KR100843681B1

KR100843681B1 - 송풍장치

Info

Publication number: KR100843681B1
Application number: KR1020070027672A
Authority: KR
Inventors: 강득주
Original assignee: 주식회사 제이오
Priority date: 2007-03-21
Filing date: 2007-03-21
Publication date: 2008-07-04

Abstract

본 발명은 내부에 수용되는 촉매금속 및 탄소소스가스를 포함하는 반응가스를 가열하여 탄소나노튜브를 합성하는 반응기에 설치되는 송풍장치에 관한 것으로,상기 반응기의 내부에 설치되어 상기 반응가스가 유동하도록 회전하는 송풍팬과; 상기 반응기의 외부에 설치되는 모터와; 상기 송풍팬이 회전하도록 상기 모터의 회전력을 상기 송풍팬으로 전달하는 샤프트와; 상기 반응기에 설치되어 상기 송풍팬을 수용하며, 상기 샤프트가 상기 송풍팬과 연결되도록 상기 샤프트가 통과하는 통과부를 가지는 하우징과; 상기 반응가스가 상기 반응기의 내부로부터 상기 통과부와 상기 샤프트 사이의 공간으로 누출되는 것이 차단되도록 상기 통과부와 상기 샤프트 사이의 공간 중 적어도 일영역에 설치되는 실링유닛과; 상기 반응기 내부의 열이 상기 실링유닛으로 전달되는 것을 차단되도록 상기 통과부와 상기 샤프트 사이의 공간 및 상기 샤프트 중 적어도 어느 하나를 냉각하는 냉각부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 따라, 반응기의 내부로 금속촉매와 탄소소스가스를 주입하며 탄소나노튜브를 제조할 시, 반응기의 내부에 유입된 금속촉매와 탄소소스가스를 유동시키도록 반응기에 설치되며, 반응기의 열을 냉각하여 열에 의해 실링유닛이 변형되는 것을 방지하는 송풍장치를 제공한다.

Description

송풍장치{VENTILATION APPARATUS}

도 1은 본 발명에 따른 송풍장치가 설치되는 탄소나노튜브 합성장치를 도시한 도면이고,

도 2는 본 발명에 따른 송풍장치 단면도이고,

도 3는 도 2의 A부분을 확대한 도면이다.

<도면의 주요부호에 대한 설명>

1 : 탄소나노튜브 합성장치 20 : 반응기

25 : 송풍장치 110 : 송풍팬

120 : 모터 130 : 샤프트

140 : 하우징 150 : 실링유닛

160 : 질소공급유닛 170 : 제1 냉각유닛

180 : 제2 냉각유닛 190 : 제2 냉각물질공급부

본 발명은 송풍장치에 관한 것으로, 보다 자세하게는 반응기의 내부로 촉매와 탄소소스가스를 주입하며 탄소나노튜브를 제조할 시, 반응기의 내부에 유입된 금속촉매와 탄소소스가스를 유동시키도록 반응기에 설치되며, 반응기의 열을 냉각하여 열에 의해 실링유닛이 변형되는 것을 방지하는 송풍장치에 관한 것이다.

탄소나노튜브를 합성하는 방법은 아크방전법, 레이저기화법, 기상합성법 및 열분해법 등이 있다.

이 중 기상합성법(Chemical Vapor Deposion)은 탄소를 포함하고 있는 탄소소스가스를 반응기 내부로 주입하고 열을 가하여 분해함으로써 탄소가 촉매물질에 흡착하여 탄소나노튜브를 성장시키는 방법이다.

그러나 이러한 종래의 탄소나노튜브 합성방법은 탄소나노튜브를 대량으로 합성하기 위해서 크기가 큰 장치를 구비하거나 장치의 크기가 작은 경우에는 탄소나노튜브를 대량으로 합성하기 어려웠다.

또한 종래의 탄소나노튜브 합성방법에 의하면 반응기 내부가 진공 또는 대기압 이상으로 유지된 상태에서 반응이 이루어지기 때문에, 반응기 내부압력을 설정한 값으로 유지하려면 반응기 내부를 대기와 차단하는 것이 필수적이었다.

따라서, 상기한 문제점을 해소하기 위해 본 출원인은 도 1에 도시된 바와 같은 '루프상 탄소나노튜브 합성장치 및 탄소나노튜브 대량합성방법 (특허출원 제10-2005-65160호)'(이하, '선출원'이라고 한다)을 선출원한 바 있다.

여기서, 선출원의 반응기 내부에 금속촉매와 탄소소스가스를 주입하고 열을 가하여, 탄소가 촉매물질에 흡착하도록 탄소소스가스를 유동시켜줄 필요가 있다. 따라서, 도 1에 도시된 바와 같이 송풍장치를 반응기에 설치하여 반응기 내부로 공급된 탄소소스가스를 순환 유동시킨다.

