KR102444006B1 - 비대칭의 곡관형 가이드를 통해 효율성을 향상시킨 입자 분급기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 투입구로 인입된 대상물이 비대칭의 곡관형 가이드를 통과할 때 원심력과 대상물 자중에 의한 중력에 의하여 특정 크기 이상의 입자는 하강하여 챔버로 분리되고, 특정 크기 이하의 입자만 기체와 함께 상기 배출구로 토출되도록 하는 비대칭의 곡관형 가이드를 통해 분급 효율성을 향상시킨 입자 분급기를 개시한다.

Description

비대칭의 곡관형 가이드를 통해 효율성을 향상시킨 입자 분급기{THE PARTICLE CLASSIFIER WITH IMPROVED CLASSFIER EFFICIENCY}

본 발명은 투입구로 인입된 대상물이 비대칭의 곡관형 가이드를 통과할 때 원심력과 대상물 자중에 의한 중력에 의하여 특정 크기 이상의 입자는 하강하여 챔버로 분리되고, 특정 크기 이하의 입자만 기체와 함께 상기 배출구로 토출되도록 하는 비대칭의 곡관형 가이드를 통해 분급 효율성을 향상시킨 입자 분급기에 관한 것이다.

기류식 분쇄기술은 건조된 원물을 투입하여 분쇄한 후, 미세 분말로 가공한다. 이후 가공된 미세분말은 원심분리기와 같은 싸이클론 방식의 입자 분급기를 통해 포집하여 큰 입자와 작은 입자로 분류하게 된다.

도 1은 종래의 일반적인 싸이클론 방식의 입자 분급기를 도시한 개략적인 예시도이다.

도 1과 같은 종래의 싸이클론 방식의 입자 분급기는 기체 유입구(Gas inlet)를 통해 유동과 더불어 다양한 크기의 입자가 공급된다.

이때, 기체 유입구를 통해 유입되면서 발생하는 유동은 싸이클론 본체 내부에 소용돌이 형태로 존재하며, 벽면을 따라 회전하면서 싸이클론 본체 내부에 유입된 입자가 원심력에 의해서 벽면으로 이동되도록 한다.

벽면으로 이동된 입자들 중 상대적으로 크기가 큰 입자는 자중에 의해 아래쪽으로 이동하게 되어 배진구(排塵口, Dust outlet)로 토출되고, 상대적으로 가벼운 입자는 유동을 따라서 이동하여 기체 배출구(Gas outlet)를 통해 유동과 함께 배출되게 된다.

이러한 현상은 유동장 내부에 발생하는 원심력의 크기와 입자의 자중에 따라 결정되는데, 소형분쇄기의 경우 별도의 분급 장치가 구비되지 않아 분말 회수 시 미처 분쇄되지 못한 큰 입자가 미세분말에 혼합되어 회수되었으며, 이로 인해 평균입도 편차가 커지고, 평균입도도 넓어져 분말제품의 품질이 저하되고, 미세분말에 포함된 큰 입자를 다시 분리하기 위하여 입자별 분급공정이 추가되는 문제점이 있었다.

따라서, 회수되는 미세분말의 품질을 향상시키기 위하여 소형분쇄기의 입자분급기의 개선이 필요하다.

