菸草膨脹方法和裝置的製作方法

2023-12-04 12:30:56

專利名稱：菸草膨脹方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於膨脹菸草的方法和裝置。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裝置。
在過去的二十年中，菸草膨脹的方法是香菸製造工藝中的一個重要部分。菸草膨脹工藝被用來恢復菸草松堆密度或恢復在菸葉加工處理和貯存時失掉的體積。另外，膨脹菸草是許多低焦油及超低焦油香菸的一個重要組份。
Fredrickson的美國專利3，524，451和Moser等的美國專利3，524，452揭示了使菸草與浸漬劑接觸，然後迅速加熱以揮發掉浸漬劑並膨脹菸草的方法。Fredrickson等的美國專利3，683，937揭示了菸草的氣態浸漬，然後加熱或迅速減壓而使菸草膨脹。
在Utsch的美國專利4，235，250；Burde等的美國專利4，258，729及Sykes等的美國專利4，336，814中揭示了在膨脹菸草中對二氧化碳的使用。在這些及相關的方法中，呈氣體形式或液態的二氧化碳直接與菸草接觸以用作浸漬，被浸漬的菸草是在迅速加熱條件下進行膨脹。在已知的二氧化碳膨脹過程中，典型地需要過量地加熱菸草以得到顯著和穩定的膨脹。該過量的加熱會危及菸草的口味和/或產生過量的菸草細粉。另外在用液態二氧化碳浸漬菸草的工藝中會引起乾冰嵌在浸漬的菸草中結成硬塊的現象，而這些硬塊在加熱處理前必須被破碎，從而增加了工藝的複雜性。
Meritt等的美國專利4，388，932揭示了用來增加前期膨脹菸草的重新排序後的填充容量的方法。將烘箱揮發物(OV)含量少於6%的前期膨脹菸草再進行加熱使其OV含量值少於3%。由於除水之外不多於菸草重量0.9%是揮發的，故菸草的OV含量據說是近似等於菸草中水份的含量。讓從膨脹後加熱步驟中回收到的極低OV含量的菸草經受重新排序步驟的增加其水份含量，據稱這比在膨脹後不進行加熱處理的菸草在重新排序中更不易分散解體，在加熱處理階段使菸草固化被認為是增加膨脹過的菸草在重新排序中穩定性的原因。
White和Conrad的美國專利4，531，529闡述了用來增加菸草填充容量的方法，其中菸草用低沸點及高揮發性膨脹劑，如氣相的滷化碳或烴，在高於或接近膨脹劑的臨界溫度及臨界壓力下浸漬。迅速將壓力降低至大氣壓，使菸草膨脹而無需加熱步驟來膨脹菸草或使菸草固定於其加熱膨脹的狀態。該方法的壓力範圍為36kg/cm2(512帕)以上，但無已知的上限，也曾用低於142kg/cm2(2，000帕)進行令人滿意的菸草膨脹而無過多的破碎。
Conrad和White的美國專利4，554，932闡述了一種液壓處理裝置，它包括一個圓桂管形的外殼及一個滑塞裝置，滑塞可在殼外的加料位置及殼內的處理位置之間作往復運動。當滑塞在殼內時，裝在滑塞圓桂形末端上環形槽中的可變形密封環徑向受力向外與外殼的內壁緊貼，從而在外殼內滑塞兩端之間形成一個壓力室、用管道將工作流體引入在外殼內形成的環形壓力室。用該裝置可在高壓下以膨脹劑當浸漬菸草從而使菸草進料、出料方便，並可避免與常規壓力密封鎖閉機械有關的關閉和開啟的問題，如樞軸性壓力釜蓋子的關和開問題，因而該壓力容器可以節省時間，並增加了菸草膨脹的經濟效益。
包括上述及其它方法的菸草膨脹方法，當使用顯著高於大氣壓的浸漬壓力時，必須分批加工。分批處理工藝需要複雜的處理設備，由於從容器中引入和除去浸漬劑及開啟和關閉容器需要時間，放其循環周期長。已通過改進各種設備來降低循環時間以提高生產量，但是，在已知的分批處理系統中，生產量的顯著提高，主要是根據常規技術通過增加單個系統的體積和/或增加同時使用的分批處理系統的數量而取得的。
本發明提供了能在高壓浸漬菸草的條件下快速生產出膨脹菸草的菸草膨脹方法和裝置，該方法和裝置典型的菸草浸漬和膨脹循環時間少於20-30秒；且對諸如丙烷的膨脹劑進行預熱、預加壓；對各批菸草進行預熱和/或在高壓浸漬區壓縮菸草以以高壓浸漬容器中大大增加使用空間。
本發明的一個方面是顯著提高了在高壓浸漬的條件下的菸草膨脹方法中菸草填充容量增加的程度。本發明的另一個方法是提供了快速的分批進料系統，它可以可靠、經濟地將預定大小的菸草批料輸送至浸漬區並快速、經濟地預熱菸草。本發明也提供了對高壓/高速、滑塞外殼型菸草浸漬裝置的裝置改進。本發明進一步提供了用來快速產生和供給高溫/高壓浸漬氣體包括諸如丙烷的可燃性氣體的改進的蓄氣裝置。改進的蓄氣器可以使任何時候存在於系統中的這類氣體的質量最少，並取消了現有技術蓄氣器所要求的昂貴和麻煩的運動部分。
根據本發明的第一個方面，通過在高壓菸草浸漬區中用膨脹劑浸漬水份含量的菸草，在一定條件下膨脹浸漬過的菸草以得到也是高水份含量的膨脹菸草，在膨脹後再乾燥膨脹的菸草，從而顯著提高了菸草填充容量的增加值。較好的是在膨脹後較短的時間裡，例如在膨脹後的5分鐘內乾燥膨脹的菸草。雖然將提高水含量的菸草進料至高壓浸漬區中，在膨脹時不加熱的工藝中菸草在膨脹後會變碎，但已發現填充容量的增加值是隨溼度的增大而增大的，而且填充容量的增加可通過在膨脹後將菸草乾燥至含水量少於13%來加以保存。優選的乾燥處理是在350°F(177℃)或更低的溫度下進行，菸草的含水量不能少於6-8%(重量)從而使菸草還能保護揮發芳香的氣味。
為了使菸草膨脹程度有本質上的增加，進料至浸漬區的菸草的含水量有利的是大於20%(重量)，較好的是大於24%(重量)。較好的是在浸漬前，將高含水量的菸草預加熱至大於150°F(66℃)。根據本發明，在菸草膨脹後進行乾燥可以保存膨脹菸草的高填充容量的水準。
本發明的另一個方面是能使各批菸草快速進料及預先置定其批量大小以供浸漬並接著膨脹。根據本發明的這個方面所提供的裝置包括用來形成菸草垂直柱的基本垂直放置的計量管，較好地裝有帶多個叉齒的菸草柱分隔裝置，它與計量管相配合，並選擇性地嚙合入菸草柱中，使菸草被分成在分隔裝置之上並向分隔裝置支承的上部，以及在分隔裝置之下的下部。在分隔裝置下部的阻擋部件，可在分隔裝置離開菸草柱時被嚙合入菸草柱中支承菸草柱。阻擋部件與菸草柱是可以脫開的，這樣，當分隔裝置嵌入菸草柱時，脫開阻擋部件可以使菸草柱的下部自計量管放出，這些菸草然後作為一批料進至浸漬區。通過改變分隔裝置和阻擋部件之間的間隔可以很容易地控制菸草批量的大小。
