KR20100044679A - 발포 수지 성형 장치의 증기실, 발포 수지 성형 장치, 및발포 수지 성형 방법 - Google Patents

발포 수지 성형 장치의 증기실, 발포 수지 성형 장치, 및발포 수지 성형 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열 전달 특성 및 내구성이 우수한 발포 수지 성형 장치의 증기실, 발포 수지 성형 장치, 및 발포 수지 성형 방법을 제공한다.
발포 수지 성형 장치의 증기실(9, 1)을 함께 구성하는 프레임(5, 6), 백 플레이트(3, 4) 및 중앙 플레이트(71, 81) 중 적어도 하나는 발포 알루미늄으로 만들어진다. 대안적으로, 프레임(5, 6)상에 발포 알루미늄(51, 61)을 적층하거나, 백 플레이트(3, 4)를, 각각 개재된 발포 알루미늄 플레이트(3, 4)와 일체화시키는 협지된 구조로 구성한다. 발포 알루미늄은 그 높은 열 전달 특성이 증기의 열 에너지의 낭비를 방지하는 이점이 있으며, 이 외에 순환 횟수(cycle time)의 감소의 이점이 있다.

Description

발포 수지 성형 장치의 증기실, 발포 수지 성형 장치, 및 발포 수지 성형 방법{STEAM ROOM OF FOAMED RESIN MOLDING MACHINE, FOAMED RESIN MOLDING MACHINE, AND METHOD FOR MOLDING FOAMED RESIN}
본 발명은 발포 수지 성형 장치의 증기실, 이 증기실을 구비한 발포 수지 성형 장치, 및 발포 수지 성형 방법에 관한 것이며, 본 발명에 따르면 증기의 열 에너지의 손실을 줄일 수 있다.
종래의 발포 수지 성형 장치가, 예를 들어 도 1에 도시되어 있다. 구체적으로, 고정측 다이 플레이트(fixed-side die plate)(1)에 백 플레이트(back plate)(3) 및 프레임(frame)(5)(고정측에)이 부착된다. 프레임(5)에는 중앙 플레이트(71)를 통해 (고정측에) 오목한 다이(recessed die)가 부착된다. 백 플레이트(3), 프레임(5), 중앙 플레이트(71), 및 오목한 다이(7)는 함께 증기실(9)을 구성한다. 백 플레이트(3)에는 그 배면으로부터 증기실(9)을 관통하는 원료 충진 장치(raw material-filling machine)(11) 및 이젝터 핀(ejector pin)(12)이 부착된다. 프레임(5) 위에는 냉각수 도입부(13) 및 증기 도입부(15)가 설치되며, 냉각수 도입부(13)에는 냉각수 파이프(17)가 연결된다.
이동가능측 다이 플레이트(2)에는 (이동 측에) 백 플레이트(4) 및 프레임(6) 이 부착된다. 프레임(6)에는 중앙 플레이트(81)를 통해 (이동 측에) 볼록한 다이(protruded die)(8)가 부착된다. 백 플레이트(4), 프레임(5), 중앙 플레이트(81), 및 볼록한 다이(8)는 함께 증기실(10)을 구성한다. 프레임(6)에는 냉각수 도입부(14) 및 증기 도입부(16)가 설치되며, 냉각수 도입부(14)에는 냉각수 파이프(18)가 연결된다. 오목한 다이(7)와 볼록한 다이(8)는 단일 유닛으로 맞춰져서 캐비티(cavity)(19)를 형성한다.
전술한 발포 수지 성형 장치에 의해 성형체(molded body)를 형성하기 위해, 원료 충진 장치(11)를 이용하여 발포 수지로 이루어진 원료를 캐비티(19)에 넣는다. 다음, 증기를 증기 도입부(15, 16)로부터 증기실(9)에 도입하고, 또한 오목한 다이(7) 및 볼록한 다이(8)에 뚫려 있는 증기 홀(steam hole)(도시되지 않음)을 통해 증기를 캐비티(9)로 도입한다. 이와 같이 가열된 원료는 발포되어, 원하는 성형체로 융해된다. 이때, 다이(7, 8) 및 프레임(5, 6)은 약 120℃의 고온까지 가열된다.
