JP6983967B2 - 計量供給システム - Google Patents

Description

本発明は、工業プロセスの材料を計量する分野に関する。具体的には、材料の顆粒を計量して、それを加工機に供給する分野に関する。

現代社会では、プラスチックは無数に思える製品の製造に選択される材料である。これらの製品は多様な工業プロセス、例えば、射出成形、ブロー成形、押し出し、および３Ｄプリンタによって生産される。最終製品の生産に使用される機械に送り込まれる原材料は、主に小さなビードの形のポリマー（業界では樹脂と呼ばれる）と、比較的ごく少量（重量で）の着色剤と、その他添加剤、例えばＵＶ抑制剤とからなる混合物である。着色剤およびその他の添加剤はマスターバッチとして供給されるが、これは熱プロセス中に顔料および／または添加剤の濃縮混合物を担体樹脂に封入し、さらにそれを冷却して粒状の形に切断したものである。

本明細書において、マスターバッチという用語は、着色用および添加剤マスターバッチの両方をいうために使用される。本明細書において、「ビード」、「ペレット」および「顆粒」という用語は、典型的には０．０１ｇ〜０．０４ｇの範囲の重量を有する小さな材料片をいうために交換可能に使用される。

先行技術では、材料のペレットを計量して、ホッパから加工機に送り込むための多くの様々なシステムが記述されてきた。これらのシステムの例は、本発明の出願人に付与された以下の特許に記述されている。

米国特許第６，６８８，４９３号明細書 米国特許第６，９６６，４５６号明細書 国際公開第２０１５／１０７５１７号

米国特許第６，６８８，４９３号は、材料の部分を射出成形機に供給するシステムを教唆している。このシステムは容器と、前記容器内部に配置されている材料ホッパと、前記材料ホッパに連結されているロードセルと、前記ロードセルの情報に従って重量を計算して、スクリューフィーダのモータに材料のその部分を成形機に分配するよう命令するコントローラとを含む。

米国特許第６，９６６，４５６号は、ある所定の時間内にスクリューにより分配される材料の部分の重量を判定するために重量減量法を使用する方法を記述している。この方法は、ホッパ内の材料の初期重量を計測することと、ある所定の期間ある所定の速度でスクリューを回転させることによりそれぞれ供給される、多数の部分を分配することと、その数の部分が分配された後に前記ホッパ内の材料の重量を計測することと、初期重量と最終重量との差をその部分の数で割って、各個々の部分の重量を出すこととを含む。前記部分の重量が所望の値とは異なる場合、スクリューの速度を変えることによって、例えば、前記部分が重すぎる場合は回転速度を減じることによって、校正プロセスを繰り返す。

スクリューまたはオーガーの使用に基づく計量供給システムを使用した加工機に供給される材料の重量の精度は、各バッチに添加される材料の重量が小さくなるにつれて劇的に落ちる。例えばマスターバッチなど、小さな重量が必要な場合、通常所望の重量を得るために容量計量法が採用される。しかし、周知の容量計量供給法は、特にマスターバッチの比重が供給者によって、または同じ製造者でも生産バッチ間で異なることがあるため、必ずしも信頼性があるとはいえない。そのため、必要な重量を有するマスターバッチの容量を判定するためには、時間がかかり熟練作業員が必要な新たな校正プロセスを工程ごとに行わなければならないことが多い。

本発明の出願人に付与されたＰＣＴ特許出願ＷＯ２０１５／１０７５１７号は、非常に精密な量のマスターバッチをミキサおよび加工機に供給することのできるフィードチューブを備える供給システムを記述している。