本發明的另一個方面是用垂直放置的計量管來預熱加至浸漬區的菸草。根據本發明的這個方面，將蒸氣注入至計量管中低於菸草柱頂部的位置從而將菸草加熱至高溫，較好的是100°F(38℃)-212°F(100℃)，然後將加熱的菸草輸送入浸漬區中。最好使用上述本發明快速輸料和預置批量的系統將預熱過的菸草作為一批料送入浸漬區。根據本發明，菸草的預熱是很迅速的，因為蒸氣可通過菸草迅速分散開去。另外，蒸氣注入區以上的菸草被上升的蒸氣預熱，它們也可作為蒸氣注入區中菸草的隔熱體，使得熱量損失最少。
有利的是，垂直放置的計量管放在用來將菸草運送至高壓浸漬裝置中的水平放置的運送管道的上壁開口以上。一個往復壓縮的部件被裝在管道中用來將菸草運輸通過管道，並在管道的下遊將菸草壓入高壓處理裝置中。與計量管相連的管道開口裝有一個能將菸草壓入管道的樞軸性開關部件。這使不同密度和批體積的菸草能進入浸漬區而無需替換或改變進料準備。
本發明也對Conrad和White的美國專利4，554，932的滑塞和外殼裝置作了改進，提高了其耐久性及速度。當該滑塞和外殼裝置用於本發明的較好實例時，它們以每分鐘循環4-5次或更快的速度運行、這樣高壓滑塞和外殼裝置較好的是在一天12小時在循環3，000-3，600次或更高，雖然該裝置改進了菸草膨脹的速度和經濟效益，但已發現在高溫及高壓下滑塞圓柱形末端部件上的彈性密封環的反覆向外膨脹，會使密封環過早失效。
根據本發明，通過減少滑塞部件和管形外殼內表面在鄰近彈性密封不的一處或多處的徑向間隙可以改善密封環的操作及壽命，這較好地通過在滑塞的每個圓柱形末端部件上裝有至少一個周邊擴大的磨損環來實現。該磨損環裝在與彈性密封環的軸向末端表面至少一個部分軸向相鄰並相接觸的位置上。較好的是將擴大磨損環放在與每個彈性密封的兩個軸向端面部都接觸的位置，由於磨損環的周長比滑塞的大以防止滑塞刮削外殼，故與磨損部件相鄰處的滑塞和外殼間的軸向間隙減少了。將彈性密封環裝在與磨損環相鄰的位置，在這些環於高壓下被壓向外膨脹時，磨損環可以給密封一個軸向的支持。結果，使密封環的周邊位置處的軸向變形損壞最小。
根據本發明的另一方面，通過增加在外殼裡環形高壓浸漬區中高壓、氣相膨脹劑輸入及排出的速度來改進滑塞和外殼浸漬裝置的效能。這可通過增加連通殼體內外的進氣口和出氣口的總橫截面積並同時加上顆粒阻擋裝置使進入汽門的菸草最少來實現。
在本發明的一個實施方案中，通過多個穿越外殼並周邊環繞地分散於柱形外殼上的相關聯的汽門向外殼中引入和除去高壓氣體，一支外部歧管部件環繞在汽門周圍並含有工作流體，使其能通過周邊的汽門加入外殼中。外殼內裡的每個汽口的直徑小於預定的大小以防止菸草進入汽口。
在一個替換的實施方案中，在殼體上至少有一個擴大的汽口其直徑大於菸草顆粒。伸長的阻擋部件的外表面比汽口直徑寬，該伸長的阻擋部件在滑塞的末端部件的周邊處進行縱向相連，並徑向對準汽口的開口。當滑塞的小室部分，即末端部件之間的部分通過外殼移動時，阻擋部件覆蓋了汽口以防止滑塞小室中的菸草進入擴大的汽口中。較好的是在外殼上有至少兩個擴大的汽口及在滑塞上有相應數量的阻擋部件。
本發明的另一個方面是提供了用來產生和貯存高溫、高壓的一批批氣相膨脹劑，較好的是生產和貯存高於250°F(121℃)及高於2，500psig的丙烷的高壓蓄氣器。過去以每分鐘4-5次以上的速度向浸漬區提供高壓及高溫丙烷需要貯存大體積量的高壓、高溫丙烷或者需要使用其中有被可動部件分開的小室的壓力容器形式的蓄氣器。惰性加壓氣體被放在一個小室中，丙烷貯存在另一個小室中。周期性地在容器中加入並排出丙烷，可動部件就在在容器內移動，但常會發生故障。
本發明的蓄氣器使用了含有膨脹劑和氣相加壓流體的高壓釜，但在膨脹劑和加壓流體之間無分隔部件。在一個實例中，將釜保持在加壓流體和膨脹劑的臨界溫度以上以及可將加壓劑和膨脹劑保持在接近液體高密度的高壓力下。所選擇的加壓劑相對於膨脹劑的擴散性質，是要使兩種流體在釜中的條件下保持接觸而因它們之間的擴散所產生的質量轉移非常少。較好的加壓氣是氮，膨脹劑是丙烷，在高於2，500psig的壓力及200°F(93℃)的溫度下，這兩種氣體可在釜中基本上彼此分開，結果丙烷可以從釜中循環地加入和除去，極少有氮氣混入丙烷而損耗。
在另一個蓄氣的實例中，將膨脹劑和氣態加壓流體放在高壓釜中，該釜包括第一和第二區，它們是這樣安排的將兩種流體在接近和高於臨界溫度和壓力下分開，以及與第一和第二區都有流體連通的第三區，以便在第一和第二區間保持一道屏障流體。屏障流體可以是水，這可以防止加壓液和膨脹劑間發生顯著的質量轉移。
附圖是構成了本發明原始揭示範圍的一部分，其中

圖1是用於本發明的一個較好的浸漬設備的截面圖，其中種種不同操作位置部分用虛線顯示。
圖1A是可有利地用於圖1的設備中以迅速提高溫高壓的浸漬劑的蓄氣器的截面圖，該蓄氣器包括第一和第二區，它們排得可將兩種流體在接近和高於臨界溫度和壓力下分開，以及與第一和第二區有流體連通，以便在第一和第二區間保持一道屏障流體的第三區；圖2是較好的菸草進料和加料裝置的截面圖，該裝置包括一對垂直取向的計量管，它們是安排得可以用來為一對在圖1中處於浸漬裝置上遊的水平取向管道進料；圖2A是與圖2中菸草加料裝置中的水平管道相配的往復菸草壓縮部件一個末端的放大的截面圖；圖3是圖2中線3-3處的放大截面圖，並顯示了與圖2中計量管相關連以向菸草柱中注入蒸汽的蒸氣注入設備的一個較好實例。
圖4是圖2中線4-4處的放大截面圖，並顯示了與圖2裝置中計量管相關連的一種不同的有利的蒸氣注入器的實例。
圖5是圖2中線5-5處放大的截面圖，它顯示了與圖2設備中計量管相關的菸草柱分隔裝置的較好實例。
圖6是圖5中線6-6處取出的顯示圖2中計量管較低位置的部分前視圖，(其中一部分被剖開)它顯示了與圖5菸草柱分隔裝置相關連的許多刷子；圖7是圖2中的進料裝置的部分放大截面圖；顯示了蒸注入裝置、菸草柱分隔及用來分發預定體積的菸草至圖1的浸漬膨脹裝置中的阻塞部分。
圖8是圖1的滑塞和外殼裝置一個末端部分的截面圖，顯示了與滑塞末端部件相連的密封環和磨損環，也顯示了在外殼壁上用來將工作流體引入浸漬區的沿周邊分布的許多通孔；圖8A是圖8所示設備中一部分的放得非常大的截面圖，它顯示了穿越外殼壁的各個氣孔的較好的截面圖；圖9是圖1的浸漬裝置下遊所用的菸草乾燥迴路的截面圖；圖10顯示了用於圖1的滑塞和外殼裝置中的替換換流體引入裝置的截面圖，所示的運動中的滑塞在它的加料及浸漬位置之間，其中在外殼上有擴大的通孔，通孔阻塞部件裝在滑塞上與擴大的通孔徑向對齊；圖11是圖10線11-11處的截面圖，它顯示了當滑塞移動穿過外殼時，滑塞上的通孔阻塞部件是如何塞住通孔的；圖12是圖10和11設備分解出來的長阻塞部件的透視圖；圖13是具有種種含水量及各種菸草預熱程度的菸草膨脹曲線；圖14是說明菸草膨脹隨著浸漬時由膨脹劑造成的不同的菸草密度及隨著不同的浸漬時間而不同的菸草膨脹曲線；圖15是將各種膨脹數據綜合的曲線，以顯示出本發明膨脹方法和裝置的靈活性，並可以看出從圖1的設備中可得到的每小時菸草體積的增加(以m3小時表示)是浸漬時間和菸草壓縮程度的函數。
