KR100673385B1 - 나노분말 연소반응기와, 그 나노분말 연소반응기를 이용한나노분말 합성장치와, 그 나노분말 합성장치의 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 나노분말 연소반응기와, 그 나노분말 연소반응기를 이용하는 나노분말 합성장치와, 나노분말 합성장치의 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 산화가스 공급노즐과, 연료가스 및 전구체가스를 공급하는 가스공급부와, 상기 산화가스 공급노즐의 내벽에서 동심을 형성하고 가스공급부에 연결되며 분사구의 인접지점에 산화가스가 공급되는 유입공이 배치되는 반응노즐을 구비함으로써 반응노즐 내벽에 산화물의 침착을 방지하고 화염의 균일도를 보장하며, 화염의 온도를 정밀하게 제어할 수 있는 나노분말 연소반응기, 그 나노분말 연소반응기를 이용하는 나노분말 합성장치 및 나노분말 합성장치의 제어방법에 관한 것이다.

나노, 연소, 합성, 제어, 화염, 확산 연소, 프리믹스, 프리믹싱

Description

나노분말 연소반응기와, 그 나노분말 연소반응기를 이용한 나노분말 합성장치와, 그 나노분말 합성장치의 제어방법{COMBUSTION REACTORS FOR NANOPOWDERS, SYNTHESIS APPARATUS FOR NANOPOWDERS WITH THE COMBUSTION REACTORS, AND METHOD OF CONTROLLING THE SYNTHESIS APPARATUS}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노분말 연소반응기의 단면도.

도 2는 도 1의 나노분말 연소반응기에 구비되는 역류방지판의 정면도.

도 3은 도 1의 나노분말 연소반응기에 구비되는 산화가스 유입공의 확대 부분 단면도.

도 4는 도 1의 나노분말 연소반응기의 메탄(CH₄), 산소(O₂), 질소(N₂)를 각각 연료가스, 산화가스, 전구체가스로 사용하고, 그 유량을 각각 0.3slm(standard liter per meter), 3slm, 0.5slm으로 하여 연소반응한 결과 발생하는 화염의 사진.

도 5는 도 1의 나노분말 연소반응기가 구비된 나노분말 합성장치의 개략도.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

11 : 산화가스관 12 : 산화가스 공급노즐

13 : 연료가스관 14 : 전구체가스관

15 : 가스공급부 16 : 분사구

17 : 산화가스 유입공 18 : 반응노즐

19 : 역류방지판 21 : 산화가스 제어기

23 : 연료가스 제어기 24 : 전구체가스 제어기

25 : 기화기 26 : 기름욕조(oil-bath)

본 발명은 나노분말 연소반응기와, 그 나노분말 연소반응기를 이용하는 나노분말 합성장치와, 나노분말 합성장치의 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 산화가스 공급노즐과, 연료가스 및 전구체가스를 공급하는 가스공급부와, 상기 산화가스 공급노즐의 내벽에서 동심을 형성하고 가스공급부에 연결되며 분사구의 인접지점에 산화가스가 공급되는 유입공이 배치되는 반응노즐을 구비함으로써 반응노즐 내벽에 산화물의 침착을 방지하고 화염의 균일도를 보장하며, 화염의 온도를 정밀하게 제어할 수 있는 나노분말 연소반응기, 그 나노분말 연소반응기를 이용하는 나노분말 합성장치 및 나노분말 합성장치의 제어방법에 관한 것이다.

나노분말 연소반응법은 기체상태, 액체상태 또는 고체상태의 전구체(precursor)를 이용하여 나노분말을 합성하는 방법으로서, 일반적으로 기체상태의 연료를 연소반응시키기 위해 특별한 연소반응기(burner)가 필요하다. 연소반응기는 공급되는 가스의 공급방식에 따라 확산형 연소반응기와 예혼합(pre-mix)형 연소반응기로 구분된다.

