KR102604156B1 - 마찰 분쇄 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비교적은 간단한 구조이면서 높은 분쇄효율을 제공하는 셀룰로오스 분쇄용 마찰 분쇄 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 합니다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 분쇄모듈과 상기 분쇄모듈에 분쇄용 원료를 공급하는 원료모듈과 상기 분쇄모듈에 가압된 유체를 공급하는 가압모듈을 포함하는 마찰 분쇄 장치에 있어서, 상기 분쇄모듈은: 내부에 공간이 형성된 케이싱; 상기 케이싱 중앙에 수직으로 회전 가능하게 결합하는 회전축; 원주면에 홈이 형성되고, 상기 회전축에 고정되는 상단회전판; 상기 상단회전판의 원주면과 일정거리 이격되어 배치되고 돌기부가 형성된 내경부를 포함여 상기 케이싱에 고정되는 상단고정부; 상기 회전축에 고정되는 하단회전판; 및 상기 가압모듈에서 공급되는 가압 유체에 의하여 상기 하단회전판의 상면에 배치된 원료를 가압하는 가압부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

마찰 분쇄 장치{Frictional mill}

본 발명은 마찰 분쇄 장치에 관한 것으로 더욱 상세하게는 면마찰을 통하여 대상물을 분쇄하는 마찰 분쇄 장치에 관한 것이다.

일반적으로 셀룰로오스는 직선형 탄수화물 고분자로서 중합도는 약 10,000 정도인 장섬유이며, 포함된 수산기에 의하여 해당 셀룰로오스의 물리적 성질이 결정된다.

상기와 같은 셀룰로오스는 주로 자연계에서 다양한 식물 등으로부터 얻어지며, 셀룰로오스는 우수한 기계적 성질, 저비중, 생분해성, 재생 가능한 바이오매스로부터 쉽게 얻을 수 있어 다양한 산업에서 널리 사용되고 있다.

최근 장섬유인 셀룰로오스를 나노미터 사이즈로 절단 또는 분쇄한 나노 셀룰로오스가 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다.

셀룰로오스를 분쇄하는 방법으로는 공개특허 제2020-0027416호를 들 수 있다. 상기 특허는 셀룰로오스와 다이아몬드 파우더를 혼합한 후, 기계적으로 분쇄하여 분쇄의 효율성을 높이는 것을 특징으로 한다.

상기 방식은 다이어몬드 파우더와 셀룰로오스를 혼합하여 기계적인 가공을 수행하므로, 가공 시간의 단축 등을 예상할 수 있으나, 다이어몬드 파우더가 지속적으로 요구되어 전체 제조 비용이 증가되고, 해당 장치의 구현이 다소 어려운 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 단점을 극복하기 위하여 안출된 것으로, 비교적은 간단한 구조이면서 높은 분쇄효율을 제공하는 셀룰로오스 분쇄용 마찰 분쇄 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 합니다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 분쇄모듈과 상기 분쇄모듈에 분쇄용 원료를 공급하는 원료모듈과 상기 분쇄모듈에 가압된 유체를 공급하는 가압모듈을 포함하는 마찰 분쇄 장치에 있어서, 상기 분쇄모듈은: 내부에 공간이 형성된 케이싱; 상기 케이싱 중앙에 수직으로 회전 가능하게 결합하는 회전축; 원주면에 홈이 형성되고, 상기 회전축에 고정되는 상단회전판; 상기 상단회전판의 원주면과 일정거리 이격되어 배치되고 돌기부가 형성된 내경부를 포함여 상기 케이싱에 고정되는 상단고정부; 상기 회전축에 고정되는 하단회전판; 및 상기 가압모듈에서 공급되는 가압 유체에 의하여 상기 하단회전판의 상면에 배치된 원료를 가압하는 가압부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 케이싱 상단에는 상기 원료모듈에서 제공하는 원료가 공급되는 공급구와 상기 케이싱 측면에는 분쇄된 원료가 배출되는 배출구가 형성되고, 상기 공급구에서 공급되는 원료가 상기 상단회전판과 상기 상단고정부 사이로 안내되어 분쇄되고, 이후에는 상기 하단회전판과 가압부 사이로 안내되어 분쇄되고, 분쇄가 완료된 원료는 상기 배출구로 배출되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 케이싱의 측면에는 상기 가압부와 연통하는 유입구와 유출구를 포함하고, 상기 가압모듈은 상기 유입구와 유출구와 연통하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 가압부는 고정공간을 포함하고 상기 케이싱에 고정되는 고정부와 상기 고정공간에 삽입되어 상하로 이송하고, 상기 고정공간과 연통하는 이동공간을 포하하는 이동부와 상기 고정부와 이동부 사이에 배치되는 탄성체를 포함하는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 하단회전판의 상면에는 원주 방향으로 형성되는 상면홈과 나선형태로 형성되는 나선홈을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 원료모듈은 원료를 저장하는 원료용기와 상기 분쇄모듈로 원료를 공급하는 원료펌프를 포함하고, 상기 가압모듈은 가압유체를 저장하는 저장부와 상기 저장부의 압력을 조절하는 가압펌프와 상기 저장부의 유체를 상기 분쇄모듈로 공급하는 순환펌프를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 마찰 분쇄기는 면마찰 방식으로 구현되는 것으로, 셀룰로오스와 같은 원재료를 다단으로 분쇄하여 나노미터 사이즈로 가공할 수 있고, 원재료를 분쇄하는 분쇄면들 사이에서 발생된 마찰열을 분쇄면들의 갭의 간격을 조절하는 유체로 냉각시키고, 가열된 유체는 냉각기를 이용하여 강제 냉각시켜 원재료의 분쇄 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 마찰 분쇄 장치의 구성도이며,
도 2는 도 1에 도시된 분쇄모듈의 단면 구성도이며,
도 3은 도 2에 도시된 상면회전판의 구성도이며,
도 4는 도 2에 도시된 가압부의 동작 상태를 나타내는 설명도이며,
도 5는 도 2에 도시된 하단회전판 상면의 다른 실시예이다.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 “연결”, “결합” 또는 “접속”된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 “연결”, “결합” 또는 “접속”될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

