KR102601457B1 - 분산 분쇄 장치 - Google Patents

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토모노부 후나야마
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아시자와ㆍ파인테크 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 목적은 종래의 미디아리스 분산 분쇄장치보다 입자를 더 미세하게 분산 또는 분쇄하는 것을 가능하게 하는 것이다. 본 발명의 분산분쇄장치(10)는 간극(S)을 통과할 때의 전단력에 의해 입자함유액 내의 입자를 분산 또는 분쇄하는 장치로서, 케이싱(11), 회전자(13), 고정자(16), 임펠러(14) 및 구동 수단(15)이 구비된다. 고정자(16)와 회전자(13) 사이에 긴극(S)이 제공된다. 회전자(13)와 임펠러(14)가 구동수단(15)에 의해 회전되면 임펠러(14)의 회전력에 의해 케이싱(11)의 유입부(11a)로부터 유입된 입자 함유액이 간극(S)을 통과하게 되며, 간극(S)을 통과할 때의 전단력에 의해 입자 함유액중의 입자가 분산되거나 분쇄되도록 구성되어 있다.

Description

분산 분쇄 장치
본 발명은 입자를 포함하는 액체(이하, "입자 함유액"이라 함)중의 입자를 분산 또는 분쇄하는 장치(이하 "분산 분쇄 장치"라 함)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 비-즈 등의 미디아를 사용하지 않은 미디아리스 분산 분쇄 장치에 관한 것이다.
종래 입자 함유액중의 입자를 분산 또는 분쇄하는 미디아리스 분산 분쇄 장치로서, 본 발명의 출원인이 선출원한 분산 분쇄 장치(특허문헌1)가 알려져 있다. 이 분산 분쇄 장치는 입자 함유액이 케이싱과 회전자 사이에 형성된 간극을 통과할 때 생기는 전단력에 의해 입자 함유액중의 입자가 분산 또는 분쇄되도록 구성되어 있다.
상기 분산 분쇄 장치에 의하면, 매질(미디아)을 사용하는 경우와 같은 오염을 일으키지 않고 입자를 미크론 단위로 분산 또는 분쇄할 수 있다.
[특허문헌 1] 일본국 특허 제6799865호
그런데, 입자 함유액 중의 입자를 미세하게 분산 또는 분쇄하기 위해서는 전단 속도(shear rate)를 높일 필요가 있다. 특허문헌 1의 분산 분쇄 장치에서는 회전체(로터)를 고속으로 회전시켜 전단 속도를 높일 수 있지만, 회전자를 고속으로 회전시키면 입자 함유액이 발열하여 재료가 열화될 위험이 있다. 또한, 회전자를 고속으로 회전시키기 위해서는 많은 에너지가 필요하다. 따라서, 회전자를 고속으로 회전시키는 것도 한계가 있고, 미디아를 이용한 분산 분쇄 장치와 같은 크기까지 미세화하는 것이 어렵다.
본 발명은 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 그 해결과제는 종래의 미디아 리스 분산 분쇄 장치에 비해 적은 에너지로 전단 속도를 증가시킬 수 있고, 종래의 미디아리스 분산 분쇄 장치보다도 입자를 미세하게 분산 또는 분쇄할 수 있는 분산 분쇄 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 분산 분쇄 쇄장치는 간극을 통과할 때의 전단력에 의해 입자함유액중 입자를 분산 또는 분쇄하는 장치에 있어서, 입자함유액이 유입되는 유입부와 상기 입자 함유액이 유출되는 유출부를 구비한 케이싱과, 상기 케이싱 내부에 배치된 회전자, 고정자 및 임펠러(날개를 가진 회전체)와, 상기 회전자와 임펠러를 회전시키기 위한 구동수단을 구비한다. 상기 고정자와 회전자 사이에는 간극이 형성되어, 상기 구동수단에 의해 상기 회전자와 임펠러가 회전되면 상기 임펠러의 회전력에 의해 상기 유입부로부터 유입된 상기 입자함유액이 상기 간극을 통과하고, 상기 간극을 통과할 때의 전단력에 의해 상기 입자 함유액 중의 입자가 분산 또는 분쇄된다.
본 발명의 분산 분쇄 장치는 케이싱내에 구비된 임펠러의 작용에 의해 종래의 미디아리스 분산 분쇄 장치에 비해 적은 에너지로 전단 속도를 높일 수 있으며, 종래의 미디아 리스 분산 분쇄 장치보다도 입자 함유액중의 입자를 더 미세하게 분산 또는 분쇄할 수 있다
도 1은 본 발명의 분산 분쇄 장치를 구비한 순환식 처리 시스템의 개략 설명도이다.
