АППАРАТ ДЛЯ АЭРИРОВАНИЯ ПАСТООБРАЗНОГО ПРОДУКТА И ДЛЯ СМЕШИВАНИЯ ПАСТООБРАЗНОГО ПРОДУКТА С ДРУГИМ ПРОДУКТОМ
DEVICE FOR AERATING PASTY PRODUCT AND FOR MIXING PASTY PRODUCT WITH ANOTHER PRODUCT

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к аппарату для аэрирования пастообразных продуктов и способу аэрирования пастообразных продуктов. Термин «пастообразный» следует понимать в широком и неограничивающем смысле. Пастообразные продукты включают полужидкие, вязкие и полутвердые продукты. Например, муссы (т. е. аэрированные пищевые композиции) на основе молочных продуктов (т. е. молочных пищевых продуктов) в виде пены, полученной путем взбивания воздуха или газа в молочной основе, широко известны в данной области. Потребители высоко ценят их за аэрированную текстуру. Настоящее изобретение относится к аэрированию таких продуктов, в частности, для пищевой и кормовой промышленности. Кроме того, возможно применение в фармацевтической или косметической промышленности.
Уровень техники
Наиболее часто применяемые промышленные способы аэрирования жидких и полужидких продуктов основаны на принципе механического аэрирования. Серийно выпускаемые машины несколько отличаются по своей конструкции, однако принцип их работы в основном один и тот же. Кроме того, примеры роторно-статорных смесителей описаны в EP 0210905 A2, GB 2105209 A и US 2017/101583 A1.
Смесительный аппарат большинства имеющихся в продаже машин относится к роторно-статорному типу и содержит вал ротора из нержавеющей стали с металлическими штырьками, которые установлены внутри корпуса, на внутренней поверхности которого также имеются штырьки. Когда смесительный аппарат собран, штырьки, расположенные на поверхности вала, перемещаются вблизи штырьков, расположенных на внутренней поверхности аппарата, создавая при этом силу сдвига, действующую на поток продукта. Перед поступлением в смесительный аппарат жидкая фаза и газообразная фаза объединяются. Смесительный аппарат механически дробит крупные пузыри газа на очень мелкие пузырьки, которые распределены по матрице пищевого продукта. Размер пузырьков является существенным фактором, определяющим свойства продукта.
Такие машины описаны, например, в WO 91/07221 A1, GB 888 264 A и DE 31 27 684 A1.
В WO 2013/068426 A1 описано устройство для аэрирования пищевых продуктов, содержащее смесительную головку с по меньшей мере одним набором из ротора и статора. Каждый набор из ротора и статора содержит ротор и статор со взаимодополняющими зубчатыми ободьями, ориентированными противоположно по отношению друг другу в осевом направлении. Предусмотрена крышка входного канала, в которой есть впускное отверстие для приема продукта, подлежащего аэрированию, и на которой расположен газовый инжектор, пересекающий крышку входного канала, так что головка газового инжектора находится в свободном пространстве над продуктом, образованном крышкой входного канала и первым набором из ротора-статора. С помощью этого устройства нельзя смешивать и аэрировать несколько композиций одновременно.
В DE 102015205597 B3 описано устройство для производства вспененной первой массы продукта питания, содержащей комковатую или жидкую массу второго продукта питания. Указанное устройство содержит на одном конце первый корпус статора и первый ротор. Корпус первого статора и первый ротор содержат радиально ориентированные и расположенные на расстоянии друг от друга в осевом направлении взбивающие элементы. Первый ротор поворачивается в корпусе первого статора. Взбивающие элементы ротора проходят вблизи неподвижных взбивающих элементов корпуса первого статора. Первый ротор соединен с первым приводным валом. Указанное устройство содержит на другом его конце корпус второго статора и второй ротор, которые выполнены аналогично корпусу первого статора и первому ротору. Скорость вращения первого ротора для взбивания может быть установлена независимо от скорости вращения второго ротора для смешивания.
В DE 29709060 A1 описан конструкционный набор для создания роторно-статорного смесительного устройства для непрерывного диспергирования и смешивания газов, текучих сред и/или твердых веществ в жидкой фазе.
В WO 99/08782 A1 описан способ получения газосодержащих пузырьков, в котором смесь газа, жидкости и материала, образующего мембрану пузырька, пропускают через зону, в которой ее подвергают действию сил сдвига, создаваемых поверхностями, перемещающимися относительно друг друга со скоростью по меньшей мере 20 м/с.
Недостатки имеющихся на рынке систем включают ограничения в отношении универсальности аппарата, например, помимо прочего, в отношении подачи различных жидких сред и/или в отношении размера образующихся пузырьков.
Этот недостаток может быть частично устранен путем обеспечения аппарата для аэрирования пастообразного продукта (например, пищевого продукта), содержащего дополнительное впускное отверстие для введения (в положении между расположенным выше по потоку набором из ротора и статора и следующим ниже по потоку набором из ротора и статора) вторичного продукта для смешивания с пищевым продуктом.
Однако такие аппараты ограничены в отношении гомогенного смешивания и аэрирования пищевых продуктов, в частности, для вторичного продукта. Вторичный продукт может представлять собой жидкость, полужидкий продукт, газ или любую их комбинацию. Вторичный продукт также может представлять собой или содержать твердые кусочки.
Устройства в соответствии с предшествующим уровнем техники также не позволяют обеспечить требуемых характеристик выходного продукта (например, крем с равномерно распределенными твердыми включениями, такими как ломтики шоколада) для разных типов вторичных продуктов, которые может быть необходимо добавить к основному продукту.
Даже самые технически усовершенствованные аппараты не способны производить все виды аэрированного пастообразного продукта, поскольку их универсальность с точки зрения взбивания остается ограниченной. Любой конкретный аппарат выполнен с возможностью приготовления конкретного продукта, но его нельзя легко адаптировать для приготовления более широкого диапазона продуктов, например, аэрированных основных продуктов с различными свойствами (количество газа, размер пузырьков и т. д.), смешанных с вторичными продуктами различных видов (газ, жидкость, полужидкий продукт, твердые кусочки или их комбинации, которые могут представлять собой продукты, свойства которых изменяются при их введении в аэрированный основной продукт).
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является обеспечение устройства и способа для аэрирования пищевых продуктов, которые позволяют преодолеть один или более недостатков известных систем, в частности, в отношении введения вторичного продукта в пастообразный продукт.
Соответственно, согласно одному аспекту настоящего изобретения предложен аппарат для аэрирования пастообразного продукта, содержащий корпус, проходящий в продольном направлении, причем указанный корпус содержит впускное отверстие (4) для пастообразного продукта, подлежащего аэрированию, и выпускное отверстие для аэрированного продукта, а внутри корпуса по меньшей мере первый набор из ротора и статора и второй набор из ротора и статора, причем каждый набор из ротора и статора имеет взаимодополняющие зубчатые ободья, противоположно ориентированные в продольном направлении, причем указанный аппарат содержит приводной вал, причем роторы из каждого набора из ротора и статора соединены с указанным приводным валом. Указанный аппарат дополнительно содержит газовый инжектор для введения (выше по потоку относительно первого набора из ротора и статора) газа в пастообразный продукт, подлежащий аэрированию, отличающийся тем, что аппарат дополнительно содержит промежуточную смесительную камеру, обеспеченную в корпусе между первым и вторым наборами из ротора и статора, и средство для введения вторичного продукта, которое выступает в промежуточную смесительную камеру таким образом, чтобы обеспечить выпускание в указанную промежуточную смесительную камеру.
По сравнению с существующими системами введение вторичного продукта внутрь смесительной камеры на некоторое расстояние от стенки смесительной камеры обеспечивает лучшее распределение или гомогенизацию вторичного продукта в аэрированном пастообразном продукте и увеличивает время перемещения вторичного продукта в пастообразный продукт до того, как он достигнет набора из ротора и статора.
В одном варианте осуществления средство для введения вторичного продукта включает инжектор текучей среды. В другом варианте осуществления средство для введения вторичного продукта представляет собой впускное отверстие для вторичного пастообразного продукта.
В одном варианте осуществления промежуточная смесительная камера имеет цилиндрическую форму с центром на оси вращения вала, причем средство для введения вторичного продукта выступает в промежуточную смесительную камеру на некоторое расстояние от внешней поверхности вала, составляющее от 10% до 95% расстояния вдоль закругления промежуточной смесительной камеры между указанной внешней поверхностью вала и стенкой корпуса, предпочтительно от 20% до 70% указанного расстояния и более предпочтительно от 25% до 50% указанного расстояния.
В одном варианте осуществления корпус содержит внутреннюю кольцевую ступеньку вдоль длины (в продольном направлении) промежуточной смесительной камеры. Предпочтительно промежуточная смесительная камера имеет цилиндрическую форму с центром на оси вращения вала и диаметром, который меньше диаметра ротора.