下面闡述了本發明不同方法和裝置的實例。雖然本發明參照了特定的方法和裝置，包括附圖中所示的方法和裝置來說明，應當明白這不是用來限定的。相反的，本發明包括許多替換、修改及等同物，這可由前面所討論及下述的詳細說明明顯看出。
圖1圖示了本發明較好的浸漬方法和裝置，包括大體根據美國專利4，554，932(Corrad,1985.11.26頒布)的結構的滑塞和外殼，這裡引用了其整個揭示內容。在4，554，932專利中揭示了種種細節，為了簡便起見，這裡就不再重複了，但是，參考該專利是可見這類細節的。
如圖1所示，菸草較好地先在準備區10中處理的將其含水量增至16%(重量)，較好的在20%(重量)以上。將有增加了含水量的菸草然後通過進料區12，菸草在其中加熱的方法將在下面作更詳盡的敘述，然後再進料至往復的滑塞和外殼的高壓流體處理裝置中。
滑塞和外殼高壓流體處理裝置包括由柱形殼體或外殼14和滑塞裝置16圍成的壓力容器，外殼14及滑塞裝置16可由任何合適的材料，包括不鏽鋼之類製成，外殼和滑塞的特定結構和大小應當明顯地足以能承受壓務釜中的壓力。
滑塞裝置16包括圓柱形末端部件18及連接杆20。當滑塞16如圖1所示的那樣在外殼14中時，兩個末端部件18及連接杆20和外殼14圍成了有預定體積的環形空間22以構成密封的壓力室或區。滑塞裝置16被水平放置，可在以虛線表示的加料位置24和也以虛線表示的卸料裝置26以及如圖1所示的浸漬位置間作來回運動，通過部分示於圖1的軸28與液壓活塞或相似的馬達裝置(示作顯示)軸向連接，使滑塞在3個位置間運動。
滑塞在位置24裝料，這在下面要作更詳盡的敘述，然後移動至浸漬位置。在浸漬位置處，裝在滑塞末端部件18中形成的環形槽中的彈性體密封環30的徑向膨脹，使滑塞被密封在外殼中。彈性體密封環30的結構將結合圖8作詳盡的討化。
密封環是由可變形彈性體材料，如硫化橡膠來形成的安裝成能通過液體管32來接受液壓液體。諸如食用油之類的液壓液體由液壓貯蓄器34通過管道32來驅動。液壓液體通過一個穿過連接杆36的孔地液壓液體壓入滑塞的一個末端。如圖1部分所示，連接杆36與滑塞16的至少一端相連。液壓液體驅動了密封環內部向外膨脹並封住壓力室22以防止洩漏。
高壓氣供給管38和廢氣管40各自通過多個口42穿過外殼14，這在下面將結合圖8作詳細討論。如圖8所示或如圖10、11和12放大的截面圖所示，這些口可繞外殼14的周邊分布，當滑塞部件16在浸漬位置時能讓富壓液體進出壓力室22。外部歧管44環繞著口42並含有工作液，使其能通過周邊口42進入外殼14中，高壓流體流經口42，然後通過多個口及滑塞上的通道進入裝載及壓縮在滑塞連接杆20周圍的菸草，如圖8所示，並將在下文討論。
一對快動閥46和48用來快速向浸漬室22中引入及放出流體。這些閥較好的是通孔直徑為0.5-1.5英寸或根據浸漬區22的大小直徑更大的球閥，從而能基本上瞬時地從菸草區22中加入和除去高壓流體。閥通過快動液壓執行器(未顯示)來開啟和關閉。
在輸入端，高壓氣管道38與貯蓄裝置50相連，下面將作詳細討論，加熱器52用來將輸至貯蓄器50中的氣體加熱。貯蓄器50也可通過圖上未顯示的裝置來加熱以保持在貯蓄器中的流體處於加熱狀態，高壓泵54被裝在加熱器52的上遊以在例如2，500psig的壓力下將高壓流體進料至加熱器52和貯蓄器50中。用來從菸草區22中除去高壓液體的管道40與任選的氣體回收區(未顯示)相連以回收從浸漬區排出的流體。
貯蓄器50用來向圖1所示的滑塞浸漬中的浸漬區供給菸草流體，如2，500psig的丙烷。貯蓄器50包括由耐高溫高壓材料製成的管形釜56。在貯蓄器的頂端和末端依次有口58和60用來接納高壓氣體。
諸如高於2，500psig壓力下氮氣的惰性高壓氣體通過口58進入容器並因為容器內的壓力和溫度條件而被基本上分開地保留在容器的上部62中，而膨脹流體，如丙烷通過口60進入容器並在較高的壓力，如2，500psig以上壓力下被留在釜的下部64中。容器56被保持在接近或高於加壓流體及膨脹劑的臨界溫度和壓力的溫度和壓力。在這些條件下，並選擇諸如氮氣作為加壓流體，丙烷作為膨脹劑，在兩個液體區62和64中的氣體彼此的相對擴散度足夠低，從而使兩種液體各自基本分隔在貯蓄器50中。
當膨脹劑從貯蓄器中排出時，由傳感裝置(未顯示)未感測壓力的降低，控制器激動泵54使泵馬上將高壓膨脹劑，較好的是丙烷，重新充入至貯蓄器中，壓力傳感器可以裝在貯蓄器中或全部在泵54中。在使用本發明圖1中浸漬區22浸漬菸草期間，蓄氣器50能在5-30秒的短時間內再填滿。
如圖1箭頭65所指出的，蓄氣器50中膨脹劑的水平隨著它加入釜中及從釜中排出，在預定的上位水平和下位水不平間循環地改變著。下位水平距釜底有預定的距離，從而使排出膨脹劑時不會同時排出加壓液體。下位也選擇得可以防止接近兩種液體交界面處的膨脹劑被排出。對於丙烷和氮氣，雖然可根據釜的大小及條件容易地使用不同的水平，但丙烷液體的下位水平有利地選擇為約一英呎。
水平控制裝置LC可用來輔助將膨脹劑，如丙烷的水平維持於上面討論的預定範圍之內，較好的是使用流體交界面水平敏感器之類的儀器以感測出膨脹劑和加壓流體之間交界面的位置。一個一體的或分開的控制系統可以響應水平敏感器，並按需控制加壓流體，如氮氣加入或放出蓄氣。使膨脹劑保持在上位水平和預定的下位水間。
在排除膨脹劑之後，向蓄氣器中泵回新鮮的膨脹劑直至達到預定的上位壓力水平。預定的上位壓力基於(1)蓄氣器、浸漬區22及蓄氣器50和浸漬區22間的管道38的總的體積及(2)浸漬區所需的壓力來定。由於隨氣體排至氣體管38中並然後進入浸漬器的浸漬區22氣體體積增加了，蓄氣器的壓力下降，上位壓力必須足以使膨脹劑的最後壓力達到菸草浸漬的預定壓力。這樣當最終壓力為2，500psig上位壓力根據上述因素可以是假如2，700-3000磅/吋2。
典型地在膨脹劑與同時存在於蓄氣器中的加壓流體接觸時由於加壓流體會被膨脹劑所吸收，故加壓流體會隨著時間而有所損耗。雖然流體間的氣體擴散極低，在蓄氣器中的二種流體理論上可以基本上分開，但即使極低的擴散值，也會由於這兩種流體一定程度的混合，而使少量加壓流體隨膨脹劑的每次排出而排出。但是，少量的加壓流體的吸收通常對菸草膨脹無不良影響。
