CN101277755A - 热处理单元的方法和控制及热处理单元 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于控制冰淇淋冷冻机的方法，其中，刮刀轴以可变的转动速度被驱动，用于提供冰淇淋的所需加工。此外，还公开一种可以利用这样一种控制并且具有按照以上原理实现控制的装置的冰淇淋冷冻机。

Description

热处理单元的方法和控制及热处理单元
技术领域
本发明涉及一种用于控制热处理单元，优选为冰淇淋冷冻机的方法，在热处理单元中，转动搅拌器轴以可变的转动速度被驱动，用于确立粘性产品的所需加工，在冰淇淋冷冻机中，刮刀轴以可变的转动速度被驱动，用于提供冰淇淋的所需加工。本发明还涉及一种热处理单元，该热处理单元带有设有温度控制的处理室、带有被驱动的电机、安装在其中的转动搅拌器轴，该转动搅拌器轴设有多个搅拌器装置，该搅拌器装置由于它们通过粘性产品的运动而提供一定混合，该单元包括相对流体形式的产品供给源以及用于控制温度的控制单元。处理单元优选地是一种带有冷冻机管和刮刀轴的冰淇淋冷冻机。
本发明的问世与冰淇淋冷冻机有关，并因此在本申请中将联系这种技术予以解释。然而，本发明可以应用于任何这样的热处理单元，其中，粘性产品被搅拌，以便形成例如与空气或其它成分，例如水的混合。本发明的方法和设备也可以例如用于冷冻-干燥咖啡和茶的预处理。
背景技术
连续式冰淇淋冷冻机在原理上是一种刮刀热交换器，其中，流体团(叫做冰混合物)在完成搅拌和空气混合的同时被冷却和部分冷冻，常常使空气的量几乎与流体团一样大，以便成品(冰淇淋)是高粘性的泡沫。
刮刀热交换器最为常见设计为管道(叫做冷冻机管)，该管道外部被冷却而在内部有机动转动轴(叫做刮刀轴)。在转动轴上安装多个刀具，该刀具将冷冻冰从管道上刮掉以及由于它们穿过产品的运动而产生一定混合作用。在管道的进口处，冰混合物是较轻流体，但随着这种流体运动经过管道和被日益冷却，而成为高粘性的。
冷却的控制可以以不同方式进行，但在自动冰淇淋冷冻机中广泛使用的原理是所谓的“粘度控制”。通过这种控制形式，驱动刮刀轴的电机的功率消耗被测量，并且与基准值相比较。如果实际使用的功率小于基准值，则强化冷却。由此产生较冷因而也具有较高粘度的冰，因此引起电机的较高功率消耗。如果实际消耗的功率大于基准值，则相应地减少冷却。以这种方式，获得明确的控制，因为冰淇淋的粘度是温度明确的函数，参考下面的示例。
由于在温度与粘度之间的明确关系，粘度控制因此可以用来实现真实冰淇淋的温度控制。要注意，由此控制不是根据冰淇淋的物理粘度进行，而是根据吸收的电机功率进行。然而，术语粘度常常用于测量的功率，该粘度经常以百分比测量，而不是以Pa*s测量的物理粘度。这表示在图2中。
例如，从US 6 553 779的描述中知道有一种冰淇淋冷冻机，该冰淇淋冷冻机具有用于加工在冰淇淋冷冻机中提供的粘性冰淇淋的冷冻机管和刮刀轴。公开有利用调节系统根据测量压力和温度的传统控制。这提供关于获得产品的粘度和加工的不确定性。
然而，以上考虑都基于刮刀轴以恒定速度转动的事实。如果人们希望使速度可变，例如，通过用变频器或其它类型的可变控制驱动电机，则情形复杂化，因为功率通常在冰淇淋的固定温度下随速度而变，如图3所示。
在操作方面，这是一个问题，因为操作人员想设定一定的产品粘度(与冰淇淋温度等效)，并且不想通过改变刮刀轴速度而改变这种粘度。相反，操作人员希望能够改变刮刀轴速度，因为对于大多数类型的冰淇淋有最佳加工。
如果加工太繁重(高速度)，则可能有搅动脂肪团的危险。如果加工太轻(低速度)，则这可能导致不良混合。
