菸草膨脹方法與設備的製作方法

2023-05-27 05:21:26

專利名稱：菸草膨脹方法與設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於膨脹菸草的方法和設備。更具體地說，本發明涉及用來改進菸草膨脹的生產量和經濟效益的方法和設備。
在過去的二十年中，菸草膨脹方法已成為香菸製造工藝中的一個重要組成部分。菸草膨脹過程是被用來恢復菸草的松裝密度，並且/或者恢復在菸葉加工處理和貯存時所減少的菸草體積。此外，膨脹菸草是許多低焦油及超低焦油香菸的一個重要組分。
有商業價值的菸草膨脹方法在Fredrickson的美國專利3，524，451和Moser等的美國專利3，524，452中有所描述。這些專利描述了將菸草與一種浸漬劑接觸，然後迅速加熱以揮發掉浸漬劑從而令菸草膨脹的方法。在Fredrickson等的美國專利3，683，937中則描述了對上述方法的一種修改，該專利揭示的菸草膨脹方法是用一種氣態的有機化合物來浸漬菸草的，經浸漬的菸草然後通過加熱或者迅速減低壓力來進行膨脹。
在Utsch的美國專利4，235，250，Burde等的美國專利4，258，729和Sykes等的美國專利4，336，814中揭示了在膨脹菸草中二氧化碳的使用。在這些及相關的方法中，令氣態或液態二氧化碳與要浸漬的菸草接觸，然後對浸漬過的菸草進行迅速加熱讓二氧化碳揮發逸出使菸草膨脹。在已知的二氧化碳膨脹方法中，其典型特點是為了使菸草有很顯著並且穩定的膨脹，必須對菸草進行劇烈的加熱。這種劇烈的加熱可能有損菸草的香味，並且還可能產生過量的菸草細屑。另外，在使用液態二氧化碳浸漬菸草時一般會產生含有乾冰的固體硬塊形式的浸漬菸草，而這些硬塊在加熱處理前必須加以破碎，這就增加了工藝的複雜性。
Zeihn的美國專利4，461，310和美國專利4，289，148描述了採用超臨界氮或氬來浸漬菸草加以膨脹的方法。這些氣體在迅速減壓時從菸草除去，而菸草則藉加熱的氣體或微波方法實現膨脹。這些方法中要產生顯著的菸草膨脹，都得將菸草在超過2，000或4，000psig直至超過10，000psig的壓力下進行處理。
White和Conrad的美國專利4，531，529則描述了一種增加菸草填充容量的方法，它是將菸草與一種低沸點、高揮發性的膨脹劑例如通常是氣相的滷化碳或烴在高於或接近膨脹劑的臨界壓力和臨界溫度的條件進行浸漬。將壓力迅速釋放至大氣壓力就能令菸草膨脹，而無需加熱步驟來引起菸草膨脹或使菸草固著於其膨脹的狀態。這個方法的壓力條件最低為36kg/cm2(512psi)，但無已知的上限。曾經採用過低於142kg/cm2(2，000psi)的壓力，結果菸草膨脹是令人滿意的，並無顯著破碎現象。據稱高於這個範圍的壓力一般是不需要的。當用於將膨脹劑的壓力增加至所需壓力的時間為1至10分鐘時，在所需壓力下不需要附加的保持時間或僅需甚短的保持時間，即可使菸草獲得有效的浸漬。
Conrad和White的美國專利4，554，932描述了一種液壓處理設備，它包括一個圓形的殼體和一個往復式滑塞裝置，後者的安裝可使其在殼體外的一加料位置和殼體內的一處理位置之間運動。在滑塞裝置上裝有密封元件，使它與殼體緊貼，形成一壓力室。有管道可將工作液體引入此壓力室。這樣的裝置就提供了一個適用於材料高壓處理(例如為膨脹用的菸草浸漬)的設備，其加料和卸料簡便，而將與通常用於高壓處理設備的密封與閉鎖機構有關的問題減至最小程度乃至消除。因此，這種設備提供了一種為菸草膨脹工藝可用的省時且經濟效益好的壓力容器。
Kramer的美國專利5，067，293是關於一種處理菸草材料和其它生物材料的方法和設備，該設備具有一種形成動密封的機構，這種動密封就是一些協同運動的表面將一處理室密封住。按此專利所提供的這種動密封系統可用於在較高溫度和壓力條件下處理菸草，包括在超臨界溫度和壓力條件下的菸草膨脹過程。在此專利中，分批處理過程和連續過程都作了揭示。對菸草的膨脹，揭示了所用超臨界流體相對於菸草的重量比大於40∶1，據稱此時菸草材料的完全浸漬實際上是瞬間完成的。在減壓之前浸漬時間保持1至10分鐘，據稱菸草的膨脹可以更大。
White等的美國專利4，962，773描述了一種使香菸棒承受一些條件的過程，使得其切絲填料在包捲紙內進行體積的膨脹。在此專利中描述了各種不同的浸漬條件和浸漬流體，包括高於超臨界壓力的溫度的浸漬條件。在此專利的操作實施例中，使用了一個體積為4.5升的壓力容器在超臨界條件下浸漬菸草棒。
當採用顯著大於大氣壓力的浸漬壓力時，上述菸草膨脹方法以及其它方法必須以分批式或連續方式(Kramer的美國專利5，067，293)進行。分批法需要複雜的處理設備，並且其操作周期時間長，因為開啟和關閉容器以及將浸漬劑引入容器和從容器除去均需費時。在改進各種設備以降低周期時間方面已作了一些工作，然而，在已知的分批處理系統中按常規技術能取得的生產量上的顯著改進，主要還是靠增加單個系統的體積和/或增加同時採用的分批處理系統的數目來實現的。