В одном варианте осуществления промежуточная смесительная камера представляет собой пространство, в котором отсутствуют механические детали, за исключением указанного инжектора текучей среды.
В одном варианте осуществления промежуточная смесительная камера имеет длину, соответствующую по меньшей мере длине набора из ротора и статора.
В одном варианте осуществления корпус содержит в продольном направлении множество модулей, причем указанное множество модулей включает:
• впускной модуль, содержащий впускное отверстие для продукта и газовый инжектор;
• по меньшей мере один промежуточный модуль корпуса, выполненный с возможностью образования промежуточной смесительной камеры, и
• выпускной модуль, содержащий проем выпускного отверстия для продукта.
Предпочтительно каждый промежуточный модуль корпуса выполнен с возможностью установки в него одного, двух или трех наборов из ротора и статора.
В одном варианте осуществления ротор из каждого набора из ротора и статора соединен с продольным приводным валом, а статор из каждого набора из ротора и статора соединен с корпусом.
В одном варианте осуществления аппарат содержит первый вал, соединенный с ротором из по меньшей мере первого набора из ротора и статора, и второй вал, соединенный с ротором из по меньшей мере второго набора из ротора и статора.
В одном варианте осуществления первый вал и второй вал соосны с продольной осью аппарата.
В одном варианте осуществления аппарат выполнен с возможностью приведения в движение первого вала и второго вала с различными скоростями вращения и/или в противоположных направлениях.
В одном варианте осуществления аппарат содержит независимые приводы для приведения во вращательное движение первого вала и второго вала соответственно.
В одном варианте осуществления промежуточная камера образована между парой ротора и статора, соединенной с первым валом, и парой ротора и статора, соединенной со вторым валом.
В одном варианте осуществления аппарат содержит средство для введения вторичного продукта для введения вторичного продукта в промежуточную камеру, образованную между парой ротора и статора, соединенной с первым валом, и парой ротора и статора, соединенной со вторым валом.
В одном варианте осуществления пары ротора и статора, соединенные с первым валом, заключены в первую часть корпуса, а пары ротора и статора, соединенные со вторым валом, заключены во вторую часть корпуса.
В одном варианте осуществления промежуточная камера образована промежуточной частью корпуса, расположенной между первой частью корпуса и второй частью корпуса.
Согласно другому аспекту в настоящем изобретении предложен способ аэрирования пастообразного продукта, включающий пропускание потока пастообразного продукта, подлежащего аэрированию, через аппарат по любому из предшествующих пунктов, введение газа в поток пастообразного продукта посредством расположенного выше по потоку газового инжектора в положении выше по потоку относительно первого набора из ротора и статора и введение вторичного продукта посредством средства для введения вторичного продукта в промежуточную смесительную камеру.
В одном варианте осуществления пастообразный продукт представляет собой молочный пищевой продукт.
В одном варианте осуществления газ, вводимый в пастообразный продукт посредством расположенного выше по потоку газового инжектора, выбирают из воздуха, азота, углекислого газа, оксида азота и их комбинаций.
В одном варианте осуществления вторичный продукт выбирают из воздуха, азота, углекислого газа, оксида азота, жидкого шоколада, жидкой карамели, фруктового кули, ароматизированного соуса и их комбинаций.
Краткое описание чертежей
- На фиг. 1 представлено схематическое изображение в поперечном сечении аппарата в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.
- На фиг. 2 представлено схематическое изображение в поперечном сечении аппарата в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения.
- На фиг. 3 представлено схематическое изображение в поперечном сечении аппарата в соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения.
- На фиг. 4 представлено схематическое изображение в поперечном сечении аппарата в соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения.
- На фиг. 5 и 6 представлены схематические изображения в поперечном сечении впускных модулей, которые могут быть использованы в настоящем изобретении.
- На фиг. 7 и 8 представлены схематические изображения в поперечном сечении выпускных модулей, которые могут быть использованы в настоящем изобретении.
- На фиг. 9–13 представлены схематические изображения в поперечном сечении промежуточных модулей, которые могут быть использованы в настоящем изобретении.
- На фиг. 14 и 15 представлены примеры осуществления соединительных стыков узла между модулями, которые могут быть использованы в настоящем изобретении.
Осуществление изобретения
Для полного понимания настоящего изобретения и его преимуществ делают ссылку на представленное ниже подробное описание изобретения.
Следует понимать, что различные варианты осуществления настоящего изобретения могут быть объединены с другими вариантами осуществления изобретения и являются лишь иллюстрацией определенных способов реализации и применения настоящего изобретения, но не ограничивают объем изобретения, который изложен в последующем подробном описании и формуле изобретения.
В данном описании слова «содержит», «содержащий» и аналогичные слова не следует интерпретировать в исключительном или исчерпывающем смысле. Иными словами, предполагается, что они означают «включая, без ограничений».
Изобретение дополнительно описано со ссылкой на следующие примеры. Следует понимать, что изобретение в заявленном виде не будет каким-либо образом ограничено этими примерами.
На фиг. 1 представлено схематическое изображение в поперечном сечении аппарата для аэрирования пастообразного продукта в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
Представленное устройство для аэрирования пастообразного продукта содержит корпус 1, в котором размещены два набора 21, 22 из ротора и статора. В представленном варианте осуществления корпус 1 имеет, по существу, трубчатую форму. Корпус 1 проходит в продольном направлении.
Наборы 21, 22 из ротора и статора расположены последовательно вдоль центрального приводного вала 3 и проходят в продольном направлении вдоль центральной продольной оси A.
Каждый набор 21, 22 из ротора и статора содержит ротор и соответствующий статор. Роторы соединены с приводным валом 3, и их приводят во вращение вокруг продольной оси приводного вала 3 с помощью приводного двигателя (не показан), соединенного с валом 3. Приводной двигатель может быть соединен с приводным валом 3 напрямую или опосредованно. Вращение может происходить по часовой стрелке или против часовой стрелки вокруг оси вращения приводного вала 3 (соответствующей продольной оси А). Типовые значения скорости вращения приводного вала 3 могут варьироваться от 50 об/мин до 1500 об/мин.
В показанном варианте осуществления статоры соединены с внутренней стенкой корпуса 1, которая имеет цилиндрическую форму в представленном варианте осуществления настоящего изобретения.
На роторах имеются один или более зубчатых ободьев, которые взаимодействуют с взаимодополняющими их зубчатыми ободьями на статорах, которые ориентированы противоположно в осевом направлении.
В варианте осуществления, представленном на фиг. 1, аппарат для аэрирования пастообразного продукта содержит два набора 21, 22 из ротора и статора, а именно первый набор 21 из ротора и статора и второй набор 22 из ротора и статора. Первый набор 21 из ротора и статора расположен выше по потоку относительно второго набора 22 из ротора и статора в отношении общего направления потока продукта в аппарате от впускного отверстия 4 для продукта к выпускному отверстию 5 для аэрированного продукта.
В этом варианте осуществления аппарат имеет впускное отверстие 4 для продукта в крышке впускного отверстия или впускном модуле 11. Впускное отверстие 4 для продукта выполнено с возможностью приема потока подлежащего аэрированию пастообразного (например, жидкого или полужидкого) продукта из линии подачи продукта (не показана). В представленном варианте осуществления впускное отверстие для продукта расположено по центру крышки впускного отверстия вдоль продольной оси A. Насос (не показан) может быть использован для введения жидкого или полужидкого продукта в устройство и его пропускания через последовательно расположенные наборы 21, 22 из ротора и статора.
Для подачи газа под давлением в аппарат в крышке входного канала расположен газовый инжектор 6.
Как правило, газ может впрыскиваться в смесительный аппарат под давлением в диапазоне от около 0,5 бар до около 10 бар. Выпускной кончик 61 газового инжектора расположен в пространстве выше по потоку относительно первого набора 21 из ротора и статора. Введение газа могут осуществлять вблизи первого набора 21 из ротора и статора.
Положение газового инжектора 6 важно для обеспечения эффективного смешивания газа с потоком пастообразного продукта, например, для получения однородных пузырьков газа в потоке пастообразного продукта.
Газовый инжектор 6 может быть расположен таким образом, чтобы его центральная ось была параллельна продольной оси A аппарата (и/или впускного отверстия для продукта) или наклонена под углом от 10° до приблизительно 85° относительно указанной продольной оси A аппарата. Наклон центральной оси газового инжектора 6 позволяет оптимизировать поток вводимого газа, поступающий на зубья первого набора 21 из ротора и статора. Положение кончика газового инжектора обеспечивает хорошую управляемость прилагаемых сил сдвига и среза и предотвращает образование газовых карманов в потоке продукта.
