Криовибромельница Российский патент 2024 года по МПК B02C17/14 

Изобретение относится к области техники измельчения, в частности к вибрационным устройствам для размола материалов синтетического и природного происхождения различной хрупкости и твердости, в том числе пищевых и медицинского назначения, при криогенных и положительных температурах.

Известен криогенный измельчитель вибрационного типа [Патент US №05513809 В02С 17/14.], который обеспечивает тонкое измельчение, но не позволяет получить порошки с однородным размолом частиц из-за непостоянства и наличия градиенов температуры в размольной камере, обусловленных отсутствием системы контроля температуры, что заметно сужает область использования этого измельчителя. Известна установка криогенного измельчения с температурным контролем зон [Патент RU №2245193 С2 В02С 23/06, 2005.], включающая в себя камеру предварительного охлаждения, камеру измельчения, блок контроля и регулирования и резервуар с жидким криоагентом, снабженный резистивными нагревателями и герметично соединенными с ним электрическим разъемом подключения к блоку контроля и регулирования и элементами подачи жидкого и газообразного криоагента в камеры. Недостатком установки является ее сложность: наличие камеры предварительного охлаждения и нестандартной специальной конструкции резервуара для жидкого криоагента с большим количеством встроенных элементов, - что затрудняет обслуживание, увеличивает расход криоагента и стоимость изделия.

В качестве прототипа выбрана вибрационная криомельница [Retsch Cryomill. Авт.право © Retsch GmbH, Хан/www.retsch.ru. Инструкция по эксплуатации Retsch Cryomill, 68c./www.manualsdir.ru (прототип).], содержащая колеблющуюся с заданной частотой охлаждаемую размольную камеру, привод колебаний и систему охлаждения камеры жидким азотом, датчики температуры и систему управления частотой колебаний камеры и температурой, причем камера расположена на одном из шатунов привода колебаний, а на втором, колеблющемся в противофазе, закреплен груз, уравновешивающий массу камеры, а датчики температуры расположены на линиях входа азота. Криомельница предназначена для работы при температурах от комнатной до -196°С [Retsch Cryomill. Авт.право © Retsch GmbH, Хан/www.retsch.ru.Инструкция по эксплуатации Retsch Cryomill, 68c./www.manualsdir.ru (прототип)., с. 22,25,38,50].

Недостатками этой конструкции являются: нарушение динамической сбалансированности при значительном изменении массы содержимого размольной камеры; охлаждение только жидким азотом, что увеличивает его расход и усложняет работу при температурах выше температуры жидкого азота; обмерзание охлаждаемых элементов конструкции с необходимостью последующего сбора конденсата [Retsch Cryomill. Авт.право © Retsch GmbH, Хан/www. retsch.ru. Инструкция по эксплуатации Retsch Cryomill, 68c./www.manualsdir.ru (прототип)., с. 24]; необходимость использования вентиляторного обдува теплым воздухом колеблющихся элементов для недопущения промерзания их опор [Retsch Cryomill. Авт.право © Retsch GmbH, Хан/www. retsch.ru. Инструкция по эксплуатации Retsch Cryomill, 68c./www.manualsdir.ru (прототип)., с. 50]; опасность возникновения перебоев в работе из-за засорения линий входа-выхода азота [Retsch Cryomill. Авт.право © Retsch GmbH, Хан/www. retsch.ru. Инструкция по эксплуатации Retsch Cryomill, 68c./www.manualsdir.ru (прототип)., с. 21].

Задачей изобретения является повышение производительности и динамической сбалансированности изделия, расширение рабочего диапазона температур и сокращение времени выхода на режим с одновременным уменьшением расхода криоагента, повышение надежности и безопасности работы.

