ES2920970T3 - Dispositivo de calentamiento de preformas - Google Patents

Abstract

La presente invención se relaciona con un dispositivo de calefacción de preforma, en particular un dispositivo de calentamiento que utiliza radiación infrarroja monocromática preferiblemente generada por los láseres. una preforma (p) e irradia una radiación electromagnética en el rango infrarrojo, formando un disco de radiación en dicho dispositivo de acuerdo con una simetría radial con respecto al centro del eje de preforma. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Dispositivo de calentamiento de preformas

La presente invención se refiere a un dispositivo de calentamiento de preformas, en particular un dispositivo de calentamiento que usa radiación infrarroja monocromática preferiblemente generada mediante láseres. Se describen dispositivos de calentamiento de preformas de este tipo en los documentos de patente US2013/011807A1, US2014/166642A1 y DE102006015853A1.

En una línea de envasado de bebidas en botellas de plástico, la primera etapa consiste en calentar las preformas a partir de las cuales se soplará luego la botella, hasta el punto de reblandecimiento de las mismas.

Esta operación se lleva a cabo normalmente en hornos especiales en los que las preformas se hacen pesar en fila a un paso reducido y en los que están dispuestas lámparas emisoras de radiación infrarroja que calientan hasta la temperatura deseada.

Las preformas se conducen a lo largo de la trayectoria de calentamiento por medio de husillos que, debido a la acción de levas adecuadas, se introducen dentro de la preforma. Al final de la trayectoria en el horno, los husillos se desenganchan de las preformas, en virtud de levas elevadoras, y las preformas se transfieren a un sistema de movimiento (normalmente estrellas de distribución) que las alimentan a la máquina de soplado.

Estos hornos son de tamaño considerable, puesto que la trayectoria de las preformas debe ser lo suficientemente larga como para permitir los tiempos de calentamiento necesarios. De hecho, las lámparas difunden el calor a lo largo de la trayectoria de las preformas, mediante lo cual, a pesar de la provisión de superficies reflectantes adecuadas, la dispersión de calor al entorno es considerable.

Las lámparas infrarrojas son normalmente lámparas de tungsteno que tienen una eficiencia de emisión máxima a 3000 °K. Sin embargo, considerando que los diversos materiales de plástico tienen espectros de absorción de energía en intervalos de longitud de onda bastante estrechos, mientras que las lámparas de tungsteno que funcionan a eficiencia máxima emiten energía a longitudes de onda muy diferentes, las preformas realmente absorben solo una pequeña parte de la energía, dispersándose el resto en el entorno. Por ejemplo, si se consideran preformas de PET, que representan aproximadamente el 95% del mercado global, la energía usada para calentar en estas condiciones en comparación con la energía realmente almacenada por la preforma tiene valores que indican una baja eficiencia, convirtiéndose eficazmente no más del 15% de la energía eléctrica introducida en energía térmica absorbida por las preformas.

La dispersión de la energía térmica inutilizable a partir de las preformas también requiere un sistema de refrigeración eficiente para evitar el sobrecalentamiento del sistema, lo que conduce a un derroche de energía adicional.

Existe, por tanto, la necesidad de proporcionar un sistema de calentamiento de preformas que tenga una mayor eficiencia energética y que, posiblemente, tenga dimensiones más pequeñas que los hornos actualmente en el mercado.

Además, la preforma se calienta actualmente por medio de una red de lámparas que desarrollan radiación desde una superficie plana global y que, por tanto, no permiten una radiación homogénea del recipiente cilíndrico.

El problema que subyace a la presente invención es, por tanto, proporcionar un dispositivo de calentamiento de preformas que solucione las desventajas mencionadas anteriormente inherentes en la tecnología conocida y que permita obtener ahorros de energía al tiempo que se optimiza el calentamiento de las preformas.

En particular, la presente invención propone una radiación concentrada sobre la preforma individual, para evitar que la radiación se disperse en el entorno.

La presente invención también usa una fuente monocromática de longitud de onda conveniente, elegida de entre aquellas que tienen un coeficiente de absorción para PET, u otros materiales de plástico comúnmente usados, tales como resinas de poliéster, tales como, pero sin limitarse a, PET (poli(tereftalato de etileno)), PEF (2,5-furandicarboxilato de polietileno, también definido como poli(furanoato de etileno) o polietilenfurfural), PLA (poli(ácido láctico) o resina poliláctica), PEN (poli(naftalato de etileno) y resinas de poliolefina tales como PE (polietileno), PP (polipropileno) también con la adición de copolímeros, adecuado para un calentamiento conveniente del material. Tal radiación monocromática está disponible basándose en las tecnologías conocidas actualmente.

El sistema de calentamiento de la presente invención sigue la geometría cilíndrica del objeto que va a calentarse, es decir, la preforma, para irradiar la preforma según una geometría cilíndrica desde el exterior y concentrar la radiación hacia el interior de la preforma.

El objeto de la presente invención es, por tanto, un dispositivo de calentamiento de preformas tal como se expone en las reivindicaciones adjuntas, cuyas definiciones forman una parte integral de la presente descripción.

Un primer objeto de la invención es, en particular, un dispositivo de calentamiento de preformas que comprende un elemento de calentamiento configurado para que esté dispuesto fuera de la preforma y para irradiar una radiación electromagnética en el intervalo infrarrojo formando, en un dispositivo de este tipo, un disco de radiación según una simetría radial con respecto al centro del eje de la preforma.

Un segundo objeto de la invención es un dispositivo de calentamiento que comprende un elemento de calentamiento configurado para calentar individualmente una preforma desde el exterior, en el que dicho elemento de calentamiento se alimenta mediante un dispositivo láser.

Un objeto adicional de la invención es un difusor de radiación infrarroja que discurre por el interior de la preforma difundiendo la radiación según una geometría e intensidad radiante definidas para optimizar la incidencia de la propia radiación.

Un objeto aún adicional de la invención es un dispositivo de calentamiento que comprende un elemento de calentamiento configurado para iluminar una preforma individualmente desde el exterior y distribuir la radiación emitida por una fuente de láser sobre una trayectoria óptica dirigida a concentrar tal radiación hacia el eje central de la preforma.