그러나, 반응기의 내부는 600℃~1200℃의 고온이므로 일반적인 타 제조장치에 사용되는 송풍장치를 설치할 경우, 열에 의해 실링유닛등이 변형되는 문제점이 있었다.

상기한 문제점을 해소하기 위해 본 발명은 반응기의 내부로 금속촉매와 탄소소스가스를 주입하며 탄소나노튜브를 제조할 시, 반응기의 내부에 유입된 금속촉매와 탄소소스가스를 유동시키도록 반응기에 설치되며, 반응기의 열을 냉각하여 열에 의해 실링유닛이 변형되는 것을 방지하는 송풍장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 목적은 본 발명에 따른 내부에 수용되는 촉매금속 및 탄소소스가스를 포함하는 반응가스를 가열하여 탄소나노튜브를 합성하는 반응기에 설치되는 송풍장치에 있어서, 상기 반응기의 내부에 설치되어 상기 반응가스가 유동하도록 회전하는 송풍팬과; 상기 반응기의 외부에 설치되는 모터와; 상기 송풍팬이 회전하도록 상기 모터의 회전력을 상기 송풍팬으로 전달하는 샤프트와; 상기 반응기에 설치되어 상기 송풍팬을 수용하며, 상기 샤프트가 상기 송풍팬과 연결되도록 상기 샤프트가 통과하는 통과부를 가지는 하우징과; 상기 반응가스가 상기 반응기의 내부로부터 상기 통과부와 상기 샤프트 사이의 공간으로 누출되는 것이 차단되도록 상기 통과부와 상기 샤프트 사이의 공간 중 적어도 일영역에 설치되는 실링유닛과; 상기 반응기 내부의 열이 상기 실링유닛으로 전달되는 것을 차단되도록 상기 통과부 중 상기 샤프트의 외측 공간 및 상기 샤프트 중 하나 이상을 냉각하는 냉각부를 포함 하는 것을 특징으로 하는 송풍장치에 의해 달성된다.

여기서, 상기 냉각부는 상기 통과부와 상기 샤프트의 외측 사이의 공간 중 상기 실링유닛과 상기 송풍팬 사이의 공간에 질소를 유입하는 질소유입유닛과; 상기 실링유닛과 상기 송풍팬 사이의 공간에 질소를 유입하는 질소유입유닛과; 상기 통과부의 외부를 둘러싸는 냉각물질통로와 상기 냉각물질통로로 제1 냉각물질을 공급되는 제1 냉각물질공급부를 가지는 제1 냉각유닛과; 상기 샤프트에 형성되며 상기 샤프트의 회전축 방향으로 중공되되 상기 송풍팬측이 폐쇄되고 상기 송풍팬의 반대측이 개구되는 중공부 및 상기 중공부로 제2 냉각물질이 유입되는 제2 냉각물질공급부를 가지는 제2 냉각유닛 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

여기서, 상기 제2 냉각유닛은 상기 중공부에 삽입되는 파이프형상의 순환관를 더 포함하여, 상기 제2 냉각물질공급부는 상기 순환관과 상기 중공부 사이로 상기 제2 냉각물질을 공급하고, 공급된 상기 제2냉각물질을 상기 순환관의 내부로 회수할 수 있다.

여기서,상기 제2 냉각물질공급부는 상기 중공부와 연통되어 상기 제2 냉각물질을 공급하는 제1 관과; 상기 순환관과 연통되어 공급된 상기 제2 냉각물질을 회수하는 제2 관을 포함하고, 상기 중공부와 상기 제1 관 사이에 위치하여, 회전하는 상기 샤프트에 의해 상기 제1 관이 상기 중공부를 따라 회전하는 것을 방지하는 로터리조인트를 더 포함할 수 있다.

한편, 상기 샤프트에 설치되는 풀리와; 상기 샤프트가 회전하도록 상기 풀리로 상기 모터의 회전력을 전달하는 벨트와; 상기 통과부 중 상기 샤프트의 외측 공 간과 상기 샤프트 사이에 위치하여 상기 샤프트가 회전가능하게 지지하는 베어링부를 더 포함할 수 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 송풍장치를 설명하기에 앞서 도 1을 참조하여 선출원을 간략하게 설명하겠다.

도 1에 도시된 바와 같이 선출원은 기상합성을 이용한 탄소나노튜브 합성장치(1)로, 촉매공급부(10), 루프상 반응기(20)(이하 '반응기(20)'라 함), 가스공급부(30), 반응기 배출관(40) 및 송풍팬(25)을 포함한다.

