CN101547776B - 在吹塑成型过程中从用过的压缩空气中回收能量而进行的模具冷却 - Google Patents

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Abstract

通过使排气膨胀冷却和/或使排气通过在其出口处供应冷气体的涡流管(23)来从吹塑成型过程中使用的压缩气体中提取能量。然后，引导所述冷气体通过模具(12)中的冷却通道(13)。这避免了使冷却剂再循环或在外部变冷的需求并节省了能量。

Description

在吹塑成型过程中从用过的压缩空气中回收能量而进行的模具冷却
技术领域
本发明涉及对吹塑成型过程中所使用的模具的冷却，更具体地涉及通过从用于操作成型机和使模具中的容器成形的压缩空气或气体中回收能量来冷却模具或模具的部段。
背景技术
在制造例如为PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)瓶的塑料容器中所采用的典型吹塑成型过程中，塑料原材料被加热到约95℃，该温度比塑料原材料的玻璃态转变温度高20℃。所供应的热使塑料原材料软化，这样它可被拉伸和成形以填充模具。压力约为30bar和温度约为20℃至30℃之间的压缩空气被吹入容器的预制件(预成型坯)的内部，迫使容器贴靠在模具的壁上。这样，容器呈模具型腔的形状。
在吹塑成型的容器从模具中移出前，模具被冷却到低于塑性材料的玻璃态转变温度，即，对PET来说低于大约70℃。在现有的成型机中，通过使约12℃的冷冻水流过布置在模具中或模具上的冷却通道来冷却模具。水在闭环制冷系统中被冷冻并通过绝热的管道系统泵送到吹塑模具，在该吹塑模具处它流过冷却通道。在成型过程中，水的温度升高约2℃。然后水从模具返回到制冷系统以便散热。
水冷系统会结垢并受腐蚀，维护很昂贵且需要供应外部能量来将水冷冻，而在吹塑成型过程中使用的压缩气体所包含的能量却被浪费，因为压缩气体仅被排放到周围环境中。
因此，希望提供一种使用较少能量来冷却吹塑成型机的系统和方法。
发明内容
本发明提供一种使用较少能量来冷却吹塑机的系统和方法。本发明还可实现从用于对模具吹气和操作机器的压缩气体中回收原本会浪费的能量的结果。所回收的能量用于冷却模具。
根据本发明的一个方面，用于吹塑机的模具的冷却装置包括膨胀式冷却器和冷却通道，所述膨胀式冷却器具有高压侧和低压侧，其中高压侧接收用于使吹塑机中的物品成型的第一温度的加压气体，所述冷却通道设置在模具中且从膨胀式冷却器的低压侧接收比第一温度低的第二温度的气体。第二温度的气体流过冷却通道并冷却模具。
根据本发明的另一方面，一种用于冷却吹塑设备的模具的方法包括以下步骤：使来自吹塑设备的加压室的第一温度的气体排出通过膨胀式冷却器以提供比第一温度低的第二温度的气流，和将第二温度的气流引导通过模具中的冷却通道以冷却模具。
有利的实施例可包括一个或多个以下特征。冷却装置可包括歧管，该歧管构造成将加压气体供应到待成型物品的内部容积，并将加压气体从已成型的物品排出到膨胀式冷却器的高压侧。膨胀式冷却器可具有文丘里收缩部(Venturi constiction)。
在一个实施例中，可在膨胀式冷却器的低压侧和冷却通道之间安置至少一个涡流管。该涡流管具有构造成接收来自膨胀式冷却器的低压侧的气体的入口和与冷却通道流体连通的冷出口。来自冷出口的冷气体通过模具中的冷却通道并冷却模具。可采用多于一个的涡流管，这是因为模具可包括带有单独的冷却通道的数个模具部段。不同的涡流管可连接到各个模具部段中的不同的冷却通道。
在一个实施例中，可在至少一个第一涡流管的上游设置储存器，其中该储存器的压力介于加压气体的压力和涡流管的出口处的压力之间。该中间压力优选为独立于吹塑机的成型周期而恒定不变。
