KR101295008B1 - 인젝션 블로우 성형기의 열 공급 장치 - Google Patents

Abstract

인젝션 블로우 성형기의 열 공급 장치에 관한 기술이 개시된다. 일 실시예에 따라 인젝션 블로우 성형기는, 열에 의해 용융된 수지가 사출되어 주입되는 캐비티를 형성하는 제 1 몰드, 제 1 몰드와 결합하여 캐비티로부터 수지를 공급받아 코아 외부에 융착시키는 제 2 몰드 및 제 2 몰드의 코아와 결합하고 수지 내부에 가열된 공기를 블로우함으로써 코아로부터 수지를 분리하여 공병을 형성하는 제 3 몰드를 포함하되, 제 2 몰드는, 제 2 몰드의 내측 몸체로부터 외측의 코아 방향으로 연장 형성되어 코아 내부에 결합됨으로써 코아에 열을 공급하는 복수 개의 막대형 히터, 막대형 히터가 내측으로 삽입되어 전도에 의해 열을 공급받는 코아, 막대형 히터가 관통하는 복수 개의 홀이 형성되어 막대형 히터가 내측으로 삽입되고 내측에 공기 공급로가 형성되어 코아에 공기를 공급하는 플레이트 및 플레이트의 외측에 결합되고 외부로부터 공기를 공급받아 가열한 후 플레이트의 공급 공급로에 가열된 공기를 공급하는 판형 히터를 포함한다.

Description

인젝션 블로우 성형기의 열 공급 장치{Heating apparatus of injection blow moulding machine}

본 발명은 사출 성형기에 관한 것으로, 특히 인젝션 블로우(injection blow) 방식의 성형기에서 공병과 같은 플라스틱 용기를 성형하기 위해 용융된 수지의 주입 단계로부터 공병 형성까지의 단계에 이르는 성형 과정에서 요구되는 온도를 유지하는 열 공급 장치에 관한 것이다.

가소성(plasticity) 물질 또는 플라스틱스라고 불리는 플라스틱(plastic)은 합성수지(synthetic resin)의 일종으로서, 고형의 고분자 물질인 것이 일반적이며, 제조 공정 중에 유동성을 갖는 물질로부터 성형이 이루어지는 것을 특징으로 한다. 또한 원칙적으로는 유기 화합물로서 고분자 화합물이 될 수 있는 것이지만, 이러한 것을 본질적 성분으로 하는 재료 전반을 포함해서 플라스틱이라고 한다.

1868년 미국 하이엇이 상아로 된 당구공의 대용품으로 발명한 셀룰로이드가 세계 최초의 플라스틱이며, 그 후 베이클랜드가 1909년 발명한 페놀포르말린 수지(베이클라이트)가 이를 대체하였으며, 이것이 외관상 송진(resin)과 비슷했기 때문에 일반적으로 합성수지라고 하였고, 이런 연유로 그 후 인조재료를 합성수지라고 하게 되었다.

그러나 천연수지와 다른 인조재료가 많이 출현함에 따라 점차 그리스어인 플라스티코스(plastikos:성형하기 알맞다는 의미)에서 유래하는 플라스틱이라는 이름으로 불렸다. 플라스틱은 일반적으로 두 그룹으로 크게 구별된다. 하나는 고분자로서 가열에 의해서 유동성을 가지게 되어 성형이 되는 열가소성 플라스틱이고, 또 하나는 저분자이지만 성형 틀 속에서 가열/가압되는 동안에 유동성을 가지고 화학반응에 의해서 고분자화되어 이후에는 가열해도 유동성을 가지지 않는 열경화성 플라스틱이다.

이러한 플라스틱의 성형방법에는 압축 성형, 압출 성형, 사출 성형, 캘린더법 외에 다양한 성형 방법이 알려져 있다. 이하에서 인용되는 비특허문헌에는 이러한 사출 성형을 포함하는 다양한 금형 기술들이 소개되어 있다.

선진 금형기술 정보분석, 이창환, 구영덕, 산업기술정보원, 1999년.

본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 종래의 인젝션 블로우 성형기에 열을 공급함에 있어서, 외부의 유 온조기를 통해 열을 생성하여 파이프를 통해 가열된 열 매체유를 성형기에 공급하는 과정에서 열손실이 발생함과 동시에 작업장의 온도가 상승하는 불편을 해소하고, 성형기 내부를 순환하는 열 매체유의 순환 라인을 막는 스케일(scale)이 발생하는 경우 열전달이 방해받거나, 열 매체유가 누유되는 구조적 한계를 극복하며, 열 매체유를 순환시키기 위한 순환 라인의 지속적인 청소 및 유 온조기의 관리 비용이 낭비되는 문제를 해결하고자 한다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 인젝션 블로우 성형기(injection blow moulding machine)의 열 공급 장치에서, 상기 인젝션 블로우 성형기는, 열에 의해 용융된 수지가 사출되어 주입되는 캐비티(cavity)를 형성하는 제 1 몰드; 상기 제 1 몰드와 결합하여 상기 캐비티로부터 수지를 공급(injection)받아 코아(core) 외부에 융착시키는 제 2 몰드; 및 상기 제 1 몰드와 상기 제 2 몰드가 분리된 후, 분리된 상기 제 2 몰드의 코아와 결합하고, 수지 내부에 가열된 공기를 블로우(blow)함으로써 상기 코아로부터 수지를 분리하여 공병을 형성하는 제 3 몰드;를 포함하되, 상기 제 2 몰드는, 상기 제 2 몰드의 내측 몸체로부터 외측의 상기 코아 방향으로 연장 형성되어 상기 코아 내부에 결합됨으로써 상기 코아에 열을 공급하는 복수 개의 막대형 히터(heater); 상기 막대형 히터가 내측으로 삽입되어 전도에 의해 열을 공급받는 코아; 상기 막대형 히터가 관통하는 복수 개의 홀(hole)이 형성되어 상기 막대형 히터가 내측으로 삽입되고, 내측에 공기 공급로가 형성되어 상기 코아에 공기를 공급하는 플레이트(plate); 및 상기 플레이트의 외측에 결합되고, 외부로부터 공기를 공급받아 가열한 후 상기 플레이트의 공급 공급로에 가열된 공기를 공급하는 판형 히터;를 포함한다.

