KR100851942B1 - 유동성 매체 내부로 초음파를 도입하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소노트로드(Sonotrode; 성형 절삭 공구)를 이용하여 유동성 매체 내부로 초음파를 도입하기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로, 이 경우 상기 유동성 매체는 상기 소노트로드와 직접 접촉하지 않는다. 다음과 같은 처리 단계들을 갖는 방법이 제안된다: 박막(8)을 소노트로드(4)에 제공하는 단계로서, 이 단계에서 박막(8)을 소노트로드(4)에 압착시키는 압착력의 크기는, 상기 박막(8)이 상응하는 주파수 및 진폭에서는 언제나 상기 소노트로드(4)의 리프팅 동작을 따를 수 있는 정도이다; 박막(8)을 통해 초음파 파워를 매체(2) 내부로 도입하고, 상기 박막(8)으로 마모 현상을 옮기는 단계.

소노트로드, 유동성 매체, 초음파, 박막, 리프팅 동작

Description

유동성 매체 내부로 초음파를 도입하기 위한 방법 및 장치 {METHOD AND DEVICE FOR INTRODUCING ULTRASOUND INTO A FLOWABLE MEDIUM}

본 발명은 소노트로드(Sonotrode; 성형 절삭 공구)를 이용하여 유동성 매체 내부로 초음파를 도입하기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로, 이 경우 상기 유동성 매체는 상기 소노트로드와 직접 접촉하지 않는다.

에너지를 유동성 매체 내부로 상응하게 유입시키는 경우에는, 음파에 노출된 영역에서 국부적으로 집중된 극도로 높은 압력 및 온도에 의하여 공동 현상(cavitation)이 발생한다. 대부분의 통상적인 소노트로드가 금속 표면을 가짐으로써, 결과적으로 미세 입자 및 금속 이온이 가공된 재료 내부로 유입되는데, 이와 같은 유입 과정은 식료품 또는 의약품과 같이 초음파 처리된 다수의 재료에 대해서는 매우 바람직하지 않다. 소노트로드 재료 자체의 마모도 또한 이미 단점이 되는데, 그 이유는 상기 마모가 표면을 거칠게 하고, 이어서 소노트로드 내부에 미세한 균열을 형성하며, 소노트로드가 다소 큰 시간격으로 대체될 수밖에 없기 때문이다. 독일 공개 특허 출원서 제 102 43 837 A1호에 따라, 추가의 유체를 중간 접속하여 매체 상에 초음파를 전달함으로써, 상기 유동성 매체가 소노트로드와 직접 접촉하지 않도록 하는 것이 제안되며, 이 경우 상기 유체는 상승된 압력 상태에 있고, 벽 에 의하여 가공될 매체로부터 분리되어 있다. 이 목적을 위해 상기 전달 유체는 압력 용기 내부에서 지지가 되어야 하는데, 상기 압력 용기의 벽에 소노트로드가 작용한다. 그럼으로써, 마모 입자가 소노트로드로부터 가공될 매체 내부에 도달하지 않게 된다. 그러나 공동 현상은 이전과 마찬가지로 유체 내부에서 발생하여, 관류 셀 및 소노트로드의 진동하는 용기 벽을 마모시킨다.

독일 공개 특허 출원서 제 40 41 365 A1호에 의해서는, 공동 현상에 의해 야기되는 마모를 줄이기 위하여, 소노트로드의 진동하는 단부에 다결정 다이아몬드로 이루어지는 보호층을 제공하는 것도 이미 제안되었다. 그러나 이와 같은 조치는 소노트로드의 가격을 상당히 비싸게 만든다.

본 발명의 과제는, 소노트로드에서 상기 소노트로드 자체에 의해서 야기되는 마모를 저렴한 비용을 들여 현저히 감소시킬 수 있는 전술한 유형의 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

상기 과제는 본 발명에 따라 청구항 1 및 7의 특징에 의해서 해결된다. 바람직한 실시예들은 종속항들의 대상이다.

아래와 같은 처리 단계들이 제시된다:

- 박막을 소노트로드에 제공하는 단계로서, 이 단계에서 박막을 소노트로드에 압착시키는 압착력의 크기는, 상기 박막이 상응하는 주파수 및 진폭에서 상기 소노트로드의 리프팅 동작을 따를 수 있는 정도이다.

- 박막을 통해 초음파 파워를 매체 내부로 도입하고, 상기 박막으로 마모 현상을 옮기는 단계를 포함한다.

