CN103619554A - 外壁温度较低的容器粗坯的加热方法及粗坯的加热单元 - Google Patents

Abstract

塑料材料制粗坯（2）的加热方法，用于利用粗坯（2）通过成形制造中空体，加热方法包括如下的操作：将粗坯（2）引入配有在红外域中发射的单色或准单色的电磁辐射源（9）的炉（7）中；使粗坯（2）在预定的照射时间期间经受调整到预定的发射功率的电磁辐射源（9）的辐射；测量粗坯（2）的外壁（16）上的温度（T_ext）；其特征在于，加热方法还包括以下操作：只要在炉（2）的出口测得的温度不在T_g到1.8·T_g之间，就调整照射时间和/或发射功率，其中T_g是材料的玻璃转化温度。

Description

外壁温度较低的容器粗坯的加热方法及粗坯的加热单元

技术领域

本发明涉及利用塑料材料如聚对苯二甲酸乙二醇脂（PET）的粗坯通过成型来制造容器，特别是细颈瓶、小瓶。

背景技术

在下文中设定粗坯是预成型坯，尽管可以涉及已经受过第一吹塑和用于经受第二吹塑以获得最终容器的中间容器。

容器制造包括两个主要步骤：加热步骤，在其过程中，粗坯经受红外发射源的电磁辐射；随后是成型步骤，在其过程中，加压流体被注入这样被加热的粗坯中，以赋予粗坯以最终的容器形状。

预成型坯的壁厚一般为数毫米，而成品容器的厚度小于1毫米（通常约为零点几毫米）。因此可明白的是，材料（经受双重拉伸：轴向拉伸和径向拉伸）的变形率沿预成型坯的厚度变化。更确切的说，预成型坯内壁的拉伸率大于外壁的拉伸率，其比相应于吹塑时壁面积的变化。

鉴于使得难以计算容器内外壁的最终面积的成品容器形状的复杂性，因而通过计算由相关壁的径向拉伸率和轴向拉伸率之乘积所确定的每个壁的双取向率，来估算材料的变形率。

以重27克、外径D_ext为22.26毫米、内径D_int为14.56毫米、颈部以下的外长L_ext为85毫米及颈部以下的内长L_int为79毫米的预成型坯为例，该预成型坯用于形成容量为0.5升、平均直径D为65.5毫米（容器内径和外径之差可忽略）及颈部以下的平均长度L为243毫米的容器。

外壁的径向拉伸率TD_ext和轴向拉伸率TA_ext计算如下：

${\mathrm{TD}}_{\mathrm{ext}}=\frac{D}{D_{\mathrm{ext}}}=\frac{\mathrm{65,5}}{\mathrm{22,26}}=\mathrm{2,95}$

${\mathrm{TA}}_{\mathrm{ext}}=\frac{L}{L_{\mathrm{ext}}}=\frac{243}{85}=\mathrm{2,86}$

因此，外壁的标记为BO_ext的双取向率计算如下：

BO_ext=TD_ext×TA_ext=2,95×2,86=8,44

内壁的径向拉伸率TD_int和轴向拉伸率TA_int计算如下：

${\mathrm{TD}}_{\mathrm{int}}=\frac{D}{D_{\mathrm{int}}}=\frac{\mathrm{65,5}}{\mathrm{14,56}}=\mathrm{4,5}$

${\mathrm{TA}}_{\mathrm{int}}=\frac{L}{L_{\mathrm{int}}}=\frac{243}{79}=\mathrm{3,08}$

因此，外壁的标记为BO_ext的双取向率计算如下：

BO_int＝TD_int×TA_int=4，5×3，08＝13，86

前述计算提供内壁的双取向率BO_int和外壁的双取向率BO_ext之比R：

$R=\frac{{\mathrm{BO}}_{\mathrm{int}}}{{\mathrm{BO}}_{\mathrm{ext}}}=\frac{\mathrm{13,86}}{\mathrm{8,44}}=\mathrm{1,65}$

