KR20220107125A - 사이클론 냉각 효과를 가진 성형 후 냉각 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따르면, 성형 후 냉각 장치는 성형품을 냉각하기 위해 성형품의 오목한 내면에 대하여 냉각 유체 스트림을 안내한다. 성형 후 냉각 장치는 성형품의 개방 말단 내로 냉각 유체 스트림을 안내하도록 배치된 출구를 포함한다. 성형품의 내면은 오목하다. 출구는 냉각 유체 스트림을 나선 방향으로 안내하도록 구성되어, 성형품의 오목한 내면의 적어도 일부분은, 성형품의 개방 말단으로부터 오목한 내면의 길이를 따라 성형품의 폐쇄 말단을 향하여 성형품의 오목한 내면에 대하여 냉각 유체 스트림의 난류를 생성하도록, 냉각 유체 스트림의 흐름 방향에 대하여 굴곡진 표면으로서 작용한다.

Description

사이클론 냉각 효과를 가진 성형 후 냉각 방법{Post-mold cooling method with cyclone cooling effect}

본 발명은 성형품(molded article)의 냉각에 관한 것이다.

성형품의 성형 후 냉각은, 프리폼(preform)과 같은 성형품의 두꺼운 벽이 사출 성형 과정으로부터 열을 보유하기 때문에, 널리 공지되어 있으며 사용되고 있다. 프리폼은 통상적으로 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate; PET) 수지로부터 성형되고, 2.0 mm 이상의 벽두께를 가진다. 수지의 매우 낮은 열 전도성 때문에, 상당한 양의 잔열은, 프리폼이 몰드(mold)로부터 사출된 이후에 프리폼 벽 내에 보유된다. 이러한 잔열은 프리폼의 내면 및 외면으로 전이되고, 잔열이 제거되지 않는다면, 이러한 잔열은, 프리폼이 형태를 유지하는 동안, 프리폼의 모양이 상당히 변형될 정도로 프리폼의 표면이 재가열되게 할 것이다. 또한, 프리폼이 또 다른 프리폼과 접촉한다면, 이러한 잔열은 프리폼과 또 다른 프리폼이 서로 용접되게 할 수 있다.

특허문헌 1은 갓 성형된 프리폼 내에 삽입된 튜브를 포함하는 성형 후 냉각 장치를 개시한다. 튜브는 프리폼의 폐쇄 말단으로 연장되어, 공기가 튜브를 통해 흡입될 때, 외기가 프리폼의 개방 말단으로부터 프리폼의 내부로 흡입됨으로써 프리폼 내에 고리 모양의 흐름을 일으키고, 외기가 튜브의 폐쇄 말단에 도달하여, 계속해서 튜브 내에서 흐름으로써 튜브 실장 판 내에 제공된 도관을 통해 배출된다.

특허문헌 2는 갓 성형된 프리폼이 냉각을 계속하도록 삽입되는 성형 후 냉각 튜브를 개시한다. 진공원은, 프리폼의 외경이 냉각으로 인하여 수축함에 따라 프리폼이 튜브의 폐쇄 말단을 향하여 미끄러지도록 튜브의 폐쇄 말단에 제공된다. 냉각 튜브의 내면은 성형된 프리폼의 구배각(draft angle)에 맞게 테이퍼져 있기 때문에, 프리폼이 튜브 내로 더 미끄러짐에 따라 프리폼의 외면은 계속해서 튜브의 내면과의 접촉을 유지하고, 계속해서 열을 냉각 튜브로 전달한다. 이러한 디자인은 "인티메이트 피트(intimate fit)" 냉각 튜브라는 별명이 붙여졌으며, 오늘날 널리 사용되고 있다.

특허문헌 3은 프리폼이 인티메이트 피트 냉각 튜브 내에서 냉각되는 동안 프리폼 내에 삽입되는 냉각 핀을 개시한다. 냉각 핀은 프리폼의 폐쇄 말단 근처까지 연장되고 폐쇄 말단에서 프리폼의 내면에 대하여 냉각 유체(공기)를 안내하는 중공 튜브이다. 냉각 유체는, 냉각 유체가 프리폼의 폐쇄 말단으로부터 프리폼의 개방 말단을 향하여 이동하고 대기로 배출됨에 따라, 고리 모양의 냉각 스트림을 형성한다. 이러한 고리 모양으로 흐르는 공기의 스트림은 열을 프리폼의 내면으로부터 제거한다.

특허문헌 4는, 프리폼이, 프리폼의 개방 말단으로부터 이격된 노즐로부터 분사 냉각 공기를 분출함으로써 냉각 튜브 내에서 냉각되는 동안 프리폼의 내부를 냉각하는 방법을 개시한다. 분사 냉각 공기를 안내하는 노즐은 프리폼의 길이방향 축에 동축으로 정렬되고, 분사 냉각 공기는 이러한 길이방향 축에 평행하게 프리폼의 폐쇄 말단을 향하여 이동한다. 특허문헌 4는, 또한, 분사 냉각 공기를 프리폼의 내면에 평행하게 그리고 프리폼의 내면을 따라 안내하도록 노즐을 선택적으로 위치시키는 구성을 개시한다.

