專利名稱：煙草膨脹方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于膨脹煙草的方法和裝置。更具體地說，本發(fā)明涉及用來改進煙草膨脹的生產(chǎn)量和經(jīng)濟效益的方法和裝置。
在過去的二十年中，煙草膨脹的方法是香煙制造工藝中的一個重要部分。煙草膨脹工藝被用來恢復(fù)煙草松堆密度或恢復(fù)在煙葉加工處理和貯存時失掉的體積。另外，膨脹煙草是許多低焦油及超低焦油香煙的一個重要組份。
Fredrickson的美國專利3，524，451和Moser等的美國專利3，524，452揭示了使煙草與浸漬劑接觸，然后迅速加熱以揮發(fā)掉浸漬劑并膨脹煙草的方法。Fredrickson等的美國專利3，683，937揭示了煙草的氣態(tài)浸漬，然后加熱或迅速減壓而使煙草膨脹。
在Utsch的美國專利4，235，250；Burde等的美國專利4，258，729及Sykes等的美國專利4，336，814中揭示了在膨脹煙草中對二氧化碳的使用。在這些及相關(guān)的方法中，呈氣體形式或液態(tài)的二氧化碳直接與煙草接觸以用作浸漬，被浸漬的煙草是在迅速加熱條件下進行膨脹。在已知的二氧化碳膨脹過程中，典型地需要過量地加熱煙草以得到顯著和穩(wěn)定的膨脹。該過量的加熱會危及煙草的口味和/或產(chǎn)生過量的煙草細粉。另外在用液態(tài)二氧化碳浸漬煙草的工藝中會引起干冰嵌在浸漬的煙草中結(jié)成硬塊的現(xiàn)象，而這些硬塊在加熱處理前必須被破碎，從而增加了工藝的復(fù)雜性。
Meritt等的美國專利4，388，932揭示了用來增加前期膨脹煙草的重新排序后的填充容量的方法。將烘箱揮發(fā)物(OV)含量少于6%的前期膨脹煙草再進行加熱使其OV含量值少于3%。由于除水之外不多于煙草重量0.9%是揮發(fā)的，故煙草的OV含量據(jù)說是近似等于煙草中水份的含量。讓從膨脹后加熱步驟中回收到的極低OV含量的煙草經(jīng)受重新排序步驟的增加其水份含量，據(jù)稱這比在膨脹后不進行加熱處理的煙草在重新排序中更不易分散解體，在加熱處理階段使煙草固化被認為是增加膨脹過的煙草在重新排序中穩(wěn)定性的原因。
White和Conrad的美國專利4，531，529闡述了用來增加煙草填充容量的方法，其中煙草用低沸點及高揮發(fā)性膨脹劑，如氣相的鹵化碳或烴，在高于或接近膨脹劑的臨界溫度及臨界壓力下浸漬。迅速將壓力降低至大氣壓，使煙草膨脹而無需加熱步驟來膨脹煙草或使煙草固定于其加熱膨脹的狀態(tài)。該方法的壓力范圍為36kg/cm2(512帕)以上，但無已知的上限，也曾用低于142kg/cm2(2，000帕)進行令人滿意的煙草膨脹而無過多的破碎。
Conrad和White的美國專利4，554，932闡述了一種液壓處理裝置，它包括一個圓桂管形的外殼及一個滑塞裝置，滑塞可在殼外的加料位置及殼內(nèi)的處理位置之間作往復(fù)運動。當(dāng)滑塞在殼內(nèi)時，裝在滑塞圓桂形末端上環(huán)形槽中的可變形密封環(huán)徑向受力向外與外殼的內(nèi)壁緊貼，從而在外殼內(nèi)滑塞兩端之間形成一個壓力室、用管道將工作流體引入在外殼內(nèi)形成的環(huán)形壓力室。用該裝置可在高壓下以膨脹劑當(dāng)浸漬煙草從而使煙草進料、出料方便，并可避免與常規(guī)壓力密封鎖閉機械有關(guān)的關(guān)閉和開啟的問題，如樞軸性壓力釜蓋子的關(guān)和開問題，因而該壓力容器可以節(jié)省時間，并增加了煙草膨脹的經(jīng)濟效益。
包括上述及其它方法的煙草膨脹方法，當(dāng)使用顯著高于大氣壓的浸漬壓力時，必須分批加工。分批處理工藝需要復(fù)雜的處理設(shè)備，由于從容器中引入和除去浸漬劑及開啟和關(guān)閉容器需要時間，放其循環(huán)周期長。已通過改進各種設(shè)備來降低循環(huán)時間以提高生產(chǎn)量，但是，在已知的分批處理系統(tǒng)中，生產(chǎn)量的顯著提高，主要是根據(jù)常規(guī)技術(shù)通過增加單個系統(tǒng)的體積和/或增加同時使用的分批處理系統(tǒng)的數(shù)量而取得的。
本發(fā)明提供了能在高壓浸漬煙草的條件下快速生產(chǎn)出膨脹煙草的煙草膨脹方法和裝置，該方法和裝置典型的煙草浸漬和膨脹循環(huán)時間少于20-30秒；且對諸如丙烷的膨脹劑進行預(yù)熱、預(yù)加壓；對各批煙草進行預(yù)熱和/或在高壓浸漬區(qū)壓縮煙草以以高壓浸漬容器中大大增加使用空間。
本發(fā)明的一個方面是顯著提高了在高壓浸漬的條件下的煙草膨脹方法中煙草填充容量增加的程度。本發(fā)明的另一個方法是提供了快速的分批進料系統(tǒng)，它可以可靠、經(jīng)濟地將預(yù)定大小的煙草批料輸送至浸漬區(qū)并快速、經(jīng)濟地預(yù)熱煙草。本發(fā)明也提供了對高壓/高速、滑塞外殼型煙草浸漬裝置的裝置改進。本發(fā)明進一步提供了用來快速產(chǎn)生和供給高溫/高壓浸漬氣體包括諸如丙烷的可燃性氣體的改進的蓄氣裝置。改進的蓄氣器可以使任何時候存在于系統(tǒng)中的這類氣體的質(zhì)量最少，并取消了現(xiàn)有技術(shù)蓄氣器所要求的昂貴和麻煩的運動部分。
根據(jù)本發(fā)明的第一個方面，通過在高壓煙草浸漬區(qū)中用膨脹劑浸漬水份含量的煙草，在一定條件下膨脹浸漬過的煙草以得到也是高水份含量的膨脹煙草，在膨脹后再干燥膨脹的煙草，從而顯著提高了煙草填充容量的增加值。較好的是在膨脹后較短的時間里，例如在膨脹后的5分鐘內(nèi)干燥膨脹的煙草。雖然將提高水含量的煙草進料至高壓浸漬區(qū)中，在膨脹時不加熱的工藝中煙草在膨脹后會變碎，但已發(fā)現(xiàn)填充容量的增加值是隨濕度的增大而增大的，而且填充容量的增加可通過在膨脹后將煙草干燥至含水量少于13%來加以保存。優(yōu)選的干燥處理是在350°F(177℃)或更低的溫度下進行，煙草的含水量不能少于6-8%(重量)從而使煙草還能保護揮發(fā)芳香的氣味。
為了使煙草膨脹程度有本質(zhì)上的增加，進料至浸漬區(qū)的煙草的含水量有利的是大于20%(重量)，較好的是大于24%(重量)。較好的是在浸漬前，將高含水量的煙草預(yù)加熱至大于150°F(66℃)。根據(jù)本發(fā)明，在煙草膨脹后進行干燥可以保存膨脹煙草的高填充容量的水準。
本發(fā)明的另一個方面是能使各批煙草快速進料及預(yù)先置定其批量大小以供浸漬并接著膨脹。根據(jù)本發(fā)明的這個方面所提供的裝置包括用來形成煙草垂直柱的基本垂直放置的計量管，較好地裝有帶多個叉齒的煙草柱分隔裝置，它與計量管相配合，并選擇性地嚙合入煙草柱中，使煙草被分成在分隔裝置之上并向分隔裝置支承的上部，以及在分隔裝置之下的下部。在分隔裝置下部的阻擋部件，可在分隔裝置離開煙草柱時被嚙合入煙草柱中支承煙草柱。阻擋部件與煙草柱是可以脫開的，這樣，當(dāng)分隔裝置嵌入煙草柱時，脫開阻擋部件可以使煙草柱的下部自計量管放出，這些煙草然后作為一批料進至浸漬區(qū)。通過改變分隔裝置和阻擋部件之間的間隔可以很容易地控制煙草批量的大小。
本發(fā)明的另一個方面是用垂直放置的計量管來預(yù)熱加至浸漬區(qū)的煙草。根據(jù)本發(fā)明的這個方面，將蒸氣注入至計量管中低于煙草柱頂部的位置從而將煙草加熱至高溫，較好的是100°F(38℃)-212°F(100℃)，然后將加熱的煙草輸送入浸漬區(qū)中。最好使用上述本發(fā)明快速輸料和預(yù)置批量的系統(tǒng)將預(yù)熱過的煙草作為一批料送入浸漬區(qū)。根據(jù)本發(fā)明，煙草的預(yù)熱是很迅速的，因為蒸氣可通過煙草迅速分散開去。另外，蒸氣注入?yún)^(qū)以上的煙草被上升的蒸氣預(yù)熱，它們也可作為蒸氣注入?yún)^(qū)中煙草的隔熱體，使得熱量損失最少。
