JP6258962B2

JP6258962B2 - 温度制御を用いる押出システムおよび方法

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Publication number: JP6258962B2
Application number: JP2015545159A
Authority: JP
Inventors: チャールズサリエゴ，ケネス; アンドリューシュルテス，ジョエル
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 2012-11-30
Filing date: 2013-11-26
Publication date: 2018-01-10
Anticipated expiration: 2033-11-26
Also published as: US10384369B2; EP2925497B1; JP2016500035A; EP2925497A1; WO2014085355A1; CN105121107A; CN105121107B; US20140151915A1; PL2925497T3

Description

関連出願の相互参照

本出願は、米国法典第３５編第１２０条下において、２０１２年１１月３０日出願の米国特許出願第１３／６９０，６４２号明細書の優先権の利益を主張し、本明細書はその内容に依存し、かつその内容全体を本願明細書に援用する。

本開示は、押出システムおよび方法に関し、特に、押出プロセスにおいて温度制御を利用する、セラミック前駆体バッチ材料を押し出すために使用される、そのようなシステムおよび方法に関する。

セラミックハニカムおよび他のセラミックベースの物品を形成するプロセスは、セラミック前駆体バッチ材料（本明細書では「セラミックバッチ」、「バッチ材料」、または「セラミックバッチ材料」とも称する）を、バレルを通して押し出し、その後押出金型を通して押し出して、押出物を形成するステップを含む。その後、押出物は加工（例えば、切断、乾燥および焼成）されて、最終的な製品を形成する。

セラミック前駆体バッチ材料は、温度依存性の流れ特性を有する。温度に依存して、バッチ材料は、押出金型をより速くまたはよりゆっくりと流れ得る。それゆえ、バッチ材料の温度差が、流れの不均一性の原因となり、これが、押出物の形状、それゆえ最終的な物品の形状に悪影響を及ぼし得る。

本開示の態様は、セラミックバッチ材料の温度を、その材料が押出金型を通して押し出される直前に局部制御して、均一な形状にされた押出物などの所望の押出効果を達成する、システムおよび方法を含む。この温度制御は、一例では、加熱素子を、押出機に対して、セラミックバッチ材料の周囲を取り囲むように配置することによって、成し遂げられる。使用される加熱素子の数は、達成できるセラミックバッチ材料の温度制御の程度を規定する。セラミックバッチ材料の温度を局部調節するために冷却システムも使用され得る。それゆえ、ある例では、セラミックバッチ材料の温度の局部調節は、加熱および冷却の双方を用いて、押出物に対して所望の押出効果を達成する。

第１の組の温度センサは、押出物が押出金型から出るときに、押出物の外表面に沿って複数の位置の温度を測定するように動作可能に位置決めされる。任意選択的な第２の組の温度センサは、加熱素子、または加熱素子に隣接する領域の温度を測定するように、動作可能に配置されるため、加熱素子にもたらされる電力量は、制御され得る。これにより、セラミックバッチ材料の局部温度を制御式に調節できる。

温度調節器が、押出物の外表面の測定された温度を受信し、かつ各加熱素子に送られる電力量を制御する。システムおよび方法は、押出機と金型との間の移行セクションを冷却する冷却システムを含み得る。この移行セクションは、本明細書では、押出機の前端と呼ぶ。冷却温度の設定点は、合理的な範囲内に、例えば、約−３０℃から約３０℃まで、または約−５℃から約３０℃までに、独立して設定できる。

冷却システムは、温度調節器とは無関係に動作され得るか、または温度調節器を含む制御ループにおいて動作され得る。ある例では、能動冷却および加熱は、温度感受性のセラミックバッチ組成物の特徴と相俟って、システムおよび方法が押出物の流速を制御できるようにし、これは、押出物の形状の制御になる。

本開示の態様は、押出機の押出金型から押し出されたセラミックバッチ材料で作製される押出物の形状を制御する方法である。この方法は、セラミックバッチ材料を、押出金型に直接隣接する押出機のキャビティに流すステップであって、キャビティが中心軸を有し、およびセラミックバッチ材料の外周を画成するステップを含む。この方法はまた、セラミックバッチ材料の温度を局部調節するステップを含む。方法はさらに、温度調節されたセラミックバッチ材料を、押出金型を通して押し出して、外表面を有する押出物を形成するステップを含む。この方法は、さらに、外表面の、異なる方位角的な位置を有する複数の位置において、押出物の温度を測定するステップを含む。この方法はまた、測定された外表面の温度に基づいてセラミックバッチ材料の局部温度調節を制御し、押出物の形状を制御するステップを含む。

本開示の別の態様は、セラミックバッチ材料の押出を制御して、外表面および所望の形状を有する押出物を形成する押出システムである。システムは、長軸と、セラミックバッチ材料を入れるように構成されたキャビティであって、セラミックバッチ材料の流れを生じるように動作可能な少なくとも１つの押出スクリューを含むキャビティとを有する押出機を含む。システムはまた、押出機の出力端に動作可能に配置された押出金型を含む。押出機の前方セクションは、押出金型に直接隣接して存在する。複数の加熱素子は、前方セクションにおいてキャビティの周囲の少なくとも一部分に方位角的に配置され、および電力信号に応答して、セラミックバッチ材料が前方セクションを流れるときにセラミックバッチ材料の局部加熱をもたらすように構成されている。複数の第１の温度センサは、押出機の前端において長軸に対して方位角的に配置され、および押出物の外表面に沿って表面温度の非接触測定を行いかつ測定された表面温度を表す第１の温度信号を生成するように構成されている。温度調節器が、複数の加熱素子および複数の第１の温度センサに動作可能に接続され、および第１の温度信号を受信し、かつ測定された表面温度に応答して、加熱素子の各々によって生成される熱の量を、電力信号を介して制御するように構成されている。

