KR102467741B1 - 플라즈마를 이용한 아토마이징 시스템 및 아토마이징 방법 - Google Patents

플라즈마를 이용한 아토마이징 시스템 및 아토마이징 방법 Download PDF

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김지훈
박현재
조창현
강인제
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한국핵융합에너지연구원
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Abstract

플라즈마를 이용한 아토마이징 시스템이 개시된다. 상기 플라즈마를 이용한 아토마이징 시스템은 일방향으로 용융금속을 공급하는 용융금속공급채널; 상기 용융금속공급채널을 중심으로 일정 간격을 이루어 방사상 배열되어, 플라즈마 화염을 상기 용융금속의 진행 방향을 향해 하향되게 사선으로 토출하는 3 이상의 플라즈마 토치; 및 상기 3 이상의 플라즈마 토치 하부에 배치되는 적어도 하나의 가스 분사 노즐(170)을 포함하고, 상기 용융금속은 상기 3 이상의 플라즈마 토치로부터 토출되는 각각의 플라즈마 화염이 중첩되는 영역을 지나며, 상기 가스 분사 노즐은 상기 각각의 플라즈마 화염이 중첩되는 영역을 지난 용융금속을 향해 가스를 분사하는 것을 특징으로 한다.

Description

플라즈마를 이용한 아토마이징 시스템 및 아토마이징 방법{ATOMIZING SYSTEM AND ATOMIZING METHOD USING PLASMA}
본 발명은 플라즈마를 이용한 아토마이징 시스템 및 아토마이징 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 용융금속을 가스 분사로 분쇄하기 전에 용융금속이 플라즈마 화염에 접촉시키는, 플라즈마를 이용한 아토마이징 시스템 및 아토마이징 방법에 관한 것이다.
나노분말은 입자 크기가 극미세화해짐에 따라 일반분말에서는 발현되지 않았던 특이한 새로운 물성이 관찰됨으로써 전기, 전자 분야는 물론이거니와 고강도 기계부품, 촉매, 의약 및 생명공학 등의 각종 산업분야에 걸쳐 나노분말의 응용이 기대된다.
금속계 나노분말을 제조하는 기술로써 금속 용융물을 사용하여 미세 크기의 구형 금속 분말을 생산하는 아토마이징(atomizing) 방법이 있다.
금속 용융물의 미립자를 위해 물 분무 및 가스 분무와 같은 기술이 사용되었다.
상기 물 분무의 경우는 경제적이지만 그 기술은 구형의 깨끗한 분말 생산에는 적합하지 않으며, 금속 분말이 물에서 산화되는 문제가 있고, 금속 분말의 산화를 방지하기 위해서는 미립자화 장비 구조가 복잡해지는 문제가 있다.
상기 가스 분무의 경우는 구형의 고품질 및 금속 분말의 산화가 적다는 장점이 있으나, 가스 분무에는 광범위한 전력 크기 분포, 고가의 장비 및 가스 분사 시스템 유지 보수와 같은 한계가 있다.
