KR0183025B1 - 입자를 연속제조하는 초음파 장치 - Google Patents

입자를 연속제조하는 초음파 장치 Download PDF

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브셰 루이
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장뽈 죠르쥬
이.뻬.에스.앵뒤스트리데 뿌드르 스페리끄 에스.아.
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Abstract

균일한 입자 크기 분포의 미소액적을 연속 제조하기 위한 초음파 장치. 이 장치는 진동면(11)과 상기 진동면(11) 아래에 있는 중간 유동 조정 및/또는 열 조정실을 포함하는 수단(20,22,24)을 구비하고, 상기 진동면은 직교 초음파 모우드에 의해 상기 수단에 의해 상기 장치의 내부로 부터 나온 액체 상태의 재료를 아토마이즈 한다.

Description

입자를 연속제조하는 초음파 장치
제1도는 초음파 장치의 제1실시예의 부분 분해 사시도.
제2도는 초음파 장치의 제2실시예의 부분 분해 사시도.
제3도는 초음파 장치의 제3실시예의 부분 분해 사시도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10,60,100 : 진동소자 11 : 진동면 혹은 아토마이징(atomizing)면
20,70 : 공급 채널 22 : 내부 중간실
24,72,130 : 분출채널 64 : 홈(grooves)
75 : 블라인드 호울(blind hole) 80 : 커버
본 발명은 가능한한 균일한 입자 크기 분포를 갖는 입자, 특히 제어된 직경과 구형의 미소액적(microdroplets)의 연속제조용 초음파 장치에 관한 것이다.
미세하게 나뉘어진 미소액적을 제조하는 문제는 유기 및/또는 무기 액체가 스프레이 되거나 혹은 아토마이즈(atomized)되어야 하는 분야, 예를 들면 에어로졸에 의해 현탁(suspended) 제품(약제등) 혹은 기저(matrix)(저속-방출약제)에서 피복된 제품을 전달하는 제약 분야에서 접할 수 있다. 동일한 문제가 화장품 분야에서 예를 들면 요즈음 리포좀이라 불리는 것을 제조하는 경우 접하게 된다.
특히 액체로부터 미소액적을 연속제조하는 것에 관해 DE 3 537 772 혹은 DE 3 036 721에 공지된 것과 같은 초음파 장치는 이 목적에 사용될 수 있고, 이러한 장치는 직교 초음파 진동 모우드의 결과로 내부로 부터 나오는 액체를 아토마이징하는 진동면을 구비한다는 것은 알려져 있다. 어쨋든, 액체를 전달하는 수단의 형태에 기인하여 이러한 공지된 장치들은 액체가 과도한 점성를 갖지 않은 조건하에서만 작동된다. 아울러, 액체가 전달되는 율은 꽤 불규칙적이고, 액체는 다소 일정한 두께의 시트 형태들로 분포된다.
한편, EP 0 202 381에 기재된 바와같이, 내연 기관의 카뷰레터 혹은 보일러용 인젝터가 초음파적으로 작동하여 액체 연료를 아토마이즈하는 것은 알려져 있다. 관련된 매우 좁은 유로 단면의 견지에서, 이들 아토마이저(atomizer)는 단지 휘발성 연료로 적당히 작동될 수 있다.
현재 많은 부품들이 특히 소결 공정에 의해 미세금속 입자 혹은 입상(granules)으로부터 만들어진다. 모든 미소구슬이 거의 균일한 크기를 갖도록 제조하는 것이 바람직하기 때문에 입자 크기 분포 문제는 중요하다.
직경 5 내지 200마이크론의 미소구슬을 얻을 수 있는 초음파 장치가 용융 금속 분야에서 알려져 있다. 액체 상태의 재료는 5 내지 50KHz의 주파수에서 진동하는 진동기의 단면에 방울같이 떨어진다. 초음파 진동기는 예를 들면, 컨센트레이터(concentrator)만큼 연장된 압전 변화기를 포함하는데, 이 컨센트레이터는 그 특별한 모양으로 인해 압전변환기의 발진 주파수 보다 크기가 1차수 큰 주파수로 단면상에서 공진하는 소자이다. 이런형의 진동기는 문제의 산업분야에서 또한 소노트로우드(sonotrode)로 알려져 있다. 이 공정은 바람직하게 분위기가 제어되는 (진공 혹은 불활성 가스)밀봉부에서 수행된다.
