KR100911760B1 - 나노 분산기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 로드(rod) 형상의 하부부재와, 축방향 중심에 원료 배출홀이 형성된 상부부재와, 상기 하부부재 및 상기 상부부재를 연결하면서, 상기 하부부재의 외주면 바깥쪽과 상기 원료 배출홀을 연통시키는 중간부재를 구비한 회전축; 상기 하부부재의 상단에 결합하고, 하부를 향해 와류를 생성시키는 복수의 날개를 구비한 터빈; 링 형상을 하고, 측면에 복수의 핀이 결합되며, 상기 하부부재에 결합하는 복수의 디스크; 상부에 상기 상부부재가 결합되고, 상기 회전축, 상기 터빈 및 상기 디스크들이 내삽되는 원통 형상의 케이싱; 상기 디스크 및 상기 케이싱의 사이에 형성된 공간을 움직이도록 배치된 복수의 비드(Beads); 상기 상부부재의 하단에 결합하여 상기 비드들이 상기 원료 배출홀로 진입하는 것을 차단하도록 하부를 향해 와류를 생성시키는 임펠러; 상기 케이싱의 개방된 하부와 결합되고, 중앙에 원료 주입구가 형성된 바닥판; 및 상기 상부부재와 상기 케이싱의 사이를 밀폐시키는 실링부재를 포함하는 나노 분산기에 관한 것으로, 본 발명에 따르면 터빈 및 임펠러에 의해 생성된 와류를 통해 비드를 강제로 순환시킬 수 있으므로, 스크린이 필요없고 비드에 의해 실링이 파손되지 않고 순환이 원활하여 원료에 강력한 분산력을 전달할 수 있다.

터빈, 임펠러, 비드, 나노 분산기

Description

나노 분산기 {Stirred ball mill}

본 발명은 나노 분산기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 비드를 사용하여 원료를 교반, 분산시키는 분산기에 관한 것이다.

최근 마이크로 분말을 넘어 나노 분말이 필요한 기술분야가 증가하고 있다. 예를 들면, 다양한 색상 구현을 위한 염료, 안료 또는 도료의 나노화, 고가의 세라믹 원료 생산, 새로운 복합 소재 개발을 위한 금속류의 나노 분산, 선진국의 규제 등에 적합한 화장품의 개발, 제약회사의 시제품의 생산 및 응용 등 나노 분말이 필요한 분야는 계속 확장되고 있다.

이러한 나노 분말을 생성하기 위해서는 특히 금속 분말을 생성할 때, 폭발의 위험성이 있는 종래의 건식 분산 보다는 습식 분산이 적합하다. 나노 분산기는 이러한 극소 분말을 습식으로 생성시키기 위해 만들어진 것으로 교반형 볼 밀(Stirred ball mill) 등으로도 불린다.

수평형 분산기를 이용한 종래의 분산 방법은 다음과 같다.

도 1은 종래의 나노 분산기를 나타낸 단면도이다. 도 1을 참조하면, 먼저 원통 형상의 외부 케이싱(20)의 단부에 형성된 투입구(10)를 통해 액상의 원료 슬러 리가 외부 케이싱(20) 안쪽으로 투입된다. 별도의 구동부재에 의해 구동축(20)이 회전하면, 구동축(20)과 연결된 칼라(30) 역시 회전하게 된다. 칼라(30)의 외주면에는 밀링 디스크(40)가 구비되며, 외부 케이싱(20)과 밀링 디스크(40)의 사이 공간에는 다수의 볼(50)이 구비된다. 밀링 디스크(40)가 회전하면 액상의 원료 슬러리 역시 회전하게 되고, 회전하면서 원료 슬러리와 볼들(50)이 부딪히게 되어 투입된 원료 슬러리는 분산된다. 밀링 디스크(40)의 말단에 구비된 스크린(60)은 분산된 원료 슬러리만 필터링될 수 있도록 간격이 미세하여 볼들(50)은 빠져 나가지 못하므로, 분산된 원료 슬러리만이 배출구(70)를 통해 외부 케이싱(20)에서 배출된다.

하지만 나노 분말 생성을 위해 작은 볼들(50)을 사용하는 경우, 그 볼들(50)이 스크린(60)에 쏠리게 되어 스크린(60)이 서서히 막히게 된다. 일반적인 크기의 볼들(50)을 사용하여 비교적 점성이 큰 원료를 처리하고자 할 때 스크린(60)이 부분적으로 막히게 되면, 나노 분산기에 상당한 압력 증가로 이어져 이 결과 분산 공정에 장애가 생기게 된다. 또한, 구동축(20)과 외부 케이싱(20)의 기밀을 유지하기 위해 설치되는 기계밀봉(80)과 스크린(60) 사이에 볼들(50)이 끼일 수 있고, 장시간 사용시 기계밀봉(80)과 스크린(60) 사이의 마모로 인한 기계밀봉(80)의 파손이 생길 수도 있다.

