KR20010075582A - 소성 재료의 점성 측정용 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

하나의 모세관을 통하여 유동할 때 재료의 압력 강하를 결정하는 원리에 따라 특히 중합체 용융물과 같은 재료의 점성을 측정하기 위하여, 상기 모세관은 특정 단면적과 특정 길이를 가지며, 이때 특정한 용융류를 발생시키기 위하여 제어 가능한 용융 펌프가 가열 가능한 구조 내에 설치되고, 또한, 비교적 큰 범위의 유동 속력을 관장하기 위하여 상기 장치는 복수 개의 모세관들을 포함하고 있으며, 여기서 모세관들은 서로 다른 치수를 가지며 상기 장치에 단단히 고정/설치되어 있고, 각 모세관이 개별 압력 범위에 적용될 압력 센서와 연계되어 있으며, 용융 유동이 용융 펌프(13)에 의해 움직일 수 있는 용융 분배기(30)에 의해 한번에 하나의 모세관에 형성되는 방식으로 되어 있어, 용융물 분배기(30)의 위치를 변경함으로써 용융물이 복수 개의 모세관들 중 하나를 통하여 전도 열전달될 수 있고, 각 모세관은 서로 연계된 용융 온도 센서를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 소성 재료의 점성을 측정하기 위한 장치가 제시되어 있으며, 특히 통합 품질 검사 시에 활용되고, 이때 미리 결정된 용융물의 체적 유량이 미리 결정된 온도를 갖춘 환경에서 제공되고 여기서 백수 개의 모세관들이 상대적으로 광범위한 유동 속력의 범위를 관장하기 위하여 제공되어 있고, 이때 서로 다른 치수를 갖는 모세관(37 ~ 39)들이 제공되어 있고, 압력에 대하여 각 모세관 측정치들이 결정되므로, 미리 결정된 용융 체적 유동이 이송식 구멍들과 함께 제공되어 있는 실린더 본체의 형태로 이동 가능한 용융류 분배기(30)를 사용하는 모세관들 중 하나를 행하게 되어 용융물 분배기(30)의 위치를 변경시킴으로써, 용융물이 순차적으로 복수 개의 모세관들로 공급될 수 있고 압력과 온도에 대하여 획득된 평균 측정치로부터 각 모세관에 대하여 미리 결정된 용융류 체적과 함께 용융물에 대하여 특성화된 유량 곡선들이 계산되는 것을 특징으로 하는 방법도 제시되어 있다.

Description

소성 재료의 점성 측정용 장치 및 방법{DEVICE AND METHOD FOR MEASURING THE VISCOSITY OF PLASTIC MATERIALS}
우선, 위에서 언급한 장치 및 방법들은 독일 특허(번호 DE 42 20 157)에서 공시된 예로부터 찾아볼 수 있다.
중합체(polymers)의 생산에 있어서 품질 검사(quality control)라 함은, 유변학적 성질(rheological properties)의 결정, 용융재 내의 외부 입자(foreign particles)나 이물질의 결정, 한 중합체 내의 화학 조성 또는 각각의 첨가물(additives)들의 결정과 같이 서로 다른 다양한 성질들을 수차례 검사하는 과정으로 이루어진다.
과거에는, 이와 같이 다양한 성질들을 별도의 측정 장치와 방법들을 활용하여 결정하였다. 그러나, 오늘날에는 그 경향이 단일 측정 장치 또는 단일 측정 방법으로 묶어서 복합된 성질들을 단번에 결정해 내는 추세에 있다.
오늘날, 실험실용 압출 성형 장치(laboratory extrusion apparatus)의 경우다음과 같은 단계를 동시에 사용하거나 한 단계씩 순차적으로 활용하고 있는 실정이다. 즉,
- 하나의 중합체가 용융되는 단계,
- 그 중합체의 유변학적 성질들, 이를 테면, 점성과 용융 유량 지수(MFI: the Melt Flow Index) 또는 용융 체적 지수(MVI: the Melt Volume Index)와 같은 상태량들을 연속적으로 결정하는 단계,
- 겔(gels; 膠化體)이나 작은 반점(specks) 또는 흑점(black specks)과 같은 이물질의 존재 여부를 검사하기 위해 선택적으로 연속 시험되는 박판(foil)이 생산되는 단계,
- 적외선 분광기를 이용하여 특정 첨가물의 내용물을 연속적으로 결정하는데에 상기 박판을 추가로 더 사용하는 단계이다.
따라서, 점성의 결정은 전체 작업에 비하면 일부분에 지나지 않으므로, 실험실용 압출 성형 장치의 총괄 작동 공정과 최적으로 연계되어야만 할 것이다.
