KR20220060341A - 로터리 킬른 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 로터리 킬른은 수평 방향으로 회전하면서 투입되는 분말 원료를 혼합하는 원통형 회전튜브를 구비한 소성장치; 및 상기 회전튜브의 외측을 가열함에 따라 상기 회전튜브에 투입된 분말 원료를 가열하는 외부 가열장치; 및 상기 회전튜브에 투입된 분말 원료를 교반함과 동시에 가열하는 내부 가열장치를 포함하며, 상기 내부 가열장치는, 마이크로웨이브를 발생시키는 마이크로웨이브 발생부, 상기 마이크로웨이브 발생부로부터 발생한 마이크로웨이브를 상기 회전튜브 내부로 안내하는 가이드부, 및 상기 회전튜브의 내주면에 결합되고, 상기 회전튜브에 투입된 분말 원료를 교반함과 동시에 상기 마이크로웨이브를 흡수하면 발열하면서 상기 분말 원료를 가열하는 교반 발열부를 포함한다.
Description
본 발명은 수평 방향으로 회전하는 원통형 회전튜브를 통해 분말 원료를 가열하는 로터리 킬른에 관한 것이다.
일반적으로 이차전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지를 말하며, 이러한 이차전지는 폰, 노트북 컴퓨터 및 캠코더 등의 첨단 전자 기기 분야에서 널리 사용되고 있다.
특히 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 이러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 전압을 가지며, 사이클 수명이 길고, 자기방전율이 낮은 리튬 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다.
한편, 상기 리튬 이차전지는 양극활물질로 리튬 전이금속 산화물이 이용되고 있다. 즉, 양극활물질로는 작용전압이 높고 용량 특성이 우수한 리튬 코발트 산화물, 약 200 mAh/g의 높은 가역용량을 가지고 대용량의 전지 구현이 용이한 리튬 니켈 산화물, 니켈의 일부를 코발트로 치환한 리튬니켈코발트산화물, 니켈의 일부를 망간, 코발트 또는 알루미늄으로 치환한 리튬니켈코발트금속 산화물, 열적 안정성이 우수하고 저렴한 리튬 망간계 산화물, 안정성이 우수한 리튬철인산화물 등이 이용되고 있다.
상기한 양극 활물질은 양극 활물질 제조용 전구체와 리튬 원료물질을 혼합한 후, 가열 장치에 투입하여 고온에서 소성하는 방법을 통해 제조된다.
이때, 상기 가열장치로는 로터리 킬른이 적용될 수 있다. 상기 로터리 킬른은 양극 활물질 제조용 전구체와 리튬 원료 물질(이하, 분말 원료라 함)을 수용하고, 수평방향으로 회전시켜서 혼합하는 회전튜브, 회전튜브의 외측에 구비되고 회전튜브에 열을 부가하여 상기 분말 원료를 가열하여 반응시키는 발열체를 포함한다.
그러나 종래의 로터리 킬른은 회전튜브의 외부를 가열하는 외부 가열식(or 간접 가열식)이기 때문에 상기 분말 원료를 반응시키기 위한 가열온도까지 상승시키는데 많은 시간이 소요되며(즉, 승온 속도를 향상시키는데 한계가 있음), 이에 따라 상기 회전튜브의 길이가 크게 증대되어야 하는 문제점이 있었다. 특히 회전튜브의 중심부와 내벽부 간의 온도 편차가 크게 발생하기 때문에 회전튜브에 투입되는 분말 원료의 투입량을 크게 증대할 수도 없는 문제점이 있었다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 회전튜브의 외부를 가열하는 외부 가열장치와, 회전튜브의 내부를 가열하는 내부 가열장치를 포함함으로써 분말 원료를 반응시키기 위한 가열온도까지 상승시키는데 소요되는 시간을 크게 단축시킬 수 있고, 이에 따라 회전튜브의 길이를 크게 줄일 수 있다(즉, 승온 속도를 보다 빠르게 할 수 있어 회전튜브의 길이를 줄일 수 있음). 특히 회전튜브의 중심부와 내벽부 사이의 온도 편차를 균일화할 수 있고, 이에 따라 회전튜브에 투입되는 분말 원료의 투입량을 크게 증대시킬 수 있으며, 그 결과 분말 원료의 생산성을 향상시킬 수 있는 로터리 킬른을 제공하는 것이다.
본 발명의 로터리 킬른은 수평 방향으로 회전하면서 투입되는 분말 원료를 혼합하는 원통형 회전튜브를 구비한 소성장치; 및 상기 회전튜브의 외측을 가열함에 따라 상기 회전튜브에 투입된 분말 원료를 가열하는 외부 가열장치; 및 상기 회전튜브에 투입된 분말 원료를 교반함과 동시에 가열하는 내부 가열장치를 포함하며, 상기 내부 가열장치는, 마이크로웨이브를 발생시키는 마이크로웨이브 발생부, 상기 마이크로웨이브 발생부로부터 발생한 마이크로웨이브를 상기 회전튜브 내부로 안내하는 가이드부, 및 상기 회전튜브의 내주면에 결합되고, 상기 회전튜브에 투입된 분말 원료를 교반함과 동시에 상기 마이크로웨이브를 흡수하면 발열하면서 상기 분말 원료를 가열하는 교반 발열부를 포함할 수 있다.
