KR100770471B1 - 압출기 스크류 냉각 및 온도유지를 위한 장치 및 방법 - Google Patents

압출기 스크류 냉각 및 온도유지를 위한 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 압출기 스크류 냉각 및 온도유지를 위한 장치 및 방법에 관한 것으로서, 고무 컴파운드와 같은 소재를 투입하여 압출가공할 때 스크류에서의 온도를 간단한 구조 및 방법을 유지할 수 있고, 또한 압출가공되는 대상물체에 균일한 열전달을 가능하게 함으로써, 압출가공된 대상물체가 균일한 특성치를 발휘하도록 하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 장치는, 열교환매체를 주입하여 압출기 스크류(110) 및 압출가공되는 대상물체를 냉각 및 온도유지하도록, 상기 압출기 스크류의 중앙에 길이방향으로 형성되는 냉각수통로(111)를 구비한다. 상기 냉각수통로의 내부에, 길이방향을 따라 스크류 날개 형상으로 설치되어 분산배플(120)이 설치된다. 이 분산배플에 의해 상기 열교환매체를 분산시켜, 열교환매체의 온도를 균일하게 유지한다. 따라서, 스크류(110)와 대상물체의 온도를 전체적으로 균일하게 유지할 수 있으므로, 압출헤드(130)에서 토출되어 나오는 압출물의 온도가 균일해져 고른 특성치를 가지는 고품질의 압출물을 얻을 수 있다.
압출기, 스크류, 냉각, 온도유지, 냉각수통로, 분산, 배플, 균일

Description

압출기 스크류 냉각 및 온도유지를 위한 장치 및 방법 {DEVICE AND METHOD FOR COLLING AND MAINTAINING THE TEMPERATURE OF EXTRUDER SCREW}
도 1은 종래 개방형 냉각수통로가 적용된 압출기를 나타내는 도면이다.
도 2는 종래 다른 예의 냉각장치가 적용된 압출기를 나타내는 도면이다.
도 3은 밀폐형 냉각수통로가 적용된 압출기의 개념도이다.
도 4는 밀폐형 냉각수통로가 적용된 압출기의 일부 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 압출기 스크류 냉각 및 온도유지를 위한 장치가 적용된 압출기를 나타내는 단면도이다.
도 6은 냉각수통로에 설치된 분산배플에 의한 작용을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 스크류를 나타내는 평면도이다.
도 8은 도 7의 평단면도이다.
도 9는 분산배플을 나타내는 평면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110 : 압출기 스크류, 111 : 냉각수통로,
120 : 분산배플, 121 : 지지봉,
140 : 압출기 모터, 160, 161 : 압력센서.
본 발명은 압출기 스크류 냉각 및 온도유지를 위한 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 고무 컴파운드와 같은 소재를 투입하여 압출가공할 때 스크류에서의 온도를 간단한 구조 및 방법을 유지할 수 있고, 또한 압출가공되는 대상물체에 균일한 열전달을 가능하게 함으로써, 압출가공된 대상물체가 균일한 특성치를 발휘하도록 하는 압출기 스크류 냉각 및 온도유지를 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
통상적으로, 고무용 압출기나 플라스틱용 압출기를 구성하는 스크류의 냉각이나 온도유지를 하기 위한 수단으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 스크류(20) 내부에 냉각수통로(30)가 제공되고, 상기 냉각수통로(30) 내부로 냉각수를 흘려 보내어 스크류(20)의 냉각이나 온도를 유지하게 된다.
압출기 스크류(20)의 구조상 상기 냉각수통로(30)는 압출기를 기동시키는 모터(40)와, 이 모터(40)에서 나오는 출력을 기계적인 힘으로 변속하여 상기 스크류(20)에 전달하는 감속기(50) 내부를 경유하도록 되어 있다. 이와 같이, 냉각수통로(30)가 모터(40)와 감속기(50)를 경유하여 압출기 스크류(20)까지 연결된 것을 개방형 냉각수통로라 명명할 수 있다.
현재 상용화되어 있는 대부분의 압출기 스크류의 냉각 및 온도유지를 위한 장치는 전술한 바와 같은 개방형 냉각수통로를 채용하고 있고, 그 전형적인 예가 도 1에 도시된 것이라 할 수 있다.