대한민국 등록특허공보 제10-1555328호(나노 분말 제조용 다중 분급 사이클론 구조) 대한민국 공개특허공보 제10-2013-0100226호(사이클론식 분급장치)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 투입구로 인입된 대상물이 비대칭의 곡관형 가이드를 통과할 때 원심력과 대상물 자중에 의한 중력에 의하여 특정 크기 이상의 입자는 하강하여 챔버로 분리되고, 특정 크기 이하의 입자만 기체와 함께 상기 배출구로 토출되도록 하는 입자 분급기를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 위하여 본 발명은 투입구를 통해 인입되는 대상물이 입자의 크기에 따라 분리되어 작은 입자는 배출구로 토출되고, 큰 입자는 별도로 선별되도록 구성되는 입자 분급기에 있어서, 일측에는 투입구가 타측에는 배출구가 형성되도록 소정 곡률을 갖는 곡관형태로 이루어지며, 상기 투입구측 단부는 투입구가 지면을 향하도록 상향 수직으로 배치되고 배출구측 단부는 배출구가 상향 대각방향을 향하도록 측방으로 소정 각도만큼 경사지게 배치되되, 상기 투입구측 단부가 배출구측 단부보다 높게 배치되는 비대칭 구조의 곡관형 가이드와; 상기 곡관형 가이드의 하부에 배치되는 중공 구조의 챔버와; 상단이 상기 곡관형 가이드의 하부 중앙에 연통되게 연결되고 하단이 상기 챔버의 상부 중앙에 연통되게 연결되며, 상기 투입구로 인입된 대상물이 곡관형 가이드를 통과할 때 원심력과 대상물 자중에 의한 중력에 의하여 특정 크기 이상의 입자는 하강하여 챔버로 분리되고, 특정 크기 이하의 입자만 기체와 함께 상기 배출구로 토출되도록 유도하는 분리유도부;를 포함하며, 상기 분리유도부의 배출구측 측벽은 투입구를 통해 유입된 대상물이 내주면에 충돌한 후 관성에 의해 배출구로 빠져나가는 것을 방지할 수 있도록 상향 대각방향을 따라 내측으로 경사지게 형성되는 것을 특징으로 한다.

삭제

또한, 본 발명에서 상기 분리유도부는 상광하협(上廣下狹)의 형태로 이루어져 내부에서 와류에 의한 유동장 교란을 최소화하여 대상물이 원활하게 이동 가능하도록 한 것을 특징으로 한다.

삭제

또한, 본 발명에서 상기 투입구로 유입되는 대상물의 유입속도는 5~15m/s인 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명은 곡관형 가이드를 통해 입구의 유선(stream line)이 출구로 거의 빠져나가도록 하되, 투입구로 인입된 대상물이 곡관형 가이드를 따라 이동할 때 분리 유도부를 통과하는 과정에서 원심력과 대상물 자중에 의한 중력의 영향을 받아 특정 크기 이상의 입자는 하강하여 챔버로 분리되고, 특정 크기 이하의 입자만 기체와 함께 상기 배출구로 토출되도록 할 수 있는 효과가 있다.

특히, 본 발명은 상기 투입구와 배출구가 곡관형 가이드에 의해 비대칭 구조로 이루어져 원심력과 대상물 자중에 의한 중력에 의하여 특정 크기 이상의 입자가 신속용이하게 분리되도록 유도할 수 있다.

또한, 본 발명은 상광하협(上廣下狹) 형태의 분리 유도부에 의해 상기 가이드와 챔버 사이가 상부에서 하부로 갈수록 좁아지는 형태를 이루어 내부에서 와류에 의한 유동장 교란을 최소화할 수 있으며, 이를 통해 대상물이 보다 원활하게 이동할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 분리유도부의 배출구 측 측벽이 상향 대각방향을 따라 경사진 형태를 이루어 측벽에 충돌한 입자가 관성에 의해 분리유도부 내로 재진입하는 것을 방지할 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 싸이클론 방식의 입자 분급기를 설명하기 위한 개략적인 예시도.
도 2는 싸이클론 방식의 입자 분급기의 문제점을 설명하기 위한 개략적인 예시도.
도 3a) 및 3b)는 원심 분리의 기본 이론을 설명하기 위한 예시도.
도 4a) 및 4b)는 본 발명에 따른 비대칭의 곡관형 가이드를 통해 분급 효율성을 향상시킨 입자 분급기를 설명하기 위한 개략적인 예시도.
도 5a) 내지 5c)는 본 발명과의 비교를 위한 대칭의 곡관형 가이드를 갖는 입자 분급기의 유동해석.
도 6a) 내지 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비대칭의 곡관형 가이드를 갖는 입자 분급기의 유동해석 및 그 결과.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 비대칭의 곡관형 가이드를 통해 분급 효율성을 향상시킨 입자 분급기에 대하여 더욱 상세하게 설명하도록 한다.

본 발명에서 입자 분급기라 함은 투입구를 통해 인입되는 대상물이 회전력(예를 들어 원심력)을 통해 입자의 크기에 따라 분리되어 작은 입자는 배출구로 토출되고, 큰 입자는 별도로 선별되도록 하는 기기장치를 말한다.

도 2는 싸이클론 방식의 입자 분급기 유동해석을 도시한 예시도이고, 도 3a) 및 3b)는 원심분리기의 기본 이론을 설명하기 위한 개략적인 예시도이다.

