KR101092504B1 - 극소량의 분체 이송을 위한 스크류 보조식 로터리 피더 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기존의 로터리 피더와는 달리 분체가 나사산이 형성된 보조 스크류에 의해 충전되는 방식으로, 나노 및 마이크로미터 크기의 분체 극소량을 장시간동안 이송 가능하다. 로터의 회전속도를 조절함으로써 분체 이송 농도 제어가 가능하고, 시간에 따른 변동 없이 균일하게 분체의 이송이 가능하다. 또한 높은 표면활성과 친수성을 가지는 분체들이 응집되거나 호퍼의 벽면에 달라붙는 것을 방지하였고, 적은 양의 이송기체로 분체의 이송이 가능하다. 본 발명을 통해 기존에는 다량의 희석을 통해 만들어 내었던 낮은 수농도의 에어로졸 상 입자를 제어하는데 있어서 효율적이고 안정적인 방법을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.

로터리, 피더, 나노, 분체, 수농도

Description

극소량의 분체 이송을 위한 스크류 보조식 로터리 피더{Screw-Assisted Rotary Feeder for Transporting Ultra Small Quantity of Powder}

본 발명은 나노 및 마이크로미터의 크기를 가지는 극소량의 분체를 일정 시간동안 안정적으로 이송시키기 위한 스크류 보조식 로터리 피더 장치에 대한 내용을 기술하고 있다.

시간에 따라서 일정한 양의 분체들을 원하는 장소로 이송시키는 장치는 발전 분야에서의 탈황 시설이나 의약품 분야, 식품, 직물 분야 관련 설비 등에서 필수불가결한 장치로써 현재 부피 측정을 이용하는 방식의 스크류 피더, 로터리 피더와 질량 측정을 이용하는 벨트 피더, 진동 피더 등이 사용되고 있다. 장치 구성의 간결함, 분체의 이송량, 분체 이송의 용이함, 유지·보수, 장치 제작비, 이송기체의 사용량 등은 피더의 성능을 결정짓는 요소가 된다. 이 중, 로터리 피더는 간단한 장치 구성과 나노에서 마이크로미터의 광범위한 크기 분포를 가지는 분체의 이송에 유리한 특성을 지니고 있어 가장 많이 사용되고 있다.

로터리 피더를 이용해서 분체를 이송하는 공정은 적용 분야의 다양성으로 인해 다각적으로 연구가 이루어지고 있다. 기존에 이용되고 있는 로터리 피더의 경우 에는 로터의 홈에 충전되는 과정에서 분체들이 로터리 피더의 바디와 로터의 접촉으로 인하여 잘리는 커팅 현상이 발생하여 분진을 발생시킴으로써 제품의 품질을 저하시키는 요인으로 작용하였고, 분체가 로터의 홈에 충전될 때 피더의 바디와 로터 사이의 틈새에 끼는 트립 현상이 발생하여 회전하고 있는 로터의 회전축에 과부하가 걸려 장치가 고장이 나는 등의 문제점을 가지고 있었다. 국내 특허(등록 번호 20-0442092, 논커팅 타입 로터리 피더)의 경우 대량의 분체 이송을 목적으로 구성되어 있으며, 로터리 피더의 바디 상단부에 원추형상의 투입구를 분체가 양분되도록 구성하여 이러한 트립 현상이나 커팅 현상을 해결하는 방법에 대해서 기술하고 있다. 이 때 분체들은 중력에 의해 자동적으로 로터의 홈에 충전되게 된다.