本発明の目的は、ごく軽量のマスターバッチの部分を計量して、その部分を加工機に送出することのできるシステムを提供することである。

本発明の他の目的および利点は、説明を進めるうちに明らかになるであろう。

本発明は、ペレット状の少量の材料を正確に計量して、計量した材料を加工機に供給する計量供給システムである。このシステムは、以下のものを備える。
ａ）
ｉ． ペレット状の材料を収容するようになされているホッパ、またはペレットの形で材料を分配するようになされている真空ローダと、
ｉｉ． ホッパから落下する材料のペレット、または真空ローダおよびトレイからハウジングの前壁まで通じる出口チャネルの最初の区画によって分配される材料のペレットを受けるように構成されているトレイが頂部に設けられているプレートと、
ｉｉｉ． プレートの下に配置されて、材料のペレットを出口チャネルを通り進ませるように構成されている振動ユニットと、
ｉｖ． 振動ユニットの下に配置されている計量プラットフォームと、
ｖ． トレイとその内容物、出口チャネルの最初の区画とその内容物、振動ユニット、および計量プラットフォーム、ならびに、ホッパを備えるシステムの実施形態では、ホッパとその内容物をも計量するように構成されているロードセルと、
を備えるハウジング
ｂ） ハウジングの前壁の外側に固着されている、出口チャネルの延長部
ｃ） 本発明のシステムから加工機まで材料の供給速度（重量／時間）を制御するように構成されているコントローラ。

本発明のシステムの実施形態では、コントローラは、振動ユニットによって提供される振動の振幅および継続時間の値を制御するとともに、ロードセルからの信号を受信して、重量減量法を用いて既知の期間内にシステムを通過した材料の重量を計算することによって、システムからの材料の供給速度（重量／時間）を制御する。

本発明のシステムの実施形態では、コントローラはシステムからの材料の供給の速度およびタイミングを、加工機および加工機に様々な材料を供給する他のシステムの動作に同期させるようになされている。

本発明のシステムの実施形態では、ハウジングは、以下のうちの少なくとも１つを備える。
ａ） ホッパを取り囲みかつホッパから離間しており、ハウジングの頂部の外側に固着されている保護カバー
ｂ） 出口チャネルの延長部を取り囲んでおり、ハウジングの前側の外側に固着されている中空出口シャフト
ｃ） 振動ユニットと計量プラットフォームとの間に配置されている振動ダンパ。

本発明のシステムの実施形態では、振動ユニットは電磁石と鉄ブロックとから構成される。

本発明のシステムの実施形態では、トレイの前壁は、ホッパまたは真空ローダからトレイに落下した材料のペレットを、トレイから出して、出口チャネルの最初の区画に通すことのできる少なくとも１つの開口部をその底部に備える。

本発明のシステムの実施形態では、コントローラは生産工程中に供給速度の計測を行って、計測した供給速度を所要値と比較して、これらの計測値を必要に応じて速度を補正するためのフィードバックとして使用するようになされている。これらの実施形態では、補正は振動の振幅を変更することによって適用することができ、またはシステムを所要期間よりも短い期間内に所要量を供給するように校正することができ、所要量が供給される期間を変更することによって補正を適用する。

本発明のシステムの実施形態では、ペレット状の材料はマスターバッチであり、加工機はプラスチック業界で使用される加工機である。これらの実施形態では、システムは射出成形機に送り込むためにマスターバッチを個別のバッチで分配するようすることができ、またはシステムは押し出し機に直接投入するためにマスターバッチを連続的に分配するようにすることができる。

本発明の上記およびその他の特徴および利点はすべて、添付の図面を参照して、以下の例示的で非制限的なその実施形態の説明により理解が深まるであろう。

図１は、本発明のシステム１０の実施形態の模式的な等角図である。 図２Ａは、図１に示すシステムの上面図である。 図２Ｂは、図１のシステムの構成要素を模式的に示す縦断面図である。 図３Ａは、システム１０の底面図である。 図３Ｂは、システムの内部構成要素を模式的に示す図３ＡのＢＢ面に沿って切断した断面図である。

本発明は、ペレット状の少量の材料を正確に計量して、計量した材料を加工機に供給する計量供給システムである。特に、本発明はプラスチック製品の製造のために樹脂とともに直接射出成形機または押し出し機に添加するための計量した量のマスターバッチの調製に適する。