일 실시예에 따른 상기 인젝션 블로우 성형기의 열 공급 장치는, 상기 막대형 히터와 상기 판형 히터에 독립적으로 전력을 공급하고, 각각의 히터의 온도를 개별적으로 조절하는 온도 조절기;를 더 포함함으로써, 매체유(oil) 또는 매체수(water) 없이 상기 막대형 히터 및 상기 판형 히터를 통해 열을 발생시킴으로써 상기 코아 및 상기 플레이트를 각각 가열한다.

일 실시예에 따른 상기 인젝션 블로우 성형기의 열 공급 장치에서, 상기 판형 히터는 전도에 의해 상기 플레이트에 열을 공급함으로써 상기 코아로부터 주변부로의 열손실을 방지한다. 또한, 상기 막대형 히터로부터 상기 코아에 전도된 열과 상기 가열된 수지의 융착에 의해 공급된 열의 합에 의해 유지되는 상기 코아의 온도와 상기 판형 히터에 의해 유지되는 상기 플레이트의 온도가 같도록 하는 것이 바람직하다. 나아가, 상기 막대형 히터가 가열에 의해 임계 온도 이상으로 가열되고, 상기 가열된 수지의 융착에 의해 상기 코아에 열이 공급되면, 상기 막대형 히터에 공급되는 전력을 차단할 수 있다.

일 실시예에 따른 상기 인젝션 블로우 성형기의 열 공급 장치에서, 상기 제 2 몰드는, 상기 코아와 인접하여 상기 코아의 온도를 측정하는 제 1 온도 측정기; 및 상기 판형 히터와 인접하여 상기 플레이트 또는 상기 공기 공급로 중 적어도 하나에 공급되는 공기의 온도를 측정하는 제 2 온도 측정기;를 더 포함하되, 상기 막대형 히터의 온도를 상기 판형 히터의 온도보다 낮게 유지할 수 있다. 또한, 상기 코아의 온도는 85℃~90℃이고, 상기 판형 히터의 온도는 110℃~120℃인 것이 바람직하다.

일 실시예에 따른 상기 인젝션 블로우 성형기의 열 공급 장치에서, 상기 제 2 몰드는, 상기 코아가 적어도 2 방향으로 형성되고, 상기 제 1 몰드 및 상기 제 3 몰드는 상기 2 방향에 대응하여 배치되어, 각각 상기 제 2 몰드와 결합 및 분리됨으로써, 상기 제 1 몰드를 통해 상기 제 2 몰드의 일 방향에 형성된 코아에서 상기 수지의 공급이 이루어짐과 동시에, 상기 제 3 몰드를 통해 상기 제 2 몰드의 타 방향에 형성된 코아에서 상기 공병의 형성이 이루어진다. 또한, 상기 제 2 몰드는, 상기 2 방향의 코아의 배치를 교대로 변경시키는 회전 수단;을 더 포함함으로써, 상기 제 2 몰드의 상기 일 방향에 공급된 수지를 이용하여 공병을 형성하고, 상기 제 2 몰드의 상기 타 방향에서 공병 형성 후 수지가 제거된 코아에 새로운 수지를 공급할 수 있다.

본 발명의 실시예들은 전력을 공급받아 몰드에 열을 발생시키는 막대형 히터 및 판형 히터를 구비함으로써 인젝션 블로우 성형기의 열 공급에 있어서 별도의 외부 유 온조기가 필요하지 않으며, 열의 발생 위치를 성형기 내부로 이동시킴으로써 열효율을 증가시키고 동시에 전력 소모량을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 열 매체유를 사용하지 않음으로 인해 순환 라인에서 발생하는 스케일 또는 누유의 문제를 근본적으로 해소하였고, 그 결과 열 매체유 순환 라인의 청소 및 유 온조기 관리에 요구되는 비용을 제거할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예들이 채택하고 있는 인젝션 블로우 성형기(injection blow moulding machine)의 개요를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 종래의 성형기가 열을 공급받는 방식을 도시한 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 종래의 열 매체유(oil)를 활용하여 성형기에 열을 공급하는 경우의 문제점을 설명하기 위한 예시도이다.
도 4는 회전 방식으로 구현된 인젝션 블로우 성형기를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 열 공급 장치가 구비된 인젝션 블로우 성형기의 회전형 몰드를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 열 공급 장치 중, 막대형 히터를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 막대형 히터에 코아가 결합되는 모습을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 열 공급 장치 중, 판형 히터를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 막대형 히터, 플레이트, 코아, 판형 히터의 결합 상태 및 열 전달 과정을 도시한 도면이다.

본 발명의 실시예들을 설명하기에 앞서, 사출 성형 분야, 보다 구체적으로는 인젝션 블로우 성형 방법의 특성과 이에 따른 문제점들을 간략히 소개한 후, 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명의 실시예들이 채택하고 있는 기술적 수단을 순차적으로 제시하도록 한다.

도 1은 본 발명의 실시예들이 채택하고 있는 인젝션 블로우 성형기(injection blow moulding machine)의 개요를 설명하기 위한 도면이다.

일반적으로 사출 성형(injection molding)이라 함은, 플라스틱을 가열 융해시킨 후 고압으로 금형 내에 사출하여 압력을 유지한 채로 냉각 고화시켜 희망하는 플라스틱 성형물을 생성한다. 보다 구체적인 공정은 다음과 같다.

