KR102562838B1 - 사출금형 급속 냉각 장치 및 이를 포함한 급속 냉각 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 사출금형 급속 냉각 장치 및 이를 포함한 급속 냉각 시스템에 관한 것으로, 특히 본 발명에 따른 사출금형 급속 냉각 장치는 길이 방향의 슬릿을 다수개 포함한 베이스블록; 상기 슬릿에 삽입 장착되며, 주입된 냉각기체를 일측면으로 분사하는 공급블록; 상기 공급블록 일측면에 다수개로 배치되어, 상기 공급블록에서 분사된 냉각기체를 수용 후 코어금형의 캐비티에 분사하는 냉각블록; 및 상기 냉각블록의 양측단에 배치되는 수정블록;을 포함하고, 상기 냉각블록은 이웃하는 냉각블록과 이격 공간없이 인접하게 배치되는 다각 기둥형상으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

사출금형 급속 냉각 장치 및 이를 포함한 급속 냉각 시스템 {INJECTION MOLD RAPID COOLING DEVICE AND RAPID COOLING SYSTEM INCLUDING THE SAME}

본 발명은 사출금형 급속 냉각 장치 및 이를 포함한 급속 냉각 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 냉각기체인 이산화탄소(CO₂)를 사용하여 넓은 면적을 갖는 코어금형 캐비티 표면을 균일하고 신속하게 냉각시킬 수 있도록 구성된 사출금형 급속 냉각 장치 및 이를 포함한 급속 냉각 시스템에 관한 것이다.

사출성형 공정에서 냉각시간은 총 사이클 시간의 약 70%를 차지하기 때문에 금형의 냉각시간 단축은 생산성을 높이기 위해 대단히 중요하다. 또한 냉각공정에서 성형품 위치에 따라 발생하는 온도편차는 냉각시간을 지연시킬 뿐만 아니라 휨 변형을 일으키는 주요인이 된다.

금형을 냉각시키기 위하여 일반적으로 금형 안에 냉각회로를 가공한 이후에 냉각수 또는 기름을 순환시키는 방식을 사용한다. 그러나 금형 내부에서 이동하는 속도가 느려 냉각시간이 길고, 면 냉각이 아닌 선 냉각 방식이기 때문에 금형의 각 부분에서 온도편차가 크게 발생하는 문제점이 있다. 아울러 냉각회로를 드릴로 가공할 경우 직선형 형상으로 제한되기 때문에 곡면이나 두께가 두꺼운 영역에서 냉각효율이 낮은 단점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 적층 제조공법을 사용한 형상 적응형 냉각회로를 제작하여 냉각시간을 크게 단축시킬 수 있었다. 그러나 사용 중 냉각회로의 막힘, 부식, 슬러지 부착 등 다양한 문제가 빈번히 발생하고, 이때 곡선형 냉각회로의 특성상 금형 수리가 어렵기 때문에 양산 공정에 적용하는데 한계가 있다.

다른 한편으로 냉각회로에 냉수와 온수를 교대로 주입하여 금형 가열 및 냉각 효율을 극대화하려는 노력이 이루어졌다. 이 방식에서는 사출성형 충전단계 이전에는 냉각회로 안에 온수를 주입하여 금형온도를 높게 유지하고 충전 이후에는 냉수를 주입하여 금형온도를 낮게 유지하였다. 사출성형 제품의 품질과 생산성을 어느 정도 높일 수 있지만 직선형 냉각회로와 물을 사용하기 때문에 여전히 냉각효율과 온도편차의 한계를 안고 있다.

따라서, 코어금형의 캐비티에 분사하는 냉매를 단일의 인렛(inlet)으로 주입한 후 다수개의 아웃렛(outlet)으로 분사될 수 있도록 구성되어 금형 캐비티로 이동하는 냉매의 이동 속도가 증가하여 냉각시간이 단축될 뿐 아니라 넓은 면적의 캐비티를 균일하게 냉각시킬 수 있어 성형품 위치에 따른 온도편차가 발생하지 않아 성형품의 휨 변형을 방지할 수 있도록 구성된 사출금형 급속 냉각 시스템의 개발이 요구되고 있다.

[특허문헌] KR 10-1920157호 (등록일자 2018.11.13)