Газ, поступающий в аппарат под давлением через газовый инжектор 6, подается на зубчатые ободья первого набора 21 из ротора и статора, где непосредственно подвергается высоким силам сдвига и среза, создаваемым зубчатым набором из ротора и статора. Вращение роторов в каждом наборе 21, 22 из ротора и статора нагнетает поток продукта и пузырьки газа наружу через зазоры сдвига между зубьями ротора и зубьями статора, создавая локализованное интенсивное состояние сдвига. Высокие силы сдвига, действующие на поток продукта в зазорах сдвига между зубьями ротора и зубьями статора, через которые течет продукт, обеспечивают гомогенизацию потока продукта и получение однородного аэрирования продукта с мелкими пузырьками газа.
Аппарат дополнительно содержит промежуточную смесительную камеру 7 в корпусе между первым и вторым наборами из ротора и статора. Смесительная камера 7 представляет собой незаполненное пространство внутри корпуса 1 (т. е. пространство, в котором отсутствуют механические детали, за исключением инжектора текучей среды), расположенное между наборами из ротора и статора. Смесительная камера 7 обеспечивает гомогенизацию потока продукта ниже по потоку относительно набора из ротора и статора и перед следующим (расположенным ниже по потоку) набором из ротора и статора. Смесительная камера 7 способствует увеличению в объеме и стабилизации аэрированного продукта. Смесительная камера 7 может представлять собой незаполненное пространство, образованное поверхностью расположенного выше по потоку набора из ротора и статора, поверхностью расположенного ниже по потоку набора из ротора и статора, стенкой или стенками корпуса между расположенными выше по потоку и ниже по потоку наборами, а также поверхностью 31 приводного вала 3, расположенной между указанными расположенными выше по потоку и ниже по потоку наборами. В варианте осуществления, представленном на фиг. 1, смесительная камера 7 расположена между первым набором 21 из ротора и статора (расположенным выше по потоку набором) и вторым набором из ротора и статора 22 (расположенным ниже по потоку набором).
В представленном варианте осуществления настоящего изобретения аппарат дополнительно содержит средство для введения вторичного продукта, включающее инжектор 8 текучей среды, для введения вторичного продукта в смесительную камеру 7.
Как описано выше, вторичный продукт может представлять собой жидкость, полужидкий продукт, газ или любую их комбинацию. Вторичный продукт может, в частности, представлять собой жидкую или полужидкую композицию, которая затвердевает вскоре после ее введения в пищевой продукт, например, при охлаждении. Например, пастообразный продукт, протекающий в аппарате, может иметь низкую температуру. Вторичный продукт может представлять собой расплавленную шоколадную композицию или жидкую карамельную композицию, температура которой выше, чем температура пастообразного продукта. Из-за разницы в температуре дополнительная композиция охлаждается вскоре после ее введения в пастообразный продукт. Это приводит к повышению вязкости вторичного продукта или даже приводит к затвердеванию вторичного продукта.
В зависимости от физических свойств вторичного продукта инжектор 8 текучей среды может представлять собой, например, газовый инжектор или впускное отверстие для вторичного пастообразного продукта. Средство для введения вторичного продукта может содержать трубку некоторого диаметра с отверстием на ее конце с поперечным сечением, достаточным для беспрепятственной доставки вторичного пастообразного продукта.
Инжектор 8 текучей среды (или другое средство для введения вторичного продукта) выполнен таким образом, что он выступает в смесительную камеру 7 для обеспечения выпускания в указанную смесительную камеру 7. Таким образом, вторичный продукт может быть введен внутрь смесительной камеры 7 в поток пастообразного продукта на требуемом расстоянии от приводного вала 3 (в зависимости от выступания инжектора 8 текучей среды внутрь смесительной камеры 7). Таким образом, может быть желательно вводить вторичный продукт вблизи приводного вала 3, который пересекает смесительную камеру 7, т. е. максимально близко к центру смесительной камеры 7.
Средство для введения вторичного продукта может, например, проходить в промежуточную смесительную камеру 7 для введения вторичного продукта на некоторое расстояние от внешней поверхности 31 вала 3, составляющее от 10% до 95% расстояния вдоль закругления промежуточной смесительной камеры 7 (при условии, что смесительная камера 7 имеет форму, образованную поверхностью вращения, например, цилиндрическую форму), между внешней поверхностью 31 вала 3 и внутренней стенкой 111 корпуса 1. Указанное расстояние может быть адаптировано в зависимости от применяемого пастообразного продукта, вторичного продукта и конфигурации аппарата. Например, средство для введения вторичного продукта может проходить в промежуточную смесительную камеру 7 для введения вторичного продукта на некоторое расстояние от внешней поверхности вала 3, составляющее от 20% до 70% указанного расстояния или от 25% до 50% указанного расстояния.
Вторичный продукт не вводят непосредственно перед зубчатыми ободьями ротора. Поскольку вторичный продукт вводят в толщу потока аэрированного пастообразного продукта в аппарате, а не только на его поверхность вдоль внутренней стенки 111 корпуса 1, вторичный продукт может быть равномерно примешан в аэрированный пастообразный продукт. Аэрированный пастообразный продукт сразу же окружает вторичный продукт после введения вторичного продукта в указанный аэрированный пастообразный продукт. Если вторичный продукт затвердевает (частично или полностью) после введения в поток пастообразного продукта или, в более общем случае, если его физические свойства изменяются после введения в пастообразный продукт, такое изменение свойств происходит благодаря введению указанного вторичного продукта в толщу потока пастообразного продукта и увеличению времени перемещения введенного вторичного продукта до момента достижения им второго набора 22 из ротора и статора.
Корпус 1 содержит выпускное отверстие 5 для продукта для аэрированного продукта, содержащего примешанный вторичный продукт. Предпочтительно, чтобы в потоке продукта ниже по потоку от выпускного отверстия 5 для продукта был предусмотрен регулятор обратного давления (не показан). В некоторых вариантах осуществления регулятор обратного давления имеет форму диафрагменного клапана обратного давления, например клапана обратного давления с двумя диафрагмами. Однако предусматриваются другие подходящие регуляторы обратного давления. Преимуществом является то, что регулятор обратного давления позволяет регулировать давление в смесительной камере 7 и обеспечивать стабильный поток продукта через смесительный аппарат.
На фиг. 2 представлено схематическое изображение в поперечном сечении аппарата в соответствии с альтернативным вариантом осуществления настоящего изобретения. Вариант осуществления, изображенный на фиг. 2, отличается от варианта осуществления, показанного на фиг. 1, тем, что он содержит три набора 21, 22, 23 из ротора и статора и имеет другую конфигурацию корпуса.
В представленном примере осуществления третий набор 23 из ротора и статора расположен выше по потоку относительно первого набора 21 из ротора и статора. Количество, положение и параметры (форма, размер и количество зубьев) наборов 21, 22, 23 из ротора и статора адаптированы для пастообразного продукта, введенного вторичного продукта и требуемых характеристик требуемого конечного аэрированного продукта.
Что касается корпуса 1 аппарата, вариант осуществления, представленный на фиг. 2 (и на фиг. 3, описанной ниже), основан на модульной конструкции. Корпус 1 аппарата, показанного на фиг. 2, содержит впускной модуль 11, промежуточный модуль 12 корпуса и выпускной модуль 13.
Впускной модуль 11 содержит впускное отверстие 4 для продукта и газовый инжектор 6. Промежуточный модуль 12 корпуса выполнен с возможностью образования промежуточной смесительной камеры 7 между первым набором 21 из ротора и статора и вторым набором 22 из ротора и статора. Выпускной модуль 13 содержит проем выпускного отверстия 5 для продукта. В представленном варианте осуществления также имеется отверстие для введения приводного вала 3 в корпус 1.
Промежуточный модуль 12 корпуса может быть выполнен с возможностью установки в него одного, двух или трех наборов из ротора и статора. В варианте осуществления, представленном на фиг. 2, промежуточный модуль 12 корпуса выполнен с возможностью установки в него трех наборов из ротора и статора. Промежуточный модуль корпуса может содержать внутреннюю кольцевую ступеньку 121 в его продольном направлении. Это определяет места для наборов из ротора и статора выше и ниже по потоку относительно указанной кольцевой ступеньки 121. В представленном варианте осуществления два набора могут быть расположены выше по потоку относительно кольцевой ступеньки 121, а один набор может быть расположен ниже по потоку относительно кольцевой ступеньки 121 в промежуточном модуле 12 корпуса.
Кольцевая ступенька 121 также может обеспечивать удержание в требуемом положении статоров смежных наборов из ротора и статора. Кольцевая ступенька 121 также может улучшать уплотнение в корпусе, что позволяет избежать образования потока продукта на периферии набора из ротора и статора. Для обеспечения такого уплотнения между ступенькой 121 и смежными наборами из ротора и статора могут быть установлены уплотнительные кольца.
