KR20210006368A - 배터리 페이스트 혼합기 및 배터리 페이스트를 만드는 방법 - Google Patents

배터리 페이스트 혼합기 및 배터리 페이스트를 만드는 방법 Download PDF

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KR20210006368A
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스티븐 지 바라냐이
티모시 디 마지
로버트 엔 워츠
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윌츠 매뉴팩처링 컴파니 인코포레이티드
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Abstract

납축전지용 극판을 만들기 위해서 그리드에 바르기 위한 활성 물질의 페이스트를 만드는 기계 및 방법을 개시한다. 상기 기계와 방법에서 황산, 적어도 하나의 건성 첨가물 그리고 사산화삼납 또는 레디 옥사이드가 함께 혼합되고 이 혼합물을 미리 정해진 최고 온도 이하의 온도로 유지하기 위해서 상기 혼합물이 복수의 냉각 구역에 의해서 냉각된다.

Description

배터리 페이스트 혼합기 및 배터리 페이스트를 만드는 방법
본 출원은 납축전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 납축전지용 극판을 만들기 위해서 그리드에 바르기 위한 활성 물질(active material)의 페이스트를 만드는 기계 및 방법에 관한 것이다.
납축전지는 통상적으로 복수의 음극판과 양극판을 포함하고, 상기 음극판과 양극판의 각각은 배터리 페이스트(화학적으로 활성 물질)의 층이 도포되어, 건조되고, 화성되고(formed) 가수분해되어 있는 납 또는 납합금 그리드(grid)를 포함한다. 배터리의 상업적 제조시에, 점성이 있는 페이스트가 페이스팅 머신(pasting machine)에 의해서 그리드에 도포될 수 있고, 상기 페이스팅 머신은 호퍼(hopper)를 가질 수 있으며, 그리드가 구멍 아래를 지나갈 때 상기 호퍼로부터 상기 페이스트가 구멍을 통과하여 밑에 있는 그리드로 밀어내진다. 상업적 생산에 있어서, 점성이 있는 페이스트는, 각각의 1회 분량(batch)이 통상적으로 무게가 약 1,500파운드 내지 5,000파운드이며, 비교적 많은 회의 분량으로 만들어진 다음 페이스팅 머신의 호퍼로 보내질 수 있고, 상기 페이스팅 머신은 12분 내지 25분의 작동시간에 1톤 이상의 페이스트를 일련의 복수의 배터리 그리드에 도포할 수 있다.
납축전지 페이스트는 사산화삼납(red lead) 또는 레디 옥사이드(leady oxide)의 미세한 입자, 물, 황산 그리고 카본 블랙, 황산바륨, 리그노 술폰산염(ligno sulfonate), 황화 나프탈렌(sulfonated naphthalene) 등과 같은 다양한 첨가물의 혼합물일 수 있다. 1회 분량의 배터리 페이스트를 만들 때, 원료가 뚜껑이 있는 보울(bowl) 또는 밀폐형 용기에서 함께 혼합될 수 있다. 통상적으로, 사산화삼납 및/또는 레디 옥사이드의 미세한 입자 그리고 건성 첨가물(dry additive)과 같은 건성 원료가 맨 먼저 함께 혼합된 다음 물이 첨가되어 건성 혼합물과 혼합된다. 그 후에, 황산이 첨가되어 상기 뚜껑이 있는 보울에서 이들 원료와 혼합되고, 그 결과 혼합물을 가열하는 발열 반응이 일어난다. 자동차 엔진 및 선박 엔진과 같은 엔진의 전기 시동기와, 부하를 받은 상태로 시동하는 전기 모터에 전력을 공급하는 배터리에 대해서는, 3염기 황산납 페이스트(tribasic lead sulfate paste)를 만들어 내기 위해서 혼합물의 최고 온도가 약 120℉ 내지 140℉를 넘지 않도록 적어도 황산이 첨가되어 다른 원료와 혼합된 후에 혼합물이 상기 보울에서 냉각된다. 선박용 배터리와 같은, 대용량의 예비 전력과 긴 수명을 요하는 배터리에 대해서는, 4염기 황산납 페이스트(tetrabasic lead sulfate paste)를 만들어 내기 위해서 혼합하는 동안 혼합물의 온도가 조절된 175℉ 내지 195℉로 상승하는 것이 허용된다. 혼합이 완료된 후에 두 가지 종류의 페이스트는 약 120℉(적절한 페이스트 도포를 위해서)보다 낮게 냉각된 다음 혼합기 보울로부터 페이스팅 머신의 호퍼로 이송될 수 있다.
통상적으로, 혼합물이 혼합기 보울에서 혼합되고 있는 동안, 혼합물은 (1) 상기 보울의 금속 측벽 둘레로 유동하는 한 구역의 물을 제공하는 하나의 물 재킷, (2) 이 하나의 측벽 물 재킷과 상기 보울의 금속 바닥부와 열전달 관계에 있는 상기 보울의 위에 가로놓인 금속 바닥부를 가로질러서 유동하는 한 구역의 물을 제공하는 하나의 물 재킷, 그리고 (3) 상기 보울을 통과하여 유동하며 상기 보울 내의 혼합물 위에서 혼합물과 접촉하는 냉각 공기의 고속 스트림(보통 적어도 3,000CFM)에 의해서 냉각된다.
사산화삼납 및/또는 레디 옥사이드의 미세한 입자 그리고 카본 블랙과 같은 상기 첨가물들 중의 일부를 혼합하는 동안, 이들은 보통 상기 보울을 통과하여 유동하는 고속 공기 스트림으로 들어가고, 이들이 상기 보울의 외부의 대기 중에 떠 있게 되면 잠재적인 사람의 건강상의 위험을 초래할 수 있으므로 이 문제를 처리하기 위해서 공기 여과 백 하우스(air filtration bag house) 및/또는 스크러버 시스템(scrubber system)이 통상적으로 사용되고 있다. 이들 공기 여과 백 하우스 및 스크러버 시스템은 상당한 비용을 들여 정비하여야 하고 정기적으로 청소하여야 한다.
