KR100713192B1 - 방사상 배향 성향을 가진 세라믹 튜브의 제조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하기 단계:

a) 혼합될 재료 내에 사전에 비규칙적으로 배열된 입자들이 초기에 프레스방향에 대해 교차로 배열되는 식으로, 혼합될 재료(20)의 유동이 정지 또는 방해되는 정적 또는 준-정적 방법으로 혼합될 재료(20)를 사전프레스하는 단계,

b) 혼합될 재료(20)의 조절된 유동성때문에, 사전프레스된 혼합될 재료(20) 내의 입자들이 교차배열에서 시작하여 프레스방향에서 최대 75°각(β)으로 재배열되는 식으로, 압출프레스(22) 또는 압출기의 출구(28)를 통해 사전프레스된 혼합될 재료(20)를 프레스하는 단계를 제공하는 것을 특징으로 하고,

압출프레스(22) 또는 압출기를 사용하여 바람직하게는 석유코크스 또는 그래파이트 입자를 함유하는 혼합될 재료를 성형하는 단계를 포함하는, 합성 그래파이트 또는 세라믹입자로부터 성분 및 반마무리 제품, 특히, 그래파이트 튜브를 제조하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

Description

방사상 배향 성향을 가진 세라믹 튜브의 제조 {PRODUCTION OF CERAMIC TUBES WITH A RADIAL ORIENTATION PREFERENCE}

본 발명은 합성 그래파이트 또는 세라믹입자로부터 성분 및 반마무리제품을 제조하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 특허청구범위 제1항, 제10항 및 제15항에 따른 합성 그래파이트 또는 세라믹입자로 만들어진 그래파이트 튜브 또는 성분 또는 반마무리제품을 제조하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

그래파이트는 매우 우수한 전기 및 열전도도를 가지고 매우 높은 수준의 내화학성 및 내열성을 가진다. 이러한 이유로, 재료 그래파이트는 예를 들면 화학장치용 반마무리제품으로서, 튜브의 형태로 사용된다. 따라서 예를 들어, 다발형 그래파이트 튜브로 만들어진 관상 열교환기는 공지되어 있다.

그래파이트는 세라믹재료이고, 이 재료의 중요하지 않은 바람직한 특성 중 하나는 격력 및 동력 하중에 대한 저항성이 비교적 낮다는 것이고, 특히 그래파이트 튜브의 동력 저항성을 개선하기 위하여, DE 31 16 309 C2에 따르면, 탄소섬유를 사용하여 튜브를 커버하고, 라미네이트와 유사한 방식으로 경화성 수지에 의해 섬유의 다발과 튜브 사이를 연동접합부를 사용하여 연결하는 것이 제안되었다. 그러나, 이 방법은 비교적 복잡하고 따라서 비용이 많이 든다.

그래파이트로부터 성분 및 반마무리 제품을 생산하는 공지의 방법에 따라, 제1단계에서 분쇄되고 선별되는 원료로, 예를 들면 석유코크스 또는 그래파이트 입자가 사용된다. 이어서, 분쇄된 거대출발재료는 결합제와 혼합되어 점성의 혼합될 재료를 형성한다. 그러한 방식으로 얻어지고 예를 들면 튜브를 형성하기 위하여 프레스될 준비가 된 혼합될 재료를 성형하기 위하여, 이 재료는 압출프레스의 공급챔버 속으로 공급되고, 출구의 방향으로 프레스 하우징 내에서 세로로 움직일 수 있는 플런저 피스톤에 의해 압축되어, 예를 들면 튜브의 형태로 실질적 연속선으로서 프레스되어 나온다. 프레스 하우징과 동축인 나사형 압출기도 플런저 피스톤 대신 재료를 프레스해 낼 수 있다.

플런저 피스톤의 순방향 이동과 혼합될 재료의 비교적 우수한 유동성의 결과로, 현저하게 가늘고 긴 형상의 코크스 또는 그래파이트 입자는 출구를 향하는 유동영역에서 프레스 방향에 평행하고 이후의 제조단계에서 이 위치에서 "동결"되어 남아있도록 하기 위해 압출프레스하거나 압출하는 경우에 초기에 배열된다. 열전도의 주방향이 주로 재료입자의 배열을 따라 가기 때문에, 결과적으로 그러한 방식으로 프레스되는 성분의 재료특성은 강한 이방성을 가진다. 즉, 축세로방향으로 프레스하는 방향과 평행한 우세한 입자배열때문에 압출프레스된 열교환기 그래파이트 튜브의 열전도도는 높은 값을 가지지만, 불리하게도 열교환기 튜브에서 열이동에 중요한 방사 방향에서는 낮다. 한편, 축의 세로방향으로의 입자의 배열은 열교환튜브에서 특히 유리한 그래파이트 성분의 휨 및 인장강도에 대한 바람직한 효과를 나타낸다.

종래의 압출프레스는 프레스 하우징 내부에서 세로로 움직일 수 있는 플런저 피스톤을 가지고, 플런저 피스톤은 프레스하는 방향으로 깔때기 형상으로 좁아지는 프레스 하우징의 성형 마우스피스의 출구 속으로 방출되는 공급챔버의 경계를 정하고, 깔때기는 프레스되는 재료로 충진될 수 있고 그것의 프레스이동에 의해 분쇄될 수 있다. 일단 프레스되는 재료가 출구밖으로 프레스되면, 플런저 피스톤은 공급챔버가 프레스되는 재료로 재충진될 수 있도록 프레스 하우징으로부터 완전히 철수되어야 한다. 재충진과정은 복잡하고 따라서 그러한 압출프레스의 공급챔버 및 피스톤 스트로크는 빈번한 재충진을 피하기 위하여, 경제적인 이유로 가능한 한 크게 설계되어야 한다. 따라서, 공급챔버 내에 위치한 프레스부는 비교적 길고, 따라서 압축된 출구로부터 프레스부를 압축하고 프레스해 내는데 필요한 순방향이동력은 높다. 프레스력을 제한하기 위하여, 거대재료는 따라서 자유롭게 움직인다. 프레스해 냄에 따라, 유동영역은 공급챔버의 내부에서 생성되고, 유동영역에서 그래파이트 입자는 튜브 내에서 상기 설명한 그래파이트 재료의 바람직하지 않은 이방성이 생기게 하는 프레스하는 방향에 평행하게 그 자체를 배열하는 경향이 있다.