액적이 초음파 진동면상으로 떨어질때, 이것은 상부면이 예를 들어 200미크론 정도의 파장을 갖는 정상파망의 형태를 나타내는 막을 형성한다. 이러한 파의 진폭이 충분한 값에 이를때, 액적은 파의 파고로 부터 분리되고, 냉각에 의해, 직경 50미크론 정도의 고체 미소구슬을 형성한다. 얻어진 미소구슬의 직경은 표면의 진동 주파수에 크게 의존한다는 것이 발견 되었다. 평균값 부근의 직경 분포는 부분적으로 진동의 진폭에 의존하지만 크게는 액체와 용융재 사이에서 크게 변하는 재료의 리올로지컬(rheological) 특성에 의존한다. 이 경우, 미소입자의 시간당 산출량은 진동의 진폭과 재료의 동적 점성계수에 의존한다.
그러나, 상기 설명된 초음파 장치는 미소구슬이 일련의 스크린 통과에 의해 나뉘어져야 하므로 여전히 만족스럽지 못한 입자 크기 분포를 일으키는 소자의 형태와 배열에 기인한 기생 효과를 갖는다. 한편, 액체 시트의 웨이브망은 진동면에서 불안정하고, 한편 시트의 두께는 가변이었음, 즉 재료가 도착하는 장소부근에서는 두껍고 표면의 가장자리를 향하여는 매우 가늘다는 것이 발견되었다.
본 발명이 해결하고자 하는 바는 부분적으로 유동률에 기인하고 크게는 진동면상에서의 액체의 불규칙적인 분포에 기인하는 상기 언급된 단점을 제거하여 개선된 산출에서 더 제어된 직경을 갖는 미소액적을 제조하고자 하는 것이다.
이 문제는, 직교 초음파 진동 모우드에 의해 액체 상태의 재료를 아토마이즈 하는 진동면을 구비하는 초음파 장치에 의해 해결되며, 그 액체 상태의 재료는 진동면 아래의 중간 유동 조정 및/또는 열조정실을 갖는 수단에 의해 장치의 내부로 부터 나온다. 액체 상태 재료를 전달하는 통로가 개구하는 중간실의 기저부는 바람직하게는 진동리짐(reqime)의 웨이브 노드의 평면에 위치된다.
유용한 실시예에서, 액체상태의 재료는 유동단면 치수의 하나가 서브 밀미미터이고 전유동 단면이 8mm2보다 큰 하나 혹은 그 이상의 채널에 의해 진동면 위에 분포되며, 재료의 유동은 모세관 현상에 의해 및/혹은 진동 모우드에 의해 유도된 압력 그라디언트(gradient)에 의해 일어난다.
본 발명에서, 액체상태의 재료는 본래 주변 온도에서 액체 및 용융 재료 즉 주변온도에서 고체이고 필요에 따라 액체로 만들어지는 재료 양자 모두이다. 이 재로는 무기물 및/혹은 유기물일 수 있다. 중간실의 존재에 의하여, 한편으로 온도를 통해 진동면상의 액체의 점성을 제어하는 것이 가능하게 되고, 다른 한편으로 더 큰 정도(精度)로 더 짧은 방출 채널들을 만드는 것에 의해 더 효과적으로 압력의 손실을 제어하는 것이 가능하게 된다. 즉, 초기적으로 고체인 재료는 액체 상태로 유지될 수 있거나 진동면에 매우 가까이에서 노(crucible)로서 역할을 하는 중간실에서 가열에 의해 액화될 수 있다.
바람직한 제1실시예에서, 내부 중간실은 원통형이고 진동면에 나란하다. 액체 상태의 재료는 진동면에 가장 근접한 내부 중간실의 선을 따라 규칙적인 간격으로 위치된 여러 채널에 의해 분포된다.
바람직한 제2실시예에서, 내부 중간실은 중앙에 있으며 선택적으로 테이퍼 될(tapered) 수 있는 단부의 일단에서 똑 바로 개구하는 진동면에 수직인 관형모양을 갖는다.
바람직한 제3실시예에서, 관형 내부 중간실은 개구하는 바깥 둘레에서 오목한 진동면의 밑에 있고 수직인 진동장치의 바깥 둘레에 위치된다.
진동면은 막의 파상 리짐(reqime)의 위치는 안정화시키는 병렬 혹은 십자형홈 조직이나 원형 및/또는 방사형 홈 조직으로 구성된다. 홈은 직사각형 단면, 사다리꼴 단면, U형 단면등을 갖을 수 있다.
