KR100518304B1 - 전기 가류기 - Google Patents

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KR100518304B1
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Abstract

본 발명은 그린 타이어의 가류매체 공급방식에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기식 가류기에 있어서 그린타이어 가류조건의 결정인자 중 블래더(bladder) 내부로 공급되는 매체의 온도 및 압력에 관한 것이다.
본 발명에 따른 전기식 가류기에 사용되는 가류(열원)매체로는 가열된 질소가스(heated N2 gas)를 사용하며 그 가류 조건은 압력범위가 5 ~ 30 kg/cm2 이고, 온도범위가 150 ~ 250 ℃임을 특징으로 한다.
상기와 같이 전기 가류기용 내부 가열매체 공급조건을 개발함으로써 향후 기술기반 구축을 하며 압력조건 개선을 통한 공정성 개선 및 가류 중 최적 압력을 적용함으로써 완제품 품질(내구성 등)이 개선된다. 그리고 향후 적용하게 될 고온가류 또는 외온(외부온도) 상승용 가류 단계를 선개발/ 평가함으로써 가류시간 단축 등을 통한 생산성 향상 또는 원가절감의 기반을 조성되며, 또한 내부매체로 사용된 질소가스를 회수/재사용함으로써 에너지 절감효과를 가져온다.

Description

전기 가류기{Electric curing machine}
본 발명은 그린 타이어의 가류매체 공급방식에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기 가류기에 있어서 그린타이어 가류조건의 결정인자 중 블래더(bladder) 내부로 공급되는 매체의 온도 및 압력에 관한 것이다.
현재 대부분의 타이어 제조회사에서 적용하고 있는 타이어 가류기에는 기계식(mechanical)과 유압식(hydraulic)이 있다. 그러나 환경 규제와 에너지 절감 등을 목적으로 최근에는 전기 가류기에 대한 개발이 활발히 진행되고 있는 실정이며, 전기 가류기에 사용되는 외부 금형의 매체로는 전력(Heater)이 있으며, 내부매체로는 불활성 기체(N2 가스 등)을 가열하여 공급, 적용하고 있다. 그래서 도1을 살펴보면, 내부매체는 타이어(빗금친 부분)(20)의 블래더(10) 내부로 들어가게 되며, 외부매체는 그린 타이어의 바깥부분에 들어가게 되며, 그래서 상기 매체가 그린타이어의 안팎으로 제공되어진다. 미설명 부호 30는 챔버이며, 40는 몰드이다.
상기 그린타이어를 탄성체로 가교(가류)함에 있어 가류는 가류시간, 가류온도, 가류압력의 3가지 요소에 의해 결정되는데, 그 중 온도는 몰드(타이어의 외형을 결정할 수 있도록 내벽에 특정 형태가 각인된 금형)의 내/외부 온도와 실내온도 그리고 그린타이어의 온도로 구분되어질 수 있다. 한편 가류매체의 압력은 완제품의 품질과 관련이 밀접하다. 즉, 가류 초기에 고압의 매체를 적용하게 되면 가열된 외부 금형(Mold)과의 표면 조기 가류 등에 의해 공정불량이 야기되며, 저압 저온의 매체를 초기에 장시간 공급하게 되면 생산성이 하락하게 된다. 이와 마찬가지로 가류 후반부에 고압, 고온의 매체를 장시간 적용하게 되면 가류시간 단축의 효과는 있으나 타이어 내부의 강선(Steel cord)의 가류온도가 상승함으로써 자동차 주행 중 심각한 분리(Separation)사고의 요인이 된다.
현재 몰드 내부, 즉 블래다 내부로 공급되는 열원매체로는 증기(steam), 질소가스(N2 가스), 고온수(Hot water) 등을 복합적으로 사용하고 있다. 즉 표 1에 나타난 바와 같이 증기+증기, 증기+질소가스, 증기+고온수 등이 있으며, 특히 증기는 고온 내부매체로 적용되며 가류시간 결정의 주 요인이 된다. 그런데 상기 증기는 포화증기압에 따라 온도가 정해져 있기 때문에 상기의 최소가류부위를 일정온도 이하로 제어하면서 가류하기 위해서는 증기의 압력을 일정수준 이하로 유지해야 된다는 제한이 따른다. 즉, 압력조절의 한계성이 있으며, 그러한 제한성 때문에 고압매체로서 질소 가스와 고온수를 사용하는 것이 일반화 되어 있는데, 블래다 내부에 공급하는 일반적인 열원공급 방식은 상기 표1에 나타난 바와 같다. 좀더 상세히 설명하면, 타이어 회사의 일반적인 가류 내압 시스템은 첫번째로는 저압인 증기(Steam)를 가류 시작 후 전체가류시간의 20~40% 동안 사용되고, 그 이후에는 고압인 증기가 공급되는 시스템이다. 두번째로는 저압인 증기를 가류 시작 후 전체가류시간의 20 ~ 50% 동안 사용되고 그 이후에는 고압인 질소가스(N2 gas)가 공급되는 시스템이다. 세번째로는 저압인 증기를 가류 시작 후 전체가류시간의 5 ~ 20% 동안 사용되고 그 이후에는 고압인 고온수(hot water)가 적용되는 시스템이다. 그리고 상기 내압시스템에 공통적으로 외부온도(금형온도)를 140 ~ 200℃ 적용하였다.