本開示の別の態様は、セラミックバッチ材料の押出を制御して、外表面および所望の形状を有する押出物を形成する押出機システムである。押出機システムは、第１のキャビティと出力アパーチャとを有する押出金型を有し、および押出金型に直接隣接して配置される第１の押出機セクションであって、第１のキャビティに開口する第２のキャビティを有する第１の押出機セクションを有する。システムはまた、第１の押出機セクションに直接隣接して配置され、およびセラミックバッチ材料が第２のキャビティを第１のキャビティまで流れて押出金型の出力端から出て押出物を形成するように構成された第２の押出機セクションを有する。システムは、さらに、押出金型の出力アパーチャの周りに方位角的に配置されかつ押出物の外表面に沿って温度を測定しかつそれに応答して第１の温度信号を生成するように動作可能な、複数の第１の温度センサを含む。システムは、第２のキャビティの周りに方位角的に配置されかつ第２のキャビティを流れるセラミックバッチ材料を電力信号に応答して局部加熱するように動作可能な、複数の第１の加熱素子を有する。システムは、さらに、第１の温度センサおよび加熱素子に動作可能に接続された温度制御ユニットを含む。温度制御ユニットは、第１の温度信号を受信しかつ第１の制御ループの電力信号を制御して、測定された表面温度に応答して、加熱素子の各々によって生成された熱の量を制御するように構成されている。

上述の概要および以下の詳細な説明の双方とも、本開示の実施形態を表し、および特許請求されるような本開示の性質および特徴を理解するための要旨または枠組みを提供するものであることを理解されたい。添付の図面は、本開示をさらなる理解をもたらすために含まれ、および本明細書に組み込まれ、かつ本明細書の一部を構成する。図面は、本開示の様々な実施形態を示し、かつ説明と一緒に、本開示の原理および動作を説明する働きをする。

本開示の追加的な特徴および利点は、以下の詳細な説明に記載され、およびある程度、当業者には、説明から容易に明らかであるか、または以下の詳細な説明、特許請求の範囲、および添付の図面を含む本明細書で説明するように本開示を実施することによって認識される。

下記で説明するような特許請求の範囲は、下記で説明する詳細な説明に組み込まれ、かつその一部を構成する。

本開示による押出システムの例示的な実施形態の概略図である。円形断面を有する例示的な押出物の立面図である。温度制御システムをより詳細に示す、本開示による押出システムの概略図である。温度制御システムをより詳細に示す、本開示による押出システムの概略図である。温度制御システムをより詳細に示す、本開示による押出システムの概略図である。バレルキャビティおよびその周囲を示す、前方セクションの壁に形成された加熱素子ボアを示す押出機の前方セクションの例示的な前方セクションの断面図である。図３Ａと同様であり、かつセラミックバッチ材料で満たされた押出機のバレルキャビティ、および加熱素子および温度センサをそれぞれ含む加熱素子ボアを示す。図３Ｂと同様であり、かつさらに、前方セクションの外側に存在する冷却ジャケットの例示的な実施形態を示す。押出機のバレル壁に形成された冷却ボアを示す、押出機のキャビティの例示的な前方セクションの断面図である。図４Ａと同様であり、かつ押出機のバレル壁に形成された冷却ボアおよび加熱素子ボアの双方を示す。２組の温度センサおよび１組の加熱素子の例示的な構成を示す、押出機の前方セクションの拡大側面図である。図５Ａに示すような押出機の前方セクションの前面の端面図であり、および異なる個所において押出物の外表面の温度を測定するために使用される第１の組の非接触温度センサ用の例示的な構成を示す。バッチの流量によって決定されるバッチの温度がどのように金型圧力に影響を及ぼすかを示す、金型圧力ＰＤ（ｐｓｉ）対バッチの温度Ｔ_Ｂ（℃）（コアおよびスキンの温度）のプロット図である。

本開示の追加的な特徴および利点は、以下の詳細な説明に記載され、およびその説明から当業者には明白であるか、または本明細書で説明するように、特許請求の範囲および添付図面と一緒に、本開示を実施することから認識される。

いくつかの図面では、方向または向きに関する限定を意図するものではなく、参考のために、デカルト座標を示す。

図１Ａは、本開示による例示的な押出システム（「システム」）１０の概略図である。システム１０は、セラミックバッチ材料２２を供給するバッチ供給ユニット２０を含む。当技術分野で公知のように、バッチ供給ユニット２０は、例えば、バッチ原材料（原材料、水、油など）を混合するミキサーと、回転コーンと、コンベヤーと、シュート（図示せず）とを含み得る。

システム１０はまた、押出機３０を含む。押出機３０は、長軸Ａ１を備えるバレル３１を含み、かつ３つの主要セクション：入力セクション３２、前方セクション５２、および出力セクション７２を有するとみなされ得る。出力セクション７２は、出力端７４を有し、および金型キャビティ８２を有する押出金型８０を含み、その中心開口部８４は、出力端７４において開口している。それゆえ、前方セクション５２は、出力セクション７２、およびその内部の押出金型８０に直接隣接しており、および必ずしも、押出機３０において中央にまたは他の方法で中心に配置される必要はない。また、押出機３０を異なるセクションに分割するために本明細書で使用される用語法は、幾分任意であり、および説明を簡単にするためのものであり、および押出機がそのような特定のセクションを有すると限定するものではない。

入力セクション３２は、バッチ供給ユニット２０からセラミックバッチ材料２２を受け入れるように構成された入力漏斗３４を含む。例示的な押出機３０では、バレル３１は、キャビティ２６内にある、長軸Ａ１に沿って延びる２つの押出スクリュー３６を動作可能に支持する。キャビティ２６は、バレル壁３３の内表面３５によって画成され、内表面は、キャビティの周囲を画成している（すなわち、内表面はキャビティの周囲でもある）。押出スクリュー３６が回転することによって、セラミックバッチ材料２２を、バレル３１のキャビティ２６を通して、入力セクション３２から前方セクション５２を通して、前方に、およびその内部にあるキャビティ２６から押出金型８０のキャビティ８２内へと押し込む。

