KR101293892B1 - 고주파 유도가열 더블스틸벨트 프레스 장치 - Google Patents

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Abstract

열가소성 플라스틱-연속섬유 혼성복합체 제조장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유도 가열 방식을 이용하고 더블스틸벨트를 사용하여 급속가열이 가능하고, 정밀하고 균일한 온도제어가 가능하도록 한 고주파 유도가열 더블스틸벨트 프레스 장치에 관하여 개시한다.
본 발명은 연속적으로 공급되는 상기 유리섬유와 상기 열가소성 플라스틱 테이프의 상하에 배치되어 서로 반대 방향으로 회전하여, 유리섬유 및 열가소성 플라스틱 테이프를 상하에서 압착하며 이송하는 한 쌍의 도자성 스틸벨트; 상기 한 쌍의 도자성 스틸벨트의 입측과 출측에 각각 구비되어 상기 도자성 스틸벨트를 이송시키는 입측스프로킷과 출측스프로킷; 상기 도자성 스틸벨트를 감싸는 형태로 상판과 하판으로 분할 형성되는 유도코일부; 및 상기 유도코일부의 하류 측에 형성되어 유도코일부에서 열용융 함침된 열가소성 플라스틱 연속섬유 혼성복합체의 양면을 가압함과 동시에 냉각시키는 냉각부;를 포함하며, 상기 유도코일부는 상판과 하판이 개폐가 가능하도록 형성되는 고주파 유도가열 더블스틸벨트 프레스 장치를 제공한다.

Description

고주파 유도가열 더블스틸벨트 프레스 장치{Apprarus of double steel belt press heated by high frequency induction method}
본 발명은 열가소성 플라스틱-연속섬유 혼성복합체 제조장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유도 가열 방식을 이용하고 더블스틸벨트를 사용하여 급속가열이 가능하고, 정밀하고 균일한 온도제어가 가능하도록 한 고주파 유도가열 더블스틸벨트 프레스 장치에 관한 것이다.
연속섬유 강화 플라스틱은 기계적 강도가 상대적으로 취약한 플라스틱 속에 유리섬유 또는 탄소섬유 등의 보강섬유를 연속상으로 내장하고 있는데, 이러한 연속섬유 강화 플라스틱은 1 mm 길이 이하의 단-섬유 강화 플라스틱(Short Fiber-reinforced Thermoplastics) 또는 LFT(Long Fiber-reinforced Thermoplastics)나 GMT(Glass Mat-reinforced Thermoplastics)와 같은 5~50 mm 길이 수준의 장-섬유 강화 플라스틱과 비교하여 기계적 강도, 강성 및 충격성능이 매우 우수하다.
또한, 연속섬유 강화 플라스틱은 유연성이 뛰어나 단방향 또는 양방향으로 직조될 수 있어야 하며, 이를 통해 직조된 연속섬유 강화 플라스틱 구조물은 다양한 기계적 성능이 요구되는 제품에 적용될 수 있다.
상기 연속섬유 강화 플라스틱은 통상적으로 펄트루젼(Pultrusion) 방법 또는 혼합방사(Commingle)에 이은 핫프레싱(Hot Pressing) 방법 등에 의하여 제조된다.
상기 펄트루젼(Pultrusion) 방법은 넓게 펼쳐진 연속섬유 다발을 액상(또는 용융)의 수지조 또는 다이를 통과시켜 연속섬유 다발에 플라스틱 수지를 함침시키는 것인데, 공정조건을 최적화하면 함침도를 증가시킬 수는 있으나, 보강섬유(연속섬유) 및 플라스틱 수지의 함량조절이 어렵고, 유연성이 떨어져 직조가 용이하지 않은 단점이 있다.
상기 혼합방사(Commingle)에 이은 핫프레싱(Hot Pressing) 방법은 연속섬유와 섬유 형태의 플라스틱 수지를 혼합방사한 다음, 이를 가열압착(Hot Pressing)하는 방법인데, 가열압착된 혼합방사 섬유는 연속섬유와 플라스틱 수지의 물리적 결합으로 섬유의 유연성이 크게 상실되지 않아 직조가 용이하고, 직조 후 열간압착하는 경우 성형성 및 함침성이 우수하며, 연속섬유 강화 플라스틱의 보강섬유 및 플라스틱 수지의 함량 조절이 자유롭다.