대한민국 등록특허 제10-0548213호
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 복잡한 장비 없이도 가스 분사 직전에 용융금속의 높은 과열도를 유지할 수 있고, 용융금속의 표면이 균일하게 플라즈마에 노출되어 용융금속들의 구형도가 높고, 용융금속들의 구형화 효율이 증대되며, 용융금속들의 입자크기가 균일하고, 구형화된 용융금속의 품질 신뢰성이 높아질 수 있도록 한 플라즈마를 이용한 아토마이징 시스템 및 아토마이징 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 아토마이징 시스템은 일방향으로 용융금속을 공급하는 용융금속공급채널; 상기 용융금속공급채널을 중심으로 일정 간격을 이루어 방사상 배열되어, 플라즈마 화염을 상기 용융금속의 진행 방향을 향해 하향되게 사선으로 토출하는 3 이상의 플라즈마 토치; 및 상기 3 이상의 플라즈마 토치 하부에 배치되는 적어도 하나의 가스 분사 노즐(170)을 포함하고, 상기 용융금속은 상기 3 이상의 플라즈마 토치로부터 토출되는 각각의 플라즈마 화염이 중첩되는 영역을 지나며, 상기 가스 분사 노즐은 상기 각각의 플라즈마 화염이 중첩되는 영역을 지난 용융금속을 향해 가스를 분사하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 용융금속공급채널의 끝단부에 연결되는 노즐부를 더 포함하고, 상기 노즐부는, 상기 용융금속공급채널로부터 동축으로 연장되는 용융금속가이드채널; 및 상기 용융금속가이드채널을 중심으로 일정 간격을 이루어 방사상 배열되고, 끝단이 상기 용융금속가이드채널에 관통되게 상기 노즐부의 상면으로부터 상기 용융금속가이드채널을 향해 사선으로 연장되는 3 이상의 플라즈마 가이드채널을 포함하고, 상기 3 이상의 플라즈마 토치는 상기 플라즈마 화염을 토출하는 토출단이 상기 플라즈마 가이드채널에 연결되어 소통되도록 상기 노즐부 상부에 배치되고, 상기 3 이상의 플라즈마 토치로부터 토출되는 플라즈마 화염은 상기 용융금속가이드채널 내에서 합류된다.
일 실시예에서, 상기 노즐부는 상기 용융금속가이드채널로부터 동축으로 연장되는 토출구를 더 포함하고, 상기 용융금속은 상기 용융금속가이드채널을 지나 상기 토출구를 따라 이동하여 상기 노즐부로부터 토출된다.
일 실시예에서, 내면이 상기 노즐부의 외면과 일정 거리 이격되게 상기 노즐부를 둘러싸는 제1 냉각자켓부; 상기 제1 냉각자켓부에 관통되어 상기 제1 냉각자켓부 내부로 냉각유체를 공급하는 냉각유체주입부; 및 상기 제1 냉각자켓부에 관통되어 상기 제1 냉각자켓부 내부로 주입되는 냉각유체를 배출하는 냉각유체배출부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 노즐부의 상부에 연결되어 상기 노즐부에 결합되는 3 이상의 플라즈마 토치를 둘러싸서 상기 3 이상의 플라즈마 토치를 내부에 수용하는 제2 냉각자켓부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 3 이상의 플라즈마 토치 각각은 일정 각도 경사져서 배치된다.
일 실시예에서, 상기 3 이상의 플라즈마 토치 각각은 상기 용융금속공급채널을 기준으로 10~45도로 경사져서 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 3 이상의 플라즈마 가이드채널 각각은 상기 용융금속가이드채널을 기준으로 10~45도로 경사져서 배치되고,
상기 3 이상의 플라즈마 토치 각각은 상기 3 이상의 플라즈마 가이드채널이 경사진 각도보다 작은 각도로 경사져서 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 용융금속은 구리 또는 주석일 수 있다.
일 실시예에서, 아토마이징 챔버를 더 포함하고, 상기 용융금속공급채널 및 상기 3 이상의 플라즈마 토치는 상기 아토마이징 챔버의 상부에 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 아토마이징 챔버의 바닥면에 유체 소통 가능하게 연결되어 상기 아토마이징 챔버 내에서 구형화된 금속분말을 포집하는 분말 수집 챔버를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 아토마이징 방법은 플라즈마를 이용한 아토마이징 시스템을 이용하며, 용융금속을 일방향으로 공급하는 단계; 상기 용융금속의 진행 방향을 향해 하향되게 플라즈마 화염을 사선으로 토출하여, 3 이상의 플라즈마 화염을 용융금속의 진행 방향에 중첩시키는 단계; 및 상기 플라즈마 화염을 지난 용융금속을 향해 가스를 분사하는 단계를 포함하고, 상기 용융금속은 상기 3 이상의 플라즈마 화염 각각이 중첩되는 영역을 지난다.
본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 아토마이징 시스템 및 아토마이징 방법에 의하면, 용융금속의 표면이 균일하게 플라즈마에 노출되어 용융금속들의 구형도가 높고, 용융금속들의 구형화 효율이 증대되며, 용융금속들의 입자크기가 균일하고, 구형화된 용융금속의 품질 신뢰성이 높아질 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 아토마이징 시스템의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 플라즈마 토치의 구성을 설명하기 위한 분해 사시도이다.