本発明はここではプラスチック業界への適用に関して説明するが、本発明のシステムは少量の材料の非常に正確な計測を要する研究所および他の多くの業界、例えば染料および医薬品業界でも説明する通りに使用することができることは留意するべきである。

図１は、本発明のシステム１０の実施形態の模式的な等角図である。システム１０はハウジング１２に包まれている。ハウジング１２の頂部には、ホッパを取り囲んでいる保護カバー１４が見える。別の実施形態では、ホッパは真空ローダに置き換えられる。ハウジング１２の前側に固着されて、中空の出口シャフト１６が見える。ハウジング１２の裏側には、外部コントローラ４４への電力および通信用のケーブルが通過することのできるポート２０が示されている。出口シャフト１６の端部から突出して見えるのが、出口チャネル１８の延長部の端部である。出口シャフト１６はハウジング１２の外壁に固着されている。

図２Ａはシステム１０の上面図である。図２Ｂは、システムの内部構成要素を模式的に示す図２ＡのＡＡ面に沿って切断した断面図である。

図２Ｂを参照すると、ハウジング１２の底部には、ハウジングに固定されている、例えばひずみゲージから構成される、ロードセル２６がある。ロードセルの頂部には計量プラットフォーム２８が装着されている。電磁石３２と重い鉄ブロック３４とから構成される振動ユニット３０が計量プラットフォーム２８の上方に配置されている。計量プラットフォーム２８と振動ユニット３０の間には振動ダンパ３６、例えばゴムパッドが配置されて、振動ユニットにより生じる振動からできるだけロードセルを隔離する。振動ユニット３０の頂部にプレート３８が配置されている。プレート３８の頂部に構成されているトレイ２４および出口チャネル１８の最初の区画を、図３Ｂを参照して本明細書において以下説明する。ハウジング１２の頂部からは、離間した同軸保護カバー１４によって囲まれているホッパ２２（この実施形態では、円筒形状を有している）が張り出している。ハウジング１２に装着されている保護カバー１４とは対照的に、ホッパ２２はハウジングには接触せずに、計量プラットフォーム２８またはトレイの頂部に接続されているブラケットによってトレイ２４の上に支持されている。

図２Ｂに図示する構成に関し、ホッパ２２（とその中に入れられる材料）、トレイ２４（とホッパ２２からそこに落下した材料）、振動ユニット３０、プレート３８および計量プラットフォーム２８はすべて、ロードセル２６によってまとめて計量される。

ホッパ２２の代わりに真空ローダを備えるシステムの実施形態では、真空ローダは計量プラットフォーム２８には装着せずに、トレイ２４（と真空ローダからそれに落下した材料）、振動ユニット３０、プレート３８および計量プラットフォーム２８のみがすべてロードセル２６によってまとめて計量される。

図３Ａはシステム１０の上面図である。図３Ｂは、システムの内部構成要素を模式的に示す図３ＡのＢＢ面に沿って切断した断面図である。

図３Ｂを参照すると、プレート３８の頂部の領域は、２つの区画に分割されている。大きい方の後方区画にはホッパからマスターバッチが落下するトレイ２４が設けられている。出口チャネル１８の最初の区画はプレート３８の前方区画の頂部に設けられている。トレイ２４の前壁４０は出口チャネル１８の始点に対向して、その底部に小さな開口部４２を有する。プレート３８はシステムの出力に向かって傾斜しているので、振動ユニット３０が起動されると、マスターバッチのビードがハウジング１２から出て、次いで本質的に一列になって、出口シャフト１６によって保護されている出口チャネル１８の延長部を通って加工機まで続く。

振動ユニット３０はトレイ２４を一定周波数で振動させるが、振動の振幅は変更することができ、それによって機械を通るマスターバッチの流量を加減する。本発明のシステムは、一方で、マスターバッチの１ペレットを分配することができ、他方で、従来のシステムでは少なくとも２または３つの異なるピッチのオーガーの使用を要する連続範囲にわたり単位時間当たりのペレット数を分配することができるという、既存のオーガーベースの分配システムを上回る利点を有する。

