专利名称：于冷却和冷冻装置内用作表面刮擦器的传送螺杆的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于传送高粘度物质的传送螺杆以及具有这种传送螺杆的设备，该设备优选地用于生产冰激凌物质，且更具体地，用于如下的生产场合首先将形状为具有相当量空气的所谓混合物的材料冷却至典型零下5度的常规成形温度，然后再将其导引通过一个具有刮擦传送螺杆的通流冷冻器，其目的是将该物质冷却到零下15度或更低的温度，从而为挤压该物质形成用于包装和最后存放的最终冰激凌体做准备。
背景技术：
为此使用了通流冷冻器，在通流冷冻器的冷冻缸的内壁上形成有冰层，该冰层必须通过在冷冻缸内旋转同时将冰激凌物质强制传送(positiveconveyance)通过冷冻缸的传送螺杆刮除。不过，使用这种公知的用于进一步冷却的传送螺杆冷冻器的结果并不理想，这是因为，为了进行冰激凌物质的刮除以及传送，必须增加由于增加的刮擦、挤压以及泵送的电力——这将导致冰激凌物质内产生热量——而使冷冻器将变得低效的一定量电力。通过使用更低温度以使在冷冻缸的内壁上冻上冰来抵消这种热的产生，这样导致所形成冰层的变厚，使得又需要更多的电力以执行刮擦功能。
以这种方式工作的通流冷冻器可以从文献DE-A-39 18 268和WO97/26800中获知，不过就通常的冰激凌而言其在实践中很少使用，因为已经发现该过程存在实质性问题。不过从原理层面上讲，这个过程十分具有吸引力，因为理想情况下可以直接成形并包装冰块以用于最终的存放，而不需要在包装站和最终存放之间传统地使用一个临时且昂贵的冷冻系统。而且，物质的强化冷却将可以得到改进的产品质量——特别使当生产较大块产品的时候。
本发明的出发点是一种传统的通流冷冻器，其具有一个被驱动的刮擦传送螺杆，该传送螺杆的尺寸设计成用于进一步传送来自在前的传统通流冷冻器的物质，所述在前的传统冷冻器将物质冷却到大约零下5度。使用具有所谓100％膨化率(膨胀的程度)的标准冰激凌混合物，即加入液体混合物的空气容量与液体混合物容量的百分比；并且在后续的通流冷冻器中——其应该将来自第一通流冷冻器的冰激凌进一步冷却到约零下15度——使用约零下40度的汽化温度。
冰激凌在后续的通流冷冻器中由于较低的温度而导致的较高粘度产生诸多问题。为驱动传送螺杆旋转必须使用的机械动力要比在前的冰激凌物质温度较高的通流冷冻器大的多，因而驱动传送螺杆的马达必须产生较大的扭矩。这些机械动力被转移到冰激凌物质内，因此冰激凌物质需要进一步冷却，并导致更大的冷却功耗，并且后续的通流冷冻器的容量受限。另外，后续通流冷冻器的入口压力必须高——为12-14巴的量级，以将冰激凌物质送入，这对在前的必须输送高压的通流冷冻器的管子、垫圈、应变等提出了很高的要求，并且降低了产品质量，因为高压造成冰激凌物质的融点降低，这样导致冰激凌物质内的冰晶发展，降低冰激凌的膨化率。另外，实验表明，每单位时间内后续通流冷冻器的流出量存在波动，这对于冰激凌物质的进一步的制造过程是不利的；并且，当冰激凌物质内产生较大气室时，膨化率从入口向出口降低。
因此，本发明的一个目的是提供一种传送螺杆和一种具有这样的传送螺杆的传送装置，其可以通过使用较低的传送动力来传送高粘度的物质例如冰激凌物质。
本发明的另一个目的是提供这样一种传送螺杆在入口端部处的入口吸力增加，从而可以降低进料压力。
而且，本发明的一个目的是提供一种用于制造冰激凌的设备，其包括一个具有传送螺杆的通流冷冻器，与现有的具有传送螺杆的设备相比较，本发明所述设备利用减小了的传送动力来传送高粘度冰激凌物质。
本发明的再另一个目的是提供这样一种设备，其中传送螺杆入口端部处的入口吸力增加，从而使得进料压力可以比现有设备要小。