따라서 본 발명의 목적은 합성 그래파이트 또는 세라믹입자로부터 성분 또는 반마무리 제품을 제조하는 방법 및 장치를 만들어, 그 결과 재료의 강도를 저하시키지 않으면서 그래파이트 재료에 존재하는 이방성을 감소시키는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따르면, 이러한 목적은 특허청구범위 제1항과 제10항의 특징부에 서 언급된 특징에 의해 달성된다. 제15항은 제1항의 방법에 따라 제조된 성분 또는 반마무리제품에 관한 것이다.

특허청구범위 제1항에 따른 본 발명의 방법은, 사전프레스공정때문에, 압인프레스의 경우에서와 같이, 그래파이트 입자가 초기에 프레스방향에 대해 교차하도록 사전-압축된 재료 블럭 내에 배열되는 잇점을 가진다. 프레스되어 나옴에 따라 압출프레스 또는 압출기의 압축된 출구부분에서의 혼합될 재료의 유동성이 낮기 때문에, 그래파이트 입자는 프레스방향에서 작은 각도만으로 원래의 교차배열을 벗어나 회전하여, 마무리된 성분의 중심축에 대해 실질적으로 비스듬하거나 나선형으로 배열된다.

입자의 배열에 의해 정해지는 열전도 및 저항특성의 우세한 방향이 더이상 프레스된 성분의 중심축에 완전히 평행하거나 완전히 교차하지 않기 때문에, 이전 보다 실질적으로 더 낮은 이방성을 가진 새로운 형태의 그래파이트 재료가 만들어진다. 이것은 한편 비스듬하게 배향된 입자가, 예를 들면 본 발명의 방법에 따라 제조된 열교환기 그래파이트 튜브의 방사상 열전도도를 위해 바람직한, 프레스방향에 교차하는 성분을 가지기 때문이다. 다른 한편, 프레스방향을 향하고 그것에 대해 상보적인 입자의 성분이 그래파이트 튜브의 휨강도가 상당히 감소되는 것을 방지한다.

종속항인 제2항 내지 제9항에서 언급된 한정의 결과로서, 제1항에 기재된 방법에 대한 바람직한 개발 및 개선이 가능하다.

특히 바람직한 본 발명의 일실시형태는 압출프레스가 혼합될 재료를 공급하기 위한 공급구를 가진 공급챔버를 가지고, 공급구는 공급챔버의 크기로 감소될 수 있는 플런저 피스톤의 시작 및 끝위치 사이에 배열되고, 혼합될 재료의 성형은 주기를 형성하는 하기 단계를 포함하여 제공된다:

a) 플런저 피스톤이 시작위치에 있을 때 공급챔버가 완전히 충진될 때까지 계량장치를 사용하여 혼합될 재료를 공급챔버 속으로 계량하는 단계,

b) 입자를 프레스방향과 교차하도록 배열하기 위해 플런저 피스톤의 느린 순방향이동에 의해 공급챔버 속에서 혼합될 재료를 준-정적 사전프레스하는 단계,

c) 그 부피가 공급챔버 내에서의 원래의 부피보다 더 작은, 사전압축된 혼합될 재료의 부피를 출구를 통해 프레스해 냄으로써, 일단 공급챔버 내에서 플런저 피스톤의 끝위치가 도달하면 사전압축된 잔여부피가 잔존하는 단계,

d) 플런저 피스톤이 시작위치로 복귀되고, 공급챔버가 다시 완전히 충진될 때까지 사전압축된 잔여부피와 플런저 피스톤 사이의 중간챔버 속으로 새로운 혼합될 재료를 계량하는 단계,

e) b)단계로 계속하는 단계.

공급구에 의한 신속하고 준-연속적인 재충진 포텐셜때문에, 소량의 프레스되는 재료는 단일프레스 스트로크에 의해 경제적으로 프레스될 수 있다. 따라서 높은 프레스력은 더이상 필요하지 않고, 혼합될 재료의 유동성은 예정된 방식으로 감소될 수 있다. 프레스되는 재료의 내부유동 방해때문에, 그래파이트 또는 과립입자가 유동방향과 평행하게 배열할 수 있는 현저한 유동영역이 형성될 수 없다. 오히려, 상기에서 이미 설명한 바와 같이, 프레스되는 재료는 거의 정적으로 사전프레스되고, 따라서 그래파이트 입자는 프레스되는 재료가 출구를 통해 공급챔버를 떠나기 전에 프레스방향에 교차하도록 배열한다. 사전프레스된 거대재료의 내부유동 방해때문에, 압축된 출구를 통해 유동할 때 비스듬하게 배열되는 것이 바람직하다.

다른 실시형태에서, 출발에서 필요한 프레스방향에 교차하도록 입자가 배열하는 것은 바람직하게는 압인프레스에 의해, 혼합될 재료가 블럭형상의 사전프레스부를 형성하도록 사전압축됨으로써 일어나고, 그 다음에 사전프레스부를 피스톤 압출기의 공급챔버 속에 위치시킨 후 그것에 형태를 부여하기 위하여 출구를 통해 프레스하는 것이 제공된다.

또다른 특히 바람직한 방법에서는 적어도 한 입자크기분획의 석유코크스 및/또는 그래파이트 입자를 함유하는 거대출발재료를 결합제와 혼합하는 단계와 추가적으로 혼합될 재료에 탄소섬유를 추가하는 단계에 의해 혼합될 재료가 얻어진다. 탄소섬유를 첨가함으로써, 그래파이트 성분의 저항성은 바람직한 방식으로 증가될 수 있다.

시판되는 보조프레스제를 첨가하면, 특히 실린더벽에 대한 거대재료의 벽마찰력이 감소되고, 따라서 프레스방향으로 입자가 배열하는 것을 방해하는 스토퍼 유동이 생성될 정도까지 거대재료의 원하는 내부유동방해가 유지된다.