Características y ventajas adicionales de la presente invención resultarán evidentes a partir de la descripción de algunos ejemplos de realización, facilitados en el presente documento por medio de ejemplo no limitativo, con referencia a las siguientes figuras:

la figura 1 muestra una vista en planta esquemática desde arriba de un horno de preformas que comprende el dispositivo de calentamiento de la invención;

la figura 2 muestra una vista lateral esquemática de un dispositivo de calentamiento de preformas según la invención;

la figura 3 muestra una vista lateral en sección de la campana de calentamiento de la realización de la figura 2 con la trayectoria esperada de los rayos de radiación indicados;

la figura 4 muestra una vista lateral en sección de un detalle de la figura 3;

la figura 5 muestra una vista en perspectiva de una segunda realización del dispositivo de calentamiento de la invención;

la figura 6 muestra una vista lateral de una tercera realización del dispositivo de calentamiento de la invención;

la figura 7 muestra una vista en perspectiva

un detalle del dispositivo de calentamiento de la figura 6;

la figura 8 muestra una vista en perspectiva del dispositivo de calentamiento de la figura 6;

la figura 9 muestra una vista en perspectiva de una máquina giratoria para calentar las preformas que comprende los dispositivos de calentamiento de la figura 6;

la figura 10 muestra una vista lateral de una realización diferente del dispositivo de calentamiento de la invención;

la figura 11 muestra una vista en perspectiva de un detalle de un horno de preformas que comprende el dispositivo de calentamiento de la figura 10;

la figura 12 muestra una vista en perspectiva del dispositivo de calentamiento de la figura 10;

la figura 13 muestra una vista lateral esquemática de un dispositivo de calentamiento de preformas en una variante diferente;

la figura 14 muestra el diagrama óptico para la conformación de la radiación de calentamiento según la variante de la figura 13;

la figura 15 muestra un diagrama óptico alternativo para la conformación de la radiación de calentamiento según la variante de la figura 13;

la figura 16 muestra una vista lateral en sección de un detalle de la figura 13;

la figura 17 muestra una vista del detalle de la figura 16 que resalta la trayectoria en sección de la radiación de calentamiento.

Con referencia a la figura 1, el número de referencia 1 indica un horno para las preformas según la invención, acoplado con una máquina de soplado 2.

El horno 1 está conectado funcionalmente con medios de movimiento 2, 3 para las preformas, respectivamente, en la entrada y en la salida del horno 1. Tales medios de movimiento 2, 3 consisten normalmente en estrellas de distribución que comprenden una serie de medios de agarre 4, por ejemplo muescas o huecos, adaptados para enganchar las preformas, por ejemplo en el cuello.

Los medios de movimiento 3 para las preformas en la salida del horno 1 están, a su vez, conectados funcionalmente con una máquina de soplado 5 (el término “máquina de soplado” usado en la presente descripción significa cualquier tipo de máquina de soplado o estirado-soplado) que comprende una pluralidad de moldes 6 en los cuales se inserta la preforma calentada y de la que sale en forma de una botella soplada (o estirada-soplada).

La máquina de soplado 5 está, a su vez, conectada funcionalmente con medios de distribución 7, normalmente una estrella de distribución, adaptada para recoger las botellas sopladas a la salida de la máquina de soplado y transferirlas, por medio de un sistema de transporte adecuado, a la unidad de funcionamiento posterior. Para este fin, la estrella de distribución 7 comprende una pluralidad de muescas 4' adaptadas para enganchar el cuello de las botellas sopladas.

Se define, por tanto, una trayectoria de las preformas, indicada en la figura 1, por las direcciones de las flechas, desde la alimentación de las mismas al horno 1 hasta la entrada de las mismas en los moldes 6 de la máquina de soplado 5.

El horno 1 comprende medios de transporte 8, adaptados para mover las preformas a lo largo de una trayectoria y una pluralidad de dispositivos de calentamiento 101 asociados con las mismas, de modo que corresponde un dispositivo de calentamiento 101 a cada preforma.

Los medios de transporte 8 comprenden una pista 9 sobre la que se desliza la pluralidad de dispositivos de calentamiento 101, cada uno adaptado para enganchar una preforma. La pista 9 comprende dos tramos rectos sustancialmente paralelos 13, 13' y dos tramos curvilíneos 14, 14' que conectan los tramos rectos 13, 13' en los dos extremos según una trayectoria de arco circular. Están colocadas respectivas ruedas motrices 15, 15' en dichos tramos curvilíneos 14, 14'.

Los dispositivos de calentamiento 101 pueden transitar a lo largo de la pista 10 de manera pasiva, es decir, en contacto entre sí y cada uno empujado por el dispositivo aguas arriba tal como se produce en hornos de preformas tradicionales, o de manera activa, es decir, dispuestos sobre una cremallera, una cadena o una cinta motorizada.

Si los dispositivos de calentamiento 101 se mueven de manera pasiva, los medios de transporte 8 del horno 1 comprenden además medios para mover y separar los dispositivos de calentamiento 101. Tales medios de movimiento comprenden un primer tornillo sin fin 16A dispuesto en el punto de alimentación de las preformas en el horno, entre la rueda motriz 15' y un primer tramo recto 13 de la pista 9; y un segundo tornillo 16B dispuesto en el punto de unión entre el segundo tramo recto 13' de la pista 9 y la rueda motriz 15'.

Ambos tornillos sin fin 16A, 16B comprenden una ranura espiral 17 con paso variable destinada a interferir con una rueda de empuje adecuada de cada dispositivo de calentamiento 101. Los tornillos sin fin 16A, 16B están montados en una posición invertida a lo largo de la dirección de desplazamiento de los dispositivos de calentamiento 101, de modo que el primer tornillo sin fin 16A tiene el paso más grande aguas arriba a lo largo de la dirección de desplazamiento, mientras que el segundo tornillo sin fin 16B tiene el paso más grandes aguas abajo.

Los tornillos sin fin 16A, 16B pueden moverse independientemente pero de manera sincronizada mediante motorizaciones respectivas (no mostradas), o mediante una sola motorización dotada de transmisión mecánica.

El dispositivo de calentamiento 101 está configurado para calentar individualmente una preforma P enviando radialmente la radiación electromagnética desde el exterior hacia el interior de la preforma.

