KR102687895B1 - 교반기 밀 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 분쇄체가 들어있는 분쇄 공간(7) 및 그 안에서 수평축을 중심으로 회전하는 교반기 샤프트(3)를 구비한 교반기 밀(1)에 관한 것으로, 상기 교반기 샤프트는, 이 교반기 샤프트와 일체로 회전 가능하게 연결되고 수평축 방향으로 서로 이격되어 있으며 분쇄체를 움직이는 복수의 분쇄 디스크(8)를 지지하고, 이들 분쇄 디스크(8)는 바람직하게 각각 슬롯 또는 개구를 가지며, 본 발명은, 인접한 분쇄 디스크(8)가, 분쇄 챔버 길이(b) 대 반경 방향 분쇄 챔버 높이(a)의 비가 2:3 이상이 되도록 교반기 샤프트(3) 상에 배열되고, 분쇄 공간(7)을 한정하는 분쇄 용기(2)의 내벽과 분쇄 디스크(8)의 외부 측면 사이의 반경 방향 거리(c)가 반경 방향 분쇄 챔버 높이(a)의 20%보다 큰 것을 특징으로 한다.

Description

교반기 밀{AGITATOR MILL}

본 발명은 청구항 제1항의 전제부에 따른 분쇄체(grinding body)가 들어 있는 분쇄 공간, 교반기 샤프트 및 복수의 교반기를 구비한 교반기 밀에 관한 것이다.

교반기 볼 밀(agitator ball mill)이라고도 하는 교반기 밀의 기본 원리를 먼저 도 1을 참조하여 설명한다. 도 1에는 수평 교반기 샤프트(3)를 갖는 교반기 밀(1)이 개략적으로 도시되어 있다. 분쇄 용기(2) 내에 존재하며 일반적으로 강철 볼 또는 세라믹 볼로 구현되는 분쇄체의 도시는 생략하였다.

교반기 밀(1)의 작동 동안, 교반기 밀(1)의 입구(5)를 통해 분쇄될 재료가 분쇄 용기(2)에 의해 둘러싸인 분쇄 공간(7) 내로 또는 분쇄 공간을 통과하여 펌핑된다. 분쇄할 재료는 일반적으로 물과 고형물로 이루어진 현탁액이다.

교반기 샤프트(3)의 회전 운동에 의해, 교반기 샤프트(3)에 일체로 회전 가능하게 연결된, 흔히 분쇄 디스크라고도 불리는 교반기(8)가 회전하게 된다. 주로, 특히 교반기(8)의 스페이서로서 그리고 교반기 샤프트(3)의 보호물로서, 도면에 명시적으로 도시되지 않은 슬리브형 교반기 샤프트 부싱(12)이 교반기 샤프트(3) 상에, 특히 교반기(8)들 사이에 부착된다.

회전 운동을 발생시키기 위해, 교반기 샤프트(3)는 예를 들어 벨트 구동부(10)를 통해 전기 모터(9)에 의해 구동될 수 있다. 교반기 밀(1)의 구동부는 대개 분쇄 용기(2)에 인접한 하우징(11) 내에 위치한다.

교반기(8)의 회전으로 인해, 분쇄 공간(7) 내에 위치하며 교반기(8) 부근에 있는 분쇄체가 분쇄 용기(2)의 방향으로 이동한다. 각각 2개의 교반기(8) 사이의 중앙 영역에서는, 이동하는 분쇄체가 다시 분쇄 용기(2)로부터 교반기 샤프트(3)의 방향으로 역류한다. 이로써 각각 2개의 교반기(8) 사이에서 분쇄체의 순환 운동이 발생한다.

분쇄체의 운동에 의해, 분쇄 공간(7)을 통해 펌핑된 분쇄물 현탁액의 고형물과 분쇄체들 간 충돌이 유발된다. 이러한 충돌로 인해 분쇄물 현탁액의 고형물에서 미세 입자가 분열됨에 따라, 최종적으로 교반기 밀(1)의 출구(6)에 도달하는 고형물은 입구(5)에서 공급된 고형물보다 훨씬 더 작다.