その後、セラミックバッチ材料２２は、押出金型８０の中心開口部８４から、そして出力セクション７２の出力端７４から押し出される。同様に図１Ｂを参照すると、その結果、外表面９２と軸Ａ１上に存在するコア９４とを有する押出物９０が形成される。ある例では、押出物９０は、フロースルー型基材およびウォールフロー型フィルタにおいて一般に使用されるようなハニカム体を形成する複数の縦チャンネルを含む。ある例では、外表面９２は、ある厚さを有するスキン９３の一部である。ある例では、スキン９３は、スキン欠陥、例えばエアチェック、亀裂、小じわおよび潰れた部分を有し得る。以下のシステムおよび方法の例示的な実施形態は、スキン欠陥を減少させるかまたはなくすこと、およびスキンの厚さに影響を及ぼすことを含む。ここでは、押出物９０はまた、非円形の断面形状を有することができ、および円形の断面形状を、一例としておよび図を簡単にするために、示していることにも留意されたい。

前方セクション５２は、前方セクションにおいてキャビティ２６を通過するときにセラミックバッチ材料２２の温度を制御するように構成された温度制御システム４０を含む。これは、キャビティ２６が前方セクション５２に延在することを示すために仮定される単純なバージョンである。他の例では、前方セクション５２と入力セクション３２とには異なるキャビティ２６があり得る。温度制御システム４０を下記で詳細に説明する。温度制御は局在化される、すなわち、セラミックバッチ材料２２のいくつかの部分は、他の部分よりも加熱されることができるため、セラミックバッチ材料の異なる部分は、異なる温度、それゆえ異なる流速を有することができる。下記で説明するように、温度制御システム４０は、セラミックバッチ材料２２を選択的に加熱するために使用でき、かつまた、セラミックバッチ材料を冷却するために使用できる。それゆえ、セラミックバッチ材料２２は、キャビティ２６に存在するときに、ある温度を有することができ（温度分布を含み得る）、および温度は、加熱によって、または加熱と冷却の組合せによってのいずれかで局所的に調節され、温度調節されたセラミックバッチ材料を形成する。その後、温度調節されたセラミックバッチ材料が押し出されて、押出物９０を形成する。

システム１０は、出力端７４において、出力セクション７２に隣接して配置された温度感知ユニット１００を含む。温度感知ユニット１００は、押出金型８０を出るときの押出物９０の外表面９２の温度の非接触測定を行うように構成されている。温度感知ユニット１００は、押出物９０の外表面９２に隣接して配置された複数の（すなわち、１組の）温度センサ１０２を含む。温度感知ユニット１００は、温度制御システム４０に動作可能に接続される。

図２Ａ〜２Ｃは、システム１０の例示的な実施形態のより詳細な概略図である。温度制御システム４０は、温度調節器１１０、および任意選択的な冷却システム３００を含む。押出機３０の前方セクション５２は、長軸Ａ１の周りに方位角的に配置された複数の（すなわち、１組の）加熱素子１５０を含み、かつこれら加熱素子は、バッチ材料が前方セクションにおいてキャビティ２６（または前方セクション５２の別のキャビティ２６）を通過するとき局部加熱を行う、すなわち、セラミックバッチ材料２２の異なる部分を加熱するように動作可能である。例示的な実施形態では、それぞれの加熱素子１５０に隣接して、複数の（すなわち、１組の）温度センサ１５２も方位角的に配置され、加熱素子、または加熱素子に直接隣接する領域の温度を測定する。ある例では、温度センサ１５２は、熱電対である。

図３Ａは、前方セクション５２の例示的な断面図を示し、ここでは、前方セクションのバレル壁３３は、シリンダー状であり、および壁の内表面３５は、シリンダー状のバレルキャビティ２６を画成する。シリンダー状壁３３は、金属、例えば熱伝導率が良好なステンレス鋼で作製され得る。キャビティ２６がセラミックバッチ材料２２で満たされるとき、壁の内表面（すなわち、キャビティの外周）３５は、セラミックバッチ材料の外周２２Ｐ（図３Ｂ）を画成する。参照のために方位角φを示し、および方位角は、軸Ａ１に対して測定される。

バレル壁３３には、バレル長軸Ａ１にほぼ平行に延びる複数の縦方向の加熱素子ボア５８が形成されている。各ボア５８は、１つ以上の加熱素子１５０を収容するようなサイズにされている。ある例では、各ボア５８はまた、少なくとも１つの温度センサ１５２を収容するようなサイズにされている。図３Ａでは、１２個のボア５８を例として示す。しかしながら、任意の妥当な数のボア５８を使用して、対応する数の加熱素子１５０を収容できる。ある例では、ボア５８は、方位角φに応じて実質的に等間隔に配置される。

図２Ａに示すように、加熱素子１５０は、温度調節器１１０に電気的に接続されている。ある例では、加熱素子１５０は、５００ワットまでの熱を生成することができる。ある例では、加熱素子１５０は、グループまたは「バンク」に分類でき、およびバンクは、それぞれのボア５８に収容され得る。ある例では、温度センサ１５２の数は、加熱素子１５０の数と同じであるか、または加熱素子のバンクの数と同じである。

図３Ｂは、セラミックバッチ材料の上述の外周２２Ｐを画成するキャビティ２６内にセラミックバッチ材料２２があることを示すことを除いて、図３Ａと同様である。加熱素子１５０および温度センサ１５２は、各ボア５８内に配置された状態で示されている。それゆえ、材料が前方セクション５２にあるキャビティ２６を通って流れるとき、加熱素子１５０は、セラミックバッチ材料２２の外周２２Ｐの周りに配置されている。

