KR100794503B1 - 선택적 단열층을 포함하는 고분자수지 성형용 금형 및 이를이용한 성형 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 급속 가열 및 급속 냉각에 의한 고분자수지 성형용 금형에 관한 것으로서, 열가소성 또는 열 경화성 수지의 사출, 압축 성형등에 사용될 수 있으며, 성형부를 구비한 상코어와 하코어의 금형 표면을 급가열 및 급냉각시킬 수 있는 고분자수지 성형용 금형에 관한 것이다.

본 발명은 고분자수지의 외관을 성형하는 성형부를 형성하고 있는 코어; 상기 코어의 외측을 감싸는 원판; 상기 코어의 내부에 가압열수 또는 냉수가 소통하도록 형성되어 있는 매체유로; 및 상기 매체유로의 하반면에 부착되어 있는 단열재를 포함하여 이루어진다.

상기 코어는 원판과 만나는 면에 단열재를 구비하는 것이 바람직하며, 상기 코어는 그 내부에 다수의 단열홈을 구비하면 더욱 바람직하다.

성형용 금형, 코어, 매체유로

Description

선택적 단열층을 포함하는 고분자수지 성형용 금형 및 이를 이용한 성형 방법 {Mold for processing polymer resin including selective heat insulation layer and molding method using which}

도 1은 본 발명에 따른 고분자수지 성형용 금형의 단면구조를 나타낸 구성도,

도 2a는 본 발명에 따른 고분자수지 성형용 금형의 바람직한 실시예의 평면도와 단면도, 도 2b는 매체유로의 구성을 나타낸 단면도, 도 2c는 매체유로의 단열재부착 구조를 나타낸 구성도,

도 3은 본 발명에 따른 고분자수지 성형용 금형의 다른 실시예를 나타낸 평면도와 단면도,

도 4는 본 발명에 따른 합성수지 성형용 금형의 또 다른 실시예를 나타낸 투시평면도 및 단면도,

도 5는 본 발명에 따른 합성수지 성형용 금형의 또 다른 실시예를 나타낸 횡단면도와 종단면도,

도 6은 본 발명에 따른 고분자수지 성형용 금형의 또 다른 실시예를 나타낸 투시평면도 및 단면도,

도 7은 본 발명에 따른 금형을 이용한 성형공정에서 진공을 이용하여 사출이 더욱 효율적으로 진행되도록 하는 공정을 나타낸 모식도

도 8은 본 발명에 따른 고분자수지 성형용 금형의 또 다른 실시예를 나타낸 평면구성도 및 단면구성도,

도 9는 금형의 온도 차를 줄이기 위한 고분자수지 성형용 금형의 구조를 나타낸 평면도.

* 도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명 *

100, 300, 500, 700, 900, 1100 : 원판

200, 400, 600, 800, 1200, 1300 : 코어

201, 401, 601, 801 : 성형부

202, 402, 602, 802, 920, 1150 : 매체유로

203, 603, 903 : 단열재

204 : 온도센서

205, 405, 905 : 단열홈

750 : 단열판

850 : 전도판

927 : 칸막이

1155 : 방향편

A : 성형부 표면으로부터 매체유로 까지의 거리

B : 수평으로 배치된 배체유로의 중심사이의 거리

C : 성형부 표면으로부터 매체유로 중심까지의 거리

본 발명은 급속 가열 및 급속 냉각에 의한 고분자수지 성형용 금형에 관한 것으로서, 열가소성 또는 열경화성 수지의 사출, 압축 성형 등에 사용될 수 있으며, 금형 표면을 급가열/급냉각시킬 수 있는 고분자수지 성형용 금형에 관한 것이다.

일반적인 열가소성 수지의 성형은 수지가 만나면서 생기는 웰드 라인(weld line) 때문에 외관 품질을 개선하기 위하여, 금형 온도를 높게 설정하는 방법이 널리 사용되고 있다. 금형 온도를 높게 설정할 경우 외관 품질 측면에서는 개선이 된다. 그러나, 높은 금형 온도로 인하여 냉각 시간이 길어지고 그로인하여 전체적인 제품의 성형 시간이 길어지는 문제가 발생한다. 그리고 고온에서 성형하는 경우에는 제품을 충분히 냉각시켜 금형에서 분리하는 것이 아니기 때문에 수축에 의한 변형이 일반 성형에 비해서 커진다는 결점이 있다.