이러한 개방형 냉각수통로를 발전 혹은 변형한 유형에 대한 예들로는 미국특허 US6,945,687, US6,758,660, US6,845,804 등에서 찾아볼 수 있다.
예컨대, US6,945,687에는, 도 2에 도시된 바와 같이, 바렐(실린더)부(10)로만 냉각수통로(30)를 마련하여 냉각수 혹은 온수를 공급하는 기술이 제안되어 있다. 또한, US6,845,804에는 바렐부에 냉각수통로 대신 전열장치를 두어 열을 공급하는 기술이 제안되어 있다. 이와 같은 바렐부에 냉각 및 온도유지를 위한 장치가 적용된 기술은 본 발명에서 제안하고자 하는 기술과 거리가 있으므로, 그 상세한 설명을 생략한다.
그런데, 상기한 바와 같은 개방형 냉각수통로는 압출가공 작업할 때 많은 발열을 효과적으로 제어하기 위한 대용량의 압출기에 적합한 것이지만, 그 냉각수통로(30)를 모터(40) 및 감속기(50)를 경유하도록 제작하는 것이 어렵고, 또 사용중에도 상대적으로 긴 냉각수통로(30)로 인하여 내부에서 스케일이 축적되어 열전달 효과가 반감될 확률이 높다. 또한, 보수작업시, 예를 들어 스크류(20)를 교체할 때 냉각수통로(30)를 균일하게 맞추기가 곤란하여 일반적으로 장시간을 필요로 한다는 단점이 있다.
한편, 도 3에는, 냉각수통로(30)가 스크류(20)에만 국한되어 있는 압출기의 예가 도시되어 있는데, 이러한 냉각수통로(30)를 밀폐형 냉각수통로라 명명할 수 있다.
이와 같은 밀폐형 냉각수통로는 소용량의 압출기에 적합한 것으로, 개방형 냉각수통로가 안고 있는 단점을 극복하기 위해 비교적 최근에 개발된 기술이다. 이 와 같이, 스크류(20) 내부로만 국한이 되어 있는 밀폐형 냉각수통로(30)는, 그 내부에 냉각 혹은 온도유지를 위한 매체로 오일이나 냉각수를 주입한 후 스크류(20) 끝단에서 밀폐되는 형태로 구조로 구조로 되어 있고, 압출가공중 발생된 열원을 상기 매체를 이용하여 제거한다는 기본적인 개념을 갖고 있다.
그런데, 밀폐형 냉각수통로(30)와 관련된 기술은, 압출가공 작업중 대상물체(고무 혹은 플라스틱)가 스크류(20)의 회전력에 의해 스크류(20)와 바렐부(10)(도 4 참조) 벽면 사이에서, 파쇄, 혼합 및 연신되어 가면서 대상물체의 온도가 상승됨에 따라 기계적인 부분인 스크류(20)(및 바렐부(10), 바렐부(10)에 대해서는 본 발명의 의도와는 무관하므로 논외로 한다,) 역시 온도가 상승한다. 이 때, 밀폐형 냉각수통로(30)에 충진되어 있는 오일 혹은 냉각수의 온도도 금속온도가 상승함에 비례해서 상승하게 된다. 그러나, 도 4에 도시된 바와 같이, 압출기의 스크류(20)의 구조상 재료를 투입하는 곳에 가까운 쪽 즉, 재료 공급부에 인접한 부위는 다른 부위에 비해 열이력을 덜 받기 때문에 상대적으로 낮은 온도를 보이고, 재료를 압축하는 스크류(20) 중간 부위와 가장 큰 압력을 받는 헤드부에서는 점차적으로 더 높은 온도를 보인다.
이처럼 스크류(20)의 각 영역에서 서로 다른 온도분포를 보이게 되면, 궁극적으로 대상물체(고무 혹은 플라스틱)와 균일한 열전달이 되지 못하게 되므로, 원래의 개념인 냉각 및 균일한 온도유지를 달성하기 어렵게 된다는 단점이 있다. 만약에 압출가공되고 있는 어떤 대상물체에 대해 균일한 온도의 열전달이 되지 못하게 되면 최종적으로 압출가공되어 나오는 압출물의 특성치(예를 들면, 점도 혹은 가류 특성치) 역시 불균일 할 수밖에 없다.
