DE102009047540A1

DE102009047540A1 - Ofen zum Konditionieren von Vorformlingen

Info

Publication number: DE102009047540A1
Application number: DE102009047540A
Authority: DE
Inventors: Frank Winzinger; Christian Holzer; Wolfgang Schönberger; Konrad Senn; Andreas Wutz
Original assignee: Krones AG
Current assignee: Krones AG
Priority date: 2009-12-04
Filing date: 2009-12-04
Publication date: 2011-06-09
Also published as: CN102725124A; US20120269918A1; EP2507033A2; WO2011066885A3; WO2011066885A2

Abstract

Beschrieben wird eine Ofen zum Konditionieren von Vorformlingen mit einem Heizrad, an dem mehrere Heizkammern zum Erwärmen je eines Vorformlings angeordnet sind. Dadurch, dass die Wände der Heizkammern, insbesondere die der Ausnehmung zum Einführen der Vorformlinge gegenüber liegende Bodenwand der Heizkammern und die daran angrenzende Seitenwand eine Isolationsschicht umfassen, um die Heizkammern der Heizmodule thermisch zu isolieren, können die Vorformlinge auf flexible und energieeffiziente Weise unabhängig voneinander erwärmt werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ofen vom Rundläufertyp zum Konditionieren von Vorformlingen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Im Blas- bzw. Streck-Blasverfahren herzustellende Behälter werden aus sog. Vorformlingen bzw. Preforms geformt, die vor dem eigentlichen Blasvorgang auf eine gewünschte Prozesstemperatur erwärmt werden müssen. Um die rotationssymmetrischen Vorformlinge, die in der Regel standardisierte Wanddicken aufweisen, beim Blasen in Behälter mit einer bestimmten Form und Wandstärke umformen zu können, sind einzelne Wandbereiche des Vorformlings in einem Ofen, vorzugsweise mit Infrarotstrahlung, dosiert zu erwärmen. Zu diesem Zweck wird üblicherweise ein kontinuierlicher Strom Vorformlinge durch einen Ofen mit entsprechend angepassten Bestrahlungsabschnitten geleitet. Ein Problem derartiger Öfen ist es jedoch, einen möglichst großen Anteil der abgestrahlten Wärmeleistung gezielt in die Vorformlinge einzubringen.
Als Alternative hierzu schlägt die Offenlegungsschrift DE 10 2006 015853 A1 vor, Vorformlinge in einzelnen, die Vorformlinge jeweils umfänglich umschließenden Bestrahlungskammern zu erwärmen, wobei die einzelnen Kammern karussellförmig angeordnet sind. Dabei wird jeder Vorformling sowohl von der als keramischen Infrarotstrahler ausgebildeten Innenwand der Kammer als auch von einem stabförmigen Infrarotstrahler, der in den Vorformling eingeführt wird, erwärmt. Wie einer schematischen Darstellung der DE 10 2006 015853 A1 zu entnehmen ist, wird der Vorformling dabei vollständig in die Bestrahlungskammer eingeführt. Es bleibt jedoch offen, wie die Temperaturverteilung in den einzelnen Kammern flexibel und möglichst unabhängig voneinander beeinflusst werden kann, und wie die in der Kammer abgegebene Wärmeleistung möglichst effektiv zur Erwärmung des Vorformlings genutzt werden kann.
Die Heizkammern der DE 10 2006 015853 A1 sind zwar überwiegend radial nach außen hin thermisch isoliert, stehen untereinander aber in direktem Kontakt, so dass ein Wärmeausgleich zwischen den Heizkammern möglich ist. Außerdem sind die Kammern nach oben hin offen, so dass Wärme ungenutzt und unkontrolliert entweichen kann. Es ist jedoch wünschenswert, in den Heizelementen verschiedene umfängliche und radiale Temperaturprofile kontrolliert und energieeffizient zu erzeugen. Es besteht somit Bedarf für einen in dieser Hinsicht verbesserten Einzelkammer-Ofen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Ofen bereitzustellen, bei dem die Heizkammern in möglichst flexibler Weise und unabhängig voneinander an eine gewünschte Temperaturprofilierung der Vorformlinge, sowohl in umfänglicher als auch in axialer Ausrichtung, angepasst werden können, und bei dem Wärmeverluste minimiert sind.
Dies wird mit einem Ofen erzielt, der die im Kennzeichen des Anspruchs 1 definierten Merkmale umfasst. Dadurch, dass die Wände der Heizkammer, insbesondere eine einer Ausnehmung zum Einführen des Vorformlings gegenüberliegende Bodenwand der Heizkammer und die daran angrenzende Seitenwand der Heizkammer, eine Isolationsschicht umfassen, können die umfänglichen und axialen Heizprofile der einzelnen Heizkammern flexibel und unabhängig voneinander an die jeweilige Anforderung angepasst werden. Außerdem werden Wärmeverluste reduziert.