有利的是，垂直放置的計量管放在用來將煙草運送至高壓浸漬裝置中的水平放置的運送管道的上壁開口以上。一個往復(fù)壓縮的部件被裝在管道中用來將煙草運輸通過管道，并在管道的下游將煙草壓入高壓處理裝置中。與計量管相連的管道開口裝有一個能將煙草壓入管道的樞軸性開關(guān)部件。這使不同密度和批體積的煙草能進入浸漬區(qū)而無需替換或改變進料準備。
本發(fā)明也對Conrad和White的美國專利4，554，932的滑塞和外殼裝置作了改進，提高了其耐久性及速度。當(dāng)該滑塞和外殼裝置用于本發(fā)明的較好實例時，它們以每分鐘循環(huán)4-5次或更快的速度運行、這樣高壓滑塞和外殼裝置較好的是在一天12小時在循環(huán)3，000-3，600次或更高，雖然該裝置改進了煙草膨脹的速度和經(jīng)濟效益，但已發(fā)現(xiàn)在高溫及高壓下滑塞圓柱形末端部件上的彈性密封環(huán)的反復(fù)向外膨脹，會使密封環(huán)過早失效。
根據(jù)本發(fā)明，通過減少滑塞部件和管形外殼內(nèi)表面在鄰近彈性密封不的一處或多處的徑向間隙可以改善密封環(huán)的操作及壽命，這較好地通過在滑塞的每個圓柱形末端部件上裝有至少一個周邊擴大的磨損環(huán)來實現(xiàn)。該磨損環(huán)裝在與彈性密封環(huán)的軸向末端表面至少一個部分軸向相鄰并相接觸的位置上。較好的是將擴大磨損環(huán)放在與每個彈性密封的兩個軸向端面部都接觸的位置，由于磨損環(huán)的周長比滑塞的大以防止滑塞刮削外殼，故與磨損部件相鄰處的滑塞和外殼間的軸向間隙減少了。將彈性密封環(huán)裝在與磨損環(huán)相鄰的位置，在這些環(huán)于高壓下被壓向外膨脹時，磨損環(huán)可以給密封一個軸向的支持。結(jié)果，使密封環(huán)的周邊位置處的軸向變形損壞最小。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，通過增加在外殼里環(huán)形高壓浸漬區(qū)中高壓、氣相膨脹劑輸入及排出的速度來改進滑塞和外殼浸漬裝置的效能。這可通過增加連通殼體內(nèi)外的進氣口和出氣口的總橫截面積并同時加上顆粒阻擋裝置使進入汽門的煙草最少來實現(xiàn)。
在本發(fā)明的一個實施方案中，通過多個穿越外殼并周邊環(huán)繞地分散于柱形外殼上的相關(guān)聯(lián)的汽門向外殼中引入和除去高壓氣體，一支外部歧管部件環(huán)繞在汽門周圍并含有工作流體，使其能通過周邊的汽門加入外殼中。外殼內(nèi)里的每個汽口的直徑小于預(yù)定的大小以防止煙草進入汽口。
在一個替換的實施方案中，在殼體上至少有一個擴大的汽口其直徑大于煙草顆粒。伸長的阻擋部件的外表面比汽口直徑寬，該伸長的阻擋部件在滑塞的末端部件的周邊處進行縱向相連，并徑向?qū)势诘拈_口。當(dāng)滑塞的小室部分，即末端部件之間的部分通過外殼移動時，阻擋部件覆蓋了汽口以防止滑塞小室中的煙草進入擴大的汽口中。較好的是在外殼上有至少兩個擴大的汽口及在滑塞上有相應(yīng)數(shù)量的阻擋部件。
本發(fā)明的另一個方面是提供了用來產(chǎn)生和貯存高溫、高壓的一批批氣相膨脹劑，較好的是生產(chǎn)和貯存高于250°F(121℃)及高于2，500psig的丙烷的高壓蓄氣器。過去以每分鐘4-5次以上的速度向浸漬區(qū)提供高壓及高溫丙烷需要貯存大體積量的高壓、高溫丙烷或者需要使用其中有被可動部件分開的小室的壓力容器形式的蓄氣器。惰性加壓氣體被放在一個小室中，丙烷貯存在另一個小室中。周期性地在容器中加入并排出丙烷，可動部件就在在容器內(nèi)移動，但常會發(fā)生故障。
本發(fā)明的蓄氣器使用了含有膨脹劑和氣相加壓流體的高壓釜，但在膨脹劑和加壓流體之間無分隔部件。在一個實例中，將釜保持在加壓流體和膨脹劑的臨界溫度以上以及可將加壓劑和膨脹劑保持在接近液體高密度的高壓力下。所選擇的加壓劑相對于膨脹劑的擴散性質(zhì)，是要使兩種流體在釜中的條件下保持接觸而因它們之間的擴散所產(chǎn)生的質(zhì)量轉(zhuǎn)移非常少。較好的加壓氣是氮，膨脹劑是丙烷，在高于2，500psig的壓力及200°F(93℃)的溫度下，這兩種氣體可在釜中基本上彼此分開，結(jié)果丙烷可以從釜中循環(huán)地加入和除去，極少有氮氣混入丙烷而損耗。
在另一個蓄氣的實例中，將膨脹劑和氣態(tài)加壓流體放在高壓釜中，該釜包括第一和第二區(qū)，它們是這樣安排的將兩種流體在接近和高于臨界溫度和壓力下分開，以及與第一和第二區(qū)都有流體連通的第三區(qū)，以便在第一和第二區(qū)間保持一道屏障流體。屏障流體可以是水，這可以防止加壓液和膨脹劑間發(fā)生顯著的質(zhì)量轉(zhuǎn)移。
附圖是構(gòu)成了本發(fā)明原始揭示范圍的一部分，其中

圖1是用于本發(fā)明的一個較好的浸漬設(shè)備的截面圖，其中種種不同操作位置部分用虛線顯示。
圖1A是可有利地用于圖1的設(shè)備中以迅速提高溫高壓的浸漬劑的蓄氣器的截面圖，該蓄氣器包括第一和第二區(qū)，它們排得可將兩種流體在接近和高于臨界溫度和壓力下分開，以及與第一和第二區(qū)有流體連通，以便在第一和第二區(qū)間保持一道屏障流體的第三區(qū)；圖2是較好的煙草進料和加料裝置的截面圖，該裝置包括一對垂直取向的計量管，它們是安排得可以用來為一對在圖1中處于浸漬裝置上游的水平取向管道進料；圖2A是與圖2中煙草加料裝置中的水平管道相配的往復(fù)煙草壓縮部件一個末端的放大的截面圖；圖3是圖2中線3-3處的放大截面圖，并顯示了與圖2中計量管相關(guān)連以向煙草柱中注入蒸汽的蒸氣注入設(shè)備的一個較好實例。
圖4是圖2中線4-4處的放大截面圖，并顯示了與圖2裝置中計量管相關(guān)連的一種不同的有利的蒸氣注入器的實例。
圖5是圖2中線5-5處放大的截面圖，它顯示了與圖2設(shè)備中計量管相關(guān)的煙草柱分隔裝置的較好實例。
圖6是圖5中線6-6處取出的顯示圖2中計量管較低位置的部分前視圖，(其中一部分被剖開)它顯示了與圖5煙草柱分隔裝置相關(guān)連的許多刷子；圖7是圖2中的進料裝置的部分放大截面圖；顯示了蒸注入裝置、煙草柱分隔及用來分發(fā)預(yù)定體積的煙草至圖1的浸漬膨脹裝置中的阻塞部分。
圖8是圖1的滑塞和外殼裝置一個末端部分的截面圖，顯示了與滑塞末端部件相連的密封環(huán)和磨損環(huán)，也顯示了在外殼壁上用來將工作流體引入浸漬區(qū)的沿周邊分布的許多通孔；圖8A是圖8所示設(shè)備中一部分的放得非常大的截面圖，它顯示了穿越外殼壁的各個氣孔的較好的截面圖；圖9是圖1的浸漬裝置下游所用的煙草干燥回路的截面圖；圖10顯示了用于圖1的滑塞和外殼裝置中的替換換流體引入裝置的截面圖，所示的運動中的滑塞在它的加料及浸漬位置之間，其中在外殼上有擴大的通孔，通孔阻塞部件裝在滑塞上與擴大的通孔徑向?qū)R；圖11是圖10線11-11處的截面圖，它顯示了當(dāng)滑塞移動穿過外殼時，滑塞上的通孔阻塞部件是如何塞住通孔的；圖12是圖10和11設(shè)備分解出來的長阻塞部件的透視圖；圖13是具有種種含水量及各種煙草預(yù)熱程度的煙草膨脹曲線；圖14是說明煙草膨脹隨著浸漬時由膨脹劑造成的不同的煙草密度及隨著不同的浸漬時間而不同的煙草膨脹曲線；圖15是將各種膨脹數(shù)據(jù)綜合的曲線，以顯示出本發(fā)明膨脹方法和裝置的靈活性，并可以看出從圖1的設(shè)備中可得到的每小時煙草體積的增加(以m3小時表示)是浸漬時間和煙草壓縮程度的函數(shù)。