특허문헌 5는 프리폼이 인티메이트 피트 냉각 튜브 내에서 냉각되는 동안 프리폼의 외부 목 말단을 냉각하는 방법을 개시한다. 프리폼의 개방 말단 근처에 위치한 노즐은, 분사 냉각 공기가 프리폼의 목 부분의 외면에 형성된 나사산 말단 둘레를 흐르면서 상기 외면을 냉각시키도록, 분사 냉각 공기를 안내하는 방식으로 각져 있다. 냉각 공기 스트림은 나선형의 나사산 말단을 따라 나사산 마루들 사이 및 나사산 마루 위를 흐른다. 특허문헌 5는 이러한 방식으로 프리폼의 내면을 냉각하는 방법을 개시하고 있지는 않다.

프리폼의 표면을 따라 동축으로 분사 냉각 공기를 안내하는 방식의 프리폼 냉각의 이러한 모든 선행기술문헌의 실시예들은 층류 대류 냉각(laminar flow convection cooling)을 보여주고 있다.

US 4,592,719 US 4,729,732 US 6,475,422 B1 JP 7-171888 US 6,802,705 B2

본 발명의 일 양상에 따르면, 성형 후 냉각 장치는 성형품을 냉각하기 위해 성형품의 오목한 내면에 대하여 냉각 유체 스트림(a stream of cooling fluid)을 안내하도록 구성된다. 성형 후 냉각 장치는 성형품의 개방 말단 내로 냉각 유체 스트림을 안내하도록 배치된 출구를 포함한다. 성형품의 내면은 오목하다. 출구는 냉각 유체 스트림을 나선 방향으로 안내하도록 구성되어, 성형품의 오목한 내면의 적어도 일부분은, 성형품의 개방 말단으로부터 오목한 내면의 길이를 따라 성형품의 폐쇄 말단을 향하여 성형품의 오목한 내면에 대하여 냉각 유체 스트림의 난류를 생성하도록, 냉각 유체 스트림의 흐름 방향에 대하여 굴곡진 표면으로서 작용한다.

출구는 각져 있을 수 있다. 출구는 출구가 배치된 플리넘(plenum)에 대하여 각을 이룰 수 있다. 출구는 플리넘에 대하여 각을 이루는 각진 노즐 내에 제공될 수 있다.

성형 후 냉각 장치는 출구를 정의하는 삽입물을 더 포함할 수 있고, 출구는 각져 있다.

성형 후 냉각 장치는 삽입물 내에 배치된 나선형 유로를 더 포함할 수 있고, 나선형 유로는 각진 출구에서 종료한다.

성형 후 냉각 장치는 출구에 대한 각도를 정의하는, 날을 가진 삽입물을 더 포함할 수 있고, 날을 가진 삽입물은 플리넘 내에 삽입가능하다.

성형 후 냉각 장치는 출구가 복수 개일 수 있다.

성형 후 냉각 장치는 성형품으로부터 냉각 유체를 전달하도록 성형품의 개방 말단에 대하여 배치된 배출 튜브를 더 포함할 수 있다.

배출 튜브는 성형품 내로 연장되도록 배치될 수 있다.

성형 후 냉각 장치는 성형품의 냉각을 향상시키기 위해 성형품 내로 연장되도록 배치된 냉각 봉을 더 포함할 수 있다. 냉각 유체 스트림은 냉각 봉의 둘레를 흐른다.

냉각 봉은 액체 냉각 회로를 포함할 수 있다.

성형 후 냉각 장치는 냉각 유체 스트림의 난류를 촉진하도록 냉각 봉을 회전시키도록 구성된 회전 구동부를 더 포함할 수 있다.

냉각 봉은 냉각 유체 스트림의 난류를 촉진하는 외면 특징을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 성형품을 성형 후 냉각하는 방법은, 성형품의 개방 말단에 냉각 유체를 제공하는 단계; 및 성형품의 오목한 내면의 적어도 일부분은, 성형품의 개방 말단으로부터 오목한 내면의 길이를 따라 성형품의 폐쇄 말단을 향하여 성형품의 오목한 내면에 대하여 냉각 유체의 난류를 생성하기 위해, 냉각 유체의 흐름 방향에 대하여 굴곡진 표면으로서 작용하도록 성형품 내에 냉각 유체를 나선형으로 안내하는 단계를 포함한다.

성형품을 성형 후 냉각하는 방법은 성형품의 개방 말단으로부터 냉각 유체를 배출하는 단계를 더 포함할 수 있다.

성형품을 성형 후 냉각하는 방법은 성형품 내에 냉각 봉을 배치하는 단계를 더 포함할 수 있고, 냉각 유체 스트림은 냉각 봉의 둘레를 흐른다.

본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 상기 성형품을 성형 후 냉각하는 방법에 따라 제조된 성형된 프리폼이 제공된다.

