KR20210027930A - 열교환 채널이 내부에 형성된 금형 - Google Patents

Abstract

본 발명은 상호 상응하는 성형공간이 일측면에 형성된 금형바디; 및 상기 금형바디의 내부에 중공으로 형성되어, 상기 중공을 따라 유동하는 열교환매체가 유동방향을 축으로, 나선형태로 소용돌이 유동하게 하는 열교환 채널;을 포함하는 열교환 채널이 내부에 형성된 금형을 제공한다.
따라서, 다이캐스팅과 같이 주조 공정 중 금형 내부에 냉각 유체를 주입하여 냉각시키는 금형에서 유체의 흐름을 소용돌이 현상으로 제어하여 난류(Turbulent)를 억제하고 층류 특성을 가진 와류(vortex)로 유도함으로써 냉각 효율을 향상시키고, 주물품의 응고를 가속함으로써 주물품의 기공이나 수축공을 저감시켜 품질을 올릴 수 있으며 생산 시간을 단축할 수 있다.

Description

열교환 채널이 내부에 형성된 금형{Mold with heat exchange channel formed inside}

본 발명은 열교환매체가 열교환 채널 내부를 유동할 때, 열교환 채널의 내측면에 형성된 와류유도수단에 의해 상기 열교환매체가 유동방향을 축으로 하는 나선형태로 소용돌이(vortex) 유동하게 유도하는 금형에 관한 것이다.

일반적으로 성형용 금형의 대표적인 예는 다이캐스팅 금형, 유리성형용 금형 그리고 식소몰딩(Thixo-moulding)금형, 인젝션몰딩(Injection-moulding)금형, 스퀴즈캐스팅(Squeeze casting)금형 등이 있다.

여기서 다이캐스팅 금형을 살펴보면 약 600℃ 정도까지 내열성과 고온강도를 만족하는 SKD8, SKD61과 같은 공구강이나 13Cr 마르텐사이트계 스텐레스강(420J2)과 같이 고온경도가 높은 재료를 이용하여 내부에 성형제품의 캐비티를 형성하고, 제품의 성형 시간을 단축하기 위해 캐비티와 주입구 주변에 격리된 냉각용 채널을 형성하게 된다.

더 높은 600℃ 이상 온도에서 내구성을 요구하는 경우에는 이들 금형에 TiN, TiCN, CrN 등과 같은 세라믹층을 수 미크론 두께로 PVD코팅하여 사용하였고, 그래도 만족하지 못하는 경우에는 금형에 질화처리한 뒤 다시 세라믹층을 PVD코팅하여 사용하였다.

이로 인해 금형의 내구성은 크게 향상되었지만 제품생산 리드 타임은 그에 비해 발전이 적었는데, 그 이유는 제품 성형 후 냉각시간이 종래에 비해 크게 줄어들지 않았기 때문이다.

이를 개선하기 위해 금형의 냉각수 주입압력을 높이게 되는데 압력이 높아지면서 냉각수의 레이놀즈 수가 크게 상승하여 이로 인해 냉각채널 내에서 난류(Turbulent)가 형성되어 냉각효율이 개선되기 어려웠다.

상기 문제점을 해소하기 위해 종래기술 중 열전달에 소용돌이 현상을 이용한 최초의 기술인 보텍스 튜브는 1933년 프랑스 물리학자 Georges J. Ranque가 발명하였는데 압축된 기체를 뜨거운 흐름과 차가운 흐름으로 분리하는데 쓰였다.

이를 독일 물리학자 Rudolf Hilsch가 디자인을 향상시키고, 1947년 논문을 냈으며 Wirbelrohr(whirl pipe)라 이름 붙였고, 1967년에는 Linderstrom-Lang에 의해 산소-질소, 이산화 탄소-헬륨, 이산화탄소-공기 혼합기체를 분리시키는데 쓰였으며, 압축된 공기가 와류실(swirl chamber)을 향해 분출되면 빠른 속도로 가속되며 회전한다.

