KR100360420B1 - 발포 플라스틱 제조용 가스공급장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 발포 플라스틱 제조용 가스공급장치는 플라스틱의 내부에 기포를 형성하는 비활성가스를 가스 저장수단으로부터 공급받아 고압으로 압축하는 가스 압축수단과, 상기 가스 압축수단에 의해 압축된 고압가스를 수취하여 일정압력으로 저장하는 수취수단과, 상기 수취수단으로부터 전달된 고압가스를 임시저장한 후 발포 플라스틱 성형기계에 연속적 또는 단속적으로 일정량 공급하는 가스공급수단과, 상기 가스공급수단과 상기 플라스틱 성형기계 사이에 설치되어 가스의 공급을 단속하는 차단밸브와; 상기 가스 압축수단과 상기 차단밸브의 동작을 제어하는 제어부로 구성된 발포 플라스틱 제조용 가스공급장치에 있어서,

상기 가스공급수단은 가스가 상기 플라스틱 성형기계의 실린더 내부에 수용된 플라스틱과 혼합되도록 공급되는 가스량을 조절하여 상기 플라스틱 성형기계에 공급함으로, 플라스틱 성형장치의 내부로 일정량의 가스를 연속적 또는 단속적으로 공급하여 용융 플라스틱과 혼합될 수 있도록 함으로써 충분한 기계적 강도를 구비한 발포 플라스틱을 양산할 수 있도록 하는 발포 플라스틱 제조용 가스공급장치에 관한 것이다.

Description

발포 플라스틱 제조용 가스공급장치 { Gas supplier for making foamed plastic }

본 발명은 내부에 기포가 균일하게 분포된 발포 플라스틱을 제조하기 위하여 일정량의 가스를 플라스틱 성형기계로 공급하는 기술에 관한 것으로서, 특히 성형품의 무게에 따라 결정된 양만큼의 가스를 연속적 또는 단속적으로 플라스틱 성형기계로 공급하는 발포 플라스틱 제조용 가스공급장치에 관한 것이다.

일반적으로 기술은 동일한 노력으로 보다 많은 일을 할 수 있도록 제품의 무게를 감소시키는 방향으로 진보되고 있다. 따라서, 기존의 강철제품은 알루미늄과 같은 가벼운 비철금속으로 만들어지고 있으며, 다시 플라스틱과 같은 경량소재를 이용할 수 있도록 연구가 진행되고 있다. 특히, 플라스틱은 성형의 용이성으로 인해 그 용도가 매우 다양하며, 거의 모든 산업분야에서 응용되어 사용되고 있다.

플라스틱을 원하는 형상으로 만드는 기술에는 압출성형, 사출성형, 반응사출성형 및 열성형과 같은 방법이 있다. 상기한 플라스틱 성형기술은 대부분 화학공장에서 만들어진 플라스틱 알갱이, 즉 펠릿(pellet)들을 전기열과 기계적 마찰을 이용하여 녹인 후 힘을 가하여 원하는 형상으로 만들어진 틀로 밀어냄으로써 여러 가지 성형품들을 제조한다.

그런데, 플라스틱은 다른 재료에 비해 제품비 중에서 재료가 차지하는 비율이 매우 높기 때문에 재료비의 절감과 더불어 플라스틱 제품의 무게를 더욱 줄일수 있도록 하는 노력에 의해 발포기술이 개발되었다. 발포기술이란 플라스틱 제품 안에 미세한 크기를 갖는 많은 기포들이 생기도록 하는 기술로서, 화학적 또는 물리적 발포물질을 펠릿과 함께 잘 섞은 후 외부에서 열을 가하여 발포 물질들이 기화되도록 함으로써 제품 내부에 기포가 형성되도록 한다. 기포가 형성되면 제품의 많은 부분들을 기포가 차지하므로 재료비를 대폭 절감할 수 있고 제품의 무게를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 기포로 인한 단열성능을 얻을 수 있다.

발포기술은 이렇듯 여러 면에서 이득을 가져다 주었으나 발포 물질들이 플라스틱에 균일하게 섞이지 않음으로 인해 나타나는 부분적인 취약현상과, 생성된 적은 수의 큰 기포들로 인해 충격강도 및 인성과 같은 기계적 강도의 저하를 야기하여 기계적 강도를 요구하는 구조물에는 사용할 수 없는 단점을 가지고 있다. 또한, 발포를 위해 사용하는 펜탄, 프레온과 같은 발포 물질은 환경에 유해하여 발포 물질의 사용이 제한되고 있는 추세이다. 따라서, 이러한 단점을 극복하기 위하여 가스를 이용하는 발포기술이 개발되었다.