システム１０はある所定の期間内に分配されたマスターバッチの重量を判定するために、重量減量法を採用する。図２Ｂを参照すると、振動ユニット３０をオフにした状態で、トレイ２４とホッパ２２からまたは真空ローダからそこに落下した材料、振動ユニット３０、プレート３８、計量プラットフォーム２８がすべてまとめてロードセル２６によって計量されて、初期重量を求める。ホッパ２２を備える実施形態では、ホッパ２２とそこに入れられている材料もロードセル２６によって計量されて、初期重量を求める。次いで、振動ユニット３０が起動されて、ある所定の期間ペレットを出口チャネル１８に通過させ、その後再びオフにして、最終重量を計測する。このように、システムが分配した材料の重量は、初期重量と最終重量との差として簡単に求められる。

システム１０は、例えば、射出成形機に送り込むためにマスターバッチを個別のバッチで分配する、または押し出し機に直接投入するためにマスターバッチを連続的に分配するために使用することができる。いずれの場合も、マスターバッチは、本発明の一部ではなく、本明細書で説明していない個別の装置により計量および供給される樹脂と組み合わされてから、組み合わせた原材料が加工機に入る。

システム１０はプロセッサを備えるコントローラ４４に接続されている。コントローラは本発明のシステムから加工機への材料の供給速度（重量／時間）を制御するようになされている。コントローラはシステム１０から材料の供給の速度およびタイミングを、加工機および例えば樹脂などの様々な材料を加工機に供給する他のシステムの動作に同期させることも担う。コントローラは振動ユニット３０が提供する振動の振幅および継続時間の値を制御するとともに、ロードセル２６からの信号を受信して、重量減量法を用いてマスターバッチのバッチの重量を計算することにより、所望の供給速度を提供する。計量機能は初期校正段階でも、本明細書で以下説明するように生産工程中に必要に応じて振動の振幅を変更するためにフィードバックを提供するためにも使用される。材料をシステム１０に供給しなければならない供給速度および期間の継続時間の所望の値、例えば、マスターバッチの重量および振動ユニット３０を起動しなければならない時と長さは、加工機の特徴、生産する製品の特徴、および色などの他の要因から判断する。所望の値は手動で入力するか、または加工機の動作を制御するコントローラなどの他のコントローラにより自動で供給することができる。

射出成形では、金型に原材料を充填するには既知の期間が必要で、それから製品が生産されて、金型が空になるまでに間隔があり、そのときには新たな材料は供給されない。この方法によりある所定のアイテムを生産するためには、最終製品に特別な特性、例えば色を与えるために金型に供給しなければならない特定の種類のマスターバッチの分量を把握して、コントローラに入力する。生産工程の最初に、材料の各部分を供給しなければならない期間の継続時間と、振動ユニットの電磁石の振動のおおよその振幅、例えばコイルへの電圧をコントローラに入力する。選択されたマスターバッチの分量をホッパに投入し、振動ユニットを起動して、出口チャネル全体にマスターバッチのペレットを充填する。それから振動ユニットをオフにして、初期重量の計測が行われる。次に振動ユニットを所要の期間起動してから、オフにし、最終重量の計測を行う。コントローラは重量減量、つまり、供給されたマスターバッチの重量を判定して、それを所要重量と比較する。計測した重量が重すぎる場合、振幅の値を減らし、低すぎる場合には振幅を増やす。所要期間内に所要重量のマスターバッチを供給する振幅が見つかるまで、このプロセスを必要な回数繰り返す。これで生産工程を開始することができる。生産工程中、マスターバッチの各バッチの重量を計量し、コントローラは、所望の重量からのバッチの重量の系統的偏差を補正するために必要な場合、振動の振幅を変更するために振動ユニットに定期的にフィードバックを与える。