도 3은 도 1의 저면 사시도이다.
도 4는 도 1의 분해 사시도이다.
도 5는 도 1의 단면 사시도이다.
도 6은 3 이상의 플라즈마 화염이 중첩된 모습을 예시하는 도면이다.
도 7은 구형화된 주석 분말 및 구형화된 구리 분말을 주사전자현미경으로 관찰한 모습을 나타낸다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 아토마이징 시스템 및 아토마이징 방법에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 아토마이징 시스템의 구성을 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 플라즈마 토치의 구성을 설명하기 위한 분해 사시도이고, 도 3은 도 1의 저면 사시도이고, 도 4는 도 1의 분해 사시도이고, 도 5는 도 1의 단면 사시도이고, 도 6은 3 이상의 플라즈마 화염이 중첩된 모습을 예시하는 도면이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 아토마이징 시스템은 용융금속공급채널(110), 3 이상의 플라즈마 토치(120) 및 적어도 하나의 가스 분사 노즐(170)을 포함한다.
상기 용융금속공급채널(110)은 일방향으로 용융금속을 공급한다. 일 예로, 상기 용융금속공급채널(110)은 일정 길이를 갖는 중공관 형태로 구비될 수 있다. 일 예로, 용융금속공급채널(110)은 턴디시(Tundish) 하부에 부착되는 침적노즐일 수 있다.
여기서, 상기 용융금속은 구리 또는 주석일 수 있다.
상기 3 이상의 플라즈마 토치(120)는 상기 용융금속공급채널(110)을 중심으로 일정 간격을 이루어 방사상 배열되어, 플라즈마 화염을 상기 용융금속의 진행 방향을 향해 하향되게 사선으로 토출한다.
상기 3 이상의 플라즈마 토치(120)로부터 토출되는 각각의 플라즈마 화염은 상기 용융금속이 진행 방향에서 서로 중첩되며, 상기 용융금속은 3 이상의 플라즈마 토치(120) 각각의 플라즈마 화염이 중첩되는 영역을 지난다.
용융금속이 진행 방향에서 서로 중첩되기 위해 상기 3 이상의 플라즈마 토치(120)로부터 토출되는 각각의 플라즈마 화염은 용융금속공급채널(110)의 끝단을 향해 직접 토출되는 것이 아니라 용융금속공급채널(110)의 끝단보다 이격된 위치를 향해 토출된다.
예를 들어, 상기 용융금속공급채널(110)이 직립되게 설치되는 경우, 상기 용융금속은 용융금속공급채널(110)의 하단부 방향으로 진행하고, 상기 3 이상의 플라즈마 토치(120)는 상기 용융금속공급채널(110)의 하단부 방향, 즉 상기 용융금속이 상기 용융금속공급채널(110)의 하단부를 빠져 나와 낙하하는 방향을 향해 하향되게 사선으로 플라즈마 화염을 토출할 수 있다. 이때, 상기 3 이상의 플라즈마 토치(120) 각각의 플라즈마 화염은 용융금속이 낙하하는 선상을 향해 사선으로 플라즈마 화염을 토출하며 그 각각의 플라즈마 화염은 용융금속이 낙하되는 선상에서 중첩된다. 따라서, 용융금속공급채널(110)의 하단부를 빠져 나온 용융금속은 각각의 플라즈마 화염이 중첩된 영역을 지날 수 있다.
일 예로, 상기 3 이상의 플라즈마 토치(120)는 DC 플라즈마, 전자파 플라즈마, RF 플라즈마 중 어느 하나의 플라즈마가 이용일 수 있고, 플라즈마 화염의 온도는 1400도 이상일 수 있다. 바람직하게는, 상기 3 이상의 플라즈마 토치(120)는 DC 아크 플라즈마 토치일 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 아토마이징 시스템은 노즐부(130)를 더 포함할 수 있다.
