KR101863880B1 - 초임계 이산화탄소 염색기의 빔구조 - Google Patents

Abstract

초임계 이산화탄소 염색기의 빔구조에 관한 것으로,
외부원통의 내부에 삽입 설치되고, 초임계 이산화탄소에 의해 염료가 용해되는 혼합조와 접속되어 염료가 혼합된 초임계 이산화탄소가 유입되는 내부원통; 상기 내부원통에서 분사된 염료가 혼합된 초임계 이산화탄소를 직물쪽으로 분사하는 외부원통;을 포함하는 기술 구성을 통하여 외부원통의 외부 둘레에 권취되는 직물의 전체 부위를 균일하게 염색할 수 있게 되는 것이다.

Description

초임계 이산화탄소 염색기의 빔구조 { BEAM STRUCTURE FOR SUPERCRITICAL CARBON DIOXIDE DYEING MACHINE }

본 발명은 초임계 이산화탄소 염색기의 빔구조에 관한 것으로, 더 자세하게는 염료가 혼합된 초임계 이산화탄소가 내부원통의 제1분사공간으로 분사된 후 내부원통과 외부원통 사이의 제2분사공간으로 분사되도록 하고, 제2분사공간에서 직물로 분사되도록 하는 것에 의해 직물의 표면에서 균일하게 염료가 혼합된 초임계 이산화탄소가 분사되도록 한 것에 관한 것이다.

일반적으로 액체와 기체의 두 상태가 분간할 수 없는 상태의 온도와 증기압을 임계점이라고 하며, 이 임계점을 넘어선 상태, 즉 임계 상태가 되면 기체도 아니고 액체도 아닌 상태의 물질이 되는데, 이를 초임계 유체(Supercritical Fluid)라고 한다.

이 초임계 유체는 일반적인 기체나 액체와는 다른 고유의 특성을 갖게 된다.

초임계 유체는 기체와 액체의 중간 정도의 물성이고, 약간의 압력과 온도의 변화에 따라 물성의 급격한 변화 가능하며, 확산력이 좋고 물질 전달 속도가 큰 등의 물리적 특성을 가진다.

초임계 유체 중에서 초임계 이산화탄소(Supercritical CO₂)는 기체와 유사한 확산성과 점성을 가지는 반면, 액체와 가까운 밀도 특성을 가지기 때문에 최근 들어 다양한 산업공정에 응용되고 있다.

예를 들어 초임계 이산화탄소 염색기의 경우 초임계 이산화탄소의 특성을 적절하게 이용하는 것으로, 염료를 초임계 이산화탄소에 혼합하여 섬유에 침투시키는 새로운 염색방법을 사용하며, 이는 종래 주로 물을 이용하는 수계 염색기와는 다른 염색방법이다.

일반적으로 수계 염색의 경우 염료를 물에 혼합하여 섬유에 침투시키는 방법으로, 물과 같은 액체는 확산성이 우수하지 못하여 염색에 상당한 시간이 소요될 뿐만 아니라 염색 후 섬유의 건조과정, 염색과정에서 발생하는 폐수 처리 문제, 그리고 염색한 섬유를 물세탁하는 경우에 장기간 동안 발생하는 염료 탈착 등의 문제가 있다.

수계 염색과 비교할 때에 초임계 이산화탄소 염색의 경우 물을 전혀 사용하지 않고, 초임계 이산화탄소의 열물성적 특성을 이용하여 섬유조직의 내부까지 염료를 침투시킬 수 있는 장점이 있어 염색 견뢰도(Color Fastness)가 우수할 뿐만 아니라 염색공정에서 물을 사용하지 않으므로 건조공정이나 세탁시 발생하는 염료 탈착의 우려가 없다.

하기의 특허문헌 1에는 산업용 초임계 유체염색기가 제시되어 있다.

특허문헌 1의 산업용 초임계 유체염색기는 소수성 섬유를 감을 수 있는 스핀들이 고정되는 염색조수단, 감겨진 섬유에 초임계유체의 흐름을 변환하여 균일하고 신속한 염색이 되게 하는 흐름변환수단, 염료가 투입되는 염료조수단, 초임계 이산화탄소에 용해된 염료와 섬유 간의 접촉빈도를 높이기 위한 초임계 유체 순환용 순환펌프수단, 초임계 유체를 가열하거나 냉각시키는 열교환기수단, 저장탱크에 저장된 이산화탄소를 냉각하여 염색장치에 가압펌프로 공급하는 이산화탄소 공급수단, 염색공정이 종료된 이산화탄소를 감압하고 냉각하여 회수펌프로 저장탱크에 회수하는 이산화탄소 회수수단 등이 고압배관으로 연결된 고압염색수단을 포함한다.