배터리 페이스트용 원료를 혼합하는 방법은 바닥벽과 측벽을 가진 폐쇄된 용기 내에서 원료를 혼합하는 단계, 혼합이 완료될 때까지 혼합물의 최고 온도를 조절하고 제한하기 위해서 적어도 황산이 상기 원료와 혼합되는 동안 상기 용기의 바닥벽과 열전달 관계에 있는 적어도 두 개의 분리된 냉각 재킷의 각각의 전체에 걸쳐서 냉각 유체를 순환시키는 단계, 그리고 혼합이 완료된 후에 혼합물을 냉각시키는 단계와 혼합물을 상기 용기로부터 제거하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 적어도 황산이 상기 원료와 혼합되고 있는 동안 상기 용기의 측벽과 열전달 관계에 있는 적어도 두 개의 분리된 냉각 재킷의 각각을 통하여 냉각 유체를 순환시키는 단계를 포함할 수도 있다.
납축전지용 활성 물질 페이스트를 만드는 방법 및 혼합기는 폐쇄된 보울을 가질 수 있고, 이 폐쇄된 보울에서 상기 페이스트용 원료가, 예를 들면, 주걱(paddle), 뮬러 휠(muller wheel), 교반기(beater) 등을 회전시키는 것에 의해서 함께 혼합될 수 있다. 상기 보울의 바닥부는 적어도 두 개의 분리된 냉각 재킷 또는 구역을 포함할 수 있고, 상기 적어도 두 개의 분리된 냉각 재킷 또는 구역의 각각을 통하여 차가운 또는 냉각한 물 또는 물과 녹방지제, 부동액 등과 같은 첨가물의 혼합물과 같은 냉각 유체가 유동할 수 있다. 상기 보울의 대체로 원통형 측벽이 적어도 두 개의 분리된 냉각 재킷 또는 구역을 포함할 수도 있고, 상기 적어도 두 개의 분리된 냉각 재킷 또는 구역의 각각을 통하여 냉각한 물 또는 첨가물을 가진 물과 같은 냉각 유체가 따로따로 유동할 수 있다.
상기 방법과 상기 혼합기는 또한, 원료가 용기 내에서 혼합되는 동안 원료가 본질적으로 용기로부터 외부 대기로 빠져나갈 수 없도록 원료가 용기 내에서 혼합되는 동안 상기 용기를 밀봉하는 것을 포함할 수도 있다. 미립자로 된 원료가 밀봉된 용기를 빠져나가지 못하게 하는 조치를 강화하기 위해서, 공기를 밀봉된 용기를 통하여 저속으로 배출시키고 혼입된 원료 입자를 제거하기 위해서 배출된 공기를 HEPPA 필터를 통과시키고 여과된 깨끗한 공기를 대기로 배출시킴으로써 밀봉된 용기 내의 압력이 실질적으로 대기압 또는 부기압(sub-atmospheric pressure)으로 유지될 수 있다. 몇몇 적용예에서 필요하다면, (황산과 사산화삼납 또는 레디 옥사이드의) 발열 반응에 의해서 발생된 수증기 또는 스팀을 응축시키기 위해서 밀봉된 용기가 밀봉된 용기 내에서 밀봉된 용기 내의 혼합물보다 위의 보울의 상부 부분에 배치된 응축 장치를 포함할 수도 있다.
선택적으로, 배터리 페이스트를 만들어 내기 위해서 혼합하는 동안 원료를 더욱 냉각시키는데 도움을 주기 위해서 공기와 같은 시원한 또는 냉각된 가스의 스트림이 원료가 혼합되고 있는 보울의 상부 표면과 접촉하도록 보울의 상부 부분을 통과하여 유동할 수도 있다.
특정 실시례 및 최적 모드의 아래의 상세한 설명은 첨부된 도면과 관련하여 기술될 것이다.
도 1은 납축전지의 그리드에 바르기 위한 페이스트의 원료를 혼합하는 혼합기의 평면도이고;
도 2는 도 1의 혼합기의 측면도이고;
도 3은 도 1의 혼합기의 단부도이고;
도 4는 도 1의 혼합기의 커버를 가진 혼합 보울의 확대 등각투영도이고;
도 5는 커버가 제거된 상태의 도 1의 혼합기의 혼합 보울의 평면도이고;
도 6은 혼합 보울의 바닥벽과 측벽에 있는 냉각 재킷을 나타내고 있는 혼합 보울의 등각투영도이고;
도 7은 혼합 보울의 바닥벽에 있는 네 개의 냉각 재킷의 배치 형태를 나타내고 있는 혼합 보울의 저면도이고; 그리고
도 8은 혼합 보울의 측벽에 있는 물 재킷을 나타내고 있는, 일부분을 떼어낸 상태의 혼합 보울의 등각투영도이다.
상기 도면을 보다 상세하게 참고하면, 도 1 내지 도 4는 납축전지용 양극판 및/또는 음극판을 만들기 위한 그리드에 도포될 페이스트(활성 물질)를 만들기 위해서 원료를 함께 혼합하는 혼합기(10)를 나타내고 있다. 통상적으로 상기 페이스트의 조성과 밀도는 상기 페이스트가 음극판용인가 양극판용인가에 따라서 약간 다를 수 있다. 통상적으로, 납축전지는 묽은 황산의 전해액과 접촉하는 케이스 내의 셀에 배치된 복수의 양극판과 음극판을 가지고 있다.
