技术领域
本发明大体上涉及用于与单螺杆或双螺杆的挤压机一起使用的改善的高 容量模具组件。更特别地是，本发明涉及这种模具组件、包括该模具组件的挤 压机、及对应的方法，其中，该模具组件较佳地包括具有渐进地发散内孔的管 状区段、也在该管状区段内渐进地发散的可轴向地旋转的螺杆区段、及与该头 部及螺杆区段有关的模具单元。管状区段及螺杆区段的发散结构允许较大面积 模具的使用，该模具在其中具有较大数目的模具开口，因此增加挤压速率。
背景技术
可吃的产品、诸如人类食品及动物饲料的挤压处理长期以来已被实现且是 一高度开发的技术。大致言之，该单螺杆或双螺杆型食物挤压机被采用，并具 有细长的管状筒体，该筒体邻近其一端部设有输入装置，且在其出口设有限制 孔口模具；及在该筒体内的一个或两个螺旋状、可旋转的螺杆。在很多情况中， 蒸汽在处理期间被注射进入该筒体。孔口模板与该筒体的出口端部可运转地联 接，以便当该产品从该挤压机露出时形成该产品。视所选择的挤压条件而定， 该最后的产品可被完全或局部地蒸煮，且能具有不定的膨胀程度。
很多商业挤压机被设计成具有收缩端子的螺杆区段，其有时候被称为“牙 轮锥顶(cone nose)”区段。这些螺杆区段被安置在互补的收缩筒体区段内。这些 收缩挤压机端部组件设置成刚好在最后挤压模具上游增加该挤压机内的压力 及剪力条件。这些设计的典型范例在美国专利第4,118,164号(单螺杆)及第 4,875,847号(双螺杆)中发现。
参考图18，传统现有技术的食物挤压组件大致上由串联地互连的预处理机 10及挤压机11所组成，该挤压机11具有终止在限制孔口模具13的多区段筒 体12，及一个或两个内部、螺旋状、可轴向地旋转的螺杆14。该螺杆14包括 细长的中心轴15，且沿着该轴的长度设有螺旋齿16。在很多情况中，该端子 头部及螺杆区段17及18为收缩、截头圆锥形设计，以便刚好在模具13的上 游增加该筒体内的压力及剪力条件。
在操作中，可吃的材料(通常为包括各种数量的蛋白质、淀粉及脂肪的成 分混合物)被馈送入预处理机12，在此其最初藉由加入蒸汽和/或水而增加湿 度，且被加热以局部地蒸煮该材料。该预处理的材料接着被传送至该挤压机11， 在此该转动螺杆14的动作具有运送该材料朝向及经过模具13的作用。在此运 送期间，该材料遭受增加的温度、压力及剪力水平，以便将该材料蒸煮至想要 的程度。当该材料从该模具13露出时，其形成为最后的产品，并由于湿气自 该材料闪蒸出的结果可遭受膨胀。膨胀的程度是受控制的现象，且被赋予至该 筒体12内的材料的能量的数量及该最后模具13的几何形状所影响。
这些食物挤压机系统已被使用达数十年，以生产宽广种类的人类食品及动 物饲料。然而，已被发现，该端子筒体及螺杆区段17及18的截头圆锥形端部 构造会限制能用这种挤压组件获得的生产率。特别地是，由于该端子筒体及螺 杆区段收缩的事实，该模具13必定具有减少的表面积，且因此可在其中仅只 具有某一数目的限制模具开口。更确切地是，对于一些产品、诸如小直径或微 小水生的喂料，可用的模具开口的数目上的限制是生产率中的限制因素。
譬如，使用一用于微小水生的喂料的生产的典型的温吉尔(Wenger)型号 X165单螺杆挤压机具有高达2毫米的直径，最大生产量是大约每小时1-1.5吨， 且此生产率限制可归因于仅只少数模具孔洞的存在。
其他传统的挤压机设计被揭示在美国专利第3,728,053；3,904,341； 4,346,652；4,352,650；4,400,218；4,422,839；4,836,460；5,458,836；6,074,084； 6,331,069；6,491,510；7,101,166号；日本专利第JP 55013147号；非专利文献： Effects of Die Dimensions on Extruder Performance(模具尺寸对挤压机性能的 的影响)；Sokhey A S；Ali Y；Hanna M A；Foodline；Influrence of Extrusion Conditions on Extrusion Speed，Temperature，and Pressure in the Extruder and on Pasta Quality(挤压条件对挤压机中的挤压速率、温度、及压力及面团品质的 的影响)；Abecassis，J；Abbou.R；Food Sei.&Tech.Abs；以及Barrel-Valve Assembly：Its Influence of Residence Time Distribution and Flow Pattern in a Twin-screw Extruder(筒体阀组件：其对双螺杆挤压机中的滞留时间分布及流 动型式的影响)；Liang，M.，Hsieh，F；AGRICOLA。
发明内容
