KR100704045B1 - 나선형 홈을 갖는 사출 성형 냉각 코어 - Google Patents

Abstract

각각의 세장형 냉각된 금형 코어(10)를 갖는 사출 성형 장치가 중공의 세장형 외측부(80)를 일체형의 돔 형상 전방 캡(132)의 내부에 중공의 세장형 내측부(78)를 가지고 있다. 내측부(78)의 외부 표면(120)과 외측부(80)의 내부 표면(126) 각각은 반대 방향으로 나선을 이루는 냉각 유체 수송 홈(122, 128)을 가지고 있다. 이것은 매우 균일한 냉각이 가능하도록 해주며 냉각 유체 유동이 홈(122, 128)을 통해 매우 난류성이 강한 유동이 되도록 하여 냉각 효율을 향상시킨다. 이것은 또한 금형 코어(10)에 추가적 구조 강도를 제공하여 높은 사출 압력을 견딜 수 있게 한다.

사출 성형, 냉각, 코어, 나선, 금형

Description

나선형 홈을 갖는 사출 성형 냉각 코어{INJECTION MOLDING COOLING CORE HAVING SPIRAL GROOVES}

본 발명은 일반적으로 고온 탕도(湯道) 사출 성형에 관한 것이고 보다 상세하게는 개선된 금형 코어를 갖는 사출 성형 장치에 관한 것이다.

성형 시간을 단축시키기 위해서 고온 탕도 사출 성형 시스템의 금형 코어를 냉각시는 것이 잘 알려져 있다. 음료수 병의 예비 형성품(preform)을 제작하는 것과 같이 많은 양을 취급함에 있어서 단 몇 분의 일초라 할지라도 성형 시간을 단축시키는 것은 매우 중요하다. 1992년 3월 10일에 발행된 미국 특허 번호 제 5,094,603호에서 볼 수 있는 바와 같이, 성형 시간의 단축은 통상 금형 코어 내의 중앙 냉각 튜브를 통과시키고 그 주변으로 냉각수를 순환시킴으로써 수행되어 왔다. 많은 응용 사례에 있어서 이와 같은 설비가 만족할 만한 것이긴 하나, 일반적으로 충분한 냉각 효과를 제공하기엔 역부족이다. 중앙 냉각 튜브와 관련된 또 다른 문제점이라고 하면, 이것이 정확히 중앙에 위치하지 않거나 공동 내의 용융물이 균일하게 냉각되지 않는 특정한 이유가 존재할 경우, 불균일한 냉각으로 인해 공동 내에 불균일한 힘이 야기될 것이고 이로 인해 코어의 위치가 이동될 수 있다. 이것은 결국 예비 성형물(preform)이 균일한 벽 두께를 가질 수 없게 하는 결과를 초래하여 예비 성형물의 발포(blowing) 시에 문제를 발생시킨다.

1996년 3월 12일자에 발행된 체크(Check)의 미국 특허 번호 제 5,498,150호에는 그 내부에서 길이 방향으로 연장되어 있는 홈을 갖는 외측부를 포함하는 금형 코어가 제시되어 있다. 홈들이 냉각 표면의 영역을 증가시키기는 하지만, 방출(ejection)을 위해 금형을 개방할 수 있기 전에 용융물을 고형화하기 위해서 기다리는 데에 여전히 너무 많은 시간 지연이 존재한다. 또한, 금형 코어가 공동의 일부를 형성함에 따라, 인치당 10,000 파운드(10,000 psi)에 달하는 사출 압력을 견딜 수 있는 충분한 구조 강도를 갖추어야만 하고 이것은 냉각수의 통로 크기의 결정에 있어 제한이 되는 것이다. 게다가, 금형 코어를 통한 냉각수의 유동은 일반적으로 층류이므로 용융물의 냉각 효율이 감소된다.

"마스터-스택 클로져 성형 부품 소개(Introducing Master-Stack Closure Molding Components)"라는 제목으로 된 몰드-마스터즈(Mold-Masters) 사의 소개용 책자(brochure)에는 헤드 내에서 반경 방향으로 바깥을 향해 연장되어 있는 냉각 유체 구멍을 갖는 금형 코어에 관하여 제시하고 있다. 이것이 클로져(closure)를 성형하는 데에는 적합할 지 모르지만, 예비 형성품(preform)을 성형하는 데에는 적합하지 않다.