도 1은 본 발명이 관계하는 초임계 이산화탄소 염색기의 구성도이다.

초임계 이산화탄소 염색기(10)는 액체 이산화탄소 저장탱크(11), 이산화탄소 냉각기(12), 고압 이산화탄소 펌프(13), 예비 가열히터(14), 혼합조(15), 염색조(16), 세퍼레이터(17), 기체 이산화탄소 저장조(18) 등을 포함한다.

본 발명이 관계하는 초임계 이산화탄소 염색기(10)에서 액체 이산화탄소 저장탱크(11)로부터 공급되는 액체 이산화탄소는 이산화탄소 냉각기(12)와 고압 이산화탄소 펌프(13)를 통해 예비 가열히터(14)로 공급된다.

예비 가열히터(14)는 액체 상태의 이산화탄소를 가열하여 원하는 운전 온도와 압력의 초임계 이산화탄소를 만들어 혼합조(15)로 공급한다.

혼합조(15)는 초임계 상태의 이산화탄소에 염료를 혼합하여 염색조(16)로 공급한다.

염색조(16)는 원통형 염색챔버 내부에 원통형 염색빔이 마련된 형태이고, 염색대상물인 직물은 염색빔의 외주에 권취된다.

염색빔에는 염료가 용해된 초임계 이산화탄소가 분사되는 다수의 분사구멍이 원주방향 및 축방향으로 마련된다.

염색조(16)에서는 염색빔을 통해 초임계 이산화탄소와 염료의 혼합물을 직물에 공급하고, 이때 초임계 이산화탄소는 염료를 직물 내부로 침투시키게 된다.

염색조(16)에서 사용된 초임계 이산화탄소는 세퍼레이터(17)로 공급되고, 세퍼레이터(17)는 이산화탄소를 증발시켜 과량의 염료와 잔사물을 제거한다.

세퍼레이터(17)에서 분리된 기체 상태의 이산화탄소는 기체 이산화탄소 저장조(18)에 저장되어 재사용된다.

도 1에서 미설명부호 19는 순환펌프이다.

이와 같이 초임계 이산화탄소 염색기(10)는 혼합조(15)에서 초임계 상태의 이산화탄소에 염료를 혼합하여 염색조(16)의 내부 중앙에 설치되는 염색빔에 공급하게 된다.

직물을 염색하는 경우 염색빔의 외부 둘레에 직물을 감은 다음 염색빔에 형성된 다수의 염료 분사구멍을 통해 초임계 이산화탄소에 의해 용해된 염료를 직물에 공급하게 된다.

즉, 염료를 포함하는 초임계 이산화탄소는 염색빔의 입구로 공급되어 다수의 분사구멍을 통해 직물로 유동하게 되고, 그 과정에서 초임계 이산화탄소에 용해된 염료가 섬유로 침투하게 된다.

또한, 염색조로부터 직물을 통하여 염색빔의 내부로 염료를 포함하는 초임계 이산화탄소를 역류시키는 방법을 채택하기도 하지만 이러한 방법은 염색빔으로부터 유동하는 초임계 이산화탄소의 불균일 유동으로 인하여 염료가 특정지역으로 편중되어 유동하는 현상이 발생하여 균염도를 해치는 경우가 많게 된다.

하기의 특허문헌 2에는 빔 염색기 및 이를 이용한 염색방법이 개시되어 있다.

특허문헌 2에는 본 발명이 관계하는 초임계 이산화탄소 염색기의 염색빔과 유사한 염색빔이 개시되어 있다.

도 2는 종래 기술에 따른 초임계 이산화탄소 염색기의 염색빔의 종단면도이다.

도 2와 같이 종래 기술에 따른 초임계 이산화탄소 염색기의 염색빔(200)은 선단부가 개구되고 후단부가 밀폐판(202)으로 밀폐되고, 외주에 길이방향 및 축방향으로 다수의 분사구멍(201)이 마련된 원통 형태의 것이 주로 사용되었다.