本发明克服了上面所概述的问题，且提供高容量挤压模具组件，供与单螺 杆或双螺杆挤压机一起使用。大致言之，该模具组件包括细长的管状区段，该 管状区段具有一轴向长度、较小直径的入口端部以及较大直径的出口端部，内 孔沿着从该入口端部朝向该出口端部的方向以大约1-11度(更佳地是大约1.5-7 度，且最佳地是大约2-4度)的角度渐进地发散。细长的、可轴向地旋转的螺杆 区段位于该管状区段内，且具有一轴向螺杆长度，并设有靠近该管状区段入口 端部的较小直径入口端部、以及靠近该管状区段出口端部的较大直径出口端 部。该螺杆区段包括细长的轴，该轴沿着该轴的长度设有向外延伸的螺旋齿， 螺旋齿呈现螺旋齿外部表面，于一由该入口端部朝向该出口端部的方向中，该 螺旋齿外部表面在一由大约1-11度(更佳地是大约1.5-7度，且最佳地是大约 2-4度)的角度渐进地发散。模具单元与该管状区段出口端部结合，并具有多个 穿过该模具单元的模具开口，模具开口构造成在挤压操作期间产生横越该模具 开口的压降。
如此，在较佳形式中，该匹配的管状区段及螺杆区段界定具有前述的发散 角度的向外发散流动路径，该发散角度在整个形状中大致上是截头圆锥形。因 此，如与现有技术作比较，该模具单元可具有较大的整个面积，以致更多模具 开口能被提供，以增加挤压机容量。
虽然管状区段及螺杆区段较佳地是遍及其整个轴向长度形成具有逐渐地 及渐进地发散界定表面，在某些情况中，该发散不须为遍及这些区段的全部。 更大致上，管状区段及螺杆区段在其长度的至少大约百分之50上方、且更佳 地是在其长度的至少大约百分之75上方将具有发散表面。另外，虽然于某些 实施例中，管状区段及螺杆区段的发散角度是相同的，在其他情况中，这些角 度可为不同的。管状区段及螺杆区段的个别区段也可为不同发散角度。譬如， 该模具组件的给定部分可具有相对小的发散角度，而该模具组件的下游部分可 构造成具有相对大的发散角度。
在较佳形式中，该模具组件的管状区段由设有可替换的内部套筒的圆柱形 本体所组成，该内部套筒具有想要的发散表面，以致该本体及套筒配合地界定 该整个头部区段。然而，在其他情况中，整体的管状区段能被使用。
在此本发明的模具组件被用于诸如漂浮式微小水生的喂料的低密度产品 的生产，该模具单元包括紧靠接近地坐落至该螺杆区段的端部的模板。这是避 免一状态，在此经处理的材料被允许于通过该模板之前致密。
在另一方面，在此该模具组件被采用于诸如沉没式水生的喂料的高密度产 品的生产，该模板与该螺杆区段的终端隔开一有效的距离。有利地是，在这种 模具中，多个倾斜定向的、结构上不同及分开的材料流动管被定位在该螺杆区 段的出口，且模板被安装在流动管的另一端部。更确切地是，以这种倾斜流动 管的使用，适当的发散能被获得，而没有使用该上游发散管状区段及螺杆区段， 或用于此事件，甚至没有使用最后的螺杆区段。如此，这种高产品密度模具组 件较佳地是包括细长的管状区段，其呈现纵向轴线及具有轴向长度及内孔，并 设有入口端部及出口端部，且设有与该管状区段出口端部可运转地联接的歧 管，以便由该出口端部承接材料。多个管状延伸部分固定至歧管，且构造成由 该歧管承接材料，该延伸部分的每一个以一倾斜角度相对当该管状区段的纵向 轴线定向。邻近该延伸部分的每一个远离该歧管的端部，模具与该延伸部分的 每一个可运转地联接，且包括多个模具开口，并定向该模具开口，以在挤压操 作期间产生横越该模具开口的压降。该延伸部分的每一个以大约2-12度、更 佳地是大约4-10度的角度相对当该管状区段的纵向轴线独立地定向。
然而，在较佳实例中，邻近该歧管的上游管状区段配备有可轴向地旋转的 螺杆区段，且该上游管状区段及螺杆区段如上面所述，也即，这些区段具有发 散的结构，以呈现经过这些区段的大致上截头圆锥形流动路径。
该模具组件建立由挤压机筒体挤压材料的方法，其包括在压力下沿着渐进 地发散的、大致上截头圆锥形行进路径移动材料的步骤，该行进路径被界定于 固定不动的管状区段与轴向转动的、螺旋状的螺杆区段之间，该固定不动的管 状区段具有一轴向长度，并设有呈现较小直径入口端部及较大直径出口端部的 内孔，该螺杆区段位于内孔内。该发散的路径对应于管状区段及螺杆区段的发 散角度，且大致上沿着从该入口端部朝向该出口端部的方向呈大约1-11度(更 佳地是大约1.5-7度，且最佳地是大约2-4度)。该行进的路径可大体上遍及该 内孔的整个轴向长度渐进地发散，但于任何情况中应渐进地发散遍及此轴向长 度的至少大约百分之50。在沿着该流动路径行进之后，该材料通过多个限制孔 口模具开口，以便横越该模具开口建立一压降。
如先前所注意的，在此该模具组件被设计用于低密度产品的生产，该模具 接近地邻近该螺杆区段的终端。在此高密度产品是想要的，且利用该发散流动 管，该材料藉由该挤压机的作用被强迫经过这些流动管，以便允许该材料在挤 压的前于该流动管中冷却及致密。
