KR101043895B1 - 고압력 호모게나이저용 분사 모듈 - Google Patents

고압력 호모게나이저용 분사 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 높은 전단력, 우수한 난류 또는 와류 현상, 강한 충격 및 우수한 공동화 현상에 의하여 고수율로 우수한 품질의 에멀션 및 분산액을 제조할 수 있는 고압력 호모게나이저용 분사 모듈에 관한 것으로, 중앙이 관통된 원통형 실린더와 상기 실린더의 중간에 결합되어 분사로를 형성하는 제1 노즐 블록과 제2 노즐 블럭으로 구성되고; 제1 노즐 블록은 측면 원의 반지름 중간을 중심으로 하는 제1원형공이 블록의 양측면을 관통하여 적어도 하나 이상 형성되어지며, 측면원의 중심으로부터 일정 거리를 반지름으로 하는 원형 요홈이 형성되고 제1원형공과 원형 요홈 사이에 미세홈이 형성되며; 제2 노즐 블럭은 제1 노즐 블록의 원형 요홈의 지름과 동일한 제2원형공과 원형 요홈의 지름 보다 적은 지름의 제3원형공이 단턱을 형성하면서 일체로 관통 형성되고; 제1 노즐 블록과 제2 노즐 블럭이 밀착되어 결합 구성된다.

Description

고압력 호모게나이저용 분사 모듈{The injection module for high pressure homogenizer}
본 발명은 높은 전단력, 우수한 난류 또는 와류 현상, 강한 충격 및 우수한 공동화 현상에 의하여 고수율로 우수한 품질의 에멀션 및 분산액을 제조할 수 있는 고압력 호모게나이저용 분사 모듈에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 중앙이 관통된 원통형 실린더와 상기 실린더의 중간에 결합되어 분사로를 형성하는 제1 노즐 블록과 제2 노즐 블럭으로 구성되고; 제1 노즐 블록은 측면 원의 반지름 중간을 중심으로 하는 제1원형공이 블록의 양측면을 관통하여 적어도 하나 이상 형성되어지며, 측면원의 중심으로부터 일정 거리를 반지름으로 하는 원형 요홈이 형성되고 제1원형공과 원형 요홈 사이에 미세홈이 형성되며; 제2 노즐 블럭은 제1 노즐 블록의 원형 요홈의 지름과 동일한 제2원형공과 원형 요홈의 지름 보다 적은 지름의 제3원형공이 단턱을 형성하면서 일체로 관통 형성되고; 제1 노즐 블록과 제2 노즐 블럭이 밀착되어 결합 구성된 것을 특징으로 하는 고압력 호모게나이저용 분사 모듈에 관한 것이다.
일반적으로 고압력 호모게나이저는 베르누이 정리의 원리를 이용한 것으로, 유체를 초고압으로 가압한 상태에서 분사 모듈을 통과시키면 전단력(shear), 충격(impact), 공동화(cavitation) 현상이 발생하게 되며, 이로 인해 입자를 1㎛이하의 나노 크기로 만들어 줄 수 있고 기본적인 혼합과정을 동반하는 입자파괴, 세포파괴, 미립화(deagglomeration), 분산(dispersion), 미세유화(fine emulsion) 등의 용도로 사용될 수 있어 화학산업(chemical industry), 식품산업(food industry), 제약산업(pharmaceutical industry), 화장품산업(cosmetic industry), 생명공학(Biotech) 등과 같은 다양한 연구 및 산업 분야에서 적용이 가능하며, 특히 화장품이나 잉크 등의 원료인 에멀션을 생산하거나, 배양된 미생물의 세포벽을 파괴시키는 용도로 많이 사용되는 장치다.
일반적인 고압력 호모게나이저(10)는 도 1에 도시된 바와 같이 혼합된 유체를 저장하기 위한 탱크(20)와 상기 탱크로부터 유입되는 유체에 높은 압력을 가하기 위한 고압축 펌프(30)와 상기 고압축 펌프에 의한 압력으로 유체를 분사로로 통과시켜 나노 사이즈로 자른 후 유화되도록 하는 분사 모듈(50)과 상기 분사 모듈을 통과한 유체의 냉각시키기 위한 열교환기(60)로 구성된다.