아울러, 스크린(60)에 형성된 틈은 제조 공정상 좁힐 수 있는 한계가 있기 때문에 볼들(60)의 크기 역시 약 0.2㎜ 이하로는 사용이 곤란하여 나노 크기의 입자 생성이 어렵고, 균일한 입자를 생성하는데 필요한 시간이 증가하여 생산량이 적 은 문제점이 있다.

본 발명은 볼들에 의해 스크린이 막히고, 실링이 파손되는 문제점을 해결하여 효율적인 분쇄 또는 분산 효과를 얻을 수 있는 나노 분산기를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 실시예에 따른 나노 분산기는 로드(rod) 형상의 하부부재와, 축방향 중심에 원료 배출홀이 형성된 상부부재와, 상기 하부부재 및 상기 상부부재를 연결하면서, 상기 하부부재의 외주면 바깥쪽과 상기 원료 배출홀을 연통시키는 중간부재를 구비한 회전축; 상기 하부부재의 상단에 결합하고, 하부를 향해 와류를 생성시키는 복수의 날개를 구비한 터빈; 링 형상을 하고, 측면에 복수의 핀이 결합되며, 상기 하부부재에 결합하는 복수의 디스크; 상부에 상기 상부부재가 결합되고, 상기 회전축, 상기 디스크 및 상기 디스크들이 내삽되는 원통 형상의 케이싱; 상기 디스크 및 상기 케이싱의 사이에 형성된 공간을 움직이도록 배치된 복수의 비드(Beads); 상기 상부부재의 하단에 결합하여 상기 비드들이 상기 원료 배출홀로 진입하는 것을 차단하도록 하부를 향해 와류를 생성시키는 임펠러; 상기 케이싱의 개방된 하부와 결합되고, 중앙에 원료 주입구가 형성된 바닥판; 및 상기 상부부재와 상기 케이싱의 사이를 밀폐시키는 실링부재를 포함한다.

여기서, 상기 터빈은, 링 형상을 하고 내부를 향하여 날개를 구비한 중간부재; 링 형상을 하고 상기 중간부재의 하부에서 상기 날개의 안쪽과 상단이 맞물리 도록 상부홈이 형성된 하부부재; 및 링 형상을 하고 상기 중간부재의 상부에서 상기 날개의 바깥쪽과 하단이 맞물리도록 하부홈이 형성된 상부부재를 포함할 수 있다.

나아가, 상기 임펠러는 디스크 형상의 몸체를 구비하되, 상기 몸체는, 중앙에 상기 상부부재와 결합하도록 형성된 결합홀과, 상기 원료 배출홀과 연통되도록 형성된 유출홀을 포함하고, 하단에 돌출 형성된 복수의 날개돌기들을 포함할 수 있다.

또한, 상기 실링부재는 기계밀봉(mechanical seal)을 포함할 수 있다.

아울러, 상기 케이싱의 외측에는 상기 케이싱의 냉각을 위해 냉각 자켓(Cooling jacket)을 더 구비할 수 있다.

게다가, 상기 회전축을 회전시키는 구동력을 제공하는 구동부재를 더 구비할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면,

첫째, 터빈 및 임펠러에 의해 생성된 와류를 통해 비드를 강제로 순환시킬 수 있으므로, 스크린이 필요없고 비드에 의해 실링이 파손되지 않고 순환이 원활하여 원료에 강력한 분산력을 전달할 수 있다.

둘째, 비드와 원료의 분리가 용이하므로 분산 또는 분쇄 능력이 우수하고, 생산성 및 공정 시간이 단축된다.

셋째, 약 0.02㎜ 정도의 작은 크기를 가진 비드를 사용할 수 있어 저점도의 나노 크기의 입자 분산 또는 분쇄가 가능한 효과가 있다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 나노 분산기에 대해 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 디스크 및 디스크를 나타낸 사시도, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 임펠러를 나타낸 사시도, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 나노 분산기를 나타낸 단면도, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 나노 분산기를 나타낸 사시도이다.

도 2 내지 도 5를 참조하면 나노 분산기는 회전축(100), 터빈(turbine; 200), 디스크(300), 케이싱(400), 비드(500), 임펠러(600), 바닥판(410) 및 실링부재(700)를 포함한다.