이 문제에 대해 상세히 설명하기 위해 제 4도에 도시된 스크류(20) 각 영역별 온도를 계산한 결과가 다음의 표 1에 나타내었다.
시간(분) 영역 1 온도(℃) 영역 2 온도(℃) 영역 3 온도(℃)
0.5 45.4 51.8 58.0
1 64.5 78.5 92.3
1.5 73.1 90.6 107.9
2 77.0 95.9 114.7
2.5 78.7 98.2 117.0
3 79.4 99.2 118.9
3.5 79.7 99.7 119.5
4 79.9 99.9 119.8
4.5 80.0 99.9 119.9
5 80.0 100.0 120.0
계산에 적용된 스크류(20)의 각 구간은 재료공급부, 압축부 및 헤드부의 3개의 영역 1, 2, 및 3으로 구분하였으며, 밀폐형 냉각수통로(30)에 충진된 냉각수(오일 혹은 냉각수가 있으나, 여기에서는 편의상 냉각수로 통칭함)의 초기온도는 30℃로 하고, 압출가공작업이 진행되는 도중의 스크류(20) 온도(혹은 대상물체인 고무의 온도)를 각 구간별로 설치된 온도센서로 실측하여 얻은 값을 적용하여 계산하였는데, 압출가공작업 이후 약 5분이 경과한 후, 밀폐형 냉각수통로(30) 내부에 충진된 냉각수의 온도가 스크류(20) 온도(혹은 대상물체인 고무의 온도)와 각 구간별에서 일치됨을 확인할 수가 있었다. 즉, 압출가공작업 개시후 일정시간이 지난 다음, 냉각수통로(30)에 충진된 냉각수의 온도 역시 구간별로 차이가 있으며, 이 차이로 인해 대상물체과 열교환 하는 것에도 차이가 발생되어 균일한 온도유지가 곤란하다는 의미이다.
본 발명은 상기한 종래 문제점을 고려하여 이루어진 것으로서, 고무 컴파운드와 같은 소재를 투입하여 압출가공할 때 스크류에서의 온도를 간단한 구조 및 방법을 유지할 수 있고, 또한 압출가공되는 대상물체에 균일한 열전달을 가능하게 함으로써, 압출가공된 대상물체가 균일한 특성치를 발휘하도록 하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 열교환매체를 주입하여 압출기 스크류 및 압출가공되는 대상물체를 냉각 및 온도유지하도록, 상기 압출기 스크류의 중앙에 길이방향으로 형성되는 냉각수통로를 포함하여 이루어지는 압출기 스크류 냉각 및 온도유지를 위한 장치에 있어서: 상기 냉각수통로의 내부에, 길이방향을 따라 스크류 날개 형상으로 설치되어 상기 열교환매체를 분산시키는 분산배플을 더 포함하여 이루어지는 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 분산배플은 냉각수통로에 길이방향으로 삽입되는 지지봉의 외측면을 따라 설치되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은, 압출기 스크류의 중앙에 길이방향으로 형성되는 냉각수통로에 열교환매체를 주입하여 압출기 스크류 및 압출가공되는 대상물체를 냉각 및 온도유지하는 압출기 스크류 냉각 및 온도유지를 위한 방법에 있어서: 상기 냉각수통로의 내부에 길이방향을 따라 스크류 날개 형상으로 설치되는 분산배플에 의하여 상기 열교환매체를 분산시켜 상기 열교환매체의 온도를 균일하게 유지하는 것을 특 징으로 한다.
또한, 본 발명의 압출기 스크류 냉각 및 온도유지를 위한 방법에 있어서, 압출기의 압출헤드 전후에 차압을 감지하는 2개의 압력센서가 설치되고, 이 압력센서들에 의하여 감지되는 차압에 의하여 압출기의 모터의 속도를 제어하여 열교환매체의 흐름을 조절함으로써, 온도를 정교하게 제어할 수 있다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
도 5에는 본 발명에 따른 압출기 스크류 냉각 및 온도유지를 위한 장치가 적용된 압출기의 예가 도시되어 있다.
도 5에 도시된 압출기는, 재료투입부(101)를 구비하는 배럴부(100)와, 상기 배럴부(100)에 회전가능하게 내장되는 스크류(110)와, 상기 배럴부(100)의 출구에 설치되는 압출헤드(130)와, 상기 스크류(110)를 회전시키는 모터(140)와, 그리고 상기 모터(140)의 출력을 변속하여 상기 스크류(110)에 전달하는 감속기(150)를 구비한다.
