KR101149924B1 - 액적토출장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 액적토출장치는, 개구를 통해 기체를 분사하는 기체관, 상기 기체관을 통하여 분사되는 기체가 비대칭 유동을 일으키도록 상기 기체관 내부에 설치되는, 액체를 공급하기 위한 액체노즐을 포함하여, 상기 기체관 내부에 형성되는 비대칭 기체유동에 의해 상기 액체노즐로부터 액적을 토출하는 것을 특징으로 한다.

Description

액적토출장치{DROPLET GENERATION DEVICE}

본 발명은 액적토출장치에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 기체와 액체를 함께 토출하여 이상유동을 만듦으로서, 미세한 크기의 액적을 원하는 위치에 토출하며 액적을 형성하는 액체의 온도를 조절할 수 있도록 한 액적토출장치에 관한 것이다.

기존의 액적토출장치는 액적을 토출하기 위해 압전소자 또는 음향장치를 이용한 것이 알려져 있다.

대한민국 공개특허 제 2009??0054988 호에는 압력실의 일부를 이루는 진동막을 압전소자를 이용하여 진동시킴으로써 그 힘으로 노즐을 통하여 액적을 토출할 수 있도록 한 액적토출장치가 개시되어 있다. 이러한 액적토출장치는 화학실험, 바이오테크놀로지실험, 의료 진단, 전자부품 생산 등에 이용될 수 있다.

그러나, 이렇게 압전이나 음향장치를 이용하여, 즉 진동을 이용하여 액적을 토출하는 것은 액체에 충격을 가하여 강제로 밀어내는 것이므로 액체 내의 미세하고 약한 재료나 세포에 큰 충격을 줄 수 있는 문제점이 있다.

또한, 그 외에도 압전이나 음향장치를 이용한 액적토출장치는 내부에서 외부로 진동을 이용하여 강제로 토출하므로 토출할 수 있는 액적의 생산량이 낮고 액적을 밀어내면서 노즐이 막히게 될 수 있는 문제점이 있다.

상기한 압전소자 또는 음향장치를 이용한 것 외에도 액체를 공급하는 노즐의 주변으로 기체를 분사하여 그 기체의 힘으로 액적을 만들어 토출하는 방식의 액적토출장치도 알려져 있다.

대한민국 공개특허 제 2009??0108918 호에는 액적을 토출하는 노즐과 노즐의 개방된 단부를 향하여 기체를 분사하는 분사구를 포함하여, 분사구를 통해 유동하는 기체의 힘으로 액적을 토출할 수 있도록 한 액적토출장치가 개시되어 있다.

이러한 종래기술에 의한 액적토출장치는 이상(TWO PHASE)유동을 이용하여 액적을 토출하는 것으로 압전이나 음향장치에 의해 액적을 토출하는 방식보다는 액체 내의 재료나 세포에 충격을 덜 가하게 되는 장점은 있다.

그러나, 종래기술에 의한 액적토출장치에서는 액적 형성 시 액적의 분열(BREAK-UP)현상이 발생하므로 액체의 표면장력이나 노즐의 크기에 의해 액적의 크기가 정해지는 경향이 강하다. 따라서, 원하는 크기의 미세한 액적을 토출하는 데에 한계가 있다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 과제는 액체에 포함된 재료나 세포에 충격을 주지 않으면서도 미세한 크기의 액적을 토출할 수 있는 액적토출장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 의한 액적토출장치는, 개구를 통해 기체를 분사하는 기체관, 상기 기체관을 통하여 분사되는 기체가 비대칭 유동을 일으키도록 상기 기체관 내부에 설치되는, 액체를 공급하기 위한 액체노즐을 포함하여, 상기 기체관 내부에 형성되는 비대칭 기체유동에 의해 상기 액체노즐로부터 액적을 토출하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 액적토출장치는, 상기 액체노즐은 상기 기체관에 편심되며, 상기 개구를 통해 노출되도록 설치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 액적토출장치는, 상기 액체노즐의 단부는 상기 기체관의 상기 개구에서 노출되며, 상기 액체노즐의 노출된 단부에는 경사부가 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 액적토출장치는, 상기 기체관은 원뿔형으로 형성되며, 상기 개구는 원뿔형 기체관의 뾰족한 단부에 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 액적토출장치는, 상기 액체노즐의 일측은 상기 개구에 접하고 상기 액체노즐의 타측은 상기 개구와 이격되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 액적토출장치는, 상기 기체관에 기체질소를 공급하는 질소탱크를 더 포함하여, 상기 질소탱크에 액체질소를 저장하여 두었다가 기화한 기체질소를 공급하도록 한 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 액적토출장치는, 상기 기체관에 공급되는 기체의 온도를 조절하는 열교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 액적토출장치는, 상기 액체노즐에 공급되는 액체는 동결보호제 및 그에 포함된 미세 세포이며, 토출된 액적을 받기 위한 액체질소조를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