상기 교반 발열부는, 상기 회전튜브의 내주면에 상기 회전튜브의 길이방향으로 배치되는 결합봉과, 상기 결합봉에 끼워져 결합되고, 상기 회전튜브에 투입된 분말 원료를 교반함과 동시에 상기 마이크로웨이브를 흡수하면 발열하면서 상기 분말 원료를 가열하는 하나 이상의 교반 발열체, 및 상기 결합봉의 양쪽 단부를 상기 회전튜브의 내주면에 각각 결합하는 결합편을 포함할 수 있다.
상기 교반 발열체는, 상기 결합봉이 관통하도록 튜브 형태를 가질 수 있다.
상기 결합편은, 상기 결합봉을 상기 회전튜브의 내주면으로부터 설정거리 이격된 상태로 고정할 수 있다.
상기 교반 발열체가 2개 이상이면, 교반 발열체와 교반 발열체 사이의 상기 결합봉에는 마이크로웨이브에 의해 발열하지 않는 보조튜브가 끼워져 결합될 수 있다.
상기 회전튜브는, 내주면 양쪽 단부에 결합홈이 형성되고, 상기 결합편은, 상기 결합홈에 끼워져 결합될 수 있다.
상기 회전튜브는, 외측 튜브와, 상기 외측 튜브 내부에 구비되고 상기 내부 가열장치가 결합되는 내측 튜브를 포함하며, 상기 외측 튜브와 상기 내측 튜브는 동일한 소재로 형성될 수 있다.
상기 소성장치는, 상기 회전튜브의 일단이 자유 회전 가능하게 삽입되고, 상기 회전튜브에 분말 원료를 투입하는 원료 투입부가 구비된 원료 투입부재; 및 상기 회전튜브의 타단이 자유 회전 가능하게 삽입되고, 상기 회전튜브로부터 배출되는 분말 원료를 배출하는 원료 배출부가 구비된 원료 배출부재를 더 포함할 수 있다.
상기 가이드부는, 일단은 상기 마이크로웨이브 발생부와 연결되고 타단은 상기 원료 투입부재에 삽입되는 수직튜브와, 상기 수직튜브의 타단으로부터 상기 회전튜브 내부를 향해 연장되는 수평튜브를 포함하며, 상기 수평튜브에는, 상기 마이크로웨이브 발생부로부터 발생한 마이크로웨이브를 상기 회전튜브의 내부로 발산하는 복수개의 가이드홀이 형성될 수 있다.
상기 소성장치는, 일단이 원료 투입부재에 고정되고 타단이 상기 회전튜브의 일단 외주면에 지지되면서 상기 원료 투입부재와 상기 회전튜브 일단 사이를 보호하는 투입 보호부재와; 일단이 원료 배출부재에 고정되고 타단이 상기 회전튜브의 타단 외주면에 지지되면서 상기 원료 배출부재와 상기 회전튜브의 타단 사이를 보호하는 배출 보호부재를 더 포함할 수 있다.
상기 투입 보호부재 또는 상기 배출 보호부재는, 상기 회전튜브의 길이방향으로 탄성 복원력을 가진 주름관을 포함할 수 있다.
상기 소성장치는, 상기 회전튜브의 외주면을 감싸는 형태로 결합되는 구동기어와, 상기 구동기어와 치합되고 상기 구동기어를 통해 상기 회전튜브를 수평방향으로 회전시키는 구동모터를 구비한 회전부재를 더 포함할 수 있다.
상기 교반 발열체는, 실리콘 카바이드(SiC) 또는 흑연(graphite)으로 마련될 수 있다.
상기 외부 가열장치는, 상기 회전튜브의 외주면을 감싸는 가열본체와, 상기 회전튜브와 대응하는 가열본체에 구비되면서 상기 회전튜브를 가열하는 가열 매체를 포함할 수 있다.
상기 교반 발열부는 상기 회전튜브의 내주면에 둘레를 따라 적어도 2개 이상 결합될 수 있다.
본 발명의 로터리 킬른은 소성장치, 외부 가열장치 및 내부 가열장치를 포함함으로써 분말 원료를 반응시키기 위한 가열온도까지 상승시키는데 소요되는 시간을 크게 단축시킬 수 있고, 이에 따라 소성장치의 길이를 크게 줄일 수 있다(즉, 승온 속도를 보다 빠르게 할 수 있어 소성장치의 길이를 줄일 수 있음), 특히 소성장치의 내부의 온도 편차를 균일화할 수 있으며, 이에 따라 소성장치에 투입되는 분말 원료의 투입량을 크게 증대시킬 수 있고, 그 결과 분말 원료의 생산성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 로터리 킬른을 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 정단면도이다.
도 3은 도 1의 평단면도이다.
도 4는 도 1의 측단면도이다.
도 5는 도 1에 표시한 'A'부분 확대도이다.
도 6은 도 1에 표시한 'B'부분 확대도이다.
도 7은 도 1에 표시한 'C'부분 확대도이다.
도 8은 도 1에 도시한 회전튜브의 확대도이다.
도 9는 도 1에 도시된 투입 보호부재의 확대도이다.
도 10은 도 1에 도시된 배출 보호부재의 확대도이다.
도 11은 도 1에 도시된 교반 발열부를 도시한 사시도이다.
도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 로터리 킬른의 부분 확대 사시도이다.
도 13은 본 발명의 제3 실시예에 따른 로터리 킬른의 단면도이다.
도 2는 도 1의 정단면도이다.
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도 4는 도 1의 측단면도이다.
도 5는 도 1에 표시한 'A'부분 확대도이다.
도 6은 도 1에 표시한 'B'부분 확대도이다.
