KR101838314B1 - 플라스틱 가공 동안 첨가물 전달을 위한 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

플라스틱 가공 동안 첨가물 전달을 위한 방법이 개시된다. 상기 방법은 적어도 하나의 펌프(46)를 구동시키도록 피드백 방법을 이용하는 제어 루프 내에 구성요소들의 네트워크를 확립하는 단계를 포함하여, 환경을 제어하기 위해 어려움 속에서 첨가물의 연속적이고, 확고한 균형을 가능하게 한다. 피드백 방법은 플라스틱 용융 기계와 결합된 적어도 하나의 센서로부터 제어기(43)로 적어도 하나의 신호를 보내는 단계, 제어기로부터 적어도 하나의 펌프(46)로 하나 이상의 신호를 보내는 단계, 적어도 하나의 펌프(46) 내의 압력을 감시하고 주입 노즐 밸브(49)의 위치를 감지하는 단계, 및 밸브(49)를 개방 또는 폐쇄시키도록 주입 노즐 밸브(49)에 하나 이상의 신호를 보내는 단계를 포함한다.

Description

플라스틱 가공 동안 첨가물 전달을 위한 방법 및 장치{A METHOD AND DEVICE FOR ADDITIVE DELIVERY DURING PLASTICS PROCESSING}

본 예시적인 실시예는 첨가물들/착색제들 플라스틱 가공, 예를 들어 압출 방법 및 장치에 관련된다. 그것은 예를 들어 압출 공정 같은 플라스틱 가공 동안 물질 안으로 첨가물의 균형 잡힌 첨가를 제공하기 위한 방법 및 장치에 결합하여 특별한 적용을 발견하고, 거기에 특별한 참조와 함께 설명될 것이다. 적용 가능한 압출 공정은 시트, 필름 및 섬유에 한정되지 않고 포함한다. 그러나, 본 예시적인 실시예는 또한 다른 플라스틱 적용들 및 공정들에 따라진다는 것은 이해된다. 예를 들어, 첨가물들이 반응기, 예를 들어 용융 중합이 착수되는 반응기로부터 직접적으로 나오는 용융된 폴리머에 유입되고 및/또는 폴리머 펠렛(pellet)이 종래에 공급될 수 있었던 압출 성형기(extruder)가 없는 상황들에 적용될 수 있다.

플라스틱 용융 공정은 바람직한 용융 온도까지 가열된 압출 성형기의 배럴(barrel) 안으로 플라스틱 구슬들(beads)을 강요하도록 하나 이상의 스크류들(screws)을 이용한다. 플라스틱 구슬들은 배럴을 통해 지나가면서 차츰 용융된다. 플라스틱 용융 공정은 일정한 출력을 유지하기 위해 공급 스로트(feed throat) 안으로 벌크(bulk) 물질들의 일정한 공급에 매우 의존한다. 일정한 출력은 크기, 강도 및 외관 같은 일정한 완성된 제품 특성들을 위해 필요하다. 완성된 제품의 특성들은 공정의 용융 단계 동안 그리고 공정의 용융 단계 전에 혼합된 착색제들(colorants)을 포함하여 첨가물들, 충전물들, 및 베이스 물질들에 의해 결정된다. 안료, 염료, 내연재들 및 항균제들 같은 첨가물들은 물질을 더 바람직하게 만드는 물질들의 물리적 및 화학적 특성들을 변경시키도록 압출 및 사출 성형 공정에 종종 첨가된다. 모든 플라스틱 용융 공정들은 올바른 균형 잡힌 출력을 유지하고 관리하기 위해 공급 장비에 길거나 짧은 피드백 루프들을 이끄는 다양한 제어의 수단을 구비한다.

파우더들, 과립들(granules), 펠렛들, 불규칙한 덩어리들(chunks), 및 불규칙한 얇은 조각들(flakes)의 형상인 벌크 물질들은 압출 성형기 또는 사출 성형 기계에 전달되는 다양한 공정들로부터 산출된다. 이러한 물질들은 일반적으로 기계의 공급 스로트에 전달되기 전에 다양한 크기들의 물질 라인(line) 또는 호퍼(hopper) 내에 유지되고 혼합된다. 일반적으로 이러한 물질들은 압출 성형기의 이러한 구역 안에, 열 및 압력이 물질들을 혼합하고 용융하기 위해 작용되는 공정의 구역들에 컨베이어로 작용하는, 스크류(screw)에 중력에 의해 공정 안으로 공급된다. 물질이 중력에 의해 일정하게 공급되지 않는 경우에, 특히 얇은 조각들 또는 불규칙한 형상들이 존재하는 경우, 크래머 공급기들(crammer feeders) 또는 스터퍼들(stuffers) 같은 기계적인 수단이 물질들의 일정한 공급을 관리하기 위한 시도에서 사용된다.

건조한 파우더, 펠렛 및 액체의 첨가물들은 스크류에 유입 전에 벌크 물질들의 흐름에 첨가될 수 있다. 이러한 경우에 물질 공급기들은 오거(auger) 공급기들, 디스크 또는 휠 공급기들, 벨트들, 진동하는 공급기들, 간단한 타이머들 및 액체 첨가물들의 경우에 펌프들이다. 스크류에 유입 전에 물질 흐름에 이러한 물질들을 첨가하는 것에 의해, 상당한 양의 물질이 생성되어 전달 시에 올바른 비율을 구비할 수 있으나, 공정의 출력 시 산출된 물질의 비율에 관계없이 공정에 맡겨진다.

물질 안으로 첨가물들을 유입시키기 위한 다른 방법은 장치의 배럴 안으로 직접 액체 첨가물을 주입하는 것이다. 그러나 이 방법과 연관된 개시(start up) 프로토콜(protocol)은 복잡하며 발생하는 문제들로부터 극복이 대단히 어렵다. 더욱이 이 방법에서 전술한 쟁점들의 결과로서 산출된 조각의 양은 매우 증가된다.