먼저 플라스틱에 안료, 안정제, 가소제 및 충전제 등을 첨가하여 원통형 또는 사각형으로 된 콤파운드(플라스틱 칩)를 호퍼에 넣어둔다. 투입구 바로 앞에 가열실이 있어, 전열 또는 고압 수증기 등으로 가열한다. 스티렌 수지나 폴리염화비닐의 경우에는 약 170℃, 폴리프로필렌의 경우에는 약 200℃로 재료에 따라 적합한 온도로 가열함으로써 플라스틱을 용융 상태로 만든다. 용융된 플라스틱을 피스톤으로 투입구를 통해서 금형 내로 주입한다. 금형의 구석까지 용융된 플라스틱이 흘러 들어가면 피스톤은 원위치로 되돌아 오고 금형은 두 짝으로 갈라져서, 금형 내에서 성형된 플라스틱을 밖으로 꺼내게 된다.

이에 반해, 인젝션 블로우(injection blow) 성형 방법은 이상에서 기술된 사출 성형에 의해 입구부와 두꺼운 몸체를 만들고 이것을 블로우(blow) 금형에 넣어 공기를 흡입시켜 성형한다. 입구의 내경보다 몸체의 내경이 큰 병 등이 이 방법으로 만들어진다. 즉, 인젝션 과정의 1차 공정과 블로우 과정의 2차 공정이 연속하여 수행됨으로써 최종적으로 완성된 플라스틱 성형물을 생성하게 된다.

도 1을 참조하면, 우선 성형 틀(120)을 캐비티 틀(110)과 결합하여 용융된 플라스틱 수지를 공급한다. 그런 다음, 캐비티 틀(110)로부터 성형 틀(120)을 분리하면, 성형 틀(120)의 표면에 용융된 수지(125)가 융착되어 1차 공정이 완료된다.

다음으로, 용융된 수지(125)가 융착된 성형 틀(120)을 블로우 틀(130)과 결합시킨다. 블로우 틀(130)은 내부에 성형하고자 하는 플라스틱의 형태가 형성되어 있다. 이제, 블로우 틀(130) 내부의 공기를 흡입하여 제거하거나, 또는 용융된 수지(125)와 성형 틀(120) 간에 공기를 주입함으로써 수지를 블로우 틀(130) 내부에 융착시킴으로서 플라스틱의 형태를 만든다. 마지막으로, 블로우 틀(130)과 성형 틀(120)을 분리함으로써 용융된 수지(125)로부터 최종적으로 성형된 플라스틱 공병(127)을 얻을 수 있다.

이하에서 기술되는 본 발명의 실시예들은 폴리에틸렌과 같은 수지를 이용하여 요구르트병과 같은 작은 크기의 플라스틱 공병을 생산하기 위해 본 인젝션 블로우 성형 방법을 활용하게 된다. 이상의 과정에서 볼 수 있듯이 플라스틱 수지의 용융, 인젝션 및 블로우 과정에서 일정 수준 이상의 온도가 유지되어야 함을 알 수 있는데, 종래의 성형기는 다음과 같은 방법을 통해 열을 공급받았다.

도 2는 종래의 성형기가 열을 공급받는 방식을 도시한 도면으로서, 성형기(220), 유(oil) 온조기(210) 및 양자를 연결하는 파이프(pipe)(230)로 구성된다.

유 온조기(210)는 가열된 열 매체유(oil) 또는 기타 유체 상태의 매체를 가열하는 가열 수단을 구비하며, 이렇게 가열된 열 매체유는 양방향 파이프(230)를 통해 성형기(220)에 공급된다. 성형기(220)는 내부에 가열되어야 하는 구조물에 열 매체유가 순환할 수 있도록 순환 라인(line)이 형성되며, 이러한 순환 라인을 따라 순환하며 해당 구조물에 열을 전달한 열 매체유는 다시 파이프(230)를 통해 유 온조기(210)로 돌아오게 된다. 유 온조리(210)로 돌아온 열 매체유는 온도가 내려간 상태이므로 재차 가열한 후, 다시 성형기(220)에 공급될 수 있다. 즉, 성형기(220)는 그 자체로 열을 발생시키지 못하며, 유 온조기(210)로부터 가열된 열 매체유를 공급받아야하며, 유 온조기(210)는 이러한 가열과 순환의 역할을 수행하게 된다.

이러한 구조로 인해 발생하게 되는 첫 번째 문제점은 가열 수단이 성형기(220) 내부가 아닌 외부(즉, 유 온조기를 말한다.)에 존재함으로 인해 주위에 열손실이 커진다는 점이며, 그 결과 가열된 열 매체유가 성형기(220)에 도달하는 시점에 열효율이 저하되는 문제점이 나타나게 되었다. 이러한 열손실은 날씨가 추운 동절기에 더욱 커지는 형상이 발견되었을 뿐만 아니라, 하절기에는 주위 작업장의 실내 온도를 상승시키게 되는 요인이 되어 작업 환경을 저하시키는 악영향을 끼친다.

두 번째 문제점은 성형기(220) 내부에 형성된 순환 라인을 따라 열 매체유가 순환하는 과정에서 순환 라인에 불필요한 기름 찌꺼기(스케일)가 발생함으로써 해당 라인이 폐색되어 열전달이 제대로 이루어지지 않는다는 점이고, 그로 인해 플라스틱 공병 성형에 불량이 발생하게 된다. 또는, 열 매체유의 순환 라인 일부에서 누유가 발생하게 될 경우, 역시 열 전달이 저하되거나 누유된 열 매체유가 연소하여 유독 가스가 발생하는 등 작업자의 건강을 위협하는 요소가 된다. 성형기(220)는 다수의 부품으로 구성되어 있으며, 열 매체유의 순환 라인을 연결하는 오링 또는 코아 체결부 등에 문제가 존재할 경우, 누유로 인해 성형 실패율이 증가하게 된다.

무엇보다도 성형기(220)를 통해 성형하고자 하는 플라스틱 공병이 음식물을 담는 음용수병인 경우, 누유된 열 매체유에 의해 해당 공병이 오염되게 되어 위생을 최우선시하는 생산 환경에 저해 요소가 된다. 특히, 인젝션 블로우 성형 기술이 작은 크기의 음용수병 생산에 적합한 기술적 특징에도 불구하고, 위생에 부적절한 열 매체유를 사용하고 있는 점은 아이러니라 할 수 있다.