도 2와 같이 싸이클론 방식의 입자 분급기는 투입구가 분급기 본체에 대하여 편심된 위치에 형성되고, 배출구는 본체에 대하여 수직하게 형성되는데, 도 2와 같이 입자가 출구에서 빠져 나오면서 확산되는 현상이 발생되며, 유선(stream line)을 통해 빠져나가는 효율이 현저히 적은 문제점이 있었다.

한편, 도 3a)와 같이 곡선의 유선을 가진 유동을 따라 이동될 때 원심력 유동에 의한 항력이 원심력과 동일하여 유선과 접선방향으로 탈출하기 위해서는 원심력과 항력의 값이 동일해야 한다.

다시 말해, 곡선의 유선을 따라 이동할 때, 입자는 원심력에 의해 회전 중심으로부터 멀어지려고 하고 이에 따라 입자에 유체로부터 항력이 가해지므로, 원심력과 항력이 동일할 경우 곡선의 유선을 따라 운동하던 입자는 운동중이던 상태를 유지하게 되고, 곡선의 접선을 따라 탈출할 수 있으며, 그 조건은 하기의 [수학식 1]과 같다.

이를 원심력 방향의 속도 성분으로 정리하면, 하기의 [수학식 2]와 같다.

여기에서, 유동의 곡률 반경(R)을 0.2m로 가정하고, 입구 유속은 15m/s, 입자의 크기는 100μ으로 가정하며, 입자의 비중을 0.5로 가정하면 V_r=3.77m/s가 된다. 여에서, V_r은 입자가 유선을 벗어나 유동의 접선 방향으로 탈출하는 속도이다.

이후, 3b)와 같이 원심력 방향으로 이탈한 100㎛ 크기의 입자가 0.05m만큼 이탈했을 때까지 걸리는 시간과 이때의 회전량을 계산하면 각각 0.0133s, 1rad이다.

본 발명은 이 지점에서 원심력과 대상물 자중에 의한 중력의 영향을 받아 특정 크기 이상의 입자는 하강하여 챔버로 분리되고, 특정 크기 이하의 입자만 기체와 함께 상기 배출구로 토출되도록 구성된다.

도 4a) 및 4b)는 본 발명에 따른 비대칭형 가이드를 통해 분급 효율성을 향상시킨 입자 분급기를 설명하기 위한 개략적인 예시도이다.

도 4a) 및 4b)와 같이 본 발명에 따른 입자 분급기는 소정곡률을 갖는 곡관형 가이드(10)가 구비된다.

상기 곡관형 가이드(10)는 소정 곡률로 형성되며 양측 단부가 각각 대상물이 투입되는 투입구(11) 및 특정 크기 이하의 입자와 기체가 배출되는 배출구(11)로 이루어지되, 투입구 측 단부가 배출구 측 단부보다 높은 비대칭 구조(예를 들어 대략 'し'형상)로 배치된다.

바람직하게는, 상기 곡관형 가이드(10)는 투입구 측 단부는 투입구가 지면을 향하도록 상향 수직으로 배치되고, 배출구 측 단부는 배출구가 상향 대각방향을 향하도록 측방으로 소정 각도만큼 경사지게 배치되며, 이를 통해 투입구의 유선(stream line)이 배출구로 거의 빠져 나가도록 할 수 있다.

다음으로, 본 발명은 상기 곡관형 가이드의 하부에 배치되는 중공 구조의 챔버(20)와; 상단이 상기 곡관형 가이드의 하부 중앙에 연통되게 연결되고 하단이 상기 챔버의 상부 중앙에 연통되게 연결되는 분리유도부(30)를 포함한다.

상기 챔버(20)는 후술할 분리유도부(30) 내부에서 분리된 특정 크기 이상의 입자가 하강하여 분리되는 공간부로서, 원통형의 형상으로 이루어질 수 있으며, 분리된 특정 크기 이상의 입자가 바닥면에 충돌한 후 관성에 의해 분리유도부 내로 재진입되는 현상을 방지할 수 있도록 충분한 높이를 갖을 수 있다.

상기 분리유도부(30)는 상기 투입구로 인입된 대상물이 곡관형 가이드를 통과할 때 원심력과 대상물 자중에 의한 중력에 의하여 특정 크기 이상의 입자는 하강하여 챔버로 분리되고, 특정 크기 이하의 입자만 기체와 함께 상기 배출구로 토출되도록 유도하는 공간부이다.