진동면에 액체 상태의 재료 분포를 개선하기 위해, 채널은 표면에 관하여 25°내지 60°각으로 개구하도록 될 수 있다. 선택적으로, 표면에 나란한 커버는 채널의 출구위 및 가까이에 배치된다.
본 발명의 실시예에 관해 다음에서 첨부 도면을 참조하여 설명한다.
제1도는 진동소자(10)의 일단을 나타내며, 본 발명에서 아토마이저를 형성하는 진동면(11)에서 종결하는 소노트로우드의 컨센트레이터이다. 진동소자(10)에 대한 부분 단면은 모양에서 거의 원통형이고 길이에서 아토마이징면(11)에 나란하며 내부노로서 이용되는 내부 중간실(22)를 나타낸다. 내부 중간실(22)은 공급 채널(20)에 의해 액체 상태의 재료, 예를 들면 용융 금속이 공급된다. 진동 소자(10)는 가열되므로, 용융재료는 중간실(22)내에서 가열된 채로 있다. 중간실(22)은 예를 들면 15개인 일련의 분출채널(24)에 의해 아토마이징면(11)에 연결된다. 분출채널(24)은 바람직하게 가장 가까운면인 중간실의 선을 따라 일정한 간격으로 배치된다. 각 채널의 직경은 1밀리미터 정도이다. 스노트로우드의 진동모우드는 채널(24)과 외측 사이에서 압력차를 일으켜 용융 재료가 채널로부터 방출되도록 한다. 각 채널의 좁은 유로 단면의 견지에서, 용융 제료의 배출율은 모세관 효과에 의해 영향을 받고, 모세관 효과 그 자체는 한편으로 최종 모양과 채널을 가공하는 질에 의존하며, 다른 한편으로 재료의 최종 온도에 의존하는 용융 재료의 리오로지컬 특성에 의존한다.
제1도로부터 분명한 바와같이, 아토마이징면(11)은 2밀리미터 정도의 간격으로 대략 1밀리미터의 폭과 대략 0.25밀리미터 깊이의 일련의 병렬 및 규칙적인 가는 홈(striae) 혹은 홈(groove)들로 구성되어 있다. 분출채널(24)은 각각 홈의 바닥에서 개구하고 있다. 이러한 홈의 기능은 측면 위치에서 재료의 전개막을 안정시키는 것이다.
채널의 배출로부터 진동면(11)을 넘어 재료의 돌출을 방지하기 위해, 슈우(shoe)가 진동 소자(10)에 갖추어지고, 이의 단부는 아토마이징면(11)에 나란하며 분출채널(24)위에 위치한 커버(30)를 형성한다. 슈우 및 커버(30)의 모양, 크기 및 무게는 진동소자(10) 진동 리짐, 특히 컨센트레이터의 과도한 변형을 피하기 위해 명확하게 측정된다. 택일적으로, 커버(30)의 효과는 분출 채널(24)의 경사 개구, 즉 표면에 관해 15°내지 75°의 각도로 진동면(11)으로의 개구에 의해 대치될 수 있다. 어쨋든, 실제로 이런 경사 채널의 형성은 더 어렵고, 아울러 채널내 압력의 손실을 일으킬 수 있다.
살펴지는 바와같이, 용융 재료의 아토마이징면(11)으로의 공급률은 한편으로, 각 채널(24)의 유로 단면에 의해, 다른 한편으로, 채널의 총수에 의해 결정된다.
제2도는 주요 부품이 원통형 진동소자(60)에 공동축인 소노트로우드의 단부에 대한 제2변형예를 나타낸다. 이런 취지로, 블라인드 호울(blind hole)(75)이 진동 소자(60)의 중간에 먼저 뚫린다. 소자(76)는 뚫린 블라인드 호울로 강제적으로 삽입되며, 이의 하부 부분은 블라인드 호울(75)이 직경에 상응한 직경을 갖으며 이의 상부 부분은 제한부(74)를 갖는다. 소자(76)의 밑면은 웨이브 노드의 평면에, 즉 소자(76)의 다소 제어된 공진를 자발적으로 제한하는 진동의 진폭이 최소인 소노트로우드의 높이에 위치한다. 블라인드 호울(75)의 상부 부분과 협력하여, 제한부(74)는 원통형의 연장 채널(72), 즉 상부 아토마이징면(61)으로 바로 개구하는 환상채널을 만든다. 그 환상 채널은 내부실/노로서 및 분출채널로서의 역할을 한다. 이 내부실의 부피가 완충효과에 의한 유동 조정의 이유 때문에 더 커져야 한다면, 제한부(74)는 상단부에서 감소되어 테이퍼된(tapered) 분출 채널을 형성한다.
