KR100785962B1 - 발포제 계량 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 발포제 계량 시스템(10) 및 중합체 포움 공정에 사용하기 위한 방법을 제공한다. 시스템은 처리 장치에서 중합체 재료 안으로 발포제의 도입 속도를 제어하는데 사용될 수 있다. 계량 시스템은 발포제 공급원(21)과 발포제 포트(22) 사이의 통로에 위치된 제한 오리피스(34)를 포함한다. 계량 시스템은 발포제가 공급원에서 포트까지 제한 오리피스를 가로질러 유동할 때 압력차를 측정하고 또한 발포제의 온도를 측정할 수 있다. 유동 속도, 오리피스 치수(예를 들어, 길이, 직경)와 측정된 변수(예를 들어, 압력차, 온도) 사이의 미리 결정된 관계를 이용하여, 시스템의 제어기(44)는 원하는 발포제 유동 속도를 제공하는 오리피스를 가로지르는 압력차를 유지하기 위해 측정된 변수의 입력에 응답하여 제한 오리피스의 상류 압력을 조절한다.
발포제 계량 시스템, 오리피스, 제어기, 발포제 공급원, 발포제 포트, 중합체 재료

Description

발포제 계량 시스템 및 방법 {BLOWING AGENT METERING SYSTEM AND METHOD}
본 발명은 중합체 포움 공정에 관한 것이고, 특히 중합체 포움 공정에서 발포제를 계량하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
중합체 포움은 중합체 모체(matrix)에 세포(cell)라고도 하는 복수의 기공을 포함한다. 중합체 재료를 처리하는 다수의 기술은 배럴 내에서 스크루의 회전에 의해 중합체 재료를 소성가공하는 압출기를 이용한다. 임의의 중합체 포움 처리는 중합체 재료와 발포제의 혼합물을 형성하기 위해 예를 들어 배럴 내에 형성된 발포제 포트를 통해 물리적 발포제를 용융된 중합체 재료 안으로 주입하는 것을 포함한다. 혼합물은 원하는 중합체 포움 제품을 형성하기 위해 처리(예를 들어, 압출, 블로우 성형 또는 사출 성형)될 수 있다.
발포제 주입 시스템은 발포제 포트에 유체적으로 연결될 수 있는 발포제 공급원을 포함한다. 이러한 주입 시스템은 또한 발포제 유동을 제어하는 하나 이상의 밸브, 발포제를 가압하는 펌프 및 압력 조절기와 같은 다른 장치를 포함한다. 몇몇 경우에, 주입 시스템은 압출기 배럴에서 중합체 재료 안으로 발포제의 도입 속도를 제어하는 계량 시스템으로도 기능을 할 수 있다. 이러한 계량 시스템은 미세세포 재료를 형성하기 위한 임의의 공정들과 같이 특히 발포제 도입에 대해 비교적 정확한 제어를 요구하는 공정에 사용될 수 있다. 미세세포 재료는 작은 세포 치수와 큰 세포 밀도를 갖는 중합체 포움이다.
몇몇 종래 계량 시스템은 유체 계량기, 계량 밸브 및 제어기를 포함한다. 작업동안, 제어기는 계량기로부터의 입력, 몇몇 경우, 작업자로부터의 입력에 응답하여 원하는 유체 속도를 제공하도록 계량 밸브를 조절한다. 이러한 계량 시스템은 유체 계량기의 가격때문에 부품면에서 일반적으로 비싸다. 이러한 계량 시스템의 정확성은 압출기 내의 압력의 변동에 의해 손상될 수 있다.
따라서, 발포제를 정확하게 계량하고 비교적 값싼 발포제 계량 시스템에 대한 요구가 있다.
본 발명은 중합체 포움 공정에 사용하기 위한 발포제 계량 시스템 및 방법을 제공한다. 시스템은 원하는 중량 퍼센트의 발포제를 갖는 혼합물을 형성하기 위한 처리 장치에서 중합체 재료 안으로 발포제의 도입의 속도를 제어하는 데 사용될 수 있다. 계량 시스템은 포움 처리 장치 내에서 발포제 공급원과 발포제 포트 사이의 통로에 위치된 제한 오리피스(restriction orifice)를 포함한다. 계량 시스템은 발포제가 공급원에서 포트까지 제한 오리피스를 가로질러 유동할 때 압력차를 측정하고 또한 하나 이상의 위치에서 발포제의 온도를 측정할 수 있다. 유체 속도, 오리피스 치수(예를 들어, 길이, 직경)와 측정된 변수(예를 들어, 압력차, 온도) 사이의 미리 결정된 관계를 사용하여, 시스템의 제어기는 원하는 발포제 유동 속도를 제공하는 오리피스를 가로질러 압력차를 유지하기 위해 측정된 변수의 입력에 응답하여 제한 오리피스의 상류 압력을 조절한다.
일 태양에서, 본 발명은 발포제 계량 시스템을 제공한다. 계량 시스템은 발포제의 공급원 및 중합체 처리 장치 내에 형성된 발포제 포트에 연결가능하고 처리 장치 내에 공급원에서 중합체 재료까지 발포제를 이송할 수 있는 발포제 이송 도관을 포함한다. 도관은 제한 오리피스를 한정하는 부분을 포함한다. 계량 시스템은 제한 오리피스를 가로질러 발포제 압력차를 측정하도록 구성되고 배열된 압력차 측정 장치를 더 포함한다. 계량 시스템은 제한 오리피스의 상류 도관과 연관된 상류 압력 조절 장치를 더 포함한다.
