KR20160051755A - 단열 용융 처리장치 및 이를 이용한 용융 처리 방법 - Google Patents

단열 용융 처리장치 및 이를 이용한 용융 처리 방법 Download PDF

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사드 윌리엄 알렌
스티븐 마이클 왈러스
토마스 어셔 아벨
제럴드 하게돈
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Abstract

단열 용융 처리장치는 배럴(10) 및 상기 배럴상에 배치된 히터(40)를 포함한다. 상기 히터는 상기 배럴의 표면과 접촉하는 단열재(42) 및 상기 단열재 내에 배치되는 방열 부재(44)를 포함하고 상기 방열 부재는 상기 방열 부재를 통과하는 전류의 전도에 응답하여 열을 발생하도록 구성된다.

Description

단열 용융 처리장치 및 이를 이용한 용융 처리 방법{THERMALLY INSULATED MELT PROCESSOR AND PROCESS FOR MELT PROCESSING WITH SAME}
본 발명은 단열 용융 처리장치 및 이를 이용한 용융 처리 방법에 관한 것이다.
폴리머 재료의 가열 압출은 압출기로의 비효율적인 열전달로 인해 상당한 전력을 필요로 한다. 이러한 비효율성은 외부 금속 히터와 압출기 사이의 비효율적인 열 접촉에 부분적으로 기인한다. 더욱이, 열이 압출기 몸체로 전달되는 대신에 압출기의 주변 영역으로 방사되어 주변 영역으로의 열 손실을 발생시켜 주변 영역의 온도를 증가시킨다. 따라서 이 영역은 압출기 주위의 강제 공기 대류 또는 냉각 공기 대류와 같은, 이 영역의 능동적 냉각으로 인한 증가된 전력 소비를 필요로 한다. 또한, 압출기 및 그의 폴리머 내용물의 열적 하중을 구동하기에 충분한 온도에서 작동하는 노출된 히터는 전형적으로 피부 손상 역치를 초과하는 온도를 나타내며, 이는 약 52℃이다. 이러한 히터와의 직접적인 피부 접촉을 피하기 위해, 압출기 및 히터 위로 금속 덮개가 배치된다. 금속 덮개는 히터와 간격을 두고 떨어져 있으나, 금속 덮개는 히터로부터 방출되는 적외선에 의해 가열되어 덮개 역시 압출 동안 상당한 고온을 얻는다.
또한, 히터는 압출기와 불균일한 열접촉을 갖기 때문에, 열적 열점(hot spot)이 발생하고, 압출기의 특정 부품은 열 손상을 받게 된다. 더욱이, 압출 폴리머 생성물은 상기 열점으로 인해 원하지 않는 화학적 또는 물리적 특성 변이를 겪을 수 있다.
압출 공정을 제어하는 개선된 가열 및 재료가 해당 기술 분야에서는 항상 환영받는다.
상기에 기술된 특질 및 다른 특질들은 이하의 도면 및 상세한 설명에 의해 예시된다.
배럴; 및 상기 배럴상에 배치된 히터;를 포함하는 단열 용융 처리장치로서, 상기 히터는 상기 배럴의 표면과 접촉하는 단열재; 및 상기 단열재 내에 배치되는 방열 부재;를 포함하고, 상기 방열 부재는 상기 방열 부재를 통과하는 전류의 전도에 응답하여 열을 제공하도록 구성된 단열 용융 처리장치가 개시된다.
부가적으로 폴리머 용융 처리용 시스템으로서, 상기 단열 용융 처리장치; 및 상기 방열 부재에 전기적으로 연결된 제어기를 포함하는 시스템이 개시된다.
또한 폴리머의 용융 처리 동안 전력 소모의 감소 방법으로서, 상기 방법은, 상기 단열 용융 처리장치에서 폴리머를 처리하는 단계로서, 상기 단열 용융 처리장치는 상기 배럴 내에 배치된 스크류 부재를 더 포함하는 단계; 상기 방열 부재를 통해 전류를 통과시켜 상기 배럴을 가열하는 단계; 상기 스크류 부재를 회전시킴으로써 상기 폴리머에 힘을 적용하는 단계; 및 상기 폴리머를 용융하는 단계를 포함하고, 상기 방열 부재를 통과한 전류에 의해 상기 배럴을 가열하는 효율은 상기 폴리머를 용융하기에 유효한 온도에 도달하는데 요구되는 상기 방열 부재를 통과하는 전류의 양을 기준으로 70% 이상인 폴리머의 용융 처리 동안 전력 소모의 감소 방법이 개시된다.
하기 도면에서, 유사한 요소는 동일한 번호를 붙인다:
도 1은 용융 처리장치 배럴의 사진이다.
도 2는 용융 처리장치 배럴의 측면도를 도시한다.
도 3은 단열 용융 처리장치의 단면을 도시한다.
도 4는 히터의 횡단면을 도시한다.
도 5는 도 3에 도시된 히터의 종단면을 도시한다.
도 6은 히터의 횡단면을 도시한다.
도 7 및 도 8은 용융 처리장치용 히터의 사시도를 도시한다.
도 9는 히터 및 플랜지 덮개의 사시도를 도시한다.
도 10 및 도 11은 플랜지 덮개의 사시도를 도시한다.
도 12는 용융 처리용 시스템의 블록 다이어그램이다.
도 13은 단열 용융 처리장치의 사진이다.
도 14는 도 13에 도시된 단열 용융 처리장치의 사진의 일부의 확대도이다.
도 15는 단열 용융 처리장치의 용융 필터 부분의 사진이다.
도 16은 용융 처리장치의 배럴 상에 배치된 금속 히터의 사진이다.
상세한 설명이 제한이 아니라 예시로서 본 명세서에 기술된다.
단열 용융 처리장치가 이로운 특징들을 가짐이 밝혀졌다. 용융 처리장치의 하부 배럴과 히터 외부 표면간의 주목할만한 온도 차이를 설정하는 히터가, 폴리머의 용융 처리에서의 냉각 요구조건 및 전체 작동 비용을 감소시키는 결과를 나타낸다. 부가적으로, 열점(hot spot)이 없고, 배럴을 따라 균일한 온도가 생성된다. 더욱이, 금속 히터에 비해 전력 소모가 크게 감소된다. 또한, 본 명세서의 히터는 가요성이고, 경량이며, 각종 배럴 형상에 따라 쉽게 변경 가능하다.
일 실시예에 따라, 단열 용융 처리장치는 배럴 및 상기 배럴 상에 배치된 히터를 포함할 수 있다. 상기 히터는 상기 배럴의 표면과 접촉하는 단열재 및 상기 단열재 내에 배치된 방열 부재를 포함할 수 있고, 상기 방열 부재는 상기 방열 부재를 통과하는 전류의 전도에 응답하여 열을 제공한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 용융 처리장치의 배럴(10)은 반복된 접관(nipple) 구획(19)을 포함한다. 각각의 접관(19)은 한 쌍의 플랜지(18)를 구성하는 제1 플랜지(14) 및 제2 플랜지(16) 사이에 게재된 관(12)을 가진다. 일부 용융 처리장치에서, 반복된 접관(19) 대신에, 배럴은 플랜지들(14, 16)이 있거나 없는 단일 관(12)을 포함한다. 플랜지들(14, 16)은 이들이 관(12)에 물리적으로 부착되도록 예를 들어 용접에 의해 관(12)에 부착될 수 있다. 접관(19)은 서로 연결되어 인접한 접관(19)의 플랜지들이 접촉할 수 있다. 조임 장치, 예를 들어 볼트 및 너트가 인접한 접관(19)의 인접한 플랜지들에 걸쳐 힘을 적용하여 배럴(10)이 연속체가 될 수 있다. 받침대(prop, 20)는 배럴(10)을 바닥 위로 떠 있게 하고 배럴(10)의 수직 높이를 조절하여 다른 장치, 예를 들어 폴리머 공급원, 용융 필터, 염료 등과 접촉시킬 수 있다. 추가 예시에서, 용융 처리장치의 배럴(10)의 측면도가 도 2에 도시되어 있다. 여기서, 배럴의 길이는 도 2에서 "L"로 표시된다.