하나 이상의 스크류들에 의해 가공된 물질의 최종 형상은 점성의 액체 용융물이며 최종 형상 또는 형태를 산출하기 위해 기계에 의해 추가적으로 가공될 것이다. 이러한 최종 형상은 섬유들, 가닥들(strands) 및 압출된 형상들의 제조로부터 다양한 형태들의 사출 성형된 제품들에 걸친다. 많은 양의 물질, 시간 및 에너지는 이러한 용융물을 산출하기 위해 공정에 맡겨진다. 공정의 출력에 대해 올바른 비율로 또는 물질들에 대해 정확한 비율들로 첨가물과 함께 폴리머 흐름을 완전히 혼합, 확산, 또는 포화시키기 위해 가능성을 유지하면서 중요한 첨가물들이 적어도 가능한 순간에 공정에 첨가될 때 고유 효율(natural efficiency)이 존재한다.

더욱이, 원료들이 더 비싸지므로 일정한 크기들, 형상들, 용융지수, 밀도 및 색깔의 공급 스톡들(stocks)을 개발하는 것은 제조업자들에게 더 어려워지고 공급 스톡들은 더 높은 가치의 오일 제품들의 세계에서 더 값비싸진다. 물질 특성 변경제들(modifiers)에 대한 요구사항은 구매(sourcing)를 더 복잡하게 하며 짧은 공급에서 이미 물질들에 대해 상당한 비용을 더 자주 추가한다. 첨가물들의 유입 및 더 중요한 것으로는 공정 안으로 액체 첨가물들을 전달하는 능력이 그것들이 요구되지 않는 데에서 높은 사양 물질들을 이용하는 데 바람직하다. 액체 첨가물들은 공정에서 크기 및 비율의 선택을 허용하여, 비용을 최소화시킨다. 공정 안으로의 물질 입력은 비용을 대단히 감소시키는 높은 사양의 물질들의 유용성보다 완성된 제품의 요구사항들의 결과이다. 액체 첨가물 주입은 액체들이 높은 온도들 및 압력들에서 펌핑될 수 있으므로 공정의 출력에 대해 매우 짧은 제어 루프들을 더 허용한다.

벌크 물질들의 불균일한 공급은 압출된 제품의 크기 및 그것의 변화 가능한 물질적 및 외관 특성들을 변화시켜, 또한 공정 내에 불일치 및 비능률을 이끈다. 공정의 가장 최근 점에서의 유입은 고체 공급기가 할 수 없는 공정 조건들(높은 압력들 및 온도들)에 대해 올바른 비율을 보증한다. 더 정교해진 펌핑 시스템들은 실시간으로 공정 내의 변화들에 대한 더 급격한 반응 및 색깔 변화들에 연관된 물질을 더 적게 하여, 공정 내에서 혼합된 물질의 양을 매우 작게 허용한다. 공정이 변화를 출력함에 따라, 첨가물의 유입은 거의 동시적으로 비례하여 변하여, 첨가물의 적은 투여 또는 과한 투여가 가진 문제들을 방지한다.

다음의 참조들, 전부 참조로서 여기에 포함되는 공보들은 도색된 플라스틱 주조 디바이스들 및 시스템들에 여러 가지로 관련된다. 미국 특허 제5,486,327호는 고체 물질을 용융된 물질로 변환하기 위한 스크류-형 메커니즘의 배럴에 액체 첨가물을 유입하기 위한 배치를 나타낸다. 그러나, 이러한 방법은 공급 스로트 가까이에 첨가물을 유입하여, 덜 비싼 원료들과 연관된 밀도 변화 및 재그라인드와 함께 불균일한 입력 변수들을 이끈다.

미국 특허 제5,439,623호는 절단기에 다수의 가닥들의 형태로 첨가물들의 유입을 제어하기 위한 방법을 제공한다. 그 방법은 첨가물의 원하는 양을 획득하기 위해 공급 간격당 각각의 가닥들에 대한 공급률, 속도 및 델타 위치를 이용한다. 그러나, 이러한 방법은 압출 성형기의 출력에 따라 첨가물을 비례하게 주입하기 위한 제어 논리 방법을 사용하지 않는다.

따라서, 플라스틱 용융 공정 안으로 균일하고 균형 잡힌 첨가물을 제공하며, 동시에 비용을 절감하고 효율을 증가시키는 첨가물 유입 방법이 요구된다.

본 발명의 적용 가능성의 추가적인 범위는 이하에 제공되는 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나, 본 발명의 사상 및 범위 내에서 다양한 변화들 및 변경들이 당업자들에게 명백해질 것이므로, 본 발명의 바람직한 실시예들을 나타내면서, 상세한 설명 및 특정 예시들은 예시로서만 주어진다.

실시예들은 설명적인 예시로서만 여기에 개시된다. 일 실시예에서, 플라스틱 가공 동안, 예를 들어 플라스틱 용융 공정 동안 첨가물 전달을 위한 방법이 개시된다. 방법은 적어도 하나의 펌프를 구동시키기 위해 피드백 방법을 이용하는 제어 루프 내에 구성요소들의 네트워크를 확립하는 단계를 포함한다. 피드백 방법은 플라스틱 가공 디바이스, 예를 들어 플라스틱 용융 기계와 결합된 적어도 하나의 센서로부터 제어기로 적어도 하나의 신호를 보내는 단계, 제어기로부터 적어도 하나의 펌프로 하나 이상의 신호를 보내는 단계, 적어도 하나의 펌프 내의 압력을 감시하고 주입 노즐 밸브의 위치를 감지하는 단계, 및 밸브가 개방 또는 폐쇄되도록 주입 노즐 밸브에 하나 이상의 신호를 보내는 단계를 포함한다.

다른 실시예에서, 플라스틱 가공 디바이스 안으로, 예를 들어 용융 기계 안으로 균형 잡인 첨가물 전달을 유지하기 위한 방법이 개시된다. 방법은 결합된 펌프의 분당 회전수(RPM) 및 용융 기계의 전류량에 기초하여 비율을 확립하는 단계, 용융 기계 내에 특정한 조건들에 의해 나타내진 다양한 계단식 경사들을 구비하는 구간들을 프로그래밍하는 단계, 및 균형 잡힌 첨가물 전달을 유지하도록 대응하는 구간에 기초하여 용융 기계에 첨가물의 전달을 프로그래밍하는 단계를 포함한다.

