KR20230148343A - 내마모성 회전자 - Google Patents

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KR20230148343A
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Abstract

본 발명은 대체로 원통형인 회전자 바디를 갖는 교반 밀(agitating mill)용 회전자(rotor)에 관한 것이며, 상기 회전자 바디의 외벽이 처리될 공급 재료가 상기 교반 밀의 작동 중에 유동하는 밀링 챔버의 내측 표면을 규정한다. 세라믹 링이 상기 회전자 바디의 회전자 단부에 배열되며, 상기 회전자 단부는 상기 교반 밀의 생성물 입구의 반대편에 배열된다. 본 발명은 또한, 본 발명에 따른 회전자를 포함하는 교반 밀, 분산물을 생성하기 위한 교반 밀에서의 본 발명에 따른 회전자의 용도, 및 회전자를 생성하기 위한 방법에 관한 것이다.

Description

내마모성 회전자
본 발명은 교반 밀(agitating mill)용 회전자(rotor), 특히 내마모성의, 치수적으로 안정한(dimensionally stable) 플라스틱 회전자에 관한 것이다.
교반 밀은 고체의 밀링 및 액체 중 분산에 의해 광범위한 용도를 갖는다. 이는 예를 들어, 접착제, 인쇄 잉크, 화장품, 약제의 생성, 또는 배터리 페이스트의 원료(특히 실리콘)의 생성을 위해 사용된다. 일반적으로, 수직 교반 밀에서, 수직으로 배향된 중앙 길이방향 축 및 고정자를 중심으로 회전하는 회전자에 의해 밀링 챔버가 형성되며, 이 챔버에서, 적용가능한 경우, 보조 밀링 바디들, 예를 들어, 세라믹 볼들을 사용하여 분산물이 생성된다. 이를 위해, 예를 들어, 둥근 핀 형태의 밀링 툴들이 회전자 및/또는 고정자에 부착될 수 있다. 공급 재료는 생성물 공급부를 통해 밀링 챔버 내로 가이드되고, 밀링 챔버에서 밀링되며, 생성물 배출부를 통해 배출된다. 이와 같은 교반 밀은 예를 들어, EP 1 992 412 A1로부터 공지되어 있다.
특히, 배터리 페이스트용 원료의 생성에 있어서, x50=100 내지 200 nm의 미세도(fineness)가 달성되어야 하며, 이는 긴 밀링 시간을 필요로 한다. 가공될 고형물의 마멸로 인해, 밀링 챔버에서의 공정 구역의 상당한 마모가 예상된다. 또한, 최종 생성물에서의 금속 오염이 회피되어야 하므로, 달리 전형적인 강 회전자 대신, 교반 밀용 금속 무함유 회전자의 사용이 바람직하다.
세라믹 및 플라스틱 회전자들의 사용은 종래 기술에 공지되어 있다. 그러나, 세라믹 회전자들의 생성은 설계 측면에서 매우 고가이고 복잡하다. 이들의 경도로 인해, 예를 들어, SSiC 또는 SiSiC는 높은 내마모성을 갖지만, 이에 따라 또한 파단에 민감하다. 이들 두 개의 세라믹들은 또한 강철보다 상당히 더 높은, 매우 양호한 열 전도성을 갖는다. 그러나, 대형 부품들의 생성에는 매우 문제가 된다.
금속 오염은 또한, 플라스틱 회전자들의 사용으로 회피될 수 있다. 그러나, 공급 재료에 따라, 이러한 회전자 타입은 빠른 기계적 마모를 겪을 수 있다. 특히, 밀링 바디 압축의 영역들(고 에너지 밀도의 영역들)에서, 플라스틱 재료는 크게 저하된다. 더욱이, 회전자에 사용되는 플라스틱이 공급 재료와 호환 가능하여서, 이의 내화학성이 보장되는지의 여부에 대한 체크가 항상 선행되어야 한다. 플라스틱의 일반적으로 열악한 열 전도성은 매우 불리하다.