혼합기(10)는 커버(16)를 가진 혼합 보울(14)과, 미세하게 분할된 사산화삼납 및/또는 레디 옥사이드를 상기 커버의 포트(port)(20)를 통하여 상기 혼합 보울로 공급하는 호퍼(18)를 떠받치는 베이스 프레임(12)을 가질 수 있다. 첨가물과 증량제(expander) 그리고 임의의 다른 건성(dry) 물질이 커버(16)를 관통하는 포트(22) 및/또는 상기 커버의 액세스 도어(24)를 통하여 상기 혼합 보울로 공급될 수 있다. 상기 액세스 도어는 또한 상기 혼합 보울을 청소하고 유지하기 위한 상기 혼합 보울에 대한 진입로를 제공한다. 상기 액세스 도어는 평상시에는 폐쇄되어 있으며 상기 혼합 보울에서 원료를 혼합하는 동안 상기 커버로 밀봉되어 있다. 황산은, 예를 들면, 유동 조절 밸브를 가진 종래의 배관에 의해 바람직하게는 상기 혼합 보울의 중심에 인접해 있는 상기 커버를 관통하는 포트(26)를 통하여 상기 혼합 보울에 첨가될 수 있다. 물은, 예를 들면, 당업자에게 잘 알려져 있는 유량 조절 밸브를 가진 종래의 배관에 의해 바람직하게는 황산 포트(26)의 반경방향으로 바깥쪽에 배치될 수 있는 물 포트(28)를 통하여 상기 혼합 보울에 공급될 수 있다.
상기 혼합 보울에서 원료가 뮬러 휠, 주걱, 또는 다른 적절한 혼합 장치에 의해서 혼합될 수 있다. 도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 혼합 보울 내의 원료는, 원주방향으로 이격되어 있으며 하우징(36)에서 회전할 수 있게 지지되어 있으며 전기 모터(38)에 의해 회전 구동되는 샤프트에 부착된 허브(34)에 부착된 아암(32)에 의해 지지된 주걱(30)들에 의해 혼합될 수 있다. 원한다면, 상기 모터는 스텝 모터와 같은 변속 모터가 될 수 있고 구동장치(drive)는 감속 기어박스(speed reducing gearbox)를 포함할 수 있다. 상기 주걱(30)들은 회전축으로부터 상이한 반경방향의 거리에서 상기 주걱들의 결합된 아암에 부착될 수 있고 상기 주걱들의 결합된 아암에 대하여 동일하거나 상이한 끼인각 Ø로 경사질 수 있다. 상기 주걱(30)들은 상기 혼합 보울의 대체로 평면인 바닥벽(40)쪽으로 대체로 축방향 아래쪽으로 상기 바닥벽(40)에 가깝게 뻗을 수 있다. 하나 이상의 아암(32)는 하우징(36)에 가깝게 배치된 선단부(leading edge)에 스크레이퍼(42)를 가지고 있을 수도 있다. 스크레이퍼(44)는 상기 혼합 보울의 측벽(46)에 가깝게 배치될 수 있다.
배터리 페이스트를 만들기 위해서 원료를 혼합할 때 사산화삼납 또는 레디 옥사이드와 황산 사이의 발열 반응은, 예를 들어, 다양한 내연 기관의 시동을 걸거나, 전기 모터 등을 작동시키기 위해서 초기 고출력(initial high power output)을 필요로 하는 사용처에 사용되는 자동차용 배터리 및 다른 배터리용 페이스트에 해로울 수 있는 상당한 열을 신속하게 발생시킨다.
원료를 혼합하는 동안 원료의 혼합물로부터 상당히 많은 열을 신속하게 전달하거나 제거하기 위해서, 상기 혼합 보울은 적어도 두 개 그리고 바람직하게는 세 개 또는 네 개의 분리된 냉각 재킷을 가지고 있어야 한다. 도 6 및 도 7에 도시되어 있는 바와 같이, 혼합 보울(10)은 혼합 보울의 열전도성 바닥벽(40)과 각각 열전달 관계에 있는 네 개의 분리된 냉각 재킷(50, 50a, 50b, 50c)을 가지고 있다. 각각의 냉각 재킷은 유동 통로의 한 단부에 인접해 있는 유입구(54)와 유동 통로의 다른 단부에 인접해 있는 유출구(56)를 가진 구불구불한 냉각 유체 유동 통로(52)를 가질 수 있다. 상기 구불구불한 냉각 유체 유동 통로는 혼합 보울 바닥벽(40)과 밑에 있는 덮개판(58) 사이에 수용되어 있고 바람직하게는 밀봉되어 있는 복수의 길이방향으로 뻗어 있는 바(bar)에 의해서 부분적으로 형성될 수 있고, 상기 덮개판(58)은 상기 혼합 보울의 바닥벽(48) 아래의 상기 혼합 보울 측벽(46)의 환형 림 또는 바닥부 가장자리(60)에 고정되어 밀봉될 수 있다. 상기 유입구와 유출구는 상기 덮개판(58)에 부착되어 있으며 냉각 재킷의 유동 통로(52)로 개방되어 있는 관(64, 66)으로 될 수 있다. 상기 바는 강과 같은 금속으로 이루어질 수 있으며, 예를 들면, 용접 또는 적절한 접착제에 의해서 강과 같은 열전도성 금속의 상기 혼합 보울 바닥벽(40)에 부착되어 밀봉될 수 있다.