M. Y. Gundogdu (Design Improvements on Rotary Valve Particle Feeders Used for Obtaining Suspended Airflows, Powder Technology, 2004, 76-80)과 M. Hartman et al. (Unsteady-State Retention of Sulfur Dioxide in a Fluidized Bed with Continual Feeding of Lime and Limestone, Ind. Eng. Chem. Res., 1991, 1855-1864), P. C. Reist et al. (Development and Operation of an Improved Turntable Dust Feeder, Powder Technology, 2000, 36-42) 등은 이송 기체의 역류로 인해 분체들이 로터의 홈에 정상적으로 채워지지 못하는 문제를 해결하기 위해 호퍼의 상단에 캡을 장착하여 이송 기체가 역류하는 것을 방지하였다. 또한 커다란 유량의 이송기체를 분사하여 배출되는 구역을 강제적으로 진공으로 만들어 흡입에 의해 분체가 이송되도록 하였다.

그러나 이와 같은 특허 및 문헌상에서 제시하고 있는 방법들은 기본적으로 호퍼에 담겨있는 분체들이 로터의 홈에 충전될 때 중력에 의해서 자동적으로 채워지는 방식을 사용하고 있다. 이러한 방법은 다량의 분체들을 이송하는 시스템에는 적용 가능하지만 로터홈의 크기가 작아지는 소량의 분체 이송 시스템에서는 중력에 의해 로터의 홈에 시료가 채워지는 것이 불가능하다는 한계를 지니게 된다. 또한 높은 회전 속도가 유지되지 못하면 분체의 균일한 이송이 이루어지지 못하게 된다. 이에 따라 추가적인 장치가 요구되게 된다.

이송되는 분체의 입자가 미세해지면 단위질량당 입자수가 증가하게 되고 표면 열량이 증가하여 입자간의 응집을 야기하는 원인이 된다. 또한 친수성을 가지는 분체의 경우에는 분체들이 호퍼의 벽면이나 내부에 존재하는 수분을 흡수하여 입자간의 응집이 발생하게 된다. 이에 따라 분체들이 호퍼에서 원활하게 하강하지 못하고 입자들끼리 서로 응집하여 벽면에 달라붙게 되는 등의 문제점이 발생하게 된다.

기존의 로터리 피더와 그 외의 피더들은 커다란 유량의 이송기체를 분사하여 분체가 배출되는 영역을 진공으로 만들고 이에 따라 흡입에 의해서 분체가 이송되는 방식을 사용하고 있다. 이로 인해 시간에 따라 일정한 양의 분체가 운송되지 못하게 되고 큰 유량이 공급되어야 한다는 한계를 지녀 문제점으로 작용하고 있다.

본 발명의 목적은 로터의 회전 속도를 조절하여 능동적으로 분체의 이송 특성을 조절할 수 있고 장시간 동안 소량의 분체를 이송가능하도록 하는 본 발명에 따른 극소량의 분체 이송을 위한 스크류 보조식 로터리 피더를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적은 분체가 수용되는 호퍼와; 상부는 상기 호퍼에 수용된 분체를 교반하고, 하부는 하강기류를 발생시켜 분체를 호퍼로부터 강제 배출하는 교반기와; 상기 교반기의 하부측과 연통되는 연통부와, 상기 연통부의 내부에 구비되어 회전되며 외측은 상기 교반기로부터 배출되는 분체를 수용하도록 정량홈을 다수개 형성하여 구성되는 로터로 구성되는 정량공급부와; 상기 정량공급부의 연통부의 하부측과 연통되어 정량홈에 수용된 분체의 유동로인 배출구와; 상기 배출구의 일측과 연결되고 상기 로터에 에어를 분사하는 에어분사기;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 극소량의 분체 이송을 위한 스크류 보조식 로터리 피더에 의해 달성된다.

본 발명은 기존의 로터리 피더에 비해서 극소량의 분체를 장시간동안 균일하게 이송 가능하며, 로터의 회전 속도를 변화시킴으로써 이송되는 분체의 능동적인 농도 조절 제어가 가능하게 된다. 이로부터 기존에는 다량의 희석을 통해 만들어 내었던 낮은 수농도의 에어로졸 상 입자를 제어하는데 있어서 효율적이고 안정적인 방법을 제시할 수 있으며, 입자의 스캐닝/모니터링 기술에 대한 다양한 응용 방법을 제시할 수 있다.

