МЕЛЬНИЦА (УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ПОМОЛА)
MILL (DESIGN AND GRINDING METHOD)

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.
Из уровня техники известны мельницы для размалывания кофе (RU, патент, 2110943, A47J 42/06, A23F 5/08 от 1998.05.20). Кофемолка (прототип) содержит корпус с помольной чашей. Рабочий орган и крыльчатка расположены на валу электродвигателя. Крышка корпуса имеет каналы, а крыльчатка расположена под помольной чашей, выполненной из перфорированного материала. На крышке выполнены кольцевой выступ в виде верхней половины кругового тороида и лабиринтное уплотнение на входе каналов. Это позволяет устранить налипание молотого кофе на стенки и дно помольной чаши.
Недостатком данной кофемолки является невозможность получения мелкого помола, относящегося по размеру частиц к нанопорошкам.
Известна кофемолка (Черницкий И.И., Потапов И.Л. Ремонт бытовых машин и приборов в домашних условиях - М.: Машиностроение, 1992, с.14), содержащая корпус, внутри которого расположены размольная чаша и электродвигатель, в центре чаши расположен нож, насаженный на вал электродвигателя. Сверху чаша закрывается крышкой.
Недостатком данной кофемолки является трудность удаления перемолотого кофе из чаши из-за его налипания на стенки и дно.
Задачей настоящего изобретения является создание возможности для получения на относительно простых устройствах мелкого порошка с дисперсностью менее 100 микрон.
Поставленная цель достигается тем, что размольная чаша заменена конусообразным полым ротором электромотора, выполненным с внутренними ребрами-зубьями и/или спицами и сквозными отверстиями. Средствами размола являются спицы и ротор, вибрирующий во время вращения. Ротор совершает вибрирующие микродвижения, которые можно корректировать магнитными подшипниками в заданном алгоритме. Помогающим фактором размола являются вихри внутри ротора, организованные загрузочным цилиндром, выполненным в верхней части с внутренними лопастями-ребрами и засасывающим в себя воздух вместе с материалом для размола. Загрузочный цилиндр (труба) может быть выполнен длинным и опускаться ниже средней поперечной линии ротора с таким расчетом, чтобы входящий через него воздух (газ) поднимал во взвешенное состояние материал для размола, находящийся на узком дне ротора, и препятствовал его налипанию на внутренние части ротора. Эти же вихревые потоки поднимают вверх мелкие частицы материала, находящиеся в промежутке между внешней стенкой ротора и внутренней стенкой статора, облегчая процесс их размельчения в вихревых потоках. При этом длинная загрузочная труба способствует распределению инертного газа внутри ротора и созданию более агрессивных вихревых потоков, что улучшает дезинтеграционные свойства вихревых воздействий на вещество.
При наработке очень мелкого помола возникает необходимость (в качестве профилактики взрыва и окисления) подавать в размольное пространство ротора инертный газ (азот, окись углерода и др.). Для выполнения этой операции достаточно поднести трубку с выходящим из нее газом вплотную к внешнему отверстию загрузочной воронки или загрузочной трубки с лопастями-ребрами и газ будет всасываться в отверстие трубки. При часто повторяющихся операциях такого рода в крышке мельницы целесообразно устроить патрубок для подачи газа, перекрываемый соответствующим клапаном.
При наработке нанопорошка загрузочную трубку ротора выполняют длинной (удлиняют, возможно, даже почти до узкого дна ротора), что улучшает равномерность распределения инертного газа по всему внутреннему объему ротора.
Ротор при вращении подвешивается на магнитных подшипниках, выполненных с возможностью регулировать микровибрации ротора (с помощью электромагнитных импульсов) в вертикальном и горизонтальном направлениях. Корпус мельницы в обязательном порядке заземлен.
