KR20190039143A

KR20190039143A - 분급 장치

Info

Publication number: KR20190039143A
Application number: KR1020197004587A
Authority: KR
Inventors: 미쓰기 인쿄; 마코토 사토; 마사아키 오기하라
Original assignee: 사타케 가가쿠 기카이 고교 가부시키가이샤; 미쓰기 인쿄
Priority date: 2016-08-09
Filing date: 2017-08-08
Publication date: 2019-04-10
Also published as: CN109789425A; US20190226966A1; WO2018030429A1; DE112017004019T5; JP6713540B2; CN109789425B; KR102409539B1; US10890515B2; JPWO2018030429A1

Abstract

슬러리 중의 미세한 입자를 분급하는 장치에 있어서, 조립의 혼입이 적고 샤프(sharp)한 입도 분포와, 높은 분급 정밀도를 얻는다. 원주 방향으로 적절히 일정한 간격을 두어 방사상으로 배치한 날개(16) 사이에 분급실(17)을 구비한 로터(15)를 갖고, 분급실의 외주에서 내주까지의 반경 방향 전역에서 분급 입자직경이 일정해지도록 분급하는 장치에 있어서, 로터의 날개(16)는 원주 방향의 두께 t(d)가 외주로 향할수록 크고, 분급실(17)을 내주로 항할수록 넓게 형성한다.

Description

분급 방법 및 장치

본 발명은 기체 중 또는 슬러리 중의 미세한 입자를 분급하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

분급 장치에는 도 1에 나타내는 바와 같이 날개(1)를 둘레 방향으로 등간격으로 회전 중심으로부터 방사상으로 마련하거나, 혹은 회전 중심으로부터 편심시켜 마련한 로터(2)를 갖고, 당해 로터(2)를 고속 회전시킴으로써, 공기 중의 미립자를 분급하는 건식 타입의 것과, 슬러리 중의 미립자를 분급하는 습식 타입의 것이 있다.

도 2는 내부에 상기 로터(2)를 구비한 건식 타입의 분급 장치(3)를 갖는 분급 시스템 전체의 개략 구성을 나타내는 것으로, 분급 장치(3)에는 원료 공급 장치(5)로부터 원료가 공기와 함께 공급되어, 고속 회전하는 로터(2)에 의해 원료가 조립(粗粒)과 미립(微粒)으로 분급되고, 조립은 분급 장치(3)로부터 배출되어 용기(6)에 회수되는 한편, 미립은 로터(2)에 연결되는 구동축(7) 주위의 유출실(8)을 통과하여 백(bag) 필터(11)로 유출되고, 이 백 필터(11)에서 미립이 공기와 분리되어, 용기(12)에 회수되도록 하고 있다. 이런 종류의 건식 타입의 분급 장치의 일례가 하기 특허문헌 2에 개시되어 있다.

도 3은 습식 타입의 분급 장치(14)를 구비한 분급 시스템 전체의 개략 구성을 나타내는 것으로, 분급 장치(14)에는 슬러리 탱크(15)로부터 원료 슬러리가 슬러리 펌프(16)에 의해 공급되어, 고속 회전하는 로터(17)에 의해 원료 슬러리가 조립을 포함하는 슬러리와, 미립을 포함하는 슬러리로 분급되고, 조립 슬러리는 분급 장치(14)로부터 기기 밖으로 배출되는 한편, 미립 슬러리는 로터(17)에 연결된 중공의 구동축(18)을 통해 탱크(19)에 회수되도록 하고 있다. 이런 종류의 습식 타입의 분급 장치의 일례가 하기 특허문헌 1에 개시되어 있다.

도 1에 나타내는 상기 로터(2)에서의 분급은, 기체 또는 슬러리(이하, 유체 라고 함)가 로터(2) 내에 유입하여 내주측을 향해 이동하는 동안, 유체 중의 입자가 로터(2)의 고속 회전에 의한 원심력과 이 원심력의 작용 방향과 반대 방향인 내주 방향을 향해 흐르는 유체에 의한 항력을 받아, 양자가 균형잡힌 입자 직경보다 직경이 큰 조립과 직경이 작은 미립으로 분급되도록 되어 있다. 이것을, 도 1에 나타내는 고속 회전하는 로터(2)의 날개(1) 사이의 임의의 분급실(9)로 유입되는 입자(10)에 대하여 설명한다.

분급실(9)의 직경 d 위치에서, 입자(10)는 직경 방향 바깥쪽에 작용하는 원심력 F와, 내주측을 향하는 유체의 흐름에 의한, 상기 원심력 F와 반대 방향에 작용하는 항력 R의 상반되는 작용을 받아, 원심력 F는 입자(10)가 구(球)라고 가정했을 때의 직경을 D, 로터(2)의 회전 수를 n, 유체의 비중을 ρ₁, 입자(10)의 비중을 ρ₂, 중력 가속도를 g라고 하면, 하기 수학식 1로 표시된다.

[수 1]

한편, 항력 R은 유체의 점도를 η, 안쪽 방향으로 향하는 유체의 선속도를 s라고 하면, 스토크스의 정리(Stokes' theorem)로부터 하기 수학식 2로 표시된다.

[수 2]

여기에서 선속도 s는, 도 1에 나타내는 분급실(9)의 직경 d 위치에서의 원주 위의 원호 면적(이하, 단순히 원호 면적이라고 함)을 A, 내주 방향의 분급실(9)의 수를 N, 내주 방향으로 향하는 유체의 유량을 Q라고 하면, 하기 수학식 3으로 표시된다.