下面闡述了本發(fā)明不同方法和裝置的實例。雖然本發(fā)明參照了特定的方法和裝置，包括附圖中所示的方法和裝置來說明，應(yīng)當(dāng)明白這不是用來限定的。相反的，本發(fā)明包括許多替換、修改及等同物，這可由前面所討論及下述的詳細說明明顯看出。
圖1圖示了本發(fā)明較好的浸漬方法和裝置，包括大體根據(jù)美國專利4，554，932(Corrad,1985.11.26頒布)的結(jié)構(gòu)的滑塞和外殼，這里引用了其整個揭示內(nèi)容。在4，554，932專利中揭示了種種細節(jié)，為了簡便起見，這里就不再重復(fù)了，但是，參考該專利是可見這類細節(jié)的。
如圖1所示，煙草較好地先在準備區(qū)10中處理的將其含水量增至16%(重量)，較好的在20%(重量)以上。將有增加了含水量的煙草然后通過進料區(qū)12，煙草在其中加熱的方法將在下面作更詳盡的敘述，然后再進料至往復(fù)的滑塞和外殼的高壓流體處理裝置中。
滑塞和外殼高壓流體處理裝置包括由柱形殼體或外殼14和滑塞裝置16圍成的壓力容器，外殼14及滑塞裝置16可由任何合適的材料，包括不銹鋼之類制成，外殼和滑塞的特定結(jié)構(gòu)和大小應(yīng)當(dāng)明顯地足以能承受壓務(wù)釜中的壓力。
滑塞裝置16包括圓柱形末端部件18及連接桿20。當(dāng)滑塞16如圖1所示的那樣在外殼14中時，兩個末端部件18及連接桿20和外殼14圍成了有預(yù)定體積的環(huán)形空間22以構(gòu)成密封的壓力室或區(qū)?；b置16被水平放置，可在以虛線表示的加料位置24和也以虛線表示的卸料裝置26以及如圖1所示的浸漬位置間作來回運動，通過部分示于圖1的軸28與液壓活塞或相似的馬達裝置(示作顯示)軸向連接，使滑塞在3個位置間運動。
滑塞在位置24裝料，這在下面要作更詳盡的敘述，然后移動至浸漬位置。在浸漬位置處，裝在滑塞末端部件18中形成的環(huán)形槽中的彈性體密封環(huán)30的徑向膨脹，使滑塞被密封在外殼中。彈性體密封環(huán)30的結(jié)構(gòu)將結(jié)合圖8作詳盡的討化。
密封環(huán)是由可變形彈性體材料，如硫化橡膠來形成的安裝成能通過液體管32來接受液壓液體。諸如食用油之類的液壓液體由液壓貯蓄器34通過管道32來驅(qū)動。液壓液體通過一個穿過連接桿36的孔地液壓液體壓入滑塞的一個末端。如圖1部分所示，連接桿36與滑塞16的至少一端相連。液壓液體驅(qū)動了密封環(huán)內(nèi)部向外膨脹并封住壓力室22以防止泄漏。
高壓氣供給管38和廢氣管40各自通過多個口42穿過外殼14，這在下面將結(jié)合圖8作詳細討論。如圖8所示或如圖10、11和12放大的截面圖所示，這些口可繞外殼14的周邊分布，當(dāng)滑塞部件16在浸漬位置時能讓富壓液體進出壓力室22。外部歧管44環(huán)繞著口42并含有工作液，使其能通過周邊口42進入外殼14中，高壓流體流經(jīng)口42，然后通過多個口及滑塞上的通道進入裝載及壓縮在滑塞連接桿20周圍的煙草，如圖8所示，并將在下文討論。
一對快動閥46和48用來快速向浸漬室22中引入及放出流體。這些閥較好的是通孔直徑為0.5-1.5英寸或根據(jù)浸漬區(qū)22的大小直徑更大的球閥，從而能基本上瞬時地從煙草區(qū)22中加入和除去高壓流體。閥通過快動液壓執(zhí)行器(未顯示)來開啟和關(guān)閉。
在輸入端，高壓氣管道38與貯蓄裝置50相連，下面將作詳細討論，加熱器52用來將輸至貯蓄器50中的氣體加熱。貯蓄器50也可通過圖上未顯示的裝置來加熱以保持在貯蓄器中的流體處于加熱狀態(tài)，高壓泵54被裝在加熱器52的上游以在例如2，500psig的壓力下將高壓流體進料至加熱器52和貯蓄器50中。用來從煙草區(qū)22中除去高壓液體的管道40與任選的氣體回收區(qū)(未顯示)相連以回收從浸漬區(qū)排出的流體。
貯蓄器50用來向圖1所示的滑塞浸漬中的浸漬區(qū)供給煙草流體，如2，500psig的丙烷。貯蓄器50包括由耐高溫高壓材料制成的管形釜56。在貯蓄器的頂端和末端依次有口58和60用來接納高壓氣體。
諸如高于2，500psig壓力下氮氣的惰性高壓氣體通過口58進入容器并因為容器內(nèi)的壓力和溫度條件而被基本上分開地保留在容器的上部62中，而膨脹流體，如丙烷通過口60進入容器并在較高的壓力，如2，500psig以上壓力下被留在釜的下部64中。容器56被保持在接近或高于加壓流體及膨脹劑的臨界溫度和壓力的溫度和壓力。在這些條件下，并選擇諸如氮氣作為加壓流體，丙烷作為膨脹劑，在兩個液體區(qū)62和64中的氣體彼此的相對擴散度足夠低，從而使兩種液體各自基本分隔在貯蓄器50中。
當(dāng)膨脹劑從貯蓄器中排出時，由傳感裝置(未顯示)未感測壓力的降低，控制器激動泵54使泵馬上將高壓膨脹劑，較好的是丙烷，重新充入至貯蓄器中，壓力傳感器可以裝在貯蓄器中或全部在泵54中。在使用本發(fā)明圖1中浸漬區(qū)22浸漬煙草期間，蓄氣器50能在5-30秒的短時間內(nèi)再填滿。
如圖1箭頭65所指出的，蓄氣器50中膨脹劑的水平隨著它加入釜中及從釜中排出，在預(yù)定的上位水平和下位水不平間循環(huán)地改變著。下位水平距釜底有預(yù)定的距離，從而使排出膨脹劑時不會同時排出加壓液體。下位也選擇得可以防止接近兩種液體交界面處的膨脹劑被排出。對于丙烷和氮氣，雖然可根據(jù)釜的大小及條件容易地使用不同的水平，但丙烷液體的下位水平有利地選擇為約一英呎。
水平控制裝置LC可用來輔助將膨脹劑，如丙烷的水平維持于上面討論的預(yù)定范圍之內(nèi)，較好的是使用流體交界面水平敏感器之類的儀器以感測出膨脹劑和加壓流體之間交界面的位置。一個一體的或分開的控制系統(tǒng)可以響應(yīng)水平敏感器，并按需控制加壓流體，如氮氣加入或放出蓄氣。使膨脹劑保持在上位水平和預(yù)定的下位水間。
在排除膨脹劑之后，向蓄氣器中泵回新鮮的膨脹劑直至達到預(yù)定的上位壓力水平。預(yù)定的上位壓力基于(1)蓄氣器、浸漬區(qū)22及蓄氣器50和浸漬區(qū)22間的管道38的總的體積及(2)浸漬區(qū)所需的壓力來定。由于隨氣體排至氣體管38中并然后進入浸漬器的浸漬區(qū)22氣體體積增加了，蓄氣器的壓力下降，上位壓力必須足以使膨脹劑的最后壓力達到煙草浸漬的預(yù)定壓力。這樣當(dāng)最終壓力為2，500psig上位壓力根據(jù)上述因素可以是假如2，700-3000磅/吋2。
典型地在膨脹劑與同時存在于蓄氣器中的加壓流體接觸時由于加壓流體會被膨脹劑所吸收，故加壓流體會隨著時間而有所損耗。雖然流體間的氣體擴散極低，在蓄氣器中的二種流體理論上可以基本上分開，但即使極低的擴散值，也會由于這兩種流體一定程度的混合，而使少量加壓流體隨膨脹劑的每次排出而排出。但是，少量的加壓流體的吸收通常對煙草膨脹無不良影響。
該系統(tǒng)可包括一用作膨脹劑再循環(huán)的回收系統(tǒng)，回收通常是把使用后的膨脹劑進行分離并除去了吸收的加壓流體以得到相當(dāng)純的膨脹劑用于再循環(huán)。但是，典型地不回收被吸收的加壓液體；另外，在膨脹劑中吸收的加壓流體典型地會減少使用后能夠經(jīng)濟地加嘏的膨脹劑的數(shù)量。被膨脹劑吸收的加壓流體的量根據(jù)兩種液體在蓄氣器50中的溫度及壓力下的擴散值及蓄氣器內(nèi)的擾動情況而定，較好地為少于約5%(重量)。