因此有对控制的需要，该控制可以“转化”操作人员对于一定产品粘度和一定加工的期望，用于控制冷却和设定刮刀轴速度。
如果操作人员输入用于加工的新值，则最好是，以这样一种方式控制设定刮刀轴速度和冷却，以致即使刮刀轴速度并由此电机功率有改变，产品粘度也不改变。
发明内容
因此，本发明的目的是指出一种方法，借此，刮刀轴速度和冷却根据所需的产品粘度和所需的加工设定。目的还在于，指出一种具有控制的冰淇淋冷冻机，该控制使刮刀轴速度和冷却能够根据所需的产品粘度和所需的加工设定。
根据本发明，上述目的通过一种独特的方法实现，该方法的步骤如下：
-A：确定加工与用于驱动搅拌器轴的电机转矩之间的关系；
-B：确定粘度与温度之间的关系；
-C：确定在粘性产品的不同温度下电机转矩与搅拌器轴转动速度之间的关系；
-D：确定在电机的不同负荷下电机转矩与搅拌器轴转动速度之间的关系；
-E：确定所需粘度和所需加工；
-F：根据步骤A-E中确定的关系计算电机转矩，这样计算用于搅拌器轴的转动速度，并且确立温度的调节，用于提供正确的电机转矩。
在冰淇淋冷冻机中，刮刀轴用于步骤A中，并且测量冰淇淋温度，而在步骤F中确定的温度控制将是冷却。
本发明的设备的特征在于，设置控制单元用于：
-A：确定加工与用于驱动搅拌器轴的电机转矩之间的关系；
-B：确定粘度与温度之间的关系；
-C：确定在用于粘性产品的不同冰淇淋温度下电机转矩与搅拌器轴转动速度之间的关系；
-D：确定在电机的不同负荷下电机转矩与搅拌器轴转动速度之间的关系；
-E：确定所需粘度和所需加工；
-F：根据步骤A-E中确定的关系计算电机转矩，这样计算用于搅拌器轴的转动速度，并且确立温度的调节，用于提供正确的电机转矩。
在冰淇淋冷冻机中，将使用设置在冷冻机管中的刮刀轴，该刮刀轴设有刮掉冷冻机管上的冷冻冰并提供混合作用的刀。
通过在各种刮刀轴速度和冰淇淋温度下进行多次测量，可获得转矩与刮刀轴速度之间的关系的概观，能够实现有助于完成本发明目的的控制原理。
这里似乎是，在刮刀轴速度与转动刮刀轴所需的转矩之间可确立比较简单的关系。通常，这种关系非常接近线性，如图4中曲线所示。
对于冰淇淋温度各条线的排列，不同种类的冰淇淋当然可以改变，但保持基本关系，并且较容易确立近似真实工况的公式的系统。
当分析在变化条件下生产的冰淇淋时，令人惊奇地似乎是，根据搅动生产的脂肪测量的加工实际上只是用来驱动刮刀轴的转矩的函数。
如果与电机的转矩特性相比，例如用于变频器驱动的电动机，则获得图5所示的关系。
可能的操作范围位于最大电机转矩的曲线下面。由于冰淇淋的粘度是温度的函数，代替曲线图上所示的温度，可以表示粘度(该粘度不必与温度成比例，但可以定义为温度的任意明确函数)。例如，可以按百分比表示粘度，如图6所示。
由于用于粘度的公式是已知的，并且加工是电机转矩的函数，所以现在可以确立其中操作人员可输入粘度和加工的控制。
冰淇淋冷冻机的PLC现在可以计算两条曲线之间的交点。这可以例如在图6中由40％粘度与XX％电机转矩(＝XX％加工)之间的交点处的黑点所示那样出现。
速度因此可以计算和设定，此后，可调节冷却，直到获得所需的转矩。
如果输入用于加工的新值，则计算新的交点。在图7中，因此用白点表示作为示例的YY％电机转矩的输入仍然在40％粘度处。
由于YY大于XX，所以这导致计算更高的速度而同时更大的所需转矩。在变频器上可以设定速度，此后，通过调节冷却可以获得所需的新转矩。
设定点的变化当然也可以划分成较少步骤，以便通过一次调节两个参数不会产生不稳定性；这不改变基本原理。
