KR102491075B1 - Magnetic separation device using permanent magnet and filter structure thereof - Google Patents

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KR102491075B1
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Abstract

본 발명에 따르면, 자성체 입자를 포함하는 혼합물의 적어도 일부가 통과되도록 양측이 개방된 케이스부, 상기 케이스부의 내측에 조립되는 금속 망상 구조체 및 상기 금속 망상 구조체와 인접하여 배치되며, 자계(magnetic field)를 발생시킴에 기초하여, 상기 혼합물에서 상기 자성체 입자를 분리하는 자성체 어셈블리를 포함하는 자기 분리 장치 및 이의 필터 구조체가 개시된다.According to the present invention, a case portion open on both sides so that at least a portion of a mixture containing magnetic particles passes therethrough, a metal network structure assembled inside the case portion, and disposed adjacent to the metal network structure, and a magnetic field Disclosed is a magnetic separation device including a magnetic body assembly that separates the magnetic body particles from the mixture based on generating and a filter structure thereof.

Description

영구자석을 이용한 자기 분리 장치 및 이의 필터 구조체 {MAGNETIC SEPARATION DEVICE USING PERMANENT MAGNET AND FILTER STRUCTURE THEREOF}Magnetic separation device using permanent magnet and its filter structure

본 발명은 자석을 이용한 자기 분리 장치 및 이의 필터 구조체에 관한 것이다.The present invention relates to a magnetic separation device using a magnet and a filter structure thereof.

자석의 발생 자계(magnetic field)를 이용하여 자성체 입자가 포함된 혼합물 내에서 자성체 입자를 분리하는 기술은 여러 분야에서 활용되고 있다. 대표적인 적용사례는 철 선별기, 식품분야 분리기, 제철분야 분리기, 의학분야 drug targetting, 지하철의 공기중 자성입자 분리기가 있으며 그 외에도 다양한 응용기기가 있다.A technology for separating magnetic particles from a mixture containing magnetic particles using a magnetic field generated by a magnet is used in various fields. Typical application examples are iron sorters, separators in the food sector, separators in the steelmaking sector, drug targeting in the medical sector, separators for magnetic particles in the air in the subway, and there are various other applications.

기존의 영구자석을 이용한 대표적인 자기분리장치는 혼합물에 포함된 자성체 물체를 선별하기 위한 드럼 표면부착형 선별기, 실린더 통 내부의 회전 영구자석 선별기, 다공성 자성체 표면에 영구자석을 부착한 자성입자 분리기 등이 있다. 드럼 표면 부착형 선별기는 드럼이 회전하며 표면에 부착된 영구자석이 혼합물의 자성체를 선별하는 장치로서 드럼 표면의 자계만 이용되고 유체의 내부 통과가 불가하여 분리 유효영역이 적고 포집성능이 낮으므로 유체 내의 자성입자 포집에는 적합하지 않다. 봉자석 회전 선별기는 혼합물을 실린더 용기에 넣고 봉자석을 넣고 돌려서 자성입자를 선별하는 방식으로 회전을 위한 장치가 필요하고 연속적인 처리가 불가하여 처리량이 제한되어 분말 등에 섞인 소량의 자성입자 분리에 제한적으로 사용되고 있다. 영구자석을 붙인 다공성 자성체 분리기는 유체에 연속적인 적용이 가능하나 다공성 재질의 압력손실이 크고 동작유속이 낮아 처리유량이 매우 제한된다.Representative magnetic separation devices using existing permanent magnets include a drum surface-attached sorter for sorting magnetic objects included in a mixture, a rotating permanent magnet sorter inside a cylinder, and a magnetic particle separator with permanent magnets attached to the surface of a porous magnetic material. there is. The drum surface-attached separator is a device in which the drum rotates and the permanent magnet attached to the surface sorts the magnetic substance of the mixture. Only the magnetic field of the drum surface is used and the fluid cannot pass through, so the separation effective area is small and the collection performance is low. It is not suitable for collecting magnetic particles inside. The bar magnet rotary sorter sorts the magnetic particles by putting the mixture in a cylinder container and inserting a bar magnet and turning it. It requires a device for rotation and cannot perform continuous processing, so the throughput is limited. there is. The porous magnetic separator with permanent magnets can be continuously applied to the fluid, but the flow rate is very limited due to the large pressure loss of the porous material and the low operating flow rate.

본 발명의 일 실시예에 따른 해결하고자 하는 과제는, 자기영동력 (magnetophoretic force)의 극대화를 위해 불균등도가 높은 영구자석을 이용한 자기 분리 장치를 고안하여 필터의 포집율, 압력손실, 포화포집량 및 동작유속에서 높은 성능을 얻도록 하는 것을 포함한다.The problem to be solved according to an embodiment of the present invention is to devise a magnetic separation device using a permanent magnet with a high degree of inequality to maximize the magnetophoretic force, and to achieve filter capture rate, pressure loss, and saturated collection amount. and obtaining high performance at operating flow rates.

본 명세서에 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 수 있다.Other objects not specified in this specification may be additionally considered within the scope that can be easily inferred from the following detailed description and effects thereof.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석을 이용한 자기 분리 장치는, 자성체 입자를 포함하는 혼합물의 적어도 일부가 통과되도록 양측이 개방된 케이스부, 상기 케이스부의 내측에 조립되는 금속 망상 구조체 및 상기 금속 망상 구조체와 인접하여 배치되며, 자계(magnetic field)를 발생시킴에 기초하여, 상기 혼합물에서 상기 자성체 입자를 분리하는 자성체 어셈블리를 포함한다.In order to solve the above problems, a magnetic separation device using a permanent magnet according to an embodiment of the present invention is a case part with both sides open so that at least a part of a mixture containing magnetic particles passes through, assembled inside the case part and a metal network structure and a magnetic body assembly disposed adjacent to the metal network structure and separating the magnetic body particles from the mixture based on generating a magnetic field.

여기서, 상기 자계는, 불균등 자계 분포를 갖는다.Here, the magnetic field has an uneven magnetic field distribution.

여기서, 상기 자성체 어셈블리는, 서로 이격되어 배치되는 복수의 자석들 및 상기 자석들 사이에 위치하는 금속 코어를 포함할 수 있다.Here, the magnetic body assembly may include a plurality of magnets disposed spaced apart from each other and a metal core positioned between the magnets.

여기서, 상기 자석들은, 희토류 자석(NdFeB, SmCo), Alnico 자석, 페라이트 자석(Ferrite) 중의 어느 하나 또는 2가지 이상을 조합한 것일 수 있다.Here, the magnets may be any one or a combination of two or more of rare earth magnets (NdFeB, SmCo), Alnico magnets, and ferrite magnets (Ferrite).

여기서, 상기 금속 코어는, 탄소강을 포함하며, 블록 형태로 형성될 수 있다.Here, the metal core includes carbon steel and may be formed in a block shape.

여기서, 상기 자석들 각각은, 상기 혼합물이 통과되는 방향에 평행하거나 수직의 자화 방향을 가지며, 각 자석의 자화 방향은 인접한 자석과 서로 반대 또는 동일한 방향의 자화 방향을 가질 수 있다.Here, each of the magnets may have a magnetization direction parallel to or perpendicular to the direction in which the mixture passes, and the magnetization direction of each magnet may have a magnetization direction opposite to or the same as that of an adjacent magnet.

여기서, 상기 금속 망상 구조체는, 금속선이 교차로 배열된 구조의 다수의 평면 망을 포함하며, 상기 다수의 평면 망은, 일면이 상기 혼합물이 통과되는 방향에 일면이 평행하도록 놓여지며, 상기 혼합물이 통과되는 방향에 수직으로 서로 이격되어 배치될 수 있다.Here, the metal network structure includes a plurality of planar networks having a structure in which metal wires are intersectingly arranged, and one side of the plurality of planar networks is placed parallel to a direction in which the mixture passes, and the mixture passes through. It may be arranged spaced apart from each other perpendicular to the direction to be.

