专利名称：具有独立传动的高速混合器轴的改进的预处理机的制作方法
技术领域：
本发明广义地涉及改进的双混合轴预处理机，其是用于诸如动物饲料或人类食物生产中的挤出机或制片机那样加工装置上游类型的预处理机。具体来说，本发明涉及如此的预处理机和利用这样预处理机的加工系统，其中，预处理机包括与混合轴可操作地联接的可变驱动机构，其设计成允许各轴彼此独立地以各自转动速度有选择地转动。
背景技术：
预处理机广泛地结合各种挤出机一起使用以用来准备和混合食物材料，然后，在挤出机内进ー步加工和烧煮食物材料。例如，在挤出之前，具有相当高百分比面粉状材料的产品常常加水进行混合，并在处理机内用蒸气进行处理。在制备宠物食品或包含有大量蛋白质和淀粉的类似产品时，使用预处理机是特别地有利。今天的市场上，有许许多多宠物食品的配方，其成分和数量变化很大。例如，低卡路里的宠物食品很普遍，它们包括非常大量的含淀粉材料(例如，玉米和稻米)。如此低卡路里宠物食品的配方在预处理机内不能承受长的时间，因为其淀粉含量趋于变得发粘而不适于下游的挤出加工。另ー方面，具有较少淀粉和较高蛋白质含量的标准宠物食品配方需要有长的驻留时间以变得可合适地进行预处理。因此，在驻留时间方面仅能作有限变化的预处理机常常不适用于复杂的宠物食品加工机。近年来，生产挤压加工的用于养鱼场的水中饲料日益增长。如此的水中饲料传统上包括大量鱼粉(高达约70%，按重量计)。然而，由于这种鱼粉的成本和采购渠道的原因，有ー种趋势不再使用如此大量鱼粉。代替鱼粉，加工机正在使用大量高蛋白植物成分，诸如大豆之类。这些植物蛋白源的问题在于，大多数含有大量抗营养的因素，在加工过程中这些因素必须除去。这就要求在一定时间段上采用湿加热，通常在预处理机内进行。许多传统的预处理机不能完全地除去如此的抗营养的因素，在当今的水中饲料的生产中，这就减损了其有效性。传统的预处理装置常包括细长容器，该容器具有一对并排相同的、截头圆柱形的、互连通的混合腔室，每个腔室具有相等的横截面面积。各腔室设置有混合杆或搅拌器，它们径向地安装在与腔室纵向轴线对准的可转动的驱动轴上，搅拌器具有这样的结构，当材料扫过截头圆柱形壁周围时，搅拌器从容器的入口端朝向容器的出口端纵向地推进产品。还有，各腔室的搅拌器构造成当材料接近两个腔室之间的相交处时，交替地将产品从ー个腔、室传递到另ー个腔室。沿着预处理容器的至少一部分长度常常设置一系列水入ロ，在食物材料纵向地推进通过混合腔室过程中，水入口用来向食物材料加水。显然，十分重要的是，引入到预处理容器内的水应变得与具有面粉状密度的材料彻底地和均匀地混合，以避免结块。通常地，结块代表了材料和水不均匀的混合，使得形成结块外表面的材料接受了最高百分比的水分。合适地混合水与具有面粉状密度的材料，既需要在处理容器内有合适的驻留时间，又需要材料和水合适地混合或搅拌。这样，提高传统预处理机内搅拌器的转速以图增加在容器内的搅拌，这样做导致材料以较高的速度通过容器，这相应地将材料在容器内驻留时间減少到可能不可接受的数值。另ー方面，降低搅拌器的转速来提高容器内驻留时间，会不利地影响容器的混合特性，达到材料和水不能实现合适混合的程度。増加容器的总长也不理想，因为出现了与混合轴相关的力学问题。此外，传统预处理装置的结构特性不能适应操作中需要的灵活性，例如，使用ー个 装置用变化的流量来加工不同材料。即，暂时地増加具有模块容器截面的装置长度，以图增加材料在容器内驻留时间，由于装置固有的重量和结构特性，以及通常位于规定位置处以使材料从ー个加工阶段传递到下一阶段的多个预定的入口和出口，上述做法不是满意的解决方案。于是，希望提供ー种装置，其变化通过预处理装置的材料驻留时间，以使预处理装置能以可供的变化流量来加工不同类型的材料。美国专利No. 4，752，139 (在此以參见的方式引入该专利)描述了ー类预处理机，其具有不同大小的拱形混合腔室，腔室具有沿各腔室中心线的混合轴。混合轴包括径向延伸的、间插的混合元件。在’ 139专利的预处理机中，轴通过单ー驱动电动机获得动力，使用合适的传动装置保持混合轴之间的恒定速度差(通常为2 I)。预处理机由美国堪萨斯州的赛贝萨市(Sabetha, Kansas)的温吉尔制造公司(Wenger Mfg. Co.)出品，并已经证明该技术有显著的改进，其提高了系统产量而不相应地增加附加的运行成本。然而，’ 139专利的预处理机的固定速度差的设计，有时呈现操作上的缺点，其限制了可能在其它情况下需要的操作參数范围。