본 발명에 따른 마찰 분쇄 장치(100)는 도 1에 도시된 바와 같이, 분쇄모듈(1)과 상기 분쇄모듈(1)에 셀롤로오스 원료을 포함하는 현탁액 순환시키는 원료모듈(2)과 상기 분쇄모듈(1)을 냉각시키고, 또한 가압력을 형성하고 조절하는 가압모듈(3)을 포함하여 구성된다.

먼저 상기 분쇄모듈(1)은 도 1에 도시된 바와 같이, 외형적으로 원통 형상을 기본으로 하는 케이싱(10)을 포함한다.

특히 상기 케이싱(10)은 필요한 경우 다른 부재들의 결합을 위한 결합구 등이 형성되어 있을 수 있으며, 또한 상단에 위치하여 분쇄용 원료를 공급하는 공급구(11)와 측면에 위치하여 분쇄된 원료를 배출하는 배출구(12)를 포함한다.

한편, 상기 공급구(11)와 배출구(12)에는 원료모듈(2)과 연통되어 분쇄를 위한 원료를 상기 공급구(11)로 제공하고, 분쇄가 완료된 원료는 상기 배출구(12)를 통하여 받는다.

문론 상기 원료모듈(2)은 배출구(12)를 통하여 유입된 분쇄된 원료를 다시 상기 공급구(11)로 제공하여 일정시간 순환하도록 구성될 수 있다.

상기 원료모듈(2)는 별도의 원료용기(81)와 상기 원료용기(81)의 원료를 상기 분쇄모듈(1)로 제공하기 위한 원료펌프(82)를 포함하여 구성될 수 있다.

따라 상기 원료펌프(82)를 구동하는 경우 상기 원료용기(80)의 원료가 지속적으로 상기 공급구(11)로 제공되고, 상기 배출구(12)에서 분쇄되어 배출되는 원료는 다시 원료용기(81)로 저장되어 지속적으로 순환된다.

필요한 경우 상기 원료용기(81)는 새로운 원료를 투입할 수 있는 투입부를 포함하여 구성될 수 있다.

또한 상기 케이싱(10)은 가압력을 인가하고 냉각을 위한 유체를 공급하는 유입구(13)와 냉각의 완료하여 배출되는 유출구(14)를 포함한다.

상기 유입구(13)를 통하여 냉각된 가압 냉각수가 제공되고, 상기 유출구(14)를 통하여 가열된 가압 냉각수가 배출된다. 물론 상기 냉각수는 필요한 경우 공압으로 대체될 수 있다.

상기 유입구(13)와 상기 유출구(14)는 상기 가압모듈(3)과 연통된다.

상기 가압모듈(3)는 저장부(91)와 상기 저장부(91) 내부에 저장된 냉각수의 압력을 증가시키는 가압펌프(92)와 상기 저장부(91)의 가압 냉각수를 순환시키는 순환펌프(93)를 포함하여 구성된다.