도 3에 도시된 바와 같이 일 실시예에서, 단열 용융 장치는 한 쌍의 플랜지(18) 사이의 관(12) 상에 배치된 히터(40)를 갖는다. 플랜지 덮개가 인접한 플랜지(14, 16) 상에 배치되고 지지체(52)가 히터(40)의 외부 표면에 배치되어 관(12) 상의 히터(40)의 지지체를 제공한다. 도 4 및 도 5는 히터(40)의 횡단면 및 종단면 각각을 더 자세히 도시한다. 히터(40)에서, 방열 부재(44)는 단열재(42) 내에 배치된다. 히터(40)는 용융 처리장치의 배럴이 삽입되는 중공(50)을 둘러싸는 내부 표면(46)을 갖는다. 외부 표면(48)은 단열재(42)의 외부 경계이다. 지지체(52)는 배럴(10)을 대향하는 단열재(42)의 외부 표면(48)에 배치될 수 있다. 상기 지지체는 히터(40)과 배럴(10) 사이의 갭을 방지한다. 전기 리드(54)가 방열 부재(44)에 전기적으로 연결될 수 있고, 전기 커넥터(56)가 전기 리드(54)의 말단에 배열될 수 있다. 전기 커넥터(56)는 외부 전력 케이블에 연결되어 전기 리드(54)을 통해 방열 부재(44)에 전력을 전달할 수 있다.
방열 부재(44)는 단열재(42)가 방열 부재(44)와 히터의 내부 표면(46) 사이의 제1 두께(T1)를 갖도록 단열재(42) 내에 배치될 수 있다. 유사하게, 방열 부재(44) 및 히터(40)의 외부 표면(48) 사이에 두께 T2가 존재할 수 있다. 두께 T1은 두께 T2보다 크거나, 작거나, 같을 수 있다. 일 예에서, 두께 T1은 두께 T2보다 작다. 이 배열에서, 방열 부재(44)는 내부 표면(46)과 상대적으로 더 가깝고 히터(40)의 외부 표면(48)에서 더 떨어져 있다. 그 결과, 방열 부재(44)가 열을 방출하는 작동 중에, 히터(40)의 내부 표면은 외부 표면(48)보다 더 뜨거울 수 있다. 두께 T1 대 두께 T2의 비는 예를 들어 2:1 내지 1:100, 구체적으로 1:1 내지 1:10, 더욱 구체적으로 1:2 내지 1:4일 수 있다.
일부 예시적 히터에서, 도 6에 도시된 바와 같이 히터(40)는 단열재(42) 상에 배치된 외부층(49)을 포함한다. 외부층(49)은 히터(40)의 외부 표면(48)이 전부 외부층(49)이도록 단열재(42)의 외부 표면 전체에 배치될 수 있다. 대안적으로, 외부 표면(48)이 외부층(49)인 일부와 단열재(42)인 일부를 포함하도록 단열재(42)의 외부 표면의 오직 일부만이 외부층(49)으로 덮힐 수 있다.
상기 용융 처리장치의 배럴의 형상은 히터의 내부 표면의 형상을 결정하는데 유용하다. 유리하게는, 본 명세서의 히터는 가요성이고, 배럴의 형상에 따른다. 따라서, 배럴의 형상에 관계없이, 히터는 히터의 내부 표면과 관 사이의 갭 없이 배럴의 관에 열적으로 접촉할 수 있다. 비록 상기 용융 처리장치의 배럴이 직사각형으로 도시되어 있으나, 상기 배럴의 예시적 단면 형상은 원형, 타원형, 정사각형, 직사각형, 다각형 등을 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 히터의 형상은 상기 배럴의 형상에 상응하게 선택되어, 히터와 배럴 간의 열 접촉을 적정화할 수 있다.
도 7 및 도 8은 히터의 예들을 도시한다. 여기서, 상기 언급한 특징 외에, 상기 히터는 예를 들어 전기 리드(54)가 안에 배치된 그로밋(58)을 포함하여 전기 리드(54)의 굽힘 응력을 완화할 수 있다. 또한, 그로밋(58)은 히터(40)의 외부 표면(48)에 대해 전기 리드(54)를 기계적으로 안정화시켜, 홱 잡아당기거나 당기는 것과 같은 견인력이 전기 리드(54)에 가해질 경우 전기 리드(54)가 히터(40)로부터 쉽게 제거되거나 히터 내부의 방열 부재(미도시)와 전기적으로 절연되지 않도록 할 수 있다. 도 7에 도시된 히터(40)는 4개의 변을 갖는 직사각형 단면을 갖는다. 히터(40)를 배럴 위에 꼭 끼워 맞추기 위해 조임 장치(60)가 외부 표면(48)에 배치될 수 있다. 히터(40)의 인접한 벽들은 코너(68)에서 만나서 접합될 수 있을 것으로 여겨진다. 일부 배열에서, 상기 벽들이 연속 조각이어서 내부 표면(46) 또는 외부 표면(48)을 따라 단절이 없다. 일 예시적 히터에서, 한 벽이 다른 벽과 불연속적이어서 상기 두 개의 벽을 함께 접촉시킴으로써 코너(68)가 생길 수 있다. 일 구현예에 따르면, 도 8에 도시된 바와 같이 히터(40)의 벽과 같은 일부가 결여되어 상기 히터는 도 7에 도시된 밀폐 구조와는 반대로 개방 구조를 갖는다.
조임 장치(60)에 관하여, 조임 장치(60)는 예를 들어, 벨트, 밴드 등으로서, 이는 히터에 압축력을 제공하여 히터(40)의 벽들을 접합하고, 배럴 상의 히터(40)의 위치를 유지하고, 히터(40)의 내부 표면(46)과 상기 배럴 사이의 갭을 방지하고, 히터(40)와 배럴의 열 접촉을 증가시킨다. 조임 장치(60)는 히터(40)의 주변에 (도 7 및 도 8에서와 같이) 전체적으로 또는 부분적으로 배치될 수 있다. 일부 예시적 히터에서, 히터(40)는 조임 장치(60)를 포함하지 않는다. 조임 장치(60)는 예를 들어, 히터 상의 조임 장치(60)를 단단히 매고 조이기 위해 버클을 포함한다. 예시적 조임 장치(60)는 D??링 또는 다른 버클 또는 걸쇠, 후크 및 레이싱 재료(lacing material), 플랩(flaps), 아일릿(eyelet), 직물 타이(fabric ties) 등을 갖는 스트랩을 포함한다. 이러한 조임 장치(60)는 풀림이 없이 히터(40)를 상기 배럴 상의 적절한 위치에 유지시키며, 단 상기 조임 장치는 예를 들어 작동자(operator)에 의해 쉽게 풀리도록 조작되어 있다. 이러한 방식으로, 히터(40)는 상기 배럴로부터 쉽고 빠르게 제거 가능하다.