튜브 끝에 있는 원뿔형 노즐 때문에 튜브 바깥에서 회전하던 기체만 밖으로 빠져 나간다. 빠져나가지 못한 나머지 기체는, 바깥 소용돌이(vortex) 안쪽에서, 반대 방향으로 되돌아가는 힘을 받아 소용돌이를 일으키며 되돌아가게 된다.

보텍스 튜브는 또한 액체에도 사용될 수 있다. 1998년 R.T.Balmer가 물을 이용하여 실험했다. 여기서, 주입구 압력이 충분히 높으면(20~50bar), 액체 또한 보텍스 튜브에서 열에너지 분리 현상을 일으킬 수 있음이 밝혀졌다.

이런 보텍스 현상을 이용하여 금형 내부의 냉각 덕트에서 보텍스 유동이 쉽게 일어나도록 해주면 덕트 내부 유체흐름에서 난류로 인한 에너지 손실이 적어져 유체의 흐름이 빨라지고 이로 인해 금형의 열전달효율이 상승하게 된다.

현재도 보텍스 튜브는 열교환이 필요한 금형에 많이 이용되는 기술이다. 예를 들어 US7789649 특허와 DE102005031747 특허는 보텍스 튜브 원리를 응용한 파이프 압출 다이에 관한 것으로서, 폴리올레핀 압출 다이 내부에 보텍스 튜브를 설치하여 압축공기를 주입하면 사출 파이프가 압출되는 부위의 다이를 보텍스 튜브의 찬 공기가 냉각시키고 빠져 나가면서 파이프의 내부를 2차로 냉각하며, 폴리 올레핀을 냉각시킨 더운 공기는 찬 공기와 반대방향으로 빠져나가게 함으로써 파이프 두께에 관계없이 균일한 온도가 형성되어 내부 응력이 낮아지고 제품 품질이 향상된다.

JP2008023549 특허에서는 금형의 가스 스프링을 냉각하는데 보텍스 튜브를 적용하였다. 이 특허에서는 가스 봄베 실린더와 외측 배럴 사이의 통풍로에 보텍스 튜브를 설치하여 피스톤 로드와 다이 부품을 냉각하는 방법을 제시하고 있다.

공개특허 10-2018-0114265에서는 인서트 사출물을 취출하여 이중 사출금형에 투입하기 전에 급속냉각하는 방안으로 보텍스 튜브를 이용하는 것을 제안하고 있다.

등록특허 10-1741079에서는 몰드 웨이퍼를 냉각하는데 보텍스 튜브를 이용하고 있다.

그러나 이같이 보텍스 튜브를 이용한 기술에서는 튜브 내부에서 더운 공기의 배출구에 설치된 원뿔형 노즐 때문에 공기 소용돌이(vortex)가 발생하면서 온도차로 인해 생기는 위상차에 의해 미처 빠져 나가지 못하던 찬 공기가 반대 방향 배출구로 나가도록 흐름이 결정되는 구조라 더운 공기와 찬 공기가 분리되어 더운 공기의 열에너지를 찬 공기로 전달하여 냉각시키는 효과는 기대하지 못하므로 냉각효율이 낮을 수 밖에 없다.

이 외에 보텍스 순환을 이용한 기술로 CN206779384 실용신안에서는 용융 금속을 성형하는 금형에 캐비티 주위에 냉각수를 공급하는 채널 내부에 절개된 요철이 지그재그식으로 형성된 판상 금속을 삽입하여 냉각수가 이 사이를 흐르면서 보텍스를 유도하는 것을 제안하고 있다. 하지만 이것은 유체의 자연스러운 흐름을 유도하여 빠른 유속을 얻어 효율을 극대화하는 데는 적합하지 않은 단점이 있다.