표1. 타이어 회사의 일반적인 가류 내압 시스템
가류조건 증기 + 증기 증기 + 질소가스 증기 + 고온수
내부매체 저압 증기 20 ~ 40% 증기 20 ~ 50% 증기 5 ~ 20%
고압 증기 60 ~ 80% 질소 가스 50 ~ 80% 고온수 80 ~ 95%
전체 100% 100% 100%`
외부 온도 140 ~ 200℃ 140 ~ 200℃ 140 ~ 200℃
** 상기 질소가스 온도는 상온(약 15~30℃)이며, 증기와 혼합상태에서의 온도를 나타낸다.
상기 내부매체에 나와있는 퍼센트(%)는 가류시간을 나타낸다. 즉 증기+증기인 매체를 사용한 첫번째 예를 보면 20~40%는 전체 가류시간 중 가류 시작 후 20~40% 가류시각 동안 저압인 내부매체를 사용하며, 그 이후에는 고압인 내부매체를 사용한다는 의미이다.
상기 표에는 자세히 제시되지 않았지만, 일반적으로 가류 초기에는 가류속도를 증가시키기 위해 고온을, 공정불량 개선(Molding property)을 위해 저압매체를 적용하였으며, 후반부에는 완제품 사고 방지(Belt Separation)를 위하여 저온을, 내구성 증가를 목적으로 고압을 적용하고 있다. 그러나 이와 같이 함으로써 앞에서 언급했던 증기의 특성, 즉 압력에 따른 온도 컨트롤이 불가능하여 열원공급 시스템 설계하는데 많은 문제점이 발생하였다.
본 발명은 향후 적용하게 될 전기 가류기에서의 그린타이어를 가류하기 위한 내부 매체 공급조건, 즉 질소 가스의 단계별 공급압력과 온도를 규정함으로써 기존대비 성능 이상을 유지하여 향후 기술입지 조건 개선 및 가류시간 단축 등을 통한 생산성 향상을 목적으로 한다.
본 발명은 현재 개발 진행중인 전기 가류기의 특징인 질소 가스(N2 gas)를 가열하여 내부매체로 적용하는 방식의 내압매체에 관련된 것이다. 즉, 전기 가류기를 사용하여 내압매체의 단계별 공급압력과 온도를 규정하여 기존대비 이상의 성능을 보이면서 환경친화적인 것을 그 특징으로 한다.
그린타이어의 가류 단계는 최소가류부 위 또는 스틸코드(Steel cord)의 허용 온도 범위 내에서 최적가류, 즉 공정성, 생산성 품질 등을 기존대비 이상의 성능이 되도록 구성시키며, 본 발명에서도 마찬가지로 벨트(Belt)부의 온도 조건을 기준으로 단계를 구성하였으며, 이를 위해서는 그린타이어의 최소 가류부위에 온도센서(예를 들면, 써머커플)를 사용하여 몰드에 가류하면서 시간에 따른 온도를 측정하고 이를 가류도로 환산하였다.
먼저, 도2에 도시된 바와 같이 본 발명에 사용되는 전기가류기의 내부매체 공급 개략도를 살펴보면,
내부매체는 가스전열장치(100)에 의해 가열이 이루어지며 조절밸브(400)에 의해 적절히 조절이 되어 전기가류기(200)에 가열된 내부매체가 공급이 된다. 가류가 완료되면 질소가스는 회수장치(300)에 의해 회수가 되도록 구성된다.
다음은 본 발명에 따른 가류매체의 공급조건이다. 본 발명에 따른 전기식 가류기에 사용되는 가류(열원)매체로는 가열된 질소가스(heated N2 gas)를 사용하며 그 가류 조건은 압력범위가 5 ~ 30 kg/cm2 이고, 온도범위가 150 ~ 250 ℃임을 특징으로 한다.
