KR101872419B1 - 자기 교반 기능을 갖춘 강제대류식 오븐 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자기 교반 기능을 갖춘 강제대류식 오븐에 관한 것으로서, 특히 벽면에 가열코일이 내장되고, 기류를 강제순환시키는 대류팬이 구비된 가열챔버와; 자기력을 이용하여 상기 가열챔버 내부에 배치된 용기 내부의 용액을 교반하는 자기 교반장치와; 상기 가열챔버의 하부에 배치되어, 상기 가열챔버와 자기 교반장치를 제어하는 조작부;를 포함하여 구성되어, 고온에서 안정적인 자기 교반기능을 발휘함으로써 나노 소재의 수열합성법 등에 널리 사용될 수 있는 효과가 있다.

Description

자기 교반 기능을 갖춘 강제대류식 오븐{Forced-convection oven with magnetic stirring function}

본 발명은 강제대류식 오븐에 관한 것으로서, 특히 나노 소재의 수열합성법, 화학반응, 고분자 합성 등에 사용될 수 있는 자기 교반 기능을 갖춘 강제대류식 오븐에 관한 것이다.

차세대 그린 에너지 기술의 대표적인 예로는 고효율 태양전지, 고용량 배터리, 재생 가능한 바이오 에너지 등을 들 수 있으며, 이러한 그린 에너지 기술들은 나노 소재를 기반으로 발전해 나가고 있다.

구체적으로, 나노 와이어, 양자점과 같은 나노 기술은 태양전지의 효율을 높이는데 이용되며, 나노구조는 실리콘, TiO2와 같이 값싼 재료로도 효율적인 태양전지를 만들 수 있게 한다. 또한 배터리의 용량을 높이기 위해, 수많은 나노 소재와 나노 구조체가 양극제 및 음극제로 적용되고 있다. 아울러 효과적인 나노 촉매의 개발은 바이오매스로부터 연료를 생산하는 기술의 발전을 위해 반드시 필요한 요소이다.

이와 같이 그린 에너지 기술의 핵심이라고 할 수 있는 나노 소재들은 다양한 방법에 의해 제조할 수 있지만, 그 중에서도 고압용기(autoclave)를 이용한 고온의 수열조건(hydrothermal condition)에서 합성하는 방법은 대량 생산도 용이하며, 나노 입자의 특성 조절이 쉽기 때문에 널리 사용되고 있다.

한편, 나노 소재의 효과적인 수열합성을 위해서는 고압용기(Autoclave)의 국부적인 과열을 방지하면서 고압용기 내부의 합성 용액을 균일하게 교반하는 것이 필요하다.

고압용기는 용기 벽면에 고온의 열선 등을 접촉시켜 직접 가열하는 방식과 고압용기를 강제대류 오븐에 넣고 뜨거운 공기를 이용해서 간접적으로 가열하는 방식으로 온도를 높일 수 있다. 이 중에서, 강제대류식 간접 가열은 직접 가열보다 국부적인 과열을 효과적으로 방지할 수 있고, 열전달의 제어가 쉽기 때문에 나노 소재 합성에 매우 유리하다.

그러나, 종래의 강제대류식 오븐에 사용되는 고압용기는 케이스 내부에 용액이 저장되고 케이스의 개방된 상면이 덮개에 의해 완전히 밀폐된 구조이기 때문에 기계적 교반장치를 설치하기가 어려워서 고압용기 내부의 용액을 교반하기 어렵고, 이로 인하여 여러 가지 이점에도 불구하고 나노 소재 합성에 널리 사용되지 못하고 있다.

출원번호:10-2008-0090977 (등록번호:10-0987345, 발명의 명칭:멀티반응모듈용 마그네틱 교반 및 가열장치)

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 고온에서도 안정적인 자기 교반 기능을 발휘하여 나노 소재의 합성과 유기합성, 고분자 제작 등과 같이 교반과 가열이 동시에 필요한 제조 분야에 적용될 수 있는 자기 교반 기능을 갖춘 강제대류식 오븐을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 자기 교반 기능을 갖춘 강제대류식 오븐은 벽면에 가열코일이 내장되고, 기류를 강제순환시키는 대류팬이 구비된 가열챔버와; 자기력을 이용하여 상기 가열챔버 내부에 배치된 용기 내부의 용액을 교반하는 자기 교반장치와; 상기 가열챔버의 하부에 배치되어, 상기 가열챔버와 자기 교반장치를 제어하는 조작부;를 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 자기 교반장치는 상기 조작부 내부에 설치되는 모터와; 상기 모터의 모터축에 연결되어 회전하는 제1회전판과; 상기 제1회전판의 상면에 설치되는 제1자석과; 상기 용기 내부에 배치되어 상기 제1자석에 의해 형성되는 자기장에 의해 제1자석과 동일한 속도로 회전하는 자기 교반자;로 구성된다.