Поставленная задача решается предлагаемым устройством криовибромельницы, содержащей колеблющуюся с заданной частотой охлаждаемую размольную камеру, привод колебаний и систему охлаждения камеры, датчики температуры и систему управления частотой колебаний камеры и температурой, причем камера расположена на одном из шатунов привода колебаний, снабжена, согласно изобретению, второй размольной камерой, аналогичной первой и аналогично расположенной, автономным устройством управляемой подачи жидкого криоагента и его паров, термостатом подачи теплоносителя в размольные камеры, сменными адаптерами для изменения направления потоков хладо- и теплоносителя, а также защитным фильтром, при этом защитный фильтр установлен на входе хладо- и теплоносителя в размольные камеры, датчики температуры установлены непосредственно на поверхности размольных камер, а камеры и линии подачи-отвода хладо- и теплоносителя теплоизолированы.

Наличие второй размольной камеры, аналогичной первой по конструкции и размещению и колеблющейся в противофазе, позволяет увеличить количество одновременно измельчаемого продукта, т.е. производительность процесса измельчения, и при одинаковой загрузке размольных камер обеспечить динамическую устойчивость конструкции при работе. Включение в состав изделия устройства управляемой подачи жидкого криоагента и его паров, а также жидкостного термостата, теплоизолирование камер и линий подачи-отвода хладо- и теплоносителя позволяет расширить рабочую температурную область в сторону положительных температур, ускорить выход на заданную температуру, уменьшить расход криоагента, исключить обмерзание деталей конструкции с последующим каплепадением конденсата. При этом термостатирование камер в области низких температур осуществляется жидким криоагентом или его парами, в зависимости от требуемой температуры, а от комнатной и выше -теплоносителем циркуляционного термостата. Поскольку теплообмен (отвод-подвод тепла) камер с окружающей средой и подключенных к ним линий существенно уменьшен теплоизоляцией, их охлаждение и нагрев происходят значительно быстрее, чем неизолированных, и требуют меньшего расхода криоагента и расхода мощности термостата. Отсутствуют условия конденсации влаги на охлаждаемых поверхностях. Сменные адаптеры позволяют реализовать разные схемы подачи хладо- и теплоносителя в размольные камеры: в обе одновременно или последовательно, только в первую камеру, только во вторую, -а легкосменный защитный фильтр избежать засорения линий подачи и длительного перерыва в работе. Установка датчиков температуры непосредственно на поверхности размольных камер увеличивает быстродействие системы управления температурой.

Такое выполнение заявляемой криовибромельницы расширяет ее функциональные возможности, обеспечивает динамическую устойчивость при работе и повышает надежность.

На фиг.1 представлена блок-схема криовибромельницы, на фиг.2-4 приведены схемы расположения размольных камер и соединения их с линиями подачи-отвода хладо- и теплоносителя.