이를, 표 2를 참조로 하여 보다 상세히 설명한다. 그러나 본 발명에서는 표 2에 제시된 것처럼 전기식 가류기에 공급되는 내부매체의 공급조건이 세가지이나, 이 세 개의 예에 국한되지는 않는다.
전기가류기에 공급하는 내부매체의 공급조건(단계)의 그 첫번째(전기 가류기 1)는, 매체 공급을 시간순으로 3단계로 나누며, 제 1단계는 압력 범위를 5 ~ 10 kg/cm2, 온도 범위를 150 ~ 200 ℃, 제 2단계는 압력 범위를 15 ~ 30 kg/cm2 ,온도범위를 200 ~ 250 ℃, 제 3단계는 압력 범위를 5 ~ 10 kg/cm2, 온도범위를 150 ~ 200 ℃로 하며, 외부온도는 140 ~ 200℃가 되도록 한다.
두번째(전기 가류기 2)는, 매체공급을 시간순으로 3단계로 나누며, 제 1단계는 압력 범위를 10 ~ 20 kg/cm2, 온도범위를 150 ~ 200 ℃, 제 2단계는 압력 범위를 10 ~ 20 kg/cm2 ,온도범위를 200 ~ 250 ℃, 제 3단계는 압력 범위를 10 ~ 20 kg/cm2 ,온도범위를 150 ~ 200 ℃로 하였으며, 외부온도는 140 ~ 200℃가 되도록 한다.
세번째(전기 가류기 3)는, 내부매체 공급은 처음부터 끝까지 동일한 압력 범위와 온도 범위를 갖는다. 즉 압력 범위를 10 ~ 20 kg/cm2 ,온도범위를 150 ~ 250 ℃가 되도록 하며, 외부온도는 140 ~ 200℃가 되도록 하였다.
상기 표에서는 매체 공급 단계를 3단계로 나누는 기준을 자세히 언급되지 않았다. 왜냐하면 일반적으로 알려진 공지사항이다. 즉, 제 1단계는 가류시작 후 전체가류시간의 15 ~ 40% 동안을 나타내며 제 2단계는 제 1단계 완료 후 실행되며 전체가류시간의 40 ~ 65% 동안을 나타내며 제 3단계는 제 2단계 완료 후 실행되며 전체가류시간의 40 ~ 65% 동안을 나타낸다.
다음은 현재 증기를 내부매체로 사용되고 있는 가류기의 매체공급 조건(단계)이다. 즉, 본 발명처럼 증기 공급 조건을 총 3단계로 나누어지며, 제 1단계는 압력 범위를 5 ~ 10 kg/cm2 ,온도범위를 150 ~ 200 ℃, 제 2단계는 압력 범위를 15 ~ 30 kg/cm2, 온도범위를 200 ~ 250 ℃, 제 3단계는 압력 범위를 5 ~ 10 kg/cm2, 온도범위를 150 ~ 200 ℃로 하였으며, 외부온도는 140 ~ 200℃가 되도록 하고 있다.
상기에서도 나타나지만 본 발명에서는 현재 사용되고 있는 가류기의 내부매체 공급방식중 단계별 온도범위를 같게 하였다. 그리고 첫번째의 경우에서는 초,중,반의 압력까지 같게 하였음을 알 수 있다.
표 2. 현용 가류기 및 전기 가류기의 내압 시스템
현용 가류기 전기가류기 1 전기 가류기 2 전기 가류기 3
내부 매체 공급 조건 제 1단계(초반) 저압: 5 ~ 10㎏/cm2 (150 ~ 200℃) 저압: 5 ~ 10㎏/cm2 (150 ~ 200℃) 중압: 10 ~ 20㎏/cm2 (150~200℃) 중압: 10~20㎏/cm2 (150~200℃)
제 2단계(중반) 고압: 15 ~ 30㎏/cm2 (200 ~ 250℃) 고압: 15 ~ 30㎏/cm2 (200 ~ 250℃) 중압: 10 ~ 20㎏(200~250℃)`
제 3단계(후반) 저압: 5 ~ 10㎏/cm2 (150 ~ 200℃) 저압: 5 ~ 10㎏/cm2 (150 ~ 200℃) 중압: 10 ~ 20㎏/cm2 (150 ~ 200℃)
외부온도 140 ~ 200℃
상기 표 2는 가류단계 중 내부매체공급단계에 해당하는 것으로, 일반적으로 매체공급이전에는 그린타이어를 삽입하는 단계를, 매체공급이후에는 내부압력을 배출하고 가류된 타이어를 인출하는 단계를 거친다.
