CN107350026A - 自动控制连续冷冻研磨机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冷冻研磨机，研磨机包括振动研磨装置和压紧装置，振动研磨装置包括研磨组件、振动组件和支撑组件，研磨组件包括压辊、磨盒和隔套，压紧装置压紧或放松研磨组件，研磨组件与振动组件连接，研磨组件和振动组件安装在支撑组件上。本发明的冷冻研磨机具有研磨效率高的特点，能在几分钟内将硬脆样品研磨至200目以下，且单次研磨量最高可达2kg；而且研磨温度范围宽，可实现常温～‑170℃的温度范围研磨。

Description

自动控制连续冷冻研磨机

技术领域

本发明涉及研磨技术领域，具体涉及自动控制式低温研磨机。

背景技术

实验中需要对样品进行粉碎研磨处理，制备细小粒径的甚至纳米级的实验样品。通常来讲，材料越是硬脆，就越容易研磨粉碎。然而常温下并不是所有材料都表现为硬、脆性，有些材料本来表现出就是韧性、粘性、高温敏感性的。特别是在研磨过程中，由于研磨作用带来的高温环境，材料容易而变软、变粘、变质等。采用冷冻处理就能很好的解决这一问题，在低温作用下，热敏感性物质、多种动植物组织、微生物、橡胶、塑料、食品、药品、煤炭、油页岩、蜡制品、PE、PS、纺织品、树脂等在常温下呈韧性、难以粉碎的物质，也可实现研磨。

实现低温处理研磨样品可以有多种方式。其中最简单方式是直接将样品置于冰箱或冷却介质中(如液氮、干冰等)中，待样品冷冻脆化后，再在常规研磨机上进行研磨。然而因为不能提供连续持久的冷却，此种方式只适用于研磨时间短，非常容易研磨粉碎的样品。遇到粘性大或对要求最后得到颗粒较小的样品时，需要连续进行供冷处理，此种方式无法实现连续冷冻，而且需要人员接触冷却介质，操作不便，有被低温冻伤的危险性。

另一种更合适的冷冻研磨的实现方式是，将冷却装置直接耦合到现有研磨机，实现在线式冷冻研磨：通常的做法是将研磨组件整个设计在一个低温箱体中，箱体直接串接空冷机提供的冷风或是钢瓶供给冷媒(如液氮、干冰等冷却剂)，冷却整个研磨部件，通过物理的传导间接对研磨样品实现冷却冷冻，使得研磨样品都在低温中进行。专利文献CN2621812Y、CN103386347A、CN2621811Y正是采用此种方式在行星式球磨机的基础上改进得到了低温行星式球磨机，结构较简单，如果采用空冷机只能实现较低温研磨，采用低温冷媒(液氮、干冰等)则可以实现很低温度的研磨。但由于行星式球磨机的特点，研磨能量低，要达到一定粒度(如纳米级)需要研磨很长时间，因此冷却剂耗量比较大。专利文献CN104492552A则是采用分别将单个球磨罐主机设计置于夹套容器中，夹套容器中通入液氮，液氮由外置液氮供给瓶供给。由于对单个球磨罐直接接触冷，冷却效率和冷却剂利用率比较高。但控制采用简单阀门手动控制，操作性较差，且同样存在研磨时间长、研磨效率低的问题。专利US8061633B2则是将液氮在线冷冻方式耦合到磁力球磨机上，实现很低温度的样品研磨，特别适合小批量的如生物实验室用温度敏感样品的研磨制备。

在实验室如食品实验室中，有大量的食品样如蔬菜、糖果等样品需要研磨，但基于研磨时间、研磨量、使用便利性安全性、冷却剂的高效利用上诸多因素看，目前无论是行星式低温研磨，还是液氮在线冷冻磁力研磨机，都不能满足实验室中等量软性韧性样品的快速冷冻研磨。

发明内容

目前现有技术中存在的技术问题是，将研磨样品先在低温介质下做冷冻处理，然后进行研磨的处理方式有操作不便、无法连续冷冻研磨等问题；采用低温行星球磨机，使用空冷压缩机制冷时，难以得到比较低的温度，适用范围有限，而采用诸如液氮等介质直接在线冷冻方式时，冷却剂的利用率不高；现有技术无法满足要求在500ml以上的单批处理量的冷冻研磨处理量，大多数只能处理10-100mL的处理量。

本发明人为解决上述技术问题发现，振动盘式研磨机具有高能快速研磨的突出优点，将液氮冷冻系统与振动盘式研磨机耦合，能够满足单批次快速研磨粉碎的处理要求，同时通过设计自动控制系统，保证安全性、使用便利性、液氮高效利用性。