그리고, 상기 조작부의 상면과 상기 가열챔버의 저면 사이에는 방열판층이 더 설치된다.

또한, 상기 방열판층 내부에는 상기 제1자석에 의해 형성되는 자기장에 의해 제1자석과 동일한 속도로 회전하는 제2회전판과; 상기 제2회전판의 상면에 설치되어 상기 자기 교반자에 자기력을 제공하는 제2자석;이 설치된다.

또한, 상기 방열판층의 외측면에는 다수의 요철부가 형성된다.

또한, 상기 방열판층 내부에는 단열재가 충진된다.

또한, 상기 조작부의 일측면에는 환풍구가 형성되고, 타측면에는 상기 환풍구를 통해 유입된 공기를 외부로 배출시키는 냉각팬이 설치된다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 자기 교반 기능을 갖춘 강제대류식 오븐은 나노 소재의 수열합성법 등에 널리 사용될 수 있을 뿐만 아니라 화학반응, 고분자 합성, 유기합성 등과 같은 다양한 분야에서 널리 활용할 수 있으며, 이를 통해 그린에너지 기술의 발전에 기여할 수 있는 이점이 있다.

또한, 기어와 스크류를 이용하는 기계식 교반에 비해 혼합효율이 우수하고, 파손 및 마모의 우려가 적으며, 윤활유 등을 사용할 필요가 없기 때문에 교반되는 용액의 오염을 최소화할 수 있는 이점이 있다.

또한, 구조가 간단하여 상업적 생산이 용이하고, 기술력과 장비가 뒤떨어지는 중소기업에서도 쉽게 제작할 수 있어서 중소기업의 경쟁력 향상에 도움을 줄 수 있는 이점이 있다.

도 1a 내지 도 1c는 본 발명에 의한 자기 교반 기능을 갖춘 강제대류식 오븐을 보인 사시도.
도 2는 본 발명에 의한 자기 교반 기능을 갖춘 강제대류식 오븐의 자기 교반장치를 보인 도.
도 3은 본 발명에 의한 자기 교반 기능을 갖춘 강제대류식 오븐에 용기가 배치된 모습을 보인 도.
도 4는 본 발명에 의한 자기 교반 기능을 갖춘 강제대류식 오븐의 단면을 보인 도.

이하, 본 발명에 의한 자기 교반 기능을 갖춘 강제대류식 오븐의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1a 내지 도 1c는 본 발명에 의한 자기 교반 기능을 갖춘 강제대류식 오븐을 보인 사시도이고, 도 2는 본 발명에 의한 자기 교반 기능을 갖춘 강제대류식 오븐의 자기 교반장치를 보인 도이다.

그리고, 도 3은 본 발명에 의한 자기 교반 기능을 갖춘 강제대류식 오븐에 용기가 배치된 모습을 보인 도이며, 도 4는 본 발명에 의한 자기 교반 기능을 갖춘 강제대류식 오븐의 단면을 보인 도이다.

본 발명에 의한 자기 교반 기능을 갖춘 강제대류식 오븐은 스틸재질의 가열챔버(10)와, 가열챔버(10) 내부에 배치된 용기(50) 내부의 용액을 교반하는 하나 이상의 자기 교반장치(20)와, 가열챔버(10)의 하부에 배치되는 조작부(30)와, 조작부(30)의 상면과 가열챔버(10)의 저면 사이에 설치되는 방열판층(40)을 포함하여 구성된다.

가열챔버(10)는 내부에 빈 공간이 형성되어 있는 박스 형태로 제작되고, 개방된 전면에는 개폐문(11)이 설치되어 있다. 이러한 가열챔버(10)의 상부벽면과 양측 벽면에는 가열코일(12)이 내장되어 있고, 후면에는 대류팬(13)이 설치되며, 온도센서(14)가 설치된다.

가열코일(12)은 가열챔버(10) 내부의 공기를 가열한다.

대류팬(13)은 가열코일(12)에 의해 가열된 공기를 가열챔버(10) 내부에서 강제 순환시킨다.

온도센서(14)는 도면에서는 대류팬(13) 근처에 설치되는 것으로 도시하였으나, 가열챔버(10) 내부 벽면 어디에나 설치할 수 있다.