换句话说，预成型坯内壁的双取向率比外壁的双取向率要大约65%。

内壁和外壁之间的这种拉伸差异导致在壁之间的材料中出现应力，其使得难于成型、因而难于正确形成容器。

这就是看来必须使内壁比外壁具有更大的变形能力的原因。在这方面，已知将加热过程调整成获得高于外壁温度T_ext的内壁温度T_int，或者换句话说，获得正温度变量ΔT（其中，ΔT=T_int-T_ext）。实际上，在传统的加热（尤其是卤素灯加热）方法中，温度变量ΔT默认为负，外壁温度T_ext高于内壁温度T_int。

如法国专利申请FR2935924（SIDEL）中所解释的，为获得这种正温度变量，主要利用两个参数：一方面，预成型坯的通风，以冷却外壁；另一方面，加热结束后预成型坯的热稳定时间，以通过热传导平衡温度。

但是，难以微调温度变量。

此外，能量平衡较差。实际上，不仅使内部温度达到期望值所需的辐射功率很大（这需要相应高的电功率），而且还必须消耗更多功率以给外壁通风降温。

发明内容

第一目的是通过更好地控制内壁和外壁之间的温度变量来提高容器成型能力。

第二目的是提高加热的能量平衡，并保持（优选提高）成品容器的质量。

为此，首先提出一种对塑料材料制粗坯的加热方法，用以利用粗坯通过成型制造中空体，所述加热方法包括如下的操作：

-将粗坯引入到配有在红外域中进行发射的单色或准单色的电磁辐射源的炉中；

-使粗坯在预定的照射时间期间经受调整到预定的发射功率的电磁辐射源的辐射；

-测量粗坯外壁上的温度；

–只要在炉出口测得的粗坯温度T_ext不在T_g到1.8·T_g之间，就调整所述照射时间和/或所述发射功率，其中T_g是材料的玻璃转化温度。

已发现，在这些条件下，粗坯内壁温度保持高于外壁温度，即温度变量为正。由此对于较少的消耗电功率，粗坯具有更好的可吹塑性，尤其是降低成品中的残余应力。

温度测量可以呈点状（ponctuelle），或者可以在于利用热成像摄像机建立粗坯外壁的热廓线。

照射时间的改变可以通过切断一些电磁辐射源、或通过切断一些电磁辐射源组进行、甚至或者通过改变粗坯在炉中的行进速度来进行。

其次，提出一种计算机程序产品，其用于存储在处理单元的存储器中和/或存储在处理单元的读取器可读的存储载体上，包括用于实施上述操作的指令。

第三，提出一种用于加热塑料材料制的具有中空体的粗坯的加热单元，其具有：

-炉，其配有多个在红外域中进行发射的单色或准单色的电磁辐射源，用于在预定的照射时间期间以预定的发射功率加热粗坯；

-热传感器，其布置在炉的出口，设置用于测量粗坯外壁上的温度；

-控制单元，所述控制单元被编程控制，以便只要在炉出口测得的粗坯温度T_ext不在T_g到1.8·T_g之间，就调整所述发射功率和/或所述照射时间，其中T_g是材料的玻璃转化温度。

优选按功率可单独调节的队列设置的电磁辐射源例如是激光，尤其是激光二极管。根据一具体实施方式，这涉及VCSEL（垂直腔面发射）型激光二极管。

附图说明

通过阅读下文参照附图对优选实施方式所作的描述，本发明的其它目的和优点将得到体现，附图中：

-图1是透视图，部分地示出一个加热单元，加热单元包括被点状红外源铺覆的壁，预成型坯行进过该壁前面；

-图2是图1的加热单元的横剖面正视图；

-图3是线图，示出不同的沿预成型坯壁厚度的温度廓线。

具体实施方式

图1和2中示意地示出用于加热容器粗坯2的加热单元1。粗坯2在此情形下是预成型坯，不过也可涉及已经受过临时成型作业及用于经受一个或多个最终作业以获得最终容器的中间容器。

每个以热塑性材料如聚对苯二甲酸乙醇酯（PET）制的预成型坯2，包括颈部3和主体4，颈部3不经受（或略微）经受加热，颈部形状是最终的，主体4朝与颈部3相反的方向终止于半球形的基底5（或者在一些情况下，基底呈圆锥形）。