发明内容
本发明克服了上面列出的问题，并提供双轴预处理机，其能够达到独立的轴转速。广义上说，本发明预处理机包括具有材料入口和材料出口的细长的混合容器，一对细长的混合轴各具有多个混合元件，轴定位在容器内保持侧向间距开的关系。一对可变的驱动机构分别与轴联接，以便允许轴彼此独立地以各自转速有选择地转动。如此的轴转动借助于控制装置进行控制，该控制装置可操作地联接到驱动机构以便独立地控制轴的转速。在优选的形式中，预处理机混合容器包括一对拱形的、井置的、互连通的、具有不同横截面面积的腔室，每个腔室装备有基本上沿其中心线的混合轴。此外，预处理机较佳地支承在称重装置上，以便在使用预处理机过程中对容器内的内容物进行称重，由此提供一种易于改变预处理机内材料驻留时间的装置。称重装置通常呈多个测カ仪的形式，这些测カ仪可操作地与预处理机控制装置相联接。在另外的形式中，预处理机可以是具有井置的、互连通的、横截面面积相同的腔室类型，每个腔室装备有沿其中心线的混合轴。该类型的预处理机还可装备有称重装置，以便于容易地改变驻留时间。
图I是根据本发明的预处理机的大致示意平面图；图2是图I预处理机的前视图；图3是图I预处理机的侧视图；图4是沿图3中线4-4截取的剖视图；图5是本发明预处理机和挤出机之间互连的示意图； 图6是根据本发明另一类型预处理机的侧视图；图7是其端视图；图8是其平面图；图9是根据本发明另一预处理机实施例的立体图；图10是图9所示预处理机的侧视图；图11是沿图10中线1ト11截取的剖视图；以及图12是沿图10中线12-12截取的剖视图。
具体实施例方式图1-5的实施例现转到附图，图1-4示出一种改进的预处理机10。广义上说，预处理机10包括细长混合容器12，其具有ー对平行的、细长的、轴向延伸的混合轴14和16，它们在容器内沿其长度延伸。轴14、16可操作地联接到各自可变的驱动装置18和20上，驱动装置又与数字控制装置22连接。预处理机10适于与诸如挤出机或制片机之类的下游加工装置一起使用。如图5所示，预处理机10与挤出机24(它可以是单螺杆或双螺杆型)联接，挤出机24具有入口 26、限制的孔模出口 28、以及内部的轴向转动的螺杆。详细地说，容器12具有细长的、横向拱形的侧壁30，其形成一对细长的、井置的、互连通的腔室32和34，以及材料入ロ 36和材料出ロ 38。腔室34的横截面面积大于邻近腔室32的横截面面积，这从图4中可以容易地明白。侧壁30具有入口门40和蒸汽出ロ 44，并还装备有注入组件42，以在使用预处理机过程中将水和/或蒸汽注入容器12范围内。如图所示，容器12的相对端具有端板46和48。每个轴14、16具有多个径向地向外延伸的混合元件50和52，它们设计成搅动和混合馈送到预处理机的材料，并从入口 36朝向出ロ 38传输材料，从而传输到出口 38外面。可以看到，元件50相对于元件52轴向地偏离，元件50、52是间插的(即，元件52延伸到由轴14和元件50提供的圆柱形操作包围内，反之亦然)。尽管元件50、52显示为大致垂直于轴14、16，但本发明并不局限于此；相反，根据使用者的判断，元件50、52在长度和间距上可调整。还是參照图4，可以看到，轴14大致沿腔室32的中心线定位，而轴16同样地大致沿腔室34的中心线定位。驱动器18和20的硬件在所示实施例中相同，各包括驱动电动机54、齿轮减速箱56、以及联接组件58，其用来使对应的齿轮减速箱56和电动机54与轴14或16互连。驱动器18和20还较佳地具有变频驱动器59，变频驱动器59设计成允许轴14、16有选择地各自转动，在速度和/或转动方向方面两轴的转动彼此独立。为了对驱动器18和20提供合适的控制，驱动器57各与相应的电动机54和控制装置60联接。控制装置60可以是控制器、处理器、专用集成电路(ASIC)、或任何其它类型的能够执行逻辑指令的数字或模拟装置。