기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와...

70
기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and Manufacturing Technology Assistance for Air-jet Mill 2007.07.31. 지원기관 한국생산기술연구원 지원기업 대가파우더시스쳄㈜

Transcript of 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와...

Page 1: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원

Design and Manufacturing Technology

Assistance for Air-jet Mill

20070731

지원기관 한국생산기술연구원

지원기업 대가파우더시스쳄

산 업 자 원 부

제출문

산업자원부장관 귀하

본 보고서를 ldquo기류충격식 분쇄기 설계 및 생한 기술지원rdquo (지원기간 2006 08

01~20070731) 과제의 기수지원성과보고서로 제출합니다

20070731

지원기관 한국생산기술연구원 원장 김 기 협 (인)

지원기업 대가파우더시스템 대표이사 최 은 석 (인)

지원책임자 한국생산기술연구원 윤 승 원

참여연구원 대가파우더시스템 최 병 훈

최 병 주

남 상 경

최 인 환

최 덕 규

기술지원성과 요약서

과제고유번호 연구기간 20060801 ~ 20070731

연구사업명 부품소재전문기업기술지원사업

지원과제명 기류충력식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원

지원책임자 윤승원 지원연구원수

총 6 명

내부 1 명

외부 5 명

사업비

정부100000천원

기업100000천원

계 200000천원

지원기관명 한국생산기술연구원 소속부서명 생산시스템본부

참여기업 기업명 대가파우서시스템(주) 기술책임자 최병훈

요약(연구결과를 중심으로 개조식 500자 이내) 보고서변수 125

직경 18 ~ 20 인 초미립 분말을 생산하기 위한 건식 기류충격식 분쇄기의

설계 및 생산 기술이 개발되었다 기류충격식 분쇄기의 분쇄과정은 분쇄 재료의

공급 초음속 공기 분사노즐에 의한 분말의 충격 분쇄 설정 크기별 분말의 분

급 여과 집진 및 공기 배출 등의 절차로 이루어진다 지원기업이 어려움을 겪

고 있는 초음속 공기 분사 노즐 설계와 미세 입자 분급기 설계를 포함하는 분쇄

기 쳄버 설계 및 생산기술에 대한 기술지원으로 기류충격식 분쇄기를 개발하였

건식 기류충격식 초미립 분쇄기와 관련된 국내ㆍ외 특허 자료와 기술문헌 등이

조사 정리 제공되었으며 3D 모델링에 의한 설계가 수행되었다 분쇄기를 구성

하는 내마모성 부품 재료 선정 초음속 분사노즐의 형상 설계 분급기의 내부 형

상 베인의 단면 형상 배열 간격 및 수량 등에 대한 설계 기술이 확보었다 원

심팬 내의 공기 유동장 해석 기술 확보로 정밀도가 높은 분급이 가능해졌다 향

후 유사한 초미분 건식 분쇄기 개발을 위한 자체 설계 기술을 확보하였다

색 인 어

(각 5 개 이상)

한글 분쇄 분급 입도 초미립 초음속 유동 기류충격

영어Pulverization Classification Particle size Ultra-fine

powder Supersonic flow Air-jet

기술지원성과 요약문

1 사업목표

평균 직경이 18 ~ 20인 초미립 분말 생산을 위한 압축공기를 이용한 기류

충격식 분쇄기 설계와 생산 기술을 개발한다 분쇄부와 분급부의 구조 설계와

작동에 대한 기초를 체계적으로 정립하낟 3D 모델링에 의한 설계 핵심 모듈인

분사노즐과 분급기의 공기 유동장 해석 기술을 확보하여 초미분 생산용 건식 기

류충격식 분쇄기의 자체 개발 기술을 확보한다

2 기술지원내용 및 범위

(1) 국내외 특허자료 검색 및 분석 지원으로 초미립 분쇄기의 기초 구조 기능

정립 및 기류 층격 펄스 노즐 형상 설계 자료로 활용

(2) 3D 모델링에 의한 부품 및 시스템 설계 방법 지원으로 오류 최소화

(3) 초음속 공기 분사노즐의 형상 설계 기술 지원

(4) 분급 입도의 정밀도를 향상시키기 위한 분급기 내부의 형상 설계 회전수

베인의 수와 간극 및 배열 등에 대한 이론 교육

(5) COSMOSFloWorks 에 의한 분급기의 공기 유동장 해석 방법 절차 및 해석

결과의 이해와 설계에 반영

(6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작

3 지원실적

지원항목지원내용

비고기술지원前 기술지원後

입도(평균) 28 ~ 32 18 ~ 20 입도 측정

생산 용량(Pb0) 4 ~ 6kghr 10 ~ 15kghr 생산량 측정

분급기 휠 직경 100mm 205mm 설계 자료

분급기 휠 회전수 최대 13000rpm 최대 8000rpm 장비 작동

베인 수 30 개 60개 설계 해석 자료

1 지원항목 2번항목의 기술지원내용 및 범위를 근거로 지원실적을 항목별로

구분하여 가재

2 지원내용 지원항목별로 기술지원 前後 상황을 비교하여 기재

4 기술지원 성과 및 효과

1) 해당기술 적용제품

o 적용제품명 기류충격식 분쇄기

o 모 델 명 DGJMV-350

2) 품질 및 가격

구 분 경쟁 제품해당기술 적용제품

비고지원전 지원후

경쟁제품 대비 품질 100 75 95

경쟁제품 대비 가격 100 50 75 대당 130 백만 원 기준

객관환 된 DATA를 근거로 작성

3) 원가저감 효과(대당)

구 분 절 감 금 액 비 고

원부자재 절감 8 백만 원년(6 ) 불량 방지에 의한 재료비 절감

인건비 절감 4 백만 원년(3 ) 안전 생산에 의한 인건비 절감

계 12백만 원년(9 ) 생산량 증가에 따른 비용 절감

공정개선 및 품질향상 등으로 인한 절감효과 반영

4) 적용제품 시장전망(매출성과)

구 분 당해연도 매출 차년도 예상매출전년대비

증가비율비고

내 수 - 백만 원년 800 백만 원년 100

수 출 - 천 달러년 400 천 달러년 100

계 - 백만 원년 1180 백만 원년 100

참고) 1 적용제품 주요수출국 중국 미국

2 작성당시 환율기준 950원USD

5) 수입대체 효과

모델명 당해연도 수입액 차년도수입액 수입대체금액

DGJMV-350 천 달러년 천 달러년 900 천 달러년

계 천 달러년 천 달러년 900 천 달러년

6) 해당기술의 기술력 향상 효과

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계

기술

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른

분급기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

7) 기술적 파급 효과

(1) 초미립 분쇄기에 대한 기초 기술의 정립과 국내외의 특허 기술 파악으로

건식 기류충격식 분쇄기의 성능과 구조 등 자체 개발 방향 설정이 가능하다

(2) 초음속 공기 분사노즐의 설계 능력이 확보되어 다양한 성능의 모델 개발에

활용 할 수가 있다

(3) 서브미크론 크기의 초미분을 생산하는 기류충격식 분쇄기의 핵심 모듈인 고

정밀도의 분급 성능을 갖는 분급기의 설계 능력이 확보되었다 즉 분급기 내부

의 형상과 회전수 베인의 단면 모습과 소요 수량 및 배열에 대한 설계 기술이

확보되었다

5 적용기술 인증 지적재산권 획득 여부

1) 규격 인증획득

인증명 품목 인증번호 승인기관 인증일자

2) 지적재산권

종류 명칭 번호 발명자 권리자 실시권자

비고

(등록

출원)

특허

원심형 분말

분급기

(Centrifugal

Powder

Classifier)

10-2007-0092396

윤승원

최덕규

남상경

최인환

최병훈

한국생산기술연구원

대가파우더시스템(주)출원

6 세부지원실적

항 목 지원 건수 지 원 성 과

기술정보제공 104 건국내ㆍ외 특허 73건 전문서적 14 권 매뉴얼

6 권 기타 기술 자료 11건

시제품제작 1 건 DGJMV-350 건식 기류충격식 분쇄기

양산화개발 3 건 공기 분사노즐 분급기 베인

공정개선 3 건 분쇄기 설계 절차 베인의 형상 설계과 제작

품질향상 3 건 분급기 베인 분사노즐

시험분석 3 건 분말의 입도 측정

수출 및 해외바이어발굴 0 건

교육훈련 18 건SolidWorks COSMOSFloWorks 사용 방법 교

기술마케팅경영자문 1 건 (주)지바이오텍에 건식 분쇄기 장비 소개

정책자금알선 1 건 생산기술연구자금 알선

논문게재 및 학술발표 0 건

사업관리시스템

지원실적업로드 회수0 건

지원기업 방문회수 54 건

지원책임자 지원기업 방문 39 건 국내 방문

7 건 해외 출장 1 건

참여기업 연구원 0명 지원기관 내방 7회

기 타 8 건국내ㆍ외 전시회시 수집 자료 제공 4회

시작품 제작용 자재 지원 4 회

상기 세부지원실적에 대한 세부내용 첨부

7 종합의견

소재산업이 정밀화되고 고기능화함에 따라 서브미크론급의 초미립을 생산하는

분쇄기의 성능 향상이 요구되고 있다 국내의 경우에는 건식 기류충격식 분쇄기

에 대한 설계 기술 부족으로 2 ~ 3 급의 건식 분쇄기를 독일과 일본 등으로

부터 고가로 수입 하여 사용하고 있으며 대항 경쟁 제품을 개발하지 못하고 있

는 실정이다

지원기업 대가파우더시스템(주)은 창업후 36 년 이상 분쇄기를 전문으로 설계

및 생산하는 분쇄기 전문기업이다 본 부품소재종합기술지원사업 전 기술지원

기간 동안 지원기업의 연구진 4 명이 연구사업에 적극적으로 참여하여 지원책

임자와 함께 기술력 향상에 노력하였으며 건식 기류충격식 분쇄기의 핵심 모듈

인 수축확산 공기 분사노즐과 분급기의 자체적인 설계 해석 및 생산 기술을 확

보하였다

건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 여러 부품 중에서 핵심 모듈인 수축확산 초

음속공기 분사노즐과 분급부와 관련된 기초 이론 국내ㆍ외 특허기술 조사와 분

석 구성 부품의 3D 설계 기술 재질 선정 분사노즐과 분급기의 공기 유동 해

석 기술을 확보하였다 즉 초미립 분쇄를 위한 공기 분사노즐의 단면 형상과 공

급 유량 산출 압력과의 관계 분급기 내부의 형상 베인의 단면 형상과 소요 수

량 베인의 간격 배열 위치 및 분급기의 회전수 등을 고려한 유동해석 기술을

확보하여 고정밀도의 분급기의 자체 설계가 가능해졌다

향후 건식 기류충격식 분쇄기의 여러가지 용량과 성능에 맞는 분쇄기를 자체적

으로 설계 및 제작하는 것이 가능하며 제품 신뢰도의 향상과 매출 증대에 크게

기여할 것이 예상된다

연구과제(세부과제) 성과

1 사업화 성과

특허 성과

출원된 특허의 경우

세부사항

(9)

출원년도

(10)

특허명

(11)

출원인

(12)

출원국

(13)

출원번호

2007

원심형 분말 분급기

(Centrifugal Poweder

Classifier)

한국생산기술연구원

대가파우더시스템대한민국 10-2007-0092396

사업화 현황

사업화 세부사항

(9)

사업화명

(10)

사업화

내용

(11) 사업화 업체 개요(12)

기 매출액

(백만원)

(13)

당해연도

매출액

(백만원)

(14)

매출액

합계

(백만원)

업체명 대표자 종업원수사업화

형태

대가파우

더시스템

최은석 59 4

주 11) 사업화 업체 개요의 사업화 형태는 1 연구책임자 창업 2 기술이전에 의한

창업 3 창업지원 4 기존업체에서 상품화 중에서 선택하여 번호 기입

고용창출 효과

고용창출 세부사항(9)

창업(명)

(10)

사업체 확장(명)

(11)

합계(명)

세부지원실적 증빙 내용

1 참여기업 현장방문 47건 참여기업이 생기원 내방 7건

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20060825DPS 주요 기술 지원 사항에 관한 협의

윤승원 최병훈 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

2 20060829기업은행 설명회장 연구비 카드 사용 교육 참석

윤승원 최덕규출장 기록

3 20060831DPS 젯트밀 쳄버 설계 대상 구조 개요 윤승원

최병훈 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

4 20060901KINTEX NanoKorea 2006 참관 윤승원 남상경

최덕규출장 기록

5 20060907DPS 젯트밀 관련 국내 특허 조사 윤승원

남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

6 20060908건식 분쇄기 관련 기술자료 조사 영풍문고

윤승원출장 기록

7 20060915DPS 젯트밀 관련 국내 특허 조사 윤승원

남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

8 20060919 문래동 내마모성 재료조사 윤승원 출장 기록

9 20060921DPS 에어젯트밀 관련 국내 특허 자료 검토

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

10 20061017DPS 에어젯트밀 관련 미국 특허 조사 윤승원

남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

1120061018~

1022

베트남국제산업박람회(VIIF 2006) Hanoi

Vietnam 윤승원출장 기록

12 20061026한국생산기술연구원 기류충격식 분쇄기의 부품

구성도 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민

DPS 연구원 4명

생기원 내방

13 20061027DPS 초음속 공기 흐름에 대한 기초 윤승원

남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

14 2061102DPS 초음속 공기 흐름 관계식 윤승원 남상경

최인환 최덕규 윤상민출장 기록

15 20061103DPS 초음속 공기 흐름 관계식 윤승원 남상경

최인환 최덕규 윤상민출장 기록

16 20061106일산 네이취코리아 건식분쇄기 및 분급기 관련

자료수집 윤승원출장 기록

17 20061109DPS 기류충격식 분쇄기의 구성도와 노즐 설계

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

18 20061116한국생산기술연구원 기류충격식 분쇄기의 예상 부품

구성도 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민

DPS 연구원이

생기원 내방

19 20061123DPS 기류충격식 분쇄기의 예상 부품 구성도

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

20 20061130

DPS 기체 분사노즐의 초음속 분출 속도와 유량

산출에 대한 해석적 방법의 적용 윤승원 남상경

최인환 최덕규 윤상민

출장 기록

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

21 20061204DPS 기류충격식 분쇄기의 예상 부품 구성도

수정 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

22 20061207DPS 기류충격식 분쇄기의 부품번호 및 명칭

부여 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

23 20061212 문래동 철재 부품조사 윤승원 출장 기록

24 20061214DPS 기체 분사노즐 내의 공기유동 유한요소해석

모델링 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

25 20061215DPS 기체 분사조즐 내의 공기유동 유한요소해석

모델링 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

26 20061221

한국생산기술연구원 기류충격식 분쇄기의 공기

초음속 분출 노즐 형상 설계시의 설계 변수

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민

DPS 연구원 4명

생기원 내방

27 20070109DPS 기류충격식 분쇄기 제작용 재료 구입

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

28 20070116DPS 기류충격식 분쇄기의 분쇄 챔버 기본 설계

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

29 20070205DPS 기류충격식 분쇄기의 분쇄 챔버 기본 설계

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

30 20070206DPS 기류충격식 분쇄기의 분쇄 챔버 3D 모델링

윤승운 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

31 20070213

한국생산기술연구원 기류충격식 분쇄기의 분쇄

챔버 3D 모델링에 대한 설계 검토 윤승원

남상경 최인환 최덕규 윤상민

DPS 연구원 4명

생기원 내방

32 20070227DPS 분급기 구조 기본 설정 윤승원 남상경

최인환 최덕규 윤상민출장 기록

33 20070306DPS 회전체 설비의 관성모덴트 산정 방법

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

34 20070308DPS 분쇄 쳄버와 분급기 제작용 내마모성 재료

검토 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

35 20070320DPS 분급기의 기본 구조 모델링과 베인 배열

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

36 20070326DPS 분급기용 베인의 단면 형상과 배열 및 수량

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

37 20070327한국생산기술연구원 분급기 모델링과 베인 배열

구조 윤승원 남상경 최덕규

DPS 연구원 2명

생기원 내방

38 20070403DPS 분급기의 유동장 해석을 위한 COSMOSWorks

해석 연습 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

39 20070410DPS 분급기의 유동장 해석을 위한 COSMOSWorks

해석 연습 윤승원 최인환 최덕규출장 기록

40 20070417DPS 베인 형상 설계 유체 흐름 해석 모델링과

입력 변수 설정 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

41 20070502DPS 베인 형상에 따른 유체 흐름 해석 윤승원

남상경 최인환 최덕규출장 기록

42 20070504한국생산기술연구원 분급기의 공기 유동 해석

결과 분석 윤승원 남상경 최인환

DPS 연구원 2명

생기원 내방

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

43 20070508DPS 여러 내부 형상의 분급기 구조와 베인에

대한 공기 유동 해석 윤승원 남상경 최인환출장 기록

44 20070518DPS 베인의 형상에 따른 분급기의 공기 유동

해석 결과 분석 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

45 20070523DPS 분급기 내부 형상 설계 변경 윤승원

남상경 최인환 최덕규출장 기록

46 2070530한국생산기술연구원 분급기 내부 형상에 따른 흐름

해석 분석 윤승원 남상경 최인환 최덕규

DPS 연구원 3명

생기원 내방

47 20070601DPS 분급기 내부 형상의 조립성을 고려한 설계

수정 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

48 20070607DPS 베인의 형상과 수량에 따른 분급기의 공기

유동 재해석 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

49 20070613DPS 분사노즐 설계 확정을 위한 공기 분사노즐

유동장 재해석 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

50 20070618DPS 에어젯트밀 구조 설계 검토 윤승원

최병훈 남상경 최인환 최덕규출장 기록

51 20070703DPS 분급기 내부 형상에 대한 특허 출원 자료

준비 윤승원 최병훈 남상경 최인환 최덕규출장 기록

52 20070705

경북 칠곡 쿠어스텍코리아 분급기용 베인 제작

가능성 확인을 위한 업체 방문 윤승원 최인환

최덕규

출장 기록

53 20070711DPS 베인 형상 확정 및 구매 요청 윤승원

남상경 최인환 최덕규출장 기록

54 20070724DPS 분쇄기 에어노즐 분급기 설계 자료 정리

윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

2 기술정보제공 특허 73건

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20061013 분쇄기 관련 한국특허 13건(제본) 부록 1 목록

2 20061013 분쇄기 관련 일본특허 16건(제본) 부록 2 목록

3 20061013 분쇄기 관련 미국특허 23건(제본) 부록 3 목록

4 20061013 분쇄기 관련 유럽특허 4건(제본) 부록 4 목록

5 20070213 분급기 관련 미국특허 17건(제본) 무록 5 목록

3 기술정보제공 전문서적 14권

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20070306 構造解析のだぬの有限要素法實戰ハソドプツク 전문서적

2 20070306 世界の規格基準認證ガイドツク 전문서적

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

3 20070306 設計者に必要な材料の기 전문서적

4 20070306 設計者のたぬの モーメソト 전문서적

5 20070306 すべリ軸受資料集 전문서적

6 20061109Flow Mechanics and Thermodynamics in

Mechanical Processing전문서적

7 20061109NETZSCH-CONDUX Fludized Bed Jet Mill 제품

홍보자료

제품

홍보자료

8 20060907 Assembly Modeling with SolidWorks 20042005 전문서적

9 20060907 SolidWorks 2005 Tutorial and MultiMedia CD 전문서적

10 20070601Engineering Analysis with COSMOSWorks

Professional 2007전문서적

11 20070205 COSMOSMotion 전문서적

12 20061116 FLUENT 60 Tutorial Guide 전문서적

13 20070213 FLUENT 60 Users Guide 전문서적

14 20070213 Fundamentals of Fluid Mechanics 전문서적

4 시제품제작 1 건

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20070715 기류충격식 분쇄기 DGJMV-350 시작품

5 시험분석 3건

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20070627 입도 측정 histogram 1 부록 10

2 20070627 입도 측정 histogram 2 부록 10

3 20070627 입도 측정 histogram 3 부록 10

6 기술지원실적 업로드 건

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

목 차

제 1 장 사업의 개요

제 1 절 기술지원 필요성

제 2 절 기술지원 목표

제 3 절 기술지원 내용

제 2 장 국내ㆍ외 기술 현황

제 1 절 세계의 기술 현황

1 일본 Hosokawa 사의 수직형 기류충격식 분쇄기

2 일본 Hosokawa 사의 수평형 기류충격식 분쇄기

3 일본 미놀타 사의 수평형 기류충격식 분쇄기

4 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의

수평형 기류충격식 분쇄기

5 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기

6 미국 Xerox 사의 수평형 기류충격식 분쇄기와 노즐

7 독일 Netzsch 사의 건식 기류충격식 분쇄기

8 독일 특허 공기 분사노즐

9 미국 특허 분쇄기 구조

제 2 절 국내의 기술 현황

제 3 장 기술지원 수행 내용 및 결과

제 1 절 기술지원 수행

1 분쇄기 시스템 구성도

2 소리의 속도

3 공기 분사노즐에서의 유동식

4 공기 분사노즐의 흐름 특성 계산

5 수축확산 공기 분사노즐의 유동 해석

6 분급 이론

7 분급기 설계와 유동 해석

8 시작품 제작

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

2 기술지원 추진체계

3 연구기자재 활용

4 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

6 입도 측정

7 지적재산권 출원

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

제 6 장 참고문헌

부록 1 분쇄기 관련 한국 특허 13건 목록

부록 2 분쇄기 관련 일본 특허 16건 목록

부록 3 분쇄기 관련 미국 특허 23건 목록

부록 4 분쇄기 관련 유럽 특허 4건 목록

부록 5 분급기 관련 미국 특허 17건 목록

부록 6 기술지원 관련 전시회 참석

부록 7 개스의 비열값 개스 상수 밀도

부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 분급기 유동해석

부록 9 설계 도면

부록 10 입도측정 histogram

제 1 장 사업의 개요

분쇄는 재료에 외력을 가하여 작은 크기로 세분화하고 표면적을 증가시키는 기계적

인 조작이다 목적하는 파쇄물 입자의 크기에 따라 조쇄(粗碎) 중쇄(中碎) 분쇄(粉

碎) 미분쇄(微粉碎) 초미분쇄(超微粉碎)로 구분된다 분쇄시 작용되는 응력은 압축

력 충격력 전단력 마찰력 절단력 등이 있으며 단독의 힘이 작용되는 경우는 드

물고 분쇄 대상 재료에 여러 가지 힘임 복합력으로 동시에 작용되어 분쇄기 이루어

진다(1)

분쇄기는 분쇄 입도의 크기에 따라 다음과 같이 분류한다

(1) 조분쇄기 1500mm~100mmrarr500mm~25mm (분쇄비 4~3)

(2) 중분쇄기 500mm~6mmrarr50mm~1mm (분쇄비 7~5)

(3) 미분쇄기 125mm~1mmrarr2mmrarr01mm (분쇄비 20~10)

(4) 초미분쇄기 6mm~01mmrarr01mm~001mm (분쇄비 50~10)

분쇄기의 분쇄 방법에 의한 종류는 다음과 같다

(1) 볼밀(ball mill)

원통 속에 재료와 함께 강으로 만든 볼 즉 강구를 여러 개 넣은 후 함께 회전시켜

강구운동에 의한 충격으로 재료를 분쇄하는 장치이다 볼에는 주철 칠주물 플린트

석 천연석 등 원료에 따라 여러 가지가 있다 통의 길이는 통의 지름을 초과하지

않는 것이 표준형이지만 지름의 수 배 이상으로 긴 형의 튜브밀 그 중간인 콤파운

드밀(compound mill) 다양한 종류도 있다 원통의 내면은 특수강 또는 니켈판으로

내장한다 최종적인 미분을 만들 때 사용되며 도토(陶土) 염료 드의 처비분인 경

우에는 건식으로 사용되며 용도가 매우 넓다

(2) 로드밀(rod mill)

기체 내면의 길이보다 약간 짧은 강봉을 분쇄매체로 사용하는 회전식 분쇄기이다

거친 입자부터 선택적으로 분쇄하며 입도(粒度)가 비교적 가지런한 분쇄산물을 얻

을 수 있는 특징이 있다 단독으로 사용되는 외에 불밀에 의한 분쇄의 예비분쇄기

로서도 종종 사용된다

(3) 롤러밀(roller mill)

볼밀과 같은 원리의 분쇄기로 시멘트원료를 분쇄할 때나 석탄을 분쇄할 때 사용된

다 분쇄기 중에 롤러나 볼을 이용한 것을 링롤러밀이라고도 한다

(4) 조크러셔(jaw crusher)

전ㆍ후로 조금씩 진동하는 강철제의 철판과 이와 마주 보는 고정판 시이에 수 cm

에서 1m 정도의 암석 등의 덩어리를 물려 넣고 짓씹어 부수게 하는 구조로 되어

있다

(5) 임팩트 크러셔(impact crusher)

매초 원주 속도가 수십 m로 고속회전하는 원통에 장치된 충격판에 의해 분쇄하는

장치이다 골재 정형에 널리 쓰인다

(6) 휠러밀(wheeler mill)

tn 이하의 미분쇄를 필요로 하는 분야에서 널리 사용된다 소위 유체에너지밀의

일종으로 고압기체를 불어 넣음으로써 입자를 기계의 벽이나 또는 다른 입자에 충

돌시 켜서 분쇄하는 장치이다 기체가 길쭉한 도넛형의 통내를 입자와 함께 환류하

고 미세하게 된 입자만이 배기와 함께 기외로 배출되는 구조로 되어 있다

(7) 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)

노즐로 높은 압력의 공기 또는 질소를 초음속으로 분사시켜 분말 상호 간의 충돌로

초미립 크기로 분쇄되며 분급 휠(classifier wheel)의 속도 변환과 베인과의 간격에

의해 미립자의 크기를 조절하여 분급하는 방식이다 노즐의 크기 배열 상태 및 공

기 흐름의 조절로 효율성을 크게 증가시킬 수 있으며 동시에 분쇄기의 마모와 제품

의 순도 최적화를 유지할 수 있다 입도의 크기는 01 ~ 10의 범위에 있다

이외에도 큰크러셔(cone crusher) 압축력에 의한 자이러토리크러셔(gyratory

crusher)가 있고 충격력에 의한 해머밀(hammer mill) 케이지밀(cage mill) 유체에

너지밀 전단력에 의한 분쇄기 등이 있으며 마쇄력에 의한 자생분쇄밀과 진동밀

유성밀 교반밀이 있다

최근 들어 소재산업이 정밀화되고 고기능화 함에 따라 카본블랙 TiO2 PbO ZnO

SiO2등의 안료 세라믹 자기재료 맥반석 황토 슬래그 운모 흑연 탄화규소 탄

산칼슘 등을 미크론(μ) 크기 또는 서브미크론 크기의 분말로 분쇄하는 정밀 분쇄기

수요가 증대하고 있다

Fig 1 은 습식 분쇄기의 종류와 입도 범위의 관계를 나타낸 것이다 Fig 1 밑부분

의 화살표는 본 부품소재종합기술지원사업 수행으로 개발하고자 하는 분말의 크기

범위를 표시한 것이다

Fig 1 습식분쇄기의 입도 범위(독일 Buehler사)

제 1 절 기술지원 필요성

대가파우더시스템은 1970 년도에 창립하여 현재에 이르기까지 산업용 분쇄기 집

진기 건조기 기체여과기 액체여과기 폐수처리장치 등의 전문생산업체이다 최근

들어 소재산업이 정밀화되고 고기능화 함에 따라 분쇄기의 성능 향상이 요구되고

있다 최근에는 수십 nm 이하의 초분체 카본블랙 TiO2 ZnO SiO2 등의 안료 세

라믹 자기재료 등의 각종 소재의 입도 정밀화가 실현되고 있다 초분체기기 및 요

소 부품의 국내 수요는 독일의 DRAIS 일본의 KOTOBUKI 사 DYNO 사 등의 선진

메이커 제품을 수입하여 사용하고 있다 건식 기류충격식 분쇄기에 대한 국내 설계

기술 부족으로 외국에서 수입되고 있는 제품의 가격이 고가이어도 경쟁할 수 있는

제품을 개발하지 못하고 있는 어려운 상황이다

대가파우더시스템은 최근 습식 방법의 초미립 분쇄기를 개발하여 시험 중에 있으

며 압축공기를 이용한 기류충격식 분쇄기 개발에 있어서 분쇄부와 분급부의 기초

이론 구성 부품 설계 재질 선정 분쇄기 구조에 대하여 유한요소법으로 유동해석

을 하는 시뮬레이션 기술력 확보에 어려움을 겪고 있다 초미립 분쇄(ultra-fine

pulverization)를 위한 기류 분사노즐(compressed air nozzle supersonic air

nozzle)의 단면 형상 설계와 분쇄에 요구되는 유량 산출 분급기(classifier)의 크기

과 공기 유동부의 내부 형상 베인의 형상과 수량 베인의 간격 배열 위치 및 분급

기 회전수 등에 대한 설계 변수 등에 있어서 애로를 겪고 있으며 기술력 향상을

위하여 외부 전문가의 기술지원이 요청되고 있다

건식 기류충격식 분쇄기 설계의 핵심 기술을 지원하여 건식 기류충격식 분쇄기의

국내 업체의 자체 설계 능력 확보가 요구되낟 본 부품소재종합기술지원사업을 통

하여 초미립 분쇄기와 관련된 국내ㆍ외 특허 자료 기술문헌 및 분쇄부와 분급부의

기초 이론 관련 자료 조사와 제공 초미립 입자를 생산하기 위한 건식 분쇄기의 구

조 설계 기술 지원 유량에 따른 기류충격식 분쇄 노즐의 설계 변수 컴퓨터를 이용

한 3 차원 모델링에 의한 설계 유한요소법에 의한 기체의 유동 해석 기술 지원이

필요한다

제 2 절 기술지원 목표

기술지원의 초종 목표는 지원기업 대가파우더시스템가 분쇄 입도의 평균직경 18

~ 20 인 초미립 파우더를 생산하기 위한 기류충격식 분쇄기 설계와 생산에 대

한 기술 확보이다 공기 분사 방식의 분쇄 노즐 형상 분급부의 구조 설계 및 작동

에 대한 기초를 체계적으로 정립하며 분쇄기 구성 부품의 재질 선정 3D 모델링에

의한 분쇄기 시스템 설계와 유한요소볍에 의한 공기 유동장 해석 결과를 바탕으로

시작품을 제작하며 향후 유사 모델에 대한 자체적인 설계 및 새산 능력을 확보하

는 것이다

제 3 절 기술지원 내용

1 건식 기류충격식 분쇄기의 국내ㆍ외 특허 자료 기술문헌 및 기술정보 조사 지

원으로 초미립분쇄기의 기초 이론 구조 기능 정립 초음속 분사노즐 단면 형상

설계 자료로 활용

2 3D 모델링에 의한 설계 기술 지원으로 설계 오류를 사전에 방지

3 초음속 분쇄 노즐의 형상 설계와 유동 특성 해석 기술

4 분급부의 내부 구조 베인의 형상과 배열 및 수량 결정 유한요소법에 의한 분급

기의 유동 해석 기술 지원으로 분급 입도의 안정화 분급기 설계 및 제작

5 분쇄부와 분급기의 재질 선정 지원으로 생산가 관리 및 내구성 확보

Table 1 기술지원 목표 및 내용

제 2 장 국내ㆍ외 기술 현황

건식 분쇄 기술로 크기가 1 이하의 작은 입자를 생산하는 것은 어려운 기술로

분체기술의 장벽이라고 일컬어진다 각종 소재를 성분 변화없이 100nm 이하의 크

기로 극미세 분쇄하는 기술은 미래 산업을 이끌어갈 핵심분야로 국가간 연구개발

경쟁이 치열한 기술이다

제 1 절 세계의 기술 현황

나노급의 미세 파우더는 1980 년대초 독일의 칼스루헤연구소 등에서 시작되어

1990년대에 들어서 100nm 이하의 제조합성에 관한 연구가 본격화되었다 일본의

경우에는 과학기술청의 창조과학기술 추진과 통산성의 차세대산업기반기술 분야로

선정되어 주목을 받고 있다 초미분을 생산하기 위한 양산 장비 및 요소 부품에 대

한 선진국의 기술은 독일의 DRAIS사(습식) NETZSCH사(건식) 일본의 Kotobuki사

(습식) DYNO사(습식) Hosokawa 사(습식 건식) 등의 선진메이커에서 제품이 개

발되어 판매되고 있다 또한 나노 파우더 생산업체로는 일본의 Kako 사 미국의

Whittaker 사 Dow Chemical 사 Dupont사 및 독일의 Degusa사 등이 있다 현재

까지는 나노급 파우더 제조 공정의 불안정 및 복잡성 평가 방법의 미흡 등으로 다

양한 제조 공정 기술개발이 진행되고 있다 세라믹 분말의 경우에는 일부 특수한

경우에만 상용화되고 있다 금속분말의 경우에는 한정된 종류의 금속만 생산이 가

능하여 계속적인 개발이 진행되고 있다

건식 기류충격식 분쇄기의 주요 제작업체는 일본의 Hosokawa 사와 독일의

Netzsch 이다 미국 일본 및 독일 등에 대부분의 같은 내용의 특허가 등록되어

있으며 일본과 독일에 의하여 등록된 특허의 구조적인 특징은 다음과 같다

1 일본 Hosokawa사의 수직형 기류충격식 분쇄기

건식 기류충격식 분쇄기의 대표적인 업체인 일본의 Hosokawa 사 분쇄기의 특징

은 3개의 초음속 분사노즐이 에어젯트밀의 중앙인 수직 평면상에 원호상 등간격인

120도 간격으로 원의 중심을 향하여 배열되어 있으며 분쇄기 내의 상부에 회전축

이 수평인 위치로 회전되는 원심형 분급기가 설치되어 있다(Fig 2)

분쇄기의 모델과 분쇄 대상 재료에 따라 분말의 크기가 01 - 10 의 범위에 있

Fig 2 일본 Hosokawa 사의 수직형 기류충격식 분쇄기의 내부

2 일본 Hosokawa 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(2)

Fig 3a ~ Fig 3c는 일본 Hosokawa 사의 등록특허이다 분쇄기와 분급기 구조에

관한 것이다 Fig 3a에 보인 원형 단면의 분쇄실 외주부에 Fig 3b와 같이 에어를

고압 분사하는 분사노즐이 다수개 배열되어 있어 재료 공급관으로 유입되는 재료

가 고압의 공기 분사에 의하여 분쇄된다 분쇄도니 미분은 상부 통로로 배출되며

조분은 Fig 3b 의 ldquo16rdquo 번 부위인 분쇄기 내벽을 따라 이동되다가 공기 노즐의

출구부 측면에 나있는 구멍으로 흡입되어 공기와 함께 분사되어 재분쇄가 된다

Fig 3a 일본 Hosokawa 사의 분쇄기 단면(일본 特開平 11-179228 1999)

Fig 3b 일본 Hosokawa사의 분쇄기 평면(일본 特開平 11-179228 1999)

Fig 3c 일본 Hosokawa사 분쇄노즐 단면(일본 特開平 11-179228 1999)

3 일본 미놀타 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(3)

Fig 4a ~ Fig 4c 는 일본 미놀타사의 등록특허이다 분쇄기와 분급기 구조로

Fig 2에 보인 Hosokawa 사의 수직형 분쇄기와 비슷한 구조이다 분쇄 효율을 높

이기 위하여 Fig 4c 에 보인 것과 같은 분쇄기 중앙부의 분사된 공기가 집중되는

위치에 삼각형 경사판을 배치하여 공기가 충돌한 후 분쇄기 상부로 향하게 되어

있다

Fig 4a 일본 미놀타사의 분쇄기 단면(일본 特開 2000-5621 2000)

Fig 4b 일본 미놀타사 분쇄기의 분사노즐 배열(일본 特開 2000-5621 2000)

Fig 4c 일본 미놀타사 분쇄기의 충격판(일본 特開 2000-5621 2000)

4 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(4)

Fig 5는 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 등록특허이다 분쇄기 내측

수평면상에 분사노즐이 서로 마주 보게 배열되어 있다 분급기의 회전 축이 분쇄기

의 중심축과 일치한 상태로 회전하여 수평면 상에서 원심력에 의하여 분급이 이루

어진다 분급된 미분은 분쇄기 상부의 통로로 배출된다

Fig 5 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 수평형 기류충격식

분쇄기(일본 特開 2002-35631 2002)

5 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(5)

Fig 6 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기 구조는 Fig 4 의 일본

미놀타사와 유사하다 수평면상에 분사노즐이 배열되어 있으며 분급기의 회전축도

수평으로 위치하고 있다

Fig 6 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(일본 特開 2003-88773

2003)

6 미국 Xerox사의 수평형 기류충격식 분쇄기와 노즐(6)

Fig 7a의 미국 Xerox사의 수평형 기류충격식 분쇄기 구조는 Fig 5의 일본

Hosokawa Alpine AGampCo OHG 사의 구조와 유사하다 분사노즐이 수평면상으로

배열되어 있으며 분급기의 회전축도 수평으로 위치하고 있다 분사노즐의 형상은

Fig 7b 에서와 같이 이중관 구조이다

Fig 7a 미국 Xerox 산의 수평형 기류충격식 분쇄기(일본 特開 2004-50179

2004)

Fig 7b 미국 Xerox 사의 이중관 분사노즐(일본 特開 2004-50179 2004)

7 독일 Netzsch사의 건식 기류충격식 분쇄기(7)

독일 Netzsch 사는 대표적인 기본 구조의 건식 기류충격식 분쇄기를 개발하여 가

공 용량이 다른 여러 가지 분쇄기에 유사한 구조를 적용하였으며 일본 Hosokawa

산의 분쇄기와는 전혀 상이한 구조이다 즉 3 개의 초음속 분사노즐이 기류충격식

분쇄기 하부의 수평 평면상에 원호상 등간격인 120 도 간격으로 원의 중심을 향하

여 배열되어 있으며 Fig 8 에서와 같이 수직 회전축을 갖는 원심형 분급기가 분

쇄기 상부에 설치되어 있다 분급기의 외형 모습은 Fig 9에 보인 것과 같으며 분

급 효율을 향상시킬 목적으로 분급기 단면이 회전 중심으로 향할수록 상하 공간이

넓어지는 ldquoConvor로 명명된 형상의 단면 모습으로 되어 있다(Fig 10)

Fig 8 독일 Netzsch 사 분쇄기의 내부 구조

Fig 9 독일 Netzsch 사의 분급기

Fig 10 독일 Netzsch 사 분급기의 단면 형상 ldquoConvor

8 독일 특허 공기 분사노즐(9)

독일 Netzsch 사의 분쇄기 관련 기술 컨설턴트인 Nied 가 고안한 분쇄용 분사노즐

의 구조에 대한 것이다 3 개의 공기 분사노즐이 기류충격식 분쇄기 하부의 수평

평면상에 원호상 등간격인 120도 간격으로 원의 중심을 향하여 배열되어 있다(Fig

11a) 분사노즐 중앙부의 구조는 단면이 수축-확산 형태로 노즐로 초음속의 고속

분사를 하면서 중심 노즐 주변에 중앙 분사부를 감싸는 이중 공기 분사관을 형성

하여 중앙의 분사노즐에서 분사되는 공기의 확산각이 커지지 않도록 공기 주위에

추가적인 보조 공기를 분사하는 구조이다(Fig 11b)

Fig 11a 독일 특허-분사노즐 배열과 분사 공기의 분포(EP 0 736328A1 1996)

Fig 11b 독일 특허-분사노즐 단면과 분사 공기의 분포(EP 0 736328A1 1996)

9 미국 특허 분쇄기 구조(10)

일본의 히데유끼 요시다 등 5 명이 미국에 출원한 특허로 분쇄 재료가 초음속으로

분출되는 공기 통로의 중간에서 공급되며 재료가 분쇄실로 이동된 후 충격판에 충

돌되어 분쇄되는 구조이다(Fig12) 분쇄된 분말의 크기는 10 수준이다

Fig 12 미국 특허-충돌식 분쇄기(USP 57657661998)

제 2 절 국내의 기술 현황

국내의 경우에는 초미분 분말 생산에 관한 개발 역사가 짧으며 연구소 대학 기업

등에서 다발적으로 연구가 진해오디고 있다 기계 전자 물리 재료 화학 등의 연

계된 연구가 필요하다 1996 년 과학기술부 및 산업자원부 등의 산업단을 중심으로

대형 연구가 수행되어 왔으나 주로 기상법에 의한 분말합성에 관한 것이다 1998

년도부터 한국기계연구원에서 200nm 급의 건식 분쇄 및 분급기에 대한 개발을 시

작으로 초미분 파우더 생산 장비에 관한 연구가 이루어지고 있다 초미분 분쇄 방

식은 본 기술지원 과제의 지원기업인 대가파우더시스템을 포함하여 습식 방식인

교반밀(agitated mill)을 주로 사용하며 입도의 크기는 5 이상 수십 크기의

범위이다 기류충격식 분쇄기의 기술 수준은 입도의 크기가 5 ~ 10 수준이다

기존의 습식분쇄기의 경우 평균 입도가 28 ~ 32로 Pb0를 대상으로 할 때 4

~ 6 kghr 정도를 생산할 수 있는 수준이다

국내에 등록되어 있는 건식 기류충격식 분쇄기와 관련된 특허의 출원인인 대부분이

일본업체이며 일본에 출원된 특허를 한국에 재출우너한 것이 대부분이다 미국과

벨기에가 각각 1 건씩 등록하고 있으며 한국인이 출원한 특허는 테크월드에서

출원한 3 건 등 모두 4 건이 검색되었다 마이크로급 이상의 파우더 생산장비에 대

한 국내의 기술 수준은 선진국 기술 수준의 약 70 수준이다 그나마도 설계 및

생산에 있어 거의 모방에 의존하고 있다 나노급 기술은 초보적인 상태이다

제 3 장 기술지원 수행 내용 및 결과

제 1 절 기술지원 수행

본 부품소재종합기술지원사업은 Fig13의 기술 개발 추진도에 따라 수행되었다

Fig 13 기술 개발 추진도

분쇄기의 전체 시스템 중에서 분쇄기와 분급기 이외의 기타 구성 모듈들에 대한 설

계 및 생산기술은 지원기업 대가파우더시스템이 기확보하고 있는 기술이 기술

지원의 주된 내용은 기류충격식 분쇄기의 핵심 부품이며 분쇄기의 성능을 좌우하는

초음속 공기 분사노즐과 분급기의 설계 기술에 관한 것이다 초음속 공기 분사노즐

의 단면 형상 공급 공기의 압력과 분사 공기의 속도 및 공기 소요량 산출을 위한

공기 분사노즐 설계와 분쇄기 내부의 내마모성 재료 선택 분급기 베인의 형상과

분급기로 유입되는 공기의 속도 분포를 균일하게 하여 원심력 작용으로 분말의 분

급 정밀도를 향상시켜 주기 위한 분급기의 내부 단면 형상 설계 미 ㅊ유입 공기 속

도 및 압력 분포에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 방법 등에 대한 체계적인 기술 지원이

수행되었다 향후 유사 모델 개발에 적용하여 새로운 제품을 개발할 수 있는 설계

능력을 확보하였다

1 분쇄기 시스템 구성도

본 기술지원을 통하여 개발하는 핵심 기술은 건식 기류충격식 분쇄기의 초음속 공

기 분사노즐과 분급기와 관련된 기술이다 분쇄기의 기본 구조는 독일의 Netzsch

사 제품과 유사한 구조로 되어 있으며 분쇄용 공기 분사노즐과 고정밀도의 분급기

설계기술을 자체 보유하는 데 주안점이 있다 개발 대상 분쇄기 시스템의 전체 구

성도는 Fig 14(7)에서와 같다 Fig 14에서 분쇄기 시스템은 ldquo진동공급기rdquo를 통하

여 공급되는 분쇄용 우너료를 ldquo건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기rdquo로 분쇄 및 분급

한 후에 cyclone을 거쳐 bag filter로 분말을 포집하는 시스템으로 구성되어 있

다 분말과 공기가 혼합된 기류는 각각의 단계로 이송하는 과정에서 double flap

valve로 이송이 조절되며 최종적으로 fan의 작동으로 공기가 배출된다

건식 기류충격식 분쇄기 본체를 구성하는 부품의 서브어셈블리는 각각 Chamber

Body Laval Nozzle Classifier Wheel 및 Bearing Block등으로 구성되어 있

다 주요한 설계 변수는 분쇄챔버의 직경과 높이 초음속 공기 분사노즐 설계 있어

서 라발 노즐(초음속 공기 분사노즐)의 모즐 목 내경과 배출부의 직경 및 축방향의

단면 형상 공기되는 공기의 압력 등이다 분급기 설계에 있어서의 주요 변소는 베

인의 단면 형상 베인의 수량과 배열 각도 분급기 내부 공동부의 단면 형상 분급

기에 유입되는 공기 속도와 분급기를 통과한 이후의 공기 압력 등이다

Fig 14 기류충격식 분쇄기의 시스템 구성도

2 소리의 속도

물체의 일부에 교란을 주면 개스 유체 및 고체의 압축성으로 인하여 물체를 통하

여 유한한 속도로 교란이 전파된다

음속은 물체의 압력과 밀도 변화와 관계되어 있으며 다음식으로 표현된다

여기서

음속 압력변화 밀도 변화

체적탄성계수는 다음과 같이 표현된다

여기서

체적탄성계수 압력변화 체적변화 초기체적

체적탄성계수는 식 (3)으로도 표현된다

여기서

물체의밀도변화 물체의초기밀도

개스 유체 고체 내에서의 음속은 다음식과 같다

여기서

체적탄성계수

개스에서의 소리 속도는 아주 작은 한 점에서 교란이 일어나는 관계로 열전달을 무

시할 수가 있으며 또한 등온 상태로 가정할 수가 있다 이상 기체에서의 소리 속도

는 절대 온도의 근에 비례하며 다음식으로 표현된다

여기서

k = 비열비 (adiabatic index)

p = 압력 (Pa psi)

R = 개스 상수

T = 절대 온도 (degK degR)

앞의 식 (4)와 식 (5)로부터

식 (6)으로부터 체적탄성게수 E를 구할 수가 있다

( 예 1 ) 공기의 체적탄성계구 산출

k = 14 R = 287 (JK kg) at T=293K( 20 ) p=1204(kgm3)

Eair = k R T p=14X287X293X1204=14174379((Jm3)

Eair = 14174379(Nm2)

( 예 2 ) 염소(C12)의 체적탄성계수 산출

k = 134 R = 120 (JK kg) at T=293K(20) p=2994(kgm3)

Ec12 = k R T p=134X120X293X1994=14106051((Jm3)

Ec12 = 14106051(Nm2)

( 예 3 ) 0 1 bar 공기에서의 소리 속도

c = (14x287x273)12

= 3312 (ms)

여기서

k = 14

R = 287 (JK kg)

( 예 4 ) 20 1bar 공기에서의 소리 속도 산출

c = (14X287X293)12

= 3431 (ms)

( 예 5 ) 0 물속에서의 소리 속도 산출

여기서

3 공기 분사노즐에서의 유동식

개스역학에서 공기의 속도가 sim 이상으로 빠르거나 압력의 변화가

보다 큰 경우에는 압축성 흐름으로 취급한다 이러한 현상은 노즐에서

개스가 팽창하는 경우에 발생된다

정상유동에서의 에너지 평형 상태는 다음식으로 표현된다

여기서 엔탈피는

이며 엔탈피 ∆의 변화는 내부에너지 ∆에 외부로 또는 외부로부터의 체적에

의한 일 ∙∆의 합과 같다

내부에너지의 변호가 없고 밀도가 일정하다고 가정하면 즉 ∆ 인

경우에는 비압축성유동의 베르누이 방정식이 된다 반면에 위치네어지의 변화가 없

는 경우 ∆ 에는 상대적으로 밀도가 낮은 압축성 유체인 ldquo개스rdquo의 상태를

나타낸다 ldquo개스역학rdquo 이라는 자체가 의미하듯이 해석에 있어 고압 및 개스의 속도

가 포함되며 내부에너지의 변화 ∆를 무시할 수가 없다 이러한 의미에서 식 (7)

은 다음과 같이 된다

이상개스 방정식에서

이며 식 (12)를 식(9)에 대입하면 다음과 같이 된다

식 (13)에 에너지 보존법칙을 적용하면 노즐에서 분사되는 개스의 속도를 구할 수

있다

개스의 초기 속도가 인 경우에는

가역 단열 흐름에 있어서는 다음 3개의 식을 적용할 수가 있다

식 (16) ~ 식 (18)을 식 (15)에 대입하면 노즐에서 분출되는 개스의 속도가 구해

진다

노즐을 통과하는 질량의 흐름 식

밀도의 비로부터

다음과 같이 노즐을 통과하는 질량을 구한다

다음의 식 (23)을 식 (22)에 대입하여

식 (24)를 구한다

여기에서

을 ldquo탈출 계수(escape coefficient)rdquo 라고 한다

식 (25)를 사용하여 식 (24)를 다시 표현하면 다음의 간략식이 된다

탈출 계수 는 압축비 의 값이 다음과 같은 값일 때

임계 압축비 또는 라발 압축비로 표현되는 다음 크기의 최대값을 갖는다

음속은 노즐의 단면적이 제일 작은 부분에서 임계 압축비에 도달한다

max는 테이퍼가 일정한 실린더 형상의 노즐에 적용된다 식 (26)에 의하여

ㆍ 가 되며 는 일정한 테이퍼의 노즐에서만 증가할 수 있다 만약 압

축비 가 임계비 이하이면 max이므로 노즐을 통과하는 질량의 흐름은 일정

하다 이것은 질량의 흐름이 외부의 압력에 영향을 받지 않는다는 것을 의미한다

질량의 흐름에 의한 일은 다음의 식 (30)으로부터 구해진다

압축성 유체의 단열 팽창시에 수행된 일은 식 (19)와 식 (30)로부터 다음과 같이

산출된다

아래의 Fig 15 는 수축확산 노즐의 단면 모습이며(11) Fig 16 은 수축확산 노즐에

서의 압력 온도 속도 변화를 나타낸 것이다(8)

Fig 15 수축확산 노즐(Laval Nozzle)

Fig 16 수축확산 노즐에서의 압력 온도 속도 변화

압축성 유체의 흐름에 있어서 임계 속도 이후에 노즐의 단면이 서서히 확대되면

열에너지가 유동에너지로 변환되면서 온도는 낮아지고 흐름이 증가된다

앞의 식 (27)을 참조할 때 Fig 16 의 수축확산 노즐의 단면적이 가장 작은 임계

압축비 에서 음속에 도달한다 이 것은 질량 흐름에 식 (26)이 계속적으로 유

효하다는 것을 의미한다 수축확산 노즐 출구에서의 온도는 다음과 같은 관계가 된

노즐 확산부의 치수는 다음식으로부터 구해지며

개스 상수 등은 계수 개스 유입 온도 노즐 목의 직경 압축비 등의

변수로부터 노즐 출구에서의 개스 속도와 온도를 구할 수가 있다 공기 흐름 해석

대상 노즐 각부에 대한 부호는 Fig17에서와 같다

Fig 17 수축확산 노즐의 각부 부호

실제 수축확산 노즐을 설계하는 데 있어서는 노즐에서 발생될 수 있는 압축파 발생

을 억제하기 위하여 노즐 출구의 치수를 설계값보다 약간 작게 한다 즉 Fig 17에

서의 노즐의 확산각 가 를 넘지 않아야 하며 최대 이내여야 한다

4 공기 분사노즐의 흐름 특성 계산

앞의 ldquo3 초음속 공기 분사노즐에서의 공기의 흐름rdquo에서 유도된 식들을 이용하여

ldquoMathcad 13 프로그램(12)으로 설계 대상 분쇄기에 적용되는 공기 분사노즐의 단

면 치수 유입 공기량 노즐 출구에서의 공기 속도 소요 동력 등을 산출하였다

우선 단위와 공기의 상수를 정리하면

kilo=1000 TK =273 hoursec =3600 k = 14

ㆍsecㆍ

ㆍsecㆍ

ㆍsec

ㆍsec

예를 들어 tan tan tan tan

해석 조건이 다음과 같으면 tank pressure=700kPa Ttank=70 exit

pressure=100kPa

단위 (mm) throat diameter=50 length 150 outlet diameter=70 diffusion

angle α=38deg

d = 0007 pe = 100kilo po = 7pe Ttank =7C

To = TK+Ttank To=343 (K)

times

sec

Air_massflow1N_hour =Air_masflow1N_sechoursec

Air_massflow1N_hour = 133024 (kghrper 1 nozzle)

Air_massflow3N_hour = Air_massflow 1N_hour3

Air_massflow 3N_hour = 399071 (kghrper 3 nozzles)

Imsec)

sec

timesorsec timesorsec

(kgm3)

sec

sec sec

공기분사 노즐 목의 직경이 50mm 출구 직경이 70mm 노즐 목에서 노즐 출구까

지의 길이가 150mm로 공기 분사노즐의 환산각 도인 공기 분사노즐이 3

개 장착되어 있으며 탱크내의 공기가 압력 7bar 와 70 를 유지하면서 계속적으

로 노즐을 통하여 공급되며 또한 분쇄 챔버 내의 압력이 1bar 로 유지되는 경우의

공기 분사노즐의 유동 특성 계산 결과를 종합 정리하면 다음과 같다

- 노즐 출구에서의 공기 최대 속도 542151msec

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 무게 399071kghr

(노즐 하나에 00369kgsec)

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 부피 225333m3hr(0063m3sec)

- 소요 동력 16291kWhhr

5 수축확산 공기 분사노즐의 유동 해석

공기 분사노즐을 3D 모델링 프로그램 SolidWorks(13)로 모델링하여 열유체 해석

을 위한 유한요소해석 프로그램 COSMOSFlwWorks(14)로 공기 분사노즐 내의 유

동 해석을 수행하였다 해석 대상 공기 분사노즐 단면의 형상과 각부의 치수는

Fig18에서와 같다

Fig 18 수축확산 노즐 유동 해석 모델의 단면

해석시에 적용된 변수값들은 앞의 ldquo4 초음속 공기 분사노즐의 분사 특성 계산rdquo에

서 산출된 값을 적용하였다 노즐의 확산부위 길이는 15mm 이며 분사노즐의 확산

각은 도이다 노즐 하나에 대하여 Fig 18 의 왼쪽면에서 00369 kgsec

의 공기가 유입되며 오른쪽 분사노즐 출구면에 12bar 의 압력을 적용하였다 분사

노즐의 유동 해석 결과의 여러 가지 특성값 중에서 본 설계에서의 주요 관심사가

공기의 배출 속도인 관계로 Fig 19에 흐름의 속도 분포 Fig 20에 흐름의 마하넘

버 분포를 나타내었다 초음속 흐름에 대한 해석으로 분사노즐 목에서의 공기속도

가 약 335msec(마하 1)이 되며 노즐 출구에서 최대속도가 된다 Fig 21은 수축

확산 노즐에 대한 공기의 속도 분포 해석 결과를 반영하여 공기 분사노즐을 모델링

한 것이다

Fig 19 수축확산 노즐의 공기 흐름 속도 분포

Fig 20 수축확산 노즐의 공기 흐름 마하넘버 분포

Fig 21 수축확산 노즐 모델

6 분급 이론

분급(分級 classification)이란 유체력을 이용해서 분립체를 그 입자 지름의 크기에

따라 분리하는 것으로 넓은 뜻으로는 유체력에 의한 분리만이 아니라 체가름을 포

함하는 경우가 있다 더 넓게는 비중선별ㆍ자기력선별 등 모든 입자분리조작을 분

급이라고 한다 공기ㆍ물 등의 유체 속에서 운동하는 분립체의 각 입자에는 중력

또는 원심력 이외에 유체에 의한 유체항력 등이 함께 작용된다 이 힘 즉 유체항력

은 입자 지름에 의존하는 데 유체항력과 입자 지름의 관계는 중력이나 원심력과

입자 지름의 관계와는 다르기 때문에 이 둘 사이의 균형 조건이 입자 지름에 의해

좌우된다 좁은 뜻의 분급은 이 원리를 이용한 입경분리조작을 의미한다 중력장에

서 등속 침강하는 구 형상의 입자에 대한 힘의 균형은 다음 식으로 표현된다

여기서 은 입자 질량 prime는 입자에 의해 배제된 유체 질량 g는 중력가속도 R

은 는 유체항력을 나타낸다 유체항력 R은 다음 식으로 나타낼 수 있다

여기서 는 저항계수 (drag coefficient)로 입자 주위의 유체의 상대적인 흐름의

상태에 따라 결정되는 무차원 계수이다 는 유체의 밀도 는 입자의 침강속도

는 입자의 지름이며 는 입자의 투영 최대 면적이다 물 또는 공기 속에서 입

자의 지름이 100 이하 입자의 밀도가 3gcm2이하의 조건에서는 입자 주위의 흐

름은 거의 충류로 간주되며 이때 R은 다음 식으로 나타내진다

여기서 는 유체의 점성도이다

prime

이므로 식 (36)을 식 (34)에 대입하면 식 (37)을 얻는다

여기서 는 입자 밀도이며 식 (37)을 스토크스의 침강속도식이라고 하며 분급에서

분리입자 지름을 구하기 위한 기본식으로 중요하다

식 (37)은 다음

과 같이도 표현된다

유체가 공기나 그 외의 기체인 경우의 분급 조작을 건식 분급(또는 공기 분급) 물

이나 그 외의 액체인 경우의 분급 조작을 습식 분급이라 한다 앞에 언급된 기본식

들 이외에 어떤 종류의 분급장치에서는 유체의 흐름 방향이 급격히 변화할 때 흐름

에 따라 운동하는 입자의 관성력의 효과가 중요한 역할을 한다

분급에 사용하는 장치를 분급기(classifier)라고 한다 건식분급기에는 관성력을 이

용하는 것 중력침강을 이용하는 것 원심력을 이용하는 것 등이 있다 관성력을 이

용하는 건식분급기에는 루버식분급기 버추얼임팩터 엘보제트형분급기 등이 있는

데 건식분급기로는 원심력을 이용한 것이 가장 널리 사용되고 있다 원심력을 이용

한 건식분급기로는 분급 입도가 30~100 정도의 비교적 굵은 입도에서의 대량 처

리로 옛날부터 알려진 스튜어트밴트형 등이 있으며 또한 몇 ~30의 분급이 가

능한 여러 분급기가 개발되어 널리 쓰이게 되었다 또한 사이클론도 미립(微粒)에서

조립(組立)에 이르는 분체(粉體)의 건식분급에 이용된다 습식분급기에는 중력식과

원심력식이 있으며 중력식은 상승 수류(水流)와 유동층을 이용한 수력분급기 원뿔

형 또는 각뿔형 용기에서의 중력침강을 이용한 세틀링탱크 등의 침강분급조 완만

하게 경사진 직사각형의 조(槽)로부터 침하한 조립 생산물을 긁어올리기 위한 레이

크나 스파이럴을 갖춘 기계분급기 등으로 분류된다 원심력을 이용한 습식분급기로

는 사이클론 또는 하이드로사이클론이 가장 대표적이며 솔리드볼형ㆍ디스크형 등

의 원심분리기도 미립자용 분급기로 사용된다

Fig 22는 베인 구조의 원심형 분급기의 회전 단면 모습이다

Fig22베인 구조의 원심형 분급기의 단면

Fig 22에서 H는 분급기 내부 상하면 사이의 간격이며 는 선별된 미분이 배출되

는 반경 는 베인의 내반경 는 베인의 외반경을 나타낸다

분체 주위의 공기 흐름이 층류 흐름이라는 조건하에서 베인 구조의 원심형 분급기

에의 컷포인트(utpoint)를 결정짓는 외주부의 반경 은 다음과 같다

또한 선별된 미분이 배출되는 반경은 다음과 같다

베인 사이에서도 고체의 회전법칙이 적용된다 베인의 외주 반경에서 속도의 원주

방향 성분 과 중심방향 성분 가 가장 큰 영향을 준다

식 (41)과 식 (42)를 식 (38)에 대입하여 정리하면 다음과 같다

독일 Netzsch 사에서는 베인의 내반경 에서 선별된 미분이 배출되는 반경 까

지의 반경 방향의 공기 속도 성분 을 질정하게 해 주기 위하여 Fig 10에 보인

ldquoConvorrdquo라고 불리우는 단면의 분급기를 개발하여 사용화하고 있다

7 분급기 설계와 유동 해석

분급기의 베인 사이로 분쇄된 미분과 공기가 함께 유입되어 중앙부의 배출구로 통

과하는 분급기의 내부 형상을 설계하기에 앞서 분급기 내부를 구성하는 상면이 평

평한 구조의 분급기에 대한 유동해석을 실시하여 공기의 속도 분포를 검토하였다

해석 대상 분급기의 외경은 205mm이며 밑면 중앙에 공기 배출을 위하여 직경이

90mm인 원형 구멍이 뚫려 있다 분급기 외주에는 단면이 원호의 일부로 만들어진

두깨가 2mm 넓이가 18mm 길이가 35mm인 베인이 매 60도마다 10개씩 등간격

으로 모두 60개가 베인의 코드 방향과 분급기의 반경 방향이 이루는 각도가 약 15

도가 되도록 경사지게 설치되어 있다 원주 방향으로 매 60도마다 길이 35mm 직

경 8mm인 원형봉 6개가 등간격으로 배열되어 상ㆍ사 카버 사이에 베인을 고정시

켜 조립되는 구조이다 해석 대상 분급기에 사용된 베인의 단면과 베인의 배열 및

분급기 상ㆍ하면을 고정하는 봉이 포함된 수평면상의 평면도를 Fig 23에 나타내었

다 Fig 24는 분급기의 상면 형상이 평평한 구조인 경우에 대한 분급기의 수직단

면도이다

분급기에 유입되는 공기는 온도 50 유입량 01m3sec 분급기를 통과한 후에

배출되는 공간의 압력은 12bar이며 분급기의 회전속도는 8000rpm(838radsec)

이다 분급기에 발생되는 원심력의 절대적인 크기는 재료의 밀도와 분급하고자 하

는 분말의 크기에 따라 분급기의 회전수를 변화시켜서 조절한다 SolidWorks 및

COSMOSFloWorks 프로그램으로 분급기의 공기 유동해석을 실시하였다 해석시의

변수 입력 항목 및 해석 과정을 ldquo부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 유동해석 절

차rdquo에 정리하였다

Fig 23 베인과 상ㆍ하면 고정 원형봉의 평면 단면도

Fig24 분급기 상면이 평면인 경우의 수직단면도

공기 유동해석 결과를 Fig25~Fig27에 나타내었다 Fig25는 베인의 중간 높이에

서의 수평 단면에서의 공기 속도 분포이다 Fig26은 베인이 위치한 부위에서의수

직단면 Fig 27은 상ㆍ하면을 고정시켜 주는 원형봉이 있는 부위의 수직단면에 분

포하는 공기의 유입 속도 해석 결과를 나타낸 것이다

Fig 25 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig 26 베인 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig27 연결봉 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig15~Fig27의 공기 속도 등고선을 보면 베인 외주부의 상하 위치에 있어서 공

기의속도가 불균일한 분포를 보인다 베인의 분급기 내부 공간에서는 같은 반경인

위치에서 윗부분에서의 공기 속도가 아랫부분에서보다 빠르게 분포하고 있다 베인

의 높이 방향 상ㆍ하 위치에 따른 이러한 유입 속도의 편차는 분급기 외주의 실린

더 면으로부터 유입되는 공기가 분급기 중앙의 밑 방향으로만 배출되는 유동 통로

의 구조 때문으로 판단되낟 따라서 같은 반경의 같은 원심력이 발생되는 위치에

있어서도 윗부분에서의 공기 유입속도가 밑부분에서보다 크게 분포되어 윗부분에서

는 밑부분에서보다 큰 분말이 분급기 안으로 유입된다 지정된 크기의 컷오프보다

큰 분말과 작은 분말이 혼합된 상태로 배출되는 관계로 분급이 정밀도가 저하된다

베인의 상ㆍ하 위치에 무관하게 공기의 유입 속도를 가급적 균일하게 해 주기 위한

목적으로 분급기 내부의 단면 형상을 Fig28과 같은 인볼류트-컨볼류트

(involute-convolute) 단면으로 구성하여 공기의 유동해석을 실시하였다

Fig 28 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기

Fig29는 베인의 중간 높이 수평단면 상에서의 공기 속도 분포이다 Fig25에 비하

여 베인의 외주 부위에서의 공기의 속도가 균일하게 분포되고 있음을 보여 준다

Fig29 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig 30은 베인이 위치한 부위에서의 수직 단면 Fig31은 상ㆍ하면을 고정시켜 주

는 원평봉이 있는 부위에서의 수직 단면에 분포하는 공기 속도 분포이다 Fig30과

Fig31은 각각 Fig25와 Fig26에 비하여 베인의 높이 방향 전체에 걸쳐 공기의 유

입 속도가 상당히 균일하게 분포되는 것을 보여 주고 있다

Fig 30 베인 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig31 연결봉 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig32는 분급기 내부의 공간 형상이 인볼류트-컨볼류트인 분급기의 설계 모델이

Fig32 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 모델

Fig33은 앞의 수축확산 공기 분사노즐(Fig20)과 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급

기(fig32)로 구성된 건식 기류충격식 분쇄기의 3D모델이다 중요 부품의 도면은

ldquo부록 9 설계 도면rdquo에 수록하였다

Fig33 건식 기류충격식 분쇄기의 3D 모델

8 시작품 제작

수축확산 공기 분사노즐의 유동해석 및 분급기의 유동해석 결과를 바탕으로 시작품

을 제작하였다 Fig34는 수축확산 공기 분사노즐 헤드의 시작품 모습이다

Fig 34 수축확산 공기 분사노즐 헤드 시작품

Fig35는 분급기의 시작품 모습이다 분급기의 베인은 분체와 마찰시 내마모성을

갖도록 SUS 재질로 곡면 성형한 후 세라믹으로 코팅하여 제작하였다

Fig35 분급기 시작품

Fig 36은 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 수축확산 공기 분사

노즐 및 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 등이 분쇄기의 내부에 장착되어 있다

Fig36 건식 기류충격식 분쇄기 시작품

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기와 관련된 국외 특허 자료 조사와 분석 공기의

유동해석에 있어 많은 일정이 소요되었다 기술지원 추진일정을 Table1에 정리하

였다

Table 4 추진 일정

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 2: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

제출문

산업자원부장관 귀하

본 보고서를 ldquo기류충격식 분쇄기 설계 및 생한 기술지원rdquo (지원기간 2006 08

01~20070731) 과제의 기수지원성과보고서로 제출합니다

20070731

지원기관 한국생산기술연구원 원장 김 기 협 (인)

지원기업 대가파우더시스템 대표이사 최 은 석 (인)

지원책임자 한국생산기술연구원 윤 승 원

참여연구원 대가파우더시스템 최 병 훈

최 병 주

남 상 경

최 인 환

최 덕 규

기술지원성과 요약서

과제고유번호 연구기간 20060801 ~ 20070731

연구사업명 부품소재전문기업기술지원사업

지원과제명 기류충력식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원

지원책임자 윤승원 지원연구원수

총 6 명

내부 1 명

외부 5 명

사업비

정부100000천원

기업100000천원

계 200000천원

지원기관명 한국생산기술연구원 소속부서명 생산시스템본부

참여기업 기업명 대가파우서시스템(주) 기술책임자 최병훈

요약(연구결과를 중심으로 개조식 500자 이내) 보고서변수 125

직경 18 ~ 20 인 초미립 분말을 생산하기 위한 건식 기류충격식 분쇄기의

설계 및 생산 기술이 개발되었다 기류충격식 분쇄기의 분쇄과정은 분쇄 재료의

공급 초음속 공기 분사노즐에 의한 분말의 충격 분쇄 설정 크기별 분말의 분

급 여과 집진 및 공기 배출 등의 절차로 이루어진다 지원기업이 어려움을 겪

고 있는 초음속 공기 분사 노즐 설계와 미세 입자 분급기 설계를 포함하는 분쇄

기 쳄버 설계 및 생산기술에 대한 기술지원으로 기류충격식 분쇄기를 개발하였

건식 기류충격식 초미립 분쇄기와 관련된 국내ㆍ외 특허 자료와 기술문헌 등이

조사 정리 제공되었으며 3D 모델링에 의한 설계가 수행되었다 분쇄기를 구성

하는 내마모성 부품 재료 선정 초음속 분사노즐의 형상 설계 분급기의 내부 형

상 베인의 단면 형상 배열 간격 및 수량 등에 대한 설계 기술이 확보었다 원

심팬 내의 공기 유동장 해석 기술 확보로 정밀도가 높은 분급이 가능해졌다 향

후 유사한 초미분 건식 분쇄기 개발을 위한 자체 설계 기술을 확보하였다

색 인 어

(각 5 개 이상)

한글 분쇄 분급 입도 초미립 초음속 유동 기류충격

영어Pulverization Classification Particle size Ultra-fine

powder Supersonic flow Air-jet

기술지원성과 요약문

1 사업목표

평균 직경이 18 ~ 20인 초미립 분말 생산을 위한 압축공기를 이용한 기류

충격식 분쇄기 설계와 생산 기술을 개발한다 분쇄부와 분급부의 구조 설계와

작동에 대한 기초를 체계적으로 정립하낟 3D 모델링에 의한 설계 핵심 모듈인

분사노즐과 분급기의 공기 유동장 해석 기술을 확보하여 초미분 생산용 건식 기

류충격식 분쇄기의 자체 개발 기술을 확보한다

2 기술지원내용 및 범위

(1) 국내외 특허자료 검색 및 분석 지원으로 초미립 분쇄기의 기초 구조 기능

정립 및 기류 층격 펄스 노즐 형상 설계 자료로 활용

(2) 3D 모델링에 의한 부품 및 시스템 설계 방법 지원으로 오류 최소화

(3) 초음속 공기 분사노즐의 형상 설계 기술 지원

(4) 분급 입도의 정밀도를 향상시키기 위한 분급기 내부의 형상 설계 회전수

베인의 수와 간극 및 배열 등에 대한 이론 교육

(5) COSMOSFloWorks 에 의한 분급기의 공기 유동장 해석 방법 절차 및 해석

결과의 이해와 설계에 반영

(6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작

3 지원실적

지원항목지원내용

비고기술지원前 기술지원後

입도(평균) 28 ~ 32 18 ~ 20 입도 측정

생산 용량(Pb0) 4 ~ 6kghr 10 ~ 15kghr 생산량 측정

분급기 휠 직경 100mm 205mm 설계 자료

분급기 휠 회전수 최대 13000rpm 최대 8000rpm 장비 작동

베인 수 30 개 60개 설계 해석 자료

1 지원항목 2번항목의 기술지원내용 및 범위를 근거로 지원실적을 항목별로

구분하여 가재

2 지원내용 지원항목별로 기술지원 前後 상황을 비교하여 기재

4 기술지원 성과 및 효과

1) 해당기술 적용제품

o 적용제품명 기류충격식 분쇄기

o 모 델 명 DGJMV-350

2) 품질 및 가격

구 분 경쟁 제품해당기술 적용제품

비고지원전 지원후

경쟁제품 대비 품질 100 75 95

경쟁제품 대비 가격 100 50 75 대당 130 백만 원 기준

객관환 된 DATA를 근거로 작성

3) 원가저감 효과(대당)

구 분 절 감 금 액 비 고

원부자재 절감 8 백만 원년(6 ) 불량 방지에 의한 재료비 절감

인건비 절감 4 백만 원년(3 ) 안전 생산에 의한 인건비 절감

계 12백만 원년(9 ) 생산량 증가에 따른 비용 절감

공정개선 및 품질향상 등으로 인한 절감효과 반영

4) 적용제품 시장전망(매출성과)

구 분 당해연도 매출 차년도 예상매출전년대비

증가비율비고

내 수 - 백만 원년 800 백만 원년 100

수 출 - 천 달러년 400 천 달러년 100

계 - 백만 원년 1180 백만 원년 100

참고) 1 적용제품 주요수출국 중국 미국

2 작성당시 환율기준 950원USD

5) 수입대체 효과

모델명 당해연도 수입액 차년도수입액 수입대체금액

DGJMV-350 천 달러년 천 달러년 900 천 달러년

계 천 달러년 천 달러년 900 천 달러년

6) 해당기술의 기술력 향상 효과

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계

기술

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른

분급기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

7) 기술적 파급 효과

(1) 초미립 분쇄기에 대한 기초 기술의 정립과 국내외의 특허 기술 파악으로

건식 기류충격식 분쇄기의 성능과 구조 등 자체 개발 방향 설정이 가능하다

(2) 초음속 공기 분사노즐의 설계 능력이 확보되어 다양한 성능의 모델 개발에

활용 할 수가 있다

(3) 서브미크론 크기의 초미분을 생산하는 기류충격식 분쇄기의 핵심 모듈인 고

정밀도의 분급 성능을 갖는 분급기의 설계 능력이 확보되었다 즉 분급기 내부

의 형상과 회전수 베인의 단면 모습과 소요 수량 및 배열에 대한 설계 기술이

확보되었다

5 적용기술 인증 지적재산권 획득 여부

1) 규격 인증획득

인증명 품목 인증번호 승인기관 인증일자

2) 지적재산권

종류 명칭 번호 발명자 권리자 실시권자

비고

(등록

출원)

특허

원심형 분말

분급기

(Centrifugal

Powder

Classifier)

10-2007-0092396

윤승원

최덕규

남상경

최인환

최병훈

한국생산기술연구원

대가파우더시스템(주)출원

6 세부지원실적

항 목 지원 건수 지 원 성 과

기술정보제공 104 건국내ㆍ외 특허 73건 전문서적 14 권 매뉴얼

6 권 기타 기술 자료 11건

시제품제작 1 건 DGJMV-350 건식 기류충격식 분쇄기

양산화개발 3 건 공기 분사노즐 분급기 베인

공정개선 3 건 분쇄기 설계 절차 베인의 형상 설계과 제작

품질향상 3 건 분급기 베인 분사노즐

시험분석 3 건 분말의 입도 측정

수출 및 해외바이어발굴 0 건

교육훈련 18 건SolidWorks COSMOSFloWorks 사용 방법 교

기술마케팅경영자문 1 건 (주)지바이오텍에 건식 분쇄기 장비 소개

정책자금알선 1 건 생산기술연구자금 알선

논문게재 및 학술발표 0 건

사업관리시스템

지원실적업로드 회수0 건

지원기업 방문회수 54 건

지원책임자 지원기업 방문 39 건 국내 방문

7 건 해외 출장 1 건

참여기업 연구원 0명 지원기관 내방 7회

기 타 8 건국내ㆍ외 전시회시 수집 자료 제공 4회

시작품 제작용 자재 지원 4 회

상기 세부지원실적에 대한 세부내용 첨부

7 종합의견

소재산업이 정밀화되고 고기능화함에 따라 서브미크론급의 초미립을 생산하는

분쇄기의 성능 향상이 요구되고 있다 국내의 경우에는 건식 기류충격식 분쇄기

에 대한 설계 기술 부족으로 2 ~ 3 급의 건식 분쇄기를 독일과 일본 등으로

부터 고가로 수입 하여 사용하고 있으며 대항 경쟁 제품을 개발하지 못하고 있

는 실정이다

지원기업 대가파우더시스템(주)은 창업후 36 년 이상 분쇄기를 전문으로 설계

및 생산하는 분쇄기 전문기업이다 본 부품소재종합기술지원사업 전 기술지원

기간 동안 지원기업의 연구진 4 명이 연구사업에 적극적으로 참여하여 지원책

임자와 함께 기술력 향상에 노력하였으며 건식 기류충격식 분쇄기의 핵심 모듈

인 수축확산 공기 분사노즐과 분급기의 자체적인 설계 해석 및 생산 기술을 확

보하였다

건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 여러 부품 중에서 핵심 모듈인 수축확산 초

음속공기 분사노즐과 분급부와 관련된 기초 이론 국내ㆍ외 특허기술 조사와 분

석 구성 부품의 3D 설계 기술 재질 선정 분사노즐과 분급기의 공기 유동 해

석 기술을 확보하였다 즉 초미립 분쇄를 위한 공기 분사노즐의 단면 형상과 공

급 유량 산출 압력과의 관계 분급기 내부의 형상 베인의 단면 형상과 소요 수

량 베인의 간격 배열 위치 및 분급기의 회전수 등을 고려한 유동해석 기술을

확보하여 고정밀도의 분급기의 자체 설계가 가능해졌다

향후 건식 기류충격식 분쇄기의 여러가지 용량과 성능에 맞는 분쇄기를 자체적

으로 설계 및 제작하는 것이 가능하며 제품 신뢰도의 향상과 매출 증대에 크게

기여할 것이 예상된다

연구과제(세부과제) 성과

1 사업화 성과

특허 성과

출원된 특허의 경우

세부사항

(9)

출원년도

(10)

특허명

(11)

출원인

(12)

출원국

(13)

출원번호

2007

원심형 분말 분급기

(Centrifugal Poweder

Classifier)

한국생산기술연구원

대가파우더시스템대한민국 10-2007-0092396

사업화 현황

사업화 세부사항

(9)

사업화명

(10)

사업화

내용

(11) 사업화 업체 개요(12)

기 매출액

(백만원)

(13)

당해연도

매출액

(백만원)

(14)

매출액

합계

(백만원)

업체명 대표자 종업원수사업화

형태

대가파우

더시스템

최은석 59 4

주 11) 사업화 업체 개요의 사업화 형태는 1 연구책임자 창업 2 기술이전에 의한

창업 3 창업지원 4 기존업체에서 상품화 중에서 선택하여 번호 기입

고용창출 효과

고용창출 세부사항(9)

창업(명)

(10)

사업체 확장(명)

(11)

합계(명)

세부지원실적 증빙 내용

1 참여기업 현장방문 47건 참여기업이 생기원 내방 7건

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20060825DPS 주요 기술 지원 사항에 관한 협의

윤승원 최병훈 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

2 20060829기업은행 설명회장 연구비 카드 사용 교육 참석

윤승원 최덕규출장 기록

3 20060831DPS 젯트밀 쳄버 설계 대상 구조 개요 윤승원

최병훈 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

4 20060901KINTEX NanoKorea 2006 참관 윤승원 남상경

최덕규출장 기록

5 20060907DPS 젯트밀 관련 국내 특허 조사 윤승원

남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

6 20060908건식 분쇄기 관련 기술자료 조사 영풍문고

윤승원출장 기록

7 20060915DPS 젯트밀 관련 국내 특허 조사 윤승원

남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

8 20060919 문래동 내마모성 재료조사 윤승원 출장 기록

9 20060921DPS 에어젯트밀 관련 국내 특허 자료 검토

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

10 20061017DPS 에어젯트밀 관련 미국 특허 조사 윤승원

남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

1120061018~

1022

베트남국제산업박람회(VIIF 2006) Hanoi

Vietnam 윤승원출장 기록

12 20061026한국생산기술연구원 기류충격식 분쇄기의 부품

구성도 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민

DPS 연구원 4명

생기원 내방

13 20061027DPS 초음속 공기 흐름에 대한 기초 윤승원

남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

14 2061102DPS 초음속 공기 흐름 관계식 윤승원 남상경

최인환 최덕규 윤상민출장 기록

15 20061103DPS 초음속 공기 흐름 관계식 윤승원 남상경

최인환 최덕규 윤상민출장 기록

16 20061106일산 네이취코리아 건식분쇄기 및 분급기 관련

자료수집 윤승원출장 기록

17 20061109DPS 기류충격식 분쇄기의 구성도와 노즐 설계

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

18 20061116한국생산기술연구원 기류충격식 분쇄기의 예상 부품

구성도 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민

DPS 연구원이

생기원 내방

19 20061123DPS 기류충격식 분쇄기의 예상 부품 구성도

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

20 20061130

DPS 기체 분사노즐의 초음속 분출 속도와 유량

산출에 대한 해석적 방법의 적용 윤승원 남상경

최인환 최덕규 윤상민

출장 기록

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

21 20061204DPS 기류충격식 분쇄기의 예상 부품 구성도

수정 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

22 20061207DPS 기류충격식 분쇄기의 부품번호 및 명칭

부여 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

23 20061212 문래동 철재 부품조사 윤승원 출장 기록

24 20061214DPS 기체 분사노즐 내의 공기유동 유한요소해석

모델링 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

25 20061215DPS 기체 분사조즐 내의 공기유동 유한요소해석

모델링 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

26 20061221

한국생산기술연구원 기류충격식 분쇄기의 공기

초음속 분출 노즐 형상 설계시의 설계 변수

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민

DPS 연구원 4명

생기원 내방

27 20070109DPS 기류충격식 분쇄기 제작용 재료 구입

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

28 20070116DPS 기류충격식 분쇄기의 분쇄 챔버 기본 설계

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

29 20070205DPS 기류충격식 분쇄기의 분쇄 챔버 기본 설계

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

30 20070206DPS 기류충격식 분쇄기의 분쇄 챔버 3D 모델링

윤승운 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

31 20070213

한국생산기술연구원 기류충격식 분쇄기의 분쇄

챔버 3D 모델링에 대한 설계 검토 윤승원

남상경 최인환 최덕규 윤상민

DPS 연구원 4명

생기원 내방

32 20070227DPS 분급기 구조 기본 설정 윤승원 남상경

최인환 최덕규 윤상민출장 기록

33 20070306DPS 회전체 설비의 관성모덴트 산정 방법

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

34 20070308DPS 분쇄 쳄버와 분급기 제작용 내마모성 재료

검토 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

35 20070320DPS 분급기의 기본 구조 모델링과 베인 배열

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

36 20070326DPS 분급기용 베인의 단면 형상과 배열 및 수량

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

37 20070327한국생산기술연구원 분급기 모델링과 베인 배열

구조 윤승원 남상경 최덕규

DPS 연구원 2명

생기원 내방

38 20070403DPS 분급기의 유동장 해석을 위한 COSMOSWorks

해석 연습 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

39 20070410DPS 분급기의 유동장 해석을 위한 COSMOSWorks

해석 연습 윤승원 최인환 최덕규출장 기록

40 20070417DPS 베인 형상 설계 유체 흐름 해석 모델링과

입력 변수 설정 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

41 20070502DPS 베인 형상에 따른 유체 흐름 해석 윤승원

남상경 최인환 최덕규출장 기록

42 20070504한국생산기술연구원 분급기의 공기 유동 해석

결과 분석 윤승원 남상경 최인환

DPS 연구원 2명

생기원 내방

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

43 20070508DPS 여러 내부 형상의 분급기 구조와 베인에

대한 공기 유동 해석 윤승원 남상경 최인환출장 기록

44 20070518DPS 베인의 형상에 따른 분급기의 공기 유동

해석 결과 분석 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

45 20070523DPS 분급기 내부 형상 설계 변경 윤승원

남상경 최인환 최덕규출장 기록

46 2070530한국생산기술연구원 분급기 내부 형상에 따른 흐름

해석 분석 윤승원 남상경 최인환 최덕규

DPS 연구원 3명

생기원 내방

47 20070601DPS 분급기 내부 형상의 조립성을 고려한 설계

수정 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

48 20070607DPS 베인의 형상과 수량에 따른 분급기의 공기

유동 재해석 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

49 20070613DPS 분사노즐 설계 확정을 위한 공기 분사노즐

유동장 재해석 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

50 20070618DPS 에어젯트밀 구조 설계 검토 윤승원

최병훈 남상경 최인환 최덕규출장 기록

51 20070703DPS 분급기 내부 형상에 대한 특허 출원 자료

준비 윤승원 최병훈 남상경 최인환 최덕규출장 기록

52 20070705

경북 칠곡 쿠어스텍코리아 분급기용 베인 제작

가능성 확인을 위한 업체 방문 윤승원 최인환

최덕규

출장 기록

53 20070711DPS 베인 형상 확정 및 구매 요청 윤승원

남상경 최인환 최덕규출장 기록

54 20070724DPS 분쇄기 에어노즐 분급기 설계 자료 정리

윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

2 기술정보제공 특허 73건

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20061013 분쇄기 관련 한국특허 13건(제본) 부록 1 목록

2 20061013 분쇄기 관련 일본특허 16건(제본) 부록 2 목록

3 20061013 분쇄기 관련 미국특허 23건(제본) 부록 3 목록

4 20061013 분쇄기 관련 유럽특허 4건(제본) 부록 4 목록

5 20070213 분급기 관련 미국특허 17건(제본) 무록 5 목록

3 기술정보제공 전문서적 14권

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20070306 構造解析のだぬの有限要素法實戰ハソドプツク 전문서적

2 20070306 世界の規格基準認證ガイドツク 전문서적

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

3 20070306 設計者に必要な材料の기 전문서적

4 20070306 設計者のたぬの モーメソト 전문서적

5 20070306 すべリ軸受資料集 전문서적

6 20061109Flow Mechanics and Thermodynamics in

Mechanical Processing전문서적

7 20061109NETZSCH-CONDUX Fludized Bed Jet Mill 제품

홍보자료

제품

홍보자료

8 20060907 Assembly Modeling with SolidWorks 20042005 전문서적

9 20060907 SolidWorks 2005 Tutorial and MultiMedia CD 전문서적

10 20070601Engineering Analysis with COSMOSWorks

Professional 2007전문서적

11 20070205 COSMOSMotion 전문서적

12 20061116 FLUENT 60 Tutorial Guide 전문서적

13 20070213 FLUENT 60 Users Guide 전문서적

14 20070213 Fundamentals of Fluid Mechanics 전문서적

4 시제품제작 1 건

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20070715 기류충격식 분쇄기 DGJMV-350 시작품

5 시험분석 3건

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20070627 입도 측정 histogram 1 부록 10

2 20070627 입도 측정 histogram 2 부록 10

3 20070627 입도 측정 histogram 3 부록 10

6 기술지원실적 업로드 건

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

목 차

제 1 장 사업의 개요

제 1 절 기술지원 필요성

제 2 절 기술지원 목표

제 3 절 기술지원 내용

제 2 장 국내ㆍ외 기술 현황

제 1 절 세계의 기술 현황

1 일본 Hosokawa 사의 수직형 기류충격식 분쇄기

2 일본 Hosokawa 사의 수평형 기류충격식 분쇄기

3 일본 미놀타 사의 수평형 기류충격식 분쇄기

4 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의

수평형 기류충격식 분쇄기

5 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기

6 미국 Xerox 사의 수평형 기류충격식 분쇄기와 노즐

7 독일 Netzsch 사의 건식 기류충격식 분쇄기

8 독일 특허 공기 분사노즐

9 미국 특허 분쇄기 구조

제 2 절 국내의 기술 현황

제 3 장 기술지원 수행 내용 및 결과

제 1 절 기술지원 수행

1 분쇄기 시스템 구성도

2 소리의 속도

3 공기 분사노즐에서의 유동식

4 공기 분사노즐의 흐름 특성 계산

5 수축확산 공기 분사노즐의 유동 해석

6 분급 이론

7 분급기 설계와 유동 해석

8 시작품 제작

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

2 기술지원 추진체계

3 연구기자재 활용

4 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

6 입도 측정

7 지적재산권 출원

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

제 6 장 참고문헌

부록 1 분쇄기 관련 한국 특허 13건 목록

부록 2 분쇄기 관련 일본 특허 16건 목록

부록 3 분쇄기 관련 미국 특허 23건 목록

부록 4 분쇄기 관련 유럽 특허 4건 목록

부록 5 분급기 관련 미국 특허 17건 목록

부록 6 기술지원 관련 전시회 참석

부록 7 개스의 비열값 개스 상수 밀도

부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 분급기 유동해석

부록 9 설계 도면

부록 10 입도측정 histogram

제 1 장 사업의 개요

분쇄는 재료에 외력을 가하여 작은 크기로 세분화하고 표면적을 증가시키는 기계적

인 조작이다 목적하는 파쇄물 입자의 크기에 따라 조쇄(粗碎) 중쇄(中碎) 분쇄(粉

碎) 미분쇄(微粉碎) 초미분쇄(超微粉碎)로 구분된다 분쇄시 작용되는 응력은 압축

력 충격력 전단력 마찰력 절단력 등이 있으며 단독의 힘이 작용되는 경우는 드

물고 분쇄 대상 재료에 여러 가지 힘임 복합력으로 동시에 작용되어 분쇄기 이루어

진다(1)

분쇄기는 분쇄 입도의 크기에 따라 다음과 같이 분류한다

(1) 조분쇄기 1500mm~100mmrarr500mm~25mm (분쇄비 4~3)

(2) 중분쇄기 500mm~6mmrarr50mm~1mm (분쇄비 7~5)

(3) 미분쇄기 125mm~1mmrarr2mmrarr01mm (분쇄비 20~10)

(4) 초미분쇄기 6mm~01mmrarr01mm~001mm (분쇄비 50~10)

분쇄기의 분쇄 방법에 의한 종류는 다음과 같다

(1) 볼밀(ball mill)

원통 속에 재료와 함께 강으로 만든 볼 즉 강구를 여러 개 넣은 후 함께 회전시켜

강구운동에 의한 충격으로 재료를 분쇄하는 장치이다 볼에는 주철 칠주물 플린트

석 천연석 등 원료에 따라 여러 가지가 있다 통의 길이는 통의 지름을 초과하지

않는 것이 표준형이지만 지름의 수 배 이상으로 긴 형의 튜브밀 그 중간인 콤파운

드밀(compound mill) 다양한 종류도 있다 원통의 내면은 특수강 또는 니켈판으로

내장한다 최종적인 미분을 만들 때 사용되며 도토(陶土) 염료 드의 처비분인 경

우에는 건식으로 사용되며 용도가 매우 넓다

(2) 로드밀(rod mill)

기체 내면의 길이보다 약간 짧은 강봉을 분쇄매체로 사용하는 회전식 분쇄기이다

거친 입자부터 선택적으로 분쇄하며 입도(粒度)가 비교적 가지런한 분쇄산물을 얻

을 수 있는 특징이 있다 단독으로 사용되는 외에 불밀에 의한 분쇄의 예비분쇄기

로서도 종종 사용된다

(3) 롤러밀(roller mill)

볼밀과 같은 원리의 분쇄기로 시멘트원료를 분쇄할 때나 석탄을 분쇄할 때 사용된

다 분쇄기 중에 롤러나 볼을 이용한 것을 링롤러밀이라고도 한다

(4) 조크러셔(jaw crusher)

전ㆍ후로 조금씩 진동하는 강철제의 철판과 이와 마주 보는 고정판 시이에 수 cm

에서 1m 정도의 암석 등의 덩어리를 물려 넣고 짓씹어 부수게 하는 구조로 되어

있다

(5) 임팩트 크러셔(impact crusher)

매초 원주 속도가 수십 m로 고속회전하는 원통에 장치된 충격판에 의해 분쇄하는

장치이다 골재 정형에 널리 쓰인다

(6) 휠러밀(wheeler mill)

tn 이하의 미분쇄를 필요로 하는 분야에서 널리 사용된다 소위 유체에너지밀의

일종으로 고압기체를 불어 넣음으로써 입자를 기계의 벽이나 또는 다른 입자에 충

돌시 켜서 분쇄하는 장치이다 기체가 길쭉한 도넛형의 통내를 입자와 함께 환류하

고 미세하게 된 입자만이 배기와 함께 기외로 배출되는 구조로 되어 있다

(7) 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)

노즐로 높은 압력의 공기 또는 질소를 초음속으로 분사시켜 분말 상호 간의 충돌로

초미립 크기로 분쇄되며 분급 휠(classifier wheel)의 속도 변환과 베인과의 간격에

의해 미립자의 크기를 조절하여 분급하는 방식이다 노즐의 크기 배열 상태 및 공

기 흐름의 조절로 효율성을 크게 증가시킬 수 있으며 동시에 분쇄기의 마모와 제품

의 순도 최적화를 유지할 수 있다 입도의 크기는 01 ~ 10의 범위에 있다

이외에도 큰크러셔(cone crusher) 압축력에 의한 자이러토리크러셔(gyratory

crusher)가 있고 충격력에 의한 해머밀(hammer mill) 케이지밀(cage mill) 유체에

너지밀 전단력에 의한 분쇄기 등이 있으며 마쇄력에 의한 자생분쇄밀과 진동밀

유성밀 교반밀이 있다

최근 들어 소재산업이 정밀화되고 고기능화 함에 따라 카본블랙 TiO2 PbO ZnO

SiO2등의 안료 세라믹 자기재료 맥반석 황토 슬래그 운모 흑연 탄화규소 탄

산칼슘 등을 미크론(μ) 크기 또는 서브미크론 크기의 분말로 분쇄하는 정밀 분쇄기

수요가 증대하고 있다

Fig 1 은 습식 분쇄기의 종류와 입도 범위의 관계를 나타낸 것이다 Fig 1 밑부분

의 화살표는 본 부품소재종합기술지원사업 수행으로 개발하고자 하는 분말의 크기

범위를 표시한 것이다

Fig 1 습식분쇄기의 입도 범위(독일 Buehler사)

제 1 절 기술지원 필요성

대가파우더시스템은 1970 년도에 창립하여 현재에 이르기까지 산업용 분쇄기 집

진기 건조기 기체여과기 액체여과기 폐수처리장치 등의 전문생산업체이다 최근

들어 소재산업이 정밀화되고 고기능화 함에 따라 분쇄기의 성능 향상이 요구되고

있다 최근에는 수십 nm 이하의 초분체 카본블랙 TiO2 ZnO SiO2 등의 안료 세

라믹 자기재료 등의 각종 소재의 입도 정밀화가 실현되고 있다 초분체기기 및 요

소 부품의 국내 수요는 독일의 DRAIS 일본의 KOTOBUKI 사 DYNO 사 등의 선진

메이커 제품을 수입하여 사용하고 있다 건식 기류충격식 분쇄기에 대한 국내 설계

기술 부족으로 외국에서 수입되고 있는 제품의 가격이 고가이어도 경쟁할 수 있는

제품을 개발하지 못하고 있는 어려운 상황이다

대가파우더시스템은 최근 습식 방법의 초미립 분쇄기를 개발하여 시험 중에 있으

며 압축공기를 이용한 기류충격식 분쇄기 개발에 있어서 분쇄부와 분급부의 기초

이론 구성 부품 설계 재질 선정 분쇄기 구조에 대하여 유한요소법으로 유동해석

을 하는 시뮬레이션 기술력 확보에 어려움을 겪고 있다 초미립 분쇄(ultra-fine

pulverization)를 위한 기류 분사노즐(compressed air nozzle supersonic air

nozzle)의 단면 형상 설계와 분쇄에 요구되는 유량 산출 분급기(classifier)의 크기

과 공기 유동부의 내부 형상 베인의 형상과 수량 베인의 간격 배열 위치 및 분급

기 회전수 등에 대한 설계 변수 등에 있어서 애로를 겪고 있으며 기술력 향상을

위하여 외부 전문가의 기술지원이 요청되고 있다

건식 기류충격식 분쇄기 설계의 핵심 기술을 지원하여 건식 기류충격식 분쇄기의

국내 업체의 자체 설계 능력 확보가 요구되낟 본 부품소재종합기술지원사업을 통

하여 초미립 분쇄기와 관련된 국내ㆍ외 특허 자료 기술문헌 및 분쇄부와 분급부의

기초 이론 관련 자료 조사와 제공 초미립 입자를 생산하기 위한 건식 분쇄기의 구

조 설계 기술 지원 유량에 따른 기류충격식 분쇄 노즐의 설계 변수 컴퓨터를 이용

한 3 차원 모델링에 의한 설계 유한요소법에 의한 기체의 유동 해석 기술 지원이

필요한다

제 2 절 기술지원 목표

기술지원의 초종 목표는 지원기업 대가파우더시스템가 분쇄 입도의 평균직경 18

~ 20 인 초미립 파우더를 생산하기 위한 기류충격식 분쇄기 설계와 생산에 대

한 기술 확보이다 공기 분사 방식의 분쇄 노즐 형상 분급부의 구조 설계 및 작동

에 대한 기초를 체계적으로 정립하며 분쇄기 구성 부품의 재질 선정 3D 모델링에

의한 분쇄기 시스템 설계와 유한요소볍에 의한 공기 유동장 해석 결과를 바탕으로

시작품을 제작하며 향후 유사 모델에 대한 자체적인 설계 및 새산 능력을 확보하

는 것이다

제 3 절 기술지원 내용

1 건식 기류충격식 분쇄기의 국내ㆍ외 특허 자료 기술문헌 및 기술정보 조사 지

원으로 초미립분쇄기의 기초 이론 구조 기능 정립 초음속 분사노즐 단면 형상

설계 자료로 활용

2 3D 모델링에 의한 설계 기술 지원으로 설계 오류를 사전에 방지

3 초음속 분쇄 노즐의 형상 설계와 유동 특성 해석 기술

4 분급부의 내부 구조 베인의 형상과 배열 및 수량 결정 유한요소법에 의한 분급

기의 유동 해석 기술 지원으로 분급 입도의 안정화 분급기 설계 및 제작

5 분쇄부와 분급기의 재질 선정 지원으로 생산가 관리 및 내구성 확보

Table 1 기술지원 목표 및 내용

제 2 장 국내ㆍ외 기술 현황

건식 분쇄 기술로 크기가 1 이하의 작은 입자를 생산하는 것은 어려운 기술로

분체기술의 장벽이라고 일컬어진다 각종 소재를 성분 변화없이 100nm 이하의 크

기로 극미세 분쇄하는 기술은 미래 산업을 이끌어갈 핵심분야로 국가간 연구개발

경쟁이 치열한 기술이다

제 1 절 세계의 기술 현황

나노급의 미세 파우더는 1980 년대초 독일의 칼스루헤연구소 등에서 시작되어

1990년대에 들어서 100nm 이하의 제조합성에 관한 연구가 본격화되었다 일본의

경우에는 과학기술청의 창조과학기술 추진과 통산성의 차세대산업기반기술 분야로

선정되어 주목을 받고 있다 초미분을 생산하기 위한 양산 장비 및 요소 부품에 대

한 선진국의 기술은 독일의 DRAIS사(습식) NETZSCH사(건식) 일본의 Kotobuki사

(습식) DYNO사(습식) Hosokawa 사(습식 건식) 등의 선진메이커에서 제품이 개

발되어 판매되고 있다 또한 나노 파우더 생산업체로는 일본의 Kako 사 미국의

Whittaker 사 Dow Chemical 사 Dupont사 및 독일의 Degusa사 등이 있다 현재

까지는 나노급 파우더 제조 공정의 불안정 및 복잡성 평가 방법의 미흡 등으로 다

양한 제조 공정 기술개발이 진행되고 있다 세라믹 분말의 경우에는 일부 특수한

경우에만 상용화되고 있다 금속분말의 경우에는 한정된 종류의 금속만 생산이 가

능하여 계속적인 개발이 진행되고 있다

건식 기류충격식 분쇄기의 주요 제작업체는 일본의 Hosokawa 사와 독일의

Netzsch 이다 미국 일본 및 독일 등에 대부분의 같은 내용의 특허가 등록되어

있으며 일본과 독일에 의하여 등록된 특허의 구조적인 특징은 다음과 같다

1 일본 Hosokawa사의 수직형 기류충격식 분쇄기

건식 기류충격식 분쇄기의 대표적인 업체인 일본의 Hosokawa 사 분쇄기의 특징

은 3개의 초음속 분사노즐이 에어젯트밀의 중앙인 수직 평면상에 원호상 등간격인

120도 간격으로 원의 중심을 향하여 배열되어 있으며 분쇄기 내의 상부에 회전축

이 수평인 위치로 회전되는 원심형 분급기가 설치되어 있다(Fig 2)

분쇄기의 모델과 분쇄 대상 재료에 따라 분말의 크기가 01 - 10 의 범위에 있

Fig 2 일본 Hosokawa 사의 수직형 기류충격식 분쇄기의 내부

2 일본 Hosokawa 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(2)

Fig 3a ~ Fig 3c는 일본 Hosokawa 사의 등록특허이다 분쇄기와 분급기 구조에

관한 것이다 Fig 3a에 보인 원형 단면의 분쇄실 외주부에 Fig 3b와 같이 에어를

고압 분사하는 분사노즐이 다수개 배열되어 있어 재료 공급관으로 유입되는 재료

가 고압의 공기 분사에 의하여 분쇄된다 분쇄도니 미분은 상부 통로로 배출되며

조분은 Fig 3b 의 ldquo16rdquo 번 부위인 분쇄기 내벽을 따라 이동되다가 공기 노즐의

출구부 측면에 나있는 구멍으로 흡입되어 공기와 함께 분사되어 재분쇄가 된다

Fig 3a 일본 Hosokawa 사의 분쇄기 단면(일본 特開平 11-179228 1999)

Fig 3b 일본 Hosokawa사의 분쇄기 평면(일본 特開平 11-179228 1999)

Fig 3c 일본 Hosokawa사 분쇄노즐 단면(일본 特開平 11-179228 1999)

3 일본 미놀타 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(3)

Fig 4a ~ Fig 4c 는 일본 미놀타사의 등록특허이다 분쇄기와 분급기 구조로

Fig 2에 보인 Hosokawa 사의 수직형 분쇄기와 비슷한 구조이다 분쇄 효율을 높

이기 위하여 Fig 4c 에 보인 것과 같은 분쇄기 중앙부의 분사된 공기가 집중되는

위치에 삼각형 경사판을 배치하여 공기가 충돌한 후 분쇄기 상부로 향하게 되어

있다

Fig 4a 일본 미놀타사의 분쇄기 단면(일본 特開 2000-5621 2000)

Fig 4b 일본 미놀타사 분쇄기의 분사노즐 배열(일본 特開 2000-5621 2000)

Fig 4c 일본 미놀타사 분쇄기의 충격판(일본 特開 2000-5621 2000)

4 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(4)

Fig 5는 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 등록특허이다 분쇄기 내측

수평면상에 분사노즐이 서로 마주 보게 배열되어 있다 분급기의 회전 축이 분쇄기

의 중심축과 일치한 상태로 회전하여 수평면 상에서 원심력에 의하여 분급이 이루

어진다 분급된 미분은 분쇄기 상부의 통로로 배출된다

Fig 5 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 수평형 기류충격식

분쇄기(일본 特開 2002-35631 2002)

5 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(5)

Fig 6 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기 구조는 Fig 4 의 일본

미놀타사와 유사하다 수평면상에 분사노즐이 배열되어 있으며 분급기의 회전축도

수평으로 위치하고 있다

Fig 6 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(일본 特開 2003-88773

2003)

6 미국 Xerox사의 수평형 기류충격식 분쇄기와 노즐(6)

Fig 7a의 미국 Xerox사의 수평형 기류충격식 분쇄기 구조는 Fig 5의 일본

Hosokawa Alpine AGampCo OHG 사의 구조와 유사하다 분사노즐이 수평면상으로

배열되어 있으며 분급기의 회전축도 수평으로 위치하고 있다 분사노즐의 형상은

Fig 7b 에서와 같이 이중관 구조이다

Fig 7a 미국 Xerox 산의 수평형 기류충격식 분쇄기(일본 特開 2004-50179

2004)

Fig 7b 미국 Xerox 사의 이중관 분사노즐(일본 特開 2004-50179 2004)

7 독일 Netzsch사의 건식 기류충격식 분쇄기(7)

독일 Netzsch 사는 대표적인 기본 구조의 건식 기류충격식 분쇄기를 개발하여 가

공 용량이 다른 여러 가지 분쇄기에 유사한 구조를 적용하였으며 일본 Hosokawa

산의 분쇄기와는 전혀 상이한 구조이다 즉 3 개의 초음속 분사노즐이 기류충격식

분쇄기 하부의 수평 평면상에 원호상 등간격인 120 도 간격으로 원의 중심을 향하

여 배열되어 있으며 Fig 8 에서와 같이 수직 회전축을 갖는 원심형 분급기가 분

쇄기 상부에 설치되어 있다 분급기의 외형 모습은 Fig 9에 보인 것과 같으며 분

급 효율을 향상시킬 목적으로 분급기 단면이 회전 중심으로 향할수록 상하 공간이

넓어지는 ldquoConvor로 명명된 형상의 단면 모습으로 되어 있다(Fig 10)

Fig 8 독일 Netzsch 사 분쇄기의 내부 구조

Fig 9 독일 Netzsch 사의 분급기

Fig 10 독일 Netzsch 사 분급기의 단면 형상 ldquoConvor

8 독일 특허 공기 분사노즐(9)

독일 Netzsch 사의 분쇄기 관련 기술 컨설턴트인 Nied 가 고안한 분쇄용 분사노즐

의 구조에 대한 것이다 3 개의 공기 분사노즐이 기류충격식 분쇄기 하부의 수평

평면상에 원호상 등간격인 120도 간격으로 원의 중심을 향하여 배열되어 있다(Fig

11a) 분사노즐 중앙부의 구조는 단면이 수축-확산 형태로 노즐로 초음속의 고속

분사를 하면서 중심 노즐 주변에 중앙 분사부를 감싸는 이중 공기 분사관을 형성

하여 중앙의 분사노즐에서 분사되는 공기의 확산각이 커지지 않도록 공기 주위에

추가적인 보조 공기를 분사하는 구조이다(Fig 11b)

Fig 11a 독일 특허-분사노즐 배열과 분사 공기의 분포(EP 0 736328A1 1996)

Fig 11b 독일 특허-분사노즐 단면과 분사 공기의 분포(EP 0 736328A1 1996)

9 미국 특허 분쇄기 구조(10)

일본의 히데유끼 요시다 등 5 명이 미국에 출원한 특허로 분쇄 재료가 초음속으로

분출되는 공기 통로의 중간에서 공급되며 재료가 분쇄실로 이동된 후 충격판에 충

돌되어 분쇄되는 구조이다(Fig12) 분쇄된 분말의 크기는 10 수준이다

Fig 12 미국 특허-충돌식 분쇄기(USP 57657661998)

제 2 절 국내의 기술 현황

국내의 경우에는 초미분 분말 생산에 관한 개발 역사가 짧으며 연구소 대학 기업

등에서 다발적으로 연구가 진해오디고 있다 기계 전자 물리 재료 화학 등의 연

계된 연구가 필요하다 1996 년 과학기술부 및 산업자원부 등의 산업단을 중심으로

대형 연구가 수행되어 왔으나 주로 기상법에 의한 분말합성에 관한 것이다 1998

년도부터 한국기계연구원에서 200nm 급의 건식 분쇄 및 분급기에 대한 개발을 시

작으로 초미분 파우더 생산 장비에 관한 연구가 이루어지고 있다 초미분 분쇄 방

식은 본 기술지원 과제의 지원기업인 대가파우더시스템을 포함하여 습식 방식인

교반밀(agitated mill)을 주로 사용하며 입도의 크기는 5 이상 수십 크기의

범위이다 기류충격식 분쇄기의 기술 수준은 입도의 크기가 5 ~ 10 수준이다

기존의 습식분쇄기의 경우 평균 입도가 28 ~ 32로 Pb0를 대상으로 할 때 4

~ 6 kghr 정도를 생산할 수 있는 수준이다

국내에 등록되어 있는 건식 기류충격식 분쇄기와 관련된 특허의 출원인인 대부분이

일본업체이며 일본에 출원된 특허를 한국에 재출우너한 것이 대부분이다 미국과

벨기에가 각각 1 건씩 등록하고 있으며 한국인이 출원한 특허는 테크월드에서

출원한 3 건 등 모두 4 건이 검색되었다 마이크로급 이상의 파우더 생산장비에 대

한 국내의 기술 수준은 선진국 기술 수준의 약 70 수준이다 그나마도 설계 및

생산에 있어 거의 모방에 의존하고 있다 나노급 기술은 초보적인 상태이다

제 3 장 기술지원 수행 내용 및 결과

제 1 절 기술지원 수행

본 부품소재종합기술지원사업은 Fig13의 기술 개발 추진도에 따라 수행되었다

Fig 13 기술 개발 추진도

분쇄기의 전체 시스템 중에서 분쇄기와 분급기 이외의 기타 구성 모듈들에 대한 설

계 및 생산기술은 지원기업 대가파우더시스템이 기확보하고 있는 기술이 기술

지원의 주된 내용은 기류충격식 분쇄기의 핵심 부품이며 분쇄기의 성능을 좌우하는

초음속 공기 분사노즐과 분급기의 설계 기술에 관한 것이다 초음속 공기 분사노즐

의 단면 형상 공급 공기의 압력과 분사 공기의 속도 및 공기 소요량 산출을 위한

공기 분사노즐 설계와 분쇄기 내부의 내마모성 재료 선택 분급기 베인의 형상과

분급기로 유입되는 공기의 속도 분포를 균일하게 하여 원심력 작용으로 분말의 분

급 정밀도를 향상시켜 주기 위한 분급기의 내부 단면 형상 설계 미 ㅊ유입 공기 속

도 및 압력 분포에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 방법 등에 대한 체계적인 기술 지원이

수행되었다 향후 유사 모델 개발에 적용하여 새로운 제품을 개발할 수 있는 설계

능력을 확보하였다

1 분쇄기 시스템 구성도

본 기술지원을 통하여 개발하는 핵심 기술은 건식 기류충격식 분쇄기의 초음속 공

기 분사노즐과 분급기와 관련된 기술이다 분쇄기의 기본 구조는 독일의 Netzsch

사 제품과 유사한 구조로 되어 있으며 분쇄용 공기 분사노즐과 고정밀도의 분급기

설계기술을 자체 보유하는 데 주안점이 있다 개발 대상 분쇄기 시스템의 전체 구

성도는 Fig 14(7)에서와 같다 Fig 14에서 분쇄기 시스템은 ldquo진동공급기rdquo를 통하

여 공급되는 분쇄용 우너료를 ldquo건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기rdquo로 분쇄 및 분급

한 후에 cyclone을 거쳐 bag filter로 분말을 포집하는 시스템으로 구성되어 있

다 분말과 공기가 혼합된 기류는 각각의 단계로 이송하는 과정에서 double flap

valve로 이송이 조절되며 최종적으로 fan의 작동으로 공기가 배출된다

건식 기류충격식 분쇄기 본체를 구성하는 부품의 서브어셈블리는 각각 Chamber

Body Laval Nozzle Classifier Wheel 및 Bearing Block등으로 구성되어 있

다 주요한 설계 변수는 분쇄챔버의 직경과 높이 초음속 공기 분사노즐 설계 있어

서 라발 노즐(초음속 공기 분사노즐)의 모즐 목 내경과 배출부의 직경 및 축방향의

단면 형상 공기되는 공기의 압력 등이다 분급기 설계에 있어서의 주요 변소는 베

인의 단면 형상 베인의 수량과 배열 각도 분급기 내부 공동부의 단면 형상 분급

기에 유입되는 공기 속도와 분급기를 통과한 이후의 공기 압력 등이다

Fig 14 기류충격식 분쇄기의 시스템 구성도

2 소리의 속도

물체의 일부에 교란을 주면 개스 유체 및 고체의 압축성으로 인하여 물체를 통하

여 유한한 속도로 교란이 전파된다

음속은 물체의 압력과 밀도 변화와 관계되어 있으며 다음식으로 표현된다

여기서

음속 압력변화 밀도 변화

체적탄성계수는 다음과 같이 표현된다

여기서

체적탄성계수 압력변화 체적변화 초기체적

체적탄성계수는 식 (3)으로도 표현된다

여기서

물체의밀도변화 물체의초기밀도

개스 유체 고체 내에서의 음속은 다음식과 같다

여기서

체적탄성계수

개스에서의 소리 속도는 아주 작은 한 점에서 교란이 일어나는 관계로 열전달을 무

시할 수가 있으며 또한 등온 상태로 가정할 수가 있다 이상 기체에서의 소리 속도

는 절대 온도의 근에 비례하며 다음식으로 표현된다

여기서

k = 비열비 (adiabatic index)

p = 압력 (Pa psi)

R = 개스 상수

T = 절대 온도 (degK degR)

앞의 식 (4)와 식 (5)로부터

식 (6)으로부터 체적탄성게수 E를 구할 수가 있다

( 예 1 ) 공기의 체적탄성계구 산출

k = 14 R = 287 (JK kg) at T=293K( 20 ) p=1204(kgm3)

Eair = k R T p=14X287X293X1204=14174379((Jm3)

Eair = 14174379(Nm2)

( 예 2 ) 염소(C12)의 체적탄성계수 산출

k = 134 R = 120 (JK kg) at T=293K(20) p=2994(kgm3)

Ec12 = k R T p=134X120X293X1994=14106051((Jm3)

Ec12 = 14106051(Nm2)

( 예 3 ) 0 1 bar 공기에서의 소리 속도

c = (14x287x273)12

= 3312 (ms)

여기서

k = 14

R = 287 (JK kg)

( 예 4 ) 20 1bar 공기에서의 소리 속도 산출

c = (14X287X293)12

= 3431 (ms)

( 예 5 ) 0 물속에서의 소리 속도 산출

여기서

3 공기 분사노즐에서의 유동식

개스역학에서 공기의 속도가 sim 이상으로 빠르거나 압력의 변화가

보다 큰 경우에는 압축성 흐름으로 취급한다 이러한 현상은 노즐에서

개스가 팽창하는 경우에 발생된다

정상유동에서의 에너지 평형 상태는 다음식으로 표현된다

여기서 엔탈피는

이며 엔탈피 ∆의 변화는 내부에너지 ∆에 외부로 또는 외부로부터의 체적에

의한 일 ∙∆의 합과 같다

내부에너지의 변호가 없고 밀도가 일정하다고 가정하면 즉 ∆ 인

경우에는 비압축성유동의 베르누이 방정식이 된다 반면에 위치네어지의 변화가 없

는 경우 ∆ 에는 상대적으로 밀도가 낮은 압축성 유체인 ldquo개스rdquo의 상태를

나타낸다 ldquo개스역학rdquo 이라는 자체가 의미하듯이 해석에 있어 고압 및 개스의 속도

가 포함되며 내부에너지의 변화 ∆를 무시할 수가 없다 이러한 의미에서 식 (7)

은 다음과 같이 된다

이상개스 방정식에서

이며 식 (12)를 식(9)에 대입하면 다음과 같이 된다

식 (13)에 에너지 보존법칙을 적용하면 노즐에서 분사되는 개스의 속도를 구할 수

있다

개스의 초기 속도가 인 경우에는

가역 단열 흐름에 있어서는 다음 3개의 식을 적용할 수가 있다

식 (16) ~ 식 (18)을 식 (15)에 대입하면 노즐에서 분출되는 개스의 속도가 구해

진다

노즐을 통과하는 질량의 흐름 식

밀도의 비로부터

다음과 같이 노즐을 통과하는 질량을 구한다

다음의 식 (23)을 식 (22)에 대입하여

식 (24)를 구한다

여기에서

을 ldquo탈출 계수(escape coefficient)rdquo 라고 한다

식 (25)를 사용하여 식 (24)를 다시 표현하면 다음의 간략식이 된다

탈출 계수 는 압축비 의 값이 다음과 같은 값일 때

임계 압축비 또는 라발 압축비로 표현되는 다음 크기의 최대값을 갖는다

음속은 노즐의 단면적이 제일 작은 부분에서 임계 압축비에 도달한다

max는 테이퍼가 일정한 실린더 형상의 노즐에 적용된다 식 (26)에 의하여

ㆍ 가 되며 는 일정한 테이퍼의 노즐에서만 증가할 수 있다 만약 압

축비 가 임계비 이하이면 max이므로 노즐을 통과하는 질량의 흐름은 일정

하다 이것은 질량의 흐름이 외부의 압력에 영향을 받지 않는다는 것을 의미한다

질량의 흐름에 의한 일은 다음의 식 (30)으로부터 구해진다

압축성 유체의 단열 팽창시에 수행된 일은 식 (19)와 식 (30)로부터 다음과 같이

산출된다

아래의 Fig 15 는 수축확산 노즐의 단면 모습이며(11) Fig 16 은 수축확산 노즐에

서의 압력 온도 속도 변화를 나타낸 것이다(8)

Fig 15 수축확산 노즐(Laval Nozzle)

Fig 16 수축확산 노즐에서의 압력 온도 속도 변화

압축성 유체의 흐름에 있어서 임계 속도 이후에 노즐의 단면이 서서히 확대되면

열에너지가 유동에너지로 변환되면서 온도는 낮아지고 흐름이 증가된다

앞의 식 (27)을 참조할 때 Fig 16 의 수축확산 노즐의 단면적이 가장 작은 임계

압축비 에서 음속에 도달한다 이 것은 질량 흐름에 식 (26)이 계속적으로 유

효하다는 것을 의미한다 수축확산 노즐 출구에서의 온도는 다음과 같은 관계가 된

노즐 확산부의 치수는 다음식으로부터 구해지며

개스 상수 등은 계수 개스 유입 온도 노즐 목의 직경 압축비 등의

변수로부터 노즐 출구에서의 개스 속도와 온도를 구할 수가 있다 공기 흐름 해석

대상 노즐 각부에 대한 부호는 Fig17에서와 같다

Fig 17 수축확산 노즐의 각부 부호

실제 수축확산 노즐을 설계하는 데 있어서는 노즐에서 발생될 수 있는 압축파 발생

을 억제하기 위하여 노즐 출구의 치수를 설계값보다 약간 작게 한다 즉 Fig 17에

서의 노즐의 확산각 가 를 넘지 않아야 하며 최대 이내여야 한다

4 공기 분사노즐의 흐름 특성 계산

앞의 ldquo3 초음속 공기 분사노즐에서의 공기의 흐름rdquo에서 유도된 식들을 이용하여

ldquoMathcad 13 프로그램(12)으로 설계 대상 분쇄기에 적용되는 공기 분사노즐의 단

면 치수 유입 공기량 노즐 출구에서의 공기 속도 소요 동력 등을 산출하였다

우선 단위와 공기의 상수를 정리하면

kilo=1000 TK =273 hoursec =3600 k = 14

ㆍsecㆍ

ㆍsecㆍ

ㆍsec

ㆍsec

예를 들어 tan tan tan tan

해석 조건이 다음과 같으면 tank pressure=700kPa Ttank=70 exit

pressure=100kPa

단위 (mm) throat diameter=50 length 150 outlet diameter=70 diffusion

angle α=38deg

d = 0007 pe = 100kilo po = 7pe Ttank =7C

To = TK+Ttank To=343 (K)

times

sec

Air_massflow1N_hour =Air_masflow1N_sechoursec

Air_massflow1N_hour = 133024 (kghrper 1 nozzle)

Air_massflow3N_hour = Air_massflow 1N_hour3

Air_massflow 3N_hour = 399071 (kghrper 3 nozzles)

Imsec)

sec

timesorsec timesorsec

(kgm3)

sec

sec sec

공기분사 노즐 목의 직경이 50mm 출구 직경이 70mm 노즐 목에서 노즐 출구까

지의 길이가 150mm로 공기 분사노즐의 환산각 도인 공기 분사노즐이 3

개 장착되어 있으며 탱크내의 공기가 압력 7bar 와 70 를 유지하면서 계속적으

로 노즐을 통하여 공급되며 또한 분쇄 챔버 내의 압력이 1bar 로 유지되는 경우의

공기 분사노즐의 유동 특성 계산 결과를 종합 정리하면 다음과 같다

- 노즐 출구에서의 공기 최대 속도 542151msec

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 무게 399071kghr

(노즐 하나에 00369kgsec)

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 부피 225333m3hr(0063m3sec)

- 소요 동력 16291kWhhr

5 수축확산 공기 분사노즐의 유동 해석

공기 분사노즐을 3D 모델링 프로그램 SolidWorks(13)로 모델링하여 열유체 해석

을 위한 유한요소해석 프로그램 COSMOSFlwWorks(14)로 공기 분사노즐 내의 유

동 해석을 수행하였다 해석 대상 공기 분사노즐 단면의 형상과 각부의 치수는

Fig18에서와 같다

Fig 18 수축확산 노즐 유동 해석 모델의 단면

해석시에 적용된 변수값들은 앞의 ldquo4 초음속 공기 분사노즐의 분사 특성 계산rdquo에

서 산출된 값을 적용하였다 노즐의 확산부위 길이는 15mm 이며 분사노즐의 확산

각은 도이다 노즐 하나에 대하여 Fig 18 의 왼쪽면에서 00369 kgsec

의 공기가 유입되며 오른쪽 분사노즐 출구면에 12bar 의 압력을 적용하였다 분사

노즐의 유동 해석 결과의 여러 가지 특성값 중에서 본 설계에서의 주요 관심사가

공기의 배출 속도인 관계로 Fig 19에 흐름의 속도 분포 Fig 20에 흐름의 마하넘

버 분포를 나타내었다 초음속 흐름에 대한 해석으로 분사노즐 목에서의 공기속도

가 약 335msec(마하 1)이 되며 노즐 출구에서 최대속도가 된다 Fig 21은 수축

확산 노즐에 대한 공기의 속도 분포 해석 결과를 반영하여 공기 분사노즐을 모델링

한 것이다

Fig 19 수축확산 노즐의 공기 흐름 속도 분포

Fig 20 수축확산 노즐의 공기 흐름 마하넘버 분포

Fig 21 수축확산 노즐 모델

6 분급 이론

분급(分級 classification)이란 유체력을 이용해서 분립체를 그 입자 지름의 크기에

따라 분리하는 것으로 넓은 뜻으로는 유체력에 의한 분리만이 아니라 체가름을 포

함하는 경우가 있다 더 넓게는 비중선별ㆍ자기력선별 등 모든 입자분리조작을 분

급이라고 한다 공기ㆍ물 등의 유체 속에서 운동하는 분립체의 각 입자에는 중력

또는 원심력 이외에 유체에 의한 유체항력 등이 함께 작용된다 이 힘 즉 유체항력

은 입자 지름에 의존하는 데 유체항력과 입자 지름의 관계는 중력이나 원심력과

입자 지름의 관계와는 다르기 때문에 이 둘 사이의 균형 조건이 입자 지름에 의해

좌우된다 좁은 뜻의 분급은 이 원리를 이용한 입경분리조작을 의미한다 중력장에

서 등속 침강하는 구 형상의 입자에 대한 힘의 균형은 다음 식으로 표현된다

여기서 은 입자 질량 prime는 입자에 의해 배제된 유체 질량 g는 중력가속도 R

은 는 유체항력을 나타낸다 유체항력 R은 다음 식으로 나타낼 수 있다

여기서 는 저항계수 (drag coefficient)로 입자 주위의 유체의 상대적인 흐름의

상태에 따라 결정되는 무차원 계수이다 는 유체의 밀도 는 입자의 침강속도

는 입자의 지름이며 는 입자의 투영 최대 면적이다 물 또는 공기 속에서 입

자의 지름이 100 이하 입자의 밀도가 3gcm2이하의 조건에서는 입자 주위의 흐

름은 거의 충류로 간주되며 이때 R은 다음 식으로 나타내진다

여기서 는 유체의 점성도이다

prime

이므로 식 (36)을 식 (34)에 대입하면 식 (37)을 얻는다

여기서 는 입자 밀도이며 식 (37)을 스토크스의 침강속도식이라고 하며 분급에서

분리입자 지름을 구하기 위한 기본식으로 중요하다

식 (37)은 다음

과 같이도 표현된다

유체가 공기나 그 외의 기체인 경우의 분급 조작을 건식 분급(또는 공기 분급) 물

이나 그 외의 액체인 경우의 분급 조작을 습식 분급이라 한다 앞에 언급된 기본식

들 이외에 어떤 종류의 분급장치에서는 유체의 흐름 방향이 급격히 변화할 때 흐름

에 따라 운동하는 입자의 관성력의 효과가 중요한 역할을 한다

분급에 사용하는 장치를 분급기(classifier)라고 한다 건식분급기에는 관성력을 이

용하는 것 중력침강을 이용하는 것 원심력을 이용하는 것 등이 있다 관성력을 이

용하는 건식분급기에는 루버식분급기 버추얼임팩터 엘보제트형분급기 등이 있는

데 건식분급기로는 원심력을 이용한 것이 가장 널리 사용되고 있다 원심력을 이용

한 건식분급기로는 분급 입도가 30~100 정도의 비교적 굵은 입도에서의 대량 처

리로 옛날부터 알려진 스튜어트밴트형 등이 있으며 또한 몇 ~30의 분급이 가

능한 여러 분급기가 개발되어 널리 쓰이게 되었다 또한 사이클론도 미립(微粒)에서

조립(組立)에 이르는 분체(粉體)의 건식분급에 이용된다 습식분급기에는 중력식과

원심력식이 있으며 중력식은 상승 수류(水流)와 유동층을 이용한 수력분급기 원뿔

형 또는 각뿔형 용기에서의 중력침강을 이용한 세틀링탱크 등의 침강분급조 완만

하게 경사진 직사각형의 조(槽)로부터 침하한 조립 생산물을 긁어올리기 위한 레이

크나 스파이럴을 갖춘 기계분급기 등으로 분류된다 원심력을 이용한 습식분급기로

는 사이클론 또는 하이드로사이클론이 가장 대표적이며 솔리드볼형ㆍ디스크형 등

의 원심분리기도 미립자용 분급기로 사용된다

Fig 22는 베인 구조의 원심형 분급기의 회전 단면 모습이다

Fig22베인 구조의 원심형 분급기의 단면

Fig 22에서 H는 분급기 내부 상하면 사이의 간격이며 는 선별된 미분이 배출되

는 반경 는 베인의 내반경 는 베인의 외반경을 나타낸다

분체 주위의 공기 흐름이 층류 흐름이라는 조건하에서 베인 구조의 원심형 분급기

에의 컷포인트(utpoint)를 결정짓는 외주부의 반경 은 다음과 같다

또한 선별된 미분이 배출되는 반경은 다음과 같다

베인 사이에서도 고체의 회전법칙이 적용된다 베인의 외주 반경에서 속도의 원주

방향 성분 과 중심방향 성분 가 가장 큰 영향을 준다

식 (41)과 식 (42)를 식 (38)에 대입하여 정리하면 다음과 같다

독일 Netzsch 사에서는 베인의 내반경 에서 선별된 미분이 배출되는 반경 까

지의 반경 방향의 공기 속도 성분 을 질정하게 해 주기 위하여 Fig 10에 보인

ldquoConvorrdquo라고 불리우는 단면의 분급기를 개발하여 사용화하고 있다

7 분급기 설계와 유동 해석

분급기의 베인 사이로 분쇄된 미분과 공기가 함께 유입되어 중앙부의 배출구로 통

과하는 분급기의 내부 형상을 설계하기에 앞서 분급기 내부를 구성하는 상면이 평

평한 구조의 분급기에 대한 유동해석을 실시하여 공기의 속도 분포를 검토하였다

해석 대상 분급기의 외경은 205mm이며 밑면 중앙에 공기 배출을 위하여 직경이

90mm인 원형 구멍이 뚫려 있다 분급기 외주에는 단면이 원호의 일부로 만들어진

두깨가 2mm 넓이가 18mm 길이가 35mm인 베인이 매 60도마다 10개씩 등간격

으로 모두 60개가 베인의 코드 방향과 분급기의 반경 방향이 이루는 각도가 약 15

도가 되도록 경사지게 설치되어 있다 원주 방향으로 매 60도마다 길이 35mm 직

경 8mm인 원형봉 6개가 등간격으로 배열되어 상ㆍ사 카버 사이에 베인을 고정시

켜 조립되는 구조이다 해석 대상 분급기에 사용된 베인의 단면과 베인의 배열 및

분급기 상ㆍ하면을 고정하는 봉이 포함된 수평면상의 평면도를 Fig 23에 나타내었

다 Fig 24는 분급기의 상면 형상이 평평한 구조인 경우에 대한 분급기의 수직단

면도이다

분급기에 유입되는 공기는 온도 50 유입량 01m3sec 분급기를 통과한 후에

배출되는 공간의 압력은 12bar이며 분급기의 회전속도는 8000rpm(838radsec)

이다 분급기에 발생되는 원심력의 절대적인 크기는 재료의 밀도와 분급하고자 하

는 분말의 크기에 따라 분급기의 회전수를 변화시켜서 조절한다 SolidWorks 및

COSMOSFloWorks 프로그램으로 분급기의 공기 유동해석을 실시하였다 해석시의

변수 입력 항목 및 해석 과정을 ldquo부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 유동해석 절

차rdquo에 정리하였다

Fig 23 베인과 상ㆍ하면 고정 원형봉의 평면 단면도

Fig24 분급기 상면이 평면인 경우의 수직단면도

공기 유동해석 결과를 Fig25~Fig27에 나타내었다 Fig25는 베인의 중간 높이에

서의 수평 단면에서의 공기 속도 분포이다 Fig26은 베인이 위치한 부위에서의수

직단면 Fig 27은 상ㆍ하면을 고정시켜 주는 원형봉이 있는 부위의 수직단면에 분

포하는 공기의 유입 속도 해석 결과를 나타낸 것이다

Fig 25 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig 26 베인 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig27 연결봉 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig15~Fig27의 공기 속도 등고선을 보면 베인 외주부의 상하 위치에 있어서 공

기의속도가 불균일한 분포를 보인다 베인의 분급기 내부 공간에서는 같은 반경인

위치에서 윗부분에서의 공기 속도가 아랫부분에서보다 빠르게 분포하고 있다 베인

의 높이 방향 상ㆍ하 위치에 따른 이러한 유입 속도의 편차는 분급기 외주의 실린

더 면으로부터 유입되는 공기가 분급기 중앙의 밑 방향으로만 배출되는 유동 통로

의 구조 때문으로 판단되낟 따라서 같은 반경의 같은 원심력이 발생되는 위치에

있어서도 윗부분에서의 공기 유입속도가 밑부분에서보다 크게 분포되어 윗부분에서

는 밑부분에서보다 큰 분말이 분급기 안으로 유입된다 지정된 크기의 컷오프보다

큰 분말과 작은 분말이 혼합된 상태로 배출되는 관계로 분급이 정밀도가 저하된다

베인의 상ㆍ하 위치에 무관하게 공기의 유입 속도를 가급적 균일하게 해 주기 위한

목적으로 분급기 내부의 단면 형상을 Fig28과 같은 인볼류트-컨볼류트

(involute-convolute) 단면으로 구성하여 공기의 유동해석을 실시하였다

Fig 28 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기

Fig29는 베인의 중간 높이 수평단면 상에서의 공기 속도 분포이다 Fig25에 비하

여 베인의 외주 부위에서의 공기의 속도가 균일하게 분포되고 있음을 보여 준다

Fig29 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig 30은 베인이 위치한 부위에서의 수직 단면 Fig31은 상ㆍ하면을 고정시켜 주

는 원평봉이 있는 부위에서의 수직 단면에 분포하는 공기 속도 분포이다 Fig30과

Fig31은 각각 Fig25와 Fig26에 비하여 베인의 높이 방향 전체에 걸쳐 공기의 유

입 속도가 상당히 균일하게 분포되는 것을 보여 주고 있다

Fig 30 베인 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig31 연결봉 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig32는 분급기 내부의 공간 형상이 인볼류트-컨볼류트인 분급기의 설계 모델이

Fig32 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 모델

Fig33은 앞의 수축확산 공기 분사노즐(Fig20)과 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급

기(fig32)로 구성된 건식 기류충격식 분쇄기의 3D모델이다 중요 부품의 도면은

ldquo부록 9 설계 도면rdquo에 수록하였다

Fig33 건식 기류충격식 분쇄기의 3D 모델

8 시작품 제작

수축확산 공기 분사노즐의 유동해석 및 분급기의 유동해석 결과를 바탕으로 시작품

을 제작하였다 Fig34는 수축확산 공기 분사노즐 헤드의 시작품 모습이다

Fig 34 수축확산 공기 분사노즐 헤드 시작품

Fig35는 분급기의 시작품 모습이다 분급기의 베인은 분체와 마찰시 내마모성을

갖도록 SUS 재질로 곡면 성형한 후 세라믹으로 코팅하여 제작하였다

Fig35 분급기 시작품

Fig 36은 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 수축확산 공기 분사

노즐 및 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 등이 분쇄기의 내부에 장착되어 있다

Fig36 건식 기류충격식 분쇄기 시작품

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기와 관련된 국외 특허 자료 조사와 분석 공기의

유동해석에 있어 많은 일정이 소요되었다 기술지원 추진일정을 Table1에 정리하

였다

Table 4 추진 일정

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 3: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

기술지원성과 요약서

과제고유번호 연구기간 20060801 ~ 20070731

연구사업명 부품소재전문기업기술지원사업

지원과제명 기류충력식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원

지원책임자 윤승원 지원연구원수

총 6 명

내부 1 명

외부 5 명

사업비

정부100000천원

기업100000천원

계 200000천원

지원기관명 한국생산기술연구원 소속부서명 생산시스템본부

참여기업 기업명 대가파우서시스템(주) 기술책임자 최병훈

요약(연구결과를 중심으로 개조식 500자 이내) 보고서변수 125

직경 18 ~ 20 인 초미립 분말을 생산하기 위한 건식 기류충격식 분쇄기의

설계 및 생산 기술이 개발되었다 기류충격식 분쇄기의 분쇄과정은 분쇄 재료의

공급 초음속 공기 분사노즐에 의한 분말의 충격 분쇄 설정 크기별 분말의 분

급 여과 집진 및 공기 배출 등의 절차로 이루어진다 지원기업이 어려움을 겪

고 있는 초음속 공기 분사 노즐 설계와 미세 입자 분급기 설계를 포함하는 분쇄

기 쳄버 설계 및 생산기술에 대한 기술지원으로 기류충격식 분쇄기를 개발하였

건식 기류충격식 초미립 분쇄기와 관련된 국내ㆍ외 특허 자료와 기술문헌 등이

조사 정리 제공되었으며 3D 모델링에 의한 설계가 수행되었다 분쇄기를 구성

하는 내마모성 부품 재료 선정 초음속 분사노즐의 형상 설계 분급기의 내부 형

상 베인의 단면 형상 배열 간격 및 수량 등에 대한 설계 기술이 확보었다 원

심팬 내의 공기 유동장 해석 기술 확보로 정밀도가 높은 분급이 가능해졌다 향

후 유사한 초미분 건식 분쇄기 개발을 위한 자체 설계 기술을 확보하였다

색 인 어

(각 5 개 이상)

한글 분쇄 분급 입도 초미립 초음속 유동 기류충격

영어Pulverization Classification Particle size Ultra-fine

powder Supersonic flow Air-jet

기술지원성과 요약문

1 사업목표

평균 직경이 18 ~ 20인 초미립 분말 생산을 위한 압축공기를 이용한 기류

충격식 분쇄기 설계와 생산 기술을 개발한다 분쇄부와 분급부의 구조 설계와

작동에 대한 기초를 체계적으로 정립하낟 3D 모델링에 의한 설계 핵심 모듈인

분사노즐과 분급기의 공기 유동장 해석 기술을 확보하여 초미분 생산용 건식 기

류충격식 분쇄기의 자체 개발 기술을 확보한다

2 기술지원내용 및 범위

(1) 국내외 특허자료 검색 및 분석 지원으로 초미립 분쇄기의 기초 구조 기능

정립 및 기류 층격 펄스 노즐 형상 설계 자료로 활용

(2) 3D 모델링에 의한 부품 및 시스템 설계 방법 지원으로 오류 최소화

(3) 초음속 공기 분사노즐의 형상 설계 기술 지원

(4) 분급 입도의 정밀도를 향상시키기 위한 분급기 내부의 형상 설계 회전수

베인의 수와 간극 및 배열 등에 대한 이론 교육

(5) COSMOSFloWorks 에 의한 분급기의 공기 유동장 해석 방법 절차 및 해석

결과의 이해와 설계에 반영

(6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작

3 지원실적

지원항목지원내용

비고기술지원前 기술지원後

입도(평균) 28 ~ 32 18 ~ 20 입도 측정

생산 용량(Pb0) 4 ~ 6kghr 10 ~ 15kghr 생산량 측정

분급기 휠 직경 100mm 205mm 설계 자료

분급기 휠 회전수 최대 13000rpm 최대 8000rpm 장비 작동

베인 수 30 개 60개 설계 해석 자료

1 지원항목 2번항목의 기술지원내용 및 범위를 근거로 지원실적을 항목별로

구분하여 가재

2 지원내용 지원항목별로 기술지원 前後 상황을 비교하여 기재

4 기술지원 성과 및 효과

1) 해당기술 적용제품

o 적용제품명 기류충격식 분쇄기

o 모 델 명 DGJMV-350

2) 품질 및 가격

구 분 경쟁 제품해당기술 적용제품

비고지원전 지원후

경쟁제품 대비 품질 100 75 95

경쟁제품 대비 가격 100 50 75 대당 130 백만 원 기준

객관환 된 DATA를 근거로 작성

3) 원가저감 효과(대당)

구 분 절 감 금 액 비 고

원부자재 절감 8 백만 원년(6 ) 불량 방지에 의한 재료비 절감

인건비 절감 4 백만 원년(3 ) 안전 생산에 의한 인건비 절감

계 12백만 원년(9 ) 생산량 증가에 따른 비용 절감

공정개선 및 품질향상 등으로 인한 절감효과 반영

4) 적용제품 시장전망(매출성과)

구 분 당해연도 매출 차년도 예상매출전년대비

증가비율비고

내 수 - 백만 원년 800 백만 원년 100

수 출 - 천 달러년 400 천 달러년 100

계 - 백만 원년 1180 백만 원년 100

참고) 1 적용제품 주요수출국 중국 미국

2 작성당시 환율기준 950원USD

5) 수입대체 효과

모델명 당해연도 수입액 차년도수입액 수입대체금액

DGJMV-350 천 달러년 천 달러년 900 천 달러년

계 천 달러년 천 달러년 900 천 달러년

6) 해당기술의 기술력 향상 효과

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계

기술

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른

분급기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

7) 기술적 파급 효과

(1) 초미립 분쇄기에 대한 기초 기술의 정립과 국내외의 특허 기술 파악으로

건식 기류충격식 분쇄기의 성능과 구조 등 자체 개발 방향 설정이 가능하다

(2) 초음속 공기 분사노즐의 설계 능력이 확보되어 다양한 성능의 모델 개발에

활용 할 수가 있다

(3) 서브미크론 크기의 초미분을 생산하는 기류충격식 분쇄기의 핵심 모듈인 고

정밀도의 분급 성능을 갖는 분급기의 설계 능력이 확보되었다 즉 분급기 내부

의 형상과 회전수 베인의 단면 모습과 소요 수량 및 배열에 대한 설계 기술이

확보되었다

5 적용기술 인증 지적재산권 획득 여부

1) 규격 인증획득

인증명 품목 인증번호 승인기관 인증일자

2) 지적재산권

종류 명칭 번호 발명자 권리자 실시권자

비고

(등록

출원)

특허

원심형 분말

분급기

(Centrifugal

Powder

Classifier)

10-2007-0092396

윤승원

최덕규

남상경

최인환

최병훈

한국생산기술연구원

대가파우더시스템(주)출원

6 세부지원실적

항 목 지원 건수 지 원 성 과

기술정보제공 104 건국내ㆍ외 특허 73건 전문서적 14 권 매뉴얼

6 권 기타 기술 자료 11건

시제품제작 1 건 DGJMV-350 건식 기류충격식 분쇄기

양산화개발 3 건 공기 분사노즐 분급기 베인

공정개선 3 건 분쇄기 설계 절차 베인의 형상 설계과 제작

품질향상 3 건 분급기 베인 분사노즐

시험분석 3 건 분말의 입도 측정

수출 및 해외바이어발굴 0 건

교육훈련 18 건SolidWorks COSMOSFloWorks 사용 방법 교

기술마케팅경영자문 1 건 (주)지바이오텍에 건식 분쇄기 장비 소개

정책자금알선 1 건 생산기술연구자금 알선

논문게재 및 학술발표 0 건

사업관리시스템

지원실적업로드 회수0 건

지원기업 방문회수 54 건

지원책임자 지원기업 방문 39 건 국내 방문

7 건 해외 출장 1 건

참여기업 연구원 0명 지원기관 내방 7회

기 타 8 건국내ㆍ외 전시회시 수집 자료 제공 4회

시작품 제작용 자재 지원 4 회

상기 세부지원실적에 대한 세부내용 첨부

7 종합의견

소재산업이 정밀화되고 고기능화함에 따라 서브미크론급의 초미립을 생산하는

분쇄기의 성능 향상이 요구되고 있다 국내의 경우에는 건식 기류충격식 분쇄기

에 대한 설계 기술 부족으로 2 ~ 3 급의 건식 분쇄기를 독일과 일본 등으로

부터 고가로 수입 하여 사용하고 있으며 대항 경쟁 제품을 개발하지 못하고 있

는 실정이다

지원기업 대가파우더시스템(주)은 창업후 36 년 이상 분쇄기를 전문으로 설계

및 생산하는 분쇄기 전문기업이다 본 부품소재종합기술지원사업 전 기술지원

기간 동안 지원기업의 연구진 4 명이 연구사업에 적극적으로 참여하여 지원책

임자와 함께 기술력 향상에 노력하였으며 건식 기류충격식 분쇄기의 핵심 모듈

인 수축확산 공기 분사노즐과 분급기의 자체적인 설계 해석 및 생산 기술을 확

보하였다

건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 여러 부품 중에서 핵심 모듈인 수축확산 초

음속공기 분사노즐과 분급부와 관련된 기초 이론 국내ㆍ외 특허기술 조사와 분

석 구성 부품의 3D 설계 기술 재질 선정 분사노즐과 분급기의 공기 유동 해

석 기술을 확보하였다 즉 초미립 분쇄를 위한 공기 분사노즐의 단면 형상과 공

급 유량 산출 압력과의 관계 분급기 내부의 형상 베인의 단면 형상과 소요 수

량 베인의 간격 배열 위치 및 분급기의 회전수 등을 고려한 유동해석 기술을

확보하여 고정밀도의 분급기의 자체 설계가 가능해졌다

향후 건식 기류충격식 분쇄기의 여러가지 용량과 성능에 맞는 분쇄기를 자체적

으로 설계 및 제작하는 것이 가능하며 제품 신뢰도의 향상과 매출 증대에 크게

기여할 것이 예상된다

연구과제(세부과제) 성과

1 사업화 성과

특허 성과

출원된 특허의 경우

세부사항

(9)

출원년도

(10)

특허명

(11)

출원인

(12)

출원국

(13)

출원번호

2007

원심형 분말 분급기

(Centrifugal Poweder

Classifier)

한국생산기술연구원

대가파우더시스템대한민국 10-2007-0092396

사업화 현황

사업화 세부사항

(9)

사업화명

(10)

사업화

내용

(11) 사업화 업체 개요(12)

기 매출액

(백만원)

(13)

당해연도

매출액

(백만원)

(14)

매출액

합계

(백만원)

업체명 대표자 종업원수사업화

형태

대가파우

더시스템

최은석 59 4

주 11) 사업화 업체 개요의 사업화 형태는 1 연구책임자 창업 2 기술이전에 의한

창업 3 창업지원 4 기존업체에서 상품화 중에서 선택하여 번호 기입

고용창출 효과

고용창출 세부사항(9)

창업(명)

(10)

사업체 확장(명)

(11)

합계(명)

세부지원실적 증빙 내용

1 참여기업 현장방문 47건 참여기업이 생기원 내방 7건

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20060825DPS 주요 기술 지원 사항에 관한 협의

윤승원 최병훈 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

2 20060829기업은행 설명회장 연구비 카드 사용 교육 참석

윤승원 최덕규출장 기록

3 20060831DPS 젯트밀 쳄버 설계 대상 구조 개요 윤승원

최병훈 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

4 20060901KINTEX NanoKorea 2006 참관 윤승원 남상경

최덕규출장 기록

5 20060907DPS 젯트밀 관련 국내 특허 조사 윤승원

남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

6 20060908건식 분쇄기 관련 기술자료 조사 영풍문고

윤승원출장 기록

7 20060915DPS 젯트밀 관련 국내 특허 조사 윤승원

남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

8 20060919 문래동 내마모성 재료조사 윤승원 출장 기록

9 20060921DPS 에어젯트밀 관련 국내 특허 자료 검토

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

10 20061017DPS 에어젯트밀 관련 미국 특허 조사 윤승원

남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

1120061018~

1022

베트남국제산업박람회(VIIF 2006) Hanoi

Vietnam 윤승원출장 기록

12 20061026한국생산기술연구원 기류충격식 분쇄기의 부품

구성도 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민

DPS 연구원 4명

생기원 내방

13 20061027DPS 초음속 공기 흐름에 대한 기초 윤승원

남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

14 2061102DPS 초음속 공기 흐름 관계식 윤승원 남상경

최인환 최덕규 윤상민출장 기록

15 20061103DPS 초음속 공기 흐름 관계식 윤승원 남상경

최인환 최덕규 윤상민출장 기록

16 20061106일산 네이취코리아 건식분쇄기 및 분급기 관련

자료수집 윤승원출장 기록

17 20061109DPS 기류충격식 분쇄기의 구성도와 노즐 설계

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

18 20061116한국생산기술연구원 기류충격식 분쇄기의 예상 부품

구성도 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민

DPS 연구원이

생기원 내방

19 20061123DPS 기류충격식 분쇄기의 예상 부품 구성도

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

20 20061130

DPS 기체 분사노즐의 초음속 분출 속도와 유량

산출에 대한 해석적 방법의 적용 윤승원 남상경

최인환 최덕규 윤상민

출장 기록

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

21 20061204DPS 기류충격식 분쇄기의 예상 부품 구성도

수정 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

22 20061207DPS 기류충격식 분쇄기의 부품번호 및 명칭

부여 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

23 20061212 문래동 철재 부품조사 윤승원 출장 기록

24 20061214DPS 기체 분사노즐 내의 공기유동 유한요소해석

모델링 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

25 20061215DPS 기체 분사조즐 내의 공기유동 유한요소해석

모델링 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

26 20061221

한국생산기술연구원 기류충격식 분쇄기의 공기

초음속 분출 노즐 형상 설계시의 설계 변수

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민

DPS 연구원 4명

생기원 내방

27 20070109DPS 기류충격식 분쇄기 제작용 재료 구입

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

28 20070116DPS 기류충격식 분쇄기의 분쇄 챔버 기본 설계

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

29 20070205DPS 기류충격식 분쇄기의 분쇄 챔버 기본 설계

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

30 20070206DPS 기류충격식 분쇄기의 분쇄 챔버 3D 모델링

윤승운 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

31 20070213

한국생산기술연구원 기류충격식 분쇄기의 분쇄

챔버 3D 모델링에 대한 설계 검토 윤승원

남상경 최인환 최덕규 윤상민

DPS 연구원 4명

생기원 내방

32 20070227DPS 분급기 구조 기본 설정 윤승원 남상경

최인환 최덕규 윤상민출장 기록

33 20070306DPS 회전체 설비의 관성모덴트 산정 방법

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

34 20070308DPS 분쇄 쳄버와 분급기 제작용 내마모성 재료

검토 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

35 20070320DPS 분급기의 기본 구조 모델링과 베인 배열

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

36 20070326DPS 분급기용 베인의 단면 형상과 배열 및 수량

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

37 20070327한국생산기술연구원 분급기 모델링과 베인 배열

구조 윤승원 남상경 최덕규

DPS 연구원 2명

생기원 내방

38 20070403DPS 분급기의 유동장 해석을 위한 COSMOSWorks

해석 연습 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

39 20070410DPS 분급기의 유동장 해석을 위한 COSMOSWorks

해석 연습 윤승원 최인환 최덕규출장 기록

40 20070417DPS 베인 형상 설계 유체 흐름 해석 모델링과

입력 변수 설정 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

41 20070502DPS 베인 형상에 따른 유체 흐름 해석 윤승원

남상경 최인환 최덕규출장 기록

42 20070504한국생산기술연구원 분급기의 공기 유동 해석

결과 분석 윤승원 남상경 최인환

DPS 연구원 2명

생기원 내방

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

43 20070508DPS 여러 내부 형상의 분급기 구조와 베인에

대한 공기 유동 해석 윤승원 남상경 최인환출장 기록

44 20070518DPS 베인의 형상에 따른 분급기의 공기 유동

해석 결과 분석 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

45 20070523DPS 분급기 내부 형상 설계 변경 윤승원

남상경 최인환 최덕규출장 기록

46 2070530한국생산기술연구원 분급기 내부 형상에 따른 흐름

해석 분석 윤승원 남상경 최인환 최덕규

DPS 연구원 3명

생기원 내방

47 20070601DPS 분급기 내부 형상의 조립성을 고려한 설계

수정 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

48 20070607DPS 베인의 형상과 수량에 따른 분급기의 공기

유동 재해석 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

49 20070613DPS 분사노즐 설계 확정을 위한 공기 분사노즐

유동장 재해석 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

50 20070618DPS 에어젯트밀 구조 설계 검토 윤승원

최병훈 남상경 최인환 최덕규출장 기록

51 20070703DPS 분급기 내부 형상에 대한 특허 출원 자료

준비 윤승원 최병훈 남상경 최인환 최덕규출장 기록

52 20070705

경북 칠곡 쿠어스텍코리아 분급기용 베인 제작

가능성 확인을 위한 업체 방문 윤승원 최인환

최덕규

출장 기록

53 20070711DPS 베인 형상 확정 및 구매 요청 윤승원

남상경 최인환 최덕규출장 기록

54 20070724DPS 분쇄기 에어노즐 분급기 설계 자료 정리

윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

2 기술정보제공 특허 73건

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20061013 분쇄기 관련 한국특허 13건(제본) 부록 1 목록

2 20061013 분쇄기 관련 일본특허 16건(제본) 부록 2 목록

3 20061013 분쇄기 관련 미국특허 23건(제본) 부록 3 목록

4 20061013 분쇄기 관련 유럽특허 4건(제본) 부록 4 목록

5 20070213 분급기 관련 미국특허 17건(제본) 무록 5 목록

3 기술정보제공 전문서적 14권

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20070306 構造解析のだぬの有限要素法實戰ハソドプツク 전문서적

2 20070306 世界の規格基準認證ガイドツク 전문서적

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

3 20070306 設計者に必要な材料の기 전문서적

4 20070306 設計者のたぬの モーメソト 전문서적

5 20070306 すべリ軸受資料集 전문서적

6 20061109Flow Mechanics and Thermodynamics in

Mechanical Processing전문서적

7 20061109NETZSCH-CONDUX Fludized Bed Jet Mill 제품

홍보자료

제품

홍보자료

8 20060907 Assembly Modeling with SolidWorks 20042005 전문서적

9 20060907 SolidWorks 2005 Tutorial and MultiMedia CD 전문서적

10 20070601Engineering Analysis with COSMOSWorks

Professional 2007전문서적

11 20070205 COSMOSMotion 전문서적

12 20061116 FLUENT 60 Tutorial Guide 전문서적

13 20070213 FLUENT 60 Users Guide 전문서적

14 20070213 Fundamentals of Fluid Mechanics 전문서적

4 시제품제작 1 건

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20070715 기류충격식 분쇄기 DGJMV-350 시작품

5 시험분석 3건

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20070627 입도 측정 histogram 1 부록 10

2 20070627 입도 측정 histogram 2 부록 10

3 20070627 입도 측정 histogram 3 부록 10

6 기술지원실적 업로드 건

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

목 차

제 1 장 사업의 개요

제 1 절 기술지원 필요성

제 2 절 기술지원 목표

제 3 절 기술지원 내용

제 2 장 국내ㆍ외 기술 현황

제 1 절 세계의 기술 현황

1 일본 Hosokawa 사의 수직형 기류충격식 분쇄기

2 일본 Hosokawa 사의 수평형 기류충격식 분쇄기

3 일본 미놀타 사의 수평형 기류충격식 분쇄기

4 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의

수평형 기류충격식 분쇄기

5 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기

6 미국 Xerox 사의 수평형 기류충격식 분쇄기와 노즐

7 독일 Netzsch 사의 건식 기류충격식 분쇄기

8 독일 특허 공기 분사노즐

9 미국 특허 분쇄기 구조

제 2 절 국내의 기술 현황

제 3 장 기술지원 수행 내용 및 결과

제 1 절 기술지원 수행

1 분쇄기 시스템 구성도

2 소리의 속도

3 공기 분사노즐에서의 유동식

4 공기 분사노즐의 흐름 특성 계산

5 수축확산 공기 분사노즐의 유동 해석

6 분급 이론

7 분급기 설계와 유동 해석

8 시작품 제작

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

2 기술지원 추진체계

3 연구기자재 활용

4 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

6 입도 측정

7 지적재산권 출원

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

제 6 장 참고문헌

부록 1 분쇄기 관련 한국 특허 13건 목록

부록 2 분쇄기 관련 일본 특허 16건 목록

부록 3 분쇄기 관련 미국 특허 23건 목록

부록 4 분쇄기 관련 유럽 특허 4건 목록

부록 5 분급기 관련 미국 특허 17건 목록

부록 6 기술지원 관련 전시회 참석

부록 7 개스의 비열값 개스 상수 밀도

부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 분급기 유동해석

부록 9 설계 도면

부록 10 입도측정 histogram

제 1 장 사업의 개요

분쇄는 재료에 외력을 가하여 작은 크기로 세분화하고 표면적을 증가시키는 기계적

인 조작이다 목적하는 파쇄물 입자의 크기에 따라 조쇄(粗碎) 중쇄(中碎) 분쇄(粉

碎) 미분쇄(微粉碎) 초미분쇄(超微粉碎)로 구분된다 분쇄시 작용되는 응력은 압축

력 충격력 전단력 마찰력 절단력 등이 있으며 단독의 힘이 작용되는 경우는 드

물고 분쇄 대상 재료에 여러 가지 힘임 복합력으로 동시에 작용되어 분쇄기 이루어

진다(1)

분쇄기는 분쇄 입도의 크기에 따라 다음과 같이 분류한다

(1) 조분쇄기 1500mm~100mmrarr500mm~25mm (분쇄비 4~3)

(2) 중분쇄기 500mm~6mmrarr50mm~1mm (분쇄비 7~5)

(3) 미분쇄기 125mm~1mmrarr2mmrarr01mm (분쇄비 20~10)

(4) 초미분쇄기 6mm~01mmrarr01mm~001mm (분쇄비 50~10)

분쇄기의 분쇄 방법에 의한 종류는 다음과 같다

(1) 볼밀(ball mill)

원통 속에 재료와 함께 강으로 만든 볼 즉 강구를 여러 개 넣은 후 함께 회전시켜

강구운동에 의한 충격으로 재료를 분쇄하는 장치이다 볼에는 주철 칠주물 플린트

석 천연석 등 원료에 따라 여러 가지가 있다 통의 길이는 통의 지름을 초과하지

않는 것이 표준형이지만 지름의 수 배 이상으로 긴 형의 튜브밀 그 중간인 콤파운

드밀(compound mill) 다양한 종류도 있다 원통의 내면은 특수강 또는 니켈판으로

내장한다 최종적인 미분을 만들 때 사용되며 도토(陶土) 염료 드의 처비분인 경

우에는 건식으로 사용되며 용도가 매우 넓다

(2) 로드밀(rod mill)

기체 내면의 길이보다 약간 짧은 강봉을 분쇄매체로 사용하는 회전식 분쇄기이다

거친 입자부터 선택적으로 분쇄하며 입도(粒度)가 비교적 가지런한 분쇄산물을 얻

을 수 있는 특징이 있다 단독으로 사용되는 외에 불밀에 의한 분쇄의 예비분쇄기

로서도 종종 사용된다

(3) 롤러밀(roller mill)

볼밀과 같은 원리의 분쇄기로 시멘트원료를 분쇄할 때나 석탄을 분쇄할 때 사용된

다 분쇄기 중에 롤러나 볼을 이용한 것을 링롤러밀이라고도 한다

(4) 조크러셔(jaw crusher)

전ㆍ후로 조금씩 진동하는 강철제의 철판과 이와 마주 보는 고정판 시이에 수 cm

에서 1m 정도의 암석 등의 덩어리를 물려 넣고 짓씹어 부수게 하는 구조로 되어

있다

(5) 임팩트 크러셔(impact crusher)

매초 원주 속도가 수십 m로 고속회전하는 원통에 장치된 충격판에 의해 분쇄하는

장치이다 골재 정형에 널리 쓰인다

(6) 휠러밀(wheeler mill)

tn 이하의 미분쇄를 필요로 하는 분야에서 널리 사용된다 소위 유체에너지밀의

일종으로 고압기체를 불어 넣음으로써 입자를 기계의 벽이나 또는 다른 입자에 충

돌시 켜서 분쇄하는 장치이다 기체가 길쭉한 도넛형의 통내를 입자와 함께 환류하

고 미세하게 된 입자만이 배기와 함께 기외로 배출되는 구조로 되어 있다

(7) 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)

노즐로 높은 압력의 공기 또는 질소를 초음속으로 분사시켜 분말 상호 간의 충돌로

초미립 크기로 분쇄되며 분급 휠(classifier wheel)의 속도 변환과 베인과의 간격에

의해 미립자의 크기를 조절하여 분급하는 방식이다 노즐의 크기 배열 상태 및 공

기 흐름의 조절로 효율성을 크게 증가시킬 수 있으며 동시에 분쇄기의 마모와 제품

의 순도 최적화를 유지할 수 있다 입도의 크기는 01 ~ 10의 범위에 있다

이외에도 큰크러셔(cone crusher) 압축력에 의한 자이러토리크러셔(gyratory

crusher)가 있고 충격력에 의한 해머밀(hammer mill) 케이지밀(cage mill) 유체에

너지밀 전단력에 의한 분쇄기 등이 있으며 마쇄력에 의한 자생분쇄밀과 진동밀

유성밀 교반밀이 있다

최근 들어 소재산업이 정밀화되고 고기능화 함에 따라 카본블랙 TiO2 PbO ZnO

SiO2등의 안료 세라믹 자기재료 맥반석 황토 슬래그 운모 흑연 탄화규소 탄

산칼슘 등을 미크론(μ) 크기 또는 서브미크론 크기의 분말로 분쇄하는 정밀 분쇄기

수요가 증대하고 있다

Fig 1 은 습식 분쇄기의 종류와 입도 범위의 관계를 나타낸 것이다 Fig 1 밑부분

의 화살표는 본 부품소재종합기술지원사업 수행으로 개발하고자 하는 분말의 크기

범위를 표시한 것이다

Fig 1 습식분쇄기의 입도 범위(독일 Buehler사)

제 1 절 기술지원 필요성

대가파우더시스템은 1970 년도에 창립하여 현재에 이르기까지 산업용 분쇄기 집

진기 건조기 기체여과기 액체여과기 폐수처리장치 등의 전문생산업체이다 최근

들어 소재산업이 정밀화되고 고기능화 함에 따라 분쇄기의 성능 향상이 요구되고

있다 최근에는 수십 nm 이하의 초분체 카본블랙 TiO2 ZnO SiO2 등의 안료 세

라믹 자기재료 등의 각종 소재의 입도 정밀화가 실현되고 있다 초분체기기 및 요

소 부품의 국내 수요는 독일의 DRAIS 일본의 KOTOBUKI 사 DYNO 사 등의 선진

메이커 제품을 수입하여 사용하고 있다 건식 기류충격식 분쇄기에 대한 국내 설계

기술 부족으로 외국에서 수입되고 있는 제품의 가격이 고가이어도 경쟁할 수 있는

제품을 개발하지 못하고 있는 어려운 상황이다

대가파우더시스템은 최근 습식 방법의 초미립 분쇄기를 개발하여 시험 중에 있으

며 압축공기를 이용한 기류충격식 분쇄기 개발에 있어서 분쇄부와 분급부의 기초

이론 구성 부품 설계 재질 선정 분쇄기 구조에 대하여 유한요소법으로 유동해석

을 하는 시뮬레이션 기술력 확보에 어려움을 겪고 있다 초미립 분쇄(ultra-fine

pulverization)를 위한 기류 분사노즐(compressed air nozzle supersonic air

nozzle)의 단면 형상 설계와 분쇄에 요구되는 유량 산출 분급기(classifier)의 크기

과 공기 유동부의 내부 형상 베인의 형상과 수량 베인의 간격 배열 위치 및 분급

기 회전수 등에 대한 설계 변수 등에 있어서 애로를 겪고 있으며 기술력 향상을

위하여 외부 전문가의 기술지원이 요청되고 있다

건식 기류충격식 분쇄기 설계의 핵심 기술을 지원하여 건식 기류충격식 분쇄기의

국내 업체의 자체 설계 능력 확보가 요구되낟 본 부품소재종합기술지원사업을 통

하여 초미립 분쇄기와 관련된 국내ㆍ외 특허 자료 기술문헌 및 분쇄부와 분급부의

기초 이론 관련 자료 조사와 제공 초미립 입자를 생산하기 위한 건식 분쇄기의 구

조 설계 기술 지원 유량에 따른 기류충격식 분쇄 노즐의 설계 변수 컴퓨터를 이용

한 3 차원 모델링에 의한 설계 유한요소법에 의한 기체의 유동 해석 기술 지원이

필요한다

제 2 절 기술지원 목표

기술지원의 초종 목표는 지원기업 대가파우더시스템가 분쇄 입도의 평균직경 18

~ 20 인 초미립 파우더를 생산하기 위한 기류충격식 분쇄기 설계와 생산에 대

한 기술 확보이다 공기 분사 방식의 분쇄 노즐 형상 분급부의 구조 설계 및 작동

에 대한 기초를 체계적으로 정립하며 분쇄기 구성 부품의 재질 선정 3D 모델링에

의한 분쇄기 시스템 설계와 유한요소볍에 의한 공기 유동장 해석 결과를 바탕으로

시작품을 제작하며 향후 유사 모델에 대한 자체적인 설계 및 새산 능력을 확보하

는 것이다

제 3 절 기술지원 내용

1 건식 기류충격식 분쇄기의 국내ㆍ외 특허 자료 기술문헌 및 기술정보 조사 지

원으로 초미립분쇄기의 기초 이론 구조 기능 정립 초음속 분사노즐 단면 형상

설계 자료로 활용

2 3D 모델링에 의한 설계 기술 지원으로 설계 오류를 사전에 방지

3 초음속 분쇄 노즐의 형상 설계와 유동 특성 해석 기술

4 분급부의 내부 구조 베인의 형상과 배열 및 수량 결정 유한요소법에 의한 분급

기의 유동 해석 기술 지원으로 분급 입도의 안정화 분급기 설계 및 제작

5 분쇄부와 분급기의 재질 선정 지원으로 생산가 관리 및 내구성 확보

Table 1 기술지원 목표 및 내용

제 2 장 국내ㆍ외 기술 현황

건식 분쇄 기술로 크기가 1 이하의 작은 입자를 생산하는 것은 어려운 기술로

분체기술의 장벽이라고 일컬어진다 각종 소재를 성분 변화없이 100nm 이하의 크

기로 극미세 분쇄하는 기술은 미래 산업을 이끌어갈 핵심분야로 국가간 연구개발

경쟁이 치열한 기술이다

제 1 절 세계의 기술 현황

나노급의 미세 파우더는 1980 년대초 독일의 칼스루헤연구소 등에서 시작되어

1990년대에 들어서 100nm 이하의 제조합성에 관한 연구가 본격화되었다 일본의

경우에는 과학기술청의 창조과학기술 추진과 통산성의 차세대산업기반기술 분야로

선정되어 주목을 받고 있다 초미분을 생산하기 위한 양산 장비 및 요소 부품에 대

한 선진국의 기술은 독일의 DRAIS사(습식) NETZSCH사(건식) 일본의 Kotobuki사

(습식) DYNO사(습식) Hosokawa 사(습식 건식) 등의 선진메이커에서 제품이 개

발되어 판매되고 있다 또한 나노 파우더 생산업체로는 일본의 Kako 사 미국의

Whittaker 사 Dow Chemical 사 Dupont사 및 독일의 Degusa사 등이 있다 현재

까지는 나노급 파우더 제조 공정의 불안정 및 복잡성 평가 방법의 미흡 등으로 다

양한 제조 공정 기술개발이 진행되고 있다 세라믹 분말의 경우에는 일부 특수한

경우에만 상용화되고 있다 금속분말의 경우에는 한정된 종류의 금속만 생산이 가

능하여 계속적인 개발이 진행되고 있다

건식 기류충격식 분쇄기의 주요 제작업체는 일본의 Hosokawa 사와 독일의

Netzsch 이다 미국 일본 및 독일 등에 대부분의 같은 내용의 특허가 등록되어

있으며 일본과 독일에 의하여 등록된 특허의 구조적인 특징은 다음과 같다

1 일본 Hosokawa사의 수직형 기류충격식 분쇄기

건식 기류충격식 분쇄기의 대표적인 업체인 일본의 Hosokawa 사 분쇄기의 특징

은 3개의 초음속 분사노즐이 에어젯트밀의 중앙인 수직 평면상에 원호상 등간격인

120도 간격으로 원의 중심을 향하여 배열되어 있으며 분쇄기 내의 상부에 회전축

이 수평인 위치로 회전되는 원심형 분급기가 설치되어 있다(Fig 2)

분쇄기의 모델과 분쇄 대상 재료에 따라 분말의 크기가 01 - 10 의 범위에 있

Fig 2 일본 Hosokawa 사의 수직형 기류충격식 분쇄기의 내부

2 일본 Hosokawa 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(2)

Fig 3a ~ Fig 3c는 일본 Hosokawa 사의 등록특허이다 분쇄기와 분급기 구조에

관한 것이다 Fig 3a에 보인 원형 단면의 분쇄실 외주부에 Fig 3b와 같이 에어를

고압 분사하는 분사노즐이 다수개 배열되어 있어 재료 공급관으로 유입되는 재료

가 고압의 공기 분사에 의하여 분쇄된다 분쇄도니 미분은 상부 통로로 배출되며

조분은 Fig 3b 의 ldquo16rdquo 번 부위인 분쇄기 내벽을 따라 이동되다가 공기 노즐의

출구부 측면에 나있는 구멍으로 흡입되어 공기와 함께 분사되어 재분쇄가 된다

Fig 3a 일본 Hosokawa 사의 분쇄기 단면(일본 特開平 11-179228 1999)

Fig 3b 일본 Hosokawa사의 분쇄기 평면(일본 特開平 11-179228 1999)

Fig 3c 일본 Hosokawa사 분쇄노즐 단면(일본 特開平 11-179228 1999)

3 일본 미놀타 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(3)

Fig 4a ~ Fig 4c 는 일본 미놀타사의 등록특허이다 분쇄기와 분급기 구조로

Fig 2에 보인 Hosokawa 사의 수직형 분쇄기와 비슷한 구조이다 분쇄 효율을 높

이기 위하여 Fig 4c 에 보인 것과 같은 분쇄기 중앙부의 분사된 공기가 집중되는

위치에 삼각형 경사판을 배치하여 공기가 충돌한 후 분쇄기 상부로 향하게 되어

있다

Fig 4a 일본 미놀타사의 분쇄기 단면(일본 特開 2000-5621 2000)

Fig 4b 일본 미놀타사 분쇄기의 분사노즐 배열(일본 特開 2000-5621 2000)

Fig 4c 일본 미놀타사 분쇄기의 충격판(일본 特開 2000-5621 2000)

4 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(4)

Fig 5는 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 등록특허이다 분쇄기 내측

수평면상에 분사노즐이 서로 마주 보게 배열되어 있다 분급기의 회전 축이 분쇄기

의 중심축과 일치한 상태로 회전하여 수평면 상에서 원심력에 의하여 분급이 이루

어진다 분급된 미분은 분쇄기 상부의 통로로 배출된다

Fig 5 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 수평형 기류충격식

분쇄기(일본 特開 2002-35631 2002)

5 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(5)

Fig 6 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기 구조는 Fig 4 의 일본

미놀타사와 유사하다 수평면상에 분사노즐이 배열되어 있으며 분급기의 회전축도

수평으로 위치하고 있다

Fig 6 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(일본 特開 2003-88773

2003)

6 미국 Xerox사의 수평형 기류충격식 분쇄기와 노즐(6)

Fig 7a의 미국 Xerox사의 수평형 기류충격식 분쇄기 구조는 Fig 5의 일본

Hosokawa Alpine AGampCo OHG 사의 구조와 유사하다 분사노즐이 수평면상으로

배열되어 있으며 분급기의 회전축도 수평으로 위치하고 있다 분사노즐의 형상은

Fig 7b 에서와 같이 이중관 구조이다

Fig 7a 미국 Xerox 산의 수평형 기류충격식 분쇄기(일본 特開 2004-50179

2004)

Fig 7b 미국 Xerox 사의 이중관 분사노즐(일본 特開 2004-50179 2004)

7 독일 Netzsch사의 건식 기류충격식 분쇄기(7)

독일 Netzsch 사는 대표적인 기본 구조의 건식 기류충격식 분쇄기를 개발하여 가

공 용량이 다른 여러 가지 분쇄기에 유사한 구조를 적용하였으며 일본 Hosokawa

산의 분쇄기와는 전혀 상이한 구조이다 즉 3 개의 초음속 분사노즐이 기류충격식

분쇄기 하부의 수평 평면상에 원호상 등간격인 120 도 간격으로 원의 중심을 향하

여 배열되어 있으며 Fig 8 에서와 같이 수직 회전축을 갖는 원심형 분급기가 분

쇄기 상부에 설치되어 있다 분급기의 외형 모습은 Fig 9에 보인 것과 같으며 분

급 효율을 향상시킬 목적으로 분급기 단면이 회전 중심으로 향할수록 상하 공간이

넓어지는 ldquoConvor로 명명된 형상의 단면 모습으로 되어 있다(Fig 10)

Fig 8 독일 Netzsch 사 분쇄기의 내부 구조

Fig 9 독일 Netzsch 사의 분급기

Fig 10 독일 Netzsch 사 분급기의 단면 형상 ldquoConvor

8 독일 특허 공기 분사노즐(9)

독일 Netzsch 사의 분쇄기 관련 기술 컨설턴트인 Nied 가 고안한 분쇄용 분사노즐

의 구조에 대한 것이다 3 개의 공기 분사노즐이 기류충격식 분쇄기 하부의 수평

평면상에 원호상 등간격인 120도 간격으로 원의 중심을 향하여 배열되어 있다(Fig

11a) 분사노즐 중앙부의 구조는 단면이 수축-확산 형태로 노즐로 초음속의 고속

분사를 하면서 중심 노즐 주변에 중앙 분사부를 감싸는 이중 공기 분사관을 형성

하여 중앙의 분사노즐에서 분사되는 공기의 확산각이 커지지 않도록 공기 주위에

추가적인 보조 공기를 분사하는 구조이다(Fig 11b)

Fig 11a 독일 특허-분사노즐 배열과 분사 공기의 분포(EP 0 736328A1 1996)

Fig 11b 독일 특허-분사노즐 단면과 분사 공기의 분포(EP 0 736328A1 1996)

9 미국 특허 분쇄기 구조(10)

일본의 히데유끼 요시다 등 5 명이 미국에 출원한 특허로 분쇄 재료가 초음속으로

분출되는 공기 통로의 중간에서 공급되며 재료가 분쇄실로 이동된 후 충격판에 충

돌되어 분쇄되는 구조이다(Fig12) 분쇄된 분말의 크기는 10 수준이다

Fig 12 미국 특허-충돌식 분쇄기(USP 57657661998)

제 2 절 국내의 기술 현황

국내의 경우에는 초미분 분말 생산에 관한 개발 역사가 짧으며 연구소 대학 기업

등에서 다발적으로 연구가 진해오디고 있다 기계 전자 물리 재료 화학 등의 연

계된 연구가 필요하다 1996 년 과학기술부 및 산업자원부 등의 산업단을 중심으로

대형 연구가 수행되어 왔으나 주로 기상법에 의한 분말합성에 관한 것이다 1998

년도부터 한국기계연구원에서 200nm 급의 건식 분쇄 및 분급기에 대한 개발을 시

작으로 초미분 파우더 생산 장비에 관한 연구가 이루어지고 있다 초미분 분쇄 방

식은 본 기술지원 과제의 지원기업인 대가파우더시스템을 포함하여 습식 방식인

교반밀(agitated mill)을 주로 사용하며 입도의 크기는 5 이상 수십 크기의

범위이다 기류충격식 분쇄기의 기술 수준은 입도의 크기가 5 ~ 10 수준이다

기존의 습식분쇄기의 경우 평균 입도가 28 ~ 32로 Pb0를 대상으로 할 때 4

~ 6 kghr 정도를 생산할 수 있는 수준이다

국내에 등록되어 있는 건식 기류충격식 분쇄기와 관련된 특허의 출원인인 대부분이

일본업체이며 일본에 출원된 특허를 한국에 재출우너한 것이 대부분이다 미국과

벨기에가 각각 1 건씩 등록하고 있으며 한국인이 출원한 특허는 테크월드에서

출원한 3 건 등 모두 4 건이 검색되었다 마이크로급 이상의 파우더 생산장비에 대

한 국내의 기술 수준은 선진국 기술 수준의 약 70 수준이다 그나마도 설계 및

생산에 있어 거의 모방에 의존하고 있다 나노급 기술은 초보적인 상태이다

제 3 장 기술지원 수행 내용 및 결과

제 1 절 기술지원 수행

본 부품소재종합기술지원사업은 Fig13의 기술 개발 추진도에 따라 수행되었다

Fig 13 기술 개발 추진도

분쇄기의 전체 시스템 중에서 분쇄기와 분급기 이외의 기타 구성 모듈들에 대한 설

계 및 생산기술은 지원기업 대가파우더시스템이 기확보하고 있는 기술이 기술

지원의 주된 내용은 기류충격식 분쇄기의 핵심 부품이며 분쇄기의 성능을 좌우하는

초음속 공기 분사노즐과 분급기의 설계 기술에 관한 것이다 초음속 공기 분사노즐

의 단면 형상 공급 공기의 압력과 분사 공기의 속도 및 공기 소요량 산출을 위한

공기 분사노즐 설계와 분쇄기 내부의 내마모성 재료 선택 분급기 베인의 형상과

분급기로 유입되는 공기의 속도 분포를 균일하게 하여 원심력 작용으로 분말의 분

급 정밀도를 향상시켜 주기 위한 분급기의 내부 단면 형상 설계 미 ㅊ유입 공기 속

도 및 압력 분포에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 방법 등에 대한 체계적인 기술 지원이

수행되었다 향후 유사 모델 개발에 적용하여 새로운 제품을 개발할 수 있는 설계

능력을 확보하였다

1 분쇄기 시스템 구성도

본 기술지원을 통하여 개발하는 핵심 기술은 건식 기류충격식 분쇄기의 초음속 공

기 분사노즐과 분급기와 관련된 기술이다 분쇄기의 기본 구조는 독일의 Netzsch

사 제품과 유사한 구조로 되어 있으며 분쇄용 공기 분사노즐과 고정밀도의 분급기

설계기술을 자체 보유하는 데 주안점이 있다 개발 대상 분쇄기 시스템의 전체 구

성도는 Fig 14(7)에서와 같다 Fig 14에서 분쇄기 시스템은 ldquo진동공급기rdquo를 통하

여 공급되는 분쇄용 우너료를 ldquo건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기rdquo로 분쇄 및 분급

한 후에 cyclone을 거쳐 bag filter로 분말을 포집하는 시스템으로 구성되어 있

다 분말과 공기가 혼합된 기류는 각각의 단계로 이송하는 과정에서 double flap

valve로 이송이 조절되며 최종적으로 fan의 작동으로 공기가 배출된다

건식 기류충격식 분쇄기 본체를 구성하는 부품의 서브어셈블리는 각각 Chamber

Body Laval Nozzle Classifier Wheel 및 Bearing Block등으로 구성되어 있

다 주요한 설계 변수는 분쇄챔버의 직경과 높이 초음속 공기 분사노즐 설계 있어

서 라발 노즐(초음속 공기 분사노즐)의 모즐 목 내경과 배출부의 직경 및 축방향의

단면 형상 공기되는 공기의 압력 등이다 분급기 설계에 있어서의 주요 변소는 베

인의 단면 형상 베인의 수량과 배열 각도 분급기 내부 공동부의 단면 형상 분급

기에 유입되는 공기 속도와 분급기를 통과한 이후의 공기 압력 등이다

Fig 14 기류충격식 분쇄기의 시스템 구성도

2 소리의 속도

물체의 일부에 교란을 주면 개스 유체 및 고체의 압축성으로 인하여 물체를 통하

여 유한한 속도로 교란이 전파된다

음속은 물체의 압력과 밀도 변화와 관계되어 있으며 다음식으로 표현된다

여기서

음속 압력변화 밀도 변화

체적탄성계수는 다음과 같이 표현된다

여기서

체적탄성계수 압력변화 체적변화 초기체적

체적탄성계수는 식 (3)으로도 표현된다

여기서

물체의밀도변화 물체의초기밀도

개스 유체 고체 내에서의 음속은 다음식과 같다

여기서

체적탄성계수

개스에서의 소리 속도는 아주 작은 한 점에서 교란이 일어나는 관계로 열전달을 무

시할 수가 있으며 또한 등온 상태로 가정할 수가 있다 이상 기체에서의 소리 속도

는 절대 온도의 근에 비례하며 다음식으로 표현된다

여기서

k = 비열비 (adiabatic index)

p = 압력 (Pa psi)

R = 개스 상수

T = 절대 온도 (degK degR)

앞의 식 (4)와 식 (5)로부터

식 (6)으로부터 체적탄성게수 E를 구할 수가 있다

( 예 1 ) 공기의 체적탄성계구 산출

k = 14 R = 287 (JK kg) at T=293K( 20 ) p=1204(kgm3)

Eair = k R T p=14X287X293X1204=14174379((Jm3)

Eair = 14174379(Nm2)

( 예 2 ) 염소(C12)의 체적탄성계수 산출

k = 134 R = 120 (JK kg) at T=293K(20) p=2994(kgm3)

Ec12 = k R T p=134X120X293X1994=14106051((Jm3)

Ec12 = 14106051(Nm2)

( 예 3 ) 0 1 bar 공기에서의 소리 속도

c = (14x287x273)12

= 3312 (ms)

여기서

k = 14

R = 287 (JK kg)

( 예 4 ) 20 1bar 공기에서의 소리 속도 산출

c = (14X287X293)12

= 3431 (ms)

( 예 5 ) 0 물속에서의 소리 속도 산출

여기서

3 공기 분사노즐에서의 유동식

개스역학에서 공기의 속도가 sim 이상으로 빠르거나 압력의 변화가

보다 큰 경우에는 압축성 흐름으로 취급한다 이러한 현상은 노즐에서

개스가 팽창하는 경우에 발생된다

정상유동에서의 에너지 평형 상태는 다음식으로 표현된다

여기서 엔탈피는

이며 엔탈피 ∆의 변화는 내부에너지 ∆에 외부로 또는 외부로부터의 체적에

의한 일 ∙∆의 합과 같다

내부에너지의 변호가 없고 밀도가 일정하다고 가정하면 즉 ∆ 인

경우에는 비압축성유동의 베르누이 방정식이 된다 반면에 위치네어지의 변화가 없

는 경우 ∆ 에는 상대적으로 밀도가 낮은 압축성 유체인 ldquo개스rdquo의 상태를

나타낸다 ldquo개스역학rdquo 이라는 자체가 의미하듯이 해석에 있어 고압 및 개스의 속도

가 포함되며 내부에너지의 변화 ∆를 무시할 수가 없다 이러한 의미에서 식 (7)

은 다음과 같이 된다

이상개스 방정식에서

이며 식 (12)를 식(9)에 대입하면 다음과 같이 된다

식 (13)에 에너지 보존법칙을 적용하면 노즐에서 분사되는 개스의 속도를 구할 수

있다

개스의 초기 속도가 인 경우에는

가역 단열 흐름에 있어서는 다음 3개의 식을 적용할 수가 있다

식 (16) ~ 식 (18)을 식 (15)에 대입하면 노즐에서 분출되는 개스의 속도가 구해

진다

노즐을 통과하는 질량의 흐름 식

밀도의 비로부터

다음과 같이 노즐을 통과하는 질량을 구한다

다음의 식 (23)을 식 (22)에 대입하여

식 (24)를 구한다

여기에서

을 ldquo탈출 계수(escape coefficient)rdquo 라고 한다

식 (25)를 사용하여 식 (24)를 다시 표현하면 다음의 간략식이 된다

탈출 계수 는 압축비 의 값이 다음과 같은 값일 때

임계 압축비 또는 라발 압축비로 표현되는 다음 크기의 최대값을 갖는다

음속은 노즐의 단면적이 제일 작은 부분에서 임계 압축비에 도달한다

max는 테이퍼가 일정한 실린더 형상의 노즐에 적용된다 식 (26)에 의하여

ㆍ 가 되며 는 일정한 테이퍼의 노즐에서만 증가할 수 있다 만약 압

축비 가 임계비 이하이면 max이므로 노즐을 통과하는 질량의 흐름은 일정

하다 이것은 질량의 흐름이 외부의 압력에 영향을 받지 않는다는 것을 의미한다

질량의 흐름에 의한 일은 다음의 식 (30)으로부터 구해진다

압축성 유체의 단열 팽창시에 수행된 일은 식 (19)와 식 (30)로부터 다음과 같이

산출된다

아래의 Fig 15 는 수축확산 노즐의 단면 모습이며(11) Fig 16 은 수축확산 노즐에

서의 압력 온도 속도 변화를 나타낸 것이다(8)

Fig 15 수축확산 노즐(Laval Nozzle)

Fig 16 수축확산 노즐에서의 압력 온도 속도 변화

압축성 유체의 흐름에 있어서 임계 속도 이후에 노즐의 단면이 서서히 확대되면

열에너지가 유동에너지로 변환되면서 온도는 낮아지고 흐름이 증가된다

앞의 식 (27)을 참조할 때 Fig 16 의 수축확산 노즐의 단면적이 가장 작은 임계

압축비 에서 음속에 도달한다 이 것은 질량 흐름에 식 (26)이 계속적으로 유

효하다는 것을 의미한다 수축확산 노즐 출구에서의 온도는 다음과 같은 관계가 된

노즐 확산부의 치수는 다음식으로부터 구해지며

개스 상수 등은 계수 개스 유입 온도 노즐 목의 직경 압축비 등의

변수로부터 노즐 출구에서의 개스 속도와 온도를 구할 수가 있다 공기 흐름 해석

대상 노즐 각부에 대한 부호는 Fig17에서와 같다

Fig 17 수축확산 노즐의 각부 부호

실제 수축확산 노즐을 설계하는 데 있어서는 노즐에서 발생될 수 있는 압축파 발생

을 억제하기 위하여 노즐 출구의 치수를 설계값보다 약간 작게 한다 즉 Fig 17에

서의 노즐의 확산각 가 를 넘지 않아야 하며 최대 이내여야 한다

4 공기 분사노즐의 흐름 특성 계산

앞의 ldquo3 초음속 공기 분사노즐에서의 공기의 흐름rdquo에서 유도된 식들을 이용하여

ldquoMathcad 13 프로그램(12)으로 설계 대상 분쇄기에 적용되는 공기 분사노즐의 단

면 치수 유입 공기량 노즐 출구에서의 공기 속도 소요 동력 등을 산출하였다

우선 단위와 공기의 상수를 정리하면

kilo=1000 TK =273 hoursec =3600 k = 14

ㆍsecㆍ

ㆍsecㆍ

ㆍsec

ㆍsec

예를 들어 tan tan tan tan

해석 조건이 다음과 같으면 tank pressure=700kPa Ttank=70 exit

pressure=100kPa

단위 (mm) throat diameter=50 length 150 outlet diameter=70 diffusion

angle α=38deg

d = 0007 pe = 100kilo po = 7pe Ttank =7C

To = TK+Ttank To=343 (K)

times

sec

Air_massflow1N_hour =Air_masflow1N_sechoursec

Air_massflow1N_hour = 133024 (kghrper 1 nozzle)

Air_massflow3N_hour = Air_massflow 1N_hour3

Air_massflow 3N_hour = 399071 (kghrper 3 nozzles)

Imsec)

sec

timesorsec timesorsec

(kgm3)

sec

sec sec

공기분사 노즐 목의 직경이 50mm 출구 직경이 70mm 노즐 목에서 노즐 출구까

지의 길이가 150mm로 공기 분사노즐의 환산각 도인 공기 분사노즐이 3

개 장착되어 있으며 탱크내의 공기가 압력 7bar 와 70 를 유지하면서 계속적으

로 노즐을 통하여 공급되며 또한 분쇄 챔버 내의 압력이 1bar 로 유지되는 경우의

공기 분사노즐의 유동 특성 계산 결과를 종합 정리하면 다음과 같다

- 노즐 출구에서의 공기 최대 속도 542151msec

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 무게 399071kghr

(노즐 하나에 00369kgsec)

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 부피 225333m3hr(0063m3sec)

- 소요 동력 16291kWhhr

5 수축확산 공기 분사노즐의 유동 해석

공기 분사노즐을 3D 모델링 프로그램 SolidWorks(13)로 모델링하여 열유체 해석

을 위한 유한요소해석 프로그램 COSMOSFlwWorks(14)로 공기 분사노즐 내의 유

동 해석을 수행하였다 해석 대상 공기 분사노즐 단면의 형상과 각부의 치수는

Fig18에서와 같다

Fig 18 수축확산 노즐 유동 해석 모델의 단면

해석시에 적용된 변수값들은 앞의 ldquo4 초음속 공기 분사노즐의 분사 특성 계산rdquo에

서 산출된 값을 적용하였다 노즐의 확산부위 길이는 15mm 이며 분사노즐의 확산

각은 도이다 노즐 하나에 대하여 Fig 18 의 왼쪽면에서 00369 kgsec

의 공기가 유입되며 오른쪽 분사노즐 출구면에 12bar 의 압력을 적용하였다 분사

노즐의 유동 해석 결과의 여러 가지 특성값 중에서 본 설계에서의 주요 관심사가

공기의 배출 속도인 관계로 Fig 19에 흐름의 속도 분포 Fig 20에 흐름의 마하넘

버 분포를 나타내었다 초음속 흐름에 대한 해석으로 분사노즐 목에서의 공기속도

가 약 335msec(마하 1)이 되며 노즐 출구에서 최대속도가 된다 Fig 21은 수축

확산 노즐에 대한 공기의 속도 분포 해석 결과를 반영하여 공기 분사노즐을 모델링

한 것이다

Fig 19 수축확산 노즐의 공기 흐름 속도 분포

Fig 20 수축확산 노즐의 공기 흐름 마하넘버 분포

Fig 21 수축확산 노즐 모델

6 분급 이론

분급(分級 classification)이란 유체력을 이용해서 분립체를 그 입자 지름의 크기에

따라 분리하는 것으로 넓은 뜻으로는 유체력에 의한 분리만이 아니라 체가름을 포

함하는 경우가 있다 더 넓게는 비중선별ㆍ자기력선별 등 모든 입자분리조작을 분

급이라고 한다 공기ㆍ물 등의 유체 속에서 운동하는 분립체의 각 입자에는 중력

또는 원심력 이외에 유체에 의한 유체항력 등이 함께 작용된다 이 힘 즉 유체항력

은 입자 지름에 의존하는 데 유체항력과 입자 지름의 관계는 중력이나 원심력과

입자 지름의 관계와는 다르기 때문에 이 둘 사이의 균형 조건이 입자 지름에 의해

좌우된다 좁은 뜻의 분급은 이 원리를 이용한 입경분리조작을 의미한다 중력장에

서 등속 침강하는 구 형상의 입자에 대한 힘의 균형은 다음 식으로 표현된다

여기서 은 입자 질량 prime는 입자에 의해 배제된 유체 질량 g는 중력가속도 R

은 는 유체항력을 나타낸다 유체항력 R은 다음 식으로 나타낼 수 있다

여기서 는 저항계수 (drag coefficient)로 입자 주위의 유체의 상대적인 흐름의

상태에 따라 결정되는 무차원 계수이다 는 유체의 밀도 는 입자의 침강속도

는 입자의 지름이며 는 입자의 투영 최대 면적이다 물 또는 공기 속에서 입

자의 지름이 100 이하 입자의 밀도가 3gcm2이하의 조건에서는 입자 주위의 흐

름은 거의 충류로 간주되며 이때 R은 다음 식으로 나타내진다

여기서 는 유체의 점성도이다

prime

이므로 식 (36)을 식 (34)에 대입하면 식 (37)을 얻는다

여기서 는 입자 밀도이며 식 (37)을 스토크스의 침강속도식이라고 하며 분급에서

분리입자 지름을 구하기 위한 기본식으로 중요하다

식 (37)은 다음

과 같이도 표현된다

유체가 공기나 그 외의 기체인 경우의 분급 조작을 건식 분급(또는 공기 분급) 물

이나 그 외의 액체인 경우의 분급 조작을 습식 분급이라 한다 앞에 언급된 기본식

들 이외에 어떤 종류의 분급장치에서는 유체의 흐름 방향이 급격히 변화할 때 흐름

에 따라 운동하는 입자의 관성력의 효과가 중요한 역할을 한다

분급에 사용하는 장치를 분급기(classifier)라고 한다 건식분급기에는 관성력을 이

용하는 것 중력침강을 이용하는 것 원심력을 이용하는 것 등이 있다 관성력을 이

용하는 건식분급기에는 루버식분급기 버추얼임팩터 엘보제트형분급기 등이 있는

데 건식분급기로는 원심력을 이용한 것이 가장 널리 사용되고 있다 원심력을 이용

한 건식분급기로는 분급 입도가 30~100 정도의 비교적 굵은 입도에서의 대량 처

리로 옛날부터 알려진 스튜어트밴트형 등이 있으며 또한 몇 ~30의 분급이 가

능한 여러 분급기가 개발되어 널리 쓰이게 되었다 또한 사이클론도 미립(微粒)에서

조립(組立)에 이르는 분체(粉體)의 건식분급에 이용된다 습식분급기에는 중력식과

원심력식이 있으며 중력식은 상승 수류(水流)와 유동층을 이용한 수력분급기 원뿔

형 또는 각뿔형 용기에서의 중력침강을 이용한 세틀링탱크 등의 침강분급조 완만

하게 경사진 직사각형의 조(槽)로부터 침하한 조립 생산물을 긁어올리기 위한 레이

크나 스파이럴을 갖춘 기계분급기 등으로 분류된다 원심력을 이용한 습식분급기로

는 사이클론 또는 하이드로사이클론이 가장 대표적이며 솔리드볼형ㆍ디스크형 등

의 원심분리기도 미립자용 분급기로 사용된다

Fig 22는 베인 구조의 원심형 분급기의 회전 단면 모습이다

Fig22베인 구조의 원심형 분급기의 단면

Fig 22에서 H는 분급기 내부 상하면 사이의 간격이며 는 선별된 미분이 배출되

는 반경 는 베인의 내반경 는 베인의 외반경을 나타낸다

분체 주위의 공기 흐름이 층류 흐름이라는 조건하에서 베인 구조의 원심형 분급기

에의 컷포인트(utpoint)를 결정짓는 외주부의 반경 은 다음과 같다

또한 선별된 미분이 배출되는 반경은 다음과 같다

베인 사이에서도 고체의 회전법칙이 적용된다 베인의 외주 반경에서 속도의 원주

방향 성분 과 중심방향 성분 가 가장 큰 영향을 준다

식 (41)과 식 (42)를 식 (38)에 대입하여 정리하면 다음과 같다

독일 Netzsch 사에서는 베인의 내반경 에서 선별된 미분이 배출되는 반경 까

지의 반경 방향의 공기 속도 성분 을 질정하게 해 주기 위하여 Fig 10에 보인

ldquoConvorrdquo라고 불리우는 단면의 분급기를 개발하여 사용화하고 있다

7 분급기 설계와 유동 해석

분급기의 베인 사이로 분쇄된 미분과 공기가 함께 유입되어 중앙부의 배출구로 통

과하는 분급기의 내부 형상을 설계하기에 앞서 분급기 내부를 구성하는 상면이 평

평한 구조의 분급기에 대한 유동해석을 실시하여 공기의 속도 분포를 검토하였다

해석 대상 분급기의 외경은 205mm이며 밑면 중앙에 공기 배출을 위하여 직경이

90mm인 원형 구멍이 뚫려 있다 분급기 외주에는 단면이 원호의 일부로 만들어진

두깨가 2mm 넓이가 18mm 길이가 35mm인 베인이 매 60도마다 10개씩 등간격

으로 모두 60개가 베인의 코드 방향과 분급기의 반경 방향이 이루는 각도가 약 15

도가 되도록 경사지게 설치되어 있다 원주 방향으로 매 60도마다 길이 35mm 직

경 8mm인 원형봉 6개가 등간격으로 배열되어 상ㆍ사 카버 사이에 베인을 고정시

켜 조립되는 구조이다 해석 대상 분급기에 사용된 베인의 단면과 베인의 배열 및

분급기 상ㆍ하면을 고정하는 봉이 포함된 수평면상의 평면도를 Fig 23에 나타내었

다 Fig 24는 분급기의 상면 형상이 평평한 구조인 경우에 대한 분급기의 수직단

면도이다

분급기에 유입되는 공기는 온도 50 유입량 01m3sec 분급기를 통과한 후에

배출되는 공간의 압력은 12bar이며 분급기의 회전속도는 8000rpm(838radsec)

이다 분급기에 발생되는 원심력의 절대적인 크기는 재료의 밀도와 분급하고자 하

는 분말의 크기에 따라 분급기의 회전수를 변화시켜서 조절한다 SolidWorks 및

COSMOSFloWorks 프로그램으로 분급기의 공기 유동해석을 실시하였다 해석시의

변수 입력 항목 및 해석 과정을 ldquo부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 유동해석 절

차rdquo에 정리하였다

Fig 23 베인과 상ㆍ하면 고정 원형봉의 평면 단면도

Fig24 분급기 상면이 평면인 경우의 수직단면도

공기 유동해석 결과를 Fig25~Fig27에 나타내었다 Fig25는 베인의 중간 높이에

서의 수평 단면에서의 공기 속도 분포이다 Fig26은 베인이 위치한 부위에서의수

직단면 Fig 27은 상ㆍ하면을 고정시켜 주는 원형봉이 있는 부위의 수직단면에 분

포하는 공기의 유입 속도 해석 결과를 나타낸 것이다

Fig 25 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig 26 베인 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig27 연결봉 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig15~Fig27의 공기 속도 등고선을 보면 베인 외주부의 상하 위치에 있어서 공

기의속도가 불균일한 분포를 보인다 베인의 분급기 내부 공간에서는 같은 반경인

위치에서 윗부분에서의 공기 속도가 아랫부분에서보다 빠르게 분포하고 있다 베인

의 높이 방향 상ㆍ하 위치에 따른 이러한 유입 속도의 편차는 분급기 외주의 실린

더 면으로부터 유입되는 공기가 분급기 중앙의 밑 방향으로만 배출되는 유동 통로

의 구조 때문으로 판단되낟 따라서 같은 반경의 같은 원심력이 발생되는 위치에

있어서도 윗부분에서의 공기 유입속도가 밑부분에서보다 크게 분포되어 윗부분에서

는 밑부분에서보다 큰 분말이 분급기 안으로 유입된다 지정된 크기의 컷오프보다

큰 분말과 작은 분말이 혼합된 상태로 배출되는 관계로 분급이 정밀도가 저하된다

베인의 상ㆍ하 위치에 무관하게 공기의 유입 속도를 가급적 균일하게 해 주기 위한

목적으로 분급기 내부의 단면 형상을 Fig28과 같은 인볼류트-컨볼류트

(involute-convolute) 단면으로 구성하여 공기의 유동해석을 실시하였다

Fig 28 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기

Fig29는 베인의 중간 높이 수평단면 상에서의 공기 속도 분포이다 Fig25에 비하

여 베인의 외주 부위에서의 공기의 속도가 균일하게 분포되고 있음을 보여 준다

Fig29 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig 30은 베인이 위치한 부위에서의 수직 단면 Fig31은 상ㆍ하면을 고정시켜 주

는 원평봉이 있는 부위에서의 수직 단면에 분포하는 공기 속도 분포이다 Fig30과

Fig31은 각각 Fig25와 Fig26에 비하여 베인의 높이 방향 전체에 걸쳐 공기의 유

입 속도가 상당히 균일하게 분포되는 것을 보여 주고 있다

Fig 30 베인 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig31 연결봉 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig32는 분급기 내부의 공간 형상이 인볼류트-컨볼류트인 분급기의 설계 모델이

Fig32 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 모델

Fig33은 앞의 수축확산 공기 분사노즐(Fig20)과 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급

기(fig32)로 구성된 건식 기류충격식 분쇄기의 3D모델이다 중요 부품의 도면은

ldquo부록 9 설계 도면rdquo에 수록하였다

Fig33 건식 기류충격식 분쇄기의 3D 모델

8 시작품 제작

수축확산 공기 분사노즐의 유동해석 및 분급기의 유동해석 결과를 바탕으로 시작품

을 제작하였다 Fig34는 수축확산 공기 분사노즐 헤드의 시작품 모습이다

Fig 34 수축확산 공기 분사노즐 헤드 시작품

Fig35는 분급기의 시작품 모습이다 분급기의 베인은 분체와 마찰시 내마모성을

갖도록 SUS 재질로 곡면 성형한 후 세라믹으로 코팅하여 제작하였다

Fig35 분급기 시작품

Fig 36은 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 수축확산 공기 분사

노즐 및 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 등이 분쇄기의 내부에 장착되어 있다

Fig36 건식 기류충격식 분쇄기 시작품

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기와 관련된 국외 특허 자료 조사와 분석 공기의

유동해석에 있어 많은 일정이 소요되었다 기술지원 추진일정을 Table1에 정리하

였다

Table 4 추진 일정

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 4: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

기술지원성과 요약문

1 사업목표

평균 직경이 18 ~ 20인 초미립 분말 생산을 위한 압축공기를 이용한 기류

충격식 분쇄기 설계와 생산 기술을 개발한다 분쇄부와 분급부의 구조 설계와

작동에 대한 기초를 체계적으로 정립하낟 3D 모델링에 의한 설계 핵심 모듈인

분사노즐과 분급기의 공기 유동장 해석 기술을 확보하여 초미분 생산용 건식 기

류충격식 분쇄기의 자체 개발 기술을 확보한다

2 기술지원내용 및 범위

(1) 국내외 특허자료 검색 및 분석 지원으로 초미립 분쇄기의 기초 구조 기능

정립 및 기류 층격 펄스 노즐 형상 설계 자료로 활용

(2) 3D 모델링에 의한 부품 및 시스템 설계 방법 지원으로 오류 최소화

(3) 초음속 공기 분사노즐의 형상 설계 기술 지원

(4) 분급 입도의 정밀도를 향상시키기 위한 분급기 내부의 형상 설계 회전수

베인의 수와 간극 및 배열 등에 대한 이론 교육

(5) COSMOSFloWorks 에 의한 분급기의 공기 유동장 해석 방법 절차 및 해석

결과의 이해와 설계에 반영

(6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작

3 지원실적

지원항목지원내용

비고기술지원前 기술지원後

입도(평균) 28 ~ 32 18 ~ 20 입도 측정

생산 용량(Pb0) 4 ~ 6kghr 10 ~ 15kghr 생산량 측정

분급기 휠 직경 100mm 205mm 설계 자료

분급기 휠 회전수 최대 13000rpm 최대 8000rpm 장비 작동

베인 수 30 개 60개 설계 해석 자료

1 지원항목 2번항목의 기술지원내용 및 범위를 근거로 지원실적을 항목별로

구분하여 가재

2 지원내용 지원항목별로 기술지원 前後 상황을 비교하여 기재

4 기술지원 성과 및 효과

1) 해당기술 적용제품

o 적용제품명 기류충격식 분쇄기

o 모 델 명 DGJMV-350

2) 품질 및 가격

구 분 경쟁 제품해당기술 적용제품

비고지원전 지원후

경쟁제품 대비 품질 100 75 95

경쟁제품 대비 가격 100 50 75 대당 130 백만 원 기준

객관환 된 DATA를 근거로 작성

3) 원가저감 효과(대당)

구 분 절 감 금 액 비 고

원부자재 절감 8 백만 원년(6 ) 불량 방지에 의한 재료비 절감

인건비 절감 4 백만 원년(3 ) 안전 생산에 의한 인건비 절감

계 12백만 원년(9 ) 생산량 증가에 따른 비용 절감

공정개선 및 품질향상 등으로 인한 절감효과 반영

4) 적용제품 시장전망(매출성과)

구 분 당해연도 매출 차년도 예상매출전년대비

증가비율비고

내 수 - 백만 원년 800 백만 원년 100

수 출 - 천 달러년 400 천 달러년 100

계 - 백만 원년 1180 백만 원년 100

참고) 1 적용제품 주요수출국 중국 미국

2 작성당시 환율기준 950원USD

5) 수입대체 효과

모델명 당해연도 수입액 차년도수입액 수입대체금액

DGJMV-350 천 달러년 천 달러년 900 천 달러년

계 천 달러년 천 달러년 900 천 달러년

6) 해당기술의 기술력 향상 효과

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계

기술

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른

분급기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

7) 기술적 파급 효과

(1) 초미립 분쇄기에 대한 기초 기술의 정립과 국내외의 특허 기술 파악으로

건식 기류충격식 분쇄기의 성능과 구조 등 자체 개발 방향 설정이 가능하다

(2) 초음속 공기 분사노즐의 설계 능력이 확보되어 다양한 성능의 모델 개발에

활용 할 수가 있다

(3) 서브미크론 크기의 초미분을 생산하는 기류충격식 분쇄기의 핵심 모듈인 고

정밀도의 분급 성능을 갖는 분급기의 설계 능력이 확보되었다 즉 분급기 내부

의 형상과 회전수 베인의 단면 모습과 소요 수량 및 배열에 대한 설계 기술이

확보되었다

5 적용기술 인증 지적재산권 획득 여부

1) 규격 인증획득

인증명 품목 인증번호 승인기관 인증일자

2) 지적재산권

종류 명칭 번호 발명자 권리자 실시권자

비고

(등록

출원)

특허

원심형 분말

분급기

(Centrifugal

Powder

Classifier)

10-2007-0092396

윤승원

최덕규

남상경

최인환

최병훈

한국생산기술연구원

대가파우더시스템(주)출원

6 세부지원실적

항 목 지원 건수 지 원 성 과

기술정보제공 104 건국내ㆍ외 특허 73건 전문서적 14 권 매뉴얼

6 권 기타 기술 자료 11건

시제품제작 1 건 DGJMV-350 건식 기류충격식 분쇄기

양산화개발 3 건 공기 분사노즐 분급기 베인

공정개선 3 건 분쇄기 설계 절차 베인의 형상 설계과 제작

품질향상 3 건 분급기 베인 분사노즐

시험분석 3 건 분말의 입도 측정

수출 및 해외바이어발굴 0 건

교육훈련 18 건SolidWorks COSMOSFloWorks 사용 방법 교

기술마케팅경영자문 1 건 (주)지바이오텍에 건식 분쇄기 장비 소개

정책자금알선 1 건 생산기술연구자금 알선

논문게재 및 학술발표 0 건

사업관리시스템

지원실적업로드 회수0 건

지원기업 방문회수 54 건

지원책임자 지원기업 방문 39 건 국내 방문

7 건 해외 출장 1 건

참여기업 연구원 0명 지원기관 내방 7회

기 타 8 건국내ㆍ외 전시회시 수집 자료 제공 4회

시작품 제작용 자재 지원 4 회

상기 세부지원실적에 대한 세부내용 첨부

7 종합의견

소재산업이 정밀화되고 고기능화함에 따라 서브미크론급의 초미립을 생산하는

분쇄기의 성능 향상이 요구되고 있다 국내의 경우에는 건식 기류충격식 분쇄기

에 대한 설계 기술 부족으로 2 ~ 3 급의 건식 분쇄기를 독일과 일본 등으로

부터 고가로 수입 하여 사용하고 있으며 대항 경쟁 제품을 개발하지 못하고 있

는 실정이다

지원기업 대가파우더시스템(주)은 창업후 36 년 이상 분쇄기를 전문으로 설계

및 생산하는 분쇄기 전문기업이다 본 부품소재종합기술지원사업 전 기술지원

기간 동안 지원기업의 연구진 4 명이 연구사업에 적극적으로 참여하여 지원책

임자와 함께 기술력 향상에 노력하였으며 건식 기류충격식 분쇄기의 핵심 모듈

인 수축확산 공기 분사노즐과 분급기의 자체적인 설계 해석 및 생산 기술을 확

보하였다

건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 여러 부품 중에서 핵심 모듈인 수축확산 초

음속공기 분사노즐과 분급부와 관련된 기초 이론 국내ㆍ외 특허기술 조사와 분

석 구성 부품의 3D 설계 기술 재질 선정 분사노즐과 분급기의 공기 유동 해

석 기술을 확보하였다 즉 초미립 분쇄를 위한 공기 분사노즐의 단면 형상과 공

급 유량 산출 압력과의 관계 분급기 내부의 형상 베인의 단면 형상과 소요 수

량 베인의 간격 배열 위치 및 분급기의 회전수 등을 고려한 유동해석 기술을

확보하여 고정밀도의 분급기의 자체 설계가 가능해졌다

향후 건식 기류충격식 분쇄기의 여러가지 용량과 성능에 맞는 분쇄기를 자체적

으로 설계 및 제작하는 것이 가능하며 제품 신뢰도의 향상과 매출 증대에 크게

기여할 것이 예상된다

연구과제(세부과제) 성과

1 사업화 성과

특허 성과

출원된 특허의 경우

세부사항

(9)

출원년도

(10)

특허명

(11)

출원인

(12)

출원국

(13)

출원번호

2007

원심형 분말 분급기

(Centrifugal Poweder

Classifier)

한국생산기술연구원

대가파우더시스템대한민국 10-2007-0092396

사업화 현황

사업화 세부사항

(9)

사업화명

(10)

사업화

내용

(11) 사업화 업체 개요(12)

기 매출액

(백만원)

(13)

당해연도

매출액

(백만원)

(14)

매출액

합계

(백만원)

업체명 대표자 종업원수사업화

형태

대가파우

더시스템

최은석 59 4

주 11) 사업화 업체 개요의 사업화 형태는 1 연구책임자 창업 2 기술이전에 의한

창업 3 창업지원 4 기존업체에서 상품화 중에서 선택하여 번호 기입

고용창출 효과

고용창출 세부사항(9)

창업(명)

(10)

사업체 확장(명)

(11)

합계(명)

세부지원실적 증빙 내용

1 참여기업 현장방문 47건 참여기업이 생기원 내방 7건

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20060825DPS 주요 기술 지원 사항에 관한 협의

윤승원 최병훈 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

2 20060829기업은행 설명회장 연구비 카드 사용 교육 참석

윤승원 최덕규출장 기록

3 20060831DPS 젯트밀 쳄버 설계 대상 구조 개요 윤승원

최병훈 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

4 20060901KINTEX NanoKorea 2006 참관 윤승원 남상경

최덕규출장 기록

5 20060907DPS 젯트밀 관련 국내 특허 조사 윤승원

남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

6 20060908건식 분쇄기 관련 기술자료 조사 영풍문고

윤승원출장 기록

7 20060915DPS 젯트밀 관련 국내 특허 조사 윤승원

남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

8 20060919 문래동 내마모성 재료조사 윤승원 출장 기록

9 20060921DPS 에어젯트밀 관련 국내 특허 자료 검토

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

10 20061017DPS 에어젯트밀 관련 미국 특허 조사 윤승원

남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

1120061018~

1022

베트남국제산업박람회(VIIF 2006) Hanoi

Vietnam 윤승원출장 기록

12 20061026한국생산기술연구원 기류충격식 분쇄기의 부품

구성도 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민

DPS 연구원 4명

생기원 내방

13 20061027DPS 초음속 공기 흐름에 대한 기초 윤승원

남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

14 2061102DPS 초음속 공기 흐름 관계식 윤승원 남상경

최인환 최덕규 윤상민출장 기록

15 20061103DPS 초음속 공기 흐름 관계식 윤승원 남상경

최인환 최덕규 윤상민출장 기록

16 20061106일산 네이취코리아 건식분쇄기 및 분급기 관련

자료수집 윤승원출장 기록

17 20061109DPS 기류충격식 분쇄기의 구성도와 노즐 설계

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

18 20061116한국생산기술연구원 기류충격식 분쇄기의 예상 부품

구성도 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민

DPS 연구원이

생기원 내방

19 20061123DPS 기류충격식 분쇄기의 예상 부품 구성도

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

20 20061130

DPS 기체 분사노즐의 초음속 분출 속도와 유량

산출에 대한 해석적 방법의 적용 윤승원 남상경

최인환 최덕규 윤상민

출장 기록

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

21 20061204DPS 기류충격식 분쇄기의 예상 부품 구성도

수정 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

22 20061207DPS 기류충격식 분쇄기의 부품번호 및 명칭

부여 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

23 20061212 문래동 철재 부품조사 윤승원 출장 기록

24 20061214DPS 기체 분사노즐 내의 공기유동 유한요소해석

모델링 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

25 20061215DPS 기체 분사조즐 내의 공기유동 유한요소해석

모델링 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

26 20061221

한국생산기술연구원 기류충격식 분쇄기의 공기

초음속 분출 노즐 형상 설계시의 설계 변수

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민

DPS 연구원 4명

생기원 내방

27 20070109DPS 기류충격식 분쇄기 제작용 재료 구입

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

28 20070116DPS 기류충격식 분쇄기의 분쇄 챔버 기본 설계

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

29 20070205DPS 기류충격식 분쇄기의 분쇄 챔버 기본 설계

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

30 20070206DPS 기류충격식 분쇄기의 분쇄 챔버 3D 모델링

윤승운 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

31 20070213

한국생산기술연구원 기류충격식 분쇄기의 분쇄

챔버 3D 모델링에 대한 설계 검토 윤승원

남상경 최인환 최덕규 윤상민

DPS 연구원 4명

생기원 내방

32 20070227DPS 분급기 구조 기본 설정 윤승원 남상경

최인환 최덕규 윤상민출장 기록

33 20070306DPS 회전체 설비의 관성모덴트 산정 방법

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

34 20070308DPS 분쇄 쳄버와 분급기 제작용 내마모성 재료

검토 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

35 20070320DPS 분급기의 기본 구조 모델링과 베인 배열

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

36 20070326DPS 분급기용 베인의 단면 형상과 배열 및 수량

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

37 20070327한국생산기술연구원 분급기 모델링과 베인 배열

구조 윤승원 남상경 최덕규

DPS 연구원 2명

생기원 내방

38 20070403DPS 분급기의 유동장 해석을 위한 COSMOSWorks

해석 연습 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

39 20070410DPS 분급기의 유동장 해석을 위한 COSMOSWorks

해석 연습 윤승원 최인환 최덕규출장 기록

40 20070417DPS 베인 형상 설계 유체 흐름 해석 모델링과

입력 변수 설정 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

41 20070502DPS 베인 형상에 따른 유체 흐름 해석 윤승원

남상경 최인환 최덕규출장 기록

42 20070504한국생산기술연구원 분급기의 공기 유동 해석

결과 분석 윤승원 남상경 최인환

DPS 연구원 2명

생기원 내방

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

43 20070508DPS 여러 내부 형상의 분급기 구조와 베인에

대한 공기 유동 해석 윤승원 남상경 최인환출장 기록

44 20070518DPS 베인의 형상에 따른 분급기의 공기 유동

해석 결과 분석 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

45 20070523DPS 분급기 내부 형상 설계 변경 윤승원

남상경 최인환 최덕규출장 기록

46 2070530한국생산기술연구원 분급기 내부 형상에 따른 흐름

해석 분석 윤승원 남상경 최인환 최덕규

DPS 연구원 3명

생기원 내방

47 20070601DPS 분급기 내부 형상의 조립성을 고려한 설계

수정 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

48 20070607DPS 베인의 형상과 수량에 따른 분급기의 공기

유동 재해석 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

49 20070613DPS 분사노즐 설계 확정을 위한 공기 분사노즐

유동장 재해석 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

50 20070618DPS 에어젯트밀 구조 설계 검토 윤승원

최병훈 남상경 최인환 최덕규출장 기록

51 20070703DPS 분급기 내부 형상에 대한 특허 출원 자료

준비 윤승원 최병훈 남상경 최인환 최덕규출장 기록

52 20070705

경북 칠곡 쿠어스텍코리아 분급기용 베인 제작

가능성 확인을 위한 업체 방문 윤승원 최인환

최덕규

출장 기록

53 20070711DPS 베인 형상 확정 및 구매 요청 윤승원

남상경 최인환 최덕규출장 기록

54 20070724DPS 분쇄기 에어노즐 분급기 설계 자료 정리

윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

2 기술정보제공 특허 73건

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20061013 분쇄기 관련 한국특허 13건(제본) 부록 1 목록

2 20061013 분쇄기 관련 일본특허 16건(제본) 부록 2 목록

3 20061013 분쇄기 관련 미국특허 23건(제본) 부록 3 목록

4 20061013 분쇄기 관련 유럽특허 4건(제본) 부록 4 목록

5 20070213 분급기 관련 미국특허 17건(제본) 무록 5 목록

3 기술정보제공 전문서적 14권

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20070306 構造解析のだぬの有限要素法實戰ハソドプツク 전문서적

2 20070306 世界の規格基準認證ガイドツク 전문서적

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

3 20070306 設計者に必要な材料の기 전문서적

4 20070306 設計者のたぬの モーメソト 전문서적

5 20070306 すべリ軸受資料集 전문서적

6 20061109Flow Mechanics and Thermodynamics in

Mechanical Processing전문서적

7 20061109NETZSCH-CONDUX Fludized Bed Jet Mill 제품

홍보자료

제품

홍보자료

8 20060907 Assembly Modeling with SolidWorks 20042005 전문서적

9 20060907 SolidWorks 2005 Tutorial and MultiMedia CD 전문서적

10 20070601Engineering Analysis with COSMOSWorks

Professional 2007전문서적

11 20070205 COSMOSMotion 전문서적

12 20061116 FLUENT 60 Tutorial Guide 전문서적

13 20070213 FLUENT 60 Users Guide 전문서적

14 20070213 Fundamentals of Fluid Mechanics 전문서적

4 시제품제작 1 건

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20070715 기류충격식 분쇄기 DGJMV-350 시작품

5 시험분석 3건

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20070627 입도 측정 histogram 1 부록 10

2 20070627 입도 측정 histogram 2 부록 10

3 20070627 입도 측정 histogram 3 부록 10

6 기술지원실적 업로드 건

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

목 차

제 1 장 사업의 개요

제 1 절 기술지원 필요성

제 2 절 기술지원 목표

제 3 절 기술지원 내용

제 2 장 국내ㆍ외 기술 현황

제 1 절 세계의 기술 현황

1 일본 Hosokawa 사의 수직형 기류충격식 분쇄기

2 일본 Hosokawa 사의 수평형 기류충격식 분쇄기

3 일본 미놀타 사의 수평형 기류충격식 분쇄기

4 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의

수평형 기류충격식 분쇄기

5 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기

6 미국 Xerox 사의 수평형 기류충격식 분쇄기와 노즐

7 독일 Netzsch 사의 건식 기류충격식 분쇄기

8 독일 특허 공기 분사노즐

9 미국 특허 분쇄기 구조

제 2 절 국내의 기술 현황

제 3 장 기술지원 수행 내용 및 결과

제 1 절 기술지원 수행

1 분쇄기 시스템 구성도

2 소리의 속도

3 공기 분사노즐에서의 유동식

4 공기 분사노즐의 흐름 특성 계산

5 수축확산 공기 분사노즐의 유동 해석

6 분급 이론

7 분급기 설계와 유동 해석

8 시작품 제작

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

2 기술지원 추진체계

3 연구기자재 활용

4 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

6 입도 측정

7 지적재산권 출원

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

제 6 장 참고문헌

부록 1 분쇄기 관련 한국 특허 13건 목록

부록 2 분쇄기 관련 일본 특허 16건 목록

부록 3 분쇄기 관련 미국 특허 23건 목록

부록 4 분쇄기 관련 유럽 특허 4건 목록

부록 5 분급기 관련 미국 특허 17건 목록

부록 6 기술지원 관련 전시회 참석

부록 7 개스의 비열값 개스 상수 밀도

부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 분급기 유동해석

부록 9 설계 도면

부록 10 입도측정 histogram

제 1 장 사업의 개요

분쇄는 재료에 외력을 가하여 작은 크기로 세분화하고 표면적을 증가시키는 기계적

인 조작이다 목적하는 파쇄물 입자의 크기에 따라 조쇄(粗碎) 중쇄(中碎) 분쇄(粉

碎) 미분쇄(微粉碎) 초미분쇄(超微粉碎)로 구분된다 분쇄시 작용되는 응력은 압축

력 충격력 전단력 마찰력 절단력 등이 있으며 단독의 힘이 작용되는 경우는 드

물고 분쇄 대상 재료에 여러 가지 힘임 복합력으로 동시에 작용되어 분쇄기 이루어

진다(1)

