KR20090040115A - 건식 분쇄기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 분쇄기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 압축 공기에 의해 건식으로 시료를 분쇄하는 건식 분쇄기에 관한 것이다.

본 발명에 따른 건식 분쇄기는, 바닥이 반구형으로 형성되고 분쇄할 시료를 수용하는 내부공간이 형성된 원기둥 형상의 챔버와, 상기 챔버에 분쇄할 시료를 투입할 수 있도록 상기 챔버의 상부에 설치된 투입관과, 상기 챔버의 하부에 설치되어 상기 챔버의 내부공간 바닥을 향해 공기를 분사하는 분사노즐과, 상기 챔버의 상부에 설치되어 상기 챔버의 내부공간과 외부를 연통시키는 배출관을 포함하여 이루어진다.

챔버, 건식, 분쇄, 미분쇄, 세라믹 비드.

Description

건식 분쇄기{APPARATUS FOR PULVERIZATION}

본 발명은 분쇄기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 압축 공기에 의해 건식으로 시료를 분쇄하는 건식 분쇄기에 관한 것이다.

분쇄는 화학공업에서 가장 오래된 기계적 단위조작의 하나이다. 분쇄를 거친 시료는 후 공정에서 취급이 용이하게 된다. 예를 들어 시료의 입자 크기를 작게 함으로써 표면적이 증가하여 반응속도 및 용해속도가 개선되는 것을 들 수 있다. 이와 같은 물리화학적 특성의 변화는 특히 신약, 신소재 등의 연구개발에 필수적으로 요구되며, 나노기술의 발전과 더불어 시료의 미분쇄 기술이 각광받고 있다.

넓은 의미에서 분쇄는 분쇄 대상인 시료의 입경 및 분쇄 완료된 시료의 입경에 따라 조분쇄(粗粉碎), 중분쇄(中粉碎), 미분쇄(微粉碎)로 나뉜다. 조분쇄는 대체로 수십 ㎝ ~ 십수 ㎝ 의 시료를 수 ㎝로 분쇄하는 것이고, 중분쇄는 수 ㎝ 의 시료를 수 mm로 분쇄하는 것이며, 미분쇄는 수 mm의 시료를 수 ㎛이하까지 분쇄하는 것이다. 특히 분쇄된 시료의 입경이 ㎚ 단위까지 내려가는 미분쇄를 초미분쇄(超微粉碎)라고 따로 칭하기도 한다. 그러나 이와 같이 입경에 따른 분류는 분쇄 기가 사용되는 모든 분야에서 명확하고도 동일하게 구분되는 것이 아니며, 적용분야에 따라 다소간 차이가 있다.

한편, 분쇄의 에너지 효율은 대단히 낮아 새로운 표면 생성에 소비되는 에너지는 1% 이하이고 나머지 대부분은 열로 손실된다. 따라서 분쇄기의 효율을 높일 수 있는 방안이 강구되어야 하며, 발생한 열을 적절히 배출하는 것 역시 문제된다.

또한 수 cm의 입경을 가진 시료를 단번에 ㎛ 단위 또는 그 이하의 입경으로 분쇄하는 것은 현실적으로 극히 곤란하며, 통상 하나의 시료에 대해 두 대 이상의 장비를 연쇄적으로 적용하여 예비분쇄 후 본분쇄를 진행하는 두 단계 이상의 분쇄단계를 순차로 거침으로써 목표하는 입경을 얻고 있다. 예컨대 어떤 시료가 ㎛ 단위의 입경을 갖도록 분쇄하기 위해서는, 중분쇄용 분쇄기로서 디스크밀(Disk Mill)과, 미분쇄용 분쇄기로서 제트밀(Jet Mill)을 모두 구비한 뒤, 시료를 디스크밀과 제트밀에 순차로 투입하여 차례로 분쇄하여야만 하므로, 분쇄시간은 물론 비용이 증가되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 하나의 분쇄기로 중분쇄 및 미분쇄를 동시에 수행할 수 있는 분쇄기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 높은 효율로 시료를 분쇄할 수 있으며, 분쇄과정에서 발생된 열의 배출이 원활한 분쇄기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관된 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 건식 분쇄기는, 바닥이 반구형으로 형성되고 분쇄할 시료를 수용하는 내부공간이 형성된 원기둥 형상의 챔버와, 상기 챔버에 분쇄할 시료를 투입할 수 있도록 상기 챔버의 상부에 설치된 투입관과, 상기 챔버의 하부에 설치되어 상기 챔버의 내부공간 바닥을 향해 공기를 분사하는 분사노즐과, 상기 챔버의 상부에 설치되어 상기 챔버의 내부공간과 외부를 연통시키는 배출관을 포함하여 이루어진다.