吹塑设备可包括一个或多个用于将吹气喷嘴连接到模具颈部和操作用于拉伸物品预制件的拉伸杆的致动器，所述致动器可气动地操作。从致动器排出的和/或来自成型设备的任何其它加压部分的气体可被引导通过另外的涡流管，该涡流管然后也可向冷却通道供应冷却气体。优选地，从至少一个致动器排出的加压气体和从加压的成型物品排出的加压气体是冷却模具的仅有的能量源。
吹塑设备的周期运行可由定时电路来定时，该定时电路构造成操作各个阀、歧管、致动器等。额外的能量可从各个涡流管的热出口回收，其中热气体例如用于升高或保持预制件的温度或加热模具体部以控制容器的收缩。
待成型的物品可由塑性材料制成，且涡流管的冷气体出口处的气体温度可有利地调节成低于塑性材料的玻璃态转变温度。
从以下对示例性实施例的描述及权利要求可清楚看到本发明的其它特征和优点。
附图说明
在结合附图考虑以下详细描述时可清楚看到本发明的上述和其它目的及优点，在附图中，相似的附图标记自始至终表示相似的部分，且其中：
图1示出用于冷却吹塑模具的传统系统；及
图2示出根据本发明的用于冷却吹塑模具的系统。
具体实施方式
本发明涉及在成型过程完成时有效地冷却模具以便将尺寸稳定的容器从模具中取出的系统和方法。特别地，本文描述的系统和方法可从吹塑成型过程中使用的压缩气体中回收能量。回收的能量用于冷却模具，从而与采用再循环冷冻水进行冷却的传统冷却方法相比节省了能量。
图1示意性地示出传统的吹塑系统10，该吹塑系统包括模具12，该模具带有模具底部12a、侧部12b、12c和模具颈部12d。模具底部12a、侧部12b、12c和模具颈部12d可分离以便于制成的容器11从模具中取出。尽管模具12示出为具有两个侧部12a、12b，但是应当理解模具12可仅具有一个侧部或具有多于两个的侧部。用于冷却模具12的冷却通道13a、13b、13c穿过模具部段12a、12b、12c和12d。
在吹塑成型过程中，容器通过将例如由PET制成的预制件(塑料的小管，具有预先成型于该塑料中的盖螺纹)例如在红外炉中加热到约95℃而形成。塑料在此温度下变软。然后，被加热的预制件(未示出)安置于模具12内，且吹气喷嘴15由致动器(例如所示的示例性的气动操作的线性致动器28)或凸轮(未示出)降低，从而将预制件密封在模具中。所示实施例中的致动器28或凸轮由压力在约3bar到约7bar之间的压缩气体操作。该气体经由四通阀29供应到致动器28的相应腔室以移动活塞28a。来自其它未加压的腔室的空气通过止回阀48排到大气49中。
一旦预制件被密封于模具中，拉伸杆27便例如通过同一致动器28或不同的致动器(未示出)以特定的机械速率降低，从而拉伸预制件以便至少部分地填充模具型腔。
来自示例性的空气供应源17的压缩空气首先以较低的压力(约6bar至约15bar之间)通过管路14c、三通阀16、管路14a和吹气喷嘴15被引入预制件的内部，以使塑料均匀地分布于模具内部。三通阀可以是凸轮或螺线管操作的，或由本领域已知的任意合适的致动器供能(致动)。一旦预制件被完全拉伸，气体压力便增加到约30bar至约40bar之间以便迫使预制件贴靠于模具的内表面并形成轮廓。气体的压缩使得预制件内的气体变热。当膨胀的预制件接触模具的型腔时，来自预热的预制件内的热气体的热能被传递至模具12。
在容器形成后，致动器28将所连接的拉伸杆27升高离开新形成的容器，凸轮操作的三通阀或电磁阀16开启且容器内的气体被排到大气49中。吹气喷嘴15被凸轮或气动致动器升高，且新形成的容器从模具中移出。在传统吹塑机中，加压气体内储存的能量基本被浪费。
在制成的容器11能从模具12中移出前，模具12需要被冷却到塑性容器材料的玻璃态转变温度以下。这是如此实现的，即，可能在整个成型周期期间，而不仅仅是在容器从模具中移出时，使冷却剂连续地流过冷却通道13a、13b、13c。冷却剂也需要被冷冻，这需要附加的能量。
