KR102539861B1 - 초음파 원자화 방법에 의한 구형 금속 파우더들의 제조를 위한 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 초음파 원자화 방법(ultrasonic atomization method)에 의한 구형 금속 파우더들(spherical metal powders)의 제조를 위한 장치에 관한 것으로, 용융(melting) 시스템(3, 4), 투입 물질 전달 시스템(6), 작동 챔버(12), 압전 트랜스듀서(10), 및 100 W/mK를 초과하는 열 전도율을 갖는 물질로 이루어지고, 용융 팁(tip)(1)이 구비되는 냉각된 불용성의(infusible) 소노트로드(sonotrode)(2)가 구비되고, 소노트로드(2)는 라디에이터(radiator)로서 역할을 하고, 용융 팁(1)은 액체 원자화 물질에 의해 우수한 습윤성(wettability)을 보장한다.
Description
본 발명은 초음파 원자화 방법(ultrasonic atomization method)에 의한 구형 금속 파우더들(spherical metal powders)의 제조를 위한 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 금속들 및 그 합금들의 구형 파우더들은 가스(gas) 원자화 방법에 의해 제조된다. 액체 금속 제트(jet)는 분무기(atomizer)의 상부 섹션에 형성되고, 이어서 초음속 가스 스트림(stream)에 의해 분해된다. 액체 금속은 작동 가스(working gas)에 의해 들어 올려지고, 비행 중에 고화되어, 금속 파우더를 형성한다. 최대 수 미터에 이르는 액체 방울(droplet)의 높은 자유 경로로 인해, 분무기들은 필연적으로 최대 수 미터 높이의 작동 챔버들(working chambers)을 갖춘 대형 상용 시설들을 필요로 한다. 이러한 솔루션(solution)은 큰 파우더 배치들(powder batches)이 고려될 때, 실행 가능하지만, 종종 10 kg 미만의 투입 물질(input material)의 파우더 배치들의 효율적이고 경제적으로 정당화된 제조를 막는다. 회전 전극 원자화(rotating electrode atomization) 또는 플라즈마 구성화(plasma spheroidization)와 같은 대안적인 솔루션들은, 소량의 유용한 파우더 분획(fraction)이 얻어지도록 하거나 투입 물질이 파우더 형태일 것을 요구하지 않는다.
고품질의 구형 금속 파우더들의 제조를 위한 다른 방법은, 초음파 원자화 방법이다. 이 방법에서, 물질 분사(spraying)는 액체에서의 정상파(standing wave) 불안정성(instability)으로 인해 발생하며, 파동 진폭(wave amplitude)이 충분히 높은 값에 도달할 때 발생한다. 점성력들(viscous forces)이 극복됨에 따라, 단일 방울의 방출이 모든 파동 안티-노드(anti-node)에서 방출되고, 이후 불안정성의 회복후에, 프로세서가 반복된다. 상기 방법은 유기 용매의 물 용액의 원자화와 같은 저온 응용들(low-temperature applications), 또는 특히 가용성의(fusible) 금속들, 특히 주석 솔더들(tin solders)의 원자화에서 주로 사용된다. 고온들에서의, 즉 알루미늄 용융점(melting point)을 초과하는 합금의 원자화는 일반적으로, 소노트로드(sonotrode) 캘리브레이션(calibration) 및 캐비테이션(cavitation) 손상의 변화들로 인해, 지나치게 어렵다.
금속들 및 그 합금들의 초음파 원자화를 위한 현재 알려진 방법들은 두 그룹들로 나뉠 수 있다.