분쇄체가 분쇄 공간(7)에서 빠져나가지 않도록 하기 위해, 출구(6) 상류에 예를 들어 체 또는 필터 형태의 분리 시스템(4)이 장착된다.

실제로 교반기의 치수 및/또는 이들 상호 간 상대 위치의 변형들이 공지되어 있으며, 그 목적은 교반기 밀의 효율을 개선하는 것이다.

즉, 특허 EP2178643B1호는 교반기 샤프트의 축에 대해 30° 내지 60°의 각도로 기울어져 있음으로써 교반기 샤프트 축에 대해 거의 수직이 아닌 분쇄 디스크를 제안한다. 이는 분쇄체의 순환 운동을 개선하기 위한 것이다.

또한, 특허 DE34341553A1호는, 분쇄 용기 내벽으로부터 분쇄 디스크까지의 반경 방향 거리가 사용된 분쇄체의 직경보다 작도록 최소화되는 방식으로 분쇄 디스크 길이를 늘이는 것을 제안한다. 이는 무엇보다, 2개의 분쇄 디스크 사이에 각각 형성되는 중간 영역들 사이에서 개별 분쇄체가 변위될 수 없도록 하기 위한 것이다.

그러나 언급한 제안들은 원하는 정도의 효율 상승으로 이어지지 않는다. 따라서 한편으로는 유발되는 분쇄체의 순환 운동을 개선할 필요가 있다. 다른 한편으로는, 분쇄 디스크의 구조상의 변화로 인해, 효율적으로 사용되는, 구성 부품이 차지하지 않는 분쇄 공간이 축소된다. 이로써, 분쇄할 재료가 분쇄 공간에서 동시에 분쇄될 수 있는 양이 줄어들고, 이는 교반기 밀의 효율성을 손상시키는 경향이 있다.

이러한 관점에서, 본 발명의 과제는 교반기 밀의 효율을 더욱 증대시키는 수단을 제시하는 것이다.

본 발명에 따라 상기 과제는 독립 청구항의 특징에 의해 해결된다.

즉, 분쇄체가 들어있는 분쇄 공간 및 그 안에서 수평축을 중심으로 회전하는 교반기 샤프트를 구비한 공지된 교반기 밀을 제안한다. 교반기 샤프트는, 이 교반기 샤프트와 일체로 회전 가능하게 연결되고 수평축 방향으로 서로 이격되어 있으며 단일체로 또는 여러 부분으로 구성될 수 있는 복수의 분쇄 디스크를 지지한다. 이들 분쇄 디스크가 분쇄체의 운동을 유도한다. 이와 관련하여 최대한 효율적일 수 있도록, 분쇄 디스크는 일반적으로 각각 홈 및/또는 연속 슬롯 또는 개구를 갖는다. 본 발명에 따르면, 인접한 분쇄 디스크들은, 축방향으로 위에 언급한 수평축을 따라 측정했을 때, 분쇄 챔버 길이(b) 대 반경 방향 분쇄 챔버 높이(a)의 비가 2:3 이상이 되도록 교반기 샤프트 상에 배열된다. 이러한 조치는, 체계적인 시뮬레이션 과정에서 얻은, 기존의 2가지 해결책 모두 축방향 길이 단위당 너무 많은 분쇄 디스크가 설치되었고 너무 짧은 디스크 간격으로 인해 분쇄체 요동이 더 많이 감소하였다는 인식을 고려한다.