본 발명에 따른 건식 분쇄기에 있어서, 상기 배출관은, 상기 챔버의 내부공간측 개방단의 높이가 상기 투입관의 상기 챔버의 내부공간측 개방단의 높이보다 낮은 것이 바람직하다. 또한 상기 분사노즐은, 복수 개가 상기 챔버의 둘레를 따라 원주상 같은 간격으로 배치되고, 상기 챔버 내부공간 바닥의 중심과 이격된 지점을 향하여 공기를 분사하도록 배치된 것이 바람직하다. 그리고 상기 챔버는, 내부공간의 높이가 직경의 3배 이상인 것이 바람직하다.

한편, 본 발명에 따른 건식 분쇄기는, 상기 챔버의 내벽면으로부터 돌출형성된 내측플랜지 형상이고 상측면이 경사면이고 하측면이 곡면으로 된 입자억제판을 더 포함할 수 있다. 또한 상기 배출관의 상기 챔버 내부공간측 개방단에 결합되고 삿갓형상으로 된 입자포집판을 더 포함할 수도 있다. 나아가서 상기 챔버의 내부공간에 수용된 복수의 세라믹 비드를 더 포함할 수도 있다.

본 발명에 따르면 압축 공기에 의해 시료를 운동시켜 시료 입자간 또는 챔버 벽과의 충돌을 통해 시료를 분쇄하며, 일정 시간 분쇄되어 목표하는 입경에 도달한 시료 입자만 외부로 배출시킬 수 있으므로, 하나의 분쇄기로 중분쇄 및 미분쇄를 수행할 수 있다. 또한 공기 분사 압력은 물론 중력에 의한 시료 입자의 낙하 충격력을 분쇄에 활용할 수 있으므로, 단순히 압축공기만으로 시료를 분쇄하는 것에 비해 효율을 높일 수 있다. 특히 챔버 내에 세라믹 비드를 더 구비한 경우에는 에너지 효율을 더욱 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 분쇄에 소요되는 시간도 단축시킬 수 있다.

또한 본 발명은 공기 분사에 의해 시료를 분쇄하므로, 분쇄 과정에서 발생하 는 열이 공기의 흐름을 따라 자연스럽게 외부로 배출될 수 있다.

이하에서는 첨부의 도면을 참조로 본 발명에 다른 건식 분쇄기의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 건식 분쇄기의 일실시예의 사시도이고, 도 2는 도 1의 A-A선에서 바라본 종단면도이며, 도 3은 도 1의 B-B선에서 바라본 평단면도이다.

챔버(100)는 분쇄할 시료를 수용할 수 있는 내부공간(101)이 형성되어 있으며, 이 내부공간(101)은 원기둥 형상을 가진다. 따라서 챔버(100)의 외형 또한 원기둥 형상을 이루지만, 외형은 필요에 따라 삼각기둥, 사각기둥 등 다각기둥의 형상을 가질 수 있으며 내부공간만 원기둥 형상이면 충분하다. 또한 챔버(100)의 내부공간(101)은 그 바닥이 반구형으로 함몰되어 있다. 챔버(100)의 내부공간(101)은 직경에 비해 높이가 3배 이상 큰 값을 가지는 것이 바람직하다. 챔버(100) 내부공간(101)의 직경에 대한 높이의 비는 분쇄할 시료의 경도와 같은 물성이나 목표하는 입경에 따라 결정할 수 있으며, 대체로 직경에 대한 높이 비가 큰 값을 가질수록 시료가 챔버(100) 내부공간(101)에 머무르는 시간이 길어지므로, 시료의 입경을 작게 할 수 있다.

투입관(110)은 챔버(100)의 상부에 설치되어 챔버(100)의 내부공간(101)과 외부를 연통시키며, 분쇄할 시료를 챔버(100)로 투입할 수 있는 경로가 된다. 도시하지는 않았으나 투입관(110)에는 통상적인 원료공급장치를 연결하여 시료가 연속적, 자동적으로 투입되도록 할 수 있다. 특히 투입관(110)에 원료공급장치로써 스크류 피더(Screw Feeder)가 연결되어 있을 경우, 분쇄완료된 시료의 입자가 투입관(110)을 역류하여 외부로 유출되는 것을 최대한 억제할 수 있다.

