KR20110027406A - 급속 온도 조절 장치를 포함하는 사출 성형 장치 - Google Patents

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Abstract

소형화 및 경량화 구조를 이루면서 금형을 급속하게 가열하고 신속하게 냉각시킬 수 있는 사출 성형 장치가 제공된다. 사출 성형 장치는 내부에 온도 조절관을 포함하는 금형 모듈과, 하우징, 하우징 내부에 유체가 이동하는 유체 이동로 및 하우징 내부에 삽입되어 유체 이동로에 열을 공급하는 가열기를 포함하며, 유체 이동로를 통하여 액체를 주입하여 증기를 발생시키고 증기를 온도 조절관으로 공급하는 증기 발생 모듈을 포함한다.
사출 성형 장치, 증기 발생 장치, 압력 조절관

Description

급속 온도 조절 장치를 포함하는 사출 성형 장치{Injection molding apparatus having rapid temerature control unit}
본 발명은 급속 온도 조절 장치를 포함하는 사출 성형 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 소형화 및 경량화 구조를 이루면서 금형을 급속하게 가열하고 신속하게 냉각시킬 수 있는 급속 온도 조절 장치를 포함하는 사출 성형 장치에 관한 것이다.
플라스틱 사출 부품의 제조 공정의 특성상 완전히 용융되지 못한 수지가 만나 응고되었을 경우, 일종의 수지 만남선인 웰드 라인(weld line)이 형성된다. 이러한 웰드 라인을 제거하기 위해서는 금형의 온도를 수지의 유리전이 온도 이상으로 충분히 가열한 후, 수지를 사출하여야 한다. 이와 같이, 금형의 온도를 높이게 되면, 금형의 냉각 시간이 증가하여 제품의 생산성이 저하되는 문제가 발생한다.
일반적으로 웰드라인이 형성된 제품은 도장, 증착 또는 도금과 같은 후가공 처리를 통해 결함을 은폐하기도 하나, 후가공 처리의 추가에 따른 제품 제조 가격의 증가와 후가공 처리 과정에서의 부산물로 인한 환경 오염 문제가 발생되고 있다.
근래에는 박판 성형 제품과 고광택의 외형을 갖는 제품에 대한 수요가 급증함에 따라 급속 가열 및 급속 냉각을 통해, 제품의 성형성과 제품 외관의 우수성을 모두 확보하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
가장 일반적으로 사용되는 금형의 급속 가열 장치는 보일러를 이용하여 고온 고압의 증기를 생산하여 금형에 공급하는 방식이 있다. 이와 같은 방식은 저가의 열매체를 사용하여 급속하게 금형의 표면 온도를 상승시킨다는 장점이 있으나, 대량의 증기를 미리 생산하기 위한 대용량의 보일러 설비가 필수적이어서, 시설비의 증가에 따른 제품 생산 원가가 증가되는 문제가 있다.
한편, 전기 발열체를 금형에 직접 삽입하여 금형을 가열하는 방법이 상용화되고 있으나, 금형의 냉각 속도가 느려 냉각 시간의 증가에 따른 제품의 생산 효율이 저하되는 단점이 있다.
또한, 고주파 유도 전류를 이용하여 금형의 표면만을 가열하는 방법이 미국에서 개발되어 있으나, 유도 코일과 금형 표면과의 간격에 따라 가열 성능이 다르게 나타나 일반적이로 곡면을 갖는 사출 제품에 적용이 어려운 단점이 있다. 그리고, 대형의 유도 코일을 이송하기 위한 로봇 등의 부가 장치가 필요하여, 설비가 비대해지고 비용이 증가되는 문제가 있다.
이에, 금형을 급속 가열과 급속 냉각이 가능하며, 저렴한 비용으로 유지가 가능한 소형 및 경량 구조의 온도 조절 모듈이 구비된 사출 성형 장치가 필요하게 되었다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 소형화 및 경량화 구조를 이루면서 금형을 급속하게 가열하고 신속하게 냉각시킬 수 있는 사출 성형 장치를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 사출 성형 장치는, 내부에 온도 조절관을 포함하는 금형 모듈과, 하우징, 상기 하우징 내부에 유체가 이동하는 유체 이동로 및 상기 하우징 내부에 삽입되어 상기 유체 이동로에 열을 공급하는 가열기를 포함하며, 상기 유체 이동로를 통하여 액체를 주입하여 증기를 발생시키고 상기 증기를 상기 온도 조절관으로 공급하는 증기 발생 모듈을 포함한다.