가스를 이용한 발포기술은 용융 플라스틱에 일정량의 가스를 공급하고 실린더 내부에 있는 스크루를 회전시켜 플라스틱/가스 용액을 밀어내어 압력차를 유발시킴으로써 플라스틱/가스 용액 내부에서 가스가 압력차에 의해 발포되도록 하는 것이다. 가스를 이용한 발포기술의 경우 발포시킨 제품의 내부에 미세한 기포가 균일하게 제품 전체에 걸쳐 분포되며, 기포의 직경이 수십 마이크로미터 정도이고 개수가 단위 체적(1㎤)당 10⁹개 이상인 미세한 기포로 형성되어, 발포기술의 한계로 지적되는 기계적 강도의 저하를 방지할 수 있다.

그러나, 플라스틱 성형기계의 내부로 가스를 공급하여 플라스틱과 혼합되도록 하는 장치는 별도로 개발되지 않았으며, 가스성형 기술에서 금형 내부에 사출된 플라스틱 용액에 가스를 주입하여 빈 공간을 만들어 주는 기술은 개발되어 사용되고 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 극히 미세한 기포를 플라스틱의 내부에 형성할 수 있도록 하기 위하여 플라스틱 성형기계의 실린더 내부에서 용융 플라스틱과 혼합될 수 있도록 일정량의 가스를 연속적 또는 단속적으로 공급해 줄 수 있는 발포 플라스틱 제조용 가스공급장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 의한 발포 플라스틱 제조용 가스공급장치가 도시된 구성도,

도 2는 본 발명의 요부구성인 가스공급수단 중 펌프식 용기가 도시된 도면으로서, 도 2a는 용량고정형 용기, 도 2b는 용량가변형 용기,

도 3은 본 발명의 요부구성인 가스공급수단 중 배관식 용기가 도시된 도면으로서, 도 3a는 중소형 플라스틱 성형기계용 용기, 도 3b는 대형 플라스틱 성형기계용 용기이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 가스공급장치 11 : 가스 부스터

12 : 메인 리시버 13 : 레귤레이터 밸브

14 : 서브 리시버 15 : 가스공급수단

20 : 가스봄베 21 : 압력센서

30 : 플라스틱 성형기계

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 플라스틱의 내부에 기포를 형성하는 비활성가스를 가스 저장수단으로부터 공급받아 고압으로 압축하는 가스 압축수단과, 상기 가스 압축수단에 의해 압축된 고압가스를 수취하여 일정압력으로 저장하는 수취수단과, 상기 수취수단으로부터 전달된 고압가스를 임시저장한 후 발포 플라스틱 성형기계에 연속적 또는 단속적으로 일정량 공급하는 가스공급수단과, 상기 가스공급수단과 상기 플라스틱 성형기계 사이에 설치되어 가스의 공급을 단속하는 차단밸브와; 상기 가스 압축수단과 상기 차단밸브의 동작을 제어하는 제어부로 구성된 발포 플라스틱 제조용 가스공급장치에 있어서,상기 가스공급수단은 가스가 상기 플라스틱 성형기계의 실린더 내부에 수용된 플라스틱과 혼합되도록 공급되는 가스량을 조절하여 상기 플라스틱 성형기계에 공급하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 발포 플라스틱 제조용 가스 공급장치는 도 1에 도시된 바와 같이 플라스틱의 내부에 미세한 기포를 형성하는 비활성가스가 저장되는 가스봄베(20)와, 상기 가스봄베(20)로부터 공급되는 비활성가스를 고압으로 압축하는 가스 부스터(11)와, 상기 가스 부스터(11)에 의해 압축된 고압가스를 저장하여 균일한 압력이 되도록 하는 메인 리시버(12)와, 가스의 흐름량을 조절하는 레귤레이터 밸브(13')를 통해 상기 메인 리시버(12)에 저장된 고압가스를 전달받아 보다 안정적인 가스공급이 이루어지도록 하는 서브 리시버(14)와, 상기 서브 리시버(14)로부터 전달된 고압가스가 일시 저장되고 발포 플라스틱을 제조하는 플라스틱 성형기계(30)에 연속 또는 단속적으로 일정량 공급하되 여러 변수를 이용하여 공급되는 가스량을 조절하는 가스공급수단(15)과, 상기 서브 리시버(14)와 상기 가스공급수단(15) 사이에 설치되어 고압가스가 상기 가스공급수단(15)에 원하는 압력으로 저장되도록 하는 레귤레이터 밸브(13)와, 상기 가스공급수단(15)과 플라스틱 성형 기계(30) 사이에 설치되어 가스의 공급을 단속하는 차단밸브(16)와, 상기 가스 부스터(11)와 차단밸브(16)의 동작을 제어하는 제어부(17)로 구성된다.여기서, 상기 비활성 기체에 의해 형성되는 기포는 직경이 수십 마이크로미터 정도이고 개수가 단위 체적(1㎤)당 10⁹개 이상인 미세한 기포로 형성된다.

