KR100545515B1 - 점도 제어를 통한 발포 압출 장치 및 방법 - Google Patents

점도 제어를 통한 발포 압출 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

밀폐가능한 챔버 내에서 다이(37)를 통해 발포성 압출물을 압출하기 위하여, 단일(30) 또는 직렬 압출기(102, 103) 및 혼합-냉각기(104)를 이용하는 압출 시스템이 개시된다. 발포성 압출물은 챔버 내부에서 성형 및 교정된다. 상기 제품은 상기 챔버를 이탈하여 워터 배플 침지 시일에 있는 수중 오리피스를 통하여 연속적으로 대기로 배출된다. 상기 시일에는 수중 오리피스가 포함되고, 이 오리피스의 상류측에 자유로운 바퀴 안내 시스템이 구비된다. 상기 안내 시스템의 바로 앞에서, 발포 압출물의 파라미터들이 감지되어 연속적으로 상기 오리피스의 모양을 제어한다. 상기 압출물이 워터 배플 시일로 들어가기 전에, 상기 압출물은 진공 벨트와 같은 흔들리는 댄서 롤러(65)위로 이동하며, 이 댄서 롤러의 위치는 상기 시스템의 말단부에서 인장 장치를 제어한다. 이로 인해 압출물에 가해지는 밀기가 제거된다.
발포 압출 장치

Description

점도 제어를 통한 발포 압출 장치 및 방법{FOAM EXTRUSION APPARATUS AND METHOD WITH VISCOSITY CONTROLS}
본 발명은 일반적으로 점도 제어를 통한 발포 압출 장치 및 방법에 관한 것이며, 더 상세하게는 고품질 및 저밀도의 발포 보드(foam board)를 경제적인 처리량으로 형성하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
미국 오하이오주 톨레도(Toledo)에 소재하는 '오웬스 코닝'에 의해 등록 상표로 공지되어 있는 컬러 PINK
Figure 112003046052666-pct00024
및 FOAMULAR
Figure 112003046052666-pct00025
로서 시판되고 있는 고품질 저밀도의 폴리스티렌 발포 보드에 대한 진공 압출은, 경사 기압 레그(barometric leg) 진공 압출 라인에서 이루어지고 있다. 이러한 시스템에서 진공 챔버는 다소 기울어져 있다. 다이는 성형 또는 교정 장비와 함께 상단부에 위치된다. 하단부에서, 진공 챔버는 후드 연장부에 의해 폐쇄되며 수조(water pond)에 잠긴다. 수조는 진공 챔버의 하단부를 밀폐시키며, 압출물이 진공 챔버를 떠날 때 이 압출물을 위한 침지 냉각 욕조를 제공한다. 부유성 압출물은 큰 곡률 반경으로 수조를 통과하는 연속 이동 벨트 밑에서 지지될 수 있다. 압출물이 대기중에 노출되면, 추가로 절단 및 가공된다. 특히, 이러한 설비는 비싸며, 진공 챔버의 상단부가 하단부로부터 수 미터 이상 상당히 멀리 떨어져 있기 때문에 많은 작동상의 문제를 갖고 있다. 비교적 복잡한 모든 성형 및 교정 장비가 위치해 있는 경사형 진공 챔버의 상단부에, 임의의 물체가 떨어지게 되면, 이 물체는 수미터 떨어진 하부 수조에서 건져지게 될 것이다.
미국특허 제 4,783,291 호에는, 워터 배플 시일(water baffle seal)로 진공 챔버의 출구 단부를 밀폐하는 수평 진공 챔버 시스템이 채용되고 있다. 압출물은, 침지 냉각 수조의 대기압 부분과 진공 부분을 연결하는 수중 오리피스를 통해 배출된다. 압출물은 굴곡 벨트 컨베이어에 의해 오리피스를 통해 이송되며, 오리피스의 상부는, 진공 레벨에 따라 오리피스를 교축시키는 가동 셔터를 갖는다. 이 셔터는 수조의 저수위 대기압 부분으로부터 수조의 고수위 진공 부분으로 이동하는 물의 총유량 제어 밸브로서 작용한다. 진공 작동중에, 진공 챔버 내부의 수조의 수위는 과잉의 물을 대기압 부분으로 순환시킴으로써 유지된다.
크고 복잡한 압출물의 경우에, 비교적 복잡하고 동력구동되며 또한 조절가능한 장비가 다이의 하류에 필요하다. 다이 립(die lip)이 굴곡된 팬형 다이(fan shape die)에 대해서는, 상기 장비는 이 다이를 실질적으로 둘러쌀 수 있다. 이러한 전형적인 장비는, 상부 및 하부 동력구동식 디스크 세트 또는 조립체를 포함하는 "슬린키(slinky)" 로서 공지된 장비이고, 상기 디스크는 다이 립의 팬형의 곡률과 동일한 중심으로부터 서로 다른 반경으로 신장하는 아치형 축에 회전가능하게 장착되어 있다. 이러한 모든 성형 및 교정 장비는 복잡하며, 특히 시동시에는 이 장비에 접근하여 조작해야 한다.
진공하에서 이동하는 발포성의 고온 압출물은 비결정질이며, 또한 워터 배플 시일의 냉각침지 수조를 통과하여 대기중에 노출될 때까지는 실질적으로 고정되지 않는다. 성형 또는 교정 장비가 적절히 기능하지 않게 되면, 비결정질 압출물은 비정상적으로 기계라인을 벗어나거나 팽창될 수 있다. 시동시 이러한 일이 자주 발생하면, 라인이 정지되는 것을 피하기 위한 즉각적인 조치를 취해야 한다. 라인이 상당 시간 동안 정지되면, 라인을 재가동하기 전에 장비를 제거하여 교체하거나 또는 철저히 세척하여야 한다. 가동 중지시간 대 작동시간, 및 속도는 어떠한 제조설비에 있어서도 경제성의 지표가 된다. 따라서, 장비에 신속히 접근할 수 있는 것과, 또한 압출물이 불규칙적이거나 과도한 힘에 의해 밀려남이 없이 시스템을 통해 인출되는 것이 중요하다. 또한, 수중출구 오리피스를 폭과 두께가 변할 수 있는 압출물의 크기에 잘 일치시키는 것도 중요하다. 구멍이 너무 크면 효율적이지 못하며, 반대로 너무 작으면 장애(hang-up), 이탈, 분리 등의 문제가 발생할 수 있다.
공지의 단열 보드와 같은 발포 보드의 압출 제조에 있어서, 두께가 10 내지 12 cm(3.94 내지 4.72 in)이며 폭이 1m 이상에 이를 정도로 그 크기와 두께가 크다. 이러한 보드의 단면적은 약 1000cm2(155 in2) 이상이 될 수 있다. 이러한 보드를 경제적으로, 예컨대 약 450 kg/hour(1000.0 lb/hour) 내지 약 1360 kg/hour(3000.0 lb/hour)의 속도로 제조하기 위해서는, 시스템이 상당한 처리량을 지녀야 하며 또한 용해물의 균일성을 확보해야 한다. 저밀도의 80cm2(12.4 in2) 이상, 바람직하게는 약 200cm2(31 in2) 내지 약 1000cm2(155 in2) 이상의 단면적을 갖는 대형 제품을 위한 적절히 균일한 기포(cell) 크기 및 구조를 얻기 위해서는, 적당히 균일한 용해물을 성형해야 한다.
용해물은 열과 고압하에서 압출기에 의해 펠릿(pellet)과 재생 스크랩 및 기타 첨가물로부터 형성된다. 기타 첨가물로는, 내화재 및 자외선(UV) 억제제 등이 있다. 발포제(blowing agent)도 첨가되는데, 이 발포제는 가압 상태의 용해물에서는 팽창하지 않지만 용해물이 다이를 나와 진공 챔버속으로 진입할 때 팽창한다. 진공은 압력차를 증가시키고, 팽창을 촉진시키며, 저밀도의 발포체를 얻을 수 있게 한다.
공지된 바와 같이, 용해물은 융해물의 완전한 혼합 및 형성을 위해 소정의 상승된 온도를 이루어야 하지만, 특히 저밀도 진공 발포 시스템에서 균일한 품질의 발포 제품을 얻기 위해서는 균일한 임계 점도 범위를 이루어야 한다. 특별한 점도 범위는 제품의 크기와 밀도에 좌우된다. 대형 제품에 대해서는 높은 점도가 필요하다. 제품이 충분한 점도를 갖지 않거나 유동성이 너무 크면, 기포는 발포중에 파열 또는 붕괴될 것이다. 용해물의 점도가 너무 크면, 균질한 기포 성장이 어렵게 된다. 기포는 대기압 시스템에서 붕괴될 수 있지만, 진공 발포 시스템에서는 완전 또는 기준 이하의 기포 붕괴 등의 문제가 더 발생할 수 있다. 진공 발포 시스템은 일반적인 대기압 발포 시스템과는 다르다. 다이 립에서 큰 압력 강하가 있을 뿐만 아니라, 특히 침지 시일로부터 나올 때 대기압으로의 전환 때문에 제품을 실제로 왜곡시키거나 수축시키는 기포 붕괴 또는 비균일성이 발생하여, 불규칙성이나 밀도 구배 및 품질 저하가 일어나게 된다. 진공발포시에는, 적절한 점도를 유지함은 물론, 용해물 전체에 걸쳐서 균일성이 유지되어야 한다. 점도는 용해물의 온도를 제어함으로써 부분적으로 제어된다.
이러한 목적으로 채용되는 대다수의 열 교환기는 여러 가지 문제를 갖고 있다. 그 중 하나는 복잡하고 비싸다는 것이다. 다른 문제로는 효과 및 효율성에 관한 것이 있다. 중합체 용해물을 고압, 고온에서 엘보우(elbow) 또는 직각 회전(right angle turn), 또는 확산 유동로를 통해 이동시키는 것은 에너지면에서 비효율적이며 관련 비용을 상당히 증가시킨다. 더욱이, 오목부(nich) 또는 잠재적인 사공간(dead space)을 회피하거나 최소화해야 한다. 이러한 사공간은 용해물의 균질성을 저하시키며 더욱 빈번한 세척 및 이를 위한 작업 중지를 야기한다. 이러한 사공간은 매우 비효율적이다. 복잡한 형태의 열 교환기로는 예컨대, 미국특허 제 4,423,767 호에 개시되어 있는 것이 있다.
용해물의 유동로는 가능한 한 기계 축선에 근접하거나 그와 정렬되어야 하며, 열 교환기도 가능한 한 소형이어야 한다. 용해물이 너무 먼 거리를 이동해야 하면, 열 교환기에 의해 얻어진 열적 균질성 또는 점도의 균질성이 상실되기 때문에, 압출기와 다이 사이의 거리가 지나치게 큰 것은 좋지 않다. 우수한 저밀도 발포체를 얻기 위해 다이가 진공 챔버 내부에 있고, 또한 조절이나 열팽창 또는 기타 부차적인 운동이 필요한 경우에는 문제가 더 복잡해 진다.
용해물의 균질성을 확보하기 위해 정적 혼합기를 사용하여 왔지만, 이러한 혼합기는, 전술한 바와 같은 많은 처리량에 필요하고 진공 압출의 압력 변화를 받는 양질의 발포 제품의 제조에 필요한 용량이나 효율을 갖고 있지 않다.