따라서, 본 발명의 목적은 금형 코어를 통과하는 냉각 유체의 난류 유동으로 인한 추가적 구조 강도 및 증가된 냉각 효율을 갖는 일체형 금형 코어를 제공함으로써 종래의 기술이 갖는 단점을 최소한 부분적으로나마 극복하고자 하는 것이다.

이를 위하여, 본 발명은 그 여러 태양들 중 하나에서, 금형 내에 세장(細長)형 공동(cavity)과 냉각된 금형 코어를 갖는 사출 성형 장치를 제공하고 있으며, 냉각된 금형 코어는 중공(中空)의 세장형 내측부, 세장형 외측부, 그리고 내부 표면과 외부 표면을 갖는 전방 캡(cap)으로 구성된다. 세장형 내측부는 전단이 개방된 전방 부위, 외부 표면, 그리고 길이 방향으로 연장되어 있는 중앙 덕트를 포함하고, 이 중앙 덕트를 통해 냉각 유체를 수송해 준다. 세장형 외측부는 전단이 개방된 전방 부위, 외부 표면, 그리고 내부 표면을 가지며, 상기 내부 표면은 내측부의 전방 부위의 외부 표면 주변에 끼워진다. 세장형 외측부의 전방 부위의 내부 표면과 세장형 내측부의 전방 부위의 외부 표면 중 적어도 하나는 그 안에서 길이 방향으로 연장하는 다수의 냉각 유체 수송 홈을 가지고 있다. 또한, 외측부의 외부 표면과 전방 캡의 외부 표면은 공동의 내부 측면을 형성하고 있다. 세장형 내측부의 전방 부위, 세장형 외측부의 전방 부위 및 전방 캡은 서로 일체형으로 접합된다. 전방 캡은 외측부의 전방 부위의 개방된 전방 부분을 밀봉하여 내측부의 전방 부위 내의 중앙 덕트와 냉각 유체 수송 홈 사이에서 연장하는 냉각 유체 수송 공간을 형성하게 된다. 내측부의 전방 부위의 외부 표면과 외측부의 전방 부위의 내부 표면 모두는 그 내부에 냉각 유체 수송 홈들을 가지고 있다. 내측부의 전방 부위의 외부 표면 내의 홈들과 외측부의 전방 부위의 내부 표면 내의 홈들은 반대 방향으로 나선을 형성하여 상기 홈들을 통하여 난류의 냉각 유체 유동을 발생시킨다.

본 발명의 또 다른 목적 및 이점은 첨부한 도면과 함께 행해지는 다음의 설명으로부터 명확해진다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 냉각된 금형 코어를 포함하는 다중-공동 사출 성형 시스템의 일부를 도시한 단면도이다.

도 2는 도 1에 도시된 금형 코어의 단면도이다.

도 3은 도 2에 도시된 금형 코어를 형성하도록 하기 위하여 제 위치에 놓인, 나선형 홈들을 나타내는 내측부와 외측부의 전방 부위들, 그리고 전방 캡에 대한 입체도이다.

도 4는 동일한 금형 코어의 일체형 전방 부위의 일부를 절단하여 도시한 입체도이다.

도 5는 도 4의 선 5-5를 따라 취해진 단면도이다.

도 6은 도 4의 선 6-6을 따라 취해진 단면도이다.

도 7은 금형 코어의 일부에 있어서 나선형 홈을 지나는 냉각 유체의 난류 유동을 나타내는 입체도이다.

도 8은 도 7의 선 8-8을 따라 취해진 단면도이다.

도 9는 도 7의 선 9-9를 따라 취해진 단면도이다.

우선 도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 냉각된 금형 코어(10)를 가지는 음료수 병 예비 성형물을 성형하는 데에 사용되는 다중-공동 사출 성형 시스템 또는 장치의 일부가 도시되어 있다. 이 배치 구조에서, 다수의 가열된 노즐(12)이 금형(16) 내에 있는 개구부(14) 내에 설치되어 있으며, 가열된 노즐(12) 각각의 후단(18)은 강재(鋼材)의 용융물 분배 다기관(22)의 전방면(20)에 접하고 있다. 각 노즐(12)은 일체형의 전기 가열 요소(24)에 의해 가열되며 노즐(12)의 전단(28) 안으로 연장되어 있는 열전쌍 요소(26)(thermocouple element)를 가지므로 작동 온도를 감시하고 조절할 수 있다. 가열된 노즐(12) 각각은 원통형의 위치 설정용 플랜지(30)를 가지며, 그 플랜지는 개구부(14) 내의 원형의 위치 설정용 시트(32)(seat)에 안착되어 있다. 이로 인해 가열된 노즐(12)과 주위를 감싸고 있는 금형(16) 사이에 단열 공기 공간(34)이 제공되며, 금형(16)은 냉각 통로(36)를 통과하는 냉각수를 펌핑시킴으로써 냉각된다.