온라인 유량계(on-line rheometer)라고 부르는 연속 작동이 있으면, 한편에서는 압출 성형 장치 밖으로 유출되는 측류에 의해 공급되며 모세관 외부에서 지면 상으로 유출되는 물질 유동을 배출시키는 소위 측류 유량계들 사이에서 그 차이점이 확연히 차별화 되며, 다른 한편에서는 웜 교반기(worm kneader)와 노즐 사이에서 용융재의 주류에 정렬된 소위 인라인 유량계들 사이에서 그 차이점이 확연히 차별화 되는데, 이때 유량계를 통과한 후 용융재는 주류로 되돌아와 다음 공정을 위하여 노즐을 통해 배출된다.
현재의 기술로는, 소성 재료의 점성은, 예를 들면, 미리 결정된 치수 및 길이를 갖는 모세관을 통한 유동 상에 발생하는 압력 손실을 측정함으로써 결정된다.
그와 같은 경우, 점성을 결정하기 위한 선행 조건은 다음과 같다. 즉,
- 모세관을 통하여 유동하는 재료의 양에 관한 정확한 사전 지식이 있어야 한다. 즉, 중합체의 용융 정도를 검사하기 위해서, 이 양은 기어 펌프를 활용하여 정해지는 것이 바람직하며 이때 기어 펌프는 미리 결정된 속력으로 구동되므로 점성 재료의 균일한 유동 체적을 제공해주어야 한다.
- 측정 모세관에 관한 기하학적 정보가 있어야 한다. 즉, 슬롯형 모세관이 사용될 경우, 모세관의 폭, 높이, 그리고 길이가 알려져 있어야 한다. 그리고, 곡면 처리된 둥근 모세관이 사용될 경우, 직경과 길이가 알려져 있어야 한다.
- 용융재의 정확한 온도와 측정 모세관 주변의 면적의 조정이 있어야 한다.
- 측정될 물질의 비중에 관한 사전 지식이 있어야 한다.
- 둥근 모세관의 입구와 출구 사이의 압력차를 측정한 값, 즉, 하나의 슬롯형 모세관에 있는 두 질점 사이들 각각의 압력차를 측정해 두어야 한다.
이와 같은 측정치들이 있으면, 알려져 있는 수학 공식을 사용하여 미리 결정된 전단 속도(shear velocity)와 함께 점성의 측정점 하나가 획득될 수 있다. 그러나, 용융된 중합체, 비뉴턴 유체와 같은 거동 또는 구조물적-점성 거동(structure-viscous behavior)이 발견되는 양상이라면 이것은 큰 문제의 소지가 있는데, 그 이유는 서로 다른 전단 속도(shear velocity)에서 서로 다른 점성치가 획득된다는 것을 의미하기 때문이다.
산업용 소성 공정 현장에서 활용되는 무수히 많고 종류도 각양각색인 공정들에 있어서 용융물의 거동을 결정하고자 한다면, 매우 판이한 전단 속도들이 모두 관장되어야만 하는데, 다시 말해, 전단 속도가 1:104가량되는 범위로 존재하고 있다는 점을 간과할 수 없다는 것이다.
모세관과 용융 펌프가 있으면, 통상 그 범위가 1:10 정도로 줄어들고 최대 범위라고 해 봐야 1:100의 범위에서 전단 속도가 관장된다. 그러나, 이러한 경우도 광범위한 대역에서 용융 펌프의 속도를 변화시킬 경우에만 가능한 일이다.
따라서, 이미 몇 몇 경우에 있어서는 측정될 수 있는 전단 속도의 범위를 증가시키기 위하여 다중 모세관을 배치시켜 사용하고 있다.
예를 들어 독일 특허(번호 DE 42 20 157 A1)에서 알려져 있는 사례를 살펴보면, 단계별로 높이가 감소하는 슬롯형 모세관들이 사용되고 있다. 이러한 방법으로, 측정될 전단 속도들의 범위가 10승 만큼(the power of ten) 증가한다. 이렇게 광범위한 전단 속도의 범위를 관장하기 위하여, 추가적으로 용융 펌프의 속도가 실지적으로 변하게 될 것임에 틀림없다. 인라인 측정 장치로서 사용될 경우, 상대적으로 길이가 긴 노즐에서 재료의 사용 시간(travel time)은 상당하여 이로 인해 재료가 손상될 수도 있다.
독일 특허(번호 42 36 707)에서는 점성 재료, 특히 중합체 용융물의 점성을 측정하기 위한 장치를 공시하고 있는데, 그 방법은 미리 결정된 절단면과 특히 통합 품질 검사와 아울러 제조 공장 내에서 연속 측정을 하고자 실험실에서 사용하기위하여 미리 결정된 길이를 가지고 압력 강하를 결정하는 원리를 사용하는 것이다. 이것은 미리 결정된 용융류의 발생을 위한 제어 가능한 용융 펌프를 포함하고 있으며 가열될 수 있는 장치 내에서 설치되고 광범위한 유동 속력을 제어하기 위하여 장치 내에 몇 개의 모세관들이 설치된다.
