KR100886581B1 - 미분된 미립 물질의 밀도를 증가시키기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

미분된 미립 물질의 밀도를 증가시키기 위한 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배기구(8)를 포함하는 하우징(1), 하우징 입구(2), 하우징 출구(5), 회전시 미립 물질을 하우징 입구(2)로부터 하우징 출구(5)에 공급하기에 적합하도록 하우징(1) 속에 회전 가능하게 장착되어 있는 나선형 부재(4), 나선형 부재(4)를 회전시킬 수 있도록 나선형 부재에 장착되어 있는 모터, 및 하우징 출구(5)를 통과하는 미립 물질을 압축시킬 수 있도록 하우징 출구를 향하도록 장착되어 있는 압축 어셈블리(6, 7, 9)를 포함하는, 미분된 미립 물질로부터 공기를 제거하는 장치에 관한 것이다.
Figure R1020047004777
미분된 미립 물질, 공급기, 틈새 공기, 하우징, 배기구, 나선형 부재, 단판, 압축 수단, 구속판, 압축 어셈블리

Description

미분된 미립 물질의 밀도를 증가시키기 위한 장치 및 방법{Apparatus and method for increasing density of finely divided particulate matter}
발명의 분야
본 발명은 유동 가능한 미분된 미립 물질을 분배하기 위한, 통상 "공급기(feeder)"라고 불리는 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 공급기를 통해 분배하는 동안 미분된 미립 물질의 입자 사이의 틈새 공기(interstitial air)를 제거하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
발명의 배경
실리카, 카본 블랙 및 기타 충전재와 같은 미분된 미립 물질을 첨가함을 포함하는 다수의 연속 공정은 전형적으로 이러한 물질들의 용적 첨가에 의해 속도가 제한된다. 부분적으로, 이는 대부분의 미분된 미립 물질이 틈새 공기와 비말동반된 공기를 가지며, 또한 이들 미분된 미립 물질의 용적의 대부분을 공기가 차지하고 있기 때문이다. 이러한 이유 때문에, 진공에 의해 공기를 제거하고/하거나, 진탕 또는 압축과 같은 기계적 수단에 의해 미분된 미립 물질을 치밀화하려고 시도해 왔다.
카터(Carter)의 미국 특허 제3,664,385호에는, 관형 슬리브(sleeve)가 내부에 장착되어 있는 하우징(housing)을 따라 물질을 이동시키기 위해 제1 회전 스크류 공급기를 사용하는 미분된 미립 물질의 압축을 위한 장치 및 방법이 언급되어 있다. 슬리브 및 하우징은 다수의 구멍을 갖는 슬리브 둘레로 연장되는 밀폐된 중공 챔버를 한정한다. 공기가 슬리브에서 챔버까지 유동할 수 있도록 챔버를 흡입시킨다. 틈새 공기압을 챔버에 가하여 구멍으로부터 미립 물질을 역류 세척(back-flush)한다. 제1 회전 스크류 속에서 치밀화되는 미립 물질은 제2 슬리브 통로를 따라 용기 충전소로 기계적으로 전진시켜진다.
발명의 요약
본 발명은 물질 공급 방향과는 반대로 압축력을 형성시키고, 하우징을 통해 미분된 미립 물질을 수송하는 동안 압력을 증강시키고, 당해 하우징으로부터 공기를 배기시킴으로써, 미분된 미립 물질로부터 틈새 공기를 제거하는 공급기에 관한 것이다.
도면의 간단한 설명
도 1은
원통형 하우징(1),
하우징 입구(2),
하우징 입구에 미분된 미립 물질을 공급하는 호퍼(hopper)(3),
모터에 의해 구동되고, 원통형 하우징 속에서 축방향으로 회전할 수 있도록 설치된 나선형 부재(4),
하우징 출구(5),
미분된 미립 물질을 하우징 출구로부터, 단판(end plate)과 반대 방향으로 그리고 원통형 하우징의 축에 대해 방사상으로, 배출시킬 수 있도록 일정한 거리를 두고 하우징 출구에 대해 수직으로 장착된 단판(6),
단판에 대해 압력을 유지하는 압축 스크류(7),
원통형 하우징에 위치하고, 미립 물질의 직경보다 직경이 작은 개구부에 의해 원통형 하우징의 내부와 외부 사이에 유체 전달을 제공하는 배기구(8) 및
하우징 출구에 장착된 구속판(9; restrictor plate)을 갖는, 본 발명의 장치를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 장치를 사용한 실리카 탈기 공정의 예를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 장치 사용시의 실리카의 밀도 변화의 감소 및 밀도 증가를 도시한 것이다.
