KR20210092694A - 흑연 재료의 흑연 플레이크 라운딩 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 흑연 재료를 라운딩하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 상기 장치는 장치 쪽으로 흑연 재료의 공급을 위한 공급 유닛; 회전 순환하는 방식으로 형성되어, 회전축을 중심으로 일 회전 방향으로 회전하는 디스크의 외주연 상에 배치된 복수의 라운딩 공구; 하나 이상의 안내 장치; 미세 물질 및 초미세 물질을 분리하기 위한 분리 유닛; 및 부산물 배출구;를 포함한다. 또한, 라운딩 공구들 상부에는 커버 링이 배치된다.

Description

흑연 재료의 흑연 플레이크 라운딩 장치 및 그 방법{DEVICE AND METHOD FOR ROUNDING GRAPHITE FLAKES OF A GRAPHITE MATERIAL}
본 발명은 독립 청구항들의 특징들에 따른, 흑연 재료의 흑연 플레이크를 라운딩하기 위한 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
본 발명은 흑연 분말의 제조, 특히 엽편상 흑연(flake graphite)의 라운딩을 위한 방법에 관한 것이다. 흑연은 탄소로 구성되고 천연 상태로 존재하지만, 그러나 인공적으로 제조될 수도 있다. 인조 흑연은 예컨대 갈탄 또는 석탄 내지 오일을 소재로 탄화(coking)에 의해 제조되고, 결정(crystal)이 형성된다. 그러나 이렇게 제조된 결정들은, 제조 공정이 다수의 단계로 수행될 때에만 균일하다. 이는 상응하게 비싸다. 천연 흑연은 무정형 흑연(amorphous graphite), 엽편상 흑연 또는 맥상 흑연(vein graphite)으로서 존재하며, 특히 천연 흑연은, 일반적으로 층 유형으로 상호 적층 배열된 회색 내지 흑색의 육각형 결정들을 형성한다. 무정형 흑연은 인조 흑연과 유사하며, 다시 말해 결정 크기가 작다.
흑연은 높은 내열성 및 매우 우수한 전기 전도성 및 열 전도성을 특징으로 한다. 흑연 분말은 예컨대 배터리의 제조를 위해, 특히 음전극 재료로서 이용된다. 독일 공개 공보 DE 11 2013 005 116 T5호는, 종래 탄소 함유 재료들보다 더 높은 용량을 나타내는 리튬 공기 배터리 캐소드를 위한 탄소 함유 재료를 기술하고 있다.
독일 공개 공보 DE 11 2016 000 490 T5호는 리튬이온 이차 배터리용 음극 재료를 위한 흑연 분말을 제조하기 위한 방법을 기술하고 있으며, 상기 방법은, 흑연 전구체 분말화 방법 및 분말화된 흑연 전구체와 알칼리 화합물의 혼합물이 2800 내지 3500℃에서의 혼합물 가열을 통한 흑연화 처리로 처리되는 방법을 포함한다.
특정 용례를 위해 라운딩된 흑연 플레이크들이 요구되며, 특히 특정 입자 크기와 바람직하게는 균질하게 라운딩된 형태를 가진, 특히 모서리들 및 에지들이 없는, 흑연 입자들을 포함하는 흑연 분말이 요구된다.
본 발명의 과제는, 예컨대 배터리의 제조를 위해 이용하기 위한, 라운딩된 흑연 입자들을 포함하는 흑연 분말을 간단하면서도 비용 효과적인 방식으로 제조할 수 있게 하는 장치 및 방법을 제공하는 것에 있다.
상기 과제는 특히 독립 청구항들에서의 특징들을 포함하는, 흑연 재료, 특히 흑연 플레이크들을 라운딩하기 위한 장치, 및 흑연 재료를 라운딩하기 위한 방법을 통해 해결된다. 또 다른 바람직한 구현예들은 종속 청구항들을 통해 기술된다.
본원 장치는 라운딩할 흑연 재료를 공급하기 위한 공급 유닛(feeding unit); 회전 순환 방식으로 형성된 복수의 라운딩 공구(rounding tool); 라운딩 공구들 및/또는 분리 유닛(separation unit) 쪽으로 흑연 재료를 안내하는 하나 이상의 안내 장치(guide device); 및 후속 가공 단계들을 방해할 수도 있는 미세 물질(fine material) 및 초미세 물질(finest material)을 분리하기 위한 분리 유닛;을 포함한다. 복수의 라운딩 공구는 규정에 따른 배치에서 회전축을 중심으로 회전 방향으로 회전하는 디스크 상에 배치되며, 특히 라운딩 공구들은 규정에 따른 배치에서 회전 디스크의 외주연 상에 고정된다. 또한, 본원 장치는 하나 이상의 부산물 배출구(product outlet)를 포함하며, 이 부산물 배출구를 통해 본원 장치의 내부에서 가공되고, 특히 라운딩된 흑연 재료가 본원 장치에서 배출될 수 있다. 또한, 라운딩 공구들의 상부에는 커버 링이 배치된다.
바람직하게 커버 링은 디스크의 외주연 상에 배치된 모든 라운딩 공구에 걸쳐서 연장된다. 커버 링은 본원 장치 내부에서 공정 공기 및 이와 더불어 상기 공정 공기 내부에서 안내되는 흑연 재료의 내부 유동 가이드를 개선하며, 특히 커버 링은 본원 장치 내부에서 흑연 재료의 바람직한 순환을 가능하게 한다. 커버 링은, 거친 흑연 재료, 특히 흑연 플레이크들 및/또는 이미 라운딩된 흑연 입자들이 라운딩 공구들 상에서 형성된 압력파에 의해 상향으로 던져져서 라운딩 공구들과의 접촉 없이 공정 공기에 의해 라운딩 공구들을 벗어나서 안내되는 점을 방지한다. 커버 링은, 흑연 재료를 안내하고 그리고/또는 이송하는 공정 공기의 가동 챔버를 상향으로 한정하고, 흑연 재료와 각각 하나 이상의 라운딩 공구 간의 접촉 횟수를 증가시킴으로써, 특히 거친 흑연 재료와 라운딩 공구들 간의 수회의 작용 접촉이 강제로 실행되게 한다. 특히 커버 링은, 흑연 재료가 하나 이상의 라운딩 공구와의 작용 접촉 없이 본원 장치를 통해 순환하지 않도록 한다.
공정 공기 유동 내에서 이송되는 흑연 재료는 본원 장치의 하나 이상의 라운딩 공구와의 1회 또는 수회의 작용 접촉을 통해 와류의 영향을 받는다. 하나 이상의 안내 장치를 통해, 와류의 영향을 받는 흑연 재료가 대체로 수직으로 상향 편향되고, 대체로 와류의 영향 없이 분리 유닛 쪽으로 공급된다. 이는 분리 유닛으로의 최적의 입사 유동(incident flow)을 달성하며, 그럼으로써 분리 유닛의 높은 선별도가 달성된다.
가공할 흑연 재료를 위한 공급 유닛은 라운딩 공구들을 구비한 회전 디스크의 상부에 배치된다. 회전 디스크는 바람직하게는 원통형 부품 내부에 배치되며, 원통형 부품의 종축과 회전 디스크의 회전축은 서로 일치한다. 원통형 부품의 내측 표면은 적어도 일부 영역에서 흑연 재료를 위한 소위 충돌면(impact surface)이다. 공급 유닛을 통해 본원 장치의 내부 챔버 내로 유입되는 흑연 재료는 라운딩 공구들에 의해 포착되고 가속되어 충돌면 쪽으로 안내된다. 바람직하게 충돌면과 라운딩 공구들은, 흑연 재료가 충돌면 쪽으로 안내되기 전에 상이한 각도들로 특히 수회 라운딩 공구들에 부딪치도록 형성된다. 그렇게 하여, 흑연 플레이크들의 매우 바람직한 변형이 달성될 수 있으며, 특히 이로써 흑연 플레이크들의 의도한 절첩(folding)이 달성된다.
흑연 재료가 라운딩 공구들에 부딪칠 때, 흑연 플레이크들의 모서리들은 절첩되어 각각의 흑연 플레이크의 코어를 중심으로 말린다. 상대적으로 더 작은 흑연 입자들이 응집되어, 상대적으로 더 크고 특히 구형인 입자들을 형성한다. 또한, 라운딩 동안 초기의 내측 다공도가 최소화된다. 상기 방식으로 라운딩된 흑연 입자들은 초기에 투입된 흑연 플레이크들보다 더 작은 표면을 갖는다. 이로써 비가역적 용량이 더 감소하고, 그 외에도 유효 수명이 증가하게 된다. 라운딩된 흑연 입자들의 매끄러운 표면은 박리(exfoliation) 또는 갈라짐(split)을 방지한다. 라운딩된 흑연 입자들을 포함한 분말은 증가한 탬핑 밀도(tamping density) 및 그에 따른 높은, 특히 증가한 에너지 밀도를 갖는다. 라운딩된 흑연 입자들을 포함한 분말은 특히 리튬이온 배터리의 제조를 위해 적합한데, 그 이유는 리튬이온이 라운딩된 흑연 입자들 사이에 형성된 공동들을 통해 간단히 흑연에 접근할 수 있고, 특히 리튬이온은 절첩된 흑연 플레이크들 사이의 평면들 내에 축적되기 때문이다. 라운딩된 흑연 입자들을 포함한 분말은 라운딩 이후에, 그리고 배터리 제조 등에 사용되기 전에 다시 화학적으로 세척된 다음 코팅된다.
