KR20010052900A - 분말 에어로졸을 생성시키기 위한 장치와 방법 및 그 사용 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따르면, 에어로졸은 어떠한 응집물도 형성시키지 않으면서 가스 흐름내로 계량되어 투입될 수 있다. 이를 위해, 분말은 저장 챔버로부터 기계적 수단에 의해 배출되어 분말 에어로졸로 변환되며, 변환된 분말 에어로졸은 초음파에 노출된 용기 내로 투입된다. 초음파에 노출됨으로써 분말 덩어리 및 응집물이 융해되고, 에어로졸은 균일하고 미세하게 분산된 분말 형태로 가스 흐름 또는 플라즈마 버너 내로 공급될 수 있다. 관련 장치에서 공급관(4)이 기계적 분말 분산기(6)에 연결됨에 따라, 이미 에어로졸 형태를 갖는 생성물이 소노트로드(sonotrode, 2)를 갖춘 용기(10)로 공급된다. 본 발명에 따른 방법 및 관련 장치는 부품을 덮기 위해, 바람직하게는 터빈 블레이드상에 보호층을 도포하기 위해 사용된다.

Description

분말 에어로졸을 생성시키기 위한 장치와 방법 및 그 사용{METHOD AND DEVICE FOR PRODUCING A POWDER AEROSOL AND USE THEREOF}

고주파를 일으키는 고출력 플라즈마 버너는 분말 형태의 물질을 단시간에 완전히 융해시킨다음 미리 정해진 조성의 층을 증기상으로부터 높은 성장률로 기판상에 디포짓하기 위해 사용될 수 있다. 플라즈마 플래시 증발법(Plasma Flash Evaporation)으로서 공지된 상기 방법의 제 1 응용은 HTSL(고온의 초전도성)-층을 디포짓함으로써 이트륨-바륨-구리-산화물로 된 미립 분말을 증발시키는 것이다. 제 2 응용은 부품을 코팅시키는 것, 예컨대 터빈 블레이드상에 보호층을 제공하는 것이다.

분말을 플라즈마 내로 운반하기 위해 상기 분말을 운반 기체 내로 투입함으로써 에어로졸이 생성되며, 상기 에어로졸은 플라즈마 버너 내로 도입될 수 있다. 상기 에어로졸은 증발될 수 없는 분말 입자 덩어리, 즉 개개의 입자들로 구성된 응집물을 포함하지 않아야 하며, 분산은 재현 가능하고 균일하게, 즉 시간 변동과 상관없이 수행되어야 한다.

플라즈마 플래시 증발에 필요한 에어로졸을 생성시키기 위해 일반적인 플라즈마 용사 공법으로부터 파생된 다양한 방법들이 공지되어있다. 예컨대 디스크 분산기는 천천히 회전하는 디스크상의 계량 홈에 의해, 상기 홈의 치수로부터 정해진 분말의 양이 연속적으로 저장되는 방식으로 작동된다. 상기 디스크에 의해 회전하는 분말은 스트리핑(stripping) 장치를 통해 디스크의 에지로 보내져서 수용 장치 내로 떨어지는데, 이 때 상기 분말은 가스 흐름에 의해 수용된다. 입자 크기가 예컨대 20 ㎛ 이하인 매우 미세한 입자의 분말의 경우 입자들 사이에 작용하는 힘에 의해 그 주입력이 강하게 제한된다. 그 결과 서로 분리된 개개의 분말 입자가 요구된 바대로 연속적으로 가스 흐름 내로 도입되지 않고, 밀리미터 범위내의 치수를 갖는 입자 덩어리가 일정한 시간 간격으로 도입된다. 또한 바람직한 경우에는 상기 덩어리가 플라즈마 버너로 운반되는 동안에 분해됨에 따라, 투입된 분말의 덩어리 구조로부터 더이상 허용될 수 없는 시간 변동, 즉 플라즈마 내에 투입된 분말 양의 맥동이 야기된다. 마찬가지로 선행 기술에 상응하는 스크루 분산기도 동일한 단점을 가지며, 상기 분산기의 경우 분말이 스크루에 의해 혼합 챔버에 운반되고, 상기 분말은 운반 기체 흐름 내로 이른다.

브러시 계량 공급기의 경우 원통형 몸체에 채워진 분말이 관을 통해 회전하는 금속 브러시로 이동되고, 상기 브러시는 이동 속도에 비례하는 양의 분말을 패킹 몸체로부터 제거한다. 브러시 챔버를 관통하는 가스 흐름이 상기 분말을 수용하여, 필요한 장소에 상기 분말을 운반한다. 이러한 사실은 분말을 폴리싱할 때 이미 패킹 몸체에 의해 증발될 수 없는 응집물이 생성된다는 것을 보여준다.