상기 스크류(110)는 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 한 쌍이 맞물리도록 설치되어, 재료투입부(101)를 통해 투입되는 소재들을 분쇄가능하면서 압출헤드(130) 쪽으로 압출이송시켜 대상물체(고무 혹은 플라스틱)를 압출성형하게 된다.
냉각수나 오일과 같은 열교환매체(112)(도 6 참조)를 상기 스크류(110)에 주입하여, 상기 스크류(110) 및 압출가공되는 대상물체를 냉각 및 온도유지하기 위하여, 상기 스크류(110)의 내부에는 길이방향으로 냉각수통로(111)가 형성된다.
본 발명에 따르면, 도 5, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 냉각수통로(111)에 주입되는 열교환매체의 흐름을 분산시켜 열교환매체의 온도를 균일화시키기 위하여, 상기 냉각수통로(111)의 내부에, 길이방향을 따라 스크류 날개 형상으로 이루어지는 분산배플(120)이 설치된다.
상기 분산배플(120)은 상기 냉각수통로(111)에 길이방향으로 삽입되는 지지봉(121)의 외측면을 따라 설치되는 것이 바람직하다. 예컨대, 상기 지지봉(121) 둘레로 분산배플(120)이 나선 형상으로 연속적으로 형성될 수 있을 뿐만 아니라, 상기 분산배플(120)이 단속적으로 형성될 수 있다.
따라서, 모터(140)의 구동에 의한 스크류(110)의 회전시, 도 6에 도시된 바와 같이, 열교환매체의 흐름이 상기 분산배플(120)에 의해 안내되어 사방으로 분산되므로, 냉각수통로(111)에 주입되는 열교환매체의 온도가 전체적으로 균일하게 유지될 수 있다.
이와 같이, 열교환매체의 온도가 전체적으로 균일하게 유지되면, 이 균일한 온도가 결과적으로 금속성분인 스크류(110) 내부를 통해 스크류(110) 바깥쪽에서 가공되고 있는 고무나 플라스틱과 대상물체에 전달됨으로써, 궁극적으로는 압출헤드(130)에서 토출되어 나오는 압출물의 온도도 균일해져, 제품이 고른 특성치를 갖도록 하는데 도움을 주게 된다.
한편, 상기 압출헤드(130)의 전,후단에 2개의 압력센서(160, 161)를 설치하고, 이 압력센서들에 의해 측정된 차압에 따라 모터(140)의 속도를 제어하여 열교환매체의 흐름을 더욱 효과적으로 조절할 수 있다. 즉, 차압이 크면 모터(140)의 구동속도를 줄이고, 반대로 차압이 작으면, 모터(140)의 구동속도를 높여서 보다 정교한 온도제어를 달성할 수가 있게 된다. 이와 같이, 차압에 의해 모터(140)의 속도를 제어하기 위하여, 제어기(162)와, 이들의 인자들을 효과적으로 연계시킬 수 있도록 PLC(163) 및 프로그램 처리된 컴퓨터(164)가 구성될 수 있다.
다음에, 상기한 바와 같이 구성된 본 발명의 장치에 의하여 압출기 스크류(110) 및 압출가공되는 대상물체를 냉각 및 온도유지하는 방법에 대하여 설명한다.
압출기 스크류(110) 및 압출가공되는 대상물체를 균일하게 냉각 및 온도유지하기 위하여, 스크류(110)의 중앙에 길이방향으로 형성되는 냉각수통로(111)에 분산배플(120)을 설치하고 열교환매체를 주입한 후 상기 냉각수통로(111)를 밀폐시킨다.
그리고, 배럴부(100)의 재료투입부(101)를 통해 소재들을 배럴부(100) 내부로 투입하면, 모터(140)를 구동하여 한 쌍의 스크류(110, 110)를 회전시켜 상기 소재들을 가공한다. 이 소재를 가공하는 과정에서 발생하는 열이 스크류(110)의 길이방향에 따른 각 영역마다 차이가 나는데, 재료투입부(101) 쪽에서 압출헤드(130) 쪽으로 갈수록 온도가 높아진다. 이러한 온도차이는, 냉각수통로(111)에 주입된 열교환매체의 온도가 스크류(110)와 상기 스크류(110)의 외부에서 가공되는 대상물체 로 전달되어 점차 줄어들게 된다.