1974년판 Ind. Lab. 40호의 1467쪽부터 1468쪽[Ind. Lab. (1974) 40, pages 1467 - 1468]을 살펴보면 채널이 네 개인 점도계에 관하여 공시하고 있는데, 여기서 용융재는 동시에 네 개의 교환 가능한 모세관들로 공급될 수 있다. 모세관들 내의 질량 유동이 금속 스트립 상에 영향을 미친다. 금속 스트립의 변형이 감지되고 모든 네 개의 모세관들에서 동시에 분석된다.
또 다른 장치를 살펴보면, 복수 개의 둥근 모세관들이 미끄러질 수 있는 방식으로 배치되어 있어 용융 펌프로부터 계속해서 그 모세관들에 용융재가 공급될 수 있게 되어 있다. 이와 같은 장치에 있어서 미끄러질 수 있게 되어 있는 모세관들을 균일한 온도로 가열시키면 문제가 될 수 있다는 단점을 가지고 있다. 이와 같은 경우, 특히, 측정될 압력 전 영역에 대한 단일 질량 압력 센서(single mass pressure sensor)의 사용은 문제의 소지가 다분한데 그 이유는 절단면이 큰 모세관들이 갖는 매우 낮은 압력 범위 및 매우 낮은 전단 속도에서는 측정의 정도(accuracy)가 충분히 신뢰할 만하지 않기 때문이다.
또한, 미국 특허(번호 4 677 844)에 공시된 장치를 살펴보면, 단면적과 길이가 정해져 있는 하나의 모세관을 통하여 유동할 때 질량의 압력 강하를 결정하는 원리를 바탕으로 점성 질량을 측정하기 위하여 네 개의 모세관들이 하나의 실린더와 연결되어 있고 이러한 모세관들이 제어 메카니즘을 작동시킴으로써 주변 대기와 통하게 위치한다. 실린더 내 하나의 피스톤이 작동할 때, 실린더 내에 포함된 잘량이 선택된 모세관을 통하여 압력을 받는다. 각 모세관에 대하여 그러한 측정 단계가 반복된다.
또 다른 장치에 있어서, 복수 개의 모세관들이 공급된다. 다중 기어 펌프에 의한 복수 개의 용융류(melt stream)에 의하여 용융물과 함께 공급된다. 결과적으로, 각각이 연관된 모세관을 가지고 있는 개별 용융 펌프들을 다중으로 배치한 것이 된다.
그와 같은 장치가 미국 특허(번호 4 425 790)에서 예로서 공시되어 있다. 해당 특허에서는, 네 개의 모세관들 중 세 개가 서로 직렬로 인접하게 배치되어 있다. 한 모세관에서 그 다음 모세관으로 가면, 모세관들의 유동 통로의 크기가 증가하게 되어 있는데, 단 이때 모세관의 길이 대 단면적의 비는 모든 모세관들에 대하여 본질적으로 동일하다. 가열된 중합체 용융물에 일정한 체적의 유량을 갖는 모세관들을 통한 압력 펌프의 작용에 의하여 압력이 가해진다. 센서들은 각 모세관에서 압력과 온도를 결정짓는다. 이와 같은 방식에 의하여, 서로 다른 전단 속도에 대한 각 모세관 내 중합체의 점성을 결정할 수 있게 된다.
이러한 방식으로, 단일 장치를 가지고 광범위한 전단 속도의 범위가 측정될 수 있다. 그러나, 용융물의 소모량이 두 배 또는 세 배가 되어 새로운 물질에 대한 지출(소모)이 증가하게 되고 재미립화(regranulation)를 유발한다. 이와는 대조적으로, 특별히 연속 품질 검사에서 소비될 시험 재료의 양을 최소화 하는 것은 바람직하다.
공개된 다른 알려진 시스템들, 예를 들면, 도 2에 제시된 독일 특허(번호 DE 44 42 172 C2)에서는 모세관을 통과한 후에도 용융물이 소진되지 않고 사출 성형기(extruder)의 용융류(melt stream)로 되돌아간다. 한편으로는 이 방법이 재료의 손실을 방지하고 있으나, 다른 한편에서 이 재료는 유량계를 통과할 때 훨씬 장시간, 그리고 더 많은 열 응력에 영향을 받게 된다. 이것은 연이은 광학 검사에서, 원재료에서는 존재하지 않던 오류를 나타낼 수도 있어 이러한 순차적 검사의 측정 결과는 거짓이 된다. 또한, 미국 특허(번호 5 347 852)에서는 가열된 용융물의 유변학적 성질들을 결정하기 위하여 그와 같은 인라인 장치를 공시하고 있다. 여기서, 첫번째 측량 펌프(first dosing pump)가 있으면, 용융류가 처리되어야 할 주류로부터 이탈된다. 유동이 모세관 장치를 통하여 흘러간 후 이탈된 용융류의 압력 및 온도가 결정되고, 그리고 나서 두번째 측량 펌프가 이탈된 흐름을 주류로 다시 흘러가도록 펌핑시킨다. 위 장치에서, 첫번째 및 두번째 측량 펌프들은 서로 독립적으로 제어가능하므로 모세관 장치의 끝에서의 압력은 본질적으로 일정하게 유지될 수 있다.