압출 처리량 및 제품의 품질 모두를 만족시키기 위해서는, 용해물의 온도와 점도를 정확하게 제어할 수 있고 다이에 대한 열적 균질성을 유지할 수 있는 혼합기를 사용하는 것이 중요하다. 이렇게 해야만, 발포체내에서 밀도 구배를 감소시키면서 진공하에서 형성되는 고품질의 저밀도 발포체를 수득할 수 있다. 그 이유는, 밀도 구배로 인하여, 특히 보드가 진공 챔버로부터 대기중으로 유출되어 대기압을 받게 될 때 기포 또는 보드의 붕괴가 일어나기 때문이다. 상이한 단면(비교적 얇은 것으로부터 두꺼운 것까지) 및 밀도를 갖는 다양한 제품의 품질을 향상시키기 위해서는, 열 교환기가 용해물의 온도를 매우 정확하게 제어할 수 있어야 하며, 또한 처리량이 변하는 모든 경우, 또한 대형 압출물을 높은 처리량으로 제조하는 가장 난해한 경우에도 온도의 균질성을 유지해야 한다.
수평 진공 압출 라인은, 고온의 가소성 용해물을 형성하는 1축 또는 2축 압출기로 이루어진 압출기를 하나 이상 구비한다. 상기 용해물은 내화제, 윤활제, 자외선(UV) 억제제 및 발포제 등의 여러 첨가물을 함유할 수 있다. 제품이 1000 cm2(155 in2) 이상과 같은 상당한 크기를 갖는 발포 보드인 경우에는, 다이를 떠나기 전에 용해물은 균일한 임계 점도 범위 내에 있어야 한다. 다이가 밀폐된 진공 챔버 내부에 있고 또한 제품이 단열에 사용되는 저밀도 발포 보드인 경우에는 특히 그러하다. 이러한 균일한 점도를 얻기 위하여, 고온의 용해물이 고용량의 혼합-냉각기를 통과하는데, 이 혼합-냉각기는 좁은 범위(이 범위는 제조되는 발포 보드의 크기 및 밀도에 좌우됨) 내의 바람직한 균질 점도를 얻도록 용해물 균일성에 용해물 온도를 맞춘다.
고온의 용해물은 기계 축선 또는 라인 축선상에 있는 압출기를 떠나게 되며, 혼합-냉각기는 압출기의 바로 하류에서 이 축선상에 위치한다. 혼합-냉각기는 상류 및 하류관 시트를 갖춘 축선 방향으로 비교적 짧은 압력 용기이며, 상기 상류와 하류관 시트 사이에는 비교적 작은 혼합관들이 밀집하여 연장한다. 각 혼합관은, 용해물을 회전 및 혼합시키기 위해 축선 방향으로 연속적으로 배열된 일련의 편향 블레이드를 개별 정적 혼합기로서 포함할 수 있다. 각 관 시트에는 헤드가 연결되어 있으며, 이 헤드는 다수의 작은 혼합관 다발의 입구 및 출구 단부 위에 놓이는 큰 플레어(flaring) 원추형의 챔버를 갖고 있다. 상기 헤드는, 용해물에 나쁜 영향을 주는 상당한 사공간을 발생시키는 엘보우, 노치, 오목부 또는 코너부가 없는 확대 또는 축소 유동로를 제공한다. 입구 헤드는 기계 축선상에 입구를 가지며, 이 입구는 반대쪽 또는 하류쪽 헤드 내의 출구와 축선 방향으로 정렬된다. 출구는 입구보다 다소 작기 때문에 역압을 발생시킨다. 입구와 출구의 연결은 표준 ANSI 고압 플랜지 연결에 의해 이루어질 수 있다. 혼합관의 다발은 기계 축선에 대해 실질적으로 대칭이며, 각 관은 기계 축선에 평행하다. 유닛의 전체적인 직경은 축선 방향 길이보다 약간 작다. 이 유닛은 매우 소형이며 라인에 쉽게 탈착될 수 있다.
다발내의 많은 관(예컨대, 필요한 처리량에 따라 약 50 내지 300 개)은 용해물 유동로의 단면적을 실질적으로 증가시키게 되며, 이로 인해, 혼합관 다발을 통과하는 용해물의 유동이 느려진다. 비율은 2 : 1 보다 훨씬 크며, 큰 부피에 있어서는, 더 큰 직경의 입구만을 고려한 경우라도 상기 비는 20 : 1 을 초과할 수 있다.
각각의 혼합관을 통과하는 용해물은 혼합-냉각기내로 유입되거나 그를 떠나는 용해물보다 실질적으로 느리게 이동한다. 냉각 매체는 압력 용기의 셸(shell)을 통해 순환된다. 각 관은 순환 매체에 완전히 잠긴다. 일련의 배플이 동체내에 제공되어 있어, 냉각제는 용기의 셸을 떠나기 전에 대부분의 관을 수 차례 지나게 된다. 상당한 양의 냉각제는 열을 추출하는 열 교환기를 통과한다. 추출되는 열의 양은 엄밀하게 제어되어, 혼합-냉각기를 통과하는 용해물의 온도는 약 _1℉(_약 0.5℃) 내로 설정될 수 있다.
혼합-냉각기는 짧은 겔관(gel tube)에 의해 압출기 출구에 연결되며, 또한 약간 긴 겔관에 의해서는 다이에 연결된다. 혼합-냉각기로부터 다이까지 이르는 상기 긴 겔관은 정적 혼합기와 결합하는데, 이 혼합기는 층류 유동에 의해 생기는 어떠한 잔류 단열막도 파괴시켜 용해물의 균질성을 유지시킨다. 상류 겔관도 정적 혼합기의 핀(fin) 및 블레이드와 결합할 수 있다. 그러나, 이 상류 겔관은 시스템의 처리량에 따라 제거될 수도 있다.
상기 다이는 밀폐가능한 진공 챔버 내부에 위치하며, 길고 작은 겔관은 상당한 크기 또는 직경을 갖는 고정 격벽을 통해 대기로부터 진공 챔버속으로 연장한다. 이 다이는 상기 격벽의 중심에 근접하거나 그 중심에 배치되며, 또한 격벽 밖에서는 가동 캐리지에 의해 지지된다.
다이, 겔관 및 혼합-냉각기는 이러한 다이 캐리지상에 장착되며, 또한 의도적인 교체 또는 조정을 위하여, 그리고 열 또는 압력의 팽창 또는 축소에 기인한 이동을 위하여, 압출기 역시 라인의 축선방향 운동을 위해 지지된 개별 캐리지 상에 놓인다. 캐리지들은 서로 연결되어 있다. 압출기 캐리지와 바닥 사이에는 유압 액츄에이터 또는 횡단 조립체가 제공되어 있다. 액츄에이터는 그 직경이 비교적 작지만, 약 370 cm(145.67 in) 내지 450 cm(177.17 in)의 상당한 이동거리를 제공한다. 성형 또는 교정 기구에 대하여 진공 챔버내에서의 조절을 위해 다이를 축선방향으로 이동시키기 위하여, 예컨대 크지만 짧은 액츄에이터가 혼합-냉각기, 겔관 및 다이를 지지하는 다이 캐리지와 고정 격벽 사이에 제공된다 약간 짧은 상기 유압 실린더는 약 5 cm(1.97 in)의 운동을 할 수 있다. 두 실린더 액츄에이터는, 열 또는 압력 팽창시에 일어나는 운동을 미세하게 허용하는 중립 위치를 갖는 밸브를 포함할 수 있다.
혼합-냉각기는 상당한 처리 용량을 갖지만 매우 소형이어서, 직경이 수미터에 이르는 고정 격벽의 크기 때문에 비록 부분적이기는 하지만, 바닥으로부터 상당히 이격되어 지지된다. 혼합-냉각기를 위한 가동 다이 캐리지는 기계 축선 또는 라인 축선상에서의 축방향 운동을 위해, 하류 겔관 및 다이를 외팔보 식으로 지지한다.
전술한 "슬린키" 다이 성형 기구와 같은 성형 기구가 기계 축선에 대해 고정되는 경우, 조정은 다이의 축선방향 운동에 의해 이루어지게 된다. 다이가 "진공 압출 장치 및 방법"이라는 명칭으로 1996년 8월 14일자로 출원된 출원번호 제 08/696,718 호에서 개시된 바와 같은 성형 기구에 조정가능하게 부착되는 경우에는, 다이의 축선방향 운동은 주로 조합 조정이나 열 또는 압력에 기인한 운동을 위한 것이다.
밀폐가능한 진공 챔버는 대형 가동부를 하나 이상 포함하는데, 이 가동부는 다이가 통과하는 고정 격벽과 하류 격벽 사이에서 연장하는 비임 또는 트러스를 둘러싼다. 성형 및 교정 장비는 라인의 축선방향으로 이동하기 위해 상기 비임 또는 트러스에 장착된다. 상기 가동부에 의해, 시동시에 특히 중요한 적절한 공간 또는 환경을 확보하면서 상기 성형 및 교정 장비에 신속하게 접근할 수 있다. 신축식 가동부는 팽창성 시일 및 급속작동 토글 클램프에 의해 상류 고정 격벽과 서로에 대해, 또는 고정부에 대해 신속히 밀폐된다.
성형 및 교정 장비는 발포 압출물의 성형 및 팽창을 제어하며, 또한 그 길이는 상당히 길 수 있다. 압출물이 이러한 장비를 떠나 진공하에서 충분한 팽창을 받은 후에는, 기계축선 바로 밑에 있는 에지를 갖는 댐 위를 지나고, 발포 압출물은 하향 편향되어 침지 수조 내로 들어간다. 이 수조는 내측부와 대기압부를 가지며, 또한 워터 배플 시일로서 작용함으로써 발포 압출물이 연속으로 진공 챔버를 빠져나가게 한다. 압출물이 하향 편향되기 직전에 댄서 롤러(dancer roll) 위를 지나게 되는데, 이 댄서 롤러는 물저장부쪽으로의 압출물의 하향 편향이 과도하게 이루어지지 않도록 압출물을 인접 지지부로부터 들어올린다. 이 댄서 롤러는 상당히 크며 압출물의 저면을 완전히 가로질러 연장한다. 댄서 롤러는 아암 프레임에 지지되며, 이 프레임은 댄서 롤러의 상류 또는 하류에서 압출물의 밑에서 오프셋되어 선회한다. 아암 프레임 피봇(pivot)은 댐의 상류 측 또는 댐 자체에 있는 챔버의 내부 프레임부 또는 격벽에 설치될 수 있다. 피봇의 인코더(encoder)는 아암 프레임과 댄서 롤러의 각위치를 측정한다. 아암 프레임은 저압의 공압 피스톤-실린더 조립체에 의해 지지되어, 댄서 롤러가 압출물의 바닥에 대해 부유한다. 물론, 상기 인코더는 아암과 댄서 롤러의 위치를 측정하는 것이며, 또한 주어진 상향 압력에서 압출물의 편향도 측정한다. 결국, 상류에서 이루어지는 성형 및 교정 단계와 하류의 견인 장치 사이에서 쳄버 내의 압출물에 작용하는 장력을 아날로그 제어한다.
간접적으로 측정된 장력은 어느 정도 떨어져서 라인의 말단부에 위치하는 인장 장치(haul-off)의 견인 작용을 제어하는데 사용된다. 바람직한 견인 장치는 진공 벨트 인장 장치이다. 압출물에 너무 큰 장력이 가해지면, 성형 및 교정 장비에서 또는 이 장비의 바로 하류에서 압출물이 끊어지게 된다. 장력이 너무 작으면, 압출물이 스스로 밀려, 편위 또는 편향이 일어나게 되고 제품의 자연적인 성장과 균일 기포 구조에 나쁜 영향을 주게 된다. 어느 경우든 라인을 정지시켜서, 챔버를 개방시킨 다음 필요한 교정 또는 조정을 행하고 시스템을 재가동시켜야 한다.
