从专利角度谈粉料细微供料技术

摘 要：粉料的包装离不开计量，粉料细微供料技术直接影响计量的精确度以及速度，进而影响包装质量。本文介绍了粉料细微供料技术的技术背景，阐述了粉料细微供料技术的全球发展趋势，并重点介绍了粉料细微供料技术的螺杆计量，阀门计量，组合式计量，其他计量方式如皮带给料，转动计量等技术分支的技术发展历程。

关键词：粉料；细微供料；螺杆；阀门；组合

1 背景

粉体的包装离不开计量充填机械，计量充填机械一般由物料供给装置、计量装置、下料装置等组成。计量充填机械大体分为三类：

（1）容积式充填机。将产品按预定容量充填到包装容器内，体积较小，计量速度高，计量精度低；

（2）称重式充填机。将产品按预定质量充填到包装容器内。其结构复杂，体积较大，计量精度高，计量速度低；

（3）计数式充填机。将产品按预定数目充填到包装容器内。其结构复杂，计量速度较高[1]。

容积式充填机，对粉状、颗粒状、液体、膏体等形式的物料以一定容积的装置进行计量和充填，又分为量杯式、插管式、柱塞式、螺杆式、料位式、定时式等几种；称重式充填机，利用称重方法进行计量，常用于计量精度要求较高的粉料状物料，又有动态秤量、静态秤量、间歇秤量和连续秤量之分[2]。

随着包装业的飞速发展，传统的容积法计量是无法满足计量精度的，由于在称重过程中需要控制计量精度机速度，单纯的称重方法也无法满足计量需求。因此，为了提高计量的速度和精度，粉料细微供料技术的研究成为研究学者热衷的课题之一。

2 粉体细微供料的全球发展趋势

2.1 粉体细微供料技术专利申请全球发展趋势

由图1、2可见，1949年以前粉料细微供料处于低速发展时期，1950年到1995年期间粉料细微供料处于第一高速发展时期，1995年以后粉料细微供料处于第二高速发展时期（2013年以后的专利申请有一部分还没有公开，因此统计出的数量较少）。虽然我国的专利事业起步相对于发达国家较晚，然而粉料细微供料技术发展至今，中国的专利申请量位居第二。

由图3、4可见，我国粉料细微供料技术起步相对比较晚，2002年以前专利申请非常少，然而随着我国经济的快速发展，现今我国在粉料细微供料技术方面发展迅速。2005年以后，我国粉料细微供料技术的专利申请比重已经位居第一，并且2010年之后增长速度不断加快（2013年以后的专利申请有一些部分还没有公开，因此统计出的数量较少）。

2.2 粉料细微供料的专利技术分析

专利申请文件在粉料细微供料技术方面主要分为如下几个技术分支：（1）螺杆计量；（2）阀门计量；（3）组合式计量；（4）其他计量方式，如皮带给料，转动计量。且各个技术分支的专利申请比例如下图5所示。

下面，从上述粉料细微供料技术的4个技术分支方面介绍粉料细微供料技术发展路线。

2.2.1 螺杆计量

由于螺杆计量适用于各种粉状或小颗粒的物料，既可调节装料的螺杆转速，也可以调节给定的时间，它的调节幅度比较大，适用比较广，能满足不同的计量要求[3]，因此，螺杆计量是粉料细微供料技术中比较重要的一种计量方式。螺杆计量目前主要有单螺杆供料和多螺杆供料两个个技术分支，并对每个技术分支不断地进行改进。

（1） 单螺杆给料。早在1938年德国就提出了单螺杆供料的构想（如专利DE667784C），1951年采用转轮、螺杆与弧形门结合的方式控制给料速率（如专利CH290339A），1970年出现采用电机驱动螺杆的方案（如专利DE1486107B），1977年在料仓内装设搅拌系统（如专利JP52-91376U），1983年采用脉冲比较器与控制单元共同驱动电机以驱动螺杆粗细供料（如专利US4381545A），1986年提出采用充气嘴增加物料流动性的构想（如专利JP61-27241B2），2003年采用计时器设定高速充填时间和低速充填时间，（如专利JP2003-137201A），2009年出现振实装置（如专利CN201240511Y），2011年出现了柔性螺旋输送器（如专利CN201825240U），2013年采用破拱机构和螺旋输送机构同时运作（如专利CN203306240U）。

