KR101555328B1 - 나노 분말 제조용 다중 분급 사이클론 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 나노 분말 제조용 다중 분급 사이클론 구조에 관한 것으로, 플라즈마에 의해 미세화된 나노 분말을 일정한 입도 크기로 분급시키는 나노 분말 제조용 사이클론 구조에 있어서, 하판과, 상기 하판으로부터 외향 경사지게 상방으로 연장 형성되며, 일측에 나노 분말의 투입을 위한 유입구가 형성되는 측판 및 상기 측판의 상단에 형성되며, 중앙에 분급된 나노 분말의 유출을 위한 배출구가 형성되는 상판을 갖는 제 1 사이클론; 및 상기 제 1 사이클론과 동일한 구조를 가지며, 유입관이 상기 제 1 사이클론의 배출구와 연결되는 제 2 사이클론;을 포함하고, 상기 제 1 사이클론의 하판에 대한 측판의 경사각은 상기 제 2 사이클론의 하판에 대한 측판의 경사각과 다르게 구성되어 나노 분말을 크기 또는 비중별로 다중 분급 가능한 나노 분말 제조용 다중 분급 사이클론 구조를 제공한다.

Description

나노 분말 제조용 다중 분급 사이클론 구조{Structure of multiple classification cyclone for manufacturing nano powder}

본 발명은 나노 분말 제조용 다중 분급 사이클론 구조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 플라즈마에 의해 미세화된 나노 분말을 크기 또는 비중별로 다중 분급할 수 있도록 한 나노 분말 제조용 다중 분급 사이클론 구조에 관한 것이다.

일반적으로 나노 사이즈의 크기를 갖는 구형의 미세 분말은 부피당 표면적이 매우 크기 때문에 항공, 전자, 요업, 의학 등과 같은 다양한 분야에서 광범위한 용도로 이용되고 있다. 따라서 최근에는 미세 분말의 크기를 더욱 최소화하여 그 특성을 보다 적극적으로 이용하기 위한 연구, 개발이 계속되고 있다.

미세 분말을 제조하는 기술로는 마이크로 사이즈의 벌크 분말을 기계적으로 분쇄하는 방식이 알려져 있으나, 기계적인 분쇄 방식의 경우 미세 분말의 크기를 500nm 이하로 줄이는 데 한계가 있기 때문에 최근 들어서는 플라즈마를 이용한 미세 분말 제조 방식이 널리 이용되고 있다.

플라즈마를 이용한 미세 분말 제조 방식은 반응기 내에 원료 물질과 플라즈마 가스를 주입하여 플라즈마를 발생시키고, 이러한 플라즈마에 의해 원료 물질을 용융, 증발시킨 후 냉각하여 나노 분말을 제조하는 방식으로 고상, 액상, 기상의 원료 물질을 선택적으로 사용 가능한 장점이 있다.

이 경우, 플라즈마에 의해 미세화된 나노 분말은 사이클론에 의해 일정한 입도 크기로 분급된다. 구체적으로, 도 1에 도시된 바와 같이 사이클론(10)은 몸체(11)와, 몸체(11)의 일측에 접선 방향을 따라 형성되는 유입구(12) 및 몸체(11)의 상단 중앙에 삽입 설치되는 배출구(13)를 포함하며, 다음과 같은 방식으로 나노 분말을 분급시킨다.

즉, 유입구(12)를 통해 몸체(11) 내부로 투입된 나노 분말은 펌프나 블로어 등으로부터 발생하는 송풍에 의해 순환기류를 형성하고, 이 과정에서 비중이 큰 입자는 원심력에 의해 몸체(11)의 내벽을 따라 침강하고, 비중이 작은 입자는 중앙으로 집중된 후 상승기류에 의해 배출구(13)를 통해 포집부 등으로 이송된다.

그러나 상술한 바와 같은 종래기술에 의하면 몸체(11)의 바닥면에 대한 측벽의 경사각과, 상승기류가 통과하는 배출구(13)의 길이, 깊이 등이 일정하기 때문에 한정된 입도 범위의 나노 분말만을 포집할 수 있다.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 나노 분말을 크기 또는 비중별로 다중 분급할 수 있는 나노 분말 제조용 다중 분급 사이클론 구조를 제공하는 데 목적이 있다.