압출물에 적절한 장력을 유지시켜야 하는 다른 이유는 수중 구멍 또는 오리피스 때문이며, 압출물은 상기 오리피스를 통해 워터 배플 시일을 지나 침지 수조의 진공 챔버부로부터 이 수조의 저수위 대기압부로 이동한다. 진공 상태의 챔버는 대기압부로부터 진공 챔버내로 물을 순환 펌프에 의해 강제로 흡입하기 때문에, 압출물과 오리피스 에지 사이의 틈은 작고 균일해야 한다. 그렇지 않으면, 에너지의 비효율, 컨트롤 서어지(control surge) 및 이에 수반하는 제어문제가 발생한다. 상기 틈이 너무 작으면, 압출물은 저항을 받거나 정해진 경로를 이탈한다. 압출물이 계속 성장한다는 점이 문제를 복잡하게 만든다. 비록 압출물이 일차적으로 "보드" 형태를 갖추었지만, 압출물은 축선방향, 폭방향 및 두께방향으로 좀더 성장할 수 있다.
오리피스를 통과하는 압출물의 운동을 원활하게 하기 위해, 안내 시스템이 오리피스의 바로 상류에 제공된다. 이 안내 시스템은 돌출 후드에 제공되며, 오리피스는 하부의 얕은 부위에 제공된다.
오리피스에서 안내 시스템은 조밀한 상부 및 하부 안내롤러 세트를 구비한다. 각 롤러 세트는 동력구동되는 큰 직경의 단부 롤러를 포함하며, 일련의 밀집한 작은 아이들러 롤러는 두 개의 큰 단부 롤러의 내부를 연결하는 접선에 접해 있다. 큰 롤러는 시동시 또는 쓰레딩(threading) 시에만 구동되며, 시스템이 작동 중일 때는 모든 롤러들은 회전하지 않는다. 큰 롤러는 우레탄 또는 고무 피복재를 가질 수 있다.
발포 보드가 부유하기 때문에, 상부의 안내롤러 세트는 오리피스의 고정된 상부 수평 에지를 겨냥해 있다. 하부 롤러 세트는 상부 롤러 세트를 향해 또한 그로부터 멀어지는 방향으로 움직일 수 있으며, 오리피스를 위한 바닥 셔터 또는 게이트는 하부 롤러 세트의 하류 단부에 장착된다. 따라서, 하부 오리피스 에지 셔터 및 조밀한 바닥 롤러 세트는 일체식으로 움직인다.
고정 플래튼(platen) 또는 플레이트가 상부 롤러 세트의 바로 상류에 제공되며, 보드 압출물이 상기 플레이트 아래에서 활주한다. 플래튼 반대쪽에 있는 압출물의 하측에는 두께 감지 롤러가 있으며, 이 롤러는 선회식 아암 프레임의 한 쌍의 아암의 말단부 사이에서 연장되어 있다. 상기 플래튼은 언더슬렁(underslung) 두께측정 롤러에 대한 기준면 또는 백스톱(back stop)이 되고, 이 롤러는 저압의 공압 실린더 또는 액츄에이터 조립체에 의해 보드 압출물의 바닥에 대하여 유지된다. 두께 또는 y-치수측정 롤러는 아암 프레임 피봇이 물 위에 있을 때 수중의 제품을 횡방향으로 가로지른다. 피봇에 있는 회전식 인코더는 롤러의 위치를 감지하며 제품 두께를 아날로그 측정한다. 발생된 신호는 PID(Proportion Integral Derivative) 운동 제어기를 작동시키며, 이 제어기는 y-치수에서의 제품의 공지된 성장속도를 위한 조정가능한 보상 팩터를 포함할 수 있다. 상기 PID 제어기는 수면 위에 있는 모터를 작동시키며, 이 모터는 수직으로 움직이거나 또는 바닥 셔터의 위치는 물론, 셔터의 상부 에지와 항상 정렬되어 있는 조밀한 안내롤러의 바닥 세트의 위치도 제어한다.
폭 또는 x-치수는 수직 롤링 축을 갖는 두 개의 에지 롤러에 의해 감지되며, 이 에지 롤러는, 수면 위의 격벽 상의 수직 축선에서 선회하는 스윙 아암의 말단부에 장착된다. 각각의 공압 실린더 조립체에 의해 각각의 에지 롤러가 가압되어 압출물의 각 에지와 접촉한다. 각 아암 피봇에 있는 회전식 인코더는 제품의 에지의 위치를 감지하는 롤러의 위치를 감지한다. 이에 따라 제품의 폭 또는 x-치수가 측정된다. 이러한 정보는 오리피스를 위한 횡방향 또는 에지 게이트를 작동시키는 각각의 PID 운동 제어기에 전달된다.
수직의 내측 에지를 갖고 있는 각 에지 게이트는 경사진 평행 트랙에 장착된 다. 이 경사는 약 30° 내지 45°이며, 게이트는 끼워맞춤되기 위해 각형을 취한다. 그리고, 이는 게이트를 위한 작동 드라이브를 물 밖의 상승 위치에 위치시킨다. 각 게이트는 후드로부터 뻗은 경사진 브라켓에 있는 모터에 의해 작동된다. 예컨대, 회전식 스크류 드라이브가 수중 게이트에 연결된 로드를 왕복운동시키며, 이 로드는 상기 트랙에 평행하게 뻗어 있다. 에지 롤러는 또한 합계 계산을 통해 제품의 중심선을 감지할 수 있다. 중심선이 공차 밖에 있으면 보정 조치가 취해지지만, 일반적으로는 연속 제어에 대한 작용에 영향을 주지 않는다.
압출물이 오리피스를 통과하면, 이 압출물은 여전히 완전히 잠겨있는 수조의 저수위 대기압부 내로 들어가게 된다. 저수위 수조는 라인의 축선방향으로 어느 정도의 거리만큼 뻗어 있을 수 있다. 발포 제품은 곡률중심이 충분히 제품 위에 위치하면서 큰 반경의 원호 상에 배열된 제품 위의 일련의 아이들러 롤러에 의해 수중에서 유지된다. 부력에 의해 제품은 제어된 점진적인 양태로 물 밖으로 위로 편향되며, 거기서 아이들러 롤러의 상면에서 지지된다. 제품은 분출부(blow-off)를 통과하며, 이 분출부에서 잉여의 수분이 자동차 세차 시에서와 같이 제거된다. 라인의 말단부에 있는 제품은 진공 테이블 또는 압출물을 잡아끌게 되는 견인 스탠드 트랙터 인장 장치를 통과한다. 견인 스탠드 뒤에서 압출물 또는 보드는 다듬질(trimming)되거나, 적당한 길이로 절단되거나, 또는 기타 가공될 수 있다.
견인 스탠드로는, 진공 챔버를 가로질러 움직이는 동력구동식 다공성 또는 개방형 벨트를 갖는 진공 테이블 또는 견인장치가 바람직하다. 진공에 의해 압출물은 벨트에 유지되며, 벨트의 선속도는 모터 드라이브에 의해 부여되며 댄서 롤러 제어기 및 댄서 롤러의 각위치에 의해 제어된다. 테이블 또는 견인 스탠드에서의 진공 레벨은 적절한 진공 또는 파지력을 얻을 수 있도록 제어될 수 있으며, 견인력의 크기는 댄서 롤러 및 제어기에 의해 제어된다.
이에 따라, 발포 제품은 진공 챔버 내의 성형 및 교정 장비와 대기압 하에 있는 말단부의 견인 스탠드 사이의 어떤 지점에서도 연속작업 동안에 밀려나지 않는다. 이에 따라, 다양한 크기의 고품질 발포 제품이 경제적이고 효율적으로 얻어지게 된다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 청구범위, 본 발명의 실시예를 나타내는 하기의 상세한 설명, 및 관련도면에 특별히 제시된 특징을 포함하지만, 이는 본 발명의 원리를 채용하는 다양한 방법 중의 단지 일부일 뿐이다.
도 1a 및 도 1b는 서로 연속되는 것이지만 일부가 생략된, 본 발명에 따른 진공압출 라인을 개략적으로 나타낸 측면도이다.
도 2는 다른 종류의 성형 기구를 갖는 1차 및 2차 압출기를 이용한 개방 상태의 진공 챔버 시스템을 다소 확대하여 나타낸 측면도이다.
도 3은 단일 압출기와 폐쇄 상태의 챔버를 갖는 진공 압출 라인의 측면도이다.
도 4는 워터 배플 시일속으로 진입하는 변형된 컨베이어와 댄서 롤러를 갖는 유사 진공 압출 라인의 측면도이다.
도 5는 본 발명에 사용될 수 있는 2축 압출기의 횡단면도이다.
도 6은 "슬린키" 성형 기구 및 고정 격벽과 다이에 대한 그 위치를 도시하는 부분 확대도이다.
도 7은 압출기 횡단 기구의 부분 확대도이다.
도 8은 다이 캐리지와 고정 격벽 사이에서 연장하는 다이 조정 기구의 부분 확대도이다.
도 9는 개방된 상태의 챔버 잠금 기구를 도시한 부분 측면도이다.
도 10은 잠금 폐쇄된 챔버 토글을 도시한 반경 방향 측면도이다.
도 11은 잠금 폐쇄시 챔버를 밀폐하는 환상 시일의 확대 단면도이다.
도 12는 압출물에 가해진 견인력을 또는 인장력을 제어하는데 사용되는 댄서 롤러 조립체의 부분 확대도이다.
도 13은 다이 캐리지 상에 장착된 혼합-냉각기 및 다이 지지용 겔관의 부분 확대도이다.
도 14는 도 13의 좌측에서 관찰한 혼합-냉각기의 측면도이다.
도 15는 냉각제의 유동과 온도의 제어를 도시한 혼합-냉각기의 개략도이다.
도 16은 워터 배플 시일의 수중 오리피스 및 후드의 부분 평면도이다.
도 17은 오리피스의 상류의 조밀한 안내 롤러를 도시한 후드 및 오리피스의 부분 측면도이다.
도 18은 측면 게이트 및 액츄에이터를 도시한 후드 및 오리피스의 단면도이다.
도 19는 오리피스의 바닥 및 측면 에지를 제어하는 오리피스에서의 센서 롤러 및 진공 테이블 견인기를 제어하는 댄서 롤러의 작동을 도시한 개략도이다.
도 20은 오리피스의 각 측면 또는 측면 에지를 제어하는 에지 감지 롤러를 도시한 도 19에 연속하는 개략도이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 압출기(30)를 갖는 상류 단부에서 압출 라인 또는 압출 시스템이 시작된다. 이 압출기는 스탠드(31)에 장착되며 또한 호퍼(32)를 포함하는데, 이 호퍼에 의해 원료가 압출기 배럴(33)에 공급되고 열과 압력을 받아 발포성 중합체 용해물이 형성된다.
상기 압출기의 연장부(35)는 큰 직경의 고정 격벽(36)을 관통하여 돌출한다. 다이(37)는 진공 챔버(40)내에서 상기 압출기의 연장부의 단부에 장착되어 있다. 고정 격벽(36)은 진공 챔버(40)의 상류 단부 또는 입구 단부를 형성한다. 하류 단부는 고정 격벽(42)에 의해 형성되며 이 고정 격벽에는 워터 배플 시일(44)이 제공된다. 상기 시일은 제품이 연속적으로 진공 챔버를 빠져나가게 한다.