첫 번째 그룹의 방법들에서, 물질은 도가니(crucible)로부터 소노트로드 위로 쏟아진다 - 그러한 설정은 DE1558356에 기술되어 있고, 생산을 위해 성공적으로 구현되었다. 그러나, 이 기술은 700 ℃ 미만의 용융 온도로의 합금들의 처리를 위해서만 실행 가능하다. 주요 문제는 고온들에서의 짧은 소노트로드 작동 수명과 트랜스듀서(transducer) 과열이다. 코일(coil)을 통해 흐르는 액체, 물 분사 또는 공기 송풍 시스템에 의해, 냉각이 제공된다. 안정한 방식으로 원자화를 발생시키기 위해, 소노트로드가 액체 금속에 대해 우수한 습윤성(wettability)을 유지하고, 소노트로드 팁(tip)의 온도를 처리된 합금의 용융점 보다 높게 유지하는 것이 필요하다. 압전 트랜스듀서(piezoelectric transducer)의 작동 온도 제한으로 인해, 고온 구배(gradient)가 생성되고, 이는 소노트로드의 작동 수명을 단축하도록 이어진다.
두 번째 그룹은 소노트로드 물질 또는 소노트로드에 부착된 물질의 국소적인 용융에 관한 방법들로 이루어진다. 이는, 첫 번째 그룹에서 보다 높은 용융점을 갖는 물질들의 분사를 가능하게 한다. 레이저(laser), 플라즈마 토치(plasma torch) 또는 전자 빔(electron beam)이 에너지 소스들로서 사용될 수 있다. 그러한 구현의 예시가 US3275787 특허 - 여기서, 전자 빔이 사용됨 - 및 CN103433499 - 여기서, 소노트로드의 일부가 플라즈마 토치를 사용하여 용융됨 -, 또는 파우더 기술(Powder Technology) 2017에서 Habib A 등에 의해 스테인리스 스틸의 초음파 진동-보조 레이저 원자화(Ultrasonic vibration-assisted laser atomization of stainless steel)에 공개된 방법 - 여기서, 에너지 소스로서의 레이저에 의한 용융점이 사용되었음 -이다.
액체 금속 제어 및 소노트로드 습윤성 이슈들(issues)은 물질의 국소적인 용융을 통해 해결되었지만, 분사 주기 길이(spraying cycle length)에 추가적인 제한들이 있다. 첫 번째는, 분사된 소노트로드의 질량 손실 또는 기하학적 구조(geometry)에서의 변화들로 인한 시스템의 공진 주파수(resonance frequency)의 변화이다. 시간이 지나면, 용융의 대상이 되는 위치에서의 파동 진폭이 임계 값 아래로 떨어지며, 효과적으로 분사 프로세스의 중단으로 이어진다. 두 번째 제한은 소노트로드의 열 축적(heat accumulation)이다. 가열 중에, 강도(rigidity)의 손실로 인해, 소노트로드는 진동들을 전달하기 위한 능력을 효과적으로 상실하거나, 항복 강도(yield strength)의 저하로 인해 돌이킬 수 없게 손상된다.
DE3032785 및 CN105855558 출원들은 소노트로드로서 고속으로 공급된 와이어(wire)를 사용하여, 즉 물질이 연화되는 속도를 초과하는 속도로 물질을 분사하여, 상술된 문제들에 대한 솔루션을 제시한다. 그러나, 이 솔루션은, 분사된 물질이 높은 기계적 강도 및 연성(ductility)을 가져야 하므로, 취성의(brittle) 물질들 또는 낮은 항복 강도의 분사에는 적용할 수 없다.
본 발명의 목적은, 상술된 제약들이 없는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 핵심적인 진보는, 동시에 라디에이터(radiator)와 액체 금속에 의해 습윤된 물질로서의 역할을 하는 소노트로드이다. 이들 세 가지 기능들의 조합은, 프로세스가 연속적인 방식으로 수행될 수 있게 하며, 투입 물질의 형태에 대해 큰 제한들이 없다.
본 발명은 초음파 원자화 방법에 의한 구형 금속 파우더들의 제조를 위한 장치에 관한 것으로, 용융 시스템(3, 4), 투입 물질 전달 시스템(6), 작동 챔버(12), 압전 트랜스듀서(10), 및 100 W/mK를 초과하는 열 전도율을 갖는 물질로 이루어지고, 용융 팁(tip)(1)이 구비되는 냉각된 불용성의(infusible) 소노트로드(2)가 구비되고, 소노트로드(2)는 라디에이터로도 역할을 하기에 적합하고, 용융 팁(1)은 액체 원자화 물질에 의해 우수한 습윤성을 보장하기에 적합하다.