El dispositivo de calentamiento 101, configurado para recibir una preforma P en el mismo, comprende una abrazadera móvil verticalmente 102 que puede adoptar una posición elevada de desenganche de la preforma P y una posición descendida en la que la preforma P se inserta en una respectiva campana de calentamiento 103. La abrazadera 102 se mueve mediante un accionador 104 capaz de seguir una ley de movimiento predefinida. El accionador 104 está alimentado y controlado por líneas de tensión eléctrica procedentes de un colector (no mostrado) compuesto por una primera unidad y una segunda unidad para la distribución de energía y señales de control a los motores 104, respectivamente.

La abrazadera 102 está compuesta por dos mordazas 102a, 102b (en la figura 2, solo se observa una mordaza 102a) capaces de agarrar la preforma P en la zona cilíndrica ubicada justo por encima del anillo de acabado, o bien a través de la acción de un resorte, o bien a través de la acción de una leva de cierre especial para agarrar la preforma de la estrella 2 y una leva de apertura para liberarla sobre la estrella 3.

El movimiento vertical de la abrazadera 102 se acciona por el accionador dedicado 104 (figura 2), preferiblemente un motor paso a paso, servomotor, motor lineal o motor sin escobillas. De ese modo, es posible accionar una ley de movimiento específica para optimizar el calentamiento dentro de la preforma P.

La abrazadera 102 está soportada por un soporte 105 que está impulsado por un tornillo 106 y se guía por emplazamientos de baja fricción 107. En el caso de un motor lineal, el tornillo 106 no está presente. El conjunto que consiste en la abrazadera móvil 102, el accionador 104, el tornillo 106 y los emplazamientos de baja fricción 107 está montado sobre una estructura de soporte 108.

Como alternativa a la solución con la abrazadera, es posible hacer que la preforma realice los mismos movimientos sujetándola con un husillo, un cuerpo cilíndrico, que penetra dentro de la parte roscada de la preforma, que no se somete a calentamiento, o agarrando la preforma desde el exterior. La interferencia requerida para manipular la preforma se obtiene mediante elementos elásticos colocados en el dispositivo de husillo. Un ejemplo de una realización de este tipo se muestra en las figuras 10, 11 y 12.

Con referencia a tales figuras, el dispositivo de calentamiento 101 comprende un elemento de deslizamiento 270 que comprende un cuerpo 271 en el que se inserta de manera deslizable un husillo 272, móvil a lo largo de una dirección vertical entre una posición elevada y una posición descendida. El husillo 272 está configurado para engancharse con el cuello de una preforma P por medio de medios de enganche convencionales 272a.

El elemento de deslizamiento 270 está conectado con una campana de calentamiento 103 por medio de un elemento de conexión 273, de modo que la campana de calentamiento 103 está situada debajo en alineación con el husillo 272.

El elemento de deslizamiento 270 comprende ruedas motrices 274a, 274b, 274c para deslizar y alinear el elemento de deslizamiento 270 sobre la pista 9, de la misma manera que los husillos en hornos convencionales.

En el cuerpo 271 del elemento de deslizamiento 270 hay también una rueda 275, conectada con el husillo 272 y móvil en una rendija 271a del cuerpo 271 (figura 12), configurada para interaccionar como elemento impulsado con una leva (no mostrada) para la bajada/subida ordenada del husillo 272. De ese modo, es posible insertar la preforma dentro de la campana de calentamiento 103 durante el tiempo y con el perfil de velocidad deseado, obtenible configurando adecuadamente la leva.

En la realización de las figuras 2-8, la estructura de soporte 108, a su vez, comprende un elemento de deslizamiento 270 a lo largo de la pista 9 del horno 1 (observado en la figura 2), que comprende ruedas motrices 274a, 274b, 274c tal como se describió anteriormente.

La campana de calentamiento 103 está fijada también a la estructura de soporte 108 por medio de una varilla de conexión adecuada (no observada en los dibujos), para moverse integralmente con la misma.

La campana de calentamiento 103 (figuras 2, 3, 4 y 13) comprende un cuerpo hueco sustancialmente cilíndrico 103a, una porción cónica 103b colocada en un extremo del cuerpo 103a y una porción reflectante 103c colocada en el extremo opuesto del cuerpo 103a.

La campana de calentamiento 103 tiene una abertura 109, coaxial con el eje X-X de la campana, en la porción reflectante 103c, mientras que comprende un elemento colimador 110 en el extremo de la porción cónica 103b.

Aguas abajo de la trayectoria óptica del elemento colimador 110, la porción cónica 103b de la campana de calentamiento 103 comprende una primera lente o axicón 111a, ubicada en el extremo de dicha porción cónica 103b conectada con el elemento colimador 110. Una segunda lente o axicón 111b está colocada en la sección inferior del cuerpo cilíndrico 103a.

Las lentes y los axicones usados están hechos de un material con un índice de refracción adecuado en la radiación usada para desarrollar una geometría adecuada del haz de radiación saliente, en forma de un cilindro. Los materiales adecuados son, por ejemplo, pero sin limitación a los enumerados a continuación: cuarzo, sílice, fluoruro de magnesio, fluoruro de calcio, silicio, germanio o corindón de tierras raras o vidrio de boro. Las superficies de estos dispositivos ópticos tienen un tratamiento necesario para reducir la reflexión en el sentido opuesto al de la radiación. Tales dispositivos ópticos los conocen los expertos en la técnica y no se describirán en detalle.

En una realización diferente de la campana de calentamiento (figura 13), el cuerpo 103a comprende un orificio conformado 150, para soplar aire purificado para mantener limpia la superficie del axicón 111b. El aire introducido a alta presión debe evacuarse sin tocar la superficie exterior de la preforma con el fin de no eliminar el calor absorbido. Para este fin, el cuerpo 103a comprende un segundo orificio 151, conectado con un sistema de escape/admisión capaz de evacuar una parte significativa del aire purificado introducido. El cuerpo 103a tiene, entre el segundo axicón 111b y la porción reflectante 103c, una sección ampliada que permite canalizar mejor las turbulencias del aire soplado, minimizando el riesgo de que el aire toque la superficie de la preforma.