분쇄기는 분쇄 입도의 크기에 따라 다음과 같이 분류한다

(1) 조분쇄기 1500mm~100mmrarr500mm~25mm (분쇄비 4~3)

(2) 중분쇄기 500mm~6mmrarr50mm~1mm (분쇄비 7~5)

(3) 미분쇄기 125mm~1mmrarr2mmrarr01mm (분쇄비 20~10)

(4) 초미분쇄기 6mm~01mmrarr01mm~001mm (분쇄비 50~10)

분쇄기의 분쇄 방법에 의한 종류는 다음과 같다

(1) 볼밀(ball mill)

원통 속에 재료와 함께 강으로 만든 볼 즉 강구를 여러 개 넣은 후 함께 회전시켜

강구운동에 의한 충격으로 재료를 분쇄하는 장치이다 볼에는 주철 칠주물 플린트

석 천연석 등 원료에 따라 여러 가지가 있다 통의 길이는 통의 지름을 초과하지

않는 것이 표준형이지만 지름의 수 배 이상으로 긴 형의 튜브밀 그 중간인 콤파운

드밀(compound mill) 다양한 종류도 있다 원통의 내면은 특수강 또는 니켈판으로

내장한다 최종적인 미분을 만들 때 사용되며 도토(陶土) 염료 드의 처비분인 경

우에는 건식으로 사용되며 용도가 매우 넓다

(2) 로드밀(rod mill)

기체 내면의 길이보다 약간 짧은 강봉을 분쇄매체로 사용하는 회전식 분쇄기이다

거친 입자부터 선택적으로 분쇄하며 입도(粒度)가 비교적 가지런한 분쇄산물을 얻

을 수 있는 특징이 있다 단독으로 사용되는 외에 불밀에 의한 분쇄의 예비분쇄기

로서도 종종 사용된다

(3) 롤러밀(roller mill)

볼밀과 같은 원리의 분쇄기로 시멘트원료를 분쇄할 때나 석탄을 분쇄할 때 사용된

다 분쇄기 중에 롤러나 볼을 이용한 것을 링롤러밀이라고도 한다

(4) 조크러셔(jaw crusher)

전ㆍ후로 조금씩 진동하는 강철제의 철판과 이와 마주 보는 고정판 시이에 수 cm

에서 1m 정도의 암석 등의 덩어리를 물려 넣고 짓씹어 부수게 하는 구조로 되어

있다

(5) 임팩트 크러셔(impact crusher)

매초 원주 속도가 수십 m로 고속회전하는 원통에 장치된 충격판에 의해 분쇄하는

장치이다 골재 정형에 널리 쓰인다

(6) 휠러밀(wheeler mill)

tn 이하의 미분쇄를 필요로 하는 분야에서 널리 사용된다 소위 유체에너지밀의

일종으로 고압기체를 불어 넣음으로써 입자를 기계의 벽이나 또는 다른 입자에 충

돌시 켜서 분쇄하는 장치이다 기체가 길쭉한 도넛형의 통내를 입자와 함께 환류하

고 미세하게 된 입자만이 배기와 함께 기외로 배출되는 구조로 되어 있다

(7) 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)

노즐로 높은 압력의 공기 또는 질소를 초음속으로 분사시켜 분말 상호 간의 충돌로

초미립 크기로 분쇄되며 분급 휠(classifier wheel)의 속도 변환과 베인과의 간격에

의해 미립자의 크기를 조절하여 분급하는 방식이다 노즐의 크기 배열 상태 및 공

기 흐름의 조절로 효율성을 크게 증가시킬 수 있으며 동시에 분쇄기의 마모와 제품

의 순도 최적화를 유지할 수 있다 입도의 크기는 01 ~ 10의 범위에 있다

이외에도 큰크러셔(cone crusher) 압축력에 의한 자이러토리크러셔(gyratory

crusher)가 있고 충격력에 의한 해머밀(hammer mill) 케이지밀(cage mill) 유체에

너지밀 전단력에 의한 분쇄기 등이 있으며 마쇄력에 의한 자생분쇄밀과 진동밀

유성밀 교반밀이 있다

최근 들어 소재산업이 정밀화되고 고기능화 함에 따라 카본블랙 TiO2 PbO ZnO

SiO2등의 안료 세라믹 자기재료 맥반석 황토 슬래그 운모 흑연 탄화규소 탄

산칼슘 등을 미크론(μ) 크기 또는 서브미크론 크기의 분말로 분쇄하는 정밀 분쇄기

수요가 증대하고 있다

Fig 1 은 습식 분쇄기의 종류와 입도 범위의 관계를 나타낸 것이다 Fig 1 밑부분

의 화살표는 본 부품소재종합기술지원사업 수행으로 개발하고자 하는 분말의 크기

범위를 표시한 것이다

Fig 1 습식분쇄기의 입도 범위(독일 Buehler사)

제 1 절 기술지원 필요성

대가파우더시스템은 1970 년도에 창립하여 현재에 이르기까지 산업용 분쇄기 집

진기 건조기 기체여과기 액체여과기 폐수처리장치 등의 전문생산업체이다 최근

들어 소재산업이 정밀화되고 고기능화 함에 따라 분쇄기의 성능 향상이 요구되고

있다 최근에는 수십 nm 이하의 초분체 카본블랙 TiO2 ZnO SiO2 등의 안료 세

라믹 자기재료 등의 각종 소재의 입도 정밀화가 실현되고 있다 초분체기기 및 요

소 부품의 국내 수요는 독일의 DRAIS 일본의 KOTOBUKI 사 DYNO 사 등의 선진

메이커 제품을 수입하여 사용하고 있다 건식 기류충격식 분쇄기에 대한 국내 설계

기술 부족으로 외국에서 수입되고 있는 제품의 가격이 고가이어도 경쟁할 수 있는

제품을 개발하지 못하고 있는 어려운 상황이다

대가파우더시스템은 최근 습식 방법의 초미립 분쇄기를 개발하여 시험 중에 있으

며 압축공기를 이용한 기류충격식 분쇄기 개발에 있어서 분쇄부와 분급부의 기초

이론 구성 부품 설계 재질 선정 분쇄기 구조에 대하여 유한요소법으로 유동해석

을 하는 시뮬레이션 기술력 확보에 어려움을 겪고 있다 초미립 분쇄(ultra-fine

pulverization)를 위한 기류 분사노즐(compressed air nozzle supersonic air

nozzle)의 단면 형상 설계와 분쇄에 요구되는 유량 산출 분급기(classifier)의 크기

과 공기 유동부의 내부 형상 베인의 형상과 수량 베인의 간격 배열 위치 및 분급

기 회전수 등에 대한 설계 변수 등에 있어서 애로를 겪고 있으며 기술력 향상을

위하여 외부 전문가의 기술지원이 요청되고 있다

건식 기류충격식 분쇄기 설계의 핵심 기술을 지원하여 건식 기류충격식 분쇄기의

국내 업체의 자체 설계 능력 확보가 요구되낟 본 부품소재종합기술지원사업을 통

하여 초미립 분쇄기와 관련된 국내ㆍ외 특허 자료 기술문헌 및 분쇄부와 분급부의

기초 이론 관련 자료 조사와 제공 초미립 입자를 생산하기 위한 건식 분쇄기의 구

조 설계 기술 지원 유량에 따른 기류충격식 분쇄 노즐의 설계 변수 컴퓨터를 이용

한 3 차원 모델링에 의한 설계 유한요소법에 의한 기체의 유동 해석 기술 지원이

필요한다

제 2 절 기술지원 목표

기술지원의 초종 목표는 지원기업 대가파우더시스템가 분쇄 입도의 평균직경 18

~ 20 인 초미립 파우더를 생산하기 위한 기류충격식 분쇄기 설계와 생산에 대

한 기술 확보이다 공기 분사 방식의 분쇄 노즐 형상 분급부의 구조 설계 및 작동

에 대한 기초를 체계적으로 정립하며 분쇄기 구성 부품의 재질 선정 3D 모델링에

의한 분쇄기 시스템 설계와 유한요소볍에 의한 공기 유동장 해석 결과를 바탕으로

시작품을 제작하며 향후 유사 모델에 대한 자체적인 설계 및 새산 능력을 확보하

는 것이다

제 3 절 기술지원 내용

1 건식 기류충격식 분쇄기의 국내ㆍ외 특허 자료 기술문헌 및 기술정보 조사 지

원으로 초미립분쇄기의 기초 이론 구조 기능 정립 초음속 분사노즐 단면 형상

설계 자료로 활용

2 3D 모델링에 의한 설계 기술 지원으로 설계 오류를 사전에 방지

3 초음속 분쇄 노즐의 형상 설계와 유동 특성 해석 기술

4 분급부의 내부 구조 베인의 형상과 배열 및 수량 결정 유한요소법에 의한 분급

기의 유동 해석 기술 지원으로 분급 입도의 안정화 분급기 설계 및 제작

5 분쇄부와 분급기의 재질 선정 지원으로 생산가 관리 및 내구성 확보

Table 1 기술지원 목표 및 내용

제 2 장 국내ㆍ외 기술 현황

건식 분쇄 기술로 크기가 1 이하의 작은 입자를 생산하는 것은 어려운 기술로

분체기술의 장벽이라고 일컬어진다 각종 소재를 성분 변화없이 100nm 이하의 크

기로 극미세 분쇄하는 기술은 미래 산업을 이끌어갈 핵심분야로 국가간 연구개발

경쟁이 치열한 기술이다

제 1 절 세계의 기술 현황

나노급의 미세 파우더는 1980 년대초 독일의 칼스루헤연구소 등에서 시작되어

1990년대에 들어서 100nm 이하의 제조합성에 관한 연구가 본격화되었다 일본의

경우에는 과학기술청의 창조과학기술 추진과 통산성의 차세대산업기반기술 분야로

선정되어 주목을 받고 있다 초미분을 생산하기 위한 양산 장비 및 요소 부품에 대

한 선진국의 기술은 독일의 DRAIS사(습식) NETZSCH사(건식) 일본의 Kotobuki사

(습식) DYNO사(습식) Hosokawa 사(습식 건식) 등의 선진메이커에서 제품이 개

발되어 판매되고 있다 또한 나노 파우더 생산업체로는 일본의 Kako 사 미국의

Whittaker 사 Dow Chemical 사 Dupont사 및 독일의 Degusa사 등이 있다 현재

까지는 나노급 파우더 제조 공정의 불안정 및 복잡성 평가 방법의 미흡 등으로 다

양한 제조 공정 기술개발이 진행되고 있다 세라믹 분말의 경우에는 일부 특수한

경우에만 상용화되고 있다 금속분말의 경우에는 한정된 종류의 금속만 생산이 가

능하여 계속적인 개발이 진행되고 있다

건식 기류충격식 분쇄기의 주요 제작업체는 일본의 Hosokawa 사와 독일의

Netzsch 이다 미국 일본 및 독일 등에 대부분의 같은 내용의 특허가 등록되어

있으며 일본과 독일에 의하여 등록된 특허의 구조적인 특징은 다음과 같다

1 일본 Hosokawa사의 수직형 기류충격식 분쇄기

건식 기류충격식 분쇄기의 대표적인 업체인 일본의 Hosokawa 사 분쇄기의 특징

은 3개의 초음속 분사노즐이 에어젯트밀의 중앙인 수직 평면상에 원호상 등간격인

120도 간격으로 원의 중심을 향하여 배열되어 있으며 분쇄기 내의 상부에 회전축

이 수평인 위치로 회전되는 원심형 분급기가 설치되어 있다(Fig 2)

분쇄기의 모델과 분쇄 대상 재료에 따라 분말의 크기가 01 - 10 의 범위에 있

Fig 2 일본 Hosokawa 사의 수직형 기류충격식 분쇄기의 내부

2 일본 Hosokawa 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(2)

Fig 3a ~ Fig 3c는 일본 Hosokawa 사의 등록특허이다 분쇄기와 분급기 구조에

관한 것이다 Fig 3a에 보인 원형 단면의 분쇄실 외주부에 Fig 3b와 같이 에어를

고압 분사하는 분사노즐이 다수개 배열되어 있어 재료 공급관으로 유입되는 재료

가 고압의 공기 분사에 의하여 분쇄된다 분쇄도니 미분은 상부 통로로 배출되며

조분은 Fig 3b 의 ldquo16rdquo 번 부위인 분쇄기 내벽을 따라 이동되다가 공기 노즐의

출구부 측면에 나있는 구멍으로 흡입되어 공기와 함께 분사되어 재분쇄가 된다

Fig 3a 일본 Hosokawa 사의 분쇄기 단면(일본 特開平 11-179228 1999)

Fig 3b 일본 Hosokawa사의 분쇄기 평면(일본 特開平 11-179228 1999)

Fig 3c 일본 Hosokawa사 분쇄노즐 단면(일본 特開平 11-179228 1999)

3 일본 미놀타 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(3)

Fig 4a ~ Fig 4c 는 일본 미놀타사의 등록특허이다 분쇄기와 분급기 구조로

Fig 2에 보인 Hosokawa 사의 수직형 분쇄기와 비슷한 구조이다 분쇄 효율을 높

이기 위하여 Fig 4c 에 보인 것과 같은 분쇄기 중앙부의 분사된 공기가 집중되는

위치에 삼각형 경사판을 배치하여 공기가 충돌한 후 분쇄기 상부로 향하게 되어

있다

Fig 4a 일본 미놀타사의 분쇄기 단면(일본 特開 2000-5621 2000)

Fig 4b 일본 미놀타사 분쇄기의 분사노즐 배열(일본 特開 2000-5621 2000)

Fig 4c 일본 미놀타사 분쇄기의 충격판(일본 特開 2000-5621 2000)

4 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(4)

Fig 5는 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 등록특허이다 분쇄기 내측

수평면상에 분사노즐이 서로 마주 보게 배열되어 있다 분급기의 회전 축이 분쇄기

의 중심축과 일치한 상태로 회전하여 수평면 상에서 원심력에 의하여 분급이 이루

어진다 분급된 미분은 분쇄기 상부의 통로로 배출된다

Fig 5 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 수평형 기류충격식

분쇄기(일본 特開 2002-35631 2002)

5 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(5)

Fig 6 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기 구조는 Fig 4 의 일본

미놀타사와 유사하다 수평면상에 분사노즐이 배열되어 있으며 분급기의 회전축도

수평으로 위치하고 있다

Fig 6 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(일본 特開 2003-88773

2003)

6 미국 Xerox사의 수평형 기류충격식 분쇄기와 노즐(6)

Fig 7a의 미국 Xerox사의 수평형 기류충격식 분쇄기 구조는 Fig 5의 일본

Hosokawa Alpine AGampCo OHG 사의 구조와 유사하다 분사노즐이 수평면상으로

배열되어 있으며 분급기의 회전축도 수평으로 위치하고 있다 분사노즐의 형상은

Fig 7b 에서와 같이 이중관 구조이다

Fig 7a 미국 Xerox 산의 수평형 기류충격식 분쇄기(일본 特開 2004-50179

2004)

Fig 7b 미국 Xerox 사의 이중관 분사노즐(일본 特開 2004-50179 2004)

7 독일 Netzsch사의 건식 기류충격식 분쇄기(7)

독일 Netzsch 사는 대표적인 기본 구조의 건식 기류충격식 분쇄기를 개발하여 가

공 용량이 다른 여러 가지 분쇄기에 유사한 구조를 적용하였으며 일본 Hosokawa

산의 분쇄기와는 전혀 상이한 구조이다 즉 3 개의 초음속 분사노즐이 기류충격식

분쇄기 하부의 수평 평면상에 원호상 등간격인 120 도 간격으로 원의 중심을 향하

여 배열되어 있으며 Fig 8 에서와 같이 수직 회전축을 갖는 원심형 분급기가 분

쇄기 상부에 설치되어 있다 분급기의 외형 모습은 Fig 9에 보인 것과 같으며 분

급 효율을 향상시킬 목적으로 분급기 단면이 회전 중심으로 향할수록 상하 공간이

넓어지는 ldquoConvor로 명명된 형상의 단면 모습으로 되어 있다(Fig 10)

Fig 8 독일 Netzsch 사 분쇄기의 내부 구조

Fig 9 독일 Netzsch 사의 분급기

Fig 10 독일 Netzsch 사 분급기의 단면 형상 ldquoConvor

8 독일 특허 공기 분사노즐(9)

독일 Netzsch 사의 분쇄기 관련 기술 컨설턴트인 Nied 가 고안한 분쇄용 분사노즐

의 구조에 대한 것이다 3 개의 공기 분사노즐이 기류충격식 분쇄기 하부의 수평

평면상에 원호상 등간격인 120도 간격으로 원의 중심을 향하여 배열되어 있다(Fig

11a) 분사노즐 중앙부의 구조는 단면이 수축-확산 형태로 노즐로 초음속의 고속

분사를 하면서 중심 노즐 주변에 중앙 분사부를 감싸는 이중 공기 분사관을 형성

하여 중앙의 분사노즐에서 분사되는 공기의 확산각이 커지지 않도록 공기 주위에

추가적인 보조 공기를 분사하는 구조이다(Fig 11b)

Fig 11a 독일 특허-분사노즐 배열과 분사 공기의 분포(EP 0 736328A1 1996)

Fig 11b 독일 특허-분사노즐 단면과 분사 공기의 분포(EP 0 736328A1 1996)

9 미국 특허 분쇄기 구조(10)

일본의 히데유끼 요시다 등 5 명이 미국에 출원한 특허로 분쇄 재료가 초음속으로

분출되는 공기 통로의 중간에서 공급되며 재료가 분쇄실로 이동된 후 충격판에 충

돌되어 분쇄되는 구조이다(Fig12) 분쇄된 분말의 크기는 10 수준이다

Fig 12 미국 특허-충돌식 분쇄기(USP 57657661998)

제 2 절 국내의 기술 현황

국내의 경우에는 초미분 분말 생산에 관한 개발 역사가 짧으며 연구소 대학 기업

등에서 다발적으로 연구가 진해오디고 있다 기계 전자 물리 재료 화학 등의 연

계된 연구가 필요하다 1996 년 과학기술부 및 산업자원부 등의 산업단을 중심으로

대형 연구가 수행되어 왔으나 주로 기상법에 의한 분말합성에 관한 것이다 1998

년도부터 한국기계연구원에서 200nm 급의 건식 분쇄 및 분급기에 대한 개발을 시

작으로 초미분 파우더 생산 장비에 관한 연구가 이루어지고 있다 초미분 분쇄 방

식은 본 기술지원 과제의 지원기업인 대가파우더시스템을 포함하여 습식 방식인

교반밀(agitated mill)을 주로 사용하며 입도의 크기는 5 이상 수십 크기의

범위이다 기류충격식 분쇄기의 기술 수준은 입도의 크기가 5 ~ 10 수준이다

기존의 습식분쇄기의 경우 평균 입도가 28 ~ 32로 Pb0를 대상으로 할 때 4

~ 6 kghr 정도를 생산할 수 있는 수준이다

국내에 등록되어 있는 건식 기류충격식 분쇄기와 관련된 특허의 출원인인 대부분이

일본업체이며 일본에 출원된 특허를 한국에 재출우너한 것이 대부분이다 미국과

벨기에가 각각 1 건씩 등록하고 있으며 한국인이 출원한 특허는 테크월드에서

출원한 3 건 등 모두 4 건이 검색되었다 마이크로급 이상의 파우더 생산장비에 대

한 국내의 기술 수준은 선진국 기술 수준의 약 70 수준이다 그나마도 설계 및

생산에 있어 거의 모방에 의존하고 있다 나노급 기술은 초보적인 상태이다

제 3 장 기술지원 수행 내용 및 결과

제 1 절 기술지원 수행

본 부품소재종합기술지원사업은 Fig13의 기술 개발 추진도에 따라 수행되었다

Fig 13 기술 개발 추진도

분쇄기의 전체 시스템 중에서 분쇄기와 분급기 이외의 기타 구성 모듈들에 대한 설

계 및 생산기술은 지원기업 대가파우더시스템이 기확보하고 있는 기술이 기술

지원의 주된 내용은 기류충격식 분쇄기의 핵심 부품이며 분쇄기의 성능을 좌우하는

초음속 공기 분사노즐과 분급기의 설계 기술에 관한 것이다 초음속 공기 분사노즐

의 단면 형상 공급 공기의 압력과 분사 공기의 속도 및 공기 소요량 산출을 위한

공기 분사노즐 설계와 분쇄기 내부의 내마모성 재료 선택 분급기 베인의 형상과

분급기로 유입되는 공기의 속도 분포를 균일하게 하여 원심력 작용으로 분말의 분

급 정밀도를 향상시켜 주기 위한 분급기의 내부 단면 형상 설계 미 ㅊ유입 공기 속

도 및 압력 분포에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 방법 등에 대한 체계적인 기술 지원이

수행되었다 향후 유사 모델 개발에 적용하여 새로운 제품을 개발할 수 있는 설계

능력을 확보하였다

1 분쇄기 시스템 구성도

본 기술지원을 통하여 개발하는 핵심 기술은 건식 기류충격식 분쇄기의 초음속 공

기 분사노즐과 분급기와 관련된 기술이다 분쇄기의 기본 구조는 독일의 Netzsch

사 제품과 유사한 구조로 되어 있으며 분쇄용 공기 분사노즐과 고정밀도의 분급기

설계기술을 자체 보유하는 데 주안점이 있다 개발 대상 분쇄기 시스템의 전체 구

성도는 Fig 14(7)에서와 같다 Fig 14에서 분쇄기 시스템은 ldquo진동공급기rdquo를 통하

여 공급되는 분쇄용 우너료를 ldquo건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기rdquo로 분쇄 및 분급

한 후에 cyclone을 거쳐 bag filter로 분말을 포집하는 시스템으로 구성되어 있

다 분말과 공기가 혼합된 기류는 각각의 단계로 이송하는 과정에서 double flap

valve로 이송이 조절되며 최종적으로 fan의 작동으로 공기가 배출된다

건식 기류충격식 분쇄기 본체를 구성하는 부품의 서브어셈블리는 각각 Chamber

Body Laval Nozzle Classifier Wheel 및 Bearing Block등으로 구성되어 있

다 주요한 설계 변수는 분쇄챔버의 직경과 높이 초음속 공기 분사노즐 설계 있어

서 라발 노즐(초음속 공기 분사노즐)의 모즐 목 내경과 배출부의 직경 및 축방향의

단면 형상 공기되는 공기의 압력 등이다 분급기 설계에 있어서의 주요 변소는 베

인의 단면 형상 베인의 수량과 배열 각도 분급기 내부 공동부의 단면 형상 분급

기에 유입되는 공기 속도와 분급기를 통과한 이후의 공기 압력 등이다

Fig 14 기류충격식 분쇄기의 시스템 구성도

2 소리의 속도

물체의 일부에 교란을 주면 개스 유체 및 고체의 압축성으로 인하여 물체를 통하

여 유한한 속도로 교란이 전파된다

음속은 물체의 압력과 밀도 변화와 관계되어 있으며 다음식으로 표현된다

여기서

음속 압력변화 밀도 변화

체적탄성계수는 다음과 같이 표현된다

여기서

체적탄성계수 압력변화 체적변화 초기체적

체적탄성계수는 식 (3)으로도 표현된다

여기서

물체의밀도변화 물체의초기밀도

개스 유체 고체 내에서의 음속은 다음식과 같다

여기서

체적탄성계수

개스에서의 소리 속도는 아주 작은 한 점에서 교란이 일어나는 관계로 열전달을 무

시할 수가 있으며 또한 등온 상태로 가정할 수가 있다 이상 기체에서의 소리 속도

는 절대 온도의 근에 비례하며 다음식으로 표현된다

여기서

k = 비열비 (adiabatic index)

p = 압력 (Pa psi)

R = 개스 상수

T = 절대 온도 (degK degR)

앞의 식 (4)와 식 (5)로부터

식 (6)으로부터 체적탄성게수 E를 구할 수가 있다

( 예 1 ) 공기의 체적탄성계구 산출

k = 14 R = 287 (JK kg) at T=293K( 20 ) p=1204(kgm3)

Eair = k R T p=14X287X293X1204=14174379((Jm3)

Eair = 14174379(Nm2)

( 예 2 ) 염소(C12)의 체적탄성계수 산출

k = 134 R = 120 (JK kg) at T=293K(20) p=2994(kgm3)

Ec12 = k R T p=134X120X293X1994=14106051((Jm3)

Ec12 = 14106051(Nm2)

( 예 3 ) 0 1 bar 공기에서의 소리 속도

c = (14x287x273)12

= 3312 (ms)

여기서

k = 14

R = 287 (JK kg)

( 예 4 ) 20 1bar 공기에서의 소리 속도 산출

c = (14X287X293)12

= 3431 (ms)

( 예 5 ) 0 물속에서의 소리 속도 산출

여기서

3 공기 분사노즐에서의 유동식

개스역학에서 공기의 속도가 sim 이상으로 빠르거나 압력의 변화가

보다 큰 경우에는 압축성 흐름으로 취급한다 이러한 현상은 노즐에서

개스가 팽창하는 경우에 발생된다

정상유동에서의 에너지 평형 상태는 다음식으로 표현된다

여기서 엔탈피는

이며 엔탈피 ∆의 변화는 내부에너지 ∆에 외부로 또는 외부로부터의 체적에

의한 일 ∙∆의 합과 같다

내부에너지의 변호가 없고 밀도가 일정하다고 가정하면 즉 ∆ 인

경우에는 비압축성유동의 베르누이 방정식이 된다 반면에 위치네어지의 변화가 없

는 경우 ∆ 에는 상대적으로 밀도가 낮은 압축성 유체인 ldquo개스rdquo의 상태를

나타낸다 ldquo개스역학rdquo 이라는 자체가 의미하듯이 해석에 있어 고압 및 개스의 속도

가 포함되며 내부에너지의 변화 ∆를 무시할 수가 없다 이러한 의미에서 식 (7)

은 다음과 같이 된다

이상개스 방정식에서

이며 식 (12)를 식(9)에 대입하면 다음과 같이 된다

식 (13)에 에너지 보존법칙을 적용하면 노즐에서 분사되는 개스의 속도를 구할 수

있다

개스의 초기 속도가 인 경우에는

가역 단열 흐름에 있어서는 다음 3개의 식을 적용할 수가 있다

식 (16) ~ 식 (18)을 식 (15)에 대입하면 노즐에서 분출되는 개스의 속도가 구해

진다

노즐을 통과하는 질량의 흐름 식

밀도의 비로부터

다음과 같이 노즐을 통과하는 질량을 구한다

다음의 식 (23)을 식 (22)에 대입하여

식 (24)를 구한다

여기에서

을 ldquo탈출 계수(escape coefficient)rdquo 라고 한다

식 (25)를 사용하여 식 (24)를 다시 표현하면 다음의 간략식이 된다

탈출 계수 는 압축비 의 값이 다음과 같은 값일 때

임계 압축비 또는 라발 압축비로 표현되는 다음 크기의 최대값을 갖는다

음속은 노즐의 단면적이 제일 작은 부분에서 임계 압축비에 도달한다

max는 테이퍼가 일정한 실린더 형상의 노즐에 적용된다 식 (26)에 의하여

ㆍ 가 되며 는 일정한 테이퍼의 노즐에서만 증가할 수 있다 만약 압

축비 가 임계비 이하이면 max이므로 노즐을 통과하는 질량의 흐름은 일정

하다 이것은 질량의 흐름이 외부의 압력에 영향을 받지 않는다는 것을 의미한다

질량의 흐름에 의한 일은 다음의 식 (30)으로부터 구해진다

압축성 유체의 단열 팽창시에 수행된 일은 식 (19)와 식 (30)로부터 다음과 같이

산출된다

아래의 Fig 15 는 수축확산 노즐의 단면 모습이며(11) Fig 16 은 수축확산 노즐에

서의 압력 온도 속도 변화를 나타낸 것이다(8)

Fig 15 수축확산 노즐(Laval Nozzle)

Fig 16 수축확산 노즐에서의 압력 온도 속도 변화

압축성 유체의 흐름에 있어서 임계 속도 이후에 노즐의 단면이 서서히 확대되면

열에너지가 유동에너지로 변환되면서 온도는 낮아지고 흐름이 증가된다

앞의 식 (27)을 참조할 때 Fig 16 의 수축확산 노즐의 단면적이 가장 작은 임계

압축비 에서 음속에 도달한다 이 것은 질량 흐름에 식 (26)이 계속적으로 유

효하다는 것을 의미한다 수축확산 노즐 출구에서의 온도는 다음과 같은 관계가 된

노즐 확산부의 치수는 다음식으로부터 구해지며

개스 상수 등은 계수 개스 유입 온도 노즐 목의 직경 압축비 등의

변수로부터 노즐 출구에서의 개스 속도와 온도를 구할 수가 있다 공기 흐름 해석

대상 노즐 각부에 대한 부호는 Fig17에서와 같다

Fig 17 수축확산 노즐의 각부 부호

실제 수축확산 노즐을 설계하는 데 있어서는 노즐에서 발생될 수 있는 압축파 발생

을 억제하기 위하여 노즐 출구의 치수를 설계값보다 약간 작게 한다 즉 Fig 17에

서의 노즐의 확산각 가 를 넘지 않아야 하며 최대 이내여야 한다

4 공기 분사노즐의 흐름 특성 계산

앞의 ldquo3 초음속 공기 분사노즐에서의 공기의 흐름rdquo에서 유도된 식들을 이용하여

ldquoMathcad 13 프로그램(12)으로 설계 대상 분쇄기에 적용되는 공기 분사노즐의 단

면 치수 유입 공기량 노즐 출구에서의 공기 속도 소요 동력 등을 산출하였다

우선 단위와 공기의 상수를 정리하면

kilo=1000 TK =273 hoursec =3600 k = 14

ㆍsecㆍ

ㆍsecㆍ

ㆍsec

ㆍsec

예를 들어 tan tan tan tan

해석 조건이 다음과 같으면 tank pressure=700kPa Ttank=70 exit

pressure=100kPa

단위 (mm) throat diameter=50 length 150 outlet diameter=70 diffusion

angle α=38deg

d = 0007 pe = 100kilo po = 7pe Ttank =7C

To = TK+Ttank To=343 (K)

times

sec

Air_massflow1N_hour =Air_masflow1N_sechoursec

Air_massflow1N_hour = 133024 (kghrper 1 nozzle)

Air_massflow3N_hour = Air_massflow 1N_hour3

Air_massflow 3N_hour = 399071 (kghrper 3 nozzles)

Imsec)

sec

timesorsec timesorsec

(kgm3)

sec

sec sec

공기분사 노즐 목의 직경이 50mm 출구 직경이 70mm 노즐 목에서 노즐 출구까

지의 길이가 150mm로 공기 분사노즐의 환산각 도인 공기 분사노즐이 3

개 장착되어 있으며 탱크내의 공기가 압력 7bar 와 70 를 유지하면서 계속적으

로 노즐을 통하여 공급되며 또한 분쇄 챔버 내의 압력이 1bar 로 유지되는 경우의

공기 분사노즐의 유동 특성 계산 결과를 종합 정리하면 다음과 같다

- 노즐 출구에서의 공기 최대 속도 542151msec

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 무게 399071kghr

(노즐 하나에 00369kgsec)

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 부피 225333m3hr(0063m3sec)

- 소요 동력 16291kWhhr

5 수축확산 공기 분사노즐의 유동 해석

공기 분사노즐을 3D 모델링 프로그램 SolidWorks(13)로 모델링하여 열유체 해석

을 위한 유한요소해석 프로그램 COSMOSFlwWorks(14)로 공기 분사노즐 내의 유

동 해석을 수행하였다 해석 대상 공기 분사노즐 단면의 형상과 각부의 치수는

Fig18에서와 같다

Fig 18 수축확산 노즐 유동 해석 모델의 단면

해석시에 적용된 변수값들은 앞의 ldquo4 초음속 공기 분사노즐의 분사 특성 계산rdquo에

서 산출된 값을 적용하였다 노즐의 확산부위 길이는 15mm 이며 분사노즐의 확산

각은 도이다 노즐 하나에 대하여 Fig 18 의 왼쪽면에서 00369 kgsec

의 공기가 유입되며 오른쪽 분사노즐 출구면에 12bar 의 압력을 적용하였다 분사

노즐의 유동 해석 결과의 여러 가지 특성값 중에서 본 설계에서의 주요 관심사가

공기의 배출 속도인 관계로 Fig 19에 흐름의 속도 분포 Fig 20에 흐름의 마하넘

버 분포를 나타내었다 초음속 흐름에 대한 해석으로 분사노즐 목에서의 공기속도

가 약 335msec(마하 1)이 되며 노즐 출구에서 최대속도가 된다 Fig 21은 수축

확산 노즐에 대한 공기의 속도 분포 해석 결과를 반영하여 공기 분사노즐을 모델링

한 것이다

Fig 19 수축확산 노즐의 공기 흐름 속도 분포

Fig 20 수축확산 노즐의 공기 흐름 마하넘버 분포

Fig 21 수축확산 노즐 모델

6 분급 이론

분급(分級 classification)이란 유체력을 이용해서 분립체를 그 입자 지름의 크기에

따라 분리하는 것으로 넓은 뜻으로는 유체력에 의한 분리만이 아니라 체가름을 포

함하는 경우가 있다 더 넓게는 비중선별ㆍ자기력선별 등 모든 입자분리조작을 분

급이라고 한다 공기ㆍ물 등의 유체 속에서 운동하는 분립체의 각 입자에는 중력

또는 원심력 이외에 유체에 의한 유체항력 등이 함께 작용된다 이 힘 즉 유체항력

은 입자 지름에 의존하는 데 유체항력과 입자 지름의 관계는 중력이나 원심력과

입자 지름의 관계와는 다르기 때문에 이 둘 사이의 균형 조건이 입자 지름에 의해

좌우된다 좁은 뜻의 분급은 이 원리를 이용한 입경분리조작을 의미한다 중력장에

서 등속 침강하는 구 형상의 입자에 대한 힘의 균형은 다음 식으로 표현된다

여기서 은 입자 질량 prime는 입자에 의해 배제된 유체 질량 g는 중력가속도 R

은 는 유체항력을 나타낸다 유체항력 R은 다음 식으로 나타낼 수 있다

여기서 는 저항계수 (drag coefficient)로 입자 주위의 유체의 상대적인 흐름의

상태에 따라 결정되는 무차원 계수이다 는 유체의 밀도 는 입자의 침강속도

는 입자의 지름이며 는 입자의 투영 최대 면적이다 물 또는 공기 속에서 입

자의 지름이 100 이하 입자의 밀도가 3gcm2이하의 조건에서는 입자 주위의 흐

름은 거의 충류로 간주되며 이때 R은 다음 식으로 나타내진다

여기서 는 유체의 점성도이다

prime

이므로 식 (36)을 식 (34)에 대입하면 식 (37)을 얻는다

여기서 는 입자 밀도이며 식 (37)을 스토크스의 침강속도식이라고 하며 분급에서

분리입자 지름을 구하기 위한 기본식으로 중요하다

식 (37)은 다음

과 같이도 표현된다

유체가 공기나 그 외의 기체인 경우의 분급 조작을 건식 분급(또는 공기 분급) 물

이나 그 외의 액체인 경우의 분급 조작을 습식 분급이라 한다 앞에 언급된 기본식

들 이외에 어떤 종류의 분급장치에서는 유체의 흐름 방향이 급격히 변화할 때 흐름

에 따라 운동하는 입자의 관성력의 효과가 중요한 역할을 한다

분급에 사용하는 장치를 분급기(classifier)라고 한다 건식분급기에는 관성력을 이

용하는 것 중력침강을 이용하는 것 원심력을 이용하는 것 등이 있다 관성력을 이

용하는 건식분급기에는 루버식분급기 버추얼임팩터 엘보제트형분급기 등이 있는

데 건식분급기로는 원심력을 이용한 것이 가장 널리 사용되고 있다 원심력을 이용

한 건식분급기로는 분급 입도가 30~100 정도의 비교적 굵은 입도에서의 대량 처

리로 옛날부터 알려진 스튜어트밴트형 등이 있으며 또한 몇 ~30의 분급이 가

능한 여러 분급기가 개발되어 널리 쓰이게 되었다 또한 사이클론도 미립(微粒)에서

조립(組立)에 이르는 분체(粉體)의 건식분급에 이용된다 습식분급기에는 중력식과

원심력식이 있으며 중력식은 상승 수류(水流)와 유동층을 이용한 수력분급기 원뿔

형 또는 각뿔형 용기에서의 중력침강을 이용한 세틀링탱크 등의 침강분급조 완만

하게 경사진 직사각형의 조(槽)로부터 침하한 조립 생산물을 긁어올리기 위한 레이

크나 스파이럴을 갖춘 기계분급기 등으로 분류된다 원심력을 이용한 습식분급기로

는 사이클론 또는 하이드로사이클론이 가장 대표적이며 솔리드볼형ㆍ디스크형 등

의 원심분리기도 미립자용 분급기로 사용된다

Fig 22는 베인 구조의 원심형 분급기의 회전 단면 모습이다

Fig22베인 구조의 원심형 분급기의 단면

Fig 22에서 H는 분급기 내부 상하면 사이의 간격이며 는 선별된 미분이 배출되

는 반경 는 베인의 내반경 는 베인의 외반경을 나타낸다

분체 주위의 공기 흐름이 층류 흐름이라는 조건하에서 베인 구조의 원심형 분급기

에의 컷포인트(utpoint)를 결정짓는 외주부의 반경 은 다음과 같다

또한 선별된 미분이 배출되는 반경은 다음과 같다

베인 사이에서도 고체의 회전법칙이 적용된다 베인의 외주 반경에서 속도의 원주

방향 성분 과 중심방향 성분 가 가장 큰 영향을 준다

식 (41)과 식 (42)를 식 (38)에 대입하여 정리하면 다음과 같다

독일 Netzsch 사에서는 베인의 내반경 에서 선별된 미분이 배출되는 반경 까

지의 반경 방향의 공기 속도 성분 을 질정하게 해 주기 위하여 Fig 10에 보인

ldquoConvorrdquo라고 불리우는 단면의 분급기를 개발하여 사용화하고 있다

7 분급기 설계와 유동 해석

분급기의 베인 사이로 분쇄된 미분과 공기가 함께 유입되어 중앙부의 배출구로 통

과하는 분급기의 내부 형상을 설계하기에 앞서 분급기 내부를 구성하는 상면이 평

평한 구조의 분급기에 대한 유동해석을 실시하여 공기의 속도 분포를 검토하였다

해석 대상 분급기의 외경은 205mm이며 밑면 중앙에 공기 배출을 위하여 직경이

90mm인 원형 구멍이 뚫려 있다 분급기 외주에는 단면이 원호의 일부로 만들어진

두깨가 2mm 넓이가 18mm 길이가 35mm인 베인이 매 60도마다 10개씩 등간격

으로 모두 60개가 베인의 코드 방향과 분급기의 반경 방향이 이루는 각도가 약 15

도가 되도록 경사지게 설치되어 있다 원주 방향으로 매 60도마다 길이 35mm 직

경 8mm인 원형봉 6개가 등간격으로 배열되어 상ㆍ사 카버 사이에 베인을 고정시

켜 조립되는 구조이다 해석 대상 분급기에 사용된 베인의 단면과 베인의 배열 및

분급기 상ㆍ하면을 고정하는 봉이 포함된 수평면상의 평면도를 Fig 23에 나타내었

다 Fig 24는 분급기의 상면 형상이 평평한 구조인 경우에 대한 분급기의 수직단

면도이다

분급기에 유입되는 공기는 온도 50 유입량 01m3sec 분급기를 통과한 후에

배출되는 공간의 압력은 12bar이며 분급기의 회전속도는 8000rpm(838radsec)

이다 분급기에 발생되는 원심력의 절대적인 크기는 재료의 밀도와 분급하고자 하

는 분말의 크기에 따라 분급기의 회전수를 변화시켜서 조절한다 SolidWorks 및

COSMOSFloWorks 프로그램으로 분급기의 공기 유동해석을 실시하였다 해석시의

변수 입력 항목 및 해석 과정을 ldquo부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 유동해석 절

차rdquo에 정리하였다

Fig 23 베인과 상ㆍ하면 고정 원형봉의 평면 단면도

Fig24 분급기 상면이 평면인 경우의 수직단면도

공기 유동해석 결과를 Fig25~Fig27에 나타내었다 Fig25는 베인의 중간 높이에

서의 수평 단면에서의 공기 속도 분포이다 Fig26은 베인이 위치한 부위에서의수

직단면 Fig 27은 상ㆍ하면을 고정시켜 주는 원형봉이 있는 부위의 수직단면에 분

포하는 공기의 유입 속도 해석 결과를 나타낸 것이다

Fig 25 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig 26 베인 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig27 연결봉 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig15~Fig27의 공기 속도 등고선을 보면 베인 외주부의 상하 위치에 있어서 공

기의속도가 불균일한 분포를 보인다 베인의 분급기 내부 공간에서는 같은 반경인

위치에서 윗부분에서의 공기 속도가 아랫부분에서보다 빠르게 분포하고 있다 베인

의 높이 방향 상ㆍ하 위치에 따른 이러한 유입 속도의 편차는 분급기 외주의 실린

더 면으로부터 유입되는 공기가 분급기 중앙의 밑 방향으로만 배출되는 유동 통로

의 구조 때문으로 판단되낟 따라서 같은 반경의 같은 원심력이 발생되는 위치에

있어서도 윗부분에서의 공기 유입속도가 밑부분에서보다 크게 분포되어 윗부분에서

는 밑부분에서보다 큰 분말이 분급기 안으로 유입된다 지정된 크기의 컷오프보다

큰 분말과 작은 분말이 혼합된 상태로 배출되는 관계로 분급이 정밀도가 저하된다

베인의 상ㆍ하 위치에 무관하게 공기의 유입 속도를 가급적 균일하게 해 주기 위한

목적으로 분급기 내부의 단면 형상을 Fig28과 같은 인볼류트-컨볼류트

(involute-convolute) 단면으로 구성하여 공기의 유동해석을 실시하였다

Fig 28 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기

Fig29는 베인의 중간 높이 수평단면 상에서의 공기 속도 분포이다 Fig25에 비하

여 베인의 외주 부위에서의 공기의 속도가 균일하게 분포되고 있음을 보여 준다

Fig29 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig 30은 베인이 위치한 부위에서의 수직 단면 Fig31은 상ㆍ하면을 고정시켜 주

는 원평봉이 있는 부위에서의 수직 단면에 분포하는 공기 속도 분포이다 Fig30과

Fig31은 각각 Fig25와 Fig26에 비하여 베인의 높이 방향 전체에 걸쳐 공기의 유

입 속도가 상당히 균일하게 분포되는 것을 보여 주고 있다

Fig 30 베인 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig31 연결봉 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig32는 분급기 내부의 공간 형상이 인볼류트-컨볼류트인 분급기의 설계 모델이

Fig32 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 모델

Fig33은 앞의 수축확산 공기 분사노즐(Fig20)과 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급

기(fig32)로 구성된 건식 기류충격식 분쇄기의 3D모델이다 중요 부품의 도면은

ldquo부록 9 설계 도면rdquo에 수록하였다

Fig33 건식 기류충격식 분쇄기의 3D 모델

8 시작품 제작

수축확산 공기 분사노즐의 유동해석 및 분급기의 유동해석 결과를 바탕으로 시작품

을 제작하였다 Fig34는 수축확산 공기 분사노즐 헤드의 시작품 모습이다

Fig 34 수축확산 공기 분사노즐 헤드 시작품

Fig35는 분급기의 시작품 모습이다 분급기의 베인은 분체와 마찰시 내마모성을

갖도록 SUS 재질로 곡면 성형한 후 세라믹으로 코팅하여 제작하였다

Fig35 분급기 시작품

Fig 36은 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 수축확산 공기 분사

노즐 및 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 등이 분쇄기의 내부에 장착되어 있다

Fig36 건식 기류충격식 분쇄기 시작품

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기와 관련된 국외 특허 자료 조사와 분석 공기의

유동해석에 있어 많은 일정이 소요되었다 기술지원 추진일정을 Table1에 정리하

였다

Table 4 추진 일정

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 5: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

4 기술지원 성과 및 효과

1) 해당기술 적용제품

o 적용제품명 기류충격식 분쇄기

o 모 델 명 DGJMV-350

2) 품질 및 가격

구 분 경쟁 제품해당기술 적용제품

비고지원전 지원후

경쟁제품 대비 품질 100 75 95

경쟁제품 대비 가격 100 50 75 대당 130 백만 원 기준

객관환 된 DATA를 근거로 작성

3) 원가저감 효과(대당)

구 분 절 감 금 액 비 고

원부자재 절감 8 백만 원년(6 ) 불량 방지에 의한 재료비 절감

인건비 절감 4 백만 원년(3 ) 안전 생산에 의한 인건비 절감

계 12백만 원년(9 ) 생산량 증가에 따른 비용 절감

공정개선 및 품질향상 등으로 인한 절감효과 반영

4) 적용제품 시장전망(매출성과)

구 분 당해연도 매출 차년도 예상매출전년대비

증가비율비고

내 수 - 백만 원년 800 백만 원년 100

수 출 - 천 달러년 400 천 달러년 100

계 - 백만 원년 1180 백만 원년 100

참고) 1 적용제품 주요수출국 중국 미국

2 작성당시 환율기준 950원USD

5) 수입대체 효과

모델명 당해연도 수입액 차년도수입액 수입대체금액

DGJMV-350 천 달러년 천 달러년 900 천 달러년

계 천 달러년 천 달러년 900 천 달러년

6) 해당기술의 기술력 향상 효과

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계

기술

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른

분급기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

7) 기술적 파급 효과

(1) 초미립 분쇄기에 대한 기초 기술의 정립과 국내외의 특허 기술 파악으로

건식 기류충격식 분쇄기의 성능과 구조 등 자체 개발 방향 설정이 가능하다

(2) 초음속 공기 분사노즐의 설계 능력이 확보되어 다양한 성능의 모델 개발에

활용 할 수가 있다

(3) 서브미크론 크기의 초미분을 생산하는 기류충격식 분쇄기의 핵심 모듈인 고

정밀도의 분급 성능을 갖는 분급기의 설계 능력이 확보되었다 즉 분급기 내부

의 형상과 회전수 베인의 단면 모습과 소요 수량 및 배열에 대한 설계 기술이

확보되었다

5 적용기술 인증 지적재산권 획득 여부

1) 규격 인증획득

인증명 품목 인증번호 승인기관 인증일자

2) 지적재산권

종류 명칭 번호 발명자 권리자 실시권자

비고

(등록

출원)

특허

원심형 분말

분급기

(Centrifugal

Powder

Classifier)

10-2007-0092396

윤승원

최덕규

남상경

최인환

최병훈

한국생산기술연구원

대가파우더시스템(주)출원

6 세부지원실적

항 목 지원 건수 지 원 성 과

기술정보제공 104 건국내ㆍ외 특허 73건 전문서적 14 권 매뉴얼

6 권 기타 기술 자료 11건

시제품제작 1 건 DGJMV-350 건식 기류충격식 분쇄기

양산화개발 3 건 공기 분사노즐 분급기 베인

공정개선 3 건 분쇄기 설계 절차 베인의 형상 설계과 제작

품질향상 3 건 분급기 베인 분사노즐

시험분석 3 건 분말의 입도 측정

수출 및 해외바이어발굴 0 건

교육훈련 18 건SolidWorks COSMOSFloWorks 사용 방법 교

기술마케팅경영자문 1 건 (주)지바이오텍에 건식 분쇄기 장비 소개

정책자금알선 1 건 생산기술연구자금 알선

논문게재 및 학술발표 0 건

사업관리시스템

지원실적업로드 회수0 건

지원기업 방문회수 54 건

지원책임자 지원기업 방문 39 건 국내 방문

7 건 해외 출장 1 건

참여기업 연구원 0명 지원기관 내방 7회

기 타 8 건국내ㆍ외 전시회시 수집 자료 제공 4회

시작품 제작용 자재 지원 4 회

상기 세부지원실적에 대한 세부내용 첨부

7 종합의견

소재산업이 정밀화되고 고기능화함에 따라 서브미크론급의 초미립을 생산하는

분쇄기의 성능 향상이 요구되고 있다 국내의 경우에는 건식 기류충격식 분쇄기

에 대한 설계 기술 부족으로 2 ~ 3 급의 건식 분쇄기를 독일과 일본 등으로

부터 고가로 수입 하여 사용하고 있으며 대항 경쟁 제품을 개발하지 못하고 있

는 실정이다

지원기업 대가파우더시스템(주)은 창업후 36 년 이상 분쇄기를 전문으로 설계

및 생산하는 분쇄기 전문기업이다 본 부품소재종합기술지원사업 전 기술지원

기간 동안 지원기업의 연구진 4 명이 연구사업에 적극적으로 참여하여 지원책

임자와 함께 기술력 향상에 노력하였으며 건식 기류충격식 분쇄기의 핵심 모듈

인 수축확산 공기 분사노즐과 분급기의 자체적인 설계 해석 및 생산 기술을 확

보하였다

건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 여러 부품 중에서 핵심 모듈인 수축확산 초

음속공기 분사노즐과 분급부와 관련된 기초 이론 국내ㆍ외 특허기술 조사와 분

석 구성 부품의 3D 설계 기술 재질 선정 분사노즐과 분급기의 공기 유동 해

석 기술을 확보하였다 즉 초미립 분쇄를 위한 공기 분사노즐의 단면 형상과 공

급 유량 산출 압력과의 관계 분급기 내부의 형상 베인의 단면 형상과 소요 수

량 베인의 간격 배열 위치 및 분급기의 회전수 등을 고려한 유동해석 기술을

확보하여 고정밀도의 분급기의 자체 설계가 가능해졌다

향후 건식 기류충격식 분쇄기의 여러가지 용량과 성능에 맞는 분쇄기를 자체적

으로 설계 및 제작하는 것이 가능하며 제품 신뢰도의 향상과 매출 증대에 크게

기여할 것이 예상된다

연구과제(세부과제) 성과

1 사업화 성과

특허 성과

출원된 특허의 경우

세부사항

(9)

출원년도

(10)

특허명

(11)

출원인

(12)

출원국

(13)

출원번호

2007

원심형 분말 분급기

(Centrifugal Poweder

Classifier)

한국생산기술연구원

대가파우더시스템대한민국 10-2007-0092396

사업화 현황

사업화 세부사항

(9)

사업화명

(10)

사업화

내용

(11) 사업화 업체 개요(12)

기 매출액

(백만원)

(13)

당해연도

매출액

(백만원)

(14)

매출액

합계

(백만원)

업체명 대표자 종업원수사업화

형태

대가파우

더시스템

최은석 59 4

주 11) 사업화 업체 개요의 사업화 형태는 1 연구책임자 창업 2 기술이전에 의한

창업 3 창업지원 4 기존업체에서 상품화 중에서 선택하여 번호 기입

고용창출 효과

고용창출 세부사항(9)

창업(명)

(10)

사업체 확장(명)

(11)

합계(명)

세부지원실적 증빙 내용

1 참여기업 현장방문 47건 참여기업이 생기원 내방 7건

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20060825DPS 주요 기술 지원 사항에 관한 협의

윤승원 최병훈 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

2 20060829기업은행 설명회장 연구비 카드 사용 교육 참석

윤승원 최덕규출장 기록

3 20060831DPS 젯트밀 쳄버 설계 대상 구조 개요 윤승원

최병훈 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

4 20060901KINTEX NanoKorea 2006 참관 윤승원 남상경

최덕규출장 기록

5 20060907DPS 젯트밀 관련 국내 특허 조사 윤승원

남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

6 20060908건식 분쇄기 관련 기술자료 조사 영풍문고

윤승원출장 기록

7 20060915DPS 젯트밀 관련 국내 특허 조사 윤승원

남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

8 20060919 문래동 내마모성 재료조사 윤승원 출장 기록

9 20060921DPS 에어젯트밀 관련 국내 특허 자료 검토

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

10 20061017DPS 에어젯트밀 관련 미국 특허 조사 윤승원

남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

1120061018~

1022

베트남국제산업박람회(VIIF 2006) Hanoi

Vietnam 윤승원출장 기록

12 20061026한국생산기술연구원 기류충격식 분쇄기의 부품

구성도 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민

DPS 연구원 4명

생기원 내방

13 20061027DPS 초음속 공기 흐름에 대한 기초 윤승원

남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

14 2061102DPS 초음속 공기 흐름 관계식 윤승원 남상경

최인환 최덕규 윤상민출장 기록

15 20061103DPS 초음속 공기 흐름 관계식 윤승원 남상경

최인환 최덕규 윤상민출장 기록

16 20061106일산 네이취코리아 건식분쇄기 및 분급기 관련

자료수집 윤승원출장 기록

17 20061109DPS 기류충격식 분쇄기의 구성도와 노즐 설계

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

18 20061116한국생산기술연구원 기류충격식 분쇄기의 예상 부품

구성도 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민

DPS 연구원이

생기원 내방

19 20061123DPS 기류충격식 분쇄기의 예상 부품 구성도

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

20 20061130

DPS 기체 분사노즐의 초음속 분출 속도와 유량

산출에 대한 해석적 방법의 적용 윤승원 남상경

최인환 최덕규 윤상민

출장 기록

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

21 20061204DPS 기류충격식 분쇄기의 예상 부품 구성도

수정 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

22 20061207DPS 기류충격식 분쇄기의 부품번호 및 명칭

부여 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

23 20061212 문래동 철재 부품조사 윤승원 출장 기록

24 20061214DPS 기체 분사노즐 내의 공기유동 유한요소해석

모델링 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

25 20061215DPS 기체 분사조즐 내의 공기유동 유한요소해석

모델링 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

26 20061221

한국생산기술연구원 기류충격식 분쇄기의 공기

초음속 분출 노즐 형상 설계시의 설계 변수

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민

DPS 연구원 4명

생기원 내방

27 20070109DPS 기류충격식 분쇄기 제작용 재료 구입

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

28 20070116DPS 기류충격식 분쇄기의 분쇄 챔버 기본 설계

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

29 20070205DPS 기류충격식 분쇄기의 분쇄 챔버 기본 설계

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

30 20070206DPS 기류충격식 분쇄기의 분쇄 챔버 3D 모델링

윤승운 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

31 20070213

한국생산기술연구원 기류충격식 분쇄기의 분쇄

챔버 3D 모델링에 대한 설계 검토 윤승원

남상경 최인환 최덕규 윤상민

DPS 연구원 4명

생기원 내방

32 20070227DPS 분급기 구조 기본 설정 윤승원 남상경

최인환 최덕규 윤상민출장 기록

33 20070306DPS 회전체 설비의 관성모덴트 산정 방법

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

34 20070308DPS 분쇄 쳄버와 분급기 제작용 내마모성 재료

검토 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

35 20070320DPS 분급기의 기본 구조 모델링과 베인 배열

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

36 20070326DPS 분급기용 베인의 단면 형상과 배열 및 수량

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

37 20070327한국생산기술연구원 분급기 모델링과 베인 배열

구조 윤승원 남상경 최덕규

DPS 연구원 2명

생기원 내방

38 20070403DPS 분급기의 유동장 해석을 위한 COSMOSWorks

해석 연습 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

39 20070410DPS 분급기의 유동장 해석을 위한 COSMOSWorks

해석 연습 윤승원 최인환 최덕규출장 기록

40 20070417DPS 베인 형상 설계 유체 흐름 해석 모델링과

입력 변수 설정 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

41 20070502DPS 베인 형상에 따른 유체 흐름 해석 윤승원

남상경 최인환 최덕규출장 기록

42 20070504한국생산기술연구원 분급기의 공기 유동 해석

결과 분석 윤승원 남상경 최인환

DPS 연구원 2명

생기원 내방

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

43 20070508DPS 여러 내부 형상의 분급기 구조와 베인에

대한 공기 유동 해석 윤승원 남상경 최인환출장 기록

44 20070518DPS 베인의 형상에 따른 분급기의 공기 유동

해석 결과 분석 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

45 20070523DPS 분급기 내부 형상 설계 변경 윤승원

남상경 최인환 최덕규출장 기록

46 2070530한국생산기술연구원 분급기 내부 형상에 따른 흐름

해석 분석 윤승원 남상경 최인환 최덕규

DPS 연구원 3명

생기원 내방

47 20070601DPS 분급기 내부 형상의 조립성을 고려한 설계

수정 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

48 20070607DPS 베인의 형상과 수량에 따른 분급기의 공기

유동 재해석 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

49 20070613DPS 분사노즐 설계 확정을 위한 공기 분사노즐

유동장 재해석 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

50 20070618DPS 에어젯트밀 구조 설계 검토 윤승원

최병훈 남상경 최인환 최덕규출장 기록

51 20070703DPS 분급기 내부 형상에 대한 특허 출원 자료

준비 윤승원 최병훈 남상경 최인환 최덕규출장 기록

52 20070705

경북 칠곡 쿠어스텍코리아 분급기용 베인 제작

가능성 확인을 위한 업체 방문 윤승원 최인환

최덕규

출장 기록

53 20070711DPS 베인 형상 확정 및 구매 요청 윤승원

남상경 최인환 최덕규출장 기록

54 20070724DPS 분쇄기 에어노즐 분급기 설계 자료 정리

윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

2 기술정보제공 특허 73건

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20061013 분쇄기 관련 한국특허 13건(제본) 부록 1 목록

2 20061013 분쇄기 관련 일본특허 16건(제본) 부록 2 목록

3 20061013 분쇄기 관련 미국특허 23건(제본) 부록 3 목록

4 20061013 분쇄기 관련 유럽특허 4건(제본) 부록 4 목록

5 20070213 분급기 관련 미국특허 17건(제본) 무록 5 목록

3 기술정보제공 전문서적 14권

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20070306 構造解析のだぬの有限要素法實戰ハソドプツク 전문서적

2 20070306 世界の規格基準認證ガイドツク 전문서적

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

3 20070306 設計者に必要な材料の기 전문서적

4 20070306 設計者のたぬの モーメソト 전문서적

5 20070306 すべリ軸受資料集 전문서적

6 20061109Flow Mechanics and Thermodynamics in

Mechanical Processing전문서적

7 20061109NETZSCH-CONDUX Fludized Bed Jet Mill 제품

홍보자료

제품

홍보자료

8 20060907 Assembly Modeling with SolidWorks 20042005 전문서적

9 20060907 SolidWorks 2005 Tutorial and MultiMedia CD 전문서적

10 20070601Engineering Analysis with COSMOSWorks

Professional 2007전문서적

11 20070205 COSMOSMotion 전문서적

12 20061116 FLUENT 60 Tutorial Guide 전문서적

13 20070213 FLUENT 60 Users Guide 전문서적

14 20070213 Fundamentals of Fluid Mechanics 전문서적

4 시제품제작 1 건

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20070715 기류충격식 분쇄기 DGJMV-350 시작품

5 시험분석 3건

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20070627 입도 측정 histogram 1 부록 10

2 20070627 입도 측정 histogram 2 부록 10

3 20070627 입도 측정 histogram 3 부록 10

6 기술지원실적 업로드 건

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

목 차

제 1 장 사업의 개요

제 1 절 기술지원 필요성

제 2 절 기술지원 목표

제 3 절 기술지원 내용

제 2 장 국내ㆍ외 기술 현황

제 1 절 세계의 기술 현황

1 일본 Hosokawa 사의 수직형 기류충격식 분쇄기

2 일본 Hosokawa 사의 수평형 기류충격식 분쇄기

3 일본 미놀타 사의 수평형 기류충격식 분쇄기

4 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의

수평형 기류충격식 분쇄기

5 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기

6 미국 Xerox 사의 수평형 기류충격식 분쇄기와 노즐

7 독일 Netzsch 사의 건식 기류충격식 분쇄기

8 독일 특허 공기 분사노즐

9 미국 특허 분쇄기 구조

제 2 절 국내의 기술 현황

제 3 장 기술지원 수행 내용 및 결과

제 1 절 기술지원 수행

1 분쇄기 시스템 구성도

2 소리의 속도

3 공기 분사노즐에서의 유동식

4 공기 분사노즐의 흐름 특성 계산

5 수축확산 공기 분사노즐의 유동 해석

6 분급 이론

7 분급기 설계와 유동 해석

8 시작품 제작

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

2 기술지원 추진체계

3 연구기자재 활용

4 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

6 입도 측정

7 지적재산권 출원

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

제 6 장 참고문헌

부록 1 분쇄기 관련 한국 특허 13건 목록

부록 2 분쇄기 관련 일본 특허 16건 목록

부록 3 분쇄기 관련 미국 특허 23건 목록

부록 4 분쇄기 관련 유럽 특허 4건 목록

부록 5 분급기 관련 미국 특허 17건 목록

부록 6 기술지원 관련 전시회 참석

부록 7 개스의 비열값 개스 상수 밀도

부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 분급기 유동해석

부록 9 설계 도면

부록 10 입도측정 histogram

제 1 장 사업의 개요

분쇄는 재료에 외력을 가하여 작은 크기로 세분화하고 표면적을 증가시키는 기계적

인 조작이다 목적하는 파쇄물 입자의 크기에 따라 조쇄(粗碎) 중쇄(中碎) 분쇄(粉

碎) 미분쇄(微粉碎) 초미분쇄(超微粉碎)로 구분된다 분쇄시 작용되는 응력은 압축

력 충격력 전단력 마찰력 절단력 등이 있으며 단독의 힘이 작용되는 경우는 드

물고 분쇄 대상 재료에 여러 가지 힘임 복합력으로 동시에 작용되어 분쇄기 이루어

진다(1)

분쇄기는 분쇄 입도의 크기에 따라 다음과 같이 분류한다

(1) 조분쇄기 1500mm~100mmrarr500mm~25mm (분쇄비 4~3)

(2) 중분쇄기 500mm~6mmrarr50mm~1mm (분쇄비 7~5)

(3) 미분쇄기 125mm~1mmrarr2mmrarr01mm (분쇄비 20~10)

(4) 초미분쇄기 6mm~01mmrarr01mm~001mm (분쇄비 50~10)

분쇄기의 분쇄 방법에 의한 종류는 다음과 같다

(1) 볼밀(ball mill)

원통 속에 재료와 함께 강으로 만든 볼 즉 강구를 여러 개 넣은 후 함께 회전시켜

강구운동에 의한 충격으로 재료를 분쇄하는 장치이다 볼에는 주철 칠주물 플린트

석 천연석 등 원료에 따라 여러 가지가 있다 통의 길이는 통의 지름을 초과하지

않는 것이 표준형이지만 지름의 수 배 이상으로 긴 형의 튜브밀 그 중간인 콤파운

드밀(compound mill) 다양한 종류도 있다 원통의 내면은 특수강 또는 니켈판으로

내장한다 최종적인 미분을 만들 때 사용되며 도토(陶土) 염료 드의 처비분인 경

우에는 건식으로 사용되며 용도가 매우 넓다

(2) 로드밀(rod mill)

기체 내면의 길이보다 약간 짧은 강봉을 분쇄매체로 사용하는 회전식 분쇄기이다

거친 입자부터 선택적으로 분쇄하며 입도(粒度)가 비교적 가지런한 분쇄산물을 얻

을 수 있는 특징이 있다 단독으로 사용되는 외에 불밀에 의한 분쇄의 예비분쇄기

로서도 종종 사용된다

(3) 롤러밀(roller mill)

볼밀과 같은 원리의 분쇄기로 시멘트원료를 분쇄할 때나 석탄을 분쇄할 때 사용된

다 분쇄기 중에 롤러나 볼을 이용한 것을 링롤러밀이라고도 한다

(4) 조크러셔(jaw crusher)

전ㆍ후로 조금씩 진동하는 강철제의 철판과 이와 마주 보는 고정판 시이에 수 cm

에서 1m 정도의 암석 등의 덩어리를 물려 넣고 짓씹어 부수게 하는 구조로 되어

있다

(5) 임팩트 크러셔(impact crusher)

매초 원주 속도가 수십 m로 고속회전하는 원통에 장치된 충격판에 의해 분쇄하는

장치이다 골재 정형에 널리 쓰인다

(6) 휠러밀(wheeler mill)

tn 이하의 미분쇄를 필요로 하는 분야에서 널리 사용된다 소위 유체에너지밀의

일종으로 고압기체를 불어 넣음으로써 입자를 기계의 벽이나 또는 다른 입자에 충

돌시 켜서 분쇄하는 장치이다 기체가 길쭉한 도넛형의 통내를 입자와 함께 환류하

고 미세하게 된 입자만이 배기와 함께 기외로 배출되는 구조로 되어 있다

(7) 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)

노즐로 높은 압력의 공기 또는 질소를 초음속으로 분사시켜 분말 상호 간의 충돌로

초미립 크기로 분쇄되며 분급 휠(classifier wheel)의 속도 변환과 베인과의 간격에

의해 미립자의 크기를 조절하여 분급하는 방식이다 노즐의 크기 배열 상태 및 공

기 흐름의 조절로 효율성을 크게 증가시킬 수 있으며 동시에 분쇄기의 마모와 제품

의 순도 최적화를 유지할 수 있다 입도의 크기는 01 ~ 10의 범위에 있다

이외에도 큰크러셔(cone crusher) 압축력에 의한 자이러토리크러셔(gyratory

crusher)가 있고 충격력에 의한 해머밀(hammer mill) 케이지밀(cage mill) 유체에

너지밀 전단력에 의한 분쇄기 등이 있으며 마쇄력에 의한 자생분쇄밀과 진동밀

유성밀 교반밀이 있다

최근 들어 소재산업이 정밀화되고 고기능화 함에 따라 카본블랙 TiO2 PbO ZnO

SiO2등의 안료 세라믹 자기재료 맥반석 황토 슬래그 운모 흑연 탄화규소 탄

산칼슘 등을 미크론(μ) 크기 또는 서브미크론 크기의 분말로 분쇄하는 정밀 분쇄기

수요가 증대하고 있다

Fig 1 은 습식 분쇄기의 종류와 입도 범위의 관계를 나타낸 것이다 Fig 1 밑부분

의 화살표는 본 부품소재종합기술지원사업 수행으로 개발하고자 하는 분말의 크기

범위를 표시한 것이다

Fig 1 습식분쇄기의 입도 범위(독일 Buehler사)

제 1 절 기술지원 필요성

대가파우더시스템은 1970 년도에 창립하여 현재에 이르기까지 산업용 분쇄기 집

진기 건조기 기체여과기 액체여과기 폐수처리장치 등의 전문생산업체이다 최근

들어 소재산업이 정밀화되고 고기능화 함에 따라 분쇄기의 성능 향상이 요구되고

있다 최근에는 수십 nm 이하의 초분체 카본블랙 TiO2 ZnO SiO2 등의 안료 세

라믹 자기재료 등의 각종 소재의 입도 정밀화가 실현되고 있다 초분체기기 및 요

소 부품의 국내 수요는 독일의 DRAIS 일본의 KOTOBUKI 사 DYNO 사 등의 선진

메이커 제품을 수입하여 사용하고 있다 건식 기류충격식 분쇄기에 대한 국내 설계

기술 부족으로 외국에서 수입되고 있는 제품의 가격이 고가이어도 경쟁할 수 있는

제품을 개발하지 못하고 있는 어려운 상황이다

대가파우더시스템은 최근 습식 방법의 초미립 분쇄기를 개발하여 시험 중에 있으

며 압축공기를 이용한 기류충격식 분쇄기 개발에 있어서 분쇄부와 분급부의 기초

이론 구성 부품 설계 재질 선정 분쇄기 구조에 대하여 유한요소법으로 유동해석

을 하는 시뮬레이션 기술력 확보에 어려움을 겪고 있다 초미립 분쇄(ultra-fine

pulverization)를 위한 기류 분사노즐(compressed air nozzle supersonic air

nozzle)의 단면 형상 설계와 분쇄에 요구되는 유량 산출 분급기(classifier)의 크기

과 공기 유동부의 내부 형상 베인의 형상과 수량 베인의 간격 배열 위치 및 분급

기 회전수 등에 대한 설계 변수 등에 있어서 애로를 겪고 있으며 기술력 향상을

위하여 외부 전문가의 기술지원이 요청되고 있다

건식 기류충격식 분쇄기 설계의 핵심 기술을 지원하여 건식 기류충격식 분쇄기의

국내 업체의 자체 설계 능력 확보가 요구되낟 본 부품소재종합기술지원사업을 통

하여 초미립 분쇄기와 관련된 국내ㆍ외 특허 자료 기술문헌 및 분쇄부와 분급부의

기초 이론 관련 자료 조사와 제공 초미립 입자를 생산하기 위한 건식 분쇄기의 구

조 설계 기술 지원 유량에 따른 기류충격식 분쇄 노즐의 설계 변수 컴퓨터를 이용

한 3 차원 모델링에 의한 설계 유한요소법에 의한 기체의 유동 해석 기술 지원이

필요한다

제 2 절 기술지원 목표

기술지원의 초종 목표는 지원기업 대가파우더시스템가 분쇄 입도의 평균직경 18

~ 20 인 초미립 파우더를 생산하기 위한 기류충격식 분쇄기 설계와 생산에 대

한 기술 확보이다 공기 분사 방식의 분쇄 노즐 형상 분급부의 구조 설계 및 작동

에 대한 기초를 체계적으로 정립하며 분쇄기 구성 부품의 재질 선정 3D 모델링에

의한 분쇄기 시스템 설계와 유한요소볍에 의한 공기 유동장 해석 결과를 바탕으로

시작품을 제작하며 향후 유사 모델에 대한 자체적인 설계 및 새산 능력을 확보하

는 것이다

제 3 절 기술지원 내용

1 건식 기류충격식 분쇄기의 국내ㆍ외 특허 자료 기술문헌 및 기술정보 조사 지

원으로 초미립분쇄기의 기초 이론 구조 기능 정립 초음속 분사노즐 단면 형상

설계 자료로 활용

2 3D 모델링에 의한 설계 기술 지원으로 설계 오류를 사전에 방지

3 초음속 분쇄 노즐의 형상 설계와 유동 특성 해석 기술

4 분급부의 내부 구조 베인의 형상과 배열 및 수량 결정 유한요소법에 의한 분급

기의 유동 해석 기술 지원으로 분급 입도의 안정화 분급기 설계 및 제작

5 분쇄부와 분급기의 재질 선정 지원으로 생산가 관리 및 내구성 확보

Table 1 기술지원 목표 및 내용

제 2 장 국내ㆍ외 기술 현황

건식 분쇄 기술로 크기가 1 이하의 작은 입자를 생산하는 것은 어려운 기술로

분체기술의 장벽이라고 일컬어진다 각종 소재를 성분 변화없이 100nm 이하의 크

기로 극미세 분쇄하는 기술은 미래 산업을 이끌어갈 핵심분야로 국가간 연구개발

경쟁이 치열한 기술이다

제 1 절 세계의 기술 현황

나노급의 미세 파우더는 1980 년대초 독일의 칼스루헤연구소 등에서 시작되어

1990년대에 들어서 100nm 이하의 제조합성에 관한 연구가 본격화되었다 일본의

경우에는 과학기술청의 창조과학기술 추진과 통산성의 차세대산업기반기술 분야로

선정되어 주목을 받고 있다 초미분을 생산하기 위한 양산 장비 및 요소 부품에 대

한 선진국의 기술은 독일의 DRAIS사(습식) NETZSCH사(건식) 일본의 Kotobuki사

(습식) DYNO사(습식) Hosokawa 사(습식 건식) 등의 선진메이커에서 제품이 개

발되어 판매되고 있다 또한 나노 파우더 생산업체로는 일본의 Kako 사 미국의

Whittaker 사 Dow Chemical 사 Dupont사 및 독일의 Degusa사 등이 있다 현재

까지는 나노급 파우더 제조 공정의 불안정 및 복잡성 평가 방법의 미흡 등으로 다

양한 제조 공정 기술개발이 진행되고 있다 세라믹 분말의 경우에는 일부 특수한

경우에만 상용화되고 있다 금속분말의 경우에는 한정된 종류의 금속만 생산이 가

능하여 계속적인 개발이 진행되고 있다

건식 기류충격식 분쇄기의 주요 제작업체는 일본의 Hosokawa 사와 독일의

Netzsch 이다 미국 일본 및 독일 등에 대부분의 같은 내용의 특허가 등록되어

있으며 일본과 독일에 의하여 등록된 특허의 구조적인 특징은 다음과 같다

1 일본 Hosokawa사의 수직형 기류충격식 분쇄기

건식 기류충격식 분쇄기의 대표적인 업체인 일본의 Hosokawa 사 분쇄기의 특징

은 3개의 초음속 분사노즐이 에어젯트밀의 중앙인 수직 평면상에 원호상 등간격인

120도 간격으로 원의 중심을 향하여 배열되어 있으며 분쇄기 내의 상부에 회전축

이 수평인 위치로 회전되는 원심형 분급기가 설치되어 있다(Fig 2)

분쇄기의 모델과 분쇄 대상 재료에 따라 분말의 크기가 01 - 10 의 범위에 있

Fig 2 일본 Hosokawa 사의 수직형 기류충격식 분쇄기의 내부

2 일본 Hosokawa 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(2)

Fig 3a ~ Fig 3c는 일본 Hosokawa 사의 등록특허이다 분쇄기와 분급기 구조에

관한 것이다 Fig 3a에 보인 원형 단면의 분쇄실 외주부에 Fig 3b와 같이 에어를

고압 분사하는 분사노즐이 다수개 배열되어 있어 재료 공급관으로 유입되는 재료

가 고압의 공기 분사에 의하여 분쇄된다 분쇄도니 미분은 상부 통로로 배출되며

조분은 Fig 3b 의 ldquo16rdquo 번 부위인 분쇄기 내벽을 따라 이동되다가 공기 노즐의

출구부 측면에 나있는 구멍으로 흡입되어 공기와 함께 분사되어 재분쇄가 된다

Fig 3a 일본 Hosokawa 사의 분쇄기 단면(일본 特開平 11-179228 1999)

Fig 3b 일본 Hosokawa사의 분쇄기 평면(일본 特開平 11-179228 1999)

Fig 3c 일본 Hosokawa사 분쇄노즐 단면(일본 特開平 11-179228 1999)

3 일본 미놀타 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(3)

Fig 4a ~ Fig 4c 는 일본 미놀타사의 등록특허이다 분쇄기와 분급기 구조로

Fig 2에 보인 Hosokawa 사의 수직형 분쇄기와 비슷한 구조이다 분쇄 효율을 높

이기 위하여 Fig 4c 에 보인 것과 같은 분쇄기 중앙부의 분사된 공기가 집중되는

위치에 삼각형 경사판을 배치하여 공기가 충돌한 후 분쇄기 상부로 향하게 되어

있다

Fig 4a 일본 미놀타사의 분쇄기 단면(일본 特開 2000-5621 2000)

Fig 4b 일본 미놀타사 분쇄기의 분사노즐 배열(일본 特開 2000-5621 2000)

Fig 4c 일본 미놀타사 분쇄기의 충격판(일본 特開 2000-5621 2000)

4 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(4)

Fig 5는 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 등록특허이다 분쇄기 내측

수평면상에 분사노즐이 서로 마주 보게 배열되어 있다 분급기의 회전 축이 분쇄기

의 중심축과 일치한 상태로 회전하여 수평면 상에서 원심력에 의하여 분급이 이루

어진다 분급된 미분은 분쇄기 상부의 통로로 배출된다

Fig 5 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 수평형 기류충격식

분쇄기(일본 特開 2002-35631 2002)

5 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(5)

Fig 6 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기 구조는 Fig 4 의 일본

미놀타사와 유사하다 수평면상에 분사노즐이 배열되어 있으며 분급기의 회전축도

수평으로 위치하고 있다

Fig 6 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(일본 特開 2003-88773

2003)

6 미국 Xerox사의 수평형 기류충격식 분쇄기와 노즐(6)

Fig 7a의 미국 Xerox사의 수평형 기류충격식 분쇄기 구조는 Fig 5의 일본

Hosokawa Alpine AGampCo OHG 사의 구조와 유사하다 분사노즐이 수평면상으로

배열되어 있으며 분급기의 회전축도 수평으로 위치하고 있다 분사노즐의 형상은

Fig 7b 에서와 같이 이중관 구조이다

Fig 7a 미국 Xerox 산의 수평형 기류충격식 분쇄기(일본 特開 2004-50179

2004)

Fig 7b 미국 Xerox 사의 이중관 분사노즐(일본 特開 2004-50179 2004)

7 독일 Netzsch사의 건식 기류충격식 분쇄기(7)

독일 Netzsch 사는 대표적인 기본 구조의 건식 기류충격식 분쇄기를 개발하여 가

공 용량이 다른 여러 가지 분쇄기에 유사한 구조를 적용하였으며 일본 Hosokawa

산의 분쇄기와는 전혀 상이한 구조이다 즉 3 개의 초음속 분사노즐이 기류충격식

분쇄기 하부의 수평 평면상에 원호상 등간격인 120 도 간격으로 원의 중심을 향하

여 배열되어 있으며 Fig 8 에서와 같이 수직 회전축을 갖는 원심형 분급기가 분

쇄기 상부에 설치되어 있다 분급기의 외형 모습은 Fig 9에 보인 것과 같으며 분

급 효율을 향상시킬 목적으로 분급기 단면이 회전 중심으로 향할수록 상하 공간이

넓어지는 ldquoConvor로 명명된 형상의 단면 모습으로 되어 있다(Fig 10)

Fig 8 독일 Netzsch 사 분쇄기의 내부 구조

Fig 9 독일 Netzsch 사의 분급기

Fig 10 독일 Netzsch 사 분급기의 단면 형상 ldquoConvor

8 독일 특허 공기 분사노즐(9)

독일 Netzsch 사의 분쇄기 관련 기술 컨설턴트인 Nied 가 고안한 분쇄용 분사노즐

의 구조에 대한 것이다 3 개의 공기 분사노즐이 기류충격식 분쇄기 하부의 수평

평면상에 원호상 등간격인 120도 간격으로 원의 중심을 향하여 배열되어 있다(Fig

11a) 분사노즐 중앙부의 구조는 단면이 수축-확산 형태로 노즐로 초음속의 고속

분사를 하면서 중심 노즐 주변에 중앙 분사부를 감싸는 이중 공기 분사관을 형성

하여 중앙의 분사노즐에서 분사되는 공기의 확산각이 커지지 않도록 공기 주위에

추가적인 보조 공기를 분사하는 구조이다(Fig 11b)

Fig 11a 독일 특허-분사노즐 배열과 분사 공기의 분포(EP 0 736328A1 1996)

Fig 11b 독일 특허-분사노즐 단면과 분사 공기의 분포(EP 0 736328A1 1996)

9 미국 특허 분쇄기 구조(10)

일본의 히데유끼 요시다 등 5 명이 미국에 출원한 특허로 분쇄 재료가 초음속으로

분출되는 공기 통로의 중간에서 공급되며 재료가 분쇄실로 이동된 후 충격판에 충

돌되어 분쇄되는 구조이다(Fig12) 분쇄된 분말의 크기는 10 수준이다

Fig 12 미국 특허-충돌식 분쇄기(USP 57657661998)

제 2 절 국내의 기술 현황

국내의 경우에는 초미분 분말 생산에 관한 개발 역사가 짧으며 연구소 대학 기업

등에서 다발적으로 연구가 진해오디고 있다 기계 전자 물리 재료 화학 등의 연

계된 연구가 필요하다 1996 년 과학기술부 및 산업자원부 등의 산업단을 중심으로

대형 연구가 수행되어 왔으나 주로 기상법에 의한 분말합성에 관한 것이다 1998

년도부터 한국기계연구원에서 200nm 급의 건식 분쇄 및 분급기에 대한 개발을 시

작으로 초미분 파우더 생산 장비에 관한 연구가 이루어지고 있다 초미분 분쇄 방

식은 본 기술지원 과제의 지원기업인 대가파우더시스템을 포함하여 습식 방식인

교반밀(agitated mill)을 주로 사용하며 입도의 크기는 5 이상 수십 크기의

범위이다 기류충격식 분쇄기의 기술 수준은 입도의 크기가 5 ~ 10 수준이다

기존의 습식분쇄기의 경우 평균 입도가 28 ~ 32로 Pb0를 대상으로 할 때 4

~ 6 kghr 정도를 생산할 수 있는 수준이다

국내에 등록되어 있는 건식 기류충격식 분쇄기와 관련된 특허의 출원인인 대부분이

일본업체이며 일본에 출원된 특허를 한국에 재출우너한 것이 대부분이다 미국과

벨기에가 각각 1 건씩 등록하고 있으며 한국인이 출원한 특허는 테크월드에서

출원한 3 건 등 모두 4 건이 검색되었다 마이크로급 이상의 파우더 생산장비에 대

한 국내의 기술 수준은 선진국 기술 수준의 약 70 수준이다 그나마도 설계 및

생산에 있어 거의 모방에 의존하고 있다 나노급 기술은 초보적인 상태이다

제 3 장 기술지원 수행 내용 및 결과

제 1 절 기술지원 수행

본 부품소재종합기술지원사업은 Fig13의 기술 개발 추진도에 따라 수행되었다

Fig 13 기술 개발 추진도

분쇄기의 전체 시스템 중에서 분쇄기와 분급기 이외의 기타 구성 모듈들에 대한 설

계 및 생산기술은 지원기업 대가파우더시스템이 기확보하고 있는 기술이 기술

지원의 주된 내용은 기류충격식 분쇄기의 핵심 부품이며 분쇄기의 성능을 좌우하는

초음속 공기 분사노즐과 분급기의 설계 기술에 관한 것이다 초음속 공기 분사노즐

의 단면 형상 공급 공기의 압력과 분사 공기의 속도 및 공기 소요량 산출을 위한

공기 분사노즐 설계와 분쇄기 내부의 내마모성 재료 선택 분급기 베인의 형상과

분급기로 유입되는 공기의 속도 분포를 균일하게 하여 원심력 작용으로 분말의 분

급 정밀도를 향상시켜 주기 위한 분급기의 내부 단면 형상 설계 미 ㅊ유입 공기 속

도 및 압력 분포에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 방법 등에 대한 체계적인 기술 지원이

수행되었다 향후 유사 모델 개발에 적용하여 새로운 제품을 개발할 수 있는 설계

능력을 확보하였다

1 분쇄기 시스템 구성도

본 기술지원을 통하여 개발하는 핵심 기술은 건식 기류충격식 분쇄기의 초음속 공

기 분사노즐과 분급기와 관련된 기술이다 분쇄기의 기본 구조는 독일의 Netzsch

사 제품과 유사한 구조로 되어 있으며 분쇄용 공기 분사노즐과 고정밀도의 분급기

설계기술을 자체 보유하는 데 주안점이 있다 개발 대상 분쇄기 시스템의 전체 구

성도는 Fig 14(7)에서와 같다 Fig 14에서 분쇄기 시스템은 ldquo진동공급기rdquo를 통하

여 공급되는 분쇄용 우너료를 ldquo건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기rdquo로 분쇄 및 분급

한 후에 cyclone을 거쳐 bag filter로 분말을 포집하는 시스템으로 구성되어 있

다 분말과 공기가 혼합된 기류는 각각의 단계로 이송하는 과정에서 double flap

valve로 이송이 조절되며 최종적으로 fan의 작동으로 공기가 배출된다

건식 기류충격식 분쇄기 본체를 구성하는 부품의 서브어셈블리는 각각 Chamber

Body Laval Nozzle Classifier Wheel 및 Bearing Block등으로 구성되어 있

다 주요한 설계 변수는 분쇄챔버의 직경과 높이 초음속 공기 분사노즐 설계 있어

서 라발 노즐(초음속 공기 분사노즐)의 모즐 목 내경과 배출부의 직경 및 축방향의

단면 형상 공기되는 공기의 압력 등이다 분급기 설계에 있어서의 주요 변소는 베

인의 단면 형상 베인의 수량과 배열 각도 분급기 내부 공동부의 단면 형상 분급

기에 유입되는 공기 속도와 분급기를 통과한 이후의 공기 압력 등이다

Fig 14 기류충격식 분쇄기의 시스템 구성도

2 소리의 속도

물체의 일부에 교란을 주면 개스 유체 및 고체의 압축성으로 인하여 물체를 통하

여 유한한 속도로 교란이 전파된다

음속은 물체의 압력과 밀도 변화와 관계되어 있으며 다음식으로 표현된다

여기서

음속 압력변화 밀도 변화

체적탄성계수는 다음과 같이 표현된다

여기서

체적탄성계수 압력변화 체적변화 초기체적

체적탄성계수는 식 (3)으로도 표현된다

여기서

물체의밀도변화 물체의초기밀도

개스 유체 고체 내에서의 음속은 다음식과 같다

여기서

체적탄성계수

개스에서의 소리 속도는 아주 작은 한 점에서 교란이 일어나는 관계로 열전달을 무

시할 수가 있으며 또한 등온 상태로 가정할 수가 있다 이상 기체에서의 소리 속도

는 절대 온도의 근에 비례하며 다음식으로 표현된다

여기서

k = 비열비 (adiabatic index)

p = 압력 (Pa psi)

R = 개스 상수

T = 절대 온도 (degK degR)

앞의 식 (4)와 식 (5)로부터

식 (6)으로부터 체적탄성게수 E를 구할 수가 있다

( 예 1 ) 공기의 체적탄성계구 산출

k = 14 R = 287 (JK kg) at T=293K( 20 ) p=1204(kgm3)

Eair = k R T p=14X287X293X1204=14174379((Jm3)

Eair = 14174379(Nm2)

( 예 2 ) 염소(C12)의 체적탄성계수 산출

k = 134 R = 120 (JK kg) at T=293K(20) p=2994(kgm3)

Ec12 = k R T p=134X120X293X1994=14106051((Jm3)

Ec12 = 14106051(Nm2)

( 예 3 ) 0 1 bar 공기에서의 소리 속도

c = (14x287x273)12

= 3312 (ms)

여기서

k = 14

R = 287 (JK kg)

( 예 4 ) 20 1bar 공기에서의 소리 속도 산출

c = (14X287X293)12

= 3431 (ms)

( 예 5 ) 0 물속에서의 소리 속도 산출

여기서

3 공기 분사노즐에서의 유동식

개스역학에서 공기의 속도가 sim 이상으로 빠르거나 압력의 변화가

보다 큰 경우에는 압축성 흐름으로 취급한다 이러한 현상은 노즐에서

개스가 팽창하는 경우에 발생된다

정상유동에서의 에너지 평형 상태는 다음식으로 표현된다

여기서 엔탈피는

이며 엔탈피 ∆의 변화는 내부에너지 ∆에 외부로 또는 외부로부터의 체적에

의한 일 ∙∆의 합과 같다

내부에너지의 변호가 없고 밀도가 일정하다고 가정하면 즉 ∆ 인

경우에는 비압축성유동의 베르누이 방정식이 된다 반면에 위치네어지의 변화가 없

는 경우 ∆ 에는 상대적으로 밀도가 낮은 압축성 유체인 ldquo개스rdquo의 상태를

나타낸다 ldquo개스역학rdquo 이라는 자체가 의미하듯이 해석에 있어 고압 및 개스의 속도

가 포함되며 내부에너지의 변화 ∆를 무시할 수가 없다 이러한 의미에서 식 (7)

은 다음과 같이 된다

이상개스 방정식에서

이며 식 (12)를 식(9)에 대입하면 다음과 같이 된다

식 (13)에 에너지 보존법칙을 적용하면 노즐에서 분사되는 개스의 속도를 구할 수

있다

개스의 초기 속도가 인 경우에는

가역 단열 흐름에 있어서는 다음 3개의 식을 적용할 수가 있다

식 (16) ~ 식 (18)을 식 (15)에 대입하면 노즐에서 분출되는 개스의 속도가 구해

진다

노즐을 통과하는 질량의 흐름 식

밀도의 비로부터

다음과 같이 노즐을 통과하는 질량을 구한다

다음의 식 (23)을 식 (22)에 대입하여

식 (24)를 구한다

여기에서

을 ldquo탈출 계수(escape coefficient)rdquo 라고 한다

식 (25)를 사용하여 식 (24)를 다시 표현하면 다음의 간략식이 된다

탈출 계수 는 압축비 의 값이 다음과 같은 값일 때

임계 압축비 또는 라발 압축비로 표현되는 다음 크기의 최대값을 갖는다

음속은 노즐의 단면적이 제일 작은 부분에서 임계 압축비에 도달한다

max는 테이퍼가 일정한 실린더 형상의 노즐에 적용된다 식 (26)에 의하여

ㆍ 가 되며 는 일정한 테이퍼의 노즐에서만 증가할 수 있다 만약 압

축비 가 임계비 이하이면 max이므로 노즐을 통과하는 질량의 흐름은 일정

하다 이것은 질량의 흐름이 외부의 압력에 영향을 받지 않는다는 것을 의미한다

질량의 흐름에 의한 일은 다음의 식 (30)으로부터 구해진다

압축성 유체의 단열 팽창시에 수행된 일은 식 (19)와 식 (30)로부터 다음과 같이

산출된다

아래의 Fig 15 는 수축확산 노즐의 단면 모습이며(11) Fig 16 은 수축확산 노즐에

서의 압력 온도 속도 변화를 나타낸 것이다(8)

Fig 15 수축확산 노즐(Laval Nozzle)

Fig 16 수축확산 노즐에서의 압력 온도 속도 변화

압축성 유체의 흐름에 있어서 임계 속도 이후에 노즐의 단면이 서서히 확대되면

열에너지가 유동에너지로 변환되면서 온도는 낮아지고 흐름이 증가된다

앞의 식 (27)을 참조할 때 Fig 16 의 수축확산 노즐의 단면적이 가장 작은 임계

압축비 에서 음속에 도달한다 이 것은 질량 흐름에 식 (26)이 계속적으로 유

효하다는 것을 의미한다 수축확산 노즐 출구에서의 온도는 다음과 같은 관계가 된

노즐 확산부의 치수는 다음식으로부터 구해지며

개스 상수 등은 계수 개스 유입 온도 노즐 목의 직경 압축비 등의

변수로부터 노즐 출구에서의 개스 속도와 온도를 구할 수가 있다 공기 흐름 해석

대상 노즐 각부에 대한 부호는 Fig17에서와 같다

Fig 17 수축확산 노즐의 각부 부호

실제 수축확산 노즐을 설계하는 데 있어서는 노즐에서 발생될 수 있는 압축파 발생

을 억제하기 위하여 노즐 출구의 치수를 설계값보다 약간 작게 한다 즉 Fig 17에

서의 노즐의 확산각 가 를 넘지 않아야 하며 최대 이내여야 한다

4 공기 분사노즐의 흐름 특성 계산

앞의 ldquo3 초음속 공기 분사노즐에서의 공기의 흐름rdquo에서 유도된 식들을 이용하여

ldquoMathcad 13 프로그램(12)으로 설계 대상 분쇄기에 적용되는 공기 분사노즐의 단

면 치수 유입 공기량 노즐 출구에서의 공기 속도 소요 동력 등을 산출하였다

우선 단위와 공기의 상수를 정리하면

kilo=1000 TK =273 hoursec =3600 k = 14

ㆍsecㆍ

ㆍsecㆍ

ㆍsec

ㆍsec

예를 들어 tan tan tan tan

해석 조건이 다음과 같으면 tank pressure=700kPa Ttank=70 exit

pressure=100kPa

단위 (mm) throat diameter=50 length 150 outlet diameter=70 diffusion

angle α=38deg

d = 0007 pe = 100kilo po = 7pe Ttank =7C

To = TK+Ttank To=343 (K)

times

sec

Air_massflow1N_hour =Air_masflow1N_sechoursec

Air_massflow1N_hour = 133024 (kghrper 1 nozzle)

Air_massflow3N_hour = Air_massflow 1N_hour3

Air_massflow 3N_hour = 399071 (kghrper 3 nozzles)

Imsec)

sec

timesorsec timesorsec

(kgm3)

sec

sec sec

공기분사 노즐 목의 직경이 50mm 출구 직경이 70mm 노즐 목에서 노즐 출구까

지의 길이가 150mm로 공기 분사노즐의 환산각 도인 공기 분사노즐이 3

개 장착되어 있으며 탱크내의 공기가 압력 7bar 와 70 를 유지하면서 계속적으

로 노즐을 통하여 공급되며 또한 분쇄 챔버 내의 압력이 1bar 로 유지되는 경우의

공기 분사노즐의 유동 특성 계산 결과를 종합 정리하면 다음과 같다

- 노즐 출구에서의 공기 최대 속도 542151msec

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 무게 399071kghr

(노즐 하나에 00369kgsec)

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 부피 225333m3hr(0063m3sec)

- 소요 동력 16291kWhhr

5 수축확산 공기 분사노즐의 유동 해석

공기 분사노즐을 3D 모델링 프로그램 SolidWorks(13)로 모델링하여 열유체 해석

을 위한 유한요소해석 프로그램 COSMOSFlwWorks(14)로 공기 분사노즐 내의 유

동 해석을 수행하였다 해석 대상 공기 분사노즐 단면의 형상과 각부의 치수는

Fig18에서와 같다

Fig 18 수축확산 노즐 유동 해석 모델의 단면

해석시에 적용된 변수값들은 앞의 ldquo4 초음속 공기 분사노즐의 분사 특성 계산rdquo에

서 산출된 값을 적용하였다 노즐의 확산부위 길이는 15mm 이며 분사노즐의 확산

각은 도이다 노즐 하나에 대하여 Fig 18 의 왼쪽면에서 00369 kgsec

의 공기가 유입되며 오른쪽 분사노즐 출구면에 12bar 의 압력을 적용하였다 분사

노즐의 유동 해석 결과의 여러 가지 특성값 중에서 본 설계에서의 주요 관심사가

공기의 배출 속도인 관계로 Fig 19에 흐름의 속도 분포 Fig 20에 흐름의 마하넘

버 분포를 나타내었다 초음속 흐름에 대한 해석으로 분사노즐 목에서의 공기속도

가 약 335msec(마하 1)이 되며 노즐 출구에서 최대속도가 된다 Fig 21은 수축

확산 노즐에 대한 공기의 속도 분포 해석 결과를 반영하여 공기 분사노즐을 모델링

한 것이다

Fig 19 수축확산 노즐의 공기 흐름 속도 분포

Fig 20 수축확산 노즐의 공기 흐름 마하넘버 분포

Fig 21 수축확산 노즐 모델

6 분급 이론

분급(分級 classification)이란 유체력을 이용해서 분립체를 그 입자 지름의 크기에

따라 분리하는 것으로 넓은 뜻으로는 유체력에 의한 분리만이 아니라 체가름을 포

함하는 경우가 있다 더 넓게는 비중선별ㆍ자기력선별 등 모든 입자분리조작을 분

급이라고 한다 공기ㆍ물 등의 유체 속에서 운동하는 분립체의 각 입자에는 중력

또는 원심력 이외에 유체에 의한 유체항력 등이 함께 작용된다 이 힘 즉 유체항력

은 입자 지름에 의존하는 데 유체항력과 입자 지름의 관계는 중력이나 원심력과

입자 지름의 관계와는 다르기 때문에 이 둘 사이의 균형 조건이 입자 지름에 의해

좌우된다 좁은 뜻의 분급은 이 원리를 이용한 입경분리조작을 의미한다 중력장에

서 등속 침강하는 구 형상의 입자에 대한 힘의 균형은 다음 식으로 표현된다

여기서 은 입자 질량 prime는 입자에 의해 배제된 유체 질량 g는 중력가속도 R

은 는 유체항력을 나타낸다 유체항력 R은 다음 식으로 나타낼 수 있다

여기서 는 저항계수 (drag coefficient)로 입자 주위의 유체의 상대적인 흐름의

상태에 따라 결정되는 무차원 계수이다 는 유체의 밀도 는 입자의 침강속도

는 입자의 지름이며 는 입자의 투영 최대 면적이다 물 또는 공기 속에서 입

자의 지름이 100 이하 입자의 밀도가 3gcm2이하의 조건에서는 입자 주위의 흐

름은 거의 충류로 간주되며 이때 R은 다음 식으로 나타내진다

여기서 는 유체의 점성도이다

prime

이므로 식 (36)을 식 (34)에 대입하면 식 (37)을 얻는다

여기서 는 입자 밀도이며 식 (37)을 스토크스의 침강속도식이라고 하며 분급에서

분리입자 지름을 구하기 위한 기본식으로 중요하다

식 (37)은 다음

과 같이도 표현된다

유체가 공기나 그 외의 기체인 경우의 분급 조작을 건식 분급(또는 공기 분급) 물

이나 그 외의 액체인 경우의 분급 조작을 습식 분급이라 한다 앞에 언급된 기본식

들 이외에 어떤 종류의 분급장치에서는 유체의 흐름 방향이 급격히 변화할 때 흐름

에 따라 운동하는 입자의 관성력의 효과가 중요한 역할을 한다

분급에 사용하는 장치를 분급기(classifier)라고 한다 건식분급기에는 관성력을 이

용하는 것 중력침강을 이용하는 것 원심력을 이용하는 것 등이 있다 관성력을 이

용하는 건식분급기에는 루버식분급기 버추얼임팩터 엘보제트형분급기 등이 있는

데 건식분급기로는 원심력을 이용한 것이 가장 널리 사용되고 있다 원심력을 이용

한 건식분급기로는 분급 입도가 30~100 정도의 비교적 굵은 입도에서의 대량 처

리로 옛날부터 알려진 스튜어트밴트형 등이 있으며 또한 몇 ~30의 분급이 가

능한 여러 분급기가 개발되어 널리 쓰이게 되었다 또한 사이클론도 미립(微粒)에서

조립(組立)에 이르는 분체(粉體)의 건식분급에 이용된다 습식분급기에는 중력식과

원심력식이 있으며 중력식은 상승 수류(水流)와 유동층을 이용한 수력분급기 원뿔

형 또는 각뿔형 용기에서의 중력침강을 이용한 세틀링탱크 등의 침강분급조 완만

하게 경사진 직사각형의 조(槽)로부터 침하한 조립 생산물을 긁어올리기 위한 레이

크나 스파이럴을 갖춘 기계분급기 등으로 분류된다 원심력을 이용한 습식분급기로

는 사이클론 또는 하이드로사이클론이 가장 대표적이며 솔리드볼형ㆍ디스크형 등

의 원심분리기도 미립자용 분급기로 사용된다

Fig 22는 베인 구조의 원심형 분급기의 회전 단면 모습이다

Fig22베인 구조의 원심형 분급기의 단면

Fig 22에서 H는 분급기 내부 상하면 사이의 간격이며 는 선별된 미분이 배출되

는 반경 는 베인의 내반경 는 베인의 외반경을 나타낸다

분체 주위의 공기 흐름이 층류 흐름이라는 조건하에서 베인 구조의 원심형 분급기

에의 컷포인트(utpoint)를 결정짓는 외주부의 반경 은 다음과 같다

또한 선별된 미분이 배출되는 반경은 다음과 같다

베인 사이에서도 고체의 회전법칙이 적용된다 베인의 외주 반경에서 속도의 원주

방향 성분 과 중심방향 성분 가 가장 큰 영향을 준다

식 (41)과 식 (42)를 식 (38)에 대입하여 정리하면 다음과 같다

독일 Netzsch 사에서는 베인의 내반경 에서 선별된 미분이 배출되는 반경 까

지의 반경 방향의 공기 속도 성분 을 질정하게 해 주기 위하여 Fig 10에 보인

ldquoConvorrdquo라고 불리우는 단면의 분급기를 개발하여 사용화하고 있다

7 분급기 설계와 유동 해석

분급기의 베인 사이로 분쇄된 미분과 공기가 함께 유입되어 중앙부의 배출구로 통

과하는 분급기의 내부 형상을 설계하기에 앞서 분급기 내부를 구성하는 상면이 평

평한 구조의 분급기에 대한 유동해석을 실시하여 공기의 속도 분포를 검토하였다

해석 대상 분급기의 외경은 205mm이며 밑면 중앙에 공기 배출을 위하여 직경이

90mm인 원형 구멍이 뚫려 있다 분급기 외주에는 단면이 원호의 일부로 만들어진

두깨가 2mm 넓이가 18mm 길이가 35mm인 베인이 매 60도마다 10개씩 등간격

으로 모두 60개가 베인의 코드 방향과 분급기의 반경 방향이 이루는 각도가 약 15

도가 되도록 경사지게 설치되어 있다 원주 방향으로 매 60도마다 길이 35mm 직

경 8mm인 원형봉 6개가 등간격으로 배열되어 상ㆍ사 카버 사이에 베인을 고정시

켜 조립되는 구조이다 해석 대상 분급기에 사용된 베인의 단면과 베인의 배열 및

분급기 상ㆍ하면을 고정하는 봉이 포함된 수평면상의 평면도를 Fig 23에 나타내었

다 Fig 24는 분급기의 상면 형상이 평평한 구조인 경우에 대한 분급기의 수직단

면도이다

분급기에 유입되는 공기는 온도 50 유입량 01m3sec 분급기를 통과한 후에

배출되는 공간의 압력은 12bar이며 분급기의 회전속도는 8000rpm(838radsec)

이다 분급기에 발생되는 원심력의 절대적인 크기는 재료의 밀도와 분급하고자 하

는 분말의 크기에 따라 분급기의 회전수를 변화시켜서 조절한다 SolidWorks 및

COSMOSFloWorks 프로그램으로 분급기의 공기 유동해석을 실시하였다 해석시의

변수 입력 항목 및 해석 과정을 ldquo부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 유동해석 절

차rdquo에 정리하였다

Fig 23 베인과 상ㆍ하면 고정 원형봉의 평면 단면도

Fig24 분급기 상면이 평면인 경우의 수직단면도

공기 유동해석 결과를 Fig25~Fig27에 나타내었다 Fig25는 베인의 중간 높이에

서의 수평 단면에서의 공기 속도 분포이다 Fig26은 베인이 위치한 부위에서의수

직단면 Fig 27은 상ㆍ하면을 고정시켜 주는 원형봉이 있는 부위의 수직단면에 분

포하는 공기의 유입 속도 해석 결과를 나타낸 것이다

Fig 25 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig 26 베인 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig27 연결봉 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig15~Fig27의 공기 속도 등고선을 보면 베인 외주부의 상하 위치에 있어서 공

기의속도가 불균일한 분포를 보인다 베인의 분급기 내부 공간에서는 같은 반경인

위치에서 윗부분에서의 공기 속도가 아랫부분에서보다 빠르게 분포하고 있다 베인

의 높이 방향 상ㆍ하 위치에 따른 이러한 유입 속도의 편차는 분급기 외주의 실린

더 면으로부터 유입되는 공기가 분급기 중앙의 밑 방향으로만 배출되는 유동 통로

의 구조 때문으로 판단되낟 따라서 같은 반경의 같은 원심력이 발생되는 위치에

있어서도 윗부분에서의 공기 유입속도가 밑부분에서보다 크게 분포되어 윗부분에서

는 밑부분에서보다 큰 분말이 분급기 안으로 유입된다 지정된 크기의 컷오프보다

큰 분말과 작은 분말이 혼합된 상태로 배출되는 관계로 분급이 정밀도가 저하된다

베인의 상ㆍ하 위치에 무관하게 공기의 유입 속도를 가급적 균일하게 해 주기 위한

목적으로 분급기 내부의 단면 형상을 Fig28과 같은 인볼류트-컨볼류트

(involute-convolute) 단면으로 구성하여 공기의 유동해석을 실시하였다

Fig 28 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기

Fig29는 베인의 중간 높이 수평단면 상에서의 공기 속도 분포이다 Fig25에 비하

여 베인의 외주 부위에서의 공기의 속도가 균일하게 분포되고 있음을 보여 준다

Fig29 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig 30은 베인이 위치한 부위에서의 수직 단면 Fig31은 상ㆍ하면을 고정시켜 주

는 원평봉이 있는 부위에서의 수직 단면에 분포하는 공기 속도 분포이다 Fig30과

Fig31은 각각 Fig25와 Fig26에 비하여 베인의 높이 방향 전체에 걸쳐 공기의 유

입 속도가 상당히 균일하게 분포되는 것을 보여 주고 있다

Fig 30 베인 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig31 연결봉 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig32는 분급기 내부의 공간 형상이 인볼류트-컨볼류트인 분급기의 설계 모델이

Fig32 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 모델

Fig33은 앞의 수축확산 공기 분사노즐(Fig20)과 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급

기(fig32)로 구성된 건식 기류충격식 분쇄기의 3D모델이다 중요 부품의 도면은

ldquo부록 9 설계 도면rdquo에 수록하였다

Fig33 건식 기류충격식 분쇄기의 3D 모델

8 시작품 제작

수축확산 공기 분사노즐의 유동해석 및 분급기의 유동해석 결과를 바탕으로 시작품

을 제작하였다 Fig34는 수축확산 공기 분사노즐 헤드의 시작품 모습이다

Fig 34 수축확산 공기 분사노즐 헤드 시작품

Fig35는 분급기의 시작품 모습이다 분급기의 베인은 분체와 마찰시 내마모성을

갖도록 SUS 재질로 곡면 성형한 후 세라믹으로 코팅하여 제작하였다

Fig35 분급기 시작품

Fig 36은 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 수축확산 공기 분사

노즐 및 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 등이 분쇄기의 내부에 장착되어 있다

Fig36 건식 기류충격식 분쇄기 시작품

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기와 관련된 국외 특허 자료 조사와 분석 공기의

유동해석에 있어 많은 일정이 소요되었다 기술지원 추진일정을 Table1에 정리하

였다

Table 4 추진 일정

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 6: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

5) 수입대체 효과

모델명 당해연도 수입액 차년도수입액 수입대체금액

DGJMV-350 천 달러년 천 달러년 900 천 달러년

계 천 달러년 천 달러년 900 천 달러년

6) 해당기술의 기술력 향상 효과

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계

기술

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른

분급기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

7) 기술적 파급 효과

(1) 초미립 분쇄기에 대한 기초 기술의 정립과 국내외의 특허 기술 파악으로

건식 기류충격식 분쇄기의 성능과 구조 등 자체 개발 방향 설정이 가능하다

(2) 초음속 공기 분사노즐의 설계 능력이 확보되어 다양한 성능의 모델 개발에

활용 할 수가 있다

(3) 서브미크론 크기의 초미분을 생산하는 기류충격식 분쇄기의 핵심 모듈인 고

정밀도의 분급 성능을 갖는 분급기의 설계 능력이 확보되었다 즉 분급기 내부

의 형상과 회전수 베인의 단면 모습과 소요 수량 및 배열에 대한 설계 기술이

확보되었다

5 적용기술 인증 지적재산권 획득 여부

1) 규격 인증획득

인증명 품목 인증번호 승인기관 인증일자

2) 지적재산권

종류 명칭 번호 발명자 권리자 실시권자

비고

(등록

출원)

특허

원심형 분말

분급기

(Centrifugal

Powder

Classifier)

10-2007-0092396

윤승원

최덕규

남상경

최인환

최병훈

한국생산기술연구원

대가파우더시스템(주)출원

6 세부지원실적

항 목 지원 건수 지 원 성 과

기술정보제공 104 건국내ㆍ외 특허 73건 전문서적 14 권 매뉴얼

6 권 기타 기술 자료 11건

시제품제작 1 건 DGJMV-350 건식 기류충격식 분쇄기

양산화개발 3 건 공기 분사노즐 분급기 베인

공정개선 3 건 분쇄기 설계 절차 베인의 형상 설계과 제작

품질향상 3 건 분급기 베인 분사노즐

시험분석 3 건 분말의 입도 측정

수출 및 해외바이어발굴 0 건

교육훈련 18 건SolidWorks COSMOSFloWorks 사용 방법 교

기술마케팅경영자문 1 건 (주)지바이오텍에 건식 분쇄기 장비 소개

정책자금알선 1 건 생산기술연구자금 알선

논문게재 및 학술발표 0 건

사업관리시스템

지원실적업로드 회수0 건

지원기업 방문회수 54 건

지원책임자 지원기업 방문 39 건 국내 방문

7 건 해외 출장 1 건

참여기업 연구원 0명 지원기관 내방 7회

기 타 8 건국내ㆍ외 전시회시 수집 자료 제공 4회

시작품 제작용 자재 지원 4 회

상기 세부지원실적에 대한 세부내용 첨부

7 종합의견

소재산업이 정밀화되고 고기능화함에 따라 서브미크론급의 초미립을 생산하는

분쇄기의 성능 향상이 요구되고 있다 국내의 경우에는 건식 기류충격식 분쇄기

에 대한 설계 기술 부족으로 2 ~ 3 급의 건식 분쇄기를 독일과 일본 등으로

부터 고가로 수입 하여 사용하고 있으며 대항 경쟁 제품을 개발하지 못하고 있

는 실정이다

지원기업 대가파우더시스템(주)은 창업후 36 년 이상 분쇄기를 전문으로 설계

및 생산하는 분쇄기 전문기업이다 본 부품소재종합기술지원사업 전 기술지원

기간 동안 지원기업의 연구진 4 명이 연구사업에 적극적으로 참여하여 지원책

임자와 함께 기술력 향상에 노력하였으며 건식 기류충격식 분쇄기의 핵심 모듈

인 수축확산 공기 분사노즐과 분급기의 자체적인 설계 해석 및 생산 기술을 확

보하였다

건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 여러 부품 중에서 핵심 모듈인 수축확산 초

음속공기 분사노즐과 분급부와 관련된 기초 이론 국내ㆍ외 특허기술 조사와 분

석 구성 부품의 3D 설계 기술 재질 선정 분사노즐과 분급기의 공기 유동 해

석 기술을 확보하였다 즉 초미립 분쇄를 위한 공기 분사노즐의 단면 형상과 공

급 유량 산출 압력과의 관계 분급기 내부의 형상 베인의 단면 형상과 소요 수

량 베인의 간격 배열 위치 및 분급기의 회전수 등을 고려한 유동해석 기술을

확보하여 고정밀도의 분급기의 자체 설계가 가능해졌다

향후 건식 기류충격식 분쇄기의 여러가지 용량과 성능에 맞는 분쇄기를 자체적

으로 설계 및 제작하는 것이 가능하며 제품 신뢰도의 향상과 매출 증대에 크게

기여할 것이 예상된다

연구과제(세부과제) 성과

1 사업화 성과

특허 성과

출원된 특허의 경우

세부사항

(9)

출원년도

(10)

특허명

(11)

출원인

(12)

출원국

(13)

출원번호

2007

원심형 분말 분급기

(Centrifugal Poweder

Classifier)

한국생산기술연구원

대가파우더시스템대한민국 10-2007-0092396

사업화 현황

사업화 세부사항

(9)

사업화명

(10)

사업화

내용

(11) 사업화 업체 개요(12)

기 매출액

(백만원)

(13)

당해연도

매출액

(백만원)

(14)

매출액

합계

(백만원)

업체명 대표자 종업원수사업화

형태

대가파우

더시스템

최은석 59 4

주 11) 사업화 업체 개요의 사업화 형태는 1 연구책임자 창업 2 기술이전에 의한

창업 3 창업지원 4 기존업체에서 상품화 중에서 선택하여 번호 기입

고용창출 효과

고용창출 세부사항(9)

창업(명)

(10)

사업체 확장(명)

(11)

합계(명)

세부지원실적 증빙 내용

1 참여기업 현장방문 47건 참여기업이 생기원 내방 7건

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20060825DPS 주요 기술 지원 사항에 관한 협의

윤승원 최병훈 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

2 20060829기업은행 설명회장 연구비 카드 사용 교육 참석

윤승원 최덕규출장 기록

3 20060831DPS 젯트밀 쳄버 설계 대상 구조 개요 윤승원

최병훈 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

4 20060901KINTEX NanoKorea 2006 참관 윤승원 남상경

최덕규출장 기록

5 20060907DPS 젯트밀 관련 국내 특허 조사 윤승원

남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

6 20060908건식 분쇄기 관련 기술자료 조사 영풍문고

윤승원출장 기록

7 20060915DPS 젯트밀 관련 국내 특허 조사 윤승원

남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

8 20060919 문래동 내마모성 재료조사 윤승원 출장 기록

9 20060921DPS 에어젯트밀 관련 국내 특허 자료 검토

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

10 20061017DPS 에어젯트밀 관련 미국 특허 조사 윤승원

남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

1120061018~

1022

베트남국제산업박람회(VIIF 2006) Hanoi

Vietnam 윤승원출장 기록

12 20061026한국생산기술연구원 기류충격식 분쇄기의 부품

구성도 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민

DPS 연구원 4명

생기원 내방

13 20061027DPS 초음속 공기 흐름에 대한 기초 윤승원

남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

14 2061102DPS 초음속 공기 흐름 관계식 윤승원 남상경

최인환 최덕규 윤상민출장 기록

15 20061103DPS 초음속 공기 흐름 관계식 윤승원 남상경

최인환 최덕규 윤상민출장 기록

16 20061106일산 네이취코리아 건식분쇄기 및 분급기 관련

자료수집 윤승원출장 기록

17 20061109DPS 기류충격식 분쇄기의 구성도와 노즐 설계

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

18 20061116한국생산기술연구원 기류충격식 분쇄기의 예상 부품

구성도 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민

DPS 연구원이

생기원 내방

19 20061123DPS 기류충격식 분쇄기의 예상 부품 구성도

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

20 20061130

DPS 기체 분사노즐의 초음속 분출 속도와 유량

산출에 대한 해석적 방법의 적용 윤승원 남상경

최인환 최덕규 윤상민

출장 기록

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

21 20061204DPS 기류충격식 분쇄기의 예상 부품 구성도

수정 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

22 20061207DPS 기류충격식 분쇄기의 부품번호 및 명칭

부여 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

23 20061212 문래동 철재 부품조사 윤승원 출장 기록

24 20061214DPS 기체 분사노즐 내의 공기유동 유한요소해석

모델링 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

25 20061215DPS 기체 분사조즐 내의 공기유동 유한요소해석

모델링 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

26 20061221

한국생산기술연구원 기류충격식 분쇄기의 공기

초음속 분출 노즐 형상 설계시의 설계 변수

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민

DPS 연구원 4명

생기원 내방

27 20070109DPS 기류충격식 분쇄기 제작용 재료 구입

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

28 20070116DPS 기류충격식 분쇄기의 분쇄 챔버 기본 설계

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

29 20070205DPS 기류충격식 분쇄기의 분쇄 챔버 기본 설계

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

30 20070206DPS 기류충격식 분쇄기의 분쇄 챔버 3D 모델링

윤승운 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

31 20070213

한국생산기술연구원 기류충격식 분쇄기의 분쇄

챔버 3D 모델링에 대한 설계 검토 윤승원

남상경 최인환 최덕규 윤상민

DPS 연구원 4명

생기원 내방

32 20070227DPS 분급기 구조 기본 설정 윤승원 남상경

최인환 최덕규 윤상민출장 기록

33 20070306DPS 회전체 설비의 관성모덴트 산정 방법

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

34 20070308DPS 분쇄 쳄버와 분급기 제작용 내마모성 재료

검토 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

35 20070320DPS 분급기의 기본 구조 모델링과 베인 배열

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

36 20070326DPS 분급기용 베인의 단면 형상과 배열 및 수량

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

37 20070327한국생산기술연구원 분급기 모델링과 베인 배열

구조 윤승원 남상경 최덕규

DPS 연구원 2명

생기원 내방

38 20070403DPS 분급기의 유동장 해석을 위한 COSMOSWorks

해석 연습 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

39 20070410DPS 분급기의 유동장 해석을 위한 COSMOSWorks

해석 연습 윤승원 최인환 최덕규출장 기록

40 20070417DPS 베인 형상 설계 유체 흐름 해석 모델링과

입력 변수 설정 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

41 20070502DPS 베인 형상에 따른 유체 흐름 해석 윤승원

남상경 최인환 최덕규출장 기록

42 20070504한국생산기술연구원 분급기의 공기 유동 해석

결과 분석 윤승원 남상경 최인환

DPS 연구원 2명

생기원 내방

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

43 20070508DPS 여러 내부 형상의 분급기 구조와 베인에

대한 공기 유동 해석 윤승원 남상경 최인환출장 기록

44 20070518DPS 베인의 형상에 따른 분급기의 공기 유동

해석 결과 분석 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

45 20070523DPS 분급기 내부 형상 설계 변경 윤승원

남상경 최인환 최덕규출장 기록

46 2070530한국생산기술연구원 분급기 내부 형상에 따른 흐름

해석 분석 윤승원 남상경 최인환 최덕규

DPS 연구원 3명

생기원 내방

47 20070601DPS 분급기 내부 형상의 조립성을 고려한 설계

수정 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

48 20070607DPS 베인의 형상과 수량에 따른 분급기의 공기

유동 재해석 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

49 20070613DPS 분사노즐 설계 확정을 위한 공기 분사노즐

유동장 재해석 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

50 20070618DPS 에어젯트밀 구조 설계 검토 윤승원

최병훈 남상경 최인환 최덕규출장 기록

51 20070703DPS 분급기 내부 형상에 대한 특허 출원 자료

준비 윤승원 최병훈 남상경 최인환 최덕규출장 기록

52 20070705

경북 칠곡 쿠어스텍코리아 분급기용 베인 제작

가능성 확인을 위한 업체 방문 윤승원 최인환

최덕규

출장 기록

53 20070711DPS 베인 형상 확정 및 구매 요청 윤승원

남상경 최인환 최덕규출장 기록

54 20070724DPS 분쇄기 에어노즐 분급기 설계 자료 정리

윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

2 기술정보제공 특허 73건

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20061013 분쇄기 관련 한국특허 13건(제본) 부록 1 목록

2 20061013 분쇄기 관련 일본특허 16건(제본) 부록 2 목록

3 20061013 분쇄기 관련 미국특허 23건(제본) 부록 3 목록

4 20061013 분쇄기 관련 유럽특허 4건(제본) 부록 4 목록

5 20070213 분급기 관련 미국특허 17건(제본) 무록 5 목록

3 기술정보제공 전문서적 14권

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20070306 構造解析のだぬの有限要素法實戰ハソドプツク 전문서적

2 20070306 世界の規格基準認證ガイドツク 전문서적

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

3 20070306 設計者に必要な材料の기 전문서적

4 20070306 設計者のたぬの モーメソト 전문서적

5 20070306 すべリ軸受資料集 전문서적

6 20061109Flow Mechanics and Thermodynamics in

Mechanical Processing전문서적

7 20061109NETZSCH-CONDUX Fludized Bed Jet Mill 제품

홍보자료

제품

홍보자료

8 20060907 Assembly Modeling with SolidWorks 20042005 전문서적

9 20060907 SolidWorks 2005 Tutorial and MultiMedia CD 전문서적

10 20070601Engineering Analysis with COSMOSWorks

Professional 2007전문서적

11 20070205 COSMOSMotion 전문서적

12 20061116 FLUENT 60 Tutorial Guide 전문서적

13 20070213 FLUENT 60 Users Guide 전문서적

14 20070213 Fundamentals of Fluid Mechanics 전문서적

4 시제품제작 1 건

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20070715 기류충격식 분쇄기 DGJMV-350 시작품

5 시험분석 3건

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20070627 입도 측정 histogram 1 부록 10

2 20070627 입도 측정 histogram 2 부록 10

3 20070627 입도 측정 histogram 3 부록 10

6 기술지원실적 업로드 건

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

목 차

제 1 장 사업의 개요

제 1 절 기술지원 필요성

제 2 절 기술지원 목표

제 3 절 기술지원 내용

제 2 장 국내ㆍ외 기술 현황

제 1 절 세계의 기술 현황

1 일본 Hosokawa 사의 수직형 기류충격식 분쇄기

2 일본 Hosokawa 사의 수평형 기류충격식 분쇄기

3 일본 미놀타 사의 수평형 기류충격식 분쇄기

4 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의

수평형 기류충격식 분쇄기

5 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기

6 미국 Xerox 사의 수평형 기류충격식 분쇄기와 노즐

7 독일 Netzsch 사의 건식 기류충격식 분쇄기

8 독일 특허 공기 분사노즐

9 미국 특허 분쇄기 구조

제 2 절 국내의 기술 현황

제 3 장 기술지원 수행 내용 및 결과

제 1 절 기술지원 수행

1 분쇄기 시스템 구성도

2 소리의 속도

3 공기 분사노즐에서의 유동식

4 공기 분사노즐의 흐름 특성 계산

5 수축확산 공기 분사노즐의 유동 해석

6 분급 이론

7 분급기 설계와 유동 해석

8 시작품 제작

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

2 기술지원 추진체계

3 연구기자재 활용

4 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

6 입도 측정

7 지적재산권 출원

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

제 6 장 참고문헌

부록 1 분쇄기 관련 한국 특허 13건 목록

부록 2 분쇄기 관련 일본 특허 16건 목록

부록 3 분쇄기 관련 미국 특허 23건 목록

부록 4 분쇄기 관련 유럽 특허 4건 목록

부록 5 분급기 관련 미국 특허 17건 목록

부록 6 기술지원 관련 전시회 참석

부록 7 개스의 비열값 개스 상수 밀도

부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 분급기 유동해석

부록 9 설계 도면

부록 10 입도측정 histogram

제 1 장 사업의 개요

분쇄는 재료에 외력을 가하여 작은 크기로 세분화하고 표면적을 증가시키는 기계적

인 조작이다 목적하는 파쇄물 입자의 크기에 따라 조쇄(粗碎) 중쇄(中碎) 분쇄(粉

碎) 미분쇄(微粉碎) 초미분쇄(超微粉碎)로 구분된다 분쇄시 작용되는 응력은 압축

력 충격력 전단력 마찰력 절단력 등이 있으며 단독의 힘이 작용되는 경우는 드

물고 분쇄 대상 재료에 여러 가지 힘임 복합력으로 동시에 작용되어 분쇄기 이루어

진다(1)

분쇄기는 분쇄 입도의 크기에 따라 다음과 같이 분류한다

(1) 조분쇄기 1500mm~100mmrarr500mm~25mm (분쇄비 4~3)

(2) 중분쇄기 500mm~6mmrarr50mm~1mm (분쇄비 7~5)

(3) 미분쇄기 125mm~1mmrarr2mmrarr01mm (분쇄비 20~10)

(4) 초미분쇄기 6mm~01mmrarr01mm~001mm (분쇄비 50~10)

분쇄기의 분쇄 방법에 의한 종류는 다음과 같다

(1) 볼밀(ball mill)

원통 속에 재료와 함께 강으로 만든 볼 즉 강구를 여러 개 넣은 후 함께 회전시켜

강구운동에 의한 충격으로 재료를 분쇄하는 장치이다 볼에는 주철 칠주물 플린트

석 천연석 등 원료에 따라 여러 가지가 있다 통의 길이는 통의 지름을 초과하지

않는 것이 표준형이지만 지름의 수 배 이상으로 긴 형의 튜브밀 그 중간인 콤파운

드밀(compound mill) 다양한 종류도 있다 원통의 내면은 특수강 또는 니켈판으로

내장한다 최종적인 미분을 만들 때 사용되며 도토(陶土) 염료 드의 처비분인 경

우에는 건식으로 사용되며 용도가 매우 넓다

(2) 로드밀(rod mill)

기체 내면의 길이보다 약간 짧은 강봉을 분쇄매체로 사용하는 회전식 분쇄기이다

거친 입자부터 선택적으로 분쇄하며 입도(粒度)가 비교적 가지런한 분쇄산물을 얻

을 수 있는 특징이 있다 단독으로 사용되는 외에 불밀에 의한 분쇄의 예비분쇄기

로서도 종종 사용된다

(3) 롤러밀(roller mill)

볼밀과 같은 원리의 분쇄기로 시멘트원료를 분쇄할 때나 석탄을 분쇄할 때 사용된

다 분쇄기 중에 롤러나 볼을 이용한 것을 링롤러밀이라고도 한다

(4) 조크러셔(jaw crusher)

전ㆍ후로 조금씩 진동하는 강철제의 철판과 이와 마주 보는 고정판 시이에 수 cm

에서 1m 정도의 암석 등의 덩어리를 물려 넣고 짓씹어 부수게 하는 구조로 되어

있다

(5) 임팩트 크러셔(impact crusher)

매초 원주 속도가 수십 m로 고속회전하는 원통에 장치된 충격판에 의해 분쇄하는

장치이다 골재 정형에 널리 쓰인다

(6) 휠러밀(wheeler mill)

tn 이하의 미분쇄를 필요로 하는 분야에서 널리 사용된다 소위 유체에너지밀의

일종으로 고압기체를 불어 넣음으로써 입자를 기계의 벽이나 또는 다른 입자에 충

돌시 켜서 분쇄하는 장치이다 기체가 길쭉한 도넛형의 통내를 입자와 함께 환류하

고 미세하게 된 입자만이 배기와 함께 기외로 배출되는 구조로 되어 있다

(7) 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)

노즐로 높은 압력의 공기 또는 질소를 초음속으로 분사시켜 분말 상호 간의 충돌로

초미립 크기로 분쇄되며 분급 휠(classifier wheel)의 속도 변환과 베인과의 간격에

의해 미립자의 크기를 조절하여 분급하는 방식이다 노즐의 크기 배열 상태 및 공

기 흐름의 조절로 효율성을 크게 증가시킬 수 있으며 동시에 분쇄기의 마모와 제품

의 순도 최적화를 유지할 수 있다 입도의 크기는 01 ~ 10의 범위에 있다

이외에도 큰크러셔(cone crusher) 압축력에 의한 자이러토리크러셔(gyratory

crusher)가 있고 충격력에 의한 해머밀(hammer mill) 케이지밀(cage mill) 유체에

너지밀 전단력에 의한 분쇄기 등이 있으며 마쇄력에 의한 자생분쇄밀과 진동밀

유성밀 교반밀이 있다

최근 들어 소재산업이 정밀화되고 고기능화 함에 따라 카본블랙 TiO2 PbO ZnO

SiO2등의 안료 세라믹 자기재료 맥반석 황토 슬래그 운모 흑연 탄화규소 탄

산칼슘 등을 미크론(μ) 크기 또는 서브미크론 크기의 분말로 분쇄하는 정밀 분쇄기

수요가 증대하고 있다

Fig 1 은 습식 분쇄기의 종류와 입도 범위의 관계를 나타낸 것이다 Fig 1 밑부분

의 화살표는 본 부품소재종합기술지원사업 수행으로 개발하고자 하는 분말의 크기

범위를 표시한 것이다

Fig 1 습식분쇄기의 입도 범위(독일 Buehler사)

제 1 절 기술지원 필요성

대가파우더시스템은 1970 년도에 창립하여 현재에 이르기까지 산업용 분쇄기 집

진기 건조기 기체여과기 액체여과기 폐수처리장치 등의 전문생산업체이다 최근

들어 소재산업이 정밀화되고 고기능화 함에 따라 분쇄기의 성능 향상이 요구되고

있다 최근에는 수십 nm 이하의 초분체 카본블랙 TiO2 ZnO SiO2 등의 안료 세

라믹 자기재료 등의 각종 소재의 입도 정밀화가 실현되고 있다 초분체기기 및 요

소 부품의 국내 수요는 독일의 DRAIS 일본의 KOTOBUKI 사 DYNO 사 등의 선진

메이커 제품을 수입하여 사용하고 있다 건식 기류충격식 분쇄기에 대한 국내 설계

기술 부족으로 외국에서 수입되고 있는 제품의 가격이 고가이어도 경쟁할 수 있는

제품을 개발하지 못하고 있는 어려운 상황이다

대가파우더시스템은 최근 습식 방법의 초미립 분쇄기를 개발하여 시험 중에 있으

며 압축공기를 이용한 기류충격식 분쇄기 개발에 있어서 분쇄부와 분급부의 기초

이론 구성 부품 설계 재질 선정 분쇄기 구조에 대하여 유한요소법으로 유동해석

을 하는 시뮬레이션 기술력 확보에 어려움을 겪고 있다 초미립 분쇄(ultra-fine

pulverization)를 위한 기류 분사노즐(compressed air nozzle supersonic air

nozzle)의 단면 형상 설계와 분쇄에 요구되는 유량 산출 분급기(classifier)의 크기

과 공기 유동부의 내부 형상 베인의 형상과 수량 베인의 간격 배열 위치 및 분급

기 회전수 등에 대한 설계 변수 등에 있어서 애로를 겪고 있으며 기술력 향상을

위하여 외부 전문가의 기술지원이 요청되고 있다

건식 기류충격식 분쇄기 설계의 핵심 기술을 지원하여 건식 기류충격식 분쇄기의

국내 업체의 자체 설계 능력 확보가 요구되낟 본 부품소재종합기술지원사업을 통

하여 초미립 분쇄기와 관련된 국내ㆍ외 특허 자료 기술문헌 및 분쇄부와 분급부의

기초 이론 관련 자료 조사와 제공 초미립 입자를 생산하기 위한 건식 분쇄기의 구

조 설계 기술 지원 유량에 따른 기류충격식 분쇄 노즐의 설계 변수 컴퓨터를 이용

한 3 차원 모델링에 의한 설계 유한요소법에 의한 기체의 유동 해석 기술 지원이

필요한다

제 2 절 기술지원 목표

기술지원의 초종 목표는 지원기업 대가파우더시스템가 분쇄 입도의 평균직경 18

~ 20 인 초미립 파우더를 생산하기 위한 기류충격식 분쇄기 설계와 생산에 대

한 기술 확보이다 공기 분사 방식의 분쇄 노즐 형상 분급부의 구조 설계 및 작동

에 대한 기초를 체계적으로 정립하며 분쇄기 구성 부품의 재질 선정 3D 모델링에

의한 분쇄기 시스템 설계와 유한요소볍에 의한 공기 유동장 해석 결과를 바탕으로

시작품을 제작하며 향후 유사 모델에 대한 자체적인 설계 및 새산 능력을 확보하

는 것이다

제 3 절 기술지원 내용

1 건식 기류충격식 분쇄기의 국내ㆍ외 특허 자료 기술문헌 및 기술정보 조사 지

원으로 초미립분쇄기의 기초 이론 구조 기능 정립 초음속 분사노즐 단면 형상

설계 자료로 활용

2 3D 모델링에 의한 설계 기술 지원으로 설계 오류를 사전에 방지

3 초음속 분쇄 노즐의 형상 설계와 유동 특성 해석 기술

4 분급부의 내부 구조 베인의 형상과 배열 및 수량 결정 유한요소법에 의한 분급

기의 유동 해석 기술 지원으로 분급 입도의 안정화 분급기 설계 및 제작

5 분쇄부와 분급기의 재질 선정 지원으로 생산가 관리 및 내구성 확보

Table 1 기술지원 목표 및 내용

제 2 장 국내ㆍ외 기술 현황

건식 분쇄 기술로 크기가 1 이하의 작은 입자를 생산하는 것은 어려운 기술로

분체기술의 장벽이라고 일컬어진다 각종 소재를 성분 변화없이 100nm 이하의 크

기로 극미세 분쇄하는 기술은 미래 산업을 이끌어갈 핵심분야로 국가간 연구개발

경쟁이 치열한 기술이다

제 1 절 세계의 기술 현황

나노급의 미세 파우더는 1980 년대초 독일의 칼스루헤연구소 등에서 시작되어

1990년대에 들어서 100nm 이하의 제조합성에 관한 연구가 본격화되었다 일본의

경우에는 과학기술청의 창조과학기술 추진과 통산성의 차세대산업기반기술 분야로

선정되어 주목을 받고 있다 초미분을 생산하기 위한 양산 장비 및 요소 부품에 대

한 선진국의 기술은 독일의 DRAIS사(습식) NETZSCH사(건식) 일본의 Kotobuki사

(습식) DYNO사(습식) Hosokawa 사(습식 건식) 등의 선진메이커에서 제품이 개

발되어 판매되고 있다 또한 나노 파우더 생산업체로는 일본의 Kako 사 미국의

Whittaker 사 Dow Chemical 사 Dupont사 및 독일의 Degusa사 등이 있다 현재

까지는 나노급 파우더 제조 공정의 불안정 및 복잡성 평가 방법의 미흡 등으로 다

양한 제조 공정 기술개발이 진행되고 있다 세라믹 분말의 경우에는 일부 특수한

경우에만 상용화되고 있다 금속분말의 경우에는 한정된 종류의 금속만 생산이 가

능하여 계속적인 개발이 진행되고 있다

건식 기류충격식 분쇄기의 주요 제작업체는 일본의 Hosokawa 사와 독일의

Netzsch 이다 미국 일본 및 독일 등에 대부분의 같은 내용의 특허가 등록되어

있으며 일본과 독일에 의하여 등록된 특허의 구조적인 특징은 다음과 같다

1 일본 Hosokawa사의 수직형 기류충격식 분쇄기

건식 기류충격식 분쇄기의 대표적인 업체인 일본의 Hosokawa 사 분쇄기의 특징

은 3개의 초음속 분사노즐이 에어젯트밀의 중앙인 수직 평면상에 원호상 등간격인

120도 간격으로 원의 중심을 향하여 배열되어 있으며 분쇄기 내의 상부에 회전축

이 수평인 위치로 회전되는 원심형 분급기가 설치되어 있다(Fig 2)

분쇄기의 모델과 분쇄 대상 재료에 따라 분말의 크기가 01 - 10 의 범위에 있

Fig 2 일본 Hosokawa 사의 수직형 기류충격식 분쇄기의 내부

2 일본 Hosokawa 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(2)

Fig 3a ~ Fig 3c는 일본 Hosokawa 사의 등록특허이다 분쇄기와 분급기 구조에

관한 것이다 Fig 3a에 보인 원형 단면의 분쇄실 외주부에 Fig 3b와 같이 에어를

고압 분사하는 분사노즐이 다수개 배열되어 있어 재료 공급관으로 유입되는 재료

가 고압의 공기 분사에 의하여 분쇄된다 분쇄도니 미분은 상부 통로로 배출되며

조분은 Fig 3b 의 ldquo16rdquo 번 부위인 분쇄기 내벽을 따라 이동되다가 공기 노즐의

출구부 측면에 나있는 구멍으로 흡입되어 공기와 함께 분사되어 재분쇄가 된다

Fig 3a 일본 Hosokawa 사의 분쇄기 단면(일본 特開平 11-179228 1999)

Fig 3b 일본 Hosokawa사의 분쇄기 평면(일본 特開平 11-179228 1999)

Fig 3c 일본 Hosokawa사 분쇄노즐 단면(일본 特開平 11-179228 1999)

3 일본 미놀타 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(3)

Fig 4a ~ Fig 4c 는 일본 미놀타사의 등록특허이다 분쇄기와 분급기 구조로

Fig 2에 보인 Hosokawa 사의 수직형 분쇄기와 비슷한 구조이다 분쇄 효율을 높

이기 위하여 Fig 4c 에 보인 것과 같은 분쇄기 중앙부의 분사된 공기가 집중되는

위치에 삼각형 경사판을 배치하여 공기가 충돌한 후 분쇄기 상부로 향하게 되어

있다

Fig 4a 일본 미놀타사의 분쇄기 단면(일본 特開 2000-5621 2000)

Fig 4b 일본 미놀타사 분쇄기의 분사노즐 배열(일본 特開 2000-5621 2000)

Fig 4c 일본 미놀타사 분쇄기의 충격판(일본 特開 2000-5621 2000)

4 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(4)

Fig 5는 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 등록특허이다 분쇄기 내측

수평면상에 분사노즐이 서로 마주 보게 배열되어 있다 분급기의 회전 축이 분쇄기

의 중심축과 일치한 상태로 회전하여 수평면 상에서 원심력에 의하여 분급이 이루

어진다 분급된 미분은 분쇄기 상부의 통로로 배출된다

Fig 5 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 수평형 기류충격식

분쇄기(일본 特開 2002-35631 2002)

5 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(5)

Fig 6 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기 구조는 Fig 4 의 일본

미놀타사와 유사하다 수평면상에 분사노즐이 배열되어 있으며 분급기의 회전축도

수평으로 위치하고 있다

Fig 6 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(일본 特開 2003-88773

2003)

6 미국 Xerox사의 수평형 기류충격식 분쇄기와 노즐(6)

Fig 7a의 미국 Xerox사의 수평형 기류충격식 분쇄기 구조는 Fig 5의 일본

Hosokawa Alpine AGampCo OHG 사의 구조와 유사하다 분사노즐이 수평면상으로

배열되어 있으며 분급기의 회전축도 수평으로 위치하고 있다 분사노즐의 형상은

Fig 7b 에서와 같이 이중관 구조이다

Fig 7a 미국 Xerox 산의 수평형 기류충격식 분쇄기(일본 特開 2004-50179

2004)

Fig 7b 미국 Xerox 사의 이중관 분사노즐(일본 特開 2004-50179 2004)

7 독일 Netzsch사의 건식 기류충격식 분쇄기(7)

독일 Netzsch 사는 대표적인 기본 구조의 건식 기류충격식 분쇄기를 개발하여 가

공 용량이 다른 여러 가지 분쇄기에 유사한 구조를 적용하였으며 일본 Hosokawa

산의 분쇄기와는 전혀 상이한 구조이다 즉 3 개의 초음속 분사노즐이 기류충격식

분쇄기 하부의 수평 평면상에 원호상 등간격인 120 도 간격으로 원의 중심을 향하

여 배열되어 있으며 Fig 8 에서와 같이 수직 회전축을 갖는 원심형 분급기가 분

쇄기 상부에 설치되어 있다 분급기의 외형 모습은 Fig 9에 보인 것과 같으며 분

급 효율을 향상시킬 목적으로 분급기 단면이 회전 중심으로 향할수록 상하 공간이

넓어지는 ldquoConvor로 명명된 형상의 단면 모습으로 되어 있다(Fig 10)

Fig 8 독일 Netzsch 사 분쇄기의 내부 구조

Fig 9 독일 Netzsch 사의 분급기

Fig 10 독일 Netzsch 사 분급기의 단면 형상 ldquoConvor

8 독일 특허 공기 분사노즐(9)

독일 Netzsch 사의 분쇄기 관련 기술 컨설턴트인 Nied 가 고안한 분쇄용 분사노즐

의 구조에 대한 것이다 3 개의 공기 분사노즐이 기류충격식 분쇄기 하부의 수평

평면상에 원호상 등간격인 120도 간격으로 원의 중심을 향하여 배열되어 있다(Fig

11a) 분사노즐 중앙부의 구조는 단면이 수축-확산 형태로 노즐로 초음속의 고속

분사를 하면서 중심 노즐 주변에 중앙 분사부를 감싸는 이중 공기 분사관을 형성

하여 중앙의 분사노즐에서 분사되는 공기의 확산각이 커지지 않도록 공기 주위에

추가적인 보조 공기를 분사하는 구조이다(Fig 11b)

Fig 11a 독일 특허-분사노즐 배열과 분사 공기의 분포(EP 0 736328A1 1996)

Fig 11b 독일 특허-분사노즐 단면과 분사 공기의 분포(EP 0 736328A1 1996)

9 미국 특허 분쇄기 구조(10)

일본의 히데유끼 요시다 등 5 명이 미국에 출원한 특허로 분쇄 재료가 초음속으로

분출되는 공기 통로의 중간에서 공급되며 재료가 분쇄실로 이동된 후 충격판에 충

돌되어 분쇄되는 구조이다(Fig12) 분쇄된 분말의 크기는 10 수준이다

Fig 12 미국 특허-충돌식 분쇄기(USP 57657661998)

제 2 절 국내의 기술 현황

국내의 경우에는 초미분 분말 생산에 관한 개발 역사가 짧으며 연구소 대학 기업

등에서 다발적으로 연구가 진해오디고 있다 기계 전자 물리 재료 화학 등의 연

계된 연구가 필요하다 1996 년 과학기술부 및 산업자원부 등의 산업단을 중심으로

대형 연구가 수행되어 왔으나 주로 기상법에 의한 분말합성에 관한 것이다 1998

년도부터 한국기계연구원에서 200nm 급의 건식 분쇄 및 분급기에 대한 개발을 시

작으로 초미분 파우더 생산 장비에 관한 연구가 이루어지고 있다 초미분 분쇄 방

식은 본 기술지원 과제의 지원기업인 대가파우더시스템을 포함하여 습식 방식인

교반밀(agitated mill)을 주로 사용하며 입도의 크기는 5 이상 수십 크기의

범위이다 기류충격식 분쇄기의 기술 수준은 입도의 크기가 5 ~ 10 수준이다

기존의 습식분쇄기의 경우 평균 입도가 28 ~ 32로 Pb0를 대상으로 할 때 4

~ 6 kghr 정도를 생산할 수 있는 수준이다

국내에 등록되어 있는 건식 기류충격식 분쇄기와 관련된 특허의 출원인인 대부분이

일본업체이며 일본에 출원된 특허를 한국에 재출우너한 것이 대부분이다 미국과

벨기에가 각각 1 건씩 등록하고 있으며 한국인이 출원한 특허는 테크월드에서

출원한 3 건 등 모두 4 건이 검색되었다 마이크로급 이상의 파우더 생산장비에 대

한 국내의 기술 수준은 선진국 기술 수준의 약 70 수준이다 그나마도 설계 및

생산에 있어 거의 모방에 의존하고 있다 나노급 기술은 초보적인 상태이다

제 3 장 기술지원 수행 내용 및 결과

제 1 절 기술지원 수행

본 부품소재종합기술지원사업은 Fig13의 기술 개발 추진도에 따라 수행되었다

Fig 13 기술 개발 추진도

분쇄기의 전체 시스템 중에서 분쇄기와 분급기 이외의 기타 구성 모듈들에 대한 설

계 및 생산기술은 지원기업 대가파우더시스템이 기확보하고 있는 기술이 기술

지원의 주된 내용은 기류충격식 분쇄기의 핵심 부품이며 분쇄기의 성능을 좌우하는

초음속 공기 분사노즐과 분급기의 설계 기술에 관한 것이다 초음속 공기 분사노즐

의 단면 형상 공급 공기의 압력과 분사 공기의 속도 및 공기 소요량 산출을 위한

공기 분사노즐 설계와 분쇄기 내부의 내마모성 재료 선택 분급기 베인의 형상과

분급기로 유입되는 공기의 속도 분포를 균일하게 하여 원심력 작용으로 분말의 분

급 정밀도를 향상시켜 주기 위한 분급기의 내부 단면 형상 설계 미 ㅊ유입 공기 속

도 및 압력 분포에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 방법 등에 대한 체계적인 기술 지원이

수행되었다 향후 유사 모델 개발에 적용하여 새로운 제품을 개발할 수 있는 설계

능력을 확보하였다

1 분쇄기 시스템 구성도

본 기술지원을 통하여 개발하는 핵심 기술은 건식 기류충격식 분쇄기의 초음속 공

기 분사노즐과 분급기와 관련된 기술이다 분쇄기의 기본 구조는 독일의 Netzsch

사 제품과 유사한 구조로 되어 있으며 분쇄용 공기 분사노즐과 고정밀도의 분급기

설계기술을 자체 보유하는 데 주안점이 있다 개발 대상 분쇄기 시스템의 전체 구

성도는 Fig 14(7)에서와 같다 Fig 14에서 분쇄기 시스템은 ldquo진동공급기rdquo를 통하

여 공급되는 분쇄용 우너료를 ldquo건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기rdquo로 분쇄 및 분급

한 후에 cyclone을 거쳐 bag filter로 분말을 포집하는 시스템으로 구성되어 있

다 분말과 공기가 혼합된 기류는 각각의 단계로 이송하는 과정에서 double flap

valve로 이송이 조절되며 최종적으로 fan의 작동으로 공기가 배출된다

건식 기류충격식 분쇄기 본체를 구성하는 부품의 서브어셈블리는 각각 Chamber

Body Laval Nozzle Classifier Wheel 및 Bearing Block등으로 구성되어 있

다 주요한 설계 변수는 분쇄챔버의 직경과 높이 초음속 공기 분사노즐 설계 있어

서 라발 노즐(초음속 공기 분사노즐)의 모즐 목 내경과 배출부의 직경 및 축방향의

단면 형상 공기되는 공기의 압력 등이다 분급기 설계에 있어서의 주요 변소는 베

인의 단면 형상 베인의 수량과 배열 각도 분급기 내부 공동부의 단면 형상 분급

기에 유입되는 공기 속도와 분급기를 통과한 이후의 공기 압력 등이다

Fig 14 기류충격식 분쇄기의 시스템 구성도

2 소리의 속도

물체의 일부에 교란을 주면 개스 유체 및 고체의 압축성으로 인하여 물체를 통하

여 유한한 속도로 교란이 전파된다

음속은 물체의 압력과 밀도 변화와 관계되어 있으며 다음식으로 표현된다

여기서

음속 압력변화 밀도 변화

체적탄성계수는 다음과 같이 표현된다

여기서

체적탄성계수 압력변화 체적변화 초기체적

체적탄성계수는 식 (3)으로도 표현된다

여기서

물체의밀도변화 물체의초기밀도

개스 유체 고체 내에서의 음속은 다음식과 같다

여기서

체적탄성계수

개스에서의 소리 속도는 아주 작은 한 점에서 교란이 일어나는 관계로 열전달을 무

시할 수가 있으며 또한 등온 상태로 가정할 수가 있다 이상 기체에서의 소리 속도

는 절대 온도의 근에 비례하며 다음식으로 표현된다

여기서

k = 비열비 (adiabatic index)

p = 압력 (Pa psi)

R = 개스 상수

T = 절대 온도 (degK degR)

앞의 식 (4)와 식 (5)로부터

식 (6)으로부터 체적탄성게수 E를 구할 수가 있다

( 예 1 ) 공기의 체적탄성계구 산출

k = 14 R = 287 (JK kg) at T=293K( 20 ) p=1204(kgm3)

Eair = k R T p=14X287X293X1204=14174379((Jm3)

Eair = 14174379(Nm2)

( 예 2 ) 염소(C12)의 체적탄성계수 산출

k = 134 R = 120 (JK kg) at T=293K(20) p=2994(kgm3)

Ec12 = k R T p=134X120X293X1994=14106051((Jm3)

Ec12 = 14106051(Nm2)

( 예 3 ) 0 1 bar 공기에서의 소리 속도

c = (14x287x273)12

= 3312 (ms)

여기서

k = 14

R = 287 (JK kg)

( 예 4 ) 20 1bar 공기에서의 소리 속도 산출

c = (14X287X293)12

= 3431 (ms)

( 예 5 ) 0 물속에서의 소리 속도 산출

여기서

3 공기 분사노즐에서의 유동식

개스역학에서 공기의 속도가 sim 이상으로 빠르거나 압력의 변화가

보다 큰 경우에는 압축성 흐름으로 취급한다 이러한 현상은 노즐에서

개스가 팽창하는 경우에 발생된다

정상유동에서의 에너지 평형 상태는 다음식으로 표현된다

여기서 엔탈피는

이며 엔탈피 ∆의 변화는 내부에너지 ∆에 외부로 또는 외부로부터의 체적에

의한 일 ∙∆의 합과 같다

내부에너지의 변호가 없고 밀도가 일정하다고 가정하면 즉 ∆ 인

경우에는 비압축성유동의 베르누이 방정식이 된다 반면에 위치네어지의 변화가 없

는 경우 ∆ 에는 상대적으로 밀도가 낮은 압축성 유체인 ldquo개스rdquo의 상태를

나타낸다 ldquo개스역학rdquo 이라는 자체가 의미하듯이 해석에 있어 고압 및 개스의 속도

가 포함되며 내부에너지의 변화 ∆를 무시할 수가 없다 이러한 의미에서 식 (7)

은 다음과 같이 된다

이상개스 방정식에서

이며 식 (12)를 식(9)에 대입하면 다음과 같이 된다

식 (13)에 에너지 보존법칙을 적용하면 노즐에서 분사되는 개스의 속도를 구할 수

있다

개스의 초기 속도가 인 경우에는

가역 단열 흐름에 있어서는 다음 3개의 식을 적용할 수가 있다

식 (16) ~ 식 (18)을 식 (15)에 대입하면 노즐에서 분출되는 개스의 속도가 구해

진다

노즐을 통과하는 질량의 흐름 식

밀도의 비로부터

다음과 같이 노즐을 통과하는 질량을 구한다

다음의 식 (23)을 식 (22)에 대입하여

식 (24)를 구한다

여기에서

을 ldquo탈출 계수(escape coefficient)rdquo 라고 한다

식 (25)를 사용하여 식 (24)를 다시 표현하면 다음의 간략식이 된다

탈출 계수 는 압축비 의 값이 다음과 같은 값일 때

임계 압축비 또는 라발 압축비로 표현되는 다음 크기의 최대값을 갖는다

음속은 노즐의 단면적이 제일 작은 부분에서 임계 압축비에 도달한다

max는 테이퍼가 일정한 실린더 형상의 노즐에 적용된다 식 (26)에 의하여

ㆍ 가 되며 는 일정한 테이퍼의 노즐에서만 증가할 수 있다 만약 압

축비 가 임계비 이하이면 max이므로 노즐을 통과하는 질량의 흐름은 일정

하다 이것은 질량의 흐름이 외부의 압력에 영향을 받지 않는다는 것을 의미한다

질량의 흐름에 의한 일은 다음의 식 (30)으로부터 구해진다

압축성 유체의 단열 팽창시에 수행된 일은 식 (19)와 식 (30)로부터 다음과 같이

산출된다

아래의 Fig 15 는 수축확산 노즐의 단면 모습이며(11) Fig 16 은 수축확산 노즐에

서의 압력 온도 속도 변화를 나타낸 것이다(8)

Fig 15 수축확산 노즐(Laval Nozzle)

Fig 16 수축확산 노즐에서의 압력 온도 속도 변화

압축성 유체의 흐름에 있어서 임계 속도 이후에 노즐의 단면이 서서히 확대되면

열에너지가 유동에너지로 변환되면서 온도는 낮아지고 흐름이 증가된다

앞의 식 (27)을 참조할 때 Fig 16 의 수축확산 노즐의 단면적이 가장 작은 임계

압축비 에서 음속에 도달한다 이 것은 질량 흐름에 식 (26)이 계속적으로 유

효하다는 것을 의미한다 수축확산 노즐 출구에서의 온도는 다음과 같은 관계가 된

노즐 확산부의 치수는 다음식으로부터 구해지며

개스 상수 등은 계수 개스 유입 온도 노즐 목의 직경 압축비 등의

변수로부터 노즐 출구에서의 개스 속도와 온도를 구할 수가 있다 공기 흐름 해석

대상 노즐 각부에 대한 부호는 Fig17에서와 같다

Fig 17 수축확산 노즐의 각부 부호

실제 수축확산 노즐을 설계하는 데 있어서는 노즐에서 발생될 수 있는 압축파 발생

을 억제하기 위하여 노즐 출구의 치수를 설계값보다 약간 작게 한다 즉 Fig 17에

서의 노즐의 확산각 가 를 넘지 않아야 하며 최대 이내여야 한다

4 공기 분사노즐의 흐름 특성 계산

앞의 ldquo3 초음속 공기 분사노즐에서의 공기의 흐름rdquo에서 유도된 식들을 이용하여

ldquoMathcad 13 프로그램(12)으로 설계 대상 분쇄기에 적용되는 공기 분사노즐의 단

면 치수 유입 공기량 노즐 출구에서의 공기 속도 소요 동력 등을 산출하였다

우선 단위와 공기의 상수를 정리하면

kilo=1000 TK =273 hoursec =3600 k = 14

ㆍsecㆍ

ㆍsecㆍ

ㆍsec

ㆍsec

예를 들어 tan tan tan tan

해석 조건이 다음과 같으면 tank pressure=700kPa Ttank=70 exit

pressure=100kPa

단위 (mm) throat diameter=50 length 150 outlet diameter=70 diffusion

angle α=38deg

d = 0007 pe = 100kilo po = 7pe Ttank =7C

To = TK+Ttank To=343 (K)

times

sec

Air_massflow1N_hour =Air_masflow1N_sechoursec

Air_massflow1N_hour = 133024 (kghrper 1 nozzle)

Air_massflow3N_hour = Air_massflow 1N_hour3

Air_massflow 3N_hour = 399071 (kghrper 3 nozzles)

Imsec)

sec

timesorsec timesorsec

(kgm3)

sec

sec sec

공기분사 노즐 목의 직경이 50mm 출구 직경이 70mm 노즐 목에서 노즐 출구까

지의 길이가 150mm로 공기 분사노즐의 환산각 도인 공기 분사노즐이 3

개 장착되어 있으며 탱크내의 공기가 압력 7bar 와 70 를 유지하면서 계속적으

로 노즐을 통하여 공급되며 또한 분쇄 챔버 내의 압력이 1bar 로 유지되는 경우의

공기 분사노즐의 유동 특성 계산 결과를 종합 정리하면 다음과 같다

- 노즐 출구에서의 공기 최대 속도 542151msec

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 무게 399071kghr

(노즐 하나에 00369kgsec)

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 부피 225333m3hr(0063m3sec)

- 소요 동력 16291kWhhr

5 수축확산 공기 분사노즐의 유동 해석

공기 분사노즐을 3D 모델링 프로그램 SolidWorks(13)로 모델링하여 열유체 해석

을 위한 유한요소해석 프로그램 COSMOSFlwWorks(14)로 공기 분사노즐 내의 유

동 해석을 수행하였다 해석 대상 공기 분사노즐 단면의 형상과 각부의 치수는

Fig18에서와 같다

Fig 18 수축확산 노즐 유동 해석 모델의 단면

해석시에 적용된 변수값들은 앞의 ldquo4 초음속 공기 분사노즐의 분사 특성 계산rdquo에

서 산출된 값을 적용하였다 노즐의 확산부위 길이는 15mm 이며 분사노즐의 확산

각은 도이다 노즐 하나에 대하여 Fig 18 의 왼쪽면에서 00369 kgsec

의 공기가 유입되며 오른쪽 분사노즐 출구면에 12bar 의 압력을 적용하였다 분사

노즐의 유동 해석 결과의 여러 가지 특성값 중에서 본 설계에서의 주요 관심사가

공기의 배출 속도인 관계로 Fig 19에 흐름의 속도 분포 Fig 20에 흐름의 마하넘

버 분포를 나타내었다 초음속 흐름에 대한 해석으로 분사노즐 목에서의 공기속도

가 약 335msec(마하 1)이 되며 노즐 출구에서 최대속도가 된다 Fig 21은 수축

확산 노즐에 대한 공기의 속도 분포 해석 결과를 반영하여 공기 분사노즐을 모델링

한 것이다

Fig 19 수축확산 노즐의 공기 흐름 속도 분포

Fig 20 수축확산 노즐의 공기 흐름 마하넘버 분포

Fig 21 수축확산 노즐 모델

6 분급 이론

분급(分級 classification)이란 유체력을 이용해서 분립체를 그 입자 지름의 크기에

따라 분리하는 것으로 넓은 뜻으로는 유체력에 의한 분리만이 아니라 체가름을 포

함하는 경우가 있다 더 넓게는 비중선별ㆍ자기력선별 등 모든 입자분리조작을 분

급이라고 한다 공기ㆍ물 등의 유체 속에서 운동하는 분립체의 각 입자에는 중력

또는 원심력 이외에 유체에 의한 유체항력 등이 함께 작용된다 이 힘 즉 유체항력

은 입자 지름에 의존하는 데 유체항력과 입자 지름의 관계는 중력이나 원심력과

입자 지름의 관계와는 다르기 때문에 이 둘 사이의 균형 조건이 입자 지름에 의해

좌우된다 좁은 뜻의 분급은 이 원리를 이용한 입경분리조작을 의미한다 중력장에

서 등속 침강하는 구 형상의 입자에 대한 힘의 균형은 다음 식으로 표현된다

여기서 은 입자 질량 prime는 입자에 의해 배제된 유체 질량 g는 중력가속도 R

은 는 유체항력을 나타낸다 유체항력 R은 다음 식으로 나타낼 수 있다

여기서 는 저항계수 (drag coefficient)로 입자 주위의 유체의 상대적인 흐름의

상태에 따라 결정되는 무차원 계수이다 는 유체의 밀도 는 입자의 침강속도

는 입자의 지름이며 는 입자의 투영 최대 면적이다 물 또는 공기 속에서 입

자의 지름이 100 이하 입자의 밀도가 3gcm2이하의 조건에서는 입자 주위의 흐

름은 거의 충류로 간주되며 이때 R은 다음 식으로 나타내진다

여기서 는 유체의 점성도이다

prime

이므로 식 (36)을 식 (34)에 대입하면 식 (37)을 얻는다

여기서 는 입자 밀도이며 식 (37)을 스토크스의 침강속도식이라고 하며 분급에서

분리입자 지름을 구하기 위한 기본식으로 중요하다

식 (37)은 다음

과 같이도 표현된다

유체가 공기나 그 외의 기체인 경우의 분급 조작을 건식 분급(또는 공기 분급) 물

이나 그 외의 액체인 경우의 분급 조작을 습식 분급이라 한다 앞에 언급된 기본식

들 이외에 어떤 종류의 분급장치에서는 유체의 흐름 방향이 급격히 변화할 때 흐름

에 따라 운동하는 입자의 관성력의 효과가 중요한 역할을 한다

분급에 사용하는 장치를 분급기(classifier)라고 한다 건식분급기에는 관성력을 이

용하는 것 중력침강을 이용하는 것 원심력을 이용하는 것 등이 있다 관성력을 이

용하는 건식분급기에는 루버식분급기 버추얼임팩터 엘보제트형분급기 등이 있는

데 건식분급기로는 원심력을 이용한 것이 가장 널리 사용되고 있다 원심력을 이용

한 건식분급기로는 분급 입도가 30~100 정도의 비교적 굵은 입도에서의 대량 처

리로 옛날부터 알려진 스튜어트밴트형 등이 있으며 또한 몇 ~30의 분급이 가

능한 여러 분급기가 개발되어 널리 쓰이게 되었다 또한 사이클론도 미립(微粒)에서

조립(組立)에 이르는 분체(粉體)의 건식분급에 이용된다 습식분급기에는 중력식과

원심력식이 있으며 중력식은 상승 수류(水流)와 유동층을 이용한 수력분급기 원뿔

형 또는 각뿔형 용기에서의 중력침강을 이용한 세틀링탱크 등의 침강분급조 완만

하게 경사진 직사각형의 조(槽)로부터 침하한 조립 생산물을 긁어올리기 위한 레이

크나 스파이럴을 갖춘 기계분급기 등으로 분류된다 원심력을 이용한 습식분급기로

는 사이클론 또는 하이드로사이클론이 가장 대표적이며 솔리드볼형ㆍ디스크형 등

의 원심분리기도 미립자용 분급기로 사용된다

Fig 22는 베인 구조의 원심형 분급기의 회전 단면 모습이다

Fig22베인 구조의 원심형 분급기의 단면

Fig 22에서 H는 분급기 내부 상하면 사이의 간격이며 는 선별된 미분이 배출되

는 반경 는 베인의 내반경 는 베인의 외반경을 나타낸다

분체 주위의 공기 흐름이 층류 흐름이라는 조건하에서 베인 구조의 원심형 분급기

에의 컷포인트(utpoint)를 결정짓는 외주부의 반경 은 다음과 같다

또한 선별된 미분이 배출되는 반경은 다음과 같다

베인 사이에서도 고체의 회전법칙이 적용된다 베인의 외주 반경에서 속도의 원주

방향 성분 과 중심방향 성분 가 가장 큰 영향을 준다

식 (41)과 식 (42)를 식 (38)에 대입하여 정리하면 다음과 같다

독일 Netzsch 사에서는 베인의 내반경 에서 선별된 미분이 배출되는 반경 까

지의 반경 방향의 공기 속도 성분 을 질정하게 해 주기 위하여 Fig 10에 보인

ldquoConvorrdquo라고 불리우는 단면의 분급기를 개발하여 사용화하고 있다

7 분급기 설계와 유동 해석

분급기의 베인 사이로 분쇄된 미분과 공기가 함께 유입되어 중앙부의 배출구로 통

과하는 분급기의 내부 형상을 설계하기에 앞서 분급기 내부를 구성하는 상면이 평

평한 구조의 분급기에 대한 유동해석을 실시하여 공기의 속도 분포를 검토하였다

해석 대상 분급기의 외경은 205mm이며 밑면 중앙에 공기 배출을 위하여 직경이

90mm인 원형 구멍이 뚫려 있다 분급기 외주에는 단면이 원호의 일부로 만들어진

두깨가 2mm 넓이가 18mm 길이가 35mm인 베인이 매 60도마다 10개씩 등간격

으로 모두 60개가 베인의 코드 방향과 분급기의 반경 방향이 이루는 각도가 약 15

도가 되도록 경사지게 설치되어 있다 원주 방향으로 매 60도마다 길이 35mm 직

경 8mm인 원형봉 6개가 등간격으로 배열되어 상ㆍ사 카버 사이에 베인을 고정시

켜 조립되는 구조이다 해석 대상 분급기에 사용된 베인의 단면과 베인의 배열 및

분급기 상ㆍ하면을 고정하는 봉이 포함된 수평면상의 평면도를 Fig 23에 나타내었

다 Fig 24는 분급기의 상면 형상이 평평한 구조인 경우에 대한 분급기의 수직단

면도이다

분급기에 유입되는 공기는 온도 50 유입량 01m3sec 분급기를 통과한 후에

배출되는 공간의 압력은 12bar이며 분급기의 회전속도는 8000rpm(838radsec)

이다 분급기에 발생되는 원심력의 절대적인 크기는 재료의 밀도와 분급하고자 하

는 분말의 크기에 따라 분급기의 회전수를 변화시켜서 조절한다 SolidWorks 및

COSMOSFloWorks 프로그램으로 분급기의 공기 유동해석을 실시하였다 해석시의

변수 입력 항목 및 해석 과정을 ldquo부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 유동해석 절

차rdquo에 정리하였다

Fig 23 베인과 상ㆍ하면 고정 원형봉의 평면 단면도

Fig24 분급기 상면이 평면인 경우의 수직단면도

공기 유동해석 결과를 Fig25~Fig27에 나타내었다 Fig25는 베인의 중간 높이에

서의 수평 단면에서의 공기 속도 분포이다 Fig26은 베인이 위치한 부위에서의수

직단면 Fig 27은 상ㆍ하면을 고정시켜 주는 원형봉이 있는 부위의 수직단면에 분

포하는 공기의 유입 속도 해석 결과를 나타낸 것이다

Fig 25 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig 26 베인 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig27 연결봉 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig15~Fig27의 공기 속도 등고선을 보면 베인 외주부의 상하 위치에 있어서 공

기의속도가 불균일한 분포를 보인다 베인의 분급기 내부 공간에서는 같은 반경인

위치에서 윗부분에서의 공기 속도가 아랫부분에서보다 빠르게 분포하고 있다 베인

의 높이 방향 상ㆍ하 위치에 따른 이러한 유입 속도의 편차는 분급기 외주의 실린

더 면으로부터 유입되는 공기가 분급기 중앙의 밑 방향으로만 배출되는 유동 통로

의 구조 때문으로 판단되낟 따라서 같은 반경의 같은 원심력이 발생되는 위치에

있어서도 윗부분에서의 공기 유입속도가 밑부분에서보다 크게 분포되어 윗부분에서

는 밑부분에서보다 큰 분말이 분급기 안으로 유입된다 지정된 크기의 컷오프보다

큰 분말과 작은 분말이 혼합된 상태로 배출되는 관계로 분급이 정밀도가 저하된다

베인의 상ㆍ하 위치에 무관하게 공기의 유입 속도를 가급적 균일하게 해 주기 위한

목적으로 분급기 내부의 단면 형상을 Fig28과 같은 인볼류트-컨볼류트

(involute-convolute) 단면으로 구성하여 공기의 유동해석을 실시하였다

Fig 28 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기

Fig29는 베인의 중간 높이 수평단면 상에서의 공기 속도 분포이다 Fig25에 비하

여 베인의 외주 부위에서의 공기의 속도가 균일하게 분포되고 있음을 보여 준다

Fig29 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig 30은 베인이 위치한 부위에서의 수직 단면 Fig31은 상ㆍ하면을 고정시켜 주

는 원평봉이 있는 부위에서의 수직 단면에 분포하는 공기 속도 분포이다 Fig30과

Fig31은 각각 Fig25와 Fig26에 비하여 베인의 높이 방향 전체에 걸쳐 공기의 유

입 속도가 상당히 균일하게 분포되는 것을 보여 주고 있다

Fig 30 베인 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig31 연결봉 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig32는 분급기 내부의 공간 형상이 인볼류트-컨볼류트인 분급기의 설계 모델이

Fig32 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 모델

Fig33은 앞의 수축확산 공기 분사노즐(Fig20)과 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급

기(fig32)로 구성된 건식 기류충격식 분쇄기의 3D모델이다 중요 부품의 도면은

ldquo부록 9 설계 도면rdquo에 수록하였다

Fig33 건식 기류충격식 분쇄기의 3D 모델

8 시작품 제작

수축확산 공기 분사노즐의 유동해석 및 분급기의 유동해석 결과를 바탕으로 시작품

을 제작하였다 Fig34는 수축확산 공기 분사노즐 헤드의 시작품 모습이다

Fig 34 수축확산 공기 분사노즐 헤드 시작품

Fig35는 분급기의 시작품 모습이다 분급기의 베인은 분체와 마찰시 내마모성을

갖도록 SUS 재질로 곡면 성형한 후 세라믹으로 코팅하여 제작하였다

Fig35 분급기 시작품

Fig 36은 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 수축확산 공기 분사

노즐 및 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 등이 분쇄기의 내부에 장착되어 있다

Fig36 건식 기류충격식 분쇄기 시작품

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기와 관련된 국외 특허 자료 조사와 분석 공기의

유동해석에 있어 많은 일정이 소요되었다 기술지원 추진일정을 Table1에 정리하

였다

Table 4 추진 일정

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 7: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

5 적용기술 인증 지적재산권 획득 여부

1) 규격 인증획득

인증명 품목 인증번호 승인기관 인증일자

2) 지적재산권

종류 명칭 번호 발명자 권리자 실시권자

비고

(등록

출원)

특허

원심형 분말

분급기

(Centrifugal

Powder

Classifier)

10-2007-0092396

윤승원

최덕규

남상경

최인환

최병훈

한국생산기술연구원

대가파우더시스템(주)출원

6 세부지원실적

항 목 지원 건수 지 원 성 과

기술정보제공 104 건국내ㆍ외 특허 73건 전문서적 14 권 매뉴얼

6 권 기타 기술 자료 11건

시제품제작 1 건 DGJMV-350 건식 기류충격식 분쇄기

양산화개발 3 건 공기 분사노즐 분급기 베인

공정개선 3 건 분쇄기 설계 절차 베인의 형상 설계과 제작

품질향상 3 건 분급기 베인 분사노즐

시험분석 3 건 분말의 입도 측정

수출 및 해외바이어발굴 0 건

교육훈련 18 건SolidWorks COSMOSFloWorks 사용 방법 교

기술마케팅경영자문 1 건 (주)지바이오텍에 건식 분쇄기 장비 소개

정책자금알선 1 건 생산기술연구자금 알선

논문게재 및 학술발표 0 건

사업관리시스템

지원실적업로드 회수0 건

지원기업 방문회수 54 건

지원책임자 지원기업 방문 39 건 국내 방문

7 건 해외 출장 1 건

참여기업 연구원 0명 지원기관 내방 7회

기 타 8 건국내ㆍ외 전시회시 수집 자료 제공 4회

시작품 제작용 자재 지원 4 회

상기 세부지원실적에 대한 세부내용 첨부

7 종합의견

소재산업이 정밀화되고 고기능화함에 따라 서브미크론급의 초미립을 생산하는

분쇄기의 성능 향상이 요구되고 있다 국내의 경우에는 건식 기류충격식 분쇄기

에 대한 설계 기술 부족으로 2 ~ 3 급의 건식 분쇄기를 독일과 일본 등으로

부터 고가로 수입 하여 사용하고 있으며 대항 경쟁 제품을 개발하지 못하고 있

는 실정이다

지원기업 대가파우더시스템(주)은 창업후 36 년 이상 분쇄기를 전문으로 설계

및 생산하는 분쇄기 전문기업이다 본 부품소재종합기술지원사업 전 기술지원

기간 동안 지원기업의 연구진 4 명이 연구사업에 적극적으로 참여하여 지원책

임자와 함께 기술력 향상에 노력하였으며 건식 기류충격식 분쇄기의 핵심 모듈

인 수축확산 공기 분사노즐과 분급기의 자체적인 설계 해석 및 생산 기술을 확

보하였다

건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 여러 부품 중에서 핵심 모듈인 수축확산 초

음속공기 분사노즐과 분급부와 관련된 기초 이론 국내ㆍ외 특허기술 조사와 분

석 구성 부품의 3D 설계 기술 재질 선정 분사노즐과 분급기의 공기 유동 해

석 기술을 확보하였다 즉 초미립 분쇄를 위한 공기 분사노즐의 단면 형상과 공

급 유량 산출 압력과의 관계 분급기 내부의 형상 베인의 단면 형상과 소요 수

량 베인의 간격 배열 위치 및 분급기의 회전수 등을 고려한 유동해석 기술을

확보하여 고정밀도의 분급기의 자체 설계가 가능해졌다

향후 건식 기류충격식 분쇄기의 여러가지 용량과 성능에 맞는 분쇄기를 자체적

으로 설계 및 제작하는 것이 가능하며 제품 신뢰도의 향상과 매출 증대에 크게

기여할 것이 예상된다

연구과제(세부과제) 성과

1 사업화 성과

특허 성과

출원된 특허의 경우

세부사항

(9)

출원년도

(10)

특허명

(11)

출원인

(12)

출원국

(13)

출원번호

2007

원심형 분말 분급기

(Centrifugal Poweder

Classifier)

한국생산기술연구원

대가파우더시스템대한민국 10-2007-0092396

사업화 현황

사업화 세부사항

(9)

사업화명

(10)

사업화

내용

(11) 사업화 업체 개요(12)

기 매출액

(백만원)

(13)

당해연도

매출액

(백만원)

(14)

매출액

합계

(백만원)

업체명 대표자 종업원수사업화

형태

대가파우

더시스템

최은석 59 4

주 11) 사업화 업체 개요의 사업화 형태는 1 연구책임자 창업 2 기술이전에 의한

창업 3 창업지원 4 기존업체에서 상품화 중에서 선택하여 번호 기입

고용창출 효과

고용창출 세부사항(9)

창업(명)

(10)

사업체 확장(명)

(11)

합계(명)

세부지원실적 증빙 내용

1 참여기업 현장방문 47건 참여기업이 생기원 내방 7건

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20060825DPS 주요 기술 지원 사항에 관한 협의

윤승원 최병훈 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

2 20060829기업은행 설명회장 연구비 카드 사용 교육 참석

윤승원 최덕규출장 기록

3 20060831DPS 젯트밀 쳄버 설계 대상 구조 개요 윤승원

최병훈 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

4 20060901KINTEX NanoKorea 2006 참관 윤승원 남상경

최덕규출장 기록

5 20060907DPS 젯트밀 관련 국내 특허 조사 윤승원

남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

6 20060908건식 분쇄기 관련 기술자료 조사 영풍문고

윤승원출장 기록

7 20060915DPS 젯트밀 관련 국내 특허 조사 윤승원

남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

8 20060919 문래동 내마모성 재료조사 윤승원 출장 기록

9 20060921DPS 에어젯트밀 관련 국내 특허 자료 검토

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

10 20061017DPS 에어젯트밀 관련 미국 특허 조사 윤승원

남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

1120061018~

1022

베트남국제산업박람회(VIIF 2006) Hanoi

Vietnam 윤승원출장 기록

12 20061026한국생산기술연구원 기류충격식 분쇄기의 부품

구성도 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민

DPS 연구원 4명

생기원 내방

13 20061027DPS 초음속 공기 흐름에 대한 기초 윤승원

남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

14 2061102DPS 초음속 공기 흐름 관계식 윤승원 남상경

최인환 최덕규 윤상민출장 기록

15 20061103DPS 초음속 공기 흐름 관계식 윤승원 남상경

최인환 최덕규 윤상민출장 기록

16 20061106일산 네이취코리아 건식분쇄기 및 분급기 관련

자료수집 윤승원출장 기록

17 20061109DPS 기류충격식 분쇄기의 구성도와 노즐 설계

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

18 20061116한국생산기술연구원 기류충격식 분쇄기의 예상 부품

구성도 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민

DPS 연구원이

생기원 내방

19 20061123DPS 기류충격식 분쇄기의 예상 부품 구성도

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

20 20061130

DPS 기체 분사노즐의 초음속 분출 속도와 유량

산출에 대한 해석적 방법의 적용 윤승원 남상경

최인환 최덕규 윤상민

출장 기록

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

21 20061204DPS 기류충격식 분쇄기의 예상 부품 구성도

수정 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

22 20061207DPS 기류충격식 분쇄기의 부품번호 및 명칭

부여 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

23 20061212 문래동 철재 부품조사 윤승원 출장 기록

24 20061214DPS 기체 분사노즐 내의 공기유동 유한요소해석

모델링 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

25 20061215DPS 기체 분사조즐 내의 공기유동 유한요소해석

모델링 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

26 20061221

한국생산기술연구원 기류충격식 분쇄기의 공기

초음속 분출 노즐 형상 설계시의 설계 변수

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민

DPS 연구원 4명

생기원 내방

27 20070109DPS 기류충격식 분쇄기 제작용 재료 구입

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

28 20070116DPS 기류충격식 분쇄기의 분쇄 챔버 기본 설계

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

29 20070205DPS 기류충격식 분쇄기의 분쇄 챔버 기본 설계

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

30 20070206DPS 기류충격식 분쇄기의 분쇄 챔버 3D 모델링

윤승운 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

31 20070213

한국생산기술연구원 기류충격식 분쇄기의 분쇄

챔버 3D 모델링에 대한 설계 검토 윤승원

남상경 최인환 최덕규 윤상민

DPS 연구원 4명

생기원 내방

32 20070227DPS 분급기 구조 기본 설정 윤승원 남상경

최인환 최덕규 윤상민출장 기록

33 20070306DPS 회전체 설비의 관성모덴트 산정 방법

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

34 20070308DPS 분쇄 쳄버와 분급기 제작용 내마모성 재료

검토 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

35 20070320DPS 분급기의 기본 구조 모델링과 베인 배열

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

36 20070326DPS 분급기용 베인의 단면 형상과 배열 및 수량

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

37 20070327한국생산기술연구원 분급기 모델링과 베인 배열

구조 윤승원 남상경 최덕규

DPS 연구원 2명

생기원 내방

38 20070403DPS 분급기의 유동장 해석을 위한 COSMOSWorks

해석 연습 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

39 20070410DPS 분급기의 유동장 해석을 위한 COSMOSWorks

해석 연습 윤승원 최인환 최덕규출장 기록

40 20070417DPS 베인 형상 설계 유체 흐름 해석 모델링과

입력 변수 설정 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

41 20070502DPS 베인 형상에 따른 유체 흐름 해석 윤승원

남상경 최인환 최덕규출장 기록

42 20070504한국생산기술연구원 분급기의 공기 유동 해석

결과 분석 윤승원 남상경 최인환

DPS 연구원 2명

생기원 내방

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

43 20070508DPS 여러 내부 형상의 분급기 구조와 베인에

대한 공기 유동 해석 윤승원 남상경 최인환출장 기록

44 20070518DPS 베인의 형상에 따른 분급기의 공기 유동

해석 결과 분석 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

45 20070523DPS 분급기 내부 형상 설계 변경 윤승원

남상경 최인환 최덕규출장 기록

46 2070530한국생산기술연구원 분급기 내부 형상에 따른 흐름

해석 분석 윤승원 남상경 최인환 최덕규

DPS 연구원 3명

생기원 내방

47 20070601DPS 분급기 내부 형상의 조립성을 고려한 설계

수정 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

48 20070607DPS 베인의 형상과 수량에 따른 분급기의 공기

유동 재해석 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

49 20070613DPS 분사노즐 설계 확정을 위한 공기 분사노즐

유동장 재해석 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

50 20070618DPS 에어젯트밀 구조 설계 검토 윤승원

최병훈 남상경 최인환 최덕규출장 기록

51 20070703DPS 분급기 내부 형상에 대한 특허 출원 자료

준비 윤승원 최병훈 남상경 최인환 최덕규출장 기록

52 20070705

경북 칠곡 쿠어스텍코리아 분급기용 베인 제작

가능성 확인을 위한 업체 방문 윤승원 최인환

최덕규

출장 기록

53 20070711DPS 베인 형상 확정 및 구매 요청 윤승원

남상경 최인환 최덕규출장 기록

54 20070724DPS 분쇄기 에어노즐 분급기 설계 자료 정리

윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

2 기술정보제공 특허 73건

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20061013 분쇄기 관련 한국특허 13건(제본) 부록 1 목록

2 20061013 분쇄기 관련 일본특허 16건(제본) 부록 2 목록

3 20061013 분쇄기 관련 미국특허 23건(제본) 부록 3 목록

4 20061013 분쇄기 관련 유럽특허 4건(제본) 부록 4 목록

5 20070213 분급기 관련 미국특허 17건(제본) 무록 5 목록

3 기술정보제공 전문서적 14권

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20070306 構造解析のだぬの有限要素法實戰ハソドプツク 전문서적

2 20070306 世界の規格基準認證ガイドツク 전문서적

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

3 20070306 設計者に必要な材料の기 전문서적

4 20070306 設計者のたぬの モーメソト 전문서적

5 20070306 すべリ軸受資料集 전문서적

6 20061109Flow Mechanics and Thermodynamics in

Mechanical Processing전문서적

7 20061109NETZSCH-CONDUX Fludized Bed Jet Mill 제품

홍보자료

제품

홍보자료

8 20060907 Assembly Modeling with SolidWorks 20042005 전문서적

9 20060907 SolidWorks 2005 Tutorial and MultiMedia CD 전문서적

10 20070601Engineering Analysis with COSMOSWorks

Professional 2007전문서적

11 20070205 COSMOSMotion 전문서적

12 20061116 FLUENT 60 Tutorial Guide 전문서적

13 20070213 FLUENT 60 Users Guide 전문서적

14 20070213 Fundamentals of Fluid Mechanics 전문서적

4 시제품제작 1 건

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20070715 기류충격식 분쇄기 DGJMV-350 시작품

5 시험분석 3건

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20070627 입도 측정 histogram 1 부록 10

2 20070627 입도 측정 histogram 2 부록 10

3 20070627 입도 측정 histogram 3 부록 10

6 기술지원실적 업로드 건

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

목 차

제 1 장 사업의 개요

제 1 절 기술지원 필요성

제 2 절 기술지원 목표

제 3 절 기술지원 내용

제 2 장 국내ㆍ외 기술 현황

제 1 절 세계의 기술 현황

1 일본 Hosokawa 사의 수직형 기류충격식 분쇄기

2 일본 Hosokawa 사의 수평형 기류충격식 분쇄기

3 일본 미놀타 사의 수평형 기류충격식 분쇄기

4 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의

수평형 기류충격식 분쇄기

5 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기

6 미국 Xerox 사의 수평형 기류충격식 분쇄기와 노즐

7 독일 Netzsch 사의 건식 기류충격식 분쇄기

8 독일 특허 공기 분사노즐

9 미국 특허 분쇄기 구조

제 2 절 국내의 기술 현황

제 3 장 기술지원 수행 내용 및 결과

제 1 절 기술지원 수행

1 분쇄기 시스템 구성도

2 소리의 속도

3 공기 분사노즐에서의 유동식

4 공기 분사노즐의 흐름 특성 계산

5 수축확산 공기 분사노즐의 유동 해석

6 분급 이론

7 분급기 설계와 유동 해석

8 시작품 제작

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

2 기술지원 추진체계

3 연구기자재 활용

4 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

6 입도 측정

7 지적재산권 출원

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

제 6 장 참고문헌

부록 1 분쇄기 관련 한국 특허 13건 목록

부록 2 분쇄기 관련 일본 특허 16건 목록

부록 3 분쇄기 관련 미국 특허 23건 목록

부록 4 분쇄기 관련 유럽 특허 4건 목록

부록 5 분급기 관련 미국 특허 17건 목록

부록 6 기술지원 관련 전시회 참석

부록 7 개스의 비열값 개스 상수 밀도

부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 분급기 유동해석

부록 9 설계 도면

부록 10 입도측정 histogram

제 1 장 사업의 개요

분쇄는 재료에 외력을 가하여 작은 크기로 세분화하고 표면적을 증가시키는 기계적

인 조작이다 목적하는 파쇄물 입자의 크기에 따라 조쇄(粗碎) 중쇄(中碎) 분쇄(粉

碎) 미분쇄(微粉碎) 초미분쇄(超微粉碎)로 구분된다 분쇄시 작용되는 응력은 압축

력 충격력 전단력 마찰력 절단력 등이 있으며 단독의 힘이 작용되는 경우는 드

물고 분쇄 대상 재료에 여러 가지 힘임 복합력으로 동시에 작용되어 분쇄기 이루어

진다(1)

분쇄기는 분쇄 입도의 크기에 따라 다음과 같이 분류한다

(1) 조분쇄기 1500mm~100mmrarr500mm~25mm (분쇄비 4~3)

(2) 중분쇄기 500mm~6mmrarr50mm~1mm (분쇄비 7~5)

(3) 미분쇄기 125mm~1mmrarr2mmrarr01mm (분쇄비 20~10)

(4) 초미분쇄기 6mm~01mmrarr01mm~001mm (분쇄비 50~10)

분쇄기의 분쇄 방법에 의한 종류는 다음과 같다

(1) 볼밀(ball mill)

원통 속에 재료와 함께 강으로 만든 볼 즉 강구를 여러 개 넣은 후 함께 회전시켜

강구운동에 의한 충격으로 재료를 분쇄하는 장치이다 볼에는 주철 칠주물 플린트

석 천연석 등 원료에 따라 여러 가지가 있다 통의 길이는 통의 지름을 초과하지

않는 것이 표준형이지만 지름의 수 배 이상으로 긴 형의 튜브밀 그 중간인 콤파운

드밀(compound mill) 다양한 종류도 있다 원통의 내면은 특수강 또는 니켈판으로

내장한다 최종적인 미분을 만들 때 사용되며 도토(陶土) 염료 드의 처비분인 경

우에는 건식으로 사용되며 용도가 매우 넓다

(2) 로드밀(rod mill)

기체 내면의 길이보다 약간 짧은 강봉을 분쇄매체로 사용하는 회전식 분쇄기이다

거친 입자부터 선택적으로 분쇄하며 입도(粒度)가 비교적 가지런한 분쇄산물을 얻

을 수 있는 특징이 있다 단독으로 사용되는 외에 불밀에 의한 분쇄의 예비분쇄기

로서도 종종 사용된다

(3) 롤러밀(roller mill)

볼밀과 같은 원리의 분쇄기로 시멘트원료를 분쇄할 때나 석탄을 분쇄할 때 사용된

다 분쇄기 중에 롤러나 볼을 이용한 것을 링롤러밀이라고도 한다

(4) 조크러셔(jaw crusher)

전ㆍ후로 조금씩 진동하는 강철제의 철판과 이와 마주 보는 고정판 시이에 수 cm

에서 1m 정도의 암석 등의 덩어리를 물려 넣고 짓씹어 부수게 하는 구조로 되어

있다

(5) 임팩트 크러셔(impact crusher)

매초 원주 속도가 수십 m로 고속회전하는 원통에 장치된 충격판에 의해 분쇄하는

장치이다 골재 정형에 널리 쓰인다

(6) 휠러밀(wheeler mill)

tn 이하의 미분쇄를 필요로 하는 분야에서 널리 사용된다 소위 유체에너지밀의

일종으로 고압기체를 불어 넣음으로써 입자를 기계의 벽이나 또는 다른 입자에 충

돌시 켜서 분쇄하는 장치이다 기체가 길쭉한 도넛형의 통내를 입자와 함께 환류하

고 미세하게 된 입자만이 배기와 함께 기외로 배출되는 구조로 되어 있다

(7) 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)

노즐로 높은 압력의 공기 또는 질소를 초음속으로 분사시켜 분말 상호 간의 충돌로

초미립 크기로 분쇄되며 분급 휠(classifier wheel)의 속도 변환과 베인과의 간격에

의해 미립자의 크기를 조절하여 분급하는 방식이다 노즐의 크기 배열 상태 및 공

기 흐름의 조절로 효율성을 크게 증가시킬 수 있으며 동시에 분쇄기의 마모와 제품

의 순도 최적화를 유지할 수 있다 입도의 크기는 01 ~ 10의 범위에 있다

이외에도 큰크러셔(cone crusher) 압축력에 의한 자이러토리크러셔(gyratory

crusher)가 있고 충격력에 의한 해머밀(hammer mill) 케이지밀(cage mill) 유체에

너지밀 전단력에 의한 분쇄기 등이 있으며 마쇄력에 의한 자생분쇄밀과 진동밀

유성밀 교반밀이 있다

최근 들어 소재산업이 정밀화되고 고기능화 함에 따라 카본블랙 TiO2 PbO ZnO

SiO2등의 안료 세라믹 자기재료 맥반석 황토 슬래그 운모 흑연 탄화규소 탄

산칼슘 등을 미크론(μ) 크기 또는 서브미크론 크기의 분말로 분쇄하는 정밀 분쇄기

수요가 증대하고 있다

Fig 1 은 습식 분쇄기의 종류와 입도 범위의 관계를 나타낸 것이다 Fig 1 밑부분

의 화살표는 본 부품소재종합기술지원사업 수행으로 개발하고자 하는 분말의 크기

범위를 표시한 것이다

Fig 1 습식분쇄기의 입도 범위(독일 Buehler사)

제 1 절 기술지원 필요성

대가파우더시스템은 1970 년도에 창립하여 현재에 이르기까지 산업용 분쇄기 집

진기 건조기 기체여과기 액체여과기 폐수처리장치 등의 전문생산업체이다 최근

들어 소재산업이 정밀화되고 고기능화 함에 따라 분쇄기의 성능 향상이 요구되고

있다 최근에는 수십 nm 이하의 초분체 카본블랙 TiO2 ZnO SiO2 등의 안료 세

라믹 자기재료 등의 각종 소재의 입도 정밀화가 실현되고 있다 초분체기기 및 요

소 부품의 국내 수요는 독일의 DRAIS 일본의 KOTOBUKI 사 DYNO 사 등의 선진

메이커 제품을 수입하여 사용하고 있다 건식 기류충격식 분쇄기에 대한 국내 설계

기술 부족으로 외국에서 수입되고 있는 제품의 가격이 고가이어도 경쟁할 수 있는

제품을 개발하지 못하고 있는 어려운 상황이다

대가파우더시스템은 최근 습식 방법의 초미립 분쇄기를 개발하여 시험 중에 있으

며 압축공기를 이용한 기류충격식 분쇄기 개발에 있어서 분쇄부와 분급부의 기초

이론 구성 부품 설계 재질 선정 분쇄기 구조에 대하여 유한요소법으로 유동해석

을 하는 시뮬레이션 기술력 확보에 어려움을 겪고 있다 초미립 분쇄(ultra-fine

pulverization)를 위한 기류 분사노즐(compressed air nozzle supersonic air

nozzle)의 단면 형상 설계와 분쇄에 요구되는 유량 산출 분급기(classifier)의 크기

과 공기 유동부의 내부 형상 베인의 형상과 수량 베인의 간격 배열 위치 및 분급

기 회전수 등에 대한 설계 변수 등에 있어서 애로를 겪고 있으며 기술력 향상을

위하여 외부 전문가의 기술지원이 요청되고 있다

건식 기류충격식 분쇄기 설계의 핵심 기술을 지원하여 건식 기류충격식 분쇄기의

국내 업체의 자체 설계 능력 확보가 요구되낟 본 부품소재종합기술지원사업을 통

하여 초미립 분쇄기와 관련된 국내ㆍ외 특허 자료 기술문헌 및 분쇄부와 분급부의

기초 이론 관련 자료 조사와 제공 초미립 입자를 생산하기 위한 건식 분쇄기의 구

조 설계 기술 지원 유량에 따른 기류충격식 분쇄 노즐의 설계 변수 컴퓨터를 이용

한 3 차원 모델링에 의한 설계 유한요소법에 의한 기체의 유동 해석 기술 지원이

필요한다

제 2 절 기술지원 목표

기술지원의 초종 목표는 지원기업 대가파우더시스템가 분쇄 입도의 평균직경 18

~ 20 인 초미립 파우더를 생산하기 위한 기류충격식 분쇄기 설계와 생산에 대

한 기술 확보이다 공기 분사 방식의 분쇄 노즐 형상 분급부의 구조 설계 및 작동

에 대한 기초를 체계적으로 정립하며 분쇄기 구성 부품의 재질 선정 3D 모델링에

의한 분쇄기 시스템 설계와 유한요소볍에 의한 공기 유동장 해석 결과를 바탕으로

시작품을 제작하며 향후 유사 모델에 대한 자체적인 설계 및 새산 능력을 확보하

는 것이다

제 3 절 기술지원 내용

1 건식 기류충격식 분쇄기의 국내ㆍ외 특허 자료 기술문헌 및 기술정보 조사 지

원으로 초미립분쇄기의 기초 이론 구조 기능 정립 초음속 분사노즐 단면 형상

설계 자료로 활용

2 3D 모델링에 의한 설계 기술 지원으로 설계 오류를 사전에 방지

3 초음속 분쇄 노즐의 형상 설계와 유동 특성 해석 기술

4 분급부의 내부 구조 베인의 형상과 배열 및 수량 결정 유한요소법에 의한 분급

기의 유동 해석 기술 지원으로 분급 입도의 안정화 분급기 설계 및 제작

5 분쇄부와 분급기의 재질 선정 지원으로 생산가 관리 및 내구성 확보

Table 1 기술지원 목표 및 내용

제 2 장 국내ㆍ외 기술 현황

건식 분쇄 기술로 크기가 1 이하의 작은 입자를 생산하는 것은 어려운 기술로

분체기술의 장벽이라고 일컬어진다 각종 소재를 성분 변화없이 100nm 이하의 크

기로 극미세 분쇄하는 기술은 미래 산업을 이끌어갈 핵심분야로 국가간 연구개발

경쟁이 치열한 기술이다

제 1 절 세계의 기술 현황

나노급의 미세 파우더는 1980 년대초 독일의 칼스루헤연구소 등에서 시작되어

1990년대에 들어서 100nm 이하의 제조합성에 관한 연구가 본격화되었다 일본의

경우에는 과학기술청의 창조과학기술 추진과 통산성의 차세대산업기반기술 분야로

선정되어 주목을 받고 있다 초미분을 생산하기 위한 양산 장비 및 요소 부품에 대

한 선진국의 기술은 독일의 DRAIS사(습식) NETZSCH사(건식) 일본의 Kotobuki사

(습식) DYNO사(습식) Hosokawa 사(습식 건식) 등의 선진메이커에서 제품이 개

발되어 판매되고 있다 또한 나노 파우더 생산업체로는 일본의 Kako 사 미국의

Whittaker 사 Dow Chemical 사 Dupont사 및 독일의 Degusa사 등이 있다 현재

까지는 나노급 파우더 제조 공정의 불안정 및 복잡성 평가 방법의 미흡 등으로 다

양한 제조 공정 기술개발이 진행되고 있다 세라믹 분말의 경우에는 일부 특수한

경우에만 상용화되고 있다 금속분말의 경우에는 한정된 종류의 금속만 생산이 가

능하여 계속적인 개발이 진행되고 있다

건식 기류충격식 분쇄기의 주요 제작업체는 일본의 Hosokawa 사와 독일의

Netzsch 이다 미국 일본 및 독일 등에 대부분의 같은 내용의 특허가 등록되어

있으며 일본과 독일에 의하여 등록된 특허의 구조적인 특징은 다음과 같다

1 일본 Hosokawa사의 수직형 기류충격식 분쇄기

건식 기류충격식 분쇄기의 대표적인 업체인 일본의 Hosokawa 사 분쇄기의 특징

은 3개의 초음속 분사노즐이 에어젯트밀의 중앙인 수직 평면상에 원호상 등간격인

120도 간격으로 원의 중심을 향하여 배열되어 있으며 분쇄기 내의 상부에 회전축

이 수평인 위치로 회전되는 원심형 분급기가 설치되어 있다(Fig 2)

분쇄기의 모델과 분쇄 대상 재료에 따라 분말의 크기가 01 - 10 의 범위에 있

Fig 2 일본 Hosokawa 사의 수직형 기류충격식 분쇄기의 내부

2 일본 Hosokawa 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(2)

Fig 3a ~ Fig 3c는 일본 Hosokawa 사의 등록특허이다 분쇄기와 분급기 구조에

관한 것이다 Fig 3a에 보인 원형 단면의 분쇄실 외주부에 Fig 3b와 같이 에어를

고압 분사하는 분사노즐이 다수개 배열되어 있어 재료 공급관으로 유입되는 재료

가 고압의 공기 분사에 의하여 분쇄된다 분쇄도니 미분은 상부 통로로 배출되며

조분은 Fig 3b 의 ldquo16rdquo 번 부위인 분쇄기 내벽을 따라 이동되다가 공기 노즐의

출구부 측면에 나있는 구멍으로 흡입되어 공기와 함께 분사되어 재분쇄가 된다

Fig 3a 일본 Hosokawa 사의 분쇄기 단면(일본 特開平 11-179228 1999)

Fig 3b 일본 Hosokawa사의 분쇄기 평면(일본 特開平 11-179228 1999)

Fig 3c 일본 Hosokawa사 분쇄노즐 단면(일본 特開平 11-179228 1999)

3 일본 미놀타 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(3)

Fig 4a ~ Fig 4c 는 일본 미놀타사의 등록특허이다 분쇄기와 분급기 구조로

Fig 2에 보인 Hosokawa 사의 수직형 분쇄기와 비슷한 구조이다 분쇄 효율을 높

이기 위하여 Fig 4c 에 보인 것과 같은 분쇄기 중앙부의 분사된 공기가 집중되는

위치에 삼각형 경사판을 배치하여 공기가 충돌한 후 분쇄기 상부로 향하게 되어

있다

Fig 4a 일본 미놀타사의 분쇄기 단면(일본 特開 2000-5621 2000)

Fig 4b 일본 미놀타사 분쇄기의 분사노즐 배열(일본 特開 2000-5621 2000)

Fig 4c 일본 미놀타사 분쇄기의 충격판(일본 特開 2000-5621 2000)

4 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(4)

Fig 5는 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 등록특허이다 분쇄기 내측

수평면상에 분사노즐이 서로 마주 보게 배열되어 있다 분급기의 회전 축이 분쇄기

의 중심축과 일치한 상태로 회전하여 수평면 상에서 원심력에 의하여 분급이 이루

어진다 분급된 미분은 분쇄기 상부의 통로로 배출된다

Fig 5 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 수평형 기류충격식

분쇄기(일본 特開 2002-35631 2002)

5 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(5)

Fig 6 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기 구조는 Fig 4 의 일본

미놀타사와 유사하다 수평면상에 분사노즐이 배열되어 있으며 분급기의 회전축도

수평으로 위치하고 있다

Fig 6 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(일본 特開 2003-88773

2003)

6 미국 Xerox사의 수평형 기류충격식 분쇄기와 노즐(6)

Fig 7a의 미국 Xerox사의 수평형 기류충격식 분쇄기 구조는 Fig 5의 일본

Hosokawa Alpine AGampCo OHG 사의 구조와 유사하다 분사노즐이 수평면상으로

배열되어 있으며 분급기의 회전축도 수평으로 위치하고 있다 분사노즐의 형상은

Fig 7b 에서와 같이 이중관 구조이다

Fig 7a 미국 Xerox 산의 수평형 기류충격식 분쇄기(일본 特開 2004-50179

2004)

Fig 7b 미국 Xerox 사의 이중관 분사노즐(일본 特開 2004-50179 2004)

7 독일 Netzsch사의 건식 기류충격식 분쇄기(7)

독일 Netzsch 사는 대표적인 기본 구조의 건식 기류충격식 분쇄기를 개발하여 가

공 용량이 다른 여러 가지 분쇄기에 유사한 구조를 적용하였으며 일본 Hosokawa

산의 분쇄기와는 전혀 상이한 구조이다 즉 3 개의 초음속 분사노즐이 기류충격식

분쇄기 하부의 수평 평면상에 원호상 등간격인 120 도 간격으로 원의 중심을 향하

여 배열되어 있으며 Fig 8 에서와 같이 수직 회전축을 갖는 원심형 분급기가 분

쇄기 상부에 설치되어 있다 분급기의 외형 모습은 Fig 9에 보인 것과 같으며 분

급 효율을 향상시킬 목적으로 분급기 단면이 회전 중심으로 향할수록 상하 공간이

넓어지는 ldquoConvor로 명명된 형상의 단면 모습으로 되어 있다(Fig 10)

Fig 8 독일 Netzsch 사 분쇄기의 내부 구조

Fig 9 독일 Netzsch 사의 분급기

Fig 10 독일 Netzsch 사 분급기의 단면 형상 ldquoConvor

8 독일 특허 공기 분사노즐(9)

독일 Netzsch 사의 분쇄기 관련 기술 컨설턴트인 Nied 가 고안한 분쇄용 분사노즐

의 구조에 대한 것이다 3 개의 공기 분사노즐이 기류충격식 분쇄기 하부의 수평

평면상에 원호상 등간격인 120도 간격으로 원의 중심을 향하여 배열되어 있다(Fig

11a) 분사노즐 중앙부의 구조는 단면이 수축-확산 형태로 노즐로 초음속의 고속

분사를 하면서 중심 노즐 주변에 중앙 분사부를 감싸는 이중 공기 분사관을 형성

하여 중앙의 분사노즐에서 분사되는 공기의 확산각이 커지지 않도록 공기 주위에

추가적인 보조 공기를 분사하는 구조이다(Fig 11b)

Fig 11a 독일 특허-분사노즐 배열과 분사 공기의 분포(EP 0 736328A1 1996)

Fig 11b 독일 특허-분사노즐 단면과 분사 공기의 분포(EP 0 736328A1 1996)

9 미국 특허 분쇄기 구조(10)

일본의 히데유끼 요시다 등 5 명이 미국에 출원한 특허로 분쇄 재료가 초음속으로

분출되는 공기 통로의 중간에서 공급되며 재료가 분쇄실로 이동된 후 충격판에 충

돌되어 분쇄되는 구조이다(Fig12) 분쇄된 분말의 크기는 10 수준이다

Fig 12 미국 특허-충돌식 분쇄기(USP 57657661998)

제 2 절 국내의 기술 현황

국내의 경우에는 초미분 분말 생산에 관한 개발 역사가 짧으며 연구소 대학 기업

등에서 다발적으로 연구가 진해오디고 있다 기계 전자 물리 재료 화학 등의 연

계된 연구가 필요하다 1996 년 과학기술부 및 산업자원부 등의 산업단을 중심으로

대형 연구가 수행되어 왔으나 주로 기상법에 의한 분말합성에 관한 것이다 1998

년도부터 한국기계연구원에서 200nm 급의 건식 분쇄 및 분급기에 대한 개발을 시

작으로 초미분 파우더 생산 장비에 관한 연구가 이루어지고 있다 초미분 분쇄 방

식은 본 기술지원 과제의 지원기업인 대가파우더시스템을 포함하여 습식 방식인

교반밀(agitated mill)을 주로 사용하며 입도의 크기는 5 이상 수십 크기의

범위이다 기류충격식 분쇄기의 기술 수준은 입도의 크기가 5 ~ 10 수준이다

기존의 습식분쇄기의 경우 평균 입도가 28 ~ 32로 Pb0를 대상으로 할 때 4

~ 6 kghr 정도를 생산할 수 있는 수준이다

국내에 등록되어 있는 건식 기류충격식 분쇄기와 관련된 특허의 출원인인 대부분이

일본업체이며 일본에 출원된 특허를 한국에 재출우너한 것이 대부분이다 미국과

벨기에가 각각 1 건씩 등록하고 있으며 한국인이 출원한 특허는 테크월드에서

출원한 3 건 등 모두 4 건이 검색되었다 마이크로급 이상의 파우더 생산장비에 대

한 국내의 기술 수준은 선진국 기술 수준의 약 70 수준이다 그나마도 설계 및

생산에 있어 거의 모방에 의존하고 있다 나노급 기술은 초보적인 상태이다

제 3 장 기술지원 수행 내용 및 결과

제 1 절 기술지원 수행

본 부품소재종합기술지원사업은 Fig13의 기술 개발 추진도에 따라 수행되었다

Fig 13 기술 개발 추진도

분쇄기의 전체 시스템 중에서 분쇄기와 분급기 이외의 기타 구성 모듈들에 대한 설

계 및 생산기술은 지원기업 대가파우더시스템이 기확보하고 있는 기술이 기술

지원의 주된 내용은 기류충격식 분쇄기의 핵심 부품이며 분쇄기의 성능을 좌우하는

초음속 공기 분사노즐과 분급기의 설계 기술에 관한 것이다 초음속 공기 분사노즐

의 단면 형상 공급 공기의 압력과 분사 공기의 속도 및 공기 소요량 산출을 위한

공기 분사노즐 설계와 분쇄기 내부의 내마모성 재료 선택 분급기 베인의 형상과

분급기로 유입되는 공기의 속도 분포를 균일하게 하여 원심력 작용으로 분말의 분

급 정밀도를 향상시켜 주기 위한 분급기의 내부 단면 형상 설계 미 ㅊ유입 공기 속

도 및 압력 분포에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 방법 등에 대한 체계적인 기술 지원이

수행되었다 향후 유사 모델 개발에 적용하여 새로운 제품을 개발할 수 있는 설계

능력을 확보하였다

1 분쇄기 시스템 구성도

본 기술지원을 통하여 개발하는 핵심 기술은 건식 기류충격식 분쇄기의 초음속 공

기 분사노즐과 분급기와 관련된 기술이다 분쇄기의 기본 구조는 독일의 Netzsch

사 제품과 유사한 구조로 되어 있으며 분쇄용 공기 분사노즐과 고정밀도의 분급기

설계기술을 자체 보유하는 데 주안점이 있다 개발 대상 분쇄기 시스템의 전체 구

성도는 Fig 14(7)에서와 같다 Fig 14에서 분쇄기 시스템은 ldquo진동공급기rdquo를 통하

여 공급되는 분쇄용 우너료를 ldquo건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기rdquo로 분쇄 및 분급

한 후에 cyclone을 거쳐 bag filter로 분말을 포집하는 시스템으로 구성되어 있

다 분말과 공기가 혼합된 기류는 각각의 단계로 이송하는 과정에서 double flap

valve로 이송이 조절되며 최종적으로 fan의 작동으로 공기가 배출된다

건식 기류충격식 분쇄기 본체를 구성하는 부품의 서브어셈블리는 각각 Chamber

Body Laval Nozzle Classifier Wheel 및 Bearing Block등으로 구성되어 있

다 주요한 설계 변수는 분쇄챔버의 직경과 높이 초음속 공기 분사노즐 설계 있어

서 라발 노즐(초음속 공기 분사노즐)의 모즐 목 내경과 배출부의 직경 및 축방향의

단면 형상 공기되는 공기의 압력 등이다 분급기 설계에 있어서의 주요 변소는 베

인의 단면 형상 베인의 수량과 배열 각도 분급기 내부 공동부의 단면 형상 분급

기에 유입되는 공기 속도와 분급기를 통과한 이후의 공기 압력 등이다

Fig 14 기류충격식 분쇄기의 시스템 구성도

2 소리의 속도

물체의 일부에 교란을 주면 개스 유체 및 고체의 압축성으로 인하여 물체를 통하

여 유한한 속도로 교란이 전파된다

음속은 물체의 압력과 밀도 변화와 관계되어 있으며 다음식으로 표현된다

여기서

음속 압력변화 밀도 변화

체적탄성계수는 다음과 같이 표현된다

여기서

체적탄성계수 압력변화 체적변화 초기체적

체적탄성계수는 식 (3)으로도 표현된다

여기서

물체의밀도변화 물체의초기밀도

개스 유체 고체 내에서의 음속은 다음식과 같다

여기서

체적탄성계수

개스에서의 소리 속도는 아주 작은 한 점에서 교란이 일어나는 관계로 열전달을 무

시할 수가 있으며 또한 등온 상태로 가정할 수가 있다 이상 기체에서의 소리 속도

는 절대 온도의 근에 비례하며 다음식으로 표현된다

여기서

k = 비열비 (adiabatic index)

p = 압력 (Pa psi)

R = 개스 상수

T = 절대 온도 (degK degR)

앞의 식 (4)와 식 (5)로부터

식 (6)으로부터 체적탄성게수 E를 구할 수가 있다

( 예 1 ) 공기의 체적탄성계구 산출

k = 14 R = 287 (JK kg) at T=293K( 20 ) p=1204(kgm3)

Eair = k R T p=14X287X293X1204=14174379((Jm3)

Eair = 14174379(Nm2)

( 예 2 ) 염소(C12)의 체적탄성계수 산출

k = 134 R = 120 (JK kg) at T=293K(20) p=2994(kgm3)

Ec12 = k R T p=134X120X293X1994=14106051((Jm3)

Ec12 = 14106051(Nm2)

( 예 3 ) 0 1 bar 공기에서의 소리 속도

c = (14x287x273)12

= 3312 (ms)

여기서

k = 14

R = 287 (JK kg)

( 예 4 ) 20 1bar 공기에서의 소리 속도 산출

c = (14X287X293)12

= 3431 (ms)

( 예 5 ) 0 물속에서의 소리 속도 산출

여기서

3 공기 분사노즐에서의 유동식

개스역학에서 공기의 속도가 sim 이상으로 빠르거나 압력의 변화가

보다 큰 경우에는 압축성 흐름으로 취급한다 이러한 현상은 노즐에서

개스가 팽창하는 경우에 발생된다

정상유동에서의 에너지 평형 상태는 다음식으로 표현된다

여기서 엔탈피는

이며 엔탈피 ∆의 변화는 내부에너지 ∆에 외부로 또는 외부로부터의 체적에

의한 일 ∙∆의 합과 같다

내부에너지의 변호가 없고 밀도가 일정하다고 가정하면 즉 ∆ 인

경우에는 비압축성유동의 베르누이 방정식이 된다 반면에 위치네어지의 변화가 없

는 경우 ∆ 에는 상대적으로 밀도가 낮은 압축성 유체인 ldquo개스rdquo의 상태를

나타낸다 ldquo개스역학rdquo 이라는 자체가 의미하듯이 해석에 있어 고압 및 개스의 속도

가 포함되며 내부에너지의 변화 ∆를 무시할 수가 없다 이러한 의미에서 식 (7)

은 다음과 같이 된다

이상개스 방정식에서

이며 식 (12)를 식(9)에 대입하면 다음과 같이 된다

식 (13)에 에너지 보존법칙을 적용하면 노즐에서 분사되는 개스의 속도를 구할 수

있다

개스의 초기 속도가 인 경우에는

가역 단열 흐름에 있어서는 다음 3개의 식을 적용할 수가 있다

식 (16) ~ 식 (18)을 식 (15)에 대입하면 노즐에서 분출되는 개스의 속도가 구해

진다

노즐을 통과하는 질량의 흐름 식

밀도의 비로부터

다음과 같이 노즐을 통과하는 질량을 구한다

다음의 식 (23)을 식 (22)에 대입하여

식 (24)를 구한다

여기에서

을 ldquo탈출 계수(escape coefficient)rdquo 라고 한다

식 (25)를 사용하여 식 (24)를 다시 표현하면 다음의 간략식이 된다

탈출 계수 는 압축비 의 값이 다음과 같은 값일 때

임계 압축비 또는 라발 압축비로 표현되는 다음 크기의 최대값을 갖는다

음속은 노즐의 단면적이 제일 작은 부분에서 임계 압축비에 도달한다

max는 테이퍼가 일정한 실린더 형상의 노즐에 적용된다 식 (26)에 의하여

ㆍ 가 되며 는 일정한 테이퍼의 노즐에서만 증가할 수 있다 만약 압

축비 가 임계비 이하이면 max이므로 노즐을 통과하는 질량의 흐름은 일정

하다 이것은 질량의 흐름이 외부의 압력에 영향을 받지 않는다는 것을 의미한다

질량의 흐름에 의한 일은 다음의 식 (30)으로부터 구해진다

압축성 유체의 단열 팽창시에 수행된 일은 식 (19)와 식 (30)로부터 다음과 같이

산출된다

아래의 Fig 15 는 수축확산 노즐의 단면 모습이며(11) Fig 16 은 수축확산 노즐에

서의 압력 온도 속도 변화를 나타낸 것이다(8)

Fig 15 수축확산 노즐(Laval Nozzle)

Fig 16 수축확산 노즐에서의 압력 온도 속도 변화

압축성 유체의 흐름에 있어서 임계 속도 이후에 노즐의 단면이 서서히 확대되면

열에너지가 유동에너지로 변환되면서 온도는 낮아지고 흐름이 증가된다

앞의 식 (27)을 참조할 때 Fig 16 의 수축확산 노즐의 단면적이 가장 작은 임계

압축비 에서 음속에 도달한다 이 것은 질량 흐름에 식 (26)이 계속적으로 유

효하다는 것을 의미한다 수축확산 노즐 출구에서의 온도는 다음과 같은 관계가 된

노즐 확산부의 치수는 다음식으로부터 구해지며

개스 상수 등은 계수 개스 유입 온도 노즐 목의 직경 압축비 등의

변수로부터 노즐 출구에서의 개스 속도와 온도를 구할 수가 있다 공기 흐름 해석

대상 노즐 각부에 대한 부호는 Fig17에서와 같다

Fig 17 수축확산 노즐의 각부 부호

실제 수축확산 노즐을 설계하는 데 있어서는 노즐에서 발생될 수 있는 압축파 발생

을 억제하기 위하여 노즐 출구의 치수를 설계값보다 약간 작게 한다 즉 Fig 17에

서의 노즐의 확산각 가 를 넘지 않아야 하며 최대 이내여야 한다

4 공기 분사노즐의 흐름 특성 계산

앞의 ldquo3 초음속 공기 분사노즐에서의 공기의 흐름rdquo에서 유도된 식들을 이용하여

ldquoMathcad 13 프로그램(12)으로 설계 대상 분쇄기에 적용되는 공기 분사노즐의 단

면 치수 유입 공기량 노즐 출구에서의 공기 속도 소요 동력 등을 산출하였다

우선 단위와 공기의 상수를 정리하면

kilo=1000 TK =273 hoursec =3600 k = 14

ㆍsecㆍ

ㆍsecㆍ

ㆍsec

ㆍsec

예를 들어 tan tan tan tan

해석 조건이 다음과 같으면 tank pressure=700kPa Ttank=70 exit

pressure=100kPa

단위 (mm) throat diameter=50 length 150 outlet diameter=70 diffusion

angle α=38deg

d = 0007 pe = 100kilo po = 7pe Ttank =7C

To = TK+Ttank To=343 (K)

times

sec

Air_massflow1N_hour =Air_masflow1N_sechoursec

Air_massflow1N_hour = 133024 (kghrper 1 nozzle)

Air_massflow3N_hour = Air_massflow 1N_hour3

Air_massflow 3N_hour = 399071 (kghrper 3 nozzles)

Imsec)

sec

timesorsec timesorsec

(kgm3)

sec

sec sec

공기분사 노즐 목의 직경이 50mm 출구 직경이 70mm 노즐 목에서 노즐 출구까

지의 길이가 150mm로 공기 분사노즐의 환산각 도인 공기 분사노즐이 3

개 장착되어 있으며 탱크내의 공기가 압력 7bar 와 70 를 유지하면서 계속적으

로 노즐을 통하여 공급되며 또한 분쇄 챔버 내의 압력이 1bar 로 유지되는 경우의

공기 분사노즐의 유동 특성 계산 결과를 종합 정리하면 다음과 같다

- 노즐 출구에서의 공기 최대 속도 542151msec

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 무게 399071kghr

(노즐 하나에 00369kgsec)

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 부피 225333m3hr(0063m3sec)

- 소요 동력 16291kWhhr

5 수축확산 공기 분사노즐의 유동 해석

공기 분사노즐을 3D 모델링 프로그램 SolidWorks(13)로 모델링하여 열유체 해석

을 위한 유한요소해석 프로그램 COSMOSFlwWorks(14)로 공기 분사노즐 내의 유

동 해석을 수행하였다 해석 대상 공기 분사노즐 단면의 형상과 각부의 치수는

Fig18에서와 같다

Fig 18 수축확산 노즐 유동 해석 모델의 단면

해석시에 적용된 변수값들은 앞의 ldquo4 초음속 공기 분사노즐의 분사 특성 계산rdquo에

서 산출된 값을 적용하였다 노즐의 확산부위 길이는 15mm 이며 분사노즐의 확산

각은 도이다 노즐 하나에 대하여 Fig 18 의 왼쪽면에서 00369 kgsec

의 공기가 유입되며 오른쪽 분사노즐 출구면에 12bar 의 압력을 적용하였다 분사

노즐의 유동 해석 결과의 여러 가지 특성값 중에서 본 설계에서의 주요 관심사가

공기의 배출 속도인 관계로 Fig 19에 흐름의 속도 분포 Fig 20에 흐름의 마하넘

버 분포를 나타내었다 초음속 흐름에 대한 해석으로 분사노즐 목에서의 공기속도

가 약 335msec(마하 1)이 되며 노즐 출구에서 최대속도가 된다 Fig 21은 수축

확산 노즐에 대한 공기의 속도 분포 해석 결과를 반영하여 공기 분사노즐을 모델링

한 것이다

Fig 19 수축확산 노즐의 공기 흐름 속도 분포

Fig 20 수축확산 노즐의 공기 흐름 마하넘버 분포

Fig 21 수축확산 노즐 모델

6 분급 이론

분급(分級 classification)이란 유체력을 이용해서 분립체를 그 입자 지름의 크기에

따라 분리하는 것으로 넓은 뜻으로는 유체력에 의한 분리만이 아니라 체가름을 포

함하는 경우가 있다 더 넓게는 비중선별ㆍ자기력선별 등 모든 입자분리조작을 분

급이라고 한다 공기ㆍ물 등의 유체 속에서 운동하는 분립체의 각 입자에는 중력

또는 원심력 이외에 유체에 의한 유체항력 등이 함께 작용된다 이 힘 즉 유체항력

은 입자 지름에 의존하는 데 유체항력과 입자 지름의 관계는 중력이나 원심력과

입자 지름의 관계와는 다르기 때문에 이 둘 사이의 균형 조건이 입자 지름에 의해

좌우된다 좁은 뜻의 분급은 이 원리를 이용한 입경분리조작을 의미한다 중력장에

서 등속 침강하는 구 형상의 입자에 대한 힘의 균형은 다음 식으로 표현된다

여기서 은 입자 질량 prime는 입자에 의해 배제된 유체 질량 g는 중력가속도 R

은 는 유체항력을 나타낸다 유체항력 R은 다음 식으로 나타낼 수 있다

여기서 는 저항계수 (drag coefficient)로 입자 주위의 유체의 상대적인 흐름의

상태에 따라 결정되는 무차원 계수이다 는 유체의 밀도 는 입자의 침강속도

는 입자의 지름이며 는 입자의 투영 최대 면적이다 물 또는 공기 속에서 입

자의 지름이 100 이하 입자의 밀도가 3gcm2이하의 조건에서는 입자 주위의 흐

름은 거의 충류로 간주되며 이때 R은 다음 식으로 나타내진다

여기서 는 유체의 점성도이다

prime

이므로 식 (36)을 식 (34)에 대입하면 식 (37)을 얻는다

여기서 는 입자 밀도이며 식 (37)을 스토크스의 침강속도식이라고 하며 분급에서

분리입자 지름을 구하기 위한 기본식으로 중요하다

식 (37)은 다음

과 같이도 표현된다

유체가 공기나 그 외의 기체인 경우의 분급 조작을 건식 분급(또는 공기 분급) 물

이나 그 외의 액체인 경우의 분급 조작을 습식 분급이라 한다 앞에 언급된 기본식

들 이외에 어떤 종류의 분급장치에서는 유체의 흐름 방향이 급격히 변화할 때 흐름

에 따라 운동하는 입자의 관성력의 효과가 중요한 역할을 한다

분급에 사용하는 장치를 분급기(classifier)라고 한다 건식분급기에는 관성력을 이

용하는 것 중력침강을 이용하는 것 원심력을 이용하는 것 등이 있다 관성력을 이

용하는 건식분급기에는 루버식분급기 버추얼임팩터 엘보제트형분급기 등이 있는

데 건식분급기로는 원심력을 이용한 것이 가장 널리 사용되고 있다 원심력을 이용

한 건식분급기로는 분급 입도가 30~100 정도의 비교적 굵은 입도에서의 대량 처

리로 옛날부터 알려진 스튜어트밴트형 등이 있으며 또한 몇 ~30의 분급이 가

능한 여러 분급기가 개발되어 널리 쓰이게 되었다 또한 사이클론도 미립(微粒)에서

조립(組立)에 이르는 분체(粉體)의 건식분급에 이용된다 습식분급기에는 중력식과

원심력식이 있으며 중력식은 상승 수류(水流)와 유동층을 이용한 수력분급기 원뿔

형 또는 각뿔형 용기에서의 중력침강을 이용한 세틀링탱크 등의 침강분급조 완만

하게 경사진 직사각형의 조(槽)로부터 침하한 조립 생산물을 긁어올리기 위한 레이

크나 스파이럴을 갖춘 기계분급기 등으로 분류된다 원심력을 이용한 습식분급기로

는 사이클론 또는 하이드로사이클론이 가장 대표적이며 솔리드볼형ㆍ디스크형 등

의 원심분리기도 미립자용 분급기로 사용된다

Fig 22는 베인 구조의 원심형 분급기의 회전 단면 모습이다

Fig22베인 구조의 원심형 분급기의 단면

Fig 22에서 H는 분급기 내부 상하면 사이의 간격이며 는 선별된 미분이 배출되

는 반경 는 베인의 내반경 는 베인의 외반경을 나타낸다

분체 주위의 공기 흐름이 층류 흐름이라는 조건하에서 베인 구조의 원심형 분급기

에의 컷포인트(utpoint)를 결정짓는 외주부의 반경 은 다음과 같다

또한 선별된 미분이 배출되는 반경은 다음과 같다

베인 사이에서도 고체의 회전법칙이 적용된다 베인의 외주 반경에서 속도의 원주

방향 성분 과 중심방향 성분 가 가장 큰 영향을 준다

식 (41)과 식 (42)를 식 (38)에 대입하여 정리하면 다음과 같다

독일 Netzsch 사에서는 베인의 내반경 에서 선별된 미분이 배출되는 반경 까

지의 반경 방향의 공기 속도 성분 을 질정하게 해 주기 위하여 Fig 10에 보인

ldquoConvorrdquo라고 불리우는 단면의 분급기를 개발하여 사용화하고 있다

7 분급기 설계와 유동 해석

분급기의 베인 사이로 분쇄된 미분과 공기가 함께 유입되어 중앙부의 배출구로 통

과하는 분급기의 내부 형상을 설계하기에 앞서 분급기 내부를 구성하는 상면이 평

평한 구조의 분급기에 대한 유동해석을 실시하여 공기의 속도 분포를 검토하였다

해석 대상 분급기의 외경은 205mm이며 밑면 중앙에 공기 배출을 위하여 직경이

90mm인 원형 구멍이 뚫려 있다 분급기 외주에는 단면이 원호의 일부로 만들어진

두깨가 2mm 넓이가 18mm 길이가 35mm인 베인이 매 60도마다 10개씩 등간격

으로 모두 60개가 베인의 코드 방향과 분급기의 반경 방향이 이루는 각도가 약 15

도가 되도록 경사지게 설치되어 있다 원주 방향으로 매 60도마다 길이 35mm 직

경 8mm인 원형봉 6개가 등간격으로 배열되어 상ㆍ사 카버 사이에 베인을 고정시

켜 조립되는 구조이다 해석 대상 분급기에 사용된 베인의 단면과 베인의 배열 및

분급기 상ㆍ하면을 고정하는 봉이 포함된 수평면상의 평면도를 Fig 23에 나타내었

다 Fig 24는 분급기의 상면 형상이 평평한 구조인 경우에 대한 분급기의 수직단

면도이다

분급기에 유입되는 공기는 온도 50 유입량 01m3sec 분급기를 통과한 후에

배출되는 공간의 압력은 12bar이며 분급기의 회전속도는 8000rpm(838radsec)