Криовибромельница содержит размольные камеры 1, 2, устройство 3 управляемой подачи жидкого криоагента и его паров, циркуляционный термостат 4 подачи теплоносителя, систему 5 управления приводом колебаний и температурным режимом, привод колебаний камер (на чертеже не показан),расположенных на шатунах 6 и 7 привода колебаний. Шатуны изготовлены из низкотеплопроводного материала. Непосредственно поверхностях камер 1, 2 закреплены датчики температуры 8, 9, подключенные к системе управления 5. Линия 10 подачи криоагента от устройства 3 или теплоносителя от термостата 4 и выходные линии 13, 14 подключены соответственно к входным линиям 11, 12 камер 1, 2 и выходным 15, 16 через сменные адаптеры 17, 18, 19. Установка адаптера 17 (фиг.2) позволяет подавать хладо- или теплоноситель в камеры 1,2 одновременно, при этом система 5 должна управлять температурой одной из камер по датчику, соответственно 8 или 9, а температуру другой периодически контролировать по датчику, соответственно, 9 или 8.Адаптер 18 (фиг.3) дает возможность вести термостатирование одной из камер, например 1, как показано, по датчику 8 температуры. Камера 2 при этом может использоваться для размола или других операций при комнатной температуре при периодическом контроле фактического значения темпрературы в этой камере по датчику 9. При перестановке адаптера 18 в положение, повернутое на 180° относительно изображенного на фиг.3, функции камер 1, 2 и датчиков 8, 9 температуры меняются местами: теперь термостатируемой становится камера 2, а периодически контролируемой - камера 1. Показанный на фиг.4 адаптер 19 позволяет реализовать схему одновременного термостатирования размольных камер 1 и 2 с последовательной подачей хладо- и теплоносителя из камеры 1 в камеру 2 с поддержанием температуры по одному из датчиков 8 или 9 температуры и периодическим контролем - по другому. Поворот адаптера 19 на 180° по отношению к положению, показанному на фиг.4, дает возможность изменить направление потоков хладо- или теплоносителя через размольные камеры и, соответственно, подключение датчиков 8, 9 температуры к системе 5 управления. На входе в линии 11, 12 установлен защитный фильтр 20. Камеры 1, 2 и линии 10-16 закрыты теплоизоляцией 21. Камеры 1, 2, привод колебаний и система 5 управления размещены в корпусе 22, устройство управляемой подачи жидкого криоагента и его паров установлено на стандартном резервуаре для жидкого криоагента и герметично соединено с ним с помощью быстродействующих замков. Криовибромельница работает следующим образом.

Выбирают условия предстоящего процесса измельчения или другого процесса, схему подключения размольных камер к устройствам подачи хладо- или теплоносителя и датчиков температуры к системе управления. Устанавливают соответствующий адаптер. Подключают к нему и системе управления устройство управляемой подачи жидкого криоагента или, в зависимости от требуемой температуры, его паров либо термостат, подключают датчики температуры, задают необходимые уровень температуры, частоту колебаний камер и время работы. Снаряжают размольные камеры одинаковым по массе количеством подлежащего обработке вещества и всего необходимого для предстоящего процесса. Включают устройство управляемой подачи криоагента или термостат. Благодаря теплоизолированию линии подвода хладо- или теплоносителя и размольные камеры охлаждаются или нагреваются значительно быстрее, чем не изолированные, что сокращает время выхода на заданную температуру. После достижения необходимой температуры система управления включает привод колебаний размольных камер. Начинается процесс измельчения или другой предусмотренный процесс обработки вещества. После истечения заданного времени работы система управления отключает привод колебаний, а затем устройства термостатирования. Размольные камеры готовы к извлечению содержимого. Ни при охлаждении камер, ни в ходе низкотемпературного измельчения продукта не происходит усложняющего работу промерзания опор колеблющихся шатунов криовибромельницы. Это обусловлено как уменьшением времени охлаждения камер, так и изготовлением шатунов, на которых закреплены камеры, из низкотеплопроводного материала. После завершения низкотемпературной обработки внешние каналы подачи-отвода криоагента перекрываются во избежание образования в них капель из попавшего в них влажного воздуха.