상기와 같이 구성되는 고압력 호모게나이저(10)의 작용을 물과 기름의 예로써 설명하면 다음과 같다. 즉, 물과 기름을 교반하여 혼합한 혼합물을 탱크(20)에 저장한 다음, 물과 기름의 혼합물은 분사 모듈(50) 방향으로 이동하다가 고압축 펌프(30)에 의해 큰 압력을 받으면서 분사 모듈(50)의 분사로를 통과하게 된다. 이때, 상술한 베르누이 원리에 의해 물과 기름이 혼합된 유체가 매우 좁은 분사로를 매우 빠른 속도로 통과하는 과정에서 물과 기름에 전단력이 작용하여 각각 나노 사이즈로 잘게 부서지면서 뭉쳐있는 분자의 연결구조가 끊어지고, 이후 유체가 분사로를 완전히 통과하고 나면 넓은 통로에서 속도가 늦어지면서 다시 높은 압력에 의해 끊어진 물과 기름 분자들 간에 서로 뭉쳐 에멀션이 생산되는 것이다.
상기 고압력 호모게나이저(10)의 핵심 부품으로써 종래 분사 모듈(50)은 도 2에 도시된 바와 같이 중앙이 관통된 원통형 실린더(52)와 상기 실린더의 중간에 결합되어 분사로를 형성하는 전후 한 쌍의 노즐 블록(54a, 54b)으로 구성되는데, 이와 같은 종래 전후 노즐 블록(54a, 54b)은 각각 서로 반대 방향으로 편심된 구멍(56a, 56b)을 뚫은 상태에서 서로 밀착하는 단면에 상기 전후 구멍으로 연결되는 직경 80~100㎛의 가는 홈(58a, 58b)을 가공한 후 마주하게 결합하여 분사로를 형성하게 된다.
그러나, 상기의 분사 모듈(50)에 의하면 상기 분사로가 유체의 흐름에 의해 쉽게 깨지면서 에멀션 생산의 안정성이 저하될 뿐만 아니라, 한 번의 분사에 의해서는 에멀션의 생산성이 저하되기 때문에 이를 보완하기 위한 방법으로 도 1에 도시된 바와 같이 분사로의 직경이 200㎛ 내외인 보조 분사 모듈을 더 구비해야 하는 비용적 부담이 발생한다. 아울러, 상기 분사로를 형성하기 위한 80 ~ 100㎛의 가는 홈을 레이저로 가공함에 따라 홈의 표면이 매우 거칠어 유체의 원활한 흐름이 어려울 뿐만 아니라, 분사로의 방향이 유체의 흐름 방향으로부터 직각으로 절곡되기 때문에 유체의 안정적인 흐름을 위해서 필요 이상의 높은 압력이 요구되고 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 고안자는 새로운 분사 모듈을 개발하여 특허출원 제2008-83130호로 출원한 바 있고, 다양한 분사 모듈을 개발하기 위한 시도가 이루어지고 있다.
즉, 특허 출원 제2008-83130호에는 "고압력 호모게나이저에 설치되는 분사 모듈에 있어서, 중앙이 관통된 원통형의 실린더 중간에 혼합되지 않는 두 종류의 유체를 고압력으로 통과시켜 에멀션(emulsion)을 만들기 위한 전후 한 쌍의 제1,2 노즐블록을 긴밀하게 밀착된 상태로 결합 고정하되, 상기 제1 노즐블록의 전후 단면 중앙에는 각각 요입된 제 1홈을 형성한 상태에서 그 중심을 관통하여 1차 분사로를 형성하고, 상기 제2 노즐블록의 전후 단면 중앙에는 각각 요입된 제2 홈을 형성한 상태에서 그 중심을 관통하여 2차 분사로를 형성하여 이루어지며, 1차 분사로의 직경이 2차 분사로의 직경 보다 작게 형성한 것을 특징으로 하는 호모게나이저용 이중 분사 모듈"이 기재되어 있지만 더욱 효과적인 분사 모듈이 요구되고 있는 실정이다.