용융물 분배 다기관(22)도 또한 일체형 전기 가열 요소(38)에 의해 가열된다. 용융물 분배 다기관(22)은 다기관 판(40)과 클램프 판(42) 사이에 설치되며, 상기 판들은 볼트(44)로 서로 고정된다. 용융물 분배 다기관(22)은 중앙의 위치 설정용 링(46)과 다수의 탄성 스페이서(48)에 의해 위치되고 있으며, 이때 스페이서(48)에 의해 다기관(22)과 주변의 냉각된 금형(16) 사이에 단열 공기 공간(50)이 제공된다.

용융물 통로(52)는, 용융물 분배 다기관(22)의 입구부(56)에 있는 중앙 입구(54)로부터 연장되고, 용융물 분배 다기관(22) 내에서 분지(branch)하여 각각의 가열된 노즐(22) 내의 중앙 용융물 구멍(58)을 통과하여 연장한다. 용융물 통로(52)는 냉각된 게이트 삽입부(gate insert)(64)를 통해 공동(66)으로 연장하는 게이트(62)와 정렬되어 있는 두-조각의 노즐 밀봉부(two-piece nozzle seal)(60)를 통과하여 연장한다. 음료수 병 예비 성형물을 제조하기 위한 상기 공동(66)은 바깥쪽으로 공동 삽입부(68) 및 나사산 분리 삽입부(70)(thread split insert)와 안쪽으로 본 발명에 의한 냉각된 금형 코어(10) 사이에서 연장한다. 게이트 삽입부(64)와 공동 삽입부(68)들은 공동 판(74) 내의 개구부(72)에 위치하고 있으며, 상기 공동 판(74)을 통과하여 냉각수 도관(도시 안됨)이 상기 냉각된 게이트 삽입부(64)까지 연장한다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 이러한 실시예에 따른 냉각된 금형 코어(10)는 중공의 세장형 내측부(78)를 가지고 있고 이것은 중공의 세장형 외측부(80) 내부에 끼워진다. 금형 코어(10)는 공동(66)으로부터 코어 잠금용 요소(84) 내의 개구부(82)를 통하여 뒤쪽으로 연장되어 있으며, 상기 코어 잠금용 요소(84)는 나사(88)에 의해 코어의 후판(86)에 고정되어 있다. 코어 잠금용 요소(84)는 슬라이드(slide) 요소 (92)와 마모판(94) 내의 개구부(90)를 통과하여 연장되어 있으며, 상기 마모판(94)은 나사(98)에 의하여 스트리퍼 판(stripper plate)(96)에 고정된다. 냉각 유체의 공급 및 복귀 도관(100, 102)들은 코어의 후판(86) 내에 연장되어 있고, 공급 도관(100)은 내측부(78)의 길이 방향으로 연장하고 있는 중앙 덕트(104)에 연결되며, 복귀 도관(102)은 내측부(78)의 후방 부위(108)와 외측부(80)의 후방 부위(110) 사이에서 연장하는 외부 냉각 유체 덕트(106)에 연결되어 있다. 물론, 기타 응용에 있어서, 상기 금형(16)은 요구되는 배치 구조에 따라 상이한 개수와 형상의 부분 및 판을 가질 수 있다.

다음에는 도 3과 도 4을 참조하여, 본 발명의 이 실시예에 따른 냉각된 금형 코어(10)를 설명한다. 내측부(78)와 외측부(80)는 개방된 전단(116, 118)을 가지는 전방 부위(112, 114)들을 포함하고 있다. 내측부(78)의 전방 부위(112)를 관통하여 중앙의 냉각 유체 덕트(104)가 연장하며, 내측부(78)의 전방 부위(112)는 그 주위를 연장하는 나선형 홈(122)들을 가지는 외부 표면(120)을 구비한다. 외측부(80)의 전방 부위(114)는 외부 표면(124)과 내부 표면(126)을 가지고 있으며, 이 내부 표면(126)은 내측부(78)의 전방 부위(112)의 외부 표면(120)의 주변에 들어 끼워진다. 외측부(80)의 전방 부위(114)의 내부 표면(126)도 또한 그 주위에 연장되어 있는 나선형 홈(128)들을 가지고 있으나, 이 나선형 홈(128)들은 내측부(78)의 전방 부위(112)의 외부 표면(120)에 있는 나선형 홈(122)들과는 반대 방향으로 나선을 이루고 있다.