금형 온도를 높일 경우 수지의 유동 특성이 좋아지면서 박막 제품의 성형에도 유리하고 표면 광택과 웰드 라인 문제도 개선이 되기 때문에 금형 표면을 가열하는 성형 공법들이 많이 소개가 되었다.

종래 기술로서 열풍에 의한 가열 방법(특개소 45~22020), 전기 히터에 의한 가열 방법과 수냉각법(특개소 51~22759), 고주파 유도 가열 방법(특개소 55~109639), 캐비티 내에 증기를 불어서 가열하는 방법(특개소 57~165229), 캐비티와 코어 사이에 열판을 끼우는 방법(특개소 61~79614), 전기 전도층에 의한 금형 표면 가열 방법(특개평 4~265720)과 금형 등이 소개되어 있다.

또, 증기나 온수 또는 기름 등의 가열 매체 및 냉각 매체를 공통의 회로에 통과시키는 방법(특개소 56~ 55219, 특개소 58~12739, 특개소 60~100867, 특개평 9~193223)이 소개되어 있다. 그리고 이 방법의 개량 기법으로서 2 계통의 열매체유로를 이용하는 방법(특개평 7~100867)과 가열 매체와 냉각 매체를 별개의 탱크로부터 공급하고 각각에 되돌리는 방법(특관소 58~215309)과 금형 가열시만 매체 경로의 도중에 매체를 가열하는 방법(특개평 1~269515), 폐루프로 온수 가열하는 방법(특개소 56~37108)이 소개되어 있다.

기존에 나와 있던 방법들의 문제점은 금형 온도를 가열하는 방식에 따른 가열/냉각의 효율성 부분과 냉각 시간 문제로 인한 사출 성형 제품의 양산성의 두 가지이다. 초기에 공개되었던 금형 가열 방식들은 금형의 성형부 표면으로부터 냉각회로가 멀리 떨어져 있기 때문에 실질적으로 표면을 가열하는 열전도율이 낮아서 금형을 가열과 냉각하는데 있어서 시간이 많이 소요되고, 이로 인하여 전체적인 제품 성형 시간이 길어지면서 생산성이 떨어지는 문제점을 나타내었다. 금형 가열 방식을 개선한 경우에 있어서는 냉각 문제로 인해서 대중화되지 못한 방법들이 많았다.

특2003~0064484에서 소개된 스팀(증기)을 이용한 급가열/급냉각 방법 과 금형의 구조는 스팀이 발생하는 열량으로 금형을 가열하고 금형을 통과한 스팀은 냉각장치 쪽으로 폐기되는 구조로 되어 가열과 냉각에 의한 열량 손실이 많고 속도가 느리며 전체 금형 표면의 온도편차가 커서 균일한 품질의 제품을 생산할 수 없었다. 또한, 금형을 약 5 내지 40초의 짧은 시간 내에 40℃에서 120℃ 정도까지 상승시키고, 다시 냉각을 하려면 많은 열량이 필요하다. 그러나, 상기 특허기술은 열량소모가 많은 금형의 구조와 시스템을 사용하고 있어서 금형 제작비 및 장치비 상승, 에너지 비용 상승, 생산품의 품질저하, 사이클타임 지연 등의 문제가 있었다.

본 발명의 목적은 고분자수지 성형을 위한 금형의 단열 구조를 선택적으로 설계하여 금형을 효율적으로 급속가열 및 급속냉각시켜 성형 사이클타임(cycle time)을 획기적으로 단축시키고 성형된 제품의 외관 광택을 향상시킬 수 있는 금형을 제공하는 데에 있다.

본 발명의 다른 목적은 금형 성형부의 온도를 정확하고 균일하게 유지할 수 있는 금형을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 열 효율을 최대화하기 위해서 클로즈 루프(close-loop) 방식으로 외부로 누수 되는 열량을 최소화하고 불필요한 곳으로의 열전달을 막는 금형을 제공하여 열효율을 극대화하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 고분자수지의 외관을 성형하는 성형부를 포함하는 코어; 상기 코어의 외측을 감싸는 원판; 상기 코어의 내부에 가열유체 또는 냉각유체가 흐르도록 형성되어 있는 매체유로; 및 상기 매체유로와 원판의 열전달을 차단하기 위하여 상기 매체유로의 내측 또는 외측의 일부를 감싸고 있는 단열재를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자수지 성형용 금형을 제공한다.

상기 코어와 원판 사이에 단열층을 더 포함하고, 상기 코어 또는 원판 내부에 다수의 단열홈을 구비하는 것이 바람직하다.

