KR101088094B1 - 원료 분쇄장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에서는 원료 분쇄장치가 개시된다. 상기 원료 분쇄장치는 분쇄대상이 되는 원료를 투입해주는 원료 공급기와, 투입된 원료입자들을 분쇄하는 분쇄기와, 분쇄된 원료들을 포집하는 포집기를 포함하는 원료 분쇄장치로서, 분쇄기는 원료입자들의 상호 충돌이 이루어지는 분쇄공간을 갖춘 분쇄실, 분쇄실의 서로 마주하는 위치에서 쌍을 이루어 접속된 것으로, 고압기체에 동반된 분쇄대상 원료가 유입되는 입구와, 분쇄실에 접속되어 분쇄대상 원료를 분쇄공간으로 분사시켜주는 출구를 갖고, 길이방향을 따라 나선형 그루브가 형성된 내주 면을 갖는 가속관들을 포함한다. 본 발명에 의하면, 분쇄효율이 향상되는 원료 분쇄장치가 제공된다.

Description

원료 분쇄장치{A pulverizer}

본 발명은 원료 분쇄장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고압의 기류에 동반하여 분쇄대상 원료를 분사하고, 원료입자의 상호 충돌을 유도하여 분쇄 효과를 얻는 원료 분쇄장치에 관한 것이다.

분쇄란 분쇄대상이 되는 원료를 공급받아 주로 기계적인 방법으로 고체원료를 소정 크기 이하의 미분 입자로 분쇄하는 단위조작을 말하며, 화학, 금속, 안료, 화장, 식품, 의약 등의 다양한 분야에서 사용되어 오고 있다. 종래로부터 다양한 분쇄장치들이 개발되고 있으며, 예를 들어, 고정판과 가동판 간의 압축력에 의해 그 사이에 개재된 고체 원료를 분쇄하는 압축형 분쇄방식, 커터나 헤머를 고속으로 회전시켜 절단 내지 전단에 의해 원료를 분쇄하는 고속회전형 분쇄방식 등 다종의 분쇄장치들이 개발되어 오고 있다.

그러나 이러한 기계적 방식의 분쇄장치들은 응력의 축적으로 피로가 누적되어 내구연한이 짧고, 쌀, 콩, 밀가루와 같은 식용재료에 열화현상을 초래하여 색상의 변색, 영양소의 파괴와 같은 문제점을 유발한다. 특히, 종래의 분쇄장치들은 대량의 에너지를 소비하는데 비하여 분쇄효율이 낮다는 단점이 있어 개선의 필요성이 지속적으로 대두되고 있다.

본 발명의 목적은 분쇄효율이 향상되는 원료 분쇄장치를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적 및 그 밖의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 원료 분쇄장치는, 분쇄대상이 되는 원료를 투입해주는 원료 공급기와, 투입된 원료입자들을 분쇄하는 분쇄기와, 분쇄된 원료들을 포집하는 포집기를 포함하는 원료 분쇄장치로서,

상기 분쇄기는,

원료입자들의 상호 충돌이 이루어지는 분쇄공간을 갖춘 분쇄실; 및

상기 분쇄실의 서로 마주하는 위치에서 쌍을 이루어 접속된 것으로, 고압기체에 동반된 분쇄대상 원료가 유입되는 입구와, 상기 분쇄실에 접속되어 분쇄대상 원료를 상기 분쇄공간으로 분사시켜주는 출구를 갖고, 길이방향을 따라 나선형 그루브가 형성된 내주 면을 갖는 가속관들;을 포함한다.

바람직하게, 서로 마주하며 쌍을 이루는 가속관들에는 서로 반대의 회전방향을 따라 상기 나선형 그루브가 형성된다.

바람직하게, 상기 나선형 그루브는 상기 가속관의 원형 단면 중 대칭적인 위치에서 동일한 회전방향을 따라 나란하게 형성되는 적어도 2열 이상의 복 열의 그루브들을 포함한다.

바람직하게, 상기 가속관들은 서로에 대해 수직으로 단차진 위치에서 상기 분쇄실에 접속된다.

