KR100716098B1 - 핫 러너 시스템에 사용하는 전기 가열 장치, 핫 러너 노즐, 및 핫 러너 시스템용 가열 장치 제조 방법 - Google Patents

Abstract

전기 표면 가열 소자는 핫 러너 노즐(12)의 원통형 재료 파이프(13)의 외주에 직접 적용함으로써 설치된다. 상기 표면 가열 소자는 금속 파이프(13) 또는 그 벽(16)에 직접 적용된 세라믹 유전체 층(20)을 포함하고, 적어도 하나의 층(22)은 가열 전도체 스트립(23) 그리고 상기 층(22)의 상단에 적용되는 전기 절연 세라믹 커버 층(24)을 포함한다. 막, 또는 두꺼운 코팅 스크린 인쇄 기술이 코팅 방법으로서 적합하다. 그러나, 원형 인쇄를 이용하는 두꺼운 코팅 기술이 대체로 층 형성을 위해 양호하게 사용된다. 대안으로, 세라믹 유전체 층(20)은 미리 제작된 그린 막의 형태로 핫 러너 파이프(13)의 외주에 고정되고 그 후 베이킹될 수 있다.

Description

핫 러너 시스템에 사용하는 전기 가열 장치, 핫 러너 노즐, 및 핫 러너 시스템용 가열 장치 제조 방법{ELECTRIC HEATING DEVICE FOR USE IN HOT RUNNER SYSTEMS, HOT RUNNER NOZZLE, AND A METHOD FOR MANUFACTURING A HEATING DEVICE FOR HOT RUNNER SYSTEMS}

본 발명은 청구항 1에 따른, 핫 러너 시스템(hot runner system) 특히 핫 러너 매니폴드(manifold) 및/또는 핫 러너 노즐용 전기 가열 장치에 관한 것이다. 본 발명은 또한 청구항 19에 따른, 이러한 가열 장치를 제조하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 핫 러너 시스템용 전기 가열 수단은 보통 튜브 형상인 흐름 관의 외주에 장착되기 위해 탈착 가능한 재킷에 통합되는 튜브 형상 가열 요소를 갖는 별도의 구성요소 부품이다. 예를 들면 독일 실용신안등록 제295 07 848호 또는 미국 특허 제4,558,210호에 개시된 바와 같이, 재킷은 곡률 반경이 흐름 관과 일치하는 강성 구조이고, 추가적 유지 또는 체결 수단은 재킷을 튜브 외주에 축방향으로 고정하기 위해 제공된다. 대안으로, 재킷은, 다른 열 전도성을 가질 수 있고 흐름 관의 튜브 외주상에 고정되는 전기 절연 층들 사이의 가요성 가열 스트립 또는 가열 블랭킷(blanket)을 형성한다. 유럽 특허 제0 028 153호는 이를 위해 열 전도 접착 스트립을 제공하고, 반면 국제 공개 공보 제97/03540호는 벨크로(velcro) 또 는 다른 스냅 패스너를 구비하는 가요성 가열 테이프를 채용한다.

원래 기계적으로 분리 가능한 가열 장치는 가열 요소로부터 튜브 형상 흐름 관으로의 열 전달이 종종 비효율적이라는 중요한 단점을 갖는다. 이를 보상하기 위해, 가열 장치의 전체 치수를 확장시켜 보다 큰 열 용량을 형성하는 것이 필요하다. 그에 따른 큰 열 질량은 가열 및 냉각 시간 주기를 연장시키고, 그에 의해 생산 속도의 증가는 제한된다. 또한, 흐름 관의 길이에 걸쳐 좀처럼 일정한 온도를 나타내지 않는 흐름 관의 벽 내부의 선 온도 분포와 관련된 문제점이 있다. 노즐 팁의 영역에서, 특히, 충분한 열 전달, 그에 따른 충분한 온도 수준은 오직 고비용에 의해서만 달성될 수 있다. 이것은, 차례로 전체적 온도 설정 및 제어 수단을 위해 요구되는 노력 모두에 영향을 미친다.`

본 발명의 목적은 종래 기술의 상기의 단점 및 다른 단점을 극복하고, 일반적으로 향상되고 개개의 정확한 조절을 가능하게 하는 열 전달 및 온도 분포 패턴이 주 핫 러너 부분과 노즐 사이에 제공된, 핫 러너 시스템용 전기 가열 장치를 생성하는 것이다. 이 장치는 제어 수단을 위한 큰 노력 없이 용이하게 작동하도록 설계되어야 한다.

본 발명의 다른 목적은 성형 질량 흐름 튜브, 로드, 매니폴드 브랜치와 같은 흐름 관 벽에 비탈착식으로 장착되도록 적합화되고 극단적인 기계적 및/또는 열적 부하를 영구적으로 견디는, 형상 및 힘에 따라 통합되는 컴팩트한 구조의 전기 가열 수단을 핫 러너 시스템에 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 중요한 목적은 최소 노력이 요구되지만 간단하고 경제적인 실행을 가능케하는, 핫 러너 시스템, 핫 러너 매니폴드 및/또는 핫 러너 노즐용 가열 장치를 제작하는 방법의 발전이다.