본 발명의 목적은 치수적으로 안정하고 특히 통상적인 용매에 대해 내성이 있으며 특히 배터리 페이스트의 생성에 사용될 수 있는 교반 밀용 비용 효율적인 회전자를 제공하는 것이다. 습식 연삭 분쇄 고형물이 최종 생성물에서 파괴적인 마모 없이 제조될 수 있어야 한다.
본 발명의 기본적인 아이디어는 교반 밀의 회전자를 위한 회전자 바디를 사용하는 것이며, 이 회전자 바디는 고 에너지 밀도의 영역, 특히 공정 구역의 하측 영역, 즉 회전자의 하측 단부에 세라믹으로 제조된 마모 엘리먼트를 갖는다. 특히, 공정 구역의 하단, 즉 회전자의 하측 영역에 수직으로 배열된 교반 밀의 경우에, 생성 고형물에 의한 밀링 바디들 및 높은 회전자 속도와 조합된 밀링 바디들의 편향 및 중력은 회전자에 높은 마모를 초래한다. 일반적으로, 교반 밀에서 가장 높은 마모는 회전자 단부, 즉 생성물 입구와 반대편에 있는 지점에서 발생한다.
따라서, 본 발명에 따르면, 대체로 원통형인 회전자 바디를 갖는 회전자가 제공되며, 이의 외벽이 처리될 공급 재료가 상기 교반 밀의 작동 중에 유동하는 밀링 챔버의 내측 표면을 규정한다. 세라믹 링이 높은 에너지 입력을 갖는 회전자의 영역에 배열된다. 이 영역은 교반 밀로의 생성물의 입구와 반대편에 있는 회전자의 측이다. 수직 교반 밀에서, 이는 회전자 바디의 하측 부분이다. 세라믹 링의 표면은 특히 밀링 챔버의 내측 표면을 형성하는 회전자의 외벽의 일 부분을 형성한다. 이 부분은 바람직하게는 회전자의 외벽 상에 배열되는 밀링 툴들까지 연장된다. 이에 따라, 밀링 툴들은 세라믹 링을 비틀림 및/또는 떨어짐에 대비해 고정시킬 수 있다.
세라믹 링은 바람직하게는 회전자 바디에 결합 - 특히 나사 결합, 접착 또는 포지티브 인터록에 의해 연결 - 된다. 바람직한 실시예에 따라 회전자 바디가 플라스틱으로 제조되는 경우, 세라믹 링은 또한 회전자 바디로 주조될 수 있다.
세라믹 링은 실질적으로 L자형 단면을 가질 수 있으며, 이때 L자형 세라믹 링의 긴 측, 즉 이의 레그는 회전자의 외측 표면 상에 배열된다. 대안적으로, 세라믹 링은 실질적으로 U자형 단면을 가질 수 있으며, 이의 레그는 회전자의 외측 표면 및 내측 표면 상에 배열된다.
바람직하게는, 세라믹 링에 의해 형성되는 회전자의 외벽의 부분의 길이(L) 대 회전자의 외경(D)의 비(L/D)는 0.05 내지 0.5이다. 회전자의 외벽을 형성하는 세라믹 링의 부분의 두께(S1) 대 전체 회전자 벽 두께(S2)의 비(S1/S2)는 바람직하게는 0.1 내지 0.9이다.
플라스틱 회전자는 다음의 재료들: PA, PET, PEEK, PVDF 및 POM 중 적어도 하나를 가질 수 있다. 이어서 세라믹 링은 다음의 재료들: ZrO2, SSiC, SiSiC 및 Si3N4 중 적어도 하나를 가질 수 있다.
본 발명은 본 발명에 따른 회전자를 갖는 교반 밀을 또한 제공한다. 공지된 밀에 따르면, 본 발명에 따른 교반 밀은 고정자 내벽을 갖는 고정자를 더 포함하며, 이때 회전자는 고정자 내에 배열된다. 또한, 생성물 공급부 및 생성물 배출부가 제공되고, 밀링 챔버는 고정자 내벽과 회전자의 외벽 사이에 형성된다. 공급 재료는 생성물 공급부를 통해 밀링 챔버 안으로 그리고 생성물 배출부를 통해 밀링 챔버 밖으로 가이드될 수 있다.
