KR100942057B1

KR100942057B1 - 분급 분쇄 장치

Info

Publication number: KR100942057B1
Application number: KR1020080047695A
Authority: KR
Inventors: 강위수; 이강열
Original assignee: 강원대학교산학협력단
Priority date: 2008-05-22
Filing date: 2008-05-22
Publication date: 2010-02-11
Also published as: KR20090121679A

Abstract

피분쇄물을 투입할 수 있는 재료투입구와, 분쇄된 분쇄물이 배출되는 배출부를 가지는 하우징과; 하우징의 내부에 설치되는 스테이터와; 스테이터의 중심에 회전 가능하게 설치되며, 재료투입구로 투입된 피분쇄물을 스테이터와의 사이에서 분쇄시키기 위한 다수의 블레이드를 가지는 로터와; 로터와 스테이터 사이를 경유하여 분쇄된 분쇄물의 일부를 재분쇄시키도록 재료투입구 쪽으로 순환시키는 순환덕트; 및 상기 배출부에 연결되어 분쇄물을 집진하도록 집진력을 제공하는 집진유닛;을 포함하며, 로터와 스테이터에 의해 분쇄된 분쇄물을 입자크기 별로 분급하여 배출시키거나 순환덕트로 순환시키기 위해 상기 로터와 상기 배출구 사이에는 분급영역이 마련되고, 배출부는 분급영역 내에서 입자크기 3㎛ 이하를 가지는 분쇄물만을 분급하여 배출시킬 수 있도록 로터의 회전중심 상에 파이프형으로 마련되고, 그 반경(절단입도의 반경;r)이 다음의 수학식1 및 수학식 2를 모두 만족하도록 형성된 배출공을 가지는 분급부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 분급 분쇄 장치가 개시된다.

[수학식1]

[수학식2]

,

수학식1 및 수학식2에서, Re_p 는 분쇄영역에서의 레이놀드수(Reynolds number), v_r은 로터의 회전방경방향 속도(m/s), d_p는 분쇄재료의 입자경(m), ρ_a는 공기밀도(㎏/㎥), μ_a 는 공기의 점도(㎩ㆍs), V_r은 분급영역에서의 단일입자에 대한 회전반경방향의 침강속도(m/s), ω는 로터의 각속도(rad/s), ρ_p는 분쇄된 입자의 밀도(㎏/㎥)를 각각 나타낸다.

분쇄, 로터, 분급, 절단입도, 천연재료, 원심력, 항력

Description

분급 분쇄 장치{A classification and shattering equipment}

본 발명은 분급 분쇄 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 피분쇄물을 분쇄하여 초미립상태의 분쇄물을 구분하여 분급시킬 수 있는 분급 분쇄 장치에 관한 것이다.

최근에는 나노기술의 잠재력과 영향력은 기존산업 및 기술의 흐름을 바꾸는 새로운 패러다임의 동력으로서, 그 파급효과가 막대하며, 고령화, 친환경사회 등 미래사회의 변화에 대응할 수 있는 핵심기술이자 시화기반기술로서 삶의 질 향상이 기여할 것으로 예상된다. 이 중에서는 새물소재분야로서 가공기술이 절실히 요구되는 나노바이오식품, 화장품 및 기타 생활소재, 농수산 기술에 있어서, 활성물질의 인체 흡수성과 균질화가 가능한 3㎛ 이하의 마이크로 및 나노분말 생산기술은 매우 중요한 것으로 알려져 있다.

한편, 입자의 크기를 사용 목적에 맞게 감소시키는 분쇄공정은 수많은 공정 산업에서 단위조작으로 넓게 이용된다. 이렇게 분쇄된 분말은 산업에서 요구되는 입도범위로의 분리를 위한 분급기술이 요구된다. 그러나 기존의 기술들은 분쇄와 분급과정이 분리되어 대규모 시설이 필요하였다.

또한, 열에 민감하면서 섬유질로 세포벽을 구성하고 있는 천연물소재를 효과적으로 d₉₇ 3㎛ 분말화 하는 것은 현재까지의 기술로는 어려운 것으로 알려져 있다. 따라서 저온에서 고 전단력을 이용하여 분쇄와 분급이 일체화된 장치 내에서 이루어지도록 할 수 있는 일체화된 분쇄 장치의 개발이 절실한 실정이다.

여기서, d₉₇ 3㎛ 입자의 특성을 살펴보면 다음과 같다.

< d₉₇ 3㎛ 입자의 침강 특성 >

d₉₇ 3㎛ 입자는 작은 크기와 낮은 중력으로 액상에서 현탁 상태로 유지가 가능하다. 그러나 크기가 큰 마이크로입자들은 중력으로 인하여 쉽게 침강된다. 이러한 입자의 특성은 Stokes 법칙에 의한 침강속도계산으로 검증이 가능하다.

Stokes 법칙에 의한 침강속도 v는 수학식 1과 같이 주어진다.