다음은 본 발명에 따른 기술(전기 가류기) 및 현용 가류기에서 제시된 조건을 승용차용 일반규격(PC normal size)에 대해 적용시켰으며 그 결과 타이어 요소별 가류온도 및 가류도를 계산한 평가 예를 두가지 제시한다.
첫째, 다음은 본 발명 및 현용 가류기의 조건을 제시하고 그 제시된 조건에 따른 벨트부의 온도 및 S.O.C 측정결과이다. 표 3은 가류기의 조건이고 표 4 및 도 3은 가류시간에 따른 온도변화를 보여준다. 여기서 해당하는 본 발명에 따른 가류기는 상기 표2에서의 첫번째(전기 가류기 1)의 경우이다.
표 3. 가류 테스트 조건
구 분 현용 가류기 본 발명 가류기(전기 가류기 1)
내압매체 제 1단계 저압인 증기 저압 가열된 질소가스
제 2단계 고압인 증기 고압 가열된 질소가스
제 3단계 저압인 증기 저압 가열된 질소가스
가류 시간 9.0 ~ 10.0 분 9.0 ~ 10.0 분
표 4. 써모커플(온도센서) 테스트 결과
T/C POSITION 현용 가류기 전기 가류기 1
S.O.C 온도 S.O.C 온도
BELT EDGE @B.P.R 4.0 ~ 6.0 160 ~ 180℃ 4.0 ~ 6.0 160 ~ 180℃
@TOTAL 10 ~ 15 10 ~ 15
상기 표 3은 가류테스트 조건이며, 이 조건으로 했을 때 가류시간에 따른 벨트부의 온도 및 S.O.C(가류도)를 표 4 및 도 3에 나타낸 것이다. 결론부터 살펴보면, 현용 가류기 및 전기 가류기 1은 가류시간에 따른 온도의 변화 정도가 거의 비슷하다는 것을 알 수 있다.
상기 표에 나와 있는 T/C position은 포토 커플러(온도센서)의 삽입 위치를 말하며, 본 발명에서는 벨트층의 끝부분(belt edge)에 해당한다. 또한 S.O.C(가류도 : State of cure)은 가류되는 정도를 의미하며, 아레니우스(Arrhenius)식을 이용하여 시간과 온도 변화에 따라 가류도를 산출한 것이다.
상기 @B.P.R(Bag Pressure Release)은 가류가 끝나고 가류기 내부의 압력을 배출하는 시간까지의 누적 가류값을 나타낸다.
상기 S.O.C@Total은 전체 누적 가류도의 합을 의미한다. 즉 가류가 끝나고 몰드 외부로 타이어를 인출하여도 온도는 100℃이하로 식지 않기 때문에 가류는 계속 진행되며, 측정지정의 온도가 100℃이하로 식을 때까지의 시간에 따른 온도 변화를 측정하여 이를 가류도로 환산하여 total 합계를 시간 구간에 따라 누적하여 구한 것이다.
둘째, 본 발명 및 현용 가류기의 조건을 제시하고 그 제시된 조건에 따른 벨트부의 온도 및 S.O.C 측정결과이다. 표 5는 가류기에 공급되는 내부매체의 조건이고 표 4 및 도 3은 가류시간에 따른 온도변화를 보여준다. 여기서 해당하는 본 발명에 따른 가류기는 상기 표2에서의 첫번째(전기 가류기 3)의 경우이다.
표 5. 가류 테스트 조건
구 분 현용 가류기 전기 가류기 2
내압매체 제 1단계 저압인 증기 중압 가열된 질소가스
제 2단계 고압인 증기 중압 가열된 질소가스
제 3단계 저압인 증기 중압 가열된 질소가스
가류 시간 9.0 ~ 10.0 분 9.0 ~ 10.0 분
표 6. 써모커플(온도센서) 테스트 결과
T/C POSITION 현용 가류기 전기 가류기 2
S.O.C 온도 S.O.C 온도
BELT EDGE @B.P.R 4.0 ~ 6.0 160 ~ 180℃ 4.0 ~ 6.0 160 ~ 180℃
@TOTAL 10 ~ 15 10 ~ 15
상기 표 5는 가류테스트 조건이며, 이 조건으로 했을 때 가류시간에 따른 벨트부의 온도 및 S.O.C(가류도)를 표 6 및 도 4에 나타낸 것이다. 결과(표6과 도4)에 나타난 바와 같이 현용 가류기 및 전기 가류기 2는 가류시간에 따른 온도의 변화 정도가 거의 비슷하다는 것을 알수 있다.
