CN1839736A - 搅拌瓶 - Google Patents

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Abstract

一种搅拌瓶，其限定了可为在搅拌瓶内加工的物料提供垂直运动的几何形状，作为备选或者以与之结合的方式，为搅拌物料改进水平运动。通过在瓶的底板上设计一个或多个搅拌器，围绕瓶的物料的层流或对称流被破坏。物料被迫在瓶内向上运动，从而与在瓶内旋转的切割器叶片更频繁接触。

Description

搅拌瓶
技术领域
本发明涉及适于改进搅拌器的搅拌性能的搅拌瓶结构。具体地说，搅拌瓶的基底设有搅拌器，其为在搅拌瓶内加工的物料提供垂直运动。还有，设计与搅拌器叶片轨迹有关的侧壁撞击，从而改进性能。
背景技术
搅拌机性能是搅拌机制造商的相当重要的工程主题。致力于改进混合料一致性和效率的努力已经涉及包括搅拌机的切割器速度、搅拌机的切割器形状和搅拌瓶侧壁几何形状在内的区域。虽然各自在某些情况下可有效改进性能，但这些努力也存在其制约因素。
搅拌机的切割器速度和变速常常通过加速或改变切割器组件的切割和搅拌作用而用于改进搅拌过程。然而，如果叶片运动太快，那么快速旋转可以引起空化。如果使用者必须手工改变搅拌器的运转速度，那么这种手工操作要求使用者在部分或全部搅拌过程中确保留意。
搅拌器的切割器组件已经被设计来促进被加工的物料的运动以及改进对物料的加工。叶片的倾斜(pitch)可以促进被加工的物料的一些垂直运动。叶片的角度会改变叶片轨迹。然而，如果叶片形状(包括倾斜和角度)太具侵略性(aggressive)，该设计可能对搅拌机马达施加额外的应力。如果叶片形状是相对平坦的，那么它更倾向于在高运转速度下空化。在任何情况下，由于在特定瓶几何形状内的加工，切割器组件不能单独用来克服在瓶内的物料中产生的死区。
瓶侧壁几何形状还已经用来试图改进搅拌机性能。在二十世纪八十年代，例如，Nutone搅拌机(由Scovill制造)包括大致为三角形的瓶体。Nutone搅拌机的两个壁包括多个隆起。第三个壁未设有隆起。此外，搅拌机的三角形横断面是不对称的，因为第三个壁长于前两个壁。相比于其它两个壁，切割器组件更靠近第三个壁(无隆起)。在操作中，假设是由于不对称侧壁几何形状，搅拌机在所加工的物料中形成了漩涡，其中该漩涡的中心远离由携带切割器的转轴确定的轴。该涡流运动预期有助于搅拌机的效率。
通过侧壁改良而改进搅拌机操作的另一个最近的尝试在K-Tec拥有的美国专利申请No.2003/0213373中被描述。与Nutone搅拌机一样，由K-Tec制造的该搅拌机宣称通过制造围绕切割器组件的中心轴非对称设计的侧壁而改进了搅拌机的性能。在K-Tec搅拌机中，将第五个壁截短，使得它更接近切割器组件的叶片轨迹。如在该专利申请中所说明，该几何形状使在搅拌机内的搅拌物料的漩涡向远离中心轴的方向运动，因此改进了搅拌机的性能。
如在Nutone和K-Tec搅拌瓶构型中所见到，侧壁几何形状处理成非对称构型影响了物料在搅拌瓶内的水平流动。然而，侧壁几何形状仅仅主要影响了物料的水平流动。也就是说，物料在垂直于搅拌瓶的纵轴的横截面的运动被影响。因此，侧壁几何形状限于主要仅仅影响材料流动的二维变化，即在单一平面中。
发明内容
因此，本发明的目的是改进搅拌瓶几何形状，以促进三维物料流动。该瓶包括具有搅拌器的底板。作为选择，或者与搅拌器组合，可以采用特定侧壁隆起来改进物料在搅拌瓶内的水平流动。
