KR101958341B1 - 이중의 사이클론을 통한 나노입자 분급기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 나노 입자(분말)를 크기별로 분리 공급하는 나노입자 분급기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 원뿔체 내부의 벽체를 향해 유체를 공급하면 유체의 원심력에 의해 하부측으로 큰입자가 떨어져 분리되고 작은 입자는 부유하면서 상부측으로 분리되는 사이클론을 나란히 연결하여 구성하되, 제1사이클론으로 나노입자 크기가 다양하게 함유된 액체를 펌프로 공급하여 일차적으로 나노입자를 개략적으로 분리하고 이차적으로 나노여과기가 구비되는 제2사이클론을 통해 나노입자를 미세하게 분리함으로써 다양한 크기의 나노입자를 신속하고 빠르게 분리할 수 있어 나노입자의 크기별 분리 효율성 및 경제성을 획기적으로 향상시키는 이중의 사이클론을 통한 나노입자 분급기에 관한 것이다.

Description

이중의 사이클론을 통한 나노입자 분급기{A Separating Device of Nano Particles}

본 발명은 나노 입자(분말)를 크기별로 분리 공급하는 나노입자 분급기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 원뿔체 내부의 벽체를 향해 유체를 공급하면 유체의 원심력에 의해 하부측으로 큰입자가 떨어져 분리되고 작은 입자는 부유하면서 상부측으로 분리되는 사이클론을 나란히 연결하여 구성하되, 제1사이클론으로 나노입자 크기가 다양하게 함유된 액체를 펌프로 공급하여 일차적으로 나노입자를 개략적으로 분리하고 이차적으로 나노여과기가 구비되는 제2사이클론을 통해 나노입자를 미세하게 분리함으로써 다양한 크기의 나노입자를 신속하고 빠르게 분리할 수 있어 나노입자의 크기별 분리 효율성 및 경제성을 획기적으로 향상시키는 이중의 사이클론을 통한 나노입자 분급기에 관한 것이다.

근래에 이르러, 산업기술의 급속한 발달로 극도의 미세한 부품 및 그를 이용한 기기들의 요구에 부합하는 새로운 재료의 필요성에 의해, 종래의 마이크로미터 크기의 재료에 비해 탁월한 성질을 가지는 수십~수백 나노미터 이하의 나노 단위 분말의 합성 및 응용에 관한 소재나 재료의 연구가 관심을 모으고 있다.

나노분말 소재는 기존의 벌크 소재와 다른 특이하고 유용한 성질을 가지고 있어, 다양한 산업 및 과학기술 분야에 광범위하게 사용되고 있다.

나노 분말(입자)을 제조하는 기술로는 마이크로 사이즈의 벌크 분말을 기계적으로 분쇄하는 방식이 알려져 있으나, 기계적인 분쇄 방식의 경우 미세 분말의 크기를 500nm 이하로 줄이는 데 한계가 있기 때문에 최근 들어서는 플라즈마를 이용한 나노 분말 제조 방식이 널리 이용되고 있다.

일반적으로 화염법 또는 전기폭발법과 같은 방식은 고순도 및 고수율이 요구되는 나노분말 소재의 양산에 널리 사용되고 있다. 그러나 기상법의 종류와 재료, 양산조건 등에 따라 제조되는 분말의 크기가 균일하지 않고, 수 나노미터에서 수 마이크론까지의 넓은 크기 분포를 갖는 문제가 발생한다. 특히 서브마이크론 이상인 큰 분말의 발생은 반도체 패키징 또는 자동차 엔진 윤활유 첨가제 등의 소재로 사용될 때 제품의 품질을 저하시키는 원인이 되고 있다.

특히 고순도의 화장품 등에 있어서는 그 속에 함유되는 나노입자의 크기가 균일하지 않을 경우 피부 손상 등을 일으킬 수도 있는 문제가 있다.

이와 같이 나노 입자의 크기를 분급하기 위한 종래의 장치로는 수 마이크론 이상의 입자를 교반기를 이용한 분급기와 서브마이크론 이상의 분말을 채취 또는 제거하기 위한 사이클론을 이용한 장치 등이 공지되어 있다.