바람직하게는, 소노트로드는 CuCrZr 또는 CuCrZr 구리 합금 또는 소결(sintered) 텅스텐 합금들로 이루어진다.
바람직하게는, 투입 물질 전달 시스템(6)은 와이어(5)의 형태로, 물질을 전달한다.
바람직하게는, 투입 물질 전달 시스템(6)은 작동 챔버(12)의 외부에 위치된다.
바람직하게는, 용융 팁(1)과 소노트로드(2)가 확산 결합되거나, 용융 팁(1)이 소노트로드(2)에 나사 결합되는(screwed) 스레디드(threaded) 막대의 형태로 이루어진다.
바람직하게는, 용융 팁(1)은 적어도 두 개의 상이한 물질들로 이루어진다.
바람직하게는, 소노트로드(2)는 소노트로드(2) 물질에서 종파(longtitudal wave) 길이의 절반의 길이를 갖는다.
바람직하게는, 소노트로드(2)와 함께 용융 팁(1)의 시작 공진 주파수(initial resonance frequency)는 작동 주파수(working frequency) 보다 100-3000 Hz 더 높다.
바람직하게는, 소노트로드(2)는 유전체(dielectric) 액체들, 바람직하게는 증류수 또는 디에틸렌 글리콜(diethylene glycol)을 사용하여 냉각되기에 적합하다.
바람직하게는, 상기 장치는 용융 팁(1)으로 전달되는 적어도 두 개의 상이한 물질들에 대해 적합하다.
바람직하게는, 상기 장치에는, 사이클론(cyclone)(13), 파우더 드롭 바(powder drop bar)(14), 기계식 필터(mechanical filter)(15), 0.003 m3 내지 0.140 m3의 범위의 처리 챔버(12) 부피에 대해, 100 mbar 내지 900 mbar의 범위의 흡입 압력(suction pressure)으로 0.075 m3/s 내지 0.1138 m3/s의 범위의 효율을 갖는 순환 펌프(circulation pump)(16)가 구비된다.
바람직하게는, 처리 챔버(12) 부피 대 순환 펌프(16)의 효율의 비율은, 0.2 내지 4 1/s이고, 처리 챔버는 300 mm를 초과하지 않는 직경을 갖는 원통형을 갖는다.
바람직하게는, 상기 장치에는, 액체 세정 매체의 소스(source), 액체 세정 매체 도징(dosing) 밸브, 및 세정 매체 릴리즈(release)가 구비된다.
바람직하게는, 상기 장치에는, 액체 세정 매체를 펌핑하는 펌프, 및 미립자(particulate) 필터가 구비된다.
바람직하게는, 상기 장치에는, 처리 챔버에 연결되는 진공 펌프가 구비된다.
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 장치의 세정을 위한 방법에 관한 것으로, 투입 물질 용융 프로세스가 중단된 후에, 소노트로드가 세정 매체 내에서 완전히 덮일 때까지 처리 챔버를 채우기 위해, 세정 매체가 도징 밸브를 통해 전달되고, 이어서 초음파 발생기가 시작되고, 30 초 이상 동안 프로세스가 계속되고, 세정 매체 릴리즈를 통해 파우더 입자들과 함께 세정 매체가 후속적으로 제거되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 세정 매체는 미립자 필터를 통해 펌핑된다.
바람직하게는, 세정 매체 릴리즈를 통한 세정 매체의 제거 후에, 세정 매체 증기들(vapors)을 제거하기 위해, 처리 챔버(12)가 진공 펌핑된다.