회전자의 외경(D) 대 고정자의 내경(D2)의 비에 대해, 0.6 ≤ D/D2 ≤ 0.95가 바람직하다. 또한, 교반 밀은 회전자의 일 부분 내에 배열된 내측 고정자를 가질 수 있으며, 이때 생성물 배출부는 회전자와 내측 고정자의 외벽 사이에 형성된다. 내측 고정자의 외경(d22) 대 회전자의 내경(d1)의 비에 대해, 0.8 ≤ d22/d1 ≤ 0.98이 바람직하다.
본 발명은 또한, 분산물, 특히 배터리 페이스트를 생성하기 위한 교반 밀에서의 본 발명에 따른 회전자의 용도 및 회전자를 생성하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 방법은 회전자 바디와 세라믹 링을 결합- 특히 접착, 나사 결합 또는 포지티브 인터로킹 연결에 의해 - 하는 단계를 포함한다.
본 발명은 도면들을 참조하여 아래에서 더 상세히 설명되며, 도면들에서
도 1은 종래 기술의 수직 교반 밀의 단면도이다,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수직 교반 밀용 회전자의 단면도이다, 그리고
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수직 교반 밀용 회전자의 단면도이다.
도 1은 예로서, 종래 기술에 따른 수직으로 배열된 교반 밀의 세부사항을 도시한다. 도 1에 도시된 교반 밀은 기존 방식으로 내부 밀링 챔버(8)를 갖는 밀 컨테이너 또는 고정자(2)를 갖는다. 밀링 챔버(8)는 밀링 엘리먼트들(43)로 적어도 부분적으로 채워진다. 교반 밀은 내측 고정자(22), 및 중앙 종축(19)을 중심으로 회전할 수 있는 회전자(35)를 포함한다. 밀링 챔버(8) 내로 돌출하는 제1 툴들(38)이 회전자(35)에 부착된다. 밀링 챔버(8) 내로 돌출하는 제2 툴들(74)이 컨테이너 또는 고정자의 내벽(9)에 부착된다. 가공된 공급 재료가, 밀링 바디(43)를 홀드하는 보호 스크린(protective screen)(30)을 형성하기 위한 회전자(35)와 내측 고정자(22) 사이의 간극을 통해 가이드되고, 배출 라인(31)을 통해 흘러나간다.
도 2는 도 1에 도시된 바와 같은 수직 교반 밀용 회전자의 단면도를 도시한다. 본 발명의 도시된 실시예에 따른 회전자는 외벽(32)을 갖는 대체로 원통형 회전자 바디(351)를 갖는다. 외경(D)을 갖는 회전자 바디(351)는 플라스틱 또는 강철로 제조될 수 있으며, 이때 플라스틱이 바람직하다. 도 1에 도시된 고정자와 함께, 회전자는 처리될 공급 재료가 흐르는 교반 밀의 작동 동안 밀링 챔버를 형성한다.
수직 교반 밀의 회전자 상의 가장 큰 마모는 회전자의 하측 영역, 즉 높은 회전자 속도와 조합하여 밀링 바디들과 공급 재료의 편향 및 중력으로 인해 높은 에너지 밀도가 발생하는 영역에서 일반적으로 유발된다. 일반적으로 교반 밀에서, 수직 및 수평 교반 밀 둘 모두에서, 가장 큰 마모가 유발되는 영역은 작동 동안 생성물 입구의 반대편에 있는 영역이다. 본 발명에 따르면, 환형 마모 링이 이 영역에 정확하게 제공되고, 경질이고 이에 따라 높은 내마모성인 세라믹 재료로 제조된다. 이 경우, 예를 들어, 재료는 ZrO2, SSiC, SiSiC 및 Si3N4이다. 이에 따라, 회전자(35)는 비용 효율적인 회전자 베이스 바디로부터 대부분 제조될 수 있지만, 이때 마모되기 쉬운 부분들은 내마모성 세라믹 재료로 대체된다.