WO96/03216 A1에는 초음파 원리에 따라 작동되는 분말 분산기가 공지되어있다. 여기에는 분산될 분말이 초음파에 노출될 용기 내에서 선회되고, 그 덩어리가 흩어지며 상기 용기를 관통하는 가스 흐름으로부터 제거된다. 이 실험은 분산이 재현 가능하고 변동없이 수행된다는 것을 보여주었다. 상기 방법의 한계는 제한된 양의 분말만이 제공되고 분산될 수 있다는 점이다. 특히 분산율, 즉 시간 단위당 분산되는 양은 가스 통과율과 상관없이 설정될 수는 없다. 왜냐하면 초음파의 영향 외에도 가스 흐름이 분말의 선회에 기여하기 때문이다.

본 발명은 분말 에어로졸을 생성시키기 위한 방법 및 그 사용에 관한 것이다. 또한 본 발명은 소노트로드(sonotrode)를 통해 초음파 발생기에 연결되고 공급관과 배출관을 포함하는 용기를 갖춘 장치에 관한 것이다.

도면은 플라즈마 버너를 작동시키기 위해 제공되는 본 발명에 따른 분말 분산 장치의 실시예를 나타낸다.

따라서 본 발명의 목적은 에어로졸의 생성을 개선시키고 적절한 응용 및 장치를 제공하는 것이다.

상기 목적은 도입부에 언급한 방식의 본 발명에 따른 방법에 있어서,

- 분말이 저장 챔버로부터 배출되어 분말 에어로졸로 변환되는 단계,

- 상기 분말 에어로졸이 초음파가 제공된 용기 내로 투입되고, 초음파의 영향에 의해 분말 덩어리 및 응집물이 융해됨으로써 정제된 분말 에어로졸이 생성되는 단계를 포함하는 방법에 의해 달성된다.

본 발명에 의해, 정제된 분말 에어로졸이 균일하게 분산된 입자 형태로 운반 기체 내에 존재할 수 있다. 동시에 그와 같이 처리된 분말 에어로졸의 덩어리가 분해되고 그 유동량은 계속 변동한다.

바람직하게는 본 발명에 있어서 분말을 에어로졸로 변환시키기 위해 기계적 수단이 사용된다. 본 발명의 범위내에서 분말 에어로졸이 포함된 가스 흐름이 플라즈마 버너에 공급된다. 이 때 바람직하게는 초음파에 노출될 수 있는 부피가 분말 에어로졸용 저장 수단 및/또는 완충 수단으로서 사용된다.

도입부에 언급한 방식의 장치에서는 본 발명에 따라 공급관이 기계적 분말 분산기에 연결된다. 그럼으로써 분말 에어로졸은 이미 초음파 용기에 의해 형성된 부피 내로 이르고, 상기 분말 에어로졸은 초음파의 영향으로 균일화되며, 지속적이고 균일한 에어로졸 흐름으로서 초음파 용기를 빠져나간다. 상기 용기가 바람직하게는 커버에 의해 위쪽으로 폐쇄된다. 특히 상기 용기는 동시에 소노트로드를 포함할 수 있다.

본 발명에 의해 이전과 동일한 양의 미세 분말이 덩어리를 형성시키지 않고 지속적으로 재생성될 수 있게, 그리고 시간에 따른 변동없이 플라즈마 내로 투입될 수 있다. 이는 디스크 분산기, 스크루 분산기 또는 브러시 분산기와 WO 96/03216 A1의 기본이 되는 초음파 원리의 결합에 의한 것이다.

본 발명은 부품의 코팅시 사용되며, 특히 터빈 블레이드상에 보호층을 도포하는데 적합하다. 이 때 본 발명에 따른 장치와 터빈 블레이드 사이의 상대 운동에 의해 적당한 시간 내에 적절한 층 두께가 디포짓될 수 있는 것이 바람직하다.

본 발명의 개선예들 및 장점은 청구항 및 하기의 도면 설명에 제시된다.

플라즈마 버너로서 고주파를 일으키는 유도-플라즈마 제너레이터(11)가 사용되며, 상기 유도-플라즈마 제너레이터(11)는 연소 가스로부터 뿜어진 플라즈마 불꽃(12)과 유도성 결합된 플라즈마를 생성시킨다. 플라즈마 불꽃(12)내에 고온의 플라즈마에 의해 완전 증발된 에어로졸이 투입된다. 이것은 증기상으로부터 물질이 높은 성장률로 부품 표면에 디포짓될 수 있게 해 준다.

후자의 경우 터빈 블레이드에 보호층을 제공하기 위해 이용된다. 도면에는 휘어진 터빈 블레이드(13)의 일부가 코팅부(14)를 포함하는 것으로 표시되어있다. 상기 터빈 블레이드는 특수 합금으로 이루어진 블레이드가 코팅되기 때문에, 동작하는 동안 온도가 변동하면 높은 하중에 놓이게 된다. 예컨대 세라믹, 특히 지르코늄 산화물(ZrO₂)로 된 층뿐만 아니라 다른 산화물 또는 질화물로 된 층이 문제가 된다. 유도-플라즈마 버너의 경우 많은 비용을 들이지 않고 코팅제를 교체할 수 있기 때문에 다층-시스템이 쉽게 제조될 수 있다.