상기 장치에는, 100 W/mK를 초과하는 열 전도율을 갖는 물질로 이루어지고, 용융 팁이 구비되는 냉각된 불용성의 소노트로드로 도파관(wave guide)에 의해 연결되는 압전 트랜스듀서, 투입 물질 전달 시스템, 물질 용융 시스템, 처리 챔버, 고전압 발생기, 및 진공 펌프가 구비된다. 압전 트랜스듀서는 물질 분사를 위해 사용되는 기계적 에너지의 소스이고, 20 kHz를 초과하는 작동 주파수를 갖고, 고전압 발생기에 의해 구동된다. 압전 트랜스듀서는 스크류 패스너(screw fastener)를 통해 도파관에 연결되어, 장치 프레임에의 마운팅(mounting)으로서의 역할을 하고, 트랜스듀서 진동 진폭을 증가시킨다. 도파관은 스크류 패스너를 통해 불용성의 소노트로드에 연결된다. 불용성의 소노트로드는 흐르는 냉각 매체(cooling medium)에 의해 작동 챔버 내에서 냉각되고, 동시에 용융 팁을 위한 라디에이터로서의 역할을 한다. 소노트로드의 이중 역할(진동들의 전달 및 열 제거)은 사용되는, 즉 100 W/mK 초과하는 높은 열 전도율과 100 HV5를 초과하는 경도(hardness)를 갖는 물질들을 필요로 한다. 냉각 매체의 누출 및 처리 챔버 내로의 누출을 방지하는 시일들(seals)이 제로-진폭 진동 노드들, 즉 도파관의 절반 길이 및 소노트로드의 절반 길이에 위치된다. 냉각 매체는 공기 또는 디에틸렌 글리콜이다. 용융 팁은 스크류 패스너에 의해 소노트로드에 연결되거나, 확산 결합을 통해 고정된다. 용융 시스템은 용융 팁으로 열 에너지를 전달한다. 투입 물질에 따라, 용융 시스템은 불용성의 텅스텐 전극, 및 소스 전원 아크 방전 또는 플라즈마 토치(a source powering arc discharge or a plasma torch), 소스 전원 아크 방전 및 플라즈마 가스 송풍 시스템(a source powering arc discharge and plasma gas blow system), 또는 렌즈 및 레이저 전원 소스(a lens and a laser power source)로 이루어진다. 동시에, 상기 장치에는, 용융 팁으로 투입 물질을 전달하는 시스템이 구비된다. 투입 물질의 형태에 따라, 시스템은 다음의 방식들로 구현될 수 있다: 기존에 알려진 와이어 공급기(wire feeder) 및 처리 챔버로 이어지는 채널(channel), 불규칙한 과립 또는 파우더 형태의 물질의 진동 공급기(vibrational feeder), 용융 팁으로 막대 형태의 투입 물질을 도입하는 기계적 푸셔(mechanical pusher). 작동 챔버는 기존에 알려진 바와 같이 냉각되고, 보호 가스와 투입 물질 채널들뿐만 아니라 진공 펌프와의 연결 역할을 하는 채널이 구비된다.
바람직하게는, 소노트로드는 CuCrZr 또는 CuCrZr 구리 합금 또는 소결 텅스텐 합금들로 이루어진다. 그러한 합금들은 시스템의 열 안정화를 위해 충분히 높은 열 전도율을 보장하며, 충분히 높은 경도로 특징지어 진다.
상기 장치의 동작 중에, 용융 시스템, 바람직하게는 아크 방전을 유지하는 저전압 발생기는, 투입 물질이 연속적인 방식으로 전달되는 팁을 용융시키며, 바람직하게는 물질은 와이어의 형태이다. 동시에, 기계적 에너지는 도파관 및 불용성의 소노트로드를 통해 압전 트랜스튜서로부터 용융 팁으로 전달되어, 투입 물질이 분사되어 파우더의 형태로 떨어지게 한다. 원자화 주기가 완료된 후에, 파우더는 작동 챔버로부터 제거되거나, 펌프에 의해 제거된다. 저경도 또는 취성의 물질들의 분사 경우, 전이 층(transition layer)이 압전 트랜스듀서를 사용하지 않고, 팁 용융 및 투입 물질의 첨가에 의해 패드(pad) 용접된다. 이어서, 투입 물질에 대응하는 화학적 조성을 갖는 잉여 물질의 층이 생성된 후에, 트랜스듀서가 활성화되고, 상술된 원자화 프로세스가 시작된다. 시스템의 열 드리프트(thermal drift)를 보상하기 위해, 고전압 발생기가 시스템의 공진 주파수의 변화에 맞춰져 있다.