도 1a에서, 상기 진공 챔버는 가동부(46)를 포함하며, 이 가동부는 고정부(47)의 상류 단부 위에서 신축적으로 이동할 수 있다. 고정부는 바닥(49)에 있는 지주(48)에 장착되어 있고, 가동부는 레일(51)상의 롤러(50)에 장착되어 있다. 상기 가동부는 모터(52)에 의해 차고 문짝처럼 움직일 수 있다.
진공 챔버의 상류 단부에는 성형 및 교정 장비가 배치되어 있는데, 이 장비는 성형기(54) 및 교정 장비(55, 56)를 갖고 있다. 도 1a에 도시된 특별한 장비는 이탈리아 투리노(Turino)에 소재하는 'LMP IMPIANTI'에 의해 제조된 장비이다. 내화제, 자외선 안정제 및 발포제와 같은 첨가제가 첨가된 재순환 재료 및 미사용 재료로부터 압출물이 압출기(33)에서 가소화된다. 이 압출물은 용해물이 되어 성형기(54)를 통해 압출됨으로써 일반적으로 평판 또는 보드(board) 형상으로 된다. 압출물이 계속 발포되어 상기 장비(55, 56)를 통과할 때, 압출물의 두께와 편평도가 교정된다. 진공 챔버가 폐쇄되어 밀폐되는 경우, 저밀도 재료를 형성하는 때의 압출물의 팽창 및 성형이 진공하에서 이루어져 저밀도의 발포 제품이 얻어진다.
성형기 및 교정 장비는 각각의 캐리지(58, 59, 60)에 장착되며, 이들 캐리지는 라인의 축방향으로 또는 기계 방향에 평행한 방향으로 이동할 수 있도록 트러스(61)에 장착되어 있다. 이 트러스(61)는 상류의 고정 격벽(36)으로부터 내부 지지체(62)까지 연장한다.
발포 압출물(64)은 다이로부터 성형 및 교정 장비를 통과하여 댄서 롤러(65) 위를 통과한다. 이 댄서 롤러는 지지체(62)에 피봇결합된 선회식 아암 조립체(66)에 장착되어 있다. 이 아암 조립체(66)는 공압 실린더 조립체(67)에 의해 위쪽으로 가압되고, 이에 따라 롤러가 상승하여 압출물이 어느 정도 위로 편향된다. 공압 실린더 조립체내의 압력은, 롤러가 압출물 밑에서 부유 또는 흔들릴 수 있도록 제어된다. 댄서 롤러의 위치는 후술될 바와 같이 트랙터 인장 장치(tractor haul-off)를 제어한다.
압출물이 댄서 롤러(65)의 위를 통과한 후에, 압출물은 롤러 컨베이어 시스템(69)에 의해 밑으로 편향된다. 이 컨베이어 시스템은, 압출물에 대해 상측에 위치하며 짧은 간격을 유지하고 있는 롤러와, 압출물에 대해 하측에 위치하며 비교적 보다 넓은 간격을 유지하고 있는 롤러를 갖고 있다. 롤러들은, 압출물이 하향 편향되어 수조(71)의 고수위부(70)속으로 들어갈 수 있도록 위치 및 장착되어 있다. 상기 수조는 댐(72)에 의해 진공 챔버의 하류 단부에 수용되어 있다. 컨베이어 시스템(69)의 점진적인 곡률에 의해, 압출물은 수조(71)속에 완전히 잠긴다.
압출물(64)은 격벽(42)에 있는 창문을 통과하여 후드(74)내로 유입된다. 이 후드는 수조(71)의 대기압 저수위부(76)를 위한 긴 격납부(containment; 75)속으로 돌출한다. 후드의 단부(78)는 수조(71)의 대기압 저수위부(76)보다 충분히 아래에 위치한다. 고수위부(70) 위에는 스프레이 노즐(79)이 배치되어 있으며, 이들 노즐은 수조의 대기압 저수위부(76)에 연결되어 있다. 진공 챔버가 배기되면, 압출물이 고수위부(70)내에 잠기기 전에 물이 진공 챔버속으로 유입되어 압출물에 뿌려져서 냉각을 돕는다.
컨베이어 부분(69)으로부터, 압출물은 안내롤러 조립체(80)를 통과하여, 일반적으로 직사각형 모양의 창문 또는 오리피스(82)쪽으로 향한다. 이 오리피스는 진공 고수위부(70)와 대기압 저수위부(76) 사이의 경계부가 된다. 진공하에서 물이 대기압부로부터 진공 고수위부로 유동하게 되고, 진공부의 레벨은, 예컨대 'Roger Lightle' 등이 "진공 압출 시스템 및 방법"이라는 명칭으로 1996년 8월 14일자 출원한 출원번호 제 08/696,472 호에 개시된 재순환 펌프 등으로 제어될 수 있다.
챔버가 압력 챔버로서 사용되면, 수조의 수위는 반대로 될 것이며, 또한 시일 또는 오리피스(82)를 잠기도록 유지하기 위한 순환이 반대방향으로 이루어질 것이다.
압출물이 후드의 하류 단부(78)를 빠져나가면, 도 1b에 도시된 바와 같이, 압출물은 이 압출물 위에 있는 컨베이어 시스템(84)에 의해 표면으로 부상하지 못한다. 이 컨베이어 시스템은, 이동하는 연속 압출물을 잠긴 상태로 유지하는, 비교적 짧은 간격을 유지하는 일련의 횡방향 아이들러 롤러로 이루어질 수 있다. 상기 컨베이어는, 수조의 대기압부(76)에서 상당한 거리와 시간 동안 압출물을 수중에서 유지시키는 비교적 큰 반경의 원호 모양으로 되어 있다.
압출물이 저수위부(76)에 접근함에 따라, 컨베이어 시스템(84)은 지점(85)에서 종료되고, 곡선 형태의 제 2 컨베이어 시스템(86)이 압출물의 저면을 지지하여, 이 압출물을 격납부(75)의 단부벽(87) 위로 상승시켜 물 밖으로 내보낸다. 컨베이어 시스템(86)의 입구(88)는 컨베이어 시스템(84)의 꼬리부(85)로부터 떨어져 있어, 압출물은 하나의 컨베이어의 밑으로부터 다른 컨베이어의 상면으로 자유롭게 이동할 수 있다.
압출물이 격납부 단부벽(87)을 통과한 후에, 압출물은 분출 장치(blow-off; 90)를 통과한다. 노즐(91)에서 분사된 공기 분출물은 일반적으로 세차에 사용되는 장비처럼 압출물로부터 과잉의 수분을 간단하게 제거한다. 분출 장치로부터, 압출물은 트랙터 인장 장치(93)내로 이동한다. 이 트랙터 인장 장치(93)는 스탠드(94) 위에 장착되어 있고, 또한 이 인장 장치는 동력구동되는 다수의 상부 및 하부 롤러(96, 97)를 갖는다. 이들 롤러는 압출물을 도 1a에 도시된 교정 장비로부터 댄서 롤러(65)의 상면 위로 또한 워터 배플 시일을 통과하여 대기로 나가도록 잡아 당긴다. 연속작업중에는, 교정 장비로부터 트랙터 인장 장치로의 압출물의 끌기나 밀기가 없다. 다수의 롤러는 우레탄과 같은 고무재로 피복될 수 있으므로, 압출물에 대한 압착력은 최소화된다. 후술할 바와 같이, 트랙터 인장 장치의 견인 및 교정 장비로부터 나와 워터 배플 시일을 통과하는 발포 압출물에 대한 장력을 제어하기 위해, 댄서 롤러의 위치를 이용할 수 있다.
트랙터 인장 장치를 빠져나간 후, 압출물은 절단 및 마름질 장치(99)를 통과한다. 이 장치(99)는 압출물을 적당한 길이로 절단하고 측면 에지를 다듬을 수 있다. 이 작업에 의해 발생된 어떠한 스크랩도 처리하여 재활용할 수 있다.
절단 및 마름질 장치(99)를 통과한 후에, 압출물의 형태는 알맞은 크기의 판넬 또는 보드로 되고, 이어서 판넬 또는 보드는 출하를 위해 적층 또는 포장되거나, 층판 또는 샌드위치식 판넬로 되기 위해 추가 처리를 받을 수 있다. 이러한 포장 및 추가 처리를 위한 최종 스테이션(100)에서 적층물이 형성될 수 있다. 격납부(75)를 빠져 나온 후에, 압출물은 수조의 대기압부를 위한 격납부(75)의 높이와 대략적으로 동일한 테이블 높이에서 처리된다. 이러한 이유로, 적층 스테이션은 물론 절단 및 마름질 스테이션이 이러한 테이블 높이에서 스탠드 위에 지지된다.
도 2, 도 3 및 도 4를 참고하면, 진공 시스템에서 채용되는 구성과 장비는, 처리량을 크게 하고 상당한 크기의 압출물을 얻으면서 제품의 품질을 향상시키기 위해 여러 가지 방법으로 변형될 수 있음을 알 수 있다.
도 2를 참고하면, 직렬 압출기(102, 103)를 구비하는 시스템이 도시되어 있다. 2차 압출기(103)의 중합체 용해물 출구에는, 혼합-냉각기(104), 및 대형의 고정 격벽(106)의 안쪽에 장착된 "슬린키" 성형 기구(105)가 연결되어 있다. 원료는 호퍼(107, 108)를 통해 1차 압출기(102)에 공급된다. 1차 압출기의 출구는 2차 압출기(103)에 직접 연결되거나 또는 기어 펌프를 통해 연결될 수 있다. 1차 및 2차 압출기 모두는 스탠드(110, 111) 위에 각각 설치되어 있고, 다시 이들 스탠드는 롤러(112, 113) 위에 각각 설치되어 지점(114)에서 서로 연결되어 있다.
상기 혼합-냉각기(104)는 롤러 지지체(117)를 포함하는 스탠드(116) 위에 또한 설치되어 있다. 스탠드(116)는 커플링(118)을 통해 스탠드(111)에 연결되어 있다.
또한, 겔관(120)도 스탠드(116)에 의해 지지되며, 이 겔관은 고정 격벽(106)에 있는 글랜드 시일(gland seal; 121)(도 6 참조)을 통과한다. 압출 다이(122)의 일단부는 진공 챔버(125) 내부에 있다. 그러나, 도 2에서 이 진공 챔버는 개방된 상태로 도시되어 있다.
혼합-냉각기(104)로부터 다이(122)로 돌출하는 겔관은 경사 스트러트(126)에 의해 캐리지(116)에 지지되어 있다. 고정 격벽(106)에 대한 다이의 운동은, 캐리지(116)와 고정 격벽 사이에 연결된 피스톤-실린더 조립체 또는 액츄에이터(127)에 의해 이루어진다. 이에 따라, 다이(122)는 축방향으로 고정된 "슬린키" 성형 기구(105)에 대해 라인의 축선방향으로 조절될 수 있다.