분리 유닛은, 라운딩 공정이 진행되는 동안 흑연 플레이크의 라운딩 시 경우에 따라 발생하는, 미세 물질 및/또는 초미세 물질 형태의 파편을 제거하기 위해, 예컨대 분류기 휠(classifier wheel)을 포함한 공기 분류기(air classifier)로서 형성될 수 있다. 분리 유닛은 라운딩 공구들을 구비한 디스크의 상부에 배치된다. 바람직하게는 라운딩 공구들을 구비한 회전 디스크의 회전축과 분류기 휠의 회전축이 서로 일치한다. 특히 분류기 휠은 라운딩 공구들을 구비한 회전 디스크 상부에 동축으로 배치된다. 본원 장치의 하부 영역에는 공정 공기를 위한 공급 포트(supply port)가 형성된다. 공정 공기는 특히 하부로부터 상향으로 공급되어 라운딩 영역, 특히 라운딩 공구들 쪽으로, 그리고 안내 장치를 통해 분리 유닛 쪽으로 안내된다. 그에 추가로, 본원 장치의 내부에는 공정 공기의 내부 순환이 존재한다. 이러한 공정 공기의 순환을 통해, 흑연 재료가 수회 라운딩 공구들로 안내된다. 또한, 공정 공기에 의해, 미세 물질 및/또는 초미세 물질이 동반 유동되어 분리 유닛을 통해 본원 장치에서 제거된다.
일 실시예에 따라서, 라운딩 공구들은 각각 회전축의 방향으로 향하는 하나의 측면을 포함하며, 이 측면은 바람직하게 회전축의 방향으로 볼록하게 형성되고, 그리고/또는 회전축의 방향으로 반경을 갖거나, 또는 복수의 다각형에 의해 형성된다. 특히 라운딩 공구들은 각각 하나의 종축을 가질 수 있으며, 이 종축은 디스크의 회전축에서 출발하는 반경과 일치한다. 디스크의 회전축 쪽으로 향하는 라운딩 공구의 측면은 반경을 갖거나, 다각형으로서 형성된다. 바람직하게 상기 측면은 반경에 의해 반사 대칭형으로 분할된다. 디스크의 회전축 쪽으로 향하는 측면을 볼록한 형태로, 반경으로서, 또는 상호 각을 이루도록 배치된 복수의 부분 영역을 가진 다각형으로서 형성함에 따라, 흑연 재료로의 가벼운 하중 인가(gentle loading)가 달성된다. 특히 라운딩 공구들의 선택된 형태를 통해, 흑연 재료가 절첩 과정에 바람직한 90도의 각도로 부딪칠 확률이 높아진다. 그에 따라, 바람직하게는 흑연 재료와 라운딩 공구 간의 모든 작용 접촉이 절첩 과정을 야기한다. 그렇게 하여, 라운딩 공구들의 표면과 흑연 재료 간에 항시 중앙 충격이 발생하기 때문에, 흑연 재료는 의도한 방식으로 절첩되고, 특히 분쇄되지 않는다.
일 실시예에 따라서, 인접한 라운딩 공구들 간의 간격은 각각 라운딩 공구들의 폭의 0.5배 내지 라운딩 공구들의 폭의 5배이다. 이 경우, 라운딩 공구들의 폭은, 각각의 라운딩 공구가 배치되어 있는 디스크의 반경에 대해 직교하도록 결정된다. 특히 상기 반경은, 라운딩 공구들이 배치되어 있는 디스크의 회전축에서 출발하는 반경이다. 그와 대조적으로, 라운딩 공구들의 길이는 디스크의 회전축에서 출발하는 반경 상에서 결정된다. 바람직하게 상기 간격은 라운딩 공구들의 폭의 3배 미만이며, 특히 바람직하게는 라운딩 공구들의 폭의 1.5배 미만이다.
라운딩 공구들의 개수는 바람직하게는 라운딩 공구들이 배치되어 있는 회전 디스크의 주연 1m당 15개 내지 35개이다.
본원 장치의 일 실시예에 따라서, 안내 장치는 특히 하나 이상의 가이드 링 상에 배치되는 복수의 가이드 부재를 포함한다. 이와 관련하여, 가이드 부재들의 개수는 라운딩 공구들의 개수보다 더 적을 수 있다. 그 대안으로, 가이드 부재들의 개수가 라운딩 공구들의 개수에 상응할 수 있거나, 가이드 부재들의 개수가 라운딩 공구들의 개수보다 더 많을 수 있다. 공급 유닛을 통해 공급되는 흑연 재료가 가이드 링에 부딪치고, 이와 동시에 분류기 휠을 스쳐 지나가며, 그럼으로써 이미 존재하는 미세 물질 및/또는 초미세 물질이 공정이 진행되는 동안 본원 장치에서 분리된다. 그에 뒤이어, 흑연 재료는 라운딩을 위한 에너지를 인가하는 라운딩 공구들을 구비한 회전 디스크 상에 부딪친다. 이와 동시에, 흑연 재료가 포착되고 가속되어 충돌면 쪽으로 던져지며, 그럼으로써 흑연 재료의 절첩 및 그에 상응하게 라운딩이 구현된다.
흑연 재료는 바람직하게 정의된 시간 동안 본원 장치 내에서 처리되며, 이때 흑연은 특히 회전하는 라운딩 공구들과 수회 작용 접촉하고 그에 상응하게 변형된다. 시간은, 특히 이 시간의 경과 후에 흑연 재료가 대체로, 배터리의 제조를 위해 바람직하게 이용될 수 있는 라운딩된 흑연 입자들로만 구성된다고 전제할 수 있는 방식으로 정해진다. 라운딩 공정의 종료 이후, 특히 사전 정의된 가공 시간의 경과 이후, 라운딩된 흑연 입자들은 부산물 배출구를 통해 본원 장치에서 배출되며, 예컨대 부산물은 본원 장치에서 흡인 배출된다. 바람직하게 부산물의 흡인 배출은 안내 장치의 내부 가이드 링 상에서 직접 수행된다. 그렇게 하여, 앞서 분류기 휠을 스쳐 지나간 부산물만이 본원 장치에서 배출되며, 이때 미세 물질 및/또는 초미세 물질은 제거되는 점이 보장된다.
가이드 부재들과 가이드 링을 포함하는 안내 장치는 라운딩 공구들을 구비한 회전 디스크의 상부에 배치된다. 특히 안내 장치는 본원 장치 내부에 정적으로 배치된다. 안내 장치의 가이드 부재들은 일 실시예에 따라 가이드 링 상에 배치된 가이드 플레이트들로서 형성된다. 가이드 플레이트들은 국부적으로, 라운딩 공구들의 상부에서 회전 디스크 및 회전 디스크의 접선에 대한 수직 평면에 각각 배치되고 그리고/또는 형성된다. 특히 가이드 플레이트들은 라운딩 공구들을 구비한 회전 디스크의 회전축에 대해 실질적으로 수직 반경 방향으로 연장된다. 바람직하게 가이드 플레이트들의 하부 영역은 회전 디스크의 회전 방향과 반대 방향으로 꺾이며, 그럼으로써 가이드 플레이트의 꺾임 영역과 수직 영역 사이에 둔각이 형성된다. 꺾임 영역은 가이드 부재들을 포함한 안내 장치의 수직 영역 내로 흑연 입자들의 최적화된 무충돌 유입을 구현한다. 특히 가이드 부재의 꺾임 영역은, 회전 디스크에 대해 수직인 방향으로, 와류의 영향을 받는 미세 물질 및/또는 초미세 물질의 규정된 편향을 지원한다. 이 경우, 공급된 흑연 재료는 본원 장치의 내부에서 공기 유동을 통해 먼저 분류기 휠을 스쳐 지나고 회전 디스크 상에 부딪치며, 라운딩 공구들 및 충돌면 쪽으로 안내된다.
일 실시예에 따라서, 흑연 재료의 첨가 조절은 본원 장치의 제어 유닛을 통해 수행된다. 제어 유닛은 예컨대 라운딩 공구들을 구비한 회전 디스크의 구동부, 및/또는 분리 유닛의 구동부, 및/또는 본원 장치의 또 다른 기계 컴포넌트들을 제어하며, 특히 제어 유닛은 회전 디스크의 각각의 회전 속도 및/또는 분리 유닛을 제어한다. 예컨대 제어 유닛은 소위 스위치-오프 값(switch-off value)을 기반으로 흑연 재료의 첨가를 조절할 수 있다. 작동중인 장치에 흑연 재료를 채울 때, 구동부들의 전력 소모량이 증가한다. 제어 유닛은 하나 이상의 스위치-오프 값에 대한 정보, 특히 구동부들의 전력 소모량 값들에 대한 정보를 보유하고 있다. 하나의 정의된 스위치-오프 값 또는 두 개의 정의된 스위치-오프 값에 도달하면, 추가 흑연 재료의 공급은 종료된다. 예컨대 공급 유닛은, 스위치-오프 값에 도달할 때 제어 유닛을 통해 구동되고 제어 신호를 기반으로 폐쇄되는 밸브를 포함하며, 그럼으로써 추가 흑연 재료가 본원 장치 내에 도달하지 않게 된다.