다른 태양에서, 본 발명은 중합체 처리 시스템을 제공한다. 중합체 처리 시스템은 하류 방향으로 스크류와 배럴 사이에 한정된 중합체 처리 공간에 중합체 재료를 이송하기 위해 배럴 내에 회전하도록 구성되고 배열된 중합체 처리 스크류를 구비한 압출기를 포함한다. 배럴은 그 안에 형성된 발포제 포트를 갖는다. 시스템은 발포제의 공급원 및 발포제 포트에 연결가능한 도관을 구비한 발포제 이송 시스템을 더 포함한다. 도관은 제한 오리피스를 한정하는 부분을 포함한다. 발포제 이송 시스템은 제한 오리피스를 가로질러 발포제 압력차를 측정하도록 구성되고 배열된 압력차 측정 장치 및 제한 오리피스의 상류 도관과 연관된 상류 압력 조절 장치를 포함한다.
다른 태양에서, 본 발명은 발포제를 계량하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 오리피스를 가로질러 발포제 압력차의 입력에 응답하여 발포제가 관통하는 오리피스의 상류 발포제의 압력을 조절함으로써 중합체 처리 장치에서 중합체 재료 안으로 발포제의 도입을 계량하는 것을 포함한다.
어떤 장점보다도, 본 발포제 계량 시스템은 발포제 유동 속도의 넓은 범위에 걸쳐 중합체 재료 안으로 발포제의 유동을 정확하게 계량하는데 사용될 수 있다. 본 계량 시스템은 원하는 유체 속도를 제공하기 위해 오리피스를 가로지르는 압력차를 실시간으로 조절할 수 있으므로, 계량 시스템이 공정 전체를 통해 압출기 내에 존재할 수 있는 압력 변동을 수용할 수 있다. 더욱이, 본 발포제 계량 시스템은 간단한 디자인을 가지며 비교적 저가로 제조될 수 있다. 또한, 본 발포제 이송 시스템은 압출, 사출성형 및 블로우 성형 시스템을 포함하는 임의의 중합체 처리 시스템과 함께 사용될 수 있다.
다른 장점, 태양, 및 본 발명의 특징은 참고 도면과 관련하여 고려될 때 본 발명의 다음의 상세한 설명으로부터 명백해진다.
도1은 압출 장치 안으로 발포제 도입을 계량하는데 사용되는 본 발명의 일 실시예에 따른 발포제 계량 시스템을 개략적으로 도시한다.
도2는 도1의 발포제 계량 시스템을 개략적으로 도시한다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따라 발포제 계량 시스템의 고정된 오리피스를 개략적으로 도시한다.
본 발명은 중합체 처리 장치에서 발포제를 중합체 재료 안으로 도입하기 위한 발포제 계량 시스템을 제공한다. 계량 시스템을 통해 중합체 재료 안으로의 발포제의 유동 속도는 원하는 밸브로 제한 오리피스를 가로질러 압력 차(즉, 낙하 압력)를 조절함으로써, 예를 들어, 오리피스의 상류에서 압력을 조절함으로써 제어된다. 아래에 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 원하는 압력차는 압력차, 유동 속도, 오리피스 치수 및 시스템에 의해 측정되는 잠재적 다른 변수(예를 들어, 온도) 사이의 미리 결정된 관계로부터 계산될 수 있다.
도1 및 도2를 참조하면, 발포제 계량 시스템(10)은 발포제를 압출기(12)로 이송하는데 사용된다. 압출기(12)는 스크류와 배럴 사이에 한정된 중합체 처리 공간(20) 내에 하류 방향(18)으로 중합체 재료를 이송하도록 압출기의 배럴(16) 내에서 회전가능한 중합체 처리 스크류(14)를 포함한다. 공급원(21)으로부터의 발포제는 중합체 처리 공간 내에 발포제와 중합체 재료의 혼합물을 형성하기 위해 배럴 내에 형성된 발포제 포트(22)를 통해 발포제 계량 시스템에 의해 중합체 재료 안으로 도입된다. 아래에서 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 계량 시스템은 원하는 중량 퍼센트의 발포제를 갖는 혼합물을 제공하기 위해 발포제 도입 속도를 제어한다. 중합체 재료와 발포제의 혼합물은 중합체 포움 압출물(26)을 형성하기 위해 배럴의 하류 단부에 고정된 다이(24)를 통해 압출된다.