확산형 연소반응기는 가장 일반적인 형태의 연소반응기로서, 일반적으로 전구체가스, 연료가스, 산화가스를 각각 공급하는 세 개의 원통형 노즐이 동심원 형태로 배열되어 구성된다. 이와 같이 구성되는 확산형 연소반응기는 구조가 간단하다는 장점이 있지만, 각각의 노즐을 통하여 서로 다른 종류의 가스를 공급하기 때문에 각각의 가스의 접촉면에서만 반응이 진행되어 연소반응기 내부에서 균일한 반응을 유도하는 것이 어렵다는 문제점이 있다.

뿐만 아니라 연소반응기 내부에서 산화물이 성장하게 되어 노즐면에 산화물이 침착됨으로써 지속적이고 균일한 반응을 유지하기 어렵다는 문제점이 있다.

예혼합(pre-mix)형 연소반응기는 혼합실에서 각각의 가스를 미리 혼합시킨 후 연소실에서 반응을 시키는 것으로서, 미국 특허 US 4,589,260(명칭 : premixing burner with integrated diffusion burner, 출원일 : 1983. 11. 4)에서 제안되었다. 이와 같은 예혼합형 연소반응기는 확산형 반응기의 상술한 바와 같은 문제점을 해결할 수 있지만, 유입되는 전구체 가스 및 연료가스가 혼합과정에서 쉽게 산화되거나 연소되는 문제점이 있었다.

뿐만 아니라, 연소실의 어느 지점에서 반응이 발생하느냐에 따라 생성되는 나노분말의 형상 등이 민감하게 달라지므로 정밀한 제어가 곤란하다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 반응노즐 내벽에 산화물의 침착을 방지하고 화염의 균일도를 보장하며, 화염 의 온도를 정밀하게 제어할 수 있도록 나노분말 연소반응기의 구조를 최적화하고, 그 나노분말 연소반응기를 이용하는 나노분말 합성장치 및 나노분말 합성장치의 제어방법을 제공함을 그 목적으로 한다.

본 발명은 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 산화가스관이 연결되는 산화가스 공급노즐과, 연료가스 및 전구체가스가 공급되는 가스 공급부와, 상기 산화가스 공급노즐의 내벽에서 동심을 형성하며 가스 공급부에 연결되고 화염의 분사구 인접지점에 산화가스가 공급되는 유입공이 배치되는 반응노즐을 구비하는 나노분말 연소반응기와, 그 나노분말 연소반응기를 이용하는 나노분말 합성장치 및 그 제어방법을 제공한다.

이는 화염 분사구 인접 지점에 산화가스 유입공을 배치함으로써, 반응 노즐의 내벽에 산화물이 침착되는 정도를 줄이고, 화염을 균일하게 형성하기 위함이다.

특히, 상기 산화가스 유입공은 슬릿 형상으로 형성되고, 반응 노즐의 외면을 따라 30도 내지 60도의 경사각을 가지도록 구성할 수 있는데, 이는 슬릿 형상의 산화가스 유입공이 형성될 경우 화염의 작은 갈래를 없애고 화염을 균일하게 유지하도록 하기 위함이며, 30도 내지 60도의 경사각을 가지도록 구성함으로써 화염의 길이, 화염의 온도분포의 균일성 및 침착되는 산화물의 양을 조정하여 나노분말 합성을 위한 최적치를 얻기 위함이다.

한편, 본 발명은 상기 나노분말 연소반응기와, 산화가스관으로 공급되는 산화가스의 유량을 제어하는 산화가스 제어기와, 연료가스관으로 공급되는 연료가스 의 유량을 제어하는 연료가스 제어기와, 전구체가스관으로 공급되는 전구체가스의 유량을 제어하는 전구체가스 제어기를 포함하여 구성되는 나노분말 합성장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 나노분말 합성장치의 제어방법에 있어서, 반응노즐에서 연료가스와 전구체가스를 혼합하여 혼합가스를 생성하는 단계와, 산화가스 유입공으로 산화가스를 유입하여 혼합가스를 산화가스와 반응시키는 단계와, 산화가스 유입공의 경사각을 조절하는 단계를 포함하여 구성되는 나노분말 연소반응기를 이용한 나노분말 합성장치의 제어방법을 제공한다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 작용에 관하여 상세하게 설명하기로 한다.