상기 노즐부(130)는 용융금속공급채널(110)의 끝단부에 연결되고, 용융금속가이드채널(131), 3 이상의 플라즈마 가이드채널(132) 및 토출구(133)를 포함한다.
용융금속가이드채널(131)은 상기 용융금속공급채널(110)로부터 동축으로 연장될 수 있다.
3 이상의 플라즈마 가이드채널(132)은 상기 용융금속가이드채널(131)을 중심으로 일정 간격을 이루어 방사상 배열되고, 끝단이 상기 용융금속가이드채널(131)에 관통되게 상기 노즐부(130)의 상면으로부터 상기 용융금속가이드채널(131)을 향해 사선으로 연장될 수 있다. 이때, 3 이상의 플라즈마 가이드채널(132) 각각은 상기 용융금속가이드채널(131)에 소통된다.
토출구(133)는 상기 용융금속가이드채널(131)로부터 동축으로 연장되되, 상기 3 이상의 플라즈마 가이드채널(132)의 아래에 위치한다. 이러한 토출구(133)는 상기 용융금속가이드채널(131) 및 상기 3 이상의 플라즈마 가이드채널(132)을 지난 용융금속을 가이드하여 노즐부(130)로부터 토출되게 한다.
일 예로, 노즐부(130)는 뒤집힌 원추 형상을 갖는 노즐몸체(134) 및 상기 노즐몸체(134)의 상부 둘레에 구비되는 제1 플랜지부(135)를 포함하고, 상기 용융금속가이드채널(131)이 상기 노즐몸체(134)의 평면의 중심에서 상기 노즐몸체(134)의 하단부 방향으로 일정 길이 연장되고, 상기 3 이상의 플라즈마 가이드채널(132)은 상기 노즐몸체(134)의 평면으로부터 상기 용융금속가이드채널(131)을 향해 하향 경사지게 연장되어 상기 용융금속가이드채널(131)에 관통될 수 있고, 상기 토출구(133)는 상기 용융금속가이드채널(131)과 동축에서 상기 3 이상의 플라즈마 가이드채널(132)로부터 그 아래 방향으로 연장되어 상기 노즐몸체(134)의 하단부에 노출될 수 있다.
이러한 노즐부(130)의 용융금속가이드채널(131)의 상단에 상기 용융금속공급채널(110)을 구성하는 중공관의 일단이 삽입될 수 있다.
또한, 상기 3 이상의 플라즈마 토치(120)는 플라즈마 화염이 토출되는 끝단이 상기 3 이상의 플라즈마 가이드채널(132) 각각에 소통되도록 상기 노즐부(130)의 상부에 방사상 배열될 수 있다.
일 예로, 상기 3 이상의 플라즈마 가이드채널(132) 각각은 상기 용융금속가이드채널(131)을 기준으로 10~45도 경사지게 배치될 수 있고, 상기 3 이상의 플라즈마 토치(120)는 10~45도 범위에서 상기 3 이상의 플라즈마 가이드채널(132)이 경사진 각도보다 작은 각도로 경사져서 배치될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 아토마이징 시스템은 제1 냉각자켓부(141), 제1 냉각유체주입부(142), 냉각유체배출부(143) 및 제2 냉각자켓부(150)를 더 포함할 수 있다.
제1 냉각자켓부(141)는 내면이 상기 노즐부(130)의 외면과 일정 거리 이격되게 상기 노즐부(130)를 둘러싸도록 구비된다. 일 예로, 제1 냉각자켓부(141)는 내경이 상기 노즐몸체(134)의 평면 직경 이하로 형성되는 원통형의 중공관 형태일 수 있고, 원통형 중공관의 상단부가 상기 노즐몸체(134) 둘레의 제1 플랜지부(135)의 아랫면에 고정되고 노즐몸체(134)의 하단부를 향해 연장되어 상기 노즐부(130)를 둘러쌀 수 있다. 이때, 노즐몸체(134)는 뒤집힌 원추 형상을 가져서 아래로 갈수록 직경이 감소하므로 노즐몸체(134)의 외면과 제1 냉각자켓부(141)의 내면은 이격될 수 있고, 노즐몸체(134)의 외면과 제1 냉각자켓부(141)의 원통형의 중공관의 내면 사이에 냉각유체가 수용될 수 있다.