바람직하게, 상기 가속관의 출구 측에는 상기 가속관의 전체길이를 통하여 최소 내경을 갖는 목 부분이 형성되고, 상기 목 부분의 상하류 방향으로는 테이퍼진 면을 따라 단면적이 확장된다.

본 발명의 원료 분쇄장치에서는 고압기류에 동반하여 원료입자들을 이송하는 가속관의 내부 면을 따라 나선형 그루브 (spiral groove)를 형성함으로써 원료입자를 혼입한 고압기류에 강제 회전을 부여하고, 마주하게 배치되는 가속관들에 대해 서로 반대방향의 나선형 그루브를 형성함으로써 가속관을 통해 분사된 원료입자들 간의 충돌 강도를 높이고 분쇄효율을 향상시킬 수 있다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태에 관한 원료 분쇄장치에 대해 설명하기로 한다. 도 1에는 원료 분쇄장치의 전체적인 구성이 도시되어 있다. 상기 원료 분쇄장치는 분쇄대상이 되는 원료를 공급하는 원료 공급기(150), 상기 원료 공급기(150)에서 투입된 피분쇄 원료를 고압기류에 편승시켜 반송하고 가속관(220) 출구에서 분쇄실(240) 내부로 분출되는 원료입자들을 서로 충돌시킴으로써 그 충돌력에 의해 원료를 분쇄하는 분쇄기(200), 그리고 분쇄기(200)에서 분쇄된 원료를 포집하는 포집기(300)를 포함한다.

상기 원료 공급기(150)는 피분쇄 원료가 투입되는 호퍼(151)와, 구동 모터와 동력 연결되어 전진방향으로 회전되면서 피분쇄 원료를 강제 이송시키는 스크루(153), 그리고 이송된 피분쇄 원료를 분쇄기(200)로 투입하는 원료 이송관(155)을 포함한다. 상기 원료 이송관(155)은 분쇄실(240) 외주를 둘러싸도록 배치된 도입관(210)에 접속되어 피분쇄 원료를 도입관(210) 내로 투입한다. 상기 도입관(210) 내에는 고압기류가 형성되어 투입된 피분쇄 원료를 강제 이송하며, 도입관(210) 내의 피분쇄 원료는 가속관(220)을 경유하여 분쇄실(240) 내부로 분사된다. 상기 도입관(210)은 기체 이송관(135)을 경유하여 고압탱크(120)와 연결되어 있고, 상기 고압탱크(120)는 외기를 흡입하여 고압으로 압축시키는 압축기(110)와 연결되어 있다. 그리고, 상기 고압탱크(120)와 분쇄기(200) 사이에는 고압기체의 냉각을 위한 냉각기(130)가 개재될 수 있으며, 고압기체의 냉각을 통하여 동일 입력 에너지당 이송되는 기체 유량을 증가시키고, 전체 분쇄장치의 구동효율을 높일 수 있다.

도 2는 도 1에 도시된 분쇄기(200)를 확대하여 도시한 사시도이다. 도면을 참조하면, 상기 분쇄기(200)는 대략 소정 반경의 원통 형상을 갖고 내부에 분쇄공간을 제공하는 분쇄실(240)과, 고압기류에 편승한 피분쇄 원료를 상기 분쇄공간으로 분사시켜주는 다수의 가속관(220)들과, 상기 분쇄실(240) 외주를 대략 환형으로 둘러싸며 중간에 다수의 가속관(220)들이 접속되어 있는 도입관(210)을 포함한다. 상기 도입관(210)의 제1 위치에는 고압기체를 투입하는 기체 이송관(135)이 연결되어 있고, 도입관(210)의 제2 위치에는 피분쇄 원료를 투입하는 원료 이송관(155)이 연결되어 있다. 제1 위치에서 기체 이송관(135)을 통하여 도입관(210)으로 유입된 고압의 기류는 제2 위치에서 원료 이송관(155)을 통하여 유입된 피분쇄 원료와 혼합되고, 원료를 동반한 고압의 기류는 가속관(220)으로 도입되며, 이어 피분쇄 원료와 함께 분쇄공간 내로 분사된다. 한편, 상기 도입관(210)과 가속관(220) 사이에는 연결관(215)이 개재되어 이들을 서로 연통시킬 수 있다. 예를 들어, 환형으로 연장되는 도입관(210)의 대칭적인 4 위치에서 제1 내지 제4 가속관(220I, 220II, 220III, 220IV)이 접속될 수 있으나, 가속관(220) 개수는 예시된 바에 한정되지 않으며 가속관(220)의 배열이 대칭적인 것으로 충분하다.