이러한 본 발명에 따른 조치는, 분쇄 공간을 한정하는 분쇄 용기의 내벽과 분쇄 디스크의 외부 측면 사이의 반경 방향 거리(c)가 반경 방향 분쇄 챔버 높이(a)의 20%보다 큰 추가 조치와 연계하여 그 효과를 발휘한다. 분쇄 디스크가 예를 들어 홈, 슬롯 또는 편평화부(flattening)를 갖기 때문에 그 주연 표면을 따라 완전히 원통형이 아닌 경우, 앞서 언급한 비율은 주연부의 대부분을 따라 그리고 이상적으로는 실질적으로 전체 주연부를 따라 유지된다.

체계적인 치수 테스트에서, 분쇄 챔버 길이(b) 대 분쇄 챔버 높이(a)의 비율이 2:3 이상이고, 그에 따라 종래의 교반기 밀에 비해 2개의 분쇄 디스크 사이의 간격이 증가하면 분쇄 디스크들 사이의 공간에서의 분쇄체 요동이 놀라울 정도로 강력하게 강화되는 것으로 밝혀졌다. 이에 대해, 2개의 인접한 분쇄 디스크 사이에서의 분쇄 챔버 체적 증가는 확실히 인과적 기여를 한다. 그러나 그것이 상기 효과의 유일한 원인은 아니다. 왜냐하면 상기 효과는 바로, 홈, 슬롯 또는 개구를 통한 분쇄 디스크의 단부면 프로파일링과, 분쇄 용기의 내표면으로부터 분쇄 디스크까지의 반경 방향 거리의 상당한 증가의 작용 조합에서 나타나기 때문이다.

후자의 작용은 분쇄 디스크들을 넘나드는 분쇄체 요동을 증가시키고, 이는 분쇄 디스크들 사이의 공간에서의 분쇄체 요동도 강화한다. 동시에 이들은, 분쇄체들, 분쇄 공간의 내표면들 및 분쇄 디스크들 사이에 강화된 마찰이 발생하기 때문에, 기울어져서 분쇄 챔버를 한정하는 2개의 분쇄 디스크 사이의 중간 영역으로 하강하기 전에 주연 방향으로 훨씬 더 많이 유입되기도 한다. 그로 인해 다음과 같은 시너지 효과가 발생한다: 2개의 분쇄 디스크 사이의 확장된 분쇄 챔버 내에서 분쇄체 운동성이 더 개선되고 분쇄체에 더 강화된 운동이 부과됨으로써, 분쇄체가 분쇄 챔버 내에서 새로 얻은 자유도를 실제로도 사용한다.

분쇄 디스크가 홈, 슬롯 및/또는 개구를 가질 때 동일한 의미에서 시너지 효과를 더 높일 수 있다. 이로써 주연 방향으로의 더욱 개선된 분쇄체 유입 효과(entrainment effect)가 발생한다. 그러나 어떤 경우에는 분쇄체가 홈, 슬롯 또는 개구를 통과할 때 추가로 교반기 샤프트 회전축과 평행한 방향으로 충격을 받는다. 그로 인해, 분쇄체는 2개의 분쇄 디스크로 한정되는 분쇄 챔버의 중심 방향으로 다시 이동하며, 이는 전체적으로 볼 때 회전 방향에 대해 가로로 또는 비스듬한 방향으로도 분쇄 챔버 내부의 순환을 강화한다.

이 경우, 분쇄 챔버 높이(a)는 분쇄 공간(7)을 한정하는 분쇄 용기의 내벽과, 교반기 샤프트 또는 교반기 샤프트에 부착될 수 있는 교반기 샤프트 부싱의 최대 외피 직경 사이의 치수이다.

분쇄 챔버 길이(b)는 2개의 인접한 분쇄 디스크 사이의 거리의 치수이며, 이 경우, 각각 분쇄 챔버쪽을 가리키고 그에 따라 분쇄 챔버를 형성하는 측면들의 가장자리 사이의 거리가 사용된다.

본 발명의 유효성 또는 유용성이 더욱 개선되도록 본 발명을 구성할 수 있는 여러 가능성이 있다.

