於冷卻和冷凍裝置內用作表面刮擦器的傳送螺杆的製作方法
2023-11-11 20:42:22
專利名稱：於冷卻和冷凍裝置內用作表面刮擦器的傳送螺杆的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於傳送高粘度物質的傳送螺杆以及具有這種傳送螺杆的設備，該設備優選地用於生產冰激凌物質，且更具體地，用於如下的生產場合首先將形狀為具有相當量空氣的所謂混合物的材料冷卻至典型零下5度的常規成形溫度，然後再將其導引通過一個具有刮擦傳送螺杆的通流冷凍器，其目的是將該物質冷卻到零下15度或更低的溫度，從而為擠壓該物質形成用於包裝和最後存放的最終冰激凌體做準備。
背景技術：
為此使用了通流冷凍器，在通流冷凍器的冷凍缸的內壁上形成有冰層，該冰層必須通過在冷凍缸內旋轉同時將冰激凌物質強制傳送(positiveconveyance)通過冷凍缸的傳送螺杆刮除。不過，使用這種公知的用於進一步冷卻的傳送螺杆冷凍器的結果並不理想，這是因為，為了進行冰激凌物質的刮除以及傳送，必須增加由於增加的刮擦、擠壓以及泵送的電力——這將導致冰激凌物質內產生熱量——而使冷凍器將變得低效的一定量電力。通過使用更低溫度以使在冷凍缸的內壁上凍上冰來抵消這種熱的產生，這樣導致所形成冰層的變厚，使得又需要更多的電力以執行刮擦功能。
以這種方式工作的通流冷凍器可以從文獻DE-A-39 18 268和WO97/26800中獲知，不過就通常的冰激凌而言其在實踐中很少使用，因為已經發現該過程存在實質性問題。不過從原理層面上講，這個過程十分具有吸引力，因為理想情況下可以直接成形並包裝冰塊以用於最終的存放，而不需要在包裝站和最終存放之間傳統地使用一個臨時且昂貴的冷凍系統。而且，物質的強化冷卻將可以得到改進的產品質量——特別使當生產較大塊產品的時候。
本發明的出發點是一種傳統的通流冷凍器，其具有一個被驅動的刮擦傳送螺杆，該傳送螺杆的尺寸設計成用於進一步傳送來自在前的傳統通流冷凍器的物質，所述在前的傳統冷凍器將物質冷卻到大約零下5度。使用具有所謂100％膨化率(膨脹的程度)的標準冰激凌混合物，即加入液體混合物的空氣容量與液體混合物容量的百分比；並且在後續的通流冷凍器中——其應該將來自第一通流冷凍器的冰激凌進一步冷卻到約零下15度——使用約零下40度的汽化溫度。
冰激凌在後續的通流冷凍器中由於較低的溫度而導致的較高粘度產生諸多問題。為驅動傳送螺杆旋轉必須使用的機械動力要比在前的冰激凌物質溫度較高的通流冷凍器大的多，因而驅動傳送螺杆的馬達必須產生較大的扭矩。這些機械動力被轉移到冰激凌物質內，因此冰激凌物質需要進一步冷卻，並導致更大的冷卻功耗，並且後續的通流冷凍器的容量受限。另外，後續通流冷凍器的入口壓力必須高——為12-14巴的量級，以將冰激凌物質送入，這對在前的必須輸送高壓的通流冷凍器的管子、墊圈、應變等提出了很高的要求，並且降低了產品質量，因為高壓造成冰激凌物質的融點降低，這樣導致冰激凌物質內的冰晶發展，降低冰激凌的膨化率。另外，實驗表明，每單位時間內後續通流冷凍器的流出量存在波動，這對於冰激凌物質的進一步的製造過程是不利的；並且，當冰激凌物質內產生較大氣室時，膨化率從入口向出口降低。
因此，本發明的一個目的是提供一種傳送螺杆和一種具有這樣的傳送螺杆的傳送裝置，其可以通過使用較低的傳送動力來傳送高粘度的物質例如冰激凌物質。
本發明的另一個目的是提供這樣一種傳送螺杆在入口端部處的入口吸力增加，從而可以降低進料壓力。
而且，本發明的一個目的是提供一種用於製造冰激凌的設備，其包括一個具有傳送螺杆的通流冷凍器，與現有的具有傳送螺杆的設備相比較，本發明所述設備利用減小了的傳送動力來傳送高粘度冰激凌物質。
本發明的再另一個目的是提供這樣一種設備，其中傳送螺杆入口端部處的入口吸力增加，從而使得進料壓力可以比現有設備要小。