Функции кольцевой ступеньки может выполнять разделительное кольцо 9 (отсутствует в варианте осуществления, показанном на фиг. 1, и соответствует разделительному кольцу 9, показанному на фиг. 2 и 3), имеющее диаметр, подходящий для размещения внутри корпуса 1, и толщину, которая обеспечивает удержание в продольном направлении смежных наборов из ротора и статора и размещение уплотнительного кольца между разделительным кольцом и указанными смежными наборами из ротора и статора. При его использовании для образования промежуточной камеры между двумя наборами из ротора и статора разделительное кольцо может содержать элемент, такой как отверстие или продольная канавка, для пропускания через кольцо инжектора текучей среды.
Выпускной модуль 13 выполнен с возможностью приема дополнительного набора из ротора и статора. Однако в представленном варианте осуществления разделительное кольцо 9 используют вместо набора из ротора и статора. Такое разделительное кольцо 9 может быть использовано вместо любого набора из ротора и статора для обеспечения механического удержания наборов из ротора и статора внутри аппарата.
В представленном варианте осуществления настоящего изобретения кольцевая ступенька 121 образует промежуточную смесительную камеру 7 аппарата. В частности, кольцевая ступенька 121 образует стенку 111 промежуточной смесительной камеры 7. В результате, промежуточная смесительная камера 7 имеет цилиндрическую форму с центром на продольной оси A и диаметр, который меньше диаметра ротора. В представленном варианте осуществления промежуточная смесительная камера 7 имеет длину, которая, по существу, равна длине набора из ротора и статора. Однако длина промежуточной смесительной камеры 7 может быть меньшей или большей.
На фиг. 3 представлено схематическое изображение в поперечном сечении аппарата в соответствии с еще одним альтернативным вариантом осуществления настоящего изобретения. По сравнению с вариантом осуществления, представленным на фиг. 2, корпус 1 содержит два промежуточных модуля 12’, 12’’ корпуса. Первый промежуточный модуль 12’ корпуса вмещает третий и первый наборы 23, 21 из ротора и статора; второй промежуточный модуль корпуса вмещает второй, четвертый и пятый наборы 22, 24, 25 из ротора и статора. Как и в варианте осуществления, показанном на фиг. 2, в выпускном модуле установлено разделительное кольцо 9.
Вариант осуществления настоящего изобретения, показанный на фиг. 3, содержит две промежуточные смесительные камеры, а именно первую промежуточную смесительную камеру 7’ между первым и вторым наборами 21, 22 из ротора и статора и вторую промежуточную смесительную камеру 7’’ между четвертым и пятым наборами 24, 25 из ротора и статора. Первый инжектор 8’ текучей среды выполнен с возможностью введения первого вторичного продукта в первую промежуточную смесительную камеру 7, а второй инжектор 8’’ текучей среды выполнен с возможностью введения второго вторичного продукта во вторую промежуточную смесительную камеру 7’’. Первый и второй вторичные продукты могут быть одинаковыми или разными. Они могут относиться к одному типу (газ, жидкость, полужидкий продукт и т. д.) или к разным типам. Аппарат может быть выполнен с возможностью одновременного или последовательного введения первого и второго вторичных продуктов.
В более общем случае для изготовления аппарата в соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения в соответствии с представленными вариантами осуществления и другими возможными вариантами осуществления могут быть использованы различные конфигурации наборов из ротора и статора.
В каждом из вариантов осуществления настоящего изобретения каждый набор из ротора и статора может содержать два или более рядов зубьев ротора и статора. Количество рядов зубьев ротора и статора на каждой ступени ротора и статора может отличаться в пределах одного и того же смесительного аппарата. В некотором варианте осуществления изобретения роторы и статоры всех ступеней ротора-статора имеют одинаковое количество рядов зубьев. В различных вариантах осуществления по меньшей мере один набор из ротора и статора содержит два ряда зубьев ротора и статора, три ряда зубьев ротора и статора или четыре ряда зубьев ротора и статора.
Количество, ширина и/или интервал между зубьями ротора могут отличаться для разных рядов зубьев на конкретном роторе в конкретном наборе из ротора и статора. В предпочтительном варианте осуществления интервал между зубьями, по существу, одинаковый на конкретном роторе. Количество, ширина и/или интервал между зубьями статора могут отличаться для разных рядов зубьев на конкретном статоре в зависимости от продукта, подлежащего аэрированию. В предпочтительном варианте осуществления интервал между зубьями, по существу, одинаковый на том же статоре. Взаимодополняющие аксиально противоположные зубья на роторе и статоре конкретного набора из ротора и статора могут иметь соответствующее количество, ширину и интервал зубьев.
В вариантах осуществления роторы содержат по меньшей мере десять зубьев ротора по окружности, разделенных интервалом по окружности каждого ротора.
Варьируя конфигурацию зубьев в наборах из ротора и статора и скорость вращения приводного вала 3, можно изменять скорость сдвига вдоль пути потока продукта в аппарате. Например, скорость сдвига пропорционально зависит от скорости ротора, обратно пропорционально — от ширины зазора ротора-статора, а также обратно пропорционально — от углового расстояния между двумя зубьями одного и того же ряда. Ширина зазора ротора-статора — это радиальное расстояние между рядом зубьев ротора и рядом зубьев смежного статора.
Вокруг корпуса 1 может быть обеспечена полая рубашка (не показана). Между рубашкой и корпусом образуется пространство для циркуляции хладагента или подогревающей текучей среды. Использование рубашки позволяет поддерживать требуемую температуру продукта, подлежащего аэрированию. В некоторых вариантах осуществления жидкий хладагент циркулирует внутри рубашки для поддержания охлажденной температуры продукта, проходящего через аппарат. Циркуляция жидкого хладагента позволяет предотвратить поглощение тепловой энергии, которая может образовываться из-за скоростей вращения внутри смесительного аппарата. Преимущество состоит в том, что это помогает поддерживать нужную степень и стабильность аэрирования в продукте. Может предусматриваться любой хладагент или подогревающая текучая среда. В качестве жидких хладагентов могут использоваться воздух или вода при низкой температуре.
Температура хладагента или подогревающей текучей среды может подбираться в зависимости от продукта, подлежащего аэрированию, и желаемых свойств аэрирования продукта.
На фиг. 4 представлено схематическое изображение в поперечном сечении аппарата для аэрирования пастообразного продукта в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
Представленный аппарат для аэрирования пастообразного продукта содержит корпус 100, в котором размещены пять наборов из ротора и статора, а именно первый набор 21 из ротора и статора, второй набор 22 из ротора и статора, третий набор 23 из ротора и статора, четвертый набор 24 из ротора и статора, а также пятый набор 25 из ротора и статора. В представленном варианте осуществления корпус 100 проходит в продольном направлении.
В представленном варианте осуществления, показанном на фиг. 4, наборы 21, 22, 23, 24, 25 из ротора и статора расположены последовательно вдоль продольной оси A, проходящей в продольном направлении корпуса 100 аппарата. Первый набор 21 из ротора и статора расположен выше по потоку относительно второго набора 22 из ротора и статора, расположенного выше по потоку относительно третьего набора 23 из ротора и статора, и т. д. по отношению к общему направлению потока продукта в аппарате от впускного отверстия 4 для продукта до выпускного отверстия 5 для аэрированного продукта.
Каждый набор 21, 22, 23, 24, 25 из ротора и статора содержит ротор и соответствующий статор.
В показанном варианте осуществления статоры соединены с внутренней стенкой корпуса 100, которая имеет цилиндрическую форму в представленном варианте осуществления настоящего изобретения.
На роторах имеются один или более зубчатых ободьев, которые взаимодействуют с взаимодополняющими их зубчатыми ободьями на статорах, которые ориентированы противоположно в осевом направлении. Каждый ротор соединен с приводным валом, который приводит его во вращение. В представленном примере осуществления первый, второй и третий наборы 21, 22, 23 из ротора и статора соединены (т. е. их роторы соединены) с первым приводным валом 31. Четвертый и пятый наборы 24, 25 из ротора и статора соединены со вторым приводным валом 32.
Поскольку наборы 21, 22, 23, 24, 25 из ротора и статора распределены между двумя валами, длина каждого вала уменьшена по сравнению с валами аппаратов с таким же количеством наборов из ротора и статора, соединенных с одним валом. Это позволило уменьшить усилие, прикладываемое к каждому валу 31, 32, и ограничить, в частности, момент, прикладываемый к подшипнику вала (например, когда вал вводят в корпус 100), который может изгибать вал.
В представленном варианте осуществления, показанном на фиг. 4, первый вал 31 и второй вал 32 соосны и выровнены с продольной осью A.
Могут быть предложены множество конфигураций аппарата, поскольку указанные два вала могут быть выровнены или не выровнены. Могут быть предложены аппараты, имеющие общую конфигурацию L (с двумя перпендикулярными валами) или U (с двумя параллельными валами).