[수 3]

수학식 3에 나타내는 상기 원호 면적 A는 직경 d 위치에서의 원주 위의 원호의 길이에 로터의 회전축 방향 길이(높이)를 곱한 것으로, 분급실은 다수 있어 N≫1이기 때문에, 원호 및 당해 원호의 현의 길이는 작고, 현에서의 단면적인 현의 길이와 로터의 회전축 방향 길이(높이)를 곱한 값에 근사된다. 따라서 본 명세서에 있어서 양자는 실질적으로 동일한 것으로서 취급한다. 마찬가지로 직경 d 위치에서의 날개의 원주 방향의 두께(이하, 단순히 날개의 두께라고 함)와 현, 및 직경 d 위치에서의 날개 사이의 원주 방향의 원호 길이인 틈새(이하, 단순히 날개 사이의 틈새라고 함)와 현에 대해서도, 원호와 현의 길이는 근사되기 때문에, 본 명세서에서는 양자는 실질적으로 동일한 것으로서 취급한다.

분급실(9)의 직경 d 위치에 있어서, 원심력 F=항력 R이 되는 입자(10)의 분급 입자직경 D₁은 상기 수학식 1 내지 수학식 3으로부터 하기 수학식 4로 구해진다.

[수 4]

분급실(9)의 직경 d 위치에서는, 상기 원심력 F와 항력 R이 균형잡힌 입자직경의 분급 입자직경 D₁을 기준으로 분급이 행해지고, R>F가되는 입자는 분급 입자직경 D₁보다 작은 입자직경의 입자로 내주측으로 이동하는 한편, R<F가 되는 입자직경의 입자는 분급 입자직경 D₁보다 직경이 크기 때문에 반지름 방향 바깥쪽으로 이동한다.

특허문헌 1: 일본 공개특허공보 특개2002-143707호 특허문헌 2: 일본 공개특허공보 특개2011-72993호

특허문헌 1에 개시되는 종래 기기에서는, 수학식 4로 나타내는 바와 같이 분급 입자직경 D₁은 수학식 3으로 표시되는 선속도 s=Q/(A·N), G=(d·n²)/(2×894)로 표시되는 원심 효과 G, 및 직경 d의 함수가 되고, 선속도 s가 커질수록, 또한 원심 효과 G 및 직경 d가 작아질수록 커진다. 덧붙여서, 종래 기기에서는, 로터의 날개는 높이 및 두께가 반지름 방향으로 일정하기 때문에, 원호 면적은 내주로 향할수록 작아지고, 수학식 3으로부터 선속도 s는 커진다. 또한, 원심 효과 G는 직경 d가 작아질수록 작아진다.

특허문헌 2에 개시되는 분급기는, 분급실의 직경 방향에서 날개 두께 및 원호의 크기를 일정하게 한 조건 하에서, 선속도의 일정화를 위해 날개 높이를 내주로 향할수록 증대시키고 있는데, 날개 높이의 증대는 직경 d의 감소에 의한 원심 효과 G의 저하를 보충할 정도는 아니다. 수학식 4 중의 Q/(A·N)으로 표시되는 선속도 s를 일정화시켰다고 해도, 직경 d에 의한 분급 입자직경 D₁의 증가는 불가피하다. 결국, 특허문헌 2에 개시되는 분급기는 종래 기기보다 분급 입자직경의 증가 비율을 약간 저하시킬 수 있을 정도로, 분급 입자직경의 증대는 해소되지 않는 것이다.

이상에서 기술한 바와 같이, 상기 어느 분급기에서도 분급 입자직경 D₁은 내주로 향할수록 커지지만, 고속 회전하는 로터의 외측의 유체는 난류 상태이기 때문에, 분급 입자직경 D₁보다 큰 조립이 날아들어온 경우, 분급 입자직경 D₁과의 입자직경의 차가 작으면, 내주측에 섞여들어와서 내주에 도달하여, 그대로 회수되기 쉬워진다.

분급 입자직경 D₁은 전술한 바와 같이 수학식 4로 구해지지만, 다음과 같이 나타낼 수도 있다.

도 1의 지면과 직교하는 방향, 즉 로터(2)의 회전축 방향에서의 날개(1)의 높이를 T, 날개 사이의 틈새를 E, 날개(1)의 두께를 t라고 하면, 직경 d 위치에서의 상기 원호 면적 A는,

[수 5]

로 표시되고, 이 수학식 5와 상기 수학식 4로부터, 상기 분급 입자직경 D₁은,

[수 6]

이 된다.

여기에서 유량 Q, 분급실 수 N, 날개(1)의 높이 T, 날개(1)의 두께 t, 로터(2)의 회전 수 n을 설정값으로 하고, 유체의 점도 η 및 비중 ρ₁, 입자(10)의 비중 ρ₂를 일정하게 하면, 분급 입자직경 D₁은 직경 d의 함수가 되고, 수학식 6에서 알 수 있는 바와 같이 분급실(9)의 직경 d가 커질수록, 분급 입자직경 D₁은 작아지고, 반대로 직경 d가 작아질수록, 분급 입자직경 D₁은 커진다.

다음으로 이하의 표 1에 나타내는 설정값으로 상기 분급 입자직경 D₁이 로터(2)의 반지름 방향에서 구체적으로 어느 정도 변화하는지를 시뮬레이션 계산하였다. 결과를 이하의 표 2에 원심 효과 G, 상기 원호 면적 A, 날개 사이의 틈새 E, 로터 내주측을 향하는 유체의 이동 속도인 선속도 s와 함께 나타내었다.