根据机器的能力，典型的吹塑机能以每个模具每分钟18至30个容器的速度制造容器。在下面的示例中，假设容器的大小是1升，但是该系统也能以其它的容器尺寸运行。传递到模具的热与气体体积成比例，并因此与所生产容器的内部容积成比例，即较小的容器向模具传递较少的热，该模具从而需要较少的冷却。
用于形成1升的容器的压缩空气的压力是30bar至40bar(435-580psi)。假设每个模具每分钟制造约18至约30个容器，这表示每个模具型腔中压力在约30bar至约40bar之间的压缩空气为每分钟约18到约30升，或在此压力下对于34型腔的机器来说在约0.6m3/min至约1.0m3/min之间。操作压力约为7bar的附加的压缩空气被操作拉伸气缸27和吹气喷嘴15的致动器使用，并来自机器的其它加压部分。对于34型腔的机器来说，在该操作压力下此附加的体积在约1.5m3至约2m3之间。根据本发明的方法，移动吹气喷嘴和拉伸杆的致动器或凸轮、以及阀致动器中包含的全部气体体积都可用于冷却模具。
图2示意性地示出根据本发明的示例性吹塑系统20，与图1的传统系统不同，该吹塑系统从压缩气体中回收能量以冷却模具12或模具12的至少一些部分，例如模具颈部12d。系统20的模具12与图1中示出的系统10的模具12基本相同且包括模具底部12a、模具部段12b、12c和模具颈部12d。用于冷却模具的冷却通道13a、13b、13c在各个模具部段12a、12b、12c、12d中延伸。
如前所述，可实施为凸轮的致动器28例如可由压力在约3bar至约7bar之间的压缩气体源39气动地驱动。拉伸杆27优选地由致动器28降低以便拉伸模具12中的预制件，然后，容器预制件可由压缩气体源17经三通阀16和连接于吹气喷嘴15的气体管路14a加压到约30bar到约40bar之间，以便迫使预制件贴靠于模具的内表面并形成轮廓。但是，与在传统系统10中在每个成型周期结束时被排放到大气中不同，留存在制成的容器中的加压气体流过气体管路14a和三通阀16及管路24b并进一步通过止回阀32和直接膨胀扩散器(例如，文丘里喷射器)18到达气体储存器26。或者，能够使用如下描述的涡流管代替膨胀扩散器18以冷却加压气体。气体储存器26的压力例如可保持在约3bar至约7bar之间。储存器26中的气体在膨胀后的温度可低于环境温度，例如温度在约10℃至约20℃之间，这取决于操作条件，例如流量和压力。
尽管流过膨胀扩散器18前的管路14a、24b的气体通常是断续的——例如对同步运行的模具型腔来说每分钟在约18次至约30次之间——但是储存器26可“缓冲”这些压力波动，使得储存器26中的压力基本保持不变。任何过量的压力优选地通过安全减压阀42释放，该安全减压阀可位于储存器26上。
储存器26通过歧管22连接到一个或多个涡流管23a、23b、23c的高压侧。例如为示例性的涡流管23a的涡流管具有用于压缩气体的入口231(通常是侧部端口)、位于涡流管的一端且输送可调节体积分数的被冷却气的出口232(也称为冷端)和位于涡流管的相对端的用于输送在涡流管中被加热的互补体积分数的热气体的另一出口233(也称为热端)。从涡流管的冷端232释放的气体的体积分数和温度可通过调节输入压缩气体的经所述管的冷端被释放的百分率来调节，该百分率可称为“制冷系数/冷流率(cold fraction)”。该制冷系数还与涡流管的涡流管类型有关——即，涡流管可设计为“高制冷系数”发生器或“低制冷系数”发生器。制冷系数低的涡流管，即总气体输入的在该涡流管的冷端离开的体积百分率较小的涡流管通常将导致冷端处气体的温度较低。
涡流管23a、23b、23c降低从储存器26供应到涡流管23a、23b、23c的相应入口并在冷端离开的一部分气体的温度。涡流管23a、23b、23c的尺寸优选地设定为与从制成的成型容器排出的总流量在约0.6m3/min至1.0m3/min之间的压缩气体相适配。
