JP2013545635A - 太陽熱による加熱製造用システム、方法および装置 - Google Patents

太陽熱による加熱製造用システム、方法および装置 Download PDF

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Abstract

ヘリオスタットと成形型とを備える加熱製造システムのためのシステム。このヘリオスタットは、少なくとも一つの反射面と、ステアリング装置と、制御装置とを備える。このステアリング装置は、少なくとも一つの反射面に接続されており、この少なくとも一つの反射面の少なくとも第1の部分を複数の選択可能な焦点のうち第1の焦点に向けることができる。成形型は前記複数の選択可能な焦点のうち第2の焦点に置かれる。製造方法も開示される。
【選択図】図3A

Description

本発明は、概してプラスチック製造方法に関し、より詳細には、プラスチックの熱成形のための方法およびシステムに関する。
プラスチック製品の製造方法は、典型的には、様々な形態のプラスチック(例えばペレット、粉末、シート等)を加熱する工程と、プラスチックを所望の形状に形成する工程とを含む。プラスチック成形の2つの非常に一般的な様式は、回転成形および真空成形である。
回転成形法は、3つの全ての軸(X,Y,Z軸)において回転可能な中空成形型(金型)を含む。この中空成形型は、典型的には金属材料または類似する熱伝導材料から形成される。プラスチック粉末がこの中空成形型内部に置かれる。次に、この中空成形型はオーブン(熱源が実質的に中空成形型を囲むもの)内に移される。次に、この中空成形型はオーブン内で回転され加熱される。
この中空成形型がオーブン内で回転され加熱されると,プラスチック粉末は中空成形型の内面の底に継続して落ちる。この加熱された中空成形型は底部内層上でプラスチック粉末を加熱する。溶融されたプラスチック粉末は中空成形型の底部内面において完全なプラスチック層を形成するために共に結合(例えば焼結する)。成形型を連続的に回転させることで中空成形型の内面全てにプラスチック層を形成する。
一旦この完全なプラスチック層が中空成形型の内面に形成されると、この中空成形型をオーブンから出すことができる。次に、この中空成形型は冷却され、開かれて、成形したプラスチック製品が中空成形型から出される。
回転成形システムにおいて形成される典型的な製品は、タンク、ボート、運送用コンテナ、その他の形態である。
真空成形法は、プラスの(盛り上がったあるいは凸状の)形状またはマイナスの(くぼんだあるいは凹状の)形状の成形型上で硬質プラスチックのシートを支持するためのフレームを含む。熱源はプラスチックシートに向けられ、成形型内のいくつかの部品内およびこの周囲の領域を真空にし、プラスチックシートを柔らかくし、柔軟にする。真空によって、所望の形状を形成するために加熱されたプラスチックシートが成形型内にまたは成形型上に引き下げられる。次にこの熱源は除去され、この成形したプラスチックシートが冷却され、再び硬質になる。次に、真空が除去され、この成形したプラスチックシートを成形型から外すことができる。
真空成形システムにおいて形成される典型的な製品は、艇体、シャワー、輸送トレイ、および機器のカバーである。
回転成形システムおよび真空成形システムの両方において、製造方法の加熱部にとってのエネルギーコストは最終製品コストのより大きな部分を占めつつある。前述の事実に鑑み、回転成形システムおよび真空成形システムの両方にとってより廉価なエネルギー源のニーズがある。
概して、本発明は加熱製造システムおよび加熱製造方法を提供することによりこのニーズを満たす。方法、装置、システム、コンピュータ可読媒体、または装置・デバイス等を含む、多くの態様にて実施することができると理解すべきである。本発明のいくつかの進歩性のある実施形態が以下に記載される。
一実施形態は、ヘリオスタットおよび成形型を備える加熱製造システムを提供する。このヘリオスタットは、少なくとも一つの反射面、ステアリング装置および制御装置を含む。このステアリング装置は、少なくとも一つの反射面に接続され、少なくとも一つの反射面の少なくとも第1の部分を複数の選択可能な焦点のうち第1の焦点に向けることができる。この成形型は、複数の選択可能な焦点のうち第2の焦点に配置される。
この加熱製造システムは、成形型に接続された圧力制御源も備えることができる。この加熱製造システムは、成形型に接続された回転機構も備えることができる。
この回転機構は、二軸回転機構であり得る。この回転機構は連続回転機構であり得る。この回転機構は、回転速度が可変の回転機構であり得る。この回転機構は、回転位置選択機構(selected rotation position mechanism)であり得る。
加熱製造システムは、熱遮蔽構造体も備え得る。熱遮蔽構造体は、実質的に成形型を囲包囲し得る。
反射面は、平面反射面および/または湾曲した反射面を備え得る。成形型は、複数の成形型を備えることができ、各成形型は、選択可能な焦点のうち対応する焦点に置かれる。
制御装置は、成形型内に成形可能材料を装填するためのコンピュータ実行可能論理と、複数の焦点のうち選択された焦点に成形型を配置するためのコンピュータ実行可能論理と、反射され集中された放射エネルギーを成形型の選択された部分に向けるためのコンピュータ実行可能論理と、を備えるソフトウェアおよびハードウェアを含み得る。この制御装置は、成形型の選択された部分を反射され集中された放射エネルギーで加熱するためのコンピュータ実行可能論理と、ヘリオスタットの焦点から成形型を取り外すためのコンピュータ実行可能論理と、成形型から成形物を取り外すためのコンピュータ実行可能論理と、を備えるソフトウェアおよびハードウェアを含み得る。
別の実施形態は、成形型と、この成形型に接続された、二軸回転機構である回転位置選択機構と、ヘリオスタットと、を備える製造システムであって、前記ヘリオスタットは、複数の平面反射面または複数の湾曲した反射面のうち少なくとも一つと、選択可能な焦点と、ステアリング装置と、制御装置と、を備える、製造システムを提供する。
別の実施形態は、成形型内に成形可能材料を装填する工程と、ヘリオスタットの焦点に成形型を配置する工程と、反射され集中された放射エネルギーを成形型の選択された部分に向ける工程と、この成形型の前記選択された部分を前記反射され集中された放射エネルギーで加熱する工程と、ヘリオスタットの前記焦点から前記成形型を取り外す工程と、前記成形型から成形物を取り外す工程と、を含む製造方法を提供する。
この方法は、成形型を回転させる工程も含み得る。反射され集中された放射エネルギーを成形型の選択された部分に向ける工程は、選択された時間の間、前記反射され集中された放射エネルギーを成形型の選択された部分に向ける工程を含む。ヘリオスタットの焦点から成形型を取り外す工程は、前記成形物を冷却する工程も含み得る。