자기 교반장치(20)는 자기력을 이용하여 용기(50) 내부의 용액을 교반하는 장치로서, 모터(21)와, 모터(21)의 모터축에 연결되는 제1회전판(22)과, 제1회전판(22)의 상면에 설치되는 제1자석(23)과, 제1자석(23)과 동일한 속도로 회전하는 자기 교반자(24)로 구성된다.

모터(21)는 조작부(30) 내부에 설치되는 것으로서, 모터축이 상부를 향하여 배치되고, 이 모터축의 상단에 제1회전판(22)이 연결되어 모터축이 회전할 때 함께 회전한다.

그리고, 제1회전판(22)이 회전하면 제1회전판(22)의 상면에 놓인 제1자석(23)도 함께 회전하게 되며, 이 회전하는 제1자석(23)에 의해 가열챔버(10)의 바닥면에는 자기장이 형성된다.

자기 교반자(24)는 용기(50) 내부에 배치되어 용액을 교반하는 것으로서, 제1자석(23)에 의해 형성된 자기장에 의해 제1자석(23)과 동일한 속도로 회전한다. 즉 자기 교반자(24)는 어떤 물리적인 구조물에 의해 제1자석(23)과 연결되는 것이 아니고, 자기장에 의해 제1자석(23)의 회전력을 그대로 전달받게 된다.

한편, 자기 교반장치(20)의 제1자석(23)은 조작부(30)의 내부에 설치되어 있기 때문에 자기 교반자(24)가 가열챔버(10)의 어느 곳에서 회전하는지 그 회전위치가 명확하지 않을 수 있다. 그러나, 자기 교반자(24)를 가열챔버(10)의 바닥면에 두면 자력에 의해 자기 교반자(24)가 고정되는 위치를 쉽게 확인할 수 있기 때문에 그 회전위치를 정할 수 있다. 상황에 따라서는 강제대류식 오븐을 제작할 때부터 미리 가열챔버(10)의 바닥면에 자기 교반자(24)가 회전되는 위치를 음각으로 표시하는 것도 가능하다.

조작부(30)는 가열챔버(10)의 하부에 배치되어 가열챔버(10)와 자기 교반장치(20)를 제어하는 것으로서, 여기에는 온도조절기(31)와, 교반속도 조절기(32)와, 전원버튼(33)과, 환풍구(34) 및 냉각팬(35) 등이 구비된다.

온도조절기(31)는 가열코일(12)의 발열온도를 조절함으로써 가열챔버(10) 내부의 온도를 조절한다.

교반속도 조절기(32)는 모터(21)의 회전속도를 제어함으로써 자기 교반자(24)의 회전속도를 제어한다.

전원버튼(33)은 본 발명에 의한 강제대류식 오븐의 전원을 제어한다.

환풍구(34)와 냉각팬(35)은 조작부(30)의 과열에 의한 부품의 손상을 방지하기 위하여 구비한다. 즉 가열챔버(10)는 고온으로 가열되기 때문에 그 열이 아래에 있는 조작부(30)에까지 전달되어, 모터(21)와 전자 회로 등을 손상시켜 고장을 발생시킬 수 있을 뿐만 아니라, 열전달이 과도할 경우에는 전선이나 먼지 등에 화재가 발생될 수도 있다. 이를 방지하기 위해 본 발명에서는 조작부(30)의 일측면에 환풍구(34)를 형성시키고, 환풍구(34)가 마주보는 타측면에 환풍구(34)를 통해 유입되는 공기를 외부로 배출시키는 냉각팬(35)을 설치한다.

방열판층(40)은 조작부(30)의 과열을 더욱 효과적으로 방지하기 위해 선택적으로 추가하는 것으로서, 가열챔버(10)와 조작부(30) 사이에 배치됨으로써 가열챔버(10)의 열이 조작부(30)로 전달되는 것을 차단한다.

이러한 방열판층(40)에는 다수의 요철부(41)가 형성되고, 내부에 단열재(42)가 충진될 수 있다.

요철부(41)는 방열판층(40)의 외측면에 형성되는 것으로서, 발열면적을 극대화함으로써 외부 공기에 의해 방열판층(40)이 빨리 냉각될 수 있도록 한다.

단열재(42)는 유리섬유와 같은 열전달율이 낮은 재질로 만들어져 방열판층(40) 내부에 충진함으로써 가열챔버(10)의 열이 조작부(30)로 전달되지 않도록 한다. 유리섬유는 열전도도가 0.04 W/mK 정도로 낮고 가격이 저렴하다는 장점이 있다. 그러나 석면과 유사하게 폐질환을 일으킬 우려가 있고 아주 높은 단열성능을 확보하는 것에는 어려움이 있다. 따라서, 본 발명에서는 유리섬유보다 열전달율이 더 낮고 인체에 무해한 가스 형태의 단열재를 적용할 수도 있다. 기체 상태의 단열재로는 아르곤(열전도도 0.016 W/mK) 등을 사용할 수 있다.