Für die Isolationsschicht geeignete Materialien sind bevorzugt Kunststoffe, insbesondere PET, Polyethylen, Polystyrol, Neopor oder Polyurethan, aber auch Aluminium, insbesondere geschichtetes Aluminium, Keramik, mineralische Fasen wie Glas- oder Steinwolle, Keramikfolie im Schichtverbund mit anderen Werkstoffen, Holz oder Kork. Andere denkbare Materialen wären Zellstoffverbundsysteme, Hanf, Flachs, Kokos oder Schilfrohrplatten. Mineralische Schäume wie Porenbeton, Bimsstein, (Prelite) Blähton, Blähglimmer, Calciumsilikat oder Schaumglas können ebenfalls eingesetzt werden. Denkbar wären auch Schichtverbünde umfassend eine beliebige Auswahl aus den genannten Materialien.
Vorzugsweise ist an der Ausnehmung der Heizkammer ein Deckel vorgesehen, um die Heizkammer im unbestückten Zustand thermisch isolierend zu verschließen. Dadurch werden Temperaturschwankungen in der Heizkammer minimjert und thermische Verluste weiter reduziert.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Haltevorrichtung mindestens ein durch einen Flüssigkeits- und/oder Luftstrom kühlbares Greifelement zum Halten und Kühlen eines Mündungsbereichs des Vorformlings während der Bestrahlung. Dadurch kann gewährleistet werden, dass sich der Mündungsbereich, der während des Blasvorgangs unverändert bleiben soll, nicht unzulässig erwärmt, so dass ausreichende Stabilität des Mündungsbereichs während der Bestrahlung und des anschließenden Blasvorgangs gewährleistet ist.
Vorzugsweise ist an der Haltevorrichtung mindestens ein Lüftungseinlass zum exzentrischen Einblasen von Kühlluft in der Vorformling vorgesehen, um die eingeblasene Kühlluft im Wesentlichen an der Innenseite der Vorformlingwand entlang zuleiten. Dadurch kann vermieden werden, dass sich die Innenseite des Vorformlings unverhältnismäßig stark im Vergleich zu einem zentralen Wandbereich bzw. der Außenseite des Vorformlings erwärmt.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist an der Heizkammer mindestens ein Lüftungseingang zum Einleiten eines Kühlluftstroms und ein Lüftungsausgang zum Ausleiten des Luftstroms vorgesehen, um Kühlluft an der Außenseite der Vorformlingwand entlang zuleiten. Dadurch kann vermieden werden, dass sich die Außenseite des Vorformlings unverhältnismäßig stark im Vergleich zu einem zentralen Wandbereich bzw. der Innenseite des Vorformlings erwärmt.
Vorzugsweise sind die Heizkammer und die Haltevorrichtung zueinander drehbar gelagert, um den Kühlluftstrom in der Heizkammer zu verwirbeln und/oder wendelförmig an dem Vorformling entlangzuleiten. Dadurch kann die Oberfläche des Vorformlings umfänglich gleichmäßig gekühlt werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist in der Heizkammer mindestens ein Temperaturfühler zum Ermitteln einer Innentemperatur vorgesehen, wobei der Ofen ferner eine Steuereinheit zum Einstellen einer Infrarotheizleistung und/oder eines Kühlluftstroms in der Heizkammer auf Basis der ermittelten Innentemperatur umfasst. Dadurch kann ein zeitlicher Ablauf der Erwärmung des Vorformlings in der Heizkammer eingestellt werden und/oder ein bestimmtes Temperaturniveau in der Heizkammer eingehalten werden.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung umfasst ferner Luftleitvorrichtungen, die gegen eine Rotationsrichtung des Heizrads geneigt und/oder gekrümmt sind, um durch Rotation des Heizrads aufgestaute Luft gegen die Heizkammern zu leiten. Dadurch kann ein Kühlluftstrom ohne den Einsatz eines zusätzlichen Gebläses verwirklicht werden. Der Verlauf des Luftstroms kann außerdem durch gezielte Formgebung der Luftleitvorrichtungen gesteuert werden.
Vorzugsweise umfasst die Heizkammer mindestens einen Heizstrahler in Form einer in eine keramische Schicht eingebetteten Heizwendel, wobei die keramische Schicht für eine Emission im Bereich von 2 bis 3,5 μm eingerichtet ist. Durch die keramische Schicht kann eine im Vergleich zur Heizwendel vergrößerte und gleichmäßiger abstrahlende Fläche bereitgestellt werden und der Spektralbereich der abgestrahlten Wärmestrahlung und deren räumliche Verteilung angepasst werden, um eine gewünschte Temperaturverteilung im Vorformling zu erzeugen. Im Wellenlängenbereich von 2 bis 3,5 μm wird ein besonders großer Anteil der eingestrahlten Wärmestrahlung im Vorformlings absorbiert, so dass sich die Erwärmung besonders gut auf einen bestimmten Wandbereich konzentrieren lässt.
Bei einer besonders günstigen Ausführungsform umfasst die Heizkammer mindestens einen Heizstrahler in Form eines Hellstrahlers mit einem Strahlungsmaximum bei einer Wellenlänge von weniger als 2 μm, insbesondere einen hellstrahlenden Halogenstrahler, eine hellstrahlende Leuchtdiode und/oder einen hellstrahlenden Laser. Derartige Strahler lassen sich auf Grund geringer Trägheit zeitlich besonders genau steuern und ermöglichen eine Anpassung des Bestrahlungsspektrums an unterschiedliche Vorformlingmaterialien und Materialdicken. Durch die vergleichsweise geringe Absorption in der Wand des Vorformlings kann die Hellstrahlung einen auf der Rückseite der bestrahlten Wand angeordneten Passivstrahler anregen.