상술한 바와 같은 본 발명에 실시예들에 따른 사출 성형 장치에 의하면, 다 음과 같은 효과가 있다.
1. 고온의 증기를 신속하게 발생시킬 수 있어 장비의 예열 시간을 단축시킬 수 있다.
2. 별도의 보일러 구조를 필요로 하지 않아 장치를 콤팩트하게 구성할 수 있어, 휴대성이 향상될 수 있다.
3. 급속 가열 및 급속 냉각이 가능하여 제품의 생산성이 향상될 수 있다.
본 발명의 이점 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 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
이하 도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 사출 성형 장치에 관하여 상세히 설명한다.
먼저 도 1을 참조하면, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 사출 성형 장치의 개략적인 구성도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 사출 성형 장치(10)는 제품을 생산하는 금형 모듈(400)과 금형 모듈(400)의 온도를 조절하기 위한 저장 탱크(100), 펌프(200) 및 증기 발생 모듈(300)을 포함한다.
증기 발생 모듈(300)음 금형 모듈(400)의 온도를 순간적으로 높이기 위해 고온의 증기를 발생시킨다. 이와 같은 증기 발생 모듈(300)은 저장 탱크(100)로부터 저온의 액체를 공급 받아 고온의 증기로 변환한다.
저장 탱크(100)는 작동 유체를 저장하는 탱크로서, 연결 배관(510)을 통해 증기 발생 모듈(300)과 연결되어 있다. 저장 탱크(100)와 증기 발생 모듈(300) 사이를 연결하는 연결 배관(510)에는 작동 유체를 가압하는 펌프(200)와 증기 발생 모듈(300)로 유입되는 작동 유체의 유량을 조절하는 밸브(610)와 작동 유체의 압력을 측정하는 압력계(515)가 연결되어 있다.
저장 탱크(100)의 내부에는 작동 유체가 액체 상태로 저장되어 있으며, 작동 유체는 일반적으로 물을 사용할 수 있으나, 이에 한정될 것은 아니고 비열, 비등점 등을 고려하여 다양한 액체를 사용할 수 있을 것이다. 여기서, 작동 유체라 함은 증기 발생 모듈(300)을 통해 증기로 변환되어 금형 모듈(400)에 열을 전달하는 액체를 말하는 것으로서, 이하 설명을 함에 있어 편의상 작동 유체는 물을 예로서 사용한다.
펌프(200)는 증기 발생 모듈(300)에 유입되는 물의 압력을 조절할 수 있다. 물의 압력은 비등점에 영향을 주게 된다. 즉, 물의 압력이 높아지면 비등점이 높아지게 되어, 고온의 물을 얻을 수 있다. 구체적으로 설명하면, 대기압하에서 물의 비등점은 100℃가 된다. 그러나, 압력이 높아지면 물의 비등점은 높아지고, 물은 100℃ 보다 높은 온도에서 끓게된다. 즉, 물의 압력을 높이면 대기압에서 불가능한 100℃ 이상의 물을 만들 수 있다.
이와 같이, 물의 압력을 조절함으로써, 증기 발생 모듈(300) 내부의 물의 온도를 조절할 수 있을 뿐만 아니라 물에 의한 에너지 전달량을 함께 조절할 수 있게 된다. 이에 관해서는 구체적으로 후술한다.
증기 발생 모듈(300)에 의해 생성된 증기는 고온 고압을 유지하게 되며 연결 배관(520)을 통하여 금형 모듈(400)로 공급된다. 증기 발생 모듈(300)과 금형 모듈(400) 사이를 연결하는 연결 배관(520)에는 증기의 공급량을 조절할 수 있는 밸브(620)가 연결되어 있다.
또한, 증기 발생 모듈(300)과 금형 모듈(400) 사이의 연결 배관(520)에는 냉각 배관(530)과 퍼지 가스 배관(540)이 연결되어 있다.
냉각 배관(530)은 금형 모듈(400)을 냉각하기 위한 냉각 매체를 공급하는 역할을 하며, 퍼지 가스 배관(540)은 금형 모듈(400) 내부의 냉각 매체를 배출시키기 위한 퍼지 가스를 공급하는 역할을 한다.
증기 발생 모듈(300)로부터 공급되는 증기와 냉각 배관(530)으로부터 공급되는 냉각수와 퍼지 가스 배관(540)으로부터 공급되는 퍼지 가스는 동일한 연결 배관(520)을 통해 금형 모듈(400)로 공급한다. 이와 같은, 증기, 냉각 매체 및 퍼지 가스는 금형 모듈(400)에서 제품이 생산되는 사이클에 맞추어 순차적으로 공급 및 배출된다. 각 과정에 관해서는 구체적으로 후술한다.