상기 방법의 바람직한 구현에서, 하나 이상의 와이어가 용융 풀(melting pool)로 공급되고, 공급되는 와이어는 상이한 화학적 조성들을 갖는 물질들로부터 제조된다. 이는, 화학적 조성 구배를 갖는 다수의 파우더들의 배치들(batches)이 빠르게 제조될 수 있게 한다.
무시할 수 있는 파우더 입자 크기들 및 그의 빠른 냉각을 고려하여, 아크 에너지 흐름이 두 가지의 출력 성분들로 분해될 수 있다: 작동 챔버 및 소노트로드의 용융 팁. 처리 챔버는 기존에 알려진 바와 같이 냉각된다. 용융 팁으로부터의 열은 소노트로드에 의해 제거되고, 이로써 라디에이터의 역할을 수행하며, 공기 또는 디에틸렌 글리콜에 의해 냉각된다. 열 전도율과 강도를 갖는 물질이 사용되는 것이 중요하며, 스크류 패스너에 의해 시스템의 나머지를 영구적으로 고정하도록 한다.
이하에서, 본 발명에 따른 장치가 기술 도면들을 참조하여, 구현 예들로서 상세하게 설명될 것이다. 여기서:
도 1은 초음파 원자화 방법에 의한 구형 금속 파우더들의 제조를 위한 장치를 도시한다.
도 2는 상술된 시스템에 따른 장치를 도시한다.
도 1은 초음파 원자화 방법에 의한 구형 금속 파우더들의 제조를 위한 장치를 도시한다.
도 2는 상술된 시스템에 따른 장치를 도시한다.
예시 1
본 발명에 따른 장치의 바람직한 구현의 예시가 도 1에 도시되어 있다. 용융 팁(1)은 소노트로드(2)와 직접 접촉한다. 용융 팁(1)의 바로 위에, 불용성의 전극(3)과 아크 방전을 유지하는 발생기(4)로 구성되는 용융 시스템이 위치된다. 투입 물질은 공급기(6)를 통해 와이어(5)의 형태로 공급된다. 냉각 매체는 입구(inlet)(7)를 통해 유입되고, 출구(8)를 통해 유출되어, 소노트로드(2)와 고전압 발생기(11)에 의해 구동되는 압전 트랜스듀서(10)에 연결된 도파관(9)을 냉각시킨다. 시스템은 작동 챔버(12)로 둘러싸여 있다.
예시 1a
204 W/mK의 열 전도율을 갖는 암코로이(Ampcoloy) 940 물질로 이루어지는, 150 mm의 길이와 40 mm의 직경의 원통형의 소노트로드(2)는 2.5:1의 증폭 비율을 갖는 도파관(9)에 의해 20 kHz의 정격 주파수(rated frequency)를 갖는 압전 트랜스듀서(10)에 연결되었다. 소노트로드(2) 시일(seal)은 소노트로드(2)의 전면으로부터 70 mm 떨어진 파동 노드(wave node) 내에 위치되었고, 상술된 모든 부품들은 제어된 작동 가스 조성을 갖는 작동 챔버(12) 내부에 배치되었다. 냉각 시스템은 압축된 공기 시스템을 통해 작동 챔버(12)의 외부에서 구현되었다. 고전압 발생기는 가열 중 시스템의 공진 주파수를 모니터링하는 루프 내에서 작동한다. 용융 팁(1)은 AISI 308 스틸(steel)로 만들어 졌고, 스크류 패스너에 의해 소노트로드(2)에 고정되었다. 에너지 소스는 다음의 전류 파라미터들을 갖는 불용성의 텅스텐 전극(3)에 의해 발생되는 전기적 아크였다: 15 V의 전압을 갖는 90 A의 전류 세기(amperage). 3.2 mm의 직경을 갖는 AISI 308 스틸 와이어는 용융 풀로 공급되었고, 이어서 압전 트랜스듀서(10)가 활성화되었다. 원자화 프로세스 동안, 60 ㎛의 평균 직경을 갖는 입자들이 획득되었다.