발포제 계량 시스템(10)은 공급원(21)에 연결가능한 상류 단부(30)와 발포제 포트(22)에 연결가능한 하류 단부(32)를 포함한다. 도관(28)은 계량 시스템의 다양한 부품을 연결하고 공급원에서 발포제 포트까지 통로를 제공하기 위해 상류 단부(30)에서 하류 단부(32)까지 연장된다. 발포제 계량 시스템은 공급원에서 발포제 포트까지 유동할 때 발포제가 관통하는 제한 오리피스(34)를 포함한다. 제한 오리피스(34)의 상류에서, 발포제 계량 시스템은 상류 압력 측정 장치(36) 및 상류 압력 조절기(38)를 포함한다. 오리피스(34)의 하류에서, 발포제 계량 시스템은 하류 압력 측정 장치(40) 및 선택적으로 하류 압력 조절기(42)를 포함한다. 발포제 계량 시스템의 제어기(44)는 측정 장치 및 조절기에 작동식으로 연결되어, 제어기가 측정 장치로부터의 입력을 수용하고 조절기를 제어하기 위해 출력을 공급할 수 있다.
도시된 바와 같이 몇몇 실시예에서, 발포제 계량 시스템(10)은 하나 이상의 온도 측정 장치(46)를 포함할 수 있다. 온도 측정 장치(46)는 오리피스(34), 오리피스의 상류 또는 오리피스의 하류 중 하나 이상의 위치에 구비될 수 있다. 온도 측정 장치는 또한 제어기(44)에 작동식으로 연결될 수 있어서, 제어기는 온도 측정 장치로부터의 입력에 응답한다.
몇몇 경우에, 발포제 계량 시스템은 (도시되지 않은) 온도 제어 장치를 포함할 수 있다. 이러한 온도 제어 장치는 발포제를 원하는 온도로 가열 또는 냉각하도록 사용될 수 있다. 온도 제어 장치는 오리피스(34), 오리피스의 상류 또는 오리피스의 하류 중 하나 이상의 위치에 위치될 수 있다. 온도 제어 장치는 본 발명의 많은 실시예에 요구되지 않는다.
발포제 이송 시스템(10)은 오리피스를 가로지르는 압력차, 오리피스의 치수와 발포제의 유동 속도 사이의 관계를 이용한다. 이러한 관계는 교정(calibration) 절차를 사용하여 소정의 오리피스에 대해 미리 결정될 수 있다. 오리피스에 대한 교정 절차는 다수의 상이한 압력 및 온도 조건에서 오리피스를 통해 유동 속도를 측정하는 것을 포함한다. 오리피스 치수 상의 유동 속도 및 다른 측정된 변수의 의존성은 예를 들어, 본 기술 분야에 통상의 기술을 가진 기술자에게 공지된 바와 같이 회귀(regression) 분석을 사용하여 결정될 수 있다. 측정된 변수는 오리피스를 가로지르는 압력차, 상류 압력, 하류 압력 및 하나 이상의 위치에서의 발포제 온도를 포함할 수 있다. 이 관계는 측정 장치(예를 들어, 오리피스를 가로지르는 압력차, 온도) 및 수동 입력(예를 들어, 오리피스의 치수)으로부터의 입력에 응답하여 원하는 발포제 유동 속도를 제공하기 위해서는 오리피스(34)의 상류 압력을 어떻게 조절할지를 결정하기 위해 제어기(44)에 의해 사용될 수 있다.
계량 시스템(10)의 예시적인 사용시에, 공급원(21)은 발포제를 계량 시스템에 제공한다. 발포제가 도관(28)을 통해 유동할 때, 상류 압력이 장치(36)에 의해 측정되고, 하류 압력이 장치(40)에 의해 측정되며, 오리피스(34)에서의 발포제의 온도가 장치(46)에 의해 (선택적으로) 측정된다. 압력 및 온도 측정 장치는 입력 신호를 제어기(44)로 보낸다. 제어기(44)는 입력 신호를 처리하고, 교정시에 결정된 관계에 의해 계산된 선택 유동 속도에 상응하는 원하는 압력차와 오리피스(34)를 가로지르는 측정된 압력차를 비교한다. 제어기(44)는 오리피스(34)의 상류 압력을 조절하고 필요에 따라서는 원하는 압력차를 유지하기 위해, 적절한 출력 신호를 상류 압력 조절기로 보낸다. 따라서, 처리 공간(20) 내의 중합체 재료 안으로의 발포제의 유동 속도는 중합체 재료와 선택된 퍼센트의 발포제를 갖는 발포제의 혼합물을 생성하도록 선택된 수치에서 유지될 수 있다. 오리피스(34)의 하류 압력이 예를 들어 압출기의 중합체 재료 내의 압력 유동에 응답하여 변할 때조차도, 계량 시스템은 그에 알맞게 상류 압력을 조절함으로써 선택된 유동 속도를 제공하도록 응답할 수 있다.
발포제 계량 시스템(10)은 압출 장치와 결합되어 사용되는 것처럼 도시되지만, 발포제 계량 시스템은 사출 성형 장치 및 블로우 성형 장치와 같이 발포제가 도입되는 임의의 중합체 처리 장치와 결합되어 사용될 수 있다. 적절한 압출 장치의 예는 예를 들어, 본 명세서에서 각각 참고로 병합된 국제 공개 번호 WO 98/08667 및 상응하는 미국 특허 출원 제09/258,625호[번햄(Burnham) 등]에 설명되어 있다. 적절한 사출 성형 장치의 예는 본 명세서에서 참고로 병합된 예를 들어, 국제 공개 번호 WO 98/31521[피에릭(pierick) 등]에 설명되어 있다. 적절한 블로우 성형 장치의 예는 본 명세서에서 참조로 병합된 예를 들어 국제 공개 번호 WO 99/32544[앤더슨(Anderson) 등]에 설명되어 있다.