관련 기술에서 알려져 있는 장치들은 많은 단점이 있는데, 예를 들면 다음과 같다.
- 관장될 수 있는 전단력을 받은 속도(sheared velocities)의 범위가 작거나,
- 특정 영역에서 측정 정도(measuring accuracy)가 떨어지거나,
- 작동 시간(dwell time)이 길어 열 손상이 발생할 확률이 있거나,
- 용융물의 소모량이 높아져 재료의 소모량이 증가되거나,
- 주류로 되돌아와야할 용융물의 광학적 검사 결과에 미치는 부정적 영향과 같은 단점이다.
본 발명은 청구 제 1 항의 전문에 따른 장치 및 청구 제 11 항의 전문에 따른 소성 재료(plastic material)의 유량 곡선을 결정하기 위한 측정 방법에 관한 것이다.
도 1은 측류 유량계(side stream rheometer)가 있는 실험실 압출 성형 장치의 원리를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 장치의 절단면도를 도시한 것이다.
도 3은 세 개의 구멍을 갖는 용융물 분할기의 종방향 절단면도를 도시한 것이다.
도 4는 세 개의 구멍을 갖는 용융물 분할기의 종방향 절단면도를 도시한 것이다.
도 5는 네 개의 구멍을 갖는 용융물 분할기의 종방향 절단면도를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명에 따라 축방향으로 미끄러질 수 있는 용융물 분할기를 갖는 장치의 절단면도를 도시한 것이고,
도 7은 본 발명에 따른 장치가 작동 위치 (정규 작동 위치) 및 두 개의 청정 위치에 있는 경우를 도시한 것이다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기에 기술된 것과 같은 단점들을 배제할 수 있는 장치와 측정 방법을 제공하는 것이다. 이와 같은 목적은 독립된 청구 제 1 항과 제 11 항에 준하는 장치와 방법에 의해 달성된다.
종속항들은 본 발명의 바람직한 실시예들과 관련이 있다.
본 발명에 따르면, 장치는 본질적으로 다중-파트로 된 유량계 본체로 구성된다. 유량계 본체는 모든 측면들이 가열되어 정확히 정해진 용융 온도를 유지하게 된다. 유량계 본체는 가열된 입구관(inlet pipe)이 플랜지되는(flanged; 불룩한 테두리처럼 붙어 있는) 입구 통로(inlet passage)를 포함하고 있다. 용융물은 통상 별도의 압출 성형기에서 준비되며 이때 압출 성형기는 열과 전단 에너지에 영향을 받아 소성 가공되어 있어 균질하다(plasticized and homogenized). 용융물의 주류는 압출 성형기에 의해 박막의 형태로 냉각이 된 후에 중합체의 광학적 품질 특성을 결정하기 위하여 사용되는 적절한 노즐에 의해 배출된다.
그리고 나서, 용융물은 용융 채널의 방식으로 측류의 형태로 기어 펌프에 공급되며, 이때 기어 펌프 역시 유량계 본체와 연계되어 있다. 압출 성형기에 의해 미리 압력을 받은(pre-pressurized) 재료가 용융 펌프로 공급되고, 용융 펌프는 일정한 체적을 갖는 용융물이 배출용 마개를 통하여 용융물 분배기 (용융물 분할기)로 강제로 향할 수 있도록 해 준다.
이때 용융류가 3개 또는 4개의 지류(2에서 n개)로 분리되어 용융물 분할기를 형성시킨다. 용융물 분할기는 유량계 본체에 딱 들어 맞게 되어 있는 실린더형 본체로 되는 것이 바람직하다. 그 실린더에는 적절히 배치된 구멍(bore)이 포함되어 있어, 미리 결정된 양만큼 실린더가 회전하거나 축방향으로 운동함에 있어서, 다른 모세관으로 용융물을 공급시킬 수 있도록 다른 채널과 그 구멍이 정렬된다. 이와 같은 방식으로 용융물 분할기가 제어되기 때문에 용융류는 오로지 여러 개의 모세관들 중 하나로만 전달되며, 이때 모세관들은 용융물 분할기의 하류에 있는 유량계 본체 내에 견고히 설치된다. 각 모세관의 전방에 체적이 증가된 압력-측정실이 제공되어 있으며 측정 모세관들 각각에 대한 기질-형태(membrane-type)의 압력 센서 설치를 용이하게 한다.
