ITMI20131702A1

ITMI20131702A1 - Dispositivo e metodo per regolare il profilo di spessore nella produzione di film soffiati

Info

Publication number: ITMI20131702A1
Application number: IT001702A
Authority: IT
Inventors: Gabriele Caccia; Enrico Nappa; Paolo Rizzotti
Original assignee: Syncro S R L
Priority date: 2013-10-15
Filing date: 2013-10-15
Publication date: 2015-04-16
Also published as: US20160250792A1; WO2015056173A1; EP3057764B1; EP3057764A1; US10639837B2

Description

DISPOSITIVO E METODO PER REGOLARE IL PROFILO DI SPESSORE NELLA PRODUZIONE DI FILM SOFFIATI

La presente invenzione riguarda gli impianti per la produzione di film soffiati, ovvero film plastici estrusi in forma di bolla, ed in particolare un dispositivo ed un relativo metodo per regolare il profilo di spessore del film. I dispositivi di tecnica nota che consentono tale regolazione operano essenzialmente in due modi, ovvero tramite elementi riscaldanti che aumentano la temperatura del materiale plastico fuso in prossimità del labbro della filiera o del flusso del fluido di raffreddamento, tipicamente aria, oppure tramite attuatori che regolano la portata del flusso.

Nel primo tipo di dispositivo gli elementi riscaldanti possono essere disposti nella filiera della testa di estrusione e/o nell’anello di raffreddamento, mentre nel secondo tipo di dispositivo gli attuatori possono essere disposti nell’anello di raffreddamento oppure in un apposito anello di regolazione collegato all’anello di raffreddamento o indipendente da esso (tipicamente interposto tra la testa di estrusione e l’anello di raffreddamento). Ogni soluzione nota presenta degli inconvenienti che ne limitano l’efficacia e l’intervallo di applicazione.

Quando gli elementi riscaldanti sono disposti nella filiera della testa di estrusione, in un numero discreto equamente ripartito lungo il perimetro, un primo inconveniente deriva dall’aumento della temperatura del labbro della filiera che può dare luogo a degradazione del materiale plastico per esposizione ad una temperatura eccessiva per un tempo significativo, con conseguente alterazione delle proprietà ottiche e meccaniche del film. Inoltre, la deposizione di materiale degradato sulla superficie di scorrimento della filiera richiede frequenti fermi macchina per eseguire la pulizia del labbro di estrusione e costose inefficienze e scarti.

Un secondo inconveniente consiste nel fatto che il dispositivo opera in modo soddisfacente nel caso di correzioni angolarmente estese e distribuite ma non si presta a correzioni puntuali e di piccola estensione angolare poiché il metallo costituente la filiera è termicamente conduttivo e ciò impedisce di ottenere significativi gradienti di temperatura in zone della filiera contigue. Inoltre la regolazione è lenta a causa della elevata inerzia termica che si oppone alla variazione della temperatura di un corpo di metallo massiccio.

Un ulteriore limite è dato dalla regolazione unidirezionale dello spessore verso valori minori essendo disponibile solo una variazione positiva della temperatura rispetto alla temperatura di riferimento, poiché non è disponibile un sistema simmetrico di raffreddamento della filiera che produca una variazione negativa della temperatura.

È possibile ottenere un dispositivo di regolazione più veloce, preciso ed efficace disponendo gli elementi riscaldanti nell’anello di raffreddamento poiché la variazione di temperatura degli elementi riscaldanti e di eventuali corpi radianti ad essi collegati è più rapida in quanto le masse dei corpi da riscaldare sono inferiori rispetto alla massa della filiera. Inoltre disponendo gli elementi riscaldanti nel flusso di raffreddamento dell’anello è possibile ottenere il raffreddamento degli elementi riscaldanti in modo relativamente più veloce rispetto ad analoghi elementi riscaldanti posti nel metallo di una filiera.