여기서, 상기 자성체 어셈블리는, 제1 자성체 어셈블리 및 제2 자성체 어셈블리를 포함하며, 상기 제1 자성체 어셈블리 및 제2 자성체 어셈블리는, 상기 혼합물이 통과되는 방향으로 적층될 수 있다.Here, the magnetic body assembly may include a first magnetic body assembly and a second magnetic body assembly, and the first magnetic body assembly and the second magnetic body assembly may be stacked in a direction in which the mixture passes.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 영구자석을 이용한 자기 분리 장치의 필터 구조체는, 자성체 입자를 포함하는 혼합물의 적어도 일부를 통과시키는 금속 망상 구조체 및 상기 금속 망상 구조체와 인접하여 배치되며, 자계(magnetic field)를 발생시킴에 기초하여, 상기 혼합물에서 상기 자성체 입자를 분리하는 자성체 어셈블리를 포함한다.A filter structure of a magnetic separation device using a permanent magnet according to another embodiment of the present invention is disposed adjacent to a metal network structure passing at least a part of a mixture including magnetic particles and the metal network structure, and a magnetic body assembly that separates the magnetic body particles from the mixture based on generating a field).

여기서, 상기 자성체 어셈블리는, 서로 이격되어 배치되는 복수의 자석들 및 상기 자석들 사이에 위치하는 금속 코어를 포함할 수 있다.Here, the magnetic body assembly may include a plurality of magnets disposed spaced apart from each other and a metal core positioned between the magnets.

여기서, 상기 자석들은, 희토류 자석(NdFeB, SmCo), Alnico 자석, 페라이트 자석(Ferrite) 중의 어느 하나 또는 2가지 이상을 조합한 것일 수 있다.Here, the magnets may be any one or a combination of two or more of rare earth magnets (NdFeB, SmCo), Alnico magnets, and ferrite magnets (Ferrite).

여기서, 상기 금속 코어는, 탄소강을 포함하며, 블록 형태로 형성될 수 있다.Here, the metal core includes carbon steel and may be formed in a block shape.

여기서, 상기 자석들 각각은, 상기 혼합물이 통과되는 방향에 평행하거나 수직의 자화 방향을 가지며, 각 자석의 자화 방향은 인접한 자석과 서로 반대 또는 동일 방향의 자화 방향을 가질 수 있다.Here, each of the magnets may have a magnetization direction parallel to or perpendicular to the direction in which the mixture passes, and the magnetization direction of each magnet may have a magnetization direction opposite to or the same as that of an adjacent magnet.

여기서, 상기 금속 망상 구조체는, 금속선이 교차로 배열된 구조의 다수의 평면 망을 포함하며, 상기 다수의 평면 망은, 일면이 상기 혼합물이 통과되는 방향에 일면이 평행하도록 놓여지며, 상기 혼합물이 통과되는 방향에 수직으로 서로 이격되어 배치될 수 있다.Here, the metal network structure includes a plurality of planar networks having a structure in which metal wires are intersectingly arranged, and one side of the plurality of planar networks is placed parallel to a direction in which the mixture passes, and the mixture passes through. It may be arranged spaced apart from each other perpendicular to the direction to be.

여기서, 상기 자성체 어셈블리는, 제1 자성체 어셈블리 및 제2 자성체 어셈블리를 포함하며, 상기 제1 자성체 어셈블리 및 제2 자성체 어셈블리는, 상기 혼합물이 통과되는 방향으로 적층될 수 있다.Here, the magnetic body assembly may include a first magnetic body assembly and a second magnetic body assembly, and the first magnetic body assembly and the second magnetic body assembly may be stacked in a direction in which the mixture passes.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예들에 의하면, 높은 불균등도의 자계 분포를 발생하여 높은 유속에서도 자성입자의 높은 포집율을 얻을 수 있다.As described above, according to the embodiments of the present invention, it is possible to obtain a high collection rate of magnetic particles even at a high flow rate by generating a magnetic field distribution of high unevenness.

또한, 압력손실을 낮추어 유동을 발생하기 위한 팬부하를 감소시킬 수 있으므로 소비전력 및 소음 발생을 감소시킬 수 있다.In addition, since the fan load for generating flow can be reduced by lowering the pressure loss, power consumption and noise generation can be reduced.

또한, 포집 유효 영역을 확대하여, 필터가 막히기 시작하는 포화포집량을 증가시킬 수 있다.In addition, the saturation collection amount at which the filter begins to be clogged can be increased by expanding the collection effective area.

또한, 불균등도가 큰 자계분포 발생으로 자기영동력이 증가하여 높은 유속에 포함된 자성입자도 포집이 가능해질 수 있다.In addition, magnetophoretic force increases due to the occurrence of a magnetic field distribution with a large degree of inequality, so that even magnetic particles included in a high flow rate can be collected.

여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급된다.Even if the effects are not explicitly mentioned here, the effects described in the following specification expected by the technical features of the present invention and their provisional effects are treated as described in the specification of the present invention.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석을 이용한 자기 분리 장치를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석을 이용한 자기 분리 장치의 평면 망을 예로 들어 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 다양한 실시예에 적용 가능한 영구자석의 배치 구조들을 나타낸 것이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석의 배치 구조를 나타낸 것이다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 다양한 실시예에 적용 가능한 영구자석의 배치 및 자성체 적용에 따른 자계분포 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석을 이용한 자기 분리 장치를 이용한 포집 성능 시험 결과를 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석을 이용한 자기 분리 장치가 적용된 집진 시험 덕트를 예로 들어 나타낸 도면이다.
1 and 2 are diagrams showing a magnetic separation device using a permanent magnet according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram illustrating a planar network of a magnetic separation device using permanent magnets according to an embodiment of the present invention as an example.
4 shows arrangement structures of permanent magnets applicable to various embodiments of the present invention.
5 and 6 show an arrangement structure of permanent magnets according to an embodiment of the present invention.
7 to 9 show magnetic field distribution analysis results according to the arrangement of permanent magnets applicable to various embodiments of the present invention and the application of magnetic materials.
10 is a diagram showing collection performance test results using a magnetic separation device using a permanent magnet according to an embodiment of the present invention.
11 is a diagram showing a dust collection test duct to which a magnetic separation device using a permanent magnet according to an embodiment of the present invention is applied as an example.

이하, 본 발명에 관련된 영구자석을 이용한 자기 분리 장치 및 이의 필터 구조체에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다.Hereinafter, a magnetic separation device using a permanent magnet and a filter structure thereof according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the described embodiments. And, in order to clearly describe the present invention, parts irrelevant to the description are omitted, and the same reference numerals in the drawings indicate the same members.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. It is understood that when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, but other elements may exist in the middle. It should be.

이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 “모듈” 및 “부”는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.The suffixes "module" and "unit" for the components used in the following description are given or used interchangeably in consideration of only the ease of writing the specification, and do not have meanings or roles that are distinct from each other by themselves.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.Terms such as first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. These terms are only used for the purpose of distinguishing one component from another.

본 발명의 일 실시예는 영구자석을 이용한 자기 분리 장치 및 이의 필터 구조체에 관한 것이다.One embodiment of the present invention relates to a magnetic separation device using a permanent magnet and a filter structure thereof.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석을 이용한 자기 분리 장치를 나타낸 도면이다.1 and 2 are diagrams showing a magnetic separation device using a permanent magnet according to an embodiment of the present invention.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석을 이용한 자기 분리 장치(10)를 나타낸 구성도이다.1 is a configuration diagram showing a magnetic separation device 10 using permanent magnets according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 영구자석을 이용한 자기 분리 장치 (10)는 케이스부(100), 금속 망상 구조체(200) 및 자성체 어셈블리(300)를 포함한다.Referring to FIG. 1 , a magnetic separation device 10 using a permanent magnet includes a case part 100 , a metal network structure 200 and a magnetic body assembly 300 .

본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석을 이용한 자기 분리 장치(10)는 자성체 입자가 포함된 혼합물 내에서 자성체 입자를 분리하기 위한 장치이다.The magnetic separation device 10 using a permanent magnet according to an embodiment of the present invention is a device for separating magnetic particles in a mixture containing magnetic particles.

혼합물에서 자성체 입자의 분리 원리는 불균등 자계 하에서 자성체 입자에 작용하는 자기력을 이용하는 것이며, 이런 현상을 자기영동(MAP: magnetophoresis)이라 한다. 구형(sphere)의 자성체 입자가 불균등 자계에서 받든 자기영동력(magnetophoretic force)는 수학식 1로 표현된다.The principle of separating magnetic particles from a mixture is to use the magnetic force acting on the magnetic particles under an unequal magnetic field, and this phenomenon is called magnetophoresis (MAP). The magnetophoretic force received by sphere-shaped magnetic particles in an unequal magnetic field is expressed by Equation 1.