本發明對菸草膨脹方法作了一些改進，這些改進能令人注目地提高高壓菸草浸漬系統的處理量。根據本發明的各種改進，菸草可在一高壓浸漬區進行浸漬，然後從膨脹區卸出，一個完整周期的時間少於一分鐘，一般少於約15-30秒。此外，按照本發明的其它內容，通過對高壓浸漬區內可用處理空間在使用上的巨大改進，菸草處理量又有了進一步的提高。而且，本發明還提供了減少菸草處理膨脹劑用量的一些方法。
本發明的一個內容是提供了一個其高壓浸漬區的可用浸漬空間基本上完全為壓縮菸草所填滿的高壓菸草浸漬方法。將一種浸漬劑引入浸漬區，對壓縮菸草進行浸漬。菸草壓縮的量一般大於1.25∶1，例如1.5∶1，而壓縮至少2∶1至3∶1或更大些則尤佳。這樣，浸漬區可用空間的處理量就大為增加，例如增加50%至200%或更多。儘管在浸漬時菸草受了這麼大的壓縮，較佳實施例表明，菸草膨脹程度仍有了很大的提高，在其填充容量上最少增加50%，可達乃至超過100%。在本發明的較佳實施例中，浸漬壓縮菸草所用的周期時間可小於20秒。
除了能顯著增加高壓處理容器的可用處理量外，本發明的這一內容還能夠顯著降低浸漬時引入浸漬區的膨脹劑的用量。本發明的這個內容因此提供一種菸草膨脹的方法，其中，用來浸漬菸草的膨脹劑的體積能比菸草的體積(是菸草在鬆散未經壓縮的狀態測量)還要小。所用膨脹劑的體積，其典型值可以是菸草體積的一半，甚至還更小些。
本發明的另一個內容是，在將菸草加入到浸漬區之前先對菸草作預熱處理，可以顯著改進在臨界壓力和溫度附近或其以上的條件下浸漬菸草所需操作周期的時間。在本發明的又一個內容中，發現了在將膨脹劑通入浸漬區之前將它預壓和預熱到其超臨界值以上的壓力和溫度，可以使菸草為膨脹劑所浸漬經22秒鐘即可成功地完成，而獲得的浸漬菸草能夠產生很大的膨脹。按照本發明的這個內容，包括超臨界流體的通入時間、浸漬時間和減壓時間在內的整個操作周期可以不到一分鐘，較佳地可少於20秒。操作周期還可以為10-12秒或更小，所得菸草填充容量的增加超過50%，達到乃至超過100%。
實施本發明的工藝過程可以採用各種不同的設備。在一個較佳實施例中，使用了Conrad與White的美國專利4，554，932所述的滑塞型菸草膨脹機。這種機器更好地是進行了一些改進，即裝上一個能同時將菸草加料並壓縮到可動滑塞上去的更好的菸草加料裝置。
按照本發明的另一個設備實施例，有一個蓄儲器用來將預熱的高壓流體通到菸草膨脹區。使用這種蓄儲器可以使高溫高壓浸漬過程中所儲存的高壓高溫流體的體積減至最小，從而將對於高壓容器的需求減至最小，並減少與工藝過程有關的安全措施問題。
在本發明的更好實施例中，是按White與Conrad的美國專利4，531，529的方法為浸漬菸草提供高於臨界溫度和臨界壓力的丙烷流體。發現採用高於2，000psig的丙烷可以減短操作周期。聯合使用本發明的各個內容，高壓浸漬區的菸草處理量可以比現有技術的處理量大10-30倍以上。將菸草進行壓縮可以提供通常處理量的二三倍甚至更多些。採用預熱的菸草或者還基本上瞬時地把預熱預壓的超臨界流體通入膨脹區，可以在每分鐘操作時間內完成5次或更多次的菸草浸漬循環。因此，在每分鐘操作時間內，一個給定容積的膨脹室就可以很容易地用來浸漬其體積超過5倍(較佳情況下會10至15倍乃至更多倍)於浸漬室體積的疏鬆菸草。
下述的一些附圖是本發明原始文件的一部分，這些圖中

圖1是本發明一個較佳設備的截面圖，其各種不同的操作位置部分地用虛線表示；圖2是沿圖1的直線2-2的截面圖，它表示了一個將壓縮菸草裝入圖1所示設備的浸漬空間的菸草壓縮裝置；圖3a，3b，3c是用於圖1所示設備的幾種較佳蓄儲器的截面圖，這些蓄儲器能將其中處於超臨界溫度和壓力以上的流體基本上瞬時地通入圖1的設備；圖4是採用了本發明各個內容的一個較佳流程圖5則簡示了圖1設備操作的一個較佳控制方法。
本發明的各種不同的方法與設備實施例敘述如下。雖然本發明是結合包括附圖中的一些特定的方法和設備來敘述的，但要理解，本發明並不打算僅限於此。相反地，本發明包括著根據上述討論以及下面詳細描述可顯而易見的種種起同樣作用的，經修改的，可供選用的方法和設備。
圖1表示一種用於本發明各個方面的較佳設備。這個設備的結構一般來說是按照了1985年11月26日授予Conrad與White的美國專利4，554，932。本發明引用了該專利。為簡短起見，該專利中所述的種種細節在此不作重複，若要了解其細節可參閱該專利。
如圖1所示，這個設備包括一個具有園柱形殼體12和滑塞裝置14的壓力容器。殼體12和滑塞裝置14可用任何合適的材料製成，包括不鏽鋼、青銅等。下面將可見到，殼體和滑塞的具體結構和尺寸應足以承受壓力容器中預期所用的壓力。