촉매공급부(10)는 촉매를 환원시킨 후 반응기(20)로 공급하는 수단이다. 촉매는 고체상태의 금속을 사용하는 것도 가능하며 금속을 용제에 녹여서 만들어진 액상의 촉매를 사용하는 것도 가능하다. 본 설명에서는 고체상태의 촉매금속을 사용하는 경우를 설명한다. 촉매공급부(10)는 촉매금속을 수용하는 공간인 수용부(11), 수용부(11)에 수용된 촉매금속을 가열하기 위해 수용부(11)에 설치되는 히터(12), 수용부(11)로 수소가스를 공급하는 수소공급관(13), 수용부(11)의 하부와 반응기(20)를 연결하는 촉매공급관(15)으로 이루어진다. 수용부(11)의 하부에는 촉매의 환원과정에서 발생한 물을 수용부의 외부로 배출하기 위한 물배출관(18)이 형성되고, 수용부(11)의 상부에는 촉매금속 투입부와 수소가스 배출관(14)이 형성된다. 촉매금속 투입부는 개폐밸브를 거쳐서 수용부(11)와 연결된다.

촉매공급관(15), 물배출관(18), 수소공급관(13) 및 수소가스 배출관(14)은 각각 개폐밸브를 구비하며, 촉매공급관(15)에는 촉매금속을 반응기로 이송시키는 이송스크류(16)가 구비된다. 촉매금속은 철, 니켈, 코발트 등이 사용된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 촉매공급부(10)의 아래에서 촉매공급부(10)에 연결된 반응기(20)는 탄소나노튜브가 합성되는 곳으로서 양 끝이 서로 연결된 순환고리형 내부공간을 갖는 루프 구조이며, 반응기(20)의 외부는 히터(22)가 둘러싸고 있다. 반응기(20)의 내부공간은 촉매공급관(15), 이후 설명될 반응기 배출관(40) 및 가스공급관(31)과 연결된다. 반응기(20)의 내부에는 가스공급관의 바로 앞에 턱(24)이 형성된다.

가스공급부(30)는 아르곤 또는 질소 등의 불활성가스를 저장한 불활성가스탱크들(36), 수소가스를 저장한 수소가스탱크(35) 및 에틸렌 등의 탄소소스가스를 저장한 탄소소스 가스탱크(37)와 반응기(20)의 내부공간으로 상기 각각의 가스들을 공급할 수 있도록 각각의 가스탱크들(35, 36, 37)과 반응기(20)의 사이를 연결하는 가스공급관(31)을 포함한다. 불활성가스는 질소, 아르곤 등이 사용되며, 탄소소스가스는 탄소를 포함하고 있는 탄화수소화합물(C₂H₂, C₂H₄, CH₄ _,알코올 등)이 사용된다.

반응기 배출관(40)은 반응기(20)로부터 합성된 탄소나노튜브를 배출하도록 반응기(20)에 연결된 배관이며, 둘레에 냉각수단이 설치되고 세정장치(50)에 연결된다. 반응기 배출관(40)에는 개폐밸브(44)가 구비된다.

세정장치(50)는 탄소나노튜브를 수집하여 세정하기 위한 것으로서 반응기 배출관(40)과 연결되는 공간을 갖는 수집부(51)를 구비하며, 수집부(51)에는 촉매금 속을 교반하는 교반날개(53)가 형성된다. 수집부(51)의 일측에는 외부공기가 유입되는 공기유입구(54)가 설치되고, 수집부(51)의 상부에는 공기유입구(54)를 통해 유입되는 공기의 양에 상응하는 양만큼의 가스를 외부로 배출하는 가스배출관(56)이 형성되며, 수집부(51)의 바닥에는 세정이 된 탄소나노튜브를 배출하는 탄소나노튜브 배출구(59)가 설치된다. 가스배출관(56)에는 송풍기(57) 및 필터(58)가 구비된다. 공기유입구(54), 가스배출관(56) 및 탄소나노튜브 배출구(59)는 각각 선택적인 개폐가 가능하도록 개폐밸브가 설치된다.

우선 히터를 작동하여 반응기(20) 내부를 600~1200℃로 상승시키고, 반응기(20) 내부로 수소가스 및 아르곤 가스를 주입하여 반응기(20) 내부를 불활성 분위기로 만든다.

다음으로 촉매공급부(10)에서 촉매금속을 환원시킨 후 환원된 촉매금속을 반응기(20)로 공급한다. 촉매공급부(10)에서 촉매금속이 환원되는 과정은 다음과 같다.

수용부(11)에 설치된 히터로 수용부(11)의 온도를 600~1200℃로 상승시키고, 수용부(11)에 연결된 수소공급관(13)을 통해 수소가스를 공급하여 수용부(11)를 환원분위기로 만든다. 이후 촉매금속 투입부를 통해 수용부(11)로 촉매금속을 연속적으로 투입한다. 수용부(11)에서 촉매금속은 수소가스와 반응하여 촉매금속은 물이 발생한다. 발생된 물은 수증기로 기화하여 물배출관(18)을 통해 수용부(11)의 외부로 배출된다. 환원된 촉매금속은 촉매공급관(15)의 이송스크류(16)를 통해 반응기(20)로 공급된다.