금형 모듈(400)을 통과한 증기, 냉각 매체 및 퍼지 가스는 배출관(550)을 통하여 배출되며, 배출관(550)에는 증기, 냉각 매체 및 퍼지 가스의 배출을 제어하는 밸브(650)가 형성되어 있다. 도 1에 도시된 금형 모듈(400)과 이에 연결된 각 연결 배관(520, 550)은 설명의 편의를 위해 개략적으로 도시된 것이며, 이하 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.
도 2 및 도 3을 참조하여, 증기 발생 모듈에 관하여 구체적으로 설명한다. 도 2는 도 1의 사출 성형 장치에 포함되는 증기 발생 모듈의 사시도이고, 도 3은 도 2의 증기 발생 모듈을 A-A' 선으로 절단한 단면도이다.
증기 발생 모듈(300)은 물을 가열하여 증기를 발생시키는 장치로서, 전술한 바와 같이 금형 모듈(도 1의 400 참조)을 급속 가열시킬 수 있는 증기를 발생시킨다.
증기 발생 모듈(300)은 하우징(310)과 하우징(310) 내부에 형성된 유체 이동로(320) 및 물을 가열하는 가열기(330)를 포함한다.
유체 이동로(320)는 물 또는 증기가 이동하는 통로가 되는 것으로서, 하우징(310) 내부에 형성된다. 이와 같은 유체 이동로(320)는 한정된 공간에 접촉 면적을 증가시키기 위해 서펜타인(serpentine) 구조로 형성될 수 있다.
유체 이동로(320) 내부로 유입된 물은 유체 이동로(320)를 따라 이동하면서 점차 온도가 높아져 증기로 변환된다. 이때, 유체 이동로(320) 내부의 물과 증기의 비율은 입구측에서 출구측으로 이동할수록 점차 증기의 비율이 높아진다.
가열기(330)는 유체 이동로(320) 내부의 물이 증기로 변환할 수 있도록 열을 제공한다. 이러한 가열기(330)는 전기 발열체 등을 이용할 수 있다. 가열기(330)는 유체 이동로(320)와 함께 하우징(310) 내부에 삽입된다.
가열기(330)는 열효율을 증가시키기 위해 가능하면 유체 이동로(320)에 근접 하게 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 가열기(330)를 유체 이동로(320) 사이에 배치함으로써, 열효율을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 장치의 소형화 구조를 이룰 수 있다.
가열기(330)는 유체 이동로(320)를 따라 서펜타인 구조로 형성될 수 있다. 그러나, 가열기(330)는 하우징(310) 내부에서 직렬로 연결된 구조에 한정될 것은 아니고, 필요에 따라 다양한 열원이 삽입될 수 있다. 예를 들면, 열기관의 배기구 중 일부의 분지관이 하우징(310) 내부를 관통하여 열원으로 작용할 수 있다. 이와 같이 가열기(330)의 열원은 유체 이동로(320) 내의 물을 증기로 변환시킬 수 있으면 어떠한 형태든지 사용될 수 있다.
한편, 유체 이동로(320)는 다양한 방식으로 하우징(310) 내부에 형성될 수 있다. 예를 들면, 하우징(310)을 두 부분으로 분할하여 분할면에 각각 유체 이동로(320)를 위한 홈을 형성하고 각 분할된 하우징(310)을 브레이징 접합하여 유체 이동로(320)가 형성된 하우징(310)을 형성할 수 있다. 이밖에도 열전도성이 우수한 금속 튜브를 이용하여 유체 이동로(320)를 형성하고 하우징(310)과 함께 몰딩하여 유체 이동로(320)와 하우징(310)을 함께 형성할 수 있다. 이때, 하우징(310)은 알루미늄, 구리 등과 같이 열전도율이 우수한 금속으로 형성될 수 있다.
도 4는 도 2의 증기 발생 모듈의 증기 발생 과정을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
증기 발생 모듈(300)는 전술한 바와 같이 하우징(310) 내부에 서펜타인 구조로 형성된 유체 이동로(320)가 형성되어 있고, 유체 이동로(320)의 입구측에 물이 유입되어 유체 이동로(320)의 출구측에는 증기가 배출된다.