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은, 베이스블록의 슬릿에 삽입 장착되고 주입된 냉각기체를 일측면으로 분사하는 공급블록 및 상기 공급블록 일측면에 다수개로 배치되어 상기 공급블록에서 분사된 냉각기체를 수용 후 코어금형의 캐비티에 분사하는 냉각블록을 포함하고, 상기 냉각블록은 냉각기체가 주입되는 단일의 주입관 및 냉각기체가 분사되는 다수개의 분사홀을 포함하여 구성됨으로써, 코어금형의 캐비티에 분사하는 냉각기체를 단일의 인렛(inlet)으로 주입 후 다수개의 아웃렛(outlet)으로 분사될 수 있도록 구성되어 금형 캐비티로 이동하는 냉각기체의 이동 속도가 증가하여 냉각시간이 단축될 뿐 아니라 넓은 면적의 캐비티를 균일하게 냉각시킬 수 있어 성형품 위치에 따른 온도편차가 발생하지 않아 성형품의 휨 변형을 방지할 수 있도록 구성된 사출금형 급속 냉각 장치 및 이를 포함한 급속 냉각 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 사출금형 급속 냉각 장치는, 길이 방향의 슬릿을 다수개 포함한 베이스블록; 상기 슬릿에 삽입 장착되며, 주입된 냉각기체를 일측면으로 분사하는 공급블록; 상기 공급블록 일측면에 다수개로 배치되어, 상기 공급블록에서 분사된 냉각기체를 수용 후 코어금형의 캐비티에 분사하는 냉각블록; 및 상기 냉각블록의 양측단에 배치되는 수정블록;을 포함하고, 상기 냉각블록은, 이웃하는 냉각블록과 이격 공간없이 인접하게 배치되는 다각 기둥형상으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 상기 냉각블록은, 상기 냉각기체가 주입되는 주입관;상기 주입관의 일단을 커버하는 분사판; 및 상기 분사판에 배치되어, 상기 냉각기체가 분사되는 다수개의 분사홀;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 상기 분사홀은, 상기 분사판의 중심에 배치되는 제1분사홀; 및 상기 분사판의 모서리와 인접하도록 상기 분사판 외주부에 배치되는 다수개의 제2분사홀;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 상기 냉각블록은, 상기 분사판과 상기 캐비티 간에 상기 냉각기체의 유동 공간을 형성하고 금형을 지지하도록 상기 분사판에 돌출 형성된 다수개의 리브; 및 상기 분사홀에서 분사된 냉각기체의 대류를 위한 다수개의 이동공;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 상기 공급블록은, 상기 공급블록의 측면에 구비되어 냉각기체가 주입되는 제1공급공; 상기 제1공급공과 연통되도록 상기 공급블록 내부에 구비되는 길이방향의 공급관; 및 상기 공급관과 연통하도록 상기 공급블록의 일측면에 구비되어, 상기 공급관으로 주입된 냉각기체가 분사되는 다수개의 제2공급공;을 포함하고, 상기 제2공급공은 일측에 배치된 상기 냉각블록과 연통되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 상기 냉각블록은, 육각기둥형상으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 상기 제1분사홀은, 직경이 제2분사홀의 직경보다 작게 구성되어, 냉각기체의 유동거리가 짧은 제1분사홀에서의 냉각기체의 유출량이 냉각기체의 유동거리가 제1분사홀보다 긴 상기 제2분사홀에서의 냉각기체의 유출량과 동일하게 나타나는 것을 특징으로 한다.

아울러, 본 발명에 따른 상기 냉각기체는, 이산화탄소(CO₂)인 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명에 따른 사출금형 급속 냉각 장치를 포함한 사출금형 급속 냉각 시스템은, 사출금형 급속 냉각 장치; 상기 사출금형 급속 냉각 장치에 주입될 냉각기체가 저장되는 가스저장부; 상기 가스저장부에 저장된 냉각기체를 가압하는 압력부스터; 상기 냉각기체가 고압으로 압축되는 과정에서 발생하는 열을 냉각하여 상기 냉각기체를 액화시키는 열교환기; 상기 압력부스터의 작동을 제어하는 제어부; 및 상기 압력부스터에서 공급된 냉각기체를 급속 냉각 장치에 분배하는 분배부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 상기 분배부는, 주입된 냉각기체를 다수개로 분배하여 배출하는 분배블록; 및 상기 분배블록과 급속 냉각 장치의 제1공급공을 연결하는 분배관;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

아울러, 본 발명에 따른 상기 분배블록은, 상기 분배블록 일측면과 통공되는 일정깊이의 제1관; 및 일단이 상기 제1관과 연결되고, 타단이 상기 분배블록 외측면과 이어지도록 통공된 다수개의 제2관;을 포함하고, 상기 제2관은, 상기 제1공급공과 동일한 갯수로 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 본 발명에 따른 사출금형 급속 냉각 장치 및 이를 포함한 급속 냉각 시스템에 의하면, 코어금형의 캐비티에 분사하는 냉각기체를 단일의 인렛(inlet)으로 주입 후 다수개의 아웃렛(outlet)으로 분사될 수 있도록 구성되어 금형 캐비티로 이동하는 냉매의 이동 속도가 증가하여 냉각시간이 단축될 뿐 아니라 넓은 면적의 캐비티를 균일하게 냉각시킬 수 있어 성형품 위치에 따른 온도편차가 발생하지 않아 성형품의 휨 변형이 방지되는 효과가 있다.

또한, 냉각기체인 이산화탄소를 사용하여 넓은 면적의 금형을 빠르고 균일하게 냉각시킬 수 있도록 구성되어, 사이클 시간 단축에 따른 생산성이 높으며, 넓은 영역에 대한 균일 냉각으로 인해 제품의 휨 변형 감소 등 품질이 향상되는 효과가 있다.