도 7에 가장 잘 도시되어 있는 것과 같이, 각각의 바닥부 냉각 재킷의 둘레는 림(60)의 일부분과 외측 단부에서 상기 림에 각각 밀봉된 2세트의 제1 바(68)와 제2 바(70)에 의해서 형성될 수 있다. 각각의 제1 바(68)는 제1 바의 다른 단부에서, 결합된 제2 바(70)의 중간 부분에 밀봉될 수 있다. 각각의 제2 바(70)는 제1 바(68)와 직각을 이룰 수 있고 제2 바의 다른 단부에서 제1 바들 중의 결합된 제1 바의 중간 부분에 밀봉될 수 있다. 각각의 냉각 재킷의 유동 통로(52)의 유입구 부분은 제3 바(72)를 포함할 수 있고, 상기 제3 바는 인접한 제1 바(68) 또는 제2 바(70)와 평행하고 측면방향으로 이격되어 있으며, 한 단부에서는 바람직하게는 제1 바와 제2 바 중의 다른 바에 밀봉되어 있고, 다른 단부에서는 림(60)에 못 미쳐서 끝을 이루고 있다. 각각의 냉각 재킷의 유동 통로(52)의 유출구 부분은 제4 바(74)를 포함할 수 있고, 상기 제4 바는 인접한 제2 바(70) 또는 제1 바(70)와 평행하고 측면방향으로 이격되어 있으며, 한 단부에서는 바람직하게는 제2 바와 제1 바 중의 다른 바에 밀봉되어 있고, 다른 단부에서는 림(60)에 못 미쳐서 끝을 이루고 있다. 각각의 냉각 재킷의 유동 통로(52)의 서로 연결하는 부분은, 제4 바(74)로부터 측면방향으로 이격되어 있으며 제4 바(74)와 각각 평행한, 교호하는 제5 바(76)와 제6 바(78)를 포함할 수 있다. 각각의 제5 바(76)의 한 단부는 제3 바(72)에 의해 밀봉될 수 있고 다른 단부에서는 상기 림(60)에 못 미쳐서 끝을 이루고 있다. 각각의 제6 바(78)의 한 단부는 상기 림(60)에 의해서 밀봉될 수 있고 다른 단부에서는 제3 바(72)에 못 미쳐서 끝을 이루고 있다.
각각의 냉각 재킷의 각각의 유동 통로의 부피와 평균 단면적 그리고 각각의 냉각 재킷의 유동 통로를 통과하는 냉각제의 온도와 유동률은 상기 혼합 보울 내에서 모든 원료가 함께 혼합되는 것이 완료되는 동안 내내 상기 혼합 보울 내의 모든 원료의 목표 최고 온도를 제어하고 유지시키기에 충분하게 설계되어 있다. 혼합물과 접촉하는 약 12평방피트 내지 52평방피트의 내부 표면적을 가지며 직경이 4피트 내지 8피트의 범위 내에 있는 강으로 된 보울 바닥벽(40)을 가진 원형 혼합기(prototype mixing machine)(10)에 대해서, 냉각 재킷들은 집단적으로 상기 바닥벽(40)의 내부 표면적의 약 70% 내지 100%, 바람직하게는 75% 내지 95% 그리고 더욱 바람직하게는 80% 내지 90%의 범위 내의 부피 또는 약 1,900입방인치 내지 7,000입방인치의 범위 내의 부피를 가진 유동 통로를 가질 수 있다. 이 총부피는 바닥벽 냉각 재킷의 갯수에 따라 분포되어야 한다. 다시 말해서, 네 개의 상기 냉각 재킷에 대해서 각각의 유동 통로는 이 총부피의 약 1/4 +/-를 가져야 한다. 각각의 유동 통로는 약 0.5평방인치 내지 5평방인치, 바람직하게는 약 1평방인치 내지 3평방인치 그리고 더욱 바람직하게는 약 1.5평방인치의 평균 유동 단면적(유동 방향에 수직)을 가질 수 있다. 상기 혼합 보울 내의 원료는 약 20rpm 내지 50rpm 그리고 바람직하게는 약 30rpm 내지 40rpm의 범위 내의 속도로 회전하는 복수의 반경방향으로 이격된 주걱(30)에 의해 혼합될 수 있다. 사용시에, 녹방지제 그리고 원하는 경우 부동액을 포함할 수 있는 냉각한 액상 물인 냉각제는 각각의 냉각 재킷을 통하여 분당 약 5갤런 내지 분당 60갤런 그리고 바람직하게는 분당 30갤런 내지 분당 40갤런의 비율로 유동할 수 있고, 통상적으로 약 40℉ 내지 90℉ 그리고 바람직하게는 약 40℉ 내지 55℉의 범위 내의 유입구 온도를 가지고 있다. 이 냉각제 온도와 유동률을 가진 이 원형 혼합기는 상기 혼합 보울에서 혼합되고 있는 약 3050파운드의 모든 페이스트 원료의 1회 분량의 최고 온도를 약 110℉ 내지 140℉ 그리고 바람직하게는 130℉의 범위 내에서 유지시킬 수 있고, 4.3피트 내지 8피트의 동일한 내부 직경을 가진 혼합 보울의 강으로 된 바닥벽의 실질적으로 전체 표면적과 열전달 관계에 있으며 상기 바닥벽의 아래에 있는 단 하나의 수냉식 재킷, 24인치 내지 40인치의 범위 내의 측벽의 동일한 축방향의 높이 그리고 약 36rpm의 실질적으로 동일한 속도로 회전하는 동일한 주걱(30)의 동일한 배치를 가진 동일한 크기와 유사하게 구성된 기계와 비교하여 약 3050파운드의 3염기 황산납 페이스트의 1회 분량를 만드는 시간을 약 15% 내지 50% 또는 약 18분 내지 12분만큼 감소시킬 것이라는 것이 경험적으로 밝혀져 있다. 이 종래 기술의 혼합기는 또한 하나의 측벽 냉각 재킷 및 커버 아래와 약 40℉ 내지 60℉의 범위 내의 온도의 분당 약 3,500입방피트의 원료의 상부 위에 재순환하는 고속 공기 유동을 가지고 있고, 납과 산화납 입자, 카본 블랙 그리고 다른 입자성 물질을 이 공기 흐름으로부터 제거하여 환경 보호 요건을 준수하고 오퍼레이터가 공중에 떠 있는 이러한 입자에 노출되는 것을 막기 위해서 배기 백하우스(exhaust baghouse) 또는 스크러버(scrubber)를 필요로 한다.