구체적으로 설명하면, 유체 이동로(320)의 입구측에 물을 공급한다. 이때, 물은 대기압보다 높은 압력으로 공급될 수 있다. 물의 압력은 비등점에 영향을 주며, 물의 압력이 높아지면 물의 비등점이 높아지게 된다. 따라서, 물의 온도를 고온으로 유지할 수 있어, 에너지 전달매체인 물에 의해 보다 많은 에너지 전달이 가능하게 된다.
유체 이동로(320)를 통해 공급된 물은 제1 구간(P1) 동안에는 액체 상태를 유지하게 된다. 즉, 제1 구간(P1)은 비등점 이하 구간으로서, 물은 점차 온도가 상승하면서 에너지를 저장하게 된다.
다음으로, 제2 구간(P2)은 물과 증기가 혼합된 구간으로서, 물이 상변화(phase change)하는 구간이 된다. 물이 비등점까지 온도가 상승하면 물이 증기로 변환된다. 제2 구간(P2) 동안에 물은 계속해서 증기로 변환되며, 제2 구간(P2)을 지나면서 점차 증기의 비율이 높아진다. 물은 증기로 상변태되는 상태에서 증발 잠열에 의하여 상대적으로 많은 에너지를 흡수하게 된다. 따라서, 제2 구간(P2)은 제1 구간(P1)에 비해 상대적으로 길게 형성될 수 있다.
다음으로, 제3 구간(P3)은 물이 모두 증기로 변환되어 건포화 증기 또는 과열 증기를 포함하는 구간이 된다. 제3 구간(P3)은 물의 상변태가 모두 이루어진 구간으로서, 열량의 공급에 따라 다시 증기의 온도가 상승한다. 따라서, 제3 구간(P3)의 온도를 조절함으로써, 금형 모듈(400)로 공급하는 증기의 온도를 조절할 수 있다.
제1 구간(P1), 제2 구간(P2) 및 제3 구간(P3)은 증기 발생 모듈(300)의 설계 사양에 따라 다양하게 조절 가능하다. 예를 들면, 고온의 증기를 발생시키기 위해서는 제3 구간(P3)을 증가시켜, 과열 증기에 열량을 더 공급하도록 설계할 수 있으며, 대기압 상태의 물이 공급되는 경우, 제1 구간(P1)의 길이가 더 감소할 수도 있을 것이다. 한편, 제1 구간(P1), 제2 구간(P2) 및 제3 구간(P3)은 각 구간별로 공급되는 열량에 따라서 조절 가능하다.
이하, 도 5를 참조하여, 금형 모듈에 관하여 상세히 설명한다.
도 5는 도 1의 사출 성형 장치에 포함되는 금형 모듈의 정면도이다.
금형 모듈(400)은 제1 금형판(421)과 제2 금형판(422)을 포함한다. 제1 금형판(421)과 제2 금형판(422)은 결합되어 제품이 형성되는 금형을 형성하게 된다. 이와 같은 제1 금형판(421)과 제2 금형판(422)은 적어도 하나가 이동하여, 서로 결합되거나 분리되면서 제품을 생산한다.
제1 금형판(421)과 제2 금형판(422)은 용융 수지와 같은 사출 재료가 주입되어 제품을 성형한다.. 제2 금형판(422)에는 제품이 성형되는 캐비티(cavity: 465)와 사출 재료가 주입되는 주입관(466)이 형성되어 있다. 제1 금형판(421)과 제2 금형판(422)에는 내부에 각각 제1 온도 조절관(437)과 제2 온도 조절관(447)이 포함되어 있다.
제1 온도 조절관(437)과 제2 온도 조절관(447)은 각각 제1 금형판(421)과 제2 금형판(422)을 가열하는 증기가 통과하거나 냉각하는 냉각 매체가 통과하는 통로가 된다. 제1 온도 조절관(437)과 제2 온도 조절관(447)을 통해서 이동하는 증기와 냉각 매체에 의해 제1 금형판(437)과 제2 금형판(447)은 가열되거나 냉각된다.
구체적으로 설명하면, 제1 금형판(421)과 제2 금형판(422)이 서로 결합되고, 사출 재료가 주입되기 전에 제1 금형판(421)과 제2 금형판(422)은 사출 재료의 유리 전이 온도 이상으로 가열되어야 한다. 이때, 고온의 증기가 증기 발생 모듈(300)로부터 공급되어 제1 온도 조절관(437)과 제2 온도 조절관(447)으로 주입된다. 제1 온도 조절관(437)과 제2 온도 조절관(447)으로 주입된 증기는 순간적으로 제1 금형판(421)과 제2 금형판(422)을 가열하게 된다.