구조적 통합성을 보조하고 용융 처리장치의 히터(40)와 배럴 사이의 갭의 형성을 방지하기 위해서, 지지체(52)가 상기 히터 상에 배치될 수 있다. 도 7, 도 8 및 도 9에서 도시된 바와 같이, 지지체(52)는 외부 표면(48)의 일 면에 배치될 수 있고, 이는 예를 들어 도 9에서처럼 선택적 와셔(washer, 72)와 결합하는 볼트 또는 스크류와 같은 조임 장치(70)의 삽입을 위한 부착공(attachment hole, 64)을 갖는 부착 가이드(62)를 포함한다. 부착공(64)은 마개가 있거나 없는 관통 홀일 수 있다. 부착 가이드(62)는 히터(40)에 위치한 키 웨이(key way, 66)로 결합한다. 키 웨이(66)가 부착 가이드(62)를 붙잡아서 지지체(52)는 히터(40)로부터 부주의하게 미끄러져 내리지 않는다. 대안적으로, 키웨이(66)는 부착 가이드(62)의 크기보다 커서 지지체(52)가 히터(40)로부터 쉽게 떨어지게 한다. 따라서, 지지체(52)는 히터(40)로부터 탈리가능하거나 혹은 상기 히터에 영구적으로 부착될 수 있다. 일부 용융 처리장치에서, 상기 용융 처리장치의 배럴은 지지체(52)로부터의 조임 장치(70)를 허용하여, 상기 지지체를 상기 배럴에 확고하게 부착시키는 부착 커플링을 포함한다. 상기 부착 커플링은 예를 들어 뚜껑이 있는 홀, 콜릿(collet), 조임 장치(70)가 압입식 조립되는 구멍 등이다. 상기 배럴 상의 부착 커플링은 용융 처리가 일어나는 상기 배럴의 코어를 뚫고 들어가지는 않아야 한다.
지지체(52)는 히터(40)의 단열재(42) 내에 통합적으로 배치될 수 있다. 본 명세서에서 지지체(52)는 외부 환경에 노출되지 않거나 그 일부가 단열재(42)에 의해 커버되지 않고 노출되는 것으로 여겨진다.
또한 도 9는 2개의 히터(40)와 플랜지 덮개(59)의 조립체를 예시한다. 히터(40)들은 플랜지 덮개(59) 내부에서 서로 접촉하거나 또는 접촉하지 않는다. 상기 플랜지 덮개는 히터(40)의 주변을 완전히 또는 부분적으로 둘러싼다. 다시 도 3을 참조하면, 플랜지(14, 16)은 플랜지 덮개(59) 내에서 인접 히터들(40)을 분리시킬 수 있음을 인식하여야 한다. 일 실시예에 따르면, 1개보다 많은 히터(40)가 단일 관에 배치되고, 플랜지 덮개가 인접한 히터(40)가 서로 인접하는 연결 지점에 선택적으로 배치된다. 일 실시예에서, 상기 플랜지 덮개는 상기 히터와 오버랩한다. 여기서, 오버랩의 양은 예를 들어 상기 용융 처리장치의 작동 조건, 상기 히터의 가열 효율, 상기 용융 처리장치 또는 히터의 접근 용이성 등을 적정화하도록 선택된다. 일부 구성에서, 상기 플랜지 덮개는 상기 히터와 오버랩하지 않는다.
플랜지 덮개(59)의 구현예들이 도 10 및 도 11에 도시된다. 상기 플랜지 덮개는 단열재(80)를 포함하고, 이는 상기 히터 내에 포함된 단열재와 동일하거나 상이하다. 또한 도 10의 플랜지 덮개(59)는 관통 홀(84)을 포함하고, 이를 통해 도구(예를 들어 열전쌍, 필러 게이지, 고온계, 렌치 등)가 삽입된다. 이러한 도구는 이후 플랜지를 그 위에 배치된 플랜지 덮개와 상호작용하게 한다. 특정 플랜지 덮개 형상에서 선택적인 모서리(corner)가 플랜지 덮개(59)에 포함된다. 외부 표면(88)은 플랜지 덮개(59)의 중공 코어(92)를 형성하고 이를 둘러싸는 내부 표면(90)에 대향한다. 또한 플랜지 덮개(59)는 조임 장치(86)를 포함할 수 있다. 플랜지 덮개(59)의 일부가 부재하여 상기 플랜지 덮개는 도 11에서와 같은 개방형 구성을 가질 수 있고 이는 도 10에 도시된 밀폐형 구성과 대비된다.
부가적으로, 상기 플랜지 덮개는 상기 단열재 내에 배치되고 상기 플랜지를 가열하도록 구성된 제2 방열 부재를 포함할 수 있다. 일부 경우에서, 상기 제2 방열 부재는 상기 플랜지 덮개에 없다.
센서가 상기 단열 용융 처리장치에 적용될 수 있다. 예시적 센서로는 온도 센서, 압력 센서, 수분 센서, 피로 센서, 가속계 등을 포함한다. 배럴의 온도를 검출하기 위해서 온도 센서가 상기 배럴 상에 배치될 수 있다.
상기 단열재는 열적으로 절연되고 상기 용융 처리장치에서 폴리머의 용융 처리를 수행하는데 유효한 온도보다 더 높은 용융 온도 또는 열 분해 온도를 가질 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 단열재는 600℃ 이상의 용융 온도, 더욱 구체적으로 500℃ 초과의 용융 온도를 갖는다. 상기 단열재는 섬유 (단섬유 또는 연속 섬유) 또는 스트랜드일 수 있다. 예시적 단열재로는 유리, 세라믹, 고온 폴리머 등으로서 예를 들어 실리카, 유리섬유 등을 포함한다. 상기 단열재는 1,000 중량 ppm 이하, 구체적으로 500 ppm 미만의 붕소를 가질 수 있다. 상기 단열재는 석면, 납, 수은, 카드뮴 및 비소와 같은 각종 물질을 10 ppm 이하로 가질 수 있다. 상기 단열재는 이들 물질이 없을 수 있다(예를 들어, 본 출원의 출원일의 측정 기준으로 측정하여 측정가능한 양이 없음).
상기 단열재는 방화 지연성 또는 방화 억제성이다. 일 실시예에 따르면, 상기 단열재는 전기적으로 절연성이다. 외부층을 갖는 히터에서, 외부층 및 단열재는 서로 동일하거나 상이한 재료일 수 있다. 외부층은 히터에 내수성 및 내화학성을 제공한다. 상기 단열재의 두께는 특별히 제한되지는 않으나 0.5 인치보다 더 두껍고, 예를 들어 1인치 내지 20 인치 두께, 구체적으로 1 인치 내지 5 인치 두께이다.
