KR101069594B1 - 사출 성형기용 금형에 장착되는 순간 가열, 순간 냉각용 열교환 장치. - Google Patents

Abstract

본 발명은 사출기용 금형의 부분 가열과 냉각에 관한 것으로 상세하게는 사출기용 금형에서 금형의 표면을 필요에 따라 순간적으로 가열하고 순간적으로 냉각시킬 수 있는 가열 및 냉각장치에 관한 것이다.

본 발명은 금형에서 원하는 부위만을 급속도로 가열하고 냉각할 수 있도록 하면서 동시에 복잡한 금형의 구조에 장애를 일으키거나 금형의 구조에 의하여 설치에 제한을 받지 않도록 하고 이를 가동함에 있어 최소한의 에너지를 사용하여 사출성형을 하는데 그 목적이 있다.

이를 위해서는 발열체가 순간적으로 고온으로 상승하고 이때 발생한 고온의 열이 금형의 특정부위에 전도할 수 있어야 하며, 전도되었던 열을 순간적으로 제거할 수 있어야 함이 중요하다.

본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위한 수단으로 고안된 것이며 설치가 간단하고 사용이 용이하며 사출금형의 품질을 개선함에 있어 크게 공헌할 것이다.

사출기, 금형, 캐비티, 열교환장치, 온도 제어장치,

Description

사출 성형기용 금형에 장착되는 순간 가열, 순간 냉각용 열 교환 장치. {The heat exchanger to be eguipped in the Injection mold for fast heating and fast cooling}

본 발명은 사출기용 금형에 사용되는 것으로, 상세하게는 사출기용 금형의 순간가열 및 순간냉각이 가능하도록 하는 열 교환 장치에 관한 것이다.

일반적으로 사출기용 금형에서는 냉각회로를 구성하고 냉각회로로 냉각수를 통과시킴으로써 금형의 온도를 낮추어 사출기에서 금형으로 용융된 상태로 압입된 플라스틱 원료의 열을 제거함으로써 플라스틱제품을 고화시키고 제품을 완성시켰다.

한편으로는 수지의 유동성이 좋지 않은 엔지니어링 플라스틱은 사출 작업 시에 금형의 냉각으로 인하여 탕도에 흐르던 용융된 원료의 온도를 빼앗아감으로써 원료가 유동성을 잃게 되어 금형을 냉각하는 대신 금형을 가열하여 금형이 일정한 온도를 유지하게 함으로써 사출성형이 가능하게 하였다.

즉 종래의 사출성형에서는 사출금형 전체를 가열하거나 냉각을 하는 택일적인 기술이 사용되었으나 플라스틱 원료의 특성이 다양해지고 플라스틱 제품의 구조 가 복잡해지며 플라스틱 제품의 기능적 특성이 고도화 됨에 따라 한 금형을 사출 시에는 가열하고, 사출 직후에는 냉각을 해야 하는 필요가 생기게 되었다.

이러한 기술적 요구는 금형을 어떻게 짧은 시간 안에 가열하고 냉각시킬 것인가하는 기술적인 문제를 가져왔다.

특히 대형 TV 제품의 케이스부품과 같은 플라스틱 원료를 다소 많이 주입하는 대형 제품을 생산함에 있어서는 금형의 캐비티로 용융된 수지를 압입시키는 주입구가 한 개로는 어려웠고, 그 결과 다수의 주입구를 통하여 사출을 해야만 하는데 이때 서로 다른 주입구에서 사출된 용융된 수지가 서로 교차되는 지점에서 원료의 온도차이로 인하여 완전한 접합이 되지 않고 접합 된 부위가 선형을 이루게 되는 웰드라인을 발생시키게 된다.

이러한 웰드라인의 발생을 줄이기 위한 초기 기술은 금형을 가열하는 방법이었다.

하지만, 상기의 생산방법은 품질을 높일 수는 있었으나, 금형 전체를 가열하여 용융된 수지를 냉각시키는 시간이 길어지게 되어 생산성이 떨어지는 단점이 발생하였다.

그리하여 사출부터 냉각까지 플라스틱 제품의 사출성형이 이루어지는 한 주기(Cycle)안에 금형을 필요 온도까지 가열하고, 또 순간적으로 냉각을 시키는 다양한 방법이 시도되었다.