선택적으로 상기 혼합기(10)는 또한 강과 같은 금속으로 된 열전도성 측벽(46)과 열전달 관계에 있는 적어도 두 개 그리고 바람직하게는 세 개 또는 네 개의 냉각 재킷을 포함할 수도 있다. 도 6 및 도 8에 도시되어 있는 것과 같이, 상기 혼합기(10)는 네 개의 분리된 냉각 재킷(80, 80a, 80b, 80c)을 가질 수 있고, 상기 네 개의 분리된 냉각 재킷(80, 80a, 80b, 80c)은 상기 측벽을 통과하는 페이스트 배출 유출구(82) 및 상기 측벽에 부착되어 있거나 상기 측벽을 통과하는 다른 부착물(attachment)을 위한 다양한 부분을 제외하고 집단적으로 상기 측벽(46)의 외부 둘레로 원주방향으로 뻗어 있다, 이들 네 개의 냉각 재킷(80-80c)은 집단적으로 상기 측벽(46)의 외부 둘레의 적어도 50퍼센트 그리고 바람직하게는 약 60퍼센트, 그리고 더욱 바람직하게는 약 65퍼센트에 걸쳐서 뻗을 수 있고, 상기 혼합 보울 측벽의 바닥부로부터 정상부쪽으로의 수직 높이 또는 축방향 높이의 적어도 40퍼센트, 바람직하게는 상기 수직 높이 또는 축방향 높이의 약 45퍼센트 내지 50퍼센트, 그리고 더욱 바람직하게는 상기 수직 높이 또는 축방향 높이의 약 55퍼센트 정도 상기 측벽을 따라 축방향으로 또는 수직으로 뻗을 수 있다. 원하는 경우, 상기 측벽 냉각 재킷은 상기 측벽(46)의 실질적으로 전체 수직 크기 또는 축방향 크기에 걸쳐서 뻗을 수 있고, 이것은 상기 페이스트의 원료를 혼합하는 동안 발생된 수증기와 스팀의 일부를 응축하는데 도움이 될 수 있다.
도 6 및 도 8에 도시되어 있는 것과 같이, 선택적인 측벽 냉각 재킷(80-80c)의 각각은 유동 통로의 한 단부에 인접해 있는 유입구(86)와 유동 통로의 다른 단부에 인접해 있는 유출구(88)를 가진 구불구불한 유동 통로(84)를 가질 수 있다. 각각의 재킷은, 측면방향으로 또는 수직으로 이격되어 있고 상기 측벽(46)의 외측을 따라 원주방향으로 뻗어 있으며 상기 측벽(46)의 외측에 부착되어 밀봉된 제1 아치형 바(90)와 제2 아치형 바(92) 그리고 축방향으로 뻗어 있는 단부 바(94)에 의해서 적어도 부분적으로 한정된 둘레를 가질 수 있고, 상기 축방향으로 뻗어 있는 단부 바(94)는 자신의 단부에서 상기 제1 아치형 바(90)와 제2 아치형 바(92)에 밀봉될 수 있고 상기 측벽에 부착되어 밀봉될 수 있다. 구불구불한 유동 통로(84)는 일련의 대체로 축방향으로 뻗어 있으며 원주방향으로 이격된 교호하는 바(96)와 바(98)에 의해서 부분적으로 한정될 수 있고, 상기 교호하는 바(96)와 바(98)는 한 단부는 원주방향으로 뻗어 있는 제1 바(90)와 제2 바(92) 중의 하나와 다른 하나에 밀봉되어 있고 다른 단부는 다른 원주방향의 제1 바 또는 제2 바에 못 미쳐서 끝을 이루고 있다. 상기 교호하는 바(96)와 바(98)의 각각은 바람직하게는 상기 측벽에 밀봉되어 부착되어 있다. 각각의 냉각 재킷의 모든 바는 강으로 이루어질 수 있고, 예를 들면, 용접에 의하거나 적절한 접착제에 의해서 강으로 된 측벽에 부착되어 밀봉될 수 있다. 외부 커버(100)가 상기 바들(bars) 위에 놓여 있고, 예를 들면, 강과 같은 금속으로 된 커버를 이들 금속 바에 용접하는 것에 의해, 둘레의 원주방향의 바(90, 92)와 단부 바(94)에 부착되어 밀봉될 수 있다. 상기 커버(100)는 또한, 예를 들면, 스폿 용접에 의해서 축방향의 바(96, 98)와 견고하게 결합된 상태로 유지될 수 있거나 적절한 접착제에 의해서 상기 바에 부착되어 밀봉될 수 있다. 상기 커버가 탈착가능한 것이 바람직하다면, 상기 바에 나사결합된 일련의 캡 스크루(cap screw) 등에 의해 상기 커버가 상기 바에 부착될 수 있다. 금속으로 된 냉각제 유입구 관과 유출구 관이, 예를 들면, 용접에 의해서 금속으로 된 커버(100)에 부착될 수 있고 바람직하게는 축방향의 단부 바(94)들 중의 하나와 인접한 바(94) 또는 바(96) 사이에서 상기 유동 통로와 연통될 수 있다. 한 개의 관이 냉각 유체 유입구의 역할을 할 수 있고 다른 관이 유출구의 역할을 할 수 있다.