상기 다수의 단열홈 내부에 단열물질을 충진하면 더욱 바람직하다.

또한, 상기 매체유로의 내측 또는 외측 일부를 감싸고 있는 단열재의 표면적이 전체 매체유로 표면적의 1/10 내지 2/3인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 1/5 내지 1/2인 것이 좋다.

또한, 상기 성형부 표면으로부터 매체유로 까지의 거리(A)와, 수평으로 배치된 배체유로의 중심사이의 거리(B)의 비율 A:B는 1:1 내지 1:2인 것이 바람직하다.

상기 매체유로가 원판 및 코어를 동시에 통과하는 구조이거나, 상기 매체유로가 코어만을 통과하는 구조인 것이 바람직하다.

그리고, 상기 코어와 원판 사이에 열전도판이 삽입되어 있으며, 상기 전도판 의 내부에 가열유체 또는 냉각유체가 흐르도록 형성되어 있는 매체유로를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 매체유로의 내부에 다수의 방향편을 포함하는 것이 바람직하다.

상기 매체유로의 단면 일부는 상기 코어측에 형성되고 나머지 단면 일부는 원판측에 형성되고, 상기 매체유로가 형성된 원판의 표면에 단열코팅을 하거나 또는 단열재를 부착하여 단열면을 형성하면 더욱 바람직하다.

상기 코어와 원판의 외곽 접합부에 실링부재를 구비하여 매체가 외부로 유출되지 않도록 하는 것이 바람직하다.

상기 성형부에 유입되는 고분자 수지가 만나는 부분에 기체 배출홈을 더 포함하며, 상기 기체 배출홈에 진공시스템이 연결되어 있는 것이 바람직하다.

상기 성형부에 유입되는 고분자 수지가 만나는 부분의 코어 하부에 전도판을 더 포함하고, 상기 전도판의 내부에 가열유체 또는 냉각유체가 흐르도록 형성되어 있는 매체유로를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 매체유로들 사이에 다수의 온도센서를 포함하여, 상기 다수의 온도센서로부터 데이터를 받아 성형부 전체의 온도를 균일하게 조절하는 온도조절 시스템을 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 상기와 같은 금형을 이용한 고분자 수지의 성형 방법을 제공한다.

이러한 방법에 있어서 상기 금형의 온도변화율을 100 내지 400℃/분의 범위로 조절하는 것이 바람직하고, 상기 금형 성형부의 전체 온도 편차를 1 내지 20℃ 의 범위로 조절하면 더욱 바람직하다.

본 발명에 따른 고분자수지 성형용 금형은 성형부를 구비하고 있는 코어와, 상기 코어를 감싸는 원판을 포함하여 구성된다. 상기 원판에 코어를 삽입하고 그 사이에 단열판을 내장한다. 상기 코어의 성형부 근처에는 가열온수와 냉각수를 순차적으로 반복해서 유입시키기 위한 다수의 매체유로가 설치된다. 상기 매체유로 각각에는 단열재가 설치되어, 열전도가 성형부 표면 방향으로만 이루어지고, 원판 방향으로는 열전도가 이루어지지 않도록 구성된다.

성형하고자 하는 제품의 형상이 원형, 경사진 형상, 곡면 모양과 같이 입체적인 형상인 경우에는 성형부 뒤쪽 가까운 거리에 매체유로를 설치한다. 그리고, 매체유로를 분할하여 성형부의 형상에 대응하도록 배치한다. 그리고, 상기 매체유로의 뒷면은 단열코팅을 하거나, 단열판을 일부 또는 전체에 구비한다. 매체가 흐르는 수로 안쪽에는 방향편 등을 설치하여, 매체가 와류와 난류로 흐르도록 함으로써 열 교환량을 높이고 열전도 속도를 높임으로써 가열과 냉각시 열 손실방지와 가열, 냉각속도를 향상시키는 효과를 낼 수 있는 것이 특징이다.

본 발명은 또한 열전도 속도가 빠른 재질로 이루어진 전도판을 이용하여 매체유로 설치가 용이하지 못한 곳에 일부 또는 전부를 사용하여 소수의 매체유로를 설치하여 냉각속도를 향상시키는 것이 특징이다.

본 발명에 따른 고분자수지 성형용 금형은 성형되는 수지의 양 및 형상에 따라 차이가 있으나 온도변화율을 100 내지 400℃/분(15 내지 65℃/10초)으로 조절할 수 있으므로, 불필요한 열전도량을 최소화시킴으로써 열 에너지 절감과 가열, 냉각시의 시간 단축으로 성형 공정사이클을 획기적으로 단축할 수 있다.

