KR101723950B1

KR101723950B1 - 마찰대전장치

Info

Publication number: KR101723950B1
Application number: KR1020160062324A
Authority: KR
Inventors: 김성배; 이재식
Original assignee: 김성배
Priority date: 2016-05-20
Filing date: 2016-05-20
Publication date: 2017-04-06
Also published as: KR20170005754A

Abstract

본 발명은 다양한 재질의 것이 혼합된 플라스틱편을 재질별로 분리하는 데 이용되는 마찰대전장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 (A) 회전수단에 의해 중심축을 중심으로 회전하고, 투입구와 배출구를 포함하며, 상기 중심축이 수평축과 소정 각도(θ)를 이루면서 배치되는 회전하우징; 및 (B) 정지된 상태로 상기 회전하우징의 내부에 회전하우징의 중심축과 동축으로 내장되어 있는 주축;을 포함하고 있어, 상기 회전하우징이 회전함에 따라 플라스틱편이 회전하우징의 내주면과 주축의 외주면 사이 공간에서 교반되면서 마찰대전되어 상기 배출구로 배출되는 것을 특징으로 하는 플라스틱 마찰대전장치에 관한 것이다.

Description

마찰대전장치{Apparatus for frictional electrification}

본 발명은 다양한 재질의 것이 혼합된 플라스틱편을 재질별로 분리하는 데 이용되는 마찰대전장치에 관한 것이다.

지구 부존자원의 한계, 산업규모의 증가 등으로 인해 원료 자원의 가격상승 및 공급부족 현상이라는 경제적 측면과, 폐기물의 소각/매립에 따른 매립지 부족, 생태계 파괴라는 환경적 측면이 부각되면서 이미 사용수명이 다한 폐기물로부터 유효한 자원을 회수하는 재활용 이슈가 부각되고 있다. 특히, 근대화된 도시로부터 발생하는 폐기물은 기하급수적으로 증가하고 있으며, 그 중 자동차 및 전기·전자제품 폐기물이 도시광산의 대상물로써 중요성이 점점 증가하고 있다.

플라스틱은 유한자원인 원유를 원료로 하는 것으로서, 다른 물질에 비해 쉽게 분해 및 변질이 이루어지지 않아, 효율적인 선별기술만 개발된다면 재활용이 가장 용이한 물질에 해당한다. 그러나 재활용 시 다른 종류의 플라스틱이 혼재되어 있으면 물성이 크게 저하되기 때문에 플라스틱의 재질분리는 재활용에 있어서 가장 중요한 문제가 되고 있다. 예컨대, 플라스틱류는 염화비닐계수지(PVC), 폴리에틸렌계수지(PE), 폴리프로필렌계수지(PP), 폴리에틸렌계수지(PS)가 대부분을 차지하며, 회수되는 폐플라스틱도 위의 수지류가 거의를 차지하는 것으로 알려져 있다. 따라서 특히 위의 대표적인 수지를 종류마다 분별하는 것이 필요하다.

여러 종류가 혼재된 폐플라스틱으로부터 종류별로 선별하는 다양한 방법들이 알려져 있는데, 이 중에서도 플라스틱편(=플라스틱 조각)을 마찰대전장치에 공급하여 종류에 따라 서로 다른 강도로 대전(帶電; 정전기 유도)시킨 다음, 후단의 정전분리장치에서 정전기의 강도에 따라 플라스틱편을 분리하는 소위 "정전선별법"이 비용이 저렴하고 단순하여 널리 활용되고 있다. 예를 들면 위에 언급된 대표적인 수지계는 [PS → PE → PP → PVC] 순서로 양극으로 대전되기 쉬운 즉, 음극으로 대전되기 어려운데, 정전선별법은 이러한 대전특성의 차이를 이용한 것이다. 도 1에 마찰대전장치와 정전분리장치의 개념도를 도시하였는데, 이 예에서 드럼은 [-]로 대전되고 드럼 외곽은 [+]로 대전되어 있으므로 마찰대전장치에서 [+]로 대전된 것일수록 좌측의 [분획A] 쪽으로, [-]로 대전된 것일수록 우측의 [분획B] 쪽으로 선별된다. 이때 [분획B] 부분은 두 종류의 수지가 혼합되어 있을 수도 있으므로 필요에 따라서는 이를 다시 마찰대전장치로 순환시킬 수도 있다.