또 다른 실시예에서, 첨가물 전달 시스템은 플라스틱 가공 내에 첨가물의 정확한 유입을 위해, 예를 들어 플라스틱 용융 공정 안으로 유입을 위해 개시된다. 시스템은 플라스틱 가공 디바이스, 예를 들어 용융 장치와 결합된 적어도 하나의 센서, 고압 노즐 제어기, 적어도 하나의 펌프, 및 고압 노즐을 포함한다. 시스템은 적어도 하나의 펌프 및 주입 노즐 밸브를 구동시키기 위해 피드백 논리 방법을 이용하는 논리 기반의 제어 루프를 포함한다.

추가적인 실시예에서, 고압 주입 노즐은 플라스틱 가공 내에, 예를 들어 플라스틱 용융 공정들 내에 하류로의 첨가물 전달을 위해 개시된다. 노즐은 혼합된 용융물/고체들 환경 내에 하류로의 주입이 수월하도록 약 3인치 및 5인치 사이의 길이를 구비하는 영역, 외부 밀폐재 및 내부 밀폐재를 포함하는 이중 밀폐 시스템, 고압 관, 및 노즐의 열 축적을 방지하기 위한 냉각 메커니즘을 포함한다. 그 대신에, 노즐은 정적 또는 동적 혼합 전에 포스트(post) 압출 성형기 스크류 내에 그리고 측량 구역 내에 모두 사용되는 용융 주입을 위한 짧은 영역 형태를 포함할 수 있다.

본 발명의 적용 가능성의 추가적인 범위는 이하에 제공되는 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나, 본 발명의 사상 및 범위 내에서 다양한 변화들 및 변경들이 당업자들에게 명백해질 것이므로, 본 발명의 바람직한 실시예들을 나타내면서, 상세한 설명 및 특정 예시들은 예시로서만 주어진다.

본 명세서 내에 포함되어 있음.

본 발명에는 구조, 배치, 및 디바이스의 다양한 부품들의 조합, 및 방법의 단계들이 존재하며, 고려되는 목적들은 이하에 더 충분히 설명되어 획득되며, 특히 청구항들 내에서 가리켜지고 부수하는 도면들에 도시된다:
도 1a 내지 1b는 첨가물 주입 시스템의 특별 주문 제작 모델을 개략적으로 도시한다;
도 2는 사용자의 현재의 압출 성형기를 구비하는 첨가물 주입 시스템을 이용하기 위한 방법을 개략적으로 도시한다;
도 3은 고압 주입 노즐의 단면도이다;
도 4는 고압 노즐 제어기로부터의 입력들 및 출력들의 예시를 나타낸다; 및
도 5a 내지 5c는 제어 논리 첨가물 주입 시스템을 개략적으로 도시한다.

본 발명은 플라스틱 용융 공정 안으로 액체 첨가물의 균형 잡힌 투여를 위한 첨가물 전달 시스템을 포함한다. 상기 방법은 시스템을 보급하고 관리하기 위해 지시 및 피드백 신호들을 제공하는 제어기들을 구비하는 짧은 제어 루프 시스템을 이용한다. 첨가물 전달 시스템은 사용자-특정이다; 따라서, 그것은 특별한 요구들을 만족시키도록 주문 프로그래밍될 수 있다. 시스템은 여기에서 플라스틱 압출 성형기와 결합하여 설명되고 도시되었으나, 본 발명은 물질들을 용융하고 방출하기 위한 다른 유형들의 장치와 적용 가능하다.

청구된 내용을 한정하는 목적이 아닌 예시적인 실시예들을 설명하는 목적을 위해서만 도면들을 참조하여, 도 1a 내지 1b는 가장 높고 바람직한 기능에 도달하기 위한 첨가물 전달 시스템을 적절하게 주문 제작하기 위해 소비자 요구사항들을 판단하기 위한 모델을 도시한다. 일 실시예에서, 일단 소비자가 액체 첨가물 주입 시스템을 위한 요구를 확인하면, 제 1 단계는 제조 공정 분석을 수행하는 것에 의해 사용자의 제품 요구들의 평가(11)를 필요로 한다. 고객의 또는 제조업자의 현재의 압출 시스템은 평가되고 비용들이 측정된다(13). 액체 첨가물은 소비자에 의해 요구되는 특성들로 개발되며(15) 잠재적인 주입 포트 위치들 및 환경들이 평가된다(17). 이러한 공정 동안 다른 물질들이 주입의 위치에 따라 사용된다. 예를 들어, 주입이 공급 스로트(throat) 내에서 일어난다면, 첨가물은 펠렛들, 얇은 조각들, 재그라인드된(regrind) 큰 덩어리들 및 미립자들로 추가되고, 주입이 공급 구역에서 일어난다면, 첨가물은 펠렛들, 미립자들, 얇은 조각들 또는 재그라인드된 큰 덩어리들 및 얇은 용융 필름으로 추가될 수 있고, 주입이 측량 구역 내에서 일어났다면, 첨가물은 용융물로 주입될 수 있다. 만약 주입이 혼합 스크류의 하류에서 일어난다면, 공동 전달 혼합기(cavity transfer mixer; CTM)를 이용하는 것이 바람직할 수 있다는 점에 주의된다. 당업자들에 의해 공지된 바와 같이, CTM은 밀접하게 장착된 회전자 및 고정자를 포함하며, 양쪽은 연속적인 나선 경로를 생성하기 위해 반구 공동들의 어긋나는 열들로 덮여 유체 요소들이 일련의 절단, 접힘 및 회전 변형들을 경험하게 된다. 이는 높은 속도 유체들의 큰 부피들 안으로 낮은 속도 유체들의 혼합을 개선할 수 있다. 주입 위치의 위치가 결정되면(19), 용액이 선택될 수 있다(20). 첨가물이 용액과 함께 혼합하는 능력은 시험되고 평가된다(21). 노즐 구성요소들, 안전 시스템들, 혼합기 시스템들 및 제어기 시스템들은 그런 다음 설계되고 제작될 수 있다(25). 주문 제작된 프로그램들 및 제어 메커니즘들은 사용자의 특별한 요구로부터 결정된 정밀한 특징들을 구비하여 개발된다(27). 일단 첨가물 전달 시스템이 조립되고 시험되면(29), 잠재적인 구매자는 시험적으로 장치를 사용하여 시스템을 시험해볼 수 있어(31), 고객은 공정 내에서 장비 및 첨가물을 평가할 수 있다(33). 고객이 시험(들)이 만족스럽다고 결정한다면, 시스템은 고객이 원하는 위치에 설치될 수 있다(35).