在颈部3和主体4之间的接合处，预成型坯2具有环箍6，在多个制造容器的步骤，预成型坯2通过环箍6被悬挂。

但在加热单元1中，预成型坯2固定于枢转支架，枢转支架称为转盘，带动预成型坯2围绕其主轴线A转动，以使颈部以下的部分（主体4及基底5整体）经受加热。每个转盘固定于通过轮带动的链，且包括小齿轮，小齿轮啮合于固定或活动的啮合件如传动带或链，使得位于预成型坯1圆周上的每个点都在预成型坯2的路径上描画出一条摆线，其周期等于预成型坯2围绕其主轴线A完整回转一周所经过的距离。

在图1和图2上，示出颈部3向上的预成型坯2，不过这种表示是随意的和示意性的，预成型坯2可以颈部朝下地定向。

加热单元1包括炉7，炉7具有至少一个辐射壁8，预成型坯2面对该辐射壁行进。该壁8被铺覆有多个电磁辐射源9，所述多个电磁辐射源以同时单色（或准单色）且朝预成型坯2定向的方式在红外域中进行发射。

在变型中，加热单元包括多个铺覆有辐射源的腔室，每个腔室中接纳有一个预成型坯以在其中单独加热该预成型坯。

理论上，单色源是发射单一频率正弦波的理想源。换句话说，其频谱由零谱宽的单一谱线（Dirac：狄拉克）组成。

实际上，这类源并不存在，实际的源最好是准单色的，即其频谱在谱宽较小却非零的频带上延伸，所述频带定中心在辐射强度最大的主频率上。由于术语过度使用，而习惯将这类实际的源定性为单色源。此外，将以准单色的方式在离散频谱上发射的源定性为“准单色源”，所述离散频谱包括在不同的主频率上定中心的多个窄频带。又称多模源。

实际上，这些源9通过并置和叠置安排以形成一个矩阵10。这例如涉及激光源9，优选激光二极管。根据优选的一实施方式，源9是垂直腔面发射激光二极管（VCSEL），每个二极管9例如发射一激光束11，激光束的额定单位功率大约几十毫瓦特，其波长位于短红外和中红外范围内，例如大约为1微米。

在预成型坯2的范围内，二极管9可被视作点源，每个点源发射一定向辐射，其即呈锥形光束11的形式，锥形光束的顶部立体半角是封闭的，优选在10°到60°之间（参见图2，其中示出顶部半角为10°的光束11）。光束11可以是回转对称的（即具有圆形截面），或不是回转对称的（例如具有椭圆形截面）。

吸收板（或反射板）12在环箍6的高度水平地布置在辐射壁8和预成型坯2之间的空隙中，用以防止颈部3受到红外辐射。

本专利申请的目的不在于详细描述激光二极管9矩阵10的结构。这就是为什么以一板的形式简化表示矩阵10的原因，二极管9则以点的形式呈现。

根据图1中所示的一优选实施方式，该矩阵细分成多个相邻并且独立的二极管9组13，每组13由形成一矩阵10子组的一二极管队列构成。二极管9队列13可具有相等的宽度或不同的宽度。在这种情况下，该宽度可沿预成型坯2的路径减小（或相反地增大）。

这种结构允许或者通过调整预定的一组13或多组13中的二极管9发出的功率、或者通过切断（即关闭）预定的一组13或多组13中的二极管9，来实施对二极管9发出的辐射的功率（又称强度）的调节。

在变型中，或者作为补充，加热单元1可被设计用于允许调节预成型坯2的行进速度，即预成型坯2受辐射的照射时间。

因此，通过调节发出的辐射的功率和/或通过调节预成型坯2在炉7中的行进速度，可以调节预成型坯2接收到的辐射的功率。

利用集成于计算机并为此进行程序设计的处理器形式的控制单元14通过电子方式，进行对每个二极管9队列13的功率调节。可显示在监控器上的二极管9的功率，介于预定的最小值P_min（例如零）到例如对应于二极管9的标称功率的最大值P_max之间。控制单元14还控制选择二极管9组13亮或灭（即对最小值P_min进行调整），必要时还控制预成型坯2的行进速度。为此，控制单元14例如连接于齿轮，预成型坯2的传动带或链在所述齿轮上运行。

如图1中所示，加热单元1配有热传感器15，热传感器15连接于控制单元14，可测量预成型坯2的外壁16在炉7的出口处的温度T_ext，传感器15或者位于炉中，或者如图1中所示位于炉外（这样，传感器15测得的温度较为准确地相应于在预成型坯2从炉7中输出时刻的外壁16的实际温度）。