滑塞裝置14包括兩個園盤形端板16和18以及一根連接杆20。當滑塞是如圖1所示處在殼體12中時，端板16和18，連接杆20以及殼體12就構成了一個預定體積的環形空間22，此環形空間就是個密封的壓力室即壓力區。
如圖1所示，滑塞裝置的位置是水平的，安裝得可以在加料位置24(虛線所示)，卸料位置26(虛線所示)以及圖1中實際的浸漬位置之間往復運動。有一個液壓活塞推動的或馬達拖動的裝置28，通過圖1中部分示出的軸30連接到滑塞裝置上，使它可在該三個位置之間移動。
當滑塞裝置在位置24時，菸草通過一對相向的半園柱形加料部件32加到滑塞的周圍。菸草可以是各種形式的，包括菸葉(含有梗和筋)、去梗的菸葉、菸草切絲填料(用於香菸製造的切成或撕成的菸草細條)。這兩個加料部件32各通過一連杆34與一作往復運動的加力裝置如液壓活塞(圖中表示)等相連。一批批的菸草料36受力壓在滑塞上，最好還對菸草進行了壓縮，其詳情在下面將結合圖2敘述。
滑塞在位置24加了菸草料之後，就移動到浸漬位置。端板16和18都各有其膨脹密封件40和42。這些密封件是液壓膨脹的彈性體環，液壓液體通過液體管線44流到此彈性體環。液壓液體例如食物級的油由一液壓儲壓器45受壓流過管線44，流入密封件40使之向外膨脹從而將壓力室22密封住不致洩漏。此密封件還包括與之連成一體的耐磨環(圖中未示)，這是有利的。這種耐磨環的作用是當滑塞在各個位置之間移動時將菸草顆粒從殼體12和菸草加料端的表面括掉。液壓液體從滑塞的一端通過一連接杆46中的孔流入管線44，該連接杆與滑塞14的至少一端連接，在圖1中只表示了連接杆的一部分。
高壓氣體管線48和49通過通道50和51與殼體12連通，這兩個通道與端板18上位於密封件42之間的環形空間52對準。此環形空間52是通過許多個徑向通道54和軸向通道56與連接杆20表面上的槽子58相連通的。因此通道50和51就能在滑塞裝置14處於圖中所示位置時讓高壓流體引入和離開高壓室22。在連接杆20的周圍有一個或多個篩網59，其作用是防止菸草堵塞通道56和槽子58。
在設備上裝有一對速動閥60和62供迅速將流體輸入和排出浸漬室22之用。這些閥較好地是用球閥，其通道尺寸是直徑為0.5英寸至1.5英寸或更大些，視浸漬區的大小而異，要使得高壓流體進入或排出浸漬區22基本上瞬時的。這些閥最好是由圖中未示的速動液壓執行機構開啟和關閉。
在設備的輸入側，有高壓氣體管線48與一蓄儲器裝置64相連接，該蓄儲器裝置下面將詳細敘述。有一個蒸發器66，其作用是加熱進入蓄儲器64的氣體。也可以用圖中未示的裝置對蓄儲器64加熱以維持其中的流體處於受熱狀態。在蒸發器66的進入端裝有一個圖中未示的高壓泵，其作用是將壓力例如為2.500psig的高壓流體輸入蒸發器66和蓄儲器64。
用來將高壓流體從浸漬區22排出的高壓管線49連接到一氣體回收區(圖中未示)，以回收由浸漬區排出的流體。
在菸草卸料區中有一個氣動卸料裝置例如無油氣體壓縮機，當滑塞裝置向卸料位置26和離開該位置移動時，此氣動卸料裝置就將一種流體例如高壓空氣或氮氣噴射到圍在滑塞14的菸草上。在滑塞處於卸料位置時卸除的菸草，就落入一個其中有許多交錯排列的振動齒的去纏結裝置73中，然後進入一回收槽74，菸草在其中可進一步作乾燥處理，或視必要加熱處理以產生膨脹。
圖2是菸草壓縮加料裝置32，用來將菸草壓在滑塞的周圍。如圖所示，每個加料部件32都是半園柱形的，其安裝可以保證它在圖中虛線所示的封閉位置80和退開位置之間運動。菸草36通過槽子82餵入菸草裝料區。半園柱形的加料部件32然後運動到裝料位置80，將菸草36壓在滑塞14上，基本上填滿了端板16和18之間連接杆周圍的環形空間。菸草的量最好應使其在壓到滑塞14周圍之前的疏鬆狀態體積比該環形空間的體積大得多。
菸草在壓縮前的體積即疏鬆填充的體積，是用在一個長、寬、高各為1英尺的立方容器中測量密度的方法來求的。將菸草傾倒到此立方容器中，稱重求出菸草的疏鬆填充密度。於是在壓縮前菸草一次裝料的疏鬆體積可由料的重量和其疏鬆填充密度來算出。將菸草料的疏鬆填充體積除以其壓縮體積即其在滑塞上的體積，就得到壓縮比。所有這些數值，都是在菸草料餵入浸漬區時實際含水量情況下或校正到這一情況下求得的。因此，若一滑塞具有浸漬體積為25立方英寸，壓縮在滑塞上的菸草具有疏鬆填充體積為50立方英寸，就得到壓縮比為2∶1。
顯而易見，在滑塞上能供菸草佔據用的體積將比供高壓流體佔據的總空間要小。在這方面，因為滑塞周圍還包括流體通道54和56以及槽子58，這些空間能為流體佔據，但由於篩網存在的緣故而不能為菸草所佔據。結果為菸草佔據的「可用體積」即能被菸草在浸漬區內緊密填充所佔用的體積，一般比浸漬流體所佔用的體積為小。典型的情況是，菸草佔用的體積約是浸漬流體佔用體積的75-80%，後一體積包括著不能供菸草佔用的各種槽子和通道所限定的空間體積。