Figure 112021002051397-pat00001
Figure 112021002051397-pat00001

여기서, μ1은 입자 주위 공간의 투자율(permeability), μ2는 입자의 투자율(permeability), R은 입자의 반경, H는 자계세기이다.Here, μ 1 is the permeability of the space around the particle, μ 2 is the permeability of the particle, R is the radius of the particle, and H is the magnetic field strength.

자기영동력의 표현식에서 재질특성 및 크기가 주어졌을 때 자기영동력은 우변 끝항인 ∇H2에 비례한다. ∇H2은 자계세기 제곱에 대한 구배(gradient)로서 자계의 공간 불균등도(nonuniformity)를 나타낸다. 즉, 자계세기가 아무리 커도 공간분포가 균등하면 자성체 입자에 작용하는 힘은 발생하지 않는다. 반면 자계세기가 작더라도 공간 불균등도가 크면 큰 힘이 발생한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석을 이용한 자기 분리 장치(10)는 자계세기가 클 뿐만 아니라 높은 불균등도가 얻어지도록 구성하여 자성입자의 포집성능을 높일 수 있다. 구체적으로, 높은 포집율과 높은 동작유속을 달성하기 위해서는 자기영동력의 극대화를 위한 불균등 자계의 발생이 필요하다.When material properties and size are given in the expression of magnetophoresis, the magnetophoretic force is proportional to ∇H 2 , the right-hand end term. ∇H 2 is the gradient of the square of the magnetic field strength and represents the spatial nonuniformity of the magnetic field. That is, no matter how great the magnetic field strength is, if the spatial distribution is uniform, no force acting on the magnetic particles is generated. On the other hand, even if the magnetic field strength is small, if the spatial inequality is large, a large force is generated. The magnetic separation device 10 using a permanent magnet according to an embodiment of the present invention has a high magnetic field strength and a high degree of unevenness, so that the magnetic particle collecting performance can be improved. Specifically, in order to achieve a high capture rate and a high operating flow rate, it is necessary to generate an unequal magnetic field to maximize the magnetophoretic force.

이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석을 이용한 자기 분리 장치(10)는 여러 개의 작은 영구자석을 공간 상에 일정한 간격을 두고 주기적으로 배치하여 영구자석 사이의 공간에서 불균등 자계를 발생한다. 이때 일정한 간격으로 배치된 영구자석 사이의 공간은 유동의 통로로 사용되어 원활한 유동이 가능하게 되어 압력손실이 적게 되고 넓은 입자포집 영역의 확보로 포화포집량을 증가시킬 수 있다.To this end, the magnetic separation device 10 using permanent magnets according to an embodiment of the present invention periodically arranges several small permanent magnets at regular intervals in a space to generate an uneven magnetic field in the space between the permanent magnets. . At this time, the space between the permanent magnets arranged at regular intervals is used as a passage for flow, enabling smooth flow, reducing pressure loss and increasing the saturation collection amount by securing a wide particle collection area.

케이스부(100)는 자성체 입자를 포함하는 혼합물의 적어도 일부가 통과되도록 양측이 개방된다. 케이스부(100)는 자계를 발생하는 영구자석, 철코어, 철망의 고정 및 지지 역할을 수행하며, 자성입자 혼합 유체의 유동통로 역할과 필터를 보호하는 외각(enclosure) 역할을 수행한다.Both sides of the case unit 100 are open so that at least a portion of the mixture containing the magnetic particles passes therethrough. The case part 100 serves to fix and support permanent magnets, iron cores, and wire nets that generate a magnetic field, and serves as a flow path for magnetic particle mixed fluid and an enclosure to protect the filter.

케이스부(100)는 PC, PMMA 등 단단한 플라스틱 재질로 제작될 수 있다.The case unit 100 may be made of a hard plastic material such as PC or PMMA.

금속 망상 구조체(200)는 케이스부(100)의 내측에 조립된다.The metal network structure 200 is assembled inside the case unit 100 .

금속 망상 구조체(200)는 금속선이 교차로 배열된 구조의 다수의 평면 망(210, 220, 230, 240)을 포함한다. 금속선은 고투자율의 철선을 포함한다.The metal network structure 200 includes a plurality of planar networks 210, 220, 230, and 240 having a structure in which metal lines are intersectingly arranged. The metal wire includes a high permeability iron wire.

다수의 평면 망(210, 220, 230, 240)은, 일면이 혼합물이 통과되는 방향에 일면이 평행하도록 놓여지며, 혼합물이 통과되는 방향에 수직으로 서로 이격되어 배치된다.A plurality of planar nets (210, 220, 230, 240) are placed so that one surface is parallel to the direction in which the mixture passes, and are spaced apart from each other perpendicular to the direction in which the mixture passes.

이에 따라, 금속 망상 구조체(200)는 자석(310)과 금속 코어(320)에 의해 발생된 공극 자계의 불균등도를 대폭 증대하는 역할을 수행할 수 있으며, 적층된 철망 사이의 공극 방향을 유로 방향과 일치하게 삽입하여 압력손실 증가를 최소화할 수 있다.Accordingly, the metal network structure 200 can serve to greatly increase the inequality of the air gap magnetic field generated by the magnet 310 and the metal core 320, and change the direction of the air gap between the stacked wire meshes to the flow direction. The increase in pressure loss can be minimized by inserting it in line with the

자성체 어셈블리(300)는 금속 망상 구조체와 인접하여 배치되며, 자계(magnetic field)를 발생시킴에 기초하여, 혼합물에서 자성체 입자를 분리한다.The magnetic body assembly 300 is disposed adjacent to the metal network structure and separates the magnetic body particles from the mixture based on generating a magnetic field.

여기서, 자계는, 불균등 자계 분포를 갖는다. 이를 위하여 하기 도 5에 나타난 바와 같이, 자성입자에 작용하는 자기영동력(magnetophoretic force)의 극대화를 위해 불균등도가 높은 구조로 영구자석을 배치하여, 높은 포집율과 높은 동작유속을 얻을 수 있다.Here, the magnetic field has an uneven magnetic field distribution. To this end, as shown in FIG. 5 below, in order to maximize the magnetophoretic force acting on the magnetic particles, permanent magnets are arranged in a structure with a high degree of inequality, so that a high collection rate and a high operating flow rate can be obtained.

자성체 어셈블리(300)는 자석들(310) 및 금속 코어(320)를 포함한다.The magnetic assembly 300 includes magnets 310 and a metal core 320 .

복수의 자석들(310)은 서로 이격되어 배치된다.A plurality of magnets 310 are disposed spaced apart from each other.

여기서, 자석들(310)은 희토류 자석(NdFeB, SmCo), Alnico 자석, 페라이트 자석(Ferrite) 중의 어느 하나 또는 2가지 이상을 조합한 것일 수 있다.Here, the magnets 310 may be any one or a combination of two or more of rare earth magnets (NdFeB, SmCo), Alnico magnets, and ferrite magnets.

자석들(310)은 영구자석으로 전자석에 비하여 전류 공급을 위한 도체 코일 및 전원이 필요 없어서 자기분리필터의 제작 시 간단한 구조로 구성이 가능하며 전력소비가 없다는 장점이 있다.The magnets 310 are permanent magnets and do not require a conductor coil and power supply for current supply compared to electromagnets, so they can be configured with a simple structure when manufacturing a magnetic separation filter and have the advantage of not consuming power.

자석들(310) 각각은, 혼합물이 통과되는 방향에 평행하거나 수직의 자화 방향을 가지며, 각 자석의 자화 방향은 인접한 자석과 서로 반대 또는 동일 방향의 자화 방향을 갖는다.Each of the magnets 310 has a magnetization direction parallel to or perpendicular to the direction in which the mixture passes, and the magnetization direction of each magnet has a magnetization direction opposite to or the same as that of an adjacent magnet.

금속 코어(320)는 자석들 사이에 위치한다. 금속 코어(320)는 탄소강 등 투자율이 높은 강자성체를 포함하며, 블록 형태로 형성된다.A metal core 320 is positioned between the magnets. The metal core 320 includes a ferromagnetic material having high magnetic permeability, such as carbon steel, and is formed in a block shape.