도 7은 도 1에 표시한 'C'부분 확대도이다.
도 8은 도 1에 도시한 회전튜브의 확대도이다.
도 9는 도 1에 도시된 투입 보호부재의 확대도이다.
도 10은 도 1에 도시된 배출 보호부재의 확대도이다.
도 11은 도 1에 도시된 교반 발열부를 도시한 사시도이다.
도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 로터리 킬른의 부분 확대 사시도이다.
도 13은 본 발명의 제3 실시예에 따른 로터리 킬른의 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
[본 발명의 제1 실시예에 따른 로터리 킬른]
본 발명의 제1 실시예에 따른 로터리 킬른은 외부 가열장치(전기히터 및 버너)와 내부 가열장치(마이크로웨이브)를 포함하는 복합 가열방식을 적용하는 것에 특징을 가지며, 이와 같은 특징으로 인해 분말 원료의 가열시간을 크게 단축시킬 수 있고, 이에 따라 승온 속도를 보다 빠르게 할 수 있어 설비 길이를 크게 줄일 수 있으며, 특히 분말 원료를 교반함과 동시에 직접가열하기 때문에 동일한 설비 크기에서 생산량을 크게 증대시킬 수 있다.
일례로, 본 발명의 제1 실시예에 따른 로터리 킬른은 도 1 내지 도 11에 도시되어 있는 것과 같이, 수평 방향으로 회전하면서 투입되는 분말 원료(1)를 혼합하는 회전튜브를 구비한 소성장치(100), 상기 회전튜브의 외측을 가열함에 따라 상기 회전튜브에 투입된 분말 원료(1)를 간접 가열하는 외부 가열장치(200), 및 상기 회전튜브에 투입된 분말 원료를 교반함과 동시에 직접 가열하는 내부 가열장치(300)를 포함한다.
소성장치
소성장치(100)는 분말 원료를 수평방향으로 회전시키기 위한 것으로, 본체(100a), 회전튜브(110), 원료 투입부재(120), 원료 배출부재(130), 투입 보호부재(140), 및 배출 보호부재(150)를 포함한다.
회전튜브(110)는 원통 형태를 가지고, 도 2에서 보았을 때 좌우방향으로 길게 형성되며, 상기 본체(100a)의 상면에 수평 방향으로 회전 가능하게 설치되면서 투입되는 분말 원료(1)를 혼합한다.
여기서 회전튜브(110)는 상기 본체(100a)의 상면에 회전수단에 의해 수평방향으로 회전 가능하게 설치된다. 즉, 회전수단은 상기 회전튜브(110)의 외주면을 감싸는 형태로 구비되는 회전기어(110a)와, 상기 회전기어(110a)의 저면 양쪽에 각각 치합되면서 상기 회전기어를 지지하고 상기 회전기어(110a)에 의해 회전하는 지지기어가 구비된 지지부(110b)를 포함한다. 이와 같은 구성을 가진 회전수단은 회전튜브(110)가 회전하면, 회전튜브(110)와 연동하여 회전기어(110a)가 회전하고, 회전기어(110a)에 의해 지지기어가 회전한다. 이때 지지기어는 회전기어(110a)의 저부 양쪽을 지지하기 때문에 회전튜브(110)를 안정적으로 수평방향으로 회전시킬 수 있다.
여기서 상기 회전수단은 회전튜브(110)의 일단과 본체 사이, 회전튜브(110)의 타단과 본체 사이에 구비되며, 이에 따라 회전튜브(110)의 일단과 타단을 안정적으로 지지할 수 있다.
한편, 회전튜브는 열전도성이 우수한 금속소재로 형성될 수 있다.
상기 원료 투입부재(120)는 상기 회전튜브(110)의 일단(도 2에서 보았을 때 회전튜브의 좌측단)이 자유 회전 가능하게 삽입되고, 상기 회전튜브(110)에 분말 원료(1)를 투입하는 원료 투입부(121)가 구비된다. 즉, 상기 원료 투입부재(120)는 원료 투입부(121)를 통해 분말 원료(1)를 상기 회전 튜브(110)의 일단에 투입한다.
여기서 상기 원료 투입부(121)는 상기 본체(100a)의 상면에 상기 원료 투입부재(120)로부터 멀어지는 방향 또는 가까운 방향으로 이동 가능하게 설치된다. 이에 따라 원료 투입부(121)에서 원료가 토출되는 토출구를 상기 원료 투입부재(120)를 통해 상기 회전튜브(110) 내부에 위치시킬 수도 있고, 원료 투입부(121)의 토출구를 원료 투입부재(120)의 밖으로 인출되게 위치시킬 수도 있다. 그 결과 원료 투입부(121)를 보다 용이하게 유지보수를 진행할 수 있다. 즉, 원료 투입부(121)는 분말 원료(1)이 저장되는 저장부(121a)와, 상기 저장부(121a)를 본체(100a)에 구비된 레일을 따라 이동 가능하게 설치하는 바퀴(121b)와, 상기 저장부(121a)에서 상기 원료 투입부재(120) 및 회전튜브(110)까지 연결하는 연결튜브(121c) 및 연결튜브(121c) 내부에 구비되고 회전하면서 저장부(121a)에 저장된 분말 원료(1)를 이동시켜서 상기 회전튜브(110)에 투입하는 공급 스크류(121d)를 포함한다.