회전축(100)은 하부부재(110), 상부부재(120) 및 중간부재(130)를 구비한다. 이러한 하부부재(110), 상부부재(120) 및 중간부재(130)는 일체로 형성된다. 물론, 하부부재(110), 상부부재(120) 및 중간부재(130)가 각각 결합한 형태일 수도 있다.

구동부재(800)는 회전축(100)을 회전시키는 구동력을 제공하며, 도 5에 도시된 것처럼, 구동부재(800)와 연결된 구동 풀리(810)가 회전하면 V-벨트(830)에 의해 회전축(100)과 결합된 종동 풀리(820)가 회전한다. 종동 풀리(820)는 회전축(100)에 상대 회전이 불가능하도록 연결된다.

하부부재(110)는 로드(rod) 형상을 하고, 상부부재(120)는 축방향 중심에 원료 배출홀(120a)이 형성된다. 중간부재(130)는 하부부재(110) 및 상부부재(120)를 연결하면서, 상기 하부부재(110)의 외주면 바깥쪽과 상기 원료 배출홀(120a)을 연통시키는 역할을 한다.

또한, 터빈(200)은 하부부재(110)의 상단에 결합하고, 하부를 향해 와류를 생성시키는 복수의 날개(210)를 구비한다. 디스크(300)는 링 형상을 하고, 측면에 복수의 핀(310)이 결합되며, 상기 하부부재(110)에 다수가 결합한다. 여기서, 터빈(200)은 도 2에 도시된 것처럼 중간부재(210), 하부부재(220) 및 상부부재(230)를 포함한다.

중간부재(210)는 링 형상을 하고 내부를 향하여 날개(210a)를 구비한다. 하부부재(220)는 링 형상을 하고 중간부재(210)의 하부에서 날개(230a)의 안쪽과 그 상단이 맞물리도록 상부홈(220a)이 형성된다. 상부부재(230)는 링 형상을 하고 중간부재(210)의 상부에서 날개(210a)의 바깥쪽과 그 하단이 맞물리도록 하부홈(230a)이 형성된다. 이렇게 중간부재(210)는 하부부재(220) 및 상부부재(230)에 의해 회전축(100)에 고정된다.

케이싱(400)은 원통 형상으로서 상부에 상부부재(120)가 결합되고, 회전축(100), 터빈(200) 및 상기 디스크들(300)이 내삽된다. 바닥판(410)은 케이싱(400)의 개방된 하부와 결합되고, 중앙에 원료 주입구(410a)가 형성되어 있다. 아울러, 케이싱(400)의 외측에는 케이싱(400)의 냉각을 위해 냉각 자켓(Cooling jacket; 420)을 더 구비한다. 실링부재(700)는 회전축(100)과 케이싱(400)의 사이를 밀폐시킨다. 실링부재(700)는 기계밀봉(mechanical seal)을 포함하도록 구성되어 있다.

복수의 비드(Beads; 500)는 디스크(300) 및 케이싱(400)의 사이에 형성된 공간을 움직이도록 배치된다.

임펠러(600)는 상부부재(120)의 하단에 결합하여 비드들(500)이 원료 배출홀(120a)로 진입하는 것을 차단하도록 하부를 향해 와류를 생성시키는 역할을 한다. 여기서, 상기 임펠러(600)는 디스크 형상의 몸체(610)를 구비한다. 몸체(610)는 중앙에 상기 상부부재(120)와 결합하도록 형성된 결합홀(620)과 상기 원료 배출홀(120a)과 연통되도록 형성된 유출홀(630)을 포함한다. 몸체(610)의 하단에는 돌출 형성된 복수의 날개돌기들(640)이 구비된다.

다음으로, 나노 분산기의 작동원리에 대해 설명한다.

먼저, 바닥판(410)에 형성된 원료 주입구(410a)를 통해 원료가 공급되고, 구동부재(800)에 의해 회전축(100)이 회전된다. 원료(R)는 액상의 슬러리 형태로 공급된다. 그러면, 회전축(100)에 연결된 디스크들(300)이 회전하고, 디스크들(300) 에 결합된 핀들(310)이 회전하여 유체의 유동이 발생한다.

이때, 핀들(310)에 의해 발생한 유체 유동으로 인해 다수의 비드(Beads; 500)는 회전축(100) 및 케이싱(400)의 사이에 형성된 공간에서 원료(R)와 충돌하여 분산 작용을 하게 된다.