다음으로, 본 발명에서 상기 분리유도부(30)는 상부로부터 하부로 갈수록 점차 좁아지는 형태로 이루어질 수 있다.

상기 분리유도부(30)가 상광하협(上廣下狹)의 형태를 이루게 되면, 곡관형 가이드(10)와 챔버(20) 사이가 좁아지면서 분리유도부(30) 내부에서 와류에 의한 유동장 교란을 최소화하여 대상물이 보다 원활하게 이동되도록 할 수 있다. 만약, 상기 분리유도부(30)가 곡관형 가이드와 동일한 폭으로 형성되면 와류에 의한 유동장 교란이 강하게 발생되어 대상물의 이동성이 저하되는 문제점이 발생되므로 바람직하지 않다.

또한, 도 4b)와 같이 본 발명에서 상기 분리유도부의 배출구 측 측벽(31)은 상향 대각방향을 따라 내측으로 경사지게 형성되며, 예를 들어 수직단면이 "＼"자 형상으로 이루어질 수 있다.

상기 투입구(11)를 통해 곡관형 가이드(10) 내부로 투입된 대상물은 분리유도부(30)를 통과하는 과정에서 배출구 측 측벽(31)에 충돌하게 되는데, 상기 배출구 측 측벽(31)이 상향 대각방향을 따라 내측으로 경사지게 형성되면 특정 크기 아상의 입자들이 배출구 측 측벽(31)에 충돌한 후 관성에 의해 분리유도부 측으로 상승하는 과정에서 측벽의 상부에 가로막히면서 분리유도부로 재진입하지 못하고 챔버 내부로 분리되며, 이러한 원리를 통해 분급 효율성을 향상시킬 수 있다.

만약 상기 배출구 측 측벽이 수직단면이 "〔"자 형상으로 이루어질 경우 충돌 후 관성에 의해 분리유도부 내부로 재진입되어 특정 크기 이상의 입자들도 기체와 함께 배출구로 빠져나가는 문제점이 발생될 수 있으며, "／"자 형상으로 이루어질 경우 측벽에 충돌되지 않는 대상물의 양이 많아지면서 분급 효율성이 저하되므로 바람직하지 않다.

다음으로, 도 5a) 내지 5c)는 본 발명과의 비교를 위한 입자 분급기의 유동해석을 도시한 예시도로서, 본 발명과의 비교를 위한 입자 분급기는 투입구와 배출구가 동일한 높이에 배치되도록 도 5a)와 같이 대칭형의 곡관형 가이드(10′)가 구비되며, 분리유도부의 배출구 측 측벽(31′)은 도 5c)와 같은 형상으로 이루어진다. 여기에서, 상기 대칭형의 곡관형 가이드(10′)는 양측 단부가 각각 상향 대각방향을 따라 소정 각도만큼 경사진 형태를 이룬다.

다음으로, 도 6a) 및 6b)는 상기 투입구(11)로 대상물이 투입될 때 유입속도가 15m/s일 때의 유동해석이며, 도 7은 상기 투입구(11)로 대상물이 투입될 때 유입속도가 10m/s일 때의 유동해석이고, 도 8은 유입속도가 5m/s일 때의 유동해석이이며, 도 9는 도 6a) 내지 8의 유동해석 결과를 정리한 예시도이다.

도 6a) 내지 도8의 입자 분급기는 비대칭의 곡관형 가이드(10)와, 수직단면이 "＼"자 형상인 분리유도부의 배출구 측 측벽(31)을 포함하되, 상기 비대칭의 곡관형 가이드(10)는 투입구가 지면을 향하도록 투입구 측 단부가 수향 수직으로 배치됨에 따라 도 5a) 내지 5c)의 입자 분급기의 곡관형 가이드(10′)보다 곡률이 증가된다. 또한, 도 9에서 N_in은 투입구에서 출발한 입자의 수이고, N_out은 배출구를 빠져나간 입자의 수를 의미한다.