한편, 상기 원료 투입부재(120)는 회전튜브(110) 내부에 가스를 주입하여 분말 원료(1)와 반응시키는 가스 투입부(122)를 더 포함하며, 상기 가스 투입부(122)는 원료 투입부재(120)를 통해 회전튜브(110)의 일단 내부와 연결되는 구조를 가진다.
한편, 원료 투입부재(120)와 상기 회전튜브(110)의 일단 사이는 설정 간격 이격된 상태를 유지하며, 이에 따라 회전튜브(110)의 열원이 상기 원료 투입부재(120)에 직접 전도되는 것을 방지할 수 있고, 그에 따라 원료 투입부재가 훼손되거나 변형되는 것을 방지할 수 있다. 특히 원료 투입부재(120)와 상기 회전튜브(110)의 일단 사이에는 내열성을 가진 내열부재가 구비될 수 있으며, 이에 따라 회전튜브(110)의 열원에 의해 상기 원료 투입부재(120)가 변형되는 것을 크게 방지할 수 있다.
상기와 같은 구성을 가진 상기 원료 투입부재(120)는 회전튜브의 내부에 분말 원료 및 가스를 안정적으로 투입할 수 있다.
원료 배출부재(130)는 상기 회전튜브(110)의 타단(도 2에서 보았을 때 회전튜브의 우측단)이 자유 회전 가능하게 삽입되고, 상기 회전튜브(110)로부터 배출되는 분말 원료(1)를 배출하는 원료 배출부(131)가 구비된다. 즉 원료 배출부재(130)는 회전튜브(110)로부터 배출된 분말 원료(1)를 원료 배출부(131)를 통해 설정된 장소로 이동시켜서 저장한다.
여기서 상기 원료 배출부재(130)는 상기 회전튜브(110)의 타단이 삽입되게 위치시키거나 상기 회전튜브(110)의 타단으로부터 분리되게 이동시킬 수 있다. 이에 따라 상기 회전튜브(110)의 타단과 상기 원료 배출부재를 보다 용이하게 유지보수를 진행할 수 있다.
한편, 원료 배출부재(130)는 회전 튜브(110) 내부의 가스를 배출하는 가스 배출부(132)를 더 포함하며, 상기 가스 배출부(132)는 원료 배출부재(130)를 통해 회전튜브(110)의 타단 내부와 연결되는 구조를 가진다.
한편, 원료 배출부재(130)와 상기 회전튜브(110)의 타단 사이는 설정 간격 이격된 상태를 유지하며, 이에 따라 회전튜브(110)의 열원이 상기 원료 배출부재(130)에 직접 전도되는 것을 방지할 수 있고, 이에 따라 원료 배출부재(130)가 훼손되거나 또는 변형되는 것을 방지할 수 있다. 특히 원료 배출부재(130)와 회전튜브(110)의 타단 사이에는 내열성을 가진 내열부재가 구비될 수 있으며, 이에 따라 회전튜브(110)의 열원에 의해 원료 배출부재(130)가 변형되는 것을 크게 방지할 수 있다.
투입 보호부재(140)는 원료 투입부재와 회전튜브 사이를 보호하기 위한 것으로, 일단이 원료 투입부재(120)에 고정되고 타단이 상기 회전튜브(110)의 일단 외주면을 감싸는 형태로 지지된다. 이에 따라 상기 원료 투입부재(120)와 상기 회전튜브(110) 일단 사이를 마감 또는 밀폐할 수 있고, 그 결과 상기 원료 투입부재(120)와 상기 회전튜브(110) 일단 사이를 외부로부터 보호할 수 있다. 또한, 회전튜브 내부에서 발생한 이물질이 원료 투입부재(120)와 상기 회전튜브(110) 일단 사이를 통해 외부로 배출되는 것을 방지할 수 있다.
일례로, 투입 보호부재(140)는 원료 투입부재(120)에 고정되는 고정편(141), 상기 회전튜브(110)의 일단 외주면을 감싸는 형태로 지지되는 지지편(142), 상기 고정편(141)과 상기 지지편(142) 사이를 연결하는 연결편(143), 및 마이크로웨이브 리크(microwave leak) 방지용 초크 구조물(144)을 포함한다.
여기서 상기 연결편(143)은 상기 회전튜브(110)의 길이방향으로 탄성 복원력을 가진 주름관으로 형성되며, 이에 따라 연결편(143)의 변형 발생을 방지할 수 있다.
한편, 상기 지지편(142)은 회전튜브(110)의 열원에 의해 변형되지 않도록 내열성 소재로 형성될 수 있다.
이와 같은 구성을 가진 투입 보호부재(140)는 원료 투입부재와 회전튜브 사이를 안정적으로 보호할 수 있다.
배출 보호부재(150)는 원료 배출부재와 회전튜브 사이를 보호하기 위한 것으로, 일단이 원료 배출부재(130)에 고정되고 타단이 상기 회전튜브(110)의 타단 외주면을 감싸는 형태로 지지된다. 이에 따라 상기 원료 배출부재(130)와 상기 회전튜브(110) 타단 사이를 마감 또는 밀폐할 수 있고, 그 결과 상기 원료 배출부재(130)와 상기 회전튜브(110) 타단 사이를 외부로부터 보호할 수 있다. 또한, 회전튜브 내부에서 발생한 이물질이 원료 배출부재(130)와 상기 회전튜브(110) 타단 사이를 통해 외부로 배출되는 것을 방지할 수 있다.