본 발명의 주요 특징은 흐름 도관과 관련된 적어도 하나의 성형 질량 흐름 튜브를 구비한 핫 러너 노즐 및/또는 매니폴드를 포함하는 핫 러너 시스템에 사용하는 전기 가열 장치 및 그 제작 방법 각각에 관련되는 청구항 1 및 청구항 19에 한정되어 있다. 본 발명은 적어도 하나의 절연 유전체 층이 흐름 튜브의 벽에 점착 방식으로 직접 코팅됨으로써 부착되고 가열 전도체를 갖는 적어도 하나의 가열 층에 의해 코팅되는 것을 제안한다.

가열 장치의 층들을 점착식으로 적층함으로써 흐름 관의 벽과 영구적으로 고정된 연결이 형성되고, 따라서 핫 러너 매니폴드 및/또는 핫 러너 노즐 상에 확실히 고정된다. 가열 장치는 직접 코팅에 의해 달성되는 작은 두께 치수로 인해 적은 공간을 필요로 하고, 그에 의해, 종래의 가열 장치와 비교하여, 거의 같은 성능 특성을 가지면서 극단적인 소형 실시예가 실현될 수 있다. 또한 열은 가열될 핫 러너 요소의 일반적으로 만곡된 표면에서 생성되어 직접 반송되므로(carried off) 전력 밀도는 현저하게 증가될 수 있다. 기계적 비탈착 방식으로 가열 장치를 흐름 튜브 벽에 직접 고정함과 더불어, 이러한 모든 것은 가열 층으로부터 절연 층을 경유하여 가장 균일하고 정확하게 가열될 벽으로 항상 최적의 열 전달을 보장한다. 열 질량에 의해 야기되는 반작용 지연에 대처해야할 값비싼 제어 수단에 대한 필요성은 없다. 상기 장치는 전체 사출 성형 생산 공정에 있어서 적당한 노력으로, 신속하고 정확한 가열 및 냉각을 역시 가능하게 한다.

다른 장점은 가열 장치가 수분 흡수에 대항하여 신뢰성 있게 보호된다는 것이다. 튜브형 가열기 또는 나선형 튜브 카트리지를 채용하는 종래의 가열 장치는, 장착 문제점과 더불어, 관통 수분이 단락을 야기할 수 있으므로 흡습성 절연 재료안으로의 수분 흡수로 인한 절연 문제점도 가지고 있었다. 이를 피하기 위해, 가열 장치를 감소된 가열 전력 하에 최초 작동함으로써 수분을 감소시키기 위한 추가적 제어 수단이 요구된다. 본 발명의 가열 장치는 그것 없이 실행된다. 오히려, 가열 장치는 완전히 긴밀하고 자가-수납된 방식으로 흐름 관에 결합되어 종래의 장착 및 제어를 위해 필요한 노력은 완전히 필요 없게 된다. 이것은 구매 및 장착 비용에 긍정적 효과를 갖는다.

구체적으로, 적어도 하나의 절연 층은 유리, 유리질 세라믹 또는 세라믹을 포함하는 유전체 층일 수 있다. 양호하게는, 소결 공정 중, 압력 사전인장이 이 절연 유전체 층내에서 흐름 튜브 벽에 대해 생성되며, 베이킹된 유전체 층의 선 열 팽창 계수(TEC_DE)는 흐름 튜브 벽의 선 열 팽창 계수(TEC_M)보다 작고, 선 열 팽창 계수의 차이(TEC_DE-TEC_M)는 적어도 5.0 ·10^-6 K^-1 인 불일치에 의해 이루어진다. 본 발명의 또 다른 중요한 특징은 사출 성형 공정에 의해 기술적으로 야기되는 진동 내부 압력 부하에 작동 온도 하에서 노출되는 핫 러너 튜브와 유전체 층 사이의 인장 경감 결합의 발전이다. 이 부하 그리고 작동 온도에 도달하여 유지하기 위해 300 ℃ 와 450 ℃ 사이의 온도까지 흐름 관 벽을 가열할 필요성은 가열 장치로 직접 전달될 탄성적 팽창 및 수축을 수반한다. 실제 변형 정도는 재료 관련 인자(즉, 탄성 모듈러스)와 기술적 경계 조건(작동 온도, 튜브 벽 두께, 내부 압력 수준)에 의존한다. 강철 튜브상에 종래에 도포된 층은, 상기 인자들의 공동 영향 하에, 상이한 인장 응력에 자유롭게 노출되게 된다. 그러나, 본 발명은, 대조적으로, 유전체 층내의 압력 사전 인장인장이 각각의 반경에 따라 크기가 변경되는, 내부 압력 부하 하에 발생하는 박리힘(delamination forces)을 보상할 때, 이것을 신뢰성 있게 회피한다. 보통 가열 장치는 대체로 흐름 관의 보통 튜브형 흐름 튜브 벽에 특히 양호한 접착 강도를 가질 것이고 극단적인 기계적 및/또는 열적 부하를 영구적으로 견딜 것이다. 그래서 최적 생산 결과는 항상 보장된다.