이렇게 분산 작용을 거친 원료(R) 및 비드(400)는 상부로 상승한다. 이때, 회전축(100)에 결합된 터빈(200)도 함께 회전하고 있으므로, 터빈(200)의 날개(210)의 회전은 하부를 향해 와류를 생성시킨다. 터빈(200)이 발생시키는 와류 때문에 비드(400)는 다시 아래를 향해 움직이고, 분산된 원료(R)는 터빈(200)의 날개 사이에 형성된 공간을 통과한다. 도 4를 참조하면 분산된 원료(R)는 회전축(100)의 중간부재(130)의 내부 공간을 통해 임펠러(600) 쪽으로 향하게 된다.

임펠러(600) 역시 비드들(500)이 원료 배출홀(120a)로 진입하는 것을 차단하도록 하부를 향해 와류를 생성시키는 역할을 한다. 다만, 터빈(200)과 달리, 디스크 형상의 몸체(610)를 구비한다. 몸체(610)의 하단에 돌출 형성된 복수의 날개돌기들(640)이 하부를 향해 와류를 생성시켜 비드들(500)을 2차로 하강시키고, 원료 배출홀(120a)과 연통되도록 형성된 유출홀(630)을 통해 분산된 원료(R)만 원료 배출홀(120a)로 진입한다.

이렇게, 나노 분산기에 따르면, 터빈 및 임펠러(200,600)에 의해 생성된 와류를 통해 비드(500)를 강제로 순환시킬 수 있으므로, 별도의 스크린이 필요없고 비드(500)에 의해 실링부재(700)가 파손되지 않고 순환이 원활하여 원료에 강력한 분산력을 전달할 수 있다. 비드(500)와 원료(R)의 분리가 용이하므로 분산 또는 분 쇄 능력이 우수하고, 생산성 및 공정 시간이 단축된다. 또한, 약 0.02㎜ 정도의 작은 크기를 가진 비드를 사용할 수 있어 저점도의 나노 크기의 입자 분산 또는 분쇄가 가능한 효과가 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

도 1은 종래의 나노 분산기를 나타낸 단면도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 터빈 및 디스크를 나타낸 사시도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 임펠러를 나타낸 사시도이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 나노 분산기를 나타낸 단면도이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 나노 분산기를 나타낸 사시도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>

100...회전축 200...터빈

300...디스크 400...케이싱

500...비드 600...임펠러

700...실링부재 800...구동부재

Claims (6)

1. 로드(rod) 형상의 하부부재와, 축방향 중심에 원료 배출홀이 형성된 상부부재와, 상기 하부부재 및 상기 상부부재를 연결하면서, 상기 하부부재의 외주면 바깥쪽과 상기 원료 배출홀을 연통시키는 중간부재를 구비한 회전축;

   상기 하부부재의 상단에 결합하고, 하부를 향해 와류를 생성시키는 복수의 날개를 구비한 터빈;

   링 형상을 하고, 측면에 복수의 핀이 결합되며, 상기 하부부재에 결합하는 복수의 디스크;

   상부에 상기 상부부재가 결합되고, 상기 회전축, 상기 터빈 및 상기 디스크들이 내삽되는 원통 형상의 케이싱;

   상기 디스크 및 상기 케이싱의 사이에 형성된 공간을 움직이도록 배치된 복수의 비드(Beads);

   상기 상부부재의 하단에 결합하여 상기 비드들이 상기 원료 배출홀로 진입하는 것을 차단하도록 하부를 향해 와류를 생성시키는 임펠러;

   상기 케이싱의 개방된 하부와 결합되고, 중앙에 원료 주입구가 형성된 바닥판; 및

   상기 상부부재와 상기 케이싱의 사이를 밀폐시키는 실링부재를 포함하는 나노 분산기.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 터빈은,

   링 형상을 하고 내부를 향하여 날개를 구비한 중간부재;

   링 형상을 하고 상기 중간부재의 하부에서 상기 날개의 안쪽과 상단이 맞물리도록 상부홈이 형성된 하부부재; 및

   링 형상을 하고 상기 중간부재의 상부에서 상기 날개의 바깥쪽과 하단이 맞물리도록 하부홈이 형성된 상부부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 분산기.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   상기 임펠러는 디스크 형상의 몸체를 구비하되,

   상기 몸체는,

   중앙에 상기 상부부재와 결합하도록 형성된 결합홀과, 상기 원료 배출홀과 연통되도록 형성된 유출홀을 포함하고,

   하단에 돌출 형성된 복수의 날개돌기들을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 분산기.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 실링부재는 기계밀봉(mechanical seal)을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 분산기.
5. 청구항 1에 있어서,

   상기 케이싱의 외측에는 상기 케이싱의 냉각을 위해 냉각 자켓(Cooling jacket)을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 나노 분산기.
6. 청구항 1에 있어서,

   상기 회전축을 회전시키는 구동력을 제공하는 구동부재를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 나노 분산기.

Images