그 후, 냉각수 파이프(17, 18)를 통해 냉각수 도입부(13, 14)로부터 냉각수가 공급되고, 노즐(21, 22)을 통해 오목한 다이(7)의 배면 및 볼록한 다이(8)의 배면에 냉각수가 뿌려져서 캐비티(19) 내의 성형체(20)가 냉각된다. 다이(7, 8) 및 프레임(5, 6)은 약 40℃의 저온으로 냉각된다. 냉각이 종료된 후, 오목한 다이(7)와 볼록한 다이(8)를 분리하여 개방한 후, 성형체(20)를 이젝터 핀(12)을 이용해서 밀어낸다.
전술한 성형 단계에서, 증기실(9)에 도입된 증기는 캐비티(19) 내의 원료를 가열할 뿐만 아니라, 증기실(9, 10)을 구성하는 백 플레이트(3, 4), 프레임(5, 6), 및 중앙 플레이트(71, 81)도 가열하고, 심지어 오목한 다이(7) 및 볼록한 다이(8)까지도 가열한다. 또한, 성형체(20)가 캐비티(19) 내에서 냉각될 때에도, 오목한 다이(7) 및 볼록한 다이(8)를 냉각시키는 동시에 백 플레이트(3, 4), 프레임(5, 6), 및 중앙 플레이트(71, 81)도 노즐(21, 22)로부터 뿌려지는 냉각수에 의해 냉각된다. 그렇지만 증기실을 구성하는 구조적 부재 중에서, 오목한 다이(7) 및 볼록한 다이(8) 이외의 부재들은 성형체의 품질에 어떠한 영향도 미치지 않는다. 이들 다른 부재들을 냉각하고 및 가열하는 단계가 반복될 때마다, 증기의 열 에너지가 낭비된다. 구체적으로, 증기의 열 에너지의 상당한 부분이 프레임(5, 6)과 같은 설비 항목을 가열하는 데에 충당된다.
전술한 바와 같은 증기의 열 에너지의 낭비를 줄이기 위한 시도에서, 특허 문헌 1 및 2 각각에는, 열경화성 수용성 수지(thermosetting water-soluble resin)를 열적으로 경화시켜 얻은 고무 라이닝(rubber lining) 또는 도포 층(coating layer)을, 오목한 다이(7) 및 볼록한 다이(8)를 제외한, 백 플레이트(3, 4), 프레임(5, 6) 및 중앙 플레이트(71, 81)로 이루어지는 증기실 측면들에 형성한 구조체에 대해 개시되어 있다. 이 구조체에 의하면, 고무 라이닝 또는 도포 층으로 열을 절연시킴으로써 증기의 에너지 낭비 정도를 감소시킬 수 있다. 그렇지만 수지로 이루어진 고무 라이닝 층 또는 도포 층은, 가열 단계 및 냉각 단계가 반복되는 동안 가해지는 열 응력(thermal stress)에 의해 변형되고 벗겨지게 되고, 이 벗겨진 부분을 통해 증기가 구조체에 스며들어 열 절연 효과를 떨어뜨린다. 그러므로 반 복해서 사용한 결과 수명이 단축되었다.
특허 문헌 1: 일본국 특허 공개 공보 H05-212810(도 1)
특허 문헌 2: 일본국 특허 공개 공보 2006-212814(도 1)
전술한 종래 기술의 문제를 감안하여, 본 발명의 목적은 열 절연 특성 및 내구성이 우수한 발포 수지 성형 장치의 증기실, 이 증기실을 구비한 발포 수지 성형 장치, 및 발포 수지를 성형하는 방법을 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위해 이루어진 발포 수지 성형 장치 내의 증기실은, 다이; 프레임; 백 플레이트; 및 중앙 플레이트를 포함하며, 상기 프레임, 상기 백 플레이트, 및 상기 중앙 플레이트 중 적어도 하나는 열 절연을 위해 다공성 금속으로 만들어지는 것을 특징으로 한다. 발포 수지 성형 장치 내의 증기실은, 다이; 프레임; 백 플레이트; 및 중앙 플레이트를 포함하며, 상기 프레임, 상기 백 플레이트, 및 상기 중앙 플레이트 중 적어도 하나의 내부 표면상에 열 절연을 위한 다공성 금속이 적층되는 것을 특징으로 한다.