前記成形型の前記選択された部分を前記反射され集中された放射エネルギーで加熱する工程は、前記成形可能材料の一部が結合して前記成形型の内面に層を形成するまで前記成形型の前記選択された部分を加熱する工程を更に含む。この方法は、成形型を真空にすることも含み得る。
本発明の他の態様および利点は、(本発明の原理を例示的に記載する)添付の図面と共に以下の詳細な説明によって理解される。
本発明は、添付の図面と共に以下の詳細な説明によって容易に理解されよう。
図1Aは、本発明の一実施形態の概略平面図である。
図1Bは、本発明の一実施形態による単一の湾曲した反射面の概略図である。
図1Cは、本発明の一実施形態によるヘリオスタットシステムの概略図である。
図1Dは、本発明の一実施形態によるヘリオスタットシステムの一連の反射面の概略図である。
図1Eは、本発明の一実施形態によるヘリオスタットによって反射された放射エネルギーを方向づける際に行われる方法工程を示すフローチャートである。
図2Aは、本発明の一実施形態による真空成形システムの概略図である。
図2Bは、本発明の一実施形態による真空成形型の概略図の詳細図である。
図2Cは、本発明の一実施形態による真空成形型の概略図の断面図である。 図2Dは、本発明の一実施形態による真空成形型の概略図の断面図である。
図2Eは、本発明の一実施形態によるソーラー真空成形法において行われる方法工程を示すフローチャートである。
図3Aは、本発明の一実施形態によるソーラー回転成形システムの概略図である。
図3Bは、本発明の一実施形態によるソーラー回転成形システムの概略図のより詳細な図である。
図3Cは、本発明の一実施形態によるソーラー回転成形法において行われる方法工程を示すフローチャートである。
図3Dは、本発明の一実施形態によるソーラー回転成形302の一連の側面図である。
図3Eは、本発明の一実施形態による遮蔽回転成形型の概略図である。
図4Aは、本発明の一実施形態による複数標的のプラスチック成形システムの概略図である。
図4Bは、本発明の一実施形態による複数標的のプラスチック成形法において行われる方法工程を示すフローチャートである。
図5は、本発明による処理を実施するための例示的なコンピュータシステムのブロック図である。
回転成形システムおよび真空成形システムにおいて太陽エネルギーを使用するためいくつかの例示的な実施形態ならびにその方法を次に説明する。本明細書に記載された詳細のいくつかまたは全てが無くても本発明を実施し得ることは当業者には明らかである。
放射太陽エネルギーは非常に万能なエネルギー源である。放射太陽エネルギーは、放射太陽エネルギーが当たる表面に直接吸収され得る。図1Aは、本発明の一実施形態による平面104の概略図である。放射太陽エネルギー102は、平面104に当たる。放射太陽エネルギー102の少なくとも第1の部分106は平面104で反射される。この平面104は更に太陽エネルギー102の第2の部分103を吸収する。放射エネルギー106の反射された第1の部分および放射エネルギー103の吸収された第2の部分の相対量は、平面104の材料の種類によって、およびこの平面104の表面仕上(例えば反射率)によって決まる。放射太陽エネルギー102は反射面(例えばミラーまたは他の反射面(例えば研磨面))で反射され得る。
放射エネルギー106の反射された第1の部分は、太陽エネルギー102の入射角に対応する角度θで平面104から反射される。結果としてこの反射された第1の部分106は、反射された第1の部分106が複数の異なる入射角に対応する異なる角度で反射されるため、分散された態様で平面104から反射される。
図1Bは、本発明の一実施形態による単一の湾曲した反射面110の概略図である。湾曲した反射面110は、反射された放射エネルギー(以下、反射放射エネルギー)112を収束させ、あるいは集中させることができる。この反射放射エネルギー112は、曲面上の対応する地点にて放射太陽エネルギー102の入射角α’に対応する角度θ’で曲面110から反射される。結果として、曲面110の面積全体から反射放射エネルギー112は、標的114上の選択された(あるいはより小さい)面積または焦点114Aに方向づけられることができる。標的114上のこの焦点114Aは、曲面110の面積よりも小さい面積を有し、よってこの曲面は、反射放射エネルギー112を標的114上の焦点114A上に集中させる。
図1Cは、本発明の一実施形態によるヘリオスタットシステム120の概略図である。図1Dは、本発明の一実施形態によるヘリオスタットシステム120の複数の反射面122A〜Hの概略図である。このヘリオスタットシステム120は、複数の平らなまたは湾曲した反射面122A〜Hを含む。反射面122A〜Hは一または複数のモーター124A〜Hに接続されている。モーター124A〜Hはヘリオスタット制御装置126に接続されている。ヘリオスタット制御装置126は反射面122A〜Hのうち選択されたものの向きを操作するかあるいはこれを移動させるために、モーター124A〜Hを制御することができ、これにより入射放射エネルギー102の一部が、反射放射エネルギー112となり、かつ標的114に方向づけられる(任意には集中される)。ヘリオスタット制御装置126は選択的に反射面122A〜Hを個々にまたは組み合わせてその向きを操作することができる。反射面122A〜Hは、反射放射エネルギー112を標的114上の焦点114A上に集中することができる。
図1Eは、本発明の一実施形態によるヘリオスタット120によって反射された放射エネルギー112を方向づける際に行われる方法工程150を示すフローチャートである。ここで記載された行程は例示目的のためであり、いくつかの行程は更に細分化した行程を有していてもよく、他の場合ではここで記載した特定の行程が図示した行程に含まれなくともよいと理解されるべきである。いくつかの行程はコンピュータ可読のソフトウェアおよび論理において可能となり得ると理解すべきである。このことを考慮し、この方法および行程150を次に説明する。工程152において、放射エネルギー102は、上記の図1Cで示されたようなヘリオスタットの反射面122A〜Hのうち一または複数に集められる。
工程154において、ヘリオスタット制御装置126は反射面122A〜Hのうち選択されたものの向きを操作し、これにより、集められた反射放射エネルギー112が標的114上の焦点114Aに方向づけられる(任意には集中される)。制御装置126は、各モーター124A〜Hを駆動し制御することにより、選択的に反射面122A〜Hを個々にまたは組み合わせてその方向を操作することができる。ヘリオスタット制御装置126は、モーター124A〜Hを駆動し制御するための制御ソフトウェアおよび論理を含み得る。