상기 가스 부스터(11)는 상기 가스봄베(20)의 내부 압력이 낮을 경우에도 소정 시간 내에 충분한 압력으로 가스를 압축할 수 있도록 다단으로 구성될 수 있으며, 상기 가스봄베(20)에는 내부 압력을 감지하는 압력센서(21)가 설치되어 가스압력이 일정 이하로 떨어지면 상기 제어부(17)가 가스 부스터(11)의 동작을 차단시키도록 한다. 또, 상기 메인 리시버(12)와 서브 리시버(14)에는 규정 압력을 초과할 경우 가스를 방출하는 안전밸브(18)가 설치된다.

상기 가스공급수단(15)에는 내부 온도를 원하는 값으로 조절할 수 있도록 온도조절장치(19)가 설치되며, 상기 가스공급수단(15)에는 규정된 압력의 고압가스를 플라스틱 성형기계에 일정량 공급할 수 있도록 하기 위하여 여러 가지 형식으로 형성된다.

도 2에는 피스톤(15')을 이용하여 고압가스를 플라스틱 성형기계(30)에 공급하는 펌프식 용기가 도시되어 있는 바, 도 2a는 용기의 체적이 일정한 용량고정형 용기를 도시한 것이고, 도 2b는 피스톤(15')을 전후 이동시켜 용기의 체적을 변화시킬 수 있는 용량가변형 용기를 도시하고 있다. 또, 도 3에는 밸브(15c,15d) 사이의 간격 및 배관의 직경을 이용하여 가스 공급량을 조절하는 배관식 용기가 도시되어 있으며, 도 3a의 용기는 비교적 필요한 고압가스의 양이 비교적 적은 중소형 기계에 사용되고, 도 3b의 용기는 비교적 많은 양의 고압가스를 요구하는 대형 기계에 사용되는 것으로 고압가스를 저장할 수 있는 가스 리저버(15e)를 별도로 구비하고 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 발포 플라스틱 제조용 가스공급장치는 플라스틱 제조장치에 고압의 비활성가스를 연속적 또는 단속적으로 공급하여 미세한 기포가 균일하게 분포된 발포 플라스틱이 제조되도록 한다.

가스봄베(20)에는 이산화탄소(CO₂)나 질소(N₂)와 같은 비활성가스가 저장되며, 가스공급장치(10)의 가스 부스터(11)는 가스봄베(20)로부터 전해진 비활성가스를 압축하여 고압가스, 즉 초임계 상태가 되도록 한다. 이때, 가스봄베(20)에 저장된 비활성가스의 압력은 시간에 따라 낮아지는 점을 감안하면 가스 부스터(11)가 비활성가스를 고압으로 압축하는 시간이 점차로 길어진다는 것을 알 수 있다. 따라서, 상기 가스 부스터(11)는 다단으로 설치되어 항상 일정 시간 내에 비활성가스를 초임계 압력까지 압축할 수 있도록 해야 한다. 또, 상기 가스봄베(20)에 설치된 압력센서(21)는 가스봄베(20) 내부의 가스압력이 규정압력 이하로 떨어지는 것을 감지하여 제어부(17)로 하여금 가스 부스터(11)의 동작을 중지시키도록 한다.

가스 부스터(11)에 의해 초임계 상태로 변화된 고압 비활성가스는 메인 리시버(12)에 일시 저장되며, 메인 리시버(12)에서는 고압의 비활성가스가 균일한 압력으로 변화된다. 이후, 메인 리시버(12)의 고압 비활성가스는 레귤레이터 밸브(13')를 통해 서브 리시버(14)로 공급되는데. 상기 레귤레이터 밸브(13')는 가스의 흐름량을 조절하여 일정한 압력으로 고압 비활성가스가 공급되도록 한다. 이때, 상기 메인 리시버(12)는 서브 리시버(14)에 안정적으로 고압 비활성가스를 공급할 수 있도록 서브 리시버(14)에 비해 큰 체적을 가지며 더 높은 압력을 유지한다. 만약, 상기 메인 리시버(12) 및 서브 리시버(14)의 내부 압력이 규정 압력 이상으로 상승되는 경우 폭발의 위험성이 있으므로, 각각에 설치된 안전밸브(18)가 규정압력이초과되면 자동으로 열려 내부의 가스를 방출함으로써 안전을 도모한다.