在本发明的另一方面，提供改良的挤压机，沿着其长度具有交替的发散及 收缩区段。此挤压机包括：细长的管状筒体，其呈现入口端部及出口端部；以 及一细长的、可轴向地旋转的、螺旋状的螺杆，其在该筒体内，且可操作以在 压力下将材料从该入口移动朝向及经过该出口。模具组件联接至该筒体的出口 端部，且呈现多个穿过该处的模具孔洞，在该材料的通道该开口期间，该模具 孔洞构造成产生横越该模具开口的压降。该挤压机筒体沿着其长度具有第一区 段及第二区段，其中该第一区段具有第一大致上截头圆锥形内孔，该截头圆锥 形内孔使其大端部最接近至该入口端部及使其小端部最接近至该出口端部。该 第二区段具有第二大致上截头圆锥形内孔，该截头圆锥形内孔使其大端部最接 近至该出口端部及使其小端部最接近至该入口端部。该螺杆组件沿着其长度也 具有第一区段及第二区段，且对应地承接在该第一管状区段及第二管状区段 内。该第一螺杆区段大致上是截头圆锥形构造，并与该第一管状区段对齐，且 该第二螺杆区段与该第二管状区段对齐的大致上截头圆锥形构造。据此，该第 一管状区段及该第一螺杆区段沿着其长度及朝向该出口端部配合地界定收缩 的材料流动路径，且该第二管状区段及该第二螺杆区段沿着其长度及朝向该出 口端部配合地界定收缩的材料流动路径。该交替的收缩及发散挤压机区段可沿 着该筒体的长度隔开，但较佳地是彼此邻近。
传统的模板可为与本发明的挤压机一起使用。然而，为获得本发明的最大 利益，其改良的模具组件应与该挤压机一起使用。
附图说明
图1是按照本发明用于低密度压出物的生产的模具组件的立体图，该模具 组件联接至挤压机筒体的出口端部；
图2是图1中所示出的组件的端视图；
图3是一侧视图，具有图1中所示出的组件破开的零件；
图4是图1的组件的直立剖面图；
图5是按照本发明用于高密度压出物的生产的另一模具组件的立体图，该 模具组件联接至挤压机筒体的出口端部，且示出了邻近该模具面的切断刀具；
图6是图5中所示出的组件的端视图；
图7是一侧视图，具有图5中所示出的组件破开的零件；
图8是图5的组件的直立剖面图；
图9是图5的模具组件的立体图，显示成与挤压机筒体分开及没有切断刀 具；
图10是图9的模具组件的端视图；
图11是图9的模具组件的立体图，从与图9所示的相反端观察；
图12是图9模具组件的端视图，示出与图10中所显示的端部相反的端部；
图13是安装在挤压机筒体的端部上的另一模具组件的直立剖面图，并具 有可变深度、减少容量的螺杆，而当作该模具组件的一零件；
图14是具有一对对齐、发散螺杆区段的另一模具组件的直立剖面图，其 中邻近该模具的端子螺杆区段比该邻近的螺杆区段具有较大的发散角度；
图15是挤压机及模具组件的直立剖面图，其中该模具组件的端子螺杆区 段是平直的，且该邻近的螺杆区段为发散构造；
图16是挤压机及模具组件的直立剖面图，其中该模具组件的端子螺杆区 段为发散构造，且该邻近的螺杆区段为收缩构造；
图17是配备有按照本发明的模具组件的双螺杆挤压机的直立剖面图，其 中该螺杆区段包括一对交错插入的螺杆区段；
图18是典型的现有技术预处理机/挤压机组件的直立剖面图；
图19是包括在图5-12中所描述的模具组件的单螺杆挤压机的片段、直立 剖面图，并使背压阀介入在该挤压机的出口端部及该模具组件的入口端部之 间；
图20是在图17中所示出的双螺杆挤压机型式的一片段、直立剖面图，且 具有图5-12的模具组件；以及
图21是图20的双螺杆挤压机的一片段、直立剖面图，且具有图1-4中所 示出的模具型式。
具体实施方式
图1-4的实施例——用于低密度产品的生产的挤压模具组件
现在翻至图1-4，示出模具组件20，其附接至传统的单螺杆挤压机的端部， 且不具有收缩端部区段。该挤压机由多个管状、端对端地互连的头部区段所组 成，该头部区段界定一固定不动的管状筒体，该管状筒体具有入口并终止在最 后的出口头部区段24。细长、多区段、螺旋状、可轴向地旋转的螺杆组件定位 在该筒体内，且终止于最后头部区段24的最后螺杆区段30中；该螺杆组件是 可操作的，以将材料从该筒体的入口端部移动朝向及经过其出口端部。这些螺 杆区段的每一个包括中心轴32及多个向外延伸的螺旋齿34。该轴32依序安装 在中心驱动轴36上，该中心驱动轴与后方电动机及驱动器组件(未示出)联接， 该后方电动机及驱动器组件用于该轴36的旋转，而没有其平移运动，在图4 中最佳所示，组成该挤压机筒体的头部区段可配备有内部、平直的或螺旋状的 肋条式套筒38，该套筒沿着该筒体的长度配合地界定细长的内孔39。该管状 区段可具有用于将蒸汽和/或水注射到该筒体26内的端口40。另外，这些区 段可具有装有端口的外部夹套42，以经过水或蒸汽注射的使用允许该筒体内的 温度的间接热交换控制。
该模具组件20安装在最后头部24上，且包括管状区段44，该管状区段具 有热交换夹套46。该管状区段44也具有内部、螺旋状肋条式套筒48，其界定 与内孔39连通的内部截头圆锥形内孔50。可观察到，该内孔50具有相对小直 径的入口端部52及相对大直径的出口端部54，以及逐渐地及渐进地发散的内 孔界定壁表面55，该壁表面由入口端部52延伸至出口端部54。该管状区段44 的长度/直径(L/D)比率、也即该管状区段44的轴向长度除以该小入口端部52 的内径的比率是大约2.03。大致上，对此实施例的模具组件，该L/D比率应为 大约1.5-4、更佳地是大约2-3。