ヘリオスタット制御装置126は、標的114上でこの反射されたエネルギー112の所望の温度および/または集中を達成するために適宜、選択的に反射面122A〜Hを個々にまたは組み合わせてその向きを操作することができる。標的114上の温度を制御することは、反射面122A〜Hの数を増減することを含み、および/または標的114上のこの集められた反射放射エネルギー112を増減することを含み得る。この集められた反射放射エネルギー112の集中を増減することは、標的114上のより大きなまたはより小さな面積を伴う焦点114A上にこの反射放射エネルギーを方向づけることを含み得る。
例として、焦点114Aは、非常に小さく、かつ標的の表面上の非常に正確な位置に向けられる。あるいは、焦点114Aはいくらか大きくてもよく、焦点114Aの一部のみが標的114の表面上に当たり得る。更に別の形態において、焦点114Aは標的114の表面よりも大きい面積を有することもできる。
工程156において、ヘリオスタット制御装置126は、放射エネルギー源101(例えば太陽)が動くにつれてこれを自動的に追跡し、または、ヘリオスタット120に対する強度を変更して放射エネルギー112が所望の焦点114Aに方向付けられることを維持する。ヘリオスタット制御装置126は、太陽101の移動を自動的に追跡するソフトウェアおよび/または論理126Aを含み得る。放射エネルギー源101は、このエネルギー源とヘリオスタット120との間の障害(例えば雲、塵・埃、煙、霧もしくは他の障害)により強度を変え得る。より多くのまたは少ない反射面112A〜Hが、反射されたエネルギー112の強度を調整および/または維持するために使用され得る。
ヘリオスタット120は、放射エネルギー源101の位置および強度、標的114の位置、ならびに焦点114Aの位置および大きさを検出するための様々なセンサー128A,128Bも含み得る。センサー128A,128Bは、任意の所望の波長(例えば赤外線、可視光線、紫外線など)にて放射エネルギーを検出することができ、これはヘリオスタット制御装置126に接続されている。センサー128A,128Bは、標的114上のより大きなまたは小さな面積114A上へのこの反射放射エネルギー112の集中を監視するためにも使用され得る。センサー128A,128Bは標的114の温度を監視するためにも使用され得る。
工程158において、ヘリオスタット制御装置126は反射面122A〜Hを標的114から外すように方向付け、この方法工程が終わることができる。ヘリオスタット制御装置126は、反射放射エネルギー112が様々な異なる方向に反射されるように反射面122A〜Hを方向付けることができる。あるいは、標的114は、この集められた反射放射エネルギー112の焦点114Aから離れた第2の位置114’に移動され得る。
図2Aは、本発明の一実施形態による真空成形システム200の概略図である。図2Bは、本発明の一実施形態による真空成形型(金型)202の概略図の詳細図である。図2Cおよび2Dは、本発明の一実施形態による真空成形型202の概略図の断面図である。
真空成形型システム200は、成形型形状206の上にプラスチックシート204を保持するフレーム202を含む。フレーム202は、ベースプレート205を含む。フレーム202はプラスチックシート204をベースプレートの周囲にてベースプレート205に目張りする。
成形型形状206はバックプレート205に固定される。成形型形状206は、凹状208Aもしくは凸状208Bまたはこれらの組み合わせであり得る。
圧力制御源208は、フレーム202に接続され、およびいくつかの実施形態においてはベースプレート205に接続される。圧力制御源208はベースプレート205とプラスチックシート204との間の圧力を減少させる。圧力制御源208は任意の適切な圧力制御源でよく、例えば、ポンプや、ベースプレート205とプラスチックシート204との間のスペース205A内の圧力をベースプレート205とプラスチックシート204との間のスペース205Aの外側の圧力よりも小さく減少させることができる他の装置である。逆に,圧力制御源208は任意のカバー202Aとプラスチックシートとの間のスペース202Bの圧力を増加することによってプラスチックシート204への圧力を増加することができる。
真空成形型制御装置210は圧力制御源208に接続される。真空成形型制御装置210は、ベースプレート205とプラスチックシート204との間のスペース205A、ならびに任意のカバー202Aとプラスチックシートとの間のスペース202B内の相対圧力を制御するためにオペレーティング・ソフトウェアおよび論理210Aを含む。真空成形型制御装置210はヘリオスタット制御装置126内に含まれるか、または、これから離れておりこれに接続されていてもよい。
図2Eは、本発明の一実施形態によるソーラー真空成形法において行われる方法工程250を示すフローチャートである。ここで記載された行程は例示目的のためであり、いくつかの行程は更に細分化した行程を有していてもよく、他の場合ではここで記載した特定の行程が図示した行程に含まれなくともよいと理解されるべきである。いくつかの行程はコンピュータ可読のソフトウェアおよび論理において可能となり得ると理解すべきである。このことを考慮し、この方法および行程250を次に説明する。
工程252において、上記図1Cに示されたように放射エネルギー102がヘリオスタットの反射面122A〜Hのうち一または複数において集められる。
工程254において、成形型206はフレーム202に固定される。プラスチックシート204は工程256においてフレーム202によって成形型上に固定される。工程258において、フレーム202は焦点114Aに配置される。
工程260において、ヘリオスタット制御装置126は反射面122A〜Hのうち選択されたものの向きを操作し、これにより、集められた反射放射エネルギー112が焦点114Aに方向づけられる(任意には集中される)。工程262において、プラスチックシート204はこの反射放射エネルギー112によって加熱される。
工程266において、プラスチックシート204は上記のようにスペース205Aとスペース202Bとの圧力差によって成形型上および成形型内に引き下げられる。圧力制御源208はスペース205Aとスペース202Bとの圧力差を決定することができる。
