锥形桶式双轴预处理机

摘要

本发明提供了一种简化设计的改进的双轴预处理机(10)，对食物或进给配料提供改进的润湿和部分烹饪。所述预处理机(10)包括细长的、锥形的壳体(12)，所述壳体(12)具有一对并排的联通壳体部分(58,60)，在部分(58,60)中有相应的一对会聚的轴(20,22)，所述壳体(12)具有一系列的细长的、向外延伸的固定至所述轴(20,22)的混合元件(24,26)。所述预处理机(10)设置为在包括下游处理装置例如挤出机(146)的系统中使用。

说明书

交叉引用申请

本申请是要求申请日为2013年4月9日序号为S/N61/810,041的美国 专利申请的权益的非临时申请，所述美国专利申请通过完整地引用而在此 被结合。

技术领域

本发明总体涉及一种改进的、锥形桶式双轴预处理机，其具有经济设 计的同时仍然提供了动物饲料或人类食物材料的大批量预处理以在下游处 理例如挤压或制粒前润湿和部分烹饪该材料。更为具体地，本发明涉及一 种具有细长锥形桶的预处理机，所述锥形桶具有并排的联通腔室，所述腔 室具有细长的、轴向可旋转的、非平行的、可在所述腔室内相对会聚的轴 并且轴上具有多个向外延伸的混合元件或搅拌件。

背景技术

大多数饲料生产系统包括用于润湿并且有时部分烹饪原始饲料成分 (例如在宠物食物成分中可以找到相应数量的例如蛋白质、脂肪和淀粉) 的预处理机。这种预处理机和下游处理装置例如制粒机或挤出机匹配。总 体上，这种类型的预处理机沿着壳体长度设置有用于在处理过程中喷射蒸 汽和/或水的喷射口。能量的结合(热能和机械能的)可用于部分糊化经过 预处理机的材料(可作为淀粉含量的糊化程度测量)，但是在任何情况下 提供便于下游处理所需要的水分。

预处理机已经发展了相当长的一段时间。一种早期类型的预处理机， 名称为温格DC(WengerDC)预处理机，其具有一对并排的具有相同横 截面面积的腔室，在每一腔室中有相应的轴，并且设置有多个向外延伸的、 像叶片一样的搅拌元件。这些类型的搅拌器能够糊化原始成分至可能为 20％。

预处理机中的一个重要改进在美国专利NO.4,752,139中列出。这些预 处理机，名称为温格DDCs(WengerDDCs)预处理机，其具有同样地带并 排腔室的壳体，但是其中的一个腔室具有比另一个更大的横截面面积。另 外，轴以不同的旋转速度运行。这些类型的DDC单元可以实现原始材料 30％级别的糊化。

在美国专利NO.7,674,492中可发现一个更近期的改进。这些预处理机 与DDC型类似，但是每一轴设置有变速驱动装置以允许相应的轴被调整， 所述调整包括在预处理机运行期间的转动速度和转动方向。最新一代的预 处理机由Wenger作为HIP预处理机商业化了，并且这些预处理机能够实 现50％-60％的糊化。

在美国专利NO.7,883,263中阐释了预处理机的替代方案，其公开了锥 形设计的单轴预处理机，即壳体以恒定角度从较大的输入端至较小的输出 端变细。可转动轴装载数个向外延伸的搅拌件，所述搅拌件具有沿着壳体 长度减小的高度以适应壳体的锥度。该预处理机特别为较便宜的、相对较 低容量的挤出或造粒系统设计，但是仍然提供了食物或饲料成分较高级别 的润湿和预烹饪。

其它的现有技术参考文献包括美国专利No.617,983，No.2,831,663, No.4,775,239,No.5,161,888,No.5,232,280,No.5,460,448,No.6,129,010, No.6,609,819,No.6,648,501和No.7,322,738,和日本参考文献JP 06055050和JP63151341。

发明内容

本发明提供了一种新颖的设计简单的预处理机，其实现了所处理的食 物或饲料材料中的高级别的润湿和烹饪值。总体来讲，本发明的预处理机 包括细长的、锥形的、会聚的壁的壳体，所述壳体具有入口和相对的出口， 所述壳体具有靠近所述入口的较大直径端部、靠近所述出口的较小直径端 部、和位于壳体端之间的锥形壁部分。所述壳体限定一对细长的、锥形的、 会聚的、并排的联通腔室，所述腔室的截面优选为大致的截锥-圆形形状。