다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노분말 연소반응기의 단면도이며, 도 2는 도 1의 나노분말 연소반응기에 구비되는 역류방지판의 정면도이며, 도 3은 도 1의 나노분말 연소반응기에 구비되는 산화가스 유입공의 확대 부분 단면도이고, 도 4는 메탄(CH₄), 산소(O₂), 질소(N₂)를 각각 연료가스, 산화가스, 전구체가스로 사용하고, 그 유량을 각각 0.3slm(standard liter per meter), 3slm, 0.5slm으로 하여 연소반응한 결과 발생하는 화염의 사진이며, 도 5는 도 1의 나노분말 연소반응기를 이용하는 나노분말 합성장치의 개략도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노분말 연소반응기는, 산화가스관(11)이 연결되는 산화가스 공급노즐(12)과, 연료가스관(13) 및 전구체가스관(14)이 구비되는 가스 공급부(15)와, 산화가스 공급노즐(12)의 내부에서 그 산화가스 공급노즐(12)과 동심을 형성하여 가스 공급부(15)에 연결되고 화염이 분사되는 분사구(16)의 인접지점에 슬릿형상의 산화가스 유입공(17)이 배치(형성)되는 반응노즐(18)을 포함하여 구성된다.

따라서, 연료가스와 전구체가스는 반응노즐(18)의 전단부에서 혼합된 채로 진행하다가 반응노즐(18)의 분사구(16) 인접지점에서 산화가스가 유입됨으로써 연소반응이 시작되고, 그 연소반응의 결과로 생성된 화염은 분사구(16)를 통하여 분사된다.

여기서, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 상기 반응노즐(18)의 내부를 구획하고, 상기 전구체가스관(14)이 관통하여 결합되며, 연료가스를 통과시키고 전구체가스의 역류를 방지하도록 복수개의 공극(19a)이 형성되는 역류방지판(19)을 더 포함하여 구성하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 산화가스 유입공(17)은 상기 반응노즐(18)의 외주면을 따라 한 개 또는 소정간격 이격하여 복수개가 배치됨으로써 반응노즐(18)의 내부를 통과하고 있는 혼합가스(연료가스와 전구체가스의 혼합 가스)에 고르게 산화가스를 공급할 수 있다. 따라서, 화염의 균일도가 증가할 수 있다.

뿐만 아니라, 그 산화가스 유입공(17)의 개수를 조절함으로써 화염의 균일도를 제어할 수 있다는 장점이 있다.

이 경우, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 산화가스 유입공(17)을 상기 반응노즐(18)의 외주면에 대하여 30도 내지 60도의 각도로 경사지게 배치함으로써 화염을 더욱 안정시킬 수 있다. 경사각 α가 30도 미만으로 형성되면 연소반응기 내부에 침착되는 산화물의 양은 현저히 줄어드는 반면, 화염의 길이가 현저히 길어지고 화염의 온도분포도 불균일해졌다.

이에 반해, 경사각 α가 60도 초과로 형성되면 화염의 길이가 짧아지고 화염의 온도분포가 균일해지는 반면 연소반응기 내부에 침착되는 산화물의 양이 현저히 증가하게 된다. 즉, 경사각 α는 30도와 60도를 경계값으로 하는 임계적인 특성이 있다. 30도 내지 60도의 범위 내에서, 60도에 가까워질수록 침착되는 산화물의 양은 증가하지만 화염의 길이가 짧아지고 화염의 온도분포가 균일해지며, 30도에 가까워질수록 화염의 길이가 길어지고 화염의 온도분포의 균일성은 낮아지지만 침착되는 산화물의 양이 감소하게 된다. 따라서, 30도 내지 60도의 범위 내에서 경사각을 적절히 조절함으로써 필요로 하는 연소반응을 얻기 위한 최적 조건을 설정할 수 있다.