대안으로서, 시스템은 고객이 주문 제작되는 특징들을 요구하지 않거나, 고객이 특징들 메뉴로부터 요구되는 미리 프로그래밍되는 특징들을 선택할 수 있다면 초기 설정들로 프로그래밍될 수 있다. 특징 메뉴는 어떠한 구성요소들이 기계에 부착되는지를 설명하기 위해 사용자에게 질문들을 제시하는 스크린들의 세트를 포함한다. 예를 들어, 만약 소비자가 투여 펌프 및 예비-충전 펌프 모두 구비하지 않는다면, 시스템 내에 포함되지 않는 예비-충전 펌프는 선택되지 않을 수 있다. 이러한 프로그래밍 단계는 또한 부착된 구성요소들을 찾고 무엇이 부착되었는지 감지할 수 있는 PLC를 통해 자동적으로 수행될 수 있다.

도 2는 사용자의 현재의 압출 성형기(41)와 함께 실시될 첨가물 전달 시스템의 바람직한 실시예를 도시한다. 시스템은 하나 이상의 펌프들(45, 46), 센서들 및 다양한 제어 루프들을 생성하는 제어기들(43)을 포함한다. 압출 성형기(41) 상에 센서들은 고압 노즐 제어기(43)에 피드백을 제공하며, 시스템을 작동시킬 수 있고, 시스템을 정지시킬 수 있고 및/또는 시스템의 출력을 위 및 아래로 변경할 수 있는 신호들을 출력한다. 일반적으로, 고압 노즐 제어기(43)는 노즐 밸브(49)가 개방 및 폐쇄되는 지점을 결정하여, 압출 성형기의 용융뮬 안으로 적절하고 균형 잡힌 첨가물 전달을 유지한다.

바람직하게, 첨가물 전달 시스템의 예시적인 실시예는 압출 성형기 배럴에 대해 하류로 첨가물 전달을 위해 맞춰진 고압 주입 노즐을 포함한다. 도 3은 액체 첨가물들의 균형 잡힌 주입을 위해 사용될 수 있는 고압 주입 노즐의 일 실시예를 도시한다. 고압 주입 노즐은 공급 스로트로부터 멀리, 압출 성형기 배럴에 대해 하류로 주입할 수 있는 종래의 노즐들과 다르다. 압출 동안 마지막 가능한 순간에 첨가물들의 추가를 막는 반면, 관통하는 혼합을 위해 충분한 시간을 허용하여 첨가물이 정확한 비율(proportion)로 출력으로 전달되는 것을 보증하는 것을 수월하게 하므로, 공급 스로트로부터 하류의 주입 장소가 바람직하다. 첨가물들이 스크류의 유입 전에 벌크 물질들과 혼합될 때, 유입 시 한 번 정확한 비율은 출력의 품질 및 속도를 변화시키는 압력 변화들에 의해 결국에는 부정확해질 수 있다. 더욱이, 배럴 안으로 직접적인 하류로의 주입은 대기로 화학적으로 민감한 물질들의 추가를 허용한다. 바람직하게, 주입 장소는 공급 스로트의 하류로 2개의 계단들보다 많으며, 더 바람직하게 공급 스로트로부터 하류로 3개의 계단들보다 많다. 일반적으로, 첨가물 주입은 공급 스로트의 상류에, 공급 스로트에 가까이 또는 공급 스로트 내부에서 나타난다. 그러한 주입들을 위해, 일반적으로 밸브가 없는(non-valved) 주입 노즐들이 사용된다. 스크류의 공급 구역 안으로 주입될 때, 본 발명의 고압 주입 노즐은 바람직하게 약 3인치 및 5인치 사이의, 더 바람직하게 약 3.5인치 및 4.5인치 사이의; 및 가장 바람직하게 약 4인치인 영역(land) 길이를 포함한다. 영역 길이는 공급 스로트에 가까운 상류에 비해, 용융물 내에 직접적으로, 하류로 주입될 때 특히 증가된 압력에 의해 결정적일 수 있다. 본 발명에 따른 고압 노즐은 D-2 같은 단단한 공구강으로 만들어진 경화된 노즐 팁, 및 경화된 노즐 밸브 핀을 구비한다. 추가적으로, 노즐은 바람직하게 주입 노즐 밸브 위치를 감지할 수 있는 선형 위치 표시기(linear position indicator)를 포함한다.

고압 주입 노즐은 고압 강화(intensification)할 수 있다. 바람직하게, 고압 주입 노즐은 대략 2인치 실린더(51) 및 고압 강관(57)을 포함한다. 고압 관은 4000 및 7000psi 사이의 관일 수 있다. 그러나, 더 바람직하게 고압 관은 약 5000psi 관이다. 이러한 압력 강화 능력은 제곱 인치당 수천 파운드(psi)의 생성을 허용한다. 바람직하게, 노즐은 8000 내지 12000psi 사이의 압력을 생성할 것이다. 다른 실시예에서, 노즐은 10000psi를 생성할 것이다.

고압 주입 노즐은 종래의 노즐들이 경험하는 누출 문제를 더 방지하기 위해 적어도 하나의 O-링(61) 및 4중 밀폐재의 조합 및 이중 밀폐재들(59)을 포함하는 밀폐 시스템을 더 바람직하게 포함한다. 첨가물은 노즐의 측면들 상에 위치된 개구들을 통해 노즐 안으로, 고압 관(57)을 통해 그리고 노즐의 밖으로 흐른다. 밀폐 시스템의 존재는 첨가물 누출의 양을 제거한다. 고압 주입 노즐은 노즐(63)의 온도를 관리하기 위해 냉각 블록(53)을 더 포함할 수 있다. 노즐은 배럴 가열기 밴드들의 밀접한 접근성에 의해 많은 양의 열을 축적할 것이며 노즐을 손상으로부터 보호하기 위해 냉각되어야 한다. 추가적으로, 과도한 열 축적과 함께, 공기 실린더의 작동은 일정치 못할 수 있으며 밀폐재들은 적절하게 작용하는 것을 멈출 수 있다. 일 실시예에서, 냉각 블록(53)은 노즐의 배럴 주위에 위치될 수 있다. 냉각 블록(51)은 블록을 통해 다양한 온도들의 물을 흘려 보내는 것에 의해 온도가 조절된다. 다른 실시예에서, 노즐은 노즐의 온도를 아래로 유지하도록 냉각된 구리 코일로 감싸질 수 있다. 또 다른 실시예에서, 열 차폐들은 직물 절연체 또는 폼(foam)을 형상하도록 구부러질 수 있는 절연된 덮개를 포함하여 사용된다. 팬들 또한 추가적인 냉각을 유발하도록 노즐을 가로질러 바람이 불도록 실시될 수 있다.