정전선별법에 적용되는 마찰대전장치는 다양한 것들이 알려져 있다.

공개특허 제2001-0033844호는 축심둘레로 회전가능한 눕혀진 원통형상의 교반용기와, 교반용기 내부에 설치된 회전가능한 교반날개와, 교반용기를 회전시키는 회전구동장치가 구비되고, 상기 교반용기의 일단에, 플라스틱편을 투입하는 투입구가 형성되며, 상기 교반용기의 타단에, 대전된 플라스틱편을 배출하는 배출구가 형성되어 있는 마찰대전장치에 관한 것이다. 그러나 이에 의하면 투입된 플라스틱편이 눕혀진 원통형상의 교반용기의 저면에서 단순히 구르면서 마찰되므로 대전에 시간이 많이 소요되는 문제가 있다. 또한 사용 시 교반용기에서 플라스틱편이 쌓이는 저면 이외의 공간은 비어 있는 상태로 있으므로 공간 효율성이 떨어진다.

등록특허 제10-0459996호에는, 가로방향으로 배치되며 상류측에 플라스틱편 공급부가 형성되는 동시에, 하류 측에 플라스틱편 배출부가 형성된 케이싱을 설치하고, 케이싱 내에 회전이 자유롭도록 배치되며 플라스틱편을 교반하여 마찰대전시키는 교반용 스크류를 설치하여 플라스틱편끼리의 마찰접촉을 증가시켜서 대전량을 증가시키는 마찰대전 기술이 소개되어 있다(도 2 참조). 이 기술은 스크류 교반기를 축 중앙에 두어 마찰 대전을 일으키기에 유리하도록 구성되어 있으나, 교반기와 케이싱이 고정결합되어 있어 일정한 크기 범위를 벗어난 플라스틱편을 원료로 할 경우에는 사용이 불가능하거나(플라스틱편이 큰 경우) 효율이 떨어지는(플라스틱편이 작은 경우) 문제가 있다. 또한 교반기와 케이싱이 고정결합되어 있어 플라스틱편의 수지 종류나 비율에 따라 마찰방법을 적절하게 변경할 수 없다.

공개특허 제2001-0033844호 등록특허 제10-0459996호

본 발명은 동일한 규격에 비해 회전마찰효과가 증대되는 새로운 작동방식의 플라스틱 마찰대전장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 투입되는 플라스틱편의 특성에 따라 장치의 특성을 변경시킬 수 있는 교체형 플라스틱 마찰대전장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 (A) 작동 시에 회전수단에 의해 중심축을 중심으로 회전하고, 투입구와 배출구를 포함하며, 상기 중심축이 수평축과 소정 각도(θ)를 이루면서 배치되는 회전하우징; 및 (B) 상기 회전하우징의 내부에 회전하우징의 중심축과 동축이며, 상기 회전하우징의 배출구가 열려진 상태에서 작동하는 경우, 배출구의 하단보다 배출구측 하단이 낮도록 내장되어 있는, 작동 시에도 회전하지 않는 주축;을 포함하며,

상기 회전하우징의 내주면과 상기 주축의 외주면 중 최소한 어느 하나에는 나선형 홈(groove) 또는 돌출스크류가 형성되어 있어서, 상기 회전하우징이 회전함에 따라 플라스틱편이 회전하우징의 내주면과 주축의 외주면 사이에 충진된 상태로 가압교반되어 마찰대전되면서 상기 배출구로 강제 이동되는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면 내주면적이 넓은 회전하우징이 회전하면서 플라스틱편을 마찰대전시키므로 주축이 회전하는 종래 마찰대전장치에 비해 동일한 규격으로도 더 우수한 처리효과를 얻을 수 있게 된다.