이하에서는 본 발명의 급속 열처리 가능한 수지 성형용 금형의 구조 및 부분별 온도제어방법 등을 구체적인 도면을 이용하여 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 고분자수지 성형용 금형의 단면구조를 나타낸 구성도이다.

본 발명에 따른 고분자수지 성형용 금형은 성형부(201)를 형성하고 있는 코어(200)가 원판(100)에 결합되는 구조를 가진다. 상기 코어(200)에 성형부(201)가 구비되며, 상기 성형부(201)와 원판 사이에 매체유로(202)가 형성된다. 상기 매체유로(202)는 열전달을 막아주는 단열재(203)를 구비한다. 상기 성형부(201)와 매체유로(202) 사이에는 온도센서(204))가 장착되어, 상기 성형부(201)가 가열 또는 냉각 될 때 상기 성형부(201) 근방 코어(200)의 온도를 측정한다. 상기 코어(200) 또는 원판(100)의 내부에는 열전달을 막기 위한 단열홈(205)이 구비되어 불필요한 열 손실을 방지한다. 상기 단열홈(205)은 소정 형상의 오목한 공간으로서 열이 전달되는 것을 방지하는 역할을 한다.

그리고, 본 발명에 따른 합성수지 성형용 금형은 성형부(201)의 온도를 제어하기 위한 온도센서(204)를, 매체유로(202)의 내부가 아닌 코어(200)의 성형부(201) 안쪽에 구비하여 실질적인 성형부(201) 온도측정이 가능한 구조를 제공한다.

또한, 상기 매체유로(202)로 공급되는 것은 코어(200)를 가열하는 경우에는 가압열수가 공급되는 것이며, 냉각하는 경우에는 냉수가 공급되는 것이다. 이하 에서는 가압열수 또는 냉수를 통칭하여 '매체'라고 표현한다.

또한, 이하에서 단열을 위한 소정형상의 오목한 공간을 단열홈이라 칭하고, 상기 단열홈에 단열재가 삽입되어 있는 경우에는 단열층이라는 명칭을 사용하여 설명한다. 상기 단열홈은 원기둥의 형상으로 형성될 수도 있으며, 평판의 형상으로 형성될 수도 있는데, 이러한 형상은 각각의 금형에 형태에 따라 변형될 수 있다.

도 2a는 본 발명에 따른 고분자수지 성형용 금형의 바람직한 실시예의 평면도와 단면도로 매체유로(402)가 원판을 거쳐 코아(400)로 이동하는 경우를 나타내며, 도 2b는 매체유로의 형상을 나타낸 단면도이고, 도 2c는 매체유로의 단열재부착 구조를 나타낸 구성도이다.

실질적으로 성형된 제품의 품질에 영향을 주는 부분은 성형부(401)이다. 따라서, 본 발명은 성형부(401)에 최대한 많은 양의 열이 전달될 수 있도록 하는 구조를 제공한다.

급속가열과 급속냉각을 할 때 코어(400)의 성형부(401)로 급속 열전도가 되어야 한다. 따라서 열전도가 성형부(401)의 반대편으로 이루어진다면 그만큼 열량의 손실이 발생하여 열전도의 속도가 떨어지게 된다. 도 2c에 도시한 바와 같이 본 발명은 매체유로(402)의 면중 성형부(401)를 향하는 면을 제외하고 나머지 면을 단열재(403)로 감싸면, 매체유로(402)로부터 전달되는 열이 성형부(401) 쪽으로 효과적으로 전달될 수 있다.

상기 단열홈(405)은 도면과 같이 매체유로(402) 옆으로 해서 옆과 뒤쪽으로 열전도를 최소화하기 위해 천공되는 것으로, 빈 공간으로 그대로 둘 수도 있고, 그 공간에 단열재를 채워 넣을 수도 있다.