具体来说，本发明提出了如下技术方案：

本发明提供了冷冻研磨机，该研磨机包括振动研磨装置和压紧装置，振动研磨装置包括研磨组件、振动组件和支撑组件，研磨组件包括压辊、磨盒和隔套，压紧装置压紧或放松研磨组件，研磨组件与振动组件连接，研磨组件和振动组件安装在支撑组件上。

优选的是，上述冷冻研磨机，其中，所述压辊位于磨盒内，磨盒位于隔套内，隔套设置进孔和出孔；优选所述研磨盒的研磨容积为100-3000ml；优选研磨组件的质量为13-19kg；更优选的是，所述隔套用材料选自聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯、聚醚酰亚胺、聚砜、聚芳砜、聚醚砜、聚碳酸酯和/或聚乙烯。

优选的是，上述冷冻研磨机，其中，所述支撑组件包括支撑板、基座和底座，基座位于底座上方，支撑板位于基座上方；优选研磨组件安装在支撑板上方，进一步优选研磨组件与支撑板之间设置隔热垫。

优选的是，上述冷冻研磨机，其中，所述振动组件包括电机和偏心轮，优选偏心轮位于支撑板下方；更优选的偏心轮的质量为8-16kg。

优选的是，上述冷冻研磨机，其中，所述振动研磨装置包括弹性部件；优选的所述弹性部件包括压缩弹簧以及根据需要的拉伸弹簧和/或减震垫。

优选的是，上述冷冻研磨机，其中，所述压缩弹簧位于基座和支撑板之间，分布在电机外侧；优选所述拉伸弹簧水平安装连接相邻压缩弹簧；更优选所述减震垫位于基座和底座之间。

优选的是，上述冷冻研磨机，其中，压紧装置包括压紧端、弯臂和固定端，优选压紧端选用气囊气缸，更优选气囊气缸与弯臂一端固定，弯臂另一端与旋转轴固定，旋转轴设置在固定端的轴承内，固定端固定在支撑板上。

优选的是，上述冷冻研磨机，其中，所述固定端安装限位装置；优选限位装置通过开孔嵌入的磁铁，将弯臂吸引在工位位置。

优选的是，上述冷冻研磨机，其中，所述工位包括压紧工位和放松工位，弯臂被限位于压紧工位时，气囊气缸位于研磨组件上方，弯臂水平旋转到放松工位，气囊气缸远离研磨组件上方。

优选的是，上述冷冻研磨机，其中，所述研磨组件上方设置隔热垫；优选隔热垫开定位孔，气囊气缸设定位件，定位孔与定位件配合。

优选的是，上述冷冻研磨机，其中，所述冷冻研磨机包括壳体，壳体包括上盖部分和支撑部分，支撑部分安装防震地脚和万向脚轮；优选壳体采用钣金件，壳体内侧铺设隔音棉，壳体密封间隙采用密封条双层密封。

本发明还提供了冷冻研磨系统，包括本发明的冷冻研磨机、冷冻源、管路、电磁阀、温度传感器和控制系统，优选冷冻源通过管路向冷冻研磨机提供冷冻介质，温度传感器安装在靠近冷冻研磨机两端的管路上，电磁阀安装在靠近冷冻源一端的管路上。

优选的是，上述冷冻研磨系统，其中，冷冻研磨机隔套两端通过螺旋管连接到管路，优选所述螺旋管材料选自聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯、聚醚酰亚胺、聚砜、聚芳砜、聚醚砜、聚碳酸酯和/或聚乙烯。

优选的是，上述冷冻研磨系统，其中，所述控制系统包括气动压紧模块、系统预冷模块、运行研磨模块和气体排放模块。

本发明的有益效果包括：

1.本发明的冷冻研磨机具有研磨效率高的特点，能在几分钟内将硬脆样品研磨至200目以下，且单次研磨量最高可达2kg。

2.选用液氮作为冷却剂，研磨温度范围宽，可实现常温～-170℃的温度范围研磨。

3.设计了具有自动控制功能的系统，实现在线式连续冷冻研磨，不仅能很好满足分析实验室对常温呈现软性、韧性样品的研磨要求，还能保证操作安全性、使用便利性、液氮高效利用性。

4.本发明的突出特点是由研磨系统、液氮构成的低温冷冻与控制系统、电路控制系统、保冷系统等4大部分组成，结构分明，日常使用基本不需要特殊维护，操作使用方便。整个系统自动化程度高，4大部分由PLC可编程控制器进行统一协调控制，操作简便，液氮构成的低温冷冻与控制系统有防液氮过压喷溅设计，提高安性，磨盒组件与液氮浴套之间采用气动压紧装置，保证样品和液氮的密闭性。