이다 분급기에 발생되는 원심력의 절대적인 크기는 재료의 밀도와 분급하고자 하

는 분말의 크기에 따라 분급기의 회전수를 변화시켜서 조절한다 SolidWorks 및

COSMOSFloWorks 프로그램으로 분급기의 공기 유동해석을 실시하였다 해석시의

변수 입력 항목 및 해석 과정을 ldquo부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 유동해석 절

차rdquo에 정리하였다

Fig 23 베인과 상ㆍ하면 고정 원형봉의 평면 단면도

Fig24 분급기 상면이 평면인 경우의 수직단면도

공기 유동해석 결과를 Fig25~Fig27에 나타내었다 Fig25는 베인의 중간 높이에

서의 수평 단면에서의 공기 속도 분포이다 Fig26은 베인이 위치한 부위에서의수

직단면 Fig 27은 상ㆍ하면을 고정시켜 주는 원형봉이 있는 부위의 수직단면에 분

포하는 공기의 유입 속도 해석 결과를 나타낸 것이다

Fig 25 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig 26 베인 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig27 연결봉 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig15~Fig27의 공기 속도 등고선을 보면 베인 외주부의 상하 위치에 있어서 공

기의속도가 불균일한 분포를 보인다 베인의 분급기 내부 공간에서는 같은 반경인

위치에서 윗부분에서의 공기 속도가 아랫부분에서보다 빠르게 분포하고 있다 베인

의 높이 방향 상ㆍ하 위치에 따른 이러한 유입 속도의 편차는 분급기 외주의 실린

더 면으로부터 유입되는 공기가 분급기 중앙의 밑 방향으로만 배출되는 유동 통로

의 구조 때문으로 판단되낟 따라서 같은 반경의 같은 원심력이 발생되는 위치에

있어서도 윗부분에서의 공기 유입속도가 밑부분에서보다 크게 분포되어 윗부분에서

는 밑부분에서보다 큰 분말이 분급기 안으로 유입된다 지정된 크기의 컷오프보다

큰 분말과 작은 분말이 혼합된 상태로 배출되는 관계로 분급이 정밀도가 저하된다

베인의 상ㆍ하 위치에 무관하게 공기의 유입 속도를 가급적 균일하게 해 주기 위한

목적으로 분급기 내부의 단면 형상을 Fig28과 같은 인볼류트-컨볼류트

(involute-convolute) 단면으로 구성하여 공기의 유동해석을 실시하였다

Fig 28 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기

Fig29는 베인의 중간 높이 수평단면 상에서의 공기 속도 분포이다 Fig25에 비하

여 베인의 외주 부위에서의 공기의 속도가 균일하게 분포되고 있음을 보여 준다

Fig29 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig 30은 베인이 위치한 부위에서의 수직 단면 Fig31은 상ㆍ하면을 고정시켜 주

는 원평봉이 있는 부위에서의 수직 단면에 분포하는 공기 속도 분포이다 Fig30과

Fig31은 각각 Fig25와 Fig26에 비하여 베인의 높이 방향 전체에 걸쳐 공기의 유

입 속도가 상당히 균일하게 분포되는 것을 보여 주고 있다

Fig 30 베인 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig31 연결봉 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig32는 분급기 내부의 공간 형상이 인볼류트-컨볼류트인 분급기의 설계 모델이

Fig32 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 모델

Fig33은 앞의 수축확산 공기 분사노즐(Fig20)과 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급

기(fig32)로 구성된 건식 기류충격식 분쇄기의 3D모델이다 중요 부품의 도면은

ldquo부록 9 설계 도면rdquo에 수록하였다

Fig33 건식 기류충격식 분쇄기의 3D 모델

8 시작품 제작

수축확산 공기 분사노즐의 유동해석 및 분급기의 유동해석 결과를 바탕으로 시작품

을 제작하였다 Fig34는 수축확산 공기 분사노즐 헤드의 시작품 모습이다

Fig 34 수축확산 공기 분사노즐 헤드 시작품

Fig35는 분급기의 시작품 모습이다 분급기의 베인은 분체와 마찰시 내마모성을

갖도록 SUS 재질로 곡면 성형한 후 세라믹으로 코팅하여 제작하였다

Fig35 분급기 시작품

Fig 36은 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 수축확산 공기 분사

노즐 및 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 등이 분쇄기의 내부에 장착되어 있다

Fig36 건식 기류충격식 분쇄기 시작품

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기와 관련된 국외 특허 자료 조사와 분석 공기의

유동해석에 있어 많은 일정이 소요되었다 기술지원 추진일정을 Table1에 정리하

였다

Table 4 추진 일정

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 8: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

7 종합의견

소재산업이 정밀화되고 고기능화함에 따라 서브미크론급의 초미립을 생산하는

분쇄기의 성능 향상이 요구되고 있다 국내의 경우에는 건식 기류충격식 분쇄기

에 대한 설계 기술 부족으로 2 ~ 3 급의 건식 분쇄기를 독일과 일본 등으로

부터 고가로 수입 하여 사용하고 있으며 대항 경쟁 제품을 개발하지 못하고 있

는 실정이다

지원기업 대가파우더시스템(주)은 창업후 36 년 이상 분쇄기를 전문으로 설계

및 생산하는 분쇄기 전문기업이다 본 부품소재종합기술지원사업 전 기술지원

기간 동안 지원기업의 연구진 4 명이 연구사업에 적극적으로 참여하여 지원책

임자와 함께 기술력 향상에 노력하였으며 건식 기류충격식 분쇄기의 핵심 모듈

인 수축확산 공기 분사노즐과 분급기의 자체적인 설계 해석 및 생산 기술을 확

보하였다

건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 여러 부품 중에서 핵심 모듈인 수축확산 초

음속공기 분사노즐과 분급부와 관련된 기초 이론 국내ㆍ외 특허기술 조사와 분

석 구성 부품의 3D 설계 기술 재질 선정 분사노즐과 분급기의 공기 유동 해

석 기술을 확보하였다 즉 초미립 분쇄를 위한 공기 분사노즐의 단면 형상과 공

급 유량 산출 압력과의 관계 분급기 내부의 형상 베인의 단면 형상과 소요 수

량 베인의 간격 배열 위치 및 분급기의 회전수 등을 고려한 유동해석 기술을

확보하여 고정밀도의 분급기의 자체 설계가 가능해졌다

향후 건식 기류충격식 분쇄기의 여러가지 용량과 성능에 맞는 분쇄기를 자체적

으로 설계 및 제작하는 것이 가능하며 제품 신뢰도의 향상과 매출 증대에 크게

기여할 것이 예상된다

연구과제(세부과제) 성과

1 사업화 성과

특허 성과

출원된 특허의 경우

세부사항

(9)

출원년도

(10)

특허명

(11)

출원인

(12)

출원국

(13)

출원번호

2007

원심형 분말 분급기

(Centrifugal Poweder

Classifier)

한국생산기술연구원

대가파우더시스템대한민국 10-2007-0092396

사업화 현황

사업화 세부사항

(9)

사업화명

(10)

사업화

내용

(11) 사업화 업체 개요(12)

기 매출액

(백만원)

(13)

당해연도

매출액

(백만원)

(14)

매출액

합계

(백만원)

업체명 대표자 종업원수사업화

형태

대가파우

더시스템

최은석 59 4

주 11) 사업화 업체 개요의 사업화 형태는 1 연구책임자 창업 2 기술이전에 의한

창업 3 창업지원 4 기존업체에서 상품화 중에서 선택하여 번호 기입

고용창출 효과

고용창출 세부사항(9)

창업(명)

(10)

사업체 확장(명)

(11)

합계(명)

세부지원실적 증빙 내용

1 참여기업 현장방문 47건 참여기업이 생기원 내방 7건

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20060825DPS 주요 기술 지원 사항에 관한 협의

윤승원 최병훈 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

2 20060829기업은행 설명회장 연구비 카드 사용 교육 참석

윤승원 최덕규출장 기록

3 20060831DPS 젯트밀 쳄버 설계 대상 구조 개요 윤승원

최병훈 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

4 20060901KINTEX NanoKorea 2006 참관 윤승원 남상경

최덕규출장 기록

5 20060907DPS 젯트밀 관련 국내 특허 조사 윤승원

남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

6 20060908건식 분쇄기 관련 기술자료 조사 영풍문고

윤승원출장 기록

7 20060915DPS 젯트밀 관련 국내 특허 조사 윤승원

남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

8 20060919 문래동 내마모성 재료조사 윤승원 출장 기록

9 20060921DPS 에어젯트밀 관련 국내 특허 자료 검토

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

10 20061017DPS 에어젯트밀 관련 미국 특허 조사 윤승원

남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

1120061018~

1022

베트남국제산업박람회(VIIF 2006) Hanoi

Vietnam 윤승원출장 기록

12 20061026한국생산기술연구원 기류충격식 분쇄기의 부품

구성도 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민

DPS 연구원 4명

생기원 내방

13 20061027DPS 초음속 공기 흐름에 대한 기초 윤승원

남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

14 2061102DPS 초음속 공기 흐름 관계식 윤승원 남상경

최인환 최덕규 윤상민출장 기록

15 20061103DPS 초음속 공기 흐름 관계식 윤승원 남상경

최인환 최덕규 윤상민출장 기록

16 20061106일산 네이취코리아 건식분쇄기 및 분급기 관련

자료수집 윤승원출장 기록

17 20061109DPS 기류충격식 분쇄기의 구성도와 노즐 설계

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

18 20061116한국생산기술연구원 기류충격식 분쇄기의 예상 부품

구성도 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민

DPS 연구원이

생기원 내방

19 20061123DPS 기류충격식 분쇄기의 예상 부품 구성도

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

20 20061130

DPS 기체 분사노즐의 초음속 분출 속도와 유량

산출에 대한 해석적 방법의 적용 윤승원 남상경

최인환 최덕규 윤상민

출장 기록

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

21 20061204DPS 기류충격식 분쇄기의 예상 부품 구성도

수정 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

22 20061207DPS 기류충격식 분쇄기의 부품번호 및 명칭

부여 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

23 20061212 문래동 철재 부품조사 윤승원 출장 기록

24 20061214DPS 기체 분사노즐 내의 공기유동 유한요소해석

모델링 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

25 20061215DPS 기체 분사조즐 내의 공기유동 유한요소해석

모델링 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

26 20061221

한국생산기술연구원 기류충격식 분쇄기의 공기

초음속 분출 노즐 형상 설계시의 설계 변수

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민

DPS 연구원 4명

생기원 내방

27 20070109DPS 기류충격식 분쇄기 제작용 재료 구입

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

28 20070116DPS 기류충격식 분쇄기의 분쇄 챔버 기본 설계

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

29 20070205DPS 기류충격식 분쇄기의 분쇄 챔버 기본 설계

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

30 20070206DPS 기류충격식 분쇄기의 분쇄 챔버 3D 모델링

윤승운 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

31 20070213

한국생산기술연구원 기류충격식 분쇄기의 분쇄

챔버 3D 모델링에 대한 설계 검토 윤승원

남상경 최인환 최덕규 윤상민

DPS 연구원 4명

생기원 내방

32 20070227DPS 분급기 구조 기본 설정 윤승원 남상경

최인환 최덕규 윤상민출장 기록

33 20070306DPS 회전체 설비의 관성모덴트 산정 방법

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

34 20070308DPS 분쇄 쳄버와 분급기 제작용 내마모성 재료

검토 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

35 20070320DPS 분급기의 기본 구조 모델링과 베인 배열

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

36 20070326DPS 분급기용 베인의 단면 형상과 배열 및 수량

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

37 20070327한국생산기술연구원 분급기 모델링과 베인 배열

구조 윤승원 남상경 최덕규

DPS 연구원 2명

생기원 내방

38 20070403DPS 분급기의 유동장 해석을 위한 COSMOSWorks

해석 연습 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

39 20070410DPS 분급기의 유동장 해석을 위한 COSMOSWorks

해석 연습 윤승원 최인환 최덕규출장 기록

40 20070417DPS 베인 형상 설계 유체 흐름 해석 모델링과

입력 변수 설정 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

41 20070502DPS 베인 형상에 따른 유체 흐름 해석 윤승원

남상경 최인환 최덕규출장 기록

42 20070504한국생산기술연구원 분급기의 공기 유동 해석

결과 분석 윤승원 남상경 최인환

DPS 연구원 2명

생기원 내방

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

43 20070508DPS 여러 내부 형상의 분급기 구조와 베인에

대한 공기 유동 해석 윤승원 남상경 최인환출장 기록

44 20070518DPS 베인의 형상에 따른 분급기의 공기 유동

해석 결과 분석 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

45 20070523DPS 분급기 내부 형상 설계 변경 윤승원

남상경 최인환 최덕규출장 기록

46 2070530한국생산기술연구원 분급기 내부 형상에 따른 흐름

해석 분석 윤승원 남상경 최인환 최덕규

DPS 연구원 3명

생기원 내방

47 20070601DPS 분급기 내부 형상의 조립성을 고려한 설계

수정 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

48 20070607DPS 베인의 형상과 수량에 따른 분급기의 공기

유동 재해석 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

49 20070613DPS 분사노즐 설계 확정을 위한 공기 분사노즐

유동장 재해석 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

50 20070618DPS 에어젯트밀 구조 설계 검토 윤승원

최병훈 남상경 최인환 최덕규출장 기록

51 20070703DPS 분급기 내부 형상에 대한 특허 출원 자료

준비 윤승원 최병훈 남상경 최인환 최덕규출장 기록

52 20070705

경북 칠곡 쿠어스텍코리아 분급기용 베인 제작

가능성 확인을 위한 업체 방문 윤승원 최인환

최덕규

출장 기록

53 20070711DPS 베인 형상 확정 및 구매 요청 윤승원

남상경 최인환 최덕규출장 기록

54 20070724DPS 분쇄기 에어노즐 분급기 설계 자료 정리

윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

2 기술정보제공 특허 73건

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20061013 분쇄기 관련 한국특허 13건(제본) 부록 1 목록

2 20061013 분쇄기 관련 일본특허 16건(제본) 부록 2 목록

3 20061013 분쇄기 관련 미국특허 23건(제본) 부록 3 목록

4 20061013 분쇄기 관련 유럽특허 4건(제본) 부록 4 목록

5 20070213 분급기 관련 미국특허 17건(제본) 무록 5 목록

3 기술정보제공 전문서적 14권

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20070306 構造解析のだぬの有限要素法實戰ハソドプツク 전문서적

2 20070306 世界の規格基準認證ガイドツク 전문서적

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

3 20070306 設計者に必要な材料の기 전문서적

4 20070306 設計者のたぬの モーメソト 전문서적

5 20070306 すべリ軸受資料集 전문서적

6 20061109Flow Mechanics and Thermodynamics in

Mechanical Processing전문서적

7 20061109NETZSCH-CONDUX Fludized Bed Jet Mill 제품

홍보자료

제품

홍보자료

8 20060907 Assembly Modeling with SolidWorks 20042005 전문서적

9 20060907 SolidWorks 2005 Tutorial and MultiMedia CD 전문서적

10 20070601Engineering Analysis with COSMOSWorks

Professional 2007전문서적

11 20070205 COSMOSMotion 전문서적

12 20061116 FLUENT 60 Tutorial Guide 전문서적

13 20070213 FLUENT 60 Users Guide 전문서적

14 20070213 Fundamentals of Fluid Mechanics 전문서적

4 시제품제작 1 건

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20070715 기류충격식 분쇄기 DGJMV-350 시작품

5 시험분석 3건

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20070627 입도 측정 histogram 1 부록 10

2 20070627 입도 측정 histogram 2 부록 10

3 20070627 입도 측정 histogram 3 부록 10

6 기술지원실적 업로드 건

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

목 차

제 1 장 사업의 개요

제 1 절 기술지원 필요성

제 2 절 기술지원 목표

제 3 절 기술지원 내용

제 2 장 국내ㆍ외 기술 현황

제 1 절 세계의 기술 현황

1 일본 Hosokawa 사의 수직형 기류충격식 분쇄기

2 일본 Hosokawa 사의 수평형 기류충격식 분쇄기

3 일본 미놀타 사의 수평형 기류충격식 분쇄기

4 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의

수평형 기류충격식 분쇄기

5 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기

6 미국 Xerox 사의 수평형 기류충격식 분쇄기와 노즐

7 독일 Netzsch 사의 건식 기류충격식 분쇄기

8 독일 특허 공기 분사노즐

9 미국 특허 분쇄기 구조

제 2 절 국내의 기술 현황

제 3 장 기술지원 수행 내용 및 결과

제 1 절 기술지원 수행

1 분쇄기 시스템 구성도

2 소리의 속도

3 공기 분사노즐에서의 유동식

4 공기 분사노즐의 흐름 특성 계산

5 수축확산 공기 분사노즐의 유동 해석

6 분급 이론

7 분급기 설계와 유동 해석

8 시작품 제작

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

2 기술지원 추진체계

3 연구기자재 활용

4 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

6 입도 측정

7 지적재산권 출원

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

제 6 장 참고문헌

부록 1 분쇄기 관련 한국 특허 13건 목록

부록 2 분쇄기 관련 일본 특허 16건 목록

부록 3 분쇄기 관련 미국 특허 23건 목록

부록 4 분쇄기 관련 유럽 특허 4건 목록

부록 5 분급기 관련 미국 특허 17건 목록

부록 6 기술지원 관련 전시회 참석

부록 7 개스의 비열값 개스 상수 밀도

부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 분급기 유동해석

부록 9 설계 도면

부록 10 입도측정 histogram

제 1 장 사업의 개요

분쇄는 재료에 외력을 가하여 작은 크기로 세분화하고 표면적을 증가시키는 기계적

인 조작이다 목적하는 파쇄물 입자의 크기에 따라 조쇄(粗碎) 중쇄(中碎) 분쇄(粉

碎) 미분쇄(微粉碎) 초미분쇄(超微粉碎)로 구분된다 분쇄시 작용되는 응력은 압축

력 충격력 전단력 마찰력 절단력 등이 있으며 단독의 힘이 작용되는 경우는 드

물고 분쇄 대상 재료에 여러 가지 힘임 복합력으로 동시에 작용되어 분쇄기 이루어

진다(1)

분쇄기는 분쇄 입도의 크기에 따라 다음과 같이 분류한다

(1) 조분쇄기 1500mm~100mmrarr500mm~25mm (분쇄비 4~3)

(2) 중분쇄기 500mm~6mmrarr50mm~1mm (분쇄비 7~5)

(3) 미분쇄기 125mm~1mmrarr2mmrarr01mm (분쇄비 20~10)

(4) 초미분쇄기 6mm~01mmrarr01mm~001mm (분쇄비 50~10)

분쇄기의 분쇄 방법에 의한 종류는 다음과 같다

(1) 볼밀(ball mill)

원통 속에 재료와 함께 강으로 만든 볼 즉 강구를 여러 개 넣은 후 함께 회전시켜

강구운동에 의한 충격으로 재료를 분쇄하는 장치이다 볼에는 주철 칠주물 플린트

석 천연석 등 원료에 따라 여러 가지가 있다 통의 길이는 통의 지름을 초과하지

않는 것이 표준형이지만 지름의 수 배 이상으로 긴 형의 튜브밀 그 중간인 콤파운

드밀(compound mill) 다양한 종류도 있다 원통의 내면은 특수강 또는 니켈판으로

내장한다 최종적인 미분을 만들 때 사용되며 도토(陶土) 염료 드의 처비분인 경

우에는 건식으로 사용되며 용도가 매우 넓다

(2) 로드밀(rod mill)

기체 내면의 길이보다 약간 짧은 강봉을 분쇄매체로 사용하는 회전식 분쇄기이다

거친 입자부터 선택적으로 분쇄하며 입도(粒度)가 비교적 가지런한 분쇄산물을 얻

을 수 있는 특징이 있다 단독으로 사용되는 외에 불밀에 의한 분쇄의 예비분쇄기

로서도 종종 사용된다

(3) 롤러밀(roller mill)

볼밀과 같은 원리의 분쇄기로 시멘트원료를 분쇄할 때나 석탄을 분쇄할 때 사용된

다 분쇄기 중에 롤러나 볼을 이용한 것을 링롤러밀이라고도 한다

(4) 조크러셔(jaw crusher)

전ㆍ후로 조금씩 진동하는 강철제의 철판과 이와 마주 보는 고정판 시이에 수 cm

에서 1m 정도의 암석 등의 덩어리를 물려 넣고 짓씹어 부수게 하는 구조로 되어

있다

(5) 임팩트 크러셔(impact crusher)

매초 원주 속도가 수십 m로 고속회전하는 원통에 장치된 충격판에 의해 분쇄하는

장치이다 골재 정형에 널리 쓰인다

(6) 휠러밀(wheeler mill)

tn 이하의 미분쇄를 필요로 하는 분야에서 널리 사용된다 소위 유체에너지밀의

일종으로 고압기체를 불어 넣음으로써 입자를 기계의 벽이나 또는 다른 입자에 충

돌시 켜서 분쇄하는 장치이다 기체가 길쭉한 도넛형의 통내를 입자와 함께 환류하

고 미세하게 된 입자만이 배기와 함께 기외로 배출되는 구조로 되어 있다

(7) 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)

노즐로 높은 압력의 공기 또는 질소를 초음속으로 분사시켜 분말 상호 간의 충돌로

초미립 크기로 분쇄되며 분급 휠(classifier wheel)의 속도 변환과 베인과의 간격에

의해 미립자의 크기를 조절하여 분급하는 방식이다 노즐의 크기 배열 상태 및 공

기 흐름의 조절로 효율성을 크게 증가시킬 수 있으며 동시에 분쇄기의 마모와 제품

의 순도 최적화를 유지할 수 있다 입도의 크기는 01 ~ 10의 범위에 있다

이외에도 큰크러셔(cone crusher) 압축력에 의한 자이러토리크러셔(gyratory

crusher)가 있고 충격력에 의한 해머밀(hammer mill) 케이지밀(cage mill) 유체에

너지밀 전단력에 의한 분쇄기 등이 있으며 마쇄력에 의한 자생분쇄밀과 진동밀

유성밀 교반밀이 있다

최근 들어 소재산업이 정밀화되고 고기능화 함에 따라 카본블랙 TiO2 PbO ZnO

SiO2등의 안료 세라믹 자기재료 맥반석 황토 슬래그 운모 흑연 탄화규소 탄

산칼슘 등을 미크론(μ) 크기 또는 서브미크론 크기의 분말로 분쇄하는 정밀 분쇄기

수요가 증대하고 있다

Fig 1 은 습식 분쇄기의 종류와 입도 범위의 관계를 나타낸 것이다 Fig 1 밑부분

의 화살표는 본 부품소재종합기술지원사업 수행으로 개발하고자 하는 분말의 크기

범위를 표시한 것이다

Fig 1 습식분쇄기의 입도 범위(독일 Buehler사)

제 1 절 기술지원 필요성

대가파우더시스템은 1970 년도에 창립하여 현재에 이르기까지 산업용 분쇄기 집

진기 건조기 기체여과기 액체여과기 폐수처리장치 등의 전문생산업체이다 최근

들어 소재산업이 정밀화되고 고기능화 함에 따라 분쇄기의 성능 향상이 요구되고

있다 최근에는 수십 nm 이하의 초분체 카본블랙 TiO2 ZnO SiO2 등의 안료 세

라믹 자기재료 등의 각종 소재의 입도 정밀화가 실현되고 있다 초분체기기 및 요

소 부품의 국내 수요는 독일의 DRAIS 일본의 KOTOBUKI 사 DYNO 사 등의 선진

메이커 제품을 수입하여 사용하고 있다 건식 기류충격식 분쇄기에 대한 국내 설계

기술 부족으로 외국에서 수입되고 있는 제품의 가격이 고가이어도 경쟁할 수 있는

제품을 개발하지 못하고 있는 어려운 상황이다

대가파우더시스템은 최근 습식 방법의 초미립 분쇄기를 개발하여 시험 중에 있으

며 압축공기를 이용한 기류충격식 분쇄기 개발에 있어서 분쇄부와 분급부의 기초

이론 구성 부품 설계 재질 선정 분쇄기 구조에 대하여 유한요소법으로 유동해석

을 하는 시뮬레이션 기술력 확보에 어려움을 겪고 있다 초미립 분쇄(ultra-fine

pulverization)를 위한 기류 분사노즐(compressed air nozzle supersonic air

nozzle)의 단면 형상 설계와 분쇄에 요구되는 유량 산출 분급기(classifier)의 크기

과 공기 유동부의 내부 형상 베인의 형상과 수량 베인의 간격 배열 위치 및 분급

기 회전수 등에 대한 설계 변수 등에 있어서 애로를 겪고 있으며 기술력 향상을

위하여 외부 전문가의 기술지원이 요청되고 있다

건식 기류충격식 분쇄기 설계의 핵심 기술을 지원하여 건식 기류충격식 분쇄기의

국내 업체의 자체 설계 능력 확보가 요구되낟 본 부품소재종합기술지원사업을 통

하여 초미립 분쇄기와 관련된 국내ㆍ외 특허 자료 기술문헌 및 분쇄부와 분급부의

기초 이론 관련 자료 조사와 제공 초미립 입자를 생산하기 위한 건식 분쇄기의 구

조 설계 기술 지원 유량에 따른 기류충격식 분쇄 노즐의 설계 변수 컴퓨터를 이용

한 3 차원 모델링에 의한 설계 유한요소법에 의한 기체의 유동 해석 기술 지원이

필요한다

제 2 절 기술지원 목표

기술지원의 초종 목표는 지원기업 대가파우더시스템가 분쇄 입도의 평균직경 18

~ 20 인 초미립 파우더를 생산하기 위한 기류충격식 분쇄기 설계와 생산에 대

한 기술 확보이다 공기 분사 방식의 분쇄 노즐 형상 분급부의 구조 설계 및 작동

에 대한 기초를 체계적으로 정립하며 분쇄기 구성 부품의 재질 선정 3D 모델링에

의한 분쇄기 시스템 설계와 유한요소볍에 의한 공기 유동장 해석 결과를 바탕으로

시작품을 제작하며 향후 유사 모델에 대한 자체적인 설계 및 새산 능력을 확보하

는 것이다

제 3 절 기술지원 내용

1 건식 기류충격식 분쇄기의 국내ㆍ외 특허 자료 기술문헌 및 기술정보 조사 지

원으로 초미립분쇄기의 기초 이론 구조 기능 정립 초음속 분사노즐 단면 형상

설계 자료로 활용

2 3D 모델링에 의한 설계 기술 지원으로 설계 오류를 사전에 방지

3 초음속 분쇄 노즐의 형상 설계와 유동 특성 해석 기술

4 분급부의 내부 구조 베인의 형상과 배열 및 수량 결정 유한요소법에 의한 분급

기의 유동 해석 기술 지원으로 분급 입도의 안정화 분급기 설계 및 제작

5 분쇄부와 분급기의 재질 선정 지원으로 생산가 관리 및 내구성 확보

Table 1 기술지원 목표 및 내용

제 2 장 국내ㆍ외 기술 현황

건식 분쇄 기술로 크기가 1 이하의 작은 입자를 생산하는 것은 어려운 기술로

분체기술의 장벽이라고 일컬어진다 각종 소재를 성분 변화없이 100nm 이하의 크

기로 극미세 분쇄하는 기술은 미래 산업을 이끌어갈 핵심분야로 국가간 연구개발

경쟁이 치열한 기술이다

제 1 절 세계의 기술 현황

나노급의 미세 파우더는 1980 년대초 독일의 칼스루헤연구소 등에서 시작되어

1990년대에 들어서 100nm 이하의 제조합성에 관한 연구가 본격화되었다 일본의

경우에는 과학기술청의 창조과학기술 추진과 통산성의 차세대산업기반기술 분야로

선정되어 주목을 받고 있다 초미분을 생산하기 위한 양산 장비 및 요소 부품에 대

한 선진국의 기술은 독일의 DRAIS사(습식) NETZSCH사(건식) 일본의 Kotobuki사

(습식) DYNO사(습식) Hosokawa 사(습식 건식) 등의 선진메이커에서 제품이 개

발되어 판매되고 있다 또한 나노 파우더 생산업체로는 일본의 Kako 사 미국의

Whittaker 사 Dow Chemical 사 Dupont사 및 독일의 Degusa사 등이 있다 현재

까지는 나노급 파우더 제조 공정의 불안정 및 복잡성 평가 방법의 미흡 등으로 다

양한 제조 공정 기술개발이 진행되고 있다 세라믹 분말의 경우에는 일부 특수한

경우에만 상용화되고 있다 금속분말의 경우에는 한정된 종류의 금속만 생산이 가

능하여 계속적인 개발이 진행되고 있다

건식 기류충격식 분쇄기의 주요 제작업체는 일본의 Hosokawa 사와 독일의

Netzsch 이다 미국 일본 및 독일 등에 대부분의 같은 내용의 특허가 등록되어

있으며 일본과 독일에 의하여 등록된 특허의 구조적인 특징은 다음과 같다

1 일본 Hosokawa사의 수직형 기류충격식 분쇄기

건식 기류충격식 분쇄기의 대표적인 업체인 일본의 Hosokawa 사 분쇄기의 특징

은 3개의 초음속 분사노즐이 에어젯트밀의 중앙인 수직 평면상에 원호상 등간격인

120도 간격으로 원의 중심을 향하여 배열되어 있으며 분쇄기 내의 상부에 회전축

이 수평인 위치로 회전되는 원심형 분급기가 설치되어 있다(Fig 2)

분쇄기의 모델과 분쇄 대상 재료에 따라 분말의 크기가 01 - 10 의 범위에 있

Fig 2 일본 Hosokawa 사의 수직형 기류충격식 분쇄기의 내부

2 일본 Hosokawa 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(2)

Fig 3a ~ Fig 3c는 일본 Hosokawa 사의 등록특허이다 분쇄기와 분급기 구조에

관한 것이다 Fig 3a에 보인 원형 단면의 분쇄실 외주부에 Fig 3b와 같이 에어를

고압 분사하는 분사노즐이 다수개 배열되어 있어 재료 공급관으로 유입되는 재료

가 고압의 공기 분사에 의하여 분쇄된다 분쇄도니 미분은 상부 통로로 배출되며

조분은 Fig 3b 의 ldquo16rdquo 번 부위인 분쇄기 내벽을 따라 이동되다가 공기 노즐의

출구부 측면에 나있는 구멍으로 흡입되어 공기와 함께 분사되어 재분쇄가 된다

Fig 3a 일본 Hosokawa 사의 분쇄기 단면(일본 特開平 11-179228 1999)

Fig 3b 일본 Hosokawa사의 분쇄기 평면(일본 特開平 11-179228 1999)

Fig 3c 일본 Hosokawa사 분쇄노즐 단면(일본 特開平 11-179228 1999)

3 일본 미놀타 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(3)

Fig 4a ~ Fig 4c 는 일본 미놀타사의 등록특허이다 분쇄기와 분급기 구조로

Fig 2에 보인 Hosokawa 사의 수직형 분쇄기와 비슷한 구조이다 분쇄 효율을 높

이기 위하여 Fig 4c 에 보인 것과 같은 분쇄기 중앙부의 분사된 공기가 집중되는

위치에 삼각형 경사판을 배치하여 공기가 충돌한 후 분쇄기 상부로 향하게 되어

있다

Fig 4a 일본 미놀타사의 분쇄기 단면(일본 特開 2000-5621 2000)

Fig 4b 일본 미놀타사 분쇄기의 분사노즐 배열(일본 特開 2000-5621 2000)

Fig 4c 일본 미놀타사 분쇄기의 충격판(일본 特開 2000-5621 2000)

4 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(4)

Fig 5는 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 등록특허이다 분쇄기 내측

수평면상에 분사노즐이 서로 마주 보게 배열되어 있다 분급기의 회전 축이 분쇄기

의 중심축과 일치한 상태로 회전하여 수평면 상에서 원심력에 의하여 분급이 이루

어진다 분급된 미분은 분쇄기 상부의 통로로 배출된다

Fig 5 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 수평형 기류충격식

분쇄기(일본 特開 2002-35631 2002)

5 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(5)

Fig 6 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기 구조는 Fig 4 의 일본

미놀타사와 유사하다 수평면상에 분사노즐이 배열되어 있으며 분급기의 회전축도

수평으로 위치하고 있다

Fig 6 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(일본 特開 2003-88773

2003)

6 미국 Xerox사의 수평형 기류충격식 분쇄기와 노즐(6)

Fig 7a의 미국 Xerox사의 수평형 기류충격식 분쇄기 구조는 Fig 5의 일본

Hosokawa Alpine AGampCo OHG 사의 구조와 유사하다 분사노즐이 수평면상으로

배열되어 있으며 분급기의 회전축도 수평으로 위치하고 있다 분사노즐의 형상은

Fig 7b 에서와 같이 이중관 구조이다

Fig 7a 미국 Xerox 산의 수평형 기류충격식 분쇄기(일본 特開 2004-50179

2004)

Fig 7b 미국 Xerox 사의 이중관 분사노즐(일본 特開 2004-50179 2004)

7 독일 Netzsch사의 건식 기류충격식 분쇄기(7)

독일 Netzsch 사는 대표적인 기본 구조의 건식 기류충격식 분쇄기를 개발하여 가

공 용량이 다른 여러 가지 분쇄기에 유사한 구조를 적용하였으며 일본 Hosokawa

산의 분쇄기와는 전혀 상이한 구조이다 즉 3 개의 초음속 분사노즐이 기류충격식

분쇄기 하부의 수평 평면상에 원호상 등간격인 120 도 간격으로 원의 중심을 향하

여 배열되어 있으며 Fig 8 에서와 같이 수직 회전축을 갖는 원심형 분급기가 분

쇄기 상부에 설치되어 있다 분급기의 외형 모습은 Fig 9에 보인 것과 같으며 분

급 효율을 향상시킬 목적으로 분급기 단면이 회전 중심으로 향할수록 상하 공간이

넓어지는 ldquoConvor로 명명된 형상의 단면 모습으로 되어 있다(Fig 10)

Fig 8 독일 Netzsch 사 분쇄기의 내부 구조

Fig 9 독일 Netzsch 사의 분급기

Fig 10 독일 Netzsch 사 분급기의 단면 형상 ldquoConvor

8 독일 특허 공기 분사노즐(9)

독일 Netzsch 사의 분쇄기 관련 기술 컨설턴트인 Nied 가 고안한 분쇄용 분사노즐

의 구조에 대한 것이다 3 개의 공기 분사노즐이 기류충격식 분쇄기 하부의 수평

평면상에 원호상 등간격인 120도 간격으로 원의 중심을 향하여 배열되어 있다(Fig

11a) 분사노즐 중앙부의 구조는 단면이 수축-확산 형태로 노즐로 초음속의 고속

분사를 하면서 중심 노즐 주변에 중앙 분사부를 감싸는 이중 공기 분사관을 형성

하여 중앙의 분사노즐에서 분사되는 공기의 확산각이 커지지 않도록 공기 주위에

추가적인 보조 공기를 분사하는 구조이다(Fig 11b)

Fig 11a 독일 특허-분사노즐 배열과 분사 공기의 분포(EP 0 736328A1 1996)

Fig 11b 독일 특허-분사노즐 단면과 분사 공기의 분포(EP 0 736328A1 1996)

9 미국 특허 분쇄기 구조(10)

일본의 히데유끼 요시다 등 5 명이 미국에 출원한 특허로 분쇄 재료가 초음속으로

분출되는 공기 통로의 중간에서 공급되며 재료가 분쇄실로 이동된 후 충격판에 충

돌되어 분쇄되는 구조이다(Fig12) 분쇄된 분말의 크기는 10 수준이다

Fig 12 미국 특허-충돌식 분쇄기(USP 57657661998)

제 2 절 국내의 기술 현황

국내의 경우에는 초미분 분말 생산에 관한 개발 역사가 짧으며 연구소 대학 기업

등에서 다발적으로 연구가 진해오디고 있다 기계 전자 물리 재료 화학 등의 연

계된 연구가 필요하다 1996 년 과학기술부 및 산업자원부 등의 산업단을 중심으로

대형 연구가 수행되어 왔으나 주로 기상법에 의한 분말합성에 관한 것이다 1998

년도부터 한국기계연구원에서 200nm 급의 건식 분쇄 및 분급기에 대한 개발을 시

작으로 초미분 파우더 생산 장비에 관한 연구가 이루어지고 있다 초미분 분쇄 방

식은 본 기술지원 과제의 지원기업인 대가파우더시스템을 포함하여 습식 방식인

교반밀(agitated mill)을 주로 사용하며 입도의 크기는 5 이상 수십 크기의

범위이다 기류충격식 분쇄기의 기술 수준은 입도의 크기가 5 ~ 10 수준이다

기존의 습식분쇄기의 경우 평균 입도가 28 ~ 32로 Pb0를 대상으로 할 때 4

~ 6 kghr 정도를 생산할 수 있는 수준이다

국내에 등록되어 있는 건식 기류충격식 분쇄기와 관련된 특허의 출원인인 대부분이

일본업체이며 일본에 출원된 특허를 한국에 재출우너한 것이 대부분이다 미국과

벨기에가 각각 1 건씩 등록하고 있으며 한국인이 출원한 특허는 테크월드에서

출원한 3 건 등 모두 4 건이 검색되었다 마이크로급 이상의 파우더 생산장비에 대

한 국내의 기술 수준은 선진국 기술 수준의 약 70 수준이다 그나마도 설계 및

생산에 있어 거의 모방에 의존하고 있다 나노급 기술은 초보적인 상태이다

제 3 장 기술지원 수행 내용 및 결과

제 1 절 기술지원 수행

본 부품소재종합기술지원사업은 Fig13의 기술 개발 추진도에 따라 수행되었다

Fig 13 기술 개발 추진도

분쇄기의 전체 시스템 중에서 분쇄기와 분급기 이외의 기타 구성 모듈들에 대한 설

계 및 생산기술은 지원기업 대가파우더시스템이 기확보하고 있는 기술이 기술

지원의 주된 내용은 기류충격식 분쇄기의 핵심 부품이며 분쇄기의 성능을 좌우하는

초음속 공기 분사노즐과 분급기의 설계 기술에 관한 것이다 초음속 공기 분사노즐

의 단면 형상 공급 공기의 압력과 분사 공기의 속도 및 공기 소요량 산출을 위한

공기 분사노즐 설계와 분쇄기 내부의 내마모성 재료 선택 분급기 베인의 형상과

분급기로 유입되는 공기의 속도 분포를 균일하게 하여 원심력 작용으로 분말의 분

급 정밀도를 향상시켜 주기 위한 분급기의 내부 단면 형상 설계 미 ㅊ유입 공기 속

도 및 압력 분포에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 방법 등에 대한 체계적인 기술 지원이

수행되었다 향후 유사 모델 개발에 적용하여 새로운 제품을 개발할 수 있는 설계

능력을 확보하였다

1 분쇄기 시스템 구성도

본 기술지원을 통하여 개발하는 핵심 기술은 건식 기류충격식 분쇄기의 초음속 공

기 분사노즐과 분급기와 관련된 기술이다 분쇄기의 기본 구조는 독일의 Netzsch

사 제품과 유사한 구조로 되어 있으며 분쇄용 공기 분사노즐과 고정밀도의 분급기

설계기술을 자체 보유하는 데 주안점이 있다 개발 대상 분쇄기 시스템의 전체 구

성도는 Fig 14(7)에서와 같다 Fig 14에서 분쇄기 시스템은 ldquo진동공급기rdquo를 통하

여 공급되는 분쇄용 우너료를 ldquo건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기rdquo로 분쇄 및 분급

한 후에 cyclone을 거쳐 bag filter로 분말을 포집하는 시스템으로 구성되어 있

다 분말과 공기가 혼합된 기류는 각각의 단계로 이송하는 과정에서 double flap

valve로 이송이 조절되며 최종적으로 fan의 작동으로 공기가 배출된다

건식 기류충격식 분쇄기 본체를 구성하는 부품의 서브어셈블리는 각각 Chamber

Body Laval Nozzle Classifier Wheel 및 Bearing Block등으로 구성되어 있

다 주요한 설계 변수는 분쇄챔버의 직경과 높이 초음속 공기 분사노즐 설계 있어

서 라발 노즐(초음속 공기 분사노즐)의 모즐 목 내경과 배출부의 직경 및 축방향의

단면 형상 공기되는 공기의 압력 등이다 분급기 설계에 있어서의 주요 변소는 베

인의 단면 형상 베인의 수량과 배열 각도 분급기 내부 공동부의 단면 형상 분급

기에 유입되는 공기 속도와 분급기를 통과한 이후의 공기 압력 등이다

Fig 14 기류충격식 분쇄기의 시스템 구성도

2 소리의 속도

물체의 일부에 교란을 주면 개스 유체 및 고체의 압축성으로 인하여 물체를 통하

여 유한한 속도로 교란이 전파된다

음속은 물체의 압력과 밀도 변화와 관계되어 있으며 다음식으로 표현된다

여기서

음속 압력변화 밀도 변화

체적탄성계수는 다음과 같이 표현된다

여기서

체적탄성계수 압력변화 체적변화 초기체적

체적탄성계수는 식 (3)으로도 표현된다

여기서

물체의밀도변화 물체의초기밀도

개스 유체 고체 내에서의 음속은 다음식과 같다

여기서

체적탄성계수

개스에서의 소리 속도는 아주 작은 한 점에서 교란이 일어나는 관계로 열전달을 무

시할 수가 있으며 또한 등온 상태로 가정할 수가 있다 이상 기체에서의 소리 속도

는 절대 온도의 근에 비례하며 다음식으로 표현된다

여기서

k = 비열비 (adiabatic index)

p = 압력 (Pa psi)

R = 개스 상수

T = 절대 온도 (degK degR)

앞의 식 (4)와 식 (5)로부터

식 (6)으로부터 체적탄성게수 E를 구할 수가 있다

( 예 1 ) 공기의 체적탄성계구 산출

k = 14 R = 287 (JK kg) at T=293K( 20 ) p=1204(kgm3)

Eair = k R T p=14X287X293X1204=14174379((Jm3)

Eair = 14174379(Nm2)

( 예 2 ) 염소(C12)의 체적탄성계수 산출

k = 134 R = 120 (JK kg) at T=293K(20) p=2994(kgm3)

Ec12 = k R T p=134X120X293X1994=14106051((Jm3)

Ec12 = 14106051(Nm2)

( 예 3 ) 0 1 bar 공기에서의 소리 속도

c = (14x287x273)12

= 3312 (ms)

여기서

k = 14

R = 287 (JK kg)

( 예 4 ) 20 1bar 공기에서의 소리 속도 산출

c = (14X287X293)12

= 3431 (ms)

( 예 5 ) 0 물속에서의 소리 속도 산출

여기서

3 공기 분사노즐에서의 유동식

개스역학에서 공기의 속도가 sim 이상으로 빠르거나 압력의 변화가

보다 큰 경우에는 압축성 흐름으로 취급한다 이러한 현상은 노즐에서

개스가 팽창하는 경우에 발생된다

정상유동에서의 에너지 평형 상태는 다음식으로 표현된다

여기서 엔탈피는

이며 엔탈피 ∆의 변화는 내부에너지 ∆에 외부로 또는 외부로부터의 체적에

의한 일 ∙∆의 합과 같다

내부에너지의 변호가 없고 밀도가 일정하다고 가정하면 즉 ∆ 인

경우에는 비압축성유동의 베르누이 방정식이 된다 반면에 위치네어지의 변화가 없

는 경우 ∆ 에는 상대적으로 밀도가 낮은 압축성 유체인 ldquo개스rdquo의 상태를

나타낸다 ldquo개스역학rdquo 이라는 자체가 의미하듯이 해석에 있어 고압 및 개스의 속도

가 포함되며 내부에너지의 변화 ∆를 무시할 수가 없다 이러한 의미에서 식 (7)

은 다음과 같이 된다

이상개스 방정식에서

이며 식 (12)를 식(9)에 대입하면 다음과 같이 된다

식 (13)에 에너지 보존법칙을 적용하면 노즐에서 분사되는 개스의 속도를 구할 수

있다

개스의 초기 속도가 인 경우에는

가역 단열 흐름에 있어서는 다음 3개의 식을 적용할 수가 있다

식 (16) ~ 식 (18)을 식 (15)에 대입하면 노즐에서 분출되는 개스의 속도가 구해

진다

노즐을 통과하는 질량의 흐름 식

밀도의 비로부터

다음과 같이 노즐을 통과하는 질량을 구한다

다음의 식 (23)을 식 (22)에 대입하여

식 (24)를 구한다

여기에서

을 ldquo탈출 계수(escape coefficient)rdquo 라고 한다

식 (25)를 사용하여 식 (24)를 다시 표현하면 다음의 간략식이 된다

탈출 계수 는 압축비 의 값이 다음과 같은 값일 때

임계 압축비 또는 라발 압축비로 표현되는 다음 크기의 최대값을 갖는다

음속은 노즐의 단면적이 제일 작은 부분에서 임계 압축비에 도달한다

max는 테이퍼가 일정한 실린더 형상의 노즐에 적용된다 식 (26)에 의하여

ㆍ 가 되며 는 일정한 테이퍼의 노즐에서만 증가할 수 있다 만약 압

축비 가 임계비 이하이면 max이므로 노즐을 통과하는 질량의 흐름은 일정

하다 이것은 질량의 흐름이 외부의 압력에 영향을 받지 않는다는 것을 의미한다

질량의 흐름에 의한 일은 다음의 식 (30)으로부터 구해진다

압축성 유체의 단열 팽창시에 수행된 일은 식 (19)와 식 (30)로부터 다음과 같이

산출된다

아래의 Fig 15 는 수축확산 노즐의 단면 모습이며(11) Fig 16 은 수축확산 노즐에

서의 압력 온도 속도 변화를 나타낸 것이다(8)

Fig 15 수축확산 노즐(Laval Nozzle)

Fig 16 수축확산 노즐에서의 압력 온도 속도 변화

압축성 유체의 흐름에 있어서 임계 속도 이후에 노즐의 단면이 서서히 확대되면

열에너지가 유동에너지로 변환되면서 온도는 낮아지고 흐름이 증가된다

앞의 식 (27)을 참조할 때 Fig 16 의 수축확산 노즐의 단면적이 가장 작은 임계

압축비 에서 음속에 도달한다 이 것은 질량 흐름에 식 (26)이 계속적으로 유

효하다는 것을 의미한다 수축확산 노즐 출구에서의 온도는 다음과 같은 관계가 된

노즐 확산부의 치수는 다음식으로부터 구해지며

개스 상수 등은 계수 개스 유입 온도 노즐 목의 직경 압축비 등의

변수로부터 노즐 출구에서의 개스 속도와 온도를 구할 수가 있다 공기 흐름 해석

대상 노즐 각부에 대한 부호는 Fig17에서와 같다

Fig 17 수축확산 노즐의 각부 부호

실제 수축확산 노즐을 설계하는 데 있어서는 노즐에서 발생될 수 있는 압축파 발생

을 억제하기 위하여 노즐 출구의 치수를 설계값보다 약간 작게 한다 즉 Fig 17에

서의 노즐의 확산각 가 를 넘지 않아야 하며 최대 이내여야 한다

4 공기 분사노즐의 흐름 특성 계산

앞의 ldquo3 초음속 공기 분사노즐에서의 공기의 흐름rdquo에서 유도된 식들을 이용하여

ldquoMathcad 13 프로그램(12)으로 설계 대상 분쇄기에 적용되는 공기 분사노즐의 단

면 치수 유입 공기량 노즐 출구에서의 공기 속도 소요 동력 등을 산출하였다

우선 단위와 공기의 상수를 정리하면

kilo=1000 TK =273 hoursec =3600 k = 14

ㆍsecㆍ

ㆍsecㆍ

ㆍsec

ㆍsec

예를 들어 tan tan tan tan

해석 조건이 다음과 같으면 tank pressure=700kPa Ttank=70 exit

pressure=100kPa

단위 (mm) throat diameter=50 length 150 outlet diameter=70 diffusion

angle α=38deg

d = 0007 pe = 100kilo po = 7pe Ttank =7C

To = TK+Ttank To=343 (K)

times

sec

Air_massflow1N_hour =Air_masflow1N_sechoursec

Air_massflow1N_hour = 133024 (kghrper 1 nozzle)

Air_massflow3N_hour = Air_massflow 1N_hour3

Air_massflow 3N_hour = 399071 (kghrper 3 nozzles)

Imsec)

sec

timesorsec timesorsec

(kgm3)

sec

sec sec

공기분사 노즐 목의 직경이 50mm 출구 직경이 70mm 노즐 목에서 노즐 출구까

지의 길이가 150mm로 공기 분사노즐의 환산각 도인 공기 분사노즐이 3

개 장착되어 있으며 탱크내의 공기가 압력 7bar 와 70 를 유지하면서 계속적으

로 노즐을 통하여 공급되며 또한 분쇄 챔버 내의 압력이 1bar 로 유지되는 경우의

공기 분사노즐의 유동 특성 계산 결과를 종합 정리하면 다음과 같다

- 노즐 출구에서의 공기 최대 속도 542151msec

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 무게 399071kghr

(노즐 하나에 00369kgsec)

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 부피 225333m3hr(0063m3sec)

- 소요 동력 16291kWhhr

5 수축확산 공기 분사노즐의 유동 해석

공기 분사노즐을 3D 모델링 프로그램 SolidWorks(13)로 모델링하여 열유체 해석

을 위한 유한요소해석 프로그램 COSMOSFlwWorks(14)로 공기 분사노즐 내의 유

동 해석을 수행하였다 해석 대상 공기 분사노즐 단면의 형상과 각부의 치수는

Fig18에서와 같다

Fig 18 수축확산 노즐 유동 해석 모델의 단면

해석시에 적용된 변수값들은 앞의 ldquo4 초음속 공기 분사노즐의 분사 특성 계산rdquo에

서 산출된 값을 적용하였다 노즐의 확산부위 길이는 15mm 이며 분사노즐의 확산

각은 도이다 노즐 하나에 대하여 Fig 18 의 왼쪽면에서 00369 kgsec

의 공기가 유입되며 오른쪽 분사노즐 출구면에 12bar 의 압력을 적용하였다 분사

노즐의 유동 해석 결과의 여러 가지 특성값 중에서 본 설계에서의 주요 관심사가

공기의 배출 속도인 관계로 Fig 19에 흐름의 속도 분포 Fig 20에 흐름의 마하넘

버 분포를 나타내었다 초음속 흐름에 대한 해석으로 분사노즐 목에서의 공기속도

가 약 335msec(마하 1)이 되며 노즐 출구에서 최대속도가 된다 Fig 21은 수축

확산 노즐에 대한 공기의 속도 분포 해석 결과를 반영하여 공기 분사노즐을 모델링

한 것이다

Fig 19 수축확산 노즐의 공기 흐름 속도 분포

Fig 20 수축확산 노즐의 공기 흐름 마하넘버 분포

Fig 21 수축확산 노즐 모델

6 분급 이론

분급(分級 classification)이란 유체력을 이용해서 분립체를 그 입자 지름의 크기에

따라 분리하는 것으로 넓은 뜻으로는 유체력에 의한 분리만이 아니라 체가름을 포

함하는 경우가 있다 더 넓게는 비중선별ㆍ자기력선별 등 모든 입자분리조작을 분

급이라고 한다 공기ㆍ물 등의 유체 속에서 운동하는 분립체의 각 입자에는 중력

또는 원심력 이외에 유체에 의한 유체항력 등이 함께 작용된다 이 힘 즉 유체항력

은 입자 지름에 의존하는 데 유체항력과 입자 지름의 관계는 중력이나 원심력과

입자 지름의 관계와는 다르기 때문에 이 둘 사이의 균형 조건이 입자 지름에 의해

좌우된다 좁은 뜻의 분급은 이 원리를 이용한 입경분리조작을 의미한다 중력장에

서 등속 침강하는 구 형상의 입자에 대한 힘의 균형은 다음 식으로 표현된다

여기서 은 입자 질량 prime는 입자에 의해 배제된 유체 질량 g는 중력가속도 R

은 는 유체항력을 나타낸다 유체항력 R은 다음 식으로 나타낼 수 있다

여기서 는 저항계수 (drag coefficient)로 입자 주위의 유체의 상대적인 흐름의

상태에 따라 결정되는 무차원 계수이다 는 유체의 밀도 는 입자의 침강속도

는 입자의 지름이며 는 입자의 투영 최대 면적이다 물 또는 공기 속에서 입

자의 지름이 100 이하 입자의 밀도가 3gcm2이하의 조건에서는 입자 주위의 흐

름은 거의 충류로 간주되며 이때 R은 다음 식으로 나타내진다

여기서 는 유체의 점성도이다

prime

이므로 식 (36)을 식 (34)에 대입하면 식 (37)을 얻는다

여기서 는 입자 밀도이며 식 (37)을 스토크스의 침강속도식이라고 하며 분급에서

분리입자 지름을 구하기 위한 기본식으로 중요하다

식 (37)은 다음

과 같이도 표현된다

유체가 공기나 그 외의 기체인 경우의 분급 조작을 건식 분급(또는 공기 분급) 물

이나 그 외의 액체인 경우의 분급 조작을 습식 분급이라 한다 앞에 언급된 기본식

들 이외에 어떤 종류의 분급장치에서는 유체의 흐름 방향이 급격히 변화할 때 흐름

에 따라 운동하는 입자의 관성력의 효과가 중요한 역할을 한다

분급에 사용하는 장치를 분급기(classifier)라고 한다 건식분급기에는 관성력을 이

용하는 것 중력침강을 이용하는 것 원심력을 이용하는 것 등이 있다 관성력을 이

용하는 건식분급기에는 루버식분급기 버추얼임팩터 엘보제트형분급기 등이 있는

데 건식분급기로는 원심력을 이용한 것이 가장 널리 사용되고 있다 원심력을 이용

한 건식분급기로는 분급 입도가 30~100 정도의 비교적 굵은 입도에서의 대량 처

리로 옛날부터 알려진 스튜어트밴트형 등이 있으며 또한 몇 ~30의 분급이 가

능한 여러 분급기가 개발되어 널리 쓰이게 되었다 또한 사이클론도 미립(微粒)에서

조립(組立)에 이르는 분체(粉體)의 건식분급에 이용된다 습식분급기에는 중력식과

원심력식이 있으며 중력식은 상승 수류(水流)와 유동층을 이용한 수력분급기 원뿔

형 또는 각뿔형 용기에서의 중력침강을 이용한 세틀링탱크 등의 침강분급조 완만

하게 경사진 직사각형의 조(槽)로부터 침하한 조립 생산물을 긁어올리기 위한 레이

크나 스파이럴을 갖춘 기계분급기 등으로 분류된다 원심력을 이용한 습식분급기로

는 사이클론 또는 하이드로사이클론이 가장 대표적이며 솔리드볼형ㆍ디스크형 등

의 원심분리기도 미립자용 분급기로 사용된다

Fig 22는 베인 구조의 원심형 분급기의 회전 단면 모습이다

Fig22베인 구조의 원심형 분급기의 단면

Fig 22에서 H는 분급기 내부 상하면 사이의 간격이며 는 선별된 미분이 배출되

는 반경 는 베인의 내반경 는 베인의 외반경을 나타낸다

분체 주위의 공기 흐름이 층류 흐름이라는 조건하에서 베인 구조의 원심형 분급기

에의 컷포인트(utpoint)를 결정짓는 외주부의 반경 은 다음과 같다

또한 선별된 미분이 배출되는 반경은 다음과 같다

베인 사이에서도 고체의 회전법칙이 적용된다 베인의 외주 반경에서 속도의 원주

방향 성분 과 중심방향 성분 가 가장 큰 영향을 준다

식 (41)과 식 (42)를 식 (38)에 대입하여 정리하면 다음과 같다

독일 Netzsch 사에서는 베인의 내반경 에서 선별된 미분이 배출되는 반경 까

지의 반경 방향의 공기 속도 성분 을 질정하게 해 주기 위하여 Fig 10에 보인

ldquoConvorrdquo라고 불리우는 단면의 분급기를 개발하여 사용화하고 있다

7 분급기 설계와 유동 해석

분급기의 베인 사이로 분쇄된 미분과 공기가 함께 유입되어 중앙부의 배출구로 통

과하는 분급기의 내부 형상을 설계하기에 앞서 분급기 내부를 구성하는 상면이 평

평한 구조의 분급기에 대한 유동해석을 실시하여 공기의 속도 분포를 검토하였다

해석 대상 분급기의 외경은 205mm이며 밑면 중앙에 공기 배출을 위하여 직경이

90mm인 원형 구멍이 뚫려 있다 분급기 외주에는 단면이 원호의 일부로 만들어진

두깨가 2mm 넓이가 18mm 길이가 35mm인 베인이 매 60도마다 10개씩 등간격

으로 모두 60개가 베인의 코드 방향과 분급기의 반경 방향이 이루는 각도가 약 15

도가 되도록 경사지게 설치되어 있다 원주 방향으로 매 60도마다 길이 35mm 직

경 8mm인 원형봉 6개가 등간격으로 배열되어 상ㆍ사 카버 사이에 베인을 고정시

켜 조립되는 구조이다 해석 대상 분급기에 사용된 베인의 단면과 베인의 배열 및

분급기 상ㆍ하면을 고정하는 봉이 포함된 수평면상의 평면도를 Fig 23에 나타내었

다 Fig 24는 분급기의 상면 형상이 평평한 구조인 경우에 대한 분급기의 수직단

면도이다

분급기에 유입되는 공기는 온도 50 유입량 01m3sec 분급기를 통과한 후에

배출되는 공간의 압력은 12bar이며 분급기의 회전속도는 8000rpm(838radsec)

이다 분급기에 발생되는 원심력의 절대적인 크기는 재료의 밀도와 분급하고자 하

는 분말의 크기에 따라 분급기의 회전수를 변화시켜서 조절한다 SolidWorks 및

COSMOSFloWorks 프로그램으로 분급기의 공기 유동해석을 실시하였다 해석시의

변수 입력 항목 및 해석 과정을 ldquo부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 유동해석 절

차rdquo에 정리하였다

Fig 23 베인과 상ㆍ하면 고정 원형봉의 평면 단면도

Fig24 분급기 상면이 평면인 경우의 수직단면도

공기 유동해석 결과를 Fig25~Fig27에 나타내었다 Fig25는 베인의 중간 높이에

서의 수평 단면에서의 공기 속도 분포이다 Fig26은 베인이 위치한 부위에서의수

직단면 Fig 27은 상ㆍ하면을 고정시켜 주는 원형봉이 있는 부위의 수직단면에 분

포하는 공기의 유입 속도 해석 결과를 나타낸 것이다

Fig 25 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig 26 베인 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig27 연결봉 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig15~Fig27의 공기 속도 등고선을 보면 베인 외주부의 상하 위치에 있어서 공

기의속도가 불균일한 분포를 보인다 베인의 분급기 내부 공간에서는 같은 반경인

위치에서 윗부분에서의 공기 속도가 아랫부분에서보다 빠르게 분포하고 있다 베인

의 높이 방향 상ㆍ하 위치에 따른 이러한 유입 속도의 편차는 분급기 외주의 실린

더 면으로부터 유입되는 공기가 분급기 중앙의 밑 방향으로만 배출되는 유동 통로

의 구조 때문으로 판단되낟 따라서 같은 반경의 같은 원심력이 발생되는 위치에

있어서도 윗부분에서의 공기 유입속도가 밑부분에서보다 크게 분포되어 윗부분에서

는 밑부분에서보다 큰 분말이 분급기 안으로 유입된다 지정된 크기의 컷오프보다

큰 분말과 작은 분말이 혼합된 상태로 배출되는 관계로 분급이 정밀도가 저하된다

베인의 상ㆍ하 위치에 무관하게 공기의 유입 속도를 가급적 균일하게 해 주기 위한

목적으로 분급기 내부의 단면 형상을 Fig28과 같은 인볼류트-컨볼류트

(involute-convolute) 단면으로 구성하여 공기의 유동해석을 실시하였다

Fig 28 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기

Fig29는 베인의 중간 높이 수평단면 상에서의 공기 속도 분포이다 Fig25에 비하

여 베인의 외주 부위에서의 공기의 속도가 균일하게 분포되고 있음을 보여 준다

Fig29 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig 30은 베인이 위치한 부위에서의 수직 단면 Fig31은 상ㆍ하면을 고정시켜 주

는 원평봉이 있는 부위에서의 수직 단면에 분포하는 공기 속도 분포이다 Fig30과

Fig31은 각각 Fig25와 Fig26에 비하여 베인의 높이 방향 전체에 걸쳐 공기의 유

입 속도가 상당히 균일하게 분포되는 것을 보여 주고 있다

Fig 30 베인 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig31 연결봉 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig32는 분급기 내부의 공간 형상이 인볼류트-컨볼류트인 분급기의 설계 모델이

Fig32 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 모델

Fig33은 앞의 수축확산 공기 분사노즐(Fig20)과 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급

기(fig32)로 구성된 건식 기류충격식 분쇄기의 3D모델이다 중요 부품의 도면은

ldquo부록 9 설계 도면rdquo에 수록하였다

Fig33 건식 기류충격식 분쇄기의 3D 모델

8 시작품 제작

수축확산 공기 분사노즐의 유동해석 및 분급기의 유동해석 결과를 바탕으로 시작품

을 제작하였다 Fig34는 수축확산 공기 분사노즐 헤드의 시작품 모습이다

Fig 34 수축확산 공기 분사노즐 헤드 시작품

Fig35는 분급기의 시작품 모습이다 분급기의 베인은 분체와 마찰시 내마모성을

갖도록 SUS 재질로 곡면 성형한 후 세라믹으로 코팅하여 제작하였다

Fig35 분급기 시작품

Fig 36은 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 수축확산 공기 분사

노즐 및 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 등이 분쇄기의 내부에 장착되어 있다

Fig36 건식 기류충격식 분쇄기 시작품

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기와 관련된 국외 특허 자료 조사와 분석 공기의

유동해석에 있어 많은 일정이 소요되었다 기술지원 추진일정을 Table1에 정리하

였다

Table 4 추진 일정

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 9: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

연구과제(세부과제) 성과

1 사업화 성과

특허 성과

출원된 특허의 경우

세부사항

(9)

출원년도

(10)

특허명

(11)

출원인

(12)

출원국

(13)

출원번호

2007

원심형 분말 분급기

(Centrifugal Poweder

Classifier)

한국생산기술연구원

대가파우더시스템대한민국 10-2007-0092396

사업화 현황

사업화 세부사항

(9)

사업화명

(10)

사업화

내용

(11) 사업화 업체 개요(12)

기 매출액

(백만원)

(13)

당해연도

매출액

(백만원)

(14)

매출액

합계

(백만원)

업체명 대표자 종업원수사업화

형태

대가파우

더시스템

최은석 59 4

주 11) 사업화 업체 개요의 사업화 형태는 1 연구책임자 창업 2 기술이전에 의한

창업 3 창업지원 4 기존업체에서 상품화 중에서 선택하여 번호 기입

고용창출 효과

고용창출 세부사항(9)

창업(명)

(10)

사업체 확장(명)

(11)

합계(명)

세부지원실적 증빙 내용

1 참여기업 현장방문 47건 참여기업이 생기원 내방 7건

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20060825DPS 주요 기술 지원 사항에 관한 협의

윤승원 최병훈 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

2 20060829기업은행 설명회장 연구비 카드 사용 교육 참석

윤승원 최덕규출장 기록

3 20060831DPS 젯트밀 쳄버 설계 대상 구조 개요 윤승원

최병훈 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

4 20060901KINTEX NanoKorea 2006 참관 윤승원 남상경

최덕규출장 기록

5 20060907DPS 젯트밀 관련 국내 특허 조사 윤승원

남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

6 20060908건식 분쇄기 관련 기술자료 조사 영풍문고

윤승원출장 기록

7 20060915DPS 젯트밀 관련 국내 특허 조사 윤승원

남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

8 20060919 문래동 내마모성 재료조사 윤승원 출장 기록

9 20060921DPS 에어젯트밀 관련 국내 특허 자료 검토

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

10 20061017DPS 에어젯트밀 관련 미국 특허 조사 윤승원

남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

1120061018~

1022

베트남국제산업박람회(VIIF 2006) Hanoi

Vietnam 윤승원출장 기록

12 20061026한국생산기술연구원 기류충격식 분쇄기의 부품

구성도 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민

DPS 연구원 4명

생기원 내방

13 20061027DPS 초음속 공기 흐름에 대한 기초 윤승원

남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

14 2061102DPS 초음속 공기 흐름 관계식 윤승원 남상경

최인환 최덕규 윤상민출장 기록

15 20061103DPS 초음속 공기 흐름 관계식 윤승원 남상경

최인환 최덕규 윤상민출장 기록

16 20061106일산 네이취코리아 건식분쇄기 및 분급기 관련

자료수집 윤승원출장 기록

17 20061109DPS 기류충격식 분쇄기의 구성도와 노즐 설계

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

18 20061116한국생산기술연구원 기류충격식 분쇄기의 예상 부품

구성도 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민

DPS 연구원이

생기원 내방

19 20061123DPS 기류충격식 분쇄기의 예상 부품 구성도

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

20 20061130

DPS 기체 분사노즐의 초음속 분출 속도와 유량

산출에 대한 해석적 방법의 적용 윤승원 남상경

최인환 최덕규 윤상민

출장 기록

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

21 20061204DPS 기류충격식 분쇄기의 예상 부품 구성도

수정 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

22 20061207DPS 기류충격식 분쇄기의 부품번호 및 명칭

부여 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

23 20061212 문래동 철재 부품조사 윤승원 출장 기록

24 20061214DPS 기체 분사노즐 내의 공기유동 유한요소해석

모델링 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

25 20061215DPS 기체 분사조즐 내의 공기유동 유한요소해석

모델링 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

26 20061221

한국생산기술연구원 기류충격식 분쇄기의 공기

초음속 분출 노즐 형상 설계시의 설계 변수

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민

DPS 연구원 4명

생기원 내방

27 20070109DPS 기류충격식 분쇄기 제작용 재료 구입

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

28 20070116DPS 기류충격식 분쇄기의 분쇄 챔버 기본 설계

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

29 20070205DPS 기류충격식 분쇄기의 분쇄 챔버 기본 설계

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

30 20070206DPS 기류충격식 분쇄기의 분쇄 챔버 3D 모델링

윤승운 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

31 20070213

한국생산기술연구원 기류충격식 분쇄기의 분쇄

챔버 3D 모델링에 대한 설계 검토 윤승원

남상경 최인환 최덕규 윤상민

DPS 연구원 4명

생기원 내방

32 20070227DPS 분급기 구조 기본 설정 윤승원 남상경

최인환 최덕규 윤상민출장 기록

33 20070306DPS 회전체 설비의 관성모덴트 산정 방법

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

34 20070308DPS 분쇄 쳄버와 분급기 제작용 내마모성 재료

검토 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

35 20070320DPS 분급기의 기본 구조 모델링과 베인 배열

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

36 20070326DPS 분급기용 베인의 단면 형상과 배열 및 수량

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

37 20070327한국생산기술연구원 분급기 모델링과 베인 배열

구조 윤승원 남상경 최덕규

DPS 연구원 2명

생기원 내방

38 20070403DPS 분급기의 유동장 해석을 위한 COSMOSWorks

해석 연습 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

39 20070410DPS 분급기의 유동장 해석을 위한 COSMOSWorks

해석 연습 윤승원 최인환 최덕규출장 기록

40 20070417DPS 베인 형상 설계 유체 흐름 해석 모델링과

입력 변수 설정 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

41 20070502DPS 베인 형상에 따른 유체 흐름 해석 윤승원

남상경 최인환 최덕규출장 기록

42 20070504한국생산기술연구원 분급기의 공기 유동 해석

결과 분석 윤승원 남상경 최인환

DPS 연구원 2명

생기원 내방

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

43 20070508DPS 여러 내부 형상의 분급기 구조와 베인에

대한 공기 유동 해석 윤승원 남상경 최인환출장 기록

44 20070518DPS 베인의 형상에 따른 분급기의 공기 유동

해석 결과 분석 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

45 20070523DPS 분급기 내부 형상 설계 변경 윤승원

남상경 최인환 최덕규출장 기록

46 2070530한국생산기술연구원 분급기 내부 형상에 따른 흐름

해석 분석 윤승원 남상경 최인환 최덕규

DPS 연구원 3명

생기원 내방

47 20070601DPS 분급기 내부 형상의 조립성을 고려한 설계

수정 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

48 20070607DPS 베인의 형상과 수량에 따른 분급기의 공기

유동 재해석 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

49 20070613DPS 분사노즐 설계 확정을 위한 공기 분사노즐

유동장 재해석 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

50 20070618DPS 에어젯트밀 구조 설계 검토 윤승원

최병훈 남상경 최인환 최덕규출장 기록

51 20070703DPS 분급기 내부 형상에 대한 특허 출원 자료

준비 윤승원 최병훈 남상경 최인환 최덕규출장 기록

52 20070705

경북 칠곡 쿠어스텍코리아 분급기용 베인 제작

가능성 확인을 위한 업체 방문 윤승원 최인환

최덕규

출장 기록

53 20070711DPS 베인 형상 확정 및 구매 요청 윤승원

남상경 최인환 최덕규출장 기록

54 20070724DPS 분쇄기 에어노즐 분급기 설계 자료 정리

윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

2 기술정보제공 특허 73건

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20061013 분쇄기 관련 한국특허 13건(제본) 부록 1 목록

2 20061013 분쇄기 관련 일본특허 16건(제본) 부록 2 목록

3 20061013 분쇄기 관련 미국특허 23건(제본) 부록 3 목록

4 20061013 분쇄기 관련 유럽특허 4건(제본) 부록 4 목록

5 20070213 분급기 관련 미국특허 17건(제본) 무록 5 목록

3 기술정보제공 전문서적 14권

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20070306 構造解析のだぬの有限要素法實戰ハソドプツク 전문서적

2 20070306 世界の規格基準認證ガイドツク 전문서적

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

3 20070306 設計者に必要な材料の기 전문서적

4 20070306 設計者のたぬの モーメソト 전문서적

5 20070306 すべリ軸受資料集 전문서적

6 20061109Flow Mechanics and Thermodynamics in

Mechanical Processing전문서적

7 20061109NETZSCH-CONDUX Fludized Bed Jet Mill 제품

홍보자료

제품

홍보자료

8 20060907 Assembly Modeling with SolidWorks 20042005 전문서적

9 20060907 SolidWorks 2005 Tutorial and MultiMedia CD 전문서적

10 20070601Engineering Analysis with COSMOSWorks

Professional 2007전문서적

11 20070205 COSMOSMotion 전문서적

12 20061116 FLUENT 60 Tutorial Guide 전문서적

13 20070213 FLUENT 60 Users Guide 전문서적

14 20070213 Fundamentals of Fluid Mechanics 전문서적

4 시제품제작 1 건

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20070715 기류충격식 분쇄기 DGJMV-350 시작품

5 시험분석 3건

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20070627 입도 측정 histogram 1 부록 10

2 20070627 입도 측정 histogram 2 부록 10

3 20070627 입도 측정 histogram 3 부록 10

6 기술지원실적 업로드 건

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

목 차

제 1 장 사업의 개요

제 1 절 기술지원 필요성

제 2 절 기술지원 목표

제 3 절 기술지원 내용

제 2 장 국내ㆍ외 기술 현황

제 1 절 세계의 기술 현황

1 일본 Hosokawa 사의 수직형 기류충격식 분쇄기

2 일본 Hosokawa 사의 수평형 기류충격식 분쇄기

3 일본 미놀타 사의 수평형 기류충격식 분쇄기

4 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의

수평형 기류충격식 분쇄기

5 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기

6 미국 Xerox 사의 수평형 기류충격식 분쇄기와 노즐

7 독일 Netzsch 사의 건식 기류충격식 분쇄기

8 독일 특허 공기 분사노즐

9 미국 특허 분쇄기 구조

제 2 절 국내의 기술 현황

제 3 장 기술지원 수행 내용 및 결과

제 1 절 기술지원 수행

1 분쇄기 시스템 구성도

2 소리의 속도

3 공기 분사노즐에서의 유동식

4 공기 분사노즐의 흐름 특성 계산

5 수축확산 공기 분사노즐의 유동 해석

6 분급 이론

7 분급기 설계와 유동 해석

8 시작품 제작

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

2 기술지원 추진체계

3 연구기자재 활용

4 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

6 입도 측정

7 지적재산권 출원

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

제 6 장 참고문헌

부록 1 분쇄기 관련 한국 특허 13건 목록

부록 2 분쇄기 관련 일본 특허 16건 목록

부록 3 분쇄기 관련 미국 특허 23건 목록

부록 4 분쇄기 관련 유럽 특허 4건 목록

부록 5 분급기 관련 미국 특허 17건 목록

부록 6 기술지원 관련 전시회 참석

부록 7 개스의 비열값 개스 상수 밀도

부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 분급기 유동해석

부록 9 설계 도면

부록 10 입도측정 histogram

제 1 장 사업의 개요

분쇄는 재료에 외력을 가하여 작은 크기로 세분화하고 표면적을 증가시키는 기계적

인 조작이다 목적하는 파쇄물 입자의 크기에 따라 조쇄(粗碎) 중쇄(中碎) 분쇄(粉

碎) 미분쇄(微粉碎) 초미분쇄(超微粉碎)로 구분된다 분쇄시 작용되는 응력은 압축

력 충격력 전단력 마찰력 절단력 등이 있으며 단독의 힘이 작용되는 경우는 드

물고 분쇄 대상 재료에 여러 가지 힘임 복합력으로 동시에 작용되어 분쇄기 이루어

진다(1)

분쇄기는 분쇄 입도의 크기에 따라 다음과 같이 분류한다

(1) 조분쇄기 1500mm~100mmrarr500mm~25mm (분쇄비 4~3)

(2) 중분쇄기 500mm~6mmrarr50mm~1mm (분쇄비 7~5)

(3) 미분쇄기 125mm~1mmrarr2mmrarr01mm (분쇄비 20~10)

(4) 초미분쇄기 6mm~01mmrarr01mm~001mm (분쇄비 50~10)

분쇄기의 분쇄 방법에 의한 종류는 다음과 같다

(1) 볼밀(ball mill)

원통 속에 재료와 함께 강으로 만든 볼 즉 강구를 여러 개 넣은 후 함께 회전시켜

강구운동에 의한 충격으로 재료를 분쇄하는 장치이다 볼에는 주철 칠주물 플린트

석 천연석 등 원료에 따라 여러 가지가 있다 통의 길이는 통의 지름을 초과하지

않는 것이 표준형이지만 지름의 수 배 이상으로 긴 형의 튜브밀 그 중간인 콤파운

드밀(compound mill) 다양한 종류도 있다 원통의 내면은 특수강 또는 니켈판으로

내장한다 최종적인 미분을 만들 때 사용되며 도토(陶土) 염료 드의 처비분인 경

우에는 건식으로 사용되며 용도가 매우 넓다

(2) 로드밀(rod mill)

기체 내면의 길이보다 약간 짧은 강봉을 분쇄매체로 사용하는 회전식 분쇄기이다

거친 입자부터 선택적으로 분쇄하며 입도(粒度)가 비교적 가지런한 분쇄산물을 얻

을 수 있는 특징이 있다 단독으로 사용되는 외에 불밀에 의한 분쇄의 예비분쇄기

로서도 종종 사용된다

(3) 롤러밀(roller mill)

볼밀과 같은 원리의 분쇄기로 시멘트원료를 분쇄할 때나 석탄을 분쇄할 때 사용된

다 분쇄기 중에 롤러나 볼을 이용한 것을 링롤러밀이라고도 한다

(4) 조크러셔(jaw crusher)

전ㆍ후로 조금씩 진동하는 강철제의 철판과 이와 마주 보는 고정판 시이에 수 cm

에서 1m 정도의 암석 등의 덩어리를 물려 넣고 짓씹어 부수게 하는 구조로 되어

있다

(5) 임팩트 크러셔(impact crusher)

매초 원주 속도가 수십 m로 고속회전하는 원통에 장치된 충격판에 의해 분쇄하는

장치이다 골재 정형에 널리 쓰인다

(6) 휠러밀(wheeler mill)

tn 이하의 미분쇄를 필요로 하는 분야에서 널리 사용된다 소위 유체에너지밀의

일종으로 고압기체를 불어 넣음으로써 입자를 기계의 벽이나 또는 다른 입자에 충

돌시 켜서 분쇄하는 장치이다 기체가 길쭉한 도넛형의 통내를 입자와 함께 환류하

고 미세하게 된 입자만이 배기와 함께 기외로 배출되는 구조로 되어 있다

(7) 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)

노즐로 높은 압력의 공기 또는 질소를 초음속으로 분사시켜 분말 상호 간의 충돌로

초미립 크기로 분쇄되며 분급 휠(classifier wheel)의 속도 변환과 베인과의 간격에

의해 미립자의 크기를 조절하여 분급하는 방식이다 노즐의 크기 배열 상태 및 공

기 흐름의 조절로 효율성을 크게 증가시킬 수 있으며 동시에 분쇄기의 마모와 제품

의 순도 최적화를 유지할 수 있다 입도의 크기는 01 ~ 10의 범위에 있다

이외에도 큰크러셔(cone crusher) 압축력에 의한 자이러토리크러셔(gyratory

crusher)가 있고 충격력에 의한 해머밀(hammer mill) 케이지밀(cage mill) 유체에

너지밀 전단력에 의한 분쇄기 등이 있으며 마쇄력에 의한 자생분쇄밀과 진동밀

유성밀 교반밀이 있다

최근 들어 소재산업이 정밀화되고 고기능화 함에 따라 카본블랙 TiO2 PbO ZnO

SiO2등의 안료 세라믹 자기재료 맥반석 황토 슬래그 운모 흑연 탄화규소 탄

산칼슘 등을 미크론(μ) 크기 또는 서브미크론 크기의 분말로 분쇄하는 정밀 분쇄기

수요가 증대하고 있다

Fig 1 은 습식 분쇄기의 종류와 입도 범위의 관계를 나타낸 것이다 Fig 1 밑부분

의 화살표는 본 부품소재종합기술지원사업 수행으로 개발하고자 하는 분말의 크기

범위를 표시한 것이다

Fig 1 습식분쇄기의 입도 범위(독일 Buehler사)

제 1 절 기술지원 필요성

대가파우더시스템은 1970 년도에 창립하여 현재에 이르기까지 산업용 분쇄기 집

진기 건조기 기체여과기 액체여과기 폐수처리장치 등의 전문생산업체이다 최근

들어 소재산업이 정밀화되고 고기능화 함에 따라 분쇄기의 성능 향상이 요구되고

있다 최근에는 수십 nm 이하의 초분체 카본블랙 TiO2 ZnO SiO2 등의 안료 세

라믹 자기재료 등의 각종 소재의 입도 정밀화가 실현되고 있다 초분체기기 및 요

소 부품의 국내 수요는 독일의 DRAIS 일본의 KOTOBUKI 사 DYNO 사 등의 선진

메이커 제품을 수입하여 사용하고 있다 건식 기류충격식 분쇄기에 대한 국내 설계

기술 부족으로 외국에서 수입되고 있는 제품의 가격이 고가이어도 경쟁할 수 있는

제품을 개발하지 못하고 있는 어려운 상황이다

대가파우더시스템은 최근 습식 방법의 초미립 분쇄기를 개발하여 시험 중에 있으

며 압축공기를 이용한 기류충격식 분쇄기 개발에 있어서 분쇄부와 분급부의 기초

이론 구성 부품 설계 재질 선정 분쇄기 구조에 대하여 유한요소법으로 유동해석

을 하는 시뮬레이션 기술력 확보에 어려움을 겪고 있다 초미립 분쇄(ultra-fine

pulverization)를 위한 기류 분사노즐(compressed air nozzle supersonic air

nozzle)의 단면 형상 설계와 분쇄에 요구되는 유량 산출 분급기(classifier)의 크기

과 공기 유동부의 내부 형상 베인의 형상과 수량 베인의 간격 배열 위치 및 분급

기 회전수 등에 대한 설계 변수 등에 있어서 애로를 겪고 있으며 기술력 향상을

위하여 외부 전문가의 기술지원이 요청되고 있다

건식 기류충격식 분쇄기 설계의 핵심 기술을 지원하여 건식 기류충격식 분쇄기의

국내 업체의 자체 설계 능력 확보가 요구되낟 본 부품소재종합기술지원사업을 통

하여 초미립 분쇄기와 관련된 국내ㆍ외 특허 자료 기술문헌 및 분쇄부와 분급부의

기초 이론 관련 자료 조사와 제공 초미립 입자를 생산하기 위한 건식 분쇄기의 구

조 설계 기술 지원 유량에 따른 기류충격식 분쇄 노즐의 설계 변수 컴퓨터를 이용

한 3 차원 모델링에 의한 설계 유한요소법에 의한 기체의 유동 해석 기술 지원이

필요한다

제 2 절 기술지원 목표

기술지원의 초종 목표는 지원기업 대가파우더시스템가 분쇄 입도의 평균직경 18

~ 20 인 초미립 파우더를 생산하기 위한 기류충격식 분쇄기 설계와 생산에 대

한 기술 확보이다 공기 분사 방식의 분쇄 노즐 형상 분급부의 구조 설계 및 작동

에 대한 기초를 체계적으로 정립하며 분쇄기 구성 부품의 재질 선정 3D 모델링에

의한 분쇄기 시스템 설계와 유한요소볍에 의한 공기 유동장 해석 결과를 바탕으로

시작품을 제작하며 향후 유사 모델에 대한 자체적인 설계 및 새산 능력을 확보하

는 것이다

제 3 절 기술지원 내용

1 건식 기류충격식 분쇄기의 국내ㆍ외 특허 자료 기술문헌 및 기술정보 조사 지

원으로 초미립분쇄기의 기초 이론 구조 기능 정립 초음속 분사노즐 단면 형상

설계 자료로 활용

2 3D 모델링에 의한 설계 기술 지원으로 설계 오류를 사전에 방지

3 초음속 분쇄 노즐의 형상 설계와 유동 특성 해석 기술

4 분급부의 내부 구조 베인의 형상과 배열 및 수량 결정 유한요소법에 의한 분급

기의 유동 해석 기술 지원으로 분급 입도의 안정화 분급기 설계 및 제작

5 분쇄부와 분급기의 재질 선정 지원으로 생산가 관리 및 내구성 확보

Table 1 기술지원 목표 및 내용

제 2 장 국내ㆍ외 기술 현황

건식 분쇄 기술로 크기가 1 이하의 작은 입자를 생산하는 것은 어려운 기술로

분체기술의 장벽이라고 일컬어진다 각종 소재를 성분 변화없이 100nm 이하의 크

기로 극미세 분쇄하는 기술은 미래 산업을 이끌어갈 핵심분야로 국가간 연구개발

경쟁이 치열한 기술이다

제 1 절 세계의 기술 현황

나노급의 미세 파우더는 1980 년대초 독일의 칼스루헤연구소 등에서 시작되어

1990년대에 들어서 100nm 이하의 제조합성에 관한 연구가 본격화되었다 일본의

경우에는 과학기술청의 창조과학기술 추진과 통산성의 차세대산업기반기술 분야로

선정되어 주목을 받고 있다 초미분을 생산하기 위한 양산 장비 및 요소 부품에 대

한 선진국의 기술은 독일의 DRAIS사(습식) NETZSCH사(건식) 일본의 Kotobuki사

(습식) DYNO사(습식) Hosokawa 사(습식 건식) 등의 선진메이커에서 제품이 개

발되어 판매되고 있다 또한 나노 파우더 생산업체로는 일본의 Kako 사 미국의

Whittaker 사 Dow Chemical 사 Dupont사 및 독일의 Degusa사 등이 있다 현재

까지는 나노급 파우더 제조 공정의 불안정 및 복잡성 평가 방법의 미흡 등으로 다

양한 제조 공정 기술개발이 진행되고 있다 세라믹 분말의 경우에는 일부 특수한

경우에만 상용화되고 있다 금속분말의 경우에는 한정된 종류의 금속만 생산이 가

능하여 계속적인 개발이 진행되고 있다

건식 기류충격식 분쇄기의 주요 제작업체는 일본의 Hosokawa 사와 독일의

Netzsch 이다 미국 일본 및 독일 등에 대부분의 같은 내용의 특허가 등록되어

있으며 일본과 독일에 의하여 등록된 특허의 구조적인 특징은 다음과 같다

1 일본 Hosokawa사의 수직형 기류충격식 분쇄기

건식 기류충격식 분쇄기의 대표적인 업체인 일본의 Hosokawa 사 분쇄기의 특징

은 3개의 초음속 분사노즐이 에어젯트밀의 중앙인 수직 평면상에 원호상 등간격인

120도 간격으로 원의 중심을 향하여 배열되어 있으며 분쇄기 내의 상부에 회전축

이 수평인 위치로 회전되는 원심형 분급기가 설치되어 있다(Fig 2)

분쇄기의 모델과 분쇄 대상 재료에 따라 분말의 크기가 01 - 10 의 범위에 있

Fig 2 일본 Hosokawa 사의 수직형 기류충격식 분쇄기의 내부

2 일본 Hosokawa 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(2)

Fig 3a ~ Fig 3c는 일본 Hosokawa 사의 등록특허이다 분쇄기와 분급기 구조에

관한 것이다 Fig 3a에 보인 원형 단면의 분쇄실 외주부에 Fig 3b와 같이 에어를

고압 분사하는 분사노즐이 다수개 배열되어 있어 재료 공급관으로 유입되는 재료

가 고압의 공기 분사에 의하여 분쇄된다 분쇄도니 미분은 상부 통로로 배출되며

조분은 Fig 3b 의 ldquo16rdquo 번 부위인 분쇄기 내벽을 따라 이동되다가 공기 노즐의

출구부 측면에 나있는 구멍으로 흡입되어 공기와 함께 분사되어 재분쇄가 된다

Fig 3a 일본 Hosokawa 사의 분쇄기 단면(일본 特開平 11-179228 1999)

Fig 3b 일본 Hosokawa사의 분쇄기 평면(일본 特開平 11-179228 1999)

Fig 3c 일본 Hosokawa사 분쇄노즐 단면(일본 特開平 11-179228 1999)

3 일본 미놀타 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(3)

Fig 4a ~ Fig 4c 는 일본 미놀타사의 등록특허이다 분쇄기와 분급기 구조로

Fig 2에 보인 Hosokawa 사의 수직형 분쇄기와 비슷한 구조이다 분쇄 효율을 높

이기 위하여 Fig 4c 에 보인 것과 같은 분쇄기 중앙부의 분사된 공기가 집중되는

위치에 삼각형 경사판을 배치하여 공기가 충돌한 후 분쇄기 상부로 향하게 되어

있다

Fig 4a 일본 미놀타사의 분쇄기 단면(일본 特開 2000-5621 2000)

Fig 4b 일본 미놀타사 분쇄기의 분사노즐 배열(일본 特開 2000-5621 2000)

Fig 4c 일본 미놀타사 분쇄기의 충격판(일본 特開 2000-5621 2000)

4 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(4)

Fig 5는 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 등록특허이다 분쇄기 내측

수평면상에 분사노즐이 서로 마주 보게 배열되어 있다 분급기의 회전 축이 분쇄기

의 중심축과 일치한 상태로 회전하여 수평면 상에서 원심력에 의하여 분급이 이루

어진다 분급된 미분은 분쇄기 상부의 통로로 배출된다

Fig 5 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 수평형 기류충격식

분쇄기(일본 特開 2002-35631 2002)

5 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(5)

Fig 6 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기 구조는 Fig 4 의 일본

미놀타사와 유사하다 수평면상에 분사노즐이 배열되어 있으며 분급기의 회전축도

수평으로 위치하고 있다

Fig 6 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(일본 特開 2003-88773

2003)

6 미국 Xerox사의 수평형 기류충격식 분쇄기와 노즐(6)

Fig 7a의 미국 Xerox사의 수평형 기류충격식 분쇄기 구조는 Fig 5의 일본

Hosokawa Alpine AGampCo OHG 사의 구조와 유사하다 분사노즐이 수평면상으로

배열되어 있으며 분급기의 회전축도 수평으로 위치하고 있다 분사노즐의 형상은

Fig 7b 에서와 같이 이중관 구조이다

Fig 7a 미국 Xerox 산의 수평형 기류충격식 분쇄기(일본 特開 2004-50179

2004)

Fig 7b 미국 Xerox 사의 이중관 분사노즐(일본 特開 2004-50179 2004)

7 독일 Netzsch사의 건식 기류충격식 분쇄기(7)

독일 Netzsch 사는 대표적인 기본 구조의 건식 기류충격식 분쇄기를 개발하여 가

공 용량이 다른 여러 가지 분쇄기에 유사한 구조를 적용하였으며 일본 Hosokawa

산의 분쇄기와는 전혀 상이한 구조이다 즉 3 개의 초음속 분사노즐이 기류충격식

분쇄기 하부의 수평 평면상에 원호상 등간격인 120 도 간격으로 원의 중심을 향하

여 배열되어 있으며 Fig 8 에서와 같이 수직 회전축을 갖는 원심형 분급기가 분

쇄기 상부에 설치되어 있다 분급기의 외형 모습은 Fig 9에 보인 것과 같으며 분

급 효율을 향상시킬 목적으로 분급기 단면이 회전 중심으로 향할수록 상하 공간이

넓어지는 ldquoConvor로 명명된 형상의 단면 모습으로 되어 있다(Fig 10)

Fig 8 독일 Netzsch 사 분쇄기의 내부 구조

Fig 9 독일 Netzsch 사의 분급기

Fig 10 독일 Netzsch 사 분급기의 단면 형상 ldquoConvor

8 독일 특허 공기 분사노즐(9)

독일 Netzsch 사의 분쇄기 관련 기술 컨설턴트인 Nied 가 고안한 분쇄용 분사노즐

의 구조에 대한 것이다 3 개의 공기 분사노즐이 기류충격식 분쇄기 하부의 수평

평면상에 원호상 등간격인 120도 간격으로 원의 중심을 향하여 배열되어 있다(Fig

11a) 분사노즐 중앙부의 구조는 단면이 수축-확산 형태로 노즐로 초음속의 고속

분사를 하면서 중심 노즐 주변에 중앙 분사부를 감싸는 이중 공기 분사관을 형성

하여 중앙의 분사노즐에서 분사되는 공기의 확산각이 커지지 않도록 공기 주위에

추가적인 보조 공기를 분사하는 구조이다(Fig 11b)

Fig 11a 독일 특허-분사노즐 배열과 분사 공기의 분포(EP 0 736328A1 1996)

Fig 11b 독일 특허-분사노즐 단면과 분사 공기의 분포(EP 0 736328A1 1996)

9 미국 특허 분쇄기 구조(10)

일본의 히데유끼 요시다 등 5 명이 미국에 출원한 특허로 분쇄 재료가 초음속으로

분출되는 공기 통로의 중간에서 공급되며 재료가 분쇄실로 이동된 후 충격판에 충

돌되어 분쇄되는 구조이다(Fig12) 분쇄된 분말의 크기는 10 수준이다

Fig 12 미국 특허-충돌식 분쇄기(USP 57657661998)

제 2 절 국내의 기술 현황

국내의 경우에는 초미분 분말 생산에 관한 개발 역사가 짧으며 연구소 대학 기업

등에서 다발적으로 연구가 진해오디고 있다 기계 전자 물리 재료 화학 등의 연

계된 연구가 필요하다 1996 년 과학기술부 및 산업자원부 등의 산업단을 중심으로

대형 연구가 수행되어 왔으나 주로 기상법에 의한 분말합성에 관한 것이다 1998

년도부터 한국기계연구원에서 200nm 급의 건식 분쇄 및 분급기에 대한 개발을 시

작으로 초미분 파우더 생산 장비에 관한 연구가 이루어지고 있다 초미분 분쇄 방

식은 본 기술지원 과제의 지원기업인 대가파우더시스템을 포함하여 습식 방식인

교반밀(agitated mill)을 주로 사용하며 입도의 크기는 5 이상 수십 크기의

범위이다 기류충격식 분쇄기의 기술 수준은 입도의 크기가 5 ~ 10 수준이다

기존의 습식분쇄기의 경우 평균 입도가 28 ~ 32로 Pb0를 대상으로 할 때 4

~ 6 kghr 정도를 생산할 수 있는 수준이다

국내에 등록되어 있는 건식 기류충격식 분쇄기와 관련된 특허의 출원인인 대부분이

일본업체이며 일본에 출원된 특허를 한국에 재출우너한 것이 대부분이다 미국과

벨기에가 각각 1 건씩 등록하고 있으며 한국인이 출원한 특허는 테크월드에서

출원한 3 건 등 모두 4 건이 검색되었다 마이크로급 이상의 파우더 생산장비에 대

한 국내의 기술 수준은 선진국 기술 수준의 약 70 수준이다 그나마도 설계 및

생산에 있어 거의 모방에 의존하고 있다 나노급 기술은 초보적인 상태이다

제 3 장 기술지원 수행 내용 및 결과

제 1 절 기술지원 수행

본 부품소재종합기술지원사업은 Fig13의 기술 개발 추진도에 따라 수행되었다

Fig 13 기술 개발 추진도

분쇄기의 전체 시스템 중에서 분쇄기와 분급기 이외의 기타 구성 모듈들에 대한 설

계 및 생산기술은 지원기업 대가파우더시스템이 기확보하고 있는 기술이 기술

지원의 주된 내용은 기류충격식 분쇄기의 핵심 부품이며 분쇄기의 성능을 좌우하는

초음속 공기 분사노즐과 분급기의 설계 기술에 관한 것이다 초음속 공기 분사노즐

의 단면 형상 공급 공기의 압력과 분사 공기의 속도 및 공기 소요량 산출을 위한

공기 분사노즐 설계와 분쇄기 내부의 내마모성 재료 선택 분급기 베인의 형상과

분급기로 유입되는 공기의 속도 분포를 균일하게 하여 원심력 작용으로 분말의 분

급 정밀도를 향상시켜 주기 위한 분급기의 내부 단면 형상 설계 미 ㅊ유입 공기 속

도 및 압력 분포에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 방법 등에 대한 체계적인 기술 지원이

수행되었다 향후 유사 모델 개발에 적용하여 새로운 제품을 개발할 수 있는 설계

능력을 확보하였다

1 분쇄기 시스템 구성도

본 기술지원을 통하여 개발하는 핵심 기술은 건식 기류충격식 분쇄기의 초음속 공

기 분사노즐과 분급기와 관련된 기술이다 분쇄기의 기본 구조는 독일의 Netzsch

사 제품과 유사한 구조로 되어 있으며 분쇄용 공기 분사노즐과 고정밀도의 분급기

설계기술을 자체 보유하는 데 주안점이 있다 개발 대상 분쇄기 시스템의 전체 구

성도는 Fig 14(7)에서와 같다 Fig 14에서 분쇄기 시스템은 ldquo진동공급기rdquo를 통하

여 공급되는 분쇄용 우너료를 ldquo건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기rdquo로 분쇄 및 분급

한 후에 cyclone을 거쳐 bag filter로 분말을 포집하는 시스템으로 구성되어 있

다 분말과 공기가 혼합된 기류는 각각의 단계로 이송하는 과정에서 double flap

valve로 이송이 조절되며 최종적으로 fan의 작동으로 공기가 배출된다

건식 기류충격식 분쇄기 본체를 구성하는 부품의 서브어셈블리는 각각 Chamber

Body Laval Nozzle Classifier Wheel 및 Bearing Block등으로 구성되어 있

다 주요한 설계 변수는 분쇄챔버의 직경과 높이 초음속 공기 분사노즐 설계 있어

서 라발 노즐(초음속 공기 분사노즐)의 모즐 목 내경과 배출부의 직경 및 축방향의

단면 형상 공기되는 공기의 압력 등이다 분급기 설계에 있어서의 주요 변소는 베

인의 단면 형상 베인의 수량과 배열 각도 분급기 내부 공동부의 단면 형상 분급

기에 유입되는 공기 속도와 분급기를 통과한 이후의 공기 압력 등이다

Fig 14 기류충격식 분쇄기의 시스템 구성도

2 소리의 속도

물체의 일부에 교란을 주면 개스 유체 및 고체의 압축성으로 인하여 물체를 통하

여 유한한 속도로 교란이 전파된다

음속은 물체의 압력과 밀도 변화와 관계되어 있으며 다음식으로 표현된다

여기서

음속 압력변화 밀도 변화

체적탄성계수는 다음과 같이 표현된다

여기서

체적탄성계수 압력변화 체적변화 초기체적

체적탄성계수는 식 (3)으로도 표현된다

여기서

물체의밀도변화 물체의초기밀도

개스 유체 고체 내에서의 음속은 다음식과 같다

여기서

체적탄성계수

개스에서의 소리 속도는 아주 작은 한 점에서 교란이 일어나는 관계로 열전달을 무

시할 수가 있으며 또한 등온 상태로 가정할 수가 있다 이상 기체에서의 소리 속도

는 절대 온도의 근에 비례하며 다음식으로 표현된다

여기서

k = 비열비 (adiabatic index)

p = 압력 (Pa psi)

R = 개스 상수

T = 절대 온도 (degK degR)

앞의 식 (4)와 식 (5)로부터

식 (6)으로부터 체적탄성게수 E를 구할 수가 있다

( 예 1 ) 공기의 체적탄성계구 산출

k = 14 R = 287 (JK kg) at T=293K( 20 ) p=1204(kgm3)

Eair = k R T p=14X287X293X1204=14174379((Jm3)

Eair = 14174379(Nm2)

( 예 2 ) 염소(C12)의 체적탄성계수 산출

k = 134 R = 120 (JK kg) at T=293K(20) p=2994(kgm3)

Ec12 = k R T p=134X120X293X1994=14106051((Jm3)

Ec12 = 14106051(Nm2)

( 예 3 ) 0 1 bar 공기에서의 소리 속도

c = (14x287x273)12

= 3312 (ms)

여기서

k = 14

R = 287 (JK kg)

( 예 4 ) 20 1bar 공기에서의 소리 속도 산출

c = (14X287X293)12

= 3431 (ms)

( 예 5 ) 0 물속에서의 소리 속도 산출

여기서

3 공기 분사노즐에서의 유동식

개스역학에서 공기의 속도가 sim 이상으로 빠르거나 압력의 변화가

보다 큰 경우에는 압축성 흐름으로 취급한다 이러한 현상은 노즐에서

개스가 팽창하는 경우에 발생된다

정상유동에서의 에너지 평형 상태는 다음식으로 표현된다

여기서 엔탈피는

이며 엔탈피 ∆의 변화는 내부에너지 ∆에 외부로 또는 외부로부터의 체적에

의한 일 ∙∆의 합과 같다

내부에너지의 변호가 없고 밀도가 일정하다고 가정하면 즉 ∆ 인

경우에는 비압축성유동의 베르누이 방정식이 된다 반면에 위치네어지의 변화가 없

는 경우 ∆ 에는 상대적으로 밀도가 낮은 압축성 유체인 ldquo개스rdquo의 상태를

나타낸다 ldquo개스역학rdquo 이라는 자체가 의미하듯이 해석에 있어 고압 및 개스의 속도

가 포함되며 내부에너지의 변화 ∆를 무시할 수가 없다 이러한 의미에서 식 (7)

은 다음과 같이 된다

이상개스 방정식에서

이며 식 (12)를 식(9)에 대입하면 다음과 같이 된다

식 (13)에 에너지 보존법칙을 적용하면 노즐에서 분사되는 개스의 속도를 구할 수

있다

개스의 초기 속도가 인 경우에는

가역 단열 흐름에 있어서는 다음 3개의 식을 적용할 수가 있다

식 (16) ~ 식 (18)을 식 (15)에 대입하면 노즐에서 분출되는 개스의 속도가 구해

진다

노즐을 통과하는 질량의 흐름 식

밀도의 비로부터

다음과 같이 노즐을 통과하는 질량을 구한다

다음의 식 (23)을 식 (22)에 대입하여

식 (24)를 구한다

여기에서

을 ldquo탈출 계수(escape coefficient)rdquo 라고 한다

식 (25)를 사용하여 식 (24)를 다시 표현하면 다음의 간략식이 된다

탈출 계수 는 압축비 의 값이 다음과 같은 값일 때

임계 압축비 또는 라발 압축비로 표현되는 다음 크기의 최대값을 갖는다

음속은 노즐의 단면적이 제일 작은 부분에서 임계 압축비에 도달한다

max는 테이퍼가 일정한 실린더 형상의 노즐에 적용된다 식 (26)에 의하여

ㆍ 가 되며 는 일정한 테이퍼의 노즐에서만 증가할 수 있다 만약 압

축비 가 임계비 이하이면 max이므로 노즐을 통과하는 질량의 흐름은 일정

하다 이것은 질량의 흐름이 외부의 압력에 영향을 받지 않는다는 것을 의미한다

질량의 흐름에 의한 일은 다음의 식 (30)으로부터 구해진다

압축성 유체의 단열 팽창시에 수행된 일은 식 (19)와 식 (30)로부터 다음과 같이

산출된다

아래의 Fig 15 는 수축확산 노즐의 단면 모습이며(11) Fig 16 은 수축확산 노즐에

서의 압력 온도 속도 변화를 나타낸 것이다(8)

Fig 15 수축확산 노즐(Laval Nozzle)

Fig 16 수축확산 노즐에서의 압력 온도 속도 변화

압축성 유체의 흐름에 있어서 임계 속도 이후에 노즐의 단면이 서서히 확대되면

열에너지가 유동에너지로 변환되면서 온도는 낮아지고 흐름이 증가된다

앞의 식 (27)을 참조할 때 Fig 16 의 수축확산 노즐의 단면적이 가장 작은 임계

압축비 에서 음속에 도달한다 이 것은 질량 흐름에 식 (26)이 계속적으로 유

효하다는 것을 의미한다 수축확산 노즐 출구에서의 온도는 다음과 같은 관계가 된

노즐 확산부의 치수는 다음식으로부터 구해지며

개스 상수 등은 계수 개스 유입 온도 노즐 목의 직경 압축비 등의

변수로부터 노즐 출구에서의 개스 속도와 온도를 구할 수가 있다 공기 흐름 해석

대상 노즐 각부에 대한 부호는 Fig17에서와 같다

Fig 17 수축확산 노즐의 각부 부호

실제 수축확산 노즐을 설계하는 데 있어서는 노즐에서 발생될 수 있는 압축파 발생

을 억제하기 위하여 노즐 출구의 치수를 설계값보다 약간 작게 한다 즉 Fig 17에

서의 노즐의 확산각 가 를 넘지 않아야 하며 최대 이내여야 한다

4 공기 분사노즐의 흐름 특성 계산

앞의 ldquo3 초음속 공기 분사노즐에서의 공기의 흐름rdquo에서 유도된 식들을 이용하여

ldquoMathcad 13 프로그램(12)으로 설계 대상 분쇄기에 적용되는 공기 분사노즐의 단

면 치수 유입 공기량 노즐 출구에서의 공기 속도 소요 동력 등을 산출하였다

우선 단위와 공기의 상수를 정리하면

kilo=1000 TK =273 hoursec =3600 k = 14

ㆍsecㆍ

ㆍsecㆍ

ㆍsec

ㆍsec

예를 들어 tan tan tan tan

해석 조건이 다음과 같으면 tank pressure=700kPa Ttank=70 exit

pressure=100kPa

단위 (mm) throat diameter=50 length 150 outlet diameter=70 diffusion

angle α=38deg

d = 0007 pe = 100kilo po = 7pe Ttank =7C

To = TK+Ttank To=343 (K)

times

sec

Air_massflow1N_hour =Air_masflow1N_sechoursec

Air_massflow1N_hour = 133024 (kghrper 1 nozzle)

Air_massflow3N_hour = Air_massflow 1N_hour3

Air_massflow 3N_hour = 399071 (kghrper 3 nozzles)

Imsec)

sec

timesorsec timesorsec

(kgm3)

sec

sec sec

공기분사 노즐 목의 직경이 50mm 출구 직경이 70mm 노즐 목에서 노즐 출구까

지의 길이가 150mm로 공기 분사노즐의 환산각 도인 공기 분사노즐이 3

개 장착되어 있으며 탱크내의 공기가 압력 7bar 와 70 를 유지하면서 계속적으

로 노즐을 통하여 공급되며 또한 분쇄 챔버 내의 압력이 1bar 로 유지되는 경우의

공기 분사노즐의 유동 특성 계산 결과를 종합 정리하면 다음과 같다

- 노즐 출구에서의 공기 최대 속도 542151msec

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 무게 399071kghr

(노즐 하나에 00369kgsec)

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 부피 225333m3hr(0063m3sec)

- 소요 동력 16291kWhhr

5 수축확산 공기 분사노즐의 유동 해석

공기 분사노즐을 3D 모델링 프로그램 SolidWorks(13)로 모델링하여 열유체 해석

을 위한 유한요소해석 프로그램 COSMOSFlwWorks(14)로 공기 분사노즐 내의 유

동 해석을 수행하였다 해석 대상 공기 분사노즐 단면의 형상과 각부의 치수는

Fig18에서와 같다

Fig 18 수축확산 노즐 유동 해석 모델의 단면

해석시에 적용된 변수값들은 앞의 ldquo4 초음속 공기 분사노즐의 분사 특성 계산rdquo에

서 산출된 값을 적용하였다 노즐의 확산부위 길이는 15mm 이며 분사노즐의 확산

각은 도이다 노즐 하나에 대하여 Fig 18 의 왼쪽면에서 00369 kgsec

의 공기가 유입되며 오른쪽 분사노즐 출구면에 12bar 의 압력을 적용하였다 분사

노즐의 유동 해석 결과의 여러 가지 특성값 중에서 본 설계에서의 주요 관심사가

공기의 배출 속도인 관계로 Fig 19에 흐름의 속도 분포 Fig 20에 흐름의 마하넘

버 분포를 나타내었다 초음속 흐름에 대한 해석으로 분사노즐 목에서의 공기속도

가 약 335msec(마하 1)이 되며 노즐 출구에서 최대속도가 된다 Fig 21은 수축

확산 노즐에 대한 공기의 속도 분포 해석 결과를 반영하여 공기 분사노즐을 모델링

한 것이다

Fig 19 수축확산 노즐의 공기 흐름 속도 분포

Fig 20 수축확산 노즐의 공기 흐름 마하넘버 분포

Fig 21 수축확산 노즐 모델

6 분급 이론

분급(分級 classification)이란 유체력을 이용해서 분립체를 그 입자 지름의 크기에

따라 분리하는 것으로 넓은 뜻으로는 유체력에 의한 분리만이 아니라 체가름을 포

함하는 경우가 있다 더 넓게는 비중선별ㆍ자기력선별 등 모든 입자분리조작을 분

급이라고 한다 공기ㆍ물 등의 유체 속에서 운동하는 분립체의 각 입자에는 중력

또는 원심력 이외에 유체에 의한 유체항력 등이 함께 작용된다 이 힘 즉 유체항력

은 입자 지름에 의존하는 데 유체항력과 입자 지름의 관계는 중력이나 원심력과

입자 지름의 관계와는 다르기 때문에 이 둘 사이의 균형 조건이 입자 지름에 의해

좌우된다 좁은 뜻의 분급은 이 원리를 이용한 입경분리조작을 의미한다 중력장에

서 등속 침강하는 구 형상의 입자에 대한 힘의 균형은 다음 식으로 표현된다

여기서 은 입자 질량 prime는 입자에 의해 배제된 유체 질량 g는 중력가속도 R

은 는 유체항력을 나타낸다 유체항력 R은 다음 식으로 나타낼 수 있다

여기서 는 저항계수 (drag coefficient)로 입자 주위의 유체의 상대적인 흐름의

상태에 따라 결정되는 무차원 계수이다 는 유체의 밀도 는 입자의 침강속도

는 입자의 지름이며 는 입자의 투영 최대 면적이다 물 또는 공기 속에서 입

자의 지름이 100 이하 입자의 밀도가 3gcm2이하의 조건에서는 입자 주위의 흐

름은 거의 충류로 간주되며 이때 R은 다음 식으로 나타내진다

여기서 는 유체의 점성도이다

prime

이므로 식 (36)을 식 (34)에 대입하면 식 (37)을 얻는다

여기서 는 입자 밀도이며 식 (37)을 스토크스의 침강속도식이라고 하며 분급에서

분리입자 지름을 구하기 위한 기본식으로 중요하다

식 (37)은 다음

과 같이도 표현된다

유체가 공기나 그 외의 기체인 경우의 분급 조작을 건식 분급(또는 공기 분급) 물

이나 그 외의 액체인 경우의 분급 조작을 습식 분급이라 한다 앞에 언급된 기본식

들 이외에 어떤 종류의 분급장치에서는 유체의 흐름 방향이 급격히 변화할 때 흐름

에 따라 운동하는 입자의 관성력의 효과가 중요한 역할을 한다

분급에 사용하는 장치를 분급기(classifier)라고 한다 건식분급기에는 관성력을 이

용하는 것 중력침강을 이용하는 것 원심력을 이용하는 것 등이 있다 관성력을 이

용하는 건식분급기에는 루버식분급기 버추얼임팩터 엘보제트형분급기 등이 있는

데 건식분급기로는 원심력을 이용한 것이 가장 널리 사용되고 있다 원심력을 이용

한 건식분급기로는 분급 입도가 30~100 정도의 비교적 굵은 입도에서의 대량 처

리로 옛날부터 알려진 스튜어트밴트형 등이 있으며 또한 몇 ~30의 분급이 가

능한 여러 분급기가 개발되어 널리 쓰이게 되었다 또한 사이클론도 미립(微粒)에서

조립(組立)에 이르는 분체(粉體)의 건식분급에 이용된다 습식분급기에는 중력식과

원심력식이 있으며 중력식은 상승 수류(水流)와 유동층을 이용한 수력분급기 원뿔

형 또는 각뿔형 용기에서의 중력침강을 이용한 세틀링탱크 등의 침강분급조 완만

하게 경사진 직사각형의 조(槽)로부터 침하한 조립 생산물을 긁어올리기 위한 레이

크나 스파이럴을 갖춘 기계분급기 등으로 분류된다 원심력을 이용한 습식분급기로

는 사이클론 또는 하이드로사이클론이 가장 대표적이며 솔리드볼형ㆍ디스크형 등

의 원심분리기도 미립자용 분급기로 사용된다

Fig 22는 베인 구조의 원심형 분급기의 회전 단면 모습이다

Fig22베인 구조의 원심형 분급기의 단면

Fig 22에서 H는 분급기 내부 상하면 사이의 간격이며 는 선별된 미분이 배출되

는 반경 는 베인의 내반경 는 베인의 외반경을 나타낸다

분체 주위의 공기 흐름이 층류 흐름이라는 조건하에서 베인 구조의 원심형 분급기

에의 컷포인트(utpoint)를 결정짓는 외주부의 반경 은 다음과 같다

또한 선별된 미분이 배출되는 반경은 다음과 같다

베인 사이에서도 고체의 회전법칙이 적용된다 베인의 외주 반경에서 속도의 원주

방향 성분 과 중심방향 성분 가 가장 큰 영향을 준다

식 (41)과 식 (42)를 식 (38)에 대입하여 정리하면 다음과 같다

독일 Netzsch 사에서는 베인의 내반경 에서 선별된 미분이 배출되는 반경 까

지의 반경 방향의 공기 속도 성분 을 질정하게 해 주기 위하여 Fig 10에 보인

ldquoConvorrdquo라고 불리우는 단면의 분급기를 개발하여 사용화하고 있다

7 분급기 설계와 유동 해석

분급기의 베인 사이로 분쇄된 미분과 공기가 함께 유입되어 중앙부의 배출구로 통

과하는 분급기의 내부 형상을 설계하기에 앞서 분급기 내부를 구성하는 상면이 평

평한 구조의 분급기에 대한 유동해석을 실시하여 공기의 속도 분포를 검토하였다

해석 대상 분급기의 외경은 205mm이며 밑면 중앙에 공기 배출을 위하여 직경이

90mm인 원형 구멍이 뚫려 있다 분급기 외주에는 단면이 원호의 일부로 만들어진

두깨가 2mm 넓이가 18mm 길이가 35mm인 베인이 매 60도마다 10개씩 등간격

으로 모두 60개가 베인의 코드 방향과 분급기의 반경 방향이 이루는 각도가 약 15

도가 되도록 경사지게 설치되어 있다 원주 방향으로 매 60도마다 길이 35mm 직

경 8mm인 원형봉 6개가 등간격으로 배열되어 상ㆍ사 카버 사이에 베인을 고정시

켜 조립되는 구조이다 해석 대상 분급기에 사용된 베인의 단면과 베인의 배열 및

분급기 상ㆍ하면을 고정하는 봉이 포함된 수평면상의 평면도를 Fig 23에 나타내었

다 Fig 24는 분급기의 상면 형상이 평평한 구조인 경우에 대한 분급기의 수직단

면도이다

분급기에 유입되는 공기는 온도 50 유입량 01m3sec 분급기를 통과한 후에

배출되는 공간의 압력은 12bar이며 분급기의 회전속도는 8000rpm(838radsec)

이다 분급기에 발생되는 원심력의 절대적인 크기는 재료의 밀도와 분급하고자 하

는 분말의 크기에 따라 분급기의 회전수를 변화시켜서 조절한다 SolidWorks 및

COSMOSFloWorks 프로그램으로 분급기의 공기 유동해석을 실시하였다 해석시의

변수 입력 항목 및 해석 과정을 ldquo부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 유동해석 절

차rdquo에 정리하였다

Fig 23 베인과 상ㆍ하면 고정 원형봉의 평면 단면도

Fig24 분급기 상면이 평면인 경우의 수직단면도

공기 유동해석 결과를 Fig25~Fig27에 나타내었다 Fig25는 베인의 중간 높이에

서의 수평 단면에서의 공기 속도 분포이다 Fig26은 베인이 위치한 부위에서의수

직단면 Fig 27은 상ㆍ하면을 고정시켜 주는 원형봉이 있는 부위의 수직단면에 분

포하는 공기의 유입 속도 해석 결과를 나타낸 것이다

Fig 25 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig 26 베인 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig27 연결봉 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig15~Fig27의 공기 속도 등고선을 보면 베인 외주부의 상하 위치에 있어서 공

기의속도가 불균일한 분포를 보인다 베인의 분급기 내부 공간에서는 같은 반경인

위치에서 윗부분에서의 공기 속도가 아랫부분에서보다 빠르게 분포하고 있다 베인

의 높이 방향 상ㆍ하 위치에 따른 이러한 유입 속도의 편차는 분급기 외주의 실린

더 면으로부터 유입되는 공기가 분급기 중앙의 밑 방향으로만 배출되는 유동 통로

의 구조 때문으로 판단되낟 따라서 같은 반경의 같은 원심력이 발생되는 위치에

있어서도 윗부분에서의 공기 유입속도가 밑부분에서보다 크게 분포되어 윗부분에서

는 밑부분에서보다 큰 분말이 분급기 안으로 유입된다 지정된 크기의 컷오프보다

큰 분말과 작은 분말이 혼합된 상태로 배출되는 관계로 분급이 정밀도가 저하된다

베인의 상ㆍ하 위치에 무관하게 공기의 유입 속도를 가급적 균일하게 해 주기 위한

목적으로 분급기 내부의 단면 형상을 Fig28과 같은 인볼류트-컨볼류트

(involute-convolute) 단면으로 구성하여 공기의 유동해석을 실시하였다

Fig 28 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기

Fig29는 베인의 중간 높이 수평단면 상에서의 공기 속도 분포이다 Fig25에 비하

여 베인의 외주 부위에서의 공기의 속도가 균일하게 분포되고 있음을 보여 준다

Fig29 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig 30은 베인이 위치한 부위에서의 수직 단면 Fig31은 상ㆍ하면을 고정시켜 주

는 원평봉이 있는 부위에서의 수직 단면에 분포하는 공기 속도 분포이다 Fig30과

Fig31은 각각 Fig25와 Fig26에 비하여 베인의 높이 방향 전체에 걸쳐 공기의 유

입 속도가 상당히 균일하게 분포되는 것을 보여 주고 있다

Fig 30 베인 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig31 연결봉 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig32는 분급기 내부의 공간 형상이 인볼류트-컨볼류트인 분급기의 설계 모델이

Fig32 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 모델

Fig33은 앞의 수축확산 공기 분사노즐(Fig20)과 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급

기(fig32)로 구성된 건식 기류충격식 분쇄기의 3D모델이다 중요 부품의 도면은

ldquo부록 9 설계 도면rdquo에 수록하였다

Fig33 건식 기류충격식 분쇄기의 3D 모델

8 시작품 제작

수축확산 공기 분사노즐의 유동해석 및 분급기의 유동해석 결과를 바탕으로 시작품

을 제작하였다 Fig34는 수축확산 공기 분사노즐 헤드의 시작품 모습이다

Fig 34 수축확산 공기 분사노즐 헤드 시작품

Fig35는 분급기의 시작품 모습이다 분급기의 베인은 분체와 마찰시 내마모성을

갖도록 SUS 재질로 곡면 성형한 후 세라믹으로 코팅하여 제작하였다

Fig35 분급기 시작품

Fig 36은 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 수축확산 공기 분사

노즐 및 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 등이 분쇄기의 내부에 장착되어 있다

Fig36 건식 기류충격식 분쇄기 시작품

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기와 관련된 국외 특허 자료 조사와 분석 공기의

유동해석에 있어 많은 일정이 소요되었다 기술지원 추진일정을 Table1에 정리하

였다

Table 4 추진 일정

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 10: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

세부지원실적 증빙 내용

1 참여기업 현장방문 47건 참여기업이 생기원 내방 7건

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20060825DPS 주요 기술 지원 사항에 관한 협의

윤승원 최병훈 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

2 20060829기업은행 설명회장 연구비 카드 사용 교육 참석

윤승원 최덕규출장 기록

3 20060831DPS 젯트밀 쳄버 설계 대상 구조 개요 윤승원

최병훈 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

4 20060901KINTEX NanoKorea 2006 참관 윤승원 남상경

최덕규출장 기록

5 20060907DPS 젯트밀 관련 국내 특허 조사 윤승원

남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

6 20060908건식 분쇄기 관련 기술자료 조사 영풍문고

윤승원출장 기록

7 20060915DPS 젯트밀 관련 국내 특허 조사 윤승원

남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

8 20060919 문래동 내마모성 재료조사 윤승원 출장 기록

9 20060921DPS 에어젯트밀 관련 국내 특허 자료 검토

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

10 20061017DPS 에어젯트밀 관련 미국 특허 조사 윤승원

남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

1120061018~

1022

베트남국제산업박람회(VIIF 2006) Hanoi

Vietnam 윤승원출장 기록

12 20061026한국생산기술연구원 기류충격식 분쇄기의 부품

구성도 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민

DPS 연구원 4명

생기원 내방

13 20061027DPS 초음속 공기 흐름에 대한 기초 윤승원

남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

14 2061102DPS 초음속 공기 흐름 관계식 윤승원 남상경

최인환 최덕규 윤상민출장 기록

15 20061103DPS 초음속 공기 흐름 관계식 윤승원 남상경

최인환 최덕규 윤상민출장 기록

16 20061106일산 네이취코리아 건식분쇄기 및 분급기 관련

자료수집 윤승원출장 기록

17 20061109DPS 기류충격식 분쇄기의 구성도와 노즐 설계

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

18 20061116한국생산기술연구원 기류충격식 분쇄기의 예상 부품

구성도 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민

DPS 연구원이

생기원 내방

19 20061123DPS 기류충격식 분쇄기의 예상 부품 구성도

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

20 20061130

DPS 기체 분사노즐의 초음속 분출 속도와 유량

산출에 대한 해석적 방법의 적용 윤승원 남상경

최인환 최덕규 윤상민

출장 기록

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

21 20061204DPS 기류충격식 분쇄기의 예상 부품 구성도

수정 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

22 20061207DPS 기류충격식 분쇄기의 부품번호 및 명칭

부여 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

23 20061212 문래동 철재 부품조사 윤승원 출장 기록

24 20061214DPS 기체 분사노즐 내의 공기유동 유한요소해석

모델링 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

25 20061215DPS 기체 분사조즐 내의 공기유동 유한요소해석

모델링 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

26 20061221

한국생산기술연구원 기류충격식 분쇄기의 공기

초음속 분출 노즐 형상 설계시의 설계 변수

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민

DPS 연구원 4명

생기원 내방

27 20070109DPS 기류충격식 분쇄기 제작용 재료 구입

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

28 20070116DPS 기류충격식 분쇄기의 분쇄 챔버 기본 설계

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

29 20070205DPS 기류충격식 분쇄기의 분쇄 챔버 기본 설계

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

30 20070206DPS 기류충격식 분쇄기의 분쇄 챔버 3D 모델링

윤승운 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

31 20070213

한국생산기술연구원 기류충격식 분쇄기의 분쇄

챔버 3D 모델링에 대한 설계 검토 윤승원

남상경 최인환 최덕규 윤상민

DPS 연구원 4명

생기원 내방

32 20070227DPS 분급기 구조 기본 설정 윤승원 남상경

최인환 최덕규 윤상민출장 기록

33 20070306DPS 회전체 설비의 관성모덴트 산정 방법

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

34 20070308DPS 분쇄 쳄버와 분급기 제작용 내마모성 재료

검토 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

35 20070320DPS 분급기의 기본 구조 모델링과 베인 배열

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

36 20070326DPS 분급기용 베인의 단면 형상과 배열 및 수량

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

37 20070327한국생산기술연구원 분급기 모델링과 베인 배열

구조 윤승원 남상경 최덕규

DPS 연구원 2명

생기원 내방

38 20070403DPS 분급기의 유동장 해석을 위한 COSMOSWorks

해석 연습 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

39 20070410DPS 분급기의 유동장 해석을 위한 COSMOSWorks

해석 연습 윤승원 최인환 최덕규출장 기록

40 20070417DPS 베인 형상 설계 유체 흐름 해석 모델링과

입력 변수 설정 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

41 20070502DPS 베인 형상에 따른 유체 흐름 해석 윤승원

남상경 최인환 최덕규출장 기록

42 20070504한국생산기술연구원 분급기의 공기 유동 해석

결과 분석 윤승원 남상경 최인환

DPS 연구원 2명

생기원 내방

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

43 20070508DPS 여러 내부 형상의 분급기 구조와 베인에

대한 공기 유동 해석 윤승원 남상경 최인환출장 기록

44 20070518DPS 베인의 형상에 따른 분급기의 공기 유동

해석 결과 분석 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

45 20070523DPS 분급기 내부 형상 설계 변경 윤승원

남상경 최인환 최덕규출장 기록

46 2070530한국생산기술연구원 분급기 내부 형상에 따른 흐름

해석 분석 윤승원 남상경 최인환 최덕규

DPS 연구원 3명

생기원 내방

47 20070601DPS 분급기 내부 형상의 조립성을 고려한 설계

수정 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

48 20070607DPS 베인의 형상과 수량에 따른 분급기의 공기

유동 재해석 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

49 20070613DPS 분사노즐 설계 확정을 위한 공기 분사노즐

유동장 재해석 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

50 20070618DPS 에어젯트밀 구조 설계 검토 윤승원

최병훈 남상경 최인환 최덕규출장 기록

51 20070703DPS 분급기 내부 형상에 대한 특허 출원 자료

준비 윤승원 최병훈 남상경 최인환 최덕규출장 기록

52 20070705

경북 칠곡 쿠어스텍코리아 분급기용 베인 제작

가능성 확인을 위한 업체 방문 윤승원 최인환

최덕규

출장 기록

53 20070711DPS 베인 형상 확정 및 구매 요청 윤승원

남상경 최인환 최덕규출장 기록

54 20070724DPS 분쇄기 에어노즐 분급기 설계 자료 정리

윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

2 기술정보제공 특허 73건

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20061013 분쇄기 관련 한국특허 13건(제본) 부록 1 목록

2 20061013 분쇄기 관련 일본특허 16건(제본) 부록 2 목록

3 20061013 분쇄기 관련 미국특허 23건(제본) 부록 3 목록

4 20061013 분쇄기 관련 유럽특허 4건(제본) 부록 4 목록

5 20070213 분급기 관련 미국특허 17건(제본) 무록 5 목록

3 기술정보제공 전문서적 14권

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20070306 構造解析のだぬの有限要素法實戰ハソドプツク 전문서적

2 20070306 世界の規格基準認證ガイドツク 전문서적

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

3 20070306 設計者に必要な材料の기 전문서적

4 20070306 設計者のたぬの モーメソト 전문서적

5 20070306 すべリ軸受資料集 전문서적

6 20061109Flow Mechanics and Thermodynamics in

Mechanical Processing전문서적

7 20061109NETZSCH-CONDUX Fludized Bed Jet Mill 제품

홍보자료

제품

홍보자료

8 20060907 Assembly Modeling with SolidWorks 20042005 전문서적

9 20060907 SolidWorks 2005 Tutorial and MultiMedia CD 전문서적

10 20070601Engineering Analysis with COSMOSWorks

Professional 2007전문서적

11 20070205 COSMOSMotion 전문서적

12 20061116 FLUENT 60 Tutorial Guide 전문서적

13 20070213 FLUENT 60 Users Guide 전문서적

14 20070213 Fundamentals of Fluid Mechanics 전문서적

4 시제품제작 1 건

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20070715 기류충격식 분쇄기 DGJMV-350 시작품

5 시험분석 3건

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20070627 입도 측정 histogram 1 부록 10

2 20070627 입도 측정 histogram 2 부록 10

3 20070627 입도 측정 histogram 3 부록 10

6 기술지원실적 업로드 건

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

목 차

제 1 장 사업의 개요

제 1 절 기술지원 필요성

제 2 절 기술지원 목표

제 3 절 기술지원 내용

제 2 장 국내ㆍ외 기술 현황

제 1 절 세계의 기술 현황

1 일본 Hosokawa 사의 수직형 기류충격식 분쇄기

2 일본 Hosokawa 사의 수평형 기류충격식 분쇄기

3 일본 미놀타 사의 수평형 기류충격식 분쇄기

4 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의

수평형 기류충격식 분쇄기

5 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기

6 미국 Xerox 사의 수평형 기류충격식 분쇄기와 노즐

7 독일 Netzsch 사의 건식 기류충격식 분쇄기

8 독일 특허 공기 분사노즐

9 미국 특허 분쇄기 구조

제 2 절 국내의 기술 현황

제 3 장 기술지원 수행 내용 및 결과

제 1 절 기술지원 수행

1 분쇄기 시스템 구성도

2 소리의 속도

3 공기 분사노즐에서의 유동식

4 공기 분사노즐의 흐름 특성 계산

5 수축확산 공기 분사노즐의 유동 해석

6 분급 이론

7 분급기 설계와 유동 해석

8 시작품 제작

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

2 기술지원 추진체계

3 연구기자재 활용

4 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

6 입도 측정

7 지적재산권 출원

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

제 6 장 참고문헌

부록 1 분쇄기 관련 한국 특허 13건 목록

부록 2 분쇄기 관련 일본 특허 16건 목록

부록 3 분쇄기 관련 미국 특허 23건 목록

부록 4 분쇄기 관련 유럽 특허 4건 목록

부록 5 분급기 관련 미국 특허 17건 목록

부록 6 기술지원 관련 전시회 참석

부록 7 개스의 비열값 개스 상수 밀도

부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 분급기 유동해석

부록 9 설계 도면

부록 10 입도측정 histogram

제 1 장 사업의 개요

분쇄는 재료에 외력을 가하여 작은 크기로 세분화하고 표면적을 증가시키는 기계적

인 조작이다 목적하는 파쇄물 입자의 크기에 따라 조쇄(粗碎) 중쇄(中碎) 분쇄(粉

碎) 미분쇄(微粉碎) 초미분쇄(超微粉碎)로 구분된다 분쇄시 작용되는 응력은 압축

력 충격력 전단력 마찰력 절단력 등이 있으며 단독의 힘이 작용되는 경우는 드

물고 분쇄 대상 재료에 여러 가지 힘임 복합력으로 동시에 작용되어 분쇄기 이루어

진다(1)

분쇄기는 분쇄 입도의 크기에 따라 다음과 같이 분류한다

(1) 조분쇄기 1500mm~100mmrarr500mm~25mm (분쇄비 4~3)

(2) 중분쇄기 500mm~6mmrarr50mm~1mm (분쇄비 7~5)

(3) 미분쇄기 125mm~1mmrarr2mmrarr01mm (분쇄비 20~10)

(4) 초미분쇄기 6mm~01mmrarr01mm~001mm (분쇄비 50~10)

분쇄기의 분쇄 방법에 의한 종류는 다음과 같다

(1) 볼밀(ball mill)

원통 속에 재료와 함께 강으로 만든 볼 즉 강구를 여러 개 넣은 후 함께 회전시켜

강구운동에 의한 충격으로 재료를 분쇄하는 장치이다 볼에는 주철 칠주물 플린트

석 천연석 등 원료에 따라 여러 가지가 있다 통의 길이는 통의 지름을 초과하지

않는 것이 표준형이지만 지름의 수 배 이상으로 긴 형의 튜브밀 그 중간인 콤파운

드밀(compound mill) 다양한 종류도 있다 원통의 내면은 특수강 또는 니켈판으로

내장한다 최종적인 미분을 만들 때 사용되며 도토(陶土) 염료 드의 처비분인 경

우에는 건식으로 사용되며 용도가 매우 넓다

(2) 로드밀(rod mill)

기체 내면의 길이보다 약간 짧은 강봉을 분쇄매체로 사용하는 회전식 분쇄기이다

거친 입자부터 선택적으로 분쇄하며 입도(粒度)가 비교적 가지런한 분쇄산물을 얻

을 수 있는 특징이 있다 단독으로 사용되는 외에 불밀에 의한 분쇄의 예비분쇄기

로서도 종종 사용된다

(3) 롤러밀(roller mill)

볼밀과 같은 원리의 분쇄기로 시멘트원료를 분쇄할 때나 석탄을 분쇄할 때 사용된

다 분쇄기 중에 롤러나 볼을 이용한 것을 링롤러밀이라고도 한다

(4) 조크러셔(jaw crusher)

전ㆍ후로 조금씩 진동하는 강철제의 철판과 이와 마주 보는 고정판 시이에 수 cm

에서 1m 정도의 암석 등의 덩어리를 물려 넣고 짓씹어 부수게 하는 구조로 되어

있다

(5) 임팩트 크러셔(impact crusher)

매초 원주 속도가 수십 m로 고속회전하는 원통에 장치된 충격판에 의해 분쇄하는

장치이다 골재 정형에 널리 쓰인다

(6) 휠러밀(wheeler mill)

tn 이하의 미분쇄를 필요로 하는 분야에서 널리 사용된다 소위 유체에너지밀의

일종으로 고압기체를 불어 넣음으로써 입자를 기계의 벽이나 또는 다른 입자에 충

돌시 켜서 분쇄하는 장치이다 기체가 길쭉한 도넛형의 통내를 입자와 함께 환류하

고 미세하게 된 입자만이 배기와 함께 기외로 배출되는 구조로 되어 있다

(7) 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)

노즐로 높은 압력의 공기 또는 질소를 초음속으로 분사시켜 분말 상호 간의 충돌로

초미립 크기로 분쇄되며 분급 휠(classifier wheel)의 속도 변환과 베인과의 간격에

의해 미립자의 크기를 조절하여 분급하는 방식이다 노즐의 크기 배열 상태 및 공

기 흐름의 조절로 효율성을 크게 증가시킬 수 있으며 동시에 분쇄기의 마모와 제품

의 순도 최적화를 유지할 수 있다 입도의 크기는 01 ~ 10의 범위에 있다

이외에도 큰크러셔(cone crusher) 압축력에 의한 자이러토리크러셔(gyratory

crusher)가 있고 충격력에 의한 해머밀(hammer mill) 케이지밀(cage mill) 유체에

너지밀 전단력에 의한 분쇄기 등이 있으며 마쇄력에 의한 자생분쇄밀과 진동밀

유성밀 교반밀이 있다

최근 들어 소재산업이 정밀화되고 고기능화 함에 따라 카본블랙 TiO2 PbO ZnO

SiO2등의 안료 세라믹 자기재료 맥반석 황토 슬래그 운모 흑연 탄화규소 탄

산칼슘 등을 미크론(μ) 크기 또는 서브미크론 크기의 분말로 분쇄하는 정밀 분쇄기

수요가 증대하고 있다

Fig 1 은 습식 분쇄기의 종류와 입도 범위의 관계를 나타낸 것이다 Fig 1 밑부분

의 화살표는 본 부품소재종합기술지원사업 수행으로 개발하고자 하는 분말의 크기

범위를 표시한 것이다

Fig 1 습식분쇄기의 입도 범위(독일 Buehler사)

제 1 절 기술지원 필요성

대가파우더시스템은 1970 년도에 창립하여 현재에 이르기까지 산업용 분쇄기 집

진기 건조기 기체여과기 액체여과기 폐수처리장치 등의 전문생산업체이다 최근

들어 소재산업이 정밀화되고 고기능화 함에 따라 분쇄기의 성능 향상이 요구되고

있다 최근에는 수십 nm 이하의 초분체 카본블랙 TiO2 ZnO SiO2 등의 안료 세

라믹 자기재료 등의 각종 소재의 입도 정밀화가 실현되고 있다 초분체기기 및 요

소 부품의 국내 수요는 독일의 DRAIS 일본의 KOTOBUKI 사 DYNO 사 등의 선진

메이커 제품을 수입하여 사용하고 있다 건식 기류충격식 분쇄기에 대한 국내 설계

기술 부족으로 외국에서 수입되고 있는 제품의 가격이 고가이어도 경쟁할 수 있는

제품을 개발하지 못하고 있는 어려운 상황이다

대가파우더시스템은 최근 습식 방법의 초미립 분쇄기를 개발하여 시험 중에 있으

며 압축공기를 이용한 기류충격식 분쇄기 개발에 있어서 분쇄부와 분급부의 기초

이론 구성 부품 설계 재질 선정 분쇄기 구조에 대하여 유한요소법으로 유동해석

을 하는 시뮬레이션 기술력 확보에 어려움을 겪고 있다 초미립 분쇄(ultra-fine

pulverization)를 위한 기류 분사노즐(compressed air nozzle supersonic air

nozzle)의 단면 형상 설계와 분쇄에 요구되는 유량 산출 분급기(classifier)의 크기

과 공기 유동부의 내부 형상 베인의 형상과 수량 베인의 간격 배열 위치 및 분급

기 회전수 등에 대한 설계 변수 등에 있어서 애로를 겪고 있으며 기술력 향상을

위하여 외부 전문가의 기술지원이 요청되고 있다

건식 기류충격식 분쇄기 설계의 핵심 기술을 지원하여 건식 기류충격식 분쇄기의

국내 업체의 자체 설계 능력 확보가 요구되낟 본 부품소재종합기술지원사업을 통

하여 초미립 분쇄기와 관련된 국내ㆍ외 특허 자료 기술문헌 및 분쇄부와 분급부의

기초 이론 관련 자료 조사와 제공 초미립 입자를 생산하기 위한 건식 분쇄기의 구

조 설계 기술 지원 유량에 따른 기류충격식 분쇄 노즐의 설계 변수 컴퓨터를 이용

한 3 차원 모델링에 의한 설계 유한요소법에 의한 기체의 유동 해석 기술 지원이

필요한다

제 2 절 기술지원 목표

기술지원의 초종 목표는 지원기업 대가파우더시스템가 분쇄 입도의 평균직경 18

~ 20 인 초미립 파우더를 생산하기 위한 기류충격식 분쇄기 설계와 생산에 대

한 기술 확보이다 공기 분사 방식의 분쇄 노즐 형상 분급부의 구조 설계 및 작동

에 대한 기초를 체계적으로 정립하며 분쇄기 구성 부품의 재질 선정 3D 모델링에

의한 분쇄기 시스템 설계와 유한요소볍에 의한 공기 유동장 해석 결과를 바탕으로

시작품을 제작하며 향후 유사 모델에 대한 자체적인 설계 및 새산 능력을 확보하

는 것이다

제 3 절 기술지원 내용

1 건식 기류충격식 분쇄기의 국내ㆍ외 특허 자료 기술문헌 및 기술정보 조사 지

원으로 초미립분쇄기의 기초 이론 구조 기능 정립 초음속 분사노즐 단면 형상

설계 자료로 활용

2 3D 모델링에 의한 설계 기술 지원으로 설계 오류를 사전에 방지

3 초음속 분쇄 노즐의 형상 설계와 유동 특성 해석 기술

4 분급부의 내부 구조 베인의 형상과 배열 및 수량 결정 유한요소법에 의한 분급

기의 유동 해석 기술 지원으로 분급 입도의 안정화 분급기 설계 및 제작

5 분쇄부와 분급기의 재질 선정 지원으로 생산가 관리 및 내구성 확보

Table 1 기술지원 목표 및 내용

제 2 장 국내ㆍ외 기술 현황

건식 분쇄 기술로 크기가 1 이하의 작은 입자를 생산하는 것은 어려운 기술로

분체기술의 장벽이라고 일컬어진다 각종 소재를 성분 변화없이 100nm 이하의 크

기로 극미세 분쇄하는 기술은 미래 산업을 이끌어갈 핵심분야로 국가간 연구개발

경쟁이 치열한 기술이다

제 1 절 세계의 기술 현황

나노급의 미세 파우더는 1980 년대초 독일의 칼스루헤연구소 등에서 시작되어

1990년대에 들어서 100nm 이하의 제조합성에 관한 연구가 본격화되었다 일본의

경우에는 과학기술청의 창조과학기술 추진과 통산성의 차세대산업기반기술 분야로

선정되어 주목을 받고 있다 초미분을 생산하기 위한 양산 장비 및 요소 부품에 대

한 선진국의 기술은 독일의 DRAIS사(습식) NETZSCH사(건식) 일본의 Kotobuki사

(습식) DYNO사(습식) Hosokawa 사(습식 건식) 등의 선진메이커에서 제품이 개

발되어 판매되고 있다 또한 나노 파우더 생산업체로는 일본의 Kako 사 미국의

Whittaker 사 Dow Chemical 사 Dupont사 및 독일의 Degusa사 등이 있다 현재

까지는 나노급 파우더 제조 공정의 불안정 및 복잡성 평가 방법의 미흡 등으로 다

양한 제조 공정 기술개발이 진행되고 있다 세라믹 분말의 경우에는 일부 특수한

경우에만 상용화되고 있다 금속분말의 경우에는 한정된 종류의 금속만 생산이 가

능하여 계속적인 개발이 진행되고 있다

건식 기류충격식 분쇄기의 주요 제작업체는 일본의 Hosokawa 사와 독일의

Netzsch 이다 미국 일본 및 독일 등에 대부분의 같은 내용의 특허가 등록되어

있으며 일본과 독일에 의하여 등록된 특허의 구조적인 특징은 다음과 같다

1 일본 Hosokawa사의 수직형 기류충격식 분쇄기

건식 기류충격식 분쇄기의 대표적인 업체인 일본의 Hosokawa 사 분쇄기의 특징

은 3개의 초음속 분사노즐이 에어젯트밀의 중앙인 수직 평면상에 원호상 등간격인

120도 간격으로 원의 중심을 향하여 배열되어 있으며 분쇄기 내의 상부에 회전축

이 수평인 위치로 회전되는 원심형 분급기가 설치되어 있다(Fig 2)

분쇄기의 모델과 분쇄 대상 재료에 따라 분말의 크기가 01 - 10 의 범위에 있

Fig 2 일본 Hosokawa 사의 수직형 기류충격식 분쇄기의 내부

2 일본 Hosokawa 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(2)

Fig 3a ~ Fig 3c는 일본 Hosokawa 사의 등록특허이다 분쇄기와 분급기 구조에

관한 것이다 Fig 3a에 보인 원형 단면의 분쇄실 외주부에 Fig 3b와 같이 에어를

고압 분사하는 분사노즐이 다수개 배열되어 있어 재료 공급관으로 유입되는 재료

가 고압의 공기 분사에 의하여 분쇄된다 분쇄도니 미분은 상부 통로로 배출되며

조분은 Fig 3b 의 ldquo16rdquo 번 부위인 분쇄기 내벽을 따라 이동되다가 공기 노즐의

출구부 측면에 나있는 구멍으로 흡입되어 공기와 함께 분사되어 재분쇄가 된다

Fig 3a 일본 Hosokawa 사의 분쇄기 단면(일본 特開平 11-179228 1999)

Fig 3b 일본 Hosokawa사의 분쇄기 평면(일본 特開平 11-179228 1999)

Fig 3c 일본 Hosokawa사 분쇄노즐 단면(일본 特開平 11-179228 1999)

3 일본 미놀타 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(3)

Fig 4a ~ Fig 4c 는 일본 미놀타사의 등록특허이다 분쇄기와 분급기 구조로

Fig 2에 보인 Hosokawa 사의 수직형 분쇄기와 비슷한 구조이다 분쇄 효율을 높

이기 위하여 Fig 4c 에 보인 것과 같은 분쇄기 중앙부의 분사된 공기가 집중되는

위치에 삼각형 경사판을 배치하여 공기가 충돌한 후 분쇄기 상부로 향하게 되어

있다

Fig 4a 일본 미놀타사의 분쇄기 단면(일본 特開 2000-5621 2000)

Fig 4b 일본 미놀타사 분쇄기의 분사노즐 배열(일본 特開 2000-5621 2000)

Fig 4c 일본 미놀타사 분쇄기의 충격판(일본 特開 2000-5621 2000)

4 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(4)

Fig 5는 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 등록특허이다 분쇄기 내측

수평면상에 분사노즐이 서로 마주 보게 배열되어 있다 분급기의 회전 축이 분쇄기

의 중심축과 일치한 상태로 회전하여 수평면 상에서 원심력에 의하여 분급이 이루

어진다 분급된 미분은 분쇄기 상부의 통로로 배출된다

Fig 5 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 수평형 기류충격식

분쇄기(일본 特開 2002-35631 2002)

5 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(5)

Fig 6 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기 구조는 Fig 4 의 일본

미놀타사와 유사하다 수평면상에 분사노즐이 배열되어 있으며 분급기의 회전축도

수평으로 위치하고 있다

Fig 6 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(일본 特開 2003-88773

2003)

6 미국 Xerox사의 수평형 기류충격식 분쇄기와 노즐(6)

Fig 7a의 미국 Xerox사의 수평형 기류충격식 분쇄기 구조는 Fig 5의 일본

Hosokawa Alpine AGampCo OHG 사의 구조와 유사하다 분사노즐이 수평면상으로

배열되어 있으며 분급기의 회전축도 수평으로 위치하고 있다 분사노즐의 형상은

Fig 7b 에서와 같이 이중관 구조이다

Fig 7a 미국 Xerox 산의 수평형 기류충격식 분쇄기(일본 特開 2004-50179

2004)

Fig 7b 미국 Xerox 사의 이중관 분사노즐(일본 特開 2004-50179 2004)

7 독일 Netzsch사의 건식 기류충격식 분쇄기(7)

독일 Netzsch 사는 대표적인 기본 구조의 건식 기류충격식 분쇄기를 개발하여 가

공 용량이 다른 여러 가지 분쇄기에 유사한 구조를 적용하였으며 일본 Hosokawa

산의 분쇄기와는 전혀 상이한 구조이다 즉 3 개의 초음속 분사노즐이 기류충격식

분쇄기 하부의 수평 평면상에 원호상 등간격인 120 도 간격으로 원의 중심을 향하

여 배열되어 있으며 Fig 8 에서와 같이 수직 회전축을 갖는 원심형 분급기가 분

쇄기 상부에 설치되어 있다 분급기의 외형 모습은 Fig 9에 보인 것과 같으며 분

급 효율을 향상시킬 목적으로 분급기 단면이 회전 중심으로 향할수록 상하 공간이

넓어지는 ldquoConvor로 명명된 형상의 단면 모습으로 되어 있다(Fig 10)

Fig 8 독일 Netzsch 사 분쇄기의 내부 구조

Fig 9 독일 Netzsch 사의 분급기

Fig 10 독일 Netzsch 사 분급기의 단면 형상 ldquoConvor

8 독일 특허 공기 분사노즐(9)

독일 Netzsch 사의 분쇄기 관련 기술 컨설턴트인 Nied 가 고안한 분쇄용 분사노즐

의 구조에 대한 것이다 3 개의 공기 분사노즐이 기류충격식 분쇄기 하부의 수평

평면상에 원호상 등간격인 120도 간격으로 원의 중심을 향하여 배열되어 있다(Fig

11a) 분사노즐 중앙부의 구조는 단면이 수축-확산 형태로 노즐로 초음속의 고속

분사를 하면서 중심 노즐 주변에 중앙 분사부를 감싸는 이중 공기 분사관을 형성

하여 중앙의 분사노즐에서 분사되는 공기의 확산각이 커지지 않도록 공기 주위에

추가적인 보조 공기를 분사하는 구조이다(Fig 11b)

Fig 11a 독일 특허-분사노즐 배열과 분사 공기의 분포(EP 0 736328A1 1996)

Fig 11b 독일 특허-분사노즐 단면과 분사 공기의 분포(EP 0 736328A1 1996)

9 미국 특허 분쇄기 구조(10)

일본의 히데유끼 요시다 등 5 명이 미국에 출원한 특허로 분쇄 재료가 초음속으로

분출되는 공기 통로의 중간에서 공급되며 재료가 분쇄실로 이동된 후 충격판에 충

돌되어 분쇄되는 구조이다(Fig12) 분쇄된 분말의 크기는 10 수준이다

Fig 12 미국 특허-충돌식 분쇄기(USP 57657661998)

제 2 절 국내의 기술 현황

국내의 경우에는 초미분 분말 생산에 관한 개발 역사가 짧으며 연구소 대학 기업

등에서 다발적으로 연구가 진해오디고 있다 기계 전자 물리 재료 화학 등의 연

계된 연구가 필요하다 1996 년 과학기술부 및 산업자원부 등의 산업단을 중심으로

대형 연구가 수행되어 왔으나 주로 기상법에 의한 분말합성에 관한 것이다 1998

년도부터 한국기계연구원에서 200nm 급의 건식 분쇄 및 분급기에 대한 개발을 시

작으로 초미분 파우더 생산 장비에 관한 연구가 이루어지고 있다 초미분 분쇄 방

식은 본 기술지원 과제의 지원기업인 대가파우더시스템을 포함하여 습식 방식인

교반밀(agitated mill)을 주로 사용하며 입도의 크기는 5 이상 수십 크기의

범위이다 기류충격식 분쇄기의 기술 수준은 입도의 크기가 5 ~ 10 수준이다

기존의 습식분쇄기의 경우 평균 입도가 28 ~ 32로 Pb0를 대상으로 할 때 4

~ 6 kghr 정도를 생산할 수 있는 수준이다

국내에 등록되어 있는 건식 기류충격식 분쇄기와 관련된 특허의 출원인인 대부분이

일본업체이며 일본에 출원된 특허를 한국에 재출우너한 것이 대부분이다 미국과

벨기에가 각각 1 건씩 등록하고 있으며 한국인이 출원한 특허는 테크월드에서

출원한 3 건 등 모두 4 건이 검색되었다 마이크로급 이상의 파우더 생산장비에 대

한 국내의 기술 수준은 선진국 기술 수준의 약 70 수준이다 그나마도 설계 및

생산에 있어 거의 모방에 의존하고 있다 나노급 기술은 초보적인 상태이다

제 3 장 기술지원 수행 내용 및 결과

제 1 절 기술지원 수행

본 부품소재종합기술지원사업은 Fig13의 기술 개발 추진도에 따라 수행되었다

Fig 13 기술 개발 추진도

분쇄기의 전체 시스템 중에서 분쇄기와 분급기 이외의 기타 구성 모듈들에 대한 설

계 및 생산기술은 지원기업 대가파우더시스템이 기확보하고 있는 기술이 기술

지원의 주된 내용은 기류충격식 분쇄기의 핵심 부품이며 분쇄기의 성능을 좌우하는

초음속 공기 분사노즐과 분급기의 설계 기술에 관한 것이다 초음속 공기 분사노즐

의 단면 형상 공급 공기의 압력과 분사 공기의 속도 및 공기 소요량 산출을 위한

공기 분사노즐 설계와 분쇄기 내부의 내마모성 재료 선택 분급기 베인의 형상과

분급기로 유입되는 공기의 속도 분포를 균일하게 하여 원심력 작용으로 분말의 분

급 정밀도를 향상시켜 주기 위한 분급기의 내부 단면 형상 설계 미 ㅊ유입 공기 속

도 및 압력 분포에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 방법 등에 대한 체계적인 기술 지원이

수행되었다 향후 유사 모델 개발에 적용하여 새로운 제품을 개발할 수 있는 설계

능력을 확보하였다

1 분쇄기 시스템 구성도

본 기술지원을 통하여 개발하는 핵심 기술은 건식 기류충격식 분쇄기의 초음속 공

기 분사노즐과 분급기와 관련된 기술이다 분쇄기의 기본 구조는 독일의 Netzsch

사 제품과 유사한 구조로 되어 있으며 분쇄용 공기 분사노즐과 고정밀도의 분급기

설계기술을 자체 보유하는 데 주안점이 있다 개발 대상 분쇄기 시스템의 전체 구

성도는 Fig 14(7)에서와 같다 Fig 14에서 분쇄기 시스템은 ldquo진동공급기rdquo를 통하

여 공급되는 분쇄용 우너료를 ldquo건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기rdquo로 분쇄 및 분급

한 후에 cyclone을 거쳐 bag filter로 분말을 포집하는 시스템으로 구성되어 있

다 분말과 공기가 혼합된 기류는 각각의 단계로 이송하는 과정에서 double flap

valve로 이송이 조절되며 최종적으로 fan의 작동으로 공기가 배출된다

건식 기류충격식 분쇄기 본체를 구성하는 부품의 서브어셈블리는 각각 Chamber

Body Laval Nozzle Classifier Wheel 및 Bearing Block등으로 구성되어 있

다 주요한 설계 변수는 분쇄챔버의 직경과 높이 초음속 공기 분사노즐 설계 있어

서 라발 노즐(초음속 공기 분사노즐)의 모즐 목 내경과 배출부의 직경 및 축방향의

단면 형상 공기되는 공기의 압력 등이다 분급기 설계에 있어서의 주요 변소는 베

인의 단면 형상 베인의 수량과 배열 각도 분급기 내부 공동부의 단면 형상 분급

기에 유입되는 공기 속도와 분급기를 통과한 이후의 공기 압력 등이다

Fig 14 기류충격식 분쇄기의 시스템 구성도

2 소리의 속도

물체의 일부에 교란을 주면 개스 유체 및 고체의 압축성으로 인하여 물체를 통하

여 유한한 속도로 교란이 전파된다

음속은 물체의 압력과 밀도 변화와 관계되어 있으며 다음식으로 표현된다

여기서

음속 압력변화 밀도 변화

체적탄성계수는 다음과 같이 표현된다

여기서

체적탄성계수 압력변화 체적변화 초기체적

체적탄성계수는 식 (3)으로도 표현된다

여기서

물체의밀도변화 물체의초기밀도

개스 유체 고체 내에서의 음속은 다음식과 같다

여기서

체적탄성계수

개스에서의 소리 속도는 아주 작은 한 점에서 교란이 일어나는 관계로 열전달을 무

시할 수가 있으며 또한 등온 상태로 가정할 수가 있다 이상 기체에서의 소리 속도

는 절대 온도의 근에 비례하며 다음식으로 표현된다

여기서

k = 비열비 (adiabatic index)

p = 압력 (Pa psi)

R = 개스 상수

T = 절대 온도 (degK degR)

앞의 식 (4)와 식 (5)로부터

식 (6)으로부터 체적탄성게수 E를 구할 수가 있다

( 예 1 ) 공기의 체적탄성계구 산출

k = 14 R = 287 (JK kg) at T=293K( 20 ) p=1204(kgm3)

Eair = k R T p=14X287X293X1204=14174379((Jm3)

Eair = 14174379(Nm2)

( 예 2 ) 염소(C12)의 체적탄성계수 산출

k = 134 R = 120 (JK kg) at T=293K(20) p=2994(kgm3)

Ec12 = k R T p=134X120X293X1994=14106051((Jm3)

Ec12 = 14106051(Nm2)

( 예 3 ) 0 1 bar 공기에서의 소리 속도

c = (14x287x273)12

= 3312 (ms)

여기서

k = 14

R = 287 (JK kg)

( 예 4 ) 20 1bar 공기에서의 소리 속도 산출

c = (14X287X293)12

= 3431 (ms)

( 예 5 ) 0 물속에서의 소리 속도 산출

여기서

3 공기 분사노즐에서의 유동식

개스역학에서 공기의 속도가 sim 이상으로 빠르거나 압력의 변화가

보다 큰 경우에는 압축성 흐름으로 취급한다 이러한 현상은 노즐에서

개스가 팽창하는 경우에 발생된다

정상유동에서의 에너지 평형 상태는 다음식으로 표현된다

여기서 엔탈피는

이며 엔탈피 ∆의 변화는 내부에너지 ∆에 외부로 또는 외부로부터의 체적에

의한 일 ∙∆의 합과 같다

내부에너지의 변호가 없고 밀도가 일정하다고 가정하면 즉 ∆ 인

경우에는 비압축성유동의 베르누이 방정식이 된다 반면에 위치네어지의 변화가 없

는 경우 ∆ 에는 상대적으로 밀도가 낮은 압축성 유체인 ldquo개스rdquo의 상태를

나타낸다 ldquo개스역학rdquo 이라는 자체가 의미하듯이 해석에 있어 고압 및 개스의 속도

가 포함되며 내부에너지의 변화 ∆를 무시할 수가 없다 이러한 의미에서 식 (7)

은 다음과 같이 된다

이상개스 방정식에서

이며 식 (12)를 식(9)에 대입하면 다음과 같이 된다

식 (13)에 에너지 보존법칙을 적용하면 노즐에서 분사되는 개스의 속도를 구할 수

있다

개스의 초기 속도가 인 경우에는

가역 단열 흐름에 있어서는 다음 3개의 식을 적용할 수가 있다

식 (16) ~ 식 (18)을 식 (15)에 대입하면 노즐에서 분출되는 개스의 속도가 구해

진다

노즐을 통과하는 질량의 흐름 식

밀도의 비로부터

다음과 같이 노즐을 통과하는 질량을 구한다

다음의 식 (23)을 식 (22)에 대입하여

식 (24)를 구한다

여기에서

을 ldquo탈출 계수(escape coefficient)rdquo 라고 한다

식 (25)를 사용하여 식 (24)를 다시 표현하면 다음의 간략식이 된다

탈출 계수 는 압축비 의 값이 다음과 같은 값일 때

임계 압축비 또는 라발 압축비로 표현되는 다음 크기의 최대값을 갖는다

음속은 노즐의 단면적이 제일 작은 부분에서 임계 압축비에 도달한다

max는 테이퍼가 일정한 실린더 형상의 노즐에 적용된다 식 (26)에 의하여

ㆍ 가 되며 는 일정한 테이퍼의 노즐에서만 증가할 수 있다 만약 압

축비 가 임계비 이하이면 max이므로 노즐을 통과하는 질량의 흐름은 일정

하다 이것은 질량의 흐름이 외부의 압력에 영향을 받지 않는다는 것을 의미한다

질량의 흐름에 의한 일은 다음의 식 (30)으로부터 구해진다

압축성 유체의 단열 팽창시에 수행된 일은 식 (19)와 식 (30)로부터 다음과 같이

산출된다

아래의 Fig 15 는 수축확산 노즐의 단면 모습이며(11) Fig 16 은 수축확산 노즐에

서의 압력 온도 속도 변화를 나타낸 것이다(8)

Fig 15 수축확산 노즐(Laval Nozzle)

Fig 16 수축확산 노즐에서의 압력 온도 속도 변화

압축성 유체의 흐름에 있어서 임계 속도 이후에 노즐의 단면이 서서히 확대되면

열에너지가 유동에너지로 변환되면서 온도는 낮아지고 흐름이 증가된다

앞의 식 (27)을 참조할 때 Fig 16 의 수축확산 노즐의 단면적이 가장 작은 임계

압축비 에서 음속에 도달한다 이 것은 질량 흐름에 식 (26)이 계속적으로 유

효하다는 것을 의미한다 수축확산 노즐 출구에서의 온도는 다음과 같은 관계가 된

노즐 확산부의 치수는 다음식으로부터 구해지며

개스 상수 등은 계수 개스 유입 온도 노즐 목의 직경 압축비 등의

변수로부터 노즐 출구에서의 개스 속도와 온도를 구할 수가 있다 공기 흐름 해석

대상 노즐 각부에 대한 부호는 Fig17에서와 같다

Fig 17 수축확산 노즐의 각부 부호

실제 수축확산 노즐을 설계하는 데 있어서는 노즐에서 발생될 수 있는 압축파 발생

을 억제하기 위하여 노즐 출구의 치수를 설계값보다 약간 작게 한다 즉 Fig 17에

서의 노즐의 확산각 가 를 넘지 않아야 하며 최대 이내여야 한다

4 공기 분사노즐의 흐름 특성 계산

앞의 ldquo3 초음속 공기 분사노즐에서의 공기의 흐름rdquo에서 유도된 식들을 이용하여

ldquoMathcad 13 프로그램(12)으로 설계 대상 분쇄기에 적용되는 공기 분사노즐의 단

면 치수 유입 공기량 노즐 출구에서의 공기 속도 소요 동력 등을 산출하였다

우선 단위와 공기의 상수를 정리하면

kilo=1000 TK =273 hoursec =3600 k = 14

ㆍsecㆍ

ㆍsecㆍ

ㆍsec

ㆍsec

예를 들어 tan tan tan tan

해석 조건이 다음과 같으면 tank pressure=700kPa Ttank=70 exit

pressure=100kPa

단위 (mm) throat diameter=50 length 150 outlet diameter=70 diffusion

angle α=38deg

d = 0007 pe = 100kilo po = 7pe Ttank =7C

To = TK+Ttank To=343 (K)

times

sec

Air_massflow1N_hour =Air_masflow1N_sechoursec

Air_massflow1N_hour = 133024 (kghrper 1 nozzle)

Air_massflow3N_hour = Air_massflow 1N_hour3

Air_massflow 3N_hour = 399071 (kghrper 3 nozzles)

Imsec)

sec

timesorsec timesorsec

(kgm3)

sec

sec sec

공기분사 노즐 목의 직경이 50mm 출구 직경이 70mm 노즐 목에서 노즐 출구까

지의 길이가 150mm로 공기 분사노즐의 환산각 도인 공기 분사노즐이 3

개 장착되어 있으며 탱크내의 공기가 압력 7bar 와 70 를 유지하면서 계속적으

로 노즐을 통하여 공급되며 또한 분쇄 챔버 내의 압력이 1bar 로 유지되는 경우의

공기 분사노즐의 유동 특성 계산 결과를 종합 정리하면 다음과 같다

- 노즐 출구에서의 공기 최대 속도 542151msec

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 무게 399071kghr

(노즐 하나에 00369kgsec)

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 부피 225333m3hr(0063m3sec)

- 소요 동력 16291kWhhr

5 수축확산 공기 분사노즐의 유동 해석

공기 분사노즐을 3D 모델링 프로그램 SolidWorks(13)로 모델링하여 열유체 해석

을 위한 유한요소해석 프로그램 COSMOSFlwWorks(14)로 공기 분사노즐 내의 유

동 해석을 수행하였다 해석 대상 공기 분사노즐 단면의 형상과 각부의 치수는

Fig18에서와 같다

Fig 18 수축확산 노즐 유동 해석 모델의 단면

해석시에 적용된 변수값들은 앞의 ldquo4 초음속 공기 분사노즐의 분사 특성 계산rdquo에

서 산출된 값을 적용하였다 노즐의 확산부위 길이는 15mm 이며 분사노즐의 확산

각은 도이다 노즐 하나에 대하여 Fig 18 의 왼쪽면에서 00369 kgsec

의 공기가 유입되며 오른쪽 분사노즐 출구면에 12bar 의 압력을 적용하였다 분사

노즐의 유동 해석 결과의 여러 가지 특성값 중에서 본 설계에서의 주요 관심사가

공기의 배출 속도인 관계로 Fig 19에 흐름의 속도 분포 Fig 20에 흐름의 마하넘

버 분포를 나타내었다 초음속 흐름에 대한 해석으로 분사노즐 목에서의 공기속도

가 약 335msec(마하 1)이 되며 노즐 출구에서 최대속도가 된다 Fig 21은 수축

확산 노즐에 대한 공기의 속도 분포 해석 결과를 반영하여 공기 분사노즐을 모델링

한 것이다

Fig 19 수축확산 노즐의 공기 흐름 속도 분포

Fig 20 수축확산 노즐의 공기 흐름 마하넘버 분포

Fig 21 수축확산 노즐 모델

6 분급 이론

분급(分級 classification)이란 유체력을 이용해서 분립체를 그 입자 지름의 크기에

따라 분리하는 것으로 넓은 뜻으로는 유체력에 의한 분리만이 아니라 체가름을 포

함하는 경우가 있다 더 넓게는 비중선별ㆍ자기력선별 등 모든 입자분리조작을 분

급이라고 한다 공기ㆍ물 등의 유체 속에서 운동하는 분립체의 각 입자에는 중력

또는 원심력 이외에 유체에 의한 유체항력 등이 함께 작용된다 이 힘 즉 유체항력

은 입자 지름에 의존하는 데 유체항력과 입자 지름의 관계는 중력이나 원심력과

입자 지름의 관계와는 다르기 때문에 이 둘 사이의 균형 조건이 입자 지름에 의해

좌우된다 좁은 뜻의 분급은 이 원리를 이용한 입경분리조작을 의미한다 중력장에

서 등속 침강하는 구 형상의 입자에 대한 힘의 균형은 다음 식으로 표현된다

여기서 은 입자 질량 prime는 입자에 의해 배제된 유체 질량 g는 중력가속도 R

은 는 유체항력을 나타낸다 유체항력 R은 다음 식으로 나타낼 수 있다

여기서 는 저항계수 (drag coefficient)로 입자 주위의 유체의 상대적인 흐름의

상태에 따라 결정되는 무차원 계수이다 는 유체의 밀도 는 입자의 침강속도

는 입자의 지름이며 는 입자의 투영 최대 면적이다 물 또는 공기 속에서 입

자의 지름이 100 이하 입자의 밀도가 3gcm2이하의 조건에서는 입자 주위의 흐

름은 거의 충류로 간주되며 이때 R은 다음 식으로 나타내진다

여기서 는 유체의 점성도이다

prime

이므로 식 (36)을 식 (34)에 대입하면 식 (37)을 얻는다

여기서 는 입자 밀도이며 식 (37)을 스토크스의 침강속도식이라고 하며 분급에서

분리입자 지름을 구하기 위한 기본식으로 중요하다

식 (37)은 다음

과 같이도 표현된다

유체가 공기나 그 외의 기체인 경우의 분급 조작을 건식 분급(또는 공기 분급) 물

이나 그 외의 액체인 경우의 분급 조작을 습식 분급이라 한다 앞에 언급된 기본식

들 이외에 어떤 종류의 분급장치에서는 유체의 흐름 방향이 급격히 변화할 때 흐름

에 따라 운동하는 입자의 관성력의 효과가 중요한 역할을 한다

분급에 사용하는 장치를 분급기(classifier)라고 한다 건식분급기에는 관성력을 이

용하는 것 중력침강을 이용하는 것 원심력을 이용하는 것 등이 있다 관성력을 이

용하는 건식분급기에는 루버식분급기 버추얼임팩터 엘보제트형분급기 등이 있는

데 건식분급기로는 원심력을 이용한 것이 가장 널리 사용되고 있다 원심력을 이용

한 건식분급기로는 분급 입도가 30~100 정도의 비교적 굵은 입도에서의 대량 처

리로 옛날부터 알려진 스튜어트밴트형 등이 있으며 또한 몇 ~30의 분급이 가

능한 여러 분급기가 개발되어 널리 쓰이게 되었다 또한 사이클론도 미립(微粒)에서

조립(組立)에 이르는 분체(粉體)의 건식분급에 이용된다 습식분급기에는 중력식과

원심력식이 있으며 중력식은 상승 수류(水流)와 유동층을 이용한 수력분급기 원뿔

형 또는 각뿔형 용기에서의 중력침강을 이용한 세틀링탱크 등의 침강분급조 완만

하게 경사진 직사각형의 조(槽)로부터 침하한 조립 생산물을 긁어올리기 위한 레이

크나 스파이럴을 갖춘 기계분급기 등으로 분류된다 원심력을 이용한 습식분급기로

는 사이클론 또는 하이드로사이클론이 가장 대표적이며 솔리드볼형ㆍ디스크형 등

의 원심분리기도 미립자용 분급기로 사용된다

Fig 22는 베인 구조의 원심형 분급기의 회전 단면 모습이다

Fig22베인 구조의 원심형 분급기의 단면

Fig 22에서 H는 분급기 내부 상하면 사이의 간격이며 는 선별된 미분이 배출되

는 반경 는 베인의 내반경 는 베인의 외반경을 나타낸다

분체 주위의 공기 흐름이 층류 흐름이라는 조건하에서 베인 구조의 원심형 분급기

에의 컷포인트(utpoint)를 결정짓는 외주부의 반경 은 다음과 같다

또한 선별된 미분이 배출되는 반경은 다음과 같다

베인 사이에서도 고체의 회전법칙이 적용된다 베인의 외주 반경에서 속도의 원주

방향 성분 과 중심방향 성분 가 가장 큰 영향을 준다

식 (41)과 식 (42)를 식 (38)에 대입하여 정리하면 다음과 같다

독일 Netzsch 사에서는 베인의 내반경 에서 선별된 미분이 배출되는 반경 까

지의 반경 방향의 공기 속도 성분 을 질정하게 해 주기 위하여 Fig 10에 보인

ldquoConvorrdquo라고 불리우는 단면의 분급기를 개발하여 사용화하고 있다

7 분급기 설계와 유동 해석

분급기의 베인 사이로 분쇄된 미분과 공기가 함께 유입되어 중앙부의 배출구로 통

과하는 분급기의 내부 형상을 설계하기에 앞서 분급기 내부를 구성하는 상면이 평

평한 구조의 분급기에 대한 유동해석을 실시하여 공기의 속도 분포를 검토하였다

해석 대상 분급기의 외경은 205mm이며 밑면 중앙에 공기 배출을 위하여 직경이

90mm인 원형 구멍이 뚫려 있다 분급기 외주에는 단면이 원호의 일부로 만들어진

두깨가 2mm 넓이가 18mm 길이가 35mm인 베인이 매 60도마다 10개씩 등간격

으로 모두 60개가 베인의 코드 방향과 분급기의 반경 방향이 이루는 각도가 약 15

도가 되도록 경사지게 설치되어 있다 원주 방향으로 매 60도마다 길이 35mm 직

경 8mm인 원형봉 6개가 등간격으로 배열되어 상ㆍ사 카버 사이에 베인을 고정시

켜 조립되는 구조이다 해석 대상 분급기에 사용된 베인의 단면과 베인의 배열 및

분급기 상ㆍ하면을 고정하는 봉이 포함된 수평면상의 평면도를 Fig 23에 나타내었

다 Fig 24는 분급기의 상면 형상이 평평한 구조인 경우에 대한 분급기의 수직단

면도이다

분급기에 유입되는 공기는 온도 50 유입량 01m3sec 분급기를 통과한 후에

배출되는 공간의 압력은 12bar이며 분급기의 회전속도는 8000rpm(838radsec)

이다 분급기에 발생되는 원심력의 절대적인 크기는 재료의 밀도와 분급하고자 하

는 분말의 크기에 따라 분급기의 회전수를 변화시켜서 조절한다 SolidWorks 및

COSMOSFloWorks 프로그램으로 분급기의 공기 유동해석을 실시하였다 해석시의

변수 입력 항목 및 해석 과정을 ldquo부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 유동해석 절

차rdquo에 정리하였다

Fig 23 베인과 상ㆍ하면 고정 원형봉의 평면 단면도

Fig24 분급기 상면이 평면인 경우의 수직단면도

공기 유동해석 결과를 Fig25~Fig27에 나타내었다 Fig25는 베인의 중간 높이에

서의 수평 단면에서의 공기 속도 분포이다 Fig26은 베인이 위치한 부위에서의수

직단면 Fig 27은 상ㆍ하면을 고정시켜 주는 원형봉이 있는 부위의 수직단면에 분

포하는 공기의 유입 속도 해석 결과를 나타낸 것이다

Fig 25 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig 26 베인 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig27 연결봉 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig15~Fig27의 공기 속도 등고선을 보면 베인 외주부의 상하 위치에 있어서 공

기의속도가 불균일한 분포를 보인다 베인의 분급기 내부 공간에서는 같은 반경인

위치에서 윗부분에서의 공기 속도가 아랫부분에서보다 빠르게 분포하고 있다 베인

의 높이 방향 상ㆍ하 위치에 따른 이러한 유입 속도의 편차는 분급기 외주의 실린

더 면으로부터 유입되는 공기가 분급기 중앙의 밑 방향으로만 배출되는 유동 통로

의 구조 때문으로 판단되낟 따라서 같은 반경의 같은 원심력이 발생되는 위치에

있어서도 윗부분에서의 공기 유입속도가 밑부분에서보다 크게 분포되어 윗부분에서

는 밑부분에서보다 큰 분말이 분급기 안으로 유입된다 지정된 크기의 컷오프보다

큰 분말과 작은 분말이 혼합된 상태로 배출되는 관계로 분급이 정밀도가 저하된다

베인의 상ㆍ하 위치에 무관하게 공기의 유입 속도를 가급적 균일하게 해 주기 위한

목적으로 분급기 내부의 단면 형상을 Fig28과 같은 인볼류트-컨볼류트

(involute-convolute) 단면으로 구성하여 공기의 유동해석을 실시하였다

Fig 28 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기

Fig29는 베인의 중간 높이 수평단면 상에서의 공기 속도 분포이다 Fig25에 비하

여 베인의 외주 부위에서의 공기의 속도가 균일하게 분포되고 있음을 보여 준다

Fig29 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig 30은 베인이 위치한 부위에서의 수직 단면 Fig31은 상ㆍ하면을 고정시켜 주

는 원평봉이 있는 부위에서의 수직 단면에 분포하는 공기 속도 분포이다 Fig30과

Fig31은 각각 Fig25와 Fig26에 비하여 베인의 높이 방향 전체에 걸쳐 공기의 유

입 속도가 상당히 균일하게 분포되는 것을 보여 주고 있다

Fig 30 베인 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig31 연결봉 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig32는 분급기 내부의 공간 형상이 인볼류트-컨볼류트인 분급기의 설계 모델이

Fig32 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 모델

Fig33은 앞의 수축확산 공기 분사노즐(Fig20)과 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급

기(fig32)로 구성된 건식 기류충격식 분쇄기의 3D모델이다 중요 부품의 도면은

ldquo부록 9 설계 도면rdquo에 수록하였다

Fig33 건식 기류충격식 분쇄기의 3D 모델

8 시작품 제작

수축확산 공기 분사노즐의 유동해석 및 분급기의 유동해석 결과를 바탕으로 시작품

을 제작하였다 Fig34는 수축확산 공기 분사노즐 헤드의 시작품 모습이다

Fig 34 수축확산 공기 분사노즐 헤드 시작품

Fig35는 분급기의 시작품 모습이다 분급기의 베인은 분체와 마찰시 내마모성을

갖도록 SUS 재질로 곡면 성형한 후 세라믹으로 코팅하여 제작하였다

Fig35 분급기 시작품

Fig 36은 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 수축확산 공기 분사

노즐 및 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 등이 분쇄기의 내부에 장착되어 있다

Fig36 건식 기류충격식 분쇄기 시작품

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기와 관련된 국외 특허 자료 조사와 분석 공기의

유동해석에 있어 많은 일정이 소요되었다 기술지원 추진일정을 Table1에 정리하

였다

Table 4 추진 일정

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 11: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

21 20061204DPS 기류충격식 분쇄기의 예상 부품 구성도

수정 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

22 20061207DPS 기류충격식 분쇄기의 부품번호 및 명칭

부여 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

23 20061212 문래동 철재 부품조사 윤승원 출장 기록

24 20061214DPS 기체 분사노즐 내의 공기유동 유한요소해석

모델링 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

25 20061215DPS 기체 분사조즐 내의 공기유동 유한요소해석

모델링 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

26 20061221

한국생산기술연구원 기류충격식 분쇄기의 공기

초음속 분출 노즐 형상 설계시의 설계 변수

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민

DPS 연구원 4명

생기원 내방

27 20070109DPS 기류충격식 분쇄기 제작용 재료 구입

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

28 20070116DPS 기류충격식 분쇄기의 분쇄 챔버 기본 설계

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

29 20070205DPS 기류충격식 분쇄기의 분쇄 챔버 기본 설계

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

30 20070206DPS 기류충격식 분쇄기의 분쇄 챔버 3D 모델링

윤승운 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

31 20070213

한국생산기술연구원 기류충격식 분쇄기의 분쇄

챔버 3D 모델링에 대한 설계 검토 윤승원

남상경 최인환 최덕규 윤상민

DPS 연구원 4명

생기원 내방

32 20070227DPS 분급기 구조 기본 설정 윤승원 남상경

최인환 최덕규 윤상민출장 기록

33 20070306DPS 회전체 설비의 관성모덴트 산정 방법

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

34 20070308DPS 분쇄 쳄버와 분급기 제작용 내마모성 재료

검토 윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

35 20070320DPS 분급기의 기본 구조 모델링과 베인 배열

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

36 20070326DPS 분급기용 베인의 단면 형상과 배열 및 수량

윤승원 남상경 최인환 최덕규 윤상민출장 기록

37 20070327한국생산기술연구원 분급기 모델링과 베인 배열

구조 윤승원 남상경 최덕규

DPS 연구원 2명

생기원 내방

38 20070403DPS 분급기의 유동장 해석을 위한 COSMOSWorks

해석 연습 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

39 20070410DPS 분급기의 유동장 해석을 위한 COSMOSWorks

해석 연습 윤승원 최인환 최덕규출장 기록

40 20070417DPS 베인 형상 설계 유체 흐름 해석 모델링과

입력 변수 설정 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

41 20070502DPS 베인 형상에 따른 유체 흐름 해석 윤승원

남상경 최인환 최덕규출장 기록

42 20070504한국생산기술연구원 분급기의 공기 유동 해석

결과 분석 윤승원 남상경 최인환

DPS 연구원 2명

생기원 내방

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

43 20070508DPS 여러 내부 형상의 분급기 구조와 베인에

대한 공기 유동 해석 윤승원 남상경 최인환출장 기록

44 20070518DPS 베인의 형상에 따른 분급기의 공기 유동

해석 결과 분석 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

45 20070523DPS 분급기 내부 형상 설계 변경 윤승원

남상경 최인환 최덕규출장 기록

46 2070530한국생산기술연구원 분급기 내부 형상에 따른 흐름

해석 분석 윤승원 남상경 최인환 최덕규

DPS 연구원 3명

생기원 내방

47 20070601DPS 분급기 내부 형상의 조립성을 고려한 설계

수정 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

48 20070607DPS 베인의 형상과 수량에 따른 분급기의 공기

유동 재해석 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

49 20070613DPS 분사노즐 설계 확정을 위한 공기 분사노즐

유동장 재해석 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

50 20070618DPS 에어젯트밀 구조 설계 검토 윤승원

최병훈 남상경 최인환 최덕규출장 기록

51 20070703DPS 분급기 내부 형상에 대한 특허 출원 자료

준비 윤승원 최병훈 남상경 최인환 최덕규출장 기록

52 20070705

경북 칠곡 쿠어스텍코리아 분급기용 베인 제작

가능성 확인을 위한 업체 방문 윤승원 최인환

최덕규

출장 기록

53 20070711DPS 베인 형상 확정 및 구매 요청 윤승원

남상경 최인환 최덕규출장 기록

54 20070724DPS 분쇄기 에어노즐 분급기 설계 자료 정리

윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

2 기술정보제공 특허 73건

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20061013 분쇄기 관련 한국특허 13건(제본) 부록 1 목록

2 20061013 분쇄기 관련 일본특허 16건(제본) 부록 2 목록

3 20061013 분쇄기 관련 미국특허 23건(제본) 부록 3 목록

4 20061013 분쇄기 관련 유럽특허 4건(제본) 부록 4 목록

5 20070213 분급기 관련 미국특허 17건(제본) 무록 5 목록

3 기술정보제공 전문서적 14권

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20070306 構造解析のだぬの有限要素法實戰ハソドプツク 전문서적

2 20070306 世界の規格基準認證ガイドツク 전문서적

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

3 20070306 設計者に必要な材料の기 전문서적

4 20070306 設計者のたぬの モーメソト 전문서적

5 20070306 すべリ軸受資料集 전문서적

6 20061109Flow Mechanics and Thermodynamics in

Mechanical Processing전문서적

7 20061109NETZSCH-CONDUX Fludized Bed Jet Mill 제품

홍보자료

제품

홍보자료

8 20060907 Assembly Modeling with SolidWorks 20042005 전문서적

9 20060907 SolidWorks 2005 Tutorial and MultiMedia CD 전문서적

10 20070601Engineering Analysis with COSMOSWorks

Professional 2007전문서적

11 20070205 COSMOSMotion 전문서적

12 20061116 FLUENT 60 Tutorial Guide 전문서적

13 20070213 FLUENT 60 Users Guide 전문서적

14 20070213 Fundamentals of Fluid Mechanics 전문서적

4 시제품제작 1 건

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20070715 기류충격식 분쇄기 DGJMV-350 시작품

5 시험분석 3건

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20070627 입도 측정 histogram 1 부록 10

2 20070627 입도 측정 histogram 2 부록 10

3 20070627 입도 측정 histogram 3 부록 10

6 기술지원실적 업로드 건

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

목 차

제 1 장 사업의 개요

제 1 절 기술지원 필요성

제 2 절 기술지원 목표

제 3 절 기술지원 내용

제 2 장 국내ㆍ외 기술 현황

제 1 절 세계의 기술 현황

1 일본 Hosokawa 사의 수직형 기류충격식 분쇄기

2 일본 Hosokawa 사의 수평형 기류충격식 분쇄기

3 일본 미놀타 사의 수평형 기류충격식 분쇄기

4 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의

수평형 기류충격식 분쇄기

5 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기

6 미국 Xerox 사의 수평형 기류충격식 분쇄기와 노즐

7 독일 Netzsch 사의 건식 기류충격식 분쇄기

8 독일 특허 공기 분사노즐

9 미국 특허 분쇄기 구조

제 2 절 국내의 기술 현황

제 3 장 기술지원 수행 내용 및 결과

제 1 절 기술지원 수행

1 분쇄기 시스템 구성도

2 소리의 속도

3 공기 분사노즐에서의 유동식

4 공기 분사노즐의 흐름 특성 계산

5 수축확산 공기 분사노즐의 유동 해석

6 분급 이론

7 분급기 설계와 유동 해석

8 시작품 제작

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

2 기술지원 추진체계

3 연구기자재 활용

4 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

6 입도 측정

7 지적재산권 출원

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

제 6 장 참고문헌

부록 1 분쇄기 관련 한국 특허 13건 목록

부록 2 분쇄기 관련 일본 특허 16건 목록

부록 3 분쇄기 관련 미국 특허 23건 목록

부록 4 분쇄기 관련 유럽 특허 4건 목록

부록 5 분급기 관련 미국 특허 17건 목록

부록 6 기술지원 관련 전시회 참석

부록 7 개스의 비열값 개스 상수 밀도

부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 분급기 유동해석

부록 9 설계 도면

부록 10 입도측정 histogram

제 1 장 사업의 개요

분쇄는 재료에 외력을 가하여 작은 크기로 세분화하고 표면적을 증가시키는 기계적

인 조작이다 목적하는 파쇄물 입자의 크기에 따라 조쇄(粗碎) 중쇄(中碎) 분쇄(粉

碎) 미분쇄(微粉碎) 초미분쇄(超微粉碎)로 구분된다 분쇄시 작용되는 응력은 압축

력 충격력 전단력 마찰력 절단력 등이 있으며 단독의 힘이 작용되는 경우는 드

물고 분쇄 대상 재료에 여러 가지 힘임 복합력으로 동시에 작용되어 분쇄기 이루어

진다(1)

분쇄기는 분쇄 입도의 크기에 따라 다음과 같이 분류한다

(1) 조분쇄기 1500mm~100mmrarr500mm~25mm (분쇄비 4~3)

(2) 중분쇄기 500mm~6mmrarr50mm~1mm (분쇄비 7~5)

(3) 미분쇄기 125mm~1mmrarr2mmrarr01mm (분쇄비 20~10)

(4) 초미분쇄기 6mm~01mmrarr01mm~001mm (분쇄비 50~10)

분쇄기의 분쇄 방법에 의한 종류는 다음과 같다

(1) 볼밀(ball mill)

원통 속에 재료와 함께 강으로 만든 볼 즉 강구를 여러 개 넣은 후 함께 회전시켜

강구운동에 의한 충격으로 재료를 분쇄하는 장치이다 볼에는 주철 칠주물 플린트

석 천연석 등 원료에 따라 여러 가지가 있다 통의 길이는 통의 지름을 초과하지

않는 것이 표준형이지만 지름의 수 배 이상으로 긴 형의 튜브밀 그 중간인 콤파운

드밀(compound mill) 다양한 종류도 있다 원통의 내면은 특수강 또는 니켈판으로

내장한다 최종적인 미분을 만들 때 사용되며 도토(陶土) 염료 드의 처비분인 경

우에는 건식으로 사용되며 용도가 매우 넓다

(2) 로드밀(rod mill)

기체 내면의 길이보다 약간 짧은 강봉을 분쇄매체로 사용하는 회전식 분쇄기이다

거친 입자부터 선택적으로 분쇄하며 입도(粒度)가 비교적 가지런한 분쇄산물을 얻

을 수 있는 특징이 있다 단독으로 사용되는 외에 불밀에 의한 분쇄의 예비분쇄기

로서도 종종 사용된다

(3) 롤러밀(roller mill)

볼밀과 같은 원리의 분쇄기로 시멘트원료를 분쇄할 때나 석탄을 분쇄할 때 사용된

다 분쇄기 중에 롤러나 볼을 이용한 것을 링롤러밀이라고도 한다

(4) 조크러셔(jaw crusher)

전ㆍ후로 조금씩 진동하는 강철제의 철판과 이와 마주 보는 고정판 시이에 수 cm

에서 1m 정도의 암석 등의 덩어리를 물려 넣고 짓씹어 부수게 하는 구조로 되어

있다

(5) 임팩트 크러셔(impact crusher)

매초 원주 속도가 수십 m로 고속회전하는 원통에 장치된 충격판에 의해 분쇄하는

장치이다 골재 정형에 널리 쓰인다

(6) 휠러밀(wheeler mill)

tn 이하의 미분쇄를 필요로 하는 분야에서 널리 사용된다 소위 유체에너지밀의

일종으로 고압기체를 불어 넣음으로써 입자를 기계의 벽이나 또는 다른 입자에 충

돌시 켜서 분쇄하는 장치이다 기체가 길쭉한 도넛형의 통내를 입자와 함께 환류하

고 미세하게 된 입자만이 배기와 함께 기외로 배출되는 구조로 되어 있다

(7) 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)

노즐로 높은 압력의 공기 또는 질소를 초음속으로 분사시켜 분말 상호 간의 충돌로

초미립 크기로 분쇄되며 분급 휠(classifier wheel)의 속도 변환과 베인과의 간격에

의해 미립자의 크기를 조절하여 분급하는 방식이다 노즐의 크기 배열 상태 및 공

기 흐름의 조절로 효율성을 크게 증가시킬 수 있으며 동시에 분쇄기의 마모와 제품

의 순도 최적화를 유지할 수 있다 입도의 크기는 01 ~ 10의 범위에 있다

이외에도 큰크러셔(cone crusher) 압축력에 의한 자이러토리크러셔(gyratory

crusher)가 있고 충격력에 의한 해머밀(hammer mill) 케이지밀(cage mill) 유체에

너지밀 전단력에 의한 분쇄기 등이 있으며 마쇄력에 의한 자생분쇄밀과 진동밀

유성밀 교반밀이 있다

최근 들어 소재산업이 정밀화되고 고기능화 함에 따라 카본블랙 TiO2 PbO ZnO

SiO2등의 안료 세라믹 자기재료 맥반석 황토 슬래그 운모 흑연 탄화규소 탄

산칼슘 등을 미크론(μ) 크기 또는 서브미크론 크기의 분말로 분쇄하는 정밀 분쇄기

수요가 증대하고 있다

Fig 1 은 습식 분쇄기의 종류와 입도 범위의 관계를 나타낸 것이다 Fig 1 밑부분

의 화살표는 본 부품소재종합기술지원사업 수행으로 개발하고자 하는 분말의 크기

범위를 표시한 것이다

Fig 1 습식분쇄기의 입도 범위(독일 Buehler사)

제 1 절 기술지원 필요성

대가파우더시스템은 1970 년도에 창립하여 현재에 이르기까지 산업용 분쇄기 집

진기 건조기 기체여과기 액체여과기 폐수처리장치 등의 전문생산업체이다 최근

들어 소재산업이 정밀화되고 고기능화 함에 따라 분쇄기의 성능 향상이 요구되고

있다 최근에는 수십 nm 이하의 초분체 카본블랙 TiO2 ZnO SiO2 등의 안료 세

라믹 자기재료 등의 각종 소재의 입도 정밀화가 실현되고 있다 초분체기기 및 요

소 부품의 국내 수요는 독일의 DRAIS 일본의 KOTOBUKI 사 DYNO 사 등의 선진

메이커 제품을 수입하여 사용하고 있다 건식 기류충격식 분쇄기에 대한 국내 설계

기술 부족으로 외국에서 수입되고 있는 제품의 가격이 고가이어도 경쟁할 수 있는

제품을 개발하지 못하고 있는 어려운 상황이다

대가파우더시스템은 최근 습식 방법의 초미립 분쇄기를 개발하여 시험 중에 있으

며 압축공기를 이용한 기류충격식 분쇄기 개발에 있어서 분쇄부와 분급부의 기초

이론 구성 부품 설계 재질 선정 분쇄기 구조에 대하여 유한요소법으로 유동해석

을 하는 시뮬레이션 기술력 확보에 어려움을 겪고 있다 초미립 분쇄(ultra-fine

pulverization)를 위한 기류 분사노즐(compressed air nozzle supersonic air

nozzle)의 단면 형상 설계와 분쇄에 요구되는 유량 산출 분급기(classifier)의 크기

과 공기 유동부의 내부 형상 베인의 형상과 수량 베인의 간격 배열 위치 및 분급

기 회전수 등에 대한 설계 변수 등에 있어서 애로를 겪고 있으며 기술력 향상을

위하여 외부 전문가의 기술지원이 요청되고 있다

건식 기류충격식 분쇄기 설계의 핵심 기술을 지원하여 건식 기류충격식 분쇄기의

국내 업체의 자체 설계 능력 확보가 요구되낟 본 부품소재종합기술지원사업을 통

하여 초미립 분쇄기와 관련된 국내ㆍ외 특허 자료 기술문헌 및 분쇄부와 분급부의

기초 이론 관련 자료 조사와 제공 초미립 입자를 생산하기 위한 건식 분쇄기의 구

조 설계 기술 지원 유량에 따른 기류충격식 분쇄 노즐의 설계 변수 컴퓨터를 이용

한 3 차원 모델링에 의한 설계 유한요소법에 의한 기체의 유동 해석 기술 지원이

필요한다

제 2 절 기술지원 목표

기술지원의 초종 목표는 지원기업 대가파우더시스템가 분쇄 입도의 평균직경 18

~ 20 인 초미립 파우더를 생산하기 위한 기류충격식 분쇄기 설계와 생산에 대

한 기술 확보이다 공기 분사 방식의 분쇄 노즐 형상 분급부의 구조 설계 및 작동

에 대한 기초를 체계적으로 정립하며 분쇄기 구성 부품의 재질 선정 3D 모델링에

의한 분쇄기 시스템 설계와 유한요소볍에 의한 공기 유동장 해석 결과를 바탕으로

시작품을 제작하며 향후 유사 모델에 대한 자체적인 설계 및 새산 능력을 확보하

는 것이다

제 3 절 기술지원 내용

1 건식 기류충격식 분쇄기의 국내ㆍ외 특허 자료 기술문헌 및 기술정보 조사 지

원으로 초미립분쇄기의 기초 이론 구조 기능 정립 초음속 분사노즐 단면 형상

설계 자료로 활용

2 3D 모델링에 의한 설계 기술 지원으로 설계 오류를 사전에 방지

3 초음속 분쇄 노즐의 형상 설계와 유동 특성 해석 기술

4 분급부의 내부 구조 베인의 형상과 배열 및 수량 결정 유한요소법에 의한 분급

기의 유동 해석 기술 지원으로 분급 입도의 안정화 분급기 설계 및 제작

5 분쇄부와 분급기의 재질 선정 지원으로 생산가 관리 및 내구성 확보

Table 1 기술지원 목표 및 내용

제 2 장 국내ㆍ외 기술 현황

건식 분쇄 기술로 크기가 1 이하의 작은 입자를 생산하는 것은 어려운 기술로

분체기술의 장벽이라고 일컬어진다 각종 소재를 성분 변화없이 100nm 이하의 크

기로 극미세 분쇄하는 기술은 미래 산업을 이끌어갈 핵심분야로 국가간 연구개발

경쟁이 치열한 기술이다

제 1 절 세계의 기술 현황

나노급의 미세 파우더는 1980 년대초 독일의 칼스루헤연구소 등에서 시작되어

1990년대에 들어서 100nm 이하의 제조합성에 관한 연구가 본격화되었다 일본의

경우에는 과학기술청의 창조과학기술 추진과 통산성의 차세대산업기반기술 분야로

선정되어 주목을 받고 있다 초미분을 생산하기 위한 양산 장비 및 요소 부품에 대

한 선진국의 기술은 독일의 DRAIS사(습식) NETZSCH사(건식) 일본의 Kotobuki사

(습식) DYNO사(습식) Hosokawa 사(습식 건식) 등의 선진메이커에서 제품이 개

발되어 판매되고 있다 또한 나노 파우더 생산업체로는 일본의 Kako 사 미국의

Whittaker 사 Dow Chemical 사 Dupont사 및 독일의 Degusa사 등이 있다 현재

까지는 나노급 파우더 제조 공정의 불안정 및 복잡성 평가 방법의 미흡 등으로 다

양한 제조 공정 기술개발이 진행되고 있다 세라믹 분말의 경우에는 일부 특수한

경우에만 상용화되고 있다 금속분말의 경우에는 한정된 종류의 금속만 생산이 가

능하여 계속적인 개발이 진행되고 있다

건식 기류충격식 분쇄기의 주요 제작업체는 일본의 Hosokawa 사와 독일의

Netzsch 이다 미국 일본 및 독일 등에 대부분의 같은 내용의 특허가 등록되어

있으며 일본과 독일에 의하여 등록된 특허의 구조적인 특징은 다음과 같다

1 일본 Hosokawa사의 수직형 기류충격식 분쇄기

건식 기류충격식 분쇄기의 대표적인 업체인 일본의 Hosokawa 사 분쇄기의 특징

은 3개의 초음속 분사노즐이 에어젯트밀의 중앙인 수직 평면상에 원호상 등간격인

120도 간격으로 원의 중심을 향하여 배열되어 있으며 분쇄기 내의 상부에 회전축

이 수평인 위치로 회전되는 원심형 분급기가 설치되어 있다(Fig 2)

분쇄기의 모델과 분쇄 대상 재료에 따라 분말의 크기가 01 - 10 의 범위에 있

Fig 2 일본 Hosokawa 사의 수직형 기류충격식 분쇄기의 내부

2 일본 Hosokawa 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(2)

Fig 3a ~ Fig 3c는 일본 Hosokawa 사의 등록특허이다 분쇄기와 분급기 구조에

관한 것이다 Fig 3a에 보인 원형 단면의 분쇄실 외주부에 Fig 3b와 같이 에어를

고압 분사하는 분사노즐이 다수개 배열되어 있어 재료 공급관으로 유입되는 재료

가 고압의 공기 분사에 의하여 분쇄된다 분쇄도니 미분은 상부 통로로 배출되며

조분은 Fig 3b 의 ldquo16rdquo 번 부위인 분쇄기 내벽을 따라 이동되다가 공기 노즐의

출구부 측면에 나있는 구멍으로 흡입되어 공기와 함께 분사되어 재분쇄가 된다

Fig 3a 일본 Hosokawa 사의 분쇄기 단면(일본 特開平 11-179228 1999)

Fig 3b 일본 Hosokawa사의 분쇄기 평면(일본 特開平 11-179228 1999)

Fig 3c 일본 Hosokawa사 분쇄노즐 단면(일본 特開平 11-179228 1999)

3 일본 미놀타 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(3)

Fig 4a ~ Fig 4c 는 일본 미놀타사의 등록특허이다 분쇄기와 분급기 구조로

Fig 2에 보인 Hosokawa 사의 수직형 분쇄기와 비슷한 구조이다 분쇄 효율을 높

이기 위하여 Fig 4c 에 보인 것과 같은 분쇄기 중앙부의 분사된 공기가 집중되는

위치에 삼각형 경사판을 배치하여 공기가 충돌한 후 분쇄기 상부로 향하게 되어

있다

Fig 4a 일본 미놀타사의 분쇄기 단면(일본 特開 2000-5621 2000)

Fig 4b 일본 미놀타사 분쇄기의 분사노즐 배열(일본 特開 2000-5621 2000)

Fig 4c 일본 미놀타사 분쇄기의 충격판(일본 特開 2000-5621 2000)

4 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(4)

Fig 5는 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 등록특허이다 분쇄기 내측

수평면상에 분사노즐이 서로 마주 보게 배열되어 있다 분급기의 회전 축이 분쇄기

의 중심축과 일치한 상태로 회전하여 수평면 상에서 원심력에 의하여 분급이 이루

어진다 분급된 미분은 분쇄기 상부의 통로로 배출된다

Fig 5 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 수평형 기류충격식

분쇄기(일본 特開 2002-35631 2002)

5 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(5)

Fig 6 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기 구조는 Fig 4 의 일본

미놀타사와 유사하다 수평면상에 분사노즐이 배열되어 있으며 분급기의 회전축도

수평으로 위치하고 있다

Fig 6 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(일본 特開 2003-88773

2003)

6 미국 Xerox사의 수평형 기류충격식 분쇄기와 노즐(6)

Fig 7a의 미국 Xerox사의 수평형 기류충격식 분쇄기 구조는 Fig 5의 일본

Hosokawa Alpine AGampCo OHG 사의 구조와 유사하다 분사노즐이 수평면상으로

배열되어 있으며 분급기의 회전축도 수평으로 위치하고 있다 분사노즐의 형상은

Fig 7b 에서와 같이 이중관 구조이다

Fig 7a 미국 Xerox 산의 수평형 기류충격식 분쇄기(일본 特開 2004-50179

2004)

Fig 7b 미국 Xerox 사의 이중관 분사노즐(일본 特開 2004-50179 2004)

7 독일 Netzsch사의 건식 기류충격식 분쇄기(7)

독일 Netzsch 사는 대표적인 기본 구조의 건식 기류충격식 분쇄기를 개발하여 가

공 용량이 다른 여러 가지 분쇄기에 유사한 구조를 적용하였으며 일본 Hosokawa

산의 분쇄기와는 전혀 상이한 구조이다 즉 3 개의 초음속 분사노즐이 기류충격식

분쇄기 하부의 수평 평면상에 원호상 등간격인 120 도 간격으로 원의 중심을 향하

여 배열되어 있으며 Fig 8 에서와 같이 수직 회전축을 갖는 원심형 분급기가 분

쇄기 상부에 설치되어 있다 분급기의 외형 모습은 Fig 9에 보인 것과 같으며 분

급 효율을 향상시킬 목적으로 분급기 단면이 회전 중심으로 향할수록 상하 공간이

넓어지는 ldquoConvor로 명명된 형상의 단면 모습으로 되어 있다(Fig 10)

Fig 8 독일 Netzsch 사 분쇄기의 내부 구조

Fig 9 독일 Netzsch 사의 분급기

Fig 10 독일 Netzsch 사 분급기의 단면 형상 ldquoConvor

8 독일 특허 공기 분사노즐(9)

독일 Netzsch 사의 분쇄기 관련 기술 컨설턴트인 Nied 가 고안한 분쇄용 분사노즐

의 구조에 대한 것이다 3 개의 공기 분사노즐이 기류충격식 분쇄기 하부의 수평

평면상에 원호상 등간격인 120도 간격으로 원의 중심을 향하여 배열되어 있다(Fig

11a) 분사노즐 중앙부의 구조는 단면이 수축-확산 형태로 노즐로 초음속의 고속

분사를 하면서 중심 노즐 주변에 중앙 분사부를 감싸는 이중 공기 분사관을 형성

하여 중앙의 분사노즐에서 분사되는 공기의 확산각이 커지지 않도록 공기 주위에

추가적인 보조 공기를 분사하는 구조이다(Fig 11b)

Fig 11a 독일 특허-분사노즐 배열과 분사 공기의 분포(EP 0 736328A1 1996)

Fig 11b 독일 특허-분사노즐 단면과 분사 공기의 분포(EP 0 736328A1 1996)

9 미국 특허 분쇄기 구조(10)

일본의 히데유끼 요시다 등 5 명이 미국에 출원한 특허로 분쇄 재료가 초음속으로

분출되는 공기 통로의 중간에서 공급되며 재료가 분쇄실로 이동된 후 충격판에 충

돌되어 분쇄되는 구조이다(Fig12) 분쇄된 분말의 크기는 10 수준이다

Fig 12 미국 특허-충돌식 분쇄기(USP 57657661998)

제 2 절 국내의 기술 현황

국내의 경우에는 초미분 분말 생산에 관한 개발 역사가 짧으며 연구소 대학 기업

등에서 다발적으로 연구가 진해오디고 있다 기계 전자 물리 재료 화학 등의 연

계된 연구가 필요하다 1996 년 과학기술부 및 산업자원부 등의 산업단을 중심으로

대형 연구가 수행되어 왔으나 주로 기상법에 의한 분말합성에 관한 것이다 1998

년도부터 한국기계연구원에서 200nm 급의 건식 분쇄 및 분급기에 대한 개발을 시

작으로 초미분 파우더 생산 장비에 관한 연구가 이루어지고 있다 초미분 분쇄 방

식은 본 기술지원 과제의 지원기업인 대가파우더시스템을 포함하여 습식 방식인

교반밀(agitated mill)을 주로 사용하며 입도의 크기는 5 이상 수십 크기의

범위이다 기류충격식 분쇄기의 기술 수준은 입도의 크기가 5 ~ 10 수준이다

기존의 습식분쇄기의 경우 평균 입도가 28 ~ 32로 Pb0를 대상으로 할 때 4

~ 6 kghr 정도를 생산할 수 있는 수준이다

국내에 등록되어 있는 건식 기류충격식 분쇄기와 관련된 특허의 출원인인 대부분이

일본업체이며 일본에 출원된 특허를 한국에 재출우너한 것이 대부분이다 미국과

벨기에가 각각 1 건씩 등록하고 있으며 한국인이 출원한 특허는 테크월드에서

출원한 3 건 등 모두 4 건이 검색되었다 마이크로급 이상의 파우더 생산장비에 대

한 국내의 기술 수준은 선진국 기술 수준의 약 70 수준이다 그나마도 설계 및

생산에 있어 거의 모방에 의존하고 있다 나노급 기술은 초보적인 상태이다

제 3 장 기술지원 수행 내용 및 결과

제 1 절 기술지원 수행

본 부품소재종합기술지원사업은 Fig13의 기술 개발 추진도에 따라 수행되었다

Fig 13 기술 개발 추진도

분쇄기의 전체 시스템 중에서 분쇄기와 분급기 이외의 기타 구성 모듈들에 대한 설

계 및 생산기술은 지원기업 대가파우더시스템이 기확보하고 있는 기술이 기술

지원의 주된 내용은 기류충격식 분쇄기의 핵심 부품이며 분쇄기의 성능을 좌우하는

초음속 공기 분사노즐과 분급기의 설계 기술에 관한 것이다 초음속 공기 분사노즐

의 단면 형상 공급 공기의 압력과 분사 공기의 속도 및 공기 소요량 산출을 위한

공기 분사노즐 설계와 분쇄기 내부의 내마모성 재료 선택 분급기 베인의 형상과

분급기로 유입되는 공기의 속도 분포를 균일하게 하여 원심력 작용으로 분말의 분

급 정밀도를 향상시켜 주기 위한 분급기의 내부 단면 형상 설계 미 ㅊ유입 공기 속

도 및 압력 분포에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 방법 등에 대한 체계적인 기술 지원이

수행되었다 향후 유사 모델 개발에 적용하여 새로운 제품을 개발할 수 있는 설계

능력을 확보하였다

1 분쇄기 시스템 구성도

본 기술지원을 통하여 개발하는 핵심 기술은 건식 기류충격식 분쇄기의 초음속 공

기 분사노즐과 분급기와 관련된 기술이다 분쇄기의 기본 구조는 독일의 Netzsch

사 제품과 유사한 구조로 되어 있으며 분쇄용 공기 분사노즐과 고정밀도의 분급기

설계기술을 자체 보유하는 데 주안점이 있다 개발 대상 분쇄기 시스템의 전체 구

성도는 Fig 14(7)에서와 같다 Fig 14에서 분쇄기 시스템은 ldquo진동공급기rdquo를 통하

여 공급되는 분쇄용 우너료를 ldquo건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기rdquo로 분쇄 및 분급

한 후에 cyclone을 거쳐 bag filter로 분말을 포집하는 시스템으로 구성되어 있

다 분말과 공기가 혼합된 기류는 각각의 단계로 이송하는 과정에서 double flap

valve로 이송이 조절되며 최종적으로 fan의 작동으로 공기가 배출된다

건식 기류충격식 분쇄기 본체를 구성하는 부품의 서브어셈블리는 각각 Chamber

Body Laval Nozzle Classifier Wheel 및 Bearing Block등으로 구성되어 있

다 주요한 설계 변수는 분쇄챔버의 직경과 높이 초음속 공기 분사노즐 설계 있어

서 라발 노즐(초음속 공기 분사노즐)의 모즐 목 내경과 배출부의 직경 및 축방향의

단면 형상 공기되는 공기의 압력 등이다 분급기 설계에 있어서의 주요 변소는 베

인의 단면 형상 베인의 수량과 배열 각도 분급기 내부 공동부의 단면 형상 분급

기에 유입되는 공기 속도와 분급기를 통과한 이후의 공기 압력 등이다

Fig 14 기류충격식 분쇄기의 시스템 구성도

2 소리의 속도

물체의 일부에 교란을 주면 개스 유체 및 고체의 압축성으로 인하여 물체를 통하

여 유한한 속도로 교란이 전파된다

음속은 물체의 압력과 밀도 변화와 관계되어 있으며 다음식으로 표현된다

여기서

음속 압력변화 밀도 변화

체적탄성계수는 다음과 같이 표현된다

여기서

체적탄성계수 압력변화 체적변화 초기체적

체적탄성계수는 식 (3)으로도 표현된다

여기서

물체의밀도변화 물체의초기밀도

개스 유체 고체 내에서의 음속은 다음식과 같다

여기서

체적탄성계수

개스에서의 소리 속도는 아주 작은 한 점에서 교란이 일어나는 관계로 열전달을 무

시할 수가 있으며 또한 등온 상태로 가정할 수가 있다 이상 기체에서의 소리 속도

는 절대 온도의 근에 비례하며 다음식으로 표현된다

여기서

k = 비열비 (adiabatic index)

p = 압력 (Pa psi)

R = 개스 상수

T = 절대 온도 (degK degR)

앞의 식 (4)와 식 (5)로부터

식 (6)으로부터 체적탄성게수 E를 구할 수가 있다

( 예 1 ) 공기의 체적탄성계구 산출

k = 14 R = 287 (JK kg) at T=293K( 20 ) p=1204(kgm3)

Eair = k R T p=14X287X293X1204=14174379((Jm3)

Eair = 14174379(Nm2)

( 예 2 ) 염소(C12)의 체적탄성계수 산출

k = 134 R = 120 (JK kg) at T=293K(20) p=2994(kgm3)

Ec12 = k R T p=134X120X293X1994=14106051((Jm3)

Ec12 = 14106051(Nm2)

( 예 3 ) 0 1 bar 공기에서의 소리 속도

c = (14x287x273)12

= 3312 (ms)

여기서

k = 14

R = 287 (JK kg)

( 예 4 ) 20 1bar 공기에서의 소리 속도 산출

c = (14X287X293)12

= 3431 (ms)

( 예 5 ) 0 물속에서의 소리 속도 산출

여기서

3 공기 분사노즐에서의 유동식

개스역학에서 공기의 속도가 sim 이상으로 빠르거나 압력의 변화가

보다 큰 경우에는 압축성 흐름으로 취급한다 이러한 현상은 노즐에서

개스가 팽창하는 경우에 발생된다

정상유동에서의 에너지 평형 상태는 다음식으로 표현된다

여기서 엔탈피는

이며 엔탈피 ∆의 변화는 내부에너지 ∆에 외부로 또는 외부로부터의 체적에

의한 일 ∙∆의 합과 같다

내부에너지의 변호가 없고 밀도가 일정하다고 가정하면 즉 ∆ 인

경우에는 비압축성유동의 베르누이 방정식이 된다 반면에 위치네어지의 변화가 없

는 경우 ∆ 에는 상대적으로 밀도가 낮은 압축성 유체인 ldquo개스rdquo의 상태를

나타낸다 ldquo개스역학rdquo 이라는 자체가 의미하듯이 해석에 있어 고압 및 개스의 속도

가 포함되며 내부에너지의 변화 ∆를 무시할 수가 없다 이러한 의미에서 식 (7)

은 다음과 같이 된다

이상개스 방정식에서

이며 식 (12)를 식(9)에 대입하면 다음과 같이 된다

식 (13)에 에너지 보존법칙을 적용하면 노즐에서 분사되는 개스의 속도를 구할 수

있다

개스의 초기 속도가 인 경우에는

가역 단열 흐름에 있어서는 다음 3개의 식을 적용할 수가 있다

식 (16) ~ 식 (18)을 식 (15)에 대입하면 노즐에서 분출되는 개스의 속도가 구해

진다

노즐을 통과하는 질량의 흐름 식

밀도의 비로부터

다음과 같이 노즐을 통과하는 질량을 구한다

다음의 식 (23)을 식 (22)에 대입하여

식 (24)를 구한다

여기에서

을 ldquo탈출 계수(escape coefficient)rdquo 라고 한다

식 (25)를 사용하여 식 (24)를 다시 표현하면 다음의 간략식이 된다

탈출 계수 는 압축비 의 값이 다음과 같은 값일 때

임계 압축비 또는 라발 압축비로 표현되는 다음 크기의 최대값을 갖는다

음속은 노즐의 단면적이 제일 작은 부분에서 임계 압축비에 도달한다

max는 테이퍼가 일정한 실린더 형상의 노즐에 적용된다 식 (26)에 의하여

ㆍ 가 되며 는 일정한 테이퍼의 노즐에서만 증가할 수 있다 만약 압

축비 가 임계비 이하이면 max이므로 노즐을 통과하는 질량의 흐름은 일정

하다 이것은 질량의 흐름이 외부의 압력에 영향을 받지 않는다는 것을 의미한다

질량의 흐름에 의한 일은 다음의 식 (30)으로부터 구해진다

압축성 유체의 단열 팽창시에 수행된 일은 식 (19)와 식 (30)로부터 다음과 같이

산출된다

아래의 Fig 15 는 수축확산 노즐의 단면 모습이며(11) Fig 16 은 수축확산 노즐에

서의 압력 온도 속도 변화를 나타낸 것이다(8)

Fig 15 수축확산 노즐(Laval Nozzle)

Fig 16 수축확산 노즐에서의 압력 온도 속도 변화

압축성 유체의 흐름에 있어서 임계 속도 이후에 노즐의 단면이 서서히 확대되면

열에너지가 유동에너지로 변환되면서 온도는 낮아지고 흐름이 증가된다

앞의 식 (27)을 참조할 때 Fig 16 의 수축확산 노즐의 단면적이 가장 작은 임계

압축비 에서 음속에 도달한다 이 것은 질량 흐름에 식 (26)이 계속적으로 유

효하다는 것을 의미한다 수축확산 노즐 출구에서의 온도는 다음과 같은 관계가 된

노즐 확산부의 치수는 다음식으로부터 구해지며

개스 상수 등은 계수 개스 유입 온도 노즐 목의 직경 압축비 등의

변수로부터 노즐 출구에서의 개스 속도와 온도를 구할 수가 있다 공기 흐름 해석

대상 노즐 각부에 대한 부호는 Fig17에서와 같다

Fig 17 수축확산 노즐의 각부 부호

실제 수축확산 노즐을 설계하는 데 있어서는 노즐에서 발생될 수 있는 압축파 발생

을 억제하기 위하여 노즐 출구의 치수를 설계값보다 약간 작게 한다 즉 Fig 17에

서의 노즐의 확산각 가 를 넘지 않아야 하며 최대 이내여야 한다

4 공기 분사노즐의 흐름 특성 계산

앞의 ldquo3 초음속 공기 분사노즐에서의 공기의 흐름rdquo에서 유도된 식들을 이용하여

ldquoMathcad 13 프로그램(12)으로 설계 대상 분쇄기에 적용되는 공기 분사노즐의 단

면 치수 유입 공기량 노즐 출구에서의 공기 속도 소요 동력 등을 산출하였다

우선 단위와 공기의 상수를 정리하면

kilo=1000 TK =273 hoursec =3600 k = 14

ㆍsecㆍ

ㆍsecㆍ

ㆍsec

ㆍsec

예를 들어 tan tan tan tan

해석 조건이 다음과 같으면 tank pressure=700kPa Ttank=70 exit

pressure=100kPa

단위 (mm) throat diameter=50 length 150 outlet diameter=70 diffusion

angle α=38deg

d = 0007 pe = 100kilo po = 7pe Ttank =7C

To = TK+Ttank To=343 (K)

times

sec

Air_massflow1N_hour =Air_masflow1N_sechoursec

Air_massflow1N_hour = 133024 (kghrper 1 nozzle)

Air_massflow3N_hour = Air_massflow 1N_hour3

Air_massflow 3N_hour = 399071 (kghrper 3 nozzles)

Imsec)

sec

timesorsec timesorsec

(kgm3)

sec

sec sec

공기분사 노즐 목의 직경이 50mm 출구 직경이 70mm 노즐 목에서 노즐 출구까

지의 길이가 150mm로 공기 분사노즐의 환산각 도인 공기 분사노즐이 3

개 장착되어 있으며 탱크내의 공기가 압력 7bar 와 70 를 유지하면서 계속적으

로 노즐을 통하여 공급되며 또한 분쇄 챔버 내의 압력이 1bar 로 유지되는 경우의

공기 분사노즐의 유동 특성 계산 결과를 종합 정리하면 다음과 같다

- 노즐 출구에서의 공기 최대 속도 542151msec

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 무게 399071kghr

(노즐 하나에 00369kgsec)

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 부피 225333m3hr(0063m3sec)