適合于使膨脹劑吸收加壓流體最小的蓄氣器如圖1A所示。該蓄氣器50在分隔開加壓流體和膨脹劑的區(qū)中具有第三種密度更大的流體，如水，作為在兩種流體間的可移動的流體屏障。從圖1A中可見，蓄氣器50′包括用來容納諸如氮氣的加壓流體的第一區(qū)62′及在高溫及高壓條件下容納并分開地保留膨脹劑的第二區(qū)64′。第三區(qū)61將第一和第二區(qū)有液體連通，并保持稠密的流體介質(zhì)，如水，以在第1和第二區(qū)的流體間作為屏障液體。
在圖1A的蓄氣器顯示的屏障液體使加壓流體和膨脹劑即使在擾動增大的條件下，其混合最少或者完全消除。該特征減少了加壓流體的損耗，結(jié)果減少了其回收期間膨脹劑的損失，由于吸收流體的分離不再是一個重要的問題，這可以簡化膨脹劑回收系統(tǒng)的設(shè)計。在圖1A的蓄氣器中，丙烷之類的膨脹劑一般會吸收少量的屏障液體，如水。
將水源和氮氣源如圖1A所示接通至蓄氣器50′，分離界面水平檢測器較好地與一體化的或分開的控制裝置一起使用以控制水和氮氣進入蓄氣器中。這些控制器會響應(yīng)水平檢測器并可以一定速率加入一定量的水，使其總體足以保持在蓄氣器中預(yù)定的上位和下位的控制極限內(nèi)。此外，控制裝置會響應(yīng)檢測器的信號加入和除去氮氣以將如一氮交界面的位置或高度保持在預(yù)定的控制范圍內(nèi)。
在圖1A的蓄氣裝置中，使膨脹劑基本上分開的第三區(qū)部分地由在高壓釜的上部中部分關(guān)閉的柱形室圍成。這種或相似的安排是在用比加壓流體或膨脹劑密度均大的屏障液體時的優(yōu)選系統(tǒng)。應(yīng)當(dāng)明白該結(jié)構(gòu)及排放只是較優(yōu)選的結(jié)構(gòu)，也可有其它在釜中有可動的分隔其它液體的屏障液體的容器設(shè)計。
圖1和1A顯示了本發(fā)明較好的蓄氣器，但是，其它用來基本上立即釋放高壓、高溫膨脹劑的裝置也可被使用。例如，也可用只含有保持在臨界溫度以上的高密度膨脹劑的容器。當(dāng)與在每個循環(huán)中排出的膨脹劑質(zhì)量相比，容器內(nèi)的膨脹劑質(zhì)量很大，而且保持在高密度，從容器中排出膨脹劑時，在膨脹劑中只有相當(dāng)少的壓力下跌。
例如，在2750磅/吋2、300°F(149℃)下，丙烷的密度是23.76磅/呎3。在相同的溫度及2，500磅/吋2壓力下，丙烷的密度是22.8磅/吋3。這樣，保持在2，750psig及300°F(149℃)下1呎3容器中的丙烷，可以排出300°F(149℃)下的丙烷0.96磅至浸漬區(qū)，而只有極小的壓力下降，即從2，750磅/吋2至2，500磅/吋2在本發(fā)明的另一個實施方案中，可用機械的蓄氣器來提供膨脹劑。這里的一個較好的機械蓄氣器是“Metal Bellows,蓄氣器，可從Parker Bertea Aerospace，Paker Hamfin Corp.，Metal Bellows Dwision，Moorpark,California得到。
回到圖1，用于浸漬區(qū)22的丙烷壓力較好在2，000磅/吋2(表壓)以上，更好的是在2，500-3，000磅/吋2的范圍里。根據(jù)本發(fā)明，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用這樣的高壓時，用約2-15秒的極短的浸漬時間來浸漬煙草就可得到所需的煙草填充容量的增加，例如超過50-100%的填充容量的增加，丙烷的溫度有利地保持在280°F(138℃)以上，較好的是在300°F(149℃)和400°F(204℃)間，例如可以是約300-315°F(149-157℃)。這給出了過量的顯熱以用在浸漬區(qū)加熱煙草。
對于圖2，闡述了較好的煙草上游進料和加料裝置。種種形式的煙草，包括煙葉形式(包括梗和筋)、去梗和煙葉、雪茄填料、香煙切絲填料用來制香煙的(切成或撕成的煙葉碎片)之類，較好是煙草切絲填料，通過本技術(shù)領(lǐng)域人員已知的設(shè)備在方框66中潮濕至含水量至少約13%，較好的是至少20%，并通過氣動傳送管68運至總體地稱為70的計量裝置，有利的是，計量裝置70由兩支分開的計量管72和74形成。較好的是計量管72和74的每支都是矩形礤面，截面大小沿?zé)煵萘鲃臃较蚵杂性黾踊虬l(fā)散，顯然，計量管可以是諸如圓形截面的其它構(gòu)型。
來自管68的煙草進入了在計量管頂部的進料閥76，并分配于兩支計量管72和74間。在本發(fā)明中可用該技術(shù)領(lǐng)域已知的將諸如煙草的固體材料加進柱中的任何閥。一個進料閥的例子是如圖2所示的多瓣旋轉(zhuǎn)閥。這樣分配的煙草形成了基本在計量管72和74中垂直的煙草柱。這些垂直煙草柱有預(yù)定的高度。通過高度敏感裝置78來檢測每支計量管的高度。較好的是，每根柱中煙草柱的高度為約3-4呎，當(dāng)任一煙草柱的高度低于所需的預(yù)定高度時，敏感裝置會啟動進料閥使附加的煙草進入管中至所需的高度。
在煙草分配并進入計量管72和74中后，對其進行預(yù)熱處理，這也可以進一步使煙草潮濕。預(yù)熱煙草提供了在浸漬區(qū)中使用適當(dāng)短的循環(huán)時間的熱量條件。另外，加至煙草中過量的水份對獲得良好的膨脹結(jié)果和增加煙草柔軟性起重要的作用。根據(jù)本發(fā)明，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)當(dāng)煙草進入浸漬區(qū)22時，其含水量在20%以上，較好地在24-30%之間，預(yù)熱至約150°F(60℃)溫度之上可得到增加的膨脹。在本發(fā)明中，較好地通過把蒸氣注入計量管的每根柱中使煙草同時潮濕和預(yù)熱。因為蒸氣可以有效地將熱量轉(zhuǎn)移給煙草而同時可以增加其含水度水準，故用蒸氣加熱是合乎需要的。另外，由于煙草是在計量管中與蒸所氣進行接觸，在蒸氣注入?yún)^(qū)以上的管中煙草可作為隔熱體從而增加了使用注入蒸氣來加熱煙草的效能。
在管中煙草柱頂部以下的某一位置處向計量管72和74中注入蒸氣。兩種較好的蒸氣注入器在圖2中稱為80和82。下面將作詳盡討論，這些注入器需要干蒸氣，這可由過熱或?qū)φ魵夤芎推绻芡獠考訜岱乐估淠齺硖峁?。另外，注入蒸氣的溫度?yīng)足以將煙草加熱至氛圍溫度以上，較好的是在125°F(52℃)以上，最好的在150°F(66℃)以上，例如在150-200°F(66-93℃)的溫度。
圖3和4顯示了用來將蒸氣注入煙草柱的兩個實施方案。圖3是圖2線3-3處蒸氣注入器80的頂視圖。蒸氣通過管道84注入環(huán)繞于計量管72的外部歧管86。歧管與計量管的外壁隔開，形成了一個環(huán)繞的閉合空間88。該間含有注入蒸氣，歧管86通過分布于管道相對面上的多個口與計量管的內(nèi)部相連，通過口90的蒸氣如圖3中的箭頭所示滲入煙草中。
圖4顯示了用來將蒸氣注入煙草柱的蒸氣注入裝置的又一個較佳實例。在圖4中，蒸氣注入裝置是由帶有多個空心叉齒94的空心橋架92構(gòu)成的插入式帶叉部件。蒸氣注入裝置被水平放置，以在計量管72外部的第一位置和管內(nèi)的第二位置間作往復(fù)運動?？赏ㄟ^軸將液壓活塞或相似的馬達裝置作軸向連接從而使蒸氣柱入器在兩個位置間運動，結(jié)果叉齒94按圖4箭頭所示的方向插入和移出煙草柱，當(dāng)叉齒插入煙草柱時，蒸氣通過管道96注入橋架中，然后進入可插入部件的每個叉齒中，再通過每個叉齒上的多個口98按圖示的箭頭進入煙草柱。
雖然圖2顯示了蒸氣注入器兩個實例的使用，但熟悉該技術(shù)領(lǐng)域的人員可以知道蒸氣注入器可以單獨使用。但是，有利的是將兩種蒸氣注入器結(jié)合起來使用以保證蒸氣可以穿透全柱的寬度。
本發(fā)明的蒸氣注入器較好的是沿?zé)煵葜母叨确旁谝粋€選擇好的位置，從而使所有進入柱內(nèi)的蒸氣在到達煙草頂部前基本上全部冷凝，注入的蒸氣在煙草柱中向上運行，當(dāng)其上升時在煙草柱內(nèi)加熱煙草。當(dāng)蒸氣的熱量逐漸失去后，蒸氣在煙草上冷凝成小直至所有的蒸氣全部冷凝為止。