Vorzugsweise umfassen die Heizmodule ferner je einen Heizstab zum Bestrahlen eines inneren Wandbereichs des Vorformlings mit Infrarotstrahlung, wobei die Vorrichtung ferner zum Heben und Senken der Haltevorrichtung und/oder des Heizstabs eingerichtet ist, um den Heizstab in den Vorformling einzuführen bzw. aus diesem zurückzuziehen. Mit dem zusätzlichen Heizstab kann die Wand des Vorformlings über ihre gesamte Dicke besonders gleichmäßig bestrahlt und erwärmt werden. Außerdem können dadurch Wandbereiche bestrahlt werden, insbesondere in der Nähe des Mündungsbereichs des Vorformlings, die von dem äußeren Heizstrahler nur unzureichend bestrahlt werden können. Die Hubvorrichtung erleichtert zudem die axiale Profilierung des Vorformlings durch gezielte Bestrahlung axialer Bereiche des Vorformlings.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die Heizmodule ferner ein thermisch isolierendes Gehäuse für den Heizstab, in das der Heizstab zurückgezogen werden kann, wobei an dem Gehäuse insbesondere ein Deckel vorgesehen ist, um das Gehäuse bei zurückgezogenem Heizstab thermisch isolierend zu verschließen. Dadurch können Wärmeverluste bei zurückgezogenem Heizstab minimiert werden. Außerdem ist es möglich, Temperaturschwankungen des Heizstabs zu reduzieren.
Vorzugsweise sind an dem Heizstab in Längsrichtung mehrere Strahler mit unterschiedlicher und/oder getrennt einstellbarer Heizleistung vorgesehen. Damit kann eine axiale thermische Profilierung des Vorformlingwand, insbesondere an deren Innenseite, durch selektive Aktivierung der einzelnen Strahler erleichtert werden. Außerdem ist eine zeitliche Variation der axialen Profilierung möglich, ohne den Heizstab in dem Vorformling zu verschieben.
Vorzugsweise ist an dem Heizstab mindestens eine keramische Schicht zur Abstrahlung von Infrarotlicht vorgesehen, insbesondere durch Umwandlung von Hellstrahlung mit einem Strahlungsmaximum bei einer Wellenlänge von weniger als 2 μm in eine langwelligere Strahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von 2 bis 3,5 μm. Dadurch ist es möglich, den Heizstab vollständig oder ergänzend passiv zu betreiben, indem von der Außenseite des Vorformlings eingestrahlte Hellstrahlung durch dessen Wand auf den Heizstab einwirkt und von diesem in eine Strahlung umgewandelt wird, die für eine Erwärmung der Innenseite des Vorformlings besonders effektiv ist.
Bei einer besonders günstigen Ausgestaltung ist an dem Heizstab und/oder der Haltevorrichtung ein durch einen Flüssigkeits- und/oder Luftstrom kühlbares Strahlungsschutzschild vorgesehen, um den Mündungsbereich gegenüber der vom Heizstab abgegebenen Infrarotstrahlung abzuschirmen und/oder zu kühlen. Dadurch kann eine übermäßige Erwärmung des Mündungsbereichs vermieden werden, insbesondere um eine stabile Halterung des Vorformlings in der Heizkammer und eine stabile Formgebung des Mündungsbereichs während des Blasprozesses zu gewährleisten.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Heizkammern voneinander thermisch isoliert.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die Heizkammern lediglich nach außen thermisch isoliert und stehen untereinander in Wärme austauschendem Kontakt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die Mündungsbereiche der Vorformlinge direkt mit einem Luftstrom gekühlt. Dieser kann über ein Gebläse im Inneren oder außerhalb des Ofens gebildet und über Leitungen auf die zu kühlenden Bereiche geleitet werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die Heizkammern jeweils über ein separates Gebläse gekühlt.
In einer alternativen Ausführungsform werden die Vorformlinge nicht hängend sondern in lotrechter Richtung mit dem Mündungsbereich nach unten stehend in der Heizkammer aufgenommen.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:
1 eine schematische Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Ofen mit umfänglich gleichmäßig verteilten Heizkammern;
2 einen schematischen Längsschnitt durch eine Heizkammer einer ersten Ausführungsform mit einem in einen Vorformling eingeführten zentralen Heizstab;
3a und 3b schematische Längsschnitte durch Varianten der Heizkammer;
4 einen schematischen Längsschnitt durch eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Heizkammer mit einer bewegbaren Abschirmung;
5 einen schematischen Längsschnitt durch eine alternative Variante der Heizkammer mit einem gekühlten Greifer;
6a und 6b schematische Längsschnitte durch alternative Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Heizkammer mit einer Kühlfunktion für die Außenwand des erwärmten Vorformlings;
7 eine schematische Darstellung einer Luftkühlung für den durch einen Heizdorn erwärmten Innenraum des Vorformlings;
8 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform des Ofens mit Luftleitvorrichtungen zum Kühlen der Außenwand der Heizkammern; und
9 einen schematischen Längsschnitt durch eine Heizkammer mit Temperatursensoren.