따라서, 본 발명의 목적은 높은 전단력, 우수한 난류 또는 와류 현상, 강한 충격 및 우수한 공동화 현상에 의하여 고수율로 우수한 품질의 에멀션 및 분산액을 제조할 수 있는 고압력 호모게나이저용 분사 모듈을 제공하는 데 있다.
상술한 목적 뿐만 아니라 용이하게 표출되는 다른 목적을 용이하게 달성하기 위하여 본 발명에서는 중앙이 관통된 원통형 실린더와 상기 실린더의 중간에 결합되어 분사로를 형성하는 제1 노즐 블록과 제2 노즐 블럭으로 구성되고; 제1 노즐 블록은 측면 원의 반지름 중간을 중심으로 하는 제1원형공이 블록의 양측면을 관통하여 적어도 하나 이상 형성되어지며, 측면원의 중심으로부터 일정 거리를 반지름으로 하는 원형 요홈이 형성되고 제1원형공과 원형 요홈 사이에 미세홈이 형성되며; 제2 노즐 블럭은 제1 노즐 블록의 원형 요홈의 지름과 동일한 제2원형공과 원형 요홈의 지름 보다 적은 지름의 제3원형공이 단턱을 형성하면서 일체로 관통 형성되고; 제1 노즐 블록과 제2 노즐 블럭이 밀착되어 결합 구성된 분사 모듈이 적용된 고압력 호모게나이저를 사용함으로서 높은 전단력, 우수한 난류 또는 와류 현상, 강한 충격 및 우수한 공동화 현상에 의하여 고수율로 우수한 품질의 에멀션 및 분산액을 제조할 수 있었다.
본 발명에 따른 고압력 호모게나이저용 분사 모듈은 높은 전단력, 우수한 난류 또는 와류 현상, 강한 충격 및 우수한 공동화 현상에 의하여 고수율로 우수한 품질의 에멀션 및 분산액을 제조할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 도 1은 종래 고압력 호모게나이저의 일례를 도시한 사시도이고,
도 2는 종래 고압력 호모게나이저용 분사 모듈의 일례를 도시한 단면도이며,
도 3은 본 발명에 따른 고압력 호모게나이저용 분사 모듈의 일례를 도시한 단면도이고,
도 4는 본 발명에 따른 고압력 호모게나이저용 분사 모듈의 일부 절결 요부 확대 분해사시도이며,
도 5 및 도 6은 본 발명의 다른 예를 도시한 일부 절결 요부 확대 분해사시도이고,
도 7은 제1 노즐 블록에 형성되는 제1원형공의 형성예를 보여주는 도면이다.
본 발명을 첨부 도면에 의거하여 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 고압력 호모게나이저용 분사 모듈(100)은 중앙이 관통된 원통형 실린더(110)와 상기 실린더의 중간에 결합되어 분사로를 형성하는 제1 노즐 블록(200)과 제2 노즐 블럭(300)으로 구성되고; 제1 노즐 블록(200)은 측면(210) 원의 반지름 중간을 중심으로 하는 제1원형공(220)이 블록의 양측면(210, 211)을 관통하여 적어도 하나 이상 형성되어지며, 측면원의 중심으로부터 일정 거리를 반지름으로 하는 원형 요홈(230)이 형성되고, 제1원형공(220)과 원형 요홈(230) 사이에 미세홈(240)이 형성되며; 제2 노즐 블럭(300)은 제1 노즐 블록(200)의 원형 요홈(230)의 지름과 동일한 제2원형공(310)과 원형 요홈(230)의 지름 보다 적은 지름의 제3원형공(320)이 단턱(330)을 형성하면서 일체로 관통 형성되고; 제1 노즐 블록(200)에 형성되는 미세홈(240)은 제1원형공(220)의 중심으로부터 원형 요홈(230)의 원주에 외접하도록 형성되며; 제1 노즐 블록(200)과 제2 노즐 블럭(300)이 밀착되어 결합 구성된 것을 특징지워진다.