Для большинства практических задач криоизмельчения достаточно в качестве криоагента использовать доступный жидкий азот, для эффективного хранения которого существует целый ряд стандартных сосудов разного объема. Предлагаемая криовибромельница может быть применена для проведения и других процессов, интенсифицируемых вибраций: сухой и мокрый размол, смешение, гомогенизация, растворение, в том числе труднорастворимых веществ, приготовление эмульсий, суспензий, дезинтеграция растительных и животных клеток, клеток микроорганизмов баллистическим методом и др. - при отрицательных и положительных температурах до не более+70°С.Быстрый выход на необходимую температуру, точное ее задание и поддержание благодаря теплоизолированию размольных камер и линий подвода-отвода хладо- или теплоносителя, установке датчиков температуры непосредственно на поверхностях размольных камер создают условия для сохранения полезных свойств пищевых и медицинских материалов после их криоизмельчения и для получения качественных порошков - однородных по размеру и форме измельченных частиц. При этом сокращается расход криоагента или расход мощности термостата, т.е. уменьшается стоимость эксплуатации криовибромельницы. Сокращается и время подготовки к работе. Использование второй размольной камеры, аналогичной существовавшей в прототипе по конструкции и массе и аналогично расположенной, не только снимает присущие прототипу вопросы возможности возникновения динамической разбалансировки колеблющихся масс при значительном изменении массы содержимого единственной размольной камеры, т.е. повышает надежность работы криовибромельницы, но и увеличивает ее производительность и возможности использования. Кроме того, сокращение времени охлаждения камер и изготовление шатунов, на которых они закреплены, из низкотеплопроводного материала позволяет отказаться от необходимости их обдува теплым воздухом и предназначенного для этого вентилятора, что уменьшает стоимость криовибромельницы, ее массу и энергопотребление. Исключено, благодаря теплоизолированию, образование конденсата на охлаждаемых частях криовибромельницы и устройство для его сбора, что упрощает конструкцию и облегчает обслуживание. Повышена бесперебойность работы криовибромельницы посредством исключения длительных перерывов, вызванных засорением линий подачи-отвода хладо/теплоносителя в размольные камеры, за счет установки быстросменного входного защитного фильтра.

Изобретение относится к вибрационным устройствам для размола материалов синтетического и природного происхождения различной хрупкости и твердости. Криовибромельница содержит размольные камеры, устройство управляемой подачи жидкого криоагента и его паров, циркуляционный термостат подачи теплоносителя, систему управления приводом колебаний и температурным режимом, привод колебаний камер, расположенных на шатунах 6 и 7 привода колебаний. Шатуны изготовлены из низкотеплопроводного материала. На поверхностях камер закреплены датчики температуры 8, 9, подключенные к системе управления. Линия 10 подачи криоагента от устройства его подачи или теплоносителя от термостата и выходные линии 13, 14 подключены соответственно к входным линиям 11, 12 камер и выходным 15, 16 через сменные адаптеры 17. Установка адаптера 17 позволяет подавать хладо- или теплоноситель в камеры одновременно. При этом система управляет температурой одной из камер по датчику соответственно 8 или 9, а температуру другой периодически контролировать по датчику, соответственно 9 или 8. Идентичные и одинаково расположенные размольные камеры, снаряжаемые одинаковым по массе содержимым, колеблются в противофазе с одинаковой частотой, обеспечивая динамическую устойчивость работающего изделия, повышая его производительность в случае измельчения одинакового материала и расширяя функциональные возможности устройства при заполнении размольных камер разными материалами, или выполнения в камерах одновременно двух разных процессов, например измельчения в одной камере и гомогенизации в другой, или одновременной обработки материала при разных температурах камер. Температурный диапазон расширен в область положительных температур. Термостатирование осуществляется с помощью автономных устройств управляемой подачи жидкого и газообразного криоагента или теплоносителя. Система управления обеспечивает необходимый температурный режим, включение и выключение привода колебаний. Криовибромельница обеспечивает сухой и мокрый размол, смешение, растворение труднорастворимых веществ, дезинтеграцию клеток при температурах от -196°С до +70°С. 4 ил.

Криовибромельница, содержащая размольную камеру, привод колебаний и систему охлаждения камеры, расположенной на шатуне привода колебаний, датчики температуры, систему управления частотой колебаний камеры и температурой, отличающаяся тем, что снабжена второй размольной камерой, аналогичной первой и аналогично расположенной, автономным устройством управляемой подачи жидкого криоагента и его паров, а также термостатом подачи теплоносителя в размольные камеры и сменными адаптерами для изменения направления потоков хладотеплоносителя и защитным фильтром, при этом защитный фильтр установлен на входе хладотеплоносителя в размольные камеры, датчики температуры установлены непосредственно на поверхности размольных камер, а камеры и линии подачи-отвода хладотеплоносителя теплоизолированы.