在一个实例中，用于促进三维物料流动的搅拌瓶包括底板和侧壁，该侧壁连接于该底板并且由该底板垂直向上延伸，从而形成物料被搅拌的在侧壁内部和在底板上部的空间。底板包括开孔，通过该开孔延伸出驱动轴。切割器组件连接于驱动轴，切割器组件包括在搅拌瓶内和在底板以上的转轴上旋转的叶片，叶片的旋转限定了叶片轨迹。底板包括与底板的剩余部分相比更接近叶片轨迹的搅拌器，从而在瓶内加工的物料具有通过与搅拌器接触所引起的赋予它的垂直运动。底板可以包括多个搅拌器，而搅拌器可以围绕底板中的开孔的圆周对称间隔。搅拌器可以围绕底板中的开孔的圆周非对称间隔。侧壁可以包括一个或多个肋片。侧壁可以包括一个或多个隆起。多个搅拌器可以包括多个尺寸。
在另一个实例中，用于促进三维物料流动的搅拌瓶包括底板和侧壁，该侧壁连接于底板并且从底板垂直向上延伸，从而形成物料被搅拌的在侧壁内部和在底板上部的空间。底板包括开孔，通过该开孔延伸出驱动轴。切割器组件连接于驱动轴，切割器组件包括在搅拌瓶内和在底板以上的转轴上旋转的叶片，叶片的旋转形成叶片轨迹。侧壁包括基本上为圆形横截面，它进一步包括垂直隆起。隆起的尺寸被定义为隆起的表面从侧壁的假想圆半径缩进的距离。从叶片轨迹的最宽点到隆起的最小距离是隆起的尺寸的大约25到55％。在又一个实例中，从叶片轨迹的最宽点到隆起的最小距离是隆起的尺寸的大约30到45％。侧壁可以进一步包括多个垂直隆起，该多个垂直隆起可以全部具有相同尺寸的隆起。底板可以进一步包括与底板的剩余部分相比更接近叶片轨迹的搅拌器。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的搅拌瓶的立体图。
图2是示出了图1所示的搅拌瓶的底板的剖开立体图。
图3是沿图1的线3-3剖取的图1所示的搅拌瓶的横截面侧视图。
图4是沿图1的线4-4剖取的图1所示的搅拌瓶的俯视图。
图5是根据本发明的第二个实施方案的搅拌瓶的立体图。
图6是图5所示的搅拌瓶的底板的剖开立体图。
图7a和7b是分别沿线7a和7b剖取的图5所示的搅拌瓶的侧面剖视图。
图8是沿图5的线8剖取的图5所示的搅拌瓶的底板的顶部平面图。
图9是根据本发明的搅拌瓶的第三个实例的立体图。
图10是示出了图1所示的搅拌瓶的底部的剖视图。
图11是沿图9的线11-11剖取的图9所示的搅拌瓶的侧面剖视图。
图12是沿图9的线12-12剖取的图9所示的搅拌瓶的俯视图。
图13是示出了与叶片尖端轨迹的最宽点相同平面的搅拌瓶的横断面的图9的搅拌瓶的俯视图。
具体实施方式
本发明涉及搅拌瓶几何形状的改良，其赋予在搅拌瓶内加工的物料以垂直运动，另外或者连带地，改进物料的水平运动。通过在搅拌瓶的底板上设置一个和多个搅拌器，以破坏围绕搅拌瓶的物料的层流或对称流。物料在瓶内以向上方向被推动，因此与在瓶内旋转的切割器叶片更频繁地接触。
按最简单的来说，搅拌瓶包括底板和连接于底板的侧壁。侧壁从底板向上延伸，在侧壁内和底板上形成空间，物料可以在该空间中被搅拌。底板是通常在一平面以下的搅拌瓶的部分，该平面包括当安装在瓶内时的切割器组件的叶片和这些叶片在操作过程中的轨迹。底板可以是平整的，成角度的，弯曲的，或这些的组合。底板通常通过促进物料在圆周方向上的层流的“旋转”几何形状来描述。底板包括开孔，一般是在底板的中心，驱动轴从该底板延伸出来。然后将切割器组件安装到该驱动轴上。
