具有增强的蒸汽注入特性的烹饪挤压机 【技术领域】
本发明宽泛地涉及用于将材料加工成动物饲料或人类食品类型的烹饪挤压机。具体来说，本发明涉及这样一种烹饪挤压机，其专门设计成允许能够将大量的蒸汽纳入到正在加工的材料中，使得挤压机能成功地处理含有诸如米糠之类廉价成分的饲料混合物，只需很少的机械能量和切碎材料。
背景技术
挤压式烹饪装置用于多种场合，例如，用来加工动物饲料和人类食品。一般地说，单螺杆式挤压机包括细长筒，其一端具有入口，而在另一端具有装备有限制孔板模的出口。细长螺纹的沿轴向可转动的螺杆定位在筒内，并用来从入口朝向出口并穿过出口移动材料。双螺杆挤压机也被广泛地使用，其在挤压机筒内包括一对并排螺纹的互相啮合的螺杆。所有这样的挤压机装置用来烹饪并将初始材料加工成最终的挤压的产品。在挤压过程中，起始材料经受逐步提高的压力水平和剪切，以便生产出理想的完全烹饪好的最终挤压产品。
为了达到较高水平的烹饪(通常以含淀粉的组分的胶凝程度和/或蛋白酶组分的变性水平来衡量)，通常的做法是将高压蒸汽注入到挤压机筒内以包含到正在加工的材料中。为此目的，蒸汽注入端口形成在挤压机筒内并与筒内部相连通。诸端口设计成容纳与蒸汽管线联接的常规蒸汽注射器。毫无例外地，现有技术的烹饪挤压机中的注入端口都相对于筒内部定向成垂直关系，或垂直于挤压机螺杆的纵向轴线。然而，常规挤压机设计的蒸汽可能注射程度有一些限制。即，只有约3-5重量％的蒸汽可成功地注射并包含到正在加工的材料中。如果蒸汽注入过多，则蒸汽趋于直接通过挤压机的长度，并流出挤压机的入口开口(有时是出口模)而不包含到正在挤压的材料中。这样，添加过度的蒸汽起不到有效的目的。
由此可知，达到较高水平的烹饪并由此避免要对正在加工的材料施加过高的压力、剪切和机械加工而注入蒸汽可以是非常有利的。例如，某些水生饲料产品对高强度的压力、剪切和机械能很敏感，因此，使用常规挤压机会使饲料产品受到不利的影响。此外，这些饲料有时会利用诸如米糠那样相对便宜的组分，这样的组分最好使用高级别的蒸汽喷射进行加工。
因此，本技术领域内确实需要有改进的烹饪挤压机装置，与传统的挤压机设计相比其可用来对正在加工的材料注射大量的蒸汽。
【发明内容】
本发明克服了上述诸多问题，并提出能够成功地将相当大量的蒸汽包含到正在加工的材料中的改进的烹饪挤压机。宽泛地说，本发明的烹饪挤压机包括具有入口和与入口间隔开的出口的细长的管状筒，以及在入口与出口之间延伸并具有纵向轴线的细长内孔。至少一个细长的沿轴向可转动的螺旋形螺纹的挤出螺杆位于该内孔内，并可操作以从入口朝向出口并穿过出口输送材料。多个细长地蒸汽注射端口形成在筒内介于筒的入口与出口之间并与筒的内孔连通。这些端口的定向可相对于筒纵向轴线成斜角，最好是朝向筒出口的方向。
在本发明的其它有利方面，挤压机筒和螺杆协作地形成提供邻近于蒸汽注射端口的注射区域，使蒸汽限流区域在注射区域的对侧。注射区域的特征在于筒的填料较少(即，筒内由正在加工的材料所占据的自由容积的量)且螺杆部分的节距较长，而限制区域却有较多的筒装料且螺杆部分的节距显然短。这样，注入到注射区域内的蒸汽可包含到正在加工的材料中去，而限制区域用来阻止注入的蒸汽朝向筒入口或出口轴向地流动。
在实践中，业已发现，本发明的挤压机可用来注入至少约6重量％的蒸汽到正在加工的材料中去，更佳地注入至少约8重量％的蒸汽，通常约为6-8重量％，因此实现本发明的主要目标。