세 번째 문제점은 유 온조기(210)의 운용에 의해 별도의 유 온조기 가동에 필요한 부가적인 전력이 낭비되고, 유 온조기의 운영과 순환 라인의 정기적이고 지속적인 청소 및 관리에 따른 비용이 소모되는 문제점이 나타난다.

도 3a 및 도 3b는 종래의 열 매체유(oil)를 활용하여 성형기에 열을 공급하는 경우의 문제점을 설명하기 위한 예시도이다. 도 3a 및 도 3b는 각각 열 매체유가 공급되는 파이프가 연결된 몰드 구조물과 몰드 내부의 가열 막대를 도시한 도면이다.

도 3a를 참조하면, 열 매체유를 공급하는 순환 라인 중 일부가 외부에 노출되어 있으며, 몰드에 누유된 열 매체유가 뒤덮여 있는 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 3b를 참조하면, 열 매체유가 가열 막대 내부를 순환하는 과정에서 누유가 발생하여 이를 분해, 청소하는 과정을 예시하고 있다. 즉, 도 3a 및 도 3b에 도시된 종래의 열 매체유를 활용한 열 공급 방법은 위생을 중시하는 음용수병의 생산에는 적합하지 않은 기술임을 알 수 있으며, 가열 성능을 일정하게 유지하기 위해 많은 보수 인력과 스케일 제거 및 청소에 따른 수고가 동반되어야 함을 보여주고 있다.

따라서, 이하에서 기술되는 본 발명의 실시예들은 성형기로부터 이러한 열 매체유를 통해 열 공급 방식을 완전히 제거하고, 전력 공급을 통해 인젝션 블로우 성형 과정에서 가열이 요구되는 부분에 열을 직접적으로 공급하는 기술적 수단을 제안한다.

이하에서는, 도면을 참조하여 상기된 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예들을 구체적으로 설명한다. 다만, 하기의 설명 및 첨부된 도면에서 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 공지 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 도면 전체에 걸쳐 동일한 구성 요소들은 가능한 한 동일한 명칭 및 도면 부호로 나타내고 있음에 유의하여야 한다.

도 4는 회전 방식으로 구현된 인젝션 블로우 성형기를 도시한 도면으로서, 앞서 도 1을 통해 약술한 바와 같이 2개 공정(인젝션 공정 및 블로우 공정)을 수행하기 위해 크게 3 부분으로 구성된 몰드를 채택하고 있다.

제 1 몰드(10)는 캐비티(cavity)(15)를 구비하고 있고, 호퍼(미도시)로부터 용융된 플라스틱 수지를 공급받는다.

제 2 몰드(20)는 1차 성형을 위한 성형 틀인 코아(core)(25)를 구비하고 있으며, 제 1 몰드(10)와의 결합 및 분리를 통해 코아(25)의 외부 표면에 용융된 수지를 공급받아 융착시킨다. 즉, 제 1 몰드(10)와 제 2 몰드(20)는 상호 작용을 통해 앞서 기술한 인젝션 공정을 수행한다. 특히, 코아(25)는 제 2 몰드(20)의 적어도 2개 방향에 형성됨으로써 양방향에서 성형이 가능하다.

제 3 몰드(30)는 블로우 틀을 구비하고 있으며, 제 2 몰드(20)와의 결합 및 분리를 통해 블로우 틀로부터 최종 성형된 플라스틱 공병을 생산한다. 즉, 제 2 몰드(20)와 제 3 몰드(30)는 상호 작용을 통해 앞서 기술한 블로우 공정을 수행한다.

한편, 도 4의 제 2 몰드(20)는 중심부에 회전 축인 샤프트(shaft)를 구비함으로써 양 방향 회전(반전)이 가능하다. 즉, 제 2 몰드(20)의 일방향에서 인젝션 공정이 수행되는 동안, 제 2 몰드(20)의 타방향에서는 블로우 공정이 수행될 수 있다. 일 시점에 제 2 몰드(20)의 코아(25)에서 인젝션 공정 및 블로우 공정이 수행되었다면, 이에 연속하는 다음 시점에는 서로 방향을 바뀌어 블로우 공정 및 인젝션 공정이 수행된다. 이는 2 단계에 걸친 공정이 요구되는 인젝션 블로우 성형 방법의 특성을 활용한 것으로, 이러한 샤프트를 활용하여 연속하는 2 단계의 공정을 회전을 통해 순차적으로 적용하는 것이 가능하다.

이러한 회전 방식의 인젝션 블로우 성형기의 운용에 있어서, 만약 종래의 유 온조기를 이용한 열 매체유를 통해 성형기에 열을 공급하는 경우를 가정하면, 다음과 같다.

외부로부터 유(oil) 온조기(미도시)를 활용하여 가열된 열 매체유를 상기된 제 2 몰드(20)에 공급하고, 제 2 몰드(20)의 내부에 형성된 순환 라인을 통해 순환시킴으로써 제 2 몰드(20)의 코아(25) 및 제 2 몰드(20)와 결합하는 제 1 몰드(10) 또는 제 3 몰드(30)에 열을 공급한다. 이 때, 열 손실을 고려하여 외부의 유 온조기(미도시)에서는 실제 몰드에서 요구되는 온도보다 높은 약 150℃ 정도로 열 매체유를 가열한 후, 양 방향 파이프를 통해 제 2 몰드(20)에 주입하게 된다. 따라서, 성형기의 구조와 무관하게 단지 열 매체유를 활용한다는 이유만으로 앞서 도 2 내지 도 3b를 통해 지적한 문제점들이 그대로 발생하게 된다.

이러한 문제점들을 해소하기 위해 본 발명의 실시예들은 전력 공급을 통해 직접 성형기 내부에서 열을 발생시켜 공급하는 히터(heater)를 채택한다. 또한, 열이 공급되어야 하는 구조물과 열 전달의 관계를 고려하여 크게 2 종류의 분리된 히터를 제안하고 있다.