제1 냉각유체주입부(142)는 상기 제1 냉각자켓부(141)의 일측에서 상기 제1 냉각자켓부(141)에 관통되어 상기 제1 냉각자켓부(141) 내부로 냉각유체를 공급한다.
냉각유체배출부(143)는 상기 제1 냉각자켓부(141)의 다른 일측, 예를 들어, 상기 제1 냉각유체주입부(142)의 위치의 반대편에서 상기 제1 냉각자켓부(141)에 관통되어 상기 제1 냉각자켓부(141) 내부로 주입되는 냉각유체를 배출할 수 있다.
제2 냉각자켓부(150)는 상기 노즐부(130)의 상부에 연결되어 상기 노즐부(130)에 결합되는 3 이상의 플라즈마 토치(120)를 둘러싸서 상기 3 이상의 플라즈마 토치(120)를 내부에 수용한다.
일 예로, 제2 냉각자켓부(150)는 상기 노즐몸체(134)의 평면, 즉 상기 제1 플랜지부(135)에 결합되는 제1 플레이트부(151), 상기 노즐몸체(134)의 반대편에서 상기 제1 플레이트부(151)에 결합되는 제1 중공 원통부(152), 상기 제1 중공 원통부(152)의 내경 이상의 내경을 갖고 상기 제1 플레이트부(151)의 반대편에서 상기 제1 중공 원통부(152)에 결합되는 환형링부(153), 상기 환형링부(153)의 외경 이하의 외경을 갖고 상기 제1 중공 원통부(152)의 반대편에서 상기 환형링부(153)에 결합되는 제2 중공 원통부(154), 상기 환형링부(153)의 반대편에서 상기 제2 중공 원통부(154)에 결합되어 상기 제2 중공 원통부(154)를 덮는 제2 플레이트부(155)를 포함할 수 있다.
한편, 상기 제1 플레이트부(151)는 중심부에 형성되는 제1 채널결합홀(1511) 및 상기 제1 채널결합홀(1511)을 중심으로 방사상 배열되며 일정 각도로 기울어진 3 이상의 제1 토치장착홀(1512)가 구비되고, 상기 제2 플레이트부(155)는 중심부에 형성되는 제2 채널결합홀(1551) 및 상기 제2 채널결합홀(1551)을 중심으로 방사상 배열되며 상기 제1 토치장착홀(1512)과 동축에서 일정 각도로 기울어진 3 이상의 제2 토치장착홀(1552)이 구비될 수 있다.
이러한 제2 냉각자켓부(150)가 상기 제1 냉각자켓부(141)의 상부에 결합되면, 제1 플레이트부(151)의 제1 채널결합홀(1511) 및 상기 제2 플레이트부(155)의 제2 채널결합홀(1551)은 상기 용융금속가이드채널(131)과 동축으로 위치하고, 상기 3 이상의 제1 토치장착홀(1512) 각각은 상기 3 이상의 플라즈마 가이드채널(132)에 소통될 수 있다.
이에 따라, 용융금속공급채널(110)을 구성하는 중공관은 상기 제1 채널결합홀(1511) 및 상기 제2 채널결합홀(1551)에 결합되어 말단이 상기 용융금속공급채널(110)에 삽입되고, 3 이상의 플라즈마 토치(120)는 플라즈마 화염을 토출하는 토출단부가 상기 제1 토치장착홀(1512)에 삽입되도록 상기 3 이상의 제1 토치장착홀(1512) 및 상기 3 이상의 제2 토치장착홀(1552)에 각각 결합되어 상기 용융금속공급채널(110)을 중심으로 방사상 배열될 수 있다. 이때, 3 이상의 플라즈마 토치(120)는 제2 냉각자켓부(150) 내에 수용되므로 상기 제2 냉각자켓부(150)는 3 이상의 플라즈마 토치(120)를 둘러싸게 된다.