加熱素子１５０は、それらが受け取る電気出力量に比例して熱１０１を生成する。各加熱素子１５０によって生成される熱１０１の量は、温度調節器１１０によって制御され、温度調節器は、各加熱素子にもたらす電気出力量を、それぞれの電力信号ＳＰを介して調整し得る。この電力調整によってセラミックバッチ材料２２の局部加熱を生じ、これにより、前方セクション５２を出て押出金型８０に入るときに、所望の熱プロファイルを備えるセラミックバッチ材料をもたらす。図３Ｂでは、一例として、加熱素子１５０のうちの２つが、異なる量の熱１０１を生成している状態で示す。一例では、加熱素子１５０の一部のみが、電力信号ＳＰを介して温度調節器１１０によって作動されるが、別の例では、全ての加熱素子が作動される。

図３Ｃは、前方セクション５２が任意選択的な冷却ジャケット２００を含むことを除いて、図３Ｂと同様であり、冷却ジャケットは、図２Ａ〜２Ｃに示すシステム１０の例示的な実施形態にも含まれる。冷却ジャケット２００は、前方セクション５２の外側を少なくとも部分的に囲むため、冷却ジャケットは、それと熱的にやり取りを行う（例えば、密接に接触する）。ある例では、冷却ジャケット２００は、少なくとも１つの冷却チャンネル２０２を含み、そこを通って冷却剤２０４（例えば、水、グリコール−水混合物など）が流れることができる。冷却ジャケット２００は、少なくとも１つの入力ポート２１２および少なくとも１つの出力ポート２１４を含む。例示的な冷却ジャケット２００は、１つ以上の冷却コイルの形態にある。ある例では、複数の冷却コイルは、方位角φに応じて異なる量の冷却剤が流れることができるように構成されている。

図２Ａ〜２Ｃは、冷却ジャケット２００が出力ポート２１４において冷却剤戻し部２２４に流体的に接続され、冷却剤戻し部が冷却剤供給部２３０に流体的に接続されている例示的なシステム１０を示す。冷却剤供給部２３０は、アクチュエータバルブ２４０に流体的に接続され、これらアクチュエータバルブは、今度は、流量計２５０にそれぞれ流体的に接続されている。流量計２５０はまた、入力ポート２１２に流体的に接続されている。アクチュエータバルブ２４０および流量計２５０は、流れ調節器２６０に電気的に接続され、流れ調節器は、ある例では、温度調節器１１０に電気的に接続されている。ある例では、冷却用前方セクション５２に関連付けられた装置１０の上述の構成要素が、冷却システム３００を構成する。例示的な冷却システム３００は、チラーシステムを含むかまたはそれからなる。

冷却ジャケット２００を通る冷却剤２０４の流れは、セラミックバッチ材料が前方セクション５２においてキャビティ２６を通っておよび出力セクション７２において押出金型８０へ流れるとき、セラミックバッチ材料２２から熱１０１’を取り除く働きをする（図３Ｃ参照）。セラミックバッチ材料２２の能動冷却は必須ではないが、セラミックバッチ材料の受動冷却は、加熱素子１５０による能動加熱を使用してセラミックバッチ材料が加熱され得る速度と比べて、比較的ゆっくりであるとし得る。それゆえ、冷却システム３００を使用する能動冷却は、セラミックバッチ材料２２の比較的速い加熱および冷却をもたらすように機能し、それにより、装置１０の反応性を高める、すなわち、セラミックバッチ材料の局所的な温度調節を、加熱素子１５０のみを使用することによるよりも、迅速に実施できるようにする。

図４Ａは、例示的な押出機３０の断面図であり、ここでは、入力セクション３２の壁３３が、矩形の断面形状を有し、および一対の押出スクリュー３６が存在するキャビティ２６を示す。キャビティ２６は、セラミックバッチ材料２２で満たされている状態で示し、セラミックバッチ材料は、押出スクリュー３６の回転によって、前方へ押される。入力セクション３２はまた、縦方向に延びる冷却ボア２０３を含み、これら冷却ボアは、冷却剤２０４を運ぶように構成されている。ある例では、冷却ボア２０３は、前方セクション５２に延在し、および前方セクションを冷却するために使用できる。

それゆえ、例示的な実施形態では、冷却ジャケット２００の代わりに、冷却剤２０４は、バレル３１の入力セクション３２に直接形成された冷却ボア２０３を通って流される。冷却ボア２０３は、冷却剤戻し部２２４および冷却剤供給部２３０に流体的に接続される。さらに、冷却システム３００は、冷却剤２０４の流れが数組の冷却ボア２０３を通して制御されてセラミックバッチ材料２２の局部冷却をもたらすように、構成できる。これは、複数の入力および出力ポート２１２および２１４、および複数のアクチュエータバルブ２４０および流れ調節器２６０を使用することによって成し遂げることができるため、冷却剤の流れの量は、方位角φによって変化し得る。

図４Ｂに示す例では、冷却ボア２０３および加熱素子ボア５８が、双方とも、入力セクション３２のバレル壁３３に形成されている。図４Ｂに示す、説明に役立つ例示的な構成を越えて、様々な構成の冷却ボア２０３および加熱素子ボア５８を使用できる。上述の通り、冷却ボア２０３は、前方セクション５２に延在でき、および前方セクションを冷却するために使用できる。

図２Ｂに示すように、システム１０の例示的な実施形態では、冷却システム３００は、前方セクション５２に、それゆえそこを流れるセラミックバッチ材料２２に、実質的に一定の冷却速度を提供するように、実質的に一定の流れの冷却剤２０４で動作され得る。ある例では、前方セクション５２は、冷却システム３００によって規定されるような設定温度Ｔ_ＳＥＴに冷却される。加熱素子１５０のいずれにも温度調節器１１０から電気出力が印加されない場合、セラミックバッチ材料２２の温度は低下し、最終的には、冷却システム３００の設定温度Ｔ_ＳＥＴに適合させられる。

その後、温度調節器１１０からの電力信号ＳＰを使用して、選択的に電力が加熱素子１５０に印加される場合、セラミックバッチ材料２２は、対応して加熱される。押出プロセスの最中、セラミックバッチ材料２２内での温度変化はよくあることであるため、セラミックバッチ材料が実質的に均一な温度を有するようにするために、および実質的に均一な温度の押出物９０を生成するために、加熱素子１５０を介した不均一な加熱が適用される必要があることが予測される。また、不均一な加熱を使用して、セラミックバッチ材料２２に、選択した温度の不均一性をもたらし、例えば理想的な押出物の形状からの曲がりまたは他のずれを制限するなど、押出物９０への所望の効果をもたらし得る。