도 2는 본 발명의 분산 분쇄 장치의 내부 구조를 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 분산 분쇄 장치의 내부 구조를 나타내는 단면도이다
(실시예)
본 발명의 분산 분쇄 장치(10)의 실시 형태의 일례를 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예의 분산 분쇄 장치(10)는 도 1에 도시된 바와 같은 처리 시스템에 탑재되어 사용된다. 처리 시스템에는 순환형 처리 시스템과 경로형(패스형) 처리 시스템이 있지만, 여기서는, 분산 분쇄 장치(10)가 순환식 처리 시스템에 탑재된 경우를 예로 들어 설명한다.
일예로서, 도 1에 도시된 처리 시스템은 처리대상인 입자함유액(slurry)을 저장하기 위한 입자함유액탱크(20)와, 입자함유액탱크(20)로부터 공급되는 입자함유액중의 입자를 분산 또는 분쇄하는 분산 분쇄 장치(10)와, 분산 분쇄 장치(10)를 통과한 입자함유액의 유로를 전환하는 삼방밸브(30)를 포함한다.
입자함유액탱크(20)와 분산분쇄장치(10)는 제1유로(31)로, 분산분쇄장치(10)와 삼방밸브(30)는 제2유로(32)로, 삼방밸브(30)와 입자 함유액 탱크(20)는 제3유로(33)로 연결되어 있다. 제1유로(31)에는 제1유로(31)를 개폐하기 위한 밸브(35)가 설치되어 있다. 밸브(35)로서는 기존의 자동 밸브 등을 사용할 수 있다.
입자 함유액 탱크(20)는 처리될 입자 함유액을 저장하기 위한 용기이다. 본 실시예에서는, 입자 함유액 탱크(20)로서, 교반조(21) 및 교반조(21)의 외주에 장착된 자켓(22)을 갖는 자켓 탱크가 사용된다. 이 외의 것도 입자 함유액 탱크(20)로 사용할 수 있다.
교반조(21)는 입자 함유액을 저장 및 교반하기 위한 용기이다. 본 실시예의 교반조(21)는 상면이 개구된 바닥이 있는 원통 형상이고, 저면에는 교반조(21) 내의 입자 함유액을 외부로 배출하기 위한 교반조 배출구(21a)가 설치되어 있다. 교반조(21)의 상면의 개구는 덮개(24)에 의해 개폐 가능하다.
교반조(21)의 내부에는 교반조(21) 내의 입자 함유액을 교반하기 위한 블레이드를 구비한 교반봉(23)이 설치되어 있다. 교반봉(23)은 교반조(21)의 상면 개구부를 개폐하는 덮개(24)에 장착된 교반모터(M)에 의해 회전된다. 덮개(24)에는 제3유로(33)의 출구측이 접속된 귀환구(24a)가 설치되어, 제3유로(33)를 통과한 입자 함유액이 귀환구(24a)로 교반조(21)내로 귀환하도록 되어 있다.
자켓(22)은 교반조(21) 내의 입자 함유액을 냉각시키기 위한 냉각수를 순환시킨다. 자켓(22)의 바닥면측에는 자켓(22) 내부로 냉각수를 도입하기 위한 냉각수 도입구(22a)가 구비되고, 측면에는 냉각수를 자켓(22) 외부로 배출하기 위한 냉각수 배출구(22b)가 구비된다. 도시하지 않았지만, 냉각수 도입구(22a) 및 냉각수 배출구(22b)에는 냉각수 도입로 및 냉각수 배출로가 구비된 칠러(냉각수 순환 장치)가 설치되어, 칠러로부터 공급되는 냉각수가 자켓(22)내로 순환되도록 되어 있다.
분산 분쇄 장치(10)는 입자 함유액이 간극(S)(도 2)을 통과할 때의 전단력에 의해 입자 함유액중의 입자를 분산 또는 분쇄하는 장치이다. 또한, "분산"은 분말이 최대한 단일 입자가 되어 유체 또는 기타 성분중에 균일한 구조를 형성하는 것을 의미하고, "분쇄"는 물질이 분쇄되어 분말을 형성하는 것을 의미한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 분산 분쇄 장치(10)는 케이싱(11), 하우징(12), 회전자(13), 임펠러(14), 구동 수단(15), 고정자(16) 및 중간체(17)를 포함한다.