在預(yù)熱和潮濕后，煙草在柱內(nèi)向下運行，如圖2所示，以作為一批料發(fā)至加料管道110中。圖2中有稱為112的煙草柱隔離部件與計量管72和74相配合。如同又狀的蒸氣注入器82那樣，煙草柱隔離裝置水平放置，以便在柱外的第一位置和柱內(nèi)的第二位置間作水平的往復(fù)運動。
圖5顯示了煙草桂隔離部件的較好實例的頂視圖。如圖5所示，煙草隔離裝置112包括一促動桿114，橋架116及多個互相靠得很近的叉齒118。隔離部件上在第一和第二位置間運動，從而將煙草柱分成上部分和下部分，以量出預(yù)定從煙草柱底部分配的煙草量。當(dāng)叉齒118通過下文說明的開口插入煙草柱時，位于隔離裝置以上的煙草柱上部由叉齒支承。相應(yīng)地叉齒是相隔很近的，例如相隔約 1/4 至1 1/2 吋位于叉齒以下的煙草柱的下部隨后分發(fā)至加料管110。
叉狀的煙草隔離部件112較好的是在垂直方向上可調(diào)節(jié)的，以選擇性的嚙合于煙草柱的多個預(yù)定的垂直位置。圖7顯示了煙草柱隔離裝置可在高度H的范圍里調(diào)節(jié)。因為調(diào)節(jié)隔離部件的位置可以調(diào)節(jié)從柱底部分發(fā)的煙草進料量，故它在選擇分發(fā)至加料管110中煙草的量時是靈活的。
隔離部件112的叉齒118通過多個垂直伸長的狹通道進入煙草柱中，這些狹通道通過計量管的雙壁與叉齒118對齊，最好是如圖6和7所示。圖6顯示了有垂直延伸狹通道122形成于其中的第一外側(cè)壁120。在圖6中對外側(cè)壁120作了部分剖析，以顯示出第二個與它隔開的內(nèi)側(cè)壁124，該內(nèi)側(cè)壁包括與垂直狹縫道122對齊的第二排垂直狹縫道126及與之相連的多個水平刷128。另外，有利地是也有許多刷130與外壁120相連。雙壁結(jié)構(gòu)可作為收集盆以收集當(dāng)叉子從煙草柱中取出時粘附于隔離裝置叉上的煙草顆粒。刷子輔助來除去叉上的煙草顆粒。當(dāng)叉從煙草柱中取出至壁120之外的位置處時，它們與兩排刷子接觸以從叉子上刷去煙草顆粒，并落在壁間空隙132中。煙草顆粒在空隙132中下落至其下部，并從空隙底部的口134出去。
阻塞部件較好地呈旋轉(zhuǎn)閥140的形式，并與每個計量管的底部相連。阻塞部件140可在隔離裝置112垂直下方的位置切入煙草柱，當(dāng)分離裝置離開柱時，它可用來支承煙草柱阻塞部件140也可從煙草柱中脫出，從而將煙草柱低于隔離裝置112的下部釋放至加料管道110中。
阻塞部件140較好的是氣鎖安全旋轉(zhuǎn)閥。氣鎖安全旋轉(zhuǎn)閥可以是該技術(shù)領(lǐng)域人員已知的任何閥，有利的是無葉片的旋轉(zhuǎn)閥，如圖7所示，它間斷地操作每次接收一批料和投放一批料。圖7的無葉片包括一支撐能在閥座內(nèi)旋轉(zhuǎn)的筐或袋144的閥座142。也可用連續(xù)的氣鎖旋轉(zhuǎn)閥，如使用有多個葉片的閥。
圖7顯示了在倒空的煙草柱支承位置的阻塞部件140。當(dāng)新的一份煙草要從柱底部分發(fā)時，叉狀的隔離部件112被插入煙草柱中，阻塞部件被旋轉(zhuǎn)180℃，從其阻塞位置轉(zhuǎn)至煙草接受位置使筐144的開口端146向上，處于與煙草柱相連通的位置。在此位置，筐接受在柱下部的煙草，然后再轉(zhuǎn)180℃，將預(yù)定批量的煙草分發(fā)至加料管道110中。使用氣鎖旋轉(zhuǎn)閥作為阻塞部件萬為合意，因為在其分發(fā)煙草位置(如圖7所示)，閥阻塞并支承煙草柱，也在煙草柱和膨脹區(qū)浸漬區(qū)之間提供密封148。
本發(fā)明的批料分發(fā)系統(tǒng)有許多好處。分發(fā)至浸漬區(qū)的煙草的量可以容易和精確地控制住。這樣隔離部件可以在不同垂直位置放置，為浸漬提供種種不同預(yù)定批量的煙草。另外，使用計量管可以使每批煙草均勻分布于下面加料管的寬度。煙草以批料分發(fā)很快，這樣可使每批煙草快速進至浸漬區(qū)中，以配合本發(fā)明的短浸漬周期。
再看圖2，預(yù)定量的煙草然后分發(fā)入加料管110中以裝入浸漬裝置的滑塞。如圖2所示，分開的各批煙草料150通過一對相向的半圓柱形加料及壓縮部件152加料位置24(圖1)裝載至滑塞上，該加料及壓縮部件裝成能在水平管道110中作往復(fù)運動。較好的是加料管道110有矩形截面，是用能耐受加料部件在加料室內(nèi)作往復(fù)運動的材料制成，例如用硬化的鋁。另外，有利的是如圖2A所示，加料壓縮部件的上、下表面被硬化的塑料襯套所覆蓋，以在加料室的內(nèi)壁和加料壓縮部件的外表面之間提供滑潤性以防止加料材料翹曲或卡住。用來制造襯套的示例材料包括由ICI America和RTR Co.生產(chǎn)的聚醚醚酮(PEEK)。
加料部件152通過桿156連接至諸如液壓活塞157之類的往復(fù)驅(qū)動裝置上以在退后位置和伸出位置之間作循環(huán)運動。煙草料通過在其上壁的開口158分發(fā)入加料管110中。開口158基本上延伸于加料管的寬度并處于加料部件152的后退位置及其伸出位置間。用來關(guān)閉該開口的樞軸關(guān)啟部件在處于如圖2虛線所示的關(guān)閉位置處能將煙草草料壓入加料室中。有利的是，可以是叉形部件的一對阻塞部件162用來將加料室從浸漬裝置中隔開。阻塞部件162可在加料管外部第一脫開位置及加料管內(nèi)的第二阻塞位置間移動，以防止在關(guān)閉部件關(guān)閉時煙草被沿管道吹動。
為了將煙草料加至滑塞16上，煙草批料150通過開口158從旋轉(zhuǎn)閥140而分發(fā)進入加料管110中。阻塞部件被插入管道110中，樞軸性關(guān)閉部件160向下關(guān)以蓋住開口158，將煙草料裝入并在需要時期可壓縮至加料管中。然后半圓柱形加料部件152移至伸出位置。煙草料被加料部件152水平推過加料管道壓至滑塞16上。相對的半圓柱形加料部件在其完全伸出位置配合起來，繞滑塞的連接桿20形成了一殼體，從而使被壓縮的煙草在滑塞移動至浸漬位置期間仍保持在滑塞連接桿上，下面將作討論。由加料部件形成的圓柱形殼體也可部分地由一個或一對縱向框架部件(未顯示)所圍成，這部件可裝在滑塞的軸以上和/或以下。這類框架部件有利地可與半圓柱形料加料部件的邊緣相配以形成一個繞壓縮的煙草的閉合圓柱形空間。
裝載好的滑塞被移入如圖1和圖8所示的浸漬位置，滑塞兩端的密封環(huán)30由來自流體管32的流壓流體沿徑向壓向外面，以封閉壓力室22防止?jié)B漏。有利的是密封環(huán)是硬化的或粘至在滑塞末端的周邊形成的環(huán)形槽中。在彈性體密封環(huán)和流體管32的交界處有一可變形的片或帶153，使密封環(huán)在這一點不能粘接，從而能被壓向外。
磨損環(huán)、摩擦環(huán)之類的環(huán)形部件160也可以裝在環(huán)形槽中，環(huán)形槽是在每個圓柱形的滑塞末端部件的外周形成的。它們是與彈性體密封部件30的至少一個端面向相鄰。磨損環(huán)的周長大于每個滑塞的圓柱末端部件，這使滑塞部件16和殼體14間的環(huán)形空間或間隙變狹。通過窄化該間隙，彈性密封環(huán)30的彈性體在用來密封期間得到更好的軸向支承。這可使密封環(huán)由于其周圍邊緣“過分流出或擠出”至滑塞組件的圓柱形末端部件與外殼間的環(huán)形空間中所遭致的破壞性變形最小。
較好的是，每個密封環(huán)30被連接至磨損部件160的面上及連接至滑塞末端部件外周的表面上。最好的是，磨損部件160裝在彈性體密封環(huán)30的兩個端表面軸向相鄰的位置并與相相連。磨損壞可以通過焊接、粘連、硬化工藝之類方法連接至彈性體密封部件上。