La porción reflectante 103c comprende una serie de superficies frustocónicas en la parte interna, recubiertas con material reflectante, tal como se describirá mejor a continuación. En la parte inferior, la radiación puede introducirse o bien mediante un colimador en línea a lo largo del eje de la campana de calentamiento, como en figura 2, o bien, como en la realización de figura 13, con un colimador 110a, alojado en un alojamiento 103d conectado con la porción frustocónica 103b del dispositivo 103. El colimador 110a desvía la radiación en 90° y, posiblemente, puede permitir la rotación relativa entre la fibra y el colimador, gracias a una junta óptica giratoria (tal como se muestra).

La porción reflectante 103c comprende un sistema de superficies reflectantes frustocónicas 112a, 112b, 112c, que comprenden, en secuencia desde el cuerpo 103a hacia la abertura 109, una primera superficie reflectante frustocónica 112a ensanchada hacia fuera, una segunda superficie reflectante frustocónica 112b que converge hacia el eje central X-X de la campana 103 y una tercera superficie reflectante frustocónica 112c que converge hacia el eje central X-X, en el que las superficies reflectantes frustocónicas primera, segunda y tercera 112a, 112b, 112c están inclinadas en un ángulo a, en un ángulo p y en un ángulo ^y, respectivamente, con respecto a las respectivas superficies cilindricas coaxiales con el eje X-X.

En particular, el ángulo a es menor que el ángulo p y es mayor que o igual al ángulo ^y.

Una superficie absorbente sustancialmente cilindrica 112d, obtenida recubriendo la porción superior del cuerpo 103a con sustancias altamente absorbentes en el intervalo infrarrojo, está colocada entre el cuerpo 103a y la primera superficie reflectante frustocónica 112a. Un ejemplo es un recubrimiento de carbono u “óxido negro” después de haber depositado una capa de zinc/molibdeno sobre el metal con el que está hecha la campana de calentamiento 103, lo que permite la adhesión de sustancias altamente absorbentes y resistentes a alta temperatura (del orden de 200 °C). Otro ejemplo puede ser un tratamiento de superficie que hace de la superficie 112d una “metasuperficie”, es decir, que es capaz de atrapar la mayor parte de la radiación en la capa más superficial en virtud de la particular estructura de la misma producida a través de nanotecnologías.

En particular, las figuras 16 y 17 muestran una versión de la porción reflectante 103c dotada de cuatro superficies reflectantes 112a, 112b, 112c, 112e y una superficie vertical absorbente 112d. Esta solución permite una mayor absorción de la radiación de calentamiento y una radiación más uniforme en el grosor de la preforma. La superficie cilindrica 112d es altamente absorbente tal como ya se mencionó. En esta alternativa, hay cuatro superficies frustocónicas inclinadas según los ángulos a, p, ^y y 5. En particular, el ángulo a es más pequeño que el ángulo p y es mayor que o igual al ángulo y. El ángulo S es más pequeño que el ángulo a. La figura 17 muestra a modo de ejemplo la trayectoria óptica de la radiación que llega en paralelo desde el elemento colimador 110.

El elemento colimador 110 se alimenta mediante una fibra óptica 113 que genera un haz colimado de radiación infrarroja, que se refracta por las dos lentes o axicones 111a, 111b dispuestas en serie, para generar un cilindro de radiación R1 con el grado apropiado de homogeneidad (figura 3). Alternativamente, en lugar de dispositivos de refracción, tales como axicones y lentes, es posible usar elementos ópticos difractivos, tales como rejillas o nanoestructuras que utilizan el fenómeno de difracción e interferencia constructiva y destructiva.

Las figuras 14 y 15 muestran las trayectorias de los haces de radiación de calentamiento observadas en sección con simetría cilindrica y cónica. En estos diagramas, el elemento colimador 110 comprende un colimador 110a en un ángulo de 90° para una solución más compacta.

En detalle, en la figura 14, el dispositivo comprende un par de axicones 111a, 111b, ambos positivos, es decir, con la parte inclinada evertida, mientras que, en la figura 15, el axicón 111a tiene una conicidad negativa. Esta última solución requiere un axicón inusual, pero tiene las ventajas de una solución más compacta y una intensidad de radiación inferior sobre el eje central.

La fibra óptica 113 se muestra en sección y comprende la funda 113a con la fibra óptica real 113b dentro constituida por dos materiales dieléctricos, uno dentro del otro, denominados revestimiento y núcleo. En el extremo 113c de la fibra 113, la radiación se propaga según una simetría cónica posiblemente guiada por una lente esférica colocada en la parte final de la fibra. De lo contrario, el haz de radiación que sale de la fibra puede colimarse hacia el axicón 111a mediante un sistema más común de lentes circulares, tal como conocen los expertos en la técnica. En el caso de un colimador en ángulo 110a, el cono de radiación que emerge de la fibra incide sobre una superficie altamente reflectante 110b, con un perfil parabólico, que al estar inclinada en promedio a 45°, refleja el haz de radiación en una dirección vertical. En una variante de la invención, la fibra 113 puede ser integral con un elemento giratorio 110c, conectado con el emplazamiento 103d del colimador 110a por medio de una junta de casquillo o cojinete. De ese modo, en determinadas realizaciones de la máquina que usan este tipo de iluminador, es posible permitir una rotación de la fibra sin generar cargas de torsión sobre la fibra o la estructura. El haz de radiación avanza hacia arriba, o bien a través del axicón positivo 111a, o bien a través del axicón negativo 111b. En ambos casos, tal como se muestra en las figuras 14 y 15, la radiación se expande según un cono hueco tal como se observa en sección y posteriormente, al cruzar el axicón 111b, se mueve como un cilindro hueco hacia las superficies reflectantes 103c.