횡단 공급 채널(70)은 채널(72)를 가로 지른다. 공급 채널(70)은 어느 높이에서든 바람직하기로는 기저부나 웨이브 노드 평면의 레벨에서 블라인드 호울(75)로 개구할 수 있다.
제2도에서 볼 수 있는 바와같이, 상부 아토마이징면(61)은 또한 제1도에 나타낸 홈들과 그 크기에 있어 거의 동일한 일련의 나란한 홈(64)들을 갖는다.
면(61)의 평면의 2축에서 용융 제료의 막을 안정시킬 필요가 있는데, 이는 보조 횡단홈(62)를 새김에 의해 행해진다.
아울러, 소자(76)는 이의 상부 단부에 채널(72)의 출구를 넘어 돌출하는 커버(80)에 의해 완전한 것으로 된다. 앞서와 동일하게, 커버(80)의 기능은 분출된 용융 제료를 아토마이징 면(61)으로 향하게 한다. 택일적으로, 블라인드 호울(75)은 면(61)레벨에서 30°내지 150°의 정상각(apex angle)을 갖는 원추 개구를 가질 수 있다. 즉, 커버(80)대신에, 소자(76)는 상응하는 각으로 원추형으로 넓혀진다.
제3도는 하부 단부를 향한 모양이 절단 원추형인 원통형 진동 소자(100)를 구비하고, 착탈 가능 칼라(110)와 협동하여 중간실(128)을 형성하는 주변홈(127)을 진동면 아래의 상부 부분에 형성한 소노트로우드 단부의 제3변 형태를 나타낸다. 칼라(110)의 내부 직경은 진동 소자의 외부 직경보다 1 내지 2밀리미터 더 크다. 칼라(110)은 바람직하게 웨이브 노드 평면의 레벨에서 진동소자(100)에 고정되어 벨(bell)과 같이 가능한 진동을 제한한다.
재료는 내부 채널(122,124,126)를 통하여 및 외부 채널을 통하여 조차 중간실(128), 바람직하게 웨이브 노브 근처에, 즉 중간실의 기저부에 오도록 된다. 기계 가공의 이유로, 중앙 채널(124)은 하부면으로 부터 뚫어져 유입 개구는 재밀폐된다.
분출 채널(130)은 진동 소자(100)의 외부 직경과 칼라(100)의 외부 직경 사이의 작은 차이에 의해 진동면(105)의 바깥 둘레에 형성된다. 제3도에서 볼 수 있는 바와 같이, 진동면(105)은 약간 볼록하며, 특히 분출 채널(130)의 출구에서 휘어 있다. 이 휨부는 채널로 부터 표면의 중심을 향하여 방사상으로 전진하는 액체 재료막의 분열을 방지한다. 필요한 경우, 칼라(110)의 상부 가장 자리를 또한 방사상으로 약간 안쪽으로 향하게 하여 진동면의 바깥둘레에서 액체의 이동을 수반시키게 할 수 있다.
진동면(105)의 외부(106)는 수평에 대해 10° 내지 20°정도의 경사를 갖고 분출 채널의 출구에서 휨부를 부드럽게 하며 거기에 형성된 다수의 미소액적이 장치의 외부를 향하도록 한다. 이 주변 영역(106)은 미소액적 형성의 견지에서 가장 중요하기 때문에, 액체 재료의 분포를 조정하도록 이 영역에 방사상 및 원형홈들의 조직을 새기는 것은 이득적이다.
쉽게 이해될 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 진동면을 갖는 소노트로우드는 밀폐 공간에 설치되어 주위 매체가 제어 가능하게 즉, 진공이나 불활성가스 분위기가 형성되게 된다.
제1도에서 진동 소자(10)는 위쪽으로 향한 공급채널(20)고 더불어 바람직하게 45°각도로 위쪽으로 기울어져 있다. 액체 스트림 혹은 시트 혹은 미리 가열된 금속 로드가 상기로 부터 채널(20)로 주입되고, 그 금속은 내부 중간실(20)에서 용융된다. 택일적으로, 그 금속은 주노에서 미리 가열되어 용융상태에서 공급채널(20)로 주입된다. 홈(12)은 시트의 측면 안정화 및, 어느 정도, 채널로 부터 들어오는 재료의 유입을 위해 마련한다는 것이 밝혀졌다.