瓶的侧壁可以具有圆形、正方形、三角形、卵圆形或对称或非对称的几何形状，或它们的组合。侧壁可以包括肋片，它是瓶内部空间的实体突起物。侧壁可以进一步设有垂直隆起，通常来说，它的尺寸比肋片要大得多。隆起是各种形状的向内突出物。隆起可以围绕瓶的圆周对称或非对称设计。肋片和隆起用于在水平面为物料流赋予湍流，该水平面是搅拌瓶的横断面，并且与由切割器组件的旋转所规定的叶片轨迹的平面平行。隆起进一步用于将物料流导回叶片的轨迹，从而确保混合物通过这些叶片再循环，用于更完全的搅拌。在运转过程中，侧壁的底部与搅拌器基底相互作用或适配于搅拌器基底。
搅拌瓶的叶片组成了切割器组件的工作组件。这些叶片连接于转轴，后者进一步连接于离合器。该转轴穿通瓶的底板中的该开孔。离合器是在瓶的底板的下面，与在搅拌器基底上的互补(reciprocal)离合器紧密配合，从而驱动切割器组件的旋转。在运转中，叶片在瓶内的水平面上旋转。该叶片的旋转确定了叶片轨迹。叶片轨迹的厚度取决于叶片的尺寸、倾斜度和成角。例如，如果使用平坦叶片，那么具有相对窄的叶片轨迹。或者，如果采用高度倾斜的叶片，那么确定了相对较宽的叶片轨迹。
切割器组件的叶片的旋转固有地在这些叶片的旋转的水平、圆周方向上推动物料。还必须认识到，叶片的倾斜还可以对加工物料赋予其它方向的力，但该流动仍然主要围绕瓶内部的圆周。
搅拌器被设计成搅拌瓶的底板，以利用由叶片引起的物料的圆周流动。在围绕瓶的圆周的水平面上，搅拌器将垂直方向构件分给予另外的物料的基本层流。搅拌器是在圆周方向上破坏物料层流的搅拌瓶的底板中的升高面。倒过来说，搅拌器几何形状与促进物料的圆周层流的“旋转”几何形状相反。该搅拌器是与底板的剩余部分相比更接近叶片轨迹的表面的底板表面部分。照此，搅拌器将迫使其它圆周层流去往向上方向。结果是瓶几何形状促进了物料流的向上矢量，并提供了更好的性能。
搅拌器可以是搅拌容器底板的一个面或多个不同的面。换句话说，围绕瓶的圆周可具有两个或多个间隔的搅拌器。在两个或多个搅拌器的情况下，它们可以围绕底板的圆周对称或非对称隔开。当具有多个搅拌器时，相对于叶片轨迹，搅拌器的相对高度可以是相同或不同的。搅拌器的具体形状可以是半球形、正弦曲线形、平面的、弯曲的或其它几何构型和它们的组合形状。这些搅拌器几何形状一般可以与叶片轨迹平面平行。另外，它们可以与叶片轨迹的平面成角度或成曲线。搅拌器的最终构型可以根据既定搅拌瓶的总体几何形状通过在具体情况下的工程要求来改变。
以下实施例涉及可通过在各底板中增加搅拌器获益的可供选择的搅拌瓶几何形状。当然，通过本文的教导，本领域技术人员可以知道其它替代方案。
实施例1(图1-4)
图1-4举例说明了基本为四边形的搅拌瓶10。搅拌瓶10具有四条边12，构成了瓶的侧壁。搅拌瓶10具有沿搅拌瓶的垂直长度的圆的直角20和垂直隆起21。搅拌瓶10的底板14一般是平滑的，主要体现了旋转几何形状，从而在操作过程中促进在底板上在圆周方向上的层流。搅拌瓶10包括把手16。侧壁12的底部部分24适应于在搅拌器基底中接收，以便在搅拌器马达运转以使切割器组件旋转的时候固定搅拌瓶。底板14还包括从中伸出驱动轴35的中心开口或开孔26。驱动轴35具有安装于其上的切割器组件36。