Una alternativa adicional es proporcionar, en lugar de un axicón negativo 111a, un dispositivo de difracción óptica que simula el efecto del axicón negativo, es decir, puede generar un cono de radiación usando el fenómeno de difracción e interferencia constructiva y destructiva, tal como se conoce en el campo de los dispositivos ópticos. Una solución alternativa adicional para obtener el cono de radiación R3 es el uso de un cristal biaxial con refracción cónica interna. Cristales de este tipo para uso industrial son óxidos de tungsteno, potasio y gadolinio, en particular el cristal de di-tungstenato de potasio y gadolinio, KGd(WO4)2, definido comercialmente como “cristales de MDT” (tungstato doble monoclínico, Monoclinic Double Tungstate). Colimando la radiación sobre la superficie inferior del cristal, orientada a lo largo de un eje óptico particular del propio cristal, aguas abajo de la superficie superior, se obtiene un cono de radiación similar al obtenido con el axicón negativo.

Tal como se detalla en la figura 3, el cilindro de radiación R1 ilumina la segunda superficie reflectante frustocónica 112b de la porción de reflexión 103c y se refleja sobre la primera superficie reflectante frustocónica 112a (rayo R2), luego sobre la tercera superficie reflectante frustocónica 112c (rayo R3) y luego de nuevo a lo largo de los rayos R4 y R5. En la realización de las figuras 16 y 17 con cuatro superficies reflectantes, la trayectoria de la radiación de calentamiento, de nuevo según una simetría cilíndrica, comienza a partir del rayo R1 que ilumina la superficie 112b, luego la superficie 112c, luego la superficie 112a y en esta situación en la que la radiación está confinada para reflejarse siempre sobre la superficie 112a, la cuarta superficie adicional 112e es necesaria para confinar la radiación reflejada y refractada desde la superficie y el grosor de la preforma. La radiación conveniente en forma de un anillo de radiación requerida para una operación de calentamiento según el grado deseado se obtiene a través de diversas reflexiones entre dichas superficies reflectantes frustocónicas 112a, 112b, 112c (y, cuando está presente, sobre la superficie 112e), y refracciones en el grosor del material de plástico. Esta serie de reflexiones externas e internas conduce a la absorción apropiada de radiación y, por tanto, al calentamiento óptimo del material con mucha mayor precisión que los sistemas de calentamiento con lámparas actuales. La distribución de temperatura y los gradientes relacionados (en virtud del fenómeno de deposición de calor directamente dentro del material obtenido mediante la selección correcta de la radiación) permite que el sistema según la invención ofrezca una calidad de calentamiento mucho mayor que la disponible en la actualidad. Finalmente, la banda con tratamiento altamente absorbente 112d colocada sobre el cilindro de metal absorbe cualquier radiación residual que pueda escapar del anillo de luz generado entre las superficies 112a, 112b, 112c, 112e para confinar la generación de calor a la parte superior de esta manera.

Las superficies reflectantes pueden estar hechas de recubrimientos altamente reflectantes, por ejemplo, pero sin limitarse a oro, plata o aluminio pulido, y protegidas por una capa transparente, o pueden estar hechas de material multicapa dieléctrico capaz de aumentar la reflectividad del sustrato. La estructura exterior de la campana de calentamiento 103, preferiblemente hecha de material de metal (por ejemplo aluminio), garantiza una apropiada disipación del calor, absorción de la radiación dispersada y apropiada robustez.

El sistema de superficies reflectantes frustocónicas 112a, 112b, 112c, 112e y los ángulos de inclinación relativos a, p, ^y y S están configurados para atrapar la mayor parte de la radiación infrarroja en el anillo de radiación mostrado en la figura 3. Además, la trayectoria de la radiación está diseñada para calentar la preforma de una manera apropiada y homogénea a través del grosor de la misma y a lo largo de la dirección vertical. Además, el denominado “disco de radiación de calentamiento” tiene un grosor reducido con el fin de tener un calentamiento más localizado y preciso. De ese modo, se optimiza el calentamiento de la porción P de la preforma irradiada y se minimiza la radiación que puede regresar a la fibra óptica 113 y desde allí hasta la fuente de láser, que de lo contrario se dañaría. Para hacer que el sistema de la invención no sea dependiente de la geometría particular de la preforma, la banda altamente absorbente 112d confina, como se ha dicho, la radiación a la parte superior de la campana de calentamiento.

El movimiento vertical de la preforma P, tal como se mencionó, sigue una ley de movimiento predefinida, no solo para irradiar toda la preforma P, excluyendo el cuello por encima del anillo de acabado, sino también para aumentar o disminuir el tiempo de radiación en función de la porción de la preforma que va a tratarse y los requisitos de calentamiento específicos.

Además, la fuente de láser tiene su propia capacidad de modulación con un alto grado de precisión además de la variación en la velocidad de deslizamiento (ley de movimiento) de la preforma dentro del círculo de radiación de calentamiento electromagnético.

La posibilidad de modular tanto la intensidad de la radiación emitida como la ley de movimiento del movimiento relacionado de la preforma-campana de calentamiento es una ventaja considerable del dispositivo de la invención. De hecho, se sabe que la porción cónica de la preforma colocada inmediatamente debajo del elemento de acabado se ve sometida normalmente a una mayor deformación y, por tanto, podría requerir un mayor calentamiento, con respecto a las otras regiones de la preforma, para obtener una alta plasticidad. Otro factor que puede determinar una mayor o menor duración de la exposición de una región de la preforma a la radiación de calentamiento es la variación del grosor de la preforma.

En una realización, la ley de movimiento comprenderá las siguientes etapas:

a) introducción de la parte inferior F de la preforma P en la abertura 109 de la campana de calentamiento 103;

b) deslizamiento relacionado de la porción tubular T de la preforma P con respecto a la campana de calentamiento 103 a una primera velocidad v1;

c) deslizamiento relacionado de la porción cónica C de la preforma P con respecto a la campana de calentamiento 103 a una segunda velocidad v2 inferior a dicha primera velocidad v1;

d) modulación de la intensidad de la radiación infrarroja en función de dichas velocidades v1, v2 y del grosor S de la pared de la preforma P,

en la que dichas velocidades primera y segunda v1, v2 son, para la misma intensidad de radiación infrarroja, inversamente proporcionales a dicho grosor S.

La variación de la velocidad de deslizamiento de la preforma puede obtenerse fácilmente gracias a los controladores disponibles en el mercado que controlan los motores paso a paso o con imanes permanentes o motores sin escobillas tal como se describió anteriormente. Entonces, el ordenador operativo/PLC de la máquina almacena una ley de movimiento específica para cada tipo de preforma y tipo de recipiente.