工程268において、ヘリオスタット制御装置126は、放射エネルギー源101(例えば太陽)が動くにつれてこれを自動的に追跡し、またはヘリオスタット120に対する強度を変更して放射エネルギー112が所望の焦点114Aに方向付けられることを維持する。工程268において、ヘリオスタット制御装置126は反射面122A〜Hをフレーム202から離れるように方向付ける。ヘリオスタット制御装置126は、この反射放射エネルギー112が様々な異なる方向に反射されるように反射面122A〜Hを方向付けることができる。あるいは、フレーム202は、この集められた反射放射エネルギー112の焦点114Aから離れた第2の位置202’に移動され得る。
工程270において、この成形したプラスチックシート204はフレーム202から外され、この方法工程が終わることができる。
図3Aは、本発明の一実施形態によるソーラー回転成形システム300の概略図である。図3Bは、本発明の一実施形態によるソーラー回転成形システム300の概略図のより詳細な図である。図3Dは、本発明の一実施形態によるソーラー回転成形302の一連の側面図である。
ソーラー回転成形システム300は、二軸回転成形型302を含む。二軸回転成形型302は少なくとも2つの軸304および306を中心に回転することができる。回転成形型302はこのコンセプトに軽微な変更を加えて第3の軸308において(例えば、引き込み面に対して垂直に)回転することもできると理解すべきである。しかしながら説明および記載を簡略化するために二軸304および306のみを説明する。
ソーラー回転成形システム300は、第1の軸304を中心に成形型302を方向314A,314Bに回転するための第1の回転装置314を備える。第1の回転装置314はシャフト310によって成形型302に接続される。ソーラー回転成形システム300は、第2の軸306を中心に成形型302を方向316A,316Bに回転するための第2の回転装置316を備える。第2の回転装置316はシャフト312によって成形型302に接続される。第1の回転装置314および第2の回転装置316は任意の適切な回転機構でよい。
熱遮蔽構造体320は、反射放射エネルギー112から第1の回転装置314および第2の回転装置316を実質的に隔離するために任意に含まれ得る。熱遮蔽構造体320は、任意の適切な遮熱材(例えば壁または能動的に冷却されるバリア)であり得る。熱遮蔽構造体320は、成形型302から第1の回転装置314および第2の回転装置316を実質的に熱的に隔離する熱分離連結材322A,322Bも含むことができる。
図3Eは、本発明の一実施形態による遮蔽回転成形型の概略図である。熱遮蔽構造体320は、成形型302を任意に、部分的にまたは完全に囲むことができる。熱遮蔽構造体320は空冷効果を減少させるために風または他の気動から成形型を実質的に隔離する。例として、熱遮蔽構造体320は成形型302の一面を除き全ての面を覆うことができる。この遮熱材のこの一の開放面320Gによって、成形型の覆われていない面をヘリオスタット120からの反射放射エネルギー112に露出することができる。
あるいは、熱遮蔽構造体320は成形型302を完全に囲むことができ、熱遮蔽構造体320は、面320Gに窓または他の適切な導管を備えることができる。面320Gにある窓は反射エネルギー112を成形型302に当てるためにこれを通すことができる。
熱遮蔽構造体320は、熱エネルギーが逃げないように絶縁層374も含むことができる。熱遮蔽構造体320は、その内面に熱反射層376も含むことができ、成形型302から放射される熱エネルギーを成形型に戻すように反射する。熱遮蔽構造体320は熱遮蔽構造体の内面にミラーも含むことができる(例えば成形型302の後ろ)。熱遮蔽構造体320の内面のミラーは、反射エネルギー112のうち成形型302に当たらないものを成形型に直接戻るように反射することができるように角度を付けることができる。
熱遮蔽構造体320は、熱遮蔽構造体内の熱エネルギーを選択的に放出することができるように一または複数の放出口(ベント)372も含むことができる。例として、熱遮蔽構造体内の熱エネルギーを放出することは、成形型302の温度を冷却あるいは制御するために望ましい場合がある。
図3Cは、本発明の一実施形態によるソーラー回転成形法において行われる方法工程350を示すフローチャートである。ここで記載された行程は例示目的のためであり、いくつかの行程は更に細分化した行程を有していてもよく、他の場合ではここで記載した特定の行程が図示した行程に含まれなくともよいと理解されるべきである。いくつかの行程はコンピュータ可読のソフトウェアおよび論理において可能となり得ると理解すべきである。このことを考慮し、この方法および行程350を次に説明する。
工程352において、放射エネルギー102は、上記の図1Cで示されたようなヘリオスタットの反射面122A〜Hのうち一または複数に集められる。
工程354において、プラスチック粉末もしくはペレット332または他の適切な成形可能な材料が成形型302内に置かれる。工程356において、回転成形型302は少なくとも一つの方向314A,314B,316A,316Bに回転される。
工程358において、成形型302は焦点114Aに置かれ、回転成形型の少なくとも一部が反射放射エネルギーによって加熱される。加熱は放射エネルギー(集中した反射放射エネルギー112)を介し、冷却は周囲空気に対する対流によってなされる。従って、反射放射エネルギー112への最良の露出のために、成形型302の一部分を遅くし、あるいは保持するのに有用であり得る。数分間で、成形型302の露出された部分を約華氏300度〜450度まで加熱することができる。しかしながら、(立方体形状の成形型302の)他の5面は対流によってゆっくり冷却される。加熱および冷却は異なる速度で生じるため非対称性である。放射加熱は速く、かつ効率的であり、一方、空気に対する対流は遅く、かつ非効率である。
反射放射エネルギー112が成形型302の表面に当たる入射角は最良の熱伝導のために重要である。成形型302が回転する場合、最良の角度はその回転の比較的小さな部分のみで生じる。回転成形システム300は、成形型の表面の選択された部分が最適な入射角で露出されて所望の温度に加熱され、そして成形型の表面の次の部分が反射放射エネルギー112に露出されるように、成形型302を保持することができる。
典型的な回転成形型は、オーブンで加熱された空気の熱浴のなかで連続的に回転する。回転成形型302の回転速度は成形工程中に可変である。例として、成形型302はこの成形型の一部分302Aを成形型の別の部分302Bよりも長い期間加熱することでより効率的に加熱され得る。よって反射エネルギー112が成形型302の一部分302Aに当たる際に、回転速度を適宜遅くし、更には瞬間的に停止することができる。焦点114Aに成形型302を置く工程は、集められた反射放射エネルギー112が焦点114Aに方向づけられる(任意には集中される)ようにヘリオスタット制御装置126が反射面122A〜Hのうち選択されたものの方向を操作する工程も含むことができる。