라운딩 공정이 진행됨에 따라, 전력 소모량 값들은 다시 감소할 수 있으며, 그럼으로써 측정값들은 라운딩 공정의 진행에 대한 정보를 제공할 수 있게 된다. 특히 일 실시예에 따라서, 제2 스위치-오프 값이라고도 지칭되는 정의된 제2 전력 소모량 값에 미달하면, 계량 공급 및/또는 재료 공급이 한 번 더 시작될 수 있다. 회전 디스크 및/또는 분리 유닛의 구동부들은, 전체 공정 동안, 흑연 재료가 아직 장치 내에 존재하는 한 스위치-오프되지 않는다. 그 대안으로, 본원 장치는, 완전 충전 이후, 다시 말해 제1 스위치-오프 값에 도달한 이후에, 예컨대 미리 실험에 의거하여 결정된, 그리고 그 이후에는 모든 흑연 플레이크의 라운딩이 확실하게 종료되는 정의된 시간 동안 작동될 수 있다. 스위치-오프 값을 통해 흑연 재료의 공급을 제어함으로써, 본원 장치가 과충전되지 않고, 특히 매 생산 주기에서 재현 가능하게 동일하게 충전되는 점이 보장된다.
라운딩된 흑연 입자들을 라운딩 공정의 종료 이후 본원 장치에서 배출시키는 부산물 배출구는 예컨대 부산물 재료를 위한 적합한 흡인 배출 유닛을 포함할 수 있다. 바람직하게 흡인 배출 유닛의 흡인 배출 위치는 안내 장치의 내부 가이드 링 상에 직접 형성되며, 부산물 배출구는 내부 가이드 링에 대해 특히 반경 방향으로 연장된다. 흡인 배출 유닛은 부압을 생성한다. 부산물 배출을 위해 흡인 배출 유닛이 개방되며, 흡인 배출된 공기는 분리 부재, 예컨대 필터를 포함한 사이클론 내로 배출된다. 이와 관련하여, 라운딩된 흑연 입자들을 포함하는 부산물은 흡인 배출된 공기에서 분리된다. 이 체적 흐름과 함께, 부산물은 공정 챔버 밖으로 공압적식로 이송되며, 본원 장치가 완전히 비워질 때까지 본원 장치의 공정 챔버 내 부산물의 농도는 급속하게 감소한다. 부산물 배출 과정 동안, 분리 유닛을 통한 미세 물질 및/또는 초미세 물질의 제거, 및 회전 디스크 상에 배치된 라운딩 공구들을 통한 흑연 입자들로의 하중 인가는 변함없이 활성 상태로 지속된다.
바람직하게 흡인 배출 유닛은 안내 장치의 내부 가이드 링 상에 직접 흡인 배출 위치를 갖는다. 흡인 배출 유닛을 통한 부산물의 배출은 내부 가이드 링에 대해 특히 반경 방향으로 수행된다. 흑연 재료의 라운딩 동안, 흡인 배출 유닛은 예컨대 내부 가이드 링에 대해 반경 방향으로 연장되는 가동형 실린더에 의해 폐쇄된다. 라운딩된 흑연 재료의 배출을 위해, 흡인 배출 유닛은 가동형 실린더의 변위를 통해 개방되며, 라운딩된 흑연 입자들을 포함하는 부산물-공기 혼합물은 흡인 배출 유닛 내로 흡인 배출된다.
공정 조건들을 추가로 최적화하기 위해, 회전 디스크 및 그에 따른 라운딩 공구들이 가동되는 속도는 작동 진행 중에 변동될 수 있다. 예컨대, 우선 낮은 회전 속도가 선택되고, 이 회전 속도는 작동 진행 중에 후속하여 최대 회전 속도로 증가된다. 그 대안으로, 특정 공정들의 경우, 우선 높은 속도로 시작한 다음, 작동 진행 중에 상기 속도를 감속하는 점도 바람직할 수 있다. 바람직하게 본원 장치는 (디스크의 주연을 기준으로) 초당 60미터 내지 초당 120미터 사이의 회전 디스크의 최대 회전 속도로 작동된다.
본 발명에 따른 장치 및 본 발명에 따른 방법에 의해, 간단하면서도 비용 효과적인 방식으로, 배터리의 제조를 위해 최적화되는 라운딩된 흑연 입자들이 제조될 수 있다. 특히 이와 관련하여, 흑연 플레이크들의 모서리들이 절첩되어 흑연 플레이크들의 코어를 중심으로 말림으로써, 흑연 플레이크들이 라운딩된다. 이 경우, 상대적으로 더 작은 흑연 입자들은 상대적으로 더 큰 구형의 또는 구와 유사한 입자들로 응집될 수 있다. 또한, 라운딩 동안, 흑연 입자들의 내부 다공도가 최소화되며, 이 역시 배터리 제조를 위해 바람직하다.
본 발명에 따른 장치는 특히 작은 기계 크기를 특징으로 한다. 특히 본원 장치 내부에서는 곧바로 제거되는 미세 물질 및/또는 초미세 물질 형태의 파편이 발생하지 않거나, 소량의 파편만이 발생한다. 특히 파편은 곧바로 라운딩 공정 동안, 그리고 부산물 배출 이전 및 그 도중에도 본원 장치에서 제거되며, 그럼으로써 본원 장치 및 본원 방법에 의해, 라운딩된, 적어도 전반적으로 미세 물질이 없으면서 균질한 흑연 재료의 매우 우수한 수율이 달성될 수 있다. 특히 본원 장치 및 본원 방법에 의해, 특히 균질하고 대부분 파편이 없으면서 특히 리터당 최소 800그램의 충전 밀도를 갖는 부산물이 발생한다.
이와 관련하여 유의할 점은, 본 발명에 따른 장치와 관련하여 설명한 모든 양태 및 변형 실시예가 본 발명에 따른 방법의 동일한 부분 양태들일 수 있거나 그와 관련될 수 있다는 점이다. 그러므로 본원 명세서의 어떤 한 부분에서, 또는 본 발명에 따른 장치에 대한 청구항 정의들에서도 특정 양태들 및/또는 관계들 및/또는 작용들이 언급되어 있다면, 이는 본 발명에 따른 방법에도 동일하게 적용된다. 이는 그 반대의 방식으로도 적용되며, 그럼으로써 본 발명에 따른 방법과 관련하여 설명한 모든 양태 및 변형 실시예도 본 발명에 따른 장치의 동일한 부분 양태들일 수 있거나 그와 관련될 수 있다. 그러므로 본원 명세서의 어떤 한 부분에서, 또는 본 발명에 따른 방법에 대한 청구항 정의에서도 특정한 양태들 및/또는 관계들 및/또는 작용들이 언급되어 있다면, 이는 본 발명에 따른 장치에도 동일하게 적용된다.
하기에서 본 발명의 실시예들 및 그 장점들은 첨부한 도면들에 따라 보다 더 상세하게 설명된다. 도면들에서 개별 요소들 상호 간의 크기 비율들은 항상 실제 크기 비율들과 일치하지 않는데, 그 이유는 일부 형태들은 간략화되고 다른 형태들은 더 나은 예시를 위해 다른 요소들에 비해 확대 도시되어 있기 때문이다.
도 1은 흑연 재료의 흑연 플레이크를 라운딩하기 위한 본 발명에 따른 장치를 도시한 도면이다.
도 2a 내지 2e는 본 발명에 따른 장치의 내부에서의 공정 처리 이전, 공정 처리 중 그리고 공정 처리 이후의 흑연 재료, 특히 사용된 흑연 플레이크를 도시한 도면들이다.
도 3a 내지 3d는 흑연 재료의 흑연 플레이크를 라운딩하기 위한 본 발명에 따른 장치의 또 다른 실시예의 다양한 모습들을 도시한 도면들이다.
도 4a 및 4b는 본 발명에 따른 장치의 또 다른 실시예의 내부 챔버 내부의 상이한 모습들을 도시한 도면들이다.
도 4a 및 4b는 본 발명에 따른 장치의 부분 영역의 상이한 모습들을 도시한 도면들이다.
도 4c 및 4d는 충돌면의 상이한 형성예들을 도시한 도면들이다.
본 발명에서 동일하거나 동일하게 작용하는 요소들에는 동일한 도면부호들이 사용된다. 또한, 명확성을 위해, 개별 도면들에는, 각각의 도면 설명에 필요한 도면부호들만 명시되어 있다. 도시된 실시예들은, 본 발명에 따른 장치 또는 본 발명에 따른 방법이 어떻게 형성될 수 있는지에 대한 예시들일 뿐, 최종적인 제한을 나타내지 않는다.
도 1에는, 흑연 재료(GM)의 흑연 플레이크(GF)를 라운딩하기 위한 본 발명에 따른 장치(1)가 도시되어 있다. 장치(1)는 거의 수직 실린더로서 형성된 하우징(2)을 포함하며, 하우징의 상면에는 흑연 재료(GM)의 공급을 위한 공급 유닛(3), 특히 흑연 플레이크(GF)의 공급을 위한 공급 유닛(3)이 배치된다. 특히, 도시된 실시예에서 공급 유닛(3)은 수직 홈통(4)(down pipe)으로서 형성되어 있지만, 흑연 재료(GM)가 인젝터 공급부를 통해 공급되는 구성도 가능하.