Предпочтительно аппарат выполнен с возможностью приведения в движение первого вала и второго вала с различными скоростями вращения и/или в противоположных направлениях. Это может быть выполнено с помощью различных механизмов или конфигураций. В одном варианте осуществления настоящего изобретения приведение в движение первого приводного вала 31 и приведение в движение второго приводного вала 32 осуществляют независимо. Для этого первый приводной вал может быть приведен во вращательное движение с помощью первого приводного двигателя (непосредственно или посредством передаточного механизма), а второй приводной вал может быть приведен во вращательное движение с помощью второго приводного двигателя (непосредственно или посредством передаточного механизма). Первым приводным двигателем и вторым приводным двигателем можно управлять независимо. В другом варианте осуществления настоящего изобретения приведение в движение первого и второго валов 31, 32 с разной скоростью и/или в противоположных направлениях может быть обеспечено с помощью различных систем передачи между единым приводным двигателем и, соответственно, первым валом 31 и вторым валом 32.
Системы передачи, которые могут быть использованы в настоящем изобретении, содержат приводную цепь или ремень, узел шестерен или блок шестерен (с понижающей передачей или без нее) и любую другую известную систему передачи, которая способна изменять скорость вращения или направление вращения приводного двигателя.
Это позволяет обеспечить наборы из ротора и статора, соединенные с первым валом 31, и наборы из ротора и статора, соединенные со вторым валом 32, с различными функциями или эффектами, связанными с потоком пастообразного продукта, протекающего в аппарате. Например, первый вал 31 могут приводить в движение с высокой скоростью вращения, а газ могут вводить выше по потоку относительно роторов, приводимых в движение указанным первым валом 31, с образованием высокоаэрированного мусса с мелкими пузырьками газа, в то время как второй вал 32 могут приводить в движение с низкой скоростью вращения для смешивания с твердыми включениями мусса, введенными или образованными между наборами из ротора и статора, соединенными с первым валом 31, и наборами из ротора и статора, соединенными со вторым валом 32, без разделения указанных включений на кусочки. Смешивание, обеспечиваемое наборами, соединенными со вторым валом 32, может быть улучшено за счет приведения в движение валов в противоположных направлениях. Типовые значения скорости вращения приводных валов 31, 32 могут варьироваться от 50 об/мин до 1500 об/мин. Высокая скорость вращения может быть выбрана, например, для взбивания пастообразного продукта с газом для образования мусса с мелкими пузырьками. Низкая скорость вращения может быть выбрана для примешивания, независимо от гомогенности, вторичного продукта (текучей среды, полужидкого продукта или твердых кусочков). Смешивание при низкой скорости вращения не приводит к изменению свойств основного продукта, в который примешивают вторичный продукт (например, текстура мусса не изменяется), или свойств вторичного продукта (например, твердые частицы не разделяются на кусочки).
Размер зубьев в каждом наборе из ротора и статора может быть выбран в комбинации со скоростью вращения ротора (т. е. соответствующего приводного вала) в зависимости от требуемого эффекта. Например, мелкие зубья могут быть использованы для образования мелких пузырьков газа в продукте (предпочтительно в комбинации с высокой скоростью вращения), а большие зубья могут быть использованы для недопущения разрушения твердых включений (предпочтительно в комбинации с низкой скоростью вращения).
С применением конфигурации зубьев в наборах 21, 22, 23, 24, 25 из ротора и статора и скорости вращения соответствующего приводного вала 31, 32 можно изменять скорость сдвига вдоль пути потока продукта в аппарате. Например, скорость сдвига пропорционально зависит от скорости ротора, обратно пропорционально — от ширины зазора ротора-статора, а также обратно пропорционально — от углового расстояния между двумя зубьями одного и того же ряда. Ширина зазора ротора-статора — это радиальное расстояние между рядом зубьев ротора и рядом зубьев смежного статора.
В представленном на фиг. 4 варианте осуществления аппарат имеет впускное отверстие 4 для продукта, обеспеченное во впускном модуле, который образует первую часть 41 корпуса 100. Впускное отверстие 4 для продукта выполнено с возможностью приема потока подлежащего аэрированию пастообразного (например, жидкого или полужидкого) продукта из линии подачи продукта (не показана). Может использоваться насос (не показан) для впрыска жидкого или полужидкого продукта в аппарат через серию наборов 21, 22, 23, 24, 25 из ротора и статора.
В представленном на фиг. 4 варианте осуществления впускное отверстие для продукта расположено, по существу, под прямым углом к продольной оси A. В других отличных вариантах осуществления впускное отверстие для продукта может быть расположено под острым углом к продольной оси A. Впускное отверстие для продукта предпочтительно расположено на периферийной стороне впускного модуля, поскольку первый вал 31 входит во впускной модуль через отверстие, образованное на конце корпуса 100 вдоль продольной оси A.
Впускное отверстие для продукта может быть открыто во впускную камеру 42. Впускная камера 42, по существу, представляет собой пространство, в котором отсутствуют механические детали, за исключением газового инжектора 6, расположенного во впускном модуле выше по потоку относительно первого набора 21 из ротора и статора.
Для подачи газа под давлением в смесительный аппарат во впускном модуле расположен газовый инжектор 6. Газовый инжектор может вводить газ (например, воздух, азот, углекислый газ, оксид азота или их комбинацию) во впускную камеру. Таким образом, выпускной кончик 61 газового инжектора расположен во впускной камере. Как правило, газ может впрыскиваться в смесительный аппарат под давлением в диапазоне от около 0,5 бар до около 10 бар.
Положение газового инжектора 6 важно для обеспечения эффективного смешивания газа с потоком пастообразного продукта, например, для получения однородных пузырьков газа в потоке пастообразного продукта. Возможно применение множества положений и ориентаций газового инжектора 6. Выбор положения и ориентации газового инжектора 6 позволяет оптимизировать поступление введенного газа на зубья первого набора 21 из ротора и статора. Положение кончика газового инжектора обеспечивает хорошую управляемость прилагаемых сил сдвига и среза и предотвращает образование газовых карманов в потоке продукта.
Газ, поступающий в аппарат под давлением через газовый инжектор 6, подается на зубчатые ободья первого набора 21 из ротора и статора, где подвергается высоким силам сдвига и среза, создаваемым зубчатым набором из ротора и статора. Вращение роторов в каждом наборе 21, 22 из ротора и статора нагнетает поток продукта и пузырьки газа наружу через зазоры сдвига между зубьями ротора и зубьями статора, создавая локализованное интенсивное состояние сдвига. Высокие силы сдвига, действующие на поток продукта в зазорах сдвига между зубьями ротора и зубьями статора, через которые проходит текучая среда, обеспечивают гомогенизацию потока продукта и получение однородного аэрирования продукта с мелкими пузырьками газа.
Корпус 100 содержит выпускное отверстие 5 для продукта для аэрированного продукта, содержащего примешанную вторичную текучую среду. Выпускное отверстие для продукта обеспечено в выпускном модуле, который образует вторую часть 51 корпуса 100. Предпочтительно, чтобы в потоке продукта ниже по потоку от выпускного отверстия 5 для продукта был предусмотрен регулятор обратного давления (не показан). В некоторых вариантах осуществления регулятор обратного давления имеет форму диафрагменного клапана обратного давления, например клапана обратного давления с двумя диафрагмами. Однако могут быть применены и другие подходящие системы для регулирования обратного давления. Преимуществом является то, что регулятор обратного давления позволяет регулировать давление в смесительной камере 70 и обеспечивать стабильный поток продукта через смесительный аппарат.
В представленном на фиг. 4 примере первая часть 41 корпуса и вторая часть 51 корпуса имеют аналогичную форму, за исключением того, что впускной модуль, образованный первой частью 41 корпуса, выполнен с возможностью установки газового инжектора 6. В вариантах осуществления для первой части 41 корпуса и второй части 51 корпуса можно использовать идентичный модуль. Например, впускной модуль может иметь коническое отверстие в одной из его стенок, в котором может быть размещен газовый инжектор, а в выпускном модуле в коническое отверстие может быть установлен закрывающий винт для его герметичного закрытия.
В представленном варианте осуществления выпускное отверстие для продукта расположено, по существу, под прямым углом к продольной оси A. В других отличных вариантах осуществления выпускное отверстие для продукта может быть расположено под острым углом к продольной оси A. Выпускное отверстие 5 для продукта предпочтительно расположено на периферийной стороне впускного модуля, поскольку второй вал 32 входит в выпускной модуль через отверстие, образованное на конце корпуса 100 вдоль продольной оси A.
Выпускное отверстие для продукта может быть открыто в выпускную камеру 52. Выпускная камера 52, по существу, представляет собой пространство, в котором отсутствуют механические детали, расположенное в выпускном модуле ниже по потоку относительно последнего набора 21 из ротора и статора.