여기서, g 는 중력가속도 (㎨), ρ₁ 은 액체밀도(㎏/㎥), μ₁ 는 액체의 점도(㎩ㆍs), ρ_s 는 진밀도(㎏/㎥), d_p 는 입자크기(m)를 나타낸다.

수학식 1을 이용하여 입자크기에 대한 계산결과(ρ₁:997㎏/㎥, ρ_s : 1,100ρ_s, μ₁: 0.00089㎩ㆍs 일 때)는 표 1과 같다. 표 1에서 입자크기가 0.1㎛ 에서 10 ㎛로 증가 시 침강속도는 무려 100배 증가하게 된다. 그러므로 쉽게 침강된다는 것을 알 수 있다.

입자크기(nm)	침강속도(nm/sec)
1	0.000063
10	0.063
100	6.30
3,000	189
10,000	630

Brownian 운동은 액체나 기체 안에 떠서 움직이는 미소입자의 불규칙한 운동을 나타낸다. 아인슈타인의 Brownian 운동 이론에 따르면, 시간 t에서 평균적인 Brownian 운동에 의한 전이 x는 수학식 2와 같다.

여기서, x 는 Brownian 운동에 의한 전이(nm/s), k_B 는 Boltzman 상수(1.33×10^-23 J/K), T_t 는 온도(Kelvin), d_p 는 입자크기(m)를 각각 나타낸다.

표 2는 25℃ 물에서의 입자크기에 따른 Brownian 운동의 전이거리를 나타낸 것이다. 표 2에서 알 수 있듯이 입자크기가 증가할수록 Brownian 운동이 크게 감소하는 것을 알 수 있다. 또한, 표 1과 2에서 3㎛입자에 대한 Brownian 운동과 침강속도와의 관계 비교를 통해 Brownian 운동이 침강속도에 비해 약 5배 큰 것을 알 수 있다. 그러므로 액상에서 현탁상태 유지가 가능하다는 것을 알 수 있다.

입자크기(nm)	Brownian 운동에 의한 전이(nm/s)
1	54,250
10	17,155
100	5,425
3,000	991
10,000	543

< d₉₇ 3㎛ 입자의 분쇄요소 에너지 >

Comminuting 또는 grinding 또는 milling은 고체의 입자감소와 미립자 재료의 대량생산을 위한 가장 중요한 기계적 단위조작이다. 여기에서는 재료의 입자를 감소시키기 위한 응력이 가해진다. 가해진 응력은 재료에 존재하는 균열부위에 더욱더 집중되어지고, 이것이 파괴를 이끄는 균열의 확산을 유도한다. 입자크기기 감소함에 따라 재료는 큰 입자에서 보다 작은 입자로 파괴하기가 더욱더 어렵게 만드는 소성거동의 증가를 나타낸다. 많은 재료들에서 분쇄 능력에 한계는 입자크기에 감소가 관찰되어지지 않는 그 이상의 분쇄가 이루어지면서 도달된다(Prior, 2000;Gustavo 등, 2005;Prasher, 1987). Bond Work Index 로 알려진 경험적 Index는 수학식 3과 같이 개발되었고, 이것은 분쇄에 소요될 에너지를 예측한다(Bond, 1952; 1954).

여기서 W_i 는 Bond work Index, d_pt는 분쇄후 입자크기(m), d_fd는 분쇄전 입자크기(m)를 각각 나타낸다.

상기 수학식 3을 이용한 10mm크기의 입자를 300㎛ 에서 0.3㎛ 줄이기 위해 소요될 에너지를 표 3에 나타내었다. 계산결과 10mm의 입자를 300㎛로 감소시키는 데 0.5배의 에너지가 소요되고, 0.3㎛로의 감소에는 약 18배의 에너지가 소요되는 것을 알 수 있다. 이와 같이 d₉₇ 3㎛ 분말 생산에 큰 에너지가 소요된다는 것을 알 수 있으며, 이로 인하여 분쇄에 소요된 에너지의 대부분은 열에너지로 전환되어 분말생성물과 장비의 온도상승을 유도한다는 것을 알 수 있다.

분쇄입자 크기(㎛)	소요 에너지(Bond work Index)
300	0.5
30	1.7
3	5.7
0.3	18.2

이와 같은 이론에 의한 d₉₇ 3㎛ 분말의 특성을 검증하고, 실현하기 위해서는 예를 들어, 도라지, 감초, 인삼, 녹차 등과 같은 천연소재의 경우에는 분쇄한 분말생성물이 절단입도(cut size) 3㎛이하를 97% 생산이 가능한 분말화 생산기술 즉, 분쇄 장치의 개발이 요구된다.