발포 수지 성형 장치 내의 증기실은, 다이; 프레임; 백 플레이트; 및 중앙 플레이트를 포함하며, 상기 백 플레이트는, 열 절연을 위한 다공성 금속 플레이트와 결합되고, 금속 플레이트들 사이에 개재되도록 적층되는 협지된 구조로 구성되는 것을 특징으로 한다. 발포 알루미늄 또는 발포 마그네슘을 열 전연을 위한 다공성 금속으로 사용할 수 있다.
발포 수지 성형 장치는 증기실을 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 발포 수지 성형 방법은 전술한 발포 수지 성형 장치의 종류에 의해, 열가소성 수지 입자의 원료를 발포하고 성형하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
제1항에 개시된 발명에 따르면, 증기실을 구성하는 프레임 및 백 플레이트와 같은 부재들은 다공성 금속으로 만들어진다. 다공성 금속에 의해 발생하는 열 절연 효과로 인해, 증기의 열 에너지가 낭비되지 않는다. 또한, 수지로 이루어진 도포층과는 달리, 프레임 및 백 플레이트는 변형되지 않고 벗겨지지 않으며, 이에 따라 시간의 경과에 따라 야기되는 결과로서의 열 절연 효과의 감소가 일어나지 않는다.
제2항 및 제3항에 개시된 발명에 따르면, 증기실을 구성하는 프레임 및 백 플레이트와 같은 부재들 상에 다공성 금속이 적층된다. 대안적으로, 백 플레이트는 다공성 금속이 적층되어 일체화되는 협지된 구조로 각각 구성된다. 이 적층 구조에 의해 열 절연 효과가 강화된다.
제4항에 개시된 발명에 따르면, 부재용 재료로서 발포 알루미늄 또는 발포 마그네슘을 사용한다. 그러므로 부재의 중량 감소가 달성될 수 있고, 이에 의해 이동 가능한 다이 플레이트를 구동(즉, 개폐)하기 위한 기기에 가해지는 부하를 줄일 수 있다. 본 발명의 재료의 열 전달 특성은 종래의 재료의 열 전달 특성보다 낮고, 열 전달률이 낮기 때문에, 프레임에서 방출되는 열의 양이 작고, 주변의 설비에 대한 손상이 미미하다.
제5항에 개시된 발명에 따르면, 가열 단계 및 냉각 단계는 효과적으로 수행될 수 있기 때문에, 순환 횟수(cycle time)가 감소할 수 있다. 종래의 발포 수지 형성 장치로 달성하는 것이 불가능하였던 상당한 효과가 달성될 수 있다. 환언하면, 사용된 증기의 양이 감소하기 때문에, 소비되는 중유의 양도 감소할 수 있고, 이에 따라 제조비용도 감소할 수 있다.
제6항에 개시된 발명에 따르면, 증기의 열 에너지를 낭비함이 없이 성형체를 저비용으로 생성할 수 있다.
도 1은 발포 수지 성형 장치의 개략 구조도이다.
도 2는 다공성 금속(porous metal)으로 이루어진 프레임 및 백 플레이트를 포함하는 발포 수지 성형 장치의 개략 구조도이다.
도 3은 내부에 다공성 금속이 적층된 증기실을 포함하는 발포 수지 성형 장치의 개략 구조도이다.
도 4는 협지된 구조를 갖는 백 플레이트를 포함하는 발포 수지 성형 장치의 개략 구조도이다.
* 도면 부호에 대한 설명
3, 4: 백 플레이트
5, 6: 프레임
9, 10: 증기실
71, 81: 중앙 플레이트
33, 43, 51, 61: 발포 알루미늄 플레이트
이하, 본 발명의 실시예를 도 2를 참조하여 설명한다.
본 발명의 발포 수지 성형 장치의 기본적인 구조는 종래의 장치의 구조와 크게 다르지 않다. 구체적으로, 고정측 다이 플레이트는 백 플레이트(3), 프레임(5), 중앙 플레이트(71) 및 오목한 다이(7)로 이루어지는 증기실(9)을 포함한다. 백 플레이트(3)에는 증기실(9)을 관통하는 원료 충진 장치(11) 및 이젝터 핀(12)이 부착된다. 프레임(5) 위에는 냉각수 도입부(13) 및 증기 도입부(15)가 설치되어 있다. 냉각수 도입부(13)에는 냉각수 파이프(17)가 연결된다.