바람직하게, 주입 고압 노즐 제어기는 프로그래밍 가능한 논리 제어기(PLC)이며, 사용자는 주문된 값들 및 설정들을 입력할 수 있다. 종래 기술에서 공지된 바와 같이, PLC는 경계된 시간 내에서 입력 조건들에 대한 응답들을 산출하도록, 다중의 입력 및 출력 배열들을 위해 동시에 지정되는, 현실에 존재하는 공정들의 자동화를 위해 사용되는 프로그래밍 가능한 컴퓨터이다. PLC는 마이크로프로세서의 배터리 백업형 RAM 메모리 내에 저장된 사용자가 만든 논리 프로그램에 따라 부착된 출력 “액츄에이터들(actuators)”(모터 시동기들, 솔레노이드들, 파일럿(pilot) 빛들(lights)/디스플레이들, 속도 구동장치들, 밸브들 등)을 제어하고 “센서(sensor)” 입력들에 연결된 계(field)의 상태를 감시하는 모듈식 또는 통합식 입력/출력 회로도 중 하나를 구비하는 마이크로프로세서 기반의 디바이스이다. PLC 프로그램들은 일반적으로 개인용 컴퓨터에 대해 특별한 적용으로 쓰여지며 PLC에 주문 제작한 케이블을 통해 다운로드된다. 프로그램은 일반적으로 배터리 백업형 RAM 또는 다른 비휘발성 메모리 중 하나로 PLC 내에 저장된다.

PLC는 전화기 또는 컴퓨터와 유사한 네트워크를 구비하는 인터페이스 및 사용자의 특정으로 프로그래밍 될 수 있는 전용 디바이스와 다르다. PLC들은 시스템의 더 나은 제어를 위해 많은 논리를 허용하는 작은 패키지 안으로 많은 중계기들(relays)을 구동시키는 것을 허용한다. 더욱이, 고압 노즐 제어기는 또한 다양한 하위시스템들을 조정하도록 통신 링크를 제공하기 위해, 키패드 또는 PC형 워크스테이션 같은 인간 기계 인터페이스(HMI)를 포함할 수 있다.

PLC의 특징은 아날로그 입력에 기초하여 아날로그 출력을 조절하는 능력에 있다. 일 실시예에서, 고압 노즐 제어기는 다음과 같은 아날로그 신호들을 감시한다: 다른 펌프를 공급하는 하나의 펌프에 의해 경험되는 압력; 노즐 밸브 전에 및 펌프로부터 하류의 압력; 압출 성형기의 배럴 헤드에서 용융물로부터의 압력; 및 압출 성형기로부터의 출력. 압출 성형기로부터의 출력은 일반적으로 스크류 구동 모터의 전류량 또는 스크류의 RPM에 따라 감시된다.

도 4는 고압 노즐 제어기의 일 실시예를 위한 입력들 및 출력들의 예시를 나타낸다. 압출 성형기(71)는 전류량을 보고하고(72) 다른 공정은 노즐 제어기(73)로 출력하며(74) 다음에는 하나 이상의 많은 신호들을 출력한다(75). 예시적인 실시예의 예시로서, 제어기는 경보(77)를 알릴 수 있으며, 그것은 노즐 밸브(79, 81)를 개방 또는 폐쇄할 수 있고, 및/또는 주입 시스템이 준비되었음을 중계할 수 있다(83). 노즐 제어기(73)는 또한 시스템이 가능한지(85) 그리고 스크류가 회전 중인지(87) 같은 압출 성형기(71)로부터의 입력들을 감시할 수 있다.

많은 당업자들은 압출 성형기의 출력의 주요한 지표로서 압출 성형기의 RPM에 의존한다. 간소화된 공정들은 압출 성형기의 회전당 일정한 출력을 추정한다. 이는 일반적으로 최대 출력을 위해 최적화되지 않거나 ‘용량 이하’인 시스템들 내에서 가장 정확하다. 용량 한계들에 도달되면, RPM 및 출력 사이의 상관 관계가 변화하기 때문이다. 따라서, 예시적인 실시예의 첨가물 전달 시스템은 주로 압력 피드백 시스템이며, 압력 센서들은 첨가물 입력을 조절하기 위해 압출 성형기의 출력에서 압력을 감시한다. 그러나, 압력 단독으로는 여전히 일반적으로 충분한 측정이 아닌데, 불균형적인 결과들을 이끌 수 있기 때문이다. 그러므로 전류량 측정들을 포함하는 것에 의해 첨가물 입력 및 압출 성형기 출력의 균형성을 유지하기 위한 방법을 실시하는 것이 바람직하다.

모터 전류량은 일반적으로 공정으로부터의 출력의 가장 직접적으로 상관되는 지표이다. 이론적으로, 시스템들은 최적화되므로, 수학적 모델은 압출 성형기의 출력에 대해 첨가물 전달 시스템의 출력을 서로 연관시키도록 유도될 수 있다. 그러나, 지나치게 간소화된 알고리즘들은 입력들에서 혼합된 변형을 위한 보정을 허용하지 않을 것이다. 본 실시예는 최적 구간으로 접근, 최적 구간보다 아래의 한계 범위, 및 최적 구간보다 높은 범위를 포함하는 세 개의 구간들을 활용한다. 그러나, 틀림없이, 구간들의 무한한 수는 이러한 목적을 위해 확인될 수 있다.