상기 제1 노즐 블록(200)과 제2 노즐 블럭(300)은 각각 강도가 높은 재질로 구성되는 표층(201, 301)과 표층(201, 301)을 지지하는 지지층(202, 302)으로 구성되고, 표층(201, 301)이 서로 밀착되어 결합 구성된다. 이때 표층(201, 301)의 재질로는 다이아몬드, 지지층(202, 302)의 재질은 스테인레스 스틸인 것이 바람직하지만 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 강도가 높은 재질이라면 모두 사용 가능하며, 특히 표층(201, 301)은 지지층(202, 302) 보다 강도가 우수하여야 한다.
그러나, 상기의 제1 노즐 블록(200)과 제2 노즐 블럭(300)은 표층(201, 301)과 지지층(202, 302)으로 적층 구성되지 않고 강도가 우수한 재질을 이용하여 하나의 층으로 구성할 수도 있다.
상기 제1 노즐 블록(200)은 도 4와 도 7에 도시된 바와 같이 측면(210) 원의 반지름 중간을 중심으로 하는 제1원형공(220)이 블록의 양측면(210, 211)을 관통하여 적어도 하나 이상 형성되고, 2개의 제1원형공(220)이 형성될 경우에는 각각의 원형공의 중심이 일직선상에 위치하도록 하고, 3개 이상이 형성될 경우에는 각각의 원형공의 중심이 다각형의 꼭지점이 되도록 위치시키는 것이 바람직하다.
상기 제1원형공(220)은 직경이 0.5 ∼ 1.5mm 정도로 형성되고, 원형 요홈(230)의 직경과 비교시 제1원형공(220)은 직경 : 원형 요홈(230)의 직경이 1 : 1.5 ∼ 3의 비율이 되도록 하는 것이 전단력, 충격 및 공동화 현상 측면에서 바람직하다.
한편, 상기 원형 요홈(230)은 측면원의 중심으로부터 일정 거리, 바람직하게는 0.5 ∼ 1.5mm의 거리를 반지름으로 하고, 깊이는 0.2 ∼ 1.0mm로 하여 형성시킨다. 상기 원형 요홈(230)의 반지름 및 깊이가 상기 범주를 벗어날 경우에는 전단력, 충격 및 공동화 현상이 만족스럽지 못하거나 제1 노즐 블록(200)의 제조 원가가 상승하고, 강도가 저하되는 등의 문제점이 있다.
또한, 상기 제1 노즐 블록(200)에 있어서 제1원형공(220)과 원형 요홈(230) 사이에 미세홈(240)이 형성되어지되 미세홈(240)은 제1원형공(220)의 중심으로부터 원형 요홈(230)의 원주에 외접하도록 형성된다. 미세홈(240)이 제1원형공(220)의 중심으로부터 원형 요홈(230)의 원주에 외접하도록 형성하는 이유는 미세홈(240)을 통하여 제1원형공(220)으로부터 원형 요홈(230)으로 이송되는 유체가 원형 요홈(230)의 내주면을 따라 회전하게 되므로 높은 전단력, 우수한 난류 또는 와류 현상, 강한 충격 및 우수한 공동화 현상이 유발되기 때문이다.
상기 미세홈(240)은 20 ∼ 500㎛의 깊이와 넓이로 형성되고, 미세홈(240)은 분사로의 기능을 하여 미세홈(240)을 매우 빠른 속도로 통과하는 과정에서 유체에 전단력이 작용하여 나노 사이즈로 잘게 부서지면서 뭉쳐있는 분자의 연결구조가 끊어지고, 이후 유체가 미세홈(240)을 완전히 통과하고 나면 원형 요홈(230)에서 속도가 늦어지면서 분산 효과가 발생되고 에멀션화되는 것이다.