离开涡流管23a、23b、23c的冷端的气体优选流过设置在模具部段12a、12b、12c、12d中的相连接的冷却通道13a、13b、13c。在涡流管23a、23b、23c中，气体压力从储存器26中的约3bar至约7bar之间下降到在相应制冷系数端口处的约1bar。阀33a、33b、33c可连接在涡流管23a、23b、23c和相应的流动通道13a、13b、13c之间，或者连接在气体流路中的任意其它合适的位置以用于连接和/或调节冷却气体的流动。涡流管23a、23b、23c的尺寸优选设定为与通过各单个模具型腔的冷却通道的总流量匹配。
如果模具是铸造的(例如铝模的情况)，则模具中的冷却通道可在铸造期间形成为小的通路。作为替换或附加地，冷却通道可通过例如简单的横向钻削(cross drill)的方式钻入模具部段内。在流过通路13a、13b、13c并从模具(部段)吸热后，用于冷却模具的气体优选地通过隔音装置25a、25b、25c排出以减小噪声。已证实，以约1.5bar的压力和约0.3m3/min的流量进入涡流管的空气的温度可降低约28°K。此冷空气可通过模具冷却通道并移除由吹塑成型过程产生的热，优选地不需要额外的冷却能量。
额外的能量可从操作致动器28、拉伸气缸27和吹气喷嘴15的压缩气体回收，该压缩气体的压力和储存器39中的气体的压力相同。此气体也可被引导通过附加的涡流管23d以便在附加的涡流管23d的冷端处提供附加的冷气流。涡流管23d的出口可连接到冷却通道13a、13b、13c中的任一个或连接到这些冷却通道的组合。应理解，涡流管23a、23b、23c、23d的输出量(throughput)应当与冷却通道13a、13b、13c的容量适当地匹配。
定时电路40可连接到各个阀16、33a、33b、33c和致动器28以便为预制件向模具中的插入、预制件的加压和成型物品的卸压以及成型物品从模具中的取出适当地进行定时，该定时电路可以是传统成型系统的一部分。
在热端233离开涡流管23a的热气体可被引导通过热交换器(未示出)以便在预制件进入预热炉前或在预热过的预制件从预热炉传送到吹塑轮时对预制件进行预热，从而回收附加的能量。
过量的回收冷空气(未示出)可用于冷却炉中的容器的颈部阻隔装置(barrier)以防止带螺纹的颈部制成部扭曲，仍使用涡流管的冷端来供应冷却空气。
总地来说，已描述了在将成型物品移出时利用来自吹塑模具的加压部分的压缩气体的热能来冷却模具的方法和系统。此方法节省了能量，否则该能量必须被消耗以用于使冷却剂(例如冷却水或气体)变冷。
虽然已结合详细示出和描述的优选实施例公开了本发明，但是对于本领域技术人员来说在此基础上进行各种修改和改进是显而易见的。例如，涡流管和直接膨胀扩散器可结合使用或者它们的功用可互换。本领域技术人员应理解，本发明能以不同于所述实施例的方式实施，所述实施例的目的是为了例述而非限制，本发明仅由所附权利要求来限制。

Claims (20)

1.一种用于吹塑机的模具的冷却装置，包括：
膨胀式冷却器，该膨胀式冷却器具有高压侧和低压侧，所述高压侧接收用于使吹塑机中的待成型物品成型且具有第一温度的加压气体；和
冷却通道，该冷却通道设置在所述模具中且接收来自所述膨胀式冷却器的低压侧的、具有比所述第一温度低的第二温度的气体，所述具有第二温度的气体流过所述冷却通道并冷却所述模具。
2.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，还包括歧管，该歧管构造成将加压气体供应到待成型物品的内部容积，以及将加压气体从已成型物品排到所述膨胀式冷却器的高压侧。
3.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述膨胀式冷却器包括文丘里收缩部。