总的来说，本发明的一个目的是改进这样的传送螺杆和这样的设备的效率，并且削弱或消除上述一个或多个缺点。
本发明提供了一种具有多个螺纹段的传送螺杆，至少两个螺纹段从传送螺杆的入口端部延伸，其中，所述两个螺纹段的外边缘以距纵向轴线不同的径向距离延伸。这样，径向较短的螺纹段辅助一部分物质的传送，而不会影响整个物质，尤其是不会影响冰层，该冰层通过一通流冷冻器内的传送螺杆而产生于所述冷冻缸的内壁上。已经表明，对于高粘度块状物的传送，这种传送螺杆使用的传送动力较之任一种现有的类型都要小。当用于将已经冷冻的冰激凌物质进一步冷却的通流冷冻器中时这种效果尤其明显，并且这种效果在传送其他高粘度物质时也很明显，其中所述物质所附着的缸体壁上存在抵抗传送该物质的阻力最高。该通流冷冻器实验所用的入口压力可以从以前的12-14巴降至4-6巴。
从US 3 701 512，GB 2 262 905，US 6 132 075和US 5 141 326所述的挤压设备中可以知道具有若干螺纹段且其中一些径向延伸较短的传送螺杆，其中，这些螺纹段被设置在压缩或出口区域，具有完全另外一种效果，而非本发明所获得的效果。
本发明其他目的以及其他优势的实现从下述说明中呈现。
发明内容
本发明涉及一种传送螺杆，其具有多个均绕纵向轴线沿一螺旋路径延伸的螺纹段，至少两个螺纹段从传送螺杆的入口端部延伸，其中，所述的两个螺纹段的外边缘以距所述纵向轴线不同的径向距离延伸。优选地，所述两螺纹段从传送螺杆大致相同的纵向位置延伸。优选地，一个或多个以距纵向轴线较小径向距离延伸的螺纹段从所述入口端部延伸并且沿所述传送螺杆延伸其整个长度的5％到65％，优选7％到50％。
所述螺纹段通常被紧固到一个内闭合芯部上，该芯部可以呈柱形也可以呈其他形状例如截头圆锥形以改变切口横截面面积从而改变传送速度。最长的螺纹段的外边缘通常延伸至一个沿传送螺杆的纵向轴线恒定的半径，从而将传送螺杆安装在一个柱形腔内，但该半径也可以沿所述纵向轴线变化，从而将该传送螺杆例如安装在一个截头圆锥形腔内，用于以这种方式改变被传送物质在传送过程中与所述腔发生接触的表面的切口横截面面积以及表面面积。如果例如通过所述表面的热传递在传送螺杆的出口端附近增大，则后者是一优点。
为了降低具有所述传送螺杆的传送设备所必需的入口压力，所述的至少两个螺纹段在传送螺杆的入口端部上延伸是有利的，这样使得径向较短的螺纹段——例如为较长螺纹段半径0.85-0.98倍——改进靠近入口端部的传送性能，从而增加了该传送设备的入口吸力。
特别有利地，至少三个螺纹段在传送螺杆的入口端部上延伸，其中，所述至少三个螺纹段中的一个较之所述的至少两个其他螺纹段以距纵向轴线较大的径向距离延伸。
所述的至少两个以距纵向轴线较小径向距离延伸的螺纹段在一优选实施例中从入口端部延伸，并且从入口端部开始延伸不同的纵向距离，从而使得由这些径向较短的螺纹段执行的辅助传送从入口端部逐渐减弱，并且在传送设备内某个距离处的物质混合将由此增加，结果是增加所述物质的均匀性。径向较短的螺纹段优选地执行粘度较低的较热冰激凌物质的传送，而当温度降低时，粘度较低的冰激凌物质从入口端部向出口端部的量减小，由此，由径向较短螺纹段传送的量减小。这些螺纹段从入口端部延伸的差异等于传送螺杆整个长度的8％到50％，优选从12％到40％，其中传送螺杆可以理解为与被传送物质接触的那部分螺杆。
所述螺纹段在传送螺杆入口端部处的螺距相对大已被证明是有利的，即0.9到1.4，优选为1.1到1.3，这与这种传送螺杆通常为0.5到1的螺纹段螺距是不同的，其中，所述螺距为传送螺杆沿纵向转一圈的长度与最长螺纹段的外径之比。大的螺距可使传送螺杆每转能获得一个较大的传送长度，并且传送物质时每单位长度的刮擦频率被降低。