该模具组件20也具有螺杆区段56，该螺杆区段56在管状区段44内及藉 由螺栓60固定至减少直径的驱动轴延伸部分58。该螺杆区段56包括轴62及 向外延伸的螺旋齿64。该螺杆区段56也呈现邻近最后螺杆区段30的入口端部 66及相反的出口端部68。该轴62具有外部界定表面70，其从入口端部66发 散至出口端部68。类似地，该螺旋齿64呈现也以与表面70相同方式发散的螺 旋齿外部表面72。在此实施例中，表面55、70及72在3度的恒定角度发散， 且配合地界定从该入口端部52及66至该出口端部54及68的大致上截头圆锥 形流动路径75。实际上，大约1.5-7度及更佳地大约2-6度的发散角度已被发 现为合适的。
该模具组件20也具有呈模板76的形式的模具单元74，该模板借助螺栓 78固定至管状区段44。该模板76具有多个限制孔口的模具开口80，这些模具 开口配置成大体圆形的图案，以便可与流动路径75的出口端部直接连通，且 在挤压期间横越这些开口80建立压降。该模板76也配备有中心短轴82，以有 利于可旋转刀具(未示出)邻近该模板76的出口面的安装。在此实施例中，该模 板76贴近地邻近螺杆区段56的出口端部68，这在低密度压出物的生产中是重 要的。大致上，该模板76应被定位成与该出口端部68隔开大约0.5-2英寸的 距离，或更大致上隔开比模板76的直径小的距离。
在使用模具组件20的低密度压出物的生产中，起始混合物进入及经过该 挤压机筒体及最后经过模具组件20。在此通过期间，该螺杆组件及模具螺杆区 段56藉由轴36旋转。假如想要，蒸汽和/或水可经由端口40注射进入该筒 体26，且更进一步的温度控制可藉由使冷水或冷蒸汽通过该夹套42来实现。 这具有使起始混合物遭受温度、压力及剪力的增加水平的效果，以便将该混合 物蒸煮至想要的程度。由筒体26所传送的材料沿着该发散的、大致上截头圆 锥形流动路径75运送朝向及经过该模具开口80。保持挤压参数(例如SME、 STE、及挤压机构造)，以便将大量能量赋予至该材料，从而当产品从该模具开 口80露出时增加产品的膨胀程度。
使用该模具组件20能生产各种低密度压出物。此一产品的主要范例是设 计成大部分漂浮在水的表面或接近水的表面的漂浮鱼饲料。在这种饲料的生产 中，起始混合物将典型包含一种或多种谷物(例如玉米、小麦、燕麦、高粱、 黄豆)以及诸如鱼粉的蛋白质材料。该起始混合物通常将最初地在预处理机中 被处理和加湿，该预处理机诸如温吉尔DDC预处理机或如于美国专利第 7,448,795号中所揭示的预处理机。在该挤压机中，以下的条件是典型的：在该 挤压机筒体内处理的材料的停留时间是大约3-20秒、更佳地是大约4-10秒； 挤压机螺杆速率是每分钟大约250-900转、更佳地是每分钟大约400-800转； 将在该筒体内处理的材料的最高温度是摄氏100-150度、更佳地是大约摄氏 110-125度；在该筒体内的最大压力是大约每平方英寸100-2000磅、更佳地是 大约每平方英寸400-800磅。在此处理中，该材料可被蒸煮至任何想要的程度 (如藉由带有淀粉成分的糊化作用程度所测量)，但通常达到至少大约百分之75 的蒸煮程度、更佳地是大约百分之75-98。该漂浮鱼饲料通常包含大约18-36 重量百分比的蛋白质、大约2-5重量百分比的脂肪、及大约20-50重量百分比 的淀粉，及具有大约21-23重量百分比的挤出含水量，及大约每升410-460克 的湿式产品密度。
已被发现，模具组件20的使用克服传统挤压系统所经历的生产上的限制， 其中，如与典型的较小模板13作比较，该模板76具有远较大数目的模具开口 80。更确切地是，生产速率通常很显著地增强三倍或更多倍，而在产品品质中 没有任何损失。
图5-12的实施例——用于高密度产品的生产的挤压模具组件
图5示出模具组件90，其与挤压机的最后头部区段24可运转地联接，就 像第一实施例的情况中那样。该模具组件90包括管状区段44及螺杆区段56， 再次像在第一实施例中所提出的那样。由于区段24及44、及螺杆区段30及 56与稍早实施例完全相同，因此在图5-12中使用相同的附图标记，且这些部 件的进一步讨论是不需要的。
除了先前所注意的管状区段44及螺杆区段56以外，该整个模具组件90 具有歧管92、倾斜延伸管94、及最后模具单元96。该歧管92借助螺栓98固 定至管状区段44的接合端，且包括主要本体100，该主要本体具有后方壁面 102、向前延伸的环状壁面104、与外部壁面106。如在图11及12中最佳所示， 该后方壁面102具有中心开口108，其与截头圆锥形流动路径75连通。有点Y 形的分隔件110延伸于壁面102及106之间，且具有将该开口108分成三个相 等面积区段108a、108b、108c的作用。该外部壁面106具有三个等距离隔开、 呈圆形配置的开口112，这些开口分别与区段108a、108b、108c连通。延伸管 94固定在每一个开口112内，该开口具有相对该本体100的中心纵向轴线将该 延伸管定位在一倾斜角度的作用。在所显示的设计中，延伸管94中的每一个 定向成离此轴线大约6度的发散角度、更大致上为大约2-12度的发散角度、 且更佳地是大约4-10度是合适的。这些延伸管94可具有可变的长度，但大致 上具有大约6-24英寸的轴向长度。