본 발명에 따른 방법의 한 바람직한 변형예에 따라, 박막 상에 가해지는 압착력은, 소노트로드를 향하고 있는 상기 박막 면에서는 소노트로드로부터 떨어져서 마주보는 면에서의 압력 그리고 소노트로드의 형상이 구부러져서 박막이 소노트로드 외부 위에 놓이게 되는 경우의 압력에 비하여 저압이 형성됨으로써, 인장력의 형성에 의해 상기 박막에 제공된다.

본 발명에 따른 방법의 한 바람직한 변형예에 따라, 소노트로드로부터 떨어져서 마주보는 면에서는 박막이 예컨대 오일, 합성수지 또는 실리콘 화합물과 같은 유체로 습윤 처리된다.

박막은 바람직하게 소노트로드의 작동 중에는 연속적으로 또는 불연속적으로 소노트로드 위로 이동된다.

본 발명에 따른 방법의 장점은, 마모 현상이 소노트로드로부터 박막으로 옮겨진다는 것이다. 상기 방법은 식료품 공학 기술, 제약 및 화학 산업에 적용하기 위해서, 다양한 종류의 유체를 혼합하거나 유화시키기 위해서, 하수 오물 슬러지를 처리하기 위해서 그리고 초음파가 사용되는 다른 분야에서 적합하다. 침식성 매체를 사용하는 경우에는, 상기와 같은 장점에 의하여 박막이 화학 반응 전에도 또한 소노트로드를 보호하게 된다.

상기 방법을 실시하기에 적합한 장치는 바람직하게, 소노트로드와 매체 사이에 유연한 박막이 배치됨으로써, 상기 박막이 소노트로드에 직접 인접하거나 또는 100 ㎛까지의 간격을 두고 간접적으로 소노트로드 위에 배치되도록 구성되며, 상기 장치의 작동 중에 소노트로드에 가해지는 박막의 압착력은 이동 파워에 의해서 지지되고, 상기 장치의 작동 중에는 언제나 박막이 소노트로드에 직접 또는 간접으로 인접하여 항상 리프팅 동작을 따를 수 있는 정도의 크기로 유지된다. 유동성 수단들은 100 ㎛까지의 간격을 두고 배치될 수 있다.

압착력은, 음파에 노출될 매체 내부에서 상응하는 정적 압력 또는 동적 압력이 유지되어, 결과적으로 소노트로드가 진동하는 경우에도 박막이 계속해서 상기 소노트로드에 압착됨으로써 간단히 구현될 수 있다. 그러나 상기 압착력은, 예를 들어 저압이 소노트로드를 향하고 있는 상기 박막의 면에 제공되거나 또는 - 소노트로드가 구부러진 경우에는 - 상기 박막이 고정 장치에 의해서 소노트로드 위에 고정되는 방식으로, 다시 말해 인장력이 박막에 제공되는 방식으로, 추가 수단에 의해서 지지될 수도 있다.

상기 장치는 본 발명에 따른 바람직한 방식으로, 박막이 소노트로드를 지지하기 위한 장치와 관류 셀 사이에 고정되도록 구성될 수 있다.

상기 장치는 또한, 음파에 노출될 유체에 의하여 개방된 용기 내부에 잠기게 되는 플레이트 소노트로드 위에 박막이 고정되도록 구성될 수도 있다.

추가의 한 변형예에 따라 상기 장치는 또한 피에조 진동기가 그 외부에 설치되어 있는 초음파 웰로서 구성될 수도 있다. 그 경우에 박막은 초음파 웰의 내벽에 있고, 저압에 의해서 진동 표면에 압착된다.

박막을 더 이동시키기 위하여, 상기 장치에는 바람직하게 이송 장치가 설치되며, 상기 이송 장치에 의하여 박막은 저장 롤러와 수용 롤러 사이에서 연속적으로 또는 섹션 방식으로 계속 이송된다.

박막은 금속 또는 플라스틱으로 이루어질 수 있고, 5 내지 200 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 박막이 소노트로드에 결합되는 것을 보증하기 위하여, 상기 박막의 소노트로드를 향하고 있는 면은 유체, 오일, 합성수지 또는 실리콘에 의하여 추가로 습윤될 수 있다.

본 발명은 실시예를 참조하여 아래에서 상세하게 설명된다. 해당 도면들로부터 배열 상태를 알 수 있다.