对于与通流冷冻器结合使用的传送螺杆，通常使用每分钟100-1000转范围内的旋转，其中最小的值用于较大的缸体，最大的值用于直径小的缸体。对于一个具有代表性的内螺纹段直径为105mm的传送螺杆而言，转速通常在每分钟200-600转之间，这个转速对于一个典型的螺距介于1和0.5倍螺纹段外径的螺杆，将产生1-3.5m/s的刮擦速度。
已经发现，本发明可以在转数低至10-50转每分钟优选20-35转每分钟并且相当大的螺距下工作并且最为理想。这样，刮擦速度将减小至只有传统值的1-10％，并且已经发现，这个过程可以在实践中实现。更具体地，其涉及一种可实际使用的在足以实现传送的供应电能和不会产生不需要热量的刮擦之间的折衷。低的刮擦速度和相关的低刮擦频率足以保持热交换器表面闲置以至于热交换器可以一个实际可接受的效率工作，这是一个令人惊奇的结果。
另外还需要注意的是，使用汽化温度低于约零下30度的冷却剂是有利的，对于本领域普通技术人员而言，该温度是与冰激凌的通流冷冻器有关的最低汽化温度。已经发现在更低的温度下，将出现冰激凌在热交换器上过于强烈的冷却。这样的发明与相关的减少的刮擦显然是矛盾的，有可能有效地工作在零下40度和更冷例如低至零下100度的冷却温度，优选在零下50度到零下60度之间，以通过将所述物质冷冻到零下10度至零下20度来实现良好的效率。不过，将所述传送螺杆用于通流冷冻器正好表明，本发明的传送螺杆是可能的。
另外也被证明有利的是，螺纹段的螺距沿传送螺杆的纵向减小到该传送螺杆出口端部处的0.7至1优选为0.8至0.9。这样，压力朝向出口端部略微增加，而通过传送螺杆而被传送的冰激凌物质或其它物质在出口端部获得一个合适的压力，用于输料给后面的加工设备例如挤压设备。通过增加传送螺杆芯部的直径，可以获得如前所述的类似效果，不过如果要生产的话，优选地要减小螺纹段的螺距。
主要地，为了通过传送螺杆的旋转获得对冷冻缸内表面的完全刮擦，至少一个螺纹段沿传送螺杆纵向的所有地方都延伸至一个给定的最大半径是有利的。
如果传送螺杆以如下方式制造延伸至距纵向轴线最大径向距离的螺纹段沿纵向不连续地行进，使得在这些螺纹段之间沿纵向的至少一个位置处存在沿外周延伸的开口，则发现每单位时间内流出量的波动可以减少并且实际上近乎消除。在螺纹段中使用开口已经从WO 00/44548所述的一种挤压设备公知。在本发明中已经发现，在传送螺杆的整个长度上设置二至八个优选三至六个这样的开口是合适的。另一种估算设置多少开口才是有利的方法是，开口间沿纵向的平均长度是螺纹段外径的1至4倍，优选为1.5至2.5倍。开口的作用在于均衡螺纹段的压力侧和吸力侧之间的压力差，已发现这样可以获得物质内更加均匀的压力分布。物质的高粘度使得所传送物质内的压力差产生比低粘度物质时大的多的局部压力梯度，因为该物质由于该压力梯度不会立即流动，因而使其均衡。
在本发明的一个优选实施例中，所述的一个或多个开口在外周上延伸120度至240度，优选地在外周上延伸150度至210度，以获得开口的最佳效果。
本发明还涉及一种用于制造冰激凌的设备，其包括一个具有内表面的通流冷冻器，该冷冻器紧密地包绕一个如本发明所述的传送螺杆；用于驱动传送螺杆绕其纵向轴线旋转的驱动装置；用于冷却所述内表面的冷却装置；以及入口和出口，以分别将一冰激凌物质引导至传送螺杆的入口端并从其出口端引出。
所述的冷却设备优选地适用于将4度到25度的通流的冰激凌物质冷却到零下1度到零下10度。
使本发明成为可能的方法本身也可被考虑为一发明。
下面由附图中给出的一个例子对本发明进行说明，其中图1是一示意图，其示出了具有本发明之设备的一套设备；图2所示为本发明的传送螺杆从两侧看的情形；图3所示为图2所示传送螺杆的A-A剖面图；
图4所示为图2所示传送螺杆的B-B剖面图；图5所示为图2所示传送螺杆的C-C剖面图的一部分；图6所示为图2所示传送螺杆的D-D剖面图的一部分；和图7所示为图2所示传送螺杆的立体图。