圖8也顯示了讓高壓氣體管38和40通過外殼14使膨脹劑快速釋放的優(yōu)選的通孔結(jié)構(gòu)。多個通孔42沿周邊分布于外殼14的周圍，通孔42的擴大的開口的截面積，作為一組來看，當(dāng)滑塞部件16在浸漬位置時，使高壓流體進出壓力室22的速度變快。有利的是，通孔42是沿對角線取向并逐漸變細至直徑較小的開口，以阻塞煙草顆粒在滑塞組件從一個位置移至另一個位置時進入通孔中，如圖8所示8和8A所示。
環(huán)繞于外殼14的外部歧管45形成了圍繞沿周邊分布的各通孔的環(huán)形空間。通孔42與在滑塞末端中的環(huán)形槽162對齊，它通過許多徑向發(fā)散狀通道164及軸向通道166及在連接桿20的表面形成的槽170相連。一旦通過氣體管38引入后，高壓流體通過通孔42流入通道164和166直至槽170。這里，流體暴露于裝載并壓縮在滑塞連接桿22上的煙草，并按圖8的箭頭流出通道進入煙草中，在連接桿20周期有一個或多個篩子(未顯示)以防止煙草堵塞槽170。
圖10、11和12顯示了一種能改進滑塞和外殼浸漬器效能的替換裝置，它通過增加高壓、氣態(tài)膨脹劑進出外殼內(nèi)環(huán)形高壓浸漬區(qū)的速率來實現(xiàn)。如圖10和12所示，帶有滑塞組件16的設(shè)備在加料位置和浸漬位置之間運動。這樣所顯示的組件16部分在外殼14里、部分在外殼14外。在該裝置中，每個通過外殼14的通孔42有利地呈具有擴大截面積的狹通道的形式，即，截面積較好的是與通過在氣體管38和40為浸漬器供給和除去膨脹劑的氣體管38和40閥46和48中開口的截面積相同。這使孔與膨脹流體間的摩擦減少，使膨脹流體進入和離開浸漬器的速度變快。
因為擴大的通孔42的直徑大于煙草顆粒，例如，大于切絲煙草填料的尺寸，圖10-12的裝置包括一個通孔阻塞部件260，(在圖11中可以看清楚)以防止煙草進入擴大的通孔或進入量最小。通孔阻塞部件是外表面262的寬度比口直徑大的長形部件。在圖11和12中可見，阻塞部件260在滑塞組件16的兩個末端部件18的周邊部分之間作縱向連接并與通過外殼的通孔開口42徑向?qū)R(圖12)。
如圖11所示，阻塞部件跨越了滑塞16的連接桿20的一部分，這部分在滑塞中形成了保存煙草的“室”。當(dāng)該滑塞部分穿越外殼時，阻塞部件14蓋住通過外殼的通孔42以防止滑塞室內(nèi)的煙草進入擴大的通孔42中。如圖11和12所清楚示出的。阻塞部件260的外表面262較好的是彎曲的以與外殼14的內(nèi)表面相配。阻塞部件的下部分優(yōu)選地是逐漸變小以使可供煙草占據(jù)的空間最大。
較好的是，如圖中所見，通過外殼裝上至少兩個擴大的通孔，在滑塞上裝上相應(yīng)數(shù)量的阻塞部件。歧管45繞在外殼14的外部周圍并圍成了與兩個通孔42都相連的環(huán)形空間44，這樣通過歧管口38引入的膨脹劑可同時通過兩個外殼通孔42與滑塞相接觸。相似的是，從歧管口40排除的使用后膨脹劑也通過兩個通孔42排出外殼。這也增加了膨脹劑從滑塞和外殼浸漬器中進料和除去的速度，而降低了循環(huán)時間。
再看圖1，在膨脹劑進入浸漬裝置后，壓縮及浸漬過的煙草在浸漬的條件下保持1-2秒直至20秒的短時間。然后，釋放壓力。較好的是基本上瞬時地釋放壓力，即在1秒或更短時間內(nèi)釋放。這可通過使用有大口徑的快作用閥釋放壓力來部分地達到此目的。有利的是裝上一個未顯示的敏感器以感測浸漬器內(nèi)的壓力，當(dāng)其中的壓力達到了預(yù)定的高于氛圍壓力，如5psig(磅/吋2)的壓力時，開始使滑塞體上密封環(huán)30減壓。用第二壓力敏感器來感測將進至密封環(huán)的管道36中液壓液體的壓力。在壓力達到氛圍壓力之前，如達到5磅/吋2(表壓)時，該敏感器使與軸28相連的液壓活塞運行的移動滑塞體。然后滑塞基本上瞬時地移動至卸料位置26以實施煙草膨脹。
當(dāng)滑塞移至和移離卸位置26時，裝在煙草卸料區(qū)中諸如無油壓縮機之類的氣動卸料裝置(未顯示)將諸如高壓空氣或氮氣的流體吹向環(huán)繞于卷筒16的煙草上。除去的煙草基本上瞬時地在卸料位置26膨脹，并如圖1所示進料至回收斜槽172，然后至運送裝置174，如螺桿傳送器之類。較好的含有相當(dāng)水分的煙草，如大于13%通過轉(zhuǎn)運裝置174運送至干燥區(qū)176。
如圖9所示，膨脹的煙草被送入在干燥區(qū)中的管道178中，在那里被向上運動的熱空氣帶動向上。有利的是加熱的空氣低于350°F(177℃)，較好地在約200°F(93℃)和300°F(149℃)的溫度間。煙草在溫度和時間都足以使其含水量降至少于13%，較好的是在6-12%(重量)的條件下傳送通過干燥區(qū)。干燥、膨脹的煙草然后傳至分離區(qū)180。在這里，各種流體，包括膨脹劑，通過篩子182或另一種諸如旋風(fēng)分離器的分離裝置并進入回收回路184。
通過回收回路的氣體較好的是氮氣或另一種惰性氣體，并通過氣體注入?yún)^(qū)186注入回路中。氮氣由加熱器188加熱，通過風(fēng)扇190，然后再在回路中繼續(xù)前進以帶動煙草。清除氣流192不斷地從回路中除去并通至熱氧化區(qū)，其中氮氣中的丙烷被燃燒掉。
來自分離區(qū)180的煙草被通過一對旋轉(zhuǎn)空鎖閥194和196，然后在回收區(qū)198回收。兩個閥的功能是保證無丙烷氣體逸入回收區(qū)。因此，在兩閥間充入諸如氮氣的惰性氣體。如圖2所示，由于相似的理由也可在該系統(tǒng)的其它區(qū)域充入氮氣。在這方面，如圖2虛線所指出的，可在裝置的下部裝上安全外殼200。這外殼用來回收在使用時逸出系統(tǒng)的任何丙烷。向系統(tǒng)中的不同地方不斷加入氮氣。逸出系統(tǒng)的丙烷在外殼里回收，并通入熱氧化區(qū)進行燃燒。
再回到干燥處理，雖然當(dāng)膨脹劑上丙烷或是美國專利4，531，529(White h Conrad)中所揭示的類似膨脹劑時，為了使煙固定保持在其膨脹形式并不需要加熱煙草，但是，業(yè)已發(fā)現(xiàn)高含水量的煙草比正常含水量的煙草膨脹程度更大。但是，也發(fā)現(xiàn)由于高含水量煙草會破碎，故增加的膨脹會部分或全部失去。據(jù)發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的干燥處理能保存增加的膨脹量。
較好的干燥處理在煙草膨脹后馬上進行，例如，在膨脹后5分鐘內(nèi)進行，較好地在膨脹后少于約1分鐘的時間內(nèi)進行。事實上，干燥可在膨脹后基本上瞬時地進行。例如，用來從滑塞上卸下膨脹的煙草的鼓風(fēng)機，需要時也可用加熱的氮氣，煙草可以馬上送入干燥區(qū)。
參照圖示了各種含水量及煙草預(yù)熱程度的煙草膨脹的圖13，可知含水量對煙草膨脹的影響。在每種情況下，煙草用約2，500磅/吋2的壓力下預(yù)熱至300°F(149℃)的丙烷浸漬15秒。膨脹前，煙草的填充值為450cm3/100g，如圖13所示，當(dāng)煙草預(yù)熱至約150°F(66℃)或更高溫度時，將煙草的含水量增加至約20%以上，可以大大促進煙草的膨脹。
當(dāng)丙烷用作浸漬流體時，來自加熱的丙烷和預(yù)熱的煙草的供給浸漬區(qū)的累積熱量應(yīng)足以使浸漬區(qū)達到、在240°F(116℃)和270°F(132℃)間，較好的為260°F(127℃)的浸漬條件。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)當(dāng)通過預(yù)熱煙草和預(yù)熱丙烷共同供給熱量時，可在5秒內(nèi)或更短的時間里達到溫度和壓力分別為約267°F(127℃)和2，500磅/吋2的浸漬條件。