흑연 재료(GM)는 라운딩 공구(5)에 부딪친다. 이 경우, 흑연 플레이크(GF)의 모서리들이 절첩되어 각각의 흑연 플레이크(GF)의 코어를 중심으로 말린다. 상대적으로 더 작은 흑연 입자들은 응집되어 상대적으로 더 크고 특히 구형인 입자들을 형성한다. 또한, 라운딩 동안 초기의 내측 다공도가 최소화된다. 이렇게 라운딩된 흑연 입자들(vGT)은 처음에 투입된 흑연 플레이크(GF)보다 더 작은 표면을 갖는다. 그 결과 비가역적 용량이 낮아지고 수명이 길어진다. 라운딩된 흑연 입자들(vGT)의 매끄러운 표면은 박리 또는 갈라짐을 방지한다. 라운딩된 흑연 입자들(vGT)을 포함한 분말은 증가한 충전 밀도 및 그에 따른 높은 에너지 밀도를 갖는다. 상기 분말은 특히 리튬이온 배터리의 제조에 적합한데, 그 이유는 리튬이온이 라운딩된 흑연 입자들(vGT) 사이에 형성된 공동들을 통해 간단히 흑연에 접근할 수 있고, 특히 리튬이온이 절첩된 흑연 플레이크들 사이의 평면들 내에 축적되기 때문이다. 라운딩된 흑연 입자들을 포함한 분말은 라운딩 이후에, 그리고 배터리 제조 등에 사용되기 전에 다시 화학적으로 세척된 다음 코팅된다.
바람직하게 장치(1)는 회전 가동형 디스크(7) 상에 배치된 복수의 라운딩 공구(5)를 구비한다. 공급 유닛(3)을 통해 상기 장치의 내부 챔버 내로 유입되는 흑연 재료(GM)가 라운딩 공구들(5)에 의해 포착되고, 가속되어, 충돌면(6) 쪽으로 안내된다. 충돌면(6)은 특히, 원통형으로 형성된 하우징(2) 내측 표면(21)의 영역이다.
라운딩 공구들(5)은 특히, 제1 구동 샤프트(8)를 매개로 제1 구동부(9) 상에 배치된 회전 가동형 디스크(7)의 외주연에서 전체 주연에 걸쳐 상호 규칙적인 간격으로 배치된다. 충돌면(6)과 라운딩 공구들(5)은, 흑연 재료(GM)가 상이한 각도들로 라운딩 공구들(5) 상에 부딪치도록 형성되며, 그럼으로써 흑연 플레이크(GF)의 매우 바람직한 변형, 특히 절첩이 달성될 수 있다. 라운딩 공구들(5)은 특히, 상이한 충돌 각도들에서 가능한 많은 입자 충돌 횟수에 최적화되어 있다.
또한, 장치(1)는 분리 유닛(10)을 포함하며, 예컨대 분류기 휠(11)을 구비한 공기 분류기를 포함한다. 흑연 플레이크(GF)를 라운딩할 때, 미세 물질 및/또는 초미세 물질(FM) 형태의 파편이 발생할 수 있다. 원하는 최종 부산물(EP)은 바람직하게는 라운딩된 흑연 입자들(vGT)만 포함해야 하기 때문에, 미세 물질 및/또는 초미세 물질(FM)은 직접 장치(1) 내부에서 라운딩된 흑연 입자들(vGT)에서 분리되어 장치(1)에서 제거된다. 분리 유닛(10)은 라운딩 공구들(5)을 구비한 디스크(7) 상부에 배치된다. 분류기 휠(11)은 제2 구동 샤프트(12)를 통해 제2 구동부(13)와 연결되어 있다. 특히 제1 구동 샤프트(8)와 제2 구동 샤프트(12)는 서로 동축으로 배치된다.
장치(1)의 하부 영역에, 특히 라운딩 공구들(5)을 구비한 회전 디스크(7)의 하부에 있는 공급 포트(14)를 통해, 하부에서 상부를 향해 공정 공기(PL)가 공급되며, 이 공정 공기는 라운딩 영역 쪽으로, 그리고 가이드 부재들(25)을 통해 분리 유닛(10) 쪽으로 안내된다. 이 경우, 공정 공기(PL)는 미세 물질 및/또는 초미세 물질(FM)을 동반하여, 이들 물질을 흡인 배출 포트(16)를 통해 장치(1)에서 배출시킨다.
장치(1)의 내부에서, 흑연 재료(GM)는 적어도 한 번 하나 이상의 라운딩 공구(5)와 작용 접촉하며, 그럼으로써 흑연 재료(GM)가 와류의 영향을 받는다. 와류의 영향을 받는 흑연 플레이크들(GF), 와류의 영향을 받는 라운딩된 흑연 입자들(vGT) 및 와류의 영향을 받는 미세 물질 및/또는 초미세 물질(FM)은 가이드 부재들(25)을 통해 수직 방향으로 편향되고, 특히 회전 디스크(7)에 대해 수직으로 편향되며, 그에 따라 적어도 대체로 와류의 영향 없이 분리 유닛(10)에 도달한다. 이는 분리 유닛(10)으로의 최적의 입사 유동을 유도하며, 그럼으로써 높은 선별도가 달성된다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 흑연 재료(GM)는 공급 유닛(3)을 통해 장치(1)의 공정 챔버(40)로 공급된다. 흑연 재료(GM)는 가이드 링(41) 상에 부딪치고, 이와 동시에 GM은 분류기 휠(11)을 스쳐 지나며, 그럼으로써 기존 미세 먼지는 걸러진다. 그런 다음, 흑연 재료(GM)는, 라운딩을 위한 에너지를 가하는 라운딩 공구들(5)을 구비한 디스크(7) 상에 부딪힌다. 특히 흑연 재료(GM)는 라운딩 공구들(5)을 구비한 디스크(7)에 의해 포착되고, 가속되어, 충돌면(6) 쪽으로 던져진다. 상기 처음 2개의 방법 단계 동안에는, 도 3a 및 3d와 관련하여 하기에서 더 상세하게 기술되는 것처럼, 부산물 배출구(17)가 폐쇄되어 있다.
공정 공기 및/또는 공정 공기(PL)는 공급 포트(14)를 통해 장치(1)의 하우징(2) 내에 도달하며, 라운딩 공구들(5)을 구비한 디스크(7)와 충돌면(6) 사이에 형성된 간극(45)을 관류한다. 간극(45)을 관류할 때, 하중을 받는 흑연 입자들은 공기 체적 흐름에 의해 가이드 링(41)을 통해 목표한 대로 분류기 휠(11)로 공급된다. 이제 적어도 부분적으로 라운딩된 흑연 입자들을 포함하는 재료가 내부 유동에서 다시 라운딩 공구들(5)을 구비한 디스크(7)에 도달하며, 미세 먼지, 특히 미세 물질 및/또는 초미세 물질(FM)은 공정 공기 및/또는 공정 공기(PL)와 함께 흡인 배출 포트(16)를 통해 장치(1)에서 배출된다.
라운딩된 흑연 입자들(vGT)(도 2d 및 2e 참조)은 인젝터 공급과 유사하게 흡인 배출 장치를 통해 부산물 배출구(17)를 통해 배출된다. 흡인 배출은 가이드 링(41)의 내부에서 직접 수행된다. 그렇게 하여, 앞서 분류기 휠(11)을 스쳐 지나가지 않았던 흑연 재료(GM)는 장치(1)에서 배출되지 않는 점이 보장된다.
흑연 재료(GM)는 정의된 시간 동안 본원 장치 내에서 처리되며, 이때 흑연 재료는 회전하는 라운딩 공구들(5)과 특히 수회 작용 접촉하고, 그로 인해 흑연 플레이크들(GF)은 절첩되어 라운딩된 흑연 입자들(vGT)로 변형된다. 사전 정의된 시간 이후에는 흑연 재료(GM)가 대부분 라운딩된 흑연 입자들(vGT)로만 구성된다는 전제에서 출발할 수 있다. 라운딩된 흑연 입자들(vGT)의 형태인 최종 부산물은 이제 부산물 배출구(17)를 통해 장치(1)에서 배출되어, 예컨대 배터리의 제조에 사용될 수 있다.
개선된 유동 가이드를 통해 흑연 재료(GM)의 응력을 더욱 개선하기 위해, 라운딩 공구들(5) 위쪽에 각각 하나의 커버 링(18)이 배치된다. 커버 링(18)은 바람직하게, 회전 디스크(7)의 주연상에 배치된 모든 라운딩 공구(5)에 걸쳐 연장되어, 라운딩될 흑연 입자들의 바람직한 순환을 가능하게 하며, 이때 커버 링(18)을 통해 장치(1) 내부에서의 흑연 입자들의 유동 가이드가 최적화된다. 상기 커버 링(18)은 특히, 거친 흑연 재료(GM), 특히 흑연 플레이크들(GF) 및/또는 이미 라운딩된 흑연 입자들(vGT)이 상향으로 던져져서 라운딩 공구들(5)과의 접촉 없이 장치(10)를 순환하는 현상을 방지한다. 커버 링(18)은 특히, 라운딩 공구들(5)과 거친 흑연 재료(GM) 간의 여러 번의 작용 접촉을 강제한다.
