KR20040088343A - A powder classification system using two step cyclone chamber - Google Patents

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KR20040088343A
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Abstract

PURPOSE: A power classification system using a two-stepped cyclone chamber is provided to prevent the aggregation phenomenon of nano-particles by introducing a vortex generating chamber, to efficiently classify them, and to fine-granulate the classified particle size, and to increase return rate and recycling degree of the powder. CONSTITUTION: The powder classification system for classifying and collecting the fine powder by size, which is shaped by quenching after a solid powder passes the plasma range and is vaporized, includes; a first chamber(10) having a cylindrical cyclone structure in which an inlet(11), introducing a carrier gas containing the scattered fine powder, quenched after vaporization, is deflected, so as to generate the vortex, and a powder collecting barrel(16) at its lower part; a second chamber(20), connected with the first chamber(10) by a feeding tube(30), having the same structure and collecting barrel(26) as the first chamber(10); and a vacuum pump(50), connected with the second chamber(20), and creating a low pressure by a high vacuum of the second chamber(20).

Description

투스텝 싸이클론 챔버를 통한 분말의 분급 시스템{A powder classification system using two step cyclone chamber}A powder classification system using two step cyclone chamber

본 발명은 투스텝 싸이클론 챔버를 통한 분말의 분급 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 저압에서 와류를 형성시키는 투스텝 싸이클론 챔버를 이용하여 챔버 내로 유입된 플라즈마 기체에 포함된 미세분말이 저압에서 서로 다른 분압을 갖는 특성을 이용하며 유입시에 와류를 형성시켜 플라즈마 상태의 입자 뭉침현상을 방지하면서 분말을 분급해 주는 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a classification system of powder through a two-step cyclone chamber, and more particularly, the fine powder contained in the plasma gas introduced into the chamber using a two-step cyclone chamber that forms a vortex at low pressure is different from each other at low pressure. The present invention relates to a system for classifying powders while using a characteristic having a partial pressure and forming a vortex upon inflow to prevent agglomeration of particles in a plasma state.

일반적으로, 나노분말을 얻는 기술은 그 분말을 이용하여 제조한 제품의 전기적 특성, 광학적 특성, 열적특성, 역학특성, 자기적 특성, 화학적 특성, 흡착특성 또는 연소적 특성 등을 향상시키기 위한 기초 과학의 근간이 된다.In general, a technique for obtaining nanopowders is a basic science for improving the electrical, optical, thermal, mechanical, magnetic, chemical, adsorptive or combustible properties of a product manufactured using the powder. Is the basis for

현재까지 플라즈마를 이용하여 나노 분말을 제조할 때 플라즈마 반응 가스로부터 제조된 분말을 분리 회수하기 위한 방식으로는 다음의 세가지 방식이 사용되고 있다.Until now, the following three methods have been used as a method for separating and recovering a powder prepared from a plasma reaction gas when manufacturing nanopowders using plasma.

첫째, 합성 챔버 내 미세한 기공을 갖는 필터를 설치하고 펌프를 이용하여 강제적으로 입자들이 필터를 경유하게 함으로써 필터에 걸러진 분말을 회수하는 방법이 사용된다.First, a method of recovering powder filtered through a filter by installing a filter having fine pores in a synthesis chamber and forcibly allowing particles to pass through the filter using a pump is used.

둘째, 플라즈마를 통해 기화된 원자들이 열에너지를 상실하고 입자로 형성될 때 완전히 열에너지를 방출하지 못하고 나노분말은 뜨거운 상태에 놓이게 되며 이때 온도가 낮은 영역을 만나게 되면 열 영동 현상(Thermophoresis)에 의하여 뜨거운 입자들이 차가운 벽을 만나게 되는데, 이렇게 벽에 부착된 나노분말을 긁어내어 회수하는 방법이 사용된다.Second, when the atoms vaporized through the plasma lose heat energy and form as particles, they do not completely release heat energy and the nanopowders are placed in a hot state. When the temperature reaches a low temperature region, hot particles are heated by thermophoresis. They encounter a cold wall, which uses a method of scraping off the nanopowder attached to the wall and recovering it.