아울러, 냉각기체를 불활성, 불연성, 무색 가스인 이산화탄소를 사용함으로써, 종래의 사출금형 급속 냉각 시스템의 냉매로 사용했던 물, 기름 등에서 발생하는 금형 냉각 회로의 막힘, 부식 및 슬러지 부착 등의 발생을 방지할 뿐 아니라 냉각 편차를 최소화시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 사출금형 급속 냉각 장치를 포함한 급속 냉각 시스템의 전반적인 구성을 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 사출금형 급속 냉각 장치의 전반적인 구성을 나타낸 구성도이다.
도 3은 코어금형 캐비티에 장착된 사출금형 급속 냉각 장치의 사용상태를 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 사출금형 급속 냉각 장치의 세부적인 구성을 나타낸 분해사시도이다.
도 5는 코어금형 캐비티에 장착된 사출금형 급속 냉각 장치의 사용상태를 나타낸 도이다.
도 6은 본 발명에 따른 냉각블록의 구성을 나타낸 구성도이다.
도 7은 본 발명에 따른 분사홀의 냉각범위를 나타낸 도이다.
도 8은 본 발명에 따른 냉각블록 및 공급블록의 세부적인 구성을 나타낸 구성도이다.
도 9는 본 발명에 따른 사출금형 급속 냉각 장치의 단면도이다.
도 10(a)는 본 발명에 따른 분배부의 세부적인 구성을 나타낸 단면도이다.
도 10(b)는 본 발명에 따른 분배부의 전반적인 구성을 나타낸 사시도이다.
도 11(a)은 본 발명에 따른 열교환기의 구성을 나타낸 사진이다.
도 11(b)는 콘덴서를 나타낸 사진이다.
도 12(a)는 본 발명에 따른 열교환기를 사용하지 않은 경우의 냉각 효과를 나타낸 표이다.
도 12(b)는 본 발명에 따른 열교환기를 사용한 경우의 냉각 효과를 나타낸 표이다.
도 13(a)는 본 발명에 따른 공급블록의 일측면에 제1공급공이 단일로 배치될 경우의 냉각균일도의 영향을 나타낸 표이다.
도 13(b)는 본 발명에 따른 공급블록의 양측면에 제1공급공이 한 쌍으로 배치될 경우의 냉각균일도의 영향을 나타낸 표이다.
도 14는 가스 유동해석을 적용하여 제2관(612) 간의 경사각(θ)를 100°, 125°, 150°로 설정한 경우, 제2관(612) 각각의 출구로 토출되는 냉각기체의 유량 균일도와 난류운동에너지 균일도를 비교한 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명한다. 우선, 도면들 중 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의해야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하게 하지 않기 위해 생략한다.

도 2는 본 발명에 따른 사출금형 급속 냉각 장치의 전반적인 구성을 나타낸 구성도이고, 도 3은 코어금형 캐비티에 장착된 사출금형 급속 냉각 장치의 사용상태를 나타낸 단면도이며, 도 4는 본 발명에 따른 사출금형 급속 냉각 장치의 세부적인 구성을 나타낸 분해사시도이고, 도 5는 코어금형 캐비티에 장착된 사출금형 급속 냉각 장치의 사용상태를 나타낸 도이며, 도 9는 본 발명에 따른 사출금형 급속 냉각 장치의 단면도이다.

본 발명에 따른 사출금형 급속 냉각 장치(100)는 도 2 내지 도 5 및 도 9에 도시된 바와 같이 베이스블록(110), 공급블록(120), 냉각블록(130) 및 수정블록(140)을 포함할 수 있다.

상기 베이스블록(110)은 본 발명에 따른 사출금형 급속 냉각 장치(100)의 하단에 배치되는 것으로, 상면에 길이 방향의 슬릿(111)을 다수개 포함하고 상기 슬릿(111)에 공급블록(120)이 삽입 장착될 수 있도록 구성된다.

구체적으로, 상기 베이스블록(110)은 일측면에서 타측면으로 이어지도록 함몰된 길이 방향의 슬릿(111)이 상기 공급블록(120)과 동일한 갯수로 형성되어, 상기 슬릿(111)으로 상기 공급블록(120)이 삽입된 상태에서 상기 공급블록(120)과 베이스블록(110)의 상면에 상기 냉각블록(130)이 배치될 수 있도록 구성된다.

따라서, 상기 슬릿(111)은 슬릿(111)에 공급블록(120)이 삽입된 상태에서 상단이 돌출되거나 함몰되지 않고 수평을 이룰 수 있도록 상기 공급블록(120)의 높이와 동일한 깊이를 갖는 것이 바람직할 수 있다.

또한, 상기 베이스블록(110)의 폭은 상기 공급블록(120)의 길이 및 슬릿(111)의 길이와 동일하게 구성될 수 있다.

도 8은 본 발명에 따른 냉각블록 및 공급블록의 세부적인 구성을 나타낸 구성도이다.

본 발명에 따른 상기 공급블록(120)은 도 8에 도시된 바와 같이 상기 슬릿(111)에 삽입 장착되며, 냉각기체를 주입 후 일측면으로 분사시킬 수 있도록 구성된다.

구체적으로, 상기 공급블록(120)은 상기 슬릿(111)에 삽입 장착되어 베이스블록(110)의 함몰된 상면 일부를 형성하는 것으로, 후술할 분배부(600)에서 공급될 냉각기체를 양측면에서 공급받아 상면에 배치되는 냉각블록(130)으로 기체를 분사시킬 수 있도록 한다.

또한, 상기 공급블록(120)은 양측면과 연통된 길이 방향의 공급관(122)이 내부에 배치되고 상기 공급관(122)의 상면측으로 이어진 통공으로 공급된 냉각기체를 유동시킬 수 있도록 한다.

따라서, 상기 공급블록(120)은 상기 공급블록(120)의 측면에 구비되어 냉각가스가 주입되는 제1공급공(121), 상기 제1공급공(121)과 연통되도록 상기 공급블록(120) 내부에 구비되는 길이방향의 공급관(122) 및 상기 공급관(122)과 연통하도록 상기 공급블록(120)의 일면에 구비되어, 상기 공급관(122)으로 주입된 냉각기체가 분사되는 다수개의 제2공급공(123)을 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 상기 제2공급공(123)은 상면에 상기 냉각블록(130)이 배치되어 상기 냉각블록(130)과 연통하게 된다.

보다 구체적으로, 상기 공급블록(120)은 양측면에 제1공급공(121)을 포함하여 후술할 분배부(600)의 분배관(620)에서 냉각기체를 공급받고, 공급된 기체가 상기 분배관(620) 유동 후 상면으로 이어지는 제2공급공(123)을 통해 상기 냉각블록(130)으로 분사될 수 있도록 한다.

따라서, 상기 제2공급공(123)은 상기 냉각블록(130)에 기체를 분사시키기 위한 통공으로, 냉각블록(130)과 동일한 갯수로 배치됨이 바람직할 수 있다.