그러나 사출금형은 철강을 소재인 중량물로 제작되어 있어 금형의 온도를 순간적으로 높이고 또한 순간적으로 낮추는 일은 쉽지 않았다.

이제까지의 대표적인 해결 방법으로는 가열을 위해서는 금형에 유체가 순환할 수 있도록 금형 내부에 유로를 형성하고, 그 유로를 통해서 뜨거운 물이나 고온의 증기를 투입하고 때로는 고온의 기름을 투입하기도 하였으며, 금형의 내부에 추가적으로 깊은 홀을 가공하여 발열체를 삽입하여 금형 전체를 가열하는 방법들을 사용하였고 냉각을 위해서는 상기에서 기술했던 동일한 율로 차가운 매체를 순환시키는 방법이 사용되었다.

그러나 이러한 방법들은 기능상으로는 효과가 있었다 하더라도 금형의 가공이 지나치게 많아져 금형의 설계를 까다롭게 하며 제작 시간을 길게 하고 사출 시 제품을 얻기까지의 시간을 줄여 생산성을 높여야 하는 기술적 요구에는 많은 한계점을 가지고 있었다.

첫째로, 용융된 수지의 흐름을 원활히 하기 위하여 금형의 온도를 올리기 위해 금형 전체를 가열하거나 제품의 온도를 빼앗아 냉각시키기 위하여 금형 전체에 냉각을 시켰던 방법은 불필요한 사출시간을 발생하여 생산성이 저하되었다.

둘째는 금형은 열 전도성이 있는 금속으로 만들어지기 때문에 상기의 기술들로는 사출에 기술적으로 필요한 국부만을 가열하고 냉각시키는 것이 어려웠다. 또한, 금형을 전체적으로 가열하기 위해서는 에너지가 과다하게 소비되었다.

셋째로는 금형을 전체적으로 가열하고 냉각함을 반복함으로써 금형의 원재료인 강재가 열 변형으로 인하여 치수변형을 일으키고 수명이 단축되었다.

상기의 문제점들을 해결함이 본 발명의 목적이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 고안된 것으로서, 금형에 간단하게 조립되어 금형에서 가열이 필요한 부분만을 순간적으로 가열하고 순간적으로 냉각시켜 사출 시 금형을 통하여 생산되는 제품의 품질과 생산성을 높이며 생산에 투입되는 에너지를 극소화시킬 수 있는 표준화된 제품으로 응용의 폭을 넓히는데 그 목적이 있다.

상기의 과제를 해결하기 위한 수단으로 전기를 기반으로 하는 저전압 발열체를 만들되 발열체의 출력은 매우 효율적인 히터를 장착하고, 그 발열체와 함께 내부로 냉각매체가 지나갈 수 있는 통로를 구성하여 발명의 원형 표면 중 가열과 냉각이 불필요한 부분을 단열재로 감싸 신속하게 이루어지는 가열과 냉각에서 피가열체가 불필요한 부분으로 열전달이 됨을 미연에 방지하며, 봉의 형태를 지녀 조립 분해가 간단하고 위치의 설정에 있어 단순한 구조적 특성을 지닌 열 교환기를 만들어서 해결할 수 있다.

본 발명은 환봉 형태로서 금형에 장착하기가 쉽고, 소형으로 제작이 가능하여 금형의 가공이 간단하고 제품 자체가 금형의 소재와 유사한 내압 강도가 있어 가열이 필요한 가장 효율적인 위치에 금형의 가공의 부담이나 위치선택의 어려움 없이 장착이 가능하다.

상기의 기술은 지금까지 사출성형금형의 과제인 품질향상과 생산성의 향상을 동시에 실현할 수 있는 해결책이다.

상기와 같이 본 발명은 상부에 순간 가열이 가능한 저전압 특수 히터를 장착하였기에 절연으로 인한 문제가 극소화될 수 있고 온도제어가 필요한 가장 근접한 곳에 장착할 수 있으며 금형과 직접 접촉되는 밀착 식이어서 가장 효율적인 가열효과를 낼 수 있다.

그리고 가열이 필요하지 않은 곳은 단열재로 열의 전도를 차단하도록 고안되어 가열의 효과가 필요한 국부로만 집중할 수 있다.

또한, 내부에 냉각수를 보낼 수 있는 통로가 있어 가열체에 전원을 차단한 후 냉각수를 보내면 즉시 냉각이 된다.