Первый, второй и третий наборы 21, 22, 23 из ротора и статора, а также первый приводной вал 31 размещены в первой части 41 корпуса. Четвертый и пятый наборы 24, 25 из ротора и статора, а также второй приводной вал 32 размещены во второй части 51 корпуса. Как первая часть 41 корпуса, так и вторая часть 51 корпуса выполнены с возможностью вмещения до трех наборов из ротора и статора. Если в первой или второй части корпуса установлен только один или два набора из ротора и статора, вместо набора может быть установлено разделительное кольцо 9.
Разделительное кольцо 9 имеет диаметр, подходящий для размещения внутри корпуса 100, и толщину, которая обеспечивает удержание в продольном направлении смежных наборов из ротора и статора и размещение уплотнительного кольца 91 между разделительным кольцом и указанными смежными наборами из ротора и статора (или стенкой корпуса).
Как и в представленном на фиг. 4 примере, разделительное кольцо 9 может быть использовано для образования пустой камеры между двумя наборами из ротора и статора (например, для увеличения времени перемещения продукта для улучшения перемешивания со вторичным продуктом и/или для сглаживания турбулентного потока после набора из ротора и статора).
Представленный аппарат также содержит промежуточную часть 71 корпуса, которая образует промежуточную камеру 70 между третьим и четвертым наборами из ротора и статора или, другими словами, между первой частью 41 корпуса и второй частью 51 корпуса. Промежуточная камера 70 обеспечивает гомогенизацию потока продукта ниже по потоку относительно набора из ротора и статора и перед следующим (расположенным ниже по потоку) набором из ротора и статора. Промежуточная камера 70 может способствовать увеличению в объеме и стабилизации аэрированного продукта.
Промежуточная камера 70 представляет собой незаполненное пространство внутри корпуса 100, т. е. пространство, в котором отсутствуют механические детали, за исключением по меньшей мере одного средства 80 для введения вторичного продукта, такого как инжектор вторичного продукта для газообразного, полужидкого вторичного продукта или вторичного продукта в виде текучей среды. Для полужидких продуктов или твердых кусочков средство 80 для введения вторичного продукта может содержать трубку некоторого диаметра с отверстием на ее конце с поперечным сечением, достаточном для беспрепятственной доставки вторичного продукта.
Как описано выше, вторичный продукт может представлять собой жидкость, полужидкий продукт, газ, твердые кусочки или любую их комбинацию. Вторичный продукт может, в частности, представлять собой жидкую или полужидкую композицию, которая затвердевает вскоре после ее введения в пищевой продукт, например, при охлаждении. Например, пастообразный продукт, протекающий в аппарате, может иметь низкую температуру. Вторичная текучая среда может представлять собой расплавленную шоколадную композицию или жидкую карамельную композицию, температура которой выше, чем температура пастообразного продукта. Из-за разницы в температуре дополнительная композиция охлаждается вскоре после ее введения в пастообразный продукт. Это приводит к повышению вязкости вторичной текучей среды или даже приводит к затвердеванию вторичной текучей среды.
Средство 80 для введения вторичного продукта выполнено таким образом, что оно выступает в промежуточную камеру 70 для обеспечения выпускания в указанную промежуточную камеру 70. Таким образом, вторичный продукт может быть введен внутрь промежуточной камеры 70 в поток (аэрированного) пастообразного продукта. Таким образом, может быть желательно вводить вторичный продукт вблизи продольной оси A, т. е. как можно ближе к центру промежуточной камеры 70. Поскольку в аппарате вторичную текучую среду глубоко вводят в поток аэрированного пастообразного продукта, а не только на его поверхность вдоль внутренней стенки 111 корпуса 100, вторичный продукт может быть равномерно примешан в аэрированный пастообразный продукт. Если вторичный продукт затвердевает (частично или полностью) после введения в поток пастообразного продукта или, в более общем случае, если его физические свойства изменяются после введения в пастообразный продукт, такое изменение свойств происходит благодаря глубокому введению указанной вторичной текучей среды в поток пастообразного продукта и увеличению времени перемещения введенной вторичной текучей среды до момента достижения четвертого набора 24 из ротора и статора.
В представленном на фиг. 4 варианте осуществления аппарат содержит два средства 80 для введения вторичного продукта. Применение множества средств для введения вторичного продукта обеспечивает надлежащее первоначальное распределение вторичного продукта в аэрированном пастообразном продукте.
Вокруг корпуса 100 может быть обеспечена полая рубашка (не показана). Между рубашкой и корпусом образуется пространство для циркуляции хладагента или подогревающей текучей среды. Использование рубашки позволяет поддерживать требуемую температуру продукта, подлежащего аэрированию. В некоторых вариантах осуществления жидкий хладагент циркулирует внутри рубашки для поддержания охлажденной температуры продукта, проходящего через аппарат. Циркуляция жидкого хладагента позволяет предотвратить поглощение тепловой энергии, которая может образовываться из-за скоростей вращения внутри смесительного аппарата. Преимущество состоит в том, что это помогает поддерживать нужную степень и стабильность аэрирования в продукте. Может предусматриваться любой хладагент или подогревающая текучая среда. В качестве жидких хладагентов могут использоваться воздух или вода при низкой температуре. Температура хладагента или подогревающей текучей среды может подбираться в зависимости от продукта, подлежащего аэрированию, и желаемых свойств аэрирования продукта.
Различные конфигурации наборов из ротора и статора, а также различные конфигурации корпусов могут быть использованы в аппаратах в соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения, как показано в примерах на фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3 и фиг. 4. В некоторых вариантах осуществления уплотнительные кольца 91 могут быть применены для обеспечения уплотнения между несколькими частями аппарата. Уплотнительные кольца 91 могут быть использованы для обеспечения уплотнения в модулях, образующих корпус, для предотвращения утечки продукта за пределы аппарата. Уплотнительные кольца 91 также могут быть использованы между наборами из ротора и статора и внутренними частями корпуса, как описано далее, и между валом 3 и наборами из ротора и статора.
Количество, ширина и/или интервал зубьев ротора/статора могут отличаться для разных наборов из ротора и статора в смесительном аппарате. В вариантах осуществления каждый набор из ротора и статора имеет, по существу, одинаковое количество, ширину и/или интервал зубьев ротора/статора. Наружный диаметр зубчатых ободьев каждого набора из ротора и статора может быть, по существу, одинаковым. Внутренний диаметр зубчатых ободьев каждого набора из ротора и статора может быть, по существу, одинаковым.
В некоторых вариантах осуществления каждый набор из ротора и статора является съемным и заменяемым, что обеспечивает гибкость. Например, различные количества, значения ширины и интервалы между зубьями в зубчатых ободьях ротора-статора при этом можно по желанию изменять для каждого набора из ротора и статора в данном смесительном аппарате в зависимости от свойств пищевого продукта, подлежащего аэрированию, и желаемого результата аэрирования.
В соответствии с вариантами осуществления наборы из ротора и статора могут иметь одинаковый диаметр или разные диаметры. Например, согласованная конфигурация, в которой все наборы из ротора и статора имеют одинаковый диаметр, позволяет регулировать усилия сдвига и среза, прикладываемые вдоль смесительного аппарата, и обеспечивает, по существу, постоянный расход продукта в аппарате.
Напротив, коническая конфигурация с радиальным смещением множества наборов из ротора и статора, в которой каждый набор имеет больший или меньший диаметр по отношению к набору, расположенному непосредственно выше по потоку, приводит к изменению скорости потока продукта в аппарате. Преимущество аппаратов в соответствии с настоящим изобретением заключается в обеспечении «поздней дифференциации» конечного продукта. Например, одну и ту же пищевую матрицу могут вводить в аппарат в качестве пастообразного продукта для получения нескольких конечных продуктов. Газ вводят в пищевую матрицу посредством газового инжектора 1. Затем вторичный продукт вводят во вспененную пищевую матрицу посредством инжектора 8 текучей среды (или другого средства для введения вторичного продукта (например, средства 80 для введения вторичного продукта)). Изменяя параметры введения вторичного продукта, можно легко изменять конечный продукт. На фиг. 5 и 6 представлены схематические изображения в поперечном сечении впускных модулей, которые могут быть использованы в настоящем изобретении для создания аппарата в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 5 представлен впускной модуль 11. Впускной модуль содержит впускное отверстие 4 для продукта и газовый инжектор 6. Впускной модуль 11 имеет общую форму тела вращения вокруг оси A.
Впускное отверстие 4 для продукта выполнено с возможностью приема потока подлежащего аэрированию пастообразного (например, жидкого или полужидкого) продукта из линии подачи продукта. Впускное отверстие 4 для продукта выполнено, например, с резьбой 130 для герметичного привинчивания линии подачи продукта к указанному впускному отверстию 4 для продукта.