셋째, 최근에는 전기 집진장치를 이용하여 하전된 입자가 반대 부호를 가지는 전극에 달라붙는 원리를 이용하여 나노분말을 회수하는 방법이 사용되고 있다.Third, recently, a method of recovering nanopowders using a principle that the charged particles adhere to electrodes having opposite signs by using an electrostatic precipitator has been used.

그러나, 위에 설명한 종래의 방법들은 분말크기를 구분하여 포집할 수 없는 문제점을 가지고 있으며 또한 전기 집진법에 의한 방법은 나노분말의 회수율이 낮아서 상업적으로 이용되기에는 어려운 실정이다.However, the conventional methods described above have a problem that cannot be collected by dividing the powder size, and the method by the electrostatic precipitating method is difficult to be used commercially due to the low recovery rate of the nanopowder.

이러한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명은 나노분말을 포함하고 있는 플라즈마 가스가 챔버 내에서 점성 유동흐름을 분자 유동흐름으로 유도할 수 있는 와류형 챔버를 도입하되 이 챔버는 진공펌프를 이용하여 챔버 내 압력이 상압이 아닌 저압을 유지할 수 있도록 함으로써 나노입자들의 뭉침현상을 방지할 수 있도록 하는 한편 효율적인 나노분말의 분급을 이루게 하고 아울러 분급 입도를 미세화 할 수 있도록 하는 한편 분말의 회수율 및 재활용도를 높일 수 있도록 함으로써 산업적으로 활용가치를 높인 투스텝 싸이클론 챔버를 통한 분말의 분급 시스템을 제공하는데 목적을 두고 있다.The present invention devised to solve this conventional problem introduces a vortex-type chamber in which a plasma gas containing nanopowders can induce a viscous flow flow into the molecular flow in the chamber, but the chamber uses a vacuum pump. By keeping the pressure in the chamber at low pressure rather than at normal pressure, it is possible to prevent the agglomeration of nanoparticles, to achieve efficient nano powder classification, and to finely classify the particle size, while recovering and recycling the powder. The aim is to provide a powder classification system through a two-step cyclone chamber that has been industrially valuable.

도 1 은 본 발명의 전체 구성을 보인 단면도,1 is a cross-sectional view showing the overall configuration of the present invention,

도 2 는 본 발명의 구성 중 싸이클론 챔버의 평단면도.Figure 2 is a plan cross-sectional view of a cyclone chamber in the configuration of the present invention.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

10 - 제1 챔버 11 - 유입관10-1st chamber 11-Inlet tube

12 - 챔버 몸체 16 - 포집통12-chamber body 16-collecting bin

18 - 배출관 20 - 제2 챔버18-discharge line 20-second chamber

21 - 유입관 22 - 챔버 몸체21-inlet 22-chamber body

26 - 포집통 28 - 배출관26-Collector 28-Outlet

30 - 이동관 32,34,42,44 - 연결부재30-Moving tube 32,34,42,44-Connecting member

40 - 이동관 50 - 진공펌프40-moving tube 50-vacuum pump

62 - 드로틀밸브 64 - 게이트밸브62-Throttle Valve 64-Gate Valve

상술한 본 발명의 목적은,The object of the present invention described above,

고체 파우더가 플라즈마 영역을 통과하면서 기화된 후 급냉에 의해 형성된 나노분말을 크기별로 분급 포집하기 위한 분말의 분급 시스템에 있어서,In the classification system of powder for classifying and collecting the nanopowder formed by quenching after solid powder is vaporized while passing through the plasma region,