한편, 상기 제2 노즐 블럭(300)은 제1 노즐 블록(200)의 원형 요홈(230)의 지름과 동일한 제2원형공(310)과 원형 요홈(230)의 지름 보다 적은 지름의 제3원형공(320)이 단턱(330)을 형성하면서 일체로 관통 형성된다.
상기 제2원형공(310)과 원형 요홈(230)이 단턱(330)을 형성하면서 일체로 관통 형성되는 이유는 단턱(330)이 환형 요홈(230)과 함께 중앙이 제3원형공(320)이 개방된 상태의 원통형을 구성하게 되고, 단턱(330)에 의하여 미세홈(240)으로부터 유입되는 유체의 회전력과 난류 또는 와류 현상이 감소하지 않게 된다.
본 발명의 다른 실시예로서 도 5에 도시된 바와 같이 제1 노즐 블록(200)의 원형 요홈(230)을 고리형 요홈(231)으로 형성시키고, 제1 노즐 블록(200)의 원형 요홈(230)의 지름과 동일한 제2원형공(310)과 원형 요홈(230)의 지름 보다 적은 지름의 제3원형공(320)이 단턱(330)을 형성하면서 일체로 관통 형성된 제2 노즐 블럭(300)과 밀착되어 결합 구성될 수 있다.
특히, 고리형 요홈(231)을 형성시킨 제1 노즐 블록(200)을 사용할 경우에는 대응되는 제2 노즐 블럭(300)으로 제2원형공(310)과 제3원형공(320)이 단턱(330)을 형성하면서 일체로 관통 형성된 것을 반드시 사용하여야 미세홈(240)으로부터 유입되는 유체의 회전력을 감소시키지 않게 된다.
또한, 본 발명의 다른 실시예로서 도 6에 도시된 바와 같이 제2 노즐 블럭(300)으로 제2원형공(310)과 제3원형공(320)이 단턱(330)을 형성하면서 일체로 관통 형성시키는 대신에 원형 요홈(230)의 지름 보다 적은 지름의 제2원형공(310)만이 형성된 것을 사용할 수도 있다.
특히, 원형 요홈(230)의 지름 보다 적은 지름의 제2원형공(310)만이 형성된 제2 노즐 블럭(300)을 사용할 경우에는 대응되는 제1 노즐 블록(200)은 원형 요홈(230)이 형성된 것만을 사용할 수 있다.
상기와 같이 구성되는 분사 모듈이 적용되는 본 발명에 따른 고압력 호모게나이저의 작동을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 도 3에 도시된 분사 모듈의 좌측 유입구로 고압의 유체가 유입되고, 제1 노즐 블록(200)과 제2 노즐 블럭(300)을 통과하여 우측으로 이송되게 된다. 특히, 제1 노즐 블록(200)과 제2 노즐 블럭(300)을 통과시 유체는 제1원형공(220), 미세홈(240), 원형 요홈(230)과 제2원형공(310) 사이의 공간 또는 고리형 요홈(231)과 제2원형공(310) 사이의 공간, 제2원형공(310) 또는 제3원형공(320)을 순차적으로 통과하게 되며, 미세홈(240)을 통과하여 원형 요홈(230)과 제2원형공(310) 사이의 공간 또는 고리형 요홈(231)과 제2원형공(310) 사이의 공간으로 유체가 이동되면서 강하게 회전을 하게 될 뿐만 아니라 베르누이 정리의 원리에 따라전단력(shear), 난류 또는 와류(turbulence) 현상, 충격(impact), 공동화(cavitation) 현상이 발생하게 되어 분산 효과가 발현되고 유체의 에멀션화가 이루어지게 된다.
특히, 미세홈(240)이 제1원형공(220)의 중심으로부터 원형 요홈(230)의 원주에 외접하도록 형성되어 있기 때문에 원형 요홈(230)과 제2원형공(310) 사이의 공간 또는 고리형 요홈(231)과 제2원형공(310) 사이의 공간 내주면을 따라 유체가 회전하게 되므로 높은 전단력, 우수한 난류 또는 와류 현상, 강한 충격 및 우수한 공동화 현상이 발현된다.