발포제 계량 시스템은 임의 형태의 중합체 포움 재료를 생성하도록 중합체 처리 장치와 함께 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 발포제 계량 시스템은 미세세포 재료를 생성하는 중합체 처리 시스템 안으로 발포제를 도입하는데 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 생성된 미세세포 재료는 100미크론보다 작은 평균 세포 치수를 갖고, 몇몇 실시예에서는 50미크론보다 작은 평균 세포 치수를 갖고, 몇몇 실시예에서는 25미크론보다 작은 평균 세포 치수를 갖고, 몇몇 실시예에서는 10미크론보다 작은 평균 세포 치수를 갖고, 몇몇 실시예에서는 1미크론보다 작은 평균 세포 치수를 갖는다.
발포제 계량 시스템(10)은 특정 공정에 의해 요구되는 바에 따라 다양한 유동 속도 범위에 걸쳐 발포제를 압출기 내의 중합체 재료 안으로 도입하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 발포제 질량 유동 속도는 일반적으로 0.001 lbs/hr(0.000453kg/hr)와 대략 100 lbs/hr(45.3kg/hr) 사이이고, 몇몇 경우에는 대략 0.002 lbs/hr(0.000906kg/hr)와 대략 60 lbs/hr(27.2kg/hr) 사이이고, 몇몇 경우에는 대략 0.02 lbs/hr(0.00906kg/hr)와 대략 10 lbs/hr(4.53kg/hr) 사이이다. 발포제는 전형적으로 원하는 발포제 수준을 구비한 혼합물을 제공하도록 중합체 재료 안으로 도입된다. 원하는 발포제 수준은 특정 공정에 의해 좌우되고, 일반적으로 발포제 및 중합체 재료의 중량의 대략 15% 이하이다. 많은 실시예에서, 발포제 수준은 대략 8%보다 작고, 다른 실시예에서는 대략 5%보다 작고, 다른 실시예에서는 대략 3%보다 작고, 다른 실시예에서는 대략 1%보다 작고, 다른 실시예에서는 대략 0.1%보다 작거나, 또는 발포제 혼합물과 중합체 재료의 중량보다도 더 작다.
발포제 공급원(21)은 질소, 이산화탄소, 탄화수소, 클로로플루오로카본, 희 가스 등 또는 그의 혼합물을 포함하는 당업자에게 공지된 임의 형태의 물리적 발포제를 계량 시스템(10)에 공급할 수 있다. 발포제는 기체, 액체 또는 초임계 유체와 같은 임의의 유동성 물리 상태로 공급될 수 있다. 하나의 바람직한 실시예에 따라서, 공급원(21)은 발포제로서 이산화 탄소를 제공한다. 다른 바람직한 실시예에서, 공급원(21)은 발포제로서 질소를 제공한다. 다른 실시예에서, 단독으로 이산화 탄소 또는 질소가 사용된다. 임의 실시예에서는 압출기 안으로 주입 후에(선택적으로는, 주입 전에) 초임계 유체 상태에 있는 발포제가 바람직하고, 특히 초임계 이산화 탄소 및 초임계 질소인 것이 바람직하다.
발포제 계량 시스템의 도관(28)은 발포제를 전달하기에 적절한 종래 기술에 공지된 임의의 형태일 수 있다. 예를 들어, 도관(28)은 금속 튜브와 같이 압축된 기체, 액화된 기체 및/또는 초임계 유체를 전달하기에 적절한 재료로 형성된 튜브일 수 있다. 몇몇 경우에, 도관은 스테인레스 스틸 금속 튜브일 수 있다. 다른 실시예에서, 도관은 금속 블록내의 통로, 예를 들어 스테인레스 스틸인 금속 블록 내의 드릴 통로와 같이 금속 블록 내의 통로에 의해 한정될 수 있다. 도관은 전형적으로 대략 1cm 내지 0.1mm의 범위의 단면 직경을 갖는다. 그러나, 도관(28)의 길이 및 형상은 한정되어 있지 않고, 가용성 제조 공간, 및 중합체 처리 및 발포제 계량 시스템의 레이아웃과 같은 인자에 의존한다는 것을 이해해야 한다. 몇몇 경우에, 도관(28)의 길이를 최소화하는 것, 예를 들어 관통하는 발포제의 압력 손실을 최소화하는 것이 바람직할 수 있다. 몇몇 경우에, 도관(28)은 예를 들어 다양한 부품으로의 연결을 용이하게 하기 위해 하나 이상의 지류(branch)를 가질 수 있다.
공급원(21)이 충분히 고압에서 발포제를 공급하지 않을 때와 같은 몇몇 실시예에서, 펌프(48)는 계량 시스템(10)에서 발포제의 압력을 증가시키거나 및/또는 유지하기 위해 공급원의 출구에 연결될 수 있다. 일반적으로, 계량 시스템 내의 발포제 압력은 적어도 1000 psi(6.895 MPa) 이상으로 유지되고, 많은 경우에는 적어도 2000 psi(13.789 MPa) 이상으로 유지된다. 계량 시스템 내의 최대 발포제 압력은 일반적으로 10,000 psi(68.947 MPa) 보다 작고, 몇몇 경우에는 7000 psi(48.263 MPa)보다 작다.