환원과정에서 발생된 물은 수증기로 기화되지만, 수증기는 수소보다 비중이 작아서 수소 아래로 가라앉고, 가라앉은 수증기가 수용부의 하부에 형성된 물배출관을 통해 수용부의 외부로 배출된다. 또한 수소공급부를 통해 수용부로 수소가스가 유입되는 양만큼 수소가스 배출관(14)을 통해 수소가스가 배출되므로 수용부 내부의 압력은 일정하게 유지된다.

가스공급관(31)을 통해 반응기(20)로 탄소소스가스, 수소가스 및 아르곤 가스 공급되고, 반응기(20) 내부에는 일방향으로 순환유동을 생성하도록 송풍팬(25)이 작동한다. 반응기(20) 내부로 유입된 탄소소스가스, 수소가스, 불활성가스 및 촉매금속은 송풍팬에 의해 함께 반응기(20) 내부를 순환유동한다. 반응기(20)의 내부를 순환하는 촉매 및 탄소나노튜브는 턱(24)을 넘는 과정에서 가스공급관을 지나치게 되므로, 촉매 및 탄소나노튜브가 가스공급관으로 역류하는 것이 방지된다. 반응기(20) 내부는 고온의 상태이므로 탄소소스가스인 에틸렌가스가 열분해하여 탄소와 수소로 분리되고, 분리된 탄소가 촉매금속에 흡착되어 촉매금속으로부터 탄소나노튜브가 성장한다. 이러한 탄소나노튜브의 합성은 촉매금속과 탄소소스가스가 반응기(20) 내부를 순환유동하는 과정에서 이루어진다.

촉매금속이 반응기(20) 내부로 연속적으로 투입되기 때문에, 반응기(20) 내부는 임의의 시점에서 아직 반응을 시작하지 않은 촉매금속에서부터 탄소나노튜브가 생성중인 촉매금속과 탄소나노튜브('탄소나노튜브'는 '탄소나노튜브가 성장한 촉매금속'을 의미한다)가 골고루 존재한다.

탄소나노튜브의 성장이 덜 이루어진 촉매금속 및 순수한 촉매금속은 반응 기(20) 내부를 순환유동하는 탄소나노튜브에 비해 비중이 크기 때문에 원심력에 의해 반응기(20)의 외측을 따라 회전한다.

그러나 합성된 탄소나노튜브는 촉매금속에 비해 상대적으로 부피는 크고 비중은 작기 때문에, 송풍팬에 의한 송풍시에 큰 운동에너지를 갖게 된다. 따라서 원심력을 이기고 반응기의 외측에서 내측으로 이동할 수 있다.

또한 중력을 고려하면 촉매금속은 반응기의 아래쪽을 따라 이동하지만 탄소나노튜브는 송풍에 의해 얻는 운동에너지가 크기 때문에, 만약 반응기 배출관을 반응기의 위쪽에 형성하면 탄소나노튜브는 순환유동의 과정에서 반응기의 위쪽으로 상승할 수 있고 따라서 반응기 배출관을 통해 배출될 수 있다.

따라서 반응기(20)의 안쪽에 형성된 반응기 배출관(40)을 통해서 배출되는 것은 대부분 탄소나노튜브이다.

또한 촉매금속에 비해 탄소나노튜브는 비중이 작고 부피는 크기 때문에 반응기 내부의 가스들이 반응기 배출관(40)으로 배출될 때에 가스들에 휩쓸려서 반응기를 빠져나가기 쉽게 된다.

이러한 과정이 연속적으로 이루어지므로, 반응기(20)로 투입된 촉매금속은 탄소나노튜브의 성장이 이루어진 후 반응기 배출관(40)을 통해 반응기(20)를 빠져나오며, 일정 수준만큼 탄소나노튜브가 성장하지 않은 촉매금속은 반응기(20)를 빠져나오지 못하고 순환유동하면서 탄소소스가스와의 반응을 계속한다.

반응기 배출관(40)을 통해 배출된 탄소나노튜브는 반응기 배출관(40)에 구비된 냉각수단에 의해 냉각되며, 냉각된 탄소나노튜브는 세정장치(50)의 수집부(51) 로 유입된다.

수집부(51)에는 탄소나노튜브뿐만 아니라 수소가스, 탄소소스가스, 아르곤가스 등이 함께 유입되기 때문에, 탄소나노튜브 이외의 가스들은 씻겨줄 필요가 있다. 따라서 공기유입구(54)를 통해 수집부(51)로 외부의 공기를 유입시켜서 잔여가스들을 씻겨낸 후에 공기와 잔여가스들이 가스배출관(56)을 통해 배출되면 수집부에는 순수하게 탄소나노튜브만이 남는다. 이때 가스배출관에는 필터가 구비되므로 탄소나노튜브는 걸러지고 공기와 잔여가스들만이 배출된다. 공기가 잔여가스들을 씻어주는 과정에서 교반날개(53)가 탄소나노튜브를 고르게 저어주기 때문에 탄소나노튜브에 포함된 잔여가스들이 효과적으로 씻겨나간다.