또한, 장치(1)는 일 실시예에 따라 제어 유닛(20)을 포함하며, 이 제어 유닛에 의해 예컨대 제1 구동부(9); 및/또는 제2 구동부(13); 및 그에 따라 분류기 휠(11)의 회전 속도; 및/또는 라운딩 공구들(5)을 구비한 디스크(7)의 회전속도;가 조절되고, 그리고/또는 부산물 요건들에 따라 설정될 수 있다.
또한, 흑연 재료(GM)의 첨가는 소위 스위치-오프 값을 기반으로 조절될 수 있다. 특히 상기 스위치-오프 값은 장치(1) 자체에 의해 생성된다. 작동 중인 장치(1)에 흑연 재료(GM)를 충전할 때, 구동부들(9, 13)의 전력 소모량이 증가한다. 제어 유닛(20)은 하나 이상의 스위치-오프 값에 대한 정보, 특히 구동부들(9, 13)의 전력 소모량 값에 대한 정보를 보유한다. 하나의 정의된 스위치-오프 값 또는 두 개의 정의된 스위치-오프 값에 도달하면, 추가 흑연 재료(GM)의 공급이 종료된다. 예컨대 공급 유닛(3)은(도 3a 내지 3c에 대한 설명 참조), 스위치-오프 값에 도달 시 제어 유닛(20)을 통해 구동되고 제어 신호를 기반으로 폐쇄되는 밸브를 포함하며, 그럼으로써 장치(1) 내에 추가 흑연 재료(GM)가 도달하지 않는다.
라운딩 공정이 진행됨에 따라 전력 소모량 값들이 다시 감소할 수 있으며, 그럼으로써 라운딩 공정의 진행에 대한 정보를 제공할 수 있다. 특히 일 실시예에 따라, 제2 스위치-오프 값이라고도 지칭되는 정의된 제2 전력 소모량 값에 미달 시, 계량 공급 및/또는 재료 공급이 다시 한 번 시작될 수 있다. 구동부들(9, 13)은, 흑연 재료(GM)가 아직 장치(1) 내에 존재하는 한, 스위치-오프되지 않는다.
그 대안으로, 장치(1)는, 완전 충전 이후, 다시 말해 제1 스위치-오프 값에 도달한 이후에, 예컨대 미리 실험에 의거하여 결정된, 그리고 그 이후에는 모든 흑연 플레이크의 라운딩이 확실하게 종료되는 정의된 시간 동안 작동될 수 있다.
스위치-오프 값을 통해 흑연 재료(GM)의 공급을 제어함으로써, 장치(1)가 과충전되지 않고, 특히 매 생산 주기에서 재현 가능하게 동일하게 충전되는 점이 보장된다.
본원에 기술된 장치(1)를 이용하여 본원에 기술된 방법에 따라 수행되는 흑연 재료(GM)의 라운딩은 3개의 단계로, 특히 충전 단계, 라운딩 단계 및 배출 단계로 분할될 수 있다. 이 3개의 단계는 서로 명확하게 분리되지는 않지만, 하기에서는 개별적으로 기술된다.
충전 단계에서, 흑연 재료(GM)는 예컨대 인젝터를 통해 공정 챔버(40) 내로 도입된다. 또한, 공정 챔버(40)는, 회전하는 디스크(7)가 순환하는 상태에서 공정 공기(PL)의 공기 유동에 의해 관류된다. 회전 디스크(7) 상의 라운딩 공구들(5)은 공정 공기(PL)와 함께, 하우징(2)의 내측 표면(21)의 방향으로 흑연 입자들을 가속시키고, 흑연 입자들은 상기 공기 유동을 따라 분류기 휠(11) 쪽으로 이동한다. 그에 뒤이어 흑연 입자들은, 공기 유동에 의해 기설정된 회로를 다시 순회한다. 분류기 휠(11)의 제2 구동부(13)의 전력 소모량은 부산물 적재에 따라 상승한다. 이렇게, 장치(1)는 선택된 정도까지 충전되며, 스위칭 포인트로서 이용될 수 있는 직접 공정 값(direct process value)을 획득한다. 충전 동안, 경우에 따라 일시적으로 계량 공급이, 초기의 중량 감소 및/또는 농도 감소를 보상하기 위해, "재계량 공급"이 수행될 수 있다. 원하는 상태에 도달하면, 충전 단계는 종료되고 제2 라운딩 단계가 시작된다.
실제로, 제2 라운딩 단계는, 제1 흑연 재료(GM)가 장치(1) 내에 도달하는 즉시 시작된다. 제1 흑연 입자들이 공정 공기(PL)의 공기 유동 내에서 안내되는 즉시 라운딩도 시작되기 때문이다. 그러나 앞서 언급한, 장치(1) 내부에서 생성되는 분리기 유량의 스위칭 포인트를 균일한 시작점으로 간주한다. 장치(1) 내에서 원하는 충전도가 달성되는 즉시, 제3 배출 단계 이후까지는, 비록 추후 시점에 사전 정의된 스위칭 포인트에 도달하지 못하더라도, 계량 공급이 다시 재개되지 않는다. 이는, 모든 흑연 입자에 대해 균일한 라운딩 시간을 보장하기 위해 필요하다. 라운딩 시간 거동에 걸친 공정 매개변수들의 변화는 여러 영역에서 유용할 수 있다.
제3 배출 단계는 특히 흡인 배출 유닛을 이용하여 수행된다. 흡인 배출 유닛은 부압을 생성하며, 플랩으로 폐쇄된 흡인 배출 포트를 통해 장치(1)와 연결된다. 제3 배출 단계 또는 부산물 배출 단계의 시작 시, 흡인 배출 유닛은 개방되며, 흡인 배출된 공기는 분리 부재로 안내된다. 흡인 배출 유닛(65)의 실시예는 하기에서 도 3a 및 3d와 관련하여 기술된다. 분리 부재로서는 예컨대 필터를 구비한 사이클론이 적합하다. 여기서는, 라운딩된 흑연 입자들을 포함한 부산물이 가스에서 분리된다. 상기 체적 흐름과 함께, 부산물은 공압식으로 공정 챔버(40) 밖으로 이송되고, 완전히 비워질 때까지 농도가 급속하게 감소한다. 이 과정 동안, 미세 물질 및/또는 초미세 물질(FM)의 제거, 및 회전 디스크(7) 상에 배치된 라운딩 공구들(5)에 의한 입자들로의 하중 인가는 변함없이 활성 상태로 지속된다.
도 2a 내지 도 2e에는, 본 발명에 따른 장치(1) 내부에서의 공정 처리 이전, 공정 처리 동안 및 그 이후의 흑연 재료(GM), 특히 출발 재료로 이용되는 흑연 플레이크(GF)가 도시되어 있다. 특히 도 2a 및 2b에는, 출발 재료로서 이용되는 상이한 흑연 플레이크들(GF)이 상이한 배율로 도시되어 있다. 도 2a에 따른 흑연 재료(GM)는 실질적으로 입자가 작은 흑연 플레이크들(GF)을 함유하는 반면, 도 2b에는 실질적으로 입자가 큰 흑연 플레이크들(gGF)이 함유되어 있다. 도 2c에는, 흑연 재료(GM)의 라운딩 시, 이미 부분적인 라운딩이 큰 입자의 흑연 플레이크들(gGF)의 절첩을 통해, 그리고/또는 작은 입자의 흑연 플레이크들(kGF)의 응집을 통해 실시된 중간 단계가 도시되어 있다. 도 2d 및 2e에는, 본 발명에 따른 장치 내부에서 라운딩된 흑연 재료(GM)로서, 실질적으로 라운딩된 흑연 입자들(vGT)만을 함유하고 특히 미세 물질 및/또는 초미세 물질은 포함하지 않는 흑연 재료가 도시되어 있다.
도 3a 내지 3d 및 도 4a 및 4b에는, 흑연 재료(GM)의 흑연 플레이크들(GF)을 라운딩하기 위한 본 발명에 따른 장치(1)의 또 다른 실시예의 다양한 모습이 도시되어 있다. 특히 도 3a에는 흡인 배출 유닛(65)이 폐쇄되어 있는 장치(1)의 상부 영역의 수직 횡단면도가 도시되어 있고, 도 3b에는 도 3a의 부분 영역의 확대도가 도시되어 있고, 도 3c에는 장치(1)의 상부 영역의 수평 횡단면도가 도시되어 있으며, 도 3d에는 흡인 배출 유닛(65)이 개방되어 있는 장치(1)의 상부 영역의 수직 횡단면도가 도시되어 있다.