발포제 계량 시스템(10)에 사용되는 온도와 압력 측정 장치 및 압력 조절 장치는 종래 기술에 공지된 임의 형태일 수 있다. 예를 들어, 적절한 압력 측정 장치는 압력 변환기를 포함한다. 계량 시스템(10)에 사용될 수 있는 하나의 상업상 이용가능한 압력 변환기는 커넥티컷주 스탬포드의 오메가 엔지니어링, 아이엔씨. 에 의해 제조된 모델 번호 PX305-10KGI 이다. 적절한 온도 측정 장치는 예를 들어, 열전쌍을 포함한다. 계량 시스템(10)에 사용될 수 있는 하나의 상업상 이용가능한 열전쌍은 커넥티컷주 스탬포드의 오메가 엔지니어링, 아이엔씨. 에 의해 제조된 모델 번호 GKMQSS-062G-6 이다. 적절한 압력 조절기는 몇몇 실시예에서 대략 500 psi(3.447 MPa)와 대략 7000 psi(48.263 MPa) 사이에서 압력을 조절할 수 있다. 압력 조절기는 예를 들어 제어기로부터의 출력 신호에 응답하여 액츄에이터를 이동함으로써 변할수 있는 제한을 포함할 수 있다. 계량 시스템(10)에 사용될 수 있는 하나의 상업상 이용가능한 압력 조절기는 미네소타주, 엘크 리버의 테스콤 코퍼레이션에 의해 제조된 모델 번호 ER 3000 이다.
상류 압력 측정 장치(36) 및 압력 조절기(38)는 오리피스(34)의 임의의 상류 지점 및 공급원(21)의 하류에 위치될 수 있지만, 일반적으로 압력 측정 장치는 조절기와 오리피스 사이에 위치된다. 몇몇 실시예에서, 도관(28)을 통한 압력 손실을 최소화함으로써 오리피스의 상류 압력의 정확한 측정을 제공하도록 압력 측정 장치(36) 및 조절기(38)를 오리피스(34)에 근접하게 및/또는 서로에게 근접하게 위치시키는 것이 바람직할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 압력 측정 장치(36)와 오리피스(34) 사이의 거리 및/또는 측정 장치(36)와 조절기(38) 사이의 거리는 대략 0.1 인치(0.25 센티미터)와 대략 12.0 인치(30.48 센티미터) 사이일 수 있다.
하류 압력 측정 장치(40)는 오리피스(34)의 하류의 임의 지점 및 발포제 포트(22)의 상류에 위치될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 도관(28)을 통한 압력 손실을 최소화함으로써 오리피스 상류의 압력의 정확한 측정을 제공하도록 압력 측정 장치(40)를 오리피스(34)에 근접하게 위치시키는 것이 바람직할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 압력 측정 장치(40)와 오리피스(34) 사이의 거리는 대략 0.1 인치(0.25 센티미터)와 대략 12.0 인치(30.48 센티미터) 사이일 수 있다.
하류 압력 조절기(42)를 포함하는 실시예에서, 압력 조절기는 오리피스(34)와 포트(22) 사이의 임의 지점에 위치될 수 있지만, 일반적으로 측정 장치(40)의 하류에 있다. 몇몇 실시예에서, 측정 장치(40)와 조절기(42) 사이의 거리는 대략 0.1 인치(0.25 센티미터)와 대략 12.0 인치(30.48 센티미터) 사이일 수 있다. 계량 시스템(10)은 예를 들어, 압출기에서의 압력으로부터 계량 시스템(10)을 격리하도록 오리피스(34)의 하류 압력을 고정시키는 것이 바람직한 경우에 하류 압력 조절기(42)를 포함한다. 그러나, 하류 압력 조절기(42)는 선택적이고 계량 시스템(10)은 압출기에서의 압력 차이가 상술된 바와 같이 존재할 때조차 하류 조절기없이 발포제를 정확하게 계량할 수 있다는 것을 이해해야 한다.
온도 측정 장치(46)가 제공되면, 이것은 오리피스(34)의 상류 또는 하류 임의 지점에 위치될 수 있다. 이러한 실시예의 몇몇에서, 온도 측정 장치(46)를 오리피스의 상류 단부 및/또는 오리피스의 하류 단부 근처에 위치시키는 것이 바람직할 수 있다. 몇몇 경우에, 온도 측정 장치(46)은 또한 오리피스(34)에 있을 수 있다. 온도 측정 장치는 발포제의 온도를 직접 측정할 수 있지만, 몇몇 경우에, 발포제 온도를 나타내는 벽(예를 들어, 오리피스 벽) 온도를 측정할 수 있다. 온도 측정 장치가 제공되면, 이것은 몇몇 실시예에서 계량 정확성을 개선하는데 사용될 수 있는 조절기(44)에 입력을 제공한다.