도 3은 분쇄실(240)의 내부구조를 모식적으로 도시한 도면으로, 분쇄실(240)을 수평방향으로 절개하여 도시한 도면이다. 상기 분쇄실(240)은 분쇄공간(S)을 한정하도록 이를 둘러싸는 소정 반경의 원통형 부재로 마련될 수 있다. 상기 분쇄공간(S) 속으로 원료를 분사하는 가속관(220)은 분쇄공간(S)의 중심에 대해 방사상 배열을 이루며, 원통형 분쇄기(240)의 대칭적인 위치에 접속된다. 상기 가속관(220)은 서로 마주하는 방향으로 쌍을 이루도록 배치되어 있다. 예를 들어, 제1, 제3 가속관(220I, 220III)이 서로 마주하게 배치되어 쌍을 이루고, 제2, 제4 가속관(220II, 220IV)이 서로 마주하게 배치되어 쌍을 이룬다. 따라서, 서로 마주하게 배치된 가속관(220)에서 분사된 고압의 기류는 서로 대항류를 형성하게 되고, 고압의 기류에 동반된 원료입자들은 마주하는 방향으로 분사된 원료입자들과 충돌하면서 원료입자들 간의 상호 충돌력에 의해 미세한 입자로 분쇄될 수 있다.

도 4는 분쇄실(240) 내에서 발생되는 유동흐름을 보여주는 도면이다. 도면을 참조하면, 고압기류에 편승하여 가속관(220)을 통하여 분쇄실(240) 내로 투입된 원 료입자들은 서로 마주하는 대항류를 형성하며 분쇄실(240)의 중앙에서 부딪히게 되고, 힘의 불균형에 의해 회전 모멘트가 발생되면서 분쇄실(240)의 원주방향으로 회전하는 수평 와류(HC)가 형성된다. 또한, 고압 기류들이 서로 부딪히는 분쇄실(240) 상하부 간에 압력차이가 발생하여 상하방향으로 회전되는 수직 와류(VC)도 형성된다. 원료입자의 상호 충돌에 의해 충분히 분쇄된 미분 입자들은 수직 와류(VC)에 동반되어 분쇄실(240) 상부로 도달하게 되고, 그대로 포집 이송관(250)을 통하여 포집기(300)로 반송되거나, 또는 추가적인 흡입펌프의 조력을 받아 포집기(300)로 반송된다. 아직 충분히 분쇄되지 않은 중량이 큰 입자들은 수직 와류(VC)에 영향을 받지 않고 미세 분말화될 때까지 분쇄 과정을 거치게 된다.

도 5에는 상기 가속관(220)을 길이방향을 따라 절개한 단면도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 상기 가속관(220)은 대체로 일정한 내경을 갖고 피분쇄 원료가 이송될 수 있는 중공관이다. 상기 가속관(220)은 최대 내경(R1)을 갖고 대부분의 길이에 걸쳐 형성되는 대경부(225)와, 상기 대경부(225)의 하류에 형성되어 피분쇄 원료를 고압으로 분사시키는 분사부(221)를 포함한다. 상기 분사부(221)에는 최소 내경(R2)을 갖는 목 부분(T)이 형성되고, 상기 목 부분(T)을 전후하여 테이퍼진 형상을 따라 연속적으로 확대되는 단면을 갖는다. 대경부(225)를 통하여 고압으로 이송된 피분쇄 원료는 목 부분(T)을 경유하고 테이퍼진 출구를 통과하면서 주위로 팽창하고 분쇄공간 내로 확산된다.