양호하게는 절연 유전체 층은 소정의 베이킹 온도에서 미리 형성된 유리, 일반적으로 금속으로 구성된 흐름 튜브 벽의 표면을 습윤시키기에 적합한 유리질 세라믹 또는 세라믹들을 포함하는 재료의 시스템을 포함하고, 상기 절연 유전체 층은 적어도 부분적으로 결정 상태이다. 재료의 시스템은 소정의 베이킹 조건 하에서 결정으로 되지 않는 적어도 하나의 다른 유리를 포함할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 시스템은 처음부터 결정인 적어도 하나의 화합물을 포함할 수 있다. 재료 시스템의 미리 형성된 유리질 및 세라믹 화합물의 비율을 최적화함으로써, 소결 공정의 조건 하에서 그들의 각 TEC 증분을 고려하여, 세라믹 유전체 층은 5 ·10^-6 K^-1 과 7 ·10^-6 K^-1 사이 범위인 선 열 팽창 계수(TEC_DE)를 갖는다.
적어도 하나의 절연 유전체 층에는 흐름 튜브 벽의 길이 방향의 갭이 구비될 수 있다. 외부 영향으로부터의 보호를 위해, 적어도 하나의 전기 절연 커버 층은 가열 층 위에 적층될 수 있다. 또한, 적어도 하나의 전기 절연 사이층이 가열 층 및 커버 층의 사이 또는 다른 층들 쌍 사이에 제공될 수 있다.
측정 및/또는 제어를 위해, 전기 저항이 온도 증가에 따라 증가하는 예를 들면 PCT(양성 온도 계수(positive temperature coefficient)) 재료로 된 적어도 비율에 따른 하나의 다른 층을 가열 층과 커버 층 사이에 구비시키는 것이 적절하며, 이 저항기 층은 용융 온도의 정확한 제어를 위해 사용될 수 있는 열전 소자를 형성한다. 저항기 층과 가열 층이 일 평면에 놓이면, 특히 작은 전체 치수가 달성된다.
양호하게는, 적어도 하나의 절연 층은 세라믹 유전체 층이며, 각 가열 층 또는 각 가열 층은 가열 전도체를 포함하며, 적어도 하나의 전기 절연 층은 상단에 적층된다. 절연 유전체 층, 가열 층, 저항기 층, 사이층 및 커버 층은 양호하게는 베이킹된 포일 또는 베이킹된 후막 페이스트이며, 모든 층들은 함께 층 조성을 형성할 수 있다.
각각의 여러 층들은 포일 기술, 후막 기술 또는 스크린 인쇄를 사용하여 별도로 적층될 수 있다. 후막 기술의 경우, 페이스트가 원형 인쇄 공정에서 적용된다. 후속하여 각 층들에 대해 별도로 베이킹이 실행될 수 있다. 대안적으로, 이들은 동시에 동시소결에 의해 동시에 베이킹될 수 있다. 유전체 층은 따라서 고체 화합물 부분이 현장에서 900℃ 이상의 온도 범위에서 결정화되는 유리만으로 구성될 수 있는 베이킹된 포일 또는 베이킹된 후막이다.
흐름 튜브가 금속과 같은 경화된 또는 응고된 재료로 구성되면, 임의의 층의 소결 온도에 의해 그 경화 온도를 초과하지 않도록 주의가 된다. 금속에 미리 형성된 그릿 구조를 유지하기 위해, 양호하게는 층의 베이킹은 금속을 템퍼링하는데 요구되는 온도를 초과하지 않는 온도에서 동시소결(co-firing)함으로써 행해진다. 그러나, 유전체 층은 소결 온도 이상의 경화 온도를 견디게 된다. 본 제조 방법은 많은 방식으로 최적화될 수 있으며, 적은 공정 단계로의 감소가 이루어진다.
상기 조절은 본 발명의 해결 수단의 다른 중요한 태양을 나타낸다. 유리하게는, 흐름 튜브 벽은 예를 들면 경화 온도로 유도 가열된다. 흐름 튜브 벽의 경화는 소결 공정 중 적어도 하나의 공정 동안 실행될 수 있으며, 소결 조건은 경화 온도에 대해 조절된다. 800 ℃ 와 1,100 ℃ 사이의 소결 온도가 양호하며, 상기 범위는 가열 작업을 위한 상업용 공구 강철 유형의 대부분에 대한 종래의 경화 온도에 상응한다.
본 발명의 방법을 실행하기 위해서는, 아직 베이킹되지 않은 후막 페이스트 또는 그린 세라믹 포일로 코팅된 강철 튜브의 유도 가열이 특히 적합한데, 이 공정에서는, 열 전달이 유도 가열된 강철 튜브로부터 시작되고 베이킹된 층은 내부로부터 가열될 것이기 때문이다. 결과적으로, 후막 페이스트내에 함유된 압력 캐리어와 접합제와 같은 휘발성 요소는 잔류 가스를 포함함이 없이, 점차적으로 용융되는 유리 세라믹 재료 시스템으로부터 용이하게 빠져나올 수 있다. 그래서 기포의 형성은 확실히 방지되고 층의 그릿 구조는 정확하게 균질할 것이다.