전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서,

본 발명은 플라즈마에 의해 미세화된 나노 분말을 일정한 입도 크기로 분급시키는 나노 분말 제조용 사이클론 구조에 있어서, 하판과, 상기 하판으로부터 외향 경사지게 상방으로 연장 형성되며, 일측에 나노 분말의 투입을 위한 유입구가 형성되는 측판 및 상기 측판의 상단에 형성되며, 중앙에 분급된 나노 분말의 유출을 위한 배출구가 형성되는 상판을 갖는 제 1 사이클론; 및 상기 제 1 사이클론과 동일한 구조를 가지며, 유입관이 상기 제 1 사이클론의 배출구와 연결되는 제 2 사이클론;을 포함하고, 상기 제 1 사이클론의 하판에 대한 측판의 경사각은 상기 제 2 사이클론의 하판에 대한 측판의 경사각과 다르게 구성될 수 있다.

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본 발명에 따르면, 다수의 사이클론을 서로 연결하되, 각 사이클론의 하판에 대한 측판의 경사각과 배출구의 길이를 다르게 구성함으로써 나노 분말을 크기 또는 비중별로 다중으로 분급할 수 있다.

도 1은 종래기술에 따른 나노 분말 제조용 사이클론 구조의 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 나노 분말 제조용 다중 분급 사이클론 구조가 적용되는 나노 분말 제조 장치의 구성도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노 분말 제조용 다중 분급 사이클론 구조의 단면도.

이하에서는, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙여 설명한다.

먼저, 본 발명은 플라즈마를 이용하여 나노 분말을 제조할 경우 미세화된 나노 분말을 크기 또는 비중별로 다중 분급시키기 위한 사이클론 구조에 관한 것인바 이하 본 발명의 명확한 이해를 위해 나노 분말 제조 방법에 대해 설명한 후 본 발명에 대해 설명하도록 한다.

도 2는 본 발명에 따른 나노 분말 제조용 다중 분급 사이클론 구조가 적용되는 나노 분말 제조 장치의 구성도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 나노 분말 제조 장치(100)는 전원(110)과, 오실레이터(120)와, 전극부(130)와, 냉각부(140)와, 분급사이클론(150)과, 포집부(160)와, 열교환부(170)와, 펌프(180) 및 파우더 공급기(190)를 포함한다.

전원부(110)는 전원을 공급하기 위한 것으로 소정의 주파수, 예컨대, 1~4 MHz의 고주파수를 가진다.

오실레이터(120)는 전원의 증폭을 위한 것으로 전원부(110)로부터 공급되는 전원을 약 80KW로 증폭시킨다.

전극부(130)는 플라즈마를 발생시켜 원료 물질을 원료 가스로 변환시키기 위한 것으로 플라즈마 가스 유도관과, 캐리어 가스 주입관 및 유도코일을 포함한다.

플라즈마 가스 유도관은 플라즈마 가스를 분포시키기 위한 것으로 세라믹과 같은 절연 물질로 이루어지며, 플라즈마 가스로는 아르곤(Ar), 질소(N₂), 산소(O₂), 공기 등을 이용할 수 있다.

캐리어 가스 주입관은 캐리어 가스의 공급을 위한 것으로 플라즈마 가스 유도관의 내측 상단에 설치된다. 캐리어 가스로는 아르곤 가스(Ar gas) 또는 질소 가스(N₂ gas) 등을 이용할 수 있으며, 이러한 캐리어 가스에 의해 원료 물질의 공급이 이루어진다.

유도코일은 유도가열을 통해 플라즈마를 발생시키기 위한 것으로 플라즈마 가스 유도관의 외측에 구비된다. 구체적으로, 유도코일에 RF(0.5MHz ~ 4MHz) 주파수의 전원을 인가하면 플라즈마 가스 유도관 내부에 유도가열이 발생하여 플라즈마가 생성된다. 이 경우, 플라즈마는 상술한 바와 같은 방식으로 발생하는 RF 열 플라즈마로서 통상 10,000 ~ 14,000℃의 온도를 가질 수 있다. 한편, 유도코일은 구리관으로 이루어질 수 있으며, 필요에 따라 구리관 내부에 냉각수를 흐르게 하여 유도코일에 발생한 열을 냉각시킬 수 있다.