공개특허 10-2013-0125925에서는 핫프레스포밍용 금형에서 냉각수 저장부에 새로운 냉각수를 분사하여 기저장된 냉각수에 와류를 발생시키는 장치를 내장하는 것에 대해 제안하고 있다. 그러나 이 방법도 냉각수 저장부에 새로운 냉각수를 유입하면서 냉각수의 순환이 일어나 온도가 균일해지는 정도의 효과를 기대할 수 있을 뿐이며, 고속으로 유체가 순환하면서 냉각효율을 올리도록 기대하기는 어려운 단점이 있다.

공개특허 10-2012-0122890에서는 핫프레스 공정에서 사용하는 금형의 냉각유로에 돌기를 만들어 냉각수에 생성되는 기포를 원활하게 제거함으로써 열교환 특성을 향상하는 방안을 소개하고 있다. 그러나 이 방안은 기포가 유로벽에서 잘 떨어지게 하는 데는 도움이 되지만 유체의 순환속도를 향상하기는 어려운 단점이 있다.

본 발명의 목적은 열전달 유체가 소용돌이 형상으로 회전하여 냉각 성능을 극대화하며, 금형 제조방법에 적층제조를 이용하여 냉각 유체가 흐르는 채널 단면에 소용돌이 흐름을 형성함으로써 내부 유체의 흐름을 제어할 수 있는 기능을 가지는 열교환 채널이 내부에 형성된 금형을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 상호 상응하는 성형공간이 일측면에 형성된 금형바디; 및 상기 금형바디의 내부에 중공으로 형성되어, 상기 중공을 따라 유동하는 열교환매체가 유동방향을 축으로, 나선형태로 소용돌이 유동하게 하는 열교환 채널;을 포함하는 열교환 채널이 내부에 형성된 금형을 제공한다.

본 발명에 따른 열교환 채널이 내부에 형성된 금형에 있어서, 상기 열교환 채널은, 그 중공 단면이 중심을 기준으로 좌, 우 둘레가 서로 단차를 갖도록 중공의 좌, 우 둘레가 역대칭을 이루면서, 중공의 길이방향을 축으로 중공의 길이를 따라 연속반복 나선형으로 꼬인 열교환 채널이 내부에 형성될 수 있다.

상기 열교환 채널의 좌, 우 둘레의 단차는 직경의 1/3 이하일 수 있고, 나선형의 꼬임 기울기 각은 5~30ㅀ일 수 있다.

상기 열교환 채널은, 그 중공 중심을 기준으로, 방사상 배열된 복수 개의 홈이 상기 열교환 채널의 중공 내측면을 따라 나선형으로 꼬인 형태로 형성되어 강선 홈을 이룰 수 있다.

상기 열교환 채널은, 그 중공 중심을 기준으로, 방사상 배열된 복수 개의 돌출편이 상기 열교환 채널의 중공 내측면을 따라 나선형으로 꼬인 형태로 형성되어, 강선 돌출편을 이룰 수 있다.

상기 금형바디는 해당 높이별로 적층되되, 복수의 레이어 층이 합쳐져 일체를 이루도록 한 구조일 수 있다.

본 발명에 따른 열교환 채널이 내부에 형성된 금형에 의해 나타나는 효과는 다음과 같다.

본 발명에 따르면, 다이캐스팅과 같이 주조 공정 중 금형 내부에 냉각 유체를 주입하여 냉각시키는 금형에서 유체의 흐름을 소용돌이 현상으로 제어하여 난류(Turbulent)를 억제하고 층류 특성을 가진 와류(vortex)로 유도함으로써 냉각 효율을 향상시키고, 주물품의 응고를 가속함으로써 주물품의 기공이나 수축공을 저감시켜 품질을 올릴 수 있으며 생산 시간을 단축할 수 있다.