该模具单元96邻近其与本体100远离的端部固定至延伸管94。特别地是， 该模具单元96包括主要本体114，其具有三个穿过该处的同样圆周地隔开、截 头圆锥形内孔116。如图8中最佳所示，延伸管94的外置端部分别被承接在内 孔116内。模板118藉由螺栓120固定至主要本体114的外部面。该模板118 具有三个分别遮盖内孔116的外侧端部的模具区段122。模具区段122的每一 个具有一系列穿过该处的限制模具开口124，限制模具开口横越该开口在挤压 期间建立压降。安装短轴126延伸经过模板118，且固定在本体114内。该短 轴126允许可旋转的切断刀具128的安装。
在较佳形式中，延伸管94的横截面是圆形的，且被配置在一大体上圆形 的阵列中。然而，本发明未如此受限制，且延伸管能具有不同的横截面形状， 并可被不同地配置。在此该“直径”一词相对于延伸管94使用，这在采用非圆 形的延伸管时意欲表示最大横截面尺寸。此外，较佳的是，延伸管94为静态 的，也即它们沿着其长度不包含任何可移动的部件，且沿着这些长度具有恒定 的形状及直径。较佳地是，用于延伸管94的长度/直径(L/D)比率是大约2-8、 更佳地是大约3-5、及最佳地是大约3.75。也较佳的是，延伸管是分开的，且 在其邻近外部有孔口的模具区段122的端部彼此不会连通。这与一状态成对比， 在该状态提供分开的流动路径，其中来自个别流动路径的材料在其挤压之前重 新结合。
在使用模具组件90的挤压期间，馈送入该挤压机筒体的预处理材料遭受 增加的剪力、温度、及压力水平，且从该挤压机筒体进入歧管92，在此该材料 由于分隔件110的存在而被分成三道流束。这些个别的流束接着被强迫经过分 开、结构不同的延伸管94，而朝向及经过模板118的模具区段122。如此，该 材料通过完全分开、互相发散的行进路径。在经过延伸管94的行程期间，该 材料已增加密度及冷却，以致该最后的压出物具有相当高的密度。再者，如与 传统模具比较，延伸管94导致较长的滞留时间及如此更多蒸煮该产品。代替 具有相同总横截面积的单根大管或延伸部分，歧管92及分开的延伸管94的使 用导致横越模具的较高压降，如此产生较致密的产品。当然，保持该挤压机的 操作条件，以致在挤压时避免过度的膨胀。大致上，模具组件90可遵循上第 一实施例所指定的条件。
模具组件90的主要应用是沉没式鱼饲料的生产，该鱼饲料被设计成以受 控制的速率(例如缓慢及快速沉没式饲料)在水中下降，该速率对于特定的鱼种 是最佳的。普通的缓慢沉没式鱼饲料具有大约百分之26-45重量百分比的蛋白 质含量、大约百分的20-40重量百分比的脂肪含量、及大约百分之5-15重量百 分比的淀粉含量。对应地，较致密的快速沉没式饲料通常具有大约百分之26-48 重量百分比的蛋白质含量、大约百分之18-26重量百分比的脂肪含量、及大约 百分之10-15重量百分比的淀粉含量。该缓慢及快速沉没式鱼饲料的挤出含水 量分别是大约百分之18-22重量百分比及百分之26-28重量百分比。该湿式产 品具有由大约每升510-570克(缓慢沉没式)及每升600-650克(快速沉没式)的密 度。能藉由模具组件90所生产的密集水生饲料的另一型式是虾子饲料，其通 常具有大约百分之22-32重量百分比的蛋白质、百分之2-6重量百分比的脂肪、 及百分之12-26重量百分比的淀粉。这些产品具有大约百分之27-31重量百分 比的挤出含水量及大约每升660-720克的湿式产品密度。
图13的实施例——用于具有可变深度、减少体积的高密度产品的生产的 挤压模具组件
图13示出一替代的模具组件130，再次被示出为安装在挤压机的最后头部 区段24上。所示出的挤压机筒体及螺杆部件与图4的挤压机筒体及螺杆部件 完全相同，因此使用相同的附图标记。该模具组件130也包括许多与模具组件 20相同的部件，且完全相同的部件如图4中加以编号，且类似但不同的部件具 有与图4中相同的附图标记但提供一“a”的区别标识符号。该模具组件130与 模具组件20不同，其中该模具组件20沿着其长度具有恒定的自由体积，反之 模具组件130沿着其长度具有可变的制有螺旋齿的深度及减少的自由体积。这 是藉由管状区段及螺杆区段的不同相对几何形状来实现的。
该模具组件130安装在最后头部24上，且包括具有热交换夹套46的管状 区段44。该管状区段44也具有内部、螺旋状肋条式套筒48a，其界定与内孔 39连通的内部截头圆锥形内孔50a。可观察到，该内孔50a具有相对小直径的 入口端部52a及相对大直径的出口端部54a，以及逐渐地及渐进地发散的内孔 界定壁表面55a，其从入口端部52a延伸至出口端部54a。