總的來說，本發明的一個目的是改進這樣的傳送螺杆和這樣的設備的效率，並且削弱或消除上述一個或多個缺點。
本發明提供了一種具有多個螺紋段的傳送螺杆，至少兩個螺紋段從傳送螺杆的入口端部延伸，其中，所述兩個螺紋段的外邊緣以距縱向軸線不同的徑向距離延伸。這樣，徑向較短的螺紋段輔助一部分物質的傳送，而不會影響整個物質，尤其是不會影響冰層，該冰層通過一通流冷凍器內的傳送螺杆而產生於所述冷凍缸的內壁上。已經表明，對於高粘度塊狀物的傳送，這種傳送螺杆使用的傳送動力較之任一種現有的類型都要小。當用於將已經冷凍的冰激凌物質進一步冷卻的通流冷凍器中時這種效果尤其明顯，並且這種效果在傳送其他高粘度物質時也很明顯，其中所述物質所附著的缸體壁上存在抵抗傳送該物質的阻力最高。該通流冷凍器實驗所用的入口壓力可以從以前的12-14巴降至4-6巴。
從US 3 701 512，GB 2 262 905，US 6 132 075和US 5 141 326所述的擠壓設備中可以知道具有若干螺紋段且其中一些徑向延伸較短的傳送螺杆，其中，這些螺紋段被設置在壓縮或出口區域，具有完全另外一種效果，而非本發明所獲得的效果。
本發明其他目的以及其他優勢的實現從下述說明中呈現。
發明內容
本發明涉及一種傳送螺杆，其具有多個均繞縱向軸線沿一螺旋路徑延伸的螺紋段，至少兩個螺紋段從傳送螺杆的入口端部延伸，其中，所述的兩個螺紋段的外邊緣以距所述縱向軸線不同的徑向距離延伸。優選地，所述兩螺紋段從傳送螺杆大致相同的縱向位置延伸。優選地，一個或多個以距縱向軸線較小徑向距離延伸的螺紋段從所述入口端部延伸並且沿所述傳送螺杆延伸其整個長度的5％到65％，優選7％到50％。
所述螺紋段通常被緊固到一個內閉合芯部上，該芯部可以呈柱形也可以呈其他形狀例如截頭圓錐形以改變切口橫截面面積從而改變傳送速度。最長的螺紋段的外邊緣通常延伸至一個沿傳送螺杆的縱向軸線恆定的半徑，從而將傳送螺杆安裝在一個柱形腔內，但該半徑也可以沿所述縱向軸線變化，從而將該傳送螺杆例如安裝在一個截頭圓錐形腔內，用於以這種方式改變被傳送物質在傳送過程中與所述腔發生接觸的表面的切口橫截面面積以及表面面積。如果例如通過所述表面的熱傳遞在傳送螺杆的出口端附近增大，則後者是一優點。
為了降低具有所述傳送螺杆的傳送設備所必需的入口壓力，所述的至少兩個螺紋段在傳送螺杆的入口端部上延伸是有利的，這樣使得徑向較短的螺紋段——例如為較長螺紋段半徑0.85-0.98倍——改進靠近入口端部的傳送性能，從而增加了該傳送設備的入口吸力。
特別有利地，至少三個螺紋段在傳送螺杆的入口端部上延伸，其中，所述至少三個螺紋段中的一個較之所述的至少兩個其他螺紋段以距縱向軸線較大的徑向距離延伸。
所述的至少兩個以距縱向軸線較小徑向距離延伸的螺紋段在一優選實施例中從入口端部延伸，並且從入口端部開始延伸不同的縱向距離，從而使得由這些徑向較短的螺紋段執行的輔助傳送從入口端部逐漸減弱，並且在傳送設備內某個距離處的物質混合將由此增加，結果是增加所述物質的均勻性。徑向較短的螺紋段優選地執行粘度較低的較熱冰激凌物質的傳送，而當溫度降低時，粘度較低的冰激凌物質從入口端部向出口端部的量減小，由此，由徑向較短螺紋段傳送的量減小。這些螺紋段從入口端部延伸的差異等於傳送螺杆整個長度的8％到50％，優選從12％到40％，其中傳送螺杆可以理解為與被傳送物質接觸的那部分螺杆。
所述螺紋段在傳送螺杆入口端部處的螺距相對大已被證明是有利的，即0.9到1.4，優選為1.1到1.3，這與這種傳送螺杆通常為0.5到1的螺紋段螺距是不同的，其中，所述螺距為傳送螺杆沿縱向轉一圈的長度與最長螺紋段的外徑之比。大的螺距可使傳送螺杆每轉能獲得一個較大的傳送長度，並且傳送物質時每單位長度的刮擦頻率被降低。