押し出しプロセスも同様な手順を使用する。初期校正後に生産工程を開始する。この場合、マスターバッチは押し出し機に連続して供給するので、システム１０にフィードバックを提供するために使用される重量計測は、振動ユニット３０が動作している状態で行われる。振動ダンパ３６のおかげで計測の精度は本質的には振動には影響を受けない。また、振動の振幅が比較的低く、振動ユニットが一定周波数で動作するため、電子フィルタを使用して、ロードセルの信号からの振動のための騒音を分離する。

本発明のシステムによってマスターバッチを供給する速度を変更する第２の方法は、材料を金型に供給しなければならない実際の期間の継続時間よりも少ない、例えば８０％の期間マスターバッチを供給するように振動ユニットを起動するようコントローラを設定することである。この方法でのみ校正とフィードバックを上記説明したように行い、バッチの計測重量が所要重量と同じでない場合、コントローラは次いで正確な量のマスターバッチを提供するために時間を変更する。所要重量のマスターバッチを供給するために振動ユニットを起動するべき時間が実際の期間の継続時間を超えているとコントローラが判定する場合、コントローラは当初選択した短縮期間に期間をリセットすることができるように、振動の振幅を変更する。

本発明の実施形態を例示のために説明してきたが、本発明は請求項の範囲を逸脱することなく、多くの変型、変更および改造により実施することができることは理解されるであろう。

Claims (14)