모세관을 통하여 유동한 후, 용융물은 비압력화(depressurized)된 상태로 아래에 배치된 저장조 내에 모아져 냉각된다.
각 측정용 모세관들은 고정용 볼트에 의하여 유량계 내에 설치되므로 쉽게 교체될 수 있다.
측정 과정은 다음과 같다:
한편으로는 모세관들이 상기와 같이 선정되었기 때문에, 큰 범위의 전단 속도가 관장될 수 있으며(대략 1 : 1000), 다른 한편으로는, 압력 형성(pressure build-up)이 용융 펌프 및 압력 센서들의 작동을 위하여 허용할 만한 값을 초과하지 않게 될 것이다. 각 측정 범위에 대하여, 가장 적합한 압력 센서가 설치된다.
특정한 유량을 제공하기 위하여 펌프는 특정 속력에서 작동되도록 설정되어 있다. 용융물 분할기는 유동이 첫번째 모세관을 향하도록 위치한다. 미리 결정된 분출 기간(flushing period)이 경과한 후, 신뢰할 만한 평균치를 결정하기 위하여 복수 개의 측정이 수행된다.
특정 시간 경과 후, 용융물 분할기는 재조정되어 용융물 유동이 다음의 모세관으로 향하도록 한다. 그리고 나서, 이 과정이 세번째 모세관에 대하여 반복된다. 용융물 펌프의 일정한 처리량(constant throughput)에서의 측정은 이 경우 이미 1:1000 이나 그 이상의 전단 속도 범위에서의 유량 곡선의 세 지점들을 제공해 준다. 이와 같은 측정 결과는 연속된 씨리즈로 된 대부분의 응용예에 있어서 충분하며, 유량 곡선의 세 개의 유량점들을 결정하기 위한 컴퓨터 계산 과정은 자동으로 초기화된다. 이때, 특히 유체 유동 시 전단율과 점성의 관계가 상호 비선형적인 특성을 나타내는 비뉴턴 유체의 유변학적 성질을 수학적으로 표현한 커루 방정식(Careau equation)을 예로 들면, 완전한 유량 곡선이 계산되고 유동성(flowability)에 대한 표준값, 즉 MFI 값이 결정된다. 이와 같은 방식으로, 곡선의 형태 또는 개별 값의 형태로 공정 제어를 수행함에 있어서 연속적으로 수정된 점성치를 얻을 수 있게 되는 것이다.
실험실에서 또는 연구 개발에 있어서, 측정 범위가 크다는 것 또는 유량 곡선의 결정이 보다 정확하다는 것은 바람직한 일이며, 전단 속도의 범위가 104이상되는 범위에서 관장될 수 있는 경우, 추가로 용융 펌프의 속력이 변해도 무방하다.
따라서, 본 발명에 따른 장치가 갖는 장점은 다음과 같다. 즉,
- 전단 속도의 범위가 1:1000 이상으로 광범위하여 일정한 펌프 속력 및 일정한 용융류와 함께 압출 성형기의 주 용융류에 영향을 끼지치 않고도 관장된다.
- 전단 속도의 전 영역에 대하여 수동으로 모세관을 보정함으로써 모세관을 변경할 필요없이 서로 다른 세 개의 측정 점들을 결정함으로써 유량 곡선이 적절하게 설정된다.
- 가변적인 펌프 속력을 가지고 1:104에 달하는 전단 속도의 범위가 관장될 수 있다. 추가적인 펌프 속력의 제어, 예를 들면, 두번째 펌프 속력을 가지고, 여섯개 또는 심지어 여덟 개의 유량 곡선의 점들이 결정될 수 있다.
- 각 모세관에 대하여 최적의 압력 센서가 제공되기 때문에 측정치들은 매우 정확하며 재생산될 수 있다.
- 중합체 재료의 소모는 비교적 낮은데, 용융물 분할기를 사용함으로써, 용융물 재료의 유동이 한 모세관에서 다른 모세관으로 향할 수 있게 된다.
- 유량 곡선과 표준 고정값(예를 들면 MFI)은 완전 자동으로 결정된다.
본 발명의 장점과 특징들은 다음에 제시된 도면과 청구항들에 있는 실시예에 관한 설명을 통하여 명백해 질 것이다.