도 1은 본 발명에 실시예에 따른 열교환 채널이 내부에 형성된 금형을 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 열교환 채널을 확대하여 도시한 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 상부 금형 및 하부 금형과 본 발명의 실시예에 따른 분류자가 적용된 상태를 도시한 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 분류자를 확대하여 도시한 도면이다.
도 5는 도 1에 도시한 열교환 채널에 형성된 강선 홈 및 강선 돌출편을 확대하여 도시한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 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 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 균등한 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명은 열교환매체가 열교환 채널 내부를 유동할 때, 열교환 채널의 내측면에 형성된 와류유도수단에 의해 상기 열교환매체가 유동방향을 축으로 하는 나선형태로 소용돌이(vortex) 유동하게 유도하여, 열교환매체의 유동 압력이 높아도 열교환매체의 난류 흐름이 방지되고, 난류에 따른 유체 내부 충돌로 인한 운동에너지 손실이 적어, 전체 열교환매체가 열교환에 참여하기 때문에 열교환 효율이 높은 열교환 채널이 내부에 형성된 금형을 제공하는데, 도면을 참조하여 더욱 상세하게 살펴보면 다음과 같다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 열교환 채널이 내부에 형성된 금형은 금형바디(100, 200), 열교환 채널(120, 220)을 포함하는데, 먼저 금형바디(100)는 상호 상응하는 소정의 성형공간(110, 210)을 형성하며, 내부에 열교환매체가 유동하는 열교환 채널(120, 220)이 형성된 상부금형바디(100) 및 하부금형바디(200)와, 상기 상부금형바디(100) 및 하부금형바디(200)의 열교환 채널(120, 220)에 각각 저온의 열교환매체를 공급하는 냉각유닛(10)을 구비한다.

이때 상기 상부금형바디(100)는 성형기의 고정설치판(101)에 설치되며, 상기 고정설치판(101)은 상면이 성형기의 금형부착판(도시하지 않음)에 고정되어 있고, 용융된 금속 또는 수지가 상부금형바디(100)와, 하부금형바디(200) 사이의 성형공간(110: 캐비티)에 주입될 수 있도록, 후술되는 분류자(300) 및 사출성형기의 수지노즐(도시하지 않음)이 설치되기 위해 스풀 부시(미도시)가 설치되어 있다.

그리고 상기 하부금형바디(200)는 성형기의 가동설치판(201)에 설치되며, 상부금형바디(100)와의 사이에서 성형된 제품을 취출하기 위한 취출수단(도시하지 않음)을 구비할 수 있다.

한편, 상기 상부금형바디(100) 및 하부금형바디(200)는 성형공간에 인접된 위치의 내부에 저온의 열교환매체가 유동할 수 있도록 열교환 채널(120, 220)을 각각 형성한다.

이때 상기 열교환 채널(120, 220)은 상기 상부금형바디(100) 및 하부금형바디(200) 각각의 내부에 중공으로 형성되어, 입구를 통해 유입된 열교환매체를 상기 금형바디의 내부를 유동시킨 후 출구로 유출시킨다.

그리고 상기 상부금형바디(100) 및 하부금형바디(200)의 외측면에는 냉각유닛(10)으로부터 열교환매체가 유입될 수 있도록, 상기 열교환 채널(120, 220)의 입구 및 출구가 형성되는 것이 바람직하고, 본 발명의 일 실시 예에 따른 열교환 채널(120, 220)은 그 중공 단면에서 일측에 단차를 가지거나, 중심을 기준으로 좌, 우 둘레가 서로 단차를 갖도록 형성되어 나선형태로 형성되어, 상기 열교환 채널(120, 220)의 중공을 따라 유동하는 열교환매체는 유동방향을 축으로 하는 나선형태로 소용돌이 유동하게 된다.

