KR101269651B1 - 사출 금형의 냉각 및 가열 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 사출 금형의 냉각 및 가열 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 내부에 가열매체와 냉각수가 순환하는 스팀 순환홀 및 냉각 순환홀이 형성된 사출 금형의 냉각 및 가열 시스템에 있어서, 금형의 내부에 냉각수를 공급하는 냉각탑과, 이 냉각탑에 냉각수를 공급하거나, 회수되는 냉각수를 재활용하는 냉동기와, 냉각탑으로부터 공급되는 냉각수의 온도를 조절하여 금형를 냉각시키는 냉각기, 상기 냉각탑, 냉동기, 냉각기를 제어하는 제어기를 포함하는 냉각 시스템; 및 상기 제어기의 제어에 따라 물을 여과하는 정수기, 여과된 물을 가열하여 가열매체로 생산하는 가열기기, 상기 제어기의 제어에 따라 가열매체를 금형으로 공급하는 공급 제어밸브 및 금형의 가열이 이루어지도록 순환한 가열매체가 일정 시간동안 금형의 내부에 머무르도록 개폐되는 회수 제어밸브로 이루어진 가열 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 사출 금형의 냉각 및 가열 시스템을 제공한다.

Description

사출 금형의 냉각 및 가열 시스템 {Injection Molding of Heating And Cooling System}

본 발명은 사출 금형의 냉각 및 가열 시스템에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 금형의 가열을 위해 형성된 다수의 홀을 통해 공급되는 가열매체가 금형으로 충분히 열전달이 이루어지도록 함으로써, 가열매체의 사용량을 절감할 수 있고, 가열매체를 생산하는 가열기기의 구동에 필요한 에너지를 절감할 수 있음은 물론, 금형의 가열시간을 줄일 수 있는 사출 금형의 냉각 및 가열 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 합성수지의 사출성형은 합성수지 원료가 액상으로 전환되어진 상태에서 금형 내부에 액상의 합성수지 원료가 사출되고, 금형이 닫혀서 그 내부에서 소정의 형체를 이루게 되며, 금형의 냉각에 따라 그 내부의 합성수지도 함께 냉각되어지게 되는데, 이때 용융된 합성수지가 차가운 금형 내부에서 냉각됨에 따라 수축하게 되므로, 이러한 용적수축율을 감안하여 사출기의 압력으로 여분의 합성수지를 더욱 밀어 넣어 주어야 하고, 냉각된 이후에는 금형을 열고, 신속히 제품을 외부로 꺼내어 주어야 한다.

이러한 종래의 방식에 의하면, 금형의 온도에 따라 불량 제품이 양산되고 있고, 현재 최대 160℃ 이하의 온도에서 성형을 진행하므로, 용융된 합성수지가 금형에 채워지는 과정에서 냉각되어 성형물의 외관에 많은 결함을 발생시키는 요인이 되고 있으며, 성형물의 온도분포가 불균일하여 변형 또는 뒤틀림 현상이 발생되고 있다.

특히, 용융된 합성수지가 금형의 낮은 온도조건에서 흘러갈 수 있는 길이의 한계가 있고, 또한 용융된 합성수지가 금형 내부에서 여러 갈래의 사출통로를 만나게 되었을 때 낮은 온도조건에 의해 흐름자국, 웰드라인(Weldline), 광택저하 등을 일으켜, 수많은 외관결함이 발생되는 문제점이 있었다.

이러한 현상의 주된 원인 중의 하나는 금형의 온도를 필요한 온도만큼 가열시키거나, 특히 가열된 금형의 온도를 유지하기 어려워 금형의 내부에 채워지게 될 합성수지의 용융온도에 미치지 못하는 금형의 온도는 성형 자체가 불가능하게 되므로, 치명적이라고 하지 않을 수 없다.

한편, 금형을 가열시키기 위해 사용되는 가열매체로는 주로 스팀이 이용되는데, 스팀의 압력을 15Kg/㎠ 이상으로 하여 180℃ 정도로 가열하여 공급하고 있는데, 스팀의 가열에 들어가는 가열기기는 보통 10bar, 100℃ 이상의 고압/고열을 가진 밀폐용기이기 때문에 유지비용이 너무 크고 설비가 대형화되는 문제점이 있었다.