일례로, 배출 보호부재(150)는 원료 배출부재(130)에 고정되는 고정편(151), 상기 회전튜브(110)의 타단 외주면을 감싸는 형태로 지지되는 지지편(152), 상기 고정편(151)과 상기 지지편(152) 사이를 연결하는 연결편(153), 및 마이크로웨이브 리크(microwave leak) 방지용 초크 구조물(154)을 포함한다.
여기서 상기 연결편(153)은 상기 회전튜브(110)의 길이방향으로 탄성 복원력을 가진 주름관으로 형성되며, 이에 따라 연결편(153)의 변형 발생을 방지할 수 있다.
한편, 상기 지지편(152)은 회전튜브(110)의 열원에 의해 변형되지 않도록 내열성 소재로 형성될 수 있다.
이와 같은 구성을 가진 배출 보호부재(150)는 원료 배출부재와 회전튜브 사이를 안정적으로 보호할 수 있다.
한편, 소성장치(100)는 회전튜브를 수평방향으로 회전시키는 회전부재(160)를 더 포함한다. 상기 회전부재(160)는 상기 회전튜브(110)의 외주면을 감싸는 형태로 결합되는 구동기어(161)와, 상기 구동기어(161)와 치합되고 상기 구동기어(161)를 통해 상기 회전튜브(110)를 수평방향으로 회전시키는 구동모터(162)를 포함한다. 여기서 구동기어(161)와 구동모터(162)는 체인 또는 벨트를 통해 동력 전달 가능하게 연결될 수 있다.
따라서 소성장치(100)는 수평 방향으로 회전하면서 투입되는 분말 원료를 안정적으로 혼합할 수 있다.
외부 가열장치
외부 가열장치(200)는 상기 회전튜브(110)의 외측을 가열함에 따라 상기 회전튜브(110)에 투입된 분말 원료를 가열하기 위한 것으로, 상기 회전튜브(110)의 외측면을 감싸는 형태로 구비되고 외측면 일측이 상기 본체(100a) 상면에 고정되는 가열본체(210)와, 상기 회전튜브(110)와 대응하는 가열본체(210)에 구비되면서 상기 회전튜브(110)를 가열하는 가열 매체(220)를 포함한다.
여기서 가열 매체는 전기 발열체, SIC, Mo-Si, gas burner 중 어느 하나일 수 있다.
한편, 상기 가열본체(210)의 외측면은 가열 매체(220)의 열원이 밖으로 배출되지 않도록 내열성 재질로 구비된다.
이와 같은 구성을 가진 외부 가열장치(200)는 가열 매체(220)가 가열되면, 가열 매체(220)에 의해 회전튜브(110)를 가열할 수 있고, 가열된 회전튜브(110)를 통해 분말 원료(1)를 가열할 수 있다.
내부 가열장치
내부 가열장치(300)는 상기 회전튜브에 투입된 분말 원료를 교반함과 동시에 가열하기 위한 것으로, 마이크로웨이브를 발생시키는 마이크로웨이브 발생부(310), 상기 마이크로웨이브 발생부(310)로부터 발생한 마이크로웨이브를 상기 회전튜브(110) 내부로 안내하는 가이드부(320), 및 상기 회전튜브(110)의 내주면에 투입된 분말 원료를 교반함과 동시에 가열하는 교반 발열부(330)를 포함한다.
마이크로웨이브 발생부(310)는 마이크로웨이브를 발생시키기 위한 것이다. 한편, 마이크로웨이브(microwave)는 극초단파라고도 하며, 일반적으로 주파수가 300*만 메가사이클, 파장 1m 이하의 전파를 말한다. 보다 상세하게는 마이크로웨이브 발생부(310)는 약 300 MHz ~ 약 300 GHz 의 주파수 범위의 마이크로웨이브를 방출한다.
상기 가이드부(320)는 일단이 상기 마이크로웨이브 발생부(310)와 연결되고 타단은 상기 원료 투입부재(120)에 삽입되는 수직튜브(321)와, 상기 수직튜브(321)의 타단으로부터 상기 회전튜브(110) 내부를 향해 연장되는 수평튜브(322)를 포함한다. 이에 따라 가이드부(320)는 상기 마이크로웨이브 발생부(310)의 마이크로웨이브를 상기 회전튜브(110) 내부에 안정적으로 안내할 수 있다.
특히 원료 투입부재와 회전튜브 사이는 투입 보호부재에 의해 밀폐되어 있고, 원료 배출부재와 회전튜브 사이는 배출 보호부재에 의해 밀폐되어 있어 회전튜브 내부에 안내된 마이크로웨이브의 외부 누출을 방지할 수 있다.
한편, 상기 수평튜브(322)에는, 복수개의 가이드홀(322a)이 형성되며, 복수개의 가이드홀(322a)을 통해 상기 마이크로웨이브 발생부(310)로부터 발생한 마이크로웨이브를 상기 회전튜브(110)의 내부로 분산되도록 발산할 수 있다.
상기 교반 발열부(330)는 파이크로웨이브에 의해 열을 발생시키는 것으로, 상기 회전튜브(110)의 내주면에 상기 회전튜브(110)의 길이방향으로 배치되는 결합봉(331)과, 상기 결합봉(331)에 끼워져 결합되고, 상기 회전튜브(110)에 투입된 분말 원료(1)를 교반함과 동시에 상기 마이크로웨이브를 흡수하면 발열하면서 상기 분말 원료(1)를 가열하는 하나 이상의 교반 발열체(332), 및 상기 결합봉(331)의 양쪽 단부를 상기 회전튜브(110)의 내주면에 각각 결합하는 결합편(333)을 포함한다.