그래파이트 성분의 제조에 사용되는 결합제는 높은 습윤능에 의해 고체입자를 서로 연결함으로써 성분의 필요한 저항성을 보증할 뿐 아니라 그들을 가소적으로 변형할 수 있도록 하는 목적을 가진다. 결합제는 통상적으로 예를 들면 액체형태로 석유코크스 또는 그래파이트 입자로 구성된 고체에 첨가된다. 결합제의 양은 비교적 낮은 충돌압력이 압출프레스의 공급챔버 내부에서 만들어지는, 당해 기술분야의 상황에서 그러한 높은 속도로 계량된다. 그러나 통상적으로 높은 비율의 결합제를 가지는 혼합될 재료는, 거대재료의 우수한 유동성때문에, 입자들이 프레스방향으로 특별히 잘 배열되고 이러한 방식으로 강한 이방성 프레스부의 형성이 유지된다는 단점을 가진다. 또한 상기 재료는 이후 열분해하는 동안 크게 수축한다. 또한 심각한 수축은 도입된 탄소섬유의 강화효과에 대해 바람직하지 않은 효과를 나타낸다.

따라서, 본 발명의 개발에 따라, 첨가된 결합제의 재료 비율은 낮고, 혼합될 재료의 총량의 5 내지 32중량%이다. 이것은 한편 이후 열분해하는 동안 혼합될 재료가 덜 수축하고, 다른 한편 덜 유동적이어서, 혼합될 재료의 바람직한 유동방해가 낮은 비율의 액체결합제에 의해 효과적으로 유지되고 그래파이트 입자가 유동방향에 평행하게 배열하려는 경향이 감소된다는 잇점이 있다. 이후 열분해동안, 탄소섬유가 혼합될 재료로부터 생성되는 성분 내에 존재하는 상황은, 수축이 추가적으로 효과적으로 방지되기 때문에 무효로 된다.

본 발명에 따른 방법의 또다른 개발에서는, 거대출발재료 및 결합제 및 혼합될 재료를 형성하는 또다른 원료가 예를 들면 텀블 믹서 또는 론 휠 믹서(Rhon wheel mixer)와 같은 낮은 전단효과를 가진 믹서로 혼합된다. 그 결과 특히 부드러운 혼합과정이 되어, 성분저항성을 증가시키기 위해 첨가된 탄소섬유의 전단 또는 파괴를 특히 피할 수 있다. 또한, 개별성분은 텀블 믹서를 사용하여 특히 완전하게 혼합되어, 원하지 않은 탄소 스테이플섬유가 축적되지 않는다.

마지막으로, 제1항의 방법의 개량에 따르면, 거대출발재료가 혼합되기 전 0mm 초과 및 60㎛ 미만의 입자크기와 거대출발재료의 20 내지 100중량%의 재료 비율을 가진 제1입자크기분획과, 60㎛ 내지 750㎛의 입자크기와 거대출발재료의 0중량% 내지 34중량%의 재료 비율을 가진 제2입자크기분획과, 750㎛ 내지 2,000㎛의 입자크기와 거대출발재료의 0중량% 내지 46중량%의 재료 비율을 가진 제3입자크기분획을 효과적으로 함유하는 방식으로 분쇄되고 선별된다. 더 굵은 입자를 포함하는 거대출발재료를 생산함으로써, 그로부터 생성된 혼합될 재료의 점성이 낮고, 이후의 프레스과정동안 압출프레스의 출구를 통해 혼합될 재료가 신속하게 방출되는 것을 방지하는 고수준의 내부마찰이 생성된다. 결과적으로, 혼합될 재료의 원하는 사전압축이 효과적으로 유지된다.

제10항에 따른 장치는 공급구에 의한 압출프레스의 신속하고 준-연속적인 재충진 포텐셜때문에, 더 소량의 프레스될 재료가 단일피스톤 스트로크로 경제적으로 프레스될 수 있고, 결과적으로 프레스가 당해 기술분야의 상황과 비교하여 더 낮은 힘으로 행해질 수 있다는 잇점이 있다. 따라서, 프레스력을 제한하기 위하여 혼합될 재료의 유동성을 증가시키는 것은 더 이상 필요하지 않다. 오히려, 반대로, 혼합될 재료의 유동성은 그래파이트 입자가 유동방향과 평행한 원하지 않는 방식으로 배열할 수 있는 현저한 유동영역이 형성되는 것을 방지하기 위하여 예정된 방식으로 감소될 수 있다. 또한, 원하는 입자배열은 공급챔버의 직경(D)과 출구의 직경(d)의 비(D/d)가 2.5이하, 바람직하게는 0.4 내지 1.0이 되도록 가장 잘 이루어질 수 있다.

종속항인 제11항 내지 제14항에서 기재된 방법의 결과로 제10항에 기재된 장치의 바람직한 개발 및 개선이 가능하다.

종래의 압출프레스는 플런저 피스톤을 제거한 후 혼합될 재료를 사용하여 위로부터 공급챔버를 균일하게 충진할 수 있도록 수직방향으로 연장된다. 그러나, 예를 들면 튜브와 같은 연속적인 성분을 프레스해낼 수 있도록, 그러한 수직 압출프레스의 높이는 적당하게 커야한다.

이와 반대로, 제10항의 장치의 바람직한 개발에서는 압출프레스의 세로길이가 수평과 실질적으로 평행하도록 배열되고, 공급챔버의 공급구가 실질적으로 거기에 교차되도록 배열된다. 압출프레스의 수평배열때문에, 그 높이는 적은 것이 바람직하고, 거의 어떤 길이의 연속적인 성분도 프레스해 낼 수 있다. 한편, 수직방향으로 공급챔버를 충진하면 혼합될 재료가 거기에 균일하게 분포된다는 것이 보증된다.

본 발명의 실시형태는 이하 상세한 설명에서 보다 자세히 설명되며, 도면에 도시된다.
도 1은 그래파이트 성분의 제조방법의 일부의 순서도,

도 2는 완전히 충진된 공급 챔버를 사용한 바람직한 실시형태에서 혼합될 재료를 프레스하는 본 발명에 따른 압출프레스의 개략단면도,

도 3은 사전압축하는 동안 도 2의 압출프레스를 나타내는 도면,

도 4는 압출하는 동안 도 2의 압출프레스는 나타내는 도면,

도 5는 재충진과정동안 도 2의 압출프레스를 나타내는 도면,

도 6은 혼합될 재료를 성형하는 피스톤 압출기를 나타낸 도면,

도 7은 혼합될 재료를 성형하는 단일나사형 압출기를 나타낸 도면.