분사노즐(120)은 챔버(100)의 하부에 설치되며, 복수 개가 챔버(100) 둘레를 따라 동일한 간격으로 배치되어 챔버(100)의 내부공간(101) 바닥을 향하여 공기를 분사한다. 분사노즐(120)이 분사하는 공기의 운동에너지가 시료를 분쇄하는 에너지원이 되므로, 복수 개 설치되어 있는 것이 바람직하다. 분사노즐(120)이 공기를 분사하는 방향을 상세히 설명하자면, 수직면상에서는 도 2에 점선으로 된 화살표로 도시한 바와 같이 공기를 하향 경사진 방향으로 분사한다. 도 3의 평단면도에는 3개의 분사노즐(120)이 챔버(100)의 둘레를 따라 동일한 중심각을 갖도록, 즉 상호 120°의 각도 차이를 두고 배치되어 있는 예가 나타나 있는데, 이때, 각 분사노즐(120)이 분사하는 공기는 한 점에서 만나지 않도록 하는 것이 바람직하다. 즉, 각 분사노즐(120)은 도 3의 평단면도에서 점선으로 된 화살표로 도시한 바와 같이 챔버(100) 내부공간(101) 바닥의 중심점에서 이격된 지점을 향해 각각 공기를 분사한다. 이는, 만일 각 분사노즐(120)이 챔버(100) 내부공간(101) 바닥의 중심점을 향해 동시에 공기를 분사하는 경우, 공기의 충돌에 의해 공기의 운동에너지가 조기에 소모되므로, 시료를 분쇄하는데 사용될 에너지가 부족해지는 것을 방지하기 위한 것이다. 또한, 각 분사노즐(120)이 공기를 서로 엇갈리도록 분사함으로써, 챔 버(100)의 내부공간(101)에 소용돌이를 형성하기 위한 것이기도 하다. 소용돌이가 형성되면 투입된 시료는 지속적으로 이동하면서 챔버(100)의 내벽면 또는 상호간 충돌에 의해 분쇄가 촉진된다. 분사노즐(120)이 공기를 분사하기 위해, 별도의 압축공기공급원이 분사노즐(120)에 연결되어 있어야 함은 자명한 바, 압축공기공급원을 분사노즐(120)에 연결하는 것은 통상의 기술로 구현 가능하므로 도시 및 상세한 설명은 생략한다.

배출관(130)은 챔버(100)의 상부에 설치되어 챔버(100)의 내부공간(101)과 외부를 연통시며, 분쇄된 시료가 배출되는 통로가 된다. 배출관(130)은 분쇄된 시료가 통과하는 통로이므로, 투입관(110)에 비해 직경이 작아도 된다. 또한 배출관(130)의 챔버(100)의 내부공간(101) 측 개방단은 투입관(110)이 챔버(100) 내부공간(101) 측 개방단에 비해 그 높이가 더 낮은 것이 바람직하다. 즉, 배출관(130)의 끝단이 투입관(110)의 끝단에 비해 챔버(100) 내부공간(101)의 바닥에 더 근접한다. 더불어 배출관(130)은 도 2에 일점쇄선으로 표시된 챔버(100) 내부공간(101)의 중심선 상에 배치되는 것이 바람직하다. 이는, 앞서 설명한 바와 같이, 챔버(100) 내부공간(101)에 소용돌이가 형성되었을 때, 원심력에 의해 가장 가벼운, 즉 작은 입경이 작은 시료의 입자가 중심선 상으로 이동되므로, 이를 외부로 배출되도록 하기 위한 것이다. 시료 입자가 배출관(130) 측으로 이동하는 원인은 챔버(100) 내부로는 공기가 지속적으로 분사되므로 챔버(100) 내부의 압력이 외부에 비해 높아지기 때문이지만, 일정 이상의 입경을 가진 시료 입자는 챔버(100) 내외부의 압력 차이에 의한 공기유동에 따른 힘보다는 중력 또는 원심력의 영향을 더 받게 되므로 배출관(130)으로 진입할 수 없게 된다. 이와 같이 배출관(130)으로 진입하는 입자의 직경은 챔버(100) 내부로 분사되는 공기의 압력 및 양, 챔버(100)의 크기, 배출관(130)의 높이 등에 따라 조절할 수 있다. 배출관(130)의 높이를 조절하기 위해 배출관(130)을 승강시킬 수 있는 통상의 구성을 부가하는 것도 가능하다.