도 4를 살펴보면 상기 제2공급공(123)은 하나의 공급블록(120)에 2개 또는 3개로 배치될 수 있으며, 구체적으로, 임의의 공급블록(120)에 2개의 제2공급공(123)이 배치되면 이웃하는 공급블록(120)에 3개의 제2공급공(123)이 배치되고, 이와 이웃하는 공급블록(120)에 2개의 제2공급공(123)이 배치되는 순서대로 배치가 순차적으로 이루어질 수 있다.

이는, 상기 냉각블록(130)이 도시된 바와 같이 육각기둥의 형상을 갖고, 육각기둥형상의 냉각블록(130)들이 벌집 구조와 동일하도록 이웃하는 냉각블록(130)과 다각도로 인접하여 다수개의 냉각블록(130)들이 이격없이 배치될 경우에 해당하는 배치상태로써, 상기 냉각블록(130)의 배치가 2개, 3개, 2개 …의 순서대로 교번하여 배치가 이루어지고 이에 따라 제2공급공(123)들이 냉각블록(130)과 동일한 갯수로 형성되어 나타나는 구조이다.

따라서, 상기 냉각블록(130)이 육각기둥이 아닌 다양한 다각기둥의 형상을 갖을 경우에는 이격없는 냉각블록(130)의 배치를 위해 다양한 갯수로 공급블록(120)에 배치될 수 있으며, 이에 따라 상기 제2공급공(123)의 갯수도 상기 냉각블록(130)의 갯수와 동일하게 형성되게 된다.

도 13(a)는 본 발명에 따른 공급블록의 일측면에 제1공급공이 단일로 배치될 경우의 냉각균일도의 영향을 나타낸 표이고, 도 13(b)는 본 발명에 따른 공급블록의 양측면에 제1공급공이 한 쌍으로 배치될 경우의 냉각균일도의 영향을 나타낸 표이다.

한편, 상기 제1공급공(121)은 상기 공급블록(120)의 양측면에 2개로 배치될 수 있고, 상기 공급블록(120)의 일측면에 하나로 배치될 수도 있다.

상기 제1공급공(121)이 공급블록(120)의 일측면에 단일로 구성되어 냉각기체를 공급하는 경우와 양측면에 한 쌍으로 구성되어 양측면에서 냉각기체를 공급하는 경우 사출금형 캐비티(10)의 냉각 균일도에 미치는 영향을 비교한 도 13(a) 및 도 13(b)를 살펴보면, 공급블록(120)의 양측면에 제1공급공(121)이 구비되는 경우는 공급블록(120)의 일측면에 단일로 제1공급공(121)이 구비되는 경우에 비해 약 10% 높은 냉각 균일도를 나타내고 있으며, 특히, ＃1, 2, 3 지점과 ＃4, 5, 6 지점의 냉각 편차가 감소함을 알 수 있다.

이는, 한 쪽에서 냉각기체를 공급하는 것 보다 양쪽에서 냉각기체를 공급하는 것이 공급블록(120)의 제2공급공(123)으로의 유량분배가 상대적으로 균일하게 이루어지기 때문인 것으로 판단된다.

뿐만 아니라, 양 방향 주입의 경우에는 한 방향 주입의 경우에 비해 온도강하(ΔT)가 크게 발생하며, 평균적으로 8℃ 가량 냉각효과가 증가함을 알 수 있다.

따라서, 상기 제1공급공(121)은 공급블록(120)의 양측면에 각각 배치되는 한 쌍으로 구성되어 냉각기체를 양측면에 주입함에 따라 냉각 균일도 및 냉각 효과가 증대되도록 하는 효과를 본다.

또한, 상기 공급블록(120)은 도시된 바와 같이 7개로 형성될 수 있으나, 상기 공급블록(120)의 갯수는 이에 한정되지 않고 다양한 갯수로 적용실시할 수 있도록 한다.

또한, 상기 공급블록(120)은 상기 슬릿(111)에 삽입 후 상기 베이스블록(110)과 볼트 체결하여 베이스블록(110)에 완전히 고정될 수 있도록 한다.

한편, 본 발명에 따른 상기 냉각기체는 불활성, 불연성, 무색 가스의 특성을 갖는 이산화탄소(CO₂)로 구성되며, 이는 종래의 냉각장치의 냉매로 사용되었던 물, 기름 등에서 발생하는 금형 냉각 회로의 막힘, 부식 및 슬러지 부착 등의 발생을 방지할 뿐 아니라 냉각 편차를 최소화시킬 수 있도록 한다.

보다 구체적으로, 냉각기체로 사용되는 이산화탄소는 불활성, 불연성, 무색 가스이며, 72.8bar 이상으로 압축될 수 있고, 31℃ 이상이 되면 액체와 기체의 물성을 나타내는 초임계상태에 이르게 된다. 또한, 압축된 이산화탄소가 분사되면 압력강하로 인해 급격한 단열팽창이 일어나고, Joule-Thomson 영향으로 대기압에서 -79℃까지 온도가 하강하는 특성을 갖고 있다.

따라서, 두께가 얇은 표면층으로 구성된 구조물 안에 액상의 이산화탄소를 주입하여 냉각효과를 분석하였을 때, 물을 냉매로 사용한 경우보다 약 3배 정도의 빠른 냉각이 이루어짐이 보고 되고 있다.

또한, 몰드 코어에 지름 2mm의 구멍을 가공하고, 구멍 안에 외경 0.8mm의 스테인레스 튜브를 삽입한 이후에 60bar의 압력으로 액상의 이산화탄소를 주입하게 되면 냉각시간을 50% 단축시키는 결과를 얻을 수 있다.