한편, 상기 가속관(220)의 내주 면을 따라서는 나선형 그루브(g; spiral groove)가 형성되어 있다. 상기 나선형 그루브(g)는 관 중심축(C)을 감싸는 회전방 향으로 내주 면을 따라 연속적으로 형성되어 있다. 가속관(220)을 흐르는 고압의 기류는 나선형 그루브(g)가 형성된 내주 면을 따라 나선형상을 추종하며 강제 회전된다. 기류의 회전 강도를 높이기 위해, 상기 가속관(220)의 내주 면에는 적어도 둘 이상 복수 열의 나선형 그루브(g)들이 함께 형성될 수 있으며, 예를 들어, 6 열의 나선형 그루브(g)가 함께 형성될 수 있다. 도 6에는 가속관(220)을 단부에서 바라본 평면도가 도시되어 있고, 도 7 및 도 8에는 각각 가속관(220)의 분사부(221)와 대경부(225)를 도시한 사시도가 도시되어 있다. 도면들 함께 참조하면, 가속관(220)의 분사부(221)와 대경부(225)를 통하여 나선형 그루브(g)가 연속적으로 형성될 수 있고, 원형 단면의 대칭적인 6 개소에서 가속관(220)의 둥근 내면을 따라 동일한 회전방향으로 나란하게 연장되는 제1 내지 제6 나선형 그루브(g)들이 형성될 수 있다. 복 열의 나선형 그루브(g)를 설계함으로써 가속관(220) 내부를 흐르는 고압기류에 보다 강한 회전력을 부여할 수 있으며, 강한 와류를 형성하여 이에 동반되어 분쇄공간으로 분사된 원료입자들의 상호 충돌력을 높이고 분쇄 효율을 향상시킬 수 있다.

도 9에는 나선형 그루브의 다양한 단면 형상들이 도시되어 있다. 도 9의 (a)에는 장방형 단면의 나선형 그루브(g1)가 도시되어 있고, 도 9의 (b)에는 2단으로 단차진 단면의 나선형 그루브(g2)가 도시되어 있다. 그리고, 도 6의 (c) 및 도 6의 (d)에는 각각 둥근 형상으로 라운드진 단면의 나선형 그루브(g3)와, 상부는 좁고 하부는 넓은 상협 하광의 단면을 갖는 도브-테일 (dove-tail)형 나선형 그루브(g4)가 도시되어 있다. 도 9에 도시된 나선형 그루브의 다양한 단면 형상들은 와류의 회전방향을 다양화시키거나, 또는 와류 강도를 높임으로써 분쇄 효율을 높이기 위해 제안된 것이거나, 또는 분쇄 효율과 함께 동일한 유량의 고압기류를 이송하는데 소용되는 동력소모를 고려하여 제안된 것이다.

한편, 나선형 그루브(g)의 회전방향과 관련하여 서로 마주하게 배치되는 가속관(220)에는 서로 반대방향으로 회전하는 나선형 그루브가 형성된다. 도 3을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 예를 들어, 제1 가속관(220I)에서 분사된 원료입자와 제3 가속관(220III)에서 분사된 원료입자가 서로 반대방향의 와류를 형성하며 부딪히게 되면, 원료입자 간의 충돌 횟수 및 충돌 강도를 높일 수 있다는 점에서 분쇄 효율을 높일 수 있다. 마찬가지로 서로 마주하는 제2 가속관(220II)에서 분사된 원료입자와 제4 가속관(220IV)에서 분사된 원료입자가 서로 반대방향의 와류를 형성하며 충돌하면 충돌의 횟수와 강도를 높임으로써 분쇄 효율을 향상시킬 수 있다. 보다 구체적으로, 제1 가속관(220I)이 이송방향을 따라 시계방향으로 회전하는 나선형 그루브를 갖는다면, 제1 가속관(220I)과 마주하게 배치되는 제3 가속관(220III)은 그 이송방향을 따라 반시계 방향으로 회전하는 나선형 그루브를 갖는 것이 권장된다는 것이다.