여기서 종래의 교반기를 이용한 분급기를 개략적으로 살펴 보면 다음과 같다.

종래의 교반기를 이용한 분급기는 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 용기(10)와 용기(10) 내부에 교반기(20)가 설치되고 용기(10) 측면으로는 마이크론 단위의 입자가 크기별 분리 배출되도록 하는 분리배출구(30)가 구비되는 구조로 되어 있다.

여기서 상기 분리배출구(30)는 마이크론 단위의 입자가 크기별로 분리 배출되면서 공급될 수 있도록 다수 개가 설치되어 있다. 예를 들어 100마이크론 이상은 제1배출구(31)로, 75~100마이크론은 제2배출구(32)로, 50~75마이크론 사이는 제3배출구(33)로, 50이하는 제4배출구(34)로 배출 공급되는 방식이다.

상기와 같이 구성되는 용기(10) 내부에 마이크론 입자의 크기가 다양하게 함유된 액체를 주입한 후 상기 교반기(20)를 작동시킨 후 수 시간이 지나게 되면 가장 크기가 큰 100마이크론 이상의 마이크론 입자는 제1배출구(31)로, 75~100마이크론은 제2배출구(32)로, 50~75마이크론 사이는 제3배출구(33)로, 50마이크로 이하는 제4배출구(34)로 배출 공급되어 분류될 수 있게 된다.

KR 10-1006657 (등록번호) 2010.12.30. KR 10-0558270 (등록번호) 2006.02.28. KR 10-1555328 (등록번호) 2015.09.17.

그러나 종래의 교반기를 이용한 분급기는 마이크론 단위의 입자 분급에는 사용되어도, 나노 단위의 입자 분급에는 수개월 이상의 시간이 요구되는 등 상당히 오랜시간이 걸린다는 단점이 있다.

즉, 용기 내부의 액상에 함유된 나노입자가 상기 교반기에 의해 교반되어 일정한 크기별로 분류되어 맨 하층 바닥으로 가장 큰 입자를 가라앉히고 이어 층층히 가라앉는데 무려 10개월 이상의 시간이 걸린다는 문제가 있어 효율성 및 경제성이 상당히 나쁘다는 단점이 있다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로,

원뿔체 내부의 벽체를 향해 유체를 공급하면 유체의 원심력에 의해 하부측으로 큰입자가 떨어져 분리되고 작은 입자는 부유하면서 상부측으로 분리되는 사이클론을 나란히 연결하여 구성하되 제1사이클론으로 나노입자 크기가 다양하게 함유된 액체를 펌프로 공급하여 일차적으로 나노입자를 분리하고 이차적으로 나노여과기가 구비되는 제2사이클론을 통해 나노입자를 분리함으로써 다양한 크기의 나노입자를 신속하고 빠르게 분리할 수 있어 나노입자의 크기별 분리 효율성 및 경제성을 획기적으로 향상시키는 이중의 사이클론을 통한 나노입자 분급기를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 나노 크기의 입자를 크기별로 분리하는데 수분 이내에서 종료할 수 있는 이중의 사이클론을 통한 나노입자 분급기를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 나노입자 분급기에 있어서,

다양한 크기의 나노입자가 혼재된 유체가 저장되는 용기와, 상기 용기의 내부와 연통되는 연결파이프에 연결 설치되면서 상기 용기 내부의 유체를 펌핑하여 공급하는 펌프수단, 하부측으로 갈수록 점점 좁아지는 원뿔형상으로 되면서 하단부에는 상기 용기의 내부와 연통되어 나노입자가 떨어지는 제1하부토출관이 구비되고 일측면에는 상기 펌프수단의 펌핑 유체가 공급되는 측면관이 구비되며 상부측으로는 나노입자가 토출되는 상부토출관이 구비되는 제1사이클론, 및 하부측으로 갈수록 점점 좁아지는 원뿔형상으로 되면서 하단부에는 상기 용기의 내부와 연통되어 나노입자가 떨어지는 제2하부토출관이 구비되고 일측면에는 상기 제1사이클론에 구비되는 상기 상부토출관이 연결 설치되며 상부에는 유체에 함유된 일정크기 이하의 나노입자를 통과시키는 나노여과기가 매개된 메인토출관이 구비되는 제2사이클론을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