본 발명의 다른 특징, 세부사항 및 장점은 청구항으로부터 그리고 도면을 통한 이하의 실시예에 대한 설명으로부터 명백해질 것이다.

도1은 편평 층 가열 장치를 구비한 핫 러너 노즐의 개략적 단면도이다.

도2는 도1의 가열 장치의, 부분적으로 접힌 전개도이다.

도3은 편평 층 가열 장치를 구비한 핫 러너 노즐의 다른 실시예의 단면도이다.

도4는 온도 감지기를 갖는 도3의 가열 장치의 전개도이다.

도5는 편평 층 가열 장치를 구비한 핫 러너 노즐의 또 다른 실시예의 단면도이다.

도6은 가열 및 온도 감지기 배치의 다른 유형을 도시한다.

도7은 온도 감지기를 갖는 가열 장치의 다른 실시예를 도시한다.

열가소성 재료를 가공하기 위한 사출 성형 장치의 부품으로서, 도1에 도시된 핫 러너 노즐은 (도시되지 않는) 매니폴드에 부착되는 (도시되지 않는) 케이싱을 포함하는데, 이 케이싱 안으로 대략 원통형 성형 질량 흐름 튜브(13)가 삽입될 수 있다. 튜브 단부에 형성된 기부(17)는 케이싱과 접촉하여 끝나고 매니폴드와 밀봉식으로 결합한다. 흐름 튜브(13)는 축방향 길이 방향으로 연장된다. 그 단부에는, 노즐 팁(18)이 삽입되는데, 양호하게는 나사결합되며, 상기 팁은 튜브(13) 안에 형성된 흐름 관(14)을 (도시되지 않은) 다이 공동부의 (도시되지 않은) 평면까지 연장한다. 노즐 팁(18)은 또한 기능은 동일한 채 흐름 튜브와 일체화될 수 있다.

가열 장치(10)는 강철로 만들어진 흐름 튜브(13)의 벽(16)의 외주에 부착되며, 가열 장치(10)는 금속에 직접 적층된 세라믹 유전체 층(20)에 의해 절연층을 구비하는 편평층 가열 장치이며, 상부에는 도2에 개략 도시되는 바와 같이 굽은 가열 전도체 트랙(23)을 포함할 수 있는 가열 층(22)이 구비되고 또한 유전체 층(20)과 가열 전도체(23)를 하부에 두고 외향으로 덮고 전기적으로 절연하는 외부 커버 층(24)이 구비된다. 가열 전도체 트랙(23)은 임의의 형상을 가질 수 있고 요구되는 전력에 따라 다양한 밀도 및 배치로 절연 층(20) 상에 배치될 수 있다. 이것은 실제 필요에 따른 흐름 튜브(13)내의 한정된 온도형을 가능하게 한다.

흐름 튜브(13)가 별도의 노즐 팁(18)을 갖지 않는 핫 러너 노즐(12)의 다른 실시예가 도3에 도시된다. 가열 전도체(23)를 포함하는 가열 층(22)은 세라믹 절연 층(20) 상에서 성형 질량 흐름 튜브(13)의 외측 자유 단부까지 연장된다. 이 외측 영역(19)에서, 커버 층(24)은 인접 부품을 향해 밀폐하기 위한 밀봉 면(25)을 외주에 형성한다. 그래서 열이 의도하지 않게 인접 외계로 분산되는 것을 방지할 수 있다. 가열 층(22)의 설계는 도4로부터 명확해진다. 굽은 가열 전도체(23)는 흐름 튜브(13)의 각각의 단부 영역, 즉 단부 영역(19)과 기부(17)의 앞쪽 영역에 집중된다. 극단적으로 높은 수준까지 설정될 수 있는 전력은 노즐(12)의 팁 영역까지 제공되므로 전체적으로 최적 온도 분포가 가능하다. 단지 몇 정도(degree)의 변이 창(variation window)을 갖는 고열 감응성 재료를 가공하는데 따른 문제점은 없다.