상기 측벽 냉각 재킷들은 집단적으로 상기 측벽의 표면적의 약 60% 내지 100%, 바람직하게는 70% 내지 95%, 그리고 더욱 바람직하게는 80% 내지 90%의 부피 또는 약 2,000입방인치 내지 7,500입방인치의 부피를 가진 유동 통로(84)를 가질 수 있다. 이 총부피는 측벽 냉각 재킷의 갯수에 따라 바람직하게는 실질적으로 동일하게 분포될 것이다. 각각의 유동 통로는 약 1.0평방인치 내지 4.5평방인치, 바람직하게는 약 2평방인치 내지 3평방인치 그리고 더욱 바람직하게는 약 2.25평방인치 내지 2.75평방인치의 범위 내의 평균 유동 단면적(유동 방향에 수직)을 가질 수 있다. 사용시에, 냉각수는 약 40℉ 내지 90℉ 그리고 바람직하게는 약 45℉ 내지 55℉의 각각의 분리된 냉각 재킷 유동 통로의 유입구 온도를 가진 채로 각각의 냉각 재킷을 통하여 분당 약 5갤런 내지 분당 60갤런 그리고 바람직하게는 분당 30갤런 내지 분당 40갤런의 비율로 유동할 수 있다.
약 3050파운드의 배터리 페이스트의 1회 분량을 만드는 상기의 원형 혼합기에 이들 네 개의 측벽 냉각 재킷(80-80c)을 추가함으로써, 상기 네 개의 측벽 냉각 재킷(80-80c)을 통하여 약 50℉의 유입구 온도와 분당 약 35갤런의 유동률로 냉각수가 유동하였고, 3염기 황산납 배터리 페이스트의 1회 분량을 만드는 시간을 약 1분 내지 3분 더 감소시켰다.
상기 원형 혼합기로부터 배출할 준비가 되어 있고 페이스트의 조성, 밀도 그리고 수분 함유량에 따라 양극판이나 음극판을 생산하기 위해 그리드에 붙이는데 사용할 준비가 된 균질의 고품질 페이스트를 생산하기 위해서 상기 혼합 보울에 모든 건성 원료를 장입하고 물이 첨가되기 전에 상기 원료를 상기 혼합 보울에서 혼합하는데 소요되는 약 2분, 물을 첨가하고 물과 건성 원료를 혼합하는데 소요되는 2분, 그리고 묽은 황산을 첨가하고 묽은 황산과 상기 원료를 혼합하는데 소요되는 약 6분 내지 8분을 포함하여, 약 10분 내지 12분 내에 이 원형 혼합기에 의해서 약 1200킬로그램 또는 3050파운드의 1회 분량의 고품질 3염기 황산납 페이스트가 생산될 수 있다는 것이 경험적으로 밝혀져 있다. 혼합하는 동안 원료는 약 130℉의 최고 온도에 도달하였고 상기 혼합 보울로부터 배출되기 전에 약 100℉로 냉각되었다.
적어도 대부분의 사용례에 대해서 복수의 바닥부 냉각 재킷만 또는 바닥부와 측벽 냉각 재킷이 혼합 보울에서 페이스트의 모든 원료가 혼합되고 있는 동안 페이스트의 모든 원료의 충분히 낮은 최고 온도를 유지하기 때문에, 1회 분량의 페이스트를 만들기 위해서 혼합하는 동안 냉각 공기를 상기 혼합 보울에 순환시키거나 통과시킬 필요없이 상기 혼합 보울은 혼합하는 동안, 예를 들면, 적절한 커버(16)에 의해서 폐쇄될 수 있고 실질적으로 밀봉될 수 있다. 이것은 본질적으로 상기 원료 중의 어느 것도 혼합 보울의 외부 대기로 빠져나가는 것을 방지하므로 상기 혼합 보울을 통과할 공기 스트림으로부터 입자성 원료를 제거하기 위해서 공기 여과 백 하우스나 공기 스크러버(air scrubber)와 같은 시스템에 대한 필요성을 없앤다. 이것은 또한 공기 여과 백 하우스나 공기 스크러버 시스템을 유지하고 공기 여과 백 하우스나 공기 스크러버 시스템으로부터 입자성 오염물질을 제거하는데 소요되는 상당한 운영 비용을 없애고 운영 요원이 공중에 떠 있는 입자성 물질에 노출되는 위험을 줄인다.
원하는 경우, 맑은 공기를, 예를 들면, 1방향 보울 유입구를 거쳐서, 보울을 가로지르고, 1방향 보울 유출구를 통과하고, 배기 팬에 의해 HEPPA 필터를 거쳐서, 약 100CFM 내지 600CFM 그리고 바람직하게는 100CFM 내지 400CFM의 유동률로 혼합물보다 위로 밀봉된 보울을 통하고 하류부 HEPPA 필터를 통하여 저속으로 대기로 배출시킴으로써, 입자성 원료가 밀봉된 보울에서 빠져나갈 위험이 더욱 감소될 수 있다.
원하는 경우, 밀봉된 보울에서 혼합하는 동안 발생된 수증기와 스팀의 적어도 일부가 밀봉된 보울의 상부에 인접해 있는 밀봉된 보울 내의 냉각 장치, 예를 들면, 약 50℉의 최고 온도로 작동하는 냉각된 플레이트 또는 냉각된 냉각 코일에 의해서 응축될 수 있다.