예시 1b
204 W/mK의 열 전도율을 갖는 암코로이 940 물질로 이루어지는, 150 mm의 길이와 40 mm의 직경의 원통형의 소노트로드(2)는 2.5:1의 증폭 비율을 갖는 도파관(9)에 의해 20 kHz의 정격 주파수를 갖는 압전 트랜스듀서(10)에 연결되었다. 소노트로드(2) 시일은 소노트로드(2)의 전면으로부터 70 mm 떨어진 파동 노드 내에 위치되었고, 상술된 모든 부품들은 제어된 작동 가스 조성을 갖는 작동 챔버(12) 내부에 배치되었다. 냉각 시스템은 압축된 공기 시스템을 통해 작동 챔버(12)의 외부에서 구현되었다. 고전압 발생기는 가열 중 시스템의 공진 주파수를 모니터링하는 루프 내에서 작동한다. 용융 팁(1)은 AISI 308 스틸로 만들어 졌고, 스크류 패스너에 의해 소노트로드(2)에 고정되었다. 에너지 소스는 다음의 전류 파라미터들을 갖는 불용성의 텅스텐 전극(3)에 의해 발생되는 전기적 아크였다: 15 V의 전압을 갖는 90 A의 전류 세기. Nd2Fe14B의 화학적 조성을 갖는 합금은 불규칙한 파우더의 형태로 공급되고, 300 ㎛ 이하로 주어지며, 소노트로드(2)의 팁(1) 내로 용융되었다. 2 g의 물질의 첨가 후에, 압전 트랜스듀서가 활성화되었고, 출력 파우더가 시스템으로부터 제거되었다. 이어서, 필요한 작동 가스 조성이 획득된 후에, 용융 시스템(3, 4)이 15 b의 전압과 70 A의 전류 세기로 활성화되었다. 원자화 프로세스 동안, 50 ㎛의 평균 직경을 갖는 입자들이 획득되었다.
예시 2
본 발명에 따른 초음파 원자화 장치에서, 물질은 작동 가스에 의해 운반되지 않으며, 입자들이 플라즈마 내부에 머무르는 시간은 다른 플라즈마-보조 원자화 방법들에서 보다 몇 배 더 높다. 이는, 가장 작은 입자들의 증발 및 증기 응축에 의한 작동 챔버의 오염으로 이어진다. 본 발명의 바람직한 구현에 따른 장치는 그러한 영향들을 극복하게 한다.
본 발명의 바람직한 구현에 따른 장치가 도 2에 도시되어 있으며, 냉각된 소노트로드(2), 작동 챔버(12), 플라즈마 토치(2), 투입 물질 공급기(6), 사이클론(13), 파우더 드롭 바(14), 기계식 필터(15), 순환 펌프(16) 및 가스 흐름을 안내하는(guiding) 노즐(nozzle)(17)을 포함한다. 냉각된 소노트로드는 기계적 에너지를 갖는 용융된 물질을 플라즈마 토치를 통해 공급하여, 투입 물질(5)을 원자화한다. 증발된 물질의 증기들과 함께, 파우더가 처리 챔버(12) 내의 작동 가스의 스트림(stream)에 의해 들어 올려지고, 사이클론(13)으로 안내된다. 사이클론에서, 파우더는 가스로부터 분리되고 드롭 바(14)로 떨어지는 한편, 가스의 나머지는 기계식 필터(15)에 의해 먼지 입자들로부터 정화되고, 순환 펌프(16), 바람직하게는 사이드-채널 배출기(side-channel exhauster)에 의해 흡입되고, 노즐(17)에 의해 지시되며, 처리 챔버(120)로 복귀된다.