첨가물 입력 및 압출 성형기 출력의 균형을 유지하기 위한 전류량 측정 시스템을 실시하기 위해, 첨가물 전달 시스템은 압출 성형기로부터 고압 노즐 제어기로 전류 피드백을 제공하기 위해 압출 성형기에 연결된 전류량 추적 디바이스들을 포함할 수 있다. 바람직하게, 시스템은 첨가물 전달이 출력에 비례하는 것을 보증하도록 압출 성형기의 출력을 추적하기 위한 방법을 활용하는, 고압 투여 펌프 및 고압 라인/밸브 변환기를 포함한다. 종래 기술에서 공지된 바와 같이, 투여 펌프는 제어 가능한 방출 비율들을 구비하는 낮은-부피 펌프이다. 고압 투여 펌프는 바람직하게 대략 3000psi의 압력을 견딜 수 있다. 시스템은 피스톤, 기어 및 진행 공동(progressing cavity)을 포함하는 다양한 유형의 펌프들을 수용할 수 있으며, 하나 이상의 펌프를 포함할 수 있다. 시스템은 시스템의 압력 용량이 두 배가 되도록 고압 투여 펌프와 연속하여 연결된 예비-충전 펌프를 더 포함할 수 있다. 예비-충전 펌프는 또한 바람직하게 약 3000psi의 압력 용량을 가진다; 따라서, 펌프들은 함께 적어도 6000psi의 지속적인 압력의 용량을 구비할 수 있다. 총 압력 용량을 증가시키기 위해 연속하여 다중의, 저압 펌프들을 더 적층시킬 수 있다. 예를 들어, 세 개의 1000psi 투여 펌프들은 3000psi 예비-충전 펌프와 연속하여 적층될 수 있어, 6000psi의 전체 용량을 또한 생기게 할 수 있다. 예비-충전 펌프가 실시될 때, 압력 변환기는 예비-충전 펌프 내의 압력을 감지하기 위해 예비-충전 펌프의 하류에 위치된다. 고압 펌프는 예비-충전 펌프가 그것의 압력 설정에 도달할 때까지 작동하지 않을 것이다. 이중으로 적층된 펌프 어셈블리(투여 펌프 및 예비-충전 펌프)는 일정한 출력을 유지하는 것에 직접적으로 관련된, 제 2 (투여) 펌프에 대한 일정한 압력 수두를 유지할 것이므로 중요하다.

고압 노즐 제어기는 일반적으로 다양한 아날로그 신호들을 수용하는 수단을 구비하는 논리/시퀀스 제어기이며, 만약 포함된다면, 아날로그 신호들 또는 직접적인 구동 장치들 중 하나에 의해, 고압 투여 펌프 및/또는 예비-충전 펌프를 구동시킨다. 도 5a 내지 5c는 제어 논리의 첨가물 주입 시스템의 바람직한 실시예를 나타낸다. 일단 주입 노즐 제어기가 ON으로 되면(91), 제어기는 수동으로 개방(93), 준비, 또는 다른 표시 표시기로 전환될 수 있다. 개방 명령으로 전환되면(93), 노즐 밸브는 자동적으로 개방되어(95) 압출 성형기 안으로 첨가물이 흐르는 것을 허용한다. 이는 압출 성형기 작용 스테이션으로 빛, 문자 메시지 등 같은 경보를 보내서, 공정이 시작됨을 가리킬 것이다. 만약 제어기가 개방으로 전환되지 않는다면, 노즐 밸브는 폐쇄될 것이며(99) 노즐이 폐쇄된 것을 가리키는 신호는 작용 스테이션으로 보내질 것이며 노즐의 폐쇄를 가리키는 경보가 일어날 것이다(101).

고압 노즐 제어기는 또한 자동(AUTO)으로 설정될 수 있으며(103), 제어기가 켜졌을 때 압출 성형기 작용 스테이션에 녹색‘준비(READY)’빛을 자동으로 보낼 수 있다(105). 그 대신에, 제어기는 녹색‘준비(READY)’빛을 유발하기 전에 세 개의 신호들을 수용해야 한다. 제 1 신호는 시스템이 사용 가능하고 시작하기 위한 작동을 인가한다는 것을 가리킨다(107). 제 2 신호는 허용 표시기(permission indicator) 및 스크류 표시기(109)인 두 개의 표시기들을 포함한다. 허용 표시기는 압출 성형기가 작동 가능하고 적절한 물질이 시스템 내에 존재하는지를 보여주고 스크류 표시기는 스크류가 회전하고 있는지를 알려준다. 허용 표시기 및 스크류 표시기는 모두 제 2 신호를 유발하기 위해 필요하다. 제 3 신호는 압출 성형기에 존재하는 물질의 유량 또는 전류를 가리키는 전류량 신호(111)이다. 고압 노즐 제어기가 세 개의 필요한 신호들 중 어떠한 것을 수신하지 못하면, 노즐 제어기는 녹색‘준비(READY)’빛을 활성화시키지 못할 것이며, 그러한 신호가 수신될 때까지 기다릴 것이다(108).

각각의 세 개의 신호들의 수신 시에, 고압 노즐 제어기는 압출 성형기 작용 스테이션에 녹색 빛을 보내며, 시스템 구성 및 압력에 의존하여, 고압 투여 펌프(115) 또는 예비-충전 펌프 중 하나의 작동을 개시할 것이다. 고압 노즐 제어기는 노즐의 상류 및 하류에서 압력 센서로부터 신호들을 수신할 것이며, 고압 또는 예비-충전 펌프 중 어느 것이 고압 주입 노즐을 통과하는 첨가물의 펌핑을 개시하도록 지시할 것이다. 고압 투여 펌프는 압출 성형기의 출력에 연결되며 압출 성형기의 압력을 유지하고 출력과 부합하도록 구동된다.