浸漬時煙草的壓縮程度也影響了膨脹程度，較好的是在浸漬時煙草至少1.5∶1的壓縮比率被壓縮。壓縮比率根據(jù)壓縮前煙草的體積簡定。壓縮前煙草體積或煙草疏松填充體積通過測量煙草在1呎×1呎×1呎的立方容器中的密度來測定。將煙草倒入立方容器中并稱重以測定煙草的疏松填充密度。在壓縮到滑塞前煙草料的疏松填充體積然后從料的重量和煙草的疏松密度值來決定。疏松填充體積除以煙草料的壓縮體積，即在諸如滑塞的浸漬裝置中處理的體積，就可決定壓縮比率。所有的值進料至浸漬區(qū)中的煙草實際含水量下測定，或校正到該含水量下的值。這樣，對于浸漬體為25吋2的滑塞，將疏松填充體積為50cm3的煙草壓縮到滑塞上，得到的壓縮比率為2∶1。
有利的是，煙草以大于2∶1，直至3∶1或更大的壓縮比率進行壓縮，壓縮煙草可以增加煙草的密度，使進料至浸漬區(qū)的煙草密度顯著地大于壓縮前的煙草密度，本技術(shù)領(lǐng)域的人員應(yīng)當(dāng)知道疏松煙草密度視煙草為葉或切絲填料形式；煙草類型、煙草的含水量及其它因素不同而定。在含水量為12%的基礎(chǔ)上計算的壓買密度為20-35磅/呎3可用于本發(fā)明中。雖然增加壓實密度會在一定程度上增加得到同樣膨脹量所需的循環(huán)時間，但本發(fā)明也成功地應(yīng)用了以含水量為12%或更高的基礎(chǔ)算出的25-30磅/立方英尺的壓實密度，而浸漬時間少于20秒，填充容量增加量超過50-100%。
圖14是顯示在浸漬時不同的煙草密度使膨脹可以是不同的，并隨不同的浸漬時間膨脹是如何地不同的曲線圖。該圖表示了含水量為27%的煙草樣品用丙烷在上述的相同條件下的浸漬。浸漬時間從4-20秒不同。煙草樣品的在12%濕度和76°F(24℃)下最初松散填充密度為6.2磅/呎2，被壓成密度為20、25、30和35磅/呎3(所有的密度按102%含水量計算，或被校正至該含水量)。從圖14中可見，煙草的膨脹隨浸漬時間的增加及煙草壓縮的下降而增加。但是，即使在高壓實密度及10秒或更短的浸漬時間下也能得到優(yōu)良的膨脹。
圖15顯示了本發(fā)明的膨脹方法和裝置的靈活性。該圖是許多膨脹數(shù)據(jù)的綜合，并表明從圖1的裝置中得到的每小時煙草體積的增加(m3/小時)，這是浸漬時間和煙草壓縮的函數(shù)，該數(shù)據(jù)假設(shè)可供煙草占據(jù)的體積為400吋3，處理過程以圖示的循環(huán)時間連續(xù)運行。明顯的是，當(dāng)循環(huán)時間縮短，煙草壓縮增加時，煙草的輸出量增加從圖15中也可以看出，在短循環(huán)時間及增大煙草壓縮時每小時煙草的體積加量最大。這里因為增大了生產(chǎn)量，盡管每批煙草膨脹量不如較低密度和/或較長循環(huán)時間所能得到的那樣大。這樣，本發(fā)明提供了煙草的膨脹程度和生產(chǎn)量水平可以變動的靈活方法。
這里所述的煙草膨脹方法和種種方面是結(jié)合以丙烷作為膨脹促進浸漬劑，并用接近或高于臨界溫度的浸漬溫度條件及接近或超過臨界壓力的升高的壓力條件，并結(jié)合優(yōu)選的裝置作具體討論的。應(yīng)當(dāng)明白本發(fā)明的方法和裝置可有許多種改變。例如，當(dāng)不需要所回收的膨脹劑，如丙烷時，膨脹劑可在使用后被燒掉。另外，這里揭示的各種重要的膨脹方法和裝置，雖然特別適合于在超臨界溫度下使用高密度膨脹劑及采用短浸漬時間的煙草膨脹方法和設(shè)備，但被認為也適合于使用其它不同的膨脹方法、膨脹流體及裝置的情況。
這里所指的煙草填充容量用電子自動填充容量計測定，其中3.625吋直徑的實心活塞被可滑動地放在一個相似大小的圓柱中，并給放在柱中的煙草樣品加2.6磅/吋2的壓強加5秒鐘，據(jù)信這些參數(shù)是模擬了煙草在形成香煙時煙草在制香煙的設(shè)備中的壓實條件。對于膨脹煙草用重為50g的被測煙草作樣品。對于未膨脹煙草，用100g的煙草作樣品。通過將100g煙草樣品放在金屬線網(wǎng)的籃子中然后將籃子放進空氣溫度為200°F的強制通風(fēng)烘箱中放3分鐘。將煙草和金屬線籃在烘箱中加熱前后進行稱重，用對于加熱前煙草重量的百分比來表示的重量損失作為含水百分率。
本發(fā)明已參照了較佳實例進行了詳盡闡述。但是在不背離前述說明書和后面權(quán)利要求書所定義的精神和范圍的條件下，可作出許多改變及修改。
權(quán)利要求
1.一種用來將加熱的煙草分發(fā)至浸漬區(qū)中的裝置，它包括；煙草供給管；與煙草供給管相連的、用來測量加至浸漬區(qū)煙草量的計量裝置；用來將蒸氣注入煙草料中的蒸氣注裝置；以及將加熱的煙草輸進浸漬區(qū)的裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述用來將煙草輸進浸漬區(qū)的裝置，包括在上壁有開口的水平放置的管道，它安排得可將煙草輸送至浸漬區(qū)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中水平管道的開口裝有能把煙草壓入所述水平管道的樞軸性關(guān)閉部件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的裝置，其中的蒸氣注入裝置包括使蒸氣穿過在至少一個與所述煙草料接觸的壁上的多個孔的裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4之一所述的裝置，其中蒸氣注入裝置包括用來把足以使煙草加熱至溫度至少為125°F(52℃)的溫度下的蒸氣注入煙草的裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-4之一所述的裝置，其中所述的蒸氣注入裝置包括用來足以使煙草的溫度升至150°F(66℃)以上的溫度下的蒸氣注入煙草的裝置。
7.一種用來將煙草壓入浸漬區(qū)的裝置，包括一對相對的管道；至少可在處于所述相對管道的兩個開口端中間的第一位置與處于圓柱形外殼體中的浸漬位置之間往復(fù)運動的滑塞裝置；所述的滑塞裝置包括第一和第二圓柱形末端部件及在第一和第二末端部件間的連接桿，所述的末端部件及所述的連接桿圍成了一個環(huán)繞連接桿的環(huán)形空間；在所述每根管道中在退后位置和伸出位置間來回移動，使煙草通過管道并將煙草壓力所述滑塞的環(huán)形空間中的煙草壓縮裝置；所述的煙草壓縮裝置各自包括半圓柱形末端表面，該兩個末端表面的大小和形狀正好配合形成環(huán)繞所述滑塞的所述環(huán)形空間的圓柱面。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，進一步包括用來在相應(yīng)于后退位置與伸出位置之間的地方將煙草引入每根管道中的每根所述管道上壁處的開口；以及能將煙草壓入管道并關(guān)閉所述開口的樞軸性關(guān)閉部件。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的裝置，它進一步包括用來將蒸氣注入煙草的蒸氣注入裝置。