또한, 안전설계 내지 공장의 배치상 스팀발생기로부터 사출성형기까지의 거리가 너무 멀리 떨어져 있고, 공급되는 스팀을 다시 회수할 수 없으므로, 공급라인에서 열손실이 발생되어 최종 금형내부에서 그 온도가 상당히 떨어질 뿐만 아니라, 스팀의 재사용 또한 용이하지 못한 문제점이 있었다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 금형의 가열을 위해 형성된 다수의 홀을 통해 공급되는 가열매체가 금형으로 충분히 열전달이 이루어지도록 함으로써, 가열매체의 사용량을 절감할 수 있고, 가열매체를 생산하는 가열기기의 구동에 필요한 에너지를 절감할 수 있음은 물론, 금형의 가열시간을 줄이는데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 내부에 가열매체와 냉각수가 순환하는 스팀 순환홀 및 냉각 순환홀이 형성된 사출 금형의 냉각 및 가열 시스템에 있어서, 금형의 내부에 냉각수를 공급하는 냉각탑과, 이 냉각탑에 냉각수를 공급하거나, 회수되는 냉각수를 재활용하는 냉동기와, 냉각탑으로부터 공급되는 냉각수의 온도를 조절하여 금형를 냉각시키는 냉각기, 상기 냉각탑, 냉동기, 냉각기를 제어하는 제어기를 포함하는 냉각 시스템; 및 상기 제어기의 제어에 따라 물을 여과하는 정수기, 여과된 물을 가열하여 가열매체로 생산하는 가열기기, 상기 제어기의 제어에 따라 가열매체를 금형으로 공급하는 공급 제어밸브 및 금형의 가열이 이루어지도록 순환한 가열매체가 일정 시간동안 금형의 내부에 머무르도록 개폐되는 회수 제어밸브로 이루어진 가열 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 사출 금형의 냉각 및 가열 시스템을 제공한다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 정수기는 상수도로부터 공급된 물을 여과 처리하여 이 물에 포함된 각종 이물질을 제거하는 여과부와, 상기 여과부와 연결되어 염화칼슘 등을 통해 여과처리된 물의 세균들을 처리하는 재생부 및 상기 여과부를 통과한 물을 이온필터에 의해 살균처리하는 살균처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 사출 금형의 냉각 및 가열 시스템을 제공한다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 가열기기는 상기 제어기의 제어에 따라 정수기로부터 공급된 물을 가열시켜 10bar, 100℃의 고온고압 형태의 가열매체인 스팀을 생산하는 것을 특징으로 하는 사출 금형의 냉각 및 가열 시스템을 제공한다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 공급 제어밸브는 가열기기와 금형 사이, 냉각기와 금형 사이, 냉각수의 공급을 원활하게 하도록 에어를 공급하는 에어 공급장치와 금형 사이에 각각 설치되어 제어기의 제어에 따라 개폐되는 것을 특징으로 하는 사출 금형의 냉각 및 가열 시스템을 제공한다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 공급 제어밸브는 상기 스팀 순환홀, 또는 냉각 순환홀의 개수에 따라 다수 형성되고, 분기 형성되는 것을 특징으로 하는 사출 금형의 냉각 및 가열 시스템을 제공한다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 회수 제어밸브는 가열매체가 금형의 내부에 일정 시간동안 머무르도록 제어기의 제어에 따라 0.8 ~ 1.1초간 개방하고, 이후 2.8 ~ 3.1 초간 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 사출 금형의 냉각 및 가열 시스템을 제공한다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 공급 제어밸브는 회수 제어밸브가 폐쇄가 완료되면, 1초 후 제어기의 제어에 따라 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 사출 금형의 냉각 및 가열 시스템을 제공한다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 금형의 가열을 위해 형성된 다수의 홀을 통해 공급되는 가열매체가 금형으로 충분히 열전달이 이루어지도록 함으로써, 가열매체의 사용량을 절감할 수 있고, 가열매체를 생산하는 가열기기의 구동에 필요한 에너지를 절감할 수 있음은 물론, 금형의 가열시간을 줄일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 사출 금형의 냉각 및 가열 시스템을 개략적으로 나타낸 구성 블록도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 사출 금형의 냉각 및 가열 시스템을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 사출 금형의 냉각 및 가열 시스템을 개략적으로 나타낸 구성 블록도, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 사출 금형의 냉각 및 가열 시스템을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 사출 금형은 금형을 냉각시키는 냉각 시스템(100)과, 금형을 가열시키는 가열 시스템(200)이 구성된다.