이동가능측 다이 플레이트(2)은 백 플레이트(4), 프레임(6), 중앙 플레이트(81), 및 볼록한 다이(8)로 이루어지는 증기실(10)로 형성된다. 프레임(6) 상에는 냉각수 도입부(14) 및 증기 도입부(16)가 제공된다. 냉각수 도입부(14)에는 냉각수 파이프(18)가 연결된다. 오목한 다이(7) 및 볼록한 다이(8)는 함께 합쳐져서 캐비티(19)를 구성한다. 오목한 다이(7) 및 볼록한 다이(8) 위에는 스트림 홀(도시되지 않음)이 제공되고, 캐비티(19) 및 증기실(9, 10)은 서로 연통하도록 되어 있다.
전술한 바와 같이 구성된 발포 수지 성형 장치에서, 백 플레이트(3, 4) 및 프레임(5, 6)은 다공성 금속인 발포 알루미늄으로 만들어져 있다. 열 절연 효과를 향상시키기 위해서는, 중앙 플레이트(71, 81)도 발포 알루미늄으로 만드는 것이 바람직하다.
발포 알루미늄을 생성하기 위해, 응고 과정에 있는 융해된 알루미늄에 수소 저장 합금 분말(hydrogen-absorbing alloy powder)을 부가하고, 이에 따라 알루미 늄은 수소를 방출하게 되며, 이와 같이 방출된 수소는 융해된 알루미늄을 발포 알루미늄으로 확장시킨다. 이러한 방식으로 얻어진 발포 알루미늄 재료는 박막 셀이 독립된 거품(independent bubble)들을 내포하는 초경량 재료(super-ultraweight)로서 알려져 있다. 발포 알루미늄은 약 3.18Kcal/mㆍhㆍ℃의 열 전달 특성을 갖는다. 이 값은 보통의 금속 알루미늄의 열 전달 특성의 약 1/60이므로, 대수롭지 않다. 발포 알루미늄의 비중은 0.2 내지 0.3이다. 이 값은 보통의 금속 알루미늄의 비중의 약 1/10이므로, 이 발포 알루미늄은 중량이 가볍다. 다공성 금속용 재료로서는, 대안적으로 마그네슘, 아연 및 구리와 같은 재료가 알루미늄 대신에 사용될 수 있다.
도 3에, 전술한 실시예의 대안인 다른 실시예의 발포 수지 성형 장치가 도시되어 있다. 이 성형 장치에서, 프레임(5, 6) 위에 발포 알루미늄 플레이트(51, 61)가 각각 적층된다. 또한, 백 플레이트(3, 4) 위에도 발포 알루미늄 플레이트(31, 41)가 각각 적층된다. 이러한 플레이트들을 적층하는 방법으로서는, 본딩(bonding) 기법 및 스크류잉(screwing) 기법이 사용될 수 있다. 중앙 플레이트(71, 81) 위에도 발포 알루미늄 플레이트가 각각 적층될 수 있다. 발포 알루미늄 플레이트의 적층 결과에 의해, 프레임(5, 6) 및 백 플레이트(3, 4)의 열 절연 효과가 상당히 높아질 수 있다.
또한, 도 4에, 백 플레이트(3, 4)를 협지된 구조로 일체화시키는 발포 수지 성형 장치가 도시되어 있다. 구체적으로, 백 플레이트(3)는 알루미늄 플레이트들(32) 사이에 개재된 발포 알루미늄 플레이트(33)를 포함하고, 백 플레이트(4)는 알루미늄 플레이트들(42) 사이에 개재된 발포 알루미늄 플레이트(43)를 포함한다. 백 플레이트(3, 4)도 또한 협지된 구조로 구성되어 있으므로 열 절연 효과를 강화시킬 수 있다.
<예>
도 2에 도시된 바와 같은, 모두 발포 알루미늄으로 만들어진 프레임(5, 6) 및 백 플레이트(3, 4)를 포함하는 본 발명의 발포 수지 성형 장치, 및 도 1에 도시된 바와 같은, 모두 금속 알루미늄으로 만들어진 프레임 및 백 플레이트를 포함하는 종래의 발포 수지 성형 장치를 지속적으로 작동시키고, 이들의 성능을 서로 비교하였다. 구체적으로, 증기에 의한 가열과 냉각수에 의한 냉각으로 이루어진 하나의 순환 동안, 프레임의 온도 변화(ΔT)를 비교하였다.