1. ペレット状の材料を計量し、前記計量された材料を加工機に供給する計量供給システムであって、前記システムは、
   ハウジングと、
   ペレット状の材料を収容するように構成されているホッパと、
   前記ホッパの真下に配置されているプレートであって、前記プレートの上面は、トレイを有する大きい方の後方区画と出口チャネルを有する小さい方の前方区画とに分割されている、プレートと、
   前記プレートの真下に配置されている振動ユニットと、
   ロードセルと、
   前記ロードセルの頂部に取り付けられている計量プラットフォームであって、前記振動ユニットの真下に配置されている計量プラットフォームと、
   前記計量プラットフォームに接続されているブラケットであって、前記ブラケットは、前記ホッパが前記プレートの前記トレイに接触しないように、前記トレイの上に前記ホッパを支持するように構成されている、ブラケットと、
   前記システムから前記加工機への前記材料の供給速度を制御するように構成されているコントローラと
   を備え、
   前記ハウジングは、前記ホッパと、前記プレートと、前記振動ユニットと、前記計量プラットフォームと、前記ブラケットと、前記ロードセルとを包み、
   前記トレイは、前記プレートの前記後方区画において、前記ホッパから落下する前記材料のペレットを受けるように構成されており、前記出口チャネルは、前記プレートの前記前方区画において、前記システムから前記加工機に前記材料を送達するように構成されており、
   前記振動ユニットは、前記材料のペレットを、前記トレイと前記出口チャネルとを分離する壁内の開口を通って前記トレイから前記出口チャネルに移動させ、その後、前記加工機への送達のために、前記出口チャネルの延長部を通って一列で進ませるように構成されており、
   前記ロードセルは、前記プレートおよびその内容物と、前記振動ユニットと、前記ブラケットと、前記計量プラットフォームと、前記ホッパおよびその内容物とを計量するように構成されており、
   前記コントローラは、前記材料の供給速度を前記加工機の動作に同期させることを目的として、前記振動ユニットによって提供される振動の振幅および継続時間を制御しながら、前記振動ユニットを一定の周波数で振動させることによって、前記システムから前記加工機への前記材料の供給速度を制御するように構成されている、システム。
2. 前記コントローラは、前記振動ユニットによって提供される前記振動の振幅および継続時間を制御することによって、かつ、前記ロードセルからの信号を受信し、重量減量法を用いて既知の期間内に前記システムを通過する前記材料の重量を計算することによって、前記システムからの前記材料の供給速度を制御するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
3. 前記コントローラは、前記システムからの前記材料の供給速度を、前記加工機および前記加工機に材料を供給する少なくとも１つの他のシステムの動作に同期させるように構成されている、請求項１に記載のシステム。
4. 前記ハウジングは、
   前記ホッパを取り囲み、かつ、前記ホッパから離間している保護カバーであって、前記保護カバーは、前記ハウジングの頂部の外側に固着されている、保護カバーと、
   前記出口チャネルの延長部を取り囲む中空出口シャフトであって、前記中空出口シャフトは、前記ハウジングの前側の外側に固着されている、中空出口シャフトと
   のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載のシステム。
5. 前記振動ユニットは、電磁石と鉄ブロックとを含む、請求項１に記載のシステム。
6. 前記トレイと前記出口チャネルとを分離する前記壁は、前記ホッパから前記トレイに落下した前記材料のペレットが前記トレイから前記出口チャネルに通過できる少なくとも１つの開口部をその底部に含む、請求項１に記載のシステム。
7. 前記コントローラは、生産工程中に前記供給速度の計測を行い、前記測定された供給速度と所定の供給速度とを比較し、必要に応じて、前記供給速度を調整するためのフィードバックとしてこれらの計測値を用いるように構成されている、請求項１に記載のシステム。
8. 前記コントローラは、前記振動の振幅を変更することによって前記供給速度を調整するように構成されている、請求項７に記載のシステム。
9. 前記コントローラは、所要期間よりも短い期間内に前記材料の所要量を供給するように前記システムが校正されているかどうかを判定し、必要に応じて、前記供給速度を調整することにより、前記材料の所要量が供給される期間を変更するように構成されている、請求項７に記載のシステム。
10. 前記ペレット状の材料は、マスターバッチであり、前記加工機は、プラスチック業界で用いられている加工機である、請求項１に記載のシステム。
11. 前記システムは、射出成形機への供給のために、マスターバッチを個別のバッチで分配するように適合されている、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記システムは、押し出し機への直接投入のために、マスターバッチを連続的に分配するように適合されている、請求項１０に記載のシステム。
13. 前記振動ユニットと前記計量プラットフォームとの間に配置されている振動ダンパを備える、請求項１に記載のシステム。
14. ペレット状の材料の量を計量し、前記計量された材料を加工機に供給する方法であって、前記方法は、
    請求項１に記載の計量供給システムを提供することと、
    材料のペレットで前記ホッパを充填することと、
    前記材料のペレットが前記ホッパから前記トレイに落下することを可能にすることと、
    前記システムを校正することであって、前記校正することは、
    前記振動ユニットを起動することにより、前記出口チャネルの全体がペレットで充填されるまで、ペレットを前記トレイから前記出口チャネルに通過させることと、
    前記振動ユニットを止めることと、
    前記ロードセルを用いて、前記ホッパおよびその中に残っている材料と、前記プレートおよびそこに前記ホッパから落下した材料と、前記振動ユニットと、前記計量プラットフォームとを一緒に計量することにより、初期重量を得ることと、
    前記振動ユニットを起動することにより、所与の期間にペレットを前記出口チャネルから出させることと、
    前記振動ユニットを止めることと、
    前記ロードセルを用いて、前記ホッパおよびその中に残っている材料と、前記プレートおよびそこに前記ホッパから落下した材料と、前記振動ユニットと、前記計量プラットフォームとを計量することにより、最終重量を得ることと、
    前記初期重量と前記最終重量との間の差をとることによって、前記所与の期間内に前記システムによって分配される前記材料の重量を判定することと
    を含む、ことと、
    前記振動ユニットを起動することにより、ペレットを前記トレイから前記出口チャネルを通して前記加工機へ通過させることと、
    前記コントローラを起動することにより、前記システムからの前記材料の供給速度を制御することと
    を含み、
    前記コントローラは、前記材料の供給速度を前記加工機および前記加工機に材料を供給する少なくとも１つの他のシステムの動作に同期させることを目的として、前記振動ユニットによって提供される前記振動の振幅および継続時間を制御しながら、前記振動ユニットを一定の周波数で振動させることによって、前記システムから前記加工機への前記材料の供給速度を制御する、方法。

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