커버 층(24)이 필요한 밀봉 기능을 수행하기에 적합하지 않은 경우에, 흐름 튜브(13)는 연관된 외주 밀봉 면(25)을 포함하는 강철 칼라(13') 또는 플랜지를 그 단부 영역(19)에 구비할 수 있다. 도5에 도시되는 바와 같이, 가열 장치(10)는 여기에서 기부(17)와 칼라(13') 사이의 흐름 튜브(13)의 원통형 벽(16) 상에 프린트된다.

흐름 튜브(13) 또는 흐름 관(14) 각각 내부의 온도의 상승 및 진행 모두를 감시하거나 제어할 수 있기 위해서, 온도가 상승함에 따라 저항이 증가하는 PTC 재료로 된 적어도 하나의 층(28)(도2)이 가열 층(22) 및 커버 층(24) 사이에 제공된다. 향상된 열 전도를 위해, 가열 층(22)과 저항 층(28) 사이에 전기 절연 사이층(26)이 있다. 그런 사이층은 필요하다면 또한 다른 층들 사이에도 개재될 수 있다.

열전 소자를 형성하는 저항 층(28)은 온도 감지기로서 온도 곡선을 측정하기 위한 - 가열 층(22)의 트랙에 상응하는 - 전도체 트랙(29)을 포함할 수 있다(도4). 적절하게는, 전도체(29)는 가열 층(22)의 가열 전도체(23)와 같은 평면에 있고 이로써 이들은 커버 층(24)에 의해 공통으로 보호된다. 그래서 가열 장치의 치수는 최소한으로 감소된다. 온도 감지 전도체(29) 및 가열 전도체(23) 모두를 위한 대안적 설계 개념들이 도6 및 도7에 각각 도시된다.

각각의 층들(20, 22, 24, 26, 28)은 직접 코팅에 의해 튜브 벽(16)에 점착식으로 적층되고 그 후 특정 재료에 대해 주어진 소결(firing) 조건 하에 베이킹되며, 그 결과 접합된 층 화합물이 형성된다. 그러나, 흐름 튜브(13)의 선 열 팽창 계수(TEC_M)에 대한 세라믹 유전체 층(20)의 선 열 팽창 계수(TEC_DE)의 특정 불일치에 의해, 절연 층(20)의 굽는 공정은 그 안에 압력 사전인장을 생성한다. 이 내인장 접합으로 인해, 가열 장치(10)에서 크랙이나 다른 열화가 발생하지 않고, 사출 성형 공정에 의해 기술적으로 야기되는 진동 내부 압력 부하를 용이하게 견디기 위해 - 가열 장치(10)의 지지 층으로서 - 절연 층(20)이 적합하다. 화합물 몸체의 여러 기능 층들(20, 22, 24, 26, 28)은 그들의 매우 유사한 재료 조성으로 인해 그들 사이의 현저하게 큰 점착 특징을 이루므로, 대체로 가열 장치(10)는 극단적인 기계적 및/또는 열적 부하를 영구적으로 견딜 것이다.

다양한 기능 층들을 적층함으로써 코팅하기 위해, 포일 및 후막에 의한 스크린 인쇄가 적합하다. 양호하게는, 그럼에도 불구하고, 후막 스크린 인쇄는 원형 인쇄 방법과 더불어 사용된다.

이와 관련하여 양호하게는 세 개의 개별 층에 의해 적층된 유전체 층(20)에 흐름 튜브(13)의 벽(16)의 길이 방향으로 갭이 있다면 유리하다. 이것은 원하지 않는 인장이나 또는 박리까지도 야기할 수 있는, 유전체 층(20)의 개별 층이 적층 후 겹치는 것을 방지하는 역할을 한다.

유전체 층(20)의 소결 과정과 상응하게, 흐름 튜브(13)가 유도성으로 경화되면 전체적으로 경제적인 가공이 달성된다. 이 목적을 위해 또한 이하의 굽기 공정을 위해, 각각의 소결 조건(소결 온도, 기간, 냉각율)은 사용되는 강철 유형에 의해 결정되는 경화 및 템퍼링 온도와 조화되는 것은 중요하다. 특히, 후속 층들의 소결 온도는 금속의 이미 형성된 그릿이 유지되도록 금속 템퍼링을 위한 온도를 초과해서는 안 된다. 예를 들면, 소결 단계의 공정 변수의 적절한 변화를 통해 조절이 행해질 수 있다. 그러나, 사용될 후막 페이스트의 특정 재료를 기초로 한 적용도 또한 가능하다.

도1에 도시된 흐름 튜브(13)는 내경에 대한 외경의 직경비가 1.4와 2.5 사이, 양호하게는 2.0 이고, 그 결과 예를 들면 외경이 10 mm인 경우, 벽(16)의 두께는 적어도 2.8 mm 일 것이다. 작동시, 벽은 주입 사이클 중 약 2,000 바의 진동 내부 압력과 약 300 ℃의 온도를 받는다. 핫 러너 튜브(13)의 강철은 20 ℃ 내지 300 ℃ 의 온도 범위 내에서의 11 ·10^-6 K^-1의 선 열 팽창 계수(TEC)를 갖고 2 ·10 ⁶ 바의 탄성 모듈러스를 갖는다. 재료를 경화하기 위해 요구되는 열 처리 온도는 양호하게는 800 ℃ 내지 1,050 ℃ 범위이다.