첫째는 막대형 히터이다. 막대형 히터는 도 4에 도시된 제 2 몰드(20)의 내부, 특히 코아(25) 내측으로 삽입되어 인젝션 공정 및 블로우 공정 모두에서 활용되는 코아(25)를 가열하는 역할을 수행한다.

둘째는 판형 히터이다. 판형 히터는 도 4에 도시된 제 2 몰드(20)의 외측에 결합되어 코아(25)와 주변부의 온도 차이로 인한 불량 발생을 방지하고, 코아(25)와 결합하는 제 1 몰드(10) 및 제 3 몰드(30)와의 상호 작용을 돕는 역할을 수행한다. 특히, 판형 히터에는 블로우 공정을 위해 사용되는 공기가 최초로 주입되는 홀(hole)이 형성됨으로써 판형 히터 내부에서 해당 공기를 가열하고, 가열된 공기를 플레이트를 거쳐 코아(25)에 공급하여 용융된 수지의 온도를 일정 수준으로 유지시킴으로써 보다 용이한 블로우 성형을 수행하도록 한다.

이상의 막대형 히터와 판형 히터는 각각 분리된 온도 조절기 및 온도 측정기에 의해 개별적으로 제어됨으로써 보다 효율적인 공병 생산이 가능하다. 이러한 개별적이고, 즉각적인 온도 제어는 종래의 열 매체유를 통한 열 공급 방식에 비해 다음과 같은 장점을 갖는다.

종래의 열 매체유를 통한 온도 조절 방식은 단일의 유 온조기를 활용함으로써 단일한 온도만을 제어할 수 있었고, 높은 비열을 갖는 열 매체유의 특성상 온도 변화에 둔감하였다. 따라서, 성형기 내부에서 열이 공급됨에 있어서도 각 구조물의 부품에 따라 적합한 온도가 상이하였음에도 불구하고, 단일한 온도의 열이 공급되는 문제점이 있었으며, 이로 인해 공병 생산의 생산성이 저하되고 불량률이 증가하는 현상이 관찰되었다.

이에 반해, 본 발명의 실시예들을 제안하는 과정에서 이루어진 다양한 실험을 통해 성형기의 인젝션 블로우 공정 각각에서 요구되는 최적의 온도를 발견할 수 있었으며, 그 결과 본 발명의 실시예들은 코아(25), 플레이트 및 블로우 공정을 위한 가열된 공기가 서로 다른 온도를 유지할 수 있도록 분리된 가열 수단(막대형 히터 및 판형 히터)을 제안하게 되었다. 각각의 히터의 구체적인 구성에 대해서는 이후 도 5 및 도 9를 통해 설명하도록 한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 열 공급 장치가 구비된 인젝션 블로우 성형기의 회전형 몰드(20)를 도시한 도면이다.

앞서 도 4를 통해 설명한 바와 같이, 인젝션 블로우 성형기는, 크게 3개의 몰드를 포함한다. 즉, 열에 의해 용융된 수지가 사출되어 주입되는 캐비티(cavity)를 형성하는 제 1 몰드, 상기 제 1 몰드와 결합하여 상기 캐비티로부터 수지를 공급(injection)받아 코아(core) 외부에 융착시키는 제 2 몰드 및 상기 제 1 몰드와 상기 제 2 몰드가 분리된 후, 분리된 상기 제 2 몰드의 코아와 결합하고, 수지 내부에 가열된 공기를 블로우(blow)함으로써 상기 코아로부터 수지를 분리하여 공병을 형성하는 제 3 몰드가 바로 그것이다.

도 5에서는 이러한 인젝션 블로우 성형기의 3개의 몰드 중, 제 2 몰드(20)를 분리하여 도시하고 있다. 제 2 몰드(20)는 구체적으로 다음과 같은 구성 요소들을 포함한다.

복수 개의 막대형 히터(heater)(21)는 전력 공급에 의해 직접 열을 발생시키는 장치로서, 상기 제 2 몰드(20)의 내측 몸체로부터 외측의 상기 코아(25) 방향으로 연장 형성되어 상기 코아(25) 내부에 결합됨으로써 상기 코아(25)에 열을 공급하는 역할을 수행한다. 이러한 막대형 히터(21)는 내부에 코일 등이 구비되어 전력 공급에 의해 발열하는 카트리지 히터를 몸체에 결합함으로써 제작될 수 있으며, 전력을 공급하기 위한 전기 배선은 몸체의 후단 부에 구성될 수 있을 것이다.

코아(25)는 상기 막대형 히터(21)가 내측으로 삽입되어 전도에 의해 열을 공급받으며, 제 1 몰드(미도시) 및 제 3 몰드(미도시)와의 결합 및 분리에 의해 용융된 플라스틱 수지가 융착되고 분리됨으로써 인젝션 공정과 블로우 공정에 직접적으로 관여한다.

플레이트(plate)(23)는, 상기 막대형 히터(21)가 관통하는 복수 개의 홀(hole)이 형성되어 상기 막대형 히터(21)가 내측으로 삽입되고, 내측에 공기 공급로가 형성되어 상기 코아(25)에 공기를 공급한다.

판형 히터(27)는 상기 플레이트(23)의 외측에 결합되고, 외부로부터 공기를 공급받아 가열한 후 상기 플레이트의 공급 공급로에 가열된 공기를 공급한다. 이를 위해 상기 판형 히터(27)에는 공기를 공급받아 상기 플레이트의 공기 공급로에 연결되는 홀이 형성되는 것이 바람직하며, 공급된 공기는 이러한 판형 히터(27)의 내부를 통과하면서 적절한 수준의 온도로 가열되게 된다. 이러한 판형 히터(27)는 운모 소재로 제작될 수 있으며, 막대형 히터(21)에 비해 보온 효과가 우수한 것이 바람직하다. 즉, 플레이트(23)는 막대형 히터(21)와 코아(25) 및 판형 히터(27) 사이에 안착되며, 판형 히터(27)로부터 공급된 가열된 공기를 통과시켜 코아(25)에 블로우하게 된다.