그러나, 상기 혼합방사(Commingle)에 이은 핫프레싱(Hot Pressing) 방법은 연속섬유 다발 내에 플라스틱 수지가 무작위로 혼합되기 때문에 직조후 열간압착하는 경우 부분적으로 충분한 함침이 일어나지 않아 물성의 균일도가 떨어지고, 섬유 형태로 만들었을 때 가공성과 관련하여 충분한 연신(Elongation) 특성을 갖는 열가소성 플라스틱에 제한적이라는 단점이 있다.
따라서, 직조가 용이하면서도 직조후 열용융 함침시 균일성 및 함침성이 뛰어나고, 다양한 종류의 열가소성 플라스틱이 적용될 수 있는 열가소성 플라스틱-연속섬유 혼성 복합체 제조장치의 개발이 시급한 실정이다.
본 발명의 목적은 유리섬유와 열가소성 수지를 함침하여 복합소재를 제조하는 제조장치에 있어서, 고주파 유도가열방식을 통해 함침된 상태의 열가소성 플라스틱 혼성 복합체 테이프로 만드는 과정에서 가열에 소비되는 에너지 소모를 감소시킬 수 있는 고주파 유도가열 더블스틸벨트 프레스 장치를 제공함에 있다.
본 발명은 광폭으로 펼쳐진 유리섬유 다발 양면에 열가소성 플라스틱 테이프를 공급하여 이를 가열, 압착, 냉각시켜 열가소성 플라스틱 연속섬유 혼성복합체를 제조하기 위한 장치에 있어서, 연속적으로 공급되는 상기 유리섬유와 상기 열가소성 플라스틱 테이프의 상하에 배치되어 서로 반대 방향으로 회전하여, 유리섬유 및 열가소성 플라스틱 테이프를 상하에서 압착하며 이송하는 한 쌍의 도자성 스틸벨트; 상기 한 쌍의 도자성 스틸벨트의 입측과 출측에 각각 구비되어 상기 도자성 스틸벨트를 이송시키는 입측스프로킷과 출측스프로킷; 상기 도자성 스틸벨트를 감싸는 형태로 상판과 하판으로 분할 형성되는 유도코일부; 및 상기 유도코일부의 하류 측에 형성되어 유도코일부에서 열용융 함침된 열가소성 플라스틱 연속섬유 혼성복합체의 양면을 가압함과 동시에 냉각시키는 냉각부;를 포함하며, 상기 유도코일부는 상판과 하판이 개폐가 가능하도록 형성되는 고주파 유도가열 더블스틸벨트 프레스 장치를 제공한다.
상기 도자성 스틸벨트는 알루미늄, 구리, 스테인레스 스틸 및 탄소강 중 어느 하나의 재질로 제조될 수 있다.
상기 유도코일부는 상판과 하판의 양측에 각각 접점을 구비하여, 도자성 스틸벨트의 승하강에 따라 상기 접점이 단속가능하도록 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 입측스프로킷 또는 출측스프로킷는 수평방향으로 이동가능하도록 형성되어, 상기 도자성 스틸벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 유리섬유의 이송속도는 분당 2~40m 범위이고, 상기 유도코일부에 인가되는 고주파 전류는 20~40Khz 인 것이 바람직하며,
상기 냉각부는 냉각수가 내부로 흐르는 가압롤러 또는 팬으로 구성되고, 상기 가압롤러는 상하 방향으로 이동가능하게 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 제조 장치는 함침된 열가소성 플라스틱 테이프와 유리섬유의가열 수단으로 고주파 유도 가열 방식을 사용함으로써 급속 가열이 가능하고, 정밀하고 균일한 온도제어가 가능하며, 함침된 열가소성 플라스틱 테이프와 유리섬유 가열에 소요되는 전력을 종래의 10% 수준으로 감소할 수 있는 효과를 가져온다.
그리고 본 발명은 개폐가 가능한 고주파 유도가열 코일 개념을 적용하여, 필요에 따라 벨트의 교체가 용이하고, 벨트 프레스에 초기 샘플을 로딩할 때 작업성이 우수한 효과를 가져온다.
도 1은 고주파 유도가열의 기본구조를 설명하기 위한 개념도,
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 고주파 유도가열 더블스틸벨트 프레스 장치의 구조를 나타낸 구성도임.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 고주파 유도가열 더블스틸벨트 프레스 장치에 대하여 설명하기로 한다.