상술한 바와 같은 전극부(130)와 오실레이터(120) 사이에는 임피던스 정합부가 구비되어 오실레이터(120)와 전극부(130)의 임피던스를 정합시킴으로써 증폭된 전원이 손실 없이 전달되도록 할 수 있다.

또한, 전극부(130)에는 원료 물질의 공급을 위한 파우더 공급기(190)가 설치되며, 이러한 파우더 공급기(190)를 통해 마이크로 사이즈의 벌크 분말이 주입된다. 원료 물질은 20㎛ 이하, 바람직하게는 14㎛의 벌크 분말 형태로 제공되어 캐리어 가스와 함께 전극부(130)로 주입된다.

냉각부(140)는 원료 가스를 냉각시켜 나노 크기의 분말로 변환시키기 위한 것으로 전극부(130)의 하부에 구비된다. 냉각은 ?칭 가스를 통해 이루어지나 특별히 제한되는 것은 아니다.

분급사이클론(150)은 냉각부(140)와 연결되어 상승기류를 발생시킴으로써 캐리어 가스, 쉬스 가스 등의 각종 가스와 나노 분말을 포집부(160)로 이송하기 위한 것으로 상승기류에 의해 이송되지 않는 크고 무거운 입자들은 하부에 집적되어 외부로 배출된다. 본 발명은 이러한 분급사이클론(150)의 구조를 개선하여 나노 분말을 크기 또는 비중별로 다중 분급시키는 것을 기술적 특징으로 하는 바 이에 대해서는 후술하여 상세히 설명하도록 한다.

포집부(160)는 이송된 가스와 나노 분말 중에서 나노 분말을 포집하기 위한 것으로 금속 메쉬로 이루어진 필터 등을 이용할 수 있다. 이 경우, 포집부(160)에 의해 포집된 나노 분말은 20nm ~ 100nm의 입도로 분포하며, 평균 50nm의 크기를 가진다.

열교환부(170)는 나노 분말 포집 후 가스를 추가적으로 냉각시키기 위한 것으로 냉각 가스를 이용한 공냉식을 적용할 수 있으며, 플라즈마 형성 가스, 쉬스 가스 등을 상온까지 냉각시켜 보다 안전하게 외부로 배출할 수 있다.

펌프(180)는 나노 분말과 가스의 흐름을 유도하기 위한 것으로 열교환부(170)의 후단에 구비된다.

이상으로 본 발명이 적용되는 나노 분말 제조 장치에 대해 설명하였다. 이하에서는 상술한 내용에 기초하여 본 발명에 대해 상세히 설명하도록 한다.

도 3 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노 분말 제조용 다중 분급 사이클론 구조의 단면도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노 분말 제조용 다중 분급 사이클론 구조(200)는 제 1 사이클론(210) 및 제 2 사이클론(220)을 포함한다.

제 1 사이클론(210)은 전극부(130)와 냉각부(140)를 포함하는 반응기로부터 배출된 나노 분말을 1차적으로 분급시키기 위한 것으로 하판(211)과, 측판(212) 및 상판(213)으로 구성된다.

하판(211)은 제 1 사이클론(210)의 바닥면을 이루는 것으로 원판 형상을 가진다. 이 경우, 하판(211)의 저부에는 분말 회수함이 구비될 수 있다. 즉, 플라즈마에 의해 미세화된 나노 분말 중 비중이 큰 입자는 원심력에 의해 측판(212)의 내주면을 따라 침강하게 되므로 하판(211)의 저부에 분말 회수함을 설치하여 이를 회수하는 것이다. 이를 위해 하판(211)과 분말 수거함이 서로 연통되어야 함은 물론이다.

측판(212)은 제 1 사이클론(210)의 측면을 이루는 것으로 하판(211)의 외주연으로부터 외향 경사지게 상방으로 연장 형성되며, 상단 일측에는 나노 분말의 투입을 위한 유입구(212a)가 구비된다. 이 경우, 유입구(212a)는 측판(212)의 접선방향을 따라 형성되어 내부로 유입되는 나노 분말이 선회류를 형성하며 순환되도록 한다.

상판(213)은 제 1 사이클론(210)의 상부면을 이루는 것으로 원판 형상을 가지며, 측판(212)의 상단에 구비된다. 이러한 상판(213)의 중앙에는 상승기류를 타고 상승한 나노 분말의 배출을 위한 배출구(213a)가 형성된다.