본 발명에서는, 상기 분산배플(120)에 의하여 열교환매체의 흐름이 도 6에 도시된 바와 같이 사방으로 분산되어, 열교환매체의 온도가 균일하게 유지되고, 이 균일한 온도가 스크류(110)와 대상물체로 전달됨으로써, 결과적으로 스크류(110)와 대상물체의 온도를 전체적으로 균일하게 유지된다.
따라서, 압출헤드(130)에서 토출되어 나오는 압출물의 온도도 균일해져, 제품이 고른 특성치를 가지도록 하여, 고품질의 제품을 얻을 수 있다.
또한, 이러한 냉각 및 온도유지 과정에서, 압출기의 압출헤드(130) 전후에 설치되는 2개의 압력센서(160, 161)에 의해 감지되는 차압에 의해, 제어기(162), PLC(163) 및 컴퓨터(164)를 통해 모터(140)의 속도를 제어함으로써, 열교환매체의 흐름을 효과적으로 조절하여, 정교하게 온도 제어를 할 수 있다.
상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 압출기 스크류 냉각 및 온도유지를 위한 장치 및 방법에 의하면, 스크류(110)에 형성되는 냉각수통로(111)에 주입되는 열교환매체의 흐름을 분산배플(120)에 의해 사방으로 분산시켜 열교환매체의 온도를 균일하게 유지하고, 이 균일한 온도가 스크류(110)와 대상물체로 전달됨으로써, 밀폐형 냉각수통로(111)가 갖는 단점을 극복하여 결과적으로 스크류(110)와 대상물체의 온도를 전체적으로 균일하게 유지할 수 있으므로, 압출헤드(130)에서 토출되어 나오는 압출물의 온도가 균일해져 고른 특성치를 가지는 고품질의 압출물을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에서는 간단한 구조의 분산배플(120)에 의해 효과적으로 온도를 균일하게 유지할 수 있도록 함으로써, 최소의 비용으로 냉각 및 온도유지를 위한 장치를 구성할 수 있으며, 압출물의 품질 불량을 방지함으로써 생산성도 향상시킬 수 있다.

Claims (4)

  1. 열교환매체를 주입하여 압출기 스크류(110) 및 압출가공되는 대상물체를 냉각 및 온도유지하도록, 상기 압출기 스크류의 중앙에 길이방향으로 형성되는 냉각수통로(111)를 포함하여 이루어지는 압출기 스크류 냉각 및 온도유지를 위한 장치에 있어서:
    상기 냉각수통로의 내부에, 길이방향을 따라 스크류 날개 형상으로 설치되어 상기 열교환매체를 분산시키는 분산배플(120)을 더 포함하여 이루어지는 특징으로 하는 압출기 스크류 냉각 및 온도유지를 위한 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 분산배플(120)은 냉각수통로(111)에 길이방향으로 삽입되는 지지봉(121)의 외측면을 따라 설치되는 것을 특징으로 하는 압출기 스크류 냉각 및 온도유지를 위한 장치.
  3. 압출기 스크류(110)의 중앙에 길이방향으로 형성되는 냉각수통로(111)에 열교환매체를 주입하여 압출기 스크류 및 압출가공되는 대상물체를 냉각 및 온도유지하는 압출기 스크류 냉각 및 온도유지를 위한 방법에 있어서:
    상기 냉각수통로의 내부에 길이방향을 따라 스크류 날개 형상으로 설치되는 분산배플(120)에 의하여 상기 열교환매체를 분산시켜 상기 열교환매체의 온도를 균 일하게 유지하는 것을 특징으로 하는 압출기 스크류 냉각 및 온도유지를 위한 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    압출기의 압출헤드(130) 전후에 차압을 감지하는 2개의 압력센서(160, 161)가 설치되고, 이 압력센서들에 의하여 감지되는 차압에 의하여 압출기의 모터(140)의 속도를 제어하여 열교환매체의 흐름을 조절함으로써, 온도를 정교하게 제어하는 것을 특징으로 하는 압출기 스크류 냉각 및 온도유지를 위한 방법.
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