종래 기술에 따른 초임계 이산화탄소 염색기의 염색빔(200)은 다수의 분사구멍(201)을 통해 염료가 혼합된 초임계 이산화탄소를 그 외부 둘레에 권취된 직물쪽으로 분사하게 된다.

대한민국 등록특허공보 제10-0570333호 (2006년 04월 05일 등록) 대한민국 등록특허공보 제10-0890268호 (2009년 03월 17일 등록)

그러나 종래 기술에 따른 초임계 이산화탄소 염색기의 염색빔(200)은 도 3과 같이 염료가 혼합된 초임계 이산화탄소가 유입되는 선단쪽에서 후단쪽으로 갈수록 염료가 혼합된 초임계 이산화탄소가 더 많이 분사되고, 그에 따라 염색빔 후단쪽 부위로 갈수록 염색 농도가 더 짙어지게 되어 염색 제품의 품질을 저하시키게 되는 문제가 있었다.

본 발명은 상기 종래 기술에 따른 초임계 이산화탄소 염색기의 염색빔의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적이 염색빔의 외부 둘레에 권취되는 직물의 각 부분에 고르게 염료가 포함된 초임계 이산화탄소를 분사할 수 있도록 하는 것에 의해 직물의 각 부위를 전체적으로 균일하게 염색할 수 있도록 하는 초임계 이산화탄소 염색기의 빔구조을 제공하는 데에 있는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 염색기의 염색빔은 외부원통의 내부에 삽입 설치되고, 초임계 이산화탄소에 의해 염료가 용해되는 혼합조와 접속되어 염료가 혼합된 초임계 이산화탄소가 유입되는 내부원통; 상기 내부원통에서 분사된 염료가 혼합된 초임계 이산화탄소를 직물쪽으로 분사하는 외부원통;을 포함하는 빔구조인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 염색기의 염색빔의 내부원통은 선단부 직경이 크고 후단부 직경이 작은 경사원통의 형태이고, 내부원통의 외주에 원주방향 및 축방향으로 다수의 제1분사구멍이 마련된 빔구조인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 염색기의 염색빔의 내부원통의 선단부는 개방되고, 내부원통의 후단부는 밀폐판을 통해 밀폐된 빔구조인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 염색기의 염색빔의 외부원통의 선단부는 개방되고, 외부원통의 후단부는 밀폐판을 통해 밀폐된 빔구조인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 염색기의 염색빔은 외부원통의 외주에 원주방향 및 축방향으로 다수의 제2분사구멍이 마련된 빔구조인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 염색기의 빔구조에 의하면, 내부원통으로 유입된 초임계 이산화탄소가 외부원통으로 분사되고 외부원통의 초임계 이산화탄소가 다시 직물쪽으로 분사되는 과정에서 초임계 이산화탄소가 외부원통의 각 제2분사구멍으로 균일하게 분사되도록 함으로써 외부원통의 둘레에 권취된 직물의 전체부위에 균일하게 염료가 용해된 초임계 이산화탄소를 분사할 수 있게 된다.

본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 염색기의 빔구조에 의하면, 외부원통의 둘레에 권취된 직물을 균일하게 염색할 수 있게 되어 염색 품질을 향상시킬 수 있게 되고, 초임계 이산화탄소 염색기의 상품성을 향상시킬 수 있게 된다.

도 1은 본 발명이 관계하는 초임계 이산화탄소 염색기의 구성도,
도 2는 종래 기술에 따른 초임계 이산화탄소 염색기의 염색빔의 종단면도,
도 3은 종래 기술에 따른 초임계 이산화탄소 염색기의 염색빔의 길이에 따른 분사구멍에서의 속도를 나태내는 시뮬레이션 그래프,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 염색기의 빔구조의 분해사시도,
도 5는 동 바람직한 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 염색기의 빔구조의 종단면도,
도 6a는 동 바람직한 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 염색기의 빔구조의 내부원통의 길이에 따른 분사구멍에서의 속도를 나태내는 시뮬레이션 그래프,
도 6b는 동 바람직한 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 염색기의 빔구조의 외부원통의 길이에 따른 분사구멍에서의 속도를 나태내는 시뮬레이션 그래프,
도 6c는 동 바람직한 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 염색기의 빔구조의 내부원통이 외부원통내에 결합된 상태의 길이에 따른 분사구멍에서의 속도를 나태내는 시뮬레이션 그래프,
도 6d는 도 6a, 도 6b, 도 6c를 동시에 나타내는 시뮬레이션 그래프.