첨부된 도면은 본 발명의 실시형태들을 예시적으로만 도시하고 있다.
도 1은 평판 상의 경계층의 성장을 도시하는 다이어그램(diagram)이다.
도 2는 등온선 판의 열 경계층의 성장을 도시하는 다이어그램이다.
도 3a는 층류 경계층을 도시하는 다이어그램이다.
도 3b는 난류 경계층을 도시하는 다이어그램이다.
도 4a는 원통체 내의 층류의 다이어그램이다.
도 4b는 원통체 내의 난류의 다이어그램이다.
도 5a는 오목한 표면 상의 경계층 내의 고어틀러 와류(Goertler vortices)의 다이어그램이다.
도 5b는 오목한 표면 상의 경계층 내의 고어틀러 와류의 또 다른 다이어그램이다.
도 6은 스트림 방향 속도 성분의 폭 방향 분포의 다이어그램이다.
도 7은 상대적으로 회전하는 2개의 원통체들 사이의 고리 모양 공간에 형성된 테일러 와류(Taylor vortices)의 다이어그램이다.
도 8은 본 발명에 따른 제 1 실시형태의 성형 후 냉각 장치의 측부 단면도이다.
도 9는 본 발명에 따른 제 2 실시형태의 성형 후 냉각 장치의 측부 단면도이다.
도 10은 본 발명에 따른 제 3 실시형태의 성형 후 냉각 장치의 측부 단면도이다.
도 11은 본 발명에 따른 제 4 실시형태의 성형 후 냉각 장치의 측부 부분 단면도이다.
도 12a는 본 발명에 따른 제 5 실시형태의 성형 후 냉각 장치의 측부 단면도이다.
도 12b는 본 발명에 따른 제 5 실시형태의 성형 후 냉각 장치의 후방 단면도이다.
도 13a는 본 발명에 따른 제 6 실시형태의 성형 후 냉각 장치의 측부 단면도이다.
도 13b는 본 발명에 따른 제 6 실시형태의 성형 후 냉각 장치의 후방 단면도이다.
도 14는 본 발명에 따른 제 7 실시형태의 성형 후 냉각 장치의 측부 단면도이다.
도 15는 본 발명에 따른 제 8 실시형태의 성형 후 냉각 장치의 측부 단면도이다.
도 16은 본 발명에 따른 제 9 실시형태의 성형 후 냉각 장치의 측부 단면도이다.
도 17은 본 발명에 따른 제 10 실시형태의 성형 후 냉각 장치의 측부 부분 단면도이다.
도 18은 본 발명에 따른 제 11 실시형태의 성형 후 냉각 장치의 측부 부분 단면도이다.
도 19a는 본 발명에 따른 제 12 실시형태의 성형 후 냉각 장치의 측부 단면도이다.
도 19b는 제 12 실시형태의 삽입물의 사시도이다.

대류에 의한 냉각(열 전달)을 이해함에 있어서 중요한 요소는 경계층을 이해하는 것이다. 유체 역학에 있어서, 경계층은, 점성( 및 전단 응력)의 효과가 상당한 경계면에 인접한 유체의 층이다. 경계층은 유체와 표면 사이의 열 전달이 일어나는 영역이다. 마찰은 경계층의 성장의 주요 원인이다.

경계층의 기초적인 개념은 (1904년에) 엘. 프랜틀(L. Prandtl)에 의해 제안되었으며, 관성력과 비교하여 상대적으로 낮은 점성을 가진 높은 레일놀즈 수(Reynolds Numbers; Re)를 가진 흐름에서 성장하는 유체의 층으로 정의된다. 이러한 관계는 다음의 수학식 1에 의해 표현된다:

수학식 1에 있어서,

V는 유체에 대한 물체의 평균 속도이고;

L은 특징적 선형 차원(유체의 이동 길이)이며;

μ는 유체의 동적 점성도이고;

v는 운동 점성 계수이며;

ρ는 유체의 밀도이다.

높은 레이놀즈 수는, 표면이 고속 공기 스트림에 노출될 때, 즉, 상대적으로 얇은 경계층 내에서 마찰 전단 응력(점성 전단력)이 매우 클 때 관측된다. 이러한 관계는 다음의 수학식 2에 의해 설명된다:

수학식 2에 있어서,

τ는 마찰 전단 응력이고;

μ는 유체의 동적 점성도이며;

u는 경계를 따르는 유체의 속도이고;

y는 경계 위의 높이이다.

경계층 내에서의 유속(u)은 표면에서의 0(흐름은 점성 때문에 벽에 "들러붙는다")으로부터 외측 경계 가장자리에서의 자유 스트림 속도(1% 오차 이내)까지 변화한다(도 1 참조). 경계층 두께(δ)는, 표면으로부터 멀어짐에 따라 마찰력이 감소하며, 결과적으로 외측 가장자리에서는 (점도가 없는) 무점성이 되는 마찰력 영역을 정의한다.

상대적으로 얇음에도 불구하고, 경계층은 유체 흐름과 몸체 사이의 동적 상호작용의 과정을 개시하는 데에 매우 중요하다. 이러한 상호작용은 열 경계층이 성장하게 하며(도 2 참조), 열 전달의 열역학 상호작용을 통제한다.