該系統可包括一用作膨脹劑再循環的回收系統，回收通常是把使用後的膨脹劑進行分離並除去了吸收的加壓流體以得到相當純的膨脹劑用於再循環。但是，典型地不回收被吸收的加壓液體；另外，在膨脹劑中吸收的加壓流體典型地會減少使用後能夠經濟地加嘏的膨脹劑的數量。被膨脹劑吸收的加壓流體的量根據兩種液體在蓄氣器50中的溫度及壓力下的擴散值及蓄氣器內的擾動情況而定，較好地為少於約5%(重量)。
適合於使膨脹劑吸收加壓流體最小的蓄氣器如圖1A所示。該蓄氣器50在分隔開加壓流體和膨脹劑的區中具有第三種密度更大的流體，如水，作為在兩種流體間的可移動的流體屏障。從圖1A中可見，蓄氣器50′包括用來容納諸如氮氣的加壓流體的第一區62′及在高溫及高壓條件下容納並分開地保留膨脹劑的第二區64′。第三區61將第一和第二區有液體連通，並保持稠密的流體介質，如水，以在第1和第二區的流體間作為屏障液體。
在圖1A的蓄氣器顯示的屏障液體使加壓流體和膨脹劑即使在擾動增大的條件下，其混合最少或者完全消除。該特徵減少了加壓流體的損耗，結果減少了其回收期間膨脹劑的損失，由於吸收流體的分離不再是一個重要的問題，這可以簡化膨脹劑回收系統的設計。在圖1A的蓄氣器中，丙烷之類的膨脹劑一般會吸收少量的屏障液體，如水。
將水源和氮氣源如圖1A所示接通至蓄氣器50′，分離界面水平檢測器較好地與一體化的或分開的控制裝置一起使用以控制水和氮氣進入蓄氣器中。這些控制器會響應水平檢測器並可以一定速率加入一定量的水，使其總體足以保持在蓄氣器中預定的上位和下位的控制極限內。此外，控制裝置會響應檢測器的信號加入和除去氮氣以將如一氮交界面的位置或高度保持在預定的控制範圍內。
在圖1A的蓄氣裝置中，使膨脹劑基本上分開的第三區部分地由在高壓釜的上部中部分關閉的柱形室圍成。這種或相似的安排是在用比加壓流體或膨脹劑密度均大的屏障液體時的優選系統。應當明白該結構及排放只是較優選的結構，也可有其它在釜中有可動的分隔其它液體的屏障液體的容器設計。
圖1和1A顯示了本發明較好的蓄氣器，但是，其它用來基本上立即釋放高壓、高溫膨脹劑的裝置也可被使用。例如，也可用只含有保持在臨界溫度以上的高密度膨脹劑的容器。當與在每個循環中排出的膨脹劑質量相比，容器內的膨脹劑質量很大，而且保持在高密度，從容器中排出膨脹劑時，在膨脹劑中只有相當少的壓力下跌。
例如，在2750磅/吋2、300°F(149℃)下，丙烷的密度是23.76磅/呎3。在相同的溫度及2，500磅/吋2壓力下，丙烷的密度是22.8磅/吋3。這樣，保持在2，750psig及300°F(149℃)下1呎3容器中的丙烷，可以排出300°F(149℃)下的丙烷0.96磅至浸漬區，而只有極小的壓力下降，即從2，750磅/吋2至2，500磅/吋2在本發明的另一個實施方案中，可用機械的蓄氣器來提供膨脹劑。這裡的一個較好的機械蓄氣器是「Metal Bellows,蓄氣器，可從Parker Bertea Aerospace，Paker Hamfin Corp.，Metal Bellows Dwision，Moorpark,California得到。
回到圖1，用於浸漬區22的丙烷壓力較好在2，000磅/吋2(表壓)以上，更好的是在2，500-3，000磅/吋2的範圍裡。根據本發明，可以發現當使用這樣的高壓時，用約2-15秒的極短的浸漬時間來浸漬菸草就可得到所需的菸草填充容量的增加，例如超過50-100%的填充容量的增加，丙烷的溫度有利地保持在280°F(138℃)以上，較好的是在300°F(149℃)和400°F(204℃)間，例如可以是約300-315°F(149-157℃)。這給出了過量的顯熱以用在浸漬區加熱菸草。
對於圖2，闡述了較好的菸草上遊進料和加料裝置。種種形式的菸草，包括菸葉形式(包括梗和筋)、去梗和菸葉、雪茄填料、香菸切絲填料用來制香菸的(切成或撕成的菸葉碎片)之類，較好是菸草切絲填料，通過本技術領域人員已知的設備在方框66中潮溼至含水量至少約13%，較好的是至少20%，並通過氣動傳送管68運至總體地稱為70的計量裝置，有利的是，計量裝置70由兩支分開的計量管72和74形成。較好的是計量管72和74的每支都是矩形礤面，截面大小沿菸草流動方向略有增加或發散，顯然，計量管可以是諸如圓形截面的其它構型。
來自管68的菸草進入了在計量管頂部的進料閥76，並分配於兩支計量管72和74間。在本發明中可用該技術領域已知的將諸如菸草的固體材料加進柱中的任何閥。一個進料閥的例子是如圖2所示的多瓣旋轉閥。這樣分配的菸草形成了基本在計量管72和74中垂直的菸草柱。這些垂直菸草柱有預定的高度。通過高度敏感裝置78來檢測每支計量管的高度。較好的是，每根柱中菸草柱的高度為約3-4呎，當任一菸草柱的高度低於所需的預定高度時，敏感裝置會啟動進料閥使附加的菸草進入管中至所需的高度。
在菸草分配並進入計量管72和74中後，對其進行預熱處理，這也可以進一步使菸草潮溼。預熱菸草提供了在浸漬區中使用適當短的循環時間的熱量條件。另外，加至菸草中過量的水份對獲得良好的膨脹結果和增加菸草柔軟性起重要的作用。根據本發明，現已發現當菸草進入浸漬區22時，其含水量在20%以上，較好地在24-30%之間，預熱至約150°F(60℃)溫度之上可得到增加的膨脹。在本發明中，較好地通過把蒸氣注入計量管的每根柱中使菸草同時潮溼和預熱。因為蒸氣可以有效地將熱量轉移給菸草而同時可以增加其含水度水準，故用蒸氣加熱是合乎需要的。另外，由於菸草是在計量管中與蒸所氣進行接觸，在蒸氣注入區以上的管中菸草可作為隔熱體從而增加了使用注入蒸氣來加熱菸草的效能。
在管中菸草柱頂部以下的某一位置處向計量管72和74中注入蒸氣。兩種較好的蒸氣注入器在圖2中稱為80和82。下面將作詳盡討論，這些注入器需要幹蒸氣，這可由過熱或對蒸氣管和歧管外部加熱防止冷凝來提供。另外，注入蒸氣的溫度應足以將菸草加熱至氛圍溫度以上，較好的是在125°F(52℃)以上，最好的在150°F(66℃)以上，例如在150-200°F(66-93℃)的溫度。
圖3和4顯示了用來將蒸氣注入菸草柱的兩個實施方案。圖3是圖2線3-3處蒸氣注入器80的頂視圖。蒸氣通過管道84注入環繞於計量管72的外部歧管86。歧管與計量管的外壁隔開，形成了一個環繞的閉合空間88。該間含有注入蒸氣，歧管86通過分布於管道相對面上的多個口與計量管的內部相連，通過口90的蒸氣如圖3中的箭頭所示滲入菸草中。
圖4顯示了用來將蒸氣注入菸草柱的蒸氣注入裝置的又一個較佳實例。在圖4中，蒸氣注入裝置是由帶有多個空心叉齒94的空心橋架92構成的插入式帶叉部件。蒸氣注入裝置被水平放置，以在計量管72外部的第一位置和管內的第二位置間作往復運動。可通過軸將液壓活塞或相似的馬達裝置作軸向連接從而使蒸氣柱入器在兩個位置間運動，結果叉齒94按圖4箭頭所示的方向插入和移出菸草柱，當叉齒插入菸草柱時，蒸氣通過管道96注入橋架中，然後進入可插入部件的每個叉齒中，再通過每個叉齒上的多個口98按圖示的箭頭進入菸草柱。