도 1은 실험실용 압출 성형기의 예를 개념적으로 도시한 것으로 중합체의 품질 검사를 수행할 때 사용되는 것이다. 압출 성형기의 가열된 실린더(1)에서 드라이브(3)에 의해 제공된 웜(2)의 회전에 의해 중합체가 용융되고, 어댑터(4)로 공급된다. 어댑터(4)로부터 용융물이 노즐(5)로 전달되고 노즐을 통하여 평평한 박판(6)과 같이 압출 성형된다. (유사한 방식으로, 평평한 박판형 노즐 대신에 거품형 박판을 만들어내는데 거품형 박판 노즐이 사용될 수도 있다.) 박판을 밀어내는 장치(foil pulling device)의 냉각 롤러(7)들이 그 박판을 냉각시켜 검사장치(8)(예를 들면, 밀봉을 위한 광학 검사의 목적)와 시험 장치(9)(예를 들면, 화학 조성을 검사할 목적)로 향하도록 한다. 그리고나서, 박판이 스풀(10) 상에 감긴다.
어댑터(4)로부터, 용융물의 측류가 용융 파이프(11)에 의하여 가열된 유량계 본체(12)로 분배되며 다시 용융 펌프(25)로 향한다. 용융 펌프(25)는 제어 가능한 드라이브(14)에 의하여 구동된다. 용융 구멍(15)에 의하여 용융물이 모세관(16)을 통하여 그것이 배출된 곳으로부터 지면(17)으로 강제 이동된다. 이 과정에서, 온도와 모세관 앞의 용융 압력이 센서(18)와 센서(19)에 의해 각각 측정된다.
도 2는 세 개의 모세관을 갖는 장치의 예로서 본 발명에 따른 용융물 공급 장치와 장치의 유량계 본체를 도시한 절단면도이다. 실린더(1) 또는 어뎁터(4)로부터 각각, 용융물이 가열 가능한 용융 튜브(11)를 통하여 유량계 본체(20)로 공급된다.
유량계 본체(20)는 가열 요소(21)에 의하여 가열된다. 온도를 정확히 제어하기 위하여 온도 센서(22)들에 의해 온도가 측정된다. 단열기(47)에 의해 균일한 온도 분포가 보장된다. 용융물은 용융물 통로(23)에 의해 본체(20)를 따라 용융 펌프(25)의 입구 개구부(24) 쪽으로 전도 열전달되며, 이때 용융 펌프(25)는 유량계 본체의 후방에 플랜지를 형성하고 있다. 주어진 예의 배출 개구부(26)를 통하여 용융물이 펌프(25)를 빠져나가고 있지만, 용융물은 통로(27, 28, 29)들에 해당하는 각각 세 개의 유동으로 분할된다.
상기와 같은 통로들 중 한 통로로부터, 용융 분할기(30)의 이송식구멍(transverse bores)(31, 32, 33)들 중 하나를 통하여 용융물이 압력실(34, 35, 36)들 중 하나의 압력실로 흘러들어간다. 이송식 구멍들 중 하나의 구멍이 개방되어 있는 용융 분할기(30)의 위치는 (톱니 바퀴의 역회전을 방지하는) 미늘 톱니바퀴(ratchet)식 구조(41)에 의하여 공압 실린더(42)에 의해 설정된다.
압력실들로부터, 한번에 하나씩 용융물이 모세관(37, 38, 39)들을 통하여 더 이상 압력을 받지 않는 외부로 유동한다. 유지 구성요소(retaining member)(40)가 제거된 후, 모세관들이 제거된다.
도 3은 본 발명에 따른 장치를 종방향 절단면으로 도시한 것이다. 구동 모터(43)가 분절된 연결용 커플링(44) 방식으로 용융 펌프(25)를 구동시킨다. 펌프로부터의 용융류는 경로(28)를 통하여 용융물 분할기(30)로 전도 열전달된다. 그리고 나서, 용융물이 이송식 구멍(32)을 통하여 압력실(35)로 유동한다. 이 영역에서, 한 센서(45)는 용융압(46)을 측정하며 다른 센서(46)는 용융 온도를 측정한다. 모세관(38)을 통하여, 용융물이 역압(back pressure) 없이 외부로 유출된다.
용융물의 체적에 대해 잘 정립된 값을 용융 펌프(25)를 사용하여 얻을 수 있는데, 센서(45, 46)들에 의해 결정되는 용융압 및 용융 온도에 대한 값도 변환기(도시 안됨)에 의하여 기대되는 유량 곡선이 계산될 수 있는 컴퓨터 (도시 안됨)로 공급될 수 있다.
도 2와 도 3에 도시된 실시예들에서, 용융물 분배기(melt distributor)는 축방향으로 대칭인 용융 분할기의 형태로서, 용융물을 전도 열전달 시키기 위한 n 개의 이송식 경로(이때 n = 2, 3, 4, ...)를 포함하고 있다. 용융물 분배기는 회전운동에 의해 n개의 모세관들 중 하나와 관련이 있는 위치로부터 이웃한 모세관과 관련된 위치로 왔다 갔다 스위칭 될 수 있다.