底板14还包括水平峰丘(hump)30形式的搅拌器。峰丘30基本上是从中心开口26到侧壁12的瓶的半径的长度。在一个实例中，峰丘30的高度比围绕开口26的圆周的底板14的剩余部分高大约0.170″。换句话说，与底板14的剩余部分相比，峰丘30的顶部更接近由叶片36限定的叶片轨迹。如在图3中所举例说明，从峰丘30的顶部到叶片36的底部的长度L1小于从底板的顶部到叶片36的长度L2。在本实施例中，L1是大约0.310″，L2是大约0.490″，距离差大约0.180″。在搅拌器的顶部到叶片轨迹之间的距离与从底板到叶片轨迹的距离的差值范围能够是大约0.100到0.450″。当然，该差值范围可以根据特定的搅拌瓶设计而进一步改变。
在测试中，比较在瓶的底板14上有和无搅拌器峰丘30的搅拌瓶的性能。
测试通过采用通用的Hamilton Beach Commercial “Tempest”32盎司容器来进行。一种标准容器(在其底板中具有旋转几何形状)具有安装于其中的新型叶片，另一个容器具有在底板中与搅拌器一起安装的这些相同叶片。该搅拌器具有如图1-4所示的单一峰丘和几何形状。这些试验用设定在76％功率(13,300RPM)下的类似91650基本单元运行12秒的时间。在该装置中测试双玛格丽特鸡尾酒混合料(Margarita mix)。在搅拌之后，用具有尺寸为0.07″的孔的筛子筛分该混合料。剩余的混合料在天平上称重。试验结果如下所示：
     标准容器     容器w/搅拌器
    6.5127.66.146.2716.817     5.1366.1345.4725.5315.962
平均     6.668     5.647
从该数据可以看出，来自具有搅拌器的容器的混合料较多地通过筛子。这意味着，颗粒由于更有效的搅拌而破碎成较小的粒度。
实施例2(图5-8)
图5-8示出了搅拌瓶的另一个例子。搅拌瓶50具有基本为圆形的侧壁横断面以及两个在所述圆形横断面的一侧的垂直隆起53。底板56的大部分以回转几何形状弯曲。该瓶具有把手54。侧壁52的底部部分58经由瓶的外部几何形状(在隆起处)和瓶的基底处的系列肋片和/或槽缝接合搅拌器基底，从而在操作过程中保持瓶固定。
底板56包括多个搅拌器，具体地说，在圆周方向上破坏围绕瓶50的层流的三个表面57和59。在本实施例中，该一对表面57一般彼此类似。表面59在功能上类似表面57，但表面59具有略微不同的几何形状，因为它设置在两个隆起53和侧壁52之间。表面57和59基本上是平面，一般相比于底板56的层状、旋转几何形状，其更接近叶片60和由叶片的旋转形成的叶片轨迹。这些表面57和59产生了可以在瓶50内搅拌的在物料流的垂直方向上的紊流。在瓶50的本实施例中，可以看到，在底板56中的搅拌器表面57和59与瓶侧壁上的垂直隆起53相作用，在瓶内在物料流的水平和垂直方向上产生紊流。
在本实施例中，从表面57到叶片轨迹的距离是大约0.13″，从表面59到叶片轨迹的距离是大约0.13″，以及从底板56到叶片轨迹的距离是大约0.36″。
在试验中发现，具有底板搅拌器和侧壁隆起的瓶具有比普通旋转几何形状的搅拌瓶更优异的性能结果。
采用具有加到侧壁上的单一隆起的容器和通用的具有基本圆形横断面的Halmilton Beach Commercia1908搅拌器的容器进行初步试验。该单一隆起单元包括通常尺寸与图5-8所示的任何一个隆起相同的隆起。这些试验包括搅拌规定的配方，确定混合料是否在预定时间内完全地搅拌(即，冰块数)以及测定产量和计算与期望的产量的偏差。平均起来，如在下面的一批玛格丽特鸡尾酒的数据中所示，确定在两种类别中具有单一隆起的容器优于基本圆形容器。