한편, 가속관(220)이 접속되는 수직높이에 관하여 도 2를 참조하여 설명하면 이하와 같다. 도입관(210)에 접속되는 제1 내지 제4 가속관(220I, 220II, 220III, 220IV)은 같은 평면에 대해 동일한 수직 레벨을 갖는 위치에 접속될 수 있다. 예를 들어, 가상의 기준평면(RP)으로부터 측정된 제1 내지 제4 가속관(220I, 220II, 220III, 220IV)의 높이 h1, h2, h3, h4는 h1=h2=h3=h4 의 관계를 가질 수 있다. 다 만, 통상적인 공정 오차를 감안할 때, 제1 내지 제4 가속관(220I, 220II, 220III, 220IV)의 높이 h1, h2, h3, h4는 서로에 대해 대략 10% 정도의 수직 단차를 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 내지 제4 가속관(220I, 220II, 220III, 220IV)의 높이 h1, h2, h3, h4는 h1 > h3 > h2 > h4 의 관계를 가질 수 있고, 제1 가속관(220I)의 높이(h1)를 기준으로 이와 마주하게 배치되는 제3 가속관(220III)은 대략 10% 하방으로 단차진 위치에 배치될 수 있고, 제3 가속관(220III)의 높이(h3)를 기준으로 제2 가속관(220II)은 대략 10% 하방으로 단차진 위치에 배치될 수 있으며, 제2 가속관(220II)의 높이(h2)를 기준으로 이와 마주하게 배치되는 제4 가속관(220IV)은 대략 10% 하방으로 단차진 위치에 배치될 수 있다. 상술한 바와 같이, 서로 마주하게 배치되는 가속관(220) 내에는 서로 반대방향으로 회전하는 나선형 그루브(g)가 형성된다. 서로 반대방향으로 회전하며 분사되는 고압 기류를 수직으로 단차진 위치에 형성함으로써, 예를 들어, 제1 가속관(220I)에서 시계방향으로 회전하며 분사된 원료입자 중에서 중량이 큰 입자는 중력의 영향으로 수직 하강하게 되고, 이때 제1 가속관(220I)과 수직으로 단차진 제3 가속관(220III)에서 반시계 방향으로 회전하며 분사되는 원료입자와 충돌하게 된다. 이 과정에서 서로 회전방향이 상이하여 충돌 횟수 및 충돌 강도가 배가되며 분쇄 효율이 상승하게 된다. 유사하게 제3 가속관(220III)의 기류와 함께 반시계 방향으로 회전하는 원료입자 중에서 중량이 큰 입자는 중력의 영향으로 수직 하강하게 되고, 이때 제3 가속관(220III)과 수직 단차진 제2 가속관(220II)에서 시계방향으로 회전하며 분사되는 원료입자와 충돌하게 된다. 이 과정에서 회전방향이 서로 상이하여 충돌 강도가 배가되며 분쇄 효율 이 상승하게 된다.

도 1을 참조하면, 분쇄기(200)에서 분쇄된 원료 미분은 포집 이송관(250)을 통하여 포집기(300)로 이송된다. 상기 포집기(300)는 그 상부를 덮어 이물질의 유입을 차단하는 상단 커버(310)와, 포집기(300)의 하부를 구성하며 깔때기 형상을 갖는 취합부(350), 상기 취합된 원료입자들을 외부로 배출시키는 배출구(351)를 포함한다. 상기 상단 커버(310)에는 분쇄기(200)에서 이송된 원료 미분들의 입자 크기를 제한하는 적정의 필터가 마련될 수 있으며, 분쇄기(200)에 대해 음 압력을 발생하여 원료 미분을 흡입하기 위한 흡입 펌프가 마련될 수도 있다. 상기 배출구(351) 밑에는 적정의 포장재(P)가 놓여질 수 있고, 배출구(351)를 통해 나오는 원료입자들을 포장재(P) 내에 투입하고 일정 단위로 포장할 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시 형태를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 형태가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다.