도 4는 유량과 압축력의 함수로서의 밀도를 도시한 것이다.
도 5는 배기된 공기를 두 가지 배기구의 크기에 대하여 압축력의 함수로서 도시한 것이다.
도 6은 실리카 밀도를 본 발명의 장치를 통과하는 유량의 함수로서 도시한 것이다.
발명의 상세한 설명
본 발명의 공급기는 고무 및 피복 산업에서 사용되는 플러피 분말 또는 무기물 충전재와 같은, 각종 미분된 미립 물질로부터 틈새 공기를 제거하기에 적합하다. 본 발명에서, 미분된 미립 물질은 원통형 하우징(1)의 한쪽 말단 부근에 위치한 입구(2)에서 당해 원통형 하우징에 도입된다. 바람직한 양태에서, 미분된 미립 물질은 호퍼(3)로부터 입구(2)에 공급되고, 호퍼 위의 칭량 장치 또는 호퍼와 입구 사이에 위치한 유량계는 입구(2)를 통해 이동하는 미분된 미립 물질의 유량을 측정한다. 칭량 장치 또는 유량계의 사용은, 미분된 미립 물질의 양이 일정한 또는 기지의 속도로 수송될 것이 요구되는 연속 공정에서 공급기가 사용될 수 있도록 한다.
미분된 미립 물질은 원통형 하우징(1)에 대해 동축으로 회전하도록 모터에 의해 구동되는 하우징 속의 나선형 부재(4)에 의해 원통형 하우징의 길이를 따라 이송된다. 나선형 부재는 코일일 수 있거나 나사산(thread)을 갖는 스크류일 수 있다. 코일이 미분된 미립 물질을 이동시키는 데 사용되는 경우, 이는 흔히 피그테일(pigtail)이라고 불린다. 나사산을 갖는 스크류가 사용되는 경우, 스크류의 나사산은 형태가 볼록하거나[오거(auger)] 오목할 수 있다. 몇몇 공급기는 단일 스크류를 사용한다. 기타 공급기는 2개의 스크류를 사용하는데, 제1 스크류의 나선은 제2 스크류의 나선과 맞물리도록 제2 스크류의 나선으로부터 떼어놓는다. 이러한 유형의 공급기는 "쌍스크류"라고 불린다. 쌍스크류 압출기의 스크류는 동일 방향으로 회전하거나(공동 회전) 반대 방향으로 회전(역회전)할 수 있다. 본 발명의 공급기의 경우, 오목 나사산을 갖는 쌍스크류의 공동 회전이 바람직하다. 쌍스크류 공급기가 사용되는 경우, 미분된 미립 물질은 보다 많은 횟수로 뒤집혀지며, 보다 많은 표면 및 틈새 공기가 압력 차에 노출된다. 오목 나사산이 바람직한 이유는, 미분된 미립 물질이, 볼록 또는 오거 디자인에 전형적인 원통형 하우징의 벽에 대한 힘과 비교하여, 원통형 하우징의 벽에 대해 수직인 힘에 의해 눌리기 때문에 바람직하다. 공급기의 크기, 스크류의 크기, 및 스크류의 회전 구동력은 분배에 요구되는 속도 뿐만 아니라 분배될 물질에 의존한다.
본 발명의 공급기는 당해 공급기에 압축력을 사용하여 압력을 가함으로써 미분된 미립 물질 밖으로 틈새 공기를 내보낸다. 압축력은 미분된 미립 물질이 원통형 하우징(1) 속에서 나선형 부재(4)를 따라 이송됨에 따라 발생하며, 압축 스크류(7)에 의해 미분된 미립 물질의 유동 방향에 대해 제위치에 유지되는 단판(6)과 반대 방향으로 하우징 출구(5)를 통해 배출된다.