ある例では、冷却システム３００における冷却剤２０４の流れは、実質的に一定であり、および固定設定点温度Ｔ_ＳＥＴを有する。この場合、流れ調節器２６０は、温度調節器１１０に接続される必要がないため、冷却システム３００は、例えば図２Ｂのシステム１０に示すような、スタンドアロンモードで動作できる。冷却システム３００は、制御信号ＳＶを介してアクチュエータバルブ２４０の動作を制御し、かつ流量計２５０から流量計信号ＳＦを介して流量計の情報を受信する。

別の例示的な実施形態では、冷却システム３００は、押出物９０の温度測定値に応答して、その冷却剤２０４の流れを変化させる。この場合、図２Ａおよび図２Ｃの例示的なシステム１０に示すように、流れ調節器２６０は、温度調節器１１０に接続され、かつ温度調節器によって制御信号Ｓ１を介して制御される。

上述の通り、装置１０は温度感知ユニット１００を含み、温度感知ユニットは、押出物９０の外表面９２に隣接して配置されかつ温度調節器１１０に動作可能に（例えば、電気的に）接続された温度センサ１０２を有する。温度センサ１０２は、測定した温度を表す温度信号ＳＴを生成し、かつ温度信号を温度調節器１１０に送信する。

図５Ａは、押出機３０の出力セクション７２および前方セクション５２の拡大側面図である一方、図５Ｂは、出力セクションの前面の端面図である。ある例では、温度感知ユニット１００は、出力セクション７２の出力端７４に結合する取付ブラケット１０４を含む。取付ブラケット１０４は、押出物９０の外表面９２に隣接する周囲構成において温度センサ１０２を動作可能に支持するように、構成されている。例示的な実施形態では、温度センサ１０２は、外表面９２の温度を測定するように構成された非接触センサを含むかまたはそれからなる。ある例では、温度センサ１０２は、レーザ式熱電対、または赤外線パイロメータを含む。

ある例では、温度センサ１０２は、例えば図５Ｂの前面の端面図に示すように、加熱素子１５０と実質的に方位角的に整列されており、加熱素子は、対応する温度センサ１０２の後ろ側にあり、仮想線で示す。方位角φは、参照のために示し、および軸Ａ１に対して測定される。図５Ａおよび図５Ｂの例では、１０２−１、１０２−２、…１０２−８で示す８個の温度センサ１０２がある。同様に、１５０−１、１５０−２、…１５０−８で示す８個の加熱素子１５０がある。温度センサ１０２および加熱素子１５０を、長軸Ａ１に対して実質的に同じ方位角的な位置を有するとして示す。温度センサ１０２−１、１０２−２、…１０２−８は、それぞれ温度信号ＳＴ（ＳＴ１、ＳＴ２、…ＳＴ８）を生成し、これらは、押出物９０の外表面９２の対応する部分の測定された温度を表す。

温度信号ＳＴは温度調節器１１０に送信され、温度調節器は、測定された温度を使用して、加熱素子１５０（１５０−１、１５０−２、…１５０−８）にもたらされる電力量を調整する電力信号ＳＰを生成し、各加熱素子によって生成される熱１０１の量を調節する（図３Ｂ参照）。ある例では、このフィードバックプロセスを使用して、押出物９０内の温度差を最小にする、すなわち、温度センサ１０２からの被測定温度が、実質的に同じにされるようにする。セラミックバッチ材料２２の流速は温度依存性であるため、押出物９０の温度の均一化は、前方セクション５２を通って出力セクション７２の押出金型８０から出るセラミックバッチ材料２２の流量を実質的に均一化させる働きをする。

温度センサ１５２が用いられる例では、これらの温度センサはまた、温度調節器１１０に温度信号ＳＴ’（ＳＴ’１、ＳＴ’２、…ＳＴ’ｎ）を提供するため、加熱素子１５０にもたらされる電力量は、セラミックバッチ材料２２に選択した温度分布をもたらすために、注意深く調整され得る。より一般的に、温度センサ１５２からのフィードバックは、ヒータの温度を調整したりすることから（電力の操作によって）、ヒータの出力を制限したり、ヒータが誤作動していないかどうか検出したりすることまで（例えば、加熱しすぎまたは加熱不足）、いくつかの異なる機能を提供し得る。

それゆえ、本開示の態様は、システム１０を使用してセラミックバッチ材料２２を押し出す方法を含む。方法は、温度センサ１０２を使用して、押出物９０の外表面９２の異なる部分の温度を測定するステップ、および測定された温度を表す対応する温度信号ＳＴを生成するステップを含む。方法はまた、温度信号ＳＴを使用して、加熱素子１５０によって生成される熱１０１の量を調整し、押出物９０の測定された温度を実質的に均一化させる温度調節器１１０を含む。

ある例では、加熱素子１５０に関連付けられた温度は、測定された温度を表す温度信号ＳＴ’を生成する対応する温度センサ１５２によって、測定される。温度信号ＳＴ’は、温度調節器１１０に送信されて、加熱素子１５０のための温度フィードバック制御をもたらすため、温度調節器は、電力信号ＳＰを介して加熱素子にもたらす電力量を制御できる。

押出物９０の外表面９２の温度のばらつきは、流動不安定性、および押出物から作製された形状不良のセラミック物品を生じ得る。加熱素子１５０が適用する必要のある熱１０１の量は、セラミックバッチ材料２２の組成とその温度変化に対する感受性とに依存する。セラミックバッチ材料２２の温度の局部制御は、押出物９０の外表面９２の周りの個別の箇所におけるセラミックバッチ材料のスキン（外表面）の流速を調節できるようにする。これは、周囲対中心の流れ（流頭）を制御できる能力、曲がりすなわち湾曲を制御する能力、および押出金型８０を流れるときのセラミックバッチ材料２２の温度のばらつきを低減させる能力も提供する。