상기 제2 냉각자켓부(150)에는 냉각 유체를 주입하기 위한 제2 냉각유체주입부(160)가 연결될 수 있다. 일 예로, 상기 제2 중공 원통부(154)의 일측에 상기 제2 냉각유체주입부(160)가 연결될 수 있다.
가스 분사 노즐(170)은 상기 3 이상의 플라즈마 토치(120) 하부에 배치되어, 상기 각각의 플라즈마 화염이 중첩되는 영역을 지난 용융 금속을 향해 가스를 분사할 수 있다. 분사되는 가스는 용융 금속을 분쇄할 수 있는 압력으로 분사될 수 있다. 일 예로, 상기 가스 분사 노즐(170)에서 분사되는 가스는 질소일 수 있다.
한편, 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 아토마이징 시스템은 아토마이징 챔버(181), 분말 수집 챔버(182)를 더 포함할 수 있다.
아토마이징 챔버(181)는 용융금속을 구형화시키는 공간을 제공할 수 있고 그 내부는 대기압 환경일 수 있다. 일 예로, 상기 아토마이징 챔버(181)는 원통 구조일 수 있다. 이러한 아토마이징 챔버(181)의 상부에는 상기 용융금속공급채널(110) 및 상기 3 이상의 플라즈마 토치(120)가 배치될 수 있다. 일 예로, 상기 노즐부(130)가 상기 아토마이징 챔버(181) 내로 삽입될 수 있다.
분말 수집 챔버(182)는 상기 아토마이징 챔버(181)의 바닥면에 유체 소통 가능하게 연결되어 상기 아토마이징 챔버(181) 내에서 구형화된 금속분말이 수집될 수 있다. 예를 들어, 상기 아토마이징 챔버(181)의 바닥면과 상기 분말 수집 챔버(182)의 측면에 관로(미도시)를 구비하고, 상기 관로 상에 펌프(미도시)를 구비하여 상기 금속분말을 상기 분말 수집 챔버(182)에 수집할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 아토마이징 시스템을 통해 용융금속이 구형화되는 과정을 설명한다.
용융금속의 구형화를 위해, 용융금속을 일방향으로 공급하는 단계; 및 상기 용융금속의 진행 방향을 향해 하향되게 플라즈마 화염을 사선으로 토출하여, 3 이상의 플라즈마 화염을 용융금속의 진행 방향에 중첩시키는 단계; 및 상기 플라즈마 화염을 지난 용융금속을 향해 가스를 분사하는 단계를 포함하고, 상기 용융금속은 상기 3 이상의 플라즈마 화염 각각이 중첩되는 영역을 지나도록 용융금속의 구형화 과정이 진행될 수 있다.
구체적으로는, 먼저, 용융금속의 공급을 위해 용융금속이 도가니(10)에 채워지고, 상기 도가니(10) 아래에 배치되는 턴디시(20)를 용융금속공급채널(110)의 상단부에 배치하여, 턴디시(20)로부터 용융금속이 배출되고 그 용융금속은 용융금속공급채널(110)을 따라 공급되며, 공급되는 용융금속은 용융금속공급채널(110)을 따라 노즐부(130) 방향으로 이동한다.
이때, 3 이상의 플라즈마 토치(120)로부터 플라즈마 화염이 토출된다. 3 이상의 플라즈마 토치(120)로부터 토출되는 각각의 플라즈마 화염은 노즐부(130)의 플라즈마 가이드채널(132)을 통해 가이드되어 노즐부(130)의 용융금속가이드채널(131)로 주입되며, 주입되는 각각의 플라즈마 화염은 상기 용융금속가이드채널(131)에서 도 6에 도시된 바와 같이 중첩된다.
공급되는 용융금속은 용융금속공급채널(110)을 따라 노즐부(130) 방향으로 이동하여, 노즐부(130)로 삽입된 용융금속공급채널(110)의 끝에서 상기 용융금속가이드채널(131)을 향해 배출되며, 용융금속가이드채널(131)을 따라 이동하여 상기 용융금속가이드채널(131) 내에서 상기 3 이상의 플라즈마 토치(120)로부터 토출되어 주입된 각각의 플라즈마 화염이 중첩된 영역을 지나면서 플라즈마 화염에 의해 가열된다.