试验 样品 冰颗粒数 颗粒的尺寸(英寸) 产量(mL) 产量(盎司) 期望产量(盎司) 与期望产量的偏差(％)
1 单一隆起 0 N/A 410 13.86 14.00 0.01
2 单一隆起 0 N/A 400 13.53 14.00 0.03
1 908 7 0.250 390 13.19 14.00 0.06
2 908 4 0.375 410 13.86 14.00 0.01
然后对该设计做进一步的改进，包括增加与初始隆起呈120度的第二隆起以及以120度角围绕底板的周边间隔的底板搅拌器(如图5-8所示)。借助单一隆起优于基本圆形容器的知识，然后进行定量分析来比较具有单一隆起的容器与图5-8所示的改进设计。定量分析包括将1、2和3批量的饮料，让人员随机取样来确定优选的饮料分布。如下列玛格丽特鸡尾酒配方的数据所示，按平均来说，图5-8所示的改进设计被确定优于单一隆起设计。
批量 双隆起和搅拌器 单一隆起
1 无大块-优选 无大块
2 无大块-优选 无大块
3 无大块-同等 无大块
实施例3(图9-12)
图9-12示出了搅拌瓶的另一个例子。与实施例2所示的瓶50一样，瓶70具有基本上为圆形的侧壁横断面，在该圆形横断面的一侧具有两个垂直的隆起73。底板76的大部分按旋转几何形状弯曲。瓶设有一个把手74。瓶70的底部部分78与搅拌器基底结合来保持瓶在操作过程中固定。
底板76包括多个搅拌器，具体地说，即绕瓶70的圆周方向破坏层流的三个表面77和79。在本实施例中，该一对表面77一般彼此类似。表面79在功能上与表面77相似，但表面59具有略为不同的几何形状，因为它设置在两个隆起73和侧壁72之间。表面77和79基本上是平面，一般相比于底板76的层状、旋转几何形状更靠近叶片80和由叶片的旋转形成的叶片轨迹。这些表面77和79在可以在瓶70内搅拌的物料流的垂直方向上产生了紊流。在瓶70的本实施例中，可以看出，搅拌器表面77和79以及底板76与瓶侧壁上的垂直隆起73相作用，在瓶内的物料流的水平和垂直方向上产生了紊流。
在本实施例中，从表面77到叶片轨迹的最远延伸点的最小距离是大约0.505″，从表面79到叶片轨迹的最小距离是大约0.497″，以及从底板76到叶片的最小距离是大约0.751″。
在瓶50(实施例2)到瓶70(实施例3)之间的主要差别包括适于使用各瓶的特定搅拌器组件的工程设计存在差异。
在试验中发现，具有底板搅拌器的瓶拥有比普通旋转几何形状的搅拌瓶更优异的性能结果。
试验-程序
用试验装置的最高速度将由10个小方冰块(出自Rubbermaid小方冰块托盘)，4液量盎司的波萝汁，3液量盎司的液酪，和1液量盎司的精制奶油组成的标准“小批量”配方搅拌30秒。在规定的时间之后，将混合物倾倒在#4筛(3/16″开孔)上。然后对瓶内保留的冰称重，以获得定量分析。
试验-结果
相对于采用相同的搅拌器马达和叶片装置且具有基本旋转形状的搅拌瓶，来测试在实施例3中描述并在图9-12中示出的瓶。在反复试验中，搅拌上述配方，旋转形状的瓶在筛子上留下了40-90克的“未破碎的冰”。本文所述的瓶在筛子上留下了0-10克“未破碎的冰”。
该试验采用确切地等于所有成分的量的三倍的“大批量”配方重复。搅拌时间恒定在30秒。在该试验的重复进行中，旋转形状的瓶在筛子上留下了20-100克的“未破碎的冰”。本文所述的瓶在筛子上留下了0-4克的“未破碎的冰”。