이때 상기 열교환 채널(120, 220)은 그 중공 단면이 중심을 기준으로 좌, 우 둘레가 서로 단차를 갖도록, 중공의 좌, 우 둘레가 역대칭을 이루면서, 중공의 길이방향을 축으로 중공의 길이를 따라 연속반복 나선형으로 꼬인 형태를 이루는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 상기 열교환 채널(120, 220)의 좌, 우 둘레의 단차는 직경의 1/3 이하이고, 나선형의 꼬임 기울기 각은 5~30ㅀ인 것이 바람직하다.

따라서 상기한 열교환 채널(120, 220)에 의해 열교환매체가 열교환 채널(120, 220) 내부를 순환할 때 열교환 채널(120, 220)의 중공 내측면에 나선형으로 형성된 요철이나 홈이 일정 기울기 각을 가짐으로써 유체의 강선효과(Rifling Passageway)를 유발하여 자연스럽게 소용돌이(vortex) 흐름이 형성되고 압력이 높아도 난류 형성에 의한 유체 내부 충돌로 인한 운동에너지 손실이 적어 전체 유체가 열전달에 의해 열교환에 참여하기 때문에 열교환 효율이 높다.

여기서 상기 열교환 채널(120, 220)의 좌, 우 둘레 단차가 중공 직경의 1/3을 초과할 경우에는 유체의 저항이 지나치게 커져 유속을 저하하여 열교환 효율이 도리어 저하되고, 나선형의 꼬임 기울기 각이 5ㅀ미만인 경우에는 강선 효과가 적어 난류 억제효과가 충분하지 못하고, 기울기 각이 30ㅀ를 초과하면 유체가 금형 내에 머무는 시간이 증가하여 결과적으로 유속이 느려진 것과 같은 결과가 되어 열교환 효율이 저하하는 문제 때문에 상기 열교환 채널(120, 220)의 좌, 우 둘레의 단차를 중공 직경의 1/3 이하로 한정하고, 나선형의 꼬임 기울기 각은 5~30ㅀ로 한정한다.

이를 더욱 바람직하게 한정하면, 상기 열교환 채널(120, 220)의 좌, 우 둘레의 단차는 중공 직경의 1/10~1/5이고, 나선형의 꼬임 기울기 각은 10~15ㅀ로 한정하면서,

상기 열교환 채널(120, 220)은 상기 상부금형바디(100) 및 하부금형바디(200) 각각의 표면에서 내측으로 중공 직경의 0.7배 이상 ~ 10배 이하의 거리를 두고 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 냉각유닛(10)은 내부에 저온의 열교환매체가 수용된 수용탱크(11)와, 양단이 수용탱크(11) 및 열교환채널(120, 220)의 입구에 각각 연통되게 연결된 공급관(12)을 구비하고, 상기 열교환매체는 저온의 기체 및 액체인 것이 바람직하며, 상기 냉각유닛(10)은 상부금형바디(100) 및 하부금형바디(200)의 열교환 채널(120, 220) 내로 저온의 열교환매체를 공급하여, 상기 상부금형바디(100) 및 하부금형바디(200)가 냉각되도록 한다.

도 2 및 도 4를 참조하면, 여기서 본 발명의 일 실시 예에 따른 상기 열교환 채널(120, 220)은 금형바디(100, 200) 뿐만 아니라, 용융 금속의 진로를 제어하는 분류자(300)에도 형성될수 있는데, 상기 분류자(300)의 내부에 형성되는 열교환 채널(320) 역시, 그 중공 단면이 중심을 기준으로 좌, 우 둘레가 서로 단차를 갖도록, 중공의 좌, 우 둘레가 역대칭을 이루면서, 중공의 길이방향을 축으로 중공의 길이를 따라 연속반복 나선형으로 꼬인 형태를 이루는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 상기 열교환 채널(320)의 좌, 우 둘레의 단차는 직경의 1/3 이하이고, 나선형의 꼬임 기울기 각은 5~30ㅀ인 것이 바람직하다.