이상과 같은 본 발명에 의한 액적토출장치에 의하면, 기체의 유동하는 힘에 의해 액적을 토출하므로 액적 내의 재료나 세포가 받는 충격을 최소화할 수 있는 효과가 발생한다.

또한, 본 발명에 의한 액적토출장치에 의하면, 기체의 비대칭 유동을 발생시키므로 미세한 크기의 액적을 토출할 수 있으며, 용이하게 액적의 크기를 조절할 수 있다.

또한, 액체와 기체의 온도 및 압력을 조절할 수 있게 되므로 공정의 요구조건에 맞게하여 공정의 효율성을 높일 수 있는 효과가 발생한다.

도 1은 본 발명에 의한 액적토출장치를 보인 구성도이다.
도 2는 본 발명에 의한 액적토출장치의 액적분사부를 보인 단면사시도이다.
도 3은 본 발명에 의한 액적토출장치의 액적분사부를 보인 단면도이다.
도 4는 본 발명에 의한 액적토출장치에 의해 토출된 액적의 크기를 보인 자료이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 액적토출장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 액적토출장치를 보인 구성도이다. 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 액적토출장치는 액적분사부(10)를 구비한다. 액적분사부(10)는 직접적으로 액적을 토출하는 부분이다.

이 액적분사부(10)에는 기체와 액체가 공급되어 기체가 분사되는 힘으로 액체를 밀어내어 액적을 분사하게 된다. 액적분사부(10)는 액체를 공급하기 위한 액체공급장치(11)를 포함한다. 액체공급장치(11)에는 액체인 동결보호제에 미세한 세포가 섞여 있는 상태로 보관되어 있다가 필요에 따라 배출된다.

이러한 액적분사부(10)에 기체를 공급하기 위해 본 발명에 따른 액적토출장치는 질소탱크(1)를 포함한다. 질소탱크(1)에는 액체질소를 보관하여 액체질소가 기화하여 기체질소로 변환되면서 압력을 형성하게 된다.

질소탱크(1)는 액적분사부(10)와 플라스틱 튜브를 통해 연결되어 액적분사부(10)에 기체질소를 공급하는데 이러한 튜브의 도중에 열교환기(3)가 설치된다. 열교환기(3)는 기체질소의 온도를 조절할 수 있도록 한 것이다. 본 실시예에서는 세포가 포함된 동결보호제를 액체로서 분사하도록 하였으므로 분사되는 기체질소의 온도가 적절히 조절될 필요가 있다. 특히, 세포를 보존하기 위해 기체질소의 온도를 낮추어주는 것이 유리하다. 따라서, 열교환기(3) 내부에는 액체질소를 저장해 두고 그 액체질소와 열교환할 수 있도록 튜브를 설치한다.

액적분사부(10)는 상기한 액체공급장치(11)와 더불어 기체관(14)을 포함한다. 기체관(14)은 열교환기(3)를 통과한 기체질소가 공급될 수 있도록 열교환기(3)와 튜브로 연결된다. 기체관(14)은 원뿔형으로 형성되며, 내부가 비고 원뿔의 끝부분에 개구가 형성된다.