이하 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 염색기의 빔구조를 첨부된 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

이하에서, "상방", "하방", "전방" 및 "후방" 및 그 외 다른 방향성 용어들은 도면에 도시된 상태를 기준으로 정의한다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 염색기의 빔구조의 분해사시도이고, 도 5는 동 바람직한 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 염색기의 빔구조의 종단면도이다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 염색기의 염색빔(100)는 염색챔버에 내장되는 것으로, 내부원통(110) 및 외부원통(120)을 포함한다.

내부원통(110)은 초임계 이산화탄소에 의해 염료가 용해되는 혼합조와 접속되어 염료가 혼합된 초임계 이산화탄소가 유입되는 부분으로, 외부원통(120)의 내부에 삽입 설치된다.

내부원통(110)은 내부에는 제1분사공간(S1)이 마련되고, 제1분사공간(S1)은 초임계 이산화탄소에 의해 염료가 용해되어 초임계 이산화탄소와 염료가 혼합되는 혼합조와 연결된다.

내부원통(110)은 선단부 직경이 크고 후단부 직경이 작은 경사원통의 형태로, 내부원통(110)의 외주에는 원주방향 및 축방향으로 다수의 제1분사구멍(111)이 마련된다.

내부원통(110)의 선단부는 개방되고, 후단부는 밀폐판(112)을 통해 밀폐된다.

상기에서 내부원통(110)의 선단부는 염료가 혼합된 초임계 이산화탄소가 유입되는 부위를 의미한다.

외부원통(120)은 염색대상물인 직물이 권취되는 부분으로, 외부원통(120)의 외주에는 다수의 제2분사구멍(121)이 원주방향 및 축방향으로 마련된다.

도 4와 도 5와 같이 외부원통(120)의 선단부는 개방되고, 후단부는 밀폐판(122)을 통해 밀폐된다. 외부원통(120)는 선단에서 후단부까지 길이방향 전체가 동일직경을 갖는 것이다.

내부원통(110)의 외주면과 외부원통(120)의 내주면 사이에는 내부원통(110)의 제1분사공간(S1)에서 분사된 초임계 이산화탄소가 유입되는 제2분사공간(S2)이 마련된다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 염색기의 염색빔(100)는 염색조의 염색챔버의 내부에 설치되고, 외부원통(120)의 둘레에는 염색대상물인 직물이 권취된다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 염색기의 염색빔(100)의 내부원통(110)은 연결배관을 통해 초임계 이산화탄소를 통해 염료를 용해하는 혼합조와 연결된다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 염색기의 염색빔(100)은 혼합조에서 혼합된 염료와 초임계 이산화탄소의 혼합물이 내부원통(110)의 제1분사공간(S1)로 유입된다. 즉, 내부원통(110)의 선단부는 초임계 이산화탄소와 염료혼합물이 공급되는 부분과 연통되는 것이다.

상기 제1분사공간(S1)의 염료와 초임계 이산화탄소의 혼합물은 내부원통(110)의 원주방향 및 축방향으로 마련된 다수의 제1분사구멍(111)을 통해 내부원통(110)의 외주면과 외부원통(120)의 내주면 사이에 마련된 제2분사공간(S2)으로 유출된다.

상기 제2분사공간(S2)의 염료와 초임계 이산화탄소의 혼합물은 외부원통(120)에 마련된 제2분사구멍(121)을 통해 외부원통(120)의 외부 둘레에 권취된 직물로 분사된다.

직물에 분사된 염료와 초임계 이산화탄소의 혼합물은 직물을 통과하는 과정에서 분리되어 염료는 직물에 색을 입히게 되고, 초임계 이산화탄소는 염색챔버의 배출구를 통해 회수되어 재사용된다.