В варианте осуществления, показанном на фиг. 5, впускное отверстие для продукта расположено в центре крышки впускного отверстия вдоль оси A. Это позволяет обеспечить большой проем впускного отверстия во впускном модуле 11 (и, таким образом, в смесительном аппарате, содержащем впускной модуль 11). Введение в аппарат основного продукта могут осуществлять в направлении, соответствующем направлению потока продукта в аппарате. Применение большого проема и отсутствие изменения направления потока продукта приводит к очень незначительной потере напора. Однако вал (используемый в аппарате для приведения в движение роторов из наборов из ротора и статора для взбивания или смешивания продукта, протекающего в указанном аппарате) не может быть введен через впускной модуль вдоль основной оси A. В смесительном аппарате с использованием впускного модуля 11, как показано на фиг. 5, таком как аппараты, показанные на фиг. 1–3, которые были подробно описаны ранее, приводной вал необходимо вводить в аппарат с другого его конца, т. е. в выпускном модуле (при условии, что аппарат имеет продольную конфигурацию вдоль оси А).
Впускной модуль 11, изображенный на фиг. 5, имеет небольшую длину (размер вдоль оси A), и его можно рассматривать как крышку. Часть 140 корпуса, образованная впускным модулем, обеспечивает внутреннее свободное пространство, достаточное лишь для того, чтобы газовый инжектор выступал в аппарат, не выходя за пределы внешней формы впускного модуля.
Положение газового инжектора 6 важно для обеспечения эффективного смешивания газа с потоком пастообразного продукта, например, для получения однородных пузырьков газа в потоке пастообразного продукта.
Газовый инжектор 6 может быть размещен таким образом, чтобы его центральная ось была параллельна оси A аппарата (и/или впускного отверстия для продукта) или наклонена (как показано на фиг. 5) под углом от 10° до приблизительно 85° по отношению к указанной оси A. Наклон центральной оси газового инжектора 6 позволяет оптимизировать поток введенного газа, поступающий на зубья первого набора из ротора и статора смесительного аппарата, содержащего впускной модуль 11. Положение кончика газового инжектора обеспечивает хорошую управляемость прилагаемых сил сдвига и среза и предотвращает образование газовых карманов в потоке продукта.
Впускной модуль содержит соединительный стык 89 узла, выполненный с возможностью прикрепления к соответствующему соединительному стыку любого промежуточного модуля. Термин «соответствующий» означает, что соединительные стыки выполнены с возможностью прикрепления друг к другу. Они могут быть идентичными. Примеры осуществления соединительных стыков узла, которые могут быть использованы в настоящем изобретении, более подробно описаны ниже со ссылкой на фиг. 14 и 15.
Соединительный стык узла впускного модуля 1, изображенный на фиг. 5, состоит из манжеты 81, которая выполнена за одно целое с модулем и проходит перпендикулярно оси A на периферии поверхности 82 соединительного стыка модуля. Манжета 81 образует плоский кольцевой соединительный стык, который может быть приведен в контакт с соединительным стыком (имеющим такую же форму) промежуточного модуля и прижат к нему. Между поверхностями соединительного стыка необязательно может быть установлено уплотнение (например, уплотнительное кольцо).
На фиг. 6 показан впускной модуль 11’. Впускной модуль 11’ содержит впускное отверстие 4 для продукта и газовый инжектор 6 подобно впускному модулю, показанному на фиг. 5.
Впускное отверстие 4 для продукта выполнено с возможностью приема потока подлежащего аэрированию пастообразного (например, жидкого или полужидкого) продукта из линии подачи продукта. Впускное отверстие 4 для продукта выполнено, например, с резьбой 130 для герметичного привинчивания линии подачи продукта к указанному впускному отверстию 4 для продукта.
Впускной модуль 11’ имеет общую форму тела вращения вокруг оси A. Однако в варианте осуществления, показанном на фиг. 6, впускное отверстие для продукта расположено на боковой стороне впускного модуля. В частности, впускное отверстие для продукта расположено, по существу, под прямым углом к оси A. В других отличных вариантах осуществления впускное отверстие для продукта может быть расположено под острым углом к оси A. Впускное отверстие для продукта предпочтительно располагают на периферийной стороне впускного модуля, поскольку отверстие впускного модуля 15 образовано на конце впускного модуля 11’ вдоль оси A. Отверстие выполнено с возможностью введения вала (для приведения в движение роторов из наборов из ротора и статора) во впускной модуль 11’.
Часть 140 корпуса приведенного в качестве примера впускного модуля 11’, показанного на фиг. 6, выполнена с возможностью вмещения до трех наборов из ротора и статора. Места, в которых могут быть установлены наборы из ротора и статора, показаны пунктирными линиями на фиг. 6.
Впускное отверстие для продукта может быть открыто во впускную камеру 42. В общем впускная камера 42 представляет собой пространство, в котором отсутствуют механические детали, за исключением газового инжектора 6, расположенного во впускном модуле выше по потоку относительно первого набора из ротора и статора.
Впускной модуль 11’ содержит соединительный стык 89 узла, выполненный с возможностью прикрепления к соответствующему соединительному стыку любого промежуточного модуля. Соединительный стык 89 в представленном варианте осуществления идентичен соединительному стыку впускного модуля, показанного на фиг. 5. Таким образом, соединительный стык впускного модуля 11’, изображенного на фиг. 5, содержит манжету 81, которая образует плоский кольцевой соединительный стык на поверхности 82 соединительного стыка модуля. На фиг. 7 и 8 представлены схематические изображения в поперечном сечении выпускных модулей, которые могут быть использованы в настоящем изобретении.
На фиг. 7 представлен первый пример осуществления выпускного модуля 13. Выпускной модуль 13, по существу, идентичен впускному модулю 11’, показанному на фиг. 6, за исключением того, что он не содержит газового инжектора. Отверстие, образованное во впускном модуле 11’ для газового инжектора, может отсутствовать в выпускном модуле 13 (как показано на фиг. 7) или может быть герметизировано, например, с помощью герметизирующего винта.
Выпускной модуль 13 содержит выпускное отверстие 5 для продукта. Выпускное отверстие 5 для продукта выполнено, например, с резьбой 230 для герметичного привинчивания выпускной линии для продукта к указанному выпускному отверстию 5 для продукта.
В представленном варианте осуществления выпускное отверстие для продукта расположено, по существу, под прямым углом к продольной оси A. В других отличных вариантах осуществления выпускное отверстие для продукта может быть расположено под острым углом к продольной оси A. Выпускное отверстие 5 для продукта предпочтительно расположено на периферийной стороне впускного модуля. Это позволяет обеспечить отверстие 250 выпускного модуля на конце выпускного модуля 13 вдоль оси A. Отверстие 250 выпускного модуля выполнено с возможностью введения вала (для приведения в движение роторов из наборов из ротора и статора) в выпускной модуль 13.
Выпускное отверстие для продукта может быть открыто в выпускную камеру 52. Выпускная камера 52, по существу, представляет собой пространство, в котором отсутствуют механические детали, расположенное в выпускном модуле ниже по потоку относительно последнего набора из ротора и статора.
Подобно впускному модулю 11’, показанному на фиг. 6, выпускной модуль 13 выполнен с возможностью вмещения до трех наборов из ротора и статора. Места, в которых могут быть установлены наборы из ротора и статора, показаны пунктирными линиями на фиг. 7.
Выпускной модуль 13 содержит соединительный стык 89 узла, выполненный с возможностью прикрепления к соответствующему соединительному стыку любого промежуточного модуля. Соединительный стык 89 в представленном варианте осуществления идентичен соединительному стыку впускного модуля, как показано на фиг. 5 или фиг. 6. Таким образом, соединительный стык 89 выпускного модуля 13’, показанного на фиг. 5, содержит манжету 81, которая образует плоский кольцевой соединительный стык на поверхности 82 соединительного стыка модуля.
На фиг. 8 представлен другой вариант осуществления выпускного модуля 13’. Вариант осуществления, изображенный на фиг. 8, идентичен варианту осуществления, показанному на фиг. 7, за исключением того, что выпускной модуль выполнен с возможностью вмещения только одного набора из ротора и статора (в месте, обозначенном пунктирными линиями на фиг. 8).
На фиг. 9–13 представлены схематические изображения в поперечном сечении промежуточных модулей, которые могут быть использованы в настоящем изобретении.
Промежуточные модули, используемые в настоящем изобретении, могут иметь различные размеры, формы и функции.
Например, промежуточные модули могут иметь одну или несколько из следующих функций: взбивание или смешивание продукта, протекающего в аппарате, обеспечение свободного пространства, например, для улучшения перемешивания или взбитости (процента увеличения в объеме) продукта, введение вторичного продукта, который может представлять собой газ, жидкость, твердые кусочки или любую их комбинацию, в продукт. Смешивание осуществляют с использованием одного или нескольких наборов из ротора и статора. Для взбивания необходимо ввести газ выше по потоку относительно одного (или нескольких) набора из ротора и статора для взбивания.
Пример осуществления промежуточного модуля 125, изображенного на фиг. 5, включает три места, в которых может быть размещен набор из ротора и статора. Первое место P1 и второе место P2 расположены с одной стороны относительно промежуточной камеры 7 промежуточного модуля 3. Третье место P3 расположено с другой стороны относительно промежуточной камеры 7. Понятие «сторона» рассматривается вдоль оси A.