따라서 본 발명에 따른 이중의 사이클론을 통한 나노입자 분급기는 제1사이클론으로 나노입자 크기가 다양하게 함유된 액체를 펌프로 공급하여 일차적으로 나노입자를 분리하고 이차적으로 나노여과기가 구비되는 제2사이클론을 통해 나노입자를 분리함으로써 다양한 크기의 나노입자를 신속하고 빠르게 분리할 수 있어 나노입자의 크기별 분리 효율성 및 경제성을 획기적으로 향상시키는 효과가 있다.

본 발명은 또한 나노 입자를 수분 이내에서 빠르게 분급할 수 있어 실험이나 제조 등 후속적인 공정으로 신속하게 나노 입자를 사용할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 이중의 사이클론을 통한 나노입자 분급기의 전체적인 상태단면도이고,
도 2는 본 발명에 따른 이중의 사이클론을 통한 나노입자 분급기를 통해 나노아입자가 크기별로 분리되는 작동상태의 흐름도이고,
도 3은 사이클론의 개념도이고,
도 4는 종래의 교반기를 통해 나노입자가 크기별로 분리되는 개략도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명한다.

본 발명에 따른 이중의 사이클론을 통한 나노입자 분급기(100)는 도 1 내지 도 3에 도시되어 있는 바와 같이,

다양한 크기의 나노입자가 혼재된 유체(流體)가 저장되는 용기(110)와,

상기 용기(110)의 내부에 설치되어 상기 용기(110) 내부의 나노입자를 회전하면서 혼합하여 부유시키는 교반기수단(120),

상기 용기(110)의 내부와 연통되는 연결파이프(111)에 연결 설치되면서 상기 용기(110) 내부의 유체를 펌핑하여 공급하는 펌프수단(130),

하부측으로 갈수록 점점 좁아지는 원뿔형상으로 되면서 하단부에는 상기 용기(110)의 내부와 연통되어 나노입자가 떨어지는 제1하부토출관(141)이 구비되고 일측면에는 상기 펌프수단(130)의 펌핑 유체가 공급되는 측면관(142)이 구비되며 상부측으로는 나노입자가 토출되는 상부토출관(143)이 구비되는 제1사이클론(140), 및

하부측으로 갈수록 점점 좁아지는 원뿔형상으로 되면서 하단부에는 상기 용기(110)의 내부와 연통되어 나노입자가 떨어지는 제2하부토출관(151)이 구비되고 일측면에는 상기 제1사이클론(140)에 구비되는 상기 상부토출관(143)이 연결 설치되며 상부에는 유체에 함유된 일정크기 이하의 나노입자를 통과시키는 나노여과기(152)가 매개된 메인토출관(153)이 구비되는 제2사이클론(150)을 포함하여 구성된다.

일반적으로 사이클론은 도 3에 도시된 바와 같이, 원뿔형상으로 형성된 본체(200)의 내부로 기체(액체)의 유입로(201)를 연결하되 상기 유입로(201)을 통해 상기 본체(200) 내부로 유입되는 기체 또는 액체를 내벽면을 따라 경사지게 선회 분사시켜 원심력이 발생되도록 하는 구조를 갖는다.

이러한 구조로 인해, 나노입자를 갖는 유체를 상기 유입로(201)을 통해 상기 본체(200) 내부로 선회 유입시키게 되면, 나노입자가 큰 것은 하부출구(202)로, 나노입자가 작은 것은 상부출구(203)로 부유하여 각각 분리되는 원심력 집진장치이다.

이러한 사이클론은 기체 중의 고체 또는 액체의 미립자를 분리하기 위하여 기체(또는 액체)에 회전 운동을 줌과 동시에 회전하는 입자의 원심력을 이용하여 분리하는 장치로, 중력 침강(沈降)에 비하여 중력의 수 백배에 이르는 원심력이 분리 작용을 하기 때문에 작은 설비로 고성능을 기대할 수 있고, 설비도 간단하며, 비용도 싸기 때문에 널리 사용되고 있다.