또한 본 발명에 의하면 투입되는 원료(플라스틱편)의 특성에 따라 그에 적합한 다양한 형상과 구조, 크기의 주축을 교체할 수 있는 '조합형' 마찰대전장치가 가능하기 때문에 플라스틱편의 효과적인 선별이 가능하게 된다.

도 1은 종래기술에 의한 마찰대전장치 및 정전분리장치의 개념도.
도 2는 종래기술에 의한 마찰대전장치의 측단면도 및 X-X 단면도.
도 3은 본 발명에 의한 마찰대전장치의 일례를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에 의한 마찰대전장치에서 배출구에 개폐부재가 추가된 예를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명에 의한 마찰대전장치의 측단면도 및 X-X' 단면도.
도 6은 본 발명에 의한 마찰대전장치에 탈착식 커버가 장착된 일례를 나타낸 도면.
도 7은 본 발명에 의한 마찰대전장치에서 나선형 홈 또는 돌출스크류가 형성된 예를 나타낸 도면.
도 8은 본 발명에 의한 마찰대전장치에서 회전하우징과 주축의, 중심축 수직 단면 형상의 예를 나타낸 도면.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 예시일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되거나 변경되는 것은 아니다. 이러한 예시에 기초하여 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 당업자에게는 당연할 것이다. 또한 청구범위의 구성요소에 도면부호가 병기되어 있는 경우, 이는 설명 위한 예시적인 것일 뿐 도면부호가 구성요소를 한정하려는 의도가 아님도 명백할 것이다.

본 발명에서 '플라스틱편'은 적당한 크기범위로 분쇄된 플라스틱 조각을, '교반 공간'은 회전하우징(10)의 내주면과 주축(20)의 외주면 사이의 공간을, '각도(θ)'는 회전하우징(10) 또는 주축(20)의 중심축이 수평축과 이루는 각도를 의미한다.

전술하였듯이 본 발명은, 회전하는 회전하우징(10)과 회전하지 않는 주축(20)을 포함하는 플라스틱 마찰대전장치에 관한 것이다. 회전하우징(10)은 회전수단에 의해 중심축을 중심으로 회전하는 것으로, 투입구(11)와 배출구(12)를 포함하며, 중심축이 수평축과 소정 각도(θ)를 이루면서 배치된다. 주축(20)은 회전하지 않도록 고정된 상태로 상기 회전하우징(10) 내부에 회전하우징(10)의 중심축과 동축으로 내장되어 있다. 본 발명에서 주축(20)은 교체가 가능하도록 할 수 있는데, 이에 대한 자세한 설명은 뒤에서 언급하기로 한다.

회전하우징(10)의 형태는 긴 통이면서 양 말단에 각각 투입구(11)와 배출구(12)가 있는 형태인 것이 바람직하다. 이때 투입구(11)는 회전하우징(10)의 중심축에 수직인 단면 전체가 개방된 형태일 수 있다. 만약 회전하우징(10)의 중심축이 수평하거나 기울어진 각도(θ)가 작으면 투입구(11)로 투입된 플라스틱편이 투입구(11)를 역행하여 밖으로 흘러나올 수 있는데, 이 경우에는 투입구(11)의 일부를 막는 별도의 장치(탈착식 커버)를 설치할 수 있다.

투입구(11)에 플라스틱편을 투입할 때는 마찰대전장치의 상부측면에 이격되어 있는 호퍼와, 상기 호퍼와 연결되어 있으면서 말단이 투입구(11)에 삽입된 연결관으로 이루어진 투입장치를 이용하는 것이 좋다(도 3 참조). 이때 연결관은 주축(20)을 교체할 때를 대비하여 탈착 가능한 것이 바람직하다.