압축력은 공급기 하우징의 내부 압력과 통상 대기압인 이의 외부 압력과의 사이에 차압을 발생시킨다. 이러한 차압은 틈새 공기를 강제적으로 배기구(8)로 통과시켜 틈새 공기를 미분된 미립 물질로부터 제거한다. 이는 미분된 미립 물질의 밀도를 증가시킨다. 이론과 결부시키고자 하는 것은 아니나, 본 발명자들은 밀도 증가가 압축력, 배기 면적, 및 공급기를 통과하는 미분된 미립 물질의 유량의 함수인 것으로 생각한다. 압축력은 최적화되어야 한다. 과도한 압축력은 플러깅(plugging), 잠재적인 실리카 손상, 및 부적절한 펌핑 용량으로 인한 공급기의 불안정성을 초래한다. 압축력이 너무 작으면 부적절한 차압이 발생한다. 배기 면적을 최대화하면 보다 작은 압축력을 허용하고 배기 용량을 최대화한다. 유량이 많아지면 공기 용적의 증가로 인해 밀도 증가가 작아진다. 높은 속도를 얻기 위해, 공급기 스크류를 보다 빨리 회전시키면, 결국 배기 구역에서의 체류 시간이 적어지며, 따라서 공기가 거의 배기될 수 없다. 최대 이익을 얻기 위해, 직경이 큰 스크류를 갖는 공급기가 요구된다. 직경이 큰 스크류를 사용하여, 충전물의 1 주기 순환(revolution)에 따른 용적을 증가시킴으로써 스크류 속도를 낮추어 배기 구역에서 체류 시간이 길어지도록 할 수 있다.
바람직한 양태에 있어서, 하우징 출구(5)는 하우징(1)과 단판(6) 사이에 위치하여, 미분된 미립 물질이 나선형 부재의 축에 대해 방사상으로 배출된다. 미분된 미립 물질이 하우징 출구를 통과하여 이동된 이후의 미분된 미립 물질의 유동 방향은 임의의 통상의 수단에 의해 정할 수 있다.
단판(6)은 하나 이상의 압축 스프링에 의해 제위치에 유지된다. 압축 스프링을 조절하여 미분된 미립 물질의 유동에 대항하는 압력을 조절할 수 있다. 스프링은 단판에 대한 힘이 증가함에 따라 당해 단판이 약간 이동할 수 있게 한다. 스프링의 사용은 미분된 미립 물질의 과도한 압축으로 인해 공급기가 멈추는 것을 감소시키거나 억제한다. 단판에 압축력을 제공하는 본 발명에 적합한 기타 장치는 캠, 탄성 밴드, 캔틸레버식 추(cantilevered weight), 피스톤, 볼트 스프링 등을 포함한다.
바람직하게는, 하우징 출구(5)와 단판(6) 사이에 구속판(9)이 존재한다. 구속판은 나선형 부재를 갖는 챔버로부터의 미분된 미립 물질의 유동을 조종하여, 미분된 미립 물질이 원통형 하우징으로부터 부분 원추형과 같은 테이퍼 표면(tapered surface)을 통과하여 단판(6)의 중심을 향하는 유동의 횡단면적을 감소시킨다. 테이퍼 표면은 단판 중심에 대한 압력을 분산시켜, 단판 표면 전체에 걸쳐서 등방성 압력 기울기를 형성시킨다. 원통형 하우징(1)의 내부 직경으로부터 단판(6)까지의 테이퍼 표면의 각은 약 5°(원통형 하우징의 축에 대해 거의 평행함) 내지 약 85°(원통형 하우징의 축에 대해 거의 수직임)일 수 있다. 불충분한 각도의 테이퍼가 사용되는 경우, 미분된 미립 물질이 압축(compact)되는 경향이 있다. 테이퍼가 너무 좁으면(즉, 90°에 너무 가까우면), 하우징 출구 뒤로 향하는 압축력이 너무 커서, 하우징 출구에서 압축을 유발한다. 바람직하게는, 테이퍼 표면은 축에 대한 평행선으로부터 5 내지 60°, 보다 바람직하게는 약 30 내지 45°의 각도의 테이퍼 표면을 갖는 우중심 원추형이다. 각각의 기계에 유용한 정확한 각도는 간단한 실험에 의해 결정된다.