또한 혼합봉과 히터로 인해 높은 표면활성을 가지는 나노미터의 작은 크기의 분체이거나 수분을 흡수하는 친수성을 가지는 분체가 서로 응집되어 호퍼의 벽면에 달라붙는 현상을 방지할 수 있다. 이를 통해 이송 가능한 분체의 종류에 대한 제약을 줄일 수 있다.

커팅 현상 등을 명확하게 해소함과 동시에 극소량의 분체를 항시 일정하게 오랜 시간동안 이송 시킬 수 있기 때문에 기대되는 효과는 매우 광범위하다. 즉, 시간에 따라서 일정한 양의 분체들을 원하는 장소로 이송시키는 방법은 발전 분야에서 탈황 시설에서의 흡착제 입자 분사 공정이나 의약품 분야와 식품, 직물 분야에서의 정량화 공정에서 다방면으로 사용하고 있는 기술로써 본 발명은 이에 대한 활용과 적용의 폭이 넓다고 할 수 있다.

본 발명에 따른 극소량의 분체 이송을 위한 스크류 보조식 로터리 피더는 시간에 따라 일정하게 극소량의 분체 이송을 하기 위해 기존의 중력에 의해 로터의 홈에 분체가 충전되는 방식 대신에 호퍼(10) 내부에 설치된 회전봉(31)의 끝단에 나사산이 형성된 스크류(33)를 설치하여 분체가 로터(40)의 정량홈(41)으로 강제적으로 충전되는 구조인 것이 1특징이고, 표면활성에 의해서 분체들이 서로 응집하거나 호퍼(10)의 벽면에 달라붙는 현상을 방지하기 위해서 호퍼(10) 내부에 혼합봉(32)을 설치하여 계속적으로 분체들을 교반시켜주는 것이 2특징이며, 친수성을 가지는 분체들이 서로 응집하여 호퍼(10)에서 원활하게 하강하지 못하는 것을 방지하기 위해 호퍼(10)의 외부를 히터(20)로 감싸 호퍼(10)의 벽면과 내부에 존재하는 수분을 제거하여 분체들과의 결합을 차단한 것이 3특징이고, 기존의 대량의 이송기체를 분사하여 진공상태를 만들어 흡입에 의해서 분체들이 이송되는 방법 대신 소량의 이송기체를 로터(40)의 정량홈(41)에 직접적으로 분사하여 적은 양의 이송기체로 분체들이 이송되도록 한 것이 4특징이다.

이하, 본 발명의 양호한 실시예를 도시한 첨부도면들과 관련하여 상세히 설명한다.

본 발명은 분체가 수용되는 호퍼(10)와, 상부는 상기 호퍼(10)에 수용된 분체를 교반하고, 하부는 하강기류를 발생시켜 분체를 호퍼(10)로부터 강제 배출하는 교반기와, 상기 호퍼(10)로부터 배출되는 분체의 유동로인 배출구(50)를 포함하여 구성될 수 있으나,

바람직하게는 분체가 수용되는 호퍼(10)와, 상부는 상기 호퍼(10)에 수용된 분체를 교반하고, 하부는 하강기류를 발생시켜 분체를 호퍼(10)로부터 강제 배출하는 교반기와, 상기 교반기의 하부측과 연통되는 연통부(43)와, 상기 연통부(43)의 내부에 구비되어 회전되며 외측은 상기 교반기로부터 배출되는 분체를 수용하도록 정량홈(41)을 다수개 형성하여 구성되는 로터(40)로 구성되는 정량공급부와, 상기 정량공급부의 연통부(43)의 하부측과 연통되어 정량홈(41)에 수용된 분체의 유동로인 배출구(50)를 포함하여 구성된다.