该装置甚至可以是个人计算机或服务器计算机(诸如戴尔(Dell)、康柏(Compaq)、捷威(Gateway)或任何其它计算机制造商制造和出售的计算机)、运行Windows NT、NovelNetware.Unix、或任何其它网络操作系统的网络计算机。驱动器57可根据需要编程以达到本发明的目的，例如，驱动器可构造成不同转速范围、转动方向和额定功率。在优选实施例中，预处理机10支承在称重装置上，该称重装置呈多个测カ仪62的形式，测カ仪还可操作地与控制装置60联接。使用测カ仪62允许材料通过容器12的驻留时间快速地不断变化，详细地如美国专利No. 6，465，029中所述，在此以參见方式引入该专利。使用较佳的变频驱动机构18、20和控制装置60，可允许高速地调整轴14、16的转速以达到要求的预处理，同时避免互相啮合的混合元件50、52之间发生任何碰撞。一般来说，控制装置60和联接的驱动器57与各个驱动电动机54连通，以控制轴的速度。此外，轴
14、16可按操作者的指示沿不同的或相同的转动方向转动。通过手动调整轴的速度和/或方向，或最好通过控制装置60自动调整轴的速度和/或方向，就可以控制通过预处理机10的材料驻留时间。从测カ仪62得到的重量信息被引导到控制装置60，控制装置又根据要求的驻留时间使轴速度和/或方向发生改变。预处理机10通常用来加工动物饲料或人类食品材料，例如，谷物(如玉米、稻谷、燕麦、大豆)、肉和肉副产品，以及各种添加剂(如表面活化剂、维生素、矿物质、色素)。在加工含淀粉的谷物时，在谷物通过预处理机过程中，谷物通常至少部分地成胶状。预处理机10通常在约100-212华氏度的温度下操作，驻留时间从约30秒到5分钟，在大气压下或稍高于大气压操作。用于预处理机10的驱动结构具有以高达约IOOOrpm的可变速度转动轴14、16的能力，最好速度约为200-900rpm。此外，与同样尺寸的传统预处理机相比，预处理机设计中固有的操作灵活性允许有更高程度的烧煮(即，使淀粉成胶状)。图6-8的实施例本实施例在许多方面雷同于以上所述，其提供ー种预处理机70，该预处理机具有细长混合容器72，其具有ー对平行的、细长的、轴向延伸的混合轴74和76，它们在容器内沿其长度延伸。轴74、76可操作地联接到各自可变的驱动装置78和80上，驱动装置又与类似于上述控制装置22的数字控制装置(未示出)连接。预处理机70可与诸如挤出机或制片机之类的下游加工设备一起使用。容器72具有细长的、横向拱形的侧壁82，其形成一对细长的、并置的、互连通的、横截面面积相等的腔室，以及材料入口 84和材料出ロ 86。侧壁82具有入口门88，并还装备有注入组件90，以在使用预处理机过程中将水和/或蒸汽注入容器82内。如第一实施例那样，每个轴74、76具有多个安装在其上向外延伸的混合元件92和94，混合元件通常延伸相应轴的全长。如图8所示，元件92、94轴向地偏离且间插，元件92、94设计成搅动和混合馈送到预处理机的材料，并从入口 84朝向出ロ 86传送该材料。驱动器78、80相同，各具有驱动电动机96、齿轮减速箱97、以及联接组件98。驱动器较佳地是变频驱动器，变频驱动器设计成允许轴74、76彼此独立地有选择地各自转动。预处理机70支承在称重装置上，该称重装置包括多个测カ仪100，测カ仪可操作地与预处理机控制装置联接。测カ仪允许驻留时间变化，详细地如美国专利No. 6，465，029中所述。预处理机70可以与图1-5实施例中所述相同的方式和相同的总操作參数进行使用。图9-12的实施例预处理机102包括细长的双级混合容器104，其具有ー对平行的、细长的、沿容器长度轴向延伸的和可转动的混合轴106和108。如上述实施例中情形那样，轴106、108联接 到各自可变的驱动装置(未示出)上。这些可变驱动装置又与数字控制装置(也未示出)连接。预处理机102同样地适用干与下游的挤出机或制片机连接。容器104具有细长的、横向拱形的侧壁110，其形成一对细长的、井置的、互连通的腔室112、114，以及材料入口 116和材料出口 118。腔室114的横截面面积大于邻近腔室112的横截面面积，由于以下所述原因，这一点是重要的。