한편, 도 4는 반응노즐(18) 외주면을 따라 배치한 여러 개의 구멍형태의 산화가스 유입공(17)이 구비된 경우 형성된 화염의 형상인데, 상기 산화가스 유입공(17)을 구멍형태가 아닌 슬릿(slit) 형상으로 구성할 경우, 도 4에서 도시된 바와 같은 화염의 작은 갈래가 없어지고 화염이 균일해지는 장점이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 나노분말 연소반응기(10)의 산화가스 공급노즐(12)의 직경을 35mm, 반응노즐(18)의 직경을 20mm로 하고, 슬릿 형상의 산화가스 유입공(17)의 간격을 0.5mm, 경사각을 45도로 하며, 산화가스관(11), 연료가스관(13) 및 전구체가스관(14)의 직경을 0.25 인치로 하여 반응을 일으킨 결과 화염의 온도분포가 균일한 안정된 연소반응을 장시간 유지할 수 있었으며 연소반응기 내부에 산화물의 침착이 생기지 않음을 확인할 수 있었다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 나노분말 합성장치는, 도 5에 도시된 바와 같이 상기 나노분말 연소반응기(10)와, 상기 산화가스관(11)으로 공급되는 산화가스의 유량을 제어하는 산화가스 제어기(21)와, 상기 연료가스관(13)으로 공급되는 연료가스의 유량을 제어하는 연료가스 제어기(23)와, 상기 전구체가스관(14)으로 공급되는 전구체가스의 유량을 제어하는 전구체가스 제어기(24)를 포함하여 구성된다. 따라서 상기 나노분말 연소반응기(10)로 유입되는 산화가스, 연료가스 및 전구체가스의 유량을 적절히 조절함으로써 필요에 따라 다양한 화염을 얻을 수 있으며 결과적으로 적절한 나노분말을 합성할 수 있게 된다.

이 경우, 상기 전구체가스 제어기(24)와 상기 전구체가스관(14) 사이에 기화기(25)를 더 포함하여 구성함으로써 액체상태의 전구체를 전구체가스로 기화시킬 수 있다. 바람직하게는 상기 기화기(25)를 기름욕조(oil-bath)(26)의 내부에 설치하여 구성하는 것이 좋다.

이와 같이 구성된 나노분말 합성장치의 연료가스를 메탄(CH₄), 전구체가스를 질소(N₂), 산화가스를 산소(O₂)로 하고, 그 유량을 각각 0.3 slm(standard liter per meter), 0.5 slm, 3 slm으로 하고 반응을 일으킨 결과 생성된 화염은 도 4에 도시되어 있다.

각각의 가스의 유량을 적절히 조절할 경우 화염의 온도가 최고 1,450도까지 높아졌으며, 가스의 혼합비를 조절하여 화염의 온도를 적절히 제어할 수 있었다.

한편, 상기 나노분말 연소반응기(10)를 이용한 나노분말 합성장치를 제어하는 방법은, 상기 반응노즐(18)에서 연료가스와 전구체가스를 혼합하여 혼합가스를 생성하는 단계와, 상기 산화가스 유입공(17)을 통하여 산화가스를 유입하여 혼합가스를 산화가스와 반응시키는 단계와, 산화가스 유입공(17)의 경사각을 조절하는 단계를 포함하여 구성된다.

따라서, 산화가스 유입공(17)의 경사각을 조절함으로써 연소반응기 내부에 산화물이 침착되는 것을 방지하고 화염의 온도분포를 균일하게 하며 화염의 온도를 조절할 수 있다.

이 경우, 상기 산화가스 유입공(17)의 개수를 조절하는 단계를 더 포함하여 구성할 수 있는데, 산화가스 유입공(17)의 개수가 증가하면 혼합가스(연료가스와 전구체가스의 혼합)에 산화가스를 더욱 고르게 반응시킬 수 있으므로 필요에 따라 그 개수를 조절함으로써 화염의 온도를 조절할 수 있다.

뿐만 아니라, 연료가스, 전구체가스 및 산화가스의 유량을 조절하는 단계를 더 포함하여 구성함으로써 필요에 따라 다양한 온도분포를 가지는 화염을 얻을 수 있다.

도면 중 미설명 부호인 31은 산화가스 공급기이며, 32는 연료가스 공급기이며, 33은 전구체가스 공급기이다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경가능한 것이다.

이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명에 의하면, 나노분말의 성상(性狀)에 영향을 미치는 화염의 안정성, 화염의 균일한 온도분포, 화염의 온도를 정밀하게 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 연소반응기 내부에 산화물의 침착을 방지하여 장시간 동안 지속적이고 균일한 반응이 가능케 하여 나노분말의 경제적이고 효율적인 합성이 가능하게 한다.