또한, 소요에너지의 99% 이상이 열에너지로 전환되어 분쇄 장치의 온도 상승과 재료의 유효성분 손실을 가져오게 되므로 이러한 열에너지를 적절히 냉각시킬 수 있어야 한다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 창안된 것으로서, 분쇄 및 분급공정을 하나의 장비로 가능한 분급 분쇄 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 절단입도 3㎛이하를 97% 생산할 수 있도록 개선된 분급 분쇄 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 분쇄시 발생하는 열을 냉각시킬 수 있도록 개선된 분급 분쇄 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 분급 분쇄 장치는, 피분쇄물을 투입할 수 있는 재료투입구와, 분쇄된 분쇄물이 배출되는 배출부를 가지는 하우징과; 상기 하우징의 내부에 설치되는 스테이터와; 상기 스테이터의 중심에 회전 가능하게 설치되며, 상기 재료투입구로 투입된 피분쇄물을 상기 스테이터와의 사이에서 분쇄시키기 위한 다수의 블레이드를 가지는 로터와; 상기 로터와 스테이터 사이를 경유하여 분쇄된 분쇄물의 일부를 재분쇄시키도록 상기 재료투입구 쪽으로 순환시키는 순환덕트; 및 상기 배출부에 연결되어 분쇄물을 집진하도록 집진력을 제공하는 집진유닛;을 포함하며, 상기 로터와 스테이터에 의해 분쇄된 분쇄물을 입자크기 별로 분급하여 배출시키거나 상기 순환덕트로 순환시키기 위해 상기 로터와 상기 배출구 사이에는 분급영역이 마련되고, 상기 배출부는 상기 분급영역 내에서 입자크기 3㎛ 이하를 가지는 분쇄물만을 분급하여 배출시킬 수 있도록 상기 로터의 회전중심 상에 파이프형으로 마련되고, 그 반경(절단입도의 반경;r)이 다음의 수학식1 및 수학식 2를 모두 만족하도록 형성된 배출공을 가지는 분급부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.

[수학식1]

[수학식2]

,

상기 수학식1 및 수학식2에서, Re_p 는 분쇄영역에서의 레이놀드수(Reynolds number), v_r은 로터의 회전방경방향 속도(m/s), d_p는 분쇄재료의 입자경(m), ρ_a는 공기밀도(㎏/㎥), μ_a 는 공기의 점도(㎩ㆍs), V_r은 분급영역에서의 단일입자에 대한 회전반경방향의 침강속도(m/s), ω는 로터의 각속도(rad/s), ρ_p는 분쇄된 입자의 밀도(㎏/㎥)를 각각 나타낸다.

여기서, 0.1 <Re_p < 0.3일 때, 상기 절단입도의 반경은 40mm로 형성되는 것이 바람직하다.

또한, Re_p < 0.1일때, 상기 절단입도의 반경은 5mm, 7.5mm, 10mm 중 어느 하 나로 형성되는 것이 좋다.

또한, 상기 재료투입구로 피분쇄물을 공급하기 위한 제1호퍼와; 상기 재료투입구에서 피분쇄물과 혼합될 고체형 냉각물을 공급하기 위한 제2호퍼; 및 상기 제1 및 제2호퍼에서 공급된 피분쇄물 및 고체형 냉각물을 혼합하여 상기 하우징으로 공급하는 메인 호퍼;를 더 포함하는 것이 좋다.

또한, 상기 제2호퍼를 통해 드라이아이스를 공급하며, 상기 드라이아이스와 상기 피분쇄물은 동일한 비율로 공급되는 것이 좋다.

본 발명의 분급 분쇄 장치에 따르면, 로터의 원주속도 및 회전반경을 조절하여 분급영역에서의 레이놀드수를 원하는 범위로 조절할 수 있으며, 이때 적절한 크기의 절단입도 반경을 설정함으로써, 원하는 사이즈의 분쇄물만을 효과적으로 분급할 수 있게 된다. 즉, d₉₇ 3㎛ 입자의 생산이 가능하며, 특히 일체화된 분급 분쇄 장치를 이용하여 생산할 수 있기 때문에, 공정이 간단하고 생산 시설이 간단하여 생산비를 줄이고 생산성은 향상시킬 수 있게 된다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 분쇄 장치를 자세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 분쇄 장치를 나타내 보인 개략적인 단면도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 분쇄 장치는, 피분쇄물을 투입할 수 있는 재료투입구(11) 분쇄된 분쇄물이 배출되는 배출부(13)를 가지는 하우징(10)과, 상기 하우징(10)의 내부에 설치되는 스테이터(20)와, 상기 스테이터(20)의 중심에 회전 가능하게 설치되며 상기 재료투입구(11)로 투입된 피분쇄물을 상기 스테이터(20)와의 사이에서 분쇄시키기 위한 다수의 블레이드(31)를 가지는 로터(30)와, 상기 로터(30)와 스테이터(20) 사이에서 분쇄된 분쇄물의 일부를 재분쇄시키도록 상기 로터(30)의 상류 즉, 재료 투입구(11) 측으로 이동시키는 순환덕트(40), 및 상기 배출부(13)에 연결되어 분쇄물을 집진하도록 집진력을 제공하는 집진유닛(50)을 포함한다.