금속 코어(320)는 영구자석 자기회로의 자기저항을 저감하여 영구자석의 발생 자속을 증대하는 역할을 수행한다. 이에 따라, 영구자석의 감자효과(demagnetization) 저감으로 영구자석의 효율적 사용에 따른 재료비 저감 효과가 있다.The metal core 320 serves to increase magnetic flux generated by the permanent magnet by reducing the magnetic resistance of the permanent magnet magnetic circuit. Accordingly, there is an effect of reducing material cost according to the efficient use of the permanent magnet by reducing the demagnetization effect of the permanent magnet.

자석들(310)의 배치에서 영구자석 사이에 강자성체 금속 코어(320)를 삽입하여 영구자석 자기회로의 자기저항을 저감시켜 발생 자계의 세기를 강화함으로써 영구자석의 효율적 사용을 도모하여 영구자석 재료비를 저감할 수 있다.In the arrangement of the magnets 310, the ferromagnetic metal core 320 is inserted between the permanent magnets to reduce the magnetic resistance of the permanent magnet magnetic circuit and to enhance the strength of the generated magnetic field, thereby promoting efficient use of the permanent magnet and reducing the material cost of the permanent magnet. can be reduced

금속 코어(320)인 강자성체 코어는 유동 통로와 겹치지 않는 영구자석 사이 공간에 삽입하여 압력손실 증가의 원인이 되지 않도록 한다. 이와 같이 영구자석과 강자성체 코어를 유동 방향과 일치하게 직렬 배치하면 필터 전면에서 보았을 때 전면적의 1/4 정도가 영구자석과 철코어로 채워지고 나머지 3/4 영역은 유동 통로로 확보된다. 이 유동 통로는 필터의 전단과 후단에 막힘 없는 직선의 열린 구조(open structure)이므로 압력손실이 매우 적다. 그리고 넓은 영역의 유동 통로 확보는 충분한 입자 포화포집 공간이 확보됨을 의미하므로 포화포집량이 커진다.The ferromagnetic core, which is the metal core 320, is inserted into the space between the permanent magnets that do not overlap with the flow path to prevent an increase in pressure loss. In this way, when the permanent magnet and the ferromagnetic core are arranged in series in line with the flow direction, about 1/4 of the entire area is filled with the permanent magnet and the iron core when viewed from the front of the filter, and the remaining 3/4 area is secured as a flow passage. Since this flow passage is a straight open structure without clogging at the front and rear ends of the filter, the pressure loss is very small. In addition, since securing a flow passage in a wide area means that a sufficient particle saturated collection space is secured, the saturated collection amount increases.

또한, 앞서 확보한 유동 통로의 자계분포를 더욱 불균등하게 하기 위하여 유동 통로에 직경이 작은 강자성체 철선으로 이루어진 금속 망상 구조체(200)를 다수 배치한다. 이는 영구자석과 강자성체 코어에 의한 자계 분포를 왜곡하여 자계 불균등도를 대폭 증가시킨다. 이때 발생하는 자계는 영구자석과 강자성체 코어에 의한 것과 철선의 자화에 의한 것의 합이 된다. 특히 강자성체 철선의 자화에 의한 왜곡 자계는 철선 주위에만 주로 발생하므로 자계분포의 불균등도가 매우 높게 발생하여 자기영동력의 증가에 크게 기여한다. 즉 다수의 영구자석과 철코어을 일정한 간격으로 배치하여 불균등 자계를 발생하고, 이렇게 발생된 불균등 자계의 발생 영역인 유동 통로에 철망을 부가하여 자계의 불균등도를 대폭 증가하는 방식이다. 유체 통로에 다수의 강자성체 철선을 용이하게 배치하기 위한 방법으로서 작은 직경의 철선으로 제작된 평면 철망(iron mesh)(210, 220, 230, 240)을 여러 층으로 적층하여 유체 통로에 삽입한다. 적층 시 평면 철망 사이에 일정한 공극을 유지하면서 적층 철망을 제작하고, 이의 유동 통로 삽입 시 적층 철망의 공극 방향이 유동의 방향과 일치하도록 삽입하여 철망에 의한 압력손실 증가를 최소화한다.In addition, a plurality of metal network structures 200 made of small-diameter ferromagnetic wires are disposed in the flow passage to make the magnetic field distribution of the previously secured flow passage more uneven. This distorts the magnetic field distribution by the permanent magnet and the ferromagnetic core, greatly increasing the degree of magnetic field inequality. The magnetic field generated at this time is the sum of the permanent magnet and ferromagnetic core and the magnetization of the wire. In particular, since the distorted magnetic field due to the magnetization of the ferromagnetic wire is mainly generated around the wire, the unevenness of the magnetic field distribution is very high, contributing greatly to the increase of the magnetophoretic force. That is, a plurality of permanent magnets and iron cores are arranged at regular intervals to generate an unequal magnetic field, and a wire mesh is added to the flow path, which is the area where the unequal magnetic field is generated, to significantly increase the unequal degree of the magnetic field. As a method for easily arranging a plurality of ferromagnetic iron wires in the fluid passage, flat iron meshes 210, 220, 230, 240 made of small diameter iron wires are stacked in several layers and inserted into the fluid passage. During lamination, the laminated wire mesh is manufactured while maintaining a constant air gap between the flat wire meshes, and when the flow passage is inserted, the direction of the air gap of the laminated wire mesh coincides with the direction of flow to minimize the increase in pressure loss caused by the wire mesh.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석을 이용한 자기 분리 장치(10)를 나타낸 정면도(a), 측면도(b), 평면도(c)이다.2 is a front view (a), a side view (b), and a plan view (c) showing a magnetic separation device 10 using a permanent magnet according to an embodiment of the present invention.

도 2의 측면도(b) 및 평면도(c)를 참조하면, 자성체 어셈블리(300)는, 제1 자성체 어셈블리 및 제2 자성체 어셈블리를 포함하며, 제1 자성체 어셈블리 및 제2 자성체 어셈블리는, 혼합물이 통과되는 방향으로 적층된다.Referring to the side view (b) and the plan view (c) of FIG. 2 , the magnetic body assembly 300 includes a first magnetic body assembly and a second magnetic body assembly, through which the mixture passes. are stacked in the direction of

본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석을 이용한 자기 분리 장치(10)는 높은 불균등도의 자계 발생가 발생되도록 영구자석을 배치하여 자성체 입자의 효율적 포집이 가능하다. 또한 자기 분리 장치(10)의 필터 구조체는 자성입자가 포함된 혼합물이 원활이 통과될 수 있는 유동통로를 갖도록 구성하여 필터의 처리용량을 증대시킨다. 이때 유동통로에 불균등도가 큰 자계가 형성될 수 있도록 영구자석, 철 코어, 철망의 크기와 위치를 적절히 정하여 설계할 수 있다.In the magnetic separation device 10 using permanent magnets according to an embodiment of the present invention, it is possible to efficiently collect magnetic particles by arranging permanent magnets to generate a highly uneven magnetic field. In addition, the filter structure of the magnetic separation device 10 is configured to have a flow passage through which a mixture containing magnetic particles can smoothly pass, thereby increasing the filter's processing capacity. At this time, the size and position of the permanent magnet, the iron core, and the wire mesh can be properly determined and designed so that a magnetic field with a large degree of unevenness can be formed in the flow path.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석을 이용한 자기 분리 장치의 평면 망을 예로 들어 나타낸 도면이다.3 is a diagram illustrating a planar network of a magnetic separation device using permanent magnets according to an embodiment of the present invention as an example.

본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석을 이용한 자기 분리 장치의 금속 망상 구조체(200)는, 금속선(211)이 교차로 배열된 구조의 다수의 평면 망(210)을 포함하며, 다수의 평면 망은, 일면이 혼합물이 통과되는 방향에 일면이 평행하도록 놓여지며, 혼합물이 통과되는 방향에 수직으로 서로 이격되어 배치된다.The metal network structure 200 of the magnetic separation device using a permanent magnet according to an embodiment of the present invention includes a plurality of planar networks 210 having a structure in which metal wires 211 are alternately arranged, and the plurality of planar networks , One side is placed so that one side is parallel to the direction in which the mixture passes, and is spaced apart from each other perpendicular to the direction in which the mixture passes.