도 1에는 원료 분쇄장치의 전체적인 구성이 도시되어 있다.

도 2는 도 1에 도시된 분쇄기를 확대하여 도시한 사시도이다.

도 3은 분쇄실 내부를 모식적으로 도시한 도면으로, 수평방향으로 절개하여 도시한 도면이다.

도 4는 분쇄실 내에서 발생되는 유동흐름을 보여주는 도면이다.

도 5에는 가속관을 길이방향으로 절개한 단면도가 도시되어 있다.

도 6에는 가속관을 단부에서 바라본 평면도가 도시되어 있다.

도 7 및 도 8에는 각각 가속관의 분사부와 대경부를 도시한 사시도가 도시되어 있다.

도 9에는 나선형 그루브의 다양한 단면 형상들이 도시되어 있다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

110 : 압축기 120 : 고압탱크

130 : 냉각기 135 : 기체 이송관

150 : 원료 공급기 151 : 호퍼

153 : 스크루 155 : 원료 이송관

200 : 분쇄기 210 ; 도입관

215 : 연결관 220 : 가속관

220I, 220II, 220III, 220IV: 제1 내지 제4 가속관

221 : 가속관의 분사부 225 : 가속관의 대경부

240 : 분쇄실 250 : 포집 이송관

300 : 포집기 310 : 상부 커버

350 : 취합부 351 : 배출구

g, g1, g2, g3, g4 : 나선형 그루브 S : 분쇄공간

T : 가속관의 목 부분

Claims (5)

1. 분쇄대상이 되는 원료를 투입해주는 원료 공급기와, 투입된 원료입자들을 분쇄하는 분쇄기와, 분쇄된 원료들을 포집하는 포집기를 포함하는 원료 분쇄장치로서,

   상기 분쇄기는,

   수직방향으로 연장되고 원형의 수평단면을 갖는 분쇄공간; 및

   상기 분쇄공간의 수평단면 상에서 서로 마주하게 배치된 제1, 제3 가속관의 쌍과, 제2, 제4 가속관의 쌍을 포함하고, 각 가속관은 고압기체에 동반된 분쇄대상 원료가 유입되는 일단을 갖는 대경부와, 상기 대경부의 타단으로부터 연장되고 분쇄대상 원료를 상기 분쇄공간으로 분사시켜주는 분사부를 가지며,

   상기 제1 내지 제4 가속관들 각각에는 길이방향을 따라 나선형 그루브가 형성되되, 상기 제1, 제2 가속관에는 일 회전 방향을 따르는 나선형 그루브가 형성되고, 상기 제3, 제4 가속관에는 반대 회전 방향을 따르는 나선형 그루브가 형성되며,

   상기 분쇄공간의 수직방향을 따라 제1 가속관, 제3 가속관, 제2 가속관 및 제4 가속관의 순서대로 서로 다른 높이에 배치되는 것을 특징으로 하는 원료 분쇄장치.
2. 제1항에 있어서,

   쌍을 이루는 상기 제1, 제3 가속관들에는 서로 반대되는 회전방향을 따라 상기 나선형 그루브가 형성되어 있고,

   쌍을 이루는 상기 제2, 제4 가속관들에는 서로 반대되는 회전방향을 따라 상기 나선형 그루브가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 원료 분쇄장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 나선형 그루브는 상기 제1 내지 제4 가속관 각각의 원형 단면 중 대칭적인 위치에서 동일한 회전방향을 따라 나란하게 형성되는 적어도 2열 이상 복 열의 그루브들을 포함하는 것을 특징으로 하는 원료 분쇄장치.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,

   상기 제1 내지 제4 가속관 각각의 분사부 측에는 각 가속관의 전체길이를 통하여 최소 내경을 갖는 목 부분이 형성되고, 상기 목 부분의 상하류 방향으로는 테이퍼진 면을 따라 단면적이 확장되는 것을 특징으로 하는 원료 분쇄장치.

Images