附图说明

图1是连接液氮罐的低温振动研磨装置，图中：1、液氮罐；2、压辊；3、磨盒；4、气囊气缸；5、磨盒盖；6、隔套；7、支撑板；8、压缩弹簧；9、拉伸弹簧；10、偏心轮；11、基座；12、底座；13、电机；24、隔热垫；25、定位件；26、弹簧支架；27、进液孔；28、出气孔；29、隔热垫定位孔。

图2是压紧装置示意图，图中：4、气囊气缸；14、旋转轴；15、轴承；16、弯臂；23、硅胶密封垫；30、限位装置。

图3是冷冻研磨机壳体示意图，图中：17、上盖部分；18、支撑部分；19、万向轮；20、地脚；21、支架；22、钣金外壳；31、密封条。

图4是冷冻研磨系统示意图，冷冻研磨系统包括液氮罐、管路、电磁阀、温度传感器1、温度传感器2和冷冻研磨机，液氮变成氮气后通向室外。

图5是聚四氟乙烯螺旋管示意图。

图6是冷冻研磨系统运行流程图，包括放入磨盒气动压紧，设置系统参数、启动设备开始预冷、预冷完成开始研磨、研磨完成取出模具、手动开阀气体排放步骤。

具体实施方式

下面结合附图本发明优选的冷冻研磨机、冷冻研磨系统及其有益技术效果进行详细说明。

本发明优选的冷冻研磨机包括低温振动研磨装置、压紧装置和钣金件壳体，冷冻研磨机通过冷冻源提供的冷冻介质实现冷冻功能。

如图1所示，低温振动研磨装置包括研磨组件、电机、偏心轮、压缩弹簧、拉伸弹簧、基座、支撑板、底座，液氮罐作为冷冻源，通过管路将液氮输送到研磨装置。冷冻源连接研磨组件，研磨组件包括压辊、磨盒和隔套，压辊位于磨盒内，磨盒具有磨具罐和磨具盖，磨盒选用合金例如钢或者铝作为主体材料，磨盒位于隔套内，隔套设置一个进液孔和两个出气孔，冷冻源选用液氮，液氮通过管路从进液孔进入隔套和磨盒之间，进行热交换后氮气从出气孔排出，两个出气孔能够保证内部压力完全释放；压紧方式采取气囊气缸压紧方式，保证密封性。隔套采取比热容和导热率都较小的聚四氟材料，大大提高隔套内部冷冻效率，同时也减少了外部空气与内部的热交换，起到保温的作用。研磨组件安装在支撑板上方，研磨组件与支撑板之间设置隔热垫，保证冷冻系统的低温环境不能传到振动装置；偏心轮位于支撑板下方，与电机相连，电机固定在基座上，压缩弹簧竖直安装，位于基座和支撑板之间，分布在电机外侧，起到上下支撑的作用，拉伸弹簧水平安装，通过弹簧支架连接两相邻压缩弹簧，起到预紧的作用，防止启动时转速过低产生不正常振动。基座与底座之间设置减震垫，在设备运行时起到缓冲固定的作用。

根据磨盒尺寸确定振幅大小，根据振幅计算所需激振力，进而核算偏心轮大小。其计算过程如下：

偏心轮产生的激振力为：F＝m₁w²r₁………①

式中：m₁－偏心轮质量

w－转动角速度

r₁－偏心轮质心到电机轴线的距离

激振力是一个大小不变，方向时刻改变的力。它的作用效果使得整个参振质量做圆周运动，产生一个振幅r₂。

将力产生的运动等效成运动产生的力，建立参振质量匀速圆周运动的模型。

F＝m₂w²r₂………②

式中:m₂－偏心轮质量

w－转动角速度

r₂－振动系统振幅

结合式①②得出结论

振幅r₂＝(m₁/m₂)·r₁

要实现大容积的研磨就需要更大的离心力，通过重新设计偏心轮，增加偏心轮的重量和偏心轮重心到中心的距离，就可以实现更大的离心力，这样就可以满足更大容量的物质的研磨，本发明优选的研磨组件重量为16±3kg，研磨盒的有效容积(可加入原料体积，通常为研磨盒容积的1/2)为50-1500ml，容积如果超过1500ml,在不改变偏心轮设计时，会出现研磨粒度不均匀、细度不够的情况，达不到实验要求，影响后续分析测试；如果要实现小容量的研磨可以更改研磨盒的容积，最小可实现50ml的研磨；偏心轮质量为12±3kg，可以通过更改偏心轮的形状实现重心到中心的距离的变化，例如通过改变偏心轮夹角和高度来增加偏心轮重心到中心的距离。