도 3에 가장 잘 도시된 바와 같이, 내측부(78)의 전방 부위(112)의 외부 표면(120)에 있는 나선형 홈(122)과 외측부(80)의 전방 부위(114)의 내부 표면(126) 내의 나선형 홈(128)은 개방된 전단(116, 118)으로부터 조금 떨어진 거리에서 멈춘다. 따라서, 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 내측부(78)가 외측부(80) 안쪽으로 삽입되는 경우, U-자 형상의 원통형 채널(130)이 개방된 전단(116, 118) 사이에 형성되어 돔 형상의 전방 캡(132)을 수용한다. 돔 형상의 전방 캡(132)은 외측부(80)의 개방된 전단(118)을 밀봉시키고 냉각 유체 수송 공간(134)을 제공하여 내측부(78) 내의 중앙 덕트(104)로부터 내측부 및 외측부(78, 80) 내의 나선형 홈(122, 128)들로 냉각 유체를 수송한다. 돔 형상의 전방 캡(132)은 외부 표면(136) 및 내부 표면(138)을 가지고 있고, 내부 표면(138)은 다수의 곡면 처리된 립(140)들을 구비하며 상기 립(140)들은 그들 사이에서 곡면 처리된 홈(142)을 형성한다. 외측부(80)의 전방 부위(114)의 외부 표면(124)과 전방 캡(132)의 외부 표면(136)은 공동(66)의 내부 측면(144)을 형성한다. 이와 같은 실시예에서, 전방 캡(132)의 내부 표면(138)에 있는 곡면 처리된 홈(142)들은 내측부(78)의 전방 부위(112)에 있는 나선형 홈(122) 및 외측부(80)의 전방 부위(114)에 있는 나선형 홈(128)과 정렬되어 있어서 내측부(78) 내의 중앙 덕트(104)로부터 내측부 및 외측부(78, 80) 내의 나선형 홈(122, 128)들의 안쪽으로 냉각 유체를 흐르도록 한다.

내측부(78)의 전방 부위(112), 외측부(80)의 전방 및 후방 부위(114, 110), 그리고 돔 형상의 전방 캡(132)이 조립되어 감압로(vacuum fance) 내에서의 납질땜과 같은 적절한 공정이나 고온 등압압축(isostatic pressing)에 의해 서로 일체형으로 접합된다. 이러한 실시예에서, 버블러 튜브(bubbler tube)라고 불리우는 내측부(78)의 후방 부위(108)는 내측부(78)의 전방 부위(112) 내부에 꼭 끼워지는 슬리브 부위(146)에 의해 제 위치에 압입(press fit)된다. 내측부(78)의 전방 부위(112), 외측부(80)의 전방 및 후방 부위(114, 110) 및 돔 형상의 전방 캡(132)을 서로 일체형으로 접합함으로써 냉각된 금형 코어(10)에 더 높은 강도를 부여하여, 이로 인해 외측부(80)에 있는 나선형 홈(128)이 공동(66)에 더 가까이 근접할 수 있게 된다. 이것은 또한 중앙 냉각 유체 덕트(104)가 냉각된 금형 코어(10) 안에 정확히 위치하도록 보장해주며, 반대 방향으로 연장하는 나선형 홈(122, 128)들은 이들을 통과하는 냉각 유체 유동이 매우 균일하도록 보장해 준다. 이와 같은 두가지 요소 모두는 공동(66) 내의 용융물의 냉각이 매우 균일하게 하여 다른 측면보다 한 측면에서 냉각이 더 커지지 않도록 보장해준다. 도 7 내지 도 9에서 보여지는 바와 같이, 반대 방향으로 연장되어 있는 나선형 홈(122, 128)들은 또한 냉각 유체가 결합된 홈(122, 128)들을 통해 전후방 및 내외부로 유동하도록 강제함으로써 매우 난류성이 강한 유동을 야기시켜 공동(66) 내의 용융물이 보다 효율적으로 냉각되도록 한다.