（2） 多螺杆给料。1956年美国提出了采用一台电机驱动直径相同的双螺杆的构思（如专利US2754996），1979年采用了两台电机驱动不同直径的螺杆控制供料精度进行多级给料（如专利AU44297/79A），2003年采用三根平行于机体的进料输送螺杆进料（如专利CN2530888Y），继而出现了将主料斗中的粉料振动供给两个内设有螺杆的辅助料斗的方案（如专利JP2003-146310A），2005年出现了对于不同粉料按比率给料的技术（如专利JP2005-170394A），2006年采用水平设置的螺杆与竖直设置的螺杆（如专利JP2006-168776A），2007年采用粗放料气缸和细放料气缸驱动螺杆（如专利CN2902898Y），2008年采用不同径且分别相互控制的双螺旋送料装置（专利CN201026998Y），2010年在双螺旋给料机的出料口上方设置除尘管（专利CN201614014U），2013年采用大螺杆与小螺杆快速旋转快进料、大螺杆与小螺杆慢速旋转中进料、大螺杆停止小螺杆低速旋转慢进料的三个给料阶段（如专利CN202966693U）。

2.2.2 阀门计量

由于螺旋定量给料的机构较为复杂，其高精度计量往往通过微小流量取得，灌装时间较长，且无法避免物料与机械转动零件的接触，利用螺杆控制给料量存在设备清洗、拆卸和安装操作复杂，对工人的操作技术水平要求高，对螺杆支撑轴承的密封要求严格，不允许有任何油脂泄漏等问题[4]，因此出现了阀门计量技术。

1981年美国提出了通过控制阀门开度大小而控制粉料计量精度的构想（如专利US4300600A），1987年日本提出采用一个气缸带动闸门移动的形式控制给料速率（如专利JP9-2401A），1999年采用粗喂气缸和细喂气缸分别控制闸板的粗细给料（如专利CN2333623Y及CN2337072Y），2006年出现了粗采用多个阀门控制供料的方案（如专利CN2844004Y），2008年欧局提出了通过控制管阀的开度大小调节粉料流量的构想（如专利EP1912001A1），日本采用气缸驱动夹杆带动圆球形挤压件控制软管阀的开度（如专利JP2008-94496A），2009年采用电磁阀控制串联气缸动作而带动闸板的全开、半开、全关（如专利CN201268403Y），2011年通过控制锥形阀的开度实现精确计量（如专利CN201729279U），2013年提出高精度隔膜计量系统（如专利CN103057730A）。

2.2.3 组合式计量

1960年采用转盘式双工位填充组合计量（如专利CH383866A），1987年出现了容积式粗供料与螺杆细供料结合的构思（如专利US4662409A），1996年出现了容积计量的方案（如专利JP8-327439A），2012年在螺旋给料管上设置辅助除尘装置（专利CN102351051A）。

2.2.4 其他计量方式

皮带给料（如专利CN201999220U及CN202201175U），转动计量（如专利CN2861013Y中提出的转盘式进料装置）。

3 总结

通过以上分析可以看出，近些年粉料细微供料技术领域的全球申请量比较稳定，我国申请量虽然有所提高，但是在研究深度方面与国外还是有差距；目前国内申请量呈现出逐年增长的趋势，这显示出我国企业在该领域的巨大发展潜力，也表明我国粉料细微供料技术的专利意识有所提高。

参考文献：

[1]张新昌编.包装概论[M].印刷工业出版社，2011（08）第2版：100-101.

[2]唐四元，鲁艳霞.现代物流技术与装备[M].清华大学出版社，2011（08）第2版：159.

[3]无锡轻工业学院等.食品工厂机械与设备[M].中国轻工业出版社，1981：100.

[4]秦皇岛源达科技有限公司.气力给料奶粉计量充填机[p].2011.