圖3a、3b、3c是用於圖1所示設備的較佳蓄儲器的截面圖，這些蓄儲器能夠基本瞬時地將其中處於臨界溫度和壓力以上的流體輸入圖1的設備中。圖3a表示了適用於本發明的一種氣體/氣體蓄貯器。此蓄儲器64是用來將一種高溫高壓浸漬流體，例如溫度高於約200°F(129℃)，壓力為2，555psig的丙烷，提供給圖1的滑塞浸漬器中的浸漬區的。蓄儲器64包括一個管狀的殼體100，它是用能承受高溫高壓的材料例如優質碳鋼製成，並在其內表面102進行了硬化處理。在蓄儲器的兩端，各有分別含輸入高壓氣體的通道108和110的端件104和106。這兩個端件藉螺紋112固定在殼體100的兩端。在每個端件上各裝有一個吸收衝擊的裝置，它是一個支撐在一對Bellville墊圈形式的法蘭彈簧115上的環形件114。
在中央位置裝有一活塞116，它可在殼體100中運動，並將殼體的兩側分隔為兩個流體區118和120。活塞116是用磷青銅之類的合適材料製成的。在活塞116的外圍裝有一滑動密封件119。活塞116在上述溫度和壓力條件下運動時，這個密封件能夠在兩個區域118和120之間提供並維持密封。此密封件的材料與流體不起作用，是可變形的，因此能徑向地向外膨脹，能在活塞116的外表面與殼體100的內表面之間產生密封力。
圖3a所示的就是此密封件19的一個例子，它是圍繞在活塞116外表面的5個分開的活塞環120-124，這些活塞環提供著活塞116外表面與殼體100內表面之間的密封接觸。靠內的三個活塞環121-123比外側的兩個活塞環120和124的變形性較大些。這些活塞環用GRAFOIL碳模製而成，可自A.W.Chesterson公司作為NS型5300整體模成形環(對121-123)和NS型5600GTPHD整體模成形環(對120，124)的商品購得。然而，也可用其它材料，只要它是惰性的，並能在活塞116運動時為區域118和120之間提供密封就行。
有個環形件126對活塞環120-124產生壓縮作用，它是由一環形加壓件130的凸緣128軸向地受力壓到那些活塞環的。環形加壓件則靠一螺栓固定於活塞116，它通過偏置件134施加一預定的偏置力，偏置件134是一對購自A.W.Chesterson公司的5500型3/4英寸法蘭彈簧。將螺栓132旋緊，通過螺栓132，加壓件130和環形件126施加到活塞環120-124的壓縮力足以將法蘭彈簧134壓平，結果活塞環120-124就徑向地朝外膨脹，在滑動活塞116的外表面與殼體100的內表面之間產生了密封力。
在圖3a的設備中，一種高壓的惰性氣體，例如壓力為6，000psig的氮氣保持在一個流體室118中，而浸漬流體，例如2，500psig的丙烷則保持在另一流體室120中。當高壓的浸漬流體從區120釋放進入圖1的浸漬器時，活塞116會迅速運動，與端件106接觸，此時的衝擊力為衝擊吸收件115所吸收。此後，將浸漬流體再泵入此蓄儲器，直至達到預定壓力，最好是2，500psig。
圖3b圖示了另一種實施例的蓄儲器，它是靠液壓體操作的，對本發明也可適用。與圖3a的蓄儲器一樣，圖3b的蓄儲器64也是用來將高壓浸漬流體如2，500psig的丙烷輸送到圖1所示的滑塞浸漬器的浸漬區的。蓄儲器64在結構的許多方面與上述圖3a的氣體/氣體蓄儲器基本上是類似的。例如，圖3b所示的蓄儲器64也包括一管形殼體100，端件104和106，輸入高壓氣體的通道110和一衝擊吸收裝置，支撐在Bellville墊圈形式的一對法蘭彈簧上面的環形件114。端件104和106的結構如同以上就圖3a的蓄儲器所述，所不同的是端件104中並無輸入高壓氣體的通道108。如圖3b所示，衝擊吸收裝置還可以包括有衝擊吸收凸緣300。
圖3b的蓄儲器是用液壓液體操縱的。蓄儲器64中有一通常的液壓活塞件302，它藉同一活塞杆304與活塞件116相連結。圖3b的活塞件116的結構與上述圖3a的位於中央的活塞件116基本上相同，不同的是它的一端與公用活塞杆304的一端連接。在殼體100的中央，固定安裝了一個靜止的擋板306，它限定著其兩側的兩個流體空間118和120。靜止的擋板306上有一個孔307，它適足以容納活塞杆304，讓活塞杆通過此孔作軸向的往復運動。
流體區118備有一個出入口通道308，供液壓液體如食物級的油進出流體區118之用。液壓液體經通道308打入流體區118，以維持另一流體區中的浸漬流體如丙烷在2，500psig的壓力。當高壓的浸漬流體從區120排放進入圖1的浸漬器時，活塞116會迅速運動，與端件106接觸，衝擊力則如同上述被衝擊吸收件115所吸收。此後，又將浸漬流體再泵入蓄儲器達到預定的壓力，最好是2，500psig為止。
靜止的擋板306還起著分隔洩漏的丙烷和洩漏的液壓液體的作用。任何有洩漏的丙烷可通過通道310排列一丙烷回收區。在該處丙烷可燒掉或排放到例如如上所述的供回收由浸漬區排出流體的氣體回收區中去，或排放到回收槽74中去。而任何有洩漏的液壓液體則通過通道312排到一液壓液體回收區例如貯槽(圖中未示)中去。