따라서 상기한 열교환 채널(320)에 의해 열교환매체가 열교환 채널(320) 내부를 순환할 때 열교환 채널(320)의 중공 내측면에 나선형으로 형성된 요철이나 홈이 일정 기울기 각을 가짐으로써 유체의 강선효과(Rifling Passageway)를 유발하여 자연스럽게 소용돌이(vortex) 흐름이 형성되고 압력이 높아도 난류 형성에 의한 유체 내부 충돌로 인한 운동에너지 손실이 적어 전체 유체가 열전달에 의해 열교환에 참여하기 때문에 열교환 효율이 높다.

도 5를 참조하면, 더불어 상기 열교환 채널(120, 220, 320)의 그 중공 단면은 다양한 형상으로 형성할 수 있는데, 일례로 상기 열교환 채널(120, 220, 320)의 그 중공 중심을 기준으로, 방사상 배열된 복수 개의 홈이 상기 열교환 채널의 중공 내측면을 따라 나선형으로 꼬인 형태로 형성되어 강선 홈(410)을 이룰 수 있다.

또한, 상기 열교환 채널(120, 220, 320)의 그 중공 중심을 기준으로, 방사상 배열된 복수 개의 돌출편이 상기 열교환 채널의 중공 내측면을 따라 나선형으로 꼬인 형태로 형성되어, 강선 돌출편(510)을 이룰 수 있다.

상기 홈 및 돌기의 단면 형상은 금형바디 및 분류자의 설계 조건에 따라 다양한 형상이 적용될 수 있는 바, 어느 한 형상에 한정하지 않는다.

상기 금형바디(100, 200) 및 분류자(300)는 해당 높이로 적층됨에 있어 수십 미크론의 레이어층으로 적층되어 일체로 이루어지는 구조를 갖는다.

상기 금형바디(100, 200) 및 분류자(300)가 제조 될 시, 3D프린터를 이용되는 것이 바람직하고, 이는 복잡한 형태의 열교환 채널을 용이하게 형성할 수 있기 때문이다.

본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

100 : 상부금형바디 110 : 성형공간
120 : 열교환 채널 200 : 하부금형바디
210 : 성형공간 220 : 열교환 채널
300 : 분류자 320 : 열교환 채널

Claims (6)

1. 상호 상응하는 성형공간이 일측면에 형성된 금형바디; 및
   상기 금형바디의 내부에 중공으로 형성되어, 상기 중공을 따라 유동하는 열교환매체가 유동방향을 축으로, 나선형태로 소용돌이 유동하게 하는 열교환 채널;을 포함하는 열교환 채널이 내부에 형성된 금형.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 열교환 채널은
   그 중공 단면이 중심을 기준으로 좌, 우 둘레가 서로 단차를 갖도록 중공의 좌, 우 둘레가 역대칭을 이루면서, 중공의 길이방향을 축으로 중공의 길이를 따라 연속반복 나선형으로 꼬인 열교환 채널이 내부에 형성된 금형.
   
3. 청구항 4에 있어서,
   상기 열교환 채널의 좌, 우 둘레의 단차는 직경의 1/3 이하이고, 나선형의 꼬임 기울기 각은 5~30ㅀ인 열교환 채널이 내부에 형성된 금형.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 열교환 채널은
   그 중공 중심을 기준으로, 방사상 배열된 복수 개의 홈이 상기 열교환 채널의 중공 내측면을 따라 나선형으로 꼬인 형태로 형성되어 강선 홈을 이루는 열교환 채널이 내부에 형성된 금형.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 열교환 채널은
   그 중공 중심을 기준으로, 방사상 배열된 복수 개의 돌출편이 상기 열교환 채널의 중공 내측면을 따라 나선형으로 꼬인 형태로 형성되어, 강선 돌출편을 이루는 열교환 채널이 내부에 형성된 금형.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 금형바디는
   해당 높이별로 적층되되, 복수의 레이어 층이 합쳐져 일체를 이루도록 한 구조인 열교환 채널이 내부에 형성된 금형.

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