附图中所有尺寸以毫米表示。
具体实施例方式
如图1示意性示出的这种用于生产挤压冰激凌产品的制造设备，其包括一个在前的通流冷冻器(through-flow freezer)1，其由供应部2经过泵3供应“混合物”；以及一个混合室4，在该混合室内所述混合物与来自压缩气源5的空气混合以获得传统上大约100％的膨化率。这种准备好的冰激凌物质在通流冷冻器1内被冷却到低于0度的温度比如零下2度到零下10度，所述温度对于所述物质以后分割成部分以及成形都十分正常。
与本发明相关地，被冷却的物质将通过一个管线6被进一步传送通过一个在后的通流冷冻器7，以进行后面的零下12到零下25温度下的挤压，从而使得被切割的冰块体可以被包装以直接送至冷冻存放处。在后的通流冷冻器7为强制传送，即其包括一个由马达驱动的传送螺杆8，所述马达在这里用W(工作)指示以表示这种驱动将向冰激凌物质产生一特定的动力供应，这样做部分是因为传送功能而部分是因为传送螺杆8必须进行刮掉固体的冷冻冰激凌物质的刮擦工作。通过一个出口管线9对该冰激凌物质引导，以进行其他工作例如挤压。
图2中对传送螺杆8进行了详细图示，其包括一个在其入口端部10处的用于安装传送螺杆8的中心孔11，该孔沿截面B-B显示于图4；以及一个用于与马达W耦连的槽12，该槽沿截面A-A显示于图3。一个外径为105mm的刮擦螺纹段13从入口端前进，并且从该入口端部10与螺纹段13的行进平行有另外三个外径为97.8mm的辅助螺纹段14、15、16，这样这三个辅助螺纹段不会接触在后的通流冷冻器7的冷冻缸壁。
传送螺杆8在螺纹段13、14、15、16开始的位置到最后螺纹段20的端部之间的纵向距离为738mm。第一辅助螺纹段14从开始到结束的纵向距离为68mm，第二辅助螺纹段15从开始到结束的纵向距离为188mm，而第三辅助螺纹段16从开始到结束的纵向距离为298mm。刮擦螺纹段13类似地从开始到结束的纵向距离为298mm，且之后有第二刮擦螺纹段17，该刮擦螺纹段17开始之处距入口端部10的距离较之第一刮擦螺纹段13的结束位置距入口端部10的距离要短10mm，并且具有一个半转的移位，从而使得产生了一个延伸180度的沿外周行进的开口。这两个刮擦螺纹段13、17以这样一种方式沿纵向彼此搭接，这样，后续通流冷冻器7内冷冻缸壁的各处都被螺纹段13、17刮到。
第一螺纹段13、14、15、16的螺距为120mm，即每转沿纵向延伸120mm。由于传送螺杆8的外径为105mm，因此无量纲螺距为1.14。第二刮擦螺纹段具有一个小的螺距即112.5mm或1.07，并且在行进122.5mm后续接有第三、第四和第五刮擦螺纹段18、19、20，其具有变小的螺距1、0.93和0.86，且各螺纹段18、19、20在这里分别以10mm的量与前面一个搭接，并且类似地与之成比例地旋转半转。图5示出了刮擦螺纹段18的C-C剖面，而图6示出了辅助螺纹段15的端部。最后，图7以立体视图方式示出了完整的传送螺杆8。
螺纹段13-20的端部必须精细地环绕，以防止在端部附近产生大的压力梯度，否则会导致空气局部地被挤出冰激凌物质，其结果，膨化率变小，而气室较大。刮擦螺纹段13、17、18、19、20可以选择性地在压力侧即位于前面且刮擦冷冻缸内表面的这侧上设置一个刮擦突起，以使所述表面刮除冰变得容易。从文献中可以获知有关刮擦突起的众多设计。
权利要求
1.一种传送螺杆(8)，具有多个均沿绕纵向轴线的一螺旋路径延伸的螺纹段(13-20)，至少两个螺纹段(13-16)从传送螺杆的一入口端部延伸，其中，这两个螺纹段(13-16)的外边缘以距所述纵向轴线不同的径向距离延伸。