[표 1]

[표 2]

특허문헌 2에는, 반경 감소와 함께 날개 높이를 증대시켜 상기 원호 면적 A를 일정하게 하고, 선속도 s가 일정하게 되는 로터를 사용하여 분급하는 방법이 개시되어 있다.

이 방법에 의한 경우의 분급 입자직경 D₁에 대하여, 로터의 회전 수 n, 점도 η, 유량 Q, 유체의 비중 ρ₁, 입자의 비중 ρ₂, 날개의 두께 t 및 분급실 수 N을 표 1에 기재되는 설정값과 같게 하고, 또한 선속도 s를 표 2의 직경 위치 0.40m로, 또한 분급실 외주에서의 0.00084m/sec와 같게 설정하고, 상기 수학식 5 및 수학식 6을 사용하여, 날개 높이 T 및 분급 입자직경 D₁을 시뮬레이션 계산하여 구하였다. 또한, 날개 사이의 틈새 E는 상기 수학식 5로부터 (πd-tN)/N이 된다. 결과를 이하의 표 3에 나타낸다.

[표 3]

표 3에 있어서, 직경 위치 d에서 구해지는 날개 사이의 틈새 E에서의 날개 높이 T는, 수학식 5에 있어서, 표 3에 나타내는 일정한 원호 면적 A와, 표 3에 나타내는 날개 사이의 틈새 E를 대입함으로써 구하고, 선속도 s는 상기 수학식 3으로, 또한 분급 입자직경 D₁은 표 1의 해당 항목을 상기 수학식 6에 대입하여 시뮬레이션 계산함으로써 구하였다.

특허문헌 1에 개시된 종래 기기는 표 2에 보이는 바와 같이, 분급 입자직경 D₁ 및 선속도 s가 함께 내주로 향할수록 커지고 있다. 특허문헌 2에 개시된 분급기는, 선속도 s가 일정하게 설정되어 있어도, (d·n²)/(2×894)로 표시되는 원심 효과 G가 내주로 향할수록 저하되기 때문에, 분급 입자직경 D₁은 표 3에 보이는 바와 같이, 증가 비율은 감소하고 있지만, 증가하고 있는 것에 변함이 없다.

본 발명은, 전술한 종래 기기에 비해, 조립의 혼입이 적고 샤프한(sharp) 입도 분포와, 높은 분급 정밀도를 얻을 수 있는 분급 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 원주 방향으로 등간격으로 방사상으로 혹은 편심하여 배치되는 다수의 날개와, 날개 사이의 분급실을 구비한 로터를 갖고, 분급실에 유입된 유체가 외주측으로부터 내주측에 유입되는 동안에 분급 입자직경보다 큰 입자를 외주측에, 분급 입자직경보다 작은 입자를 내주측에 이동시켜, 유체 속의 미립자를 분급하는 방법 및 장치에 있어서, 상기 분급실의 외주에서 내주까지의 반경 방향 전역에서 분급 입자직경이 일정하게 되도록 분급하는 것을 특징으로 한다.

분급 입자직경을 반경 방향으로 일정화하는 방법으로서, 본 발명은 내주를 향해 저하되는 원심 효과에 대하여, 그것을 보완하기 위해 내주를 향해 선속도 s를 저하시킬 필요가 있고, 그 실현을 위해 내주를 향해 원호 면적 A를 증대시키려고 하는 것으로, 이하의 세가지 방식이 있다.

제 1은 날개 두께를 직경 방향으로 일정하게 하고, 날개 높이를 특허문헌 2에 개시되는 것보다도 내주로 향할수록 증대시키는 방식이며, 제 2는 특허문헌 1에 개시되는 종래 기기와 마찬가지로, 날개 높이를 일정하게 하고, 날개 두께를 내주로 향할수록 감소시켜 가는 방식이다. 제 3은 제 1 및 제 2 방식의 조합, 즉 내주로 향할수록 날개 높이를 증대시키는 동시에, 날개 두께를 감소시키는 방식이다.

본 발명에 따르면, 분급실의 외주에서 내주까지의 반경 방향 전역에 있어서, 분급 입자직경을 동일하게 설정함으로써, 분급 입자직경 이하의 미립을 외주에서 내주까지의 전역에서 분급시키면서 내주측으로 이동시켜, 분급 입자직경보다 큰 조립이 날아들어 침입하였다고 해도, 분급 작용이 분급실 전역에서 행해짐으로써 외주측으로 튕겨 나가기 쉬워지고, 그 결과, 조립 혼입이 일어나기 어렵고, 따라서 조립의 회수 제품으로의 혼입이 거의 생기지 않고, 그 때문에 샤프한 입도 분포와 분급 성능이 높은 제품을 얻을 수 있다.

도 1은 분급 장치를 구성하는 로터의 횡단면도.
도 2는 건식 타입의 분급 장치를 구비한 시스템 전체의 구성을 나타내는 모식도.
도 3은 습식 타입의 분급 장치를 구비한 시스템 전체의 구성을 나타내는 모식도.
도 4는 본 발명에 따른 실시형태의 로터의 종단면도.
도 5는 도 4에 나타내는 로터의 A-A에서의 단면도.
도 6은 다른 실시형태의 로터의 종단면도.
도 7은 도 6에 나타내는 로터의 B-B선에서의 단면도.
도 8은 도 7에 나타내는 로터의 변형 형태의 횡단면도.
도 9는 실시예 1의 분급 장치에서 사용되는 로터와, 그 사이즈를 나타내는 도면.
도 10은 비교예 1의 분급 장치에서 사용되는 로터와, 그 사이즈를 나타내는 도면.
도 11은 원료의 입도 분포와 도 9 및 도 10에 나타내는 분급 장치를 사용한 분급 후의 입자의 입도 분포를 나타내는 도면.
도 12는 실시예 2의 분급 장치에서 사용되는 로터와, 그 사이즈를 나타내는 도면.
도 13은 비교예 2의 분급 장치에서 사용되는 로터와, 그 사이즈를 나타내는 도면.
도 14는 원료의 입도 분포와 도 12 및 도 13에 나타내는 분급 장치를 사용한 분급 후의 입자의 입도 분포를 나타내는 도면.