反射放射エネルギー112の入射角および成形型302の相対位置が制御可能であるため、成形型の困難な(すなわち複雑な)部分302A〜Dを所望の温度(例えばプラスチック溶融温度の直ぐ下または僅かに上)に予熱することが可能である。伝統的な回転成形工程は成形型302の選択的な加熱を実現せず、成形型302の部分を選択することも実現しない。
回転成形において使用されるプラスチック粉末もしくはペレット332は、成形型302の底に落ち、従って、(図3Dを参照すると)プラスチック粉末が一部分302Aを覆い、かつ成形型の一部分302A上の内面上に層332Aを形成する機会を有するように、成形型の直近に加熱された部分302Aを方向331Bに示されるような底位置まで回転することが有益であり得る。後続する加熱および回転によって、直近に加熱された部分302A〜302Dの残りの内面の上にプラスチックの各層332A〜332Dが形成される。連続する加熱および層形成サイクルはより厚いプラスチック層332A’の形成をもたらす。
成形型302の対向する部分(例えば、302Aおよび302Cおよび302Bおよび302D)を順に加熱することで、成形型を更に均一に加熱することができる。例として、図3Dを参照すると、成形型302の第1の部分302Aがまず加熱されると、次に隣接する部分302Bが加熱され、これにより第1の部分302Aを底位置まで回転させ(例えば向き331B)、次に成形型の第3の向きが、第1の部分302Aの対向部分302Cが加熱されるように構成される(例えば向き331Cに示されるように)。このようにして、成形型302のほとんどの対向部分が加熱される。
図3Cを再び参照すると、工程360において、成形型302は反射放射エネルギー112によって加熱される。
工程364において、ヘリオスタット制御装置126は放射エネルギー源101がヘリオスタット120に対して相対的に動くにつれてこれを自動的に追跡し、放射エネルギー112が所望の焦点114Aに方向付けられることを維持する。工程366において、ヘリオスタット制御装置126は反射面122A〜Hを成形型302から外すように方向付ける。ヘリオスタット制御装置126は、反射放射エネルギー112が様々な異なる方向に反射されるように反射面122A〜Hを方向付けることができる。あるいは、成形型302は、この集められた反射放射エネルギー112の焦点114Aから離れた第2の位置302’に移動され得る。
工程368において、成形したプラスチックが成形型302から外され、この方法工程が終わることができる。
ほぼプラスチック溶融温度(例えば高密度ポリエチレン(HDPE)では華氏約280〜約300度)まで成形型302の各部分を段階加熱するのであればプラスチックの堆積がより均一になる。成形型302の加熱が困難な部分はHDPE溶融温度よりも高い華氏約100度に過熱され得る。一旦加熱された成形型のこれらの部分は、成形型302の過熱された部分内に保存された高レベルの熱エネルギーによる過度に厚いプラスチック堆積を避けるためにこれ以上長い時間、底位置に落とされない。一旦、成形型302の一または複数の加熱が困難な部分が過熱されると、成形型は実質的に一定回転に置かれ得る。これにより、プラスチックが成形型の過熱部分に露出される時間を制限することによって、成形型302の内面の周りにプラスチックをより均等に分配する。
図4Aは、本発明の一実施形態による複数標的のプラスチック成形システム400の概略図である。この複数標的のプラスチック成形システム400は上記のシステム200,300に類似するが、複数の成形型402〜410を更に含む。成形型402〜410は真空成形型および回転成形型を含むことができる。
図4Bは、本発明の一実施形態による複数標的のプラスチック成形法において行われる方法工程450を示すフローチャートである。ここで記載された行程は例示目的のためであり、いくつかの行程は更に細分化した行程を有していてもよく、他の場合ではここで記載した特定の行程が図示した行程に含まれなくともよいと理解されるべきである。いくつかの行程はコンピュータ可読のソフトウェアおよび論理において可能となり得ると理解すべきである。このことを考慮し、この方法および行程450を次に説明する。
工程452において、放射エネルギー102は、上記の図1Cで示されたようなヘリオスタットの反射面122A〜Hのうち一または複数に集められる。
工程454において、成形型402〜410のうち一または複数にプラスチック原材料が装填される(例えば真空成形型ではプラスチックシートならびに回転成形型ではプラスチック粉末および/もしくはペレット)。工程456において、第1の成形型が選択される。
工程458において、ヘリオスタット制御装置126は、反射面122A〜Hのうち選択されたものの方向を、選択された成形型に方向づけられる(任意には集中される)ように操作する。
工程460において、選択された成形型は反射放射エネルギー112によって加熱される。
工程464において、ヘリオスタット制御装置126は放射エネルギー源101がヘリオスタット120に対して相対的に動くにつれてこれを自動的に追跡し、放射エネルギー112が所望の焦点114Aに方向付けられることを維持する。
工程466において、成形型402〜410のうち別のものに対して継続するか否かが決定される。工程466において終了する決定がなされると、次にこの一連の方法工程は工程468において継続する。
工程468において、ヘリオスタット制御装置126は選択された成形型から反射面122A〜Hを外すように方向付ける。ヘリオスタット制御装置126は、この反射放射エネルギー112が様々な異なる方向に反射されるように(例えば、他の成形型402〜410からも離れるように)反射面122A〜Hを方向付けることができる。あるいは、選択された成形型は、この集められた反射放射エネルギー112の焦点114Aから離れた第2の位置に移動され得る。工程470において、この成形したプラスチックは選択された成形型から外され、この方法工程が終わることができる。
工程466において、成形型402〜410のうち別のものを選択することが決定されると、次にこの一連の方法工程は工程472において継続する。工程472において、別の成形型402〜410が選択される。そしてこの一連の方法工程は上記の工程458において継続する。
伝統的な回転成形型製造方法における問題の一つは成形型の加熱しにくい部分である。成形型のいくつかの部分は追加の加熱を必要とし、成形型のいくつかの部分は場合によってより少ない加熱および更には冷却を必要とする。結果として、典型的な回転成形型は非常に複雑であり、可変の厚みや、ヒートシンクや、絶縁体(断熱材)や、他の構造体(所望の熱吸収を提供するために成形型に追加されるもの)が必要である。