2.如权利要求1所述的传送螺杆，其中，至少一个以距纵向轴线较小径向距离延伸的螺纹段(14-16)从所述传送螺杆的入口端部与以距纵向轴线较大径向距离延伸的螺纹段(13)大致相同的纵向位置处延伸。
3.如权利要求1或2所述的传送螺杆，其中，一个或多个以距纵向轴线较小径向距离延伸的螺纹段(14-16)从所述入口端部延伸并且沿所述传送螺杆延伸其整个长度的5％到65％，优选7％到50％。
4.如权利要求1至3中任一项所述的传送螺杆，其中，至少两个以距纵向轴线较小径向距离延伸的螺纹段(14-16)从入口端部延伸，并且从入口端部延伸不同的纵向距离。
5.如权利要求4所述的传送螺杆，其中，所述螺纹段(14-16)从入口端部延伸的距离差为传送螺杆整个长度的8％到50％，优选从12％到40％。
6.如前述权利要求任一项所述的传送螺杆，其中，所述螺纹段(13-16)在传送螺杆的所述入口端部处的螺距为0.9到1.4，优选为1.1到1.3。
7.如前述权利要求任一项所述的传送螺杆，其中，所述螺纹段(17-20)的螺距沿传送螺杆纵向减小，其在该传送螺杆的一个出口端部处减少到0.7至1，优选地，减少到0.8至0.9。
8.如前述权利要求任一项所述的传送螺杆，其中，在沿传送螺杆纵向的任一位置，至少一个螺纹段(13、17-20)延伸至一个给定的最大半径，使得将传送螺杆放入柱形腔时传送螺杆的旋转可以刮擦到柱形腔的整个内壁。
9.如前述权利要求任一项所述的传送螺杆，其中，所述延伸至距纵向轴线之最大径向距离的螺纹段(13、17-20)沿纵向不连续地前进，使得在这些螺纹段(13、17-20)之间沿纵向的至少一个位置处存在沿外周延伸的开口。
10.如权利要求9所述的传送螺杆，其中，所述开口或多个开口延伸外周的120至240度，优选延伸外周的150至210度。
11.一种传送装置，包括一个具有内表面的静止部件，该静止部件紧密地包绕一个如权利要求1-10中任一项所述的传送螺杆(8)；用于驱动传送螺杆(8)绕其纵向轴线旋转的驱动装置(W)；以及入口(6)和出口(9)，以分别将一团物质引导至传送螺杆(7)的入口端(10)并从其出口端引出。
12.一种用于制造冰激凌的设备，包括一个具有内表面的通流冷冻器(7)，其紧密地包绕一个如权利要求1-10中任一项所述的传送螺杆(8)；用于驱动传送螺杆(8)绕其纵向轴线旋转的驱动装置(W)；用于冷却所述内表面的冷却装置；以及入口(6)和出口(9)，以分别将一冰激凌物质引导至传送螺杆(7)的入口端(10)并从其出口端引出。
13.如权利要求12所述的设备，其中，所述的冷却设备优选地适用于将4度到25度的通流的冰激凌物质冷却到零下1度到零下10度。
14.如权利要求12或13所述的设备，其中，所述的驱动装置(W)适用于驱动传送螺杆(8)以每分钟10到50转，优选为每分钟20至35转的转速旋转。
15.制造冰激凌物质的方法，其中，所述冰激凌物质被冷却到低于0度的温度，例如零下1度到零下10度，然后将其送入如权利要求12-14中任一项所述之设备的入口(6)中。
全文摘要
一种用于传送高粘度物质的传送螺杆以及具有这种传送螺杆的设备，该设备优选地用于生产冰激凌。所述螺杆具有多个螺纹段，其中，至少两个螺纹段从传送螺杆的入口端部处延伸，并且该两螺纹段的外边缘以距纵向轴线不同的径向距离延伸。这样，径向较短的螺纹段辅助传送所述物质的一部分，而不会影响整个物质，特别是不会影响冰层，该冰层利用一通流冷冻器内的传送螺杆而产生在冷冻缸的内壁上。将该物质冷却到零下15度或更低的温度，为挤压该物质用于成形做准备。
文档编号A23G9/16GK1871113SQ200480001977
公开日2006年11月29日 申请日期2004年1月8日 优先权日2003年1月10日
发明者亨里克·古尔德曼·拉斯穆森 申请人:特绰拉瓦金融控股公司