그리고 표면활성에 의해서 상기 호퍼(10)에 수용된 분체가 서로 응집되거나, 호퍼(10)의 내벽에 고착되는 것을 방지하기 위하여 호퍼(10)의 외측에 도 1 및 도 2와 같이 히터(20)를 구비하는 것이 바람직하고,

상기 교반기는 모터(101)에 의해 회전되는 회전봉(31)과, 상기 회전봉(31)의 끝단에 구비되어 회전봉(31)의 하방향으로 하강기류를 발생시키는 나사산이 형성된 스크류(33)로 구성될 수 있으나, 바람직하게는 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이 모터(101)에 의해 회전되는 회전봉(31)과, 상기 회전봉(31)으로부터 수직으로 연장되는 다수개의 혼합봉(32)과, 상기 회전봉(31)의 끝단에 구비되어 회전봉(31)의 하방향으로 하강기류를 발생시키는 나사산이 형성된 스크류(33)로 구성된다.

또한, 상기 호퍼(10)의 하부측은 끝단이 개방된 역 원뿔형으로 형성되는 것이 바람직하고, 상기 배출구(50)는 로터(40)가 구비되지 않은 구성에서는 도 2와 같이 분체의 이동방향으로 에어를 분사하도록, 또는 도 1과 같이 로터(40)가 구비된 구성에서는 로터(40)에 에어를 분사하도록 에어분사기(60)를 구비하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 에어분사기(60)는 로터(40)의 회전으로 정량홈(41)이 배출구(50)에 위치될 때 정량홈(41)에 직접 분사하여 정량홈(41)에 수용된 분체를 말끔히 배출구(50)측으로 이동되게 하는 것이 바람직하다.

한편, 도 3은 12개의 정량홈(41)을 갖는 로터(40)를 3 rpm으로 회전시키고 이송기체가 일정하게 로터(40)의 정량홈(41)에 투입되고 있을 때, 회전봉(31)과 혼 합봉(32)과 회전봉(31) 끝단의 스크류(33)의 작동 여부에 따른 로터리 피더의 분체 이송 특성을 50분 동안 측정한 결과를 나타낸 것이다. 측정은 시간에 따른 수농도 관점에서 이루어졌고, 도면에서 확인하는 바와 같이 회전봉(31)과 혼합봉(32)과 스크류(33)가 작동하지 않고 있을 때는 시간에 따라서 불안한 이송 특성을 보이지만 회전봉(31)과 혼합봉(32)과 스크류(33)를 작동시키면 일정한 양의 분체이송 특성을 보인다.

도 4는 4개의 정량홈(41)을 가지고 있는 로터(40)가 회전봉(31)과 혼합봉(32)과 스크류(33)가 일정한 속도로 작동하고 일정한 양의 이송기체를 투입시킬 때, 로터(40)의 회전속도 변화에 따른 분체의 이송 특성을 나타낸 것이다. 도면에서 보는 바와 같이 동일한 조건에 대해서 로터(40)의 회전 속도를 변화시킴에 따라서 분체의 이송 특성을 능동적으로 조절 가능하다.

도 5는 회전봉(31)과 혼합봉(32)과 스크류(33)가 일정한 속도로 작동하고 있을 때, 동일한 로터(40) 회전속도, 동일한 이송기체량에 대해 정량홈(41)의 개수가 변화하였을 때의 분체 이송 특성을 보여준 것이다. 로터(40)로의 분체 충전이 중력에 의해 이루어지지 않고 스크류(33)에 의해 이루어지기 때문에 로터(40)의 정량홈(41)의 개수가 변화해도 균일성에서의 차이만을 보일뿐, 분체 이송량에서는 차이가 없음을 알 수 있다.

도 6과 도 7은 나노 및 마이크로미터 사이즈를 가지는 분체에 대해서 로터(40)의 정량홈(41)의 개수와 이송기체량이 동일할 때, 로터(40)의 회전속도에 따라 배출되는 분체의 사이즈 분포 특성을 나타낸 것이다. 로터(40)의 회전속도가 변 화함에 따라서 배출되는 분체의 사이즈 분포가 변하지 않는 것을 볼 수 있는데, 이로부터 분체가 호퍼(10)에서 로터(40)의 정량홈(41)에 충전될 때 로터리 피더의 바디와 로터(40)의 접촉으로 인해 분체가 잘리는 커팅 현상 등의 발생 없이 안정적으로 분체의 이송이 가능하다는 것을 알 수 있다.