도 1은 블록 소노트로드를 구비한 본 발명에 따른 장치의 개략도이고,

도 2는 소노트로드로서 형성된 휨 진동기를 구비한 상기 장치의 개략도이며,

도 3은 소노트로드로서 형성된 플레이트 진동기를 구비한 본 발명에 따른 장치의 개략도이고,

도 4는 본 발명에 따른 박막을 갖는 초음파 웰의 개략도이며,

도 5는 중공 진동기-소노트로드의 개략도이다.

도 1은 유동성 매체(2)를 초음파 처리하기 위한 장치(1)를 보여준다. 본 경우에 블록 소노트로드로서 구현된 소노트로드(4)를 구비한 초음파 변환기(3)는 플랜지 연결부(5)를 통해 상기 장치(1)와 고정 연결되어 있고, 밀봉부(6)에 의해서 상기 장치(1)의 내부 공간에 대하여 추가로 밀봉되어 있다. 상기 장치(1)는 하부면이 관류 셀(7)과 연결되어 있으며, 이 경우 상기 장치(1)와 관류 셀(7) 사이에는 바람직하게 5 ㎛ 내지 200 ㎛ 두께 범위에 있는, 예컨대 50 ㎛ 두께의 박막(8)이 배치됨으로써, 상기 박막(8)은 소노트로드(4)의 정면에 직접 인접하고, 밀봉부(9)를 이용하여 상기 장치(1) 내부의 공간을 관류 셀(7)로부터 밀봉시키고, 상기 관류 셀(7)을 외부로 밀봉시킨다.

음파에 노출될 매체(2)(바람직하게는 유체, 예컨대 물)는 유입구 및 배출구(10, 11)를 통해 관류 셀(7)을 관통하여 펌핑된다. 상기 관류 셀(7) 내부에서 자체적으로 구성되는 압력에 의하여, 박막(8)은 소노트로드(4)의 정면에 압착된다. 연결부(12)를 통하여 상기 장치(1) 내부에서 저압이 추가로 형성되는데, 상기 저압은 소노트로드(4)와 상기 장치의 하우징 사이에서 유지되는 예컨대 0.1 mm의 간극(13)을 통하여 박막(8)을 소노트로드(4)의 정면으로 추가로 이동시킨다. 이 경우에, 박막(8)을 항상 소노트로드(4)와 접촉된 상태로 유지하기 위하여, 상기 저압을 통해 형성되는 파워는 소노트로드(4)의 정면에서 상기 박막(8)에 가해지는 가속력보다 더 커야만 한다. 이와 같은 과정은, 쪼개지기 어려운 유체 또는 유체 박막을 상기 매체(2)로부터 떨어져서 마주보는 박막 면에 제공함으로써 지원될 수 있다.

소노트로드(4) 및 박막(8)을 통해서는, 상기 장치(1)의 작동 중에 관류 셀(7) 내부에 공동 필드가 형성된다. 상기 공동 형성 작용에 의해 야기되는 마모 현상은 전적으로 박막(8)과만 관련이 있다. 본 경우에는 예컨대 100 ㎛인, 기계적으로 발생되는 진폭 크기 그리고 박막(8) 특성에 따라서, 상기 박막(8)의 유효 수명은 수 분에 이르게 된다. 박막(8)용의 이송 장치는, 상기 박막(8)이 음파에 노 출되는 시간이 자신의 유효 수명보다 항상 더 작게 유지되도록 해준다.

도 2는 소노트로드(4)로서 형성된 휨 진동기를 구비한 장치(1)의 한 변형예를 보여준다.

도 3은 개방된 처리 용기(15)를 구비한 초음파-처리 장치를 보여준다. 소노트로드(4)는 초음파 변환기(3)에 의해서 진동하게 된다. 상기 진동은 소노트로드(4)의 정면을 통해 유동성 매체(2) 내부로 송출된다.

공동 현상에 의해 형성되는 소노트로드(4) 정면에서의 마모 현상을 억제하기 위하여, 박막(8)이 이송 장치(14) 위에 설치됨으로써, 매체(2)는 소노트로드(4)의 정면에 접촉하지 않게 된다. 이 경우 상기 박막(8)은 바람직하게 5 ㎛ 내지 200 ㎛, 본 경우에는 50 ㎛의 두께를 갖는다. 이 경우 이송 장치(14) 위에 가해지는 인장력은 재차, 상기 박막(8)이 소노트로드(4)의 정면에 영구적으로 압착될 수 있을 정도의 크기를 가져야 한다. 작동 중의 압착력은 어떤 경우에도 상기 진동하는 소노트로드(4)에 의해서 박막(8)에 작용하는 가속력보다 더 커야만 한다.