이러한 세정과정을 거친 탄소나노튜브는 출하에 적합한 상태가 된다.

이상, 본 발명에 따른 송풍장치가 설치되는 선출원을 설명하였다. 더욱 자세한 설명이 필요할 시에는 본 출원인의 선출원 '루프상 탄소나노튜브 합성장치 및 탄소나노튜브 대량합성방법 (특허출원 제10-2005-65160호)을 참조하면 될 것이다.

이하에서는 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 선출원의 반응기(20)에 설치되는 송풍장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 송풍장치(25)는 송풍팬(110), 모터(120), 샤프트(130), 하우징(140), 실링유닛(150), 및 냉각부(160,170,180)를 포함한다.

송풍팬(110)은 반응기(20) 내부에 위치하여 촉매금속 및 탄소소스가스를 포 함하는 반응가스가 유동하도록 회전한다. 여기서, 송풍팬(110)은 원심형 송풍기에서 사용되는 것으로서, 반응가스가 흡입되는 방향은 송풍팬(110)의 회전축과 평행하는 방향이 되고, 흡입된 반응가스가 배출되는 방향은 송풍팬(110)의 회전축과 교차하는 방향이 되도록 하는 나선형의 날개가 형성되어 있다. 이에, 반응가스는 송풍팬(11)에 의해 도 2에 도시된 경로(B)를 따라 유동한다.

모터(120)는 반응기(20)의 외부에 설치되어 샤프트(130)를 회전시킨다. 본 발명에서의 모터(120)는 샤프트(130)가 회전하는 회전축과 떨어져서 위치한다. 이 경우, 모터(120)의 회전력이 샤프트(130)로 전달되는 것은 이후에 설명하기로 한다. 또한, 모터(120)가 샤프트(130)의 회전축 상에 위치하여 모터(120)의 회전력이 샤프트(130)에 직접 전달되도록 할 수 있음은 물론이다.

샤프트(130)는 일측에 송풍팬(110)이 설치되고 송풍팬(110)이 회전하도록 모터(120)의 회전력을 송풍팬(110)으로 전달한다. 여기서, 모터(120)는 샤프트(130)가 회전하는 회전축과 떨어져서 위치하므로, 샤프트(130)에는 벨트(132)로 회전 가능한 풀리(131)가 더 설치되어 있다. 이에 따라, 모터(120)의 회전력을 벨트(132)로 풀리(131)에 전달하고, 풀리(131)가 회전함으로써 샤프트(130)도 회전한다. 본 발명에서는 벨트(132)를 마련하여 모터(120)의 회전력을 풀리(131)로 전달하는 것을 일 예로 하였으나, 벨트(132) 대신 체인등으로 구비될 수 있음은 물론이다.

하우징(140)은 반응기(20)에 설치되고, 송풍팬(110)을 수용하여 송풍팬(110)이 반응기 내부에 위치하도록 한다. 여기서, 하우징(140)은 반응기(20)의 내부의 반응가스가 송풍팬(110)의 회전에 의해 흡입되기 위한 반응가스흡입구(144)와 반응 가스흡입구(144)에 의해 흡입된 반응가스가 반응기(20)의 내부로 다시 유입되어 반응기(20) 내부를 순환시키기 위한 반응가스배출구(145)를 포함한다. 여기서, 하우징(140)의 내부 중 반응가스배출구(145)와 대향하는 측은 폐쇄되어 있다. 이에, 반응가스흡입구(144)에 의해 흡입된 반응가스가 송풍팬(110)에 의해 방사되더라도 B 경로를 통해 반응가스배출구(145)로 배출된다.

그리고, 하우징(140)은 샤프트(130)의 일측에 송풍팬(110)이 설치되도록 샤프트(130)가 통과하기 위한 통과부(141)를 가진다. 또한, 본 발명에서의 하우징(140)은 반응기(20)의 고열에도 변형이 되지 않도록 SUS310재질로 구비되는 것이 바람직하다.

여기서, 샤프트(130)의 회전축 방향에 모터(120)가 위치하지 않아 벨트(132) 및 풀리(131)를 더 마련하여 모터(120)의 회전력을 샤프트(130)로 전달할 경우, 샤프트(130)의 회전축이 유동하지 않도록 샤프트(130)를 지지하는 베어링부(142)를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 베어링부(142)에는 샤프트(130)를 지지하되,샤프트(130)의 회전에 마찰력을 부여하지 않아야 하므로, 윤활유가 베어링부(142)의 베어링에 코팅될 수 있다. 따라서, 베어링부(142)는 윤활유의 누출을 방지하는 오일씰(143)을 포함할 수 있음은 물론이다.