Wie 1 erkennen lässt, ist der erfindungsgemäße Ofen 1 als Rundläufer ausgelegt und umfasst ein drehbar gelagertes Heizrad 2, an dem umfänglich gleichmäßig verteilt Heizmodule 3 angeordnet sind, deren Anzahl vom gezeigten Beispiel abweichen kann und die jeweils eine Heizkammer 4 zum Erwärmen je eines Vorformlings 5 sowie eine Haltevorrichtung 7 zum Halten des Vorformlings 5 umfassen, wobei die Haltevorrichtung 7 über eine Hubvorrichtung 9 zumindest in axialer Richtung bezüglich der Längsachse 5' des Vorformlings 5 bewegt werden kann. Die Haltevorrichtungen 7 und die Hubvorrichtungen 9 sind so eingerichtet, dass sie je einen Vorformling 5 aus einem herkömmlichen Einlaufsternrad (nicht dargestellt) übernehmen können und in die Heizkammer 4 absenken können. Ferner kann der erwärmte Vorformling 5 von der Haltevorrichtung 7 und der Hubvorrichtung 9 an einen herkömmlichen Auslaufstern (nicht dargestellt) zur Weiterverarbeitung des Vorformlings 5 übergeben werden.
Wie 2 zeigt, ist an den Heizkammern 4 jeweils eine Isolationsschicht 10 vorgesehen. Die Isolationsschicht 10 umschließt die Heizkammer 4 vorzugsweise mit Ausnahme einer Öffnung 4a der Heizkammer zum Einführen des Vorformlings 5 in die Heizkammer 4. Insbesondere ist die Heizkammer 4 von der Isolationsschicht 10 vollumfänglich bezüglich der Hauptachse 5' des einzuführenden Vorformlings 5 umschlossen. Dadurch wird ein Wärmeaustausch zwischen den Heizkammern 4 der einzelnen Heizmodule 3 weitgehend vermieden.
In der Heizkammer 4 ist ferner mindestens ein Heizelement 11 zum Bestrahlen der Außenseite 5a des Vorformlings 5 vorgesehen. Die 2 zeigt ferner einen optionalen Heizstab 13, der über die Hubvorrichtung 9 in den Vorformling 5 abgesenkt werden kann. An dem Heizstab 13 ist mindestens ein Heizelement bzw. Strahler 15 zum Bestrahlen der Innenseite 5b des Vorformlings 5 vorgesehen, wobei die Strahler 15 (im Beispiel acht Stück) vorzugsweise getrennt ansteuerbar sind. Die Haltevorrichtung 7 ist der Übersichtlichkeit halber in 2 nicht dargestellt. In 2 ist ferner ein hülsenförmiges Abschirmelement 17 angedeutet, das den Heizstab 13 ringförmig umgibt, und das einen Mündungsbereich 5c des Vorformlings 5 gegenüber dem Heizstab 13 optisch und thermisch abschirmt. Zu diesem Zweck kann das Abschirmelement 17 durch einen Luftstrom oder eine Flüssigkeit gekühlt werden.
Die 3a und 3b zeigen unterschiedliche Varianten der Heizelemente 11 und 15, die je nach Ausführungsform beliebig miteinander kombiniert werden können. Die Isolationsschicht 10 ist der Übersichtlichkeit halber nur angedeutet.
In 3a sind beispielsweise mehrere Heizelemente 11 der Heizkammer 4 als axial aufeinander gestapelte, ringförmige Funktionskeramiken ausgebildet. Diese sind vorzugsweise jeweils aktiv mit einer Drahtwendel (nicht gezeigt) beheizt. Die Heizelemente 11 strahlen bevorzugt im Wellenlängenbereich von 2 bis 3,5 μm ab.
An dem Heizstab 13 der 3a ist ein Strahler bzw. Heizelement 15 ebenfalls in Form einer Funktionskeramik mit aktiver Beheizung durch eine Drahtwendel (nicht gezeigt) ausgebildet. Der bevorzugte Spektralbereich liegt auch für das Heizelement 15 des Heizstabs 13 zwischen 2 und 3,5 μm. An dem Heizstab 13 könnten jedoch auch mehrere ringförmige Heizelemente 15 in axialer Richtung übereinander gestapelt sein.
Bei der Variante der 3b ist dagegen am Heizstab 13 ein Heizelement 15 in Form einer passiven Funktionskeramik vorgesehen. Passiv heißt in diesem Zusammenhang, dass das Heizelement 15 nicht mit einer eigenen Stromversorgung versehen ist, sondern in die Heizkammer 4 eingestrahlte Wärmestrahlung entweder reflektiert und/oder in eine Wärmestrahlung mit längerer Wellenlänge umwandelt. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn mindestens eines der Heizelemente 11 als Hellstrahler ausgebildet ist, dessen Strahlung vergleichsweise schwach in der Wand 5d des Vorformlings 5 absorbiert wird, so dass das Heizelement 15 mit Hellstrahlung auch durch die Wand 5d effektiv bestrahlt werden kann. Die von dem Passivstrahler 15 abgegebene Strahlung hat dann vorzugsweise eine größere Wellenlänge und wird vergleichsweise stark in der Wand 5d des Vorformlings 5 absorbiert.