케이싱(11)은 입자 함유액 탱크(20) 내의 입자 함유액을 수용하는 케이싱이다. 케이싱(11)에 수용된 입자 함유액중의 입자는 케이싱(11) 내에서 분산 또는 분쇄된다. 본 실시예의 케이싱(11)에 있어서, 입자함유액이 유입되는 관형상 유입부(11a), 회전자(13) 및 임펠러(14) 등이 수용되는 중공 원추형(나팔형) 수용부(11b) 및 입자 함유액이 유출되는 관형상 유출부(11c)가 제공된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 유출부(11c)는 케이싱(11)의 접선 방향으로 제공된다.
케이싱(11)의 유입부(11a), 수용부(11b) 및 유출부(11c)는 내부적으로 연통되며, 유입부(11a)로부터 유입된 입자 함유액은 수용부(11b)를 통과하여 유출부(11c)에 의해 케이싱(11) 외부로 유출되도록 구성되어 있다. 케이싱(11)의 하단측(케이싱(11)중 유입부(11a)와 반대측의 단부)에는 외측으로 돌출하는 하단측 플랜지(11d)가 제공된다.
하우징(12)은 구동 수단(15)이 수용되는 하우징이다. 본 실시예의 하우징(12)은 구동 수단(15)이 수용되는 본체부(12a)와, 본체부(12a)의 단부로부터 외측으로 돌출된 원판 형상의 칼라부(12b)를 구비하고 있다. 칼라부(12b)는 후술하는 중간체(17)의 외측 돌출부(17c)에 맞닿고, 양자는 제1고정구(B1)에 의해 고정된다.
회전자(13)는 하우징(12)의 칼라부(12b)보다 직경이 작은 원반형 부재이다. 회전자(13)는 구동 수단(15)의 회전축(15a)의 선단측에 설치되어 있다. 회전자(13)의 전면측(유입부(11a)측)에는 임펠러(14)로서 경사류 임펠러(경사류 펌프)가 설치되어 있다. 경사류 임펠러는 토출 흐름이 주축의 중심선을 중심으로 원추면에 있는 임펠러를 말한다.
경사류 임펠러는 유량이 크고 압력을 발생시킬 수 있기 때문에 입자 함유액이 고속 및 고압으로 간극(S)을 통과하도록 강제된다. 경사류 임펠러로 유량을 증가시켜 경로를 가속화하고 발열을 억제할 수 있다. 또한, 경사류 임펠러로 유량을 증가시키면 순환 통과 횟수가 증가하여 제품의 균질화를 용이하게 하는 효과가 있다.
임펠러(14)의 선단측에는 회전자(13)와 임펠러(14)를 누르는 압박구(18)가 배치되어 있다. 압박구(18)는 제2고정구(B2)에 의해 회전자(13) 및 임펠러(14)와 함께 회전축(15a)의 선단에 고정된다. 임펠러(14)는 후술하는 구동수단(15)의 회전축(15a)의 회전에 의해 회전자(13) 및 압박구(18)과 함께 회전축(15a)의 회전방향과 동일한 방향으로 회전하도록 구성된다.
구동수단(15)은 회전자(13)와 임펠러(14)를 회전시키는 수단이다. 본 실시예의 구동수단(15)은 모터(미도시)와 모터에 연결된 회전축(15a)을 포함한다. 회전축(15a)의 외주에는 입자 함유액의 유출을 방지하기 위한 메카니컬 씰(19)이 설치되어 있다.
고정자(16)는 회전자(13) 및 임펠러(14)와 협력하여 입자 함유액의 흐름을 생성하는 부재이다. 본 실시예의 고정자(16)는 중심부에 임펠러(14)가 수용되는 개구를 갖는 원반형 부재이다. 고정자(16)는 외측으로 돌출된 플랜지부(16a)를 포함하고, 플랜지부(16a)는 후술하는 중간체(17)와 맞닿게 제3고정구(B3)에 의해 고정된다.
고정자(16)의 회전자(13) 측의 면에는 회전자(13)와 대향하는 환상의 돌출부(16b)가 설치되어, 돌출부(16b)와 회전자(13) 사이에 입자 함유액이 통과하는 극소 간극(S)이 확보되어 있다. 간극(S)의 크기는 100㎛ 이하, 바람직하게는 70㎛ 이하, 보다 바람직하게는 30㎛ 이하일 수 있다.
도시되지는 않았지만, 간극(S)을 형성하는 고정자(16)의 표면(회전자(13)과 대향하는 면)에는 요철 홈이 제공될 수 있다. 고정자(16)의 표면에 홈을 형성함으로써, 입자 함유액 중의 입자를 보다 미세하게 분산 또는 분쇄할 수 있다. 요철 홈은 입자 함유액의 통과 방향과 평행한 방향으로 설치될 수도 있고, 교차하는 방향으로 설치될 수도 있다.
