KR100470835B1 - 금형온도 제어 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금형온도 제어 시스템에 관한 것으로, 열교환이 신속히 이루어져 성형주기가 짧고, 에너지 사용량이 적으며 정밀한 온도제어가 가능하여 불량률이 낮은 금형온도 제어 시스템을 제공하는 것이 목적이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 금형온도 제어 시스템은 금형에서 유입되는 순환수에 의한 배압을 완화하고 순환수 중에서 공기를 분리해내는 보조탱크와, 순환펌프와, 히터와, 금형의 내부를 통과하는 폐루프를 형성하고, 금형에서 보조탱크로 연결되는 라인에서 분기되어 냉각기를 거쳐 상기 보조탱크로 연결되는 또 하나의 폐루프를 형성하여, 금형을 가열할 때에는 온수가 보조탱크, 순환펌프, 히터, 팽창고무호스, 금형의 순으로 이어지는 폐루프를 순환하고, 금형을 냉각시킬 때에는 냉수가 냉각기, 보조탱크, 순환펌프, (작동되지 않는) 히터, 팽창고무호스, 금형의 순으로 이어지는 폐루프를 순환하는 것을 특징으로 한다.

Description

금형온도 제어 시스템{Mold Temperature Control System}

본 발명은 금형온도 제어 시스템에 관한 것으로, 상세하게는 금형 내부에 형성된 유체 통로에 온수 또는 냉수를 공급하여 신속하게 열을 공급 또는 제거함으로써 금형온도를 제어하는 금형온도 제어 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 금형을 사용하여 플라스틱 제품을 성형하는 경우, 작업 초기에는 금형온도가 너무 낮아 불량의 원인이 되고, 금형온도가 적정 온도로 상승한 후에는 금형에 주입되는 용융 플라스틱에 의하여 온도가 상승하는 만큼 냉각시켜 적정 온도로 유지시켜 주어야 하므로 성형주기가 길어져 생산성이 낮아진다. 따라서, 금형 내부에 유체 통로를 만들어 온수 또는 냉수를 흐르게 함으로써 금형온도를 적정 온도 범위 내에서 제어하는 시스템이 개발되어 사용되고 있다.

일본공개특허 소63-128911호에는 도 1에 도시된 바와 같이, 냉각기(11), 펌프(12), 히터(14), 온도계(21) 및 콘트롤러(30)로 이루어지는 금형온도 제어 시스템이 개시되어 있는데 온도계로 금형온도를 측정하여 온도가 낮을 때는 온수가 흐르게 하고, 온도가 높을 때는 냉수가 흐르게 함으로써 금형온도를 제어한다. 즉, 금형을 냉각시키고자 할 때에는 히터(14)의 작동을 멈추고 냉각기(11)을 작동시켜 물을 순환시키고, 금형을 가열하고자 할 때에는 냉각기(11)의 작동을 멈추고 히터(14)를 작동시켜 물을 순환시키는데 온도계(21)에 의해 측정되는 금형온도에 따라 콘트롤러(30)로 솔레노이드 밸브들을 여닫음으로써 물의 순환을 제어하는 것이다.

미국특허 4,902,454호에는 히터, 냉각기, 펌프, 온도계 및 컴퓨터(콘트롤러)로 이루어지는 금형온도 제어 시스템이 개시되어 있는데 본질적인 구성은 일본공개특허 소63-128911호에 기재된 발명과 동일하다. 다만, 물이 히터와 냉각기 중 하나를 거치거나 바이패스하도록 되어있어 금형을 냉각시킬 때는 작동되지 않는 히터라도 히터를 거치지 않아도 되는 것이 특징이다.

그러나, 상기 발명들은 모두 열교환 속도가 느려 성형주기(cycle time)가 길고, 온수나 냉수 사용량이 많아 에너지 소비량이 많다는 단점이 있다.

본 발명의 목적은 열교환이 신속히 이루어져 성형주기(cycle time)가 짧고, 에너지 사용량이 적으며 정밀한 온도제어가 가능하여 불량률이 낮은 금형온도 제어 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 발명자는 기존의 금형온도 제어 시스템에서 열교환 속도가 낮은 것은 금형에서 흘러나가는 물에 배압(back pressure)이 걸려 물의 흐름이 완만하고, 관로 내에서 버블이 형성되기 때문이라 가정을 하고 열교환 속도를 높이고자 연구를 한 결과, 본 발명을 완성하였다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 금형온도 제어 시스템은 냉각기(11), 보조탱크(13), 순환펌프(12b), 히터(14), 팽창고무호스(15), 금형(20), 온도센서(21) 및 콘트롤러(30)로 이루어지는 것으로, 금형을 가열할 때에는 온수가 보조탱크, 순환펌프, 히터, 팽창고무호스, 금형의 순으로 이어지는 폐루프를 순환하고, 금형을 냉각시킬 때에는 냉수가 냉각기, 보조탱크, 순환펌프, (작동되지 않는) 히터, 팽창고무호스, 금형의 순으로 이어지는 폐루프를 순환하는 것을 특징으로 한다.