하나의 바람직한 실시예에서, 시스템은 연속하여 부착된 고압 투여 펌프 및 예비-충전 펌프 모두를 포함한다. 추가적인 시스템들은 공급 시스템 내에 적합한 액체 제품의 존재 또는 부재를 더 감시할 수 있다. 그러한 시스템들은 만약 저장소가 낮다면 경보를 보낼 것이며 예비-충전 펌프는 개시하지 않을 것이다. 세 개의 의무적인 신호들(107, 109, 111) 및 적합한 액체 제품이 공급 시스템 내에 있다는 신호를 수신 시, 고압 노즐 제어기는 예비-충전 펌프를 개시할 것이며 그것의 변화하는 압력을 감시할 것이다(113). 예비-충전 펌프가 미리 정해진 압력에 도달하지 못한다면, 예비-충전 압력 변환기(117)는 고압 주입 노즐 제어기에 입력 신호(아날로그 또는 디지털)를 제공할 것이다. 고압 주입 노즐 제어기는, 프로그래밍된 알고리즘에 따라, 투여 펌프에서 입구 내에 바람직한 예비-충전 압력을 유지하도록 예비-충전 펌프 속도를 증가시키거나 감소시킬 것이다(123). 적합한 액체 제품 수준을 유지하는 동안 지정된 압력에 도달하면, 고압 노즐 제어기는 고압 투여 펌프에 시작하라는 신호를 보낼 것이며 제어기는 펌프 압력을 감시할 것이다(115). 지정된 노즐 압력에 도달하면, 노즐은 압출 성형기 안으로 첨가물을 방출하기 위해 개방할 것이다. 만약 그러한 압력이 달성되지 않는다면, 고압 라인/밸브 변환기(121)는 그러한 압력이 획득될 때까지 고압 투여 펌프(125)의 속도를 증가시킬 것이다.

고압 노즐 제어기는 밸브에 개방을 지시하기 전에 첨가물의 압력이 용융물의 압력보다 높은 것을 보증할 것이다. 고압 노즐 제어기는 압출 성형기의 전류량을 감시하는 동안 펌프들의 분당 회전수(RPM)를 제어하는 것에 의해 압력 관계를 유지한다. 이러한 관계를 확립하기 위해, 시스템은 분당 회전수당 출력이 어떻게 가정되는지를 제어기에 알리기 위해 구성(set-up) 조건들의 일환으로서 조정될 수 있다. 그런 다음 전류량 입력은 시스템 설정들을 확립하기 위해 출력과 서로 관련된다. 그러한 조정은 일반적으로 수동적인 조정을 통해 수행되나, 또한 자동적으로 수행될 수 있다.

고압 노즐 주입 제어기는 압출 성형기 압력을 감시하고 노즐 밸브 내의 압력이 압출 성형기 내의 용융물 내의 압력보다 큰 것을 보증한다. 이러한 공정은 세 개의 별개의 단계들로 나타난다. 첫째 압출 성형기는 압출 성형기가 작동 가능하다는 신호를 보내기 위해 허용 신호를 제어기로 보낸다. 제어기는 그런 다음 시스템 내의 압력을 높이기 위해 펌프를 작동시킨다. 일반 압력이 도달하고 임계값을 초과하면, 용융물 압력 밸브는 개방될 것이다. 압력은 그런 다음 고압 펌프의 RPM에 의해 유지될 것이다. 압출 성형기가 아래로 느려짐에 따라, 전류량은 감소할 것이며 그것들이 설정 값들에서 안정화될 때까지 고압 투여 펌프로부터 출력(RPM)을 감소시킬 것이다. 각각의 압출 성형기는 다르므로, 안전한 최소 작동 압력들은 각각의 적용을 위해 결정될 필요가 있을 것이다.

공정 입력 물질들은 밀도 또는 형상의 변형 같은 정상적인 그리고 비정상적인 요인들 모두에 의해 변화되므로, 압출 성형기의 출력은 변화될 수 있다. 공정으로 전달된 액체 출력에 압출 성형기의 출력을 균형 맞추는 것은 폴리머에 대한 첨가물의 더 정확한 균형을 위한 다양한 경사들을 구비하는 프로그래밍 가능한 구간들의 개발을 이끈다. 이러한 구간들은 압출 성형기 내에 특정 조건들에 의해 나타내지며 압출 성형기 구동 모터 내에 전류량 및 RPM, 용융 압력 및 액체를 위한 입력들의 조합이다. 예를 들어, 압출 성형기 RPM은 안정하게 남아있고, 용융 압력 및 전류량은 아래로 경사질 때, 첨가물의 펌핑 비율에서의 특정 감소는 균형 조건들에서 떨어져 내지는 것을 방지하고 올바른 비율을 보증하기 위한 변화에 대해 비례하게 프로그래밍될 수 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, 노즐 압력이 지정된 분명한-경고 수준에 도달하면(131), 고압 주입 노즐 제어기는 노즐 내의 막힘을 해소시키기 위해 세정 스트로크(clearing stroke)를 유도할 것이다. 고압 주입 노즐 제어기는 장애물을 세정하는 데 필요한 만큼 많은 세정 스트로크들을 개시할 것이다. 노즐 압력이 지정된 스파이크 압력에 도달한다면(135), 고압 주입 노즐 제어기는 예비-충전 및/또는 투여 펌프들을 정지시킬 것이며(137), 폐쇄된 노즐을 가리키는 빨간 경보 빛을 활성화시키며(139), 노즐 밸브를 폐쇄할 것이다(141).

일단 고압 주입 노즐 제어기가 압력이 120psi 같이 적절한 수준에 도달했음을 가리키는 신호를 수신하면, 고압 주입 노즐을 개방되고 래치(latch)되게 신호를 보내며, 압출 성형기의 배럴 안으로 첨가물이 흐르는 것을 허용한다. 시스템의 압력은 위로 및 아래로 압력 변동을 경험할 수 있다; 그러나, 고압 주입 노즐은 압력이 한 세트의 시간들에서 상승하고 하락하지 않는 한 다시 래치되고 폐쇄되지 않을 것이며, 여기서 연관된 경보는 유발될 것이다. 그러나, 압력의 급격한 변화는 시스템 내에 동결 또는 막힌 노즐 등 같은 문제가 있을 수 있다는 것을 가리킨다. 이와 같이, 압력의 급격한 변화는 고압 주입 노즐의 막힘을 유발할 수 있다. 그러한 문제가 발생할 때, 압출 성형기가 정지되지 않고 중단되지 않는다는 것이 본 발명의 측면이다. 시스템을 완전히 중단하는 것은 엄청난 시간 및 비용을 낭비할 수 있다. 대신에, 시스템이 여전히 사용 중인 동안, 적절한 균형들이 영향을 받지 않는 것을 보증하기 위해 필요한 세정 또는 다른 작업은 성취될 수 있다.