- 소요 동력 16291kWhhr

5 수축확산 공기 분사노즐의 유동 해석

공기 분사노즐을 3D 모델링 프로그램 SolidWorks(13)로 모델링하여 열유체 해석

을 위한 유한요소해석 프로그램 COSMOSFlwWorks(14)로 공기 분사노즐 내의 유

동 해석을 수행하였다 해석 대상 공기 분사노즐 단면의 형상과 각부의 치수는

Fig18에서와 같다

Fig 18 수축확산 노즐 유동 해석 모델의 단면

해석시에 적용된 변수값들은 앞의 ldquo4 초음속 공기 분사노즐의 분사 특성 계산rdquo에

서 산출된 값을 적용하였다 노즐의 확산부위 길이는 15mm 이며 분사노즐의 확산

각은 도이다 노즐 하나에 대하여 Fig 18 의 왼쪽면에서 00369 kgsec

의 공기가 유입되며 오른쪽 분사노즐 출구면에 12bar 의 압력을 적용하였다 분사

노즐의 유동 해석 결과의 여러 가지 특성값 중에서 본 설계에서의 주요 관심사가

공기의 배출 속도인 관계로 Fig 19에 흐름의 속도 분포 Fig 20에 흐름의 마하넘

버 분포를 나타내었다 초음속 흐름에 대한 해석으로 분사노즐 목에서의 공기속도

가 약 335msec(마하 1)이 되며 노즐 출구에서 최대속도가 된다 Fig 21은 수축

확산 노즐에 대한 공기의 속도 분포 해석 결과를 반영하여 공기 분사노즐을 모델링

한 것이다

Fig 19 수축확산 노즐의 공기 흐름 속도 분포

Fig 20 수축확산 노즐의 공기 흐름 마하넘버 분포

Fig 21 수축확산 노즐 모델

6 분급 이론

분급(分級 classification)이란 유체력을 이용해서 분립체를 그 입자 지름의 크기에

따라 분리하는 것으로 넓은 뜻으로는 유체력에 의한 분리만이 아니라 체가름을 포

함하는 경우가 있다 더 넓게는 비중선별ㆍ자기력선별 등 모든 입자분리조작을 분

급이라고 한다 공기ㆍ물 등의 유체 속에서 운동하는 분립체의 각 입자에는 중력

또는 원심력 이외에 유체에 의한 유체항력 등이 함께 작용된다 이 힘 즉 유체항력

은 입자 지름에 의존하는 데 유체항력과 입자 지름의 관계는 중력이나 원심력과

입자 지름의 관계와는 다르기 때문에 이 둘 사이의 균형 조건이 입자 지름에 의해

좌우된다 좁은 뜻의 분급은 이 원리를 이용한 입경분리조작을 의미한다 중력장에

서 등속 침강하는 구 형상의 입자에 대한 힘의 균형은 다음 식으로 표현된다

여기서 은 입자 질량 prime는 입자에 의해 배제된 유체 질량 g는 중력가속도 R

은 는 유체항력을 나타낸다 유체항력 R은 다음 식으로 나타낼 수 있다

여기서 는 저항계수 (drag coefficient)로 입자 주위의 유체의 상대적인 흐름의

상태에 따라 결정되는 무차원 계수이다 는 유체의 밀도 는 입자의 침강속도

는 입자의 지름이며 는 입자의 투영 최대 면적이다 물 또는 공기 속에서 입

자의 지름이 100 이하 입자의 밀도가 3gcm2이하의 조건에서는 입자 주위의 흐

름은 거의 충류로 간주되며 이때 R은 다음 식으로 나타내진다

여기서 는 유체의 점성도이다

prime

이므로 식 (36)을 식 (34)에 대입하면 식 (37)을 얻는다

여기서 는 입자 밀도이며 식 (37)을 스토크스의 침강속도식이라고 하며 분급에서

분리입자 지름을 구하기 위한 기본식으로 중요하다

식 (37)은 다음

과 같이도 표현된다

유체가 공기나 그 외의 기체인 경우의 분급 조작을 건식 분급(또는 공기 분급) 물

이나 그 외의 액체인 경우의 분급 조작을 습식 분급이라 한다 앞에 언급된 기본식

들 이외에 어떤 종류의 분급장치에서는 유체의 흐름 방향이 급격히 변화할 때 흐름

에 따라 운동하는 입자의 관성력의 효과가 중요한 역할을 한다

분급에 사용하는 장치를 분급기(classifier)라고 한다 건식분급기에는 관성력을 이

용하는 것 중력침강을 이용하는 것 원심력을 이용하는 것 등이 있다 관성력을 이

용하는 건식분급기에는 루버식분급기 버추얼임팩터 엘보제트형분급기 등이 있는

데 건식분급기로는 원심력을 이용한 것이 가장 널리 사용되고 있다 원심력을 이용

한 건식분급기로는 분급 입도가 30~100 정도의 비교적 굵은 입도에서의 대량 처

리로 옛날부터 알려진 스튜어트밴트형 등이 있으며 또한 몇 ~30의 분급이 가

능한 여러 분급기가 개발되어 널리 쓰이게 되었다 또한 사이클론도 미립(微粒)에서

조립(組立)에 이르는 분체(粉體)의 건식분급에 이용된다 습식분급기에는 중력식과

원심력식이 있으며 중력식은 상승 수류(水流)와 유동층을 이용한 수력분급기 원뿔

형 또는 각뿔형 용기에서의 중력침강을 이용한 세틀링탱크 등의 침강분급조 완만

하게 경사진 직사각형의 조(槽)로부터 침하한 조립 생산물을 긁어올리기 위한 레이

크나 스파이럴을 갖춘 기계분급기 등으로 분류된다 원심력을 이용한 습식분급기로

는 사이클론 또는 하이드로사이클론이 가장 대표적이며 솔리드볼형ㆍ디스크형 등

의 원심분리기도 미립자용 분급기로 사용된다

Fig 22는 베인 구조의 원심형 분급기의 회전 단면 모습이다

Fig22베인 구조의 원심형 분급기의 단면

Fig 22에서 H는 분급기 내부 상하면 사이의 간격이며 는 선별된 미분이 배출되

는 반경 는 베인의 내반경 는 베인의 외반경을 나타낸다

분체 주위의 공기 흐름이 층류 흐름이라는 조건하에서 베인 구조의 원심형 분급기

에의 컷포인트(utpoint)를 결정짓는 외주부의 반경 은 다음과 같다

또한 선별된 미분이 배출되는 반경은 다음과 같다

베인 사이에서도 고체의 회전법칙이 적용된다 베인의 외주 반경에서 속도의 원주

방향 성분 과 중심방향 성분 가 가장 큰 영향을 준다

식 (41)과 식 (42)를 식 (38)에 대입하여 정리하면 다음과 같다

독일 Netzsch 사에서는 베인의 내반경 에서 선별된 미분이 배출되는 반경 까

지의 반경 방향의 공기 속도 성분 을 질정하게 해 주기 위하여 Fig 10에 보인

ldquoConvorrdquo라고 불리우는 단면의 분급기를 개발하여 사용화하고 있다

7 분급기 설계와 유동 해석

분급기의 베인 사이로 분쇄된 미분과 공기가 함께 유입되어 중앙부의 배출구로 통

과하는 분급기의 내부 형상을 설계하기에 앞서 분급기 내부를 구성하는 상면이 평

평한 구조의 분급기에 대한 유동해석을 실시하여 공기의 속도 분포를 검토하였다

해석 대상 분급기의 외경은 205mm이며 밑면 중앙에 공기 배출을 위하여 직경이

90mm인 원형 구멍이 뚫려 있다 분급기 외주에는 단면이 원호의 일부로 만들어진

두깨가 2mm 넓이가 18mm 길이가 35mm인 베인이 매 60도마다 10개씩 등간격

으로 모두 60개가 베인의 코드 방향과 분급기의 반경 방향이 이루는 각도가 약 15

도가 되도록 경사지게 설치되어 있다 원주 방향으로 매 60도마다 길이 35mm 직

경 8mm인 원형봉 6개가 등간격으로 배열되어 상ㆍ사 카버 사이에 베인을 고정시

켜 조립되는 구조이다 해석 대상 분급기에 사용된 베인의 단면과 베인의 배열 및

분급기 상ㆍ하면을 고정하는 봉이 포함된 수평면상의 평면도를 Fig 23에 나타내었

다 Fig 24는 분급기의 상면 형상이 평평한 구조인 경우에 대한 분급기의 수직단

면도이다

분급기에 유입되는 공기는 온도 50 유입량 01m3sec 분급기를 통과한 후에

배출되는 공간의 압력은 12bar이며 분급기의 회전속도는 8000rpm(838radsec)

이다 분급기에 발생되는 원심력의 절대적인 크기는 재료의 밀도와 분급하고자 하

는 분말의 크기에 따라 분급기의 회전수를 변화시켜서 조절한다 SolidWorks 및

COSMOSFloWorks 프로그램으로 분급기의 공기 유동해석을 실시하였다 해석시의

변수 입력 항목 및 해석 과정을 ldquo부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 유동해석 절

차rdquo에 정리하였다

Fig 23 베인과 상ㆍ하면 고정 원형봉의 평면 단면도

Fig24 분급기 상면이 평면인 경우의 수직단면도

공기 유동해석 결과를 Fig25~Fig27에 나타내었다 Fig25는 베인의 중간 높이에

서의 수평 단면에서의 공기 속도 분포이다 Fig26은 베인이 위치한 부위에서의수

직단면 Fig 27은 상ㆍ하면을 고정시켜 주는 원형봉이 있는 부위의 수직단면에 분

포하는 공기의 유입 속도 해석 결과를 나타낸 것이다

Fig 25 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig 26 베인 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig27 연결봉 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig15~Fig27의 공기 속도 등고선을 보면 베인 외주부의 상하 위치에 있어서 공

기의속도가 불균일한 분포를 보인다 베인의 분급기 내부 공간에서는 같은 반경인

위치에서 윗부분에서의 공기 속도가 아랫부분에서보다 빠르게 분포하고 있다 베인

의 높이 방향 상ㆍ하 위치에 따른 이러한 유입 속도의 편차는 분급기 외주의 실린

더 면으로부터 유입되는 공기가 분급기 중앙의 밑 방향으로만 배출되는 유동 통로

의 구조 때문으로 판단되낟 따라서 같은 반경의 같은 원심력이 발생되는 위치에

있어서도 윗부분에서의 공기 유입속도가 밑부분에서보다 크게 분포되어 윗부분에서

는 밑부분에서보다 큰 분말이 분급기 안으로 유입된다 지정된 크기의 컷오프보다

큰 분말과 작은 분말이 혼합된 상태로 배출되는 관계로 분급이 정밀도가 저하된다

베인의 상ㆍ하 위치에 무관하게 공기의 유입 속도를 가급적 균일하게 해 주기 위한

목적으로 분급기 내부의 단면 형상을 Fig28과 같은 인볼류트-컨볼류트

(involute-convolute) 단면으로 구성하여 공기의 유동해석을 실시하였다

Fig 28 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기

Fig29는 베인의 중간 높이 수평단면 상에서의 공기 속도 분포이다 Fig25에 비하

여 베인의 외주 부위에서의 공기의 속도가 균일하게 분포되고 있음을 보여 준다

Fig29 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig 30은 베인이 위치한 부위에서의 수직 단면 Fig31은 상ㆍ하면을 고정시켜 주

는 원평봉이 있는 부위에서의 수직 단면에 분포하는 공기 속도 분포이다 Fig30과

Fig31은 각각 Fig25와 Fig26에 비하여 베인의 높이 방향 전체에 걸쳐 공기의 유

입 속도가 상당히 균일하게 분포되는 것을 보여 주고 있다

Fig 30 베인 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig31 연결봉 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig32는 분급기 내부의 공간 형상이 인볼류트-컨볼류트인 분급기의 설계 모델이

Fig32 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 모델

Fig33은 앞의 수축확산 공기 분사노즐(Fig20)과 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급

기(fig32)로 구성된 건식 기류충격식 분쇄기의 3D모델이다 중요 부품의 도면은

ldquo부록 9 설계 도면rdquo에 수록하였다

Fig33 건식 기류충격식 분쇄기의 3D 모델

8 시작품 제작

수축확산 공기 분사노즐의 유동해석 및 분급기의 유동해석 결과를 바탕으로 시작품

을 제작하였다 Fig34는 수축확산 공기 분사노즐 헤드의 시작품 모습이다

Fig 34 수축확산 공기 분사노즐 헤드 시작품

Fig35는 분급기의 시작품 모습이다 분급기의 베인은 분체와 마찰시 내마모성을

갖도록 SUS 재질로 곡면 성형한 후 세라믹으로 코팅하여 제작하였다

Fig35 분급기 시작품

Fig 36은 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 수축확산 공기 분사

노즐 및 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 등이 분쇄기의 내부에 장착되어 있다

Fig36 건식 기류충격식 분쇄기 시작품

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기와 관련된 국외 특허 자료 조사와 분석 공기의

유동해석에 있어 많은 일정이 소요되었다 기술지원 추진일정을 Table1에 정리하

였다

Table 4 추진 일정

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 12: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

43 20070508DPS 여러 내부 형상의 분급기 구조와 베인에

대한 공기 유동 해석 윤승원 남상경 최인환출장 기록

44 20070518DPS 베인의 형상에 따른 분급기의 공기 유동

해석 결과 분석 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

45 20070523DPS 분급기 내부 형상 설계 변경 윤승원

남상경 최인환 최덕규출장 기록

46 2070530한국생산기술연구원 분급기 내부 형상에 따른 흐름

해석 분석 윤승원 남상경 최인환 최덕규

DPS 연구원 3명

생기원 내방

47 20070601DPS 분급기 내부 형상의 조립성을 고려한 설계

수정 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

48 20070607DPS 베인의 형상과 수량에 따른 분급기의 공기

유동 재해석 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

49 20070613DPS 분사노즐 설계 확정을 위한 공기 분사노즐

유동장 재해석 윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

50 20070618DPS 에어젯트밀 구조 설계 검토 윤승원

최병훈 남상경 최인환 최덕규출장 기록

51 20070703DPS 분급기 내부 형상에 대한 특허 출원 자료

준비 윤승원 최병훈 남상경 최인환 최덕규출장 기록

52 20070705

경북 칠곡 쿠어스텍코리아 분급기용 베인 제작

가능성 확인을 위한 업체 방문 윤승원 최인환

최덕규

출장 기록

53 20070711DPS 베인 형상 확정 및 구매 요청 윤승원

남상경 최인환 최덕규출장 기록

54 20070724DPS 분쇄기 에어노즐 분급기 설계 자료 정리

윤승원 남상경 최인환 최덕규출장 기록

2 기술정보제공 특허 73건

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20061013 분쇄기 관련 한국특허 13건(제본) 부록 1 목록

2 20061013 분쇄기 관련 일본특허 16건(제본) 부록 2 목록

3 20061013 분쇄기 관련 미국특허 23건(제본) 부록 3 목록

4 20061013 분쇄기 관련 유럽특허 4건(제본) 부록 4 목록

5 20070213 분급기 관련 미국특허 17건(제본) 무록 5 목록

3 기술정보제공 전문서적 14권

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20070306 構造解析のだぬの有限要素法實戰ハソドプツク 전문서적

2 20070306 世界の規格基準認證ガイドツク 전문서적

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

3 20070306 設計者に必要な材料の기 전문서적

4 20070306 設計者のたぬの モーメソト 전문서적

5 20070306 すべリ軸受資料集 전문서적

6 20061109Flow Mechanics and Thermodynamics in

Mechanical Processing전문서적

7 20061109NETZSCH-CONDUX Fludized Bed Jet Mill 제품

홍보자료

제품

홍보자료

8 20060907 Assembly Modeling with SolidWorks 20042005 전문서적

9 20060907 SolidWorks 2005 Tutorial and MultiMedia CD 전문서적

10 20070601Engineering Analysis with COSMOSWorks

Professional 2007전문서적

11 20070205 COSMOSMotion 전문서적

12 20061116 FLUENT 60 Tutorial Guide 전문서적

13 20070213 FLUENT 60 Users Guide 전문서적

14 20070213 Fundamentals of Fluid Mechanics 전문서적

4 시제품제작 1 건

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20070715 기류충격식 분쇄기 DGJMV-350 시작품

5 시험분석 3건

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20070627 입도 측정 histogram 1 부록 10

2 20070627 입도 측정 histogram 2 부록 10

3 20070627 입도 측정 histogram 3 부록 10

6 기술지원실적 업로드 건

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

목 차

제 1 장 사업의 개요

제 1 절 기술지원 필요성

제 2 절 기술지원 목표

제 3 절 기술지원 내용

제 2 장 국내ㆍ외 기술 현황

제 1 절 세계의 기술 현황

1 일본 Hosokawa 사의 수직형 기류충격식 분쇄기

2 일본 Hosokawa 사의 수평형 기류충격식 분쇄기

3 일본 미놀타 사의 수평형 기류충격식 분쇄기

4 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의

수평형 기류충격식 분쇄기

5 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기

6 미국 Xerox 사의 수평형 기류충격식 분쇄기와 노즐

7 독일 Netzsch 사의 건식 기류충격식 분쇄기

8 독일 특허 공기 분사노즐

9 미국 특허 분쇄기 구조

제 2 절 국내의 기술 현황

제 3 장 기술지원 수행 내용 및 결과

제 1 절 기술지원 수행

1 분쇄기 시스템 구성도

2 소리의 속도

3 공기 분사노즐에서의 유동식

4 공기 분사노즐의 흐름 특성 계산

5 수축확산 공기 분사노즐의 유동 해석

6 분급 이론

7 분급기 설계와 유동 해석

8 시작품 제작

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

2 기술지원 추진체계

3 연구기자재 활용

4 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

6 입도 측정

7 지적재산권 출원

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

제 6 장 참고문헌

부록 1 분쇄기 관련 한국 특허 13건 목록

부록 2 분쇄기 관련 일본 특허 16건 목록

부록 3 분쇄기 관련 미국 특허 23건 목록

부록 4 분쇄기 관련 유럽 특허 4건 목록

부록 5 분급기 관련 미국 특허 17건 목록

부록 6 기술지원 관련 전시회 참석

부록 7 개스의 비열값 개스 상수 밀도

부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 분급기 유동해석

부록 9 설계 도면

부록 10 입도측정 histogram

제 1 장 사업의 개요

분쇄는 재료에 외력을 가하여 작은 크기로 세분화하고 표면적을 증가시키는 기계적

인 조작이다 목적하는 파쇄물 입자의 크기에 따라 조쇄(粗碎) 중쇄(中碎) 분쇄(粉

碎) 미분쇄(微粉碎) 초미분쇄(超微粉碎)로 구분된다 분쇄시 작용되는 응력은 압축

력 충격력 전단력 마찰력 절단력 등이 있으며 단독의 힘이 작용되는 경우는 드

물고 분쇄 대상 재료에 여러 가지 힘임 복합력으로 동시에 작용되어 분쇄기 이루어

진다(1)

분쇄기는 분쇄 입도의 크기에 따라 다음과 같이 분류한다

(1) 조분쇄기 1500mm~100mmrarr500mm~25mm (분쇄비 4~3)

(2) 중분쇄기 500mm~6mmrarr50mm~1mm (분쇄비 7~5)

(3) 미분쇄기 125mm~1mmrarr2mmrarr01mm (분쇄비 20~10)

(4) 초미분쇄기 6mm~01mmrarr01mm~001mm (분쇄비 50~10)

분쇄기의 분쇄 방법에 의한 종류는 다음과 같다

(1) 볼밀(ball mill)

원통 속에 재료와 함께 강으로 만든 볼 즉 강구를 여러 개 넣은 후 함께 회전시켜

강구운동에 의한 충격으로 재료를 분쇄하는 장치이다 볼에는 주철 칠주물 플린트

석 천연석 등 원료에 따라 여러 가지가 있다 통의 길이는 통의 지름을 초과하지

않는 것이 표준형이지만 지름의 수 배 이상으로 긴 형의 튜브밀 그 중간인 콤파운

드밀(compound mill) 다양한 종류도 있다 원통의 내면은 특수강 또는 니켈판으로

내장한다 최종적인 미분을 만들 때 사용되며 도토(陶土) 염료 드의 처비분인 경

우에는 건식으로 사용되며 용도가 매우 넓다

(2) 로드밀(rod mill)

기체 내면의 길이보다 약간 짧은 강봉을 분쇄매체로 사용하는 회전식 분쇄기이다

거친 입자부터 선택적으로 분쇄하며 입도(粒度)가 비교적 가지런한 분쇄산물을 얻

을 수 있는 특징이 있다 단독으로 사용되는 외에 불밀에 의한 분쇄의 예비분쇄기

로서도 종종 사용된다

(3) 롤러밀(roller mill)

볼밀과 같은 원리의 분쇄기로 시멘트원료를 분쇄할 때나 석탄을 분쇄할 때 사용된

다 분쇄기 중에 롤러나 볼을 이용한 것을 링롤러밀이라고도 한다

(4) 조크러셔(jaw crusher)

전ㆍ후로 조금씩 진동하는 강철제의 철판과 이와 마주 보는 고정판 시이에 수 cm

에서 1m 정도의 암석 등의 덩어리를 물려 넣고 짓씹어 부수게 하는 구조로 되어

있다

(5) 임팩트 크러셔(impact crusher)

매초 원주 속도가 수십 m로 고속회전하는 원통에 장치된 충격판에 의해 분쇄하는

장치이다 골재 정형에 널리 쓰인다

(6) 휠러밀(wheeler mill)

tn 이하의 미분쇄를 필요로 하는 분야에서 널리 사용된다 소위 유체에너지밀의

일종으로 고압기체를 불어 넣음으로써 입자를 기계의 벽이나 또는 다른 입자에 충

돌시 켜서 분쇄하는 장치이다 기체가 길쭉한 도넛형의 통내를 입자와 함께 환류하

고 미세하게 된 입자만이 배기와 함께 기외로 배출되는 구조로 되어 있다

(7) 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)

노즐로 높은 압력의 공기 또는 질소를 초음속으로 분사시켜 분말 상호 간의 충돌로

초미립 크기로 분쇄되며 분급 휠(classifier wheel)의 속도 변환과 베인과의 간격에

의해 미립자의 크기를 조절하여 분급하는 방식이다 노즐의 크기 배열 상태 및 공

기 흐름의 조절로 효율성을 크게 증가시킬 수 있으며 동시에 분쇄기의 마모와 제품

의 순도 최적화를 유지할 수 있다 입도의 크기는 01 ~ 10의 범위에 있다

이외에도 큰크러셔(cone crusher) 압축력에 의한 자이러토리크러셔(gyratory

crusher)가 있고 충격력에 의한 해머밀(hammer mill) 케이지밀(cage mill) 유체에

너지밀 전단력에 의한 분쇄기 등이 있으며 마쇄력에 의한 자생분쇄밀과 진동밀

유성밀 교반밀이 있다

최근 들어 소재산업이 정밀화되고 고기능화 함에 따라 카본블랙 TiO2 PbO ZnO

SiO2등의 안료 세라믹 자기재료 맥반석 황토 슬래그 운모 흑연 탄화규소 탄

산칼슘 등을 미크론(μ) 크기 또는 서브미크론 크기의 분말로 분쇄하는 정밀 분쇄기

수요가 증대하고 있다

Fig 1 은 습식 분쇄기의 종류와 입도 범위의 관계를 나타낸 것이다 Fig 1 밑부분

의 화살표는 본 부품소재종합기술지원사업 수행으로 개발하고자 하는 분말의 크기

범위를 표시한 것이다

Fig 1 습식분쇄기의 입도 범위(독일 Buehler사)

제 1 절 기술지원 필요성

대가파우더시스템은 1970 년도에 창립하여 현재에 이르기까지 산업용 분쇄기 집

진기 건조기 기체여과기 액체여과기 폐수처리장치 등의 전문생산업체이다 최근

들어 소재산업이 정밀화되고 고기능화 함에 따라 분쇄기의 성능 향상이 요구되고

있다 최근에는 수십 nm 이하의 초분체 카본블랙 TiO2 ZnO SiO2 등의 안료 세

라믹 자기재료 등의 각종 소재의 입도 정밀화가 실현되고 있다 초분체기기 및 요

소 부품의 국내 수요는 독일의 DRAIS 일본의 KOTOBUKI 사 DYNO 사 등의 선진

메이커 제품을 수입하여 사용하고 있다 건식 기류충격식 분쇄기에 대한 국내 설계

기술 부족으로 외국에서 수입되고 있는 제품의 가격이 고가이어도 경쟁할 수 있는

제품을 개발하지 못하고 있는 어려운 상황이다

대가파우더시스템은 최근 습식 방법의 초미립 분쇄기를 개발하여 시험 중에 있으

며 압축공기를 이용한 기류충격식 분쇄기 개발에 있어서 분쇄부와 분급부의 기초

이론 구성 부품 설계 재질 선정 분쇄기 구조에 대하여 유한요소법으로 유동해석

을 하는 시뮬레이션 기술력 확보에 어려움을 겪고 있다 초미립 분쇄(ultra-fine

pulverization)를 위한 기류 분사노즐(compressed air nozzle supersonic air

nozzle)의 단면 형상 설계와 분쇄에 요구되는 유량 산출 분급기(classifier)의 크기

과 공기 유동부의 내부 형상 베인의 형상과 수량 베인의 간격 배열 위치 및 분급

기 회전수 등에 대한 설계 변수 등에 있어서 애로를 겪고 있으며 기술력 향상을

위하여 외부 전문가의 기술지원이 요청되고 있다

건식 기류충격식 분쇄기 설계의 핵심 기술을 지원하여 건식 기류충격식 분쇄기의

국내 업체의 자체 설계 능력 확보가 요구되낟 본 부품소재종합기술지원사업을 통

하여 초미립 분쇄기와 관련된 국내ㆍ외 특허 자료 기술문헌 및 분쇄부와 분급부의

기초 이론 관련 자료 조사와 제공 초미립 입자를 생산하기 위한 건식 분쇄기의 구

조 설계 기술 지원 유량에 따른 기류충격식 분쇄 노즐의 설계 변수 컴퓨터를 이용

한 3 차원 모델링에 의한 설계 유한요소법에 의한 기체의 유동 해석 기술 지원이

필요한다

제 2 절 기술지원 목표

기술지원의 초종 목표는 지원기업 대가파우더시스템가 분쇄 입도의 평균직경 18

~ 20 인 초미립 파우더를 생산하기 위한 기류충격식 분쇄기 설계와 생산에 대

한 기술 확보이다 공기 분사 방식의 분쇄 노즐 형상 분급부의 구조 설계 및 작동

에 대한 기초를 체계적으로 정립하며 분쇄기 구성 부품의 재질 선정 3D 모델링에

의한 분쇄기 시스템 설계와 유한요소볍에 의한 공기 유동장 해석 결과를 바탕으로

시작품을 제작하며 향후 유사 모델에 대한 자체적인 설계 및 새산 능력을 확보하

는 것이다

제 3 절 기술지원 내용

1 건식 기류충격식 분쇄기의 국내ㆍ외 특허 자료 기술문헌 및 기술정보 조사 지

원으로 초미립분쇄기의 기초 이론 구조 기능 정립 초음속 분사노즐 단면 형상

설계 자료로 활용

2 3D 모델링에 의한 설계 기술 지원으로 설계 오류를 사전에 방지

3 초음속 분쇄 노즐의 형상 설계와 유동 특성 해석 기술

4 분급부의 내부 구조 베인의 형상과 배열 및 수량 결정 유한요소법에 의한 분급

기의 유동 해석 기술 지원으로 분급 입도의 안정화 분급기 설계 및 제작

5 분쇄부와 분급기의 재질 선정 지원으로 생산가 관리 및 내구성 확보

Table 1 기술지원 목표 및 내용

제 2 장 국내ㆍ외 기술 현황

건식 분쇄 기술로 크기가 1 이하의 작은 입자를 생산하는 것은 어려운 기술로

분체기술의 장벽이라고 일컬어진다 각종 소재를 성분 변화없이 100nm 이하의 크

기로 극미세 분쇄하는 기술은 미래 산업을 이끌어갈 핵심분야로 국가간 연구개발

경쟁이 치열한 기술이다

제 1 절 세계의 기술 현황

나노급의 미세 파우더는 1980 년대초 독일의 칼스루헤연구소 등에서 시작되어

1990년대에 들어서 100nm 이하의 제조합성에 관한 연구가 본격화되었다 일본의

경우에는 과학기술청의 창조과학기술 추진과 통산성의 차세대산업기반기술 분야로

선정되어 주목을 받고 있다 초미분을 생산하기 위한 양산 장비 및 요소 부품에 대

한 선진국의 기술은 독일의 DRAIS사(습식) NETZSCH사(건식) 일본의 Kotobuki사

(습식) DYNO사(습식) Hosokawa 사(습식 건식) 등의 선진메이커에서 제품이 개

발되어 판매되고 있다 또한 나노 파우더 생산업체로는 일본의 Kako 사 미국의

Whittaker 사 Dow Chemical 사 Dupont사 및 독일의 Degusa사 등이 있다 현재

까지는 나노급 파우더 제조 공정의 불안정 및 복잡성 평가 방법의 미흡 등으로 다

양한 제조 공정 기술개발이 진행되고 있다 세라믹 분말의 경우에는 일부 특수한

경우에만 상용화되고 있다 금속분말의 경우에는 한정된 종류의 금속만 생산이 가

능하여 계속적인 개발이 진행되고 있다

건식 기류충격식 분쇄기의 주요 제작업체는 일본의 Hosokawa 사와 독일의

Netzsch 이다 미국 일본 및 독일 등에 대부분의 같은 내용의 특허가 등록되어

있으며 일본과 독일에 의하여 등록된 특허의 구조적인 특징은 다음과 같다

1 일본 Hosokawa사의 수직형 기류충격식 분쇄기

건식 기류충격식 분쇄기의 대표적인 업체인 일본의 Hosokawa 사 분쇄기의 특징

은 3개의 초음속 분사노즐이 에어젯트밀의 중앙인 수직 평면상에 원호상 등간격인

120도 간격으로 원의 중심을 향하여 배열되어 있으며 분쇄기 내의 상부에 회전축

이 수평인 위치로 회전되는 원심형 분급기가 설치되어 있다(Fig 2)

분쇄기의 모델과 분쇄 대상 재료에 따라 분말의 크기가 01 - 10 의 범위에 있

Fig 2 일본 Hosokawa 사의 수직형 기류충격식 분쇄기의 내부

2 일본 Hosokawa 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(2)

Fig 3a ~ Fig 3c는 일본 Hosokawa 사의 등록특허이다 분쇄기와 분급기 구조에

관한 것이다 Fig 3a에 보인 원형 단면의 분쇄실 외주부에 Fig 3b와 같이 에어를

고압 분사하는 분사노즐이 다수개 배열되어 있어 재료 공급관으로 유입되는 재료

가 고압의 공기 분사에 의하여 분쇄된다 분쇄도니 미분은 상부 통로로 배출되며

조분은 Fig 3b 의 ldquo16rdquo 번 부위인 분쇄기 내벽을 따라 이동되다가 공기 노즐의

출구부 측면에 나있는 구멍으로 흡입되어 공기와 함께 분사되어 재분쇄가 된다

Fig 3a 일본 Hosokawa 사의 분쇄기 단면(일본 特開平 11-179228 1999)

Fig 3b 일본 Hosokawa사의 분쇄기 평면(일본 特開平 11-179228 1999)

Fig 3c 일본 Hosokawa사 분쇄노즐 단면(일본 特開平 11-179228 1999)

3 일본 미놀타 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(3)

Fig 4a ~ Fig 4c 는 일본 미놀타사의 등록특허이다 분쇄기와 분급기 구조로

Fig 2에 보인 Hosokawa 사의 수직형 분쇄기와 비슷한 구조이다 분쇄 효율을 높

이기 위하여 Fig 4c 에 보인 것과 같은 분쇄기 중앙부의 분사된 공기가 집중되는

위치에 삼각형 경사판을 배치하여 공기가 충돌한 후 분쇄기 상부로 향하게 되어

있다

Fig 4a 일본 미놀타사의 분쇄기 단면(일본 特開 2000-5621 2000)

Fig 4b 일본 미놀타사 분쇄기의 분사노즐 배열(일본 特開 2000-5621 2000)

Fig 4c 일본 미놀타사 분쇄기의 충격판(일본 特開 2000-5621 2000)

4 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(4)

Fig 5는 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 등록특허이다 분쇄기 내측

수평면상에 분사노즐이 서로 마주 보게 배열되어 있다 분급기의 회전 축이 분쇄기

의 중심축과 일치한 상태로 회전하여 수평면 상에서 원심력에 의하여 분급이 이루

어진다 분급된 미분은 분쇄기 상부의 통로로 배출된다

Fig 5 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 수평형 기류충격식

분쇄기(일본 特開 2002-35631 2002)

5 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(5)

Fig 6 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기 구조는 Fig 4 의 일본

미놀타사와 유사하다 수평면상에 분사노즐이 배열되어 있으며 분급기의 회전축도

수평으로 위치하고 있다

Fig 6 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(일본 特開 2003-88773

2003)

6 미국 Xerox사의 수평형 기류충격식 분쇄기와 노즐(6)

Fig 7a의 미국 Xerox사의 수평형 기류충격식 분쇄기 구조는 Fig 5의 일본

Hosokawa Alpine AGampCo OHG 사의 구조와 유사하다 분사노즐이 수평면상으로

배열되어 있으며 분급기의 회전축도 수평으로 위치하고 있다 분사노즐의 형상은

Fig 7b 에서와 같이 이중관 구조이다

Fig 7a 미국 Xerox 산의 수평형 기류충격식 분쇄기(일본 特開 2004-50179

2004)

Fig 7b 미국 Xerox 사의 이중관 분사노즐(일본 特開 2004-50179 2004)

7 독일 Netzsch사의 건식 기류충격식 분쇄기(7)

독일 Netzsch 사는 대표적인 기본 구조의 건식 기류충격식 분쇄기를 개발하여 가

공 용량이 다른 여러 가지 분쇄기에 유사한 구조를 적용하였으며 일본 Hosokawa

산의 분쇄기와는 전혀 상이한 구조이다 즉 3 개의 초음속 분사노즐이 기류충격식

분쇄기 하부의 수평 평면상에 원호상 등간격인 120 도 간격으로 원의 중심을 향하

여 배열되어 있으며 Fig 8 에서와 같이 수직 회전축을 갖는 원심형 분급기가 분

쇄기 상부에 설치되어 있다 분급기의 외형 모습은 Fig 9에 보인 것과 같으며 분

급 효율을 향상시킬 목적으로 분급기 단면이 회전 중심으로 향할수록 상하 공간이

넓어지는 ldquoConvor로 명명된 형상의 단면 모습으로 되어 있다(Fig 10)

Fig 8 독일 Netzsch 사 분쇄기의 내부 구조

Fig 9 독일 Netzsch 사의 분급기

Fig 10 독일 Netzsch 사 분급기의 단면 형상 ldquoConvor

8 독일 특허 공기 분사노즐(9)

독일 Netzsch 사의 분쇄기 관련 기술 컨설턴트인 Nied 가 고안한 분쇄용 분사노즐

의 구조에 대한 것이다 3 개의 공기 분사노즐이 기류충격식 분쇄기 하부의 수평

평면상에 원호상 등간격인 120도 간격으로 원의 중심을 향하여 배열되어 있다(Fig

11a) 분사노즐 중앙부의 구조는 단면이 수축-확산 형태로 노즐로 초음속의 고속

분사를 하면서 중심 노즐 주변에 중앙 분사부를 감싸는 이중 공기 분사관을 형성

하여 중앙의 분사노즐에서 분사되는 공기의 확산각이 커지지 않도록 공기 주위에

추가적인 보조 공기를 분사하는 구조이다(Fig 11b)

Fig 11a 독일 특허-분사노즐 배열과 분사 공기의 분포(EP 0 736328A1 1996)

Fig 11b 독일 특허-분사노즐 단면과 분사 공기의 분포(EP 0 736328A1 1996)

9 미국 특허 분쇄기 구조(10)

일본의 히데유끼 요시다 등 5 명이 미국에 출원한 특허로 분쇄 재료가 초음속으로

분출되는 공기 통로의 중간에서 공급되며 재료가 분쇄실로 이동된 후 충격판에 충

돌되어 분쇄되는 구조이다(Fig12) 분쇄된 분말의 크기는 10 수준이다

Fig 12 미국 특허-충돌식 분쇄기(USP 57657661998)

제 2 절 국내의 기술 현황

국내의 경우에는 초미분 분말 생산에 관한 개발 역사가 짧으며 연구소 대학 기업

등에서 다발적으로 연구가 진해오디고 있다 기계 전자 물리 재료 화학 등의 연

계된 연구가 필요하다 1996 년 과학기술부 및 산업자원부 등의 산업단을 중심으로

대형 연구가 수행되어 왔으나 주로 기상법에 의한 분말합성에 관한 것이다 1998

년도부터 한국기계연구원에서 200nm 급의 건식 분쇄 및 분급기에 대한 개발을 시

작으로 초미분 파우더 생산 장비에 관한 연구가 이루어지고 있다 초미분 분쇄 방

식은 본 기술지원 과제의 지원기업인 대가파우더시스템을 포함하여 습식 방식인

교반밀(agitated mill)을 주로 사용하며 입도의 크기는 5 이상 수십 크기의

범위이다 기류충격식 분쇄기의 기술 수준은 입도의 크기가 5 ~ 10 수준이다

기존의 습식분쇄기의 경우 평균 입도가 28 ~ 32로 Pb0를 대상으로 할 때 4

~ 6 kghr 정도를 생산할 수 있는 수준이다

국내에 등록되어 있는 건식 기류충격식 분쇄기와 관련된 특허의 출원인인 대부분이

일본업체이며 일본에 출원된 특허를 한국에 재출우너한 것이 대부분이다 미국과

벨기에가 각각 1 건씩 등록하고 있으며 한국인이 출원한 특허는 테크월드에서

출원한 3 건 등 모두 4 건이 검색되었다 마이크로급 이상의 파우더 생산장비에 대

한 국내의 기술 수준은 선진국 기술 수준의 약 70 수준이다 그나마도 설계 및

생산에 있어 거의 모방에 의존하고 있다 나노급 기술은 초보적인 상태이다

제 3 장 기술지원 수행 내용 및 결과

제 1 절 기술지원 수행

본 부품소재종합기술지원사업은 Fig13의 기술 개발 추진도에 따라 수행되었다

Fig 13 기술 개발 추진도

분쇄기의 전체 시스템 중에서 분쇄기와 분급기 이외의 기타 구성 모듈들에 대한 설

계 및 생산기술은 지원기업 대가파우더시스템이 기확보하고 있는 기술이 기술

지원의 주된 내용은 기류충격식 분쇄기의 핵심 부품이며 분쇄기의 성능을 좌우하는

초음속 공기 분사노즐과 분급기의 설계 기술에 관한 것이다 초음속 공기 분사노즐

의 단면 형상 공급 공기의 압력과 분사 공기의 속도 및 공기 소요량 산출을 위한

공기 분사노즐 설계와 분쇄기 내부의 내마모성 재료 선택 분급기 베인의 형상과

분급기로 유입되는 공기의 속도 분포를 균일하게 하여 원심력 작용으로 분말의 분

급 정밀도를 향상시켜 주기 위한 분급기의 내부 단면 형상 설계 미 ㅊ유입 공기 속

도 및 압력 분포에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 방법 등에 대한 체계적인 기술 지원이

수행되었다 향후 유사 모델 개발에 적용하여 새로운 제품을 개발할 수 있는 설계

능력을 확보하였다

1 분쇄기 시스템 구성도

본 기술지원을 통하여 개발하는 핵심 기술은 건식 기류충격식 분쇄기의 초음속 공

기 분사노즐과 분급기와 관련된 기술이다 분쇄기의 기본 구조는 독일의 Netzsch

사 제품과 유사한 구조로 되어 있으며 분쇄용 공기 분사노즐과 고정밀도의 분급기

설계기술을 자체 보유하는 데 주안점이 있다 개발 대상 분쇄기 시스템의 전체 구

성도는 Fig 14(7)에서와 같다 Fig 14에서 분쇄기 시스템은 ldquo진동공급기rdquo를 통하

여 공급되는 분쇄용 우너료를 ldquo건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기rdquo로 분쇄 및 분급

한 후에 cyclone을 거쳐 bag filter로 분말을 포집하는 시스템으로 구성되어 있

다 분말과 공기가 혼합된 기류는 각각의 단계로 이송하는 과정에서 double flap

valve로 이송이 조절되며 최종적으로 fan의 작동으로 공기가 배출된다

건식 기류충격식 분쇄기 본체를 구성하는 부품의 서브어셈블리는 각각 Chamber

Body Laval Nozzle Classifier Wheel 및 Bearing Block등으로 구성되어 있

다 주요한 설계 변수는 분쇄챔버의 직경과 높이 초음속 공기 분사노즐 설계 있어

서 라발 노즐(초음속 공기 분사노즐)의 모즐 목 내경과 배출부의 직경 및 축방향의

단면 형상 공기되는 공기의 압력 등이다 분급기 설계에 있어서의 주요 변소는 베

인의 단면 형상 베인의 수량과 배열 각도 분급기 내부 공동부의 단면 형상 분급

기에 유입되는 공기 속도와 분급기를 통과한 이후의 공기 압력 등이다

Fig 14 기류충격식 분쇄기의 시스템 구성도

2 소리의 속도

물체의 일부에 교란을 주면 개스 유체 및 고체의 압축성으로 인하여 물체를 통하

여 유한한 속도로 교란이 전파된다

음속은 물체의 압력과 밀도 변화와 관계되어 있으며 다음식으로 표현된다

여기서

음속 압력변화 밀도 변화

체적탄성계수는 다음과 같이 표현된다

여기서

체적탄성계수 압력변화 체적변화 초기체적

체적탄성계수는 식 (3)으로도 표현된다

여기서

물체의밀도변화 물체의초기밀도

개스 유체 고체 내에서의 음속은 다음식과 같다

여기서

체적탄성계수

개스에서의 소리 속도는 아주 작은 한 점에서 교란이 일어나는 관계로 열전달을 무

시할 수가 있으며 또한 등온 상태로 가정할 수가 있다 이상 기체에서의 소리 속도

는 절대 온도의 근에 비례하며 다음식으로 표현된다

여기서

k = 비열비 (adiabatic index)

p = 압력 (Pa psi)

R = 개스 상수

T = 절대 온도 (degK degR)

앞의 식 (4)와 식 (5)로부터

식 (6)으로부터 체적탄성게수 E를 구할 수가 있다

( 예 1 ) 공기의 체적탄성계구 산출

k = 14 R = 287 (JK kg) at T=293K( 20 ) p=1204(kgm3)

Eair = k R T p=14X287X293X1204=14174379((Jm3)

Eair = 14174379(Nm2)

( 예 2 ) 염소(C12)의 체적탄성계수 산출

k = 134 R = 120 (JK kg) at T=293K(20) p=2994(kgm3)

Ec12 = k R T p=134X120X293X1994=14106051((Jm3)

Ec12 = 14106051(Nm2)

( 예 3 ) 0 1 bar 공기에서의 소리 속도

c = (14x287x273)12

= 3312 (ms)

여기서

k = 14

R = 287 (JK kg)

( 예 4 ) 20 1bar 공기에서의 소리 속도 산출

c = (14X287X293)12

= 3431 (ms)

( 예 5 ) 0 물속에서의 소리 속도 산출

여기서

3 공기 분사노즐에서의 유동식

개스역학에서 공기의 속도가 sim 이상으로 빠르거나 압력의 변화가

보다 큰 경우에는 압축성 흐름으로 취급한다 이러한 현상은 노즐에서

개스가 팽창하는 경우에 발생된다

정상유동에서의 에너지 평형 상태는 다음식으로 표현된다

여기서 엔탈피는

이며 엔탈피 ∆의 변화는 내부에너지 ∆에 외부로 또는 외부로부터의 체적에

의한 일 ∙∆의 합과 같다

내부에너지의 변호가 없고 밀도가 일정하다고 가정하면 즉 ∆ 인

경우에는 비압축성유동의 베르누이 방정식이 된다 반면에 위치네어지의 변화가 없

는 경우 ∆ 에는 상대적으로 밀도가 낮은 압축성 유체인 ldquo개스rdquo의 상태를

나타낸다 ldquo개스역학rdquo 이라는 자체가 의미하듯이 해석에 있어 고압 및 개스의 속도

가 포함되며 내부에너지의 변화 ∆를 무시할 수가 없다 이러한 의미에서 식 (7)

은 다음과 같이 된다

이상개스 방정식에서

이며 식 (12)를 식(9)에 대입하면 다음과 같이 된다

식 (13)에 에너지 보존법칙을 적용하면 노즐에서 분사되는 개스의 속도를 구할 수

있다

개스의 초기 속도가 인 경우에는

가역 단열 흐름에 있어서는 다음 3개의 식을 적용할 수가 있다

식 (16) ~ 식 (18)을 식 (15)에 대입하면 노즐에서 분출되는 개스의 속도가 구해

진다

노즐을 통과하는 질량의 흐름 식

밀도의 비로부터

다음과 같이 노즐을 통과하는 질량을 구한다

다음의 식 (23)을 식 (22)에 대입하여

식 (24)를 구한다

여기에서

을 ldquo탈출 계수(escape coefficient)rdquo 라고 한다

식 (25)를 사용하여 식 (24)를 다시 표현하면 다음의 간략식이 된다

탈출 계수 는 압축비 의 값이 다음과 같은 값일 때

임계 압축비 또는 라발 압축비로 표현되는 다음 크기의 최대값을 갖는다

음속은 노즐의 단면적이 제일 작은 부분에서 임계 압축비에 도달한다

max는 테이퍼가 일정한 실린더 형상의 노즐에 적용된다 식 (26)에 의하여

ㆍ 가 되며 는 일정한 테이퍼의 노즐에서만 증가할 수 있다 만약 압

축비 가 임계비 이하이면 max이므로 노즐을 통과하는 질량의 흐름은 일정

하다 이것은 질량의 흐름이 외부의 압력에 영향을 받지 않는다는 것을 의미한다

질량의 흐름에 의한 일은 다음의 식 (30)으로부터 구해진다

압축성 유체의 단열 팽창시에 수행된 일은 식 (19)와 식 (30)로부터 다음과 같이

산출된다

아래의 Fig 15 는 수축확산 노즐의 단면 모습이며(11) Fig 16 은 수축확산 노즐에

서의 압력 온도 속도 변화를 나타낸 것이다(8)

Fig 15 수축확산 노즐(Laval Nozzle)

Fig 16 수축확산 노즐에서의 압력 온도 속도 변화

압축성 유체의 흐름에 있어서 임계 속도 이후에 노즐의 단면이 서서히 확대되면

열에너지가 유동에너지로 변환되면서 온도는 낮아지고 흐름이 증가된다

앞의 식 (27)을 참조할 때 Fig 16 의 수축확산 노즐의 단면적이 가장 작은 임계

압축비 에서 음속에 도달한다 이 것은 질량 흐름에 식 (26)이 계속적으로 유

효하다는 것을 의미한다 수축확산 노즐 출구에서의 온도는 다음과 같은 관계가 된

노즐 확산부의 치수는 다음식으로부터 구해지며

개스 상수 등은 계수 개스 유입 온도 노즐 목의 직경 압축비 등의

변수로부터 노즐 출구에서의 개스 속도와 온도를 구할 수가 있다 공기 흐름 해석

대상 노즐 각부에 대한 부호는 Fig17에서와 같다

Fig 17 수축확산 노즐의 각부 부호

실제 수축확산 노즐을 설계하는 데 있어서는 노즐에서 발생될 수 있는 압축파 발생

을 억제하기 위하여 노즐 출구의 치수를 설계값보다 약간 작게 한다 즉 Fig 17에

서의 노즐의 확산각 가 를 넘지 않아야 하며 최대 이내여야 한다

4 공기 분사노즐의 흐름 특성 계산

앞의 ldquo3 초음속 공기 분사노즐에서의 공기의 흐름rdquo에서 유도된 식들을 이용하여

ldquoMathcad 13 프로그램(12)으로 설계 대상 분쇄기에 적용되는 공기 분사노즐의 단

면 치수 유입 공기량 노즐 출구에서의 공기 속도 소요 동력 등을 산출하였다

우선 단위와 공기의 상수를 정리하면

kilo=1000 TK =273 hoursec =3600 k = 14

ㆍsecㆍ

ㆍsecㆍ

ㆍsec

ㆍsec

예를 들어 tan tan tan tan

해석 조건이 다음과 같으면 tank pressure=700kPa Ttank=70 exit

pressure=100kPa

단위 (mm) throat diameter=50 length 150 outlet diameter=70 diffusion

angle α=38deg

d = 0007 pe = 100kilo po = 7pe Ttank =7C

To = TK+Ttank To=343 (K)

times

sec

Air_massflow1N_hour =Air_masflow1N_sechoursec

Air_massflow1N_hour = 133024 (kghrper 1 nozzle)

Air_massflow3N_hour = Air_massflow 1N_hour3

Air_massflow 3N_hour = 399071 (kghrper 3 nozzles)

Imsec)

sec

timesorsec timesorsec

(kgm3)

sec

sec sec

공기분사 노즐 목의 직경이 50mm 출구 직경이 70mm 노즐 목에서 노즐 출구까

지의 길이가 150mm로 공기 분사노즐의 환산각 도인 공기 분사노즐이 3

개 장착되어 있으며 탱크내의 공기가 압력 7bar 와 70 를 유지하면서 계속적으

로 노즐을 통하여 공급되며 또한 분쇄 챔버 내의 압력이 1bar 로 유지되는 경우의

공기 분사노즐의 유동 특성 계산 결과를 종합 정리하면 다음과 같다

- 노즐 출구에서의 공기 최대 속도 542151msec

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 무게 399071kghr

(노즐 하나에 00369kgsec)

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 부피 225333m3hr(0063m3sec)

- 소요 동력 16291kWhhr

5 수축확산 공기 분사노즐의 유동 해석

공기 분사노즐을 3D 모델링 프로그램 SolidWorks(13)로 모델링하여 열유체 해석

을 위한 유한요소해석 프로그램 COSMOSFlwWorks(14)로 공기 분사노즐 내의 유

동 해석을 수행하였다 해석 대상 공기 분사노즐 단면의 형상과 각부의 치수는

Fig18에서와 같다

Fig 18 수축확산 노즐 유동 해석 모델의 단면

해석시에 적용된 변수값들은 앞의 ldquo4 초음속 공기 분사노즐의 분사 특성 계산rdquo에

서 산출된 값을 적용하였다 노즐의 확산부위 길이는 15mm 이며 분사노즐의 확산

각은 도이다 노즐 하나에 대하여 Fig 18 의 왼쪽면에서 00369 kgsec

의 공기가 유입되며 오른쪽 분사노즐 출구면에 12bar 의 압력을 적용하였다 분사

노즐의 유동 해석 결과의 여러 가지 특성값 중에서 본 설계에서의 주요 관심사가

공기의 배출 속도인 관계로 Fig 19에 흐름의 속도 분포 Fig 20에 흐름의 마하넘

버 분포를 나타내었다 초음속 흐름에 대한 해석으로 분사노즐 목에서의 공기속도

가 약 335msec(마하 1)이 되며 노즐 출구에서 최대속도가 된다 Fig 21은 수축

확산 노즐에 대한 공기의 속도 분포 해석 결과를 반영하여 공기 분사노즐을 모델링

한 것이다

Fig 19 수축확산 노즐의 공기 흐름 속도 분포

Fig 20 수축확산 노즐의 공기 흐름 마하넘버 분포

Fig 21 수축확산 노즐 모델

6 분급 이론

분급(分級 classification)이란 유체력을 이용해서 분립체를 그 입자 지름의 크기에

따라 분리하는 것으로 넓은 뜻으로는 유체력에 의한 분리만이 아니라 체가름을 포

함하는 경우가 있다 더 넓게는 비중선별ㆍ자기력선별 등 모든 입자분리조작을 분

급이라고 한다 공기ㆍ물 등의 유체 속에서 운동하는 분립체의 각 입자에는 중력

또는 원심력 이외에 유체에 의한 유체항력 등이 함께 작용된다 이 힘 즉 유체항력

은 입자 지름에 의존하는 데 유체항력과 입자 지름의 관계는 중력이나 원심력과

입자 지름의 관계와는 다르기 때문에 이 둘 사이의 균형 조건이 입자 지름에 의해

좌우된다 좁은 뜻의 분급은 이 원리를 이용한 입경분리조작을 의미한다 중력장에

서 등속 침강하는 구 형상의 입자에 대한 힘의 균형은 다음 식으로 표현된다

여기서 은 입자 질량 prime는 입자에 의해 배제된 유체 질량 g는 중력가속도 R

은 는 유체항력을 나타낸다 유체항력 R은 다음 식으로 나타낼 수 있다

여기서 는 저항계수 (drag coefficient)로 입자 주위의 유체의 상대적인 흐름의

상태에 따라 결정되는 무차원 계수이다 는 유체의 밀도 는 입자의 침강속도

는 입자의 지름이며 는 입자의 투영 최대 면적이다 물 또는 공기 속에서 입

자의 지름이 100 이하 입자의 밀도가 3gcm2이하의 조건에서는 입자 주위의 흐

름은 거의 충류로 간주되며 이때 R은 다음 식으로 나타내진다

여기서 는 유체의 점성도이다

prime

이므로 식 (36)을 식 (34)에 대입하면 식 (37)을 얻는다

여기서 는 입자 밀도이며 식 (37)을 스토크스의 침강속도식이라고 하며 분급에서

분리입자 지름을 구하기 위한 기본식으로 중요하다

식 (37)은 다음

과 같이도 표현된다

유체가 공기나 그 외의 기체인 경우의 분급 조작을 건식 분급(또는 공기 분급) 물

이나 그 외의 액체인 경우의 분급 조작을 습식 분급이라 한다 앞에 언급된 기본식

들 이외에 어떤 종류의 분급장치에서는 유체의 흐름 방향이 급격히 변화할 때 흐름

에 따라 운동하는 입자의 관성력의 효과가 중요한 역할을 한다

분급에 사용하는 장치를 분급기(classifier)라고 한다 건식분급기에는 관성력을 이

용하는 것 중력침강을 이용하는 것 원심력을 이용하는 것 등이 있다 관성력을 이

용하는 건식분급기에는 루버식분급기 버추얼임팩터 엘보제트형분급기 등이 있는

데 건식분급기로는 원심력을 이용한 것이 가장 널리 사용되고 있다 원심력을 이용

한 건식분급기로는 분급 입도가 30~100 정도의 비교적 굵은 입도에서의 대량 처

리로 옛날부터 알려진 스튜어트밴트형 등이 있으며 또한 몇 ~30의 분급이 가

능한 여러 분급기가 개발되어 널리 쓰이게 되었다 또한 사이클론도 미립(微粒)에서

조립(組立)에 이르는 분체(粉體)의 건식분급에 이용된다 습식분급기에는 중력식과

원심력식이 있으며 중력식은 상승 수류(水流)와 유동층을 이용한 수력분급기 원뿔

형 또는 각뿔형 용기에서의 중력침강을 이용한 세틀링탱크 등의 침강분급조 완만

하게 경사진 직사각형의 조(槽)로부터 침하한 조립 생산물을 긁어올리기 위한 레이

크나 스파이럴을 갖춘 기계분급기 등으로 분류된다 원심력을 이용한 습식분급기로

는 사이클론 또는 하이드로사이클론이 가장 대표적이며 솔리드볼형ㆍ디스크형 등

의 원심분리기도 미립자용 분급기로 사용된다

Fig 22는 베인 구조의 원심형 분급기의 회전 단면 모습이다

Fig22베인 구조의 원심형 분급기의 단면

Fig 22에서 H는 분급기 내부 상하면 사이의 간격이며 는 선별된 미분이 배출되

는 반경 는 베인의 내반경 는 베인의 외반경을 나타낸다

분체 주위의 공기 흐름이 층류 흐름이라는 조건하에서 베인 구조의 원심형 분급기

에의 컷포인트(utpoint)를 결정짓는 외주부의 반경 은 다음과 같다

또한 선별된 미분이 배출되는 반경은 다음과 같다

베인 사이에서도 고체의 회전법칙이 적용된다 베인의 외주 반경에서 속도의 원주

방향 성분 과 중심방향 성분 가 가장 큰 영향을 준다

식 (41)과 식 (42)를 식 (38)에 대입하여 정리하면 다음과 같다

독일 Netzsch 사에서는 베인의 내반경 에서 선별된 미분이 배출되는 반경 까

지의 반경 방향의 공기 속도 성분 을 질정하게 해 주기 위하여 Fig 10에 보인

ldquoConvorrdquo라고 불리우는 단면의 분급기를 개발하여 사용화하고 있다

7 분급기 설계와 유동 해석

분급기의 베인 사이로 분쇄된 미분과 공기가 함께 유입되어 중앙부의 배출구로 통

과하는 분급기의 내부 형상을 설계하기에 앞서 분급기 내부를 구성하는 상면이 평

평한 구조의 분급기에 대한 유동해석을 실시하여 공기의 속도 분포를 검토하였다

해석 대상 분급기의 외경은 205mm이며 밑면 중앙에 공기 배출을 위하여 직경이

90mm인 원형 구멍이 뚫려 있다 분급기 외주에는 단면이 원호의 일부로 만들어진

두깨가 2mm 넓이가 18mm 길이가 35mm인 베인이 매 60도마다 10개씩 등간격

으로 모두 60개가 베인의 코드 방향과 분급기의 반경 방향이 이루는 각도가 약 15

도가 되도록 경사지게 설치되어 있다 원주 방향으로 매 60도마다 길이 35mm 직

경 8mm인 원형봉 6개가 등간격으로 배열되어 상ㆍ사 카버 사이에 베인을 고정시

켜 조립되는 구조이다 해석 대상 분급기에 사용된 베인의 단면과 베인의 배열 및

분급기 상ㆍ하면을 고정하는 봉이 포함된 수평면상의 평면도를 Fig 23에 나타내었

다 Fig 24는 분급기의 상면 형상이 평평한 구조인 경우에 대한 분급기의 수직단

면도이다

분급기에 유입되는 공기는 온도 50 유입량 01m3sec 분급기를 통과한 후에

배출되는 공간의 압력은 12bar이며 분급기의 회전속도는 8000rpm(838radsec)

이다 분급기에 발생되는 원심력의 절대적인 크기는 재료의 밀도와 분급하고자 하

는 분말의 크기에 따라 분급기의 회전수를 변화시켜서 조절한다 SolidWorks 및

COSMOSFloWorks 프로그램으로 분급기의 공기 유동해석을 실시하였다 해석시의

변수 입력 항목 및 해석 과정을 ldquo부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 유동해석 절

차rdquo에 정리하였다

Fig 23 베인과 상ㆍ하면 고정 원형봉의 평면 단면도

Fig24 분급기 상면이 평면인 경우의 수직단면도

공기 유동해석 결과를 Fig25~Fig27에 나타내었다 Fig25는 베인의 중간 높이에

서의 수평 단면에서의 공기 속도 분포이다 Fig26은 베인이 위치한 부위에서의수

직단면 Fig 27은 상ㆍ하면을 고정시켜 주는 원형봉이 있는 부위의 수직단면에 분

포하는 공기의 유입 속도 해석 결과를 나타낸 것이다

Fig 25 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig 26 베인 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig27 연결봉 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig15~Fig27의 공기 속도 등고선을 보면 베인 외주부의 상하 위치에 있어서 공

기의속도가 불균일한 분포를 보인다 베인의 분급기 내부 공간에서는 같은 반경인

위치에서 윗부분에서의 공기 속도가 아랫부분에서보다 빠르게 분포하고 있다 베인

의 높이 방향 상ㆍ하 위치에 따른 이러한 유입 속도의 편차는 분급기 외주의 실린

더 면으로부터 유입되는 공기가 분급기 중앙의 밑 방향으로만 배출되는 유동 통로

의 구조 때문으로 판단되낟 따라서 같은 반경의 같은 원심력이 발생되는 위치에

있어서도 윗부분에서의 공기 유입속도가 밑부분에서보다 크게 분포되어 윗부분에서

는 밑부분에서보다 큰 분말이 분급기 안으로 유입된다 지정된 크기의 컷오프보다

큰 분말과 작은 분말이 혼합된 상태로 배출되는 관계로 분급이 정밀도가 저하된다

베인의 상ㆍ하 위치에 무관하게 공기의 유입 속도를 가급적 균일하게 해 주기 위한

목적으로 분급기 내부의 단면 형상을 Fig28과 같은 인볼류트-컨볼류트

(involute-convolute) 단면으로 구성하여 공기의 유동해석을 실시하였다

Fig 28 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기

Fig29는 베인의 중간 높이 수평단면 상에서의 공기 속도 분포이다 Fig25에 비하

여 베인의 외주 부위에서의 공기의 속도가 균일하게 분포되고 있음을 보여 준다

Fig29 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig 30은 베인이 위치한 부위에서의 수직 단면 Fig31은 상ㆍ하면을 고정시켜 주

는 원평봉이 있는 부위에서의 수직 단면에 분포하는 공기 속도 분포이다 Fig30과

Fig31은 각각 Fig25와 Fig26에 비하여 베인의 높이 방향 전체에 걸쳐 공기의 유

입 속도가 상당히 균일하게 분포되는 것을 보여 주고 있다

Fig 30 베인 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig31 연결봉 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig32는 분급기 내부의 공간 형상이 인볼류트-컨볼류트인 분급기의 설계 모델이

Fig32 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 모델

Fig33은 앞의 수축확산 공기 분사노즐(Fig20)과 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급

기(fig32)로 구성된 건식 기류충격식 분쇄기의 3D모델이다 중요 부품의 도면은

ldquo부록 9 설계 도면rdquo에 수록하였다

Fig33 건식 기류충격식 분쇄기의 3D 모델

8 시작품 제작

수축확산 공기 분사노즐의 유동해석 및 분급기의 유동해석 결과를 바탕으로 시작품

을 제작하였다 Fig34는 수축확산 공기 분사노즐 헤드의 시작품 모습이다

Fig 34 수축확산 공기 분사노즐 헤드 시작품

Fig35는 분급기의 시작품 모습이다 분급기의 베인은 분체와 마찰시 내마모성을

갖도록 SUS 재질로 곡면 성형한 후 세라믹으로 코팅하여 제작하였다

Fig35 분급기 시작품

Fig 36은 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 수축확산 공기 분사

노즐 및 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 등이 분쇄기의 내부에 장착되어 있다

Fig36 건식 기류충격식 분쇄기 시작품

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기와 관련된 국외 특허 자료 조사와 분석 공기의

유동해석에 있어 많은 일정이 소요되었다 기술지원 추진일정을 Table1에 정리하

였다

Table 4 추진 일정

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 13: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

3 20070306 設計者に必要な材料の기 전문서적

4 20070306 設計者のたぬの モーメソト 전문서적

5 20070306 すべリ軸受資料集 전문서적

6 20061109Flow Mechanics and Thermodynamics in

Mechanical Processing전문서적

7 20061109NETZSCH-CONDUX Fludized Bed Jet Mill 제품

홍보자료

제품

홍보자료

8 20060907 Assembly Modeling with SolidWorks 20042005 전문서적

9 20060907 SolidWorks 2005 Tutorial and MultiMedia CD 전문서적

10 20070601Engineering Analysis with COSMOSWorks

Professional 2007전문서적

11 20070205 COSMOSMotion 전문서적

12 20061116 FLUENT 60 Tutorial Guide 전문서적

13 20070213 FLUENT 60 Users Guide 전문서적

14 20070213 Fundamentals of Fluid Mechanics 전문서적

4 시제품제작 1 건

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20070715 기류충격식 분쇄기 DGJMV-350 시작품

5 시험분석 3건

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20070627 입도 측정 histogram 1 부록 10

2 20070627 입도 측정 histogram 2 부록 10

3 20070627 입도 측정 histogram 3 부록 10

6 기술지원실적 업로드 건

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

목 차

제 1 장 사업의 개요

제 1 절 기술지원 필요성

제 2 절 기술지원 목표

제 3 절 기술지원 내용

제 2 장 국내ㆍ외 기술 현황

제 1 절 세계의 기술 현황

1 일본 Hosokawa 사의 수직형 기류충격식 분쇄기

2 일본 Hosokawa 사의 수평형 기류충격식 분쇄기

3 일본 미놀타 사의 수평형 기류충격식 분쇄기

4 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의

수평형 기류충격식 분쇄기

5 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기

6 미국 Xerox 사의 수평형 기류충격식 분쇄기와 노즐

7 독일 Netzsch 사의 건식 기류충격식 분쇄기

8 독일 특허 공기 분사노즐

9 미국 특허 분쇄기 구조

제 2 절 국내의 기술 현황

제 3 장 기술지원 수행 내용 및 결과

제 1 절 기술지원 수행

1 분쇄기 시스템 구성도

2 소리의 속도

3 공기 분사노즐에서의 유동식

4 공기 분사노즐의 흐름 특성 계산

5 수축확산 공기 분사노즐의 유동 해석

6 분급 이론

7 분급기 설계와 유동 해석

8 시작품 제작

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

2 기술지원 추진체계

3 연구기자재 활용

4 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

6 입도 측정

7 지적재산권 출원

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

제 6 장 참고문헌

부록 1 분쇄기 관련 한국 특허 13건 목록

부록 2 분쇄기 관련 일본 특허 16건 목록

부록 3 분쇄기 관련 미국 특허 23건 목록

부록 4 분쇄기 관련 유럽 특허 4건 목록

부록 5 분급기 관련 미국 특허 17건 목록

부록 6 기술지원 관련 전시회 참석

부록 7 개스의 비열값 개스 상수 밀도

부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 분급기 유동해석

부록 9 설계 도면

부록 10 입도측정 histogram

제 1 장 사업의 개요

분쇄는 재료에 외력을 가하여 작은 크기로 세분화하고 표면적을 증가시키는 기계적

인 조작이다 목적하는 파쇄물 입자의 크기에 따라 조쇄(粗碎) 중쇄(中碎) 분쇄(粉

碎) 미분쇄(微粉碎) 초미분쇄(超微粉碎)로 구분된다 분쇄시 작용되는 응력은 압축

력 충격력 전단력 마찰력 절단력 등이 있으며 단독의 힘이 작용되는 경우는 드

물고 분쇄 대상 재료에 여러 가지 힘임 복합력으로 동시에 작용되어 분쇄기 이루어

진다(1)

분쇄기는 분쇄 입도의 크기에 따라 다음과 같이 분류한다

(1) 조분쇄기 1500mm~100mmrarr500mm~25mm (분쇄비 4~3)

(2) 중분쇄기 500mm~6mmrarr50mm~1mm (분쇄비 7~5)

(3) 미분쇄기 125mm~1mmrarr2mmrarr01mm (분쇄비 20~10)

(4) 초미분쇄기 6mm~01mmrarr01mm~001mm (분쇄비 50~10)

분쇄기의 분쇄 방법에 의한 종류는 다음과 같다

(1) 볼밀(ball mill)

원통 속에 재료와 함께 강으로 만든 볼 즉 강구를 여러 개 넣은 후 함께 회전시켜

강구운동에 의한 충격으로 재료를 분쇄하는 장치이다 볼에는 주철 칠주물 플린트

석 천연석 등 원료에 따라 여러 가지가 있다 통의 길이는 통의 지름을 초과하지

않는 것이 표준형이지만 지름의 수 배 이상으로 긴 형의 튜브밀 그 중간인 콤파운

드밀(compound mill) 다양한 종류도 있다 원통의 내면은 특수강 또는 니켈판으로

내장한다 최종적인 미분을 만들 때 사용되며 도토(陶土) 염료 드의 처비분인 경

우에는 건식으로 사용되며 용도가 매우 넓다

(2) 로드밀(rod mill)

기체 내면의 길이보다 약간 짧은 강봉을 분쇄매체로 사용하는 회전식 분쇄기이다

거친 입자부터 선택적으로 분쇄하며 입도(粒度)가 비교적 가지런한 분쇄산물을 얻

을 수 있는 특징이 있다 단독으로 사용되는 외에 불밀에 의한 분쇄의 예비분쇄기

로서도 종종 사용된다

(3) 롤러밀(roller mill)

볼밀과 같은 원리의 분쇄기로 시멘트원료를 분쇄할 때나 석탄을 분쇄할 때 사용된

다 분쇄기 중에 롤러나 볼을 이용한 것을 링롤러밀이라고도 한다

(4) 조크러셔(jaw crusher)

전ㆍ후로 조금씩 진동하는 강철제의 철판과 이와 마주 보는 고정판 시이에 수 cm

에서 1m 정도의 암석 등의 덩어리를 물려 넣고 짓씹어 부수게 하는 구조로 되어

있다

(5) 임팩트 크러셔(impact crusher)

매초 원주 속도가 수십 m로 고속회전하는 원통에 장치된 충격판에 의해 분쇄하는

장치이다 골재 정형에 널리 쓰인다

(6) 휠러밀(wheeler mill)

tn 이하의 미분쇄를 필요로 하는 분야에서 널리 사용된다 소위 유체에너지밀의

일종으로 고압기체를 불어 넣음으로써 입자를 기계의 벽이나 또는 다른 입자에 충

돌시 켜서 분쇄하는 장치이다 기체가 길쭉한 도넛형의 통내를 입자와 함께 환류하

고 미세하게 된 입자만이 배기와 함께 기외로 배출되는 구조로 되어 있다

(7) 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)

노즐로 높은 압력의 공기 또는 질소를 초음속으로 분사시켜 분말 상호 간의 충돌로

초미립 크기로 분쇄되며 분급 휠(classifier wheel)의 속도 변환과 베인과의 간격에

의해 미립자의 크기를 조절하여 분급하는 방식이다 노즐의 크기 배열 상태 및 공

기 흐름의 조절로 효율성을 크게 증가시킬 수 있으며 동시에 분쇄기의 마모와 제품

의 순도 최적화를 유지할 수 있다 입도의 크기는 01 ~ 10의 범위에 있다

이외에도 큰크러셔(cone crusher) 압축력에 의한 자이러토리크러셔(gyratory

crusher)가 있고 충격력에 의한 해머밀(hammer mill) 케이지밀(cage mill) 유체에

너지밀 전단력에 의한 분쇄기 등이 있으며 마쇄력에 의한 자생분쇄밀과 진동밀

유성밀 교반밀이 있다

최근 들어 소재산업이 정밀화되고 고기능화 함에 따라 카본블랙 TiO2 PbO ZnO

SiO2등의 안료 세라믹 자기재료 맥반석 황토 슬래그 운모 흑연 탄화규소 탄

산칼슘 등을 미크론(μ) 크기 또는 서브미크론 크기의 분말로 분쇄하는 정밀 분쇄기

수요가 증대하고 있다

Fig 1 은 습식 분쇄기의 종류와 입도 범위의 관계를 나타낸 것이다 Fig 1 밑부분

의 화살표는 본 부품소재종합기술지원사업 수행으로 개발하고자 하는 분말의 크기

범위를 표시한 것이다

Fig 1 습식분쇄기의 입도 범위(독일 Buehler사)

제 1 절 기술지원 필요성

대가파우더시스템은 1970 년도에 창립하여 현재에 이르기까지 산업용 분쇄기 집

진기 건조기 기체여과기 액체여과기 폐수처리장치 등의 전문생산업체이다 최근

들어 소재산업이 정밀화되고 고기능화 함에 따라 분쇄기의 성능 향상이 요구되고

있다 최근에는 수십 nm 이하의 초분체 카본블랙 TiO2 ZnO SiO2 등의 안료 세

라믹 자기재료 등의 각종 소재의 입도 정밀화가 실현되고 있다 초분체기기 및 요

소 부품의 국내 수요는 독일의 DRAIS 일본의 KOTOBUKI 사 DYNO 사 등의 선진

메이커 제품을 수입하여 사용하고 있다 건식 기류충격식 분쇄기에 대한 국내 설계

기술 부족으로 외국에서 수입되고 있는 제품의 가격이 고가이어도 경쟁할 수 있는

제품을 개발하지 못하고 있는 어려운 상황이다

대가파우더시스템은 최근 습식 방법의 초미립 분쇄기를 개발하여 시험 중에 있으

며 압축공기를 이용한 기류충격식 분쇄기 개발에 있어서 분쇄부와 분급부의 기초

이론 구성 부품 설계 재질 선정 분쇄기 구조에 대하여 유한요소법으로 유동해석

을 하는 시뮬레이션 기술력 확보에 어려움을 겪고 있다 초미립 분쇄(ultra-fine

pulverization)를 위한 기류 분사노즐(compressed air nozzle supersonic air

nozzle)의 단면 형상 설계와 분쇄에 요구되는 유량 산출 분급기(classifier)의 크기

과 공기 유동부의 내부 형상 베인의 형상과 수량 베인의 간격 배열 위치 및 분급

기 회전수 등에 대한 설계 변수 등에 있어서 애로를 겪고 있으며 기술력 향상을

위하여 외부 전문가의 기술지원이 요청되고 있다

건식 기류충격식 분쇄기 설계의 핵심 기술을 지원하여 건식 기류충격식 분쇄기의

국내 업체의 자체 설계 능력 확보가 요구되낟 본 부품소재종합기술지원사업을 통

하여 초미립 분쇄기와 관련된 국내ㆍ외 특허 자료 기술문헌 및 분쇄부와 분급부의

기초 이론 관련 자료 조사와 제공 초미립 입자를 생산하기 위한 건식 분쇄기의 구

조 설계 기술 지원 유량에 따른 기류충격식 분쇄 노즐의 설계 변수 컴퓨터를 이용

한 3 차원 모델링에 의한 설계 유한요소법에 의한 기체의 유동 해석 기술 지원이

필요한다

제 2 절 기술지원 목표

기술지원의 초종 목표는 지원기업 대가파우더시스템가 분쇄 입도의 평균직경 18

~ 20 인 초미립 파우더를 생산하기 위한 기류충격식 분쇄기 설계와 생산에 대

한 기술 확보이다 공기 분사 방식의 분쇄 노즐 형상 분급부의 구조 설계 및 작동

에 대한 기초를 체계적으로 정립하며 분쇄기 구성 부품의 재질 선정 3D 모델링에

의한 분쇄기 시스템 설계와 유한요소볍에 의한 공기 유동장 해석 결과를 바탕으로

시작품을 제작하며 향후 유사 모델에 대한 자체적인 설계 및 새산 능력을 확보하

는 것이다

제 3 절 기술지원 내용

1 건식 기류충격식 분쇄기의 국내ㆍ외 특허 자료 기술문헌 및 기술정보 조사 지

원으로 초미립분쇄기의 기초 이론 구조 기능 정립 초음속 분사노즐 단면 형상

설계 자료로 활용

2 3D 모델링에 의한 설계 기술 지원으로 설계 오류를 사전에 방지

3 초음속 분쇄 노즐의 형상 설계와 유동 특성 해석 기술

4 분급부의 내부 구조 베인의 형상과 배열 및 수량 결정 유한요소법에 의한 분급

기의 유동 해석 기술 지원으로 분급 입도의 안정화 분급기 설계 및 제작

5 분쇄부와 분급기의 재질 선정 지원으로 생산가 관리 및 내구성 확보

Table 1 기술지원 목표 및 내용

제 2 장 국내ㆍ외 기술 현황

건식 분쇄 기술로 크기가 1 이하의 작은 입자를 생산하는 것은 어려운 기술로

분체기술의 장벽이라고 일컬어진다 각종 소재를 성분 변화없이 100nm 이하의 크

기로 극미세 분쇄하는 기술은 미래 산업을 이끌어갈 핵심분야로 국가간 연구개발

경쟁이 치열한 기술이다

제 1 절 세계의 기술 현황

나노급의 미세 파우더는 1980 년대초 독일의 칼스루헤연구소 등에서 시작되어

1990년대에 들어서 100nm 이하의 제조합성에 관한 연구가 본격화되었다 일본의

경우에는 과학기술청의 창조과학기술 추진과 통산성의 차세대산업기반기술 분야로

선정되어 주목을 받고 있다 초미분을 생산하기 위한 양산 장비 및 요소 부품에 대

한 선진국의 기술은 독일의 DRAIS사(습식) NETZSCH사(건식) 일본의 Kotobuki사

(습식) DYNO사(습식) Hosokawa 사(습식 건식) 등의 선진메이커에서 제품이 개

발되어 판매되고 있다 또한 나노 파우더 생산업체로는 일본의 Kako 사 미국의

Whittaker 사 Dow Chemical 사 Dupont사 및 독일의 Degusa사 등이 있다 현재

까지는 나노급 파우더 제조 공정의 불안정 및 복잡성 평가 방법의 미흡 등으로 다

양한 제조 공정 기술개발이 진행되고 있다 세라믹 분말의 경우에는 일부 특수한

경우에만 상용화되고 있다 금속분말의 경우에는 한정된 종류의 금속만 생산이 가

능하여 계속적인 개발이 진행되고 있다

건식 기류충격식 분쇄기의 주요 제작업체는 일본의 Hosokawa 사와 독일의

Netzsch 이다 미국 일본 및 독일 등에 대부분의 같은 내용의 특허가 등록되어

있으며 일본과 독일에 의하여 등록된 특허의 구조적인 특징은 다음과 같다

1 일본 Hosokawa사의 수직형 기류충격식 분쇄기

건식 기류충격식 분쇄기의 대표적인 업체인 일본의 Hosokawa 사 분쇄기의 특징

은 3개의 초음속 분사노즐이 에어젯트밀의 중앙인 수직 평면상에 원호상 등간격인

120도 간격으로 원의 중심을 향하여 배열되어 있으며 분쇄기 내의 상부에 회전축

이 수평인 위치로 회전되는 원심형 분급기가 설치되어 있다(Fig 2)

분쇄기의 모델과 분쇄 대상 재료에 따라 분말의 크기가 01 - 10 의 범위에 있

Fig 2 일본 Hosokawa 사의 수직형 기류충격식 분쇄기의 내부

2 일본 Hosokawa 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(2)

Fig 3a ~ Fig 3c는 일본 Hosokawa 사의 등록특허이다 분쇄기와 분급기 구조에

관한 것이다 Fig 3a에 보인 원형 단면의 분쇄실 외주부에 Fig 3b와 같이 에어를

고압 분사하는 분사노즐이 다수개 배열되어 있어 재료 공급관으로 유입되는 재료

가 고압의 공기 분사에 의하여 분쇄된다 분쇄도니 미분은 상부 통로로 배출되며

조분은 Fig 3b 의 ldquo16rdquo 번 부위인 분쇄기 내벽을 따라 이동되다가 공기 노즐의

출구부 측면에 나있는 구멍으로 흡입되어 공기와 함께 분사되어 재분쇄가 된다

Fig 3a 일본 Hosokawa 사의 분쇄기 단면(일본 特開平 11-179228 1999)

Fig 3b 일본 Hosokawa사의 분쇄기 평면(일본 特開平 11-179228 1999)

Fig 3c 일본 Hosokawa사 분쇄노즐 단면(일본 特開平 11-179228 1999)

3 일본 미놀타 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(3)

Fig 4a ~ Fig 4c 는 일본 미놀타사의 등록특허이다 분쇄기와 분급기 구조로

Fig 2에 보인 Hosokawa 사의 수직형 분쇄기와 비슷한 구조이다 분쇄 효율을 높

이기 위하여 Fig 4c 에 보인 것과 같은 분쇄기 중앙부의 분사된 공기가 집중되는

위치에 삼각형 경사판을 배치하여 공기가 충돌한 후 분쇄기 상부로 향하게 되어

있다

Fig 4a 일본 미놀타사의 분쇄기 단면(일본 特開 2000-5621 2000)

Fig 4b 일본 미놀타사 분쇄기의 분사노즐 배열(일본 特開 2000-5621 2000)

Fig 4c 일본 미놀타사 분쇄기의 충격판(일본 特開 2000-5621 2000)

4 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(4)

Fig 5는 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 등록특허이다 분쇄기 내측

수평면상에 분사노즐이 서로 마주 보게 배열되어 있다 분급기의 회전 축이 분쇄기

의 중심축과 일치한 상태로 회전하여 수평면 상에서 원심력에 의하여 분급이 이루

어진다 분급된 미분은 분쇄기 상부의 통로로 배출된다

Fig 5 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 수평형 기류충격식

분쇄기(일본 特開 2002-35631 2002)

5 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(5)

Fig 6 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기 구조는 Fig 4 의 일본

미놀타사와 유사하다 수평면상에 분사노즐이 배열되어 있으며 분급기의 회전축도

수평으로 위치하고 있다

Fig 6 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(일본 特開 2003-88773

2003)

6 미국 Xerox사의 수평형 기류충격식 분쇄기와 노즐(6)

Fig 7a의 미국 Xerox사의 수평형 기류충격식 분쇄기 구조는 Fig 5의 일본

Hosokawa Alpine AGampCo OHG 사의 구조와 유사하다 분사노즐이 수평면상으로

배열되어 있으며 분급기의 회전축도 수평으로 위치하고 있다 분사노즐의 형상은

Fig 7b 에서와 같이 이중관 구조이다

Fig 7a 미국 Xerox 산의 수평형 기류충격식 분쇄기(일본 特開 2004-50179

2004)

Fig 7b 미국 Xerox 사의 이중관 분사노즐(일본 特開 2004-50179 2004)

7 독일 Netzsch사의 건식 기류충격식 분쇄기(7)

독일 Netzsch 사는 대표적인 기본 구조의 건식 기류충격식 분쇄기를 개발하여 가

공 용량이 다른 여러 가지 분쇄기에 유사한 구조를 적용하였으며 일본 Hosokawa

산의 분쇄기와는 전혀 상이한 구조이다 즉 3 개의 초음속 분사노즐이 기류충격식

분쇄기 하부의 수평 평면상에 원호상 등간격인 120 도 간격으로 원의 중심을 향하

여 배열되어 있으며 Fig 8 에서와 같이 수직 회전축을 갖는 원심형 분급기가 분

쇄기 상부에 설치되어 있다 분급기의 외형 모습은 Fig 9에 보인 것과 같으며 분

급 효율을 향상시킬 목적으로 분급기 단면이 회전 중심으로 향할수록 상하 공간이

넓어지는 ldquoConvor로 명명된 형상의 단면 모습으로 되어 있다(Fig 10)

Fig 8 독일 Netzsch 사 분쇄기의 내부 구조

Fig 9 독일 Netzsch 사의 분급기

Fig 10 독일 Netzsch 사 분급기의 단면 형상 ldquoConvor

8 독일 특허 공기 분사노즐(9)

독일 Netzsch 사의 분쇄기 관련 기술 컨설턴트인 Nied 가 고안한 분쇄용 분사노즐

의 구조에 대한 것이다 3 개의 공기 분사노즐이 기류충격식 분쇄기 하부의 수평

평면상에 원호상 등간격인 120도 간격으로 원의 중심을 향하여 배열되어 있다(Fig

11a) 분사노즐 중앙부의 구조는 단면이 수축-확산 형태로 노즐로 초음속의 고속

분사를 하면서 중심 노즐 주변에 중앙 분사부를 감싸는 이중 공기 분사관을 형성

하여 중앙의 분사노즐에서 분사되는 공기의 확산각이 커지지 않도록 공기 주위에

추가적인 보조 공기를 분사하는 구조이다(Fig 11b)

Fig 11a 독일 특허-분사노즐 배열과 분사 공기의 분포(EP 0 736328A1 1996)

Fig 11b 독일 특허-분사노즐 단면과 분사 공기의 분포(EP 0 736328A1 1996)

9 미국 특허 분쇄기 구조(10)

일본의 히데유끼 요시다 등 5 명이 미국에 출원한 특허로 분쇄 재료가 초음속으로

분출되는 공기 통로의 중간에서 공급되며 재료가 분쇄실로 이동된 후 충격판에 충

돌되어 분쇄되는 구조이다(Fig12) 분쇄된 분말의 크기는 10 수준이다

Fig 12 미국 특허-충돌식 분쇄기(USP 57657661998)

제 2 절 국내의 기술 현황

국내의 경우에는 초미분 분말 생산에 관한 개발 역사가 짧으며 연구소 대학 기업

등에서 다발적으로 연구가 진해오디고 있다 기계 전자 물리 재료 화학 등의 연

계된 연구가 필요하다 1996 년 과학기술부 및 산업자원부 등의 산업단을 중심으로

대형 연구가 수행되어 왔으나 주로 기상법에 의한 분말합성에 관한 것이다 1998

년도부터 한국기계연구원에서 200nm 급의 건식 분쇄 및 분급기에 대한 개발을 시

작으로 초미분 파우더 생산 장비에 관한 연구가 이루어지고 있다 초미분 분쇄 방

식은 본 기술지원 과제의 지원기업인 대가파우더시스템을 포함하여 습식 방식인

교반밀(agitated mill)을 주로 사용하며 입도의 크기는 5 이상 수십 크기의

범위이다 기류충격식 분쇄기의 기술 수준은 입도의 크기가 5 ~ 10 수준이다

기존의 습식분쇄기의 경우 평균 입도가 28 ~ 32로 Pb0를 대상으로 할 때 4

~ 6 kghr 정도를 생산할 수 있는 수준이다

국내에 등록되어 있는 건식 기류충격식 분쇄기와 관련된 특허의 출원인인 대부분이

일본업체이며 일본에 출원된 특허를 한국에 재출우너한 것이 대부분이다 미국과

벨기에가 각각 1 건씩 등록하고 있으며 한국인이 출원한 특허는 테크월드에서

출원한 3 건 등 모두 4 건이 검색되었다 마이크로급 이상의 파우더 생산장비에 대

한 국내의 기술 수준은 선진국 기술 수준의 약 70 수준이다 그나마도 설계 및

생산에 있어 거의 모방에 의존하고 있다 나노급 기술은 초보적인 상태이다

제 3 장 기술지원 수행 내용 및 결과

제 1 절 기술지원 수행

본 부품소재종합기술지원사업은 Fig13의 기술 개발 추진도에 따라 수행되었다

Fig 13 기술 개발 추진도

분쇄기의 전체 시스템 중에서 분쇄기와 분급기 이외의 기타 구성 모듈들에 대한 설

계 및 생산기술은 지원기업 대가파우더시스템이 기확보하고 있는 기술이 기술

지원의 주된 내용은 기류충격식 분쇄기의 핵심 부품이며 분쇄기의 성능을 좌우하는

초음속 공기 분사노즐과 분급기의 설계 기술에 관한 것이다 초음속 공기 분사노즐

의 단면 형상 공급 공기의 압력과 분사 공기의 속도 및 공기 소요량 산출을 위한

공기 분사노즐 설계와 분쇄기 내부의 내마모성 재료 선택 분급기 베인의 형상과

분급기로 유입되는 공기의 속도 분포를 균일하게 하여 원심력 작용으로 분말의 분

급 정밀도를 향상시켜 주기 위한 분급기의 내부 단면 형상 설계 미 ㅊ유입 공기 속

도 및 압력 분포에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 방법 등에 대한 체계적인 기술 지원이

수행되었다 향후 유사 모델 개발에 적용하여 새로운 제품을 개발할 수 있는 설계

능력을 확보하였다

1 분쇄기 시스템 구성도

본 기술지원을 통하여 개발하는 핵심 기술은 건식 기류충격식 분쇄기의 초음속 공

기 분사노즐과 분급기와 관련된 기술이다 분쇄기의 기본 구조는 독일의 Netzsch

사 제품과 유사한 구조로 되어 있으며 분쇄용 공기 분사노즐과 고정밀도의 분급기

설계기술을 자체 보유하는 데 주안점이 있다 개발 대상 분쇄기 시스템의 전체 구

성도는 Fig 14(7)에서와 같다 Fig 14에서 분쇄기 시스템은 ldquo진동공급기rdquo를 통하

여 공급되는 분쇄용 우너료를 ldquo건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기rdquo로 분쇄 및 분급

한 후에 cyclone을 거쳐 bag filter로 분말을 포집하는 시스템으로 구성되어 있

다 분말과 공기가 혼합된 기류는 각각의 단계로 이송하는 과정에서 double flap

valve로 이송이 조절되며 최종적으로 fan의 작동으로 공기가 배출된다

건식 기류충격식 분쇄기 본체를 구성하는 부품의 서브어셈블리는 각각 Chamber

Body Laval Nozzle Classifier Wheel 및 Bearing Block등으로 구성되어 있

다 주요한 설계 변수는 분쇄챔버의 직경과 높이 초음속 공기 분사노즐 설계 있어

서 라발 노즐(초음속 공기 분사노즐)의 모즐 목 내경과 배출부의 직경 및 축방향의

단면 형상 공기되는 공기의 압력 등이다 분급기 설계에 있어서의 주요 변소는 베

인의 단면 형상 베인의 수량과 배열 각도 분급기 내부 공동부의 단면 형상 분급

기에 유입되는 공기 속도와 분급기를 통과한 이후의 공기 압력 등이다

Fig 14 기류충격식 분쇄기의 시스템 구성도

2 소리의 속도

물체의 일부에 교란을 주면 개스 유체 및 고체의 압축성으로 인하여 물체를 통하

여 유한한 속도로 교란이 전파된다

음속은 물체의 압력과 밀도 변화와 관계되어 있으며 다음식으로 표현된다

여기서

음속 압력변화 밀도 변화

체적탄성계수는 다음과 같이 표현된다

여기서

체적탄성계수 압력변화 체적변화 초기체적

체적탄성계수는 식 (3)으로도 표현된다

여기서

물체의밀도변화 물체의초기밀도

개스 유체 고체 내에서의 음속은 다음식과 같다

여기서

체적탄성계수

개스에서의 소리 속도는 아주 작은 한 점에서 교란이 일어나는 관계로 열전달을 무

시할 수가 있으며 또한 등온 상태로 가정할 수가 있다 이상 기체에서의 소리 속도

는 절대 온도의 근에 비례하며 다음식으로 표현된다

여기서

k = 비열비 (adiabatic index)

p = 압력 (Pa psi)

R = 개스 상수

T = 절대 온도 (degK degR)

앞의 식 (4)와 식 (5)로부터

식 (6)으로부터 체적탄성게수 E를 구할 수가 있다

( 예 1 ) 공기의 체적탄성계구 산출

k = 14 R = 287 (JK kg) at T=293K( 20 ) p=1204(kgm3)

Eair = k R T p=14X287X293X1204=14174379((Jm3)

Eair = 14174379(Nm2)

( 예 2 ) 염소(C12)의 체적탄성계수 산출

k = 134 R = 120 (JK kg) at T=293K(20) p=2994(kgm3)

Ec12 = k R T p=134X120X293X1994=14106051((Jm3)

Ec12 = 14106051(Nm2)

( 예 3 ) 0 1 bar 공기에서의 소리 속도

c = (14x287x273)12

= 3312 (ms)

여기서

k = 14

R = 287 (JK kg)

( 예 4 ) 20 1bar 공기에서의 소리 속도 산출

c = (14X287X293)12

= 3431 (ms)

( 예 5 ) 0 물속에서의 소리 속도 산출

여기서

3 공기 분사노즐에서의 유동식

개스역학에서 공기의 속도가 sim 이상으로 빠르거나 압력의 변화가

보다 큰 경우에는 압축성 흐름으로 취급한다 이러한 현상은 노즐에서

개스가 팽창하는 경우에 발생된다

정상유동에서의 에너지 평형 상태는 다음식으로 표현된다

여기서 엔탈피는

이며 엔탈피 ∆의 변화는 내부에너지 ∆에 외부로 또는 외부로부터의 체적에

의한 일 ∙∆의 합과 같다

내부에너지의 변호가 없고 밀도가 일정하다고 가정하면 즉 ∆ 인

경우에는 비압축성유동의 베르누이 방정식이 된다 반면에 위치네어지의 변화가 없

는 경우 ∆ 에는 상대적으로 밀도가 낮은 압축성 유체인 ldquo개스rdquo의 상태를

나타낸다 ldquo개스역학rdquo 이라는 자체가 의미하듯이 해석에 있어 고압 및 개스의 속도

가 포함되며 내부에너지의 변화 ∆를 무시할 수가 없다 이러한 의미에서 식 (7)

은 다음과 같이 된다

이상개스 방정식에서

이며 식 (12)를 식(9)에 대입하면 다음과 같이 된다

식 (13)에 에너지 보존법칙을 적용하면 노즐에서 분사되는 개스의 속도를 구할 수

있다

개스의 초기 속도가 인 경우에는

가역 단열 흐름에 있어서는 다음 3개의 식을 적용할 수가 있다

식 (16) ~ 식 (18)을 식 (15)에 대입하면 노즐에서 분출되는 개스의 속도가 구해

진다

노즐을 통과하는 질량의 흐름 식

밀도의 비로부터

다음과 같이 노즐을 통과하는 질량을 구한다

다음의 식 (23)을 식 (22)에 대입하여

식 (24)를 구한다

여기에서

을 ldquo탈출 계수(escape coefficient)rdquo 라고 한다

식 (25)를 사용하여 식 (24)를 다시 표현하면 다음의 간략식이 된다

탈출 계수 는 압축비 의 값이 다음과 같은 값일 때

임계 압축비 또는 라발 압축비로 표현되는 다음 크기의 최대값을 갖는다

음속은 노즐의 단면적이 제일 작은 부분에서 임계 압축비에 도달한다

max는 테이퍼가 일정한 실린더 형상의 노즐에 적용된다 식 (26)에 의하여

ㆍ 가 되며 는 일정한 테이퍼의 노즐에서만 증가할 수 있다 만약 압

축비 가 임계비 이하이면 max이므로 노즐을 통과하는 질량의 흐름은 일정

하다 이것은 질량의 흐름이 외부의 압력에 영향을 받지 않는다는 것을 의미한다

질량의 흐름에 의한 일은 다음의 식 (30)으로부터 구해진다

압축성 유체의 단열 팽창시에 수행된 일은 식 (19)와 식 (30)로부터 다음과 같이

산출된다

아래의 Fig 15 는 수축확산 노즐의 단면 모습이며(11) Fig 16 은 수축확산 노즐에

서의 압력 온도 속도 변화를 나타낸 것이다(8)

Fig 15 수축확산 노즐(Laval Nozzle)

Fig 16 수축확산 노즐에서의 압력 온도 속도 변화

압축성 유체의 흐름에 있어서 임계 속도 이후에 노즐의 단면이 서서히 확대되면

열에너지가 유동에너지로 변환되면서 온도는 낮아지고 흐름이 증가된다

앞의 식 (27)을 참조할 때 Fig 16 의 수축확산 노즐의 단면적이 가장 작은 임계

압축비 에서 음속에 도달한다 이 것은 질량 흐름에 식 (26)이 계속적으로 유

효하다는 것을 의미한다 수축확산 노즐 출구에서의 온도는 다음과 같은 관계가 된

노즐 확산부의 치수는 다음식으로부터 구해지며

개스 상수 등은 계수 개스 유입 온도 노즐 목의 직경 압축비 등의

변수로부터 노즐 출구에서의 개스 속도와 온도를 구할 수가 있다 공기 흐름 해석

대상 노즐 각부에 대한 부호는 Fig17에서와 같다

Fig 17 수축확산 노즐의 각부 부호

실제 수축확산 노즐을 설계하는 데 있어서는 노즐에서 발생될 수 있는 압축파 발생

을 억제하기 위하여 노즐 출구의 치수를 설계값보다 약간 작게 한다 즉 Fig 17에

서의 노즐의 확산각 가 를 넘지 않아야 하며 최대 이내여야 한다

4 공기 분사노즐의 흐름 특성 계산

앞의 ldquo3 초음속 공기 분사노즐에서의 공기의 흐름rdquo에서 유도된 식들을 이용하여

ldquoMathcad 13 프로그램(12)으로 설계 대상 분쇄기에 적용되는 공기 분사노즐의 단

면 치수 유입 공기량 노즐 출구에서의 공기 속도 소요 동력 등을 산출하였다

우선 단위와 공기의 상수를 정리하면

kilo=1000 TK =273 hoursec =3600 k = 14

ㆍsecㆍ

ㆍsecㆍ

ㆍsec

ㆍsec

예를 들어 tan tan tan tan

해석 조건이 다음과 같으면 tank pressure=700kPa Ttank=70 exit

pressure=100kPa

단위 (mm) throat diameter=50 length 150 outlet diameter=70 diffusion

angle α=38deg

d = 0007 pe = 100kilo po = 7pe Ttank =7C

To = TK+Ttank To=343 (K)

times

sec

Air_massflow1N_hour =Air_masflow1N_sechoursec

Air_massflow1N_hour = 133024 (kghrper 1 nozzle)

Air_massflow3N_hour = Air_massflow 1N_hour3

Air_massflow 3N_hour = 399071 (kghrper 3 nozzles)

Imsec)

sec

timesorsec timesorsec

(kgm3)

sec

sec sec

공기분사 노즐 목의 직경이 50mm 출구 직경이 70mm 노즐 목에서 노즐 출구까

지의 길이가 150mm로 공기 분사노즐의 환산각 도인 공기 분사노즐이 3

개 장착되어 있으며 탱크내의 공기가 압력 7bar 와 70 를 유지하면서 계속적으

로 노즐을 통하여 공급되며 또한 분쇄 챔버 내의 압력이 1bar 로 유지되는 경우의

공기 분사노즐의 유동 특성 계산 결과를 종합 정리하면 다음과 같다

- 노즐 출구에서의 공기 최대 속도 542151msec

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 무게 399071kghr

(노즐 하나에 00369kgsec)

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 부피 225333m3hr(0063m3sec)

- 소요 동력 16291kWhhr

5 수축확산 공기 분사노즐의 유동 해석

공기 분사노즐을 3D 모델링 프로그램 SolidWorks(13)로 모델링하여 열유체 해석

을 위한 유한요소해석 프로그램 COSMOSFlwWorks(14)로 공기 분사노즐 내의 유

동 해석을 수행하였다 해석 대상 공기 분사노즐 단면의 형상과 각부의 치수는

Fig18에서와 같다

Fig 18 수축확산 노즐 유동 해석 모델의 단면

해석시에 적용된 변수값들은 앞의 ldquo4 초음속 공기 분사노즐의 분사 특성 계산rdquo에

서 산출된 값을 적용하였다 노즐의 확산부위 길이는 15mm 이며 분사노즐의 확산

각은 도이다 노즐 하나에 대하여 Fig 18 의 왼쪽면에서 00369 kgsec

의 공기가 유입되며 오른쪽 분사노즐 출구면에 12bar 의 압력을 적용하였다 분사

노즐의 유동 해석 결과의 여러 가지 특성값 중에서 본 설계에서의 주요 관심사가

공기의 배출 속도인 관계로 Fig 19에 흐름의 속도 분포 Fig 20에 흐름의 마하넘

버 분포를 나타내었다 초음속 흐름에 대한 해석으로 분사노즐 목에서의 공기속도

가 약 335msec(마하 1)이 되며 노즐 출구에서 최대속도가 된다 Fig 21은 수축

확산 노즐에 대한 공기의 속도 분포 해석 결과를 반영하여 공기 분사노즐을 모델링

한 것이다

Fig 19 수축확산 노즐의 공기 흐름 속도 분포

Fig 20 수축확산 노즐의 공기 흐름 마하넘버 분포

Fig 21 수축확산 노즐 모델

6 분급 이론

분급(分級 classification)이란 유체력을 이용해서 분립체를 그 입자 지름의 크기에

따라 분리하는 것으로 넓은 뜻으로는 유체력에 의한 분리만이 아니라 체가름을 포

함하는 경우가 있다 더 넓게는 비중선별ㆍ자기력선별 등 모든 입자분리조작을 분

급이라고 한다 공기ㆍ물 등의 유체 속에서 운동하는 분립체의 각 입자에는 중력

또는 원심력 이외에 유체에 의한 유체항력 등이 함께 작용된다 이 힘 즉 유체항력

은 입자 지름에 의존하는 데 유체항력과 입자 지름의 관계는 중력이나 원심력과

입자 지름의 관계와는 다르기 때문에 이 둘 사이의 균형 조건이 입자 지름에 의해

좌우된다 좁은 뜻의 분급은 이 원리를 이용한 입경분리조작을 의미한다 중력장에

서 등속 침강하는 구 형상의 입자에 대한 힘의 균형은 다음 식으로 표현된다

여기서 은 입자 질량 prime는 입자에 의해 배제된 유체 질량 g는 중력가속도 R

은 는 유체항력을 나타낸다 유체항력 R은 다음 식으로 나타낼 수 있다

여기서 는 저항계수 (drag coefficient)로 입자 주위의 유체의 상대적인 흐름의

상태에 따라 결정되는 무차원 계수이다 는 유체의 밀도 는 입자의 침강속도

는 입자의 지름이며 는 입자의 투영 최대 면적이다 물 또는 공기 속에서 입

자의 지름이 100 이하 입자의 밀도가 3gcm2이하의 조건에서는 입자 주위의 흐

름은 거의 충류로 간주되며 이때 R은 다음 식으로 나타내진다

여기서 는 유체의 점성도이다

prime

이므로 식 (36)을 식 (34)에 대입하면 식 (37)을 얻는다

여기서 는 입자 밀도이며 식 (37)을 스토크스의 침강속도식이라고 하며 분급에서

분리입자 지름을 구하기 위한 기본식으로 중요하다

식 (37)은 다음

과 같이도 표현된다

유체가 공기나 그 외의 기체인 경우의 분급 조작을 건식 분급(또는 공기 분급) 물

이나 그 외의 액체인 경우의 분급 조작을 습식 분급이라 한다 앞에 언급된 기본식

들 이외에 어떤 종류의 분급장치에서는 유체의 흐름 방향이 급격히 변화할 때 흐름

에 따라 운동하는 입자의 관성력의 효과가 중요한 역할을 한다

분급에 사용하는 장치를 분급기(classifier)라고 한다 건식분급기에는 관성력을 이

용하는 것 중력침강을 이용하는 것 원심력을 이용하는 것 등이 있다 관성력을 이

용하는 건식분급기에는 루버식분급기 버추얼임팩터 엘보제트형분급기 등이 있는

데 건식분급기로는 원심력을 이용한 것이 가장 널리 사용되고 있다 원심력을 이용

한 건식분급기로는 분급 입도가 30~100 정도의 비교적 굵은 입도에서의 대량 처

리로 옛날부터 알려진 스튜어트밴트형 등이 있으며 또한 몇 ~30의 분급이 가

능한 여러 분급기가 개발되어 널리 쓰이게 되었다 또한 사이클론도 미립(微粒)에서

조립(組立)에 이르는 분체(粉體)의 건식분급에 이용된다 습식분급기에는 중력식과

원심력식이 있으며 중력식은 상승 수류(水流)와 유동층을 이용한 수력분급기 원뿔

형 또는 각뿔형 용기에서의 중력침강을 이용한 세틀링탱크 등의 침강분급조 완만

하게 경사진 직사각형의 조(槽)로부터 침하한 조립 생산물을 긁어올리기 위한 레이

크나 스파이럴을 갖춘 기계분급기 등으로 분류된다 원심력을 이용한 습식분급기로

는 사이클론 또는 하이드로사이클론이 가장 대표적이며 솔리드볼형ㆍ디스크형 등

의 원심분리기도 미립자용 분급기로 사용된다

Fig 22는 베인 구조의 원심형 분급기의 회전 단면 모습이다

Fig22베인 구조의 원심형 분급기의 단면

Fig 22에서 H는 분급기 내부 상하면 사이의 간격이며 는 선별된 미분이 배출되

는 반경 는 베인의 내반경 는 베인의 외반경을 나타낸다

분체 주위의 공기 흐름이 층류 흐름이라는 조건하에서 베인 구조의 원심형 분급기

에의 컷포인트(utpoint)를 결정짓는 외주부의 반경 은 다음과 같다

또한 선별된 미분이 배출되는 반경은 다음과 같다

베인 사이에서도 고체의 회전법칙이 적용된다 베인의 외주 반경에서 속도의 원주

방향 성분 과 중심방향 성분 가 가장 큰 영향을 준다

식 (41)과 식 (42)를 식 (38)에 대입하여 정리하면 다음과 같다

독일 Netzsch 사에서는 베인의 내반경 에서 선별된 미분이 배출되는 반경 까

지의 반경 방향의 공기 속도 성분 을 질정하게 해 주기 위하여 Fig 10에 보인

ldquoConvorrdquo라고 불리우는 단면의 분급기를 개발하여 사용화하고 있다

7 분급기 설계와 유동 해석

분급기의 베인 사이로 분쇄된 미분과 공기가 함께 유입되어 중앙부의 배출구로 통

과하는 분급기의 내부 형상을 설계하기에 앞서 분급기 내부를 구성하는 상면이 평

평한 구조의 분급기에 대한 유동해석을 실시하여 공기의 속도 분포를 검토하였다

해석 대상 분급기의 외경은 205mm이며 밑면 중앙에 공기 배출을 위하여 직경이

90mm인 원형 구멍이 뚫려 있다 분급기 외주에는 단면이 원호의 일부로 만들어진

두깨가 2mm 넓이가 18mm 길이가 35mm인 베인이 매 60도마다 10개씩 등간격

으로 모두 60개가 베인의 코드 방향과 분급기의 반경 방향이 이루는 각도가 약 15

도가 되도록 경사지게 설치되어 있다 원주 방향으로 매 60도마다 길이 35mm 직

경 8mm인 원형봉 6개가 등간격으로 배열되어 상ㆍ사 카버 사이에 베인을 고정시

켜 조립되는 구조이다 해석 대상 분급기에 사용된 베인의 단면과 베인의 배열 및

분급기 상ㆍ하면을 고정하는 봉이 포함된 수평면상의 평면도를 Fig 23에 나타내었

다 Fig 24는 분급기의 상면 형상이 평평한 구조인 경우에 대한 분급기의 수직단

면도이다

분급기에 유입되는 공기는 온도 50 유입량 01m3sec 분급기를 통과한 후에

배출되는 공간의 압력은 12bar이며 분급기의 회전속도는 8000rpm(838radsec)

이다 분급기에 발생되는 원심력의 절대적인 크기는 재료의 밀도와 분급하고자 하

는 분말의 크기에 따라 분급기의 회전수를 변화시켜서 조절한다 SolidWorks 및

COSMOSFloWorks 프로그램으로 분급기의 공기 유동해석을 실시하였다 해석시의

변수 입력 항목 및 해석 과정을 ldquo부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 유동해석 절

차rdquo에 정리하였다

Fig 23 베인과 상ㆍ하면 고정 원형봉의 평면 단면도

Fig24 분급기 상면이 평면인 경우의 수직단면도

공기 유동해석 결과를 Fig25~Fig27에 나타내었다 Fig25는 베인의 중간 높이에

서의 수평 단면에서의 공기 속도 분포이다 Fig26은 베인이 위치한 부위에서의수

직단면 Fig 27은 상ㆍ하면을 고정시켜 주는 원형봉이 있는 부위의 수직단면에 분

포하는 공기의 유입 속도 해석 결과를 나타낸 것이다

Fig 25 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig 26 베인 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig27 연결봉 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig15~Fig27의 공기 속도 등고선을 보면 베인 외주부의 상하 위치에 있어서 공

기의속도가 불균일한 분포를 보인다 베인의 분급기 내부 공간에서는 같은 반경인

위치에서 윗부분에서의 공기 속도가 아랫부분에서보다 빠르게 분포하고 있다 베인

의 높이 방향 상ㆍ하 위치에 따른 이러한 유입 속도의 편차는 분급기 외주의 실린

더 면으로부터 유입되는 공기가 분급기 중앙의 밑 방향으로만 배출되는 유동 통로

의 구조 때문으로 판단되낟 따라서 같은 반경의 같은 원심력이 발생되는 위치에

있어서도 윗부분에서의 공기 유입속도가 밑부분에서보다 크게 분포되어 윗부분에서

는 밑부분에서보다 큰 분말이 분급기 안으로 유입된다 지정된 크기의 컷오프보다

큰 분말과 작은 분말이 혼합된 상태로 배출되는 관계로 분급이 정밀도가 저하된다

베인의 상ㆍ하 위치에 무관하게 공기의 유입 속도를 가급적 균일하게 해 주기 위한

목적으로 분급기 내부의 단면 형상을 Fig28과 같은 인볼류트-컨볼류트

(involute-convolute) 단면으로 구성하여 공기의 유동해석을 실시하였다

Fig 28 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기

Fig29는 베인의 중간 높이 수평단면 상에서의 공기 속도 분포이다 Fig25에 비하

여 베인의 외주 부위에서의 공기의 속도가 균일하게 분포되고 있음을 보여 준다

Fig29 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig 30은 베인이 위치한 부위에서의 수직 단면 Fig31은 상ㆍ하면을 고정시켜 주

는 원평봉이 있는 부위에서의 수직 단면에 분포하는 공기 속도 분포이다 Fig30과

Fig31은 각각 Fig25와 Fig26에 비하여 베인의 높이 방향 전체에 걸쳐 공기의 유

입 속도가 상당히 균일하게 분포되는 것을 보여 주고 있다

Fig 30 베인 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig31 연결봉 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig32는 분급기 내부의 공간 형상이 인볼류트-컨볼류트인 분급기의 설계 모델이

Fig32 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 모델

Fig33은 앞의 수축확산 공기 분사노즐(Fig20)과 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급

기(fig32)로 구성된 건식 기류충격식 분쇄기의 3D모델이다 중요 부품의 도면은

ldquo부록 9 설계 도면rdquo에 수록하였다

Fig33 건식 기류충격식 분쇄기의 3D 모델

8 시작품 제작

수축확산 공기 분사노즐의 유동해석 및 분급기의 유동해석 결과를 바탕으로 시작품

을 제작하였다 Fig34는 수축확산 공기 분사노즐 헤드의 시작품 모습이다

Fig 34 수축확산 공기 분사노즐 헤드 시작품

Fig35는 분급기의 시작품 모습이다 분급기의 베인은 분체와 마찰시 내마모성을

갖도록 SUS 재질로 곡면 성형한 후 세라믹으로 코팅하여 제작하였다

Fig35 분급기 시작품

Fig 36은 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 수축확산 공기 분사

노즐 및 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 등이 분쇄기의 내부에 장착되어 있다

Fig36 건식 기류충격식 분쇄기 시작품

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기와 관련된 국외 특허 자료 조사와 분석 공기의

유동해석에 있어 많은 일정이 소요되었다 기술지원 추진일정을 Table1에 정리하

였다

Table 4 추진 일정

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 14: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

목 차

제 1 장 사업의 개요

제 1 절 기술지원 필요성

제 2 절 기술지원 목표

제 3 절 기술지원 내용

제 2 장 국내ㆍ외 기술 현황

제 1 절 세계의 기술 현황

1 일본 Hosokawa 사의 수직형 기류충격식 분쇄기

2 일본 Hosokawa 사의 수평형 기류충격식 분쇄기

3 일본 미놀타 사의 수평형 기류충격식 분쇄기

4 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의

수평형 기류충격식 분쇄기

5 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기

6 미국 Xerox 사의 수평형 기류충격식 분쇄기와 노즐

7 독일 Netzsch 사의 건식 기류충격식 분쇄기

8 독일 특허 공기 분사노즐

9 미국 특허 분쇄기 구조

제 2 절 국내의 기술 현황

제 3 장 기술지원 수행 내용 및 결과

제 1 절 기술지원 수행

1 분쇄기 시스템 구성도

2 소리의 속도

3 공기 분사노즐에서의 유동식

4 공기 분사노즐의 흐름 특성 계산

5 수축확산 공기 분사노즐의 유동 해석

6 분급 이론

7 분급기 설계와 유동 해석

8 시작품 제작

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

2 기술지원 추진체계

3 연구기자재 활용

4 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

6 입도 측정

7 지적재산권 출원

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

제 6 장 참고문헌

부록 1 분쇄기 관련 한국 특허 13건 목록

부록 2 분쇄기 관련 일본 특허 16건 목록

부록 3 분쇄기 관련 미국 특허 23건 목록

부록 4 분쇄기 관련 유럽 특허 4건 목록

부록 5 분급기 관련 미국 특허 17건 목록

부록 6 기술지원 관련 전시회 참석

부록 7 개스의 비열값 개스 상수 밀도

부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 분급기 유동해석

부록 9 설계 도면

부록 10 입도측정 histogram

제 1 장 사업의 개요

분쇄는 재료에 외력을 가하여 작은 크기로 세분화하고 표면적을 증가시키는 기계적

인 조작이다 목적하는 파쇄물 입자의 크기에 따라 조쇄(粗碎) 중쇄(中碎) 분쇄(粉

碎) 미분쇄(微粉碎) 초미분쇄(超微粉碎)로 구분된다 분쇄시 작용되는 응력은 압축

력 충격력 전단력 마찰력 절단력 등이 있으며 단독의 힘이 작용되는 경우는 드

물고 분쇄 대상 재료에 여러 가지 힘임 복합력으로 동시에 작용되어 분쇄기 이루어

진다(1)

분쇄기는 분쇄 입도의 크기에 따라 다음과 같이 분류한다

(1) 조분쇄기 1500mm~100mmrarr500mm~25mm (분쇄비 4~3)

(2) 중분쇄기 500mm~6mmrarr50mm~1mm (분쇄비 7~5)

(3) 미분쇄기 125mm~1mmrarr2mmrarr01mm (분쇄비 20~10)

(4) 초미분쇄기 6mm~01mmrarr01mm~001mm (분쇄비 50~10)

분쇄기의 분쇄 방법에 의한 종류는 다음과 같다

(1) 볼밀(ball mill)

원통 속에 재료와 함께 강으로 만든 볼 즉 강구를 여러 개 넣은 후 함께 회전시켜

강구운동에 의한 충격으로 재료를 분쇄하는 장치이다 볼에는 주철 칠주물 플린트

석 천연석 등 원료에 따라 여러 가지가 있다 통의 길이는 통의 지름을 초과하지

않는 것이 표준형이지만 지름의 수 배 이상으로 긴 형의 튜브밀 그 중간인 콤파운

드밀(compound mill) 다양한 종류도 있다 원통의 내면은 특수강 또는 니켈판으로

내장한다 최종적인 미분을 만들 때 사용되며 도토(陶土) 염료 드의 처비분인 경

우에는 건식으로 사용되며 용도가 매우 넓다

(2) 로드밀(rod mill)

기체 내면의 길이보다 약간 짧은 강봉을 분쇄매체로 사용하는 회전식 분쇄기이다

거친 입자부터 선택적으로 분쇄하며 입도(粒度)가 비교적 가지런한 분쇄산물을 얻

을 수 있는 특징이 있다 단독으로 사용되는 외에 불밀에 의한 분쇄의 예비분쇄기

로서도 종종 사용된다

(3) 롤러밀(roller mill)

볼밀과 같은 원리의 분쇄기로 시멘트원료를 분쇄할 때나 석탄을 분쇄할 때 사용된

다 분쇄기 중에 롤러나 볼을 이용한 것을 링롤러밀이라고도 한다

(4) 조크러셔(jaw crusher)

전ㆍ후로 조금씩 진동하는 강철제의 철판과 이와 마주 보는 고정판 시이에 수 cm

에서 1m 정도의 암석 등의 덩어리를 물려 넣고 짓씹어 부수게 하는 구조로 되어

있다

(5) 임팩트 크러셔(impact crusher)

매초 원주 속도가 수십 m로 고속회전하는 원통에 장치된 충격판에 의해 분쇄하는

장치이다 골재 정형에 널리 쓰인다

(6) 휠러밀(wheeler mill)

tn 이하의 미분쇄를 필요로 하는 분야에서 널리 사용된다 소위 유체에너지밀의

일종으로 고압기체를 불어 넣음으로써 입자를 기계의 벽이나 또는 다른 입자에 충

돌시 켜서 분쇄하는 장치이다 기체가 길쭉한 도넛형의 통내를 입자와 함께 환류하

고 미세하게 된 입자만이 배기와 함께 기외로 배출되는 구조로 되어 있다

(7) 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)

노즐로 높은 압력의 공기 또는 질소를 초음속으로 분사시켜 분말 상호 간의 충돌로

초미립 크기로 분쇄되며 분급 휠(classifier wheel)의 속도 변환과 베인과의 간격에

의해 미립자의 크기를 조절하여 분급하는 방식이다 노즐의 크기 배열 상태 및 공

기 흐름의 조절로 효율성을 크게 증가시킬 수 있으며 동시에 분쇄기의 마모와 제품

의 순도 최적화를 유지할 수 있다 입도의 크기는 01 ~ 10의 범위에 있다

이외에도 큰크러셔(cone crusher) 압축력에 의한 자이러토리크러셔(gyratory

crusher)가 있고 충격력에 의한 해머밀(hammer mill) 케이지밀(cage mill) 유체에

너지밀 전단력에 의한 분쇄기 등이 있으며 마쇄력에 의한 자생분쇄밀과 진동밀

유성밀 교반밀이 있다

최근 들어 소재산업이 정밀화되고 고기능화 함에 따라 카본블랙 TiO2 PbO ZnO

SiO2등의 안료 세라믹 자기재료 맥반석 황토 슬래그 운모 흑연 탄화규소 탄

산칼슘 등을 미크론(μ) 크기 또는 서브미크론 크기의 분말로 분쇄하는 정밀 분쇄기

수요가 증대하고 있다

Fig 1 은 습식 분쇄기의 종류와 입도 범위의 관계를 나타낸 것이다 Fig 1 밑부분

의 화살표는 본 부품소재종합기술지원사업 수행으로 개발하고자 하는 분말의 크기

범위를 표시한 것이다

Fig 1 습식분쇄기의 입도 범위(독일 Buehler사)

제 1 절 기술지원 필요성

대가파우더시스템은 1970 년도에 창립하여 현재에 이르기까지 산업용 분쇄기 집

진기 건조기 기체여과기 액체여과기 폐수처리장치 등의 전문생산업체이다 최근

들어 소재산업이 정밀화되고 고기능화 함에 따라 분쇄기의 성능 향상이 요구되고

있다 최근에는 수십 nm 이하의 초분체 카본블랙 TiO2 ZnO SiO2 등의 안료 세

라믹 자기재료 등의 각종 소재의 입도 정밀화가 실현되고 있다 초분체기기 및 요

소 부품의 국내 수요는 독일의 DRAIS 일본의 KOTOBUKI 사 DYNO 사 등의 선진

메이커 제품을 수입하여 사용하고 있다 건식 기류충격식 분쇄기에 대한 국내 설계

기술 부족으로 외국에서 수입되고 있는 제품의 가격이 고가이어도 경쟁할 수 있는

제품을 개발하지 못하고 있는 어려운 상황이다

대가파우더시스템은 최근 습식 방법의 초미립 분쇄기를 개발하여 시험 중에 있으

며 압축공기를 이용한 기류충격식 분쇄기 개발에 있어서 분쇄부와 분급부의 기초

이론 구성 부품 설계 재질 선정 분쇄기 구조에 대하여 유한요소법으로 유동해석

을 하는 시뮬레이션 기술력 확보에 어려움을 겪고 있다 초미립 분쇄(ultra-fine

pulverization)를 위한 기류 분사노즐(compressed air nozzle supersonic air

nozzle)의 단면 형상 설계와 분쇄에 요구되는 유량 산출 분급기(classifier)의 크기

과 공기 유동부의 내부 형상 베인의 형상과 수량 베인의 간격 배열 위치 및 분급

기 회전수 등에 대한 설계 변수 등에 있어서 애로를 겪고 있으며 기술력 향상을

위하여 외부 전문가의 기술지원이 요청되고 있다

건식 기류충격식 분쇄기 설계의 핵심 기술을 지원하여 건식 기류충격식 분쇄기의

국내 업체의 자체 설계 능력 확보가 요구되낟 본 부품소재종합기술지원사업을 통

하여 초미립 분쇄기와 관련된 국내ㆍ외 특허 자료 기술문헌 및 분쇄부와 분급부의

기초 이론 관련 자료 조사와 제공 초미립 입자를 생산하기 위한 건식 분쇄기의 구

조 설계 기술 지원 유량에 따른 기류충격식 분쇄 노즐의 설계 변수 컴퓨터를 이용

한 3 차원 모델링에 의한 설계 유한요소법에 의한 기체의 유동 해석 기술 지원이

필요한다

제 2 절 기술지원 목표

기술지원의 초종 목표는 지원기업 대가파우더시스템가 분쇄 입도의 평균직경 18

~ 20 인 초미립 파우더를 생산하기 위한 기류충격식 분쇄기 설계와 생산에 대

한 기술 확보이다 공기 분사 방식의 분쇄 노즐 형상 분급부의 구조 설계 및 작동

에 대한 기초를 체계적으로 정립하며 분쇄기 구성 부품의 재질 선정 3D 모델링에

의한 분쇄기 시스템 설계와 유한요소볍에 의한 공기 유동장 해석 결과를 바탕으로

시작품을 제작하며 향후 유사 모델에 대한 자체적인 설계 및 새산 능력을 확보하

는 것이다

제 3 절 기술지원 내용

1 건식 기류충격식 분쇄기의 국내ㆍ외 특허 자료 기술문헌 및 기술정보 조사 지

원으로 초미립분쇄기의 기초 이론 구조 기능 정립 초음속 분사노즐 단면 형상

설계 자료로 활용

2 3D 모델링에 의한 설계 기술 지원으로 설계 오류를 사전에 방지

3 초음속 분쇄 노즐의 형상 설계와 유동 특성 해석 기술

4 분급부의 내부 구조 베인의 형상과 배열 및 수량 결정 유한요소법에 의한 분급

기의 유동 해석 기술 지원으로 분급 입도의 안정화 분급기 설계 및 제작

5 분쇄부와 분급기의 재질 선정 지원으로 생산가 관리 및 내구성 확보

Table 1 기술지원 목표 및 내용

제 2 장 국내ㆍ외 기술 현황

건식 분쇄 기술로 크기가 1 이하의 작은 입자를 생산하는 것은 어려운 기술로

분체기술의 장벽이라고 일컬어진다 각종 소재를 성분 변화없이 100nm 이하의 크

기로 극미세 분쇄하는 기술은 미래 산업을 이끌어갈 핵심분야로 국가간 연구개발

경쟁이 치열한 기술이다

제 1 절 세계의 기술 현황

나노급의 미세 파우더는 1980 년대초 독일의 칼스루헤연구소 등에서 시작되어

1990년대에 들어서 100nm 이하의 제조합성에 관한 연구가 본격화되었다 일본의

경우에는 과학기술청의 창조과학기술 추진과 통산성의 차세대산업기반기술 분야로

선정되어 주목을 받고 있다 초미분을 생산하기 위한 양산 장비 및 요소 부품에 대

한 선진국의 기술은 독일의 DRAIS사(습식) NETZSCH사(건식) 일본의 Kotobuki사

(습식) DYNO사(습식) Hosokawa 사(습식 건식) 등의 선진메이커에서 제품이 개

발되어 판매되고 있다 또한 나노 파우더 생산업체로는 일본의 Kako 사 미국의

Whittaker 사 Dow Chemical 사 Dupont사 및 독일의 Degusa사 등이 있다 현재

까지는 나노급 파우더 제조 공정의 불안정 및 복잡성 평가 방법의 미흡 등으로 다

양한 제조 공정 기술개발이 진행되고 있다 세라믹 분말의 경우에는 일부 특수한

경우에만 상용화되고 있다 금속분말의 경우에는 한정된 종류의 금속만 생산이 가

능하여 계속적인 개발이 진행되고 있다

건식 기류충격식 분쇄기의 주요 제작업체는 일본의 Hosokawa 사와 독일의

Netzsch 이다 미국 일본 및 독일 등에 대부분의 같은 내용의 특허가 등록되어

있으며 일본과 독일에 의하여 등록된 특허의 구조적인 특징은 다음과 같다

1 일본 Hosokawa사의 수직형 기류충격식 분쇄기

건식 기류충격식 분쇄기의 대표적인 업체인 일본의 Hosokawa 사 분쇄기의 특징

은 3개의 초음속 분사노즐이 에어젯트밀의 중앙인 수직 평면상에 원호상 등간격인

120도 간격으로 원의 중심을 향하여 배열되어 있으며 분쇄기 내의 상부에 회전축

이 수평인 위치로 회전되는 원심형 분급기가 설치되어 있다(Fig 2)

분쇄기의 모델과 분쇄 대상 재료에 따라 분말의 크기가 01 - 10 의 범위에 있

Fig 2 일본 Hosokawa 사의 수직형 기류충격식 분쇄기의 내부

2 일본 Hosokawa 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(2)

Fig 3a ~ Fig 3c는 일본 Hosokawa 사의 등록특허이다 분쇄기와 분급기 구조에

관한 것이다 Fig 3a에 보인 원형 단면의 분쇄실 외주부에 Fig 3b와 같이 에어를

고압 분사하는 분사노즐이 다수개 배열되어 있어 재료 공급관으로 유입되는 재료

가 고압의 공기 분사에 의하여 분쇄된다 분쇄도니 미분은 상부 통로로 배출되며

조분은 Fig 3b 의 ldquo16rdquo 번 부위인 분쇄기 내벽을 따라 이동되다가 공기 노즐의

출구부 측면에 나있는 구멍으로 흡입되어 공기와 함께 분사되어 재분쇄가 된다

Fig 3a 일본 Hosokawa 사의 분쇄기 단면(일본 特開平 11-179228 1999)

Fig 3b 일본 Hosokawa사의 분쇄기 평면(일본 特開平 11-179228 1999)

Fig 3c 일본 Hosokawa사 분쇄노즐 단면(일본 特開平 11-179228 1999)

3 일본 미놀타 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(3)

Fig 4a ~ Fig 4c 는 일본 미놀타사의 등록특허이다 분쇄기와 분급기 구조로

Fig 2에 보인 Hosokawa 사의 수직형 분쇄기와 비슷한 구조이다 분쇄 효율을 높

이기 위하여 Fig 4c 에 보인 것과 같은 분쇄기 중앙부의 분사된 공기가 집중되는

위치에 삼각형 경사판을 배치하여 공기가 충돌한 후 분쇄기 상부로 향하게 되어

있다

Fig 4a 일본 미놀타사의 분쇄기 단면(일본 特開 2000-5621 2000)

Fig 4b 일본 미놀타사 분쇄기의 분사노즐 배열(일본 特開 2000-5621 2000)

Fig 4c 일본 미놀타사 분쇄기의 충격판(일본 特開 2000-5621 2000)

4 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(4)

Fig 5는 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 등록특허이다 분쇄기 내측

수평면상에 분사노즐이 서로 마주 보게 배열되어 있다 분급기의 회전 축이 분쇄기

의 중심축과 일치한 상태로 회전하여 수평면 상에서 원심력에 의하여 분급이 이루

어진다 분급된 미분은 분쇄기 상부의 통로로 배출된다

Fig 5 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 수평형 기류충격식

분쇄기(일본 特開 2002-35631 2002)

5 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(5)

Fig 6 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기 구조는 Fig 4 의 일본

미놀타사와 유사하다 수평면상에 분사노즐이 배열되어 있으며 분급기의 회전축도

수평으로 위치하고 있다

Fig 6 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(일본 特開 2003-88773

2003)

6 미국 Xerox사의 수평형 기류충격식 분쇄기와 노즐(6)

Fig 7a의 미국 Xerox사의 수평형 기류충격식 분쇄기 구조는 Fig 5의 일본

Hosokawa Alpine AGampCo OHG 사의 구조와 유사하다 분사노즐이 수평면상으로

배열되어 있으며 분급기의 회전축도 수평으로 위치하고 있다 분사노즐의 형상은

Fig 7b 에서와 같이 이중관 구조이다

Fig 7a 미국 Xerox 산의 수평형 기류충격식 분쇄기(일본 特開 2004-50179

2004)

Fig 7b 미국 Xerox 사의 이중관 분사노즐(일본 特開 2004-50179 2004)

7 독일 Netzsch사의 건식 기류충격식 분쇄기(7)

독일 Netzsch 사는 대표적인 기본 구조의 건식 기류충격식 분쇄기를 개발하여 가

공 용량이 다른 여러 가지 분쇄기에 유사한 구조를 적용하였으며 일본 Hosokawa

산의 분쇄기와는 전혀 상이한 구조이다 즉 3 개의 초음속 분사노즐이 기류충격식

분쇄기 하부의 수평 평면상에 원호상 등간격인 120 도 간격으로 원의 중심을 향하

여 배열되어 있으며 Fig 8 에서와 같이 수직 회전축을 갖는 원심형 분급기가 분

쇄기 상부에 설치되어 있다 분급기의 외형 모습은 Fig 9에 보인 것과 같으며 분

급 효율을 향상시킬 목적으로 분급기 단면이 회전 중심으로 향할수록 상하 공간이

넓어지는 ldquoConvor로 명명된 형상의 단면 모습으로 되어 있다(Fig 10)

Fig 8 독일 Netzsch 사 분쇄기의 내부 구조

Fig 9 독일 Netzsch 사의 분급기

Fig 10 독일 Netzsch 사 분급기의 단면 형상 ldquoConvor

8 독일 특허 공기 분사노즐(9)

독일 Netzsch 사의 분쇄기 관련 기술 컨설턴트인 Nied 가 고안한 분쇄용 분사노즐

의 구조에 대한 것이다 3 개의 공기 분사노즐이 기류충격식 분쇄기 하부의 수평

평면상에 원호상 등간격인 120도 간격으로 원의 중심을 향하여 배열되어 있다(Fig

11a) 분사노즐 중앙부의 구조는 단면이 수축-확산 형태로 노즐로 초음속의 고속

분사를 하면서 중심 노즐 주변에 중앙 분사부를 감싸는 이중 공기 분사관을 형성

하여 중앙의 분사노즐에서 분사되는 공기의 확산각이 커지지 않도록 공기 주위에

추가적인 보조 공기를 분사하는 구조이다(Fig 11b)

Fig 11a 독일 특허-분사노즐 배열과 분사 공기의 분포(EP 0 736328A1 1996)

Fig 11b 독일 특허-분사노즐 단면과 분사 공기의 분포(EP 0 736328A1 1996)

9 미국 특허 분쇄기 구조(10)

일본의 히데유끼 요시다 등 5 명이 미국에 출원한 특허로 분쇄 재료가 초음속으로

분출되는 공기 통로의 중간에서 공급되며 재료가 분쇄실로 이동된 후 충격판에 충

돌되어 분쇄되는 구조이다(Fig12) 분쇄된 분말의 크기는 10 수준이다

Fig 12 미국 특허-충돌식 분쇄기(USP 57657661998)

제 2 절 국내의 기술 현황

국내의 경우에는 초미분 분말 생산에 관한 개발 역사가 짧으며 연구소 대학 기업

등에서 다발적으로 연구가 진해오디고 있다 기계 전자 물리 재료 화학 등의 연

계된 연구가 필요하다 1996 년 과학기술부 및 산업자원부 등의 산업단을 중심으로

대형 연구가 수행되어 왔으나 주로 기상법에 의한 분말합성에 관한 것이다 1998

년도부터 한국기계연구원에서 200nm 급의 건식 분쇄 및 분급기에 대한 개발을 시

작으로 초미분 파우더 생산 장비에 관한 연구가 이루어지고 있다 초미분 분쇄 방

식은 본 기술지원 과제의 지원기업인 대가파우더시스템을 포함하여 습식 방식인

교반밀(agitated mill)을 주로 사용하며 입도의 크기는 5 이상 수십 크기의

범위이다 기류충격식 분쇄기의 기술 수준은 입도의 크기가 5 ~ 10 수준이다

기존의 습식분쇄기의 경우 평균 입도가 28 ~ 32로 Pb0를 대상으로 할 때 4

~ 6 kghr 정도를 생산할 수 있는 수준이다

국내에 등록되어 있는 건식 기류충격식 분쇄기와 관련된 특허의 출원인인 대부분이

일본업체이며 일본에 출원된 특허를 한국에 재출우너한 것이 대부분이다 미국과

벨기에가 각각 1 건씩 등록하고 있으며 한국인이 출원한 특허는 테크월드에서

출원한 3 건 등 모두 4 건이 검색되었다 마이크로급 이상의 파우더 생산장비에 대

한 국내의 기술 수준은 선진국 기술 수준의 약 70 수준이다 그나마도 설계 및

생산에 있어 거의 모방에 의존하고 있다 나노급 기술은 초보적인 상태이다

제 3 장 기술지원 수행 내용 및 결과

제 1 절 기술지원 수행

본 부품소재종합기술지원사업은 Fig13의 기술 개발 추진도에 따라 수행되었다

Fig 13 기술 개발 추진도

분쇄기의 전체 시스템 중에서 분쇄기와 분급기 이외의 기타 구성 모듈들에 대한 설

계 및 생산기술은 지원기업 대가파우더시스템이 기확보하고 있는 기술이 기술

지원의 주된 내용은 기류충격식 분쇄기의 핵심 부품이며 분쇄기의 성능을 좌우하는

초음속 공기 분사노즐과 분급기의 설계 기술에 관한 것이다 초음속 공기 분사노즐

의 단면 형상 공급 공기의 압력과 분사 공기의 속도 및 공기 소요량 산출을 위한

공기 분사노즐 설계와 분쇄기 내부의 내마모성 재료 선택 분급기 베인의 형상과

분급기로 유입되는 공기의 속도 분포를 균일하게 하여 원심력 작용으로 분말의 분

급 정밀도를 향상시켜 주기 위한 분급기의 내부 단면 형상 설계 미 ㅊ유입 공기 속

도 및 압력 분포에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 방법 등에 대한 체계적인 기술 지원이

수행되었다 향후 유사 모델 개발에 적용하여 새로운 제품을 개발할 수 있는 설계

능력을 확보하였다

1 분쇄기 시스템 구성도

본 기술지원을 통하여 개발하는 핵심 기술은 건식 기류충격식 분쇄기의 초음속 공

기 분사노즐과 분급기와 관련된 기술이다 분쇄기의 기본 구조는 독일의 Netzsch

사 제품과 유사한 구조로 되어 있으며 분쇄용 공기 분사노즐과 고정밀도의 분급기

설계기술을 자체 보유하는 데 주안점이 있다 개발 대상 분쇄기 시스템의 전체 구

성도는 Fig 14(7)에서와 같다 Fig 14에서 분쇄기 시스템은 ldquo진동공급기rdquo를 통하

여 공급되는 분쇄용 우너료를 ldquo건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기rdquo로 분쇄 및 분급

한 후에 cyclone을 거쳐 bag filter로 분말을 포집하는 시스템으로 구성되어 있

다 분말과 공기가 혼합된 기류는 각각의 단계로 이송하는 과정에서 double flap

valve로 이송이 조절되며 최종적으로 fan의 작동으로 공기가 배출된다

건식 기류충격식 분쇄기 본체를 구성하는 부품의 서브어셈블리는 각각 Chamber

Body Laval Nozzle Classifier Wheel 및 Bearing Block등으로 구성되어 있

다 주요한 설계 변수는 분쇄챔버의 직경과 높이 초음속 공기 분사노즐 설계 있어

서 라발 노즐(초음속 공기 분사노즐)의 모즐 목 내경과 배출부의 직경 및 축방향의

단면 형상 공기되는 공기의 압력 등이다 분급기 설계에 있어서의 주요 변소는 베

인의 단면 형상 베인의 수량과 배열 각도 분급기 내부 공동부의 단면 형상 분급

기에 유입되는 공기 속도와 분급기를 통과한 이후의 공기 압력 등이다

Fig 14 기류충격식 분쇄기의 시스템 구성도

2 소리의 속도

물체의 일부에 교란을 주면 개스 유체 및 고체의 압축성으로 인하여 물체를 통하

여 유한한 속도로 교란이 전파된다

음속은 물체의 압력과 밀도 변화와 관계되어 있으며 다음식으로 표현된다

여기서

음속 압력변화 밀도 변화

체적탄성계수는 다음과 같이 표현된다

여기서

체적탄성계수 압력변화 체적변화 초기체적

체적탄성계수는 식 (3)으로도 표현된다

여기서

물체의밀도변화 물체의초기밀도

개스 유체 고체 내에서의 음속은 다음식과 같다

여기서

체적탄성계수

개스에서의 소리 속도는 아주 작은 한 점에서 교란이 일어나는 관계로 열전달을 무

시할 수가 있으며 또한 등온 상태로 가정할 수가 있다 이상 기체에서의 소리 속도

는 절대 온도의 근에 비례하며 다음식으로 표현된다

여기서

k = 비열비 (adiabatic index)

p = 압력 (Pa psi)

R = 개스 상수

T = 절대 온도 (degK degR)

앞의 식 (4)와 식 (5)로부터

식 (6)으로부터 체적탄성게수 E를 구할 수가 있다

( 예 1 ) 공기의 체적탄성계구 산출

k = 14 R = 287 (JK kg) at T=293K( 20 ) p=1204(kgm3)

Eair = k R T p=14X287X293X1204=14174379((Jm3)

Eair = 14174379(Nm2)

( 예 2 ) 염소(C12)의 체적탄성계수 산출

k = 134 R = 120 (JK kg) at T=293K(20) p=2994(kgm3)

Ec12 = k R T p=134X120X293X1994=14106051((Jm3)

Ec12 = 14106051(Nm2)

( 예 3 ) 0 1 bar 공기에서의 소리 속도

c = (14x287x273)12

= 3312 (ms)

여기서

k = 14

R = 287 (JK kg)

( 예 4 ) 20 1bar 공기에서의 소리 속도 산출

c = (14X287X293)12

= 3431 (ms)

( 예 5 ) 0 물속에서의 소리 속도 산출

여기서

3 공기 분사노즐에서의 유동식

개스역학에서 공기의 속도가 sim 이상으로 빠르거나 압력의 변화가

보다 큰 경우에는 압축성 흐름으로 취급한다 이러한 현상은 노즐에서

개스가 팽창하는 경우에 발생된다

정상유동에서의 에너지 평형 상태는 다음식으로 표현된다

여기서 엔탈피는

이며 엔탈피 ∆의 변화는 내부에너지 ∆에 외부로 또는 외부로부터의 체적에

의한 일 ∙∆의 합과 같다

내부에너지의 변호가 없고 밀도가 일정하다고 가정하면 즉 ∆ 인

경우에는 비압축성유동의 베르누이 방정식이 된다 반면에 위치네어지의 변화가 없

는 경우 ∆ 에는 상대적으로 밀도가 낮은 압축성 유체인 ldquo개스rdquo의 상태를

나타낸다 ldquo개스역학rdquo 이라는 자체가 의미하듯이 해석에 있어 고압 및 개스의 속도

가 포함되며 내부에너지의 변화 ∆를 무시할 수가 없다 이러한 의미에서 식 (7)

은 다음과 같이 된다

이상개스 방정식에서

이며 식 (12)를 식(9)에 대입하면 다음과 같이 된다

식 (13)에 에너지 보존법칙을 적용하면 노즐에서 분사되는 개스의 속도를 구할 수

있다

개스의 초기 속도가 인 경우에는

가역 단열 흐름에 있어서는 다음 3개의 식을 적용할 수가 있다

식 (16) ~ 식 (18)을 식 (15)에 대입하면 노즐에서 분출되는 개스의 속도가 구해

진다

노즐을 통과하는 질량의 흐름 식

밀도의 비로부터

다음과 같이 노즐을 통과하는 질량을 구한다

다음의 식 (23)을 식 (22)에 대입하여

식 (24)를 구한다

여기에서

을 ldquo탈출 계수(escape coefficient)rdquo 라고 한다

식 (25)를 사용하여 식 (24)를 다시 표현하면 다음의 간략식이 된다

탈출 계수 는 압축비 의 값이 다음과 같은 값일 때

임계 압축비 또는 라발 압축비로 표현되는 다음 크기의 최대값을 갖는다

음속은 노즐의 단면적이 제일 작은 부분에서 임계 압축비에 도달한다

max는 테이퍼가 일정한 실린더 형상의 노즐에 적용된다 식 (26)에 의하여

ㆍ 가 되며 는 일정한 테이퍼의 노즐에서만 증가할 수 있다 만약 압

축비 가 임계비 이하이면 max이므로 노즐을 통과하는 질량의 흐름은 일정

하다 이것은 질량의 흐름이 외부의 압력에 영향을 받지 않는다는 것을 의미한다

질량의 흐름에 의한 일은 다음의 식 (30)으로부터 구해진다

압축성 유체의 단열 팽창시에 수행된 일은 식 (19)와 식 (30)로부터 다음과 같이

산출된다

아래의 Fig 15 는 수축확산 노즐의 단면 모습이며(11) Fig 16 은 수축확산 노즐에

서의 압력 온도 속도 변화를 나타낸 것이다(8)

Fig 15 수축확산 노즐(Laval Nozzle)

Fig 16 수축확산 노즐에서의 압력 온도 속도 변화

압축성 유체의 흐름에 있어서 임계 속도 이후에 노즐의 단면이 서서히 확대되면

열에너지가 유동에너지로 변환되면서 온도는 낮아지고 흐름이 증가된다

앞의 식 (27)을 참조할 때 Fig 16 의 수축확산 노즐의 단면적이 가장 작은 임계

압축비 에서 음속에 도달한다 이 것은 질량 흐름에 식 (26)이 계속적으로 유

효하다는 것을 의미한다 수축확산 노즐 출구에서의 온도는 다음과 같은 관계가 된

노즐 확산부의 치수는 다음식으로부터 구해지며

개스 상수 등은 계수 개스 유입 온도 노즐 목의 직경 압축비 등의

변수로부터 노즐 출구에서의 개스 속도와 온도를 구할 수가 있다 공기 흐름 해석

대상 노즐 각부에 대한 부호는 Fig17에서와 같다

Fig 17 수축확산 노즐의 각부 부호

실제 수축확산 노즐을 설계하는 데 있어서는 노즐에서 발생될 수 있는 압축파 발생

을 억제하기 위하여 노즐 출구의 치수를 설계값보다 약간 작게 한다 즉 Fig 17에

서의 노즐의 확산각 가 를 넘지 않아야 하며 최대 이내여야 한다

4 공기 분사노즐의 흐름 특성 계산

앞의 ldquo3 초음속 공기 분사노즐에서의 공기의 흐름rdquo에서 유도된 식들을 이용하여

ldquoMathcad 13 프로그램(12)으로 설계 대상 분쇄기에 적용되는 공기 분사노즐의 단

면 치수 유입 공기량 노즐 출구에서의 공기 속도 소요 동력 등을 산출하였다

우선 단위와 공기의 상수를 정리하면

kilo=1000 TK =273 hoursec =3600 k = 14

ㆍsecㆍ

ㆍsecㆍ

ㆍsec

ㆍsec

예를 들어 tan tan tan tan

해석 조건이 다음과 같으면 tank pressure=700kPa Ttank=70 exit

pressure=100kPa

단위 (mm) throat diameter=50 length 150 outlet diameter=70 diffusion

angle α=38deg

d = 0007 pe = 100kilo po = 7pe Ttank =7C

To = TK+Ttank To=343 (K)

times

sec

Air_massflow1N_hour =Air_masflow1N_sechoursec

Air_massflow1N_hour = 133024 (kghrper 1 nozzle)

Air_massflow3N_hour = Air_massflow 1N_hour3

Air_massflow 3N_hour = 399071 (kghrper 3 nozzles)

Imsec)

sec

timesorsec timesorsec

(kgm3)

sec

sec sec

공기분사 노즐 목의 직경이 50mm 출구 직경이 70mm 노즐 목에서 노즐 출구까

지의 길이가 150mm로 공기 분사노즐의 환산각 도인 공기 분사노즐이 3

개 장착되어 있으며 탱크내의 공기가 압력 7bar 와 70 를 유지하면서 계속적으

로 노즐을 통하여 공급되며 또한 분쇄 챔버 내의 압력이 1bar 로 유지되는 경우의

공기 분사노즐의 유동 특성 계산 결과를 종합 정리하면 다음과 같다

- 노즐 출구에서의 공기 최대 속도 542151msec

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 무게 399071kghr

(노즐 하나에 00369kgsec)

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 부피 225333m3hr(0063m3sec)

- 소요 동력 16291kWhhr

5 수축확산 공기 분사노즐의 유동 해석

공기 분사노즐을 3D 모델링 프로그램 SolidWorks(13)로 모델링하여 열유체 해석

을 위한 유한요소해석 프로그램 COSMOSFlwWorks(14)로 공기 분사노즐 내의 유

동 해석을 수행하였다 해석 대상 공기 분사노즐 단면의 형상과 각부의 치수는

Fig18에서와 같다

Fig 18 수축확산 노즐 유동 해석 모델의 단면

해석시에 적용된 변수값들은 앞의 ldquo4 초음속 공기 분사노즐의 분사 특성 계산rdquo에

서 산출된 값을 적용하였다 노즐의 확산부위 길이는 15mm 이며 분사노즐의 확산

각은 도이다 노즐 하나에 대하여 Fig 18 의 왼쪽면에서 00369 kgsec

의 공기가 유입되며 오른쪽 분사노즐 출구면에 12bar 의 압력을 적용하였다 분사

노즐의 유동 해석 결과의 여러 가지 특성값 중에서 본 설계에서의 주요 관심사가

공기의 배출 속도인 관계로 Fig 19에 흐름의 속도 분포 Fig 20에 흐름의 마하넘

버 분포를 나타내었다 초음속 흐름에 대한 해석으로 분사노즐 목에서의 공기속도

가 약 335msec(마하 1)이 되며 노즐 출구에서 최대속도가 된다 Fig 21은 수축

확산 노즐에 대한 공기의 속도 분포 해석 결과를 반영하여 공기 분사노즐을 모델링

한 것이다

Fig 19 수축확산 노즐의 공기 흐름 속도 분포

Fig 20 수축확산 노즐의 공기 흐름 마하넘버 분포

Fig 21 수축확산 노즐 모델

6 분급 이론

분급(分級 classification)이란 유체력을 이용해서 분립체를 그 입자 지름의 크기에

따라 분리하는 것으로 넓은 뜻으로는 유체력에 의한 분리만이 아니라 체가름을 포

함하는 경우가 있다 더 넓게는 비중선별ㆍ자기력선별 등 모든 입자분리조작을 분

급이라고 한다 공기ㆍ물 등의 유체 속에서 운동하는 분립체의 각 입자에는 중력

또는 원심력 이외에 유체에 의한 유체항력 등이 함께 작용된다 이 힘 즉 유체항력

은 입자 지름에 의존하는 데 유체항력과 입자 지름의 관계는 중력이나 원심력과

입자 지름의 관계와는 다르기 때문에 이 둘 사이의 균형 조건이 입자 지름에 의해

좌우된다 좁은 뜻의 분급은 이 원리를 이용한 입경분리조작을 의미한다 중력장에

서 등속 침강하는 구 형상의 입자에 대한 힘의 균형은 다음 식으로 표현된다

여기서 은 입자 질량 prime는 입자에 의해 배제된 유체 질량 g는 중력가속도 R

은 는 유체항력을 나타낸다 유체항력 R은 다음 식으로 나타낼 수 있다

여기서 는 저항계수 (drag coefficient)로 입자 주위의 유체의 상대적인 흐름의

상태에 따라 결정되는 무차원 계수이다 는 유체의 밀도 는 입자의 침강속도

는 입자의 지름이며 는 입자의 투영 최대 면적이다 물 또는 공기 속에서 입

자의 지름이 100 이하 입자의 밀도가 3gcm2이하의 조건에서는 입자 주위의 흐

름은 거의 충류로 간주되며 이때 R은 다음 식으로 나타내진다

여기서 는 유체의 점성도이다

prime

이므로 식 (36)을 식 (34)에 대입하면 식 (37)을 얻는다

여기서 는 입자 밀도이며 식 (37)을 스토크스의 침강속도식이라고 하며 분급에서

분리입자 지름을 구하기 위한 기본식으로 중요하다

식 (37)은 다음

과 같이도 표현된다

유체가 공기나 그 외의 기체인 경우의 분급 조작을 건식 분급(또는 공기 분급) 물

이나 그 외의 액체인 경우의 분급 조작을 습식 분급이라 한다 앞에 언급된 기본식

들 이외에 어떤 종류의 분급장치에서는 유체의 흐름 방향이 급격히 변화할 때 흐름

에 따라 운동하는 입자의 관성력의 효과가 중요한 역할을 한다

분급에 사용하는 장치를 분급기(classifier)라고 한다 건식분급기에는 관성력을 이

용하는 것 중력침강을 이용하는 것 원심력을 이용하는 것 등이 있다 관성력을 이

용하는 건식분급기에는 루버식분급기 버추얼임팩터 엘보제트형분급기 등이 있는

데 건식분급기로는 원심력을 이용한 것이 가장 널리 사용되고 있다 원심력을 이용

한 건식분급기로는 분급 입도가 30~100 정도의 비교적 굵은 입도에서의 대량 처

리로 옛날부터 알려진 스튜어트밴트형 등이 있으며 또한 몇 ~30의 분급이 가

능한 여러 분급기가 개발되어 널리 쓰이게 되었다 또한 사이클론도 미립(微粒)에서

조립(組立)에 이르는 분체(粉體)의 건식분급에 이용된다 습식분급기에는 중력식과

원심력식이 있으며 중력식은 상승 수류(水流)와 유동층을 이용한 수력분급기 원뿔

형 또는 각뿔형 용기에서의 중력침강을 이용한 세틀링탱크 등의 침강분급조 완만

하게 경사진 직사각형의 조(槽)로부터 침하한 조립 생산물을 긁어올리기 위한 레이

크나 스파이럴을 갖춘 기계분급기 등으로 분류된다 원심력을 이용한 습식분급기로

는 사이클론 또는 하이드로사이클론이 가장 대표적이며 솔리드볼형ㆍ디스크형 등

의 원심분리기도 미립자용 분급기로 사용된다

Fig 22는 베인 구조의 원심형 분급기의 회전 단면 모습이다

Fig22베인 구조의 원심형 분급기의 단면

Fig 22에서 H는 분급기 내부 상하면 사이의 간격이며 는 선별된 미분이 배출되

는 반경 는 베인의 내반경 는 베인의 외반경을 나타낸다

분체 주위의 공기 흐름이 층류 흐름이라는 조건하에서 베인 구조의 원심형 분급기

에의 컷포인트(utpoint)를 결정짓는 외주부의 반경 은 다음과 같다

또한 선별된 미분이 배출되는 반경은 다음과 같다

베인 사이에서도 고체의 회전법칙이 적용된다 베인의 외주 반경에서 속도의 원주

방향 성분 과 중심방향 성분 가 가장 큰 영향을 준다

식 (41)과 식 (42)를 식 (38)에 대입하여 정리하면 다음과 같다

독일 Netzsch 사에서는 베인의 내반경 에서 선별된 미분이 배출되는 반경 까

지의 반경 방향의 공기 속도 성분 을 질정하게 해 주기 위하여 Fig 10에 보인

ldquoConvorrdquo라고 불리우는 단면의 분급기를 개발하여 사용화하고 있다

7 분급기 설계와 유동 해석

분급기의 베인 사이로 분쇄된 미분과 공기가 함께 유입되어 중앙부의 배출구로 통

과하는 분급기의 내부 형상을 설계하기에 앞서 분급기 내부를 구성하는 상면이 평

평한 구조의 분급기에 대한 유동해석을 실시하여 공기의 속도 분포를 검토하였다

해석 대상 분급기의 외경은 205mm이며 밑면 중앙에 공기 배출을 위하여 직경이

90mm인 원형 구멍이 뚫려 있다 분급기 외주에는 단면이 원호의 일부로 만들어진

두깨가 2mm 넓이가 18mm 길이가 35mm인 베인이 매 60도마다 10개씩 등간격

으로 모두 60개가 베인의 코드 방향과 분급기의 반경 방향이 이루는 각도가 약 15

도가 되도록 경사지게 설치되어 있다 원주 방향으로 매 60도마다 길이 35mm 직

경 8mm인 원형봉 6개가 등간격으로 배열되어 상ㆍ사 카버 사이에 베인을 고정시

켜 조립되는 구조이다 해석 대상 분급기에 사용된 베인의 단면과 베인의 배열 및

분급기 상ㆍ하면을 고정하는 봉이 포함된 수평면상의 평면도를 Fig 23에 나타내었

다 Fig 24는 분급기의 상면 형상이 평평한 구조인 경우에 대한 분급기의 수직단

면도이다

분급기에 유입되는 공기는 온도 50 유입량 01m3sec 분급기를 통과한 후에

배출되는 공간의 압력은 12bar이며 분급기의 회전속도는 8000rpm(838radsec)

이다 분급기에 발생되는 원심력의 절대적인 크기는 재료의 밀도와 분급하고자 하

는 분말의 크기에 따라 분급기의 회전수를 변화시켜서 조절한다 SolidWorks 및

COSMOSFloWorks 프로그램으로 분급기의 공기 유동해석을 실시하였다 해석시의

변수 입력 항목 및 해석 과정을 ldquo부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 유동해석 절

차rdquo에 정리하였다

Fig 23 베인과 상ㆍ하면 고정 원형봉의 평면 단면도

Fig24 분급기 상면이 평면인 경우의 수직단면도

공기 유동해석 결과를 Fig25~Fig27에 나타내었다 Fig25는 베인의 중간 높이에

서의 수평 단면에서의 공기 속도 분포이다 Fig26은 베인이 위치한 부위에서의수

직단면 Fig 27은 상ㆍ하면을 고정시켜 주는 원형봉이 있는 부위의 수직단면에 분

포하는 공기의 유입 속도 해석 결과를 나타낸 것이다

Fig 25 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig 26 베인 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig27 연결봉 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig15~Fig27의 공기 속도 등고선을 보면 베인 외주부의 상하 위치에 있어서 공

기의속도가 불균일한 분포를 보인다 베인의 분급기 내부 공간에서는 같은 반경인

위치에서 윗부분에서의 공기 속도가 아랫부분에서보다 빠르게 분포하고 있다 베인

의 높이 방향 상ㆍ하 위치에 따른 이러한 유입 속도의 편차는 분급기 외주의 실린

더 면으로부터 유입되는 공기가 분급기 중앙의 밑 방향으로만 배출되는 유동 통로

의 구조 때문으로 판단되낟 따라서 같은 반경의 같은 원심력이 발생되는 위치에

있어서도 윗부분에서의 공기 유입속도가 밑부분에서보다 크게 분포되어 윗부분에서

는 밑부분에서보다 큰 분말이 분급기 안으로 유입된다 지정된 크기의 컷오프보다

큰 분말과 작은 분말이 혼합된 상태로 배출되는 관계로 분급이 정밀도가 저하된다

베인의 상ㆍ하 위치에 무관하게 공기의 유입 속도를 가급적 균일하게 해 주기 위한

목적으로 분급기 내부의 단면 형상을 Fig28과 같은 인볼류트-컨볼류트

(involute-convolute) 단면으로 구성하여 공기의 유동해석을 실시하였다

Fig 28 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기

Fig29는 베인의 중간 높이 수평단면 상에서의 공기 속도 분포이다 Fig25에 비하

여 베인의 외주 부위에서의 공기의 속도가 균일하게 분포되고 있음을 보여 준다

Fig29 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig 30은 베인이 위치한 부위에서의 수직 단면 Fig31은 상ㆍ하면을 고정시켜 주

는 원평봉이 있는 부위에서의 수직 단면에 분포하는 공기 속도 분포이다 Fig30과

Fig31은 각각 Fig25와 Fig26에 비하여 베인의 높이 방향 전체에 걸쳐 공기의 유

입 속도가 상당히 균일하게 분포되는 것을 보여 주고 있다

Fig 30 베인 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig31 연결봉 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig32는 분급기 내부의 공간 형상이 인볼류트-컨볼류트인 분급기의 설계 모델이

Fig32 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 모델

Fig33은 앞의 수축확산 공기 분사노즐(Fig20)과 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급

기(fig32)로 구성된 건식 기류충격식 분쇄기의 3D모델이다 중요 부품의 도면은

ldquo부록 9 설계 도면rdquo에 수록하였다

Fig33 건식 기류충격식 분쇄기의 3D 모델

8 시작품 제작

수축확산 공기 분사노즐의 유동해석 및 분급기의 유동해석 결과를 바탕으로 시작품

을 제작하였다 Fig34는 수축확산 공기 분사노즐 헤드의 시작품 모습이다

Fig 34 수축확산 공기 분사노즐 헤드 시작품

Fig35는 분급기의 시작품 모습이다 분급기의 베인은 분체와 마찰시 내마모성을

갖도록 SUS 재질로 곡면 성형한 후 세라믹으로 코팅하여 제작하였다

Fig35 분급기 시작품

Fig 36은 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 수축확산 공기 분사

노즐 및 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 등이 분쇄기의 내부에 장착되어 있다

Fig36 건식 기류충격식 분쇄기 시작품

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기와 관련된 국외 특허 자료 조사와 분석 공기의

유동해석에 있어 많은 일정이 소요되었다 기술지원 추진일정을 Table1에 정리하

였다

Table 4 추진 일정

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 15: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

5 수축확산 공기 분사노즐의 유동 해석

6 분급 이론

7 분급기 설계와 유동 해석

8 시작품 제작

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

2 기술지원 추진체계

3 연구기자재 활용

4 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

6 입도 측정

7 지적재산권 출원

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

제 6 장 참고문헌

부록 1 분쇄기 관련 한국 특허 13건 목록

부록 2 분쇄기 관련 일본 특허 16건 목록

부록 3 분쇄기 관련 미국 특허 23건 목록

부록 4 분쇄기 관련 유럽 특허 4건 목록

부록 5 분급기 관련 미국 특허 17건 목록

부록 6 기술지원 관련 전시회 참석

부록 7 개스의 비열값 개스 상수 밀도

부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 분급기 유동해석

부록 9 설계 도면

부록 10 입도측정 histogram

제 1 장 사업의 개요

분쇄는 재료에 외력을 가하여 작은 크기로 세분화하고 표면적을 증가시키는 기계적

인 조작이다 목적하는 파쇄물 입자의 크기에 따라 조쇄(粗碎) 중쇄(中碎) 분쇄(粉

碎) 미분쇄(微粉碎) 초미분쇄(超微粉碎)로 구분된다 분쇄시 작용되는 응력은 압축

력 충격력 전단력 마찰력 절단력 등이 있으며 단독의 힘이 작용되는 경우는 드

물고 분쇄 대상 재료에 여러 가지 힘임 복합력으로 동시에 작용되어 분쇄기 이루어

진다(1)

분쇄기는 분쇄 입도의 크기에 따라 다음과 같이 분류한다

(1) 조분쇄기 1500mm~100mmrarr500mm~25mm (분쇄비 4~3)

(2) 중분쇄기 500mm~6mmrarr50mm~1mm (분쇄비 7~5)

(3) 미분쇄기 125mm~1mmrarr2mmrarr01mm (분쇄비 20~10)

(4) 초미분쇄기 6mm~01mmrarr01mm~001mm (분쇄비 50~10)

분쇄기의 분쇄 방법에 의한 종류는 다음과 같다

(1) 볼밀(ball mill)

원통 속에 재료와 함께 강으로 만든 볼 즉 강구를 여러 개 넣은 후 함께 회전시켜

강구운동에 의한 충격으로 재료를 분쇄하는 장치이다 볼에는 주철 칠주물 플린트

석 천연석 등 원료에 따라 여러 가지가 있다 통의 길이는 통의 지름을 초과하지

않는 것이 표준형이지만 지름의 수 배 이상으로 긴 형의 튜브밀 그 중간인 콤파운

드밀(compound mill) 다양한 종류도 있다 원통의 내면은 특수강 또는 니켈판으로

내장한다 최종적인 미분을 만들 때 사용되며 도토(陶土) 염료 드의 처비분인 경

우에는 건식으로 사용되며 용도가 매우 넓다

(2) 로드밀(rod mill)

기체 내면의 길이보다 약간 짧은 강봉을 분쇄매체로 사용하는 회전식 분쇄기이다

거친 입자부터 선택적으로 분쇄하며 입도(粒度)가 비교적 가지런한 분쇄산물을 얻

을 수 있는 특징이 있다 단독으로 사용되는 외에 불밀에 의한 분쇄의 예비분쇄기

로서도 종종 사용된다

(3) 롤러밀(roller mill)

볼밀과 같은 원리의 분쇄기로 시멘트원료를 분쇄할 때나 석탄을 분쇄할 때 사용된

다 분쇄기 중에 롤러나 볼을 이용한 것을 링롤러밀이라고도 한다

(4) 조크러셔(jaw crusher)

전ㆍ후로 조금씩 진동하는 강철제의 철판과 이와 마주 보는 고정판 시이에 수 cm

에서 1m 정도의 암석 등의 덩어리를 물려 넣고 짓씹어 부수게 하는 구조로 되어

있다

(5) 임팩트 크러셔(impact crusher)

매초 원주 속도가 수십 m로 고속회전하는 원통에 장치된 충격판에 의해 분쇄하는

장치이다 골재 정형에 널리 쓰인다

(6) 휠러밀(wheeler mill)

tn 이하의 미분쇄를 필요로 하는 분야에서 널리 사용된다 소위 유체에너지밀의

일종으로 고압기체를 불어 넣음으로써 입자를 기계의 벽이나 또는 다른 입자에 충

돌시 켜서 분쇄하는 장치이다 기체가 길쭉한 도넛형의 통내를 입자와 함께 환류하

고 미세하게 된 입자만이 배기와 함께 기외로 배출되는 구조로 되어 있다

(7) 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)

노즐로 높은 압력의 공기 또는 질소를 초음속으로 분사시켜 분말 상호 간의 충돌로

초미립 크기로 분쇄되며 분급 휠(classifier wheel)의 속도 변환과 베인과의 간격에

의해 미립자의 크기를 조절하여 분급하는 방식이다 노즐의 크기 배열 상태 및 공

기 흐름의 조절로 효율성을 크게 증가시킬 수 있으며 동시에 분쇄기의 마모와 제품

의 순도 최적화를 유지할 수 있다 입도의 크기는 01 ~ 10의 범위에 있다

이외에도 큰크러셔(cone crusher) 압축력에 의한 자이러토리크러셔(gyratory

crusher)가 있고 충격력에 의한 해머밀(hammer mill) 케이지밀(cage mill) 유체에

너지밀 전단력에 의한 분쇄기 등이 있으며 마쇄력에 의한 자생분쇄밀과 진동밀

유성밀 교반밀이 있다

최근 들어 소재산업이 정밀화되고 고기능화 함에 따라 카본블랙 TiO2 PbO ZnO

SiO2등의 안료 세라믹 자기재료 맥반석 황토 슬래그 운모 흑연 탄화규소 탄

산칼슘 등을 미크론(μ) 크기 또는 서브미크론 크기의 분말로 분쇄하는 정밀 분쇄기

수요가 증대하고 있다

Fig 1 은 습식 분쇄기의 종류와 입도 범위의 관계를 나타낸 것이다 Fig 1 밑부분

의 화살표는 본 부품소재종합기술지원사업 수행으로 개발하고자 하는 분말의 크기

범위를 표시한 것이다

Fig 1 습식분쇄기의 입도 범위(독일 Buehler사)

제 1 절 기술지원 필요성

대가파우더시스템은 1970 년도에 창립하여 현재에 이르기까지 산업용 분쇄기 집

진기 건조기 기체여과기 액체여과기 폐수처리장치 등의 전문생산업체이다 최근

들어 소재산업이 정밀화되고 고기능화 함에 따라 분쇄기의 성능 향상이 요구되고

있다 최근에는 수십 nm 이하의 초분체 카본블랙 TiO2 ZnO SiO2 등의 안료 세

라믹 자기재료 등의 각종 소재의 입도 정밀화가 실현되고 있다 초분체기기 및 요

소 부품의 국내 수요는 독일의 DRAIS 일본의 KOTOBUKI 사 DYNO 사 등의 선진

메이커 제품을 수입하여 사용하고 있다 건식 기류충격식 분쇄기에 대한 국내 설계

기술 부족으로 외국에서 수입되고 있는 제품의 가격이 고가이어도 경쟁할 수 있는

제품을 개발하지 못하고 있는 어려운 상황이다

대가파우더시스템은 최근 습식 방법의 초미립 분쇄기를 개발하여 시험 중에 있으

며 압축공기를 이용한 기류충격식 분쇄기 개발에 있어서 분쇄부와 분급부의 기초

이론 구성 부품 설계 재질 선정 분쇄기 구조에 대하여 유한요소법으로 유동해석

을 하는 시뮬레이션 기술력 확보에 어려움을 겪고 있다 초미립 분쇄(ultra-fine

pulverization)를 위한 기류 분사노즐(compressed air nozzle supersonic air

nozzle)의 단면 형상 설계와 분쇄에 요구되는 유량 산출 분급기(classifier)의 크기

과 공기 유동부의 내부 형상 베인의 형상과 수량 베인의 간격 배열 위치 및 분급

기 회전수 등에 대한 설계 변수 등에 있어서 애로를 겪고 있으며 기술력 향상을

위하여 외부 전문가의 기술지원이 요청되고 있다

건식 기류충격식 분쇄기 설계의 핵심 기술을 지원하여 건식 기류충격식 분쇄기의

국내 업체의 자체 설계 능력 확보가 요구되낟 본 부품소재종합기술지원사업을 통

하여 초미립 분쇄기와 관련된 국내ㆍ외 특허 자료 기술문헌 및 분쇄부와 분급부의

기초 이론 관련 자료 조사와 제공 초미립 입자를 생산하기 위한 건식 분쇄기의 구

조 설계 기술 지원 유량에 따른 기류충격식 분쇄 노즐의 설계 변수 컴퓨터를 이용

한 3 차원 모델링에 의한 설계 유한요소법에 의한 기체의 유동 해석 기술 지원이

필요한다

제 2 절 기술지원 목표

기술지원의 초종 목표는 지원기업 대가파우더시스템가 분쇄 입도의 평균직경 18

~ 20 인 초미립 파우더를 생산하기 위한 기류충격식 분쇄기 설계와 생산에 대

한 기술 확보이다 공기 분사 방식의 분쇄 노즐 형상 분급부의 구조 설계 및 작동

에 대한 기초를 체계적으로 정립하며 분쇄기 구성 부품의 재질 선정 3D 모델링에

의한 분쇄기 시스템 설계와 유한요소볍에 의한 공기 유동장 해석 결과를 바탕으로

시작품을 제작하며 향후 유사 모델에 대한 자체적인 설계 및 새산 능력을 확보하

는 것이다

제 3 절 기술지원 내용

1 건식 기류충격식 분쇄기의 국내ㆍ외 특허 자료 기술문헌 및 기술정보 조사 지

원으로 초미립분쇄기의 기초 이론 구조 기능 정립 초음속 분사노즐 단면 형상

설계 자료로 활용

2 3D 모델링에 의한 설계 기술 지원으로 설계 오류를 사전에 방지

3 초음속 분쇄 노즐의 형상 설계와 유동 특성 해석 기술

4 분급부의 내부 구조 베인의 형상과 배열 및 수량 결정 유한요소법에 의한 분급

기의 유동 해석 기술 지원으로 분급 입도의 안정화 분급기 설계 및 제작

5 분쇄부와 분급기의 재질 선정 지원으로 생산가 관리 및 내구성 확보

Table 1 기술지원 목표 및 내용

제 2 장 국내ㆍ외 기술 현황

건식 분쇄 기술로 크기가 1 이하의 작은 입자를 생산하는 것은 어려운 기술로

분체기술의 장벽이라고 일컬어진다 각종 소재를 성분 변화없이 100nm 이하의 크

기로 극미세 분쇄하는 기술은 미래 산업을 이끌어갈 핵심분야로 국가간 연구개발

경쟁이 치열한 기술이다

제 1 절 세계의 기술 현황

나노급의 미세 파우더는 1980 년대초 독일의 칼스루헤연구소 등에서 시작되어

1990년대에 들어서 100nm 이하의 제조합성에 관한 연구가 본격화되었다 일본의

경우에는 과학기술청의 창조과학기술 추진과 통산성의 차세대산업기반기술 분야로

선정되어 주목을 받고 있다 초미분을 생산하기 위한 양산 장비 및 요소 부품에 대

한 선진국의 기술은 독일의 DRAIS사(습식) NETZSCH사(건식) 일본의 Kotobuki사

(습식) DYNO사(습식) Hosokawa 사(습식 건식) 등의 선진메이커에서 제품이 개

발되어 판매되고 있다 또한 나노 파우더 생산업체로는 일본의 Kako 사 미국의

Whittaker 사 Dow Chemical 사 Dupont사 및 독일의 Degusa사 등이 있다 현재

까지는 나노급 파우더 제조 공정의 불안정 및 복잡성 평가 방법의 미흡 등으로 다

양한 제조 공정 기술개발이 진행되고 있다 세라믹 분말의 경우에는 일부 특수한

경우에만 상용화되고 있다 금속분말의 경우에는 한정된 종류의 금속만 생산이 가

능하여 계속적인 개발이 진행되고 있다

건식 기류충격식 분쇄기의 주요 제작업체는 일본의 Hosokawa 사와 독일의

Netzsch 이다 미국 일본 및 독일 등에 대부분의 같은 내용의 특허가 등록되어

있으며 일본과 독일에 의하여 등록된 특허의 구조적인 특징은 다음과 같다

1 일본 Hosokawa사의 수직형 기류충격식 분쇄기

건식 기류충격식 분쇄기의 대표적인 업체인 일본의 Hosokawa 사 분쇄기의 특징

은 3개의 초음속 분사노즐이 에어젯트밀의 중앙인 수직 평면상에 원호상 등간격인

120도 간격으로 원의 중심을 향하여 배열되어 있으며 분쇄기 내의 상부에 회전축

이 수평인 위치로 회전되는 원심형 분급기가 설치되어 있다(Fig 2)

분쇄기의 모델과 분쇄 대상 재료에 따라 분말의 크기가 01 - 10 의 범위에 있

Fig 2 일본 Hosokawa 사의 수직형 기류충격식 분쇄기의 내부

2 일본 Hosokawa 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(2)

Fig 3a ~ Fig 3c는 일본 Hosokawa 사의 등록특허이다 분쇄기와 분급기 구조에

관한 것이다 Fig 3a에 보인 원형 단면의 분쇄실 외주부에 Fig 3b와 같이 에어를

고압 분사하는 분사노즐이 다수개 배열되어 있어 재료 공급관으로 유입되는 재료

가 고압의 공기 분사에 의하여 분쇄된다 분쇄도니 미분은 상부 통로로 배출되며

조분은 Fig 3b 의 ldquo16rdquo 번 부위인 분쇄기 내벽을 따라 이동되다가 공기 노즐의

출구부 측면에 나있는 구멍으로 흡입되어 공기와 함께 분사되어 재분쇄가 된다

Fig 3a 일본 Hosokawa 사의 분쇄기 단면(일본 特開平 11-179228 1999)

Fig 3b 일본 Hosokawa사의 분쇄기 평면(일본 特開平 11-179228 1999)

Fig 3c 일본 Hosokawa사 분쇄노즐 단면(일본 特開平 11-179228 1999)

3 일본 미놀타 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(3)

Fig 4a ~ Fig 4c 는 일본 미놀타사의 등록특허이다 분쇄기와 분급기 구조로

Fig 2에 보인 Hosokawa 사의 수직형 분쇄기와 비슷한 구조이다 분쇄 효율을 높

이기 위하여 Fig 4c 에 보인 것과 같은 분쇄기 중앙부의 분사된 공기가 집중되는

위치에 삼각형 경사판을 배치하여 공기가 충돌한 후 분쇄기 상부로 향하게 되어

있다

Fig 4a 일본 미놀타사의 분쇄기 단면(일본 特開 2000-5621 2000)

Fig 4b 일본 미놀타사 분쇄기의 분사노즐 배열(일본 特開 2000-5621 2000)

Fig 4c 일본 미놀타사 분쇄기의 충격판(일본 特開 2000-5621 2000)

4 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(4)

Fig 5는 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 등록특허이다 분쇄기 내측

수평면상에 분사노즐이 서로 마주 보게 배열되어 있다 분급기의 회전 축이 분쇄기

의 중심축과 일치한 상태로 회전하여 수평면 상에서 원심력에 의하여 분급이 이루

어진다 분급된 미분은 분쇄기 상부의 통로로 배출된다

Fig 5 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 수평형 기류충격식

분쇄기(일본 特開 2002-35631 2002)

5 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(5)

Fig 6 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기 구조는 Fig 4 의 일본

미놀타사와 유사하다 수평면상에 분사노즐이 배열되어 있으며 분급기의 회전축도

수평으로 위치하고 있다

Fig 6 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(일본 特開 2003-88773

2003)

6 미국 Xerox사의 수평형 기류충격식 분쇄기와 노즐(6)

Fig 7a의 미국 Xerox사의 수평형 기류충격식 분쇄기 구조는 Fig 5의 일본

Hosokawa Alpine AGampCo OHG 사의 구조와 유사하다 분사노즐이 수평면상으로

배열되어 있으며 분급기의 회전축도 수평으로 위치하고 있다 분사노즐의 형상은

Fig 7b 에서와 같이 이중관 구조이다

Fig 7a 미국 Xerox 산의 수평형 기류충격식 분쇄기(일본 特開 2004-50179

2004)

Fig 7b 미국 Xerox 사의 이중관 분사노즐(일본 特開 2004-50179 2004)

7 독일 Netzsch사의 건식 기류충격식 분쇄기(7)

독일 Netzsch 사는 대표적인 기본 구조의 건식 기류충격식 분쇄기를 개발하여 가

공 용량이 다른 여러 가지 분쇄기에 유사한 구조를 적용하였으며 일본 Hosokawa

산의 분쇄기와는 전혀 상이한 구조이다 즉 3 개의 초음속 분사노즐이 기류충격식

분쇄기 하부의 수평 평면상에 원호상 등간격인 120 도 간격으로 원의 중심을 향하

여 배열되어 있으며 Fig 8 에서와 같이 수직 회전축을 갖는 원심형 분급기가 분

쇄기 상부에 설치되어 있다 분급기의 외형 모습은 Fig 9에 보인 것과 같으며 분

급 효율을 향상시킬 목적으로 분급기 단면이 회전 중심으로 향할수록 상하 공간이

넓어지는 ldquoConvor로 명명된 형상의 단면 모습으로 되어 있다(Fig 10)

Fig 8 독일 Netzsch 사 분쇄기의 내부 구조

Fig 9 독일 Netzsch 사의 분급기

Fig 10 독일 Netzsch 사 분급기의 단면 형상 ldquoConvor

8 독일 특허 공기 분사노즐(9)

독일 Netzsch 사의 분쇄기 관련 기술 컨설턴트인 Nied 가 고안한 분쇄용 분사노즐

의 구조에 대한 것이다 3 개의 공기 분사노즐이 기류충격식 분쇄기 하부의 수평

평면상에 원호상 등간격인 120도 간격으로 원의 중심을 향하여 배열되어 있다(Fig

11a) 분사노즐 중앙부의 구조는 단면이 수축-확산 형태로 노즐로 초음속의 고속

분사를 하면서 중심 노즐 주변에 중앙 분사부를 감싸는 이중 공기 분사관을 형성

하여 중앙의 분사노즐에서 분사되는 공기의 확산각이 커지지 않도록 공기 주위에

추가적인 보조 공기를 분사하는 구조이다(Fig 11b)

Fig 11a 독일 특허-분사노즐 배열과 분사 공기의 분포(EP 0 736328A1 1996)

Fig 11b 독일 특허-분사노즐 단면과 분사 공기의 분포(EP 0 736328A1 1996)

9 미국 특허 분쇄기 구조(10)

일본의 히데유끼 요시다 등 5 명이 미국에 출원한 특허로 분쇄 재료가 초음속으로

분출되는 공기 통로의 중간에서 공급되며 재료가 분쇄실로 이동된 후 충격판에 충

돌되어 분쇄되는 구조이다(Fig12) 분쇄된 분말의 크기는 10 수준이다

Fig 12 미국 특허-충돌식 분쇄기(USP 57657661998)

제 2 절 국내의 기술 현황

국내의 경우에는 초미분 분말 생산에 관한 개발 역사가 짧으며 연구소 대학 기업

등에서 다발적으로 연구가 진해오디고 있다 기계 전자 물리 재료 화학 등의 연

계된 연구가 필요하다 1996 년 과학기술부 및 산업자원부 등의 산업단을 중심으로

대형 연구가 수행되어 왔으나 주로 기상법에 의한 분말합성에 관한 것이다 1998

년도부터 한국기계연구원에서 200nm 급의 건식 분쇄 및 분급기에 대한 개발을 시

작으로 초미분 파우더 생산 장비에 관한 연구가 이루어지고 있다 초미분 분쇄 방

식은 본 기술지원 과제의 지원기업인 대가파우더시스템을 포함하여 습식 방식인

교반밀(agitated mill)을 주로 사용하며 입도의 크기는 5 이상 수십 크기의

범위이다 기류충격식 분쇄기의 기술 수준은 입도의 크기가 5 ~ 10 수준이다

기존의 습식분쇄기의 경우 평균 입도가 28 ~ 32로 Pb0를 대상으로 할 때 4

~ 6 kghr 정도를 생산할 수 있는 수준이다

국내에 등록되어 있는 건식 기류충격식 분쇄기와 관련된 특허의 출원인인 대부분이

일본업체이며 일본에 출원된 특허를 한국에 재출우너한 것이 대부분이다 미국과

벨기에가 각각 1 건씩 등록하고 있으며 한국인이 출원한 특허는 테크월드에서

출원한 3 건 등 모두 4 건이 검색되었다 마이크로급 이상의 파우더 생산장비에 대

한 국내의 기술 수준은 선진국 기술 수준의 약 70 수준이다 그나마도 설계 및

생산에 있어 거의 모방에 의존하고 있다 나노급 기술은 초보적인 상태이다

제 3 장 기술지원 수행 내용 및 결과

제 1 절 기술지원 수행

본 부품소재종합기술지원사업은 Fig13의 기술 개발 추진도에 따라 수행되었다

Fig 13 기술 개발 추진도

분쇄기의 전체 시스템 중에서 분쇄기와 분급기 이외의 기타 구성 모듈들에 대한 설

계 및 생산기술은 지원기업 대가파우더시스템이 기확보하고 있는 기술이 기술

지원의 주된 내용은 기류충격식 분쇄기의 핵심 부품이며 분쇄기의 성능을 좌우하는

초음속 공기 분사노즐과 분급기의 설계 기술에 관한 것이다 초음속 공기 분사노즐

의 단면 형상 공급 공기의 압력과 분사 공기의 속도 및 공기 소요량 산출을 위한

공기 분사노즐 설계와 분쇄기 내부의 내마모성 재료 선택 분급기 베인의 형상과

분급기로 유입되는 공기의 속도 분포를 균일하게 하여 원심력 작용으로 분말의 분

급 정밀도를 향상시켜 주기 위한 분급기의 내부 단면 형상 설계 미 ㅊ유입 공기 속

도 및 압력 분포에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 방법 등에 대한 체계적인 기술 지원이

수행되었다 향후 유사 모델 개발에 적용하여 새로운 제품을 개발할 수 있는 설계

능력을 확보하였다

1 분쇄기 시스템 구성도

본 기술지원을 통하여 개발하는 핵심 기술은 건식 기류충격식 분쇄기의 초음속 공

기 분사노즐과 분급기와 관련된 기술이다 분쇄기의 기본 구조는 독일의 Netzsch

사 제품과 유사한 구조로 되어 있으며 분쇄용 공기 분사노즐과 고정밀도의 분급기

설계기술을 자체 보유하는 데 주안점이 있다 개발 대상 분쇄기 시스템의 전체 구

성도는 Fig 14(7)에서와 같다 Fig 14에서 분쇄기 시스템은 ldquo진동공급기rdquo를 통하

여 공급되는 분쇄용 우너료를 ldquo건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기rdquo로 분쇄 및 분급

한 후에 cyclone을 거쳐 bag filter로 분말을 포집하는 시스템으로 구성되어 있

다 분말과 공기가 혼합된 기류는 각각의 단계로 이송하는 과정에서 double flap

valve로 이송이 조절되며 최종적으로 fan의 작동으로 공기가 배출된다

건식 기류충격식 분쇄기 본체를 구성하는 부품의 서브어셈블리는 각각 Chamber

Body Laval Nozzle Classifier Wheel 및 Bearing Block등으로 구성되어 있

다 주요한 설계 변수는 분쇄챔버의 직경과 높이 초음속 공기 분사노즐 설계 있어

서 라발 노즐(초음속 공기 분사노즐)의 모즐 목 내경과 배출부의 직경 및 축방향의

단면 형상 공기되는 공기의 압력 등이다 분급기 설계에 있어서의 주요 변소는 베

인의 단면 형상 베인의 수량과 배열 각도 분급기 내부 공동부의 단면 형상 분급

기에 유입되는 공기 속도와 분급기를 통과한 이후의 공기 압력 등이다

Fig 14 기류충격식 분쇄기의 시스템 구성도

2 소리의 속도

물체의 일부에 교란을 주면 개스 유체 및 고체의 압축성으로 인하여 물체를 통하

여 유한한 속도로 교란이 전파된다

음속은 물체의 압력과 밀도 변화와 관계되어 있으며 다음식으로 표현된다

여기서

음속 압력변화 밀도 변화

체적탄성계수는 다음과 같이 표현된다

여기서

체적탄성계수 압력변화 체적변화 초기체적

체적탄성계수는 식 (3)으로도 표현된다

여기서

물체의밀도변화 물체의초기밀도

개스 유체 고체 내에서의 음속은 다음식과 같다

여기서

체적탄성계수

개스에서의 소리 속도는 아주 작은 한 점에서 교란이 일어나는 관계로 열전달을 무

시할 수가 있으며 또한 등온 상태로 가정할 수가 있다 이상 기체에서의 소리 속도

는 절대 온도의 근에 비례하며 다음식으로 표현된다

여기서

k = 비열비 (adiabatic index)

p = 압력 (Pa psi)

R = 개스 상수

T = 절대 온도 (degK degR)

앞의 식 (4)와 식 (5)로부터

식 (6)으로부터 체적탄성게수 E를 구할 수가 있다

( 예 1 ) 공기의 체적탄성계구 산출

k = 14 R = 287 (JK kg) at T=293K( 20 ) p=1204(kgm3)

Eair = k R T p=14X287X293X1204=14174379((Jm3)

Eair = 14174379(Nm2)

( 예 2 ) 염소(C12)의 체적탄성계수 산출

k = 134 R = 120 (JK kg) at T=293K(20) p=2994(kgm3)

Ec12 = k R T p=134X120X293X1994=14106051((Jm3)

Ec12 = 14106051(Nm2)

( 예 3 ) 0 1 bar 공기에서의 소리 속도

c = (14x287x273)12

= 3312 (ms)

여기서

k = 14

R = 287 (JK kg)

( 예 4 ) 20 1bar 공기에서의 소리 속도 산출

c = (14X287X293)12

= 3431 (ms)

( 예 5 ) 0 물속에서의 소리 속도 산출

여기서

3 공기 분사노즐에서의 유동식

개스역학에서 공기의 속도가 sim 이상으로 빠르거나 압력의 변화가

보다 큰 경우에는 압축성 흐름으로 취급한다 이러한 현상은 노즐에서

개스가 팽창하는 경우에 발생된다

정상유동에서의 에너지 평형 상태는 다음식으로 표현된다

여기서 엔탈피는

이며 엔탈피 ∆의 변화는 내부에너지 ∆에 외부로 또는 외부로부터의 체적에

의한 일 ∙∆의 합과 같다

내부에너지의 변호가 없고 밀도가 일정하다고 가정하면 즉 ∆ 인

경우에는 비압축성유동의 베르누이 방정식이 된다 반면에 위치네어지의 변화가 없

는 경우 ∆ 에는 상대적으로 밀도가 낮은 압축성 유체인 ldquo개스rdquo의 상태를

나타낸다 ldquo개스역학rdquo 이라는 자체가 의미하듯이 해석에 있어 고압 및 개스의 속도

가 포함되며 내부에너지의 변화 ∆를 무시할 수가 없다 이러한 의미에서 식 (7)

은 다음과 같이 된다

이상개스 방정식에서

이며 식 (12)를 식(9)에 대입하면 다음과 같이 된다

식 (13)에 에너지 보존법칙을 적용하면 노즐에서 분사되는 개스의 속도를 구할 수

있다

개스의 초기 속도가 인 경우에는

가역 단열 흐름에 있어서는 다음 3개의 식을 적용할 수가 있다

식 (16) ~ 식 (18)을 식 (15)에 대입하면 노즐에서 분출되는 개스의 속도가 구해

진다

노즐을 통과하는 질량의 흐름 식

밀도의 비로부터

다음과 같이 노즐을 통과하는 질량을 구한다

다음의 식 (23)을 식 (22)에 대입하여

식 (24)를 구한다

여기에서

을 ldquo탈출 계수(escape coefficient)rdquo 라고 한다

식 (25)를 사용하여 식 (24)를 다시 표현하면 다음의 간략식이 된다

탈출 계수 는 압축비 의 값이 다음과 같은 값일 때

임계 압축비 또는 라발 압축비로 표현되는 다음 크기의 최대값을 갖는다

음속은 노즐의 단면적이 제일 작은 부분에서 임계 압축비에 도달한다

max는 테이퍼가 일정한 실린더 형상의 노즐에 적용된다 식 (26)에 의하여

ㆍ 가 되며 는 일정한 테이퍼의 노즐에서만 증가할 수 있다 만약 압

축비 가 임계비 이하이면 max이므로 노즐을 통과하는 질량의 흐름은 일정

하다 이것은 질량의 흐름이 외부의 압력에 영향을 받지 않는다는 것을 의미한다

질량의 흐름에 의한 일은 다음의 식 (30)으로부터 구해진다

압축성 유체의 단열 팽창시에 수행된 일은 식 (19)와 식 (30)로부터 다음과 같이

산출된다

아래의 Fig 15 는 수축확산 노즐의 단면 모습이며(11) Fig 16 은 수축확산 노즐에

서의 압력 온도 속도 변화를 나타낸 것이다(8)

Fig 15 수축확산 노즐(Laval Nozzle)

Fig 16 수축확산 노즐에서의 압력 온도 속도 변화

압축성 유체의 흐름에 있어서 임계 속도 이후에 노즐의 단면이 서서히 확대되면

열에너지가 유동에너지로 변환되면서 온도는 낮아지고 흐름이 증가된다

앞의 식 (27)을 참조할 때 Fig 16 의 수축확산 노즐의 단면적이 가장 작은 임계

압축비 에서 음속에 도달한다 이 것은 질량 흐름에 식 (26)이 계속적으로 유

효하다는 것을 의미한다 수축확산 노즐 출구에서의 온도는 다음과 같은 관계가 된

노즐 확산부의 치수는 다음식으로부터 구해지며

개스 상수 등은 계수 개스 유입 온도 노즐 목의 직경 압축비 등의

변수로부터 노즐 출구에서의 개스 속도와 온도를 구할 수가 있다 공기 흐름 해석

대상 노즐 각부에 대한 부호는 Fig17에서와 같다

Fig 17 수축확산 노즐의 각부 부호

실제 수축확산 노즐을 설계하는 데 있어서는 노즐에서 발생될 수 있는 압축파 발생

을 억제하기 위하여 노즐 출구의 치수를 설계값보다 약간 작게 한다 즉 Fig 17에

서의 노즐의 확산각 가 를 넘지 않아야 하며 최대 이내여야 한다

4 공기 분사노즐의 흐름 특성 계산

앞의 ldquo3 초음속 공기 분사노즐에서의 공기의 흐름rdquo에서 유도된 식들을 이용하여

ldquoMathcad 13 프로그램(12)으로 설계 대상 분쇄기에 적용되는 공기 분사노즐의 단

면 치수 유입 공기량 노즐 출구에서의 공기 속도 소요 동력 등을 산출하였다

우선 단위와 공기의 상수를 정리하면

kilo=1000 TK =273 hoursec =3600 k = 14

ㆍsecㆍ

ㆍsecㆍ

ㆍsec

ㆍsec

예를 들어 tan tan tan tan

해석 조건이 다음과 같으면 tank pressure=700kPa Ttank=70 exit

pressure=100kPa

단위 (mm) throat diameter=50 length 150 outlet diameter=70 diffusion

angle α=38deg

d = 0007 pe = 100kilo po = 7pe Ttank =7C

To = TK+Ttank To=343 (K)

times

sec

Air_massflow1N_hour =Air_masflow1N_sechoursec

Air_massflow1N_hour = 133024 (kghrper 1 nozzle)

Air_massflow3N_hour = Air_massflow 1N_hour3

Air_massflow 3N_hour = 399071 (kghrper 3 nozzles)

Imsec)

sec

timesorsec timesorsec

(kgm3)

sec

sec sec

공기분사 노즐 목의 직경이 50mm 출구 직경이 70mm 노즐 목에서 노즐 출구까

지의 길이가 150mm로 공기 분사노즐의 환산각 도인 공기 분사노즐이 3

개 장착되어 있으며 탱크내의 공기가 압력 7bar 와 70 를 유지하면서 계속적으

로 노즐을 통하여 공급되며 또한 분쇄 챔버 내의 압력이 1bar 로 유지되는 경우의

공기 분사노즐의 유동 특성 계산 결과를 종합 정리하면 다음과 같다

- 노즐 출구에서의 공기 최대 속도 542151msec

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 무게 399071kghr

(노즐 하나에 00369kgsec)

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 부피 225333m3hr(0063m3sec)

- 소요 동력 16291kWhhr

5 수축확산 공기 분사노즐의 유동 해석

공기 분사노즐을 3D 모델링 프로그램 SolidWorks(13)로 모델링하여 열유체 해석

을 위한 유한요소해석 프로그램 COSMOSFlwWorks(14)로 공기 분사노즐 내의 유

동 해석을 수행하였다 해석 대상 공기 분사노즐 단면의 형상과 각부의 치수는

Fig18에서와 같다

Fig 18 수축확산 노즐 유동 해석 모델의 단면

해석시에 적용된 변수값들은 앞의 ldquo4 초음속 공기 분사노즐의 분사 특성 계산rdquo에

서 산출된 값을 적용하였다 노즐의 확산부위 길이는 15mm 이며 분사노즐의 확산

각은 도이다 노즐 하나에 대하여 Fig 18 의 왼쪽면에서 00369 kgsec

의 공기가 유입되며 오른쪽 분사노즐 출구면에 12bar 의 압력을 적용하였다 분사

노즐의 유동 해석 결과의 여러 가지 특성값 중에서 본 설계에서의 주요 관심사가

공기의 배출 속도인 관계로 Fig 19에 흐름의 속도 분포 Fig 20에 흐름의 마하넘

버 분포를 나타내었다 초음속 흐름에 대한 해석으로 분사노즐 목에서의 공기속도

가 약 335msec(마하 1)이 되며 노즐 출구에서 최대속도가 된다 Fig 21은 수축

확산 노즐에 대한 공기의 속도 분포 해석 결과를 반영하여 공기 분사노즐을 모델링

한 것이다

Fig 19 수축확산 노즐의 공기 흐름 속도 분포

Fig 20 수축확산 노즐의 공기 흐름 마하넘버 분포

Fig 21 수축확산 노즐 모델

6 분급 이론

분급(分級 classification)이란 유체력을 이용해서 분립체를 그 입자 지름의 크기에

따라 분리하는 것으로 넓은 뜻으로는 유체력에 의한 분리만이 아니라 체가름을 포

함하는 경우가 있다 더 넓게는 비중선별ㆍ자기력선별 등 모든 입자분리조작을 분

급이라고 한다 공기ㆍ물 등의 유체 속에서 운동하는 분립체의 각 입자에는 중력

또는 원심력 이외에 유체에 의한 유체항력 등이 함께 작용된다 이 힘 즉 유체항력

은 입자 지름에 의존하는 데 유체항력과 입자 지름의 관계는 중력이나 원심력과

입자 지름의 관계와는 다르기 때문에 이 둘 사이의 균형 조건이 입자 지름에 의해

좌우된다 좁은 뜻의 분급은 이 원리를 이용한 입경분리조작을 의미한다 중력장에

서 등속 침강하는 구 형상의 입자에 대한 힘의 균형은 다음 식으로 표현된다

여기서 은 입자 질량 prime는 입자에 의해 배제된 유체 질량 g는 중력가속도 R

은 는 유체항력을 나타낸다 유체항력 R은 다음 식으로 나타낼 수 있다

여기서 는 저항계수 (drag coefficient)로 입자 주위의 유체의 상대적인 흐름의

상태에 따라 결정되는 무차원 계수이다 는 유체의 밀도 는 입자의 침강속도

는 입자의 지름이며 는 입자의 투영 최대 면적이다 물 또는 공기 속에서 입

자의 지름이 100 이하 입자의 밀도가 3gcm2이하의 조건에서는 입자 주위의 흐

름은 거의 충류로 간주되며 이때 R은 다음 식으로 나타내진다

여기서 는 유체의 점성도이다

prime

이므로 식 (36)을 식 (34)에 대입하면 식 (37)을 얻는다

여기서 는 입자 밀도이며 식 (37)을 스토크스의 침강속도식이라고 하며 분급에서

분리입자 지름을 구하기 위한 기본식으로 중요하다

식 (37)은 다음

과 같이도 표현된다

유체가 공기나 그 외의 기체인 경우의 분급 조작을 건식 분급(또는 공기 분급) 물

이나 그 외의 액체인 경우의 분급 조작을 습식 분급이라 한다 앞에 언급된 기본식

들 이외에 어떤 종류의 분급장치에서는 유체의 흐름 방향이 급격히 변화할 때 흐름

에 따라 운동하는 입자의 관성력의 효과가 중요한 역할을 한다

분급에 사용하는 장치를 분급기(classifier)라고 한다 건식분급기에는 관성력을 이

용하는 것 중력침강을 이용하는 것 원심력을 이용하는 것 등이 있다 관성력을 이

용하는 건식분급기에는 루버식분급기 버추얼임팩터 엘보제트형분급기 등이 있는

데 건식분급기로는 원심력을 이용한 것이 가장 널리 사용되고 있다 원심력을 이용

한 건식분급기로는 분급 입도가 30~100 정도의 비교적 굵은 입도에서의 대량 처

리로 옛날부터 알려진 스튜어트밴트형 등이 있으며 또한 몇 ~30의 분급이 가

능한 여러 분급기가 개발되어 널리 쓰이게 되었다 또한 사이클론도 미립(微粒)에서

조립(組立)에 이르는 분체(粉體)의 건식분급에 이용된다 습식분급기에는 중력식과

원심력식이 있으며 중력식은 상승 수류(水流)와 유동층을 이용한 수력분급기 원뿔

형 또는 각뿔형 용기에서의 중력침강을 이용한 세틀링탱크 등의 침강분급조 완만

하게 경사진 직사각형의 조(槽)로부터 침하한 조립 생산물을 긁어올리기 위한 레이

크나 스파이럴을 갖춘 기계분급기 등으로 분류된다 원심력을 이용한 습식분급기로

는 사이클론 또는 하이드로사이클론이 가장 대표적이며 솔리드볼형ㆍ디스크형 등

의 원심분리기도 미립자용 분급기로 사용된다

Fig 22는 베인 구조의 원심형 분급기의 회전 단면 모습이다

Fig22베인 구조의 원심형 분급기의 단면

Fig 22에서 H는 분급기 내부 상하면 사이의 간격이며 는 선별된 미분이 배출되

는 반경 는 베인의 내반경 는 베인의 외반경을 나타낸다

분체 주위의 공기 흐름이 층류 흐름이라는 조건하에서 베인 구조의 원심형 분급기

에의 컷포인트(utpoint)를 결정짓는 외주부의 반경 은 다음과 같다

또한 선별된 미분이 배출되는 반경은 다음과 같다

베인 사이에서도 고체의 회전법칙이 적용된다 베인의 외주 반경에서 속도의 원주

방향 성분 과 중심방향 성분 가 가장 큰 영향을 준다

식 (41)과 식 (42)를 식 (38)에 대입하여 정리하면 다음과 같다

독일 Netzsch 사에서는 베인의 내반경 에서 선별된 미분이 배출되는 반경 까

지의 반경 방향의 공기 속도 성분 을 질정하게 해 주기 위하여 Fig 10에 보인

ldquoConvorrdquo라고 불리우는 단면의 분급기를 개발하여 사용화하고 있다

7 분급기 설계와 유동 해석

분급기의 베인 사이로 분쇄된 미분과 공기가 함께 유입되어 중앙부의 배출구로 통

과하는 분급기의 내부 형상을 설계하기에 앞서 분급기 내부를 구성하는 상면이 평

평한 구조의 분급기에 대한 유동해석을 실시하여 공기의 속도 분포를 검토하였다

해석 대상 분급기의 외경은 205mm이며 밑면 중앙에 공기 배출을 위하여 직경이

90mm인 원형 구멍이 뚫려 있다 분급기 외주에는 단면이 원호의 일부로 만들어진

두깨가 2mm 넓이가 18mm 길이가 35mm인 베인이 매 60도마다 10개씩 등간격

으로 모두 60개가 베인의 코드 방향과 분급기의 반경 방향이 이루는 각도가 약 15

도가 되도록 경사지게 설치되어 있다 원주 방향으로 매 60도마다 길이 35mm 직

경 8mm인 원형봉 6개가 등간격으로 배열되어 상ㆍ사 카버 사이에 베인을 고정시

켜 조립되는 구조이다 해석 대상 분급기에 사용된 베인의 단면과 베인의 배열 및

분급기 상ㆍ하면을 고정하는 봉이 포함된 수평면상의 평면도를 Fig 23에 나타내었

다 Fig 24는 분급기의 상면 형상이 평평한 구조인 경우에 대한 분급기의 수직단

면도이다

분급기에 유입되는 공기는 온도 50 유입량 01m3sec 분급기를 통과한 후에

배출되는 공간의 압력은 12bar이며 분급기의 회전속도는 8000rpm(838radsec)

이다 분급기에 발생되는 원심력의 절대적인 크기는 재료의 밀도와 분급하고자 하

는 분말의 크기에 따라 분급기의 회전수를 변화시켜서 조절한다 SolidWorks 및

COSMOSFloWorks 프로그램으로 분급기의 공기 유동해석을 실시하였다 해석시의

변수 입력 항목 및 해석 과정을 ldquo부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 유동해석 절

차rdquo에 정리하였다

Fig 23 베인과 상ㆍ하면 고정 원형봉의 평면 단면도

Fig24 분급기 상면이 평면인 경우의 수직단면도

공기 유동해석 결과를 Fig25~Fig27에 나타내었다 Fig25는 베인의 중간 높이에

서의 수평 단면에서의 공기 속도 분포이다 Fig26은 베인이 위치한 부위에서의수

직단면 Fig 27은 상ㆍ하면을 고정시켜 주는 원형봉이 있는 부위의 수직단면에 분

포하는 공기의 유입 속도 해석 결과를 나타낸 것이다

Fig 25 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig 26 베인 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig27 연결봉 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig15~Fig27의 공기 속도 등고선을 보면 베인 외주부의 상하 위치에 있어서 공

기의속도가 불균일한 분포를 보인다 베인의 분급기 내부 공간에서는 같은 반경인

위치에서 윗부분에서의 공기 속도가 아랫부분에서보다 빠르게 분포하고 있다 베인

의 높이 방향 상ㆍ하 위치에 따른 이러한 유입 속도의 편차는 분급기 외주의 실린

더 면으로부터 유입되는 공기가 분급기 중앙의 밑 방향으로만 배출되는 유동 통로

의 구조 때문으로 판단되낟 따라서 같은 반경의 같은 원심력이 발생되는 위치에

있어서도 윗부분에서의 공기 유입속도가 밑부분에서보다 크게 분포되어 윗부분에서

는 밑부분에서보다 큰 분말이 분급기 안으로 유입된다 지정된 크기의 컷오프보다

큰 분말과 작은 분말이 혼합된 상태로 배출되는 관계로 분급이 정밀도가 저하된다

베인의 상ㆍ하 위치에 무관하게 공기의 유입 속도를 가급적 균일하게 해 주기 위한

목적으로 분급기 내부의 단면 형상을 Fig28과 같은 인볼류트-컨볼류트

(involute-convolute) 단면으로 구성하여 공기의 유동해석을 실시하였다

Fig 28 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기

Fig29는 베인의 중간 높이 수평단면 상에서의 공기 속도 분포이다 Fig25에 비하

여 베인의 외주 부위에서의 공기의 속도가 균일하게 분포되고 있음을 보여 준다

Fig29 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig 30은 베인이 위치한 부위에서의 수직 단면 Fig31은 상ㆍ하면을 고정시켜 주

는 원평봉이 있는 부위에서의 수직 단면에 분포하는 공기 속도 분포이다 Fig30과

Fig31은 각각 Fig25와 Fig26에 비하여 베인의 높이 방향 전체에 걸쳐 공기의 유

입 속도가 상당히 균일하게 분포되는 것을 보여 주고 있다

Fig 30 베인 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig31 연결봉 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig32는 분급기 내부의 공간 형상이 인볼류트-컨볼류트인 분급기의 설계 모델이

Fig32 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 모델

Fig33은 앞의 수축확산 공기 분사노즐(Fig20)과 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급

기(fig32)로 구성된 건식 기류충격식 분쇄기의 3D모델이다 중요 부품의 도면은

ldquo부록 9 설계 도면rdquo에 수록하였다

Fig33 건식 기류충격식 분쇄기의 3D 모델

8 시작품 제작

수축확산 공기 분사노즐의 유동해석 및 분급기의 유동해석 결과를 바탕으로 시작품

을 제작하였다 Fig34는 수축확산 공기 분사노즐 헤드의 시작품 모습이다

Fig 34 수축확산 공기 분사노즐 헤드 시작품

Fig35는 분급기의 시작품 모습이다 분급기의 베인은 분체와 마찰시 내마모성을

갖도록 SUS 재질로 곡면 성형한 후 세라믹으로 코팅하여 제작하였다

Fig35 분급기 시작품

Fig 36은 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 수축확산 공기 분사

노즐 및 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 등이 분쇄기의 내부에 장착되어 있다

Fig36 건식 기류충격식 분쇄기 시작품

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기와 관련된 국외 특허 자료 조사와 분석 공기의

유동해석에 있어 많은 일정이 소요되었다 기술지원 추진일정을 Table1에 정리하

였다

Table 4 추진 일정

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 16: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

제 1 장 사업의 개요

분쇄는 재료에 외력을 가하여 작은 크기로 세분화하고 표면적을 증가시키는 기계적

인 조작이다 목적하는 파쇄물 입자의 크기에 따라 조쇄(粗碎) 중쇄(中碎) 분쇄(粉

碎) 미분쇄(微粉碎) 초미분쇄(超微粉碎)로 구분된다 분쇄시 작용되는 응력은 압축

력 충격력 전단력 마찰력 절단력 등이 있으며 단독의 힘이 작용되는 경우는 드

물고 분쇄 대상 재료에 여러 가지 힘임 복합력으로 동시에 작용되어 분쇄기 이루어

진다(1)

분쇄기는 분쇄 입도의 크기에 따라 다음과 같이 분류한다

(1) 조분쇄기 1500mm~100mmrarr500mm~25mm (분쇄비 4~3)

(2) 중분쇄기 500mm~6mmrarr50mm~1mm (분쇄비 7~5)

(3) 미분쇄기 125mm~1mmrarr2mmrarr01mm (분쇄비 20~10)

(4) 초미분쇄기 6mm~01mmrarr01mm~001mm (분쇄비 50~10)

분쇄기의 분쇄 방법에 의한 종류는 다음과 같다

(1) 볼밀(ball mill)

원통 속에 재료와 함께 강으로 만든 볼 즉 강구를 여러 개 넣은 후 함께 회전시켜

강구운동에 의한 충격으로 재료를 분쇄하는 장치이다 볼에는 주철 칠주물 플린트

석 천연석 등 원료에 따라 여러 가지가 있다 통의 길이는 통의 지름을 초과하지

않는 것이 표준형이지만 지름의 수 배 이상으로 긴 형의 튜브밀 그 중간인 콤파운

드밀(compound mill) 다양한 종류도 있다 원통의 내면은 특수강 또는 니켈판으로

내장한다 최종적인 미분을 만들 때 사용되며 도토(陶土) 염료 드의 처비분인 경

우에는 건식으로 사용되며 용도가 매우 넓다

(2) 로드밀(rod mill)

기체 내면의 길이보다 약간 짧은 강봉을 분쇄매체로 사용하는 회전식 분쇄기이다

거친 입자부터 선택적으로 분쇄하며 입도(粒度)가 비교적 가지런한 분쇄산물을 얻

을 수 있는 특징이 있다 단독으로 사용되는 외에 불밀에 의한 분쇄의 예비분쇄기

로서도 종종 사용된다

(3) 롤러밀(roller mill)

볼밀과 같은 원리의 분쇄기로 시멘트원료를 분쇄할 때나 석탄을 분쇄할 때 사용된

다 분쇄기 중에 롤러나 볼을 이용한 것을 링롤러밀이라고도 한다

(4) 조크러셔(jaw crusher)

전ㆍ후로 조금씩 진동하는 강철제의 철판과 이와 마주 보는 고정판 시이에 수 cm

에서 1m 정도의 암석 등의 덩어리를 물려 넣고 짓씹어 부수게 하는 구조로 되어

있다

(5) 임팩트 크러셔(impact crusher)

매초 원주 속도가 수십 m로 고속회전하는 원통에 장치된 충격판에 의해 분쇄하는

장치이다 골재 정형에 널리 쓰인다

(6) 휠러밀(wheeler mill)

tn 이하의 미분쇄를 필요로 하는 분야에서 널리 사용된다 소위 유체에너지밀의

일종으로 고압기체를 불어 넣음으로써 입자를 기계의 벽이나 또는 다른 입자에 충

돌시 켜서 분쇄하는 장치이다 기체가 길쭉한 도넛형의 통내를 입자와 함께 환류하

고 미세하게 된 입자만이 배기와 함께 기외로 배출되는 구조로 되어 있다

(7) 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)

노즐로 높은 압력의 공기 또는 질소를 초음속으로 분사시켜 분말 상호 간의 충돌로

초미립 크기로 분쇄되며 분급 휠(classifier wheel)의 속도 변환과 베인과의 간격에

의해 미립자의 크기를 조절하여 분급하는 방식이다 노즐의 크기 배열 상태 및 공

기 흐름의 조절로 효율성을 크게 증가시킬 수 있으며 동시에 분쇄기의 마모와 제품

의 순도 최적화를 유지할 수 있다 입도의 크기는 01 ~ 10의 범위에 있다

이외에도 큰크러셔(cone crusher) 압축력에 의한 자이러토리크러셔(gyratory

crusher)가 있고 충격력에 의한 해머밀(hammer mill) 케이지밀(cage mill) 유체에

너지밀 전단력에 의한 분쇄기 등이 있으며 마쇄력에 의한 자생분쇄밀과 진동밀

유성밀 교반밀이 있다

최근 들어 소재산업이 정밀화되고 고기능화 함에 따라 카본블랙 TiO2 PbO ZnO

SiO2등의 안료 세라믹 자기재료 맥반석 황토 슬래그 운모 흑연 탄화규소 탄

산칼슘 등을 미크론(μ) 크기 또는 서브미크론 크기의 분말로 분쇄하는 정밀 분쇄기

수요가 증대하고 있다

Fig 1 은 습식 분쇄기의 종류와 입도 범위의 관계를 나타낸 것이다 Fig 1 밑부분

의 화살표는 본 부품소재종합기술지원사업 수행으로 개발하고자 하는 분말의 크기

범위를 표시한 것이다

Fig 1 습식분쇄기의 입도 범위(독일 Buehler사)

제 1 절 기술지원 필요성

대가파우더시스템은 1970 년도에 창립하여 현재에 이르기까지 산업용 분쇄기 집

진기 건조기 기체여과기 액체여과기 폐수처리장치 등의 전문생산업체이다 최근

들어 소재산업이 정밀화되고 고기능화 함에 따라 분쇄기의 성능 향상이 요구되고

있다 최근에는 수십 nm 이하의 초분체 카본블랙 TiO2 ZnO SiO2 등의 안료 세

라믹 자기재료 등의 각종 소재의 입도 정밀화가 실현되고 있다 초분체기기 및 요

소 부품의 국내 수요는 독일의 DRAIS 일본의 KOTOBUKI 사 DYNO 사 등의 선진

메이커 제품을 수입하여 사용하고 있다 건식 기류충격식 분쇄기에 대한 국내 설계

기술 부족으로 외국에서 수입되고 있는 제품의 가격이 고가이어도 경쟁할 수 있는

제품을 개발하지 못하고 있는 어려운 상황이다

대가파우더시스템은 최근 습식 방법의 초미립 분쇄기를 개발하여 시험 중에 있으

며 압축공기를 이용한 기류충격식 분쇄기 개발에 있어서 분쇄부와 분급부의 기초

이론 구성 부품 설계 재질 선정 분쇄기 구조에 대하여 유한요소법으로 유동해석

을 하는 시뮬레이션 기술력 확보에 어려움을 겪고 있다 초미립 분쇄(ultra-fine

pulverization)를 위한 기류 분사노즐(compressed air nozzle supersonic air

nozzle)의 단면 형상 설계와 분쇄에 요구되는 유량 산출 분급기(classifier)의 크기

과 공기 유동부의 내부 형상 베인의 형상과 수량 베인의 간격 배열 위치 및 분급

기 회전수 등에 대한 설계 변수 등에 있어서 애로를 겪고 있으며 기술력 향상을

위하여 외부 전문가의 기술지원이 요청되고 있다

건식 기류충격식 분쇄기 설계의 핵심 기술을 지원하여 건식 기류충격식 분쇄기의

국내 업체의 자체 설계 능력 확보가 요구되낟 본 부품소재종합기술지원사업을 통

하여 초미립 분쇄기와 관련된 국내ㆍ외 특허 자료 기술문헌 및 분쇄부와 분급부의

기초 이론 관련 자료 조사와 제공 초미립 입자를 생산하기 위한 건식 분쇄기의 구

조 설계 기술 지원 유량에 따른 기류충격식 분쇄 노즐의 설계 변수 컴퓨터를 이용

한 3 차원 모델링에 의한 설계 유한요소법에 의한 기체의 유동 해석 기술 지원이

필요한다

제 2 절 기술지원 목표

기술지원의 초종 목표는 지원기업 대가파우더시스템가 분쇄 입도의 평균직경 18

~ 20 인 초미립 파우더를 생산하기 위한 기류충격식 분쇄기 설계와 생산에 대

한 기술 확보이다 공기 분사 방식의 분쇄 노즐 형상 분급부의 구조 설계 및 작동

에 대한 기초를 체계적으로 정립하며 분쇄기 구성 부품의 재질 선정 3D 모델링에

의한 분쇄기 시스템 설계와 유한요소볍에 의한 공기 유동장 해석 결과를 바탕으로

시작품을 제작하며 향후 유사 모델에 대한 자체적인 설계 및 새산 능력을 확보하

는 것이다

제 3 절 기술지원 내용

1 건식 기류충격식 분쇄기의 국내ㆍ외 특허 자료 기술문헌 및 기술정보 조사 지

원으로 초미립분쇄기의 기초 이론 구조 기능 정립 초음속 분사노즐 단면 형상

설계 자료로 활용

2 3D 모델링에 의한 설계 기술 지원으로 설계 오류를 사전에 방지

3 초음속 분쇄 노즐의 형상 설계와 유동 특성 해석 기술

4 분급부의 내부 구조 베인의 형상과 배열 및 수량 결정 유한요소법에 의한 분급

기의 유동 해석 기술 지원으로 분급 입도의 안정화 분급기 설계 및 제작

5 분쇄부와 분급기의 재질 선정 지원으로 생산가 관리 및 내구성 확보

Table 1 기술지원 목표 및 내용

제 2 장 국내ㆍ외 기술 현황

건식 분쇄 기술로 크기가 1 이하의 작은 입자를 생산하는 것은 어려운 기술로

분체기술의 장벽이라고 일컬어진다 각종 소재를 성분 변화없이 100nm 이하의 크

기로 극미세 분쇄하는 기술은 미래 산업을 이끌어갈 핵심분야로 국가간 연구개발

경쟁이 치열한 기술이다

제 1 절 세계의 기술 현황

나노급의 미세 파우더는 1980 년대초 독일의 칼스루헤연구소 등에서 시작되어

1990년대에 들어서 100nm 이하의 제조합성에 관한 연구가 본격화되었다 일본의

경우에는 과학기술청의 창조과학기술 추진과 통산성의 차세대산업기반기술 분야로

선정되어 주목을 받고 있다 초미분을 생산하기 위한 양산 장비 및 요소 부품에 대

한 선진국의 기술은 독일의 DRAIS사(습식) NETZSCH사(건식) 일본의 Kotobuki사

(습식) DYNO사(습식) Hosokawa 사(습식 건식) 등의 선진메이커에서 제품이 개

발되어 판매되고 있다 또한 나노 파우더 생산업체로는 일본의 Kako 사 미국의

Whittaker 사 Dow Chemical 사 Dupont사 및 독일의 Degusa사 등이 있다 현재

까지는 나노급 파우더 제조 공정의 불안정 및 복잡성 평가 방법의 미흡 등으로 다

양한 제조 공정 기술개발이 진행되고 있다 세라믹 분말의 경우에는 일부 특수한

경우에만 상용화되고 있다 금속분말의 경우에는 한정된 종류의 금속만 생산이 가

능하여 계속적인 개발이 진행되고 있다

건식 기류충격식 분쇄기의 주요 제작업체는 일본의 Hosokawa 사와 독일의

Netzsch 이다 미국 일본 및 독일 등에 대부분의 같은 내용의 특허가 등록되어

있으며 일본과 독일에 의하여 등록된 특허의 구조적인 특징은 다음과 같다

1 일본 Hosokawa사의 수직형 기류충격식 분쇄기

건식 기류충격식 분쇄기의 대표적인 업체인 일본의 Hosokawa 사 분쇄기의 특징

은 3개의 초음속 분사노즐이 에어젯트밀의 중앙인 수직 평면상에 원호상 등간격인

120도 간격으로 원의 중심을 향하여 배열되어 있으며 분쇄기 내의 상부에 회전축

이 수평인 위치로 회전되는 원심형 분급기가 설치되어 있다(Fig 2)

분쇄기의 모델과 분쇄 대상 재료에 따라 분말의 크기가 01 - 10 의 범위에 있

Fig 2 일본 Hosokawa 사의 수직형 기류충격식 분쇄기의 내부

2 일본 Hosokawa 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(2)

Fig 3a ~ Fig 3c는 일본 Hosokawa 사의 등록특허이다 분쇄기와 분급기 구조에

관한 것이다 Fig 3a에 보인 원형 단면의 분쇄실 외주부에 Fig 3b와 같이 에어를

고압 분사하는 분사노즐이 다수개 배열되어 있어 재료 공급관으로 유입되는 재료

가 고압의 공기 분사에 의하여 분쇄된다 분쇄도니 미분은 상부 통로로 배출되며

조분은 Fig 3b 의 ldquo16rdquo 번 부위인 분쇄기 내벽을 따라 이동되다가 공기 노즐의

출구부 측면에 나있는 구멍으로 흡입되어 공기와 함께 분사되어 재분쇄가 된다

Fig 3a 일본 Hosokawa 사의 분쇄기 단면(일본 特開平 11-179228 1999)

Fig 3b 일본 Hosokawa사의 분쇄기 평면(일본 特開平 11-179228 1999)

Fig 3c 일본 Hosokawa사 분쇄노즐 단면(일본 特開平 11-179228 1999)

3 일본 미놀타 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(3)

Fig 4a ~ Fig 4c 는 일본 미놀타사의 등록특허이다 분쇄기와 분급기 구조로

Fig 2에 보인 Hosokawa 사의 수직형 분쇄기와 비슷한 구조이다 분쇄 효율을 높

이기 위하여 Fig 4c 에 보인 것과 같은 분쇄기 중앙부의 분사된 공기가 집중되는

위치에 삼각형 경사판을 배치하여 공기가 충돌한 후 분쇄기 상부로 향하게 되어

있다

Fig 4a 일본 미놀타사의 분쇄기 단면(일본 特開 2000-5621 2000)

Fig 4b 일본 미놀타사 분쇄기의 분사노즐 배열(일본 特開 2000-5621 2000)

Fig 4c 일본 미놀타사 분쇄기의 충격판(일본 特開 2000-5621 2000)

4 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(4)

Fig 5는 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 등록특허이다 분쇄기 내측

수평면상에 분사노즐이 서로 마주 보게 배열되어 있다 분급기의 회전 축이 분쇄기

의 중심축과 일치한 상태로 회전하여 수평면 상에서 원심력에 의하여 분급이 이루

어진다 분급된 미분은 분쇄기 상부의 통로로 배출된다

Fig 5 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 수평형 기류충격식

분쇄기(일본 特開 2002-35631 2002)

5 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(5)

Fig 6 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기 구조는 Fig 4 의 일본

미놀타사와 유사하다 수평면상에 분사노즐이 배열되어 있으며 분급기의 회전축도

수평으로 위치하고 있다

Fig 6 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(일본 特開 2003-88773

2003)

6 미국 Xerox사의 수평형 기류충격식 분쇄기와 노즐(6)

Fig 7a의 미국 Xerox사의 수평형 기류충격식 분쇄기 구조는 Fig 5의 일본

Hosokawa Alpine AGampCo OHG 사의 구조와 유사하다 분사노즐이 수평면상으로

배열되어 있으며 분급기의 회전축도 수평으로 위치하고 있다 분사노즐의 형상은

Fig 7b 에서와 같이 이중관 구조이다

Fig 7a 미국 Xerox 산의 수평형 기류충격식 분쇄기(일본 特開 2004-50179

2004)

Fig 7b 미국 Xerox 사의 이중관 분사노즐(일본 特開 2004-50179 2004)

7 독일 Netzsch사의 건식 기류충격식 분쇄기(7)

독일 Netzsch 사는 대표적인 기본 구조의 건식 기류충격식 분쇄기를 개발하여 가

공 용량이 다른 여러 가지 분쇄기에 유사한 구조를 적용하였으며 일본 Hosokawa

산의 분쇄기와는 전혀 상이한 구조이다 즉 3 개의 초음속 분사노즐이 기류충격식

분쇄기 하부의 수평 평면상에 원호상 등간격인 120 도 간격으로 원의 중심을 향하

여 배열되어 있으며 Fig 8 에서와 같이 수직 회전축을 갖는 원심형 분급기가 분

쇄기 상부에 설치되어 있다 분급기의 외형 모습은 Fig 9에 보인 것과 같으며 분

급 효율을 향상시킬 목적으로 분급기 단면이 회전 중심으로 향할수록 상하 공간이

넓어지는 ldquoConvor로 명명된 형상의 단면 모습으로 되어 있다(Fig 10)