이상 본 발명이 양호한 실시예와 관련하여 설명되었으나, 본 발명의 기술 분야에 속하는 자들은 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에 다양한 변경 및 수정을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 진정한 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 극소량의 분체 이송을 위한 스크류 보조식 로터리 피더의 정단면도(A) 및 측단면도(B),

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 극소량의 분체 이송을 위한 스크류 보조식 로터리 피더의 정단면도(A) 및 측단면도(B),

도 3은 본 발명에 따른 로터의 일정 회전속도, 이송기체량에 대해서 혼합봉과 스크류의 작동 여부에 따른 분체 이송 특성을 나타낸 그래프,

도 4는 본 발명의 로터의 일정 이송기체량과 혼합봉과 스크류의 작동에 대해서 회전속도에 따른 분체 이송 특성을 나타낸 그래프,

도 5는 본 발명의 로터의 일정 이송기체량, 회전속도에 대해서 로터의 홈의 개수에 따른 분체 이송 특성을 나타낸 그래프,

도 6은 본 발명의 마이크로미터 사이즈를 가지는 분체에 대해서 로터 홈의 개수와 이송기체량이 동일할 때, 로터의 회전속도에 따라 배출되는 분체의 사이즈 분포 특성을 나타낸 그래프,

도 7은 본 발명의 나노미터 사이즈를 가지는 분체에 대해서 로터 홈의 개수와 이송기체량이 동일할 때, 로터의 회전속도에 따라 배출되는 분체의 사이즈 분포 특성을 나타낸 그래프.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10: 호퍼 20: 히터

31: 회전봉 32: 혼합봉

33: 스크류 40: 로터

41: 정량홈 42: 회전축

50: 배출구 60: 에어분사기

101: 모터 102: 하우징

103: 실링부

Claims (9)

1. 분체가 수용되는 호퍼(10)와;

   상부는 상기 호퍼(10)에 수용된 분체를 교반하고, 하부는 하강기류를 발생시켜 분체를 호퍼(10)로부터 강제 배출하는 교반기와;

   상기 교반기의 하부측과 연통되는 연통부(43)와, 상기 연통부(43)의 내부에 구비되어 회전되며 외측은 상기 교반기로부터 배출되는 분체를 수용하도록 정량홈(41)을 다수개 형성하여 구성되는 로터(40)로 구성되는 정량공급부와;

   상기 정량공급부의 연통부(43)의 하부측과 연통되어 정량홈(41)에 수용된 분체의 유동로인 배출구(50);를 포함하며,

   상기 호퍼(10)에 수용된 분체가 서로 응집되거나, 호퍼(10)의 내벽에 고착되는 것을 방지하기 위하여 호퍼(10)의 외측에 히터(20)를 구비하고,

   상기 교반기는 모터(101)에 의해 회전되는 회전봉(31)과, 상기 회전봉(31)으로부터 수직으로 연장되는 다수개의 혼합봉(32)과, 상기 회전봉(31)의 끝단에 구비되어 회전봉(31)의 하방향으로 하강기류를 발생시키는 나사산이 형성된 스크류(33)로 구성되고,

   상기 호퍼(10)의 하부측은 끝단이 개방된 역 원뿔형으로 형성되고,

   상기 배출구(50)는 로터(40)에 에어를 분사하는 에어분사기(60)를 더 구비하되,

   상기 에어분사기(60)는 로터(40)의 회전으로 정량홈(41)이 배출구(50)에 위치될 때 정량홈(41)에 직접 분사하는 것을 특징으로 하는 극소량의 분체 이송을 위한 스크류 보조식 로터리 피더.
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