根据本发明，这里因而获得一种对冰淇淋冷冻机用于根据如下两组曲线控制冷却和刮刀轴速度的控制原理：一组用于在电机的不同负荷下电机转矩与刮刀轴速度之间的关系、和一组用于在不同冰淇淋温度下电机转矩与刮刀轴速度之间的关系。
操作人员只在机器操作期间输入两个值：
-所需的产品粘度(硬度(stiffness))。
-所需的加工。
根据所需的硬度，设备的PLC/控制单元计算相关联的温度曲线，因为温度是硬度的预定义的明确函数。这个函数不必是线性的，但可以按照需要依据认为切实可行予以定义。
根据所需的加工，机器计算相关联的电机转矩曲线，因为加工是电机转矩的预定义的明确函数。这个函数不必是线性的，但可以按照需要依据认为切实可行予以定义。
通过计算温度曲线与电机转矩曲线之间的交点，机器求出正确的刮刀轴速度并对其设定。照此调节冷却，直到获得正确的电机转矩。
可以通过作为电机转矩的线性函数计算的加工而进行控制。
还可以通过作为产品温度的线性函数计算的硬度进行控制。
此外还可以通过在一个步骤中不作设定点中的变化但将其划分成较少步骤而进行控制，其中只有当机器在前一步骤中稳定时才进行每个步骤。
附图说明
图1表示由根据本发明方法控制的本发明的冰淇淋冷冻机示意图；
图2表示曲线图，示出冰淇淋的温度与粘度之间的关系；
图3表示曲线图，示出刮刀轴的转动速度对冰淇淋温度与电机转矩之间的关系的影响；
图4表示曲线图，示出在冰淇淋的不同温度下刮刀轴转动速度与电机转矩之间的关系；
图5表示与图4对应的曲线图，其中，插入电机转矩特性；
图6表示与图5对应的曲线图，其中，示出冰淇淋的粘度，而不是温度曲线；及
图7表示与图6对应的曲线图，示出另外的电机转矩曲线。
具体实施方式
在图1中示出冷冻机管1，在该冷冻机管1中设置刀具2，刀具2刮掉管上的冷冻冰，并且由于它们经过产品的运动部分地达到空气混合。刀具因此设置在刮刀轴3上，该刮刀轴3由电机4驱动，以便产生转动运动。
原料混合物5通过泵6经管道7引入到冷冻机管1。在管道7中，空气8经单向阀9供给到泵入的原料混合物中。
冷冻机管1具有与泵11连接的出口10，以从冷冻机管中泵出混有空气的冰淇淋12。
所示设备连接到用13表示的控制单元上。在原理上，控制单元以PLC为基础并与在设备中的相关传感器(未示出)连接，且设有算法，以便进行所需的计算。
图2示出坐标系，图中，冰淇淋的温度表示为横坐标，并且图中，用Pa*s示出的粘度表示为纵坐标。这里看来，曲线14表示冰淇淋的粘度为温度的明确函数。
图3示出第一曲线和第二曲线，分别表示200rpm和400rpm的刮刀轴转动速度。这表明，在交点17和18中，具有相同的温度但不同的速度，这将需要不同的电机功率。
图4表示通过在不同的刮刀轴速度和冰淇淋温度下进行多次测量获得的结果。这里看来，在不同的冰淇淋温度下刮刀轴速度与转动刮刀轴所需的转矩之间可确立比较简单的关系。各条曲线19、20、21、22、23和24的排列对于不同类型的冰淇淋可能变化。然而，保持基本关系。
如所述的那样，令人惊奇地似乎是，根据搅动生产的脂肪测量的加工实际上只是用来驱动刮刀轴的转矩的函数。当将图2中所示的曲线与用于电机的转矩特性相比时，获得图5中所示的特性曲线。曲线19-24这里是与用于最大电机转矩的曲线25和用于最大电机转矩的XX％的曲线26相比较。
在图6中，温度曲线19-24分别变换成粘度曲线27-32。不必与温度成比例的粘度因而定义为从0至100％的任意百分比。
现在似乎是，用于40％粘度的曲线29与用于XX％的电机转矩的曲线26之间的交点33可以由冰淇淋冷冻机的控制单元(PLC)计算。速度因此可以计算和设定，此后，有可能设定冷却，直到获得所需的转矩。