냉각 시스템(100)은 금형(102)의 내부에 충진된 수지를 냉각시키기 위하여 냉각수를 공급하는 냉각탑(110)과, 이 냉각탑(110)에 냉각수를 공급하거나, 회수되는 냉각수를 재활용하는 냉동기(120) 및 냉각탑(110)으로부터 공급되는 냉각수의 온도를 조절하여 제어기(150)의 제어에 따라 금형(102)를 냉각시키는 냉각기(130)를 포함하여 구성된다.

이와 같은 냉각 시스템(100)은 각각 냉각수가 이동할 수 있도록 배관라인에 의해 금형(102)과 연결되어 있으며, 제어밸브(140)가 구성되어 있어서 제어기(150)의 제어에 따라 냉각수의 공급 및 회수가 이루어지도록 구성된다.

가열 시스템(200)은 금형(102)으로 스팀 등과 같은 가열매체를 공급하기 위하여 상수도(202) 등과 연결되어 제어기(150)의 제어에 따라 물을 공급받아 여과 및 살균 처리하는 정수기(210), 정수기와 배관라인을 통해 연결되어 여과 및 살균처리된 물을 가열하여 고온고압의 스팀 등과 같은 가열매체로 생산하는 가열기기(220), 제어기(150)의 제어에 따라 가열기기(220)로부터 생산된 가열매체를 금형(102)으로 공급하는 공급 제어밸브(230) 및 금형(102)의 가열이 이루어지도록 순환한 가열매체가 회수되도록 하는 회수 제어밸브(240)를 포함하여 구성된다.

정수기(210)는 상수도(202)로부터 공급된 물을 여과 처리하여 이 물에 포함된 각종 이물질을 제거하는 여과부(212)와, 이 여과부(212)와 연결되어 염화칼슘 등을 통해 여과처리된 물의 세균들을 처리하는 재생부(214) 및 여과부(212)를 통과한 물을 이온필터에 의해 살균처리하여 가열기기(220)로 이동시켜 순수한 스팀이 생산될 수 있도록 구성된 살균처리부(216)를 포함하여 구성된다.

가열기기(220)는 제어기(150)의 제어에 따라 정수기(210)로부터 공급된 물을 가열시켜 10bar, 100℃의 고온고압 형태의 가열매체인 스팀을 생산하는 장치이다. 이와 같은 가열기기(220)는 금형(102)과 배관라인을 통해 연결되며, 이 가열기기(220)와 금형(102) 사이에는 제어기(150)의 제어에 따라 가열매체의 공급여부를 결정하는 공급 제어밸브(230)가 구성된다.

여기서, 공급 제어밸브(230)는 가열기기(220)와 금형(102) 사이의 배관라인 뿐만 아니라, 냉각기(130)와 금형(102)를 연결하는 배관라인 및 가열매체 또는 냉각수의 공급을 원활하게 하도록 에어를 공급하는 에어 공급장치(미도시)와 연결된 배관라인 등에 각각 설치되어 제어기(150)의 제어에 따라 개폐되도록 구성된다.

아울러, 공급 제어밸브(230)는 금형(102)에 형성되어 가열매체 또는 냉각수가 순환하는 스팀 순환홀, 또는 냉각 순환홀 등의 개수에 따라 분기 형성됨이 바람직하다.

한편, 본 발명에서는 가열기기(220)로부터 공급된 가열매체가 금형(102)에 형성된 다수의 스팀 순환홀을 통해 순환이 완료되면, 이 가열매체를 냉각 시스템(100)의 냉각탑(110)으로 회수가 이루어지도록 배관라인을 통해 연결되며, 이 배관라인에는 제어기(150)의 제어를 통해 개폐되는 회수 제어밸브(240)가 구성된다.