서브 리시버(14)는 가스공급수단(15)으로 가스를 보내 가스공급수단(15)이 일정량의 고압 비활성가스를 플라스틱 성형기계(30)로 공급할 수 있도록 한다. 이때, 상기 가스공급수단(15)에 설치된 온도조절장치(19)는 가스공급수단(15)의 온도를 일정하게 유지되도록 하며, 상기 플라스틱 성형기계(30)로 공급되는 고압 비활성가스의 최종압력은 서브 리시버(14)와 가스공급수단(15) 사이에 설치된 레귤레이터 밸브(13)에 의해 조절된다. 상기 가스공급수단(15)와 플라스틱 성형기계(30) 사이에 설치된 차단밸브(16)는 가스공급수단(15)으로부터 고압 비활성가스가 배출될 때 자동으로 열리게 되며 수동 조작도 역시 가능하다.

여기서, 상기 가스 저장용기(15)를 살펴보면 가스의 저장 및 공급방법에 따라 펌프식과 배관식으로 구분할 수 있다. 펌프식은 도 2에 도시된 바와 같이 실린더 내부에 비활성가스를 채운 후 입구(15a)를 차단하고 출구(15b)를 연 상태에서 피스톤(15')을 전진시켜 플라스틱 성형기계(30)로 고압 비활성가스를 공급하는 방식이고, 배관식은 체적이 일정하고 원하는 온도로 유지되고 있는 배관의 양측에 각각 밸브(15c,15d)를 설치하여 입구측 밸브(15c)와 출구측 밸브(15d) 사이에 고압 비활성가스를 저장한 후 출구측 밸브(15d)를 개방하여 가스의 압력에 의해 플라스틱 성형기계(30)로 고압 비활성가스가 공급되도록 하는 방식이다.

펌프식 가스공급수단은 서브 리시버(14)의 고압 비활성가스가 레귤레이터 밸브(13)에 의해 필요한 압력으로 실린더의 입구(15a)를 통해 내부에 채워진 후, 입구(15a)를 차단하고 출구(15b)를 연 상태에서 기계적인 힘 또는 유압을 이용하여 피스톤(15')을 전진시키면 실린더 내부의 고압 비활성가스가 플라스틱 성형기계(30)의 내부로 공급된다. 도 2a에 도시된 가스공급수단(15)은 용량고정형 용기로서 실린더의 내부 체적이 일정하며, 도 2b에 도시된 가스공급수단(15)은 용량가변형 용기로서 피스톤(15')의 전후이동에 따라 실린더의 내부 체적이 변화된다. 온도조절장치(19)에 의해 가스공급수단(15)의 온도가 일정하게 유지되므로 플라스틱 성형기계(30)로 공급되는 가스량은 실린더의 체적 및 가스의 압력에 의해 결정된다. 따라서, 실린더의 체적이 일정할 경우 가스량을 결정할 수 있는 변수인 압력은 단 하나의 값을 가지게 되고, 실린더의 체적이 가변되는 경우 가스량을 조절할 수 있는 변수인 압력이 체적에 따라 달라지므로 압력 선택의 폭이 넓어지게 된다. 다만, 펌프식 가스공급수단을 사용하는 경우에는 압력이 높아질수록 플라스틱 성형기계의 내부에서의 사이클이 불안정해질 수 있는 단점이 있다.

배관식 가스공급수단은 체적이 일정하고 원하는 온도로 유지되고 있는 배관의 양측에 각각 밸브(15c,15d)를 설치하고, 출구측 밸브(15d)를 닫은 상태에서 입구측 밸브(15c)를 열어 서브 리시버(14)의 가스가 레귤레이터 밸브(13)를 통해 배관 내부로 공급되도록 한 후 입구측 밸브(15c)를 닫아 일정량의 가스가 배관 내부에 머무르도록 한다. 이때, 배관 내부의 체적 및 온도는 고정되어 있으므로 가스의 압력만 정해지면 일정량의 가스가 배관 내부에 저장된다. 이 상태에서 출구측 밸브(15d)를 열면 가스압에 의해 배관 내부의 가스가 플라스틱 성형기계(30)의 내부로 공급되며, 대형 플라스틱 성형기계에서는 보다 많은 양의 고압 비활성가스를 요구하므로 도 3b에 도시된 바와 같이 가스를 저장할 수 있는 가스 리저버(15e)를 추가로 설치하기도 한다.