상기 기화된 후 급냉된 미세분말이 산포된 캐리어 가스를 도입하는 유입구가 편향된 싸이클론 구조로 와류를 형성할 수 있도록 된 원통형의 구조이며, 저부로 분말 포집통이 구비된 제1 챔버와; 상기 제1 챔버와 이동관을 통해 연결되고, 상기 이동관과 연결된 유입구가 편향된 사이클론 구조로 와류를 형성할 수 있도록 된 원통형의 구조이며, 저부로 분말 포집통이 구비된 제2 챔버와; 상기 제2 챔버와 연결되며 상기 제2 챔버에 고진공에 의한 저압을 조성하기 위한 진공펌프를 구비하는 것을 특징으로 하는 투스텝 싸이클론 챔버를 통한 분말의 분급 시스템에 의하여 달성될 수 있다.A first chamber having a cylindrical structure configured to form a vortex in a cyclone structure in which an inlet for introducing a carrier gas in which the quenched fine powder is dispersed and vaporized is deflected; A second chamber connected to the first chamber through a moving tube, and having a cylindrical structure configured to form a vortex in a cyclone structure in which an inlet connected to the moving tube is deflected; It is connected to the second chamber and can be achieved by a classification system of powder through a two-step cyclone chamber, characterized in that it comprises a vacuum pump for creating a low pressure by a high vacuum in the second chamber.

아울러, 본 발명의 구성으로서, 상기 제2 챔버 내의 압력을 정밀하게 조절해 주기 위한 드로틀 밸브가 더 구비될 수 있다.In addition, as a configuration of the present invention, a throttle valve for precisely adjusting the pressure in the second chamber may be further provided.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예로 첨부된 도면을 참조하여 더욱 구체적으로 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings as a preferred embodiment of the present invention will be described in more detail.

도 1 은 본 발명의 전체 구성을 보인 단면도이고, 도 2 는 본 발명의 구성 중 싸이클론 챔버의 평단면도이다.1 is a cross-sectional view showing the overall configuration of the present invention, Figure 2 is a cross-sectional plan view of a cyclone chamber of the configuration of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 구성은 기화되었다가 급냉된 미세분말이 산포된캐리어 가스를 도입하는 제1 챔버(10)와, 상기 제1 챔버(10)와 이동관(30)을 통해 연결되어 상기 제1 챔버(10) 내에 산포하는 분말 중 입자가 작은 나노 미세분말과 함께 캐리어 가스를 도입하는 제2 챔버(20)와, 상기 제2 챔버(20)와 연결되어 상기 제2 챔버(20) 내에 고진공의 저압을 조성하기 위한 진공펌프(50)로 구성된다.Referring to FIG. 1, the configuration of the present invention is connected to a first chamber 10 through which a carrier gas in which vaporized and quenched fine powder is dispersed is introduced, and the first chamber 10 is connected to a moving tube 30. The second chamber 20 which introduces a carrier gas together with the nano fine powder having small particles in the powder dispersed in the first chamber 10, and is connected to the second chamber 20 to the second chamber 20. It consists of the vacuum pump 50 for creating the low pressure of a high vacuum inside.

상기 제1 챔버(10) 및 제2 챔버(20)는 원통형의 챔버 몸체(12)(22)에 상판(14)(24)이 연결부재(32,34)(42,44)에 의해 긴밀하게 연결된 구조이고, 상기 제1 챔버(10) 및 제2 챔버(20)의 저부에는 자중에 의해 낙하한 분말을 포집하기 위한 분말 포집통(16)(26)이 각각 구비된다. 상기 포집통(16)(26)은 챔버 몸체(12)(22)와 분리 가능하게 결합되며 이를 위해 플렌지 결합구조 등을 택할 수 있다. 상기 제1 및 제2 챔버(10)(20)는 프레임에 고정되며, 이때 제1 챔버(10)보다 제2 챔버(20)가 높게 위치된다. 또, 상기 제1 챔버(10) 및 제2 챔버(20)의 배출관(18)(28)은 챔버 몸체(12,22) 내부로 깊이 장입되어 있어, 유입관(11)(21)을 통해 유입된 분말이 바로 빠져나가지 않고 낙하 후 빠져 나갈 수 있는 구조로 되어 있다.The first chamber 10 and the second chamber 20 are in close contact with the cylindrical chamber body 12, 22 by the upper plate 14, 24 by the connecting members 32, 34, 42, 44 The bottom of the first chamber 10 and the second chamber 20 are connected to each other, and are provided with powder collecting containers 16 and 26 for collecting powder dropped by their own weight. The collecting vessels 16 and 26 are detachably coupled to the chamber bodies 12 and 22, and a flange coupling structure may be selected for this purpose. The first and second chambers 10 and 20 are fixed to the frame, and the second chamber 20 is positioned higher than the first chamber 10. In addition, the discharge pipes (18) and (28) of the first chamber (10) and the second chamber (20) are deeply charged into the chamber bodies (12, 22), and flow through the inflow pipes (11) (21). The powder does not go out immediately but has a structure that can exit after falling.