對於與通流冷凍器結合使用的傳送螺杆，通常使用每分鐘100-1000轉範圍內的旋轉，其中最小的值用於較大的缸體，最大的值用於直徑小的缸體。對於一個具有代表性的內螺紋段直徑為105mm的傳送螺杆而言，轉速通常在每分鐘200-600轉之間，這個轉速對於一個典型的螺距介於1和0.5倍螺紋段外徑的螺杆，將產生1-3.5m/s的刮擦速度。
已經發現，本發明可以在轉數低至10-50轉每分鐘優選20-35轉每分鐘並且相當大的螺距下工作並且最為理想。這樣，刮擦速度將減小至只有傳統值的1-10％，並且已經發現，這個過程可以在實踐中實現。更具體地，其涉及一種可實際使用的在足以實現傳送的供應電能和不會產生不需要熱量的刮擦之間的折衷。低的刮擦速度和相關的低刮擦頻率足以保持熱交換器表面閒置以至於熱交換器可以一個實際可接受的效率工作，這是一個令人驚奇的結果。
另外還需要注意的是，使用汽化溫度低於約零下30度的冷卻劑是有利的，對於本領域普通技術人員而言，該溫度是與冰激凌的通流冷凍器有關的最低汽化溫度。已經發現在更低的溫度下，將出現冰激凌在熱交換器上過於強烈的冷卻。這樣的發明與相關的減少的刮擦顯然是矛盾的，有可能有效地工作在零下40度和更冷例如低至零下100度的冷卻溫度，優選在零下50度到零下60度之間，以通過將所述物質冷凍到零下10度至零下20度來實現良好的效率。不過，將所述傳送螺杆用於通流冷凍器正好表明，本發明的傳送螺杆是可能的。
另外也被證明有利的是，螺紋段的螺距沿傳送螺杆的縱向減小到該傳送螺杆出口端部處的0.7至1優選為0.8至0.9。這樣，壓力朝向出口端部略微增加，而通過傳送螺杆而被傳送的冰激凌物質或其它物質在出口端部獲得一個合適的壓力，用於輸料給後面的加工設備例如擠壓設備。通過增加傳送螺杆芯部的直徑，可以獲得如前所述的類似效果，不過如果要生產的話，優選地要減小螺紋段的螺距。
主要地，為了通過傳送螺杆的旋轉獲得對冷凍缸內表面的完全刮擦，至少一個螺紋段沿傳送螺杆縱向的所有地方都延伸至一個給定的最大半徑是有利的。
如果傳送螺杆以如下方式製造延伸至距縱向軸線最大徑向距離的螺紋段沿縱向不連續地行進，使得在這些螺紋段之間沿縱向的至少一個位置處存在沿外周延伸的開口，則發現每單位時間內流出量的波動可以減少並且實際上近乎消除。在螺紋段中使用開口已經從WO 00/44548所述的一種擠壓設備公知。在本發明中已經發現，在傳送螺杆的整個長度上設置二至八個優選三至六個這樣的開口是合適的。另一種估算設置多少開口才是有利的方法是，開口間沿縱向的平均長度是螺紋段外徑的1至4倍，優選為1.5至2.5倍。開口的作用在於均衡螺紋段的壓力側和吸力側之間的壓力差，已發現這樣可以獲得物質內更加均勻的壓力分布。物質的高粘度使得所傳送物質內的壓力差產生比低粘度物質時大的多的局部壓力梯度，因為該物質由於該壓力梯度不會立即流動，因而使其均衡。
在本發明的一個優選實施例中，所述的一個或多個開口在外周上延伸120度至240度，優選地在外周上延伸150度至210度，以獲得開口的最佳效果。
本發明還涉及一種用於製造冰激凌的設備，其包括一個具有內表面的通流冷凍器，該冷凍器緊密地包繞一個如本發明所述的傳送螺杆；用於驅動傳送螺杆繞其縱向軸線旋轉的驅動裝置；用於冷卻所述內表面的冷卻裝置；以及入口和出口，以分別將一冰激凌物質引導至傳送螺杆的入口端並從其出口端引出。
所述的冷卻設備優選地適用於將4度到25度的通流的冰激凌物質冷卻到零下1度到零下10度。
使本發明成為可能的方法本身也可被考慮為一發明。
下面由附圖中給出的一個例子對本發明進行說明，其中圖1是一示意圖，其示出了具有本發明之設備的一套設備；圖2所示為本發明的傳送螺杆從兩側看的情形；圖3所示為圖2所示傳送螺杆的A-A剖面圖；