상기 시스템은 콘트롤러에 의하여 자동으로 제어될 수 있는데 금형 내부에 설치된 온도센서에 의하여 측정되는 금형온도 데이터가 콘트롤러에 입력되고, 입력된 온도 데이터에 의하여 콘트롤러가 온수를 순환시키거나, 냉수를 순환시키거나, 물의 순환을 멈추는 방법에 의한다.

공지기술(일본공개특허 소63-128911호, 미국특허 4,902,454호)과 비교할 때, 본 발명의 가장 특징있는 차이점은 팽창고무호스와 보조탱크이다.

팽창고무호스는 압력이 걸리면 부풀어 금형 내로 물이 난류(turbulence)상태로 유입되도록 하고, 보조탱크는 상부에 수증기와 공기로 이루어지는 기상공간이 형성되어 금형에서 유입되는 물에 배압이 걸리는 것을 방지함과 동시에 관로 내에서 형성되는 버블을 분리해내는 역할을 하여 팽창고무호스와 함께 물과 금형 간의 열교환 속도를 높이는 역할을 한다.

상기 구성에서 히터를 바이패스하는 관로를 설치하여 금형을 냉각할 때에는 물이 히터를 통과하지 않고 냉각기, 보조탱크, 팽창고무호스, 금형의 순으로 이어지는 폐루프를 순환하도록 할 수도 있다. 다만, 이 때는 후술하는 가압펌프가 순환펌프의 역할을 한다.

이렇게 하면 금형을 냉각시키고자 할 때, 적은 양이지만 히터 내부에 남아있는 물이 금형으로 유입되지 않게 되므로 보다 신속하게 금형을 냉각시킬 수 있고, 시스템 전체의 열효율도 높아진다.

보조탱크에는 수위감지센서가 설치되어 있는데 수위감지센서는 상부에 통기구가 형성된 차단벽에 둘러싸는 것이 바람직하다. 차단벽이 없으면 금형에서 유입되는 물에 의하여 수위가 잘못 측정될 염려가 있다.

그리고, 보조탱크 앞에 별도의 가압펌프를 둘 수 있다. 보조탱크의 압력을 높이면 순환되는 물의 온도를 높일 수 있을 뿐만 아니라 증발을 억제할 수 있다.

이하, 본 발명의 구성을 도 2 내지 도 4를 사용하여 보다 상세히 설명한다.

도 2는 상부 금형과 하부 금형을 통과하는 순환루트가 1개씩인 본 발명의 일실시예를 도시한 것이고, 도 3은 보조탱크의 구조를 도시한 것이며, 도 4는 금형의 표면 온도를 시간의 함수로 도시한 것이다.

일반적으로, 성형 작업을 시작하려면 금형을 적정한 온도까지 예열해야 하는데 히터(14)를 가동하면서 물을 순환펌프(12b)로 순환시키면 물이 보조탱크(13), 순환펌프(12b), 히터(14), 팽창고무호스(15), 금형(20)으로 이어지는 순환루트를 따라 순환하면서 금형(20)이 가열된다. 이 때, 솔레노이드 밸브 S1, S2, S3, S4는 닫는다. 다만, S2와 S4는 열어도 무방하고 닫아도 무방한데, 연 상태에서 가압펌프 12a를 가동하면 순환루트 내의 압력을 높일 수 있어 순환되는 물의 온도를 높일 수도 있고 증발량도 줄일 수 있다. S5와 S6은 공기배출 밸브로 보조탱크의 수위가 낮아지면 상부 공간의 공기 및 스팀을 배출시킨다. 빈 금형에 온수를 순환시키는 초기예열단계에서의 금형온도는 도 4에서 보는 바와 같이 직선적으로 상승한다.

금형온도가 금형온도 관리점(도 4에서는 50℃)까지 상승하면 성형작업을 시작하는데 용융 플라스틱이 금형 내에 주입되면 금형온도가 상승하게 되므로 냉각수를 냉각기(11), 보조탱크(13), 펌프(12b), (작동이 중지된) 히터(14), 팽창고무호스(15), 금형(20) 및 냉각기(11)로 이어지는 폐루프를 따라 순환시킨다. 냉각수는 히터(14)를 통과시키지 않고 바이패스시킬 수도 있는데(도 2에서 점선으로 표시됨) 이 경우, 금형을 가열할 때 히터에 남아있던 온수가 순환되지 않게 되므로 열효율이 조금 좋아지게 된다.

냉각수는 계속해서 순환시킬 수도 있고, 금형이 과냉각되는 것을 방지하기 위하여 순환과 멈춤을 반복할(단속적으로 순환시킬) 수도 있다.