상기 방열 부재에 관하여, 상기 방열 부재는 나전선(bare wire)이거나 또는 고온 코팅으로 절연될 수 있다. 상기 방열 부재는 주울 가열(Joule heating)을 통해 상기 히터 및 배럴에 열을 제공하는 저항성 재료이다. 상기 방열 부재는 700℃ 초과, 구체적으로 600℃ 초과, 보다 구체적으로 350℃ 초과까지 가열될 수 있다. 상기 전선은 열순환, 냉각, 가열 또는 온도 균일가열(temperature soaking) 동안에 산화 분해에 민감하지 않는 것으로 생각된다. 상기 방열 부재는 그 단면 형상이 원형, 타원형, 정사각형, 직사각형 등일 수 있는 리본, 테이프, 전선 등을 포함한 임의의 형상일 수 있다. 이러한 방열 부재는 직선형이거나 코일형일 수 있다. 상기 방열 부재를 구성하는 저항성 금속은 Ni, Cr, Al, Fe Cu, 이들의 합금 등을 포함한다. 예시적 방열 부재는 니크롬(Nichrome), 칸탈(Kanthal), 백동(Cupronickel) 등이다. 더욱이, 상기 방열 부재는 고온을 획득한 이후에도 가요성이어서 상기 히터가 상기 배럴의 형상에 따르도록 쉽게 구부러질 수 있다. 또한 상기 방열 부재는 전기 리드에 연결되고, 상기 전기 리드는 비록 상기 방열 부재와 동일하거나 상이한 저항성 금속 재료일 수 있으나, 전기적으로 도전성 금속일 수 있다.
또한 상기 히터는 지지체를 포함할 수 있다. 상기 지지체는 금속, 세라믹, 폴리머 또는 전술한 것들 중 1종 이상을 포함하는 조합일 수 있다. 상기 재료는 상기 히터의 외부 표면의 온도와 상용 가능한 높은 열 분해(thermal degradation)를 가질 수 있다. 일 구현예에서, 상기 지지체는 알루미늄이다. 상기 지지체의 형상은 제한되지 않으며 상기 용융 처리장치의 히터와 배럴 간의 고도의 열 접촉을 얻도록 선택될 수 있다.
상기 단열 용융 처리장치는 수많은 장점 및 이점을 갖는다. 상기 히터는 상기 배럴과 상기 히터의 외부 표면 사이에 주목할 만한 온도 차이를 확립할 수 있다. 상기 배럴 표면의 온도와 상기 히터의 외부 표면의 온도의 차이는 500℃ 이상, 구체적으로 400℃ 이상, 더욱 구체적으로 300℃ 이상일 수 있다. 일 실시예에서, 상기 히터의 외부 표면은 65℃ 미만, 구체적으로 40℃ 미만, 더 구체적으로 35℃ 미만이고, 상기 배럴의 내부는 190℃ 내지 450℃이다. 일 실시예에 따르면, 상기 배럴이 폴리올레핀, 폴리카보네이트 또는 전술할 폴리머들 중 1종 이상을 포함하는 조합을 포함하는 폴리머를 용융 처리하기에 유효한 온도를 갖는 경우 상기 히터의 외부 표면의 온도는 130℃ 이하이다. 히터 전역에 걸친 온도 차이로 인하여, 본 명세서의 단열 용융 처리장치의 작동은 냉각 조건 및 용융 처리 폴리머의 전체 작동 비용을 감소시켰다.
부가적으로, 가요성이고 정합성의 히터와 배럴간의 고도의 열 접촉으로 인하여, 열점은 부재하거나 실질적으로 부재하여 상기 배럴을 따라 균일한 온도가 생성된다. 또한, 배럴의 온도가 히터에 의해 보다 쉽게 제어되기 때문에 상기 히터가 없이 작동하는 용융 처리 장치에 비해 생성물 폴리머의 품질이 향상된다. 상기 히터는 단열재를 포함하기 때문에, 상기 히터는 또한 열 손실로부터 배럴을 단열한다. 열은 예를 들어 폴리머가 배럴 내에 배치된 스크류 부재와 접촉하는 경우, 배럴 내부에서 생성될 수 있다. 그러나, 이 열은 상기 용융 처리장치의 배럴상의 히터의 존재로 인해 주위 환경으로 유동되는 것이 절연될 수 있다. 따라서, 예를 들어 금속 히터에 비해 전력 소모가 크게 감소된다.
또한 본 명세서의 히터는 경량일 수 있고, 각종 배럴 형상에 쉽게 변경 가능하다. 일 실시예에서, 상기 히터는 50 파운드 이하, 구체적으로 30 파운드 이하, 더 구체적으로 20파운드 이하, 더욱 구체적으로 10 파운드 이하, 및 더더욱 구체적으로 5 파운드 이하의 중량을 가질 수 있다.
상기 단열 용융 처리장치는 복수개의 배럴 구획을 포함하는 배럴을 가질 수 있고, 각각의 배럴 구획은 관을 가질 수 있는데, 상기 관은 상기 관에 용접된 한 쌍의 플랜지 사이에 게재되어 있다. 히터가 각각의 배럴 구획의 플랜지 쌍 사이의 관 상에 배치되도록 복수개의 히터가 배럴 상에 배치될 수 있고, 플랜지 덮개가 상기 인접한 배럴 구획의 플랜지 상에 배치될 수 있다. 상기 히터는 상기 단열 용융 처리장치의 길이를 따라(예를 들어, 도 2에 표시된 "L"을 따라) 온도 구배를 생성하도록 구성될 수 있다. 일부 구성에서, 상기 히터는 상기 단열 용융 처리장치의 길이를 따라 등온 온도를 생성하도록 구성될 수 있다. 상기 배럴은 또한 보어(bore) 관을 포함하고 이는 상기 보어 관 내에 배치되고 보어 관의 길이를 따라 연장된 보어를 갖는다. 스크류 부재가 상기 보어 관 내에 배치되어 보어 관 내에 배치된 폴리머에 힘을 적용하도록 구성될 수 이다.
일 실시예에 따르면, 상기 복수개의 히터는 동일한 또는 상이한 온도에 이르도록 제어될 수 있다. 이들은 독립적으로 제어되도록 배선되거나 또는 병렬 혹은 직렬로 함께 배선될 수 있다. 따라서, 상기 배럴의 길이를 따라 단일 온도 또는 온도 영역이 생성될 수 있다.
폴리머 용융 처리용 시스템은 도 12의 단열 용융 처리장치(102) 및 상기 히터의 방열 부재에 전기적으로 연결된 제어기를 포함할 수 있다. 즉, 도 12에 도시된 바와 같이 상기 시스템은 배럴(10) 상에 배치된 히터(40) 내부의 방열 부재(44)에 전기적으로 연결된 제어기(102)를 갖는다. 온도 센서(104)가 상기 배럴(10) 상에 배치된다. 상기 시스템은 선택적으로 제2 온도 센서(106)를 포함한다. 상기 제어기는 제2 온도 센서(106)에 전기적으로 연결되고, 상기 제2 온도 센서는 히터(40)의 외부 표면의 온도를 감지하도록 구성된다. 온도 센서(104) 및 제2 온도 센서(106)는 독립적으로 열전쌍, RTD, 써미스터(thermister), 자외선 카메라, 자외선 카드, 고온계 등일 수 있다.
배럴(10) 내에 배치된 스크류 부재(108)는 구동 유닛(110)에 연결될 수 있다. 스크류 부재(108)는 또한 배럴에서 용융 처리되는 폴리머에 힘을 가하도록 구성될 수 있다. 상기 구동 유닛(110)은 상기 스크류 부재(108)를 회전시키도록 구성될 수 있다. 전기 연통선(112)는 제어기(102)를 온도 센서(104), 제2 온도 센서(106), 방열 부재(44) 및 구동 유닛(10)에 전기적으로 연결할 수 있다. 구동 유닛(110)은 스크류 부재(108)에 기계적으로 또는 전기적으로 연결될 수 있다. 연통선(112)은 연결된 부품들 간에 일방향 또는 양방향 연통하도록 구성될 수 있다.