도 2의 진공 챔버(125)은 도 1a의 것과 같은 고정부(47)를 포함할 수 있지만, 실질적으로 더 큰 2개의 가동부(130, 131)를 포함한다. 이 큰 가동부는 상류의 고정 격벽(106)과 마찬가지로 고정부(47)보다 상당히 크다. 진공 챔버는, 진공 챔버의 고정부(47)내의 하류 격벽(134)과 상류의 더 큰 고정 격벽(106) 사이에서 연장하는 트러스 또는 비임(133)을 포함한다. 압출물(136)이 성형 기구(105)를 떠난 후에, 압출물은 프레임(138)에 의해 트러스 또는 비임(133)의 상면에 지지되는 컨베이어 테이블(137)의 상면으로 진행한다. 주 표면층을 형성하기 위해 채용되는 추가적인 측정 및/또는 교정 장비가 컨베이어 테이블을 따라 배치될 수 있다. 어떤 경우든, 성형 기구를 떠난 후, 폐쇄된 진공 챔버내의 유용한 진공의 영향하에서 발포 압출물은 계속 성장한다. 압출물이 테이블(137)을 떠난 후, 압출물은 댄서 롤러(65)의 위를 지나게 되며 컨베이어 시스템(69)에 들어가 워터 배플 시일 내로 하향 편향되며, 그 후에 압출물은 이 워터 배플 시일을 통해 대기로 나가게 된다. 진공 챔버의 출구 단부에 있는 침지 냉각 수조에서, 넓은 단면적의 압출물 또는 보드의 성장 또는 형성 공정이 종료된다. 혼합-냉각기(104) 및 대용량 진공 챔버과 함께 도 2의 직렬 압출기를 설치하면, 상당한 단면적을 갖는 고품질의 균일한 발포 보드를 제조할 수 있다. 예컨대, 도 2의 압출 시스템은 약 1000 cm2(155 in2) 이상의 고품질 발포 압출물을 약 1000 내지 1400 kg/hour(2000 내지 3000 lb/hour)의 처리량으로 제조할 수 있다.
도 3은 도 2와 같은 시스템을 나타내지만, 단일 2축 압출기(142)가 도시되어 있다. 호퍼(143, 144)를 통해 원료가 2축 압출기에 공급된다. 이 압출기는 스탠드(145) 위에 장착되어 있고, 다시 이 스탠드는 안내 롤러(146) 위에 설치되어 있다.
압출기의 횡단면이 도 5 에 도시되어 있는데, 여기서 맞물림 스크류(meshing screw; 148, 149)가 제공되어 있다. 이 맞물림 스크류는 적절한 가열 재킷(151)에 의해 둘러싸인 8자 모양의 배럴(150)내에서 동작한다. 2축 압출기로는 이탈리아, 투리노에 소재하는 전술한 'LMP IMPIANTI'에 의해 제조된 압출기가 있다.
스탠드(145)는 도 2에 도시된 것과 동일한 커플링(118)에 의해 스탠드(116)에 연결되어 있다. 압출기(142)는 도 3의 액츄에이터(153)에 의해 상당한 거리를 이동할 수 있다. 이 액츄에이터는 스탠드(145)로부터 돌출한 브라켓(154)에 장착되며 또한 지점(155)에서 바닥(49)에 연결되어 있다. 하기에서 더욱 상세히 설명할 상기 액츄에이터(153)로 인해, 라인에 배치하거나 이 라인으로부터 제거하기 위해 압출기는 상당한 양만큼 이동할 수 있게 되며, 또한 혼합-냉각기의 제거나 교체를 위해 또는 조절이나 다이 교환을 위해 라인을 신속하게 개방할 수 있게 된다. 액츄에이터에 대한 상세한 것은 도 7을 참조하면 된다.
도 2와 도 3을 비교하면, 진공 챔버(125)의 2개의 큰 직경부(130, 131)가 폐쇄 위치로 이동하여 잠금 및 밀폐되어 있다(상세한 것은 후술됨). 도 3에서, "슬린키" 성형 기구(105) 및 내부 컨베이어 시스템은 도 2에 도시된 것과 동일하다.
도 4에는, 안내 롤러(146) 위에 지지된 스탠드(145) 위에 장착된 대용량의 1축 압출기(160)가 도시되어 있다. 이 스탠드(145)는 커플링(118)을 통해 다이 지지 스탠드(116)에 연결되어 있다. 액츄에이터(153)는 1축 스크류 압출기(160), 2축 압출기(142) 또는 도 2의 직렬 압출기(102, 103)에 이용될 수 있다. 원료와 재생 스크랩은 호퍼(161, 162)를 통해 압출기에 공급되며, 성형 기구(105)로 둘러싸여 있는 다이(122) 및 혼합-냉각기(104)를 통해 고온의 용해물이 공급된다. 도 4에는, 신축식 진공 챔버의 가동부(130, 131)가 폐쇄되어 잠기고 밀폐된 상태로 도시되어 있다.
압출물(165)이 성형 기구(105)를 떠난 후에, 압출물은 비임 또는 트러스(133)의 상단에 있는 스탠드(167) 위에서 지지된 컨베이어 테이블(166) 위를 통과한다. 그러나, 도 3의 컨베이어 시스템과는 달리, 컨베이어 테이블(166)은 격벽(134)에 못 미쳐서 종료되어 하류 단부(168) 쪽으로 다소 하향 경사져 있다. 댄서 롤러(65) 및 이 댄서 롤러를 지지하는 아암 조립체는 격벽(134)의 상류측에 있으며, 댄서 롤러는 경사진 컨베이어 테이블(166)의 하류 단부(168)로부터 압출물을 완전히 들어올린다. 따라서, 격벽(134)은 워터 배플 시일을 위한 댐의 기능을 할 수 있으며, 압출물을 수조의 진공 챔버내로 하향 전환시키는 컨베이어 시스템(69)이 다소 단축되어 상류로 이동할 수 있다. 따라서, 진공 챔버의 고정부가 단축된다. 전환 컨베이어 시스템(69)의 상류 단부는, 압출물을 컨베이어 시스템(69)의 상부 밑으로 통과시켜 수조의 진공 챔버속으로 유도하기 위한 하향 안내 경사부(169)를 포함한다.
이제 도 6을 참조하면, "슬린키" 성형 기구는 고정 격벽(106)의 내부에 설치되어 다이(122)를 둘러싸고 있다. 이 "슬린키" 기구(105)는 공지의 미국특허 제 4,234,529 호에 개시된 것과 유사하지만, 공지의 미국특허 제 4,469,652 호와 유사한 방식으로 고정 격벽(106)의 외부로부터 구동된다. 다이(122)는 반원형 또는 팬형 다이면(172)을 갖는다. 상기 성형 기구는 반경 방향으로 일정한 간격을 두고 있는 상부 및 하부 반원형의 연마된 로드(173, 174)를 포함한다. 이 로드는 반원형 다이면(172) 주위로 뻗어 있다. 각각의 연마된 로드 또는 축에는 비교적 얇은 일련의 웨이퍼 또는 롤러(175, 176)가 배치되어 있는데, 이 롤러들은 압출 동안에 화살표(177, 178) 방향으로 서로 반대로 회전된다. 이들 웨이퍼 또는 롤러는 하나가 모두를 회전시킬 수 있도록 서로 끼워맞춤되어 있다.
아치형 구동 롤러가 동일한 속도와 토크로 구동되기 위해 상하로 설치되어 있지만, 속도와 토크는 압출물이 다이 표면의 반경방향으로 움직임에 따라 변할 수 있다. 상부 및 하부의 아치형 롤러를 위한 구동력은 격벽(106)을 관통하는 샤프트(180)에 의해 전달되며, 이 샤프트에는 코그 벨트(cog belt)(182)에 의해 구동된 풀리(181)가 장착되어 있다. 상기 샤프트는 격벽에 있는 밀폐된 베어링에 회전가능하게 장착되어 있다. 격벽내에서 샤프트(180)가 코그 벨트(183)를 구동시키며, 다시 이 벨트는 풀리(184)와 풀리(185)를 반대방향으로 회전시킨다. 이러한 풀리는 유니버셜 조인트형 또는 가요성 구동축(186, 187)을 각각 구동시키며, 이들 구동축은 다시 구동 스프로켓(189, 190)을 구동시키고, 이 스프로켓은 다시 전동 장치(192, 193)를 통해 한쌍의 아치형 롤러를 반대 방향으로 회전시킨다. 각 롤러 쌍을 위한 구동 전동 장치는 롤러의 속도와 토크를 제어하도록 제공된다. 5쌍의 롤러 세트가 도시되어 있지만, 발포 제품의 크기에 따라 이보다 적거나 더 많은 롤러를 사용할 수도 있다.
각 롤러 세트는 브라켓(197, 198)을 통해 한쌍의 수직 연장 로드(195, 196)에 장착된다. 이들 브라켓은 조절과 부유 운동을 위해 개별의 공압 피스톤-실린더 조립체(200)에 의해 지지된다. 공압을 제어함으로써, 부유를 얻기 위해 각 롤러 세트의 포장 하중(tare weight) 또는 사하중(dead weight)을 보상할 수 있다. 이 때, 롤러에 의해 발포 압출물에 가해지는 힘을 제어하기 위해 다소의 추가 압력이 이용된다. 이 압력은 작지만, 팬형 다이면으로부터 나오는 발포 압출물을 상당한 두께와 폭을 지닌 보드형으로 만들기에는 충분하다.
"슬린키" 성형 기구의 여러 구성 요소는 다양한 브라켓(203)에 의해 격벽(106)의 내부에서 지지된다. 다이의 상하 및 그 축선 또는 라인의 상하에 성형 롤러를 배치하면 상당한 수직 방향 조정 또는 운동량을 얻을 수 있지만, 라인의 축방향으로는 성형 기구에 대한 실질적인 조절은 없다.
성형 기구에 대하여 다이를 라인의 축방향으로 조절하기 위해, 캐리지(116)뿐만 아니라, 진공 챔버 내부에서 자체 단부로 다이(122)를 지지하는 관(120) 및 혼합-냉각기(104)를 이동시키도록 기구(127)(도 8 참조)가 이용된다. 이러한 다이 조절을 대규모로 할 필요는 없다. 이동 다이 캐리지(116)는 비교적 짧은 행정의 유압 피스톤-실린더 조립체(208)를 지지한다. 이 피스톤-실린더 조립체 또는 액츄에이터는 모터(209), 펌프(210) 및 작동 밸브(211)를 구비한다. 조립체(208)의 실린더는 프레임(116)상의 패드(212)에 장착되어 있다. 로드(213)는 캐리지 직립 프레임 부재(215) 내에 있는 부싱(214)을 통해 돌출하고, 지점(216)에서 고정 격벽(106)의 프레임부(217)에 연결되어 있다. 액츄에이터(208)의 행정은 약 5cm 정도로 비교적 짧다. 이에 따라, 고정 격벽에 대한 캐리지의 상대 운동은, 도 6에 도시된 글랜드 시일(121)내에서 활주하는 다이(122)를 지지하는 겔관(120)에 의해 얻어지게 된다. 글랜드 시일은 "진공 압출 장치 및 방법"이라는 명칭으로 'Robert L. Sadinski'에 의해 1996년 8월 14 일자 출원되어 동시 계류중인 미국출원번호 제 08/696,718 호에 개시된 것일 수 있다.
