Мельница
GRINDING MILL

Изобретение относится к бытовой и промышленной технике и может быть использовано для размола пищевых продуктов (кофе, зерна, травяного лекарственного и технического сырья), а также в промышленности и, в частности, для получения нанопорошков.
Известна мельница (устройство и способ помола) для размола веществ (см. патент РФ № 2388398, МПК A 47 J 42/00, B 82 B 3/00, опубл. 10.05.2010, бюл. №13), включающая электродвигатель и систему размола, причем ротор двигателя выполнен конусообразным с возможностью замены размолочной чаши и внутренняя поверхность полого и перфорированного ротора изготовлена со спицами, при этом в верхней части ротора выполнена загрузочная труба с ребрами-лопастями для создания потока воздуха по направлению внутрь ротора, а нижняя часть выполнена с опорным основанием и углублением для шарика, вместе с тем нижний и верхний магнитные подшипники ротора, подвешивающие его во время вращения, выполнены с возможностью регуляции вертикальных и горизонтальных микроколебаний ротора в процессе его вращения в заданном алгоритме.
Недостатком является налипание на внешнюю поверхность спиц частиц размельченного вещества, особенно близких по размеру к нанопорошку из-за наличия высокой степени ее шероховатости, что приводит к увеличению гидравлического сопротивления перемещения размельченного вещества и соответственно к возрастанию мощности электродвигателя.
Известна мельница (см. патент РФ на полезную модель № 159787, МПК A 47 J 42/00, опубл. 20.02.2016, бюл. №5), включающая электродвигатель и систему размола, причем ротор двигателя выполнен конусообразным с возможностью замены размолочной чаши и внутренняя поверхность полого и перфорированного ротора изготовлена со спицами, при этом в верхней части ротора выполнена загрузочная труба с ребрами-лопастями для создания потока воздуха по направлению внутрь ротора, а нижняя часть выполнена с опорным основанием и углублением для шарика, вместе с тем нижний и верхний магнитные подшипники ротора, подвешивающие его во время вращения, выполнены с возможностью регуляции вертикальных и горизонтальных микроколебаний в процессе его вращения в заданном алгоритме.
Недостатком является снижение качества готового продукта из-за  неравномерности поступления сырья вследствие медленного перемещения его частиц по внешней поверхности ребер-лопастей в загрузочной трубе, что приводит к различным временным поступлениям - измельчаемой массы на спицы, а это способствует отклонению от нормированного режима тепломассообмена во внутреннем объеме ротора.
Технической задачей предлагаемого изобретения является обеспечение качества готового продукта путем поддержания во внутреннем объеме ротора нормированного тепломассообменного процесса размола сырья за счет скорейшего спуска его частиц в загрузочной трубе по ребрам-лопастям при выполнении кривизны их наружных поверхностей по линии циклоида как брахистохрона.
Технический результат достигается тем, что мельница, включающая электродвигатель и систему размола, причем ротор двигателя выполнен конусообразным с возможностью замены размолочной чаши и внутренняя поверхность полого и перфорированного ротора изготовлена со спицами, при этом в верхней части ротора выполнена загрузочная труба с ребрами-лопастями для создания потока воздуха по направлению внутрь ротора, а нижняя часть выполнена с опорным основанием и углублением для шарика, вместе с тем нижний и верхний магнитные подшипники ротора, подвешивающие его во время вращения, выполнены с возможностью регуляции вертикальных и горизонтальных микроколебаний в процессе его вращения в заданном алгоритме, при этом наружная поверхность каждой из спиц покрыта нанообразной стеклоподобной пленкой из оксида тантала, обладающей высокой степенью гладкости, а кривизна наружных поверхностей ребер-лопастей выполнена по линии циклоида как брахистохрона.
На фиг. 1 показана мельница в сборе; на фиг.2 – ротор как элемент мельницы; на фиг.3 – элементы статора; на фиг.4 - одна из спиц ротора, которая покрыта нанообразной стеклоподобной пленкой; на фиг.5 - наружная поверхность ребра-лопасти, кривизна которой выполнена по линии циклоида как брахистохрона.