도 4는 본 발명을 초음파 웰과 연관하여 보여준다. 초음파 웰의 구조는 자체적으로 충분히 공지되고 기술되어 있다.

상기 장치는 고유의 웰(16)로 이루어지며, 상기 웰에는 피에조 진동기(17)가 외부로부터 설치되고, 상기 웰은 소노트로드와 동일한 작용을 한다. 공동 형성 작용에 의해 발생되는 마모 현상을 억제하기 위하여, 상기 웰(16) 내부에 박막(18)이 제공된다. 이 경우 상기 박막(18)은 바람직하게 5 ㎛ 내지 200 ㎛, 본 경우에는 예를 들어 50 ㎛의 두께를 갖는다.

박막(18)은 커버(19)에 의해서 고정되며, 상기 커버는 박막(18)과 웰(16) 사이의 공간을 동시에 밀봉 방식으로 폐쇄한다. 상기 박막(18)은 연결부(20)를 통해 저압의 형성에 의해서 상기 웰(16)로 이동된다.

도 5는 본 발명을 중공 진동기와 관련하여, 재차 처리 용기(15)가 개방된 상태에서 보여준다. 중공 진동기로서 형성된 초음파 변환기(21)의 재킷 표면(jacket surface)은 진동한다. 이와 같은 진동은 상기 재킷 표면을 통해 유체(2) 내부로 송출된다.

공동 형성 작용에 의해 초음파 변환기(21)의 재킷 표면에서 발생되는 마모 현상을 억제하기 위하여, 박막(8)이 이송 장치(14)를 통해 삽입됨으로써, 어떤 유체(2)도 초음파 변환기(21)의 재킷 표면에 접촉하지 않게 된다. 이 경우 상기 박막(8)은 바람직하게 5 ㎛ 내지 200 ㎛, 본 경우에는 예컨대 50 ㎛의 두께를 갖는다. 박막(8)을 압착하기 위한 장치(22) 위에서 상기 박막이 초음파 변환기(21) 주변에 배치됨으로써, 어떠한 유체(2)도 초음파 변환기(21)의 재킷 표면에 접촉하지 않게 되는데, 심지어 반향 전환 포인트에서도 재킷 표면에 접촉하지 않게 된다. 이 경우 이송 장치(14) 위에 가해지는 인장력은, 상기 박막(8)이 초음파 변환기(21)의 재킷 표면에 영구적으로 압착될 수 있을 정도의 크기를 가져야 한다. 작동 중의 상기 압착력은 어떤 경우에도 상기 진동하는 초음파 변환기(21)의 재킷 표면에 의해서 박막(8)에 작용하는 가속력보다 더 커야만 한다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1: (초음파-소노트로드를 수용하기 위한) 장치

2: 유동성 매체 3, 21: 초음파 변환기

4: 소노트로드 5: 플랜지 연결부

6, 9: 밀봉부 7: 관류 셀

8, 18: 박막

10: (초음파에 노출될 매체의) 유입구

11: (초음파에 노출될 매체의) 배출구

12, 20: 저압을 형성하기 위한 연결부

13: 간극 14: 이송 장치

15: 처리 용기 16: 웰

17: 피에조 진동기 19: 커버

22: (박막을 가압하기 위한) 장치

Claims (21)

1. 유동성 매체가 소노트로드에 직접 접촉하지 않는, 소노트로드를 통해 유동성 매체 내부로 초음파를 도입하기 위한 방법에 있어서, 상기 방법은

   박막을 소노트로드에 제공하되, 상기 박막을 소노트로드에 압착시키는 압착력의 크기는 상기 박막이 상응하는 주파수 및 진폭에서 상기 소노트로드의 리프팅 동작을 따를 수 있는 정도인, 제공 단계, 및