圖4所示為圖2所示傳送螺杆的B-B剖面圖；圖5所示為圖2所示傳送螺杆的C-C剖面圖的一部分；圖6所示為圖2所示傳送螺杆的D-D剖面圖的一部分；和圖7所示為圖2所示傳送螺杆的立體圖。
附圖中所有尺寸以毫米表示。
具體實施例方式
如圖1示意性示出的這種用於生產擠壓冰激凌產品的製造設備，其包括一個在前的通流冷凍器(through-flow freezer)1，其由供應部2經過泵3供應「混合物」；以及一個混合室4，在該混合室內所述混合物與來自壓縮氣源5的空氣混合以獲得傳統上大約100％的膨化率。這種準備好的冰激凌物質在通流冷凍器1內被冷卻到低於0度的溫度比如零下2度到零下10度，所述溫度對於所述物質以後分割成部分以及成形都十分正常。
與本發明相關地，被冷卻的物質將通過一個管線6被進一步傳送通過一個在後的通流冷凍器7，以進行後面的零下12到零下25溫度下的擠壓，從而使得被切割的冰塊體可以被包裝以直接送至冷凍存放處。在後的通流冷凍器7為強制傳送，即其包括一個由馬達驅動的傳送螺杆8，所述馬達在這裡用W(工作)指示以表示這種驅動將向冰激凌物質產生一特定的動力供應，這樣做部分是因為傳送功能而部分是因為傳送螺杆8必須進行刮掉固體的冷凍冰激凌物質的刮擦工作。通過一個出口管線9對該冰激凌物質引導，以進行其他工作例如擠壓。
圖2中對傳送螺杆8進行了詳細圖示，其包括一個在其入口端部10處的用於安裝傳送螺杆8的中心孔11，該孔沿截面B-B顯示於圖4；以及一個用於與馬達W耦連的槽12，該槽沿截面A-A顯示於圖3。一個外徑為105mm的刮擦螺紋段13從入口端前進，並且從該入口端部10與螺紋段13的行進平行有另外三個外徑為97.8mm的輔助螺紋段14、15、16，這樣這三個輔助螺紋段不會接觸在後的通流冷凍器7的冷凍缸壁。
傳送螺杆8在螺紋段13、14、15、16開始的位置到最後螺紋段20的端部之間的縱向距離為738mm。第一輔助螺紋段14從開始到結束的縱向距離為68mm，第二輔助螺紋段15從開始到結束的縱向距離為188mm，而第三輔助螺紋段16從開始到結束的縱向距離為298mm。刮擦螺紋段13類似地從開始到結束的縱向距離為298mm，且之後有第二刮擦螺紋段17，該刮擦螺紋段17開始之處距入口端部10的距離較之第一刮擦螺紋段13的結束位置距入口端部10的距離要短10mm，並且具有一個半轉的移位，從而使得產生了一個延伸180度的沿外周行進的開口。這兩個刮擦螺紋段13、17以這樣一種方式沿縱向彼此搭接，這樣，後續通流冷凍器7內冷凍缸壁的各處都被螺紋段13、17刮到。
第一螺紋段13、14、15、16的螺距為120mm，即每轉沿縱向延伸120mm。由於傳送螺杆8的外徑為105mm，因此無量綱螺距為1.14。第二刮擦螺紋段具有一個小的螺距即112.5mm或1.07，並且在行進122.5mm後續接有第三、第四和第五刮擦螺紋段18、19、20，其具有變小的螺距1、0.93和0.86，且各螺紋段18、19、20在這裡分別以10mm的量與前面一個搭接，並且類似地與之成比例地旋轉半轉。圖5示出了刮擦螺紋段18的C-C剖面，而圖6示出了輔助螺紋段15的端部。最後，圖7以立體視圖方式示出了完整的傳送螺杆8。
螺紋段13-20的端部必須精細地環繞，以防止在端部附近產生大的壓力梯度，否則會導致空氣局部地被擠出冰激凌物質，其結果，膨化率變小，而氣室較大。刮擦螺紋段13、17、18、19、20可以選擇性地在壓力側即位於前面且刮擦冷凍缸內表面的這側上設置一個刮擦突起，以使所述表面刮除冰變得容易。從文獻中可以獲知有關刮擦突起的眾多設計。
權利要求
1.一種傳送螺杆(8)，具有多個均沿繞縱向軸線的一螺旋路徑延伸的螺紋段(13-20)，至少兩個螺紋段(13-16)從傳送螺杆的一入口端部延伸，其中，這兩個螺紋段(13-16)的外邊緣以距所述縱向軸線不同的徑向距離延伸。