Fig 8 독일 Netzsch 사 분쇄기의 내부 구조

Fig 9 독일 Netzsch 사의 분급기

Fig 10 독일 Netzsch 사 분급기의 단면 형상 ldquoConvor

8 독일 특허 공기 분사노즐(9)

독일 Netzsch 사의 분쇄기 관련 기술 컨설턴트인 Nied 가 고안한 분쇄용 분사노즐

의 구조에 대한 것이다 3 개의 공기 분사노즐이 기류충격식 분쇄기 하부의 수평

평면상에 원호상 등간격인 120도 간격으로 원의 중심을 향하여 배열되어 있다(Fig

11a) 분사노즐 중앙부의 구조는 단면이 수축-확산 형태로 노즐로 초음속의 고속

분사를 하면서 중심 노즐 주변에 중앙 분사부를 감싸는 이중 공기 분사관을 형성

하여 중앙의 분사노즐에서 분사되는 공기의 확산각이 커지지 않도록 공기 주위에

추가적인 보조 공기를 분사하는 구조이다(Fig 11b)

Fig 11a 독일 특허-분사노즐 배열과 분사 공기의 분포(EP 0 736328A1 1996)

Fig 11b 독일 특허-분사노즐 단면과 분사 공기의 분포(EP 0 736328A1 1996)

9 미국 특허 분쇄기 구조(10)

일본의 히데유끼 요시다 등 5 명이 미국에 출원한 특허로 분쇄 재료가 초음속으로

분출되는 공기 통로의 중간에서 공급되며 재료가 분쇄실로 이동된 후 충격판에 충

돌되어 분쇄되는 구조이다(Fig12) 분쇄된 분말의 크기는 10 수준이다

Fig 12 미국 특허-충돌식 분쇄기(USP 57657661998)

제 2 절 국내의 기술 현황

국내의 경우에는 초미분 분말 생산에 관한 개발 역사가 짧으며 연구소 대학 기업

등에서 다발적으로 연구가 진해오디고 있다 기계 전자 물리 재료 화학 등의 연

계된 연구가 필요하다 1996 년 과학기술부 및 산업자원부 등의 산업단을 중심으로

대형 연구가 수행되어 왔으나 주로 기상법에 의한 분말합성에 관한 것이다 1998

년도부터 한국기계연구원에서 200nm 급의 건식 분쇄 및 분급기에 대한 개발을 시

작으로 초미분 파우더 생산 장비에 관한 연구가 이루어지고 있다 초미분 분쇄 방

식은 본 기술지원 과제의 지원기업인 대가파우더시스템을 포함하여 습식 방식인

교반밀(agitated mill)을 주로 사용하며 입도의 크기는 5 이상 수십 크기의

범위이다 기류충격식 분쇄기의 기술 수준은 입도의 크기가 5 ~ 10 수준이다

기존의 습식분쇄기의 경우 평균 입도가 28 ~ 32로 Pb0를 대상으로 할 때 4

~ 6 kghr 정도를 생산할 수 있는 수준이다

국내에 등록되어 있는 건식 기류충격식 분쇄기와 관련된 특허의 출원인인 대부분이

일본업체이며 일본에 출원된 특허를 한국에 재출우너한 것이 대부분이다 미국과

벨기에가 각각 1 건씩 등록하고 있으며 한국인이 출원한 특허는 테크월드에서

출원한 3 건 등 모두 4 건이 검색되었다 마이크로급 이상의 파우더 생산장비에 대

한 국내의 기술 수준은 선진국 기술 수준의 약 70 수준이다 그나마도 설계 및

생산에 있어 거의 모방에 의존하고 있다 나노급 기술은 초보적인 상태이다

제 3 장 기술지원 수행 내용 및 결과

제 1 절 기술지원 수행

본 부품소재종합기술지원사업은 Fig13의 기술 개발 추진도에 따라 수행되었다

Fig 13 기술 개발 추진도

분쇄기의 전체 시스템 중에서 분쇄기와 분급기 이외의 기타 구성 모듈들에 대한 설

계 및 생산기술은 지원기업 대가파우더시스템이 기확보하고 있는 기술이 기술

지원의 주된 내용은 기류충격식 분쇄기의 핵심 부품이며 분쇄기의 성능을 좌우하는

초음속 공기 분사노즐과 분급기의 설계 기술에 관한 것이다 초음속 공기 분사노즐

의 단면 형상 공급 공기의 압력과 분사 공기의 속도 및 공기 소요량 산출을 위한

공기 분사노즐 설계와 분쇄기 내부의 내마모성 재료 선택 분급기 베인의 형상과

분급기로 유입되는 공기의 속도 분포를 균일하게 하여 원심력 작용으로 분말의 분

급 정밀도를 향상시켜 주기 위한 분급기의 내부 단면 형상 설계 미 ㅊ유입 공기 속

도 및 압력 분포에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 방법 등에 대한 체계적인 기술 지원이

수행되었다 향후 유사 모델 개발에 적용하여 새로운 제품을 개발할 수 있는 설계

능력을 확보하였다

1 분쇄기 시스템 구성도

본 기술지원을 통하여 개발하는 핵심 기술은 건식 기류충격식 분쇄기의 초음속 공

기 분사노즐과 분급기와 관련된 기술이다 분쇄기의 기본 구조는 독일의 Netzsch

사 제품과 유사한 구조로 되어 있으며 분쇄용 공기 분사노즐과 고정밀도의 분급기

설계기술을 자체 보유하는 데 주안점이 있다 개발 대상 분쇄기 시스템의 전체 구

성도는 Fig 14(7)에서와 같다 Fig 14에서 분쇄기 시스템은 ldquo진동공급기rdquo를 통하

여 공급되는 분쇄용 우너료를 ldquo건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기rdquo로 분쇄 및 분급

한 후에 cyclone을 거쳐 bag filter로 분말을 포집하는 시스템으로 구성되어 있

다 분말과 공기가 혼합된 기류는 각각의 단계로 이송하는 과정에서 double flap

valve로 이송이 조절되며 최종적으로 fan의 작동으로 공기가 배출된다

건식 기류충격식 분쇄기 본체를 구성하는 부품의 서브어셈블리는 각각 Chamber

Body Laval Nozzle Classifier Wheel 및 Bearing Block등으로 구성되어 있

다 주요한 설계 변수는 분쇄챔버의 직경과 높이 초음속 공기 분사노즐 설계 있어

서 라발 노즐(초음속 공기 분사노즐)의 모즐 목 내경과 배출부의 직경 및 축방향의

단면 형상 공기되는 공기의 압력 등이다 분급기 설계에 있어서의 주요 변소는 베

인의 단면 형상 베인의 수량과 배열 각도 분급기 내부 공동부의 단면 형상 분급

기에 유입되는 공기 속도와 분급기를 통과한 이후의 공기 압력 등이다

Fig 14 기류충격식 분쇄기의 시스템 구성도

2 소리의 속도

물체의 일부에 교란을 주면 개스 유체 및 고체의 압축성으로 인하여 물체를 통하

여 유한한 속도로 교란이 전파된다

음속은 물체의 압력과 밀도 변화와 관계되어 있으며 다음식으로 표현된다

여기서

음속 압력변화 밀도 변화

체적탄성계수는 다음과 같이 표현된다

여기서

체적탄성계수 압력변화 체적변화 초기체적

체적탄성계수는 식 (3)으로도 표현된다

여기서

물체의밀도변화 물체의초기밀도

개스 유체 고체 내에서의 음속은 다음식과 같다

여기서

체적탄성계수

개스에서의 소리 속도는 아주 작은 한 점에서 교란이 일어나는 관계로 열전달을 무

시할 수가 있으며 또한 등온 상태로 가정할 수가 있다 이상 기체에서의 소리 속도

는 절대 온도의 근에 비례하며 다음식으로 표현된다

여기서

k = 비열비 (adiabatic index)

p = 압력 (Pa psi)

R = 개스 상수

T = 절대 온도 (degK degR)

앞의 식 (4)와 식 (5)로부터

식 (6)으로부터 체적탄성게수 E를 구할 수가 있다

( 예 1 ) 공기의 체적탄성계구 산출

k = 14 R = 287 (JK kg) at T=293K( 20 ) p=1204(kgm3)

Eair = k R T p=14X287X293X1204=14174379((Jm3)

Eair = 14174379(Nm2)

( 예 2 ) 염소(C12)의 체적탄성계수 산출

k = 134 R = 120 (JK kg) at T=293K(20) p=2994(kgm3)

Ec12 = k R T p=134X120X293X1994=14106051((Jm3)

Ec12 = 14106051(Nm2)

( 예 3 ) 0 1 bar 공기에서의 소리 속도

c = (14x287x273)12

= 3312 (ms)

여기서

k = 14

R = 287 (JK kg)

( 예 4 ) 20 1bar 공기에서의 소리 속도 산출

c = (14X287X293)12

= 3431 (ms)

( 예 5 ) 0 물속에서의 소리 속도 산출

여기서

3 공기 분사노즐에서의 유동식

개스역학에서 공기의 속도가 sim 이상으로 빠르거나 압력의 변화가

보다 큰 경우에는 압축성 흐름으로 취급한다 이러한 현상은 노즐에서

개스가 팽창하는 경우에 발생된다

정상유동에서의 에너지 평형 상태는 다음식으로 표현된다

여기서 엔탈피는

이며 엔탈피 ∆의 변화는 내부에너지 ∆에 외부로 또는 외부로부터의 체적에

의한 일 ∙∆의 합과 같다

내부에너지의 변호가 없고 밀도가 일정하다고 가정하면 즉 ∆ 인

경우에는 비압축성유동의 베르누이 방정식이 된다 반면에 위치네어지의 변화가 없

는 경우 ∆ 에는 상대적으로 밀도가 낮은 압축성 유체인 ldquo개스rdquo의 상태를

나타낸다 ldquo개스역학rdquo 이라는 자체가 의미하듯이 해석에 있어 고압 및 개스의 속도

가 포함되며 내부에너지의 변화 ∆를 무시할 수가 없다 이러한 의미에서 식 (7)

은 다음과 같이 된다

이상개스 방정식에서

이며 식 (12)를 식(9)에 대입하면 다음과 같이 된다

식 (13)에 에너지 보존법칙을 적용하면 노즐에서 분사되는 개스의 속도를 구할 수

있다

개스의 초기 속도가 인 경우에는

가역 단열 흐름에 있어서는 다음 3개의 식을 적용할 수가 있다

식 (16) ~ 식 (18)을 식 (15)에 대입하면 노즐에서 분출되는 개스의 속도가 구해

진다

노즐을 통과하는 질량의 흐름 식

밀도의 비로부터

다음과 같이 노즐을 통과하는 질량을 구한다

다음의 식 (23)을 식 (22)에 대입하여

식 (24)를 구한다

여기에서

을 ldquo탈출 계수(escape coefficient)rdquo 라고 한다

식 (25)를 사용하여 식 (24)를 다시 표현하면 다음의 간략식이 된다

탈출 계수 는 압축비 의 값이 다음과 같은 값일 때

임계 압축비 또는 라발 압축비로 표현되는 다음 크기의 최대값을 갖는다

음속은 노즐의 단면적이 제일 작은 부분에서 임계 압축비에 도달한다

max는 테이퍼가 일정한 실린더 형상의 노즐에 적용된다 식 (26)에 의하여

ㆍ 가 되며 는 일정한 테이퍼의 노즐에서만 증가할 수 있다 만약 압

축비 가 임계비 이하이면 max이므로 노즐을 통과하는 질량의 흐름은 일정

하다 이것은 질량의 흐름이 외부의 압력에 영향을 받지 않는다는 것을 의미한다

질량의 흐름에 의한 일은 다음의 식 (30)으로부터 구해진다

압축성 유체의 단열 팽창시에 수행된 일은 식 (19)와 식 (30)로부터 다음과 같이

산출된다

아래의 Fig 15 는 수축확산 노즐의 단면 모습이며(11) Fig 16 은 수축확산 노즐에

서의 압력 온도 속도 변화를 나타낸 것이다(8)

Fig 15 수축확산 노즐(Laval Nozzle)

Fig 16 수축확산 노즐에서의 압력 온도 속도 변화

압축성 유체의 흐름에 있어서 임계 속도 이후에 노즐의 단면이 서서히 확대되면

열에너지가 유동에너지로 변환되면서 온도는 낮아지고 흐름이 증가된다

앞의 식 (27)을 참조할 때 Fig 16 의 수축확산 노즐의 단면적이 가장 작은 임계

압축비 에서 음속에 도달한다 이 것은 질량 흐름에 식 (26)이 계속적으로 유

효하다는 것을 의미한다 수축확산 노즐 출구에서의 온도는 다음과 같은 관계가 된

노즐 확산부의 치수는 다음식으로부터 구해지며

개스 상수 등은 계수 개스 유입 온도 노즐 목의 직경 압축비 등의

변수로부터 노즐 출구에서의 개스 속도와 온도를 구할 수가 있다 공기 흐름 해석

대상 노즐 각부에 대한 부호는 Fig17에서와 같다

Fig 17 수축확산 노즐의 각부 부호

실제 수축확산 노즐을 설계하는 데 있어서는 노즐에서 발생될 수 있는 압축파 발생

을 억제하기 위하여 노즐 출구의 치수를 설계값보다 약간 작게 한다 즉 Fig 17에

서의 노즐의 확산각 가 를 넘지 않아야 하며 최대 이내여야 한다

4 공기 분사노즐의 흐름 특성 계산

앞의 ldquo3 초음속 공기 분사노즐에서의 공기의 흐름rdquo에서 유도된 식들을 이용하여

ldquoMathcad 13 프로그램(12)으로 설계 대상 분쇄기에 적용되는 공기 분사노즐의 단

면 치수 유입 공기량 노즐 출구에서의 공기 속도 소요 동력 등을 산출하였다

우선 단위와 공기의 상수를 정리하면

kilo=1000 TK =273 hoursec =3600 k = 14

ㆍsecㆍ

ㆍsecㆍ

ㆍsec

ㆍsec

예를 들어 tan tan tan tan

해석 조건이 다음과 같으면 tank pressure=700kPa Ttank=70 exit

pressure=100kPa

단위 (mm) throat diameter=50 length 150 outlet diameter=70 diffusion

angle α=38deg

d = 0007 pe = 100kilo po = 7pe Ttank =7C

To = TK+Ttank To=343 (K)

times

sec

Air_massflow1N_hour =Air_masflow1N_sechoursec

Air_massflow1N_hour = 133024 (kghrper 1 nozzle)

Air_massflow3N_hour = Air_massflow 1N_hour3

Air_massflow 3N_hour = 399071 (kghrper 3 nozzles)

Imsec)

sec

timesorsec timesorsec

(kgm3)

sec

sec sec

공기분사 노즐 목의 직경이 50mm 출구 직경이 70mm 노즐 목에서 노즐 출구까

지의 길이가 150mm로 공기 분사노즐의 환산각 도인 공기 분사노즐이 3

개 장착되어 있으며 탱크내의 공기가 압력 7bar 와 70 를 유지하면서 계속적으

로 노즐을 통하여 공급되며 또한 분쇄 챔버 내의 압력이 1bar 로 유지되는 경우의

공기 분사노즐의 유동 특성 계산 결과를 종합 정리하면 다음과 같다

- 노즐 출구에서의 공기 최대 속도 542151msec

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 무게 399071kghr

(노즐 하나에 00369kgsec)

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 부피 225333m3hr(0063m3sec)

- 소요 동력 16291kWhhr

5 수축확산 공기 분사노즐의 유동 해석

공기 분사노즐을 3D 모델링 프로그램 SolidWorks(13)로 모델링하여 열유체 해석

을 위한 유한요소해석 프로그램 COSMOSFlwWorks(14)로 공기 분사노즐 내의 유

동 해석을 수행하였다 해석 대상 공기 분사노즐 단면의 형상과 각부의 치수는

Fig18에서와 같다

Fig 18 수축확산 노즐 유동 해석 모델의 단면

해석시에 적용된 변수값들은 앞의 ldquo4 초음속 공기 분사노즐의 분사 특성 계산rdquo에

서 산출된 값을 적용하였다 노즐의 확산부위 길이는 15mm 이며 분사노즐의 확산

각은 도이다 노즐 하나에 대하여 Fig 18 의 왼쪽면에서 00369 kgsec

의 공기가 유입되며 오른쪽 분사노즐 출구면에 12bar 의 압력을 적용하였다 분사

노즐의 유동 해석 결과의 여러 가지 특성값 중에서 본 설계에서의 주요 관심사가

공기의 배출 속도인 관계로 Fig 19에 흐름의 속도 분포 Fig 20에 흐름의 마하넘

버 분포를 나타내었다 초음속 흐름에 대한 해석으로 분사노즐 목에서의 공기속도

가 약 335msec(마하 1)이 되며 노즐 출구에서 최대속도가 된다 Fig 21은 수축

확산 노즐에 대한 공기의 속도 분포 해석 결과를 반영하여 공기 분사노즐을 모델링

한 것이다

Fig 19 수축확산 노즐의 공기 흐름 속도 분포

Fig 20 수축확산 노즐의 공기 흐름 마하넘버 분포

Fig 21 수축확산 노즐 모델

6 분급 이론

분급(分級 classification)이란 유체력을 이용해서 분립체를 그 입자 지름의 크기에

따라 분리하는 것으로 넓은 뜻으로는 유체력에 의한 분리만이 아니라 체가름을 포

함하는 경우가 있다 더 넓게는 비중선별ㆍ자기력선별 등 모든 입자분리조작을 분

급이라고 한다 공기ㆍ물 등의 유체 속에서 운동하는 분립체의 각 입자에는 중력

또는 원심력 이외에 유체에 의한 유체항력 등이 함께 작용된다 이 힘 즉 유체항력

은 입자 지름에 의존하는 데 유체항력과 입자 지름의 관계는 중력이나 원심력과

입자 지름의 관계와는 다르기 때문에 이 둘 사이의 균형 조건이 입자 지름에 의해

좌우된다 좁은 뜻의 분급은 이 원리를 이용한 입경분리조작을 의미한다 중력장에

서 등속 침강하는 구 형상의 입자에 대한 힘의 균형은 다음 식으로 표현된다

여기서 은 입자 질량 prime는 입자에 의해 배제된 유체 질량 g는 중력가속도 R

은 는 유체항력을 나타낸다 유체항력 R은 다음 식으로 나타낼 수 있다

여기서 는 저항계수 (drag coefficient)로 입자 주위의 유체의 상대적인 흐름의

상태에 따라 결정되는 무차원 계수이다 는 유체의 밀도 는 입자의 침강속도

는 입자의 지름이며 는 입자의 투영 최대 면적이다 물 또는 공기 속에서 입

자의 지름이 100 이하 입자의 밀도가 3gcm2이하의 조건에서는 입자 주위의 흐

름은 거의 충류로 간주되며 이때 R은 다음 식으로 나타내진다

여기서 는 유체의 점성도이다

prime

이므로 식 (36)을 식 (34)에 대입하면 식 (37)을 얻는다

여기서 는 입자 밀도이며 식 (37)을 스토크스의 침강속도식이라고 하며 분급에서

분리입자 지름을 구하기 위한 기본식으로 중요하다

식 (37)은 다음

과 같이도 표현된다

유체가 공기나 그 외의 기체인 경우의 분급 조작을 건식 분급(또는 공기 분급) 물

이나 그 외의 액체인 경우의 분급 조작을 습식 분급이라 한다 앞에 언급된 기본식

들 이외에 어떤 종류의 분급장치에서는 유체의 흐름 방향이 급격히 변화할 때 흐름

에 따라 운동하는 입자의 관성력의 효과가 중요한 역할을 한다

분급에 사용하는 장치를 분급기(classifier)라고 한다 건식분급기에는 관성력을 이

용하는 것 중력침강을 이용하는 것 원심력을 이용하는 것 등이 있다 관성력을 이

용하는 건식분급기에는 루버식분급기 버추얼임팩터 엘보제트형분급기 등이 있는

데 건식분급기로는 원심력을 이용한 것이 가장 널리 사용되고 있다 원심력을 이용

한 건식분급기로는 분급 입도가 30~100 정도의 비교적 굵은 입도에서의 대량 처

리로 옛날부터 알려진 스튜어트밴트형 등이 있으며 또한 몇 ~30의 분급이 가

능한 여러 분급기가 개발되어 널리 쓰이게 되었다 또한 사이클론도 미립(微粒)에서

조립(組立)에 이르는 분체(粉體)의 건식분급에 이용된다 습식분급기에는 중력식과

원심력식이 있으며 중력식은 상승 수류(水流)와 유동층을 이용한 수력분급기 원뿔

형 또는 각뿔형 용기에서의 중력침강을 이용한 세틀링탱크 등의 침강분급조 완만

하게 경사진 직사각형의 조(槽)로부터 침하한 조립 생산물을 긁어올리기 위한 레이

크나 스파이럴을 갖춘 기계분급기 등으로 분류된다 원심력을 이용한 습식분급기로

는 사이클론 또는 하이드로사이클론이 가장 대표적이며 솔리드볼형ㆍ디스크형 등

의 원심분리기도 미립자용 분급기로 사용된다

Fig 22는 베인 구조의 원심형 분급기의 회전 단면 모습이다

Fig22베인 구조의 원심형 분급기의 단면

Fig 22에서 H는 분급기 내부 상하면 사이의 간격이며 는 선별된 미분이 배출되

는 반경 는 베인의 내반경 는 베인의 외반경을 나타낸다

분체 주위의 공기 흐름이 층류 흐름이라는 조건하에서 베인 구조의 원심형 분급기

에의 컷포인트(utpoint)를 결정짓는 외주부의 반경 은 다음과 같다

또한 선별된 미분이 배출되는 반경은 다음과 같다

베인 사이에서도 고체의 회전법칙이 적용된다 베인의 외주 반경에서 속도의 원주

방향 성분 과 중심방향 성분 가 가장 큰 영향을 준다

식 (41)과 식 (42)를 식 (38)에 대입하여 정리하면 다음과 같다

독일 Netzsch 사에서는 베인의 내반경 에서 선별된 미분이 배출되는 반경 까

지의 반경 방향의 공기 속도 성분 을 질정하게 해 주기 위하여 Fig 10에 보인

ldquoConvorrdquo라고 불리우는 단면의 분급기를 개발하여 사용화하고 있다

7 분급기 설계와 유동 해석

분급기의 베인 사이로 분쇄된 미분과 공기가 함께 유입되어 중앙부의 배출구로 통

과하는 분급기의 내부 형상을 설계하기에 앞서 분급기 내부를 구성하는 상면이 평

평한 구조의 분급기에 대한 유동해석을 실시하여 공기의 속도 분포를 검토하였다

해석 대상 분급기의 외경은 205mm이며 밑면 중앙에 공기 배출을 위하여 직경이

90mm인 원형 구멍이 뚫려 있다 분급기 외주에는 단면이 원호의 일부로 만들어진

두깨가 2mm 넓이가 18mm 길이가 35mm인 베인이 매 60도마다 10개씩 등간격

으로 모두 60개가 베인의 코드 방향과 분급기의 반경 방향이 이루는 각도가 약 15

도가 되도록 경사지게 설치되어 있다 원주 방향으로 매 60도마다 길이 35mm 직

경 8mm인 원형봉 6개가 등간격으로 배열되어 상ㆍ사 카버 사이에 베인을 고정시

켜 조립되는 구조이다 해석 대상 분급기에 사용된 베인의 단면과 베인의 배열 및

분급기 상ㆍ하면을 고정하는 봉이 포함된 수평면상의 평면도를 Fig 23에 나타내었

다 Fig 24는 분급기의 상면 형상이 평평한 구조인 경우에 대한 분급기의 수직단

면도이다

분급기에 유입되는 공기는 온도 50 유입량 01m3sec 분급기를 통과한 후에

배출되는 공간의 압력은 12bar이며 분급기의 회전속도는 8000rpm(838radsec)

이다 분급기에 발생되는 원심력의 절대적인 크기는 재료의 밀도와 분급하고자 하

는 분말의 크기에 따라 분급기의 회전수를 변화시켜서 조절한다 SolidWorks 및

COSMOSFloWorks 프로그램으로 분급기의 공기 유동해석을 실시하였다 해석시의

변수 입력 항목 및 해석 과정을 ldquo부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 유동해석 절

차rdquo에 정리하였다

Fig 23 베인과 상ㆍ하면 고정 원형봉의 평면 단면도

Fig24 분급기 상면이 평면인 경우의 수직단면도

공기 유동해석 결과를 Fig25~Fig27에 나타내었다 Fig25는 베인의 중간 높이에

서의 수평 단면에서의 공기 속도 분포이다 Fig26은 베인이 위치한 부위에서의수

직단면 Fig 27은 상ㆍ하면을 고정시켜 주는 원형봉이 있는 부위의 수직단면에 분

포하는 공기의 유입 속도 해석 결과를 나타낸 것이다

Fig 25 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig 26 베인 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig27 연결봉 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig15~Fig27의 공기 속도 등고선을 보면 베인 외주부의 상하 위치에 있어서 공

기의속도가 불균일한 분포를 보인다 베인의 분급기 내부 공간에서는 같은 반경인

위치에서 윗부분에서의 공기 속도가 아랫부분에서보다 빠르게 분포하고 있다 베인

의 높이 방향 상ㆍ하 위치에 따른 이러한 유입 속도의 편차는 분급기 외주의 실린

더 면으로부터 유입되는 공기가 분급기 중앙의 밑 방향으로만 배출되는 유동 통로

의 구조 때문으로 판단되낟 따라서 같은 반경의 같은 원심력이 발생되는 위치에

있어서도 윗부분에서의 공기 유입속도가 밑부분에서보다 크게 분포되어 윗부분에서

는 밑부분에서보다 큰 분말이 분급기 안으로 유입된다 지정된 크기의 컷오프보다

큰 분말과 작은 분말이 혼합된 상태로 배출되는 관계로 분급이 정밀도가 저하된다

베인의 상ㆍ하 위치에 무관하게 공기의 유입 속도를 가급적 균일하게 해 주기 위한

목적으로 분급기 내부의 단면 형상을 Fig28과 같은 인볼류트-컨볼류트

(involute-convolute) 단면으로 구성하여 공기의 유동해석을 실시하였다

Fig 28 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기

Fig29는 베인의 중간 높이 수평단면 상에서의 공기 속도 분포이다 Fig25에 비하

여 베인의 외주 부위에서의 공기의 속도가 균일하게 분포되고 있음을 보여 준다

Fig29 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig 30은 베인이 위치한 부위에서의 수직 단면 Fig31은 상ㆍ하면을 고정시켜 주

는 원평봉이 있는 부위에서의 수직 단면에 분포하는 공기 속도 분포이다 Fig30과

Fig31은 각각 Fig25와 Fig26에 비하여 베인의 높이 방향 전체에 걸쳐 공기의 유

입 속도가 상당히 균일하게 분포되는 것을 보여 주고 있다

Fig 30 베인 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig31 연결봉 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig32는 분급기 내부의 공간 형상이 인볼류트-컨볼류트인 분급기의 설계 모델이

Fig32 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 모델

Fig33은 앞의 수축확산 공기 분사노즐(Fig20)과 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급

기(fig32)로 구성된 건식 기류충격식 분쇄기의 3D모델이다 중요 부품의 도면은

ldquo부록 9 설계 도면rdquo에 수록하였다

Fig33 건식 기류충격식 분쇄기의 3D 모델

8 시작품 제작

수축확산 공기 분사노즐의 유동해석 및 분급기의 유동해석 결과를 바탕으로 시작품

을 제작하였다 Fig34는 수축확산 공기 분사노즐 헤드의 시작품 모습이다

Fig 34 수축확산 공기 분사노즐 헤드 시작품

Fig35는 분급기의 시작품 모습이다 분급기의 베인은 분체와 마찰시 내마모성을

갖도록 SUS 재질로 곡면 성형한 후 세라믹으로 코팅하여 제작하였다

Fig35 분급기 시작품

Fig 36은 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 수축확산 공기 분사

노즐 및 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 등이 분쇄기의 내부에 장착되어 있다

Fig36 건식 기류충격식 분쇄기 시작품

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기와 관련된 국외 특허 자료 조사와 분석 공기의

유동해석에 있어 많은 일정이 소요되었다 기술지원 추진일정을 Table1에 정리하

였다

Table 4 추진 일정

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 17: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

(3) 롤러밀(roller mill)

볼밀과 같은 원리의 분쇄기로 시멘트원료를 분쇄할 때나 석탄을 분쇄할 때 사용된

다 분쇄기 중에 롤러나 볼을 이용한 것을 링롤러밀이라고도 한다

(4) 조크러셔(jaw crusher)

전ㆍ후로 조금씩 진동하는 강철제의 철판과 이와 마주 보는 고정판 시이에 수 cm

에서 1m 정도의 암석 등의 덩어리를 물려 넣고 짓씹어 부수게 하는 구조로 되어

있다

(5) 임팩트 크러셔(impact crusher)

매초 원주 속도가 수십 m로 고속회전하는 원통에 장치된 충격판에 의해 분쇄하는

장치이다 골재 정형에 널리 쓰인다

(6) 휠러밀(wheeler mill)

tn 이하의 미분쇄를 필요로 하는 분야에서 널리 사용된다 소위 유체에너지밀의

일종으로 고압기체를 불어 넣음으로써 입자를 기계의 벽이나 또는 다른 입자에 충

돌시 켜서 분쇄하는 장치이다 기체가 길쭉한 도넛형의 통내를 입자와 함께 환류하

고 미세하게 된 입자만이 배기와 함께 기외로 배출되는 구조로 되어 있다

(7) 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)

노즐로 높은 압력의 공기 또는 질소를 초음속으로 분사시켜 분말 상호 간의 충돌로

초미립 크기로 분쇄되며 분급 휠(classifier wheel)의 속도 변환과 베인과의 간격에

의해 미립자의 크기를 조절하여 분급하는 방식이다 노즐의 크기 배열 상태 및 공

기 흐름의 조절로 효율성을 크게 증가시킬 수 있으며 동시에 분쇄기의 마모와 제품

의 순도 최적화를 유지할 수 있다 입도의 크기는 01 ~ 10의 범위에 있다

이외에도 큰크러셔(cone crusher) 압축력에 의한 자이러토리크러셔(gyratory

crusher)가 있고 충격력에 의한 해머밀(hammer mill) 케이지밀(cage mill) 유체에

너지밀 전단력에 의한 분쇄기 등이 있으며 마쇄력에 의한 자생분쇄밀과 진동밀

유성밀 교반밀이 있다

최근 들어 소재산업이 정밀화되고 고기능화 함에 따라 카본블랙 TiO2 PbO ZnO

SiO2등의 안료 세라믹 자기재료 맥반석 황토 슬래그 운모 흑연 탄화규소 탄

산칼슘 등을 미크론(μ) 크기 또는 서브미크론 크기의 분말로 분쇄하는 정밀 분쇄기

수요가 증대하고 있다

Fig 1 은 습식 분쇄기의 종류와 입도 범위의 관계를 나타낸 것이다 Fig 1 밑부분

의 화살표는 본 부품소재종합기술지원사업 수행으로 개발하고자 하는 분말의 크기

범위를 표시한 것이다

Fig 1 습식분쇄기의 입도 범위(독일 Buehler사)

제 1 절 기술지원 필요성

대가파우더시스템은 1970 년도에 창립하여 현재에 이르기까지 산업용 분쇄기 집

진기 건조기 기체여과기 액체여과기 폐수처리장치 등의 전문생산업체이다 최근

들어 소재산업이 정밀화되고 고기능화 함에 따라 분쇄기의 성능 향상이 요구되고

있다 최근에는 수십 nm 이하의 초분체 카본블랙 TiO2 ZnO SiO2 등의 안료 세

라믹 자기재료 등의 각종 소재의 입도 정밀화가 실현되고 있다 초분체기기 및 요

소 부품의 국내 수요는 독일의 DRAIS 일본의 KOTOBUKI 사 DYNO 사 등의 선진

메이커 제품을 수입하여 사용하고 있다 건식 기류충격식 분쇄기에 대한 국내 설계

기술 부족으로 외국에서 수입되고 있는 제품의 가격이 고가이어도 경쟁할 수 있는

제품을 개발하지 못하고 있는 어려운 상황이다

대가파우더시스템은 최근 습식 방법의 초미립 분쇄기를 개발하여 시험 중에 있으

며 압축공기를 이용한 기류충격식 분쇄기 개발에 있어서 분쇄부와 분급부의 기초

이론 구성 부품 설계 재질 선정 분쇄기 구조에 대하여 유한요소법으로 유동해석

을 하는 시뮬레이션 기술력 확보에 어려움을 겪고 있다 초미립 분쇄(ultra-fine

pulverization)를 위한 기류 분사노즐(compressed air nozzle supersonic air

nozzle)의 단면 형상 설계와 분쇄에 요구되는 유량 산출 분급기(classifier)의 크기

과 공기 유동부의 내부 형상 베인의 형상과 수량 베인의 간격 배열 위치 및 분급

기 회전수 등에 대한 설계 변수 등에 있어서 애로를 겪고 있으며 기술력 향상을

위하여 외부 전문가의 기술지원이 요청되고 있다

건식 기류충격식 분쇄기 설계의 핵심 기술을 지원하여 건식 기류충격식 분쇄기의

국내 업체의 자체 설계 능력 확보가 요구되낟 본 부품소재종합기술지원사업을 통

하여 초미립 분쇄기와 관련된 국내ㆍ외 특허 자료 기술문헌 및 분쇄부와 분급부의

기초 이론 관련 자료 조사와 제공 초미립 입자를 생산하기 위한 건식 분쇄기의 구

조 설계 기술 지원 유량에 따른 기류충격식 분쇄 노즐의 설계 변수 컴퓨터를 이용

한 3 차원 모델링에 의한 설계 유한요소법에 의한 기체의 유동 해석 기술 지원이

필요한다

제 2 절 기술지원 목표

기술지원의 초종 목표는 지원기업 대가파우더시스템가 분쇄 입도의 평균직경 18

~ 20 인 초미립 파우더를 생산하기 위한 기류충격식 분쇄기 설계와 생산에 대

한 기술 확보이다 공기 분사 방식의 분쇄 노즐 형상 분급부의 구조 설계 및 작동

에 대한 기초를 체계적으로 정립하며 분쇄기 구성 부품의 재질 선정 3D 모델링에

의한 분쇄기 시스템 설계와 유한요소볍에 의한 공기 유동장 해석 결과를 바탕으로

시작품을 제작하며 향후 유사 모델에 대한 자체적인 설계 및 새산 능력을 확보하

는 것이다

제 3 절 기술지원 내용

1 건식 기류충격식 분쇄기의 국내ㆍ외 특허 자료 기술문헌 및 기술정보 조사 지

원으로 초미립분쇄기의 기초 이론 구조 기능 정립 초음속 분사노즐 단면 형상

설계 자료로 활용

2 3D 모델링에 의한 설계 기술 지원으로 설계 오류를 사전에 방지

3 초음속 분쇄 노즐의 형상 설계와 유동 특성 해석 기술

4 분급부의 내부 구조 베인의 형상과 배열 및 수량 결정 유한요소법에 의한 분급

기의 유동 해석 기술 지원으로 분급 입도의 안정화 분급기 설계 및 제작

5 분쇄부와 분급기의 재질 선정 지원으로 생산가 관리 및 내구성 확보

Table 1 기술지원 목표 및 내용

제 2 장 국내ㆍ외 기술 현황

건식 분쇄 기술로 크기가 1 이하의 작은 입자를 생산하는 것은 어려운 기술로

분체기술의 장벽이라고 일컬어진다 각종 소재를 성분 변화없이 100nm 이하의 크

기로 극미세 분쇄하는 기술은 미래 산업을 이끌어갈 핵심분야로 국가간 연구개발

경쟁이 치열한 기술이다

제 1 절 세계의 기술 현황

나노급의 미세 파우더는 1980 년대초 독일의 칼스루헤연구소 등에서 시작되어

1990년대에 들어서 100nm 이하의 제조합성에 관한 연구가 본격화되었다 일본의

경우에는 과학기술청의 창조과학기술 추진과 통산성의 차세대산업기반기술 분야로

선정되어 주목을 받고 있다 초미분을 생산하기 위한 양산 장비 및 요소 부품에 대

한 선진국의 기술은 독일의 DRAIS사(습식) NETZSCH사(건식) 일본의 Kotobuki사

(습식) DYNO사(습식) Hosokawa 사(습식 건식) 등의 선진메이커에서 제품이 개

발되어 판매되고 있다 또한 나노 파우더 생산업체로는 일본의 Kako 사 미국의

Whittaker 사 Dow Chemical 사 Dupont사 및 독일의 Degusa사 등이 있다 현재

까지는 나노급 파우더 제조 공정의 불안정 및 복잡성 평가 방법의 미흡 등으로 다

양한 제조 공정 기술개발이 진행되고 있다 세라믹 분말의 경우에는 일부 특수한

경우에만 상용화되고 있다 금속분말의 경우에는 한정된 종류의 금속만 생산이 가

능하여 계속적인 개발이 진행되고 있다

건식 기류충격식 분쇄기의 주요 제작업체는 일본의 Hosokawa 사와 독일의

Netzsch 이다 미국 일본 및 독일 등에 대부분의 같은 내용의 특허가 등록되어

있으며 일본과 독일에 의하여 등록된 특허의 구조적인 특징은 다음과 같다

1 일본 Hosokawa사의 수직형 기류충격식 분쇄기

건식 기류충격식 분쇄기의 대표적인 업체인 일본의 Hosokawa 사 분쇄기의 특징

은 3개의 초음속 분사노즐이 에어젯트밀의 중앙인 수직 평면상에 원호상 등간격인

120도 간격으로 원의 중심을 향하여 배열되어 있으며 분쇄기 내의 상부에 회전축

이 수평인 위치로 회전되는 원심형 분급기가 설치되어 있다(Fig 2)

분쇄기의 모델과 분쇄 대상 재료에 따라 분말의 크기가 01 - 10 의 범위에 있

Fig 2 일본 Hosokawa 사의 수직형 기류충격식 분쇄기의 내부

2 일본 Hosokawa 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(2)

Fig 3a ~ Fig 3c는 일본 Hosokawa 사의 등록특허이다 분쇄기와 분급기 구조에

관한 것이다 Fig 3a에 보인 원형 단면의 분쇄실 외주부에 Fig 3b와 같이 에어를

고압 분사하는 분사노즐이 다수개 배열되어 있어 재료 공급관으로 유입되는 재료

가 고압의 공기 분사에 의하여 분쇄된다 분쇄도니 미분은 상부 통로로 배출되며

조분은 Fig 3b 의 ldquo16rdquo 번 부위인 분쇄기 내벽을 따라 이동되다가 공기 노즐의

출구부 측면에 나있는 구멍으로 흡입되어 공기와 함께 분사되어 재분쇄가 된다

Fig 3a 일본 Hosokawa 사의 분쇄기 단면(일본 特開平 11-179228 1999)

Fig 3b 일본 Hosokawa사의 분쇄기 평면(일본 特開平 11-179228 1999)

Fig 3c 일본 Hosokawa사 분쇄노즐 단면(일본 特開平 11-179228 1999)

3 일본 미놀타 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(3)

Fig 4a ~ Fig 4c 는 일본 미놀타사의 등록특허이다 분쇄기와 분급기 구조로

Fig 2에 보인 Hosokawa 사의 수직형 분쇄기와 비슷한 구조이다 분쇄 효율을 높

이기 위하여 Fig 4c 에 보인 것과 같은 분쇄기 중앙부의 분사된 공기가 집중되는

위치에 삼각형 경사판을 배치하여 공기가 충돌한 후 분쇄기 상부로 향하게 되어

있다

Fig 4a 일본 미놀타사의 분쇄기 단면(일본 特開 2000-5621 2000)

Fig 4b 일본 미놀타사 분쇄기의 분사노즐 배열(일본 特開 2000-5621 2000)

Fig 4c 일본 미놀타사 분쇄기의 충격판(일본 特開 2000-5621 2000)

4 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(4)

Fig 5는 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 등록특허이다 분쇄기 내측

수평면상에 분사노즐이 서로 마주 보게 배열되어 있다 분급기의 회전 축이 분쇄기

의 중심축과 일치한 상태로 회전하여 수평면 상에서 원심력에 의하여 분급이 이루

어진다 분급된 미분은 분쇄기 상부의 통로로 배출된다

Fig 5 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 수평형 기류충격식

분쇄기(일본 特開 2002-35631 2002)

5 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(5)

Fig 6 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기 구조는 Fig 4 의 일본

미놀타사와 유사하다 수평면상에 분사노즐이 배열되어 있으며 분급기의 회전축도

수평으로 위치하고 있다

Fig 6 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(일본 特開 2003-88773

2003)

6 미국 Xerox사의 수평형 기류충격식 분쇄기와 노즐(6)

Fig 7a의 미국 Xerox사의 수평형 기류충격식 분쇄기 구조는 Fig 5의 일본

Hosokawa Alpine AGampCo OHG 사의 구조와 유사하다 분사노즐이 수평면상으로

배열되어 있으며 분급기의 회전축도 수평으로 위치하고 있다 분사노즐의 형상은

Fig 7b 에서와 같이 이중관 구조이다

Fig 7a 미국 Xerox 산의 수평형 기류충격식 분쇄기(일본 特開 2004-50179

2004)

Fig 7b 미국 Xerox 사의 이중관 분사노즐(일본 特開 2004-50179 2004)

7 독일 Netzsch사의 건식 기류충격식 분쇄기(7)

독일 Netzsch 사는 대표적인 기본 구조의 건식 기류충격식 분쇄기를 개발하여 가

공 용량이 다른 여러 가지 분쇄기에 유사한 구조를 적용하였으며 일본 Hosokawa

산의 분쇄기와는 전혀 상이한 구조이다 즉 3 개의 초음속 분사노즐이 기류충격식

분쇄기 하부의 수평 평면상에 원호상 등간격인 120 도 간격으로 원의 중심을 향하

여 배열되어 있으며 Fig 8 에서와 같이 수직 회전축을 갖는 원심형 분급기가 분

쇄기 상부에 설치되어 있다 분급기의 외형 모습은 Fig 9에 보인 것과 같으며 분

급 효율을 향상시킬 목적으로 분급기 단면이 회전 중심으로 향할수록 상하 공간이

넓어지는 ldquoConvor로 명명된 형상의 단면 모습으로 되어 있다(Fig 10)

Fig 8 독일 Netzsch 사 분쇄기의 내부 구조

Fig 9 독일 Netzsch 사의 분급기

Fig 10 독일 Netzsch 사 분급기의 단면 형상 ldquoConvor

8 독일 특허 공기 분사노즐(9)

독일 Netzsch 사의 분쇄기 관련 기술 컨설턴트인 Nied 가 고안한 분쇄용 분사노즐

의 구조에 대한 것이다 3 개의 공기 분사노즐이 기류충격식 분쇄기 하부의 수평

평면상에 원호상 등간격인 120도 간격으로 원의 중심을 향하여 배열되어 있다(Fig

11a) 분사노즐 중앙부의 구조는 단면이 수축-확산 형태로 노즐로 초음속의 고속

분사를 하면서 중심 노즐 주변에 중앙 분사부를 감싸는 이중 공기 분사관을 형성

하여 중앙의 분사노즐에서 분사되는 공기의 확산각이 커지지 않도록 공기 주위에

추가적인 보조 공기를 분사하는 구조이다(Fig 11b)

Fig 11a 독일 특허-분사노즐 배열과 분사 공기의 분포(EP 0 736328A1 1996)

Fig 11b 독일 특허-분사노즐 단면과 분사 공기의 분포(EP 0 736328A1 1996)

9 미국 특허 분쇄기 구조(10)

일본의 히데유끼 요시다 등 5 명이 미국에 출원한 특허로 분쇄 재료가 초음속으로

분출되는 공기 통로의 중간에서 공급되며 재료가 분쇄실로 이동된 후 충격판에 충

돌되어 분쇄되는 구조이다(Fig12) 분쇄된 분말의 크기는 10 수준이다

Fig 12 미국 특허-충돌식 분쇄기(USP 57657661998)

제 2 절 국내의 기술 현황

국내의 경우에는 초미분 분말 생산에 관한 개발 역사가 짧으며 연구소 대학 기업

등에서 다발적으로 연구가 진해오디고 있다 기계 전자 물리 재료 화학 등의 연

계된 연구가 필요하다 1996 년 과학기술부 및 산업자원부 등의 산업단을 중심으로

대형 연구가 수행되어 왔으나 주로 기상법에 의한 분말합성에 관한 것이다 1998

년도부터 한국기계연구원에서 200nm 급의 건식 분쇄 및 분급기에 대한 개발을 시

작으로 초미분 파우더 생산 장비에 관한 연구가 이루어지고 있다 초미분 분쇄 방

식은 본 기술지원 과제의 지원기업인 대가파우더시스템을 포함하여 습식 방식인

교반밀(agitated mill)을 주로 사용하며 입도의 크기는 5 이상 수십 크기의

범위이다 기류충격식 분쇄기의 기술 수준은 입도의 크기가 5 ~ 10 수준이다

기존의 습식분쇄기의 경우 평균 입도가 28 ~ 32로 Pb0를 대상으로 할 때 4

~ 6 kghr 정도를 생산할 수 있는 수준이다

국내에 등록되어 있는 건식 기류충격식 분쇄기와 관련된 특허의 출원인인 대부분이

일본업체이며 일본에 출원된 특허를 한국에 재출우너한 것이 대부분이다 미국과

벨기에가 각각 1 건씩 등록하고 있으며 한국인이 출원한 특허는 테크월드에서

출원한 3 건 등 모두 4 건이 검색되었다 마이크로급 이상의 파우더 생산장비에 대

한 국내의 기술 수준은 선진국 기술 수준의 약 70 수준이다 그나마도 설계 및

생산에 있어 거의 모방에 의존하고 있다 나노급 기술은 초보적인 상태이다

제 3 장 기술지원 수행 내용 및 결과

제 1 절 기술지원 수행

본 부품소재종합기술지원사업은 Fig13의 기술 개발 추진도에 따라 수행되었다

Fig 13 기술 개발 추진도

분쇄기의 전체 시스템 중에서 분쇄기와 분급기 이외의 기타 구성 모듈들에 대한 설

계 및 생산기술은 지원기업 대가파우더시스템이 기확보하고 있는 기술이 기술

지원의 주된 내용은 기류충격식 분쇄기의 핵심 부품이며 분쇄기의 성능을 좌우하는

초음속 공기 분사노즐과 분급기의 설계 기술에 관한 것이다 초음속 공기 분사노즐

의 단면 형상 공급 공기의 압력과 분사 공기의 속도 및 공기 소요량 산출을 위한

공기 분사노즐 설계와 분쇄기 내부의 내마모성 재료 선택 분급기 베인의 형상과

분급기로 유입되는 공기의 속도 분포를 균일하게 하여 원심력 작용으로 분말의 분

급 정밀도를 향상시켜 주기 위한 분급기의 내부 단면 형상 설계 미 ㅊ유입 공기 속

도 및 압력 분포에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 방법 등에 대한 체계적인 기술 지원이

수행되었다 향후 유사 모델 개발에 적용하여 새로운 제품을 개발할 수 있는 설계

능력을 확보하였다

1 분쇄기 시스템 구성도

본 기술지원을 통하여 개발하는 핵심 기술은 건식 기류충격식 분쇄기의 초음속 공

기 분사노즐과 분급기와 관련된 기술이다 분쇄기의 기본 구조는 독일의 Netzsch

사 제품과 유사한 구조로 되어 있으며 분쇄용 공기 분사노즐과 고정밀도의 분급기

설계기술을 자체 보유하는 데 주안점이 있다 개발 대상 분쇄기 시스템의 전체 구

성도는 Fig 14(7)에서와 같다 Fig 14에서 분쇄기 시스템은 ldquo진동공급기rdquo를 통하

여 공급되는 분쇄용 우너료를 ldquo건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기rdquo로 분쇄 및 분급

한 후에 cyclone을 거쳐 bag filter로 분말을 포집하는 시스템으로 구성되어 있

다 분말과 공기가 혼합된 기류는 각각의 단계로 이송하는 과정에서 double flap

valve로 이송이 조절되며 최종적으로 fan의 작동으로 공기가 배출된다

건식 기류충격식 분쇄기 본체를 구성하는 부품의 서브어셈블리는 각각 Chamber

Body Laval Nozzle Classifier Wheel 및 Bearing Block등으로 구성되어 있

다 주요한 설계 변수는 분쇄챔버의 직경과 높이 초음속 공기 분사노즐 설계 있어

서 라발 노즐(초음속 공기 분사노즐)의 모즐 목 내경과 배출부의 직경 및 축방향의

단면 형상 공기되는 공기의 압력 등이다 분급기 설계에 있어서의 주요 변소는 베

인의 단면 형상 베인의 수량과 배열 각도 분급기 내부 공동부의 단면 형상 분급

기에 유입되는 공기 속도와 분급기를 통과한 이후의 공기 압력 등이다

Fig 14 기류충격식 분쇄기의 시스템 구성도

2 소리의 속도

물체의 일부에 교란을 주면 개스 유체 및 고체의 압축성으로 인하여 물체를 통하

여 유한한 속도로 교란이 전파된다

음속은 물체의 압력과 밀도 변화와 관계되어 있으며 다음식으로 표현된다

여기서

음속 압력변화 밀도 변화

체적탄성계수는 다음과 같이 표현된다

여기서

체적탄성계수 압력변화 체적변화 초기체적

체적탄성계수는 식 (3)으로도 표현된다

여기서

물체의밀도변화 물체의초기밀도

개스 유체 고체 내에서의 음속은 다음식과 같다

여기서

체적탄성계수

개스에서의 소리 속도는 아주 작은 한 점에서 교란이 일어나는 관계로 열전달을 무

시할 수가 있으며 또한 등온 상태로 가정할 수가 있다 이상 기체에서의 소리 속도

는 절대 온도의 근에 비례하며 다음식으로 표현된다

여기서

k = 비열비 (adiabatic index)

p = 압력 (Pa psi)

R = 개스 상수

T = 절대 온도 (degK degR)

앞의 식 (4)와 식 (5)로부터

식 (6)으로부터 체적탄성게수 E를 구할 수가 있다

( 예 1 ) 공기의 체적탄성계구 산출

k = 14 R = 287 (JK kg) at T=293K( 20 ) p=1204(kgm3)

Eair = k R T p=14X287X293X1204=14174379((Jm3)

Eair = 14174379(Nm2)

( 예 2 ) 염소(C12)의 체적탄성계수 산출

k = 134 R = 120 (JK kg) at T=293K(20) p=2994(kgm3)

Ec12 = k R T p=134X120X293X1994=14106051((Jm3)

Ec12 = 14106051(Nm2)

( 예 3 ) 0 1 bar 공기에서의 소리 속도

c = (14x287x273)12

= 3312 (ms)

여기서

k = 14

R = 287 (JK kg)

( 예 4 ) 20 1bar 공기에서의 소리 속도 산출

c = (14X287X293)12

= 3431 (ms)

( 예 5 ) 0 물속에서의 소리 속도 산출

여기서

3 공기 분사노즐에서의 유동식

개스역학에서 공기의 속도가 sim 이상으로 빠르거나 압력의 변화가

보다 큰 경우에는 압축성 흐름으로 취급한다 이러한 현상은 노즐에서

개스가 팽창하는 경우에 발생된다

정상유동에서의 에너지 평형 상태는 다음식으로 표현된다

여기서 엔탈피는

이며 엔탈피 ∆의 변화는 내부에너지 ∆에 외부로 또는 외부로부터의 체적에

의한 일 ∙∆의 합과 같다

내부에너지의 변호가 없고 밀도가 일정하다고 가정하면 즉 ∆ 인

경우에는 비압축성유동의 베르누이 방정식이 된다 반면에 위치네어지의 변화가 없

는 경우 ∆ 에는 상대적으로 밀도가 낮은 압축성 유체인 ldquo개스rdquo의 상태를

나타낸다 ldquo개스역학rdquo 이라는 자체가 의미하듯이 해석에 있어 고압 및 개스의 속도

가 포함되며 내부에너지의 변화 ∆를 무시할 수가 없다 이러한 의미에서 식 (7)

은 다음과 같이 된다

이상개스 방정식에서

이며 식 (12)를 식(9)에 대입하면 다음과 같이 된다

식 (13)에 에너지 보존법칙을 적용하면 노즐에서 분사되는 개스의 속도를 구할 수

있다

개스의 초기 속도가 인 경우에는

가역 단열 흐름에 있어서는 다음 3개의 식을 적용할 수가 있다

식 (16) ~ 식 (18)을 식 (15)에 대입하면 노즐에서 분출되는 개스의 속도가 구해

진다

노즐을 통과하는 질량의 흐름 식

밀도의 비로부터

다음과 같이 노즐을 통과하는 질량을 구한다

다음의 식 (23)을 식 (22)에 대입하여

식 (24)를 구한다

여기에서

을 ldquo탈출 계수(escape coefficient)rdquo 라고 한다

식 (25)를 사용하여 식 (24)를 다시 표현하면 다음의 간략식이 된다

탈출 계수 는 압축비 의 값이 다음과 같은 값일 때

임계 압축비 또는 라발 압축비로 표현되는 다음 크기의 최대값을 갖는다

음속은 노즐의 단면적이 제일 작은 부분에서 임계 압축비에 도달한다

max는 테이퍼가 일정한 실린더 형상의 노즐에 적용된다 식 (26)에 의하여

ㆍ 가 되며 는 일정한 테이퍼의 노즐에서만 증가할 수 있다 만약 압

축비 가 임계비 이하이면 max이므로 노즐을 통과하는 질량의 흐름은 일정

하다 이것은 질량의 흐름이 외부의 압력에 영향을 받지 않는다는 것을 의미한다

질량의 흐름에 의한 일은 다음의 식 (30)으로부터 구해진다

압축성 유체의 단열 팽창시에 수행된 일은 식 (19)와 식 (30)로부터 다음과 같이

산출된다

아래의 Fig 15 는 수축확산 노즐의 단면 모습이며(11) Fig 16 은 수축확산 노즐에

서의 압력 온도 속도 변화를 나타낸 것이다(8)

Fig 15 수축확산 노즐(Laval Nozzle)

Fig 16 수축확산 노즐에서의 압력 온도 속도 변화

압축성 유체의 흐름에 있어서 임계 속도 이후에 노즐의 단면이 서서히 확대되면

열에너지가 유동에너지로 변환되면서 온도는 낮아지고 흐름이 증가된다

앞의 식 (27)을 참조할 때 Fig 16 의 수축확산 노즐의 단면적이 가장 작은 임계

압축비 에서 음속에 도달한다 이 것은 질량 흐름에 식 (26)이 계속적으로 유

효하다는 것을 의미한다 수축확산 노즐 출구에서의 온도는 다음과 같은 관계가 된

노즐 확산부의 치수는 다음식으로부터 구해지며

개스 상수 등은 계수 개스 유입 온도 노즐 목의 직경 압축비 등의

변수로부터 노즐 출구에서의 개스 속도와 온도를 구할 수가 있다 공기 흐름 해석

대상 노즐 각부에 대한 부호는 Fig17에서와 같다

Fig 17 수축확산 노즐의 각부 부호

실제 수축확산 노즐을 설계하는 데 있어서는 노즐에서 발생될 수 있는 압축파 발생

을 억제하기 위하여 노즐 출구의 치수를 설계값보다 약간 작게 한다 즉 Fig 17에

서의 노즐의 확산각 가 를 넘지 않아야 하며 최대 이내여야 한다

4 공기 분사노즐의 흐름 특성 계산

앞의 ldquo3 초음속 공기 분사노즐에서의 공기의 흐름rdquo에서 유도된 식들을 이용하여

ldquoMathcad 13 프로그램(12)으로 설계 대상 분쇄기에 적용되는 공기 분사노즐의 단

면 치수 유입 공기량 노즐 출구에서의 공기 속도 소요 동력 등을 산출하였다

우선 단위와 공기의 상수를 정리하면

kilo=1000 TK =273 hoursec =3600 k = 14

ㆍsecㆍ

ㆍsecㆍ

ㆍsec

ㆍsec

예를 들어 tan tan tan tan

해석 조건이 다음과 같으면 tank pressure=700kPa Ttank=70 exit

pressure=100kPa

단위 (mm) throat diameter=50 length 150 outlet diameter=70 diffusion

angle α=38deg

d = 0007 pe = 100kilo po = 7pe Ttank =7C

To = TK+Ttank To=343 (K)

times

sec

Air_massflow1N_hour =Air_masflow1N_sechoursec

Air_massflow1N_hour = 133024 (kghrper 1 nozzle)

Air_massflow3N_hour = Air_massflow 1N_hour3

Air_massflow 3N_hour = 399071 (kghrper 3 nozzles)

Imsec)

sec

timesorsec timesorsec

(kgm3)

sec

sec sec

공기분사 노즐 목의 직경이 50mm 출구 직경이 70mm 노즐 목에서 노즐 출구까

지의 길이가 150mm로 공기 분사노즐의 환산각 도인 공기 분사노즐이 3

개 장착되어 있으며 탱크내의 공기가 압력 7bar 와 70 를 유지하면서 계속적으

로 노즐을 통하여 공급되며 또한 분쇄 챔버 내의 압력이 1bar 로 유지되는 경우의

공기 분사노즐의 유동 특성 계산 결과를 종합 정리하면 다음과 같다

- 노즐 출구에서의 공기 최대 속도 542151msec

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 무게 399071kghr

(노즐 하나에 00369kgsec)

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 부피 225333m3hr(0063m3sec)

- 소요 동력 16291kWhhr

5 수축확산 공기 분사노즐의 유동 해석

공기 분사노즐을 3D 모델링 프로그램 SolidWorks(13)로 모델링하여 열유체 해석

을 위한 유한요소해석 프로그램 COSMOSFlwWorks(14)로 공기 분사노즐 내의 유

동 해석을 수행하였다 해석 대상 공기 분사노즐 단면의 형상과 각부의 치수는

Fig18에서와 같다

Fig 18 수축확산 노즐 유동 해석 모델의 단면

해석시에 적용된 변수값들은 앞의 ldquo4 초음속 공기 분사노즐의 분사 특성 계산rdquo에

서 산출된 값을 적용하였다 노즐의 확산부위 길이는 15mm 이며 분사노즐의 확산

각은 도이다 노즐 하나에 대하여 Fig 18 의 왼쪽면에서 00369 kgsec

의 공기가 유입되며 오른쪽 분사노즐 출구면에 12bar 의 압력을 적용하였다 분사

노즐의 유동 해석 결과의 여러 가지 특성값 중에서 본 설계에서의 주요 관심사가

공기의 배출 속도인 관계로 Fig 19에 흐름의 속도 분포 Fig 20에 흐름의 마하넘

버 분포를 나타내었다 초음속 흐름에 대한 해석으로 분사노즐 목에서의 공기속도

가 약 335msec(마하 1)이 되며 노즐 출구에서 최대속도가 된다 Fig 21은 수축

확산 노즐에 대한 공기의 속도 분포 해석 결과를 반영하여 공기 분사노즐을 모델링

한 것이다

Fig 19 수축확산 노즐의 공기 흐름 속도 분포

Fig 20 수축확산 노즐의 공기 흐름 마하넘버 분포

Fig 21 수축확산 노즐 모델

6 분급 이론

분급(分級 classification)이란 유체력을 이용해서 분립체를 그 입자 지름의 크기에

따라 분리하는 것으로 넓은 뜻으로는 유체력에 의한 분리만이 아니라 체가름을 포

함하는 경우가 있다 더 넓게는 비중선별ㆍ자기력선별 등 모든 입자분리조작을 분

급이라고 한다 공기ㆍ물 등의 유체 속에서 운동하는 분립체의 각 입자에는 중력

또는 원심력 이외에 유체에 의한 유체항력 등이 함께 작용된다 이 힘 즉 유체항력

은 입자 지름에 의존하는 데 유체항력과 입자 지름의 관계는 중력이나 원심력과

입자 지름의 관계와는 다르기 때문에 이 둘 사이의 균형 조건이 입자 지름에 의해

좌우된다 좁은 뜻의 분급은 이 원리를 이용한 입경분리조작을 의미한다 중력장에

서 등속 침강하는 구 형상의 입자에 대한 힘의 균형은 다음 식으로 표현된다

여기서 은 입자 질량 prime는 입자에 의해 배제된 유체 질량 g는 중력가속도 R

은 는 유체항력을 나타낸다 유체항력 R은 다음 식으로 나타낼 수 있다

여기서 는 저항계수 (drag coefficient)로 입자 주위의 유체의 상대적인 흐름의

상태에 따라 결정되는 무차원 계수이다 는 유체의 밀도 는 입자의 침강속도

는 입자의 지름이며 는 입자의 투영 최대 면적이다 물 또는 공기 속에서 입

자의 지름이 100 이하 입자의 밀도가 3gcm2이하의 조건에서는 입자 주위의 흐

름은 거의 충류로 간주되며 이때 R은 다음 식으로 나타내진다

여기서 는 유체의 점성도이다

prime

이므로 식 (36)을 식 (34)에 대입하면 식 (37)을 얻는다

여기서 는 입자 밀도이며 식 (37)을 스토크스의 침강속도식이라고 하며 분급에서

분리입자 지름을 구하기 위한 기본식으로 중요하다

식 (37)은 다음

과 같이도 표현된다

유체가 공기나 그 외의 기체인 경우의 분급 조작을 건식 분급(또는 공기 분급) 물

이나 그 외의 액체인 경우의 분급 조작을 습식 분급이라 한다 앞에 언급된 기본식

들 이외에 어떤 종류의 분급장치에서는 유체의 흐름 방향이 급격히 변화할 때 흐름

에 따라 운동하는 입자의 관성력의 효과가 중요한 역할을 한다

분급에 사용하는 장치를 분급기(classifier)라고 한다 건식분급기에는 관성력을 이

용하는 것 중력침강을 이용하는 것 원심력을 이용하는 것 등이 있다 관성력을 이

용하는 건식분급기에는 루버식분급기 버추얼임팩터 엘보제트형분급기 등이 있는

데 건식분급기로는 원심력을 이용한 것이 가장 널리 사용되고 있다 원심력을 이용

한 건식분급기로는 분급 입도가 30~100 정도의 비교적 굵은 입도에서의 대량 처

리로 옛날부터 알려진 스튜어트밴트형 등이 있으며 또한 몇 ~30의 분급이 가

능한 여러 분급기가 개발되어 널리 쓰이게 되었다 또한 사이클론도 미립(微粒)에서

조립(組立)에 이르는 분체(粉體)의 건식분급에 이용된다 습식분급기에는 중력식과

원심력식이 있으며 중력식은 상승 수류(水流)와 유동층을 이용한 수력분급기 원뿔

형 또는 각뿔형 용기에서의 중력침강을 이용한 세틀링탱크 등의 침강분급조 완만

하게 경사진 직사각형의 조(槽)로부터 침하한 조립 생산물을 긁어올리기 위한 레이

크나 스파이럴을 갖춘 기계분급기 등으로 분류된다 원심력을 이용한 습식분급기로

는 사이클론 또는 하이드로사이클론이 가장 대표적이며 솔리드볼형ㆍ디스크형 등

의 원심분리기도 미립자용 분급기로 사용된다

Fig 22는 베인 구조의 원심형 분급기의 회전 단면 모습이다

Fig22베인 구조의 원심형 분급기의 단면

Fig 22에서 H는 분급기 내부 상하면 사이의 간격이며 는 선별된 미분이 배출되

는 반경 는 베인의 내반경 는 베인의 외반경을 나타낸다

분체 주위의 공기 흐름이 층류 흐름이라는 조건하에서 베인 구조의 원심형 분급기

에의 컷포인트(utpoint)를 결정짓는 외주부의 반경 은 다음과 같다

또한 선별된 미분이 배출되는 반경은 다음과 같다

베인 사이에서도 고체의 회전법칙이 적용된다 베인의 외주 반경에서 속도의 원주

방향 성분 과 중심방향 성분 가 가장 큰 영향을 준다

식 (41)과 식 (42)를 식 (38)에 대입하여 정리하면 다음과 같다

독일 Netzsch 사에서는 베인의 내반경 에서 선별된 미분이 배출되는 반경 까

지의 반경 방향의 공기 속도 성분 을 질정하게 해 주기 위하여 Fig 10에 보인

ldquoConvorrdquo라고 불리우는 단면의 분급기를 개발하여 사용화하고 있다

7 분급기 설계와 유동 해석

분급기의 베인 사이로 분쇄된 미분과 공기가 함께 유입되어 중앙부의 배출구로 통

과하는 분급기의 내부 형상을 설계하기에 앞서 분급기 내부를 구성하는 상면이 평

평한 구조의 분급기에 대한 유동해석을 실시하여 공기의 속도 분포를 검토하였다

해석 대상 분급기의 외경은 205mm이며 밑면 중앙에 공기 배출을 위하여 직경이

90mm인 원형 구멍이 뚫려 있다 분급기 외주에는 단면이 원호의 일부로 만들어진

두깨가 2mm 넓이가 18mm 길이가 35mm인 베인이 매 60도마다 10개씩 등간격

으로 모두 60개가 베인의 코드 방향과 분급기의 반경 방향이 이루는 각도가 약 15

도가 되도록 경사지게 설치되어 있다 원주 방향으로 매 60도마다 길이 35mm 직

경 8mm인 원형봉 6개가 등간격으로 배열되어 상ㆍ사 카버 사이에 베인을 고정시

켜 조립되는 구조이다 해석 대상 분급기에 사용된 베인의 단면과 베인의 배열 및

분급기 상ㆍ하면을 고정하는 봉이 포함된 수평면상의 평면도를 Fig 23에 나타내었

다 Fig 24는 분급기의 상면 형상이 평평한 구조인 경우에 대한 분급기의 수직단

면도이다

분급기에 유입되는 공기는 온도 50 유입량 01m3sec 분급기를 통과한 후에

배출되는 공간의 압력은 12bar이며 분급기의 회전속도는 8000rpm(838radsec)

이다 분급기에 발생되는 원심력의 절대적인 크기는 재료의 밀도와 분급하고자 하

는 분말의 크기에 따라 분급기의 회전수를 변화시켜서 조절한다 SolidWorks 및

COSMOSFloWorks 프로그램으로 분급기의 공기 유동해석을 실시하였다 해석시의

변수 입력 항목 및 해석 과정을 ldquo부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 유동해석 절

차rdquo에 정리하였다

Fig 23 베인과 상ㆍ하면 고정 원형봉의 평면 단면도

Fig24 분급기 상면이 평면인 경우의 수직단면도

공기 유동해석 결과를 Fig25~Fig27에 나타내었다 Fig25는 베인의 중간 높이에

서의 수평 단면에서의 공기 속도 분포이다 Fig26은 베인이 위치한 부위에서의수

직단면 Fig 27은 상ㆍ하면을 고정시켜 주는 원형봉이 있는 부위의 수직단면에 분

포하는 공기의 유입 속도 해석 결과를 나타낸 것이다

Fig 25 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig 26 베인 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig27 연결봉 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig15~Fig27의 공기 속도 등고선을 보면 베인 외주부의 상하 위치에 있어서 공

기의속도가 불균일한 분포를 보인다 베인의 분급기 내부 공간에서는 같은 반경인

위치에서 윗부분에서의 공기 속도가 아랫부분에서보다 빠르게 분포하고 있다 베인

의 높이 방향 상ㆍ하 위치에 따른 이러한 유입 속도의 편차는 분급기 외주의 실린

더 면으로부터 유입되는 공기가 분급기 중앙의 밑 방향으로만 배출되는 유동 통로

의 구조 때문으로 판단되낟 따라서 같은 반경의 같은 원심력이 발생되는 위치에

있어서도 윗부분에서의 공기 유입속도가 밑부분에서보다 크게 분포되어 윗부분에서

는 밑부분에서보다 큰 분말이 분급기 안으로 유입된다 지정된 크기의 컷오프보다

큰 분말과 작은 분말이 혼합된 상태로 배출되는 관계로 분급이 정밀도가 저하된다

베인의 상ㆍ하 위치에 무관하게 공기의 유입 속도를 가급적 균일하게 해 주기 위한

목적으로 분급기 내부의 단면 형상을 Fig28과 같은 인볼류트-컨볼류트

(involute-convolute) 단면으로 구성하여 공기의 유동해석을 실시하였다

Fig 28 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기

Fig29는 베인의 중간 높이 수평단면 상에서의 공기 속도 분포이다 Fig25에 비하

여 베인의 외주 부위에서의 공기의 속도가 균일하게 분포되고 있음을 보여 준다

Fig29 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig 30은 베인이 위치한 부위에서의 수직 단면 Fig31은 상ㆍ하면을 고정시켜 주

는 원평봉이 있는 부위에서의 수직 단면에 분포하는 공기 속도 분포이다 Fig30과

Fig31은 각각 Fig25와 Fig26에 비하여 베인의 높이 방향 전체에 걸쳐 공기의 유

입 속도가 상당히 균일하게 분포되는 것을 보여 주고 있다

Fig 30 베인 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig31 연결봉 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig32는 분급기 내부의 공간 형상이 인볼류트-컨볼류트인 분급기의 설계 모델이

Fig32 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 모델

Fig33은 앞의 수축확산 공기 분사노즐(Fig20)과 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급

기(fig32)로 구성된 건식 기류충격식 분쇄기의 3D모델이다 중요 부품의 도면은

ldquo부록 9 설계 도면rdquo에 수록하였다

Fig33 건식 기류충격식 분쇄기의 3D 모델

8 시작품 제작

수축확산 공기 분사노즐의 유동해석 및 분급기의 유동해석 결과를 바탕으로 시작품

을 제작하였다 Fig34는 수축확산 공기 분사노즐 헤드의 시작품 모습이다

Fig 34 수축확산 공기 분사노즐 헤드 시작품

Fig35는 분급기의 시작품 모습이다 분급기의 베인은 분체와 마찰시 내마모성을

갖도록 SUS 재질로 곡면 성형한 후 세라믹으로 코팅하여 제작하였다

Fig35 분급기 시작품

Fig 36은 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 수축확산 공기 분사

노즐 및 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 등이 분쇄기의 내부에 장착되어 있다

Fig36 건식 기류충격식 분쇄기 시작품

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기와 관련된 국외 특허 자료 조사와 분석 공기의

유동해석에 있어 많은 일정이 소요되었다 기술지원 추진일정을 Table1에 정리하

였다

Table 4 추진 일정

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 18: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

Fig 1 은 습식 분쇄기의 종류와 입도 범위의 관계를 나타낸 것이다 Fig 1 밑부분

의 화살표는 본 부품소재종합기술지원사업 수행으로 개발하고자 하는 분말의 크기

범위를 표시한 것이다

Fig 1 습식분쇄기의 입도 범위(독일 Buehler사)

제 1 절 기술지원 필요성

대가파우더시스템은 1970 년도에 창립하여 현재에 이르기까지 산업용 분쇄기 집

진기 건조기 기체여과기 액체여과기 폐수처리장치 등의 전문생산업체이다 최근

들어 소재산업이 정밀화되고 고기능화 함에 따라 분쇄기의 성능 향상이 요구되고

있다 최근에는 수십 nm 이하의 초분체 카본블랙 TiO2 ZnO SiO2 등의 안료 세

라믹 자기재료 등의 각종 소재의 입도 정밀화가 실현되고 있다 초분체기기 및 요

소 부품의 국내 수요는 독일의 DRAIS 일본의 KOTOBUKI 사 DYNO 사 등의 선진

메이커 제품을 수입하여 사용하고 있다 건식 기류충격식 분쇄기에 대한 국내 설계

기술 부족으로 외국에서 수입되고 있는 제품의 가격이 고가이어도 경쟁할 수 있는

제품을 개발하지 못하고 있는 어려운 상황이다

대가파우더시스템은 최근 습식 방법의 초미립 분쇄기를 개발하여 시험 중에 있으

며 압축공기를 이용한 기류충격식 분쇄기 개발에 있어서 분쇄부와 분급부의 기초

이론 구성 부품 설계 재질 선정 분쇄기 구조에 대하여 유한요소법으로 유동해석

을 하는 시뮬레이션 기술력 확보에 어려움을 겪고 있다 초미립 분쇄(ultra-fine

pulverization)를 위한 기류 분사노즐(compressed air nozzle supersonic air

nozzle)의 단면 형상 설계와 분쇄에 요구되는 유량 산출 분급기(classifier)의 크기

과 공기 유동부의 내부 형상 베인의 형상과 수량 베인의 간격 배열 위치 및 분급

기 회전수 등에 대한 설계 변수 등에 있어서 애로를 겪고 있으며 기술력 향상을

위하여 외부 전문가의 기술지원이 요청되고 있다

건식 기류충격식 분쇄기 설계의 핵심 기술을 지원하여 건식 기류충격식 분쇄기의

국내 업체의 자체 설계 능력 확보가 요구되낟 본 부품소재종합기술지원사업을 통

하여 초미립 분쇄기와 관련된 국내ㆍ외 특허 자료 기술문헌 및 분쇄부와 분급부의

기초 이론 관련 자료 조사와 제공 초미립 입자를 생산하기 위한 건식 분쇄기의 구

조 설계 기술 지원 유량에 따른 기류충격식 분쇄 노즐의 설계 변수 컴퓨터를 이용

한 3 차원 모델링에 의한 설계 유한요소법에 의한 기체의 유동 해석 기술 지원이

필요한다

제 2 절 기술지원 목표

기술지원의 초종 목표는 지원기업 대가파우더시스템가 분쇄 입도의 평균직경 18

~ 20 인 초미립 파우더를 생산하기 위한 기류충격식 분쇄기 설계와 생산에 대

한 기술 확보이다 공기 분사 방식의 분쇄 노즐 형상 분급부의 구조 설계 및 작동

에 대한 기초를 체계적으로 정립하며 분쇄기 구성 부품의 재질 선정 3D 모델링에

의한 분쇄기 시스템 설계와 유한요소볍에 의한 공기 유동장 해석 결과를 바탕으로

시작품을 제작하며 향후 유사 모델에 대한 자체적인 설계 및 새산 능력을 확보하

는 것이다

제 3 절 기술지원 내용

1 건식 기류충격식 분쇄기의 국내ㆍ외 특허 자료 기술문헌 및 기술정보 조사 지

원으로 초미립분쇄기의 기초 이론 구조 기능 정립 초음속 분사노즐 단면 형상

설계 자료로 활용

2 3D 모델링에 의한 설계 기술 지원으로 설계 오류를 사전에 방지

3 초음속 분쇄 노즐의 형상 설계와 유동 특성 해석 기술

4 분급부의 내부 구조 베인의 형상과 배열 및 수량 결정 유한요소법에 의한 분급

기의 유동 해석 기술 지원으로 분급 입도의 안정화 분급기 설계 및 제작

5 분쇄부와 분급기의 재질 선정 지원으로 생산가 관리 및 내구성 확보

Table 1 기술지원 목표 및 내용

제 2 장 국내ㆍ외 기술 현황

건식 분쇄 기술로 크기가 1 이하의 작은 입자를 생산하는 것은 어려운 기술로

분체기술의 장벽이라고 일컬어진다 각종 소재를 성분 변화없이 100nm 이하의 크

기로 극미세 분쇄하는 기술은 미래 산업을 이끌어갈 핵심분야로 국가간 연구개발

경쟁이 치열한 기술이다

제 1 절 세계의 기술 현황

나노급의 미세 파우더는 1980 년대초 독일의 칼스루헤연구소 등에서 시작되어

1990년대에 들어서 100nm 이하의 제조합성에 관한 연구가 본격화되었다 일본의

경우에는 과학기술청의 창조과학기술 추진과 통산성의 차세대산업기반기술 분야로

선정되어 주목을 받고 있다 초미분을 생산하기 위한 양산 장비 및 요소 부품에 대

한 선진국의 기술은 독일의 DRAIS사(습식) NETZSCH사(건식) 일본의 Kotobuki사

(습식) DYNO사(습식) Hosokawa 사(습식 건식) 등의 선진메이커에서 제품이 개

발되어 판매되고 있다 또한 나노 파우더 생산업체로는 일본의 Kako 사 미국의

Whittaker 사 Dow Chemical 사 Dupont사 및 독일의 Degusa사 등이 있다 현재

까지는 나노급 파우더 제조 공정의 불안정 및 복잡성 평가 방법의 미흡 등으로 다

양한 제조 공정 기술개발이 진행되고 있다 세라믹 분말의 경우에는 일부 특수한

경우에만 상용화되고 있다 금속분말의 경우에는 한정된 종류의 금속만 생산이 가

능하여 계속적인 개발이 진행되고 있다

건식 기류충격식 분쇄기의 주요 제작업체는 일본의 Hosokawa 사와 독일의

Netzsch 이다 미국 일본 및 독일 등에 대부분의 같은 내용의 특허가 등록되어

있으며 일본과 독일에 의하여 등록된 특허의 구조적인 특징은 다음과 같다

1 일본 Hosokawa사의 수직형 기류충격식 분쇄기

건식 기류충격식 분쇄기의 대표적인 업체인 일본의 Hosokawa 사 분쇄기의 특징

은 3개의 초음속 분사노즐이 에어젯트밀의 중앙인 수직 평면상에 원호상 등간격인

120도 간격으로 원의 중심을 향하여 배열되어 있으며 분쇄기 내의 상부에 회전축

이 수평인 위치로 회전되는 원심형 분급기가 설치되어 있다(Fig 2)

분쇄기의 모델과 분쇄 대상 재료에 따라 분말의 크기가 01 - 10 의 범위에 있

Fig 2 일본 Hosokawa 사의 수직형 기류충격식 분쇄기의 내부

2 일본 Hosokawa 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(2)

Fig 3a ~ Fig 3c는 일본 Hosokawa 사의 등록특허이다 분쇄기와 분급기 구조에

관한 것이다 Fig 3a에 보인 원형 단면의 분쇄실 외주부에 Fig 3b와 같이 에어를

고압 분사하는 분사노즐이 다수개 배열되어 있어 재료 공급관으로 유입되는 재료

가 고압의 공기 분사에 의하여 분쇄된다 분쇄도니 미분은 상부 통로로 배출되며

조분은 Fig 3b 의 ldquo16rdquo 번 부위인 분쇄기 내벽을 따라 이동되다가 공기 노즐의

출구부 측면에 나있는 구멍으로 흡입되어 공기와 함께 분사되어 재분쇄가 된다

Fig 3a 일본 Hosokawa 사의 분쇄기 단면(일본 特開平 11-179228 1999)

Fig 3b 일본 Hosokawa사의 분쇄기 평면(일본 特開平 11-179228 1999)

Fig 3c 일본 Hosokawa사 분쇄노즐 단면(일본 特開平 11-179228 1999)

3 일본 미놀타 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(3)

Fig 4a ~ Fig 4c 는 일본 미놀타사의 등록특허이다 분쇄기와 분급기 구조로

Fig 2에 보인 Hosokawa 사의 수직형 분쇄기와 비슷한 구조이다 분쇄 효율을 높

이기 위하여 Fig 4c 에 보인 것과 같은 분쇄기 중앙부의 분사된 공기가 집중되는

위치에 삼각형 경사판을 배치하여 공기가 충돌한 후 분쇄기 상부로 향하게 되어

있다

Fig 4a 일본 미놀타사의 분쇄기 단면(일본 特開 2000-5621 2000)

Fig 4b 일본 미놀타사 분쇄기의 분사노즐 배열(일본 特開 2000-5621 2000)

Fig 4c 일본 미놀타사 분쇄기의 충격판(일본 特開 2000-5621 2000)

4 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(4)

Fig 5는 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 등록특허이다 분쇄기 내측

수평면상에 분사노즐이 서로 마주 보게 배열되어 있다 분급기의 회전 축이 분쇄기

의 중심축과 일치한 상태로 회전하여 수평면 상에서 원심력에 의하여 분급이 이루

어진다 분급된 미분은 분쇄기 상부의 통로로 배출된다

Fig 5 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 수평형 기류충격식

분쇄기(일본 特開 2002-35631 2002)

5 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(5)

Fig 6 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기 구조는 Fig 4 의 일본

미놀타사와 유사하다 수평면상에 분사노즐이 배열되어 있으며 분급기의 회전축도

수평으로 위치하고 있다

Fig 6 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(일본 特開 2003-88773

2003)

6 미국 Xerox사의 수평형 기류충격식 분쇄기와 노즐(6)

Fig 7a의 미국 Xerox사의 수평형 기류충격식 분쇄기 구조는 Fig 5의 일본

Hosokawa Alpine AGampCo OHG 사의 구조와 유사하다 분사노즐이 수평면상으로

배열되어 있으며 분급기의 회전축도 수평으로 위치하고 있다 분사노즐의 형상은

Fig 7b 에서와 같이 이중관 구조이다

Fig 7a 미국 Xerox 산의 수평형 기류충격식 분쇄기(일본 特開 2004-50179

2004)

Fig 7b 미국 Xerox 사의 이중관 분사노즐(일본 特開 2004-50179 2004)

7 독일 Netzsch사의 건식 기류충격식 분쇄기(7)

독일 Netzsch 사는 대표적인 기본 구조의 건식 기류충격식 분쇄기를 개발하여 가

공 용량이 다른 여러 가지 분쇄기에 유사한 구조를 적용하였으며 일본 Hosokawa

산의 분쇄기와는 전혀 상이한 구조이다 즉 3 개의 초음속 분사노즐이 기류충격식

분쇄기 하부의 수평 평면상에 원호상 등간격인 120 도 간격으로 원의 중심을 향하

여 배열되어 있으며 Fig 8 에서와 같이 수직 회전축을 갖는 원심형 분급기가 분

쇄기 상부에 설치되어 있다 분급기의 외형 모습은 Fig 9에 보인 것과 같으며 분

급 효율을 향상시킬 목적으로 분급기 단면이 회전 중심으로 향할수록 상하 공간이

넓어지는 ldquoConvor로 명명된 형상의 단면 모습으로 되어 있다(Fig 10)

Fig 8 독일 Netzsch 사 분쇄기의 내부 구조

Fig 9 독일 Netzsch 사의 분급기

Fig 10 독일 Netzsch 사 분급기의 단면 형상 ldquoConvor

8 독일 특허 공기 분사노즐(9)

독일 Netzsch 사의 분쇄기 관련 기술 컨설턴트인 Nied 가 고안한 분쇄용 분사노즐

의 구조에 대한 것이다 3 개의 공기 분사노즐이 기류충격식 분쇄기 하부의 수평

평면상에 원호상 등간격인 120도 간격으로 원의 중심을 향하여 배열되어 있다(Fig

11a) 분사노즐 중앙부의 구조는 단면이 수축-확산 형태로 노즐로 초음속의 고속

분사를 하면서 중심 노즐 주변에 중앙 분사부를 감싸는 이중 공기 분사관을 형성

하여 중앙의 분사노즐에서 분사되는 공기의 확산각이 커지지 않도록 공기 주위에

추가적인 보조 공기를 분사하는 구조이다(Fig 11b)

Fig 11a 독일 특허-분사노즐 배열과 분사 공기의 분포(EP 0 736328A1 1996)

Fig 11b 독일 특허-분사노즐 단면과 분사 공기의 분포(EP 0 736328A1 1996)

9 미국 특허 분쇄기 구조(10)

일본의 히데유끼 요시다 등 5 명이 미국에 출원한 특허로 분쇄 재료가 초음속으로

분출되는 공기 통로의 중간에서 공급되며 재료가 분쇄실로 이동된 후 충격판에 충

돌되어 분쇄되는 구조이다(Fig12) 분쇄된 분말의 크기는 10 수준이다

Fig 12 미국 특허-충돌식 분쇄기(USP 57657661998)

제 2 절 국내의 기술 현황

국내의 경우에는 초미분 분말 생산에 관한 개발 역사가 짧으며 연구소 대학 기업

등에서 다발적으로 연구가 진해오디고 있다 기계 전자 물리 재료 화학 등의 연

계된 연구가 필요하다 1996 년 과학기술부 및 산업자원부 등의 산업단을 중심으로

대형 연구가 수행되어 왔으나 주로 기상법에 의한 분말합성에 관한 것이다 1998

년도부터 한국기계연구원에서 200nm 급의 건식 분쇄 및 분급기에 대한 개발을 시

작으로 초미분 파우더 생산 장비에 관한 연구가 이루어지고 있다 초미분 분쇄 방

식은 본 기술지원 과제의 지원기업인 대가파우더시스템을 포함하여 습식 방식인

교반밀(agitated mill)을 주로 사용하며 입도의 크기는 5 이상 수십 크기의

범위이다 기류충격식 분쇄기의 기술 수준은 입도의 크기가 5 ~ 10 수준이다

기존의 습식분쇄기의 경우 평균 입도가 28 ~ 32로 Pb0를 대상으로 할 때 4

~ 6 kghr 정도를 생산할 수 있는 수준이다

국내에 등록되어 있는 건식 기류충격식 분쇄기와 관련된 특허의 출원인인 대부분이

일본업체이며 일본에 출원된 특허를 한국에 재출우너한 것이 대부분이다 미국과

벨기에가 각각 1 건씩 등록하고 있으며 한국인이 출원한 특허는 테크월드에서

출원한 3 건 등 모두 4 건이 검색되었다 마이크로급 이상의 파우더 생산장비에 대

한 국내의 기술 수준은 선진국 기술 수준의 약 70 수준이다 그나마도 설계 및

생산에 있어 거의 모방에 의존하고 있다 나노급 기술은 초보적인 상태이다

제 3 장 기술지원 수행 내용 및 결과

제 1 절 기술지원 수행

본 부품소재종합기술지원사업은 Fig13의 기술 개발 추진도에 따라 수행되었다

Fig 13 기술 개발 추진도

분쇄기의 전체 시스템 중에서 분쇄기와 분급기 이외의 기타 구성 모듈들에 대한 설

계 및 생산기술은 지원기업 대가파우더시스템이 기확보하고 있는 기술이 기술

지원의 주된 내용은 기류충격식 분쇄기의 핵심 부품이며 분쇄기의 성능을 좌우하는

초음속 공기 분사노즐과 분급기의 설계 기술에 관한 것이다 초음속 공기 분사노즐

의 단면 형상 공급 공기의 압력과 분사 공기의 속도 및 공기 소요량 산출을 위한

공기 분사노즐 설계와 분쇄기 내부의 내마모성 재료 선택 분급기 베인의 형상과

분급기로 유입되는 공기의 속도 분포를 균일하게 하여 원심력 작용으로 분말의 분

급 정밀도를 향상시켜 주기 위한 분급기의 내부 단면 형상 설계 미 ㅊ유입 공기 속

도 및 압력 분포에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 방법 등에 대한 체계적인 기술 지원이

수행되었다 향후 유사 모델 개발에 적용하여 새로운 제품을 개발할 수 있는 설계

능력을 확보하였다

1 분쇄기 시스템 구성도

본 기술지원을 통하여 개발하는 핵심 기술은 건식 기류충격식 분쇄기의 초음속 공

기 분사노즐과 분급기와 관련된 기술이다 분쇄기의 기본 구조는 독일의 Netzsch

사 제품과 유사한 구조로 되어 있으며 분쇄용 공기 분사노즐과 고정밀도의 분급기

설계기술을 자체 보유하는 데 주안점이 있다 개발 대상 분쇄기 시스템의 전체 구

성도는 Fig 14(7)에서와 같다 Fig 14에서 분쇄기 시스템은 ldquo진동공급기rdquo를 통하

여 공급되는 분쇄용 우너료를 ldquo건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기rdquo로 분쇄 및 분급

한 후에 cyclone을 거쳐 bag filter로 분말을 포집하는 시스템으로 구성되어 있

다 분말과 공기가 혼합된 기류는 각각의 단계로 이송하는 과정에서 double flap

valve로 이송이 조절되며 최종적으로 fan의 작동으로 공기가 배출된다

건식 기류충격식 분쇄기 본체를 구성하는 부품의 서브어셈블리는 각각 Chamber

Body Laval Nozzle Classifier Wheel 및 Bearing Block등으로 구성되어 있

다 주요한 설계 변수는 분쇄챔버의 직경과 높이 초음속 공기 분사노즐 설계 있어

서 라발 노즐(초음속 공기 분사노즐)의 모즐 목 내경과 배출부의 직경 및 축방향의

단면 형상 공기되는 공기의 압력 등이다 분급기 설계에 있어서의 주요 변소는 베

인의 단면 형상 베인의 수량과 배열 각도 분급기 내부 공동부의 단면 형상 분급

기에 유입되는 공기 속도와 분급기를 통과한 이후의 공기 압력 등이다

Fig 14 기류충격식 분쇄기의 시스템 구성도

2 소리의 속도

물체의 일부에 교란을 주면 개스 유체 및 고체의 압축성으로 인하여 물체를 통하

여 유한한 속도로 교란이 전파된다

음속은 물체의 압력과 밀도 변화와 관계되어 있으며 다음식으로 표현된다

여기서

음속 압력변화 밀도 변화

체적탄성계수는 다음과 같이 표현된다

여기서

체적탄성계수 압력변화 체적변화 초기체적

체적탄성계수는 식 (3)으로도 표현된다

여기서

물체의밀도변화 물체의초기밀도

개스 유체 고체 내에서의 음속은 다음식과 같다

여기서

체적탄성계수

개스에서의 소리 속도는 아주 작은 한 점에서 교란이 일어나는 관계로 열전달을 무

시할 수가 있으며 또한 등온 상태로 가정할 수가 있다 이상 기체에서의 소리 속도

는 절대 온도의 근에 비례하며 다음식으로 표현된다

여기서

k = 비열비 (adiabatic index)

p = 압력 (Pa psi)

R = 개스 상수

T = 절대 온도 (degK degR)

앞의 식 (4)와 식 (5)로부터

식 (6)으로부터 체적탄성게수 E를 구할 수가 있다

( 예 1 ) 공기의 체적탄성계구 산출

k = 14 R = 287 (JK kg) at T=293K( 20 ) p=1204(kgm3)

Eair = k R T p=14X287X293X1204=14174379((Jm3)

Eair = 14174379(Nm2)

( 예 2 ) 염소(C12)의 체적탄성계수 산출

k = 134 R = 120 (JK kg) at T=293K(20) p=2994(kgm3)

Ec12 = k R T p=134X120X293X1994=14106051((Jm3)

Ec12 = 14106051(Nm2)

( 예 3 ) 0 1 bar 공기에서의 소리 속도

c = (14x287x273)12

= 3312 (ms)

여기서

k = 14

R = 287 (JK kg)

( 예 4 ) 20 1bar 공기에서의 소리 속도 산출

c = (14X287X293)12

= 3431 (ms)

( 예 5 ) 0 물속에서의 소리 속도 산출

여기서

3 공기 분사노즐에서의 유동식

개스역학에서 공기의 속도가 sim 이상으로 빠르거나 압력의 변화가

보다 큰 경우에는 압축성 흐름으로 취급한다 이러한 현상은 노즐에서

개스가 팽창하는 경우에 발생된다

정상유동에서의 에너지 평형 상태는 다음식으로 표현된다

여기서 엔탈피는

이며 엔탈피 ∆의 변화는 내부에너지 ∆에 외부로 또는 외부로부터의 체적에

의한 일 ∙∆의 합과 같다

내부에너지의 변호가 없고 밀도가 일정하다고 가정하면 즉 ∆ 인

경우에는 비압축성유동의 베르누이 방정식이 된다 반면에 위치네어지의 변화가 없

는 경우 ∆ 에는 상대적으로 밀도가 낮은 압축성 유체인 ldquo개스rdquo의 상태를

나타낸다 ldquo개스역학rdquo 이라는 자체가 의미하듯이 해석에 있어 고압 및 개스의 속도

가 포함되며 내부에너지의 변화 ∆를 무시할 수가 없다 이러한 의미에서 식 (7)

은 다음과 같이 된다

이상개스 방정식에서

이며 식 (12)를 식(9)에 대입하면 다음과 같이 된다

식 (13)에 에너지 보존법칙을 적용하면 노즐에서 분사되는 개스의 속도를 구할 수

있다

개스의 초기 속도가 인 경우에는

가역 단열 흐름에 있어서는 다음 3개의 식을 적용할 수가 있다

식 (16) ~ 식 (18)을 식 (15)에 대입하면 노즐에서 분출되는 개스의 속도가 구해

진다

노즐을 통과하는 질량의 흐름 식

밀도의 비로부터

다음과 같이 노즐을 통과하는 질량을 구한다

다음의 식 (23)을 식 (22)에 대입하여

식 (24)를 구한다

여기에서

을 ldquo탈출 계수(escape coefficient)rdquo 라고 한다

식 (25)를 사용하여 식 (24)를 다시 표현하면 다음의 간략식이 된다

탈출 계수 는 압축비 의 값이 다음과 같은 값일 때

임계 압축비 또는 라발 압축비로 표현되는 다음 크기의 최대값을 갖는다

음속은 노즐의 단면적이 제일 작은 부분에서 임계 압축비에 도달한다

max는 테이퍼가 일정한 실린더 형상의 노즐에 적용된다 식 (26)에 의하여

ㆍ 가 되며 는 일정한 테이퍼의 노즐에서만 증가할 수 있다 만약 압

축비 가 임계비 이하이면 max이므로 노즐을 통과하는 질량의 흐름은 일정

하다 이것은 질량의 흐름이 외부의 압력에 영향을 받지 않는다는 것을 의미한다

질량의 흐름에 의한 일은 다음의 식 (30)으로부터 구해진다

압축성 유체의 단열 팽창시에 수행된 일은 식 (19)와 식 (30)로부터 다음과 같이

산출된다

아래의 Fig 15 는 수축확산 노즐의 단면 모습이며(11) Fig 16 은 수축확산 노즐에

서의 압력 온도 속도 변화를 나타낸 것이다(8)

Fig 15 수축확산 노즐(Laval Nozzle)

Fig 16 수축확산 노즐에서의 압력 온도 속도 변화

압축성 유체의 흐름에 있어서 임계 속도 이후에 노즐의 단면이 서서히 확대되면

열에너지가 유동에너지로 변환되면서 온도는 낮아지고 흐름이 증가된다

앞의 식 (27)을 참조할 때 Fig 16 의 수축확산 노즐의 단면적이 가장 작은 임계

압축비 에서 음속에 도달한다 이 것은 질량 흐름에 식 (26)이 계속적으로 유

효하다는 것을 의미한다 수축확산 노즐 출구에서의 온도는 다음과 같은 관계가 된

노즐 확산부의 치수는 다음식으로부터 구해지며

개스 상수 등은 계수 개스 유입 온도 노즐 목의 직경 압축비 등의

변수로부터 노즐 출구에서의 개스 속도와 온도를 구할 수가 있다 공기 흐름 해석

대상 노즐 각부에 대한 부호는 Fig17에서와 같다

Fig 17 수축확산 노즐의 각부 부호

실제 수축확산 노즐을 설계하는 데 있어서는 노즐에서 발생될 수 있는 압축파 발생

을 억제하기 위하여 노즐 출구의 치수를 설계값보다 약간 작게 한다 즉 Fig 17에

서의 노즐의 확산각 가 를 넘지 않아야 하며 최대 이내여야 한다

4 공기 분사노즐의 흐름 특성 계산

앞의 ldquo3 초음속 공기 분사노즐에서의 공기의 흐름rdquo에서 유도된 식들을 이용하여

ldquoMathcad 13 프로그램(12)으로 설계 대상 분쇄기에 적용되는 공기 분사노즐의 단

면 치수 유입 공기량 노즐 출구에서의 공기 속도 소요 동력 등을 산출하였다

우선 단위와 공기의 상수를 정리하면

kilo=1000 TK =273 hoursec =3600 k = 14

ㆍsecㆍ

ㆍsecㆍ

ㆍsec

ㆍsec

예를 들어 tan tan tan tan

해석 조건이 다음과 같으면 tank pressure=700kPa Ttank=70 exit

pressure=100kPa

단위 (mm) throat diameter=50 length 150 outlet diameter=70 diffusion

angle α=38deg

d = 0007 pe = 100kilo po = 7pe Ttank =7C

To = TK+Ttank To=343 (K)

times

sec

Air_massflow1N_hour =Air_masflow1N_sechoursec

Air_massflow1N_hour = 133024 (kghrper 1 nozzle)

Air_massflow3N_hour = Air_massflow 1N_hour3

Air_massflow 3N_hour = 399071 (kghrper 3 nozzles)

Imsec)

sec

timesorsec timesorsec

(kgm3)

sec

sec sec

공기분사 노즐 목의 직경이 50mm 출구 직경이 70mm 노즐 목에서 노즐 출구까

지의 길이가 150mm로 공기 분사노즐의 환산각 도인 공기 분사노즐이 3

개 장착되어 있으며 탱크내의 공기가 압력 7bar 와 70 를 유지하면서 계속적으

로 노즐을 통하여 공급되며 또한 분쇄 챔버 내의 압력이 1bar 로 유지되는 경우의

공기 분사노즐의 유동 특성 계산 결과를 종합 정리하면 다음과 같다

- 노즐 출구에서의 공기 최대 속도 542151msec

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 무게 399071kghr

(노즐 하나에 00369kgsec)

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 부피 225333m3hr(0063m3sec)

- 소요 동력 16291kWhhr

5 수축확산 공기 분사노즐의 유동 해석

공기 분사노즐을 3D 모델링 프로그램 SolidWorks(13)로 모델링하여 열유체 해석

을 위한 유한요소해석 프로그램 COSMOSFlwWorks(14)로 공기 분사노즐 내의 유

동 해석을 수행하였다 해석 대상 공기 분사노즐 단면의 형상과 각부의 치수는

Fig18에서와 같다

Fig 18 수축확산 노즐 유동 해석 모델의 단면

해석시에 적용된 변수값들은 앞의 ldquo4 초음속 공기 분사노즐의 분사 특성 계산rdquo에

서 산출된 값을 적용하였다 노즐의 확산부위 길이는 15mm 이며 분사노즐의 확산

각은 도이다 노즐 하나에 대하여 Fig 18 의 왼쪽면에서 00369 kgsec

의 공기가 유입되며 오른쪽 분사노즐 출구면에 12bar 의 압력을 적용하였다 분사

노즐의 유동 해석 결과의 여러 가지 특성값 중에서 본 설계에서의 주요 관심사가

공기의 배출 속도인 관계로 Fig 19에 흐름의 속도 분포 Fig 20에 흐름의 마하넘

버 분포를 나타내었다 초음속 흐름에 대한 해석으로 분사노즐 목에서의 공기속도

가 약 335msec(마하 1)이 되며 노즐 출구에서 최대속도가 된다 Fig 21은 수축

확산 노즐에 대한 공기의 속도 분포 해석 결과를 반영하여 공기 분사노즐을 모델링

한 것이다

Fig 19 수축확산 노즐의 공기 흐름 속도 분포

Fig 20 수축확산 노즐의 공기 흐름 마하넘버 분포

Fig 21 수축확산 노즐 모델

6 분급 이론

분급(分級 classification)이란 유체력을 이용해서 분립체를 그 입자 지름의 크기에

따라 분리하는 것으로 넓은 뜻으로는 유체력에 의한 분리만이 아니라 체가름을 포

함하는 경우가 있다 더 넓게는 비중선별ㆍ자기력선별 등 모든 입자분리조작을 분

급이라고 한다 공기ㆍ물 등의 유체 속에서 운동하는 분립체의 각 입자에는 중력

또는 원심력 이외에 유체에 의한 유체항력 등이 함께 작용된다 이 힘 즉 유체항력

은 입자 지름에 의존하는 데 유체항력과 입자 지름의 관계는 중력이나 원심력과

입자 지름의 관계와는 다르기 때문에 이 둘 사이의 균형 조건이 입자 지름에 의해

좌우된다 좁은 뜻의 분급은 이 원리를 이용한 입경분리조작을 의미한다 중력장에

서 등속 침강하는 구 형상의 입자에 대한 힘의 균형은 다음 식으로 표현된다

여기서 은 입자 질량 prime는 입자에 의해 배제된 유체 질량 g는 중력가속도 R

은 는 유체항력을 나타낸다 유체항력 R은 다음 식으로 나타낼 수 있다

여기서 는 저항계수 (drag coefficient)로 입자 주위의 유체의 상대적인 흐름의

상태에 따라 결정되는 무차원 계수이다 는 유체의 밀도 는 입자의 침강속도

는 입자의 지름이며 는 입자의 투영 최대 면적이다 물 또는 공기 속에서 입

자의 지름이 100 이하 입자의 밀도가 3gcm2이하의 조건에서는 입자 주위의 흐

름은 거의 충류로 간주되며 이때 R은 다음 식으로 나타내진다

여기서 는 유체의 점성도이다

prime

이므로 식 (36)을 식 (34)에 대입하면 식 (37)을 얻는다

여기서 는 입자 밀도이며 식 (37)을 스토크스의 침강속도식이라고 하며 분급에서

분리입자 지름을 구하기 위한 기본식으로 중요하다

식 (37)은 다음

과 같이도 표현된다

유체가 공기나 그 외의 기체인 경우의 분급 조작을 건식 분급(또는 공기 분급) 물

이나 그 외의 액체인 경우의 분급 조작을 습식 분급이라 한다 앞에 언급된 기본식

들 이외에 어떤 종류의 분급장치에서는 유체의 흐름 방향이 급격히 변화할 때 흐름

에 따라 운동하는 입자의 관성력의 효과가 중요한 역할을 한다

분급에 사용하는 장치를 분급기(classifier)라고 한다 건식분급기에는 관성력을 이

용하는 것 중력침강을 이용하는 것 원심력을 이용하는 것 등이 있다 관성력을 이

용하는 건식분급기에는 루버식분급기 버추얼임팩터 엘보제트형분급기 등이 있는

데 건식분급기로는 원심력을 이용한 것이 가장 널리 사용되고 있다 원심력을 이용

한 건식분급기로는 분급 입도가 30~100 정도의 비교적 굵은 입도에서의 대량 처

리로 옛날부터 알려진 스튜어트밴트형 등이 있으며 또한 몇 ~30의 분급이 가

능한 여러 분급기가 개발되어 널리 쓰이게 되었다 또한 사이클론도 미립(微粒)에서

조립(組立)에 이르는 분체(粉體)의 건식분급에 이용된다 습식분급기에는 중력식과

원심력식이 있으며 중력식은 상승 수류(水流)와 유동층을 이용한 수력분급기 원뿔

형 또는 각뿔형 용기에서의 중력침강을 이용한 세틀링탱크 등의 침강분급조 완만

하게 경사진 직사각형의 조(槽)로부터 침하한 조립 생산물을 긁어올리기 위한 레이

크나 스파이럴을 갖춘 기계분급기 등으로 분류된다 원심력을 이용한 습식분급기로

는 사이클론 또는 하이드로사이클론이 가장 대표적이며 솔리드볼형ㆍ디스크형 등

의 원심분리기도 미립자용 분급기로 사용된다

Fig 22는 베인 구조의 원심형 분급기의 회전 단면 모습이다

Fig22베인 구조의 원심형 분급기의 단면

Fig 22에서 H는 분급기 내부 상하면 사이의 간격이며 는 선별된 미분이 배출되

는 반경 는 베인의 내반경 는 베인의 외반경을 나타낸다

분체 주위의 공기 흐름이 층류 흐름이라는 조건하에서 베인 구조의 원심형 분급기

에의 컷포인트(utpoint)를 결정짓는 외주부의 반경 은 다음과 같다

또한 선별된 미분이 배출되는 반경은 다음과 같다

베인 사이에서도 고체의 회전법칙이 적용된다 베인의 외주 반경에서 속도의 원주

방향 성분 과 중심방향 성분 가 가장 큰 영향을 준다

식 (41)과 식 (42)를 식 (38)에 대입하여 정리하면 다음과 같다

독일 Netzsch 사에서는 베인의 내반경 에서 선별된 미분이 배출되는 반경 까

지의 반경 방향의 공기 속도 성분 을 질정하게 해 주기 위하여 Fig 10에 보인

ldquoConvorrdquo라고 불리우는 단면의 분급기를 개발하여 사용화하고 있다

7 분급기 설계와 유동 해석

분급기의 베인 사이로 분쇄된 미분과 공기가 함께 유입되어 중앙부의 배출구로 통

과하는 분급기의 내부 형상을 설계하기에 앞서 분급기 내부를 구성하는 상면이 평

평한 구조의 분급기에 대한 유동해석을 실시하여 공기의 속도 분포를 검토하였다

해석 대상 분급기의 외경은 205mm이며 밑면 중앙에 공기 배출을 위하여 직경이

90mm인 원형 구멍이 뚫려 있다 분급기 외주에는 단면이 원호의 일부로 만들어진

두깨가 2mm 넓이가 18mm 길이가 35mm인 베인이 매 60도마다 10개씩 등간격

으로 모두 60개가 베인의 코드 방향과 분급기의 반경 방향이 이루는 각도가 약 15

도가 되도록 경사지게 설치되어 있다 원주 방향으로 매 60도마다 길이 35mm 직

경 8mm인 원형봉 6개가 등간격으로 배열되어 상ㆍ사 카버 사이에 베인을 고정시

켜 조립되는 구조이다 해석 대상 분급기에 사용된 베인의 단면과 베인의 배열 및

분급기 상ㆍ하면을 고정하는 봉이 포함된 수평면상의 평면도를 Fig 23에 나타내었

다 Fig 24는 분급기의 상면 형상이 평평한 구조인 경우에 대한 분급기의 수직단

면도이다

분급기에 유입되는 공기는 온도 50 유입량 01m3sec 분급기를 통과한 후에

배출되는 공간의 압력은 12bar이며 분급기의 회전속도는 8000rpm(838radsec)

이다 분급기에 발생되는 원심력의 절대적인 크기는 재료의 밀도와 분급하고자 하

는 분말의 크기에 따라 분급기의 회전수를 변화시켜서 조절한다 SolidWorks 및

COSMOSFloWorks 프로그램으로 분급기의 공기 유동해석을 실시하였다 해석시의

변수 입력 항목 및 해석 과정을 ldquo부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 유동해석 절

차rdquo에 정리하였다

Fig 23 베인과 상ㆍ하면 고정 원형봉의 평면 단면도

Fig24 분급기 상면이 평면인 경우의 수직단면도

공기 유동해석 결과를 Fig25~Fig27에 나타내었다 Fig25는 베인의 중간 높이에

서의 수평 단면에서의 공기 속도 분포이다 Fig26은 베인이 위치한 부위에서의수

직단면 Fig 27은 상ㆍ하면을 고정시켜 주는 원형봉이 있는 부위의 수직단면에 분

포하는 공기의 유입 속도 해석 결과를 나타낸 것이다

Fig 25 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig 26 베인 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig27 연결봉 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig15~Fig27의 공기 속도 등고선을 보면 베인 외주부의 상하 위치에 있어서 공

기의속도가 불균일한 분포를 보인다 베인의 분급기 내부 공간에서는 같은 반경인

위치에서 윗부분에서의 공기 속도가 아랫부분에서보다 빠르게 분포하고 있다 베인

의 높이 방향 상ㆍ하 위치에 따른 이러한 유입 속도의 편차는 분급기 외주의 실린

더 면으로부터 유입되는 공기가 분급기 중앙의 밑 방향으로만 배출되는 유동 통로

의 구조 때문으로 판단되낟 따라서 같은 반경의 같은 원심력이 발생되는 위치에

있어서도 윗부분에서의 공기 유입속도가 밑부분에서보다 크게 분포되어 윗부분에서

는 밑부분에서보다 큰 분말이 분급기 안으로 유입된다 지정된 크기의 컷오프보다

큰 분말과 작은 분말이 혼합된 상태로 배출되는 관계로 분급이 정밀도가 저하된다

베인의 상ㆍ하 위치에 무관하게 공기의 유입 속도를 가급적 균일하게 해 주기 위한

목적으로 분급기 내부의 단면 형상을 Fig28과 같은 인볼류트-컨볼류트

(involute-convolute) 단면으로 구성하여 공기의 유동해석을 실시하였다

Fig 28 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기

Fig29는 베인의 중간 높이 수평단면 상에서의 공기 속도 분포이다 Fig25에 비하

여 베인의 외주 부위에서의 공기의 속도가 균일하게 분포되고 있음을 보여 준다

Fig29 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig 30은 베인이 위치한 부위에서의 수직 단면 Fig31은 상ㆍ하면을 고정시켜 주

는 원평봉이 있는 부위에서의 수직 단면에 분포하는 공기 속도 분포이다 Fig30과

Fig31은 각각 Fig25와 Fig26에 비하여 베인의 높이 방향 전체에 걸쳐 공기의 유

입 속도가 상당히 균일하게 분포되는 것을 보여 주고 있다

Fig 30 베인 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig31 연결봉 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig32는 분급기 내부의 공간 형상이 인볼류트-컨볼류트인 분급기의 설계 모델이

Fig32 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 모델

Fig33은 앞의 수축확산 공기 분사노즐(Fig20)과 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급

기(fig32)로 구성된 건식 기류충격식 분쇄기의 3D모델이다 중요 부품의 도면은

ldquo부록 9 설계 도면rdquo에 수록하였다

Fig33 건식 기류충격식 분쇄기의 3D 모델

8 시작품 제작

수축확산 공기 분사노즐의 유동해석 및 분급기의 유동해석 결과를 바탕으로 시작품

을 제작하였다 Fig34는 수축확산 공기 분사노즐 헤드의 시작품 모습이다

Fig 34 수축확산 공기 분사노즐 헤드 시작품

Fig35는 분급기의 시작품 모습이다 분급기의 베인은 분체와 마찰시 내마모성을

갖도록 SUS 재질로 곡면 성형한 후 세라믹으로 코팅하여 제작하였다

Fig35 분급기 시작품

Fig 36은 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 수축확산 공기 분사

노즐 및 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 등이 분쇄기의 내부에 장착되어 있다

Fig36 건식 기류충격식 분쇄기 시작품

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기와 관련된 국외 특허 자료 조사와 분석 공기의

유동해석에 있어 많은 일정이 소요되었다 기술지원 추진일정을 Table1에 정리하

였다

Table 4 추진 일정

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 19: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

대가파우더시스템은 최근 습식 방법의 초미립 분쇄기를 개발하여 시험 중에 있으

며 압축공기를 이용한 기류충격식 분쇄기 개발에 있어서 분쇄부와 분급부의 기초

이론 구성 부품 설계 재질 선정 분쇄기 구조에 대하여 유한요소법으로 유동해석

을 하는 시뮬레이션 기술력 확보에 어려움을 겪고 있다 초미립 분쇄(ultra-fine

pulverization)를 위한 기류 분사노즐(compressed air nozzle supersonic air

nozzle)의 단면 형상 설계와 분쇄에 요구되는 유량 산출 분급기(classifier)의 크기

과 공기 유동부의 내부 형상 베인의 형상과 수량 베인의 간격 배열 위치 및 분급

기 회전수 등에 대한 설계 변수 등에 있어서 애로를 겪고 있으며 기술력 향상을

위하여 외부 전문가의 기술지원이 요청되고 있다

건식 기류충격식 분쇄기 설계의 핵심 기술을 지원하여 건식 기류충격식 분쇄기의

국내 업체의 자체 설계 능력 확보가 요구되낟 본 부품소재종합기술지원사업을 통

하여 초미립 분쇄기와 관련된 국내ㆍ외 특허 자료 기술문헌 및 분쇄부와 분급부의

기초 이론 관련 자료 조사와 제공 초미립 입자를 생산하기 위한 건식 분쇄기의 구

조 설계 기술 지원 유량에 따른 기류충격식 분쇄 노즐의 설계 변수 컴퓨터를 이용

한 3 차원 모델링에 의한 설계 유한요소법에 의한 기체의 유동 해석 기술 지원이

필요한다

제 2 절 기술지원 목표

기술지원의 초종 목표는 지원기업 대가파우더시스템가 분쇄 입도의 평균직경 18

~ 20 인 초미립 파우더를 생산하기 위한 기류충격식 분쇄기 설계와 생산에 대

한 기술 확보이다 공기 분사 방식의 분쇄 노즐 형상 분급부의 구조 설계 및 작동

에 대한 기초를 체계적으로 정립하며 분쇄기 구성 부품의 재질 선정 3D 모델링에

의한 분쇄기 시스템 설계와 유한요소볍에 의한 공기 유동장 해석 결과를 바탕으로

시작품을 제작하며 향후 유사 모델에 대한 자체적인 설계 및 새산 능력을 확보하

는 것이다

제 3 절 기술지원 내용

1 건식 기류충격식 분쇄기의 국내ㆍ외 특허 자료 기술문헌 및 기술정보 조사 지

원으로 초미립분쇄기의 기초 이론 구조 기능 정립 초음속 분사노즐 단면 형상

설계 자료로 활용

2 3D 모델링에 의한 설계 기술 지원으로 설계 오류를 사전에 방지

3 초음속 분쇄 노즐의 형상 설계와 유동 특성 해석 기술

4 분급부의 내부 구조 베인의 형상과 배열 및 수량 결정 유한요소법에 의한 분급

기의 유동 해석 기술 지원으로 분급 입도의 안정화 분급기 설계 및 제작

5 분쇄부와 분급기의 재질 선정 지원으로 생산가 관리 및 내구성 확보

Table 1 기술지원 목표 및 내용

제 2 장 국내ㆍ외 기술 현황

건식 분쇄 기술로 크기가 1 이하의 작은 입자를 생산하는 것은 어려운 기술로

분체기술의 장벽이라고 일컬어진다 각종 소재를 성분 변화없이 100nm 이하의 크

기로 극미세 분쇄하는 기술은 미래 산업을 이끌어갈 핵심분야로 국가간 연구개발

경쟁이 치열한 기술이다

제 1 절 세계의 기술 현황

나노급의 미세 파우더는 1980 년대초 독일의 칼스루헤연구소 등에서 시작되어

1990년대에 들어서 100nm 이하의 제조합성에 관한 연구가 본격화되었다 일본의

경우에는 과학기술청의 창조과학기술 추진과 통산성의 차세대산업기반기술 분야로

선정되어 주목을 받고 있다 초미분을 생산하기 위한 양산 장비 및 요소 부품에 대

한 선진국의 기술은 독일의 DRAIS사(습식) NETZSCH사(건식) 일본의 Kotobuki사

(습식) DYNO사(습식) Hosokawa 사(습식 건식) 등의 선진메이커에서 제품이 개

발되어 판매되고 있다 또한 나노 파우더 생산업체로는 일본의 Kako 사 미국의

Whittaker 사 Dow Chemical 사 Dupont사 및 독일의 Degusa사 등이 있다 현재

까지는 나노급 파우더 제조 공정의 불안정 및 복잡성 평가 방법의 미흡 등으로 다

양한 제조 공정 기술개발이 진행되고 있다 세라믹 분말의 경우에는 일부 특수한

경우에만 상용화되고 있다 금속분말의 경우에는 한정된 종류의 금속만 생산이 가

능하여 계속적인 개발이 진행되고 있다

건식 기류충격식 분쇄기의 주요 제작업체는 일본의 Hosokawa 사와 독일의

Netzsch 이다 미국 일본 및 독일 등에 대부분의 같은 내용의 특허가 등록되어

있으며 일본과 독일에 의하여 등록된 특허의 구조적인 특징은 다음과 같다

1 일본 Hosokawa사의 수직형 기류충격식 분쇄기

건식 기류충격식 분쇄기의 대표적인 업체인 일본의 Hosokawa 사 분쇄기의 특징

은 3개의 초음속 분사노즐이 에어젯트밀의 중앙인 수직 평면상에 원호상 등간격인

120도 간격으로 원의 중심을 향하여 배열되어 있으며 분쇄기 내의 상부에 회전축

이 수평인 위치로 회전되는 원심형 분급기가 설치되어 있다(Fig 2)

분쇄기의 모델과 분쇄 대상 재료에 따라 분말의 크기가 01 - 10 의 범위에 있

Fig 2 일본 Hosokawa 사의 수직형 기류충격식 분쇄기의 내부

2 일본 Hosokawa 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(2)

Fig 3a ~ Fig 3c는 일본 Hosokawa 사의 등록특허이다 분쇄기와 분급기 구조에

관한 것이다 Fig 3a에 보인 원형 단면의 분쇄실 외주부에 Fig 3b와 같이 에어를

고압 분사하는 분사노즐이 다수개 배열되어 있어 재료 공급관으로 유입되는 재료

가 고압의 공기 분사에 의하여 분쇄된다 분쇄도니 미분은 상부 통로로 배출되며

조분은 Fig 3b 의 ldquo16rdquo 번 부위인 분쇄기 내벽을 따라 이동되다가 공기 노즐의

출구부 측면에 나있는 구멍으로 흡입되어 공기와 함께 분사되어 재분쇄가 된다

Fig 3a 일본 Hosokawa 사의 분쇄기 단면(일본 特開平 11-179228 1999)

Fig 3b 일본 Hosokawa사의 분쇄기 평면(일본 特開平 11-179228 1999)

Fig 3c 일본 Hosokawa사 분쇄노즐 단면(일본 特開平 11-179228 1999)

3 일본 미놀타 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(3)

Fig 4a ~ Fig 4c 는 일본 미놀타사의 등록특허이다 분쇄기와 분급기 구조로

Fig 2에 보인 Hosokawa 사의 수직형 분쇄기와 비슷한 구조이다 분쇄 효율을 높

이기 위하여 Fig 4c 에 보인 것과 같은 분쇄기 중앙부의 분사된 공기가 집중되는

위치에 삼각형 경사판을 배치하여 공기가 충돌한 후 분쇄기 상부로 향하게 되어

있다

Fig 4a 일본 미놀타사의 분쇄기 단면(일본 特開 2000-5621 2000)

Fig 4b 일본 미놀타사 분쇄기의 분사노즐 배열(일본 特開 2000-5621 2000)

Fig 4c 일본 미놀타사 분쇄기의 충격판(일본 特開 2000-5621 2000)

4 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(4)

Fig 5는 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 등록특허이다 분쇄기 내측

수평면상에 분사노즐이 서로 마주 보게 배열되어 있다 분급기의 회전 축이 분쇄기

의 중심축과 일치한 상태로 회전하여 수평면 상에서 원심력에 의하여 분급이 이루

어진다 분급된 미분은 분쇄기 상부의 통로로 배출된다

Fig 5 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 수평형 기류충격식

분쇄기(일본 特開 2002-35631 2002)

5 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(5)

Fig 6 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기 구조는 Fig 4 의 일본

미놀타사와 유사하다 수평면상에 분사노즐이 배열되어 있으며 분급기의 회전축도

수평으로 위치하고 있다

Fig 6 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(일본 特開 2003-88773

2003)

6 미국 Xerox사의 수평형 기류충격식 분쇄기와 노즐(6)

Fig 7a의 미국 Xerox사의 수평형 기류충격식 분쇄기 구조는 Fig 5의 일본

Hosokawa Alpine AGampCo OHG 사의 구조와 유사하다 분사노즐이 수평면상으로

배열되어 있으며 분급기의 회전축도 수평으로 위치하고 있다 분사노즐의 형상은

Fig 7b 에서와 같이 이중관 구조이다

Fig 7a 미국 Xerox 산의 수평형 기류충격식 분쇄기(일본 特開 2004-50179

2004)

Fig 7b 미국 Xerox 사의 이중관 분사노즐(일본 特開 2004-50179 2004)

7 독일 Netzsch사의 건식 기류충격식 분쇄기(7)

독일 Netzsch 사는 대표적인 기본 구조의 건식 기류충격식 분쇄기를 개발하여 가

공 용량이 다른 여러 가지 분쇄기에 유사한 구조를 적용하였으며 일본 Hosokawa

산의 분쇄기와는 전혀 상이한 구조이다 즉 3 개의 초음속 분사노즐이 기류충격식

분쇄기 하부의 수평 평면상에 원호상 등간격인 120 도 간격으로 원의 중심을 향하

여 배열되어 있으며 Fig 8 에서와 같이 수직 회전축을 갖는 원심형 분급기가 분

쇄기 상부에 설치되어 있다 분급기의 외형 모습은 Fig 9에 보인 것과 같으며 분

급 효율을 향상시킬 목적으로 분급기 단면이 회전 중심으로 향할수록 상하 공간이

넓어지는 ldquoConvor로 명명된 형상의 단면 모습으로 되어 있다(Fig 10)

Fig 8 독일 Netzsch 사 분쇄기의 내부 구조

Fig 9 독일 Netzsch 사의 분급기

Fig 10 독일 Netzsch 사 분급기의 단면 형상 ldquoConvor

8 독일 특허 공기 분사노즐(9)

독일 Netzsch 사의 분쇄기 관련 기술 컨설턴트인 Nied 가 고안한 분쇄용 분사노즐

의 구조에 대한 것이다 3 개의 공기 분사노즐이 기류충격식 분쇄기 하부의 수평

평면상에 원호상 등간격인 120도 간격으로 원의 중심을 향하여 배열되어 있다(Fig

11a) 분사노즐 중앙부의 구조는 단면이 수축-확산 형태로 노즐로 초음속의 고속

분사를 하면서 중심 노즐 주변에 중앙 분사부를 감싸는 이중 공기 분사관을 형성

하여 중앙의 분사노즐에서 분사되는 공기의 확산각이 커지지 않도록 공기 주위에

추가적인 보조 공기를 분사하는 구조이다(Fig 11b)

Fig 11a 독일 특허-분사노즐 배열과 분사 공기의 분포(EP 0 736328A1 1996)

Fig 11b 독일 특허-분사노즐 단면과 분사 공기의 분포(EP 0 736328A1 1996)

9 미국 특허 분쇄기 구조(10)

일본의 히데유끼 요시다 등 5 명이 미국에 출원한 특허로 분쇄 재료가 초음속으로

분출되는 공기 통로의 중간에서 공급되며 재료가 분쇄실로 이동된 후 충격판에 충

돌되어 분쇄되는 구조이다(Fig12) 분쇄된 분말의 크기는 10 수준이다

Fig 12 미국 특허-충돌식 분쇄기(USP 57657661998)

제 2 절 국내의 기술 현황

국내의 경우에는 초미분 분말 생산에 관한 개발 역사가 짧으며 연구소 대학 기업

등에서 다발적으로 연구가 진해오디고 있다 기계 전자 물리 재료 화학 등의 연

계된 연구가 필요하다 1996 년 과학기술부 및 산업자원부 등의 산업단을 중심으로

대형 연구가 수행되어 왔으나 주로 기상법에 의한 분말합성에 관한 것이다 1998

년도부터 한국기계연구원에서 200nm 급의 건식 분쇄 및 분급기에 대한 개발을 시

작으로 초미분 파우더 생산 장비에 관한 연구가 이루어지고 있다 초미분 분쇄 방

식은 본 기술지원 과제의 지원기업인 대가파우더시스템을 포함하여 습식 방식인

교반밀(agitated mill)을 주로 사용하며 입도의 크기는 5 이상 수십 크기의

범위이다 기류충격식 분쇄기의 기술 수준은 입도의 크기가 5 ~ 10 수준이다

기존의 습식분쇄기의 경우 평균 입도가 28 ~ 32로 Pb0를 대상으로 할 때 4

~ 6 kghr 정도를 생산할 수 있는 수준이다

국내에 등록되어 있는 건식 기류충격식 분쇄기와 관련된 특허의 출원인인 대부분이

일본업체이며 일본에 출원된 특허를 한국에 재출우너한 것이 대부분이다 미국과

벨기에가 각각 1 건씩 등록하고 있으며 한국인이 출원한 특허는 테크월드에서

출원한 3 건 등 모두 4 건이 검색되었다 마이크로급 이상의 파우더 생산장비에 대

한 국내의 기술 수준은 선진국 기술 수준의 약 70 수준이다 그나마도 설계 및

생산에 있어 거의 모방에 의존하고 있다 나노급 기술은 초보적인 상태이다

제 3 장 기술지원 수행 내용 및 결과

제 1 절 기술지원 수행

본 부품소재종합기술지원사업은 Fig13의 기술 개발 추진도에 따라 수행되었다

Fig 13 기술 개발 추진도

분쇄기의 전체 시스템 중에서 분쇄기와 분급기 이외의 기타 구성 모듈들에 대한 설

계 및 생산기술은 지원기업 대가파우더시스템이 기확보하고 있는 기술이 기술

지원의 주된 내용은 기류충격식 분쇄기의 핵심 부품이며 분쇄기의 성능을 좌우하는

초음속 공기 분사노즐과 분급기의 설계 기술에 관한 것이다 초음속 공기 분사노즐

의 단면 형상 공급 공기의 압력과 분사 공기의 속도 및 공기 소요량 산출을 위한

공기 분사노즐 설계와 분쇄기 내부의 내마모성 재료 선택 분급기 베인의 형상과

분급기로 유입되는 공기의 속도 분포를 균일하게 하여 원심력 작용으로 분말의 분

급 정밀도를 향상시켜 주기 위한 분급기의 내부 단면 형상 설계 미 ㅊ유입 공기 속

도 및 압력 분포에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 방법 등에 대한 체계적인 기술 지원이

수행되었다 향후 유사 모델 개발에 적용하여 새로운 제품을 개발할 수 있는 설계

능력을 확보하였다

1 분쇄기 시스템 구성도

본 기술지원을 통하여 개발하는 핵심 기술은 건식 기류충격식 분쇄기의 초음속 공

기 분사노즐과 분급기와 관련된 기술이다 분쇄기의 기본 구조는 독일의 Netzsch

사 제품과 유사한 구조로 되어 있으며 분쇄용 공기 분사노즐과 고정밀도의 분급기

설계기술을 자체 보유하는 데 주안점이 있다 개발 대상 분쇄기 시스템의 전체 구

성도는 Fig 14(7)에서와 같다 Fig 14에서 분쇄기 시스템은 ldquo진동공급기rdquo를 통하

여 공급되는 분쇄용 우너료를 ldquo건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기rdquo로 분쇄 및 분급

한 후에 cyclone을 거쳐 bag filter로 분말을 포집하는 시스템으로 구성되어 있

다 분말과 공기가 혼합된 기류는 각각의 단계로 이송하는 과정에서 double flap

valve로 이송이 조절되며 최종적으로 fan의 작동으로 공기가 배출된다

건식 기류충격식 분쇄기 본체를 구성하는 부품의 서브어셈블리는 각각 Chamber

Body Laval Nozzle Classifier Wheel 및 Bearing Block등으로 구성되어 있

다 주요한 설계 변수는 분쇄챔버의 직경과 높이 초음속 공기 분사노즐 설계 있어

서 라발 노즐(초음속 공기 분사노즐)의 모즐 목 내경과 배출부의 직경 및 축방향의

단면 형상 공기되는 공기의 압력 등이다 분급기 설계에 있어서의 주요 변소는 베

인의 단면 형상 베인의 수량과 배열 각도 분급기 내부 공동부의 단면 형상 분급

기에 유입되는 공기 속도와 분급기를 통과한 이후의 공기 압력 등이다

Fig 14 기류충격식 분쇄기의 시스템 구성도

2 소리의 속도

물체의 일부에 교란을 주면 개스 유체 및 고체의 압축성으로 인하여 물체를 통하

여 유한한 속도로 교란이 전파된다

음속은 물체의 압력과 밀도 변화와 관계되어 있으며 다음식으로 표현된다

여기서

음속 압력변화 밀도 변화

체적탄성계수는 다음과 같이 표현된다

여기서

체적탄성계수 압력변화 체적변화 초기체적

체적탄성계수는 식 (3)으로도 표현된다

여기서

물체의밀도변화 물체의초기밀도

개스 유체 고체 내에서의 음속은 다음식과 같다

여기서

체적탄성계수

개스에서의 소리 속도는 아주 작은 한 점에서 교란이 일어나는 관계로 열전달을 무

시할 수가 있으며 또한 등온 상태로 가정할 수가 있다 이상 기체에서의 소리 속도

는 절대 온도의 근에 비례하며 다음식으로 표현된다

여기서

k = 비열비 (adiabatic index)

p = 압력 (Pa psi)

R = 개스 상수

T = 절대 온도 (degK degR)

앞의 식 (4)와 식 (5)로부터

식 (6)으로부터 체적탄성게수 E를 구할 수가 있다

( 예 1 ) 공기의 체적탄성계구 산출

k = 14 R = 287 (JK kg) at T=293K( 20 ) p=1204(kgm3)

Eair = k R T p=14X287X293X1204=14174379((Jm3)

Eair = 14174379(Nm2)

( 예 2 ) 염소(C12)의 체적탄성계수 산출

k = 134 R = 120 (JK kg) at T=293K(20) p=2994(kgm3)

Ec12 = k R T p=134X120X293X1994=14106051((Jm3)

Ec12 = 14106051(Nm2)

( 예 3 ) 0 1 bar 공기에서의 소리 속도

c = (14x287x273)12

= 3312 (ms)

여기서

k = 14

R = 287 (JK kg)

( 예 4 ) 20 1bar 공기에서의 소리 속도 산출

c = (14X287X293)12

= 3431 (ms)

( 예 5 ) 0 물속에서의 소리 속도 산출

여기서

3 공기 분사노즐에서의 유동식

개스역학에서 공기의 속도가 sim 이상으로 빠르거나 압력의 변화가

보다 큰 경우에는 압축성 흐름으로 취급한다 이러한 현상은 노즐에서

개스가 팽창하는 경우에 발생된다

정상유동에서의 에너지 평형 상태는 다음식으로 표현된다

여기서 엔탈피는

이며 엔탈피 ∆의 변화는 내부에너지 ∆에 외부로 또는 외부로부터의 체적에

의한 일 ∙∆의 합과 같다

내부에너지의 변호가 없고 밀도가 일정하다고 가정하면 즉 ∆ 인

경우에는 비압축성유동의 베르누이 방정식이 된다 반면에 위치네어지의 변화가 없

는 경우 ∆ 에는 상대적으로 밀도가 낮은 압축성 유체인 ldquo개스rdquo의 상태를

나타낸다 ldquo개스역학rdquo 이라는 자체가 의미하듯이 해석에 있어 고압 및 개스의 속도

가 포함되며 내부에너지의 변화 ∆를 무시할 수가 없다 이러한 의미에서 식 (7)

은 다음과 같이 된다

이상개스 방정식에서

이며 식 (12)를 식(9)에 대입하면 다음과 같이 된다

식 (13)에 에너지 보존법칙을 적용하면 노즐에서 분사되는 개스의 속도를 구할 수

있다

개스의 초기 속도가 인 경우에는

가역 단열 흐름에 있어서는 다음 3개의 식을 적용할 수가 있다

식 (16) ~ 식 (18)을 식 (15)에 대입하면 노즐에서 분출되는 개스의 속도가 구해

진다

노즐을 통과하는 질량의 흐름 식

밀도의 비로부터

다음과 같이 노즐을 통과하는 질량을 구한다

다음의 식 (23)을 식 (22)에 대입하여

식 (24)를 구한다

여기에서

을 ldquo탈출 계수(escape coefficient)rdquo 라고 한다

식 (25)를 사용하여 식 (24)를 다시 표현하면 다음의 간략식이 된다

탈출 계수 는 압축비 의 값이 다음과 같은 값일 때

임계 압축비 또는 라발 압축비로 표현되는 다음 크기의 최대값을 갖는다

음속은 노즐의 단면적이 제일 작은 부분에서 임계 압축비에 도달한다

max는 테이퍼가 일정한 실린더 형상의 노즐에 적용된다 식 (26)에 의하여

ㆍ 가 되며 는 일정한 테이퍼의 노즐에서만 증가할 수 있다 만약 압

축비 가 임계비 이하이면 max이므로 노즐을 통과하는 질량의 흐름은 일정

하다 이것은 질량의 흐름이 외부의 압력에 영향을 받지 않는다는 것을 의미한다

질량의 흐름에 의한 일은 다음의 식 (30)으로부터 구해진다

압축성 유체의 단열 팽창시에 수행된 일은 식 (19)와 식 (30)로부터 다음과 같이

산출된다

아래의 Fig 15 는 수축확산 노즐의 단면 모습이며(11) Fig 16 은 수축확산 노즐에

서의 압력 온도 속도 변화를 나타낸 것이다(8)

Fig 15 수축확산 노즐(Laval Nozzle)

Fig 16 수축확산 노즐에서의 압력 온도 속도 변화

압축성 유체의 흐름에 있어서 임계 속도 이후에 노즐의 단면이 서서히 확대되면

열에너지가 유동에너지로 변환되면서 온도는 낮아지고 흐름이 증가된다

앞의 식 (27)을 참조할 때 Fig 16 의 수축확산 노즐의 단면적이 가장 작은 임계

압축비 에서 음속에 도달한다 이 것은 질량 흐름에 식 (26)이 계속적으로 유

효하다는 것을 의미한다 수축확산 노즐 출구에서의 온도는 다음과 같은 관계가 된

노즐 확산부의 치수는 다음식으로부터 구해지며

개스 상수 등은 계수 개스 유입 온도 노즐 목의 직경 압축비 등의

변수로부터 노즐 출구에서의 개스 속도와 온도를 구할 수가 있다 공기 흐름 해석

대상 노즐 각부에 대한 부호는 Fig17에서와 같다

Fig 17 수축확산 노즐의 각부 부호

실제 수축확산 노즐을 설계하는 데 있어서는 노즐에서 발생될 수 있는 압축파 발생

을 억제하기 위하여 노즐 출구의 치수를 설계값보다 약간 작게 한다 즉 Fig 17에

서의 노즐의 확산각 가 를 넘지 않아야 하며 최대 이내여야 한다

4 공기 분사노즐의 흐름 특성 계산

앞의 ldquo3 초음속 공기 분사노즐에서의 공기의 흐름rdquo에서 유도된 식들을 이용하여

ldquoMathcad 13 프로그램(12)으로 설계 대상 분쇄기에 적용되는 공기 분사노즐의 단

면 치수 유입 공기량 노즐 출구에서의 공기 속도 소요 동력 등을 산출하였다

우선 단위와 공기의 상수를 정리하면

kilo=1000 TK =273 hoursec =3600 k = 14

ㆍsecㆍ

ㆍsecㆍ

ㆍsec

ㆍsec

예를 들어 tan tan tan tan

해석 조건이 다음과 같으면 tank pressure=700kPa Ttank=70 exit

pressure=100kPa

단위 (mm) throat diameter=50 length 150 outlet diameter=70 diffusion

angle α=38deg

d = 0007 pe = 100kilo po = 7pe Ttank =7C

To = TK+Ttank To=343 (K)

times

sec

Air_massflow1N_hour =Air_masflow1N_sechoursec

Air_massflow1N_hour = 133024 (kghrper 1 nozzle)

Air_massflow3N_hour = Air_massflow 1N_hour3

Air_massflow 3N_hour = 399071 (kghrper 3 nozzles)

Imsec)

sec

timesorsec timesorsec

(kgm3)

sec

sec sec

공기분사 노즐 목의 직경이 50mm 출구 직경이 70mm 노즐 목에서 노즐 출구까

지의 길이가 150mm로 공기 분사노즐의 환산각 도인 공기 분사노즐이 3

개 장착되어 있으며 탱크내의 공기가 압력 7bar 와 70 를 유지하면서 계속적으

로 노즐을 통하여 공급되며 또한 분쇄 챔버 내의 압력이 1bar 로 유지되는 경우의

공기 분사노즐의 유동 특성 계산 결과를 종합 정리하면 다음과 같다

- 노즐 출구에서의 공기 최대 속도 542151msec

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 무게 399071kghr

(노즐 하나에 00369kgsec)

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 부피 225333m3hr(0063m3sec)

- 소요 동력 16291kWhhr

5 수축확산 공기 분사노즐의 유동 해석

공기 분사노즐을 3D 모델링 프로그램 SolidWorks(13)로 모델링하여 열유체 해석

을 위한 유한요소해석 프로그램 COSMOSFlwWorks(14)로 공기 분사노즐 내의 유

동 해석을 수행하였다 해석 대상 공기 분사노즐 단면의 형상과 각부의 치수는

Fig18에서와 같다

Fig 18 수축확산 노즐 유동 해석 모델의 단면

해석시에 적용된 변수값들은 앞의 ldquo4 초음속 공기 분사노즐의 분사 특성 계산rdquo에

서 산출된 값을 적용하였다 노즐의 확산부위 길이는 15mm 이며 분사노즐의 확산

각은 도이다 노즐 하나에 대하여 Fig 18 의 왼쪽면에서 00369 kgsec

의 공기가 유입되며 오른쪽 분사노즐 출구면에 12bar 의 압력을 적용하였다 분사

노즐의 유동 해석 결과의 여러 가지 특성값 중에서 본 설계에서의 주요 관심사가

공기의 배출 속도인 관계로 Fig 19에 흐름의 속도 분포 Fig 20에 흐름의 마하넘

버 분포를 나타내었다 초음속 흐름에 대한 해석으로 분사노즐 목에서의 공기속도

가 약 335msec(마하 1)이 되며 노즐 출구에서 최대속도가 된다 Fig 21은 수축

확산 노즐에 대한 공기의 속도 분포 해석 결과를 반영하여 공기 분사노즐을 모델링

한 것이다

Fig 19 수축확산 노즐의 공기 흐름 속도 분포

Fig 20 수축확산 노즐의 공기 흐름 마하넘버 분포

Fig 21 수축확산 노즐 모델

6 분급 이론

분급(分級 classification)이란 유체력을 이용해서 분립체를 그 입자 지름의 크기에

따라 분리하는 것으로 넓은 뜻으로는 유체력에 의한 분리만이 아니라 체가름을 포

함하는 경우가 있다 더 넓게는 비중선별ㆍ자기력선별 등 모든 입자분리조작을 분

급이라고 한다 공기ㆍ물 등의 유체 속에서 운동하는 분립체의 각 입자에는 중력

또는 원심력 이외에 유체에 의한 유체항력 등이 함께 작용된다 이 힘 즉 유체항력

은 입자 지름에 의존하는 데 유체항력과 입자 지름의 관계는 중력이나 원심력과

입자 지름의 관계와는 다르기 때문에 이 둘 사이의 균형 조건이 입자 지름에 의해

좌우된다 좁은 뜻의 분급은 이 원리를 이용한 입경분리조작을 의미한다 중력장에

서 등속 침강하는 구 형상의 입자에 대한 힘의 균형은 다음 식으로 표현된다

여기서 은 입자 질량 prime는 입자에 의해 배제된 유체 질량 g는 중력가속도 R

은 는 유체항력을 나타낸다 유체항력 R은 다음 식으로 나타낼 수 있다

여기서 는 저항계수 (drag coefficient)로 입자 주위의 유체의 상대적인 흐름의

상태에 따라 결정되는 무차원 계수이다 는 유체의 밀도 는 입자의 침강속도

는 입자의 지름이며 는 입자의 투영 최대 면적이다 물 또는 공기 속에서 입

자의 지름이 100 이하 입자의 밀도가 3gcm2이하의 조건에서는 입자 주위의 흐

름은 거의 충류로 간주되며 이때 R은 다음 식으로 나타내진다

여기서 는 유체의 점성도이다

prime

이므로 식 (36)을 식 (34)에 대입하면 식 (37)을 얻는다

여기서 는 입자 밀도이며 식 (37)을 스토크스의 침강속도식이라고 하며 분급에서

분리입자 지름을 구하기 위한 기본식으로 중요하다

식 (37)은 다음

과 같이도 표현된다

유체가 공기나 그 외의 기체인 경우의 분급 조작을 건식 분급(또는 공기 분급) 물

이나 그 외의 액체인 경우의 분급 조작을 습식 분급이라 한다 앞에 언급된 기본식

들 이외에 어떤 종류의 분급장치에서는 유체의 흐름 방향이 급격히 변화할 때 흐름

에 따라 운동하는 입자의 관성력의 효과가 중요한 역할을 한다

분급에 사용하는 장치를 분급기(classifier)라고 한다 건식분급기에는 관성력을 이

용하는 것 중력침강을 이용하는 것 원심력을 이용하는 것 등이 있다 관성력을 이

용하는 건식분급기에는 루버식분급기 버추얼임팩터 엘보제트형분급기 등이 있는

데 건식분급기로는 원심력을 이용한 것이 가장 널리 사용되고 있다 원심력을 이용

한 건식분급기로는 분급 입도가 30~100 정도의 비교적 굵은 입도에서의 대량 처

리로 옛날부터 알려진 스튜어트밴트형 등이 있으며 또한 몇 ~30의 분급이 가

능한 여러 분급기가 개발되어 널리 쓰이게 되었다 또한 사이클론도 미립(微粒)에서

조립(組立)에 이르는 분체(粉體)의 건식분급에 이용된다 습식분급기에는 중력식과

원심력식이 있으며 중력식은 상승 수류(水流)와 유동층을 이용한 수력분급기 원뿔

형 또는 각뿔형 용기에서의 중력침강을 이용한 세틀링탱크 등의 침강분급조 완만

하게 경사진 직사각형의 조(槽)로부터 침하한 조립 생산물을 긁어올리기 위한 레이

크나 스파이럴을 갖춘 기계분급기 등으로 분류된다 원심력을 이용한 습식분급기로

는 사이클론 또는 하이드로사이클론이 가장 대표적이며 솔리드볼형ㆍ디스크형 등

의 원심분리기도 미립자용 분급기로 사용된다

Fig 22는 베인 구조의 원심형 분급기의 회전 단면 모습이다

Fig22베인 구조의 원심형 분급기의 단면

Fig 22에서 H는 분급기 내부 상하면 사이의 간격이며 는 선별된 미분이 배출되

는 반경 는 베인의 내반경 는 베인의 외반경을 나타낸다

분체 주위의 공기 흐름이 층류 흐름이라는 조건하에서 베인 구조의 원심형 분급기

에의 컷포인트(utpoint)를 결정짓는 외주부의 반경 은 다음과 같다

또한 선별된 미분이 배출되는 반경은 다음과 같다

베인 사이에서도 고체의 회전법칙이 적용된다 베인의 외주 반경에서 속도의 원주

방향 성분 과 중심방향 성분 가 가장 큰 영향을 준다

식 (41)과 식 (42)를 식 (38)에 대입하여 정리하면 다음과 같다

독일 Netzsch 사에서는 베인의 내반경 에서 선별된 미분이 배출되는 반경 까

지의 반경 방향의 공기 속도 성분 을 질정하게 해 주기 위하여 Fig 10에 보인

ldquoConvorrdquo라고 불리우는 단면의 분급기를 개발하여 사용화하고 있다

7 분급기 설계와 유동 해석

분급기의 베인 사이로 분쇄된 미분과 공기가 함께 유입되어 중앙부의 배출구로 통

과하는 분급기의 내부 형상을 설계하기에 앞서 분급기 내부를 구성하는 상면이 평

평한 구조의 분급기에 대한 유동해석을 실시하여 공기의 속도 분포를 검토하였다

해석 대상 분급기의 외경은 205mm이며 밑면 중앙에 공기 배출을 위하여 직경이

90mm인 원형 구멍이 뚫려 있다 분급기 외주에는 단면이 원호의 일부로 만들어진

두깨가 2mm 넓이가 18mm 길이가 35mm인 베인이 매 60도마다 10개씩 등간격

으로 모두 60개가 베인의 코드 방향과 분급기의 반경 방향이 이루는 각도가 약 15

도가 되도록 경사지게 설치되어 있다 원주 방향으로 매 60도마다 길이 35mm 직

경 8mm인 원형봉 6개가 등간격으로 배열되어 상ㆍ사 카버 사이에 베인을 고정시

켜 조립되는 구조이다 해석 대상 분급기에 사용된 베인의 단면과 베인의 배열 및

분급기 상ㆍ하면을 고정하는 봉이 포함된 수평면상의 평면도를 Fig 23에 나타내었

다 Fig 24는 분급기의 상면 형상이 평평한 구조인 경우에 대한 분급기의 수직단

면도이다

분급기에 유입되는 공기는 온도 50 유입량 01m3sec 분급기를 통과한 후에

배출되는 공간의 압력은 12bar이며 분급기의 회전속도는 8000rpm(838radsec)

이다 분급기에 발생되는 원심력의 절대적인 크기는 재료의 밀도와 분급하고자 하

는 분말의 크기에 따라 분급기의 회전수를 변화시켜서 조절한다 SolidWorks 및

COSMOSFloWorks 프로그램으로 분급기의 공기 유동해석을 실시하였다 해석시의

변수 입력 항목 및 해석 과정을 ldquo부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 유동해석 절

차rdquo에 정리하였다

Fig 23 베인과 상ㆍ하면 고정 원형봉의 평면 단면도

Fig24 분급기 상면이 평면인 경우의 수직단면도

공기 유동해석 결과를 Fig25~Fig27에 나타내었다 Fig25는 베인의 중간 높이에

서의 수평 단면에서의 공기 속도 분포이다 Fig26은 베인이 위치한 부위에서의수

직단면 Fig 27은 상ㆍ하면을 고정시켜 주는 원형봉이 있는 부위의 수직단면에 분

포하는 공기의 유입 속도 해석 결과를 나타낸 것이다

Fig 25 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig 26 베인 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig27 연결봉 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig15~Fig27의 공기 속도 등고선을 보면 베인 외주부의 상하 위치에 있어서 공

기의속도가 불균일한 분포를 보인다 베인의 분급기 내부 공간에서는 같은 반경인

위치에서 윗부분에서의 공기 속도가 아랫부분에서보다 빠르게 분포하고 있다 베인

의 높이 방향 상ㆍ하 위치에 따른 이러한 유입 속도의 편차는 분급기 외주의 실린

더 면으로부터 유입되는 공기가 분급기 중앙의 밑 방향으로만 배출되는 유동 통로

의 구조 때문으로 판단되낟 따라서 같은 반경의 같은 원심력이 발생되는 위치에

있어서도 윗부분에서의 공기 유입속도가 밑부분에서보다 크게 분포되어 윗부분에서

는 밑부분에서보다 큰 분말이 분급기 안으로 유입된다 지정된 크기의 컷오프보다

큰 분말과 작은 분말이 혼합된 상태로 배출되는 관계로 분급이 정밀도가 저하된다

베인의 상ㆍ하 위치에 무관하게 공기의 유입 속도를 가급적 균일하게 해 주기 위한

목적으로 분급기 내부의 단면 형상을 Fig28과 같은 인볼류트-컨볼류트

(involute-convolute) 단면으로 구성하여 공기의 유동해석을 실시하였다

Fig 28 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기

Fig29는 베인의 중간 높이 수평단면 상에서의 공기 속도 분포이다 Fig25에 비하

여 베인의 외주 부위에서의 공기의 속도가 균일하게 분포되고 있음을 보여 준다

Fig29 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig 30은 베인이 위치한 부위에서의 수직 단면 Fig31은 상ㆍ하면을 고정시켜 주

는 원평봉이 있는 부위에서의 수직 단면에 분포하는 공기 속도 분포이다 Fig30과

Fig31은 각각 Fig25와 Fig26에 비하여 베인의 높이 방향 전체에 걸쳐 공기의 유

입 속도가 상당히 균일하게 분포되는 것을 보여 주고 있다

Fig 30 베인 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig31 연결봉 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig32는 분급기 내부의 공간 형상이 인볼류트-컨볼류트인 분급기의 설계 모델이

Fig32 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 모델

Fig33은 앞의 수축확산 공기 분사노즐(Fig20)과 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급

기(fig32)로 구성된 건식 기류충격식 분쇄기의 3D모델이다 중요 부품의 도면은

ldquo부록 9 설계 도면rdquo에 수록하였다

Fig33 건식 기류충격식 분쇄기의 3D 모델

8 시작품 제작

수축확산 공기 분사노즐의 유동해석 및 분급기의 유동해석 결과를 바탕으로 시작품

을 제작하였다 Fig34는 수축확산 공기 분사노즐 헤드의 시작품 모습이다

Fig 34 수축확산 공기 분사노즐 헤드 시작품

Fig35는 분급기의 시작품 모습이다 분급기의 베인은 분체와 마찰시 내마모성을

갖도록 SUS 재질로 곡면 성형한 후 세라믹으로 코팅하여 제작하였다

Fig35 분급기 시작품

Fig 36은 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 수축확산 공기 분사

노즐 및 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 등이 분쇄기의 내부에 장착되어 있다

Fig36 건식 기류충격식 분쇄기 시작품

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기와 관련된 국외 특허 자료 조사와 분석 공기의

유동해석에 있어 많은 일정이 소요되었다 기술지원 추진일정을 Table1에 정리하

였다

Table 4 추진 일정

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 20: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

제 3 절 기술지원 내용

1 건식 기류충격식 분쇄기의 국내ㆍ외 특허 자료 기술문헌 및 기술정보 조사 지

원으로 초미립분쇄기의 기초 이론 구조 기능 정립 초음속 분사노즐 단면 형상

설계 자료로 활용

2 3D 모델링에 의한 설계 기술 지원으로 설계 오류를 사전에 방지

3 초음속 분쇄 노즐의 형상 설계와 유동 특성 해석 기술

4 분급부의 내부 구조 베인의 형상과 배열 및 수량 결정 유한요소법에 의한 분급

기의 유동 해석 기술 지원으로 분급 입도의 안정화 분급기 설계 및 제작

5 분쇄부와 분급기의 재질 선정 지원으로 생산가 관리 및 내구성 확보

Table 1 기술지원 목표 및 내용

제 2 장 국내ㆍ외 기술 현황

건식 분쇄 기술로 크기가 1 이하의 작은 입자를 생산하는 것은 어려운 기술로

분체기술의 장벽이라고 일컬어진다 각종 소재를 성분 변화없이 100nm 이하의 크

기로 극미세 분쇄하는 기술은 미래 산업을 이끌어갈 핵심분야로 국가간 연구개발

경쟁이 치열한 기술이다

제 1 절 세계의 기술 현황

나노급의 미세 파우더는 1980 년대초 독일의 칼스루헤연구소 등에서 시작되어

1990년대에 들어서 100nm 이하의 제조합성에 관한 연구가 본격화되었다 일본의

경우에는 과학기술청의 창조과학기술 추진과 통산성의 차세대산업기반기술 분야로

선정되어 주목을 받고 있다 초미분을 생산하기 위한 양산 장비 및 요소 부품에 대

한 선진국의 기술은 독일의 DRAIS사(습식) NETZSCH사(건식) 일본의 Kotobuki사

(습식) DYNO사(습식) Hosokawa 사(습식 건식) 등의 선진메이커에서 제품이 개

발되어 판매되고 있다 또한 나노 파우더 생산업체로는 일본의 Kako 사 미국의

Whittaker 사 Dow Chemical 사 Dupont사 및 독일의 Degusa사 등이 있다 현재

까지는 나노급 파우더 제조 공정의 불안정 및 복잡성 평가 방법의 미흡 등으로 다

양한 제조 공정 기술개발이 진행되고 있다 세라믹 분말의 경우에는 일부 특수한

경우에만 상용화되고 있다 금속분말의 경우에는 한정된 종류의 금속만 생산이 가

능하여 계속적인 개발이 진행되고 있다

건식 기류충격식 분쇄기의 주요 제작업체는 일본의 Hosokawa 사와 독일의

Netzsch 이다 미국 일본 및 독일 등에 대부분의 같은 내용의 특허가 등록되어

있으며 일본과 독일에 의하여 등록된 특허의 구조적인 특징은 다음과 같다

1 일본 Hosokawa사의 수직형 기류충격식 분쇄기

건식 기류충격식 분쇄기의 대표적인 업체인 일본의 Hosokawa 사 분쇄기의 특징

은 3개의 초음속 분사노즐이 에어젯트밀의 중앙인 수직 평면상에 원호상 등간격인

120도 간격으로 원의 중심을 향하여 배열되어 있으며 분쇄기 내의 상부에 회전축

이 수평인 위치로 회전되는 원심형 분급기가 설치되어 있다(Fig 2)

분쇄기의 모델과 분쇄 대상 재료에 따라 분말의 크기가 01 - 10 의 범위에 있

Fig 2 일본 Hosokawa 사의 수직형 기류충격식 분쇄기의 내부

2 일본 Hosokawa 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(2)

Fig 3a ~ Fig 3c는 일본 Hosokawa 사의 등록특허이다 분쇄기와 분급기 구조에

관한 것이다 Fig 3a에 보인 원형 단면의 분쇄실 외주부에 Fig 3b와 같이 에어를

고압 분사하는 분사노즐이 다수개 배열되어 있어 재료 공급관으로 유입되는 재료

가 고압의 공기 분사에 의하여 분쇄된다 분쇄도니 미분은 상부 통로로 배출되며

조분은 Fig 3b 의 ldquo16rdquo 번 부위인 분쇄기 내벽을 따라 이동되다가 공기 노즐의

출구부 측면에 나있는 구멍으로 흡입되어 공기와 함께 분사되어 재분쇄가 된다

Fig 3a 일본 Hosokawa 사의 분쇄기 단면(일본 特開平 11-179228 1999)

Fig 3b 일본 Hosokawa사의 분쇄기 평면(일본 特開平 11-179228 1999)

Fig 3c 일본 Hosokawa사 분쇄노즐 단면(일본 特開平 11-179228 1999)

3 일본 미놀타 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(3)

Fig 4a ~ Fig 4c 는 일본 미놀타사의 등록특허이다 분쇄기와 분급기 구조로

Fig 2에 보인 Hosokawa 사의 수직형 분쇄기와 비슷한 구조이다 분쇄 효율을 높

이기 위하여 Fig 4c 에 보인 것과 같은 분쇄기 중앙부의 분사된 공기가 집중되는

위치에 삼각형 경사판을 배치하여 공기가 충돌한 후 분쇄기 상부로 향하게 되어

있다

Fig 4a 일본 미놀타사의 분쇄기 단면(일본 特開 2000-5621 2000)

Fig 4b 일본 미놀타사 분쇄기의 분사노즐 배열(일본 特開 2000-5621 2000)

Fig 4c 일본 미놀타사 분쇄기의 충격판(일본 特開 2000-5621 2000)

4 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(4)

Fig 5는 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 등록특허이다 분쇄기 내측

수평면상에 분사노즐이 서로 마주 보게 배열되어 있다 분급기의 회전 축이 분쇄기

의 중심축과 일치한 상태로 회전하여 수평면 상에서 원심력에 의하여 분급이 이루

어진다 분급된 미분은 분쇄기 상부의 통로로 배출된다

Fig 5 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 수평형 기류충격식

분쇄기(일본 特開 2002-35631 2002)

5 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(5)

Fig 6 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기 구조는 Fig 4 의 일본

미놀타사와 유사하다 수평면상에 분사노즐이 배열되어 있으며 분급기의 회전축도

수평으로 위치하고 있다

Fig 6 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(일본 特開 2003-88773

2003)

6 미국 Xerox사의 수평형 기류충격식 분쇄기와 노즐(6)

Fig 7a의 미국 Xerox사의 수평형 기류충격식 분쇄기 구조는 Fig 5의 일본

Hosokawa Alpine AGampCo OHG 사의 구조와 유사하다 분사노즐이 수평면상으로

배열되어 있으며 분급기의 회전축도 수평으로 위치하고 있다 분사노즐의 형상은

Fig 7b 에서와 같이 이중관 구조이다

Fig 7a 미국 Xerox 산의 수평형 기류충격식 분쇄기(일본 特開 2004-50179

2004)

Fig 7b 미국 Xerox 사의 이중관 분사노즐(일본 特開 2004-50179 2004)

7 독일 Netzsch사의 건식 기류충격식 분쇄기(7)

독일 Netzsch 사는 대표적인 기본 구조의 건식 기류충격식 분쇄기를 개발하여 가

공 용량이 다른 여러 가지 분쇄기에 유사한 구조를 적용하였으며 일본 Hosokawa

산의 분쇄기와는 전혀 상이한 구조이다 즉 3 개의 초음속 분사노즐이 기류충격식

분쇄기 하부의 수평 평면상에 원호상 등간격인 120 도 간격으로 원의 중심을 향하

여 배열되어 있으며 Fig 8 에서와 같이 수직 회전축을 갖는 원심형 분급기가 분

쇄기 상부에 설치되어 있다 분급기의 외형 모습은 Fig 9에 보인 것과 같으며 분

급 효율을 향상시킬 목적으로 분급기 단면이 회전 중심으로 향할수록 상하 공간이

넓어지는 ldquoConvor로 명명된 형상의 단면 모습으로 되어 있다(Fig 10)

Fig 8 독일 Netzsch 사 분쇄기의 내부 구조

Fig 9 독일 Netzsch 사의 분급기

Fig 10 독일 Netzsch 사 분급기의 단면 형상 ldquoConvor

8 독일 특허 공기 분사노즐(9)

독일 Netzsch 사의 분쇄기 관련 기술 컨설턴트인 Nied 가 고안한 분쇄용 분사노즐

의 구조에 대한 것이다 3 개의 공기 분사노즐이 기류충격식 분쇄기 하부의 수평

평면상에 원호상 등간격인 120도 간격으로 원의 중심을 향하여 배열되어 있다(Fig

11a) 분사노즐 중앙부의 구조는 단면이 수축-확산 형태로 노즐로 초음속의 고속

분사를 하면서 중심 노즐 주변에 중앙 분사부를 감싸는 이중 공기 분사관을 형성

하여 중앙의 분사노즐에서 분사되는 공기의 확산각이 커지지 않도록 공기 주위에

추가적인 보조 공기를 분사하는 구조이다(Fig 11b)

Fig 11a 독일 특허-분사노즐 배열과 분사 공기의 분포(EP 0 736328A1 1996)

Fig 11b 독일 특허-분사노즐 단면과 분사 공기의 분포(EP 0 736328A1 1996)

9 미국 특허 분쇄기 구조(10)

일본의 히데유끼 요시다 등 5 명이 미국에 출원한 특허로 분쇄 재료가 초음속으로

분출되는 공기 통로의 중간에서 공급되며 재료가 분쇄실로 이동된 후 충격판에 충

돌되어 분쇄되는 구조이다(Fig12) 분쇄된 분말의 크기는 10 수준이다

Fig 12 미국 특허-충돌식 분쇄기(USP 57657661998)

제 2 절 국내의 기술 현황

국내의 경우에는 초미분 분말 생산에 관한 개발 역사가 짧으며 연구소 대학 기업

등에서 다발적으로 연구가 진해오디고 있다 기계 전자 물리 재료 화학 등의 연

계된 연구가 필요하다 1996 년 과학기술부 및 산업자원부 등의 산업단을 중심으로

대형 연구가 수행되어 왔으나 주로 기상법에 의한 분말합성에 관한 것이다 1998

년도부터 한국기계연구원에서 200nm 급의 건식 분쇄 및 분급기에 대한 개발을 시

작으로 초미분 파우더 생산 장비에 관한 연구가 이루어지고 있다 초미분 분쇄 방

식은 본 기술지원 과제의 지원기업인 대가파우더시스템을 포함하여 습식 방식인

교반밀(agitated mill)을 주로 사용하며 입도의 크기는 5 이상 수십 크기의

범위이다 기류충격식 분쇄기의 기술 수준은 입도의 크기가 5 ~ 10 수준이다

기존의 습식분쇄기의 경우 평균 입도가 28 ~ 32로 Pb0를 대상으로 할 때 4

~ 6 kghr 정도를 생산할 수 있는 수준이다

국내에 등록되어 있는 건식 기류충격식 분쇄기와 관련된 특허의 출원인인 대부분이

일본업체이며 일본에 출원된 특허를 한국에 재출우너한 것이 대부분이다 미국과

벨기에가 각각 1 건씩 등록하고 있으며 한국인이 출원한 특허는 테크월드에서

출원한 3 건 등 모두 4 건이 검색되었다 마이크로급 이상의 파우더 생산장비에 대

한 국내의 기술 수준은 선진국 기술 수준의 약 70 수준이다 그나마도 설계 및

생산에 있어 거의 모방에 의존하고 있다 나노급 기술은 초보적인 상태이다

제 3 장 기술지원 수행 내용 및 결과

제 1 절 기술지원 수행

본 부품소재종합기술지원사업은 Fig13의 기술 개발 추진도에 따라 수행되었다

Fig 13 기술 개발 추진도

분쇄기의 전체 시스템 중에서 분쇄기와 분급기 이외의 기타 구성 모듈들에 대한 설

계 및 생산기술은 지원기업 대가파우더시스템이 기확보하고 있는 기술이 기술

지원의 주된 내용은 기류충격식 분쇄기의 핵심 부품이며 분쇄기의 성능을 좌우하는

초음속 공기 분사노즐과 분급기의 설계 기술에 관한 것이다 초음속 공기 분사노즐

의 단면 형상 공급 공기의 압력과 분사 공기의 속도 및 공기 소요량 산출을 위한

공기 분사노즐 설계와 분쇄기 내부의 내마모성 재료 선택 분급기 베인의 형상과

분급기로 유입되는 공기의 속도 분포를 균일하게 하여 원심력 작용으로 분말의 분

급 정밀도를 향상시켜 주기 위한 분급기의 내부 단면 형상 설계 미 ㅊ유입 공기 속

도 및 압력 분포에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 방법 등에 대한 체계적인 기술 지원이

수행되었다 향후 유사 모델 개발에 적용하여 새로운 제품을 개발할 수 있는 설계

능력을 확보하였다

1 분쇄기 시스템 구성도

본 기술지원을 통하여 개발하는 핵심 기술은 건식 기류충격식 분쇄기의 초음속 공

기 분사노즐과 분급기와 관련된 기술이다 분쇄기의 기본 구조는 독일의 Netzsch

사 제품과 유사한 구조로 되어 있으며 분쇄용 공기 분사노즐과 고정밀도의 분급기

설계기술을 자체 보유하는 데 주안점이 있다 개발 대상 분쇄기 시스템의 전체 구

성도는 Fig 14(7)에서와 같다 Fig 14에서 분쇄기 시스템은 ldquo진동공급기rdquo를 통하

여 공급되는 분쇄용 우너료를 ldquo건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기rdquo로 분쇄 및 분급

한 후에 cyclone을 거쳐 bag filter로 분말을 포집하는 시스템으로 구성되어 있

다 분말과 공기가 혼합된 기류는 각각의 단계로 이송하는 과정에서 double flap

valve로 이송이 조절되며 최종적으로 fan의 작동으로 공기가 배출된다

건식 기류충격식 분쇄기 본체를 구성하는 부품의 서브어셈블리는 각각 Chamber

Body Laval Nozzle Classifier Wheel 및 Bearing Block등으로 구성되어 있

다 주요한 설계 변수는 분쇄챔버의 직경과 높이 초음속 공기 분사노즐 설계 있어

서 라발 노즐(초음속 공기 분사노즐)의 모즐 목 내경과 배출부의 직경 및 축방향의

단면 형상 공기되는 공기의 압력 등이다 분급기 설계에 있어서의 주요 변소는 베

인의 단면 형상 베인의 수량과 배열 각도 분급기 내부 공동부의 단면 형상 분급

기에 유입되는 공기 속도와 분급기를 통과한 이후의 공기 압력 등이다

Fig 14 기류충격식 분쇄기의 시스템 구성도

2 소리의 속도

물체의 일부에 교란을 주면 개스 유체 및 고체의 압축성으로 인하여 물체를 통하

여 유한한 속도로 교란이 전파된다

음속은 물체의 압력과 밀도 변화와 관계되어 있으며 다음식으로 표현된다

여기서

음속 압력변화 밀도 변화

체적탄성계수는 다음과 같이 표현된다

여기서

체적탄성계수 압력변화 체적변화 초기체적

체적탄성계수는 식 (3)으로도 표현된다

여기서

물체의밀도변화 물체의초기밀도

개스 유체 고체 내에서의 음속은 다음식과 같다

여기서

체적탄성계수

개스에서의 소리 속도는 아주 작은 한 점에서 교란이 일어나는 관계로 열전달을 무

시할 수가 있으며 또한 등온 상태로 가정할 수가 있다 이상 기체에서의 소리 속도

는 절대 온도의 근에 비례하며 다음식으로 표현된다

여기서

k = 비열비 (adiabatic index)

p = 압력 (Pa psi)

R = 개스 상수

T = 절대 온도 (degK degR)

앞의 식 (4)와 식 (5)로부터

식 (6)으로부터 체적탄성게수 E를 구할 수가 있다

( 예 1 ) 공기의 체적탄성계구 산출

k = 14 R = 287 (JK kg) at T=293K( 20 ) p=1204(kgm3)

Eair = k R T p=14X287X293X1204=14174379((Jm3)

Eair = 14174379(Nm2)

( 예 2 ) 염소(C12)의 체적탄성계수 산출

k = 134 R = 120 (JK kg) at T=293K(20) p=2994(kgm3)

Ec12 = k R T p=134X120X293X1994=14106051((Jm3)

Ec12 = 14106051(Nm2)

( 예 3 ) 0 1 bar 공기에서의 소리 속도

c = (14x287x273)12

= 3312 (ms)

여기서

k = 14

R = 287 (JK kg)

( 예 4 ) 20 1bar 공기에서의 소리 속도 산출

c = (14X287X293)12

= 3431 (ms)

( 예 5 ) 0 물속에서의 소리 속도 산출

여기서

3 공기 분사노즐에서의 유동식

개스역학에서 공기의 속도가 sim 이상으로 빠르거나 압력의 변화가

보다 큰 경우에는 압축성 흐름으로 취급한다 이러한 현상은 노즐에서

개스가 팽창하는 경우에 발생된다

정상유동에서의 에너지 평형 상태는 다음식으로 표현된다

여기서 엔탈피는

이며 엔탈피 ∆의 변화는 내부에너지 ∆에 외부로 또는 외부로부터의 체적에

의한 일 ∙∆의 합과 같다

내부에너지의 변호가 없고 밀도가 일정하다고 가정하면 즉 ∆ 인

경우에는 비압축성유동의 베르누이 방정식이 된다 반면에 위치네어지의 변화가 없

는 경우 ∆ 에는 상대적으로 밀도가 낮은 압축성 유체인 ldquo개스rdquo의 상태를

나타낸다 ldquo개스역학rdquo 이라는 자체가 의미하듯이 해석에 있어 고압 및 개스의 속도

가 포함되며 내부에너지의 변화 ∆를 무시할 수가 없다 이러한 의미에서 식 (7)

은 다음과 같이 된다

이상개스 방정식에서

이며 식 (12)를 식(9)에 대입하면 다음과 같이 된다

식 (13)에 에너지 보존법칙을 적용하면 노즐에서 분사되는 개스의 속도를 구할 수

있다

개스의 초기 속도가 인 경우에는

가역 단열 흐름에 있어서는 다음 3개의 식을 적용할 수가 있다

식 (16) ~ 식 (18)을 식 (15)에 대입하면 노즐에서 분출되는 개스의 속도가 구해

진다

노즐을 통과하는 질량의 흐름 식

밀도의 비로부터

다음과 같이 노즐을 통과하는 질량을 구한다

다음의 식 (23)을 식 (22)에 대입하여

식 (24)를 구한다

여기에서

을 ldquo탈출 계수(escape coefficient)rdquo 라고 한다

식 (25)를 사용하여 식 (24)를 다시 표현하면 다음의 간략식이 된다

탈출 계수 는 압축비 의 값이 다음과 같은 값일 때

임계 압축비 또는 라발 압축비로 표현되는 다음 크기의 최대값을 갖는다

음속은 노즐의 단면적이 제일 작은 부분에서 임계 압축비에 도달한다

max는 테이퍼가 일정한 실린더 형상의 노즐에 적용된다 식 (26)에 의하여

ㆍ 가 되며 는 일정한 테이퍼의 노즐에서만 증가할 수 있다 만약 압

축비 가 임계비 이하이면 max이므로 노즐을 통과하는 질량의 흐름은 일정

하다 이것은 질량의 흐름이 외부의 압력에 영향을 받지 않는다는 것을 의미한다

질량의 흐름에 의한 일은 다음의 식 (30)으로부터 구해진다

압축성 유체의 단열 팽창시에 수행된 일은 식 (19)와 식 (30)로부터 다음과 같이

산출된다

아래의 Fig 15 는 수축확산 노즐의 단면 모습이며(11) Fig 16 은 수축확산 노즐에

서의 압력 온도 속도 변화를 나타낸 것이다(8)

Fig 15 수축확산 노즐(Laval Nozzle)

Fig 16 수축확산 노즐에서의 압력 온도 속도 변화

압축성 유체의 흐름에 있어서 임계 속도 이후에 노즐의 단면이 서서히 확대되면

열에너지가 유동에너지로 변환되면서 온도는 낮아지고 흐름이 증가된다

앞의 식 (27)을 참조할 때 Fig 16 의 수축확산 노즐의 단면적이 가장 작은 임계

압축비 에서 음속에 도달한다 이 것은 질량 흐름에 식 (26)이 계속적으로 유

효하다는 것을 의미한다 수축확산 노즐 출구에서의 온도는 다음과 같은 관계가 된

노즐 확산부의 치수는 다음식으로부터 구해지며

개스 상수 등은 계수 개스 유입 온도 노즐 목의 직경 압축비 등의

변수로부터 노즐 출구에서의 개스 속도와 온도를 구할 수가 있다 공기 흐름 해석

대상 노즐 각부에 대한 부호는 Fig17에서와 같다

Fig 17 수축확산 노즐의 각부 부호

실제 수축확산 노즐을 설계하는 데 있어서는 노즐에서 발생될 수 있는 압축파 발생

을 억제하기 위하여 노즐 출구의 치수를 설계값보다 약간 작게 한다 즉 Fig 17에

서의 노즐의 확산각 가 를 넘지 않아야 하며 최대 이내여야 한다

4 공기 분사노즐의 흐름 특성 계산

앞의 ldquo3 초음속 공기 분사노즐에서의 공기의 흐름rdquo에서 유도된 식들을 이용하여

ldquoMathcad 13 프로그램(12)으로 설계 대상 분쇄기에 적용되는 공기 분사노즐의 단

면 치수 유입 공기량 노즐 출구에서의 공기 속도 소요 동력 등을 산출하였다

우선 단위와 공기의 상수를 정리하면

kilo=1000 TK =273 hoursec =3600 k = 14

ㆍsecㆍ

ㆍsecㆍ

ㆍsec

ㆍsec

예를 들어 tan tan tan tan

해석 조건이 다음과 같으면 tank pressure=700kPa Ttank=70 exit

pressure=100kPa

단위 (mm) throat diameter=50 length 150 outlet diameter=70 diffusion

angle α=38deg

d = 0007 pe = 100kilo po = 7pe Ttank =7C

To = TK+Ttank To=343 (K)

times

sec

Air_massflow1N_hour =Air_masflow1N_sechoursec

Air_massflow1N_hour = 133024 (kghrper 1 nozzle)

Air_massflow3N_hour = Air_massflow 1N_hour3

Air_massflow 3N_hour = 399071 (kghrper 3 nozzles)

Imsec)

sec

timesorsec timesorsec

(kgm3)

sec

sec sec

공기분사 노즐 목의 직경이 50mm 출구 직경이 70mm 노즐 목에서 노즐 출구까

지의 길이가 150mm로 공기 분사노즐의 환산각 도인 공기 분사노즐이 3

개 장착되어 있으며 탱크내의 공기가 압력 7bar 와 70 를 유지하면서 계속적으

로 노즐을 통하여 공급되며 또한 분쇄 챔버 내의 압력이 1bar 로 유지되는 경우의

공기 분사노즐의 유동 특성 계산 결과를 종합 정리하면 다음과 같다

- 노즐 출구에서의 공기 최대 속도 542151msec

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 무게 399071kghr

(노즐 하나에 00369kgsec)

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 부피 225333m3hr(0063m3sec)

- 소요 동력 16291kWhhr

5 수축확산 공기 분사노즐의 유동 해석

공기 분사노즐을 3D 모델링 프로그램 SolidWorks(13)로 모델링하여 열유체 해석

을 위한 유한요소해석 프로그램 COSMOSFlwWorks(14)로 공기 분사노즐 내의 유

동 해석을 수행하였다 해석 대상 공기 분사노즐 단면의 형상과 각부의 치수는

Fig18에서와 같다

Fig 18 수축확산 노즐 유동 해석 모델의 단면

해석시에 적용된 변수값들은 앞의 ldquo4 초음속 공기 분사노즐의 분사 특성 계산rdquo에

서 산출된 값을 적용하였다 노즐의 확산부위 길이는 15mm 이며 분사노즐의 확산

각은 도이다 노즐 하나에 대하여 Fig 18 의 왼쪽면에서 00369 kgsec

의 공기가 유입되며 오른쪽 분사노즐 출구면에 12bar 의 압력을 적용하였다 분사

노즐의 유동 해석 결과의 여러 가지 특성값 중에서 본 설계에서의 주요 관심사가

공기의 배출 속도인 관계로 Fig 19에 흐름의 속도 분포 Fig 20에 흐름의 마하넘

버 분포를 나타내었다 초음속 흐름에 대한 해석으로 분사노즐 목에서의 공기속도

가 약 335msec(마하 1)이 되며 노즐 출구에서 최대속도가 된다 Fig 21은 수축

확산 노즐에 대한 공기의 속도 분포 해석 결과를 반영하여 공기 분사노즐을 모델링

한 것이다

Fig 19 수축확산 노즐의 공기 흐름 속도 분포

Fig 20 수축확산 노즐의 공기 흐름 마하넘버 분포

Fig 21 수축확산 노즐 모델

6 분급 이론

분급(分級 classification)이란 유체력을 이용해서 분립체를 그 입자 지름의 크기에

따라 분리하는 것으로 넓은 뜻으로는 유체력에 의한 분리만이 아니라 체가름을 포

함하는 경우가 있다 더 넓게는 비중선별ㆍ자기력선별 등 모든 입자분리조작을 분

급이라고 한다 공기ㆍ물 등의 유체 속에서 운동하는 분립체의 각 입자에는 중력

또는 원심력 이외에 유체에 의한 유체항력 등이 함께 작용된다 이 힘 즉 유체항력

은 입자 지름에 의존하는 데 유체항력과 입자 지름의 관계는 중력이나 원심력과

입자 지름의 관계와는 다르기 때문에 이 둘 사이의 균형 조건이 입자 지름에 의해

좌우된다 좁은 뜻의 분급은 이 원리를 이용한 입경분리조작을 의미한다 중력장에

서 등속 침강하는 구 형상의 입자에 대한 힘의 균형은 다음 식으로 표현된다

여기서 은 입자 질량 prime는 입자에 의해 배제된 유체 질량 g는 중력가속도 R

은 는 유체항력을 나타낸다 유체항력 R은 다음 식으로 나타낼 수 있다

여기서 는 저항계수 (drag coefficient)로 입자 주위의 유체의 상대적인 흐름의

상태에 따라 결정되는 무차원 계수이다 는 유체의 밀도 는 입자의 침강속도

는 입자의 지름이며 는 입자의 투영 최대 면적이다 물 또는 공기 속에서 입

자의 지름이 100 이하 입자의 밀도가 3gcm2이하의 조건에서는 입자 주위의 흐

름은 거의 충류로 간주되며 이때 R은 다음 식으로 나타내진다

여기서 는 유체의 점성도이다

prime

이므로 식 (36)을 식 (34)에 대입하면 식 (37)을 얻는다

여기서 는 입자 밀도이며 식 (37)을 스토크스의 침강속도식이라고 하며 분급에서

분리입자 지름을 구하기 위한 기본식으로 중요하다

식 (37)은 다음

과 같이도 표현된다

유체가 공기나 그 외의 기체인 경우의 분급 조작을 건식 분급(또는 공기 분급) 물

이나 그 외의 액체인 경우의 분급 조작을 습식 분급이라 한다 앞에 언급된 기본식

들 이외에 어떤 종류의 분급장치에서는 유체의 흐름 방향이 급격히 변화할 때 흐름

에 따라 운동하는 입자의 관성력의 효과가 중요한 역할을 한다

분급에 사용하는 장치를 분급기(classifier)라고 한다 건식분급기에는 관성력을 이

용하는 것 중력침강을 이용하는 것 원심력을 이용하는 것 등이 있다 관성력을 이

용하는 건식분급기에는 루버식분급기 버추얼임팩터 엘보제트형분급기 등이 있는

데 건식분급기로는 원심력을 이용한 것이 가장 널리 사용되고 있다 원심력을 이용

한 건식분급기로는 분급 입도가 30~100 정도의 비교적 굵은 입도에서의 대량 처

리로 옛날부터 알려진 스튜어트밴트형 등이 있으며 또한 몇 ~30의 분급이 가

능한 여러 분급기가 개발되어 널리 쓰이게 되었다 또한 사이클론도 미립(微粒)에서

조립(組立)에 이르는 분체(粉體)의 건식분급에 이용된다 습식분급기에는 중력식과

원심력식이 있으며 중력식은 상승 수류(水流)와 유동층을 이용한 수력분급기 원뿔

형 또는 각뿔형 용기에서의 중력침강을 이용한 세틀링탱크 등의 침강분급조 완만

하게 경사진 직사각형의 조(槽)로부터 침하한 조립 생산물을 긁어올리기 위한 레이

크나 스파이럴을 갖춘 기계분급기 등으로 분류된다 원심력을 이용한 습식분급기로

는 사이클론 또는 하이드로사이클론이 가장 대표적이며 솔리드볼형ㆍ디스크형 등

의 원심분리기도 미립자용 분급기로 사용된다

Fig 22는 베인 구조의 원심형 분급기의 회전 단면 모습이다

Fig22베인 구조의 원심형 분급기의 단면

Fig 22에서 H는 분급기 내부 상하면 사이의 간격이며 는 선별된 미분이 배출되

는 반경 는 베인의 내반경 는 베인의 외반경을 나타낸다

분체 주위의 공기 흐름이 층류 흐름이라는 조건하에서 베인 구조의 원심형 분급기

에의 컷포인트(utpoint)를 결정짓는 외주부의 반경 은 다음과 같다

또한 선별된 미분이 배출되는 반경은 다음과 같다

베인 사이에서도 고체의 회전법칙이 적용된다 베인의 외주 반경에서 속도의 원주

방향 성분 과 중심방향 성분 가 가장 큰 영향을 준다

식 (41)과 식 (42)를 식 (38)에 대입하여 정리하면 다음과 같다

독일 Netzsch 사에서는 베인의 내반경 에서 선별된 미분이 배출되는 반경 까

지의 반경 방향의 공기 속도 성분 을 질정하게 해 주기 위하여 Fig 10에 보인

ldquoConvorrdquo라고 불리우는 단면의 분급기를 개발하여 사용화하고 있다

7 분급기 설계와 유동 해석

분급기의 베인 사이로 분쇄된 미분과 공기가 함께 유입되어 중앙부의 배출구로 통

과하는 분급기의 내부 형상을 설계하기에 앞서 분급기 내부를 구성하는 상면이 평

평한 구조의 분급기에 대한 유동해석을 실시하여 공기의 속도 분포를 검토하였다

해석 대상 분급기의 외경은 205mm이며 밑면 중앙에 공기 배출을 위하여 직경이

90mm인 원형 구멍이 뚫려 있다 분급기 외주에는 단면이 원호의 일부로 만들어진

두깨가 2mm 넓이가 18mm 길이가 35mm인 베인이 매 60도마다 10개씩 등간격

으로 모두 60개가 베인의 코드 방향과 분급기의 반경 방향이 이루는 각도가 약 15

도가 되도록 경사지게 설치되어 있다 원주 방향으로 매 60도마다 길이 35mm 직

경 8mm인 원형봉 6개가 등간격으로 배열되어 상ㆍ사 카버 사이에 베인을 고정시

켜 조립되는 구조이다 해석 대상 분급기에 사용된 베인의 단면과 베인의 배열 및

분급기 상ㆍ하면을 고정하는 봉이 포함된 수평면상의 평면도를 Fig 23에 나타내었

다 Fig 24는 분급기의 상면 형상이 평평한 구조인 경우에 대한 분급기의 수직단

면도이다

분급기에 유입되는 공기는 온도 50 유입량 01m3sec 분급기를 통과한 후에

배출되는 공간의 압력은 12bar이며 분급기의 회전속도는 8000rpm(838radsec)

이다 분급기에 발생되는 원심력의 절대적인 크기는 재료의 밀도와 분급하고자 하

는 분말의 크기에 따라 분급기의 회전수를 변화시켜서 조절한다 SolidWorks 및

COSMOSFloWorks 프로그램으로 분급기의 공기 유동해석을 실시하였다 해석시의

변수 입력 항목 및 해석 과정을 ldquo부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 유동해석 절

차rdquo에 정리하였다

Fig 23 베인과 상ㆍ하면 고정 원형봉의 평면 단면도

Fig24 분급기 상면이 평면인 경우의 수직단면도

공기 유동해석 결과를 Fig25~Fig27에 나타내었다 Fig25는 베인의 중간 높이에

서의 수평 단면에서의 공기 속도 분포이다 Fig26은 베인이 위치한 부위에서의수

직단면 Fig 27은 상ㆍ하면을 고정시켜 주는 원형봉이 있는 부위의 수직단면에 분

포하는 공기의 유입 속도 해석 결과를 나타낸 것이다

Fig 25 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig 26 베인 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig27 연결봉 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig15~Fig27의 공기 속도 등고선을 보면 베인 외주부의 상하 위치에 있어서 공

기의속도가 불균일한 분포를 보인다 베인의 분급기 내부 공간에서는 같은 반경인

위치에서 윗부분에서의 공기 속도가 아랫부분에서보다 빠르게 분포하고 있다 베인

의 높이 방향 상ㆍ하 위치에 따른 이러한 유입 속도의 편차는 분급기 외주의 실린

더 면으로부터 유입되는 공기가 분급기 중앙의 밑 방향으로만 배출되는 유동 통로

의 구조 때문으로 판단되낟 따라서 같은 반경의 같은 원심력이 발생되는 위치에

있어서도 윗부분에서의 공기 유입속도가 밑부분에서보다 크게 분포되어 윗부분에서

는 밑부분에서보다 큰 분말이 분급기 안으로 유입된다 지정된 크기의 컷오프보다

큰 분말과 작은 분말이 혼합된 상태로 배출되는 관계로 분급이 정밀도가 저하된다

베인의 상ㆍ하 위치에 무관하게 공기의 유입 속도를 가급적 균일하게 해 주기 위한

목적으로 분급기 내부의 단면 형상을 Fig28과 같은 인볼류트-컨볼류트

(involute-convolute) 단면으로 구성하여 공기의 유동해석을 실시하였다

Fig 28 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기

Fig29는 베인의 중간 높이 수평단면 상에서의 공기 속도 분포이다 Fig25에 비하

여 베인의 외주 부위에서의 공기의 속도가 균일하게 분포되고 있음을 보여 준다

Fig29 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig 30은 베인이 위치한 부위에서의 수직 단면 Fig31은 상ㆍ하면을 고정시켜 주

는 원평봉이 있는 부위에서의 수직 단면에 분포하는 공기 속도 분포이다 Fig30과

Fig31은 각각 Fig25와 Fig26에 비하여 베인의 높이 방향 전체에 걸쳐 공기의 유

입 속도가 상당히 균일하게 분포되는 것을 보여 주고 있다

Fig 30 베인 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig31 연결봉 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig32는 분급기 내부의 공간 형상이 인볼류트-컨볼류트인 분급기의 설계 모델이

Fig32 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 모델

Fig33은 앞의 수축확산 공기 분사노즐(Fig20)과 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급

기(fig32)로 구성된 건식 기류충격식 분쇄기의 3D모델이다 중요 부품의 도면은

ldquo부록 9 설계 도면rdquo에 수록하였다

Fig33 건식 기류충격식 분쇄기의 3D 모델

8 시작품 제작

수축확산 공기 분사노즐의 유동해석 및 분급기의 유동해석 결과를 바탕으로 시작품

을 제작하였다 Fig34는 수축확산 공기 분사노즐 헤드의 시작품 모습이다

Fig 34 수축확산 공기 분사노즐 헤드 시작품

Fig35는 분급기의 시작품 모습이다 분급기의 베인은 분체와 마찰시 내마모성을

갖도록 SUS 재질로 곡면 성형한 후 세라믹으로 코팅하여 제작하였다

Fig35 분급기 시작품

Fig 36은 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 수축확산 공기 분사

노즐 및 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 등이 분쇄기의 내부에 장착되어 있다

Fig36 건식 기류충격식 분쇄기 시작품

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기와 관련된 국외 특허 자료 조사와 분석 공기의

유동해석에 있어 많은 일정이 소요되었다 기술지원 추진일정을 Table1에 정리하

였다

Table 4 추진 일정

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 21: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

제 2 장 국내ㆍ외 기술 현황

건식 분쇄 기술로 크기가 1 이하의 작은 입자를 생산하는 것은 어려운 기술로

분체기술의 장벽이라고 일컬어진다 각종 소재를 성분 변화없이 100nm 이하의 크

기로 극미세 분쇄하는 기술은 미래 산업을 이끌어갈 핵심분야로 국가간 연구개발

경쟁이 치열한 기술이다

제 1 절 세계의 기술 현황

나노급의 미세 파우더는 1980 년대초 독일의 칼스루헤연구소 등에서 시작되어

1990년대에 들어서 100nm 이하의 제조합성에 관한 연구가 본격화되었다 일본의

경우에는 과학기술청의 창조과학기술 추진과 통산성의 차세대산업기반기술 분야로

선정되어 주목을 받고 있다 초미분을 생산하기 위한 양산 장비 및 요소 부품에 대

한 선진국의 기술은 독일의 DRAIS사(습식) NETZSCH사(건식) 일본의 Kotobuki사

(습식) DYNO사(습식) Hosokawa 사(습식 건식) 등의 선진메이커에서 제품이 개

발되어 판매되고 있다 또한 나노 파우더 생산업체로는 일본의 Kako 사 미국의

Whittaker 사 Dow Chemical 사 Dupont사 및 독일의 Degusa사 등이 있다 현재

까지는 나노급 파우더 제조 공정의 불안정 및 복잡성 평가 방법의 미흡 등으로 다

양한 제조 공정 기술개발이 진행되고 있다 세라믹 분말의 경우에는 일부 특수한

경우에만 상용화되고 있다 금속분말의 경우에는 한정된 종류의 금속만 생산이 가

능하여 계속적인 개발이 진행되고 있다

건식 기류충격식 분쇄기의 주요 제작업체는 일본의 Hosokawa 사와 독일의

Netzsch 이다 미국 일본 및 독일 등에 대부분의 같은 내용의 특허가 등록되어

있으며 일본과 독일에 의하여 등록된 특허의 구조적인 특징은 다음과 같다

1 일본 Hosokawa사의 수직형 기류충격식 분쇄기

건식 기류충격식 분쇄기의 대표적인 업체인 일본의 Hosokawa 사 분쇄기의 특징

은 3개의 초음속 분사노즐이 에어젯트밀의 중앙인 수직 평면상에 원호상 등간격인

120도 간격으로 원의 중심을 향하여 배열되어 있으며 분쇄기 내의 상부에 회전축

이 수평인 위치로 회전되는 원심형 분급기가 설치되어 있다(Fig 2)

분쇄기의 모델과 분쇄 대상 재료에 따라 분말의 크기가 01 - 10 의 범위에 있

Fig 2 일본 Hosokawa 사의 수직형 기류충격식 분쇄기의 내부

2 일본 Hosokawa 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(2)

Fig 3a ~ Fig 3c는 일본 Hosokawa 사의 등록특허이다 분쇄기와 분급기 구조에

관한 것이다 Fig 3a에 보인 원형 단면의 분쇄실 외주부에 Fig 3b와 같이 에어를

고압 분사하는 분사노즐이 다수개 배열되어 있어 재료 공급관으로 유입되는 재료

가 고압의 공기 분사에 의하여 분쇄된다 분쇄도니 미분은 상부 통로로 배출되며

조분은 Fig 3b 의 ldquo16rdquo 번 부위인 분쇄기 내벽을 따라 이동되다가 공기 노즐의

출구부 측면에 나있는 구멍으로 흡입되어 공기와 함께 분사되어 재분쇄가 된다

Fig 3a 일본 Hosokawa 사의 분쇄기 단면(일본 特開平 11-179228 1999)

Fig 3b 일본 Hosokawa사의 분쇄기 평면(일본 特開平 11-179228 1999)

Fig 3c 일본 Hosokawa사 분쇄노즐 단면(일본 特開平 11-179228 1999)

3 일본 미놀타 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(3)

Fig 4a ~ Fig 4c 는 일본 미놀타사의 등록특허이다 분쇄기와 분급기 구조로

Fig 2에 보인 Hosokawa 사의 수직형 분쇄기와 비슷한 구조이다 분쇄 효율을 높

이기 위하여 Fig 4c 에 보인 것과 같은 분쇄기 중앙부의 분사된 공기가 집중되는

위치에 삼각형 경사판을 배치하여 공기가 충돌한 후 분쇄기 상부로 향하게 되어

있다

Fig 4a 일본 미놀타사의 분쇄기 단면(일본 特開 2000-5621 2000)

Fig 4b 일본 미놀타사 분쇄기의 분사노즐 배열(일본 特開 2000-5621 2000)

Fig 4c 일본 미놀타사 분쇄기의 충격판(일본 特開 2000-5621 2000)

4 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(4)

Fig 5는 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 등록특허이다 분쇄기 내측

수평면상에 분사노즐이 서로 마주 보게 배열되어 있다 분급기의 회전 축이 분쇄기

의 중심축과 일치한 상태로 회전하여 수평면 상에서 원심력에 의하여 분급이 이루

어진다 분급된 미분은 분쇄기 상부의 통로로 배출된다

Fig 5 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 수평형 기류충격식

분쇄기(일본 特開 2002-35631 2002)

5 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(5)

Fig 6 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기 구조는 Fig 4 의 일본

미놀타사와 유사하다 수평면상에 분사노즐이 배열되어 있으며 분급기의 회전축도

수평으로 위치하고 있다

Fig 6 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(일본 特開 2003-88773

2003)

6 미국 Xerox사의 수평형 기류충격식 분쇄기와 노즐(6)

Fig 7a의 미국 Xerox사의 수평형 기류충격식 분쇄기 구조는 Fig 5의 일본

Hosokawa Alpine AGampCo OHG 사의 구조와 유사하다 분사노즐이 수평면상으로

배열되어 있으며 분급기의 회전축도 수평으로 위치하고 있다 분사노즐의 형상은

Fig 7b 에서와 같이 이중관 구조이다

Fig 7a 미국 Xerox 산의 수평형 기류충격식 분쇄기(일본 特開 2004-50179

2004)

Fig 7b 미국 Xerox 사의 이중관 분사노즐(일본 特開 2004-50179 2004)

7 독일 Netzsch사의 건식 기류충격식 분쇄기(7)

독일 Netzsch 사는 대표적인 기본 구조의 건식 기류충격식 분쇄기를 개발하여 가

공 용량이 다른 여러 가지 분쇄기에 유사한 구조를 적용하였으며 일본 Hosokawa

산의 분쇄기와는 전혀 상이한 구조이다 즉 3 개의 초음속 분사노즐이 기류충격식

분쇄기 하부의 수평 평면상에 원호상 등간격인 120 도 간격으로 원의 중심을 향하

여 배열되어 있으며 Fig 8 에서와 같이 수직 회전축을 갖는 원심형 분급기가 분

쇄기 상부에 설치되어 있다 분급기의 외형 모습은 Fig 9에 보인 것과 같으며 분

급 효율을 향상시킬 목적으로 분급기 단면이 회전 중심으로 향할수록 상하 공간이

넓어지는 ldquoConvor로 명명된 형상의 단면 모습으로 되어 있다(Fig 10)

Fig 8 독일 Netzsch 사 분쇄기의 내부 구조

Fig 9 독일 Netzsch 사의 분급기

Fig 10 독일 Netzsch 사 분급기의 단면 형상 ldquoConvor

8 독일 특허 공기 분사노즐(9)

독일 Netzsch 사의 분쇄기 관련 기술 컨설턴트인 Nied 가 고안한 분쇄용 분사노즐

의 구조에 대한 것이다 3 개의 공기 분사노즐이 기류충격식 분쇄기 하부의 수평

평면상에 원호상 등간격인 120도 간격으로 원의 중심을 향하여 배열되어 있다(Fig

11a) 분사노즐 중앙부의 구조는 단면이 수축-확산 형태로 노즐로 초음속의 고속

분사를 하면서 중심 노즐 주변에 중앙 분사부를 감싸는 이중 공기 분사관을 형성

하여 중앙의 분사노즐에서 분사되는 공기의 확산각이 커지지 않도록 공기 주위에

추가적인 보조 공기를 분사하는 구조이다(Fig 11b)

Fig 11a 독일 특허-분사노즐 배열과 분사 공기의 분포(EP 0 736328A1 1996)

Fig 11b 독일 특허-분사노즐 단면과 분사 공기의 분포(EP 0 736328A1 1996)

9 미국 특허 분쇄기 구조(10)

일본의 히데유끼 요시다 등 5 명이 미국에 출원한 특허로 분쇄 재료가 초음속으로

분출되는 공기 통로의 중간에서 공급되며 재료가 분쇄실로 이동된 후 충격판에 충

돌되어 분쇄되는 구조이다(Fig12) 분쇄된 분말의 크기는 10 수준이다

Fig 12 미국 특허-충돌식 분쇄기(USP 57657661998)

제 2 절 국내의 기술 현황

국내의 경우에는 초미분 분말 생산에 관한 개발 역사가 짧으며 연구소 대학 기업

등에서 다발적으로 연구가 진해오디고 있다 기계 전자 물리 재료 화학 등의 연

계된 연구가 필요하다 1996 년 과학기술부 및 산업자원부 등의 산업단을 중심으로

대형 연구가 수행되어 왔으나 주로 기상법에 의한 분말합성에 관한 것이다 1998

년도부터 한국기계연구원에서 200nm 급의 건식 분쇄 및 분급기에 대한 개발을 시

작으로 초미분 파우더 생산 장비에 관한 연구가 이루어지고 있다 초미분 분쇄 방

식은 본 기술지원 과제의 지원기업인 대가파우더시스템을 포함하여 습식 방식인

교반밀(agitated mill)을 주로 사용하며 입도의 크기는 5 이상 수십 크기의

범위이다 기류충격식 분쇄기의 기술 수준은 입도의 크기가 5 ~ 10 수준이다

기존의 습식분쇄기의 경우 평균 입도가 28 ~ 32로 Pb0를 대상으로 할 때 4

~ 6 kghr 정도를 생산할 수 있는 수준이다

국내에 등록되어 있는 건식 기류충격식 분쇄기와 관련된 특허의 출원인인 대부분이

일본업체이며 일본에 출원된 특허를 한국에 재출우너한 것이 대부분이다 미국과

벨기에가 각각 1 건씩 등록하고 있으며 한국인이 출원한 특허는 테크월드에서

출원한 3 건 등 모두 4 건이 검색되었다 마이크로급 이상의 파우더 생산장비에 대

한 국내의 기술 수준은 선진국 기술 수준의 약 70 수준이다 그나마도 설계 및

생산에 있어 거의 모방에 의존하고 있다 나노급 기술은 초보적인 상태이다

제 3 장 기술지원 수행 내용 및 결과

제 1 절 기술지원 수행

본 부품소재종합기술지원사업은 Fig13의 기술 개발 추진도에 따라 수행되었다

Fig 13 기술 개발 추진도

분쇄기의 전체 시스템 중에서 분쇄기와 분급기 이외의 기타 구성 모듈들에 대한 설

계 및 생산기술은 지원기업 대가파우더시스템이 기확보하고 있는 기술이 기술

지원의 주된 내용은 기류충격식 분쇄기의 핵심 부품이며 분쇄기의 성능을 좌우하는

초음속 공기 분사노즐과 분급기의 설계 기술에 관한 것이다 초음속 공기 분사노즐

의 단면 형상 공급 공기의 압력과 분사 공기의 속도 및 공기 소요량 산출을 위한

공기 분사노즐 설계와 분쇄기 내부의 내마모성 재료 선택 분급기 베인의 형상과

분급기로 유입되는 공기의 속도 분포를 균일하게 하여 원심력 작용으로 분말의 분

급 정밀도를 향상시켜 주기 위한 분급기의 내부 단면 형상 설계 미 ㅊ유입 공기 속

도 및 압력 분포에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 방법 등에 대한 체계적인 기술 지원이

수행되었다 향후 유사 모델 개발에 적용하여 새로운 제품을 개발할 수 있는 설계

능력을 확보하였다

1 분쇄기 시스템 구성도

본 기술지원을 통하여 개발하는 핵심 기술은 건식 기류충격식 분쇄기의 초음속 공

기 분사노즐과 분급기와 관련된 기술이다 분쇄기의 기본 구조는 독일의 Netzsch

사 제품과 유사한 구조로 되어 있으며 분쇄용 공기 분사노즐과 고정밀도의 분급기

설계기술을 자체 보유하는 데 주안점이 있다 개발 대상 분쇄기 시스템의 전체 구

성도는 Fig 14(7)에서와 같다 Fig 14에서 분쇄기 시스템은 ldquo진동공급기rdquo를 통하

여 공급되는 분쇄용 우너료를 ldquo건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기rdquo로 분쇄 및 분급

한 후에 cyclone을 거쳐 bag filter로 분말을 포집하는 시스템으로 구성되어 있

다 분말과 공기가 혼합된 기류는 각각의 단계로 이송하는 과정에서 double flap

valve로 이송이 조절되며 최종적으로 fan의 작동으로 공기가 배출된다

건식 기류충격식 분쇄기 본체를 구성하는 부품의 서브어셈블리는 각각 Chamber

Body Laval Nozzle Classifier Wheel 및 Bearing Block등으로 구성되어 있

다 주요한 설계 변수는 분쇄챔버의 직경과 높이 초음속 공기 분사노즐 설계 있어

서 라발 노즐(초음속 공기 분사노즐)의 모즐 목 내경과 배출부의 직경 및 축방향의

단면 형상 공기되는 공기의 압력 등이다 분급기 설계에 있어서의 주요 변소는 베

인의 단면 형상 베인의 수량과 배열 각도 분급기 내부 공동부의 단면 형상 분급

기에 유입되는 공기 속도와 분급기를 통과한 이후의 공기 압력 등이다

Fig 14 기류충격식 분쇄기의 시스템 구성도

2 소리의 속도

물체의 일부에 교란을 주면 개스 유체 및 고체의 압축성으로 인하여 물체를 통하

여 유한한 속도로 교란이 전파된다

음속은 물체의 압력과 밀도 변화와 관계되어 있으며 다음식으로 표현된다

여기서

음속 압력변화 밀도 변화

체적탄성계수는 다음과 같이 표현된다

여기서

체적탄성계수 압력변화 체적변화 초기체적

체적탄성계수는 식 (3)으로도 표현된다

여기서

물체의밀도변화 물체의초기밀도

개스 유체 고체 내에서의 음속은 다음식과 같다

여기서

체적탄성계수

개스에서의 소리 속도는 아주 작은 한 점에서 교란이 일어나는 관계로 열전달을 무

시할 수가 있으며 또한 등온 상태로 가정할 수가 있다 이상 기체에서의 소리 속도

는 절대 온도의 근에 비례하며 다음식으로 표현된다

여기서

k = 비열비 (adiabatic index)

p = 압력 (Pa psi)

R = 개스 상수

T = 절대 온도 (degK degR)

앞의 식 (4)와 식 (5)로부터

식 (6)으로부터 체적탄성게수 E를 구할 수가 있다

( 예 1 ) 공기의 체적탄성계구 산출

k = 14 R = 287 (JK kg) at T=293K( 20 ) p=1204(kgm3)

Eair = k R T p=14X287X293X1204=14174379((Jm3)

Eair = 14174379(Nm2)

( 예 2 ) 염소(C12)의 체적탄성계수 산출

k = 134 R = 120 (JK kg) at T=293K(20) p=2994(kgm3)

Ec12 = k R T p=134X120X293X1994=14106051((Jm3)

Ec12 = 14106051(Nm2)

( 예 3 ) 0 1 bar 공기에서의 소리 속도

c = (14x287x273)12

= 3312 (ms)

여기서

k = 14

R = 287 (JK kg)

( 예 4 ) 20 1bar 공기에서의 소리 속도 산출

c = (14X287X293)12

= 3431 (ms)

( 예 5 ) 0 물속에서의 소리 속도 산출

여기서

3 공기 분사노즐에서의 유동식

개스역학에서 공기의 속도가 sim 이상으로 빠르거나 압력의 변화가

보다 큰 경우에는 압축성 흐름으로 취급한다 이러한 현상은 노즐에서

개스가 팽창하는 경우에 발생된다

정상유동에서의 에너지 평형 상태는 다음식으로 표현된다

여기서 엔탈피는

이며 엔탈피 ∆의 변화는 내부에너지 ∆에 외부로 또는 외부로부터의 체적에

의한 일 ∙∆의 합과 같다

내부에너지의 변호가 없고 밀도가 일정하다고 가정하면 즉 ∆ 인

경우에는 비압축성유동의 베르누이 방정식이 된다 반면에 위치네어지의 변화가 없

는 경우 ∆ 에는 상대적으로 밀도가 낮은 압축성 유체인 ldquo개스rdquo의 상태를

나타낸다 ldquo개스역학rdquo 이라는 자체가 의미하듯이 해석에 있어 고압 및 개스의 속도

가 포함되며 내부에너지의 변화 ∆를 무시할 수가 없다 이러한 의미에서 식 (7)

은 다음과 같이 된다

이상개스 방정식에서

이며 식 (12)를 식(9)에 대입하면 다음과 같이 된다

식 (13)에 에너지 보존법칙을 적용하면 노즐에서 분사되는 개스의 속도를 구할 수

있다

개스의 초기 속도가 인 경우에는

가역 단열 흐름에 있어서는 다음 3개의 식을 적용할 수가 있다

식 (16) ~ 식 (18)을 식 (15)에 대입하면 노즐에서 분출되는 개스의 속도가 구해

진다

노즐을 통과하는 질량의 흐름 식

밀도의 비로부터

다음과 같이 노즐을 통과하는 질량을 구한다

다음의 식 (23)을 식 (22)에 대입하여

식 (24)를 구한다

여기에서

을 ldquo탈출 계수(escape coefficient)rdquo 라고 한다

식 (25)를 사용하여 식 (24)를 다시 표현하면 다음의 간략식이 된다

탈출 계수 는 압축비 의 값이 다음과 같은 값일 때

임계 압축비 또는 라발 압축비로 표현되는 다음 크기의 최대값을 갖는다

음속은 노즐의 단면적이 제일 작은 부분에서 임계 압축비에 도달한다

max는 테이퍼가 일정한 실린더 형상의 노즐에 적용된다 식 (26)에 의하여

ㆍ 가 되며 는 일정한 테이퍼의 노즐에서만 증가할 수 있다 만약 압

축비 가 임계비 이하이면 max이므로 노즐을 통과하는 질량의 흐름은 일정

하다 이것은 질량의 흐름이 외부의 압력에 영향을 받지 않는다는 것을 의미한다

질량의 흐름에 의한 일은 다음의 식 (30)으로부터 구해진다

압축성 유체의 단열 팽창시에 수행된 일은 식 (19)와 식 (30)로부터 다음과 같이

산출된다

아래의 Fig 15 는 수축확산 노즐의 단면 모습이며(11) Fig 16 은 수축확산 노즐에

서의 압력 온도 속도 변화를 나타낸 것이다(8)

Fig 15 수축확산 노즐(Laval Nozzle)

Fig 16 수축확산 노즐에서의 압력 온도 속도 변화

압축성 유체의 흐름에 있어서 임계 속도 이후에 노즐의 단면이 서서히 확대되면

열에너지가 유동에너지로 변환되면서 온도는 낮아지고 흐름이 증가된다

앞의 식 (27)을 참조할 때 Fig 16 의 수축확산 노즐의 단면적이 가장 작은 임계

압축비 에서 음속에 도달한다 이 것은 질량 흐름에 식 (26)이 계속적으로 유

효하다는 것을 의미한다 수축확산 노즐 출구에서의 온도는 다음과 같은 관계가 된

노즐 확산부의 치수는 다음식으로부터 구해지며

개스 상수 등은 계수 개스 유입 온도 노즐 목의 직경 압축비 등의

변수로부터 노즐 출구에서의 개스 속도와 온도를 구할 수가 있다 공기 흐름 해석

대상 노즐 각부에 대한 부호는 Fig17에서와 같다

Fig 17 수축확산 노즐의 각부 부호

실제 수축확산 노즐을 설계하는 데 있어서는 노즐에서 발생될 수 있는 압축파 발생

을 억제하기 위하여 노즐 출구의 치수를 설계값보다 약간 작게 한다 즉 Fig 17에

서의 노즐의 확산각 가 를 넘지 않아야 하며 최대 이내여야 한다

4 공기 분사노즐의 흐름 특성 계산

앞의 ldquo3 초음속 공기 분사노즐에서의 공기의 흐름rdquo에서 유도된 식들을 이용하여

ldquoMathcad 13 프로그램(12)으로 설계 대상 분쇄기에 적용되는 공기 분사노즐의 단

면 치수 유입 공기량 노즐 출구에서의 공기 속도 소요 동력 등을 산출하였다

우선 단위와 공기의 상수를 정리하면

kilo=1000 TK =273 hoursec =3600 k = 14

ㆍsecㆍ

ㆍsecㆍ

ㆍsec

ㆍsec

예를 들어 tan tan tan tan

해석 조건이 다음과 같으면 tank pressure=700kPa Ttank=70 exit

pressure=100kPa

단위 (mm) throat diameter=50 length 150 outlet diameter=70 diffusion

angle α=38deg

d = 0007 pe = 100kilo po = 7pe Ttank =7C

To = TK+Ttank To=343 (K)

times

sec

Air_massflow1N_hour =Air_masflow1N_sechoursec

Air_massflow1N_hour = 133024 (kghrper 1 nozzle)

Air_massflow3N_hour = Air_massflow 1N_hour3

Air_massflow 3N_hour = 399071 (kghrper 3 nozzles)

Imsec)

sec

timesorsec timesorsec

(kgm3)

sec

sec sec

공기분사 노즐 목의 직경이 50mm 출구 직경이 70mm 노즐 목에서 노즐 출구까

지의 길이가 150mm로 공기 분사노즐의 환산각 도인 공기 분사노즐이 3

개 장착되어 있으며 탱크내의 공기가 압력 7bar 와 70 를 유지하면서 계속적으

로 노즐을 통하여 공급되며 또한 분쇄 챔버 내의 압력이 1bar 로 유지되는 경우의

공기 분사노즐의 유동 특성 계산 결과를 종합 정리하면 다음과 같다

- 노즐 출구에서의 공기 최대 속도 542151msec

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 무게 399071kghr

(노즐 하나에 00369kgsec)

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 부피 225333m3hr(0063m3sec)

- 소요 동력 16291kWhhr

5 수축확산 공기 분사노즐의 유동 해석

공기 분사노즐을 3D 모델링 프로그램 SolidWorks(13)로 모델링하여 열유체 해석

을 위한 유한요소해석 프로그램 COSMOSFlwWorks(14)로 공기 분사노즐 내의 유

동 해석을 수행하였다 해석 대상 공기 분사노즐 단면의 형상과 각부의 치수는

Fig18에서와 같다

Fig 18 수축확산 노즐 유동 해석 모델의 단면

해석시에 적용된 변수값들은 앞의 ldquo4 초음속 공기 분사노즐의 분사 특성 계산rdquo에

서 산출된 값을 적용하였다 노즐의 확산부위 길이는 15mm 이며 분사노즐의 확산

각은 도이다 노즐 하나에 대하여 Fig 18 의 왼쪽면에서 00369 kgsec

의 공기가 유입되며 오른쪽 분사노즐 출구면에 12bar 의 압력을 적용하였다 분사

노즐의 유동 해석 결과의 여러 가지 특성값 중에서 본 설계에서의 주요 관심사가

공기의 배출 속도인 관계로 Fig 19에 흐름의 속도 분포 Fig 20에 흐름의 마하넘

버 분포를 나타내었다 초음속 흐름에 대한 해석으로 분사노즐 목에서의 공기속도

가 약 335msec(마하 1)이 되며 노즐 출구에서 최대속도가 된다 Fig 21은 수축

확산 노즐에 대한 공기의 속도 분포 해석 결과를 반영하여 공기 분사노즐을 모델링

한 것이다

Fig 19 수축확산 노즐의 공기 흐름 속도 분포

Fig 20 수축확산 노즐의 공기 흐름 마하넘버 분포

Fig 21 수축확산 노즐 모델

6 분급 이론

분급(分級 classification)이란 유체력을 이용해서 분립체를 그 입자 지름의 크기에

따라 분리하는 것으로 넓은 뜻으로는 유체력에 의한 분리만이 아니라 체가름을 포

함하는 경우가 있다 더 넓게는 비중선별ㆍ자기력선별 등 모든 입자분리조작을 분

급이라고 한다 공기ㆍ물 등의 유체 속에서 운동하는 분립체의 각 입자에는 중력

또는 원심력 이외에 유체에 의한 유체항력 등이 함께 작용된다 이 힘 즉 유체항력

은 입자 지름에 의존하는 데 유체항력과 입자 지름의 관계는 중력이나 원심력과

입자 지름의 관계와는 다르기 때문에 이 둘 사이의 균형 조건이 입자 지름에 의해

좌우된다 좁은 뜻의 분급은 이 원리를 이용한 입경분리조작을 의미한다 중력장에

서 등속 침강하는 구 형상의 입자에 대한 힘의 균형은 다음 식으로 표현된다

여기서 은 입자 질량 prime는 입자에 의해 배제된 유체 질량 g는 중력가속도 R

은 는 유체항력을 나타낸다 유체항력 R은 다음 식으로 나타낼 수 있다

여기서 는 저항계수 (drag coefficient)로 입자 주위의 유체의 상대적인 흐름의

상태에 따라 결정되는 무차원 계수이다 는 유체의 밀도 는 입자의 침강속도

는 입자의 지름이며 는 입자의 투영 최대 면적이다 물 또는 공기 속에서 입

자의 지름이 100 이하 입자의 밀도가 3gcm2이하의 조건에서는 입자 주위의 흐

름은 거의 충류로 간주되며 이때 R은 다음 식으로 나타내진다

여기서 는 유체의 점성도이다

prime

이므로 식 (36)을 식 (34)에 대입하면 식 (37)을 얻는다

여기서 는 입자 밀도이며 식 (37)을 스토크스의 침강속도식이라고 하며 분급에서

분리입자 지름을 구하기 위한 기본식으로 중요하다

식 (37)은 다음

과 같이도 표현된다

유체가 공기나 그 외의 기체인 경우의 분급 조작을 건식 분급(또는 공기 분급) 물

이나 그 외의 액체인 경우의 분급 조작을 습식 분급이라 한다 앞에 언급된 기본식

들 이외에 어떤 종류의 분급장치에서는 유체의 흐름 방향이 급격히 변화할 때 흐름

에 따라 운동하는 입자의 관성력의 효과가 중요한 역할을 한다

분급에 사용하는 장치를 분급기(classifier)라고 한다 건식분급기에는 관성력을 이

용하는 것 중력침강을 이용하는 것 원심력을 이용하는 것 등이 있다 관성력을 이

용하는 건식분급기에는 루버식분급기 버추얼임팩터 엘보제트형분급기 등이 있는

데 건식분급기로는 원심력을 이용한 것이 가장 널리 사용되고 있다 원심력을 이용

한 건식분급기로는 분급 입도가 30~100 정도의 비교적 굵은 입도에서의 대량 처

리로 옛날부터 알려진 스튜어트밴트형 등이 있으며 또한 몇 ~30의 분급이 가

능한 여러 분급기가 개발되어 널리 쓰이게 되었다 또한 사이클론도 미립(微粒)에서

조립(組立)에 이르는 분체(粉體)의 건식분급에 이용된다 습식분급기에는 중력식과

원심력식이 있으며 중력식은 상승 수류(水流)와 유동층을 이용한 수력분급기 원뿔

형 또는 각뿔형 용기에서의 중력침강을 이용한 세틀링탱크 등의 침강분급조 완만

하게 경사진 직사각형의 조(槽)로부터 침하한 조립 생산물을 긁어올리기 위한 레이

크나 스파이럴을 갖춘 기계분급기 등으로 분류된다 원심력을 이용한 습식분급기로

는 사이클론 또는 하이드로사이클론이 가장 대표적이며 솔리드볼형ㆍ디스크형 등

의 원심분리기도 미립자용 분급기로 사용된다

Fig 22는 베인 구조의 원심형 분급기의 회전 단면 모습이다

Fig22베인 구조의 원심형 분급기의 단면

Fig 22에서 H는 분급기 내부 상하면 사이의 간격이며 는 선별된 미분이 배출되

는 반경 는 베인의 내반경 는 베인의 외반경을 나타낸다

분체 주위의 공기 흐름이 층류 흐름이라는 조건하에서 베인 구조의 원심형 분급기

에의 컷포인트(utpoint)를 결정짓는 외주부의 반경 은 다음과 같다

또한 선별된 미분이 배출되는 반경은 다음과 같다

베인 사이에서도 고체의 회전법칙이 적용된다 베인의 외주 반경에서 속도의 원주

방향 성분 과 중심방향 성분 가 가장 큰 영향을 준다

식 (41)과 식 (42)를 식 (38)에 대입하여 정리하면 다음과 같다

독일 Netzsch 사에서는 베인의 내반경 에서 선별된 미분이 배출되는 반경 까

지의 반경 방향의 공기 속도 성분 을 질정하게 해 주기 위하여 Fig 10에 보인

ldquoConvorrdquo라고 불리우는 단면의 분급기를 개발하여 사용화하고 있다

7 분급기 설계와 유동 해석

분급기의 베인 사이로 분쇄된 미분과 공기가 함께 유입되어 중앙부의 배출구로 통

과하는 분급기의 내부 형상을 설계하기에 앞서 분급기 내부를 구성하는 상면이 평

평한 구조의 분급기에 대한 유동해석을 실시하여 공기의 속도 분포를 검토하였다

해석 대상 분급기의 외경은 205mm이며 밑면 중앙에 공기 배출을 위하여 직경이

90mm인 원형 구멍이 뚫려 있다 분급기 외주에는 단면이 원호의 일부로 만들어진

두깨가 2mm 넓이가 18mm 길이가 35mm인 베인이 매 60도마다 10개씩 등간격

으로 모두 60개가 베인의 코드 방향과 분급기의 반경 방향이 이루는 각도가 약 15

도가 되도록 경사지게 설치되어 있다 원주 방향으로 매 60도마다 길이 35mm 직

경 8mm인 원형봉 6개가 등간격으로 배열되어 상ㆍ사 카버 사이에 베인을 고정시

켜 조립되는 구조이다 해석 대상 분급기에 사용된 베인의 단면과 베인의 배열 및

분급기 상ㆍ하면을 고정하는 봉이 포함된 수평면상의 평면도를 Fig 23에 나타내었

다 Fig 24는 분급기의 상면 형상이 평평한 구조인 경우에 대한 분급기의 수직단

면도이다

분급기에 유입되는 공기는 온도 50 유입량 01m3sec 분급기를 통과한 후에

배출되는 공간의 압력은 12bar이며 분급기의 회전속도는 8000rpm(838radsec)

이다 분급기에 발생되는 원심력의 절대적인 크기는 재료의 밀도와 분급하고자 하

는 분말의 크기에 따라 분급기의 회전수를 변화시켜서 조절한다 SolidWorks 및

COSMOSFloWorks 프로그램으로 분급기의 공기 유동해석을 실시하였다 해석시의

변수 입력 항목 및 해석 과정을 ldquo부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 유동해석 절

차rdquo에 정리하였다

Fig 23 베인과 상ㆍ하면 고정 원형봉의 평면 단면도

Fig24 분급기 상면이 평면인 경우의 수직단면도

공기 유동해석 결과를 Fig25~Fig27에 나타내었다 Fig25는 베인의 중간 높이에

서의 수평 단면에서의 공기 속도 분포이다 Fig26은 베인이 위치한 부위에서의수

직단면 Fig 27은 상ㆍ하면을 고정시켜 주는 원형봉이 있는 부위의 수직단면에 분

포하는 공기의 유입 속도 해석 결과를 나타낸 것이다

Fig 25 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig 26 베인 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig27 연결봉 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig15~Fig27의 공기 속도 등고선을 보면 베인 외주부의 상하 위치에 있어서 공