腔室112、114各装备有一系列沿相应腔室长度间距开的入口端ロ 120、122，中间ー组的端ロ 123位于腔室112、114的连接处。这些端ロ 120、122适用于连接通向腔室内部的水和/或蒸汽注入器。全部的容器104还具有前端板124和后端板126,以及中心板128。如图所示，轴106、108基本上对中地位于相应的腔室112、114内。为此目的，安装在板124上的前轴承130支承轴106、108的前端，同样地，固定在板126上的后轴承132支承轴的后端。轴106、108具有从轴承132伸出的向后延伸的延伸部分106a、108a，以提供与上述变频驱动器的连接。轴106装备有多个径向地向外延伸的混合元件134，它们沿着轴长度错列地布置。每个元件134(图12)包括螺纹的内侧部分136，其被接纳在轴106的对应螺纹孔138内，向外伸出部分140具有大致平的桨叶状构件142。如图11清晰地所示，混合元件134的桨叶构件142相对于材料从入口 116到出口 118的移动方向逆向地定向。即，这些构件用来阻止材料通过预处理机102的流动。位于较小腔室112内的轴108同样地具有一系列混合元件144，它们沿着轴长度保持交替的错列关系。元件144与元件134相同，只是混合元件144尺寸稍许小些。姆个元件144具有外侧上的桨叶状构件146。在此情形中，构件146定向与构件142定向相反，即，构件146向前方向定向，以便更有效地从入口 116朝向出ロ 118推进材料的流动。如在前述实施例的情形中，邻近成对的混合元件134和144彼此轴向地偏离且间插；因此这些元件不是自擦抹式的设计。这使得轴以非常不同的转速转动，同时避免由于混合元件134和144之间机械过盈配合引起的任何可能的锁住。本发明预处理机的设计允许以比以往可能更高的程度加工材料。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现场调节，以达到其轴之间不同的相对转速。即，在如此现有技术的预处理机中，在装置制造过程中，一旦形成转速差，则此后若装置不进行完全再改造，就不能改变装置。该类型的正常预处理机在小腔室和大腔室内的轴之间相应地具有2 I的转速差。然而，在本发明中，可容易地实现远大得多和无限可调整的转速差。因此，在优选的形式中，轴106、108之间的转速差至少为5 1，通常的范围为3 : I至18 : I。18 : I的转速差对应于轴108的900rpm的转速和轴106的50rpm转速。该性能 提高的设计提供了许多加工优点。举例来说，在’ 139专利的现有技术预处理机设计中，可达到的最大烧煮程度通常约为30%，最大可约为43% (根据美国谷类食品化学家学会第67届年会(1982年10月26日)发表的Mason等人所著的“确定烧煮程度的新方法(A New Method for Determinning Degree ofCook) ”中所述方法对淀粉成分胶状化的測量得到，在此以參见的方式引入)。然而，利用本发明，可达到至少为50%的相当大烧煮百分比，且较佳地至少约为55%，最佳地至少约为75%。同时，与现有技术的预处理机相比，用同样的或甚至较短的驻留时间就可获得这些提高的烧煮值；具体来说，如此现有技术的设计需要约160-185秒的驻留时间来获得最大烧煮值，而在本发明的预处理机中，驻留时间少得多，在120-150秒的量级上就可达到该同样的烧煮。此外，如果使用的通常预处理机的驻留时间越长，则烧煮值范围通常显著地提高。在本发明的ー种形式中，含有相应数量蛋白质和淀粉(通常还有诸如脂肪和糖之类其它成分)的人类食物或动物饲料混合物，在本发明的预处理机中进行加工，达到至少约为50%，较佳地至少约为75%的烧煮值(基于淀粉胶状化)。这种混合物的代表性实例是宠物和鱼饲料。本发明预处理机还给出提高的特殊机械能(SME)值。现有技术的预处理机通常显现出相当低的SME值，而本发明预处理机具有提高的SME值，约为加工的起始材料的I. 7-5. O千瓦时/吨，较佳地约为I. 9-4. 5千瓦时/吨。本技术领域内都懂得提高预处理机内烧煮程度是有利的，在下游加工过程中，需要较少的能量和驻留时间就可达到理想的完全烧煮好的诸如宠物食品之类的产品。