10.根據(jù)權(quán)利要求7-9之一所述的裝置，其中所述的滑塞裝置時一步包括當(dāng)所述的卷筒裝置在處理位置時，適于在所述的圓柱形末端部件和所述的殼體內(nèi)表面間形成密封的密封裝置，以使所述的外殼、末端部件和密閉裝置形成一壓力室；在所述的殼體中形成的、用來將工作流體在滑塞處于所述處理位置時引入所述壓力室的通道裝置，所述的通道裝置的總截面足以使所述的工作流體快速地流入所述室中；以及顆粒阻塞裝置，以使進入所述通道裝置中的固體物質(zhì)最少。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其中所述的通道裝置包括環(huán)繞分布在管形外殼的周邊的多個通道，其中所述的顆粒阻塞裝置的所述多個通道各自包括比預(yù)定尺寸小的開口，以阻塞顆粒進入所述的通道。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，另外還包括繞于所述的多個通過外殼的通道的外部歧管部件，以導(dǎo)引工作流體同時通過所述的各通道。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其中所述的通道裝置包括至少一個直徑顯著大于煙草切絲填料的擴大口，其中所述的顆粒阻塞裝置包括至少一個外表面的寬度比所述至少一個通道的直徑大的伸長阻塞部件，所述的阻塞部件縱向連接于所述滑塞的所述兩個末端部件的一部分之間。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中所述的阻塞部件與所述的至少一個擴大直徑的通道徑向?qū)R。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的裝置，包括至少兩個通過所述外殼的擴大截面積的通道及一個環(huán)繞于所述各通道外部、用來引導(dǎo)工作流體同時，通過所述至少兩個通道的歧管部件。
16.根據(jù)權(quán)利要求10-15之一所述的裝置，其中所述滑塞裝置進一步包括裝在每個圓柱形末端部件上的環(huán)形槽中的彈性體密封環(huán)；當(dāng)所述的滑塞裝置在處理位置時，用來使彈性體密封環(huán)徑向向我變形、使該密封環(huán)沿周界與外殼的內(nèi)部周界接觸的裝置，當(dāng)壓力室加壓時所述的外殼、末端部件和密封環(huán)形成了一個壓力室；以及至少一個裝在柱形末端部件的一部分中的，周長大于末端部件且與裝在所述末端部件上的所述彈性體密封環(huán)的至少一個端面軸向相鄰的環(huán)形部件。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的裝置，其中每個所述彈性體密封環(huán)與所述的軸向相鄰的環(huán)形部件相連結(jié)。
18.根據(jù)權(quán)利要求16或17所述的裝置，其中每個所述的彈性體密封環(huán)被粘合至在所述滑塞末端部件的周連形成的環(huán)形槽中。
19.根據(jù)權(quán)利要求16-18之一所述的裝置，其中密封環(huán)的每個表面都有所述環(huán)形部件之一軸向地與它相鄰并與它連結(jié)。
20.一種用來膨脹煙草的方法，包括將含水量大于約13%(重量)的預(yù)膨脹煙草料放入浸漬室中；在所述的浸漬室內(nèi)用膨脹劑浸漬所述的煙草；從所述的浸漬室中取出所述浸漬的煙草，并將浸漬的煙草處在足以使煙草膨脹，并得到含水量大于13%的膨脹煙草的條件下；以及將膨脹的煙草干燥至膨脹后含水量小于13%(重量)以保持浸漬的煙草處在膨脹條件下所提和膨脹量。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中所述的干燥步驟是在使所述煙草膨脹后少于5分鐘的時間內(nèi)進行。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述的干燥步驟是在所述的煙草膨脹后少于1分鐘的時間內(nèi)進行。
23.根據(jù)權(quán)利要求20-22之一所述的方法，其中所述的干燥步驟是在約350°F(177℃)或更低的溫度下進行。
24.根據(jù)權(quán)利要求20-23所述的方法，其中以干燥步驟中所得的煙草的含水量大于約6%(重量)。
25.根據(jù)權(quán)利要求20-24所述的方法，其中放在浸漬室中的煙草的含水量大于20%(重量)。
26.根據(jù)權(quán)利要求20-24之一所述的方法，其中放在浸漬室中煙草的含水量大于24%。
27.根據(jù)權(quán)利要求20-26之一所述的方法，其中放在浸漬室中煙草的溫度大于150°F(66℃)。
28.根據(jù)權(quán)利要求20-27之一所述的方法，其中所述的干燥步驟是通過用加熱的汽流來處理膨脹的煙草。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，其中所述的加熱氣流的溫度是在約200°F(93℃)至300°F(149℃)之間。
30.根據(jù)權(quán)利要求28工中29所述的方法，其中用加熱的氣流將所述的煙草傳送通過干燥區(qū)的時間，足以使煙草的含水量降至約6-12%(重量)。
31.根據(jù)權(quán)利要求20-30之一所述的方法，其中所述的浸漬步驟包括使煙草與大于2，000磅/吋2(psig)的壓力下的丙烷接觸約15秒或更短。
32.根據(jù)權(quán)利要求20-31之一所述的方法，其中用來處理放在浸漬室中煙草的丙烷270°F(132℃)以上的溫度。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中由加熱的丙烷及預(yù)熱的丙烷提供給浸漬室中的煙草的熱量足以使浸漬區(qū)中浸漬的條件在240°F(116℃)和270°F(132℃)之間。
34.根據(jù)權(quán)利要求20-33之一所述的方法，其中所述放在浸漬室的煙草已被壓縮至壓縮比率至少為1.5∶1。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法，其中所述放在浸漬室中的煙草已被壓縮至壓縮比至少為2∶1。
36.根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法，其中所述放在浸漬室中的煙草已被壓縮至壓縮比至少為3∶1或更大。
37.一種用來快速供應(yīng)其密度等于或接近流體的液態(tài)密度膨脹流體的蓄氣器，它包括在把氣態(tài)加壓流體及膨脹劑包含在單個未分隔室里的壓力容器，所述的壓力容器具有第一和第二區(qū)，適合于在加壓條件下分開保持兩種流體，并將所述的流體保持在接近或高于所述膨脹劑的臨界溫度下。
38.根據(jù)權(quán)利要求37所述的蓄氣器，所述的容器另外包括與第一區(qū)和第二區(qū)有流體連通的第三區(qū)，以保持與第一區(qū)流體和第二區(qū)流體都接觸屏障流體。
39.根據(jù)權(quán)利要求37所述的蓄氣器，其中所述的第三區(qū)包括一可移動的屏障液體，以在所述的容器中將所述的膨脹劑和所述的加壓流體隔開。
40.根據(jù)權(quán)利要求37-39之一所述的蓄氣器，其中所述的加壓氣體是氮氣，所述的膨脹劑是丙烷。
41.根據(jù)權(quán)利要求39或40所述的蓄氣器，其中形成液體屏障的流體是水。
42.根據(jù)權(quán)利要求38-41之一所述的蓄氣器，其中所述的容器保持在高于2，500磅/吋2(表壓)的壓力及高于200°F(93℃)的溫度下。
全文摘要
本發(fā)明提供了在高壓煙草浸漬條件下的快速輸出率來膨脹煙草的方法和裝置。本發(fā)明的方法和裝置在循環(huán)時間少于20-30秒；使用諸如丙烷的預(yù)熱預(yù)加壓膨脹劑；預(yù)熱煙草料；和/或在高壓浸漬區(qū)中壓縮煙草以大大增加高壓浸漬容器中的有效空間的煙草膨脹工藝中特別有用。
文檔編號A24B3/18GK1099587SQ94106900
公開日1995年3月8日 申請日期1994年6月14日 優(yōu)先權(quán)日1993年6月14日
發(fā)明者H·S·伯德, L·J·康拉德, J·E·克魯克, J·E·勒凡特, R·C·約翰遜, D·A·牛頓, H·內(nèi)山, J·L·懷特 申請人:R·J·雷諾茲煙草公司