배출구(12)는 회전하우징(10)의 중심축에 수직인 단면(즉 '관의 말단') 전체 또는 일부가 개방된 형태일 수 있다. 이때 배출구(12)를 개방된 상태로 두면 투입하는 플라스틱편의 양을 조절함으로서 배출량을 조절해야 하는 번거로움이 있으므로, 이를 해결하기 위해 상기 배출구(12)의 개폐를 조절하는 고정 개폐부재(30)가 추가될 수 있다(도 4의 (a) 참조). 여기서 개폐부재(30)가 고정되어 있다는 것은 회전하우징(10)은 회전하지만 개폐부재(30)는 회전하지 않는다는 것을 의미한다. 개폐부재(30)의 작동 방식은 유압실린더 등과 같은 작동수단(도시 생략)에 의해 개폐부재(30)가 배출구(12) 상부(또는 하부)로 슬라이딩되는 방식(도 4의 (b))일 수도 있고, 힌지결합된 개폐부재(30)가 회전운동하는 방식(도 4의 (c))일 수도 있다. 개폐부재(30)가 추가되면 개폐부재(30)의 열림정도(슬라이딩방식인 경우)나 개폐부재(30)에 부하되는 압력(힌지방식인 경우), 회전하우징(10)의 회전수에 의해 플라스틱편의 마찰대전정도와 배출량이 제어될 수 있다.

주축(20)은, 그 직경 및 길이가 회전하우징(10)의 내주 직경 및 길이보다 작으면서 회전하우징(10)의 중심축과 평행하게 장착되는 관 또는 봉 형태인 것이 바람직하다. 상기 회전하우징의 배출구가 열려진 상태에서 작동하는 경우, 투입구의 하단보다 배출구측 주축(20)의 하단이 낮게 되어 있다. 즉, 전체적으로 투입구 높이보다 배출구 높이가 낮게 되어 있다. 도 3에는 상기 회전하우징(10) 및 주축(20), 호퍼와 연결관으로 이루어진 투입장치의 일례가 도시되어 있는데, 회전수단과 같이 마찰대전장치의 작동에 필요한 나머지 구성요소들은 도면에서 생략되었다.

한편, 마찰대전 효과를 극대화하고 투입된 플라스틱편을 강제로 이동시키기 위해서 회전하우징(10)의 내주면과 상기 주축(20)의 외주면 중 최소한 어느 하나에는 나선형 홈(groove) 또는 돌출스크류가 형성되어 있다. 이 경우 투입되는 플라스틱편이 홈이나 돌출스크류(의 회전)에 의해 후단으로 강제 이동되므로 회전하우징(10)의 중심축이 수평으로 배치되어도 큰 문제가 없다. 도 7에는 (a) 회전하우징(10)의 내주면에 나선형 홈이 형성된 경우, (b) 주축(20)의 외주면에 나선형 홈이 형성된 경우, (c) 회전하우징(10)의 내주면에 돌출스크류가 형성된 경우, (d) 주축(20)의 외주면에 돌출스크류가 형성된 경우가 도시되어 있다.

본 발명에 의한 마찰대전장치를 이용한 플라스틱편의 선별 과정은 다음과 같이 이루어질 수 있다. 먼저 플라스틱편이 투입구(11)에 투입되면, 회전하우징(10)이 회전함에 따라 플라스틱편이 회전하우징(10)의 내주면과 주축(20)의 외주면 사이 공간(교반 공간)에서 교반된다. 이로 인해 플라스틱편의 입자간의 충돌이 발생하고 회전하우징(10)의 내주면 및 주축(20)의 외주면과도 충돌이 발생하여 마찰대전이 이루어진다. 이와 동시에 플라스틱편은 투입구(11)에서 배출구(12) 쪽으로 이동하게 되고 최종적으로 배출구(12)로 배출된다.