상기 재료투입구(11)의 외측에는 메인 호퍼(61)가 연결되고, 그 메인호퍼(61)로 각기 다른 종류의 재료를 투입하기 위한 제1 및 제2호퍼(62,63)가 연결된다. 상기 제1 및 제2호퍼(61,62)는 서로 동일한 용량을 가지며, 서로 다른 재료를 동일한 양으로 공급할 수 있는 것이 좋다. 본 발명의 실시예에서는 상기 제1호퍼(62)를 통해서는 분쇄할 천연재료를 공급하고, 제2호퍼(62)를 통해서는 메인호퍼(61)에서 천연재료와 1:1의 비율로 혼합될 고체형 냉각물 즉, 드라이 아이스가 공급된다. 따라서 상기 메인호퍼(61)에서는 드라이아이스와 천연재료가 동일한 비율로 혼합되어 재료 투입구(11)로 공급될 수 있게 된다.

상기 배출부(13) 측에는 상기 집진유닛(50)이 연결된다. 상기 배출부(13)를 통해서 하우징(10) 내부에서 분쇄되어 분급된 분쇄물이 배출되어 집진된다.

상기 하우징(10)의 내부 중심부에는 회전축(15)이 수평 상태로 회전 가능하게 설치되고, 그 회전축(15)의 일단에는 상기 로터(30)가 함께 회전될 수 있도록 결합된다. 상기 회전축(15)의 타단에는 동력전달부(15a)가 마련되어, 미도시된 구동모터로부터 동력을 전달받아 고속 회전될 수 있게 된다.

상기 하우징(10)의 내측벽에는 스테이터(20)가 설치된다. 그리고 상기 스테이터(20)에 소정 갭을 두고 마주하도록 상기 로터(30)가 설치된다. 상기 로터(30)는 외주방향으로 일정하게 배치된 다수의 블레이드(31)를 가진다. 따라서 상기 로터(30)의 고속회전시 로터(30)와 스테이터(20) 사이로 유입되는 피분쇄물이 블레이드(31)와 스테이터(20) 사이에서 충돌동작에 의해 분쇄된다. 이와같이 분쇄되는 과정에서 열이 발생하게 되는데, 피분쇄물이 고체형 냉각물 즉, 드라이 아이스와 1:1의 비율로 혼합된 상태로 함께 분쇄됨으로써, 그 드라이 아이스에 의해 냉각된다. 따라서 분쇄시 열로 인하여 분쇄물의 물성이 변하는 것을 최소화할 수 있게 된다.

상기 하우징(10)의 내부에는 분쇄된 분쇄물을 입자크기별로 분급하기 위한 분급공간(17)이 마련된다. 상기 분급공간(17)은 배출부(13)와 상기 로터(30) 사이에 형성된다. 따라서 상기 스테이터(20)와 로터(30) 사이를 통과하면서 분쇄된 분쇄물은 분급공간(17)에서 원하는 입자크기별로 분급되어, 일부는 집진유닛(50)으로 배출되고 나머지는 상기 순환덕트(40)를 통해서 재료투입구(11)로 다시 순환되어 재분쇄과정을 반복하게 된다. 상기 순환덕트(40)는 분급공간(17)의 외측과 상기 재료투입구(11)를 연결하도록 설치된다. 따라서 상기 분급공간(17)에서 원하는 입자 크기 이상의 분쇄물은 원심력에 의해 외측으로 침강되어 상기 순환덕트(40)로 회수되어 재분쇄될 수 있게 된다.

상기 집진유닛(50)은 상기 배출부(13)에 연결되는 집진파이프(51)와, 상기 집진파이프(51)의 단부에 설치되는 집진실(52) 및, 집진실(52)의 하부에 설치되는 집진통(53)을 구비한다. 상기 집진실(53) 및 상기 집진파이프(51)를 통해서 집진력이 상기 분급공간(17)으로 전달된다. 따라서 분급공간(17)에서 집진유닛(50)에서 전달되는 집진력(항력;추후 설명)에 영향을 받는 미분입자들만 상기 집진유닛(50)으로 회수할 수 있게 된다.

또한, 상기 배출부(13)에는 상기 분급공간(17)에서 소정 크기 이하의 입자만을 분리하여 배출시키기 위한 분급부재(70)가 마련된다. 상기 분급부재(70)는 로터(30)의 회전중심과 동일선상에 배치되는 배출공(71)을 가진다. 상기 배출공(71)의 반경(이하 절단입도의 반경이라 함;r)은 분급공간(17) 내에서 입자크기 3㎛ 이하를 가지는 분쇄물만을 분급하여 배출시킬 수 있도록 소정 크기로 형성된다. 바람직하게는, 상기 절단입도의 반경(r)은 아래의 수학식 4 및 수학식 5를 모두 만족하도록 형성되는 것이 좋다.