한편, 제1 온도 조절관(437)과 제2 온도 조절관(447) 내부의 압력은 대기압보다 높게 유지되는 것이 바람직하다. 따라서, 제1 온도 조절관(437)과 제2 온도 조절관(447)의 출구단에는 각각 제1 압력 조절관(432)과 제2 압력 조절관(442)이 형성되어 있다.
제1 압력 조절관(432)과 제2 압력 조절관(442)은 제1 온도 조절관(437) 및 제2 온도 조절관(447)의 직경보다 작은 관인 모세관으로 형성될 수 있다. 즉, 제1 압력 조절관(432)과 제2 압력 조절관(442)의 출구단에 모세관으로 형성된 제1 압력 조절관(432) 및 제2 압력 조절관(442)을 형성함으로써, 제1 온도 조절관(437)과 제2 온도 조절관(447) 내부의 압력이 대기압으로 낮아지는 것을 방지할 수 있다.
구체적으로 설명하면, 대기압 이상으로 가압된 고온의 증기는 제1 온도 조절관(437)과 제2 온도 조절관(447) 내부에서 응축하면서 열을 제1 금형판(421)과 제2 금형판(422)으로 전달한다. 그러나, 제1 온도 조절관(437)과 제2 온도 조절관(447) 의 압력이 대기압 수준으로 낮아지게 되면, 제1 온도 조절관(437)과 제2 온도 조절관(447) 내부의 증기는 100'C 근처에서 포화상태를 유지하게 된다. 이와 같이, 제1 온도 조절관(437)과 제2 온도 조절관(447) 내부의 증기가 낮은 온도에서 포화상태를 유지함으로써, 고온의 증기를 공급하더라도 대기압 상태로 낮은 압력으로 팽창하며 상당 포화온도 상태가 되기 때문에 공급 상태의 높은 증기 온도를 유지할 수 없어(예를 들면 내부 압력이 대기압 상태라면 100'C 이상은 불가능), 상변태에 따른 에너지가 증기로부터 제1 금형판(421) 및 제2 금형판(422)으로 전달될 수 없기 때문에 더 이상 제1 금형판(421)과 제2 금형판(422)의 온도를 높일 수 없게 된다.
반면에, 제1 온도 조절관(437)과 제2 온도 조절관(447)의 출구단을 밀폐하게 되면, 제1 온도 조절관(437)과 제2 온도 조절관(447) 내부의 압력이 증가한다. 제1 온도 조절관(437) 및 제2 온도 조절관(447) 내부의 압력이 증가하면, 포화 온도의 상승에 따라 증기의 온도는 상승하지만 잔존 공기 및 응축수의 증기가 일종의 열저항으로 작용하여 가열 시간을 지연시키게 된다.
따라서, 제1 온도 조절관(437) 및 제2 온도 조절관(447)의 출구단에 모세관으로 이루어진 제1 압력 조절관(432) 및 제2 압력 조절관(442)을 연결하면, 모세관의 입구단 및 출구단에 흐르는 증기와 공기의 유동 저항에 의한 압력차가 발생하여 제1 온도 조절관(437) 및 제2 온도 조절관(447) 내부의 압력을 외부보다 높게 유지할 수 있다. 이와 같이, 제1 온도 조절관(437) 및 제2 온도 조절관(447) 내부의 압력을 높게 유지함으로써, 포화 온도를 증가시켜 제1 금형판(421) 및 제2 금형판(421)의 온도를 높게 할 수 있다.
제1 압력 조절관(432)과 제2 압력 조절관(442)의 압력 강하는 Darcy-weisbach 상관식에 의해
Figure 112009055821701-PAT00001
(dP: 압력강하, ρ : 밀도, f: 마찰 계수, v: 유속, d: 관의 직경, l: 관의 길이)가 성립한다. 따라서, 상기 상관식에 의해 이송 열부하를 고려하여 제1 압력 조절관(432) 및 제2 압력 조절관(442)의 직경과 길이를 조절함으로써, 제1 온도 조절관(437) 및 제2 온도 조절관(447)의 압력을 조절할 수 있다. 이송 열부하(Q)는 유량(m)과 다음과 같은 관계식이 성립한다.
Q= mhfg, m= ρAv (여기서, m은 질량유동율(kg/s)이며, hfg 는 잠열(kJ/kg), A는 모세관의 단면적)
이밖에, 제1 압력 조절관(432)과 제2 압력 조절관(442)으로 배출되는 증기는 밸브(433, 443)를 통해서도 조절할 수 있다.