하나 이상의 압출기를 위한 횡단 유닛은, 도 7에 도시된 바와 같은 상당히 긴 유압 피스톤-실린더 조립체 또는 액츄에이터(220)를 이용한다. 이 피스톤-실린더 조립체의 실린더는, 압출기 캐리지 기저부(154)에 고정된 브라켓(222)에 피봇(221)을 통해 장착되어 있다. 액츄에이터(220)의 로드(224)는 지점(225)에서 보상 링크(226)에 피봇결합되어 있으며, 다시 이 보상 링크는 지점(227)에서 고정 앵커(155)에 피봇결합되어 있으며, 이 고정 앵커는 바닥(49)에 고정되어 있다. 상기 피스톤-실린더 조립체(220)의 스트로크는 다이 조정 실린더 액츄에이터(208)의 스트로크보다 실질적으로 길다. 예컨대, 실린더 조립체(220)의 스트로크는 약 370 cm(145.67 in) 내지 450 cm(177.17 in)일 수 있으며, 압출기를 상당한 거리로 이동시키게 된다. 그러나, 작동시에는, 다이 조정 피스톤-실린더 조립체(208)는 통상적으로 피스톤-실린더 조립체(220)의 작동에 우선하게 되며, 밸브(211)는 온도와 압력 변동을 보상하기 위해 고정 격벽에 대해 다이 캐리지 및 다이가 축방향으로 약간 운동할 수 있도록 허용하는 중립 위치를 갖고 있다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 진공 챔버를 위한 잠금 기구(230)에 대한 바람직한 구성이 도시되어 있으며, 잠금 기구의 위치는 도 1a의 상단에 화살표로 표시되어 있다. 상기 잠금 기구는 일련의 비교적 낮은 프로파일 피스톤-실린더 조립체(231)를 포함하며, 이들 피스톤-실린더 조립체는 진공 챔버의 고정부(47)의 외부에 배치된 고정 브라켓(232)에 장착되어 있다. 각 피스톤-실린더 조립체는 지점(233)에서 각자의 브라켓에 피봇결합된다. 조립체(231)의 로드(234)는 지점(235)에서 삼각형 크랭크 링크(236)에 피봇결합되며, 이 크랭크 링크는 지점(237)에서 브라켓(232)에 피봇결합된다. 또한, 토글 링크(239)는 지점(238)에서 크랭크 링크(236)에, 지점(240)에서는 도그 레그(dog leg) 링크(241)에 피봇결합되며, 다시 이 도그 레그 링크는 지점(242)에서 브라켓(232)에 피봇결합된다. 링크(241)의 굴곡 말단부(243)는 가동부(46)의 단부에 배치된 패드(244)와 결합한다.
도 9에서, 토글 잠금 기구는 후퇴 위치에 있는 상태로 도시되어 있으며, 링크(241)는 신축식 가동부(46)로부터 분리되어 있어, 도 9에 도시된 바와 같이 오른쪽으로 움직일 수 있다. 도 10에서는, 토글 잠금 기구가 잠금 위치에 있는 상태로 도시되어 있다. 피스톤-실린더 조립체가 신장하면, 크랭크 링크(236)가 피봇(237)을 중심으로 선회함과 동시에 피봇(238)이 움직이게 되어 도그 레그 링크(241)가 도시된 위치로 선회하게 되기 때문에, 그 결과 링크(241)의 단부(243)가 패드에 밀착한다. 3개의 피봇(240, 238, 237)은 중간 피봇이 다소 중심 위에 있게 되는 토글 로크(toggle lock)를 형성한다. 도 10에 도시된 바와 같이 잠금 위치에 있으면, 시일(246)은 배기 또는 가압을 위해 진공 챔버를 밀폐하도록 팽창된다. 이 시일에 대한 상세한 것은 도 11을 참조로 한다.
도 11에서 시일(246)은 고정 격벽(36)과 진공 챔버의 가동부(46)의 반대쪽 단부 사이에 위치한 것으로 도시되어 있다. 가동부(46)는 링(248, 249)을 갖는 플랜지(247)를 구비하며, 이들 링은 고정 격벽(36)을 향해 축방향으로 돌출하여 축방향 채널형 홈을 형성한다. 상기 링 사이에는 팽창성 가스켓(251)용 시트(250)가 배치되어 있다. 이 시트(250)는 상기 축방향 채널형 홈에 꼭맞게 끼워맞춤되며, 가스켓은 2개의 스냅인 귀부(snap-in ear; 252, 253)를 포함하고, 이 귀부는 가스켓이 쉽게 삽입 및 교체될 수 있도록 해준다. 이 가스켓은 축방향 릿지(255)를 갖춘 팽창성 O-링 형태이며, 이 릿지는 시일이 팽창되는 경우에 고정 격벽의 내부에 밀착된다. 도 1a의 실시예에서는, 도 11에 도시된 시일이 가동부(46)의 왼쪽 단부에 제공될 것이다. 오른쪽 단부에 있는 시일은 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같다.
도 2, 도 3 및 도 4의 실시예에서, 가동부(130)와 고정 격벽(106) 사이의 시일은 도 11에 도시된 바와 같다. 2개의 가동부(130, 131) 사이의 시일은, 시일이 반대쪽 가동부에 있는 플랜지에 대하여 팽창된다는 점을 제외하고는 도시된 바와 동일하다. 고정부(47)와 가동부(131) 사이의 시일은 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같다. 그러나, 가동부(131)의 단부를 폐쇄하는 플랜지 또는 플레이트는 작은 직경의 고정부(47)를 위한 편심 개구부를 갖는다.
도 12를 참고하면, 댄서 롤러(65)가 아암 조립체(66)의 아암들의 외단부 사이에 위치해 있다. 상기 롤러(65)에는 우레탄 피복재가 제공할 수 있다. 아암 조립체는 지점(260)에서 브라켓(261)에 피봇결합된다. 공압 피스톤-실린더 조립체(67)에 의해, 아암 조립체는 위쪽으로 선회, 즉 2점 쇄선(262)으로 표시된 위치로 부상한다. 조립체(67)는 자체 블라인드 단부(263)에서, 수직 방향 조정이 가능한 브라켓(264)에 피봇결합되며, 이 브라켓은 예컨대 격벽(62 또는 134)에 장착된다. 피스톤-실린더 조립체의 로드는 지점(265)에서 피봇결합된다. 도시된 몇 개의 실시예에서 알 수 있듯이, 댄서 롤러 조립체는 상류 또는 하류 방향으로 향하도록 격벽에 장착될 수 있다. 어느 경우든, 피스톤-실린더 조립체에 의해, 롤러(65)는 상향 가압되어 그 위를 지나가는 압출물 밑의 있는 부상 위치로 가게 된다. 피봇(260)은 롤러(65)의 위치를 감지하는데 사용되는 회전식 인코더(267)를 포함하며, 이 회전식 인코더는 압출물이 롤러가 장착되어 있는 격벽 위를 지나 워터 배플 시일의 진공 챔버내로 하강하기 시작하여 침지된 다음 진공 챔버를 빠져나가 대기 중으로 갈 때 압출물에 대한 장력을 아날로그 제어한다.
도 13 내지 도 15를 참고하면, 혼합-냉각기(104)는 축방향으로 서로 떨어져 있는 관 시트 또는 플레이트(271, 272) 사이에서 신장된 셸(270; shell)을 포함한다. 이 셸(270)은 관 시트의 내부에 있는 미세한 견부에 위치되며 지점(273)에서 용접된다. 다수의 혼합관(275) 다발은 셸(270)내의 관 시트를 통과해 연장한다. 셸내의 각 관에는 굴곡 혼합요소(276)의 쌍들이 제공되어 있으며, 각 관은 정적 혼합기이다. 블레이드(276)는 굴곡되어 있으며, 또한 관을 통과하는 용해물을 이동시키거나 또는 관축을 중심으로 회전시킨다. 각 관의 정적 혼합기로는, 미국 매사츄세츠주의 노스 안도버(North Andover)에 소재하는 'Cemineer-Kenics'에서 제조되어 판매되고 있는 것을 사용할 수 있다. 도시하지는 않았지만, 다발내의 각 관에는 정적 혼합기의 굴곡 요소들이 제공되어 있다. 도시된 실시예에서는, 90개 이상의 혼합관이 제공될 수 있다. 높은 처리량을 위하여, 다발내의 혼합관의 개수는 225 내지 300 이상이 될 수도 있다.
다발의 관(278)들은 약간 이격되어 배치되어 있다. 개수에 상관 없이 관의 다발은 혼합기와 기계 축선(280)에 대해 대칭이 되도록 배치된다. 관은 이러한 축선에 모두 평행하며, 다발의 횡방향 치수는 가능한 원형에 가깝고 축선(280)에 중심이 맞춰져 있다. 이에 따라, 관 시트를 통해 돌출하는 관 다발면은 원추형 헤드 또는 플레넘(282, 283)으로 덮여 있으며, 이들 플레넘은 볼트 고정구(284)의 링에 의해 관 시트에 연결된다. 각 헤드에는 넓게 벌려진 원추형 리세스(286, 287)가 제공된다. 각 원추형 리세스의 외측단부, 즉 넓은 단부는 관 다발의 돌출단부를 둘러싼다. 필러(289)가 다발을 둘러싸며 또한 용해물 유동로에서의 사공간(dead space)을 최소화시킨다. 입구 헤드(282)에는 축방향 입구 통로(290)가 형성되어 있고, 이 입구 통로는 구멍(292)으로 둘러싸여 있고 견부(291)를 갖는다. 따라서, 표준 ANSI 플랜지 연결부가 입구 헤드에 고정될 수 있다.
출구 헤드에는 정렬된 축선방향 출구(294)가 제공되어 있고, 이 출구는 입구(290)보다 직경이 다소 작다. 헤드(283)의 하류면에는 플랜지 어댑터(295)가 고정되어 있다. 겔관(120)은 링(296)을 갖고 있으며, 이 링은 고정구(297)에 의해 헤드에 고정되는 단부에서 나사가공되어 있다. 대응 원추형 표면을 갖는 정렬 링(298, 299, 300)은 겔관과 플랜지(295) 사이에 배치되어 있다. 겔관의 내부에는 정적 혼합기 요소(302)들이 제공되어 있으며, 이들 혼합기 요소는 용해물을 축선(280)을 중심으로 연속적으로 회전시킨다. 단열재(304)를 둘러싸는 외부 셸(303)이 관에 제공될 수 있다.
혼합-냉각기에는 입구(306) 및 출구(307)가 제공된다. 또한, 셸에는 벤트(308) 및 드레인(309)이 제공된다. 도시된 실시예에서, 입구(306)는 바닥에 있고 출구(307)는 상면에 있다. 입구와 출구 사이에는 일련의 배플(312, 313, 314, 315)이 있다. 배플(312, 314)은 동체의 상면으로부터 뻗어 있으며, 배플(313, 315)은 동체의 바닥으로부터 뻗어 있어, 셸을 통해 순환하는 냉각제는 관 다발을 통해 꾸불꾸불한 경로를 따라 이동한다. 도시된 실시예에서, 냉각제는 관 다발의 대부분을 다섯번 통과한다.
도 13 및 도 14에 도시된 바와 같이, 헤드(282, 283)에는 방사형 포트(317)가 제공될 수 있으며, 이 방사형 포트는 입구 및 출구에 압력 또는 온도 센서를 각각 설치할 수 있게 한다. 관 시트(271, 272)에는 하향 돌출한 지지부(318, 319)가 제공되며, 이 지지부는 혼합-냉각기를 스탠드(116)상에 지지한다.
도 15를 참조하면, 출구(307)를 떠나는 냉각제는 열이 추출되는 열 교환기(322)를 통과한다. 이어서, 냉각제는 입구(306)를 통해 셸(270)내로 다시 들어가기 전에, 순환 펌프(333), 제어 밸브(334), 필터(335) 및 온도 조절기(336)를 지난다. 순환 냉각제는 적절한 첨가제가 함유된 물이 될 수 있다.