본 실시형태의 분급 방법은 날개를 둘레 방향으로 등간격으로 회전 중심으로부터 방사상으로 마련하거나, 혹은 날개를 회전 중심으로부터 편심시켜 둘레 방향으로 등간격으로 마련하고, 날개 사이를 분급실로 한 로터를 사용하고, 당해 로터를 고속 회전시켜서 로터에 유입하는 유체 속의 미립자를 분급하는 방법에 있어서, 전술하는 제 1 내지 제 3 중 어느 하나의 방식을 이용하여, 상기 분급실의 외주에서 내주까지의 반경 방향의 전역에서 분급 입자직경이 일정하게 되도록 하여 분급하는 것으로 이루어진 것으로, 이하에는 각 방식에서 사용하는 분급 장치의 구조에 대하여 설명한다.

도 4 및 도 5는 제 1 방식에서 사용하는 분급 장치의 로터를 나타내는 것이고, 도 4는 로터(23)의 종단면, 도 5는 도 4의 A-A선 단면을 나타내는 것이고, 도 5에 나타내는 로터(23)는 도 1에 나타내는 로터(2)와는 횡단면이 동일하게 되어 있지만, 종단면을 달리 하고 있다.

이 로터(23)에서의 분급 입자직경 D₁은 상기한 것과 동일하게 하여 구해진다. 즉, 도 5에 나타내는 로터(23)의 직경 d 위치에 있어서, 전술한 원심력 F와 항력 R이 균형잡힌 분급 입자직경 D₁은, 도 5에 나타내는 날개(21)의 지면과 직교하는 방향에서의 높이를 직경 d의 함수로서 T(d)로 나타내면, 전술한 수학식 6으로부터,

[수 7]

가 되고, 직경 d 위치에 있어서 전술한 바와 같이, 분급 입자직경 D₁보다 입자직경이 큰 입자는 반지름 방향 바깥쪽으로 튕겨나가는 한편, 분급 입자직경 D₁보다 입자직경이 작은 입자는 반지름 방향의 안쪽으로 이동한다. 또한 수학식 7에서의 Q, N, t, A, n, η, ρ₁ 및 ρ₂는 수학식 6에서 전술한 대로이고, Q는 유체의 유량, N은 분급실의 실(室; chamber) 수, n은 로터(23)의 회전 수, η는 유체의 점도, ρ₁은 유체의 비중, t는 날개(21)의 두께, ρ₂는 유체에 포함되는 입자의 비중이다.

직경 d의 함수로서 표시되는 분급실(22)의 원호 면적 A(d)는, 직경 d 위치에서의 날개 사이의 틈새를 E(d), 날개(21)의 높이를 T(d)라고 하면,

[수 8]

이므로, 상기 수학식 7 및 수학식 8로부터 하기 수학식 9로 구해진다.

[수 9]

분급 입자직경 D₁을 일정하게 하기 위한 직경 d 위치에서의 원호 면적 A(d)는, 유량 Q, 분급실(22)의 실(室) 수 N, 로터의 회전 수 n, 유체의 점도 η, 유체 및 입자의 비중 ρ₁ 및 ρ₂를 설정값으로 하여, 일정하게 하면, 상기 수학식 9에서의 원호 면적 A(d)는 A(d)=C/d가 되고, 직경 d의 함수이고, 직경 d에 반비례하는 것이 된다.

여기서 상기 C는 하기 수학식 9로 표시되는 상수이다.

[수 10]

수학식 8 및 수학식 9로부터 직경 d의 함수인 분급 날개(21)의 높이 T(d)는 하기 수학식 11로 구해진다.

[수 11]

분급실(22)의 외주에서 내주에 걸칠 때까지의 전역에서 분급 입자직경 D₁을 일정하게 하기 위한 날개 높이 T(d)는 수학식 11로 구해지고, 수학식 11로부터 날개(21)의 높이 T(d)는 직경 d의 함수로 표시되고, 외주를 향해 직경 d가 커질수록 작아지고, 반대로 직경 d가 작아질수록 커진다. 따라서, 로터(23)는 도 4에 나타나는 바와 같이 내주측이 부풀어오른 단면 형상을 이루게 된다. 또한 날개 사이의 틈새 E(d)는 수학식 8로부터 E(d)가 (πd-tN)/N으로 표시되고, 직경 d에 비례하여 외주로 향할수록 커진다(도 5).

이상과 같이 날개 높이 T를 내주측을 향해 높게 한 본 실시형태의 로터(23)를 사용하여, 이하의 표 4에 나타내는 유량 Q, 날개의 두께 t, 분급실 수 N, 로터 회전 수 n, 점도 η, 유체의 비중 ρ₁, 입자의 비중 ρ₂를 표 1과 동일하게 설정하고, 또한 분급 입자직경 D₁을 이하의 표 4에 나타내는 설정값으로 하고, 상기 수학식 3, 수학식 8, 수학식 9 및 수학식 11을 사용하여 직경 d 위치에서의 선속도 s, 원호 면적 A(d), 날개 사이의 틈새 E(d) 및 날개 높이 T(d)를 시뮬레이션 계산하여 구하였다. 계산 결과를 이하의 표 5에 나타낸다. 또한, 표 4에 있어서 분급 입자직경 D₁을 0.92㎛로 설정한 것은, 표 1에 나타내는 해당 항목을 수학식 6에 대입하여 시뮬레이션 계산하여 구한 표 2에 나타내는 분급 입자직경 D₁ 중, 최소값인 직경 위치 0.40m에서의 로터 외주의 분급 입자직경 D₁에 맞춘 것이다.