В конструктивном плане при наработке очень мелкого порошка и особенно при его сборе в сборные емкости возникает необходимость выполнить выводные отверстия сборных тубусов с возможностью герметизации их от внешней среды соответствующими материалами. Цель такого конструктивного решения в предотвращении разлетания очень мелких частиц вещества и целенаправленное их ссыпание в приемные емкости. В качестве такого материала могут использоваться синтетические микропористые ткани или даже обычный полиэтилен, на внешнюю поверхность которого нанесен токопроводящий слой, дающий возможность локального заземления этой части устройства.
Кроме того, клапаны на выпускных тубусах мельницы могут быть выполнены с возможностью их автоматической регулировки электромеханическим устройством любого типа для создания автоматической системы управления работой мельницы.
В кратком варианте устройство можно охарактеризовать следующим образом:
Мельница для размола веществ, включающая электродвигатель и систему размола, отличающаяся тем, что 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.
Мельница, отличающаяся также и тем, что 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.
Известен способ размола веществ (RU 2110943) с использованием видоизмененной размолочной чаши и движения воздуха, создаваемой крыльчаткой, насаженной на ось двигателя.
Недостатком способа является невозможность получения порошков менее 100 микрон в массовом масштабе (то есть в большом проценте от веса размалываемого вещества).
Задачей настоящего изобретения является создание способа, позволяющего получать высокий (массовый) выход порошка с размерами менее 100 микрон.
Задача решается посредством того, что размол ведут в особо сконструированной мельнице, где факторами осуществления размола выступают дезинтегрирующая роль спиц ротора, вихревые потоки воздуха (газов) внутри ротора и микровибрации ротора. Кроме того, при получении мелких порошков в пространство для размола вводят инертный газ для предотвращения взрыва порошка и его окисления.
Сырье засасывают в размольную чашу (во внутреннее пространство полого ротора) через загрузочную трубу и направляют на быстро вращающиеся спицы (зубья) ротора. Получившиеся мелкие частицы материала приобретают другие аэростатические качества по сравнению с исходным сырьем и движутся по другим траекториям, благодаря чему вовлекаются в вихревой процесс размола.
Особенности способа помола состоят также в том, что процесс ведут при одновременном воздействии трех факторов: дезинтегрирующее воздействие спиц ротора, агрессивные воздушные (газовые) вихри, микровибрации ротора в горизонтальном и вертикальном направлениях. Кроме того, помол происходит в двух пространствах сразу: внутри полого ротора и в пространстве между ротором и статором.
Процесс включает следующие операции:
- подготовка сырья для размола;
- загрузка сырья через загрузочную воронку и загрузочную трубу ротора;
- ведение размола при заданных алгоритмах вращения и микроколебаний ротора при заданном вихревом режиме внутри ротора, при заданных движениях воздуха (газов) через клапаны тубусов, выводящих порошки в сборные емкости;
- сбор порошков при заданных режимах движения воздуха (газов) через клапаны выводных тубусов.
В кратком описании способ может быть представлен следующим образом:
Способ размола вещества, включающий внесение его в размольную чашу, использование воздушных потоков для предотвращения налипания порошка на внутренние поверхности размольного устройства, отличающийся тем, что размол вещества осуществляют внутри полого и перфорированного ротора электродвигателя, снабженного с внутренней стороны зубьями (спицами), причем само вещество для размола втягивают с потоком воздуха (газов) внутрь ротора, где факторами, способствующими размолу, выступают удары спиц, микроколебания ротора и вихревые потоки воздуха (газов) внутри ротора; при этом процесс размола проводят с возможностью получения сразу двух фракций вещества.
Изобретение поясняется чертежами 1, 2, 3, где на фигуре 1 показано устройство в полном сборе, на фиг.2 представлен ротор более подробно, а на фиг.3 представлены принципиально важные элементы статора. Дальнейшее описание будет проводиться со ссылкой на эти фигуры.
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 (не показаны) для крепления насадки 12 (с помощью выступов 12', см. фиг.3), в которой создано пространство для загрузочной воронки 13.
Ротор 14 (фиг.1 и 2) выполнен 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.
Принципиальные элементы статора и его корпуса представлены на фиг.3.
Работает мельница следующим образом.
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 составы 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 в 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.