도 2b에 도시한 바와 같이, 금형의 구조에 따라서는 매체유로(402)가 원판(300)을 거쳐 코어(400)로 이동하는 형태가 있다. 다른 형태로는 매체유로가 원판을 거치지 않고 직접 코어(400)로 연결되는 경우도 있다. 코어(400)를 직접 통과시키는 형태는 매체의 흐름 속도가 빠르고 유량이 많으므로 열교환 속도가 빠른 장점을 지닌다. 그러나, 금형설계나 제작상 제품 형상의 구조 때문에 원판(300)을 거쳐야 하는 경우에는 원판(300)을 통과하는 매체유로(402)의 주변에 단열재(403)를 구비하여 매체의 열이 원판(300)으로 유출되는 것을 방지하는 것이 바람직하다. 이렇게 단열 구조를 구비하면, 종래기술에 비하여 에너지 비용을 50~60% 절감할 수 있고 가열, 냉각 속도 또한 10~20% 향상시킬 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 고분자수지 성형용 금형의 다른 실시예를 나타낸 평면도와 단면도이다.

본 실시예는 성형으로 제조하고자 하는 제품이 판재의 형상을 가지고 있는 경우를 나타낸 것이다. 상기 성형부(601)의 전체 면적에 매체유로(602)를 소정간격으로 조밀하게 배치함으로써 성형부(601) 표면이 균일한 온도분포를 가질수 있도록 한다.

금형 제작에 있어서 A(성형부 표면으로부터 매체유로 까지의 거리), B(수평으로 배치된 배체유로의 중심사이의 거리), C(성형부 표면으로부터 매체유로 중심까지의 거리) 값은 금형구조, 금형의 크기, 금형의 재질 등에 따라 다양한 값을 가 질 수 있으며 경험칙상 A와 B의 치수 비율 A:B는 1:1 내지 1:2로 하는 것이 바람직하다.

도 3의 금형은 원판을 거치지 않고 코어(600)에 직접 매체유로(602)가 부착되는 구조로서, 성형부 하부에서는 매체유로(602)를 2개의 관으로 분기시킨 구조이다.

이때 매체유로를 도 2와 같이 단열재(603)로 감쌀 수도 있으며, 그렇지 못한 경우에는 단열홈(605)으로 하여 코어(600)에서 원판(500)으로 전달되는 열을 최소화하는 것이 바람직하다.

도 4는 본 발명에 따른 합성수지 성형용 금형의 또 다른 실시예를 나타낸 평면도 및 단면도이다.

성형용 금형에는 성형이 완료된 성형품을 밀어올리는 밀핀(710)이 구비되는 경우가 있는데, 성형품의 형상의 따라서 밀핀(710)의 수가 많은 경우가 있다. 이러한 경우에는 밀핀(710) 설치 공간 때문에 매체유로(802)를 충분히 형성할 수 없는 문제점이 있다. 본 발명은 밀핀(710) 설치 공간으로 인하여 매체유로(802)를 충분히 확보하지 못하는 경우에 열전도가 빠른 금속(예를 들면, 구리, 알루미늄, 금, 은 등)으로 이루어진 전도판(850)을 이용한 급속 열 교환 금형 구조를 제공한다.

성형부(801)가 형성된 코어(800)는 박판으로 형성되고, 상기 코어(800)의 뒷면 즉 원판(700)을 향하는 면에는 전도판(850)을 구비한다. 상기 전도판(850)은 역학적으로 문제가 없는 열전도가 빠른 재질을 사용한다. 상기 전도판(850)의 내부에 매체유로(802)가 형성된다. 이렇게 하면 매체유로(802)의 설치면적이 충분하지 않 은 경우에도 상기 전도판(850)이 매체의 열을 균일하게 코어(800)로 전달할 수 있다.

또한, 상기 전도판(850)의 뒷면, 즉 원판(700)을 향하는 면에는 단열판(750)을 장착하여, 열전달이 코어(800)의 성형부(801)를 향해서 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.

추가적으로, 앞선 도 2a, 2b,및 2c의 실시예와 마찬가지로 매체유로(802)의 상부를 제외하고는 단열재로 감싸서 열전달이 성형부(801) 방향으로 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.

도 5는 본 발명에 따른 합성수지 성형용 금형의 또 다른 실시예를 나타낸 횡단면도와 종단면도이다.

도시된 실시예와 같이 코어(900)의 표면이 반구형으로 볼록하게 돌출되어 성형부를 형성하고 있는 경우에는 앞선 실시예들과 같이 수평방향으로 매체유로를 형성하는 것이 곤란하다. 설사 수평방향으로 매체유로를 설치한다고 하더라도 매체유로와 성형부(901) 표면까지의 거리가 너무 멀어서 열전달이 효율적으로 이루어 지지 않는다.