또한, 제2 챔버(20) 내의 압력을 정밀하게 조절해 주기위한 드로틀 밸브(62) 및 제2 챔버(20)와 진공펌프(50)와의 공간을 개폐하는 게이트밸브(64)가 구비된다. 상기 드로틀 밸브(62)의 개도율에 따라 제2 챔버(20)의 압력이 조절됨은 물론이고 제1 챔버(10)와 제2 챔버(20) 간의 압력차도 변화하게 된다. 상기 게이트 밸브(64)는 진공펌프(50)에 구비되는 통상적인 것과 동일하다.In addition, a throttle valve 62 for precisely controlling the pressure in the second chamber 20 and a gate valve 64 for opening and closing a space between the second chamber 20 and the vacuum pump 50 are provided. Not only the pressure of the second chamber 20 is adjusted according to the opening degree of the throttle valve 62, but the pressure difference between the first chamber 10 and the second chamber 20 also changes. The gate valve 64 is the same as the conventional one provided in the vacuum pump 50.

이와 같은 구성에 의해 진공펌프(50)의 작동시에 나노분말 입자를 포함하는플라즈마 가스가 급냉에 의해 형성된 나노분말을 포함하는 미세분말은 제1 챔버(10), 이동관(30), 제2 챔버(20), 이동관(40)으로 이동하게 되는 과정에서 자중에 의해 제1 챔버(10) 및 제2 챔버(20)의 분말 포집통(16,26)에 분급 포집된다.In this configuration, the fine powder containing the nanopowder formed by rapid cooling of the plasma gas containing the nanopowder particles during operation of the vacuum pump 50 includes the first chamber 10, the moving tube 30, and the second chamber. (20) In the process of moving to the moving tube (40), the classification is collected in the powder collecting containers (16, 26) of the first chamber (10) and the second chamber (20) by its own weight.

또, 제1 챔버(10) 및 제2 챔버(20)는 도 2 에 도시된 바와같이 유입구(11)(21)가 편향된 위치로 배치된 싸이클론 구조로 이루어져 챔버(10)(20) 내부에서 소용돌이 현상 즉 와류를 형성할 수 있도록 되어 있어, 이러한 구조적 특징에 의한 원심력을 통해 챔버(10)(20) 내의 분말들이 사방으로 분산될 수 있게 한 것인 바 분말입자 들 간의 응집현상을 줄일 수 있게 된다.In addition, the first chamber 10 and the second chamber 20 has a cyclone structure in which the inlets 11 and 21 are arranged in a deflected position, as shown in FIG. 2, in the chamber 10, 20. It is possible to form a vortex, that is, a vortex, so that the powders in the chambers 10 and 20 can be dispersed in all directions through the centrifugal force due to this structural feature. do.

이때, 사방으로 분산된 분말 입자들은 자중에 의해 챔버(10)(20)의 하부로 떨어지게 되는데, 상압의 경우에는 크기가 큰 분말들은 비교적 빠른 낙하속도로 챔버의 하부로 떨어지게 되고 상대적으로 작은 크기를 갖는 미세분말들은 느린 낙하속도를 가지고 떨어지게 되는 반면, 진공펌프(50)에 의해 제1 및 제2 챔버(10)(20) 내부에서는 상압보다 낮은 압력을 유지하기 때문에 압력이 낮은 경우 그만큼 챔버(10)(20) 내부에 존재하는 기체의 수가 감소하므로 이러한 상태에서는 진공도에 따라 입자들의 자중에 의해 낙하하는 속도가 입자 크기에 영향을 거의 받지 않게 되며, 이에 따라서 저압상태에서는 분급을 위한 나노 분말의 포집량을 증대시킬 수 있는 것이다.At this time, the powder particles dispersed in all directions fall to the lower portion of the chamber 10, 20 by its own weight. In the case of normal pressure, the large powders fall into the lower portion of the chamber at a relatively fast falling speed and have a relatively small size. The fine powders are dropped with a slow falling speed, while the pressure is lower than the normal pressure in the first and second chambers 10 and 20 by the vacuum pump 50, so that the chamber 10 is less than the normal pressure. (20) As the number of gases present in the interior decreases, in this state, the rate of dropping by the self-weight of the particles according to the degree of vacuum is hardly influenced by the particle size. Accordingly, the collection of nano powder for classification at low pressure The amount can be increased.