이처럼 본 발명에 따른 냉각기체는 상술한 특징을 갖는 이산화탄소로 구성되어 냉각효율을 극대화시킬 수 있도록 한다.

또한, 상기 냉각기체는 상술한 이산화탄소의 특성과 동일한 특성을 갖는 공지의 기체를 제한없이 적용 실시할 수도 있다.

도 6은 본 발명에 따른 냉각블록의 구성을 나타낸 구성도이고, 도 7은 본 발명에 따른 분사홀의 냉각범위를 나타낸 도이다.

본 발명에 따른 상기 냉각블록(130)은 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 상기 공급블록(120) 일측면에 다수개로 배치되어, 상기 공급블록(120)에서 분사된 냉각기체를 수용 후 코어금형의 캐비티(10)에 분사하기 위한 구성이다.

또한, 상기 냉각블록(130)은 이웃하는 냉각블록(130)과 이격 공간없이 인접하게 배치되는 다각 기둥형상일 수 있다.

구체적으로, 상기 냉각블록(130)은 상기 제2공급공(123)의 상측에 배치되고 코어금형 캐비티(10)의 하방에 배치되는 다수개의 블록으로, 상기 제2공급공(123)으로부터 냉각기체를 공급받아 상측의 캐비티(10)로 냉각기체를 분사시킬 수 있도록 한다.

또한, 상기 냉각블록(130)은 넓은 면적의 캐비티(10)를 균일하게 냉각시키기 위해 단일의 인렛(inlet)으로 냉각기체를 주입 후 다수개의 아웃렛(outlet)으로 냉각 기체가 캐비티(10)로 분사될 수 있도록 구성된다.

따라서, 상기 냉각블록(130)은 주입관(131), 분사판(132), 분사홀(133), 리브(134) 및 이동공(135)을 포함할 수 있다.

상기 주입관(131)은 상기 냉각블록(130)의 하방에서 상기 냉각 기체가 주입되는 구성이다.

따라서, 상기 주입관(131)은 상기 제2공급공(123) 상단에 배치되어 제2공급공(123)에서 분사되는 냉각기체를 주입시킬 수 있도록 구성된다.

즉, 상기 주입관(131)은 상기 냉각블록(130)의 분사판(132) 하측의 개방된 하방 전체로 구성될 수도 있다.

상기 분사판(132)은 상기 주입관(131)의 일단을 커버하는 구성이다.

구체적으로, 상기 분사판(132)은 하측 주입관(131)을 커버하도록 상기 냉각블록(130)의 상면을 구성하는 것으로, 상측에 냉각시키고자 하는 코어금형 캐비티(10)와 인접하게 배치된다.

또한, 상기 분사판(132)은 다수개의 분사홀(133) 및 리브(134)가 배치될 수 있다.

상기 분사홀(133)은 상기 분사판(132)에 배치되어, 상기 냉각기체가 분사되는 다수개의 통공이다.

구체적으로, 상기 분사홀(133)은 냉각블록(130)의 주입관(131)에 주입된 냉각기체를 상측의 캐비티(10)로 분사시키기 위한 통공으로, 냉각기체의 다수개 아웃렛을 구현하기 위해 하나의 냉각블록(130)에 다수개로 배치될 수 있도록 한다.

따라서, 상기 분사홀(133)은 상기 분사판(132)의 중심에 배치되는 제1분사홀(133a) 및 상기 분사판(132)의 모서리와 인접하도록 상기 분사판(132) 외주부에 배치되는 다수개의 제2분사홀(133b)을 포함할 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 분사홀(133)은 사출금형 캐비티(10)로 냉각기체를 분사시키기 위해 통공된 다수개의 홀 형상으로, 넓은 면적을 갖는 캐비티(10)의 냉각이 균일하고 신속하게 이루어질 수 있도록 분사판(132)의 중심측에 제1분사홀(133a)을 형성하고 제1분사홀(133a) 주변부에 제1분사홀(133a)을 둘러싸도록 배치되는 다수개의 제2분사홀(133b)을 포함하여 구성된다.

예시적으로, 상기 분사홀(133)은 지름이 0.9mm가 적정하며, 1개의 분사홀(133)이 냉각할 수 있는 냉각범위는 20mm가 적정할 수 있다.

또한, 지름이 48mm인 벌집구조를 갖는 하나의 냉각블록(130) 중심부에 하나의 제1분사홀(133a)과 주변부에 6개의 제2분사홀(133b)이 형성될 수 있다.

이 때, 냉각기체의 유동거리가 비교적 짧은 제1분사홀(133a)은 냉각기체의 유동거리가 비교적 긴 제2분사홀(133b)보다 직경이 작게 구성되어, 코어금형 캐비티(10)로 분사되는 냉각기체의 유출량이 제1분사홀(133a) 및 제2분사홀(133b)에서 동일하게 나타날 수 있도록 한다.

이에, 유동거리가 비교적 짧은 제1분사홀(133a)과 유동거리가 비교적 긴 외주부의 제2분사홀(133b)의 유량이 동일하도록 유동거리와 분사홀(133)의 직경에 따른 Coxe 실험식을 사용한 결과 제2분사홀(133b)의 직경은 0.9mm, 제1분사홀(133a)의 직경은 0.6mm로 설계됨이 바람직할 수 있다.

이 경우, 냉각블록(130)의 벽 두께는 2mm, 벽과 벽 사이의 거리는 3mm이며, 벽을 사이에 두고 인접한 분사홀(133) 사이의 거리는 10mm로 설계될 수 있다.