이처럼 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 염색조의 염색빔(100)의 빔구조는 외부원통(120)의 외부 둘레에 염색대상물인 직물이 권취된 상태에서 혼합조로부터 염료가 혼합된 초임계 이산화탄소가 내부원통(110) 내부의 제1분사공간(S1)으로 공급되면 염료가 혼합된 초임계 이산화탄소가 내부원통(110)의 제1분사구멍(111)을 통해 내부원통(110)과 외부원통(120) 사이에 마련된 제2분사공간(S2)로 분사되고, 제2분사공간(S2)의 초임계 이산화탄소가 외부원통(120)의 제2분사구멍(121)을 통해 직물 쪽으로 분사되어 직물에 대한 염색이 이루어지게 된다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 염색조의 염색빔(100)의 빔구조에 있어서 후단부 직경이 점차 감소하는 경사원통으로 이루어진 내부원통(110)의 제1분사공간(S1)으로 진입되어 제1분사구멍(111)으로 분사되는 초임계 이산화탄소의 분사속도는 도 6a와 같이 염색빔의 선단부의 분사구멍에서의 분사속도는 높으나 염색빔의 길이방향으로 갈수록 분사속도가 낮아지다가 염색빔의 전체길이의 1/2 지점이후에서는 분사속도가 매우 낮은 것을 나타내는 시뮬레이션 결과이다. 이는 염료가 용해된 이산화탄소의 공급량이 염색빔의 선단부에서는 염료의 공급량이 많고, 후단부로 갈수록 염료의 공급량이 적어지는 것으로, 염색빔의 길이방향 전체적으로 균일한 농도의 염색이 어렵다는 것을 알 수 있다.

또한 내부원통(110)이 결합되지 않은 외부원통(120)으로 이루어진 염색빔에서 제2분사구멍(121)을 통해 직물쪽으로 분사되는 초임계 이산화탄소의 분사속도는 도 6b와 같이 염색빔의 선단부쪽에서의 분사속도는 낮은 상태로 유지되다가 염색빔의 전체길이의 1/2 지점이후에서는 분사속도가 급격하게 높아진다는 것을 나타내는 시뮬레이션 결과이다. 이는 동일직경의 단일원통을 갖는 본 발명의 외부원통(120)과 도 2인 종래의 염색빔에서의 분사구멍에서의 속도와 같다. 이는 염료가 용해된 이산화탄소의 공급량이 염색빔의 선단부에서는 염료의 적고, 후단부로 갈수록 염료의 공급량이 많아지는 것으로, 염색빔의 길이방향 전체적으로 균일한 농도의 염색이 어렵다는 것을 알 수 있다.

도 6c는 내부원통(110)을 외부원통(120) 내측에 삽입결합시킨 본발명의 염색빔의 제2분사구멍(121)을 통해 직물쪽으로 분사되는 초임계 이산화탄소의 분사속도는 전체적으로 염색빔의 선단부에서 후단부까지 비교적 균일한 분사속도를 나타내는 것으로 알 수 있다. 이는 직물에 최종 분사되는 초임계 이산화탄소의 분사속도가 균일하다는 것을 의미하는 것으로 직물 전체에 걸쳐 균일한 염색이 이루어지게 된다.

도 6d는 테이퍼진 내부원통(110), 외부원통만, 내부원통이 삽입결합된 본발명의 염색빔에서의 분사속도를 모두 나타내는 그래프로 이를 통하여 상기 빔구조의 상태에 따른 분사속도를 비교하여 볼 수 있다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

100 : 염색빔
110 : 내부원통
111 : 제1분사구멍
120 : 외부원통
121 : 제2분사구멍

Claims (5)

1. 염색챔버에 내장되고, 외부 둘레에 염색대상물인 직물이 권취되는 초임계 이산화탄소 염색기의 빔구조에 있어서,
   외부원통(120)의 내부에 삽입 설치되고, 초임계 이산화탄소에 의해 염료가 용해되는 혼합조와 접속되어 염료가 혼합된 초임계 이산화탄소가 유입되는 내부원통(110);
   상기 내부원통(110)에서 분사된 염료가 혼합된 초임계 이산화탄소를 직물쪽으로 분사하는 외부원통(120);을 포함하되;
   내부원통(110)은 선단부 직경이 크고 후단부 직경이 작은 경사원통의 형태이고, 내부원통(110)의 외주에 원주방향 및 축방향으로 다수의 제1분사구멍(111)이 마련되고,
   내부원통(110)의 선단부는 개방되고, 내부원통(110)의 후단부는 밀폐판(112)을 통해 밀폐되며,
   외부원통(120)의 선단부는 개방되고, 외부원통(120)의 후단부는 밀폐판(122)을 통해 밀폐되며,
   외부원통(120)의 외주에 원주방향 및 축방향으로 다수의 제2분사구멍(121)이 마련되되;
   외부원통(120)은 선단부에서 후단부까지의 길이방향 전체가 동일직경이고,
   내부원통(110)의 선단부는 초임계 이산화탄소와 염료혼합물이 공급되는 부분과 연통되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 염색기의 빔구조.
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