유체 통로에 다수의 강자성체 철선을 용이하게 배치하기 위한 방법으로서 작은 직경의 철선으로 제작된 평면 철망(iron mesh)(210, 220, 230, 240)을 여러 층으로 적층하여 유체 통로에 삽입한다. 적층 시 평면 철망 사이에 일정한 공극을 유지하면서 적층 철망을 제작하고, 이의 유동 통로 삽입 시 적층 철망의 공극 방향이 유동의 방향과 일치하도록 삽입하여 철망에 의한 압력손실 증가를 최소화할 수 있다.As a method for easily arranging a plurality of ferromagnetic iron wires in the fluid passage, flat iron meshes 210, 220, 230, 240 made of small diameter iron wires are stacked in several layers and inserted into the fluid passage. During lamination, the laminated wire mesh is manufactured while maintaining a constant air gap between the flat wire meshes, and when the flow passage is inserted, the increase in pressure loss due to the wire mesh can be minimized by inserting the laminated wire mesh so that the direction of the air gap coincides with the direction of flow.

철망의 망 크기는 유동 통로의 자계분포와 적층철망의 공극 크기를 고려하여 4~20 mesh 범위에서 선택하고 철망 와이어의 선경은 0.2~2mm의 범위에서 선택할 수 있다.The mesh size of the wire mesh can be selected in the range of 4 to 20 mesh in consideration of the magnetic field distribution of the flow passage and the pore size of the laminated wire mesh, and the wire diameter of the wire mesh can be selected in the range of 0.2 to 2 mm.

도 4는 본 발명의 다양한 실시예에 적용 가능한 영구자석의 배치 구조들을 나타낸 것이다.4 shows arrangement structures of permanent magnets applicable to various embodiments of the present invention.

영구자석의 주기적 배치 시 각 영구자석의 자화방향은 자계세기가 크면서도 불균등도가 커지도록 적절히 배치한다. 이를 위하여 본 발명의 다양한 실시예에 적용 가능한 영구자석의 배치 구조들은 도 4와 하기 도 5에 나타난 바와 같이, 5가지 종류의 영구자석의 방향 배치를 이용할 수 있다. 이외에도, 영구자석의 자화방향과 영구자석 사이의 거리에 따라 다양한 배치가 가능할 수 있다.When the permanent magnets are periodically arranged, the magnetization direction of each permanent magnet is appropriately arranged so that the magnetic field strength is large and the inequality is large. To this end, as shown in FIG. 4 and FIG. 5, 5 types of directional arrangements of permanent magnets applicable to various embodiments of the present invention may be used. In addition, various arrangements may be possible according to the magnetization direction of the permanent magnets and the distance between the permanent magnets.

도 4 및 도 5와 같은 배치 구조는 작은 크기의 여러 영구자석을 적당한 거리를 두고 주기적으로 배치한 것으로 자계 불균일도를 증가시킬 수 있다. 영구자석의 크기가 작고 개수가 많을수록 자계 불균등도는 증가하나 크기가 너무 작으면 정밀공정이 필요하고 제작 과정이 복잡하여 제작비용이 증가하므로 한변의 크기가 5~50mm인 직육면체 영구자석을 사용하게 된다.In the arrangement structure shown in FIGS. 4 and 5, a plurality of small-sized permanent magnets are periodically arranged at appropriate distances from each other, and the magnetic field non-uniformity can be increased. The smaller the size of the permanent magnet and the larger the number, the higher the magnetic field inequality. However, if the size is too small, a precision process is required and the manufacturing process is complicated, which increases the manufacturing cost. .

또한, 좌우 영구자석(310) 사이에는 자계발생 증대를 위한 금속 코어(320)가 삽입된다. 자석(310) 사이에 삽입되는 금속 코어(320)는 유동에 방해가 되어 압력손실이 증가하지 않도록 영구자석의 좌우에 삽입된다.In addition, a metal core 320 is inserted between the left and right permanent magnets 310 to increase magnetic field generation. The metal core 320 inserted between the magnets 310 is inserted on the left and right sides of the permanent magnets so as not to increase the pressure loss due to the obstruction to the flow.

도 4의 (a)는 up-down-up-down 방향으로 배치된 것이다.Figure 4 (a) is arranged in the up-down-up-down direction.

도 4의 (b)는 up-up-up-up 방향으로 배치된 것이다.Figure 4 (b) is arranged in the up-up-up-up direction.

도 4의 (c)는 up-down-down-up방향으로 배치된 것이다.(c) of FIG. 4 is arranged in the up-down-down-up direction.

도 4의 (d)는 reverse Halbach 방향으로 배치된 것이다.(d) of FIG. 4 is arranged in the reverse Halbach direction.

하기 도 5는 Halbach 방향으로 배치된 것이다.5 is arranged in the Halbach direction.

영구자석(310)과 철코어(320)의 유동방향 크기 비율은 기본적으로 1:1로 하나 자계 발생의 필요에 따라서 영구자석만을 사용할 수도 있고 영구자석을 최소화할 수도 있다. 적용가능한 비율은 1:0 ~ 1:10의 범위 내에서 선택할 수 있다.The flow direction size ratio of the permanent magnet 310 and the iron core 320 is basically 1:1, but only permanent magnets may be used or the permanent magnets may be minimized depending on the need for generating a magnetic field. The applicable ratio can be selected within the range of 1:0 to 1:10.

유동 통로에는 적층 철망(iron mesh)을 삽입하여 자계 불균등도를 대폭 증가시켜서 입자포집력을 대폭 증대시킬 수 있다.By inserting a laminated iron mesh into the flow passage, the magnetic field inequality can be significantly increased, thereby significantly increasing the particle trapping force.

도 4와 하기 도 5에 나타난 바와 같이, 영구자석의 배치 도면은 모두 4×4 구조이나 요구되는 적용의 크기에 따라서 n×m 구조의 임의 수로 변화 가능하다.As shown in FIG. 4 and FIG. 5 below, the permanent magnet arrangement drawings are all 4×4 structures, but can be changed to any number of n×m structures according to the size of the required application.

또한, 영구자석 배치도는 측면의 한 층으로 도시하였으나 전체 층수는 적용의 필요에 따라 변화 가능하고 인접층들의 자석 배치 방향은 교반하거나 같은 방향으로 배치할 수 있으며 인접층 사이의 간격은 기본적으로 영구자석 폭과 같게 하나 자계 발생의 필요에 따라 조정할 수 있다.In addition, the permanent magnet arrangement diagram is shown as one layer on the side, but the total number of layers can be changed according to the needs of the application, and the magnet arrangement direction of adjacent layers can be stirred or arranged in the same direction, and the spacing between adjacent layers is basically permanent magnet It is the same as the width, but can be adjusted according to the need for magnetic field generation.

표 1은 도 4와 하기 도 5에 나타난 영구자석 배치의 평균 자계불균일도를 비교한 것이다. 영구자석, 철코어, 철망이 모두 있을 경우와 적용된 재질과 크기가 동일할 때 영구자석 배치에 따른 자계 불균일도 비교를 비교한 것으로, 5 종류 영구자석 배치의 자계불균일도는 크게 차이가 나지 않으나 도 5에 나타난 자석배치 4(Halbach)의 자계불균일도가 가장 높음을 확인할 수 있다.Table 1 compares the average magnetic field non-uniformity of the arrangement of permanent magnets shown in FIG. 4 and FIG. 5 below. This is a comparison of the magnetic field non-uniformity according to the arrangement of permanent magnets when all permanent magnets, iron cores, and wire meshes are present and when the applied material and size are the same. It can be seen that the magnetic field non-uniformity of magnet arrangement 4 (Halbach) shown in Fig. 5 is the highest.

Figure 112021002051397-pat00002
Figure 112021002051397-pat00002

이에, 하기 도 5 및 도 6에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석의 배치 구조를 Halbach 방향으로 배치된 구조를 이용하여 설명하도록 한다.Accordingly, in FIGS. 5 and 6 below, the arrangement structure of permanent magnets according to an embodiment of the present invention will be described using a structure arranged in the Halbach direction.

도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석의 배치 구조를 나타낸 것이다.5 and 6 show an arrangement structure of permanent magnets according to an embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 측면에서 본 자석 배치는 좌우 2층으로 영구자석 방향 교차 배치되며, 윗면에서 본 자석 배치는 2층으로 영구자석 방향으로 교차 배치된다.Referring to FIG. 5 , the magnet arrangement viewed from the side crosses the direction of the permanent magnets on the left and right two layers, and the magnet arrangement viewed from the top surface crosses the direction of the permanent magnets on the second floor.