한편, 제1 금형판(421)과 제2 금형판(422) 사이에 사출 재료가 주입된 후, 제품이 성형되면 제품이 더 이상 변형이 되지 않도록 제품의 온도를 낮추어야 한다. 이때, 제1 온도 조절관(437)과 제2 온도 조절관(447) 내부로 냉각 매체가 유입된다. 제1 온도 조절관(437)과 제2 온도 조절관(447) 내부로 유입된 냉각 매체는 순간적으로 제1 금형판(450)과 제2 금형판(460)을 냉각시킨다.
제1 온도 조절관(437)과 제2 온도 조절관(447) 내부의 냉각 매체는 각각 배출관(435, 445)를 통해 외부로 배출된다. 각 배출관(435, 445)의 직경은 제1 압력 조절관(432) 및 제2 압력 조절관(442)의 직경보다 크게 형성되며, 각 배출관(435, 445)에는 밸브(436, 446)가 연결되어 있어 냉각 매체의 배출을 조절한다.
제1 금형판(421)과 제2 금형판(422)이 충분히 냉각된 후, 제1 온도 조절관(437) 및 제2 온도 조절관(447) 내부의 냉각 매체를 배출시키기 위해 퍼지 가스를 제1 온도 조절관(437) 및 제2 온도 조절관(447)으로 공급할 수 있다. 즉, 제1 온도 조절관(437) 및 제2 온도 조절관(447)의 입구측(431, 441)으로 퍼지 가스를 공급함으로써, 제1 온도 조절관(437) 및 제2 온도 조절관(447) 내부의 냉각 매체는 제1 금형판(421) 및 제2 금형판(422) 외부로 완전히 배출될 수 있다.
이하, 도 6을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 사출 성형 장치의 작동 과정을 상세히 설명한다.
도 6은 도 1의 사출 성형 장치의 작동 과정을 설명하기 위한 순서도이다.
먼저 도 2와 도 6을 참조하면, 증기 발생 모듈(300)에서 증기를 발생시킨다(S100).
이어서, 도 5와 도 6을 참조하면, 고온의 증기는 금형 모듈(400)의 제1 금형판(421) 및 제2 금형판(422))으로 주입된다(S200). 이때, 제1 금형판(421)과 제2 금형판(422)은 서로 분리된 상태에서 가열되며, 제1 금형판(421) 및 제2 금형판(422)이 서로 접하도록 제1 금형판(421)과 제2 금형판(422)은 결합된다.
제1 금형판(421) 및 제2 금형판(422)은 증기에 의해 급격하게 가열된다.
이어서, 제1 금형판(421)과 제2 금형판(422) 사이의 공간을 이루고 있는 캐비티(465)를 통하여 사출 재료가 주입된다(S300). 이때, 제1 금형판(421)과 제2 금형판(422)의 온도는 사출 재료의 유리 전이 온도 이상이 된다. 따라서, 사출 재료는 캐비티(465) 내부에서 웰드 라인의 형성없이 우수한 품질의 제품으로 성형된다.
이어서, 제1 금형판(421) 및 제2 금형판(440) 내부로 냉각 매체가 주입된다(S400). 즉, 사출 재료의 주입이 완료되어 제품이 성형되면, 냉각 매체를 주입하여 사출 재료를 고화시킨다.
이어서, 사출 재료가 고화되면, 제1 온도 조절 블록(430)에 공기를 주입하여 냉각 매체를 배출시킨다(S500). 즉, 사출 재료의 성형이 완료되면, 제1 금형판(421)과 제2 금형판(422)을 분리시키면서, 제1 온도 조절관(437) 및 제2 온도 조절관(447) 내부로 퍼지 가스를 공급하여 냉각 매체를 배출한다. 퍼지 가스는 예를 들어, 공기가 사용될 수 있다.
마지막으로, 제1 금형판(421)과 제2 금형판(422)이 완전히 분리되어 제품이 배출되면, 제품이 완성된다(S600).
이와 같은 공정은 순차적으로 반복 수행되어 연속적으로 제품을 생산할 수 있다.
이하 도 6 및 도 7을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 사출 성형 장치에 관하여 상세히 설명한다. 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 사출 성형 장치에 포함되는 증기 발생 모듈의 절개 사시도이고, 도 8은 도 7의 증기 발생 모듈을 B-B' 선으로 절단한 단면도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 사출 성형 장치는 유체 이동로(320a)를 포함하는 제1 블록(311a)과 가열기(330a)를 포함하는 제2 블록(312a)으로 분할되어 형성된다.