도 1은 일반적인 교반기 밀의 구조 및 연결을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 분쇄 챔버 높이(a), 분쇄 챔버 길이(b) 및 반경 방향 거리(c)가 명시된 교반기 밀의 제1 변형예를 도시한 도면이다.
도 3은 분쇄 챔버 높이(a), 분쇄 챔버 길이(b) 및 반경 방향 거리(c)가 명시된 본 발명에 따른 교반기 밀의 제2 변형예를 도시한 도면이다.
도 4는 분리 시스템(4)으로부터 개별 분쇄 챔버(14)를 갖는 분쇄 공간(7)을 한정하는 회전자 디스크의 구성을 위한 옵션을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 2는, 별다른 의미 없이 점으로 표시된 "더미(dummy)"로만 도시되어 있는 교반기 샤프트 부싱(12)을 갖는 교반기 밀(1)의 제1 변형예를 보여준다. 또한, 분쇄 용기(2), 교반기 샤프트(3), 분리 시스템(4), 입구(5), 출구(6), 분쇄 디스크(8) 및 교반기 샤프트의 수평축(13)도 확인된다. 분쇄 공간(7)은 분쇄할 재료가 차지할 수 있는 분쇄 용기 내부의 전체 공간을 지칭한다. 그러나 여기서 분쇄 챔버(14)는 분쇄 공간의 하위 카테고리이고 파선으로 한정되어 표시되어 있다.

또한, 분쇄 챔버 높이(a), 분쇄 챔버 길이(b) 및 반경 방향 거리(c)가 표시되어 있다.

도 2에서, 교반기 샤프트가 분리 시스템(4)을 향하는 단부에 회전자 디스크(15)를 형성하는 점이 잘 확인되며, 상기 회전자 디스크는 실질적인 분쇄 공간을 분리 시스템으로부터 분리한다. 이러한 목적으로, 회전자 디스크(15)에는 이로부터 -주로 손가락 형태로- 돌출하고, 주연 방향으로 볼 때 서로 이격되어 있으며, 그들 사이에 슬롯이 형성된 회전자 봉(16)들이 장착되어 있다. 이들은 분리 시스템(4)을 덮으며, 함께 분리 시스템(4)을 수용하는 준 공동을 형성한다. 회전자 디스크(15)에는 더 바람직하게, 반경 방향으로 회전자 봉 하부에서 슬롯 영역(17) 내부까지 슬롯이 형성될 수 있고, 이 경우, 회전자 디스크는 필요에 따라 반경 방향으로 회전자 봉(16) 하부에서 실질적인 샤프트 내부까지 이르는 축방향 관류 개구도 갖는다. 이처럼 회전자 봉(16)을 갖는 회전자 디스크의 구성이 도 2에 개략적으로 도시되어 있다. 이러한 구성은 분쇄체 이동성을 높이는 데 현저하게 기여한다.

이 모든 경우에, 회전자 디스크(15)가 분쇄 디스크(8)보다 작은 직경을 갖거나, 블레이드(blade) 등과 같이 분쇄 디스크를 형성하는 개별 몸체들로 구성된 가상의 회전체보다 작은 직경을 갖는 것이 유리할 수 있다.

도 3은 교반기 밀(1)의 제2 변형예를 보여준다. 사각형의 교반기 샤프트 부싱(12)이 사용된다. 또한, 왼쪽 단면도에서는 분쇄 디스크의 형태를 확인할 수 있다. 교반기 밀의 나머지 구조는 제1 변형예의 구조에 상응한다.

또한, 여기에도 분쇄 챔버 높이(a), 분쇄 챔버 길이(b) 및 반경 방향 거리(c)가 표시되어 있다.