도 2에서 Y로 표시되고 추가로 확대된 상세도에 도시된 바와 같이, 세라믹 링(352)은 실질적으로 L자형 프로파일을 가질 수 있으며, 이때 L의 짧은 측은 밑면을 형성하고 L의 긴 측, 즉 레그들은 가장 큰 마모가 유발되는 외측 측면(32)의 하측 부분을 형성한다. 이에 따라, 전체 벽 두께(S2)를 갖는 회전자의 밑면 및 외측 측면(32)의 길이(L)의 하측 부분은 세라믹 링(352)에 의해 형성된다.
세라믹 링(352)은 회전자 바디에 결합, 예를 들어, 나사 결합, 접착되거나, 또는 플라스틱 회전자 바디의 경우에, 또한 플라스틱으로 주조된다. 회전자의 외측 측면(32) 상에서, 세라믹 링(352)은 바람직하게는 X로 표시된 도 2의 섹션에 도시된 바와 같이 밀링 툴들(38)의 최하측 행까지 연장된다. 이에 따라, 세라믹 링(352)은 특히 비틀림 또는 떨어짐에 대비해, 툴들(38)에 의해 추가로 고정될 수 있다.
세라믹 링의 벽 두께(S1) 대 회전자의 전체 벽 두께(S2)에 대해서는, 0.1<S1/S2<0.9가 바람직하다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 회전자의 단면도를 도시한다. 도 2에서와 같이, 세라믹으로 제조된 마모 엘리먼트가 회전자 바디(351)의 하측 부분에 부착된다. 도 3에 도시된 실시예에 따르면, 이는 다시 도 2와 달리, 실질적으로 U자형 프로파일을 갖는 세라믹 링(352)의 형태로 구현되어서, 밑면 및 외측 측면(32)의 일 부분에 더하여, 회전자의 내측 측면의 표면의 일 부분, 즉 생성물 배출부의 일 부분이 또한 U의 두 번째 레그를 통해 마모 엘리먼트에 의해 보강된다. 이는 도 3에서 Y로 표시된 상세도에서 더 정확하게 다시 도시된다. 외측 측면(32) 상에서, 세라믹 링(352)은 X로 표시된 도 3의 섹션에 도시된 바와 같이, 다시 적어도 밀링 툴들(38)의 최하측 행까지 연장될 수 있다.
본 발명은 본 발명에 따른 회전자를 사용하는 교반 밀을 또한 제공한다. 이를 위해, 도 1에 예로서 도시된 바와 같은 회전자(35)만이 예를 들어, 도 2 또는 도 3에 도시된 바와 같은 본 발명에 따른 회전자로 대체된다. 이와 같은 교반 밀의 전형적인 확장은 회전자(35)의 외경 대 고정자(2)의 내경의 비에 대해 0.6 내지 0.95의 값들을 낸다. 내측 고정자(22)의 외경 대 회전자(35)의 내경의 비는 예를 들어, 0.8 내지 0.98이다.
본 발명에 따른 회전자는 특히 세라믹 링(352)을 회전자 바디(351)에 결합시킴으로써 생성될 수 있다. 이는 특히 접착, 나사 결합 또는 포지티브 인터로킹 연결에 의해 일어날 수 있다. 회전자 바디(352)가 플라스틱으로 제조되는 경우, 세라믹 링(352)은 또한 플라스틱 바디(351)로 주조될 수 있다.
본 발명에 따른 회전자 및 이 회전자를 사용하는 교반 밀은 특히 높은 미세도, 예를 들어, x50=100 내지 200 nm의 미세도를 필요로 하며, 이 결과로서 긴 밀링 시간이 필요하며, 이때 분산물이 금속 오염이 가능한 한 없게 유지되어야 하는, 분산물의 생성에 적합하다. 이는 예를 들어, 배터리 페이스트의 원료의 생성에 대해, 그러하다.