또한, 앞서 기술한 바와 같이, 이러한 막대형 히터(21)와 판형 히터(27)는 전력 제어가 개별적으로 이루어질 수 있도록 분리된 전기 배선에 연결될 수 있으며, 각각의 히터들(21, 27)은 서로 적절한 온도 값으로 조정될 수 있는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 막대형 히터(21)는 코아(25)에 열을 공급하는 것이 주목적이며, 판형 히터(27)는 코아 주변부의 온도를 유지함으로써 안정적인 공병 생산이 가능하게 함과 동시에 블로우 공정에서 사용되는 공기를 가열하는 역할을 수행한다.

이를 위해, 도 5의 제 2 몰드(20)는, 막대형 히터(21)와 판형 히터(27)에 독립적으로 전력을 공급하고, 각각의 히터의 온도를 개별적으로 조절하는 온도 조절기(미도시)를 더 포함함으로써, 매체유(oil) 또는 매체수(water) 없이 막대형 히터(21) 및 판형 히터(27)를 통해 열을 발생시킴으로써 코아(25) 및 플레이트(23)를 각각 가열, 제어할 수 있다. 이렇게 개별적으로 제어되는 온도 조절기(미도시)를 통해 열이 공급되는 부분의 온도 차를 일정하게 유지함으로써 보다 완성도 높은 플라스틱 성형이 가능하다.

물론, 막대형 히터(21)와 판형 히터(27)에 전력을 공급하기 위한 전기 배선이 구비되어야 함은 당연하나, 도 5에서는 설명의 편의를 위해 생략하였다. 이러한 전기 배선은 본 발명이 구현되는 환경에 따라 적절한 위치에 구현될 수 있을 것이며, 열이 공급되는 방향(코아 내지 판형 히터가 위치하는 양측 방향을 의미한다.)과 반대 방향(즉, 제 2 몰드의 내측 방향이 될 수 있다.)으로 배선이 유도되는 것이 바람직하다.

나아가, 도 5에 도시된 바와 같이 제 2 몰드(20)는 샤프트(29)를 중심으로 양 방향으로 동일한 구조로 형성되며, 회전(반전)에 의해 인젝션 공정과 블로우 공정을 연속적으로 수행할 수 있게 된다. 즉, 제 2 몰드(20)는, 코아(25)가 적어도 2 방향으로 형성되고, 제 1 몰드(미도시, 인젝션 공정을 수행) 및 제 3 몰드(미도시, 블로우 공정을 수행)는 상기 2 방향에 대응하여 배치되어, 각각 제 2 몰드(20)와 결합 및 분리된다. 따라서, 제 1 몰드를 통해 제 2 몰드(20)의 일 방향에 형성된 코아에서 수지의 공급이 이루어짐과 동시에, 제 3 몰드를 통해 제 2 몰드(20)의 타 방향에 형성된 코아에서 공병의 형성이 이루어지게 된다. 즉, 제 2 몰드(20)는, 상기 2 방향의 코아의 배치를 교대로 변경시키는 회전 수단(샤프트를 의미한다.)을 더 포함함으로써, 제 2 몰드(20)의 상기 일 방향에 공급된 수지를 이용하여 공병을 형성하고, 제 2 몰드(20)의 상기 타 방향에서 공병 형성 후 수지가 제거된 코아에 새로운 수지를 공급하게 된다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 열 공급 장치 중, 막대형 히터를 도시한 도면으로서, 배면 전기 배선과 덮개를 예시하였다.

도 6에서 막대형 히터(21)는 몸체(21a)에 체결되어 있으며, 각각의 막대형 히터(21)에 전력을 공급할 수 있는 전기 배선(21b)이 전기적으로 연결되어 있다. 이렇게 구성된 몸체(21a)에 덮개(21c)가 결합되고, 덮개(21c)의 일부에 마련된 홀(21d)을 통해 전기 배선(21b)이 외부로 연결될 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 막대형 히터에 코아가 결합되는 모습을 도시한 도면이다.

도 7에서, 막대형 히터(21)가 체결된 몸체와 플레이트(23)가 결합되고, 플레이트(23)에 형성된 홀을 통해 막대형 히터(21)가 외부로 연장 형성되며, 그 말단에 코아(25)가 결합된다. 따라서, 코아(25)는 막대형 히터(21)와 직접 접촉하게 되고, 전도에 의해 열을 공급받는다.

이 경우, 코아(25)에 인접한 플레이트(23)에는 직접적인 열이 공급되지는 않는데, 이로 인해 열 손실이 발생할 경우, 플라스틱 공병 생산에 불량이 발생하게 된다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 이러한 코아(25)의 주변부에 안정적이고 지속적인 열을 공급하기 위해 판형 히터(미도시)를 마련하였다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 열 공급 장치 중, 판형 히터(27)를 도시한 도면으로서, 운모 소재의 히터에 전력을 공급하는 전기 배선이 연결되어 있음을 볼 수 있다. 이러한 판형 히터(27)는 외부로부터 공기를 공급받을 수 있는 홀을 구비하며, 공급된 공기는 히터 내부로 진입함에 따라 가열된다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 막대형 히터, 플레이트, 코아, 판형 히터의 결합 상태 및 열 전달 과정을 도시한 도면이다.

가장 내측에 막대형 히터(미도시)가 위치하고, 그 위로 플레이트(23)가 체결된다. 플레이트(23)의 홀을 통해 노출된 막대형 히터(미도시)의 말단부에는 코아(25)가 결합되며, 코아(25)의 주변부, 즉 열을 지어 배치된 코아들(25) 간의 사이에는 지속적인 열을 공급하고, 블로우 공정에서 사용되는 공기를 가열하는 판형 히터(27)가 결합된다. 즉, 판형 히터(27)는 전도에 의해 플레이트(23)에 열을 공급함으로써 코아(25)로부터 주변부로의 열손실을 방지하게 된다.