이와 같이, 본 발명의 발포 플라스틱 제조용 가스공급장치는 플라스틱 성형장치의 내부로 일정량의 가스를 연속적 또는 단속적으로 공급하여 용융 플라스틱과 혼합될 수 있도록 함으로써 충분한 기계적 강도를 구비한 발포 플라스틱을 양산할 수 있도록 하는 이점이 있다.

Claims (12)

1. 플라스틱의 내부에 기포를 형성하는 비활성가스를 가스 저장수단으로부터 공급받아 고압으로 압축하는 가스 압축수단과, 상기 가스 압축수단에 의해 압축된 고압가스를 수취하여 일정압력으로 저장하는 수취수단과, 상기 수취수단으로부터 전달된 고압가스를 임시저장한 후 발포 플라스틱 성형기계에 연속적 또는 단속적으로 일정량 공급하는 가스공급수단과, 상기 가스공급수단과 상기 플라스틱 성형기계 사이에 설치되어 가스의 공급을 단속하는 차단밸브와; 상기 가스 압축수단과 상기 차단밸브의 동작을 제어하는 제어부로 구성된 발포 플라스틱 제조용 가스공급장치에 있어서,

   상기 가스공급수단은 가스가 상기 플라스틱 성형기계의 실린더 내부에 수용된 플라스틱과 혼합되도록 공급되는 가스량을 조절하여 상기 플라스틱 성형기계에 공급하는 것을 특징으로 하는 발포 플라스틱 제조용 가스공급장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 압축수단은 상기 가스저장수단의 압력이 낮을 경우에도 소정 시간 내에 충분한 압력으로 가스를 압축할 수 있도록 가스 부스터가 다단으로 구성된 것을 특징으로 하는 발포 플라스틱 제조용 가스공급장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 가스저장수단은 내부 압력을 감지하여 상기 제어부를 통해 상기 압축수단의 동작이 차단되도록 하는 압력센서를 구비한 것을 특징으로 하는 발포 플라스틱 제조용 가스공급장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 수취수단은 고압으로 압축된 가스가 일시 저장되어 압력이 균일화되도록 하는 메인 리시버와, 상기 메인 리시버에 저장된 고압가스를 전달받아 보다 안정적인 가스공급이 이루어지도록 하는 서브 리시버로 구성된 것을 특징으로 하는 발포 플라스틱 제조용 가스공급장치.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 메인 리시버와 서브 리시버 사이에는 가스의 흐름량을 조절하는 레귤레이터 밸브가 설치된 것을 특징으로 하는 발포 플라스틱 제조용 가스공급장치.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 메인 리시버와 서브 리시버는 규정 압력을 초과할 경우 가스를 방출하는 안전밸브를 구비한 것을 특징으로 하는 발포 플라스틱 제조용 가스공급장치.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 수취수단과 상기 가스공급수단 사이에는 고압가스가 상기 가스공급수단에 원하는 압력으로 저장되도록 하는 레귤레이터 밸브가 설치된 것을 특징으로 하는 발포 플라스틱 제조용 가스공급장치.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 가스공급수단은 내부 온도를 원하는 값으로 조절할 수 있도록 온도조절수단을 구비한 것을 특징으로 하는 발포 플라스틱 제조용 가스공급장치.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 가스공급수단은 피스톤을 이용하여 플라스틱 성형기계에 가스를 공급하는 펌프식 용기가 사용된 것을 특징으로 하는 발포 플라스틱 제조용 가스공급장치.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 펌프식 용기는 상기 피스톤을 전후 이동시켜 내부 체적을 변화시킬 수 있는 가변 용량형인 것을 특징으로 하는 발포 플라스틱 제조용 가스공급장치.
11. 제 1 항에 있어서,

    상기 가스가스공급수단은 밸브 사이의 간격 및 배관의 직경을 이용하여 가스 공급량을 조절하는 배관식 용기가 사용된 것을 특징으로 하는 발포 플라스틱 제조용 가스공급장치.
12. 제 11 항에 있어서,

    상기 배관식 용기는 상기 플라스틱 성형기계에 보다 많은 가스를 공급할 수 있도록 가스 리저버를 구비한 것을 특징으로 하는 발포 플라스틱 제조용 가스공급장치.