도 1의 순서도는 바람직한 실시형태에 따라 제조된 열교환기에서 사용하기 위한 그래파이트 튜브를 사용하여, 그래파이트 또는 세라믹입자로부터 성분 및 반-마무리 제품을 제조하는 본 발명에 따른 방법의 제1제조단계를 나타낸다. 이 목적을 위하여, 다양한 원료와 제조단계를 사용한 다양한 제조가 시도되었고, 그중 일부만 실시예의 형태로 아래에서 설명한다.

예를 들면, 초기에 소성된, 즉 예를 들면 회전 관상 가마 또는 회전식 가열로(2)에서 1,200 내지 1,400℃에서 소성된 후 사일로(4) 속에서 일시적으로 저장된 석유코크스를 거대출발재료로 사용하였다. 이후 단계에서, 예를 들면 회전식 분쇄기(6) 또는 충격연마밀을 사용해 거대출발재료를 분쇄하고, 다른 입자크기의 분획이 생성되는 방식으로 체(8)로 선별하여 서로 독립된 저장통(10)에서 일시적으로 저장하였다.

분쇄되어 선별된 석유코크스 및 그래파이트 입자의 입자크기가 각각의 경우 3가지 시험예에 대해 하기 표 1에 나열되고, 입자크기는 각 경우 0-60㎛, 60-200㎛, 200-400㎛ 및 400-750㎛의 4가지 범위로 분류된다. 석유코크스가 유일하게 거대출발재료로 작용하는 제1실시형태에 따르면, 가장 큰 입자가 400㎛ 내지 750㎛의 직경을 가졌고, 재료 비율의 45중량%가 60㎛ 미만이었고, 거대출발재료의 재료 비율의 55중량%가 60㎛ 이상이었다. 석유코크스는 가장 큰 입자가 400㎛보다 약간 작고 60㎛ 미만인 입자의 재료 비율이 44중량%이고 60㎛ 이상인 입자의 재료 비율이 56중량%인 제2실시형태에서도 원료로 사용되었다. 마지막으로, 출발재료로 그래파이트 입자를 사용하는 경우, 가장 큰 입자는 크기가 750㎛이고, 60㎛ 이상인 입자의 재료 비율이 45중량%이고 60㎛ 미만인 입자의 분획이 56중량%에 이른다.

시험예에 의한 거대출발재료의 입자크기

분획(㎛)	0-60	60-200	200-400	400-750
석유코크스, 재료 비율(중량%)	45	21	14	20
석유코크스, 재료 비율(중량%)	44	32	24	0
그래파이트 입자, 재료 비율(중량%)	55	17	18	10

하기 표 2에서, 시험과정에서 확인된 최소가능입자크기를 "A"로 표시하고 최대가능입자크기를 "B"로 표시하며, 이들은 여전히 충분한 성분저항성이 달성될 수 있고 그래파이트 재료의 성형이 여전히 가능한 입자이다. 따라서, 최소가능입자크기 A에서 0 내지 60㎛의 입자크기분획은 함께 거대출발재료의 재료 비율의 100중량%를 차지한 한편, 60㎛보다 굵은 입자크기는 생기지 않았다. 이와 반대로, 0 내지 2,000㎛의 실질적으로 더 넓은 밴드는 최대가능입자크기 B, 0 내지 60㎛의 가장 미세한 분획이 함께 재료 비율의 20중량%를 구성하고, 60㎛ 내지 750㎛의 중간크기분획이 재료 비율의 34중량%를 구성하고, 750㎛ 내지 2,000㎛의 가장 굵은 분획이 거대출발재료의 재료 비율의 46중량%를 구성하였다.

거대출발재료의 최대 및 최소입자크기

분획(㎛)	0-10	10-40	40-60	60-200	200-400	400-750	750-1000	1000-2000
A분획 (중량%)	60	40	0	0	0	0	0	0
B분획 (중량%)	3	10	7	15	10	9	21	25

표 3과 도 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 석유코크스 또는 그래파이트 입자(1)를 크기를 줄이고 선별한 후, 베이크라이트 AG(Bakelite AG, Germany)에서 제조한 8% 헥사메틸렌 테트라아민(Hexa)을 추가하거나 루트거스(Rutgers, Germany)에서 제조한 BX 95형, SP>30℃의 피치를 사용하여 미세하게 분쇄된 결합제, 예를 들면 페놀성수지인 노볼락(Novolak

), 타입 SP 222, 유로 20-100mm인 결합제(12)와 혼합하였다. 또한 크기가 분류되고, 8㎛의 직경과 6mm의 길이를 가진 탄소 스테이플섬유(14), 바람직하게는 SGL 테크닉 게엠베하(SGL Technik GmbH, Germany)가 제조한 타입 C-25-S006 EPY의 SIGRAFIL

섬유를 일부시험에서 거대출발재료에 첨가하였다. 마지막으로, 벽마찰력을 감소시키기 위하여 20℃에서 60mPa·s의 점성을 가진 파라핀오일의 형태 또는 실험산물 "스테아르산"인 스테아린(Stearin

)의 형태로 보조프레스제(16)를 일부시험에서 추가적으로 첨가하였다. 실온에서 천공플레이트 십자형 연결관 형태의 혼합배플을 가진 서서히 운행하는 론 휠 믹서(18)를 사용하거나 80℃의 온도에서 2개의 암을 가진 믹서를 사용하여 혼합한 결과, 프레스할 준비가 된 혼합될 재료(20)을 얻었다.

또한 표 3은 시험에서 사용되었던 혼합될 재료(20)의 원료의 재료 비율을 나타낸다. 따라서, 다양한 입자크기분획으로 구성되는 거대출발재료의 재료 비율은 65 내지 95중량%였고, 결합제의 재료 비율은 혼합될 재료(20)의 총량의 5 내지 32중량%였다. 탄소 스테이플 섬유(14)가 첨가되면, 그 재료 비율은 0 내지 15중량%이고, 보조프레스제(16)의 경우 0 내지 5중량%였다.