예시적 시스템에 따르면, 제어기(102)는 방열 부재(44)에 전류를 공급하도록 구성될 수 있다. 여기서, 제어기(102)는 방열 부재(44)를 용융 처리를 위해 선택된 온도까지 가열하도록 구성될 수 있고 이때 전력 양은 온도 센서(104)로부터 유래되는 배럴(10)의 온도를 기준으로 한다. 상기 제어기는 또한 상기 스크류 부재를 구동하기 위해 구동 유닛(110)에 명령을 제공할 수도 있다.
일부 시스템에서, 상기 스크류 부재는 단축 스크류이다. 일 시스템에서, 상기 스크류 부재는 쌍축(twin screw)으로서 이는 동시회전한다. 상기 스크류의 직경은 10 mm 내지 300 mm일 수 있다.
상기 히터는 상기 용융 처리장치를 단열하여 방열 부재에서 히터의 외부 표면으로의 매우 낮은 열 손실을 경험하면서 동시에 방열 부재에서 상기 용융 처리장치의 배럴로의 높은 효율의 열 전달을 제공하고, 이는 부분적으로는 상기 히터와 배럴간의 큰 열 접촉에 기인한다. 또한, 플랜지 덮개가 상기 플랜지 상에 배치되기 때문에 플랜지에서 주위환경으로 열이 손실되지 않는다. 이와 같이, 본 명세서의 히터를 구비한 상기 단열 용융 처리장치는 본 명세서의 히터가 없는 배열에 비해 에너지 소모를 감소시킨다.
따라서, 폴리머의 용융 처리 동안의 전력 소모를 감소시키는 방법은 배럴 내에 배치된 스크류 부재를 갖는 단열 용융 처리장치 내에 폴리머를 배치하는 단계를 포함할 수 있다. 또한 상기 방법은 상기 방열 부재를 통해 전류를 통과시켜 상기 배럴을 가열하는 단계, 상기 스크류 부재를 회전시킴으로써 상기 폴리머에 힘을 적용하는 단계 및 상기 폴리머를 용융하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방열 부재를 통과한 전류에 의해 상기 배럴을 가열하는 효율은 폴리머를 용융하는데 유효한 온도에 이르는데 요구되는 상기 방열 부재를 통과하는 전류의 양을 기준으로 85% 이상, 구체적으로 75% 이상, 더욱 구체적으로 65% 이상일 수 있다. 일 실시예에서, 상기 배럴이 폴리머, 예를 들어 폴리올레핀, 폴리카보네이트 또는 전술한 폴리머들 중 1종 이상을 포함하는 조합을 용융하는데 유효한 온도를 갖는 경우 상기 히터의 외부 표면의 온도는 130℃ 이하일 수 있다.
상기 단열 용융 처리장치는 다른 부품을 포함할 수 있다. 일부 배열에서, 상기 방법은 상기 폴리머를 용융 필터, 다이 및 상기 배럴에 연결된 챔버에 배치된 다른 압출 부품들을 통과시키는 단계를 포함한다.
상기 장치, 시스템 및 방법의 일부 구현예들이 하기에 기술된다.
구현예 1: 배럴; 및 상기 배럴 상에 배치된 히터를 포함하는 단열 용융 처리장치로서, 상기 히터는 상기 배럴의 표면과 접촉하는 단열재; 및 상기 단열재 내에 배치되는 방열 부재(heat member)를 포함하고, 상기 방열 부재는 상기 방열 부재를 통과하는 전류의 전도에 응답하여 열을 제공하도록 구성된 단열 용융 처리장치.
구현예 2: 구현예 1에 있어서, 상기 히터는 상기 배럴과 대향하는 상기 단열재의 표면에 배치된 지지체를 더 포함하고, 상기 지지체는 상기 히터와 상기 배럴 사이의 갭(gap)을 방지하는 단열 용융 처리장치.
구현예 3: 구현예 2에 있어서, 상기 지지체는 상기 히터로부터 분리 가능한 단열 용융 처리장치.
구현예 4: 구현예 2 및 3 중 어느 하나에 있어서, 상기 지지체는 금속, 세라믹, 폴리머 또는 전술한 것들 중 1종 이상을 포함하는 조합을 포함하는 단열 용융 처리장치.
구현예 5: 구현예 1 내지 4 중 어느 하나에 있어서, 상기 단열재는 높이, 넓이 및 길이를 갖는 형상으로서, 두께를 갖는 직사각형이고, 상기 높이는 상기 넓이의 1.5 내지 5.0배이고, 상기 길이는 상기 높이의 2.0 내지 10.0배이고, 상기 두께는 1 내지 10 cm인 단열 용융 처리장치.
구현예 6: 구현예 1 내지 5 중 어느 하나에 있어서, 상기 배럴은 배럴 구획들을 포함하고, 상기 각각의 배럴 구획 주위의 상기 단열재는 오직 한 지점에서 자기 자신과 접합하며 (예를 들어, 단일 이음매를 형성하는) 둘러싸는 단일 조각의(a single piece of) 단열재를 포함하는 단열 용융 처리장치.
구현예 7: 구현예 1 내지 6 중 어느 하나에 있어서, 상기 단열재는 석면이 없는 세라믹 섬유를 포함하는 단열 용융 처리장치.
구현예 8: 구현예 1 내지 7 중 어느 하나에 있어서, 상기 단열재는 납, 수은, 카드뮴 및 비소가 없는 세라믹 섬유를 포함하는 단열 용융 처리장치.
구현예 9: 구현예 1 내지 8 중 어느 하나에 있어서, 상기 단열재는 1,000 ppm 미만의 붕소를 갖는 세라믹 섬유를 포함하는 단열 용융 처리장치.
구현예 10: 구현예 1 내지 9 중 어느 하나에 있어서, 상기 방열 부재는 와이어 발열체를 포함하고, 상기 와이어 발열체는 0.5 내지 4.0 mm의 직경을 갖고, 상기 배럴 상에 장착될 경우, 상기 와이어 발열체는 상기 배럴의 표면으로부터 10 mm 이하에 있는 단열 용융 처리장치.
구현예 11: 구현예 1 내지 10 중 어느 하나에 있어서, 상기 방열 부재는 와이어 발열체를 포함하고 상기 와이어 발열체는 평판 코일(flat coil)로 형상화되고, 상기 평판 코일은 사인파의 형상이고, 상기 사인파의 진폭은 상기 와이어 발열체의 직경의 10배 이상인 단열 용융 처리장치.
구현예 12: 구현예 1 내지 11 중 어느 하나에 있어서, 상기 방열 부재는 와이어 발열체를 포함하고, 상기 와이어 발열체는 합금이고, 상기 합금은 니켈, 크롬, 철, 구리, 몰리브덴, 텅스텐 및 망간 중에서 2종 이상을 포함(예를 들어 바람직하게는 니켈 및 크롬을 포함)하는 단열 용융 처리장치.
구현예 13: 구현예 1 내지 12 중 어느 하나에 있어서, 상기 히터는 6000 와트 이하의 전력(예를 들어, 0 내지 6000 W, 구체적으로 100 내지 4000 W)을 소비하는 단열 용융 처리장치.