몇몇 실시예에서, 발포제 계량 시스템의 하류 단부는 압출기 내에서 중합체 재료 안으로 발포제의 도입을 허용하거나 방지할 수 있는 셧-오프 밸브(47)에 연결될 수 있다. 셧-오프 밸브(47)는 압출기에서 중합체 재료 안으로 발포제의 유동을 허용하도록 개방 위치에 있고 그를 지나 발포제의 유동을 방지하도록 폐쇄 위치에 있다. 셧-오프 밸브는 솔레노이드, 스풀(spool) 또는 밸브와 동등한 다른 형태와 같은 종래 기술에 공지된 임의의 형태일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 셧-오프 밸브를 발포제 포트(22)에 근접하게 위치시키는 것이 바람직할 수 있다. 몇몇 경우에, 셧-오프 밸브는 발포제 포트에 "본질적으로 인접하여" 위치될 수 있으며, 이것은 밸브의 성능을 손상시키지 않으면서 압출기 내에 유동하는 중합체에 가능한 근접하게 밸브를 위치시키는 것을 의미한다. 발포제 포트에 본질적으로 인접하여 위치된 셧-오프 밸브를 포함하는 적절한 셧-오프 밸브는 2000년 3월 7일에 출원(레베스크 등)된 공동 계류중이고 공동 소유된 미국 특허 제60/187,530호에 설명되어 있다.
계량 시스템(10)의 임의의 실시예는 중합체 재료 안으로 발포제의 도입을 제어하는 개별적 셧-오프 밸브를 포함하지 않을 수 있다. 이러한 실시예에서, 계량 시스템(10)은 상류 조절기(38) 및 하류 조절기(42)를 통해 발포제 압력을 제어함으로써 압출기 안으로 발포제의 유동을 방지하거나 허용할 수 있다. 즉, 계량 시스템은 발포제 포트에서 도입을 방지하기 위해서는 압출기에서의 압력보다 더 낮게 또는 도입을 허용하기 위해서는 압출기에서의 압력보다 더 높게 발포제의 압력을 조절할 수 있다.
제어기(44)는 컴퓨터와 같은 종래 기술에 공지된 임의의 형태일 수 있다. 상술된 바와 같이, 제어기는 압력 및 온도 측정 장치로부터 입력 신호를 수신하고 적절한 출력 신호를 상류 압력 조절기(38)로 송신할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 입력 신호는 제어기(44)에 의해 수신될 수 있고 출력 신호는 연속적이면서 동시에(예를 들어, 실시간으로) 제어기에 의해 송신될 수 있다. 몇몇 경우에, 입력 신호 및 출력 신호는 각각 적어도 1Hz의 속도에서 각각 수신되고 송신되며, 다른 경우에는 대략 5Hz의 속도, 다른 경우에는 대략 10Hz의 속도, 다른 경우에는 대략 20Hz의 속도로 수신되고 송신된다. 다른 경우에, 입력 신호 및 출력 신호는 각각 연속적으로 수신되고 송신된다. 입력 신호가 수신되는 속도가 출력 신호가 송신되는 속도와 일치할 필요는 없다. 예를 들어, 입력 신호는 연속적으로 수신될 수 있지만, 출력 신호가 간격을 두고 제공될 수 있다.
오리피스(34)는 도3에 도시된 바와 같이 오리피스 블록(50)에 구비될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 오리피스(34)의 치수는 고정되지만, 다른 경우에 그 치수는 공정 중에 변경될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 오리피스 블록(50)은 상이한 치수를 구비한 오리피스를 이용하는 것이 가능한 계량 시스템을 제공하도록 다른 오리피스 블록과 교환가능할 수 있다. 일반적으로, 오리피스(34)는 전체 길이에 대해 일정한 단면을 갖는 원통형 보어이다. 원통형 보어는 용이하게 가공되기 때문에 이용될 수 있지만, 다른 형상을 구비한 오리피스가 또한 사용될 수 있다. 오리피스(34)의 특정 치수는 특정 공정의 계량 요구사항에 의존한다. 몇몇 실시예에서, 오리피스(34)는 대략 0.010 인치(0.025 센티미터)와 대략 0.040 인치(0.102 센티미터) 사이의 길이(L), 대략 0.001 인치(0.0025 센티미터)와 대략 0.01 인치(0.025 센티미터)사이의 직경(D) 및 대략 1:1과 대략 6:1 사이의 L/D(길이/직경) 비율을 가질 수 있다.
다른 형태의 제한 오리피스(34)가 도시적 실시예와 다른 계량 시스템에 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 몇몇 실시예에서, 제한 오리피스는 다공성 금속과 같은 다공성 재료일 수 있다. 몇몇 경우에, 하나 이상의 제한 오리피스가 사용될 수 있다. 다중 제한 오리피스가 사용될 때 오리피스는 평행하게, 연속으로, 또는 연속과 평행의 조합으로 배열될 수 있다.
본 발명의 이러한 및 다른 실시예의 기능 및 장점은 아래 예로부터 더욱 완전히 이해될 것이다. 다음의 예는 본 발명의 장점을 설명하려는 의도이지만, 본 발명의 완전한 범위를 예시하지 않는다.