플런저 피스톤이 압축된 프레스 하우징(24)의 출구(28)로 방출하는 공급챔버(30)의 경계를 정하고, 공급챔버는 프레스될 재료로 충진될 수 있고, 그것의 프레스이동에 의해 분쇄될 수 있는, 프레스 하우징(24)내부에서 세로방향으로 움직일 수 있는 플런저 피스톤(26)을 가진 도 2에서 단면으로 도시된 압출프레스(22)에 의해 혼합될 재료(20)을 성형하였다. 압출프레스(22)의 세로길이는 실질적으로 수평과 평행하다.

프레스 하우징(24)은 예를 들면, 그 말단에 출구(28)를 형성하는 직경(d)을 가진 관상 마우스피스(36)를 가지는 깔때기형상부(34) 및 플런저 피스톤(26)을 안내하는 직경(D)을 가진 원통형상부(32)를 포함한다.

공급챔버(30)는 필수적으로 원통형상 및 깔때기형상부(32, 34)에 의해 둘러싸이고 출구(28)를 향하는 플런저 피스톤(26)의 프레스면(38)에 의해 경계가 정해지는 공간으로 형성되고, 플런저 피스톤(26)이 가능한 한 출구(28)로부터 멀리 있는 도 2에 도시된 시작위치에 있을 때 가장 크다.

카운터 맨드릴(40)은 튜브를 형성하기 위하여 관상 마우스피스(36)의 내부 주위면에 대해 방사상 거리에서 관상 마우스피스(36) 내부에 동축으로 수용되고, 카운터 맨드릴은 그 말단이 플런저 피스톤(26)을 향하는 프레스 하우징(24)의 원통형상부(32) 속으로 적어도 일부 돌출되고 거기서 좁아진다. 깔때기형상부(34), 관상 마우스피스(36) 및 카운터 맨드릴(40)은 함께 압출프레스(22)의 성형 마우스피스(42)를 형성한다. 성형 마우스피스(42)는 성형 마우스피스(42)를 통해 프레스된 혼합될 재료를 가열하기 위하여 가열장치(43)에 열전도방식으로 연결되고, 관상 마우스피스(36)의 가열장치(43)는 깔때기형상부(34)의 가열장치로부터 열절연된다.

프레스 하우징(24)의 원통형상부(32)의 직경(D)과 관상 마우스피스(36)의 직경(d)의 비(D/d)는 2.5 이하이고, 바람직하게는 0.4 내지 1.0의 범위이다. 그 길이(l)에 대한 관상 마우스피스(36)의 직경(d)의 비는 1이하인 것이 바람직하고, 깔때기형상부(32)는 35°의 원뿔각 α을 가진다.

공급챔버(30)는 계량장치(44)에 연결된 별도의 공급구(46)를 가지고, 그 공급구를 통해, 프레스될 재료가 공급챔버에 계량된 방식으로 공급될 수 있다. 공급구(46)는 압출프레스(22)의 수평세로연장에 교차하도록 프레스 하우징(24)의 원통형상부(32)의 벽(48) 내의 관통공으로서 설계되고, 그 속에 계량장치를 형성하는 다공 휠 배출구(44)가 수용되는 깔때기형상 충진튜브(50)에 의해 방사상 외부로 연장된다.

프레스절차를 형성하는 도 2 내지 도 5에 개략적으로 도시된 개별단계는 아래에서 상세하게 설명될 것이다. 초기에, 플런저 피스톤(26)이 가능한한 출구(28)에서 먼 도 2에 따른 시작위치에 있어서, 공급챔버(30)는 그 최대크기를 가진다. 제1단계에서, 불규칙적으로 배열된 입자를 가진 혼합될 재료는 다공 휠 배출구(44)를 통해 공급챔버가 완전히 충진될 때까지 공급챔버(30) 속으로 계량된다. 그 다음에, 계량된 혼합될 재료는 예를 들면 도 3에 도시된 바와 같이 최대 4m/분의 연속 순방향이동속도로 플런저 피스톤(26)이 순방향이동함으로써 압축된다. 분쇄된 그래파이트 입자 또는 석유코크스의 굵은 입자분획의 비율이 높아, 프레스될 재료에서 상대적으로 고수준의 내부마찰력을 일으키기 때문에, 압축된 출구를 통해 혼합될 재료를 방출하는 것이 처음부터 방지된다. 예를 들면 탄소섬유와 그래파이트 입자와 같은 혼합될 재료에서 이미 불규칙하게 배열된 입자는 압인프레스에서 압인하는 경우와 유사하게, 순방향이동 또는 프레스방향과 교차하도록만 배열되기 때문에, 결과적으로 준-정적 압축이 일어난다.

특정시간 후 플런저 피스톤(26)이 예를 들면 출구(28)를 향해 연속 순방향이동속도로 이동함에 따라, 그 끝위치에 도달하고, 사전압축된 혼합될 재료가 카운터 맨드릴(40)을 통과하여, 출구(28)를 통해 방출되고, 연속튜브(52) 속으로 성형되는 상황이 도 4에 도시되어 있다. 내부유동방해때문에, 이전에 프레스방향에 교차하도록 배열된 입자들은 그들이 약간 변경된 비스듬한 위치에 있고 그들의 세로길이에 근거하여 프레스방향에서 방향성분을 나타내는 방식으로 혼합될 재료의 내부에서 재배열된다. 경사진 위치는 튜브의 세로축에 수직인 평면에 대해 0°보다 크고 75°보다 작거나 같은 각배열(β)을 의미하는 것으로 이해되어야 한다.

방사 방향에서 그래파이트 튜브(52)의 충분한 열전도도를 얻기 위해, 세로축 방향으로 너무 엄밀히 입자를 배열시키는 것은 바람직하지 않다. 예를 들면, 보조프레스제(16)를 첨가하여, 편의상 사전압축된 혼합될 재료에 작용하는 외부마찰은 가능한 작게하는 한편, 내부마찰은 가능한 크도록 주의한다. 이는 공급챔버(30)의 내부에 스토퍼 유동을 형성하기 위함이다.