또한, 상기 분사홀(133)과 캐비티(10) 간의 거리는 2mm로 설계됨이 바람직할 수 있는데, 이는 분사홀(133)에서 분사된 이산화탄소 기체의 온도가 분사 후 가장 낮은 온도로 나타나는 지점이 분사홀(133)에서 2mm 떨어진 위치로 나타나기 때문이다.

또한, 상기 제2분사홀(133)의 갯수는 상기 냉각블록(130)의 형상 및 규격에 따라 다양한 갯수를 적용하여 배치할 수 있도록 한다.

상기 리브(134)는 상기 분사판(132)과 상기 캐비티(10) 간에 상기 냉각기체의 유동 공간이 형성되고 사출금형 캐비티(10)를 사출압력으로부터 지지하도록 상기 분사판(132)에 돌출 형성된 다수개로 구성될 수 있다.

구체적으로, 상기 리브(134)는 상기 분사판(132)의 중심부에서 외주부 측으로 이어지는 길이 방향을 돌기 형상으로, 각각의 리브가 상기 분사판(132)의 중심부를 중심으로 방사상으로 배치되어 상기 분사판(132)과 상기 캐비티(10) 간 냉각기체의 유동 공간을 형성하고 금형을 지지할 수 있도록 구성된다.

또한, 상기 리브(134)는 사출성형 공정에서 발생하는 압력에 의한 변형을 방지할 수 있을 뿐 아니라 캐비티(10)와 분사판(132) 간의 이격 공간이 형성될 수 있도록 한다.

따라서, 상기 리브(134)는 상술한 바와 같이 분사홀(133)에서 분사된 냉각기체가 가장 낮은 온도를 나타내는 높이인 2mm의 높이를 갖도록 형성되어 캐비티(10)의 냉각효율이 최대화 되도록 캐비티(10)와 분사판(132) 간의 간극이 형성될 수 있도록 한다.

상기 이동공(135)은 상기 분사홀(133)에서 분사된 냉각기체의 대류를 위해 다수개로 구비된다.

구체적으로, 상기 이동공(135)은 사출금형 캐비티(10) 표면에 대한 냉각기체의 열대류 효과를 높이기 위한 것으로, 냉각블록(130)과 캐비티(10)의 접촉면에 지름이 14mm의 아치형 구조를 갖는 가스 통로일 수 있다.

상기 수정블록(140)은 상기 냉각블록(130)의 양측단에 배치되어 상측에 인접한 캐비티(10)의 냉각을 위해 냉각기체를 분사하기 위한 구성이다.

구체적으로, 상기 수정블록(140)은 사출금형 캐비티(10)의 코너 부위의 냉각을 위한 구성으로, 상기 냉각블록(130)의 양측단에 배치되며 캐비티(10)의 양측 모서리의 냉각을 위해 냉각기체를 분사할 수 있도록 구성된다.

따라서, 상기 수정블록(140)은 상기 냉각블록(130)과 동일한 구성들 예를들면, 냉각기체를 분사하기 위한 주입관(131), 분사판(132), 분사홀(133), 리브(134) 및 이동공(135)의 구성을 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 상술한 수정블록(140)의 구성들은 냉각블록(130)의 구성들과 동일하여 별도의 설명은 생략하도록 한다.

이하, 본 발명에 따른 사출금형 급속 냉각 장치를 포함한 사출금형 급속 냉각 시스템(1)을 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 사출금형 급속 냉각 장치를 포함한 급속 냉각 시스템의 전반적인 구성을 나타낸 구성도이다.

본 발명에 따른 사출금형 급속 냉각 시스템(1)은 도 1에 도시된 바와 같이 급속 냉각 장치(100), 가스저장부(200), 압력부스터(300), 열교환기(400), 제어부(500) 및 분배부(600)를 포함할 수 있다.

상기 급속 냉각 장치(100)는 앞서 상술한 내용과 동일하여 중복된 설명은 생략하도록 하다.

상기 가스저장부(200)는 상기 사출금형 급속 냉각 장치(100)에 주입될 냉각기체가 저장되는 탱크이고, 상기 압력부스터(300)는 상기 가스저장부(200)에 저장된 냉각기체를 가압하도록 구성된다.

또한, 가스저장부(200)에 저장된 냉각기체 즉, 이산화탄소 기체를 압력부스터(300)를 통해 100 bar 이상으로 압축한 이후 압력부스터(300)의 작동을 제어하는 제어부(500)에서 설정된 압력으로 이산화탄소를 분배부(600) 안으로 주입하게 된다.

도 11(a)은 본 발명에 따른 열교환기의 구성을 나타낸 사진이고, 도 11(b)는 콘덴서를 나타낸 사진이다.

본 발명에 따른 상기 열교환기(400)는 도 11(a) 및 도 11(b)에 도시된 바와 같이 냉각기체 즉, 이산화탄소 기체가 압력부스터(300)에 의해 고압으로 압축되는 과정에서 발생하는 열을 냉각하여 상기 냉각기체를 액화시키는 구성이다.

구체적으로, 상기 열교환기(400)는 압력부스터(300)를 통해 냉각기체를 고압으로 압축하는 과정에서 온도가 높아진 냉각기체를 냉각시켜 액화시키기 위한 구성으로, 급속 냉각 시스템(1)의 냉각효과를 증대시킬 수 있도록 한다.

따라서, 상기 열교환기(400)는 압력부스터(300)와 제어부(500) 사이에 설치될 수 있다.

또한, 상기 열교환기(400)는 도 11(a)에 도시된 바와 같이 직렬 형태로 연결된 5개의 열교환기(400)로 구성될 수 있으며, 각각은 길이 6m 코일 형태의 배관을 사용하게 된다.