본 발명의 장점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
또한, 도면에서 발명을 구성하는 구성요소들의 크기는 명세서의 명확성을 위하여 과장되어 기술된 것이며, 어떤 구성요소가 다른 구성요소의 "내부에 존재하거나, 연결되어 설치된다"고 기재된 경우, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소와 접하여 설치될 수 있고, 소정의 이격 거리를 두고 설치될 수도 있으며, 이격 거리를 두고 설치되는 경우엔 상기 어떤 구성요소를 상기 다른 구성요소에 고정 내지 연결시키기 위한 제3의 수단에 대한 설명이 생략될 수도 있다.
도 1은 고주파 유도가열의 기본구조를 설명하기 위한 개념도이다.
고주파 유도 가열은 일반적으로 냉각수가 내부로 흐를 수 있는 구리 재질의 튜브를 사용하여 형성된 가열코일(10)을 전도체인 피가열물(20) 주변에 나선형으로 권취한다. 구리재질의 튜브로 형성된 가열코일(10)에 고주파 전류를 흐르게 하면, 전도체인 피가열물(20)에 유도된 전류에 의해 열이 발생하게 된다. 전도체 피가열물(20)은 알루미늄, 구리, 스레인리스 스틸, 탄소강 등이 될 수 있으며, 보다 바람직하게는 자성에 대한 도자성을 가지는 재료가 유리하다.
고주파 유도가열은 줄열(Joule Heating)과 마그네틱 히스테리시스(Magnetic hysteresis)에 의한 에너지 손실원리를 기반으로 한다. 주파수가 높을 수록 침투 깊이가 얕아지는 표면효과를 나타내기 때문에 용도에 따라 적절한 주파수를 선정할 필요가 있다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 고주파 유도가열 더블스틸벨트 프레스 장치의 구조를 나타낸 구성도로, 도 2는 유도코일부가 닫힌 상태를 나타낸 것이고, 도 3은 유도코일부가 열린 상태를 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 고주파 유도가열 더블스틸벨트 프레스 장치(100)는 서로 반대방향으로 회전하는 한 쌍의 도자성 스틸벨트(110a, 110b), 상기 도자성 스틸벨트(110a, 110b)의 양측에 구비되어 상기 도자성 스틸벨트(110a, 110b)를 회전시키는 입측스프로킷(112a, 113b)와 출측스프로킷(114a, 114b), 그리고 한 쌍의 도자성 스틸벨트(110a, 110b)가 중첩되는 구간에서 도자성 스틸벨트(110a, 110b) 전체를 감싸는 형태로 형성되는 유도코일부(120a, 120b)와, 유도코일부(120a, 120b)의 하류측에 형성되어 유도코일부(120a, 120b)에서 가열된 재료의 양면을 가압함과 동시에 냉각시키는 냉각부(130a, 130b)를 포함한다.
본 발명은 밴드 형태의 유리섬유의 양면에 열가소성 플라스틱 테이프를 함침하기 위한 장치이다. 유리섬유와 열가소성 플라스틱 테이프를 함침하기 위해서는 가열과정, 가압과정, 냉각과정이 필요하다.
본 발명은 이러한 과정중 에너지가 가장 많이 소모되는 가열과정이 고주파 유도가열 방식으로 이루어질 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고주파 유도가열 더블스틸벨트 프레스 장치의 각 구성요소에 관하여 상세하게 살펴본다.
도자성 스틸벨트(110a, 110b)는 한 쌍이 구비된다. 도자성 스틸벨트(110a, 110b)는 무한궤도(Caterpillar) 형태로 형성된다.
상부의 도자성 스틸벨트(110a)와 하부의 도자성 스틸벨트(110b)로 구성되며, 서로 반대방향으로 회전한다. 상부의 도자성 스틸벨트(110a)는 반시계 방향으로 회전하며, 하부의 도자성 스틸벨트(110b)는 시계방향으로 회전한다. 유리섬유와 열가소성 플라스틱 테이프는 도면의 좌측에서 공급되어 상하부의 도자성 스틸벨트(110a, 110b) 사이를 통과하며 가열, 가압, 냉각을 거쳐 함침되어 혼성복합체가 제조되는 것이다.
도자성 스틸벨트(110a, 110b)는 자성에 대한 도자성을 가지는 재료로 제조되어야 하며, 알루미늄(Al), 구리(Cu), 스테인리스 스틸, 탄소강 등의 재질이 사용될 수 있으나, 이들 재질에 한정되는 것은 아니고 자성에 대한 도자성을 가지는 것이라면 다른 재질을 사용할 수도 있다.