圖3b還表示了蓄儲器可以在其殼體100的外圍有一個加熱夾套314。它可以是本技術領域中已知的令容器中的流體加熱或保持溫度的任何一種類型。本發明中的此加熱夾套314是用來加熱流體區120中的浸漬流體。因此，如圖3b所示，此加熱夾套應包圍住浸漬流體區120的全部長度。熟練的技術人員也會理解，加熱夾套也可以如圖3c所示那樣，圍住蓄儲器的整個長度。加熱夾套也可以如圖3c所示那樣，圍住蓄儲器的整個長度。加熱夾套314的供熱可以用常規方法，例如將熱的油沿管線316和318分別通入和排出。
圖3c表示了按本發明有用的另一種蓄儲器的實施例。與圖3a和3b所示的蓄儲器一樣，圖3c的蓄儲器64也是用來將高壓浸漬流體如2，500psig的丙烷通入圖1滑塞浸漬器的浸漬區。和圖3b的蓄儲器一樣，圖3c的蓄儲器64在結構上有許多方面基本上與圖3a的蓄儲器類似。圖3c的蓄儲器包括一管狀殼體100、端件104和106、輸入高壓氣體用的通道110、和一位於中部的活塞件116。活塞116限定著兩個分隔的區，區118和至少一個流體區120，它們各在活塞相對的兩側。端件104和106以及活塞116的結構如同前述的圖3a蓄儲器一樣，不同的是端件104中沒有輸入高壓氣體的通道108。在本發明的這一實施例中，端件104作了修改，其中有一孔道320與一連接杆322配合，使該杆可通過它作往復運動，其詳情下面再述。另外，活塞116在其一端與連接杆322相連，其詳情也在下面再述。
圖3c中，一液壓板引機構或類似的馬達裝置324通過連接杆322與活塞116相連，以驅動活塞116在蓄儲器內的運動。液壓執行機構可以是本技術領域中已知的，將液壓能轉變成機械功的任何類型的機構。例如，圖示的液壓執行機構324可以包括一管狀殼體326。在此液壓執行機構的兩端各有一個端板328和330。在其中部安裝一個可在油缸326中運動的活塞322，它限定了在其相對兩側的分隔的液壓液體區334和336。區334和336各有其出入口338和340。如箭頭所示，當液壓液體由一液壓液體源通過管道344經過口338進入時，液壓液體則經過口340通過管道346返回液壓液體源。液壓執行機構324也有一個連接杆348，它從活塞332軸向地裝置著，通過流體區334，並通過端板328上的孔350。連接杆348與連接杆322耦連，使得連接杆348的往復運動轉變為連接杆322的往復運動，從而帶動缸體100中活塞116的運動。
如前所述，浸漬流體例如2，500psig的丙烷是保持在第二流體區120中的。當高壓浸漬流體受液壓執行機構324的驅動力從區120排出，輸入到圖1所示的浸漬器時，活塞116會迅速運動，直接與端件106接觸，此時的衝擊力由衝擊吸收件115所吸收。之後，浸漬流體又泵回到浸漬器，直至達到預定壓力，最好是2，500psig。
再回到圖1，在運轉時有一個高壓泵(圖中未示)用來向蓄儲器64的高壓流體區輸入丙烷。當一氣體由蓄儲器排出，壓力降就由一圖中未示的裝置監測出來，控制系統即將泵起動，立即開始為蓄儲器重新裝入高壓流體如丙烷。氣體蓄儲器64可在本發明對圖1浸漬區中的菸草進行浸漬期間，以很短的5-30秒時間重新裝滿。
圖4表示了本發明的一個較佳工藝流程。圖4的這個流程較好地是按1985年7月30日授予White與Conrad的美國專利4，531，529實施的，該專利已被參考結合入本文。圖中方框150表示的是一個高溫高壓丙烷的儲存裝置，如圖3的蓄儲器64。該儲存裝置150可以不用蓄儲器64那種形式。例如，也可用一大體積的均壓箱來儲存高溫高壓丙烷。或者也可採用購自Parker Bertea Aerospace，Parker Hannfin Corp，Metal Bellows Division，Moorpark，California 的金屬膜箱蓄儲器。
將丙烷的壓力保持在2000psig以上為佳，在2，500psig至3，000psig尤為有利。本發明已發現，當採用這樣高的壓力時，就可用極短的浸漬時間(約5至約15秒)來浸漬菸草，且能使得菸草的填充容量有極為令人滿意的增加，例如超過50%至100%的增加。將丙烷的溫度維持在280°F(138℃)以上是有利的，最好在300°F(149℃)至400°F(204℃)之間，例如約300-315°F(149-157℃)。這就為加熱浸漬區中的菸草提供了大量的顯熱。
在方框155所示的程序中，最好是呈切絲填料形式的菸草在加入到浸漬區之前予以預熱，這較為有利。預熱菸草也可為在浸漬區中建立適當短周期時間的條件提供熱量。菸草預熱至125°F(52℃)以上為佳，預熱至約140°F(60℃)或更高些則更佳，例如預熱至150-160°F(66-71℃)或更高些。可以向菸草添加水分以提高其柔韌性。本發明有利地採用了約16%至約30%乃至更高的水分含量。