図２Ａ、図２Ｂおよび図２Ｃに示すシステム１０の構成では、加熱素子１５０による加熱制御は、カスケード（ＰＩＤ）制御ループによって達成できる。内側のループが、温度信号ＳＴ’を生成する温度センサ１５２によって提供されたフィードバックを用いて、加熱素子１５０の温度を制御する。外側のループが、温度信号ＳＴを提供する温度センサ１０２によって押出物９０の外表面９２の温度を制御する。冷却システム３００が冷却のために使用される例では、前方セクション５２に単一の冷却ゾーンまたは複数の冷却ゾーンのいずれかを含む冷却制御ループが用いられる。冷却ループは、一定の冷却レベルに設定できる。冷却ループ自体は、１つまたは複数のフィードバック信号ＳＦを提供する流量計２５０によって測定された冷却剤の流量に対する、制御信号ＳＶを介したアクチュエータバルブ２４０の選択的な作動によって、冷却剤２０４の流れを調節する、ＰＩＤループを含み得る。

図２Ｃに示すようなシステム１０の構成では、前方セクション５２には、前方セクションの周りにある１つ以上の冷却ゾーンと一緒に、複数の加熱ゾーンがある。加熱および冷却制御は、温度調節器１１０および流れ調節器２６０を使用して達成される。温度調節器１１０は、カスケード（ＰＩＤ）加熱制御ループを含む。内側のループは、温度センサ１５２からのフィードバック信号ＳＴ’によって加熱素子１５０の温度を制御する。外側のループは、押出物９０の外表面（スキン）９２の温度を制御する。

温度調節器１１０はまた、１つ以上の加熱素子１５０が飽和状態、すなわち、０％または１００％の出力に達しないようにするが、依然として押出物の外表面９２の温度分布を制御するという第一目的を達成しようとするように、１つまたは複数の冷却制御ループを調節する。この例では、冷却ループは、１つ以上の加熱素子１５０が０％の出力に達したが、押出物９０の外表面９２上の関連の方位角的な位置に関して設定温度Ｔ_ＳＥＴを超える場合に、流れをさらに冷却するおよび／または冷却剤２０４の温度を低下させる。あるいは、冷却ループは、１つ以上の加熱素子１５０が１００％の出力に達したが、押出物９０の外表面９２上の関連の方位角的な位置に関し設定温度Ｔ_ＳＥＴに達しない場合に、流れを低下させるおよび／または冷却剤２０４の温度を上昇させる。

システム１０の異なる実施形態を使用して押出物の外表面９２の温度制御（それゆえ形状制御）を成し遂げることができる、いくつもの方法がある。一例では、温度制御は、フィードバック制御、例えば、曖昧理論、ＰＩＤなどを使用して成し遂げられる。冷却剤−流れの１つまたは複数の設定点Ｆ_ＳＥＴは、１つ以上の加熱素子１５０を、制御可能な出力範囲内に、例えば、それらの出力範囲の０％〜１００％または１０％〜９０％に維持するために調節される。

別の例では、モデルベースの制御を実施する、所望の押出物の１つまたは複数の温度、予期した１つまたは複数の加熱素子の出力、およびヒータの出力を所望の制御可能な範囲内に維持する一方で押出物９０に対する所望の温度の目標を達成するための冷却剤ループとヒータループとのモデル化した相互作用に基づいて、１つまたは複数の冷却ループの出力を調節するような、フィードフォワードコントローラが用いられる。内側の冷却剤制御は、１つまたは複数のＰＩＤループに基づき、このＰＩＤループは、温度調節器１１０からの１つまたは複数の冷却剤−流れの設定点Ｆ_ＳＥＴを獲得し、かつ１つ以上のアクチュエータバルブ２４０を、対応する１つ以上の流量計２５０からの冷却剤−流れのフィードバック信号ＳＦに対して調節して、冷却剤２０４の所望の１つまたは複数の流量を達成する。

ある例では、システム１０を使用して、押出物９０の外表面９２の温度を上昇または低下させて、外表面と押出物コア９４との間の所望の温度差を維持する。これは、押出物９０の流頭制御を可能にし、これは、形状、中心および周囲の膨らんだウェブ、およびスキンの品質に影響を及ぼす。

別の例では、システム１０は、押出物の外表面９２の温度を安定化させて、スキンの流動不安定性の源としての温度のばらつきを小さくするかまたはなくすように動作される。

別の例では、システム１０は、ハードウェアを調節する必要なく、セラミックバッチ材料２２の流れを局所的に制御するように動作される。例えば、システム１０は、押出物の外表面９２の反対側に温度オフセットをもたらすことによって、ロッグ（ｌｏｇ）の曲がりすなわち湾曲を制御するために用いることができる。

ある例では、温度調節器１１０は、温度フィードバック信号ＳＴを受信し、かつ加熱素子１５０に直接出力される電力を調節する。加熱素子１５０に送給される電力量の調節は、例としてＰＩＤループを使用して達成できる。実際には、同じ目的のために、他の公知の制御スキームを用いることができる。この例では、システム１０は、温度センサ１５２があってもなくても、および冷却システム３００があってもなくても、動作できる。

システム１０がまた温度センサ１５２を含む構成では、これらの温度センサは、システムに追加的な機能性を提供できる。例えば、温度センサ１５２を、所与の加熱素子１５０が加熱しすぎているかまたは故障した場合にそのことを示す、リミット感知装置として使用できる。あるいは、温度センサ１５２は、押出物９０の温度制御用のフィードバックループにおいて使用される温度センサ１０２と相俟って加熱素子１５０用の温度制御ループに別個のフィードバック信号を提供するために使用できる。この場合、加熱素子１５０の温度は、カスケード制御ループの内側のループ、例えば、ＰＩＤループとでき、ここでは、加熱素子の温度信号ＳＴ’は、温度調節器１１０にフィードバックされる。その後、温度調節器１１０は、所与の加熱素子１５０にもたらされた電力量を修正して、所望の加熱素子の温度を達成できる。この例では、外側の制御ループは、押出物の表面の温度センサ１５２を含む。