一对细长的、轴向可转动的、非平行的、相对会聚的轴沿着壳体腔室 的长度延伸，每一轴支承多个轴向分隔开的、向外延伸的混合元件。所述 混合元件在所述轴上相对地沿轴向偏移以避免在轴的旋转期间混合元件之 间的干涉，并且所述轴的混合元件为互相插入的关系以促进所处理材料的 高度混合，并且阻止材料在壳体腔室之间的区域中结块。混合元件的外侧 端部优选沿着壳体腔室的长度紧靠所述壳体腔室的内表面，该距离优选达 到约半英寸。

附图说明

图1是根据本发明的改进的双轴预处理机的透视图，示出具有可选的 改进的蒸汽/水喷射组件。

图2是所述预处理机的俯视图，预处理机壳体的上部部分被移除以示 出所述双轴/混合元件的内部结构；

图3是示意图，示出了联接有下游挤出机的本发明的预处理机；

图4是所述预处理机的仰视图，示出顶部覆盖件(盖子)部分相对于 预处理机壳体的剩余部分成分解关系。

图5是所述预处理机的竖直截面图，示出安装在轴上的混合元件的互 相插入以及壳体壁相对于混合元件外端的定向；

图6是图1中示出的改进的蒸汽/水喷射组件在部分分解后的主视图；

图7是在蒸汽/水喷射组件中使用的优选的静态混合器元件的主视图； 和

图8是示出了在图6的蒸汽/水喷射组件中使用的优选的球阀的主视 图。

具体实施方式

参照图1-2和4-5，可以看出示出了一种预处理机10，其设计为用于 润湿或部分烹饪食物或饲料材料(进给材料)，食物或饲料材料然后在下 游设备例如挤出机或制粒机中处理。总体而言，预处理机10包括细长的锥 形壳体12，所述壳体具有进口14、出口16和在所述进口和出口之间的中 间通气孔18。在内部，预处理机10具有一对细长的、可轴向转动的、会 聚的轴20和22，每一根轴设置有一系列向外延伸的混合元件或搅拌件24 和26，混合元件或搅拌件24和26沿着每一轴的长度均匀地改变高度；所 述混合元件24,26相对地轴向偏移以允许轴旋转而没有来自混合元件的干 涉。

更详细地，壳体12包括两个细长的、锥形的、端-对-端互相连接的区 段28和30。壳体区段28包括开孔的后壁32和向前的凸缘34。弧形的渐 缩的侧壁36在所述壁32和凸缘34之间延伸并且联接至壁32和凸缘34， 并且具有一对联通的弧形部分38和40，所述弧形部分38和40具有截锥- 圆形构型的横截面(图5)。在示出的实施例中，每一弧形壁部分38,40 延伸有约260°的弧度。如所示出的，所述壁部分38,40的上端紧邻并且协 同定义细长的、狭窄槽(未示出)，而所述部分38,40的下端焊接在一起 形成接头44。

以类似的方式，壳体区段30具有后连接凸缘46、开孔前壁48和在法 凸缘46和壁48之间延伸并且互相连接至凸缘46和壁48的锥形侧壁50。 如在区段28中的情况一样，侧壁50具有锥形的联通的弧形部分52和54， 弧形部分52和54延伸有约260°的弧度，具有在部分52,54的上端之间的 细长的、狭窄槽(未示出)，和下端焊接在一起的接头56。部分52,54也 在凸缘46和48之间逐渐变细。区段28和30通过穿过匹配的凸缘34和 46的合适连接件(未示出)而互相连接，以定义一对细长的、连续的、均 匀变细的总体以标号58和60标记的弧形部分，所述弧形部分以3°的角 度会聚。下部接头44和56共同定义了沿着壳体12全部长度延伸的焊接接 头。类似地，上细长槽(未示出)定义了沿着壳体12的上部长度限定有效 的连续的槽。