이를테면, 냉각수를 사출시점부터 제품취출점까지 순환시키고 제품취출점부터 다음 사출시점까지 순환을 중지하는 것을 반복하는 경우, 금형온도는 도 4와 같이 변화된다. 이하, 도 4의 온도곡선을 구간별로 보다 상세히 살펴본다.

사출을 시작하면서 동시에 냉각수를 순환시키기 시작하는데 용융 플라스틱이 주입되는 동안(A 구간) 금형온도는 급격히 상승하였다가 사출이 완료되면 서서히 낮아지게 된다(B-A 구간). 금형온도가 계속 낮아져 제품취출 온도(플라스틱의 연화점 이하)에 도달하면 냉각수의 순환을 멈추고 성형된 제품을 꺼내는데 제품을 꺼내고 나면 금형 내의 관로에 남아있는 냉각수와 대기에 의하여 급격히 온도가 떨어지게 된다. 이 때 냉각수의 순환을 중지하는 것은 전술한 바와 같이 금형이 과냉각되는 것을 피하기 위함이다. 금형온도가 다시 금형온도 관리점인 50℃까지 떨어지면 또 다른 사출공정을 시작하는데 한 싸이클의 생산시간은 C로 표시된다.

금형온도 관리점이 매우 높고 주변 온도가 매우 낮으면 냉각수를 통하여 냉각하지 않아도 금형이 과냉각되는 경우가 있는데 이 경우에는 온수를 단속적으로 순환시켜 떨어진 온도만큼 보상하는 방법에 의하여 금형온도를 관리하고, 반대의 경우에는 냉수만을 순환시켜 금형온도를 관리한다.

<실시예 및 비교예>

본 발명의 금형온도 제어 시스템과 종래 방식의 금형온도 제어 시스템을 사용하여 ABS 수지로 세탁기 커버를 생산하였다. 금형 무게는 모두 1ton이었으며 각각의 전기 사용량, 생산주기, 생산량, 불량률은 다음 [표 1]에 기재하였다.

비고	본 발명	종래 기술
전기사용량(kW/월)	654	7790
생산주기(초)	36초	58초
생산량(개/12시간)	1,200개	745개
불량률(%)	0.08	16.00
온도제어방식	금형온도	물온도

위의 [표 1]에서 보는 바와 같이, 본 발명에 의한 금형온도 제어 시스템을 사용하면 전기사용량, 생산주기, 생산량, 불량률이 현격히 낮아진다. 이에 따라 제품의 단가가 낮아지게 되며 특히, 불량률이 낮은 것은 본 발명에 의하면 온도관리가 정확히 이루어질 수 있음을 의미한다.

도 1은 종래의 금형온도 제어 시스템을 도시한 것이다.

도 2는 상부 금형과 하부 금형을 통과하는 순환루트가 각각 1개씩인 본 발명의 일실시예를 도시한 것이다.

도 3은 본 발명을 구성하는 보조탱크의 단면도이다.

도 4는 사출성형시 금형 내부의 서로 다른 위치에서 측정한 온도로부터 계산한 금형의 표면온도이다

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

11: 냉각기 12a: 가압펌프

12b: 순환펌프 13: 보조탱크

14: 히터 15: 팽창고무호스

20: 금형 21: 온도계

30: 콘트롤러 131: 통기구

132: 차단벽

Claims (5)

1. 냉각기(11), 보조탱크(13), 순환펌프(12b), 히터(14), 팽창고무호스(15), 금형(20), 온도센서(21) 및 콘트롤러(30)로 이루어지는 것으로, 금형을 가열할 때에는 온수가 보조탱크, 순환펌프, 히터, 팽창고무호스, 금형의 순으로 이어지는 폐루프를 순환하고, 금형을 냉각시킬 때에는 냉수가 냉각기, 보조탱크, 순환펌프, (작동되지 않는) 히터, 팽창고무호스, 금형의 순으로 이어지는 폐루프를 순환하는 것을 특징으로 하는 금형온도 제어 시스템.
2. 제1항에 있어서, 금형 내부에 설치된 온도센서에 의하여 측정되는 금형온도 데이터가 콘트롤러에 입력되고, 입력된 온도 데이터에 의하여 콘트롤러가 온수를 순환시키거나, 냉수를 순환시키거나, 물의 순환을 멈춤으로써 금형온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 금형온도 제어 시스템.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 히터를 바이패스하는 관로가 설치되어 금형을 냉각할 때에는 물이 히터를 통과하지 않고 냉각기, 가압펌프, 보조탱크, 팽창고무호스, 금형의 순으로 이어지는 폐루프를 순환하는 것을 특징으로 하는 금형온도 제어 시스템.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 보조탱크에 상부에 통기구가 형성된 차단벽에 둘러싸여 있는 수위감지센서가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 금형온도 제어 시스템.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 보조탱크 앞에 보조탱크의 압력을 높이기 위한 고압펌프가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 금형온도 제어 시스템.