기의속도가 불균일한 분포를 보인다 베인의 분급기 내부 공간에서는 같은 반경인

위치에서 윗부분에서의 공기 속도가 아랫부분에서보다 빠르게 분포하고 있다 베인

의 높이 방향 상ㆍ하 위치에 따른 이러한 유입 속도의 편차는 분급기 외주의 실린

더 면으로부터 유입되는 공기가 분급기 중앙의 밑 방향으로만 배출되는 유동 통로

의 구조 때문으로 판단되낟 따라서 같은 반경의 같은 원심력이 발생되는 위치에

있어서도 윗부분에서의 공기 유입속도가 밑부분에서보다 크게 분포되어 윗부분에서

는 밑부분에서보다 큰 분말이 분급기 안으로 유입된다 지정된 크기의 컷오프보다

큰 분말과 작은 분말이 혼합된 상태로 배출되는 관계로 분급이 정밀도가 저하된다

베인의 상ㆍ하 위치에 무관하게 공기의 유입 속도를 가급적 균일하게 해 주기 위한

목적으로 분급기 내부의 단면 형상을 Fig28과 같은 인볼류트-컨볼류트

(involute-convolute) 단면으로 구성하여 공기의 유동해석을 실시하였다

Fig 28 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기

Fig29는 베인의 중간 높이 수평단면 상에서의 공기 속도 분포이다 Fig25에 비하

여 베인의 외주 부위에서의 공기의 속도가 균일하게 분포되고 있음을 보여 준다

Fig29 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig 30은 베인이 위치한 부위에서의 수직 단면 Fig31은 상ㆍ하면을 고정시켜 주

는 원평봉이 있는 부위에서의 수직 단면에 분포하는 공기 속도 분포이다 Fig30과

Fig31은 각각 Fig25와 Fig26에 비하여 베인의 높이 방향 전체에 걸쳐 공기의 유

입 속도가 상당히 균일하게 분포되는 것을 보여 주고 있다

Fig 30 베인 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig31 연결봉 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig32는 분급기 내부의 공간 형상이 인볼류트-컨볼류트인 분급기의 설계 모델이

Fig32 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 모델

Fig33은 앞의 수축확산 공기 분사노즐(Fig20)과 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급

기(fig32)로 구성된 건식 기류충격식 분쇄기의 3D모델이다 중요 부품의 도면은

ldquo부록 9 설계 도면rdquo에 수록하였다

Fig33 건식 기류충격식 분쇄기의 3D 모델

8 시작품 제작

수축확산 공기 분사노즐의 유동해석 및 분급기의 유동해석 결과를 바탕으로 시작품

을 제작하였다 Fig34는 수축확산 공기 분사노즐 헤드의 시작품 모습이다

Fig 34 수축확산 공기 분사노즐 헤드 시작품

Fig35는 분급기의 시작품 모습이다 분급기의 베인은 분체와 마찰시 내마모성을

갖도록 SUS 재질로 곡면 성형한 후 세라믹으로 코팅하여 제작하였다

Fig35 분급기 시작품

Fig 36은 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 수축확산 공기 분사

노즐 및 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 등이 분쇄기의 내부에 장착되어 있다

Fig36 건식 기류충격식 분쇄기 시작품

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기와 관련된 국외 특허 자료 조사와 분석 공기의

유동해석에 있어 많은 일정이 소요되었다 기술지원 추진일정을 Table1에 정리하

였다

Table 4 추진 일정

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 22: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

분쇄기의 모델과 분쇄 대상 재료에 따라 분말의 크기가 01 - 10 의 범위에 있

Fig 2 일본 Hosokawa 사의 수직형 기류충격식 분쇄기의 내부

2 일본 Hosokawa 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(2)

Fig 3a ~ Fig 3c는 일본 Hosokawa 사의 등록특허이다 분쇄기와 분급기 구조에

관한 것이다 Fig 3a에 보인 원형 단면의 분쇄실 외주부에 Fig 3b와 같이 에어를

고압 분사하는 분사노즐이 다수개 배열되어 있어 재료 공급관으로 유입되는 재료

가 고압의 공기 분사에 의하여 분쇄된다 분쇄도니 미분은 상부 통로로 배출되며

조분은 Fig 3b 의 ldquo16rdquo 번 부위인 분쇄기 내벽을 따라 이동되다가 공기 노즐의

출구부 측면에 나있는 구멍으로 흡입되어 공기와 함께 분사되어 재분쇄가 된다

Fig 3a 일본 Hosokawa 사의 분쇄기 단면(일본 特開平 11-179228 1999)

Fig 3b 일본 Hosokawa사의 분쇄기 평면(일본 特開平 11-179228 1999)

Fig 3c 일본 Hosokawa사 분쇄노즐 단면(일본 特開平 11-179228 1999)

3 일본 미놀타 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(3)

Fig 4a ~ Fig 4c 는 일본 미놀타사의 등록특허이다 분쇄기와 분급기 구조로

Fig 2에 보인 Hosokawa 사의 수직형 분쇄기와 비슷한 구조이다 분쇄 효율을 높

이기 위하여 Fig 4c 에 보인 것과 같은 분쇄기 중앙부의 분사된 공기가 집중되는

위치에 삼각형 경사판을 배치하여 공기가 충돌한 후 분쇄기 상부로 향하게 되어

있다

Fig 4a 일본 미놀타사의 분쇄기 단면(일본 特開 2000-5621 2000)

Fig 4b 일본 미놀타사 분쇄기의 분사노즐 배열(일본 特開 2000-5621 2000)

Fig 4c 일본 미놀타사 분쇄기의 충격판(일본 特開 2000-5621 2000)

4 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(4)

Fig 5는 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 등록특허이다 분쇄기 내측

수평면상에 분사노즐이 서로 마주 보게 배열되어 있다 분급기의 회전 축이 분쇄기

의 중심축과 일치한 상태로 회전하여 수평면 상에서 원심력에 의하여 분급이 이루

어진다 분급된 미분은 분쇄기 상부의 통로로 배출된다

Fig 5 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 수평형 기류충격식

분쇄기(일본 特開 2002-35631 2002)

5 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(5)

Fig 6 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기 구조는 Fig 4 의 일본

미놀타사와 유사하다 수평면상에 분사노즐이 배열되어 있으며 분급기의 회전축도

수평으로 위치하고 있다

Fig 6 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(일본 特開 2003-88773

2003)

6 미국 Xerox사의 수평형 기류충격식 분쇄기와 노즐(6)

Fig 7a의 미국 Xerox사의 수평형 기류충격식 분쇄기 구조는 Fig 5의 일본

Hosokawa Alpine AGampCo OHG 사의 구조와 유사하다 분사노즐이 수평면상으로

배열되어 있으며 분급기의 회전축도 수평으로 위치하고 있다 분사노즐의 형상은

Fig 7b 에서와 같이 이중관 구조이다

Fig 7a 미국 Xerox 산의 수평형 기류충격식 분쇄기(일본 特開 2004-50179

2004)

Fig 7b 미국 Xerox 사의 이중관 분사노즐(일본 特開 2004-50179 2004)

7 독일 Netzsch사의 건식 기류충격식 분쇄기(7)

독일 Netzsch 사는 대표적인 기본 구조의 건식 기류충격식 분쇄기를 개발하여 가

공 용량이 다른 여러 가지 분쇄기에 유사한 구조를 적용하였으며 일본 Hosokawa

산의 분쇄기와는 전혀 상이한 구조이다 즉 3 개의 초음속 분사노즐이 기류충격식

분쇄기 하부의 수평 평면상에 원호상 등간격인 120 도 간격으로 원의 중심을 향하

여 배열되어 있으며 Fig 8 에서와 같이 수직 회전축을 갖는 원심형 분급기가 분

쇄기 상부에 설치되어 있다 분급기의 외형 모습은 Fig 9에 보인 것과 같으며 분

급 효율을 향상시킬 목적으로 분급기 단면이 회전 중심으로 향할수록 상하 공간이

넓어지는 ldquoConvor로 명명된 형상의 단면 모습으로 되어 있다(Fig 10)

Fig 8 독일 Netzsch 사 분쇄기의 내부 구조

Fig 9 독일 Netzsch 사의 분급기

Fig 10 독일 Netzsch 사 분급기의 단면 형상 ldquoConvor

8 독일 특허 공기 분사노즐(9)

독일 Netzsch 사의 분쇄기 관련 기술 컨설턴트인 Nied 가 고안한 분쇄용 분사노즐

의 구조에 대한 것이다 3 개의 공기 분사노즐이 기류충격식 분쇄기 하부의 수평

평면상에 원호상 등간격인 120도 간격으로 원의 중심을 향하여 배열되어 있다(Fig

11a) 분사노즐 중앙부의 구조는 단면이 수축-확산 형태로 노즐로 초음속의 고속

분사를 하면서 중심 노즐 주변에 중앙 분사부를 감싸는 이중 공기 분사관을 형성

하여 중앙의 분사노즐에서 분사되는 공기의 확산각이 커지지 않도록 공기 주위에

추가적인 보조 공기를 분사하는 구조이다(Fig 11b)

Fig 11a 독일 특허-분사노즐 배열과 분사 공기의 분포(EP 0 736328A1 1996)

Fig 11b 독일 특허-분사노즐 단면과 분사 공기의 분포(EP 0 736328A1 1996)

9 미국 특허 분쇄기 구조(10)

일본의 히데유끼 요시다 등 5 명이 미국에 출원한 특허로 분쇄 재료가 초음속으로

분출되는 공기 통로의 중간에서 공급되며 재료가 분쇄실로 이동된 후 충격판에 충

돌되어 분쇄되는 구조이다(Fig12) 분쇄된 분말의 크기는 10 수준이다

Fig 12 미국 특허-충돌식 분쇄기(USP 57657661998)

제 2 절 국내의 기술 현황

국내의 경우에는 초미분 분말 생산에 관한 개발 역사가 짧으며 연구소 대학 기업

등에서 다발적으로 연구가 진해오디고 있다 기계 전자 물리 재료 화학 등의 연

계된 연구가 필요하다 1996 년 과학기술부 및 산업자원부 등의 산업단을 중심으로

대형 연구가 수행되어 왔으나 주로 기상법에 의한 분말합성에 관한 것이다 1998

년도부터 한국기계연구원에서 200nm 급의 건식 분쇄 및 분급기에 대한 개발을 시

작으로 초미분 파우더 생산 장비에 관한 연구가 이루어지고 있다 초미분 분쇄 방

식은 본 기술지원 과제의 지원기업인 대가파우더시스템을 포함하여 습식 방식인

교반밀(agitated mill)을 주로 사용하며 입도의 크기는 5 이상 수십 크기의

범위이다 기류충격식 분쇄기의 기술 수준은 입도의 크기가 5 ~ 10 수준이다

기존의 습식분쇄기의 경우 평균 입도가 28 ~ 32로 Pb0를 대상으로 할 때 4

~ 6 kghr 정도를 생산할 수 있는 수준이다

국내에 등록되어 있는 건식 기류충격식 분쇄기와 관련된 특허의 출원인인 대부분이

일본업체이며 일본에 출원된 특허를 한국에 재출우너한 것이 대부분이다 미국과

벨기에가 각각 1 건씩 등록하고 있으며 한국인이 출원한 특허는 테크월드에서

출원한 3 건 등 모두 4 건이 검색되었다 마이크로급 이상의 파우더 생산장비에 대

한 국내의 기술 수준은 선진국 기술 수준의 약 70 수준이다 그나마도 설계 및

생산에 있어 거의 모방에 의존하고 있다 나노급 기술은 초보적인 상태이다

제 3 장 기술지원 수행 내용 및 결과

제 1 절 기술지원 수행

본 부품소재종합기술지원사업은 Fig13의 기술 개발 추진도에 따라 수행되었다

Fig 13 기술 개발 추진도

분쇄기의 전체 시스템 중에서 분쇄기와 분급기 이외의 기타 구성 모듈들에 대한 설

계 및 생산기술은 지원기업 대가파우더시스템이 기확보하고 있는 기술이 기술

지원의 주된 내용은 기류충격식 분쇄기의 핵심 부품이며 분쇄기의 성능을 좌우하는

초음속 공기 분사노즐과 분급기의 설계 기술에 관한 것이다 초음속 공기 분사노즐

의 단면 형상 공급 공기의 압력과 분사 공기의 속도 및 공기 소요량 산출을 위한

공기 분사노즐 설계와 분쇄기 내부의 내마모성 재료 선택 분급기 베인의 형상과

분급기로 유입되는 공기의 속도 분포를 균일하게 하여 원심력 작용으로 분말의 분

급 정밀도를 향상시켜 주기 위한 분급기의 내부 단면 형상 설계 미 ㅊ유입 공기 속

도 및 압력 분포에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 방법 등에 대한 체계적인 기술 지원이

수행되었다 향후 유사 모델 개발에 적용하여 새로운 제품을 개발할 수 있는 설계

능력을 확보하였다

1 분쇄기 시스템 구성도

본 기술지원을 통하여 개발하는 핵심 기술은 건식 기류충격식 분쇄기의 초음속 공

기 분사노즐과 분급기와 관련된 기술이다 분쇄기의 기본 구조는 독일의 Netzsch

사 제품과 유사한 구조로 되어 있으며 분쇄용 공기 분사노즐과 고정밀도의 분급기

설계기술을 자체 보유하는 데 주안점이 있다 개발 대상 분쇄기 시스템의 전체 구

성도는 Fig 14(7)에서와 같다 Fig 14에서 분쇄기 시스템은 ldquo진동공급기rdquo를 통하

여 공급되는 분쇄용 우너료를 ldquo건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기rdquo로 분쇄 및 분급

한 후에 cyclone을 거쳐 bag filter로 분말을 포집하는 시스템으로 구성되어 있

다 분말과 공기가 혼합된 기류는 각각의 단계로 이송하는 과정에서 double flap

valve로 이송이 조절되며 최종적으로 fan의 작동으로 공기가 배출된다

건식 기류충격식 분쇄기 본체를 구성하는 부품의 서브어셈블리는 각각 Chamber

Body Laval Nozzle Classifier Wheel 및 Bearing Block등으로 구성되어 있

다 주요한 설계 변수는 분쇄챔버의 직경과 높이 초음속 공기 분사노즐 설계 있어

서 라발 노즐(초음속 공기 분사노즐)의 모즐 목 내경과 배출부의 직경 및 축방향의

단면 형상 공기되는 공기의 압력 등이다 분급기 설계에 있어서의 주요 변소는 베

인의 단면 형상 베인의 수량과 배열 각도 분급기 내부 공동부의 단면 형상 분급

기에 유입되는 공기 속도와 분급기를 통과한 이후의 공기 압력 등이다

Fig 14 기류충격식 분쇄기의 시스템 구성도

2 소리의 속도

물체의 일부에 교란을 주면 개스 유체 및 고체의 압축성으로 인하여 물체를 통하

여 유한한 속도로 교란이 전파된다

음속은 물체의 압력과 밀도 변화와 관계되어 있으며 다음식으로 표현된다

여기서

음속 압력변화 밀도 변화

체적탄성계수는 다음과 같이 표현된다

여기서

체적탄성계수 압력변화 체적변화 초기체적

체적탄성계수는 식 (3)으로도 표현된다

여기서

물체의밀도변화 물체의초기밀도

개스 유체 고체 내에서의 음속은 다음식과 같다

여기서

체적탄성계수

개스에서의 소리 속도는 아주 작은 한 점에서 교란이 일어나는 관계로 열전달을 무

시할 수가 있으며 또한 등온 상태로 가정할 수가 있다 이상 기체에서의 소리 속도

는 절대 온도의 근에 비례하며 다음식으로 표현된다

여기서

k = 비열비 (adiabatic index)

p = 압력 (Pa psi)

R = 개스 상수

T = 절대 온도 (degK degR)

앞의 식 (4)와 식 (5)로부터

식 (6)으로부터 체적탄성게수 E를 구할 수가 있다

( 예 1 ) 공기의 체적탄성계구 산출

k = 14 R = 287 (JK kg) at T=293K( 20 ) p=1204(kgm3)

Eair = k R T p=14X287X293X1204=14174379((Jm3)

Eair = 14174379(Nm2)

( 예 2 ) 염소(C12)의 체적탄성계수 산출

k = 134 R = 120 (JK kg) at T=293K(20) p=2994(kgm3)

Ec12 = k R T p=134X120X293X1994=14106051((Jm3)

Ec12 = 14106051(Nm2)

( 예 3 ) 0 1 bar 공기에서의 소리 속도

c = (14x287x273)12

= 3312 (ms)

여기서

k = 14

R = 287 (JK kg)

( 예 4 ) 20 1bar 공기에서의 소리 속도 산출

c = (14X287X293)12

= 3431 (ms)

( 예 5 ) 0 물속에서의 소리 속도 산출

여기서

3 공기 분사노즐에서의 유동식

개스역학에서 공기의 속도가 sim 이상으로 빠르거나 압력의 변화가

보다 큰 경우에는 압축성 흐름으로 취급한다 이러한 현상은 노즐에서

개스가 팽창하는 경우에 발생된다

정상유동에서의 에너지 평형 상태는 다음식으로 표현된다

여기서 엔탈피는

이며 엔탈피 ∆의 변화는 내부에너지 ∆에 외부로 또는 외부로부터의 체적에

의한 일 ∙∆의 합과 같다

내부에너지의 변호가 없고 밀도가 일정하다고 가정하면 즉 ∆ 인

경우에는 비압축성유동의 베르누이 방정식이 된다 반면에 위치네어지의 변화가 없

는 경우 ∆ 에는 상대적으로 밀도가 낮은 압축성 유체인 ldquo개스rdquo의 상태를

나타낸다 ldquo개스역학rdquo 이라는 자체가 의미하듯이 해석에 있어 고압 및 개스의 속도

가 포함되며 내부에너지의 변화 ∆를 무시할 수가 없다 이러한 의미에서 식 (7)

은 다음과 같이 된다

이상개스 방정식에서

이며 식 (12)를 식(9)에 대입하면 다음과 같이 된다

식 (13)에 에너지 보존법칙을 적용하면 노즐에서 분사되는 개스의 속도를 구할 수

있다

개스의 초기 속도가 인 경우에는

가역 단열 흐름에 있어서는 다음 3개의 식을 적용할 수가 있다

식 (16) ~ 식 (18)을 식 (15)에 대입하면 노즐에서 분출되는 개스의 속도가 구해

진다

노즐을 통과하는 질량의 흐름 식

밀도의 비로부터

다음과 같이 노즐을 통과하는 질량을 구한다

다음의 식 (23)을 식 (22)에 대입하여

식 (24)를 구한다

여기에서

을 ldquo탈출 계수(escape coefficient)rdquo 라고 한다

식 (25)를 사용하여 식 (24)를 다시 표현하면 다음의 간략식이 된다

탈출 계수 는 압축비 의 값이 다음과 같은 값일 때

임계 압축비 또는 라발 압축비로 표현되는 다음 크기의 최대값을 갖는다

음속은 노즐의 단면적이 제일 작은 부분에서 임계 압축비에 도달한다

max는 테이퍼가 일정한 실린더 형상의 노즐에 적용된다 식 (26)에 의하여

ㆍ 가 되며 는 일정한 테이퍼의 노즐에서만 증가할 수 있다 만약 압

축비 가 임계비 이하이면 max이므로 노즐을 통과하는 질량의 흐름은 일정

하다 이것은 질량의 흐름이 외부의 압력에 영향을 받지 않는다는 것을 의미한다

질량의 흐름에 의한 일은 다음의 식 (30)으로부터 구해진다

압축성 유체의 단열 팽창시에 수행된 일은 식 (19)와 식 (30)로부터 다음과 같이

산출된다

아래의 Fig 15 는 수축확산 노즐의 단면 모습이며(11) Fig 16 은 수축확산 노즐에

서의 압력 온도 속도 변화를 나타낸 것이다(8)

Fig 15 수축확산 노즐(Laval Nozzle)

Fig 16 수축확산 노즐에서의 압력 온도 속도 변화

압축성 유체의 흐름에 있어서 임계 속도 이후에 노즐의 단면이 서서히 확대되면

열에너지가 유동에너지로 변환되면서 온도는 낮아지고 흐름이 증가된다

앞의 식 (27)을 참조할 때 Fig 16 의 수축확산 노즐의 단면적이 가장 작은 임계

압축비 에서 음속에 도달한다 이 것은 질량 흐름에 식 (26)이 계속적으로 유

효하다는 것을 의미한다 수축확산 노즐 출구에서의 온도는 다음과 같은 관계가 된

노즐 확산부의 치수는 다음식으로부터 구해지며

개스 상수 등은 계수 개스 유입 온도 노즐 목의 직경 압축비 등의

변수로부터 노즐 출구에서의 개스 속도와 온도를 구할 수가 있다 공기 흐름 해석

대상 노즐 각부에 대한 부호는 Fig17에서와 같다

Fig 17 수축확산 노즐의 각부 부호

실제 수축확산 노즐을 설계하는 데 있어서는 노즐에서 발생될 수 있는 압축파 발생

을 억제하기 위하여 노즐 출구의 치수를 설계값보다 약간 작게 한다 즉 Fig 17에

서의 노즐의 확산각 가 를 넘지 않아야 하며 최대 이내여야 한다

4 공기 분사노즐의 흐름 특성 계산

앞의 ldquo3 초음속 공기 분사노즐에서의 공기의 흐름rdquo에서 유도된 식들을 이용하여

ldquoMathcad 13 프로그램(12)으로 설계 대상 분쇄기에 적용되는 공기 분사노즐의 단

면 치수 유입 공기량 노즐 출구에서의 공기 속도 소요 동력 등을 산출하였다

우선 단위와 공기의 상수를 정리하면

kilo=1000 TK =273 hoursec =3600 k = 14

ㆍsecㆍ

ㆍsecㆍ

ㆍsec

ㆍsec

예를 들어 tan tan tan tan

해석 조건이 다음과 같으면 tank pressure=700kPa Ttank=70 exit

pressure=100kPa

단위 (mm) throat diameter=50 length 150 outlet diameter=70 diffusion

angle α=38deg

d = 0007 pe = 100kilo po = 7pe Ttank =7C

To = TK+Ttank To=343 (K)

times

sec

Air_massflow1N_hour =Air_masflow1N_sechoursec

Air_massflow1N_hour = 133024 (kghrper 1 nozzle)

Air_massflow3N_hour = Air_massflow 1N_hour3

Air_massflow 3N_hour = 399071 (kghrper 3 nozzles)

Imsec)

sec

timesorsec timesorsec

(kgm3)

sec

sec sec

공기분사 노즐 목의 직경이 50mm 출구 직경이 70mm 노즐 목에서 노즐 출구까

지의 길이가 150mm로 공기 분사노즐의 환산각 도인 공기 분사노즐이 3

개 장착되어 있으며 탱크내의 공기가 압력 7bar 와 70 를 유지하면서 계속적으

로 노즐을 통하여 공급되며 또한 분쇄 챔버 내의 압력이 1bar 로 유지되는 경우의

공기 분사노즐의 유동 특성 계산 결과를 종합 정리하면 다음과 같다

- 노즐 출구에서의 공기 최대 속도 542151msec

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 무게 399071kghr

(노즐 하나에 00369kgsec)

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 부피 225333m3hr(0063m3sec)

- 소요 동력 16291kWhhr

5 수축확산 공기 분사노즐의 유동 해석

공기 분사노즐을 3D 모델링 프로그램 SolidWorks(13)로 모델링하여 열유체 해석

을 위한 유한요소해석 프로그램 COSMOSFlwWorks(14)로 공기 분사노즐 내의 유

동 해석을 수행하였다 해석 대상 공기 분사노즐 단면의 형상과 각부의 치수는

Fig18에서와 같다

Fig 18 수축확산 노즐 유동 해석 모델의 단면

해석시에 적용된 변수값들은 앞의 ldquo4 초음속 공기 분사노즐의 분사 특성 계산rdquo에

서 산출된 값을 적용하였다 노즐의 확산부위 길이는 15mm 이며 분사노즐의 확산

각은 도이다 노즐 하나에 대하여 Fig 18 의 왼쪽면에서 00369 kgsec

의 공기가 유입되며 오른쪽 분사노즐 출구면에 12bar 의 압력을 적용하였다 분사

노즐의 유동 해석 결과의 여러 가지 특성값 중에서 본 설계에서의 주요 관심사가

공기의 배출 속도인 관계로 Fig 19에 흐름의 속도 분포 Fig 20에 흐름의 마하넘

버 분포를 나타내었다 초음속 흐름에 대한 해석으로 분사노즐 목에서의 공기속도

가 약 335msec(마하 1)이 되며 노즐 출구에서 최대속도가 된다 Fig 21은 수축

확산 노즐에 대한 공기의 속도 분포 해석 결과를 반영하여 공기 분사노즐을 모델링

한 것이다

Fig 19 수축확산 노즐의 공기 흐름 속도 분포

Fig 20 수축확산 노즐의 공기 흐름 마하넘버 분포

Fig 21 수축확산 노즐 모델

6 분급 이론

분급(分級 classification)이란 유체력을 이용해서 분립체를 그 입자 지름의 크기에

따라 분리하는 것으로 넓은 뜻으로는 유체력에 의한 분리만이 아니라 체가름을 포

함하는 경우가 있다 더 넓게는 비중선별ㆍ자기력선별 등 모든 입자분리조작을 분

급이라고 한다 공기ㆍ물 등의 유체 속에서 운동하는 분립체의 각 입자에는 중력

또는 원심력 이외에 유체에 의한 유체항력 등이 함께 작용된다 이 힘 즉 유체항력

은 입자 지름에 의존하는 데 유체항력과 입자 지름의 관계는 중력이나 원심력과

입자 지름의 관계와는 다르기 때문에 이 둘 사이의 균형 조건이 입자 지름에 의해

좌우된다 좁은 뜻의 분급은 이 원리를 이용한 입경분리조작을 의미한다 중력장에

서 등속 침강하는 구 형상의 입자에 대한 힘의 균형은 다음 식으로 표현된다

여기서 은 입자 질량 prime는 입자에 의해 배제된 유체 질량 g는 중력가속도 R

은 는 유체항력을 나타낸다 유체항력 R은 다음 식으로 나타낼 수 있다

여기서 는 저항계수 (drag coefficient)로 입자 주위의 유체의 상대적인 흐름의

상태에 따라 결정되는 무차원 계수이다 는 유체의 밀도 는 입자의 침강속도

는 입자의 지름이며 는 입자의 투영 최대 면적이다 물 또는 공기 속에서 입

자의 지름이 100 이하 입자의 밀도가 3gcm2이하의 조건에서는 입자 주위의 흐

름은 거의 충류로 간주되며 이때 R은 다음 식으로 나타내진다

여기서 는 유체의 점성도이다

prime

이므로 식 (36)을 식 (34)에 대입하면 식 (37)을 얻는다

여기서 는 입자 밀도이며 식 (37)을 스토크스의 침강속도식이라고 하며 분급에서

분리입자 지름을 구하기 위한 기본식으로 중요하다

식 (37)은 다음

과 같이도 표현된다

유체가 공기나 그 외의 기체인 경우의 분급 조작을 건식 분급(또는 공기 분급) 물

이나 그 외의 액체인 경우의 분급 조작을 습식 분급이라 한다 앞에 언급된 기본식

들 이외에 어떤 종류의 분급장치에서는 유체의 흐름 방향이 급격히 변화할 때 흐름

에 따라 운동하는 입자의 관성력의 효과가 중요한 역할을 한다

분급에 사용하는 장치를 분급기(classifier)라고 한다 건식분급기에는 관성력을 이

용하는 것 중력침강을 이용하는 것 원심력을 이용하는 것 등이 있다 관성력을 이

용하는 건식분급기에는 루버식분급기 버추얼임팩터 엘보제트형분급기 등이 있는

데 건식분급기로는 원심력을 이용한 것이 가장 널리 사용되고 있다 원심력을 이용

한 건식분급기로는 분급 입도가 30~100 정도의 비교적 굵은 입도에서의 대량 처

리로 옛날부터 알려진 스튜어트밴트형 등이 있으며 또한 몇 ~30의 분급이 가

능한 여러 분급기가 개발되어 널리 쓰이게 되었다 또한 사이클론도 미립(微粒)에서

조립(組立)에 이르는 분체(粉體)의 건식분급에 이용된다 습식분급기에는 중력식과

원심력식이 있으며 중력식은 상승 수류(水流)와 유동층을 이용한 수력분급기 원뿔

형 또는 각뿔형 용기에서의 중력침강을 이용한 세틀링탱크 등의 침강분급조 완만

하게 경사진 직사각형의 조(槽)로부터 침하한 조립 생산물을 긁어올리기 위한 레이

크나 스파이럴을 갖춘 기계분급기 등으로 분류된다 원심력을 이용한 습식분급기로

는 사이클론 또는 하이드로사이클론이 가장 대표적이며 솔리드볼형ㆍ디스크형 등

의 원심분리기도 미립자용 분급기로 사용된다

Fig 22는 베인 구조의 원심형 분급기의 회전 단면 모습이다

Fig22베인 구조의 원심형 분급기의 단면

Fig 22에서 H는 분급기 내부 상하면 사이의 간격이며 는 선별된 미분이 배출되

는 반경 는 베인의 내반경 는 베인의 외반경을 나타낸다

분체 주위의 공기 흐름이 층류 흐름이라는 조건하에서 베인 구조의 원심형 분급기

에의 컷포인트(utpoint)를 결정짓는 외주부의 반경 은 다음과 같다

또한 선별된 미분이 배출되는 반경은 다음과 같다

베인 사이에서도 고체의 회전법칙이 적용된다 베인의 외주 반경에서 속도의 원주

방향 성분 과 중심방향 성분 가 가장 큰 영향을 준다

식 (41)과 식 (42)를 식 (38)에 대입하여 정리하면 다음과 같다

독일 Netzsch 사에서는 베인의 내반경 에서 선별된 미분이 배출되는 반경 까

지의 반경 방향의 공기 속도 성분 을 질정하게 해 주기 위하여 Fig 10에 보인

ldquoConvorrdquo라고 불리우는 단면의 분급기를 개발하여 사용화하고 있다

7 분급기 설계와 유동 해석

분급기의 베인 사이로 분쇄된 미분과 공기가 함께 유입되어 중앙부의 배출구로 통

과하는 분급기의 내부 형상을 설계하기에 앞서 분급기 내부를 구성하는 상면이 평

평한 구조의 분급기에 대한 유동해석을 실시하여 공기의 속도 분포를 검토하였다

해석 대상 분급기의 외경은 205mm이며 밑면 중앙에 공기 배출을 위하여 직경이

90mm인 원형 구멍이 뚫려 있다 분급기 외주에는 단면이 원호의 일부로 만들어진

두깨가 2mm 넓이가 18mm 길이가 35mm인 베인이 매 60도마다 10개씩 등간격

으로 모두 60개가 베인의 코드 방향과 분급기의 반경 방향이 이루는 각도가 약 15

도가 되도록 경사지게 설치되어 있다 원주 방향으로 매 60도마다 길이 35mm 직

경 8mm인 원형봉 6개가 등간격으로 배열되어 상ㆍ사 카버 사이에 베인을 고정시

켜 조립되는 구조이다 해석 대상 분급기에 사용된 베인의 단면과 베인의 배열 및

분급기 상ㆍ하면을 고정하는 봉이 포함된 수평면상의 평면도를 Fig 23에 나타내었

다 Fig 24는 분급기의 상면 형상이 평평한 구조인 경우에 대한 분급기의 수직단

면도이다

분급기에 유입되는 공기는 온도 50 유입량 01m3sec 분급기를 통과한 후에

배출되는 공간의 압력은 12bar이며 분급기의 회전속도는 8000rpm(838radsec)

이다 분급기에 발생되는 원심력의 절대적인 크기는 재료의 밀도와 분급하고자 하

는 분말의 크기에 따라 분급기의 회전수를 변화시켜서 조절한다 SolidWorks 및

COSMOSFloWorks 프로그램으로 분급기의 공기 유동해석을 실시하였다 해석시의

변수 입력 항목 및 해석 과정을 ldquo부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 유동해석 절

차rdquo에 정리하였다

Fig 23 베인과 상ㆍ하면 고정 원형봉의 평면 단면도

Fig24 분급기 상면이 평면인 경우의 수직단면도

공기 유동해석 결과를 Fig25~Fig27에 나타내었다 Fig25는 베인의 중간 높이에

서의 수평 단면에서의 공기 속도 분포이다 Fig26은 베인이 위치한 부위에서의수

직단면 Fig 27은 상ㆍ하면을 고정시켜 주는 원형봉이 있는 부위의 수직단면에 분

포하는 공기의 유입 속도 해석 결과를 나타낸 것이다

Fig 25 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig 26 베인 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig27 연결봉 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig15~Fig27의 공기 속도 등고선을 보면 베인 외주부의 상하 위치에 있어서 공

기의속도가 불균일한 분포를 보인다 베인의 분급기 내부 공간에서는 같은 반경인

위치에서 윗부분에서의 공기 속도가 아랫부분에서보다 빠르게 분포하고 있다 베인

의 높이 방향 상ㆍ하 위치에 따른 이러한 유입 속도의 편차는 분급기 외주의 실린

더 면으로부터 유입되는 공기가 분급기 중앙의 밑 방향으로만 배출되는 유동 통로

의 구조 때문으로 판단되낟 따라서 같은 반경의 같은 원심력이 발생되는 위치에

있어서도 윗부분에서의 공기 유입속도가 밑부분에서보다 크게 분포되어 윗부분에서

는 밑부분에서보다 큰 분말이 분급기 안으로 유입된다 지정된 크기의 컷오프보다

큰 분말과 작은 분말이 혼합된 상태로 배출되는 관계로 분급이 정밀도가 저하된다

베인의 상ㆍ하 위치에 무관하게 공기의 유입 속도를 가급적 균일하게 해 주기 위한

목적으로 분급기 내부의 단면 형상을 Fig28과 같은 인볼류트-컨볼류트

(involute-convolute) 단면으로 구성하여 공기의 유동해석을 실시하였다

Fig 28 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기

Fig29는 베인의 중간 높이 수평단면 상에서의 공기 속도 분포이다 Fig25에 비하

여 베인의 외주 부위에서의 공기의 속도가 균일하게 분포되고 있음을 보여 준다

Fig29 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig 30은 베인이 위치한 부위에서의 수직 단면 Fig31은 상ㆍ하면을 고정시켜 주

는 원평봉이 있는 부위에서의 수직 단면에 분포하는 공기 속도 분포이다 Fig30과

Fig31은 각각 Fig25와 Fig26에 비하여 베인의 높이 방향 전체에 걸쳐 공기의 유

입 속도가 상당히 균일하게 분포되는 것을 보여 주고 있다

Fig 30 베인 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig31 연결봉 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig32는 분급기 내부의 공간 형상이 인볼류트-컨볼류트인 분급기의 설계 모델이

Fig32 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 모델

Fig33은 앞의 수축확산 공기 분사노즐(Fig20)과 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급

기(fig32)로 구성된 건식 기류충격식 분쇄기의 3D모델이다 중요 부품의 도면은

ldquo부록 9 설계 도면rdquo에 수록하였다

Fig33 건식 기류충격식 분쇄기의 3D 모델

8 시작품 제작

수축확산 공기 분사노즐의 유동해석 및 분급기의 유동해석 결과를 바탕으로 시작품

을 제작하였다 Fig34는 수축확산 공기 분사노즐 헤드의 시작품 모습이다

Fig 34 수축확산 공기 분사노즐 헤드 시작품

Fig35는 분급기의 시작품 모습이다 분급기의 베인은 분체와 마찰시 내마모성을

갖도록 SUS 재질로 곡면 성형한 후 세라믹으로 코팅하여 제작하였다

Fig35 분급기 시작품

Fig 36은 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 수축확산 공기 분사

노즐 및 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 등이 분쇄기의 내부에 장착되어 있다

Fig36 건식 기류충격식 분쇄기 시작품

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기와 관련된 국외 특허 자료 조사와 분석 공기의

유동해석에 있어 많은 일정이 소요되었다 기술지원 추진일정을 Table1에 정리하

였다

Table 4 추진 일정

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 23: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

Fig 3a 일본 Hosokawa 사의 분쇄기 단면(일본 特開平 11-179228 1999)

Fig 3b 일본 Hosokawa사의 분쇄기 평면(일본 特開平 11-179228 1999)

Fig 3c 일본 Hosokawa사 분쇄노즐 단면(일본 特開平 11-179228 1999)

3 일본 미놀타 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(3)

Fig 4a ~ Fig 4c 는 일본 미놀타사의 등록특허이다 분쇄기와 분급기 구조로

Fig 2에 보인 Hosokawa 사의 수직형 분쇄기와 비슷한 구조이다 분쇄 효율을 높

이기 위하여 Fig 4c 에 보인 것과 같은 분쇄기 중앙부의 분사된 공기가 집중되는

위치에 삼각형 경사판을 배치하여 공기가 충돌한 후 분쇄기 상부로 향하게 되어

있다

Fig 4a 일본 미놀타사의 분쇄기 단면(일본 特開 2000-5621 2000)

Fig 4b 일본 미놀타사 분쇄기의 분사노즐 배열(일본 特開 2000-5621 2000)

Fig 4c 일본 미놀타사 분쇄기의 충격판(일본 特開 2000-5621 2000)

4 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(4)

Fig 5는 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 등록특허이다 분쇄기 내측

수평면상에 분사노즐이 서로 마주 보게 배열되어 있다 분급기의 회전 축이 분쇄기

의 중심축과 일치한 상태로 회전하여 수평면 상에서 원심력에 의하여 분급이 이루

어진다 분급된 미분은 분쇄기 상부의 통로로 배출된다

Fig 5 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 수평형 기류충격식

분쇄기(일본 特開 2002-35631 2002)

5 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(5)

Fig 6 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기 구조는 Fig 4 의 일본

미놀타사와 유사하다 수평면상에 분사노즐이 배열되어 있으며 분급기의 회전축도

수평으로 위치하고 있다

Fig 6 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(일본 特開 2003-88773

2003)

6 미국 Xerox사의 수평형 기류충격식 분쇄기와 노즐(6)

Fig 7a의 미국 Xerox사의 수평형 기류충격식 분쇄기 구조는 Fig 5의 일본

Hosokawa Alpine AGampCo OHG 사의 구조와 유사하다 분사노즐이 수평면상으로

배열되어 있으며 분급기의 회전축도 수평으로 위치하고 있다 분사노즐의 형상은

Fig 7b 에서와 같이 이중관 구조이다

Fig 7a 미국 Xerox 산의 수평형 기류충격식 분쇄기(일본 特開 2004-50179

2004)

Fig 7b 미국 Xerox 사의 이중관 분사노즐(일본 特開 2004-50179 2004)

7 독일 Netzsch사의 건식 기류충격식 분쇄기(7)

독일 Netzsch 사는 대표적인 기본 구조의 건식 기류충격식 분쇄기를 개발하여 가

공 용량이 다른 여러 가지 분쇄기에 유사한 구조를 적용하였으며 일본 Hosokawa

산의 분쇄기와는 전혀 상이한 구조이다 즉 3 개의 초음속 분사노즐이 기류충격식

분쇄기 하부의 수평 평면상에 원호상 등간격인 120 도 간격으로 원의 중심을 향하

여 배열되어 있으며 Fig 8 에서와 같이 수직 회전축을 갖는 원심형 분급기가 분

쇄기 상부에 설치되어 있다 분급기의 외형 모습은 Fig 9에 보인 것과 같으며 분

급 효율을 향상시킬 목적으로 분급기 단면이 회전 중심으로 향할수록 상하 공간이

넓어지는 ldquoConvor로 명명된 형상의 단면 모습으로 되어 있다(Fig 10)

Fig 8 독일 Netzsch 사 분쇄기의 내부 구조

Fig 9 독일 Netzsch 사의 분급기

Fig 10 독일 Netzsch 사 분급기의 단면 형상 ldquoConvor

8 독일 특허 공기 분사노즐(9)

독일 Netzsch 사의 분쇄기 관련 기술 컨설턴트인 Nied 가 고안한 분쇄용 분사노즐

의 구조에 대한 것이다 3 개의 공기 분사노즐이 기류충격식 분쇄기 하부의 수평

평면상에 원호상 등간격인 120도 간격으로 원의 중심을 향하여 배열되어 있다(Fig

11a) 분사노즐 중앙부의 구조는 단면이 수축-확산 형태로 노즐로 초음속의 고속

분사를 하면서 중심 노즐 주변에 중앙 분사부를 감싸는 이중 공기 분사관을 형성

하여 중앙의 분사노즐에서 분사되는 공기의 확산각이 커지지 않도록 공기 주위에

추가적인 보조 공기를 분사하는 구조이다(Fig 11b)

Fig 11a 독일 특허-분사노즐 배열과 분사 공기의 분포(EP 0 736328A1 1996)

Fig 11b 독일 특허-분사노즐 단면과 분사 공기의 분포(EP 0 736328A1 1996)

9 미국 특허 분쇄기 구조(10)

일본의 히데유끼 요시다 등 5 명이 미국에 출원한 특허로 분쇄 재료가 초음속으로

분출되는 공기 통로의 중간에서 공급되며 재료가 분쇄실로 이동된 후 충격판에 충

돌되어 분쇄되는 구조이다(Fig12) 분쇄된 분말의 크기는 10 수준이다

Fig 12 미국 특허-충돌식 분쇄기(USP 57657661998)

제 2 절 국내의 기술 현황

국내의 경우에는 초미분 분말 생산에 관한 개발 역사가 짧으며 연구소 대학 기업

등에서 다발적으로 연구가 진해오디고 있다 기계 전자 물리 재료 화학 등의 연

계된 연구가 필요하다 1996 년 과학기술부 및 산업자원부 등의 산업단을 중심으로

대형 연구가 수행되어 왔으나 주로 기상법에 의한 분말합성에 관한 것이다 1998

년도부터 한국기계연구원에서 200nm 급의 건식 분쇄 및 분급기에 대한 개발을 시

작으로 초미분 파우더 생산 장비에 관한 연구가 이루어지고 있다 초미분 분쇄 방

식은 본 기술지원 과제의 지원기업인 대가파우더시스템을 포함하여 습식 방식인

교반밀(agitated mill)을 주로 사용하며 입도의 크기는 5 이상 수십 크기의

범위이다 기류충격식 분쇄기의 기술 수준은 입도의 크기가 5 ~ 10 수준이다

기존의 습식분쇄기의 경우 평균 입도가 28 ~ 32로 Pb0를 대상으로 할 때 4

~ 6 kghr 정도를 생산할 수 있는 수준이다

국내에 등록되어 있는 건식 기류충격식 분쇄기와 관련된 특허의 출원인인 대부분이

일본업체이며 일본에 출원된 특허를 한국에 재출우너한 것이 대부분이다 미국과

벨기에가 각각 1 건씩 등록하고 있으며 한국인이 출원한 특허는 테크월드에서

출원한 3 건 등 모두 4 건이 검색되었다 마이크로급 이상의 파우더 생산장비에 대

한 국내의 기술 수준은 선진국 기술 수준의 약 70 수준이다 그나마도 설계 및

생산에 있어 거의 모방에 의존하고 있다 나노급 기술은 초보적인 상태이다

제 3 장 기술지원 수행 내용 및 결과

제 1 절 기술지원 수행

본 부품소재종합기술지원사업은 Fig13의 기술 개발 추진도에 따라 수행되었다

Fig 13 기술 개발 추진도

분쇄기의 전체 시스템 중에서 분쇄기와 분급기 이외의 기타 구성 모듈들에 대한 설

계 및 생산기술은 지원기업 대가파우더시스템이 기확보하고 있는 기술이 기술

지원의 주된 내용은 기류충격식 분쇄기의 핵심 부품이며 분쇄기의 성능을 좌우하는

초음속 공기 분사노즐과 분급기의 설계 기술에 관한 것이다 초음속 공기 분사노즐

의 단면 형상 공급 공기의 압력과 분사 공기의 속도 및 공기 소요량 산출을 위한

공기 분사노즐 설계와 분쇄기 내부의 내마모성 재료 선택 분급기 베인의 형상과

분급기로 유입되는 공기의 속도 분포를 균일하게 하여 원심력 작용으로 분말의 분

급 정밀도를 향상시켜 주기 위한 분급기의 내부 단면 형상 설계 미 ㅊ유입 공기 속

도 및 압력 분포에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 방법 등에 대한 체계적인 기술 지원이

수행되었다 향후 유사 모델 개발에 적용하여 새로운 제품을 개발할 수 있는 설계

능력을 확보하였다

1 분쇄기 시스템 구성도

본 기술지원을 통하여 개발하는 핵심 기술은 건식 기류충격식 분쇄기의 초음속 공

기 분사노즐과 분급기와 관련된 기술이다 분쇄기의 기본 구조는 독일의 Netzsch

사 제품과 유사한 구조로 되어 있으며 분쇄용 공기 분사노즐과 고정밀도의 분급기

설계기술을 자체 보유하는 데 주안점이 있다 개발 대상 분쇄기 시스템의 전체 구

성도는 Fig 14(7)에서와 같다 Fig 14에서 분쇄기 시스템은 ldquo진동공급기rdquo를 통하

여 공급되는 분쇄용 우너료를 ldquo건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기rdquo로 분쇄 및 분급

한 후에 cyclone을 거쳐 bag filter로 분말을 포집하는 시스템으로 구성되어 있

다 분말과 공기가 혼합된 기류는 각각의 단계로 이송하는 과정에서 double flap

valve로 이송이 조절되며 최종적으로 fan의 작동으로 공기가 배출된다

건식 기류충격식 분쇄기 본체를 구성하는 부품의 서브어셈블리는 각각 Chamber

Body Laval Nozzle Classifier Wheel 및 Bearing Block등으로 구성되어 있

다 주요한 설계 변수는 분쇄챔버의 직경과 높이 초음속 공기 분사노즐 설계 있어

서 라발 노즐(초음속 공기 분사노즐)의 모즐 목 내경과 배출부의 직경 및 축방향의

단면 형상 공기되는 공기의 압력 등이다 분급기 설계에 있어서의 주요 변소는 베

인의 단면 형상 베인의 수량과 배열 각도 분급기 내부 공동부의 단면 형상 분급

기에 유입되는 공기 속도와 분급기를 통과한 이후의 공기 압력 등이다

Fig 14 기류충격식 분쇄기의 시스템 구성도

2 소리의 속도

물체의 일부에 교란을 주면 개스 유체 및 고체의 압축성으로 인하여 물체를 통하

여 유한한 속도로 교란이 전파된다

음속은 물체의 압력과 밀도 변화와 관계되어 있으며 다음식으로 표현된다

여기서

음속 압력변화 밀도 변화

체적탄성계수는 다음과 같이 표현된다

여기서

체적탄성계수 압력변화 체적변화 초기체적

체적탄성계수는 식 (3)으로도 표현된다

여기서

물체의밀도변화 물체의초기밀도

개스 유체 고체 내에서의 음속은 다음식과 같다

여기서

체적탄성계수

개스에서의 소리 속도는 아주 작은 한 점에서 교란이 일어나는 관계로 열전달을 무

시할 수가 있으며 또한 등온 상태로 가정할 수가 있다 이상 기체에서의 소리 속도

는 절대 온도의 근에 비례하며 다음식으로 표현된다

여기서

k = 비열비 (adiabatic index)

p = 압력 (Pa psi)

R = 개스 상수

T = 절대 온도 (degK degR)

앞의 식 (4)와 식 (5)로부터

식 (6)으로부터 체적탄성게수 E를 구할 수가 있다

( 예 1 ) 공기의 체적탄성계구 산출

k = 14 R = 287 (JK kg) at T=293K( 20 ) p=1204(kgm3)

Eair = k R T p=14X287X293X1204=14174379((Jm3)

Eair = 14174379(Nm2)

( 예 2 ) 염소(C12)의 체적탄성계수 산출

k = 134 R = 120 (JK kg) at T=293K(20) p=2994(kgm3)

Ec12 = k R T p=134X120X293X1994=14106051((Jm3)

Ec12 = 14106051(Nm2)

( 예 3 ) 0 1 bar 공기에서의 소리 속도

c = (14x287x273)12

= 3312 (ms)

여기서

k = 14

R = 287 (JK kg)

( 예 4 ) 20 1bar 공기에서의 소리 속도 산출

c = (14X287X293)12

= 3431 (ms)

( 예 5 ) 0 물속에서의 소리 속도 산출

여기서

3 공기 분사노즐에서의 유동식

개스역학에서 공기의 속도가 sim 이상으로 빠르거나 압력의 변화가

보다 큰 경우에는 압축성 흐름으로 취급한다 이러한 현상은 노즐에서

개스가 팽창하는 경우에 발생된다

정상유동에서의 에너지 평형 상태는 다음식으로 표현된다

여기서 엔탈피는

이며 엔탈피 ∆의 변화는 내부에너지 ∆에 외부로 또는 외부로부터의 체적에

의한 일 ∙∆의 합과 같다

내부에너지의 변호가 없고 밀도가 일정하다고 가정하면 즉 ∆ 인

경우에는 비압축성유동의 베르누이 방정식이 된다 반면에 위치네어지의 변화가 없

는 경우 ∆ 에는 상대적으로 밀도가 낮은 압축성 유체인 ldquo개스rdquo의 상태를

나타낸다 ldquo개스역학rdquo 이라는 자체가 의미하듯이 해석에 있어 고압 및 개스의 속도

가 포함되며 내부에너지의 변화 ∆를 무시할 수가 없다 이러한 의미에서 식 (7)

은 다음과 같이 된다

이상개스 방정식에서

이며 식 (12)를 식(9)에 대입하면 다음과 같이 된다

식 (13)에 에너지 보존법칙을 적용하면 노즐에서 분사되는 개스의 속도를 구할 수

있다

개스의 초기 속도가 인 경우에는

가역 단열 흐름에 있어서는 다음 3개의 식을 적용할 수가 있다

식 (16) ~ 식 (18)을 식 (15)에 대입하면 노즐에서 분출되는 개스의 속도가 구해

진다

노즐을 통과하는 질량의 흐름 식

밀도의 비로부터

다음과 같이 노즐을 통과하는 질량을 구한다

다음의 식 (23)을 식 (22)에 대입하여

식 (24)를 구한다

여기에서

을 ldquo탈출 계수(escape coefficient)rdquo 라고 한다

식 (25)를 사용하여 식 (24)를 다시 표현하면 다음의 간략식이 된다

탈출 계수 는 압축비 의 값이 다음과 같은 값일 때

임계 압축비 또는 라발 압축비로 표현되는 다음 크기의 최대값을 갖는다

음속은 노즐의 단면적이 제일 작은 부분에서 임계 압축비에 도달한다

max는 테이퍼가 일정한 실린더 형상의 노즐에 적용된다 식 (26)에 의하여

ㆍ 가 되며 는 일정한 테이퍼의 노즐에서만 증가할 수 있다 만약 압

축비 가 임계비 이하이면 max이므로 노즐을 통과하는 질량의 흐름은 일정

하다 이것은 질량의 흐름이 외부의 압력에 영향을 받지 않는다는 것을 의미한다

질량의 흐름에 의한 일은 다음의 식 (30)으로부터 구해진다

압축성 유체의 단열 팽창시에 수행된 일은 식 (19)와 식 (30)로부터 다음과 같이

산출된다

아래의 Fig 15 는 수축확산 노즐의 단면 모습이며(11) Fig 16 은 수축확산 노즐에

서의 압력 온도 속도 변화를 나타낸 것이다(8)

Fig 15 수축확산 노즐(Laval Nozzle)

Fig 16 수축확산 노즐에서의 압력 온도 속도 변화

압축성 유체의 흐름에 있어서 임계 속도 이후에 노즐의 단면이 서서히 확대되면

열에너지가 유동에너지로 변환되면서 온도는 낮아지고 흐름이 증가된다

앞의 식 (27)을 참조할 때 Fig 16 의 수축확산 노즐의 단면적이 가장 작은 임계

압축비 에서 음속에 도달한다 이 것은 질량 흐름에 식 (26)이 계속적으로 유

효하다는 것을 의미한다 수축확산 노즐 출구에서의 온도는 다음과 같은 관계가 된

노즐 확산부의 치수는 다음식으로부터 구해지며

개스 상수 등은 계수 개스 유입 온도 노즐 목의 직경 압축비 등의

변수로부터 노즐 출구에서의 개스 속도와 온도를 구할 수가 있다 공기 흐름 해석

대상 노즐 각부에 대한 부호는 Fig17에서와 같다

Fig 17 수축확산 노즐의 각부 부호

실제 수축확산 노즐을 설계하는 데 있어서는 노즐에서 발생될 수 있는 압축파 발생

을 억제하기 위하여 노즐 출구의 치수를 설계값보다 약간 작게 한다 즉 Fig 17에

서의 노즐의 확산각 가 를 넘지 않아야 하며 최대 이내여야 한다

4 공기 분사노즐의 흐름 특성 계산

앞의 ldquo3 초음속 공기 분사노즐에서의 공기의 흐름rdquo에서 유도된 식들을 이용하여

ldquoMathcad 13 프로그램(12)으로 설계 대상 분쇄기에 적용되는 공기 분사노즐의 단

면 치수 유입 공기량 노즐 출구에서의 공기 속도 소요 동력 등을 산출하였다

우선 단위와 공기의 상수를 정리하면

kilo=1000 TK =273 hoursec =3600 k = 14

ㆍsecㆍ

ㆍsecㆍ

ㆍsec

ㆍsec

예를 들어 tan tan tan tan

해석 조건이 다음과 같으면 tank pressure=700kPa Ttank=70 exit

pressure=100kPa

단위 (mm) throat diameter=50 length 150 outlet diameter=70 diffusion

angle α=38deg

d = 0007 pe = 100kilo po = 7pe Ttank =7C

To = TK+Ttank To=343 (K)

times

sec

Air_massflow1N_hour =Air_masflow1N_sechoursec

Air_massflow1N_hour = 133024 (kghrper 1 nozzle)

Air_massflow3N_hour = Air_massflow 1N_hour3

Air_massflow 3N_hour = 399071 (kghrper 3 nozzles)

Imsec)

sec

timesorsec timesorsec

(kgm3)

sec

sec sec

공기분사 노즐 목의 직경이 50mm 출구 직경이 70mm 노즐 목에서 노즐 출구까

지의 길이가 150mm로 공기 분사노즐의 환산각 도인 공기 분사노즐이 3

개 장착되어 있으며 탱크내의 공기가 압력 7bar 와 70 를 유지하면서 계속적으

로 노즐을 통하여 공급되며 또한 분쇄 챔버 내의 압력이 1bar 로 유지되는 경우의

공기 분사노즐의 유동 특성 계산 결과를 종합 정리하면 다음과 같다

- 노즐 출구에서의 공기 최대 속도 542151msec

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 무게 399071kghr

(노즐 하나에 00369kgsec)

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 부피 225333m3hr(0063m3sec)

- 소요 동력 16291kWhhr

5 수축확산 공기 분사노즐의 유동 해석

공기 분사노즐을 3D 모델링 프로그램 SolidWorks(13)로 모델링하여 열유체 해석

을 위한 유한요소해석 프로그램 COSMOSFlwWorks(14)로 공기 분사노즐 내의 유

동 해석을 수행하였다 해석 대상 공기 분사노즐 단면의 형상과 각부의 치수는

Fig18에서와 같다

Fig 18 수축확산 노즐 유동 해석 모델의 단면

해석시에 적용된 변수값들은 앞의 ldquo4 초음속 공기 분사노즐의 분사 특성 계산rdquo에

서 산출된 값을 적용하였다 노즐의 확산부위 길이는 15mm 이며 분사노즐의 확산

각은 도이다 노즐 하나에 대하여 Fig 18 의 왼쪽면에서 00369 kgsec

의 공기가 유입되며 오른쪽 분사노즐 출구면에 12bar 의 압력을 적용하였다 분사

노즐의 유동 해석 결과의 여러 가지 특성값 중에서 본 설계에서의 주요 관심사가

공기의 배출 속도인 관계로 Fig 19에 흐름의 속도 분포 Fig 20에 흐름의 마하넘

버 분포를 나타내었다 초음속 흐름에 대한 해석으로 분사노즐 목에서의 공기속도

가 약 335msec(마하 1)이 되며 노즐 출구에서 최대속도가 된다 Fig 21은 수축

확산 노즐에 대한 공기의 속도 분포 해석 결과를 반영하여 공기 분사노즐을 모델링

한 것이다

Fig 19 수축확산 노즐의 공기 흐름 속도 분포

Fig 20 수축확산 노즐의 공기 흐름 마하넘버 분포

Fig 21 수축확산 노즐 모델

6 분급 이론

분급(分級 classification)이란 유체력을 이용해서 분립체를 그 입자 지름의 크기에

따라 분리하는 것으로 넓은 뜻으로는 유체력에 의한 분리만이 아니라 체가름을 포

함하는 경우가 있다 더 넓게는 비중선별ㆍ자기력선별 등 모든 입자분리조작을 분

급이라고 한다 공기ㆍ물 등의 유체 속에서 운동하는 분립체의 각 입자에는 중력

또는 원심력 이외에 유체에 의한 유체항력 등이 함께 작용된다 이 힘 즉 유체항력

은 입자 지름에 의존하는 데 유체항력과 입자 지름의 관계는 중력이나 원심력과

입자 지름의 관계와는 다르기 때문에 이 둘 사이의 균형 조건이 입자 지름에 의해

좌우된다 좁은 뜻의 분급은 이 원리를 이용한 입경분리조작을 의미한다 중력장에

서 등속 침강하는 구 형상의 입자에 대한 힘의 균형은 다음 식으로 표현된다

여기서 은 입자 질량 prime는 입자에 의해 배제된 유체 질량 g는 중력가속도 R

은 는 유체항력을 나타낸다 유체항력 R은 다음 식으로 나타낼 수 있다

여기서 는 저항계수 (drag coefficient)로 입자 주위의 유체의 상대적인 흐름의

상태에 따라 결정되는 무차원 계수이다 는 유체의 밀도 는 입자의 침강속도

는 입자의 지름이며 는 입자의 투영 최대 면적이다 물 또는 공기 속에서 입

자의 지름이 100 이하 입자의 밀도가 3gcm2이하의 조건에서는 입자 주위의 흐

름은 거의 충류로 간주되며 이때 R은 다음 식으로 나타내진다

여기서 는 유체의 점성도이다

prime

이므로 식 (36)을 식 (34)에 대입하면 식 (37)을 얻는다

여기서 는 입자 밀도이며 식 (37)을 스토크스의 침강속도식이라고 하며 분급에서

분리입자 지름을 구하기 위한 기본식으로 중요하다

식 (37)은 다음

과 같이도 표현된다

유체가 공기나 그 외의 기체인 경우의 분급 조작을 건식 분급(또는 공기 분급) 물

이나 그 외의 액체인 경우의 분급 조작을 습식 분급이라 한다 앞에 언급된 기본식

들 이외에 어떤 종류의 분급장치에서는 유체의 흐름 방향이 급격히 변화할 때 흐름

에 따라 운동하는 입자의 관성력의 효과가 중요한 역할을 한다

분급에 사용하는 장치를 분급기(classifier)라고 한다 건식분급기에는 관성력을 이

용하는 것 중력침강을 이용하는 것 원심력을 이용하는 것 등이 있다 관성력을 이

용하는 건식분급기에는 루버식분급기 버추얼임팩터 엘보제트형분급기 등이 있는

데 건식분급기로는 원심력을 이용한 것이 가장 널리 사용되고 있다 원심력을 이용

한 건식분급기로는 분급 입도가 30~100 정도의 비교적 굵은 입도에서의 대량 처

리로 옛날부터 알려진 스튜어트밴트형 등이 있으며 또한 몇 ~30의 분급이 가

능한 여러 분급기가 개발되어 널리 쓰이게 되었다 또한 사이클론도 미립(微粒)에서

조립(組立)에 이르는 분체(粉體)의 건식분급에 이용된다 습식분급기에는 중력식과

원심력식이 있으며 중력식은 상승 수류(水流)와 유동층을 이용한 수력분급기 원뿔

형 또는 각뿔형 용기에서의 중력침강을 이용한 세틀링탱크 등의 침강분급조 완만

하게 경사진 직사각형의 조(槽)로부터 침하한 조립 생산물을 긁어올리기 위한 레이

크나 스파이럴을 갖춘 기계분급기 등으로 분류된다 원심력을 이용한 습식분급기로

는 사이클론 또는 하이드로사이클론이 가장 대표적이며 솔리드볼형ㆍ디스크형 등

의 원심분리기도 미립자용 분급기로 사용된다

Fig 22는 베인 구조의 원심형 분급기의 회전 단면 모습이다

Fig22베인 구조의 원심형 분급기의 단면

Fig 22에서 H는 분급기 내부 상하면 사이의 간격이며 는 선별된 미분이 배출되

는 반경 는 베인의 내반경 는 베인의 외반경을 나타낸다

분체 주위의 공기 흐름이 층류 흐름이라는 조건하에서 베인 구조의 원심형 분급기

에의 컷포인트(utpoint)를 결정짓는 외주부의 반경 은 다음과 같다

또한 선별된 미분이 배출되는 반경은 다음과 같다

베인 사이에서도 고체의 회전법칙이 적용된다 베인의 외주 반경에서 속도의 원주

방향 성분 과 중심방향 성분 가 가장 큰 영향을 준다

식 (41)과 식 (42)를 식 (38)에 대입하여 정리하면 다음과 같다

독일 Netzsch 사에서는 베인의 내반경 에서 선별된 미분이 배출되는 반경 까

지의 반경 방향의 공기 속도 성분 을 질정하게 해 주기 위하여 Fig 10에 보인

ldquoConvorrdquo라고 불리우는 단면의 분급기를 개발하여 사용화하고 있다

7 분급기 설계와 유동 해석

분급기의 베인 사이로 분쇄된 미분과 공기가 함께 유입되어 중앙부의 배출구로 통

과하는 분급기의 내부 형상을 설계하기에 앞서 분급기 내부를 구성하는 상면이 평

평한 구조의 분급기에 대한 유동해석을 실시하여 공기의 속도 분포를 검토하였다

해석 대상 분급기의 외경은 205mm이며 밑면 중앙에 공기 배출을 위하여 직경이

90mm인 원형 구멍이 뚫려 있다 분급기 외주에는 단면이 원호의 일부로 만들어진

두깨가 2mm 넓이가 18mm 길이가 35mm인 베인이 매 60도마다 10개씩 등간격

으로 모두 60개가 베인의 코드 방향과 분급기의 반경 방향이 이루는 각도가 약 15

도가 되도록 경사지게 설치되어 있다 원주 방향으로 매 60도마다 길이 35mm 직

경 8mm인 원형봉 6개가 등간격으로 배열되어 상ㆍ사 카버 사이에 베인을 고정시

켜 조립되는 구조이다 해석 대상 분급기에 사용된 베인의 단면과 베인의 배열 및

분급기 상ㆍ하면을 고정하는 봉이 포함된 수평면상의 평면도를 Fig 23에 나타내었

다 Fig 24는 분급기의 상면 형상이 평평한 구조인 경우에 대한 분급기의 수직단

면도이다

분급기에 유입되는 공기는 온도 50 유입량 01m3sec 분급기를 통과한 후에

배출되는 공간의 압력은 12bar이며 분급기의 회전속도는 8000rpm(838radsec)

이다 분급기에 발생되는 원심력의 절대적인 크기는 재료의 밀도와 분급하고자 하

는 분말의 크기에 따라 분급기의 회전수를 변화시켜서 조절한다 SolidWorks 및

COSMOSFloWorks 프로그램으로 분급기의 공기 유동해석을 실시하였다 해석시의

변수 입력 항목 및 해석 과정을 ldquo부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 유동해석 절

차rdquo에 정리하였다

Fig 23 베인과 상ㆍ하면 고정 원형봉의 평면 단면도

Fig24 분급기 상면이 평면인 경우의 수직단면도

공기 유동해석 결과를 Fig25~Fig27에 나타내었다 Fig25는 베인의 중간 높이에

서의 수평 단면에서의 공기 속도 분포이다 Fig26은 베인이 위치한 부위에서의수

직단면 Fig 27은 상ㆍ하면을 고정시켜 주는 원형봉이 있는 부위의 수직단면에 분

포하는 공기의 유입 속도 해석 결과를 나타낸 것이다

Fig 25 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig 26 베인 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig27 연결봉 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig15~Fig27의 공기 속도 등고선을 보면 베인 외주부의 상하 위치에 있어서 공

기의속도가 불균일한 분포를 보인다 베인의 분급기 내부 공간에서는 같은 반경인

위치에서 윗부분에서의 공기 속도가 아랫부분에서보다 빠르게 분포하고 있다 베인

의 높이 방향 상ㆍ하 위치에 따른 이러한 유입 속도의 편차는 분급기 외주의 실린

더 면으로부터 유입되는 공기가 분급기 중앙의 밑 방향으로만 배출되는 유동 통로

의 구조 때문으로 판단되낟 따라서 같은 반경의 같은 원심력이 발생되는 위치에

있어서도 윗부분에서의 공기 유입속도가 밑부분에서보다 크게 분포되어 윗부분에서

는 밑부분에서보다 큰 분말이 분급기 안으로 유입된다 지정된 크기의 컷오프보다

큰 분말과 작은 분말이 혼합된 상태로 배출되는 관계로 분급이 정밀도가 저하된다

베인의 상ㆍ하 위치에 무관하게 공기의 유입 속도를 가급적 균일하게 해 주기 위한

목적으로 분급기 내부의 단면 형상을 Fig28과 같은 인볼류트-컨볼류트

(involute-convolute) 단면으로 구성하여 공기의 유동해석을 실시하였다

Fig 28 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기

Fig29는 베인의 중간 높이 수평단면 상에서의 공기 속도 분포이다 Fig25에 비하

여 베인의 외주 부위에서의 공기의 속도가 균일하게 분포되고 있음을 보여 준다

Fig29 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig 30은 베인이 위치한 부위에서의 수직 단면 Fig31은 상ㆍ하면을 고정시켜 주

는 원평봉이 있는 부위에서의 수직 단면에 분포하는 공기 속도 분포이다 Fig30과

Fig31은 각각 Fig25와 Fig26에 비하여 베인의 높이 방향 전체에 걸쳐 공기의 유

입 속도가 상당히 균일하게 분포되는 것을 보여 주고 있다

Fig 30 베인 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig31 연결봉 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig32는 분급기 내부의 공간 형상이 인볼류트-컨볼류트인 분급기의 설계 모델이

Fig32 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 모델

Fig33은 앞의 수축확산 공기 분사노즐(Fig20)과 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급

기(fig32)로 구성된 건식 기류충격식 분쇄기의 3D모델이다 중요 부품의 도면은

ldquo부록 9 설계 도면rdquo에 수록하였다

Fig33 건식 기류충격식 분쇄기의 3D 모델

8 시작품 제작

수축확산 공기 분사노즐의 유동해석 및 분급기의 유동해석 결과를 바탕으로 시작품

을 제작하였다 Fig34는 수축확산 공기 분사노즐 헤드의 시작품 모습이다

Fig 34 수축확산 공기 분사노즐 헤드 시작품

Fig35는 분급기의 시작품 모습이다 분급기의 베인은 분체와 마찰시 내마모성을

갖도록 SUS 재질로 곡면 성형한 후 세라믹으로 코팅하여 제작하였다

Fig35 분급기 시작품

Fig 36은 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 수축확산 공기 분사

노즐 및 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 등이 분쇄기의 내부에 장착되어 있다

Fig36 건식 기류충격식 분쇄기 시작품

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기와 관련된 국외 특허 자료 조사와 분석 공기의

유동해석에 있어 많은 일정이 소요되었다 기술지원 추진일정을 Table1에 정리하

였다

Table 4 추진 일정

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 24: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

Fig 3c 일본 Hosokawa사 분쇄노즐 단면(일본 特開平 11-179228 1999)

3 일본 미놀타 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(3)

Fig 4a ~ Fig 4c 는 일본 미놀타사의 등록특허이다 분쇄기와 분급기 구조로

Fig 2에 보인 Hosokawa 사의 수직형 분쇄기와 비슷한 구조이다 분쇄 효율을 높

이기 위하여 Fig 4c 에 보인 것과 같은 분쇄기 중앙부의 분사된 공기가 집중되는

위치에 삼각형 경사판을 배치하여 공기가 충돌한 후 분쇄기 상부로 향하게 되어

있다

Fig 4a 일본 미놀타사의 분쇄기 단면(일본 特開 2000-5621 2000)

Fig 4b 일본 미놀타사 분쇄기의 분사노즐 배열(일본 特開 2000-5621 2000)

Fig 4c 일본 미놀타사 분쇄기의 충격판(일본 特開 2000-5621 2000)

4 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(4)

Fig 5는 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 등록특허이다 분쇄기 내측

수평면상에 분사노즐이 서로 마주 보게 배열되어 있다 분급기의 회전 축이 분쇄기

의 중심축과 일치한 상태로 회전하여 수평면 상에서 원심력에 의하여 분급이 이루

어진다 분급된 미분은 분쇄기 상부의 통로로 배출된다

Fig 5 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 수평형 기류충격식

분쇄기(일본 特開 2002-35631 2002)

5 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(5)

Fig 6 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기 구조는 Fig 4 의 일본

미놀타사와 유사하다 수평면상에 분사노즐이 배열되어 있으며 분급기의 회전축도

수평으로 위치하고 있다

Fig 6 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(일본 特開 2003-88773

2003)

6 미국 Xerox사의 수평형 기류충격식 분쇄기와 노즐(6)

Fig 7a의 미국 Xerox사의 수평형 기류충격식 분쇄기 구조는 Fig 5의 일본

Hosokawa Alpine AGampCo OHG 사의 구조와 유사하다 분사노즐이 수평면상으로

배열되어 있으며 분급기의 회전축도 수평으로 위치하고 있다 분사노즐의 형상은

Fig 7b 에서와 같이 이중관 구조이다

Fig 7a 미국 Xerox 산의 수평형 기류충격식 분쇄기(일본 特開 2004-50179

2004)

Fig 7b 미국 Xerox 사의 이중관 분사노즐(일본 特開 2004-50179 2004)

7 독일 Netzsch사의 건식 기류충격식 분쇄기(7)

독일 Netzsch 사는 대표적인 기본 구조의 건식 기류충격식 분쇄기를 개발하여 가

공 용량이 다른 여러 가지 분쇄기에 유사한 구조를 적용하였으며 일본 Hosokawa

산의 분쇄기와는 전혀 상이한 구조이다 즉 3 개의 초음속 분사노즐이 기류충격식

분쇄기 하부의 수평 평면상에 원호상 등간격인 120 도 간격으로 원의 중심을 향하

여 배열되어 있으며 Fig 8 에서와 같이 수직 회전축을 갖는 원심형 분급기가 분

쇄기 상부에 설치되어 있다 분급기의 외형 모습은 Fig 9에 보인 것과 같으며 분

급 효율을 향상시킬 목적으로 분급기 단면이 회전 중심으로 향할수록 상하 공간이

넓어지는 ldquoConvor로 명명된 형상의 단면 모습으로 되어 있다(Fig 10)

Fig 8 독일 Netzsch 사 분쇄기의 내부 구조

Fig 9 독일 Netzsch 사의 분급기

Fig 10 독일 Netzsch 사 분급기의 단면 형상 ldquoConvor

8 독일 특허 공기 분사노즐(9)

독일 Netzsch 사의 분쇄기 관련 기술 컨설턴트인 Nied 가 고안한 분쇄용 분사노즐

의 구조에 대한 것이다 3 개의 공기 분사노즐이 기류충격식 분쇄기 하부의 수평

평면상에 원호상 등간격인 120도 간격으로 원의 중심을 향하여 배열되어 있다(Fig

11a) 분사노즐 중앙부의 구조는 단면이 수축-확산 형태로 노즐로 초음속의 고속

분사를 하면서 중심 노즐 주변에 중앙 분사부를 감싸는 이중 공기 분사관을 형성

하여 중앙의 분사노즐에서 분사되는 공기의 확산각이 커지지 않도록 공기 주위에

추가적인 보조 공기를 분사하는 구조이다(Fig 11b)

Fig 11a 독일 특허-분사노즐 배열과 분사 공기의 분포(EP 0 736328A1 1996)

Fig 11b 독일 특허-분사노즐 단면과 분사 공기의 분포(EP 0 736328A1 1996)

9 미국 특허 분쇄기 구조(10)

일본의 히데유끼 요시다 등 5 명이 미국에 출원한 특허로 분쇄 재료가 초음속으로

분출되는 공기 통로의 중간에서 공급되며 재료가 분쇄실로 이동된 후 충격판에 충

돌되어 분쇄되는 구조이다(Fig12) 분쇄된 분말의 크기는 10 수준이다

Fig 12 미국 특허-충돌식 분쇄기(USP 57657661998)

제 2 절 국내의 기술 현황

국내의 경우에는 초미분 분말 생산에 관한 개발 역사가 짧으며 연구소 대학 기업

등에서 다발적으로 연구가 진해오디고 있다 기계 전자 물리 재료 화학 등의 연

계된 연구가 필요하다 1996 년 과학기술부 및 산업자원부 등의 산업단을 중심으로

대형 연구가 수행되어 왔으나 주로 기상법에 의한 분말합성에 관한 것이다 1998

년도부터 한국기계연구원에서 200nm 급의 건식 분쇄 및 분급기에 대한 개발을 시

작으로 초미분 파우더 생산 장비에 관한 연구가 이루어지고 있다 초미분 분쇄 방

식은 본 기술지원 과제의 지원기업인 대가파우더시스템을 포함하여 습식 방식인

교반밀(agitated mill)을 주로 사용하며 입도의 크기는 5 이상 수십 크기의

범위이다 기류충격식 분쇄기의 기술 수준은 입도의 크기가 5 ~ 10 수준이다

기존의 습식분쇄기의 경우 평균 입도가 28 ~ 32로 Pb0를 대상으로 할 때 4

~ 6 kghr 정도를 생산할 수 있는 수준이다

국내에 등록되어 있는 건식 기류충격식 분쇄기와 관련된 특허의 출원인인 대부분이

일본업체이며 일본에 출원된 특허를 한국에 재출우너한 것이 대부분이다 미국과

벨기에가 각각 1 건씩 등록하고 있으며 한국인이 출원한 특허는 테크월드에서

출원한 3 건 등 모두 4 건이 검색되었다 마이크로급 이상의 파우더 생산장비에 대

한 국내의 기술 수준은 선진국 기술 수준의 약 70 수준이다 그나마도 설계 및

생산에 있어 거의 모방에 의존하고 있다 나노급 기술은 초보적인 상태이다

제 3 장 기술지원 수행 내용 및 결과

제 1 절 기술지원 수행

본 부품소재종합기술지원사업은 Fig13의 기술 개발 추진도에 따라 수행되었다

Fig 13 기술 개발 추진도

분쇄기의 전체 시스템 중에서 분쇄기와 분급기 이외의 기타 구성 모듈들에 대한 설

계 및 생산기술은 지원기업 대가파우더시스템이 기확보하고 있는 기술이 기술

지원의 주된 내용은 기류충격식 분쇄기의 핵심 부품이며 분쇄기의 성능을 좌우하는

초음속 공기 분사노즐과 분급기의 설계 기술에 관한 것이다 초음속 공기 분사노즐

의 단면 형상 공급 공기의 압력과 분사 공기의 속도 및 공기 소요량 산출을 위한

공기 분사노즐 설계와 분쇄기 내부의 내마모성 재료 선택 분급기 베인의 형상과

분급기로 유입되는 공기의 속도 분포를 균일하게 하여 원심력 작용으로 분말의 분

급 정밀도를 향상시켜 주기 위한 분급기의 내부 단면 형상 설계 미 ㅊ유입 공기 속

도 및 압력 분포에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 방법 등에 대한 체계적인 기술 지원이

수행되었다 향후 유사 모델 개발에 적용하여 새로운 제품을 개발할 수 있는 설계

능력을 확보하였다

1 분쇄기 시스템 구성도

본 기술지원을 통하여 개발하는 핵심 기술은 건식 기류충격식 분쇄기의 초음속 공

기 분사노즐과 분급기와 관련된 기술이다 분쇄기의 기본 구조는 독일의 Netzsch

사 제품과 유사한 구조로 되어 있으며 분쇄용 공기 분사노즐과 고정밀도의 분급기

설계기술을 자체 보유하는 데 주안점이 있다 개발 대상 분쇄기 시스템의 전체 구

성도는 Fig 14(7)에서와 같다 Fig 14에서 분쇄기 시스템은 ldquo진동공급기rdquo를 통하

여 공급되는 분쇄용 우너료를 ldquo건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기rdquo로 분쇄 및 분급

한 후에 cyclone을 거쳐 bag filter로 분말을 포집하는 시스템으로 구성되어 있

다 분말과 공기가 혼합된 기류는 각각의 단계로 이송하는 과정에서 double flap

valve로 이송이 조절되며 최종적으로 fan의 작동으로 공기가 배출된다

건식 기류충격식 분쇄기 본체를 구성하는 부품의 서브어셈블리는 각각 Chamber

Body Laval Nozzle Classifier Wheel 및 Bearing Block등으로 구성되어 있

다 주요한 설계 변수는 분쇄챔버의 직경과 높이 초음속 공기 분사노즐 설계 있어

서 라발 노즐(초음속 공기 분사노즐)의 모즐 목 내경과 배출부의 직경 및 축방향의

단면 형상 공기되는 공기의 압력 등이다 분급기 설계에 있어서의 주요 변소는 베

인의 단면 형상 베인의 수량과 배열 각도 분급기 내부 공동부의 단면 형상 분급

기에 유입되는 공기 속도와 분급기를 통과한 이후의 공기 압력 등이다

Fig 14 기류충격식 분쇄기의 시스템 구성도

2 소리의 속도

물체의 일부에 교란을 주면 개스 유체 및 고체의 압축성으로 인하여 물체를 통하

여 유한한 속도로 교란이 전파된다

음속은 물체의 압력과 밀도 변화와 관계되어 있으며 다음식으로 표현된다

여기서

음속 압력변화 밀도 변화

체적탄성계수는 다음과 같이 표현된다

여기서

체적탄성계수 압력변화 체적변화 초기체적

체적탄성계수는 식 (3)으로도 표현된다

여기서

물체의밀도변화 물체의초기밀도

개스 유체 고체 내에서의 음속은 다음식과 같다

여기서

체적탄성계수

개스에서의 소리 속도는 아주 작은 한 점에서 교란이 일어나는 관계로 열전달을 무

시할 수가 있으며 또한 등온 상태로 가정할 수가 있다 이상 기체에서의 소리 속도

는 절대 온도의 근에 비례하며 다음식으로 표현된다

여기서

k = 비열비 (adiabatic index)

p = 압력 (Pa psi)

R = 개스 상수

T = 절대 온도 (degK degR)

앞의 식 (4)와 식 (5)로부터

식 (6)으로부터 체적탄성게수 E를 구할 수가 있다

( 예 1 ) 공기의 체적탄성계구 산출

k = 14 R = 287 (JK kg) at T=293K( 20 ) p=1204(kgm3)

Eair = k R T p=14X287X293X1204=14174379((Jm3)

Eair = 14174379(Nm2)

( 예 2 ) 염소(C12)의 체적탄성계수 산출

k = 134 R = 120 (JK kg) at T=293K(20) p=2994(kgm3)

Ec12 = k R T p=134X120X293X1994=14106051((Jm3)

Ec12 = 14106051(Nm2)

( 예 3 ) 0 1 bar 공기에서의 소리 속도

c = (14x287x273)12

= 3312 (ms)

여기서

k = 14

R = 287 (JK kg)

( 예 4 ) 20 1bar 공기에서의 소리 속도 산출

c = (14X287X293)12

= 3431 (ms)

( 예 5 ) 0 물속에서의 소리 속도 산출

여기서

3 공기 분사노즐에서의 유동식

개스역학에서 공기의 속도가 sim 이상으로 빠르거나 압력의 변화가

보다 큰 경우에는 압축성 흐름으로 취급한다 이러한 현상은 노즐에서

개스가 팽창하는 경우에 발생된다

정상유동에서의 에너지 평형 상태는 다음식으로 표현된다

여기서 엔탈피는

이며 엔탈피 ∆의 변화는 내부에너지 ∆에 외부로 또는 외부로부터의 체적에

의한 일 ∙∆의 합과 같다

내부에너지의 변호가 없고 밀도가 일정하다고 가정하면 즉 ∆ 인

경우에는 비압축성유동의 베르누이 방정식이 된다 반면에 위치네어지의 변화가 없

는 경우 ∆ 에는 상대적으로 밀도가 낮은 압축성 유체인 ldquo개스rdquo의 상태를

나타낸다 ldquo개스역학rdquo 이라는 자체가 의미하듯이 해석에 있어 고압 및 개스의 속도

가 포함되며 내부에너지의 변화 ∆를 무시할 수가 없다 이러한 의미에서 식 (7)

은 다음과 같이 된다

이상개스 방정식에서

이며 식 (12)를 식(9)에 대입하면 다음과 같이 된다

식 (13)에 에너지 보존법칙을 적용하면 노즐에서 분사되는 개스의 속도를 구할 수

있다

개스의 초기 속도가 인 경우에는

가역 단열 흐름에 있어서는 다음 3개의 식을 적용할 수가 있다

식 (16) ~ 식 (18)을 식 (15)에 대입하면 노즐에서 분출되는 개스의 속도가 구해

진다

노즐을 통과하는 질량의 흐름 식

밀도의 비로부터

다음과 같이 노즐을 통과하는 질량을 구한다

다음의 식 (23)을 식 (22)에 대입하여

식 (24)를 구한다

여기에서

을 ldquo탈출 계수(escape coefficient)rdquo 라고 한다

식 (25)를 사용하여 식 (24)를 다시 표현하면 다음의 간략식이 된다

탈출 계수 는 압축비 의 값이 다음과 같은 값일 때

임계 압축비 또는 라발 압축비로 표현되는 다음 크기의 최대값을 갖는다

음속은 노즐의 단면적이 제일 작은 부분에서 임계 압축비에 도달한다

max는 테이퍼가 일정한 실린더 형상의 노즐에 적용된다 식 (26)에 의하여

ㆍ 가 되며 는 일정한 테이퍼의 노즐에서만 증가할 수 있다 만약 압

축비 가 임계비 이하이면 max이므로 노즐을 통과하는 질량의 흐름은 일정

하다 이것은 질량의 흐름이 외부의 압력에 영향을 받지 않는다는 것을 의미한다

질량의 흐름에 의한 일은 다음의 식 (30)으로부터 구해진다

압축성 유체의 단열 팽창시에 수행된 일은 식 (19)와 식 (30)로부터 다음과 같이

산출된다

아래의 Fig 15 는 수축확산 노즐의 단면 모습이며(11) Fig 16 은 수축확산 노즐에

서의 압력 온도 속도 변화를 나타낸 것이다(8)

Fig 15 수축확산 노즐(Laval Nozzle)

Fig 16 수축확산 노즐에서의 압력 온도 속도 변화

압축성 유체의 흐름에 있어서 임계 속도 이후에 노즐의 단면이 서서히 확대되면

열에너지가 유동에너지로 변환되면서 온도는 낮아지고 흐름이 증가된다

앞의 식 (27)을 참조할 때 Fig 16 의 수축확산 노즐의 단면적이 가장 작은 임계

압축비 에서 음속에 도달한다 이 것은 질량 흐름에 식 (26)이 계속적으로 유

효하다는 것을 의미한다 수축확산 노즐 출구에서의 온도는 다음과 같은 관계가 된

노즐 확산부의 치수는 다음식으로부터 구해지며

개스 상수 등은 계수 개스 유입 온도 노즐 목의 직경 압축비 등의

변수로부터 노즐 출구에서의 개스 속도와 온도를 구할 수가 있다 공기 흐름 해석

대상 노즐 각부에 대한 부호는 Fig17에서와 같다

Fig 17 수축확산 노즐의 각부 부호

실제 수축확산 노즐을 설계하는 데 있어서는 노즐에서 발생될 수 있는 압축파 발생

을 억제하기 위하여 노즐 출구의 치수를 설계값보다 약간 작게 한다 즉 Fig 17에

서의 노즐의 확산각 가 를 넘지 않아야 하며 최대 이내여야 한다

4 공기 분사노즐의 흐름 특성 계산

앞의 ldquo3 초음속 공기 분사노즐에서의 공기의 흐름rdquo에서 유도된 식들을 이용하여

ldquoMathcad 13 프로그램(12)으로 설계 대상 분쇄기에 적용되는 공기 분사노즐의 단

면 치수 유입 공기량 노즐 출구에서의 공기 속도 소요 동력 등을 산출하였다

우선 단위와 공기의 상수를 정리하면

kilo=1000 TK =273 hoursec =3600 k = 14

ㆍsecㆍ

ㆍsecㆍ

ㆍsec

ㆍsec

예를 들어 tan tan tan tan

해석 조건이 다음과 같으면 tank pressure=700kPa Ttank=70 exit

pressure=100kPa

단위 (mm) throat diameter=50 length 150 outlet diameter=70 diffusion

angle α=38deg

d = 0007 pe = 100kilo po = 7pe Ttank =7C

To = TK+Ttank To=343 (K)

times

sec

Air_massflow1N_hour =Air_masflow1N_sechoursec

Air_massflow1N_hour = 133024 (kghrper 1 nozzle)

Air_massflow3N_hour = Air_massflow 1N_hour3

Air_massflow 3N_hour = 399071 (kghrper 3 nozzles)

Imsec)

sec

timesorsec timesorsec

(kgm3)

sec

sec sec

공기분사 노즐 목의 직경이 50mm 출구 직경이 70mm 노즐 목에서 노즐 출구까

지의 길이가 150mm로 공기 분사노즐의 환산각 도인 공기 분사노즐이 3

개 장착되어 있으며 탱크내의 공기가 압력 7bar 와 70 를 유지하면서 계속적으

로 노즐을 통하여 공급되며 또한 분쇄 챔버 내의 압력이 1bar 로 유지되는 경우의

공기 분사노즐의 유동 특성 계산 결과를 종합 정리하면 다음과 같다

- 노즐 출구에서의 공기 최대 속도 542151msec

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 무게 399071kghr

(노즐 하나에 00369kgsec)

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 부피 225333m3hr(0063m3sec)

- 소요 동력 16291kWhhr

5 수축확산 공기 분사노즐의 유동 해석

공기 분사노즐을 3D 모델링 프로그램 SolidWorks(13)로 모델링하여 열유체 해석

을 위한 유한요소해석 프로그램 COSMOSFlwWorks(14)로 공기 분사노즐 내의 유

동 해석을 수행하였다 해석 대상 공기 분사노즐 단면의 형상과 각부의 치수는

Fig18에서와 같다

Fig 18 수축확산 노즐 유동 해석 모델의 단면

해석시에 적용된 변수값들은 앞의 ldquo4 초음속 공기 분사노즐의 분사 특성 계산rdquo에

서 산출된 값을 적용하였다 노즐의 확산부위 길이는 15mm 이며 분사노즐의 확산

각은 도이다 노즐 하나에 대하여 Fig 18 의 왼쪽면에서 00369 kgsec

의 공기가 유입되며 오른쪽 분사노즐 출구면에 12bar 의 압력을 적용하였다 분사

노즐의 유동 해석 결과의 여러 가지 특성값 중에서 본 설계에서의 주요 관심사가

공기의 배출 속도인 관계로 Fig 19에 흐름의 속도 분포 Fig 20에 흐름의 마하넘

버 분포를 나타내었다 초음속 흐름에 대한 해석으로 분사노즐 목에서의 공기속도

가 약 335msec(마하 1)이 되며 노즐 출구에서 최대속도가 된다 Fig 21은 수축

확산 노즐에 대한 공기의 속도 분포 해석 결과를 반영하여 공기 분사노즐을 모델링

한 것이다

Fig 19 수축확산 노즐의 공기 흐름 속도 분포

Fig 20 수축확산 노즐의 공기 흐름 마하넘버 분포

Fig 21 수축확산 노즐 모델

6 분급 이론

분급(分級 classification)이란 유체력을 이용해서 분립체를 그 입자 지름의 크기에

따라 분리하는 것으로 넓은 뜻으로는 유체력에 의한 분리만이 아니라 체가름을 포

함하는 경우가 있다 더 넓게는 비중선별ㆍ자기력선별 등 모든 입자분리조작을 분

급이라고 한다 공기ㆍ물 등의 유체 속에서 운동하는 분립체의 각 입자에는 중력

또는 원심력 이외에 유체에 의한 유체항력 등이 함께 작용된다 이 힘 즉 유체항력

은 입자 지름에 의존하는 데 유체항력과 입자 지름의 관계는 중력이나 원심력과

입자 지름의 관계와는 다르기 때문에 이 둘 사이의 균형 조건이 입자 지름에 의해

좌우된다 좁은 뜻의 분급은 이 원리를 이용한 입경분리조작을 의미한다 중력장에

서 등속 침강하는 구 형상의 입자에 대한 힘의 균형은 다음 식으로 표현된다

여기서 은 입자 질량 prime는 입자에 의해 배제된 유체 질량 g는 중력가속도 R

은 는 유체항력을 나타낸다 유체항력 R은 다음 식으로 나타낼 수 있다

여기서 는 저항계수 (drag coefficient)로 입자 주위의 유체의 상대적인 흐름의

상태에 따라 결정되는 무차원 계수이다 는 유체의 밀도 는 입자의 침강속도

는 입자의 지름이며 는 입자의 투영 최대 면적이다 물 또는 공기 속에서 입

자의 지름이 100 이하 입자의 밀도가 3gcm2이하의 조건에서는 입자 주위의 흐

름은 거의 충류로 간주되며 이때 R은 다음 식으로 나타내진다

여기서 는 유체의 점성도이다

prime

이므로 식 (36)을 식 (34)에 대입하면 식 (37)을 얻는다

여기서 는 입자 밀도이며 식 (37)을 스토크스의 침강속도식이라고 하며 분급에서

분리입자 지름을 구하기 위한 기본식으로 중요하다

식 (37)은 다음

과 같이도 표현된다

유체가 공기나 그 외의 기체인 경우의 분급 조작을 건식 분급(또는 공기 분급) 물

이나 그 외의 액체인 경우의 분급 조작을 습식 분급이라 한다 앞에 언급된 기본식

들 이외에 어떤 종류의 분급장치에서는 유체의 흐름 방향이 급격히 변화할 때 흐름

에 따라 운동하는 입자의 관성력의 효과가 중요한 역할을 한다

분급에 사용하는 장치를 분급기(classifier)라고 한다 건식분급기에는 관성력을 이

용하는 것 중력침강을 이용하는 것 원심력을 이용하는 것 등이 있다 관성력을 이

용하는 건식분급기에는 루버식분급기 버추얼임팩터 엘보제트형분급기 등이 있는

데 건식분급기로는 원심력을 이용한 것이 가장 널리 사용되고 있다 원심력을 이용

한 건식분급기로는 분급 입도가 30~100 정도의 비교적 굵은 입도에서의 대량 처

리로 옛날부터 알려진 스튜어트밴트형 등이 있으며 또한 몇 ~30의 분급이 가

능한 여러 분급기가 개발되어 널리 쓰이게 되었다 또한 사이클론도 미립(微粒)에서

조립(組立)에 이르는 분체(粉體)의 건식분급에 이용된다 습식분급기에는 중력식과

원심력식이 있으며 중력식은 상승 수류(水流)와 유동층을 이용한 수력분급기 원뿔

형 또는 각뿔형 용기에서의 중력침강을 이용한 세틀링탱크 등의 침강분급조 완만

하게 경사진 직사각형의 조(槽)로부터 침하한 조립 생산물을 긁어올리기 위한 레이

크나 스파이럴을 갖춘 기계분급기 등으로 분류된다 원심력을 이용한 습식분급기로

는 사이클론 또는 하이드로사이클론이 가장 대표적이며 솔리드볼형ㆍ디스크형 등

의 원심분리기도 미립자용 분급기로 사용된다

Fig 22는 베인 구조의 원심형 분급기의 회전 단면 모습이다

Fig22베인 구조의 원심형 분급기의 단면

Fig 22에서 H는 분급기 내부 상하면 사이의 간격이며 는 선별된 미분이 배출되

는 반경 는 베인의 내반경 는 베인의 외반경을 나타낸다

분체 주위의 공기 흐름이 층류 흐름이라는 조건하에서 베인 구조의 원심형 분급기

에의 컷포인트(utpoint)를 결정짓는 외주부의 반경 은 다음과 같다

또한 선별된 미분이 배출되는 반경은 다음과 같다

베인 사이에서도 고체의 회전법칙이 적용된다 베인의 외주 반경에서 속도의 원주

방향 성분 과 중심방향 성분 가 가장 큰 영향을 준다

식 (41)과 식 (42)를 식 (38)에 대입하여 정리하면 다음과 같다

독일 Netzsch 사에서는 베인의 내반경 에서 선별된 미분이 배출되는 반경 까

지의 반경 방향의 공기 속도 성분 을 질정하게 해 주기 위하여 Fig 10에 보인

ldquoConvorrdquo라고 불리우는 단면의 분급기를 개발하여 사용화하고 있다

7 분급기 설계와 유동 해석

분급기의 베인 사이로 분쇄된 미분과 공기가 함께 유입되어 중앙부의 배출구로 통

과하는 분급기의 내부 형상을 설계하기에 앞서 분급기 내부를 구성하는 상면이 평

평한 구조의 분급기에 대한 유동해석을 실시하여 공기의 속도 분포를 검토하였다

해석 대상 분급기의 외경은 205mm이며 밑면 중앙에 공기 배출을 위하여 직경이

90mm인 원형 구멍이 뚫려 있다 분급기 외주에는 단면이 원호의 일부로 만들어진

두깨가 2mm 넓이가 18mm 길이가 35mm인 베인이 매 60도마다 10개씩 등간격

으로 모두 60개가 베인의 코드 방향과 분급기의 반경 방향이 이루는 각도가 약 15

도가 되도록 경사지게 설치되어 있다 원주 방향으로 매 60도마다 길이 35mm 직

경 8mm인 원형봉 6개가 등간격으로 배열되어 상ㆍ사 카버 사이에 베인을 고정시

켜 조립되는 구조이다 해석 대상 분급기에 사용된 베인의 단면과 베인의 배열 및

분급기 상ㆍ하면을 고정하는 봉이 포함된 수평면상의 평면도를 Fig 23에 나타내었

다 Fig 24는 분급기의 상면 형상이 평평한 구조인 경우에 대한 분급기의 수직단

면도이다

분급기에 유입되는 공기는 온도 50 유입량 01m3sec 분급기를 통과한 후에

배출되는 공간의 압력은 12bar이며 분급기의 회전속도는 8000rpm(838radsec)

이다 분급기에 발생되는 원심력의 절대적인 크기는 재료의 밀도와 분급하고자 하

는 분말의 크기에 따라 분급기의 회전수를 변화시켜서 조절한다 SolidWorks 및

COSMOSFloWorks 프로그램으로 분급기의 공기 유동해석을 실시하였다 해석시의

변수 입력 항목 및 해석 과정을 ldquo부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 유동해석 절

차rdquo에 정리하였다

Fig 23 베인과 상ㆍ하면 고정 원형봉의 평면 단면도

Fig24 분급기 상면이 평면인 경우의 수직단면도

공기 유동해석 결과를 Fig25~Fig27에 나타내었다 Fig25는 베인의 중간 높이에

서의 수평 단면에서의 공기 속도 분포이다 Fig26은 베인이 위치한 부위에서의수

직단면 Fig 27은 상ㆍ하면을 고정시켜 주는 원형봉이 있는 부위의 수직단면에 분

포하는 공기의 유입 속도 해석 결과를 나타낸 것이다

Fig 25 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig 26 베인 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig27 연결봉 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig15~Fig27의 공기 속도 등고선을 보면 베인 외주부의 상하 위치에 있어서 공

기의속도가 불균일한 분포를 보인다 베인의 분급기 내부 공간에서는 같은 반경인

위치에서 윗부분에서의 공기 속도가 아랫부분에서보다 빠르게 분포하고 있다 베인

의 높이 방향 상ㆍ하 위치에 따른 이러한 유입 속도의 편차는 분급기 외주의 실린

더 면으로부터 유입되는 공기가 분급기 중앙의 밑 방향으로만 배출되는 유동 통로

의 구조 때문으로 판단되낟 따라서 같은 반경의 같은 원심력이 발생되는 위치에

있어서도 윗부분에서의 공기 유입속도가 밑부분에서보다 크게 분포되어 윗부분에서

는 밑부분에서보다 큰 분말이 분급기 안으로 유입된다 지정된 크기의 컷오프보다

큰 분말과 작은 분말이 혼합된 상태로 배출되는 관계로 분급이 정밀도가 저하된다

베인의 상ㆍ하 위치에 무관하게 공기의 유입 속도를 가급적 균일하게 해 주기 위한

목적으로 분급기 내부의 단면 형상을 Fig28과 같은 인볼류트-컨볼류트

(involute-convolute) 단면으로 구성하여 공기의 유동해석을 실시하였다

Fig 28 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기

Fig29는 베인의 중간 높이 수평단면 상에서의 공기 속도 분포이다 Fig25에 비하

여 베인의 외주 부위에서의 공기의 속도가 균일하게 분포되고 있음을 보여 준다

Fig29 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig 30은 베인이 위치한 부위에서의 수직 단면 Fig31은 상ㆍ하면을 고정시켜 주

는 원평봉이 있는 부위에서의 수직 단면에 분포하는 공기 속도 분포이다 Fig30과

Fig31은 각각 Fig25와 Fig26에 비하여 베인의 높이 방향 전체에 걸쳐 공기의 유

입 속도가 상당히 균일하게 분포되는 것을 보여 주고 있다

Fig 30 베인 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig31 연결봉 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig32는 분급기 내부의 공간 형상이 인볼류트-컨볼류트인 분급기의 설계 모델이

Fig32 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 모델

Fig33은 앞의 수축확산 공기 분사노즐(Fig20)과 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급

기(fig32)로 구성된 건식 기류충격식 분쇄기의 3D모델이다 중요 부품의 도면은

ldquo부록 9 설계 도면rdquo에 수록하였다

Fig33 건식 기류충격식 분쇄기의 3D 모델

8 시작품 제작

수축확산 공기 분사노즐의 유동해석 및 분급기의 유동해석 결과를 바탕으로 시작품

을 제작하였다 Fig34는 수축확산 공기 분사노즐 헤드의 시작품 모습이다

Fig 34 수축확산 공기 분사노즐 헤드 시작품

Fig35는 분급기의 시작품 모습이다 분급기의 베인은 분체와 마찰시 내마모성을

갖도록 SUS 재질로 곡면 성형한 후 세라믹으로 코팅하여 제작하였다

Fig35 분급기 시작품

Fig 36은 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 수축확산 공기 분사

노즐 및 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 등이 분쇄기의 내부에 장착되어 있다

Fig36 건식 기류충격식 분쇄기 시작품

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기와 관련된 국외 특허 자료 조사와 분석 공기의

유동해석에 있어 많은 일정이 소요되었다 기술지원 추진일정을 Table1에 정리하

였다

Table 4 추진 일정

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 25: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

Fig 4b 일본 미놀타사 분쇄기의 분사노즐 배열(일본 特開 2000-5621 2000)

Fig 4c 일본 미놀타사 분쇄기의 충격판(일본 特開 2000-5621 2000)

4 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(4)

Fig 5는 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 등록특허이다 분쇄기 내측

수평면상에 분사노즐이 서로 마주 보게 배열되어 있다 분급기의 회전 축이 분쇄기

의 중심축과 일치한 상태로 회전하여 수평면 상에서 원심력에 의하여 분급이 이루

어진다 분급된 미분은 분쇄기 상부의 통로로 배출된다

Fig 5 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 수평형 기류충격식

분쇄기(일본 特開 2002-35631 2002)

5 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(5)

Fig 6 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기 구조는 Fig 4 의 일본

미놀타사와 유사하다 수평면상에 분사노즐이 배열되어 있으며 분급기의 회전축도

수평으로 위치하고 있다

Fig 6 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(일본 特開 2003-88773

2003)

6 미국 Xerox사의 수평형 기류충격식 분쇄기와 노즐(6)

Fig 7a의 미국 Xerox사의 수평형 기류충격식 분쇄기 구조는 Fig 5의 일본

Hosokawa Alpine AGampCo OHG 사의 구조와 유사하다 분사노즐이 수평면상으로

배열되어 있으며 분급기의 회전축도 수평으로 위치하고 있다 분사노즐의 형상은

Fig 7b 에서와 같이 이중관 구조이다

Fig 7a 미국 Xerox 산의 수평형 기류충격식 분쇄기(일본 特開 2004-50179

2004)

Fig 7b 미국 Xerox 사의 이중관 분사노즐(일본 特開 2004-50179 2004)

7 독일 Netzsch사의 건식 기류충격식 분쇄기(7)

독일 Netzsch 사는 대표적인 기본 구조의 건식 기류충격식 분쇄기를 개발하여 가

공 용량이 다른 여러 가지 분쇄기에 유사한 구조를 적용하였으며 일본 Hosokawa

산의 분쇄기와는 전혀 상이한 구조이다 즉 3 개의 초음속 분사노즐이 기류충격식

분쇄기 하부의 수평 평면상에 원호상 등간격인 120 도 간격으로 원의 중심을 향하

여 배열되어 있으며 Fig 8 에서와 같이 수직 회전축을 갖는 원심형 분급기가 분

쇄기 상부에 설치되어 있다 분급기의 외형 모습은 Fig 9에 보인 것과 같으며 분

급 효율을 향상시킬 목적으로 분급기 단면이 회전 중심으로 향할수록 상하 공간이

넓어지는 ldquoConvor로 명명된 형상의 단면 모습으로 되어 있다(Fig 10)

Fig 8 독일 Netzsch 사 분쇄기의 내부 구조

Fig 9 독일 Netzsch 사의 분급기

Fig 10 독일 Netzsch 사 분급기의 단면 형상 ldquoConvor

8 독일 특허 공기 분사노즐(9)

독일 Netzsch 사의 분쇄기 관련 기술 컨설턴트인 Nied 가 고안한 분쇄용 분사노즐

의 구조에 대한 것이다 3 개의 공기 분사노즐이 기류충격식 분쇄기 하부의 수평

평면상에 원호상 등간격인 120도 간격으로 원의 중심을 향하여 배열되어 있다(Fig

11a) 분사노즐 중앙부의 구조는 단면이 수축-확산 형태로 노즐로 초음속의 고속

분사를 하면서 중심 노즐 주변에 중앙 분사부를 감싸는 이중 공기 분사관을 형성

하여 중앙의 분사노즐에서 분사되는 공기의 확산각이 커지지 않도록 공기 주위에

추가적인 보조 공기를 분사하는 구조이다(Fig 11b)

Fig 11a 독일 특허-분사노즐 배열과 분사 공기의 분포(EP 0 736328A1 1996)

Fig 11b 독일 특허-분사노즐 단면과 분사 공기의 분포(EP 0 736328A1 1996)

9 미국 특허 분쇄기 구조(10)

일본의 히데유끼 요시다 등 5 명이 미국에 출원한 특허로 분쇄 재료가 초음속으로

분출되는 공기 통로의 중간에서 공급되며 재료가 분쇄실로 이동된 후 충격판에 충

돌되어 분쇄되는 구조이다(Fig12) 분쇄된 분말의 크기는 10 수준이다

Fig 12 미국 특허-충돌식 분쇄기(USP 57657661998)

제 2 절 국내의 기술 현황

국내의 경우에는 초미분 분말 생산에 관한 개발 역사가 짧으며 연구소 대학 기업

등에서 다발적으로 연구가 진해오디고 있다 기계 전자 물리 재료 화학 등의 연

계된 연구가 필요하다 1996 년 과학기술부 및 산업자원부 등의 산업단을 중심으로

대형 연구가 수행되어 왔으나 주로 기상법에 의한 분말합성에 관한 것이다 1998

년도부터 한국기계연구원에서 200nm 급의 건식 분쇄 및 분급기에 대한 개발을 시

작으로 초미분 파우더 생산 장비에 관한 연구가 이루어지고 있다 초미분 분쇄 방

식은 본 기술지원 과제의 지원기업인 대가파우더시스템을 포함하여 습식 방식인

교반밀(agitated mill)을 주로 사용하며 입도의 크기는 5 이상 수십 크기의

범위이다 기류충격식 분쇄기의 기술 수준은 입도의 크기가 5 ~ 10 수준이다

기존의 습식분쇄기의 경우 평균 입도가 28 ~ 32로 Pb0를 대상으로 할 때 4

~ 6 kghr 정도를 생산할 수 있는 수준이다

국내에 등록되어 있는 건식 기류충격식 분쇄기와 관련된 특허의 출원인인 대부분이

일본업체이며 일본에 출원된 특허를 한국에 재출우너한 것이 대부분이다 미국과

벨기에가 각각 1 건씩 등록하고 있으며 한국인이 출원한 특허는 테크월드에서

출원한 3 건 등 모두 4 건이 검색되었다 마이크로급 이상의 파우더 생산장비에 대

한 국내의 기술 수준은 선진국 기술 수준의 약 70 수준이다 그나마도 설계 및

생산에 있어 거의 모방에 의존하고 있다 나노급 기술은 초보적인 상태이다

제 3 장 기술지원 수행 내용 및 결과

제 1 절 기술지원 수행

본 부품소재종합기술지원사업은 Fig13의 기술 개발 추진도에 따라 수행되었다

Fig 13 기술 개발 추진도

분쇄기의 전체 시스템 중에서 분쇄기와 분급기 이외의 기타 구성 모듈들에 대한 설

계 및 생산기술은 지원기업 대가파우더시스템이 기확보하고 있는 기술이 기술

지원의 주된 내용은 기류충격식 분쇄기의 핵심 부품이며 분쇄기의 성능을 좌우하는

초음속 공기 분사노즐과 분급기의 설계 기술에 관한 것이다 초음속 공기 분사노즐

의 단면 형상 공급 공기의 압력과 분사 공기의 속도 및 공기 소요량 산출을 위한

공기 분사노즐 설계와 분쇄기 내부의 내마모성 재료 선택 분급기 베인의 형상과

분급기로 유입되는 공기의 속도 분포를 균일하게 하여 원심력 작용으로 분말의 분

급 정밀도를 향상시켜 주기 위한 분급기의 내부 단면 형상 설계 미 ㅊ유입 공기 속

도 및 압력 분포에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 방법 등에 대한 체계적인 기술 지원이

수행되었다 향후 유사 모델 개발에 적용하여 새로운 제품을 개발할 수 있는 설계

능력을 확보하였다

1 분쇄기 시스템 구성도

본 기술지원을 통하여 개발하는 핵심 기술은 건식 기류충격식 분쇄기의 초음속 공

기 분사노즐과 분급기와 관련된 기술이다 분쇄기의 기본 구조는 독일의 Netzsch

사 제품과 유사한 구조로 되어 있으며 분쇄용 공기 분사노즐과 고정밀도의 분급기

설계기술을 자체 보유하는 데 주안점이 있다 개발 대상 분쇄기 시스템의 전체 구

성도는 Fig 14(7)에서와 같다 Fig 14에서 분쇄기 시스템은 ldquo진동공급기rdquo를 통하

여 공급되는 분쇄용 우너료를 ldquo건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기rdquo로 분쇄 및 분급

한 후에 cyclone을 거쳐 bag filter로 분말을 포집하는 시스템으로 구성되어 있

다 분말과 공기가 혼합된 기류는 각각의 단계로 이송하는 과정에서 double flap

valve로 이송이 조절되며 최종적으로 fan의 작동으로 공기가 배출된다

건식 기류충격식 분쇄기 본체를 구성하는 부품의 서브어셈블리는 각각 Chamber

Body Laval Nozzle Classifier Wheel 및 Bearing Block등으로 구성되어 있

다 주요한 설계 변수는 분쇄챔버의 직경과 높이 초음속 공기 분사노즐 설계 있어

서 라발 노즐(초음속 공기 분사노즐)의 모즐 목 내경과 배출부의 직경 및 축방향의

단면 형상 공기되는 공기의 압력 등이다 분급기 설계에 있어서의 주요 변소는 베

인의 단면 형상 베인의 수량과 배열 각도 분급기 내부 공동부의 단면 형상 분급

기에 유입되는 공기 속도와 분급기를 통과한 이후의 공기 압력 등이다

Fig 14 기류충격식 분쇄기의 시스템 구성도

2 소리의 속도

물체의 일부에 교란을 주면 개스 유체 및 고체의 압축성으로 인하여 물체를 통하

여 유한한 속도로 교란이 전파된다

음속은 물체의 압력과 밀도 변화와 관계되어 있으며 다음식으로 표현된다

여기서

음속 압력변화 밀도 변화

체적탄성계수는 다음과 같이 표현된다

여기서

체적탄성계수 압력변화 체적변화 초기체적

체적탄성계수는 식 (3)으로도 표현된다

여기서

물체의밀도변화 물체의초기밀도

개스 유체 고체 내에서의 음속은 다음식과 같다

여기서

체적탄성계수

개스에서의 소리 속도는 아주 작은 한 점에서 교란이 일어나는 관계로 열전달을 무

시할 수가 있으며 또한 등온 상태로 가정할 수가 있다 이상 기체에서의 소리 속도

는 절대 온도의 근에 비례하며 다음식으로 표현된다

여기서

k = 비열비 (adiabatic index)

p = 압력 (Pa psi)

R = 개스 상수

T = 절대 온도 (degK degR)

앞의 식 (4)와 식 (5)로부터

식 (6)으로부터 체적탄성게수 E를 구할 수가 있다

( 예 1 ) 공기의 체적탄성계구 산출

k = 14 R = 287 (JK kg) at T=293K( 20 ) p=1204(kgm3)

Eair = k R T p=14X287X293X1204=14174379((Jm3)

Eair = 14174379(Nm2)

( 예 2 ) 염소(C12)의 체적탄성계수 산출

k = 134 R = 120 (JK kg) at T=293K(20) p=2994(kgm3)

Ec12 = k R T p=134X120X293X1994=14106051((Jm3)

Ec12 = 14106051(Nm2)

( 예 3 ) 0 1 bar 공기에서의 소리 속도

c = (14x287x273)12

= 3312 (ms)

여기서

k = 14

R = 287 (JK kg)

( 예 4 ) 20 1bar 공기에서의 소리 속도 산출

c = (14X287X293)12

= 3431 (ms)

( 예 5 ) 0 물속에서의 소리 속도 산출

여기서

3 공기 분사노즐에서의 유동식

개스역학에서 공기의 속도가 sim 이상으로 빠르거나 압력의 변화가

보다 큰 경우에는 압축성 흐름으로 취급한다 이러한 현상은 노즐에서

개스가 팽창하는 경우에 발생된다

정상유동에서의 에너지 평형 상태는 다음식으로 표현된다

여기서 엔탈피는

이며 엔탈피 ∆의 변화는 내부에너지 ∆에 외부로 또는 외부로부터의 체적에

의한 일 ∙∆의 합과 같다

내부에너지의 변호가 없고 밀도가 일정하다고 가정하면 즉 ∆ 인

경우에는 비압축성유동의 베르누이 방정식이 된다 반면에 위치네어지의 변화가 없

는 경우 ∆ 에는 상대적으로 밀도가 낮은 압축성 유체인 ldquo개스rdquo의 상태를

나타낸다 ldquo개스역학rdquo 이라는 자체가 의미하듯이 해석에 있어 고압 및 개스의 속도

가 포함되며 내부에너지의 변화 ∆를 무시할 수가 없다 이러한 의미에서 식 (7)

은 다음과 같이 된다

이상개스 방정식에서

이며 식 (12)를 식(9)에 대입하면 다음과 같이 된다

식 (13)에 에너지 보존법칙을 적용하면 노즐에서 분사되는 개스의 속도를 구할 수

있다

개스의 초기 속도가 인 경우에는

가역 단열 흐름에 있어서는 다음 3개의 식을 적용할 수가 있다

식 (16) ~ 식 (18)을 식 (15)에 대입하면 노즐에서 분출되는 개스의 속도가 구해

진다

노즐을 통과하는 질량의 흐름 식

밀도의 비로부터

다음과 같이 노즐을 통과하는 질량을 구한다

다음의 식 (23)을 식 (22)에 대입하여

식 (24)를 구한다

여기에서

을 ldquo탈출 계수(escape coefficient)rdquo 라고 한다

식 (25)를 사용하여 식 (24)를 다시 표현하면 다음의 간략식이 된다

탈출 계수 는 압축비 의 값이 다음과 같은 값일 때

임계 압축비 또는 라발 압축비로 표현되는 다음 크기의 최대값을 갖는다

음속은 노즐의 단면적이 제일 작은 부분에서 임계 압축비에 도달한다

max는 테이퍼가 일정한 실린더 형상의 노즐에 적용된다 식 (26)에 의하여

ㆍ 가 되며 는 일정한 테이퍼의 노즐에서만 증가할 수 있다 만약 압

축비 가 임계비 이하이면 max이므로 노즐을 통과하는 질량의 흐름은 일정

하다 이것은 질량의 흐름이 외부의 압력에 영향을 받지 않는다는 것을 의미한다

질량의 흐름에 의한 일은 다음의 식 (30)으로부터 구해진다

압축성 유체의 단열 팽창시에 수행된 일은 식 (19)와 식 (30)로부터 다음과 같이

산출된다

아래의 Fig 15 는 수축확산 노즐의 단면 모습이며(11) Fig 16 은 수축확산 노즐에

서의 압력 온도 속도 변화를 나타낸 것이다(8)

Fig 15 수축확산 노즐(Laval Nozzle)

Fig 16 수축확산 노즐에서의 압력 온도 속도 변화

압축성 유체의 흐름에 있어서 임계 속도 이후에 노즐의 단면이 서서히 확대되면

열에너지가 유동에너지로 변환되면서 온도는 낮아지고 흐름이 증가된다

앞의 식 (27)을 참조할 때 Fig 16 의 수축확산 노즐의 단면적이 가장 작은 임계

압축비 에서 음속에 도달한다 이 것은 질량 흐름에 식 (26)이 계속적으로 유

효하다는 것을 의미한다 수축확산 노즐 출구에서의 온도는 다음과 같은 관계가 된

노즐 확산부의 치수는 다음식으로부터 구해지며

개스 상수 등은 계수 개스 유입 온도 노즐 목의 직경 압축비 등의

변수로부터 노즐 출구에서의 개스 속도와 온도를 구할 수가 있다 공기 흐름 해석

대상 노즐 각부에 대한 부호는 Fig17에서와 같다

Fig 17 수축확산 노즐의 각부 부호

실제 수축확산 노즐을 설계하는 데 있어서는 노즐에서 발생될 수 있는 압축파 발생

을 억제하기 위하여 노즐 출구의 치수를 설계값보다 약간 작게 한다 즉 Fig 17에

서의 노즐의 확산각 가 를 넘지 않아야 하며 최대 이내여야 한다

4 공기 분사노즐의 흐름 특성 계산

앞의 ldquo3 초음속 공기 분사노즐에서의 공기의 흐름rdquo에서 유도된 식들을 이용하여

ldquoMathcad 13 프로그램(12)으로 설계 대상 분쇄기에 적용되는 공기 분사노즐의 단

면 치수 유입 공기량 노즐 출구에서의 공기 속도 소요 동력 등을 산출하였다

우선 단위와 공기의 상수를 정리하면

kilo=1000 TK =273 hoursec =3600 k = 14

ㆍsecㆍ

ㆍsecㆍ

ㆍsec

ㆍsec

예를 들어 tan tan tan tan

해석 조건이 다음과 같으면 tank pressure=700kPa Ttank=70 exit

pressure=100kPa

단위 (mm) throat diameter=50 length 150 outlet diameter=70 diffusion

angle α=38deg

d = 0007 pe = 100kilo po = 7pe Ttank =7C

To = TK+Ttank To=343 (K)

times

sec

Air_massflow1N_hour =Air_masflow1N_sechoursec

Air_massflow1N_hour = 133024 (kghrper 1 nozzle)

Air_massflow3N_hour = Air_massflow 1N_hour3

Air_massflow 3N_hour = 399071 (kghrper 3 nozzles)

Imsec)

sec

timesorsec timesorsec

(kgm3)

sec

sec sec

공기분사 노즐 목의 직경이 50mm 출구 직경이 70mm 노즐 목에서 노즐 출구까

지의 길이가 150mm로 공기 분사노즐의 환산각 도인 공기 분사노즐이 3

개 장착되어 있으며 탱크내의 공기가 압력 7bar 와 70 를 유지하면서 계속적으

로 노즐을 통하여 공급되며 또한 분쇄 챔버 내의 압력이 1bar 로 유지되는 경우의

공기 분사노즐의 유동 특성 계산 결과를 종합 정리하면 다음과 같다

- 노즐 출구에서의 공기 최대 속도 542151msec

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 무게 399071kghr

(노즐 하나에 00369kgsec)

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 부피 225333m3hr(0063m3sec)

- 소요 동력 16291kWhhr

5 수축확산 공기 분사노즐의 유동 해석

공기 분사노즐을 3D 모델링 프로그램 SolidWorks(13)로 모델링하여 열유체 해석

을 위한 유한요소해석 프로그램 COSMOSFlwWorks(14)로 공기 분사노즐 내의 유

동 해석을 수행하였다 해석 대상 공기 분사노즐 단면의 형상과 각부의 치수는

Fig18에서와 같다

Fig 18 수축확산 노즐 유동 해석 모델의 단면

해석시에 적용된 변수값들은 앞의 ldquo4 초음속 공기 분사노즐의 분사 특성 계산rdquo에

서 산출된 값을 적용하였다 노즐의 확산부위 길이는 15mm 이며 분사노즐의 확산

각은 도이다 노즐 하나에 대하여 Fig 18 의 왼쪽면에서 00369 kgsec

의 공기가 유입되며 오른쪽 분사노즐 출구면에 12bar 의 압력을 적용하였다 분사

노즐의 유동 해석 결과의 여러 가지 특성값 중에서 본 설계에서의 주요 관심사가

공기의 배출 속도인 관계로 Fig 19에 흐름의 속도 분포 Fig 20에 흐름의 마하넘

버 분포를 나타내었다 초음속 흐름에 대한 해석으로 분사노즐 목에서의 공기속도

가 약 335msec(마하 1)이 되며 노즐 출구에서 최대속도가 된다 Fig 21은 수축

확산 노즐에 대한 공기의 속도 분포 해석 결과를 반영하여 공기 분사노즐을 모델링

한 것이다

Fig 19 수축확산 노즐의 공기 흐름 속도 분포

Fig 20 수축확산 노즐의 공기 흐름 마하넘버 분포

Fig 21 수축확산 노즐 모델

6 분급 이론

분급(分級 classification)이란 유체력을 이용해서 분립체를 그 입자 지름의 크기에

따라 분리하는 것으로 넓은 뜻으로는 유체력에 의한 분리만이 아니라 체가름을 포

함하는 경우가 있다 더 넓게는 비중선별ㆍ자기력선별 등 모든 입자분리조작을 분

급이라고 한다 공기ㆍ물 등의 유체 속에서 운동하는 분립체의 각 입자에는 중력

또는 원심력 이외에 유체에 의한 유체항력 등이 함께 작용된다 이 힘 즉 유체항력

은 입자 지름에 의존하는 데 유체항력과 입자 지름의 관계는 중력이나 원심력과

입자 지름의 관계와는 다르기 때문에 이 둘 사이의 균형 조건이 입자 지름에 의해

좌우된다 좁은 뜻의 분급은 이 원리를 이용한 입경분리조작을 의미한다 중력장에

서 등속 침강하는 구 형상의 입자에 대한 힘의 균형은 다음 식으로 표현된다

여기서 은 입자 질량 prime는 입자에 의해 배제된 유체 질량 g는 중력가속도 R

은 는 유체항력을 나타낸다 유체항력 R은 다음 식으로 나타낼 수 있다

여기서 는 저항계수 (drag coefficient)로 입자 주위의 유체의 상대적인 흐름의

상태에 따라 결정되는 무차원 계수이다 는 유체의 밀도 는 입자의 침강속도

는 입자의 지름이며 는 입자의 투영 최대 면적이다 물 또는 공기 속에서 입

자의 지름이 100 이하 입자의 밀도가 3gcm2이하의 조건에서는 입자 주위의 흐

름은 거의 충류로 간주되며 이때 R은 다음 식으로 나타내진다

여기서 는 유체의 점성도이다

prime

이므로 식 (36)을 식 (34)에 대입하면 식 (37)을 얻는다

여기서 는 입자 밀도이며 식 (37)을 스토크스의 침강속도식이라고 하며 분급에서

분리입자 지름을 구하기 위한 기본식으로 중요하다

식 (37)은 다음

과 같이도 표현된다

유체가 공기나 그 외의 기체인 경우의 분급 조작을 건식 분급(또는 공기 분급) 물

이나 그 외의 액체인 경우의 분급 조작을 습식 분급이라 한다 앞에 언급된 기본식

들 이외에 어떤 종류의 분급장치에서는 유체의 흐름 방향이 급격히 변화할 때 흐름

에 따라 운동하는 입자의 관성력의 효과가 중요한 역할을 한다

분급에 사용하는 장치를 분급기(classifier)라고 한다 건식분급기에는 관성력을 이

용하는 것 중력침강을 이용하는 것 원심력을 이용하는 것 등이 있다 관성력을 이

용하는 건식분급기에는 루버식분급기 버추얼임팩터 엘보제트형분급기 등이 있는

데 건식분급기로는 원심력을 이용한 것이 가장 널리 사용되고 있다 원심력을 이용

한 건식분급기로는 분급 입도가 30~100 정도의 비교적 굵은 입도에서의 대량 처

리로 옛날부터 알려진 스튜어트밴트형 등이 있으며 또한 몇 ~30의 분급이 가

능한 여러 분급기가 개발되어 널리 쓰이게 되었다 또한 사이클론도 미립(微粒)에서

조립(組立)에 이르는 분체(粉體)의 건식분급에 이용된다 습식분급기에는 중력식과

원심력식이 있으며 중력식은 상승 수류(水流)와 유동층을 이용한 수력분급기 원뿔

형 또는 각뿔형 용기에서의 중력침강을 이용한 세틀링탱크 등의 침강분급조 완만

하게 경사진 직사각형의 조(槽)로부터 침하한 조립 생산물을 긁어올리기 위한 레이

크나 스파이럴을 갖춘 기계분급기 등으로 분류된다 원심력을 이용한 습식분급기로

는 사이클론 또는 하이드로사이클론이 가장 대표적이며 솔리드볼형ㆍ디스크형 등

의 원심분리기도 미립자용 분급기로 사용된다

Fig 22는 베인 구조의 원심형 분급기의 회전 단면 모습이다

Fig22베인 구조의 원심형 분급기의 단면

Fig 22에서 H는 분급기 내부 상하면 사이의 간격이며 는 선별된 미분이 배출되

는 반경 는 베인의 내반경 는 베인의 외반경을 나타낸다

분체 주위의 공기 흐름이 층류 흐름이라는 조건하에서 베인 구조의 원심형 분급기

에의 컷포인트(utpoint)를 결정짓는 외주부의 반경 은 다음과 같다

또한 선별된 미분이 배출되는 반경은 다음과 같다

베인 사이에서도 고체의 회전법칙이 적용된다 베인의 외주 반경에서 속도의 원주

방향 성분 과 중심방향 성분 가 가장 큰 영향을 준다

식 (41)과 식 (42)를 식 (38)에 대입하여 정리하면 다음과 같다

독일 Netzsch 사에서는 베인의 내반경 에서 선별된 미분이 배출되는 반경 까

지의 반경 방향의 공기 속도 성분 을 질정하게 해 주기 위하여 Fig 10에 보인

ldquoConvorrdquo라고 불리우는 단면의 분급기를 개발하여 사용화하고 있다

7 분급기 설계와 유동 해석

분급기의 베인 사이로 분쇄된 미분과 공기가 함께 유입되어 중앙부의 배출구로 통

과하는 분급기의 내부 형상을 설계하기에 앞서 분급기 내부를 구성하는 상면이 평

평한 구조의 분급기에 대한 유동해석을 실시하여 공기의 속도 분포를 검토하였다

해석 대상 분급기의 외경은 205mm이며 밑면 중앙에 공기 배출을 위하여 직경이

90mm인 원형 구멍이 뚫려 있다 분급기 외주에는 단면이 원호의 일부로 만들어진

두깨가 2mm 넓이가 18mm 길이가 35mm인 베인이 매 60도마다 10개씩 등간격

으로 모두 60개가 베인의 코드 방향과 분급기의 반경 방향이 이루는 각도가 약 15

도가 되도록 경사지게 설치되어 있다 원주 방향으로 매 60도마다 길이 35mm 직

경 8mm인 원형봉 6개가 등간격으로 배열되어 상ㆍ사 카버 사이에 베인을 고정시

켜 조립되는 구조이다 해석 대상 분급기에 사용된 베인의 단면과 베인의 배열 및

분급기 상ㆍ하면을 고정하는 봉이 포함된 수평면상의 평면도를 Fig 23에 나타내었

다 Fig 24는 분급기의 상면 형상이 평평한 구조인 경우에 대한 분급기의 수직단

면도이다

분급기에 유입되는 공기는 온도 50 유입량 01m3sec 분급기를 통과한 후에

배출되는 공간의 압력은 12bar이며 분급기의 회전속도는 8000rpm(838radsec)

이다 분급기에 발생되는 원심력의 절대적인 크기는 재료의 밀도와 분급하고자 하

는 분말의 크기에 따라 분급기의 회전수를 변화시켜서 조절한다 SolidWorks 및

COSMOSFloWorks 프로그램으로 분급기의 공기 유동해석을 실시하였다 해석시의

변수 입력 항목 및 해석 과정을 ldquo부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 유동해석 절

차rdquo에 정리하였다

Fig 23 베인과 상ㆍ하면 고정 원형봉의 평면 단면도

Fig24 분급기 상면이 평면인 경우의 수직단면도

공기 유동해석 결과를 Fig25~Fig27에 나타내었다 Fig25는 베인의 중간 높이에

서의 수평 단면에서의 공기 속도 분포이다 Fig26은 베인이 위치한 부위에서의수

직단면 Fig 27은 상ㆍ하면을 고정시켜 주는 원형봉이 있는 부위의 수직단면에 분

포하는 공기의 유입 속도 해석 결과를 나타낸 것이다

Fig 25 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig 26 베인 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig27 연결봉 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig15~Fig27의 공기 속도 등고선을 보면 베인 외주부의 상하 위치에 있어서 공

기의속도가 불균일한 분포를 보인다 베인의 분급기 내부 공간에서는 같은 반경인

위치에서 윗부분에서의 공기 속도가 아랫부분에서보다 빠르게 분포하고 있다 베인

의 높이 방향 상ㆍ하 위치에 따른 이러한 유입 속도의 편차는 분급기 외주의 실린

더 면으로부터 유입되는 공기가 분급기 중앙의 밑 방향으로만 배출되는 유동 통로

의 구조 때문으로 판단되낟 따라서 같은 반경의 같은 원심력이 발생되는 위치에

있어서도 윗부분에서의 공기 유입속도가 밑부분에서보다 크게 분포되어 윗부분에서

는 밑부분에서보다 큰 분말이 분급기 안으로 유입된다 지정된 크기의 컷오프보다

큰 분말과 작은 분말이 혼합된 상태로 배출되는 관계로 분급이 정밀도가 저하된다

베인의 상ㆍ하 위치에 무관하게 공기의 유입 속도를 가급적 균일하게 해 주기 위한

목적으로 분급기 내부의 단면 형상을 Fig28과 같은 인볼류트-컨볼류트

(involute-convolute) 단면으로 구성하여 공기의 유동해석을 실시하였다

Fig 28 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기

Fig29는 베인의 중간 높이 수평단면 상에서의 공기 속도 분포이다 Fig25에 비하

여 베인의 외주 부위에서의 공기의 속도가 균일하게 분포되고 있음을 보여 준다

Fig29 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig 30은 베인이 위치한 부위에서의 수직 단면 Fig31은 상ㆍ하면을 고정시켜 주

는 원평봉이 있는 부위에서의 수직 단면에 분포하는 공기 속도 분포이다 Fig30과

Fig31은 각각 Fig25와 Fig26에 비하여 베인의 높이 방향 전체에 걸쳐 공기의 유

입 속도가 상당히 균일하게 분포되는 것을 보여 주고 있다

Fig 30 베인 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig31 연결봉 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig32는 분급기 내부의 공간 형상이 인볼류트-컨볼류트인 분급기의 설계 모델이

Fig32 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 모델

Fig33은 앞의 수축확산 공기 분사노즐(Fig20)과 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급

기(fig32)로 구성된 건식 기류충격식 분쇄기의 3D모델이다 중요 부품의 도면은

ldquo부록 9 설계 도면rdquo에 수록하였다

Fig33 건식 기류충격식 분쇄기의 3D 모델

8 시작품 제작

수축확산 공기 분사노즐의 유동해석 및 분급기의 유동해석 결과를 바탕으로 시작품

을 제작하였다 Fig34는 수축확산 공기 분사노즐 헤드의 시작품 모습이다

Fig 34 수축확산 공기 분사노즐 헤드 시작품

Fig35는 분급기의 시작품 모습이다 분급기의 베인은 분체와 마찰시 내마모성을

갖도록 SUS 재질로 곡면 성형한 후 세라믹으로 코팅하여 제작하였다

Fig35 분급기 시작품

Fig 36은 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 수축확산 공기 분사

노즐 및 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 등이 분쇄기의 내부에 장착되어 있다

Fig36 건식 기류충격식 분쇄기 시작품

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기와 관련된 국외 특허 자료 조사와 분석 공기의

유동해석에 있어 많은 일정이 소요되었다 기술지원 추진일정을 Table1에 정리하

였다

Table 4 추진 일정

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 26: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

Fig 5 일본 Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 사의 수평형 기류충격식

분쇄기(일본 特開 2002-35631 2002)

5 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(5)

Fig 6 일본 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기 구조는 Fig 4 의 일본

미놀타사와 유사하다 수평면상에 분사노즐이 배열되어 있으며 분급기의 회전축도

수평으로 위치하고 있다

Fig 6 (株)栗本鐵工所 사의 수평형 기류충격식 분쇄기(일본 特開 2003-88773

2003)

6 미국 Xerox사의 수평형 기류충격식 분쇄기와 노즐(6)

Fig 7a의 미국 Xerox사의 수평형 기류충격식 분쇄기 구조는 Fig 5의 일본

Hosokawa Alpine AGampCo OHG 사의 구조와 유사하다 분사노즐이 수평면상으로

배열되어 있으며 분급기의 회전축도 수평으로 위치하고 있다 분사노즐의 형상은

Fig 7b 에서와 같이 이중관 구조이다

Fig 7a 미국 Xerox 산의 수평형 기류충격식 분쇄기(일본 特開 2004-50179

2004)

Fig 7b 미국 Xerox 사의 이중관 분사노즐(일본 特開 2004-50179 2004)

7 독일 Netzsch사의 건식 기류충격식 분쇄기(7)

독일 Netzsch 사는 대표적인 기본 구조의 건식 기류충격식 분쇄기를 개발하여 가

공 용량이 다른 여러 가지 분쇄기에 유사한 구조를 적용하였으며 일본 Hosokawa

산의 분쇄기와는 전혀 상이한 구조이다 즉 3 개의 초음속 분사노즐이 기류충격식

분쇄기 하부의 수평 평면상에 원호상 등간격인 120 도 간격으로 원의 중심을 향하

여 배열되어 있으며 Fig 8 에서와 같이 수직 회전축을 갖는 원심형 분급기가 분

쇄기 상부에 설치되어 있다 분급기의 외형 모습은 Fig 9에 보인 것과 같으며 분

급 효율을 향상시킬 목적으로 분급기 단면이 회전 중심으로 향할수록 상하 공간이

넓어지는 ldquoConvor로 명명된 형상의 단면 모습으로 되어 있다(Fig 10)

Fig 8 독일 Netzsch 사 분쇄기의 내부 구조

Fig 9 독일 Netzsch 사의 분급기

Fig 10 독일 Netzsch 사 분급기의 단면 형상 ldquoConvor

8 독일 특허 공기 분사노즐(9)

독일 Netzsch 사의 분쇄기 관련 기술 컨설턴트인 Nied 가 고안한 분쇄용 분사노즐

의 구조에 대한 것이다 3 개의 공기 분사노즐이 기류충격식 분쇄기 하부의 수평

평면상에 원호상 등간격인 120도 간격으로 원의 중심을 향하여 배열되어 있다(Fig

11a) 분사노즐 중앙부의 구조는 단면이 수축-확산 형태로 노즐로 초음속의 고속

분사를 하면서 중심 노즐 주변에 중앙 분사부를 감싸는 이중 공기 분사관을 형성

하여 중앙의 분사노즐에서 분사되는 공기의 확산각이 커지지 않도록 공기 주위에

추가적인 보조 공기를 분사하는 구조이다(Fig 11b)

Fig 11a 독일 특허-분사노즐 배열과 분사 공기의 분포(EP 0 736328A1 1996)

Fig 11b 독일 특허-분사노즐 단면과 분사 공기의 분포(EP 0 736328A1 1996)

9 미국 특허 분쇄기 구조(10)

일본의 히데유끼 요시다 등 5 명이 미국에 출원한 특허로 분쇄 재료가 초음속으로

분출되는 공기 통로의 중간에서 공급되며 재료가 분쇄실로 이동된 후 충격판에 충

돌되어 분쇄되는 구조이다(Fig12) 분쇄된 분말의 크기는 10 수준이다

Fig 12 미국 특허-충돌식 분쇄기(USP 57657661998)

제 2 절 국내의 기술 현황

국내의 경우에는 초미분 분말 생산에 관한 개발 역사가 짧으며 연구소 대학 기업

등에서 다발적으로 연구가 진해오디고 있다 기계 전자 물리 재료 화학 등의 연

계된 연구가 필요하다 1996 년 과학기술부 및 산업자원부 등의 산업단을 중심으로

대형 연구가 수행되어 왔으나 주로 기상법에 의한 분말합성에 관한 것이다 1998

년도부터 한국기계연구원에서 200nm 급의 건식 분쇄 및 분급기에 대한 개발을 시

작으로 초미분 파우더 생산 장비에 관한 연구가 이루어지고 있다 초미분 분쇄 방

식은 본 기술지원 과제의 지원기업인 대가파우더시스템을 포함하여 습식 방식인

교반밀(agitated mill)을 주로 사용하며 입도의 크기는 5 이상 수십 크기의

범위이다 기류충격식 분쇄기의 기술 수준은 입도의 크기가 5 ~ 10 수준이다

기존의 습식분쇄기의 경우 평균 입도가 28 ~ 32로 Pb0를 대상으로 할 때 4

~ 6 kghr 정도를 생산할 수 있는 수준이다

국내에 등록되어 있는 건식 기류충격식 분쇄기와 관련된 특허의 출원인인 대부분이

일본업체이며 일본에 출원된 특허를 한국에 재출우너한 것이 대부분이다 미국과

벨기에가 각각 1 건씩 등록하고 있으며 한국인이 출원한 특허는 테크월드에서

출원한 3 건 등 모두 4 건이 검색되었다 마이크로급 이상의 파우더 생산장비에 대

한 국내의 기술 수준은 선진국 기술 수준의 약 70 수준이다 그나마도 설계 및

생산에 있어 거의 모방에 의존하고 있다 나노급 기술은 초보적인 상태이다

제 3 장 기술지원 수행 내용 및 결과

제 1 절 기술지원 수행

본 부품소재종합기술지원사업은 Fig13의 기술 개발 추진도에 따라 수행되었다

Fig 13 기술 개발 추진도

분쇄기의 전체 시스템 중에서 분쇄기와 분급기 이외의 기타 구성 모듈들에 대한 설

계 및 생산기술은 지원기업 대가파우더시스템이 기확보하고 있는 기술이 기술

지원의 주된 내용은 기류충격식 분쇄기의 핵심 부품이며 분쇄기의 성능을 좌우하는

초음속 공기 분사노즐과 분급기의 설계 기술에 관한 것이다 초음속 공기 분사노즐

의 단면 형상 공급 공기의 압력과 분사 공기의 속도 및 공기 소요량 산출을 위한

공기 분사노즐 설계와 분쇄기 내부의 내마모성 재료 선택 분급기 베인의 형상과

분급기로 유입되는 공기의 속도 분포를 균일하게 하여 원심력 작용으로 분말의 분

급 정밀도를 향상시켜 주기 위한 분급기의 내부 단면 형상 설계 미 ㅊ유입 공기 속

도 및 압력 분포에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 방법 등에 대한 체계적인 기술 지원이

수행되었다 향후 유사 모델 개발에 적용하여 새로운 제품을 개발할 수 있는 설계

능력을 확보하였다

1 분쇄기 시스템 구성도

본 기술지원을 통하여 개발하는 핵심 기술은 건식 기류충격식 분쇄기의 초음속 공

기 분사노즐과 분급기와 관련된 기술이다 분쇄기의 기본 구조는 독일의 Netzsch

사 제품과 유사한 구조로 되어 있으며 분쇄용 공기 분사노즐과 고정밀도의 분급기

설계기술을 자체 보유하는 데 주안점이 있다 개발 대상 분쇄기 시스템의 전체 구

성도는 Fig 14(7)에서와 같다 Fig 14에서 분쇄기 시스템은 ldquo진동공급기rdquo를 통하

여 공급되는 분쇄용 우너료를 ldquo건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기rdquo로 분쇄 및 분급

한 후에 cyclone을 거쳐 bag filter로 분말을 포집하는 시스템으로 구성되어 있

다 분말과 공기가 혼합된 기류는 각각의 단계로 이송하는 과정에서 double flap

valve로 이송이 조절되며 최종적으로 fan의 작동으로 공기가 배출된다

건식 기류충격식 분쇄기 본체를 구성하는 부품의 서브어셈블리는 각각 Chamber

Body Laval Nozzle Classifier Wheel 및 Bearing Block등으로 구성되어 있

다 주요한 설계 변수는 분쇄챔버의 직경과 높이 초음속 공기 분사노즐 설계 있어

서 라발 노즐(초음속 공기 분사노즐)의 모즐 목 내경과 배출부의 직경 및 축방향의

단면 형상 공기되는 공기의 압력 등이다 분급기 설계에 있어서의 주요 변소는 베

인의 단면 형상 베인의 수량과 배열 각도 분급기 내부 공동부의 단면 형상 분급

기에 유입되는 공기 속도와 분급기를 통과한 이후의 공기 압력 등이다

Fig 14 기류충격식 분쇄기의 시스템 구성도

2 소리의 속도

물체의 일부에 교란을 주면 개스 유체 및 고체의 압축성으로 인하여 물체를 통하

여 유한한 속도로 교란이 전파된다

음속은 물체의 압력과 밀도 변화와 관계되어 있으며 다음식으로 표현된다

여기서

음속 압력변화 밀도 변화

체적탄성계수는 다음과 같이 표현된다

여기서

체적탄성계수 압력변화 체적변화 초기체적

체적탄성계수는 식 (3)으로도 표현된다

여기서

물체의밀도변화 물체의초기밀도

개스 유체 고체 내에서의 음속은 다음식과 같다

여기서

체적탄성계수

개스에서의 소리 속도는 아주 작은 한 점에서 교란이 일어나는 관계로 열전달을 무

시할 수가 있으며 또한 등온 상태로 가정할 수가 있다 이상 기체에서의 소리 속도

는 절대 온도의 근에 비례하며 다음식으로 표현된다

여기서

k = 비열비 (adiabatic index)

p = 압력 (Pa psi)

R = 개스 상수

T = 절대 온도 (degK degR)

앞의 식 (4)와 식 (5)로부터

식 (6)으로부터 체적탄성게수 E를 구할 수가 있다

( 예 1 ) 공기의 체적탄성계구 산출

k = 14 R = 287 (JK kg) at T=293K( 20 ) p=1204(kgm3)

Eair = k R T p=14X287X293X1204=14174379((Jm3)

Eair = 14174379(Nm2)

( 예 2 ) 염소(C12)의 체적탄성계수 산출

k = 134 R = 120 (JK kg) at T=293K(20) p=2994(kgm3)

Ec12 = k R T p=134X120X293X1994=14106051((Jm3)

Ec12 = 14106051(Nm2)

( 예 3 ) 0 1 bar 공기에서의 소리 속도

c = (14x287x273)12

= 3312 (ms)

여기서

k = 14

R = 287 (JK kg)

( 예 4 ) 20 1bar 공기에서의 소리 속도 산출

c = (14X287X293)12

= 3431 (ms)

( 예 5 ) 0 물속에서의 소리 속도 산출

여기서

3 공기 분사노즐에서의 유동식

개스역학에서 공기의 속도가 sim 이상으로 빠르거나 압력의 변화가

보다 큰 경우에는 압축성 흐름으로 취급한다 이러한 현상은 노즐에서

개스가 팽창하는 경우에 발생된다

정상유동에서의 에너지 평형 상태는 다음식으로 표현된다

여기서 엔탈피는

이며 엔탈피 ∆의 변화는 내부에너지 ∆에 외부로 또는 외부로부터의 체적에

의한 일 ∙∆의 합과 같다

내부에너지의 변호가 없고 밀도가 일정하다고 가정하면 즉 ∆ 인

경우에는 비압축성유동의 베르누이 방정식이 된다 반면에 위치네어지의 변화가 없

는 경우 ∆ 에는 상대적으로 밀도가 낮은 압축성 유체인 ldquo개스rdquo의 상태를

나타낸다 ldquo개스역학rdquo 이라는 자체가 의미하듯이 해석에 있어 고압 및 개스의 속도

가 포함되며 내부에너지의 변화 ∆를 무시할 수가 없다 이러한 의미에서 식 (7)

은 다음과 같이 된다

이상개스 방정식에서

이며 식 (12)를 식(9)에 대입하면 다음과 같이 된다

식 (13)에 에너지 보존법칙을 적용하면 노즐에서 분사되는 개스의 속도를 구할 수

있다

개스의 초기 속도가 인 경우에는

가역 단열 흐름에 있어서는 다음 3개의 식을 적용할 수가 있다

식 (16) ~ 식 (18)을 식 (15)에 대입하면 노즐에서 분출되는 개스의 속도가 구해

진다

노즐을 통과하는 질량의 흐름 식

밀도의 비로부터

다음과 같이 노즐을 통과하는 질량을 구한다

다음의 식 (23)을 식 (22)에 대입하여

식 (24)를 구한다

여기에서

을 ldquo탈출 계수(escape coefficient)rdquo 라고 한다

식 (25)를 사용하여 식 (24)를 다시 표현하면 다음의 간략식이 된다

탈출 계수 는 압축비 의 값이 다음과 같은 값일 때

임계 압축비 또는 라발 압축비로 표현되는 다음 크기의 최대값을 갖는다

음속은 노즐의 단면적이 제일 작은 부분에서 임계 압축비에 도달한다

max는 테이퍼가 일정한 실린더 형상의 노즐에 적용된다 식 (26)에 의하여

ㆍ 가 되며 는 일정한 테이퍼의 노즐에서만 증가할 수 있다 만약 압

축비 가 임계비 이하이면 max이므로 노즐을 통과하는 질량의 흐름은 일정

하다 이것은 질량의 흐름이 외부의 압력에 영향을 받지 않는다는 것을 의미한다

질량의 흐름에 의한 일은 다음의 식 (30)으로부터 구해진다

압축성 유체의 단열 팽창시에 수행된 일은 식 (19)와 식 (30)로부터 다음과 같이

산출된다

아래의 Fig 15 는 수축확산 노즐의 단면 모습이며(11) Fig 16 은 수축확산 노즐에

서의 압력 온도 속도 변화를 나타낸 것이다(8)

Fig 15 수축확산 노즐(Laval Nozzle)

Fig 16 수축확산 노즐에서의 압력 온도 속도 변화

압축성 유체의 흐름에 있어서 임계 속도 이후에 노즐의 단면이 서서히 확대되면

열에너지가 유동에너지로 변환되면서 온도는 낮아지고 흐름이 증가된다

앞의 식 (27)을 참조할 때 Fig 16 의 수축확산 노즐의 단면적이 가장 작은 임계

압축비 에서 음속에 도달한다 이 것은 질량 흐름에 식 (26)이 계속적으로 유

효하다는 것을 의미한다 수축확산 노즐 출구에서의 온도는 다음과 같은 관계가 된

노즐 확산부의 치수는 다음식으로부터 구해지며

개스 상수 등은 계수 개스 유입 온도 노즐 목의 직경 압축비 등의

변수로부터 노즐 출구에서의 개스 속도와 온도를 구할 수가 있다 공기 흐름 해석

대상 노즐 각부에 대한 부호는 Fig17에서와 같다

Fig 17 수축확산 노즐의 각부 부호

실제 수축확산 노즐을 설계하는 데 있어서는 노즐에서 발생될 수 있는 압축파 발생

을 억제하기 위하여 노즐 출구의 치수를 설계값보다 약간 작게 한다 즉 Fig 17에

서의 노즐의 확산각 가 를 넘지 않아야 하며 최대 이내여야 한다

4 공기 분사노즐의 흐름 특성 계산

앞의 ldquo3 초음속 공기 분사노즐에서의 공기의 흐름rdquo에서 유도된 식들을 이용하여

ldquoMathcad 13 프로그램(12)으로 설계 대상 분쇄기에 적용되는 공기 분사노즐의 단

면 치수 유입 공기량 노즐 출구에서의 공기 속도 소요 동력 등을 산출하였다

우선 단위와 공기의 상수를 정리하면

kilo=1000 TK =273 hoursec =3600 k = 14

ㆍsecㆍ

ㆍsecㆍ

ㆍsec

ㆍsec

예를 들어 tan tan tan tan

해석 조건이 다음과 같으면 tank pressure=700kPa Ttank=70 exit

pressure=100kPa

단위 (mm) throat diameter=50 length 150 outlet diameter=70 diffusion

angle α=38deg

d = 0007 pe = 100kilo po = 7pe Ttank =7C

To = TK+Ttank To=343 (K)

times

sec

Air_massflow1N_hour =Air_masflow1N_sechoursec

Air_massflow1N_hour = 133024 (kghrper 1 nozzle)

Air_massflow3N_hour = Air_massflow 1N_hour3

Air_massflow 3N_hour = 399071 (kghrper 3 nozzles)

Imsec)

sec

timesorsec timesorsec

(kgm3)

sec

sec sec

공기분사 노즐 목의 직경이 50mm 출구 직경이 70mm 노즐 목에서 노즐 출구까

지의 길이가 150mm로 공기 분사노즐의 환산각 도인 공기 분사노즐이 3

개 장착되어 있으며 탱크내의 공기가 압력 7bar 와 70 를 유지하면서 계속적으

로 노즐을 통하여 공급되며 또한 분쇄 챔버 내의 압력이 1bar 로 유지되는 경우의

공기 분사노즐의 유동 특성 계산 결과를 종합 정리하면 다음과 같다

- 노즐 출구에서의 공기 최대 속도 542151msec

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 무게 399071kghr

(노즐 하나에 00369kgsec)

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 부피 225333m3hr(0063m3sec)

- 소요 동력 16291kWhhr

5 수축확산 공기 분사노즐의 유동 해석

공기 분사노즐을 3D 모델링 프로그램 SolidWorks(13)로 모델링하여 열유체 해석

을 위한 유한요소해석 프로그램 COSMOSFlwWorks(14)로 공기 분사노즐 내의 유

동 해석을 수행하였다 해석 대상 공기 분사노즐 단면의 형상과 각부의 치수는

Fig18에서와 같다

Fig 18 수축확산 노즐 유동 해석 모델의 단면

해석시에 적용된 변수값들은 앞의 ldquo4 초음속 공기 분사노즐의 분사 특성 계산rdquo에

서 산출된 값을 적용하였다 노즐의 확산부위 길이는 15mm 이며 분사노즐의 확산

각은 도이다 노즐 하나에 대하여 Fig 18 의 왼쪽면에서 00369 kgsec

의 공기가 유입되며 오른쪽 분사노즐 출구면에 12bar 의 압력을 적용하였다 분사

노즐의 유동 해석 결과의 여러 가지 특성값 중에서 본 설계에서의 주요 관심사가

공기의 배출 속도인 관계로 Fig 19에 흐름의 속도 분포 Fig 20에 흐름의 마하넘

버 분포를 나타내었다 초음속 흐름에 대한 해석으로 분사노즐 목에서의 공기속도

가 약 335msec(마하 1)이 되며 노즐 출구에서 최대속도가 된다 Fig 21은 수축

확산 노즐에 대한 공기의 속도 분포 해석 결과를 반영하여 공기 분사노즐을 모델링

한 것이다

Fig 19 수축확산 노즐의 공기 흐름 속도 분포

Fig 20 수축확산 노즐의 공기 흐름 마하넘버 분포

Fig 21 수축확산 노즐 모델

6 분급 이론

분급(分級 classification)이란 유체력을 이용해서 분립체를 그 입자 지름의 크기에

따라 분리하는 것으로 넓은 뜻으로는 유체력에 의한 분리만이 아니라 체가름을 포

함하는 경우가 있다 더 넓게는 비중선별ㆍ자기력선별 등 모든 입자분리조작을 분

급이라고 한다 공기ㆍ물 등의 유체 속에서 운동하는 분립체의 각 입자에는 중력

또는 원심력 이외에 유체에 의한 유체항력 등이 함께 작용된다 이 힘 즉 유체항력

은 입자 지름에 의존하는 데 유체항력과 입자 지름의 관계는 중력이나 원심력과

입자 지름의 관계와는 다르기 때문에 이 둘 사이의 균형 조건이 입자 지름에 의해

좌우된다 좁은 뜻의 분급은 이 원리를 이용한 입경분리조작을 의미한다 중력장에

서 등속 침강하는 구 형상의 입자에 대한 힘의 균형은 다음 식으로 표현된다

여기서 은 입자 질량 prime는 입자에 의해 배제된 유체 질량 g는 중력가속도 R

은 는 유체항력을 나타낸다 유체항력 R은 다음 식으로 나타낼 수 있다

여기서 는 저항계수 (drag coefficient)로 입자 주위의 유체의 상대적인 흐름의

상태에 따라 결정되는 무차원 계수이다 는 유체의 밀도 는 입자의 침강속도

는 입자의 지름이며 는 입자의 투영 최대 면적이다 물 또는 공기 속에서 입

자의 지름이 100 이하 입자의 밀도가 3gcm2이하의 조건에서는 입자 주위의 흐

름은 거의 충류로 간주되며 이때 R은 다음 식으로 나타내진다

여기서 는 유체의 점성도이다

prime

이므로 식 (36)을 식 (34)에 대입하면 식 (37)을 얻는다

여기서 는 입자 밀도이며 식 (37)을 스토크스의 침강속도식이라고 하며 분급에서

분리입자 지름을 구하기 위한 기본식으로 중요하다

식 (37)은 다음

과 같이도 표현된다

유체가 공기나 그 외의 기체인 경우의 분급 조작을 건식 분급(또는 공기 분급) 물

이나 그 외의 액체인 경우의 분급 조작을 습식 분급이라 한다 앞에 언급된 기본식

들 이외에 어떤 종류의 분급장치에서는 유체의 흐름 방향이 급격히 변화할 때 흐름

에 따라 운동하는 입자의 관성력의 효과가 중요한 역할을 한다

분급에 사용하는 장치를 분급기(classifier)라고 한다 건식분급기에는 관성력을 이

용하는 것 중력침강을 이용하는 것 원심력을 이용하는 것 등이 있다 관성력을 이

용하는 건식분급기에는 루버식분급기 버추얼임팩터 엘보제트형분급기 등이 있는

데 건식분급기로는 원심력을 이용한 것이 가장 널리 사용되고 있다 원심력을 이용

한 건식분급기로는 분급 입도가 30~100 정도의 비교적 굵은 입도에서의 대량 처

리로 옛날부터 알려진 스튜어트밴트형 등이 있으며 또한 몇 ~30의 분급이 가

능한 여러 분급기가 개발되어 널리 쓰이게 되었다 또한 사이클론도 미립(微粒)에서

조립(組立)에 이르는 분체(粉體)의 건식분급에 이용된다 습식분급기에는 중력식과

원심력식이 있으며 중력식은 상승 수류(水流)와 유동층을 이용한 수력분급기 원뿔

형 또는 각뿔형 용기에서의 중력침강을 이용한 세틀링탱크 등의 침강분급조 완만

하게 경사진 직사각형의 조(槽)로부터 침하한 조립 생산물을 긁어올리기 위한 레이

크나 스파이럴을 갖춘 기계분급기 등으로 분류된다 원심력을 이용한 습식분급기로

는 사이클론 또는 하이드로사이클론이 가장 대표적이며 솔리드볼형ㆍ디스크형 등

의 원심분리기도 미립자용 분급기로 사용된다

Fig 22는 베인 구조의 원심형 분급기의 회전 단면 모습이다

Fig22베인 구조의 원심형 분급기의 단면

Fig 22에서 H는 분급기 내부 상하면 사이의 간격이며 는 선별된 미분이 배출되

는 반경 는 베인의 내반경 는 베인의 외반경을 나타낸다

분체 주위의 공기 흐름이 층류 흐름이라는 조건하에서 베인 구조의 원심형 분급기

에의 컷포인트(utpoint)를 결정짓는 외주부의 반경 은 다음과 같다

또한 선별된 미분이 배출되는 반경은 다음과 같다

베인 사이에서도 고체의 회전법칙이 적용된다 베인의 외주 반경에서 속도의 원주

방향 성분 과 중심방향 성분 가 가장 큰 영향을 준다

식 (41)과 식 (42)를 식 (38)에 대입하여 정리하면 다음과 같다

독일 Netzsch 사에서는 베인의 내반경 에서 선별된 미분이 배출되는 반경 까

지의 반경 방향의 공기 속도 성분 을 질정하게 해 주기 위하여 Fig 10에 보인

ldquoConvorrdquo라고 불리우는 단면의 분급기를 개발하여 사용화하고 있다

7 분급기 설계와 유동 해석

분급기의 베인 사이로 분쇄된 미분과 공기가 함께 유입되어 중앙부의 배출구로 통

과하는 분급기의 내부 형상을 설계하기에 앞서 분급기 내부를 구성하는 상면이 평

평한 구조의 분급기에 대한 유동해석을 실시하여 공기의 속도 분포를 검토하였다

해석 대상 분급기의 외경은 205mm이며 밑면 중앙에 공기 배출을 위하여 직경이

90mm인 원형 구멍이 뚫려 있다 분급기 외주에는 단면이 원호의 일부로 만들어진

두깨가 2mm 넓이가 18mm 길이가 35mm인 베인이 매 60도마다 10개씩 등간격

으로 모두 60개가 베인의 코드 방향과 분급기의 반경 방향이 이루는 각도가 약 15

도가 되도록 경사지게 설치되어 있다 원주 방향으로 매 60도마다 길이 35mm 직

경 8mm인 원형봉 6개가 등간격으로 배열되어 상ㆍ사 카버 사이에 베인을 고정시

켜 조립되는 구조이다 해석 대상 분급기에 사용된 베인의 단면과 베인의 배열 및

분급기 상ㆍ하면을 고정하는 봉이 포함된 수평면상의 평면도를 Fig 23에 나타내었

다 Fig 24는 분급기의 상면 형상이 평평한 구조인 경우에 대한 분급기의 수직단

면도이다

분급기에 유입되는 공기는 온도 50 유입량 01m3sec 분급기를 통과한 후에

배출되는 공간의 압력은 12bar이며 분급기의 회전속도는 8000rpm(838radsec)

이다 분급기에 발생되는 원심력의 절대적인 크기는 재료의 밀도와 분급하고자 하

는 분말의 크기에 따라 분급기의 회전수를 변화시켜서 조절한다 SolidWorks 및

COSMOSFloWorks 프로그램으로 분급기의 공기 유동해석을 실시하였다 해석시의

변수 입력 항목 및 해석 과정을 ldquo부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 유동해석 절

차rdquo에 정리하였다

Fig 23 베인과 상ㆍ하면 고정 원형봉의 평면 단면도

Fig24 분급기 상면이 평면인 경우의 수직단면도

공기 유동해석 결과를 Fig25~Fig27에 나타내었다 Fig25는 베인의 중간 높이에

서의 수평 단면에서의 공기 속도 분포이다 Fig26은 베인이 위치한 부위에서의수

직단면 Fig 27은 상ㆍ하면을 고정시켜 주는 원형봉이 있는 부위의 수직단면에 분

포하는 공기의 유입 속도 해석 결과를 나타낸 것이다

Fig 25 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig 26 베인 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig27 연결봉 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig15~Fig27의 공기 속도 등고선을 보면 베인 외주부의 상하 위치에 있어서 공

기의속도가 불균일한 분포를 보인다 베인의 분급기 내부 공간에서는 같은 반경인

위치에서 윗부분에서의 공기 속도가 아랫부분에서보다 빠르게 분포하고 있다 베인

의 높이 방향 상ㆍ하 위치에 따른 이러한 유입 속도의 편차는 분급기 외주의 실린

더 면으로부터 유입되는 공기가 분급기 중앙의 밑 방향으로만 배출되는 유동 통로

의 구조 때문으로 판단되낟 따라서 같은 반경의 같은 원심력이 발생되는 위치에

있어서도 윗부분에서의 공기 유입속도가 밑부분에서보다 크게 분포되어 윗부분에서

는 밑부분에서보다 큰 분말이 분급기 안으로 유입된다 지정된 크기의 컷오프보다

큰 분말과 작은 분말이 혼합된 상태로 배출되는 관계로 분급이 정밀도가 저하된다

베인의 상ㆍ하 위치에 무관하게 공기의 유입 속도를 가급적 균일하게 해 주기 위한

목적으로 분급기 내부의 단면 형상을 Fig28과 같은 인볼류트-컨볼류트

(involute-convolute) 단면으로 구성하여 공기의 유동해석을 실시하였다

Fig 28 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기

Fig29는 베인의 중간 높이 수평단면 상에서의 공기 속도 분포이다 Fig25에 비하

여 베인의 외주 부위에서의 공기의 속도가 균일하게 분포되고 있음을 보여 준다

Fig29 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig 30은 베인이 위치한 부위에서의 수직 단면 Fig31은 상ㆍ하면을 고정시켜 주

는 원평봉이 있는 부위에서의 수직 단면에 분포하는 공기 속도 분포이다 Fig30과

Fig31은 각각 Fig25와 Fig26에 비하여 베인의 높이 방향 전체에 걸쳐 공기의 유

입 속도가 상당히 균일하게 분포되는 것을 보여 주고 있다

Fig 30 베인 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig31 연결봉 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig32는 분급기 내부의 공간 형상이 인볼류트-컨볼류트인 분급기의 설계 모델이

Fig32 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 모델

Fig33은 앞의 수축확산 공기 분사노즐(Fig20)과 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급

기(fig32)로 구성된 건식 기류충격식 분쇄기의 3D모델이다 중요 부품의 도면은

ldquo부록 9 설계 도면rdquo에 수록하였다

Fig33 건식 기류충격식 분쇄기의 3D 모델

8 시작품 제작

수축확산 공기 분사노즐의 유동해석 및 분급기의 유동해석 결과를 바탕으로 시작품

을 제작하였다 Fig34는 수축확산 공기 분사노즐 헤드의 시작품 모습이다

Fig 34 수축확산 공기 분사노즐 헤드 시작품

Fig35는 분급기의 시작품 모습이다 분급기의 베인은 분체와 마찰시 내마모성을

갖도록 SUS 재질로 곡면 성형한 후 세라믹으로 코팅하여 제작하였다

Fig35 분급기 시작품

Fig 36은 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 수축확산 공기 분사

노즐 및 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 등이 분쇄기의 내부에 장착되어 있다

Fig36 건식 기류충격식 분쇄기 시작품

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기와 관련된 국외 특허 자료 조사와 분석 공기의

유동해석에 있어 많은 일정이 소요되었다 기술지원 추진일정을 Table1에 정리하

였다

Table 4 추진 일정

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 27: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

6 미국 Xerox사의 수평형 기류충격식 분쇄기와 노즐(6)

Fig 7a의 미국 Xerox사의 수평형 기류충격식 분쇄기 구조는 Fig 5의 일본

Hosokawa Alpine AGampCo OHG 사의 구조와 유사하다 분사노즐이 수평면상으로

배열되어 있으며 분급기의 회전축도 수평으로 위치하고 있다 분사노즐의 형상은

Fig 7b 에서와 같이 이중관 구조이다

Fig 7a 미국 Xerox 산의 수평형 기류충격식 분쇄기(일본 特開 2004-50179

2004)

Fig 7b 미국 Xerox 사의 이중관 분사노즐(일본 特開 2004-50179 2004)

7 독일 Netzsch사의 건식 기류충격식 분쇄기(7)

독일 Netzsch 사는 대표적인 기본 구조의 건식 기류충격식 분쇄기를 개발하여 가

공 용량이 다른 여러 가지 분쇄기에 유사한 구조를 적용하였으며 일본 Hosokawa

산의 분쇄기와는 전혀 상이한 구조이다 즉 3 개의 초음속 분사노즐이 기류충격식

분쇄기 하부의 수평 평면상에 원호상 등간격인 120 도 간격으로 원의 중심을 향하

여 배열되어 있으며 Fig 8 에서와 같이 수직 회전축을 갖는 원심형 분급기가 분

쇄기 상부에 설치되어 있다 분급기의 외형 모습은 Fig 9에 보인 것과 같으며 분

급 효율을 향상시킬 목적으로 분급기 단면이 회전 중심으로 향할수록 상하 공간이

넓어지는 ldquoConvor로 명명된 형상의 단면 모습으로 되어 있다(Fig 10)

Fig 8 독일 Netzsch 사 분쇄기의 내부 구조

Fig 9 독일 Netzsch 사의 분급기

Fig 10 독일 Netzsch 사 분급기의 단면 형상 ldquoConvor

8 독일 특허 공기 분사노즐(9)

독일 Netzsch 사의 분쇄기 관련 기술 컨설턴트인 Nied 가 고안한 분쇄용 분사노즐

의 구조에 대한 것이다 3 개의 공기 분사노즐이 기류충격식 분쇄기 하부의 수평

평면상에 원호상 등간격인 120도 간격으로 원의 중심을 향하여 배열되어 있다(Fig

11a) 분사노즐 중앙부의 구조는 단면이 수축-확산 형태로 노즐로 초음속의 고속

분사를 하면서 중심 노즐 주변에 중앙 분사부를 감싸는 이중 공기 분사관을 형성

하여 중앙의 분사노즐에서 분사되는 공기의 확산각이 커지지 않도록 공기 주위에

추가적인 보조 공기를 분사하는 구조이다(Fig 11b)

Fig 11a 독일 특허-분사노즐 배열과 분사 공기의 분포(EP 0 736328A1 1996)

Fig 11b 독일 특허-분사노즐 단면과 분사 공기의 분포(EP 0 736328A1 1996)

9 미국 특허 분쇄기 구조(10)

일본의 히데유끼 요시다 등 5 명이 미국에 출원한 특허로 분쇄 재료가 초음속으로

분출되는 공기 통로의 중간에서 공급되며 재료가 분쇄실로 이동된 후 충격판에 충

돌되어 분쇄되는 구조이다(Fig12) 분쇄된 분말의 크기는 10 수준이다

Fig 12 미국 특허-충돌식 분쇄기(USP 57657661998)

제 2 절 국내의 기술 현황

국내의 경우에는 초미분 분말 생산에 관한 개발 역사가 짧으며 연구소 대학 기업

등에서 다발적으로 연구가 진해오디고 있다 기계 전자 물리 재료 화학 등의 연

계된 연구가 필요하다 1996 년 과학기술부 및 산업자원부 등의 산업단을 중심으로

대형 연구가 수행되어 왔으나 주로 기상법에 의한 분말합성에 관한 것이다 1998

년도부터 한국기계연구원에서 200nm 급의 건식 분쇄 및 분급기에 대한 개발을 시

작으로 초미분 파우더 생산 장비에 관한 연구가 이루어지고 있다 초미분 분쇄 방

식은 본 기술지원 과제의 지원기업인 대가파우더시스템을 포함하여 습식 방식인

교반밀(agitated mill)을 주로 사용하며 입도의 크기는 5 이상 수십 크기의

범위이다 기류충격식 분쇄기의 기술 수준은 입도의 크기가 5 ~ 10 수준이다

기존의 습식분쇄기의 경우 평균 입도가 28 ~ 32로 Pb0를 대상으로 할 때 4

~ 6 kghr 정도를 생산할 수 있는 수준이다

국내에 등록되어 있는 건식 기류충격식 분쇄기와 관련된 특허의 출원인인 대부분이

일본업체이며 일본에 출원된 특허를 한국에 재출우너한 것이 대부분이다 미국과

벨기에가 각각 1 건씩 등록하고 있으며 한국인이 출원한 특허는 테크월드에서

출원한 3 건 등 모두 4 건이 검색되었다 마이크로급 이상의 파우더 생산장비에 대

한 국내의 기술 수준은 선진국 기술 수준의 약 70 수준이다 그나마도 설계 및

생산에 있어 거의 모방에 의존하고 있다 나노급 기술은 초보적인 상태이다

제 3 장 기술지원 수행 내용 및 결과

제 1 절 기술지원 수행

본 부품소재종합기술지원사업은 Fig13의 기술 개발 추진도에 따라 수행되었다

Fig 13 기술 개발 추진도

분쇄기의 전체 시스템 중에서 분쇄기와 분급기 이외의 기타 구성 모듈들에 대한 설

계 및 생산기술은 지원기업 대가파우더시스템이 기확보하고 있는 기술이 기술

지원의 주된 내용은 기류충격식 분쇄기의 핵심 부품이며 분쇄기의 성능을 좌우하는

초음속 공기 분사노즐과 분급기의 설계 기술에 관한 것이다 초음속 공기 분사노즐

의 단면 형상 공급 공기의 압력과 분사 공기의 속도 및 공기 소요량 산출을 위한

공기 분사노즐 설계와 분쇄기 내부의 내마모성 재료 선택 분급기 베인의 형상과

분급기로 유입되는 공기의 속도 분포를 균일하게 하여 원심력 작용으로 분말의 분

급 정밀도를 향상시켜 주기 위한 분급기의 내부 단면 형상 설계 미 ㅊ유입 공기 속

도 및 압력 분포에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 방법 등에 대한 체계적인 기술 지원이

수행되었다 향후 유사 모델 개발에 적용하여 새로운 제품을 개발할 수 있는 설계

능력을 확보하였다

1 분쇄기 시스템 구성도

본 기술지원을 통하여 개발하는 핵심 기술은 건식 기류충격식 분쇄기의 초음속 공

기 분사노즐과 분급기와 관련된 기술이다 분쇄기의 기본 구조는 독일의 Netzsch

사 제품과 유사한 구조로 되어 있으며 분쇄용 공기 분사노즐과 고정밀도의 분급기

설계기술을 자체 보유하는 데 주안점이 있다 개발 대상 분쇄기 시스템의 전체 구

성도는 Fig 14(7)에서와 같다 Fig 14에서 분쇄기 시스템은 ldquo진동공급기rdquo를 통하

여 공급되는 분쇄용 우너료를 ldquo건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기rdquo로 분쇄 및 분급

한 후에 cyclone을 거쳐 bag filter로 분말을 포집하는 시스템으로 구성되어 있

다 분말과 공기가 혼합된 기류는 각각의 단계로 이송하는 과정에서 double flap

valve로 이송이 조절되며 최종적으로 fan의 작동으로 공기가 배출된다

건식 기류충격식 분쇄기 본체를 구성하는 부품의 서브어셈블리는 각각 Chamber

Body Laval Nozzle Classifier Wheel 및 Bearing Block등으로 구성되어 있

다 주요한 설계 변수는 분쇄챔버의 직경과 높이 초음속 공기 분사노즐 설계 있어

서 라발 노즐(초음속 공기 분사노즐)의 모즐 목 내경과 배출부의 직경 및 축방향의

단면 형상 공기되는 공기의 압력 등이다 분급기 설계에 있어서의 주요 변소는 베

인의 단면 형상 베인의 수량과 배열 각도 분급기 내부 공동부의 단면 형상 분급

기에 유입되는 공기 속도와 분급기를 통과한 이후의 공기 압력 등이다

Fig 14 기류충격식 분쇄기의 시스템 구성도

2 소리의 속도

물체의 일부에 교란을 주면 개스 유체 및 고체의 압축성으로 인하여 물체를 통하

여 유한한 속도로 교란이 전파된다

음속은 물체의 압력과 밀도 변화와 관계되어 있으며 다음식으로 표현된다

여기서

음속 압력변화 밀도 변화

체적탄성계수는 다음과 같이 표현된다

여기서

체적탄성계수 압력변화 체적변화 초기체적

체적탄성계수는 식 (3)으로도 표현된다

여기서

물체의밀도변화 물체의초기밀도

개스 유체 고체 내에서의 음속은 다음식과 같다

여기서

체적탄성계수

개스에서의 소리 속도는 아주 작은 한 점에서 교란이 일어나는 관계로 열전달을 무

시할 수가 있으며 또한 등온 상태로 가정할 수가 있다 이상 기체에서의 소리 속도

는 절대 온도의 근에 비례하며 다음식으로 표현된다

여기서

k = 비열비 (adiabatic index)

p = 압력 (Pa psi)

R = 개스 상수

T = 절대 온도 (degK degR)

앞의 식 (4)와 식 (5)로부터

식 (6)으로부터 체적탄성게수 E를 구할 수가 있다

( 예 1 ) 공기의 체적탄성계구 산출

k = 14 R = 287 (JK kg) at T=293K( 20 ) p=1204(kgm3)

Eair = k R T p=14X287X293X1204=14174379((Jm3)

Eair = 14174379(Nm2)

( 예 2 ) 염소(C12)의 체적탄성계수 산출

k = 134 R = 120 (JK kg) at T=293K(20) p=2994(kgm3)

Ec12 = k R T p=134X120X293X1994=14106051((Jm3)

Ec12 = 14106051(Nm2)

( 예 3 ) 0 1 bar 공기에서의 소리 속도

c = (14x287x273)12

= 3312 (ms)

여기서

k = 14

R = 287 (JK kg)

( 예 4 ) 20 1bar 공기에서의 소리 속도 산출

c = (14X287X293)12

= 3431 (ms)

( 예 5 ) 0 물속에서의 소리 속도 산출

여기서

3 공기 분사노즐에서의 유동식

개스역학에서 공기의 속도가 sim 이상으로 빠르거나 압력의 변화가

보다 큰 경우에는 압축성 흐름으로 취급한다 이러한 현상은 노즐에서

개스가 팽창하는 경우에 발생된다

정상유동에서의 에너지 평형 상태는 다음식으로 표현된다

여기서 엔탈피는

이며 엔탈피 ∆의 변화는 내부에너지 ∆에 외부로 또는 외부로부터의 체적에

의한 일 ∙∆의 합과 같다

내부에너지의 변호가 없고 밀도가 일정하다고 가정하면 즉 ∆ 인

경우에는 비압축성유동의 베르누이 방정식이 된다 반면에 위치네어지의 변화가 없

는 경우 ∆ 에는 상대적으로 밀도가 낮은 압축성 유체인 ldquo개스rdquo의 상태를

나타낸다 ldquo개스역학rdquo 이라는 자체가 의미하듯이 해석에 있어 고압 및 개스의 속도

가 포함되며 내부에너지의 변화 ∆를 무시할 수가 없다 이러한 의미에서 식 (7)

은 다음과 같이 된다

이상개스 방정식에서

이며 식 (12)를 식(9)에 대입하면 다음과 같이 된다

식 (13)에 에너지 보존법칙을 적용하면 노즐에서 분사되는 개스의 속도를 구할 수

있다

개스의 초기 속도가 인 경우에는

가역 단열 흐름에 있어서는 다음 3개의 식을 적용할 수가 있다

식 (16) ~ 식 (18)을 식 (15)에 대입하면 노즐에서 분출되는 개스의 속도가 구해

진다

노즐을 통과하는 질량의 흐름 식

밀도의 비로부터

다음과 같이 노즐을 통과하는 질량을 구한다

다음의 식 (23)을 식 (22)에 대입하여

식 (24)를 구한다

여기에서

을 ldquo탈출 계수(escape coefficient)rdquo 라고 한다

식 (25)를 사용하여 식 (24)를 다시 표현하면 다음의 간략식이 된다

탈출 계수 는 압축비 의 값이 다음과 같은 값일 때

임계 압축비 또는 라발 압축비로 표현되는 다음 크기의 최대값을 갖는다

음속은 노즐의 단면적이 제일 작은 부분에서 임계 압축비에 도달한다

max는 테이퍼가 일정한 실린더 형상의 노즐에 적용된다 식 (26)에 의하여

ㆍ 가 되며 는 일정한 테이퍼의 노즐에서만 증가할 수 있다 만약 압

축비 가 임계비 이하이면 max이므로 노즐을 통과하는 질량의 흐름은 일정

하다 이것은 질량의 흐름이 외부의 압력에 영향을 받지 않는다는 것을 의미한다

질량의 흐름에 의한 일은 다음의 식 (30)으로부터 구해진다

압축성 유체의 단열 팽창시에 수행된 일은 식 (19)와 식 (30)로부터 다음과 같이

산출된다

아래의 Fig 15 는 수축확산 노즐의 단면 모습이며(11) Fig 16 은 수축확산 노즐에

서의 압력 온도 속도 변화를 나타낸 것이다(8)

Fig 15 수축확산 노즐(Laval Nozzle)

Fig 16 수축확산 노즐에서의 압력 온도 속도 변화

압축성 유체의 흐름에 있어서 임계 속도 이후에 노즐의 단면이 서서히 확대되면

열에너지가 유동에너지로 변환되면서 온도는 낮아지고 흐름이 증가된다

앞의 식 (27)을 참조할 때 Fig 16 의 수축확산 노즐의 단면적이 가장 작은 임계

압축비 에서 음속에 도달한다 이 것은 질량 흐름에 식 (26)이 계속적으로 유

효하다는 것을 의미한다 수축확산 노즐 출구에서의 온도는 다음과 같은 관계가 된

노즐 확산부의 치수는 다음식으로부터 구해지며

개스 상수 등은 계수 개스 유입 온도 노즐 목의 직경 압축비 등의

변수로부터 노즐 출구에서의 개스 속도와 온도를 구할 수가 있다 공기 흐름 해석

대상 노즐 각부에 대한 부호는 Fig17에서와 같다

Fig 17 수축확산 노즐의 각부 부호

실제 수축확산 노즐을 설계하는 데 있어서는 노즐에서 발생될 수 있는 압축파 발생

을 억제하기 위하여 노즐 출구의 치수를 설계값보다 약간 작게 한다 즉 Fig 17에

서의 노즐의 확산각 가 를 넘지 않아야 하며 최대 이내여야 한다

4 공기 분사노즐의 흐름 특성 계산

앞의 ldquo3 초음속 공기 분사노즐에서의 공기의 흐름rdquo에서 유도된 식들을 이용하여

ldquoMathcad 13 프로그램(12)으로 설계 대상 분쇄기에 적용되는 공기 분사노즐의 단

면 치수 유입 공기량 노즐 출구에서의 공기 속도 소요 동력 등을 산출하였다

우선 단위와 공기의 상수를 정리하면

kilo=1000 TK =273 hoursec =3600 k = 14

ㆍsecㆍ

ㆍsecㆍ

ㆍsec

ㆍsec

예를 들어 tan tan tan tan

해석 조건이 다음과 같으면 tank pressure=700kPa Ttank=70 exit

pressure=100kPa

단위 (mm) throat diameter=50 length 150 outlet diameter=70 diffusion

angle α=38deg

d = 0007 pe = 100kilo po = 7pe Ttank =7C

To = TK+Ttank To=343 (K)

times

sec

Air_massflow1N_hour =Air_masflow1N_sechoursec

Air_massflow1N_hour = 133024 (kghrper 1 nozzle)

Air_massflow3N_hour = Air_massflow 1N_hour3

Air_massflow 3N_hour = 399071 (kghrper 3 nozzles)

Imsec)

sec

timesorsec timesorsec

(kgm3)

sec

sec sec

공기분사 노즐 목의 직경이 50mm 출구 직경이 70mm 노즐 목에서 노즐 출구까

지의 길이가 150mm로 공기 분사노즐의 환산각 도인 공기 분사노즐이 3

개 장착되어 있으며 탱크내의 공기가 압력 7bar 와 70 를 유지하면서 계속적으

로 노즐을 통하여 공급되며 또한 분쇄 챔버 내의 압력이 1bar 로 유지되는 경우의

공기 분사노즐의 유동 특성 계산 결과를 종합 정리하면 다음과 같다

- 노즐 출구에서의 공기 최대 속도 542151msec

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 무게 399071kghr

(노즐 하나에 00369kgsec)

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 부피 225333m3hr(0063m3sec)

- 소요 동력 16291kWhhr

5 수축확산 공기 분사노즐의 유동 해석

공기 분사노즐을 3D 모델링 프로그램 SolidWorks(13)로 모델링하여 열유체 해석

을 위한 유한요소해석 프로그램 COSMOSFlwWorks(14)로 공기 분사노즐 내의 유

동 해석을 수행하였다 해석 대상 공기 분사노즐 단면의 형상과 각부의 치수는

Fig18에서와 같다

Fig 18 수축확산 노즐 유동 해석 모델의 단면

해석시에 적용된 변수값들은 앞의 ldquo4 초음속 공기 분사노즐의 분사 특성 계산rdquo에

서 산출된 값을 적용하였다 노즐의 확산부위 길이는 15mm 이며 분사노즐의 확산

각은 도이다 노즐 하나에 대하여 Fig 18 의 왼쪽면에서 00369 kgsec

의 공기가 유입되며 오른쪽 분사노즐 출구면에 12bar 의 압력을 적용하였다 분사

노즐의 유동 해석 결과의 여러 가지 특성값 중에서 본 설계에서의 주요 관심사가

공기의 배출 속도인 관계로 Fig 19에 흐름의 속도 분포 Fig 20에 흐름의 마하넘

버 분포를 나타내었다 초음속 흐름에 대한 해석으로 분사노즐 목에서의 공기속도

가 약 335msec(마하 1)이 되며 노즐 출구에서 최대속도가 된다 Fig 21은 수축

확산 노즐에 대한 공기의 속도 분포 해석 결과를 반영하여 공기 분사노즐을 모델링

한 것이다

Fig 19 수축확산 노즐의 공기 흐름 속도 분포

Fig 20 수축확산 노즐의 공기 흐름 마하넘버 분포

Fig 21 수축확산 노즐 모델

6 분급 이론

분급(分級 classification)이란 유체력을 이용해서 분립체를 그 입자 지름의 크기에

따라 분리하는 것으로 넓은 뜻으로는 유체력에 의한 분리만이 아니라 체가름을 포

함하는 경우가 있다 더 넓게는 비중선별ㆍ자기력선별 등 모든 입자분리조작을 분

급이라고 한다 공기ㆍ물 등의 유체 속에서 운동하는 분립체의 각 입자에는 중력

또는 원심력 이외에 유체에 의한 유체항력 등이 함께 작용된다 이 힘 즉 유체항력

은 입자 지름에 의존하는 데 유체항력과 입자 지름의 관계는 중력이나 원심력과

입자 지름의 관계와는 다르기 때문에 이 둘 사이의 균형 조건이 입자 지름에 의해

좌우된다 좁은 뜻의 분급은 이 원리를 이용한 입경분리조작을 의미한다 중력장에

서 등속 침강하는 구 형상의 입자에 대한 힘의 균형은 다음 식으로 표현된다

여기서 은 입자 질량 prime는 입자에 의해 배제된 유체 질량 g는 중력가속도 R

은 는 유체항력을 나타낸다 유체항력 R은 다음 식으로 나타낼 수 있다

여기서 는 저항계수 (drag coefficient)로 입자 주위의 유체의 상대적인 흐름의

상태에 따라 결정되는 무차원 계수이다 는 유체의 밀도 는 입자의 침강속도

는 입자의 지름이며 는 입자의 투영 최대 면적이다 물 또는 공기 속에서 입

자의 지름이 100 이하 입자의 밀도가 3gcm2이하의 조건에서는 입자 주위의 흐

름은 거의 충류로 간주되며 이때 R은 다음 식으로 나타내진다

여기서 는 유체의 점성도이다

prime

이므로 식 (36)을 식 (34)에 대입하면 식 (37)을 얻는다

여기서 는 입자 밀도이며 식 (37)을 스토크스의 침강속도식이라고 하며 분급에서

분리입자 지름을 구하기 위한 기본식으로 중요하다

식 (37)은 다음

과 같이도 표현된다

유체가 공기나 그 외의 기체인 경우의 분급 조작을 건식 분급(또는 공기 분급) 물

이나 그 외의 액체인 경우의 분급 조작을 습식 분급이라 한다 앞에 언급된 기본식

들 이외에 어떤 종류의 분급장치에서는 유체의 흐름 방향이 급격히 변화할 때 흐름

에 따라 운동하는 입자의 관성력의 효과가 중요한 역할을 한다

분급에 사용하는 장치를 분급기(classifier)라고 한다 건식분급기에는 관성력을 이

용하는 것 중력침강을 이용하는 것 원심력을 이용하는 것 등이 있다 관성력을 이

용하는 건식분급기에는 루버식분급기 버추얼임팩터 엘보제트형분급기 등이 있는

데 건식분급기로는 원심력을 이용한 것이 가장 널리 사용되고 있다 원심력을 이용

한 건식분급기로는 분급 입도가 30~100 정도의 비교적 굵은 입도에서의 대량 처

리로 옛날부터 알려진 스튜어트밴트형 등이 있으며 또한 몇 ~30의 분급이 가

능한 여러 분급기가 개발되어 널리 쓰이게 되었다 또한 사이클론도 미립(微粒)에서

조립(組立)에 이르는 분체(粉體)의 건식분급에 이용된다 습식분급기에는 중력식과

원심력식이 있으며 중력식은 상승 수류(水流)와 유동층을 이용한 수력분급기 원뿔

형 또는 각뿔형 용기에서의 중력침강을 이용한 세틀링탱크 등의 침강분급조 완만

하게 경사진 직사각형의 조(槽)로부터 침하한 조립 생산물을 긁어올리기 위한 레이

크나 스파이럴을 갖춘 기계분급기 등으로 분류된다 원심력을 이용한 습식분급기로

는 사이클론 또는 하이드로사이클론이 가장 대표적이며 솔리드볼형ㆍ디스크형 등

의 원심분리기도 미립자용 분급기로 사용된다

Fig 22는 베인 구조의 원심형 분급기의 회전 단면 모습이다

Fig22베인 구조의 원심형 분급기의 단면

Fig 22에서 H는 분급기 내부 상하면 사이의 간격이며 는 선별된 미분이 배출되

는 반경 는 베인의 내반경 는 베인의 외반경을 나타낸다

분체 주위의 공기 흐름이 층류 흐름이라는 조건하에서 베인 구조의 원심형 분급기

에의 컷포인트(utpoint)를 결정짓는 외주부의 반경 은 다음과 같다

또한 선별된 미분이 배출되는 반경은 다음과 같다

베인 사이에서도 고체의 회전법칙이 적용된다 베인의 외주 반경에서 속도의 원주

방향 성분 과 중심방향 성분 가 가장 큰 영향을 준다

식 (41)과 식 (42)를 식 (38)에 대입하여 정리하면 다음과 같다

독일 Netzsch 사에서는 베인의 내반경 에서 선별된 미분이 배출되는 반경 까

지의 반경 방향의 공기 속도 성분 을 질정하게 해 주기 위하여 Fig 10에 보인

ldquoConvorrdquo라고 불리우는 단면의 분급기를 개발하여 사용화하고 있다

7 분급기 설계와 유동 해석

분급기의 베인 사이로 분쇄된 미분과 공기가 함께 유입되어 중앙부의 배출구로 통

과하는 분급기의 내부 형상을 설계하기에 앞서 분급기 내부를 구성하는 상면이 평

평한 구조의 분급기에 대한 유동해석을 실시하여 공기의 속도 분포를 검토하였다

해석 대상 분급기의 외경은 205mm이며 밑면 중앙에 공기 배출을 위하여 직경이

90mm인 원형 구멍이 뚫려 있다 분급기 외주에는 단면이 원호의 일부로 만들어진

두깨가 2mm 넓이가 18mm 길이가 35mm인 베인이 매 60도마다 10개씩 등간격

으로 모두 60개가 베인의 코드 방향과 분급기의 반경 방향이 이루는 각도가 약 15

도가 되도록 경사지게 설치되어 있다 원주 방향으로 매 60도마다 길이 35mm 직

경 8mm인 원형봉 6개가 등간격으로 배열되어 상ㆍ사 카버 사이에 베인을 고정시

켜 조립되는 구조이다 해석 대상 분급기에 사용된 베인의 단면과 베인의 배열 및

분급기 상ㆍ하면을 고정하는 봉이 포함된 수평면상의 평면도를 Fig 23에 나타내었

다 Fig 24는 분급기의 상면 형상이 평평한 구조인 경우에 대한 분급기의 수직단

면도이다

분급기에 유입되는 공기는 온도 50 유입량 01m3sec 분급기를 통과한 후에

배출되는 공간의 압력은 12bar이며 분급기의 회전속도는 8000rpm(838radsec)

이다 분급기에 발생되는 원심력의 절대적인 크기는 재료의 밀도와 분급하고자 하

는 분말의 크기에 따라 분급기의 회전수를 변화시켜서 조절한다 SolidWorks 및

COSMOSFloWorks 프로그램으로 분급기의 공기 유동해석을 실시하였다 해석시의

변수 입력 항목 및 해석 과정을 ldquo부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 유동해석 절

차rdquo에 정리하였다

Fig 23 베인과 상ㆍ하면 고정 원형봉의 평면 단면도

Fig24 분급기 상면이 평면인 경우의 수직단면도

공기 유동해석 결과를 Fig25~Fig27에 나타내었다 Fig25는 베인의 중간 높이에

서의 수평 단면에서의 공기 속도 분포이다 Fig26은 베인이 위치한 부위에서의수

직단면 Fig 27은 상ㆍ하면을 고정시켜 주는 원형봉이 있는 부위의 수직단면에 분

포하는 공기의 유입 속도 해석 결과를 나타낸 것이다

Fig 25 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig 26 베인 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig27 연결봉 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig15~Fig27의 공기 속도 등고선을 보면 베인 외주부의 상하 위치에 있어서 공

기의속도가 불균일한 분포를 보인다 베인의 분급기 내부 공간에서는 같은 반경인

위치에서 윗부분에서의 공기 속도가 아랫부분에서보다 빠르게 분포하고 있다 베인

의 높이 방향 상ㆍ하 위치에 따른 이러한 유입 속도의 편차는 분급기 외주의 실린

더 면으로부터 유입되는 공기가 분급기 중앙의 밑 방향으로만 배출되는 유동 통로

의 구조 때문으로 판단되낟 따라서 같은 반경의 같은 원심력이 발생되는 위치에

있어서도 윗부분에서의 공기 유입속도가 밑부분에서보다 크게 분포되어 윗부분에서

는 밑부분에서보다 큰 분말이 분급기 안으로 유입된다 지정된 크기의 컷오프보다

큰 분말과 작은 분말이 혼합된 상태로 배출되는 관계로 분급이 정밀도가 저하된다

베인의 상ㆍ하 위치에 무관하게 공기의 유입 속도를 가급적 균일하게 해 주기 위한

목적으로 분급기 내부의 단면 형상을 Fig28과 같은 인볼류트-컨볼류트

(involute-convolute) 단면으로 구성하여 공기의 유동해석을 실시하였다

Fig 28 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기

Fig29는 베인의 중간 높이 수평단면 상에서의 공기 속도 분포이다 Fig25에 비하

여 베인의 외주 부위에서의 공기의 속도가 균일하게 분포되고 있음을 보여 준다

Fig29 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig 30은 베인이 위치한 부위에서의 수직 단면 Fig31은 상ㆍ하면을 고정시켜 주

는 원평봉이 있는 부위에서의 수직 단면에 분포하는 공기 속도 분포이다 Fig30과

Fig31은 각각 Fig25와 Fig26에 비하여 베인의 높이 방향 전체에 걸쳐 공기의 유

입 속도가 상당히 균일하게 분포되는 것을 보여 주고 있다

Fig 30 베인 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig31 연결봉 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig32는 분급기 내부의 공간 형상이 인볼류트-컨볼류트인 분급기의 설계 모델이

Fig32 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 모델

Fig33은 앞의 수축확산 공기 분사노즐(Fig20)과 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급

기(fig32)로 구성된 건식 기류충격식 분쇄기의 3D모델이다 중요 부품의 도면은

ldquo부록 9 설계 도면rdquo에 수록하였다

Fig33 건식 기류충격식 분쇄기의 3D 모델

8 시작품 제작

수축확산 공기 분사노즐의 유동해석 및 분급기의 유동해석 결과를 바탕으로 시작품

을 제작하였다 Fig34는 수축확산 공기 분사노즐 헤드의 시작품 모습이다

Fig 34 수축확산 공기 분사노즐 헤드 시작품

Fig35는 분급기의 시작품 모습이다 분급기의 베인은 분체와 마찰시 내마모성을

갖도록 SUS 재질로 곡면 성형한 후 세라믹으로 코팅하여 제작하였다

Fig35 분급기 시작품

Fig 36은 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 수축확산 공기 분사

노즐 및 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 등이 분쇄기의 내부에 장착되어 있다

Fig36 건식 기류충격식 분쇄기 시작품

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기와 관련된 국외 특허 자료 조사와 분석 공기의

유동해석에 있어 많은 일정이 소요되었다 기술지원 추진일정을 Table1에 정리하

였다

Table 4 추진 일정

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 28: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

7 독일 Netzsch사의 건식 기류충격식 분쇄기(7)

독일 Netzsch 사는 대표적인 기본 구조의 건식 기류충격식 분쇄기를 개발하여 가

공 용량이 다른 여러 가지 분쇄기에 유사한 구조를 적용하였으며 일본 Hosokawa

산의 분쇄기와는 전혀 상이한 구조이다 즉 3 개의 초음속 분사노즐이 기류충격식

분쇄기 하부의 수평 평면상에 원호상 등간격인 120 도 간격으로 원의 중심을 향하

여 배열되어 있으며 Fig 8 에서와 같이 수직 회전축을 갖는 원심형 분급기가 분

쇄기 상부에 설치되어 있다 분급기의 외형 모습은 Fig 9에 보인 것과 같으며 분

급 효율을 향상시킬 목적으로 분급기 단면이 회전 중심으로 향할수록 상하 공간이

넓어지는 ldquoConvor로 명명된 형상의 단면 모습으로 되어 있다(Fig 10)

Fig 8 독일 Netzsch 사 분쇄기의 내부 구조

Fig 9 독일 Netzsch 사의 분급기

Fig 10 독일 Netzsch 사 분급기의 단면 형상 ldquoConvor

8 독일 특허 공기 분사노즐(9)

독일 Netzsch 사의 분쇄기 관련 기술 컨설턴트인 Nied 가 고안한 분쇄용 분사노즐

의 구조에 대한 것이다 3 개의 공기 분사노즐이 기류충격식 분쇄기 하부의 수평

평면상에 원호상 등간격인 120도 간격으로 원의 중심을 향하여 배열되어 있다(Fig

11a) 분사노즐 중앙부의 구조는 단면이 수축-확산 형태로 노즐로 초음속의 고속

분사를 하면서 중심 노즐 주변에 중앙 분사부를 감싸는 이중 공기 분사관을 형성

하여 중앙의 분사노즐에서 분사되는 공기의 확산각이 커지지 않도록 공기 주위에

추가적인 보조 공기를 분사하는 구조이다(Fig 11b)

Fig 11a 독일 특허-분사노즐 배열과 분사 공기의 분포(EP 0 736328A1 1996)

Fig 11b 독일 특허-분사노즐 단면과 분사 공기의 분포(EP 0 736328A1 1996)

9 미국 특허 분쇄기 구조(10)

일본의 히데유끼 요시다 등 5 명이 미국에 출원한 특허로 분쇄 재료가 초음속으로

분출되는 공기 통로의 중간에서 공급되며 재료가 분쇄실로 이동된 후 충격판에 충

돌되어 분쇄되는 구조이다(Fig12) 분쇄된 분말의 크기는 10 수준이다

Fig 12 미국 특허-충돌식 분쇄기(USP 57657661998)

제 2 절 국내의 기술 현황

국내의 경우에는 초미분 분말 생산에 관한 개발 역사가 짧으며 연구소 대학 기업

등에서 다발적으로 연구가 진해오디고 있다 기계 전자 물리 재료 화학 등의 연

계된 연구가 필요하다 1996 년 과학기술부 및 산업자원부 등의 산업단을 중심으로

대형 연구가 수행되어 왔으나 주로 기상법에 의한 분말합성에 관한 것이다 1998

년도부터 한국기계연구원에서 200nm 급의 건식 분쇄 및 분급기에 대한 개발을 시

작으로 초미분 파우더 생산 장비에 관한 연구가 이루어지고 있다 초미분 분쇄 방

식은 본 기술지원 과제의 지원기업인 대가파우더시스템을 포함하여 습식 방식인

교반밀(agitated mill)을 주로 사용하며 입도의 크기는 5 이상 수십 크기의

범위이다 기류충격식 분쇄기의 기술 수준은 입도의 크기가 5 ~ 10 수준이다

기존의 습식분쇄기의 경우 평균 입도가 28 ~ 32로 Pb0를 대상으로 할 때 4

~ 6 kghr 정도를 생산할 수 있는 수준이다

국내에 등록되어 있는 건식 기류충격식 분쇄기와 관련된 특허의 출원인인 대부분이

일본업체이며 일본에 출원된 특허를 한국에 재출우너한 것이 대부분이다 미국과

벨기에가 각각 1 건씩 등록하고 있으며 한국인이 출원한 특허는 테크월드에서

출원한 3 건 등 모두 4 건이 검색되었다 마이크로급 이상의 파우더 생산장비에 대

한 국내의 기술 수준은 선진국 기술 수준의 약 70 수준이다 그나마도 설계 및

생산에 있어 거의 모방에 의존하고 있다 나노급 기술은 초보적인 상태이다

제 3 장 기술지원 수행 내용 및 결과

제 1 절 기술지원 수행

본 부품소재종합기술지원사업은 Fig13의 기술 개발 추진도에 따라 수행되었다

Fig 13 기술 개발 추진도

분쇄기의 전체 시스템 중에서 분쇄기와 분급기 이외의 기타 구성 모듈들에 대한 설

계 및 생산기술은 지원기업 대가파우더시스템이 기확보하고 있는 기술이 기술

지원의 주된 내용은 기류충격식 분쇄기의 핵심 부품이며 분쇄기의 성능을 좌우하는

초음속 공기 분사노즐과 분급기의 설계 기술에 관한 것이다 초음속 공기 분사노즐

의 단면 형상 공급 공기의 압력과 분사 공기의 속도 및 공기 소요량 산출을 위한

공기 분사노즐 설계와 분쇄기 내부의 내마모성 재료 선택 분급기 베인의 형상과

분급기로 유입되는 공기의 속도 분포를 균일하게 하여 원심력 작용으로 분말의 분

급 정밀도를 향상시켜 주기 위한 분급기의 내부 단면 형상 설계 미 ㅊ유입 공기 속

도 및 압력 분포에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 방법 등에 대한 체계적인 기술 지원이

수행되었다 향후 유사 모델 개발에 적용하여 새로운 제품을 개발할 수 있는 설계

능력을 확보하였다

1 분쇄기 시스템 구성도

본 기술지원을 통하여 개발하는 핵심 기술은 건식 기류충격식 분쇄기의 초음속 공

기 분사노즐과 분급기와 관련된 기술이다 분쇄기의 기본 구조는 독일의 Netzsch

사 제품과 유사한 구조로 되어 있으며 분쇄용 공기 분사노즐과 고정밀도의 분급기

설계기술을 자체 보유하는 데 주안점이 있다 개발 대상 분쇄기 시스템의 전체 구

성도는 Fig 14(7)에서와 같다 Fig 14에서 분쇄기 시스템은 ldquo진동공급기rdquo를 통하

여 공급되는 분쇄용 우너료를 ldquo건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기rdquo로 분쇄 및 분급

한 후에 cyclone을 거쳐 bag filter로 분말을 포집하는 시스템으로 구성되어 있

다 분말과 공기가 혼합된 기류는 각각의 단계로 이송하는 과정에서 double flap

valve로 이송이 조절되며 최종적으로 fan의 작동으로 공기가 배출된다

건식 기류충격식 분쇄기 본체를 구성하는 부품의 서브어셈블리는 각각 Chamber

Body Laval Nozzle Classifier Wheel 및 Bearing Block등으로 구성되어 있

다 주요한 설계 변수는 분쇄챔버의 직경과 높이 초음속 공기 분사노즐 설계 있어

서 라발 노즐(초음속 공기 분사노즐)의 모즐 목 내경과 배출부의 직경 및 축방향의

단면 형상 공기되는 공기의 압력 등이다 분급기 설계에 있어서의 주요 변소는 베

인의 단면 형상 베인의 수량과 배열 각도 분급기 내부 공동부의 단면 형상 분급

기에 유입되는 공기 속도와 분급기를 통과한 이후의 공기 압력 등이다

Fig 14 기류충격식 분쇄기의 시스템 구성도

2 소리의 속도

물체의 일부에 교란을 주면 개스 유체 및 고체의 압축성으로 인하여 물체를 통하

여 유한한 속도로 교란이 전파된다

음속은 물체의 압력과 밀도 변화와 관계되어 있으며 다음식으로 표현된다

여기서

음속 압력변화 밀도 변화

체적탄성계수는 다음과 같이 표현된다

여기서

체적탄성계수 압력변화 체적변화 초기체적

체적탄성계수는 식 (3)으로도 표현된다

여기서

물체의밀도변화 물체의초기밀도

개스 유체 고체 내에서의 음속은 다음식과 같다

여기서

체적탄성계수

개스에서의 소리 속도는 아주 작은 한 점에서 교란이 일어나는 관계로 열전달을 무

시할 수가 있으며 또한 등온 상태로 가정할 수가 있다 이상 기체에서의 소리 속도

는 절대 온도의 근에 비례하며 다음식으로 표현된다

여기서

k = 비열비 (adiabatic index)

p = 압력 (Pa psi)

R = 개스 상수

T = 절대 온도 (degK degR)

앞의 식 (4)와 식 (5)로부터

식 (6)으로부터 체적탄성게수 E를 구할 수가 있다

( 예 1 ) 공기의 체적탄성계구 산출

k = 14 R = 287 (JK kg) at T=293K( 20 ) p=1204(kgm3)

Eair = k R T p=14X287X293X1204=14174379((Jm3)

Eair = 14174379(Nm2)

( 예 2 ) 염소(C12)의 체적탄성계수 산출

k = 134 R = 120 (JK kg) at T=293K(20) p=2994(kgm3)

Ec12 = k R T p=134X120X293X1994=14106051((Jm3)

Ec12 = 14106051(Nm2)

( 예 3 ) 0 1 bar 공기에서의 소리 속도

c = (14x287x273)12

= 3312 (ms)

여기서

k = 14

R = 287 (JK kg)

( 예 4 ) 20 1bar 공기에서의 소리 속도 산출

c = (14X287X293)12

= 3431 (ms)

( 예 5 ) 0 물속에서의 소리 속도 산출

여기서

3 공기 분사노즐에서의 유동식

개스역학에서 공기의 속도가 sim 이상으로 빠르거나 압력의 변화가

보다 큰 경우에는 압축성 흐름으로 취급한다 이러한 현상은 노즐에서

개스가 팽창하는 경우에 발생된다

정상유동에서의 에너지 평형 상태는 다음식으로 표현된다

여기서 엔탈피는

이며 엔탈피 ∆의 변화는 내부에너지 ∆에 외부로 또는 외부로부터의 체적에

의한 일 ∙∆의 합과 같다

내부에너지의 변호가 없고 밀도가 일정하다고 가정하면 즉 ∆ 인

경우에는 비압축성유동의 베르누이 방정식이 된다 반면에 위치네어지의 변화가 없

는 경우 ∆ 에는 상대적으로 밀도가 낮은 압축성 유체인 ldquo개스rdquo의 상태를

나타낸다 ldquo개스역학rdquo 이라는 자체가 의미하듯이 해석에 있어 고압 및 개스의 속도

가 포함되며 내부에너지의 변화 ∆를 무시할 수가 없다 이러한 의미에서 식 (7)

은 다음과 같이 된다

이상개스 방정식에서

이며 식 (12)를 식(9)에 대입하면 다음과 같이 된다

식 (13)에 에너지 보존법칙을 적용하면 노즐에서 분사되는 개스의 속도를 구할 수

있다

개스의 초기 속도가 인 경우에는

가역 단열 흐름에 있어서는 다음 3개의 식을 적용할 수가 있다

식 (16) ~ 식 (18)을 식 (15)에 대입하면 노즐에서 분출되는 개스의 속도가 구해

진다

노즐을 통과하는 질량의 흐름 식

밀도의 비로부터

다음과 같이 노즐을 통과하는 질량을 구한다

다음의 식 (23)을 식 (22)에 대입하여

식 (24)를 구한다

여기에서

을 ldquo탈출 계수(escape coefficient)rdquo 라고 한다

식 (25)를 사용하여 식 (24)를 다시 표현하면 다음의 간략식이 된다

탈출 계수 는 압축비 의 값이 다음과 같은 값일 때

임계 압축비 또는 라발 압축비로 표현되는 다음 크기의 최대값을 갖는다

음속은 노즐의 단면적이 제일 작은 부분에서 임계 압축비에 도달한다

max는 테이퍼가 일정한 실린더 형상의 노즐에 적용된다 식 (26)에 의하여

ㆍ 가 되며 는 일정한 테이퍼의 노즐에서만 증가할 수 있다 만약 압

축비 가 임계비 이하이면 max이므로 노즐을 통과하는 질량의 흐름은 일정

하다 이것은 질량의 흐름이 외부의 압력에 영향을 받지 않는다는 것을 의미한다

질량의 흐름에 의한 일은 다음의 식 (30)으로부터 구해진다

압축성 유체의 단열 팽창시에 수행된 일은 식 (19)와 식 (30)로부터 다음과 같이

산출된다

아래의 Fig 15 는 수축확산 노즐의 단면 모습이며(11) Fig 16 은 수축확산 노즐에

서의 압력 온도 속도 변화를 나타낸 것이다(8)

Fig 15 수축확산 노즐(Laval Nozzle)

Fig 16 수축확산 노즐에서의 압력 온도 속도 변화

압축성 유체의 흐름에 있어서 임계 속도 이후에 노즐의 단면이 서서히 확대되면

열에너지가 유동에너지로 변환되면서 온도는 낮아지고 흐름이 증가된다

앞의 식 (27)을 참조할 때 Fig 16 의 수축확산 노즐의 단면적이 가장 작은 임계

압축비 에서 음속에 도달한다 이 것은 질량 흐름에 식 (26)이 계속적으로 유

효하다는 것을 의미한다 수축확산 노즐 출구에서의 온도는 다음과 같은 관계가 된

노즐 확산부의 치수는 다음식으로부터 구해지며

개스 상수 등은 계수 개스 유입 온도 노즐 목의 직경 압축비 등의

변수로부터 노즐 출구에서의 개스 속도와 온도를 구할 수가 있다 공기 흐름 해석

대상 노즐 각부에 대한 부호는 Fig17에서와 같다

Fig 17 수축확산 노즐의 각부 부호

실제 수축확산 노즐을 설계하는 데 있어서는 노즐에서 발생될 수 있는 압축파 발생

을 억제하기 위하여 노즐 출구의 치수를 설계값보다 약간 작게 한다 즉 Fig 17에

서의 노즐의 확산각 가 를 넘지 않아야 하며 최대 이내여야 한다

4 공기 분사노즐의 흐름 특성 계산

앞의 ldquo3 초음속 공기 분사노즐에서의 공기의 흐름rdquo에서 유도된 식들을 이용하여

ldquoMathcad 13 프로그램(12)으로 설계 대상 분쇄기에 적용되는 공기 분사노즐의 단

면 치수 유입 공기량 노즐 출구에서의 공기 속도 소요 동력 등을 산출하였다

우선 단위와 공기의 상수를 정리하면

kilo=1000 TK =273 hoursec =3600 k = 14

ㆍsecㆍ

ㆍsecㆍ

ㆍsec

ㆍsec

예를 들어 tan tan tan tan

해석 조건이 다음과 같으면 tank pressure=700kPa Ttank=70 exit

pressure=100kPa

단위 (mm) throat diameter=50 length 150 outlet diameter=70 diffusion

angle α=38deg

d = 0007 pe = 100kilo po = 7pe Ttank =7C

To = TK+Ttank To=343 (K)

times

sec

Air_massflow1N_hour =Air_masflow1N_sechoursec

Air_massflow1N_hour = 133024 (kghrper 1 nozzle)

Air_massflow3N_hour = Air_massflow 1N_hour3

Air_massflow 3N_hour = 399071 (kghrper 3 nozzles)

Imsec)

sec

timesorsec timesorsec

(kgm3)

sec

sec sec

공기분사 노즐 목의 직경이 50mm 출구 직경이 70mm 노즐 목에서 노즐 출구까

지의 길이가 150mm로 공기 분사노즐의 환산각 도인 공기 분사노즐이 3

개 장착되어 있으며 탱크내의 공기가 압력 7bar 와 70 를 유지하면서 계속적으

로 노즐을 통하여 공급되며 또한 분쇄 챔버 내의 압력이 1bar 로 유지되는 경우의

공기 분사노즐의 유동 특성 계산 결과를 종합 정리하면 다음과 같다

- 노즐 출구에서의 공기 최대 속도 542151msec

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 무게 399071kghr

(노즐 하나에 00369kgsec)

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 부피 225333m3hr(0063m3sec)

- 소요 동력 16291kWhhr

5 수축확산 공기 분사노즐의 유동 해석

공기 분사노즐을 3D 모델링 프로그램 SolidWorks(13)로 모델링하여 열유체 해석

을 위한 유한요소해석 프로그램 COSMOSFlwWorks(14)로 공기 분사노즐 내의 유

동 해석을 수행하였다 해석 대상 공기 분사노즐 단면의 형상과 각부의 치수는

Fig18에서와 같다

Fig 18 수축확산 노즐 유동 해석 모델의 단면

해석시에 적용된 변수값들은 앞의 ldquo4 초음속 공기 분사노즐의 분사 특성 계산rdquo에

서 산출된 값을 적용하였다 노즐의 확산부위 길이는 15mm 이며 분사노즐의 확산

각은 도이다 노즐 하나에 대하여 Fig 18 의 왼쪽면에서 00369 kgsec

의 공기가 유입되며 오른쪽 분사노즐 출구면에 12bar 의 압력을 적용하였다 분사

노즐의 유동 해석 결과의 여러 가지 특성값 중에서 본 설계에서의 주요 관심사가

공기의 배출 속도인 관계로 Fig 19에 흐름의 속도 분포 Fig 20에 흐름의 마하넘

버 분포를 나타내었다 초음속 흐름에 대한 해석으로 분사노즐 목에서의 공기속도

가 약 335msec(마하 1)이 되며 노즐 출구에서 최대속도가 된다 Fig 21은 수축

확산 노즐에 대한 공기의 속도 분포 해석 결과를 반영하여 공기 분사노즐을 모델링

한 것이다

Fig 19 수축확산 노즐의 공기 흐름 속도 분포

Fig 20 수축확산 노즐의 공기 흐름 마하넘버 분포

Fig 21 수축확산 노즐 모델

6 분급 이론

분급(分級 classification)이란 유체력을 이용해서 분립체를 그 입자 지름의 크기에

따라 분리하는 것으로 넓은 뜻으로는 유체력에 의한 분리만이 아니라 체가름을 포

함하는 경우가 있다 더 넓게는 비중선별ㆍ자기력선별 등 모든 입자분리조작을 분

급이라고 한다 공기ㆍ물 등의 유체 속에서 운동하는 분립체의 각 입자에는 중력

또는 원심력 이외에 유체에 의한 유체항력 등이 함께 작용된다 이 힘 즉 유체항력

은 입자 지름에 의존하는 데 유체항력과 입자 지름의 관계는 중력이나 원심력과

입자 지름의 관계와는 다르기 때문에 이 둘 사이의 균형 조건이 입자 지름에 의해

좌우된다 좁은 뜻의 분급은 이 원리를 이용한 입경분리조작을 의미한다 중력장에

서 등속 침강하는 구 형상의 입자에 대한 힘의 균형은 다음 식으로 표현된다

여기서 은 입자 질량 prime는 입자에 의해 배제된 유체 질량 g는 중력가속도 R

은 는 유체항력을 나타낸다 유체항력 R은 다음 식으로 나타낼 수 있다

여기서 는 저항계수 (drag coefficient)로 입자 주위의 유체의 상대적인 흐름의

상태에 따라 결정되는 무차원 계수이다 는 유체의 밀도 는 입자의 침강속도

는 입자의 지름이며 는 입자의 투영 최대 면적이다 물 또는 공기 속에서 입

자의 지름이 100 이하 입자의 밀도가 3gcm2이하의 조건에서는 입자 주위의 흐

름은 거의 충류로 간주되며 이때 R은 다음 식으로 나타내진다

여기서 는 유체의 점성도이다

prime

이므로 식 (36)을 식 (34)에 대입하면 식 (37)을 얻는다

여기서 는 입자 밀도이며 식 (37)을 스토크스의 침강속도식이라고 하며 분급에서

분리입자 지름을 구하기 위한 기본식으로 중요하다

식 (37)은 다음

과 같이도 표현된다

유체가 공기나 그 외의 기체인 경우의 분급 조작을 건식 분급(또는 공기 분급) 물

이나 그 외의 액체인 경우의 분급 조작을 습식 분급이라 한다 앞에 언급된 기본식

들 이외에 어떤 종류의 분급장치에서는 유체의 흐름 방향이 급격히 변화할 때 흐름

에 따라 운동하는 입자의 관성력의 효과가 중요한 역할을 한다

분급에 사용하는 장치를 분급기(classifier)라고 한다 건식분급기에는 관성력을 이

용하는 것 중력침강을 이용하는 것 원심력을 이용하는 것 등이 있다 관성력을 이

용하는 건식분급기에는 루버식분급기 버추얼임팩터 엘보제트형분급기 등이 있는

데 건식분급기로는 원심력을 이용한 것이 가장 널리 사용되고 있다 원심력을 이용

한 건식분급기로는 분급 입도가 30~100 정도의 비교적 굵은 입도에서의 대량 처

리로 옛날부터 알려진 스튜어트밴트형 등이 있으며 또한 몇 ~30의 분급이 가

능한 여러 분급기가 개발되어 널리 쓰이게 되었다 또한 사이클론도 미립(微粒)에서

조립(組立)에 이르는 분체(粉體)의 건식분급에 이용된다 습식분급기에는 중력식과

원심력식이 있으며 중력식은 상승 수류(水流)와 유동층을 이용한 수력분급기 원뿔

형 또는 각뿔형 용기에서의 중력침강을 이용한 세틀링탱크 등의 침강분급조 완만

하게 경사진 직사각형의 조(槽)로부터 침하한 조립 생산물을 긁어올리기 위한 레이

크나 스파이럴을 갖춘 기계분급기 등으로 분류된다 원심력을 이용한 습식분급기로

는 사이클론 또는 하이드로사이클론이 가장 대표적이며 솔리드볼형ㆍ디스크형 등

의 원심분리기도 미립자용 분급기로 사용된다

Fig 22는 베인 구조의 원심형 분급기의 회전 단면 모습이다

Fig22베인 구조의 원심형 분급기의 단면

Fig 22에서 H는 분급기 내부 상하면 사이의 간격이며 는 선별된 미분이 배출되

는 반경 는 베인의 내반경 는 베인의 외반경을 나타낸다

분체 주위의 공기 흐름이 층류 흐름이라는 조건하에서 베인 구조의 원심형 분급기

에의 컷포인트(utpoint)를 결정짓는 외주부의 반경 은 다음과 같다

또한 선별된 미분이 배출되는 반경은 다음과 같다

베인 사이에서도 고체의 회전법칙이 적용된다 베인의 외주 반경에서 속도의 원주

방향 성분 과 중심방향 성분 가 가장 큰 영향을 준다

식 (41)과 식 (42)를 식 (38)에 대입하여 정리하면 다음과 같다

독일 Netzsch 사에서는 베인의 내반경 에서 선별된 미분이 배출되는 반경 까

지의 반경 방향의 공기 속도 성분 을 질정하게 해 주기 위하여 Fig 10에 보인

ldquoConvorrdquo라고 불리우는 단면의 분급기를 개발하여 사용화하고 있다

7 분급기 설계와 유동 해석

분급기의 베인 사이로 분쇄된 미분과 공기가 함께 유입되어 중앙부의 배출구로 통

과하는 분급기의 내부 형상을 설계하기에 앞서 분급기 내부를 구성하는 상면이 평

평한 구조의 분급기에 대한 유동해석을 실시하여 공기의 속도 분포를 검토하였다

해석 대상 분급기의 외경은 205mm이며 밑면 중앙에 공기 배출을 위하여 직경이

90mm인 원형 구멍이 뚫려 있다 분급기 외주에는 단면이 원호의 일부로 만들어진

두깨가 2mm 넓이가 18mm 길이가 35mm인 베인이 매 60도마다 10개씩 등간격

으로 모두 60개가 베인의 코드 방향과 분급기의 반경 방향이 이루는 각도가 약 15

도가 되도록 경사지게 설치되어 있다 원주 방향으로 매 60도마다 길이 35mm 직

경 8mm인 원형봉 6개가 등간격으로 배열되어 상ㆍ사 카버 사이에 베인을 고정시

켜 조립되는 구조이다 해석 대상 분급기에 사용된 베인의 단면과 베인의 배열 및

분급기 상ㆍ하면을 고정하는 봉이 포함된 수평면상의 평면도를 Fig 23에 나타내었

다 Fig 24는 분급기의 상면 형상이 평평한 구조인 경우에 대한 분급기의 수직단

면도이다

분급기에 유입되는 공기는 온도 50 유입량 01m3sec 분급기를 통과한 후에

배출되는 공간의 압력은 12bar이며 분급기의 회전속도는 8000rpm(838radsec)

이다 분급기에 발생되는 원심력의 절대적인 크기는 재료의 밀도와 분급하고자 하

는 분말의 크기에 따라 분급기의 회전수를 변화시켜서 조절한다 SolidWorks 및

COSMOSFloWorks 프로그램으로 분급기의 공기 유동해석을 실시하였다 해석시의

변수 입력 항목 및 해석 과정을 ldquo부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 유동해석 절

차rdquo에 정리하였다

Fig 23 베인과 상ㆍ하면 고정 원형봉의 평면 단면도

Fig24 분급기 상면이 평면인 경우의 수직단면도

공기 유동해석 결과를 Fig25~Fig27에 나타내었다 Fig25는 베인의 중간 높이에

서의 수평 단면에서의 공기 속도 분포이다 Fig26은 베인이 위치한 부위에서의수

직단면 Fig 27은 상ㆍ하면을 고정시켜 주는 원형봉이 있는 부위의 수직단면에 분

포하는 공기의 유입 속도 해석 결과를 나타낸 것이다

Fig 25 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig 26 베인 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig27 연결봉 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig15~Fig27의 공기 속도 등고선을 보면 베인 외주부의 상하 위치에 있어서 공

기의속도가 불균일한 분포를 보인다 베인의 분급기 내부 공간에서는 같은 반경인

위치에서 윗부분에서의 공기 속도가 아랫부분에서보다 빠르게 분포하고 있다 베인

의 높이 방향 상ㆍ하 위치에 따른 이러한 유입 속도의 편차는 분급기 외주의 실린

더 면으로부터 유입되는 공기가 분급기 중앙의 밑 방향으로만 배출되는 유동 통로

의 구조 때문으로 판단되낟 따라서 같은 반경의 같은 원심력이 발생되는 위치에

있어서도 윗부분에서의 공기 유입속도가 밑부분에서보다 크게 분포되어 윗부분에서

는 밑부분에서보다 큰 분말이 분급기 안으로 유입된다 지정된 크기의 컷오프보다

큰 분말과 작은 분말이 혼합된 상태로 배출되는 관계로 분급이 정밀도가 저하된다

베인의 상ㆍ하 위치에 무관하게 공기의 유입 속도를 가급적 균일하게 해 주기 위한

목적으로 분급기 내부의 단면 형상을 Fig28과 같은 인볼류트-컨볼류트

(involute-convolute) 단면으로 구성하여 공기의 유동해석을 실시하였다

Fig 28 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기

Fig29는 베인의 중간 높이 수평단면 상에서의 공기 속도 분포이다 Fig25에 비하

여 베인의 외주 부위에서의 공기의 속도가 균일하게 분포되고 있음을 보여 준다

Fig29 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig 30은 베인이 위치한 부위에서의 수직 단면 Fig31은 상ㆍ하면을 고정시켜 주