또한, 도 11(b)는 콘덴서(410)를 나타낸 것으로, -5℃ 이하로 냉각된 부동액이 순환하면서 배관내부의 이산화탄소 냉각기체를 냉각할 수 있도록 한다.

도 12(a)는 본 발명에 따른 열교환기를 사용하지 않은 경우의 냉각 효과를 나타낸 표이고, 도 12(b)는 본 발명에 따른 열교환기를 사용한 경우의 냉각 효과를 나타낸 표이다.

도 12(a) 및 도 12(b)에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 열교환기(400)를 사용한 경우와 사용하지 않은 경우에 대한 냉각효과를 비교한 결과를 살펴보면, 열교환기(400)를 사용한 경우가 열교환기(400)를 사용하지 않은 경우에 비해 모든 지점에서 냉각효과가 증가하였으며, 평균적으로 10℃의 냉각효과의 증가가 나타나고 있다.

또한, 상기 열교환기(400)는 냉각 균일도에는 영향을 주지 않으며, 이산화탄소의 주입지점에서 먼 ＃1, 2, 3 지점의 냉각효과가 상대적으로 크게 나타나고 있음을 알 수 있다.

도 10(a)는 본 발명에 따른 분배부의 세부적인 구성을 나타낸 단면도이고, 도 10(b)는 본 발명에 따른 분배부의 전반적인 구성을 나타낸 사시도이다.

본 발명에 따른 상기 분배부(600)는 도 10(a) 및 도 10(b)에 도시된 바와 같이 상기 제어부(500)의 제어에 의해 상기 압력부스터(300)에서 공급된 냉각기체를 급속 냉각 장치에 분배하도록 구성된다.

구체적으로, 상기 분배부(600)는 압력부스터(300) 및 제어부(500)로부터 공급된 이산화탄소 냉각기체를 상기 공급블록(120)으로 주입하기 위한 구성으로, 주입된 냉각기체를 다수개로 분배하여 배출하는 분배블록(610) 및 상기 분배블록(610)과 상기 급속 냉각 장치(100)의 제1공급공(121)을 연결하는 분배관(620)을 포함하여 구성될 수 있다.

상기 분배블록(610)은 압력부스터(300) 및 제어부(500)로부터 공급된 이산화탄소 냉각기체를 다수개의 제1공급공(121)으로 주입시키기 위해 냉각기체를 분배하는 구성으로, 원추형 구조로 형성될 수 있다.

또한, 상기 분배블록(610)은 상기 분배블록(610) 일측면과 통공되는 일정깊이의 제1관(611) 및 일단이 상기 제1관(611)과 연결되고, 타단이 상기 분배블록(610) 외측면과 이어지도록 통공된 다수개의 제2관(612)을 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 상기 제2관(612)은 상기 제1공급공(121)과 동일한 갯수로 형성되어 상기 제1공급공(121) 각각에 분배관(620)을 연결하여 냉각기체를 공급할 수 있도록 한다.

분배블록(610) 내부로 냉각기체가 주입되는 축인 제1관(611)과 분배블록(610) 외부로 냉각기체를 분사하는 축인 제2관(612) 간의 각도가 90°(제2관 간의 각도(θ)가 180°)인 경우 제2관(612)으로 분사되는 냉각기체의 와류가 심하게 발생하며, 각각의 제2관(612)으로 분사되는 냉각기체의 유량이 균일하게 나타나지 않는 문제가 발생한다.

도 14는 제2관(612) 간의 경사각(θ)를 100°, 125°, 150°로 설정한 경우, 제2관(612) 각각의 출구로 토출되는 냉각기체의 유량 균일도와 난류운동에너지 균일도를 비교한 그래프이다.

도 14는 가스 유동해석을 적용하여 제2관(612) 간의 경사각(θ)를 100°, 125°, 150°로 설정한 경우, 제2관(612) 각각의 출구로 토출되는 냉각기체의 유량 균일도와 난류운동에너지 균일도를 비교한 그래프이다.

도 14를 살펴보면, 경사각(θ)가 100°인 경우, 토출유량 균일도가 가장 높게 나타남을 알 수 있다.

또한, 토출유량 균일도는 난류운동에너지 균일도와 유사한 경향을 보이고 있으며, 이를 통해 토출유량은 발생하는 난류유동에 의해 영향을 크게 받고 있음을 알 수 있다.

따라서, 상기 제2관(612)은 제2관(612)과 제2관(612)과의 경사각(θ)이 100°일 때 토출유량 균일도가 높아 효율적인 냉각기체의 분사가 이루어질 수 있게 된다.

상기와 같은 본 발명에 따른 사출금형 급속 냉각 장치 및 이를 포함한 급속 냉각 시스템에 의하면, 코어금형의 캐비티에 분사하는 냉각기체를 단일의 인렛(inlet)으로 주입 후 다수개의 아웃렛(outlet)으로 분사될 수 있도록 구성되어 금형 캐비티로 이동하는 냉매의 이동 속도가 증가하여 냉각시간이 단축될 뿐 아니라 넓은 면적의 캐비티를 균일하게 냉각시킬 수 있어 성형품 위치에 따른 온도편차가 발생하지 않아 성형품의 휨 변형이 방지되는 효과가 있다.

또한, 냉각기체인 이산화탄소를 사용하여 넓은 면적의 금형을 빠르고 균일하게 냉각시킬 수 있도록 구성되어, 사이클 시간 단축에 따른 생산성이 높으며, 넓은 영역에 대한 균일 냉각으로 인해 제품의 휨 변형 감소 등 품질이 향상되는 효과가 있다.