사용 시에, 도 1에서와 같이 시스템이 조립되고 난 후, 노즐(12) 및 용융물 분배 다기관(22)을 미리 결정된 작동 온도로 가열시키기 위하여 가열 요소(24, 38)로 전력이 공급된다. 물과 같은 적절한 냉각 유체가 또한 펌프(도시 안됨)에 의하여 금형(16)내의 냉각 통로(36) 및 공동 삽입부(68)로 이어지는 도관을 통해 순환된다. 통상 글리콜(glycol)과 같은 청정제용 냉각 유체가 공급 및 복귀 도관(100, 102)을 통해 밀폐형 루프 냉각 시스템 내에서 펌프(도시되지 않음)에 의해 작동되어 금형 코어(10)를 통해 순환한다. 그리고 나서, 용융물 분배 다기관(22)의 용융물 통로(52)의 중앙 입구(54) 안으로 미리 결정된 사출 주기에 따라 성형 기계(molding machnie)(도시 안됨)로부터 가압된 용융물이 유입되며, 상기 용융물 분배 다기관(22)으로부터 가압된 용융물이, 각각의 가열된 노즐(12) 및 두-조각으로 된 노즐 밀봉부(60)(two-piece nozzle seals) 내에 있는 중앙 용융물 구멍(58)을 통과하고, 그리고 게이트(62)를 통과하여 흘러 공동(66)을 채운다. 공동(66)이 채워지고 난 후, 사출 압력이 잠시동안 새지 않도록 유지된 다음 방출된다. 단시간의 냉각 기간이 경과된 후, 제품을 방출(eject)하기 위해 금형(16)이 개방된다. 방출 후, 금형(16)은 밀폐되고 사출 압력이 다시 가해져 공동(66)을 다시 채운다. 이러한 주기가 지속적으로 일정한 성형 시간을 가지고 반복되며, 여기서 금형 코어(10)에 의해 개선된 냉각의 결과로 그 성형 시간이 단축되었다.

반대 방향으로 나선을 이루는 홈(122, 128)들을 갖는 냉각된 금형 코어(10)가 바람직한 실시예로서 설명되었지만, 당업자에게 이해되는 바와 같이 그리고 다음의 특허청구에서 나타낸 바와 같이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다양한 수정안들이 가능하다는 것은 명백하다.

Claims (18)

1. 용융된 재료와 접촉하게 되는 외측부(80)와,

   안으로 유입되는 냉각제와 접촉하게 되는 내측부(78)와,

   돔 형상 전방 캡(132)을 포함하는, 개선된 냉각 특성을 갖는 일체형 사출 성형 코어에 있어서,

   상기 내측부(78) 및 상기 외측부(80)가 상기 돔 형상 전방 캡(132)에 결합되고,

   상기 내측부(78)가 상기 외측부(80)에 끼워져 결합되어서 그 사이에 냉각 채널들이 형성되어 상기 코어의 안쪽으로 냉각제가 안내되게 되고,

   상기 외측부(80)는 상기 냉각 채널들의 벽 부위를 형성하는 나선형 홈(128)을 구비하고,

   상기 내측부(78)는 상기 냉각 채널의 벽 부위를 형성하는 나선형 홈(122)을 구비하는 것을 특징으로 하는 일체형 사출 성형 코어.
2. 제1항에 있어서, 상기 냉각 채널들이 가변하는 단면(variable cross-section)들을 가지는 것을 특징으로 하는 일체형 사출 성형 코어.
3. 제1항에 있어서, 상기 돔 형상 전방 캡(132)이 냉각 리브(rib)(140)를 구비하는 것을 특징으로 하는 일체형 사출 성형 코어.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 냉각제가 난류 유동을 가지는 것을 특징으로 하는 일체형 사출 성형 코어.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내측부(78)와 상기 외측부(80)와 상기 전방 캡(132)이 서로 납땜질되는 것을 특징으로 하는 일체형 사출 성형 코어.
6. 냉각 홈(122)들을 포함하는 코어 내측부(78)를 제작하는 단계와,

   냉각 홈(128)들을 포함하는 코어 외측부(80)를 제작하는 단계와,

   돔 형상 전방 캡(132)을 제작하는 단계를 포함하는, 개선된 냉각 효율을 가지는 금형 코어의 제작 방법에 있어서,

   상기 코어 내측부(78)와 상기 코어 외측부(80)와 상기 돔 형상 전방 캡(132)들을 서로 끼워 결합시킴으로써 일체형 냉각 채널들을 형성하는 단계를 포함하고,

   상기 코어 외측부(80)에 있는 상기 홈(128) 부위가 상기 냉각 채널들의 벽 부위를 형성하며, 상기 코어 내측부(78)에 있는 상기 홈(122) 부위가 상기 냉각 채널들의 벽 부위를 형성하는 것을 특징으로 하는 금형 코어의 제작방법.
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