더욱이, 제2 챔버(20)는 제1 챔버(10)에 비해 상대적으로 더 낮은 압력을 갖기 때문에 두 챔버(10)(20) 간에 압력차가 발생됨으로써 제1 챔버(10)에서 1차적으로 분급되어 포집통(16)에 포집된 분말보다 입자크기가 작은 분말들은 낙하하는 동안 이동관(30)과 연결된 제1 챔버(10)의 배출관(18)을 통해 제2 챔버(20)와 연결된 이동관(30) 내부로 빨려 들어가게 됨에 따라 분급의 효율을 높일 수 있다.Furthermore, since the second chamber 20 has a relatively lower pressure than the first chamber 10, a pressure difference is generated between the two chambers 10 and 20 so as to be primarily classified in the first chamber 10. The powders having a smaller particle size than the powder collected in the collecting container 16 are connected to the second chamber 20 through the discharge tube 18 of the first chamber 10 connected to the moving tube 30 during the fall. As it is sucked into the inside, the efficiency of classification can be improved.

이때, 제2 챔버(20)로 이동한 분말들은 입도 분포가 제1 챔버(10)에 비해 작고 좁아지게 되므로 분급입도를 미세화할 수 있는 것이고, 이러한 미세 분급입도의 나노 분말을 제2 챔버(20)의 저부에 있는 포집통(26)을 통해 회수할 수 있게 되는 것이다.In this case, the powders moved to the second chamber 20 may have a smaller and narrower particle size distribution than the first chamber 10, thereby minimizing the classification particle size. It is possible to recover through the collecting container 26 at the bottom of the).

그리고, 제1 챔버(10)의 하부에 분리 가능하게 설치된 포집통(16)은 1차적으로 분급처리된 굵은(COARSE) 분말을 원료분말로 재활용할 수 있어, 1차 포집된 분말을 다시 한번 플라즈마 처리를 통해 분급함으로써 원료의 활용도를 높여 원료대비 나노분말의 수율을 높일 수 있다.In addition, the collecting container 16 detachably installed at the lower portion of the first chamber 10 may recycle COARSE powder that is primarily classified into raw material powder, and thus, once again collect the first collected powder into plasma. By sorting through treatment, the utilization of raw materials can be increased, and the yield of nano powders can be increased.

이러한 과정을 통해 입도가 균일한 범위의 크기를 갖는 나노분말을 포집할 수 있다.Through this process, nanoparticles having a uniform size range can be collected.

한편, 본 발명은 분말의 종류에 따라 챔버 내 압력을 게이트 밸브와 드로틀 밸브를 통해 조절할 수 있어 분말의 입도 범위를 설정할 수 있다.On the other hand, the present invention can adjust the pressure in the chamber through the gate valve and the throttle valve according to the type of powder can set the particle size range of the powder.