프리세팅된 주파수의 초음파를 발생시키기 위한 초음파 발생기(1)에 연결된 소노트로드(2)가 적절한 파장을 갖는 초음파를 전달하기 위해 부분적으로 중공체로서 형성되고, 초음파에 노출될 수 있는 용기를 구성한다. 따라서 커버(3)에 의해 격리되는 "비이커 소노트로드"가 초음파 용기(10)로서 정의된다. 상기 커버(3)는 서로 대칭 배치된 공급관(4) 및 배출관(5)에 의해 관통된다.

대안적인 실시예에서는 별도의 소노트로드(2)가 초음파에 적합하게 별도의 용기에 연결될 수 있다.

디스크 분산기, 스크루 분산기, 브러시 분산기 또는 그밖의 미세 분말의 계량 공급에 적합한 분산기일 수 있는 분말 분산기(6)에 의해 탱크(7)내 저장된 분말(P)이 운반 기체(T)의 가스 흐름으로 옮겨져서 분말 에어로졸(A)이 생성된다.

분말 분산기(6)는 그로부터 생성된 분말 에어로졸(A)이 공급관(4)를 통해 그 내부 챔버로 전달되어 그 안에서 가스 흐름내에 부유하는 방식으로 비이커 소노트로드(2)에 연결된다. 초음파가 공급되지 않으면 분말 덩어리 및 응집물와 같은 무거운 입자들이 용기(10)의 바닥에 침전된다.

지금까지 문제가 되어왔던 분말 덩어리 및 응집물이 초음파의 영향으로 융해된다. 이제 균일하고 세밀한, 바람직한 입자 분배에 의해 처리된 분말 에어로졸(A')이 배출관(5)를 통해 비이커 소노트로드(2)를 빠져나가 가스 흐름을 타고 플라즈마 버너(11)에 운반될 수 있다.

분말 분산기(6)와 상세하게 기술된 초음파 장치와의 특별한 결합으로부터 바람직하게는 분말 흐름의 균일성이라는 예상치 못한 효과가 나타난다. 분말 흐름의 균일성은 초음파에 노출된, 분말 에어로졸(A)이 포함된 부피의 저장 효과 및/또는 완충 효과에 의해 증명된다. 그럼으로써 플라즈마 버너(11)에 의해 기판상에, 특히 터빈 블레이드(13)상에 형성된 층(14)이 매우 높은 품질을 얻게 된다.

Claims (13)

1. 분말 에어로졸(A)을 생성하기 위한 방법에 있어서,

   - 분말(P)이 저장 챔버(7)로부터 배출되어 가스 흐름(T)에 의해 분말 에어로졸(A)로 변환되는 단계,

   - 상기 분말 에어로졸(A)이 초음파가 공급된 용기(10)내에 투입되고, 초음파의 영향에 의해 분말 덩어리 및 응집물이 융해됨으로써 정제된 분말 에어로졸(A')이 생성되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 분말(P)이 기계적 수단(6)에 의해 운반 기체(T)내로 투입되는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1항 또는 2항에 있어서,

   정제된 상기 분말 에어로졸(A')이 플라즈마 버너(11)에 공급되는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 플라즈마 버너로서 유도-플라즈마 발생기(11)가 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제 1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서,

   초음파가 제공된 부피가 분말 에어로졸(A')용 저장 수단 및/또는 완충 수단으로서 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 분말 에어로졸(A')을 생성시키기 위한 장치에 있어서,

   소노트로드(2)를 통해 초음파 발생기(1)에 연결되고, 분말(P) 및 운반 기체(T)용 저장 탱크(7)를 위한 연결부를 포함하는 분말 분산기(6)에 연결되는 공급관(4) 및 배출관(5)을 포함하는 용기(10)를 갖춘 것을 특징으로 하는 장치.
7. 제 6항에 있어서,

   상기 소노트로드(2)가 비이커 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 비이커형 소노트로드(2)가 상기 용기(10)를 구성하는 것을 특징으로 하는 장치.
9. 제 6항 내지 8항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 용기(10)가 커버(3)에 의해 위쪽으로 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 장치.
10. 제 6항 내지 9항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 공급관(4) 및 배출관(5)이 소노트로드(2) 또는 초음파가 제공된 용기(10)에 대해 대칭으로 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
11. 제 1항 내지 5항에 따른 방법 및/또는 제 6항 내지 10항에 따른 장치의 용도에 있어서,

    터빈 블레이드(13)상에 보호층(14)을 제공하기 위한 것임을 특징으로 하는 용도.
12. 제 11항에 있어서,

    상기 보호층(14)이 세라믹 층(14)인 것을 특징으로 하는 용도.
13. 제 11항 또는 12항에 있어서,

    상기 층(14)이 지르코늄 산화물(ZrO₂)을 함유하는 것을 특징으로 하는 용도.