La realización descrita en el presente documento implica el movimiento vertical de la preforma P, mientras que la campana de calentamiento 103 permanece fija verticalmente. De manera alternativa, es posible mantener la preforma P y la respectiva abrazadera 102 fijas y mover verticalmente la campana de calentamiento 103, soportada por un brazo 208, con un sistema de accionador 104, tornillo de movimiento 106 y guías 107 similares, tal como se describió anteriormente y tal como se observa en la figura 5.

En una realización, la estructura de soporte tiene una forma de L invertida y comprende una porción horizontal 108a sobre la que se fijan el accionador 104 y la abrazadera 102. El brazo 208, a su vez, tiene una forma escalonada y comprende una primera porción de extremo 208a, conectada con el tornillo 106 para mover la campana de calentamiento 103, una segunda porción de extremo 208b, que soporta la campana de calentamiento 103, y un elevador de conexión 208c.

En una realización diferente, mostrada en las figuras 6 a 8, la preforma P se mueve volcada, es decir, con el cuello dispuesto debajo. En esta realización, la campana de calentamiento 103 está fija, mientras que la preforma P es móvil verticalmente, pero en una realización diferente la preforma podría estar fija y la campana de calentamiento 103 podría ser móvil, tal como se describió anteriormente.

Tal como se muestra en las figuras 6-8, la estructura de soporte 108 tiene una forma de L invertida y comprende una porción horizontal 108a sobre la que se fija el accionador 104 y un brazo 208 que comprende una porción de extremo 208b que soporta la campana de calentamiento 103, de modo que la abertura 109 de la campana de calentamiento 103 mira hacia abajo.

La abrazadera 102 está soportada por un soporte 105 que está impulsado por un tornillo 106 y se guía mediante emplazamientos de baja fricción 107. El soporte 105 comprende un elemento de vuelco 210 de la preforma P, adaptado para llevar la preforma P desde una condición normal, en la que la preforma tiene una abertura hacia arriba, hasta una condición volcada, en la que la preforma tiene una abertura hacia abajo, y viceversa.

El elemento de vuelco 210 comprende una primera y una segunda rueda dentada cónica 211a, 211b, estando dichas ruedas dentadas cónicas engranadas entre sí y teniendo ejes 213, 214 respectivamente perpendiculares, y un accionador 212.

El accionador 212 está asociado funcionalmente con el eje 213 coaxial con la primera rueda dentada cónica 211a, mientras que el eje 214 coaxial con la segunda rueda dentada cónica 211b coincide con el eje longitudinal 215 de la abrazadera 102. De ese modo, la rotación del accionador 212 provoca la rotación de la primera rueda dentada cónica 211a y, en consecuencia, la rotación de la segunda rueda dentada cónica 211b a lo largo de un eje perpendicular y con la misma la abrazadera 102 a partir de la que se sujeta la preforma P. Este mecanismo es necesario si los medios de movimiento 2, 3 de las preformas en la entrada y en la salida del horno 1, respectivamente, están configurados para mover las preformas P en una condición normal, es decir, con la abertura hacia arriba. Si, a la inversa, tales medios de movimiento 2, 3 son capaces de mover las preformas en una condición volcada, el elemento de vuelco 210 ya no sería necesario.

El horno 1 puede comprender un colector óptico capaz de transferir la radiación que alimenta cada campana de calentamiento 103 desde una fuente de láser estática fija a la respectiva campana de calentamiento 103. El colector óptico 364 puede estar colocado, alternativamente, en la parte superior del carrusel 303 según las dimensiones globales. El colector óptico transfiere la radiación de las fibras ópticas procedente de una fuente de láser a las correspondientes fibras ópticas 113, móviles junto con los dispositivos de calentamiento 101, que alimentan las campanas de calentamiento 101.

El colector óptico puede estar conectado con una pluralidad de fuentes de láser. Alternativamente, es posible proporcionar un colector óptico que recibe la radiación desde una sola fuente de láser y la distribuye según proporciones adecuadas en función del tiempo a las diversas campanas de calentamiento 103, que están en diferentes etapas de calentamiento. De hecho, las diversas preformas entran en el horno 1 de manera continua y con un desplazamiento de fase que hace esencial modular la radiación infrarroja para cada preforma P a lo largo de la trayectoria de la misma en el horno 1. Esta modulación de la intensidad de la radiación enviada a cada campana de calentamiento puede producirse a través del uso de cristales fotónicos que actúan como interruptores y moduladores de la intensidad de la radiación que pasa a su través en virtud de campos electromagnéticos variables que se aplican a tales cristales. De ese modo, la radiación suministrada por una sola fuente de láser, una vez distribuida a las diversas unidades de calentamiento, puede activarse y modularse su intensidad actuando sobre el cristal fotónico y obteniendo el encendido, apagado y modulación individuales para cada preforma P según la etapa de calentamiento de la misma y según el área específica afectada.

Una variante incluye disponer una fuente de láser para cada campana de calentamiento 103, colocando dichas fuentes de láser directamente sobre los dispositivos de calentamiento 101, lo que permite evitar el uso de un colector óptico.

En realizaciones particularmente preferidas, la radiación electromagnética emitida por el dispositivo láser está dentro de los siguientes intervalos de longitud de onda:

- 1620-2100 nm, preferiblemente 1652-1674 nm y/o

- 1701-1880 nm y/o

- 1907-1919 nm y/o

- 1951-2000 nm, y/o

- 1803-1813 nm y/o

- 1903-1913 nm y/o

- 1941-1961 nm y/o 1972-2012 nm.

Incluso más preferiblemente, la radiación electromagnética tiene una longitud de onda de 1661 nm y/o 1721 nm y/o 1908 nm y/o 1951 nm y/o 1992 nm, siendo la longitud de onda de aproximadamente 1940-1955 nm la más preferida.

También es posible usar la trayectoria de calentamiento óptica para transportar la radiación UV-C desde dispositivos LED o láser para esterilizar las preformas, tal como se describe en la solicitud de patente italiana n.° 102019000009591 presentada el 20 de junio de 2019 por el mismo solicitante.

Pueden obtenerse muchas ventajas con el sistema de calentamiento de la invención.