이러한 열 교환 장치는 장착이 쉽고 효율이 높으며 소형화되어 있어 사출금형이 필요한 위치에 신속한 가열과 냉각에 획기적 효과를 낼 수 있는 유용한 발명이다.

도 1에서 보듯이 원료주입구(10-3)를 통하여 사출된 용융된 수지원료가 금형 내부 제품 캐비티(10-4)로 압입되어 형상을 가진 사출제품(10-2)로 된다. 이후에 제품을 인위적인 냉각을 가하여 굳게 만든 후 제품을 취하게 된다.

이때 상기에 기술한 내용처럼 수지의 흐름을 유지시키며 웰드라인을 제거하기 위하여 본 발명인 열 교환 장치(11)를 금형의 온도조절부(10-1)에 삽입하여 제품을 원활히 생산할 수 있도록 한다.

열 교환 장치의 자세한 구조적 설명은 하기와 같다.

도 2에서 보듯이 열 교환 장치(11)는 크게 절연된 히터를 장착하여 순간적으로 금형을 가열하는 히터장치와 순간적으로 금형을 냉각시키는 냉각장치(6)가 히터장치의 내부에 함께 장착되어 구조적으로나 기술적으로 효율적인 장치이다.

냉각매체 순환장치는 도 3과 같다.

냉각매체 주입구(6-1)로 냉각매체가 공급되면 냉각매체 연결구(6-2)로 냉각매체가 흐르고, 냉각매체 분산을 위한 홈(6-3)를 통해 냉각매체가 흐르면서 강관(1)의 냉각이 이루어진다.

냉각매체는 냉각매체 퇴출구(6-4)를 통하여 밖으로 배출된다.

도 4에서 외각 형상은 원통형이고 내측의 빈 공간이 외측보다 지름이 4mm정도 작은 홀이 있는 원통형의 강관(1-1)을 만든다.

이 강관의 외측에 홈(2)을 생성하고 그 안에 절연이 된 발열체인 히터(3)를 삽입한다. 또한, 니크롬선(3)과 전원을 연결할 리드선(4)를 장착한다.

또한, 강관(1-1)의 내부에 가공되어진 홀(5)에 외부의 제어기(8)에서 냉각매체 순환 배관(6-5)을 통하여 공급되는 냉각매체가 내부에서 유동하며 금형의 가열되어 뜨거운 온도를 빼앗아 냉각을 유도하는 냉각수 순환장치(6)를 설치한다.

강관(1-1)의 외부에는 단열재로 된 잘려진 원통형의 단열판(7)을 감싸 타 부위는 배제하고, 특정한 부위에서만 열 교환이 이루어질 수 있도록 히터가 설치되는 홈(2) 부분으로만 열 교환이 이루어지도록 한다.

상기 리드선(4)은 외부에 설치된 별도의 제어기(8)로 연결된다.

상기 강관(1-1)의 윗면에는 금형의 온도를 감지할 수 있는 열전대(9)를 장착한다.

도 5에서와 같이 제어기(8)에는 열 교환 장치(11)의 히터(1-3)의 발열온도를 제어하는 온도제어장치(15)와 냉각장치(6)를 제어하는 냉각제어기(12),

또 히터의 발열을 위한 전류를 조절하는 전류조절장치(13),

그리고 금형의 온도조절부(10-1)의 온도를 열전대(9)로 측정하고 이 온도를 받아들이고 입력하는 온도계측장치(14)번으로 이루어진다.

상기와 같이 된 본 발명의 작동을 설명하면 하기와 같다.

강관(1-1)의 상부에는 4개의 홈이 있고 그 홈 안에는 저전압에서 발열하는 절연이 된 고성능 히터(3)가 장착된다.

도 3에서와 같이 본 발명인 열 교환 장치(11)가 금형(10)에 삽입된다.

제어기(8)에서는 사출기에서 신호를 받으면 타이머 즉, 작동 제어 장치(15)에 의하여 히터(3)의 발열시간이 결정된다.

본 발명의 히터(3)는 저전압에서 발열하는 히터(3)로 순간적으로 단시간에 상당의 온도로 가열이 가능한 고성능 발열체로 한다.

이 히터(3)에서 발생한 열은 금형(10)의 온도조절을 요구하는 온도조절부(10-1)를 가열한다.