温度信号ＳＴは、押出物の外表面９２の温度を読み取り、かつ設定温度Ｔ_ＳＥＴを内側のヒータ制御ループに出力する。その後、内側のヒータ制御ループは、上述の通り、温度センサ１５２からの加熱素子の温度信号ＳＴ’を読み取ってヒータの電力を調節することによって、加熱素子の温度を制御するように働く。この例では、内側の制御ループは、ＰＩＤ制御ループを含む、いくつもの制御スキームのいずれかによって実施され得る。

この例ではまた、押出物の温度制御ループは、いくつもの制御スキームのいずれかを用いることができる。特定の制御スキームの選択は、制御システムの動力学、例えば処理利得、時定数および不動時間、ならびに所望の応答動力学に依存する。多くの場合、単純なＰＩＤ制御ループで十分であるが、長い不動時間または様々な処理利得は、異なる制御スキームの選択を必要とする可能性がある。一般に、プロセス動特性は、単純なカスケードＰＩＤループが所望のプロセス性能を達成するのに十分であるかどうかを決定するために試験される。

冷却ジャケット２００を使用する構成では、複数のシナリオが存在し得る。最も単純なものは、図２Ｂに示されており、ここでは、押出機９０の中央セクションで、多数のヒータの周りに単一の冷却ジャケット２００がある。この構成では、冷却剤の流れおよび／または冷却剤の温度は、開ループ（すなわち、フィードバック制御がない）で動作されて、加熱素子１５０がセラミックバッチ材料２２のスキンの温度を制御できる温度範囲を管理できる。例えば、温度センサ１０２によって測定されたように、押出物９０の平均的な外表面の温度が高すぎた場合、冷却剤２０４の流れを増加させることができるか（例えば、手動で）、または冷却剤の温度を低下させることができ（例えば、手動で）、所望の押出物の周囲の温度範囲を達成する。それゆえ、冷却剤２０４の流れを、一定の冷却剤の温度において冷却制御ノブとして使用できる。また、冷却剤２０４の温度は、一定の冷却剤の流れにおいて、制御ノブとして使用できる。さらに、冷却システム３００が流れおよび温度の双方の冷却剤の制御用に構成されている場合には、冷却剤２０４の流れと冷却剤の温度との組合せを使用して、温度制御の範囲を広げることができる。

冷却ジャケット２００はまた、図２Ｃに示すように、閉ループ制御モードにおいて動作できる。この場合、制御信号Ｓ１によって設定されたような冷却剤の流れの設定点Ｆ_ＳＥＴは、温度調節器１１０から流れ調節器２６０へ発せられる。この流れの設定点Ｆ_ＳＥＴは、温度センサ１０２によって測定されるような押出物の外表面９２の所望の温度範囲からのずれ、または所望の押出物の温度を達成しようとする１つ以上の加熱素子の出力の飽和のいずれかに応答して、発せられる。

所与の加熱素子１５０の出力の飽和は、０％の出力（つまり、測定された押出物の温度は、所望の温度を上回る）で、または１００％の出力（つまり、押出物の温度が所望の温度を下回る）で、加熱素子を動かす温度調節器１１０として、および許容可能な時間枠内で達成されない所望の押出物の温度として、定義される。許容可能な時間枠は、処理の応答時間および不動時間に関係し得る。

加熱素子１５０が０％で飽和される場合、温度調節器１１０は、制御信号Ｓ１を介して、流れ調節器２６０からより強めの冷却を要求することによって、応答し得る。流れ調節器２６０は、前方セクション５２の冷却を増すこと、総合温度を低下させかつ飽和した１つまたは複数の加熱素子１５０を制御可能な範囲において再度動作し始めるようにすることによって、応答する。

反対に、１つ以上の加熱素子１５０が１００％の出力で飽和される場合、温度調節器１１０は、制御信号Ｓ１を介して、流れ調節器２６０から弱めの冷却を要求することによって、応答できる。流れ調節器２６０は、前方セクション５２の冷却を減少させること、総合温度を上昇させかつ飽和された１つまたは複数の加熱素子１５０を制御可能な範囲で動作し始めるようにすることによって、応答する。

いくつかの加熱素子１５０が０％で飽和され、およびいくつかの加熱素子が１００％で飽和される場合、制御スキームは、プロセスの目的に基づいて、冷却を増加させるか、冷却を減少させるか、またはなんの行為も行わないかの決定を実施できる。冷却制御ループは、一般に、ＰＩＤループによって実施され得るが、プロセス動特性に依存して、例えば、非線形の振る舞いまたは長い不動時間に取り組むために、より精巧な制御戦略が必要とされ得る。

図２Ａは、システム１０の例示的な実施形態を示し、ここでは、複数の加熱ループと方位角的に一致して位置決めされた複数の冷却ループが存在する。この例では、制御信号Ｓ１を介して規定されたような流れの設定点Ｆ_ＳＥＴを備える単一の冷却ループがある例のように、各冷却ループは、個々の冷却ループの出力を決定する温度調節器１１０から、流れの設定点を受信する。一例では、冷却システム３００の冷却剤の温度は、全体的に調節できる（すなわち、全ての冷却剤ループに対して冷却剤の温度に単一の値を使用して）。別の例では、個々の方位角的な位置への冷却剤の流れは、独立して調節でき、押出物の外表面９２の温度の局所的な方位角制御を行えるようにする。