구현예 14: 구현예 1 내지 13 중 어느 하나에 있어서, 상기 히터는 수 장벽(water barrier)을 형성하는 외부층을 더 포함하고, 상기 외부층은 금속, 실리콘, 열경화성 수지 또는 전술한 것들 중 1종 이상을 포함하는 조합을 포함하는 단열 용융 처리장치.
구현예 15: 구현예 1 내지 14 중 어느 하나에 있어서, 상기 히터는 상기 히터와 상기 배럴 사이에 갭이 없도록 상기 배럴과 직접적으로 접촉하는 단열 용융 처리장치.
구현예 16: 구현예 1 내지 15 중 어느 하나에 있어서, 상기 배럴은 관의 말단에 배치된 플랜지를 포함하는 단열 용융 처리장치.
구현예 17: 구현예 16에 있어서, 상기 히터는 상기 관 상에 배치되고, 플랜지 덮개가 상기 플랜지 상에 배치되고, 상기 히터의 단열재와 동일하거나 상이한 플랜지 단열재를 포함하는 플랜지 덮개를 더 포함하는 단열 용융 처리장치.
구현예 18: 구현예 17에 있어서, 상기 플랜지 덮개는 상기 단열재 내에 배치되고 상기 플랜지를 가열하도록 구성된 제2 방열 부재를 더 포함하는 단열 용융 처리장치.
구현예 19: 구현예 1 내지 18 중 어느 하나에 있어서, 상기 배럴은
복수의 배럴 구획을 포함하고, 각각의 배럴 구획은
관(tube); 및
상기 관에 의해 분리되고 상기 관의 대향 말단에 부착된 1쌍의 플랜지;를 포함하고,
상기 배럴 구획들은 인접하는 배럴 구획의 플랜지들이 서로 접촉하도록 배열되고,
히터가 각각의 배럴 구획의 플랜지 쌍 사이의 관 상에 배치되도록 복수개의 히터가 배럴 상에 배치되고, 플랜지 덮개가 상기 인접한 배럴 구획의 플랜지 상에 배치된 단열 용융 처리장치.
구현예 20: 구현예 1 내지 18 중 어느 하나에 있어서, 상기 배럴은 관; 상기 관 내에 배치되고 상기 관의 길이를 따라 연장된 보어(bore); 및 상기 보어 내에 배치되고 폴리머에 힘을 적용하도록 구성된 스크류 부재를 포함하는 단열 용융 처리장치.
구현예 21: 구현예 1 내지 20 중 어느 하나에 있어서, 상기 배럴 상에 배치되어 상기 배럴의 온도를 감지하기 위한 온도 센서를 더 포함하는 단열 용융 처리장치.
구현예 22: 구현예 1 내지 21 중 어느 하나에 있어서, 상기 히터는 상기 방열 부재를 전력 공급원에 전기적으로 연결하는 전기 커넥터를 더 포함하는 단열 용융 처리장치.
구현예 23: 구현예 1 내지 22 중 어느 하나에 있어서, 상기 히터는 가요성으로서 상기 배럴의 형상에 따르는 단열 용융 처리장치.
구현예 24: 구현예 1 내지 23 중 어느 하나에 있어서, 상기 히터는 상기 배럴로부터 분리가능한 단열 용융 처리장치.
구현예 25: 구현예 1 내지 24 중 어느 하나에 있어서, 상기 히터는 상기 단열 용융 처리장치의 길이를 따라 온도 구배를 생성하도록 구성된 단열 용융 처리장치.
구현예 26: 구현예 1 내지 25 중 어느 하나에 있어서, 상기 히터는 상기 단열 용융 처리장치의 길이를 따라 등온 온도를 생성하도록 구성된 단열 용융 처리장치.
구현예 27: 구현예 1 내지 26 중 어느 하나에 있어서, 상기 배럴의 표면의 온도와 상기 히터의 외부 표면의 온도의 차이가 300℃ 이상인 단열 용융 처리장치.
구현예 28: 구현예 1 내지 27 중 어느 하나에 있어서, 상기 배럴이 폴리올레핀, 폴리카보네이트 또는 전술한 폴리머들 중 1종 이상을 포함하는 조합을 포함하는 폴리머를 용융 처리하는데 유효한 온도를 갖는 경우 상기 히터의 외부 표면의 온도는 130℃ 이하인 단열 용융 처리장치.
구현예 29: 구현예 1 내지 28 중 어느 하나에 있어서, 상기 단열재는 전기적으로 절연인 단열 용융 처리장치.
구현예 30: 구현예 1 내지 29 중 어느 하나에 있어서, 상기 히터는 20 파운드 이하의 중량을 갖는 단열 용융 처리장치.
구현예 31: 구현예 1 내지 30 중 어느 하나에 있어서, 상기 용융 처리장치는 100 내지 500 rpm에서 작동하는 1.0 내지 8.0 인치 직경의 스크류를 갖는 단축 압출기인 단열 용융 처리장치.
구현예 32: 구현예 1 내지 29 중 어느 하나에 있어서, 상기 용융 처리장치는 200 내지 1000 rpm에서 작동하는 1.0 내지 8.0 인치 직경의 스크류를 갖는 동시 회전 쌍축 압출기인 단열 용융 처리장치.
구현예 33: 폴리머 용융 처리용 시스템으로서, 상기 시스템은
구현예 1 내지 32 중 어느 하나의 단열 용융 처리장치; 및
상기 방열 부재에 전기적으로 연결된 제어기;를 포함하는 시스템.
구현예 34: 구현예 33에 있어서, 상기 제어기는 상기 방열 부재에 전류를 공급하도록 구성된 시스템.
구현예 35: 구현예 33 및 34 중 어느 하나에 있어서, 상기 제어기는 상기 배럴 상에 배치된 온도 센서에 전기적으로 연결된 시스템.
구현예 36: 구현예 33 내지 35 중 어느 하나에 있어서, 상기 제어기는 상기 배럴의 온도를 기준으로, 선택된 온도까지 상기 방열 부재를 가열하도록 구성된 시스템.
구현예 37: 구현예 33 내지 36 중 어느 하나에 있어서, 상기 제어기는 제2 온도 센서에 전기적으로 연결되고, 상기 제2 온도 센서는 상기 히터의 외부 표면의 온도를 감지하도록 구성된 시스템.
구현예 38: 구현예 33 내지 37 중 어느 하나에 있어서, 상기 단열 용융 처리장치는 상기 배럴 내에 배치되어 상기 배럴에서 용융 처리되는 폴리머에 힘을 적용하도록 구성된 스크류 부재; 및 상기 스크류 부재에 연결되고 상기 스크류 부재를 회전시키도록 구성된 구동 유닛을 더 포함하고; 상기 제어기는 상기 구동 유닛에 전기적으로 연결되고 상기 구동 유닛을 제어하도록 구성된 시스템.
구현예 39: 폴리머의 용융 처리 동안의 전력 소모를 감소시키는 방법으로서, 상기 방법은
구현예 1 내지 32 중 어느 하나의 단열 용융 처리장치에서 폴리머를 처리하는 단계로서, 상기 단열 용융 처리장치는 상기 배럴 내에 배치된 스크류 부재를 더 포함하는 단계;
상기 방열 부재를 통해 전류를 통과시켜 상기 배럴을 가열하는 단계;
상기 스크류 부재를 회전시킴으로써 상기 폴리머에 힘을 적용하는 단계; 및
상기 폴리머를 용융하는 단계;를 포함하고,
상기 방열 부재를 통과한 전류에 의해 상기 배럴을 가열하는 효율은 상기 폴리머를 용융하기에 유효한 온도에 도달하는데 요구되는 상기 방열 부재를 통과하는 전류의 양을 기준으로 70% 이상인 방법.