In 3b ferner angedeutet sind verschiedene Varianten der Strahler 11, beispielsweise Hellstrahler 11a in Form von Halogenstrahlern, eine Leuchtdiode 11b, die jeweils dadurch ausgezeichnet sind, dass sie ein Strahlungsmaximum bei einer Wellenlänge von weniger als 2 μm aufweisen. Alternativ wäre als Hellstrahler auch ein Laser geeignet. Ebenso angedeutet ist eine zweite Funktionskeramik 11c, die beispielsweise als passive Funktionskeramik zur Umwandlung einer eingestrahlten Wellenlänge in eine längerwellige Wärmestrahlung ausgelegt sein kann, und eine mit einer Heizwendel beheizte, aktive Funktionskeramik 11d mit einem speziell angepassten spektralen Abstrahlverhalten. Die verschiedenen Varianten des Heizstrahlers 11 können in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden, um umfängliche oder axiale Teilbereiche des Vorformlings 5 mit ausgewählter Strahlcharakteristik zu erwärmen.
In den 3a und 3b angedeutet ist das Abschirmelement 17, mit dem der Mündungsbereich 5c des Vorformlings 5 gegen übermäßige Bestrahlung geschützt wird. Die Innenseite der Heizkammerwand 4b, 4c ist an den Stellen, an denen keine Heizstrahler 11 vorgesehen sind, vorzugsweise mit einer Wärmestrahlung reflektierenden Beschichtung 19 versehen.
Die Heizstrahler 11 und 15 könnten alternativ zur Infrarotstrahlung auch elektromagnetische Strahlung in einem anderen Wellenlängenbereich abstrahlen, beispielsweise Mikrowellenstrahlung. Ferner sind die Strahler nicht auf die gezeigten, rotationssymmetrischen Formen beschränkt. Insbesondere zum umfänglich selektiven Profilieren der Vorformlinge 5, dem sogenannten Preferential Heating, können unterschiedliche Strahler 11, 15 auch nur als umfängliche Segmente ausgebildet sein, beispielsweise als Ringsegmente.
4 zeigt eine Variante des Heizmoduls 3, bei der an der Heizkammer 4 ein Deckel 21 vorgesehen ist, mit dem die Öffnung 4a der unbestückten Heizkammer 4 verschlossen werden kann, wie auf der rechten Seite der 4 angedeutet. Zum Vergleich ist auf der linken Seite der 4 die mit einem Vorformling 5 bestückte Heizkammer 4 abgebildet. Der Deckel 21 ist vorzugsweise so ausgeführt, dass er thermisch isolierend und Wärmestrahlung reflektierend wirkt. Außerdem ist ein thermisch isolierendes Gehäuse 23 für den Heizstab 13 vorgesehen, an dem ein Deckel 25 ausgebildet ist, der bei unbestückter Heizkammer 4 geschlossen werden kann, so dass der in das Gehäuse 23 zurückgezogene Heizstab 13 thermisch isolierend und Wärmestrahlung reflektierend gegen ein Auskühlen geschützt ist.
Vorzugsweise ist an den Innenseiten des Gehäuses 23 und der Deckel 21 und 25 eine Infrarotstrahlung reflektierende Schicht 19 vorgesehen. Die Deckel 21 und 25 könnten einteilig ausgeführt werden und beispielsweise zum Verschließen der Heizkammer 4 bzw. des Gehäuses 23 vor diese geschwenkt werden. Sie können aber auch mehrteilig ausgeführt sein und beispielsweise, wie in 4 durch Blockpfeile angedeutet, auseinander bzw. zusammen geschoben werden. Der Einfachheit halber sind die zugehörigen Betätigungsmechanismen und die Halterung des Heizstabs 13 nicht gezeigt.
Mit derartigen Verschlüssen für die Heizkammern 4 und die Gehäuse 23 könnte auch ein Aufheizen der Kammern 4 bzw. der Heizstäbe 13 nach dem Einschalten des Ofens 1 bis zum Erreichen einer Betriebstemperatur beschleunigt werden.
In 5 ist eine Haltevorrichtung 7 mit einem gekühlten Greifer 27 abgebildet, der den Mündungsbereich 5c des Vorformlings 5 von außen zangenartig umschließt. Alternativ wäre es aber auch möglich, an der Haltevorrichtung 7 einen Greifer 27 auszubilden, der den Mündungsbereich 5c von der Innenseite her hält. Wie in 5 angedeutet, ist der Greifer 27 vorzugsweise mit Kühlrippen 28 versehen, um den Greifer 27 durch Konvektion, insbesondere mit Luft, von außen zu kühlen. Denkbar wäre allerdings auch eine Flüssigkeitskühlung, bei der eine Kühlflüssigkeit den Greifer vergleichbar einer Kühlmanschette durchströmt. Das hülsenförmige Abschirmelement 17 ist vorzugsweise ebenso gekühlt, beispielsweise durch einen kühlenden Flüssigkeitsstrom oder einen Luftstrom.