상기 교반 발열체(332)는 마이크로웨이브를 흡수하면 발열하는 소재로 마련된다. 일례로, 상기 교반 발열체(332)는 실리콘 카바이드(SiC) 또는 흑연(graphite)으로 형성되고, 바람직하게는 실리콘 카바이드(SiC)로 형성된다.
한편, 마이크로웨이브는 실리콘 카바이드(SiC)를 대략 1800℃까지 상승시킬 수 있다.
상기 결합편(333)은 일단이 상기 회전튜브(110)의 내주면에 용접을 통해 결합되고, 타단에 형성된 관통홀에 결합봉(331)의 단부가 끼워져 결합되면서 결합봉을 회전튜브(110)의 내부면에 고정한다.
여기서 상기 결합봉(331)과 상기 결합편(333)은 마이크로웨이브에 의해 반응하지 않고, 열에 강한 내열성 소재로 마련된다.
특히 결합편(333)은 상기 결합봉(331)을 상기 회전튜브(110)의 내주면으로부터 설정거리 이격된 상태로 고정하며, 이에 따라 결합봉(331)에 결합되는 교반 발열체(332)를 회전튜브(110)의 내주면으로부터 이격시킬 수 있고, 그 결과 교반 발열체(332)의 발열성을 높일 수 있으며, 그 결과 분말 원료(1)의 가열성을 높일 수 있다. 한편, 회전튜브(110)의 내주면과 교반 발열체(332)의 이격된 설정거리는 5~10mm로 형성된다.
한편, 상기 결합봉(331)은 원형의 형태로 형성될 수 있고, 상기 교반 발열체(332)는 원형의 결합봉(331)에 결합되도록 튜브 형태 또는 원통 형태로 형성될 수 있다. 즉, 교반 발열체(332)는 튜브 형태 또는 원통 형태로 형성함으로써 회전튜브(110)에 투입된 분말 원료(1)를 교반하되, 도 2에서 보았을 때 분말 원료의 상하방향 낙차를 최소화할 수 있다.
한편, 상기 교반 발열부(330)는 결합봉(331)에 결합된 교반 발열체(332)가 2개 이상이면, 2개 이상의 교반 발열체(332)를 이격시키기 위한 보조튜브(334)를 더 포함한다. 여기서 상기 보조튜브(334)는 마이크로웨이브에 의해 반응하지 않고, 열에 강한 내열성 소재로 마련된다. 즉, 상기 교반 발열부(330)는 결합봉(331)에 교반 발열체(332)와 보조튜브(334)를 교대로 배열하거나, 2개의 교반 발열체(332)와 1개의 보조튜브(334)를 교대로 배열할 수 있다. 물론, 보조 튜브(334)의 길이를 달리하여 결합봉(310)에 배치된 3개 이상의 교반 발열체(332)의 간격을 달리할 수도 있다.
한편, 상기 교반 발열부(330)는 상기 회전튜브(110)의 내주면에 둘레를 따라 적어도 2개 이상, 바람직하게는 4개가 결합되며, 이에 따라 회전튜브(110)에 투입되는 분말 원료(1)를 효과적으로 교반하고 가열할 수 있다.
이와 같은 구성을 가진 상기 교반 발열부(330)의 조립방법은, 결합봉(331)에 교반 발열체(332)와 보조 튜브(334)가 교대로 배치되게 결합한 다음, 결합봉(331)의 양쪽 단부에 결합편(333)을 끼워서 결합한다. 다음으로 결합편(333)을 회전튜브(110) 내주면에 배치한 다음, 용접을 통해 결합한다.
이와 같이 조립된 교반 발열부의 작용방법은, 회전튜브(110)가 수평방향으로 회전하면, 회전튜브(110)와 연동하여 교반 발열부가 회전한다. 이때 교반 발열부(330)의 교반 발열체(332)는 회전튜브(110) 내부에 안내된 마이크로웨이브에 의해 발열하면서 회전튜브(110) 내부 전체 온도를 설정온도까지 신속하게 승온시킬 수 있고, 회전튜브 내부 전체 온도를 균일하게 상승시킬 수 있다. 그에 따라 회전 튜브(110)에 투입된 분말 원료(1)를 신속하게 가열할 수 있다. 특히 교반 발열체(332)는 회전튜브(110)의 내주면 하단에 위치하면 분말 원료(1)와 직접 접촉하면서 분말 원료(1)를 직접 가열할 수 있고, 이와 동시에 분말 원료(1)를 회전 튜브(110)의 회전 방향으로 이동시켜서 교반할 수 있다.
한편, 본 발명에서는 원형의 교반 발열체를 하나의 실시예로 설명하였으나, 타원형, 삼각형, 사각형, 직사각형 중 어느 하나의 형태로 형성할 수도 있다.
따라서 본 발명의 제1 실시예에 따른 로터리 킬른은 외부 가열장치와 내부 가열장치를 포함함으로써 분말 원료의 가열시간을 크게 단축시킬 수 있고, 이에 따라 승온 속도를 보다 빠르게 할 수 있어 설비 길이를 크게 줄일 수 있으며, 특히 분말 원료를 교반함과 동시에 직접가열하기 때문에 동일한 설비 크기에서 생산량을 크게 증대시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 제1 실시예에 따른 로터리 킬른의 작동방법을 설명한다.