   박막을 통해 초음파 파워를 매체 내부로 도입하고, 상기 박막으로 마모 현상을 옮기는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유동성 매체 내부로 초음파를 도입하기 위한 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 박막의 압착력은 소노트로드를 향하고 있는 면에서 저압이 형성됨으로써 작용하는 것을 특징으로 하는 유동성 매체 내부로 초음파를 도입하기 위한 방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 소노트로드로부터 떨어져서 마주보는 상기 박막의 면에 추가로 저압이 제공되는 것을 특징으로 하는 유동성 매체 내부로 초음파를 도입하기 위한 방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 박막의 압착력이 인장력의 형성에 의해서 상기 박막에 제공되는 것을 특징으로 하는 유동성 매체 내부로 초음파를 도입하기 위한 방법
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 박막이 소노트로드를 향하고 있는 면에서 유체에 의해 습윤되는 것을 특징으로 하는 유동성 매체 내부로 초음파를 도입하기 위한 방법.
6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 박막이 연속적으로 또는 불연속적으로 소노트로드 위로 움직이는 것을 특징으로 하는 유동성 매체 내부로 초음파를 도입하기 위한 방법.
7. 유동성 매체(2)가 소노트로드(4, 16, 21)에 직접 접촉하지 않는, 소노트로드(4, 16, 21)를 통해 유동성 매체(2) 내부로 초음파를 도입하기 위한 장치에 있어서,

   상기 소노트로드(4, 16, 21)와 매체(2) 사이에서 자체적으로 발생하는 마모에 대하여 상기 소노트로드(4, 16, 21)를 보호하기 위하여, 상기 박막(8, 18)은 소노트로드(4, 16, 21)에 직접 인접하여 배치되거나 또는 100 ㎛까지의 간격을 두고 간접적으로 소노트로드(4, 16, 21) 위에 배치되며, 상기 소노트로드(4, 16, 21)에 가해지는 상기 박막(8, 18)의 압착력은 이동 파워에 의해서 지지되고, 상기 압착력 은 상기 장치의 작동 중에는 언제나 박막(8, 18)이 항상 소노트로드(4, 16, 21)에 직접 또는 간접으로 인접하여 리프팅 동작을 따를 수 있는 정도의 크기로 유지되는 것을 특징으로 하는 유동성 매체 내부로 초음파를 도입하기 위한 장치.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 박막(8)이 소노트로드(4)를 지지하기 위한 장치(1)와 관류 셀(7) 사이에 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 유동성 매체 내부로 초음파를 도입하기 위한 장치.
9. 제 7 항에 있어서,

   상기 박막(18)이 초음파 웰(16)의 내벽에 압착되어 있는 것을 특징으로 하는 유동성 매체 내부로 초음파를 도입하기 위한 장치.
10. 제 7 항에 있어서,

    상기 박막(8)이 소노트로드(21) 주변에 배치되어 있고, 고정 장치(22)에 의해서 지지가 되는 것을 특징으로 하는 유동성 매체 내부로 초음파를 도입하기 위한 장치.
11. 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 소노트로드(4, 16)를 향하고 있는 상기 박막(8, 18)의 면 뒤에 형성된 공간에 저압이 제공되는 것을 특징으로 하는 유동성 매체 내부로 초음파를 도입하기 위한 장치.
12. 제 7 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 유동성 매체(2)가 저압 상태에 있는 것을 특징으로 하는 유동성 매체 내부로 초음파를 도입하기 위한 장치.
13. 제 7 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 장치에 상기 박막(8)을 연속적으로 또는 불연속적으로 계속 이동시키기 위한 이송 장치(14)가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 유동성 매체 내부로 초음파를 도입하기 위한 장치.
14. 제 7 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 박막(8, 18)이 상기 소노트로드(4, 16, 21)를 향하고 있는 면에서는 유체에 의해 습윤된 것을 특징으로 하는 유동성 매체 내부로 초음파를 도입하기 위한 장치.
15. 제 14 항에 있어서,

    상기 유체가 오일인 것을 특징으로 하는 유동성 매체 내부로 초음파를 도입하기 위한 장치.
16. 제 14 항에 있어서,

    상기 유체가 합성수지인 것을 특징으로 하는 유동성 매체 내부로 초음파를 도입하기 위한 장치.
17. 제 15 항에 있어서,

    상기 유체가 실리콘 화합물인 것을 특징으로 하는 유동성 매체 내부로 초음파를 도입하기 위한 장치.
18. 제 7 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 박막(8, 18)이 금속 박막인 것을 특징으로 하는 유동성 매체 내부로 초음파를 도입하기 위한 장치.
19. 제 7 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 박막(8, 18)이 플라스틱 박막인 것을 특징으로 하는 유동성 매체 내부로 초음파를 도입하기 위한 장치.
20. 제 7 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 박막(8, 18)의 두께가 5 내지 200 ㎛인 것을 특징으로 하는 유동성 매체 내부로 초음파를 도입하기 위한 장치.
21. 제 7 항에 있어서,

    유동성 수단이 100 ㎛까지의 간격을 두고 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 유동성 매체 내부로 초음파를 도입하기 위한 장치.

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