특히, 막대형 히터(미도시)로부터 코아(25)에 전도된 열과 가열된 수지의 융착에 의해 공급된 열의 합에 의해 유지되는 코아(25)의 온도와 판형 히터(27)에 의해 유지되는 플레이트(23)의 온도는 같도록 제어되는 것이 바람직하다.

또한, 막대형 히터(미도시)가 가열에 의해 임계 온도 이상으로 가열되고, 가열된 수지의 융착에 의해 코아(25)에 열이 공급되면, 막대형 히터(미도시)에 공급되는 전력을 차단할 수 있을 것이다. 왜냐하면, 코아(25)는 상대적으로 높은 온도에서 용융된 수지가 반복적으로 융착됨으로써 열을 공급받을 수 있기 때문이다. 즉, 코아(25)에 열을 공급하는 실질적인 수단은 막대형 히터(미도시)와 용융된 수지의 2가지이다. 따라서, 일정한 수준으로 코아의 온도가 상승한 후, 인젝션 과정이 반복되기 시작하면, 막대형 히터(미도시)에 전력을 차단하더라도 코아의 온도를 유지하는 것이 가능하다.

다만, 주변부의 온도차가 커질 경우, 코아의 온도 유지에 어려움이 발생할 수 있으며, 또한 인젝션 공정 및 블로우 공정에서 결합하는 타 몰드로부터의 악영향이 발생할 우려가 존재한다. 따라서, 본 발명의 실시예는 코아의 주변부(플레이트의 일면이 될 수 있다.)에 판형 히터(27)를 부착하여 용융된 수지가 공급되지 않는 플레이트(23) 부분을 적정 온도로 유지시킨다.

나아가, 제 2 몰드(20)는, 코아(25)와 인접하여 코아(25)의 온도를 측정하는 제 1 온도 측정기(미도시) 및 판형 히터(27)와 인접하여 플레이트(23) 또는 공기 공급로 중 적어도 하나에 공급되는 공기의 온도를 측정하는 제 2 온도 측정기(미도시)를 더 포함할 수 있다. 이를 활용해 제 2 몰드(20)는, 막대형 히터(25)의 온도를 판형 히터(27)의 온도보다 낮게 유지하는 것이 바람직하다.

다수의 실험을 통해 본 발명의 실시예들은 폴리에틸렌 수지를 이용한 플라스틱 공병 생산에 있어서, 최적의 온도 범위를 발견하였다. 즉, 상기 코아(25)의 온도는 85℃~90℃이고, 상기 판형 히터(27)의 온도는 110℃~120℃인 것이 바람직하다. 이러한 온도 범위는, 종래의 열 매체유를 공급하던 유 온조기 방식에서 최초에 가열된 열 매체유의 온도보다 낮은 값으로서, 이는 본 발명의 실시예들이 제안하고 있는 열 공급 방식의 열 효율이 그만큼 높다는 사실을 반증한다. 즉, 종래의 유 온조기 방식에서 열 매체유가 약 150℃~160℃로 가열되었는데 반해, 판형 히터(27)의 온도는 이보다 낮은 범위에서 제어되고, 나아가 코아(25) 부분의 온도는 더욱 낮은 값으로 유지하여도 동일한 플라스틱 공병 생산이 가능하다는 실험 결과를 얻을 수 있었다.

동일한 공병 생산의 조건을 일치시키고 전력 사용량을 비교할 때, 종래의 유 온조기를 활용한 경우 유 온조기의 히터 용량이 9kWh이고, 펌프의 용량이 0.75kWh이며, 히터의 on/off 시간 비율이 약 3:2인 관계로 실제 구동 환경에서의 피크 전력은 약 5.5kWh~6.75kWh로 측정되었다.

이에 반해, 본 발명의 실시예들이 제안하고 있는 열 공급 방식에 따르면, 양방향 총 20개의 코아에 직결되는 막대형 히터에 공급되는 전력은 각각 80Wh로서 총 1.6kWh (=80W×20EA)이고, 양방향에 체결되는 2개의 판형 히터에 공급되는 전력은 각각 800Wh로서 총 1.6kWh (=800W×2EA)이다. 이 때, 막대형 히터의 전력 소모는 산술적으로 1.6kWh로 계산되지만, 실제로 on/off 시간을 반영하였을 때, 약 10분간 on 되었다면, 약 50분간 off 됨으로써(즉, on/off 시간 비율이 약 1:6으로 측정되었다.) 실제 전력 소비는 약 250Wh~300Wh로 측정되었다. 마찬가지 방식으로 판형 히터의 경우에도 실제 전력 소비는 약 1.1kWh로 측정되었다.

따라서, 전력 사용량의 관점에서 종래의 유 온조기를 활용할 경우 약 5.5kWh~6.75kWh의 전력이 소비되고, 본 발명의 실시예들에 따른 열 공급기를 활용할 경우 약 1.1kWh~1.5kWh의 전력이 소비되는 것으로 측정되었다.

이상과 같이 단순한 전력 소비의 관점에서 나아가, 유 온조기를 사용하는 경우, 앞서 지적한 바와 같이 유 온조기에 의해 발생한 열이 주변 작업장의 온도를 상승시키는 부작용이 존재하였는바, 실제 작업장에서는 작업장 온도를 낮추기 위한 냉각 장치를 별도로 가동해야 하는 것이 현실이었다. 따라서, 이로 인해 낭비되는 추가적인 전력 소비가 존재하였으나, 이상에서 제안되는 본 발명의 실시예들에 따르면, 이러한 불필요한 전력 낭비를 원천적으로 방지할 수 있다는 장점이 나타난다. 나아가, 본 발명의 실시예들이 제안하고 있는 열 공급 장치는 종래의 유 온조기를 활용한 성형기의 일부 부품을 교체(열 매체유가 순환하는 부품을 전력 공급에 의한 히터로 대체하거나 새로운 히터를 추가할 수 있다.)하여 개조 및 개선이 가능하다는 점에서 새로운 기기 도입에 대한 부담을 경감시킬 수 있다.