도 2에서, T∞는 "자유 유동성 유체(free flowing fluid)"의 온도이고, Ts는 표면의 온도이다. 이러한 경우, Ts는 T∞보다 높기 때문에, 열은 대류에 의해 표면으로부터 유체로 전달될 것이다.

표면으로부터 유체로 열 전달이 얼마나 잘 이루어지지 여부는 성장된 경계층을 통한 온도 분포 기울기의 함수로 나타낸다. 이러한 관계는 열 전달률 수식인 다음의 수학식 3에 의해 표현된다:

수학식 3에 있어서,

q는 열 전달률이고;

h는 대류 열 전달 계수이며;

A는 열 전달을 위한 표면적이고;

ΔT는 표면과 유체 사이의 온도차(Ts - T∞)이다.

대류 열 전달 계수(h)는, 특히 표면적이 알려진 상수이고, 온도차가, 유사한 프리폼 성형 과정과 비교하여 동일하다고 고려될 때, 열 전달 효과에 강한 영향력을 가진다.

변수(h)는 열 전달률(q)에 영향을 주는 핵심적인 인자로서 고려될 수 있고, 이러한 변수(h)는 절대적으로 1) 유체의 물리적 특성 및 2) 물리적 상황 (흐름 조건 및 표면의 기하학적 구조)에 의존한다.

이러한 근거를 프리폼 성형 후 냉각 과정과 관련시키기 위해, 유체 - 공기의 물리적 특성들(온도, 밀도, 열 전도성, 특정 열용량, 및 점도)이, 비교되는 냉각 방법들에 대하여 유사한 냉각 수단으로 고려될 수 있으며, 더욱 관련 있는 물리적 상황, 구체적으로, 흐름 조건 및 표면의 기하학적 구조에 초점을 맞출 수 있다.

유체 흐름은 층류 또는 난류로 일반화될 수 있다. 층류의 경우, 도 3a에 도시된 바와 같이, 유체는, 몸체 표면에 대하여 수직인 유체의 혼합 없이, 즉, 층들을 가로지르는 유체의 혼합 없이 유한한 속도의 층들 내에서 이동한다. 그러나, 관성력이 (흐름 조건 및/또는 표면의 기하학적 구조에서의 변화를 통해) 증가함에 따라, 유체 흐름은 난류가 될 가능성이 커지고, 근사적으로 5×10⁵ (500,000)과 같은 특정한 임계적 레이놀즈 수에서, 층류로부터 난류로의 자연적인 전이가 있게 된다. 난류는, 도 3b에 도시된 바와 같이, 경계층 전체에 걸친 유체의 능동적인 혼합에 의해 정렬이 덜 되어 있다.

난류에 있어서 유체의 극심한 혼합은 표면 마찰력( 또는 이러한 혼합이 표면 전단 응력과 관련됨에 따른 항력)을 증가시킨다. 이것은 유체 입자들 사이의 운동량 및 열 전달을 증가시킴에 따라, 대류 열 전달 계수(h)를 증가시키고, 궁극적으로 열 전달률(q)을 증가시킨다.

(프리폼의 내면과 같은) 원통체를 고려할 때, 층류를 도시하는 도 4a 및 난류를 도시하는 도 4b는 2개의 조건들 사이의 차이를 보여준다.

양 조건들은 모두 둘러싼 몸체로부터 열을 제거하지만, 난류가 층류보다 현저하게 더 효과적이다. 층류의 경우, 표면에 가장 가까운 층은 제거될 필요가 있는 열과 직접 접촉하지만, 이러한 표면에 가장 가까운 층은 정렬성이 높고 (마찰력 때문에) 느리게 이동하므로, 열은 더 빠르게 이동하는 내층으로 천천히 전달된다. 가장 빠르게 이동하는, 중심에 가장 가까운 층은 매우 적은 열을 전달받는다.

난류의 경우, 유체는 끊임없이 텀블링(tumbling)하고 혼합된다. 이러한 혼합은 매우 불규칙적이고, 유체 입자의 무작위적인 3차원 운동에 의해 특징지어진다. 경계층 내에서의 혼합은 고속 유체를 표면을 향하여 이동시키고, 더 느리게 이동하는 유체를 자유 스트림 내로 더 멀리 이송한다. 본질적으로, 더 많은 유체가 몸체 표면과 접촉하게 되고, 유체 전체가 몸체로부터 열을 제거하는 데에 이용될 것이다. 이것이 원하는 효과이다.

프리폼 성형 후 냉각 과정의 경우, 공기 난류, 및 더욱 구체적으로 높은 표면 전단 응력은 전형적으로 평행하거나 고리 모양인 공기 스트림으로는 쉽게 얻어지지 않는다. 또한, 갓 성형된 프리폼의 내면의 기하학적 구조는 난류의 수준/표면 전단 응력을 증가시키도록 물리적으로 변경될 수 없다. 그러나, 프리폼의 내면을 지나는 공기 스트림을 나선형/코르크스크루(corkscrew) 방향으로 안내하는 독특한 방법을 이용함으로써, 프리폼의 내부 몸체가 본질적으로 공기 스트림의 방향에 대하여 굴곡진/오목한 표면이 되게 한다.