또한, 도 6을 참조하면, 전면에서 본 자석 배치는 4×4 영구자석 방향으로 교차 배치된다.In addition, referring to FIG. 6, the arrangement of magnets seen from the front is arranged in a 4×4 direction of permanent magnets.

즉, 자석들(310) 각각은, 혼합물이 통과되는 방향에 평행하거나 수직의 자화 방향을 가지며, 각 자석의 자화 방향은 인접한 자석과 서로 반대 또는 동일 방향의 자화 방향을 갖는다.That is, each of the magnets 310 has a magnetization direction parallel to or perpendicular to the direction in which the mixture passes, and the magnetization direction of each magnet has a magnetization direction opposite to or the same as that of an adjacent magnet.

도 7 내지 도 9는 본 발명의 다양한 실시예에 적용 가능한 영구자석의 배치 및 자성체 적용에 따른 자계분포 분석 결과를 나타낸 것이다.7 to 9 show magnetic field distribution analysis results according to the arrangement of permanent magnets applicable to various embodiments of the present invention and the application of magnetic materials.

도 7 내지 도 9는 상기 도 4와 하기 도 5에 나타난 자석배치의 철코어 및 철망 사용의 효과를 전자장 수치해석(정자계 유한요소해석)의 컴퓨터시뮬레이션을 통하여 정량적으로 성능을 분석하고 비교한 것이다.7 to 9 quantitatively analyze and compare the performance of the effect of using the iron core and wire mesh of the magnet arrangement shown in FIG. 4 and FIG. 5 through computer simulation of electromagnetic field numerical analysis (static magnetic field finite element analysis) .

여기서, 전자장 수치해석을 통한 분석 대상은 자성입자 포집력을 결정하는 자계 불균등도이다. 제시된 자석 배치에 대한 엄밀한 자계분포 해석은 3차원 자계해석이 요구되나 철코어 및 철망의 영향 해석은 2차원해석으로도 대체적인 성능 예측이 가능하다.Here, the analysis target through the electromagnetic field numerical analysis is the magnetic field inequality that determines the magnetic particle trapping power. Strict magnetic field distribution analysis for the proposed magnet arrangement requires a three-dimensional magnetic field analysis, but an alternative performance prediction is possible with a two-dimensional analysis for the effect analysis of the iron core and wire mesh.

실제 적용되는 자기 분리 장치의 영구자석 및 자성체 배치는 3차원이므로 이에 따른 자계분포도 3차원적으로 발생하여 자계의 불균등도는 2차원 해석결과보다 크기 나온다. 따라서 실제 자기 분리 장치의 포집력은 2차원 해석결과보다 높다.Since the arrangement of permanent magnets and magnetic materials of the actually applied magnetic separation device is three-dimensional, the magnetic field distribution is also three-dimensional, resulting in a greater degree of magnetic field inequality than the two-dimensional analysis result. Therefore, the collection force of the actual magnetic separation device is higher than the 2D analysis result.

도 7은 도 4의 (a)에 따른 자석배치 1 모델에서의 철코어와 철망의 효과 분석 결과이다.7 is an analysis result of the effect of the iron core and the wire mesh in the magnet arrangement 1 model according to FIG. 4 (a).

도 7의 (a)는 철코어와 철망 없이 영구자석만 있을 때의 자계 분포이며, 자계분포에 의한 유동 통로의 평균 자계불균등도 분석 결과는 43.7 [T^2/m]이다.Figure 7 (a) shows the magnetic field distribution when there is only a permanent magnet without an iron core and wire mesh, and the average magnetic field inequality analysis result of the flow passage by the magnetic field distribution is 43.7 [T^2/m].

도 7의 (b)는 철망 없이 영구자석과 철코어만 있을 때의 자계 분포이며, 자계분포에 의한 유동 통로의 평균 자계불균등도 분석 결과는 86.8 [T^2/m]이다. 도 7의 (a)의 경우 대비 평균 자계불균등도 1.9배 증가함을 확인할 수 있다.7(b) is the magnetic field distribution when there are only permanent magnets and iron cores without wire mesh, and the average magnetic field inequality analysis result of the flow path by the magnetic field distribution is 86.8 [T^2/m]. It can be seen that the average magnetic field inequality is also increased by 1.9 times compared to the case of FIG. 7 (a).

도 7의 (c)는 영구자석, 철코어, 철망이 모두 있을 때의 자계 분포이며, 자계분포에 의한 유동 통로의 평균 자계불균등도 분석 결과는 34,935.4 [T^2/m]이다.7(c) is the magnetic field distribution when the permanent magnet, the iron core, and the wire mesh are all present, and the average magnetic field inequality analysis result of the flow passage by the magnetic field distribution is 34,935.4 [T^2/m].

도 7의 (a)의 경우 대비 평균 자계불균등도 799.4배 증가하고, 도 7의 (b)의 경우 대비 평균 자계불균등도 402.4배 증가함을 확인할 수 있다.It can be seen that the average magnetic field inequality is also increased by 799.4 times compared to the case of (a) of FIG. 7, and the average magnetic field inequality is also increased by 402.4 times compared to the case of (b) of FIG.

도 8은 도 4의 (b)에 따른 자석배치 2 모델에서의 철코어와 철망의 효과 분석 결과이다.8 is an analysis result of the effect of the iron core and the wire mesh in the magnet arrangement 2 model according to FIG. 4 (b).

도 8의 (a)는 철망 없이 영구자석과 철코어만 있을 때의 자계 분포이며, 자계분포에 의한 유동 통로의 평균 자계불균등도 분석 결과는 86.2 [T^2/m]이다.Figure 8 (a) shows the magnetic field distribution when there are only permanent magnets and iron cores without wire mesh, and the average magnetic field inequality analysis result of the flow path by the magnetic field distribution is 86.2 [T^2/m].

도 8의 (b)는 영구자석, 철코어, 철망이 모두 있을 때의 자계 분포이며, 자계분포에 의한 유동 통로의 평균 자계불균등도 분석 결과는 35,506.5 [T^2/m]이다.8(b) shows the magnetic field distribution when the permanent magnet, iron core, and wire mesh are all present, and the result of analyzing the average magnetic field inequality of the flow passage by the magnetic field distribution is 35,506.5 [T^2/m].

도 8의 (a)의 경우 대비 평균 자계불균등도 411.9배 증가함을 확인할 수 있다.It can be confirmed that the average magnetic field inequality is also increased by 411.9 times compared to the case of FIG. 8 (a).

도 9는 도 5에 따른 자석배치 모델에서의 철코어와 철망의 효과 분석 결과이다.9 is an analysis result of the effect of an iron core and a wire mesh in the magnet arrangement model according to FIG. 5 .

도 9의 (a)는 철망 없이 영구자석과 철코어만 있을 때의 자계 분포이며, 유동 통로에서의 평균 자기영동력은 57.5 [T^2/m]이다.Figure 9 (a) shows the magnetic field distribution when there are only permanent magnets and iron cores without wire mesh, and the average magnetophoretic force in the flow path is 57.5 [T^2/m].

도 9의 (b)는 영구자석, 철코어, 철망이 모두 있을 때의 자계 분포이며, 자계분포에 의한 유동 통로의 평균 자계불균등도 분석 결과는 39,125.0 [T^2/m]이다.9(b) shows the magnetic field distribution when the permanent magnet, iron core, and wire mesh are all present, and the result of analyzing the average magnetic field inequality of the flow passage by the magnetic field distribution is 39,125.0 [T^2/m].

도 9의 (a)의 경우 대비 평균 자계불균등도 680.4배 증가함을 확인할 수 있다.It can be confirmed that the average magnetic field inequality is also increased by 680.4 times compared to the case of FIG. 9 (a).