ソーラー回転成形システム300は成形型302の表面の選択された部分に当たる反射放射エネルギー112の量の動的選択および動的調整を可能にする。成形型の表面温度領域の正確な制御(例えば「サッカーボール」多面体w/20+面)を行うことができる。成形型302の選択された表面に当たる反射放射エネルギー112の量は、反射エネルギーの(成形型の表面上の)量、集中度、もしくは位置のいずれかまたはこれらの組み合わせによって、あるいは選択された表面が反射エネルギーに露出される時間を調整することによって増減することができる。リアルタイムでの温度監視および面ごとの調節によってもたらされる利益は、伝統的な回転成形工程およびシステムとは対照的に、単純化された廉価な成形型や、サイクルタイムの減少や、より高品質な成形品や、より複雑な製品を許容するより柔軟な製造方法を含む。センサー128A,128Bによって、制御装置126およびソフトウェア126Aが反射エネルギー112の瞬時強度と、焦点114Aに対する成形型302の選択された部分の正確な位置とを決定することができる。
上記のように、回転成形型302を加熱する速度は、成形型の各部分に対して必要に応じてリアルタイムで動的に調節することができる。例として独立制御されるモーター124A〜Hおよび回転子314,316によって、成形型302の表面の非対称加熱が可能となる。反射放射エネルギー112に露出された成形型302の表面のドエル(例えば一時停止または低速回転)を増加することで、その表面の加熱を増加することができる。同様に、反射放射エネルギー112に露出された成形型302の表面のドエル(一時停止・休止)(例えば一時的に回転を加速する)を減少することで、その表面の加熱を減少することができ、あるいは反射放射エネルギー112が非常に方向性が強いためその表面を冷却することさせることが可能である。ヘリオスタットシステム120から反射された反射放射エネルギー112の量を増減することで、成形型302の選択された表面を動的に増減することもできる。制御装置126は、センサー128A、128Bを使用して成形型の各部分の位置および温度を検出する。
ユーザは、成形型302の選択された表面に当たる反射放射エネルギー112の量を手動で調整することもできる。成形型の各部分の各加熱は、成形型302において形成中の製品のコンピュータを利用した設計(CAD)の一部であり得る。制御装置126は成形型302の各部分の所望の設定温度を維持するためにセンサー128A,128Bからのフィードバックに基づいてリアルタイムで順応するソフトウェアおよび論理126Aも含むことができる。
成形型302は二重層成形型冷却処理も含むことができる。冷却スリーブは成形型302の一部に一時的に挿入することができる。この冷却スリーブは、成形型302の壁の厚さと比較して比較的薄い壁であり得る。例として、冷却スリーブは、約0.090インチ厚のシートメタルまたは他の同等の熱吸収材料であり得る。この0.090インチの壁の厚さは例にすぎず、冷却スリーブは、必要な冷却能力および冷却スリーブの材料に基づき要求される任意の適切な厚さであり得ると理解すべきである。この冷却スリーブは成形型302内に嵌合する。冷却スリーブは成形型302の内面と密接して嵌合する。冷却スリーブは熱伝導性材料(例えば金属(鋼,アルミニウム,銅,合金およびこれらの組み合わせ)または他の適切な熱伝導材料)から形成され得る。
冷却段階中、成形型302を開くことができ、冷却スリーブが引き抜かれ、新たな冷却挿入物が導入される。付加的なプラスチック粉末もしくはペレットも加えることができる。プラスチック部分が十分冷却されて成形型302から引き抜くことができるようになるまで冷却スリーブはファンおよび/またはクーラント(例えば水噴霧)で受動的および/または能動的に冷却され得る。冷却スリーブによって成形型302および支持用金物類を熱い状態に維持することができ、よってプラスチック冷却処理を成形型302の冷却工程から切り離すことができる。これは成形型302を再加熱するエネルギーおよび時間を省き、更には成形型が本来冷却されるよりも高温に成形型支持構造体,周囲空気および筐体を保つことができる。
回転成形システム300は太陽熱による加熱効率を最大限にすることができる。伝統的な回転成形型は、この成形型を保持し回転する大きなアーマチュアを有する。これは太陽エネルギーによる回転成形にとって理想的ではなく、これらのアーマチュアは成形型を加熱中の反射放射エネルギー112を定期的に妨害するからである。回転成形型を、この成形型を支持するアーマチュアが入射反射放射エネルギー112を妨害することがないように設計することができる。これは、回転成形型アーマチュアの加熱における熱の損失がより少なくなるため、太陽熱による加熱効率を向上させる。
回転成形システム300は、一または複数の反射面330も備えることができる。一または複数の反射面330は、プラスチックと接触する成形型302の部分をより直接的に加熱することを可能にする。上記の様に、反射放射エネルギー112に露出される成形型302の第1の部分のみがヘリオスタット120によって加熱される。プラスチックが成形型302の底に乗ることができるため、プラスチックの最大量を堆積するには(またはそのプラスチックをもっとも急速に堆積するには)、第1の部分が加熱される必要があり、次にこの第1の部分を底位置(この上にプラスチックが落ちる)に移動させる必要がある。
あるいは、成形型302が持ち上げられ、および/または反射面330が成形型の下に置かれ得る。この反射面330は、反射放射エネルギー112の全てまたは一部を成形型302の底面に反射することができる。これは、プラスチックを反射放射エネルギー112によって直接加熱することができるため、サイクルタイムを減少させることができ、プラスチック堆積のより正確な制御を提供する。
上記のようにシステム200,300および400は製造および操作において伝統的な回転成形および真空成形システムならびに処理よりもシンプルである。伝統的な回転成形システムは物理的に大きく、材料およびエネルギーの観点から高価である。伝統的な回転成形システムは製造しおよび/または移動するのが高価であり、オーブンを収容するために比較的大きな建物を必要とする。
対照的に、上記ヘリオスタットに基づくシステム200,300および400は、ヘリオスタットエネルギー源120が比較的軽量であるという特徴によって、前者よりも非常に少ない材料、小さい建物、およびエネルギーを要する。結果として上記ヘリオスタットに基づくシステム200,300および400は、放射エネルギー源101が任意のほとんどの場所で利用可能であるため、それを動作させるためのエネルギーコストが実質的により安く、その実施に係る資本コストが実質的により安い。よって、ヘリオスタットに基づくシステム200,300および400にとって、非常に小さな(少ない)エネルギー配給インフラ構造が必要である。