원형 인쇄 방법을 사용하여, 후막 유전체 페이스트는 개선된 점착을 위해 공지된 방법으로 거칠어진 금속 표면(16) 상에 적층되고, 페이스트의 고체 부분은 BaO Al₂O₃ 4SiO₂ 로 주어진 대략적 몰 조성으로 주요 성분을 BaO Al₂ O₃ 4SiO₂ 로 하여, 900 ℃ 이상의 온도에서 현장에서(in situ) 정출되는 유리만으로 구성된다. 소결 공정 후 얻어지는 유전체 층(20)은 20 ℃ 내지 300 ℃ 의 온도 범위 내에서 6 ·10^-6 K^-1의 TEC를 갖는다.

5 ·10^-6 K^-1 크기의 유전체 층(20)과 금속 벽(16) 사이의 이에 따른 TEC 불일치로 인해, 약 3,500 바의 최초 압력 사전인장은 순수 탄성 변형의 온도 범위, 즉 약 700 ℃의 유리 변형 온도와 실온 사이에서의 유전체 코팅 핫 러너 튜브(13)의 냉각 중 예상될 수 있다 {2 ·10⁶ 바의 유전체 층(20)의 탄성 모듈러스에 기초하여}. 압력 사전인장의 수준은 6,000 바 이상에서 시작되는, 유전체의 적절 압력 강도의 임계 한도 이하이며, 핫 러너 튜브(13)의 - 두께가 2.8 mm인 - 튜브 벽(16)이 2,000 바의 부하 하에 주기적인 팽창을 받을 때 유전체 층(20) 및 또한 다른 층들(22, 24) 내의 인장 응력을 신뢰성 있게 방지하기에 충분하다.

가열 전도체(23) 및 저항 층(28) 각각을 위한 전기 연결부(23' 29')는 후막 기술을 이용하여 역시 제조되고, 필요한 접촉은 전력 공급과 정보 전사 연결을 위한 케이블 플러깅(plugging)이 채용될 수 있는 그런 방식으로 설계된다.

본 발명은 상술된 임의의 실시예에 한정되지 않고 많은 방식으로 변형될 수 있다. 그래서 위에서 한정된 가열 장치로 코팅된 흐름 튜브(13) 내의 가열 로드가 제공될 수 있다. 튜브는 또한 난형 또는 직사각형 단면으로 형성될 수 있다. 후막 페이스트 대신에, 튜브 외주상에 고정되고 그 후 베이킹되는 소위 그린 포일이 사용될 수 있다. 흐름 튜브(13)의 템퍼링은, 양호하게는 유도 가열 하에 마르텐사이트의 형성에 의해 또는 석출 경화에 의해 주로 제작될 수 있다.

본 발명에 따르면 얇은 치수의 전기 가열 장치가 핫 러너 노즐(12) 또는 매니폴드의 흐름 튜브(13)의 벽(16)의 외주에 직접 코팅됨으로써 설치되는 것이 이해될 것이다. 이 가열 장치(10)는 금속 튜브(13) 상에 직접 적층된 적어도 하나의 절연 유전체 층(20), 가열 전도체(23)로 구성된 층(22), 및 그 위에 적층된 전기 절연 커버 층(24)을 포함한다.

코팅하기 위해, 포일 또는 후막 어느 하나에 의한 스크린 인쇄 방법이 적합하다. 양호하게는, 그럼에도 불구하고, 원형 인쇄를 구비한 후막 기술이 전체 층 구조를 위해 사용된다. 대안으로, 세라믹 유전체 층(20)은 튜브(13)의 외주상에 고정되고 그 후 베이킹되는, 사전 제작된 그린 포일일 수 있다.

본 발명의 중요한 특징은, 사출 성형 공정에 의해 기술적으로 야기되는 진동 내부 압력 부하에 작동 온도 하에서 노출되는 핫 러너 튜브(13)와 세라믹 유전체 층(20) 사이의 내인장 접합의 발전이다. 이 부하 그리고 작동 온도에 도달하여 유지하기 위해 300 ℃ 내지 450 ℃의 온도까지 흐름 튜브(13)를 가열할 필요성은 결과적으로 핫 러너 튜브를 탄성적으로 팽창시킨다. 실제 변형 정도는 재료 관련 인자(즉, 탄성 모듈러스)와 기술적 경계 조건(작동 온도, 튜브 벽 두께, 내부 압력 수준)에 의존한다. 결과적으로, 강철 튜브(13)상에 적층된 유전체 층(20)은, 이러한 인자들의 공동 영향 하에, 상이한 인장 응력에 노출될 것이다. 그러나, 작동시, 유전체 층(20) 내의 뚜렷한 압력 사전인장에 의해 이에 대한 확실한 보상이 있다.