표 7. 가류 테스트 조건
구 분 현용 가류기 전기가류기 3
가류 외온 160 ~ 180℃ 180 ~ 200℃
내압매체 제 1단계 저압인 증기 중압 가열된 질소가스
제 2단계 고압인 증기
제 3단계 저압인 증기
가류 시간 9.0 ~ 10.0 분 8.0 ~ 10.0 분
표 8. 써모커플(온도센서) 테스트 결과
T/C POSITION 현용 가류기 전기가류기 3
S.O.C 온도 S.O.C 온도
BELT EDGE @B.P.R 4.0 ~ 8.0 160 ~ 180℃ 4.0 ~ 8.0 160 ~ 180℃
@TOTAL 10 ~ 25 10 ~ 25
상기 표 7는 가류테스트 조건이며, 이 조건으로 했을 때 가류시간에 따른 벨트부의 온도 및 S.O.C(가류도)를 표 8 및 도 5에 나타낸 것이다. 결과(표 8과 도5)에 나타난 바와 같이 현용 가류기 및 전기 가류기 3은 가류시간에 따른 온도의 변화 정도가 거의 비슷하다는 것을 알수 있다.
다음은 시험 가류시 적용된 규격의 현용과 시험용 내구력 시험 데이터이다.
표9. 내구력 시험 결과
현용 가류기 전기 가류기
내부매체 증기 가류기 1, 2 가류기 3
내구력 결과 2시간 25분 2시간 30분 2시간 50분
상기 표 9에 나타난 바와 같이 본 발명에 따른 질소가스를 내부매체로 하는 전기 가류기가 현용 가류기 보다 내구력이 우수함을 알 수 있다.
상기와 같이 전기 가류기용 내부 가열매체 공급조건을 개발함으로써 향후 기술기반 구축을 하며 압력조건 개선을 통한 공정성 개선 및 가류 중 최적 압력을 적용함으로써 완제품 품질(내구성 등)이 개선된다. 그리고 향후 적용하게 될 고온가류 또는 외온(외부온도) 상승용 가류 단계를 선개발/ 평가함으로써 가류시간 단축 등을 통한 생산성 향상 또는 원가절감의 기반을 조성되며, 또한 내부매체로 사용된 질소가스를 회수/재사용함으로써 에너지 절감효과를 가져온다.
도 1은 타이어 가류용 몰드 및 몰드 내 안착된 타이어의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 가류매체배관 개략도이다.
도 3은 표 3에 제시된 가류조건에 따른 현용 가류기 및 전기 가류기 1의 시험예인 가류시간에 따른 온도 변화정도를 그래프로 나타낸 도면이다.
도 4는 표 5에 제시된 가류조건에 따른 현용 가류기 및 전기 가류기 2의 시험예인 가류시간에 따른 온도 변화정도를 그래프로 나타낸 도면이다.
도 5는 표 7에 제시된 가류조건에 따른 현용 가류기 및 전기 가류기 3의 시험예인 가류시간에 따른 온도 변화정도를 그래프로 나타낸 도면이다.
****도면의 주요부분에 대한 부호의 설명****
10 : 블래더 20 : 타이어
30 : 챔버 40 : 몰드
100 : 가스전열장치 200 : 전기 가류기
300 : 회수장치 400 : 조절밸브

Claims (4)

  1. 삭제
  2. 내부매체로 압력범위가 5 ~ 30 kg/cm2 이고, 온도범위가 150 ~ 250 ℃인 질소가스를 사용하고, 금형의 온도가 140 ~ 200℃인 전기 가류기에 있어서,
    내부매체의 가류조건은 압력범위가 5 ~ 10 kg/cm2 이며, 온도범위가 150 ~ 200℃인 단계; 압력범위가 15 ~ 30kg/cm2, 온도범위가 200 ~ 250℃인 단계; 압력범위가 5 ~ 10kg/cm2, 온도범위가 150 ~ 200℃인 단계를 포함함을 특징으로 하는 전기 가류기
  3. 내부매체로 압력범위가 5 ~ 30 kg/cm2 이고, 온도범위가 150 ~ 250 ℃인 질소가스를 사용하고, 금형의 온도가 140 ~ 200℃인 전기 가류기에 있어서,
    내부매체의 가류조건은 압력이 10 ~ 20 kg/cm2 , 온도가 150 ~ 200℃인 단계; 압력이 10 ~ 20kg/cm2, 온도는 200 ~ 250℃인 단계; 압력이 10 ~ 20kg/cm2, 온도는 150 ~ 200℃인 단계를 포함함을 특징으로 하는 전기 가류기
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