轴20和22在部分58和60中居中定位并且通过前轴承62和后轴承 64支承。尽管未示出，合适的齿轮减速器和马达装置可操作地联接至轴的 最后端部以转动所述轴。在示出的设计中，所述轴正反向(相向)转动(即 所述轴在相反的时钟方向上转动)，但是，如果希望，所述轴可以同向(即 在相同的时钟方向上)转动。所述轴可定位为以角度3°会聚，所述角度 与部分58和60的配置一致。

每一混合元件24,26包括连接至相应轴的内侧杆66和在最外边缘70 终止的向外延伸的叶片68。如所示出的，叶片68全部定向于“中立”位 置；但是，如果希望，所述叶片可分别定向于“正”位置，用于更快速将 材料从入口14移动至出口16，或于“负”位置，在该位置材料流迟滞。 可具体选择所述叶片定向来增加或减少材料通过预处理机10的停留时间。

壳体区段28和30的上端设置有单个的分别附接的覆盖组件72和74， 它们封闭前述的狭窄槽。所述组件72包括顶板76，顶板76具有一对弧形 的、向下且向内延伸的壁78,80，所述壁在接头81处互相连接，所述壁和 弧形部分38,40的上部分匹配。如示出的，进口14由覆盖件72支承。类 似地，覆盖件74具有顶板82和匹配的向下向内延伸的弧形壁84，86，所 述壁在接头87处终止。因此，接头81和87封闭上部狭窄槽并且定义上部 接头，上部接头与上文已描述的连续下部接头相对。如所示出的，通气孔 18被支承在顶壁82上。

如在图1和5-8中最佳示出的，预处理机10设置有改进的复合水分喷 射组件88，其被固定至壳体区段28的弧形部分40。组件88的目的是在预 处理机10的运行期间喷射流体例如水和/或蒸汽至壳体12。在已有的预处 理机中，沿着预处理机壳体的长度设置一系列端口以用于该目的，设置喷 头和相关的管道以提供水分。但是，改进的组件88代替大部分的(如果不 是全部的)该现有的喷射结构，使得设计更简单、更便宜。

转向图6-8，其详细地示出了复合组件88，复合组件88总体包括流体 喷射阀组件90和静态混合部分92。所述组件88设计为喷射多种混合流体 例如蒸汽/水或蒸汽/水添加剂至预处理机10。如在下面更详细地描述的， 组件88简化了流体喷射所需要的设备，更卫生，增加了预处理机的能量效 率，并且导致了在预处理产品中与常规流体喷射设备相比具有较高含量的 水分和/或较高等级的烹饪。

喷射阀组件90(图8)包括可选择性致动的阀体94，所述阀体94具 有带向外延伸的、轴向可转动的柄轴96的内部机械驱动装置(为示出)。 所述柄轴96连接至具有中央通道100的球阀球体98。所述球体98位于管 状区段102中，所述管状区段102被接收在外阀套筒104内。套筒104的 内侧端部固定至附接在壁部分40上的安装板106上，所述壁部分40开孔 以允许流体通过具有内开口107a的孔107进入至壳体12的范围。可以观 察到，中央通道100和区段102的孔为等直径的，并且区段102的相对的 内侧面108和外侧面110分别限定阀组件90的流体出口112和流体入口 114。在优选操作中，阀组件90为自动阀，其可作为用于预处理器10的整 个数字控制系统的一部分而被控制。但是在本文中也可使用其它类型的阀。

静态混合区段92包括具有最上端的管状蒸汽入口118和倾斜的水入口 120的竖直管状套筒116，所述倾斜的水入口120优选设置有雾化器122。 静态混合器124设置在套筒116内并且包括细长的固定中心轴126，多个 大致螺旋向外延伸的板128固定至所述轴126。混合器124的功能是高度 混合进入的蒸汽流和水流，及其它所希望的添加剂的流，用于输送至喷射 阀组件90。为此，三通管130固定至套管116的低端，并且其横向支管通 过常规管132可操作地联接至阀组件90的入口114。