Claims (15)

  1. 교반 밀(agitating mill)용 회전자(rotor)(35)로서,
    대체로 원통형인 회전자 바디(351) ― 상기 회전자 바디의 외벽(32)이 처리될 공급 재료가 상기 교반 밀의 작동 중에 유동하는 밀링 챔버의 내측 표면을 규정함 ―,
    상기 회전자 바디(351)의 회전자 단부에 배열된 세라믹 링(352) ― 상기 회전자 단부는 상기 교반 밀의 생성물 입구의 반대편에 배열됨 ― 을 포함하는, 회전자(35).
  2. 제1항에 있어서, 상기 회전자(35)는 수직 교반 밀(vertical agitating mill)에서 사용하도록 구성된 것인, 회전자(35).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 세라믹 링(352)은 상기 회전자 바디(351)에 결합, 특히 나사 결합되거나 포지티브 인터로킹 연결(positive interlocking connection)에 의해 결합되는 것인, 회전자(35).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 세라믹 링(352)의 표면은 상기 밀링 챔버의 상기 내측 표면을 형성하는 상기 회전자의 상기 외벽(32)의 일 부분을 형성하는 것인, 회전자(35).
  5. 제4항에 있어서, 상기 부분은 상기 회전자의 상기 외벽(32) 상에 배열된 밀링 툴들(38)로 연장되고, 상기 세라믹 링(352)은 비틀림 및/또는 떨어짐에 대비해 상기 밀링 툴(38)에 의해 고정되는 것인, 회전자(35).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 회전자 바디(351)는 플라스틱으로 제조된 것인, 회전자(35).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 세라믹 링(352)은 실질적으로 L자형 단면을 갖고, 상기 L자형 세라믹 링(352)의 레그가 상기 회전자(35)의 외측 표면(32) 상에 배열된 것인, 회전자(35).
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 세라믹 링(352)은 실질적으로 U자형 단면을 갖고, 상기 U자형 세라믹 링(352)의 레그들이 상기 회전자(35)의 상기 외측 표면(32) 및 상기 내측 표면 상에 배열되는 것인, 회전자(35).
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 세라믹 링(352)에 의해 형성되는 상기 회전자(35)의 상기 외벽(32)의 상기 부분의 길이(L) 대 상기 회전자(35)의 외경(D)의 비(L/D)가 0.05 내지 0.5인 것인, 회전자(35).
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 회전자의 벽 두께(S1) 대 상기 회전자(35)의 상기 외벽(32)을 형성하는 상기 세라믹 링(352)의 상기 부분의 두께(S2)의 비(S1/S2)가 0.1 내지 0.9인 것인, 회전자(35).
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 회전자 바디(351)는 다음의 재료들: PA, PET, PEEK, PVDF 및 POM 중 적어도 하나를 갖는 것인, 회전자(35).
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 세라믹 링(352)은 다음의 재료들: ZrO2, SSiC, SiSiC 및 Si3N4 중 적어도 하나를 갖는 것인, 회전자(35).
  13. 교반 밀로서,
    제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 회전자(35);
    고정자(stator) 내벽(9)을 갖는 고정자(2) ― 상기 회전자(35)가 상기 고정자(2) 내에 배열됨 ―,
    생성물 공급부 및
    생성물 배출부를 포함하며,
    밀링 챔버(8)가 상기 고정자 내벽(9)과 상기 회전자(35)의 상기 외벽(32) 사이에 형성되며, 공급 재료가 상기 생성물 공급부를 통해 상기 밀링 챔버(8) 안으로 그리고 상기 생성물 배출부를 통해 상기 밀링 챔버(8) 밖으로 가이드될 수 있는 것인, 교반 밀.
  14. 분산물, 특히 배터리 페이스트를 생성하기 위한 교반 밀에서의 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 회전자(35)의 용도.
  15. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 회전자(35)를 제조하는 방법으로서,
    - 특히 접착, 나사 결합 또는 포지티브 인터로킹 연결(positive interlocking connection)에 의해, 세라믹 링(352)을 회전자 바디(351)에 결합시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법.
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