상기와 같이 방열판층(40)을 가열챔버(10)와 조작부(30) 하측에 설치할 경우에는, 조작부(30)에 열이 전달되는 것을 차단하여 조작부(30)를 보호하는 데는 큰 도움이 되나, 가열챔버(10) 내부에 배치되는 자기 교반자(24)와 제1자석(23) 사이의 거리가 증가하여 자기 교반자(24)가 제1자석(23)에 의해 형성되는 자기장에 의해 영향을 제대로 받지 못함으로써 자기 교반자(24)가 충분한 회전력을 확보하는데 어려움이 있을 수 있다.

이러한 어려움을 해소하기 위하여 본 발명에서는 방열판층(40) 내부에 제2회전판(43)과 제2자석(44)을 설치하여 부족한 자기력을 보충함으로써 자기 교반자(24)가 충분한 교반 성능을 발휘할 수 있도록 하였다.

제2회전판(43)은 제1자석(23)에 의해 형성되는 자기장에 의해 영향을 받음으로써 제1자석(23)과 동일한 속도로 회전한다.

제2자석(44)은 제2회전판(43)의 상면에 설치되어 제2회전판(43)과 함께 회전함으로써 자기 교반자(24)에 자기력을 제공한다. 즉 제2자석(44)은 제1자석(23)과 자기 교반자(24) 사이에서 방열판층(40)에 의해 약해진 자기력을 보충한다.

10: 가열챔버 11: 개폐문
12: 가열코일 13: 대류팬
14: 온도센서 20: 자기 교반장치
21: 모터 22: 제2회전판
23: 제1자석 24: 자기 교반자
30: 조작부 31: 온도조절기
32: 교반속도 조절기 33: 전원버튼
34: 환풍구 35: 냉각팬
40: 방열판층 41: 요철부
42: 단열재 43: 제2회전판
44: 제2자석 50: 용기

Claims (7)

1. 벽면에 가열코일(12)이 내장되고, 기류를 강제순환시키는 대류팬(13)이 구비된 가열챔버(10)와;
   자기력을 이용하여 상기 가열챔버(10) 내부에 배치된 용기(50) 내부의 용액을 교반하는 자기 교반장치(20)와;
   상기 가열챔버(10)의 하부에 배치되어, 상기 가열챔버(10)와 자기 교반장치(20)를 제어하는 조작부(30)와;
   상기 조작부(30)의 상면과 상기 가열챔버(10)의 저면 사이에 설치되고, 외측면에 다수의 요철부(41)가 형성된 방열판층(40);을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 자기 교반 기능을 갖춘 강제대류식 오븐.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 자기 교반장치(20)는 상기 조작부(30) 내부에 설치되는 모터(21)와;
   상기 모터(21)의 모터축에 연결되어 회전하는 제1회전판(22)과;
   상기 제1회전판(22)의 상면에 설치되는 제1자석(23)과;
   상기 용기(50) 내부에 배치되어 상기 제1자석(23)에 의해 형성되는 자기장에 의해 제1자석(23)과 동일한 속도로 회전하는 자기 교반자(24);로 구성된 것을 특징으로 하는 자기 교반 기능을 갖춘 강제대류식 오븐.
   
3. 삭제
4. 청구항 2에 있어서,
   상기 방열판층(40) 내부에는 상기 제1자석(23)에 의해 형성되는 자기장에 의해 제1자석(23)과 동일한 속도로 회전하는 제2회전판(43)과;
   상기 제2회전판(43)의 상면에 설치되어 상기 자기 교반자(24)에 자기력을 제공하는 제2자석(44);이 설치되는 것을 특징으로 하는 자기 교반 기능을 갖춘 강제대류식 오븐.
   
5. 삭제
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 방열판층(40) 내부에는 단열재(42)가 충진된 것을 특징으로 하는 자기 교반 기능을 갖춘 강제대류식 오븐.
   
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 조작부(30)의 일측면에는 환풍구(34)가 형성되고, 타측면에는 상기 환풍구(34)를 통해 유입된 공기를 외부로 배출시키는 냉각팬(35)이 설치된 것을 특징으로 하는 자기 교반 기능을 갖춘 강제대류식 오븐.

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