总结-用图3所示的瓶几何形状获得的性能改进是非常显著的。该性能提高也归因于大大改进的搅拌效率。
实施例4(图13)
瓶70与图9-12所示的相同，但沿着瓶的与叶尖轨迹相同的平面截取横断面图。图13突出了相对于叶片轨迹90的最宽点的侧壁隆起73的几何形状。已经发现，隆起的尺寸，即，从假想圆半径95缩进的距离d105，能够改进搅拌器效率。如图所示，虚线95是搅拌瓶侧壁的假想线，如果横断面基本上是圆形的。凹进距离d105(还称为隆起的尺寸)是从假想线95到实际隆起内表面92的距离。已经发现，从叶片轨迹90的最宽点到表面92内部的瓶壁隆起的最小距离d100应该是凹进距离d105的大约25-55％。在一个优选实施方案中，从叶片轨迹的最宽点到表面内部瓶壁隆起的最小距离是凹进距离的大约30-45％。在这些距离比的范围之外设计瓶不像具有按所述比率的结构的瓶那样有效。
虽然参考其具体实施方案描述了本发明，但应该理解的是，许多变化、改造和其它方案是可能的，所有这些变化、改造和实施方案应被认为是在本发明的精神和范围内。

Claims (14)

1.用于促进三维物料流动的搅拌瓶，该瓶包括：
底板和侧壁，该侧壁连接于该底板并且由该底板垂直向上延伸，从而在侧壁内部和底板上部形成一个用于搅拌物料的空间；
底板包括开孔，通过该开孔延伸出驱动轴；
连接于驱动轴的切割器组件，切割器组件包括在搅拌瓶内和在底板以上的转轴上旋转的叶片，叶片的旋转确定了叶片轨迹；
其中底板包括与底板的剩余部分相比更接近叶片轨迹的搅拌器，从而在瓶内加工的物料具有通过与搅拌器接触所引起的赋予它的垂直运动。
2.如权利要求1所述的搅拌瓶，其中所述底板包括多个搅拌器。
3.如权利要求2所述的搅拌瓶，其中所述搅拌器围绕底板中的开孔的圆周对称间隔。
4.如权利要求2所述的搅拌瓶，其中所述搅拌器围绕底板中的开孔的圆周非对称间隔。
5.如权利要求1所述的搅拌瓶，其中所述侧壁包括一个肋片。
6.如权利要求1所述的搅拌瓶，其中所述侧壁包括多个肋片。
7.如权利要求1所述的搅拌瓶，其中所述侧壁包括一个隆起。
8.如权利要求1所述的搅拌器，其中所述侧壁包括多个隆起。
9.如权利要求2所述的搅拌器，其中所述多个搅拌器包括多个尺寸。
10.用于促进三维物料流动的搅拌瓶，该瓶包括：
底板和侧壁，该侧壁连接于底板并且从底板垂直向上延伸，从而在侧壁内部和底板上部形成一个用于搅拌物料的空间；
底板包括开孔，通过该开孔延伸出驱动轴；
连接于驱动轴的切割器组件，切割器组件包括在搅拌瓶内和在底板以上的转轴上旋转的叶片，叶片的旋转确定了叶片轨迹；
其中侧壁具有基本上为环形的横截面；
该侧壁进一步包括垂直隆起，其中隆起的尺寸被定义为隆起的表面从侧壁的假想圆半径凹进的距离；
其中从叶片轨迹的最宽点到隆起的最小距离是隆起的尺寸的大约25到55％。
11.如权利要求10所述的搅拌瓶，其中所述叶片轨迹的最宽点到隆起的最小距离是隆起的尺寸的大约30到45％。
12.如权利要求10所述的搅拌瓶，其中所述侧壁可以进一步包括多个垂直隆起。
13.如权利要求12所述的搅拌瓶，其中所述多个垂直隆起为全部具有相同尺寸的隆起。
14.如权利要求10所述的搅拌瓶，其中所述底板包括与底板的剩余部分相比更接近叶片轨迹的搅拌器。
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