對菸草預熱可以採用任一種方式，包括加熱鼓、微波能量以及蒸汽噴射供熱。據信蒸汽供熱是很好的，因為可將熱量更為有效地傳遞給菸草，同時增加其含水量。
預熱過的菸草然後在方框160所示的程序中進行壓縮。如前所述，菸草以至少1.25∶1的壓縮比壓縮為佳，壓縮比大於1.5∶1更佳，若大於2∶1直至3∶1或更高些則尤為有利。對菸草進行壓縮增加了菸草的密度，使得在餵入浸漬區之前菸草的密度大大地大於其壓縮前的密度。本領域的技術人員會清楚，疏鬆填充菸草的密度會變化很大，視菸草是葉形還是切絲填料形、菸草的含水量以及其它因素而異。基於含水量12%計算的填充密度為每立方英尺20磅，用於本發明是很方便的。儘管增加了填充密度會在某種程度上增加達到相同膨脹程度所需的周期時間，但在本發明中已成功地採用了填充密度大於按含水量12%計算的每立方英尺20-30磅，而此時浸漬時間仍小於20秒，菸草的填充容量增加則超過50-100%。
壓縮菸草然後在方框165所示的程序中在浸漬區內進行浸漬。若丙烷用作浸漬流體，由經加熱的丙烷和加熱的菸草提供給浸漬區的累積熱量，對於保證浸漬區內的浸漬條件在約240°F(116℃)和約270°F(132℃)之間，更佳是約260°F(127℃)是十分有利的。已發現，當熱量既由預熱菸草又由預熱丙烷提供時，在約5秒甚更短的時間內即可達到約260°F(127℃)和2，500psig的浸漬溫度和壓力條件。
顯然，若丙烷流體預熱到更高的溫度。則為在浸漬區中達到所需溫度條件的菸草預熱溫度可以較低。然而丙烷能加熱的溫度可以認為有個上限，高於此上限溫度會有害於浸漬區中的菸草。此外，由於本發明較佳實施例中使用了較小體積的浸漬流體，能用於加熱菸草的浸漬流體的質量是比較小的。膨脹劑的質量一般與菸草的質量相同或較小些。因此由菸草之類的源來提供熱量仍然是需要的。
同樣也顯然的是，菸草浸漬區中的溫度條件可以通過其它手段達到，例如在浸漬區內採用一加熱器。然而對於達到極短的周期時間來說，聯合採用預熱菸草和預熱高壓丙烷的辦法已發現能產生非常合意的結果。預熱菸草的有利效應尚不十分清楚其原因，但可能是因為經預熱的菸草由於包括菸草柔韌性等因素會比環境溫度的菸草以較快速度吸收浸漬流體的緣故。
經壓縮和浸漬的菸草在浸漬條件下維持1-2秒至約20秒的短時間。然後在圖4方框170所示的程序中卸除其壓力。壓力卸除最好應基本上是瞬時的，即在約一秒甚更短時間內完成。採用一種大入口的速動閥可以達到迅速卸除壓力的目的。然後將壓縮菸草幾乎立即取出浸漬區，以便菸草產生膨脹。較好地是，菸草還需接受與強制的幹空氣或加熱空氣接觸處理，使其水分含量保持在例如約10-20%，這是有助於膨脹菸草穩定化的。
當所用的膨脹劑是丙烷或White與Conrad的美國專利4，531，529中所述的某種類似膨脹劑時，無需對菸草加熱來使膨脹菸草定形。而且，由於沒有用高溫加熱條件，揮發性香味劑、糖之類的物質也不致有顯著的損失。然而本發明也可以用其它膨脹劑，包括為促使菸草膨脹或使膨脹菸草定形必須採用包括加熱的膨脹條件的那些膨脹劑。
圖5表示用於圖1的裝置在短於20秒的短周期時間內實現很大膨脹的一種控制方法。為實現周期時間為20秒或更短，包括有能探測膨脹過程中一些條件的傳感器的這種或類似的控制系統是十分必要的。本領域的技術人員不難看出，控制硬體可以是氣動的、電氣的或者以氣動或電氣為基礎的，可以包括一臺微處理機。
在圖5中的方框200，有合適的傳感器用來證實滑塞裝置是否在其裝料位置24，並且證實是否有合適量的菸草料已經在位待裝。如果這些條件滿足，控制則傳遞至下一步的方框205，此時兩個加料部件32就運動，將菸草壓到滑塞14上去。有一個合適的傳感機構例如位置擋板證實了兩個加料部件都在合適的加料位置後，控制就傳遞至下一步的方框210。在方框210的程序中，就起動液壓活塞28，令滑塞移動到壓力容器的殼體12中，有一個合適的傳感器例如位置擋板之類證實了滑塞已在殼體中的合適位置後，控制則傳遞至下一步的方框215。
在方框215的程序中，有個閥開啟令液壓液體由液壓蓄液器45流出，給密封件40和42充液。此液壓蓄液器45最好應能裝足夠量的液壓液體，可以在約一秒或短於一秒(最好比一秒短很多)的時間內對密封件40和42加壓至3，000psig的壓力。有一個合適的傳感器能探測密封件40和42中的液體壓力，當壓力到達所需壓力如3，000psig時，控制即傳遞至下一步的方框220。
在方框220的程序中，快速充料閥60開啟，同時一定時器開始工作。結果加熱加壓的浸漬流體例如壓力大於2，000psig，溫度約300°F(149℃)或更高的丙烷就進入浸漬區22。在這樣的條件下，特別若浸漬區的菸草受過預熱的話，浸漬過程是很快的，因此定時器可以設定在幾秒至約15-20秒的很短時間。根據浸漬區22中菸草的含水量、溫度和密度情況，可以調節浸漬時間的定時。一當定時器到達所設定的時間，控制即傳遞至下一步的方框225，此時充料閥關閉。一傳感器證實了此閥關閉後，控制就立即傳遞至下一步方框230，令排放閥62立即開啟。