통상적으로 1회 분량당 대략 1,500파운드 내지 5,000파운드인, 납축전지용 양극판 또는 음극판용 많은 회 분량의 배터리 페이스트를 만드는 방법은, 혼합 용기에서 상기 페이스트용 원료 전부가 함께 혼합되는 동안 상기 페이스트용 원료 전부와 접촉하는 혼합 보울 또는 혼합 용기의 표면적의 적어도 50%, 바람직하게는 60%, 그리고 더욱 바람직하게는 70%와 열전달 관계에 있는 복수의 분리된 냉각 재킷을 가진 혼합기(10)에 의해서 상기 페이스트의 종류에 따라 목표 제어 온도와 목표 최고 온도로 상기 페이스트의 원료 전부를 함께 혼합하는 단계를 포함하고 있다. 상기 방법의 적어도 몇 가지 구현예에서는, 복수의 바닥부 냉각 재킷만이, 1회 분량의 페이스트용 원료 전부가 혼합 용기에 있고 혼합 용기에서 함께 혼합되고 있을 때 상기 원료와 접촉하는 혼합 용기의 바닥부 표면적의 적어도 70%, 바람직하게는 80%, 그리고 더욱 바람직하게는 85%와 집단적으로 열전달 관계에 있을 것을 요한다. 1회 분량의 3염기 황산납 페이스트용 원료 전부를 함께 혼합하는 동안, 바닥부 냉각 재킷만을 통과하여 유동하는 냉각 유체가 혼합물의 미리 정해진 목표 최고 온도를 유지시킬 수 있다.
1회 분량의 납축전지용 배터리 페이스트를 만드는 개시된 방법과 혼합기는, 통상적으로 1,500파운드 내지 5,000파운드의 범위 내의 1회 분량의 페이스트를 만드는데 필요한 시간을 크게 줄이는 것, 혼합된 페이스트를 그리드에 바르는 것을 용이하게 하고 향상시키기 위해서 혼합하는 동안 페이스트의 원료 전부의 목표 제어 온도와 최고 온도를 유지시키는 것, 3염기 황산납 페이스트로 만들어진 극판을 가진 배터리의 최대 초기 출력 및 이 방법 및/또는 혼합기에 의해 생산된 4염기 황산납 페이스트의 수명과 예비 용량의 향상된 성능 특성, 혼합된 페이스트의 원료의 균질한 혼합물을 생산하는 것, 그리고 페이스트 밀도의 조절을 향상시킨 것, 페이스트 수분 함유량의 조절을 향상시킨 것, 3염기 황산납 페이스트의 화성(formation)의 조절을 향상시킨 것 및 이러한 페이스트의 4염기 황산납 결정의 조절을 향상시킨 것과 같은 향상된 바람직한 성능 특성을 가지는 고품질 페이스트를 생산하는 것과 같은 상당한 실질적인 장점들 중의 하나 이상을 가질 수 있다. 개시된 방법과 혼합기는 페이스트를 적절하게 냉각시키고 페이스트의 원료 전부를 혼합하는 동안 페이스트의 원료 전부의 혼합물의 만족스러운 최고 온도를 유지시키기 위해서 많은 양의 냉각된 공기를 혼합 용기에 통과시킬 필요성을 크게 감소시키고 심지어 상기 필요성을 없앨 수도 있다. 냉각 공기를 밀봉된 용기를 통과하게 유동시키지 않고서 밀봉된 용기에서 원료 전부를 혼합하는 것은 또한 1회 분량의 배터리 페이스트를 만드는 비용을 현저하게 줄이고 혼합물 중의 임의의 입자성 원료가 용기 외부의 대기로 들어갈 수 있고 운영 요원과 다른 장비가 공중에 떠 있는 입자성 원료에 노출될 수 있는 가능성을 크게 감소시킨다.
본 명세서에 개시된 본 발명의 여러 형태는 현재의 바람직한 실시례를 구성하며 많은 다른 형태와 실시례도 가능하다. 본 명세서에서 본 발명의 가능한 모든 균등한 형태 또는 파생 형태를 기술하고자 한 것은 아니다. 본 명세서에 사용된 용어들은 제한적인 것이 아니라 단지 설명적인 것이라고 생각되며, 본 발명의 기술사상 또는 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 다양한 변형형태가 만들어질 수 있다고 생각된다.

Claims (22)

  1. 납축전지용 페이스트를 만들기 위해서 원료를 혼합하는 혼합기로서,
    바닥벽과 측벽을 가진 용기;
    1회 분량의 배터리 페이스트를 만들기 위해서 복수의 원료를 함께 혼합하는 적어도 부분적으로 상기 용기 내에 있는 장치; 그리고
    상기 용기에서 원료를 혼합하는 내내 원료의 온도를 미리 정해진 최고 온도 이하로 유지하기 위해서 상기 용기의 바닥벽과 각각 열전달 관계에 있으며 원료로부터 상기 용기의 바닥벽을 통하여 열을 전달하도록 각각 구성되어 있는 복수의 분리된 냉각 재킷;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 용기 내의 원료 전부의 혼합을 완료하기까지 내내 미리 정해진 최고 온도 또는 이보다 낮은 온도를 유지하기 위해서 상기 용기에서 혼합되고 있는 원료로부터 충분한 열전달을 제공하도록 상기 복수의 분리된 냉각 재킷의 각각을 통하여 분리되어 유동하는 냉각 유체를, 각각 냉각 유체의 미리 정해진 유입구 온도로 공급하도록 구성된 것을 특징으로 하는 혼합기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 복수의 냉각 재킷이 집단적으로, 1회 분량의 페이스트를 만들기 위해서 상기 용기 내에서 혼합되고 있는 원료와 접촉하는 상기 용기의 바닥벽의 면적의 적어도 60%와 열전달 관계에 있는 것을 특징으로 하는 혼합기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 복수의 냉각 재킷이 집단적으로, 1회 분량의 페이스트를 만들기 위해서 상기 용기 내에서 혼합되고 있는 원료와 접촉하는 상기 용기의 바닥벽의 면적의 적어도 80%와 열전달 관계에 있는 것을 특징으로 하는 혼합기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 복수의 분리된 냉각 재킷의 적어도 일부가 상기 복수의 분리된 냉각 재킷의 일부의 각각을 통과하는 구불구불한 유체 유동 통로를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 혼합기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 복수의 분리된 냉각 재킷의 적어도 일부가 각각 구불구불한 유체 유동 통로를 가지고 있고, 상기 냉각 재킷의 각각이 분리되어 유동하는 냉각 유체를 가지고 있을 때 상기 용기의 바닥부와 열전달 관계에 있는 상기 냉각 재킷이 집단적으로 상기 용기 내의 혼합물의 미리 정해진 최고 온도를 140℉ 이하로 유지하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 혼합기.