이러한 회수 제어밸브(240)는 공급 제어밸브(230)의 개방에 의해 가열기기로부터 금형(102)측으로 공급되는 가열매체가 스팀 순환홀에 일정 시간동안 머무르면서 가열매체의 열을 최대한 금형(102)측으로 전달할 수 있도록 구성되는 것으로서, 스팀 순환홀, 또는 냉각 순환홀 등의 개수에 따라 다수 형성되는 공급 제어밸브(230)와는 달리, 순환을 완료한 가열매체가 회수 제어밸브(240)측으로 이동하면, 하나의 배관으로 합쳐지도록 구성됨에 따라 본 발명의 회수 제어밸브(240)는 독립적인 구성으로 이루어짐이 바람직하나, 이에 한정하는 것은 아니다.

이와 같이 구성된 본 발명의 사출 금형의 냉각 및 가열 시스템은 금형(102)을 가열하기 위하여 회수 제어밸브(240)를 폐쇄하면, 배관라인, 금형(102)의 스팀 순환홀, 냉각 순환홀에 가열매체인 스팀이 가득 차게 되므로, 가열기기에서는 가열매체의 생산이나 소비가 이루어지지 않게 되는 것이다.

즉, 본 발명의 가열매체는 액체와는 상이 다른 증기이기 때문에 분자간의 운동이 활발히 일어나며, 이러한 운동성으로 인해 회수 제어밸브(240)를 폐쇄하여도 금형(102)의 스팀 순환홀, 냉각 순환홀의 내부에서 이 각각의 순환홀의 표면에 지속적으로 접촉을 하면서 열을 전달함에 따라 종래의 단순 순환 방식에서 벗어나 금형(102)에 일정 시간 동안 머무르면서 최대한 가열매체의 열을 금형(102)으로 전달할 수 있게 되어 가열기기(220)의 구동 시간을 줄일 수 있어 결국, 가열매체의 사용량을 절감할 수 있고, 가열매체를 생산하는 가열기기의 구동에 필요한 에너지를 절감할 수 있는 것이다.

또한, 가열매체의 열을 금형(102)측으로 전달함과 동시에 가열매체에서 가지고 있는 열을 잃게 됨으로 가열매체의 상이 다시 액체로 변한다. 이러한 상 변화가 일어나면 회수 제어밸브(240)로 인해 금형(102) 안에 머무르고 있는 가열매체의 부피가 줄어들게 되고, 이후에 지속적으로 공급되는 가열매체가 밀고 들어와 금형(102)측으로 열을 전달하면서, 열을 전달하는 금형(102)의 면적을 극대화할 수 있어 더욱 많은 열을 짧은 시간내에 전달할 수 있는 것이다.

이와 같은 본 발명은 가열매체가 금형(102)의 내부에 머무르는 시간을 조절하기 위하여 제어기(150)에서는 회수 제어밸브(240)를 0.8 ~ 1.1초간 개방하고, 이후 2.8 ~ 3.1 초간 폐쇄시키도록 제어함으로써, 가열매체의 생산에 따른 가열기기(220)의 소요 에너지를 적어도 20%이상 절감하도록 한다.

이때, 금형(102)의 크기, 형상에 따라 회수 제어밸브(240)의 폐쇄가 완료되면, 1초 후 공급 제어밸브(230) 역시 폐쇄시켜 가열매체가 금형(102)의 내부로 더이상 공급되지 않도록 밀폐시킴으로써, 기 공급된 가열매체의 열이 더욱 많이 전달되도록 할 수 있을 것이다.

즉, Q=AV(Q: 유량, A: 면적, V: 속도) 의 식에 따르면, 금형(102)에 형성된 스팀 순환홀, 냉각 순환홀 등과 같은 홀의 직경(A)은 이미 정해진 값이기 때문에 이 홀을 통과하는 가열매체의 속도(V)와 유량(Q)에 의해 가열매체가 금형(102)의 홀에 접촉되는 면적의 넓이가 달라지게 될 것이다.