도자성 스틸벨트(110a, 110b)의 양측에는 롤러가 구비되어 있으며, 상부의 도자성 스틸벨트(110a)는 상하로 승하강 가능하도록 설치된다. 이는 초기에 유리섬유와 열가소성 플라스틱 테이프를 로딩할 때의 편의성과 정비의 편의성을 위한 것이다.
상부의 도자성 스틸벨트(110a)의 높낮이 조절은 그 양측에 설치되는 입측스프로킷(112a)와 출측스프로킷(114a) 사이의 간격을 조절에 의해서 이루어진다. 입측스프로킷(112a)와 출측스프로킷(114a) 사이의 간격이 넓어지게 되면 상부의 도자성 스틸벨트(110a)가 도 3에 도시된 바와 같이 상승하게 된다.
도 3에는 상부의 입측스프로킷(112a)와 출측스프로킷(114a)의 간격만 조절가능한 것으로 도시되어 있으나, 하부의 입측스프로킷(112b)와 출측스프로킷(114b)의 간격도 조절가능하도록 할 수 있다.
입측스프로킷(112a, 112b)와 출측스프로킷(114a, 114b)의 간격조절은 벨트의 장력을 보정하는 역할도 수행하게 된다. 도자성 스틸벨트(110a, 110b)는 열팽창에 의하여 길이가 가변할 수 있고, 그 이외의 다양한 사유에 의해서도 길이가 변화하거나 장력이 변화할 수 있는데, 이를 보정하기 위하여 입측스프로킷(112a, 112b)와 출측스프로킷(114a, 114b) 사이의 간격을 보정할 수 있다.
입측스프로킷(112a, 112b)과 출측스프로킷(114a, 114b) 중 출측스프로킷(114a, 114b)이 구동 스포로킷이며, 입측 스프로킷(112a, 112b)은 종동 스프로킷이다. 따라서 출측스프로킷(114a, 114b)이 도자성 스틸벨트(110a, 110b)를 끌어당기는 방식으로 작동하게 된다.
유도코일부(120a, 120b)는 도자성 스틸벨트(110a, 110b)의 둘레를 감싸는 형태로 구비되어, 도자성 스틸벨트(110a, 110b)를 마그네틱 히스테리시스에 의하여 가열하는 역할을 수행한다. 이 때, 유도코일부(120a, 120b)에 인가되는 고주파 전류는 20~40Khz 인 것이 바람직하다. 이때 상기 도자성 스틸벨트(110a, 110b)의 이송속도는 분당 2~40m 범위인 것이 바람직하다.
주파수가 상기 범위보다 낮으면, 가열이 충분히 이루어지지 않아 접합이 원활하게 이루어지 목하고, 주파수가 상기 범위보다 높으면 과도한 함침으로 인해 유연성을 상실할 수 있다.
또한, 도자성 스틸벨트(110a, 110b)의 이송속도가 상기 범위보다 빠르면 충분한 열교환이 이루어지지 못하고, 상기 범위보다 느리면 생산성이 저하된다.
유도코일부(120a, 120b)는 상부 도자성 스틸벨트(110a)의 위쪽에 형성되는 상부 유도코일부(120a)와, 하부 도자성 스틸벨트(110b)의 아래쪽에 형성되는 하부 유도코일부(120b)로 구분할 수 있으며, 상부 유도코일부(120a)와 하부 유도코일부(120b)는 양측에 접점(미도시)을 구비하고 있다.
도 2에 도시된 바와 같이 상부 유도코일부(120a)와 하부 유도코일부(120b)가 근접하게 되면 접점이 연결되어, 상부 유도코일부(120a)와 하부 유도코일부(120b)가 하나의 코일로 연결되며, 도 3에 도시된 바와 같이 분리되면 접점의 연결은 해제된다.
상부 유도코일부(120a)와 하부 유도코일부(120b)가 접점을 통해 연결되면, 연결된 유도코일부(120a, 120b)가 한쌍의 도자성 스틸벨트(110a, 110b) 주변을 둘러싸게 되므로, 유도코일부(120a, 120b)에 흐르는 고주파 전류에 의하여 도자성 스틸벨트(110a, 110b)가 가열되는 것이다.
유도코일부(120a, 120b)를 접점으로 연결되도록 함으로써 상하로 분리가능하도록 형성하는 것은, 초기에 소재를 로딩하기 편하게 하고, 정비의 편의성을 확보하기 위한 것이다.
냉각부(130a, 130b)는 유도코일부(120a, 120b)의 하류측에서 합침된 열가소성 플라스틱 테이프와 유리섬유를 냉각시킴과 동시에 압착하여 경화시키는 역할을 수행하게 된다.