(현재 나선형 공기 스트림과 함께 물리적으로 이용되는) 오목한 표면은 공기 층류가 불균일한 3차원 패턴으로 변환되게 하고, 난류 사이클론 원심 불안정성이 일어나며, 결과적으로, 도 5a 및 5b에서 3차원적으로 도시된 바와 같이, 스트림 방향을 향하며 반대방향으로 회전하는 고어틀러 와류(1940년에 '고어틀러(Goertler)'의 이름을 따서 명명됨)가 발생한다.

원심력(공기가 굴곡진 경로를 따라 이동하도록 유지하는 구심 가속도에 의해 생기는 반작용 힘)은 표면 반지름에 반비례하고, 프리폼들은 전형적으로 작은 내경을 가지고 있기 때문에, 이러한 원심력은 프리폼을 이용하는 데에 매우 효과적이다. 이러한 원심력은 접선방향 속도의 제곱에 비례하여 증가하고, 거대한 벽 전단 효과를 발생한다. 경계층 공기가 오목한 표면의 둘레를 흐름에 따라, 강화된 벽 전단 응력은 경계층 공기를 감속시키고, 불안정한 상태를 만든다. (오목한 벽으로부터 떨어져) 작은 반지름을 가진 안쪽 유로의 유체는, (오목한 벽에 가까워) 큰 반지름을 가진 표면 근처의 유체보다 더 빠르게 이동한다. 이것은 벽으로부터 가장 먼 유체가 벽을 향하여 바깥쪽으로 이동하게 하고, 강제로 벽 근처의 유체와 자리를 바꾸게 한다. 이것은 반대 방향으로 회전하면서, 회전 축이 벽에 평행하지만 주된 흐름 방향에 수직인 와류 시스템을 만든다.

이러한 원심 효과는 도 6에서 다시 도시된다. 경계층 흐름은 고속 자유 스트림이 오목한 표면을 향하여 휩쓸려 지는 내리흐름 영역(down-wash region), 및 저속 유체가 오목한 표면으로부터 멀어지도록 대류되는 올려흐름 영역(up-wash region)에 의해 특징지워지고, 결과적으로 스트림 방향 유체 흐름 경로 내에서 폭 방향으로 물결 모양의 유체 분포가 이루어진다. 높은 동적 효과는 표면 난류/전단 응력에 강력한 영향을 주어, 결과적으로 열 전달률이 상승하게 된다.

또한, 리프만(Liepmann)은 (1945년에) 층류로부터 난류로의 경계층 전이는 편평한 표면보다 오목한 표면에서 훨씬 낮은 레이놀즈 수에 의해 발생한다는 것을 발견하였다. 이와 같이, 효과적인 열 전달률을 생성하여 결과적으로 공기 공급원을 더 효과적으로 사용하기 위해 더 낮은 관성력이 필요하다.

이러한 현상은, 오목한 원통형 몸체 내에 원통형 물체를 위치시켜, 2개의 표면들(오목한 표면 및 볼록한 표면)이 경계층 내에 전단 응력 증대를 일으키는 자발적인 공기 스트림 흐름을 야기한다.

유사한 효과가 (강제적인 공기 스트림의 도입 없이) 내부 원통체의 단독 회전에 의해 성취될 수 있는데, 안정되고 매끄러운 원형 유체 이동(쿠에트 흐름; Couette flow)의 생성은, 내부 원통체의 각속도가 특정 임계값을 넘어 증가하게 될 때 불안정해지기 때문에, 도 7에 도시된 바와 같이 테일러 와류(동심 원통체 사이의 고리 모양 공간 내에서 생성되더라도 고어틀러 링 와류(Goertler ring vortices)와 본질적으로 동일함)를 발생한다.

회전하는 내부 원통체의 효과와 사이클론 효과의 결합이, 대응되는 방향으로 (또는 반대반향으로) 회전하는 기울어진 방향을 가진 나선형 공기 스트림을 만들 때, 엄청난 수준의 불안정한 난류/벽 전단 응력이 발생한다. 이러한 구성에 대한 추가적인 개량으로서, 훨씬 더 높은 수준의 난류를 생성하기 위해 내부 원통체에 기하학적 표면 특징 및/또는 표면 조직(surface texture)을 추가하는 것이 가능하다. 예를 들어, 냉수와 같은 외부 냉각 매체를 내부 원통체에 공급하는 것은 대류 열 전달 계수(h)를 상승시킴으로써 냉각 과정에 더 유리할 것이다.

이러한 현상을 인식함에 있어서, 다음의 2가지를 실현하는 메커니즘이 만들어졌다:

(1) 성형 후 냉각 과정 동안의 갓 성형된 프리폼의 내면의 향상된 냉각 성능, 및

(2) 열 제거 매체의 비용을 더 낮추기 위한 냉각 매체로서 공기의 최소화되고/최적화된 사용.