본 발명의 공급기에서, 하우징에는 배기구(8)가 설치된다. 배기구는 미분된 미립 물질이 공급기에 보유되는 동안 공기가 공급기로부터 배기되게 한다. 하나의 양태에서, 필터를 갖는 통상의 배기구가 스크류의 축에 대해 수직으로 공급기 하우징에 부착된다. 바람직한 양태에서, 배기구는 하우징의 섹션의 하우징 재료인 소결 금속을 사용하여 제조된다. 소결된 금속 하우징을 사용함에 의해, 배기구 표면에서 미분된 미립 물질이 거의 축적되지 않는다. 실리카 또는 운모와 같은 몇몇 미립 물질을 통한 공기 수송은 상당히 느릴 수 있다. 배기 면적은 미분된 미립 물질의 목적하는 유량 및 압축력에 의해 결정된다.
틈새 공기의 제거를 최대화하기 위해서는, 공급기가 공급하는 공정에 대해 허용되는 유량을 유지하면서도 체류 시간 및 차압에 대한 노출이 최대화되도록, 미분된 미립 물질의 유량을 최적화해야 한다. 너무 큰 유량은 보다 빠른 공급기 스크류 속도를 필요로 하며, 이는 배기를 위한 체류 시간을 감소시킨다.
본 발명의 공급기는 배기구를 통해 미분된 미립 물질 밖으로 틈새 공기를 밀어내기 위해 압축력을 사용하도록 고안되는 한편, 기류를 보조하기 위해 진공을 사용하는 것이 가능하다. 압축력 뿐만 아니라 진공을 사용하는 양태에서, 제2 하우징이 원통형 하우징 둘레에 설치된다. 제2 하우징에는, 원통형 하우징과 제1 하우징 사이에 한정된 공간으로부터 공기를 제거할 수 있는 진공 포트가 존재할 수 있다. 원통형 하우징 둘레에 제2 하우징을 갖는 또 다른 이점은 소결 금속을 통한 공기의 역펄스를 통해 소결 표면이 용이하게 세정되게 하는 것이다.
실시예
실시예 1
본 발명의 장치는 벌크 밀도가 35 내지 70g/ℓ인 실리카로부터 공기를 제거하기 위해 제조했다. 이러한 장치 디자인에서 약 0.002㎡(3.53in2)의 면적에 대한 최대 5N의 압축력은 배출 압력 약 2.5kPa(0.4psi)를 제공한다. 나타낸다. 배기 면적 약 0.015㎡(24in2)는 실리카 밀도를 45.5kg/hr(100lb/hr) 이하의 속도로 효과적으로 증가시키기에 적절한 배기 용량을 발생시킨다. 생성된 실리카 벌크 밀도는 약 100g/L이었다. 본 실시예의 실리카는 경화성 실리콘 조성물을 제조하기 위한 실리콘 배합기로 방출되었다.
실시예 1의 장치는 실리카 밀도를 증가시키고 밀도 변화를 감소시킨다. 도 3에 도시한 바와 같이, 공급기 재충전 사이클에서 평균 밀도가 17.8% 증가하고, 작업 밀도가 28.5% 증가했다. 작업 밀도는, 배합 공정이 배합기의 과충전(범람)을 예방하도록 작업해야 하는 밀도이다. 배합기 범람은 당해 공정을 중단시키거나 실리카의 수준이 다양한 물질을 생성시키기 때문에 낭비 및/또는 열등한 생성물 품질을 초래한다.
압축력
장치의 압축 스크류에 대한 압축력이 밀도에 미치는 효과를 측정한다. 이러한 데이터는 실시예 1의 장치 구성으로부터 측정한 것이다, 실시예 1의 장치에 대한 최적 압축력은 약 5N이다. 도 4는 과도한 압축력과 불충분한 압축력의 영향을 도시한 것이다.
배기 면적
도 5는 배기 면적의 최대화가 보다 낮은 압축력을 허용하고 배기 용량을 최대화함을 도시한 것이다.
유량
실시예 1의 장치를 통한 M7-D 실리카의 유량이 생성되는 밀도에 미치는 영향을 측정했다. 결과는 도 6에 도시한다.