이어서, 용융금속은 3 이상의 플라즈마 화염의 중첩된 영역을 지난 후 노즐부(130)의 토출구(133)를 따라 이동하여, 용융금속이 노즐부(130)의 외부로 배출된다.
이때, 가스 분사 노즐(170)로부터 용융금속을 향해 가스가 분사되며, 분사되는 가스에 의해 용융금속은 분쇄되면서 금속분말로 구형화된다.
구형화된 금속분말은 아토마이징 챔버(181)의 하부로 낙하하여 분말 수집 챔버(182)에 수집된다.
실시예 1
실시예 1로써, 3 이상의 플라즈마 토치 각각에 45kw의 전력을 인가하고, 가스 분사 노즐을 통해 질소 가스를 1.5Mpa의 압력으로 분사하였고, 용융금속으로 주석을 공급하였다. 이러한 실시예 1의 조건으로 구형화된 주석 분말을 주사전자현미경으로 관찰한 모습을 도 7의 (a)에 나타내었다. 도 7의 (a)에서 보여지는 바와 같이 실시예 1에 따라 구형도가 높은 주석 분말을 얻을 수 있었다.
실시예 2
실시예 2는 실시예 1과 같은 조건이면서, 용융금속으로 구리를 공급하였다. 이러한 실시예 2의 조건으로 구형화된 주석 분말을 주사전자현미경으로 관찰한 모습을 도 7의 (b)에 나타내었다. 도 7의 (b)에서 보여지는 바와 같이 실시예 2에 따라 구형도가 높은 구리 분말을 얻을 수 있었다.
이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 아토마이징 시스템은 용융금속의 공급 경로를 중심으로 방사상 배열된 3 이상의 플라즈마 토치(120)로부터 토출되는 3 이상의 방향에서 플라즈마 화염이 용융금속의 진행 방향을 향해 주입되어 중첩되고 그 중첩된 영역을 용융금속이 지나게 되므로 용융금속이 다방향의 플라즈마 화염에 접촉될 수 있고, 이에 따라 용융금속이 균일하게 플라즈마에 노출 및 가열되어 구형화된 금속분말의 구형도가 높아지는 용융금속의 구형화가 가능해질 수 있다.
또한, 용융금속은 3 이상의 플라즈마 화염이 중첩된 영역을 지나도록 가이드됨에 따라 공급되는 용융금속들이 고밀도 및 고에너지의 플라즈마 영역에 노출되는 과정을 거치므로 용융금속들의 구형화 효율이 증대되며, 구형화된 금속분말들의 입자 크기가 균일하고, 구형화된 금속분말의 품질 신뢰성이 높아질 수 있는 이점이 있다.
또한, 복잡한 장비 없이도 가스 분사 직전에 용융금속의 높은 과열도를 유지할 수 있는 이점이 있다.
제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.