이와 같은 구성의 건식 분쇄기는, 사용상태에서 투입관(110)을 통해 분쇄할 시료를 투입하고, 분사노즐(120)을 통해 고압의 공기를 분사한다. 투입된 시료는 자중에 의해 챔버(100)의 바닥으로 떨어지는데, 챔버(100) 하부의 분사노즐(120)에서 하향 경사지게 공기가 분사되므로, 이 공기에 의해 움직여서 상호 충돌하거나 챔버(100)의 내벽면과 충돌하여 분쇄되게 된다. 특히 챔버(100) 내부공간(101)의 바닥이 반구형으로 오목하게 형성되어 있으므로, 충돌에 의해 운동에너지를 잃은 시료 입자는 자연스럽게 챔버(100) 내부공간(101)의 바닥면으로 모이게 되고, 여기서 다시 공기로부터 운동에너지를 얻어 움직이는 것을 반복한다. 이와 같이 시료가 반복적으로 분쇄되다가 일정 이하의 입경에 도달하면 챔버(100)의 내부공간(101)에서 부유하는 시간이 길어지며, 챔버(100) 내부의 압력이 외부에 비해 다소간 높으므로, 배출관(130)을 따라 외부로 배출된다. 배출관(130)을 따라 배출된 시료는 별도의 분급기 등으로 분류하어, 목표로 하는 입경에 도달한 입자만을 포집할 수 있다. 한편, 챔버(100)의 내부공간(101)은 압축 공기가 계속 공급되므로, 외부에 비해 높은 압력 상태를 유지하게 되는데, 투입관(110)이 상시 개방되어 있다면 투입관(110)을 통해 시료의 입자들이 배출될 가능성도 있다. 이를 최대한 억 제하기 위하여 앞서 언급한 바와 같이 투입관(110)에 스크류 피더를 연결하는 것이 바람직하며, 단속적으로 시료를 공급하여도 충분한 경우에는 투입관(110)을 간헐적으로 폐쇄하는 밸브 따위를 추가로 설치할 수도 있다.

도 4는 본 발명에 따른 건식 분쇄기의 다른 실시예를 도시한 사시도이고, 도 5는 도 4의 C-C선에서 바라본 종단면도이다. 본 실시예는, 아래에서 따로 설명하는 것 이외의 구성은 앞선 실시예와 동일하므로, 중복을 피하기 위해 앞선 실시예에 대한 도 1 내지 도 3에서와 같은 도면부호를 부여하며 상세한 설명을 생략한다.

본 실시예의 챔버(200)는 그 외형이 전체적으로는 원기둥 형상이나, 높이 방향으로 복수 개의 마디가 형성되어 있다. 이는 도 5의 종단면도에 나타낸 바와 같이, 챔버(200)의 내벽면에 복수의 입자억제판들(210a, 211a, 212a, 213a, 214a)이 돌출형성되어 있는 것에 기인한다. 입자억제판들(210a, 211a, 212a, 213a, 214a)은 각각 상면이 하향 경사진 면으로 구성되고, 하면이 곡면으로 구성되며, 중앙부가 상하로 관통된 내측플랜지 형상으로서, 각 단위벽체들(210, 211, 212, 213, 214)의 내벽면 측에서 돌출형성되어 있다. 입자억제판들(210a, 211a, 212a, 213a, 214a)을 용이하게 구성하기 위하여 챔버(200)는 복수의 단위벽체들(210, 211, 212, 213, 214)이 차례로 적층되어 결합된 형태로 만들어지는 것이다. 챔버(200)의 외형상 보이는 마디는 이 단위벽체들(210, 211, 212, 213, 214)을 서로 연결하기 것으로, 플랜지와 같은 형상으로 나타난다. 그러나 단위벽체들(210, 211, 212, 213, 214) 사이의 결합이 반드시 플랜지 형상일 필요는 없으며 어느 한 단위벽체가 다른 단위벽체에 일부 내삽되는 형태로 결합될 수도 있다.