는 원평봉이 있는 부위에서의 수직 단면에 분포하는 공기 속도 분포이다 Fig30과

Fig31은 각각 Fig25와 Fig26에 비하여 베인의 높이 방향 전체에 걸쳐 공기의 유

입 속도가 상당히 균일하게 분포되는 것을 보여 주고 있다

Fig 30 베인 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig31 연결봉 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig32는 분급기 내부의 공간 형상이 인볼류트-컨볼류트인 분급기의 설계 모델이

Fig32 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 모델

Fig33은 앞의 수축확산 공기 분사노즐(Fig20)과 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급

기(fig32)로 구성된 건식 기류충격식 분쇄기의 3D모델이다 중요 부품의 도면은

ldquo부록 9 설계 도면rdquo에 수록하였다

Fig33 건식 기류충격식 분쇄기의 3D 모델

8 시작품 제작

수축확산 공기 분사노즐의 유동해석 및 분급기의 유동해석 결과를 바탕으로 시작품

을 제작하였다 Fig34는 수축확산 공기 분사노즐 헤드의 시작품 모습이다

Fig 34 수축확산 공기 분사노즐 헤드 시작품

Fig35는 분급기의 시작품 모습이다 분급기의 베인은 분체와 마찰시 내마모성을

갖도록 SUS 재질로 곡면 성형한 후 세라믹으로 코팅하여 제작하였다

Fig35 분급기 시작품

Fig 36은 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 수축확산 공기 분사

노즐 및 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 등이 분쇄기의 내부에 장착되어 있다

Fig36 건식 기류충격식 분쇄기 시작품

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기와 관련된 국외 특허 자료 조사와 분석 공기의

유동해석에 있어 많은 일정이 소요되었다 기술지원 추진일정을 Table1에 정리하

였다

Table 4 추진 일정

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 29: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

Fig 9 독일 Netzsch 사의 분급기

Fig 10 독일 Netzsch 사 분급기의 단면 형상 ldquoConvor

8 독일 특허 공기 분사노즐(9)

독일 Netzsch 사의 분쇄기 관련 기술 컨설턴트인 Nied 가 고안한 분쇄용 분사노즐

의 구조에 대한 것이다 3 개의 공기 분사노즐이 기류충격식 분쇄기 하부의 수평

평면상에 원호상 등간격인 120도 간격으로 원의 중심을 향하여 배열되어 있다(Fig

11a) 분사노즐 중앙부의 구조는 단면이 수축-확산 형태로 노즐로 초음속의 고속

분사를 하면서 중심 노즐 주변에 중앙 분사부를 감싸는 이중 공기 분사관을 형성

하여 중앙의 분사노즐에서 분사되는 공기의 확산각이 커지지 않도록 공기 주위에

추가적인 보조 공기를 분사하는 구조이다(Fig 11b)

Fig 11a 독일 특허-분사노즐 배열과 분사 공기의 분포(EP 0 736328A1 1996)

Fig 11b 독일 특허-분사노즐 단면과 분사 공기의 분포(EP 0 736328A1 1996)

9 미국 특허 분쇄기 구조(10)

일본의 히데유끼 요시다 등 5 명이 미국에 출원한 특허로 분쇄 재료가 초음속으로

분출되는 공기 통로의 중간에서 공급되며 재료가 분쇄실로 이동된 후 충격판에 충

돌되어 분쇄되는 구조이다(Fig12) 분쇄된 분말의 크기는 10 수준이다

Fig 12 미국 특허-충돌식 분쇄기(USP 57657661998)

제 2 절 국내의 기술 현황

국내의 경우에는 초미분 분말 생산에 관한 개발 역사가 짧으며 연구소 대학 기업

등에서 다발적으로 연구가 진해오디고 있다 기계 전자 물리 재료 화학 등의 연

계된 연구가 필요하다 1996 년 과학기술부 및 산업자원부 등의 산업단을 중심으로

대형 연구가 수행되어 왔으나 주로 기상법에 의한 분말합성에 관한 것이다 1998

년도부터 한국기계연구원에서 200nm 급의 건식 분쇄 및 분급기에 대한 개발을 시

작으로 초미분 파우더 생산 장비에 관한 연구가 이루어지고 있다 초미분 분쇄 방

식은 본 기술지원 과제의 지원기업인 대가파우더시스템을 포함하여 습식 방식인

교반밀(agitated mill)을 주로 사용하며 입도의 크기는 5 이상 수십 크기의

범위이다 기류충격식 분쇄기의 기술 수준은 입도의 크기가 5 ~ 10 수준이다

기존의 습식분쇄기의 경우 평균 입도가 28 ~ 32로 Pb0를 대상으로 할 때 4

~ 6 kghr 정도를 생산할 수 있는 수준이다

국내에 등록되어 있는 건식 기류충격식 분쇄기와 관련된 특허의 출원인인 대부분이

일본업체이며 일본에 출원된 특허를 한국에 재출우너한 것이 대부분이다 미국과

벨기에가 각각 1 건씩 등록하고 있으며 한국인이 출원한 특허는 테크월드에서

출원한 3 건 등 모두 4 건이 검색되었다 마이크로급 이상의 파우더 생산장비에 대

한 국내의 기술 수준은 선진국 기술 수준의 약 70 수준이다 그나마도 설계 및

생산에 있어 거의 모방에 의존하고 있다 나노급 기술은 초보적인 상태이다

제 3 장 기술지원 수행 내용 및 결과

제 1 절 기술지원 수행

본 부품소재종합기술지원사업은 Fig13의 기술 개발 추진도에 따라 수행되었다

Fig 13 기술 개발 추진도

분쇄기의 전체 시스템 중에서 분쇄기와 분급기 이외의 기타 구성 모듈들에 대한 설

계 및 생산기술은 지원기업 대가파우더시스템이 기확보하고 있는 기술이 기술

지원의 주된 내용은 기류충격식 분쇄기의 핵심 부품이며 분쇄기의 성능을 좌우하는

초음속 공기 분사노즐과 분급기의 설계 기술에 관한 것이다 초음속 공기 분사노즐

의 단면 형상 공급 공기의 압력과 분사 공기의 속도 및 공기 소요량 산출을 위한

공기 분사노즐 설계와 분쇄기 내부의 내마모성 재료 선택 분급기 베인의 형상과

분급기로 유입되는 공기의 속도 분포를 균일하게 하여 원심력 작용으로 분말의 분

급 정밀도를 향상시켜 주기 위한 분급기의 내부 단면 형상 설계 미 ㅊ유입 공기 속

도 및 압력 분포에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 방법 등에 대한 체계적인 기술 지원이

수행되었다 향후 유사 모델 개발에 적용하여 새로운 제품을 개발할 수 있는 설계

능력을 확보하였다

1 분쇄기 시스템 구성도

본 기술지원을 통하여 개발하는 핵심 기술은 건식 기류충격식 분쇄기의 초음속 공

기 분사노즐과 분급기와 관련된 기술이다 분쇄기의 기본 구조는 독일의 Netzsch

사 제품과 유사한 구조로 되어 있으며 분쇄용 공기 분사노즐과 고정밀도의 분급기

설계기술을 자체 보유하는 데 주안점이 있다 개발 대상 분쇄기 시스템의 전체 구

성도는 Fig 14(7)에서와 같다 Fig 14에서 분쇄기 시스템은 ldquo진동공급기rdquo를 통하

여 공급되는 분쇄용 우너료를 ldquo건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기rdquo로 분쇄 및 분급

한 후에 cyclone을 거쳐 bag filter로 분말을 포집하는 시스템으로 구성되어 있

다 분말과 공기가 혼합된 기류는 각각의 단계로 이송하는 과정에서 double flap

valve로 이송이 조절되며 최종적으로 fan의 작동으로 공기가 배출된다

건식 기류충격식 분쇄기 본체를 구성하는 부품의 서브어셈블리는 각각 Chamber

Body Laval Nozzle Classifier Wheel 및 Bearing Block등으로 구성되어 있

다 주요한 설계 변수는 분쇄챔버의 직경과 높이 초음속 공기 분사노즐 설계 있어

서 라발 노즐(초음속 공기 분사노즐)의 모즐 목 내경과 배출부의 직경 및 축방향의

단면 형상 공기되는 공기의 압력 등이다 분급기 설계에 있어서의 주요 변소는 베

인의 단면 형상 베인의 수량과 배열 각도 분급기 내부 공동부의 단면 형상 분급

기에 유입되는 공기 속도와 분급기를 통과한 이후의 공기 압력 등이다

Fig 14 기류충격식 분쇄기의 시스템 구성도

2 소리의 속도

물체의 일부에 교란을 주면 개스 유체 및 고체의 압축성으로 인하여 물체를 통하

여 유한한 속도로 교란이 전파된다

음속은 물체의 압력과 밀도 변화와 관계되어 있으며 다음식으로 표현된다

여기서

음속 압력변화 밀도 변화

체적탄성계수는 다음과 같이 표현된다

여기서

체적탄성계수 압력변화 체적변화 초기체적

체적탄성계수는 식 (3)으로도 표현된다

여기서

물체의밀도변화 물체의초기밀도

개스 유체 고체 내에서의 음속은 다음식과 같다

여기서

체적탄성계수

개스에서의 소리 속도는 아주 작은 한 점에서 교란이 일어나는 관계로 열전달을 무

시할 수가 있으며 또한 등온 상태로 가정할 수가 있다 이상 기체에서의 소리 속도

는 절대 온도의 근에 비례하며 다음식으로 표현된다

여기서

k = 비열비 (adiabatic index)

p = 압력 (Pa psi)

R = 개스 상수

T = 절대 온도 (degK degR)

앞의 식 (4)와 식 (5)로부터

식 (6)으로부터 체적탄성게수 E를 구할 수가 있다

( 예 1 ) 공기의 체적탄성계구 산출

k = 14 R = 287 (JK kg) at T=293K( 20 ) p=1204(kgm3)

Eair = k R T p=14X287X293X1204=14174379((Jm3)

Eair = 14174379(Nm2)

( 예 2 ) 염소(C12)의 체적탄성계수 산출

k = 134 R = 120 (JK kg) at T=293K(20) p=2994(kgm3)

Ec12 = k R T p=134X120X293X1994=14106051((Jm3)

Ec12 = 14106051(Nm2)

( 예 3 ) 0 1 bar 공기에서의 소리 속도

c = (14x287x273)12

= 3312 (ms)

여기서

k = 14

R = 287 (JK kg)

( 예 4 ) 20 1bar 공기에서의 소리 속도 산출

c = (14X287X293)12

= 3431 (ms)

( 예 5 ) 0 물속에서의 소리 속도 산출

여기서

3 공기 분사노즐에서의 유동식

개스역학에서 공기의 속도가 sim 이상으로 빠르거나 압력의 변화가

보다 큰 경우에는 압축성 흐름으로 취급한다 이러한 현상은 노즐에서

개스가 팽창하는 경우에 발생된다

정상유동에서의 에너지 평형 상태는 다음식으로 표현된다

여기서 엔탈피는

이며 엔탈피 ∆의 변화는 내부에너지 ∆에 외부로 또는 외부로부터의 체적에

의한 일 ∙∆의 합과 같다

내부에너지의 변호가 없고 밀도가 일정하다고 가정하면 즉 ∆ 인

경우에는 비압축성유동의 베르누이 방정식이 된다 반면에 위치네어지의 변화가 없

는 경우 ∆ 에는 상대적으로 밀도가 낮은 압축성 유체인 ldquo개스rdquo의 상태를

나타낸다 ldquo개스역학rdquo 이라는 자체가 의미하듯이 해석에 있어 고압 및 개스의 속도

가 포함되며 내부에너지의 변화 ∆를 무시할 수가 없다 이러한 의미에서 식 (7)

은 다음과 같이 된다

이상개스 방정식에서

이며 식 (12)를 식(9)에 대입하면 다음과 같이 된다

식 (13)에 에너지 보존법칙을 적용하면 노즐에서 분사되는 개스의 속도를 구할 수

있다

개스의 초기 속도가 인 경우에는

가역 단열 흐름에 있어서는 다음 3개의 식을 적용할 수가 있다

식 (16) ~ 식 (18)을 식 (15)에 대입하면 노즐에서 분출되는 개스의 속도가 구해

진다

노즐을 통과하는 질량의 흐름 식

밀도의 비로부터

다음과 같이 노즐을 통과하는 질량을 구한다

다음의 식 (23)을 식 (22)에 대입하여

식 (24)를 구한다

여기에서

을 ldquo탈출 계수(escape coefficient)rdquo 라고 한다

식 (25)를 사용하여 식 (24)를 다시 표현하면 다음의 간략식이 된다

탈출 계수 는 압축비 의 값이 다음과 같은 값일 때

임계 압축비 또는 라발 압축비로 표현되는 다음 크기의 최대값을 갖는다

음속은 노즐의 단면적이 제일 작은 부분에서 임계 압축비에 도달한다

max는 테이퍼가 일정한 실린더 형상의 노즐에 적용된다 식 (26)에 의하여

ㆍ 가 되며 는 일정한 테이퍼의 노즐에서만 증가할 수 있다 만약 압

축비 가 임계비 이하이면 max이므로 노즐을 통과하는 질량의 흐름은 일정

하다 이것은 질량의 흐름이 외부의 압력에 영향을 받지 않는다는 것을 의미한다

질량의 흐름에 의한 일은 다음의 식 (30)으로부터 구해진다

압축성 유체의 단열 팽창시에 수행된 일은 식 (19)와 식 (30)로부터 다음과 같이

산출된다

아래의 Fig 15 는 수축확산 노즐의 단면 모습이며(11) Fig 16 은 수축확산 노즐에

서의 압력 온도 속도 변화를 나타낸 것이다(8)

Fig 15 수축확산 노즐(Laval Nozzle)

Fig 16 수축확산 노즐에서의 압력 온도 속도 변화

압축성 유체의 흐름에 있어서 임계 속도 이후에 노즐의 단면이 서서히 확대되면

열에너지가 유동에너지로 변환되면서 온도는 낮아지고 흐름이 증가된다

앞의 식 (27)을 참조할 때 Fig 16 의 수축확산 노즐의 단면적이 가장 작은 임계

압축비 에서 음속에 도달한다 이 것은 질량 흐름에 식 (26)이 계속적으로 유

효하다는 것을 의미한다 수축확산 노즐 출구에서의 온도는 다음과 같은 관계가 된

노즐 확산부의 치수는 다음식으로부터 구해지며

개스 상수 등은 계수 개스 유입 온도 노즐 목의 직경 압축비 등의

변수로부터 노즐 출구에서의 개스 속도와 온도를 구할 수가 있다 공기 흐름 해석

대상 노즐 각부에 대한 부호는 Fig17에서와 같다

Fig 17 수축확산 노즐의 각부 부호

실제 수축확산 노즐을 설계하는 데 있어서는 노즐에서 발생될 수 있는 압축파 발생

을 억제하기 위하여 노즐 출구의 치수를 설계값보다 약간 작게 한다 즉 Fig 17에

서의 노즐의 확산각 가 를 넘지 않아야 하며 최대 이내여야 한다

4 공기 분사노즐의 흐름 특성 계산

앞의 ldquo3 초음속 공기 분사노즐에서의 공기의 흐름rdquo에서 유도된 식들을 이용하여

ldquoMathcad 13 프로그램(12)으로 설계 대상 분쇄기에 적용되는 공기 분사노즐의 단

면 치수 유입 공기량 노즐 출구에서의 공기 속도 소요 동력 등을 산출하였다

우선 단위와 공기의 상수를 정리하면

kilo=1000 TK =273 hoursec =3600 k = 14

ㆍsecㆍ

ㆍsecㆍ

ㆍsec

ㆍsec

예를 들어 tan tan tan tan

해석 조건이 다음과 같으면 tank pressure=700kPa Ttank=70 exit

pressure=100kPa

단위 (mm) throat diameter=50 length 150 outlet diameter=70 diffusion

angle α=38deg

d = 0007 pe = 100kilo po = 7pe Ttank =7C

To = TK+Ttank To=343 (K)

times

sec

Air_massflow1N_hour =Air_masflow1N_sechoursec

Air_massflow1N_hour = 133024 (kghrper 1 nozzle)

Air_massflow3N_hour = Air_massflow 1N_hour3

Air_massflow 3N_hour = 399071 (kghrper 3 nozzles)

Imsec)

sec

timesorsec timesorsec

(kgm3)

sec

sec sec

공기분사 노즐 목의 직경이 50mm 출구 직경이 70mm 노즐 목에서 노즐 출구까

지의 길이가 150mm로 공기 분사노즐의 환산각 도인 공기 분사노즐이 3

개 장착되어 있으며 탱크내의 공기가 압력 7bar 와 70 를 유지하면서 계속적으

로 노즐을 통하여 공급되며 또한 분쇄 챔버 내의 압력이 1bar 로 유지되는 경우의

공기 분사노즐의 유동 특성 계산 결과를 종합 정리하면 다음과 같다

- 노즐 출구에서의 공기 최대 속도 542151msec

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 무게 399071kghr

(노즐 하나에 00369kgsec)

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 부피 225333m3hr(0063m3sec)

- 소요 동력 16291kWhhr

5 수축확산 공기 분사노즐의 유동 해석

공기 분사노즐을 3D 모델링 프로그램 SolidWorks(13)로 모델링하여 열유체 해석

을 위한 유한요소해석 프로그램 COSMOSFlwWorks(14)로 공기 분사노즐 내의 유

동 해석을 수행하였다 해석 대상 공기 분사노즐 단면의 형상과 각부의 치수는

Fig18에서와 같다

Fig 18 수축확산 노즐 유동 해석 모델의 단면

해석시에 적용된 변수값들은 앞의 ldquo4 초음속 공기 분사노즐의 분사 특성 계산rdquo에

서 산출된 값을 적용하였다 노즐의 확산부위 길이는 15mm 이며 분사노즐의 확산

각은 도이다 노즐 하나에 대하여 Fig 18 의 왼쪽면에서 00369 kgsec

의 공기가 유입되며 오른쪽 분사노즐 출구면에 12bar 의 압력을 적용하였다 분사

노즐의 유동 해석 결과의 여러 가지 특성값 중에서 본 설계에서의 주요 관심사가

공기의 배출 속도인 관계로 Fig 19에 흐름의 속도 분포 Fig 20에 흐름의 마하넘

버 분포를 나타내었다 초음속 흐름에 대한 해석으로 분사노즐 목에서의 공기속도

가 약 335msec(마하 1)이 되며 노즐 출구에서 최대속도가 된다 Fig 21은 수축

확산 노즐에 대한 공기의 속도 분포 해석 결과를 반영하여 공기 분사노즐을 모델링

한 것이다

Fig 19 수축확산 노즐의 공기 흐름 속도 분포

Fig 20 수축확산 노즐의 공기 흐름 마하넘버 분포

Fig 21 수축확산 노즐 모델

6 분급 이론

분급(分級 classification)이란 유체력을 이용해서 분립체를 그 입자 지름의 크기에

따라 분리하는 것으로 넓은 뜻으로는 유체력에 의한 분리만이 아니라 체가름을 포

함하는 경우가 있다 더 넓게는 비중선별ㆍ자기력선별 등 모든 입자분리조작을 분

급이라고 한다 공기ㆍ물 등의 유체 속에서 운동하는 분립체의 각 입자에는 중력

또는 원심력 이외에 유체에 의한 유체항력 등이 함께 작용된다 이 힘 즉 유체항력

은 입자 지름에 의존하는 데 유체항력과 입자 지름의 관계는 중력이나 원심력과

입자 지름의 관계와는 다르기 때문에 이 둘 사이의 균형 조건이 입자 지름에 의해

좌우된다 좁은 뜻의 분급은 이 원리를 이용한 입경분리조작을 의미한다 중력장에

서 등속 침강하는 구 형상의 입자에 대한 힘의 균형은 다음 식으로 표현된다

여기서 은 입자 질량 prime는 입자에 의해 배제된 유체 질량 g는 중력가속도 R

은 는 유체항력을 나타낸다 유체항력 R은 다음 식으로 나타낼 수 있다

여기서 는 저항계수 (drag coefficient)로 입자 주위의 유체의 상대적인 흐름의

상태에 따라 결정되는 무차원 계수이다 는 유체의 밀도 는 입자의 침강속도

는 입자의 지름이며 는 입자의 투영 최대 면적이다 물 또는 공기 속에서 입

자의 지름이 100 이하 입자의 밀도가 3gcm2이하의 조건에서는 입자 주위의 흐

름은 거의 충류로 간주되며 이때 R은 다음 식으로 나타내진다

여기서 는 유체의 점성도이다

prime

이므로 식 (36)을 식 (34)에 대입하면 식 (37)을 얻는다

여기서 는 입자 밀도이며 식 (37)을 스토크스의 침강속도식이라고 하며 분급에서

분리입자 지름을 구하기 위한 기본식으로 중요하다

식 (37)은 다음

과 같이도 표현된다

유체가 공기나 그 외의 기체인 경우의 분급 조작을 건식 분급(또는 공기 분급) 물

이나 그 외의 액체인 경우의 분급 조작을 습식 분급이라 한다 앞에 언급된 기본식

들 이외에 어떤 종류의 분급장치에서는 유체의 흐름 방향이 급격히 변화할 때 흐름

에 따라 운동하는 입자의 관성력의 효과가 중요한 역할을 한다

분급에 사용하는 장치를 분급기(classifier)라고 한다 건식분급기에는 관성력을 이

용하는 것 중력침강을 이용하는 것 원심력을 이용하는 것 등이 있다 관성력을 이

용하는 건식분급기에는 루버식분급기 버추얼임팩터 엘보제트형분급기 등이 있는

데 건식분급기로는 원심력을 이용한 것이 가장 널리 사용되고 있다 원심력을 이용

한 건식분급기로는 분급 입도가 30~100 정도의 비교적 굵은 입도에서의 대량 처

리로 옛날부터 알려진 스튜어트밴트형 등이 있으며 또한 몇 ~30의 분급이 가

능한 여러 분급기가 개발되어 널리 쓰이게 되었다 또한 사이클론도 미립(微粒)에서

조립(組立)에 이르는 분체(粉體)의 건식분급에 이용된다 습식분급기에는 중력식과

원심력식이 있으며 중력식은 상승 수류(水流)와 유동층을 이용한 수력분급기 원뿔

형 또는 각뿔형 용기에서의 중력침강을 이용한 세틀링탱크 등의 침강분급조 완만

하게 경사진 직사각형의 조(槽)로부터 침하한 조립 생산물을 긁어올리기 위한 레이

크나 스파이럴을 갖춘 기계분급기 등으로 분류된다 원심력을 이용한 습식분급기로

는 사이클론 또는 하이드로사이클론이 가장 대표적이며 솔리드볼형ㆍ디스크형 등

의 원심분리기도 미립자용 분급기로 사용된다

Fig 22는 베인 구조의 원심형 분급기의 회전 단면 모습이다

Fig22베인 구조의 원심형 분급기의 단면

Fig 22에서 H는 분급기 내부 상하면 사이의 간격이며 는 선별된 미분이 배출되

는 반경 는 베인의 내반경 는 베인의 외반경을 나타낸다

분체 주위의 공기 흐름이 층류 흐름이라는 조건하에서 베인 구조의 원심형 분급기

에의 컷포인트(utpoint)를 결정짓는 외주부의 반경 은 다음과 같다

또한 선별된 미분이 배출되는 반경은 다음과 같다

베인 사이에서도 고체의 회전법칙이 적용된다 베인의 외주 반경에서 속도의 원주

방향 성분 과 중심방향 성분 가 가장 큰 영향을 준다

식 (41)과 식 (42)를 식 (38)에 대입하여 정리하면 다음과 같다

독일 Netzsch 사에서는 베인의 내반경 에서 선별된 미분이 배출되는 반경 까

지의 반경 방향의 공기 속도 성분 을 질정하게 해 주기 위하여 Fig 10에 보인

ldquoConvorrdquo라고 불리우는 단면의 분급기를 개발하여 사용화하고 있다

7 분급기 설계와 유동 해석

분급기의 베인 사이로 분쇄된 미분과 공기가 함께 유입되어 중앙부의 배출구로 통

과하는 분급기의 내부 형상을 설계하기에 앞서 분급기 내부를 구성하는 상면이 평

평한 구조의 분급기에 대한 유동해석을 실시하여 공기의 속도 분포를 검토하였다

해석 대상 분급기의 외경은 205mm이며 밑면 중앙에 공기 배출을 위하여 직경이

90mm인 원형 구멍이 뚫려 있다 분급기 외주에는 단면이 원호의 일부로 만들어진

두깨가 2mm 넓이가 18mm 길이가 35mm인 베인이 매 60도마다 10개씩 등간격

으로 모두 60개가 베인의 코드 방향과 분급기의 반경 방향이 이루는 각도가 약 15

도가 되도록 경사지게 설치되어 있다 원주 방향으로 매 60도마다 길이 35mm 직

경 8mm인 원형봉 6개가 등간격으로 배열되어 상ㆍ사 카버 사이에 베인을 고정시

켜 조립되는 구조이다 해석 대상 분급기에 사용된 베인의 단면과 베인의 배열 및

분급기 상ㆍ하면을 고정하는 봉이 포함된 수평면상의 평면도를 Fig 23에 나타내었

다 Fig 24는 분급기의 상면 형상이 평평한 구조인 경우에 대한 분급기의 수직단

면도이다

분급기에 유입되는 공기는 온도 50 유입량 01m3sec 분급기를 통과한 후에

배출되는 공간의 압력은 12bar이며 분급기의 회전속도는 8000rpm(838radsec)

이다 분급기에 발생되는 원심력의 절대적인 크기는 재료의 밀도와 분급하고자 하

는 분말의 크기에 따라 분급기의 회전수를 변화시켜서 조절한다 SolidWorks 및

COSMOSFloWorks 프로그램으로 분급기의 공기 유동해석을 실시하였다 해석시의

변수 입력 항목 및 해석 과정을 ldquo부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 유동해석 절

차rdquo에 정리하였다

Fig 23 베인과 상ㆍ하면 고정 원형봉의 평면 단면도

Fig24 분급기 상면이 평면인 경우의 수직단면도

공기 유동해석 결과를 Fig25~Fig27에 나타내었다 Fig25는 베인의 중간 높이에

서의 수평 단면에서의 공기 속도 분포이다 Fig26은 베인이 위치한 부위에서의수

직단면 Fig 27은 상ㆍ하면을 고정시켜 주는 원형봉이 있는 부위의 수직단면에 분

포하는 공기의 유입 속도 해석 결과를 나타낸 것이다

Fig 25 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig 26 베인 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig27 연결봉 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig15~Fig27의 공기 속도 등고선을 보면 베인 외주부의 상하 위치에 있어서 공

기의속도가 불균일한 분포를 보인다 베인의 분급기 내부 공간에서는 같은 반경인

위치에서 윗부분에서의 공기 속도가 아랫부분에서보다 빠르게 분포하고 있다 베인

의 높이 방향 상ㆍ하 위치에 따른 이러한 유입 속도의 편차는 분급기 외주의 실린

더 면으로부터 유입되는 공기가 분급기 중앙의 밑 방향으로만 배출되는 유동 통로

의 구조 때문으로 판단되낟 따라서 같은 반경의 같은 원심력이 발생되는 위치에

있어서도 윗부분에서의 공기 유입속도가 밑부분에서보다 크게 분포되어 윗부분에서

는 밑부분에서보다 큰 분말이 분급기 안으로 유입된다 지정된 크기의 컷오프보다

큰 분말과 작은 분말이 혼합된 상태로 배출되는 관계로 분급이 정밀도가 저하된다

베인의 상ㆍ하 위치에 무관하게 공기의 유입 속도를 가급적 균일하게 해 주기 위한

목적으로 분급기 내부의 단면 형상을 Fig28과 같은 인볼류트-컨볼류트

(involute-convolute) 단면으로 구성하여 공기의 유동해석을 실시하였다

Fig 28 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기

Fig29는 베인의 중간 높이 수평단면 상에서의 공기 속도 분포이다 Fig25에 비하

여 베인의 외주 부위에서의 공기의 속도가 균일하게 분포되고 있음을 보여 준다

Fig29 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig 30은 베인이 위치한 부위에서의 수직 단면 Fig31은 상ㆍ하면을 고정시켜 주

는 원평봉이 있는 부위에서의 수직 단면에 분포하는 공기 속도 분포이다 Fig30과

Fig31은 각각 Fig25와 Fig26에 비하여 베인의 높이 방향 전체에 걸쳐 공기의 유

입 속도가 상당히 균일하게 분포되는 것을 보여 주고 있다

Fig 30 베인 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig31 연결봉 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig32는 분급기 내부의 공간 형상이 인볼류트-컨볼류트인 분급기의 설계 모델이

Fig32 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 모델

Fig33은 앞의 수축확산 공기 분사노즐(Fig20)과 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급

기(fig32)로 구성된 건식 기류충격식 분쇄기의 3D모델이다 중요 부품의 도면은

ldquo부록 9 설계 도면rdquo에 수록하였다

Fig33 건식 기류충격식 분쇄기의 3D 모델

8 시작품 제작

수축확산 공기 분사노즐의 유동해석 및 분급기의 유동해석 결과를 바탕으로 시작품

을 제작하였다 Fig34는 수축확산 공기 분사노즐 헤드의 시작품 모습이다

Fig 34 수축확산 공기 분사노즐 헤드 시작품

Fig35는 분급기의 시작품 모습이다 분급기의 베인은 분체와 마찰시 내마모성을

갖도록 SUS 재질로 곡면 성형한 후 세라믹으로 코팅하여 제작하였다

Fig35 분급기 시작품

Fig 36은 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 수축확산 공기 분사

노즐 및 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 등이 분쇄기의 내부에 장착되어 있다

Fig36 건식 기류충격식 분쇄기 시작품

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기와 관련된 국외 특허 자료 조사와 분석 공기의

유동해석에 있어 많은 일정이 소요되었다 기술지원 추진일정을 Table1에 정리하

였다

Table 4 추진 일정

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 30: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

Fig 11a 독일 특허-분사노즐 배열과 분사 공기의 분포(EP 0 736328A1 1996)

Fig 11b 독일 특허-분사노즐 단면과 분사 공기의 분포(EP 0 736328A1 1996)

9 미국 특허 분쇄기 구조(10)

일본의 히데유끼 요시다 등 5 명이 미국에 출원한 특허로 분쇄 재료가 초음속으로

분출되는 공기 통로의 중간에서 공급되며 재료가 분쇄실로 이동된 후 충격판에 충

돌되어 분쇄되는 구조이다(Fig12) 분쇄된 분말의 크기는 10 수준이다

Fig 12 미국 특허-충돌식 분쇄기(USP 57657661998)

제 2 절 국내의 기술 현황

국내의 경우에는 초미분 분말 생산에 관한 개발 역사가 짧으며 연구소 대학 기업

등에서 다발적으로 연구가 진해오디고 있다 기계 전자 물리 재료 화학 등의 연

계된 연구가 필요하다 1996 년 과학기술부 및 산업자원부 등의 산업단을 중심으로

대형 연구가 수행되어 왔으나 주로 기상법에 의한 분말합성에 관한 것이다 1998

년도부터 한국기계연구원에서 200nm 급의 건식 분쇄 및 분급기에 대한 개발을 시

작으로 초미분 파우더 생산 장비에 관한 연구가 이루어지고 있다 초미분 분쇄 방

식은 본 기술지원 과제의 지원기업인 대가파우더시스템을 포함하여 습식 방식인

교반밀(agitated mill)을 주로 사용하며 입도의 크기는 5 이상 수십 크기의

범위이다 기류충격식 분쇄기의 기술 수준은 입도의 크기가 5 ~ 10 수준이다

기존의 습식분쇄기의 경우 평균 입도가 28 ~ 32로 Pb0를 대상으로 할 때 4

~ 6 kghr 정도를 생산할 수 있는 수준이다

국내에 등록되어 있는 건식 기류충격식 분쇄기와 관련된 특허의 출원인인 대부분이

일본업체이며 일본에 출원된 특허를 한국에 재출우너한 것이 대부분이다 미국과

벨기에가 각각 1 건씩 등록하고 있으며 한국인이 출원한 특허는 테크월드에서

출원한 3 건 등 모두 4 건이 검색되었다 마이크로급 이상의 파우더 생산장비에 대

한 국내의 기술 수준은 선진국 기술 수준의 약 70 수준이다 그나마도 설계 및

생산에 있어 거의 모방에 의존하고 있다 나노급 기술은 초보적인 상태이다

제 3 장 기술지원 수행 내용 및 결과

제 1 절 기술지원 수행

본 부품소재종합기술지원사업은 Fig13의 기술 개발 추진도에 따라 수행되었다

Fig 13 기술 개발 추진도

분쇄기의 전체 시스템 중에서 분쇄기와 분급기 이외의 기타 구성 모듈들에 대한 설

계 및 생산기술은 지원기업 대가파우더시스템이 기확보하고 있는 기술이 기술

지원의 주된 내용은 기류충격식 분쇄기의 핵심 부품이며 분쇄기의 성능을 좌우하는

초음속 공기 분사노즐과 분급기의 설계 기술에 관한 것이다 초음속 공기 분사노즐

의 단면 형상 공급 공기의 압력과 분사 공기의 속도 및 공기 소요량 산출을 위한

공기 분사노즐 설계와 분쇄기 내부의 내마모성 재료 선택 분급기 베인의 형상과

분급기로 유입되는 공기의 속도 분포를 균일하게 하여 원심력 작용으로 분말의 분

급 정밀도를 향상시켜 주기 위한 분급기의 내부 단면 형상 설계 미 ㅊ유입 공기 속

도 및 압력 분포에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 방법 등에 대한 체계적인 기술 지원이

수행되었다 향후 유사 모델 개발에 적용하여 새로운 제품을 개발할 수 있는 설계

능력을 확보하였다

1 분쇄기 시스템 구성도

본 기술지원을 통하여 개발하는 핵심 기술은 건식 기류충격식 분쇄기의 초음속 공

기 분사노즐과 분급기와 관련된 기술이다 분쇄기의 기본 구조는 독일의 Netzsch

사 제품과 유사한 구조로 되어 있으며 분쇄용 공기 분사노즐과 고정밀도의 분급기

설계기술을 자체 보유하는 데 주안점이 있다 개발 대상 분쇄기 시스템의 전체 구

성도는 Fig 14(7)에서와 같다 Fig 14에서 분쇄기 시스템은 ldquo진동공급기rdquo를 통하

여 공급되는 분쇄용 우너료를 ldquo건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기rdquo로 분쇄 및 분급

한 후에 cyclone을 거쳐 bag filter로 분말을 포집하는 시스템으로 구성되어 있

다 분말과 공기가 혼합된 기류는 각각의 단계로 이송하는 과정에서 double flap

valve로 이송이 조절되며 최종적으로 fan의 작동으로 공기가 배출된다

건식 기류충격식 분쇄기 본체를 구성하는 부품의 서브어셈블리는 각각 Chamber

Body Laval Nozzle Classifier Wheel 및 Bearing Block등으로 구성되어 있

다 주요한 설계 변수는 분쇄챔버의 직경과 높이 초음속 공기 분사노즐 설계 있어

서 라발 노즐(초음속 공기 분사노즐)의 모즐 목 내경과 배출부의 직경 및 축방향의

단면 형상 공기되는 공기의 압력 등이다 분급기 설계에 있어서의 주요 변소는 베

인의 단면 형상 베인의 수량과 배열 각도 분급기 내부 공동부의 단면 형상 분급

기에 유입되는 공기 속도와 분급기를 통과한 이후의 공기 압력 등이다

Fig 14 기류충격식 분쇄기의 시스템 구성도

2 소리의 속도

물체의 일부에 교란을 주면 개스 유체 및 고체의 압축성으로 인하여 물체를 통하

여 유한한 속도로 교란이 전파된다

음속은 물체의 압력과 밀도 변화와 관계되어 있으며 다음식으로 표현된다

여기서

음속 압력변화 밀도 변화

체적탄성계수는 다음과 같이 표현된다

여기서

체적탄성계수 압력변화 체적변화 초기체적

체적탄성계수는 식 (3)으로도 표현된다

여기서

물체의밀도변화 물체의초기밀도

개스 유체 고체 내에서의 음속은 다음식과 같다

여기서

체적탄성계수

개스에서의 소리 속도는 아주 작은 한 점에서 교란이 일어나는 관계로 열전달을 무

시할 수가 있으며 또한 등온 상태로 가정할 수가 있다 이상 기체에서의 소리 속도

는 절대 온도의 근에 비례하며 다음식으로 표현된다

여기서

k = 비열비 (adiabatic index)

p = 압력 (Pa psi)

R = 개스 상수

T = 절대 온도 (degK degR)

앞의 식 (4)와 식 (5)로부터

식 (6)으로부터 체적탄성게수 E를 구할 수가 있다

( 예 1 ) 공기의 체적탄성계구 산출

k = 14 R = 287 (JK kg) at T=293K( 20 ) p=1204(kgm3)

Eair = k R T p=14X287X293X1204=14174379((Jm3)

Eair = 14174379(Nm2)

( 예 2 ) 염소(C12)의 체적탄성계수 산출

k = 134 R = 120 (JK kg) at T=293K(20) p=2994(kgm3)

Ec12 = k R T p=134X120X293X1994=14106051((Jm3)

Ec12 = 14106051(Nm2)

( 예 3 ) 0 1 bar 공기에서의 소리 속도

c = (14x287x273)12

= 3312 (ms)

여기서

k = 14

R = 287 (JK kg)

( 예 4 ) 20 1bar 공기에서의 소리 속도 산출

c = (14X287X293)12

= 3431 (ms)

( 예 5 ) 0 물속에서의 소리 속도 산출

여기서

3 공기 분사노즐에서의 유동식

개스역학에서 공기의 속도가 sim 이상으로 빠르거나 압력의 변화가

보다 큰 경우에는 압축성 흐름으로 취급한다 이러한 현상은 노즐에서

개스가 팽창하는 경우에 발생된다

정상유동에서의 에너지 평형 상태는 다음식으로 표현된다

여기서 엔탈피는

이며 엔탈피 ∆의 변화는 내부에너지 ∆에 외부로 또는 외부로부터의 체적에

의한 일 ∙∆의 합과 같다

내부에너지의 변호가 없고 밀도가 일정하다고 가정하면 즉 ∆ 인

경우에는 비압축성유동의 베르누이 방정식이 된다 반면에 위치네어지의 변화가 없

는 경우 ∆ 에는 상대적으로 밀도가 낮은 압축성 유체인 ldquo개스rdquo의 상태를

나타낸다 ldquo개스역학rdquo 이라는 자체가 의미하듯이 해석에 있어 고압 및 개스의 속도

가 포함되며 내부에너지의 변화 ∆를 무시할 수가 없다 이러한 의미에서 식 (7)

은 다음과 같이 된다

이상개스 방정식에서

이며 식 (12)를 식(9)에 대입하면 다음과 같이 된다

식 (13)에 에너지 보존법칙을 적용하면 노즐에서 분사되는 개스의 속도를 구할 수

있다

개스의 초기 속도가 인 경우에는

가역 단열 흐름에 있어서는 다음 3개의 식을 적용할 수가 있다

식 (16) ~ 식 (18)을 식 (15)에 대입하면 노즐에서 분출되는 개스의 속도가 구해

진다

노즐을 통과하는 질량의 흐름 식

밀도의 비로부터

다음과 같이 노즐을 통과하는 질량을 구한다

다음의 식 (23)을 식 (22)에 대입하여

식 (24)를 구한다

여기에서

을 ldquo탈출 계수(escape coefficient)rdquo 라고 한다

식 (25)를 사용하여 식 (24)를 다시 표현하면 다음의 간략식이 된다

탈출 계수 는 압축비 의 값이 다음과 같은 값일 때

임계 압축비 또는 라발 압축비로 표현되는 다음 크기의 최대값을 갖는다

음속은 노즐의 단면적이 제일 작은 부분에서 임계 압축비에 도달한다

max는 테이퍼가 일정한 실린더 형상의 노즐에 적용된다 식 (26)에 의하여

ㆍ 가 되며 는 일정한 테이퍼의 노즐에서만 증가할 수 있다 만약 압

축비 가 임계비 이하이면 max이므로 노즐을 통과하는 질량의 흐름은 일정

하다 이것은 질량의 흐름이 외부의 압력에 영향을 받지 않는다는 것을 의미한다

질량의 흐름에 의한 일은 다음의 식 (30)으로부터 구해진다

압축성 유체의 단열 팽창시에 수행된 일은 식 (19)와 식 (30)로부터 다음과 같이

산출된다

아래의 Fig 15 는 수축확산 노즐의 단면 모습이며(11) Fig 16 은 수축확산 노즐에

서의 압력 온도 속도 변화를 나타낸 것이다(8)

Fig 15 수축확산 노즐(Laval Nozzle)

Fig 16 수축확산 노즐에서의 압력 온도 속도 변화

압축성 유체의 흐름에 있어서 임계 속도 이후에 노즐의 단면이 서서히 확대되면

열에너지가 유동에너지로 변환되면서 온도는 낮아지고 흐름이 증가된다

앞의 식 (27)을 참조할 때 Fig 16 의 수축확산 노즐의 단면적이 가장 작은 임계

압축비 에서 음속에 도달한다 이 것은 질량 흐름에 식 (26)이 계속적으로 유

효하다는 것을 의미한다 수축확산 노즐 출구에서의 온도는 다음과 같은 관계가 된

노즐 확산부의 치수는 다음식으로부터 구해지며

개스 상수 등은 계수 개스 유입 온도 노즐 목의 직경 압축비 등의

변수로부터 노즐 출구에서의 개스 속도와 온도를 구할 수가 있다 공기 흐름 해석

대상 노즐 각부에 대한 부호는 Fig17에서와 같다

Fig 17 수축확산 노즐의 각부 부호

실제 수축확산 노즐을 설계하는 데 있어서는 노즐에서 발생될 수 있는 압축파 발생

을 억제하기 위하여 노즐 출구의 치수를 설계값보다 약간 작게 한다 즉 Fig 17에

서의 노즐의 확산각 가 를 넘지 않아야 하며 최대 이내여야 한다

4 공기 분사노즐의 흐름 특성 계산

앞의 ldquo3 초음속 공기 분사노즐에서의 공기의 흐름rdquo에서 유도된 식들을 이용하여

ldquoMathcad 13 프로그램(12)으로 설계 대상 분쇄기에 적용되는 공기 분사노즐의 단

면 치수 유입 공기량 노즐 출구에서의 공기 속도 소요 동력 등을 산출하였다

우선 단위와 공기의 상수를 정리하면

kilo=1000 TK =273 hoursec =3600 k = 14

ㆍsecㆍ

ㆍsecㆍ

ㆍsec

ㆍsec

예를 들어 tan tan tan tan

해석 조건이 다음과 같으면 tank pressure=700kPa Ttank=70 exit

pressure=100kPa

단위 (mm) throat diameter=50 length 150 outlet diameter=70 diffusion

angle α=38deg

d = 0007 pe = 100kilo po = 7pe Ttank =7C

To = TK+Ttank To=343 (K)

times

sec

Air_massflow1N_hour =Air_masflow1N_sechoursec

Air_massflow1N_hour = 133024 (kghrper 1 nozzle)

Air_massflow3N_hour = Air_massflow 1N_hour3

Air_massflow 3N_hour = 399071 (kghrper 3 nozzles)

Imsec)

sec

timesorsec timesorsec

(kgm3)

sec

sec sec

공기분사 노즐 목의 직경이 50mm 출구 직경이 70mm 노즐 목에서 노즐 출구까

지의 길이가 150mm로 공기 분사노즐의 환산각 도인 공기 분사노즐이 3

개 장착되어 있으며 탱크내의 공기가 압력 7bar 와 70 를 유지하면서 계속적으

로 노즐을 통하여 공급되며 또한 분쇄 챔버 내의 압력이 1bar 로 유지되는 경우의

공기 분사노즐의 유동 특성 계산 결과를 종합 정리하면 다음과 같다

- 노즐 출구에서의 공기 최대 속도 542151msec

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 무게 399071kghr

(노즐 하나에 00369kgsec)

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 부피 225333m3hr(0063m3sec)

- 소요 동력 16291kWhhr

5 수축확산 공기 분사노즐의 유동 해석

공기 분사노즐을 3D 모델링 프로그램 SolidWorks(13)로 모델링하여 열유체 해석

을 위한 유한요소해석 프로그램 COSMOSFlwWorks(14)로 공기 분사노즐 내의 유

동 해석을 수행하였다 해석 대상 공기 분사노즐 단면의 형상과 각부의 치수는

Fig18에서와 같다

Fig 18 수축확산 노즐 유동 해석 모델의 단면

해석시에 적용된 변수값들은 앞의 ldquo4 초음속 공기 분사노즐의 분사 특성 계산rdquo에

서 산출된 값을 적용하였다 노즐의 확산부위 길이는 15mm 이며 분사노즐의 확산

각은 도이다 노즐 하나에 대하여 Fig 18 의 왼쪽면에서 00369 kgsec

의 공기가 유입되며 오른쪽 분사노즐 출구면에 12bar 의 압력을 적용하였다 분사

노즐의 유동 해석 결과의 여러 가지 특성값 중에서 본 설계에서의 주요 관심사가

공기의 배출 속도인 관계로 Fig 19에 흐름의 속도 분포 Fig 20에 흐름의 마하넘

버 분포를 나타내었다 초음속 흐름에 대한 해석으로 분사노즐 목에서의 공기속도

가 약 335msec(마하 1)이 되며 노즐 출구에서 최대속도가 된다 Fig 21은 수축

확산 노즐에 대한 공기의 속도 분포 해석 결과를 반영하여 공기 분사노즐을 모델링

한 것이다

Fig 19 수축확산 노즐의 공기 흐름 속도 분포

Fig 20 수축확산 노즐의 공기 흐름 마하넘버 분포

Fig 21 수축확산 노즐 모델

6 분급 이론

분급(分級 classification)이란 유체력을 이용해서 분립체를 그 입자 지름의 크기에

따라 분리하는 것으로 넓은 뜻으로는 유체력에 의한 분리만이 아니라 체가름을 포

함하는 경우가 있다 더 넓게는 비중선별ㆍ자기력선별 등 모든 입자분리조작을 분

급이라고 한다 공기ㆍ물 등의 유체 속에서 운동하는 분립체의 각 입자에는 중력

또는 원심력 이외에 유체에 의한 유체항력 등이 함께 작용된다 이 힘 즉 유체항력

은 입자 지름에 의존하는 데 유체항력과 입자 지름의 관계는 중력이나 원심력과

입자 지름의 관계와는 다르기 때문에 이 둘 사이의 균형 조건이 입자 지름에 의해

좌우된다 좁은 뜻의 분급은 이 원리를 이용한 입경분리조작을 의미한다 중력장에

서 등속 침강하는 구 형상의 입자에 대한 힘의 균형은 다음 식으로 표현된다

여기서 은 입자 질량 prime는 입자에 의해 배제된 유체 질량 g는 중력가속도 R

은 는 유체항력을 나타낸다 유체항력 R은 다음 식으로 나타낼 수 있다

여기서 는 저항계수 (drag coefficient)로 입자 주위의 유체의 상대적인 흐름의

상태에 따라 결정되는 무차원 계수이다 는 유체의 밀도 는 입자의 침강속도

는 입자의 지름이며 는 입자의 투영 최대 면적이다 물 또는 공기 속에서 입

자의 지름이 100 이하 입자의 밀도가 3gcm2이하의 조건에서는 입자 주위의 흐

름은 거의 충류로 간주되며 이때 R은 다음 식으로 나타내진다

여기서 는 유체의 점성도이다

prime

이므로 식 (36)을 식 (34)에 대입하면 식 (37)을 얻는다

여기서 는 입자 밀도이며 식 (37)을 스토크스의 침강속도식이라고 하며 분급에서

분리입자 지름을 구하기 위한 기본식으로 중요하다

식 (37)은 다음

과 같이도 표현된다

유체가 공기나 그 외의 기체인 경우의 분급 조작을 건식 분급(또는 공기 분급) 물

이나 그 외의 액체인 경우의 분급 조작을 습식 분급이라 한다 앞에 언급된 기본식

들 이외에 어떤 종류의 분급장치에서는 유체의 흐름 방향이 급격히 변화할 때 흐름

에 따라 운동하는 입자의 관성력의 효과가 중요한 역할을 한다

분급에 사용하는 장치를 분급기(classifier)라고 한다 건식분급기에는 관성력을 이

용하는 것 중력침강을 이용하는 것 원심력을 이용하는 것 등이 있다 관성력을 이

용하는 건식분급기에는 루버식분급기 버추얼임팩터 엘보제트형분급기 등이 있는

데 건식분급기로는 원심력을 이용한 것이 가장 널리 사용되고 있다 원심력을 이용

한 건식분급기로는 분급 입도가 30~100 정도의 비교적 굵은 입도에서의 대량 처

리로 옛날부터 알려진 스튜어트밴트형 등이 있으며 또한 몇 ~30의 분급이 가

능한 여러 분급기가 개발되어 널리 쓰이게 되었다 또한 사이클론도 미립(微粒)에서

조립(組立)에 이르는 분체(粉體)의 건식분급에 이용된다 습식분급기에는 중력식과

원심력식이 있으며 중력식은 상승 수류(水流)와 유동층을 이용한 수력분급기 원뿔

형 또는 각뿔형 용기에서의 중력침강을 이용한 세틀링탱크 등의 침강분급조 완만

하게 경사진 직사각형의 조(槽)로부터 침하한 조립 생산물을 긁어올리기 위한 레이

크나 스파이럴을 갖춘 기계분급기 등으로 분류된다 원심력을 이용한 습식분급기로

는 사이클론 또는 하이드로사이클론이 가장 대표적이며 솔리드볼형ㆍ디스크형 등

의 원심분리기도 미립자용 분급기로 사용된다

Fig 22는 베인 구조의 원심형 분급기의 회전 단면 모습이다

Fig22베인 구조의 원심형 분급기의 단면

Fig 22에서 H는 분급기 내부 상하면 사이의 간격이며 는 선별된 미분이 배출되

는 반경 는 베인의 내반경 는 베인의 외반경을 나타낸다

분체 주위의 공기 흐름이 층류 흐름이라는 조건하에서 베인 구조의 원심형 분급기

에의 컷포인트(utpoint)를 결정짓는 외주부의 반경 은 다음과 같다

또한 선별된 미분이 배출되는 반경은 다음과 같다

베인 사이에서도 고체의 회전법칙이 적용된다 베인의 외주 반경에서 속도의 원주

방향 성분 과 중심방향 성분 가 가장 큰 영향을 준다

식 (41)과 식 (42)를 식 (38)에 대입하여 정리하면 다음과 같다

독일 Netzsch 사에서는 베인의 내반경 에서 선별된 미분이 배출되는 반경 까

지의 반경 방향의 공기 속도 성분 을 질정하게 해 주기 위하여 Fig 10에 보인

ldquoConvorrdquo라고 불리우는 단면의 분급기를 개발하여 사용화하고 있다

7 분급기 설계와 유동 해석

분급기의 베인 사이로 분쇄된 미분과 공기가 함께 유입되어 중앙부의 배출구로 통

과하는 분급기의 내부 형상을 설계하기에 앞서 분급기 내부를 구성하는 상면이 평

평한 구조의 분급기에 대한 유동해석을 실시하여 공기의 속도 분포를 검토하였다

해석 대상 분급기의 외경은 205mm이며 밑면 중앙에 공기 배출을 위하여 직경이

90mm인 원형 구멍이 뚫려 있다 분급기 외주에는 단면이 원호의 일부로 만들어진

두깨가 2mm 넓이가 18mm 길이가 35mm인 베인이 매 60도마다 10개씩 등간격

으로 모두 60개가 베인의 코드 방향과 분급기의 반경 방향이 이루는 각도가 약 15

도가 되도록 경사지게 설치되어 있다 원주 방향으로 매 60도마다 길이 35mm 직

경 8mm인 원형봉 6개가 등간격으로 배열되어 상ㆍ사 카버 사이에 베인을 고정시

켜 조립되는 구조이다 해석 대상 분급기에 사용된 베인의 단면과 베인의 배열 및

분급기 상ㆍ하면을 고정하는 봉이 포함된 수평면상의 평면도를 Fig 23에 나타내었

다 Fig 24는 분급기의 상면 형상이 평평한 구조인 경우에 대한 분급기의 수직단

면도이다

분급기에 유입되는 공기는 온도 50 유입량 01m3sec 분급기를 통과한 후에

배출되는 공간의 압력은 12bar이며 분급기의 회전속도는 8000rpm(838radsec)

이다 분급기에 발생되는 원심력의 절대적인 크기는 재료의 밀도와 분급하고자 하

는 분말의 크기에 따라 분급기의 회전수를 변화시켜서 조절한다 SolidWorks 및

COSMOSFloWorks 프로그램으로 분급기의 공기 유동해석을 실시하였다 해석시의

변수 입력 항목 및 해석 과정을 ldquo부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 유동해석 절

차rdquo에 정리하였다

Fig 23 베인과 상ㆍ하면 고정 원형봉의 평면 단면도

Fig24 분급기 상면이 평면인 경우의 수직단면도

공기 유동해석 결과를 Fig25~Fig27에 나타내었다 Fig25는 베인의 중간 높이에

서의 수평 단면에서의 공기 속도 분포이다 Fig26은 베인이 위치한 부위에서의수

직단면 Fig 27은 상ㆍ하면을 고정시켜 주는 원형봉이 있는 부위의 수직단면에 분

포하는 공기의 유입 속도 해석 결과를 나타낸 것이다

Fig 25 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig 26 베인 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig27 연결봉 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig15~Fig27의 공기 속도 등고선을 보면 베인 외주부의 상하 위치에 있어서 공

기의속도가 불균일한 분포를 보인다 베인의 분급기 내부 공간에서는 같은 반경인

위치에서 윗부분에서의 공기 속도가 아랫부분에서보다 빠르게 분포하고 있다 베인

의 높이 방향 상ㆍ하 위치에 따른 이러한 유입 속도의 편차는 분급기 외주의 실린

더 면으로부터 유입되는 공기가 분급기 중앙의 밑 방향으로만 배출되는 유동 통로

의 구조 때문으로 판단되낟 따라서 같은 반경의 같은 원심력이 발생되는 위치에

있어서도 윗부분에서의 공기 유입속도가 밑부분에서보다 크게 분포되어 윗부분에서

는 밑부분에서보다 큰 분말이 분급기 안으로 유입된다 지정된 크기의 컷오프보다

큰 분말과 작은 분말이 혼합된 상태로 배출되는 관계로 분급이 정밀도가 저하된다

베인의 상ㆍ하 위치에 무관하게 공기의 유입 속도를 가급적 균일하게 해 주기 위한

목적으로 분급기 내부의 단면 형상을 Fig28과 같은 인볼류트-컨볼류트

(involute-convolute) 단면으로 구성하여 공기의 유동해석을 실시하였다

Fig 28 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기

Fig29는 베인의 중간 높이 수평단면 상에서의 공기 속도 분포이다 Fig25에 비하

여 베인의 외주 부위에서의 공기의 속도가 균일하게 분포되고 있음을 보여 준다

Fig29 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig 30은 베인이 위치한 부위에서의 수직 단면 Fig31은 상ㆍ하면을 고정시켜 주

는 원평봉이 있는 부위에서의 수직 단면에 분포하는 공기 속도 분포이다 Fig30과

Fig31은 각각 Fig25와 Fig26에 비하여 베인의 높이 방향 전체에 걸쳐 공기의 유

입 속도가 상당히 균일하게 분포되는 것을 보여 주고 있다

Fig 30 베인 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig31 연결봉 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig32는 분급기 내부의 공간 형상이 인볼류트-컨볼류트인 분급기의 설계 모델이

Fig32 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 모델

Fig33은 앞의 수축확산 공기 분사노즐(Fig20)과 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급

기(fig32)로 구성된 건식 기류충격식 분쇄기의 3D모델이다 중요 부품의 도면은

ldquo부록 9 설계 도면rdquo에 수록하였다

Fig33 건식 기류충격식 분쇄기의 3D 모델

8 시작품 제작

수축확산 공기 분사노즐의 유동해석 및 분급기의 유동해석 결과를 바탕으로 시작품

을 제작하였다 Fig34는 수축확산 공기 분사노즐 헤드의 시작품 모습이다

Fig 34 수축확산 공기 분사노즐 헤드 시작품

Fig35는 분급기의 시작품 모습이다 분급기의 베인은 분체와 마찰시 내마모성을

갖도록 SUS 재질로 곡면 성형한 후 세라믹으로 코팅하여 제작하였다

Fig35 분급기 시작품

Fig 36은 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 수축확산 공기 분사

노즐 및 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 등이 분쇄기의 내부에 장착되어 있다

Fig36 건식 기류충격식 분쇄기 시작품

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기와 관련된 국외 특허 자료 조사와 분석 공기의

유동해석에 있어 많은 일정이 소요되었다 기술지원 추진일정을 Table1에 정리하

였다

Table 4 추진 일정

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 31: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

Fig 12 미국 특허-충돌식 분쇄기(USP 57657661998)

제 2 절 국내의 기술 현황

국내의 경우에는 초미분 분말 생산에 관한 개발 역사가 짧으며 연구소 대학 기업

등에서 다발적으로 연구가 진해오디고 있다 기계 전자 물리 재료 화학 등의 연

계된 연구가 필요하다 1996 년 과학기술부 및 산업자원부 등의 산업단을 중심으로

대형 연구가 수행되어 왔으나 주로 기상법에 의한 분말합성에 관한 것이다 1998

년도부터 한국기계연구원에서 200nm 급의 건식 분쇄 및 분급기에 대한 개발을 시

작으로 초미분 파우더 생산 장비에 관한 연구가 이루어지고 있다 초미분 분쇄 방

식은 본 기술지원 과제의 지원기업인 대가파우더시스템을 포함하여 습식 방식인

교반밀(agitated mill)을 주로 사용하며 입도의 크기는 5 이상 수십 크기의

범위이다 기류충격식 분쇄기의 기술 수준은 입도의 크기가 5 ~ 10 수준이다

기존의 습식분쇄기의 경우 평균 입도가 28 ~ 32로 Pb0를 대상으로 할 때 4

~ 6 kghr 정도를 생산할 수 있는 수준이다

국내에 등록되어 있는 건식 기류충격식 분쇄기와 관련된 특허의 출원인인 대부분이

일본업체이며 일본에 출원된 특허를 한국에 재출우너한 것이 대부분이다 미국과

벨기에가 각각 1 건씩 등록하고 있으며 한국인이 출원한 특허는 테크월드에서

출원한 3 건 등 모두 4 건이 검색되었다 마이크로급 이상의 파우더 생산장비에 대

한 국내의 기술 수준은 선진국 기술 수준의 약 70 수준이다 그나마도 설계 및

생산에 있어 거의 모방에 의존하고 있다 나노급 기술은 초보적인 상태이다

제 3 장 기술지원 수행 내용 및 결과

제 1 절 기술지원 수행

본 부품소재종합기술지원사업은 Fig13의 기술 개발 추진도에 따라 수행되었다

Fig 13 기술 개발 추진도

분쇄기의 전체 시스템 중에서 분쇄기와 분급기 이외의 기타 구성 모듈들에 대한 설

계 및 생산기술은 지원기업 대가파우더시스템이 기확보하고 있는 기술이 기술

지원의 주된 내용은 기류충격식 분쇄기의 핵심 부품이며 분쇄기의 성능을 좌우하는

초음속 공기 분사노즐과 분급기의 설계 기술에 관한 것이다 초음속 공기 분사노즐

의 단면 형상 공급 공기의 압력과 분사 공기의 속도 및 공기 소요량 산출을 위한

공기 분사노즐 설계와 분쇄기 내부의 내마모성 재료 선택 분급기 베인의 형상과

분급기로 유입되는 공기의 속도 분포를 균일하게 하여 원심력 작용으로 분말의 분

급 정밀도를 향상시켜 주기 위한 분급기의 내부 단면 형상 설계 미 ㅊ유입 공기 속

도 및 압력 분포에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 방법 등에 대한 체계적인 기술 지원이

수행되었다 향후 유사 모델 개발에 적용하여 새로운 제품을 개발할 수 있는 설계

능력을 확보하였다

1 분쇄기 시스템 구성도

본 기술지원을 통하여 개발하는 핵심 기술은 건식 기류충격식 분쇄기의 초음속 공

기 분사노즐과 분급기와 관련된 기술이다 분쇄기의 기본 구조는 독일의 Netzsch

사 제품과 유사한 구조로 되어 있으며 분쇄용 공기 분사노즐과 고정밀도의 분급기

설계기술을 자체 보유하는 데 주안점이 있다 개발 대상 분쇄기 시스템의 전체 구

성도는 Fig 14(7)에서와 같다 Fig 14에서 분쇄기 시스템은 ldquo진동공급기rdquo를 통하

여 공급되는 분쇄용 우너료를 ldquo건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기rdquo로 분쇄 및 분급

한 후에 cyclone을 거쳐 bag filter로 분말을 포집하는 시스템으로 구성되어 있

다 분말과 공기가 혼합된 기류는 각각의 단계로 이송하는 과정에서 double flap

valve로 이송이 조절되며 최종적으로 fan의 작동으로 공기가 배출된다

건식 기류충격식 분쇄기 본체를 구성하는 부품의 서브어셈블리는 각각 Chamber

Body Laval Nozzle Classifier Wheel 및 Bearing Block등으로 구성되어 있

다 주요한 설계 변수는 분쇄챔버의 직경과 높이 초음속 공기 분사노즐 설계 있어

서 라발 노즐(초음속 공기 분사노즐)의 모즐 목 내경과 배출부의 직경 및 축방향의

단면 형상 공기되는 공기의 압력 등이다 분급기 설계에 있어서의 주요 변소는 베

인의 단면 형상 베인의 수량과 배열 각도 분급기 내부 공동부의 단면 형상 분급

기에 유입되는 공기 속도와 분급기를 통과한 이후의 공기 압력 등이다

Fig 14 기류충격식 분쇄기의 시스템 구성도

2 소리의 속도

물체의 일부에 교란을 주면 개스 유체 및 고체의 압축성으로 인하여 물체를 통하

여 유한한 속도로 교란이 전파된다

음속은 물체의 압력과 밀도 변화와 관계되어 있으며 다음식으로 표현된다

여기서

음속 압력변화 밀도 변화

체적탄성계수는 다음과 같이 표현된다

여기서

체적탄성계수 압력변화 체적변화 초기체적

체적탄성계수는 식 (3)으로도 표현된다

여기서

물체의밀도변화 물체의초기밀도

개스 유체 고체 내에서의 음속은 다음식과 같다

여기서

체적탄성계수

개스에서의 소리 속도는 아주 작은 한 점에서 교란이 일어나는 관계로 열전달을 무

시할 수가 있으며 또한 등온 상태로 가정할 수가 있다 이상 기체에서의 소리 속도

는 절대 온도의 근에 비례하며 다음식으로 표현된다

여기서

k = 비열비 (adiabatic index)

p = 압력 (Pa psi)

R = 개스 상수

T = 절대 온도 (degK degR)

앞의 식 (4)와 식 (5)로부터

식 (6)으로부터 체적탄성게수 E를 구할 수가 있다

( 예 1 ) 공기의 체적탄성계구 산출

k = 14 R = 287 (JK kg) at T=293K( 20 ) p=1204(kgm3)

Eair = k R T p=14X287X293X1204=14174379((Jm3)

Eair = 14174379(Nm2)

( 예 2 ) 염소(C12)의 체적탄성계수 산출

k = 134 R = 120 (JK kg) at T=293K(20) p=2994(kgm3)

Ec12 = k R T p=134X120X293X1994=14106051((Jm3)

Ec12 = 14106051(Nm2)

( 예 3 ) 0 1 bar 공기에서의 소리 속도

c = (14x287x273)12

= 3312 (ms)

여기서

k = 14

R = 287 (JK kg)

( 예 4 ) 20 1bar 공기에서의 소리 속도 산출

c = (14X287X293)12

= 3431 (ms)

( 예 5 ) 0 물속에서의 소리 속도 산출

여기서

3 공기 분사노즐에서의 유동식

개스역학에서 공기의 속도가 sim 이상으로 빠르거나 압력의 변화가

보다 큰 경우에는 압축성 흐름으로 취급한다 이러한 현상은 노즐에서

개스가 팽창하는 경우에 발생된다

정상유동에서의 에너지 평형 상태는 다음식으로 표현된다

여기서 엔탈피는

이며 엔탈피 ∆의 변화는 내부에너지 ∆에 외부로 또는 외부로부터의 체적에

의한 일 ∙∆의 합과 같다

내부에너지의 변호가 없고 밀도가 일정하다고 가정하면 즉 ∆ 인

경우에는 비압축성유동의 베르누이 방정식이 된다 반면에 위치네어지의 변화가 없

는 경우 ∆ 에는 상대적으로 밀도가 낮은 압축성 유체인 ldquo개스rdquo의 상태를

나타낸다 ldquo개스역학rdquo 이라는 자체가 의미하듯이 해석에 있어 고압 및 개스의 속도

가 포함되며 내부에너지의 변화 ∆를 무시할 수가 없다 이러한 의미에서 식 (7)

은 다음과 같이 된다

이상개스 방정식에서

이며 식 (12)를 식(9)에 대입하면 다음과 같이 된다

식 (13)에 에너지 보존법칙을 적용하면 노즐에서 분사되는 개스의 속도를 구할 수

있다

개스의 초기 속도가 인 경우에는

가역 단열 흐름에 있어서는 다음 3개의 식을 적용할 수가 있다

식 (16) ~ 식 (18)을 식 (15)에 대입하면 노즐에서 분출되는 개스의 속도가 구해

진다

노즐을 통과하는 질량의 흐름 식

밀도의 비로부터

다음과 같이 노즐을 통과하는 질량을 구한다

다음의 식 (23)을 식 (22)에 대입하여

식 (24)를 구한다

여기에서

을 ldquo탈출 계수(escape coefficient)rdquo 라고 한다

식 (25)를 사용하여 식 (24)를 다시 표현하면 다음의 간략식이 된다

탈출 계수 는 압축비 의 값이 다음과 같은 값일 때

임계 압축비 또는 라발 압축비로 표현되는 다음 크기의 최대값을 갖는다

음속은 노즐의 단면적이 제일 작은 부분에서 임계 압축비에 도달한다

max는 테이퍼가 일정한 실린더 형상의 노즐에 적용된다 식 (26)에 의하여

ㆍ 가 되며 는 일정한 테이퍼의 노즐에서만 증가할 수 있다 만약 압

축비 가 임계비 이하이면 max이므로 노즐을 통과하는 질량의 흐름은 일정

하다 이것은 질량의 흐름이 외부의 압력에 영향을 받지 않는다는 것을 의미한다

질량의 흐름에 의한 일은 다음의 식 (30)으로부터 구해진다

압축성 유체의 단열 팽창시에 수행된 일은 식 (19)와 식 (30)로부터 다음과 같이

산출된다

아래의 Fig 15 는 수축확산 노즐의 단면 모습이며(11) Fig 16 은 수축확산 노즐에

서의 압력 온도 속도 변화를 나타낸 것이다(8)

Fig 15 수축확산 노즐(Laval Nozzle)

Fig 16 수축확산 노즐에서의 압력 온도 속도 변화

압축성 유체의 흐름에 있어서 임계 속도 이후에 노즐의 단면이 서서히 확대되면

열에너지가 유동에너지로 변환되면서 온도는 낮아지고 흐름이 증가된다

앞의 식 (27)을 참조할 때 Fig 16 의 수축확산 노즐의 단면적이 가장 작은 임계

압축비 에서 음속에 도달한다 이 것은 질량 흐름에 식 (26)이 계속적으로 유

효하다는 것을 의미한다 수축확산 노즐 출구에서의 온도는 다음과 같은 관계가 된

노즐 확산부의 치수는 다음식으로부터 구해지며

개스 상수 등은 계수 개스 유입 온도 노즐 목의 직경 압축비 등의

변수로부터 노즐 출구에서의 개스 속도와 온도를 구할 수가 있다 공기 흐름 해석

대상 노즐 각부에 대한 부호는 Fig17에서와 같다

Fig 17 수축확산 노즐의 각부 부호

실제 수축확산 노즐을 설계하는 데 있어서는 노즐에서 발생될 수 있는 압축파 발생

을 억제하기 위하여 노즐 출구의 치수를 설계값보다 약간 작게 한다 즉 Fig 17에

서의 노즐의 확산각 가 를 넘지 않아야 하며 최대 이내여야 한다

4 공기 분사노즐의 흐름 특성 계산

앞의 ldquo3 초음속 공기 분사노즐에서의 공기의 흐름rdquo에서 유도된 식들을 이용하여

ldquoMathcad 13 프로그램(12)으로 설계 대상 분쇄기에 적용되는 공기 분사노즐의 단

면 치수 유입 공기량 노즐 출구에서의 공기 속도 소요 동력 등을 산출하였다

우선 단위와 공기의 상수를 정리하면

kilo=1000 TK =273 hoursec =3600 k = 14

ㆍsecㆍ

ㆍsecㆍ

ㆍsec

ㆍsec

예를 들어 tan tan tan tan

해석 조건이 다음과 같으면 tank pressure=700kPa Ttank=70 exit

pressure=100kPa

단위 (mm) throat diameter=50 length 150 outlet diameter=70 diffusion

angle α=38deg

d = 0007 pe = 100kilo po = 7pe Ttank =7C

To = TK+Ttank To=343 (K)

times

sec

Air_massflow1N_hour =Air_masflow1N_sechoursec

Air_massflow1N_hour = 133024 (kghrper 1 nozzle)

Air_massflow3N_hour = Air_massflow 1N_hour3

Air_massflow 3N_hour = 399071 (kghrper 3 nozzles)

Imsec)

sec

timesorsec timesorsec

(kgm3)

sec

sec sec

공기분사 노즐 목의 직경이 50mm 출구 직경이 70mm 노즐 목에서 노즐 출구까

지의 길이가 150mm로 공기 분사노즐의 환산각 도인 공기 분사노즐이 3

개 장착되어 있으며 탱크내의 공기가 압력 7bar 와 70 를 유지하면서 계속적으

로 노즐을 통하여 공급되며 또한 분쇄 챔버 내의 압력이 1bar 로 유지되는 경우의

공기 분사노즐의 유동 특성 계산 결과를 종합 정리하면 다음과 같다

- 노즐 출구에서의 공기 최대 속도 542151msec

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 무게 399071kghr

(노즐 하나에 00369kgsec)

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 부피 225333m3hr(0063m3sec)

- 소요 동력 16291kWhhr

5 수축확산 공기 분사노즐의 유동 해석

공기 분사노즐을 3D 모델링 프로그램 SolidWorks(13)로 모델링하여 열유체 해석

을 위한 유한요소해석 프로그램 COSMOSFlwWorks(14)로 공기 분사노즐 내의 유

동 해석을 수행하였다 해석 대상 공기 분사노즐 단면의 형상과 각부의 치수는

Fig18에서와 같다

Fig 18 수축확산 노즐 유동 해석 모델의 단면

해석시에 적용된 변수값들은 앞의 ldquo4 초음속 공기 분사노즐의 분사 특성 계산rdquo에

서 산출된 값을 적용하였다 노즐의 확산부위 길이는 15mm 이며 분사노즐의 확산

각은 도이다 노즐 하나에 대하여 Fig 18 의 왼쪽면에서 00369 kgsec

의 공기가 유입되며 오른쪽 분사노즐 출구면에 12bar 의 압력을 적용하였다 분사

노즐의 유동 해석 결과의 여러 가지 특성값 중에서 본 설계에서의 주요 관심사가

공기의 배출 속도인 관계로 Fig 19에 흐름의 속도 분포 Fig 20에 흐름의 마하넘

버 분포를 나타내었다 초음속 흐름에 대한 해석으로 분사노즐 목에서의 공기속도

가 약 335msec(마하 1)이 되며 노즐 출구에서 최대속도가 된다 Fig 21은 수축

확산 노즐에 대한 공기의 속도 분포 해석 결과를 반영하여 공기 분사노즐을 모델링

한 것이다

Fig 19 수축확산 노즐의 공기 흐름 속도 분포

Fig 20 수축확산 노즐의 공기 흐름 마하넘버 분포

Fig 21 수축확산 노즐 모델

6 분급 이론

분급(分級 classification)이란 유체력을 이용해서 분립체를 그 입자 지름의 크기에

따라 분리하는 것으로 넓은 뜻으로는 유체력에 의한 분리만이 아니라 체가름을 포

함하는 경우가 있다 더 넓게는 비중선별ㆍ자기력선별 등 모든 입자분리조작을 분

급이라고 한다 공기ㆍ물 등의 유체 속에서 운동하는 분립체의 각 입자에는 중력

또는 원심력 이외에 유체에 의한 유체항력 등이 함께 작용된다 이 힘 즉 유체항력

은 입자 지름에 의존하는 데 유체항력과 입자 지름의 관계는 중력이나 원심력과

입자 지름의 관계와는 다르기 때문에 이 둘 사이의 균형 조건이 입자 지름에 의해

좌우된다 좁은 뜻의 분급은 이 원리를 이용한 입경분리조작을 의미한다 중력장에

서 등속 침강하는 구 형상의 입자에 대한 힘의 균형은 다음 식으로 표현된다

여기서 은 입자 질량 prime는 입자에 의해 배제된 유체 질량 g는 중력가속도 R

은 는 유체항력을 나타낸다 유체항력 R은 다음 식으로 나타낼 수 있다

여기서 는 저항계수 (drag coefficient)로 입자 주위의 유체의 상대적인 흐름의

상태에 따라 결정되는 무차원 계수이다 는 유체의 밀도 는 입자의 침강속도

는 입자의 지름이며 는 입자의 투영 최대 면적이다 물 또는 공기 속에서 입

자의 지름이 100 이하 입자의 밀도가 3gcm2이하의 조건에서는 입자 주위의 흐

름은 거의 충류로 간주되며 이때 R은 다음 식으로 나타내진다

여기서 는 유체의 점성도이다

prime

이므로 식 (36)을 식 (34)에 대입하면 식 (37)을 얻는다

여기서 는 입자 밀도이며 식 (37)을 스토크스의 침강속도식이라고 하며 분급에서

분리입자 지름을 구하기 위한 기본식으로 중요하다

식 (37)은 다음

과 같이도 표현된다

유체가 공기나 그 외의 기체인 경우의 분급 조작을 건식 분급(또는 공기 분급) 물

이나 그 외의 액체인 경우의 분급 조작을 습식 분급이라 한다 앞에 언급된 기본식

들 이외에 어떤 종류의 분급장치에서는 유체의 흐름 방향이 급격히 변화할 때 흐름

에 따라 운동하는 입자의 관성력의 효과가 중요한 역할을 한다

분급에 사용하는 장치를 분급기(classifier)라고 한다 건식분급기에는 관성력을 이

용하는 것 중력침강을 이용하는 것 원심력을 이용하는 것 등이 있다 관성력을 이

용하는 건식분급기에는 루버식분급기 버추얼임팩터 엘보제트형분급기 등이 있는

데 건식분급기로는 원심력을 이용한 것이 가장 널리 사용되고 있다 원심력을 이용

한 건식분급기로는 분급 입도가 30~100 정도의 비교적 굵은 입도에서의 대량 처

리로 옛날부터 알려진 스튜어트밴트형 등이 있으며 또한 몇 ~30의 분급이 가

능한 여러 분급기가 개발되어 널리 쓰이게 되었다 또한 사이클론도 미립(微粒)에서

조립(組立)에 이르는 분체(粉體)의 건식분급에 이용된다 습식분급기에는 중력식과

원심력식이 있으며 중력식은 상승 수류(水流)와 유동층을 이용한 수력분급기 원뿔

형 또는 각뿔형 용기에서의 중력침강을 이용한 세틀링탱크 등의 침강분급조 완만

하게 경사진 직사각형의 조(槽)로부터 침하한 조립 생산물을 긁어올리기 위한 레이

크나 스파이럴을 갖춘 기계분급기 등으로 분류된다 원심력을 이용한 습식분급기로

는 사이클론 또는 하이드로사이클론이 가장 대표적이며 솔리드볼형ㆍ디스크형 등

의 원심분리기도 미립자용 분급기로 사용된다

Fig 22는 베인 구조의 원심형 분급기의 회전 단면 모습이다

Fig22베인 구조의 원심형 분급기의 단면

Fig 22에서 H는 분급기 내부 상하면 사이의 간격이며 는 선별된 미분이 배출되

는 반경 는 베인의 내반경 는 베인의 외반경을 나타낸다

분체 주위의 공기 흐름이 층류 흐름이라는 조건하에서 베인 구조의 원심형 분급기

에의 컷포인트(utpoint)를 결정짓는 외주부의 반경 은 다음과 같다

또한 선별된 미분이 배출되는 반경은 다음과 같다

베인 사이에서도 고체의 회전법칙이 적용된다 베인의 외주 반경에서 속도의 원주

방향 성분 과 중심방향 성분 가 가장 큰 영향을 준다

식 (41)과 식 (42)를 식 (38)에 대입하여 정리하면 다음과 같다

독일 Netzsch 사에서는 베인의 내반경 에서 선별된 미분이 배출되는 반경 까

지의 반경 방향의 공기 속도 성분 을 질정하게 해 주기 위하여 Fig 10에 보인

ldquoConvorrdquo라고 불리우는 단면의 분급기를 개발하여 사용화하고 있다

7 분급기 설계와 유동 해석

분급기의 베인 사이로 분쇄된 미분과 공기가 함께 유입되어 중앙부의 배출구로 통

과하는 분급기의 내부 형상을 설계하기에 앞서 분급기 내부를 구성하는 상면이 평

평한 구조의 분급기에 대한 유동해석을 실시하여 공기의 속도 분포를 검토하였다

해석 대상 분급기의 외경은 205mm이며 밑면 중앙에 공기 배출을 위하여 직경이

90mm인 원형 구멍이 뚫려 있다 분급기 외주에는 단면이 원호의 일부로 만들어진

두깨가 2mm 넓이가 18mm 길이가 35mm인 베인이 매 60도마다 10개씩 등간격

으로 모두 60개가 베인의 코드 방향과 분급기의 반경 방향이 이루는 각도가 약 15

도가 되도록 경사지게 설치되어 있다 원주 방향으로 매 60도마다 길이 35mm 직

경 8mm인 원형봉 6개가 등간격으로 배열되어 상ㆍ사 카버 사이에 베인을 고정시

켜 조립되는 구조이다 해석 대상 분급기에 사용된 베인의 단면과 베인의 배열 및

분급기 상ㆍ하면을 고정하는 봉이 포함된 수평면상의 평면도를 Fig 23에 나타내었

다 Fig 24는 분급기의 상면 형상이 평평한 구조인 경우에 대한 분급기의 수직단

면도이다

분급기에 유입되는 공기는 온도 50 유입량 01m3sec 분급기를 통과한 후에

배출되는 공간의 압력은 12bar이며 분급기의 회전속도는 8000rpm(838radsec)

이다 분급기에 발생되는 원심력의 절대적인 크기는 재료의 밀도와 분급하고자 하

는 분말의 크기에 따라 분급기의 회전수를 변화시켜서 조절한다 SolidWorks 및

COSMOSFloWorks 프로그램으로 분급기의 공기 유동해석을 실시하였다 해석시의

변수 입력 항목 및 해석 과정을 ldquo부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 유동해석 절

차rdquo에 정리하였다

Fig 23 베인과 상ㆍ하면 고정 원형봉의 평면 단면도

Fig24 분급기 상면이 평면인 경우의 수직단면도

공기 유동해석 결과를 Fig25~Fig27에 나타내었다 Fig25는 베인의 중간 높이에

서의 수평 단면에서의 공기 속도 분포이다 Fig26은 베인이 위치한 부위에서의수

직단면 Fig 27은 상ㆍ하면을 고정시켜 주는 원형봉이 있는 부위의 수직단면에 분

포하는 공기의 유입 속도 해석 결과를 나타낸 것이다

Fig 25 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig 26 베인 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig27 연결봉 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig15~Fig27의 공기 속도 등고선을 보면 베인 외주부의 상하 위치에 있어서 공

기의속도가 불균일한 분포를 보인다 베인의 분급기 내부 공간에서는 같은 반경인

위치에서 윗부분에서의 공기 속도가 아랫부분에서보다 빠르게 분포하고 있다 베인

의 높이 방향 상ㆍ하 위치에 따른 이러한 유입 속도의 편차는 분급기 외주의 실린

더 면으로부터 유입되는 공기가 분급기 중앙의 밑 방향으로만 배출되는 유동 통로

의 구조 때문으로 판단되낟 따라서 같은 반경의 같은 원심력이 발생되는 위치에

있어서도 윗부분에서의 공기 유입속도가 밑부분에서보다 크게 분포되어 윗부분에서

는 밑부분에서보다 큰 분말이 분급기 안으로 유입된다 지정된 크기의 컷오프보다

큰 분말과 작은 분말이 혼합된 상태로 배출되는 관계로 분급이 정밀도가 저하된다

베인의 상ㆍ하 위치에 무관하게 공기의 유입 속도를 가급적 균일하게 해 주기 위한

목적으로 분급기 내부의 단면 형상을 Fig28과 같은 인볼류트-컨볼류트

(involute-convolute) 단면으로 구성하여 공기의 유동해석을 실시하였다

Fig 28 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기

Fig29는 베인의 중간 높이 수평단면 상에서의 공기 속도 분포이다 Fig25에 비하

여 베인의 외주 부위에서의 공기의 속도가 균일하게 분포되고 있음을 보여 준다

Fig29 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig 30은 베인이 위치한 부위에서의 수직 단면 Fig31은 상ㆍ하면을 고정시켜 주

는 원평봉이 있는 부위에서의 수직 단면에 분포하는 공기 속도 분포이다 Fig30과

Fig31은 각각 Fig25와 Fig26에 비하여 베인의 높이 방향 전체에 걸쳐 공기의 유

입 속도가 상당히 균일하게 분포되는 것을 보여 주고 있다

Fig 30 베인 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig31 연결봉 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig32는 분급기 내부의 공간 형상이 인볼류트-컨볼류트인 분급기의 설계 모델이

Fig32 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 모델

Fig33은 앞의 수축확산 공기 분사노즐(Fig20)과 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급

기(fig32)로 구성된 건식 기류충격식 분쇄기의 3D모델이다 중요 부품의 도면은

ldquo부록 9 설계 도면rdquo에 수록하였다

Fig33 건식 기류충격식 분쇄기의 3D 모델

8 시작품 제작

수축확산 공기 분사노즐의 유동해석 및 분급기의 유동해석 결과를 바탕으로 시작품

을 제작하였다 Fig34는 수축확산 공기 분사노즐 헤드의 시작품 모습이다

Fig 34 수축확산 공기 분사노즐 헤드 시작품

Fig35는 분급기의 시작품 모습이다 분급기의 베인은 분체와 마찰시 내마모성을

갖도록 SUS 재질로 곡면 성형한 후 세라믹으로 코팅하여 제작하였다

Fig35 분급기 시작품

Fig 36은 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 수축확산 공기 분사

노즐 및 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 등이 분쇄기의 내부에 장착되어 있다

Fig36 건식 기류충격식 분쇄기 시작품

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기와 관련된 국외 특허 자료 조사와 분석 공기의

유동해석에 있어 많은 일정이 소요되었다 기술지원 추진일정을 Table1에 정리하

였다

Table 4 추진 일정

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 32: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

제 3 장 기술지원 수행 내용 및 결과

제 1 절 기술지원 수행

본 부품소재종합기술지원사업은 Fig13의 기술 개발 추진도에 따라 수행되었다

Fig 13 기술 개발 추진도

분쇄기의 전체 시스템 중에서 분쇄기와 분급기 이외의 기타 구성 모듈들에 대한 설

계 및 생산기술은 지원기업 대가파우더시스템이 기확보하고 있는 기술이 기술

지원의 주된 내용은 기류충격식 분쇄기의 핵심 부품이며 분쇄기의 성능을 좌우하는

초음속 공기 분사노즐과 분급기의 설계 기술에 관한 것이다 초음속 공기 분사노즐

의 단면 형상 공급 공기의 압력과 분사 공기의 속도 및 공기 소요량 산출을 위한

공기 분사노즐 설계와 분쇄기 내부의 내마모성 재료 선택 분급기 베인의 형상과

분급기로 유입되는 공기의 속도 분포를 균일하게 하여 원심력 작용으로 분말의 분

급 정밀도를 향상시켜 주기 위한 분급기의 내부 단면 형상 설계 미 ㅊ유입 공기 속

도 및 압력 분포에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 방법 등에 대한 체계적인 기술 지원이

수행되었다 향후 유사 모델 개발에 적용하여 새로운 제품을 개발할 수 있는 설계

능력을 확보하였다

1 분쇄기 시스템 구성도

본 기술지원을 통하여 개발하는 핵심 기술은 건식 기류충격식 분쇄기의 초음속 공

기 분사노즐과 분급기와 관련된 기술이다 분쇄기의 기본 구조는 독일의 Netzsch

사 제품과 유사한 구조로 되어 있으며 분쇄용 공기 분사노즐과 고정밀도의 분급기

설계기술을 자체 보유하는 데 주안점이 있다 개발 대상 분쇄기 시스템의 전체 구

성도는 Fig 14(7)에서와 같다 Fig 14에서 분쇄기 시스템은 ldquo진동공급기rdquo를 통하

여 공급되는 분쇄용 우너료를 ldquo건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기rdquo로 분쇄 및 분급

한 후에 cyclone을 거쳐 bag filter로 분말을 포집하는 시스템으로 구성되어 있

다 분말과 공기가 혼합된 기류는 각각의 단계로 이송하는 과정에서 double flap

valve로 이송이 조절되며 최종적으로 fan의 작동으로 공기가 배출된다

건식 기류충격식 분쇄기 본체를 구성하는 부품의 서브어셈블리는 각각 Chamber

Body Laval Nozzle Classifier Wheel 및 Bearing Block등으로 구성되어 있

다 주요한 설계 변수는 분쇄챔버의 직경과 높이 초음속 공기 분사노즐 설계 있어

서 라발 노즐(초음속 공기 분사노즐)의 모즐 목 내경과 배출부의 직경 및 축방향의

단면 형상 공기되는 공기의 압력 등이다 분급기 설계에 있어서의 주요 변소는 베

인의 단면 형상 베인의 수량과 배열 각도 분급기 내부 공동부의 단면 형상 분급

기에 유입되는 공기 속도와 분급기를 통과한 이후의 공기 압력 등이다

Fig 14 기류충격식 분쇄기의 시스템 구성도

2 소리의 속도

물체의 일부에 교란을 주면 개스 유체 및 고체의 압축성으로 인하여 물체를 통하

여 유한한 속도로 교란이 전파된다

음속은 물체의 압력과 밀도 변화와 관계되어 있으며 다음식으로 표현된다

여기서

음속 압력변화 밀도 변화

체적탄성계수는 다음과 같이 표현된다

여기서

체적탄성계수 압력변화 체적변화 초기체적

체적탄성계수는 식 (3)으로도 표현된다

여기서

물체의밀도변화 물체의초기밀도

개스 유체 고체 내에서의 음속은 다음식과 같다

여기서

체적탄성계수

개스에서의 소리 속도는 아주 작은 한 점에서 교란이 일어나는 관계로 열전달을 무

시할 수가 있으며 또한 등온 상태로 가정할 수가 있다 이상 기체에서의 소리 속도

는 절대 온도의 근에 비례하며 다음식으로 표현된다

여기서

k = 비열비 (adiabatic index)

p = 압력 (Pa psi)

R = 개스 상수

T = 절대 온도 (degK degR)

앞의 식 (4)와 식 (5)로부터

식 (6)으로부터 체적탄성게수 E를 구할 수가 있다

( 예 1 ) 공기의 체적탄성계구 산출

k = 14 R = 287 (JK kg) at T=293K( 20 ) p=1204(kgm3)

Eair = k R T p=14X287X293X1204=14174379((Jm3)

Eair = 14174379(Nm2)

( 예 2 ) 염소(C12)의 체적탄성계수 산출

k = 134 R = 120 (JK kg) at T=293K(20) p=2994(kgm3)

Ec12 = k R T p=134X120X293X1994=14106051((Jm3)

Ec12 = 14106051(Nm2)

( 예 3 ) 0 1 bar 공기에서의 소리 속도

c = (14x287x273)12

= 3312 (ms)

여기서

k = 14

R = 287 (JK kg)

( 예 4 ) 20 1bar 공기에서의 소리 속도 산출

c = (14X287X293)12

= 3431 (ms)

( 예 5 ) 0 물속에서의 소리 속도 산출

여기서

3 공기 분사노즐에서의 유동식

개스역학에서 공기의 속도가 sim 이상으로 빠르거나 압력의 변화가

보다 큰 경우에는 압축성 흐름으로 취급한다 이러한 현상은 노즐에서

개스가 팽창하는 경우에 발생된다

정상유동에서의 에너지 평형 상태는 다음식으로 표현된다

여기서 엔탈피는

이며 엔탈피 ∆의 변화는 내부에너지 ∆에 외부로 또는 외부로부터의 체적에

의한 일 ∙∆의 합과 같다

내부에너지의 변호가 없고 밀도가 일정하다고 가정하면 즉 ∆ 인

경우에는 비압축성유동의 베르누이 방정식이 된다 반면에 위치네어지의 변화가 없

는 경우 ∆ 에는 상대적으로 밀도가 낮은 압축성 유체인 ldquo개스rdquo의 상태를

나타낸다 ldquo개스역학rdquo 이라는 자체가 의미하듯이 해석에 있어 고압 및 개스의 속도

가 포함되며 내부에너지의 변화 ∆를 무시할 수가 없다 이러한 의미에서 식 (7)

은 다음과 같이 된다

이상개스 방정식에서

이며 식 (12)를 식(9)에 대입하면 다음과 같이 된다

식 (13)에 에너지 보존법칙을 적용하면 노즐에서 분사되는 개스의 속도를 구할 수

있다

개스의 초기 속도가 인 경우에는

가역 단열 흐름에 있어서는 다음 3개의 식을 적용할 수가 있다

식 (16) ~ 식 (18)을 식 (15)에 대입하면 노즐에서 분출되는 개스의 속도가 구해

진다

노즐을 통과하는 질량의 흐름 식

밀도의 비로부터

다음과 같이 노즐을 통과하는 질량을 구한다

다음의 식 (23)을 식 (22)에 대입하여

식 (24)를 구한다

여기에서

을 ldquo탈출 계수(escape coefficient)rdquo 라고 한다

식 (25)를 사용하여 식 (24)를 다시 표현하면 다음의 간략식이 된다

탈출 계수 는 압축비 의 값이 다음과 같은 값일 때

임계 압축비 또는 라발 압축비로 표현되는 다음 크기의 최대값을 갖는다

음속은 노즐의 단면적이 제일 작은 부분에서 임계 압축비에 도달한다

max는 테이퍼가 일정한 실린더 형상의 노즐에 적용된다 식 (26)에 의하여

ㆍ 가 되며 는 일정한 테이퍼의 노즐에서만 증가할 수 있다 만약 압

축비 가 임계비 이하이면 max이므로 노즐을 통과하는 질량의 흐름은 일정

하다 이것은 질량의 흐름이 외부의 압력에 영향을 받지 않는다는 것을 의미한다

질량의 흐름에 의한 일은 다음의 식 (30)으로부터 구해진다

압축성 유체의 단열 팽창시에 수행된 일은 식 (19)와 식 (30)로부터 다음과 같이

산출된다

아래의 Fig 15 는 수축확산 노즐의 단면 모습이며(11) Fig 16 은 수축확산 노즐에

서의 압력 온도 속도 변화를 나타낸 것이다(8)

Fig 15 수축확산 노즐(Laval Nozzle)

Fig 16 수축확산 노즐에서의 압력 온도 속도 변화

압축성 유체의 흐름에 있어서 임계 속도 이후에 노즐의 단면이 서서히 확대되면

열에너지가 유동에너지로 변환되면서 온도는 낮아지고 흐름이 증가된다

앞의 식 (27)을 참조할 때 Fig 16 의 수축확산 노즐의 단면적이 가장 작은 임계

압축비 에서 음속에 도달한다 이 것은 질량 흐름에 식 (26)이 계속적으로 유

효하다는 것을 의미한다 수축확산 노즐 출구에서의 온도는 다음과 같은 관계가 된

노즐 확산부의 치수는 다음식으로부터 구해지며

개스 상수 등은 계수 개스 유입 온도 노즐 목의 직경 압축비 등의

변수로부터 노즐 출구에서의 개스 속도와 온도를 구할 수가 있다 공기 흐름 해석

대상 노즐 각부에 대한 부호는 Fig17에서와 같다

Fig 17 수축확산 노즐의 각부 부호

실제 수축확산 노즐을 설계하는 데 있어서는 노즐에서 발생될 수 있는 압축파 발생

을 억제하기 위하여 노즐 출구의 치수를 설계값보다 약간 작게 한다 즉 Fig 17에

서의 노즐의 확산각 가 를 넘지 않아야 하며 최대 이내여야 한다

4 공기 분사노즐의 흐름 특성 계산

앞의 ldquo3 초음속 공기 분사노즐에서의 공기의 흐름rdquo에서 유도된 식들을 이용하여

ldquoMathcad 13 프로그램(12)으로 설계 대상 분쇄기에 적용되는 공기 분사노즐의 단

면 치수 유입 공기량 노즐 출구에서의 공기 속도 소요 동력 등을 산출하였다

우선 단위와 공기의 상수를 정리하면

kilo=1000 TK =273 hoursec =3600 k = 14

ㆍsecㆍ

ㆍsecㆍ

ㆍsec

ㆍsec

예를 들어 tan tan tan tan

해석 조건이 다음과 같으면 tank pressure=700kPa Ttank=70 exit

pressure=100kPa

단위 (mm) throat diameter=50 length 150 outlet diameter=70 diffusion

angle α=38deg

d = 0007 pe = 100kilo po = 7pe Ttank =7C

To = TK+Ttank To=343 (K)

times

sec

Air_massflow1N_hour =Air_masflow1N_sechoursec

Air_massflow1N_hour = 133024 (kghrper 1 nozzle)

Air_massflow3N_hour = Air_massflow 1N_hour3

Air_massflow 3N_hour = 399071 (kghrper 3 nozzles)

Imsec)

sec

timesorsec timesorsec

(kgm3)

sec

sec sec

공기분사 노즐 목의 직경이 50mm 출구 직경이 70mm 노즐 목에서 노즐 출구까

지의 길이가 150mm로 공기 분사노즐의 환산각 도인 공기 분사노즐이 3

개 장착되어 있으며 탱크내의 공기가 압력 7bar 와 70 를 유지하면서 계속적으

로 노즐을 통하여 공급되며 또한 분쇄 챔버 내의 압력이 1bar 로 유지되는 경우의

공기 분사노즐의 유동 특성 계산 결과를 종합 정리하면 다음과 같다

- 노즐 출구에서의 공기 최대 속도 542151msec

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 무게 399071kghr

(노즐 하나에 00369kgsec)

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 부피 225333m3hr(0063m3sec)

- 소요 동력 16291kWhhr

5 수축확산 공기 분사노즐의 유동 해석

공기 분사노즐을 3D 모델링 프로그램 SolidWorks(13)로 모델링하여 열유체 해석

을 위한 유한요소해석 프로그램 COSMOSFlwWorks(14)로 공기 분사노즐 내의 유

동 해석을 수행하였다 해석 대상 공기 분사노즐 단면의 형상과 각부의 치수는

Fig18에서와 같다

Fig 18 수축확산 노즐 유동 해석 모델의 단면

해석시에 적용된 변수값들은 앞의 ldquo4 초음속 공기 분사노즐의 분사 특성 계산rdquo에

서 산출된 값을 적용하였다 노즐의 확산부위 길이는 15mm 이며 분사노즐의 확산

각은 도이다 노즐 하나에 대하여 Fig 18 의 왼쪽면에서 00369 kgsec

의 공기가 유입되며 오른쪽 분사노즐 출구면에 12bar 의 압력을 적용하였다 분사

노즐의 유동 해석 결과의 여러 가지 특성값 중에서 본 설계에서의 주요 관심사가

공기의 배출 속도인 관계로 Fig 19에 흐름의 속도 분포 Fig 20에 흐름의 마하넘

버 분포를 나타내었다 초음속 흐름에 대한 해석으로 분사노즐 목에서의 공기속도

가 약 335msec(마하 1)이 되며 노즐 출구에서 최대속도가 된다 Fig 21은 수축

확산 노즐에 대한 공기의 속도 분포 해석 결과를 반영하여 공기 분사노즐을 모델링

한 것이다

Fig 19 수축확산 노즐의 공기 흐름 속도 분포

Fig 20 수축확산 노즐의 공기 흐름 마하넘버 분포

Fig 21 수축확산 노즐 모델

6 분급 이론

분급(分級 classification)이란 유체력을 이용해서 분립체를 그 입자 지름의 크기에

따라 분리하는 것으로 넓은 뜻으로는 유체력에 의한 분리만이 아니라 체가름을 포

함하는 경우가 있다 더 넓게는 비중선별ㆍ자기력선별 등 모든 입자분리조작을 분

급이라고 한다 공기ㆍ물 등의 유체 속에서 운동하는 분립체의 각 입자에는 중력

또는 원심력 이외에 유체에 의한 유체항력 등이 함께 작용된다 이 힘 즉 유체항력

은 입자 지름에 의존하는 데 유체항력과 입자 지름의 관계는 중력이나 원심력과

입자 지름의 관계와는 다르기 때문에 이 둘 사이의 균형 조건이 입자 지름에 의해

좌우된다 좁은 뜻의 분급은 이 원리를 이용한 입경분리조작을 의미한다 중력장에

서 등속 침강하는 구 형상의 입자에 대한 힘의 균형은 다음 식으로 표현된다

여기서 은 입자 질량 prime는 입자에 의해 배제된 유체 질량 g는 중력가속도 R

은 는 유체항력을 나타낸다 유체항력 R은 다음 식으로 나타낼 수 있다

여기서 는 저항계수 (drag coefficient)로 입자 주위의 유체의 상대적인 흐름의

상태에 따라 결정되는 무차원 계수이다 는 유체의 밀도 는 입자의 침강속도

는 입자의 지름이며 는 입자의 투영 최대 면적이다 물 또는 공기 속에서 입

자의 지름이 100 이하 입자의 밀도가 3gcm2이하의 조건에서는 입자 주위의 흐

름은 거의 충류로 간주되며 이때 R은 다음 식으로 나타내진다

여기서 는 유체의 점성도이다

prime

이므로 식 (36)을 식 (34)에 대입하면 식 (37)을 얻는다

여기서 는 입자 밀도이며 식 (37)을 스토크스의 침강속도식이라고 하며 분급에서

분리입자 지름을 구하기 위한 기본식으로 중요하다

식 (37)은 다음

과 같이도 표현된다

유체가 공기나 그 외의 기체인 경우의 분급 조작을 건식 분급(또는 공기 분급) 물

이나 그 외의 액체인 경우의 분급 조작을 습식 분급이라 한다 앞에 언급된 기본식

들 이외에 어떤 종류의 분급장치에서는 유체의 흐름 방향이 급격히 변화할 때 흐름

에 따라 운동하는 입자의 관성력의 효과가 중요한 역할을 한다

분급에 사용하는 장치를 분급기(classifier)라고 한다 건식분급기에는 관성력을 이

용하는 것 중력침강을 이용하는 것 원심력을 이용하는 것 등이 있다 관성력을 이

용하는 건식분급기에는 루버식분급기 버추얼임팩터 엘보제트형분급기 등이 있는

데 건식분급기로는 원심력을 이용한 것이 가장 널리 사용되고 있다 원심력을 이용

한 건식분급기로는 분급 입도가 30~100 정도의 비교적 굵은 입도에서의 대량 처

리로 옛날부터 알려진 스튜어트밴트형 등이 있으며 또한 몇 ~30의 분급이 가

능한 여러 분급기가 개발되어 널리 쓰이게 되었다 또한 사이클론도 미립(微粒)에서

조립(組立)에 이르는 분체(粉體)의 건식분급에 이용된다 습식분급기에는 중력식과

원심력식이 있으며 중력식은 상승 수류(水流)와 유동층을 이용한 수력분급기 원뿔

형 또는 각뿔형 용기에서의 중력침강을 이용한 세틀링탱크 등의 침강분급조 완만

하게 경사진 직사각형의 조(槽)로부터 침하한 조립 생산물을 긁어올리기 위한 레이

크나 스파이럴을 갖춘 기계분급기 등으로 분류된다 원심력을 이용한 습식분급기로

는 사이클론 또는 하이드로사이클론이 가장 대표적이며 솔리드볼형ㆍ디스크형 등

의 원심분리기도 미립자용 분급기로 사용된다

Fig 22는 베인 구조의 원심형 분급기의 회전 단면 모습이다

Fig22베인 구조의 원심형 분급기의 단면

Fig 22에서 H는 분급기 내부 상하면 사이의 간격이며 는 선별된 미분이 배출되

는 반경 는 베인의 내반경 는 베인의 외반경을 나타낸다

분체 주위의 공기 흐름이 층류 흐름이라는 조건하에서 베인 구조의 원심형 분급기

에의 컷포인트(utpoint)를 결정짓는 외주부의 반경 은 다음과 같다

또한 선별된 미분이 배출되는 반경은 다음과 같다

베인 사이에서도 고체의 회전법칙이 적용된다 베인의 외주 반경에서 속도의 원주

방향 성분 과 중심방향 성분 가 가장 큰 영향을 준다

식 (41)과 식 (42)를 식 (38)에 대입하여 정리하면 다음과 같다

독일 Netzsch 사에서는 베인의 내반경 에서 선별된 미분이 배출되는 반경 까

지의 반경 방향의 공기 속도 성분 을 질정하게 해 주기 위하여 Fig 10에 보인

ldquoConvorrdquo라고 불리우는 단면의 분급기를 개발하여 사용화하고 있다

7 분급기 설계와 유동 해석

분급기의 베인 사이로 분쇄된 미분과 공기가 함께 유입되어 중앙부의 배출구로 통

과하는 분급기의 내부 형상을 설계하기에 앞서 분급기 내부를 구성하는 상면이 평

평한 구조의 분급기에 대한 유동해석을 실시하여 공기의 속도 분포를 검토하였다

해석 대상 분급기의 외경은 205mm이며 밑면 중앙에 공기 배출을 위하여 직경이

90mm인 원형 구멍이 뚫려 있다 분급기 외주에는 단면이 원호의 일부로 만들어진

두깨가 2mm 넓이가 18mm 길이가 35mm인 베인이 매 60도마다 10개씩 등간격

으로 모두 60개가 베인의 코드 방향과 분급기의 반경 방향이 이루는 각도가 약 15

도가 되도록 경사지게 설치되어 있다 원주 방향으로 매 60도마다 길이 35mm 직

경 8mm인 원형봉 6개가 등간격으로 배열되어 상ㆍ사 카버 사이에 베인을 고정시

켜 조립되는 구조이다 해석 대상 분급기에 사용된 베인의 단면과 베인의 배열 및

분급기 상ㆍ하면을 고정하는 봉이 포함된 수평면상의 평면도를 Fig 23에 나타내었

다 Fig 24는 분급기의 상면 형상이 평평한 구조인 경우에 대한 분급기의 수직단

면도이다

분급기에 유입되는 공기는 온도 50 유입량 01m3sec 분급기를 통과한 후에

배출되는 공간의 압력은 12bar이며 분급기의 회전속도는 8000rpm(838radsec)

이다 분급기에 발생되는 원심력의 절대적인 크기는 재료의 밀도와 분급하고자 하

는 분말의 크기에 따라 분급기의 회전수를 변화시켜서 조절한다 SolidWorks 및

COSMOSFloWorks 프로그램으로 분급기의 공기 유동해석을 실시하였다 해석시의

변수 입력 항목 및 해석 과정을 ldquo부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 유동해석 절

차rdquo에 정리하였다

Fig 23 베인과 상ㆍ하면 고정 원형봉의 평면 단면도

Fig24 분급기 상면이 평면인 경우의 수직단면도

공기 유동해석 결과를 Fig25~Fig27에 나타내었다 Fig25는 베인의 중간 높이에

서의 수평 단면에서의 공기 속도 분포이다 Fig26은 베인이 위치한 부위에서의수

직단면 Fig 27은 상ㆍ하면을 고정시켜 주는 원형봉이 있는 부위의 수직단면에 분

포하는 공기의 유입 속도 해석 결과를 나타낸 것이다

Fig 25 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig 26 베인 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig27 연결봉 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig15~Fig27의 공기 속도 등고선을 보면 베인 외주부의 상하 위치에 있어서 공

기의속도가 불균일한 분포를 보인다 베인의 분급기 내부 공간에서는 같은 반경인

위치에서 윗부분에서의 공기 속도가 아랫부분에서보다 빠르게 분포하고 있다 베인

의 높이 방향 상ㆍ하 위치에 따른 이러한 유입 속도의 편차는 분급기 외주의 실린

더 면으로부터 유입되는 공기가 분급기 중앙의 밑 방향으로만 배출되는 유동 통로

의 구조 때문으로 판단되낟 따라서 같은 반경의 같은 원심력이 발생되는 위치에

있어서도 윗부분에서의 공기 유입속도가 밑부분에서보다 크게 분포되어 윗부분에서

는 밑부분에서보다 큰 분말이 분급기 안으로 유입된다 지정된 크기의 컷오프보다

큰 분말과 작은 분말이 혼합된 상태로 배출되는 관계로 분급이 정밀도가 저하된다

베인의 상ㆍ하 위치에 무관하게 공기의 유입 속도를 가급적 균일하게 해 주기 위한

목적으로 분급기 내부의 단면 형상을 Fig28과 같은 인볼류트-컨볼류트

(involute-convolute) 단면으로 구성하여 공기의 유동해석을 실시하였다

Fig 28 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기

Fig29는 베인의 중간 높이 수평단면 상에서의 공기 속도 분포이다 Fig25에 비하

여 베인의 외주 부위에서의 공기의 속도가 균일하게 분포되고 있음을 보여 준다

Fig29 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig 30은 베인이 위치한 부위에서의 수직 단면 Fig31은 상ㆍ하면을 고정시켜 주

는 원평봉이 있는 부위에서의 수직 단면에 분포하는 공기 속도 분포이다 Fig30과

Fig31은 각각 Fig25와 Fig26에 비하여 베인의 높이 방향 전체에 걸쳐 공기의 유

입 속도가 상당히 균일하게 분포되는 것을 보여 주고 있다

Fig 30 베인 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig31 연결봉 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig32는 분급기 내부의 공간 형상이 인볼류트-컨볼류트인 분급기의 설계 모델이

Fig32 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 모델

Fig33은 앞의 수축확산 공기 분사노즐(Fig20)과 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급

기(fig32)로 구성된 건식 기류충격식 분쇄기의 3D모델이다 중요 부품의 도면은

ldquo부록 9 설계 도면rdquo에 수록하였다

Fig33 건식 기류충격식 분쇄기의 3D 모델

8 시작품 제작

수축확산 공기 분사노즐의 유동해석 및 분급기의 유동해석 결과를 바탕으로 시작품

을 제작하였다 Fig34는 수축확산 공기 분사노즐 헤드의 시작품 모습이다

Fig 34 수축확산 공기 분사노즐 헤드 시작품

Fig35는 분급기의 시작품 모습이다 분급기의 베인은 분체와 마찰시 내마모성을

갖도록 SUS 재질로 곡면 성형한 후 세라믹으로 코팅하여 제작하였다

Fig35 분급기 시작품

Fig 36은 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 수축확산 공기 분사

노즐 및 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 등이 분쇄기의 내부에 장착되어 있다

Fig36 건식 기류충격식 분쇄기 시작품

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기와 관련된 국외 특허 자료 조사와 분석 공기의

유동해석에 있어 많은 일정이 소요되었다 기술지원 추진일정을 Table1에 정리하

였다

Table 4 추진 일정

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 33: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

분쇄기의 전체 시스템 중에서 분쇄기와 분급기 이외의 기타 구성 모듈들에 대한 설

계 및 생산기술은 지원기업 대가파우더시스템이 기확보하고 있는 기술이 기술

지원의 주된 내용은 기류충격식 분쇄기의 핵심 부품이며 분쇄기의 성능을 좌우하는

초음속 공기 분사노즐과 분급기의 설계 기술에 관한 것이다 초음속 공기 분사노즐

의 단면 형상 공급 공기의 압력과 분사 공기의 속도 및 공기 소요량 산출을 위한

공기 분사노즐 설계와 분쇄기 내부의 내마모성 재료 선택 분급기 베인의 형상과

분급기로 유입되는 공기의 속도 분포를 균일하게 하여 원심력 작용으로 분말의 분

급 정밀도를 향상시켜 주기 위한 분급기의 내부 단면 형상 설계 미 ㅊ유입 공기 속

도 및 압력 분포에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 방법 등에 대한 체계적인 기술 지원이

수행되었다 향후 유사 모델 개발에 적용하여 새로운 제품을 개발할 수 있는 설계

능력을 확보하였다

1 분쇄기 시스템 구성도

본 기술지원을 통하여 개발하는 핵심 기술은 건식 기류충격식 분쇄기의 초음속 공

기 분사노즐과 분급기와 관련된 기술이다 분쇄기의 기본 구조는 독일의 Netzsch

사 제품과 유사한 구조로 되어 있으며 분쇄용 공기 분사노즐과 고정밀도의 분급기

설계기술을 자체 보유하는 데 주안점이 있다 개발 대상 분쇄기 시스템의 전체 구

성도는 Fig 14(7)에서와 같다 Fig 14에서 분쇄기 시스템은 ldquo진동공급기rdquo를 통하

여 공급되는 분쇄용 우너료를 ldquo건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기rdquo로 분쇄 및 분급

한 후에 cyclone을 거쳐 bag filter로 분말을 포집하는 시스템으로 구성되어 있

다 분말과 공기가 혼합된 기류는 각각의 단계로 이송하는 과정에서 double flap

valve로 이송이 조절되며 최종적으로 fan의 작동으로 공기가 배출된다

건식 기류충격식 분쇄기 본체를 구성하는 부품의 서브어셈블리는 각각 Chamber

Body Laval Nozzle Classifier Wheel 및 Bearing Block등으로 구성되어 있

다 주요한 설계 변수는 분쇄챔버의 직경과 높이 초음속 공기 분사노즐 설계 있어

서 라발 노즐(초음속 공기 분사노즐)의 모즐 목 내경과 배출부의 직경 및 축방향의

단면 형상 공기되는 공기의 압력 등이다 분급기 설계에 있어서의 주요 변소는 베

인의 단면 형상 베인의 수량과 배열 각도 분급기 내부 공동부의 단면 형상 분급

기에 유입되는 공기 속도와 분급기를 통과한 이후의 공기 압력 등이다

Fig 14 기류충격식 분쇄기의 시스템 구성도

2 소리의 속도

물체의 일부에 교란을 주면 개스 유체 및 고체의 압축성으로 인하여 물체를 통하

여 유한한 속도로 교란이 전파된다

음속은 물체의 압력과 밀도 변화와 관계되어 있으며 다음식으로 표현된다

여기서

음속 압력변화 밀도 변화

체적탄성계수는 다음과 같이 표현된다

여기서

체적탄성계수 압력변화 체적변화 초기체적

체적탄성계수는 식 (3)으로도 표현된다

여기서

물체의밀도변화 물체의초기밀도

개스 유체 고체 내에서의 음속은 다음식과 같다

여기서

체적탄성계수

개스에서의 소리 속도는 아주 작은 한 점에서 교란이 일어나는 관계로 열전달을 무

시할 수가 있으며 또한 등온 상태로 가정할 수가 있다 이상 기체에서의 소리 속도

는 절대 온도의 근에 비례하며 다음식으로 표현된다

여기서

k = 비열비 (adiabatic index)

p = 압력 (Pa psi)

R = 개스 상수

T = 절대 온도 (degK degR)

앞의 식 (4)와 식 (5)로부터

식 (6)으로부터 체적탄성게수 E를 구할 수가 있다

( 예 1 ) 공기의 체적탄성계구 산출

k = 14 R = 287 (JK kg) at T=293K( 20 ) p=1204(kgm3)

Eair = k R T p=14X287X293X1204=14174379((Jm3)

Eair = 14174379(Nm2)

( 예 2 ) 염소(C12)의 체적탄성계수 산출

k = 134 R = 120 (JK kg) at T=293K(20) p=2994(kgm3)

Ec12 = k R T p=134X120X293X1994=14106051((Jm3)

Ec12 = 14106051(Nm2)

( 예 3 ) 0 1 bar 공기에서의 소리 속도

c = (14x287x273)12

= 3312 (ms)

여기서

k = 14

R = 287 (JK kg)

( 예 4 ) 20 1bar 공기에서의 소리 속도 산출

c = (14X287X293)12

= 3431 (ms)

( 예 5 ) 0 물속에서의 소리 속도 산출

여기서

3 공기 분사노즐에서의 유동식

개스역학에서 공기의 속도가 sim 이상으로 빠르거나 압력의 변화가

보다 큰 경우에는 압축성 흐름으로 취급한다 이러한 현상은 노즐에서

개스가 팽창하는 경우에 발생된다

정상유동에서의 에너지 평형 상태는 다음식으로 표현된다

여기서 엔탈피는

이며 엔탈피 ∆의 변화는 내부에너지 ∆에 외부로 또는 외부로부터의 체적에

의한 일 ∙∆의 합과 같다

내부에너지의 변호가 없고 밀도가 일정하다고 가정하면 즉 ∆ 인

경우에는 비압축성유동의 베르누이 방정식이 된다 반면에 위치네어지의 변화가 없

는 경우 ∆ 에는 상대적으로 밀도가 낮은 압축성 유체인 ldquo개스rdquo의 상태를

나타낸다 ldquo개스역학rdquo 이라는 자체가 의미하듯이 해석에 있어 고압 및 개스의 속도

가 포함되며 내부에너지의 변화 ∆를 무시할 수가 없다 이러한 의미에서 식 (7)

은 다음과 같이 된다

이상개스 방정식에서

이며 식 (12)를 식(9)에 대입하면 다음과 같이 된다

식 (13)에 에너지 보존법칙을 적용하면 노즐에서 분사되는 개스의 속도를 구할 수

있다

개스의 초기 속도가 인 경우에는

가역 단열 흐름에 있어서는 다음 3개의 식을 적용할 수가 있다

식 (16) ~ 식 (18)을 식 (15)에 대입하면 노즐에서 분출되는 개스의 속도가 구해

진다

노즐을 통과하는 질량의 흐름 식

밀도의 비로부터

다음과 같이 노즐을 통과하는 질량을 구한다

다음의 식 (23)을 식 (22)에 대입하여

식 (24)를 구한다

여기에서

을 ldquo탈출 계수(escape coefficient)rdquo 라고 한다

식 (25)를 사용하여 식 (24)를 다시 표현하면 다음의 간략식이 된다

탈출 계수 는 압축비 의 값이 다음과 같은 값일 때

임계 압축비 또는 라발 압축비로 표현되는 다음 크기의 최대값을 갖는다

음속은 노즐의 단면적이 제일 작은 부분에서 임계 압축비에 도달한다

max는 테이퍼가 일정한 실린더 형상의 노즐에 적용된다 식 (26)에 의하여

ㆍ 가 되며 는 일정한 테이퍼의 노즐에서만 증가할 수 있다 만약 압

축비 가 임계비 이하이면 max이므로 노즐을 통과하는 질량의 흐름은 일정

하다 이것은 질량의 흐름이 외부의 압력에 영향을 받지 않는다는 것을 의미한다

질량의 흐름에 의한 일은 다음의 식 (30)으로부터 구해진다

압축성 유체의 단열 팽창시에 수행된 일은 식 (19)와 식 (30)로부터 다음과 같이

산출된다

아래의 Fig 15 는 수축확산 노즐의 단면 모습이며(11) Fig 16 은 수축확산 노즐에

서의 압력 온도 속도 변화를 나타낸 것이다(8)

Fig 15 수축확산 노즐(Laval Nozzle)

Fig 16 수축확산 노즐에서의 압력 온도 속도 변화

압축성 유체의 흐름에 있어서 임계 속도 이후에 노즐의 단면이 서서히 확대되면

열에너지가 유동에너지로 변환되면서 온도는 낮아지고 흐름이 증가된다

앞의 식 (27)을 참조할 때 Fig 16 의 수축확산 노즐의 단면적이 가장 작은 임계

압축비 에서 음속에 도달한다 이 것은 질량 흐름에 식 (26)이 계속적으로 유

효하다는 것을 의미한다 수축확산 노즐 출구에서의 온도는 다음과 같은 관계가 된

노즐 확산부의 치수는 다음식으로부터 구해지며

개스 상수 등은 계수 개스 유입 온도 노즐 목의 직경 압축비 등의

변수로부터 노즐 출구에서의 개스 속도와 온도를 구할 수가 있다 공기 흐름 해석

대상 노즐 각부에 대한 부호는 Fig17에서와 같다

Fig 17 수축확산 노즐의 각부 부호

실제 수축확산 노즐을 설계하는 데 있어서는 노즐에서 발생될 수 있는 압축파 발생

을 억제하기 위하여 노즐 출구의 치수를 설계값보다 약간 작게 한다 즉 Fig 17에

서의 노즐의 확산각 가 를 넘지 않아야 하며 최대 이내여야 한다

4 공기 분사노즐의 흐름 특성 계산

앞의 ldquo3 초음속 공기 분사노즐에서의 공기의 흐름rdquo에서 유도된 식들을 이용하여

ldquoMathcad 13 프로그램(12)으로 설계 대상 분쇄기에 적용되는 공기 분사노즐의 단

면 치수 유입 공기량 노즐 출구에서의 공기 속도 소요 동력 등을 산출하였다

우선 단위와 공기의 상수를 정리하면

kilo=1000 TK =273 hoursec =3600 k = 14

ㆍsecㆍ

ㆍsecㆍ

ㆍsec

ㆍsec

예를 들어 tan tan tan tan

해석 조건이 다음과 같으면 tank pressure=700kPa Ttank=70 exit

pressure=100kPa

단위 (mm) throat diameter=50 length 150 outlet diameter=70 diffusion

angle α=38deg

d = 0007 pe = 100kilo po = 7pe Ttank =7C

To = TK+Ttank To=343 (K)

times

sec

Air_massflow1N_hour =Air_masflow1N_sechoursec

Air_massflow1N_hour = 133024 (kghrper 1 nozzle)

Air_massflow3N_hour = Air_massflow 1N_hour3

Air_massflow 3N_hour = 399071 (kghrper 3 nozzles)

Imsec)

sec

timesorsec timesorsec

(kgm3)

sec

sec sec

공기분사 노즐 목의 직경이 50mm 출구 직경이 70mm 노즐 목에서 노즐 출구까

지의 길이가 150mm로 공기 분사노즐의 환산각 도인 공기 분사노즐이 3

개 장착되어 있으며 탱크내의 공기가 압력 7bar 와 70 를 유지하면서 계속적으

로 노즐을 통하여 공급되며 또한 분쇄 챔버 내의 압력이 1bar 로 유지되는 경우의

공기 분사노즐의 유동 특성 계산 결과를 종합 정리하면 다음과 같다

- 노즐 출구에서의 공기 최대 속도 542151msec

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 무게 399071kghr

(노즐 하나에 00369kgsec)

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 부피 225333m3hr(0063m3sec)

- 소요 동력 16291kWhhr

5 수축확산 공기 분사노즐의 유동 해석

공기 분사노즐을 3D 모델링 프로그램 SolidWorks(13)로 모델링하여 열유체 해석

을 위한 유한요소해석 프로그램 COSMOSFlwWorks(14)로 공기 분사노즐 내의 유

동 해석을 수행하였다 해석 대상 공기 분사노즐 단면의 형상과 각부의 치수는

Fig18에서와 같다

Fig 18 수축확산 노즐 유동 해석 모델의 단면

해석시에 적용된 변수값들은 앞의 ldquo4 초음속 공기 분사노즐의 분사 특성 계산rdquo에

서 산출된 값을 적용하였다 노즐의 확산부위 길이는 15mm 이며 분사노즐의 확산

각은 도이다 노즐 하나에 대하여 Fig 18 의 왼쪽면에서 00369 kgsec

의 공기가 유입되며 오른쪽 분사노즐 출구면에 12bar 의 압력을 적용하였다 분사

노즐의 유동 해석 결과의 여러 가지 특성값 중에서 본 설계에서의 주요 관심사가

공기의 배출 속도인 관계로 Fig 19에 흐름의 속도 분포 Fig 20에 흐름의 마하넘

버 분포를 나타내었다 초음속 흐름에 대한 해석으로 분사노즐 목에서의 공기속도

가 약 335msec(마하 1)이 되며 노즐 출구에서 최대속도가 된다 Fig 21은 수축

확산 노즐에 대한 공기의 속도 분포 해석 결과를 반영하여 공기 분사노즐을 모델링

한 것이다

Fig 19 수축확산 노즐의 공기 흐름 속도 분포

Fig 20 수축확산 노즐의 공기 흐름 마하넘버 분포

Fig 21 수축확산 노즐 모델

6 분급 이론

분급(分級 classification)이란 유체력을 이용해서 분립체를 그 입자 지름의 크기에

따라 분리하는 것으로 넓은 뜻으로는 유체력에 의한 분리만이 아니라 체가름을 포

함하는 경우가 있다 더 넓게는 비중선별ㆍ자기력선별 등 모든 입자분리조작을 분

급이라고 한다 공기ㆍ물 등의 유체 속에서 운동하는 분립체의 각 입자에는 중력

또는 원심력 이외에 유체에 의한 유체항력 등이 함께 작용된다 이 힘 즉 유체항력

은 입자 지름에 의존하는 데 유체항력과 입자 지름의 관계는 중력이나 원심력과

입자 지름의 관계와는 다르기 때문에 이 둘 사이의 균형 조건이 입자 지름에 의해

좌우된다 좁은 뜻의 분급은 이 원리를 이용한 입경분리조작을 의미한다 중력장에

서 등속 침강하는 구 형상의 입자에 대한 힘의 균형은 다음 식으로 표현된다

여기서 은 입자 질량 prime는 입자에 의해 배제된 유체 질량 g는 중력가속도 R

은 는 유체항력을 나타낸다 유체항력 R은 다음 식으로 나타낼 수 있다

여기서 는 저항계수 (drag coefficient)로 입자 주위의 유체의 상대적인 흐름의

상태에 따라 결정되는 무차원 계수이다 는 유체의 밀도 는 입자의 침강속도

는 입자의 지름이며 는 입자의 투영 최대 면적이다 물 또는 공기 속에서 입

자의 지름이 100 이하 입자의 밀도가 3gcm2이하의 조건에서는 입자 주위의 흐

름은 거의 충류로 간주되며 이때 R은 다음 식으로 나타내진다

여기서 는 유체의 점성도이다

prime

이므로 식 (36)을 식 (34)에 대입하면 식 (37)을 얻는다

여기서 는 입자 밀도이며 식 (37)을 스토크스의 침강속도식이라고 하며 분급에서

분리입자 지름을 구하기 위한 기본식으로 중요하다

식 (37)은 다음

과 같이도 표현된다

유체가 공기나 그 외의 기체인 경우의 분급 조작을 건식 분급(또는 공기 분급) 물

이나 그 외의 액체인 경우의 분급 조작을 습식 분급이라 한다 앞에 언급된 기본식

들 이외에 어떤 종류의 분급장치에서는 유체의 흐름 방향이 급격히 변화할 때 흐름

에 따라 운동하는 입자의 관성력의 효과가 중요한 역할을 한다

분급에 사용하는 장치를 분급기(classifier)라고 한다 건식분급기에는 관성력을 이

용하는 것 중력침강을 이용하는 것 원심력을 이용하는 것 등이 있다 관성력을 이

용하는 건식분급기에는 루버식분급기 버추얼임팩터 엘보제트형분급기 등이 있는

데 건식분급기로는 원심력을 이용한 것이 가장 널리 사용되고 있다 원심력을 이용

한 건식분급기로는 분급 입도가 30~100 정도의 비교적 굵은 입도에서의 대량 처

리로 옛날부터 알려진 스튜어트밴트형 등이 있으며 또한 몇 ~30의 분급이 가

능한 여러 분급기가 개발되어 널리 쓰이게 되었다 또한 사이클론도 미립(微粒)에서

조립(組立)에 이르는 분체(粉體)의 건식분급에 이용된다 습식분급기에는 중력식과

원심력식이 있으며 중력식은 상승 수류(水流)와 유동층을 이용한 수력분급기 원뿔

형 또는 각뿔형 용기에서의 중력침강을 이용한 세틀링탱크 등의 침강분급조 완만

하게 경사진 직사각형의 조(槽)로부터 침하한 조립 생산물을 긁어올리기 위한 레이

크나 스파이럴을 갖춘 기계분급기 등으로 분류된다 원심력을 이용한 습식분급기로

는 사이클론 또는 하이드로사이클론이 가장 대표적이며 솔리드볼형ㆍ디스크형 등

의 원심분리기도 미립자용 분급기로 사용된다

Fig 22는 베인 구조의 원심형 분급기의 회전 단면 모습이다

Fig22베인 구조의 원심형 분급기의 단면

Fig 22에서 H는 분급기 내부 상하면 사이의 간격이며 는 선별된 미분이 배출되

는 반경 는 베인의 내반경 는 베인의 외반경을 나타낸다

분체 주위의 공기 흐름이 층류 흐름이라는 조건하에서 베인 구조의 원심형 분급기

에의 컷포인트(utpoint)를 결정짓는 외주부의 반경 은 다음과 같다

또한 선별된 미분이 배출되는 반경은 다음과 같다

베인 사이에서도 고체의 회전법칙이 적용된다 베인의 외주 반경에서 속도의 원주

방향 성분 과 중심방향 성분 가 가장 큰 영향을 준다

식 (41)과 식 (42)를 식 (38)에 대입하여 정리하면 다음과 같다

독일 Netzsch 사에서는 베인의 내반경 에서 선별된 미분이 배출되는 반경 까

지의 반경 방향의 공기 속도 성분 을 질정하게 해 주기 위하여 Fig 10에 보인

ldquoConvorrdquo라고 불리우는 단면의 분급기를 개발하여 사용화하고 있다

7 분급기 설계와 유동 해석

분급기의 베인 사이로 분쇄된 미분과 공기가 함께 유입되어 중앙부의 배출구로 통

과하는 분급기의 내부 형상을 설계하기에 앞서 분급기 내부를 구성하는 상면이 평

평한 구조의 분급기에 대한 유동해석을 실시하여 공기의 속도 분포를 검토하였다

해석 대상 분급기의 외경은 205mm이며 밑면 중앙에 공기 배출을 위하여 직경이

90mm인 원형 구멍이 뚫려 있다 분급기 외주에는 단면이 원호의 일부로 만들어진

두깨가 2mm 넓이가 18mm 길이가 35mm인 베인이 매 60도마다 10개씩 등간격

으로 모두 60개가 베인의 코드 방향과 분급기의 반경 방향이 이루는 각도가 약 15

도가 되도록 경사지게 설치되어 있다 원주 방향으로 매 60도마다 길이 35mm 직

경 8mm인 원형봉 6개가 등간격으로 배열되어 상ㆍ사 카버 사이에 베인을 고정시

켜 조립되는 구조이다 해석 대상 분급기에 사용된 베인의 단면과 베인의 배열 및

분급기 상ㆍ하면을 고정하는 봉이 포함된 수평면상의 평면도를 Fig 23에 나타내었

다 Fig 24는 분급기의 상면 형상이 평평한 구조인 경우에 대한 분급기의 수직단

면도이다

분급기에 유입되는 공기는 온도 50 유입량 01m3sec 분급기를 통과한 후에

배출되는 공간의 압력은 12bar이며 분급기의 회전속도는 8000rpm(838radsec)

이다 분급기에 발생되는 원심력의 절대적인 크기는 재료의 밀도와 분급하고자 하

는 분말의 크기에 따라 분급기의 회전수를 변화시켜서 조절한다 SolidWorks 및

COSMOSFloWorks 프로그램으로 분급기의 공기 유동해석을 실시하였다 해석시의

변수 입력 항목 및 해석 과정을 ldquo부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 유동해석 절

차rdquo에 정리하였다

Fig 23 베인과 상ㆍ하면 고정 원형봉의 평면 단면도

Fig24 분급기 상면이 평면인 경우의 수직단면도

공기 유동해석 결과를 Fig25~Fig27에 나타내었다 Fig25는 베인의 중간 높이에

서의 수평 단면에서의 공기 속도 분포이다 Fig26은 베인이 위치한 부위에서의수

직단면 Fig 27은 상ㆍ하면을 고정시켜 주는 원형봉이 있는 부위의 수직단면에 분

포하는 공기의 유입 속도 해석 결과를 나타낸 것이다

Fig 25 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig 26 베인 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig27 연결봉 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig15~Fig27의 공기 속도 등고선을 보면 베인 외주부의 상하 위치에 있어서 공

기의속도가 불균일한 분포를 보인다 베인의 분급기 내부 공간에서는 같은 반경인

위치에서 윗부분에서의 공기 속도가 아랫부분에서보다 빠르게 분포하고 있다 베인

의 높이 방향 상ㆍ하 위치에 따른 이러한 유입 속도의 편차는 분급기 외주의 실린

더 면으로부터 유입되는 공기가 분급기 중앙의 밑 방향으로만 배출되는 유동 통로

의 구조 때문으로 판단되낟 따라서 같은 반경의 같은 원심력이 발생되는 위치에

있어서도 윗부분에서의 공기 유입속도가 밑부분에서보다 크게 분포되어 윗부분에서

는 밑부분에서보다 큰 분말이 분급기 안으로 유입된다 지정된 크기의 컷오프보다

큰 분말과 작은 분말이 혼합된 상태로 배출되는 관계로 분급이 정밀도가 저하된다

베인의 상ㆍ하 위치에 무관하게 공기의 유입 속도를 가급적 균일하게 해 주기 위한

목적으로 분급기 내부의 단면 형상을 Fig28과 같은 인볼류트-컨볼류트

(involute-convolute) 단면으로 구성하여 공기의 유동해석을 실시하였다

Fig 28 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기

Fig29는 베인의 중간 높이 수평단면 상에서의 공기 속도 분포이다 Fig25에 비하

여 베인의 외주 부위에서의 공기의 속도가 균일하게 분포되고 있음을 보여 준다

Fig29 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig 30은 베인이 위치한 부위에서의 수직 단면 Fig31은 상ㆍ하면을 고정시켜 주

는 원평봉이 있는 부위에서의 수직 단면에 분포하는 공기 속도 분포이다 Fig30과

Fig31은 각각 Fig25와 Fig26에 비하여 베인의 높이 방향 전체에 걸쳐 공기의 유

입 속도가 상당히 균일하게 분포되는 것을 보여 주고 있다

Fig 30 베인 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig31 연결봉 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig32는 분급기 내부의 공간 형상이 인볼류트-컨볼류트인 분급기의 설계 모델이

Fig32 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 모델

Fig33은 앞의 수축확산 공기 분사노즐(Fig20)과 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급

기(fig32)로 구성된 건식 기류충격식 분쇄기의 3D모델이다 중요 부품의 도면은

ldquo부록 9 설계 도면rdquo에 수록하였다

Fig33 건식 기류충격식 분쇄기의 3D 모델

8 시작품 제작

수축확산 공기 분사노즐의 유동해석 및 분급기의 유동해석 결과를 바탕으로 시작품

을 제작하였다 Fig34는 수축확산 공기 분사노즐 헤드의 시작품 모습이다

Fig 34 수축확산 공기 분사노즐 헤드 시작품

Fig35는 분급기의 시작품 모습이다 분급기의 베인은 분체와 마찰시 내마모성을

갖도록 SUS 재질로 곡면 성형한 후 세라믹으로 코팅하여 제작하였다

Fig35 분급기 시작품

Fig 36은 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 수축확산 공기 분사

노즐 및 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 등이 분쇄기의 내부에 장착되어 있다

Fig36 건식 기류충격식 분쇄기 시작품

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기와 관련된 국외 특허 자료 조사와 분석 공기의

유동해석에 있어 많은 일정이 소요되었다 기술지원 추진일정을 Table1에 정리하

였다

Table 4 추진 일정

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 34: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

Fig 14 기류충격식 분쇄기의 시스템 구성도

2 소리의 속도

물체의 일부에 교란을 주면 개스 유체 및 고체의 압축성으로 인하여 물체를 통하

여 유한한 속도로 교란이 전파된다

음속은 물체의 압력과 밀도 변화와 관계되어 있으며 다음식으로 표현된다

여기서

음속 압력변화 밀도 변화

체적탄성계수는 다음과 같이 표현된다

여기서

체적탄성계수 압력변화 체적변화 초기체적

체적탄성계수는 식 (3)으로도 표현된다

여기서

물체의밀도변화 물체의초기밀도

개스 유체 고체 내에서의 음속은 다음식과 같다

여기서

체적탄성계수

개스에서의 소리 속도는 아주 작은 한 점에서 교란이 일어나는 관계로 열전달을 무

시할 수가 있으며 또한 등온 상태로 가정할 수가 있다 이상 기체에서의 소리 속도

는 절대 온도의 근에 비례하며 다음식으로 표현된다

여기서

k = 비열비 (adiabatic index)

p = 압력 (Pa psi)

R = 개스 상수

T = 절대 온도 (degK degR)

앞의 식 (4)와 식 (5)로부터

식 (6)으로부터 체적탄성게수 E를 구할 수가 있다

( 예 1 ) 공기의 체적탄성계구 산출

k = 14 R = 287 (JK kg) at T=293K( 20 ) p=1204(kgm3)

Eair = k R T p=14X287X293X1204=14174379((Jm3)

Eair = 14174379(Nm2)

( 예 2 ) 염소(C12)의 체적탄성계수 산출

k = 134 R = 120 (JK kg) at T=293K(20) p=2994(kgm3)

Ec12 = k R T p=134X120X293X1994=14106051((Jm3)

Ec12 = 14106051(Nm2)

( 예 3 ) 0 1 bar 공기에서의 소리 속도

c = (14x287x273)12

= 3312 (ms)

여기서

k = 14

R = 287 (JK kg)

( 예 4 ) 20 1bar 공기에서의 소리 속도 산출

c = (14X287X293)12

= 3431 (ms)

( 예 5 ) 0 물속에서의 소리 속도 산출

여기서

3 공기 분사노즐에서의 유동식

개스역학에서 공기의 속도가 sim 이상으로 빠르거나 압력의 변화가

보다 큰 경우에는 압축성 흐름으로 취급한다 이러한 현상은 노즐에서

개스가 팽창하는 경우에 발생된다

정상유동에서의 에너지 평형 상태는 다음식으로 표현된다

여기서 엔탈피는

이며 엔탈피 ∆의 변화는 내부에너지 ∆에 외부로 또는 외부로부터의 체적에

의한 일 ∙∆의 합과 같다

내부에너지의 변호가 없고 밀도가 일정하다고 가정하면 즉 ∆ 인

경우에는 비압축성유동의 베르누이 방정식이 된다 반면에 위치네어지의 변화가 없

는 경우 ∆ 에는 상대적으로 밀도가 낮은 압축성 유체인 ldquo개스rdquo의 상태를

나타낸다 ldquo개스역학rdquo 이라는 자체가 의미하듯이 해석에 있어 고압 및 개스의 속도

가 포함되며 내부에너지의 변화 ∆를 무시할 수가 없다 이러한 의미에서 식 (7)

은 다음과 같이 된다

이상개스 방정식에서

이며 식 (12)를 식(9)에 대입하면 다음과 같이 된다

식 (13)에 에너지 보존법칙을 적용하면 노즐에서 분사되는 개스의 속도를 구할 수

있다

개스의 초기 속도가 인 경우에는

가역 단열 흐름에 있어서는 다음 3개의 식을 적용할 수가 있다

식 (16) ~ 식 (18)을 식 (15)에 대입하면 노즐에서 분출되는 개스의 속도가 구해

진다

노즐을 통과하는 질량의 흐름 식

밀도의 비로부터

다음과 같이 노즐을 통과하는 질량을 구한다

다음의 식 (23)을 식 (22)에 대입하여

식 (24)를 구한다

여기에서

을 ldquo탈출 계수(escape coefficient)rdquo 라고 한다

식 (25)를 사용하여 식 (24)를 다시 표현하면 다음의 간략식이 된다

탈출 계수 는 압축비 의 값이 다음과 같은 값일 때

임계 압축비 또는 라발 압축비로 표현되는 다음 크기의 최대값을 갖는다

음속은 노즐의 단면적이 제일 작은 부분에서 임계 압축비에 도달한다

max는 테이퍼가 일정한 실린더 형상의 노즐에 적용된다 식 (26)에 의하여

ㆍ 가 되며 는 일정한 테이퍼의 노즐에서만 증가할 수 있다 만약 압

축비 가 임계비 이하이면 max이므로 노즐을 통과하는 질량의 흐름은 일정

하다 이것은 질량의 흐름이 외부의 압력에 영향을 받지 않는다는 것을 의미한다

질량의 흐름에 의한 일은 다음의 식 (30)으로부터 구해진다

압축성 유체의 단열 팽창시에 수행된 일은 식 (19)와 식 (30)로부터 다음과 같이

산출된다

아래의 Fig 15 는 수축확산 노즐의 단면 모습이며(11) Fig 16 은 수축확산 노즐에

서의 압력 온도 속도 변화를 나타낸 것이다(8)

Fig 15 수축확산 노즐(Laval Nozzle)

Fig 16 수축확산 노즐에서의 압력 온도 속도 변화

압축성 유체의 흐름에 있어서 임계 속도 이후에 노즐의 단면이 서서히 확대되면

열에너지가 유동에너지로 변환되면서 온도는 낮아지고 흐름이 증가된다

앞의 식 (27)을 참조할 때 Fig 16 의 수축확산 노즐의 단면적이 가장 작은 임계

압축비 에서 음속에 도달한다 이 것은 질량 흐름에 식 (26)이 계속적으로 유

효하다는 것을 의미한다 수축확산 노즐 출구에서의 온도는 다음과 같은 관계가 된

노즐 확산부의 치수는 다음식으로부터 구해지며

개스 상수 등은 계수 개스 유입 온도 노즐 목의 직경 압축비 등의

변수로부터 노즐 출구에서의 개스 속도와 온도를 구할 수가 있다 공기 흐름 해석

대상 노즐 각부에 대한 부호는 Fig17에서와 같다

Fig 17 수축확산 노즐의 각부 부호

실제 수축확산 노즐을 설계하는 데 있어서는 노즐에서 발생될 수 있는 압축파 발생

을 억제하기 위하여 노즐 출구의 치수를 설계값보다 약간 작게 한다 즉 Fig 17에

서의 노즐의 확산각 가 를 넘지 않아야 하며 최대 이내여야 한다

4 공기 분사노즐의 흐름 특성 계산

앞의 ldquo3 초음속 공기 분사노즐에서의 공기의 흐름rdquo에서 유도된 식들을 이용하여

ldquoMathcad 13 프로그램(12)으로 설계 대상 분쇄기에 적용되는 공기 분사노즐의 단

면 치수 유입 공기량 노즐 출구에서의 공기 속도 소요 동력 등을 산출하였다

우선 단위와 공기의 상수를 정리하면

kilo=1000 TK =273 hoursec =3600 k = 14

ㆍsecㆍ

ㆍsecㆍ

ㆍsec

ㆍsec

예를 들어 tan tan tan tan

해석 조건이 다음과 같으면 tank pressure=700kPa Ttank=70 exit

pressure=100kPa

단위 (mm) throat diameter=50 length 150 outlet diameter=70 diffusion

angle α=38deg

d = 0007 pe = 100kilo po = 7pe Ttank =7C

To = TK+Ttank To=343 (K)

times

sec

Air_massflow1N_hour =Air_masflow1N_sechoursec

Air_massflow1N_hour = 133024 (kghrper 1 nozzle)

Air_massflow3N_hour = Air_massflow 1N_hour3

Air_massflow 3N_hour = 399071 (kghrper 3 nozzles)

Imsec)

sec

timesorsec timesorsec

(kgm3)

sec

sec sec

공기분사 노즐 목의 직경이 50mm 출구 직경이 70mm 노즐 목에서 노즐 출구까

지의 길이가 150mm로 공기 분사노즐의 환산각 도인 공기 분사노즐이 3

개 장착되어 있으며 탱크내의 공기가 압력 7bar 와 70 를 유지하면서 계속적으

로 노즐을 통하여 공급되며 또한 분쇄 챔버 내의 압력이 1bar 로 유지되는 경우의

공기 분사노즐의 유동 특성 계산 결과를 종합 정리하면 다음과 같다

- 노즐 출구에서의 공기 최대 속도 542151msec

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 무게 399071kghr

(노즐 하나에 00369kgsec)

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 부피 225333m3hr(0063m3sec)

- 소요 동력 16291kWhhr

5 수축확산 공기 분사노즐의 유동 해석

공기 분사노즐을 3D 모델링 프로그램 SolidWorks(13)로 모델링하여 열유체 해석

을 위한 유한요소해석 프로그램 COSMOSFlwWorks(14)로 공기 분사노즐 내의 유

동 해석을 수행하였다 해석 대상 공기 분사노즐 단면의 형상과 각부의 치수는

Fig18에서와 같다

Fig 18 수축확산 노즐 유동 해석 모델의 단면

해석시에 적용된 변수값들은 앞의 ldquo4 초음속 공기 분사노즐의 분사 특성 계산rdquo에

서 산출된 값을 적용하였다 노즐의 확산부위 길이는 15mm 이며 분사노즐의 확산

각은 도이다 노즐 하나에 대하여 Fig 18 의 왼쪽면에서 00369 kgsec

의 공기가 유입되며 오른쪽 분사노즐 출구면에 12bar 의 압력을 적용하였다 분사

노즐의 유동 해석 결과의 여러 가지 특성값 중에서 본 설계에서의 주요 관심사가

공기의 배출 속도인 관계로 Fig 19에 흐름의 속도 분포 Fig 20에 흐름의 마하넘

버 분포를 나타내었다 초음속 흐름에 대한 해석으로 분사노즐 목에서의 공기속도

가 약 335msec(마하 1)이 되며 노즐 출구에서 최대속도가 된다 Fig 21은 수축

확산 노즐에 대한 공기의 속도 분포 해석 결과를 반영하여 공기 분사노즐을 모델링

한 것이다

Fig 19 수축확산 노즐의 공기 흐름 속도 분포

Fig 20 수축확산 노즐의 공기 흐름 마하넘버 분포

Fig 21 수축확산 노즐 모델

6 분급 이론

분급(分級 classification)이란 유체력을 이용해서 분립체를 그 입자 지름의 크기에

따라 분리하는 것으로 넓은 뜻으로는 유체력에 의한 분리만이 아니라 체가름을 포

함하는 경우가 있다 더 넓게는 비중선별ㆍ자기력선별 등 모든 입자분리조작을 분

급이라고 한다 공기ㆍ물 등의 유체 속에서 운동하는 분립체의 각 입자에는 중력

또는 원심력 이외에 유체에 의한 유체항력 등이 함께 작용된다 이 힘 즉 유체항력

은 입자 지름에 의존하는 데 유체항력과 입자 지름의 관계는 중력이나 원심력과

입자 지름의 관계와는 다르기 때문에 이 둘 사이의 균형 조건이 입자 지름에 의해

좌우된다 좁은 뜻의 분급은 이 원리를 이용한 입경분리조작을 의미한다 중력장에

서 등속 침강하는 구 형상의 입자에 대한 힘의 균형은 다음 식으로 표현된다

여기서 은 입자 질량 prime는 입자에 의해 배제된 유체 질량 g는 중력가속도 R

은 는 유체항력을 나타낸다 유체항력 R은 다음 식으로 나타낼 수 있다

여기서 는 저항계수 (drag coefficient)로 입자 주위의 유체의 상대적인 흐름의

상태에 따라 결정되는 무차원 계수이다 는 유체의 밀도 는 입자의 침강속도

는 입자의 지름이며 는 입자의 투영 최대 면적이다 물 또는 공기 속에서 입

자의 지름이 100 이하 입자의 밀도가 3gcm2이하의 조건에서는 입자 주위의 흐

름은 거의 충류로 간주되며 이때 R은 다음 식으로 나타내진다

여기서 는 유체의 점성도이다

prime

이므로 식 (36)을 식 (34)에 대입하면 식 (37)을 얻는다

여기서 는 입자 밀도이며 식 (37)을 스토크스의 침강속도식이라고 하며 분급에서

분리입자 지름을 구하기 위한 기본식으로 중요하다

식 (37)은 다음

과 같이도 표현된다

유체가 공기나 그 외의 기체인 경우의 분급 조작을 건식 분급(또는 공기 분급) 물

이나 그 외의 액체인 경우의 분급 조작을 습식 분급이라 한다 앞에 언급된 기본식

들 이외에 어떤 종류의 분급장치에서는 유체의 흐름 방향이 급격히 변화할 때 흐름

에 따라 운동하는 입자의 관성력의 효과가 중요한 역할을 한다

분급에 사용하는 장치를 분급기(classifier)라고 한다 건식분급기에는 관성력을 이

용하는 것 중력침강을 이용하는 것 원심력을 이용하는 것 등이 있다 관성력을 이

용하는 건식분급기에는 루버식분급기 버추얼임팩터 엘보제트형분급기 등이 있는

데 건식분급기로는 원심력을 이용한 것이 가장 널리 사용되고 있다 원심력을 이용

한 건식분급기로는 분급 입도가 30~100 정도의 비교적 굵은 입도에서의 대량 처

리로 옛날부터 알려진 스튜어트밴트형 등이 있으며 또한 몇 ~30의 분급이 가

능한 여러 분급기가 개발되어 널리 쓰이게 되었다 또한 사이클론도 미립(微粒)에서

조립(組立)에 이르는 분체(粉體)의 건식분급에 이용된다 습식분급기에는 중력식과

원심력식이 있으며 중력식은 상승 수류(水流)와 유동층을 이용한 수력분급기 원뿔

형 또는 각뿔형 용기에서의 중력침강을 이용한 세틀링탱크 등의 침강분급조 완만

하게 경사진 직사각형의 조(槽)로부터 침하한 조립 생산물을 긁어올리기 위한 레이

크나 스파이럴을 갖춘 기계분급기 등으로 분류된다 원심력을 이용한 습식분급기로

는 사이클론 또는 하이드로사이클론이 가장 대표적이며 솔리드볼형ㆍ디스크형 등

의 원심분리기도 미립자용 분급기로 사용된다

Fig 22는 베인 구조의 원심형 분급기의 회전 단면 모습이다

Fig22베인 구조의 원심형 분급기의 단면

Fig 22에서 H는 분급기 내부 상하면 사이의 간격이며 는 선별된 미분이 배출되

는 반경 는 베인의 내반경 는 베인의 외반경을 나타낸다

분체 주위의 공기 흐름이 층류 흐름이라는 조건하에서 베인 구조의 원심형 분급기

에의 컷포인트(utpoint)를 결정짓는 외주부의 반경 은 다음과 같다

또한 선별된 미분이 배출되는 반경은 다음과 같다

베인 사이에서도 고체의 회전법칙이 적용된다 베인의 외주 반경에서 속도의 원주

방향 성분 과 중심방향 성분 가 가장 큰 영향을 준다

식 (41)과 식 (42)를 식 (38)에 대입하여 정리하면 다음과 같다

독일 Netzsch 사에서는 베인의 내반경 에서 선별된 미분이 배출되는 반경 까

지의 반경 방향의 공기 속도 성분 을 질정하게 해 주기 위하여 Fig 10에 보인

ldquoConvorrdquo라고 불리우는 단면의 분급기를 개발하여 사용화하고 있다

7 분급기 설계와 유동 해석

분급기의 베인 사이로 분쇄된 미분과 공기가 함께 유입되어 중앙부의 배출구로 통

과하는 분급기의 내부 형상을 설계하기에 앞서 분급기 내부를 구성하는 상면이 평

평한 구조의 분급기에 대한 유동해석을 실시하여 공기의 속도 분포를 검토하였다

해석 대상 분급기의 외경은 205mm이며 밑면 중앙에 공기 배출을 위하여 직경이

90mm인 원형 구멍이 뚫려 있다 분급기 외주에는 단면이 원호의 일부로 만들어진

두깨가 2mm 넓이가 18mm 길이가 35mm인 베인이 매 60도마다 10개씩 등간격

으로 모두 60개가 베인의 코드 방향과 분급기의 반경 방향이 이루는 각도가 약 15

도가 되도록 경사지게 설치되어 있다 원주 방향으로 매 60도마다 길이 35mm 직

경 8mm인 원형봉 6개가 등간격으로 배열되어 상ㆍ사 카버 사이에 베인을 고정시

켜 조립되는 구조이다 해석 대상 분급기에 사용된 베인의 단면과 베인의 배열 및

분급기 상ㆍ하면을 고정하는 봉이 포함된 수평면상의 평면도를 Fig 23에 나타내었

다 Fig 24는 분급기의 상면 형상이 평평한 구조인 경우에 대한 분급기의 수직단

면도이다

분급기에 유입되는 공기는 온도 50 유입량 01m3sec 분급기를 통과한 후에

배출되는 공간의 압력은 12bar이며 분급기의 회전속도는 8000rpm(838radsec)

이다 분급기에 발생되는 원심력의 절대적인 크기는 재료의 밀도와 분급하고자 하

는 분말의 크기에 따라 분급기의 회전수를 변화시켜서 조절한다 SolidWorks 및

COSMOSFloWorks 프로그램으로 분급기의 공기 유동해석을 실시하였다 해석시의

변수 입력 항목 및 해석 과정을 ldquo부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 유동해석 절

차rdquo에 정리하였다

Fig 23 베인과 상ㆍ하면 고정 원형봉의 평면 단면도

Fig24 분급기 상면이 평면인 경우의 수직단면도

공기 유동해석 결과를 Fig25~Fig27에 나타내었다 Fig25는 베인의 중간 높이에

서의 수평 단면에서의 공기 속도 분포이다 Fig26은 베인이 위치한 부위에서의수

직단면 Fig 27은 상ㆍ하면을 고정시켜 주는 원형봉이 있는 부위의 수직단면에 분

포하는 공기의 유입 속도 해석 결과를 나타낸 것이다

Fig 25 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig 26 베인 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig27 연결봉 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig15~Fig27의 공기 속도 등고선을 보면 베인 외주부의 상하 위치에 있어서 공

기의속도가 불균일한 분포를 보인다 베인의 분급기 내부 공간에서는 같은 반경인

위치에서 윗부분에서의 공기 속도가 아랫부분에서보다 빠르게 분포하고 있다 베인

의 높이 방향 상ㆍ하 위치에 따른 이러한 유입 속도의 편차는 분급기 외주의 실린

더 면으로부터 유입되는 공기가 분급기 중앙의 밑 방향으로만 배출되는 유동 통로

의 구조 때문으로 판단되낟 따라서 같은 반경의 같은 원심력이 발생되는 위치에

있어서도 윗부분에서의 공기 유입속도가 밑부분에서보다 크게 분포되어 윗부분에서

는 밑부분에서보다 큰 분말이 분급기 안으로 유입된다 지정된 크기의 컷오프보다

큰 분말과 작은 분말이 혼합된 상태로 배출되는 관계로 분급이 정밀도가 저하된다

베인의 상ㆍ하 위치에 무관하게 공기의 유입 속도를 가급적 균일하게 해 주기 위한

목적으로 분급기 내부의 단면 형상을 Fig28과 같은 인볼류트-컨볼류트

(involute-convolute) 단면으로 구성하여 공기의 유동해석을 실시하였다

Fig 28 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기

Fig29는 베인의 중간 높이 수평단면 상에서의 공기 속도 분포이다 Fig25에 비하

여 베인의 외주 부위에서의 공기의 속도가 균일하게 분포되고 있음을 보여 준다

Fig29 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig 30은 베인이 위치한 부위에서의 수직 단면 Fig31은 상ㆍ하면을 고정시켜 주

는 원평봉이 있는 부위에서의 수직 단면에 분포하는 공기 속도 분포이다 Fig30과

Fig31은 각각 Fig25와 Fig26에 비하여 베인의 높이 방향 전체에 걸쳐 공기의 유

입 속도가 상당히 균일하게 분포되는 것을 보여 주고 있다

Fig 30 베인 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig31 연결봉 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig32는 분급기 내부의 공간 형상이 인볼류트-컨볼류트인 분급기의 설계 모델이

Fig32 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 모델

Fig33은 앞의 수축확산 공기 분사노즐(Fig20)과 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급

기(fig32)로 구성된 건식 기류충격식 분쇄기의 3D모델이다 중요 부품의 도면은

ldquo부록 9 설계 도면rdquo에 수록하였다

Fig33 건식 기류충격식 분쇄기의 3D 모델

8 시작품 제작

수축확산 공기 분사노즐의 유동해석 및 분급기의 유동해석 결과를 바탕으로 시작품

을 제작하였다 Fig34는 수축확산 공기 분사노즐 헤드의 시작품 모습이다

Fig 34 수축확산 공기 분사노즐 헤드 시작품

Fig35는 분급기의 시작품 모습이다 분급기의 베인은 분체와 마찰시 내마모성을

갖도록 SUS 재질로 곡면 성형한 후 세라믹으로 코팅하여 제작하였다

Fig35 분급기 시작품

Fig 36은 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 수축확산 공기 분사

노즐 및 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 등이 분쇄기의 내부에 장착되어 있다

Fig36 건식 기류충격식 분쇄기 시작품

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기와 관련된 국외 특허 자료 조사와 분석 공기의

유동해석에 있어 많은 일정이 소요되었다 기술지원 추진일정을 Table1에 정리하

였다

Table 4 추진 일정

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 35: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

2 소리의 속도

물체의 일부에 교란을 주면 개스 유체 및 고체의 압축성으로 인하여 물체를 통하

여 유한한 속도로 교란이 전파된다

음속은 물체의 압력과 밀도 변화와 관계되어 있으며 다음식으로 표현된다

여기서

음속 압력변화 밀도 변화

체적탄성계수는 다음과 같이 표현된다

여기서

체적탄성계수 압력변화 체적변화 초기체적

체적탄성계수는 식 (3)으로도 표현된다

여기서

물체의밀도변화 물체의초기밀도

개스 유체 고체 내에서의 음속은 다음식과 같다

여기서

체적탄성계수

개스에서의 소리 속도는 아주 작은 한 점에서 교란이 일어나는 관계로 열전달을 무

시할 수가 있으며 또한 등온 상태로 가정할 수가 있다 이상 기체에서의 소리 속도

는 절대 온도의 근에 비례하며 다음식으로 표현된다

여기서

k = 비열비 (adiabatic index)

p = 압력 (Pa psi)

R = 개스 상수

T = 절대 온도 (degK degR)

앞의 식 (4)와 식 (5)로부터

식 (6)으로부터 체적탄성게수 E를 구할 수가 있다

( 예 1 ) 공기의 체적탄성계구 산출

k = 14 R = 287 (JK kg) at T=293K( 20 ) p=1204(kgm3)

Eair = k R T p=14X287X293X1204=14174379((Jm3)

Eair = 14174379(Nm2)

( 예 2 ) 염소(C12)의 체적탄성계수 산출

k = 134 R = 120 (JK kg) at T=293K(20) p=2994(kgm3)

Ec12 = k R T p=134X120X293X1994=14106051((Jm3)

Ec12 = 14106051(Nm2)

( 예 3 ) 0 1 bar 공기에서의 소리 속도

c = (14x287x273)12

= 3312 (ms)

여기서

k = 14

R = 287 (JK kg)

( 예 4 ) 20 1bar 공기에서의 소리 속도 산출

c = (14X287X293)12

= 3431 (ms)

( 예 5 ) 0 물속에서의 소리 속도 산출

여기서

3 공기 분사노즐에서의 유동식

개스역학에서 공기의 속도가 sim 이상으로 빠르거나 압력의 변화가

보다 큰 경우에는 압축성 흐름으로 취급한다 이러한 현상은 노즐에서

개스가 팽창하는 경우에 발생된다

정상유동에서의 에너지 평형 상태는 다음식으로 표현된다

여기서 엔탈피는

이며 엔탈피 ∆의 변화는 내부에너지 ∆에 외부로 또는 외부로부터의 체적에

의한 일 ∙∆의 합과 같다

내부에너지의 변호가 없고 밀도가 일정하다고 가정하면 즉 ∆ 인

경우에는 비압축성유동의 베르누이 방정식이 된다 반면에 위치네어지의 변화가 없

는 경우 ∆ 에는 상대적으로 밀도가 낮은 압축성 유체인 ldquo개스rdquo의 상태를

나타낸다 ldquo개스역학rdquo 이라는 자체가 의미하듯이 해석에 있어 고압 및 개스의 속도

가 포함되며 내부에너지의 변화 ∆를 무시할 수가 없다 이러한 의미에서 식 (7)

은 다음과 같이 된다

이상개스 방정식에서

이며 식 (12)를 식(9)에 대입하면 다음과 같이 된다

식 (13)에 에너지 보존법칙을 적용하면 노즐에서 분사되는 개스의 속도를 구할 수

있다

개스의 초기 속도가 인 경우에는

가역 단열 흐름에 있어서는 다음 3개의 식을 적용할 수가 있다

식 (16) ~ 식 (18)을 식 (15)에 대입하면 노즐에서 분출되는 개스의 속도가 구해

진다

노즐을 통과하는 질량의 흐름 식

밀도의 비로부터

다음과 같이 노즐을 통과하는 질량을 구한다

다음의 식 (23)을 식 (22)에 대입하여

식 (24)를 구한다

여기에서

을 ldquo탈출 계수(escape coefficient)rdquo 라고 한다

식 (25)를 사용하여 식 (24)를 다시 표현하면 다음의 간략식이 된다

탈출 계수 는 압축비 의 값이 다음과 같은 값일 때

임계 압축비 또는 라발 압축비로 표현되는 다음 크기의 최대값을 갖는다

음속은 노즐의 단면적이 제일 작은 부분에서 임계 압축비에 도달한다

max는 테이퍼가 일정한 실린더 형상의 노즐에 적용된다 식 (26)에 의하여

ㆍ 가 되며 는 일정한 테이퍼의 노즐에서만 증가할 수 있다 만약 압

축비 가 임계비 이하이면 max이므로 노즐을 통과하는 질량의 흐름은 일정

하다 이것은 질량의 흐름이 외부의 압력에 영향을 받지 않는다는 것을 의미한다

질량의 흐름에 의한 일은 다음의 식 (30)으로부터 구해진다

압축성 유체의 단열 팽창시에 수행된 일은 식 (19)와 식 (30)로부터 다음과 같이

산출된다

아래의 Fig 15 는 수축확산 노즐의 단면 모습이며(11) Fig 16 은 수축확산 노즐에

서의 압력 온도 속도 변화를 나타낸 것이다(8)

Fig 15 수축확산 노즐(Laval Nozzle)

Fig 16 수축확산 노즐에서의 압력 온도 속도 변화

압축성 유체의 흐름에 있어서 임계 속도 이후에 노즐의 단면이 서서히 확대되면

열에너지가 유동에너지로 변환되면서 온도는 낮아지고 흐름이 증가된다

앞의 식 (27)을 참조할 때 Fig 16 의 수축확산 노즐의 단면적이 가장 작은 임계

압축비 에서 음속에 도달한다 이 것은 질량 흐름에 식 (26)이 계속적으로 유

효하다는 것을 의미한다 수축확산 노즐 출구에서의 온도는 다음과 같은 관계가 된

노즐 확산부의 치수는 다음식으로부터 구해지며

개스 상수 등은 계수 개스 유입 온도 노즐 목의 직경 압축비 등의

변수로부터 노즐 출구에서의 개스 속도와 온도를 구할 수가 있다 공기 흐름 해석

대상 노즐 각부에 대한 부호는 Fig17에서와 같다

Fig 17 수축확산 노즐의 각부 부호

실제 수축확산 노즐을 설계하는 데 있어서는 노즐에서 발생될 수 있는 압축파 발생

을 억제하기 위하여 노즐 출구의 치수를 설계값보다 약간 작게 한다 즉 Fig 17에

서의 노즐의 확산각 가 를 넘지 않아야 하며 최대 이내여야 한다

4 공기 분사노즐의 흐름 특성 계산

앞의 ldquo3 초음속 공기 분사노즐에서의 공기의 흐름rdquo에서 유도된 식들을 이용하여

ldquoMathcad 13 프로그램(12)으로 설계 대상 분쇄기에 적용되는 공기 분사노즐의 단

면 치수 유입 공기량 노즐 출구에서의 공기 속도 소요 동력 등을 산출하였다

우선 단위와 공기의 상수를 정리하면

kilo=1000 TK =273 hoursec =3600 k = 14

ㆍsecㆍ

ㆍsecㆍ

ㆍsec

ㆍsec

예를 들어 tan tan tan tan

해석 조건이 다음과 같으면 tank pressure=700kPa Ttank=70 exit

pressure=100kPa

단위 (mm) throat diameter=50 length 150 outlet diameter=70 diffusion

angle α=38deg

d = 0007 pe = 100kilo po = 7pe Ttank =7C

To = TK+Ttank To=343 (K)

times

sec

Air_massflow1N_hour =Air_masflow1N_sechoursec

Air_massflow1N_hour = 133024 (kghrper 1 nozzle)

Air_massflow3N_hour = Air_massflow 1N_hour3

Air_massflow 3N_hour = 399071 (kghrper 3 nozzles)

Imsec)

sec

timesorsec timesorsec

(kgm3)

sec

sec sec

공기분사 노즐 목의 직경이 50mm 출구 직경이 70mm 노즐 목에서 노즐 출구까

지의 길이가 150mm로 공기 분사노즐의 환산각 도인 공기 분사노즐이 3

개 장착되어 있으며 탱크내의 공기가 압력 7bar 와 70 를 유지하면서 계속적으

로 노즐을 통하여 공급되며 또한 분쇄 챔버 내의 압력이 1bar 로 유지되는 경우의

공기 분사노즐의 유동 특성 계산 결과를 종합 정리하면 다음과 같다

- 노즐 출구에서의 공기 최대 속도 542151msec

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 무게 399071kghr

(노즐 하나에 00369kgsec)

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 부피 225333m3hr(0063m3sec)

- 소요 동력 16291kWhhr

5 수축확산 공기 분사노즐의 유동 해석

공기 분사노즐을 3D 모델링 프로그램 SolidWorks(13)로 모델링하여 열유체 해석

을 위한 유한요소해석 프로그램 COSMOSFlwWorks(14)로 공기 분사노즐 내의 유

동 해석을 수행하였다 해석 대상 공기 분사노즐 단면의 형상과 각부의 치수는

Fig18에서와 같다

Fig 18 수축확산 노즐 유동 해석 모델의 단면

해석시에 적용된 변수값들은 앞의 ldquo4 초음속 공기 분사노즐의 분사 특성 계산rdquo에

서 산출된 값을 적용하였다 노즐의 확산부위 길이는 15mm 이며 분사노즐의 확산

각은 도이다 노즐 하나에 대하여 Fig 18 의 왼쪽면에서 00369 kgsec

의 공기가 유입되며 오른쪽 분사노즐 출구면에 12bar 의 압력을 적용하였다 분사

노즐의 유동 해석 결과의 여러 가지 특성값 중에서 본 설계에서의 주요 관심사가

공기의 배출 속도인 관계로 Fig 19에 흐름의 속도 분포 Fig 20에 흐름의 마하넘

버 분포를 나타내었다 초음속 흐름에 대한 해석으로 분사노즐 목에서의 공기속도

가 약 335msec(마하 1)이 되며 노즐 출구에서 최대속도가 된다 Fig 21은 수축

확산 노즐에 대한 공기의 속도 분포 해석 결과를 반영하여 공기 분사노즐을 모델링

한 것이다

Fig 19 수축확산 노즐의 공기 흐름 속도 분포

Fig 20 수축확산 노즐의 공기 흐름 마하넘버 분포

Fig 21 수축확산 노즐 모델

6 분급 이론

분급(分級 classification)이란 유체력을 이용해서 분립체를 그 입자 지름의 크기에

따라 분리하는 것으로 넓은 뜻으로는 유체력에 의한 분리만이 아니라 체가름을 포

함하는 경우가 있다 더 넓게는 비중선별ㆍ자기력선별 등 모든 입자분리조작을 분

급이라고 한다 공기ㆍ물 등의 유체 속에서 운동하는 분립체의 각 입자에는 중력

또는 원심력 이외에 유체에 의한 유체항력 등이 함께 작용된다 이 힘 즉 유체항력

은 입자 지름에 의존하는 데 유체항력과 입자 지름의 관계는 중력이나 원심력과

입자 지름의 관계와는 다르기 때문에 이 둘 사이의 균형 조건이 입자 지름에 의해

좌우된다 좁은 뜻의 분급은 이 원리를 이용한 입경분리조작을 의미한다 중력장에

서 등속 침강하는 구 형상의 입자에 대한 힘의 균형은 다음 식으로 표현된다

여기서 은 입자 질량 prime는 입자에 의해 배제된 유체 질량 g는 중력가속도 R

은 는 유체항력을 나타낸다 유체항력 R은 다음 식으로 나타낼 수 있다

여기서 는 저항계수 (drag coefficient)로 입자 주위의 유체의 상대적인 흐름의

상태에 따라 결정되는 무차원 계수이다 는 유체의 밀도 는 입자의 침강속도

는 입자의 지름이며 는 입자의 투영 최대 면적이다 물 또는 공기 속에서 입

자의 지름이 100 이하 입자의 밀도가 3gcm2이하의 조건에서는 입자 주위의 흐

름은 거의 충류로 간주되며 이때 R은 다음 식으로 나타내진다

여기서 는 유체의 점성도이다

prime

이므로 식 (36)을 식 (34)에 대입하면 식 (37)을 얻는다

여기서 는 입자 밀도이며 식 (37)을 스토크스의 침강속도식이라고 하며 분급에서

분리입자 지름을 구하기 위한 기본식으로 중요하다

식 (37)은 다음

과 같이도 표현된다

유체가 공기나 그 외의 기체인 경우의 분급 조작을 건식 분급(또는 공기 분급) 물

이나 그 외의 액체인 경우의 분급 조작을 습식 분급이라 한다 앞에 언급된 기본식

들 이외에 어떤 종류의 분급장치에서는 유체의 흐름 방향이 급격히 변화할 때 흐름

에 따라 운동하는 입자의 관성력의 효과가 중요한 역할을 한다

분급에 사용하는 장치를 분급기(classifier)라고 한다 건식분급기에는 관성력을 이

용하는 것 중력침강을 이용하는 것 원심력을 이용하는 것 등이 있다 관성력을 이

용하는 건식분급기에는 루버식분급기 버추얼임팩터 엘보제트형분급기 등이 있는

데 건식분급기로는 원심력을 이용한 것이 가장 널리 사용되고 있다 원심력을 이용

한 건식분급기로는 분급 입도가 30~100 정도의 비교적 굵은 입도에서의 대량 처

리로 옛날부터 알려진 스튜어트밴트형 등이 있으며 또한 몇 ~30의 분급이 가

능한 여러 분급기가 개발되어 널리 쓰이게 되었다 또한 사이클론도 미립(微粒)에서

조립(組立)에 이르는 분체(粉體)의 건식분급에 이용된다 습식분급기에는 중력식과

원심력식이 있으며 중력식은 상승 수류(水流)와 유동층을 이용한 수력분급기 원뿔

형 또는 각뿔형 용기에서의 중력침강을 이용한 세틀링탱크 등의 침강분급조 완만

하게 경사진 직사각형의 조(槽)로부터 침하한 조립 생산물을 긁어올리기 위한 레이

크나 스파이럴을 갖춘 기계분급기 등으로 분류된다 원심력을 이용한 습식분급기로

는 사이클론 또는 하이드로사이클론이 가장 대표적이며 솔리드볼형ㆍ디스크형 등

의 원심분리기도 미립자용 분급기로 사용된다

Fig 22는 베인 구조의 원심형 분급기의 회전 단면 모습이다

Fig22베인 구조의 원심형 분급기의 단면

Fig 22에서 H는 분급기 내부 상하면 사이의 간격이며 는 선별된 미분이 배출되

는 반경 는 베인의 내반경 는 베인의 외반경을 나타낸다

분체 주위의 공기 흐름이 층류 흐름이라는 조건하에서 베인 구조의 원심형 분급기

에의 컷포인트(utpoint)를 결정짓는 외주부의 반경 은 다음과 같다

또한 선별된 미분이 배출되는 반경은 다음과 같다

베인 사이에서도 고체의 회전법칙이 적용된다 베인의 외주 반경에서 속도의 원주

방향 성분 과 중심방향 성분 가 가장 큰 영향을 준다

식 (41)과 식 (42)를 식 (38)에 대입하여 정리하면 다음과 같다

독일 Netzsch 사에서는 베인의 내반경 에서 선별된 미분이 배출되는 반경 까

지의 반경 방향의 공기 속도 성분 을 질정하게 해 주기 위하여 Fig 10에 보인

ldquoConvorrdquo라고 불리우는 단면의 분급기를 개발하여 사용화하고 있다

7 분급기 설계와 유동 해석

분급기의 베인 사이로 분쇄된 미분과 공기가 함께 유입되어 중앙부의 배출구로 통

과하는 분급기의 내부 형상을 설계하기에 앞서 분급기 내부를 구성하는 상면이 평

평한 구조의 분급기에 대한 유동해석을 실시하여 공기의 속도 분포를 검토하였다

해석 대상 분급기의 외경은 205mm이며 밑면 중앙에 공기 배출을 위하여 직경이

90mm인 원형 구멍이 뚫려 있다 분급기 외주에는 단면이 원호의 일부로 만들어진

두깨가 2mm 넓이가 18mm 길이가 35mm인 베인이 매 60도마다 10개씩 등간격

으로 모두 60개가 베인의 코드 방향과 분급기의 반경 방향이 이루는 각도가 약 15

도가 되도록 경사지게 설치되어 있다 원주 방향으로 매 60도마다 길이 35mm 직

경 8mm인 원형봉 6개가 등간격으로 배열되어 상ㆍ사 카버 사이에 베인을 고정시

켜 조립되는 구조이다 해석 대상 분급기에 사용된 베인의 단면과 베인의 배열 및

분급기 상ㆍ하면을 고정하는 봉이 포함된 수평면상의 평면도를 Fig 23에 나타내었

다 Fig 24는 분급기의 상면 형상이 평평한 구조인 경우에 대한 분급기의 수직단

면도이다

분급기에 유입되는 공기는 온도 50 유입량 01m3sec 분급기를 통과한 후에

배출되는 공간의 압력은 12bar이며 분급기의 회전속도는 8000rpm(838radsec)

이다 분급기에 발생되는 원심력의 절대적인 크기는 재료의 밀도와 분급하고자 하

는 분말의 크기에 따라 분급기의 회전수를 변화시켜서 조절한다 SolidWorks 및

COSMOSFloWorks 프로그램으로 분급기의 공기 유동해석을 실시하였다 해석시의

변수 입력 항목 및 해석 과정을 ldquo부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 유동해석 절

차rdquo에 정리하였다

Fig 23 베인과 상ㆍ하면 고정 원형봉의 평면 단면도

Fig24 분급기 상면이 평면인 경우의 수직단면도

공기 유동해석 결과를 Fig25~Fig27에 나타내었다 Fig25는 베인의 중간 높이에

서의 수평 단면에서의 공기 속도 분포이다 Fig26은 베인이 위치한 부위에서의수

직단면 Fig 27은 상ㆍ하면을 고정시켜 주는 원형봉이 있는 부위의 수직단면에 분

포하는 공기의 유입 속도 해석 결과를 나타낸 것이다

Fig 25 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig 26 베인 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig27 연결봉 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig15~Fig27의 공기 속도 등고선을 보면 베인 외주부의 상하 위치에 있어서 공

기의속도가 불균일한 분포를 보인다 베인의 분급기 내부 공간에서는 같은 반경인

위치에서 윗부분에서의 공기 속도가 아랫부분에서보다 빠르게 분포하고 있다 베인

의 높이 방향 상ㆍ하 위치에 따른 이러한 유입 속도의 편차는 분급기 외주의 실린

더 면으로부터 유입되는 공기가 분급기 중앙의 밑 방향으로만 배출되는 유동 통로

의 구조 때문으로 판단되낟 따라서 같은 반경의 같은 원심력이 발생되는 위치에

있어서도 윗부분에서의 공기 유입속도가 밑부분에서보다 크게 분포되어 윗부분에서

는 밑부분에서보다 큰 분말이 분급기 안으로 유입된다 지정된 크기의 컷오프보다

큰 분말과 작은 분말이 혼합된 상태로 배출되는 관계로 분급이 정밀도가 저하된다

베인의 상ㆍ하 위치에 무관하게 공기의 유입 속도를 가급적 균일하게 해 주기 위한

목적으로 분급기 내부의 단면 형상을 Fig28과 같은 인볼류트-컨볼류트

(involute-convolute) 단면으로 구성하여 공기의 유동해석을 실시하였다

Fig 28 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기

Fig29는 베인의 중간 높이 수평단면 상에서의 공기 속도 분포이다 Fig25에 비하

여 베인의 외주 부위에서의 공기의 속도가 균일하게 분포되고 있음을 보여 준다

Fig29 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig 30은 베인이 위치한 부위에서의 수직 단면 Fig31은 상ㆍ하면을 고정시켜 주

는 원평봉이 있는 부위에서의 수직 단면에 분포하는 공기 속도 분포이다 Fig30과

Fig31은 각각 Fig25와 Fig26에 비하여 베인의 높이 방향 전체에 걸쳐 공기의 유

입 속도가 상당히 균일하게 분포되는 것을 보여 주고 있다

Fig 30 베인 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig31 연결봉 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig32는 분급기 내부의 공간 형상이 인볼류트-컨볼류트인 분급기의 설계 모델이

Fig32 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 모델

Fig33은 앞의 수축확산 공기 분사노즐(Fig20)과 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급

기(fig32)로 구성된 건식 기류충격식 분쇄기의 3D모델이다 중요 부품의 도면은

ldquo부록 9 설계 도면rdquo에 수록하였다

Fig33 건식 기류충격식 분쇄기의 3D 모델

8 시작품 제작

수축확산 공기 분사노즐의 유동해석 및 분급기의 유동해석 결과를 바탕으로 시작품

을 제작하였다 Fig34는 수축확산 공기 분사노즐 헤드의 시작품 모습이다

Fig 34 수축확산 공기 분사노즐 헤드 시작품

Fig35는 분급기의 시작품 모습이다 분급기의 베인은 분체와 마찰시 내마모성을

갖도록 SUS 재질로 곡면 성형한 후 세라믹으로 코팅하여 제작하였다

Fig35 분급기 시작품

Fig 36은 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 수축확산 공기 분사

노즐 및 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 등이 분쇄기의 내부에 장착되어 있다

Fig36 건식 기류충격식 분쇄기 시작품

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기와 관련된 국외 특허 자료 조사와 분석 공기의

유동해석에 있어 많은 일정이 소요되었다 기술지원 추진일정을 Table1에 정리하

였다

Table 4 추진 일정

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 36: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

개스에서의 소리 속도는 아주 작은 한 점에서 교란이 일어나는 관계로 열전달을 무

시할 수가 있으며 또한 등온 상태로 가정할 수가 있다 이상 기체에서의 소리 속도

는 절대 온도의 근에 비례하며 다음식으로 표현된다

여기서

k = 비열비 (adiabatic index)

p = 압력 (Pa psi)

R = 개스 상수

T = 절대 온도 (degK degR)

앞의 식 (4)와 식 (5)로부터

식 (6)으로부터 체적탄성게수 E를 구할 수가 있다

( 예 1 ) 공기의 체적탄성계구 산출

k = 14 R = 287 (JK kg) at T=293K( 20 ) p=1204(kgm3)

Eair = k R T p=14X287X293X1204=14174379((Jm3)

Eair = 14174379(Nm2)

( 예 2 ) 염소(C12)의 체적탄성계수 산출

k = 134 R = 120 (JK kg) at T=293K(20) p=2994(kgm3)

Ec12 = k R T p=134X120X293X1994=14106051((Jm3)

Ec12 = 14106051(Nm2)

( 예 3 ) 0 1 bar 공기에서의 소리 속도

c = (14x287x273)12

= 3312 (ms)

여기서

k = 14

R = 287 (JK kg)

( 예 4 ) 20 1bar 공기에서의 소리 속도 산출

c = (14X287X293)12

= 3431 (ms)

( 예 5 ) 0 물속에서의 소리 속도 산출

여기서

3 공기 분사노즐에서의 유동식

개스역학에서 공기의 속도가 sim 이상으로 빠르거나 압력의 변화가

보다 큰 경우에는 압축성 흐름으로 취급한다 이러한 현상은 노즐에서

개스가 팽창하는 경우에 발생된다

정상유동에서의 에너지 평형 상태는 다음식으로 표현된다

여기서 엔탈피는

이며 엔탈피 ∆의 변화는 내부에너지 ∆에 외부로 또는 외부로부터의 체적에

의한 일 ∙∆의 합과 같다

내부에너지의 변호가 없고 밀도가 일정하다고 가정하면 즉 ∆ 인

경우에는 비압축성유동의 베르누이 방정식이 된다 반면에 위치네어지의 변화가 없

는 경우 ∆ 에는 상대적으로 밀도가 낮은 압축성 유체인 ldquo개스rdquo의 상태를

나타낸다 ldquo개스역학rdquo 이라는 자체가 의미하듯이 해석에 있어 고압 및 개스의 속도

가 포함되며 내부에너지의 변화 ∆를 무시할 수가 없다 이러한 의미에서 식 (7)

은 다음과 같이 된다

이상개스 방정식에서

이며 식 (12)를 식(9)에 대입하면 다음과 같이 된다

식 (13)에 에너지 보존법칙을 적용하면 노즐에서 분사되는 개스의 속도를 구할 수

있다

개스의 초기 속도가 인 경우에는

가역 단열 흐름에 있어서는 다음 3개의 식을 적용할 수가 있다

식 (16) ~ 식 (18)을 식 (15)에 대입하면 노즐에서 분출되는 개스의 속도가 구해

진다

노즐을 통과하는 질량의 흐름 식

밀도의 비로부터

다음과 같이 노즐을 통과하는 질량을 구한다

다음의 식 (23)을 식 (22)에 대입하여

식 (24)를 구한다

여기에서

을 ldquo탈출 계수(escape coefficient)rdquo 라고 한다

식 (25)를 사용하여 식 (24)를 다시 표현하면 다음의 간략식이 된다

탈출 계수 는 압축비 의 값이 다음과 같은 값일 때

임계 압축비 또는 라발 압축비로 표현되는 다음 크기의 최대값을 갖는다

음속은 노즐의 단면적이 제일 작은 부분에서 임계 압축비에 도달한다

max는 테이퍼가 일정한 실린더 형상의 노즐에 적용된다 식 (26)에 의하여

ㆍ 가 되며 는 일정한 테이퍼의 노즐에서만 증가할 수 있다 만약 압

축비 가 임계비 이하이면 max이므로 노즐을 통과하는 질량의 흐름은 일정

하다 이것은 질량의 흐름이 외부의 압력에 영향을 받지 않는다는 것을 의미한다

질량의 흐름에 의한 일은 다음의 식 (30)으로부터 구해진다

압축성 유체의 단열 팽창시에 수행된 일은 식 (19)와 식 (30)로부터 다음과 같이

산출된다

아래의 Fig 15 는 수축확산 노즐의 단면 모습이며(11) Fig 16 은 수축확산 노즐에

서의 압력 온도 속도 변화를 나타낸 것이다(8)

Fig 15 수축확산 노즐(Laval Nozzle)

Fig 16 수축확산 노즐에서의 압력 온도 속도 변화

압축성 유체의 흐름에 있어서 임계 속도 이후에 노즐의 단면이 서서히 확대되면

열에너지가 유동에너지로 변환되면서 온도는 낮아지고 흐름이 증가된다

앞의 식 (27)을 참조할 때 Fig 16 의 수축확산 노즐의 단면적이 가장 작은 임계

압축비 에서 음속에 도달한다 이 것은 질량 흐름에 식 (26)이 계속적으로 유

효하다는 것을 의미한다 수축확산 노즐 출구에서의 온도는 다음과 같은 관계가 된

노즐 확산부의 치수는 다음식으로부터 구해지며

개스 상수 등은 계수 개스 유입 온도 노즐 목의 직경 압축비 등의

변수로부터 노즐 출구에서의 개스 속도와 온도를 구할 수가 있다 공기 흐름 해석

대상 노즐 각부에 대한 부호는 Fig17에서와 같다

Fig 17 수축확산 노즐의 각부 부호

실제 수축확산 노즐을 설계하는 데 있어서는 노즐에서 발생될 수 있는 압축파 발생

을 억제하기 위하여 노즐 출구의 치수를 설계값보다 약간 작게 한다 즉 Fig 17에

서의 노즐의 확산각 가 를 넘지 않아야 하며 최대 이내여야 한다

4 공기 분사노즐의 흐름 특성 계산

앞의 ldquo3 초음속 공기 분사노즐에서의 공기의 흐름rdquo에서 유도된 식들을 이용하여

ldquoMathcad 13 프로그램(12)으로 설계 대상 분쇄기에 적용되는 공기 분사노즐의 단

면 치수 유입 공기량 노즐 출구에서의 공기 속도 소요 동력 등을 산출하였다

우선 단위와 공기의 상수를 정리하면

kilo=1000 TK =273 hoursec =3600 k = 14

ㆍsecㆍ

ㆍsecㆍ

ㆍsec

ㆍsec

예를 들어 tan tan tan tan

해석 조건이 다음과 같으면 tank pressure=700kPa Ttank=70 exit

pressure=100kPa

단위 (mm) throat diameter=50 length 150 outlet diameter=70 diffusion

angle α=38deg

d = 0007 pe = 100kilo po = 7pe Ttank =7C

To = TK+Ttank To=343 (K)

times

sec

Air_massflow1N_hour =Air_masflow1N_sechoursec

Air_massflow1N_hour = 133024 (kghrper 1 nozzle)

Air_massflow3N_hour = Air_massflow 1N_hour3

Air_massflow 3N_hour = 399071 (kghrper 3 nozzles)

Imsec)

sec

timesorsec timesorsec

(kgm3)

sec

sec sec

공기분사 노즐 목의 직경이 50mm 출구 직경이 70mm 노즐 목에서 노즐 출구까

지의 길이가 150mm로 공기 분사노즐의 환산각 도인 공기 분사노즐이 3

개 장착되어 있으며 탱크내의 공기가 압력 7bar 와 70 를 유지하면서 계속적으

로 노즐을 통하여 공급되며 또한 분쇄 챔버 내의 압력이 1bar 로 유지되는 경우의

공기 분사노즐의 유동 특성 계산 결과를 종합 정리하면 다음과 같다

- 노즐 출구에서의 공기 최대 속도 542151msec

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 무게 399071kghr

(노즐 하나에 00369kgsec)

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 부피 225333m3hr(0063m3sec)

- 소요 동력 16291kWhhr

5 수축확산 공기 분사노즐의 유동 해석

공기 분사노즐을 3D 모델링 프로그램 SolidWorks(13)로 모델링하여 열유체 해석

을 위한 유한요소해석 프로그램 COSMOSFlwWorks(14)로 공기 분사노즐 내의 유

동 해석을 수행하였다 해석 대상 공기 분사노즐 단면의 형상과 각부의 치수는

Fig18에서와 같다

Fig 18 수축확산 노즐 유동 해석 모델의 단면

해석시에 적용된 변수값들은 앞의 ldquo4 초음속 공기 분사노즐의 분사 특성 계산rdquo에

서 산출된 값을 적용하였다 노즐의 확산부위 길이는 15mm 이며 분사노즐의 확산

각은 도이다 노즐 하나에 대하여 Fig 18 의 왼쪽면에서 00369 kgsec

의 공기가 유입되며 오른쪽 분사노즐 출구면에 12bar 의 압력을 적용하였다 분사

노즐의 유동 해석 결과의 여러 가지 특성값 중에서 본 설계에서의 주요 관심사가

공기의 배출 속도인 관계로 Fig 19에 흐름의 속도 분포 Fig 20에 흐름의 마하넘

버 분포를 나타내었다 초음속 흐름에 대한 해석으로 분사노즐 목에서의 공기속도

가 약 335msec(마하 1)이 되며 노즐 출구에서 최대속도가 된다 Fig 21은 수축

확산 노즐에 대한 공기의 속도 분포 해석 결과를 반영하여 공기 분사노즐을 모델링

한 것이다

Fig 19 수축확산 노즐의 공기 흐름 속도 분포

Fig 20 수축확산 노즐의 공기 흐름 마하넘버 분포

Fig 21 수축확산 노즐 모델

6 분급 이론

분급(分級 classification)이란 유체력을 이용해서 분립체를 그 입자 지름의 크기에

따라 분리하는 것으로 넓은 뜻으로는 유체력에 의한 분리만이 아니라 체가름을 포

함하는 경우가 있다 더 넓게는 비중선별ㆍ자기력선별 등 모든 입자분리조작을 분

급이라고 한다 공기ㆍ물 등의 유체 속에서 운동하는 분립체의 각 입자에는 중력

또는 원심력 이외에 유체에 의한 유체항력 등이 함께 작용된다 이 힘 즉 유체항력

은 입자 지름에 의존하는 데 유체항력과 입자 지름의 관계는 중력이나 원심력과

입자 지름의 관계와는 다르기 때문에 이 둘 사이의 균형 조건이 입자 지름에 의해

좌우된다 좁은 뜻의 분급은 이 원리를 이용한 입경분리조작을 의미한다 중력장에

서 등속 침강하는 구 형상의 입자에 대한 힘의 균형은 다음 식으로 표현된다

여기서 은 입자 질량 prime는 입자에 의해 배제된 유체 질량 g는 중력가속도 R

은 는 유체항력을 나타낸다 유체항력 R은 다음 식으로 나타낼 수 있다

여기서 는 저항계수 (drag coefficient)로 입자 주위의 유체의 상대적인 흐름의

상태에 따라 결정되는 무차원 계수이다 는 유체의 밀도 는 입자의 침강속도

는 입자의 지름이며 는 입자의 투영 최대 면적이다 물 또는 공기 속에서 입

자의 지름이 100 이하 입자의 밀도가 3gcm2이하의 조건에서는 입자 주위의 흐

름은 거의 충류로 간주되며 이때 R은 다음 식으로 나타내진다

여기서 는 유체의 점성도이다

prime

이므로 식 (36)을 식 (34)에 대입하면 식 (37)을 얻는다

여기서 는 입자 밀도이며 식 (37)을 스토크스의 침강속도식이라고 하며 분급에서

분리입자 지름을 구하기 위한 기본식으로 중요하다

식 (37)은 다음

과 같이도 표현된다

유체가 공기나 그 외의 기체인 경우의 분급 조작을 건식 분급(또는 공기 분급) 물

이나 그 외의 액체인 경우의 분급 조작을 습식 분급이라 한다 앞에 언급된 기본식

들 이외에 어떤 종류의 분급장치에서는 유체의 흐름 방향이 급격히 변화할 때 흐름

에 따라 운동하는 입자의 관성력의 효과가 중요한 역할을 한다

분급에 사용하는 장치를 분급기(classifier)라고 한다 건식분급기에는 관성력을 이

용하는 것 중력침강을 이용하는 것 원심력을 이용하는 것 등이 있다 관성력을 이

용하는 건식분급기에는 루버식분급기 버추얼임팩터 엘보제트형분급기 등이 있는

데 건식분급기로는 원심력을 이용한 것이 가장 널리 사용되고 있다 원심력을 이용

한 건식분급기로는 분급 입도가 30~100 정도의 비교적 굵은 입도에서의 대량 처

리로 옛날부터 알려진 스튜어트밴트형 등이 있으며 또한 몇 ~30의 분급이 가

능한 여러 분급기가 개발되어 널리 쓰이게 되었다 또한 사이클론도 미립(微粒)에서

조립(組立)에 이르는 분체(粉體)의 건식분급에 이용된다 습식분급기에는 중력식과

원심력식이 있으며 중력식은 상승 수류(水流)와 유동층을 이용한 수력분급기 원뿔

형 또는 각뿔형 용기에서의 중력침강을 이용한 세틀링탱크 등의 침강분급조 완만

하게 경사진 직사각형의 조(槽)로부터 침하한 조립 생산물을 긁어올리기 위한 레이

크나 스파이럴을 갖춘 기계분급기 등으로 분류된다 원심력을 이용한 습식분급기로

는 사이클론 또는 하이드로사이클론이 가장 대표적이며 솔리드볼형ㆍ디스크형 등

의 원심분리기도 미립자용 분급기로 사용된다

Fig 22는 베인 구조의 원심형 분급기의 회전 단면 모습이다

Fig22베인 구조의 원심형 분급기의 단면

Fig 22에서 H는 분급기 내부 상하면 사이의 간격이며 는 선별된 미분이 배출되

는 반경 는 베인의 내반경 는 베인의 외반경을 나타낸다

분체 주위의 공기 흐름이 층류 흐름이라는 조건하에서 베인 구조의 원심형 분급기

에의 컷포인트(utpoint)를 결정짓는 외주부의 반경 은 다음과 같다

또한 선별된 미분이 배출되는 반경은 다음과 같다

베인 사이에서도 고체의 회전법칙이 적용된다 베인의 외주 반경에서 속도의 원주

방향 성분 과 중심방향 성분 가 가장 큰 영향을 준다

식 (41)과 식 (42)를 식 (38)에 대입하여 정리하면 다음과 같다

독일 Netzsch 사에서는 베인의 내반경 에서 선별된 미분이 배출되는 반경 까

지의 반경 방향의 공기 속도 성분 을 질정하게 해 주기 위하여 Fig 10에 보인

ldquoConvorrdquo라고 불리우는 단면의 분급기를 개발하여 사용화하고 있다

7 분급기 설계와 유동 해석

분급기의 베인 사이로 분쇄된 미분과 공기가 함께 유입되어 중앙부의 배출구로 통

과하는 분급기의 내부 형상을 설계하기에 앞서 분급기 내부를 구성하는 상면이 평

평한 구조의 분급기에 대한 유동해석을 실시하여 공기의 속도 분포를 검토하였다

해석 대상 분급기의 외경은 205mm이며 밑면 중앙에 공기 배출을 위하여 직경이

90mm인 원형 구멍이 뚫려 있다 분급기 외주에는 단면이 원호의 일부로 만들어진

두깨가 2mm 넓이가 18mm 길이가 35mm인 베인이 매 60도마다 10개씩 등간격

으로 모두 60개가 베인의 코드 방향과 분급기의 반경 방향이 이루는 각도가 약 15

도가 되도록 경사지게 설치되어 있다 원주 방향으로 매 60도마다 길이 35mm 직

경 8mm인 원형봉 6개가 등간격으로 배열되어 상ㆍ사 카버 사이에 베인을 고정시

켜 조립되는 구조이다 해석 대상 분급기에 사용된 베인의 단면과 베인의 배열 및

분급기 상ㆍ하면을 고정하는 봉이 포함된 수평면상의 평면도를 Fig 23에 나타내었

다 Fig 24는 분급기의 상면 형상이 평평한 구조인 경우에 대한 분급기의 수직단

면도이다

분급기에 유입되는 공기는 온도 50 유입량 01m3sec 분급기를 통과한 후에

배출되는 공간의 압력은 12bar이며 분급기의 회전속도는 8000rpm(838radsec)

이다 분급기에 발생되는 원심력의 절대적인 크기는 재료의 밀도와 분급하고자 하

는 분말의 크기에 따라 분급기의 회전수를 변화시켜서 조절한다 SolidWorks 및

COSMOSFloWorks 프로그램으로 분급기의 공기 유동해석을 실시하였다 해석시의

변수 입력 항목 및 해석 과정을 ldquo부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 유동해석 절

차rdquo에 정리하였다

Fig 23 베인과 상ㆍ하면 고정 원형봉의 평면 단면도

Fig24 분급기 상면이 평면인 경우의 수직단면도

공기 유동해석 결과를 Fig25~Fig27에 나타내었다 Fig25는 베인의 중간 높이에

서의 수평 단면에서의 공기 속도 분포이다 Fig26은 베인이 위치한 부위에서의수

직단면 Fig 27은 상ㆍ하면을 고정시켜 주는 원형봉이 있는 부위의 수직단면에 분

포하는 공기의 유입 속도 해석 결과를 나타낸 것이다

Fig 25 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig 26 베인 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig27 연결봉 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig15~Fig27의 공기 속도 등고선을 보면 베인 외주부의 상하 위치에 있어서 공

기의속도가 불균일한 분포를 보인다 베인의 분급기 내부 공간에서는 같은 반경인

위치에서 윗부분에서의 공기 속도가 아랫부분에서보다 빠르게 분포하고 있다 베인

의 높이 방향 상ㆍ하 위치에 따른 이러한 유입 속도의 편차는 분급기 외주의 실린

더 면으로부터 유입되는 공기가 분급기 중앙의 밑 방향으로만 배출되는 유동 통로

의 구조 때문으로 판단되낟 따라서 같은 반경의 같은 원심력이 발생되는 위치에

있어서도 윗부분에서의 공기 유입속도가 밑부분에서보다 크게 분포되어 윗부분에서

는 밑부분에서보다 큰 분말이 분급기 안으로 유입된다 지정된 크기의 컷오프보다

큰 분말과 작은 분말이 혼합된 상태로 배출되는 관계로 분급이 정밀도가 저하된다

베인의 상ㆍ하 위치에 무관하게 공기의 유입 속도를 가급적 균일하게 해 주기 위한

목적으로 분급기 내부의 단면 형상을 Fig28과 같은 인볼류트-컨볼류트

(involute-convolute) 단면으로 구성하여 공기의 유동해석을 실시하였다

Fig 28 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기

Fig29는 베인의 중간 높이 수평단면 상에서의 공기 속도 분포이다 Fig25에 비하

여 베인의 외주 부위에서의 공기의 속도가 균일하게 분포되고 있음을 보여 준다

Fig29 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig 30은 베인이 위치한 부위에서의 수직 단면 Fig31은 상ㆍ하면을 고정시켜 주

는 원평봉이 있는 부위에서의 수직 단면에 분포하는 공기 속도 분포이다 Fig30과

Fig31은 각각 Fig25와 Fig26에 비하여 베인의 높이 방향 전체에 걸쳐 공기의 유

입 속도가 상당히 균일하게 분포되는 것을 보여 주고 있다

Fig 30 베인 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig31 연결봉 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig32는 분급기 내부의 공간 형상이 인볼류트-컨볼류트인 분급기의 설계 모델이

Fig32 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 모델

Fig33은 앞의 수축확산 공기 분사노즐(Fig20)과 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급

기(fig32)로 구성된 건식 기류충격식 분쇄기의 3D모델이다 중요 부품의 도면은

ldquo부록 9 설계 도면rdquo에 수록하였다

Fig33 건식 기류충격식 분쇄기의 3D 모델

8 시작품 제작

수축확산 공기 분사노즐의 유동해석 및 분급기의 유동해석 결과를 바탕으로 시작품

을 제작하였다 Fig34는 수축확산 공기 분사노즐 헤드의 시작품 모습이다

Fig 34 수축확산 공기 분사노즐 헤드 시작품

Fig35는 분급기의 시작품 모습이다 분급기의 베인은 분체와 마찰시 내마모성을

갖도록 SUS 재질로 곡면 성형한 후 세라믹으로 코팅하여 제작하였다

Fig35 분급기 시작품

Fig 36은 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 수축확산 공기 분사

노즐 및 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 등이 분쇄기의 내부에 장착되어 있다

Fig36 건식 기류충격식 분쇄기 시작품

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기와 관련된 국외 특허 자료 조사와 분석 공기의

유동해석에 있어 많은 일정이 소요되었다 기술지원 추진일정을 Table1에 정리하

였다

Table 4 추진 일정

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 37: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

k = 14

R = 287 (JK kg)

( 예 4 ) 20 1bar 공기에서의 소리 속도 산출

c = (14X287X293)12

= 3431 (ms)

( 예 5 ) 0 물속에서의 소리 속도 산출

여기서

3 공기 분사노즐에서의 유동식

개스역학에서 공기의 속도가 sim 이상으로 빠르거나 압력의 변화가

보다 큰 경우에는 압축성 흐름으로 취급한다 이러한 현상은 노즐에서

개스가 팽창하는 경우에 발생된다

정상유동에서의 에너지 평형 상태는 다음식으로 표현된다

여기서 엔탈피는

이며 엔탈피 ∆의 변화는 내부에너지 ∆에 외부로 또는 외부로부터의 체적에

의한 일 ∙∆의 합과 같다

내부에너지의 변호가 없고 밀도가 일정하다고 가정하면 즉 ∆ 인

경우에는 비압축성유동의 베르누이 방정식이 된다 반면에 위치네어지의 변화가 없

는 경우 ∆ 에는 상대적으로 밀도가 낮은 압축성 유체인 ldquo개스rdquo의 상태를

나타낸다 ldquo개스역학rdquo 이라는 자체가 의미하듯이 해석에 있어 고압 및 개스의 속도

가 포함되며 내부에너지의 변화 ∆를 무시할 수가 없다 이러한 의미에서 식 (7)

은 다음과 같이 된다

이상개스 방정식에서

이며 식 (12)를 식(9)에 대입하면 다음과 같이 된다

식 (13)에 에너지 보존법칙을 적용하면 노즐에서 분사되는 개스의 속도를 구할 수

있다

개스의 초기 속도가 인 경우에는

가역 단열 흐름에 있어서는 다음 3개의 식을 적용할 수가 있다

식 (16) ~ 식 (18)을 식 (15)에 대입하면 노즐에서 분출되는 개스의 속도가 구해

진다

노즐을 통과하는 질량의 흐름 식

밀도의 비로부터

다음과 같이 노즐을 통과하는 질량을 구한다

다음의 식 (23)을 식 (22)에 대입하여

식 (24)를 구한다

여기에서

을 ldquo탈출 계수(escape coefficient)rdquo 라고 한다

식 (25)를 사용하여 식 (24)를 다시 표현하면 다음의 간략식이 된다

탈출 계수 는 압축비 의 값이 다음과 같은 값일 때

임계 압축비 또는 라발 압축비로 표현되는 다음 크기의 최대값을 갖는다

음속은 노즐의 단면적이 제일 작은 부분에서 임계 압축비에 도달한다

max는 테이퍼가 일정한 실린더 형상의 노즐에 적용된다 식 (26)에 의하여

ㆍ 가 되며 는 일정한 테이퍼의 노즐에서만 증가할 수 있다 만약 압

축비 가 임계비 이하이면 max이므로 노즐을 통과하는 질량의 흐름은 일정

하다 이것은 질량의 흐름이 외부의 압력에 영향을 받지 않는다는 것을 의미한다

질량의 흐름에 의한 일은 다음의 식 (30)으로부터 구해진다

압축성 유체의 단열 팽창시에 수행된 일은 식 (19)와 식 (30)로부터 다음과 같이

산출된다

아래의 Fig 15 는 수축확산 노즐의 단면 모습이며(11) Fig 16 은 수축확산 노즐에

서의 압력 온도 속도 변화를 나타낸 것이다(8)

Fig 15 수축확산 노즐(Laval Nozzle)

Fig 16 수축확산 노즐에서의 압력 온도 속도 변화

압축성 유체의 흐름에 있어서 임계 속도 이후에 노즐의 단면이 서서히 확대되면

열에너지가 유동에너지로 변환되면서 온도는 낮아지고 흐름이 증가된다

앞의 식 (27)을 참조할 때 Fig 16 의 수축확산 노즐의 단면적이 가장 작은 임계

압축비 에서 음속에 도달한다 이 것은 질량 흐름에 식 (26)이 계속적으로 유

효하다는 것을 의미한다 수축확산 노즐 출구에서의 온도는 다음과 같은 관계가 된

노즐 확산부의 치수는 다음식으로부터 구해지며

개스 상수 등은 계수 개스 유입 온도 노즐 목의 직경 압축비 등의

변수로부터 노즐 출구에서의 개스 속도와 온도를 구할 수가 있다 공기 흐름 해석

대상 노즐 각부에 대한 부호는 Fig17에서와 같다

Fig 17 수축확산 노즐의 각부 부호

실제 수축확산 노즐을 설계하는 데 있어서는 노즐에서 발생될 수 있는 압축파 발생

을 억제하기 위하여 노즐 출구의 치수를 설계값보다 약간 작게 한다 즉 Fig 17에

서의 노즐의 확산각 가 를 넘지 않아야 하며 최대 이내여야 한다

4 공기 분사노즐의 흐름 특성 계산

앞의 ldquo3 초음속 공기 분사노즐에서의 공기의 흐름rdquo에서 유도된 식들을 이용하여

ldquoMathcad 13 프로그램(12)으로 설계 대상 분쇄기에 적용되는 공기 분사노즐의 단

면 치수 유입 공기량 노즐 출구에서의 공기 속도 소요 동력 등을 산출하였다

우선 단위와 공기의 상수를 정리하면

kilo=1000 TK =273 hoursec =3600 k = 14

ㆍsecㆍ

ㆍsecㆍ

ㆍsec

ㆍsec

예를 들어 tan tan tan tan

해석 조건이 다음과 같으면 tank pressure=700kPa Ttank=70 exit

pressure=100kPa

단위 (mm) throat diameter=50 length 150 outlet diameter=70 diffusion

angle α=38deg

d = 0007 pe = 100kilo po = 7pe Ttank =7C

To = TK+Ttank To=343 (K)

times

sec

Air_massflow1N_hour =Air_masflow1N_sechoursec

Air_massflow1N_hour = 133024 (kghrper 1 nozzle)

Air_massflow3N_hour = Air_massflow 1N_hour3

Air_massflow 3N_hour = 399071 (kghrper 3 nozzles)

Imsec)

sec

timesorsec timesorsec

(kgm3)

sec

sec sec

공기분사 노즐 목의 직경이 50mm 출구 직경이 70mm 노즐 목에서 노즐 출구까

지의 길이가 150mm로 공기 분사노즐의 환산각 도인 공기 분사노즐이 3

개 장착되어 있으며 탱크내의 공기가 압력 7bar 와 70 를 유지하면서 계속적으

로 노즐을 통하여 공급되며 또한 분쇄 챔버 내의 압력이 1bar 로 유지되는 경우의

공기 분사노즐의 유동 특성 계산 결과를 종합 정리하면 다음과 같다

- 노즐 출구에서의 공기 최대 속도 542151msec

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 무게 399071kghr

(노즐 하나에 00369kgsec)

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 부피 225333m3hr(0063m3sec)

- 소요 동력 16291kWhhr

5 수축확산 공기 분사노즐의 유동 해석

공기 분사노즐을 3D 모델링 프로그램 SolidWorks(13)로 모델링하여 열유체 해석

을 위한 유한요소해석 프로그램 COSMOSFlwWorks(14)로 공기 분사노즐 내의 유

동 해석을 수행하였다 해석 대상 공기 분사노즐 단면의 형상과 각부의 치수는

Fig18에서와 같다

Fig 18 수축확산 노즐 유동 해석 모델의 단면

해석시에 적용된 변수값들은 앞의 ldquo4 초음속 공기 분사노즐의 분사 특성 계산rdquo에

서 산출된 값을 적용하였다 노즐의 확산부위 길이는 15mm 이며 분사노즐의 확산

각은 도이다 노즐 하나에 대하여 Fig 18 의 왼쪽면에서 00369 kgsec

의 공기가 유입되며 오른쪽 분사노즐 출구면에 12bar 의 압력을 적용하였다 분사

노즐의 유동 해석 결과의 여러 가지 특성값 중에서 본 설계에서의 주요 관심사가

공기의 배출 속도인 관계로 Fig 19에 흐름의 속도 분포 Fig 20에 흐름의 마하넘

버 분포를 나타내었다 초음속 흐름에 대한 해석으로 분사노즐 목에서의 공기속도

가 약 335msec(마하 1)이 되며 노즐 출구에서 최대속도가 된다 Fig 21은 수축

확산 노즐에 대한 공기의 속도 분포 해석 결과를 반영하여 공기 분사노즐을 모델링

한 것이다

Fig 19 수축확산 노즐의 공기 흐름 속도 분포

Fig 20 수축확산 노즐의 공기 흐름 마하넘버 분포

Fig 21 수축확산 노즐 모델

6 분급 이론

분급(分級 classification)이란 유체력을 이용해서 분립체를 그 입자 지름의 크기에

따라 분리하는 것으로 넓은 뜻으로는 유체력에 의한 분리만이 아니라 체가름을 포

함하는 경우가 있다 더 넓게는 비중선별ㆍ자기력선별 등 모든 입자분리조작을 분

급이라고 한다 공기ㆍ물 등의 유체 속에서 운동하는 분립체의 각 입자에는 중력

또는 원심력 이외에 유체에 의한 유체항력 등이 함께 작용된다 이 힘 즉 유체항력

은 입자 지름에 의존하는 데 유체항력과 입자 지름의 관계는 중력이나 원심력과

입자 지름의 관계와는 다르기 때문에 이 둘 사이의 균형 조건이 입자 지름에 의해

좌우된다 좁은 뜻의 분급은 이 원리를 이용한 입경분리조작을 의미한다 중력장에

서 등속 침강하는 구 형상의 입자에 대한 힘의 균형은 다음 식으로 표현된다

여기서 은 입자 질량 prime는 입자에 의해 배제된 유체 질량 g는 중력가속도 R

은 는 유체항력을 나타낸다 유체항력 R은 다음 식으로 나타낼 수 있다

여기서 는 저항계수 (drag coefficient)로 입자 주위의 유체의 상대적인 흐름의

상태에 따라 결정되는 무차원 계수이다 는 유체의 밀도 는 입자의 침강속도

는 입자의 지름이며 는 입자의 투영 최대 면적이다 물 또는 공기 속에서 입

자의 지름이 100 이하 입자의 밀도가 3gcm2이하의 조건에서는 입자 주위의 흐

름은 거의 충류로 간주되며 이때 R은 다음 식으로 나타내진다

여기서 는 유체의 점성도이다

prime

이므로 식 (36)을 식 (34)에 대입하면 식 (37)을 얻는다

여기서 는 입자 밀도이며 식 (37)을 스토크스의 침강속도식이라고 하며 분급에서

분리입자 지름을 구하기 위한 기본식으로 중요하다

식 (37)은 다음

과 같이도 표현된다

유체가 공기나 그 외의 기체인 경우의 분급 조작을 건식 분급(또는 공기 분급) 물

이나 그 외의 액체인 경우의 분급 조작을 습식 분급이라 한다 앞에 언급된 기본식

들 이외에 어떤 종류의 분급장치에서는 유체의 흐름 방향이 급격히 변화할 때 흐름

에 따라 운동하는 입자의 관성력의 효과가 중요한 역할을 한다

분급에 사용하는 장치를 분급기(classifier)라고 한다 건식분급기에는 관성력을 이

용하는 것 중력침강을 이용하는 것 원심력을 이용하는 것 등이 있다 관성력을 이

용하는 건식분급기에는 루버식분급기 버추얼임팩터 엘보제트형분급기 등이 있는

데 건식분급기로는 원심력을 이용한 것이 가장 널리 사용되고 있다 원심력을 이용

한 건식분급기로는 분급 입도가 30~100 정도의 비교적 굵은 입도에서의 대량 처

리로 옛날부터 알려진 스튜어트밴트형 등이 있으며 또한 몇 ~30의 분급이 가

능한 여러 분급기가 개발되어 널리 쓰이게 되었다 또한 사이클론도 미립(微粒)에서

조립(組立)에 이르는 분체(粉體)의 건식분급에 이용된다 습식분급기에는 중력식과

원심력식이 있으며 중력식은 상승 수류(水流)와 유동층을 이용한 수력분급기 원뿔

형 또는 각뿔형 용기에서의 중력침강을 이용한 세틀링탱크 등의 침강분급조 완만

하게 경사진 직사각형의 조(槽)로부터 침하한 조립 생산물을 긁어올리기 위한 레이

크나 스파이럴을 갖춘 기계분급기 등으로 분류된다 원심력을 이용한 습식분급기로

는 사이클론 또는 하이드로사이클론이 가장 대표적이며 솔리드볼형ㆍ디스크형 등

의 원심분리기도 미립자용 분급기로 사용된다

Fig 22는 베인 구조의 원심형 분급기의 회전 단면 모습이다

Fig22베인 구조의 원심형 분급기의 단면

Fig 22에서 H는 분급기 내부 상하면 사이의 간격이며 는 선별된 미분이 배출되

는 반경 는 베인의 내반경 는 베인의 외반경을 나타낸다

분체 주위의 공기 흐름이 층류 흐름이라는 조건하에서 베인 구조의 원심형 분급기

에의 컷포인트(utpoint)를 결정짓는 외주부의 반경 은 다음과 같다

또한 선별된 미분이 배출되는 반경은 다음과 같다

베인 사이에서도 고체의 회전법칙이 적용된다 베인의 외주 반경에서 속도의 원주

방향 성분 과 중심방향 성분 가 가장 큰 영향을 준다

식 (41)과 식 (42)를 식 (38)에 대입하여 정리하면 다음과 같다

독일 Netzsch 사에서는 베인의 내반경 에서 선별된 미분이 배출되는 반경 까

지의 반경 방향의 공기 속도 성분 을 질정하게 해 주기 위하여 Fig 10에 보인

ldquoConvorrdquo라고 불리우는 단면의 분급기를 개발하여 사용화하고 있다

7 분급기 설계와 유동 해석

분급기의 베인 사이로 분쇄된 미분과 공기가 함께 유입되어 중앙부의 배출구로 통

과하는 분급기의 내부 형상을 설계하기에 앞서 분급기 내부를 구성하는 상면이 평

평한 구조의 분급기에 대한 유동해석을 실시하여 공기의 속도 분포를 검토하였다

해석 대상 분급기의 외경은 205mm이며 밑면 중앙에 공기 배출을 위하여 직경이

90mm인 원형 구멍이 뚫려 있다 분급기 외주에는 단면이 원호의 일부로 만들어진

두깨가 2mm 넓이가 18mm 길이가 35mm인 베인이 매 60도마다 10개씩 등간격

으로 모두 60개가 베인의 코드 방향과 분급기의 반경 방향이 이루는 각도가 약 15

도가 되도록 경사지게 설치되어 있다 원주 방향으로 매 60도마다 길이 35mm 직

경 8mm인 원형봉 6개가 등간격으로 배열되어 상ㆍ사 카버 사이에 베인을 고정시

켜 조립되는 구조이다 해석 대상 분급기에 사용된 베인의 단면과 베인의 배열 및

분급기 상ㆍ하면을 고정하는 봉이 포함된 수평면상의 평면도를 Fig 23에 나타내었

다 Fig 24는 분급기의 상면 형상이 평평한 구조인 경우에 대한 분급기의 수직단

면도이다

분급기에 유입되는 공기는 온도 50 유입량 01m3sec 분급기를 통과한 후에

배출되는 공간의 압력은 12bar이며 분급기의 회전속도는 8000rpm(838radsec)

이다 분급기에 발생되는 원심력의 절대적인 크기는 재료의 밀도와 분급하고자 하

는 분말의 크기에 따라 분급기의 회전수를 변화시켜서 조절한다 SolidWorks 및

COSMOSFloWorks 프로그램으로 분급기의 공기 유동해석을 실시하였다 해석시의

변수 입력 항목 및 해석 과정을 ldquo부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 유동해석 절

차rdquo에 정리하였다

Fig 23 베인과 상ㆍ하면 고정 원형봉의 평면 단면도

Fig24 분급기 상면이 평면인 경우의 수직단면도

공기 유동해석 결과를 Fig25~Fig27에 나타내었다 Fig25는 베인의 중간 높이에

서의 수평 단면에서의 공기 속도 분포이다 Fig26은 베인이 위치한 부위에서의수

직단면 Fig 27은 상ㆍ하면을 고정시켜 주는 원형봉이 있는 부위의 수직단면에 분

포하는 공기의 유입 속도 해석 결과를 나타낸 것이다

Fig 25 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig 26 베인 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig27 연결봉 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig15~Fig27의 공기 속도 등고선을 보면 베인 외주부의 상하 위치에 있어서 공

기의속도가 불균일한 분포를 보인다 베인의 분급기 내부 공간에서는 같은 반경인

위치에서 윗부분에서의 공기 속도가 아랫부분에서보다 빠르게 분포하고 있다 베인

의 높이 방향 상ㆍ하 위치에 따른 이러한 유입 속도의 편차는 분급기 외주의 실린

더 면으로부터 유입되는 공기가 분급기 중앙의 밑 방향으로만 배출되는 유동 통로

의 구조 때문으로 판단되낟 따라서 같은 반경의 같은 원심력이 발생되는 위치에

있어서도 윗부분에서의 공기 유입속도가 밑부분에서보다 크게 분포되어 윗부분에서

는 밑부분에서보다 큰 분말이 분급기 안으로 유입된다 지정된 크기의 컷오프보다

큰 분말과 작은 분말이 혼합된 상태로 배출되는 관계로 분급이 정밀도가 저하된다

베인의 상ㆍ하 위치에 무관하게 공기의 유입 속도를 가급적 균일하게 해 주기 위한

목적으로 분급기 내부의 단면 형상을 Fig28과 같은 인볼류트-컨볼류트

(involute-convolute) 단면으로 구성하여 공기의 유동해석을 실시하였다

Fig 28 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기

Fig29는 베인의 중간 높이 수평단면 상에서의 공기 속도 분포이다 Fig25에 비하

여 베인의 외주 부위에서의 공기의 속도가 균일하게 분포되고 있음을 보여 준다

Fig29 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig 30은 베인이 위치한 부위에서의 수직 단면 Fig31은 상ㆍ하면을 고정시켜 주

는 원평봉이 있는 부위에서의 수직 단면에 분포하는 공기 속도 분포이다 Fig30과

Fig31은 각각 Fig25와 Fig26에 비하여 베인의 높이 방향 전체에 걸쳐 공기의 유

입 속도가 상당히 균일하게 분포되는 것을 보여 주고 있다

Fig 30 베인 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig31 연결봉 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig32는 분급기 내부의 공간 형상이 인볼류트-컨볼류트인 분급기의 설계 모델이

Fig32 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 모델

Fig33은 앞의 수축확산 공기 분사노즐(Fig20)과 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급

기(fig32)로 구성된 건식 기류충격식 분쇄기의 3D모델이다 중요 부품의 도면은

ldquo부록 9 설계 도면rdquo에 수록하였다

Fig33 건식 기류충격식 분쇄기의 3D 모델

8 시작품 제작

수축확산 공기 분사노즐의 유동해석 및 분급기의 유동해석 결과를 바탕으로 시작품

을 제작하였다 Fig34는 수축확산 공기 분사노즐 헤드의 시작품 모습이다

Fig 34 수축확산 공기 분사노즐 헤드 시작품

Fig35는 분급기의 시작품 모습이다 분급기의 베인은 분체와 마찰시 내마모성을

갖도록 SUS 재질로 곡면 성형한 후 세라믹으로 코팅하여 제작하였다

Fig35 분급기 시작품

Fig 36은 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 수축확산 공기 분사

노즐 및 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 등이 분쇄기의 내부에 장착되어 있다

Fig36 건식 기류충격식 분쇄기 시작품

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기와 관련된 국외 특허 자료 조사와 분석 공기의

유동해석에 있어 많은 일정이 소요되었다 기술지원 추진일정을 Table1에 정리하

였다

Table 4 추진 일정

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 38: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