Pertanto è pratica comune impostare una temperatura di riferimento del film (c.d. set-point) tenendo gli elementi riscaldanti accesi ad una frazione della loro potenza massima, indicativamente il 15-25%, al fine di consentire correzioni di temperatura sia positive, per riscaldamento ulteriore dell’aria fluente nell’anello, sia negative riducendo il riscaldamento dell’aria e quindi incrementando il raffreddamento del film. Sarà così possibile operare correzioni del profilo circonferenziale del film sia accrescendo lo spessore (minore riscaldamento) in caso di aree sotto il valore medio, sia diminuendolo (maggiore riscaldamento) quando si riscontra uno spessore maggiore del valore medio.

Un tale dispositivo permette quindi una regolazione bidirezionale dello spessore ma ha il grave inconveniente di implicare un significativo spreco energetico ed una bassa efficienza. Infatti l’aria fluente nell’anello che è impiegata per il raffreddamento della bolla solitamente proviene da idonei impianti frigoriferi che ne abbassano la temperatura, in modo da aumentare l’efficacia del raffreddamento massimizzando la produzione oraria della linea. Imporre un riscaldamento di base, al fine di consentire la regolazione bidirezionale dello spessore, all’aria precedentemente raffreddata porta quindi ad un elevato consumo di energia sia per il raffreddamento che per il successivo riscaldamento parziale dell’aria, il che dà luogo ad una bassa efficienza energetica.

Si consideri anche che gli elementi riscaldanti nell’anello di raffreddamento sono in numero maggiore rispetto a quelli che possono essere collocati nella testa di estrusione, a parità di diametro della testa, e questo consente di gestire un maggior numero di punti di regolazione disposti lungo il perimetro. A titolo di esempio, considerando un tipico dispositivo con un centinaio di elementi riscaldanti aventi una potenza massima di 200 W ciascuno che vengono impostati al 20% per avere la temperatura di riferimento, il consumo orario di base del dispositivo risulta pari a 4 kWh e il consumo massimo teorico è pari a 20 kWh.

Nel secondo tipo di dispositivo la regolazione dello spessore si basa sulla variazione della portata dell’aria di raffreddamento. Tramite otturatori o valvole motorizzati è possibile modificare lo scambio termico di raffreddamento tra aria e film. I vantaggi di questo tipo di dispositivo sono una maggiore velocità della regolazione, la bidirezionalità della regolazione ed un consumo trascurabile poiché dovuto al solo azionamento degli attuatori. D’altra parte, la dimensione degli attuatori risulta in genere nella possibilità di installare un minore numero di punti di regolazione rispetto alla suddetta soluzione degli elementi riscaldanti nell’anello di raffreddamento.

Un altro inconveniente di questa soluzione è il rischio di compromettere la stabilità della bolla quando la portata del flusso di raffreddamento viene aumentata/diminuita notevolmente per aumentare/diminuire lo spessore del film fino agli estremi del possibile intervallo di regolazione. Infatti, l’aria che fluisce all’interno e all’esterno del cono di formatura della bolla non solo influenza la capacità di raffreddamento del dispositivo ma è anche responsabile del regime di pressione dell’aria sugli inserti dell’anello, che determina la costanza del meato fluido e la forza di attrazione tra le parti.

Modificare la portata d’aria significa modificare anche lo spessore del flusso e la forza di attrazione della bolla sul cono di formatura, per cui aumentando la distanza tra l’anello e la bolla quest’ultima può risultare meno guidata e meno stabile inficiando l’efficacia della regolazione stessa e talvolta la stabilità dell’intero processo. D’altra parte, una eccessiva riduzione dello spessore del flusso implica il rischio di contatti del film al cono di formatura con conseguenti alterazione superficiali delle proprietà del film e possibili rotture della bolla stessa.

Ne consegue che se il flusso di riferimento è impostato in corrispondenza di una portata dell’aria di raffreddamento tale per cui alla portata minima non si ha adesione del film al cono di formatura, vi è il rischio che alla portata massima via sia instabilità della bolla. Viceversa, se il flusso di riferimento è impostato in corrispondenza di una portata dell’aria di raffreddamento tale per cui alla portata massima non si ha instabilità della bolla vi è il rischio che alla portata minima vi sia adesione del film al cono di formatura. D’altro canto limitare la variazione della portata per prevenire sia il rischio di adesione che il rischio di instabilità risulterebbe in un intervallo di regolazione dello spessore che è eccessivamente ristretto.