플라스틱편 입자간의 충돌, 회전하우징(10)의 내주면 및 주축(20)의 외주면과의 충돌로 발생하는 마찰은 전단력(Shear force)에 비례하는데, 이때 전단력(Fz)은 다음 식에 의해 표현될 수 있다.

여기서 R은 회전하우징(10)의 중심축에 수직인 내주단면의 직경, ΔP는 플라스틱 입자가 밀려서 이동하는 압력, k는 주축(20)의 중심축에 수직인 외주단면의 직경 Ri와 R의 비(

)이다(도 5 참조). 이 식에 의하면 k값이 작을수록, ΔP값이 클수록 전단력이 커질 수 있으며, 이에 따라 마찰대전 효과도 증가될 수 있다.

한편, 회전하우징(10)이 배치될 때 중심축이 수평축과 이루는 각도(θ)는 0~90°일 수 있다. 즉, 회전하우징(10)은 수평으로 배치될 수도 있고(θ=0°), 투입구(11)가 위를 향하도록 기울어져 배치될 수도 있으며,(0°<θ<90°), 수평축에 수직하여 배치될 수도 있다(θ=90°). 이때 회전하우징(10)이 대략 20° 이하의 각도로 기울어져 배치될 경우, 앞서 언급했듯이 플라스틱편이 투입될 때 투입구(11)를 역행하여 밖으로 흘러나올 수 있다. 따라서 이를 방지하기 위한 별도의 장치가 필요하다. 이러한 장치의 일례로, 도 6에 도시된 것과 같이 투입구(11)의 하부를 덮는, 회전하지 않는 탈착식 커버를 장착할 수 있다.

회전하우징(10)과 주축(20)의, 중심축에 수직인 단면 형상은 원형 또는 사각형 이상의 다각형 형상 등 다양하게 선택할 수 있는데, 어떠한 형상을 선택하느냐에 따라 마찰대전 효과가 달라질 수 있다. 그 일례로 도 8의 (a)에 도시된 것과 같이 중심축 수직 단면이 회전하우징(10)과 주축(20) 모두 원형인 경우, 도 8의 (b), (c)에 도시된 것과 같이 중심축 수직 단면이 회전하우징(10)은 다각형이고 주축(20)은 원형인 경우 또는 그 반대인 경우, 도 8의 (d)에 도시된 것과 같이 중심축 수직 단면이 회전하우징(10)과 주축(20) 모두 다각형인 경우가 있다. 이때 도 8의 (b), (c), (d)의 경우에는 회전하우징(10)이 회전하면 교반 공간의 간격이 반복적으로 좁아졌다 넓어지고 플라스틱 조각이 다각형의 각부에서 저항을 받게 되며, 이에 따라 플라스틱편이 대류되어 마찰대전 효과가 커질 수 있다.

한편, 회전이 가능하지만 고정되어 있는 회전하우징(10)과는 달리, 상기 주축(20)은 본 발명에 의한 마찰대전장치가 작동할 때 회전하지 않도록 정지된 상태로 고정되어 있지만 교체가 가능하다. 주축(20)의 중심축 수직 단면의 형상 및 크기, 나선형 홈 또는 돌출스크류가 있을 경우에는 나선형 홈 또는 돌출스크류의 형상, 구조, 크기, 피치의 간격 등이 다른 복수개의 주축(20)을 준비하여 필요에 따라 교체할 수 있다. 이렇게 함으로써, 처리될 플라스틱편의 특성에 따라 교반 공간의 크기 및 나선형 홈 또는 돌출스크류의 형상 등을 해당 플라스틱이 가장 효과적인 것으로 선택하여 교체함으로써 마찰대전이 효율적으로 이루어지도록 할 수 있다. 앞서 투입구(11) 설명에서도 언급했듯이, 주축(20)을 교체할 때는 회전하우징(10)의 투입구(11)에 별도의 구성요소가 연결되어 있지 않아야 교체가 용이하므로 호퍼 및 연결관으로 이루어진 투입장치는 탈착 가능한 것이 바람직하다.