如图2所示，压紧装置包括气囊气缸、弯臂、旋转轴、轴承。气囊气缸与弯臂一端固定，弯臂另一端与旋转轴固定，旋转轴设置在固定端的轴承内，固定端安装旋转限位装置，限位装置通过开孔嵌入的磁铁，将弯臂吸引在工位位置，防止弯臂自由摆动。工位包括压紧工位和放松工位，弯臂被限位于压紧工位时，气囊气缸位于研磨组件上方，通过空气压缩机将气体充入气囊，气囊产生足够的压力压紧研磨盒，防止研磨过程中漏粉或漏气。弯臂水平旋转90°到放松工位，便于装取研磨盒。研磨盒磨具盖上方设置隔热垫，隔热垫开定位孔，与气囊气缸上的定位件配合，防止设备运行时弯臂滑动。

如图3所示，钣金件壳体采用分体式结构，包括上盖部分和支撑部分，上盖部分采用大圆角弧线设计，整体美观大方。支撑部分安装防震地脚和万向脚轮，既保证设备移动方便，又保证设备运行时的稳定。钣金边上有两个边与支架接触，通过不同的密封条进行双层密封,隔音棉设置于壳体内侧，覆盖壳体内侧表面，当设备振动产生噪音，声波传到隔音棉时，因隔音棉具有多纤维结构，声波通过隔音棉时经过无数纤维的反射、互相叠加、碰撞、声波能量转化为热能，从而使声波强度减弱乃至声音消失。钣金密封采用双层密封，也起到了降低振动噪音的效果。隔音棉与密封条共同起到降低振动噪音的效果。

本发明优选的冷冻研磨系统包括液氮罐、管路、两位两通电磁阀、温度传感器、和冷冻研磨机，如图4所示。冷冻研磨机隔套两端通过聚四氟乙烯螺旋管连接到管路，保证低温振动状态下管路连接，聚四氟乙烯螺旋管如图5所示。液氮当电磁阀开启时，温度传感器1用于监测判断液氮是否正常通入隔套夹层，从而提示操作人员冷冻系统运行正常，当系统达到设定预冷温度时，通过温度传感器2反馈的信号控制电磁阀关闭，以防止液氮流出浪费。当冷却系统回升到一定温度时，温度传感器2再次控制电磁阀开启以达到持续冷却的目的。

本发明设计的自动控制系统能够对对冷冻研磨系统进行全面控制，包括气动压紧模块、系统预冷模块、运行研磨模块、气体排放模块等，上述模块的实现是常规技术。运行流程图如图6所示。

气动压紧通过电磁阀控制充入气体进行压紧，可根据空气压缩机控制气压来控制气缸产生的压力。等设备没有压紧时，系统得到信号控制设备不能转动。其中气压参数可根据以下公式设置：

液氮罐出液压力为P，所以隔套和磨盒之间的冷却夹层最大压力也为P，根据公式可算出夹层对磨盒产生的最大压力为：

F＝PS

其中：

P－夹层最大压力

S－压力作用的有效面积

那么气囊的理论最小压力为：

F_压＝F-M_磨g

其中：

F－夹层对磨盒产生的最大压力

M_磨－磨盒和磨具以及待磨料的总质量

为了防止液氮气化的气体泄漏，设置防泄漏系数为δ，那么实际最小压力为：

F_实＝δ·F_压 其中δ≥2

通过设置系统中的以上参数，控制气囊气缸中的气体压力来压紧磨盒，本发明优选的压力液氮罐出液压力P为0.15MPA。

系统预冷可根据需要设定温度范围和预冷时间，在整个研磨过程中电磁阀通过设定的温度范围自动控制开闭，起到节约液氮的作用。

运行研磨可以根据不同的物料设定不同的转速和研磨时间。在研磨完成后可以单独控制电磁阀开闭来进行气体的排放。整个控制系统可以提前设定好，运行后不需要再进行人工操作。当液氮罐液氮储量不足以维持系统的时候，设备会出现报警，停止运行。

实施例1进行-170℃研磨实验

研磨蜜枣食品500g。食品尺寸：10-20mm；磨盒容积：1200ml；研磨组件质量：16kg；隔套材料：聚四氟乙烯；偏心轮质量：11kg；螺旋管材料：聚四氟乙烯，冷冻介质：液氮；冷冻时间40min,研磨速度1300r/min,研磨2min得到的产品大小：≤0.01mm。