예시 3
본 발명에 따른 장치의 바람직한 구현의 다른 예시에서, 장치에는, 액체 세정 매체를 전달하는 시스템과 그의 릴리즈(release)가 구비된다. 이 경우에, 소노트로드와 처리 챔버의 어떤 벽 사이의 거리는 1 m 이하이다. 밀폐된(airtight) 처리 챔버(12) 내부에, 바람직하게는 불용성의 전극(3)과 소노트로드(2)의 표면 사이에서 생성되는 플라즈마 아크를 사용하는, 바람직하게는 투입 물질과 동일한 물질로 만들어 진 보호 플레이트(protective plate)로 덮힌, 투입 물질 용융 시스템이 위치된다. 원자화 프로세스 동안, 보호 분위기(protective atmosphere)가 작동 챔버 내에, 바람직하게는 불활성 가스(noble gas) 또는 저진공의 형태로 존재한다.
액체 세정 매체 전달 시스템의 사용은 소노트로드의 이중 기능 - 액체 금속의 원자화 및 액체 세정 매체의 캐비테이션 -을 이용할 수 있게 한다. 이는, 파우더가 남아 있고, 오염 물질들이 제거되게 하여, 작업자의 작업량을 최소화한다. 자동 세정의 수단으로서의 액체 매체의 사용은 대기 산호로부터 파우더를 지속적으로 분리하여 공정 안전을 보장하고, 이는 파우더의 발화(ignition) 및 발화 연소(pyrophoric combustion)를 방지하고, 동시에 장치가 상당히 짧은 시간에 다른 합금의 원자화를 위해 준비될 수 있도록 한다.
바람직하게는, 분무기에는, 미립자 필터 및 세정 매체 펌프가 구비된다. 이는, 파우더 수율의 증가를 가능하게 하고, 이는 귀금속들(noble metals) 원자화의 경우에 특히 중요하다.
바람직하게는, 분무기에는, 작동 챔버에 연결되는 진공 펌프가 구비된다. 이는, 과도한 세정 매체를 증발을 통해 빠르게 제거할 수 있게 한다.
본 발명에 따른 방법은, 보호 분위기에서의 금속 합금의 원자화를 기초로 하고, 용융 시스템과 초음파 발생기의 후속 분리 이후, 세정 매체, 바람직하게는 물 또는 이소프로판올(isopropanol)로 처리 챔버를 채우고, 그러한 방식에서, 소노트로드가 세정 매체 내에 침지된 이후, 초음파 발생기가 30 이상 동안 활성화된 다음, 증발을 통해 세정 매체가 파우더 입자들과 함께 방출된다. 냉각 매체가 끓고 시스템 내 압력의 치명적인 증가에 도달할 위험으로 인해, 세정 주기 동안, 원자화 프로세스를 중단하는 것이 중요하다. 증류수 및 이소프로판올과 같은 용매들(solvents)은 부동화되지 않은(unpassivated) 파우더의 안전한 제거를 가능하게 한다.
바람직하게는, 세정 매체 증기들은 진공 펌프의 사용을 통해 제거된다. 이는, 세정 매체의 제거를 가속화하고, 다음의 원자화 주기에서 파우더의 오염을 방지하는 역할을 한다.
바람직하게는, 작동 챔버를 세정 매체로 채우고, 세정하고, 이어서 매체를 제거하는 프로세스가 여러 번 반복된다.
Claims (19)
- 투입 물질이 연속적인 방식으로 전달되는 용융 풀을 형성하게 되는 소노트로드(sonotrode)의 용융 팁의 국소적인 용융을 포함하고 상기 용융 풀 내의 정상파 불안정성으로 인해 물질 분사가 발생하게 되는 초음파 원자화 방법(ultrasound atomization method)에 의한 구형 금속 파우더들의 제조를 위한 장치에 있어서,
상기 장치에는,
용융 팁(1)으로 열 에너지를 전달하기 위한 용융(melting) 시스템(3, 4),
투입 물질 전달 시스템(6),
작동 챔버(12),
압전 트랜스듀서(10), 및
100 W/mK를 초과하는 열 전도율을 갖는 합금으로 이루어지고, 상기 용융 팁(tip)(1)이 구비되는 냉각된 불용성의(infusible) 소노트로드(2)가 구비되고,
상기 소노트로드(2)는,
상기 용융 팁(1)을 위한 라디에이터(radiator)와 액체 원자화 물질(liquid atomization material)에 의해 습윤하게 되는(wetted) 물질로서 동시에 역할하고,
상기 용융 팁(1)은 상기 액체 원자화 물질에 의한 습윤성(wettability)을 유지하도록 구성되는, 장치.