상기 제1 챔버와 제2 챔버의 압력차는 최대 50Torr 이고 이러한 압력차 값은 상기 제1 및 제2 챔버의 내부체적, 이동관의 단면적, 진공펌프의 진공도, 드로틀 개도율에 의해 변수적으로 영향을 받는 바, 그 설계상 구조를 고려하여야 하며, 완성된 시스템을 사용하여 분급 포집시에 분말의 물질 종류에 따라 드로틀 개도율로 챔버 간 압력차를 조절해 줌으로써 분말의 입도 범위를 조절해 주면 된다.The pressure difference between the first chamber and the second chamber is at most 50 Torr. The pressure difference value is variablely affected by the internal volume of the first and second chambers, the cross-sectional area of the moving tube, the vacuum degree of the vacuum pump, and the throttle opening degree. The design should take into account the structure, and the particle size range of the powder can be controlled by adjusting the pressure difference between chambers at the throttle opening rate according to the material type of the powder when classifying the collected system using the completed system.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 저압에서 와류를 형성하는 투스텝 싸이클론 챔버를 통해 고체 파우더가 플라즈마를 통해 완전 기화된 후 급냉에 의해 형성된 미세분말을 크기별로 분급하여 포집함으로써 다양한 용도의 나노분말을 얻을 수 있다.As described above, the present invention obtains nanopowders for various uses by classifying and collecting the fine powder formed by rapid cooling after solid powder is completely vaporized through plasma through a two-step cyclone chamber which forms a vortex at low pressure. Can be.

또, 챔버 내 압력을 상압이 아닌 저압으로 형성함에 따라 나노분말의 분급 효율을 높여 포집량을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.In addition, since the pressure in the chamber is formed at a low pressure instead of the normal pressure, the efficiency of classifying the nanopowder can be increased to increase the collection amount.

또한, 챔버 내 와류 형성을 통하여 미세 분말 간의 응집현상을 방지하여 회수하는 나노분말의 포집량을 더욱 늘릴 수 있다.In addition, it is possible to further increase the collection amount of the nano-powder to recover by preventing the aggregation phenomenon between the fine powder through the vortex formation in the chamber.

아울러, 제1 챔버의 분말 포집통으로 분급처리된 굵은 분말을 계속하여 원료분말로 재활용할 수 있는 효과가 있다.In addition, there is an effect that can continue to recycle the coarse powder classified into the powder collecting container of the first chamber to the raw material powder.

Claims (3)

고체 파우더가 플라즈마 영역을 통과하면서 기화된 후 급냉에 의해 형성된 미세분말을 크기별로 분급 포집하기 위한 분말의 분급 시스템에 있어서,In the classification system of powder for classifying and collecting the fine powder formed by rapid cooling after the solid powder is vaporized while passing through the plasma region, 상기 기화된 후 급냉된 미세분말이 산포된 캐리어 가스를 도입하는 유입구가 편향된 싸이클론 구조로 와류를 형성할 수 있도록 된 원통형의 구조이며, 저부로 분말 포집통이 구비된 제1 챔버와; 상기 제1 챔버와 이동관을 통해 연결되고, 상기 이동관과 연결된 유입구가 편향된 사이클론 구조로 와류를 형성할 수 있도록 된 원통형의 구조이며, 저부로 분말 포집통이 구비된 제2 챔버와; 상기 제2 챔버와 연결되며 상기 제2 챔버에 고진공에 의한 저압을 조성하기 위한 진공펌프를 구비하는 것을 특징으로 하는 투스텝 싸이클론 챔버를 통한 분말의 분급 시스템.A first chamber having a cylindrical structure configured to form a vortex in a cyclone structure in which an inlet for introducing a carrier gas in which the quenched fine powder is dispersed and vaporized is deflected; A second chamber connected to the first chamber through a moving tube, and having a cylindrical structure configured to form a vortex in a cyclone structure in which an inlet connected to the moving tube is deflected; And a vacuum pump connected to the second chamber and configured to create a low pressure by the high vacuum in the second chamber. 2. 제 1 항에 있어서, 상기 제2 챔버 내의 압력을 정밀하게 조절해 주기 위한 드로틀 밸브를 구비하는 것을 특징으로 하는 투스텝 싸이클론 챔버를 통한 분말의 분급 시스템.The system of claim 1, further comprising a throttle valve for precisely regulating the pressure in the second chamber. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 챔버의 배출관은 챔버 몸체의 저부에 이르기까지 깊게 장입된 것을 특징으로 하는 투스텝 싸이클론 챔버를 통한 분말의 분급 시스템.2. The system of claim 1, wherein the discharge tubes of the first and second chambers are deeply charged down to the bottom of the chamber body.
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KR100828102B1 (en) * 2006-12-22 2008-05-08 주식회사 포스코 Method and apparatus for silicon powder production
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