[표 4]

[표 5]

상기 실시형태의 수학식 11은 분급 입자직경 D₁을 분급실 내의 반지름 방향으로 일정하게 하기 위한 날개(21)의 높이 T(d)를 구한 것이다.

도 6 및 도 7은 상기 제 2 방식에서 사용하는 분급 장치의 로터를 나타내는 것으로, 도 6은 로터(25)의 종단면, 도 7은 도 6의 B-B선 단면을 나타낸다. 로터(25)는 도 6에 나타내는 바와 같이, 날개(26)의 높이 T를 반지름 방향으로 일정하게 하고, 또한 날개의 원주 방향의 두께 t(d)를 도 7에 나타내는 바와 같이 내주에서 외주로 향할수록 크게 하고, 분급실(27)을 내주로 향할수록 폭넓게 형성하여 반지름 방향으로 변화시키고 있다. 날개(26)의 내주에서의 두께 t(d)는 0이 아니어도 좋지만, 바람직하게는 0으로 한다. 날개(26)의 내주에서의 두께를 0으로 함으로써, 날개(26)의 내주의 직경을 짧게 할 수 있고, 날개의 직경 방향의 길이를 길게 함으로써 분급실에서의 분급이 충분히 이루어지게 되기 때문이다.

제 2 방식을 실시하기 위한 실시형태에 있어서, 직경 d 위치에서의 원호 면적 A(d)는, 날개 사이의 원주 틈새를 E(d)라고 하면,

[수 12]

로 표시되고, 분급 입자직경 D₁을 일정하게 하기위한 직경 d와 원호 면적 A(d)와의 관계식인 상기 수학식 9와 상기 수학식 12로부터 직경 d 위치에서의 날개 사이의 틈새 E(d)는 하기 수학식 13으로 구해진다.

[수 13]

날개 높이 T를 이하의 표 6에 나타내는 바와 같이 일정한 0.0381m로 하고, 날개(26)의 원주 방향의 두께 t(d)를 이하의 수학식 15로 구한 것 이외에는 표 4와 동일한 설정값으로 하여 상기 수학식 12 및 수학식 13 으로부터 시뮬레이션 계산하여 구한 직경 d 위치에서의 원호 면적 A(d)와 날개 사이의 틈새 E(d)를, 날개의 원주 방향의 두께 t(d), 원심 효과 G 및 선속도 s와 함께 이하의 표 6에 나타낸다.

날개 높이 T를 0.0381m로 설정한 것은 표 4에서의 유량 Q와 동일하게 하여 분급 입자직경 D₁=0.92㎛를 만족시키기 위함이고, 직경 d=0.20m에서의 날개의 두께 t(d)=0으로 하고, 분급실 수 N=12로 하면, E(d)=πd/N으로부터 E(d)=0.052m가 되고, 이 E(d)값과 표 4 중의 해당 항목을 수학식 13에 대입하면, 직경 d=0.20m에서의 날개 높이 T가 0.0381m로서 구해진다. 직경 d 위치에서의 날개 두께 t(d)는 하기 수학식 14로 구해진다.

[수 14]

수학식 14의 E(d)에 수학식 13을 대입하면, 날개(26)의 두께 t(d)는 하기 수학식 15가 되고, 이 수학식 15에 표 4의 해당 항목을 대입하여 시뮬레이션 계산함으로써 분급실 외주에서 내주까지 분급 입자직경 D₁이 일정한 0.92㎛가 되는 날개 두께 t(d)가 구해진다.

[수 15]

[표 6]

도 7에 나타내는 로터(25)는 분급실(27)이 외주측을 향해 끝이 가늘어지고, 또한 방사상으로 형성되어 있지만, 도 8에 나타내는 로터(31)와 같이, 외주측을 향해 단면적이 확대되는 날개(33) 및 끝이 가늘어지는 형태를 이루는 분급실(32)이 편심되게 형성되어도 좋다.

전술하는 제 3 방식을 실시하기 위한 로터의 또 다른 실시형태에 있어서는, 로터가 도 4 및 도 5에 나타내는 로터(23)와, 도 6, 도 7 또는 도 8의 로터(25, 31)를 조합하여 구성된다. 즉, 날개의 높이를 도 4에 나타내는 바와 같이 내주를 향해 점차로 높게 하여 로터의 내주측을 부풀리는 동시에, 도 6, 도 7 또는 도 8에 나타내는 바와 같이, 날개의 두께를 외주측으로 향할수록 두껍게 하고, 분급실이 내주측을 향할수록 넓게 형성된다.

본 실시형태에 있어서, 직경 d 위치에서의 원호 면적 A(d)는, 날개 사이의 원주 방향에서의 틈새 E(d), 날개의 높이를 T(d)라고 하면,

[수 16]

로 표시되고, 직경 d의 함수로서 표시되는 날개(26)의 두께 t(d)는 수학식15의 T를 T(d)로 한 하기 수학식 17

[수 17]

로 구해지고, 수학식 17을 수학식 16에 대입하면, 높이 T(d)는,

[수 18]

이 된다.