요약하건대, 상기된 본 발명의 실시예들에 따르면, 전력을 공급받아 몰드에 열을 발생시키는 막대형 히터 및 판형 히터를 구비함으로써 인젝션 블로우 성형기의 열 공급에 있어서 별도의 외부 유 온조기가 필요하지 않으며, 열의 발생 위치를 성형기 내부로 이동시킴으로써 열효율을 증가시키고 동시에 전력 소모량을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 열 매체유를 사용하지 않음으로 인해 순환 라인에서 발생하는 스케일 또는 누유의 문제를 근본적으로 해소하였고, 그 결과 열 매체유 순환 라인의 청소 및 유 온조기 관리에 요구되는 비용을 제거할 수 있다.

이상에서 본 발명에 대하여 그 다양한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명에 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

110 : 캐비티(cavity) 틀 120 : 성형 틀
125 : 융착된 수지 127 : 성형된 공병
130 : 블로우 틀
210 : 유(oil) 온조기 220 : 성형기
230 : 파이프(pipe)
10 : 제 1 몰드 15 : 캐비티
20 : 제 2 몰드 21 : 막대형 히터
23 : 플레이트(plate) 25 : 코아(core)
27 : 판형 히터 29 : 샤프트(shaft)
30 : 제 3 몰드

Claims (9)

1. 인젝션 블로우 성형기(injection blow moulding machine)의 열 공급 장치에 있어서,
   상기 인젝션 블로우 성형기는,
   열에 의해 용융된 수지가 사출되어 주입되는 캐비티(cavity)를 형성하는 제 1 몰드;
   상기 제 1 몰드와 결합하여 상기 캐비티로부터 수지를 공급(injection)받아 코아(core) 외부에 융착시키는 제 2 몰드; 및
   상기 제 1 몰드와 상기 제 2 몰드가 분리된 후, 분리된 상기 제 2 몰드의 코아와 결합하고, 수지 내부에 가열된 공기를 블로우(blow)함으로써 상기 코아로부터 수지를 분리하여 공병을 형성하는 제 3 몰드;를 포함하되,
   상기 제 2 몰드는,
   상기 제 2 몰드의 내측 몸체로부터 외측의 상기 코아 방향으로 연장 형성되어 상기 코아 내부에 결합됨으로써 상기 코아에 열을 공급하는 복수 개의 막대형 히터(heater);
   상기 막대형 히터가 내측으로 삽입되어 전도에 의해 열을 공급받는 코아;
   상기 막대형 히터가 관통하는 복수 개의 홀(hole)이 형성되어 상기 막대형 히터가 내측으로 삽입되고, 내측에 공기 공급로가 형성되어 상기 코아에 공기를 공급하는 플레이트(plate); 및
   상기 플레이트의 외측에 결합되고, 외부로부터 공기를 공급받아 가열한 후 상기 플레이트의 공급 공급로에 가열된 공기를 공급하는 판형 히터;를 포함하며,
   상기 막대형 히터와 상기 판형 히터에 독립적으로 전력을 공급하고, 각각의 히터의 온도를 개별적으로 조절하는 온도 조절기;를 더 포함함으로써,
   매체유(oil) 또는 매체수(water) 없이 상기 막대형 히터 및 상기 판형 히터를 통해 열을 발생시킴으로써 상기 코아 및 상기 플레이트를 각각 가열하는 것을 특징으로 하는 장치.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 판형 히터는 전도에 의해 상기 플레이트에 열을 공급함으로써 상기 코아로부터 주변부로의 열손실을 방지하는 것을 특징으로 하는 장치.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 막대형 히터로부터 상기 코아에 전도된 열과 상기 가열된 수지의 융착에 의해 공급된 열의 합에 의해 유지되는 상기 코아의 온도와 상기 판형 히터에 의해 유지되는 상기 플레이트의 온도가 같도록 하는 것을 특징으로 하는 장치.
5. 제 3 항에 있어서,
   상기 막대형 히터가 가열에 의해 임계 온도 이상으로 가열되고, 상기 가열된 수지의 융착에 의해 상기 코아에 열이 공급되면, 상기 막대형 히터에 공급되는 전력을 차단하는 것을 특징으로 하는 장치.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 2 몰드는,
   상기 코아와 인접하여 상기 코아의 온도를 측정하는 제 1 온도 측정기; 및
   상기 판형 히터와 인접하여 상기 플레이트 또는 상기 공기 공급로 중 적어도 하나에 공급되는 공기의 온도를 측정하는 제 2 온도 측정기;를 더 포함하되,
   상기 막대형 히터의 온도를 상기 판형 히터의 온도보다 낮게 유지하는 것을 특징으로 하는 장치.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 코아의 온도는 85℃~90℃이고,
   상기 판형 히터의 온도는 110℃~120℃인 것을 특징으로 하는 장치.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 2 몰드는,
   상기 코아가 적어도 2 방향으로 형성되고,
   상기 제 1 몰드 및 상기 제 3 몰드는 상기 2 방향에 대응하여 배치되어, 각각 상기 제 2 몰드와 결합 및 분리됨으로써,
   상기 제 1 몰드를 통해 상기 제 2 몰드의 일 방향에 형성된 코아에서 상기 수지의 공급이 이루어짐과 동시에, 상기 제 3 몰드를 통해 상기 제 2 몰드의 타 방향에 형성된 코아에서 상기 공병의 형성이 이루어지는 것을 특징으로 하는 장치.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 제 2 몰드는,
   상기 2 방향의 코아의 배치를 교대로 변경시키는 회전 수단;을 더 포함함으로써,
   상기 제 2 몰드의 상기 일 방향에 공급된 수지를 이용하여 공병을 형성하고,
   상기 제 2 몰드의 상기 타 방향에서 공병 형성 후 수지가 제거된 코아에 새로운 수지를 공급하는 것을 특징으로 하는 장치.

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