图7与图6相对应，但包含另外的曲线34，提供比由曲线26所示最大电机转矩的XX％更高的最大电机转矩的YY％的电机转矩。这里，有曲线34与用于40％粘度的曲线29之间的交点35。由于YY％大于XX％，所以这导致计算更高的速度同时更大的所需的转矩。这时有可能设定用于电机控制的变频器的速度。然后，可以调节冷却，以便获得所需转矩。
将要注意，设定点的变化可划分成较少步骤，以便当一次调节两个参数时，不会发生不稳定性。

Claims (12)

1.一种用于控制热处理单元的方法，其中，转动搅拌器轴以可变的转动速度被驱动，用于确立粘性产品的所需要的加工，其特征在于，以下步骤：
-A：确定加工与用于驱动搅拌器轴的电机的转矩之间的关系；
-B：确定粘度与温度之间的关系；
-C：确定在粘性产品的不同温度下电机的转矩与搅拌器轴转动速度之间的关系；
-D：确定在电机的不同负荷下电机的转矩与搅拌器轴转动速度之间的关系；
-E：确定所需的粘度和所需的加工；
-F：根据步骤A-E中所确定的关系来计算电机的转矩，这样用于搅拌器轴的转动速度被计算，并且温度的调节被确立用于提供正确的电机的转矩。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，加工只是电机的转矩的函数。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，粘度只是温度的函数。
4.根据以上任一权利要求所述的方法，其特征在于，电机转矩在给定产品温度下只是搅拌器轴转动速度的函数。
5.根据以上任一权利要求所述的方法，其特征在于，在步骤E中完成的计算逐步进行，因为只有在前一步骤中已确立稳定性时才进行每个步骤。
6.根据以上任一权利要求所述的方法，其特征在于，电机由用于确立可变转动速度的变频器提供动力。
7.根据以上任一权利要求所述的方法，其特征在于，粘度定义为与产品温度对应的任意参数，表示为可在0％到100％之间变化的百分比。
8.根据以上任一权利要求所述的方法，其特征在于，热处理单元被选作冰淇淋冷冻机，转动搅拌器轴被选作刮刀轴，并且粘性产品被选作冰淇淋。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，刮刀轴设有刀具，以便从冷冻机管的内侧刮掉冷冻冰。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，根据搅动生产的脂肪来测量加工。
11.一种热处理单元，该热处理单元带有设有温度控制的处理室、并带有被驱动的电机、安装在其中的转动搅拌器轴，该转动搅拌器轴设有多个搅拌器装置，该搅拌器装置由于它们通过粘性产品的运动而提供一定混合，该热处理单元包括相对流体形式的产品的供给源以及用于控制温度的控制单元，其特征在于，所述控制单元适于：
-A：确定加工与用于驱动搅拌器轴的电机的转矩之间的关系；
-B：确定粘度与温度之间的关系；
-C：确定在用于粘性产品的不同冰淇淋温度下电机的转矩与搅拌器轴的转动速度之间的关系；
-D：确定在电机的不同负荷下电机的转矩与搅拌器轴转动速度之间的关系；
-E：确定所需的粘度和所需的加工；
-F：根据步骤A-E中确定的关系来计算电机的转矩，这样用于搅拌器轴的转动速度被计算，并且温度的调节被确立用于提供正确的电机转矩。
12.根据权利要求10所述的热处理单元，其特征在于，该热处理单元包括带有冷冻机管的冰淇淋冷冻机，在冷冻机管中安装带有刀具的刮刀轴，刀具刮掉冷冻机管上的冷冻冰并进行混合。
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