이러한 경우에는 수직 방향으로 매체유로(920)를 형성하여 매체유로(920)와 성형부(901) 표면까지의 거리를 좁히는 것이 바람직하다. 매체유로(920)를 수직방향으로 형성하는 경우 매체의 순환이 문제가 되는데, 본 실시예의 경우에는 매체유로(920)의 중간에 칸막이(927)를 구비한다. 매체의 흐름을 살펴보면, 매체가 상기 칸막이(927) 따라 상승하였다가 상기 칸막이(927)를 타고 넘어가는 흐름을 가진다. 상기 칸막이(927)는 바닥면에서부터 위쪽으로 형성되어 있으며, 위쪽으로는 약간의 공간을 형성하여, 매체가 상기 공간을 통해 칸막이(927)를 넘어갈 수 있는 구조로 배치된다.

상기 매체유로(920)는 평면도에 도시한 바와 같이, 일측에서 유입되어 칸막이(927)를 넘어서 타측으로 배출되도록 형성되어 있으며, 가열/냉각 매체가 교대로 반대방향으로 흐르도록 배치한다. 매체가 이동하면서 열전달이 발생하기 때문에 입구부에 비하여 출구부가 낮은 온도를 가지게 되며, 교대로 반대방향으로 매체를 이동시키면 전체적으로 온도를 균일하게 분포시킬 수 있다. 상기 매체유로(920)는 성형부(901)를 향하는 상면을 제외하고 나머지면들은 단열재(925)로 감싸진다. 가열이 필요한 부분은 성형부(901)이기 때문에 성형부(901) 이외의 부분으로 열이 유출되는 것을 방지하기 위한 것이다.

또한, 매체유로(920)들 사이의 공간에는 수직방향으로 형성되어 있는 단열홈(905)을 구비하고 있다. 상기 단열홈(905)의 작용 및 효과는 앞선 실시예들과 같다.

또한, 추가적으로 코어(900)와 원판 사이의 전체 면적에 단열재(903)를 부착하면 코어(900)의 열이 원판으로 전달되는 것을 막아 더욱 열효율을 향상시킬 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 고분자수지 성형용 금형의 또 다른 실시예를 나타낸 평면구성도 및 단면구성도이다.

본 실시예는 매체유로를 통해서 흐르는 매체가 층류(laminar flow)가 아닌 난류(turbulence)로 흐르도록 함으로써, 매체의 열이 코어측으로 충분히 전달될 수 있도록 하기 위한 것이다.

본 발명은 금형 내 매체유로(1150)의 내부에 다수개의 방향편(1155)을 구비한다. 매체는 상기 방향편(1155)들에 의하여 층류가 아닌 난류로 흐르게 된다. 층류일 경우에는 매체유로 중앙부와 가장자리부의 온도차이가 큰 폭으로 발생하여 열전달의 효율이 저하된다. 반면에 매체가 난류나 와류로 흐를는 경우에는 온도차이가 거의 발생하지 않아서 열전달의 효율이 높아진다.

상기 매체유로(1150)의 내부에 방향편(1155)을 설치하기 위해서는, 매체유로(1150)를 코어(1200)와 원판(1100)이 접하는 면에 형성함으로써, 원판(1100)의 면이 일부 매체유로(1150)의 면을 형성하도록 구성한다. 이렇게 매체유로(1150)를 분할하여 형성하면 내부에 원하는 형상의 다양한 방향편(1155)을 설치할 수 있다. 상기 방향편(1155)은 돌출된 돌기의 형태를 가지거나 오목하게 파인 홈의 형태를 가질 수 있으며, 매체의 흐름을 좌측 또는 우측으로 편향되게 하는 역할을 한다.

단면도에 도시된 바와 같이, 상기 매체유로(1150)의 일부를 형성하는 원판(1100)의 상면에는 세라믹재질 등과 같은 단열이 우수한 재질로 단열코팅을 하거나 단열재를 부착하여 단열층(1105)를 형성함으로써 매체유로(1150)의 열이 원판을 전달되는 것을 최소화하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 분할된 면에는 가열/냉각 유체가 새지 않도록 한 실링부재(1220)를 양측으로 구비하고, 상기 원판(1100)과 코어(1200)는 고정볼트(1110)로 고정하도록 하는 구조를 가진다.

또한, 상술한 바와 같이 매체유로(1150)의 내부에 방향편(1155)을 구비하여 매체가 난류로 흐르도록 함으로써 열교환 효율을 높여 싸이클 타임을 대폭 단축시킬 수 있다.