또한, 도 5에 따른 자석배치 모델에서의 철망 철선의 두께 변화 효과를 확인하면, 철선의 반경에 따른 자기영동력 변화 분석 결과 철선의 반경이 0.25mm에서 0.15mm로 감소하고 평면 철망의 층수가 1.6배 증가함에 따라 자기영동력 1.53배 증가함을 확인할 수 있고, 철망의 반경이 작고 적층 수가 많을수록 자계불균일도 증가로 입자 포집력 증가함을 확인할 수 있다.In addition, when confirming the effect of changing the thickness of the wire mesh wire in the magnet arrangement model according to FIG. 5, as a result of analyzing the change in magnetophoretic force according to the radius of the wire, the radius of the wire decreased from 0.25 mm to 0.15 mm, and the number of layers of the flat wire mesh was 1.6 It can be confirmed that the magnetophoretic force increases 1.53 times as the fold increases, and it can be confirmed that the smaller the radius of the wire mesh and the larger the number of layers, the higher the particle trapping power due to the increase in magnetic field non-uniformity.

또한, 영구자석 재료에 따른 자기영동력 변화 및 유동방향 필터 길이 영향을 확인하면, 희토류 자석(NdFeB 자석-잔류자속밀도 1.2 tesla)을 사용하면 페라이트 자석(잔류자속밀도 0.3)에 비하여 평균 자기영동력은 약 16배 증가하며 이에 따라 포집에 필요한 최소 유동방향 필터길이는 약 1/4로 감소함을 확인할 수 있다.In addition, when checking the change in magnetophoretic force and the effect of the filter length in the direction of flow according to the permanent magnet material, using a rare earth magnet (NdFeB magnet-residual magnetic flux density 1.2 tesla) compared to a ferrite magnet (residual magnetic flux density 0.3 tesla) average magnetophoretic force is increased by about 16 times, and accordingly, it can be confirmed that the minimum flow direction filter length required for collection is reduced by about 1/4.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석을 이용한 자기 분리 장치를 이용한 포집 성능 시험 결과를 나타낸 도면이다.10 is a diagram showing collection performance test results using a magnetic separation device using a permanent magnet according to an embodiment of the present invention.

포집성능 시험은 하기 도 11에 나타난 바와 같이, 자성필터를 덕트에 넣고 수직으로 세운 후, 자성체 입자를 필터 흡입구의 50cm 위에서 대량으로 낙하시켜 입자의 포집 상태를 관찰한다. 시험에 사용된 자성체 입자는 직경 1~10㎛의 자성이 있는 산화철 미세입자이다.As shown in FIG. 11 below, in the collection performance test, the magnetic filter is placed in a duct and erected vertically, and then a large amount of magnetic particles are dropped from 50 cm above the filter inlet to observe the collection state of the particles. The magnetic particles used in the test are magnetic iron oxide particles with a diameter of 1 to 10 μm.

자유낙하된 자성입자는 2.5m/s 정도의 비교적 높은 속도로 흡입구에 도달함에도 거의 모든 자성입자가 흡입구 근처에서 포집되었다.Although the free-falling magnetic particles reached the inlet at a relatively high speed of about 2.5 m/s, almost all of the magnetic particles were collected near the inlet.

흡입구와 배출구의 비교 사진에서 볼 수 있듯이 자성체 입자는 흡입구 근처에서만 관찰되고 배출구 쪽에서는 발견할 수가 없었다.As can be seen in the comparison picture of the inlet and outlet, magnetic particles were only observed near the inlet and could not be found on the outlet side.

이를 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석을 이용한 자기 분리 장치의 필터의 자성체 입자포집율은 유속 2.5m/s에서 100%에 이르는 것으로 추정된다. 이는 자계분포 해석을 통해 얻은 불균등자계에 의한 평균 자기영동력을 이용한 입자운동 해석의 결과와 부합된다.Through this, it is estimated that the magnetic particle capture rate of the filter of the magnetic separation device using the permanent magnet according to an embodiment of the present invention reaches 100% at a flow rate of 2.5 m/s. This coincides with the results of the particle motion analysis using the average magnetophoresis by the unequal magnetic field obtained through the magnetic field distribution analysis.

도 10을 통해 자성체가 흡입구에 포집됨을 확인할 수 있다.10, it can be confirmed that the magnetic material is collected in the inlet.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석을 이용한 자기 분리 장치가 적용된 집진 시험 덕트를 예로 들어 나타낸 도면이다.11 is a diagram showing a dust collection test duct to which a magnetic separation device using a permanent magnet according to an embodiment of the present invention is applied as an example.

도 11에 나타난 바와 같이, 영구자석을 이용한 자기 분리 장치(10)를 덕트(30)에 넣고 수직으로 세워 사용할 수 있다.As shown in FIG. 11 , the magnetic separation device 10 using a permanent magnet can be placed in the duct 30 and used upright.

상단은 입자 공급용 플라스틱 망이 위치하며, 하단은 자기 필터가 위치한다. 이에 자기 분리 장치는 지면에 놓여지고, 필터는 상단을 향하게 된다.At the top, a plastic mesh for supplying particles is located, and at the bottom, a magnetic filter is located. Accordingly, the magnetic separation device is placed on the ground, and the filter faces upward.

일반적으로 필터의 성능은 포집율, 압력손실, 포화포집량, 동작유속의 네 가지 성능지표를 기준으로 표현된다. 포집율은 필터 전단의 입력(inlet) 입자량 대비 출력(outlet) 입자량을 측정하여 계산되며, 압력손실은 유체 통과 시 필터 전후단 사이의 압력차이를 측정하여 얻는다. 포화포집량은 필터의 포집입자 누적으로 필터가 막히기 시작하여 필터 교체 및 입자 제거가 요구되는 최대 입자포집량이며, 동작유속은 일정 수준의 포집율이 유지되는 유동 속도이다.In general, filter performance is expressed based on four performance indicators: capture rate, pressure loss, saturated capture amount, and operating flow rate. The capture rate is calculated by measuring the amount of particles at the outlet against the amount of particles at the input at the front of the filter, and the pressure loss is obtained by measuring the difference in pressure between the front and rear ends of the filter when the fluid passes. The saturation capture amount is the maximum particle capture amount that requires filter replacement and particle removal after the filter starts clogging due to the accumulation of collected particles, and the operating flow rate is the flow rate at which a certain level of capture rate is maintained.

본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석을 이용한 자기 분리 장치는 성능지표를 만족하도록 할 수 있다.A magnetic separation device using a permanent magnet according to an embodiment of the present invention may satisfy the performance index.

본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석을 이용한 자기 분리 장치(10)는 단위부피당 처리용량이 향상되므로 필터 크기가 감소되도록 설계할 수 있고, 쉽게 구할 수 있는 저렴한 재료로 제작이 가능하므로 제작비용을 줄일 수 있다. 또한 영구자석의 사용으로 전력소비 및 전원장치가 불필요해질 수 있다.The magnetic separation device 10 using a permanent magnet according to an embodiment of the present invention improves the processing capacity per unit volume, so it can be designed to reduce the size of the filter, and can be manufactured with easily available inexpensive materials, thereby reducing the manufacturing cost. can be reduced In addition, the use of permanent magnets may make power consumption and power supply unnecessary.

또한 필터의 입자포화 시 제거 후 재사용이 가능하므로 반영구적 수명을 갖고, 오존/전자파/폐플라스틱 등의 유해물질 및 폐기물의 배출을 줄일 수 있다. In addition, since the filter can be reused after being removed when particles are saturated, it has a semi-permanent lifespan and can reduce the emission of harmful substances and wastes such as ozone/electromagnetic waves/waste plastic.

이상의 설명은 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 범위는 전술한 실시예에 한정되지 않고 특허 청구 범위에 기재된 내용과 동등한 범위 내에 있는 다양한 실시 형태가 포함되도록 해석되어야 할 것이다.The above description is just one embodiment of the present invention, and those skilled in the art can implement it in a modified form without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the scope of the present invention should be construed to include various embodiments within the scope equivalent to those described in the claims without being limited to the above-described embodiments.

