计)。特别的配方是小麦19.8%(重量计)；蒸汽干燥过的鱼粉29.6%(重量计)；水解的羽毛粉21.2%(重量计)；大豆粉14%(重量计)；家禽粉9.8%(重量计)；以及玉米麸皮粉5.6%(重量计)。用于运行3和4中的第二配方包括21.5%的谷类颗粒(重量计)，20.3%的功能性的植物蛋白(重量计)，以及58.2%的非功能性的动物蛋白(重量计)。特别的配方是蒸汽干燥过的鱼粉33.7%(重量计)；水解的羽毛粉18.4%(重量计)；大豆粉11.5%(重量计)；家禽粉6.1%(重量计)；玉米黄浆粉2.7%(重量计)；小麦21.5%(重量计)；以及麦子麸皮601%(重量计)。这些试验结果列于下表中。表8<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>1"控制"是指通过挤压机头外套馈入的进水温度；"温度"是指挤压机头处测得的实际温度。在运行1中，SME值是45kw-hr/mt。在此运行过程中，筒身中间阀是100%关闭，通气孔是25%打开，通气压力是2psi。在运行2中，SME值是52kw-hr/mt，阀是100%关闭，通气孔是10%打开，通气压力是15psi。在运行3中，SME值是55.5kw-hr/mt，阀是100%关闭，通气孔是10X打开，通气压力是0psi。在运行4中，SME值是60kw-hr/mt，阀是100%关闭，通气孔是10%打开，通气压力是10psi。这些运行证明使用破碎化/均质化元件获得了有价值的结果。比较的挤压机运行号2和4基本上是均匀的并产生良好质量的挤压品。此外，即使条件基本上相同且挤压品密度类似，这些运行在SME值上也分别有16%和9%的提高。权利要求一种挤压机组件，包括细长筒身，所述筒身具有入口和间距开的限制孔径的口模出口；筒身中间阀组件，所述筒身中间阀组件沿所述筒身的长度定位，并包括用来有选择地限制通过所述阀组件的材料流量的结构；以及至少一个细长的、绕轴线制有螺旋齿的螺杆组件，所述螺杆组件位于所述筒身内，操作所述螺杆组件可移动材料从所述入口经过所述筒身和阀组件而从所述口模出口流出，所述螺杆组件包括位于所述阀组件上游的破碎化/均质化螺杆部分，所述破碎化/均质化螺杆部分包括多个螺杆零件，其中至少一个所述螺杆零件具有右手螺距，而至少另一个所述螺杆零件具有左手螺距。2.如权利要求1所述的挤压机组件，其特征在于，所述螺杆零件中的相邻螺杆零件具有相反的螺距。3.如权利要求1所述的挤压机组件，其特征在于，包括位于所述阀组件下游的大气通气孔。4.如权利要求3所述的挤压机组件，其特征在于，所述通气孔位于所述阀组件的紧邻下游。5.如权利要求l所述的挤压机组件，其特征在于，所述破碎化/均质化螺杆部分紧邻于所述阀组件，由此，退出所述破碎化/均质化螺杆部分的材料直接流入所述阀组件内，不会遇到附加的制有螺旋齿的螺杆部分。6.如权利要求1所述的挤压机组件，其特征在于，包括位于所述挤压机筒身上游的预处理机，所述预处理机呈细长的容器，所述容器具有预处理机入口和预处理机出口，所述预处理机出口可操作地与所述筒身入口联接，以使材料从所述预处理机进入所述筒身内。7.如权利要求6所述的挤压机组件，其特征在于，所述预处理机包括所述容器具有一对并排的互通部分，所述部分中的一个部分具有比所述部分中的另一部分大的直径；以及一对细长混合轴，每个轴具有多个混合元件，所述轴位于所述容器的相应部分内并保持侧向间距开的关系。8.如权利要求1所述的挤压机组件，其特征在于，每个所述螺杆零件具有小于全螺距的长度。9.如权利要求1所述的挤压机组件，其特征在于，所述挤压机筒身是单螺杆挤压机筒身，所述筒身内有单个螺杆组件。10.如权利要求1所述的挤压机组件，其特征在于，所述挤压机筒身是双螺杆挤压机筒身，所述筒身内有一对相邻的螺杆组件。全文摘要提供一种改进的高单位机械能的挤压系统(20)，其包括单或双挤压机(22)和上游的预处理机(24)。挤压机(22)包括细长的筒身(26)，该筒身带有至少一个细长的、绕轴线制有螺纹齿的转动螺杆组件(58)。筒身(26)包括筒身中间可变限制阀组件(32)，而螺杆组件(58)具有位于阀组件(32)上游的破碎化/均质化螺杆部分(66)。螺杆部分(66)包括多个交变螺距的螺杆零件(82-92)。较佳地，筒身(26)还具有位于阀组件(32)下游的大气通气孔(36)。文档编号A23N17/00GK101790328SQ200880105174公开日2010年7月28日申请日期2008年12月24日优先权日2008年1月3日发明者B·S·普拉特纳,G·J·洛基申请人:温吉尔制造公司