该模具组件130也具有螺杆区段56a，其在管状区段44内及借助螺栓60 固定至减少直径的驱动轴延伸部分58。该螺杆区段56a包括轴62a及向外延伸 的螺旋齿64a。该螺杆区段56a也具有邻近最后螺杆区段30的入口端部66a及 相反的出口端部68a。该轴62a具有从入口端部66a发散至出口端部68a的外 部界定表面70a。类似地，螺旋齿64a呈现也发散的螺旋齿外部表面72a。在 此实施例中，表面55a及72a的每一个以3度的恒定角度发散。然而，螺杆区 段56a的螺旋齿深度从其入口端部66a至其出口端部68a减少。“螺旋齿深度” 意指该外部螺旋齿表面72a与该轴62a的界定外部表面之间的距离。图3的考 量将示范该模具组件20的螺杆区段56具有恒定的螺旋齿深度，而螺杆区段56a 的螺旋齿深度如所示出地减小。在此设计中，该表面70a的发散角度是6度， 而该表面72的发散角度是3度。该模具组件130也具有呈模板76的形式的模 具单元，而与图3的模具组件的完全相同。
该图13实施例可被使用于很低密度漂浮鱼饲料的生产。在该模具组件130 内减少的螺旋齿深度及自由体积赋予更多能量进入该被挤压的材料。
图14的实施例——具有一对设有不同发散角度的互连式管状区段及螺杆 区段的挤压模具组件
图14示出一模具组件140，其包括一对互连式区段142及144。虽然未示 出，但该区段142连接至挤压机筒体的端子区段24。该区段142包括类似于管 状区段44的管状区段146。该管状区段146具有内部、螺旋状的肋条式套筒 148，其呈现有外部表面150。该区段142在其中也具有细长、螺旋状、可轴向 地旋转的螺杆区段152，包括渐进地锥形的轴154及向外延伸的螺旋齿156， 其呈现最外边的螺旋齿表面158。该管状区段146(由于该套筒148的存在)及螺 杆区段152具有对应的较小直径的入口端部146a、152a，及较大直径的出口端 部146b、152b。据此，该管状区段146及螺杆区段152沿着其长度配合地界定 大致上截头圆锥形流动路径160。在所示出的实施例中，表面150及158两者 定向成3度的恒定发散角度。
该第二或端子区段144也具有管状区段162，其配备有内部、螺旋状的肋 条式套筒164，且呈现有外部表面166。该区段144在其中也具有细长、螺旋 状、可轴向地旋转的螺杆区段168，包括渐进地锥形的轴170及向外延伸的螺 旋齿172，其呈现最外边的螺旋齿表面174。该管状区段162(由于该套筒164 的存在)及螺杆区段168具有对应、较小直径的入口端部162a、168a，及较大 直径的出口端部162b、168b。据此，该管状区段162及螺杆区段168沿着其长 度配合地界定大致上截头圆锥形流动路径176。表面166及174两者定向成6 度的恒定发散角度。
图15的实施例——具有平直的端子区段的挤压模具组件
图15描述具有模具组件20的所有部件的模具组件180，且加入平直的端 子区段。据此，与模具组件20的部件完全相同的组件180的部件被标以完全 相同的编号。
此外，该模具组件180包括平直的区段182，其固定至管状区段44的出口 端部。该区段182具有管状区段184，该管状区段184设有肋条式内部套筒186， 该内部套筒186具有内部表面188。在此情况下，该管状区段184的入口端部 及出口端部190、192相同大小，且该表面188不发散。该区段182在其中也 具有细长、螺旋状、可轴向地旋转的螺杆区段194，其具有轴196及螺旋齿198， 且呈现有螺旋齿外部表面200。可以看出，表面188及200的每一个是平直的， 其中它们具有零发散角度。与图3的模板完全相同的模板76如所示出被安装 在管状区段184的出口端部上。
图16的实施例——具有交替的发散区段及收缩区段的挤压机及模具组件
图16示出一状态，在此挤压机210设有最后模具组件20，其具有交替的 发散区段及收缩区段。再者，该模具组件20与第一实施例中所叙述的模具组 件完全相同，因此在图16中使用相同的附图标记。然而，导通至模具组件20 的上游挤压机区段具有发散区段212及收缩区段214。发散区段212具有管状 头部216，该管状头部设有内部、螺旋状的肋条式套筒218，且呈现有内部表 面220。细长、螺旋状、可轴向地旋转的螺杆区段222坐落在头部区段216内， 且具有设有螺旋齿226的中心轴224，该螺旋齿226呈现螺旋齿表面228。头 部区段216(因为该套筒218的存在)及螺杆区段222的入口端部216a、222a及 出口端部216b、222b分别具有较小及较大的直径，以便沿着区段212的长度 配合地界定大致上截头圆锥形及发散的流动路径230。
该收缩区段214具有管状头部区段232，该管状头部区段设有内部、螺旋 状的肋条式套筒234，且呈现有最内部表面236。细长、螺旋状、可轴向地旋 转的螺杆区段238坐落在头部区段232内，且具有设有螺旋齿242的中心轴 240，螺旋齿242呈现螺旋齿表面244。然而，在此情况中，该头部区段(因为 该套筒234的存在)及螺杆区段232、238的入口端部232a、238a大于该对应的 出口端部232b、238b。据此，表面236及244配合地界定大致上截头圆锥形但 收缩的流动路径246。区段212及214的部件设计成发散的流动路径230及收 缩的流动路径246的每一个定向成3度。如所指示，该模具组件20也同样具 有发散3度的流动路径75。
图17的实施例——用于双螺杆挤压机的模具组件