- 제1 항에 있어서,
상기 소노트로드는,
CuCrZr 또는 CuBe 구리 합금, 또는 소결(sintered) 텅스텐 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 장치.
- 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 투입 물질 전달 시스템(6)은,
와이어(wire)(5) 공급기 및 상기 작동 챔버(12)로 이어지는 채널이거나, 불규칙한 과립 또는 파우더 형태의 물질의 진동 공급기이거나, 상기 용융 팁(1)으로 막대 형태의 투입 물질을 도입하는 기계적 푸셔인 것을 특징으로 하는, 장치.
- 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 투입 물질 전달 시스템(6)은,
작동 챔버(12)의 외부에 위치되는 것을 특징으로 하는, 장치.
- 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 용융 팁(1)과 상기 소노트로드(2)는,
확산(diffusion) 결합되는 것을 특징으로 하는, 장치.
- 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 용융 팁(1)은,
상기 소노트로드(2)에 나사 결합되는(screwed) 스레디드(threaded) 막대의 형태인 것을 특징으로 하는, 장치.
- 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 용융 팁(1)은,
적어도 두 개의 상이한 물질들로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 장치.
- 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 소노트로드(2)는,
상기 소노트로드(2) 물질에서 전파되는 종파(longitudinal wave) 길이의 절반의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는, 장치.
- 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 소노트로드(2)와 함께 상기 용융 팁(1)의 시작 공진 주파수(starting resonance frequency)는,
작동 주파수 보다 100-3000 Hz 더 높은 것을 특징으로 하는, 장치.
- 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 소노트로드(2)는,
유전체(dielectric) 액체들, 증류수 또는 디에틸렌 글리콜(diethylene glycol)을 사용하여 냉각되도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 장치.
- 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
적어도 두 개의 상이한 물질들이 상기 용융 팁(1)으로 전달되는 것을 특징으로 하는, 장치.
- 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 장치에는,
사이클론(cyclone)(13),
파우더 드롭 바(powder drop bar)(14),
기계식 필터(mechanical filter)(15),
0.003 m3 내지 0.140 m3의 범위의 상기 작동 챔버(12) 부피에 대해, 100 mbar 내지 900 mbar의 범위의 흡입 압력으로 0.075 m3/s 내지 0.1138 m3/s의 범위의 효율을 갖는 순환 펌프(circulation pump)(16)가 구비되고,
상기 작동 챔버(12)는,
300 mm를 초과하지 않는 직경을 갖는 원통형인 것을 특징으로 하는, 장치. - 초음파 원자화 방법에 의한 구형 금속 파우더들의 제조 방법에 있어서,
아크 방전을 유지하는 저전압 발생기인 용융 시스템이,
투입 물질이 연속적인 방식으로 전달되는 소노트로드의 용융 팁을 용융시키며,
동시에, 기계적 에너지가 도파관 및 불용성의 상기 소노트로드를 통해 압전 트랜스튜서로부터 상기 용융 팁으로 전달되어, 상기 투입 물질이 분사되어 파우더의 형태로 떨어지도록 하고,
상기 소노트로드는, 100 W/mK를 초과하는 열 전도율을 갖는 합금으로 이루어지고,
상기 소노트로드는 상기 용융 팁을 위한 라디에이터(radiator)와 액체 원자화 물질에 의해 습윤하게 되는(wetted) 물질로서 동시에 역할하고,
상기 용융 팁은 상기 액체 원자화 물질에 의한 습윤성(wettability)을 유지하도록 구성되는, 구형 금속 파우더들의 제조 방법. - 삭제
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