먼저, 도 5a) 내지 5c)와 같이 대칭형의 곡관형 가이드(10′)가 구비되는 입자 분급기는 도 2에 도시된 싸이클론 방식의 입자 분급기와 비교하였을 때, 대상물이 유선(stream line)을 통해 배출구로 빠져나가는 효율은 향상되었으나, 배출구 측 측벽(31′)에 충돌된 100㎛ 이상의 입자들이 챔버 내부로 가라앉지 않고 관성에 의해 재진입되어 배출구로 배출되는 문제점이 있다.

이에 반하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 입자 분급기는 원심력과 중력의 영향에 의해 투입구의 유선(stream line)이 거의 배출구로 빠져나가는 것을 확인할 수 있다. 다만, 도 6b)와 같이 유입속도가 15m/s인 경우 상기 곡관형 가이드(10)의 투입구 측 곡률이 늘어남에 따라 투입구(11)를 통해 인입된 대상물이 분리유도부(30)로 진입하는 과정에서 곡관형 가이드(10)와 연결되는 분리유도부(30)의 투입구 측 측벽(32)에 충돌한 다음 특정 크기 이상의 입자 일부가 관성에 의해 배출구로 빠져나가는 현상이 있다.

또한, 상기 투입구(11)로 대상물이 투입될 때 유입속도가 10m/s, 15m/s인 경우 특정 크기 이상의 입자(예를 들어, 100㎛ 이상)의 입자가 분리유도부의 배출구 측 측벽(31)에 충돌한 후 관성에 의해 분리유도부 내로 재진입하여 배출구로 빠져나가는 현상이 발생되었다.

반면에, 유입속도가 5m/s인 경우 중력에 의해 100㎛ 이상의 입자 대부분이 챔버로 분리된다.

따라서, 상기 투입구로 유입되는 대상물의 유입속도는 5~15m/s인 것이 좋으며, 분급 효율성을 극대화하기 위해 대상물의 유입속도는 5m/s인 것이 바람직하다.

10 : 곡관형 가이드
11 : 투입구 12 : 배출구
20 : 챔버
30 : 분리유도부 31 : 배출구 측 측벽
32 : 투입구 측 측벽
100 : 입자 분급기

Claims (5)

1. 투입구를 통해 인입되는 대상물이 입자의 크기에 따라 분리되어 작은 입자는 배출구로 토출되고, 큰 입자는 별도로 선별되도록 구성되는 입자 분급기에 있어서,
   일측에는 투입구(11)가 타측에는 배출구가 형성되도록 소정 곡률을 갖는 곡관형태로 이루어지며, 상기 투입구측 단부는 투입구가 지면을 향하도록 상향 수직으로 배치되고 배출구측 단부는 배출구가 상향 대각방향을 향하도록 측방으로 소정 각도만큼 경사지게 배치되되, 상기 투입구측 단부가 배출구측 단부보다 높게 배치되는 비대칭 구조의 곡관형 가이드(10)와;
   상기 곡관형 가이드의 하부에 배치되는 중공 구조의 챔버(20)와;
   상단이 상기 곡관형 가이드의 하부 중앙에 연통되게 연결되고 하단이 상기 챔버의 상부 중앙에 연통되게 연결되며, 상기 투입구로 인입된 대상물이 곡관형 가이드를 통과할 때 원심력과 대상물 자중에 의한 중력에 의하여 특정 크기 이상의 입자는 하강하여 챔버로 분리되고, 특정 크기 이하의 입자만 기체와 함께 상기 배출구로 토출되도록 유도하는 분리유도부(30);를 포함하며,
   상기 분리유도부의 배출구측 측벽(31)은 투입구를 통해 유입된 대상물이 내주면에 충돌한 후 관성에 의해 배출구로 빠져나가는 것을 방지할 수 있도록 상향 대각방향을 따라 내측으로 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 비대칭의 곡관형 가이드를 통해 분급 효율성을 향상시킨 입자 분급기.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 분리유도부는 상광하협(上廣下狹)의 형태로 이루어져 내부에서 와류에 의한 유동장 교란을 최소화하여 대상물이 원활하게 이동 가능하도록 한 것을 특징으로 하는 비대칭의 곡관형 가이드를 통해 분급 효율성을 향상시킨 입자분급기.
   
4. 삭제
5. 제1항에 있어서, 상기 투입구로 유입되는 대상물의 유입속도는 5~15m/s인 것을 특징으로 하는 비대칭의 곡관형 가이드를 통해 분급 효율성을 향상시킨 입자 분급기.
   
   

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