三通管130的下端设置有管部分124、减速器(reducer)136和冷凝 液出口管138。所述管138具有由电磁阀142控制的中间阀140。电阻温度 探头144在阀140下可操作地与管138联接，用于测量蒸汽的冷凝温度并 且监控在系统启动前新蒸汽的出现；一旦温度达到100℃，阀94关闭并且 系统能够启动。当然，探头144和电磁阀142连接至用于预处理器10的整 体数字控制系统以用于阀140的自动控制。

本发明的一个重要方面是喷射阀组件90和喷射孔107的几何形状。为 了实质上减少甚至是消除阀组件90堵塞的可能性，喷射孔107、喷射口 107a、阀球体通道100、区段102的内孔、阀进口114和阀出口112的直 径必须至少为约1英寸，更优选地为从约1-2英寸，并且有利地为相同直 径。另外，流体出口112和开口107a之间的轴向距离必须保持至最小值。 该距离必须不多于约3英寸，优选地小于约2英寸，更为优选地小于约1 英寸，最优选地小于约半英寸。

在运行中，食物或饲料材料通过入口14进入至壳体12，轴20,22轴向 旋转，水和/或蒸汽和/或添加剂通过喷射组件88喷射至筒内。轴22,22的 转动用于密切混合食物或饲料成分和所喷射的液体，并且推动混合物向前 并且通过出口116。当这种混合进行时，混合元件24,26在截锥-圆形部分 58和60之间基本全部的约100°的开口弧段互相插入，该互相插入实质上 贯穿壳体12全部的长度。该互相插入可通过考虑图2和5而更好地被理解。 在后壁32和前壁48之间的部分58和60的会聚极大地帮助了食物或饲料 成分的均匀润湿和部分烹饪。那也是说，由于预处理机的内部容积沿着其 长度减少，食物或饲料材料在经过该预处理机10期间而被压缩，使得在壳 体12内出现的任何外源蒸汽被食物或饲料成分更有效地吸收。当然，轴 20,22的转动以及因此的液体和固体材料的高度混合增强了这些效果。

本发明的预处理机可操作以润湿典型的食物或饲料成分至至少18％ (按湿重计算)的重量百分比等级，更为优选地至20％-40％(按湿重计算) 重量百分比等级。材料经过预处理机10的停留时间通常为约0.6-4分钟， 更为优选地为约1-3分钟。该预处理机不作为压力容器设计，并在运行期 间内部压力为大气压力或略高于大气压力。

尽管优选实施例设计为壳体部分58和60和轴20,22呈现3°的锥度， 本发明并不局限于此。更一般地，这些会聚角应该在约2-9°内。另外，尽 管喷射组件88的使用为优选的，常规的蒸汽/水喷射器也可取而代之地使 用。另外，尽管在优选形式中壳体部分58,60延伸有约260°的弧度，这也 可改变，使得弧度可在约180°和300°之间。最后，尽管在优选设计中壳 体部分58和60沿着壳体12的长度有基本相等的尺寸，如果希望，所述部 分中的一个可具有与相邻部分相比更大的直径；在该实施例中，相应的混 合元件24,26的长度可以和所述部分的不同尺寸匹配。

如上文指出的，预处理机10通常和下游处理设备尤其是挤出机146(见 图3)匹配。挤出机146本身为常规的并且通常具有细长的、管状筒体， 所述筒体有入口和限流孔模出口。挤出机在内部设计有一个或多个细长的、 轴向可转动的、具有螺旋行程的挤压螺纹，其用于使预处理机材料处于高 等级的温度、压力和剪力下，以完全烹饪并且形成最终的食物或饲料产品。 在可替代布置中，制粒机(未示出)可代替挤出机使用。

本发明的双轴预处理机，与在美国专利No.7,883,263中公开的单轴预 处理机相比，提供了显著了运行优点。例如，与单腔设计相比，本发明给 出了更高级别的混合。在运行期间，在本发明中获得了离散混合和增强的 分布式混合。另外，这里的双腔设计还使用相同长度的壳体和轴以允许更 大的容量和通过量。如果通过延伸壳体和轴的长度来尝试增加’263专利的 单轴设计的容量，会有轴断裂和其它机械失效的极大可能。最后，在本发 明中实现的更大的混合强度转换为在所处理材料中的更均匀水合和烹饪。