De hecho, el sistema de calentamiento de la invención permite obtener:

- alta eficiencia energética, limitando la pérdida de calor tanto a través del uso de longitudes de onda de absorción en bandas predefinidas como a través de la presencia de elementos reflectantes asociados con cada preforma;

- una precisión máxima del perfil de calentamiento, ya que las campanas de calentamiento 103 crean una serie de reflexiones externas e internas, estudiadas en virtud de la geometría de las superficies de forma frustocónica 112a, 112b, 112c, 112e, lo que conduce a la absorción apropiada de la radiación y, a partir del presente documento, a un calentamiento óptimo del material con mucha mayor precisión que los sistemas de calentamiento actuales con lámparas. La distribución de temperatura y los gradientes relacionados, en virtud del fenómeno de la deposición de calor directamente dentro del material obtenido por la penetración correcta de la radiación seleccionada, permiten que esta invención ofrezca una calidad de calentamiento mucho mayor que la disponible en la actualidad. Finalmente, la banda con tratamiento altamente absorbente 112d colocada sobre el cilindro de metal absorbe cualquier radiación residual que pueda escapar del anillo de luz generado entre las superficies 112a, 112b, 112c, 112e y, por tanto, confina la generación de calor a la parte superior;

- en función de la potencia de las fuentes de láser usadas, un tiempo de calentamiento hasta un orden de magnitud inferior al de los sistemas actuales, lo que permite una contención de las dimensiones del horno y en consecuencia una dispersión térmica inferior.

- una amplia capacidad de modulación del calentamiento, tanto variando la intensidad de la fuente de láser, como variando el movimiento de la preforma P o la campana de calentamiento 103;

- una ausencia de inercia térmica, lo que permite un reinicio instantáneo y, por tanto, una mejor eficiencia de toda la línea de producción;

- la posibilidad de modular la velocidad de la máquina en la etapa de funcionamiento en función de la tendencia de la línea de producción, una característica actualmente no disponible en los hornos en el mercado, de nuevo en virtud de la ausencia de inercia térmica y en virtud de la variabilidad de la intensidad de la radiación debido a la alta respuesta dinámica de las fuentes de láser;

- la posibilidad de integrar una fuente de radiación UV-C en la misma trayectoria óptica para emparejar la desinfección de la preforma con el calentamiento;

- una reducción sustancial en la disipación de calor, con la consecuencia de ahorrar energía de enfriamiento para mantener el entorno de trabajo de la máquina a la temperatura correcta y evitar superficies muy calientes, que son, por tanto, potencialmente peligrosas para los operarios;

- una posible reducción en el tamaño del sistema de calentamiento con respecto a los hornos de preformas tradicionales, al tiempo que se mantiene la misma capacidad de producción;

- una ausencia de radiación ionizante (a menos que esté acoplada con una fuente de radiación UV-C), ya que la fuente de láser es monocromática en el intervalo infrarrojo, lo que previene la formación de sustancias peligrosas dentro del plástico de la preforma.

Resulta evidente que solo se han descrito algunas realizaciones particulares de la presente invención, en la que un experto en la técnica será capaz de realizar todos los cambios necesarios para adaptarla a aplicaciones particulares, sin apartarse del alcance de protección de la presente invención.

Por ejemplo, los dispositivos de calentamiento 101 descritos en el presente documento pueden insertarse también en un sistema de calentamiento giratorio, tal como el descrito en la solicitud de patente italiana n.° 102019000012549 del 22 de julio de 2019 a nombre del mismo solicitante, o en un sistema lineal continuo.

Un ejemplo de un sistema giratorio en el que están montados los dispositivos de calentamiento 101 de la invención, en particular en la realización del mismo de las figuras 6-8, se muestra en la figura 9.

Los dispositivos de calentamiento 101 están montados sobre un carrusel 250 que gira mediante una motorización 251. La porción inferior del carrusel está colocada en una base de contención 252 que también comprende un colector óptico 253 conectado aguas arriba con una fuente de láser (no observada) y, aguas abajo, con las campanas de calentamiento 103 tal como se describió anteriormente. El carrusel 250 está sincronizado con las estrellas de distribución (no mostrado) que mueven las preformas P dentro y fuera del carrusel 250.

Claims (16)