雖然圖2顯示了蒸氣注入器兩個實例的使用，但熟悉該技術領域的人員可以知道蒸氣注入器可以單獨使用。但是，有利的是將兩種蒸氣注入器結合起來使用以保證蒸氣可以穿透全柱的寬度。
本發明的蒸氣注入器較好的是沿菸草柱的高度放在一個選擇好的位置，從而使所有進入柱內的蒸氣在到達菸草頂部前基本上全部冷凝，注入的蒸氣在菸草柱中向上運行，當其上升時在菸草柱內加熱菸草。當蒸氣的熱量逐漸失去後，蒸氣在菸草上冷凝成小直至所有的蒸氣全部冷凝為止。
在預熱和潮溼後，菸草在柱內向下運行，如圖2所示，以作為一批料發至加料管道110中。圖2中有稱為112的菸草柱隔離部件與計量管72和74相配合。如同又狀的蒸氣注入器82那樣，菸草柱隔離裝置水平放置，以便在柱外的第一位置和柱內的第二位置間作水平的往復運動。
圖5顯示了菸草桂隔離部件的較好實例的頂視圖。如圖5所示，菸草隔離裝置112包括一促動杆114，橋架116及多個互相靠得很近的叉齒118。隔離部件上在第一和第二位置間運動，從而將菸草柱分成上部分和下部分，以量出預定從菸草柱底部分配的菸草量。當叉齒118通過下文說明的開口插入菸草柱時，位於隔離裝置以上的菸草柱上部由叉齒支承。相應地叉齒是相隔很近的，例如相隔約 1/4 至1 1/2 吋位於叉齒以下的菸草柱的下部隨後分發至加料管110。
叉狀的菸草隔離部件112較好的是在垂直方向上可調節的，以選擇性的嚙合於菸草柱的多個預定的垂直位置。圖7顯示了菸草柱隔離裝置可在高度H的範圍裡調節。因為調節隔離部件的位置可以調節從柱底部分發的菸草進料量，故它在選擇分發至加料管110中菸草的量時是靈活的。
隔離部件112的叉齒118通過多個垂直伸長的狹通道進入菸草柱中，這些狹通道通過計量管的雙壁與叉齒118對齊，最好是如圖6和7所示。圖6顯示了有垂直延伸狹通道122形成於其中的第一外側壁120。在圖6中對外側壁120作了部分剖析，以顯示出第二個與它隔開的內側壁124，該內側壁包括與垂直狹縫道122對齊的第二排垂直狹縫道126及與之相連的多個水平刷128。另外，有利地是也有許多刷130與外壁120相連。雙壁結構可作為收集盆以收集當叉子從菸草柱中取出時粘附於隔離裝置叉上的菸草顆粒。刷子輔助來除去叉上的菸草顆粒。當叉從菸草柱中取出至壁120之外的位置處時，它們與兩排刷子接觸以從叉子上刷去菸草顆粒，並落在壁間空隙132中。菸草顆粒在空隙132中下落至其下部，並從空隙底部的口134出去。
阻塞部件較好地呈旋轉閥140的形式，並與每個計量管的底部相連。阻塞部件140可在隔離裝置112垂直下方的位置切入菸草柱，當分離裝置離開柱時，它可用來支承菸草柱阻塞部件140也可從菸草柱中脫出，從而將菸草柱低於隔離裝置112的下部釋放至加料管道110中。
阻塞部件140較好的是氣鎖安全旋轉閥。氣鎖安全旋轉閥可以是該技術領域人員已知的任何閥，有利的是無葉片的旋轉閥，如圖7所示，它間斷地操作每次接收一批料和投放一批料。圖7的無葉片包括一支撐能在閥座內旋轉的筐或袋144的閥座142。也可用連續的氣鎖旋轉閥，如使用有多個葉片的閥。
圖7顯示了在倒空的菸草柱支承位置的阻塞部件140。當新的一份菸草要從柱底部分發時，叉狀的隔離部件112被插入菸草柱中，阻塞部件被旋轉180℃，從其阻塞位置轉至菸草接受位置使筐144的開口端146向上，處於與菸草柱相連通的位置。在此位置，筐接受在柱下部的菸草，然後再轉180℃，將預定批量的菸草分發至加料管道110中。使用氣鎖旋轉閥作為阻塞部件萬為合意，因為在其分發菸草位置(如圖7所示)，閥阻塞並支承菸草柱，也在菸草柱和膨脹區浸漬區之間提供密封148。
本發明的批料分發系統有許多好處。分發至浸漬區的菸草的量可以容易和精確地控制住。這樣隔離部件可以在不同垂直位置放置，為浸漬提供種種不同預定批量的菸草。另外，使用計量管可以使每批菸草均勻分布於下面加料管的寬度。菸草以批料分發很快，這樣可使每批菸草快速進至浸漬區中，以配合本發明的短浸漬周期。
再看圖2，預定量的菸草然後分發入加料管110中以裝入浸漬裝置的滑塞。如圖2所示，分開的各批菸草料150通過一對相向的半圓柱形加料及壓縮部件152加料位置24(圖1)裝載至滑塞上，該加料及壓縮部件裝成能在水平管道110中作往復運動。較好的是加料管道110有矩形截面，是用能耐受加料部件在加料室內作往復運動的材料製成，例如用硬化的鋁。另外，有利的是如圖2A所示，加料壓縮部件的上、下表面被硬化的塑料襯套所覆蓋，以在加料室的內壁和加料壓縮部件的外表面之間提供滑潤性以防止加料材料翹曲或卡住。用來製造襯套的示例材料包括由ICI America和RTR Co.生產的聚醚醚酮(PEEK)。
加料部件152通過杆156連接至諸如液壓活塞157之類的往復驅動裝置上以在退後位置和伸出位置之間作循環運動。菸草料通過在其上壁的開口158分發入加料管110中。開口158基本上延伸於加料管的寬度並處於加料部件152的後退位置及其伸出位置間。用來關閉該開口的樞軸關啟部件在處於如圖2虛線所示的關閉位置處能將菸草草料壓入加料室中。有利的是，可以是叉形部件的一對阻塞部件162用來將加料室從浸漬裝置中隔開。阻塞部件162可在加料管外部第一脫開位置及加料管內的第二阻塞位置間移動，以防止在關閉部件關閉時菸草被沿管道吹動。
為了將菸草料加至滑塞16上，菸草批料150通過開口158從旋轉閥140而分發進入加料管110中。阻塞部件被插入管道110中，樞軸性關閉部件160向下關以蓋住開口158，將菸草料裝入並在需要時期可壓縮至加料管中。然後半圓柱形加料部件152移至伸出位置。菸草料被加料部件152水平推過加料管道壓至滑塞16上。相對的半圓柱形加料部件在其完全伸出位置配合起來，繞滑塞的連接杆20形成了一殼體，從而使被壓縮的菸草在滑塞移動至浸漬位置期間仍保持在滑塞連接杆上，下面將作討論。由加料部件形成的圓柱形殼體也可部分地由一個或一對縱向框架部件(未顯示)所圍成，這部件可裝在滑塞的軸以上和/或以下。這類框架部件有利地可與半圓柱形料加料部件的邊緣相配以形成一個繞壓縮的菸草的閉合圓柱形空間。
裝載好的滑塞被移入如圖1和圖8所示的浸漬位置，滑塞兩端的密封環30由來自流體管32的流壓流體沿徑向壓向外面，以封閉壓力室22防止滲漏。有利的是密封環是硬化的或粘至在滑塞末端的周邊形成的環形槽中。在彈性體密封環和流體管32的交界處有一可變形的片或帶153，使密封環在這一點不能粘接，從而能被壓向外。