예시-발포제 계량 시스템
발포제 계량 시스템은 조립되어 그 상류 단부에서 질화 듀워(마이애미주, 미들섹스, 미들섹스 웰딩 써플라이 콤파니)에 연결되었다. 질화 듀워로의 계량 시스템 사이 및 그 시스템의 다양한 부품 사이의 연결은 1/4 인치(0.635 센티미터)의 외경을 갖는 튜브형 표준 스테인레스 스틸로 형성된다. 질화 듀워의 하류에서, 그 시스템은 압력 변환기(커넥티컷주, 스탬포드, 오메가 엔지니어링, 아이엔씨., PX305-10KGI)에 연결된, 열전쌍(커넥티컷주, 스탬포드, 오메가 엔지니어링, 아이엔씨., GXMQSS-062G-6)에 연결된, 압력 조절기(미네소타주, 엘크 리버, 텔스콤 코퍼 레이션, ER3000)에 연결된, 펌프(캘리포니아주, 채트스워쓰, 하이드로릭스 인터내셔날, 5G-TS 1475)를 포함한다.
압력 변환기는 교환 가능한 오리피스 블록에 연결되었다. 세 개의 상이한 오리피스 블록은 각각 계량 시스템에 이용되었다. 제1 오리피스 블록은 루비로 가공되었고 0.002 인치(0.0051 센티미터) 길이 및 0.004 인치(0.010 센티미터) 직경이 포함되었다. 제2 오리피스 블록은 316 스테인레스 스틸로 가공되었고 0.003 인치(0.0076 센티미터) 길이 및 0.006 인치(0.015 센티미터) 직경을 갖는다. 제3 오리피스 블록은 316 스테인레스 스틸로 가공되었고 0.004 인치(0.010 센티미터) 길이 및 0.008 인치(0.020 센티미터) 직경을 갖는다. 열전쌍(커넥티컷주, 스탬포드, 오메가 엔지니어링, 아이엔씨., CO1-K)는 오리피스 블록에 연결되었다.
오리피스 블록의 하류에, 시스템은 셧-오프 밸브(펜실베니아주, 에리, 하이 프레셔 이큅먼트 컴파니, 10-11AF4)에 연결된, 압력 조절기(미네소타주, 엘크 리버, 테스콤 코퍼레이션, 26-1761-24)에 연결된, 열전쌍(커넥티컷주, 스탬포드, 오메가 엔지니어링, 아이엔씨., GXMQSS-062G-6)에 연결된, 압력 변환기(커넥티컷주, 스탬포드, 오메가 엔지니어링, 아이엔씨., PX305-10KGI)를 포함한다.
계량 시스템은 입력을 수신하도록 압력 및 온도 측정 장치에 연결되고 출력을 송신하도록 압력 조절 장치에 연결된 IBM 호환성 PC를 포함한다.
계량 시스템은 압출, 사출 성형 및 블로우 성형 시스템을 포함하는 임의의 중합체 처리 시스템 안으로 발포제를 계량하기에 적절하다.
본 기술분야의 숙련자들은 본 명세서에 나열된 모든 인자들이 예시적이고 실 제 인자는 본 발명의 발포제 계량 시스템이 사용되기 위한 특정 적용예에 의존하는 것을 용이하게 이해한다. 따라서, 전술된 실시예는 단지 예시로서 존재하고, 첨부된 청구범위 및 그에 상응하는 범위 내에서 본 발명은 본 명세서에서 특정하게 설명된 것과 다르게 실시될 수 있다.

Claims (34)

  1. 중합체 처리 장치 내에 형성된 발포제 포트와 발포제 공급원에 연결가능하고 중합체 처리 장치 내에서 발포제를 공급원으로부터 중합체 재료로 이송가능하고 제한 오리피스를 한정하는 부분을 포함하는 발포제 이송 도관과,
    제한 오리피스를 가로질러 발포제 압력차를 측정하도록 구성되고 배열된 압력차 측정 장치와,
    제한 오리피스의 상류 도관과 연관된 상류 압력 조절 장치와,
    제한 오리피스의 하류 도관과 연관된 하류 압력 조절 장치와,
    도관 또는 제한 오리피스와 연관된 온도 측정 장치와,
    압력차 측정 장치와 온도 측정 장치로부터의 입력에 응답하여 상류 압력 조절 장치와 하류 압력 조절 장치 중 적어도 하나를 조정 가능한 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 발포제 계량 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 압력차 측정 장치는 제한 오리피스의 상류에 위치된 도관과 연관된 상류 압력 측정 장치 및 제한 오리피스의 하류에 위치된 도관과 연관된 하류 압력 측정 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 발포제 계량 시스템.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 제어기는 선택된 유동 속도에 상응하는 압력차를 제공하기 위해 상류 압력 조절 장치를 조절하도록 구성된 것을 특징으로 하는 발포제 계량 시스템.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서, 상기 제한 오리피스는 고정된 치수를 갖는 것을 특징으로 하는 발포제 계량 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제한 오리피스는 교환가능한 블록 내에 한정되는 것을 특징으로 하는 발포제 계량 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 발포제의 통과 유동을 허용하는 개방 구성부와 발포제의 통 과 유동을 방지하는 폐쇄 구성부 사이에서 이동가능한 오리피스의 하류에 위치된 셧-오프 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발포제 계량 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 발포제 계량 시스템 내에 발포제의 압력을 증가시킬 수 있는 펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발포제 계량 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 상기 계량 시스템은 대략 0.001 lbs/hr(0.000453kg/hr) 내지 대략 100 lbs/hr(45.3kg/hr)로 발포제의 질량 유동을 계량할 수 있는 것을 특징으로 하는 발포제 계량 시스템.