또한, q=hAT(q: 열전달양, h: 열전달계수, A: 면적, T: 온도차)의 식에 따르면, 금형(102)의 홀 크기 및 열전달계수는 상수에 해당하므로, 이 식에 의한 변수는 T가 되므로, q의 값을 증가시키기 위해서는 변수인 T를 크게해야함은 물론이다.

이는 유량을 늘려 많은 열이 금형에 가도록 함으로써, 온도차를 크게 할 수 있으므로, 회수 제어밸브(240)의 개폐를 조절함으로써, 금형(102)의 홀에 공급되는 가열매체의 유량을 조절함으로써, 가열기기(220)의 에너지 소모를 줄일 수 있는 것이다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 냉각 시스템 110: 냉각탑
120: 냉동기 130: 냉각기
140: 제어밸브 150: 제어기
200: 가열 시스템 210: 정수기
212: 여과부 214: 재생부
216: 이온필터 220: 가열기기
230: 공급 제어밸브 240: 회수 제어밸브

Claims (7)

1. 내부에 가열매체와 냉각수가 순환하는 스팀 순환홀 및 냉각 순환홀이 형성된 사출 금형의 냉각 및 가열 시스템에 있어서,
   금형의 내부에 냉각수를 공급하는 냉각탑과, 이 냉각탑에 냉각수를 공급하거나, 회수되는 냉각수를 재활용하는 냉동기와, 냉각탑으로부터 공급되는 냉각수의 온도를 조절하여 금형를 냉각시키는 냉각기, 상기 냉각탑, 냉동기, 냉각기를 제어하는 제어기를 포함하는 냉각 시스템; 및
   상기 제어기의 제어에 따라 물을 여과하기 위해 상수도로부터 공급된 물을 여과 처리하여 이 물에 포함된 각종 이물질을 제거하는 여과부와, 상기 여과부와 연결되어 염화칼슘 등을 통해 여과처리된 물의 세균들을 처리하는 재생부 및 상기 여과부를 통과한 물을 이온필터에 의해 살균처리하는 살균처리부를 포함하는 정수기;
   상기 제어기의 제어에 따라 정수기로부터 공급된 물을 가열시켜 10bar, 100℃의 고온고압 형태의 가열매체인 스팀을 생산하는 가열기기;
   상기 제어기의 제어에 따라 개폐되며, 가열매체를 금형으로 공급하기 위해 가열기기와 금형 사이, 냉각기와 금형 사이, 냉각수의 공급을 원활하게 하도록 에어를 공급하는 에어 공급장치와 금형 사이에 각각 설치되는 공급 제어밸브; 및
   상기 금형의 가열이 이루어지도록 순환한 가열매체가 일정 시간동안 금형의 내부에 머무르도록 제어기의 제어에 따라 0.8 ~ 1.1초간 개방하고, 이후 2.8 ~ 3.1 초간 폐쇄되면서 가열매체의 유량을 조절하여 가열기기의 소요 에너지를 20% 절감시켜 가열매체의 사용량을 절감하고, 가열매체를 생산하는 가열기기의 구동에 필요한 에너지를 절감하는 회수 제어밸브로 이루어진 가열 시스템을 포함하고,
   상기 회수 제어밸브의 폐쇄로 인해 가열매체에서는 상 변화가 발생하면서 스팀 순환홀, 냉각 순환홀의 순환홀의 표면에 지속적으로 접촉하여 열을 전달하고, 열전달 완료시, 회수 제어밸브의 개방에 따라 지속적으로 공급되는 가열매체의 유량을 늘려 열이 짧은 시간내에 금형측으로 전달되도록 회수 제어밸브의 개폐를 조절하는 것을 특징으로 하는 사출 금형의 냉각 및 가열 시스템.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 공급 제어밸브는 상기 스팀 순환홀, 또는 냉각 순환홀의 개수에 따라 다수 형성되고, 분기 형성되는 것을 특징으로 하는 사출 금형의 냉각 및 가열 시스템.
   
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7. 삭제

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