[본 발명의 제1 실시예에 따른 로터리 킬른의 작동방법]
먼저, 회전부재(160)를 통해 회전튜브(110)를 수평방향으로 회전시킨다. 그리고 외부 가열장치(200)를 통해 회전튜브(110)의 외측을 가열하여 회전튜브(110)의 내부 온도를 상승시킨다.
그리고 내부 가열장치(300)를 통해 회전튜브(110)의 내부를 가열하여 회전튜브(110)의 내부 온도를 신속하게 설정온도까지 상승시키며, 이때 회전튜브(110) 내부 온도는 상승함과 동시에 전체가 균일한 온도를 가지게 된다.
즉, 내부 가열장치(300)는 마이크로웨이브 발생부(310)에 의해 마이크로웨이브가 발생하면, 마이크로웨이브 발생부(310)에 의해 발생한 마이크로웨이브는 가이드부(320)를 통해 회전튜브(110) 내부로 안내되고, 회전튜브(110)와 연동하여 회전하는 교반 발열부가 회전튜브(110)에 안내된 마이크로웨이브를 흡수하면 발열하면서 회전튜브 내부 온도를 상승시킨다.
이와 같은 상태에서 원료 투입부재(120)의 원료 투입부(121)를 통해 회전튜브(110)의 일단에 분말 원료(1)를 투입하면, 분말 원료(1)는 회전튜브(110)의 일단에서 타단방향으로 이동함과 동시에 혼합되고, 외부 및 내부 가열장치(200)(300)에 의해 가열된다. 이때 분말 원료(1)는 내부 가열장치(300)의 교반 발열부(330)에 의해 교반되고 직접 가열되며, 이에 따라 교반성과 가열성을 높일 수 있다.
여기서 상기 회전튜브(110) 내부에는 가스 투입부(122)를 통해 가스가 투입되면서 분말 원료(1)와 반응하고, 회전튜브(110)로부터 배출되는 가스는 가스 배출부(132)를 통해 회수된다.
이후, 가열이 완료된 분말 원료(1)가 상기 회전튜브(110)의 타단을 통해 배출되면, 분말 원료는 원료 배출부재(130)의 원료 배출부(131)를 통해 설정 장소에 저장된다.
이하, 본 발명의 다른 실시예를 설명함에 있어 전술한 실시예와 동일한 기능을 가지는 구성에 대해서는 동일한 구성부호를 사용하며, 중복되는 설명은 생략한다.
[본 발명의 제2 실시예에 따른 로터리 킬른]
본 발명의 제2 실시예에 따른 로터리 킬른은 도 12에 도시되어 있는 것과 같이, 회전튜브(110)의 내주면 양쪽 단부에 결합홈(112a)이 형성되고, 결합편(333)이 상기 결합홈(112a)에 끼워져 결합된다.
따라서 본 발명의 제2 실시예에 따른 로터리 킬른은 용접작업 없이도 결합편(333)을 상기 회전튜브(110)의 내주면에 결합시킬 수 있고, 그 결과 작업성을 높일 수 있다. 특히 회전튜브 내부에 설치되는 교반 발열부의 설치위치를 간편하게 확인할 수 있다.
[본 발명의 제3 실시예에 따른 로터리 킬른]
본 발명의 제3 실시예에 따른 로터리 킬른은 도 13에 도시되어 있는 것과 같이, 회전튜브(110)를 포함하되, 회전튜브(110)는 이중 구조를 가진다. 즉, 회전튜브(110)는 외측 튜브(111)와, 상기 외측 튜브(111) 내부에 구비되고 상기 내부 가열장치(300)가 결합되는 내측 튜브(112)를 포함한다.
상기 외측 튜브(111)와 상기 내측 튜브(112)는 동일한 소재로 형성되고, 상기 내측튜브(112)는 상기 외측 튜브(111)의 내부에 복수개가 길이방향으로 연결되게 배치될 수 있다.
따라서 본 발명의 제3 실시예에 따른 로터리 킬른은 교반 발열부 교환 또는 수리시 외측튜브(111)로부터 내측 튜브(112)만 분리시키면 되기 때문에 로터리 킬른 전체를 분해해야 하는 문제점을 해소할 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 다양한 실시 형태가 가능하다.