용융물 분배기에는 반경 방향으로 배치된 세 개의 이송식 구멍들이 용융물을 전도 열전달시키기 위하여 포함되는 것이 바람직하다. 도 4는 도 3의 단면을 보여주고 있다. 용융물 분배기(30) 내의 구멍(31, 32, 33)들은 60도만큼 각을 이루며 원주 방향으로 배치되어 있어서, 60도 만큼 회전 운동하면, 용융물이 모든 세 개의 모세관들 중 하나의 모세관으로 공급될 수 있다. 결과적으로, 모세관(38) 앞에 위치하며 공급 통로(28)로부터 압력실(35)까지 이르는 유동 통로는 세 번의 회전 단계를 거친 후 다시 개방된다.
도 5에 따른 다른 실시예에서, 용융물 유동을 제어하기 위하여 용융물 분배기는 네 개의 이송식 구멍(47, 48, 49, 50)들과 함께 제공되는 것이 바람직하며 구멍들이 원주 방향으로 배치되어 있으므로, 용융물 분배기가 45도 만큼 회전 운동하면, 용융물이 네 개의 모세관들 중 인접한 다음의 각각 하나의 모세관으로 공급될 수 있다.
용융물 분배기의 회전을 위한 드라이브는 단계적 제어를 할 수 있어 회전 운동이 항상 동일한 방향에서 발생하는 서보 모터에 의하여 작동될 수 있다.
또 다른 실시예(도시 안됨)에서, 두 개의 모세관들이 제공되어 있으며 용융물 분배기의 회전 운동이 유압 또는 공압 실린더 혹은 전기 드라이브 또는 자기 드라이브에 의하여 영향을 받는다. 이 장치에서, 용융 분배기는 한 위치에서 다른 위치 사이에서 전/후로 회전한다.
선택적으로, 용융물 분배기는 하나의 슬라이드의 형태를 취할 수 있으며 다양한 모세관들에 대한 용융류 통로는 축방향으로 슬라이드를 미끄러지게 함으로써 연속적으로 개방될 수 있다. 슬라이드 운동은 전-자기적으로, 공압에 의해 또는 유압식으로 초기화될 수 있다. 도 6은 그러한 장치의 예를 도시한 것으로 여기서 용융물 분배기는 슬라이드의 형태를 취하고 있으며 축방향으로 실린더의 발동(actuation of a cylinder)에 의하여 움직이므로 용융물은 구멍(51, 52)들을 통하여 선택적으로 하류의 압력실(35)로 유동할 수 있고, 거기서 다시 모세관(54)으로 유동한다.
도 7에 도시된 바와 같이 실린더(1)와 드라이브(3)가 있는 압출 성형기의 사시도에서, 전체 유량계(53)는 피봇으로 한 쪽 측면에 고정될 수 있으며(위치 A) 추가로 통상의 작동 위치에 있을 때 압출 성형기의 실린더 축에 평행하게 확장되어 있는 축을 중심으로 상방을 향하게 고정될 수도 있다.
바람직하게, 전체 유량계의 구조를 살펴보면 유량계 본체(20)가 있고, 용융 펌프(25)와 드라이브(43)가 압출 성형기 하부 구조물에 설치되어 있으며 압출 성형기 실린더부터 한 쪽 측면으로 15 도에서 90 도 만큼 피봇될 수 있으며, 압출 성형기의 실린더 축에 평행하게 확장되어 있는 한 축을 중심으로 상방으로 90 도에서 180 도 만큼 피봇될 수 있으므로 압출 성형기로부터 어댑터를 제거한 후, 청소가 수월하다.
이동 가능한 스탠드(도시 안됨) 상에 전체 유량계 장치가 배치된다면 훨씬 바람직하므로 어댑터 연결을 해체한 후에 유량계가 압출 성형기로부터 돌려져 해체될 수 있다.