제1 블록(311a)은 금속 튜브 형태의 유체 이동로(320a)를 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 제1 블록(311a)은 알루미늄 또는 구리 튜브와 같이 열전도도가 우수한 금속 튜브를 서펜타인 구조로 벤딩하고, 알루미늄 또는 구리 금속으로 몰딩하여 형성할 수 있다.
한편, 제2 블록(312a)은 제1 블록(311a)과 분할되어 형성되며, 내부에 가열기(330a)를 포함한다. 이때, 가열기(330a)는 유체 이동로(320a)와 가열기(330a) 사이의 간격이 유체 이동로(320a)의 입구측이 출구측보다 작도록 형성될 수 있다. 구체적으로 설명하면, 유체 이동로(320a)의 입구측에 인접한 가열기(331a)와 제2 블록(312a)의 표면과의 거리(d1)가 유체 이동로(320)의 출구측에 인접한 가열기(335a)와 제2 블록(312a)의 표면과의 거리(d2) 보다 작게 형성될 수 있다. 이와 같이, 가열기(330a)와 유체 이동로(320a) 사이의 간격을 조절하여, 유체 이동로(320a) 내부의 물 또는 증기에 전달되는 열량을 조절할 수 있다.
유체 이동로(320a)로 전달되는 열량은 내부에 물이 포함되어 있는 입구측이 내부에 증기가 포함되어 있는 출구측보다 크도록 설계할 수 있다.
도 9는 도 8의 증기 발생 모듈의 변형 실시예이다.
증기 발생 모듈(300b)은 제1 블록(311b)과 제2 블록(312b)를 포함하며, 직경의 크기가 입구측으로부터 출구측에 이르기까지 점차 커지는 유체 이동로(320b)를 포함한다. 유체 이동로(320b)는 입구측에 액체인 물이 유입되어 출구측으로 증기가 배출된다. 따라서, 유체 이동로(320b)의 입구측에는 물로 존재하며, 출구측에는 증기의 형태로 존재하게 된다. 동일 압력하에서 입구측으로부터 출구측에 이르기까지 밀도가 점차 감소하고, 비체적은 증가 하게 된다.
동일한 직경의 유체 이동로를 사용한다고 가정하면, 입구측의 물의 상태보다 출구측의 증기 상태가 유속이 현저하게 증가하게 된다. 증기의 유속이 증가함에 따라 열저항이 증가 할 수 있다,. 따라서, 유체 이동로(320b)의 입구측 직경을 출구측 직경보다 작게 형성할 수 있다. 즉, 유체 이동로(320b)의 입구측으로부터 출구측에 이르기까지 직경을 점차 증가시킬 수 있다. 액체는 열전달 계수가 유속에 의해 지배되는데 유속이 느려지면 열던달 계수가 감소하기 때문에 유속을 증가시키기 위해 유체 이동로(320)의 입구측 직경을 작게 형성한다.
한편, 액체가 증기로 상변화하면 유속이 액체에 비하여 현저하게 증가하게 되면서 관 유동 저항이 증가하게 된다. 특히, 상변화 열전달에서는 유속의 영향이 상대적으로 작으며 관유동 저항이 상대적으로 크기 때문에 관유동 저항을 줄이기 위하여 유체 이동로(320b)의 출구측 직경을 증가시킨다. 즉, 증기의 유속이 증가하여 음속에 이르면 쵸킹에 의하여 증기 유동률 증가가 불가능할 수 있다. 동일 지름의 관을 사용하는 경우, 액체가 모두 증기로 상변화하는 지점에서의 유속은 대기압을 기준으로 하면 액체에 비해 1600배 정도로 가속된다. 따라서, 유체의 유동 속도와 음속과의 비를 나타내는 Mach 수가 1/4 이내가 되도록 유체 이동로(320b)의 출구측 직경을 설계할 수 있다.
이하, 도 10 및 도 11을 참조하여, 제1 블록(312, 314, 316)과 제2 블록(311, 313, 315, 317)의 적층 구조를 상세히 설명한다. 여기서, 도 10 및 도 11은 증기 발생 모듈의 제1 블록과 제2 블록의 적층 구조를 설명하기 위한 도면이다.
먼저 도 10을 참조하면, 제1 블록(312, 314, 316)과 제2 블록(311, 313, 315, 317)은 각각 복수로 형성되며, 서로 교대로 적층될 수 있다. 제1 블록(312, 314, 316)과 제2 블록(311, 313, 315, 317)을 교대로 적층함으로서, 증기 발생 모듈(300c)의 구조를 소형화할 수 있다. 한편, 제1 블록(312, 314, 316)의 각 유체 이동로를 연결 배관(341, 342, 343, 344)을 이용하여 직렬로 연결함으로써, 소형 구조로 고온의 증기를 발생시킬 수 있다.