공급구(46)는 도 4에 따른 이의 끝위치에서 적어도 부분적으로 공급구(46)를 통과하도록 플런저 피스톤(26)의 시작위치와 끝위치 사이에 배열되는 것이 바람직하고, 프레스 하우징(24)의 원통형상부(32)의 끝부분에 있게되어 공급챔버(30)는 공급구(46)로부터 분리된다. 피스톤 스트로크는 원래 공급챔버(30)로 계량된 혼합될 재료의 부피보다 작은 프레스된 혼합될 재료의 부피가 출구(28)로 프레스되어 나오는 크기인 것이 바람직하고, 프레스 하우징(24)의 깔때기형상부(34)로 프레스되었던 혼합될 재료의 잔여부피는 공급챔버(30)에 잔존하게 된다.

최종적으로, 플런저 피스톤(26)은 신속하게 이의 시작위치로 복귀되고, 따라서 공급구(46)는 도 5에 나타낸 바와 같이 완전히 노출된다. 이제 깔때기형상부(34)에 잔존하는 혼합될 재료의 잔여부피와 출구(28)를 향해 있는 플런저 피스톤(26)의 프레스면(38) 사이에 생성된 중간 공간(54)은, 공급챔버(30)가 다시 완전히 충진될 때까지 계량장치(44)를 사용하여 새로운 혼합될 재료(20)로 충진된다. 이전의 프레스과정에서 혼합될 재료의 잔여부피는 이미 깔때기형상부(34)에서 사전압축되었으므로, 새로 충진된 부피의 혼합될 재료를 위해 플런저 피스톤(26)은 이제 다른 쪽으로부터 프레스되는 것에 대해 방출 장벽을 형성한다. 따라서, 새로 충진된, 여전히 약간 압축된 부피의 혼합될 재료는 피스톤이 순방향으로 움직여 압축되고, 따라서, 깔때기형상부(34)에 남아 스토퍼를 구성하는 이전 프레스과정의 잔여부피가 프레스되어 나오기 전에 입자들이 교차적으로 배열될 수 있다. 플런저 피스톤(26)이 이의 끝위치에 도달한 후에는 상기 순환이 처음부터 다시 시작된다.

상기 압출프레스(22) 이외에도, 압출기 하우징(58) 내에서 세로로 이동할 수 있는 플런저 피스톤(60)을 가진 도 6에 도시된 피스톤 압출기(56)가 또한 혼합될 재료를 성형하기 위해 사용되고, 여기서 피스톤은 반대쪽에서 압축되는 출구(61)로 방출되는 공급챔버(62)의 경계를 정하고, 공급챔버는 프레스될 재료로 채워질 수 있고, 이의 프레스운동에 의해 분쇄될 수 있다. 압출기 하우징(58)은 플런저 피스톤(60)을 안내하는 원통형상부(64) 및 바람직하게는 30°의 원뿔각(γ)을 가진 깔때기형상부(66)를 포함하고, 이의 말단에는 출구(61)를 형성하는 튜브기부(68)가 제공되고, 공급챔버(62)는 실질적으로 원통형상부 및 깔때기형상부(64,66)에 의해 둘러싸이고, 출구(61)를 향해 있는 플런저 피스톤(60)의 프레스면(70)에 의해 경계가 정해진 내부 공간에 의해 형성된다. 상기 압출프레스(22)와는 반대로, 공급챔버(62)는 실질적으로 더 길어서, 프레스하는데 더 큰 힘이 필요하고, 이와 마찬가지로 순방향 이동속도도 더 크다.

피스톤 압출기(56)가 사용되는 시험에서, 그래파이트 입자 및 탄소섬유를 프 레스방향에 대해 교차로 배열하기 위해 혼합될 재료는 초기에 그 자체로 공지된(도시하지 않음)압인프레스에서 정적으로 사전압축하였다. 이어서, 플런저 피스톤(60)을 피스톤축과 동축의 말단 후방 구멍(72)을 통해 프레스방향에 대해 반대로 축퇴시킨 후, 사전프레스부를 동일한 구멍을 통해 통과시켜, 피스톤 압출기(56)의 공급챔버(62)의 크기에 적응된 사전압축 사전프레스된 부분을 공급챔버로 도입시키고, 공급챔버(62)에 위치시켰다. 상기 압출프레스(22)에서와 같이 이어서 피스톤이 순방향으로 이동하여 입자들을 경사진 위치로 재배열시키고, 출구(61)를 통해 혼합될 재료를 프레스하였다.

도 7은 몇가지 시험에서 혼합될 재료를 성형하기 위해 사용되었던 것과 같은 단일나사형 압출기(74)를 보여준다. 플런저 피스톤 대신 단일나사형 압출기(74)는 압출기 하우징(76) 내에 동축 회전압력 웜(78)을 가진다.

표 4a와 4b는 그래파이트 튜브를 제조하기 위한, 17회의 시험에서 사용되고 얻어진 파라미터의 개관을 보여준다. 예를 들어, 일련번호 8로 나타낸 시험에서, 총 재료가 최대 입자 크기가 0.75 mm인 87중량%의 그래파이트 및 노볼락형인 10중량%의 결합제, 1중량%의 파라핀 오일 및 길이가 6mm인 2중량%의 탄소섬유로 구성된 혼합될 재료는 도 2 내지 도 5에 도시한 방법에 따라 그래파이트 튜브를 형성하기 위해 프레스되었다. 계량된 개별성분들은 실온에서 혼합되어 론휠 믹서(18)(도 1)를 사용하여 혼합될 재료를 형성하였다. 혼합될 재료의 상대 유동성은 0.38이었다. 압출프레스(22)을 사용하여 성형한 후, 그래파이트 튜브는 보호성 로 가스 세정(질소)을 하면서 800℃로 전기 가열된 가마에서 소성되었다(코크스가 됨).

시험 번호 8의 결과, 프레스 또는 튜브의 길이방향으로 84W/(m x K)의 열전도도를 가지거나, 프레스 또는 튜브의 길이방향에 교차하는 방향으로 81W/(m x K)의 전도도를 가진 그래파이트 튜브를 얻었고, 프레스방향에 대해 전방/교차방향의 열전도도 비율은 1.04이었다. 탄소섬유와 프레스 또는 튜브의 길이방향 사이의 각은 약 85°이었고, 즉, 초기 교차로 배열된 입자(90°에 대응)들이 프레스방향에서 약 5°로 재배열되었다. 그래파이트 튜브의 파열압력은 68 bar에 상당하였다.