前述的实施例已就单螺杆挤压机的情况按照本发明说明模具组件的使用。 然而，本发明不被限制在此方面，且具体化本发明的原理的模具组件能被制造 供与双螺杆挤压机一起使用。
参考图17，双螺杆挤压机250示出具有模具组件252。该挤压机250本身 为传统的，且包括终止在最后头部区段254的管状筒体，该最后头部区段配备 有内部、平直的套筒256。一对并排的驱动轴258、260坐落在该挤压机筒体内， 且被供电以轴向旋转。轴258、260支承一对并置、交错插入的、可轴向地旋 转、螺旋状的螺杆组件，包括端子螺杆区段262及264。一系列汽锁266可在 该螺杆区段262、264的下游安装在轴258、260上。
该模具组件252包括管状区段268，其固定至端子挤压机头部区段254的 接合端，且与该管状挤压机筒体连通。该管状区段268配备有专用套筒270， 该套筒呈现平滑的内部表面272，该内部表面在其一侧面区段上设有突出表面 274，两者皆在大约9度的发散角度。该管状区段268的入口端部268a大于其 出口端部268b。
该组件252也包括一对在管状区段268内的螺杆区段276、278。该螺杆区 段276安装在驱动轴260上，且具有中心轴280，其设有向外延伸的螺旋齿282， 并呈现有最外边的螺旋齿表面284。该螺杆区段276的入口端部276a比其出口 端部276b小。该螺杆区段278安装在驱动轴258上，且包括中心轴286，其设 有向外延伸的螺旋齿288，并呈现有外部螺旋齿表面290。该入口端部278a大 于该出口278b。螺杆区段278的轴向长度小于匹配螺杆区段276的轴向长度。 螺杆区段276的螺旋齿282与螺杆区段278的螺旋齿288交错插入，也即该螺 旋齿282延伸通过该螺旋齿288的外部表面290，且反之亦然。可以看出，外 部螺旋齿表面284、290及该套筒表面272配合地界定流动路径291，其沿着该 模具组件252的长度发散。
该模具组件252包括最后模具292，其具有中心安装短轴294及一系列与 流动路径291连通的限制式模具开口296。也即，通过该模具组件252的材料 沿着该螺杆区段276的螺旋齿282及表面272之间的区域发散，且也在通过螺 杆区段276、278的交错插入的螺旋齿之间期间发散。最后，沿着螺杆区段278 的螺旋齿288及表面272、274之间的区域通过的材料同样地藉由突出表面274 的外侧端部最后向外发散。据此，模具组件252的净效果是提供材料流动想要 的发散，以便增加经过该挤压机250的产量。
图19的实施例——挤压机及模具组件之间的背压阀门组件的使用
图19示出具有最后头部24的单螺杆挤压机，包括管状区段44及配合的 螺杆区段30，所有如参考图4所显示及叙述。因为区段24及44与螺杆区段 30及56与图4实施例完全相同，因此在图19中使用相同的附图标记，且不再 需要另外讨论的部件。再者，该图19实施例利用模具组件90，如在图5-12的 实施例中所叙述。又在此，因为该模具组件90的部件与图5-12的那些部件完 全相同，因此使用相同的附图标记。
藉由使用介入于该管状区段44及模具90之间的背压阀门组件300，该图 19实施例与该稍早实施例不同。特别地是，该组件300是美国专利第6,773,739 号中所充分地示出及叙述的型式。关于其背压阀门组件14的专利的揭示内容 在此中并入参考。
该背压阀门组件300包括三个互连式部件，也即入口渐变段302、阀门单 元304、及出口渐变段306。这些部件端对端地对齐，且遍及整个组件300配 合地界定通路308。
更详细地是，该渐变段302固定至管状区段44的端部，且具有收缩开口 310。该阀门单元304包括直立的管状区段312，其大致上横向于通路308的纵 向轴线，且具有横侧地延伸的开口314；该区段312的上端及下端包括密封环 316及318。细长的阀门构件320坐落及直立地往复在区段312内。该阀门构 件320包括横侧地延伸经过开口322、以及包括入口326及出口328的产品转 向通路或通道324。该阀门构件320可借助活塞及气缸组件330在区段312内 选择性地移动。特别地是，该组件330藉由安装被固定至区段312的块件332 所支承。该组件330包括往复的活塞杆334，其被固定至阀门构件320的上端。 该出口渐变段306固定至区段312的外面，且具有发散开口336。该模具组件 90借助螺栓338固定至渐变段306的出口面。
在操作中，该背压阀门组件300可被操作，以变化该整个挤压机/背压阀 门/模具组件中所形成的压力及蒸煮条件。特别地是，该阀门构件320往下移 位，直至开口322将与通路308配准。在挤压期间，藉由该通路308所呈现的 有效横截面积可通过活塞及气缸组件330的适当操作被调整。当然，整个挤压 机及端子区段44及56如先前所述地操作。类似地，该模具组件90也如先前 所讨论地操作。
图20-21的实施例——具有低密度和高密度产品模具组件的双螺杆挤压机