Мельница 1 (фиг.1) включает в себя корпус 2, в котором распределены статорные обмотки 3 и магнитный подшипник 4, а также выводные тубусы 5 (для порошка с наноразмерами) и 6 для более крупной фракции помола. Оба тубуса выполнены с клапанами, изменяющими свое положение посредством стержней 7. В верхней части корпус заканчивается выступами 8 с резьбовой нарезкой для навинчивания крышки 9, выполненной со вторым магнитным подшипником 10 и муфтой 11. В верхней части крышки выполнены пазы для крепления насадки 12 (с помощью выступов 8, см. фиг.3), в которой создано пространство для загрузочной воронки 13. Ротор 14 (фиг.1 и 2) выполнен конусообразным, полым и перфорированным с загрузочным каналом (трубкой) 15, спицами 16 и опорным основанием 17. Снаружи корпус мельницы оформлен декоративным прозрачным покрытием, внутри которого выполнены пространства для приемных емкостей 18 (для мелкой фракции помола), и 19 (для более крупной фракции помола). Конструктивно ротор (фиг.2) выполнен разборным с верхней 20 и нижней 21 частями, соединенными резьбовым соединением. В опорном основании ротора выполнено углубление 22 под шаровую опору 23 (шарик) нижнего магнитного подшипника. Загрузочная трубка ротора выполнена с лопастями 24 для создания движения воздуха сверху вниз, то есть внутрь ротора. Наружная поверхность 25 спицы 16 покрыта нанообразной стеклоподобной пленкой. Кривизна наружной поверхности 27 ребер-лопастей 24 в загрузочной трубе 15 выполнена по линии 28 циклоида как брахистохрона.
Работает мельница следующим образом.
Сырье через загрузочную воронку 13 поступает в загрузочную трубу 15, где его частицы медленно перемещаются на наружной поверхности 27 ребер-лопастей 24 под воздействием движущегося сверху вниз воздуха и периодически сбрасываются во внутренний объем ротора 14 для размола посредством спиц 16. Сброс  частиц сырья с наружной  поверхности 27 ребер-лопастей 24 на спицы 16 осуществляется периодически по мере преодоления массой частиц на наружной поверхности силы сцепления вещества сырья с материалом ротор-лопастей 24. В результате спицы 16, покрытые нанообразной стеклоподобной пленкой 26, также периодически разбивают частицы сырья на более мелкие части с выделением тепловой энергии, которая осуществляет изменение  температурного режима во внутреннем объеме ротора 14. Следовательно, наблюдается нестационарный тепломассообменный процесс размола сырья (см., например, Цой П.В. «Методы расчета отдельных задач тепломассообмена». М.: Энергия, 1971. 382 с., ил.) и, как следствие, ухудшение качества готового продукта. Для обеспечения равномерного поступления сырья для температурного режима размола и соответственно поддержания постоянства тепломассообменного  процесса в роторе 14 осуществляет скорейший спуск частиц сырья по наружной поверхности 27 ребер-лопастей 24 путем выполнения кривизны их по линии 28 циклоиды как брахистохрона (см., например, стр. 802. Выгодский М.Я. Замечательные кривые. «Справочник по высшей математике». М.: Москва, 1996. - 872с., ил.). Тогда частица сырья от точки А из загрузочной трубы 15 за наименьшее время перемещений в точку B на наружной поверхности 27 с кривизной по линии 28 циклоиды как брахистохрона. В результате осуществляется непрерывный  (по мере поступления сырья) сброс частиц в зону размола с поддержанием нормированного тепломассообменного процесса получения заданного качества готового продукта.
При включении напряжения ротор 14 совершает вращение на опорном шарике 23 при малых оборотах, а при больших скоростях вращения ротор находится в подвешенном состоянии на магнитном подшипнике 4 и частично на магнитном подшипнике 10. Задачей последнего является также создание наиболее стабильного вращения в муфте 11 при высоких оборотах ротора.
Спицы 16 разбивают частицы сырья на более мелкие части, которые в большем своем объеме вовлекаются в вихревой процесс, способствующий дальнейшему размельчению вещества, проталкиваются через перфорации ротора в пространство между ротором и статором, поднимаются вверх к тубусу 5 и выходят через него в сборную емкость 18.
Более крупные частицы (при работе на малых оборотах ротора) в большем своем объеме попадают в тубус 6 и собираются в емкость 19.
Перед загрузкой сырья в ротор 14 мельницу запускают на холостом ходу и добиваются ровного и подвешенного на магнитных подшипниках 4 и 10 состояния вращения ротора при закрытых клапанах тубусов 5 и 6. Затем в воронку 13 подают подготовленную по фракционному составу дозу сырья и проверяют качественные параметры получаемых фракций размола в емкостях 18 и 19. При необходимости режим вращения ротора меняют или корректируют.
При закрытых или прикрытых клапанах в тубусах 5 и 6 помол продолжают и переводят вещество во все более и более мелкую фракцию.
При отработанном режиме (имеется в виду алгоритм) вращения ротора и количества подаваемого сырья в единицу времени устанавливают положения клапанов стержнями 7 в тубусах 5 и 6 и проводят непрерывный помол продукта в полуавтоматическом или автоматическом режимах.
Оригинальность предлагаемого изобретения заключается в том, что выполнение кривизны наружной  поверхности ребер-лопастей по линии циклоиды как брахистохрона обеспечивает  скорейший спуск частиц сырья для размола на спицах, покрытых нанообразной стеклоподобной пленкой, что поддерживает нормированный тепломассообменный процесс во внутреннем объеме ротора и, как следствие, получение заданного качества готового продукта.