구현예 40: 구현예 39에 있어서, 상기 배럴에 연결된 용기 내에 배치된 다이(die)를 통해 상기 폴리머를 통과시키는 단계를 더 포함하는 방법.
구현예 41: 구현예 39 및 40 중 어느 하나에 있어서, 상기 배럴이 상기 폴리머를 용융하는데 유용한 온도를 갖는 경우 상기 히터의 외부 표면의 온도는 130℃ 이하인 방법.
구현예 42: 구현예 39 내지 41 중 어느 하나에 있어서, 상기 폴리머는 폴리올레핀, 폴리카보네이트 또는 전술한 폴리머들 중 1종 이상을 포함하는 조합을 포함하는 방법.
상기 구현예들은 이하의 비제한적 실시예에 의해 더 예시된다.
실시예 1: 단열 용융 처리장치
용융 처리장치에 상기 기술된 바와 같은 히터를 제공하였다. 상기 용융 처리장치는 273.0 mm ㅧ 412.8 mm 직사각형 단면을 갖고 길이가 3570 mm인 배럴을 가졌다. 상기 배럴 내부에 133 mm 쌍축 스크류 메커니즘을 장착하였다. 상기 히터를 가열하여 상기 배럴이 287.8℃의 온도를 획득하게 하였고 24시간 초과 동안 그 온도를 유지하였다. 상기 배럴 내로 폴리카보네이트 폴리머를 도입하였고, 상기 쌍축 스크류를 회전시켜 폴리머를 용융하고 배럴의 길이 아래로 이동시켰다. 도 13에 도시된 바와 같이, 상기 배럴의 온도는 287.8℃이었으나, 상기 히터의 외부 표면은 약 120℃이었다. 이전에 상기 히터를 둘러싼 슈라우드(shroud, 도 13에는 미도시)를 도 13에 도시된 사진을 얻기 바로 직전에 제거함으로써 이 외부 온도를 55℃로 낮추었다. 도 13 중 "A"로 표시된 영역의 확대도를 도 14에 도시하였다.
실시예 2: 단열 용융 필터 조립체
용융 필터 조립체에 상기 기술한 바와 같은 히터를 제공하였다. 상기 용융 필터 챔버는 직경이 381 mm 내지 762 mm인 원형 단면을 갖고 길이가 406 mm 내지 1016 mm이었다. 상기 조립체 내부의 상기 용융 필터는 일련의 디스크 또는 캔들 필터 구성요소를 포함하였다. 상기 히터를 가열하여 상기 챔버가 310℃의 온도를 획득하게 하였고 24시간 초과 동안 그 온도를 유지하였다. 실시예 1의 용융 처리된 폴리머를 상기 필터가 구비된 조립체에 도입하였다. 도 15에 도시된 바와 같이, 챔버의 온도는 390℃이었으나, 상기 히터의 외부 표면은 약 46℃이었다.
비교 실시예: 금속 밴드 히터
금속 처리장치에 상기 금속 처리장치의 배럴 주위를 감싸는 금속 밴드 히터를 제공하였다. 상기 금속 처리장치는 273.0 mm ㅧ 412.8 mm 직사각형 단면을 갖고 높이가 3570 mm인 배럴을 가졌다. 상기 배럴 내부에 133 mm 쌍축 스크류 메커니즘을 장착하였다. 상기 금속 밴드 히터를 가열하여 상기 배럴이 287.8℃의 온도를 획득하게 하였고 24시간 초과 동안 그 온도를 유지하였다. 상기 배럴 내로 폴리카보네이트 폴리머를 도입하였고, 쌍축 스크류를 회전시켜 상기 폴리머를 용융하고 상기 배럴의 길이 아래로 이동시켰다. 도 17에 도시된 바와 같이, 상기 히터의 외부 표면의 온도는 350℃를 초과하였다. 따라서, 금속 밴드 히터를 갖춘 외부 온도는 실시예 1의 히터의 외부 온도보다 약 6.4배 더 크다.
일반적으로, 본 발명은 본 명세서에 개시된 임의의 적절한 성분을 포함하거나, 이들로 이루어지거나, 또는 본질적으로 이루어질 수 있다. 본 발명은 종래의 조성물에 사용되거나 또는 그렇지 않다면 본 발명의 기능 및/또는 목적의 획득에 필요하지 않은 임의의 성분, 재료, 소재, 보조제(adjuvant) 또는 종(species)이 없거나 또는 실질적으로 없도록, 부가적으로 또는 대안적으로, 배합될 수 있다.
본 명세서에 기술된 모든 범위는 종점들을 포함하고, 상기 종점을 서로 독립적으로 조합가능하다(예를 들어 "25 중량% 이하, 또는 보다 구체적으로 5중량% 내지 20 중량%"의 범위는 "5 중량% 내지 25 중량%"의 종점들 및 모든 중간값들을 포함한다). "조합"은 블렌드, 혼합물, 합금, 반응 생성물 등을 포함한다. 또한 본 명세서에서 용어 "제1", "제2" 등은 임의의 순서, 양 또는 중요성을 표시하는 것이 아니고, 하나의 요소를 다른 요소와 구별하기 위해 사용된다. 본 명세서에서 단수 및 용어 "the"는 본 명세서에서 달리 표시되거나 또는 문맥상 명백히 상반되지 않는 한, 양의 제한을 나타내는 것이 아니라, 단수 및 복수 모두를 포괄하여 구성하는 것이다. 본 명세서에서 사용된 접미어 "(들)"은 이들이 한정하는 용어의 단수 및 복수 모두를 포함하고, 따라서 하나 이상의 이 용어를 포함한다(예를 들어 상기 필름(들)은 하나 이상의 필름을 포함한다). 명세서 전체에 걸쳐 "일 구현예", "다른 구현예", "구현예" 등에 대한 참조는 상기 구현예와 관련되어 기술된 특정 요소(예를 들어, 특질, 구조 및/또는 특징)가 본 명세서에 기술된 하나 이상의 구현예에 포함되고, 다른 구현예에 존재하거나 존재하지 않을 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 상기 기술된 요소들은 각종 구현예에서 임의의 적절한 방식으로 조합될 수 있음을 이해하여야 한다.
특정 구현예들이 기술되었으나, 현재 예측하지 못하거나 예측할 수 없는 대안, 개질, 변형, 개선 및 실질적 등가물들이 출원인 또는 해당 기술 분야의 다른 이들에게 있을 수 있다. 따라서, 출원시 첨부된 청구범위 및 보정될 수 있는 청구범위는 이러한 모든 대안, 개질 변형, 개성 및 실질적 등가물들을 포괄하는 것으로 의도된다.