각각의 분쇄 디스크가, 주연 방향으로 회전 정렬 방식으로 연이어 배열되고 연속 슬롯에 의해 주연 방향으로 서로 분리된 복수의 블레이드로 구성되어 있는 점이 아주 명확히 확인된다. 이 경우, 분쇄체가 마찰력 및 자체 억제력에도 불구하고 계속 움직이고 블레이드가 저지되지 않는 방식으로 슬롯 크기, 분쇄체의 크기, 그리고 분쇄 디스크와 분쇄 용기 내벽 또는 분쇄 용기 내주면 사이의 반경 방향 갭 거리가 선택되어야 하기 때문에, 분쇄체의 치수 조정이 수행된다.

1 교반기 밀
2 분쇄 용기
3 교반기 샤프트
4 분리 시스템
5 입구
6 출구
7 분쇄 공간
8 교반기 또는 분쇄 디스크
9 전기 모터
10 벨트 구동부
11 구동부 하우징
12 교반기 샤프트 부싱
13 교반기 샤프트의 수평축
14 분쇄 챔버
15 회전자 디스크
16 회전자 봉
17 슬롯 영역(축방향 슬롯)
a 종축 방향 분쇄 챔버 길이
b 반경 방향 분쇄 챔버 높이
c 반경 방향 거리

Claims (5)

1. 분쇄체가 들어있는 분쇄 공간(7) 및 그 안에서 수평축을 중심으로 회전하는 교반기 샤프트(3)를 구비한 교반기 밀(1)이며, 상기 교반기 샤프트는 이 교반기 샤프트와 일체로 회전 가능하게 연결되고 수평축 방향으로 서로 이격되어 있으며 분쇄체를 움직이는 복수의 분쇄 디스크(8)를 지지하고, 이들 분쇄 디스크(8)는 각각 슬롯 또는 개구를 포함하는, 교반기 밀에 있어서,
   분쇄 공간(7) 내에 분쇄 챔버(14)를 형성하는 인접한 분쇄 디스크(8)는, 분쇄 챔버 길이(b) 대 반경 방향 분쇄 챔버 높이(a)의 비가 2:3 이상이 되도록 교반기 샤프트(3) 상에 배열되고, 분쇄 공간(7)을 한정하는 분쇄 용기(2)의 내벽과 분쇄 디스크(8)의 외부 측면 사이의 반경 방향 거리(c)가 반경 방향 분쇄 챔버 높이(a)의 20%보다 크고,
   교반기 샤프트(3)가 분리 시스템(4)을 향하는 단부에 회전자 디스크(15)를 형성하고, 이 회전자 디스크는 분쇄 공간(7)을 분리 시스템(4)으로부터 분리하며, 이 회전자 디스크에는, 회전자 디스크로부터 돌출하고 주연 방향으로 볼 때 서로 이격되어 있으며, 그들 사이에 슬롯이 형성되어 있는 회전자 봉들(16)이 장착되고,
   상기 회전자 디스크(15)는, 상기 회전자 봉들(16)을 통하여 축방향으로 연장되고, 상기 교반기 밀(1)의 입구(5) 및 출구(6)를 향해 개구되는 유로를 포함하는 것을 특징으로 하는, 교반기 밀(1).
2. 제1항에 있어서, 분쇄 디스크(8)가 슬롯 및/또는 개구를 갖거나, 주연 방향으로 회전 정렬 방식으로 연이어 배열되고 주연 방향으로 서로 이격되어 배치된 복수의 블레이드로 구성되는 것을 특징으로 하는, 교반기 밀(1).
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 회전자 디스크(15)에는 반경 방향으로 회전자 봉(16)의 하부 영역까지 슬롯이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 교반기 밀(1).
5. 제1항에 있어서, 축방향으로 볼 때, 회전자 디스크(15)를 통과하는 유동 면적이, 회전자 봉(16)에 의해 주연 방향으로 에워싸이는 회전자 내부 영역에서보다 회전자 봉(16)들 사이의 반경 영역에서 더 큰 것을 특징으로 하는, 교반기 밀(1).