상기 가압펌프(92)는 상기 분쇄모듈(1)의 내부 가압력을 증가시킬 필요가 있는 경우 동작시켜 내부에 저장된 냉각수의 압력을 증가시키는 역할을 한다.

상기 순환펌프(93)는 상기 저장부(91)에 저장된 냉각수를 상기 유입구(13)와 상기 유출구(14)로 순환시키는 역할을 하며, 상기 분쇄모듈(1)이 동작되는 경우 같이 동작시킨다.

먼저 상기 분쇄모듈(1)은 도 2에 도시된 바와 같이, 상기한 케이싱(10)과 상기 케이싱(10) 중앙에 배치되는 회전축(20), 상기 회전축(20)에 상단에 결합하는 상단회전판(30), 상기 상단회전판(30)과 대응되는 위치의 케이싱(10)에 결합하는 상단고정부(40) 및 상기 상단회전판(30) 하단의 회전축(10)에 결합하는 하단회전판(50)과 상기 하단회전판(50)과 대응되며, 하단회전판(50)의 상면을 가압하는 가압부(60)를 포함한다.

상기 회전축(20)은 상기 케이싱(10)의 중심에 상하방향으로 배치되며, 베어링을 매개로 상기 케이싱(10)에 결합된다.

또한 상기 회전축(20)의 상단에는 원뿔 형태의 가이드(21)가 부착되어 유입되는 원료를 분쇄가 발생하는 부분으로 안내하는 역할을 한다.

한편, 상기 회전축(20)은 별도의 모터에 의하여 회전되며, 필요한 경우 벨트 등과 같은 전동장치와 연결되어 회전하도록 구성될 수 있다.

상기 회전축(20)은 분당회전수가 약 5,000rpm으로 설정되는 것이 바람직하며, 필요한 경우 상기 분당회전수 조절이 가능한 모터로 구동할 수 있다.

상기 회전축(20)의 상단에는 결합하는 상단회전판(30)은 도 3에 도시된 바와 같이, 원판 형태이며, 측면에는 일정한 간격으로 홈(31)이 형성되며, 필요한 경우 상기 홈(31)은 경사로 형성될 수 있다.

또한, 상기 케이싱(10)은 상기 상단회전판(30)의 측면과 대응되는 위치에는 상단고정부(40)를 포함한다.

상기 상단고정부(40) 역시 원통형의 형상으로 내경부(41)가 형성된다. 상기 내경부(41)에는 돌기부(42)가 형성되어 상기 상단회전판(30)의 회전에 따라 원료들이 충돌하여 분쇄가 진행된다.

상기 돌기부(42) 역시 경사로 형성될 수 있으며, 필요한 경우 상기 홈(31)의 경사와는 서로 반대 방향으로 형성하여 원료의 분쇄성을 증가시킬 수 있다.

상기 상단고정부(40)는 별도로 제작되어 상기 케이싱(10)에 결합하는 형태로 제조되는 것이 가공과 제조 관점에서 유리하여 바람직하다.

상기 회전축(20)의 하단에 장착되는 하단회전판(50)은 원판 형상으로 구성되며, 상면(51)을 통하여 분쇄가 진행된다.

상기 하단회전판(50)의 상면(51)은 현탁액에 함유된 대상물과의 과도한 마찰에 의한 발열 및 마모를 고려하여 거울면 수준의 표면 조도를 갖도록 제작되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 상면(51)은 지속적인 마찰에 의한 발생되는 표면 마모를 줄이기 위하여 탄화규소(SiC)를 기본으로 지로코늄세라믹, 텅스텐카바이드, 듀플렉스, DLC 등이 코팅될 수 있다.

상기 케이싱(10)에는 상기 상면(51)과 대응 역할을 하는 가압부(60)가 장착된다.

상기 가압부(60)는 상기 상면(51)에 안착된 분쇄용 원료를 가압하는 역할을 하며, 특히 상기 상면(51)의 회전과 고정된 가압부(60)에 의한 상대 속도 차이에 의하여 상기 분쇄용 원료가 분쇄된다.

상기 가압부(60)는 상기 케이싱(10)에 고정되는 고정부(61)와 상기 고정부(61)에 의하여 상하로 이송하도록 결합하는 이동부(62)와 상기 고정부(61)와 이동부(62) 사이에 배치되는 탄성체(63)를 포함하여 구성된다.

즉, 상기 고정부(61)는 상기 케이싱(10)에 고정되고, 상기 이동부(62)는 상기 고정부(61)에 대하여 상하로 이송하고, 상기 탄성체(63)는 상기 이동부(62)를 하방향으로 이송되도록 가압하는 역할을 한다.