Claims (22)

  1. 배럴; 및
    상기 배럴 상에 배치된 히터;를 포함하는 단열 용융 처리장치로서,
    상기 히터는
    상기 배럴의 표면과 접촉하는 단열재; 및
    상기 단열재 내에 배치되는 방열 부재(heat member);를 포함하고,
    상기 방열 부재는 상기 방열 부재를 통과하는 전류의 전도에 응답하여 열을 제공하도록 구성된 단열 용융 처리장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 히터는 상기 배럴과 대향하는 상기 단열재의 표면에 배치된 지지체를 더 포함하고, 상기 지지체는 상기 히터와 상기 배럴 사이의 갭(gap)을 방지하는 단열 용융 처리장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 지지체는 상기 히터로부터 분리가능하고, 상기 지지체는 금속, 세라믹, 폴리머 또는 전술한 것들 중 1종 이상을 포함하는 조합을 포함하는 단열 용융 처리장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단열재는 높이, 넓이 및 길이를 갖는 형상으로서, 두께를 갖는 직사각형이고, 상기 높이는 상기 넓이의 1.5 내지 5.0배이고, 상기 길이는 상기 높이의 2.0 내지 10.0배이고, 상기 두께는 1 내지 10 cm인 단열 용융 처리장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배럴은 배럴 구획들을 포함하고, 상기 각각의 배럴 구획 주위의 상기 단열재는 오직 한 지점에서 자기 자신과 접합하며 둘러싸는 단일 조각의 단열재를 포함하는 단열 용융 처리장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단열재는 10 ppm 미만의 석면, 10 ppm 미만의 납, 10 ppm 미만의 수은, 10 ppm 미만의 카드뮴 및 10 ppm 미만의 비소, 및 1000 ppm 미만의 붕소를 포함하는 세라믹 섬유를 포함하는 단열 용융 처리장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방열 부재는 와이어 발열체를 포함하고, 상기 와이어 발열체는 0.5 내지 4.0 mm의 직경을 가지고, 상기 배럴 상에 장착될 경우 상기 와이어 발열체는 상기 배럴의 표면으로부터 10 mm 이하에 있는 단열 용융 처리장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방열 부재는 와이어 발열체를 포함하고, 상기 와이어 발열체는 평판 코일(flat coil)로 형상화되고, 상기 평판 코일은 사인파의 형상이고, 상기 사인파의 진폭은 상기 와이어 발열체의 직경의 10배 이상인 단열 용융 처리장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방열 부재는 와이어 발열체를 포함하고, 상기 와이어 발열체는 합금이고, 상기 합금은 니켈, 크롬, 철, 구리, 몰리브덴, 텅스텐 및 망간 중 2종 이상을 포함하는 단열 용융 처리장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히터는 6000 와트(watt) 이하의 전력을 소비하는 단열 용융 처리장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히터는 수 장벽(water barrier)을 형성하는 외부층을 더 포함하고, 상기 외부층은 금속, 실리콘, 열경화성 수지, 또는 전술한 것들 중 1종 이상을 포함하는 조합을 포함하는 단열 용융 처리장치.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히터는 상기 히터와 상기 배럴 사이에 갭이 없도록 상기 배럴과 직접적으로 접촉하는 단열 용융 처리장치.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배럴은 관(tube)의 말단에 배치된 플랜지(flange)를 포함하고, 상기 히터는 상기 관 상에 배치되고, 플랜지 덮개가 상기 플랜지 상에 배치되고, 상기 히터의 단열재와 동일 또는 상이한 플랜지 단열재를 포함하는 플랜지 덮개를 더 포함하고,
    상기 플랜지 덮개는 상기 단열재 내에 배치되고 상기 플랜지를 가열하도록 구성된 제2 방열 부재를 더 포함하는 단열 용융 처리장치.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배럴은
    복수의 배럴 구획을 포함하고, 각각의 배럴 구획은
    관(tube); 및
    상기 관에 의해 분리되고 상기 관의 대향 말단에 부착된 1쌍의 플랜지;를 포함하고,
    상기 배럴 구획들은 인접한 배럴 구획의 플랜지들이 서로 접촉하도록 배열되고, 및
    히터가 각각의 배럴 구획의 플랜지 쌍 사이의 관 상에 배치되도록 복수개의 히터가 배럴 상에 배치되고, 플랜지 덮개가 상기 인접한 배럴 구획의 플랜지 상에 배치된 단열 용융 처리장치.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배럴은
    관;
    상기 관 내에 배치되고 상기 관의 길이를 따라 연장된 보어(bore); 및
    상기 보어 내에 배치되고 폴리머에 힘을 적용하도록 구성된 스크류 부재를 포함하는 단열 용융 처리장치.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히터는 가요성으로서 상기 배럴의 형상과 일치하고, 상기 히터는 상기 배럴로부터 분리가능하고, 상기 히터는 상기 단열 용융 처리장치의 길이를 따라 온도 구배를 생성하도록 구성된 단열 용융 처리장치.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히터는 상기 단열 용융 처리장치의 길이를 따라 등온 온도를 생성하도록 구성된 단열 용융 처리장치.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배럴의 표면의 온도와 상기 히터의 외부 표면의 온도의 차이가 300℃ 이상이고, 상기 배럴이 폴리올레핀, 폴리카보네이트 또는 전술한 폴리머들 중 1종 이상을 포함하는 조합을 포함하는 폴리머를 용융 처리하기에 유효한 온도를 갖는 경우 상기 히터의 외부 표면의 온도가 130℃ 이하인 단열 용융 처리장치.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단열재는 전기적으로 절연이고/이거나, 상기 히터는 20 파운드 이하의 중량을 갖는 단열 용융 처리장치.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용융 처리장치는 100 내지 500 rpm에서 작동하는 1.0 내지 8.0 인치 직경의 스크류를 갖는 단축 압출기이거나, 혹은 상기 용융 처리장치는 200 내지 1000 rpm에서 작동하는 1.0 내지 8.0 인치 직경의 스크류를 갖는 동시 회전 쌍축 압출기인 단열 용융 처리장치.
  21. 폴리머 용융 처리용 시스템으로서, 상기 시스템은
    제1항 내지 제20항 중 어느 한 항의 단열 용융 처리장치; 및
    상기 방열 부재에 전기적으로 연결된 제어기;를 포함하고;
    상기 제어기는 상기 방열 부재에 전류를 공급하도록 구성되고, 상기 제어기는 상기 배럴 상에 배치된 온도 센서에 전기적으로 연결되고, 상기 제어기는 상기 배럴의 온도를 기준으로, 선택된 온도까지 상기 방열 부재를 가열하도록 구성되고, 상기 제어기는 제2 온도 센서에 전기적으로 연결되고, 상기 제2 온도 센서는 상기 히터의 외부 표면의 온도를 감지하도록 구성된 폴리머 용융 처리용 시스템.
  22. 폴리머의 용융 처리 동안의 전력 소모를 감소시키는 방법으로서, 상기 방법은
    제1항 내지 제20항 중 어느 한 항의 단열 용융 처리장치에서 폴리머를 처리하는 단계로서, 상기 단열 용융 처리장치는 상기 배럴 내에 배치된 스크류 부재를 더 포함하는 단계;
    상기 방열 부재를 통해 전류를 통과시켜 상기 배럴을 가열하는 단계;
    상기 스크류 부재를 회전시킴으로써 상기 폴리머에 힘을 적용하는 단계; 및
    상기 폴리머를 용융하는 단계;를 포함하고,
    상기 방열 부재를 통과한 전류에 의해 상기 배럴을 가열하는 효율은 상기 폴리머를 용융하기에 유효한 온도에 도달하는데 요구되는 상기 방열 부재를 통과하는 전류의 양을 기준으로 70% 이상이고; 및
    상기 폴리머는 폴리올레핀, 폴리카보네이트 또는 전술한 폴리머들 중 1종 이상을 포함하는 조합을 포함하는 폴리머의 용융 처리 동안의 전력 소모를 감소시키는 방법.
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