Ein Auflageplatte der Heizkammer 4 für einen an dem Vorformling 5 ausgebildeten Tragring 5e kann als gekühltes Schutzschild 29 ausgebildet sein, wobei der Greifer 27 mit dem Schutzschild 29 im thermisch leitenden Kontakt gebracht werden könnte (nicht gezeigt), um den Greifer 27 mit Hilfe des Schutzschilds 29 zu kühlen. Außerdem kann der Greifer 27 derart ausgebildet sein, dass er mit dem hülsenförmigen Abschirmelement 17 in thermisch leitendem Kontakt steht, so dass sowohl der Greifer 27 als auch das Abschirmelement 17 mit Hilfe des Kühlschilds 29 gekühlt werden können. Dies ist insbesondere vorteilhaft, um die Anzahl der Zuleitungen von Kühlflüssigkeit und/oder Kühlluft zu reduzieren.
Die 6a und 6b zeigen Varianten der Heizkammer 4 mit aktiver Kühlung der Außenseite 5a des Vorformlings 5 durch Einleiten eines jeweils durch Pfeile symbolisierten Kühlluftstroms 14.
In der Variante der 6a wird der Kühlluftstrom 14 durch eine Ausnehmung 4d in der Wand 4b der Heizkammer 4 von unten eingeleitet. Wie in 6a ferner zu erkennen ist, wird der Kühlluftstrom 14 im Wesentlichen an der Oberfläche 5a des Vorformlings 5 entlang geleitet und entweicht aus der Heizkammer 4 durch Ausnehmungen 4e, die beispielsweise an einer Auflageplatte 4f für den Tragring 5e des Vorformlings 5 vorgesehen sein können.
Bei der Variante der 6b ist zwischen den Heizelementen 11 jeweils ein Zwischenraum 11a vorgesehen, durch den der von unten eingeleitete Kühlluftstrom 14 nach außen entweichen kann. In diesem Fall sind die Ausnehmungen 4e vorzugsweise so angeordnet, dass der Luftstrom 14 radial außerhalb der Heizelemente 11 durch die Auflageplatte 4f geleitet wird. Je nach Auslegung der Kühlung des Mündungsbereichs 5c des Vorformlings 5, kann entweder die Variante der 6a oder die Variante der 6b besonders vorteilhaft sein. Die in den 6a und 6b angedeutete Kühlung ist vorteilhaft, wenn ein oberflächlicher Bereich der Wand 5d des Vorformlings 5 durch Einwirken der Wärmestrahlung übermäßig im Vergleich zu einem mittigen Wandbereich erwärmt wird, insbesondere wenn langwellige Infrarotstrahlung verwendet wird, die besonders gut in der Wand 5d absorbiert wird. Um die Kühlwirkung möglichst gleichmäßig auf der Oberfläche 5a des Vorformlings 5 zu verteilen, ist es vorteilhaft, den Vorformling 5 relativ zur Heizkammer 4 rotieren zu lassen. Ebenso wäre es möglich, den Kühlluftstrom 14 so einzuleiten, dass er im Wesentlichen einer Schraubenlinie folgend um den Vorformling 5 herumgeleitet wird. Die Richtung des Kühlluftstroms 14 könnte auch umgekehrt werden, d. h. in den Zeichnungen 6a und 6b von oben nach unten verlaufen.
7 zeigt eine Variante, bei der die Innenseite 5b des Vorformlings 5 aktiv durch einen Kühlluftstrom 14 gekühlt wird. Die Heizkammer 4 ist hier der Einfachheit halber nicht dargestellt. Wie der 7 zu entnehmen ist, wird der Kühlluftstrom 14 asymmetrisch mit einem Abstand 14a zur Hauptachse 5' des Vorformlings auf einer Seite des Heizstabs 13 von oben in den Vorformling 5 eingeleitet und an dem Heizstab 13 bzw. der Innenseite 5b entlang geführt. Wie in der 7 ferner angedeutet ist, wird der Kühlluftstrom 14 durch die umfänglich entgegengesetzt liegende Seite des Vorformlings 5 wieder nach außen abgeleitet. Mit der dargestellten Luftkühlung kann die Innenwand 5b des Vorformlings 5 gekühlt werden, um ein übermäßiges Erwärmen eines oberflächlichen Bereichs der Wand 5d des Vorformlings 5 durch Einwirken der von dem Heizstab 13 ausgehenden Wärmestrahlung im Vergleich zu einem mittigen Wandbereich zu vermeiden. Dies kann insbesondere bei Einwirken langwelliger Infrarotstrahlung vorteilhaft sein.
Bei der in 7 gezeigten Anordnung ist es vorteilhaft, wenn der Vorformling 5 gegenüber dem Heizstab 13 und der Kühlluftzuführung 14b sowie der Kühlluftabführung 14c rotiert. Dadurch kann der Kühlluftstrom 14, der in 7 durch Pfeile markiert ist, besonders gleichmäßig an der Wand 5b des Vorformlings 5 entlang geleitet werden. Ergänzend, insbesondere bei langen Vorformlingen 5, kann es zweckmäßig sein, eine zusätzliche Absaugung an der Kühlluftabführung 14c zum gezielten Ausleiten des Kühlluftstroms 14 vorzusehen. Dies ist der Einfachheit halber nicht dargestellt.