磨損環、摩擦環之類的環形部件160也可以裝在環形槽中，環形槽是在每個圓柱形的滑塞末端部件的外周形成的。它們是與彈性體密封部件30的至少一個端面向相鄰。磨損環的周長大於每個滑塞的圓柱末端部件，這使滑塞部件16和殼體14間的環形空間或間隙變狹。通過窄化該間隙，彈性密封環30的彈性體在用來密封期間得到更好的軸向支承。這可使密封環由於其周圍邊緣「過分流出或擠出」至滑塞組件的圓柱形末端部件與外殼間的環形空間中所遭致的破壞性變形最小。
較好的是，每個密封環30被連接至磨損部件160的面上及連接至滑塞末端部件外周的表面上。最好的是，磨損部件160裝在彈性體密封環30的兩個端表面軸向相鄰的位置並與相相連。磨損壞可以通過焊接、粘連、硬化工藝之類方法連接至彈性體密封部件上。
圖8也顯示了讓高壓氣體管38和40通過外殼14使膨脹劑快速釋放的優選的通孔結構。多個通孔42沿周邊分布於外殼14的周圍，通孔42的擴大的開口的截面積，作為一組來看，當滑塞部件16在浸漬位置時，使高壓流體進出壓力室22的速度變快。有利的是，通孔42是沿對角線取向並逐漸變細至直徑較小的開口，以阻塞菸草顆粒在滑塞組件從一個位置移至另一個位置時進入通孔中，如圖8所示8和8A所示。
環繞於外殼14的外部歧管45形成了圍繞沿周邊分布的各通孔的環形空間。通孔42與在滑塞末端中的環形槽162對齊，它通過許多徑向發散狀通道164及軸向通道166及在連接杆20的表面形成的槽170相連。一旦通過氣體管38引入後，高壓流體通過通孔42流入通道164和166直至槽170。這裡，流體暴露於裝載並壓縮在滑塞連接杆22上的菸草，並按圖8的箭頭流出通道進入菸草中，在連接杆20周期有一個或多個篩子(未顯示)以防止菸草堵塞槽170。
圖10、11和12顯示了一種能改進滑塞和外殼浸漬器效能的替換裝置，它通過增加高壓、氣態膨脹劑進出外殼內環形高壓浸漬區的速率來實現。如圖10和12所示，帶有滑塞組件16的設備在加料位置和浸漬位置之間運動。這樣所顯示的組件16部分在外殼14裡、部分在外殼14外。在該裝置中，每個通過外殼14的通孔42有利地呈具有擴大截面積的狹通道的形式，即，截面積較好的是與通過在氣體管38和40為浸漬器供給和除去膨脹劑的氣體管38和40閥46和48中開口的截面積相同。這使孔與膨脹流體間的摩擦減少，使膨脹流體進入和離開浸漬器的速度變快。
因為擴大的通孔42的直徑大於菸草顆粒，例如，大於切絲菸草填料的尺寸，圖10-12的裝置包括一個通孔阻塞部件260，(在圖11中可以看清楚)以防止菸草進入擴大的通孔或進入量最小。通孔阻塞部件是外表面262的寬度比口直徑大的長形部件。在圖11和12中可見，阻塞部件260在滑塞組件16的兩個末端部件18的周邊部分之間作縱向連接並與通過外殼的通孔開口42徑向對齊(圖12)。
如圖11所示，阻塞部件跨越了滑塞16的連接杆20的一部分，這部分在滑塞中形成了保存菸草的「室」。當該滑塞部分穿越外殼時，阻塞部件14蓋住通過外殼的通孔42以防止滑塞室內的菸草進入擴大的通孔42中。如圖11和12所清楚示出的。阻塞部件260的外表面262較好的是彎曲的以與外殼14的內表面相配。阻塞部件的下部分優選地是逐漸變小以使可供菸草佔據的空間最大。
較好的是，如圖中所見，通過外殼裝上至少兩個擴大的通孔，在滑塞上裝上相應數量的阻塞部件。歧管45繞在外殼14的外部周圍並圍成了與兩個通孔42都相連的環形空間44，這樣通過歧管口38引入的膨脹劑可同時通過兩個外殼通孔42與滑塞相接觸。相似的是，從歧管口40排除的使用後膨脹劑也通過兩個通孔42排出外殼。這也增加了膨脹劑從滑塞和外殼浸漬器中進料和除去的速度，而降低了循環時間。
再看圖1，在膨脹劑進入浸漬裝置後，壓縮及浸漬過的菸草在浸漬的條件下保持1-2秒直至20秒的短時間。然後，釋放壓力。較好的是基本上瞬時地釋放壓力，即在1秒或更短時間內釋放。這可通過使用有大口徑的快作用閥釋放壓力來部分地達到此目的。有利的是裝上一個未顯示的敏感器以感測浸漬器內的壓力，當其中的壓力達到了預定的高於氛圍壓力，如5psig(磅/吋2)的壓力時，開始使滑塞體上密封環30減壓。用第二壓力敏感器來感測將進至密封環的管道36中液壓液體的壓力。在壓力達到氛圍壓力之前，如達到5磅/吋2(表壓)時，該敏感器使與軸28相連的液壓活塞運行的移動滑塞體。然後滑塞基本上瞬時地移動至卸料位置26以實施菸草膨脹。
當滑塞移至和移離卸位置26時，裝在菸草卸料區中諸如無油壓縮機之類的氣動卸料裝置(未顯示)將諸如高壓空氣或氮氣的流體吹向環繞於捲筒16的菸草上。除去的菸草基本上瞬時地在卸料位置26膨脹，並如圖1所示進料至回收斜槽172，然後至運送裝置174，如螺杆傳送器之類。較好的含有相當水分的菸草，如大於13%通過轉運裝置174運送至乾燥區176。
如圖9所示，膨脹的菸草被送入在乾燥區中的管道178中，在那裡被向上運動的熱空氣帶動向上。有利的是加熱的空氣低於350°F(177℃)，較好地在約200°F(93℃)和300°F(149℃)的溫度間。菸草在溫度和時間都足以使其含水量降至少於13%，較好的是在6-12%(重量)的條件下傳送通過乾燥區。乾燥、膨脹的菸草然後傳至分離區180。在這裡，各種流體，包括膨脹劑，通過篩子182或另一種諸如旋風分離器的分離裝置並進入回收回路184。
通過回收回路的氣體較好的是氮氣或另一種惰性氣體，並通過氣體注入區186注入迴路中。氮氣由加熱器188加熱，通過風扇190，然後再在迴路中繼續前進以帶動菸草。清除氣流192不斷地從迴路中除去並通至熱氧化區，其中氮氣中的丙烷被燃燒掉。
來自分離區180的菸草被通過一對旋轉空鎖閥194和196，然後在回收區198回收。兩個閥的功能是保證無丙烷氣體逸入回收區。因此，在兩閥間充入諸如氮氣的惰性氣體。如圖2所示，由於相似的理由也可在該系統的其它區域充入氮氣。在這方面，如圖2虛線所指出的，可在裝置的下部裝上安全外殼200。這外殼用來回收在使用時逸出系統的任何丙烷。向系統中的不同地方不斷加入氮氣。逸出系統的丙烷在外殼裡回收，並通入熱氧化區進行燃燒。
再回到乾燥處理，雖然當膨脹劑上丙烷或是美國專利4，531，529(White h Conrad)中所揭示的類似膨脹劑時，為了使煙固定保持在其膨脹形式並不需要加熱菸草，但是，業已發現高含水量的菸草比正常含水量的菸草膨脹程度更大。但是，也發現由於高含水量菸草會破碎，故增加的膨脹會部分或全部失去。據發現本發明的乾燥處理能保存增加的膨脹量。
較好的乾燥處理在菸草膨脹後馬上進行，例如，在膨脹後5分鐘內進行，較好地在膨脹後少於約1分鐘的時間內進行。事實上，乾燥可在膨脹後基本上瞬時地進行。例如，用來從滑塞上卸下膨脹的菸草的鼓風機，需要時也可用加熱的氮氣，菸草可以馬上送入乾燥區。