【附图说明】
图1是根据本发明的烹饪挤压机的侧视图，其装备有斜向的蒸汽注入端口和注射器；
图2是图1所示烹饪挤压机的前端视图；
图3是沿图2中的线3-3截取的垂直截面图；
图4是沿图1中的线4-4截取的垂直截面图；以及
图5是挤压机筒注射端口之一的纵向轴线的正交分解示意图，显示出分解的分量。
【具体实施方式】
现转到附图中来，根据本发明的烹饪挤压机10包括：细长的管状的多节的筒12，筒12具有并置的相互连通的腔室或内孔14、16；以及一对位于内孔14、16内的细长而螺旋形螺纹的可轴向转动的并置的互相插入的螺杆18和20。筒12包括入口22和间隔开的出口24，它们与内孔15、16连通。尽管未予示出，但将会理解到横贯于出口24通常设置有限流孔板模以用于挤压之目的。此外，螺杆18、20的驱动端26可操作地与驱动组件(未示出)联接以使螺杆18、20可轴向地转动，驱动组件通常包括驱动电动机和减速齿轮箱组件。
详细地说，从图1和3的右边到左边，筒12包括一系列管状部分，它们用常规螺栓或其它固定件端对端地连接。具体说来，筒12具有入口段28、第一短蒸汽限制段30、第一蒸汽注射段32、第二短蒸汽限制段34、中间筒可调节阀组件段36、可调节的蒸汽出口段38、第二蒸汽注射段40，以及第三短蒸汽限制段42。如图所示，每段28-34和38-42装备有末端的径向扩大的连接凸缘28a-34a和38a-42a，所有这些段28-42具有对准的贯通内孔，它们协作地形成筒内孔14和16。同样地，段36具有与这些凸缘32a和38a相匹配的贯穿内孔。
筒12的段32和40各装备有两个系列的蒸汽注射端口44或46，其中，每个端口容纳一细长的蒸汽注射器48或50。段32内的两个系列的端口44定位成分别与段的内孔14和16相连通(见图4)。同样地，段40内的两个系列的端口46也分别与该段的内孔14和16相连通。
重要的是，端口44和46定向成相对于对应内孔14和16的纵向轴线成斜角。在实践中，这些端口相对于这些轴线定向成约30-85度的角度，较佳地定向成约30-60度的角度，最好是定向成约45度的角度。此外，端口44、46较佳地定向成朝向出口24的方向。具体来说，参照图5，可以看到，每个相应的端口44具有纵向轴线52。如果该轴线52正交地分解为分量54和56，则分量54朝向出口24方向延伸。
中间筒可调节阀组件段36是属于美国专利申请S/N11/279,379所述的类型，该专利申请于2006年4月11日提交，并以参见的方式纳入本文。简言之，段36包括可滑动的相对的两个流动限制部件58和60，它们可有选择地调整为朝向和远离挤压机螺杆18和20的中心轴，以改变对材料流动的限制，因此提高挤压机10内的压力和剪切。另一方面，蒸汽出口段38具有带有可调盖板64的蒸汽出口62，在挤压过程中能够使蒸汽有选择地逸出。在某些情形中，可采用真空装置(未示出)代替盖板64，以便更有效地抽出蒸汽和/或降低加工处理的压力。
螺杆18和20彼此相同，因此只需详细地描述其中一个螺杆。参照图3，图中可见，全部的螺杆20广泛地包括中心轴66，其具有从轴66向外突出的螺旋形的螺纹68。然而，螺杆20是专门设计的和具有多种新颖的特征。最佳地描述这些特征，是考虑螺杆20的某些几何特征，以及其与相关内孔16的关系。尤其是，轴66具有一个由图3的箭头70定义的根部直径RD，以及由螺杆螺纹68所定义并由尖头72示出的最外面的螺杆直径SD。在较佳的做法中，最外面的螺杆直径对根部直径之比SD/RD约为1.9-2.5，最佳约为2.35。