장치(1)의 하우징(2)의 상면 상에는, 예컨대 흑연 플레이크들(GF)을 함유하는 흑연 재료(GM)의 공급을 위한 수직 홈통(4) 형태의 공급 유닛(3)이 제공된다. 장치(1)의 내부 챔버 내에는 회전 디스크(7)가 배치된다. 장치(1)의 하우징(2)의 내측 표면(21) 내지 가이드 링(41)에 인접하는 디스크(7)의 외주연의 상면에 라운딩 공구들(5)이 규칙적인 배열로 배치되고 그리고/또는 고정된다. 디스크(7)는 구동 샤프트(8) 상에 안착되어 이 구동 샤프트를 통해 회전축(D)을 중심으로 회전 구동된다. 내측 표면(21)은 디스크(7)에 인접하여 특히 충돌면(6)으로서 형성되며, 흑연 재료(GM)의 절첩 및/또는 응집을 지원하는 구조화부 또는 프로파일부를 포함한다.
수직 홈통(4)을 통해 공급되는 흑연 재료(GM)는, 회전 디스크(7) 상에 배치된 라운딩 공구들 및 이들 공구상에 배치되어 주연부에 걸쳐 연장되는 라운딩 공구들(5) 상에 부딪치고 가속되어 충돌면(6) 쪽으로 안내된다. 그에 뒤이어, 흑연 재료(GM)는 상승하는 공기 유동을 매개로 가이드 부재(25)에서부터 분류기 휠(11) 쪽으로 안내된다.
바람직하게 흡인 배출 유닛(65)은 안내 장치의 내부 가이드 링(15) 상에 직접 흡인 배출 위치(AP)를 갖는다. 흡인 배출 유닛(65)에 의한 부산물의 배출은 내부 가이드 링(15)에 대해 특히 반경 방향으로 수행된다. 흑연 재료(GM)의 라운딩 동안, 흡인 배출 유닛(65)은 내부 가이드 링(15)에 대해 반경 방향으로 연장되는 가동형 실린더(66)에 의해 폐쇄된다. 실린더(66)는 특히 소위 폐쇄 위치(66c)(도 3a 참조)에 위치한다. 특히 이 경우, 흡인 배출 유닛(65)에 의해 공기(L)만 보조 공기 포트(67)를 통해 흡입된다. 그렇게 하여, 흑연 재료(GM)가 라운딩 공구들(5) 및 충돌면(6)에 부딪치기 전에 흡인 배출되는 것이 방지된다. 흡인 배출 유닛(65)은 라운딩된 흑연 재료(vGT)를 부산물 배출구(17)를 통해 배출시키기 위해서만 가동형 실린더(66)의 변위를 통해 개방된다(도 3d 참조). 특히, 라운딩된 흑연 입자들(vGT) 및 보조 공기 포트(67)를 통해 흡입된 공기(L)를 포함하는 부산물/공기 혼합물은, 실린더(66)가 개방 위치(66o)로 복귀하는 동안 및 그 이후에 흡인 배출 유닛(65) 내로 흡인 배출된다.
일 실시예에 따라, 디스크(7)의 회전축(D) 쪽으로 향하는 라운딩 공구들(5)의 측면(50)이 각각 하나의 반경(R)을 갖는다. 이 둥근 측면(50)은, 흑연 재료(GM)의 라운딩을 추가로 지원하는 추가 충돌면(51)을 형성한다.
또한, 디스크(7) 상에 세워져 있는 라운딩 공구들(5)의 모든 측면은 각각 동일한 높이를 가질 수 있고, 라운딩 공구들(5)의 상면은 각각 회전 디스크(7)의 평면에 대해 평행한 평면에 배치된다.
또한, 장치(1)는 분리 유닛(10)으로서의 분류기 휠(11)을 포함하며, 이 분류기 휠을 통해, 흑연 재료(GM)의 라운딩 시 미세 물질 및/또는 초미세 물질(FM)의 형태로 발생하는 파편이 분리되어 흡인 배출 포트(16)를 통해 장치(1)에서 제거된다. 분류기 휠(11)은 라운딩 공구들(5)을 구비한 디스크(7) 상부에 배치된다. 본 실시예에서, 분류기 휠(11)은 디스크(7)의 구동 샤프트(8)에 대한 동축 샤프트 상에 배치되며, 그럼으로써 분류기 휠(11)과 디스크(7)는 상호 독립적으로 회전 운동을 할 수 있다.
장치의 하부 영역에 있는 공급 포트(14)를 통해서는 공정 공기(PL)가 공급되며, 이 공정 공기는 라운딩 영역을 향해 상향으로 가이드 부재들(25)을 관류하는 동시에 부분적으로 그리고 주로 분리 유닛(10) 쪽으로 안내된다. 공정 공기(PL)의 주 유동은 미세 물질 및/또는 초미세 물질(FM)을 동반하여 이들 물질을 흡인 배출 포트(16)를 통해 장치(1)에서 배출시킨다.
라운딩 공구들(5)은 예컨대 디스크(7) 상에 안착되며, 적합한 고정 수단(30)을 매개로, 예컨대 나사 결합(31), 용접 결합, 접착 등에 의해 상기 디스크 상에 고정된다. 그 대안으로, 디스크(7)는 라운딩 공구들과 일체형으로도 형성될 수 있다. 가이드 부재들(25)은, 라운딩 공구들(5)을 부분적으로 위에서부터 지붕처럼 덮는 방식으로, 라운딩 공구들(5) 상부에 배치된다. 특히, 각각 인접한 라운딩 공구들(5)은 상이하게 위로부터 가이드 부재들(25)을 통해 지붕처럼 덮인다. 바람직하게는, 규칙적인 배치에서 일부 라운딩 공구(5*)는 가이드 부재들(25)에 의해 덮이지 않기도 한다. 특히 가이드 부재(25)의 개수는 라운딩 공구(5)의 개수보다 더 적을 수 있다. 가이드 부재들(25)은 장치 내부에 정적으로 배치되어 있기 때문에, 장치의 작동 진행 중에 라운딩 공구들(5)과 가이드 부재들(25)의 상대적 배치는 지속적으로 변한다.
본 실시예에서, 가이드 부재들(25)은 특히, 실질적으로 수직으로 배치되어 회전축(D)에 대해 반경 방향으로 연장되는 가이드 플레이트들(26)로서 형성되며, 이들 가이드 플레이트는 하부 영역에서 회전 방향(DR)의 반대 방향으로 꺾일 수 있으며, 그럼으로써 꺾임 영역(27)과 수직 가이드 플레이트(26) 사이에 둔각이 형성된다(도 4a 및 4b 참조). 꺾임 영역(27)은 특히 회전 방향(DR)과 반대 방향으로 꺾이며, 가이드 부재들(25)을 포함하는 안내 장치(60)의 수직 부분 내로 흑연 입자들의 최적화된 무충돌 유입을 유도한다. 특히 가이드 부재(25)의 꺾임 영역(27)은, 와류의 영향을 받는 미세 물질 및/또는 초미세 물질(FM) 및 흑연 재료(GM)의, 회전 디스크(7)에 대해 수직인 방향으로의 규정된 편향을 지원한다. 이 경우, 공기 유동 내에 공급된 흑연 재료는 우선 분류기 휠(11)을 스쳐 지나서 디스크(7)에 부딪치며, 라운딩 공구들(5) 및 충돌면(6) 쪽으로 안내된다.
가이드 부재들(25)은 특히 회전축(D)의 방향으로 향해 있는 측에서 소위 공기 가이드 링(15)을 매개로 상호 연결될 수 있다. 특히 가이드 부재들(25)은 공기 가이드 링(15)과 함께 소위 안내 장치(60)를 형성한다. 하나 이상의 안내 장치(60)를 통해, 라운딩 공구들(5) 및/또는 충돌면(6)과의 접촉 이후 와류의 영향을 받는 흑연 재료(GM)가 대체로 수직으로 상향 편향되고, 대체로 와류의 영향 없이 분리 유닛(10)으로 공급된다. 이는 분리 유닛(10)으로의 최적의 입사 유동을 달성하며, 그럼으로써 높은 선별도가 달성된다. 공정 공기(PL)의 일부분은 이차 유동으로서 분리될 수 있고, 충돌면(6)과 라운딩 공구(5) 사이의 라운딩 영역 내부에서 순환할 수 있다. 상기 이차 공기는, 흑연 재료(GM)가 상이한 각도로 라운딩 공구들(5)과 수회 접촉하게 하고, 이를 통해 흑연 재료(GM)의 절첩 및/또는 응집을 개선하여 라운딩된 흑연 입자들(vGT)의 형성을 지원하는 효과를 갖는다.
또한, 도 3a 및 3b에서는, 라운딩 공구들(5) 상부에 있는 커버 링(18)이 확인되는데, 상기 커버 링도 마찬가지로 라운딩 영역에 흑연 재료(GM)를 포획하고, 그렇게 하여 흑연 재료(GM)와 충돌면 및/또는 라운딩 공구들(5) 간의 접촉 횟수를 증가시키는 데 이용된다. 특히 커버 링(18)을 통해, 최적화된 유동 가이드를 기반으로 장치(1) 내부에서의 흑연 재료(GM)의 순환이 개선된다.
일 실시예에 따라, 인접한 라운딩 공구들(5) 간의 간격(A)은 각각 라운딩 공구들(5)의 폭(B5)의 0.5배와 라운딩 공구들(5)의 폭(B5)의 5배 사이이다. 이 경우, 라운딩 공구들(5)의 폭(B5)은, 디스크(7)의 회전축(D)에서 시작하여 반경[r(D)]에 대해 수직으로 측정된다. 바람직하게 간격(A)은 라운딩 공구들(5)의 폭(B5)의 3배 미만이며, 특히 바람직하게는 라운딩 공구들(5)의 폭(B5)의 1.5배 미만이다. 도 3c에 따라 도시된 예에서, 간격(A)은 대략 라운딩 공구들(5)의 폭(B5)이다.