Nel caso in cui gli attuatori siano disposti in un apposito anello di regolazione, come sopra accennato, l’aria usata per la regolazione dello spessore può provenire da un apposito generatore di flusso quale un ventilatore o un compressore, oppure può essere un flusso parziale preso dallo stesso circuito dell’anello di raffreddamento. Si noti infine che gli anelli di raffreddamento solitamente prevedono una o più ripartizioni di flusso, con il flusso di raffreddamento che tipicamente è ripartito in un flusso inferiore ed un flusso superiore fluenti rispettivamente internamente e dal bordo inferiore del cono di formatura ed esternamente ad esso, convergendo al bordo superiore del cono. È chiaro che i princìpi di regolazione termica o volumetrica sopra illustrati restano immutati a prescindere dal fatto che siano applicati al flusso totale o ad un flusso parziale.

Scopo della presente invenzione è pertanto quello di fornire un dispositivo ed un metodo di regolazione dello spessore esenti dagli inconvenienti sopra descritti. Detto scopo viene conseguito con un dispositivo di tipo volumetrico ma caratterizzato dalla presenza sia di attuatori per la regolazione della portata del flusso che di elementi riscaldanti per la regolazione della temperatura del flusso, nonché con il relativo metodo di funzionamento. Ulteriori caratteristiche vantaggiose del dispositivo in oggetto sono specificate nelle rivendicazioni dipendenti.

Il vantaggio principale di questo dispositivo è quello di mantenere le caratteristiche di basso consumo energetico ed alta velocità di regolazione di un dispositivo volumetrico combinandole con la maggiore risoluzione angolare ottenibile con gli elementi riscaldanti di un dispositivo termico. Inoltre questa combinazione consente un metodo di funzionamento che previene rischi di instabilità o adesione della bolla, consegue un’elevata efficienza energetica ed assicura un ampio intervallo di regolazione dello spessore, addirittura più esteso di qualunque altro dispositivo di tecnica nota.

Infatti un simile dispositivo può essere impostato in modo che la temperatura di riferimento corrisponda ad una portata dell’aria di raffreddamento tale per cui alla portata massima non si ha instabilità della bolla, mentre il rischio che alla portata minima vi sia adesione del film al cono di formatura viene eliminato incrementando la portata minima. Tuttavia limitare la riduzione della portata per prevenire il rischio di adesione non risulta in un intervallo di regolazione dello spessore eccessivamente ristretto, poiché la porzione di intervallo non coperta dalla regolazione della portata del flusso viene coperta dalla regolazione della temperatura del flusso mediante gli elementi riscaldanti che possono anche consentire una regolazione più puntuale essendo preferibilmente in numero maggiore degli attuatori che regolano la portata.

Pertanto la correzione dell’errore di base, di bande larghe, di eccentricità e così via viene operata dagli attuatori che regolano la portata del flusso, senza che tale azione possa produrre fenomeni di instabilità o di adesione della bolla, mentre l’intervento del controllo termico consente di estendere ed affinare la regolazione dello spessore senza generare consumi energetici significativi. Infatti gli elementi riscaldanti operano in modo unidirezionale e solo quando è necessario raggiungere valori di spessore inferiori allo spessore corrispondente alla portata minima del flusso e/o una maggiore risoluzione angolare, nel caso siano in numero maggiore degli attuatori.

Un altro vantaggio di questo dispositivo deriva dal fatto di essere realizzato con componenti tradizionali, semplici ed economici che in certi casi potrebbero essere installati anche su impianti già esistenti come aggiornamento after-market.