다발내의 관의 개수에 상관 없이, 각 다발의 혼합관의 직경은 약 3.17 cm(1.25 in)이다. 다발내의 관의 개수가 2배 또는 3배가 되어도, 혼합-냉각기의 전체적인 크기에는 크게 영향을 주지 않는다. 예컨대, 약 90개의 다발을 갖는 혼합-냉각기의 전체 높이는 84 cm(33.07 in)이며, 한 다발당 약 229개의 관을 갖는 경우의 높이는 약 120 cm(47.24 in)이다. 크기가 변하는 혼합-냉각기는 캐리지(116)의 높이를 조정하면 간단하게 수용할 수 있다. 원하는 처리량을 달성하기 위해, 다발내의 관의 개수는 약 229 개이다.
혼합-냉각기의 입구의 크기는 출구보다 상당히 크다. 입구의 직경은 15.2 cm(5.98 in) 정도이고, 출구의 직경은 약 13.7 cm(5.39 in)이다. 각 다발의 개개의 혼합관이 약 2.54 cm(1 in)의 내경(ID)을 가진다면, 입구 면적에 대한 관 다발 내부의 횡단면적의 비는 약 6.36 이고, 출구에 대한 횡단면적의 비는 약 11.31 이며, 둘 다 약 2 :1 의 비보다 충분히 크다.
이들 비는 혼합관을 통과하는 용해물의 운동을 현저히 느리게 하여 효율적이고 균일한 열추출을 가능케 한다. 본 시스템의 혼합-냉각기로, 용해물 온도는 _1℉(_약 0.5℃) 이내로 조절될 수 있다.
그러므로, 다이에서의 용해물의 점도를 양질의 균일한 제품을 생산하는데 필요한 소정의 범위내로 제어할 수 있다. 예컨대, 122 cm(48.03 in)의 폭과 10.16 cm(4 in)의 두께를 갖는 보드는 약 1,240 cm2(192.2 in2)의 단면적을 갖게 된다. 기포의 붕괴, 비균일 기포 구조가 없거나 미세한 유형의 제품을 제조하기 위해서는, 임계 점도의 범위가 약 25,000,000 내지 30,000,000 센티포아즈인 것이 바람직하다. 마찬가지로, 두께가 단지 2.54 cm(1 in)이고 약 80 cm2(12.4 in2)로 작은 제품에 있어서, 점도 범위를 약 15,000,000 내지 20,000,000 센티포아즈로 낮추면 최적의 발포 품질을 얻을 수 있다.
이에 따라, 혼합-냉각기를 통과하는 융해물의 점도는 전단 변형률 및 발포 온도에 비례하는 용해물의 유동학적 특성의 함수가 되므로, 혼합-냉각기는 점도 제어장치로서 기능을 할 수 있다. 또한, 점도는 용해물 내의 발포제의 양에, 그리고 어느 정도는 압출 첨가제의 영향을 받는다. 따라서, 주어진 압출 속도에 있어서, 필요한 임계 점도의 범위의 제어는 혼합-냉각기 내의 용해물의 온도를 제어함으로써 이루어진다. 주어진 제품에 대한 임계 점도는 혼합-냉각기를 통한 전체적인 압력 강하를 측정하고, 다음에 최적 제품 성능을 얻는데 사용될 절대 점도를 계산함으로써 얻어지게 된다. 이들 범위는 작업 조건에 따라 상당히 변할 수 있으며, 일단 경험적으로 얻어진 것은 정확하게 반복될 수 있다.
전단 변형률은 중합체 용해물이 전단 응력을 받는 속도에 비례하게 되며, 일반적인 단위는 sec-1 이다. 시스템의 작동시, 혼합 요소로부터 추가적인 용해물 전단을 유발시키지 않는 작동 범위내에 전체적인 전단 변형률이 있도록 혼합-냉각기의 혼합 요소 및 관의 크기를 정하는 것이 중요하다. 아래에 주어진 길이와 직경의 범위에서 개개의 관에 대한 전단 변형률의 범위는 약 1 내지 10 sec-1 이다. 온도에 따라 전단 변형률을 유지하면, 기포 붕괴, 과도한 기포 크기 또는 연속 기포의 발생 없이, 균일한 기포 구조를 대량으로 생산하는데 중요한 중합체 용해물의 점도의 범위를 적절하게 제어할 수 있다.
도시된 밀폐 챔버에서 이러한 고품질의 저밀도 발포 보드를 생산할 수 있도록 하는 혼합-냉각기에 대한 설계 파라미터 범위는 다음과 같다:
근사 최소치 근사 최대치
압출속도 453.59 kg/hr(1000.0 lb/hr) 1360.78 kg/hr(3000.0 lb/hr)
용해물 온도 123.88℃(250℉) 135℃(280℉)
용해물 점도(CP) 15,000,000 30,000,000
SC 압력강하 DR 25857.45mm-mg(500.0 psig) 77572.35mm-mg(1500.0 psig)
관 크기(내경) 2.54cm(1.0″) 3.81cm(1.5″)
관 길이 60.96cm(24.0″) 152.4cm(60.0″)
혼합 요소를 가진 96 300
관의 개수
전단 변형률/관 1 sec-1 10 sec-1
혼합기와 다이 사이에서 겔관(120)에 결합된 정적 혼합기는 혼합기와 다이 사이에 열구배가 다시 생기는 경향을 줄이는데 기여한다. 또한, 도 13에 도시된 정적 혼합기(302)를 갖춘 도 15에 도시된 파이프(338)의 상대적으로 짧은 부위에 정적 혼합기를 설치하는 것이 유익하다. 이러한 위치에 정적 혼합기를 설치하면, 혼합-냉각기(104)내로의 열구배를 감소시키거나 최소화시킨다.
도시된 파라미터들은 어느 정도 경험적으로 얻어진 것이며, 혼합-냉각기 및 제조되는 다양한 크기의 보드 또는 압출물에 대한 적절한 임계 점도의 범위를 얻을 수 있는 상기 혼합-냉각기의 능력은 밀폐 챔버 시스템으로 크고 작은 양질의 제품을 만드는데 매우 중요하다. 제품이 진공 챔버(여기서 제품은 비결정질 상태이며 계속 성장함)로부터 침지 워터 배플 시일 냉각기를 통해 대기로 나가면, 좁은 범위의 점도 제어가 특히 유익하다. 이에 따라, 진공 발포로 얻을 수 있는 저밀도의 범위를 얻으면서 기포 붕괴 및 기포 구조의 불균일성과 같은 문제를 피할 수 있다. 예컨대, 적절한 점도 범위 제어를 통해, 압출물이 워터 배플 시일을 통해 대기로 나갈 때 기포 붕괴가 일어나지 않고 또한 균일한 기포 구조를 지닌, 약 0.016 g/cm3(1 pound/ft3) 내지 0.096 g/cm3(6 pound/ft3)의 저밀도 발포체를 얻을 수 있다.
압출물이 수조(70)의 진공 챔버로부터 나와 대기압부(76)로 갈 때 통과하는 창문 또는 오리피스(82)가 도 16 내지 도 18에 보다 상세히 도시되어 있다. 진공 챔버(40)의 하류 단부는 알맞은 크기의 창문(342)을 갖는 격벽(42)을 구비한다. 상기 창문은 후드(74)의 내부와 연통한다. 이 후드(74)는 격벽의 하류측으로부터 수조 격낙부(75)속으로 돌출해 있다. 도 17에 도시된 압출물(64)은 컨베이어 시스템(69)에 의해 안내를 받으면서 수위(70) 밑에서 소정의 각도로 하향 이동한다. 부유 압출물은 창문(342)의 상부에서 적절히 경사져 있는 플래튼(platen; 344) 밑을 지나게 된다. 이 플래튼 밑으로부터 압출물은 조밀한 롤러 세트(80)의 안내 롤러 사이로 들어가게 된다. 이 안내롤러 세트는 프레임(345, 346)에서 각각 저널결합되어 있는 상부 및 하부 롤러 세트를 포함한다. 조밀한 각각의 롤러 세트는 큰 단부 롤러(348, 349)를 포함하며, 이들 단부 롤러에는 우레탄 피복재가 제공될 수 있다. 이러한 롤러 사이에는 밀집한 아이들러 롤러(350) 세트가 위치되어 있다. 이 아이들러 롤러는 단부 롤러의 내부에 접하는 라인에 접한다. 각 세트의 대향하는 주 단부 롤러들은 동력구동될 수 있는데, 이는 시동시에만 그렇다. 압출물의 반대측에 있는 대향 롤러들이 구동되면, 압출물은 도 16에 도시된 전동 장치(352)에 의해 전진된다. 상기 라인이 진공으로 연속 작동하면, 각 세트의 모든 롤러는 프리 휠(free wheel) 또는 공전 상태가 된다.
2개의 프레임이 4개의 코너 안내 포스트(354, 355, 356, 357)에 장착되어 있다. 상부 프레임은 조절 목적으로 초기 설정시에만 움직일 수 있지만, 일반적으로 상기 포스트에 고정된다. 상부 프레임은 수중 오리피스(82)의 상부 에지를 형성하는 고정 게이트 또는 셔터(359)를 포함한다. 오리피스의 다른 모든 에지는 연속으로 조절가능하다.
오리피스의 바닥 에지는 셔터 또는 게이트(361)에 의해 형성되며, 이 게이트는 하부 조밀 안내 롤러 세트를 위한 프레임(346)의 전방에 장착된다. 하부 셔터 또는 게이트(361)의 운동은 보스(363)에 제공된 너트 종동 요소에 의해 상기 포스트를 공통 방향으로 회전시킴으로써 얻어지게 되며, 포스트의 적절한 스크류부가 상기 보스를 통해 뻗어 있다. 포스트는 구동 장치(364) 및 도 19에 도시된 모터(365)를 통해 회전될 수 있다. 따라서, 오리피스의 바닥 게이트(361)는 물론, 조밀 안내 롤러 세트의 전체 바닥도 상하로 움직이게 된다.
도 18에는 2개의 측방향 셔터 또는 게이트(367, 368)가 도시되어 있다. 이들 셔터 각각은 적절하게 각각 둥글게 처리될 수 있는 수직 에지(369, 370)를 갖고 있다. 게이트(367)는 평행 트랙(372, 373)에 장착되며, 측방향 게이트(368)는 평행 트랙(374, 375)에 장착된다. 이들 트랙은 약 30°내지 45°로 기울어져 있으며 서로 대칭을 이룬다.
가역 모터(380, 381)를 각각 수용하는 브라켓(378, 379)이 후드의 외부로부터 돌출된다. 이들 모터(380, 381)는 하우징(384, 385)으로부터 각각 돌출된 스크류 잭(382, 383)을 구동시킨다. 스크류 액츄에이터는 지점(389, 390)에서 각각의 게이트에 피봇결합된 링크(387, 388)에 연결되어 있다. 단지 도시의 목적상, 게이트(367)는 완전히 후퇴된 상태로 도시되어 있으며, 게이트(368)는 거의 완전히 신장된 상태로 도시되어 있다. 측방향 게이트의 운동에 의해 오리피스(82)의 폭이 조절된다. 바닥 셔터(361)의 운동에 의해서는 오리피스의 높이 또는 두께가 조절된다. 또한, 단지 도시의 목적상, 도 18의 압출물은 도 17의 것보다 상당히 작게 도시되어 있다.