라운딩 공구들(5)의 개수는 바람직하게, 라운딩 공구들(5)이 배치되어 있는 회전 디스크(7)의 주연 1m당 15개 내지 35개이다.
최종 부산물, 특히 라운딩된 흑연 입자들(vGT)의 배출은, 바람직하게는 흑연 재료(GM)가 정의된 시간 동안 장치(1) 내부에서 처리된 후에, 부산물 배출구(17)를 통해 수행된다. 바람직하게 부산물 배출구(17)에는 흡인 배출 유닛(65)이 할당된다. 흡인 배출 유닛(65)은 예컨대, 부산물 배출구(17)에 할당된 가동형 실린더(66)를 끌어당겨 부압을 생성하며, 또한 가동형 실린더(66)를 끌어당겨 부산물 배출구(17)를 개방하기도 한다. 이제, 장치(1) 내부에 존재하는, 바람직하게는 라운딩된 흑연 입자들로만 구성된 흑연 재료(GM)는 장치(1) 내부에 있는 공기와 함께 흡인 배출되며, 이때 흡인 배출된 공기는 흑연 입자들과 함께 먼저 분리 부재(미도시) 내로, 예컨대 필터를 구비한 사이클론 내로 안내된다. 분리 부재 내에서 라운딩된 흑연 입자들을 포함한 부산물이 공기로부터 분리된다.
본 발명의 일 실시예에 따라서, 본원 방법은, 흑연 재료(GM)가 연속 공급되고, 라운딩된 흑연 입자들(vGT)의 형태로 최종 부산물이 지속적으로 배출되는 연속적인 방법이 아니라, 라운딩된 흑연 입자들(vGT)의 형태로 최종 부산물이 배출되기 전에 장치(1)가 정의된 양의 흑연 재료(GM)로 충전되어 정의된 시간 동안 정의된 회전량으로 작동되는 배치(batch)형 방법이다.
장치(1)의 경우, 흑연 재료(GM)는 바람직하게 라운딩이 수행된 후에야 비로소 분류기 휠(11)로 안내되며, 그에 반해 미세 물질 및/또는 초미세 물질(FM) 형태의 파편은 이미 라운딩 공정 동안 분류기 휠(11) 쪽으로 안내되어 흡인 배출 포트(16)를 통해 장치(1)에서 배출될 수 있다. 특히 부산물 배출은 분류기 공정 이후에 비로소 부산물 배출구(17)를 통해 수행되며, 그럼으로써 배출된 최종 부산물은 실질적으로 라운딩된 흑연 입자들(vGT)만을 포함하고, 특히 미세 물질 및/또는 초미세 물질(FM)은 포함하지 않는다.
라운딩 공구들(5)의 개수 및 형태는 본원의 방법에 매칭되고 최적화된다. 마찬가지로, 라운딩 시 흑연 재료(GM)로의 가벼운 하중 인가의 관점에서, 그리고 미세 물질 및/또는 초미세 물질(FM)의 방지를 위해, 충돌면(6)이 최적화된다.
도 4a 및 4b에는, 장치(1)의 부분 영역의 상이한 모습들이 사시도로 도시되어 있다. 개별 부품들의 설명과 관련해서는 특히 도 3b에 대한 설명을 참조한다. 도 4a 및 4b는 실질적으로 서로 상응한데, 도 4b의 도면에서는, 라운딩 공구들(5이을 더 잘 인지되도록, 라운딩 공구들(5) 상부에 있는 커버 링(18)이 생략되었다.
도 4c 및 4d에는, 충돌면(6)의 상이한 형성예들 및 회전 디스크(7) 상에 배치된 라운딩 공구(5)가 도시되어 있다. 라운딩 공구(5)는, 디스크(7)의 회전축에서부터 출발하는 반경[r(D)]과 일치하는 종축(L5)을 갖는다. 디스크(7)의 회전축 쪽으로 향하는 라운딩 공구(5)의 측면(50)은 반경(R)을 갖거나, 다각형으로서 형성된다. 바람직하게 상기 측면(50)은 반경[r(D)]에 의해 반사 대칭형으로 분할된다.
디스크(7)의 회전축 쪽으로 향하는 측면(50)을 반경으로서, 또는 서로 각을 형성하여 배치되는 복수의 부분 영역을 포함한 다각형으로서 형성함에 따라, 흑연 재료(GM)로의 가벼운 하중 인가가 달성된다. 이로써, 라운딩 공구들(5)의 표면과 흑연 재료(GM) 사이에 항상 중앙 충격이 발생하기 때문에, 상기 흑연 재료는 절첩되고, 특히 분쇄되지 않는다.
디스크(7)의 회전축 쪽으로 향하는 측면(50)에 대향하는 측면(55)은 특히 회전축의 반대 방향으로 향하는 측면(55)이라고 지칭된다. 바람직하게는, 회전축의 반대 방향으로 향하는 상기 측면(55)은 반경[r(D)]에 의해 반사 대칭형으로 분할되지 않는데, 그 이유는 측면(55)이 상호 간에 둔각(ε)을 이루는 2개의 부분 영역(56 및 57)으로 구성되기 때문이다. 특히 회전 방향(DR)으로 선행하는 부분 영역(57)은 반경[r(D)]에 대해 직교하도록, 또는 실질적으로 직교하도록 배치되는 반면, 반경 방향(DR)으로 후행하는 부분 영역(56)과 선행하는 부분 영역(56)의 연장부 사이에는 예각(α)이 형성된다. 바람직하게는, 예각(α)과 둔각(ε)의 합이 180도가 되도록 적용된다.
또한, 바람직하게는, 회전 방향(DR)으로 선행하는 부분 영역(57)의 길이(L57)는 회전 방향(DR)으로 후행하는 부분 영역(56)의 길이(L56)보다 훨씬 더 짧다. 특히 길이(L57)는 길이(L56)의 5% 내지 30%이며, 특히 바람직하게는 13% 내지 20%이다.
측면(55)의 부분 영역들(56, 57)의 전술한 배치를 통해, 특히 회전 방향(DR)으로 선행하는 부분 영역(57)은 충돌면(6)에 더 가깝게 배치된다. 전술한 각도(α)는 여유각(clearance angle)이라고도 지칭된다. 이 여유각(α)에 의해, 특히 충돌면(6)과 라운딩 공구(5) 사이에 형성된 간극(45)이 회전 방향(DR)으로 갈수록 가늘어지며, 이는 흑연 재료(GM)의 완만한 라운딩을 추가로 지원한다. 그렇게 하여, 특히 압착 및/또는 마찰을 통한 흑연 재료(GM)의 의도하지 않은 열적 하중이 상쇄된다.
또한, 충돌면(6)의 프로파일부와, 충돌면(6)에 더 가깝게 배치된 부분 영역(57) 사이에, 변형 실시예에 따라 50도 내지 90도 사이의 각도(β)가 형성된다. 특히 바람직하게, 상기 각도(β)는 항상 55도보다 더 크고 90도보다 더 작다.
도 1, 도 3 및 도 4에 따라서, 충돌면은 특히 원통형 부품의 내측 표면에 의해 형성된다. 도 4c에 따라, 충돌면(6)은 톱니형 내측 표면(70)을 가진 실린더로서 형성된다. 충돌면(6)의 이런 프로파일부를 통해, 흑연 재료(GM)가 부딪치는 표면이 증가한다. 또한, 톱니형 내측 표면(70)의 모서리들은, 흑연 재료(GM)의 라운딩을 추가로 지원하는 추가 충돌 요소들(72)을 형성한다. 도 4d에 따라서, 충돌면(6)은 파형 내측 표면(71)을 가진 실린더로서 형성되며, 그럼으로써 흑연 재료(GM)가 부딪치는 표면도 마찬가지로 증가한다. 파형 내측 표면(71)의 경우, 특히 충돌면(6) 상의 예리한 에지들은 생략되며, 그럼으로써 흑연 재료(GM)가 훨씬 더 완만하게 가공됨에 따라 라운딩이 추가로 최적화될 수 있게 된다.
본 발명에 따른 장치(1) 및 본 발명에 따른 방법에 의해, 라운딩된 흑연 입자들(vGT)의 수율은 흑연 재료(GM)의 공급량과 관련하여 종래 기술로부터 공지된 장치들 및 방법들에 비해 훨씬 더 증가한다.
본원 장치 및 본원 방법은 특히 재료의 절첩 및/또는 응집을 허용하는 다층형 재료들을 라운딩하기에 적합하다. 또한, 가공할 재료들은 라운딩 시 파손되지 않도록 하기 위해 소정의 유연성(flexibility)을 가져야 한다.
전술한 접근법들의 실시예들, 실례들 및 변형예들, 청구범위 또는 하기 설명 및 도면들은 이들의 다양한 관점들 또는 각각의 개별 특징들을 포함하여 서로 독립적으로 또는 임의로 조합되어 이용될 수 있다. 일 실시예와 관련하여 기술되는 특징들은, 해당 특징들이 모순되지 않는 한, 모든 실시예에 적용될 수 있다.