Ulteriori vantaggi e caratteristiche del dispositivo e del metodo secondo la presente invenzione risulteranno evidenti agli esperti del ramo dalla seguente descrizione dettagliata e non limitativa di due sue forme realizzative con riferimento agli annessi disegni in cui:

la Fig.1 mostra una vista in sezione diametrale di una prima forma realizzativa del dispositivo collocato in un anello di raffreddamento;

la Fig.2 è una vista ingrandita del dettaglio A di Fig.1, con l’otturatore nella posizione di massima chiusura corrispondente alla minima portata d’aria;

la Fig.3 è una vista analoga alla precedente con l’otturatore nella posizione di massima apertura corrispondente alla massima portata d’aria, ed una serie di frecce che indicano il percorso del flusso;

la Fig.4 è una vista prospettica della sezione di Fig.3;

la Fig.5 mostra una vista in sezione diametrale di una seconda forma realizzativa del dispositivo collocato in un anello di raffreddamento;

la Fig.6 è una vista ingrandita del dettaglio A di Fig.5, con l’otturatore nella posizione di massima chiusura corrispondente alla minima portata d’aria;

la Fig.7 è una vista analoga alla precedente con l’otturatore nella posizione di massima apertura corrispondente alla massima portata d’aria, ed una serie di frecce che indicano il percorso del flusso; e

la Fig.8 è una vista prospettica della sezione di Fig.6.

Facendo riferimento alle figure da 1 a 4, viene illustrata una prima forma realizzativa del dispositivo collocato in un anello di raffreddamento 1.

L’anello di raffreddamento 1 viene alimentato tramite una pluralità di condotti 7 che immettono l’aria in un labirinto 8, atto a ridurre la turbolenza del flusso; al termine del labirinto 8 una corona di fori 9 lascia passare l’aria verso una camera di regolazione dove l’otturatore 5 limita il passaggio verso un canale 10 che poi si biforca nel canale inferiore 3 e nel canale superiore 4.

Il flusso di raffreddamento è regolato da una serie di otturatori orizzontali scorrevoli 5 (uno solo visibile nelle figure) equispaziati lungo l’anello 1; tali otturatori 5 parzializzano la sezione di passaggio del flusso muovendosi radialmente sotto l’azione di motori elettrici 6, preferibilmente motori passo-passo, che ne regolano la posizione.

Si noti che in altre forme realizzative non illustrate gli otturatori potrebbero essere verticali e muoversi parallelamente all’asse dell’anello oppure potrebbero essere disposti secondo inclinazioni intermedie tra orizzontale e verticale.

L’aspetto innovativo del dispositivo secondo la presente invenzione risiede nell’aggiunta a questo tradizionale dispositivo volumetrico di una pluralità di elementi riscaldanti, preferibilmente resistenze a cartuccia 11 provviste di dissipatori alettati 12, situati nel percorso del flusso di raffreddamento in modo da incrementarne la temperatura ed anch’essi equispaziati lungo l’anello 1. Gli elementi riscaldanti possono anche essere in numero diverso rispetto agli otturatori 5, ad esempio in numero doppio in modo da raddoppiare il numero di punti di regolazione e quindi la risoluzione angolare del dispositivo.

Più specificamente, in questa prima forma realizzativa del dispositivo la resistenza 11 è posta nella camera di regolazione a monte del punto di regolazione della portata del flusso, ovvero tra il foro 9 e l’otturatore 5, cosicché il flusso canalizzato incontra dapprima il dissipatore alettato 12 e successivamente l’otturatore motorizzato 5.

Viceversa nella seconda forma realizzativa illustrata nelle figure da 5 ad 8, dove gli stessi riferimenti numerici indicano gli stessi componenti, l’ordine degli organi di regolazione nella camera è invertito in quanto la resistenza 11 è disposta tra l’otturatore 5 ed il canale 10. Pertanto in questo caso il flusso di raffreddamento viene dapprima parzializzato dall’otturatore motorizzato 5 e successivamente incontra il dissipatore alettato 12.

Il metodo di regolazione del profilo di spessore che è attuato con un dispositivo secondo la presente invenzione può quindi essere riassunto nelle seguenti fasi:

a) predisposizione di un dispositivo di regolazione della portata del flusso di raffreddamento provvisto anche di elementi riscaldanti situati nel percorso del flusso di raffreddamento;

b) impostazione dell’intervallo di regolazione della portata del flusso di detto dispositivo in modo che la temperatura di riferimento del film corrisponda ad una portata del flusso di raffreddamento tale per cui alla portata massima non si ha instabilità della bolla ed alla portata minima non vi è adesione del film al cono di formatura;

c) regolazione del profilo di spessore del film, in base ai valori rilevati da appositi sensori, variando la portata del flusso di raffreddamento entro l’intervallo di regolazione impostato al punto precedente;

d) incremento della temperatura del flusso mediante gli elementi riscaldanti per ridurre lo spessore del film quando esso devo raggiungere valori inferiori allo spessore corrispondente alla portata minima del flusso.