도 19 및 도 20을 참조하면, 압출물이 수조를 통과하여 후드내로 들어갈 때 이 압출물의 크기 또는 위치와 같은 기하학적 파라미터에 따라 게이트 또는 셔터가 연속적으로 움직이게 된다. 후드의 바로 상류에서 격벽(42)에는 압출물 에지 감지 롤러(393, 394)가 장착되어 있으며, 이들 감지 롤러는 스윙 아암(395, 396)에 각각 장착되어 있다. 실린더 액츄에이터 조립체(397, 398)에 의해, 상기 감지 롤러들은 서로를 향해 또는 그들 사이를 통과하는 압출물의 에지를 향해 움직이게 된다. 수직으로 길게 뻗은 감지 롤러들은 각각의 아암을 위한 근위 피봇처럼 수직축상에 위치한다. 이러한 근위 피봇에는 회전식 인코더(401, 402)가 각각 제공된다. 상기 감지 롤러(393, 394)는 축방향으로 수중에 있게 되며, 지지 아암(395, 396)과 공압 피스톤-실린더 조립체 및 회전식 인코더는 수면 위에 있게 된다.
압출물의 두께는 아암 프레임(406)의 아암들의 말단부들 사이에 설치된 언더슬렁 롤러(underslung roller; 405)에 의해 측정된다. 실린더 조립체(407)에 의해, 아암 프레임은, 도 17에 도시된 바와 같이, 회전식 인코더(409)를 포함하는 상부 피봇(408)을 중심으로 반시계 방향으로 움직인다. 이에 따라, 압출물 위의 플래튼(344)은 롤러(405)에 대한 백스톱으로서 작용하게 되며, 인코더의 위치는 압출물 두께의 아날로그 측정치가 된다. 회전식 인코더는 수면 위에 있으며, 롤러(405)는 수면 밑에 있게 된다.
도 19에 도시된 바와 같이, 측방향 게이트를 위한 모터(380, 381) 및 바닥 셔터 또는 게이트를 위한 모터(365)는 각각의 운동 제어기(412, 413, 414)에 의해 제어된다. 이들 운동 제어기는 바람직하게는 디지탈 PID(비례 적분 편차(proportional integral-derivative))형이며, 센서 롤러의 위치로부터 오리피스까지 제품 변화의 프로그램 팩터를 고려한다. 도시된 아암의 피봇에 있는 회전식 인코더는 각각의 PID 제어기에 연결된다. 인코더(402)는 라인(416)에 의해 제어기(412)에 연결된다. 인코더(401)는 라인(417)에 의해 제어기(413)에 연결되고, 인코더(409)는 라인(418)에 의해 제어기(414)에 연결된다. 또한, 이들 제어기는 라인(420)을 통해 주 프로세스 제어기에 연결된다.
도 19를 참조하면, 아암 프레임(66)에 지지되어 인코더(267)를 작동시키는 댄서 롤러(65)가 도시되어 있다. 도 19의 실시예에서, 인코더(267)는 PID 제어기(422)를 작동시키며, 이 제어기는 진공 테이블(425)에 있는 다공성 벨트(424)를 위한 구동 장치(423)를 제어한다. 도 1b에 도시된 트랙터 구동 장치 대신에 상기 진공 테이블을 사용할 수도 있다. 진공 챔버(427)내의 진공은 진공 펌프 또는 송풍기(428)에 의해 발생되며, 진공 레벨은 송풍기 또는 펌프 속도에 의해 조절된다. 진공 레벨은 압출물(64)을 손상없이 진공 다공성 벨트에 유지시키기에 충분하며, 압출물은 도 19에 도시된 바와 같이 구동 장치(423)에 의해 오른쪽으로 밀린다. 제어기(422)는 라인(420)을 통해 중앙 프로세스 제어기로부터 제어를 받는다. 압출물이 그 위를 지나게 되는 댄서 롤러의 위치에 따라 벨트 구동 장치(423)가 제어되기 때문에, 진공 챔버내의 성형 및 교정 장비로부터 침지 수조, 수중 오리피스, 분출부를 통과하여 공정의 끝에 있는 절단 및 가공 장비내로 들어가는 압출물에 대한 장력이 제어된다.
스프레이 노즐(79)이 도 19에 도시되어 있다. 이들 노즐은 대기압 수조(76)로 연장하는 하나 이상의 라인(430)에 의해 공급을 받는다. 밀폐 챔버가 진공 펌프(432)에 의해 비워지면, 물이 이 진공 챔버내로 유입되고, 압출물 또는 발포 보드(64)가 수조내로 들어가기 전에 이 보드에 물이 분사되며, 물은 순환 펌프(434)에 의해 대기압부(76)로 재순환된다. 달리, 수조 위에 특별한 물통을 제공할 수도 있다.
이상으로, 고품질의 저밀도 발포체를 제조할 수 있으며 이러한 발포체를 효율적이면서 높은 처리량으로 제조할 수 있는 방법 및 장치를 기술하였다.
전술한 목적 및 관련 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 청구범위에 제시된 특징을 포함하지만, 이는 본 발명의 원리를 이용하는 여러 방법 중의 단지 일부에 불과할 뿐이다.

Claims (63)

  1. 각 축방향 단부의 원추형 헤드 플레넘, 헤드 플레넘 사이의 냉각제 용기, 및 냉각제 용기를 관통하여 각 플레넘 사이에서 연장하는 복수의 혼합관을 구비하는 중합체 용해물 냉각용 혼합-냉각기에 중합체 용해물을 공급하는 압출기, 밀폐가능한 진공 챔버, 상기 진공 챔버의 상류 단부를 형성하는 고정 격벽, 혼합-냉각기로부터 상기 고정 격벽을 관통하여 연장하는 겔관, 상기 겔관에 의해 지지된 상태로 상기 격벽의 내부에 있는 다이, 상기 다이를 둘러싼 상태로 격벽의 내부에 지지되어 있는 압출물 성형 기구, 및 상기 압출기, 혼합-냉각기, 및 겔관을 하나의 유닛으로서 상기 격벽과 성형 기구에 대해 축방향으로 이동시킴으로써 상기 성형 기구에 대한 다이의 위치를 조정하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 압출 라인.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 혼합-냉각기가 상기 압출기 및 다이의 기계 축선과 동축인 것을 특징으로 하는 압출 라인.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 혼합-냉각기는, 각 축방향 단부에 있는 원추형 헤드 플레넘, 이 사이에 위치한 냉각제 용기, 및 상기 냉각제 용기를 통하여 상기 플레넘 사이에서 각각이 기계 축선과 평행하도록 연장하는, 축방향으로 평행한 복수의 혼합관을 포함하는 것을 특징으로 하는 압출 라인.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 격벽과 겔관 사이에 위치하고, 진공 챔버의 일체성을 유지하면서 이동을 허용하는 글랜드 시일이 포함되는 것을 특징으로 하는 압출 라인.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 압출기는 2축 압출기인 것을 특징으로 하는 압출 라인.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 압출기는 1차 및 2차 압출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 압출 라인.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 혼합-냉각기는 냉각 및 열적 균질성을 제공하는 정적 혼합기인 것을 특징으로 하는 압출 라인.
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  37. 밀폐된 진공 챔버, 상기 진공 챔버의 상류 단부를 형성하는 진공 챔버용 고정 격벽, 진공 챔버내에서 상류 단부에 배치된 다이, 진공 챔버내에서 이동하는 다이를 지지하며 진공 챔버의 외부에 배치된 캐리지, 상기 캐리지와 상기 다이를 이동시키기 위한 상기 캐리지용 엑츄에이터 수단, 및 상기 다이와 축방향으로 정렬된 다이 캐리지상에 배치되며 복수의 혼합관을 포함하는 혼합-냉각기를 조합하여 구성되는 것을 특징으로 하는 진공 압출 시스템.
  38. 제 37 항에 있어서, 상기 격벽내에 위치하며 상기 이동을 수용하는 글랜드 시일을 포함하는 것을 특징으로 하는 진공 압출 시스템.
  39. 제 38 항에 있어서, 상기 격벽의 내부에 장착된 성형 기구를 포함하고, 상기 성형 기구에 대하여 그 위치를 조정하도록 다이를 이동시키는 것을 특징으로 하는 진공 압출 시스템.
  40. 제 39 항에 있어서, 상기 다이는 상기 캐리지로부터 외팔보식으로 지지되는 것을 특징으로 하는 진공 압출 시스템.
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  42. 제 40 항에 있어서, 상기 혼합-냉각기는 다이와 정렬된 축방향 정렬 입구 및 출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 진공 압출 시스템.
  43. 제 42 항에 있어서, 상기 혼합-냉각기는 그러한 축방향 정렬과 각각 평행한 복수의 평행 혼합관을 포함하는 것을 특징으로 하는 진공 압출 시스템.
  44. 기계 축선을 가지고 있고, 상기 기계 축선상에 압출기, 혼합-냉각기, 및 다이를 모두 포함하는 높은 처리양의 발포 압출 시스템으로서, 상기 압출기는 상승된 온도에서 중합체 용해물을 생산하고 상기 혼합-냉각기는 균질한 용해물 점도를 제공하도록 온도를 감소시키기 때문에, 상기 다이를 빠져나가는 용해물은 균일한 기포 구조의 큰 단면적을 갖는 발포체를 생산하며, 상기 혼합-냉각기는 전체적으로 상기 축과 각각 평행한 혼합관 다발을 포함하고, 상기 다발은 약 90 내지 약 300 개의 관을 포함하며 상기 축에 대칭이고, 상기 관은 각각 적어도 2.54 cm(1 in)의 직경을 가지며, 상기 다발을 통하여 냉각제를 순환시키는 수단 및 상기 냉각제의 온도를 제어하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 높은 처리량의 발포 압출 시스템.
  45. 제 44 항에 있어서, 상기 혼합-냉각기에 의해 얻어진 용해물 온도가 약 120 ℃(250℉) 내지 약 140℃(280℉)인 것을 특징으로 하는 발포 압출 시스템.
  46. 제 44 항에 있어서, 상기 혼합-냉각기에 의해 얻어진 용해물 점도가 약 15,000,000 내지 30,000,000 센티포아즈인 것을 특징으로 하는 발포 압출 시스템.
  47. 제 44 항에 있어서, 상기 시스템이 약 450 kg/hr(1000.0) 내지 약 1360 kg/hr(3000.0 lb/hr)의 압출 속도를 제공하는 것을 특징으로 하는 발포 압출 시스템.
  48. 제 44 항에 있어서, 상기 관의 크기가 약 2.54 cm(1 in) 내지 3.81 cm(1.5 in) 의 범위인 것을 특징으로 하는 발포 압출 시스템.
  49. 제 44 항에 있어서, 다발의 관 길이가 약 6 데시미터 (23.62 inches) 내지 약 15 데시미터 (59.06 inches)의 범위인 것을 특징으로 하는 발포 압출 시스템.
  50. 제 44 항에 있어서, 각 관에 대한 전단 변형률이 약 1 내지 10 sec-1 인 것을 특징으로 하는 발포 압출 시스템.
  51. 제 44 항에 있어서, 상기 혼합-냉각기를 통과하는 용해물은 약 25800 mm-mg (500 psig) 내지 약 78000 mm-mg(1,500 psig) 의 압력 강하를 겪는 것을 특징으로 하는 발포 압출 시스템.
  52. 제 44 항에 있어서, 밀폐가능한 챔버가 포함되고, 다이는 상기 챔버내에 위치되는 것을 특징으로 하는 발포 압출 시스템.
  53. 제 52 항에 있어서, 상기 밀폐가능한 챔버는 진공 챔버이고, 상기 발포체는 상기 진공 챔버를 이탈하여 워터 시일의 수중 오리피스를 통해 대기로 나가는 것을 특징으로 하는 발포 압출 시스템.
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