한편, 본 발명에 의한 마찰대전장치로 선별할 수 있는 폐플라스틱편은 ABS계 폐플라스틱편, PET계 폐플라스틱편, PVC계 폐플라스틱편, PP계 폐플라스틱편, PC계 폐플라스틱편, PE계 폐플라스틱편, 나일론계 폐플라스틱편, PBT계 폐플라스틱편, PS계 폐플라스틱편, 아세탈계 폐플라스틱편, 이미드계 폐플라스틱편, PMMA계 폐플라스틱편, 스티렌계 부타디엔계 공중합 폐플라스틱편, PLA계 폐플라스틱편, EVA계 폐플라스틱편, 또는 이들 중 적어도 하나 이상이 포함된 혼합 폐플라스틱편일 수 있다.

10. 회전하우징 11. 투입구 12. 배출구
20. 주축 30. 개폐부재

Claims

(A) 작동 시에 회전수단에 의해 중심축을 중심으로 회전하고, 상기 중심축이 수평축과 소정 각도(θ)를 이루며, 투입구와 상기 투입구보다 아래에 형성된 배출구를 포함하고 있는 회전하우징; 및
(B) 상기 회전하우징의 내부에 회전하우징의 중심축과 동축이며, 작동 시에도 회전하지 않는 주축;을 포함하며,
상기 회전하우징의 내주면과 상기 주축의 외주면 중 최소한 어느 하나에는 나선형 홈(groove) 또는 돌출스크류가 형성되어 있어서, 상기 회전하우징이 회전함에 따라 플라스틱편이 회전하우징의 내주면과 주축의 외주면 사이에 충진된 상태로 가압교반되어 마찰대전되면서 상기 배출구로 강제 이동되는 것을 특징으로 하는 플라스틱 마찰대전장치.
제 1 항에 있어서,
상기 회전하우징의 투입구의 하부를 덮는, 회전하지 않는 탈착식 커버가 추가되는 것을 특징으로 하는 플라스틱 마찰대전장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 회전하우징 내면의 중심축에 수직인 단면 또는 상기 주축 외면의 중심축에 수직인 단면은,
원형 또는 사각형 이상의 다각형 형상인 것을 특징으로 하는 플라스틱 마찰대전장치.
제 3 항에 있어서,
상기 회전하우징 내면의 중심축에 수직인 단면 또는 상기 주축 외면의 중심축에 수직인 단면은
어느 하나는 원형이고 다른 하나는 사각형 이상의 다각형 형상인 것을 특징으로 하는 플라스틱 마찰대전장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 주축은 처리되는 플라스틱편의 특성에 따라 나선형 홈 또는 돌출스크류의 형상, 구조, 크기, 피치의 간격이 다른 구조의 것으로 교체가능한 것을 특징으로 하는 플라스틱 마찰대전장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 회전하우징의 배출구에는, 상기 배출구의 개폐를 조절하는 고정 개폐부재가 추가되는 것을 특징으로 하는 플라스틱 마찰대전장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 플라스틱편은 ABS계 폐플라스틱편, PET계 폐플라스틱편, PVC계 폐플라스틱편, PP계 폐플라스틱편, PC계 폐플라스틱편, PE계 폐플라스틱편, 나일론계 폐플라스틱편, PBT계 폐플라스틱편, PS계 폐플라스틱편, 아세탈계 폐플라스틱편, 이미드계 폐플라스틱편, PMMA계 폐플라스틱편, 스티렌계 부타디엔계 공중합 폐플라스틱편, PLA계 폐플라스틱편, EVA계 폐플라스틱편, 또는 이들 중 적어도 하나 이상이 포함된 혼합 폐플라스틱편인 것을 특징으로 하는 플라스틱 마찰대전장치.