,

상기 수학식 4 및 수학식 5 각각에서, Re_p 는 분쇄영역(스테이터(20)와 로터(30)와의 사이)에서의 레이놀드수(Reynolds number), v_r은 로터(30)의 회전반경방향 속도(m/s), d_p는 분쇄재료의 입자경(m), ρ_a는 공기밀도(㎏/㎥), μ_a 는 공기의 점도(㎩ㆍs), V_r은 분급영역(17)에서의 단일입자에 대한 회전반경방향의 침강속도(m/s), ω는 로터(30)의 각속도(rad/s), ρ_p는 분쇄된 입자의 밀도(㎏/㎥)를 각각 나타낸다.

먼저, 상기 분급영역(17)에서 로터(30)의 회전 및 상기 분급부재(70)의 배출공(71)에의 공기 흐름에 의한 분급 메카니즘을 설명하면 다음과 같다.

상기 절단입도(r)는 Stokes 법칙안에서 로터(30)의 고속회전에 의해 발생하는 원심력과 항력에 의하여 3㎛ 이하의 입자만을 분급하여 집진하기 위한 영역을 나타내는 것으로서, 원심력과 항력이 같아지는 지점을 정의한다. 즉, 절단입도(r)는 조분과 미분이 될 확률이 50:50으로서 원심력에 영향을 받는 입자는 조분으로 편향되어 순환덕트(40)로 이동하고, 항력에 영향을 받는 입자는 미분으로 편향되어 절단입도로 이송되어 공기와 함께 집진유닛(50)으로 배출된다. 여기서 Stokes 영역과 항력은 단일입자에 대한 레이놀드 수(Reynols number;Re_p)와 항력계수 C_D(유체가 입자에 미치는 저항계수)와의 관계이다. 즉, 수학식 4을 통해 레이놀드 수의 계산결과 Stokes 영역(Re_p < 0.3)이 확인되면, Stokes 영역에서 항력계수 계산 식(C_D = 24/Re_p)을 이용하여 유체가 입자에 미치는 항력을 계산할 수 있다.

또한, Stokes 영역을 결정짓는 것은 상기 배출공(51)으로 유체가 흐르는 경 우에 그 절단입도의 반경(r)을 고려한 레이놀드 수에 의해 결정된다. Stokes 영역에서 단일입자에 레이놀드 수는 Re_p < 0.1 ~ 0.3일 때를 기준으로 하게 되는데, 이 값이 작을수록 입자표면에 흩어짐이 작은 스테디(steady) 상태가 되고, Re_p < 0.3 이상이 되면 입자의 흐름이 흩어지고 소용돌이가 나타나서 유체에 의한 저항이 증가하여 Stokes 가정에서 벗어나게 되며, 중간층(0.3 < Re_p < 500), 난류층(500 < Re_p < 2×10⁵)이 된다. 즉 언스테디(unsteady) 상태가 됨으로서 Stokes 가정하에 원심력과 항력에 의한 입자층 분리를 통한 분급이 불가능하게 된다. 여기서 원심력은 질량 m(kg)의 입자가 회전운동하고 있고, 그 회전반경 r(m), 각속도를 ω(rad/s)로 하면 입자가 회전 반경방향 외향으로 mrω²(N)의 힘이 작용하는 것을 말한다.

또한, 입자가 유체속을 운동할 때 유체는 입자에 힘을 미치고, 이것을 항력이라 하고, 원심력의 반대방향에서 입자에 작용하는 힘을 의미한다.

따라서, d₉₇ 3㎛ 입자를 생산하기 위해서, Stokes 법칙 가정하에 분쇄에 이용되는 로터(30)를 분급영역(17)으로 확장시켜 원심력과 항력에 의한 분급이 가능하도록 할 수 있다. d₉₇ 3㎛ 입자를 생산을 위한 가장 안정된 스테디(steady) 상태의 Re_p < 0.1의 Stokes 영역을 가지기 위해서는 상기 절단입도의 반경(r)을 5mm, 7.5mm, 10mm 중에서 어느 하나로 결정하는 것이 바람직하다. 상기와 같이 절단입도의 반경(r)을 결정할 때, 상기 수학식 4 및 5를 만족하게 되며, 이러한 이론적 배 경은 후의 자세히 설명하기로 한다. 또한, 스테디(steady) 상태의 한계영역인 Re_p < 0.3을 가지는 Stokes 영역을 확보하기 위해서는 절단입도의 반경(r)은 40mm로 형성하는 것이 바람직하며, 이 또한 실험예를 통해 설명하기로 한다.