도 8은, 프리폼(10)이 성형 후 구성으로 배열되어 있고 당업자에게 알려진 수단에 의해 지지되는 제 1 실시형태의 단면도를 도시한다. 프리폼(10)은, 압축 공기와 같은 냉각 유체의 공급원(30)을 수용하는 판 또는 플리넘(20)으로부터 이격되어 있다. 오리피스(orifice) 또는 각진 출구(40)는 냉각 유체 스트림(50)이 프리폼(10)의 내부(60)로 안내되도록 위치된다. 냉각 유체 스트림의 방향은, 냉각 유체 스트림이 실질적으로 프리폼의 길이를 따라 프리폼(10)의 오목한 내면에 대하여 나선형 패턴으로 흐르도록 기울어진 면의 접선 방향이다. 이론적으로, 일련의 고어틀러 와류는 프리폼의 내면으로부터 냉각 유체 스트림으로의 열 전달을 최적화하는 경계층 내에서 생성된다. 프리폼 내부로부터 나온 가열된 냉각 유체(80)는, 프리폼 내로 흐르는 연속된 새로운 냉각 유체(50)에 의해 갭(70)을 통해 대체된다.

플리넘(20)은, 냉각 과정 동안 플리넘(20)에 대하여 하나 이상의 프리폼(10)을 지지하는 성형 판 및 기구의 조합을 포함할 수 있다. 플리넘(20)은 사출 성형 시스템, 프리폼 취급 또는 냉각 시스템, 또는 이와 유사한 것의 일부일 수 있다. 하나 이상의 각진 출구(40)는 플리넘(20)에 제공되거나, 또는 플리넘(20)에 부착되거나 플리넘(20) 내에 위치한 하나 이상의 삽입물에 제공될 수 있다.

도 9는, 각진 출구가, 출구의 방향을 변경하고 최적화할 수 있는 조정가능 노즐(100)과 판의 표면에 설치된 제 2 실시형태의 단면도이다. 본 실시형태의 다른 특징 및 양상은 제 1 실시형태와 유사하거나 동일하며, 유사한 도면부호는 유사한 부분을 지칭한다.

도 10은, 2개 이상의 각진 출구들(140, 150)이, 냉각 유체의 유속을 증가시키고 프리폼의 내면 영역의 커버리지(coverage)를 향상시킴으로써 프리폼의 내면으로부터의 열 제거율을 증가시키기 위해 제공되는 제 3 실시형태의 단면도이다. 도 10은 2개의 각진 출구들을 보여주고 있으나, 추가적인 출구들이 성능을 향상시키기 위해 사용될 수 있다. 출구(140, 150)는 들어오는 공기 스트림에 동일한 의미의 각운동(시계방향 또는 반시계방향)을 제공하도록 조준된다. 본 실시형태의 다른 특징 및 양상은 제 1 실시형태와 유사하거나 동일하고, 유사한 도면부호는 유사한 부분을 지칭한다.

도 11은, 배출 튜브(180)가, 가열된 냉각 유체(80)가 프리폼(10)의 폐쇄 말단으로부터 직접 배출되도록 제공되는 제 4 실시형태의 단면도를 도시한다. 배출 튜브(180)는 가열된 냉각 유체를 판 또는 플리넘(20)을 관통하여 운반하고, 가열된 냉각 유체를, 플리넘(20) 너머에 배출한다. 본 실시형태의 다른 특징 및 양상은 제 1 실시형태와 유사하거나 동일하고, 유사한 도면부호는 유사한 부분을 지칭한다.

도 12a 및 12b는, 가열된 냉각 유체를 판 또는 플리넘(20) 너머에 배출하도록 판 또는 플리넘(20)을 통과하는 중앙 배출 튜브(210), 및 중앙 배출 튜브(210)를 둘러싸는 고리 모양의 유로(230)를 통해 판 또는 플리넘(20) 내의 압축 냉각 유체의 공급원(30)에 연결되는 복수의 각진 출구(220)를 포함하는 멀티포트 스피곳(multiport spigot; 200)이 제공되어, 복수의 냉각 유체 스트림이 실질적으로 프리폼의 길이를 따라 프리폼의 오목한 내면에 대하여 안내되는 제 5 실시형태의 단면도이다. 스피곳의 크기 및 위치는, 원하는 효과를 얻기 위해 프리폼 내부로 더 진입하도록 변화될 수 있다. 본 실시형태의 다른 특징 및 양상은 제 1 실시형태와 유사하거나 동일하고, 유사한 도면부호는 유사한 부분을 지칭한다.

도 13a 및 13b는, 복수의 고정된 날을 가진 삽입물(300)이, 고리 모양 경로(310)를 통하여 공급된 냉각 유체 스트림을 실질적으로 프리폼의 길이를 따라 프리폼의 오목한 내면에 대하여 안내하도록 하는 데에 사용되는 제 6 실시형태의 단면도이다. 판 또는 플리넘(20)을 관통하는 중앙 배출 튜브(320)는 가열된 냉각 유체를 판 또는 플리넘(20) 너머로 배출하도록 제공된다. 본 실시형태의 다른 특징 및 양상은 제 1 실시형태와 유사하거나 동일하고, 유사한 도면부호는 유사한 부분을 지칭한다.