한편, 도 11을 참조하면, 제1 블록(312, 314, 316)과 제2 블록(311, 313, 315, 317)을 교대로 적층하고, 연결 배관(351, 352)을 통하여 각 제1 블록(312, 314, 316)의 유체 이동로를 병렬로 연결함으로써, 소형 구조를 형성하면서, 배출되는 증기의 양을 증가시킬 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 사출 성형 장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 도 1의 사출 성형 장치에 포함되는 증기 발생 모듈의 사시도이다.
도 3은 도 2의 증기 발생 모듈을 A-A' 선으로 절단한 단면도이다.
도 4는 도 2의 증기 발생 모듈의 증기 발생 과정을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 5는 도 1의 사출 성형 장치에 포함되는 금형 모듈의 정면도이다.
도 6은 도 1의 사출 성형 장치의 작동 과정을 설명하기 위한 순서도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 사출 성형 장치에 포함되는 증기 발생 모듈의 절개 사시도이다.
도 8은 도 7의 증기 발생 모듈을 B-B' 선으로 절단한 단면도이다.
도 9는 도 8의 증기 발생 모듈의 변형 실시예이다.
도 10 및 도 11은 증기 발생 모듈의 제1 블록과 제2 블록의 적층 구조를 설명하기 위한 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10: 사출 성형 장치 100: 저장 탱크
200: 펌프 300: 증기 발생 모듈
310: 하우징 320: 유체 이동로
330: 가열기 341, 343, 344, 351, 352: 연결 배관
400: 금형 모듈 421: 제1 금형판
422: 제2 금형판 432: 제1 압력 조절관
435, 445: 배출관 437: 제1 온도 조절관
442: 제2 압력 조절관 447: 제2 온도 조절관
450: 제1 금형판 460: 제2 금형판
465: 캐비티 466: 주입관
510, 520, 530, 540, 550: 연결 배관
610, 620, 630, 640, 650: 밸브

Claims (11)

  1. 내부에 온도 조절관을 포함하는 금형 모듈; 및
    하우징,
    상기 하우징 내부에 유체가 이동하는 유체 이동로 및
    상기 하우징 내부에 삽입되어 상기 유체 이동로에 열을 공급하는 가열기를 포함하며, 상기 유체 이동로를 통하여 액체를 주입하여 증기를 발생시키고 상기 증기를 상기 온도 조절관으로 공급하는 증기 발생 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 급속 온도 조절 장치를 포함하는 사출 성형 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 액체는 대기압 보다 높은 압력으로 상기 유체 이동로로 주입되는 것을 특징으로 하는 급속 온도 조절 장치를 포함하는 사출 성형 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 유체 이동로의 직경은 출구측보다 입구측의 직경이 더 작게 형성된 것을 특징으로 하는 급속 온도 조절 장치를 포함하는 사출 성형 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유체 이동로와 상기 가열기 사이의 간격은 상기 유체 이동로의 입구측 이 출구측보다 작게 형성된 것을 특징으로 하는 급속 온도 조절 장치를 포함하는 사출 성형 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유체 이동로는 상기 하우징에 삽입된 금속 튜브인 것을 특징으로 하는 급속 온도 조절 장치를 포함하는 사출 성형 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 증기 발생 모듈은 상기 유체 이동로를 포함하는 제1 블록과 상기 가열기를 포함하는 제2 블록을 포함하는 것을 특징으로 하는 급속 온도 조절 장치를 포함하는 사출 성형 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 블록 및 상기 제2 블록은 각각 복수로 형성되며 서로 교대로 적층된 것을 특징으로 하는 급속 온도 조절 장치를 포함하는 사출 성형 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    복수로 적층된 상기 제1 블록의 각 상기 유체 이동로는 서로 직렬 또는 병렬로 연결된 것을 특징으로 하는 급속 온도 조절 장치를 포함하는 사출 성형 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 온도 조절관의 출구단에 연결된 모세관으로 형성된 압력 조절관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 급속 온도 조절 장치를 포함하는 사출 성형 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 출구단에 연결되며 상기 압력 조절관의 직경보다 큰 배출관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 급속 온도 조절 장치를 포함하는 사출 성형 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 온도 조절관은 내부에 상기 증기와 냉각 매체와 퍼지 기체가 순차적으로 주입되는 것을 특징으로 하는 급속 온도 조절 장치를 포함하는 사출 성형 장치.
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