본 발명의 상기 제1,2사이클론(140,150)은 상기와 같이 이중으로 연결하되, 상기 제1사이클론(140)에서 상부측으로 토출되는 토출력이 상기 제2사이클론(150)에서는 유입력이 되도록 연결 구성되게 된다.

즉, 상기 제1사이클론(140)의 일측으로 상기 제2사이클론(150)이 연결되되, 상기 제1사이클론(140)의 상부측에 구비되는 상기 상부토출관(143)이 상기 제2사이클론(150)에서는 나노입자를 유입시키는 측면관으로 작용하도록 연결 구성되는 것이다.

따라서 본 발명은 상기 펌프수단(130)에서 상기 연결파이프(111)를 통해 펌핑되는 상기 용기(110) 내의 유체를 상기 제1사이클론(140)의 내벽면으로 상기 측면관(142)을 통해 선회 회전운동(원심력)이 이루어지도록 공급해 주게 되면, 상기 제1사이클론(140)의 내부에서는 큰 입자가 상기 제1하부토출관(141)을 통해 상기 용기(110) 내부로 떨어지게 되고 작은 입자는 상부측의 상기 상부토출관(143)으로 빠져나가면서 분리되게 된다.

이때 나노 입자 중 상기 제1하부토출관(141)을 통해 상기 용기(110) 내부로 떨어지는 큰 입자는 대략적으로 80~90% 수준이고 10~20%는 상기 상부토출관(143)으로 빠져나가게 된다.

그리고 상기 제1사이클론(140)에 구비된 상기 상부토출관(143)으로 빠져나간 니노 입자는 상기 제2사이클론(150)의 내부로 선회 원심력을 가해주면서 유입되게 된다.

그러면 상기 제2사이클론(150)의 내부에서의 원심력으로 유입된 나노 입자 중 큰 입자는 상기 제2하부토출관(151)을 통해 상기 용기(110) 내부로 떨어지게 되고 작은 입자는 상부측의 상기 나노여과기(152)을 통해 상기 메인토출관(153)으로 빠져나가면서 분리되게 된다.

이때에도 나노 입자 중 상기 제2하부토출관(151)을 통해 상기 용기(110) 내부로 떨어지는 큰 입자는 대략적으로 80~90% 수준이고 10~20%는 상기 메인토출관(153)으로 빠져나가게 된다.

이 경우 상기 제2사이클론(150)에서 분리되는 것은 상기 제1사이클론(140)에서 분리되어 유입되는 작은 입자(10~20%)에 대한 80~90% 수준이 다시 용기(110) 내부로 떨어지고, 작은 입자(10~20%)에 대한 10~20%는 상기 메인토출관(153)으로 빠져나가게 된다.

이와 같은 사이클(순환)을 반복적으로 시행하게 되면 상기 용기(110)의 내부에 함유된 나노입자 중 일정크기 이하의 작은 나노입자가 분리되어 상기 메인토출관(153)으로 빠져나가게 된다.

여기서 상기 제1,2사이클론(140,150)으로 유입 유출되는 나노입자의 상기 계량(計量)된 수치는 개략적인 수치이며 나노 입자의 종류에 따라 그 이상 또는 그 이하일 수가 있다.

허나, 상기 제1,2사이클론(140,150)을 통한 사이클론 순환을 상기와 같이 지속 반복적으로 시행하게 되면 어느 지점에 이르러 작은 입자만이 상기 메인토출관(153)을 통해 모두 빠져나갈 수 있게 된다. 이 경우 상기 교반기수단(120)은 항상 상기 용기(110) 내부에서 회전하면서 상기 용기(110) 내부로 유입되는 나노입자를 훠저어 주게 된다.

그리고 상기 메인토출관(153)에는 그 측면부에 나노입자가 크기별로 분리 배출되도록 개폐구가 설치되는 다수 개의 분리배출구(153a,153b,153c)가 구비되어 있다.

따라서 상기 메인토출관(153)을 통해 분출되는 나노입자 중에 가장 큰 것은 상기 분리배출구(153a)를 통해 분리 배출되고 그 다음 큰 입자는 상기 분리배출구(153b)를 통해 분리 배출되며 가장 작은 입자는 상기 분리배출구(153c)를 통해 분리 배출되게 된다.