중간체(17)는 케이싱(11)과 고정자(16) 사이에 배치되는 부재이다. 본 실시예의 중간체(17)는 고정자(16), 회전자(13) 및 임펠러(14)의 외측을 감싸는 위치에 설치된 원통형부(17a)와, 원통형부(17a)의 일단측에 내측으로 돌출 설치된 내측 돌출부(17b), 및 원통형부(17a)의 타단측에 외측으로 돌출된 외측 돌출부(17c)가 구비된다.
중간체(17)의 내측 돌출부(17b)는 고정자(16)의 플랜지부(16a)에 맞닿고, 양자는 제3고정구(B3)에 의해 고정된다. 중간체(17)의 외측 돌출부(17c)에는 케이싱(11)의 하단측 플랜지부(11d)가 맞닿고, 양자는 제4고정구(B4)에 의해 고정되어 있다.
이 실시예에서, 고정자(16)의 플랜지부(16a)와 중간체(17)의 내부 돌출부(17b) 사이에 심(스페이서)(도시되지 않음)이 삽입되어 있다. 이 부분에 심을 삽입함으로써 회전자(13)와 돌출부(16b) 사이의 간극(S)을 조정할 수 있다.
중간체(17)의 원통형부(17a)에는 원주 방향으로 간격을 두고 복수의 개구(17d)가 형성되어 있다. 개구(17d)는 회전자(13)와 고정자(16) 사이의 간극(S)을 외부에서 볼 수 있는 위치에 제공된다. 고정자(16)의 플랜지부(16a)와 중간체(17)의 내측 돌출부(17b) 사이에 심을 삽입한 후, 개구(17d)로부터 회전자(13)와 고정자(16) 사이에 적당한 폭의 간극(S)이 형성되었는지 여부를 확인할 수 있다.
개구(17d)의 수 및 크기는 임의로 설정할 수 있다. 개구(17d)는 스키미 게이지로 확인할 수 있는 폭(예를 들어, 세로 20mm × 폭 20mm 정도) 이상일 수 있다. 개구(17d)가 넓을수록 입자 함유액의 통로 역할도 하기 때문에 더욱 바람직하다. 어느 경우에나, 회전자(13)와 고정자(16) 사이의 간극(S)를 육안으로 식별할 수 있는 위치에 마련하는 것이 바람직하다. 그리고, 개구(17d)는 필요에 따라 설치될 수 있다.
본 실시예의 처리 시스템에서, 입자 함유액 탱크(20) 내의 입자 함유액은 제1유로(31)를 통해 분산 분쇄 장치(10)로 유입되고, 순환 작동시에는 분산 분쇄 장치(10)를 통과한 입자 함유액은 제2유로(32)-삼방 밸브(30)-제3유로(33)의 순으로 통과하여 입자함유액 탱크(20)로 복귀하고, 배출시에는 제2유로(32)-삼방 밸브(30)를 통과하여, 제4유로(34)로 배출되도록 되어 있다.
(동작)
다음으로, 본 실시 형태의 처리 시스템에 있어서의 분산 분쇄 장치(10)의 동작에 대하여 설명한다. 구동수단(15)의 모터에 의해 회전축(15a)이 회전되고 회전축(15a)에 연결된 회전자(13)와 임펠러(14)가 회전되면 케이싱(11)의 유입부(11a)로부터 입자 함유액이 유입된다. 유입된 입자함유액은 수용부(11b)로 이동하여 임펠러(14)에 의해 생성된 유로를 따라 극소 간극(S)을 통과하고, 간극(S)을 통과할 때 발생하는 전단력에 의해 입자함유액중의 입자가 분산되거나 분쇄된다. 간극(S)을 통과한 입자 함유액은 유출부(11c)로 외부로 유출된다.
본 실시예의 분산 분쇄 장치(10)는 순환식 처리시스템에 장착되어 있으므로, 유출부(11c)에서 유출된 입자함유액은 제2유로(32)와 삼방밸브(30)를 거쳐 제3유로(33)를 통하여 다시 입자 함유액 탱크(20)(교반조(21))로 되돌아간 후, 분산 분쇄 장치(10)내에서의 처리가 소정 횟수 반복되어 원하는 크기의 입자로 분산 또는 분쇄된다.