먼저, 본 발명의 실시예에 따른 분쇄 장치의 구성을 위한 이론적 배경을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 분급되어지기 위한 피분쇄물은 상기 메인호퍼(61)에서 드라이 아이스와 1:1의 비율로 혼합한 상태로 재료 투입구(11)를 통해 하우징(10) 내로 투입한다. 그러면, 투입된 피분쇄물은 분쇄영역에 1차로 분쇄되고, 회전축(15)의 축방향의 공기흐름에 편승하여 분급영역(17)으로 공급된다. 분급영역(17)에서는 분쇄와 분급을 위한 로터(30)가 급속하게 회전함으로써 분급영역(30)의 분말은 원심력에 의해 분급 경계층 바깥쪽으로 유도되며, 원심력 장에서 분급을 위한 층 분리가 형성된다. 공기흐름과 분급영역(17)에서의 로터(30)의 회전속도 영향 하에서 분쇄물은 조분과 미분으로 분급된다. 분급영역(17)에서 회전반경 방향을 따라 입자에 작용하는 힘은 원심력과 항력이다. 로터(30)가 회전할 때 원심력은 생성되고, 항력은 분급영역(17)에서 집진유닛(50)에 의해서 생성된 공기흐름에 입자가 노출됨으로써 생긴다.

상기 분급영역(17)의 원심력장에서 단일 입자의 운동방정식은 다음의 수학식 6과 같이 주어진다(Hiroshi 등 2003; Galk 등 1999; Rhodes, 1998, 이, 1996; Worthen, 2001; 노 등, 1997; Roberson 등, 1997).

여기서, F_D는 항력(N), F_C는 원심력(N), V_pr은 단일입자의 회전반경방향의 침강속도(m/s)를 나타낸다.

상기 F_D는 다음의 수학식 7로 정의된다.

또한, 상기 F_C는 다음의 수학식 8로 정의된다.

여기서, V_θ는 절단입도의 반경 선속도(m/s), r을 절단입도의 반경(m)을 나타낸다.

또한, 절단입도 d₅₀은 상기 수학식 6, 7, 8로부터 아래의 수학식 9와 같이 표현되어 질 수 있다.

수학식 9에서 ρ_a는 공기밀도(kg/㎥), ρ_p는 입자밀도(kg/㎥), r은 절단입도의 반경(mm), Vr은 회전방경 방향의 침강속도(m/s)를 각각 나타낸다.

위의 식들로부터 절단입도의 값은 고정되지 않고 어떠한 범위 내에서 바뀐다는 것을 알 수 있다. 항력 계수 C_D는 공기속도와 관계가 높은 레이놀드 수(Re_p)의 함수이다. 주어진 피분쇄물에 대해 입자와 공기밀도가 일정할 때, d₅₀은 우선적으로 회전방경과 원주속도에 의존하게 된다. 결국, V_r/V_θ의 비율 감소로 작은 절단입도의 반경(r)을 얻을 수 있게 된다. 즉, 로터(30)의 회전속도를 이용하여 절단입도(배출공(71)의 직경)를 조절할 수 있게 된다. 또한, C_D는 Re_p의 함수이므로, 원심력장에서 회전방경 방향의 침강속도 V_r은 Re_p에 의존하고, 수학식 4 및 5와 같이 표현된다. 여기서 Re_p는 단일입자 레이놀드 수가 Re_p ≤ 0.1일 경우에는 오차 없이 거의 정확하게 성립하며, Re_p ≤ 0.5인 경우에는 3% 이내에서, Re_p ≤ 1인 경우에는 9%이내 범위의 오차로 성립하게 됨으로써 Stokes 영역을 벗어나게 되어, d₉₇ 3㎛의 생산이 불가능하게 된다(Rhodes, 1998; Roberson 등, 1997; 이; 1996; 노 등, 1997, Galk 등, 1999).

Stokes의 법칙 영역에서 C_D = 24/Re_p을 이용하면, 단일입자에 대한 회전반경 방향의 침강속도는 수학식 4 및 5와 같다.

따라서, 수학식 4 및 5를 이용하여 회전반경의 침강속도를 구하고, 구해진 회전방향 방향의 침강속도를 수학식 4를 이용하여 레이놀드 수를 구하게 되며, 이때 Re_p < 0.3을 만족하도록 절단입도의 반경 및 로터(30)의 회전수를 설정함으로서 Stokes 영역을 확보할 수 있게 되어, d₉₇ 3㎛의 생산이 가능하게 된다.

이하에서는 로터의 선속도, 절단입도 및 레이놀드 수와의 관계를 통해서 d₉₇ 3㎛의 생산이 가능하다는 것을 실험예를 통해 설명하기로 한다.

먼저 로터(30)의 선속도(V_θ) 110m/s를 기준으로 하여 절단입도 d₉₇ 3㎛의 생산이 가능하도록 선정하였고, 실험 검증을 위해 로터(30)의 선속도 90, 100m/s가 절단입도에 미치는 영향을 분석하고자 하였다. 아래의 표 4는 수학식 4, 5 및 수학식 9에 의해서 Stokes 영역의 R_ep < 0.1의 절단입도를 반경 5, 7.5, 10mm와, R_ep < 0.3의 절단입도의 반경을 40mm에 대한 절단입도를 로터(30)의 선속도별로 계산하여 나타내었다. 이때 절단입도 계산을 위하여 주어진 조건은 다음과 같다.