控制於是傳遞至下一步方框235，此時浸漬區壓力的傳感器就不斷給出讀數，直至浸漬區內的壓力降至一預定的低壓力，如10-20psig。在此時刻，控制傳遞至下一步方框240，此時有一個閥開啟，令液壓液體流出密封件40和42。有個合適的傳感器在測量著密封件中液壓液體的壓力，當此壓力降到一所需的低壓力時，控制即傳至下一步的方框245。
在方框245的程序中，液壓活塞就啟動，將滑塞14移動至其卸料位置26。與此同時，壓縮機72也開動，當滑塞到達位置26時，將高壓空氣或氮氣噴向滑塞。在方框250的程序中，一合適的傳感器探測著活塞的位置，一當滑塞到達了最高卸料位置，液壓活塞28就立即改變運動方向，令滑塞回到裝料位置。然後控制傳遞到方框255，此時一傳感器測出滑塞在室12中的位置，壓縮機於是就停止工作。然後整個控制程序又由方框220再次開始。
在本發明中所述菸草膨脹過程的各個方面是具體結合使用丙烷作為引起膨脹的浸漬劑，使用鄰近或高於超臨界溫度的浸漬溫度條件以及接近或高於超臨界壓力的高壓條件，並具體結合較佳設備來討論的。然而，這裡所述的各種有效的菸草膨脹過程和設備，也可認為適用於其它一些菸草膨脹過程、膨脹流體和設備。例如，對菸草進行壓縮，可顯著增加隨後進行菸草膨脹的許多在高壓如大於100psig的各種容器中進行菸草浸漬過程的處理量。同樣，使用其體積顯著小於進入浸漬區菸草的疏鬆填充體積的菸草膨脹劑，可以提高許多菸草浸漬和膨脹工藝的經濟效益，包括浸漬時在浸漬區中的膨脹劑是氣體或液體或氣液都有的那些工藝。
同樣，將高溫高壓浸漬流體例如鄰近或高於超臨界溫度和超臨界壓力的二氧化碳基本上瞬時地通入浸漬區，可用來顯著縮短浸漬周期時間。同樣地，當浸漬液體是用來在較高溫度條件浸漬菸草時，本發明的菸草預熱步驟也可顯著地縮短浸漬周期時間。
這裡所指的菸草填充容量按通常方法使用一電子自動填充容量測定儀進行測量。該測定儀中採用一直徑3.625英寸的實心活塞裝在一同樣直徑的筒體中，並可在其中滑動，該活塞將每平方英寸2.6磅的壓力施加在筒體中的菸草樣品上。這些參數被認為是模擬菸草在香菸製造機中成形香菸棒過程中所承受的填充情況的。對於膨脹菸草，使用重量為50g的被測菸草樣品。對於未經膨脹的菸草，則使用重量為100g的樣品。
本發明已結合一些較佳實施例進行了描述。但是在不偏離本說明書所述的和後面的權利要求書所限定的本發明的精神和範圍的情況下，可以進行許多改變和修正。
權利要求
1.一種膨脹菸草的方法，其特徵在於它包括下述的步驟將一經壓縮的菸草料置入一能承受高壓條件的浸漬室中，菸草料的量應是其疏鬆填充體積至少約為該浸漬室有效浸漬體積的150%；將浸漬室中的壓縮菸草用一膨脹劑進行浸漬，所用的浸漬條件足以產生當置於膨脹條件下能膨脹至少約50%的浸漬菸草。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所述壓縮菸草料的量是其疏鬆填充體積至少是浸漬室有效浸漬體積的約200%。
3.根據權利要求1所述的方法；其特徵在於所述菸草料是菸草切絲填料。
4.根據權利要求1所述的方法；其特徵在於所述浸漬步驟的溫度是大約等於或高於膨脹劑的超臨界溫度。
5.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於浸漬步驟的壓力是大約等於或高於膨脹劑的超臨界壓力。
6.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所述膨脹劑是丙烷。
7.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於浸漬步驟的時間短於1分鐘。
8.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於浸漬步驟的時間短於約30秒鐘。
9.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於浸漬步驟的時間短於約20秒鐘。
10.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所述膨脹劑是以溫度高於流體的超臨界溫度，壓力高於流體的超臨界壓力的流體狀態通入所述浸漬室的。
11.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於在浸漬步驟中，是將壓力大於約2000psig，溫度高於約240°F(116℃)的丙烷流體通入浸漬室的。
12.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於菸草在置入浸漬區之前先預熱至一較高溫度。
13.根據權利要求12所述的方法，其特徵在於菸草預熱至至少125°F(52℃)的溫度。