2.如權利要求1所述的傳送螺杆，其中，至少一個以距縱向軸線較小徑向距離延伸的螺紋段(14-16)從所述傳送螺杆的入口端部與以距縱向軸線較大徑向距離延伸的螺紋段(13)大致相同的縱向位置處延伸。
3.如權利要求1或2所述的傳送螺杆，其中，一個或多個以距縱向軸線較小徑向距離延伸的螺紋段(14-16)從所述入口端部延伸並且沿所述傳送螺杆延伸其整個長度的5％到65％，優選7％到50％。
4.如權利要求1至3中任一項所述的傳送螺杆，其中，至少兩個以距縱向軸線較小徑向距離延伸的螺紋段(14-16)從入口端部延伸，並且從入口端部延伸不同的縱向距離。
5.如權利要求4所述的傳送螺杆，其中，所述螺紋段(14-16)從入口端部延伸的距離差為傳送螺杆整個長度的8％到50％，優選從12％到40％。
6.如前述權利要求任一項所述的傳送螺杆，其中，所述螺紋段(13-16)在傳送螺杆的所述入口端部處的螺距為0.9到1.4，優選為1.1到1.3。
7.如前述權利要求任一項所述的傳送螺杆，其中，所述螺紋段(17-20)的螺距沿傳送螺杆縱向減小，其在該傳送螺杆的一個出口端部處減少到0.7至1，優選地，減少到0.8至0.9。
8.如前述權利要求任一項所述的傳送螺杆，其中，在沿傳送螺杆縱向的任一位置，至少一個螺紋段(13、17-20)延伸至一個給定的最大半徑，使得將傳送螺杆放入柱形腔時傳送螺杆的旋轉可以刮擦到柱形腔的整個內壁。
9.如前述權利要求任一項所述的傳送螺杆，其中，所述延伸至距縱向軸線之最大徑向距離的螺紋段(13、17-20)沿縱向不連續地前進，使得在這些螺紋段(13、17-20)之間沿縱向的至少一個位置處存在沿外周延伸的開口。
10.如權利要求9所述的傳送螺杆，其中，所述開口或多個開口延伸外周的120至240度，優選延伸外周的150至210度。
11.一種傳送裝置，包括一個具有內表面的靜止部件，該靜止部件緊密地包繞一個如權利要求1-10中任一項所述的傳送螺杆(8)；用於驅動傳送螺杆(8)繞其縱向軸線旋轉的驅動裝置(W)；以及入口(6)和出口(9)，以分別將一團物質引導至傳送螺杆(7)的入口端(10)並從其出口端引出。
12.一種用於製造冰激凌的設備，包括一個具有內表面的通流冷凍器(7)，其緊密地包繞一個如權利要求1-10中任一項所述的傳送螺杆(8)；用於驅動傳送螺杆(8)繞其縱向軸線旋轉的驅動裝置(W)；用於冷卻所述內表面的冷卻裝置；以及入口(6)和出口(9)，以分別將一冰激凌物質引導至傳送螺杆(7)的入口端(10)並從其出口端引出。
13.如權利要求12所述的設備，其中，所述的冷卻設備優選地適用於將4度到25度的通流的冰激凌物質冷卻到零下1度到零下10度。
14.如權利要求12或13所述的設備，其中，所述的驅動裝置(W)適用於驅動傳送螺杆(8)以每分鐘10到50轉，優選為每分鐘20至35轉的轉速旋轉。
15.製造冰激凌物質的方法，其中，所述冰激凌物質被冷卻到低於0度的溫度，例如零下1度到零下10度，然後將其送入如權利要求12-14中任一項所述之設備的入口(6)中。
全文摘要
一種用於傳送高粘度物質的傳送螺杆以及具有這種傳送螺杆的設備，該設備優選地用於生產冰激凌。所述螺杆具有多個螺紋段，其中，至少兩個螺紋段從傳送螺杆的入口端部處延伸，並且該兩螺紋段的外邊緣以距縱向軸線不同的徑向距離延伸。這樣，徑向較短的螺紋段輔助傳送所述物質的一部分，而不會影響整個物質，特別是不會影響冰層，該冰層利用一通流冷凍器內的傳送螺杆而產生在冷凍缸的內壁上。將該物質冷卻到零下15度或更低的溫度，為擠壓該物質用於成形做準備。
文檔編號A23G9/16GK1871113SQ200480001977
公開日2006年11月29日 申請日期2004年1月8日 優先權日2003年1月10日
發明者亨裡克·古爾德曼·拉斯穆森 申請人:特綽拉瓦金融控股公司