ρ_a= 1.2 kg/㎥(20℃의 공기밀도)

μ_a = 1.81×10^-5 ㎩ㆍs (20℃의 공기점도)

ρ_s= 1,100 kg/㎥

V_θ m/s	입자크기 d₉₇ (㎛)
	절단입도
	R_ep < 0.3	R_ep < 0.1
	40mm	10mm	7.5mm	5mm
90	3.48	3,835	4.225	4.824
100	3.236	3,556	3.915	4.485
110	3.024	3.33	3.666	4.1954
120	2.846	3.13	3.448	3.947

도 2는 표 4의 데이터를 그래프로 나타낸 도면이며, 이를 통한 절단입도의 반경별 로터의 선속도 V_θ와 입자크기 d₉₇의 관계를 표 5와 같이 식으로 나타낼 수 있다.

절단입도(mm)	수식	R²
5	입자크기(d₉₇) =-0.0292V_θ + 7.7295	0.9952
10	입자크기(d₉₇) =-0.0258V_θ + 6.5225	0.9935
15	입자크기(d₉₇) =-0.0234V_θ + 5.9208	0.9942
40	입자크기(d₉₇) =-0.0211V_θ + 5.3662	0.9951

도 3은 로터(30)가 반경 90mm 지점에서 11.092 ×g의 원심가속도로 회전하고 있을 때 R_ep < 0.1의 Stokes 영역을 가지는 절단입도의 반경 5, 7.5, 10mm와, R_ep < 0.3의 Stokes 영역에서의 절단입도의 반경 40mm를 나타낸 것이다.

또한, 표 4에서 계산된 입자크기에 생산을 위한 힘은 크게 원심력과 항력 그리고 항력의 작용을 받는 입자크기의 배출을 위한 힘으로 구분된다. 우선, 원심력과 항력을 수학식 6, 7로 결정하고, 절단입도의 반경 5, 7.5, 10, 40mm에서 배출방향으로 작용하는 힘은 아래의 수학식 10 및 수학식 11을 이용하여 계산할 수 있다.

F = m˙v

여기서, A는 배출구단면적(m²), F는 배출구에 작용하는 힘(N), v는 배출부의 유속(m/s)을 각각 나타낸다.

이때, 질량 유량은 절단입도의 반경에서 측정된 배출방향의 풍량을 이용하여 계산을 하였다. 절단입도의 반경 5, 7.5, 10, 10mm에서 측정된 풍량은 각각 1020, 1540, 1650, m³/h(TSI 8386A-M-GB, USA) 이었다.

상기 3㎛ 입자크기의 생산에 필요한 원심력, 항력, 절단입도의 반경에 작용하는 힘에 대한 계산 결과는 표 6과 같다.

V_θ m/s	절단입도(mm)
	40			10			7.5			5
	F_C E-10	F_D E-10	F_out	F_C E-10	F_D E-10	F_out	F_C E-10	F_D E-10	F_out	F_C E-10	F_D E-10	F_out
90	7.67	7.67	165	2.58	2.58	101	2.58	2.58	48	2.56	2.56	21
100	7.73	7.73	165	2.56	2.56	101	2.57	2.57	48	2.57	2.57	21
110	7.703	7.703	165	2.57	2.57	101	2.57	2.57	48	2.57	2.57	21
120	7.701	7.701	165	2.57	2.57	101	2.57	2.57	48	2.57	2.57	21

또한, 아래의 표 7은 상기 수학식 4, 5를 참고하였을 때, 각 절단입도의 반경에서 Stokes 법칙에 의해 계산한 결과를 나타내 보인 것이다.

입자크기(㎛)	절단입도								로터(절단)반경
	5mm		7.5mm		10mm		40mm		90mm(로터라인)
	V_r(m/s)	R_ep	V_r(m/s)	R_ep	V_r(m/s)	R_ep	V_r(m/s)	R_ep	V_r(m/s)	R_ep
1	0.02039	0.00135	0.03058	0.00203	0.04078	0.0027	0.1631	0.0108	0.366983	0.02433
2	0.08155	0.01081	0.12233	0.0162	0.16310	0.02163	0.6524	0.08651	1.467932	0.194643
3	0.18349	0.0365	0.27524	0.0547	0.36698	0.07299	1.46793	0.29196	3.302847	0.65692
4	0.32621	0.0865	0.48931	0.0.12976	0.6524	0.17302	2.609657	9.692064	5.871728	1.557143
5	0.509699	0.16896	0.764548	0.25344	1.01939	0.337922	4.077589	1.351687	9.174574	3.041295
6	0.73397	0.29196	1.100949	0.437947	1.46793	0.583929	5.871728	2.335715	13.21139	5.255358

표 7을 통해서도 알 수 있듯이, d₉₇ 3㎛ 생산을 위해서는 절단입도 5, 7.5, 10, 40mm 각각에서 레이놀드수가 R_ep < 0.3을 만족할 때 가능함을 알 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예와 같이 상기 분급부재(70)의 배출구(71)를 상기 절단입도들 중에서 어느 하나로 설정하되, 수학식 4 및 5를 만족하도록 형성시킴으로써 하나의 장치로 d₉₇ 3㎛ 생산이 가능하게 된다.