상술한 바와 같은 구성에 의해 냉각부(140)로부터 배출된 나노 분말은 유입구(212a)를 통해 제 1 사이클론(210) 내부로 유입되어 순환기류를 형성하고, 이러한 순환기류가 하방으로 흐르다가 하판(211)에 의해 방향이 바뀌면서 상승기류로 전환되어 배출구(213a)를 통해 배출된다.

이 경우, 나노 분말은 펌프(180)나 블로어에 의해 냉각부(140)에서 제 1 사이클론(210)으로 유도되며, 나노 분말 중 비중이 큰 입자들은 원심력에 의해 측판(212)의 내주면을 따라 하부로 침강되고, 비중이 작은 입자들은 배출구(213a)를 통해 배출된다.

이상에서 설명한 제 1 사이클론(210)은 제 2 사이클론(220)과 연결된다.

제 2 사이클론(220)은 제 1 사이클론(210)과 동일하게 하판(221)과, 측판(222) 및 상판(223)으로 구성되며, 측판(222)에는 유입구(222a)가 형성되고, 상판(223)에는 배출구(223a)가 형성된다.

이 경우, 유입구(222a)는 제 1 사이클론(210)의 배출구(213a)와 연결되며, 이로 인해 제 1 사이클론(210)에서 상승기류를 타고 이송된 나노 분말이 제 2 사이클론(220) 내부로 유입될 수 있다.

제 2 사이클론(220)의 내부로 유입된 나노 분말은 제 1 사이클론(210)에서와 동일한 방식으로 분급된다. 이 경우, 본 발명에서는 제 2 사이클론(220)의 하판(221)에 대한 측판(222)의 경사각과, 제 2 사이클론(220) 내부로 삽입되는 배출구(223a)의 길이를 제 1 사이클론(210)과 다르게 구성한 것을 기술적 특징으로 한다.

즉, 하판(221)에 대한 측판(222)의 경사각을 제1사이클론(210)보다 작게 구성하면 원심력이 작아져 더 작은 입자가 분급되며, 배출구(223a)의 길이 조절을 통해서도 동일한 효과를 얻을 수 있다. 따라서 상술한 바와 같이 하판에 대한 측판의 경사각을 점차 작아지도록 제1사이클론(210), 제2사이클론(220), 제3사이클론(230)을 구성하여 서로 연결하면 큰 입자부터 작은 입자까지 순차적으로 포집할 수 있다.

이상으로 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참고하여 상세하게 설명하였다. 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

따라서 본 발명의 범위는 상술한 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미, 범위, 및 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 나노 분말 제조 장치 110 : 전원
120 : 오실레이터 130 : 전극부
140 : 냉각부 150 : 분급사이클론
160 : 포집부 170 : 열교환부
180 : 펌프 190 : 파우더 공급기
200 : 나노 분말 제조용 다중 분급 사이클론 구조
210 : 제 1 사이클론 211 : 하판
212 : 측판 212a : 유입구
213 : 상판 213a : 배출구
220 : 제 2 사이클론 221 : 하판
222 : 측판 222a : 유입구
223 : 상판 223a : 배출구
230 : 제 3 사이클론

Claims (2)

1. 플라즈마에 의해 미세화된 나노 분말을 일정한 입도 크기로 분급시키는 나노 분말 제조용 사이클론 구조에 있어서,
   하판과, 상기 하판으로부터 외향 경사지게 상방으로 연장 형성되며, 일측에 나노 분말의 투입을 위한 유입구가 형성되는 측판 및 상기 측판의 상단에 형성되며, 중앙에 분급된 나노 분말의 유출을 위한 배출구가 형성되는 상판을 갖는 제 1 사이클론; 및
   상기 제 1 사이클론과 동일한 구조를 가지며, 유입관이 상기 제 1 사이클론의 배출구와 연결되는 제 2 사이클론;을 포함하고,
   상기 제 1 사이클론의 하판에 대한 측판의 경사각은 상기 제 2 사이클론의 하판에 대한 측판의 경사각과 다르게 구성되는 것을 특징으로 하는 나노 분말 제조용 다중 분급 사이클론 구조.
2. 삭제

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