10: 영구자석을 이용한 자기 분리 장치
100: 케이스부
200: 금속 망상 구조체
300: 자성체 어셈블리
10: magnetic separation device using a permanent magnet
100: case part
200: metal network structure
300: magnetic body assembly

Claims (15)

자성체 입자를 포함하는 혼합물의 적어도 일부가 통과되도록 양측이 개방된 케이스부;
상기 케이스부의 내측에 조립되는 금속 망상 구조체; 및
상기 금속 망상 구조체와 인접하여 배치되며, 자계(magnetic field)를 발생시킴에 기초하여, 상기 혼합물에서 상기 자성체 입자를 분리하는 자성체 어셈블리;를 포함하고,
상기 금속 망상 구조체는 상기 혼합물이 통과되는 방향인 제 1 방향과 일면이 평행하도록 놓여지고, 상기 제 1 방향과 수직인 제 2 방향을 따라 서로 이격되어 배치되는 다수의 평면 망을 포함하며,
상기 자성체 어셈블리는 각 평면 망에 대해 상기 혼합물이 인입되는 측에 놓인 변을 포함하는 제 1 평면 상에 다수개가 배치되는 자기 분리 장치.
a case portion with both sides open so that at least a portion of the mixture containing the magnetic particles passes therethrough;
A metal network structure assembled inside the case portion; and
A magnetic body assembly disposed adjacent to the metal network structure and configured to separate the magnetic body particles from the mixture based on generating a magnetic field;
The metal network structure includes a plurality of planar networks placed so that one surface is parallel to a first direction, which is a direction in which the mixture passes, and spaced apart from each other along a second direction perpendicular to the first direction,
The magnetic separation device of claim 1 , wherein a plurality of magnetic body assemblies are disposed on a first plane including a side disposed on a side where the mixture is introduced for each plane network.
제1항에 있어서,
상기 자계는, 불균등 자계 분포를 갖는 자기 분리 장치.
According to claim 1,
The magnetic field has an unequal magnetic field distribution.
제1항에 있어서,
상기 자성체 어셈블리는,
서로 이격되어 배치되는 복수의 자석들; 및
상기 자석들 사이에 위치하는 금속 코어;를 포함하는 자기 분리 장치.
According to claim 1,
The magnetic body assembly,
A plurality of magnets disposed spaced apart from each other; and
A magnetic separation device comprising a; metal core positioned between the magnets.
제3항에 있어서,
상기 자석들은,
희토류 자석, Alnico 자석, 페라이트(Ferrite) 자석 중의 어느 하나 또는 2가지 이상을 조합한 것이고,
상기 희토류 자석은 NdFeB 및 SmCo 중 적어도 하나를 포함하는 자기 분리 장치.
According to claim 3,
The magnets,
Any one or a combination of two or more of rare earth magnets, Alnico magnets, and ferrite magnets,
The rare earth magnet includes at least one of NdFeB and SmCo.
제3항에 있어서,
상기 금속 코어는,
탄소강을 포함하며, 블록 형태로 형성되는 자기 분리 장치.
According to claim 3,
The metal core,
A magnetic separation device comprising carbon steel and formed in a block shape.
제3항에 있어서,
상기 자석들 각각은, 상기 혼합물이 통과되는 방향에 평행하거나 수직의 자화 방향을 가지며, 각 자석의 자화 방향은 인접한 자석과 서로 반대 또는 동일 방향의 자화 방향을 갖는 자기 분리 장치.
According to claim 3,
Each of the magnets has a magnetization direction parallel to or perpendicular to the direction in which the mixture passes, and the magnetization direction of each magnet has a magnetization direction opposite to or the same as that of an adjacent magnet.
제1항에 있어서,
상기 다수의 평면 망은,
상기 자계의 불균일도가 증대되도록, 금속선이 교차로 배열된 구조인 자기 분리 장치.
According to claim 1,
The plurality of planar networks,
A magnetic separation device having a structure in which metal wires are alternately arranged so as to increase the non-uniformity of the magnetic field.
제3항에 있어서,
상기 자성체 어셈블리는, 제1 자성체 어셈블리 및 제2 자성체 어셈블리를 포함하며,
상기 제1 자성체 어셈블리 및 제2 자성체 어셈블리는, 상기 제 1 평면 및, 상기 제 1 방향에 따라 상기 제 1 평면에 대향하는 제 2 평면에 적층되는 자기 분리 장치.
According to claim 3,
The magnetic body assembly includes a first magnetic body assembly and a second magnetic body assembly,
The first magnetic body assembly and the second magnetic body assembly are stacked on the first plane and a second plane facing the first plane along the first direction.
자기 분리 장치의 필터 구조체에 있어서,
자성체 입자를 포함하는 혼합물의 적어도 일부를 통과시키는 금속 망상 구조체; 및
상기 금속 망상 구조체와 인접하여 배치되며, 자계(magnetic field)를 발생시킴에 기초하여, 상기 혼합물에서 상기 자성체 입자를 분리하는 자성체 어셈블리;를 포함하고,
상기 금속 망상 구조체는 상기 혼합물이 통과되는 방향인 제 1 방향과 일면이 평행하도록 놓여지고, 상기 제 1 방향과 수직인 제 2 방향을 따라 서로 이격되어 배치되는 다수의 평면 망을 포함하며,
상기 자성체 어셈블리는 각 평면 망에 대해 상기 혼합물이 인입되는 측에 놓인 변을 포함하는 제 1 평면 상에 다수개가 배치되는 자기 분리 장치의 필터 구조체.
In the filter structure of the magnetic separation device,
a metal network structure through which at least a portion of a mixture containing magnetic particles passes; and
A magnetic body assembly disposed adjacent to the metal network structure and configured to separate the magnetic body particles from the mixture based on generating a magnetic field;
The metal network structure includes a plurality of planar networks disposed so that one surface is parallel to a first direction, which is a direction in which the mixture passes, and spaced apart from each other along a second direction perpendicular to the first direction,
The filter structure of the magnetic separation device in which a plurality of magnetic body assemblies are disposed on a first plane including a side placed on a side where the mixture is introduced for each plane network.
제9항에 있어서,
상기 자성체 어셈블리는,
서로 이격되어 배치되는 복수의 자석들; 및
상기 자석들 사이에 위치하는 금속 코어;를 포함하는 자기 분리 장치의 필터 구조체.
According to claim 9,
The magnetic body assembly,
A plurality of magnets disposed spaced apart from each other; and
A filter structure of a magnetic separation device comprising a; metal core positioned between the magnets.
제10항에 있어서,
상기 자석들은,
희토류 자석, Alnico 자석, 페라이트(Ferrite) 자석 중의 어느 하나 또는 2가지 이상을 조합한 것이고,
상기 희토류 자석은 NdFeB 및 SmCo 중 적어도 하나를 포함하는 자기 분리 장치의 필터 구조체.
According to claim 10,
The magnets,
Any one or a combination of two or more of rare earth magnets, Alnico magnets, and ferrite magnets,
The rare earth magnet is a filter structure of a magnetic separation device comprising at least one of NdFeB and SmCo.
제10항에 있어서,
상기 금속 코어는,
탄소강을 포함하며, 블록 형태로 형성되는 자기 분리 장치의 필터 구조체.
According to claim 10,
The metal core,
A filter structure of a magnetic separator comprising carbon steel and formed in a block shape.
제10항에 있어서,
상기 자석들 각각은, 상기 혼합물이 통과되는 방향에 평행하거나 수직의 자화 방향을 가지며, 각 자석의 자화 방향은 인접한 자석과 서로 반대 또는 동일 방향의 자화 방향을 갖는 자기 분리 장치의 필터 구조체.
According to claim 10,
Each of the magnets has a magnetization direction parallel to or perpendicular to the direction in which the mixture passes, and the magnetization direction of each magnet has a magnetization direction opposite to or the same as that of an adjacent magnet.
제9항에 있어서,
상기 다수의 평면 망은,
상기 자계의 불균일도가 증대되도록, 금속선이 교차로 배열된 구조인 자기 분리 장치의 필터 구조체.
According to claim 9,
The plurality of planar networks,
A filter structure of a magnetic separation device having a structure in which metal wires are alternately arranged so that the non-uniformity of the magnetic field is increased.
제10항에 있어서,
상기 자성체 어셈블리는, 제1 자성체 어셈블리 및 제2 자성체 어셈블리를 포함하며,
상기 제1 자성체 어셈블리 및 제2 자성체 어셈블리는, 상기 제 1 평면 및, 상기 제 1 방향에 따라 상기 제 1 평면에 대향하는 제 2 평면에 적층되는 자기 분리 장치의 필터 구조체.
According to claim 10,
The magnetic body assembly includes a first magnetic body assembly and a second magnetic body assembly,
The first magnetic body assembly and the second magnetic body assembly are laminated on the first plane and a second plane facing the first plane along the first direction.
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