비교하기 위해, 30° 원뿔형 성형 마우스피스를 가진 당해 기술분야의 상황에 따른 나사형 압출기를 사용하여 성형한 대조 시험을 번호 13으로 표시하였다. 탄소섬유는 혼합될 재료에 첨가하지 않았다. 표에 나타난 바와 같이, 튜브의 길이방향에서 열전도도가 튜브의 길이에 교차하는 방향에서의 열전도도의 2.4배인 - 전방/교차방향의 비율이 1.04인 시험 번호 8에 비해 상당히 높은 현저한 재료 이방성인 그래파이트 튜브가 제조되었다.

이와 반대로, 원뿔형 성형 마우스피스 대신 단형 마우스피스를 가진 도 7에 따른 나사형 압출기(74)는 시험 번호 14의 과정에서 혼합될 재료를 프레스하기 위해 사용되었다. 그 결과, 실질적으로 더 바람직한 프레스방향/교차방향의 열전도도 비율인 1.22를 얻을 수 있었다.

또한, 혼합될 재료가 0.45의 상대 유동성을 가지고, 도 6에 따라 피스톤 압출기(56)를 사용하여 성형되고, 혼합될 재료가 압인프레스에서 사전압축되는 시험 번호 12에서 1.02의 바람직하게 균형잡힌 열전도 비율이 얻어졌다. 혼합될 재료의 결합제 분획(노볼락)은 15중량%로 낮았고, 또한, 2중량%의 탄소섬유 및 1중량%의 보조프레스제를 첨가하였다. 그래파이트 재료에 끼워넣은 탄소섬유와 튜브의 길이방향 사이에 약 80°의 각이 생겼고, 즉, 초기에 압인프레스(90°에 대응)에서 블럭 압축때문에 교차방향으로 배열된 입자들은 프레스방향에서 10°로 재배열되었다. 또한, 65 bar에서 파열압력은 실질적으로 당해 기술분야의 상황에서보다 더 높았다(시험 번호 13).

다른 시험의 파라미터는 표로부터 추론할 수 있으므로, 이를 합하면, 본 발명에 따른 방법을 사용함으로써 당해 기술분야의 상황에서 일반적으로 현저한 그래파이트 재료에 대한 이방성이 상당히 감소될 수 있다고 말할 수 있다. 그 결과, 프레스방향의 교차방향에서 실질적으로 더 큰 열전도도를 가진 그래파이트 성분이 제조되었고, 또한 탄소섬유를 혼합될 재료에 첨가한 결과 더 높은 파열압력을 가진 그래파이트 튜브를 얻을 수 있었다.

Claims (20)

1. a) 혼합될 재료 내에 사전에 비규칙적으로 배열된 입자들이 초기에 프레스방향에 대해 교차로 배열되는 식으로, 혼합될 재료(20)의 유동이 정지 또는 방해되는 정적 또는 준-정적 방법으로 혼합될 재료(20)를 사전프레스하는 단계,

   b) 혼합될 재료(20)의 조절된 유동성 때문에, 사전압축된 혼합될 재료(20) 내의 입자들이 교차 배열에서 시작하여 프레스방향에서 최대 75°각(β)으로 재배열되는 식으로, 압출프레스(22) 또는 압출기(56;74)의 출구(28;61;82)를 통해 사전프레스된 혼합될 재료(20)를 프레스하는 단계를 특징으로 하고,

   압출프레스(22) 또는 압출기(56; 74)를 사용하여 석유코크스 또는 그래파이트 입자를 함유하는 혼합될 재료(20)를 성형하는 단계를 포함하는, 합성 그래파이트 또는 세라믹입자로부터 성분 및 반마무리 제품, 그래파이트 튜브(52)를 제조하기 위한 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 혼합될 재료(20)가 압인프레스를 사용하여 블럭형상 사전프레스부를 형성하도록 정적으로 사전프레스된 후, 사전프레스부가 피스톤 압출기(56)의 공급챔버(62)에 놓여 출구(61)를 통해 프레스되어 이의 형상이 부여되는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 압출프레스(22)가 혼합될 재료(20)를 공급하기 위한 공급구(46)가 있는 공급챔버(30)를 가지고, 상기 공급구는 공금챔버(30)의 크기를 줄이기 위해 사용될 수 있는 플런저 피스톤(26)의 시작위치와 끝위치 사이에 배열되고, 혼합될 재료(20)의 성형은 주기를 형성하는 하기 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법:

   f) 플런저 피스톤(26)이 시작위치에 있을 때 공급챔버가 완전히 충진될 때까지 계량장치(44)를 사용하여 혼합될 재료를 공급챔버(30) 속으로 계량하는 단계,

   g) 입자를 프레스방향과 교차하도록 배열하기 위해 플런저 피스톤(26)의 느린 순방향이동에 의해 공급챔버(30) 속에서 혼합될 재료를 준-정적 사전프레스하는 단계,

   h) 그 부피가 공급챔버(30) 내에서의 원래의 부피보다 더 작은, 사전압축된 혼합될 재료의 부피를 출구(28)를 통해 프레스해 냄으로써, 일단 공급챔버(30) 내에서 플런저 피스톤(26)의 끝위치가 도달하면 사전압축된 잔여부피가 잔존하는 단계,

   i) 플런저 피스톤(26)이 시작위치로 복귀되고, 공급챔버(30)가 다시 완전히 충진될 때까지 사전압축된 잔여부피와 플런저 피스톤(26) 사이의 중간챔버(54) 속으로 새로운 혼합될 재료를 계량하는 단계,

   j) b)단계로 계속하는 단계.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 혼합될 재료(20)가 프레스방향에서 볼때 그 출구(82)가 혼합될 재료(20)의 유동을 방해하는 하나 이상의 단(84)에 의해 점점 좁아지는 단일나사형 압출기(74)에 의해 성형되는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제 1항 내지 제 4항 중의 어느 한 항에 있어서,