따라서, 종래에 비하여 간단한 장치를 가지고도 d₉₇ 3㎛의 분급 생산이 가능하므로, 비용이 절감되고, 생산성이 향상된다. 이와 더불어, 다양한 천연분쇄 재료를 분말 상태로 분쇄하여 나노 분말화하는 것이 가능하게 됨으로써, 한약제와 같이 기존에 한정된 가공과정을 통해 섭취하던 천연물질을 가공하지 않은 상태로 그대로 물에 녹여서 섭취할 수 있는 이점이 있다. 또한, 분말화 과정에서도 분쇄시 발생하는 열을 효과적으로 낮춰 줌으로써, 분쇄시 발생열로 인하여 분쇄입자의 성질이 변하는 것을 억제하여 천연상태를 그대로 유지하는 나노분말의 대량 생산이 가능한 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 분급 분쇄 장치를 나타내 보인 개략적인 단면도.

도 2는 표 4의 데이터를 그래프로 나타내 보인 도면.

도 3은 로터가 절단반경 90mm지점에서 11.092 ×g의 원심가속도로 회전하고 있을 때, R_ep < 0.1의 Stokes 영역을 가지는 절단입도의 반경 5, 7.5, 10mm와 R_ep < 0.3의 Stokes 영역에서의 절단입도의 반경 40mm를 나타내 보인 도면.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10..하우징 11..재료투입구

13..배출부 15..회전축

20..스테이터 30..로터

40..순환덕트 50..집진유닛

70..분급부재 71..배출공

Claims

피분쇄물을 투입할 수 있는 재료투입구와, 분쇄된 분쇄물이 배출되는 배출부를 가지는 하우징과; 상기 하우징의 내부에 설치되는 스테이터와; 상기 스테이터의 중심에 회전 가능하게 설치되며, 상기 재료투입구로 투입된 피분쇄물을 상기 스테이터와의 사이에서 분쇄시키기 위한 다수의 블레이드를 가지는 로터와; 상기 로터와 스테이터 사이를 경유하여 분쇄된 분쇄물의 일부를 재분쇄시키도록 상기 재료투입구 쪽으로 순환시키는 순환덕트; 및 상기 배출부에 연결되어 분쇄물을 집진하도록 집진력을 제공하는 집진유닛;을 포함하며, 상기 로터와 스테이터에 의해 분쇄된 분쇄물을 입자크기 별로 분급하여 배출시키거나 상기 순환덕트로 순환시키기 위해 상기 로터와 상기 배출구 사이에는 분급영역이 마련되고,

상기 배출부는 상기 분급영역 내에서 입자크기 3㎛ 이하를 가지는 분쇄물만을 분급하여 배출시킬 수 있도록 상기 로터의 회전중심 상에 파이프형으로 마련되고, 그 반경(절단입도의 반경;r)이 다음의 수학식1 및 수학식 2를 모두 만족하도록 형성된 배출공을 가지는 분급부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 분급 분쇄 장치.

[수학식1]

[수학식2]

,

상기 수학식1 및 수학식2에서, Re_p 는 분쇄영역에서의 레이놀드수(Reynolds number), v_r은 로터의 회전방경방향 속도(m/s), d_p는 분쇄재료의 입자경(m), ρ_a는 공기밀도(㎏/㎥), μ_a 는 공기의 점도(㎩ㆍs), V_r은 분급영역에서의 단일입자에 대한 회전반경방향의 침강속도(m/s), ω는 로터의 각속도(rad/s), ρ_p는 분쇄된 입자의 밀도(㎏/㎥)를 각각 나타낸다.
제1항에 있어서,

0.1 <Re_p < 0.3일 때, 상기 절단입도의 반경은 40mm로 형성되는 것을 특징으로 하는 분급 분쇄 장치.
제1항에 있어서,

Re_p< 0.1일때, 상기 절단입도의 반경은 5mm, 7.5mm, 10mm 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 분급 분쇄 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 재료투입구로 피분쇄물을 공급하기 위한 제1호퍼와;

상기 재료투입구에서 피분쇄물과 혼합될 고체형 냉각물을 공급하기 위한 제2호퍼;

및 상기 제1 및 제2호퍼에서 공급된 피분쇄물 및 고체형 냉각물을 혼합하여 상기 하우징으로 공급하는 메인 호퍼;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분급 분쇄 장치.
제4항에 있어서, 상기 제2호퍼를 통해 드라이아이스를 공급하며,

상기 드라이아이스와 상기 피분쇄물은 동일한 비율로 공급되는 것을 특징으로 하는 분급 분쇄 장치.