これらの個々の制御ループの各々は、上述のような単一の制御ループと本質的に同じ方法で実施できる。この場合、冷却剤の温度の設定点は、加熱素子１５０の平均出力に依存して、上下に調節できる。これは、加熱素子１５０が０％で飽和するかまたは０％に達する傾向を有する場合、より低い冷却剤の温度、または加熱素子が１００％で飽和するかまたは１００％に達する傾向を有する場合、より高い冷却剤の温度のいずれかを提供する。加熱素子１５０が使用されない場合、冷却剤の温度は、押出物９０の外表面９２の平均温度が達成されたかどうかに基づき得る。押出物の温度が所望の温度を超えているまたはそれに達しない場合に、冷却剤の温度は上昇または低下され得る。

加熱素子１５０が使用される場合、個々の冷却剤ループの流れは、上述のように関連の個々の加熱ゾーンが飽和したかまたは飽和しようとしているかどうかに基づいて、管理され得る、すなわち、加熱素子の出力が０％であるかまたはそれに達する場合に、より冷却を行うことができる、およびその逆も同様である。加熱素子１５０が使用されない場合、個々の冷却剤の流れは、押出物の表面の温度によって直接、すなわち、局所的な方位角の温度を低下させるようにさらに冷却することによって、決定される、およびその逆も同様である。

状況によっては、システム１０の押出機３０の前方セクション５２の周囲の隣接する加熱または冷却セクション間に、ある程度の相互作用があり得る。これらの状況では、ＰＩＤ制御の使用を越えた代替的な戦略を用いる必要があり得る。当業者に理解されるように、実施される具体的な制御戦略は、システム１０の物理的実装、プロセスの動作領域、およびシステムの必要な性能基準に依存する。セラミックバッチ材料２２の流れは、その特定の組成に依存する。なぜなら、異なる組成は温度依存性を有するためである。セラミックバッチ材料２２のいくつかの組成によれば、変曲が起きるある温度まで加熱されている間は、低粘稠化するか、またはより低圧のふるまいとなり、かつ組成物は、温度が上昇すると、硬直化しかつより高圧となる。

複数の例では、本明細書で開示したシステムおよび方法は、最低動作圧力から、より高温におけるかなり硬直したまたは高い動作圧力域に及ぶ、選択温度範囲内で動作する。複数の例では、セラミックバッチ材料２２の温度の上昇は、流速を遅くさせるように働く一方、冷却は、流速を速めるように働く。温度範囲は、セラミックバッチ材料２２の様々な組成の圧力−対−温度の応答に依存する。ある例では、この温度範囲は、ある期間、温度上昇によって圧力を低下させることができ、その後、さらに温度が上昇すると、変曲が生じて、圧力を上昇させ始め得る。一般的に言えば、セラミックバッチ材料２２の異なる組成は、例えば、異なる温度範囲にわたって、異なるように制御される必要がある。

図６は、バッチの流量によって決定されるバッチの温度がどのように金型圧力に影響を及ぼし得るかを示す、金型圧力Ｐ_Ｄ（ｐｓｉ）対バッチの温度Ｔ_Ｂ（℃）（コアおよびスキンの温度）のプロット図である。曲線は、手書きであり、測定データに適合する。セラミックバッチ材料２２のコアと周囲との間の温度差を促すことによって、押出金型８０を通るセラミックバッチ材料の異なる領域での流量を制御できる。図６のプロット図は、２つのゾーン、Ｚ１およびＺ２を示す。ゾーンＺ１およびＺ２は、セラミックバッチ材料２２を押出金型８０に押し通すために必要な圧力に起因して、異なる流速を有する。

本明細書の実施形態を、特定の態様および特徴を参照して説明したが、これらの実施形態は、単に、所望の原理および適用を説明するものであることを理解されたい。それゆえ、添付の特許請求の範囲および趣旨から逸脱せずに、説明に役立つ実施形態に多数の修正を行い得ること、および他の配置構成が考案され得ることを理解されたい。

Claims

押出機の押出金型から押し出されたセラミックバッチ材料で作製される押出物の形状を制御する方法において、
ある温度を有するセラミックバッチ材料を、押出金型に直接隣接する押出機のキャビティを通して流すステップであって、前記キャビティが中心軸を有しかつ前記セラミックバッチ材料の外周を画成するものである、ステップと；
前記セラミックバッチ材料の前記温度を、その外周を通して、複数の位置において、局部調節するステップと；
温度調節された前記セラミックバッチ材料を前記押出金型に通して押し出して、外表面を有する前記押出物を形成するステップと；
外表面の、異なる方位角的な位置を有する複数の位置において、前記押出物の温度を測定するステップと；
測定された前記外表面の温度に基づいて、前記セラミックバッチ材料の前記温度の局部調節を制御して、前記押出物の形状を制御するステップと
を有し、
前記セラミックバッチ材料の前記温度を局部調節するステップが、前記セラミックバッチ材料を、その周囲を通して局部加熱することを含み、
前記局部加熱することが、
複数の加熱素子を使用して前記局部加熱を実施し、各加熱素子を、前記複数の加熱素子の各々にもたらされる電気出力の量によって規定される温度にすることと；
前記加熱素子の温度を測定することと；
前記測定された加熱素子の温度を制御ループにおいて制御することと、
を含む、方法。
前記セラミックバッチ材料の前記温度を局部調節するステップが、前記セラミックバッチ材料を、その周囲を通して局部冷却することをさらに含み、前記局部冷却は冷却剤を流すことによって行い、前記冷却剤の流れおよび前記押出物の温度の少なくとも一方を、前記外表面の複数の位置の前記測定された温度に基づいて調節することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
前記押出物が実質的に均一なシリンダー形状を有するように、前記局部加熱および局部冷却を不均一に適用することを特徴とする、請求項２に記載の方法。
前記押出物が、湾曲を含む形状、ある厚さのスキン、および少なくとも一種の欠陥のあるスキンのうちの少なくとも１つを有し、前記セラミックバッチ材料の前記温度の局部調節の制御を、前記湾曲を制御すること、前記スキンの厚さを制御すること、および前記少なくとも一種のスキン欠陥を減らすまたはなくすことのうちの少なくとも１つを行うというやり方で実施することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。