이상개스 방정식에서

이며 식 (12)를 식(9)에 대입하면 다음과 같이 된다

식 (13)에 에너지 보존법칙을 적용하면 노즐에서 분사되는 개스의 속도를 구할 수

있다

개스의 초기 속도가 인 경우에는

가역 단열 흐름에 있어서는 다음 3개의 식을 적용할 수가 있다

식 (16) ~ 식 (18)을 식 (15)에 대입하면 노즐에서 분출되는 개스의 속도가 구해

진다

노즐을 통과하는 질량의 흐름 식

밀도의 비로부터

다음과 같이 노즐을 통과하는 질량을 구한다

다음의 식 (23)을 식 (22)에 대입하여

식 (24)를 구한다

여기에서

을 ldquo탈출 계수(escape coefficient)rdquo 라고 한다

식 (25)를 사용하여 식 (24)를 다시 표현하면 다음의 간략식이 된다

탈출 계수 는 압축비 의 값이 다음과 같은 값일 때

임계 압축비 또는 라발 압축비로 표현되는 다음 크기의 최대값을 갖는다

음속은 노즐의 단면적이 제일 작은 부분에서 임계 압축비에 도달한다

max는 테이퍼가 일정한 실린더 형상의 노즐에 적용된다 식 (26)에 의하여

ㆍ 가 되며 는 일정한 테이퍼의 노즐에서만 증가할 수 있다 만약 압

축비 가 임계비 이하이면 max이므로 노즐을 통과하는 질량의 흐름은 일정

하다 이것은 질량의 흐름이 외부의 압력에 영향을 받지 않는다는 것을 의미한다

질량의 흐름에 의한 일은 다음의 식 (30)으로부터 구해진다

압축성 유체의 단열 팽창시에 수행된 일은 식 (19)와 식 (30)로부터 다음과 같이

산출된다

아래의 Fig 15 는 수축확산 노즐의 단면 모습이며(11) Fig 16 은 수축확산 노즐에

서의 압력 온도 속도 변화를 나타낸 것이다(8)

Fig 15 수축확산 노즐(Laval Nozzle)

Fig 16 수축확산 노즐에서의 압력 온도 속도 변화

압축성 유체의 흐름에 있어서 임계 속도 이후에 노즐의 단면이 서서히 확대되면

열에너지가 유동에너지로 변환되면서 온도는 낮아지고 흐름이 증가된다

앞의 식 (27)을 참조할 때 Fig 16 의 수축확산 노즐의 단면적이 가장 작은 임계

압축비 에서 음속에 도달한다 이 것은 질량 흐름에 식 (26)이 계속적으로 유

효하다는 것을 의미한다 수축확산 노즐 출구에서의 온도는 다음과 같은 관계가 된

노즐 확산부의 치수는 다음식으로부터 구해지며

개스 상수 등은 계수 개스 유입 온도 노즐 목의 직경 압축비 등의

변수로부터 노즐 출구에서의 개스 속도와 온도를 구할 수가 있다 공기 흐름 해석

대상 노즐 각부에 대한 부호는 Fig17에서와 같다

Fig 17 수축확산 노즐의 각부 부호

실제 수축확산 노즐을 설계하는 데 있어서는 노즐에서 발생될 수 있는 압축파 발생

을 억제하기 위하여 노즐 출구의 치수를 설계값보다 약간 작게 한다 즉 Fig 17에

서의 노즐의 확산각 가 를 넘지 않아야 하며 최대 이내여야 한다

4 공기 분사노즐의 흐름 특성 계산

앞의 ldquo3 초음속 공기 분사노즐에서의 공기의 흐름rdquo에서 유도된 식들을 이용하여

ldquoMathcad 13 프로그램(12)으로 설계 대상 분쇄기에 적용되는 공기 분사노즐의 단

면 치수 유입 공기량 노즐 출구에서의 공기 속도 소요 동력 등을 산출하였다

우선 단위와 공기의 상수를 정리하면

kilo=1000 TK =273 hoursec =3600 k = 14

ㆍsecㆍ

ㆍsecㆍ

ㆍsec

ㆍsec

예를 들어 tan tan tan tan

해석 조건이 다음과 같으면 tank pressure=700kPa Ttank=70 exit

pressure=100kPa

단위 (mm) throat diameter=50 length 150 outlet diameter=70 diffusion

angle α=38deg

d = 0007 pe = 100kilo po = 7pe Ttank =7C

To = TK+Ttank To=343 (K)

times

sec

Air_massflow1N_hour =Air_masflow1N_sechoursec

Air_massflow1N_hour = 133024 (kghrper 1 nozzle)

Air_massflow3N_hour = Air_massflow 1N_hour3

Air_massflow 3N_hour = 399071 (kghrper 3 nozzles)

Imsec)

sec

timesorsec timesorsec

(kgm3)

sec

sec sec

공기분사 노즐 목의 직경이 50mm 출구 직경이 70mm 노즐 목에서 노즐 출구까

지의 길이가 150mm로 공기 분사노즐의 환산각 도인 공기 분사노즐이 3

개 장착되어 있으며 탱크내의 공기가 압력 7bar 와 70 를 유지하면서 계속적으

로 노즐을 통하여 공급되며 또한 분쇄 챔버 내의 압력이 1bar 로 유지되는 경우의

공기 분사노즐의 유동 특성 계산 결과를 종합 정리하면 다음과 같다

- 노즐 출구에서의 공기 최대 속도 542151msec

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 무게 399071kghr

(노즐 하나에 00369kgsec)

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 부피 225333m3hr(0063m3sec)

- 소요 동력 16291kWhhr

5 수축확산 공기 분사노즐의 유동 해석

공기 분사노즐을 3D 모델링 프로그램 SolidWorks(13)로 모델링하여 열유체 해석

을 위한 유한요소해석 프로그램 COSMOSFlwWorks(14)로 공기 분사노즐 내의 유

동 해석을 수행하였다 해석 대상 공기 분사노즐 단면의 형상과 각부의 치수는

Fig18에서와 같다

Fig 18 수축확산 노즐 유동 해석 모델의 단면

해석시에 적용된 변수값들은 앞의 ldquo4 초음속 공기 분사노즐의 분사 특성 계산rdquo에

서 산출된 값을 적용하였다 노즐의 확산부위 길이는 15mm 이며 분사노즐의 확산

각은 도이다 노즐 하나에 대하여 Fig 18 의 왼쪽면에서 00369 kgsec

의 공기가 유입되며 오른쪽 분사노즐 출구면에 12bar 의 압력을 적용하였다 분사

노즐의 유동 해석 결과의 여러 가지 특성값 중에서 본 설계에서의 주요 관심사가

공기의 배출 속도인 관계로 Fig 19에 흐름의 속도 분포 Fig 20에 흐름의 마하넘

버 분포를 나타내었다 초음속 흐름에 대한 해석으로 분사노즐 목에서의 공기속도

가 약 335msec(마하 1)이 되며 노즐 출구에서 최대속도가 된다 Fig 21은 수축

확산 노즐에 대한 공기의 속도 분포 해석 결과를 반영하여 공기 분사노즐을 모델링

한 것이다

Fig 19 수축확산 노즐의 공기 흐름 속도 분포

Fig 20 수축확산 노즐의 공기 흐름 마하넘버 분포

Fig 21 수축확산 노즐 모델

6 분급 이론

분급(分級 classification)이란 유체력을 이용해서 분립체를 그 입자 지름의 크기에

따라 분리하는 것으로 넓은 뜻으로는 유체력에 의한 분리만이 아니라 체가름을 포

함하는 경우가 있다 더 넓게는 비중선별ㆍ자기력선별 등 모든 입자분리조작을 분

급이라고 한다 공기ㆍ물 등의 유체 속에서 운동하는 분립체의 각 입자에는 중력

또는 원심력 이외에 유체에 의한 유체항력 등이 함께 작용된다 이 힘 즉 유체항력

은 입자 지름에 의존하는 데 유체항력과 입자 지름의 관계는 중력이나 원심력과

입자 지름의 관계와는 다르기 때문에 이 둘 사이의 균형 조건이 입자 지름에 의해

좌우된다 좁은 뜻의 분급은 이 원리를 이용한 입경분리조작을 의미한다 중력장에

서 등속 침강하는 구 형상의 입자에 대한 힘의 균형은 다음 식으로 표현된다

여기서 은 입자 질량 prime는 입자에 의해 배제된 유체 질량 g는 중력가속도 R

은 는 유체항력을 나타낸다 유체항력 R은 다음 식으로 나타낼 수 있다

여기서 는 저항계수 (drag coefficient)로 입자 주위의 유체의 상대적인 흐름의

상태에 따라 결정되는 무차원 계수이다 는 유체의 밀도 는 입자의 침강속도

는 입자의 지름이며 는 입자의 투영 최대 면적이다 물 또는 공기 속에서 입

자의 지름이 100 이하 입자의 밀도가 3gcm2이하의 조건에서는 입자 주위의 흐

름은 거의 충류로 간주되며 이때 R은 다음 식으로 나타내진다

여기서 는 유체의 점성도이다

prime

이므로 식 (36)을 식 (34)에 대입하면 식 (37)을 얻는다

여기서 는 입자 밀도이며 식 (37)을 스토크스의 침강속도식이라고 하며 분급에서

분리입자 지름을 구하기 위한 기본식으로 중요하다

식 (37)은 다음

과 같이도 표현된다

유체가 공기나 그 외의 기체인 경우의 분급 조작을 건식 분급(또는 공기 분급) 물

이나 그 외의 액체인 경우의 분급 조작을 습식 분급이라 한다 앞에 언급된 기본식

들 이외에 어떤 종류의 분급장치에서는 유체의 흐름 방향이 급격히 변화할 때 흐름

에 따라 운동하는 입자의 관성력의 효과가 중요한 역할을 한다

분급에 사용하는 장치를 분급기(classifier)라고 한다 건식분급기에는 관성력을 이

용하는 것 중력침강을 이용하는 것 원심력을 이용하는 것 등이 있다 관성력을 이

용하는 건식분급기에는 루버식분급기 버추얼임팩터 엘보제트형분급기 등이 있는

데 건식분급기로는 원심력을 이용한 것이 가장 널리 사용되고 있다 원심력을 이용

한 건식분급기로는 분급 입도가 30~100 정도의 비교적 굵은 입도에서의 대량 처

리로 옛날부터 알려진 스튜어트밴트형 등이 있으며 또한 몇 ~30의 분급이 가

능한 여러 분급기가 개발되어 널리 쓰이게 되었다 또한 사이클론도 미립(微粒)에서

조립(組立)에 이르는 분체(粉體)의 건식분급에 이용된다 습식분급기에는 중력식과

원심력식이 있으며 중력식은 상승 수류(水流)와 유동층을 이용한 수력분급기 원뿔

형 또는 각뿔형 용기에서의 중력침강을 이용한 세틀링탱크 등의 침강분급조 완만

하게 경사진 직사각형의 조(槽)로부터 침하한 조립 생산물을 긁어올리기 위한 레이

크나 스파이럴을 갖춘 기계분급기 등으로 분류된다 원심력을 이용한 습식분급기로

는 사이클론 또는 하이드로사이클론이 가장 대표적이며 솔리드볼형ㆍ디스크형 등

의 원심분리기도 미립자용 분급기로 사용된다

Fig 22는 베인 구조의 원심형 분급기의 회전 단면 모습이다

Fig22베인 구조의 원심형 분급기의 단면

Fig 22에서 H는 분급기 내부 상하면 사이의 간격이며 는 선별된 미분이 배출되

는 반경 는 베인의 내반경 는 베인의 외반경을 나타낸다

분체 주위의 공기 흐름이 층류 흐름이라는 조건하에서 베인 구조의 원심형 분급기

에의 컷포인트(utpoint)를 결정짓는 외주부의 반경 은 다음과 같다

또한 선별된 미분이 배출되는 반경은 다음과 같다

베인 사이에서도 고체의 회전법칙이 적용된다 베인의 외주 반경에서 속도의 원주

방향 성분 과 중심방향 성분 가 가장 큰 영향을 준다

식 (41)과 식 (42)를 식 (38)에 대입하여 정리하면 다음과 같다

독일 Netzsch 사에서는 베인의 내반경 에서 선별된 미분이 배출되는 반경 까

지의 반경 방향의 공기 속도 성분 을 질정하게 해 주기 위하여 Fig 10에 보인

ldquoConvorrdquo라고 불리우는 단면의 분급기를 개발하여 사용화하고 있다

7 분급기 설계와 유동 해석

분급기의 베인 사이로 분쇄된 미분과 공기가 함께 유입되어 중앙부의 배출구로 통

과하는 분급기의 내부 형상을 설계하기에 앞서 분급기 내부를 구성하는 상면이 평

평한 구조의 분급기에 대한 유동해석을 실시하여 공기의 속도 분포를 검토하였다

해석 대상 분급기의 외경은 205mm이며 밑면 중앙에 공기 배출을 위하여 직경이

90mm인 원형 구멍이 뚫려 있다 분급기 외주에는 단면이 원호의 일부로 만들어진

두깨가 2mm 넓이가 18mm 길이가 35mm인 베인이 매 60도마다 10개씩 등간격

으로 모두 60개가 베인의 코드 방향과 분급기의 반경 방향이 이루는 각도가 약 15

도가 되도록 경사지게 설치되어 있다 원주 방향으로 매 60도마다 길이 35mm 직

경 8mm인 원형봉 6개가 등간격으로 배열되어 상ㆍ사 카버 사이에 베인을 고정시

켜 조립되는 구조이다 해석 대상 분급기에 사용된 베인의 단면과 베인의 배열 및

분급기 상ㆍ하면을 고정하는 봉이 포함된 수평면상의 평면도를 Fig 23에 나타내었

다 Fig 24는 분급기의 상면 형상이 평평한 구조인 경우에 대한 분급기의 수직단

면도이다

분급기에 유입되는 공기는 온도 50 유입량 01m3sec 분급기를 통과한 후에

배출되는 공간의 압력은 12bar이며 분급기의 회전속도는 8000rpm(838radsec)

이다 분급기에 발생되는 원심력의 절대적인 크기는 재료의 밀도와 분급하고자 하

는 분말의 크기에 따라 분급기의 회전수를 변화시켜서 조절한다 SolidWorks 및

COSMOSFloWorks 프로그램으로 분급기의 공기 유동해석을 실시하였다 해석시의

변수 입력 항목 및 해석 과정을 ldquo부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 유동해석 절

차rdquo에 정리하였다

Fig 23 베인과 상ㆍ하면 고정 원형봉의 평면 단면도

Fig24 분급기 상면이 평면인 경우의 수직단면도

공기 유동해석 결과를 Fig25~Fig27에 나타내었다 Fig25는 베인의 중간 높이에

서의 수평 단면에서의 공기 속도 분포이다 Fig26은 베인이 위치한 부위에서의수

직단면 Fig 27은 상ㆍ하면을 고정시켜 주는 원형봉이 있는 부위의 수직단면에 분

포하는 공기의 유입 속도 해석 결과를 나타낸 것이다

Fig 25 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig 26 베인 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig27 연결봉 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig15~Fig27의 공기 속도 등고선을 보면 베인 외주부의 상하 위치에 있어서 공

기의속도가 불균일한 분포를 보인다 베인의 분급기 내부 공간에서는 같은 반경인

위치에서 윗부분에서의 공기 속도가 아랫부분에서보다 빠르게 분포하고 있다 베인

의 높이 방향 상ㆍ하 위치에 따른 이러한 유입 속도의 편차는 분급기 외주의 실린

더 면으로부터 유입되는 공기가 분급기 중앙의 밑 방향으로만 배출되는 유동 통로

의 구조 때문으로 판단되낟 따라서 같은 반경의 같은 원심력이 발생되는 위치에

있어서도 윗부분에서의 공기 유입속도가 밑부분에서보다 크게 분포되어 윗부분에서

는 밑부분에서보다 큰 분말이 분급기 안으로 유입된다 지정된 크기의 컷오프보다

큰 분말과 작은 분말이 혼합된 상태로 배출되는 관계로 분급이 정밀도가 저하된다

베인의 상ㆍ하 위치에 무관하게 공기의 유입 속도를 가급적 균일하게 해 주기 위한

목적으로 분급기 내부의 단면 형상을 Fig28과 같은 인볼류트-컨볼류트

(involute-convolute) 단면으로 구성하여 공기의 유동해석을 실시하였다

Fig 28 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기

Fig29는 베인의 중간 높이 수평단면 상에서의 공기 속도 분포이다 Fig25에 비하

여 베인의 외주 부위에서의 공기의 속도가 균일하게 분포되고 있음을 보여 준다

Fig29 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig 30은 베인이 위치한 부위에서의 수직 단면 Fig31은 상ㆍ하면을 고정시켜 주

는 원평봉이 있는 부위에서의 수직 단면에 분포하는 공기 속도 분포이다 Fig30과

Fig31은 각각 Fig25와 Fig26에 비하여 베인의 높이 방향 전체에 걸쳐 공기의 유

입 속도가 상당히 균일하게 분포되는 것을 보여 주고 있다

Fig 30 베인 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig31 연결봉 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig32는 분급기 내부의 공간 형상이 인볼류트-컨볼류트인 분급기의 설계 모델이

Fig32 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 모델

Fig33은 앞의 수축확산 공기 분사노즐(Fig20)과 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급

기(fig32)로 구성된 건식 기류충격식 분쇄기의 3D모델이다 중요 부품의 도면은

ldquo부록 9 설계 도면rdquo에 수록하였다

Fig33 건식 기류충격식 분쇄기의 3D 모델

8 시작품 제작

수축확산 공기 분사노즐의 유동해석 및 분급기의 유동해석 결과를 바탕으로 시작품

을 제작하였다 Fig34는 수축확산 공기 분사노즐 헤드의 시작품 모습이다

Fig 34 수축확산 공기 분사노즐 헤드 시작품

Fig35는 분급기의 시작품 모습이다 분급기의 베인은 분체와 마찰시 내마모성을

갖도록 SUS 재질로 곡면 성형한 후 세라믹으로 코팅하여 제작하였다

Fig35 분급기 시작품

Fig 36은 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 수축확산 공기 분사

노즐 및 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 등이 분쇄기의 내부에 장착되어 있다

Fig36 건식 기류충격식 분쇄기 시작품

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기와 관련된 국외 특허 자료 조사와 분석 공기의

유동해석에 있어 많은 일정이 소요되었다 기술지원 추진일정을 Table1에 정리하

였다

Table 4 추진 일정

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 39: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

밀도의 비로부터

다음과 같이 노즐을 통과하는 질량을 구한다

다음의 식 (23)을 식 (22)에 대입하여

식 (24)를 구한다

여기에서

을 ldquo탈출 계수(escape coefficient)rdquo 라고 한다

식 (25)를 사용하여 식 (24)를 다시 표현하면 다음의 간략식이 된다

탈출 계수 는 압축비 의 값이 다음과 같은 값일 때

임계 압축비 또는 라발 압축비로 표현되는 다음 크기의 최대값을 갖는다

음속은 노즐의 단면적이 제일 작은 부분에서 임계 압축비에 도달한다

max는 테이퍼가 일정한 실린더 형상의 노즐에 적용된다 식 (26)에 의하여

ㆍ 가 되며 는 일정한 테이퍼의 노즐에서만 증가할 수 있다 만약 압

축비 가 임계비 이하이면 max이므로 노즐을 통과하는 질량의 흐름은 일정

하다 이것은 질량의 흐름이 외부의 압력에 영향을 받지 않는다는 것을 의미한다

질량의 흐름에 의한 일은 다음의 식 (30)으로부터 구해진다

압축성 유체의 단열 팽창시에 수행된 일은 식 (19)와 식 (30)로부터 다음과 같이

산출된다

아래의 Fig 15 는 수축확산 노즐의 단면 모습이며(11) Fig 16 은 수축확산 노즐에

서의 압력 온도 속도 변화를 나타낸 것이다(8)

Fig 15 수축확산 노즐(Laval Nozzle)

Fig 16 수축확산 노즐에서의 압력 온도 속도 변화

압축성 유체의 흐름에 있어서 임계 속도 이후에 노즐의 단면이 서서히 확대되면

열에너지가 유동에너지로 변환되면서 온도는 낮아지고 흐름이 증가된다

앞의 식 (27)을 참조할 때 Fig 16 의 수축확산 노즐의 단면적이 가장 작은 임계

압축비 에서 음속에 도달한다 이 것은 질량 흐름에 식 (26)이 계속적으로 유

효하다는 것을 의미한다 수축확산 노즐 출구에서의 온도는 다음과 같은 관계가 된

노즐 확산부의 치수는 다음식으로부터 구해지며

개스 상수 등은 계수 개스 유입 온도 노즐 목의 직경 압축비 등의

변수로부터 노즐 출구에서의 개스 속도와 온도를 구할 수가 있다 공기 흐름 해석

대상 노즐 각부에 대한 부호는 Fig17에서와 같다

Fig 17 수축확산 노즐의 각부 부호

실제 수축확산 노즐을 설계하는 데 있어서는 노즐에서 발생될 수 있는 압축파 발생

을 억제하기 위하여 노즐 출구의 치수를 설계값보다 약간 작게 한다 즉 Fig 17에

서의 노즐의 확산각 가 를 넘지 않아야 하며 최대 이내여야 한다

4 공기 분사노즐의 흐름 특성 계산

앞의 ldquo3 초음속 공기 분사노즐에서의 공기의 흐름rdquo에서 유도된 식들을 이용하여

ldquoMathcad 13 프로그램(12)으로 설계 대상 분쇄기에 적용되는 공기 분사노즐의 단

면 치수 유입 공기량 노즐 출구에서의 공기 속도 소요 동력 등을 산출하였다

우선 단위와 공기의 상수를 정리하면

kilo=1000 TK =273 hoursec =3600 k = 14

ㆍsecㆍ

ㆍsecㆍ

ㆍsec

ㆍsec

예를 들어 tan tan tan tan

해석 조건이 다음과 같으면 tank pressure=700kPa Ttank=70 exit

pressure=100kPa

단위 (mm) throat diameter=50 length 150 outlet diameter=70 diffusion

angle α=38deg

d = 0007 pe = 100kilo po = 7pe Ttank =7C

To = TK+Ttank To=343 (K)

times

sec

Air_massflow1N_hour =Air_masflow1N_sechoursec

Air_massflow1N_hour = 133024 (kghrper 1 nozzle)

Air_massflow3N_hour = Air_massflow 1N_hour3

Air_massflow 3N_hour = 399071 (kghrper 3 nozzles)

Imsec)

sec

timesorsec timesorsec

(kgm3)

sec

sec sec

공기분사 노즐 목의 직경이 50mm 출구 직경이 70mm 노즐 목에서 노즐 출구까

지의 길이가 150mm로 공기 분사노즐의 환산각 도인 공기 분사노즐이 3

개 장착되어 있으며 탱크내의 공기가 압력 7bar 와 70 를 유지하면서 계속적으

로 노즐을 통하여 공급되며 또한 분쇄 챔버 내의 압력이 1bar 로 유지되는 경우의

공기 분사노즐의 유동 특성 계산 결과를 종합 정리하면 다음과 같다

- 노즐 출구에서의 공기 최대 속도 542151msec

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 무게 399071kghr

(노즐 하나에 00369kgsec)

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 부피 225333m3hr(0063m3sec)

- 소요 동력 16291kWhhr

5 수축확산 공기 분사노즐의 유동 해석

공기 분사노즐을 3D 모델링 프로그램 SolidWorks(13)로 모델링하여 열유체 해석

을 위한 유한요소해석 프로그램 COSMOSFlwWorks(14)로 공기 분사노즐 내의 유

동 해석을 수행하였다 해석 대상 공기 분사노즐 단면의 형상과 각부의 치수는

Fig18에서와 같다

Fig 18 수축확산 노즐 유동 해석 모델의 단면

해석시에 적용된 변수값들은 앞의 ldquo4 초음속 공기 분사노즐의 분사 특성 계산rdquo에

서 산출된 값을 적용하였다 노즐의 확산부위 길이는 15mm 이며 분사노즐의 확산

각은 도이다 노즐 하나에 대하여 Fig 18 의 왼쪽면에서 00369 kgsec

의 공기가 유입되며 오른쪽 분사노즐 출구면에 12bar 의 압력을 적용하였다 분사

노즐의 유동 해석 결과의 여러 가지 특성값 중에서 본 설계에서의 주요 관심사가

공기의 배출 속도인 관계로 Fig 19에 흐름의 속도 분포 Fig 20에 흐름의 마하넘

버 분포를 나타내었다 초음속 흐름에 대한 해석으로 분사노즐 목에서의 공기속도

가 약 335msec(마하 1)이 되며 노즐 출구에서 최대속도가 된다 Fig 21은 수축

확산 노즐에 대한 공기의 속도 분포 해석 결과를 반영하여 공기 분사노즐을 모델링

한 것이다

Fig 19 수축확산 노즐의 공기 흐름 속도 분포

Fig 20 수축확산 노즐의 공기 흐름 마하넘버 분포

Fig 21 수축확산 노즐 모델

6 분급 이론

분급(分級 classification)이란 유체력을 이용해서 분립체를 그 입자 지름의 크기에

따라 분리하는 것으로 넓은 뜻으로는 유체력에 의한 분리만이 아니라 체가름을 포

함하는 경우가 있다 더 넓게는 비중선별ㆍ자기력선별 등 모든 입자분리조작을 분

급이라고 한다 공기ㆍ물 등의 유체 속에서 운동하는 분립체의 각 입자에는 중력

또는 원심력 이외에 유체에 의한 유체항력 등이 함께 작용된다 이 힘 즉 유체항력

은 입자 지름에 의존하는 데 유체항력과 입자 지름의 관계는 중력이나 원심력과

입자 지름의 관계와는 다르기 때문에 이 둘 사이의 균형 조건이 입자 지름에 의해

좌우된다 좁은 뜻의 분급은 이 원리를 이용한 입경분리조작을 의미한다 중력장에

서 등속 침강하는 구 형상의 입자에 대한 힘의 균형은 다음 식으로 표현된다

여기서 은 입자 질량 prime는 입자에 의해 배제된 유체 질량 g는 중력가속도 R

은 는 유체항력을 나타낸다 유체항력 R은 다음 식으로 나타낼 수 있다

여기서 는 저항계수 (drag coefficient)로 입자 주위의 유체의 상대적인 흐름의

상태에 따라 결정되는 무차원 계수이다 는 유체의 밀도 는 입자의 침강속도

는 입자의 지름이며 는 입자의 투영 최대 면적이다 물 또는 공기 속에서 입

자의 지름이 100 이하 입자의 밀도가 3gcm2이하의 조건에서는 입자 주위의 흐

름은 거의 충류로 간주되며 이때 R은 다음 식으로 나타내진다

여기서 는 유체의 점성도이다

prime

이므로 식 (36)을 식 (34)에 대입하면 식 (37)을 얻는다

여기서 는 입자 밀도이며 식 (37)을 스토크스의 침강속도식이라고 하며 분급에서

분리입자 지름을 구하기 위한 기본식으로 중요하다

식 (37)은 다음

과 같이도 표현된다

유체가 공기나 그 외의 기체인 경우의 분급 조작을 건식 분급(또는 공기 분급) 물

이나 그 외의 액체인 경우의 분급 조작을 습식 분급이라 한다 앞에 언급된 기본식

들 이외에 어떤 종류의 분급장치에서는 유체의 흐름 방향이 급격히 변화할 때 흐름

에 따라 운동하는 입자의 관성력의 효과가 중요한 역할을 한다

분급에 사용하는 장치를 분급기(classifier)라고 한다 건식분급기에는 관성력을 이

용하는 것 중력침강을 이용하는 것 원심력을 이용하는 것 등이 있다 관성력을 이

용하는 건식분급기에는 루버식분급기 버추얼임팩터 엘보제트형분급기 등이 있는

데 건식분급기로는 원심력을 이용한 것이 가장 널리 사용되고 있다 원심력을 이용

한 건식분급기로는 분급 입도가 30~100 정도의 비교적 굵은 입도에서의 대량 처

리로 옛날부터 알려진 스튜어트밴트형 등이 있으며 또한 몇 ~30의 분급이 가

능한 여러 분급기가 개발되어 널리 쓰이게 되었다 또한 사이클론도 미립(微粒)에서

조립(組立)에 이르는 분체(粉體)의 건식분급에 이용된다 습식분급기에는 중력식과

원심력식이 있으며 중력식은 상승 수류(水流)와 유동층을 이용한 수력분급기 원뿔

형 또는 각뿔형 용기에서의 중력침강을 이용한 세틀링탱크 등의 침강분급조 완만

하게 경사진 직사각형의 조(槽)로부터 침하한 조립 생산물을 긁어올리기 위한 레이

크나 스파이럴을 갖춘 기계분급기 등으로 분류된다 원심력을 이용한 습식분급기로

는 사이클론 또는 하이드로사이클론이 가장 대표적이며 솔리드볼형ㆍ디스크형 등

의 원심분리기도 미립자용 분급기로 사용된다

Fig 22는 베인 구조의 원심형 분급기의 회전 단면 모습이다

Fig22베인 구조의 원심형 분급기의 단면

Fig 22에서 H는 분급기 내부 상하면 사이의 간격이며 는 선별된 미분이 배출되

는 반경 는 베인의 내반경 는 베인의 외반경을 나타낸다

분체 주위의 공기 흐름이 층류 흐름이라는 조건하에서 베인 구조의 원심형 분급기

에의 컷포인트(utpoint)를 결정짓는 외주부의 반경 은 다음과 같다

또한 선별된 미분이 배출되는 반경은 다음과 같다

베인 사이에서도 고체의 회전법칙이 적용된다 베인의 외주 반경에서 속도의 원주

방향 성분 과 중심방향 성분 가 가장 큰 영향을 준다

식 (41)과 식 (42)를 식 (38)에 대입하여 정리하면 다음과 같다

독일 Netzsch 사에서는 베인의 내반경 에서 선별된 미분이 배출되는 반경 까

지의 반경 방향의 공기 속도 성분 을 질정하게 해 주기 위하여 Fig 10에 보인

ldquoConvorrdquo라고 불리우는 단면의 분급기를 개발하여 사용화하고 있다

7 분급기 설계와 유동 해석

분급기의 베인 사이로 분쇄된 미분과 공기가 함께 유입되어 중앙부의 배출구로 통

과하는 분급기의 내부 형상을 설계하기에 앞서 분급기 내부를 구성하는 상면이 평

평한 구조의 분급기에 대한 유동해석을 실시하여 공기의 속도 분포를 검토하였다

해석 대상 분급기의 외경은 205mm이며 밑면 중앙에 공기 배출을 위하여 직경이

90mm인 원형 구멍이 뚫려 있다 분급기 외주에는 단면이 원호의 일부로 만들어진

두깨가 2mm 넓이가 18mm 길이가 35mm인 베인이 매 60도마다 10개씩 등간격

으로 모두 60개가 베인의 코드 방향과 분급기의 반경 방향이 이루는 각도가 약 15

도가 되도록 경사지게 설치되어 있다 원주 방향으로 매 60도마다 길이 35mm 직

경 8mm인 원형봉 6개가 등간격으로 배열되어 상ㆍ사 카버 사이에 베인을 고정시

켜 조립되는 구조이다 해석 대상 분급기에 사용된 베인의 단면과 베인의 배열 및

분급기 상ㆍ하면을 고정하는 봉이 포함된 수평면상의 평면도를 Fig 23에 나타내었

다 Fig 24는 분급기의 상면 형상이 평평한 구조인 경우에 대한 분급기의 수직단

면도이다

분급기에 유입되는 공기는 온도 50 유입량 01m3sec 분급기를 통과한 후에

배출되는 공간의 압력은 12bar이며 분급기의 회전속도는 8000rpm(838radsec)

이다 분급기에 발생되는 원심력의 절대적인 크기는 재료의 밀도와 분급하고자 하

는 분말의 크기에 따라 분급기의 회전수를 변화시켜서 조절한다 SolidWorks 및

COSMOSFloWorks 프로그램으로 분급기의 공기 유동해석을 실시하였다 해석시의

변수 입력 항목 및 해석 과정을 ldquo부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 유동해석 절

차rdquo에 정리하였다

Fig 23 베인과 상ㆍ하면 고정 원형봉의 평면 단면도

Fig24 분급기 상면이 평면인 경우의 수직단면도

공기 유동해석 결과를 Fig25~Fig27에 나타내었다 Fig25는 베인의 중간 높이에

서의 수평 단면에서의 공기 속도 분포이다 Fig26은 베인이 위치한 부위에서의수

직단면 Fig 27은 상ㆍ하면을 고정시켜 주는 원형봉이 있는 부위의 수직단면에 분

포하는 공기의 유입 속도 해석 결과를 나타낸 것이다

Fig 25 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig 26 베인 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig27 연결봉 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig15~Fig27의 공기 속도 등고선을 보면 베인 외주부의 상하 위치에 있어서 공

기의속도가 불균일한 분포를 보인다 베인의 분급기 내부 공간에서는 같은 반경인

위치에서 윗부분에서의 공기 속도가 아랫부분에서보다 빠르게 분포하고 있다 베인

의 높이 방향 상ㆍ하 위치에 따른 이러한 유입 속도의 편차는 분급기 외주의 실린

더 면으로부터 유입되는 공기가 분급기 중앙의 밑 방향으로만 배출되는 유동 통로

의 구조 때문으로 판단되낟 따라서 같은 반경의 같은 원심력이 발생되는 위치에

있어서도 윗부분에서의 공기 유입속도가 밑부분에서보다 크게 분포되어 윗부분에서

는 밑부분에서보다 큰 분말이 분급기 안으로 유입된다 지정된 크기의 컷오프보다

큰 분말과 작은 분말이 혼합된 상태로 배출되는 관계로 분급이 정밀도가 저하된다

베인의 상ㆍ하 위치에 무관하게 공기의 유입 속도를 가급적 균일하게 해 주기 위한

목적으로 분급기 내부의 단면 형상을 Fig28과 같은 인볼류트-컨볼류트

(involute-convolute) 단면으로 구성하여 공기의 유동해석을 실시하였다

Fig 28 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기

Fig29는 베인의 중간 높이 수평단면 상에서의 공기 속도 분포이다 Fig25에 비하

여 베인의 외주 부위에서의 공기의 속도가 균일하게 분포되고 있음을 보여 준다

Fig29 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig 30은 베인이 위치한 부위에서의 수직 단면 Fig31은 상ㆍ하면을 고정시켜 주

는 원평봉이 있는 부위에서의 수직 단면에 분포하는 공기 속도 분포이다 Fig30과

Fig31은 각각 Fig25와 Fig26에 비하여 베인의 높이 방향 전체에 걸쳐 공기의 유

입 속도가 상당히 균일하게 분포되는 것을 보여 주고 있다

Fig 30 베인 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig31 연결봉 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig32는 분급기 내부의 공간 형상이 인볼류트-컨볼류트인 분급기의 설계 모델이

Fig32 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 모델

Fig33은 앞의 수축확산 공기 분사노즐(Fig20)과 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급

기(fig32)로 구성된 건식 기류충격식 분쇄기의 3D모델이다 중요 부품의 도면은

ldquo부록 9 설계 도면rdquo에 수록하였다

Fig33 건식 기류충격식 분쇄기의 3D 모델

8 시작품 제작

수축확산 공기 분사노즐의 유동해석 및 분급기의 유동해석 결과를 바탕으로 시작품

을 제작하였다 Fig34는 수축확산 공기 분사노즐 헤드의 시작품 모습이다

Fig 34 수축확산 공기 분사노즐 헤드 시작품

Fig35는 분급기의 시작품 모습이다 분급기의 베인은 분체와 마찰시 내마모성을

갖도록 SUS 재질로 곡면 성형한 후 세라믹으로 코팅하여 제작하였다

Fig35 분급기 시작품

Fig 36은 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 수축확산 공기 분사

노즐 및 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 등이 분쇄기의 내부에 장착되어 있다

Fig36 건식 기류충격식 분쇄기 시작품

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기와 관련된 국외 특허 자료 조사와 분석 공기의

유동해석에 있어 많은 일정이 소요되었다 기술지원 추진일정을 Table1에 정리하

였다

Table 4 추진 일정

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 40: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

임계 압축비 또는 라발 압축비로 표현되는 다음 크기의 최대값을 갖는다

음속은 노즐의 단면적이 제일 작은 부분에서 임계 압축비에 도달한다

max는 테이퍼가 일정한 실린더 형상의 노즐에 적용된다 식 (26)에 의하여

ㆍ 가 되며 는 일정한 테이퍼의 노즐에서만 증가할 수 있다 만약 압

축비 가 임계비 이하이면 max이므로 노즐을 통과하는 질량의 흐름은 일정

하다 이것은 질량의 흐름이 외부의 압력에 영향을 받지 않는다는 것을 의미한다

질량의 흐름에 의한 일은 다음의 식 (30)으로부터 구해진다

압축성 유체의 단열 팽창시에 수행된 일은 식 (19)와 식 (30)로부터 다음과 같이

산출된다

아래의 Fig 15 는 수축확산 노즐의 단면 모습이며(11) Fig 16 은 수축확산 노즐에

서의 압력 온도 속도 변화를 나타낸 것이다(8)

Fig 15 수축확산 노즐(Laval Nozzle)

Fig 16 수축확산 노즐에서의 압력 온도 속도 변화

압축성 유체의 흐름에 있어서 임계 속도 이후에 노즐의 단면이 서서히 확대되면

열에너지가 유동에너지로 변환되면서 온도는 낮아지고 흐름이 증가된다

앞의 식 (27)을 참조할 때 Fig 16 의 수축확산 노즐의 단면적이 가장 작은 임계

압축비 에서 음속에 도달한다 이 것은 질량 흐름에 식 (26)이 계속적으로 유

효하다는 것을 의미한다 수축확산 노즐 출구에서의 온도는 다음과 같은 관계가 된

노즐 확산부의 치수는 다음식으로부터 구해지며

개스 상수 등은 계수 개스 유입 온도 노즐 목의 직경 압축비 등의

변수로부터 노즐 출구에서의 개스 속도와 온도를 구할 수가 있다 공기 흐름 해석

대상 노즐 각부에 대한 부호는 Fig17에서와 같다

Fig 17 수축확산 노즐의 각부 부호

실제 수축확산 노즐을 설계하는 데 있어서는 노즐에서 발생될 수 있는 압축파 발생

을 억제하기 위하여 노즐 출구의 치수를 설계값보다 약간 작게 한다 즉 Fig 17에

서의 노즐의 확산각 가 를 넘지 않아야 하며 최대 이내여야 한다

4 공기 분사노즐의 흐름 특성 계산

앞의 ldquo3 초음속 공기 분사노즐에서의 공기의 흐름rdquo에서 유도된 식들을 이용하여

ldquoMathcad 13 프로그램(12)으로 설계 대상 분쇄기에 적용되는 공기 분사노즐의 단

면 치수 유입 공기량 노즐 출구에서의 공기 속도 소요 동력 등을 산출하였다

우선 단위와 공기의 상수를 정리하면

kilo=1000 TK =273 hoursec =3600 k = 14

ㆍsecㆍ

ㆍsecㆍ

ㆍsec

ㆍsec

예를 들어 tan tan tan tan

해석 조건이 다음과 같으면 tank pressure=700kPa Ttank=70 exit

pressure=100kPa

단위 (mm) throat diameter=50 length 150 outlet diameter=70 diffusion

angle α=38deg

d = 0007 pe = 100kilo po = 7pe Ttank =7C

To = TK+Ttank To=343 (K)

times

sec

Air_massflow1N_hour =Air_masflow1N_sechoursec

Air_massflow1N_hour = 133024 (kghrper 1 nozzle)

Air_massflow3N_hour = Air_massflow 1N_hour3

Air_massflow 3N_hour = 399071 (kghrper 3 nozzles)

Imsec)

sec

timesorsec timesorsec

(kgm3)

sec

sec sec

공기분사 노즐 목의 직경이 50mm 출구 직경이 70mm 노즐 목에서 노즐 출구까

지의 길이가 150mm로 공기 분사노즐의 환산각 도인 공기 분사노즐이 3

개 장착되어 있으며 탱크내의 공기가 압력 7bar 와 70 를 유지하면서 계속적으

로 노즐을 통하여 공급되며 또한 분쇄 챔버 내의 압력이 1bar 로 유지되는 경우의

공기 분사노즐의 유동 특성 계산 결과를 종합 정리하면 다음과 같다

- 노즐 출구에서의 공기 최대 속도 542151msec

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 무게 399071kghr

(노즐 하나에 00369kgsec)

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 부피 225333m3hr(0063m3sec)

- 소요 동력 16291kWhhr

5 수축확산 공기 분사노즐의 유동 해석

공기 분사노즐을 3D 모델링 프로그램 SolidWorks(13)로 모델링하여 열유체 해석

을 위한 유한요소해석 프로그램 COSMOSFlwWorks(14)로 공기 분사노즐 내의 유

동 해석을 수행하였다 해석 대상 공기 분사노즐 단면의 형상과 각부의 치수는

Fig18에서와 같다

Fig 18 수축확산 노즐 유동 해석 모델의 단면

해석시에 적용된 변수값들은 앞의 ldquo4 초음속 공기 분사노즐의 분사 특성 계산rdquo에

서 산출된 값을 적용하였다 노즐의 확산부위 길이는 15mm 이며 분사노즐의 확산

각은 도이다 노즐 하나에 대하여 Fig 18 의 왼쪽면에서 00369 kgsec

의 공기가 유입되며 오른쪽 분사노즐 출구면에 12bar 의 압력을 적용하였다 분사

노즐의 유동 해석 결과의 여러 가지 특성값 중에서 본 설계에서의 주요 관심사가

공기의 배출 속도인 관계로 Fig 19에 흐름의 속도 분포 Fig 20에 흐름의 마하넘

버 분포를 나타내었다 초음속 흐름에 대한 해석으로 분사노즐 목에서의 공기속도

가 약 335msec(마하 1)이 되며 노즐 출구에서 최대속도가 된다 Fig 21은 수축

확산 노즐에 대한 공기의 속도 분포 해석 결과를 반영하여 공기 분사노즐을 모델링

한 것이다

Fig 19 수축확산 노즐의 공기 흐름 속도 분포

Fig 20 수축확산 노즐의 공기 흐름 마하넘버 분포

Fig 21 수축확산 노즐 모델

6 분급 이론

분급(分級 classification)이란 유체력을 이용해서 분립체를 그 입자 지름의 크기에

따라 분리하는 것으로 넓은 뜻으로는 유체력에 의한 분리만이 아니라 체가름을 포

함하는 경우가 있다 더 넓게는 비중선별ㆍ자기력선별 등 모든 입자분리조작을 분

급이라고 한다 공기ㆍ물 등의 유체 속에서 운동하는 분립체의 각 입자에는 중력

또는 원심력 이외에 유체에 의한 유체항력 등이 함께 작용된다 이 힘 즉 유체항력

은 입자 지름에 의존하는 데 유체항력과 입자 지름의 관계는 중력이나 원심력과

입자 지름의 관계와는 다르기 때문에 이 둘 사이의 균형 조건이 입자 지름에 의해

좌우된다 좁은 뜻의 분급은 이 원리를 이용한 입경분리조작을 의미한다 중력장에

서 등속 침강하는 구 형상의 입자에 대한 힘의 균형은 다음 식으로 표현된다

여기서 은 입자 질량 prime는 입자에 의해 배제된 유체 질량 g는 중력가속도 R

은 는 유체항력을 나타낸다 유체항력 R은 다음 식으로 나타낼 수 있다

여기서 는 저항계수 (drag coefficient)로 입자 주위의 유체의 상대적인 흐름의

상태에 따라 결정되는 무차원 계수이다 는 유체의 밀도 는 입자의 침강속도

는 입자의 지름이며 는 입자의 투영 최대 면적이다 물 또는 공기 속에서 입

자의 지름이 100 이하 입자의 밀도가 3gcm2이하의 조건에서는 입자 주위의 흐

름은 거의 충류로 간주되며 이때 R은 다음 식으로 나타내진다

여기서 는 유체의 점성도이다

prime

이므로 식 (36)을 식 (34)에 대입하면 식 (37)을 얻는다

여기서 는 입자 밀도이며 식 (37)을 스토크스의 침강속도식이라고 하며 분급에서

분리입자 지름을 구하기 위한 기본식으로 중요하다

식 (37)은 다음

과 같이도 표현된다

유체가 공기나 그 외의 기체인 경우의 분급 조작을 건식 분급(또는 공기 분급) 물

이나 그 외의 액체인 경우의 분급 조작을 습식 분급이라 한다 앞에 언급된 기본식

들 이외에 어떤 종류의 분급장치에서는 유체의 흐름 방향이 급격히 변화할 때 흐름

에 따라 운동하는 입자의 관성력의 효과가 중요한 역할을 한다

분급에 사용하는 장치를 분급기(classifier)라고 한다 건식분급기에는 관성력을 이

용하는 것 중력침강을 이용하는 것 원심력을 이용하는 것 등이 있다 관성력을 이

용하는 건식분급기에는 루버식분급기 버추얼임팩터 엘보제트형분급기 등이 있는

데 건식분급기로는 원심력을 이용한 것이 가장 널리 사용되고 있다 원심력을 이용

한 건식분급기로는 분급 입도가 30~100 정도의 비교적 굵은 입도에서의 대량 처

리로 옛날부터 알려진 스튜어트밴트형 등이 있으며 또한 몇 ~30의 분급이 가

능한 여러 분급기가 개발되어 널리 쓰이게 되었다 또한 사이클론도 미립(微粒)에서

조립(組立)에 이르는 분체(粉體)의 건식분급에 이용된다 습식분급기에는 중력식과

원심력식이 있으며 중력식은 상승 수류(水流)와 유동층을 이용한 수력분급기 원뿔

형 또는 각뿔형 용기에서의 중력침강을 이용한 세틀링탱크 등의 침강분급조 완만

하게 경사진 직사각형의 조(槽)로부터 침하한 조립 생산물을 긁어올리기 위한 레이

크나 스파이럴을 갖춘 기계분급기 등으로 분류된다 원심력을 이용한 습식분급기로

는 사이클론 또는 하이드로사이클론이 가장 대표적이며 솔리드볼형ㆍ디스크형 등

의 원심분리기도 미립자용 분급기로 사용된다

Fig 22는 베인 구조의 원심형 분급기의 회전 단면 모습이다

Fig22베인 구조의 원심형 분급기의 단면

Fig 22에서 H는 분급기 내부 상하면 사이의 간격이며 는 선별된 미분이 배출되

는 반경 는 베인의 내반경 는 베인의 외반경을 나타낸다

분체 주위의 공기 흐름이 층류 흐름이라는 조건하에서 베인 구조의 원심형 분급기

에의 컷포인트(utpoint)를 결정짓는 외주부의 반경 은 다음과 같다

또한 선별된 미분이 배출되는 반경은 다음과 같다

베인 사이에서도 고체의 회전법칙이 적용된다 베인의 외주 반경에서 속도의 원주

방향 성분 과 중심방향 성분 가 가장 큰 영향을 준다

식 (41)과 식 (42)를 식 (38)에 대입하여 정리하면 다음과 같다

독일 Netzsch 사에서는 베인의 내반경 에서 선별된 미분이 배출되는 반경 까

지의 반경 방향의 공기 속도 성분 을 질정하게 해 주기 위하여 Fig 10에 보인

ldquoConvorrdquo라고 불리우는 단면의 분급기를 개발하여 사용화하고 있다

7 분급기 설계와 유동 해석

분급기의 베인 사이로 분쇄된 미분과 공기가 함께 유입되어 중앙부의 배출구로 통

과하는 분급기의 내부 형상을 설계하기에 앞서 분급기 내부를 구성하는 상면이 평

평한 구조의 분급기에 대한 유동해석을 실시하여 공기의 속도 분포를 검토하였다

해석 대상 분급기의 외경은 205mm이며 밑면 중앙에 공기 배출을 위하여 직경이

90mm인 원형 구멍이 뚫려 있다 분급기 외주에는 단면이 원호의 일부로 만들어진

두깨가 2mm 넓이가 18mm 길이가 35mm인 베인이 매 60도마다 10개씩 등간격

으로 모두 60개가 베인의 코드 방향과 분급기의 반경 방향이 이루는 각도가 약 15

도가 되도록 경사지게 설치되어 있다 원주 방향으로 매 60도마다 길이 35mm 직

경 8mm인 원형봉 6개가 등간격으로 배열되어 상ㆍ사 카버 사이에 베인을 고정시

켜 조립되는 구조이다 해석 대상 분급기에 사용된 베인의 단면과 베인의 배열 및

분급기 상ㆍ하면을 고정하는 봉이 포함된 수평면상의 평면도를 Fig 23에 나타내었

다 Fig 24는 분급기의 상면 형상이 평평한 구조인 경우에 대한 분급기의 수직단

면도이다

분급기에 유입되는 공기는 온도 50 유입량 01m3sec 분급기를 통과한 후에

배출되는 공간의 압력은 12bar이며 분급기의 회전속도는 8000rpm(838radsec)

이다 분급기에 발생되는 원심력의 절대적인 크기는 재료의 밀도와 분급하고자 하

는 분말의 크기에 따라 분급기의 회전수를 변화시켜서 조절한다 SolidWorks 및

COSMOSFloWorks 프로그램으로 분급기의 공기 유동해석을 실시하였다 해석시의

변수 입력 항목 및 해석 과정을 ldquo부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 유동해석 절

차rdquo에 정리하였다

Fig 23 베인과 상ㆍ하면 고정 원형봉의 평면 단면도

Fig24 분급기 상면이 평면인 경우의 수직단면도

공기 유동해석 결과를 Fig25~Fig27에 나타내었다 Fig25는 베인의 중간 높이에

서의 수평 단면에서의 공기 속도 분포이다 Fig26은 베인이 위치한 부위에서의수

직단면 Fig 27은 상ㆍ하면을 고정시켜 주는 원형봉이 있는 부위의 수직단면에 분

포하는 공기의 유입 속도 해석 결과를 나타낸 것이다

Fig 25 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig 26 베인 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig27 연결봉 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig15~Fig27의 공기 속도 등고선을 보면 베인 외주부의 상하 위치에 있어서 공

기의속도가 불균일한 분포를 보인다 베인의 분급기 내부 공간에서는 같은 반경인

위치에서 윗부분에서의 공기 속도가 아랫부분에서보다 빠르게 분포하고 있다 베인

의 높이 방향 상ㆍ하 위치에 따른 이러한 유입 속도의 편차는 분급기 외주의 실린

더 면으로부터 유입되는 공기가 분급기 중앙의 밑 방향으로만 배출되는 유동 통로

의 구조 때문으로 판단되낟 따라서 같은 반경의 같은 원심력이 발생되는 위치에

있어서도 윗부분에서의 공기 유입속도가 밑부분에서보다 크게 분포되어 윗부분에서

는 밑부분에서보다 큰 분말이 분급기 안으로 유입된다 지정된 크기의 컷오프보다

큰 분말과 작은 분말이 혼합된 상태로 배출되는 관계로 분급이 정밀도가 저하된다

베인의 상ㆍ하 위치에 무관하게 공기의 유입 속도를 가급적 균일하게 해 주기 위한

목적으로 분급기 내부의 단면 형상을 Fig28과 같은 인볼류트-컨볼류트

(involute-convolute) 단면으로 구성하여 공기의 유동해석을 실시하였다

Fig 28 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기

Fig29는 베인의 중간 높이 수평단면 상에서의 공기 속도 분포이다 Fig25에 비하

여 베인의 외주 부위에서의 공기의 속도가 균일하게 분포되고 있음을 보여 준다

Fig29 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig 30은 베인이 위치한 부위에서의 수직 단면 Fig31은 상ㆍ하면을 고정시켜 주

는 원평봉이 있는 부위에서의 수직 단면에 분포하는 공기 속도 분포이다 Fig30과

Fig31은 각각 Fig25와 Fig26에 비하여 베인의 높이 방향 전체에 걸쳐 공기의 유

입 속도가 상당히 균일하게 분포되는 것을 보여 주고 있다

Fig 30 베인 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig31 연결봉 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig32는 분급기 내부의 공간 형상이 인볼류트-컨볼류트인 분급기의 설계 모델이

Fig32 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 모델

Fig33은 앞의 수축확산 공기 분사노즐(Fig20)과 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급

기(fig32)로 구성된 건식 기류충격식 분쇄기의 3D모델이다 중요 부품의 도면은

ldquo부록 9 설계 도면rdquo에 수록하였다

Fig33 건식 기류충격식 분쇄기의 3D 모델

8 시작품 제작

수축확산 공기 분사노즐의 유동해석 및 분급기의 유동해석 결과를 바탕으로 시작품

을 제작하였다 Fig34는 수축확산 공기 분사노즐 헤드의 시작품 모습이다

Fig 34 수축확산 공기 분사노즐 헤드 시작품

Fig35는 분급기의 시작품 모습이다 분급기의 베인은 분체와 마찰시 내마모성을

갖도록 SUS 재질로 곡면 성형한 후 세라믹으로 코팅하여 제작하였다

Fig35 분급기 시작품

Fig 36은 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 수축확산 공기 분사

노즐 및 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 등이 분쇄기의 내부에 장착되어 있다

Fig36 건식 기류충격식 분쇄기 시작품

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기와 관련된 국외 특허 자료 조사와 분석 공기의

유동해석에 있어 많은 일정이 소요되었다 기술지원 추진일정을 Table1에 정리하

였다

Table 4 추진 일정

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 41: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

Fig 16 수축확산 노즐에서의 압력 온도 속도 변화

압축성 유체의 흐름에 있어서 임계 속도 이후에 노즐의 단면이 서서히 확대되면

열에너지가 유동에너지로 변환되면서 온도는 낮아지고 흐름이 증가된다

앞의 식 (27)을 참조할 때 Fig 16 의 수축확산 노즐의 단면적이 가장 작은 임계

압축비 에서 음속에 도달한다 이 것은 질량 흐름에 식 (26)이 계속적으로 유

효하다는 것을 의미한다 수축확산 노즐 출구에서의 온도는 다음과 같은 관계가 된

노즐 확산부의 치수는 다음식으로부터 구해지며

개스 상수 등은 계수 개스 유입 온도 노즐 목의 직경 압축비 등의

변수로부터 노즐 출구에서의 개스 속도와 온도를 구할 수가 있다 공기 흐름 해석

대상 노즐 각부에 대한 부호는 Fig17에서와 같다

Fig 17 수축확산 노즐의 각부 부호

실제 수축확산 노즐을 설계하는 데 있어서는 노즐에서 발생될 수 있는 압축파 발생

을 억제하기 위하여 노즐 출구의 치수를 설계값보다 약간 작게 한다 즉 Fig 17에

서의 노즐의 확산각 가 를 넘지 않아야 하며 최대 이내여야 한다

4 공기 분사노즐의 흐름 특성 계산

앞의 ldquo3 초음속 공기 분사노즐에서의 공기의 흐름rdquo에서 유도된 식들을 이용하여

ldquoMathcad 13 프로그램(12)으로 설계 대상 분쇄기에 적용되는 공기 분사노즐의 단

면 치수 유입 공기량 노즐 출구에서의 공기 속도 소요 동력 등을 산출하였다

우선 단위와 공기의 상수를 정리하면

kilo=1000 TK =273 hoursec =3600 k = 14

ㆍsecㆍ

ㆍsecㆍ

ㆍsec

ㆍsec

예를 들어 tan tan tan tan

해석 조건이 다음과 같으면 tank pressure=700kPa Ttank=70 exit

pressure=100kPa

단위 (mm) throat diameter=50 length 150 outlet diameter=70 diffusion

angle α=38deg

d = 0007 pe = 100kilo po = 7pe Ttank =7C

To = TK+Ttank To=343 (K)

times

sec

Air_massflow1N_hour =Air_masflow1N_sechoursec

Air_massflow1N_hour = 133024 (kghrper 1 nozzle)

Air_massflow3N_hour = Air_massflow 1N_hour3

Air_massflow 3N_hour = 399071 (kghrper 3 nozzles)

Imsec)

sec

timesorsec timesorsec

(kgm3)

sec

sec sec

공기분사 노즐 목의 직경이 50mm 출구 직경이 70mm 노즐 목에서 노즐 출구까

지의 길이가 150mm로 공기 분사노즐의 환산각 도인 공기 분사노즐이 3

개 장착되어 있으며 탱크내의 공기가 압력 7bar 와 70 를 유지하면서 계속적으

로 노즐을 통하여 공급되며 또한 분쇄 챔버 내의 압력이 1bar 로 유지되는 경우의

공기 분사노즐의 유동 특성 계산 결과를 종합 정리하면 다음과 같다

- 노즐 출구에서의 공기 최대 속도 542151msec

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 무게 399071kghr

(노즐 하나에 00369kgsec)

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 부피 225333m3hr(0063m3sec)

- 소요 동력 16291kWhhr

5 수축확산 공기 분사노즐의 유동 해석

공기 분사노즐을 3D 모델링 프로그램 SolidWorks(13)로 모델링하여 열유체 해석

을 위한 유한요소해석 프로그램 COSMOSFlwWorks(14)로 공기 분사노즐 내의 유

동 해석을 수행하였다 해석 대상 공기 분사노즐 단면의 형상과 각부의 치수는

Fig18에서와 같다

Fig 18 수축확산 노즐 유동 해석 모델의 단면

해석시에 적용된 변수값들은 앞의 ldquo4 초음속 공기 분사노즐의 분사 특성 계산rdquo에

서 산출된 값을 적용하였다 노즐의 확산부위 길이는 15mm 이며 분사노즐의 확산

각은 도이다 노즐 하나에 대하여 Fig 18 의 왼쪽면에서 00369 kgsec

의 공기가 유입되며 오른쪽 분사노즐 출구면에 12bar 의 압력을 적용하였다 분사

노즐의 유동 해석 결과의 여러 가지 특성값 중에서 본 설계에서의 주요 관심사가

공기의 배출 속도인 관계로 Fig 19에 흐름의 속도 분포 Fig 20에 흐름의 마하넘

버 분포를 나타내었다 초음속 흐름에 대한 해석으로 분사노즐 목에서의 공기속도

가 약 335msec(마하 1)이 되며 노즐 출구에서 최대속도가 된다 Fig 21은 수축

확산 노즐에 대한 공기의 속도 분포 해석 결과를 반영하여 공기 분사노즐을 모델링

한 것이다

Fig 19 수축확산 노즐의 공기 흐름 속도 분포

Fig 20 수축확산 노즐의 공기 흐름 마하넘버 분포

Fig 21 수축확산 노즐 모델

6 분급 이론

분급(分級 classification)이란 유체력을 이용해서 분립체를 그 입자 지름의 크기에

따라 분리하는 것으로 넓은 뜻으로는 유체력에 의한 분리만이 아니라 체가름을 포

함하는 경우가 있다 더 넓게는 비중선별ㆍ자기력선별 등 모든 입자분리조작을 분

급이라고 한다 공기ㆍ물 등의 유체 속에서 운동하는 분립체의 각 입자에는 중력

또는 원심력 이외에 유체에 의한 유체항력 등이 함께 작용된다 이 힘 즉 유체항력

은 입자 지름에 의존하는 데 유체항력과 입자 지름의 관계는 중력이나 원심력과

입자 지름의 관계와는 다르기 때문에 이 둘 사이의 균형 조건이 입자 지름에 의해

좌우된다 좁은 뜻의 분급은 이 원리를 이용한 입경분리조작을 의미한다 중력장에

서 등속 침강하는 구 형상의 입자에 대한 힘의 균형은 다음 식으로 표현된다

여기서 은 입자 질량 prime는 입자에 의해 배제된 유체 질량 g는 중력가속도 R

은 는 유체항력을 나타낸다 유체항력 R은 다음 식으로 나타낼 수 있다

여기서 는 저항계수 (drag coefficient)로 입자 주위의 유체의 상대적인 흐름의

상태에 따라 결정되는 무차원 계수이다 는 유체의 밀도 는 입자의 침강속도

는 입자의 지름이며 는 입자의 투영 최대 면적이다 물 또는 공기 속에서 입

자의 지름이 100 이하 입자의 밀도가 3gcm2이하의 조건에서는 입자 주위의 흐

름은 거의 충류로 간주되며 이때 R은 다음 식으로 나타내진다

여기서 는 유체의 점성도이다

prime

이므로 식 (36)을 식 (34)에 대입하면 식 (37)을 얻는다

여기서 는 입자 밀도이며 식 (37)을 스토크스의 침강속도식이라고 하며 분급에서

분리입자 지름을 구하기 위한 기본식으로 중요하다

식 (37)은 다음

과 같이도 표현된다

유체가 공기나 그 외의 기체인 경우의 분급 조작을 건식 분급(또는 공기 분급) 물

이나 그 외의 액체인 경우의 분급 조작을 습식 분급이라 한다 앞에 언급된 기본식

들 이외에 어떤 종류의 분급장치에서는 유체의 흐름 방향이 급격히 변화할 때 흐름

에 따라 운동하는 입자의 관성력의 효과가 중요한 역할을 한다

분급에 사용하는 장치를 분급기(classifier)라고 한다 건식분급기에는 관성력을 이

용하는 것 중력침강을 이용하는 것 원심력을 이용하는 것 등이 있다 관성력을 이

용하는 건식분급기에는 루버식분급기 버추얼임팩터 엘보제트형분급기 등이 있는

데 건식분급기로는 원심력을 이용한 것이 가장 널리 사용되고 있다 원심력을 이용

한 건식분급기로는 분급 입도가 30~100 정도의 비교적 굵은 입도에서의 대량 처

리로 옛날부터 알려진 스튜어트밴트형 등이 있으며 또한 몇 ~30의 분급이 가

능한 여러 분급기가 개발되어 널리 쓰이게 되었다 또한 사이클론도 미립(微粒)에서

조립(組立)에 이르는 분체(粉體)의 건식분급에 이용된다 습식분급기에는 중력식과

원심력식이 있으며 중력식은 상승 수류(水流)와 유동층을 이용한 수력분급기 원뿔

형 또는 각뿔형 용기에서의 중력침강을 이용한 세틀링탱크 등의 침강분급조 완만

하게 경사진 직사각형의 조(槽)로부터 침하한 조립 생산물을 긁어올리기 위한 레이

크나 스파이럴을 갖춘 기계분급기 등으로 분류된다 원심력을 이용한 습식분급기로

는 사이클론 또는 하이드로사이클론이 가장 대표적이며 솔리드볼형ㆍ디스크형 등

의 원심분리기도 미립자용 분급기로 사용된다

Fig 22는 베인 구조의 원심형 분급기의 회전 단면 모습이다

Fig22베인 구조의 원심형 분급기의 단면

Fig 22에서 H는 분급기 내부 상하면 사이의 간격이며 는 선별된 미분이 배출되

는 반경 는 베인의 내반경 는 베인의 외반경을 나타낸다

분체 주위의 공기 흐름이 층류 흐름이라는 조건하에서 베인 구조의 원심형 분급기

에의 컷포인트(utpoint)를 결정짓는 외주부의 반경 은 다음과 같다

또한 선별된 미분이 배출되는 반경은 다음과 같다

베인 사이에서도 고체의 회전법칙이 적용된다 베인의 외주 반경에서 속도의 원주

방향 성분 과 중심방향 성분 가 가장 큰 영향을 준다

식 (41)과 식 (42)를 식 (38)에 대입하여 정리하면 다음과 같다

독일 Netzsch 사에서는 베인의 내반경 에서 선별된 미분이 배출되는 반경 까

지의 반경 방향의 공기 속도 성분 을 질정하게 해 주기 위하여 Fig 10에 보인

ldquoConvorrdquo라고 불리우는 단면의 분급기를 개발하여 사용화하고 있다

7 분급기 설계와 유동 해석

분급기의 베인 사이로 분쇄된 미분과 공기가 함께 유입되어 중앙부의 배출구로 통

과하는 분급기의 내부 형상을 설계하기에 앞서 분급기 내부를 구성하는 상면이 평

평한 구조의 분급기에 대한 유동해석을 실시하여 공기의 속도 분포를 검토하였다

해석 대상 분급기의 외경은 205mm이며 밑면 중앙에 공기 배출을 위하여 직경이

90mm인 원형 구멍이 뚫려 있다 분급기 외주에는 단면이 원호의 일부로 만들어진

두깨가 2mm 넓이가 18mm 길이가 35mm인 베인이 매 60도마다 10개씩 등간격

으로 모두 60개가 베인의 코드 방향과 분급기의 반경 방향이 이루는 각도가 약 15

도가 되도록 경사지게 설치되어 있다 원주 방향으로 매 60도마다 길이 35mm 직

경 8mm인 원형봉 6개가 등간격으로 배열되어 상ㆍ사 카버 사이에 베인을 고정시

켜 조립되는 구조이다 해석 대상 분급기에 사용된 베인의 단면과 베인의 배열 및

분급기 상ㆍ하면을 고정하는 봉이 포함된 수평면상의 평면도를 Fig 23에 나타내었

다 Fig 24는 분급기의 상면 형상이 평평한 구조인 경우에 대한 분급기의 수직단

면도이다

분급기에 유입되는 공기는 온도 50 유입량 01m3sec 분급기를 통과한 후에

배출되는 공간의 압력은 12bar이며 분급기의 회전속도는 8000rpm(838radsec)

이다 분급기에 발생되는 원심력의 절대적인 크기는 재료의 밀도와 분급하고자 하

는 분말의 크기에 따라 분급기의 회전수를 변화시켜서 조절한다 SolidWorks 및

COSMOSFloWorks 프로그램으로 분급기의 공기 유동해석을 실시하였다 해석시의

변수 입력 항목 및 해석 과정을 ldquo부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 유동해석 절

차rdquo에 정리하였다

Fig 23 베인과 상ㆍ하면 고정 원형봉의 평면 단면도

Fig24 분급기 상면이 평면인 경우의 수직단면도

공기 유동해석 결과를 Fig25~Fig27에 나타내었다 Fig25는 베인의 중간 높이에

서의 수평 단면에서의 공기 속도 분포이다 Fig26은 베인이 위치한 부위에서의수

직단면 Fig 27은 상ㆍ하면을 고정시켜 주는 원형봉이 있는 부위의 수직단면에 분

포하는 공기의 유입 속도 해석 결과를 나타낸 것이다

Fig 25 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig 26 베인 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig27 연결봉 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig15~Fig27의 공기 속도 등고선을 보면 베인 외주부의 상하 위치에 있어서 공

기의속도가 불균일한 분포를 보인다 베인의 분급기 내부 공간에서는 같은 반경인

위치에서 윗부분에서의 공기 속도가 아랫부분에서보다 빠르게 분포하고 있다 베인

의 높이 방향 상ㆍ하 위치에 따른 이러한 유입 속도의 편차는 분급기 외주의 실린

더 면으로부터 유입되는 공기가 분급기 중앙의 밑 방향으로만 배출되는 유동 통로

의 구조 때문으로 판단되낟 따라서 같은 반경의 같은 원심력이 발생되는 위치에

있어서도 윗부분에서의 공기 유입속도가 밑부분에서보다 크게 분포되어 윗부분에서

는 밑부분에서보다 큰 분말이 분급기 안으로 유입된다 지정된 크기의 컷오프보다

큰 분말과 작은 분말이 혼합된 상태로 배출되는 관계로 분급이 정밀도가 저하된다

베인의 상ㆍ하 위치에 무관하게 공기의 유입 속도를 가급적 균일하게 해 주기 위한

목적으로 분급기 내부의 단면 형상을 Fig28과 같은 인볼류트-컨볼류트

(involute-convolute) 단면으로 구성하여 공기의 유동해석을 실시하였다

Fig 28 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기

Fig29는 베인의 중간 높이 수평단면 상에서의 공기 속도 분포이다 Fig25에 비하

여 베인의 외주 부위에서의 공기의 속도가 균일하게 분포되고 있음을 보여 준다

Fig29 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig 30은 베인이 위치한 부위에서의 수직 단면 Fig31은 상ㆍ하면을 고정시켜 주

는 원평봉이 있는 부위에서의 수직 단면에 분포하는 공기 속도 분포이다 Fig30과

Fig31은 각각 Fig25와 Fig26에 비하여 베인의 높이 방향 전체에 걸쳐 공기의 유

입 속도가 상당히 균일하게 분포되는 것을 보여 주고 있다

Fig 30 베인 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig31 연결봉 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig32는 분급기 내부의 공간 형상이 인볼류트-컨볼류트인 분급기의 설계 모델이

Fig32 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 모델

Fig33은 앞의 수축확산 공기 분사노즐(Fig20)과 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급

기(fig32)로 구성된 건식 기류충격식 분쇄기의 3D모델이다 중요 부품의 도면은

ldquo부록 9 설계 도면rdquo에 수록하였다

Fig33 건식 기류충격식 분쇄기의 3D 모델

8 시작품 제작

수축확산 공기 분사노즐의 유동해석 및 분급기의 유동해석 결과를 바탕으로 시작품

을 제작하였다 Fig34는 수축확산 공기 분사노즐 헤드의 시작품 모습이다

Fig 34 수축확산 공기 분사노즐 헤드 시작품

Fig35는 분급기의 시작품 모습이다 분급기의 베인은 분체와 마찰시 내마모성을

갖도록 SUS 재질로 곡면 성형한 후 세라믹으로 코팅하여 제작하였다

Fig35 분급기 시작품

Fig 36은 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 수축확산 공기 분사

노즐 및 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 등이 분쇄기의 내부에 장착되어 있다

Fig36 건식 기류충격식 분쇄기 시작품

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기와 관련된 국외 특허 자료 조사와 분석 공기의

유동해석에 있어 많은 일정이 소요되었다 기술지원 추진일정을 Table1에 정리하

였다

Table 4 추진 일정

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 42: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

Fig 17 수축확산 노즐의 각부 부호

실제 수축확산 노즐을 설계하는 데 있어서는 노즐에서 발생될 수 있는 압축파 발생

을 억제하기 위하여 노즐 출구의 치수를 설계값보다 약간 작게 한다 즉 Fig 17에

서의 노즐의 확산각 가 를 넘지 않아야 하며 최대 이내여야 한다

4 공기 분사노즐의 흐름 특성 계산

앞의 ldquo3 초음속 공기 분사노즐에서의 공기의 흐름rdquo에서 유도된 식들을 이용하여

ldquoMathcad 13 프로그램(12)으로 설계 대상 분쇄기에 적용되는 공기 분사노즐의 단

면 치수 유입 공기량 노즐 출구에서의 공기 속도 소요 동력 등을 산출하였다

우선 단위와 공기의 상수를 정리하면

kilo=1000 TK =273 hoursec =3600 k = 14

ㆍsecㆍ

ㆍsecㆍ

ㆍsec

ㆍsec

예를 들어 tan tan tan tan

해석 조건이 다음과 같으면 tank pressure=700kPa Ttank=70 exit

pressure=100kPa

단위 (mm) throat diameter=50 length 150 outlet diameter=70 diffusion

angle α=38deg

d = 0007 pe = 100kilo po = 7pe Ttank =7C

To = TK+Ttank To=343 (K)

times

sec

Air_massflow1N_hour =Air_masflow1N_sechoursec

Air_massflow1N_hour = 133024 (kghrper 1 nozzle)

Air_massflow3N_hour = Air_massflow 1N_hour3

Air_massflow 3N_hour = 399071 (kghrper 3 nozzles)

Imsec)

sec

timesorsec timesorsec

(kgm3)

sec

sec sec

공기분사 노즐 목의 직경이 50mm 출구 직경이 70mm 노즐 목에서 노즐 출구까

지의 길이가 150mm로 공기 분사노즐의 환산각 도인 공기 분사노즐이 3

개 장착되어 있으며 탱크내의 공기가 압력 7bar 와 70 를 유지하면서 계속적으

로 노즐을 통하여 공급되며 또한 분쇄 챔버 내의 압력이 1bar 로 유지되는 경우의

공기 분사노즐의 유동 특성 계산 결과를 종합 정리하면 다음과 같다

- 노즐 출구에서의 공기 최대 속도 542151msec

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 무게 399071kghr

(노즐 하나에 00369kgsec)

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 부피 225333m3hr(0063m3sec)

- 소요 동력 16291kWhhr

5 수축확산 공기 분사노즐의 유동 해석

공기 분사노즐을 3D 모델링 프로그램 SolidWorks(13)로 모델링하여 열유체 해석

을 위한 유한요소해석 프로그램 COSMOSFlwWorks(14)로 공기 분사노즐 내의 유

동 해석을 수행하였다 해석 대상 공기 분사노즐 단면의 형상과 각부의 치수는

Fig18에서와 같다

Fig 18 수축확산 노즐 유동 해석 모델의 단면

해석시에 적용된 변수값들은 앞의 ldquo4 초음속 공기 분사노즐의 분사 특성 계산rdquo에

서 산출된 값을 적용하였다 노즐의 확산부위 길이는 15mm 이며 분사노즐의 확산

각은 도이다 노즐 하나에 대하여 Fig 18 의 왼쪽면에서 00369 kgsec

의 공기가 유입되며 오른쪽 분사노즐 출구면에 12bar 의 압력을 적용하였다 분사

노즐의 유동 해석 결과의 여러 가지 특성값 중에서 본 설계에서의 주요 관심사가

공기의 배출 속도인 관계로 Fig 19에 흐름의 속도 분포 Fig 20에 흐름의 마하넘

버 분포를 나타내었다 초음속 흐름에 대한 해석으로 분사노즐 목에서의 공기속도

가 약 335msec(마하 1)이 되며 노즐 출구에서 최대속도가 된다 Fig 21은 수축

확산 노즐에 대한 공기의 속도 분포 해석 결과를 반영하여 공기 분사노즐을 모델링

한 것이다

Fig 19 수축확산 노즐의 공기 흐름 속도 분포

Fig 20 수축확산 노즐의 공기 흐름 마하넘버 분포

Fig 21 수축확산 노즐 모델

6 분급 이론

분급(分級 classification)이란 유체력을 이용해서 분립체를 그 입자 지름의 크기에

따라 분리하는 것으로 넓은 뜻으로는 유체력에 의한 분리만이 아니라 체가름을 포

함하는 경우가 있다 더 넓게는 비중선별ㆍ자기력선별 등 모든 입자분리조작을 분

급이라고 한다 공기ㆍ물 등의 유체 속에서 운동하는 분립체의 각 입자에는 중력

또는 원심력 이외에 유체에 의한 유체항력 등이 함께 작용된다 이 힘 즉 유체항력

은 입자 지름에 의존하는 데 유체항력과 입자 지름의 관계는 중력이나 원심력과

입자 지름의 관계와는 다르기 때문에 이 둘 사이의 균형 조건이 입자 지름에 의해

좌우된다 좁은 뜻의 분급은 이 원리를 이용한 입경분리조작을 의미한다 중력장에

서 등속 침강하는 구 형상의 입자에 대한 힘의 균형은 다음 식으로 표현된다

여기서 은 입자 질량 prime는 입자에 의해 배제된 유체 질량 g는 중력가속도 R

은 는 유체항력을 나타낸다 유체항력 R은 다음 식으로 나타낼 수 있다

여기서 는 저항계수 (drag coefficient)로 입자 주위의 유체의 상대적인 흐름의

상태에 따라 결정되는 무차원 계수이다 는 유체의 밀도 는 입자의 침강속도

는 입자의 지름이며 는 입자의 투영 최대 면적이다 물 또는 공기 속에서 입

자의 지름이 100 이하 입자의 밀도가 3gcm2이하의 조건에서는 입자 주위의 흐

름은 거의 충류로 간주되며 이때 R은 다음 식으로 나타내진다

여기서 는 유체의 점성도이다

prime

이므로 식 (36)을 식 (34)에 대입하면 식 (37)을 얻는다

여기서 는 입자 밀도이며 식 (37)을 스토크스의 침강속도식이라고 하며 분급에서

분리입자 지름을 구하기 위한 기본식으로 중요하다

식 (37)은 다음

과 같이도 표현된다

유체가 공기나 그 외의 기체인 경우의 분급 조작을 건식 분급(또는 공기 분급) 물

이나 그 외의 액체인 경우의 분급 조작을 습식 분급이라 한다 앞에 언급된 기본식

들 이외에 어떤 종류의 분급장치에서는 유체의 흐름 방향이 급격히 변화할 때 흐름

에 따라 운동하는 입자의 관성력의 효과가 중요한 역할을 한다

분급에 사용하는 장치를 분급기(classifier)라고 한다 건식분급기에는 관성력을 이

용하는 것 중력침강을 이용하는 것 원심력을 이용하는 것 등이 있다 관성력을 이

용하는 건식분급기에는 루버식분급기 버추얼임팩터 엘보제트형분급기 등이 있는

데 건식분급기로는 원심력을 이용한 것이 가장 널리 사용되고 있다 원심력을 이용

한 건식분급기로는 분급 입도가 30~100 정도의 비교적 굵은 입도에서의 대량 처

리로 옛날부터 알려진 스튜어트밴트형 등이 있으며 또한 몇 ~30의 분급이 가

능한 여러 분급기가 개발되어 널리 쓰이게 되었다 또한 사이클론도 미립(微粒)에서

조립(組立)에 이르는 분체(粉體)의 건식분급에 이용된다 습식분급기에는 중력식과

원심력식이 있으며 중력식은 상승 수류(水流)와 유동층을 이용한 수력분급기 원뿔

형 또는 각뿔형 용기에서의 중력침강을 이용한 세틀링탱크 등의 침강분급조 완만

하게 경사진 직사각형의 조(槽)로부터 침하한 조립 생산물을 긁어올리기 위한 레이

크나 스파이럴을 갖춘 기계분급기 등으로 분류된다 원심력을 이용한 습식분급기로

는 사이클론 또는 하이드로사이클론이 가장 대표적이며 솔리드볼형ㆍ디스크형 등

의 원심분리기도 미립자용 분급기로 사용된다

Fig 22는 베인 구조의 원심형 분급기의 회전 단면 모습이다

Fig22베인 구조의 원심형 분급기의 단면

Fig 22에서 H는 분급기 내부 상하면 사이의 간격이며 는 선별된 미분이 배출되

는 반경 는 베인의 내반경 는 베인의 외반경을 나타낸다

분체 주위의 공기 흐름이 층류 흐름이라는 조건하에서 베인 구조의 원심형 분급기

에의 컷포인트(utpoint)를 결정짓는 외주부의 반경 은 다음과 같다

또한 선별된 미분이 배출되는 반경은 다음과 같다

베인 사이에서도 고체의 회전법칙이 적용된다 베인의 외주 반경에서 속도의 원주

방향 성분 과 중심방향 성분 가 가장 큰 영향을 준다

식 (41)과 식 (42)를 식 (38)에 대입하여 정리하면 다음과 같다

독일 Netzsch 사에서는 베인의 내반경 에서 선별된 미분이 배출되는 반경 까

지의 반경 방향의 공기 속도 성분 을 질정하게 해 주기 위하여 Fig 10에 보인

ldquoConvorrdquo라고 불리우는 단면의 분급기를 개발하여 사용화하고 있다

7 분급기 설계와 유동 해석

분급기의 베인 사이로 분쇄된 미분과 공기가 함께 유입되어 중앙부의 배출구로 통

과하는 분급기의 내부 형상을 설계하기에 앞서 분급기 내부를 구성하는 상면이 평

평한 구조의 분급기에 대한 유동해석을 실시하여 공기의 속도 분포를 검토하였다

해석 대상 분급기의 외경은 205mm이며 밑면 중앙에 공기 배출을 위하여 직경이

90mm인 원형 구멍이 뚫려 있다 분급기 외주에는 단면이 원호의 일부로 만들어진

두깨가 2mm 넓이가 18mm 길이가 35mm인 베인이 매 60도마다 10개씩 등간격

으로 모두 60개가 베인의 코드 방향과 분급기의 반경 방향이 이루는 각도가 약 15

도가 되도록 경사지게 설치되어 있다 원주 방향으로 매 60도마다 길이 35mm 직

경 8mm인 원형봉 6개가 등간격으로 배열되어 상ㆍ사 카버 사이에 베인을 고정시

켜 조립되는 구조이다 해석 대상 분급기에 사용된 베인의 단면과 베인의 배열 및

분급기 상ㆍ하면을 고정하는 봉이 포함된 수평면상의 평면도를 Fig 23에 나타내었

다 Fig 24는 분급기의 상면 형상이 평평한 구조인 경우에 대한 분급기의 수직단

면도이다

분급기에 유입되는 공기는 온도 50 유입량 01m3sec 분급기를 통과한 후에

배출되는 공간의 압력은 12bar이며 분급기의 회전속도는 8000rpm(838radsec)

이다 분급기에 발생되는 원심력의 절대적인 크기는 재료의 밀도와 분급하고자 하

는 분말의 크기에 따라 분급기의 회전수를 변화시켜서 조절한다 SolidWorks 및

COSMOSFloWorks 프로그램으로 분급기의 공기 유동해석을 실시하였다 해석시의

변수 입력 항목 및 해석 과정을 ldquo부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 유동해석 절

차rdquo에 정리하였다

Fig 23 베인과 상ㆍ하면 고정 원형봉의 평면 단면도

Fig24 분급기 상면이 평면인 경우의 수직단면도

공기 유동해석 결과를 Fig25~Fig27에 나타내었다 Fig25는 베인의 중간 높이에

서의 수평 단면에서의 공기 속도 분포이다 Fig26은 베인이 위치한 부위에서의수

직단면 Fig 27은 상ㆍ하면을 고정시켜 주는 원형봉이 있는 부위의 수직단면에 분

포하는 공기의 유입 속도 해석 결과를 나타낸 것이다

Fig 25 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig 26 베인 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig27 연결봉 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig15~Fig27의 공기 속도 등고선을 보면 베인 외주부의 상하 위치에 있어서 공

기의속도가 불균일한 분포를 보인다 베인의 분급기 내부 공간에서는 같은 반경인

위치에서 윗부분에서의 공기 속도가 아랫부분에서보다 빠르게 분포하고 있다 베인

의 높이 방향 상ㆍ하 위치에 따른 이러한 유입 속도의 편차는 분급기 외주의 실린

더 면으로부터 유입되는 공기가 분급기 중앙의 밑 방향으로만 배출되는 유동 통로

의 구조 때문으로 판단되낟 따라서 같은 반경의 같은 원심력이 발생되는 위치에

있어서도 윗부분에서의 공기 유입속도가 밑부분에서보다 크게 분포되어 윗부분에서

는 밑부분에서보다 큰 분말이 분급기 안으로 유입된다 지정된 크기의 컷오프보다

큰 분말과 작은 분말이 혼합된 상태로 배출되는 관계로 분급이 정밀도가 저하된다

베인의 상ㆍ하 위치에 무관하게 공기의 유입 속도를 가급적 균일하게 해 주기 위한

목적으로 분급기 내부의 단면 형상을 Fig28과 같은 인볼류트-컨볼류트

(involute-convolute) 단면으로 구성하여 공기의 유동해석을 실시하였다

Fig 28 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기

Fig29는 베인의 중간 높이 수평단면 상에서의 공기 속도 분포이다 Fig25에 비하

여 베인의 외주 부위에서의 공기의 속도가 균일하게 분포되고 있음을 보여 준다

Fig29 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig 30은 베인이 위치한 부위에서의 수직 단면 Fig31은 상ㆍ하면을 고정시켜 주

는 원평봉이 있는 부위에서의 수직 단면에 분포하는 공기 속도 분포이다 Fig30과

Fig31은 각각 Fig25와 Fig26에 비하여 베인의 높이 방향 전체에 걸쳐 공기의 유

입 속도가 상당히 균일하게 분포되는 것을 보여 주고 있다

Fig 30 베인 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig31 연결봉 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig32는 분급기 내부의 공간 형상이 인볼류트-컨볼류트인 분급기의 설계 모델이

Fig32 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 모델

Fig33은 앞의 수축확산 공기 분사노즐(Fig20)과 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급

기(fig32)로 구성된 건식 기류충격식 분쇄기의 3D모델이다 중요 부품의 도면은

ldquo부록 9 설계 도면rdquo에 수록하였다

Fig33 건식 기류충격식 분쇄기의 3D 모델

8 시작품 제작

수축확산 공기 분사노즐의 유동해석 및 분급기의 유동해석 결과를 바탕으로 시작품

을 제작하였다 Fig34는 수축확산 공기 분사노즐 헤드의 시작품 모습이다

Fig 34 수축확산 공기 분사노즐 헤드 시작품

Fig35는 분급기의 시작품 모습이다 분급기의 베인은 분체와 마찰시 내마모성을

갖도록 SUS 재질로 곡면 성형한 후 세라믹으로 코팅하여 제작하였다

Fig35 분급기 시작품

Fig 36은 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 수축확산 공기 분사

노즐 및 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 등이 분쇄기의 내부에 장착되어 있다

Fig36 건식 기류충격식 분쇄기 시작품

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기와 관련된 국외 특허 자료 조사와 분석 공기의

유동해석에 있어 많은 일정이 소요되었다 기술지원 추진일정을 Table1에 정리하

였다

Table 4 추진 일정

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 43: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

예를 들어 tan tan tan tan

해석 조건이 다음과 같으면 tank pressure=700kPa Ttank=70 exit

pressure=100kPa

단위 (mm) throat diameter=50 length 150 outlet diameter=70 diffusion

angle α=38deg

d = 0007 pe = 100kilo po = 7pe Ttank =7C

To = TK+Ttank To=343 (K)

times

sec

Air_massflow1N_hour =Air_masflow1N_sechoursec

Air_massflow1N_hour = 133024 (kghrper 1 nozzle)

Air_massflow3N_hour = Air_massflow 1N_hour3

Air_massflow 3N_hour = 399071 (kghrper 3 nozzles)

Imsec)

sec

timesorsec timesorsec

(kgm3)

sec

sec sec

공기분사 노즐 목의 직경이 50mm 출구 직경이 70mm 노즐 목에서 노즐 출구까

지의 길이가 150mm로 공기 분사노즐의 환산각 도인 공기 분사노즐이 3

개 장착되어 있으며 탱크내의 공기가 압력 7bar 와 70 를 유지하면서 계속적으

로 노즐을 통하여 공급되며 또한 분쇄 챔버 내의 압력이 1bar 로 유지되는 경우의

공기 분사노즐의 유동 특성 계산 결과를 종합 정리하면 다음과 같다

- 노즐 출구에서의 공기 최대 속도 542151msec

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 무게 399071kghr

(노즐 하나에 00369kgsec)

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 부피 225333m3hr(0063m3sec)

- 소요 동력 16291kWhhr

5 수축확산 공기 분사노즐의 유동 해석

공기 분사노즐을 3D 모델링 프로그램 SolidWorks(13)로 모델링하여 열유체 해석

을 위한 유한요소해석 프로그램 COSMOSFlwWorks(14)로 공기 분사노즐 내의 유

동 해석을 수행하였다 해석 대상 공기 분사노즐 단면의 형상과 각부의 치수는

Fig18에서와 같다

Fig 18 수축확산 노즐 유동 해석 모델의 단면

해석시에 적용된 변수값들은 앞의 ldquo4 초음속 공기 분사노즐의 분사 특성 계산rdquo에

서 산출된 값을 적용하였다 노즐의 확산부위 길이는 15mm 이며 분사노즐의 확산

각은 도이다 노즐 하나에 대하여 Fig 18 의 왼쪽면에서 00369 kgsec

의 공기가 유입되며 오른쪽 분사노즐 출구면에 12bar 의 압력을 적용하였다 분사

노즐의 유동 해석 결과의 여러 가지 특성값 중에서 본 설계에서의 주요 관심사가

공기의 배출 속도인 관계로 Fig 19에 흐름의 속도 분포 Fig 20에 흐름의 마하넘

버 분포를 나타내었다 초음속 흐름에 대한 해석으로 분사노즐 목에서의 공기속도

가 약 335msec(마하 1)이 되며 노즐 출구에서 최대속도가 된다 Fig 21은 수축

확산 노즐에 대한 공기의 속도 분포 해석 결과를 반영하여 공기 분사노즐을 모델링

한 것이다

Fig 19 수축확산 노즐의 공기 흐름 속도 분포

Fig 20 수축확산 노즐의 공기 흐름 마하넘버 분포

Fig 21 수축확산 노즐 모델

6 분급 이론

분급(分級 classification)이란 유체력을 이용해서 분립체를 그 입자 지름의 크기에

따라 분리하는 것으로 넓은 뜻으로는 유체력에 의한 분리만이 아니라 체가름을 포

함하는 경우가 있다 더 넓게는 비중선별ㆍ자기력선별 등 모든 입자분리조작을 분

급이라고 한다 공기ㆍ물 등의 유체 속에서 운동하는 분립체의 각 입자에는 중력

또는 원심력 이외에 유체에 의한 유체항력 등이 함께 작용된다 이 힘 즉 유체항력

은 입자 지름에 의존하는 데 유체항력과 입자 지름의 관계는 중력이나 원심력과

입자 지름의 관계와는 다르기 때문에 이 둘 사이의 균형 조건이 입자 지름에 의해

좌우된다 좁은 뜻의 분급은 이 원리를 이용한 입경분리조작을 의미한다 중력장에

서 등속 침강하는 구 형상의 입자에 대한 힘의 균형은 다음 식으로 표현된다

여기서 은 입자 질량 prime는 입자에 의해 배제된 유체 질량 g는 중력가속도 R

은 는 유체항력을 나타낸다 유체항력 R은 다음 식으로 나타낼 수 있다

여기서 는 저항계수 (drag coefficient)로 입자 주위의 유체의 상대적인 흐름의

상태에 따라 결정되는 무차원 계수이다 는 유체의 밀도 는 입자의 침강속도

는 입자의 지름이며 는 입자의 투영 최대 면적이다 물 또는 공기 속에서 입

자의 지름이 100 이하 입자의 밀도가 3gcm2이하의 조건에서는 입자 주위의 흐

름은 거의 충류로 간주되며 이때 R은 다음 식으로 나타내진다

여기서 는 유체의 점성도이다

prime

이므로 식 (36)을 식 (34)에 대입하면 식 (37)을 얻는다

여기서 는 입자 밀도이며 식 (37)을 스토크스의 침강속도식이라고 하며 분급에서

분리입자 지름을 구하기 위한 기본식으로 중요하다

식 (37)은 다음

과 같이도 표현된다

유체가 공기나 그 외의 기체인 경우의 분급 조작을 건식 분급(또는 공기 분급) 물

이나 그 외의 액체인 경우의 분급 조작을 습식 분급이라 한다 앞에 언급된 기본식

들 이외에 어떤 종류의 분급장치에서는 유체의 흐름 방향이 급격히 변화할 때 흐름

에 따라 운동하는 입자의 관성력의 효과가 중요한 역할을 한다

분급에 사용하는 장치를 분급기(classifier)라고 한다 건식분급기에는 관성력을 이

용하는 것 중력침강을 이용하는 것 원심력을 이용하는 것 등이 있다 관성력을 이

용하는 건식분급기에는 루버식분급기 버추얼임팩터 엘보제트형분급기 등이 있는

데 건식분급기로는 원심력을 이용한 것이 가장 널리 사용되고 있다 원심력을 이용

한 건식분급기로는 분급 입도가 30~100 정도의 비교적 굵은 입도에서의 대량 처

리로 옛날부터 알려진 스튜어트밴트형 등이 있으며 또한 몇 ~30의 분급이 가

능한 여러 분급기가 개발되어 널리 쓰이게 되었다 또한 사이클론도 미립(微粒)에서

조립(組立)에 이르는 분체(粉體)의 건식분급에 이용된다 습식분급기에는 중력식과

원심력식이 있으며 중력식은 상승 수류(水流)와 유동층을 이용한 수력분급기 원뿔

형 또는 각뿔형 용기에서의 중력침강을 이용한 세틀링탱크 등의 침강분급조 완만

하게 경사진 직사각형의 조(槽)로부터 침하한 조립 생산물을 긁어올리기 위한 레이

크나 스파이럴을 갖춘 기계분급기 등으로 분류된다 원심력을 이용한 습식분급기로

는 사이클론 또는 하이드로사이클론이 가장 대표적이며 솔리드볼형ㆍ디스크형 등

의 원심분리기도 미립자용 분급기로 사용된다

Fig 22는 베인 구조의 원심형 분급기의 회전 단면 모습이다

Fig22베인 구조의 원심형 분급기의 단면

Fig 22에서 H는 분급기 내부 상하면 사이의 간격이며 는 선별된 미분이 배출되

는 반경 는 베인의 내반경 는 베인의 외반경을 나타낸다

분체 주위의 공기 흐름이 층류 흐름이라는 조건하에서 베인 구조의 원심형 분급기

에의 컷포인트(utpoint)를 결정짓는 외주부의 반경 은 다음과 같다

또한 선별된 미분이 배출되는 반경은 다음과 같다

베인 사이에서도 고체의 회전법칙이 적용된다 베인의 외주 반경에서 속도의 원주

방향 성분 과 중심방향 성분 가 가장 큰 영향을 준다

식 (41)과 식 (42)를 식 (38)에 대입하여 정리하면 다음과 같다

독일 Netzsch 사에서는 베인의 내반경 에서 선별된 미분이 배출되는 반경 까

지의 반경 방향의 공기 속도 성분 을 질정하게 해 주기 위하여 Fig 10에 보인

ldquoConvorrdquo라고 불리우는 단면의 분급기를 개발하여 사용화하고 있다

7 분급기 설계와 유동 해석

분급기의 베인 사이로 분쇄된 미분과 공기가 함께 유입되어 중앙부의 배출구로 통

과하는 분급기의 내부 형상을 설계하기에 앞서 분급기 내부를 구성하는 상면이 평

평한 구조의 분급기에 대한 유동해석을 실시하여 공기의 속도 분포를 검토하였다

해석 대상 분급기의 외경은 205mm이며 밑면 중앙에 공기 배출을 위하여 직경이

90mm인 원형 구멍이 뚫려 있다 분급기 외주에는 단면이 원호의 일부로 만들어진

두깨가 2mm 넓이가 18mm 길이가 35mm인 베인이 매 60도마다 10개씩 등간격

으로 모두 60개가 베인의 코드 방향과 분급기의 반경 방향이 이루는 각도가 약 15

도가 되도록 경사지게 설치되어 있다 원주 방향으로 매 60도마다 길이 35mm 직

경 8mm인 원형봉 6개가 등간격으로 배열되어 상ㆍ사 카버 사이에 베인을 고정시

켜 조립되는 구조이다 해석 대상 분급기에 사용된 베인의 단면과 베인의 배열 및

분급기 상ㆍ하면을 고정하는 봉이 포함된 수평면상의 평면도를 Fig 23에 나타내었

다 Fig 24는 분급기의 상면 형상이 평평한 구조인 경우에 대한 분급기의 수직단

면도이다

분급기에 유입되는 공기는 온도 50 유입량 01m3sec 분급기를 통과한 후에

배출되는 공간의 압력은 12bar이며 분급기의 회전속도는 8000rpm(838radsec)

이다 분급기에 발생되는 원심력의 절대적인 크기는 재료의 밀도와 분급하고자 하

는 분말의 크기에 따라 분급기의 회전수를 변화시켜서 조절한다 SolidWorks 및

COSMOSFloWorks 프로그램으로 분급기의 공기 유동해석을 실시하였다 해석시의

변수 입력 항목 및 해석 과정을 ldquo부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 유동해석 절

차rdquo에 정리하였다

Fig 23 베인과 상ㆍ하면 고정 원형봉의 평면 단면도

Fig24 분급기 상면이 평면인 경우의 수직단면도

공기 유동해석 결과를 Fig25~Fig27에 나타내었다 Fig25는 베인의 중간 높이에

서의 수평 단면에서의 공기 속도 분포이다 Fig26은 베인이 위치한 부위에서의수

직단면 Fig 27은 상ㆍ하면을 고정시켜 주는 원형봉이 있는 부위의 수직단면에 분

포하는 공기의 유입 속도 해석 결과를 나타낸 것이다

Fig 25 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig 26 베인 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig27 연결봉 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig15~Fig27의 공기 속도 등고선을 보면 베인 외주부의 상하 위치에 있어서 공

기의속도가 불균일한 분포를 보인다 베인의 분급기 내부 공간에서는 같은 반경인

위치에서 윗부분에서의 공기 속도가 아랫부분에서보다 빠르게 분포하고 있다 베인

의 높이 방향 상ㆍ하 위치에 따른 이러한 유입 속도의 편차는 분급기 외주의 실린

더 면으로부터 유입되는 공기가 분급기 중앙의 밑 방향으로만 배출되는 유동 통로

의 구조 때문으로 판단되낟 따라서 같은 반경의 같은 원심력이 발생되는 위치에

있어서도 윗부분에서의 공기 유입속도가 밑부분에서보다 크게 분포되어 윗부분에서

는 밑부분에서보다 큰 분말이 분급기 안으로 유입된다 지정된 크기의 컷오프보다

큰 분말과 작은 분말이 혼합된 상태로 배출되는 관계로 분급이 정밀도가 저하된다

베인의 상ㆍ하 위치에 무관하게 공기의 유입 속도를 가급적 균일하게 해 주기 위한

목적으로 분급기 내부의 단면 형상을 Fig28과 같은 인볼류트-컨볼류트

(involute-convolute) 단면으로 구성하여 공기의 유동해석을 실시하였다

Fig 28 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기

Fig29는 베인의 중간 높이 수평단면 상에서의 공기 속도 분포이다 Fig25에 비하

여 베인의 외주 부위에서의 공기의 속도가 균일하게 분포되고 있음을 보여 준다

Fig29 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig 30은 베인이 위치한 부위에서의 수직 단면 Fig31은 상ㆍ하면을 고정시켜 주

는 원평봉이 있는 부위에서의 수직 단면에 분포하는 공기 속도 분포이다 Fig30과

Fig31은 각각 Fig25와 Fig26에 비하여 베인의 높이 방향 전체에 걸쳐 공기의 유

입 속도가 상당히 균일하게 분포되는 것을 보여 주고 있다

Fig 30 베인 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig31 연결봉 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig32는 분급기 내부의 공간 형상이 인볼류트-컨볼류트인 분급기의 설계 모델이

Fig32 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 모델

Fig33은 앞의 수축확산 공기 분사노즐(Fig20)과 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급

기(fig32)로 구성된 건식 기류충격식 분쇄기의 3D모델이다 중요 부품의 도면은

ldquo부록 9 설계 도면rdquo에 수록하였다

Fig33 건식 기류충격식 분쇄기의 3D 모델

8 시작품 제작

수축확산 공기 분사노즐의 유동해석 및 분급기의 유동해석 결과를 바탕으로 시작품

을 제작하였다 Fig34는 수축확산 공기 분사노즐 헤드의 시작품 모습이다

Fig 34 수축확산 공기 분사노즐 헤드 시작품

Fig35는 분급기의 시작품 모습이다 분급기의 베인은 분체와 마찰시 내마모성을

갖도록 SUS 재질로 곡면 성형한 후 세라믹으로 코팅하여 제작하였다

Fig35 분급기 시작품

Fig 36은 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 수축확산 공기 분사

노즐 및 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 등이 분쇄기의 내부에 장착되어 있다

Fig36 건식 기류충격식 분쇄기 시작품

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기와 관련된 국외 특허 자료 조사와 분석 공기의

유동해석에 있어 많은 일정이 소요되었다 기술지원 추진일정을 Table1에 정리하

였다

Table 4 추진 일정

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 44: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

Air_massflow 3N_hour = 399071 (kghrper 3 nozzles)

Imsec)

sec

timesorsec timesorsec

(kgm3)

sec

sec sec

공기분사 노즐 목의 직경이 50mm 출구 직경이 70mm 노즐 목에서 노즐 출구까

지의 길이가 150mm로 공기 분사노즐의 환산각 도인 공기 분사노즐이 3

개 장착되어 있으며 탱크내의 공기가 압력 7bar 와 70 를 유지하면서 계속적으

로 노즐을 통하여 공급되며 또한 분쇄 챔버 내의 압력이 1bar 로 유지되는 경우의

공기 분사노즐의 유동 특성 계산 결과를 종합 정리하면 다음과 같다

- 노즐 출구에서의 공기 최대 속도 542151msec

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 무게 399071kghr

(노즐 하나에 00369kgsec)

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 부피 225333m3hr(0063m3sec)

- 소요 동력 16291kWhhr

5 수축확산 공기 분사노즐의 유동 해석

공기 분사노즐을 3D 모델링 프로그램 SolidWorks(13)로 모델링하여 열유체 해석

을 위한 유한요소해석 프로그램 COSMOSFlwWorks(14)로 공기 분사노즐 내의 유

동 해석을 수행하였다 해석 대상 공기 분사노즐 단면의 형상과 각부의 치수는

Fig18에서와 같다

Fig 18 수축확산 노즐 유동 해석 모델의 단면

해석시에 적용된 변수값들은 앞의 ldquo4 초음속 공기 분사노즐의 분사 특성 계산rdquo에

서 산출된 값을 적용하였다 노즐의 확산부위 길이는 15mm 이며 분사노즐의 확산

각은 도이다 노즐 하나에 대하여 Fig 18 의 왼쪽면에서 00369 kgsec

의 공기가 유입되며 오른쪽 분사노즐 출구면에 12bar 의 압력을 적용하였다 분사

노즐의 유동 해석 결과의 여러 가지 특성값 중에서 본 설계에서의 주요 관심사가

공기의 배출 속도인 관계로 Fig 19에 흐름의 속도 분포 Fig 20에 흐름의 마하넘

버 분포를 나타내었다 초음속 흐름에 대한 해석으로 분사노즐 목에서의 공기속도

가 약 335msec(마하 1)이 되며 노즐 출구에서 최대속도가 된다 Fig 21은 수축

확산 노즐에 대한 공기의 속도 분포 해석 결과를 반영하여 공기 분사노즐을 모델링

한 것이다

Fig 19 수축확산 노즐의 공기 흐름 속도 분포

Fig 20 수축확산 노즐의 공기 흐름 마하넘버 분포

Fig 21 수축확산 노즐 모델

6 분급 이론

분급(分級 classification)이란 유체력을 이용해서 분립체를 그 입자 지름의 크기에

따라 분리하는 것으로 넓은 뜻으로는 유체력에 의한 분리만이 아니라 체가름을 포

함하는 경우가 있다 더 넓게는 비중선별ㆍ자기력선별 등 모든 입자분리조작을 분

급이라고 한다 공기ㆍ물 등의 유체 속에서 운동하는 분립체의 각 입자에는 중력

또는 원심력 이외에 유체에 의한 유체항력 등이 함께 작용된다 이 힘 즉 유체항력

은 입자 지름에 의존하는 데 유체항력과 입자 지름의 관계는 중력이나 원심력과

입자 지름의 관계와는 다르기 때문에 이 둘 사이의 균형 조건이 입자 지름에 의해

좌우된다 좁은 뜻의 분급은 이 원리를 이용한 입경분리조작을 의미한다 중력장에

서 등속 침강하는 구 형상의 입자에 대한 힘의 균형은 다음 식으로 표현된다

여기서 은 입자 질량 prime는 입자에 의해 배제된 유체 질량 g는 중력가속도 R

은 는 유체항력을 나타낸다 유체항력 R은 다음 식으로 나타낼 수 있다

여기서 는 저항계수 (drag coefficient)로 입자 주위의 유체의 상대적인 흐름의

상태에 따라 결정되는 무차원 계수이다 는 유체의 밀도 는 입자의 침강속도

는 입자의 지름이며 는 입자의 투영 최대 면적이다 물 또는 공기 속에서 입

자의 지름이 100 이하 입자의 밀도가 3gcm2이하의 조건에서는 입자 주위의 흐

름은 거의 충류로 간주되며 이때 R은 다음 식으로 나타내진다

여기서 는 유체의 점성도이다

prime

이므로 식 (36)을 식 (34)에 대입하면 식 (37)을 얻는다

여기서 는 입자 밀도이며 식 (37)을 스토크스의 침강속도식이라고 하며 분급에서

분리입자 지름을 구하기 위한 기본식으로 중요하다

식 (37)은 다음

과 같이도 표현된다

유체가 공기나 그 외의 기체인 경우의 분급 조작을 건식 분급(또는 공기 분급) 물

이나 그 외의 액체인 경우의 분급 조작을 습식 분급이라 한다 앞에 언급된 기본식

들 이외에 어떤 종류의 분급장치에서는 유체의 흐름 방향이 급격히 변화할 때 흐름

에 따라 운동하는 입자의 관성력의 효과가 중요한 역할을 한다

분급에 사용하는 장치를 분급기(classifier)라고 한다 건식분급기에는 관성력을 이

용하는 것 중력침강을 이용하는 것 원심력을 이용하는 것 등이 있다 관성력을 이

용하는 건식분급기에는 루버식분급기 버추얼임팩터 엘보제트형분급기 등이 있는

데 건식분급기로는 원심력을 이용한 것이 가장 널리 사용되고 있다 원심력을 이용

한 건식분급기로는 분급 입도가 30~100 정도의 비교적 굵은 입도에서의 대량 처

리로 옛날부터 알려진 스튜어트밴트형 등이 있으며 또한 몇 ~30의 분급이 가

능한 여러 분급기가 개발되어 널리 쓰이게 되었다 또한 사이클론도 미립(微粒)에서

조립(組立)에 이르는 분체(粉體)의 건식분급에 이용된다 습식분급기에는 중력식과

원심력식이 있으며 중력식은 상승 수류(水流)와 유동층을 이용한 수력분급기 원뿔

형 또는 각뿔형 용기에서의 중력침강을 이용한 세틀링탱크 등의 침강분급조 완만

하게 경사진 직사각형의 조(槽)로부터 침하한 조립 생산물을 긁어올리기 위한 레이

크나 스파이럴을 갖춘 기계분급기 등으로 분류된다 원심력을 이용한 습식분급기로

는 사이클론 또는 하이드로사이클론이 가장 대표적이며 솔리드볼형ㆍ디스크형 등

의 원심분리기도 미립자용 분급기로 사용된다

Fig 22는 베인 구조의 원심형 분급기의 회전 단면 모습이다

Fig22베인 구조의 원심형 분급기의 단면

Fig 22에서 H는 분급기 내부 상하면 사이의 간격이며 는 선별된 미분이 배출되

는 반경 는 베인의 내반경 는 베인의 외반경을 나타낸다

분체 주위의 공기 흐름이 층류 흐름이라는 조건하에서 베인 구조의 원심형 분급기

에의 컷포인트(utpoint)를 결정짓는 외주부의 반경 은 다음과 같다

또한 선별된 미분이 배출되는 반경은 다음과 같다

베인 사이에서도 고체의 회전법칙이 적용된다 베인의 외주 반경에서 속도의 원주

방향 성분 과 중심방향 성분 가 가장 큰 영향을 준다

식 (41)과 식 (42)를 식 (38)에 대입하여 정리하면 다음과 같다

독일 Netzsch 사에서는 베인의 내반경 에서 선별된 미분이 배출되는 반경 까

지의 반경 방향의 공기 속도 성분 을 질정하게 해 주기 위하여 Fig 10에 보인

ldquoConvorrdquo라고 불리우는 단면의 분급기를 개발하여 사용화하고 있다

7 분급기 설계와 유동 해석

분급기의 베인 사이로 분쇄된 미분과 공기가 함께 유입되어 중앙부의 배출구로 통

과하는 분급기의 내부 형상을 설계하기에 앞서 분급기 내부를 구성하는 상면이 평

평한 구조의 분급기에 대한 유동해석을 실시하여 공기의 속도 분포를 검토하였다

해석 대상 분급기의 외경은 205mm이며 밑면 중앙에 공기 배출을 위하여 직경이

90mm인 원형 구멍이 뚫려 있다 분급기 외주에는 단면이 원호의 일부로 만들어진

두깨가 2mm 넓이가 18mm 길이가 35mm인 베인이 매 60도마다 10개씩 등간격

으로 모두 60개가 베인의 코드 방향과 분급기의 반경 방향이 이루는 각도가 약 15

도가 되도록 경사지게 설치되어 있다 원주 방향으로 매 60도마다 길이 35mm 직

경 8mm인 원형봉 6개가 등간격으로 배열되어 상ㆍ사 카버 사이에 베인을 고정시

켜 조립되는 구조이다 해석 대상 분급기에 사용된 베인의 단면과 베인의 배열 및

분급기 상ㆍ하면을 고정하는 봉이 포함된 수평면상의 평면도를 Fig 23에 나타내었

다 Fig 24는 분급기의 상면 형상이 평평한 구조인 경우에 대한 분급기의 수직단

면도이다

분급기에 유입되는 공기는 온도 50 유입량 01m3sec 분급기를 통과한 후에

배출되는 공간의 압력은 12bar이며 분급기의 회전속도는 8000rpm(838radsec)

이다 분급기에 발생되는 원심력의 절대적인 크기는 재료의 밀도와 분급하고자 하

는 분말의 크기에 따라 분급기의 회전수를 변화시켜서 조절한다 SolidWorks 및

COSMOSFloWorks 프로그램으로 분급기의 공기 유동해석을 실시하였다 해석시의

변수 입력 항목 및 해석 과정을 ldquo부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 유동해석 절

차rdquo에 정리하였다

Fig 23 베인과 상ㆍ하면 고정 원형봉의 평면 단면도

Fig24 분급기 상면이 평면인 경우의 수직단면도

공기 유동해석 결과를 Fig25~Fig27에 나타내었다 Fig25는 베인의 중간 높이에

서의 수평 단면에서의 공기 속도 분포이다 Fig26은 베인이 위치한 부위에서의수

직단면 Fig 27은 상ㆍ하면을 고정시켜 주는 원형봉이 있는 부위의 수직단면에 분

포하는 공기의 유입 속도 해석 결과를 나타낸 것이다

Fig 25 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig 26 베인 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig27 연결봉 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig15~Fig27의 공기 속도 등고선을 보면 베인 외주부의 상하 위치에 있어서 공

기의속도가 불균일한 분포를 보인다 베인의 분급기 내부 공간에서는 같은 반경인

위치에서 윗부분에서의 공기 속도가 아랫부분에서보다 빠르게 분포하고 있다 베인

의 높이 방향 상ㆍ하 위치에 따른 이러한 유입 속도의 편차는 분급기 외주의 실린

더 면으로부터 유입되는 공기가 분급기 중앙의 밑 방향으로만 배출되는 유동 통로

의 구조 때문으로 판단되낟 따라서 같은 반경의 같은 원심력이 발생되는 위치에

있어서도 윗부분에서의 공기 유입속도가 밑부분에서보다 크게 분포되어 윗부분에서

는 밑부분에서보다 큰 분말이 분급기 안으로 유입된다 지정된 크기의 컷오프보다

큰 분말과 작은 분말이 혼합된 상태로 배출되는 관계로 분급이 정밀도가 저하된다

베인의 상ㆍ하 위치에 무관하게 공기의 유입 속도를 가급적 균일하게 해 주기 위한

목적으로 분급기 내부의 단면 형상을 Fig28과 같은 인볼류트-컨볼류트

(involute-convolute) 단면으로 구성하여 공기의 유동해석을 실시하였다

Fig 28 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기

Fig29는 베인의 중간 높이 수평단면 상에서의 공기 속도 분포이다 Fig25에 비하

여 베인의 외주 부위에서의 공기의 속도가 균일하게 분포되고 있음을 보여 준다

Fig29 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig 30은 베인이 위치한 부위에서의 수직 단면 Fig31은 상ㆍ하면을 고정시켜 주

는 원평봉이 있는 부위에서의 수직 단면에 분포하는 공기 속도 분포이다 Fig30과

Fig31은 각각 Fig25와 Fig26에 비하여 베인의 높이 방향 전체에 걸쳐 공기의 유

입 속도가 상당히 균일하게 분포되는 것을 보여 주고 있다

Fig 30 베인 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig31 연결봉 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig32는 분급기 내부의 공간 형상이 인볼류트-컨볼류트인 분급기의 설계 모델이

Fig32 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 모델

Fig33은 앞의 수축확산 공기 분사노즐(Fig20)과 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급

기(fig32)로 구성된 건식 기류충격식 분쇄기의 3D모델이다 중요 부품의 도면은

ldquo부록 9 설계 도면rdquo에 수록하였다

Fig33 건식 기류충격식 분쇄기의 3D 모델

8 시작품 제작

수축확산 공기 분사노즐의 유동해석 및 분급기의 유동해석 결과를 바탕으로 시작품

을 제작하였다 Fig34는 수축확산 공기 분사노즐 헤드의 시작품 모습이다

Fig 34 수축확산 공기 분사노즐 헤드 시작품

Fig35는 분급기의 시작품 모습이다 분급기의 베인은 분체와 마찰시 내마모성을

갖도록 SUS 재질로 곡면 성형한 후 세라믹으로 코팅하여 제작하였다

Fig35 분급기 시작품

Fig 36은 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 수축확산 공기 분사

노즐 및 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 등이 분쇄기의 내부에 장착되어 있다

Fig36 건식 기류충격식 분쇄기 시작품

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기와 관련된 국외 특허 자료 조사와 분석 공기의

유동해석에 있어 많은 일정이 소요되었다 기술지원 추진일정을 Table1에 정리하

였다

Table 4 추진 일정

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 45: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

공기분사 노즐 목의 직경이 50mm 출구 직경이 70mm 노즐 목에서 노즐 출구까

지의 길이가 150mm로 공기 분사노즐의 환산각 도인 공기 분사노즐이 3

개 장착되어 있으며 탱크내의 공기가 압력 7bar 와 70 를 유지하면서 계속적으

로 노즐을 통하여 공급되며 또한 분쇄 챔버 내의 압력이 1bar 로 유지되는 경우의

공기 분사노즐의 유동 특성 계산 결과를 종합 정리하면 다음과 같다

- 노즐 출구에서의 공기 최대 속도 542151msec

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 무게 399071kghr

(노즐 하나에 00369kgsec)

- 분쇄 챔버 내로 분사되어야 하는 공기의 총 부피 225333m3hr(0063m3sec)

- 소요 동력 16291kWhhr

5 수축확산 공기 분사노즐의 유동 해석

공기 분사노즐을 3D 모델링 프로그램 SolidWorks(13)로 모델링하여 열유체 해석

을 위한 유한요소해석 프로그램 COSMOSFlwWorks(14)로 공기 분사노즐 내의 유

동 해석을 수행하였다 해석 대상 공기 분사노즐 단면의 형상과 각부의 치수는

Fig18에서와 같다

Fig 18 수축확산 노즐 유동 해석 모델의 단면

해석시에 적용된 변수값들은 앞의 ldquo4 초음속 공기 분사노즐의 분사 특성 계산rdquo에

서 산출된 값을 적용하였다 노즐의 확산부위 길이는 15mm 이며 분사노즐의 확산

각은 도이다 노즐 하나에 대하여 Fig 18 의 왼쪽면에서 00369 kgsec

의 공기가 유입되며 오른쪽 분사노즐 출구면에 12bar 의 압력을 적용하였다 분사

노즐의 유동 해석 결과의 여러 가지 특성값 중에서 본 설계에서의 주요 관심사가

공기의 배출 속도인 관계로 Fig 19에 흐름의 속도 분포 Fig 20에 흐름의 마하넘

버 분포를 나타내었다 초음속 흐름에 대한 해석으로 분사노즐 목에서의 공기속도

가 약 335msec(마하 1)이 되며 노즐 출구에서 최대속도가 된다 Fig 21은 수축

확산 노즐에 대한 공기의 속도 분포 해석 결과를 반영하여 공기 분사노즐을 모델링

한 것이다

Fig 19 수축확산 노즐의 공기 흐름 속도 분포

Fig 20 수축확산 노즐의 공기 흐름 마하넘버 분포

Fig 21 수축확산 노즐 모델

6 분급 이론

분급(分級 classification)이란 유체력을 이용해서 분립체를 그 입자 지름의 크기에

따라 분리하는 것으로 넓은 뜻으로는 유체력에 의한 분리만이 아니라 체가름을 포

함하는 경우가 있다 더 넓게는 비중선별ㆍ자기력선별 등 모든 입자분리조작을 분

급이라고 한다 공기ㆍ물 등의 유체 속에서 운동하는 분립체의 각 입자에는 중력

또는 원심력 이외에 유체에 의한 유체항력 등이 함께 작용된다 이 힘 즉 유체항력

은 입자 지름에 의존하는 데 유체항력과 입자 지름의 관계는 중력이나 원심력과

입자 지름의 관계와는 다르기 때문에 이 둘 사이의 균형 조건이 입자 지름에 의해

좌우된다 좁은 뜻의 분급은 이 원리를 이용한 입경분리조작을 의미한다 중력장에

서 등속 침강하는 구 형상의 입자에 대한 힘의 균형은 다음 식으로 표현된다

여기서 은 입자 질량 prime는 입자에 의해 배제된 유체 질량 g는 중력가속도 R

은 는 유체항력을 나타낸다 유체항력 R은 다음 식으로 나타낼 수 있다

여기서 는 저항계수 (drag coefficient)로 입자 주위의 유체의 상대적인 흐름의

상태에 따라 결정되는 무차원 계수이다 는 유체의 밀도 는 입자의 침강속도

는 입자의 지름이며 는 입자의 투영 최대 면적이다 물 또는 공기 속에서 입

자의 지름이 100 이하 입자의 밀도가 3gcm2이하의 조건에서는 입자 주위의 흐

름은 거의 충류로 간주되며 이때 R은 다음 식으로 나타내진다

여기서 는 유체의 점성도이다

prime

이므로 식 (36)을 식 (34)에 대입하면 식 (37)을 얻는다

여기서 는 입자 밀도이며 식 (37)을 스토크스의 침강속도식이라고 하며 분급에서

분리입자 지름을 구하기 위한 기본식으로 중요하다

식 (37)은 다음

과 같이도 표현된다

유체가 공기나 그 외의 기체인 경우의 분급 조작을 건식 분급(또는 공기 분급) 물

이나 그 외의 액체인 경우의 분급 조작을 습식 분급이라 한다 앞에 언급된 기본식

들 이외에 어떤 종류의 분급장치에서는 유체의 흐름 방향이 급격히 변화할 때 흐름

에 따라 운동하는 입자의 관성력의 효과가 중요한 역할을 한다

분급에 사용하는 장치를 분급기(classifier)라고 한다 건식분급기에는 관성력을 이

용하는 것 중력침강을 이용하는 것 원심력을 이용하는 것 등이 있다 관성력을 이

용하는 건식분급기에는 루버식분급기 버추얼임팩터 엘보제트형분급기 등이 있는

데 건식분급기로는 원심력을 이용한 것이 가장 널리 사용되고 있다 원심력을 이용

한 건식분급기로는 분급 입도가 30~100 정도의 비교적 굵은 입도에서의 대량 처

리로 옛날부터 알려진 스튜어트밴트형 등이 있으며 또한 몇 ~30의 분급이 가

능한 여러 분급기가 개발되어 널리 쓰이게 되었다 또한 사이클론도 미립(微粒)에서

조립(組立)에 이르는 분체(粉體)의 건식분급에 이용된다 습식분급기에는 중력식과

원심력식이 있으며 중력식은 상승 수류(水流)와 유동층을 이용한 수력분급기 원뿔

형 또는 각뿔형 용기에서의 중력침강을 이용한 세틀링탱크 등의 침강분급조 완만

하게 경사진 직사각형의 조(槽)로부터 침하한 조립 생산물을 긁어올리기 위한 레이

크나 스파이럴을 갖춘 기계분급기 등으로 분류된다 원심력을 이용한 습식분급기로

는 사이클론 또는 하이드로사이클론이 가장 대표적이며 솔리드볼형ㆍ디스크형 등

의 원심분리기도 미립자용 분급기로 사용된다

Fig 22는 베인 구조의 원심형 분급기의 회전 단면 모습이다

Fig22베인 구조의 원심형 분급기의 단면

Fig 22에서 H는 분급기 내부 상하면 사이의 간격이며 는 선별된 미분이 배출되

는 반경 는 베인의 내반경 는 베인의 외반경을 나타낸다

분체 주위의 공기 흐름이 층류 흐름이라는 조건하에서 베인 구조의 원심형 분급기

에의 컷포인트(utpoint)를 결정짓는 외주부의 반경 은 다음과 같다

또한 선별된 미분이 배출되는 반경은 다음과 같다

베인 사이에서도 고체의 회전법칙이 적용된다 베인의 외주 반경에서 속도의 원주

방향 성분 과 중심방향 성분 가 가장 큰 영향을 준다

식 (41)과 식 (42)를 식 (38)에 대입하여 정리하면 다음과 같다

독일 Netzsch 사에서는 베인의 내반경 에서 선별된 미분이 배출되는 반경 까

지의 반경 방향의 공기 속도 성분 을 질정하게 해 주기 위하여 Fig 10에 보인

ldquoConvorrdquo라고 불리우는 단면의 분급기를 개발하여 사용화하고 있다

7 분급기 설계와 유동 해석

분급기의 베인 사이로 분쇄된 미분과 공기가 함께 유입되어 중앙부의 배출구로 통

과하는 분급기의 내부 형상을 설계하기에 앞서 분급기 내부를 구성하는 상면이 평

평한 구조의 분급기에 대한 유동해석을 실시하여 공기의 속도 분포를 검토하였다

해석 대상 분급기의 외경은 205mm이며 밑면 중앙에 공기 배출을 위하여 직경이

90mm인 원형 구멍이 뚫려 있다 분급기 외주에는 단면이 원호의 일부로 만들어진

두깨가 2mm 넓이가 18mm 길이가 35mm인 베인이 매 60도마다 10개씩 등간격

으로 모두 60개가 베인의 코드 방향과 분급기의 반경 방향이 이루는 각도가 약 15

도가 되도록 경사지게 설치되어 있다 원주 방향으로 매 60도마다 길이 35mm 직

경 8mm인 원형봉 6개가 등간격으로 배열되어 상ㆍ사 카버 사이에 베인을 고정시

켜 조립되는 구조이다 해석 대상 분급기에 사용된 베인의 단면과 베인의 배열 및

분급기 상ㆍ하면을 고정하는 봉이 포함된 수평면상의 평면도를 Fig 23에 나타내었

다 Fig 24는 분급기의 상면 형상이 평평한 구조인 경우에 대한 분급기의 수직단

면도이다

분급기에 유입되는 공기는 온도 50 유입량 01m3sec 분급기를 통과한 후에

배출되는 공간의 압력은 12bar이며 분급기의 회전속도는 8000rpm(838radsec)

이다 분급기에 발생되는 원심력의 절대적인 크기는 재료의 밀도와 분급하고자 하

는 분말의 크기에 따라 분급기의 회전수를 변화시켜서 조절한다 SolidWorks 및

COSMOSFloWorks 프로그램으로 분급기의 공기 유동해석을 실시하였다 해석시의

변수 입력 항목 및 해석 과정을 ldquo부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 유동해석 절

차rdquo에 정리하였다

Fig 23 베인과 상ㆍ하면 고정 원형봉의 평면 단면도

Fig24 분급기 상면이 평면인 경우의 수직단면도

공기 유동해석 결과를 Fig25~Fig27에 나타내었다 Fig25는 베인의 중간 높이에

서의 수평 단면에서의 공기 속도 분포이다 Fig26은 베인이 위치한 부위에서의수

직단면 Fig 27은 상ㆍ하면을 고정시켜 주는 원형봉이 있는 부위의 수직단면에 분

포하는 공기의 유입 속도 해석 결과를 나타낸 것이다

Fig 25 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig 26 베인 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig27 연결봉 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig15~Fig27의 공기 속도 등고선을 보면 베인 외주부의 상하 위치에 있어서 공

기의속도가 불균일한 분포를 보인다 베인의 분급기 내부 공간에서는 같은 반경인

위치에서 윗부분에서의 공기 속도가 아랫부분에서보다 빠르게 분포하고 있다 베인

의 높이 방향 상ㆍ하 위치에 따른 이러한 유입 속도의 편차는 분급기 외주의 실린

더 면으로부터 유입되는 공기가 분급기 중앙의 밑 방향으로만 배출되는 유동 통로

의 구조 때문으로 판단되낟 따라서 같은 반경의 같은 원심력이 발생되는 위치에

있어서도 윗부분에서의 공기 유입속도가 밑부분에서보다 크게 분포되어 윗부분에서

는 밑부분에서보다 큰 분말이 분급기 안으로 유입된다 지정된 크기의 컷오프보다

큰 분말과 작은 분말이 혼합된 상태로 배출되는 관계로 분급이 정밀도가 저하된다

베인의 상ㆍ하 위치에 무관하게 공기의 유입 속도를 가급적 균일하게 해 주기 위한

목적으로 분급기 내부의 단면 형상을 Fig28과 같은 인볼류트-컨볼류트

(involute-convolute) 단면으로 구성하여 공기의 유동해석을 실시하였다

Fig 28 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기

Fig29는 베인의 중간 높이 수평단면 상에서의 공기 속도 분포이다 Fig25에 비하

여 베인의 외주 부위에서의 공기의 속도가 균일하게 분포되고 있음을 보여 준다

Fig29 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig 30은 베인이 위치한 부위에서의 수직 단면 Fig31은 상ㆍ하면을 고정시켜 주

는 원평봉이 있는 부위에서의 수직 단면에 분포하는 공기 속도 분포이다 Fig30과

Fig31은 각각 Fig25와 Fig26에 비하여 베인의 높이 방향 전체에 걸쳐 공기의 유

입 속도가 상당히 균일하게 분포되는 것을 보여 주고 있다

Fig 30 베인 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig31 연결봉 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig32는 분급기 내부의 공간 형상이 인볼류트-컨볼류트인 분급기의 설계 모델이

Fig32 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 모델

Fig33은 앞의 수축확산 공기 분사노즐(Fig20)과 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급

기(fig32)로 구성된 건식 기류충격식 분쇄기의 3D모델이다 중요 부품의 도면은

ldquo부록 9 설계 도면rdquo에 수록하였다

Fig33 건식 기류충격식 분쇄기의 3D 모델

8 시작품 제작

수축확산 공기 분사노즐의 유동해석 및 분급기의 유동해석 결과를 바탕으로 시작품

을 제작하였다 Fig34는 수축확산 공기 분사노즐 헤드의 시작품 모습이다

Fig 34 수축확산 공기 분사노즐 헤드 시작품

Fig35는 분급기의 시작품 모습이다 분급기의 베인은 분체와 마찰시 내마모성을

갖도록 SUS 재질로 곡면 성형한 후 세라믹으로 코팅하여 제작하였다

Fig35 분급기 시작품

Fig 36은 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 수축확산 공기 분사

노즐 및 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 등이 분쇄기의 내부에 장착되어 있다

Fig36 건식 기류충격식 분쇄기 시작품

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기와 관련된 국외 특허 자료 조사와 분석 공기의

유동해석에 있어 많은 일정이 소요되었다 기술지원 추진일정을 Table1에 정리하

였다

Table 4 추진 일정

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 46: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

해석시에 적용된 변수값들은 앞의 ldquo4 초음속 공기 분사노즐의 분사 특성 계산rdquo에

서 산출된 값을 적용하였다 노즐의 확산부위 길이는 15mm 이며 분사노즐의 확산

각은 도이다 노즐 하나에 대하여 Fig 18 의 왼쪽면에서 00369 kgsec

의 공기가 유입되며 오른쪽 분사노즐 출구면에 12bar 의 압력을 적용하였다 분사

노즐의 유동 해석 결과의 여러 가지 특성값 중에서 본 설계에서의 주요 관심사가

공기의 배출 속도인 관계로 Fig 19에 흐름의 속도 분포 Fig 20에 흐름의 마하넘

버 분포를 나타내었다 초음속 흐름에 대한 해석으로 분사노즐 목에서의 공기속도

가 약 335msec(마하 1)이 되며 노즐 출구에서 최대속도가 된다 Fig 21은 수축

확산 노즐에 대한 공기의 속도 분포 해석 결과를 반영하여 공기 분사노즐을 모델링

한 것이다

Fig 19 수축확산 노즐의 공기 흐름 속도 분포

Fig 20 수축확산 노즐의 공기 흐름 마하넘버 분포

Fig 21 수축확산 노즐 모델

6 분급 이론

분급(分級 classification)이란 유체력을 이용해서 분립체를 그 입자 지름의 크기에

따라 분리하는 것으로 넓은 뜻으로는 유체력에 의한 분리만이 아니라 체가름을 포

함하는 경우가 있다 더 넓게는 비중선별ㆍ자기력선별 등 모든 입자분리조작을 분

급이라고 한다 공기ㆍ물 등의 유체 속에서 운동하는 분립체의 각 입자에는 중력

또는 원심력 이외에 유체에 의한 유체항력 등이 함께 작용된다 이 힘 즉 유체항력

은 입자 지름에 의존하는 데 유체항력과 입자 지름의 관계는 중력이나 원심력과

입자 지름의 관계와는 다르기 때문에 이 둘 사이의 균형 조건이 입자 지름에 의해

좌우된다 좁은 뜻의 분급은 이 원리를 이용한 입경분리조작을 의미한다 중력장에

서 등속 침강하는 구 형상의 입자에 대한 힘의 균형은 다음 식으로 표현된다

여기서 은 입자 질량 prime는 입자에 의해 배제된 유체 질량 g는 중력가속도 R

은 는 유체항력을 나타낸다 유체항력 R은 다음 식으로 나타낼 수 있다

여기서 는 저항계수 (drag coefficient)로 입자 주위의 유체의 상대적인 흐름의

상태에 따라 결정되는 무차원 계수이다 는 유체의 밀도 는 입자의 침강속도

는 입자의 지름이며 는 입자의 투영 최대 면적이다 물 또는 공기 속에서 입

자의 지름이 100 이하 입자의 밀도가 3gcm2이하의 조건에서는 입자 주위의 흐

름은 거의 충류로 간주되며 이때 R은 다음 식으로 나타내진다

여기서 는 유체의 점성도이다

prime

이므로 식 (36)을 식 (34)에 대입하면 식 (37)을 얻는다

여기서 는 입자 밀도이며 식 (37)을 스토크스의 침강속도식이라고 하며 분급에서

분리입자 지름을 구하기 위한 기본식으로 중요하다

식 (37)은 다음

과 같이도 표현된다

유체가 공기나 그 외의 기체인 경우의 분급 조작을 건식 분급(또는 공기 분급) 물

이나 그 외의 액체인 경우의 분급 조작을 습식 분급이라 한다 앞에 언급된 기본식

들 이외에 어떤 종류의 분급장치에서는 유체의 흐름 방향이 급격히 변화할 때 흐름

에 따라 운동하는 입자의 관성력의 효과가 중요한 역할을 한다

분급에 사용하는 장치를 분급기(classifier)라고 한다 건식분급기에는 관성력을 이

용하는 것 중력침강을 이용하는 것 원심력을 이용하는 것 등이 있다 관성력을 이

용하는 건식분급기에는 루버식분급기 버추얼임팩터 엘보제트형분급기 등이 있는

데 건식분급기로는 원심력을 이용한 것이 가장 널리 사용되고 있다 원심력을 이용

한 건식분급기로는 분급 입도가 30~100 정도의 비교적 굵은 입도에서의 대량 처

리로 옛날부터 알려진 스튜어트밴트형 등이 있으며 또한 몇 ~30의 분급이 가

능한 여러 분급기가 개발되어 널리 쓰이게 되었다 또한 사이클론도 미립(微粒)에서

조립(組立)에 이르는 분체(粉體)의 건식분급에 이용된다 습식분급기에는 중력식과

원심력식이 있으며 중력식은 상승 수류(水流)와 유동층을 이용한 수력분급기 원뿔

형 또는 각뿔형 용기에서의 중력침강을 이용한 세틀링탱크 등의 침강분급조 완만

하게 경사진 직사각형의 조(槽)로부터 침하한 조립 생산물을 긁어올리기 위한 레이

크나 스파이럴을 갖춘 기계분급기 등으로 분류된다 원심력을 이용한 습식분급기로

는 사이클론 또는 하이드로사이클론이 가장 대표적이며 솔리드볼형ㆍ디스크형 등

의 원심분리기도 미립자용 분급기로 사용된다

Fig 22는 베인 구조의 원심형 분급기의 회전 단면 모습이다

Fig22베인 구조의 원심형 분급기의 단면

Fig 22에서 H는 분급기 내부 상하면 사이의 간격이며 는 선별된 미분이 배출되

는 반경 는 베인의 내반경 는 베인의 외반경을 나타낸다

분체 주위의 공기 흐름이 층류 흐름이라는 조건하에서 베인 구조의 원심형 분급기

에의 컷포인트(utpoint)를 결정짓는 외주부의 반경 은 다음과 같다

또한 선별된 미분이 배출되는 반경은 다음과 같다

베인 사이에서도 고체의 회전법칙이 적용된다 베인의 외주 반경에서 속도의 원주

방향 성분 과 중심방향 성분 가 가장 큰 영향을 준다

식 (41)과 식 (42)를 식 (38)에 대입하여 정리하면 다음과 같다

독일 Netzsch 사에서는 베인의 내반경 에서 선별된 미분이 배출되는 반경 까

지의 반경 방향의 공기 속도 성분 을 질정하게 해 주기 위하여 Fig 10에 보인

ldquoConvorrdquo라고 불리우는 단면의 분급기를 개발하여 사용화하고 있다

7 분급기 설계와 유동 해석

분급기의 베인 사이로 분쇄된 미분과 공기가 함께 유입되어 중앙부의 배출구로 통

과하는 분급기의 내부 형상을 설계하기에 앞서 분급기 내부를 구성하는 상면이 평

평한 구조의 분급기에 대한 유동해석을 실시하여 공기의 속도 분포를 검토하였다

해석 대상 분급기의 외경은 205mm이며 밑면 중앙에 공기 배출을 위하여 직경이

90mm인 원형 구멍이 뚫려 있다 분급기 외주에는 단면이 원호의 일부로 만들어진

두깨가 2mm 넓이가 18mm 길이가 35mm인 베인이 매 60도마다 10개씩 등간격

으로 모두 60개가 베인의 코드 방향과 분급기의 반경 방향이 이루는 각도가 약 15

도가 되도록 경사지게 설치되어 있다 원주 방향으로 매 60도마다 길이 35mm 직

경 8mm인 원형봉 6개가 등간격으로 배열되어 상ㆍ사 카버 사이에 베인을 고정시

켜 조립되는 구조이다 해석 대상 분급기에 사용된 베인의 단면과 베인의 배열 및

분급기 상ㆍ하면을 고정하는 봉이 포함된 수평면상의 평면도를 Fig 23에 나타내었

다 Fig 24는 분급기의 상면 형상이 평평한 구조인 경우에 대한 분급기의 수직단

면도이다

분급기에 유입되는 공기는 온도 50 유입량 01m3sec 분급기를 통과한 후에

배출되는 공간의 압력은 12bar이며 분급기의 회전속도는 8000rpm(838radsec)

이다 분급기에 발생되는 원심력의 절대적인 크기는 재료의 밀도와 분급하고자 하

는 분말의 크기에 따라 분급기의 회전수를 변화시켜서 조절한다 SolidWorks 및

COSMOSFloWorks 프로그램으로 분급기의 공기 유동해석을 실시하였다 해석시의

변수 입력 항목 및 해석 과정을 ldquo부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 유동해석 절

차rdquo에 정리하였다

Fig 23 베인과 상ㆍ하면 고정 원형봉의 평면 단면도

Fig24 분급기 상면이 평면인 경우의 수직단면도

공기 유동해석 결과를 Fig25~Fig27에 나타내었다 Fig25는 베인의 중간 높이에

서의 수평 단면에서의 공기 속도 분포이다 Fig26은 베인이 위치한 부위에서의수

직단면 Fig 27은 상ㆍ하면을 고정시켜 주는 원형봉이 있는 부위의 수직단면에 분

포하는 공기의 유입 속도 해석 결과를 나타낸 것이다

Fig 25 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig 26 베인 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig27 연결봉 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig15~Fig27의 공기 속도 등고선을 보면 베인 외주부의 상하 위치에 있어서 공

기의속도가 불균일한 분포를 보인다 베인의 분급기 내부 공간에서는 같은 반경인

위치에서 윗부분에서의 공기 속도가 아랫부분에서보다 빠르게 분포하고 있다 베인

의 높이 방향 상ㆍ하 위치에 따른 이러한 유입 속도의 편차는 분급기 외주의 실린

더 면으로부터 유입되는 공기가 분급기 중앙의 밑 방향으로만 배출되는 유동 통로

의 구조 때문으로 판단되낟 따라서 같은 반경의 같은 원심력이 발생되는 위치에

있어서도 윗부분에서의 공기 유입속도가 밑부분에서보다 크게 분포되어 윗부분에서

는 밑부분에서보다 큰 분말이 분급기 안으로 유입된다 지정된 크기의 컷오프보다

큰 분말과 작은 분말이 혼합된 상태로 배출되는 관계로 분급이 정밀도가 저하된다

베인의 상ㆍ하 위치에 무관하게 공기의 유입 속도를 가급적 균일하게 해 주기 위한

목적으로 분급기 내부의 단면 형상을 Fig28과 같은 인볼류트-컨볼류트

(involute-convolute) 단면으로 구성하여 공기의 유동해석을 실시하였다

Fig 28 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기

Fig29는 베인의 중간 높이 수평단면 상에서의 공기 속도 분포이다 Fig25에 비하

여 베인의 외주 부위에서의 공기의 속도가 균일하게 분포되고 있음을 보여 준다

Fig29 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig 30은 베인이 위치한 부위에서의 수직 단면 Fig31은 상ㆍ하면을 고정시켜 주

는 원평봉이 있는 부위에서의 수직 단면에 분포하는 공기 속도 분포이다 Fig30과

Fig31은 각각 Fig25와 Fig26에 비하여 베인의 높이 방향 전체에 걸쳐 공기의 유

입 속도가 상당히 균일하게 분포되는 것을 보여 주고 있다

Fig 30 베인 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig31 연결봉 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig32는 분급기 내부의 공간 형상이 인볼류트-컨볼류트인 분급기의 설계 모델이

Fig32 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 모델

Fig33은 앞의 수축확산 공기 분사노즐(Fig20)과 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급

기(fig32)로 구성된 건식 기류충격식 분쇄기의 3D모델이다 중요 부품의 도면은

ldquo부록 9 설계 도면rdquo에 수록하였다

Fig33 건식 기류충격식 분쇄기의 3D 모델

8 시작품 제작

수축확산 공기 분사노즐의 유동해석 및 분급기의 유동해석 결과를 바탕으로 시작품

을 제작하였다 Fig34는 수축확산 공기 분사노즐 헤드의 시작품 모습이다

Fig 34 수축확산 공기 분사노즐 헤드 시작품

Fig35는 분급기의 시작품 모습이다 분급기의 베인은 분체와 마찰시 내마모성을

갖도록 SUS 재질로 곡면 성형한 후 세라믹으로 코팅하여 제작하였다

Fig35 분급기 시작품

Fig 36은 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 수축확산 공기 분사

노즐 및 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 등이 분쇄기의 내부에 장착되어 있다

Fig36 건식 기류충격식 분쇄기 시작품

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기와 관련된 국외 특허 자료 조사와 분석 공기의

유동해석에 있어 많은 일정이 소요되었다 기술지원 추진일정을 Table1에 정리하

였다

Table 4 추진 일정

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 47: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

Fig 20 수축확산 노즐의 공기 흐름 마하넘버 분포

Fig 21 수축확산 노즐 모델

6 분급 이론

분급(分級 classification)이란 유체력을 이용해서 분립체를 그 입자 지름의 크기에

따라 분리하는 것으로 넓은 뜻으로는 유체력에 의한 분리만이 아니라 체가름을 포

함하는 경우가 있다 더 넓게는 비중선별ㆍ자기력선별 등 모든 입자분리조작을 분

급이라고 한다 공기ㆍ물 등의 유체 속에서 운동하는 분립체의 각 입자에는 중력

또는 원심력 이외에 유체에 의한 유체항력 등이 함께 작용된다 이 힘 즉 유체항력

은 입자 지름에 의존하는 데 유체항력과 입자 지름의 관계는 중력이나 원심력과

입자 지름의 관계와는 다르기 때문에 이 둘 사이의 균형 조건이 입자 지름에 의해

좌우된다 좁은 뜻의 분급은 이 원리를 이용한 입경분리조작을 의미한다 중력장에

서 등속 침강하는 구 형상의 입자에 대한 힘의 균형은 다음 식으로 표현된다

여기서 은 입자 질량 prime는 입자에 의해 배제된 유체 질량 g는 중력가속도 R

은 는 유체항력을 나타낸다 유체항력 R은 다음 식으로 나타낼 수 있다

여기서 는 저항계수 (drag coefficient)로 입자 주위의 유체의 상대적인 흐름의

상태에 따라 결정되는 무차원 계수이다 는 유체의 밀도 는 입자의 침강속도

는 입자의 지름이며 는 입자의 투영 최대 면적이다 물 또는 공기 속에서 입

자의 지름이 100 이하 입자의 밀도가 3gcm2이하의 조건에서는 입자 주위의 흐

름은 거의 충류로 간주되며 이때 R은 다음 식으로 나타내진다

여기서 는 유체의 점성도이다

prime

이므로 식 (36)을 식 (34)에 대입하면 식 (37)을 얻는다

여기서 는 입자 밀도이며 식 (37)을 스토크스의 침강속도식이라고 하며 분급에서

분리입자 지름을 구하기 위한 기본식으로 중요하다

식 (37)은 다음

과 같이도 표현된다

유체가 공기나 그 외의 기체인 경우의 분급 조작을 건식 분급(또는 공기 분급) 물

이나 그 외의 액체인 경우의 분급 조작을 습식 분급이라 한다 앞에 언급된 기본식

들 이외에 어떤 종류의 분급장치에서는 유체의 흐름 방향이 급격히 변화할 때 흐름

에 따라 운동하는 입자의 관성력의 효과가 중요한 역할을 한다

분급에 사용하는 장치를 분급기(classifier)라고 한다 건식분급기에는 관성력을 이

용하는 것 중력침강을 이용하는 것 원심력을 이용하는 것 등이 있다 관성력을 이

용하는 건식분급기에는 루버식분급기 버추얼임팩터 엘보제트형분급기 등이 있는

데 건식분급기로는 원심력을 이용한 것이 가장 널리 사용되고 있다 원심력을 이용

한 건식분급기로는 분급 입도가 30~100 정도의 비교적 굵은 입도에서의 대량 처

리로 옛날부터 알려진 스튜어트밴트형 등이 있으며 또한 몇 ~30의 분급이 가

능한 여러 분급기가 개발되어 널리 쓰이게 되었다 또한 사이클론도 미립(微粒)에서

조립(組立)에 이르는 분체(粉體)의 건식분급에 이용된다 습식분급기에는 중력식과

원심력식이 있으며 중력식은 상승 수류(水流)와 유동층을 이용한 수력분급기 원뿔

형 또는 각뿔형 용기에서의 중력침강을 이용한 세틀링탱크 등의 침강분급조 완만

하게 경사진 직사각형의 조(槽)로부터 침하한 조립 생산물을 긁어올리기 위한 레이

크나 스파이럴을 갖춘 기계분급기 등으로 분류된다 원심력을 이용한 습식분급기로

는 사이클론 또는 하이드로사이클론이 가장 대표적이며 솔리드볼형ㆍ디스크형 등

의 원심분리기도 미립자용 분급기로 사용된다

Fig 22는 베인 구조의 원심형 분급기의 회전 단면 모습이다

Fig22베인 구조의 원심형 분급기의 단면

Fig 22에서 H는 분급기 내부 상하면 사이의 간격이며 는 선별된 미분이 배출되

는 반경 는 베인의 내반경 는 베인의 외반경을 나타낸다

분체 주위의 공기 흐름이 층류 흐름이라는 조건하에서 베인 구조의 원심형 분급기

에의 컷포인트(utpoint)를 결정짓는 외주부의 반경 은 다음과 같다

또한 선별된 미분이 배출되는 반경은 다음과 같다

베인 사이에서도 고체의 회전법칙이 적용된다 베인의 외주 반경에서 속도의 원주

방향 성분 과 중심방향 성분 가 가장 큰 영향을 준다

식 (41)과 식 (42)를 식 (38)에 대입하여 정리하면 다음과 같다

독일 Netzsch 사에서는 베인의 내반경 에서 선별된 미분이 배출되는 반경 까

지의 반경 방향의 공기 속도 성분 을 질정하게 해 주기 위하여 Fig 10에 보인

ldquoConvorrdquo라고 불리우는 단면의 분급기를 개발하여 사용화하고 있다

7 분급기 설계와 유동 해석

분급기의 베인 사이로 분쇄된 미분과 공기가 함께 유입되어 중앙부의 배출구로 통

과하는 분급기의 내부 형상을 설계하기에 앞서 분급기 내부를 구성하는 상면이 평

평한 구조의 분급기에 대한 유동해석을 실시하여 공기의 속도 분포를 검토하였다

해석 대상 분급기의 외경은 205mm이며 밑면 중앙에 공기 배출을 위하여 직경이

90mm인 원형 구멍이 뚫려 있다 분급기 외주에는 단면이 원호의 일부로 만들어진

두깨가 2mm 넓이가 18mm 길이가 35mm인 베인이 매 60도마다 10개씩 등간격

으로 모두 60개가 베인의 코드 방향과 분급기의 반경 방향이 이루는 각도가 약 15

도가 되도록 경사지게 설치되어 있다 원주 방향으로 매 60도마다 길이 35mm 직

경 8mm인 원형봉 6개가 등간격으로 배열되어 상ㆍ사 카버 사이에 베인을 고정시

켜 조립되는 구조이다 해석 대상 분급기에 사용된 베인의 단면과 베인의 배열 및

분급기 상ㆍ하면을 고정하는 봉이 포함된 수평면상의 평면도를 Fig 23에 나타내었

다 Fig 24는 분급기의 상면 형상이 평평한 구조인 경우에 대한 분급기의 수직단

면도이다

분급기에 유입되는 공기는 온도 50 유입량 01m3sec 분급기를 통과한 후에

배출되는 공간의 압력은 12bar이며 분급기의 회전속도는 8000rpm(838radsec)

이다 분급기에 발생되는 원심력의 절대적인 크기는 재료의 밀도와 분급하고자 하

는 분말의 크기에 따라 분급기의 회전수를 변화시켜서 조절한다 SolidWorks 및

COSMOSFloWorks 프로그램으로 분급기의 공기 유동해석을 실시하였다 해석시의

변수 입력 항목 및 해석 과정을 ldquo부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 유동해석 절

차rdquo에 정리하였다

Fig 23 베인과 상ㆍ하면 고정 원형봉의 평면 단면도

Fig24 분급기 상면이 평면인 경우의 수직단면도

공기 유동해석 결과를 Fig25~Fig27에 나타내었다 Fig25는 베인의 중간 높이에

서의 수평 단면에서의 공기 속도 분포이다 Fig26은 베인이 위치한 부위에서의수

직단면 Fig 27은 상ㆍ하면을 고정시켜 주는 원형봉이 있는 부위의 수직단면에 분

포하는 공기의 유입 속도 해석 결과를 나타낸 것이다

Fig 25 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig 26 베인 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig27 연결봉 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig15~Fig27의 공기 속도 등고선을 보면 베인 외주부의 상하 위치에 있어서 공

기의속도가 불균일한 분포를 보인다 베인의 분급기 내부 공간에서는 같은 반경인

위치에서 윗부분에서의 공기 속도가 아랫부분에서보다 빠르게 분포하고 있다 베인

의 높이 방향 상ㆍ하 위치에 따른 이러한 유입 속도의 편차는 분급기 외주의 실린

더 면으로부터 유입되는 공기가 분급기 중앙의 밑 방향으로만 배출되는 유동 통로

의 구조 때문으로 판단되낟 따라서 같은 반경의 같은 원심력이 발생되는 위치에

있어서도 윗부분에서의 공기 유입속도가 밑부분에서보다 크게 분포되어 윗부분에서

는 밑부분에서보다 큰 분말이 분급기 안으로 유입된다 지정된 크기의 컷오프보다

큰 분말과 작은 분말이 혼합된 상태로 배출되는 관계로 분급이 정밀도가 저하된다

베인의 상ㆍ하 위치에 무관하게 공기의 유입 속도를 가급적 균일하게 해 주기 위한

목적으로 분급기 내부의 단면 형상을 Fig28과 같은 인볼류트-컨볼류트

(involute-convolute) 단면으로 구성하여 공기의 유동해석을 실시하였다

Fig 28 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기

Fig29는 베인의 중간 높이 수평단면 상에서의 공기 속도 분포이다 Fig25에 비하

여 베인의 외주 부위에서의 공기의 속도가 균일하게 분포되고 있음을 보여 준다

Fig29 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig 30은 베인이 위치한 부위에서의 수직 단면 Fig31은 상ㆍ하면을 고정시켜 주

는 원평봉이 있는 부위에서의 수직 단면에 분포하는 공기 속도 분포이다 Fig30과

Fig31은 각각 Fig25와 Fig26에 비하여 베인의 높이 방향 전체에 걸쳐 공기의 유

입 속도가 상당히 균일하게 분포되는 것을 보여 주고 있다

Fig 30 베인 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig31 연결봉 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig32는 분급기 내부의 공간 형상이 인볼류트-컨볼류트인 분급기의 설계 모델이

Fig32 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 모델

Fig33은 앞의 수축확산 공기 분사노즐(Fig20)과 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급

기(fig32)로 구성된 건식 기류충격식 분쇄기의 3D모델이다 중요 부품의 도면은

ldquo부록 9 설계 도면rdquo에 수록하였다

Fig33 건식 기류충격식 분쇄기의 3D 모델

8 시작품 제작

수축확산 공기 분사노즐의 유동해석 및 분급기의 유동해석 결과를 바탕으로 시작품

을 제작하였다 Fig34는 수축확산 공기 분사노즐 헤드의 시작품 모습이다

Fig 34 수축확산 공기 분사노즐 헤드 시작품

Fig35는 분급기의 시작품 모습이다 분급기의 베인은 분체와 마찰시 내마모성을

갖도록 SUS 재질로 곡면 성형한 후 세라믹으로 코팅하여 제작하였다

Fig35 분급기 시작품

Fig 36은 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 수축확산 공기 분사

노즐 및 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 등이 분쇄기의 내부에 장착되어 있다

Fig36 건식 기류충격식 분쇄기 시작품

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기와 관련된 국외 특허 자료 조사와 분석 공기의

유동해석에 있어 많은 일정이 소요되었다 기술지원 추진일정을 Table1에 정리하

였다

Table 4 추진 일정

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 48: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

6 분급 이론

분급(分級 classification)이란 유체력을 이용해서 분립체를 그 입자 지름의 크기에

따라 분리하는 것으로 넓은 뜻으로는 유체력에 의한 분리만이 아니라 체가름을 포

함하는 경우가 있다 더 넓게는 비중선별ㆍ자기력선별 등 모든 입자분리조작을 분

급이라고 한다 공기ㆍ물 등의 유체 속에서 운동하는 분립체의 각 입자에는 중력

또는 원심력 이외에 유체에 의한 유체항력 등이 함께 작용된다 이 힘 즉 유체항력

은 입자 지름에 의존하는 데 유체항력과 입자 지름의 관계는 중력이나 원심력과

입자 지름의 관계와는 다르기 때문에 이 둘 사이의 균형 조건이 입자 지름에 의해

좌우된다 좁은 뜻의 분급은 이 원리를 이용한 입경분리조작을 의미한다 중력장에

서 등속 침강하는 구 형상의 입자에 대한 힘의 균형은 다음 식으로 표현된다

여기서 은 입자 질량 prime는 입자에 의해 배제된 유체 질량 g는 중력가속도 R

은 는 유체항력을 나타낸다 유체항력 R은 다음 식으로 나타낼 수 있다

여기서 는 저항계수 (drag coefficient)로 입자 주위의 유체의 상대적인 흐름의

상태에 따라 결정되는 무차원 계수이다 는 유체의 밀도 는 입자의 침강속도

는 입자의 지름이며 는 입자의 투영 최대 면적이다 물 또는 공기 속에서 입

자의 지름이 100 이하 입자의 밀도가 3gcm2이하의 조건에서는 입자 주위의 흐

름은 거의 충류로 간주되며 이때 R은 다음 식으로 나타내진다

여기서 는 유체의 점성도이다

prime

이므로 식 (36)을 식 (34)에 대입하면 식 (37)을 얻는다

여기서 는 입자 밀도이며 식 (37)을 스토크스의 침강속도식이라고 하며 분급에서

분리입자 지름을 구하기 위한 기본식으로 중요하다

식 (37)은 다음

과 같이도 표현된다

유체가 공기나 그 외의 기체인 경우의 분급 조작을 건식 분급(또는 공기 분급) 물

이나 그 외의 액체인 경우의 분급 조작을 습식 분급이라 한다 앞에 언급된 기본식

들 이외에 어떤 종류의 분급장치에서는 유체의 흐름 방향이 급격히 변화할 때 흐름

에 따라 운동하는 입자의 관성력의 효과가 중요한 역할을 한다

분급에 사용하는 장치를 분급기(classifier)라고 한다 건식분급기에는 관성력을 이

용하는 것 중력침강을 이용하는 것 원심력을 이용하는 것 등이 있다 관성력을 이

용하는 건식분급기에는 루버식분급기 버추얼임팩터 엘보제트형분급기 등이 있는

데 건식분급기로는 원심력을 이용한 것이 가장 널리 사용되고 있다 원심력을 이용

한 건식분급기로는 분급 입도가 30~100 정도의 비교적 굵은 입도에서의 대량 처

리로 옛날부터 알려진 스튜어트밴트형 등이 있으며 또한 몇 ~30의 분급이 가

능한 여러 분급기가 개발되어 널리 쓰이게 되었다 또한 사이클론도 미립(微粒)에서

조립(組立)에 이르는 분체(粉體)의 건식분급에 이용된다 습식분급기에는 중력식과

원심력식이 있으며 중력식은 상승 수류(水流)와 유동층을 이용한 수력분급기 원뿔

형 또는 각뿔형 용기에서의 중력침강을 이용한 세틀링탱크 등의 침강분급조 완만

하게 경사진 직사각형의 조(槽)로부터 침하한 조립 생산물을 긁어올리기 위한 레이

크나 스파이럴을 갖춘 기계분급기 등으로 분류된다 원심력을 이용한 습식분급기로

는 사이클론 또는 하이드로사이클론이 가장 대표적이며 솔리드볼형ㆍ디스크형 등

의 원심분리기도 미립자용 분급기로 사용된다

Fig 22는 베인 구조의 원심형 분급기의 회전 단면 모습이다

Fig22베인 구조의 원심형 분급기의 단면

Fig 22에서 H는 분급기 내부 상하면 사이의 간격이며 는 선별된 미분이 배출되

는 반경 는 베인의 내반경 는 베인의 외반경을 나타낸다

분체 주위의 공기 흐름이 층류 흐름이라는 조건하에서 베인 구조의 원심형 분급기

에의 컷포인트(utpoint)를 결정짓는 외주부의 반경 은 다음과 같다

또한 선별된 미분이 배출되는 반경은 다음과 같다

베인 사이에서도 고체의 회전법칙이 적용된다 베인의 외주 반경에서 속도의 원주

방향 성분 과 중심방향 성분 가 가장 큰 영향을 준다

식 (41)과 식 (42)를 식 (38)에 대입하여 정리하면 다음과 같다

독일 Netzsch 사에서는 베인의 내반경 에서 선별된 미분이 배출되는 반경 까

지의 반경 방향의 공기 속도 성분 을 질정하게 해 주기 위하여 Fig 10에 보인

ldquoConvorrdquo라고 불리우는 단면의 분급기를 개발하여 사용화하고 있다

7 분급기 설계와 유동 해석

분급기의 베인 사이로 분쇄된 미분과 공기가 함께 유입되어 중앙부의 배출구로 통

과하는 분급기의 내부 형상을 설계하기에 앞서 분급기 내부를 구성하는 상면이 평

평한 구조의 분급기에 대한 유동해석을 실시하여 공기의 속도 분포를 검토하였다

해석 대상 분급기의 외경은 205mm이며 밑면 중앙에 공기 배출을 위하여 직경이

90mm인 원형 구멍이 뚫려 있다 분급기 외주에는 단면이 원호의 일부로 만들어진

두깨가 2mm 넓이가 18mm 길이가 35mm인 베인이 매 60도마다 10개씩 등간격

으로 모두 60개가 베인의 코드 방향과 분급기의 반경 방향이 이루는 각도가 약 15

도가 되도록 경사지게 설치되어 있다 원주 방향으로 매 60도마다 길이 35mm 직

경 8mm인 원형봉 6개가 등간격으로 배열되어 상ㆍ사 카버 사이에 베인을 고정시

켜 조립되는 구조이다 해석 대상 분급기에 사용된 베인의 단면과 베인의 배열 및

분급기 상ㆍ하면을 고정하는 봉이 포함된 수평면상의 평면도를 Fig 23에 나타내었

다 Fig 24는 분급기의 상면 형상이 평평한 구조인 경우에 대한 분급기의 수직단

면도이다

분급기에 유입되는 공기는 온도 50 유입량 01m3sec 분급기를 통과한 후에

배출되는 공간의 압력은 12bar이며 분급기의 회전속도는 8000rpm(838radsec)

이다 분급기에 발생되는 원심력의 절대적인 크기는 재료의 밀도와 분급하고자 하

는 분말의 크기에 따라 분급기의 회전수를 변화시켜서 조절한다 SolidWorks 및

COSMOSFloWorks 프로그램으로 분급기의 공기 유동해석을 실시하였다 해석시의

변수 입력 항목 및 해석 과정을 ldquo부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 유동해석 절

차rdquo에 정리하였다

Fig 23 베인과 상ㆍ하면 고정 원형봉의 평면 단면도

Fig24 분급기 상면이 평면인 경우의 수직단면도

공기 유동해석 결과를 Fig25~Fig27에 나타내었다 Fig25는 베인의 중간 높이에

서의 수평 단면에서의 공기 속도 분포이다 Fig26은 베인이 위치한 부위에서의수

직단면 Fig 27은 상ㆍ하면을 고정시켜 주는 원형봉이 있는 부위의 수직단면에 분

포하는 공기의 유입 속도 해석 결과를 나타낸 것이다

Fig 25 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig 26 베인 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig27 연결봉 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig15~Fig27의 공기 속도 등고선을 보면 베인 외주부의 상하 위치에 있어서 공

기의속도가 불균일한 분포를 보인다 베인의 분급기 내부 공간에서는 같은 반경인

위치에서 윗부분에서의 공기 속도가 아랫부분에서보다 빠르게 분포하고 있다 베인

의 높이 방향 상ㆍ하 위치에 따른 이러한 유입 속도의 편차는 분급기 외주의 실린

더 면으로부터 유입되는 공기가 분급기 중앙의 밑 방향으로만 배출되는 유동 통로

의 구조 때문으로 판단되낟 따라서 같은 반경의 같은 원심력이 발생되는 위치에

있어서도 윗부분에서의 공기 유입속도가 밑부분에서보다 크게 분포되어 윗부분에서

는 밑부분에서보다 큰 분말이 분급기 안으로 유입된다 지정된 크기의 컷오프보다

큰 분말과 작은 분말이 혼합된 상태로 배출되는 관계로 분급이 정밀도가 저하된다

베인의 상ㆍ하 위치에 무관하게 공기의 유입 속도를 가급적 균일하게 해 주기 위한

목적으로 분급기 내부의 단면 형상을 Fig28과 같은 인볼류트-컨볼류트

(involute-convolute) 단면으로 구성하여 공기의 유동해석을 실시하였다

Fig 28 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기

Fig29는 베인의 중간 높이 수평단면 상에서의 공기 속도 분포이다 Fig25에 비하

여 베인의 외주 부위에서의 공기의 속도가 균일하게 분포되고 있음을 보여 준다

Fig29 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig 30은 베인이 위치한 부위에서의 수직 단면 Fig31은 상ㆍ하면을 고정시켜 주

는 원평봉이 있는 부위에서의 수직 단면에 분포하는 공기 속도 분포이다 Fig30과

Fig31은 각각 Fig25와 Fig26에 비하여 베인의 높이 방향 전체에 걸쳐 공기의 유

입 속도가 상당히 균일하게 분포되는 것을 보여 주고 있다

Fig 30 베인 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig31 연결봉 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig32는 분급기 내부의 공간 형상이 인볼류트-컨볼류트인 분급기의 설계 모델이

Fig32 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 모델

Fig33은 앞의 수축확산 공기 분사노즐(Fig20)과 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급

기(fig32)로 구성된 건식 기류충격식 분쇄기의 3D모델이다 중요 부품의 도면은

ldquo부록 9 설계 도면rdquo에 수록하였다

Fig33 건식 기류충격식 분쇄기의 3D 모델

8 시작품 제작

수축확산 공기 분사노즐의 유동해석 및 분급기의 유동해석 결과를 바탕으로 시작품

을 제작하였다 Fig34는 수축확산 공기 분사노즐 헤드의 시작품 모습이다

Fig 34 수축확산 공기 분사노즐 헤드 시작품

Fig35는 분급기의 시작품 모습이다 분급기의 베인은 분체와 마찰시 내마모성을

갖도록 SUS 재질로 곡면 성형한 후 세라믹으로 코팅하여 제작하였다

Fig35 분급기 시작품

Fig 36은 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 수축확산 공기 분사

노즐 및 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 등이 분쇄기의 내부에 장착되어 있다

Fig36 건식 기류충격식 분쇄기 시작품

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기와 관련된 국외 특허 자료 조사와 분석 공기의

유동해석에 있어 많은 일정이 소요되었다 기술지원 추진일정을 Table1에 정리하

였다

Table 4 추진 일정

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 49: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

여기서 는 입자 밀도이며 식 (37)을 스토크스의 침강속도식이라고 하며 분급에서

분리입자 지름을 구하기 위한 기본식으로 중요하다

식 (37)은 다음

과 같이도 표현된다

유체가 공기나 그 외의 기체인 경우의 분급 조작을 건식 분급(또는 공기 분급) 물

이나 그 외의 액체인 경우의 분급 조작을 습식 분급이라 한다 앞에 언급된 기본식

들 이외에 어떤 종류의 분급장치에서는 유체의 흐름 방향이 급격히 변화할 때 흐름

에 따라 운동하는 입자의 관성력의 효과가 중요한 역할을 한다

분급에 사용하는 장치를 분급기(classifier)라고 한다 건식분급기에는 관성력을 이

용하는 것 중력침강을 이용하는 것 원심력을 이용하는 것 등이 있다 관성력을 이

용하는 건식분급기에는 루버식분급기 버추얼임팩터 엘보제트형분급기 등이 있는

데 건식분급기로는 원심력을 이용한 것이 가장 널리 사용되고 있다 원심력을 이용

한 건식분급기로는 분급 입도가 30~100 정도의 비교적 굵은 입도에서의 대량 처

리로 옛날부터 알려진 스튜어트밴트형 등이 있으며 또한 몇 ~30의 분급이 가

능한 여러 분급기가 개발되어 널리 쓰이게 되었다 또한 사이클론도 미립(微粒)에서

조립(組立)에 이르는 분체(粉體)의 건식분급에 이용된다 습식분급기에는 중력식과

원심력식이 있으며 중력식은 상승 수류(水流)와 유동층을 이용한 수력분급기 원뿔

형 또는 각뿔형 용기에서의 중력침강을 이용한 세틀링탱크 등의 침강분급조 완만

하게 경사진 직사각형의 조(槽)로부터 침하한 조립 생산물을 긁어올리기 위한 레이

크나 스파이럴을 갖춘 기계분급기 등으로 분류된다 원심력을 이용한 습식분급기로

는 사이클론 또는 하이드로사이클론이 가장 대표적이며 솔리드볼형ㆍ디스크형 등

의 원심분리기도 미립자용 분급기로 사용된다

Fig 22는 베인 구조의 원심형 분급기의 회전 단면 모습이다

Fig22베인 구조의 원심형 분급기의 단면

Fig 22에서 H는 분급기 내부 상하면 사이의 간격이며 는 선별된 미분이 배출되

는 반경 는 베인의 내반경 는 베인의 외반경을 나타낸다

분체 주위의 공기 흐름이 층류 흐름이라는 조건하에서 베인 구조의 원심형 분급기

에의 컷포인트(utpoint)를 결정짓는 외주부의 반경 은 다음과 같다

또한 선별된 미분이 배출되는 반경은 다음과 같다

베인 사이에서도 고체의 회전법칙이 적용된다 베인의 외주 반경에서 속도의 원주

방향 성분 과 중심방향 성분 가 가장 큰 영향을 준다

식 (41)과 식 (42)를 식 (38)에 대입하여 정리하면 다음과 같다

독일 Netzsch 사에서는 베인의 내반경 에서 선별된 미분이 배출되는 반경 까

지의 반경 방향의 공기 속도 성분 을 질정하게 해 주기 위하여 Fig 10에 보인

ldquoConvorrdquo라고 불리우는 단면의 분급기를 개발하여 사용화하고 있다

7 분급기 설계와 유동 해석

분급기의 베인 사이로 분쇄된 미분과 공기가 함께 유입되어 중앙부의 배출구로 통

과하는 분급기의 내부 형상을 설계하기에 앞서 분급기 내부를 구성하는 상면이 평

평한 구조의 분급기에 대한 유동해석을 실시하여 공기의 속도 분포를 검토하였다

해석 대상 분급기의 외경은 205mm이며 밑면 중앙에 공기 배출을 위하여 직경이

90mm인 원형 구멍이 뚫려 있다 분급기 외주에는 단면이 원호의 일부로 만들어진

두깨가 2mm 넓이가 18mm 길이가 35mm인 베인이 매 60도마다 10개씩 등간격

으로 모두 60개가 베인의 코드 방향과 분급기의 반경 방향이 이루는 각도가 약 15

도가 되도록 경사지게 설치되어 있다 원주 방향으로 매 60도마다 길이 35mm 직

경 8mm인 원형봉 6개가 등간격으로 배열되어 상ㆍ사 카버 사이에 베인을 고정시

켜 조립되는 구조이다 해석 대상 분급기에 사용된 베인의 단면과 베인의 배열 및

분급기 상ㆍ하면을 고정하는 봉이 포함된 수평면상의 평면도를 Fig 23에 나타내었

다 Fig 24는 분급기의 상면 형상이 평평한 구조인 경우에 대한 분급기의 수직단

면도이다

분급기에 유입되는 공기는 온도 50 유입량 01m3sec 분급기를 통과한 후에

배출되는 공간의 압력은 12bar이며 분급기의 회전속도는 8000rpm(838radsec)

이다 분급기에 발생되는 원심력의 절대적인 크기는 재료의 밀도와 분급하고자 하

는 분말의 크기에 따라 분급기의 회전수를 변화시켜서 조절한다 SolidWorks 및

COSMOSFloWorks 프로그램으로 분급기의 공기 유동해석을 실시하였다 해석시의

변수 입력 항목 및 해석 과정을 ldquo부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 유동해석 절

차rdquo에 정리하였다

Fig 23 베인과 상ㆍ하면 고정 원형봉의 평면 단면도

Fig24 분급기 상면이 평면인 경우의 수직단면도

공기 유동해석 결과를 Fig25~Fig27에 나타내었다 Fig25는 베인의 중간 높이에

서의 수평 단면에서의 공기 속도 분포이다 Fig26은 베인이 위치한 부위에서의수

직단면 Fig 27은 상ㆍ하면을 고정시켜 주는 원형봉이 있는 부위의 수직단면에 분

포하는 공기의 유입 속도 해석 결과를 나타낸 것이다

Fig 25 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig 26 베인 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig27 연결봉 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig15~Fig27의 공기 속도 등고선을 보면 베인 외주부의 상하 위치에 있어서 공

기의속도가 불균일한 분포를 보인다 베인의 분급기 내부 공간에서는 같은 반경인

위치에서 윗부분에서의 공기 속도가 아랫부분에서보다 빠르게 분포하고 있다 베인

의 높이 방향 상ㆍ하 위치에 따른 이러한 유입 속도의 편차는 분급기 외주의 실린

더 면으로부터 유입되는 공기가 분급기 중앙의 밑 방향으로만 배출되는 유동 통로

의 구조 때문으로 판단되낟 따라서 같은 반경의 같은 원심력이 발생되는 위치에

있어서도 윗부분에서의 공기 유입속도가 밑부분에서보다 크게 분포되어 윗부분에서

는 밑부분에서보다 큰 분말이 분급기 안으로 유입된다 지정된 크기의 컷오프보다

큰 분말과 작은 분말이 혼합된 상태로 배출되는 관계로 분급이 정밀도가 저하된다

베인의 상ㆍ하 위치에 무관하게 공기의 유입 속도를 가급적 균일하게 해 주기 위한

목적으로 분급기 내부의 단면 형상을 Fig28과 같은 인볼류트-컨볼류트

(involute-convolute) 단면으로 구성하여 공기의 유동해석을 실시하였다

Fig 28 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기

Fig29는 베인의 중간 높이 수평단면 상에서의 공기 속도 분포이다 Fig25에 비하

여 베인의 외주 부위에서의 공기의 속도가 균일하게 분포되고 있음을 보여 준다

Fig29 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig 30은 베인이 위치한 부위에서의 수직 단면 Fig31은 상ㆍ하면을 고정시켜 주

는 원평봉이 있는 부위에서의 수직 단면에 분포하는 공기 속도 분포이다 Fig30과

Fig31은 각각 Fig25와 Fig26에 비하여 베인의 높이 방향 전체에 걸쳐 공기의 유

입 속도가 상당히 균일하게 분포되는 것을 보여 주고 있다

Fig 30 베인 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig31 연결봉 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig32는 분급기 내부의 공간 형상이 인볼류트-컨볼류트인 분급기의 설계 모델이

Fig32 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 모델

Fig33은 앞의 수축확산 공기 분사노즐(Fig20)과 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급

기(fig32)로 구성된 건식 기류충격식 분쇄기의 3D모델이다 중요 부품의 도면은

ldquo부록 9 설계 도면rdquo에 수록하였다

Fig33 건식 기류충격식 분쇄기의 3D 모델

8 시작품 제작

수축확산 공기 분사노즐의 유동해석 및 분급기의 유동해석 결과를 바탕으로 시작품

을 제작하였다 Fig34는 수축확산 공기 분사노즐 헤드의 시작품 모습이다

Fig 34 수축확산 공기 분사노즐 헤드 시작품

Fig35는 분급기의 시작품 모습이다 분급기의 베인은 분체와 마찰시 내마모성을

갖도록 SUS 재질로 곡면 성형한 후 세라믹으로 코팅하여 제작하였다

Fig35 분급기 시작품

Fig 36은 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 수축확산 공기 분사

노즐 및 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 등이 분쇄기의 내부에 장착되어 있다

Fig36 건식 기류충격식 분쇄기 시작품

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기와 관련된 국외 특허 자료 조사와 분석 공기의

유동해석에 있어 많은 일정이 소요되었다 기술지원 추진일정을 Table1에 정리하

였다

Table 4 추진 일정

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 50: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

Fig22베인 구조의 원심형 분급기의 단면

Fig 22에서 H는 분급기 내부 상하면 사이의 간격이며 는 선별된 미분이 배출되

는 반경 는 베인의 내반경 는 베인의 외반경을 나타낸다

분체 주위의 공기 흐름이 층류 흐름이라는 조건하에서 베인 구조의 원심형 분급기

에의 컷포인트(utpoint)를 결정짓는 외주부의 반경 은 다음과 같다

또한 선별된 미분이 배출되는 반경은 다음과 같다

베인 사이에서도 고체의 회전법칙이 적용된다 베인의 외주 반경에서 속도의 원주

방향 성분 과 중심방향 성분 가 가장 큰 영향을 준다

식 (41)과 식 (42)를 식 (38)에 대입하여 정리하면 다음과 같다

독일 Netzsch 사에서는 베인의 내반경 에서 선별된 미분이 배출되는 반경 까

지의 반경 방향의 공기 속도 성분 을 질정하게 해 주기 위하여 Fig 10에 보인

ldquoConvorrdquo라고 불리우는 단면의 분급기를 개발하여 사용화하고 있다

7 분급기 설계와 유동 해석

분급기의 베인 사이로 분쇄된 미분과 공기가 함께 유입되어 중앙부의 배출구로 통

과하는 분급기의 내부 형상을 설계하기에 앞서 분급기 내부를 구성하는 상면이 평

평한 구조의 분급기에 대한 유동해석을 실시하여 공기의 속도 분포를 검토하였다

해석 대상 분급기의 외경은 205mm이며 밑면 중앙에 공기 배출을 위하여 직경이

90mm인 원형 구멍이 뚫려 있다 분급기 외주에는 단면이 원호의 일부로 만들어진

두깨가 2mm 넓이가 18mm 길이가 35mm인 베인이 매 60도마다 10개씩 등간격

으로 모두 60개가 베인의 코드 방향과 분급기의 반경 방향이 이루는 각도가 약 15

도가 되도록 경사지게 설치되어 있다 원주 방향으로 매 60도마다 길이 35mm 직

경 8mm인 원형봉 6개가 등간격으로 배열되어 상ㆍ사 카버 사이에 베인을 고정시

켜 조립되는 구조이다 해석 대상 분급기에 사용된 베인의 단면과 베인의 배열 및

분급기 상ㆍ하면을 고정하는 봉이 포함된 수평면상의 평면도를 Fig 23에 나타내었

다 Fig 24는 분급기의 상면 형상이 평평한 구조인 경우에 대한 분급기의 수직단

면도이다

분급기에 유입되는 공기는 온도 50 유입량 01m3sec 분급기를 통과한 후에

배출되는 공간의 압력은 12bar이며 분급기의 회전속도는 8000rpm(838radsec)

이다 분급기에 발생되는 원심력의 절대적인 크기는 재료의 밀도와 분급하고자 하

는 분말의 크기에 따라 분급기의 회전수를 변화시켜서 조절한다 SolidWorks 및

COSMOSFloWorks 프로그램으로 분급기의 공기 유동해석을 실시하였다 해석시의

변수 입력 항목 및 해석 과정을 ldquo부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 유동해석 절

차rdquo에 정리하였다

Fig 23 베인과 상ㆍ하면 고정 원형봉의 평면 단면도

Fig24 분급기 상면이 평면인 경우의 수직단면도

공기 유동해석 결과를 Fig25~Fig27에 나타내었다 Fig25는 베인의 중간 높이에

서의 수평 단면에서의 공기 속도 분포이다 Fig26은 베인이 위치한 부위에서의수

직단면 Fig 27은 상ㆍ하면을 고정시켜 주는 원형봉이 있는 부위의 수직단면에 분

포하는 공기의 유입 속도 해석 결과를 나타낸 것이다

Fig 25 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig 26 베인 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig27 연결봉 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig15~Fig27의 공기 속도 등고선을 보면 베인 외주부의 상하 위치에 있어서 공

기의속도가 불균일한 분포를 보인다 베인의 분급기 내부 공간에서는 같은 반경인

위치에서 윗부분에서의 공기 속도가 아랫부분에서보다 빠르게 분포하고 있다 베인

의 높이 방향 상ㆍ하 위치에 따른 이러한 유입 속도의 편차는 분급기 외주의 실린

더 면으로부터 유입되는 공기가 분급기 중앙의 밑 방향으로만 배출되는 유동 통로

의 구조 때문으로 판단되낟 따라서 같은 반경의 같은 원심력이 발생되는 위치에

있어서도 윗부분에서의 공기 유입속도가 밑부분에서보다 크게 분포되어 윗부분에서

는 밑부분에서보다 큰 분말이 분급기 안으로 유입된다 지정된 크기의 컷오프보다

큰 분말과 작은 분말이 혼합된 상태로 배출되는 관계로 분급이 정밀도가 저하된다

베인의 상ㆍ하 위치에 무관하게 공기의 유입 속도를 가급적 균일하게 해 주기 위한

목적으로 분급기 내부의 단면 형상을 Fig28과 같은 인볼류트-컨볼류트

(involute-convolute) 단면으로 구성하여 공기의 유동해석을 실시하였다

Fig 28 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기

Fig29는 베인의 중간 높이 수평단면 상에서의 공기 속도 분포이다 Fig25에 비하

여 베인의 외주 부위에서의 공기의 속도가 균일하게 분포되고 있음을 보여 준다

Fig29 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig 30은 베인이 위치한 부위에서의 수직 단면 Fig31은 상ㆍ하면을 고정시켜 주

는 원평봉이 있는 부위에서의 수직 단면에 분포하는 공기 속도 분포이다 Fig30과

Fig31은 각각 Fig25와 Fig26에 비하여 베인의 높이 방향 전체에 걸쳐 공기의 유

입 속도가 상당히 균일하게 분포되는 것을 보여 주고 있다

Fig 30 베인 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig31 연결봉 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig32는 분급기 내부의 공간 형상이 인볼류트-컨볼류트인 분급기의 설계 모델이

Fig32 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 모델

Fig33은 앞의 수축확산 공기 분사노즐(Fig20)과 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급

기(fig32)로 구성된 건식 기류충격식 분쇄기의 3D모델이다 중요 부품의 도면은

ldquo부록 9 설계 도면rdquo에 수록하였다

Fig33 건식 기류충격식 분쇄기의 3D 모델

8 시작품 제작

수축확산 공기 분사노즐의 유동해석 및 분급기의 유동해석 결과를 바탕으로 시작품

을 제작하였다 Fig34는 수축확산 공기 분사노즐 헤드의 시작품 모습이다

Fig 34 수축확산 공기 분사노즐 헤드 시작품

Fig35는 분급기의 시작품 모습이다 분급기의 베인은 분체와 마찰시 내마모성을

갖도록 SUS 재질로 곡면 성형한 후 세라믹으로 코팅하여 제작하였다

Fig35 분급기 시작품

Fig 36은 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 수축확산 공기 분사

노즐 및 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 등이 분쇄기의 내부에 장착되어 있다

Fig36 건식 기류충격식 분쇄기 시작품

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기와 관련된 국외 특허 자료 조사와 분석 공기의

유동해석에 있어 많은 일정이 소요되었다 기술지원 추진일정을 Table1에 정리하

였다

Table 4 추진 일정

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 51: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

7 분급기 설계와 유동 해석

분급기의 베인 사이로 분쇄된 미분과 공기가 함께 유입되어 중앙부의 배출구로 통

과하는 분급기의 내부 형상을 설계하기에 앞서 분급기 내부를 구성하는 상면이 평

평한 구조의 분급기에 대한 유동해석을 실시하여 공기의 속도 분포를 검토하였다

해석 대상 분급기의 외경은 205mm이며 밑면 중앙에 공기 배출을 위하여 직경이

90mm인 원형 구멍이 뚫려 있다 분급기 외주에는 단면이 원호의 일부로 만들어진

두깨가 2mm 넓이가 18mm 길이가 35mm인 베인이 매 60도마다 10개씩 등간격

으로 모두 60개가 베인의 코드 방향과 분급기의 반경 방향이 이루는 각도가 약 15

도가 되도록 경사지게 설치되어 있다 원주 방향으로 매 60도마다 길이 35mm 직

경 8mm인 원형봉 6개가 등간격으로 배열되어 상ㆍ사 카버 사이에 베인을 고정시

켜 조립되는 구조이다 해석 대상 분급기에 사용된 베인의 단면과 베인의 배열 및

분급기 상ㆍ하면을 고정하는 봉이 포함된 수평면상의 평면도를 Fig 23에 나타내었

다 Fig 24는 분급기의 상면 형상이 평평한 구조인 경우에 대한 분급기의 수직단

면도이다

분급기에 유입되는 공기는 온도 50 유입량 01m3sec 분급기를 통과한 후에

배출되는 공간의 압력은 12bar이며 분급기의 회전속도는 8000rpm(838radsec)

이다 분급기에 발생되는 원심력의 절대적인 크기는 재료의 밀도와 분급하고자 하

는 분말의 크기에 따라 분급기의 회전수를 변화시켜서 조절한다 SolidWorks 및

COSMOSFloWorks 프로그램으로 분급기의 공기 유동해석을 실시하였다 해석시의

변수 입력 항목 및 해석 과정을 ldquo부록 8 COSMOSFloWorks에 의한 유동해석 절

차rdquo에 정리하였다

Fig 23 베인과 상ㆍ하면 고정 원형봉의 평면 단면도

Fig24 분급기 상면이 평면인 경우의 수직단면도

공기 유동해석 결과를 Fig25~Fig27에 나타내었다 Fig25는 베인의 중간 높이에

서의 수평 단면에서의 공기 속도 분포이다 Fig26은 베인이 위치한 부위에서의수

직단면 Fig 27은 상ㆍ하면을 고정시켜 주는 원형봉이 있는 부위의 수직단면에 분

포하는 공기의 유입 속도 해석 결과를 나타낸 것이다

Fig 25 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig 26 베인 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig27 연결봉 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig15~Fig27의 공기 속도 등고선을 보면 베인 외주부의 상하 위치에 있어서 공

기의속도가 불균일한 분포를 보인다 베인의 분급기 내부 공간에서는 같은 반경인

위치에서 윗부분에서의 공기 속도가 아랫부분에서보다 빠르게 분포하고 있다 베인

의 높이 방향 상ㆍ하 위치에 따른 이러한 유입 속도의 편차는 분급기 외주의 실린

더 면으로부터 유입되는 공기가 분급기 중앙의 밑 방향으로만 배출되는 유동 통로

의 구조 때문으로 판단되낟 따라서 같은 반경의 같은 원심력이 발생되는 위치에

있어서도 윗부분에서의 공기 유입속도가 밑부분에서보다 크게 분포되어 윗부분에서

는 밑부분에서보다 큰 분말이 분급기 안으로 유입된다 지정된 크기의 컷오프보다

큰 분말과 작은 분말이 혼합된 상태로 배출되는 관계로 분급이 정밀도가 저하된다

베인의 상ㆍ하 위치에 무관하게 공기의 유입 속도를 가급적 균일하게 해 주기 위한

목적으로 분급기 내부의 단면 형상을 Fig28과 같은 인볼류트-컨볼류트

(involute-convolute) 단면으로 구성하여 공기의 유동해석을 실시하였다

Fig 28 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기

Fig29는 베인의 중간 높이 수평단면 상에서의 공기 속도 분포이다 Fig25에 비하

여 베인의 외주 부위에서의 공기의 속도가 균일하게 분포되고 있음을 보여 준다

Fig29 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig 30은 베인이 위치한 부위에서의 수직 단면 Fig31은 상ㆍ하면을 고정시켜 주

는 원평봉이 있는 부위에서의 수직 단면에 분포하는 공기 속도 분포이다 Fig30과

Fig31은 각각 Fig25와 Fig26에 비하여 베인의 높이 방향 전체에 걸쳐 공기의 유

입 속도가 상당히 균일하게 분포되는 것을 보여 주고 있다

Fig 30 베인 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig31 연결봉 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig32는 분급기 내부의 공간 형상이 인볼류트-컨볼류트인 분급기의 설계 모델이

Fig32 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 모델

Fig33은 앞의 수축확산 공기 분사노즐(Fig20)과 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급

기(fig32)로 구성된 건식 기류충격식 분쇄기의 3D모델이다 중요 부품의 도면은

ldquo부록 9 설계 도면rdquo에 수록하였다

Fig33 건식 기류충격식 분쇄기의 3D 모델

8 시작품 제작

수축확산 공기 분사노즐의 유동해석 및 분급기의 유동해석 결과를 바탕으로 시작품

을 제작하였다 Fig34는 수축확산 공기 분사노즐 헤드의 시작품 모습이다

Fig 34 수축확산 공기 분사노즐 헤드 시작품

Fig35는 분급기의 시작품 모습이다 분급기의 베인은 분체와 마찰시 내마모성을

갖도록 SUS 재질로 곡면 성형한 후 세라믹으로 코팅하여 제작하였다

Fig35 분급기 시작품

Fig 36은 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 수축확산 공기 분사

노즐 및 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 등이 분쇄기의 내부에 장착되어 있다

Fig36 건식 기류충격식 분쇄기 시작품

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기와 관련된 국외 특허 자료 조사와 분석 공기의

유동해석에 있어 많은 일정이 소요되었다 기술지원 추진일정을 Table1에 정리하

였다

Table 4 추진 일정

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 52: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

Fig 23 베인과 상ㆍ하면 고정 원형봉의 평면 단면도

Fig24 분급기 상면이 평면인 경우의 수직단면도

공기 유동해석 결과를 Fig25~Fig27에 나타내었다 Fig25는 베인의 중간 높이에

서의 수평 단면에서의 공기 속도 분포이다 Fig26은 베인이 위치한 부위에서의수

직단면 Fig 27은 상ㆍ하면을 고정시켜 주는 원형봉이 있는 부위의 수직단면에 분

포하는 공기의 유입 속도 해석 결과를 나타낸 것이다

Fig 25 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig 26 베인 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig27 연결봉 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig15~Fig27의 공기 속도 등고선을 보면 베인 외주부의 상하 위치에 있어서 공

기의속도가 불균일한 분포를 보인다 베인의 분급기 내부 공간에서는 같은 반경인

위치에서 윗부분에서의 공기 속도가 아랫부분에서보다 빠르게 분포하고 있다 베인

의 높이 방향 상ㆍ하 위치에 따른 이러한 유입 속도의 편차는 분급기 외주의 실린

더 면으로부터 유입되는 공기가 분급기 중앙의 밑 방향으로만 배출되는 유동 통로

의 구조 때문으로 판단되낟 따라서 같은 반경의 같은 원심력이 발생되는 위치에

있어서도 윗부분에서의 공기 유입속도가 밑부분에서보다 크게 분포되어 윗부분에서

는 밑부분에서보다 큰 분말이 분급기 안으로 유입된다 지정된 크기의 컷오프보다

큰 분말과 작은 분말이 혼합된 상태로 배출되는 관계로 분급이 정밀도가 저하된다

베인의 상ㆍ하 위치에 무관하게 공기의 유입 속도를 가급적 균일하게 해 주기 위한

목적으로 분급기 내부의 단면 형상을 Fig28과 같은 인볼류트-컨볼류트

(involute-convolute) 단면으로 구성하여 공기의 유동해석을 실시하였다

Fig 28 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기

Fig29는 베인의 중간 높이 수평단면 상에서의 공기 속도 분포이다 Fig25에 비하

여 베인의 외주 부위에서의 공기의 속도가 균일하게 분포되고 있음을 보여 준다

Fig29 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig 30은 베인이 위치한 부위에서의 수직 단면 Fig31은 상ㆍ하면을 고정시켜 주

는 원평봉이 있는 부위에서의 수직 단면에 분포하는 공기 속도 분포이다 Fig30과

Fig31은 각각 Fig25와 Fig26에 비하여 베인의 높이 방향 전체에 걸쳐 공기의 유

입 속도가 상당히 균일하게 분포되는 것을 보여 주고 있다

Fig 30 베인 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig31 연결봉 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig32는 분급기 내부의 공간 형상이 인볼류트-컨볼류트인 분급기의 설계 모델이

Fig32 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 모델

Fig33은 앞의 수축확산 공기 분사노즐(Fig20)과 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급

기(fig32)로 구성된 건식 기류충격식 분쇄기의 3D모델이다 중요 부품의 도면은

ldquo부록 9 설계 도면rdquo에 수록하였다

Fig33 건식 기류충격식 분쇄기의 3D 모델

8 시작품 제작

수축확산 공기 분사노즐의 유동해석 및 분급기의 유동해석 결과를 바탕으로 시작품

을 제작하였다 Fig34는 수축확산 공기 분사노즐 헤드의 시작품 모습이다

Fig 34 수축확산 공기 분사노즐 헤드 시작품

Fig35는 분급기의 시작품 모습이다 분급기의 베인은 분체와 마찰시 내마모성을

갖도록 SUS 재질로 곡면 성형한 후 세라믹으로 코팅하여 제작하였다

Fig35 분급기 시작품

Fig 36은 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 수축확산 공기 분사

노즐 및 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 등이 분쇄기의 내부에 장착되어 있다

Fig36 건식 기류충격식 분쇄기 시작품

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기와 관련된 국외 특허 자료 조사와 분석 공기의

유동해석에 있어 많은 일정이 소요되었다 기술지원 추진일정을 Table1에 정리하

였다

Table 4 추진 일정

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 53: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

Fig24 분급기 상면이 평면인 경우의 수직단면도

공기 유동해석 결과를 Fig25~Fig27에 나타내었다 Fig25는 베인의 중간 높이에

서의 수평 단면에서의 공기 속도 분포이다 Fig26은 베인이 위치한 부위에서의수

직단면 Fig 27은 상ㆍ하면을 고정시켜 주는 원형봉이 있는 부위의 수직단면에 분

포하는 공기의 유입 속도 해석 결과를 나타낸 것이다

Fig 25 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig 26 베인 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig27 연결봉 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig15~Fig27의 공기 속도 등고선을 보면 베인 외주부의 상하 위치에 있어서 공

기의속도가 불균일한 분포를 보인다 베인의 분급기 내부 공간에서는 같은 반경인

위치에서 윗부분에서의 공기 속도가 아랫부분에서보다 빠르게 분포하고 있다 베인

의 높이 방향 상ㆍ하 위치에 따른 이러한 유입 속도의 편차는 분급기 외주의 실린

더 면으로부터 유입되는 공기가 분급기 중앙의 밑 방향으로만 배출되는 유동 통로

의 구조 때문으로 판단되낟 따라서 같은 반경의 같은 원심력이 발생되는 위치에

있어서도 윗부분에서의 공기 유입속도가 밑부분에서보다 크게 분포되어 윗부분에서

는 밑부분에서보다 큰 분말이 분급기 안으로 유입된다 지정된 크기의 컷오프보다

큰 분말과 작은 분말이 혼합된 상태로 배출되는 관계로 분급이 정밀도가 저하된다

베인의 상ㆍ하 위치에 무관하게 공기의 유입 속도를 가급적 균일하게 해 주기 위한

목적으로 분급기 내부의 단면 형상을 Fig28과 같은 인볼류트-컨볼류트

(involute-convolute) 단면으로 구성하여 공기의 유동해석을 실시하였다

Fig 28 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기

Fig29는 베인의 중간 높이 수평단면 상에서의 공기 속도 분포이다 Fig25에 비하

여 베인의 외주 부위에서의 공기의 속도가 균일하게 분포되고 있음을 보여 준다

Fig29 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig 30은 베인이 위치한 부위에서의 수직 단면 Fig31은 상ㆍ하면을 고정시켜 주

는 원평봉이 있는 부위에서의 수직 단면에 분포하는 공기 속도 분포이다 Fig30과

Fig31은 각각 Fig25와 Fig26에 비하여 베인의 높이 방향 전체에 걸쳐 공기의 유

입 속도가 상당히 균일하게 분포되는 것을 보여 주고 있다

Fig 30 베인 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig31 연결봉 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig32는 분급기 내부의 공간 형상이 인볼류트-컨볼류트인 분급기의 설계 모델이

Fig32 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 모델

Fig33은 앞의 수축확산 공기 분사노즐(Fig20)과 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급

기(fig32)로 구성된 건식 기류충격식 분쇄기의 3D모델이다 중요 부품의 도면은

ldquo부록 9 설계 도면rdquo에 수록하였다

Fig33 건식 기류충격식 분쇄기의 3D 모델

8 시작품 제작

수축확산 공기 분사노즐의 유동해석 및 분급기의 유동해석 결과를 바탕으로 시작품

을 제작하였다 Fig34는 수축확산 공기 분사노즐 헤드의 시작품 모습이다

Fig 34 수축확산 공기 분사노즐 헤드 시작품

Fig35는 분급기의 시작품 모습이다 분급기의 베인은 분체와 마찰시 내마모성을

갖도록 SUS 재질로 곡면 성형한 후 세라믹으로 코팅하여 제작하였다

Fig35 분급기 시작품

Fig 36은 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 수축확산 공기 분사

노즐 및 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 등이 분쇄기의 내부에 장착되어 있다

Fig36 건식 기류충격식 분쇄기 시작품

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기와 관련된 국외 특허 자료 조사와 분석 공기의

유동해석에 있어 많은 일정이 소요되었다 기술지원 추진일정을 Table1에 정리하

였다

Table 4 추진 일정

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 54: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

Fig 25 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig 26 베인 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig27 연결봉 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig15~Fig27의 공기 속도 등고선을 보면 베인 외주부의 상하 위치에 있어서 공

기의속도가 불균일한 분포를 보인다 베인의 분급기 내부 공간에서는 같은 반경인

위치에서 윗부분에서의 공기 속도가 아랫부분에서보다 빠르게 분포하고 있다 베인

의 높이 방향 상ㆍ하 위치에 따른 이러한 유입 속도의 편차는 분급기 외주의 실린

더 면으로부터 유입되는 공기가 분급기 중앙의 밑 방향으로만 배출되는 유동 통로

의 구조 때문으로 판단되낟 따라서 같은 반경의 같은 원심력이 발생되는 위치에

있어서도 윗부분에서의 공기 유입속도가 밑부분에서보다 크게 분포되어 윗부분에서

는 밑부분에서보다 큰 분말이 분급기 안으로 유입된다 지정된 크기의 컷오프보다

큰 분말과 작은 분말이 혼합된 상태로 배출되는 관계로 분급이 정밀도가 저하된다

베인의 상ㆍ하 위치에 무관하게 공기의 유입 속도를 가급적 균일하게 해 주기 위한

목적으로 분급기 내부의 단면 형상을 Fig28과 같은 인볼류트-컨볼류트

(involute-convolute) 단면으로 구성하여 공기의 유동해석을 실시하였다

Fig 28 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기

Fig29는 베인의 중간 높이 수평단면 상에서의 공기 속도 분포이다 Fig25에 비하

여 베인의 외주 부위에서의 공기의 속도가 균일하게 분포되고 있음을 보여 준다

Fig29 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig 30은 베인이 위치한 부위에서의 수직 단면 Fig31은 상ㆍ하면을 고정시켜 주

는 원평봉이 있는 부위에서의 수직 단면에 분포하는 공기 속도 분포이다 Fig30과

Fig31은 각각 Fig25와 Fig26에 비하여 베인의 높이 방향 전체에 걸쳐 공기의 유

입 속도가 상당히 균일하게 분포되는 것을 보여 주고 있다

Fig 30 베인 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig31 연결봉 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig32는 분급기 내부의 공간 형상이 인볼류트-컨볼류트인 분급기의 설계 모델이

Fig32 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 모델

Fig33은 앞의 수축확산 공기 분사노즐(Fig20)과 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급

기(fig32)로 구성된 건식 기류충격식 분쇄기의 3D모델이다 중요 부품의 도면은

ldquo부록 9 설계 도면rdquo에 수록하였다

Fig33 건식 기류충격식 분쇄기의 3D 모델

8 시작품 제작

수축확산 공기 분사노즐의 유동해석 및 분급기의 유동해석 결과를 바탕으로 시작품

을 제작하였다 Fig34는 수축확산 공기 분사노즐 헤드의 시작품 모습이다

Fig 34 수축확산 공기 분사노즐 헤드 시작품

Fig35는 분급기의 시작품 모습이다 분급기의 베인은 분체와 마찰시 내마모성을

갖도록 SUS 재질로 곡면 성형한 후 세라믹으로 코팅하여 제작하였다

Fig35 분급기 시작품

Fig 36은 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 수축확산 공기 분사

노즐 및 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 등이 분쇄기의 내부에 장착되어 있다

Fig36 건식 기류충격식 분쇄기 시작품

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기와 관련된 국외 특허 자료 조사와 분석 공기의

유동해석에 있어 많은 일정이 소요되었다 기술지원 추진일정을 Table1에 정리하

였다

Table 4 추진 일정

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 55: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

Fig 26 베인 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig27 연결봉 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig15~Fig27의 공기 속도 등고선을 보면 베인 외주부의 상하 위치에 있어서 공

기의속도가 불균일한 분포를 보인다 베인의 분급기 내부 공간에서는 같은 반경인

위치에서 윗부분에서의 공기 속도가 아랫부분에서보다 빠르게 분포하고 있다 베인

의 높이 방향 상ㆍ하 위치에 따른 이러한 유입 속도의 편차는 분급기 외주의 실린

더 면으로부터 유입되는 공기가 분급기 중앙의 밑 방향으로만 배출되는 유동 통로

의 구조 때문으로 판단되낟 따라서 같은 반경의 같은 원심력이 발생되는 위치에

있어서도 윗부분에서의 공기 유입속도가 밑부분에서보다 크게 분포되어 윗부분에서

는 밑부분에서보다 큰 분말이 분급기 안으로 유입된다 지정된 크기의 컷오프보다

큰 분말과 작은 분말이 혼합된 상태로 배출되는 관계로 분급이 정밀도가 저하된다

베인의 상ㆍ하 위치에 무관하게 공기의 유입 속도를 가급적 균일하게 해 주기 위한

목적으로 분급기 내부의 단면 형상을 Fig28과 같은 인볼류트-컨볼류트

(involute-convolute) 단면으로 구성하여 공기의 유동해석을 실시하였다

Fig 28 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기

Fig29는 베인의 중간 높이 수평단면 상에서의 공기 속도 분포이다 Fig25에 비하

여 베인의 외주 부위에서의 공기의 속도가 균일하게 분포되고 있음을 보여 준다

Fig29 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig 30은 베인이 위치한 부위에서의 수직 단면 Fig31은 상ㆍ하면을 고정시켜 주

는 원평봉이 있는 부위에서의 수직 단면에 분포하는 공기 속도 분포이다 Fig30과

Fig31은 각각 Fig25와 Fig26에 비하여 베인의 높이 방향 전체에 걸쳐 공기의 유

입 속도가 상당히 균일하게 분포되는 것을 보여 주고 있다

Fig 30 베인 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig31 연결봉 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig32는 분급기 내부의 공간 형상이 인볼류트-컨볼류트인 분급기의 설계 모델이

Fig32 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 모델

Fig33은 앞의 수축확산 공기 분사노즐(Fig20)과 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급

기(fig32)로 구성된 건식 기류충격식 분쇄기의 3D모델이다 중요 부품의 도면은

ldquo부록 9 설계 도면rdquo에 수록하였다

Fig33 건식 기류충격식 분쇄기의 3D 모델

8 시작품 제작

수축확산 공기 분사노즐의 유동해석 및 분급기의 유동해석 결과를 바탕으로 시작품

을 제작하였다 Fig34는 수축확산 공기 분사노즐 헤드의 시작품 모습이다

Fig 34 수축확산 공기 분사노즐 헤드 시작품

Fig35는 분급기의 시작품 모습이다 분급기의 베인은 분체와 마찰시 내마모성을

갖도록 SUS 재질로 곡면 성형한 후 세라믹으로 코팅하여 제작하였다

Fig35 분급기 시작품

Fig 36은 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 수축확산 공기 분사

노즐 및 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 등이 분쇄기의 내부에 장착되어 있다

Fig36 건식 기류충격식 분쇄기 시작품

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기와 관련된 국외 특허 자료 조사와 분석 공기의

유동해석에 있어 많은 일정이 소요되었다 기술지원 추진일정을 Table1에 정리하

였다

Table 4 추진 일정

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 56: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

Fig27 연결봉 부위의 수직단면 상의 속도 분포(분급기 상면이 평면인 경우)

Fig15~Fig27의 공기 속도 등고선을 보면 베인 외주부의 상하 위치에 있어서 공

기의속도가 불균일한 분포를 보인다 베인의 분급기 내부 공간에서는 같은 반경인

위치에서 윗부분에서의 공기 속도가 아랫부분에서보다 빠르게 분포하고 있다 베인

의 높이 방향 상ㆍ하 위치에 따른 이러한 유입 속도의 편차는 분급기 외주의 실린

더 면으로부터 유입되는 공기가 분급기 중앙의 밑 방향으로만 배출되는 유동 통로

의 구조 때문으로 판단되낟 따라서 같은 반경의 같은 원심력이 발생되는 위치에

있어서도 윗부분에서의 공기 유입속도가 밑부분에서보다 크게 분포되어 윗부분에서

는 밑부분에서보다 큰 분말이 분급기 안으로 유입된다 지정된 크기의 컷오프보다

큰 분말과 작은 분말이 혼합된 상태로 배출되는 관계로 분급이 정밀도가 저하된다

베인의 상ㆍ하 위치에 무관하게 공기의 유입 속도를 가급적 균일하게 해 주기 위한

목적으로 분급기 내부의 단면 형상을 Fig28과 같은 인볼류트-컨볼류트

(involute-convolute) 단면으로 구성하여 공기의 유동해석을 실시하였다

Fig 28 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기

Fig29는 베인의 중간 높이 수평단면 상에서의 공기 속도 분포이다 Fig25에 비하

여 베인의 외주 부위에서의 공기의 속도가 균일하게 분포되고 있음을 보여 준다

Fig29 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig 30은 베인이 위치한 부위에서의 수직 단면 Fig31은 상ㆍ하면을 고정시켜 주

는 원평봉이 있는 부위에서의 수직 단면에 분포하는 공기 속도 분포이다 Fig30과

Fig31은 각각 Fig25와 Fig26에 비하여 베인의 높이 방향 전체에 걸쳐 공기의 유

입 속도가 상당히 균일하게 분포되는 것을 보여 주고 있다

Fig 30 베인 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig31 연결봉 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig32는 분급기 내부의 공간 형상이 인볼류트-컨볼류트인 분급기의 설계 모델이

Fig32 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 모델

Fig33은 앞의 수축확산 공기 분사노즐(Fig20)과 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급

기(fig32)로 구성된 건식 기류충격식 분쇄기의 3D모델이다 중요 부품의 도면은

ldquo부록 9 설계 도면rdquo에 수록하였다

Fig33 건식 기류충격식 분쇄기의 3D 모델

8 시작품 제작

수축확산 공기 분사노즐의 유동해석 및 분급기의 유동해석 결과를 바탕으로 시작품

을 제작하였다 Fig34는 수축확산 공기 분사노즐 헤드의 시작품 모습이다

Fig 34 수축확산 공기 분사노즐 헤드 시작품

Fig35는 분급기의 시작품 모습이다 분급기의 베인은 분체와 마찰시 내마모성을

갖도록 SUS 재질로 곡면 성형한 후 세라믹으로 코팅하여 제작하였다

Fig35 분급기 시작품

Fig 36은 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 수축확산 공기 분사

노즐 및 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 등이 분쇄기의 내부에 장착되어 있다

Fig36 건식 기류충격식 분쇄기 시작품

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기와 관련된 국외 특허 자료 조사와 분석 공기의

유동해석에 있어 많은 일정이 소요되었다 기술지원 추진일정을 Table1에 정리하

였다

Table 4 추진 일정

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 57: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

Fig 28 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기

Fig29는 베인의 중간 높이 수평단면 상에서의 공기 속도 분포이다 Fig25에 비하

여 베인의 외주 부위에서의 공기의 속도가 균일하게 분포되고 있음을 보여 준다

Fig29 베인의 중간 높이 수평단면 상의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig 30은 베인이 위치한 부위에서의 수직 단면 Fig31은 상ㆍ하면을 고정시켜 주

는 원평봉이 있는 부위에서의 수직 단면에 분포하는 공기 속도 분포이다 Fig30과

Fig31은 각각 Fig25와 Fig26에 비하여 베인의 높이 방향 전체에 걸쳐 공기의 유

입 속도가 상당히 균일하게 분포되는 것을 보여 주고 있다

Fig 30 베인 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig31 연결봉 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig32는 분급기 내부의 공간 형상이 인볼류트-컨볼류트인 분급기의 설계 모델이

Fig32 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 모델

Fig33은 앞의 수축확산 공기 분사노즐(Fig20)과 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급

기(fig32)로 구성된 건식 기류충격식 분쇄기의 3D모델이다 중요 부품의 도면은

ldquo부록 9 설계 도면rdquo에 수록하였다

Fig33 건식 기류충격식 분쇄기의 3D 모델

8 시작품 제작

수축확산 공기 분사노즐의 유동해석 및 분급기의 유동해석 결과를 바탕으로 시작품

을 제작하였다 Fig34는 수축확산 공기 분사노즐 헤드의 시작품 모습이다

Fig 34 수축확산 공기 분사노즐 헤드 시작품

Fig35는 분급기의 시작품 모습이다 분급기의 베인은 분체와 마찰시 내마모성을

갖도록 SUS 재질로 곡면 성형한 후 세라믹으로 코팅하여 제작하였다

Fig35 분급기 시작품

Fig 36은 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 수축확산 공기 분사

노즐 및 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 등이 분쇄기의 내부에 장착되어 있다

Fig36 건식 기류충격식 분쇄기 시작품

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기와 관련된 국외 특허 자료 조사와 분석 공기의

유동해석에 있어 많은 일정이 소요되었다 기술지원 추진일정을 Table1에 정리하

였다

Table 4 추진 일정

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 58: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

Fig 30은 베인이 위치한 부위에서의 수직 단면 Fig31은 상ㆍ하면을 고정시켜 주

는 원평봉이 있는 부위에서의 수직 단면에 분포하는 공기 속도 분포이다 Fig30과

Fig31은 각각 Fig25와 Fig26에 비하여 베인의 높이 방향 전체에 걸쳐 공기의 유

입 속도가 상당히 균일하게 분포되는 것을 보여 주고 있다

Fig 30 베인 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig31 연결봉 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig32는 분급기 내부의 공간 형상이 인볼류트-컨볼류트인 분급기의 설계 모델이

Fig32 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 모델

Fig33은 앞의 수축확산 공기 분사노즐(Fig20)과 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급

기(fig32)로 구성된 건식 기류충격식 분쇄기의 3D모델이다 중요 부품의 도면은

ldquo부록 9 설계 도면rdquo에 수록하였다

Fig33 건식 기류충격식 분쇄기의 3D 모델

8 시작품 제작

수축확산 공기 분사노즐의 유동해석 및 분급기의 유동해석 결과를 바탕으로 시작품

을 제작하였다 Fig34는 수축확산 공기 분사노즐 헤드의 시작품 모습이다

Fig 34 수축확산 공기 분사노즐 헤드 시작품

Fig35는 분급기의 시작품 모습이다 분급기의 베인은 분체와 마찰시 내마모성을

갖도록 SUS 재질로 곡면 성형한 후 세라믹으로 코팅하여 제작하였다

Fig35 분급기 시작품

Fig 36은 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 수축확산 공기 분사

노즐 및 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 등이 분쇄기의 내부에 장착되어 있다

Fig36 건식 기류충격식 분쇄기 시작품

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기와 관련된 국외 특허 자료 조사와 분석 공기의

유동해석에 있어 많은 일정이 소요되었다 기술지원 추진일정을 Table1에 정리하

였다

Table 4 추진 일정

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 59: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

Fig31 연결봉 부위 수직단면에서의 속도 분포(인볼류트-컨볼류트 단면의 경우)

Fig32는 분급기 내부의 공간 형상이 인볼류트-컨볼류트인 분급기의 설계 모델이

Fig32 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 모델

Fig33은 앞의 수축확산 공기 분사노즐(Fig20)과 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급

기(fig32)로 구성된 건식 기류충격식 분쇄기의 3D모델이다 중요 부품의 도면은

ldquo부록 9 설계 도면rdquo에 수록하였다

Fig33 건식 기류충격식 분쇄기의 3D 모델

8 시작품 제작

수축확산 공기 분사노즐의 유동해석 및 분급기의 유동해석 결과를 바탕으로 시작품

을 제작하였다 Fig34는 수축확산 공기 분사노즐 헤드의 시작품 모습이다

Fig 34 수축확산 공기 분사노즐 헤드 시작품

Fig35는 분급기의 시작품 모습이다 분급기의 베인은 분체와 마찰시 내마모성을

갖도록 SUS 재질로 곡면 성형한 후 세라믹으로 코팅하여 제작하였다

Fig35 분급기 시작품

Fig 36은 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 수축확산 공기 분사

노즐 및 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 등이 분쇄기의 내부에 장착되어 있다

Fig36 건식 기류충격식 분쇄기 시작품

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기와 관련된 국외 특허 자료 조사와 분석 공기의

유동해석에 있어 많은 일정이 소요되었다 기술지원 추진일정을 Table1에 정리하

였다

Table 4 추진 일정

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 60: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

Fig33은 앞의 수축확산 공기 분사노즐(Fig20)과 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급

기(fig32)로 구성된 건식 기류충격식 분쇄기의 3D모델이다 중요 부품의 도면은

ldquo부록 9 설계 도면rdquo에 수록하였다

Fig33 건식 기류충격식 분쇄기의 3D 모델

8 시작품 제작

수축확산 공기 분사노즐의 유동해석 및 분급기의 유동해석 결과를 바탕으로 시작품

을 제작하였다 Fig34는 수축확산 공기 분사노즐 헤드의 시작품 모습이다

Fig 34 수축확산 공기 분사노즐 헤드 시작품

Fig35는 분급기의 시작품 모습이다 분급기의 베인은 분체와 마찰시 내마모성을

갖도록 SUS 재질로 곡면 성형한 후 세라믹으로 코팅하여 제작하였다

Fig35 분급기 시작품

Fig 36은 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 수축확산 공기 분사

노즐 및 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 등이 분쇄기의 내부에 장착되어 있다

Fig36 건식 기류충격식 분쇄기 시작품

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기와 관련된 국외 특허 자료 조사와 분석 공기의

유동해석에 있어 많은 일정이 소요되었다 기술지원 추진일정을 Table1에 정리하

였다

Table 4 추진 일정

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 61: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

8 시작품 제작

수축확산 공기 분사노즐의 유동해석 및 분급기의 유동해석 결과를 바탕으로 시작품

을 제작하였다 Fig34는 수축확산 공기 분사노즐 헤드의 시작품 모습이다

Fig 34 수축확산 공기 분사노즐 헤드 시작품

Fig35는 분급기의 시작품 모습이다 분급기의 베인은 분체와 마찰시 내마모성을

갖도록 SUS 재질로 곡면 성형한 후 세라믹으로 코팅하여 제작하였다

Fig35 분급기 시작품

Fig 36은 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 수축확산 공기 분사

노즐 및 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 등이 분쇄기의 내부에 장착되어 있다

Fig36 건식 기류충격식 분쇄기 시작품

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기와 관련된 국외 특허 자료 조사와 분석 공기의

유동해석에 있어 많은 일정이 소요되었다 기술지원 추진일정을 Table1에 정리하

였다

Table 4 추진 일정

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 62: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

Fig 36은 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 수축확산 공기 분사

노즐 및 인볼류트-컨볼류트 단면의 분급기 등이 분쇄기의 내부에 장착되어 있다

Fig36 건식 기류충격식 분쇄기 시작품

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기와 관련된 국외 특허 자료 조사와 분석 공기의

유동해석에 있어 많은 일정이 소요되었다 기술지원 추진일정을 Table1에 정리하

였다

Table 4 추진 일정

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 63: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

제 2 절 기술지원 성과

1 기술지원 추진일정

건식 기류충격식 분쇄기 및 분급기와 관련된 국외 특허 자료 조사와 분석 공기의

유동해석에 있어 많은 일정이 소요되었다 기술지원 추진일정을 Table1에 정리하

였다

Table 4 추진 일정

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 64: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

2 기술지원 추진체계

Table5 추진 체계

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 65: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

3 연구기자재 활용

Table 6 연구기자재 활용

4 지원 실적

Table7 지원 실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 66: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

5 해당기술의 기술력 향상

(1) 건식 기류충격식 초음속 공기 분사노즐의 공기 흐름 해석을 통한 형상 설계 기

(2) 분쇄에 필요한 공기량 및 속도와 소요 동력 산출 기술 향상

(3) 고정밀도 분급을 위한 분급기의 내부 구조와 베인의 수량 및 배열에 따른 분급

기의 공기 유동 해석 기술 확보

(4) 내마모성 재료의 원심형 분급기용 베인 제작

6 입도 측정

개발된 건식 기류충격식 분쇄기(air-jet mill)의 시작품으로 가공한 분말에 대하여

실시한 입도 측정 결과의 일부를 ldquo부록 10 입도측정 histogram에 수록하였다

7 지적재산권 출원

인볼류트-컨볼류트 단면을 갖는 분급기의 구조에 대하여 대한민국 특허청에 특허가

출원되었다

- 특허출원번호 10-2007-0092396

- 발명의 명칭 원심형 분말 분급기

- 출원인 한국생산기술연구원 대가파우더시스템(주)

- 발명인 윤승원 최덕규 남상경 최인환 최병훈

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 67: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

압축공기를 수축확산 분사노즐로 고속으로 분사시켜 초미분을 제조하는 건식 기류

충격식 분쇄기의 개발에 있어 핵심 모듈인 공기 분사노즐과 원심형 분말 분급기에

대한 자체 설계 기술이 확보되었다 초음속 공기 분사를 위한 분사노즐 설계 기술

확보로 최적의 분말 분쇄가 이루어지도록 공기의 압력과 분사노즐의 단면 형상을

설정하는 것이 가능하다 또한 원심형 분급기의 내부 형상 분급 휠의 크기 및 회

전수 베인의 형상과 수량 배열 간격 등의 변수 설정에 따른 공기 유동 해석 기술

확보는 고정밀도의 분급기 개발을 가능하게 한다 개발 목표와 개발 결과를 Table8

에 정리하였다

Table 8 개발 기준과 개발 결과

기술적인 측면에서 압축공기에 의한 건식 기류충격식 분쇄기를 구성하는 핵심 모

듈인 분사 노즐과 고정밀도의 분급이 가능한 원심형 분말 분급기의 설계 기술 확보

로 초미분과 관련된 산업 즉 프린터 토너 잉크젯용 초미분 염료 화장품 원료 페

인트 염료 제약용 분말 재료 등을 생산하는 다양한 산업 분야의 발전에 기여할 것

이다

향후 다양한 성능의 건식 기류충격식 분쇄기 개발로 일본과 독일 등의 선진국 제

품에 대한 경쟁력 향상이 예상된다

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 68: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

지원기업 대가파우더시스템(주)는 지난 30 여년간 산업용 습식분쇄기 과립성형기

건조기 믹서 집진기 폐수처리장치 등의 분말과 관련된 다양한 종류의 장비를 전

문으로 생산하고 있는 중소기업이다 다양한 모델의 교반밀 분쇄기 등에 있어서 국

내ㆍ외 높은 인지도를 유지하고 있으며 오랜 기간에 걸쳐 구축한 자체 시장을 기

확보하고 있다

3D 모델링에 의한 분쇄기 시스템 설계 초음속 공기 흐름에 대한 유동장 해석에 의

한 분사노즐 설계 고정밀도 분급을 위한 본급기 설계 기술의 자체 확보로 향후 다

양한 생산 능력을 갖는 유사 모델의 건식 기류충격식 분쇄기 개발이 가능해졌다

기존의 국내 습식 분쇄기 시장 및 수입대체 시장을 대상으로 건식 기류충격식 분쇄

기를 판매하며 일본 독일 등의 선진국 제품에 대한 가격 경쟁력으로 태국 베트남

등의 동남아 시장에 대하여 해외 시장을 확대할 계획이다

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 69: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적

제 6 장 참고문헌

1 林 恒美 編著 粉體技術 ポケツトプツク Powder Technology Pocket Book

(株)工業調査會 19961120

2 일본 特開平 11-179228 ジエシト 粉碎機 川崎 博一 日本ニューマチツク工業

株式會社 公開 平成11年(1999) 7月 6日

3 일본 特開2000-5621 流動層型ヅエツト粉碎機 加藤 仁 山下 式 ミノルタ株

式會社 公開 平成12年(2000) 1月 11日

4 일본 特開2002-35631 流動層型對向 ジエシトミル ゲオルク コネヅカ

Hosokawa Alpine AG amp Co OHG 公開 平成14年(2002) 2月 5日

5 일본 特開2003-88773 ヅエツトミル 塩崎 修司 宮地 光雄 株式會社栗本鐵工

所 公開平成15年(2003) 3月 25日

6 일본 特開2004-50179 流体化ベツドヅエツトミル用粒子搬送イダクタスパイクノ

ズル裝置 ヂイ_ポ_ル カサルマ_ サミ_ル クマ_ ゼロツクスㆍコ_ポレ_ツヨン 公

開 平成16年(2004)2月 19日

7 Netzsch CONDUX Fluidised Bet Jet Mill CGS - Ultra fine dry-grinding

Phamplet 2002

8 Roland Nied Flow Mechanics and Thermodynamics in Mechanical

Processing NIED 2002

9 EP 0 736 328 A1 Vorrichtung fuer die Fliessbett-Strahlmahlung Nied

Roland Dr -Ing Nied Roland Dr -Ing Oct 9 1996

10 US 005765766 Nozzle for Jet Mill Hideyuki Yoshida Akihito Nakamura

Masayuki Nakama Masami da Minolta Co Ltd Jun 16 1998

11 Patrick H Oosthuizen William E Carscallen Compressible Fluid Flow The

McGraw-HILL Companies Inc 1997

12 MathCad 13 Users Guide Mathsoft EngineeringampEducation Inc 2005

13 SolidWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

14 COSMOSFloWorks 2006 Tutorial SolidWorks Corp 2006

15 川北和明 藤 智亮 設計者のための 慣性モメソト設計計算 日刊工業新 社

2006

16 中嶋 登 機械系 公式集 - 材科力學 流體力學 機械力學 機械加工學 機械設

計 自動車工學 熱力學 構造力學 工學社 2006

Page 70: 기류충격식 분쇄기 설계 및 생산 기술지원 Design and … · 결과의 이해와 설계에 반영 (6) 건식 기류충격식 분쇄기의 시작품 제작 3. 지원실적