다만, 본 발명이 상술한 바와 같은 효과를 모두 발휘해야 성립하는 것은 아니다.

Claims (14)

1. 산화가스관이 연결되는 산화가스 공급노즐과;

   연료가스관 및 전구체가스관이 구비되는 가스 공급부와;

   상기 산화가스 공급노즐의 내부에 설치되며, 상기 가스 공급부에 연결되고, 화염이 분사되는 분사구의 인접지점에 산화가스 유입공이 분사 방향으로 경사지도록 배치되는 반응노즐을;

   포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 나노분말 연소반응기.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 반응노즐의 내부를 구획하고, 상기 전구체가스관이 관통하여 결합되며, 연료가스를 통과시키고 전구체가스의 역류를 방지하도록 복수개의 공극이 형성되는 역류방지판을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 나노분말 연소반응기.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 산화가스 유입공은 상기 반응노즐의 외주면을 따라 방사형으로 복수개가 이격되어 설치되는 것을 특징으로 하는 나노분말 연소반응기.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 산화가스 유입공은 상기 반응노즐의 외주면에 대하여 30도 내지 60도의 각도로 경사지게 배치되는 것을 특징으로 하는 나노분말 연소반응기.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 산화가스 유입공은 슬릿 형상인 것을 특징으로 하는 나노분말 연소반응기.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 산화가스 공급노즐의 직경은 35mm이고, 상기 반응노즐의 직경은 20mm이고, 상기 산화가스 유입공의 슬릿 간격은 0.5mm이고, 상기 산화가스관, 상기 연료가스관 및 상기 전구체가스관의 직경은 0.25inch인 것을 특징으로 하는 나노분말 연소반응기.
7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 따른 나노분말 연소반응기와;

   상기 산화가스관으로 공급되는 산화가스의 유량을 제어하는 산화가스 제어기와;

   상기 연료가스관으로 공급되는 연료가스의 유량을 제어하는 연료가스 제어기와;

   상기 전구체가스관으로 공급되는 전구체가스의 유량을 제어하는 전구체가스 제어기를;

   포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 나노분말 합성장치.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 전구체가스 제어기와 상기 전구체가스관을 연결하며, 액상의 전구체를 전구체가스로 기화시키는 기화기를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 나노분말 합성장치.
9. 제 8항에 있어서,

   상기 기화기는 기름욕조의 내부에 설치되는 것을 특징으로 하는 나노분말 합성장치.
10. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 따른 나노분말 연소반응기를 이용하는 나노분말 합성장치의 제어방법에 있어서,

    상기 반응노즐에서 연료가스와 전구체가스를 혼합하여 혼합가스를 생성하는 단계와;

    상기 산화가스 유입공으로 산화가스를 유입하여 상기 혼합가스를 상기 산화가스와 반응시키는 단계와;

    상기 유입공의 경사각을 조절하는 단계를;

    포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 나노분말 연소반응기를 이용한 나노분말 합성장치의 제어방법.
11. 제 10항에 있어서,

    상기 산화가스 유입공의 개수를 조절하는 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 나노분말 연소반응기를 이용한 나노분말 합성장치의 제어방법.
12. 제 11항에 있어서,

    상기 연료가스, 상기 전구체가스 및 상기 산화가스의 유량을 조절하는 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 나노분말 연소반응기를 이용한 나노분말 합성장치의 제어방법.
13. 제 12항에 있어서,

    상기 산화가스 유입공의 경사각은 외주면에 대하여 30도 내지 60도의 범위에서 조절되는 것을 특징으로 하는 나노분말 연소반응기를 이용한 나노분말 합성장치의 제어방법.
14. 제 13항에 있어서,

    상기 연료가스는 메탄, 상기 전구체가스는 질소, 상기 산화가스는 산소이며, 상기 메탄의 양은 0.3 slm, 상기 질소의 양은 0.5 slm, 상기 산소의 양은 3 slm인 것을 특징으로 하는 나노분말 연소반응기를 이용한 나노분말 합성장치의 제어방법.

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