또한, 수학식 18의 틈새 E(d)는 하기 수학식 19로 구해진다.

[수 19]

수학식 19에 있어서, d₁은 분급실의 내주 직경, d₂는 외주 직경, a는 (πd₁-Nt₁)/πd₁인 내주 날개 사이 틈새 계수, b는 (πd₂-Nt₂)/πd₂인 외주 날개 사이 틈새 계수이다. 또한, t₁은 날개(26)의 내주단에서의 두께, t₂는 이 외주 단에서의 두께이다. 이것으로부터 내주 직경 d₁에서의 원주 틈새와 외주 직경 d₂에서의 원주 틈새의 차는 π(bd₂-ad₁)/N으로 표시된다. 직경 d₂와 직경 d₁ 사이의 임의의 직경 d에 있어서는, 상기 차를 (d₂-d)/(d₂-d₁)로 안분(按分)함으로써 하기 수학식 20으로 구해지고, 상기 수학식 19는 이 수학식 20으로 구해진다.

[수 20]

날개(26)의 두께 t(d)는, t(d)={πd-N·E(d)}/N이기 때문에, E(d)에 수학식 18을 대입하면, t(d)는 하기 수학식 21로 구해진다.

[수 21]

날개 두께를 제외하고 상기 표 4에 나타나는 것과 같은 설정값과, 상기 a를 1, b를 0.8로 각각 설정한 후, 수학식 19로 구한 직경 d 위치에서의 날개 사이의 틈새 E(d)를 사용하여, 수학식 18로 날개 높이 T(d), 수학식 21로 날개의 두께 t(d)에 대해 시뮬레이션 계산한 계산값을 원호 면적 A(d) 및 원심 효과 G와 함께 이하의 표 7에 나타낸다.

[표 7]

이상의 제 1 내지 제 3 방식을 실시하기 위한 각 실시형태에 나타나는 바와 같이, 분급 입자직경을 분급실의 반지름 방향으로 일정하게 하기 위한 날개 형상을 갖춘 로터가 요구된다.

상기 각 실시형태에서 도시하는 로터(23, 25, 31)는 세로 방향의 분급 장치에 사용되고 있는데, 가로 방향의 분급 장치에서도 동일하게 사용할 수 있다.

실시예 1

도 2에 나타내는 건식 타입의 분급 장치(3)에서의 로터로서, 외주 직경 200mm에서의 두께가 5mm, 내주 직경 165mm에서의 두께가 0이고, 두께가 수학식 15를 만족하는 날개(41)를 둘레 방향으로 일정 간격으로 40매, 로터 중심으로부터 방사상으로 배치한 도 9 에 나타내는 사이즈의 로터(42)를 제작하고, 원료로서 입자 직경이 평균 입자직경 D50으로 2.50㎛, 최대 입자직경 D100으로 13.20㎛인, 표 8 및 도 11에 나타내는 입도 분포를 갖고, 또한 하기 표 9에 나타내는 물성의 중질 탄산칼슘으로 이루어진 원료 73.5kg/h를 에어 550Nm³/h(0.153Nm³/s)와 함께 분급 장치(3)에 공급하고, 표 10에 나타내는 설정값 및 표 11에 나타내는 계산값에 기초하는 설정 조건으로 분급을 행하였다. 그리고, 용기(12)에 회수된 미립을 샘플링하고, 입자직경과 그 비율을 측정한 결과를 이하의 표 8 및 도 11에 나타낸다. 측정한 미립은 평균 입자직경 D50으로 1.24㎛, D100으로 5.86㎛이었다. 상기 측정은 가부시키가이샤 호리바 세사쿠쇼 제조의 레이저 회절/산란형 입자직경 분포 측정 장치(상품명 LA-700)를 이용하여 행하였다.

[표 8]

[표 9]

[표 10]

[표 11]

표 11에 나타내는 분급 입자직경 D₁의 2.31㎛는 분급실 외주에서의 날개(41)의 두께 t(d)를 5mm로 설정하여 구한 분급실 외주에서의 분급 입자직경으로, 표 10에 기재된 해당 항목을 수학식 6에 대입하여 시뮬레이션 계산하여 구하였다. 표 11에 나타내는 각 직경 위치에서의 날개 두께 t(d)는 분급실의 반경 방향으로 일정하게 설정한 분급 입자직경 D₁과 표 10의 해당 항목을 수학식 15에 대입함으로써 구하고, t=0에서의 내주 직경 d는 수학식 15로 구하였다. 또한, 원심 효과 G는, 표 10에 기재된 로터 회전 수 n을 G=(d·n²)/(2×894)에 대입함으로써, 원호 면적 A는 t를 t(d)로 한 수학식 5에 있어서, 상기에 의해 구한 날개 두께 t(d)와 표 10의 해당 항목을 수학식 5에 대입함으로써, 선속도 s는 수학식 3에, 상기에 의해 구한 원호 면적 A와 표 10의 해당 항목을 대입함으로써, 또한 날개 사이의 틈새 E(d)는 상기 두께 t(d)와 수학식 14에 의해 각각 구하였다. 표 8에 나타내는 바와 같이,이 때의 실시예 1에서의 최대 입자직경 100은 5.867㎛이었다.