실링유닛(150)은 반응가스가 반응기(20)의 내부로부터 통과부(141)와 샤프트 (130)사이의 공간(151)으로 누출되는 것이 차단되도록 통과부(141)와 샤프트(130) 사이의 공간(151) 중 적어도 일영역에 설치된다. 여기서, 도 3를 참조하면 통과부(141)와 샤프트(130)가 상호 접촉되어 있을 때에는 접촉 부분에서 마찰력이 발생 하여 샤프트(130)가 원활하게 회전하지 못하므로, 공간(151)은 통과부(141)와 샤프트(130)를 상호 소정 간격 이격시켰을 시 통과부(141)와 샤프트(130) 사이에 형성되는 틈을 의미한다. 이 경우, 공간(151)을 형성함으로써 통과부(141)와 샤프트(130) 사이에 마찰력이 발생하는 것을 방지하여 샤프트(130)의 원활한 회전을 유도할 수 있으나, 공간(151)을 통해 반응기(20) 내부의 반응가스가 반응기(20)의 외부로 누출될 수 있다. 여기서, 반응가스는 수소를 포함하고 있으므로 외부로 누출될 경우 폭발할 수 있는 위험성이 생기게 된다. 따라서, 이를 방지하기 위해 실링유닛(150)을 공간(151)에 설치하여 반응가스의 누출을 방지한다. 본 발명에서의 실링유닛(151)은 테프론 계열에 립실(rip seal)로 마련되는 것이 바람직하다.

냉각부(160,170,180)는 반응기(20) 내부의 열이 실링유닛(150)으로 전달되는 것을 차단되도록 통과부(141)와 샤프트(130) 사이의 공간(151) 및 샤프트(130) 중 적어도 어느 하나를 냉각한다. 선출원에 개시된 것과 같이, 반응기(20)의 내부 온도는 600℃~1200℃이므로 이에 상응하는 온도가 공간(151) 및 샤프트(130)를 따라 반응기(20)의 외부로 전달된다. 여기서, 실링유닛(150)은 테프론 계열의 립실(rip seal)로 마련되므로 250℃까지의 온도에 견딜 수 있다. 따라서, 반응기(20)로부터 전달되는 열은 250℃ 이상이므로 실링유닛(150)이 변형되어 반응가스가 누출될 우려가 있다. 따라서, 냉각부(160,170,180)를 통해 통과부(141)와 샤프트(130) 사이의 공간(151) 및 샤프트(130) 중 적어도 어느 하나를 냉각하여 반응기(20) 내부의 열이 실링유닛(150)으로 전달되는 것을 방지한다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에서의 냉각부(160,170,180)는 질 소유입유닛(160), 제1 냉각유닛(170) 및 제2 냉각유닛(180)을 포함한다.

질소유입유닛(160)은 반응기(20) 내부로부터 공간(151)을 통해 전달되는 열을 냉각하도록 공간(151)에 질소를 유입한다. 그리고, 유입되어 열을 냉각함에 의해 온도가 상승된 질소는 반응기(20)의 내부로 유입되어 탄소나노튜브 생산 공정에 사용된다. 즉, 질소유입유닛(160)을 통해 질소를 유입하여 열을 냉각하는 효과 및 반응기(20) 내부로 유입되는 질소를 예열하는 효과를 모두 달성할 수 있다. 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에서의 질소유입유닛(160)은 제1 질소유입유닛(160a) 및 제2 질소유입유닛(160b)을 포함하며, 샤프트(130)의 회전축 방향으로 제1 냉각유닛(170)의 양측에 인접하게 각각 설치된다.

여기서, 제1 질소유입유닛(160a)는 질소가 유입되는 제1 질소유입관(161a)과 제1 질소유입관(161a)을 통해 유입된 질소가 공간(151)에 골고루 분포되게 하는 제1 랜턴링(162a)을 포함한다. 또한, 제2 질소유입유닛(160b)은 질소가 유입되는 제2 질소유입관(161b)과 제2 질소유입관(161b)을 통해 유입된 질소가 공간(151)에 골고루 분포되게 하는 제2 랜턴링(162b)을 포함한다. 여기서, 본 발명은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 제1 랜턴링(162a)은 따로 구비되어 통과부(141)에 설치되고, 제2 랜턴링은(162b)은 통과부(141) 자체에 형성되는 것을 일예로 하였으나, 제1 랜턴링(162a) 및 제2 랜턴링(162b)이 모두 통과부(141) 자체에 형성되거나, 모두 따로 구비되어 설치될 수 있음은 물론이다. 여기서, 랜턴링(162a, 162b)은 샤프트(130)를 감싼 링 형태의 패킹으로써, 제1 질소유입관(161a) 및 제2 질소유입관 (161b)을 통해 유입되는 질소가 샤프트(130)의 외면에 접촉 가능하도록 질소가 토 과하는 다수의 구멍이 형성되어 있다. 랜턴링(162a, 162b)의 구성은 당업자에게 공지된 구성이므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