내부 압력 부하에 따른 반경 의존성에 의해 발생하는 꾸준한 박리화를 견디어내는, 핫 러너 노즐(12)의 흐름 튜브(13) 상의 유전체 층(20)의 특히 양호한 점착은 그래서 달성된다. 본 발명의 가열 장치(10)에 의해, 극단적으로 높은 전력 밀도는 좁은 공간에서 획득될 수 있고, 열은 항상 그 열이 반출되는 바로 그 곳에서 생성된다는 것은 특히 유리하다. 온도형은 매우 간단한 방식으로, 정확하게 균일한 온도 분포로 실현될 수 있다.

청구항, 상세한 설명 및 도면으로부터 나타나는, 설계 세부사항, 공간 배치 및 공정 단계를 포함하는 모든 특징 및 장점은 그 자체로 그리고 다양한 조합으로 본 발명에 필수적이다.

Claims (46)

1. 흐름 관(14)과 관련된 적어도 하나의 성형 질량 흐름 튜브(13)를 구비한 핫 러너 노즐(12) 및/또는 매니폴드를 포함하는 핫 러너 시스템에 사용하는 전기 가열 장치(10)이며,

   적어도 하나의 절연 유전체 층(20) 및 가열 전도체(23)를 구비하는 적어도 하나의 가열 층(22)을 포함하고, 상기 적어도 하나의 절연 유전체 층(20)은 흐름 튜브(13)의 벽(16)에 점착 방식으로 직접 코팅됨으로써 부착되고 가열 전도체(23)를 갖는 상기 적어도 하나의 가열 층(22)에 의해 코팅되는 전기 가열 장치.
2. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 절연 층(20)은, 소결 공정 후 흐름 튜브 벽(16)에 대해 압력 사전인장 하에 있는 유리질 또는 세라믹 유전체 층인 전기 가열 장치.
3. 제2항에 있어서, 베이킹된 유전체 층(20)의 선 열 팽창 계수(TEC_DE)는 흐름 튜브 벽(16)의 선 열 팽창 계수(TEC_M)보다 작고, 선 열 팽창 계수의 차이(TEC_DE-TEC_M)는 적어도 5.0 ·10^-6 K^-1 인 전기 가열 장치.
4. 제1항에 있어서, 절연 유전체 층(20)은 소정의 베이킹 온도에서 미리 형성된 유리, 금속으로 구성된 흐름 튜브 벽(16)의 표면을 습윤시키기에 적합한 유리질 세라믹 또는 세라믹들을 포함하는 재료의 시스템을 포함하고, 상기 절연 유전체 층(20)은 적어도 부분적으로 결정 상태인 전기 가열 장치.
5. 제4항에 있어서, 재료의 시스템은 소정의 베이킹 조건 하에서 결정으로 되지 않는 적어도 하나의 다른 유리를 포함하는 전기 가열 장치.
6. 제4항에 있어서, 재료의 시스템은 처음부터 결정인 적어도 하나의 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 가열 장치.
7. 제1항에 있어서, 유전체 층(20)은 베이킹된 포일 또는 베이킹된 후막 페이스트인 전기 가열 장치.
8. 제7항에 있어서, 후막 페이스트의 고체 성분은 900 ℃ 이상의 온도 범위에서 현장에서 정출되는 유리만을 포함하는 전기 가열 장치.
9. 제1항에 있어서, 유전체 층(20)의 선 열 팽창 계수(TEC_DE)는 5 ·10^-6 K^-1 과 7 ·10^-6 K^-1 사이인 전기 가열 장치.
10. 제1항에 있어서, 절연 유전체 층(20)은 흐름 튜브 벽(16)의 길이 방향의 갭을 포함하는 전기 가열 장치.
11. 제1항에 있어서, 가열 층(22)은 필요 전력으로 조절되는 가열 전도체(23)를 포함하는 전기 가열 장치.
12. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 전기 절연 커버 층(24)은 가열 층(22) 위에 적층되는 전기 가열 장치.
13. 제12항에 있어서, 적어도 하나의 사이층(26)이 유전체 층(20), 가열 층(22) 또는 커버 층(24)의 사이에 제공되는 전기 가열 장치.
14. 제13항에 있어서, 전기 저항이 가열 층(22) 및/또는 흐름 튜브 벽(16)의 온도에 의존하는 적어도 하나의 다른 층(28)이 있고, 저항기 층(28)은 열전 소자를 형성하는 전기 가열 장치.
15. 제14항에 있어서, 저항기 층(28)과 가열 층(22)은 일 평면에 놓이는 전기 가열 장치.
16. 제14항에 있어서, 절연 유전체 층(20), 가열 층(22), 커버 층(24), 사이층(26) 및 저항기 층(28)은 베이킹된 포일 또는 베이킹된 후막 페이스트인 전기 가열 장치.
17. 제14항에 있어서, 절연 유전체 층(20), 가열 층(22), 커버 층(24), 사이층(26) 및 저항기 층(28)은 층 조성을 형성하는 전기 가열 장치.
18. 제1항에 따른 가열 장치를 포함하고, 상기 가열 장치(10)는 원통형 흐름 튜브(13), 로드, 매니폴드 브랜치 등에 고정되는 핫 러너 노즐.
19. 핫 러너 시스템, 특히 적어도 하나의 성형 질량 흐름 튜브(13)를 구비한 핫 러너 매니폴드 및/또는 핫 러너 노즐(12)용 가열 장치(10) 제조 방법이며,