비교예 1

분급 장치의 로터로서, 도 10에 나타내는 바와 같이 날개(43)의 두께를 일정한 5mm로 한 것 이외에는 도 9에 나타내는 로터(42)와 동일한 구조 및 사이즈의 로터(44)를 갖고, 로터 이외에는 실시예 1의 분급 장치와 동일한 구조를 이루는 분급 장치를 사용하고, 또한 실시예 1과 동일한 원료를 사용하여, 같은 조건 하에서 분급을 행하였다. 하기 표 12 및 표 13은 시뮬레이션 계산에 사용한 항목과 계산 결과를 나타내고 있다. 표 13 중의 분급 입자직경 D₁은 표 12의 해당 항목을 수학식 6에 대입함으로써 구하고, 원호 면적 A(d)는 표 12의 해당 항목을 수학식 5에 대입함으로써 구하고, 원심 효과 G는 G=(d·n²)/(2×894)에 표 12에 기재된 로터 회전 수 n을 대입함으로써, 선속도 s는 수학식 3에 구한 원호 면적 A(d)와 표 12의 해당 항목을 대입함으로써 구하고, 또한 날개 사이의 틈새 E(d)는 E(d)=A(d)/T에 상기 원호 면적 A(d)와 표 12의 날개 높이 T를 대입함으로써 각각 구한 것이다.

결과를 표 8에 나타내는 동시에 도 11에 실시예 1과 함께 나타낸다. 이 비교예 1에서, 실시예 1과 같은 측정 장치를 사용하여, 실시예 1과 같은 방법으로 입도 측정을 행한 바, 도 2에 나타내는 용기(12)에 회수된 미립의 입자직경은, 평균 입자직경 D50이 1.79㎛, 최대 입자직경 D100이 8.81㎛이었다.

[표 12]

[표 13]

분급실에서 분급 입자직경이 일정하게 되고, 또한 날개의 두께가 수학식 15를 만족시키도록 하여 제작한 도 9에 나타내는 로터를 구비한 건식 타입의 분급 장치와, 날개의 두께를 일정하게 한 로터를 구비한 분급 장치를 사용하여 이상 기술한 바와 같은 비교 실험을 행한 바, 도 11에 나타나는 바와 같이, 실시예 1의 입도 분포는 비교예 1의 입도 분포보다 도면의 좌측으로 시프트하여, 미립화가 진행되는 동시에, 샤프(sharp)화가 진행되어, 조립의 날아듦이 저하되게 되었다.

실시예 2

도 3에 나타내는 습식 타입의 분급 장치(14)의 로터(17)로서, 외주 직경 86mm에서의 두께가 3mm, 내주 직경 70.2mm에서의 두께가 0이고, 두께가 수학식 15를 만족하는 날개(46)를 둘레 방향으로 일정 간격으로 30매, 로터 중심으로부터 방사상으로 배치한 도 12에 나타내는 사이즈의 로터(47)를 제작하고, 원료로서 입자직경이 평균 입자직경 D50으로 5㎛, D98로 14㎛이며, 또한 이하의 표 14 및 도 14에 나타내는 입도 분포를 갖는 가부시키가이샤 덴카 제조의 구상 용융 실리카(상품명 FB-5SDC)로 이루어진 원료를 0.2wt% 헥사메타인산 수용액에 혼합시킨 원료 슬러리를 사용하고, 표 15에 나타내는 설정값 및 당해 설정값으로부터 시뮬레이션 계산하여 구한 표 16에 나타내는 계산값으로 이루어진 설정 조건에 기초한 실험을 3회 행하였다. 결과를 이하의 표 14 및 도 14에 나타낸다. 또한, 각 실험마다 탱크(19)에 회수된 미립 슬러리를 샘플링하여, 각각의 입자직경을 측정한 바, 평균 입자직경 D50으로 2.7, 2.9, 2.9㎛이고, D98로 5.7, 6.6, 6.8㎛였다. 이 측정은 가부시키가이샤 시마즈 세사쿠쇼 제조의 레이저 회절식 입도 분포 측정 장치(상품명 SALD-3100)를 사용하여 행하였다.

[표 14]

[표 15]

[표 16]

표 16에 나타내는 분급 입자직경 D₁은 분급실 외주에서의 날개(46)의 두께 t(d)를 3mm로 설정하여 구한 분급실 외주에서의 분급 입자직경으로, 표 15에 기재된 해당 항목을 수학식 6에 대입하여 시뮬레이션 계산하여 구하였다. 반경 방향의 분급 입자직경을 일정한 1.52㎛로 설정하고, 이 분급 입자직경과 표 15의 해당 항목을 수학식 15에 대입하여 각 직경 위치에서의 날개 두께 t(d)를 구하고, 또한 수학식 15로 t=0인 내주 직경 d를 구하였다. 원심 효과 G는 표 15에 기재된 로터 회전 수 n을 G=(d·n²)/(2×894)에 대입함으로써, 원호 면적 A는 상기 구한 날개 두께 t(d)와 표 15의 해당 항목을 수학식 5에 대입함으로써, 선속도 s는 수학식 3에 상기에 의해 구한 원호 면적 A와 표 15의 해당 항목을 대입함으로써, 또한 날개 사이의 틈새 E(d)는 상기 두께 t(d)와 수학식 14로 각각 구한 것이다. 표 14에 나타나는 바와 같이, 이 때의 실시예 2에서의 D98은 5.7, 6.6, 6.8㎛였다.

[표 17]

[표 18]

[비교예 2]

분급 장치의 로터로서, 도 13에 나타내는 바와 같이, 날개(48)의 두께를 일정한 3mm로 한 것 이외에는 도 12에 나타내는 로터(47)와 같은 구조 및 사이즈의 로터(45)를 갖고, 로터 이외에는 실시예 2의 분급 장치와 같은 구조를 이루는 분급 장치를 사용하고, 또한 실시예 2와 같은 재료를 사용하여, 같은 조건 하에서 분급을 행하였다.