温度T_ext的测量可以呈点状（例如在预成型坯2的半高处），在这种情况下，传感器15是简单的热传感器。但优选地，温度测量旨在建立在环箍6以下的主体4的至少一部分（必要时全部）上的外壁16的热廓线。在这种情况下，传感器15可包括面对主体4竖向分布的一系列传感器，或如图1中所示，传感器15可呈布置用于进行外壁16的全面温度记录的（红外）热成像摄像机的形式。

测量结果（或在热成像摄像机情况下的温度记录数据）被传输给控制单元14，所述控制单元14根据这样测得的温度或根据这样建立的温度廓线进行程控，以便：

-通过局部关闭一些二极管9组13和/或调整预成型坯2的行进速度，控制调节预成型坯2受源9的红外辐射的照射时间，

-和/或，全部或部分地、优选地按队列13，控制调节提供给所述源的电功率（因而控制调节所述源9发射的功率），以使预成型坯2的外壁16的温度T_ext保持在预定的范围内，该范围的下限是标记为T_g的材料的玻璃转化温度T_g，而其上限等于1.8·T_g：

T_g≤T_ext≤1，8·T_g

只要温度不在范围[T_g；1.8·T_g]内，控制单元14就对辐射源9开或闭、预成型坯2的行进速度和/或辐射源9的功率进行调整。

根据一优选实施方式，在控制单元14中编程控制在范围[T_g；1.8·T_g]内的设定温度T_c，只要温度T_ext与设定温度T_c不相等（或大致相等，例如约为几度的预定公差除外），控制单元就进行调整。

在点状测量温度的情况下，有关温度T_ext是由简化为简单的热传感器的传感器15所测得的温度。

在用摄像机15进行温度记录测量的情况下，温度T_ext是指在外壁16的任一点所测得的温度，即对于在外壁16上的所测得的所有温度，都应验证上述不等式。为了节省处理时间，控制单元14可进行程序设计，以从测得的热廓线得出所有数值的最小值T_min和最大值T_max，则只需验证以下双重条件：

T_min≥T_g

T_max≤1，8·T_g

已知的是，超过其玻璃转化温度T_g，热塑性聚合物从定义上看是可变形但不会断裂的。

在本情况中，使外壁16的温度T_ext确实高于玻璃转化温度T_g并不足够；还需要预成型坯2的与外壁16相对的内壁17的温度也同样如此。不过，已意外地发现，在以下操作条件下，内壁17的标记为T_int的温度高于外壁16的温度T_ext：

-预成型坯2受到的辐射是单色（或者如已所解释过的，准单色）红外辐射；

-预成型坯2的材料是在红外范围内半透明的聚合物，即其仅部分地传输在该范围内的辐射；

-外壁温度保持在上述界限（T_g到1.8·T_g）内。

对于半透明介质的更精确的定义，可参照Ecole des Mines de Paris（巴黎矿业学校）的M.Bordival在2009年的论文“Modélisation et optimisationnumérique de l’étape de chauffage infrarouge pour la fabrication debouteilles en PET par injection-soufflage（通过注射吹塑法制造PET瓶用的红外加热步骤的数字优化和模型化）”。PET通常是一种半透明的聚合物。

还观察到在这些情况下，在预成型坯2的外壁15和内壁16之间的厚度中，温度发生变化（图3中用实线表示），严格的说逐渐增大。

由此获得沿预成型坯2厚度的热分布，该热分布不同于已知方法的热分布，在已知方法中：

-或者温度变量（ΔT=T_int-T_ext）为负，在外壁和内壁之间，温度逐渐降低（图3中用长点划线表示），这对应于传统的非控制加热，

-或者温度变量为正，在外壁和内壁之间温度平均起来逐渐增大，但是在厚度中具有峰值（图3中用短点划线示出），这对应于试图利用强制通风冷却来控制外壁的传统加热。

在本情况中，预成型坯厚度中的温度严格地逐渐增大，这样可进行吹塑，在吹塑的过程中，容器成型时引起的应力最小化，正温度变量（ΔT=T_int-T_ext）以及在外壁15和内壁16之间没有温度峰值，弥补了壁15、16之间的拉伸率的差异。由此导致材料成型能力提高（因而容器成型能力提高）。