도 14는 중앙 냉각 봉(400)이 프리폼 내로 삽입되어 있는 제 7 실시형태의 단면도이다. 냉각 봉(400) 및 다른 실시형태에서 논의되는 다른 냉각 봉은 폐쇄 말단을 가진 중공 형태일 수 있거나, 또는 속이 꽉 찬 형태일 수도 있으며, "냉각 코어(cooled core)"로 칭해질 수도 있다. 본 실시형태에서, 냉각 봉(400)은, 판 또는 플리넘(440)에 포함된 유입 유로(420) 및 배출 유로에 의해 공급된 수냉식 회로(410)를 수용하고 있다. 냉각 봉(400)의 길이는 프리폼의 폐쇄 말단의 근처까지 도달하기에 충분히 길다. 냉각 봉은 각진 출구(470)을 통하여 공급된 냉각 유체 스트림(450)의 난류의 증진을 향상시키기 위해 피복된 기하학적 표면 또는 표면 조직(460)에 의해 둘러싸여 있다. 표면 조직(460)은 연마 표면, 골프 공 조직, 거친 표면, 홈이 있는 표면 등 또는 이들의 조합일 수 있다. 본 실시형태의 다른 특징 및 양상은 제 1 실시형태와 유사하거나 동일하고, 유사한 도면부호는 유사한 부분을 지칭한다.

도 15는, 도 14의 중앙 냉각 봉에, 냉각 봉(530)에 부착된 풀리(pulley)/스프로킷(sprocket)과 맞물리는 벨트/체인을 포함하는 회전 구동부(500)가 제공되는 제 8 실시형태의 단면도를 도시한다. 벨트/체인(510)이 구동됨으로써 냉각 봉(530)이 회전한다. 냉각 봉(530)의 회전은, 각진 출구(550)를 통해 공급된 냉각 유체 스트림(540)의 난류의 촉진을 향상시키도록 냉각 유체의 흐름을 더욱 나선형으로 안내한다. 회전 구동부(500)는 랙(rack)/기어(gear) 또는 직접 구동 기구에 의해 또한 작동될 수도 있다. 회전하는 냉각 봉(530)과 회전하지 않는 냉각 유체 유로 사이의 밀봉을 이루면서 회전하는 결합이 제공된다. 본 실시형태의 다른 특징 및 양상은 제 7 실시형태와 유사하거나 동일하고, 유사한 도면부호는 유사한 부분을 지칭한다.

도 16은, 이전 실시형태들의 냉각 유체 스트림 및 각진 출구가 사용되지 않는 제 9 실시형태의 단면도이다. 도 15의 회전하는 냉각 봉은 남아 있으며, 냉각 봉의 회전 운동 및 외부에 피복된 기하학적 표면 또는 표면 조직(460)만이 난류를 생성하도록 프리폼의 내면과 냉각 봉의 외면 사이의 고리 모양 공간 내에서 나선형 흐름을 안내하고, 프리폼으로부터, 냉각 봉을 통하여 흐르는 냉각 유체로의 열 전달을 향상시킨다. 본 실시형태의 다른 특징 및 양상은 제 8 실시형태와 유사하거나 동일하고, 유사한 도면부호는 유사한 부분을 지칭한다.

도 17은, 도 16에 도시된 구성이, 지느러미, 나선, 날개, 파인애플 스터드(pineapple stud) 등 또는 이들의 조합으로 구성될 수 있는 외면 특징(600)의 부가에 의해 개량되어, 난류를 촉진하도록 나선형 흐름을 더 향상시키고, 프리폼으로부터, 냉각 봉을 통하여 흐르는 냉각 유체로의 열 전달을 개선하는 제 10 실시형태의 단면도를 도시한다. 본 실시형태의 다른 특징 및 양상은 제 9 실시형태와 유사하거나 동일하고, 유사한 도면부호는 유사한 부분을 지칭한다.

도 18은 중앙 냉각 봉(700)이 프리폼(10) 내에 삽입된 제 11 실시형태의 단면도이다. 냉각 봉(700)은 플리넘(20)에 부착되어 있고, 속이 꽉 채워져 있을 수도 있으며, 또는 내부가 빈 공간일 수도 있다. 냉각 봉(700)의 길이는 프리폼(10)의 폐쇄 말단의 근처에 도달할기에 충분히 길다. 하나 이상의 각진 출구(40)는 나선형 냉각 공기 스트림을 도입하도록 제공된다. 냉각 봉(700)은 각진 출구를 통하여 공급된 냉각 유체 스트림의 난류의 촉진을 향상시키기 위해 피복된 기하학적 표면 또는 표면 조직에 의해 둘러싸여 있을 수 있다. 표면 조직은 연마 표면, 골프 공 조직, 거친 표면, 홈이 있는 표면 등 또는 이들의 조합일 수 있다. 본 실시형태의 다른 특징 및 양상은 제 1 실시형태와 유사하거나 동일하고, 유사한 도면부호는 유사한 부분을 지칭한다. 예를 들어, 냉각 봉(700)은, 제 8 실시형태(도 15)와 같은 본 명세서에서 설명된 다른 실시형태와 마찬가지로, 회전하기 위해 구동되도록 구성될 수 있다.