제2도에서 진동소자(60) 혹은 제3도에서 소자(100)는 수평에 대해 0° 내지 180°의 각으로 밀봉부에 설치될 수 있다. 그러나, 소자가 90°보다 큰 각으로 설치될때조차, 시트는 표면 장력의 영향하에 진동면(61)상에 여전히 남아 있다. 이 현상은 진동면이 아래로 향할때도 또한 확인된다. 떨어진 미소액적은 내던져지어 중력에 의해 바로 아래로 떨어지고 하강하는 동안 냉각되어 미소 구슬을 형성한다.
필요한 경우 특히 더 높은 진동 주파수 즉 더 작은 직경의 미소 구슬을 얻기 위하여, 소노트로우드 대신 분출 채널과 더불어 중간실이 상부면 아래의 판에 배치되는 진동판을 이용하는 것이 또한 가능하다.
본 발명은 이미 언급한, 용융 금속, 약제, 화장품, 내연기관 분야를 포함하며, 가능한 균일한 크기 분포를 갖는 입자를 연속적으로 제조하기에 바람직한 다양한 분야에 이용될 수 있다.
본 발명의 범위내에서 많은 개량이 입자 제조용 초음파 장치에 이루어질 수 있다.

Claims (11)

  1. 균일한 입자 크기 분포의 미소액적을 연속제조하는 초음파 장치에 있어서, 상기 장치는 진동면과 상기 진동면 아래에 있는 중간 유동, 열 또는 유동 및 열 조정실을 포함하는 수단을 구비하고, 상기 진동면은 상기 수단에 의해 상기 장치의 내부로 부터 나온 액체 상태의 재료를 직교 초음파 모우드에 의해 아토마이즈하는 것을 특징으로 하는 입자를 연속 제조하는 초음파 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 액체 상태의 상기 재료를 전달하기 위한 통로(들)가 (이)개구하는 상기 중간실의 기저부는 진동 리짐(regime)의 웨이브 노드의 평면에 위치됨을 특징으로 하는 입자를 연속제조하는 초음파 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 액체 상태의 상기 재료는 유동단면의 치수의 하나가 서브밀리미터이고 전체 유동 단면이 8㎟보다 큰 하나 혹은 그 이상의 채널에 의해 상기 진동면에 분포되고, 상기 재료의 유동은 모세관 현상, 상기 진동 모우드에 의해 유도된 압력 그라디언트, 또는 모세관 현상 및 상기 진동 모우드에 의해 유도된 압력 그라디언트에 의해 일어남을 특징으로 하는 입자를 연속제조하는 초음파 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 채널은 상기 진동면에 대해 25° 내지 75°의 각으로 상기 진동면으로 개구함을 특징으로 하는 입자를 연속제조하는 초음파 장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 내부 중간실은 원통형이고 상기 진동면에 평행하며 상기 액체 상태의 상기 재료는 상기 진동면에 가장 가까운 상기 중간실의 선에 따라 일정한 간격으로 위치된 여러 채널에 의해 분포됨을 특징으로 하는 입자를 연속제조하는 초음파 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 내부 중간실은 중앙에 있고 선택적으로 테이퍼될 수 있는 단부의 하나에서 곧장 개구하는 상기 진동면에 직교하는 관형 모양을 갖고 있음을 특징으로 하는 입자를 연속제조하는 초음파 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 관형 내부 중간실은 개구하는 바깥둘레에서 상기 오목한 진동면 아래에 있고 진동면과 직교하는 상기 진동 장치의 바깥둘레에 위치됨을 특징으로 하는 입자를 연속제조하는 초음파 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 진동면은 병렬 혹은 열십자 홈조직 또는 원형, 방사형, 혹은 원형 및 방사형 홈 조직을 구비함을 특징으로 하는 입자를 연속제조하는 초음파 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기홈은 직사각형 단면을 갖음을 특징으로 하는 입자를 연속제조하는 초음파 장치.
  10. 제1항에 따른 상기 초음파 장치가 사용된, 열가용성 재료로 부터 미소 구슬을 제조하는 공정.
  11. 제10항에 따른 공정에 의해 얻어진 열가용성 미소 구슬.
KR1019910014354A 1990-08-20 1991-08-20 입자를 연속제조하는 초음파 장치 KR0183025B1 (ko)

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