实施例2进行-170℃研磨实验

研磨汤圆500ml。食品尺寸：10-20mm；磨盒容积：1200ml；研磨组件质量：16.5kg；隔套材料：聚四氟乙烯，偏心轮质量：12kg；螺旋管材料：聚四氟乙烯，冷冻介质：液氮；冷冻时间20min,研磨速度1350r/min；研磨2min得到的产品大小：≤0.01mm。

实施例3进行-100℃研磨实验

研磨枣夹核桃2kg。食品尺寸：10-20mm，磨盒容积：3000ml；研磨组件质量：17.5kg；隔套材料：聚四氟乙烯；偏心轮质量：16kg；螺旋管材料：聚四氟乙烯；冷冻介质：液氮；冷冻时间20min，研磨速度1300r/min，研磨2min得到产品的大小：≤0.07mm。

通过实施例1-实施例3可以看出，本发明的冷冻研磨机研磨温度可以降低到-170℃，研磨的原料量大大提高，且研磨效率高，对于韧性原料也能在2min研磨后即可得到小粒径产品。

Claims (14)

1.冷冻研磨机，其特征在于，包括振动研磨装置和压紧装置，振动研磨装置包括研磨组件、振动组件和支撑组件，研磨组件包括压辊、磨盒和隔套，压紧装置压紧或放松研磨组件，研磨组件与振动组件连接，研磨组件和振动组件安装在支撑组件上。

2.根据权利要求1所述的冷冻研磨机，其中，所述压辊位于磨盒内，磨盒位于隔套内，隔套设置进孔和出孔；更优选的是，所述隔套用材料选自聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯、聚醚酰亚胺、聚砜、聚芳砜、聚醚砜、聚碳酸酯和/或聚乙烯。

3.根据权利要求1或2所述的冷冻研磨机，其中，所述支撑组件包括支撑板、基座和底座，基座位于底座上方，支撑板位于基座上方；优选研磨组件安装在支撑板上方，进一步优选研磨组件与支撑板之间设置隔热垫。

4.根据权利要求1-3任一项所述的冷冻研磨机，其中，所述振动组件包括电机和偏心轮，优选偏心轮位于支撑板下方。

5.根据权利要求1-4任一项所述的冷冻研磨机，其中，所述振动研磨装置包括弹性部件；优选的所述弹性部件包括压缩弹簧以及根据需要的拉伸弹簧和/或减震垫。

6.根据权利要求5所述的冷冻研磨机，其中，所述压缩弹簧位于基座和支撑板之间，分布在电机外侧；优选所述拉伸弹簧水平安装连接相邻压缩弹簧；更优选所述减震垫位于基座和底座之间。

7.根据权利要求1-6任一项所述的冷冻研磨机，其中，压紧装置包括压紧端、弯臂和固定端，优选压紧端选用气囊气缸，更优选气囊气缸与弯臂一端固定，弯臂另一端与旋转轴固定，旋转轴设置在固定端的轴承内，固定端固定在支撑板上。

8.根据权利要求7所述的冷冻研磨机，其中，所述固定端安装限位装置；优选限位装置通过开孔嵌入的磁铁，将弯臂吸引在工位位置。

9.根据权利要求8所述的冷冻研磨机，其中，所述工位包括压紧工位和放松工位，弯臂被限位于压紧工位时，气囊气缸位于研磨组件上方，弯臂水平旋转到放松工位，气囊气缸远离研磨组件上方。

10.根据权利要求7-9任一项所述的冷冻研磨机，其中，所述研磨组件上方设置隔热垫；优选隔热垫开定位孔，气囊气缸设定位件，定位孔与定位件配合。

11.根据权利要求1-10任一项所述的冷冻研磨机，其中，所述冷冻研磨机包括壳体，壳体包括上盖部分和支撑部分，支撑部分安装防震地脚和万向脚轮；优选壳体采用钣金件，壳体内侧铺设隔音棉，壳体密封间隙采用密封条双层密封。

12.冷冻研磨系统，其特征在于，包括权利要求1-11任一项所述的冷冻研磨机、冷冻源、管路、电磁阀、温度传感器和控制系统，优选冷冻源通过管路向冷冻研磨机提供冷冻介质，温度传感器安装在靠近冷冻研磨机两端的管路上，电磁阀安装在靠近冷冻源一端的管路上。

13.根据权利要求12所述的冷冻研磨系统，其中，冷冻研磨机隔套两端通过螺旋管连接到管路，优选所述螺旋管材料选自聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯、聚醚酰亚胺、聚砜、聚芳砜、聚醚砜、聚碳酸酯和/或聚乙烯。

14.根据权利要求12或13所述的冷冻研磨系统，其中，所述控制系统包括气动压紧模块、系统预冷模块、运行研磨模块和气体排放模块。