因此，使用根据本发明的预处理机提高了产品产量，因此显著地降低加工成本。实例I :在该实例中，使用根据本发明的预处理机来制备和预处理标准的狗食物配方。该配方含有53. 0%谷物、22. 0%家禽粗粉、15%大豆粗粉以及10%玉米黄浆粗粉(所有百分比均以重量计)。该配方馈送到预处理机的入口内，并在预处理机内经受处理，同时注入蒸汽和水。小腔室的轴以900rpm速度向后方向转动，而大腔室的轴以50rpm速度向前方向转动。以不同馈送速率送到预处理机进行三个单独的试验，这些试验结果列于下表I中。如表I所指出的，使用预处理机获得的烧煮百分数值在47. 6-50. 9%范围内，总的SME值为
I.97-3. 49千瓦时/吨。表I
名称试验I 试验2 试验3
馈送率(磅 / 时)5，000 9，000 10，000 '
缸内水(磅/ 时)8501,600 I, 700
缸内蒸汽(磅/吋)_ 6101,221 I, 306
缸内油(谤/吋)000
权利要求
1.在加工食物或饲料混合物的方法中，所述混合物包括相应量的蛋白质和淀粉，所述方法包括以下步骤将所述混合物传递入和通过装备有一对细长的、可轴向地转动的轴的加工容器，每个轴具有多个向外延伸的混合元件，所述轴的所述混合元件轴向地偏离且间插；以及在所述材料通过所述容器的所述过程中，转动所述轴；其特征在于，所述加工混合物的步骤包括分别以不同的速度转动所述轴，所述轴之间的转速差的范围为3 I至18 1，将所述容器内的所述食物或饲料混合物加热到约100-212华氏度的温度，并且达到至少约50%的烧煮值，所述烧煮值以所述淀粉成胶状的程度来測定。
2.如权利要求I所述的方法，其特征在干，包括赋予所述食物或饲料混合物从约I. 75-5. O千瓦时/吨特殊机械能(SME)的步骤。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述SME从约I.9-4. 5千瓦时/吨。
4.如权利要求I所述的方法，其特征在于，包括在所述混合物通过所述容器的所述过程中将蒸汽注入所述容器内的步骤。
5.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述轴的元件定向成避免在所述轴旋转动过程中所述元件之间发生任何碰撞，所述方法包括在所述转动过程中调整所述轴的转速的步骤。
6.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述轴的元件定向成避免在所述轴转动过程中所述元件之间发生任何碰撞，所述方法包括以相反方向转动所述轴。
7.如权利要求I所述的方法，其特征在于，包括在120-150秒的期间在所述容器内加工食物或饲料混合物的步骤。
8.如权利要求I所述的方法，其特征在于，包括以大气压或稍高于大气压的压力加工食物或饲料混合物的步骤。
9.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述转速差为无限可调整的。
10.如权利要求I所述的方法，其特征在于，包括达到至少约75%的烧煮值的步骤。
11.如权利要求I所述的方法，其特征在于，包括以从约200-900rpm的速率转动每个所述轴的步骤。
全文摘要
本发明提供了一种加工食物或饲料混合物的方法，在该方法中所述混合物包括相应量的蛋白质和淀粉，所述方法包括以下步骤将所述混合物传递入和通过装备有一对细长的、可轴向地转动的轴的加工容器，每个轴具有多个向外延伸的混合元件，所述轴的所述混合元件轴向地偏离且间插；以及在所述材料通过所述容器的所述过程中，转动所述轴；其特征在于，所述加工混合物的步骤包括分别以不同的速度转动所述轴，所述轴之间的转速差的范围为3∶1至18∶1，将所述容器内的所述食物或饲料混合物加热到约100-212华氏度的温度，并且达到至少约50％的烧煮值，所述烧煮值以所述淀粉成胶状的程度来测定。
文档编号A23P1/00GK102652907SQ20121012448
公开日2012年9月5日 申请日期2007年10月22日 优先权日2006年10月23日
发明者G·J·罗吉, L·温格, M·温格 申请人:温吉尔制造公司