Claims (19)

  1. 삭제
  2. 배기구를 포함하는 하우징(a),
    하우징 입구(b),
    하우징 출구(c),
    회전시 미분된 미립 물질을 하우징 입구로부터 하우징 출구로 공급하도록 조정되는, 하우징 속에 회전 가능하게 장착되어 있는 나선형 부재(d),
    나선형 부재를 회전시킬 수 있도록 나선형 부재에 장착되어 있는 모터(e), 및
    하우징 내부 압력이 하우징 외부 압력을 초과하는 수준으로 증가하도록 하우징 출구를 구속하면서 미분된 미립 물질의 배출을 허용하는, 하우징 출구로부터 일정한 거리를 두고 하우징 출구를 향하도록 장착되어 있는 단판(end plate)(i),
    단판을 하우징 출구를 향해 밀 수 있도록 단판을 향하도록 장착되어 있는 압축 수단(ii) 및
    개구부를 가지며, 하우징 출구로부터의 미분된 미립 물질의 배출 유동에 대해 수직으로 하우징 출구를 향하도록 장착되어 있는 것으로서, 하우징 출구와 단판 사이에 존재하는 구속판(restrictor plate)(iii)을 포함하는, 하우징 출구를 통과하는 미분된 미립 물질을 압축시킬 수 있도록 하우징 출구를 향하도록 장착되어 있는 압축 어셈블리(f)를 포함하는, 미분된 미립 물질로부터 공기를 제거하는 장치.
  3. 제2항에 있어서, 구속판의 개구부가, 균일하지 않은 횡단면적을 갖고, 균일하지 않은 횡단면적이 단판에서보다 하우징 출구에서 더 큰, 미분된 미립 물질로부터 공기를 제거하는 장치.
  4. 제3항에 있어서, 구속판의 개구부가, 하우징 출구로부터 단판까지 5°이상 85°이하로 테이퍼링(tapering)된 표면을 갖는 원추형 횡단면을 한정하는, 미분된 미립 물질로부터 공기를 제거하는 장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제2항에 있어서, 배기구가 하우징 속에 미분된 미립 물질의 크기보다 작은 크기의 다수의 개구부를 포함함을 특징으로 하는, 미분된 미립 물질로부터 공기를 제거하는 장치.
  11. 삭제
  12. 입자들 사이에 틈새 공기를 갖는 미분된 미립 물질을,
    배기구를 포함하는 하우징(a),
    하우징 입구(b),
    하우징 출구(c),
    회전시 미분된 미립 물질을 하우징 입구로부터 하우징 출구로 공급하도록 조정되는, 하우징 속에 회전 가능하게 장착되어 있는 나선형 부재(d),
    나선형 부재를 회전시킬 수 있도록 나선형 부재에 장착되어 있는 모터(e), 및
    하우징 내부 압력이 하우징 외부 압력을 초과하는 수준으로 증가하도록 하우징 출구를 구속하면서 미분된 미립 물질의 배출을 허용하는, 하우징 출구로부터 일정한 거리를 두고 하우징 출구를 향하도록 장착되어 있는 단판(i),
    단판을 하우징 출구를 향해 밀어낼 수 있도록 단판을 향하도록 장착되어 있는 압축 수단(ii) 및
    개구부를 가지며, 하우징 출구로부터의 미분된 미립 물질의 배출 유동에 대해 수직으로 하우징 출구를 향하도록 장착되어 있는 것으로서, 하우징 출구와 단판 사이에 존재하는 구속판(iii)을 포함하는, 하우징 출구를 통과하는 미분된 미립 물질을 압축시킬 수 있도록 하우징 출구를 향하도록 장착되어 있는 압축 어셈블리(f)를 포함하는 장치를 통해 기계적으로 전진시키며, 이때 미분된 미립 물질을 내부 압력을 갖는 하우징의 입구로부터 하우징의 출구로 기계적으로 전진시키는 단계(A),
    단판에 압축력을 제공하여 하우징 출구에 압력을 가해서 이 압력이 하우징의 내부 압력을 하우징의 외부 압력을 초과하는 압력으로 상승시키도록 하는 단계(B) 및
    틈새 공기를 배기구를 통해 배출시키는 단계(C)를 포함하는, 미분된 미립 물질로부터 공기를 제거하는 방법.
  13. 제2항에 있어서, 나선형 부재가 나사산을 갖는 스크류(threaded screw)를 포함하는, 미분된 미립 물질로부터 공기를 제거하는 장치.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 제2항에 있어서, 압축 수단이 압축 스크류를 포함하는, 미분된 미립 물질로부터 공기를 제거하는 장치.
  18. 제2항에 있어서, 압축 수단이 피스톤을 포함하는, 미분된 미립 물질로부터 공기를 제거하는 장치.
  19. 제2항에 있어서, 압축 수단이 볼트 스프링을 포함하는, 미분된 미립 물질로부터 공기를 제거하는 장치.
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