본 실시형태의 분산 분쇄 장치(10)에서는, 단순히 간극(S)을 좁게 한 것뿐만 아니라, 경사류 임펠러의 펌핑 작용에 의해 입자 함유액이 고속 및 고압으로 간극(S)을 통과하도록 강제되기 때문에, 미디어리스이면서, 미디어를 이용한 분산분쇄장치(10)와 동등 이상의 전단력을 기대할 수 있으며, 입자함유액내의 입자를 미디아를 이용한 분산 분쇄장치(10)와 동등한 크기(나노 수준)로 분산 또는 분쇄할 수 있다.
본 발명의 분산 분쇄 장치(10)에 있어서, 예를 들면 간극(S)을 30㎛, 회전자(13)의 주속을 30m/sec로 한 경우, 고압 균질화기(호모지나이저)와 동등한 전단력 1백만 / s정도를 얻을 수 있으며, 고속 회전에 의한 발열을 최소화할 수 있을 것으로 기대된다.
(기타 실시예)
본 발명의 분산 분쇄 장치는 상술한 실시예에 한정되지 않고, 그 요지를 변경하지 않는 범위내에서, 구성의 추가, 생략, 치환 등의 변경을 하는 것이 가능하다.
상기 실시예에서는 분산 분쇄 장치(10)가 순환식 처리 시스템에 장착되는 경우를 예로 들었지만, 본 발명의 분산 분쇄 장치(10)는 패스형 처리 시스템에 장착될 수도 있다.
상기 실시예에서는 임펠러(14)로서 경사류 임펠러를 사용하는 경우를 예로 들어 설명하였으나, 임펠러(14)에는 경사류 임펠러가 아닌 다른 임펠러, 예를 들어 축방향으로 입자 함유액을 송출하는 축류 임펠러(축류 펌프)를 사용할 수도 있다.
상기 실시예에서는 분산 분쇄 장치(10)를 횡 방향으로 사용하는 경우를 예로 들어 설명하였지만, 본 발명의 분산 분쇄 장치(10)는 종 방향으로도 사용할 수 있다.
본 발명의 분산분쇄장치(10)는 전지재료, 화장품, 식품, 전자부품, 도료 등에 사용되는 각종 입자함유액을 분산 또는 분쇄하는데 사용할 수 있다.
10 분산 분쇄 장치
11 케이싱
11a 유입부
11b 수용부
11c 유출부
11d 하단측 플랜지부
12 하우징
12a 몸체부
12b 칼라부
13 회전자
14 임펠러
15 구동 수단
15a 회전축
16 고정자
16a 플랜지부
16b 돌출부
17 중간체
17a 원통형부
17b 내측 돌출부
17c 외측 돌출부
17d 개구
18 압박구
19 메카니컬 씰
20 입자 함유액 탱크
21 교반조
21a 교반조 배출구
22 자켓
22a 냉각수 도입구
22b 냉각수 배출구
23 교반봉
24 덮개
24a 귀환구
30 삼방 밸브
31 제1유로
32 제2유로
33 제3유로
34 제4유로
35 밸브
B1 제1 고정구
B2 제2 고정구
B3 제3 고정구
B4 제4 고정구
M 교반 모터
S 간극

Claims (4)

  1. 간극을 통과할 때의 전단력에 의해 입자함유액중의 입자를 분산 또는 분쇄하는 분산 분쇄 장치에 있어서,
    상기 입자함유액이 유입하는 유입부와 상기 입자함유액이 유출되는 유출부를 구비한 케이싱;
    상기 케이싱내에 배치된 회전자, 고정자, 및 임펠러; 및
    상기 회전자 및 임펠러를 회전시키는 구동수단;을 구비하고,
    상기 고정자와 회전자 사이에 상기 간극이 설치되고,
    상기 케이싱과 고정자 사이에, 상기 간극을 외부에서 볼 수 있는 개구를 구비한 중간체가 설치되고,
    상기 구동수단에 의해 상기 회전자와 임펠러가 회전하면, 상기 임펠러의 회전력에 의해 상기 유입부로부터 유입된 입자함유액이 상기 간극을 통과하고, 상기 간극을 통과할 때의 전단력에 의해 입자함유액의 입자가 분산되거나 분쇄되고,
    상기 고정자와 중간체 사이에 심(스페이서)을 넣음으로써, 상기 간극의 넓이를 조정할 수 있도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 분산 분쇄 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 임펠러가 경사류 임펠러인 것을 특징으로 하는 분산 분쇄 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 유출부가 상기 케이싱의 접선 방향으로 설치된 것을 특징으로 하는 분산 분쇄 장치.
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