또한 상기 고정부(61)는 상기 유입구(13)와 상기 유출구(14)와 연통되는 고정공간(64)을 포함하며, 상기 고정공간(64)과 대응되는 상기 이동부(62)에는 이동공간(65)이 각각 형성된다.

따라서, 가압된 냉각수가 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 유입구(13)로 유입되는 경우 상기 고정공간(64)과 이동공간(65)의 압력을 증가되고, 상기 압력 증가는 상기 이동부(62)를 하방향으로 이송시켜 상기 상면(51) 상단의 가공부 A에 배치되는 원료를 가압하는 역할을 한다. 그리고 상기 가압된 냉각수는 상기 유출구(14)로 배출되어 순환된다.

한편, 필요한 경우, 상기 상면(51)에는 도 5 도시된 바와 같이, 상면홈(52)이 원주 방향으로 형성될 수 있다.

물론 필요한 경우 상기 상면홈(52)은 반경 방향으로 복수개 형성되고, 추가하여 깊이가 상대적으로 깊은 나선홈(53)이 추가로 형성될 수 있다.

상기 홈(52, 53)은 서로 다른 깊이와 폭으로 구성하여 상면에 배치되는 원료의 급격한 난류 유동을 야기하여 분쇄특성을 향상시키는 역할을 한다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.

1: 분쇄모듈 2: 원료모듈
3: 가압모듈 10: 케이싱
11: 공급구 12: 배출구
13: 유입구 14: 유출구
20: 회전축 21: 가이드
30: 상단회전판 31: 홈
40: 상단고정부 41: 내경부
42: 돌기부 50: 하단회전판
51: 상면 52: 상면홈
53: 나선홈 60: 가압부
61: 고정부 62: 이동부
63: 탄성체 64: 고정공간
65: 이동공간 81: 원료용기
82: 원료펌프 91: 저장부
92: 가압펌프 93: 순환펌프
100: 마찰 분쇄 장치

Claims (6)

1. 분쇄모듈과 상기 분쇄모듈에 분쇄용 셀롤로오스를 포함하는 현탁액 원료를 공급하는 원료모듈과 상기 분쇄모듈에 가압된 유체를 공급하는 가압모듈을 포함하는 마찰 분쇄 장치에 있어서,
   상기 분쇄모듈은:
   내부에 공간이 형성된 케이싱;
   상기 케이싱 중앙에 수직으로 회전 가능하게 결합하는 회전축;
   원주면에 홈이 형성되고, 상기 회전축에 고정되는 상단회전판;
   상기 상단회전판의 원주면과 일정거리 이격되어 배치되고 돌기부가 형성된 내경부를 포함여 상기 케이싱에 고정되는 상단고정부;
   상기 회전축에 고정되는 하단회전판; 및
   상기 가압모듈에서 공급되는 가압 유체에 의하여 상기 하단회전판의 상면에 배치된 원료를 가압하는 가압부를 포함하되,
   상기 케이싱 상단에는 상기 원료모듈에서 제공하는 원료가 공급되는 공급구와 상기 케이싱 측면에는 분쇄된 원료가 배출되는 배출구가 형성되고, 상기 공급구에서 공급되는 원료가 상기 상단회전판과 상기 상단고정부 사이로 안내되어 분쇄되고, 이후에는 상기 하단회전판과 가압부 사이로 안내되어 분쇄되고, 분쇄가 완료된 원료는 상기 배출구로 배출되며,
   상기 원료모듈은 원료를 저장하는 원료용기와 상기 분쇄모듈로 원료를 공급하는 원료펌프를 포함하고, 상기 가압모듈은 가압유체를 저장하는 저장부와 상기 저장부의 압력을 조절하는 가압펌프와 상기 저장부의 유체를 상기 분쇄모듈로 공급하는 순환펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 분쇄 장치.
   
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서, 상기 케이싱의 측면에는 상기 가압부와 연통하는 유입구와 유출구를 포함하고, 상기 가압모듈은 상기 유입구와 유출구와 연통하는 것을 특징으로 하는 마찰 분쇄 장치.
   
4. 청구항 1에 있어서, 상기 가압부는 고정공간을 포함하고 상기 케이싱에 고정되는 고정부와 상기 고정공간에 삽입되어 상하로 이송하고, 상기 고정공간과 연통하는 이동공간을 포하하는 이동부와 상기 고정부와 이동부 사이에 배치되는 탄성체를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 분쇄 장치.
   
5. 청구항 4에 있어서, 상기 하단회전판의 상면에는 원주 방향으로 형성되는 상면홈과 나선형태로 형성되는 나선홈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 분쇄 장치.
   
6. 삭제