실험 시에, 먼저, 원료 충진 장치(11)를 이용하여 발포 특성을 가진 열가소성의 수지 입자의 원료를 캐비티(19)에 넣었다. 다음, 증기 도입부(15, 16)로부터 증기실(9, 10)로 증기를 도입하였다. 오목한 다이(8)와 볼록한 다이(9)에 설치된 증기 홀을 통해 캐비티(19)에 도입된 증기는 원료를 가열하여, 이 원료를 발포시켜 성형체(20)로 융해시킨다. 이때, 프레임(5, 6)에 내장된 열전대(thermocouple)에 의해 프레임(5, 6)의 온도 T1이 증가하는 것이 측정되었다.
융해의 완료 후, 냉각수 파이프(17, 18)를 통해 냉각수 도입부(13, 14)로부터 냉각수가 공급되고, 노즐(21, 22)을 통해 오목한 다이(7)의 배면 및 볼록한 다이(8)의 배면에 냉각수를 뿌려, 캐비티 내의 성형체(19)를 냉각시킨다. 냉각의 완료 후, 프레임(5, 6)의 온도 T2를 열전대를 이용해서 측정하였다. 온도 T1과 온도 T2 사이의 차를 ΔT로서 비교한다. 실험 결과가 표 1에 나타나 있다.
고정측 다이 플레이트의 프레임 이동가능측 다이 플레이트의 프레임
위치 상부 위치 중간 위치 하부 위치 상부 위치 중간 위치 하부 위치
종래의 예 22.7 24.6 34.5 14.6 16.7 31
본 예 6.3 6.6 14.4 6.5 4.6 14.8
위에 나타나 있는 바와 같이, 온도 차 ΔT는 종래의 장치의 경우에는 14.6℃과 34.5℃ 사이인 반면, 발포 알루미늄을 사용한 예에서는, 온도 차 ΔT를 4.6℃와 14.8℃ 사이로 억제할 수 있고, 이와 같이 더 작은 값으로의 감소는 종래 장치의 경우에서의 온도 차이의 약 1/3에 해당된다. 이러한 감소의 원인은 프레임(5, 6)의 온도 증가분이 적당한 수준으로 감소하였기 때문이다. 이에 따라 백 플레이트(3, 4)의 온도 증가분도 또한 적당한 수준으로 감소하였음은 말할 나위도 없다.
전술한 바와 같이, 프레임(5, 6) 및 백 플레이트(7, 8)의 열 절연 효과를 강화한 결과로, 순환 횟수의 감소 및 사용된 증기량의 감소가 달성되었다. 이러한 효과 외에, 중량이 감소하였으므로 전원 소비도 감소하였다. 이러한 효과의 조합에 따라 제조비용이 상당히 감소하였다.

Claims (6)

  1. 발포 수지 성형 장치 내의 증기실에 있어서,
    다이;
    프레임;
    백 플레이트; 및
    중앙 플레이트
    를 포함하며,
    상기 프레임, 상기 백 플레이트, 및 상기 중앙 플레이트 중 적어도 하나는 열 절연을 위해 다공성 금속으로 만들어지는, 증기실.
  2. 발포 수지 성형 장치 내의 증기실에 있어서,
    다이;
    프레임;
    백 플레이트; 및
    중앙 플레이트
    를 포함하며,
    상기 프레임, 상기 백 플레이트, 및 상기 중앙 플레이트 중 적어도 하나의 내부 표면상에 열 절연을 위한 다공성 금속이 적층되는, 증기실.
  3. 발포 수지 성형 장치 내의 증기실에 있어서,
    다이;
    프레임;
    백 플레이트; 및
    중앙 플레이트
    를 포함하며,
    상기 백 플레이트는, 열 절연을 위한 다공성 금속 플레이트와 결합되고, 상기 금속 플레이트들 사이에 개재되도록 적층되는 협지된 구조로 구성되는, 증기실.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열 절연을 위한 다공성 금속으로서 발포 알루미늄 또는 발포 마그네슘이 사용되는, 증기실.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 상기 증기실을 포함하는 발포 수지 성형 장치.
  6. 제5항에 따른 상기 발포 수지 성형 장치에 의해, 열가소성 수지 입자의 원료를 발포하고 성형하는 단계를 포함하는, 발포 수지 성형 방법.
KR1020087006656A 2007-08-20 2007-10-17 발포 수지 성형 장치의 증기실, 발포 수지 성형 장치, 및발포 수지 성형 방법 KR20100044679A (ko)

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