뿐만 아니라, 제1원형공(220)과 미세홈(240)의 갯수를 적절히 조절하거나 제1 노즐 블록(200)과 제2 노즐 블럭(300)을 단순히 교체함으로써 고압력 호모게나이저의 용량을 용이하게 조절가능하고, 제조하고자 하는 에멀젼이나 분산액의 다양한 용도 및 특성에도 하나의 호모게나이저로 적용 가능한 효과를 얻을 수 있다.
100. 고압력 호모게나이저용 분사 모듈
110. 원통형 실린더 200. 제1 노즐 블록
220. 제1원형공 230. 원형 요홈
240. 미세홈 300. 제2 노즐 블럭
310. 제2원형공 320. 제3원형공
330. 단턱

Claims (5)

  1. 중앙이 관통된 원통형 실린더(110)와 상기 실린더의 중간에 결합되어 분사로를 형성하는 제1 노즐 블록(200)과 제2 노즐 블럭(300)으로 구성되고; 제1 노즐 블록(200)은 측면(210) 원의 반지름 중간을 중심으로 하는 제1원형공(220)이 블록의 양측면(210, 211)을 관통하여 적어도 하나 이상 형성되어지며, 측면원의 중심으로부터 일정 거리를 반지름으로 하는 원형 요홈(230)이 형성되고, 제1원형공(220)과 원형 요홈(230) 사이에 미세홈(240)이 형성되며; 제2 노즐 블럭(300)은 제1 노즐 블록(200)의 원형 요홈(230)의 지름과 동일한 제2원형공(310)과 원형 요홈(230)의 지름 보다 적은 지름의 제3원형공(320)이 단턱(330)을 형성하면서 일체로 관통 형성되고; 제1 노즐 블록(200)에 형성되는 미세홈(240)은 제1원형공(220)의 중심으로부터 원형 요홈(230)의 원주에 외접하도록 형성되며; 제1 노즐 블록(200)과 제2 노즐 블럭(300)이 밀착되어 결합 구성된 것을 특징으로 하는 고압력 호모게나이저용 분사 모듈(100).
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 노즐 블록(200)과 제2 노즐 블럭(300)은 각각 표층(201, 301)과 표층(201, 301)을 지지하는 지지층(202, 302)으로 구성되고, 표층(201, 301)이 서로 밀착되어 결합 구성된 것을 특징으로 하는 고압력 호모게나이저용 분사 모듈(100).
  3. 청구항 1에 있어서, 2개의 제1원형공(220)이 형성될 경우에는 각각의 원형공의 중심이 일직선상에 위치하도록 하고, 3개 이상이 형성될 경우에는 각각의 원형공의 중심이 다각형의 꼭지점이 되도록 위치시키는 것을 특징으로 하는 고압력 호모게나이저용 분사 모듈(100).
  4. 청구항 1에 있어서, 제1 노즐 블록(200)의 원형 요홈(230)을 고리형 요홈(231)으로 형성시키고, 제1 노즐 블록(200)의 원형 요홈(230)의 지름과 동일한 제2원형공(310)과 원형 요홈(230)의 지름 보다 적은 지름의 제3원형공(320)이 단턱(330)을 형성하면서 일체로 관통 형성된 제2 노즐 블럭(300)과 밀착되어 결합 구성한 것을 특징으로 하는 고압력 호모게나이저용 분사 모듈(100).
  5. 청구항 1에 있어서, 제2 노즐 블럭(300)은 제2원형공(310)과 제3원형공(320)이 단턱(330)을 형성하면서 일체로 관통 형성시키는 대신에 원형 요홈(230)의 지름 보다 적은 지름의 제2원형공(310)만이 형성되고, 대응되는 제1 노즐 블록(200)은 원형 요홈(230)이 형성된 것임을 특징으로 하는 고압력 호모게나이저용 분사 모듈(100).
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