现在翻至图20及21，示出了双螺杆挤压机组件350。大致上，该组件350 是传统的，且包括具有端子头部352的多区段管状筒体。该头部包括内部、平 滑的套筒354，其界定大致上为图八构造的细长内孔356。在内部地，该组件 350具有一对细长、横侧地隔开、用花键联接的轴358及359。轴358、359藉 由电动机及驱动器组件(未示出)产生动力，且沿着其长度支承一系列细长、螺 旋状、交错插入而大致上用附图标记360标示的螺杆区段。
特别参考图20，模具组件362被描述及有效运作地连接至该端子头部区段 352。该模具组件362包括藉由螺栓(未示出)固定至头部352的管状区段364。 在内部地，该区段364包括呈现平滑的内部表面368的专用套筒366，该内部 表面368相对于区段364的纵向轴线以5度的角度向外发散。该套筒366也包 括螺旋状肋条式内部表面370，该内部表面370从区段364的纵向轴线以10 度的角度向外发散。该表面370本质上是表面368的连续部分，除此之外还有 提供螺杆承接区域373的渐变段表面372。
可观察到，轴358在套筒366内具有平滑、不用花键联接的、相当长的延 伸部分358a，而轴359包括较短、平滑、不用花键联接的延伸部分359a。该 延伸部分359a在区域373内支承短的、收缩螺杆区段374。该延伸部分358a 支承发散螺杆区段376，其大体上延伸该区段364的整个长度。螺杆区段374 及376的螺旋齿是沿着该区段374的长度交错插入的，使得螺杆区段376的剩 余部分沿着该套筒366的肋条式表面370延伸。可以看出，该螺杆区段376依 照表面368及370发散，也即螺杆区段376的邻近表面368的部分以5度的角 度发散，而该螺杆区段的剩余部分以10度的角度发散。如此，可以看出，配 合的螺杆区段374及376随同套筒366沿着该区段364的长度配合地界定大致 上截头圆锥形、发散流动路径377。
在图20的实施例中，如参考图5-12所叙述的模具组件90借助螺栓378 固定至管状区段364的外侧端部。据此，图5-12的讨论中所使用的附图标记 被同样地用于认知此实施例的模具组件部件。在操作中，沿着发散流动路径377 行进的材料进入及经过该模具组件90，如先前所述。
图21包括模具组件380，其与模具组件362完全相同，除了使用不同型式 的最后模具382以外。因此，使用相同的附图标记以用于模具组件362及380 的完全相同的部件。该最后模具382包括模板384，其具有一系列配置成圆形 图案及接近至截头圆锥形流动路径377的端部的穿透开口386。该模板384固 定至附接至管状区段366的接合端的安装环388，且包括具有螺纹内孔392的 内部中心块件390。浮动刀具单元394固定至模板384，且具有可旋转的刀片 组396。该刀片组396被可旋转的外壳398所支承，该外壳398支承在轴承400 上，而在操作期间能够使该刀片组“浮动”。
在图21实施例的操作中，沿着流动路径377通过的材料被挤压经过开口 386，而具有横越这些开口的压降。该刀具单元394具有切断通过该开口386 的挤出物的作用，以依所想要的尺寸制作该产品。
范例
以下的范例按照本发明提出较佳设备及方法。然而，可以了解，这些范例 仅只被提供作为说明，且在其中不应该被认为是对本发明的整个范围的限制。
范例1
在此范例中，使用基本配方生产微小水生的漂浮鱼饲料，该配方包括百分 之50重量百分比的大豆粉、百分之22重量百分比的鱼粉、百分之25重量百 分比的面粉、百分之1重量百分比的碳酸钙、及百分之2重量百分比的盐。
该挤压设备包括16DDC型号的温吉尔预处理机、及配备有图1-4的模具 组件的5头X165型号的温吉尔单螺杆挤压机。该模板具有总共504个1.8毫 米直径的模具孔洞。
使用此配方及设备进行两次分开的运转。在运转1中，百分之1的鲱鱼油 被加至该预处理机中的材料。在运转2中，没有油的加入。
以下的表1列出源自此系列测试的结果。
表1
1温度控制涉及冷却水或蒸汽注射进入该挤压机筒体的外部夹套。
运转1及2中的挤出密度分别是每升370及430克。在干燥之后，该最后 产品的密度分别是每升444及488克。该运转1的产品是百分之85漂浮的， 且该运转2的产品是百分之60漂浮的。两产品呈现优异的水稳定性。
范例2
在此范例中，使用与范例1相同的产品配方及设备生产微小水生的沉没式 鱼饲料，除了图5-12的模具组件被使用以外。三个模具插件的每一个具有1049 个1.5毫米直径的模具孔洞，总共达3147个模具孔洞。进行总共六个运转，且 鲱鱼油在运转1-3中以百分之3重量百分比的含量加至预处理机，而在剩余的 运转中将百分之5重量百分比的含量的鲱鱼油加至该预处理机。
以下的表2列出这些运转的结果。
表2
1温度控制涉及冷却水或蒸汽注射进入该挤压机筒体的外部夹套。
来自范例1及2的产品具有在漂浮式及沉没式鱼饲料的工业标准内的密度 及水稳定性。以生产速率的观点，使用温吉尔型号X165挤压机，用于微小水 生喂料的典型的饲料生产速率是在每小时1-1.5吨的范围中。然而，使用本发 明的模具组件，可实现每小时5吨或较大的生产速率。达到这些程度，其使用 与该挤压系统结合的给料器设备所可能的最大速率。升级的给料器设备可实现 较大的产量。