   상기 혼합될 재료(20)는 하나 이상의 결합제(12)와 함께 하나 이상의 입자 크기 분획의 석유코크스 또는 그래파이트 입자(1)를 함유하는 거대출발재료를 혼합하여 얻고, 거대 출발재료는 혼합될 재료(20)의 총량의 65 내지 95중량%의 재료 비율을 가지고, 결합제(12)는 5 내지 32중량%의 재료 비율을 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제 5항에 있어서,

   탄소섬유(14)가 혼합될 재료의 총량의 0 내지 15중량%의 재료 비율로, 사전프레스 전에 혼합될 재료(20)에 추가적으로 첨가되는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제 5항에 있어서,

   보조프레스제(16)가 혼합될 재료의 총량의 0 내지 5중량%의 재료 비율로, 사전프레스 전에 상기 혼합될 재료(20)에 추가적으로 첨가되는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제 5항에 있어서,

   상기 거대출발재료 및 결합제(12) 및 다른 원료들이 텀블 믹서 또는 론휠(Rhon wheel) 믹서에 의해 혼합되는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제 5항에 있어서,

   상기 거대출발재료가 필수적으로 0mm 보다 크고 60㎛보다 작은 입자 크기를 가지고, 거대출발재료의 20 내지 100중량%의 재료 비율을 가진 제1입자 크기 분획, 및 60㎛ 내지 750㎛의 입자크기 및 0중량% 내지 34중량%의 재료 비율을 가진 제2입자 크기 분획, 및 750㎛ 내지 2000㎛의 입자크기 및 0중량% 내지 46중량%의 재료 비율을 가진 제3입자 크기 분획을 포함하는 식으로 혼합 전에 분쇄 및 선별되는 것을 특징으로 하는 방법.
10. 공급챔버(30)가 플런저 피스톤(26)의 시작위치와 끝위치 사이에 배열된 별도의 공급구(46)를 가지고, 출구(28)의 직경(d)에 대한 공급챔버(30)의 직경(D)의 비율(D/d)이 2.5 이하의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하고,

    직경(d)을 가진 압축된 출구(28)로 방출하는 직경(D)을 가지고, 프레스될 재료로 충진될 수 있고, 프레스운동에 의해 분쇄될 수 있는 공급챔버(30)의 경계를 정하는, 프레스 하우징(24) 내에서 세로로 이동가능하도록 안내되는 플런저 피스톤(26)을 가진 압출프레스(22)를 포함하는, 합성 그래파이트 또는 세라믹입자로부터 성분 및 반마무리 제품, 그래파이트 튜브(52)를 제조하기 위한 장치.
11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제
14. 삭제
15. a) 혼합될 재료 내에 사전에 비규칙적으로 배열된 입자들이 초기에 프레스방향에 대해 교차로 배열되는 식으로, 혼합될 재료(20)의 유동이 정지 또는 방해되는 정적 또는 준-정적 방법으로 혼합될 재료(20)를 사전프레스하는 단계,

    b) 혼합될 재료(20)의 조절된 유동성때문에, 사전압축된 혼합될 재료(20) 내의 입자들이 교차 배열에서 시작하여 프레스방향에서 최대 75°각(β)으로 재배열되는 식으로, 압출프레스(22) 또는 압출기(56;74)의 출구(28;61;82)를 통해 사전프레스된 혼합될 재료(20)를 프레스하는 단계를 특징으로 하고,

    압출프레스(22) 또는 압출기(56;74)를 사용하여 석유코크스 또는 그래파이트 입자를 포함하는 혼합될 재료(20)를 성형하는 단계를 포함하는 방법으로 얻을 수 있는, 합성 그래파이트 또는 세라믹입자로부터 제조된 성분 또는 반마무리 제품, 그래파이트 튜브(52).
16. 공급챔버(30)가 플런저 피스톤(26)의 시작위치와 끝위치 사이에 배열된 별도의 공급구(46)를 가지고, 출구(28)의 직경(d)에 대한 공급챔버(30)의 직경(D)의 비율(D/d)이 0.4 내지 1.0의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하고,

    직경(d)을 가진 압축된 출구(28)로 방출하는 직경(D)을 가지고, 프레스될 재료로 충진될 수 있고, 프레스운동에 의해 분쇄될 수 있는 공급챔버(30)의 경계를 정하는, 프레스 하우징(24) 내에서 세로로 이동가능하도록 안내되는 플런저 피스톤(26)을 가진 압출프레스(22)를 포함하는, 합성 그래파이트 또는 세라믹입자로부터 성분 및 반마무리 제품, 그래파이트 튜브(52)를 제조하기 위한 장치.
17. 제 10항 또는 제 16항에 있어서,

    상기 압출프레스(22)의 세로 길이가 실질적으로 수평과 평행으로 배열되고, 공급챔버(30)의 공급구(46)가 실질적으로 이에 대해 교차적으로 배열되는 것을 특징으로 하는 장치.
18. 제 10항 또는 제 16항에 있어서,

    상기 프레스 하우징(24)이 플런저 피스톤(26)을 안내하는 원통형상부(32) 및 말단에 출구(28)를 형성하는 관상 마우스-피스(36)가 제공되는 깔때기형상부(34)를 포함하고, 공급챔버(30)는 실질적으로 원통형상부 및 깔때기형상부(32, 34)로 둘러싸인 공간으로 형성되고, 플런저 피스톤(26)이 가능한 한 출구(28)로부터 멀리 떨어진 시작위치에 있을 때 출구(28)를 향해 있는 플런저 피스톤(26)의 프레스면(38)에 의해 경계가 정해지는 것을 특징으로 하는 장치.
19. 제 18항에 있어서,

    상기 공급구(46)가 원통형상부(32)의 벽(48) 내의 관통로로서 설계되고, 계량장치를 형성하는 다공 휠 배출구(44)를 수용하는 깔때기형 충전 튜브(50)를 통해 방사상으로 외부로 연장되는 것을 특징으로 하는 장치.
20. 제 19항에 있어서,

    관상 마우스피스(36)의 길이(l)에 대한 이의 직경(d)의 비율이 1이하이고, 깔때기형상부(34)가 30 내지 35°의 원뿔각(α)을 가지는 것을 특징으로 하는 장치.

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