対照的に、伝統的な回転成形および真空成形システムは、オーブン(この中で成形型が加熱される)を加熱するための電力源および/または化石燃料を大量に必要とする。電力および/または化石燃料が大量に必要であるため、電力および/または化石燃料を配給するために甚大なインフラ構造を必要とする。必要なインフラ構造は、上記ヘリオスタットに基づくシステム200,300および400には必要ではない送電線・電力線、パイプライン、鉄道、道路、トラック等を含む。よってヘリオスタットに基づくシステム200,300および400は伝統的な回転成形および真空成形システムを支持するために必要なインフラ構造なしに現場に配置することができる。結果として、ヘリオスタットに基づくシステム200,300および400は、伝統的な回転成形および真空成形システムではアクセスできない現場でプラスチック製品を製造することを可能にする。
上記実施形態を考慮し、本発明は、コンピュータシステムに記憶されたデータを伴い様々なコンピュータによって実現されるオペレーションを採用することができると理解すべきである。これらのオペレーションは物理量の物理的操作を必要とするものである。通常(但し必要不可欠ではない)、これらの量は、記憶され、転送され、結合され、比較され、操作されることができる電気または磁気信号の形態をとる。更に、行われる操作は、例えば生産、特定、決定、または比較といった言葉で表される。
本発明は、コンピュータ可読媒体においてコンピュータ可読コードとしても実施され得る。このコンピュータ可読媒体はデータを記憶できる任意のデータ記憶装置であり、従ってコンピュータシステムによって可読である。コンピュータ可読媒体の例は、ハードドライブ、ネットワーク接続ストレージ(NAS),ROM,RAM,CD−ROM,CD−R,CD−RW,DVD,フラッシュメモリ,磁気テープ,ならびに他の光学および非光学データ記憶装置を含む。このコンピュータ可読媒体はネットワーク接続されたコンピュータシステム上でも分配・流通することができ、コンピュータ可読コードが分配される態様で記憶され実行される。
本発明の一部を構成する本明細書において記載された操作のいずれも、有用な機械操作である。本発明は、これらの操作のためのデバイスまたは装置にも関する。この装置は要求される目的のために特異的に構成され得るか、コンピュータに記憶されたコンピュータプログラムによって選択的に起動されまたは構成された汎用コンピュータであり得る。特に、様々な汎用機を本明細書に記載のコンピュータプログラムで使用することができ、または、必要な操作を実行するためにより専門化した装置を構成することがより便宜的な場合もある。本発明のための例示的な構造を以下に記載する。
図5は、本発明による処理を実施するための例示的なコンピュータシステム500のブロック図である。コンピュータシステム500は、上記の制御装置126を含むことができ、あるいはこの一部になることができる。コンピュータシステム500は、デジタルコンピュータ502,ディスプレースクリーン(またはモニタ)504,プリンタ506,フロッピー(登録商標)ディスクドライブ508,ハードディスクドライブ510,ネットワークインターフェース512,およびキーボード514を含む。デジタルコンピュータ502は、マイクロプロセッサ516,メモリバス518,RAM520,ROM522,周辺バス524,およびキーボード制御装置(KBC)526を含む。デジタルコンピュータ502は、パーソナルコンピュータ(例えばIBM互換パーソナルコンピュータ,マッキントッシュコンピュータまたはマッキントッシュ互換コンピュータ),ワークステーションコンピュータ(例えばサン・マイクロシステムズまたはヒューレット・パッカードワークステーション),またはいくつかの他のタイプのコンピュータまたはプログラム可能な産業用制御システム(すなわちプログラム可能な論理制御装置(PLC))でよい。
マイクロプロセッサ516は汎用デジタルプロセッサであり、これはコンピュータシステム500の工程を制御する。マイクロプロセッサ516はシングルチッププロセッサでよく、あるいは複数の部品で実現されていてもよい。メモリから取り出される命令を使用し、マイクロプロセッサ516は、入力データの受信および操作ならびにデータの出力および出力装置へのデータの表示を制御する。
マイクロプロセッサ516はRAM520およびROM522にアクセスするためにメモリバス518を使用する。マイクロプロセッサ516は、一般的な記憶領域として、かつスクラッチパッドメモリーとしてRAM520を使用し、このRAM520は入力データおよび処理データを記憶するのにも使用することができる。ROM522は、命令またはマイクロプロセッサ516が従うプログラムコードならびに他のデータを記憶する。
周辺バス524は、デジタルコンピュータ502によって使用される入力、出力および記憶装置にアクセスするために使用される。上記実施形態において、これらの装置(デバイス)は、ディスプレースクリーン504,プリンタ装置506,フロッピー(登録商標)ディスクドライブ508,ハードディスクドライブ510,およびネットワークインターフェース512を含む。キーボード制御装置526は、キーボード514からの入力を受信するのに使用され、かつ各々押されたキーについてデコードされた記号をバス528を通してマイクロプロセッサ516に送信する。
ディスプレースクリーン504は、周辺バス524を介してマイクロプロセッサ516によって、あるいはコンピュータシステム500における他の部品(コンポーネント)によって提供されるデータの画像を表示する出力装置である。プリンタ装置506は、プリンタとして動作するときに、紙またはこれに類似する表面に画像を提供する。プロッタや植字機といった他の出力装置もプリンタ装置506に代えて、あるいはこれに加えて使用することができる。フロッピー(登録商標)ディスクドライブ508およびハードディスクドライブ510も様々な種類のデータを記憶するのに使用することができる。フロッピー(登録商標)ディスクドライブ508は係るデータを他のコンピュータシステムに転送するのを容易にし,ハードディスクドライブ510は大量の記憶されたデータに高速でアクセスすることを可能にする。
オペレーティング・システムと共にマイクロプロセッサ516はコンピュータコードを実行し、データを生成して使用する。このコンピュータコードおよびデータはRAM520,ROM522,またはハードディスクドライブ510に存在し得る。コンピュータコードおよびデータは必要に応じてコンピュータシステム500に搭載またはインストールされたリムーバブルプログラム媒体にも存在し得る。リムーバブルプログラム媒体は、例えば、CD−ROM,PC−CARD,フロッピー(登録商標)ディスク,フラッシュメモリ,光媒体および磁気テープを含む。