Claims (11)

  1. 소성 재료의 점성을 측정하기 위한 장치로서, 하나의 모세관을 통하여 유동할 때 재료의 압력 강하를 결정하는 원리에 따라 특히 중합체 용융물과 같은 재료의 점성을 측정하기 위한 장치이고, 상기 모세관은 특정 단면적과 특정 길이를 가지며,
    이때 특정한 용융류를 발생시키기 위하여 제어 가능한 용융 펌프가 가열 가능한 구조 내에 설치되고,
    또한, 비교적 큰 범위의 유동 속력을 관장하기 위하여 상기 장치는 복수 개의 모세관들을 포함하고 있으며,
    여기서 모세관들은 서로 다른 치수를 가지며 상기 장치에 단단히 고정/설치되어 있고, 각 모세관이 개별 압력 범위에 적용될 압력 센서와 연계되어 있으며,
    용융 유동이 용융 펌프(13)에 의해 움직일 수 있는 용융 분배기(30)에 의해 한번에 하나의 모세관에 형성되는 방식으로 되어 있어, 용융물 분배기(30)의 위치를 변경함으로써 용융물이 복수 개의 모세관들 중 하나를 통하여 전도 열전달될 수 있고, 각 모세관은 서로 연계된 용융 온도 센서를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 소성 재료의 점성을 측정하기 위한 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 용융물 분배기(30)가 유압식 또는 공압식 실린더(42)와 미늘 톱니바퀴 장치(41)에 의하여 조정되는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 용융물 분배기(30)가 슬라이드의 형태로 되어 있고, 슬라이드의 축방향 운동에 의하여 다양한 모세관(37 ~ 39)들로의 용융물 통로가 연속적으로 개방되며 이때 미끄럼 운동은 전자기적으로 공압 또는 유압식으로 초기화되는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 용융물 분배기(30)가 대칭형으로 회전하는 용융물 분할기의 형태로 되어 있고 용융류를 제어하기 위하여 복수 개의 이송식 구멍들을 포함하고 있으며 용융물 분할기가 복수 개의 모세관들 중 하나에 할당된 한 위치로부터 다음 모세관에 할당된 위치로 회전함으로써 움직일 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 용융물 분배기(30)가 용융물을 전도 열전달시키기 위하여 반경 방향으로 배치된 세 개의 이송식 구멍들을 포함하므로 구멍들이 원주 방향에서 60도 만큼 배치되어 있으므로 회전 축을 중심으로 용융물 분배기(30)가 60도 만큼 회전함으로써 용융물이 다음 세 개의 모세관들로 공급되는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 4 항에 있어서, 용융물 분배기(30)에 이송식으로 배치된 네 개의 용융물 전도 구멍들에 제공되어 있으므로, 구멍들이 원주 방향으로 45 도 만큼 배치되어있어 용융물의 분배기(30)가 회전 축을 중심으로 45 도 만큼 회전함으로써, 용융물이 다음 네 개의 모세관들로 공급될 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 4 항 내지 제 6 항에 있어서, 계단형 구조를 갖는 서보 모터가 용융물 분배기(30)의 회전을 초기화하기 위하여 제공되어 있으므로 용융물 분배기의 회전이 항상 동일한 방향에서 발생하는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 4 항에 있어서, 제공된 오직 두 개의 모세관들과 용융물 분배기의 회전이 유압식 또는 공압식 실린더(42)나 전기 또는 자기 드라이브에 의하여 발생하고 이때 용융물 분배기는 한 위치에서 다른 위치로 앞 뒤로 회전하는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치가 유량계 본체(20), 용융 펌프(25), 그리고 드라이브(43)를 포함하고 있으며 이들 모두는 압출 성형기의 하위 구조 상에 설치되어 압출 성형기의 실린더로부터 15 도에서 90 도 만큼 한 쪽 측면을 향해 피봇되고 압출 성형기의 실린더(1) 축에 평행한 정규 작동 위치에서 확장되어 있는 하나의 축을 중심으로 상방으로 피봇되므로, 압출 성형기로부터 어댑터(4)를 해체한 후, 청소가 수월한 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 전체 유량계의 구성(53)이 움직일 수 있는 스탠드 상에설치되어 어댑터(4)를 해체한 후 압출 성형기로 부터 돌려져 빠질 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 소성 재료의 점성을 측정하기 위한 방법으로서, 특히 중합체 용융물과 같은 재료의 점성을 측정하기 위한 방법이고, 하나의 모세관을 통하여 유동할 때 재료의 압력 강하를 결정하는 원리에 따라 특히 중합체 용융물과 같은 재료의 점성을 측정하기 위한 장치이고, 상기 모세관은 특정 단면적과 특정 길이를 가지며 실험실 뿐 아니라 제조 시 연속 측정을 위해서도 사용되며, 특히 통합 품질 검사 시에 활용되고, 이때 미리 결정된 용융물의 체적 유량이 미리 결정된 온도를 갖춘 환경에서 제공되고 여기서 백수 개의 모세관들이 상대적으로 광범위한 유동 속력의 범위를 관장하기 위하여 제공되어 있고, 이때 서로 다른 치수를 갖는 모세관(37 ~ 39)들이 제공되어 있고, 압력에 대하여 각 모세관 측정치들이 결정되므로, 미리 결정된 용융 체적 유동이 이송식 구멍들과 함께 제공되어 있는 실린더 본체의 형태로 이동 가능한 용융류 분배기(30)를 사용하는 모세관들 중 하나를 행하게 되어 용융물 분배기(30)의 위치를 변경시킴으로써, 용융물이 순차적으로 복수 개의 모세관들로 공급될 수 있고 압력과 온도에 대하여 획득된 평균 측정치로부터 각 모세관에 대하여 미리 결정된 용융류 체적과 함께 용융물에 대하여 특성화된 유량 곡선들이 계산되는 것을 특징으로 하는 방법.
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