도 19a 및 19b는, 삽입물(800)이, 프리폼(10) 내로 연장되는 스피곳(802) 내에 제공된 제 12 실시형태를 도시한다. 삽입물(800)은, 삽입물(800)의 외면(806)에 형성된 하나 이상의 외부 나선형 유로(804)를 포함한다. 압축 냉각 유체(30)는, 다른 실시형태에서 설명된 판 또는 플리넘(도시되지 않음)과 같은 공급원으로부터 냉각 유체를 받아들이는 공급 유로(808)에 의해 제공된다. 냉각 유체는, 나선형 유로(804)가 냉각 유체의 흐름을 나선형 경로 모양으로 만드는 삽입물(800)의 외면(806)으로 스피곳(802)을 통하여 전달된다. 각각의 나선형 유로(804)는, 스피곳(802)으로부터 빠져 나와 프리폼(10)으로 진입하는 나선형 스트림(50)으로 냉각 유체를 분사하는 각진 출구(810)에서 종료한다. 냉각 유체의 나선형 스트림(50)은 프리폼(10)을 냉각시킨다. 삽입물(800)은, 가열된 냉각 유체를 중앙 배출 유로(812) 너머로 배출하는 중앙 배출 유로(812)를 가진다. 스피곳(802) 및 삽입물(800)의 위치 및 크기는 변경될 수 있고, 나선형 유로(804)의 모양, 크기 및 개수(예를 들어, 1개, 2개, 3개, 4개 등)가 원하는 효과를 얻기 위해 변경될 수 있다. 본 실시형태의 다른 특징 및 양상은 제 1 실시형태와 유사하거나 동일하고, 유사한 도면부호는 유사한 부분을 지칭한다.

위와 같은 다양한 실시형태들에 있어서, 흡입은, 냉각 공기에 움직임을 부여하기 위해, 양의 압력을 대신하거나 양의 압력에 추가하여 사용될 수 있다. 이것은 프리폼을 판에 밀봉함과 함께, 또는 프리폼을 판에 밀봉하지 않고 행해질 수 있다. 흡입은 흐름의 방향성/제어성을 약화시키기 때문에, 나선형의 윤곽을 가진 표면 또는 다른 표면 특징(예를 들어, 도 17 참조)이, 공기 스트림을 적합한 나선형 경로로 이동시키기 위해 제공되는 것이 고려될 수 있다.

위와 같은 기술들은 냉각 성능을 향상시키고, 결과적으로 생산 속도를 더 높일 수 있다. 또한, 공기의 최적화된 사용이 실현되어, 결과적으로 공기 사용 수준이 낮아지고 비용 감소로 이어질 수 있다. 또한, 위와 같은 기술들은 성형품/프리폼에서의 결정화를 감소시키고, 결과적으로 블로우 성형 성능을 향상시키며, 응력을 감소시키고, 미감을 향상시킨다. 다른 장점들도 당업자에게 또한 명확할 것이다.

Claims (4)

1. 성형품의 개방 말단에 냉각 유체를 제공하는 단계;
   상기 성형품의 오목한 내면의 적어도 일부분은, 상기 성형품의 개방 말단으로부터 상기 오목한 내면의 길이를 따라 상기 성형품의 폐쇄 말단을 향하여 상기 성형품의 상기 오목한 내면에 대하여 상기 냉각 유체의 난류를 생성하기 위해, 상기 냉각 유체의 흐름 방향에 대하여 굴곡진 표면으로서 작용하도록 상기 성형품 내에 상기 냉각 유체를 나선형으로 안내하는 단계; 및
   상기 성형품의 개방 말단으로부터 냉각 유체를 배출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 성형품을 성형 후 냉각하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 성형품 내에 냉각 봉을 배치하는 단계를 더 포함하고,
   상기 냉각 유체는 상기 냉각 봉의 둘레를 흐르는 것을 특징으로 하는, 성형품을 성형 후 냉각하는 방법.
3. 성형품의 개방 말단에 냉각 유체를 제공하는 단계;
   상기 성형품의 오목한 내면의 적어도 일부분은, 상기 성형품의 개방 말단으로부터 상기 오목한 내면의 길이를 따라 상기 성형품의 폐쇄 말단을 향하여 상기 성형품의 상기 오목한 내면에 대하여 상기 냉각 유체의 난류를 생성하기 위해, 상기 냉각 유체의 흐름 방향에 대하여 굴곡진 표면으로서 작용하도록 상기 성형품 내에 상기 냉각 유체를 나선형으로 안내하는 단계; 및
   냉각 유체가 상기 성형품 내로 흐름과 동시에 상기 성형품으로부터 냉각 유체를 전달하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 성형품을 성형 후 냉각하는 방법.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 성형품 내에 냉각 봉을 배치하는 단계를 더 포함하고,
   상기 냉각 유체는 상기 냉각 봉의 둘레를 흐르는 것을 특징으로 하는, 성형품을 성형 후 냉각하는 방법.

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