도 7은 본 발명에 따른 고분자수지 성형용 금형의 또 다른 실시예를 나타낸 평면구성도 및 단면구성도이다.

본 실시예는 월드라인(W)의 발생을 방지하기 위하여 공기배출홈(1305)을 구비하고 있는 형태를 나타낸 것이다.

금형 내부 공기빼기는 성형을 실행할 때 금형의 코어(1300) 내부에 잔류하는 공기와 가열된 고분자수지에서 발생한 가스(gas)를 강제로 금형 외부에서 흡입할 수 있도록 하는 금형구조이다. 성형부에 돌기(1307), 구멍등으로 인하여 수지가 충진되면서 분리되었다가 다시 만나는 곳과 고분자 수지 주입구가 2개 이상이면 수지가 접합되는 곳에 웰드라인(W)이 형성된다.

양방향에서 수지가 진행하면 금형 내부에 있던 공기와 가열된 수지가 입력 되면서 발생되는 가스가 압축되기 시작하여 성형을 완료하게 되면 만나는 곳에서는 공기와 가스가 압축되기 때문에 공기 배출홈(1305)을 설치하는 것이 웰드라인 형성을 방지하는 데 효과적이다.

그리고, 상기 공기 배출홈(1305)에 진공시스템을 연결하여 가스 및 압축공기를 효과적으로 제거하는 것이 바람직하다.

도 8은 본 발명에 따른 고분자수지 성형용 금형의 또 다른 실시예를 나타낸 평면구성도 및 단면구성도이다.

본 실시예는 웰드라인(W)이 발생되는 부분을 가열하여 웰드라인(W)의 발생을 방지하는 금형의 구조를 나타낸 것이다.

도시된 바와 같이, 본 발명은 국부적 급속 열 교환 금형구조로 수지의 접합선인 웰드라인(W)이 발생되는 성형부 표면(1405) 밑 쪽으로 일정 거리를 두고 열전도율이 높은 금속으로 이루어진 전도판(1410)을 구비하고, 상기 전도판(1410)의 내부에 매체유로(1412)를 구비하여, 상기 전도판(1410)을 가열 또는 냉각함으로써 웰드라인(W) 발생부위를 급속가열, 급속냉각을 할 수 있는 구조를 제공한다.

상기 전도판(1410)의 뒷면과 측면에 열전도가 안되도록 단열판(1420)을 설치하고, 상기 전도판(1410)의 처짐을 방지하기 위하여 처짐방지봉(1415)을 구비한다.

상기와 같은 금형구조는 전체적인 금형의 온도를 상승시키거나 주입되는 수지의 온도를 높이지 않고, 웰드라인 발생부위의 금형온도만을 상승시켜 웰드라인 발생을 방지하는 효과가 있으며, 에너지 절감 및 생산주기 단축 효과도 있다.

도 9는 금형의 온도 차를 줄이기 위한 고분자수지 성형용 금형의 구조를 나타낸 평면도이다.

도시된 바와 같이, 수지의 입구부, 중앙부, 끌부분에 온도센서(S-1, S-2, S-3)를 각각 장착하여 각 부위의 온도를 개별적으로 제어하는 것을 특징으로 한다.

따라서, 매체유로(1505-1, 1505-2, 1505-3)들을 각각 입구부, 중앙부, 끝부분에 배치한다. 각각의 매체유로는 온도센서의 측정값에 따라 개별적으로 제어된다. 예를들어 입구부에 가까이 있는 온도센서 S-1에서 측정된 온도를 기준으로 매체유로 1505-1을 흐르는 매체의 온도를 제어하는 것이다.

이러한 개별 온도 측정 및 제어 시스템을 이용하면 금형 성형부의 전체 온도 편차를 1 내지 20℃의 범위로 조절할 수 있고, 수지입력부(1502)로부터 멀어질수록 하강하는 수지의 온도를 고려하여 금형 온도를 개별적으로 제어할 수 있으므로, 수지입력부(1502)로부터 멀어질수록 수지의 유동성이 저하되는 문제를 최소화시켜 고품질의 사출제품을 얻을 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 금형 표면의 온도를 급속 가열과 급속 냉각 방식을 통하여 기존의 성형 방식에 비하여 성형 사이클 시간을 단축시킬 수 있으며, 동시에 제품의 외관 광택을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

또한, 가열시 성형부를 제외한 부분으로의 열유출을 방지하기 위하여 매체유로에 단열재를 선택적으로 장착함으로써 에너지 비용을 절감할 수 있어서 결국 생산 원가의 절감이 가능하다.