1: 분말 원료
100: 소성장치
110: 회전튜브
111: 외측튜브
112: 내측튜브
112a: 결합홈
120: 원료 투입부재
121: 원료 투입부
122: 가스 투입부
130: 원료 배출부재
131: 원료 배출부
132: 가스 배출부
140: 투입 보호부재
150: 배출 보호부재
160: 회전부재
161: 구동기어
162: 구동모터
200: 외부 가열장치
210: 가열본체
220: 가열 매체
300: 내부 가열장치
310: 마이크로웨이브 발생부,
320: 가이드부
330: 교반 발열부
331: 결합봉,
332: 교반 발열체
333: 결합편
334: 보조튜브
100: 소성장치
110: 회전튜브
111: 외측튜브
112: 내측튜브
112a: 결합홈
120: 원료 투입부재
121: 원료 투입부
122: 가스 투입부
130: 원료 배출부재
131: 원료 배출부
132: 가스 배출부
140: 투입 보호부재
150: 배출 보호부재
160: 회전부재
161: 구동기어
162: 구동모터
200: 외부 가열장치
210: 가열본체
220: 가열 매체
300: 내부 가열장치
310: 마이크로웨이브 발생부,
320: 가이드부
330: 교반 발열부
331: 결합봉,
332: 교반 발열체
333: 결합편
334: 보조튜브
Claims (15)
- 수평 방향으로 회전하면서 투입되는 분말 원료를 혼합하는 원통형 회전튜브를 구비한 소성장치; 및
상기 회전튜브의 외측을 가열함에 따라 상기 회전튜브에 투입된 분말 원료를 가열하는 외부 가열장치; 및
상기 회전튜브에 투입된 분말 원료를 교반함과 동시에 가열하는 내부 가열장치를 포함하며,
상기 내부 가열장치는,
마이크로웨이브를 발생시키는 마이크로웨이브 발생부,
상기 마이크로웨이브 발생부로부터 발생한 마이크로웨이브를 상기 회전튜브 내부로 안내하는 가이드부, 및
상기 회전튜브의 내주면에 결합되고, 상기 회전튜브에 투입된 분말 원료를 교반함과 동시에 상기 마이크로웨이브를 흡수하면 발열하면서 상기 분말 원료를 가열하는 교반 발열부를 포함하는 로터리 킬른. - 청구항 1에 있어서,
상기 교반 발열부는,
상기 회전튜브의 내주면에 상기 회전튜브의 길이방향으로 배치되는 결합봉과,
상기 결합봉에 끼워져 결합되고, 상기 회전튜브에 투입된 분말 원료를 교반함과 동시에 상기 마이크로웨이브를 흡수하면 발열하면서 상기 분말 원료를 가열하는 하나 이상의 교반 발열체, 및
상기 결합봉의 양쪽 단부를 상기 회전튜브의 내주면에 각각 결합하는 결합편을 포함하는 로터리 킬른. - 청구항 2에 있어서,
상기 교반 발열체는, 상기 결합봉이 관통하도록 튜브 형태를 가지는 로터리 킬른. - 청구항 2에 있어서,
상기 결합편은, 상기 결합봉을 상기 회전튜브의 내주면으로부터 설정거리 이격된 상태로 고정하는 로터리 킬른. - 청구항 2에 있어서,
상기 교반 발열체가 2개 이상이면, 교반 발열체와 교반 발열체 사이의 상기 결합봉에는 마이크로웨이브에 의해 발열하지 않는 보조튜브가 끼워져 결합되는 로터리 킬른. - 청구항 2에 있어서,
상기 회전튜브는, 내주면 양쪽 단부에 결합홈이 형성되고,
상기 결합편은, 상기 결합홈에 끼워져 결합되는 로터리 킬른. - 청구항 1에 있어서,
상기 회전튜브는, 외측 튜브와, 상기 외측 튜브 내부에 구비되고 상기 내부 가열장치가 결합되는 내측 튜브를 포함하며,
상기 외측 튜브와 상기 내측 튜브는 동일한 소재로 형성되는 로터리 킬른. - 청구항 1에 있어서,
상기 소성장치는,
상기 회전튜브의 일단이 자유 회전 가능하게 삽입되고, 상기 회전튜브에 분말 원료를 투입하는 원료 투입부가 구비된 원료 투입부재; 및
상기 회전튜브의 타단이 자유 회전 가능하게 삽입되고, 상기 회전튜브로부터 배출되는 분말 원료를 배출하는 원료 배출부가 구비된 원료 배출부재를 더 포함하는 로터리 킬른. - 청구항 8에 있어서,
상기 가이드부는, 일단은 상기 마이크로웨이브 발생부와 연결되고 타단은 상기 원료 투입부재에 삽입되는 수직튜브와, 상기 수직튜브의 타단으로부터 상기 회전튜브 내부를 향해 연장되는 수평튜브를 포함하며,
상기 수평튜브에는, 상기 마이크로웨이브 발생부로부터 발생한 마이크로웨이브를 상기 회전튜브의 내부로 발산하는 복수개의 가이드홀이 형성되는 로터리 킬른. - 청구항 8에 있어서,
상기 소성장치는,
일단이 원료 투입부재에 고정되고 타단이 상기 회전튜브의 일단 외주면에 지지되면서 상기 원료 투입부재와 상기 회전튜브 일단 사이를 보호하는 투입 보호부재와;
일단이 원료 배출부재에 고정되고 타단이 상기 회전튜브의 타단 외주면에 지지되면서 상기 원료 배출부재와 상기 회전튜브의 타단 사이를 보호하는 배출 보호부재를 더 포함하는 로터리 킬른. - 청구항 10에 있어서,
상기 투입 보호부재 또는 상기 배출 보호부재는, 상기 회전튜브의 길이방향으로 탄성 복원력을 가진 주름관을 포함하는 로터리 킬른. - 청구항 1에 있어서,
상기 소성장치는,
상기 회전튜브의 외주면을 감싸는 형태로 결합되는 구동기어와, 상기 구동기어와 치합되고 상기 구동기어를 통해 상기 회전튜브를 수평방향으로 회전시키는 구동모터를 구비한 회전부재를 더 포함하는 로터리 킬른. - 청구항 1에 있어서,
상기 교반 발열체는, 실리콘 카바이드(SiC) 또는 흑연(graphite)으로 마련되는 로터리 킬른. - 청구항 1에 있어서,
상기 외부 가열장치는, 상기 회전튜브의 외주면을 감싸는 가열본체와, 상기 회전튜브와 대응하는 가열본체에 구비되면서 상기 회전튜브를 가열하는 가열 매체를 포함하는 로터리 킬른. - 청구항 1에 있어서,
상기 교반 발열부는 상기 회전튜브의 내주면에 둘레를 따라 적어도 2개 이상 결합되는 로터리 킬른.
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