8 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ofens 1, bei dem die Heizkammern 4 bzw. die Heizmodule 3 durch das Zuleiten eines Kühlluftstroms 34 während der Drehung des Heizrads 2 gekühlt werden. Zu diesem Zweck sind an dem Heizrad 2, jeweils den Heizmodulen 3 zugeordnet, Luftleiteinrichtungen 31 vorgesehen, beispielsweise geeignet geformte Wände oder Kanäle, die insbesondere als Luftleitbleche ausgebildet sein können. Diese sind in Drehrichtung 2a des Heizrads 2 gekrümmt und/oder geneigt, so dass bei Drehung des Heizrads 2 aufgestaute Luft als kühlender Luftstrom 34 durch die Luftleiteinrichtungen 31 in Richtung der Heizmodule 3 geleitet wird. Wie in 8 angedeutet, funktionieren die Luftleiteinrichtungen 31 vergleichbar zu Schaufelrädern, wobei die Kühlluft 34 an den Heizmodulen 3 vorbeigeleitet und durch einen zentralen Sammelschacht 33 abgeführt wird. Um die Wirkung des Kühlluftstroms 34 zu verbessern, können an den Heizkammern 4 Kühlrippen 35 ausgebildet sein. Eine derartige Kühlung kann vorteilhaft sein, obwohl die Heizkammern 4 thermisch isoliert sind. Verbleibende Restwärme kann auch diese Weise abgeführt werden und von thermisch empfindlichen Baugruppen ferngehalten werden. Außerdem kann der Kühlluftstrom 34 dazu benutzt werden, die Haltevorrichtung 7, die Greifer 27, das Schutzschild 17 und/oder den Mündungsbereich 5c des Vorformlings 5 zu kühlen. Alternativ oder ergänzend zu der dargestellten Luftkühlung wäre es auch möglich, die Heizkammern 4 mit einer Flüssigkeitskühlung zu kühlen.
9 zeigt eine weitere Variante der Heizkammer 4, bei der zusätzlich Temperaturfühler 41 vorgesehen sind. Diese können beispielsweise in Nähe der Ausnehmungen 4d der Zuleitung 14b bzw. an der Ableitung 14c der Kühlluft 14 vorgesehen sein. Mit den Temperaturfühlern 41 ist es möglich, die Temperatur innerhalb der Heizkammer 4 zu überwachen. Ebenso ist es denkbar, mit Hilfe der Temperaturfühler 41 und einer geeigneten Regelvorrichtung die in die Heizkammer 5 eingebrachte Kühlluftmenge zu regeln, insbesondere bei einer mit einem Gebläse erzwungenen Konvektion. Allerdings wäre dies auch bei freier Konvektion möglich. Eine Temperaturregelung kann auch dazu verwendet werden, die Wärmeverteilung im Vorformling zu stabilisieren und/oder Unterschiede zwischen einzelnen Heizkammern 4 bzw. Vorformlingen 5 auszugleichen. Denkbar wäre es auch, die einzuleitende Luftmenge in Abhängigkeit von einer gemessenen Endtemperatur nach der Erwärmung des Vorformlings nachzuregeln und/oder abgeführte Kühlluft 14 zur Temperaturregulierung zumindest teilweise mit zuzuführender Kühlluft 14 zu mischen und/oder die abgeführte Kühlluft 14 einem Wärmetauscher zur Wärmegewinnung in einem anderen Prozess zuzuführen.
Mit Hilfe von Temperaturfühlern 41 lässt sich die Temperatur in den Heizkammern 4, insbesondere nach Schließen der Deckel 21, bei nicht bestückter Heizkammer 4 konstant bzw. auf einer einheitlichen Ausgangstemperatur für das Erwärmen der Vorformlinge 5 einstellen.
Die Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen und Varianten lassen sich beliebig kombinieren. Insbesondere sind verschiedene Varianten der Bestrahlung, Isolierung und Kühlung miteinander kombinierbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006015853 A1 [0003, 0003, 0004]

Claims

Ofen vom Rundläufertyp zum Konditionieren von Vorformlingen (5), insbesondere für das Streckblasen von Kunststoffgefäßen, mit einem Heizrad (2), an dem mehrere Heizmodule (3) zum Erwärmen je eines Vorformlings (5) angeordnet sind, wobei die Heizmodule (3) jeweils eine Heizkammer (4) mit mindestens einem Heizstrahler (11) zum Bestrahlen eines äußeren Wandbereichs (5a) des Vorformlings (5) mit Infrarotstrahlung umfassen, und wobei an der Heizkammer (4) eine Ausnehmung (4a) zum Einführen des Vorformlings (5) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizmodule (3) ferner umfassen: – eine Haltevorrichtung (7) zum Halten des Vorformlings (5); und – eine Hubvorrichtung (9) zum Heben und Senken der Haltevorrichtung (7) und/oder der Heizkammer (4), um den Vorformling (5) in die bzw. aus der Heizkammer (4) zu bewegen, wobei die Wände der Heizkammer (4), insbesondere die der Ausnehmung (4a) gegenüber liegende Bodenwand der Heizkammer (4b) und die daran angrenzende Seitenwand (4c) der Heizkammer (4), eine Isolationsschicht (10) umfassen, um die Heizkammern (4) der Heizmodule (3) thermisch zu isolieren.
Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der Ausnehmung (4a) der Heizkammer (4) ein Deckel (21) vorgesehen ist, um die Heizkammer (4) im unbestückten Zustand thermisch isolierend zu verschließen.
Ofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung (7) mindestens ein durch einen Flüssigkeits- und/oder Luftstrom (14) kühlbares Greifelement (27) zum Halten und Kühlen eines Mündungsbereichs (5c) des Vorformlings (5) während der Bestrahlung umfasst.
Ofen nach mindestens einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Haltevorrichtung (7) mindestens ein Lüftungseinlass (14b) zum exzentrischen Einblasen von Kühlluft (14) in den Vorformling (5) vorgesehen ist, um die eingeblasene Kühlluft (14) im Wesentlichen an der Innenseite (5b) der Vorformlingwand (5d) entlang zu leiten.
Ofen nach mindestens einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Heizkammer (4) mindestens ein Lüftungseingang (4d) zum Einleiten eines Kühlluftstroms (14) und ein Lüftungsausgang (4e) zum Ausleiten des Luftstroms (14) vorgesehen ist, um Kühlluft an der Außenseite (5a) der Vorformlingwand (5d) entlang zu leiten.
Ofen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizkammer (4) und die Haltevorrichtung (7) zueinander drehbar gelagert sind, um den Kühlluftstrom (14) in der Heizkammer (4) zu verwirbeln und/oder wendelförmig an dem Vorformling (5) entlang zu leiten.
Ofen nach mindestens einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Heizkammer (4) mindestens ein Temperaturfühler (41) zum Ermitteln einer Innentemperatur vorgesehen ist, und dass der Ofen (1) ferner eine Steuereinheit zum Einstellen einer Infrarot-Heizleistung und/oder eines Kühlluftstroms (14) in der Heizkammer (4) auf Basis der ermittelten Innentemperatur umfasst.
Ofen nach mindestens einem der vorigen Ansprüche, ferner gekennzeichnet durch Luftleitvorrichtungen (31), die gegen eine Rotationsrichtung (2a) des Heizrads (2) geneigt und/oder gekrümmt sind, um durch Rotation des Heizrads (2) aufgestaute Luft gegen die Heizkammern (4) zu leiten.
Ofen nach mindestens einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizkammer (4) mindestens einen Heizstrahler (11) in Form einer in eine keramische Schicht eingebetteten Heizwendel umfasst, wobei die keramische Schicht für eine Emission im Bereich von 2 bis 3,5 μm eingerichtet ist.
Ofen nach mindestens einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizkammer (4) mindestens einen Heizstrahler (11) in Form eines Hellstrahlers mit einem Strahlungsmaximum bei einer Wellenlänge von weniger als 2 μm umfasst, insbesondere einen hellstrahlender Halogenstrahler (11a), eine hellstrahlende Leuchtdiode (11b) und/oder einen hellstrahlenden Laser.
Ofen nach mindestens einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizmodule (3) ferner je einen Heizstab (13) zum Bestrahlen eines inneren Wandbereichs (5b) des Vorformlings (5) mit Infrarotstrahlung umfassen, und dass die Hubvorrichtung (9) ferner zum Heben und Senken der Haltevorrichtung (7) und/oder des Heizstabs (13) eingerichtet ist, um den Heizstab in den Vorformling (5) einzuführen bzw. aus diesem zurück zu ziehen.
Ofen nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizmodule (3) ferner ein thermisch isolierendes Gehäuse (23) für den Heizstab (13) umfassen, in das der Heizstab (13) zurück gezogen werden kann, wobei an dem Gehäuse (23) insbesondere ein Deckel (25) vorgesehen ist, um das Gehäuse (23) bei zurück gezogenem Heizstab (13) thermisch isolierend zu verschließen.
Ofen nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Heizstab (13) in Längsrichtung mehrere Strahler (15) mit unterschiedlicher und/oder getrennt einstellbarer Heizleistung vorgesehen sind.
Ofen nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Heizstab (13) mindestens eine keramische Schicht zur Abstrahlung von Infrarotlicht vorgesehen ist, insbesondere durch Umwandlung von Hellstrahlung mit einem Strahlungsmaximum bei einer Wellenlänge von weniger als 2 μm in eine langwelligere Strahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von 2 bis 3,5 μm.
Ofen nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Heizstab (13) und/oder der Haltevorrichtung (7) ein durch einen Flüssigkeits- und/oder Luftstrom (14, 34) kühlbares Strahlungsschutzschild (17) vorgesehen ist, um den Mündungsbereich (5c) gegenüber der vom Heizstab (13) abgegebenen Infrarotstrahlung abzuschirmen und/oder zu kühlen.