螺杆螺纹68的各个部分沿螺杆20还具有不同节距，由于以下所述的理由，这是很重要的。此外，沿着螺杆20的某些部分，在内孔6内有不同的自由容积，即，各部分内的总的内孔容积减去该部分内螺杆所占据的容积沿着螺杆20的长度而不同。
详细来说，螺杆20包括馈入部分74、位于段30内的第一节距短的限制部分76、位于段32内的第一节距较长的部分78、位于段34内的第二节距长的限制部分80、位于段38和40内的第二节距较长的部分82、以及位于段42内的第三节距短的限制部分84。由此可见，螺杆部分76、80和84的螺杆螺纹68的节距长度显然小于螺杆部分78和82的螺杆螺纹68的对应节距长度。在较佳的做法中，螺杆部分76、80和84的节距长度范围约在0.25-1.0倍的螺杆直径，最佳是约0.33倍的螺杆直径。螺杆部分78和82的节距长度范围在约1-2倍的螺杆直径，较佳地是约1.5倍的螺杆直径。
为实现本发明的目的，这些几何特征是重要的，具体来说，与常规设计相比，这些几何特征允许将更大量的蒸汽包含到通过挤压机10的材料中。本质上，限制段30和34以及34和42连同其中节距长度短的螺杆部分76、80和84一起协作地形成蒸汽限流区域，其阻止穿过这些区域的注入蒸汽通过。这样，这些区域是蒸汽锁定的一种形式。此外，在限制区域之间，段32、38和40设有较长节距长度的螺杆部分78和82，这形成允许注入比现今为止所可能的量更大量的蒸汽的蒸汽注射区域。较长节距的螺杆部分78和82导致筒填料减少(不一定大于自由容积)，因此，形成蒸汽注入区域。最后，注射端口44和46的定向以及其中对应的注射器48和50还进一步提高将蒸汽纳入到穿过挤压机10的材料内。
与常规挤压机设计相比，挤压机10内的这些因素的组合允许注入显著更大量的蒸汽。在常规挤压机中，仅可注入约3-5％的蒸汽，而任何多余量则直接通过挤压机而流出筒入口。然而，在本发明中，根据作为100重量％的筒12内在任何时刻取得的干材料的总重量(即，仅含固有水的干材料成分的总重量，减去在通入到挤压机内之前通常添加到干材料成分内的任何水分)，可成功地注入约6-8重量％或更多的蒸汽，而没有不合适的蒸汽注入损失。在某些动物饲料的情形中，这一点特别重要，该种动物饲料通过在挤压机内的附加烹饪而不强加过度的剪切和机械能量的烹饪得到改进。
尽管附图中所示的挤压机10包括使用可调阀组件段36和蒸汽出口段38，但不需要使用这种段。段36可有利地用作为防止蒸汽损失的另一限制，在需要中间筒蒸汽排气的情形中，例如，需要更稠产品的情形，可使用段38。
此外，虽然所示实施例呈双螺杆挤压机的形式，但将会理解到，本发明的原理和结构特征也可用于单螺杆挤压机的情形中。
最后，本发明的挤压机是烹饪的挤压机，其设计成至少部分地或全部地烹饪通过其中的材料，同时还将材料形成为离散的形状。这样，挤压机装备有赋予剪切和机械能量的螺杆，这是烹饪过程的一部分，该烹饪过程通过蒸汽的注入而得到加强。此外，尽管未予示出，但这种烹饪挤压机可装备有引入热交换介质的外部套，以便间接地加热或冷却穿过挤压机的材料。