제1 냉각유닛(170)은 통과부(141)를 제1 냉각물질로 냉각함으로써, 공간(151)을 통해 실링유닛(150)으로 전달되는 반응기(20) 내부의 열을 냉각한다. 여기서, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 제1 냉각유닛(170)은 제1 질소유입유닛(160a)와 제2 질소유입유닛(160b) 사이에 위치하며, 통과부(141)의 외부의 일부를 둘러싸는 냉각물질통로(171), 냉각물질통로(171)로 제1 냉각물질이 공급되는 제1 냉각물질공급부(172) 및 제1 냉각물질배출부(173)를 포함한다. 여기서, 제1 냉각물질공급부(172) 및 제1 냉각물질배출부(173)는 제1 냉각물질이 유입 및 배출되는 파이프로 구비될 수 있으며, 제1 냉각물질은 물 등으로 마련될 수 있다. 그리고, 냉각물질통로(171)는 제1 냉각물질공급부(172)를 통해 유입되는 제1 냉각물질이 제1 냉각물질 경로(C)를 따라 흐르면서 통과부(141)를 냉각하도록 형성된다. 그리고, 냉각물질통로(171)을 통과한 제1 냉각물질은 제1 냉각물질배출구(173)를 통해 송풍장치(25)의 외부로 배출된다.

이에 따라, 공간(151)을 통해 전달되는 반응기(20) 내부의 열은 제2 질소유입유닛(160b), 제1 냉각유닛(170) 및 제1 질소유입유닛(160a)에 의해 차례로 냉각되어 실링유닛(150)으로 전달되는 것이 방지된다.

한편, 샤프트(130)는 회전시 발생되는 고열 및 회전운동에 내성을 가지도록 금속 재질로 마련되는 것이 바람직하다. 이에, 제2 냉각유닛(180)은 샤프트(130)를 통해 실링유닛(150)으로 반응기(20) 내부의 열이 전달되는 것을 방지하기 위해 마 련된다. 여기서, 제2 냉각유닛(180)은 샤프트(130)에 형성되며 샤프트(130)의 회전축방향으로 중공되되, 송풍팬(110)측이 폐쇄되고 송풍팬(110)의 반대측이 개구된 중공부(181), 중공부(181)로 제2 냉각물질이 유입되는 제2 냉각물질공급부(190)를 포함한다. 여기서, 제2 냉각물질은 제1 냉각물질처럼 물 등으로 마련될 수 있다.

여기서, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에서의 제2 냉각유닛(180)은 중공부(181)에 삽입되는 파이프 형상의 순환관(182)을 더 포함할 수 있다. 이에, 제2 냉각물질공급부(190)는 중공부(181)로 제2 냉각물질을 공급하고 공급된 제2 냉각물질을 중공부(181) 중 하우징(140) 측 단부로부터 D 경로를 통해 순환관(182)의 내부로 회수하여, 샤프트(130) 내부로 제2 냉각물질을 순환시켜 샤프트(130)를 통해 실링유닛(150)으로 반응기(20) 내부의 열이 전달되는 것을 방지한다.

여기서, 도 2에 도시된 바와 같이 제2 냉각물질공급부(190)는 중공부(181)와 연통되어 제2 냉각물질을 공급하는 제1 관(191)과 샤프트(130) 내부에서 냉각기능을 수행하여 온도가 올라간 제2 냉각물질을 회수하도록 순환관(182)과 연통되는 제2 관(192)을 포함한다. 본 발명에서는 순환관(182)와 제 2관(192)이 일체로 형성된 것을 일 예로 하였다.

여기서, 제1 관(191) 및 제2 관(192)은 송풍장치(25)의 외부에 위치한 냉각수공급장치(미도시)와 호스(미도시) 등으로 연통되고, 냉각수공급장치는 제2 관(192)을 통해 회수된 냉각기능을 수행하여 온도가 올라간 제2 냉각물질을 송풍장치(25)의 냉각에 다시 사용 가능하도록 냉각한 후 제1 관(191)을 통해 재공급한다.

이 경우, 본 발명의 따른 송풍장치(25)가 작동하면 샤프트(130)가 회전하여 순환관(182)은 샤프트(130)를 따라 회전하지 않으나, 중공부(181)는 샤프트(130)를 따라 회전한다. 따라서, 제1 관(191)이 중공부(181)를 따라 회전하게 되면 냉각수공급장치와 연결된 호스등이 꼬임에 의해 파손되어, 제2 냉각물질 공급이 원활하게 이루어지지 않을 수가 있다. 따라서, 제1 관(191)은 중공부(181)의 회전을 따라 회전하는 것을 방지할 필요가 있다. 이에, 제2 냉각물질공급부(190)는 도 3에 도시된 바와 같이 중공부(181)와 제1 관(191) 사이에 위치하여, 회전하는 샤프트(130)에 의해 제 1관(191)이 중공부(181)를 따라 회전하는 것을 방지하는 로터리조인트(193)를 포함한다. 따라서, 회전하는 중공부(181)와 순환관(182)의 사이로 제1 관(191)을 통해 제2 냉각물질을 원활하게 공급하는 것이 가능하다.