  7. 제6항에 있어서, 상기 바닥벽과 열전달 관계에 있는 상기 복수의 분리된 냉각 재킷의 적어도 일부의 유동 통로가 각각 0.5평방인치 내지 5평방인치의 범위 내의 상기 유동 통로를 통과하는 유체 유동의 방향에 수직인 평균 단면적을 가지는 것을 특징으로 하는 혼합기.
  8. 제6항에 있어서, 액체 냉각제가 상기 용기의 바닥벽과 각각 열전달 관계에 있는 상기 복수의 분리된 냉각 재킷의 적어도 일부의 구불구불한 유동 통로를 통하여 적어도 분당 5갤런의 비율로 유동하는 것을 특징으로 하는 혼합기.
  9. 제7항에 있어서, 액체 냉각제가 상기 용기의 바닥벽과 각각 열전달 관계에 있는 상기 복수의 분리된 냉각 재킷의 적어도 일부의 구불구불한 유동 통로를 통하여 적어도 분당 10갤런의 비율로 유동하는 것을 특징으로 하는 혼합기.
  10. 제1항에 있어서, 혼합하는 동안 상기 용기가 폐쇄되고 상기 용기를 통과하는 강제 공기 흐름이 없는 것을 특징으로 하는 혼합기.
  11. 제6항에 있어서, 혼합하는 동안 상기 용기가 폐쇄되고 상기 용기를 통과하는 강제 공기 흐름이 없는 것을 특징으로 하는 혼합기.
  12. 제1항에 있어서, 상기 용기의 바닥벽과 각각 열전달 관계에 있는 복수의 분리된 냉각 재킷과 함께 상기 용기에서 원료를 혼합하는 내내 원료의 온도를 미리 정해진 최고 온도 이하로 유지하기 위해서 상기 용기의 측벽과 각각 열전달 관계에 있으며 원료로부터 상기 용기의 측벽을 통하여 열을 전달하도록 각각 구성되어 있는 복수의 분리된 냉각 재킷을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합기.
  13. 제12항에 있어서, 상기 용기의 측벽과 각각 열전달 관계에 있는 상기 복수의 분리된 냉각 재킷이 집단적으로 상기 용기의 측벽의 외부의 둘레의 적어도 50%에 걸쳐서 뻗어 있는 것을 특징으로 하는 혼합기.
  14. 제12항에 있어서, 상기 용기의 측벽과 각각 열전달 관계에 있는 상기 복수의 분리된 냉각 재킷 중의 적어도 일부가 구불구불한 냉각 통로를 가지고 있고, 상기 혼합기가 각각의 상기 구불구불한 통로를 통하여 분리되어 유동하는 냉각 유체를 적어도 분당 10갤런의 유동률로 공급하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 혼합기.
  15. 제1항에 있어서, 상기 복수의 분리된 냉각 재킷의 적어도 일부가 각각 구불구불한 유체 유동 통로를 가지고 있고, 상기 냉각 재킷의 각각이 분리되어 유동하는 냉각 유체를 가지고 있을 때 상기 용기의 바닥부와 열전달 관계에 있는 상기 냉각 재킷이 집단적으로 상기 용기 내의 혼합물의 미리 정해진 최고 온도를 175℉ 내지 195℉의 범위 내로 유지하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 혼합기.
  16. 사산화삼납 및/또는 레디 옥사이드의 입자, 적어도 하나의 건성 첨가물의 입자 그리고 황산을 포함하는 원료로 배터리 페이스트를 만드는 방법으로서,
    상기 적어도 하나의 건성 첨가물과 사산화삼납 및/또는 레디 옥사이드를 함께 혼합하는 단계;
    황산을 상기 적어도 하나의 건성 첨가물과 사산화삼납 및/또는 레디 옥사이드의 혼합물과 혼합하는 단계; 그리고
    상기 혼합물의 최고 온도를 195℉ 이하로 유지하기 위해서 황산으로 상기 혼합물을 냉각하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제16항에 있어서, 바닥벽 및 상기 바닥벽과 각각 열전달하며 분리된 냉각제 통로를 각각 가지고 있는 복수의 분리된 냉각 재킷을 가진 폐쇄된 용기에서 원료가 혼합되고, 상기 혼합물의 최고 온도를 195℉ 이하로 유지하기 위해서 각각의 냉각 재킷의 각각의 냉각제 통로를 통하여 분리된 액체 냉각제를 적어도 분당 5갤런의 비율로 유동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 복수의 분리된 냉각 재킷의 적어도 일부의 냉각제 통로가 구불구불한 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제17항에 있어서, 상기 복수의 분리된 냉각 재킷의 적어도 일부의 냉각제 통로가 구불구불하고 0.5평방인치 내지 5평방인치의 범위 내의 상기 통로를 통과하는 액체 냉각제 유동의 방향에 수직인 평균 단면적을 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제16항에 있어서, 원료가 용기에서 혼합되고, 혼합하는 동안 상기 용기가 폐쇄되며, 혼합하는 동안 폐쇄된 용기를 통과하는 강제 공기 흐름이 없는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제17항에 있어서, 원료가 용기에서 혼합되고, 혼합하는 동안 상기 용기가 폐쇄되며, 혼합하는 동안 폐쇄된 용기를 통과하는 강제 공기 흐름이 없는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제16항에 있어서, 상기 혼합물의 최고 온도가 140℉ 이하인 것을 특징으로 하는 방법.
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