Nel caso in cui il numero di elementi riscaldanti predisposti nella fase a) sia maggiore del numero di attuatori che regolano la portata del flusso, la fase d) può essere attivata anche in caso di necessità di una maggiore risoluzione di regolazione.

È chiaro che le forme realizzative del dispositivo secondo l'invenzione sopra descritte ed illustrate costituiscono solo degli esempi suscettibili di numerose variazioni. In particolare, gli otturatori 5 possono essere sostituiti da altri attuatori motorizzati meccanicamente equivalenti (ad es. valvole) e le resistenze a cartuccia 11 con dissipatori alettati 12 possono essere sostituite da altri tipi di elementi riscaldanti, fintantoché i componenti sostitutivi sono in grado di fornire la richiesta precisione di regolazione.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo collocato in un anello di raffreddamento (1) di un impianto per la produzione di film soffiati al fine di regolare il profilo di spessore di detti film, detto dispositivo comprendendo una pluralità di attuatori equispaziati lungo detto anello (1) che regolano la portata del flusso di un fluido di raffreddamento diretto verso un cono di formatura (2), caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre una pluralità di elementi riscaldanti situati nel percorso del flusso di raffreddamento ed equispaziati lungo l’anello (1).
2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che gli elementi riscaldanti sono disposti in camere di regolazione dove gli attuatori regolano la portata del flusso di raffreddamento.
3. Dispositivo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che gli elementi riscaldanti sono disposti tra dei fori (9) di ingresso delle camere di regolazione e gli attuatori.
4. Dispositivo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che gli elementi riscaldanti sono disposti tra gli attuatori e dei canali (10) che dalle camere di regolazione conducono il flusso verso il cono di formatura (2).
5. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che gli elementi riscaldanti sono presenti in numero maggiore degli attuatori, preferibilmente in numero doppio.
6. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che gli attuatori consistono in otturatori scorrevoli (5) che sono azionati da motori elettrici (6), preferibilmente motori passo-passo.
7. Dispositivo secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che gli otturatori scorrevoli (5) sono disposti orizzontalmente e si muovono radialmente.
8. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che gli elementi riscaldanti consistono in resistenze a cartuccia (11) provviste di dissipatori alettati (12).
9. Metodo per la regolazione del profilo di spessore di film soffiati in corrispondenza dell’anello di raffreddamento di un impianto per la produzione di film soffiati, caratterizzato dal fatto di comprendere le seguenti fasi: a) predisposizione in detto anello di raffreddamento di un dispositivo di regolazione della portata del flusso di raffreddamento provvisto anche di elementi riscaldanti situati nel percorso del flusso di raffreddamento; b) impostazione dell’intervallo di regolazione della portata di detto dispositivo in modo che la temperatura di riferimento del film corrisponda ad una portata del flusso di raffreddamento tale per cui alla portata massima non si ha instabilità della bolla ed alla portata minima non vi è adesione del film al cono di formatura; c) regolazione del profilo di spessore del film, in base ai valori rilevati da appositi sensori, variando la portata del flusso di raffreddamento entro l’intervallo di regolazione impostato al punto precedente; d) incremento della temperatura del flusso mediante gli elementi riscaldanti per ridurre lo spessore del film nel caso esso debba raggiungere valori inferiori allo spessore corrispondente alla portata minima del flusso di raffreddamento.
10. Metodo secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che nel caso in cui il numero di elementi riscaldanti predisposti nella fase a) sia maggiore del numero di attuatori che regolano la portata del flusso di raffreddamento, la fase d) può essere attivata anche in caso di necessità di una maggiore risoluzione di regolazione.