상기한 구성에 따른 본 발명의 송풍장치(25)는 탄소나노튜브를 생산하는 반응기(20) 내부의 열이 실링유닛(150)으로 전달되는 것을 냉각하여 실링유닛(150)이 변형되는 것을 방지할 수 있으므로, 고온의 반응기(20)에 설치되더라도 반응기(20) 내부의 반응가스를 순환시킬 수 있다. 또한, 본 상세한 설명에서 송풍장치(25)는 탄소나노튜브를 생산하는 고온의 반응기(20)에 설치되는 것을 일 예로 하였으나, 내부의 순환 유동이 요구되며 고온인 기타 장치에도 설치될 수 있음은 물론이다.

비록, 본 발명의 실시예들이 도시되고 설명되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 원칙이나 정신에서 벗어나지 않으면서 본 실시예를 변형할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 발명의 범위는 첨부된 청구항과 그 균등물에 의해 정해질 것이다.

상기한 바와 같이 본 발명에 따른 송풍장치는 반응기의 내부로 금속촉매와 탄소소스가스를 주입하며 탄소나노튜브를 제조할 시, 반응기의 내부에 유입된 금속촉매와 탄소소스가스를 유동시키도록 반응기에 설치되며, 반응기의 열을 냉각하여 열에 의해 실링유닛이 변형되는 것을 방지하는 효과가 있다.

Claims

내부에 수용되는 촉매금속 및 탄소소스가스를 포함하는 반응가스를 가열하여 탄소나노튜브를 합성하는 반응기에 설치되는 송풍장치에 있어서,

상기 반응기의 내부에 설치되어 상기 반응가스가 유동하도록 회전하는 송풍팬과;

상기 반응기의 외부에 설치되는 모터와;

상기 송풍팬이 회전하도록 상기 모터의 회전력을 상기 송풍팬으로 전달하는 샤프트와;

상기 반응기에 설치되어 상기 송풍팬을 수용하며, 상기 샤프트가 상기 송풍팬과 연결되도록 상기 샤프트가 통과하는 통과부를 가지는 하우징과;

상기 반응가스가 상기 반응기의 내부로부터 상기 통과부와 상기 샤프트 사이의 공간으로 누출되는 것이 차단되도록 상기 통과부와 상기 샤프트 사이의 공간 중 적어도 일영역에 설치되는 실링유닛과;

상기 반응기 내부의 열이 상기 실링유닛으로 전달되는 것을 차단되도록 상기 통과부 중 상기 샤프트의 외측 공간과 상기 샤프트 중 하나 이상을 냉각하는 냉각부를 포함하며,

상기 냉각부는

상기 통과부와 상기 샤프트의 외측 사이의 공간 중 상기 실링유닛과 상기 송풍팬 사이의 공간에 질소를 유입하는 질소유입유닛과;

상기 통과부의 외부를 둘러싸는 냉각물질통로와 상기 냉각물질통로로 제1 냉각물질을 공급하는 제1 냉각물질공급부를 가지는 제1 냉각유닛과;

상기 샤프트에 형성되며 상기 샤프트의 회전축 방향으로 중공되되 상기 송풍팬측이 폐쇄되고 상기 송풍팬의 반대측이 개구되는 중공부 및 상기 중공부로 제2 냉각물질을 유입하는 제2 냉각물질공급부를 가지는 제2 냉각유닛 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 송풍장치.
삭제
제1항에 있어서,

상기 제2 냉각유닛은 상기 중공부에 삽입되는 파이프형상의 순환관을 더 포함하여,

상기 제2 냉각물질공급부는 상기 순환관과 상기 중공부 사이로 상기 제2 냉각물질을 공급하고, 공급된 상기 제2냉각물질을 상기 순환관의 내부로 회수하는 것을 특징으로 하는 송풍장치.
제3항에 있어서,

상기 제2 냉각물질공급부는

상기 중공부와 연통되어 상기 제2 냉각물질을 공급하는 제1 관과;

상기 순환관과 연통되어 공급된 상기 제2 냉각물질을 회수하는 제2 관을 포 함하고,

상기 중공부와 상기 제1 관 사이에 위치하여, 회전하는 상기 샤프트에 의해 상기 제1 관이 상기 중공부를 따라 회전하는 것을 방지하는 로터리조인트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 송풍장치.
제1항, 제3항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 샤프트에 설치되는 풀리와;

상기 샤프트가 회전하도록 상기 풀리로 상기 모터의 회전력을 전달하는 벨트와;

상기 통과부 중 상기 샤프트의 외측 공간과 상기 샤프트 사이에 위치하여 상기 샤프트가 회전가능하게 지지하는 베어링부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 송풍장치.