ネットワークインターフェース512は、他のコンピュータシステムに接続されたネットワーク上でデータを送受信するために使用される。インターフェイスカードまたはこれに類似する装置ならびにマイクロプロセッサ516によって実行されるソフトウェアが、コンピュータシステム500を既存のネットワークに接続し、標準プロトコルに従ってデータを転送するために使用される。ネットワークインターフェース512は、システム200,300,400を遠隔監視および遠隔制御することができるように、遠隔制御および遠隔監視ならびにインターネット接続を提供するためにも使用され得る。よって、中央制御室から、更には何千キロも離れた場所から、複数のシステム200,300,400を制御することを可能にする。
ユーザはキーボード514を使用してコンピュータシステム500に対するコマンドおよびその他の命令を入力する。他の種類のユーザ入力装置も本発明と共に使用することもできる。例えば、コンピュータマウス,トラックボール,スタイラス,またはタブレットといったポインティングデバイスも汎用コンピュータのスクリーン上でポインタを操作するのに使用することができる。
上記図における工程によって表される指示は図示された順序で行われる必要はなく、これらの工程によって表される処理が全て本発明の実施に不可欠ということもないことにも留意されたい。更に、上記図に記載された処理は、RAM,ROM,またはハードディスクドライブのうちいずれかまたはこれらの組み合わせにおいて記憶されたソフトウェアにおいて実施されることもできる。
上記発明は理解を容易にする目的で詳細に説明したが、添付の特許請求の範囲内においていくらかの変更を加えることができることは明らかである。よって、本実施形態は例示目的のためであり、限定的なものではなく、本発明は本明細書に記載した詳細に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲および均等物の範囲内において変更され得る。


Claims (20)

  1. 加熱製造システムであって、ヘリオスタットと、成形型と、を備え、
    前記ヘリオスタットは、
    少なくとも一つの反射面と、
    この少なくとも一つの反射面に接続されたステアリング装置であって、前記少なくとも一つの反射面の少なくとも第1の部分を複数の選択可能な焦点のうち第1の焦点に向けることができる、ステアリング装置と、
    制御装置と、
    を備え、
    前記成形型は前記複数の選択可能な焦点のうち第2の焦点に置かれる、加熱製造システム。
  2. 前記成形型に接続された圧力制御源を更に備える、請求項1に記載のシステム。
  3. 前記成形型に接続された回転機構を更に備える、請求項1に記載のシステム。
  4. 前記回転機構は二軸回転機構である、請求項3に記載のシステム。
  5. 前記回転機構は連続回転機構である、請求項3に記載のシステム。
  6. 前記回転機構は回転速度が可変の回転機構である、請求項3に記載のシステム。
  7. 前記回転機構は回転位置選択機構である、請求項3に記載のシステム。
  8. 熱遮蔽構造体を更に備える、請求項1に記載のシステム。
  9. 前記熱遮蔽構造体は、前記成形型を実質的に包囲する、請求項8に記載のシステム。
  10. 複数の平面反射面または複数の湾曲した反射面のうち少なくとも一つを備える、請求項1に記載のシステム。
  11. 前記成形型は複数の成形型を備え、これら複数の成形型のそれぞれが前記複数の選択可能な焦点のうち対応する焦点に置かれる、請求項1に記載のシステム。
  12. 前記制御装置はソフトウェアおよびハードウェアを備え、これらのソフトウェアおよびハードウェアは、
    成形型内に成形可能材料を装填するためのコンピュータ実行可能論理と、
    前記複数の焦点のうち前記選択された焦点に前記成形型を配置するためのコンピュータ実行可能論理と、
    反射され集中された放射エネルギーを前記成形型の選択された部分に向けるためのコンピュータ実行可能論理と、
    を備える、請求項1に記載のシステム。
  13. 前記制御装置は、ソフトウェアおよびハードウェアを更に備え、これらのソフトウェアおよびハードウェアは、
    前記成形型の前記選択された部分を前記反射され集中された放射エネルギーで加熱するためのコンピュータ実行可能論理と、
    前記ヘリオスタットの前記焦点から前記成形型を移動するためのコンピュータ実行可能論理と、
    前記成形型から成形物を取り外すためのコンピュータ実行可能論理と、
    を備える、請求項12に記載のシステム。
  14. 成形型と、
    この成形型に接続された、二軸回転機構である回転位置選択機構と、
    ヘリオスタットと、
    を備える製造システムであって、前記ヘリオスタットは、
    複数の平面反射面または複数の湾曲した反射面のうち少なくとも一つと、
    選択可能な焦点と、
    ステアリング装置と、
    制御装置と、
    を備える、製造システム。
  15. 成形型内に成形可能材料を装填する工程と、
    ヘリオスタットの焦点に前記成形型を配置する工程と、
    反射され集中された放射エネルギーを前記成形型の選択された部分に向ける工程と、
    前記成形型の前記選択された部分を前記反射され集中された放射エネルギーで加熱する工程と、
    前記ヘリオスタットの前記焦点から前記成形型を移動する工程と、
    前記成形型から成形物を取り外す工程と、
    を含む製造方法。
  16. 前記成形型を回転させる工程を更に含む請求項15に記載の方法。
  17. 前記反射され集中された放射エネルギーを前記成形型の前記選択された部分に向ける工程は、選択された時間の間、前記反射され集中された放射エネルギーを前記成形型の選択された部分に向ける工程を含む、請求項15に記載の方法。
  18. 前記ヘリオスタットの前記焦点から前記成形品を取り外す工程は、前記成形物を冷却する工程を含む、請求項15に記載の方法。
  19. 前記成形型の前記選択された部分を前記反射され集中された放射エネルギーで加熱する工程は、前記成形可能材料の一部が結合して前記成形型の内面に層を形成するまで前記成形型の前記選択された部分を加熱する工程を含む、請求項15に記載の方法。
  20. 前記成形型を真空にする工程を更に含む、請求項15に記載の方法。

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