이때 제어기(8)는 전류조정장치(13)에 의하여 가열에 필요한 열량을 조절한다.

제어기(8)에는 금형의 온도를 감지하는 열전대(9)의 측정값을 신호로 받아 금형의 온도를 읽을 수 있는 온도입력장치(14)가 장착된다.

가열공정이 끝나면 타이머(15)에 의하여 냉각매체를 제어하는 솔레노이드 밸브(16)을 작동시키고, 냉각매체가 강관(1)으로 공급되며 공급된 냉각매체는 강관(1-1)의 표면을 급속 냉각시키고 금형의 온도조절부(10-1)를 냉각시킨다.

상기와 같은 동작은 사출기의 신호에 따라 반복되면서 금형을 급속으로 가열하고 냉각시켜서 사출성형 시 금형의 품질과 생산성을 높여주어 본 발명의 목적을 달성한다.

도 1은 본 발명이 적용되는 사출성형의 금형도

도 2는 본 발명의 조립도

도 3은 본 발명의 냉각장치의 개념도

도 4는 본 발명의 발열장치인 히터의 개념도

도 5는 본 발명의 제어기의 개념도

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

1. 가열장치 1-1. 강관

1-2. 히터가 삽입되는 홈 1-3. 절연이 된 히터

1-4. 리드선 1-5. 냉각 홀

6. 냉각 매체 순환장치 6-1. 냉각매체 주입구

6-2. 냉각매체 연결구 6-3. 냉각매체 분산 홈

6-4. 냉각매체 퇴출구 6-5. 냉각 매체 순환 배관

7. 단열판 8. 제어기

9. 열전대 10. 금형

10-1. 온도조절기 10-2. 사출제품

10-3. 원료주입구 10-4. 금형 내부 제품 캐비티

11. 열 교환 장치 12. 냉각 제어기

13. 전류조정장치 14. 온도 계측 장치

15. 온도 제어장치 16. 솔레노이드 밸브

Claims (5)

1. 강관(1-1)의 내부에 냉각장치(6)를 체결하여 일체로 가열장치(1)를 구성하되,

   상기 강관(1-1)의 외부의 홈(1-2)을 형성하고, 이 홈(1-2)에 히터(1-3)를 장착하여 히터(1-3)의 발열이 피가열체를 급속하게 가열할 수 있도록 하여서 된 것과,

   상기 냉각장치(6)의 작동으로 인하여 피냉각체의 급속한 냉각을 실현할 수 있도록 구상된 사출성형의 금형에 장착되는 열 교환 장치(11)와 이를 작동하도록 제어하는 제어기(8)로 이루어진 것을 특징으로 하는 사출 성형기용 금형에 장착되는 순간 가열, 순간 냉각용 열 교환 장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 강관(1-1)에 내부에 삽입 고정되어 열 교환 장치(11)의 내부로 냉각매체가 순환하며, 금형(10)을 냉각시키기 위해 강관을 냉각시키는 열 교환 장치(11)의 냉각장치(6)로 이루어 진 것을 특징으로 하는 사출 성형기용 금형에 장착되는 순간 가열, 순간 냉각용 열 교환 장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 강관(1-1)의 비 전열 구간을 감싸서 강관에서 발생하는 열과 냉각 기능이 특정부위인 온도 조절부(10-1)로만 전달될 수 있게 하고, 불필요한 부위에는 단 열 시킬 수 있어 열 교환 장치(11)의 에너지의 효율을 극대화하며 금형(10)의 온도 조절을 용이하게 하는 열 교환 장치(11)의 단열체(7)로 이루어 진 것을 특징으로 하는 사출 성형기용 금형에 장착되는 순간 가열, 순간 냉각용 열 교환 장치..
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서,

   상기 열 교환 장치(11)의 냉각장치(6)로 냉각매체의 유입과 방출의 순환을 제어하고, 가열장치(1)의 온도를 제어하기 위하여 타이머(12,15)와,

   열전대(9)가 측정한 값을 입력받아 신호로 만들어 주는 온도 계측 장치(14),

   출력 전류 조절장치(13), 냉각매체 밸브 제어용 솔레노이드 벨브(16)가 장착된 열 교환 장치의 제어기(8)로 이루어 진 것을 특징으로 하는 사출 성형기용 금형에 장착되는 순간 가열, 순간 냉각용 열 교환 장치.

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