1. REIVINDICACIONES

   i. Dispositivo de calentamiento (101) para preformas (P), configurado para que esté situado fuera de una preforma (P) e irradiar una radiación electromagnética en el intervalo infrarrojo, formando un disco de radiación en un dispositivo de este tipo según una simetría radial con respecto al centro del eje de la preforma.
2. 2. Dispositivo de calentamiento (101) según la reivindicación 1, que comprende una pluralidad de superficies reflectantes (112a, 112b, 112c, 112e), estando configurada cada una de dichas superficies reflectantes (112a, 112b, 112c, 112e) para irradiar individualmente una preforma (P) desde el exterior.
3. 3. Dispositivo de calentamiento (101) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, en el que la radiación electromagnética se genera mediante un dispositivo láser, por ejemplo un dispositivo con una fuente de diodo, una fuente de semiconductor o una fuente de fibra.
4. 4. Dispositivo de calentamiento (101) según la reivindicación 3, en el que la radiación electromagnética emitida por el dispositivo láser está comprendida en el intervalo de longitud de onda 1620-2100 nm, y/o 1652-1674 nm y/o 1701-1880 nm y/o 1907-1919 nm y/o 1951-2000 nm, y/o 1803-1813 nm y/o 1903­ 1913 nm y/o 1941-1961 nm y/o 1972-2012 nm y/o 1940-1955 nm; o la radiación electromagnética tiene una longitud de onda de 1661 nm y/o 1721 nm y/o 1908 nm y/o 1951 nm y/o 1992 nm.
5. 5. Dispositivo de calentamiento (101) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, que comprende una campana de calentamiento (103), configurada para recibir una preforma (P) en la misma, y una abrazadera (102) que es móvil verticalmente, para adoptar una posición elevada de desenganche de la preforma (P) de la campana de calentamiento (103) y una posición descendida en la que la preforma (P) se inserta dentro de dicha campana de calentamiento (103), moviéndose dicha abrazadera (102) mediante un accionador (104) configurado para seguir una ley de movimiento predefinida, siendo dicho accionador (104) preferiblemente un motor paso a paso, un servomotor, un motor lineal o un motor sin escobillas.
6. 6. Dispositivo de calentamiento (101) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, que comprende una campana de calentamiento (103), configurada para recibir una preforma (P) en la misma, y una abrazadera (102) que está fija verticalmente, estando soportada la campana de calentamiento (103) por un brazo (208) móvil verticalmente por un accionador (104) configurado para seguir una ley de movimiento predefinida, para adoptar una posición elevada en la que la preforma (P) se inserta dentro de dicha campana de calentamiento (103) y una posición descendida, siendo dicho accionador (104) preferiblemente un motor paso a paso, un servomotor, un motor lineal o un motor sin escobillas.
7. 7. Dispositivo de calentamiento (101) según la reivindicación 5, en el que dicha abrazadera (102) está soportada por un soporte (105) que se mueve mediante un tornillo (106) y se guía por emplazamientos de baja fricción (107), consistiendo el conjunto en la abrazadera móvil (102), el accionador (104), el tornillo (106) y los emplazamientos de baja fricción (107) que está montado sobre una estructura de soporte (108).
8. 8. Dispositivo de calentamiento (101) según la reivindicación 6, en el que dicho brazo (208) se mueve mediante un tornillo (106) y se guía por emplazamientos de baja fricción (107).
9. 9. Dispositivo de calentamiento (101) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, que comprende una campana de calentamiento (103), configurada para recibir una preforma (P) en la misma, y una abrazadera (102), en el que la abrazadera (102) sujeta la preforma (P) en una condición volcada, es decir, con la abertura de la preforma mirando hacia abajo, y en el que la campana de calentamiento (103) está dispuesta con la abertura (109) mirando hacia abajo, siendo la abrazadera (102) verticalmente móvil para adoptar una posición descendida de desenganche de la preforma (P) de la campana de calentamiento (103) y una posición elevada en la que la preforma (P) se inserta dentro de dicha campana de calentamiento (103), moviéndose dicha abrazadera (102) mediante un accionador (1049) configurado para seguir una ley de movimiento predeterminada.
10. 10. Dispositivo de calentamiento (101) según la reivindicación 9, que comprende un elemento de vuelco (210) de la preforma (P), desde una condición normal con la abertura de la preforma mirando hacia arriba hasta una condición volcada y viceversa.
11. 11. Dispositivo de calentamiento (101) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, que comprende un elemento de deslizamiento (270) que comprende un cuerpo (271) en el que se inserta de manera deslizable un husillo (272) para una preforma (P), siendo el husillo (272) móvil a lo largo de una dirección vertical entre una posición elevada y una posición descendida, estando conectado el elemento de deslizamiento (270) con una campana de calentamiento (103) por medio de un elemento de conexión (273), de modo que la campana de calentamiento (103) está situada debajo en alineación con el husillo (272).
12. 12. Dispositivo de calentamiento (101) según una cualquiera de las reivindicaciones 5 a 11, en el que dicha campana de calentamiento (103) comprende un cuerpo cilíndrico sustancialmente hueco (103a), una porción cónica (103b) colocada en un extremo del cuerpo (103a) y una porción reflectante (103c) colocada en el extremo opuesto del cuerpo (103a), y comprende una abertura (109) coaxial con el eje longitudinal (X-X) de la campana de calentamiento (103), en la porción reflectante (103c), y un elemento colimador (1109) en el extremo de la porción cónica (103b), estando conectado el elemento colimador (110) con una fibra óptica (113) para suministrar un haz colimado de radiación infrarroja con longitudes de onda predeterminadas.
13. 13. Dispositivo de calentamiento (101) según la reivindicación 12, en el que, aguas abajo de la trayectoria óptica del elemento colimador (110), la porción cónica (103b) de la campana de calentamiento (103) comprende una primera lente o axicón (111a), colocada en el extremo de dicha porción cónica (103b) conectada con el elemento colimador (110), y una segunda lente o axicón (111b) colocada en la sección inferior del cuerpo cilíndrico (103a), para generar un cilindro de radiación (R1) con un grado de homogeneidad conveniente.
14. 14. Dispositivo de calentamiento (101) según la reivindicación 12 o la reivindicación 13, en el que la porción reflectante (103c) comprende un sistema de superficies reflectantes frustocónicas (112a, 112b, 112c, 112e) que comprende, en secuencia desde el cuerpo cilíndrico (103a) hacia la abertura (109), una primera superficie reflectante frustocónica (112a) ensanchada hacia fuera, una segunda superficie reflectante frustocónica (112b) que converge hacia el eje longitudinal (X-X) de la campana de calentamiento (103) y una tercera superficie reflectante frustocónica (112c) que converge hacia el eje longitudinal (X-X), y opcionalmente una cuarta superficie reflectante frustocónica (102e) ensanchada hacia fuera colocada entre el cuerpo cilíndrico (103a) y la primera superficie frustocónica (112a), en el que la primera, segunda, tercera y, opcionalmente, cuarta superficie reflectante frustocónica (112a, 112b, 112c, 112e) están inclinadas en un ángulo a, un ángulo p, un ángulo y y un ángulo 5, respectivamente, con respecto a las respectivas superficies cilíndricas que son coaxiales con el eje (X-X), en el que el ángulo a es menor que el ángulo p y es mayor que o igual al ángulo y, y en el que el ángulo 5 es menor que el ángulo a y en el que una superficie absorbente sustancialmente cilíndrica (112d) está colocada entre el cuerpo (103a) y la primera superficie reflectante frustocónica (112a).
15. 15. Dispositivo de calentamiento (101) según una cualquiera de las reivindicaciones 5 a 14, que comprende una fuente de láser para cada campana de calentamiento (103).
16. 16. Horno (1) para preformas (P), que comprende medios de transporte (8) adaptados para mover las preformas (P) a lo largo de una trayectoria y una pluralidad de dispositivos de calentamiento (101) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15, de modo que corresponde un dispositivo de calentamiento (101) a cada preforma (P), estando el horno (1) conectado funcionalmente con medios de movimiento (2, 3) para las preformas (P), en la entrada y en la salida del horno (1), respectivamente.