參照圖示了各種含水量及菸草預熱程度的菸草膨脹的圖13，可知含水量對菸草膨脹的影響。在每種情況下，菸草用約2，500磅/吋2的壓力下預熱至300°F(149℃)的丙烷浸漬15秒。膨脹前，菸草的填充值為450cm3/100g，如圖13所示，當菸草預熱至約150°F(66℃)或更高溫度時，將菸草的含水量增加至約20%以上，可以大大促進菸草的膨脹。
當丙烷用作浸漬流體時，來自加熱的丙烷和預熱的菸草的供給浸漬區的累積熱量應足以使浸漬區達到、在240°F(116℃)和270°F(132℃)間，較好的為260°F(127℃)的浸漬條件。現已發現當通過預熱菸草和預熱丙烷共同供給熱量時，可在5秒內或更短的時間裡達到溫度和壓力分別為約267°F(127℃)和2，500磅/吋2的浸漬條件。
浸漬時菸草的壓縮程度也影響了膨脹程度，較好的是在浸漬時菸草至少1.5∶1的壓縮比率被壓縮。壓縮比率根據壓縮前菸草的體積簡定。壓縮前菸草體積或菸草疏鬆填充體積通過測量菸草在1呎×1呎×1呎的立方容器中的密度來測定。將菸草倒入立方容器中並稱重以測定菸草的疏鬆填充密度。在壓縮到滑塞前菸草料的疏鬆填充體積然後從料的重量和菸草的疏鬆密度值來決定。疏鬆填充體積除以菸草料的壓縮體積，即在諸如滑塞的浸漬裝置中處理的體積，就可決定壓縮比率。所有的值進料至浸漬區中的菸草實際含水量下測定，或校正到該含水量下的值。這樣，對於浸漬體為25吋2的滑塞，將疏鬆填充體積為50cm3的菸草壓縮到滑塞上，得到的壓縮比率為2∶1。
有利的是，菸草以大於2∶1，直至3∶1或更大的壓縮比率進行壓縮，壓縮菸草可以增加菸草的密度，使進料至浸漬區的菸草密度顯著地大於壓縮前的菸草密度，本技術領域的人員應當知道疏鬆菸草密度視菸草為葉或切絲填料形式；菸草類型、菸草的含水量及其它因素不同而定。在含水量為12%的基礎上計算的壓買密度為20-35磅/呎3可用於本發明中。雖然增加壓實密度會在一定程度上增加得到同樣膨脹量所需的循環時間，但本發明也成功地應用了以含水量為12%或更高的基礎算出的25-30磅/立方英尺的壓實密度，而浸漬時間少於20秒，填充容量增加量超過50-100%。
圖14是顯示在浸漬時不同的菸草密度使膨脹可以是不同的，並隨不同的浸漬時間膨脹是如何地不同的曲線圖。該圖表示了含水量為27%的菸草樣品用丙烷在上述的相同條件下的浸漬。浸漬時間從4-20秒不同。菸草樣品的在12%溼度和76°F(24℃)下最初鬆散填充密度為6.2磅/呎2，被壓成密度為20、25、30和35磅/呎3(所有的密度按102%含水量計算，或被校正至該含水量)。從圖14中可見，菸草的膨脹隨浸漬時間的增加及菸草壓縮的下降而增加。但是，即使在高壓實密度及10秒或更短的浸漬時間下也能得到優良的膨脹。
圖15顯示了本發明的膨脹方法和裝置的靈活性。該圖是許多膨脹數據的綜合，並表明從圖1的裝置中得到的每小時菸草體積的增加(m3/小時)，這是浸漬時間和菸草壓縮的函數，該數據假設可供菸草佔據的體積為400吋3，處理過程以圖示的循環時間連續運行。明顯的是，當循環時間縮短，菸草壓縮增加時，菸草的輸出量增加從圖15中也可以看出，在短循環時間及增大菸草壓縮時每小時菸草的體積加量最大。這裡因為增大了生產量，儘管每批菸草膨脹量不如較低密度和/或較長循環時間所能得到的那樣大。這樣，本發明提供了菸草的膨脹程度和生產量水平可以變動的靈活方法。
這裡所述的菸草膨脹方法和種種方面是結合以丙烷作為膨脹促進浸漬劑，並用接近或高於臨界溫度的浸漬溫度條件及接近或超過臨界壓力的升高的壓力條件，並結合優選的裝置作具體討論的。應當明白本發明的方法和裝置可有許多種改變。例如，當不需要所回收的膨脹劑，如丙烷時，膨脹劑可在使用後被燒掉。另外，這裡揭示的各種重要的膨脹方法和裝置，雖然特別適合於在超臨界溫度下使用高密度膨脹劑及採用短浸漬時間的菸草膨脹方法和設備，但被認為也適合於使用其它不同的膨脹方法、膨脹流體及裝置的情況。
這裡所指的菸草填充容量用電子自動填充容量計測定，其中3.625吋直徑的實心活塞被可滑動地放在一個相似大小的圓柱中，並給放在柱中的菸草樣品加2.6磅/吋2的壓強加5秒鐘，據信這些參數是模擬了菸草在形成香菸時菸草在制香菸的設備中的壓實條件。對於膨脹菸草用重為50g的被測菸草作樣品。對於未膨脹菸草，用100g的菸草作樣品。通過將100g菸草樣品放在金屬線網的籃子中然後將籃子放進空氣溫度為200°F的強制通風烘箱中放3分鐘。將菸草和金屬線籃在烘箱中加熱前後進行稱重，用對於加熱前菸草重量的百分比來表示的重量損失作為含水百分率。
本發明已參照了較佳實例進行了詳盡闡述。但是在不背離前述說明書和後面權利要求書所定義的精神和範圍的條件下，可作出許多改變及修改。
權利要求
1.一種用來將加熱的菸草分發至浸漬區中的裝置，它包括；菸草供給管；與菸草供給管相連的、用來測量加至浸漬區菸草量的計量裝置；用來將蒸氣注入菸草料中的蒸氣注裝置；以及將加熱的菸草輸進浸漬區的裝置。
2.根據權利要求1所述的裝置，其中所述用來將菸草輸進浸漬區的裝置，包括在上壁有開口的水平放置的管道，它安排得可將菸草輸送至浸漬區。
3.根據權利要求2所述的裝置，其中水平管道的開口裝有能把菸草壓入所述水平管道的樞軸性關閉部件。
4.根據權利要求1-3之一所述的裝置，其中的蒸氣注入裝置包括使蒸氣穿過在至少一個與所述菸草料接觸的壁上的多個孔的裝置。
5.根據權利要求1-4之一所述的裝置，其中蒸氣注入裝置包括用來把足以使菸草加熱至溫度至少為125°F(52℃)的溫度下的蒸氣注入菸草的裝置。
6.根據權利要求1-4之一所述的裝置，其中所述的蒸氣注入裝置包括用來足以使菸草的溫度升至150°F(66℃)以上的溫度下的蒸氣注入菸草的裝置。
7.一種用來將菸草壓入浸漬區的裝置，包括一對相對的管道；至少可在處於所述相對管道的兩個開口端中間的第一位置與處於圓柱形外殼體中的浸漬位置之間往復運動的滑塞裝置；所述的滑塞裝置包括第一和第二圓柱形末端部件及在第一和第二末端部件間的連接杆，所述的末端部件及所述的連接杆圍成了一個環繞連接杆的環形空間；在所述每根管道中在退後位置和伸出位置間來回移動，使菸草通過管道並將菸草壓力所述滑塞的環形空間中的菸草壓縮裝置；所述的菸草壓縮裝置各自包括半圓柱形末端表面，該兩個末端表面的大小和形狀正好配合形成環繞所述滑塞的所述環形空間的圓柱面。
8.根據權利要求7所述的裝置，進一步包括用來在相應於後退位置與伸出位置之間的地方將菸草引入每根管道中的每根所述管道上壁處的開口；以及能將菸草壓入管道並關閉所述開口的樞軸性關閉部件。