이러한 과정은 수분이내로 나노 단위의 입자가 분리될 수 있어 매우 효율적이며 경제적이다. 이를 종래 시스템으로 처리하는 경우 수개월이 걸릴 수 있다.

여기서 상기 메인토출관(153)으로 분리되면서 유입되는 나노 입자는 상기 나노여과기(152)에 의해 일정한 크기 이하만 통과되고 그 이상의 크기는 제어되어 통과할 수 없도록 되어 있다.

그리고 다수 개의 상기 분리배출구(153a,153b,153c)는 그 이상 또는 그 이하의 개수로 설치가 가능하며 이는 나노입자의 특성에 따라 달라지게 된다.

이와 같이 구성되는 본 발명의 분급기는 크기별로 분리하고자 하는 나노입자를 해당 사이즈별로 신속하게 분리 공급할 수가 있게 된다.

이상과 같이 본 발명에 따른 이중의 사이클론을 통한 나노입자 분급기는 원뿔체 내부의 벽체를 향해 유체를 공급하면 유체의 원심력에 의해 하부측으로 큰입자가 떨어져 분리되고 작은 입자는 부유하면서 상부측으로 분리되는 사이클론을 나란히 연결하여 구성하되 제1사이클론으로 나노입자 크기가 다양하게 함유된 액체를 펌프로 공급하여 일차적으로 나노입자를 분리하고 이차적으로 나노여과기가 구비되는 제2사이클론을 통해 나노입자를 분리함으로써 다양한 크기의 나노입자를 신속하고 빠르게 분리할 수 있어 나노입자의 크기별 분리 효율성 및 경제성을 획기적으로 향상시켜 줄 수 있게 된다.

100:이중의 사이클론을 통한 나노입자 분급기
110:용기 111:연결파이프
120:교반기수단 130:펌프수단
140:제1사이클론
141:제1하부토출관 142:측면관 143:상부토출관
150:제2사이클론
151:제2하부토출관 152:나노여과기 153:메인토출관
153a,153b,153c:분리배출구
200:본체 201:유입로 202:하부출구 203:상부출구

Claims (5)

1. 나노입자 분급기에 있어서,
   다양한 크기의 나노입자가 혼재된 유체가 저장되는 용기와,
   상기 용기의 내부와 연통되는 연결파이프에 연결 설치되면서 상기 용기 내부의 유체를 펌핑하여 공급하는 펌프수단,
   하부측으로 갈수록 점점 좁아지는 원뿔형상으로 되면서 하단부에는 상기 용기의 내부와 연통되어 나노입자가 떨어지는 제1하부토출관이 구비되고 일측면에는 상기 펌프수단의 펌핑 유체가 공급되는 측면관이 구비되며 상부측으로는 나노입자가 토출되는 상부토출관이 구비되는 제1사이클론, 및
   하부측으로 갈수록 점점 좁아지는 원뿔형상으로 되면서 하단부에는 상기 용기의 내부와 연통되어 나노입자가 떨어지는 제2하부토출관이 구비되고 일측면에는 상기 제1사이클론에 구비되는 상기 상부토출관이 연결 설치되며 수직 상부에는 유체에 함유된 일정크기 이하의 나노입자를 통과시키는 나노여과기가 매개된 중공의 메인토출관이 구비되는 제2사이클론을 포함하고,
   상기 메인토출관에는 그 측면부에 나노입자가 크기별로 분리 배출되도록 개폐구가 설치되는 다수 개의 분리배출구가 구비되는 이중의 사이클론을 통한 나노입자 분급기
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1사이클론의 일측으로 상기 제2사이클론이 연결되되, 상기 제1사이클론의 상부측에 구비되는 상기 상부토출관이 상기 제2사이클론에서는 나노입자를 유입시키는 측면관으로 작용하도록 연결 구성되는 이중의 사이클론을 통한 나노입자 분급기.
   
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 나노여과기는 상기 제2사이클론의 상부 개방면과 상기 메인토출관의 하단 개방면 사이에 설치 구비되는 이중의 사이클론을 통한 나노입자 분급기.
   
5. 삭제

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