4.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，还包括至少一个第一涡流管，该第一涡流管设在所述膨胀式冷却器的低压侧和所述冷却通道之间，并具有构造成接收来自所述膨胀式冷却器的低压侧的气体的入口和与所述冷却通道流体连通的冷出口。
5.根据权利要求4所述的冷却装置，其特征在于，还包括设置在所述至少一个第一涡流管的上游的储存器，所述储存器的压力介于加压气体的压力和所述至少一个第一涡流管的冷出口处的压力之间。
6.根据权利要求5所述的冷却装置，其特征在于，所述储存器的压力独立于所述吹塑机的成型周期而基本恒定不变。
7.根据权利要求6所述的冷却装置，其特征在于：
所述模具包括多个模具部段，每个相应模具部段具有专用的冷却通道；
所述冷却装置包括多个第一涡流管；及
所述多个第一涡流管的每一个连接到所述模具部段中的相应一个模具部段的冷却通道。
8.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述吹塑机包括致动器，该致动器构造成操作吹气喷嘴和拉伸杆中的至少一个，所述吹气喷嘴用于将加压气体连接到待成型物品的内部容积，所述拉伸杆用于使待成型物品的预制件扩大。
9.根据权利要求8所述的冷却装置，其特征在于，所述致动器是气动致动器。
10.根据权利要求8所述的冷却装置，其特征在于，所述致动器是凸轮。
11.根据权利要求9所述的冷却装置，其特征在于，
所述致动器由加压气体操作；所述冷却装置还包括：
具有入口和冷出口的第二涡流管，该入口构造成接收在成型周期结束时至少从所述致动器排出的加压气体，该冷出口与所述模具的用于冷却所述模具的冷却通道流体连通。
12.根据权利要求11所述的冷却装置，其特征在于，至少从所述致动器排出的加压气体和从加压的已成型物品排出的加压气体是冷却所述模具的仅有的能量源。
13.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，还包括定时电路，该定时电路限定所述吹塑机的成型周期。
14.根据权利要求4所述的冷却装置，其特征在于，所述第一涡流管包括热出口，该热出口供应用于加热待成型物品的预制件的热气体。
15.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，
所述待成型物品由具有玻璃态转变温度的塑性材料制成；以及
所述第二温度低于所述塑性材料的玻璃态转变温度。
16.一种用于冷却吹塑设备的模具的方法，包括：
使来自所述吹塑设备的加压室的、具有第一温度并用于使所述吹塑设备中的物品成型的气体排出通过膨胀式冷却器以提供具有比所述第一温度低的第二温度的气流；和
将具有所述第二温度的气流引导通过模具中的冷却通道以冷却所述模具。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述引导包括：
提供第一涡流管；
使离开所述膨胀式冷却器的气流流到所述第一涡流管的入口；和
使从所述第一涡流管的冷端离开的气体流过所述模具中的冷却通道。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述加压室包括在所述模具中成型的物品的内部容积。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述第二温度低于生产所述物品的材料的玻璃态转变温度。
20.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，还提供第二涡流管，该第二涡流管接收来自用于操作所述吹塑设备的加压部件的加压气体，并且还使离开所述第二涡流管的冷端口的冷气体通过所述模具中的冷却通道以冷却所述模具。
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