  13. 제1항에 있어서, 상기 계량 시스템은 대략 0.02 lbs/hr(0.00907kg/hr) 내지 대략 10 lbs/hr(4.53kg/hr)로 발포제의 질량 유동을 계량할 수 있는 것을 특징으로 하는 발포제 계량 시스템.
  14. 하류 방향으로 배럴과 스크류 사이에 한정된 중합체 처리 공간에 중합체 재료를 이송하도록 배럴 내에서 회전하도록 구성되고 배열된 중합체 처리 스크류를 포함하는 압출기와,
    제한 오리피스를 한정하는 부분을 구비하고 발포제 포트 및 발포제 공급원에 연결가능한 도관과, 제한 오리피스를 가로질러 발포제 압력차를 측정하도록 구성되고 배열된 압력차 측정 장치와, 제한 오리피스의 도관 하류와 연관된 하류 압력 조절 장치와, 제한 오리피스의 도관 상류와 연관된 상류 압력 조절 장치와, 도관 또는 제한 오리피스와 연관된 온도 측정 장치와, 압력차 측정 장치와 온도 측정 장치로부터의 입력에 응답하여 상류 압력 조절 장치와 하류 압력 조절 장치 중 적어도 하나를 조정 가능한 제어기를 포함하는 발포제 이송 시스템을 포함하고,
    상기 배럴은 그 안에 형성된 발포제 포트를 구비한 것을 특징으로 하는 중합체 처리 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 상기 압력차 측정 장치는 제한 오리피스의 상류에 위치된 도관과 연관된 상류 압력 측정 장치 및 제한 오리피스의 하류 도관과 연관된 하류 압력 측정 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 중합체 처리 시스템.
  16. 삭제
  17. 제14항에 있어서, 상기 발포제 계량 시스템은 압출기 내에서 중합체 재료 안으로 발포제의 유동을 허용하고 제한 오리피스의 하류 도관과 연관된 하류 압력 조절 장치를 조절함으로써 압출기 내에서 중합체 재료 안으로 발포제의 유동을 방지하는 것을 특징으로 하는 중합체 처리 시스템.
  18. 오리피스를 가로지르는 발포제 압력차 및 발포제 온도의 입력에 응답하여 발포제가 통과하는 오리피스의 상류에서 발포제의 압력을 조절함으로써 중합체 처리 장치의 중합체 재료 안으로의 발포제의 도입을 계량하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발포제 계량 방법.
  19. 제18항에 있어서, 오리피스의 상류 및 오리피스의 하류 측의 발포제의 압력을 측정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발포제 계량 방법.
  20. 삭제
  21. 제18항에 있어서, 대략 0.001 lbs/hr(0.000453kg/hr) 내지 대략 100 lbs/hr(45.3kg/hr)의 속도에서 중합체 재료 내로의 발포제 도입을 계량하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발포제 계량 방법.
  22. 제18항에 있어서, 대략 0.02 lbs/hr(0.00907kg/hr) 내지 대략 10 lbs/hr(4.53kg/hr)의 속도에서 중합체 재료 내로의 발포제 도입을 계량하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발포제 계량 방법.
  23. 제18항에 있어서, 선택된 유동 속도에 상응하는 오리피스를 가로지르는 압력차를 제공하도록 오리피스의 상류 발포제의 압력을 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발포제 계량 방법.
  24. 제18항에 있어서, 오리피스를 가로지르는 압력과 유동 속도 사이의 관계를 결정하도록 계량 전에 오리피스를 교정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발포제 계량 방법.
  25. 제14항에 있어서, 압출기의 하류 단부에 부착된 압출 다이를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 중합체 처리 시스템.
  26. 제14항에 있어서, 블로우 성형 다이 및 블로우 성형 다이와 연관된 블로우 몰드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 중합체 처리 시스템.
  27. 제14항에 있어서, 압출기의 출력 단부에 유체식으로 연결된 성형 챔버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 중합체 처리 시스템.
  28. 제14항에 있어서, 상기 중합체 처리 시스템은 미세세포 재료를 형성하도록 설계된 것을 특징으로 하는 중합체 처리 시스템.
  29. 제18항에 있어서, 중합체 처리 장치에서 중합체 재료와 발포제의 혼합물을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발포제 계량 방법.
  30. 제29항에 있어서, 중합체 처리 장치에서 중합체 재료와 발포제의 단일상 용 액을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발포제 계량 방법.
  31. 제29항에 있어서, 미세세포 재료로 구성된 제품을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발포제 계량 방법.
  32. 제29항에 있어서, 중합체 재료와 발포제의 혼합물을 축적하는 단계와 사출 성형된 포움 제품을 형성하기 위해 축적된 혼합물을 사출 몰드 안으로 주입하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발포제 계량 방법.
  33. 제29항에 있어서, 압출된 포움 제품을 형성하기 위해 다이를 통해 중합체 재료와 발포제의 혼합물을 압출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발포제 계량 방법.
  34. 제29항에 있어서, 블로우 성형된 포움 제품을 형성하기 위해 중합체 재료와 발포제의 혼합물을 블로우 성형하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발포제 계량 방법.
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