도면들과 관련해서 일반적으로 "개략적인" 도해라고 언급되어 있더라도, 이는 결코 도해 및 그 설명이 본 발명의 개시와 관련하여 별로 중요하지 않다는 의미가 아니다. 통상의 기술자는 예컨대, 도시된 본원 장치의 부분들 또는 여타의 도시된 요소들의 부정확할 수 있는 크기 비율들로 인한 이해도의 저하 없이, 개략적으로 그리고 추상적으로 도시된 도면들을 토대로 본 발명의 이해를 용이하게 하는 정보를 충분히 추론할 수 있다. 따라서, 도면들로부터 통상의 기술자는 판독자로서, 본 발명에 따른 방법의 구체적으로 설명된 구현들 및 본 발명에 따른 장치의 구체적으로 설명된 작동 원리를 기반으로, 청구범위 및 본원 명세서의 모든 부분에서 일반적으로 그리고/또는 추상적으로 작성된 발명의 사상을 도출할 수 있다.
본 발명은 바람직한 실시예를 참고로 기술되었다. 그러나 통상의 기술자는, 하기 청구범위의 보호 범위를 벗어나지 않으면서, 본 발명의 변형 및 변경이 가능하다는 점을 예상할 수 있을 것이다.
1: 장치
2: 하우징
3: 공급 유닛
4: 수직 홈통
5, 5*: 라운딩 공구
6, 6-5, 6-19: 충돌면
7: 디스크
8: 제1 구동 샤프트
9: 제1 구동부
10: 분리 유닛
11: 분류기 휠
12: 제2 구동 샤프트
13: 제2 구동부
14: 공급 포트
15: 공기 가이드 링
16: 흡인 배출 포트
17: 부산물 배출구
18, 18-5, 18-19: 커버 링
19: 제2 라운딩 공구
20: 제어 유닛
21: 내측 표면
25: 가이드 부재
26: 가이드 플레이트
27: 꺾임 영역
30: 고정 수단
31: 나사 결합부
40: 공정 챔버
41: 가이드 링
45: 간극
50: 회전축 쪽으로 향하는 측면
51: 충돌면
55, 55-5, 55-19: 회전축의 반대 방향으로 향하는 측면
56: 부분 영역
57: 부분 영역
60: 안내 장치
65: 흡인 배출 유닛
66: 가동형 실린더
66c: 폐쇄 위치에 있는 가동형 실린더
66o: 개방 위치에 있는 가동형 실린더
67: 보조 공기 포트
70: 톱니형 내측 표면
71: 파형 내측 표면
72: 추가 충돌 요소
A: 간격
AP: 흡인 배출 위치
B5: 라운딩 공구들의 폭
d5, d19: 회전축으로부터 간격
d6-1, d6-2: 회전축으로부터 간격
D: 회전축
DR: 회전 방향
EP: 최종 부산물
FM: 미세 물질 및/또는 초미세 물질
GF: 흑연 플레이크
GM: 흑연 재료
gGF: 입자가 큰 흑연 플레이크
kGF: 입자가 작은 흑연 플레이크
L: 공기
L5: 종축
L56: 회전 방향으로 후행하는 부분 영역의 길이
L57: 회전 방향으로 선행하는 부분 영역의 길이
R: 반경
PL: 공정 공기
vGT: 라운딩된 흑연 입자

Claims (14)

  1. 흑연 재료(GM)를 라운딩하기 위한 장치(1)로서,
    장치(1) 쪽으로 흑연 재료(GM)를 공급하기 위한 공급 유닛(3);
    회전 순환하는 방식으로 형성되어, 회전축(D)을 중심으로 회전 방향(DR)으로 회전하는 디스크(7)의 외주연 상에 배치된 복수의 라운딩 공구(5);
    하나 이상의 안내 장치(60);
    미세 물질 및 초미세 물질(FM)을 분리하기 위한 분리 유닛(10); 및
    부산물 배출구(17);를 포함하는, 흑연 재료의 라운딩 장치에 있어서,
    라운딩 공구들(5) 상부에 커버 링(18)이 배치되는, 흑연 재료의 라운딩 장치(1).
  2. 제1항에 있어서, 커버 링(18)은 디스크(7)의 외주연 상에 배치된 모든 라운딩 공구(5)에 걸쳐서 연장되는, 흑연 재료의 라운딩 장치(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 흑연 재료(GM)는, 하나 이상의 라운딩 공구(5)와의 1회 또는 수회의 작용 접촉 후에 와류의 영향을 받고, 이때 흑연 재료(GM)는 하나 이상의 안내 장치(60)를 통해 대체로 수직인 방향으로 편향될 수 있으며, 대체로 와류의 영향 없이 분리 유닛(10)으로 공급될 수 있는, 흑연 재료의 라운딩 장치(1).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 라운딩 공구들(5)은 회전축(D)의 방향으로 향하는 각각 하나의 측면(50)을 포함하며, 상기 측면(50)이 회전축(D)의 방향으로 볼록하게 형성되거나, 반경(R)을 갖거나, 또는 회전축(D)의 방향으로 향하는 측면(50)이 복수의 다각형으로 형성되는, 흑연 재료의 라운딩 장치(1).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 안내 장치는 복수의 가이드 부재(25)와 하나의 가이드 링(15)을 포함하며, 가이드 부재(25)의 개수가 라운딩 공구(5)의 개수보다 더 적은, 흑연 재료의 라운딩 장치(1).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치(1)는 하부로부터 상부로 지향되는 공기 유동의 공기 공급을 위한 하나 이상의 유닛을 포함하고, 공급되는 공기에 의해 흑연 재료(GM)가 수회 라운딩 공구들(5)로 안내될 수 있으며, 이때 공기 공급부는 라운딩된 흑연 재료(GM)로부터 미세 물질 및 초미세 물질(FM)을 분리하도록 형성되는, 흑연 재료의 라운딩 장치(1).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분리 유닛은 분류기 휠(11)을 포함한 공기 분류기이며, 상기 분류기 휠은 라운딩 공구들(5)을 구비한 회전 디스크(7)의 상부에 동축으로 배치되는, 흑연 재료의 라운딩 장치(1).
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 가이드 부재들(25)은, 가이드 링 상에 배치된 가이드 플레이트들로서 형성되고, 상기 가이드 링(15)은 라운딩 공구들(5)을 구비한 회전 디스크(7) 상부에 정적으로 배치되며, 상기 가이드 플레이트들은 일부 영역에서 각각 라운딩 공구들(5)의 상부에서 회전 디스크(7) 및 이 회전 디스크(7)의 접선에 대한 수직 평면 내에 형성되고, 상기 가이드 플레이트들은 수직 평면의 하부 영역에서 회전 방향(DR)의 반대 방향으로 꺾이도록 형성되는, 흑연 재료의 라운딩 장치(1).
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치는 그 밖에도 제어 유닛(20)을 더 포함하며, 상기 제어 유닛(20)에 의해 공급 유닛(3)을 통한 흑연 재료(GM)의 공급이 제어될 수 있는, 흑연 재료의 라운딩 장치(1).
  10. 제5항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치는 그 밖에도 부산물 배출구(17)에 할당된, 부산물 재료용 흡인 배출 유닛(65)을 더 포함하고, 흡인 배출 유닛(65)의 흡인 배출 위치는 내부 가이드 링(15) 상에 직접 형성되며, 흡인 배출 유닛(65)은 내부 가이드 링(15)에 대해 반경 방향으로 연장되는, 흑연 재료의 라운딩 장치(1).
  11. 제10항에 있어서, 흡인 배출 유닛(65)이 가동형 실린더(66)를 포함하거나, 흡인 배출 유닛(65)에 가동형 실린더(66)가 할당되고, 상기 가동형 실린더(66)는 제1 작동 위치에서 부산물 배출구(17)를 폐쇄하는, 흑연 재료의 라운딩 장치(1).
  12. 흑연 재료(GM)를 라운딩하기 위한 방법으로서,
    흑연 재료(GM)는 회전 순환하는 방식으로 형성된 복수의 라운딩 공구(5) 중에서 하나 이상의 라운딩 공구(5)와 작용 접촉하고;
    라운딩 공구들(5)의 상부에는 커버 링(18)이 배치되며,
    커버 링(18)은 흑연 재료(GM)를 안내하는 공정 공기 유동을 위한 가동 챔버를 한정하고, 흑연 재료(GM)와 하나 이상의 라운딩 공구(5) 간의 접촉 횟수를 증가시키는, 흑연 재료의 라운딩 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 방법은 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 장치(1)에서 수행되며, 이때 라운딩된 흑연 재료(GM)가 와류의 영향 없이 상기 장치(1)의 분리 유닛(10) 쪽으로 안내되는, 흑연 재료의 라운딩 방법.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서, 장치(1)의 제어 유닛(20)은 스위치-오프 값에 대한 정보를 보유하며, 정의된 스위치-오프 값에 도달하면 추가 흑연 재료(GM)의 공급이 종료되고, 특히 상기 스위치-오프 값은 구동부의 전력 소비량의 값을 토대로 계산되는, 흑연 재료의 라운딩 방법.
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