아울러, 냉각기체를 불활성, 불연성, 무색 가스인 이산화탄소를 사용함으로써, 종래의 사출금형 급속 냉각 시스템의 냉매로 사용했던 물, 기름 등에서 발생하는 금형 냉각 회로의 막힘, 부식 및 슬러지 부착 등의 발생을 방지할 뿐 아니라 냉각 편차를 최소화시킬 수 있는 효과가 있다.

이에 설명한 본 명세서 및 청구범위에 사용되는 용어 및 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 발명자는 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.

따라서, 본 명세서에 기재된 도면 및 실시 예에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것이 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

1 : 사출금형 급속 냉각 시스템
10 : 코어금형 캐비티 100 : 사출금형 급속 냉각 장치
110 : 베이스블록 111 : 슬릿
120 : 공급블록 121 : 제1공급공
122 : 공급관 123 : 제2공급공
130 : 냉각블록 131 : 주입관
132 : 분사판 133 : 분사홀
133a : 제1분사홀 133b : 제2분사홀
134 : 리브 135 : 이동공
140 : 수정블록 200 : 가스저장부
300 : 압력부스터 400 : 열교환기
410 : 콘덴서 500 : 제어부
600 : 분배부 610 : 분배블록
611 : 제1관 612 : 제2관
620 : 분배관

Claims (11)

1. 길이 방향의 슬릿을 다수개 포함한 베이스블록;
   상기 슬릿에 삽입 장착되며, 주입된 냉각기체를 일측면으로 분사하는 공급블록;
   상기 공급블록 일측면에 다수개로 배치되어, 상기 공급블록에서 분사된 냉각기체를 수용 후 코어금형의 캐비티에 분사하는 냉각블록; 및
   상기 냉각블록의 양측단에 배치되는 수정블록;을 포함하고,
   상기 냉각블록은,
   이웃하는 냉각블록과 이격 공간없이 인접하게 배치되는 다각 기둥형상으로 구성되는 것을 특징으로 하는 사출금형 급속 냉각 장치.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 냉각블록은,
   상기 냉각기체가 주입되는 주입관;
   상기 주입관의 일단을 커버하는 분사판; 및
   상기 분사판에 배치되어, 상기 냉각기체가 분사되는 다수개의 분사홀;
   을 포함하는 것을 특징으로 하는 사출금형 급속 냉각 장치.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 분사홀은,
   상기 분사판의 중심에 배치되는 제1분사홀; 및
   상기 분사판의 모서리와 인접하도록 상기 분사판 외주부에 배치되는 다수개의 제2분사홀;
   을 포함하는 것을 특징으로 하는 사출금형 급속 냉각 장치.
   
4. 제 2항에 있어서,
   상기 냉각블록은,
   상기 분사판과 상기 캐비티 간에 상기 냉각기체의 유동 공간이 형성되도록 상기 분사판에 돌출 형성된 다수개의 리브; 및
   상기 분사홀에서 분사된 냉각기체의 대류를 위한 다수개의 이동공;
   을 포함하는 것을 특징으로 하는 사출금형 급속 냉각 장치.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 공급블록은,
   상기 공급블록의 측면에 구비되어 냉각기체가 주입되는 제1공급공;
   상기 제1공급공과 연통되도록 상기 공급블록 내부에 구비되는 길이방향의 공급관; 및
   상기 공급관과 연통하도록 상기 공급블록의 일측면에 구비되어, 상기 공급관으로 주입된 냉각기체가 분사되는 다수개의 제2공급공;을 포함하고,
   상기 제2공급공은,
   일측에 배치된 상기 냉각블록과 연통되는 것을 특징으로 하는 사출금형 급속 냉각 장치.
   
6. 제 1항에 있어서,
   상기 냉각블록은,
   육각기둥형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 사출금형 급속 냉각 장치.
   
7. 제 3항에 있어서,
   상기 제1분사홀은,
   직경이 제2분사홀의 직경보다 작게 구성되어, 냉각기체의 유동거리가 짧은 제1분사홀에서의 냉각기체의 유출량이 냉각기체의 유동거리가 제1분사홀보다 긴 상기 제2분사홀에서의 냉각기체의 유출량과 동일하게 나타나는 것을 특징으로 하는 사출금형 급속 냉각 장치.
   
8. 제 1항에 있어서,
   상기 냉각기체는,
   이산화탄소(CO₂)인 것을 특징으로 하는 사출금형 급속 냉각 장치.
   
9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 따른 사출금형 급속 냉각 장치;
   상기 사출금형 급속 냉각 장치에 주입될 냉각기체가 저장되는 가스저장부;
   상기 가스저장부에 저장된 냉각기체를 가압하는 압력부스터;
   상기 냉각기체가 고압으로 압축되는 과정에서 발생하는 열을 냉각하여 상기 냉각기체를 액화시키는 열교환기;
   상기 압력부스터의 작동을 제어하는 제어부; 및
   상기 압력부스터에서 공급된 냉각기체를 급속 냉각 장치에 분배하는 분배부;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 사출금형 급속 냉각 시스템.
   
10. 제 9항에 있어서,
    상기 분배부는,
    주입된 냉각기체를 다수개로 분배하여 배출하는 분배블록; 및
    상기 분배블록과 급속 냉각 장치의 제1공급공을 연결하는 분배관;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 사출금형 급속 냉각 시스템.
    
11. 제 10항에 있어서,
    상기 분배블록은,
    상기 분배블록 일측면과 통공되는 일정깊이의 제1관; 및
    일단이 상기 제1관과 연결되고, 타단이 상기 분배블록 외측면과 이어지도록 통공된 다수개의 제2관;을 포함하고,
    상기 제2관은,
    상기 제1공급공과 동일한 갯수로 형성되는 것을 특징으로 하는 사출금형 급속 냉각 시스템.