입자억제판들(210a, 211a, 212a, 213a, 214a)은 챔버(200)의 바닥으로부터 압축공기에 의해 비산된 시료의 입자가 짧은 경로를 거쳐 다시 챔버(200)의 바닥 측으로 이동하도록 안내하기 위한 것이다. 만일 입자억제판들(210a, 211a, 212a, 213a, 214a)이 없다면, 시료의 입자는 챔버(200) 내부공간(201)의 상단에 이르기까지 긴 경로를 거쳐 이동하므로, 입자 상호간 또는 챔버(200) 내벽과의 충돌기회가 줄어들고 결과적으로 분쇄에 소요되는 시간이 늘어난다. 입자억제판들(210a, 211a, 212a, 213a, 214a) 각각의 하면은 곡면으로 형성되며, 상면은 하향경사지도록 하여, 입자억제판(210a, 211a, 212a, 213a, 214a) 보다 높이 비산된 시료의 입자가 원활히 하강할 수 있도록 한다. 도 4 및 도 5에는 챔버(200)가 5개의 단위벽체들(210, 211, 212, 213, 214)로 구성된 예를 도시하고는 있으나, 단위벽체의 수는 필요에 따라 증감할 수 있으며, 입자억제판(210a, 211a, 212a, 213a, 214a) 또한 모든 단위벽체에 형성되어야 할 필요 없이 필요한 단위벽체에만 형성되도록 할 수 있다. 도 5에는 특히 아래에서 3번째 입자억제판(213a)이 다른 입자억제판에 비해 중앙 관통공의 직경이 작게 형성된 것으로 도시하고 있는데, 이는 분쇄가 완료되지 않은 시료의 입자가 챔버(200)의 내벽면과 충돌하다가 우연히 배출관(130)의 챔버(200) 내부공간(201) 측 개방단, 즉 배출관(130)의 입구로 진입하는 것을 최대한 억제하기 위한 것이다.

한편, 분쇄가 완료된 시료 입자가 배출관(130)의 입구로 진입하는 촉진하기 위해 배출관(130)의 입구에는 입자포집판(300)이 설치된다. 입자포집판(300)은 삿 갓(conical hat) 형상 또는 뒤집어진 깔때기 형상이며, 배출관(130)의 챔버(200) 내부공간(201)측 개방단에 결합된다.

챔버(200)의 내부공간에는 비드(bead)(400)가 추가로 구비된다. 비드(400)는 세라믹과 같은 경도 높은 재질로 구성되며, 챔버(200)의 내부공간(201) 바닥 부근에 머물러 분사노즐(120)로부터의 압축 공기에 의해 유동하면서 시료와 마찰되므로, 시료의 분쇄를 촉진시키게 된다.

앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 일 실시예는, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 건식 분쇄기의 일실시예를 도시한 사시도,

도 2는 도 1의 A-A선에서 바라본 종단면도,

도 3은 도 1의 B-B선에서 바라본 평단면도,

도 3은 본 발명에 따른 건식 분쇄기의 다른 실시예를 도시한 사시도,

도 4는 도 3의 C-C선에서 바라본 종단면도이다.

Claims (7)

1. 바닥이 반구형으로 형성되고 분쇄할 시료를 수용하는 내부공간이 형성된 원기둥 형상의 챔버와,

   상기 챔버에 분쇄할 시료를 투입할 수 있도록 상기 챔버의 상부에 설치된 투입관과,

   상기 챔버의 하부에 설치되어 상기 챔버의 내부공간 바닥을 향해 공기를 분사하는 분사노즐과,

   상기 챔버의 상부에 설치되어 상기 챔버의 내부공간과 외부를 연통시키는 배출관을 포함하는 건식 분쇄기.
2. 제1항에 있어서, 상기 배출관은,

   상기 챔버의 내부공간측 개방단의 높이가 상기 투입관의 상기 챔버의 내부공간측 개방단의 높이보다 낮은 것을 특징으로 하는 건식 분쇄기.
3. 제1항에 있어서, 상기 분사노즐은,

   복수 개가 상기 챔버의 둘레를 따라 원주상 같은 간격으로 배치되고, 상기 챔버 내부공간 바닥의 중심과 이격된 지점을 향하여 공기를 분사하도록 배치된 것을 특징으로 하는 건식 분쇄기.
4. 제1항에 있어서, 상기 챔버는,

   내부공간의 높이가 직경의 3배 이상인 것을 특징으로 하는 건식 분쇄기.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 챔버의 내벽면으로부터 돌출형성된 내측플랜지 형상이고 상측면이 경사면이고 하측면이 곡면으로 된 입자억제판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 건식 분쇄기.
6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 배출관의 상기 챔버 내부공간측 개방단에 결합되고 삿갓형상으로 된 입자포집판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 건식 분쇄기.
7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 챔버의 내부공간에 수용된 복수의 세라믹 비드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 건식 분쇄기.

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