14.根據權利要求12所述的方法，其特徵在於由預熱菸草和預熱膨脹流體向浸漬室提供的累積熱量可以使該室達到約240°F至270°F(116℃至132℃)的溫度。
15.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於它還包括將經浸漬的壓縮菸草由浸漬室除去的步驟以及使經浸漬的壓縮菸草處於足以使菸草膨脹的條件的步驟。
16.根據權利要求15所述的方法，其特徵在於所述除去步驟包括將足夠多的膨脹劑從所述浸漬室除去，以便將其中的壓力降低到大約為大氣壓力。
17.根據權利要求15所述的方法，其特徵在於它是將不同菸草料的菸草放置、浸漬和除去的步驟相繼重複進行，而菸草的放置、浸漬和除去的進行務使通過所述浸漬室的菸草處理量按其疏鬆填充體積計至少是每分鐘五倍於浸漬室的可用體積。
18.用於浸漬菸草的設備，其特徵在於包括有有高壓條件下處理菸草的室裝置；適合於並安裝得能夠將菸草料進行壓縮並裝入該室的裝置；將膨脹流體通入該室以浸漬該菸草料的裝置；將經浸漬的壓縮菸草從該室卸出的裝置。
19.根據權利要求18所述的設備，其特徵在於該室包括一個園柱形管狀的殼體；一滑塞裝置，其安裝使它能在殼體外的至少一個位置和殼體內的處理位置之間作往復運動，該滑塞裝置是由兩個園盤形端板和一根位於這兩個端板之間並將這兩個端板固定在一起的連接杆構成的，這兩個端板與連接杆限定著在杆周圍的環形空間；一密封裝置，當該滑塞裝置位於處理位置時它用來在兩個園盤形端板和殼體之間形成密封，使得殼體、端板與密封裝置構成一壓力室。
20.根據權利要求19所述的設備，其特徵在於所述的裝料和壓縮裝置包括在所述滑塞裝置的相對兩側有一對相向的通道；一套菸草壓縮裝置，其安裝使它能在每一通道中的後退位置和前伸位置之間作往復運動以推動菸草通過通道，並將菸草壓入所述滑塞裝置的該環形空間中，此菸草壓縮裝置包括兩個半園柱形的端面，此兩端面的尺寸與形狀拼合起來恰能在所述滑塞的該環形空間周圍圍成一個園柱體。
21.用一膨脹劑浸漬菸草的設備，其特徵在於包括有一個在高壓條件下限裝菸草料的室；一個將流體狀態的膨脹劑通入該室以浸漬菸草的裝置；一個與所述膨脹劑的引入裝置相連接的蓄儲器它是用來維持一個在較高溫度和壓力的所述膨脹劑的供應源，此蓄儲器含有一個限定至少一個流體區並能改變此流體區體積的可動部件，此流體區中裝有所述膨脹劑。
22.根據權利要求21所述的設備，其特徵在於所述可動部件限定著至少兩個分隔開的流體區，其中一個區裝有所述膨脹劑，而另一個區裝有一氣態的加壓流體。
23.根據權利要求21所述的設備，其特徵在於所述可動部件限定著至少兩個分隔開的流體區，其中一個區裝有所述膨脹劑，而另一個區裝有一液壓加壓液體。
24.根據權利要求21所述的設備，其特徵在於所述可動部件與一液壓執行機構耦合，用以改變所述流體區的體積。
25.根據權利要求21、22、23或24所述的設備，其特徵在於所述可動部件構成了對流體的密封，當所述膨脹流體保持在高於約2，000psig的壓力和高於約200°F(93℃)的溫度時，此密封就能防止有顯著量的膨脹流體從膨脹流體區漏失出去。
26.根據權利要求21、22、23、24或25所述的設備，其特徵在於所述的膨脹劑是丙烷。
27.根據權利要求22所述的設備，其特徵在於所述加壓流體是氮氣，而所述膨脹劑是丙烷。
28.根據權利要求27所述的設備，其特徵在於所述膨脹劑保持在高於約2，000psig的壓力以及高於約200°F(93℃)的溫度，而所述加壓流體保持在高於6，000psig的壓力。
29.根據權利要求21所述的設備，其特徵在於所述蓄儲器包括一個管狀殼體，所述可動部件裝在該殼體中，可以運動。
30.根據權利要求29所述的設備，其特徵在於它還包括在所述殼體相對兩端各有一個端件；在所述端件的內表面各裝有一個衝擊吸收裝置。
31.根據權利要求29所述的設備，其特徵在於所述可動部件還含有位於該部件周邊的起潤滑作用的裝置，此裝置在可動部件的外表面與殼體內表面之間起潤滑作用。
32.根據權利要求29所述的設備，其特徵在於所述可動部件還含有位於該部件周邊的密封裝置，此裝置在可動部件的外表面與殼體內表面之間起密封接觸的作用。
全文摘要
本發明對菸草膨脹方法作了一些改進，這些改進能令人注目地提高高壓菸草浸漬系統的處理量。根據本發明的各種改進，菸草可在一高壓浸漬區進行浸漬，然後從膨脹區卸出，一個完整周期的時間少於一分鐘，一般少於約15—30秒。此外，按照本發明的其它內容，通過對高壓浸漬區內可用處理室間在使用上的巨大改進，菸草處理量又有了進一步的提高。而且，本發明還提供了減少菸草處理膨脹劑用量的一些方法。
文檔編號A24B3/18GK1100908SQ94107109
公開日1995年4月5日 申請日期1994年6月14日 優先權日1993年6月14日
發明者L·J·康拉德, J·L·懷特 申請人:R·J·雷諾茲菸草公司