그리고, 금형의 매체유로 최적화 및 온도센서를 이용한 금형의 온도 균일화를 통해 웰드라인이 없고 표면광택 우수한 고품질의 성형품을 얻을 수 있다.

Claims (24)

1. 고분자수지의 외관을 성형하는 성형부를 포함하는 코어;

   상기 코어의 외측을 감싸는 원판;

   상기 코어와 원판 사이에 형성되는 단열층;

   상기 코어와 원판 사이에 삽입된 열전도판;

   상기 코어의 내부에 가열유체 또는 냉각유체가 흐르도록 형성되어 있는 매체유로;

   상기 코어 또는 원판 내부에 단열물질이 충진된 다수의 단열홈을 구비하고,

   상기 매체유로와 원판의 열전달을 차단하기 위하여 상기 매체유로의 내측 또는 외측의 일부를 감싸고 있는 단열재를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자수지 성형용 금형.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 매체유로의 내측 또는 외측 일부를 감싸고 있는 단열재의 표면적이 전체 매체유로 표면적의 1/10 내지 2/3인 것을 특징으로 하는 고분자수지 성형용 금형.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 매체유로의 내측 또는 외측 일부를 감싸고 있는 단열재의 표면적이 전체 매체유로 표면적의 1/5 내지 1/2인 것을 특징으로 하는 고분자수지 성형용 금형.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 성형부 표면으로부터 매체유로 까지의 거리(A)와, 수평으로 배치된 배 체유로의 중심사이의 거리(B)의 비율 A:B = 1:1 내지 1:2인 것을 특징으로 하는 고분자수지 성형용금형.
8. 제 1항에 있어서,

   상기 매체유로가 원판 및 코어를 동시에 통과하는 구조인 것을 특징으로 하는 고분자수지 성형용 금형.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 매체유로가 코어만을 통과하는 구조인 것을 특징으로 하는 고분자수지 성형용 금형.
10. 삭제
11. 제 1 항에 있어서,

    상기 전도판의 내부에 가열유체 또는 냉각유체가 흐르도록 형성되어 있는 매체유로를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자수지 성형용 금형.
12. 제 1 항에 있어서,

    상기 매체유로의 내부에 다수의 방향편을 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자수지 성형용 금형.
13. 제 1 항에 있어서,

    상기 매체유로의 단면 일부는 상기 코어측에 형성되고 나머지 단면 일부는 원판측에 형성되는 것을 특징으로 하는 고분자수지 성형용 금형.
14. 제 13항에 있어서,

    상기 매체유로가 형성된 원판의 표면에 단열코팅을 하거나 또는 단열재를 부착하여 단열면을 형성하는 것을 특징으로 하는 고분자수지 성형용 금형.
15. 제 13항에 있어서,

    상기 코어와 원판의 외곽 접합부에 실링부재를 구비하여 매체가 외부로 유출되지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 고분자수지 성형용 금형.
16. 제 1 항에 있어서,

    상기 성형부에 유입되는 고분자 수지가 만나는 부분에 기체 배출홈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자수지 성형용 금형.
17. 제 16 항에 있어서,

    상기 기체 배출홈에 진공시스템이 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 고분자수지 성형용 금형.
18. 제 1 항에 있어서,

    상기 성형부에 유입되는 고분자 수지가 만나는 부분의 코어 하부에 전도판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자수지 성형용 금형.
19. 제 18 항에 있어서,

    상기 전도판의 내부에 가열유체 또는 냉각유체가 흐르도록 형성되어 있는 매체유로를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자수지 성형용 금형.
20. 제 1 항에 있어서,

    상기 매체유로들 사이에 다수의 온도센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자수지 성형용 금형.
21. 제 20 항에 있어서,

    상기 다수의 온도센서로부터 데이터를 받아 성형부 전체의 온도를 균일하게 조절하는 온도조절 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자수지 성형용 금형.
22. 제 1 항의 금형을 이용한 고분자 수지의 성형 방법.
23. 제 22 항의 방법에 있어서,

    상기 금형의 온도변화율을 100 내지 400℃/분의 범위로 조절하는 것을 특징 으로 하는 고분자 수지의 성형 방법.
24. 제 22 항의 방법에 있어서,

    상기 금형 성형부의 전체 온도 편차를 1 내지 20℃의 범위로 조절하는 것을 특징으로 하는 고분자 수지의 성형 방법.

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