표 17과 표 18은 시뮬레이션 계산에 사용한 항목과 계산 결과를 나타내고 있다. 표 18 중의 분급 입자직경 D₁은 표 17의 해당 항목을 수학식 6에 대입함으로써, 원호 면적 A(d)는 표 17의 해당 항목을 수학식 5에 대입함으로써 구하고, 원심 효과 G는, G=(d·n²)/(2×894)에 표 17에 기재된 로터 회전 수 n을 대입함으로써, 선속도 s는 수학식 3에 구한 원호 면적 A(d)와 표 17의 해당 항목을 대입함으로써 구하고, 또한 날개 사이의 틈새 E(d)는 E(d)=A(d)/T에 상기 원호 면적 A(d)와 표 17의 날개 높이 T를 대입함으로써 각각 구한 것이다.

결과를 표 14에 나타내는 동시에 도 14에 실시예 2와 함께 나타낸다. 이 비교예 2에서는 실시예 2와 같은 측정 장치를 사용하고, 실시예 2와 같은 방법으로 입도 측정을 2회 행한 바, 도 3에 나타내는 용기(19)에 회수된 미립의 입자직경은, 평균 입자직경 D50으로 3.3, 3.5㎛, 입자직경 D98로 9.1, 9.7㎛였다.

습식 타입의 분급 장치에 있어서도, 도 14에서 볼 수 있는 바와 같이, 실시 예 2의 입도 분포는 비교예 2의 입도 분포보다 도면의 좌측으로 시프트하여, 세립 화 및 샤프화가 대폭으로 상승하고, 조립의 날아듦을 저하시킬 수 있었다.

본 발명의 분급 장치는 습식, 건식에서의 미크론 레벨 및 서브미크론까지의 모든 분체의 분급을 취급하는 각 공업계 전반, 예를 들어 금속 공업·화학 공업·약품 공업·화장품 공업·안료·식품 공업·세라믹 공업·기타에 사용할 수 있다.

1, 21, 26, 33, 41, 43, 46, 48 ‥ 날개
2, 17, 23, 25, 31, 42, 44, 47 ‥ 로터
9, 22, 27, 32 ‥ 분급실

Claims

원주 방향으로 적절한 간격을 두어 방사상으로 혹은 편심되어 배치되는 다수의 날개와, 날개 사이의 분급실을 갖는 로터를 갖고, 분급실에 유입된 유체가 외주측으로부터 내주측에 유입하는 동안에 분급 입자직경보다 큰 입자를 외주측으로, 분급 입자직경보다 작은 입자를 내주측으로 이동시켜, 유체 속의 미립자를 분급하는 방법에 있어서, 상기 분급실의 외주에서 내주까지의 반경 방향 전역에서 분급 입자직경이 일정해지도록 분급하는 것을 특징으로 하는 분급 방법.
제 1 항에 기재된 분급 방법을 실시하는 분급 장치로서, 상기 날개는 로터의 회전축 방향의 높이가 일정하고, 원주 방향에서의 두께가 외주를 향해 두껍게 형성되는 것을 특징으로하는 분급 장치.
제 1 항에 기재된 분급 방법을 실시하는 분급 장치로서, 상기 날개는 원주 방향에서의 두께가 일정하고, 로터의 회전축 방향에서의 높이가 내주를 향해 높게 형성되는 것을 특징으로 하는 분급 장치.
제 1 항에 기재된 분급 방법을 실시하는 분급 장치로서, 상기 날개는 로터의 회전축 방향에서의 높이가 내주를 향해 높게 형성되는 동시에, 원주 방향에서의 두께가 외주를 향해 두껍게 형성되는 것을 특징으로 하는 분급 장치.
제 2 항에 있어서, 상기 분급실의 직경 d 위치에서의 날개의 두께 t(d)가 하기 수학식 15로 구해지는 것을 특징으로 하는 분급 장치.
[수 15]

여기서 Q: 유량, N: 원주 방향의 분급실 수, D₁: 분급 입자직경, n: 로터의 회전 수, η: 유체의 점도, ρ₁: 유체의 비중, ρ₂: 입자의 비중, T는 날개의 높이(일정)이다.
제 5 항에 있어서, 날개 내주에서의 날개의 두께 t(d)는 0인 분급 장치.
제 3 항에 있어서, 분급실의 직경 d 위치에서의 날개의 높이 T(d)가 하기 수학식 11을 만족하는 로터를 갖는 것을 특징으로 하는 분급 장치.
[수 11]

여기서 Q: 유량, N: 원주 방향의 분급실 수, D₁: 분급 입자직경, n: 로터의 회전 수, η: 유체의 점도, ρ₁: 유체의 비중, ρ₂: 입자의 비중, t: 날개의 두께
제 4 항에 있어서, 상기 분급실의 직경 d 위치에서의 날개 높이 T(d) 및 날개의 두께 t(d)가 하기 수학식 18, 수학식 19 및 수학식 21로 구해지는 것을 특징으로 하는 분급 장치.
[수 18]

[수 19]

[수 21]

여기서 a: 내주 날개 사이의 틈새 계수(πd₁-Nt₁)/πd₁
b: 외주 날개 사이의 틈새 계수(πd₂-Nt₂)/πd₂
d₁: 로터 내주 직경, d₂: 로터 외주 직경, t₁: 날개의 내주 두께
t₂: 날개의 외주 두께, Q: 유량, N: 원주 방향의 분급실 수,
D₁: 분급 입자직경, n: 로터의 회전 수, η: 유체의 점도,
ρ₁: 유체의 비중, ρ₂: 입자의 비중