따라서, 냉각부(130a, 130a)는 한쌍의 도자성 스틸벨트(110a, 110b)의 상하에 이들을 압착하는 방향으로 하중을 가함과 동시에 냉각시켜야 한다. 이러한 냉각부(130a, 130a)는 내부로 냉각수가 흐르는 가압롤러를 사용할 수 있다. 가압롤러의 내부에 냉각수를 공급함으로써 가압롤러 자체의 온도를 낮게 유지함으로써 그와 접촉하는 도자성 스틸벨트(110a, 110b)를 냉각시킴과 동시에 압력을 가할 수 있다.
또한, 냉각부(130a, 130a)도 유도코일부와 마찬가지로 승하강 가능하게 형성되어, 도 3에 도시된 바와 같이 한쌍의 도자성 스틸벨트(110a, 110b)의 간격을 조절할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 즉 냉각부(130a, 130b)를 내부로 냉각수가 흐르는 가압롤러로 구성한 경우, 가압롤러가 상하 방향으로 이동가능하게 형성하여야 하는 것이다.
본 발명은 종래의 가열 방식인 가열 롤에 의한 방식에서 발생할 수 있는 다중 롤 접촉에 의한 스틸벨트의 편심 문제와 복사열 챔버 방식에서 발생하는 열손실 문제를 보완하기 위해 고주파 유도 가열 방식을 적용함으로써, 이를 통해 급속 가열 및 정밀하고 균일한 온도제어, 대략 종래의 10% 수준의 전력 소모로 동등한 성능을 발휘할 수 있는 효과를 가져온다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
110a, 110b : 도자성 스틸벨트
112a, 112b : 입측스프로킷
114a, 114b : 출측스프로킷
120a, 120b : 유도코일부
130a, 130b : 냉각부

Claims (7)

  1. 광폭으로 펼쳐진 유리섬유 다발 양면에 열가소성 플라스틱 테이프를 공급하여 이를 가열, 압착, 냉각시켜 열가소성 플라스틱 연속섬유 혼성복합체를 제조하기 위한 장치에 있어서,
    연속적으로 공급되는 상기 유리섬유와 상기 열가소성 플라스틱 테이프의 상하에 배치되어 서로 반대 방향으로 회전하여, 유리섬유 및 열가소성 플라스틱 테이프를 상하에서 압착하며 이송하는 한 쌍의 도자성 스틸벨트;
    상기 한 쌍의 도자성 스틸벨트의 입측과 출측에 각각 구비되어 상기 도자성 스틸벨트를 이송시키는 입측스프로킷과 출측스프로킷;
    상기 도자성 스틸벨트를 감싸는 형태로 상판과 하판으로 분할 형성되는 유도코일부; 및
    상기 유도코일부의 하류 측에 형성되어 유도코일부에서 열용융 함침된 열가소성 플라스틱 연속섬유 혼성복합체의 양면을 가압함과 동시에 냉각시키는 냉각부;를 포함하며,
    상기 유도코일부는 상판과 하판이 개폐가 가능하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 고주파 유도가열 더블스틸벨트 프레스 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유도코일부는 상판과 하판의 양측에 각각 접점을 구비하여, 도자성 스틸벨트의 승하강에 따라 상기 접점이 단속가능하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 고주파 유도가열 더블스틸벨트 프레스 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 입측스프로킷 또는 출측스프로킷는 수평방향으로 이동가능하도록 형성되어, 상기 도자성 스틸벨트의 장력을 조절하는 것을 특징으로 하는 고주파 유도가열 더블스틸벨트 프레스 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 유리섬유와 상기 열가소성 플라스틱 테이프를 압착하여 이송하는 상기 도자성 스틸벨트의 이송속도는 분당 2~40m 범위이고,
    상기 유도코일부에 인가되는 고주파 전류는 20~40Khz 인 것을 특징으로 하는 고주파 유도가열 더블스틸벨트 프레스 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각부는 냉각수가 내부로 흐르는 가압롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 고주파 유도가열 더블스틸벨트 프레스 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 가압롤러는 상하 방향으로 이동가능하게 형성되는 것을 특징으로 하는 고주파 유도가열 더블스틸벨트 프레스 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 도자성 스틸벨트는 알루미늄, 구리, 스테인레스 스틸 및 탄소강 중 어느 하나의 재질인 것을 특징으로 하는 고주파 유도가열 더블스틸벨트 프레스 장치.
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