Промежуточная камера представляет собой свободное пространство, в которое может быть введен вторичный продукт, например, с помощью инжектора 8 вторичного продукта (например, газового инжектора или инжектора для жидкости), как показано в представленном на фиг. 9 варианте осуществления, или с помощью других средств для введения.
В промежуточной камере 7 имеется ступенька 33. При условии, что промежуточный модуль 125 имеет общую цилиндрическую форму, ступенька 33 может обеспечивать уменьшение внутреннего диаметра модуля (вдоль промежуточной камеры). Ступенька 33 способствует удержанию в продольном направлении (т. е. в направлении оси A) наборов из ротора и статора (или других компонентов), установленных в первом, втором и третьем местах P1, P2, P3.
На обоих концах промежуточного модуля 125 имеются соединительные стыки 89 узла, которые идентичны описанным ранее соединительным стыкам впускного и выпускного модулей. Оба конца промежуточного модуля 125 могут быть установлены на соответствующий соединительный стык одного из впускного модуля 11, 11’, выпускного модуля 13, 13’ и промежуточного модуля 125–129. Это также позволяет присоединять промежуточный модуль в обоих направлениях, т. е. выбирать, какой из двух концов промежуточного модуля будет находиться выше по потоку, а какой будет находиться ниже по потоку в смесительном аппарате, содержащем промежуточный модуль. Это также относится ко всем промежуточным модулям, которые описаны далее в качестве примера, и различным вариантам осуществления промежуточных модулей, которые могут быть предложены специалистом в данной области на основе описанного примера.
Промежуточный модуль 126, изображенный на фиг. 10, идентичен промежуточному модулю 125, показанному на фиг. 9, за исключением того, что в нем отсутствует третье место P3 для набора из ротора и статора (или другого совместимого компонента).
Промежуточный модуль 127, изображенный на фиг. 11, имеет общую форму в виде цилиндра, в которую можно установить один или два набора из ротора и статора. Возможные места размещения наборов из ротора и статора обозначены пунктирными линиями. В смесительном аппарате, содержащем промежуточный модуль 127, указанный промежуточный модуль может оставаться пустым для обеспечения пустой камеры, например, между устройствами, такими как наборы из ротора и статора. Промежуточный модуль 127 содержит соединительные стыки 89 на обоих его концах (вдоль оси A), что позволяет прикреплять каждый конец промежуточного модуля 127 к соответствующему соединительному стыку впускного модуля, выпускного модуля или промежуточного модуля.
Промежуточный модуль 128, изображенный на фиг. 12 (как и промежуточный модуль 127, изображенный на фиг. 11), имеет общую форму в виде цилиндра. Однако он имеет меньший внутренний диаметр, чем промежуточный модуль 127, показанный на фиг. 11. Промежуточный модуль 128, изображенный на фиг. 12, может быть использован для последовательного размещения наборов из ротора и статора с обеспечением продольного (вдоль оси A) удержания указанных наборов из ротора и статора и/или создания промежуточной пустой камеры. Промежуточный модуль 128 содержит соединительные стыки 89 на обоих его концах (вдоль оси A), что позволяет прикреплять каждый конец промежуточного модуля 6 к соответствующему соединительному стыку впускного модуля, выпускного модуля или промежуточного модуля.
Промежуточный модуль 129, изображенный на фиг. 13, представляет собой вариант промежуточного модуля 128, показанного на фиг. 12, и содержит средства для введения вторичного продукта. В представленном варианте осуществления средства для введения содержат два канала 800, выступающих во внутреннее пространство промежуточного модуля 129. Каждый из каналов 800 имеет винтовую резьбу (за пределами части корпуса, образованной промежуточным модулем 129) для присоединения линии вторичного продукта. Каждый канал 800 заканчивается в промежуточном модуле 129 большим отверстием, которое в данном варианте осуществления параллельно оси A. Представленные средства для введения вторичного продукта, в частности, подходят для введения вязкого или полужидкого вторичного продукта и/или вторичного продукта, содержащего твердые кусочки или зерна/гранулы.
В других альтернативных вариантах осуществления в любом из впускного, выпускного или промежуточных модулей могут быть применены другие средства для введения вторичного продукта. Например, промежуточный модуль 125 или впускной модуль 11, 11’ может содержать канал, выполненный с возможностью введения вязкого продукта или продукта, содержащего твердые кусочки. Промежуточный модуль 129 может содержать инжектор для вторичного газа или жидкости. Любое средство для введения вторичного продукта может быть обеспечено на промежуточном модуле 127 или в выпускном модуле 13, 13’.
Описанные впускные, выпускные и промежуточные модули следует рассматривать как неисчерпывающие примеры осуществления, которые позволяют создать смесительный аппарат, представленный на фиг. 1–4. В рамках настоящего изобретения могут быть предложены множество альтернативных вариантов осуществления.
Некоторые или все описанные модули, а также другие модули, которые могут быть адаптированы из описанных модулей или выполнены для конкретной цели, образуют набор (или «банк») модулей, из которого могут быть выбраны модули для образования требуемого аппарата для аэрирования пастообразного продукта.
Следует отметить, что соединительный стык 89 является лишь примером возможных соединительных стыков для прикрепления совместимых модулей. На фиг. 14 показано, как два модуля, а именно первый модуль M1 (который представляет собой впускной, выпускной или промежуточный модуль) и второй модуль M2 (который представляет собой впускной, выпускной или промежуточный модуль), могут быть соединены друг с другом посредством соответствующего соединительного стыка 89.
Зажим 83 может быть использован вокруг манжет 81 соединительного стыка 89 для их прижатия и удержания. Для предотвращения утечки продукта между модулями может быть установлено уплотнение, такое как уплотнительное кольцо 91.
На фиг. 15 показано, что для соединения двух модулей друг с другом могут быть использованы соединительные стыки других типов. Первый модуль M1’ имеет конец с наружной винтовой резьбой 84. Второй модуль M2’ имеет конец с такой же наружной винтовой резьбой 84. Первый и второй модули соединены с помощью кольца с резьбой или гайки 85 с внутренней резьбой, направление которой изменяется, по существу, в середине резьбы.
Многие аппараты для аэрирования пастообразного продукта могут быть изготовлены аналогичным образом на основе набора модулей. Для создания аппарата в соответствии с настоящим изобретением необходимо обеспечить набор из следующих модулей:
— по меньшей мере один впускной модуль, содержащий впускное отверстие для продукта и газовый инжектор;
— по меньшей мере один промежуточный модуль; и
— по меньшей мере один выпускной модуль, содержащий выпускное отверстие для продукта.
Все модули из указанного набора имеют соответствующие соединительные стыки узла. Это означает, что каждый модуль может быть собран с любым другим модулем из набора. На практике в наборе преимущественно имеется более трех доступных модулей, чтобы можно было выбрать требуемые модули. В частности, могут быть предусмотрены множество промежуточных модулей с различными функциями (с одной или несколькими функциями на модуль).
Это позволяет обеспечить модульное устройство для аэрирования пастообразного продукта и гибкость промышленного применения, когда аппарат должен быть выполнен с возможностью аэрирования нового пастообразного продукта (независимо от того, основан ли он на существующем коммерческом продукте). Модульная конструкция аппарата для аэрирования пастообразного продукта позволяет легко и относительно быстро адаптировать конструкцию аппарата для производимого продукта. Например, если пастообразный продукт представляет собой пищевой продукт, аппарат может быть адаптирован к измененной рецептуре.
Модули и, в частности, промежуточные модули могут быть выбраны на основе требуемой функции: взбивания или смешивания продукта, протекающего в аппарате, обеспечения свободного пространства, например, для улучшения перемешивания продукта, введения вторичного продукта в продукт или любой другой функции.
Смесительные аппараты по данному изобретению могут преимущественно использоваться для аэрирования пастообразных продуктов в широком диапазоне применений, например в пищевой и косметической промышленностях. Конкретные сферы применения представляют собой аэрирование жидких и полужидких продуктов питания, например, аэрирование молочных продуктов, кондитерских изделий, мороженого или других жидких и полужидких продуктов питания. Примеры вводимого жидкого или полужидкого вторичного продукта включают карамель и шоколад с повышенной температурой, при которой такие дополнительные вторичные продукты могут быть введены и охлаждены аэрированным продуктом с образованием твердых частиц. Набор из ротора и статора ниже по потоку (например, второй набор) будет затем дробить или измельчать дополнительную композицию, например, с образованием гранул с частицами, зернами или крошками в аэрированном продукте.
В других вариантах осуществления данное изобретение обеспечивает способ аэрирования жидкого или пастообразного продукта, предпочтительно продукта питания, с использованием смесительного аппарата в соответствии с приведенным выше описанием.