    적어도 하나의 절연 유전체 층(20)은 흐름 튜브(13)의 벽(16) 위에 점착 방식으로 직접 코팅에 의해 도포되고, 가열 전도체(23)를 구비하는 적어도 하나의 가열 층(22)에 의해 코팅되는 방법.
20. 제19항에 있어서, 적어도 하나의 절연 층(20)은 세라믹 유전체 층인 방법.
21. 제19항에 있어서, 가열 층(22)은 가열 전도체(23)를 포함하는 방법.
22. 제19항에 있어서, 적어도 하나의 전기 절연 층(24)이 가열 층(22) 또는 가열 층(22) 각각에 적층되는 방법.
23. 제22항에 있어서, 적어도 하나의 사이층(26)이 유전체 층(20), 가열 층(22) 및 커버 층(24) 사이에 삽입되는 방법.
24. 제23항에 있어서, 전기 저항이 가열 층(22) 또는 흐름 튜브 벽(16)의 온도에 의존하는 적어도 하나의 다른 층(28)이 적층되거나 삽입되는 방법.
25. 제24항에 있어서, 각각의 층들(20, 22, 24, 26, 28)은 포일 기술, 후막 기술 또는 스크린 인쇄를 사용하여 별도로 적층되는 방법.
26. 제24항에 있어서, 층들(20, 22, 24, 26, 28)은 원형 인쇄 공정에서 적용된 페이스트에 의해 후막 기술을 사용하여 적층되는 방법.
27. 제24항에 있어서, 각각의 층들(20, 22, 24, 26, 28)은 별도로 적층되고 그 후 베이킹되는 방법.
28. 제24항에 있어서, 모든 층들(20, 22, 24, 26, 28)은 별도로 적층되고 동시소결에 의해 동시에 베이킹되는 방법.
29. 제24항에 있어서, 800 ℃ 와 1,100 ℃ 사이의 소결 온도에서 베이킹이 수행되는 방법.
30. 제19항에 있어서, 적어도 하나의 절연 유전체 층(20)에는 흐름 튜브 벽(16)의 길이 방향의 갭이 제공되는 방법.
31. 제24항에 있어서, 코팅될 흐름 튜브 벽(16)은 경화 온도가 임의의 층(20, 22, 24, 26, 28)의 소결 온도를 초과하지 않는 경화되거나 응고 가능한 재료로 구성되는 방법.
32. 제31항에 있어서, 흐름 튜브 벽(16)을 경화하는 공정은 소결 공정 중 적어도 하나의 공정 동안 수행되고, 소결 조건은 경화 온도로 조절되는 방법.
33. 제32항에 있어서, 흐름 튜브 벽(16)은 경화 또는 소결 온도로 유도 가열되는 방법.
34. 제19항에 있어서, 소결 공정 중, 흐름 튜브 벽(16)에 대해 절연 유전체 층 내(20)에 압력 사전인장이 야기되는 방법.
35. 제34항에 있어서, 흐름 튜브 벽(16)의 선 열 팽창 계수(TEC_M)에 대한 베이킹된 유전체 층(20)의 선 열 팽창 계수(TEC_DE)의 불일치가 상기 벽(16)의 팽창 관련 특성에 따라 생성되고, 선 열 팽창 계수 차이(TEC_DE-TEC_M)는 적어도 5.0·10^-6K^-1 인 방법.
36. 제19항에 있어서, 절연 유전체 층(20)의 선 열 팽창 계수(TEC_DE)는 5.0·10^-6K^-1 과 7.0·10^-6K^-1 사이인 방법.
37. 제19항에 있어서, 절연 유전체 층(20)은 흐름 튜브 벽(16)에 유리질 결정 재료를 소결함으로써 생성되고, 상기 재료는 소결 온도에서 금속 표면을 습윤시켜 적어도 부분적으로 결정 상태로 전환되는 적어도 하나의 미리 형성된 유리를 포함하는 방법.
38. 제37항에 있어서, 상기 재료는 소결 조건 하에서 결정으로 되지 않는 적어도 하나의 다른 유리를 포함하는 방법.
39. 제37항에 있어서, 상기 재료는 처음부터 결정인 적어도 하나의 화합물을 포함하는 방법.
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