此外，为获得具有正温度变量的期望温度廓线需要提供的能量数量，低于应用已知技术所需要提供的能量数量，而在已知技术中，高温加热外壁以确保向内壁的充分的能量传递，然后给外壁通风以降低其温度及获得温度变量。由此使得能量消耗降低。

功率参数和/或照射时间参数的控制由控制单元14进行。

更确切的说，假设外壁15的温度低于玻璃转化温度，那么，控制单元14就控制：

-增大辐射源9发射的功率，例如，或者局部地在一个或多个队列12上、或者在整个矩阵10上以预定比率增大；

-和/或增加开启的二极管9组13的数量；

-和/或降低预成型坯2在炉7中的行进速度。

相反，假定外壁15的温度T_ext高于1.8·T_g，那么控制单元14就控制：

-降低辐射源9发出的功率，例如，或者局部地在一个或多个队列12上、或者在整个矩阵10上以预定比率降低；

-和/或减少开启的二极管9组13的数量；

-和/或增大预成型坯2在炉7中的行进速度。

这两种操作中的仅一种操作可由控制单元13控制。

如果优先性是保持生产速度，那么，优选的选择是调节功率而不调节生产速度。如果优先性是保持功率（例如为节能），那么，优选的选择是调节行进速度。

但是，可考虑控制单元14同时控制这两种操作，以便获得消耗功率（希望最小）与生产速度（希望最大）之间的良好兼容性。

Claims (11)

1.塑料材料制粗坯（2）的加热方法，用于利用粗坯（2）通过成型制造中空体，所述加热方法包括如下的操作：

-将粗坯（2）引入配有在红外域中发射的单色或准单色的电磁辐射源（9）的炉（7）中；

-使粗坯（2）在预定的照射时间期间经受调整到预定的发射功率的电磁辐射源（9）的辐射；

-测量粗坯（2）的外壁（16）上的温度（T_ext）；

其特征在于，所述加热方法还包括以下操作：

-只要在所述炉（2）的出口测得的所述温度（T_ext）不在T_g到1.8·T_g之间，就调整所述照射时间和/或所述发射功率，其中，T_g是材料的玻璃转化温度。

2.根据权利要求1所述的加热方法，其特征在于，温度测量是点测量。

3.根据权利要求1所述的加热方法，其特征在于，温度测量在于利用热成像摄像机（15）建立粗坯（2）的外壁的热廓线。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的加热方法，其特征在于，通过切断一些电磁辐射源（9）、或通过切断一些电磁辐射源（9）组（13），来改变所述照射时间。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的加热方法，其特征在于，通过改变粗坯（2）在炉（7）中的行进速度来改变所述照射时间。

6.计算机程序产品，用于存储在处理单元的存储器中和/或存储在处理单元的读取器可读的存储载体上，所述计算机程序产品具有用于实施根据前述权利要求中任一项所述的加热方法的操作的指令。

7.加热单元（1），用于加热塑料材料制的具有中空体的粗坯（2），所述加热单元包括：

-炉（7），所述炉配有多个在红外域中发射的单色或准单色的电磁辐射源（9），所述电磁辐射源用于在预定的照射时间期间以预定的发射功率加热粗坯（2），

-热传感器（15），所述热传感器布置在所述炉（7）的出口，被设置用于测量粗坯（2）的外壁（16）上的温度（T_ext）；

其特征在于，所述加热单元还包括：

-控制单元（14），所述控制单元被编程控制，以便只要所述温度（T_ext）不在T_g到1.8·T_g之间，就调整所述发射功率和/或所述照射时间，其中T_g是材料的玻璃转化温度。

8.根据权利要求7所述的加热单元（1），其特征在于，所述电磁辐射源（9）是激光。

9.根据权利要求8所述的加热单元（1），其特征在于，所述电磁辐射源（9）是激光二极管。

10.根据权利要求8所述的加热单元（1），其特征在于，所述电磁辐射源（9）是VCSEL型激光二极管。

11.根据权利要求7至10中任一项所述的加热单元（1），其特征在于，所述电磁辐射源（9）按功率能单独调节的队列（13）设置。

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