첨가물 주입 시스템은 바람직하게 특정 상황들이 발생할 때 사용자에게 알리기 위해 다수의 경보 상태들을 구비하는 경보 시스템을 포함한다. 바람직하게, 경보 상태들은 고압 주입 노즐이 완전히 폐쇄되지 않거나 노즐이 막힌 것 중 하나를 알리기 위한 노즐 경보; 시스템 내의 압력을 감지하는 압력 경보; 전력 경보; 및 충분한 물질이 시스템 내에 존재하는지를 알리는 물질 경보를 포함하나, 이에 한정되지 않는다. 경보 시스템은 바람직하게 시각, 전기 및 음성 경보들을 포함한다. 시각 경보들은 각각 다른 상태를 알리는 다양한 빛 색깔들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 녹색 빛은 시스템에 전력이 공급되고 시작할 준비가 되었음을 알릴 수 있다. 빨간 빛은 시스템이 작동하지 않음을 알릴 수 있다. 반짝거리는 빛들은 노즐 내의 막힘을 알릴 수 있으며, 황색 빛은 충분한 물질이 시스템 내에 있음을 알릴 수 있다. 빛들은 제어기의 베이스 또는 작업자 스테이션, 또는 사용자에 의해 지정된 위치 내에 장착되고 적층될 수 있다. 경보의 다른 형태는 음성 경보이다. 음성 경보는 다른 시스템 상태들을 알리기 위해 다양한 소리들을 포함할 수 있다. 더욱이, 경보는 전기적일 수 있으므로, 상태가 평가될 때까지 시스템을 폐쇄시킬 수 있다. 이는 특별히 노즐 막힘 또는 급격한 압력 변화 동안 중요하다.

구체적인 실시예들이 압출 성형기를 이용하는 플라스틱 가공에 대해 집중하나, 설명된 방법 및 장치는 압출 성형기가 폴리머를 용융하는 데 사용되지 않는 경우에 적용될 수 있으며, 그러나 첨가물은 예를 들어 중합이 착수된 중합 반응기로부터 직접 나오는 용융된 플라스틱 안으로 유입된다. 첨가물은 필요한 변경을 가하여 설명된 방법 및 장치를 이용하여 반응기의 하류로 유입될 수 있다.

예시적인 실시예는 바람직한 실시예들을 참조하여 설명되었다. 명백하게, 변경들 및 변형들은 앞선 상세한 설명을 해석 및 이해했을 때 다른 사람들에게서 생길 것이다. 예시적인 실시예는 첨부된 청구항들 또는 그것의 등가물들의 범위 내에 있는 한 모든 그러한 변경들 및 변형들을 포함하여 해석되도록 의도된다.

41: 압출 성형기
43: 고압 노즐 제어기
45: 펌프
46: 펌프
49: 노즐 밸브
51: 실린더
53: 냉각 블록
57: 고압 관
59: 이중 밀폐
61: O-링
63: 노즐

Claims (22)

1. 플라스틱 가공 동안 첨가물 전달을 위한 방법에 있어서,
   상기 방법은,
   제어 루프 내에 구성요소들의 네트워크를 확립하는 단계, 상기 제어 루프는 적어도 하나의 펌프를 구동시키기 위해 피드백 방법을 이용함;
   를 포함하고,
   상기 피드백 방법은,
   플라스틱 가공 디바이스와 결합된 적어도 하나의 센서로부터 제어기로 적어도 하나의 신호를 보내는 단계;
   상기 제어기로부터 상기 적어도 하나의 펌프로 하나 이상의 신호를 보내는 단계;
   적어도 하나의 펌프 내에서 압력을 측정하고 주입 노즐 밸브의 위치를 감지하는 단계; 및
   상기 밸브가 개방 또는 폐쇄되도록 상기 주입 노즐 밸브에 하나 이상의 신호를 보내는 단계;
   를 포함하는 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 플라스틱 가공은 플라스틱 용융 공정을 포함하는 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 첨가물은 중합 반응기의 하류로 전달되어 플라스틱 물질이 용융된 플라스틱 물질로 산출되며, 상기 용융된 플라스틱 물질은 상기 반응기에 남아 있으며 상기 반응기를 떠난 후에 적어도 상기 반응기 안으로 첨가물이 전달될 때까지 용융된 채로 남아 있는 방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 제어기는 고압 노즐 제어기이고, 시스템 압력이 사용자에 의해 지정된 수준에 도달하면 상기 노즐 제어기는 상기 주입 노즐 밸브가 개방되도록 신호를 보내고 상기 밸브는 적절한 위치에 놓이는 방법.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 노즐 제어기는, 결합된 압출 성형기의 출력의 유량과 부합하도록 상기 노즐 밸브를 통과하는 상기 첨가물의 유량을 조절하는 방법.
   
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 주입 노즐 밸브는, 8000 내지 12000psi 사이의 압력을 생성시키기 위하여 고압 강화할 수 있는 고압 주입 노즐 밸브인 방법.
   
7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 적어도 하나 이상의 펌프는 고압 투여 펌프를 포함하는 방법.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 적어도 하나 이상의 펌프는 상기 고압 투여 펌프에 연속하여 연결된 예비-충전 펌프 제어기를 포함하는 방법.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 예비-충전 펌프는 압력이 3000psi보다 클 때 상기 고압 펌프에 추가하여 사용되는 방법.
   
10. 제9항에 있어서,
    상기 예비-충전 펌프 및 고압 펌프는 집합적으로 6000psi 용량을 포함하는 방법.
    
11. 제1항에 있어서,
    상기 방법은, 플라스틱 가공 내에 첨가물의 정확한 유입을 위한 첨가물 전달 시스템을 사용하고,
    상기 시스템은,
    플라스틱 가공 디바이스와 결합된 적어도 하나의 센서;
    고압 노즐 제어기;
    적어도 하나의 펌프; 및
    고압 노즐;
    을 포함하고,
    상기 시스템은, 적어도 하나의 펌프 및 주입 노즐 밸브를 구동시키기 위해 피드백 논리 방법을 사용하도록 구성된 논리 기반의 제어 루프를 포함하는 방법.
    
12. 제11항에 있어서,
    상기 고압 노즐은,
    하류로의 주입이 수월하도록 3인치와 5인치 사이의 길이를 구비하는 영역;
    외부 밀폐재 및 내부 밀폐재를 포함하는 이중 밀폐 시스템;
    4000 및 7000psi 사이에서 견딜 수 있는 고압 관; 및
    노즐의 열 축적을 방지하기 위한 냉각 메커니즘;
    을 포함하는 방법.
    
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