9.根據權利要求7或8所述的裝置，它進一步包括用來將蒸氣注入菸草的蒸氣注入裝置。
10.根據權利要求7-9之一所述的裝置，其中所述的滑塞裝置時一步包括當所述的捲筒裝置在處理位置時，適於在所述的圓柱形末端部件和所述的殼體內表面間形成密封的密封裝置，以使所述的外殼、末端部件和密閉裝置形成一壓力室；在所述的殼體中形成的、用來將工作流體在滑塞處於所述處理位置時引入所述壓力室的通道裝置，所述的通道裝置的總截面足以使所述的工作流體快速地流入所述室中；以及顆粒阻塞裝置，以使進入所述通道裝置中的固體物質最少。
11.根據權利要求10所述的裝置，其中所述的通道裝置包括環繞分布在管形外殼的周邊的多個通道，其中所述的顆粒阻塞裝置的所述多個通道各自包括比預定尺寸小的開口，以阻塞顆粒進入所述的通道。
12.根據權利要求11所述的裝置，另外還包括繞於所述的多個通過外殼的通道的外部歧管部件，以導引工作流體同時通過所述的各通道。
13.根據權利要求10所述的裝置，其中所述的通道裝置包括至少一個直徑顯著大於菸草切絲填料的擴大口，其中所述的顆粒阻塞裝置包括至少一個外表面的寬度比所述至少一個通道的直徑大的伸長阻塞部件，所述的阻塞部件縱向連接於所述滑塞的所述兩個末端部件的一部分之間。
14.根據權利要求13所述的裝置，其中所述的阻塞部件與所述的至少一個擴大直徑的通道徑向對齊。
15.根據權利要求14所述的裝置，包括至少兩個通過所述外殼的擴大截面積的通道及一個環繞於所述各通道外部、用來引導工作流體同時，通過所述至少兩個通道的歧管部件。
16.根據權利要求10-15之一所述的裝置，其中所述滑塞裝置進一步包括裝在每個圓柱形末端部件上的環形槽中的彈性體密封環；當所述的滑塞裝置在處理位置時，用來使彈性體密封環徑向向我變形、使該密封環沿周界與外殼的內部周界接觸的裝置，當壓力室加壓時所述的外殼、末端部件和密封環形成了一個壓力室；以及至少一個裝在柱形末端部件的一部分中的，周長大於末端部件且與裝在所述末端部件上的所述彈性體密封環的至少一個端面軸向相鄰的環形部件。
17.根據權利要求16所述的裝置，其中每個所述彈性體密封環與所述的軸向相鄰的環形部件相連結。
18.根據權利要求16或17所述的裝置，其中每個所述的彈性體密封環被粘合至在所述滑塞末端部件的周連形成的環形槽中。
19.根據權利要求16-18之一所述的裝置，其中密封環的每個表面都有所述環形部件之一軸向地與它相鄰並與它連結。
20.一種用來膨脹菸草的方法，包括將含水量大於約13%(重量)的預膨脹菸草料放入浸漬室中；在所述的浸漬室內用膨脹劑浸漬所述的菸草；從所述的浸漬室中取出所述浸漬的菸草，並將浸漬的菸草處在足以使菸草膨脹，並得到含水量大於13%的膨脹菸草的條件下；以及將膨脹的菸草乾燥至膨脹後含水量小於13%(重量)以保持浸漬的菸草處在膨脹條件下所提和膨脹量。
21.根據權利要求20所述的方法，其中所述的乾燥步驟是在使所述菸草膨脹後少於5分鐘的時間內進行。
22.根據權利要求21所述的方法，其中所述的乾燥步驟是在所述的菸草膨脹後少於1分鐘的時間內進行。
23.根據權利要求20-22之一所述的方法，其中所述的乾燥步驟是在約350°F(177℃)或更低的溫度下進行。
24.根據權利要求20-23所述的方法，其中以乾燥步驟中所得的菸草的含水量大於約6%(重量)。
25.根據權利要求20-24所述的方法，其中放在浸漬室中的菸草的含水量大於20%(重量)。
26.根據權利要求20-24之一所述的方法，其中放在浸漬室中菸草的含水量大於24%。
27.根據權利要求20-26之一所述的方法，其中放在浸漬室中菸草的溫度大於150°F(66℃)。
28.根據權利要求20-27之一所述的方法，其中所述的乾燥步驟是通過用加熱的汽流來處理膨脹的菸草。
29.根據權利要求28所述的方法，其中所述的加熱氣流的溫度是在約200°F(93℃)至300°F(149℃)之間。
30.根據權利要求28工中29所述的方法，其中用加熱的氣流將所述的菸草傳送通過乾燥區的時間，足以使菸草的含水量降至約6-12%(重量)。
31.根據權利要求20-30之一所述的方法，其中所述的浸漬步驟包括使菸草與大於2，000磅/吋2(psig)的壓力下的丙烷接觸約15秒或更短。
32.根據權利要求20-31之一所述的方法，其中用來處理放在浸漬室中菸草的丙烷270°F(132℃)以上的溫度。
33.根據權利要求32所述的方法，其中由加熱的丙烷及預熱的丙烷提供給浸漬室中的菸草的熱量足以使浸漬區中浸漬的條件在240°F(116℃)和270°F(132℃)之間。
34.根據權利要求20-33之一所述的方法，其中所述放在浸漬室的菸草已被壓縮至壓縮比率至少為1.5∶1。
35.根據權利要求34所述的方法，其中所述放在浸漬室中的菸草已被壓縮至壓縮比至少為2∶1。
36.根據權利要求34所述的方法，其中所述放在浸漬室中的菸草已被壓縮至壓縮比至少為3∶1或更大。
37.一種用來快速供應其密度等於或接近流體的液態密度膨脹流體的蓄氣器，它包括在把氣態加壓流體及膨脹劑包含在單個未分隔室裡的壓力容器，所述的壓力容器具有第一和第二區，適合於在加壓條件下分開保持兩種流體，並將所述的流體保持在接近或高於所述膨脹劑的臨界溫度下。
38.根據權利要求37所述的蓄氣器，所述的容器另外包括與第一區和第二區有流體連通的第三區，以保持與第一區流體和第二區流體都接觸屏障流體。
39.根據權利要求37所述的蓄氣器，其中所述的第三區包括一可移動的屏障液體，以在所述的容器中將所述的膨脹劑和所述的加壓流體隔開。
40.根據權利要求37-39之一所述的蓄氣器，其中所述的加壓氣體是氮氣，所述的膨脹劑是丙烷。
41.根據權利要求39或40所述的蓄氣器，其中形成液體屏障的流體是水。
42.根據權利要求38-41之一所述的蓄氣器，其中所述的容器保持在高於2，500磅/吋2(表壓)的壓力及高於200°F(93℃)的溫度下。
全文摘要
本發明提供了在高壓菸草浸漬條件下的快速輸出率來膨脹菸草的方法和裝置。本發明的方法和裝置在循環時間少於20-30秒；使用諸如丙烷的預熱預加壓膨脹劑；預熱菸草料；和/或在高壓浸漬區中壓縮菸草以大大增加高壓浸漬容器中的有效空間的菸草膨脹工藝中特別有用。
文檔編號A24B3/18GK1099587SQ94106900
公開日1995年3月8日 申請日期1994年6月14日 優先權日1993年6月14日
發明者H·S·伯德, L·J·康拉德, J·E·克魯克, J·E·勒凡特, R·C·詹森, D·A·牛頓, H·內山, J·L·懷特 申請人:R·J·雷諾茲菸草公司