Claims (12)

  1. 일방향으로 용융금속을 공급하는 용융금속공급채널(110);
    상기 용융금속공급채널(110)을 중심으로 일정 간격을 이루어 방사상 배열되어, 플라즈마 화염을 상기 용융금속의 진행 방향을 향해 하향되게 사선으로 토출하는 3 이상의 플라즈마 토치(120); 및
    상기 3 이상의 플라즈마 토치 하부에 배치되는 적어도 하나의 가스 분사 노즐(170)을 포함하고,
    상기 용융금속은 상기 3 이상의 플라즈마 토치(120)로부터 토출되는 각각의 플라즈마 화염이 중첩되는 영역을 지나며,
    상기 가스 분사 노즐(170)은 상기 각각의 플라즈마 화염이 중첩되는 영역을 지난 용융금속을 향해 가스를 분사하고,
    상기 용융금속공급채널(110)의 끝단부에 연결되는 노즐부(130)를 더 포함하고,
    상기 노즐부(130)는,
    상기 용융금속공급채널(110)로부터 동축으로 연장되는 용융금속가이드채널(131); 및
    상기 용융금속가이드채널(131)을 중심으로 일정 간격을 이루어 방사상 배열되고, 끝단이 상기 용융금속가이드채널(131)에 관통되게 상기 노즐부(130)의 상면으로부터 상기 용융금속가이드채널(131)을 향해 사선으로 연장되는 3 이상의 플라즈마 가이드채널(132)을 포함하고,
    상기 3 이상의 플라즈마 토치(120)는 상기 플라즈마 화염을 토출하는 토출단이 상기 플라즈마 가이드채널(132)에 연결되어 소통되도록 상기 노즐부(130) 상부에 배치되고,
    상기 3 이상의 플라즈마 토치(120)로부터 토출되는 플라즈마 화염은 상기 용융금속가이드채널(131) 내에서 합류되며,
    내면이 상기 노즐부(130)의 외면과 일정 거리 이격되게 상기 노즐부(130)를 둘러싸는 제1 냉각자켓부(141);
    상기 제1 냉각자켓부(141)에 관통되어 상기 제1 냉각자켓부(141) 내부로 냉각유체를 공급하는 적어도 하나의 제1 냉각유체주입부(142); 및
    상기 제1 냉각자켓부(141)에 관통되어 상기 제1 냉각자켓부(141) 내부로 주입되는 냉각유체를 배출하는 냉각유체배출부(143)를 더 포함하는,
    플라즈마를 이용한 아토마이징 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 노즐부(130)는 상기 용융금속가이드채널(131)로부터 동축으로 연장되는 토출구(133)를 더 포함하고,
    상기 용융금속은 상기 용융금속가이드채널(131)을 지나 상기 토출구(133)를 따라 이동하여 상기 노즐부(130)로부터 토출되는,
    플라즈마를 이용한 아토마이징 시스템.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 노즐부(130)의 상부에 연결되어 상기 노즐부(130)에 결합되는 3 이상의 플라즈마 토치(120)를 둘러싸서 상기 3 이상의 플라즈마 토치(120)를 내부에 수용하는 제2 냉각자켓부(150);
    플라즈마를 이용한 아토마이징 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 3 이상의 플라즈마 토치(120) 각각은 일정 각도 경사져서 배치되는,
    플라즈마를 이용한 아토마이징 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 3 이상의 플라즈마 토치(120) 각각은 상기 용융금속공급채널(110)을 기준으로 10~45도로 경사져서 배치되는,
    플라즈마를 이용한 아토마이징 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 3 이상의 플라즈마 가이드채널(132) 각각은 상기 용융금속가이드채널(131)을 기준으로 10~45도로 경사져서 배치되고,
    상기 3 이상의 플라즈마 토치(120) 각각은 상기 3 이상의 플라즈마 가이드채널(132)이 경사진 각도보다 작은 각도로 경사져서 배치되는,
    플라즈마를 이용한 아토마이징 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 용융금속은 구리 또는 주석인,
    플라즈마를 이용한 아토마이징 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    아토마이징 챔버(181)를 더 포함하고,
    상기 용융금속공급채널(110) 및 상기 3 이상의 플라즈마 토치(120)는 상기 아토마이징 챔버(181)의 상부에 배치되는,
    플라즈마를 이용한 아토마이징 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 아토마이징 챔버(181)의 바닥면에 유체 소통 가능하게 연결되어 상기 아토마이징 챔버(181) 내에서 구형화된 금속분말을 포집하는 분말 수집 챔버(182)를 더 포함하는,
    플라즈마를 이용한 아토마이징 시스템.
  12. 제1항에 따른 플라즈마를 이용한 아토마이징 시스템을 이용하며,
    용융금속을 일방향으로 공급하는 단계; 및
    상기 용융금속의 진행 방향을 향해 하향되게 플라즈마 화염을 사선으로 토출하여, 3 이상의 플라즈마 화염을 용융금속의 진행 방향에 중첩시키는 단계; 및
    상기 플라즈마 화염을 지난 용융금속을 향해 가스를 분사하는 단계를 포함하고,
    상기 용융금속은 상기 3 이상의 플라즈마 화염 각각이 중첩되는 영역을 지나는,
    플라즈마를 이용한 아토마이징 방법.
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