액체공급장치(11)는 이 기체관(14)의 일측에 설치된다. 액체공급장치(11)의 끝부분이 기체관(14)의 내부와 연통되도록 설치되어 액체를 기체관(14) 내부로 공급할 수 있도록 한 것으로 이를 위해 액체공급장치(11)의 단부에는 액체노즐(15)이 설치된다. 액체노즐(15)은 지름이 기체관(14) 단부의 개구보다 작은 얇은 관으로 액체공급장치(11)의 단부로부터 기체관(14)의 단부까지 휘어져 이어진다.

앞에서 설명한 바와 같이 액적분사부(10)는 질소탱크(1)로부터 공급되는 기체질소와 액체공급장치(11)로부터 공급되는 동결보호제에 둘러쌓인 세포를 이용하여 액적을 만들어 분사한다. 이렇게 만들어진 액적은 액적분사부(10)의 하부에 설치되는 액체질소조(7)로 분사된다. 액체질소조(7)는 액적이 토출되어 이동하게 되는 목적지이다. 상기한 바와 같이 액적에 세포가 포함되어 토출되는 경우 목적지를 낮은 온도로 유지해야 세포를 보존할 수 있기 때문에 액체질소가 담긴 액체질소조(7)에 토출하는 것이다.

도 2는 본 발명에 의한 액적토출장치의 액적분사부(10)를 보인 단면사시도이고, 도 3은 본 발명에 의한 액적토출장치의 액적분사부(10)를 보인 단면도이다. 도 2는 도 1의 A-A선을 따른 단면이다.

도 2 및 도 3을 참조하면 본 발명에 의한 액적토출장치의 액체노즐(15)은 기체관(14)의 하측단에 형성된 개구를 통해 외부로 노출된다. 액체노즐(15)의 하측단에는 경사부(16)가 형성된다. 그리고 액체노즐(15)은 한쪽이 기체관(14)에 형성된 개구의 내부면과 접촉하고 반대쪽은 개구의 내부면과 이격된다. 즉, 원뿔형 기체관(14)의 중심축과 원통형 액체노즐(15)의 중심축은 동일선상에 위치하지 않고 액체노즐(15)이 편심된다.

경사부(16)가 형성되므로 액체노즐(15)의 한쪽은 반대쪽에 비하여 상대적으로 기체관(14) 단부의 개구로부터 멀리 떨어지게 된다. 액체노즐(15)의 기체관(14)과 접하는 부분은 기체관(14) 단부의 개구로부터 멀리 떨어지고 액체노즐(15)의 기체관(14)과 접하지 않는 부분은 기체관(14) 단부의 개구와 가깝게 위치한다.

그에 따라 기체관(14) 내부의 기체유로는 기체관(14)의 중심축을 중심으로 하여 비대칭적으로 형성되게 된다. 기체관(14) 외부로 기체가 토출되었을 때에도 액체노즐(15)의 단부에 경사부(16)가 형성되므로 기체가 기체관(14) 외부에서도 비대칭적인 유로를 따라 비스듬하게 흐르게 된다.

상기와 같은 구성의 액적토출장치에서 기체 및 액체가 유동하는 현상을 도 1 및 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 질소탱크(1)에서 배출된 기체질소는 열교환기(3)를 통하면서 냉각되어 액적분사부(10)의 기체관(14)에 도달한다. 기체관(14)에 들어온 기체질소는 기체관(14) 하측단에 형성된 개구를 통해 외부로 배출되는데 이 때 개구와 기체관(14) 내부에 설치되는 액체노즐(15)의 중심축이 기체관(14)의 중심축과 편심되므로 기체관(14) 내부와 액체노즐(15)의 외부 사이에 형성되는 기체유로를 통해 유동하는 기체질소는 기체관(14)의 중심축을 중심으로 하여 비대칭적인 유동을 만들어내게 된다.

이 때, 액체공급장치(11)에서 액체노즐(15)로 공급된 액체는 액체노즐(15) 단부에 형성된 경사부(16)를 통해 외부로 배출되는데, 기체질소의 압력에 의해 액체노즐(15)로부터 강제로 토출된다. 기체질소가 액체노즐(15)의 단부에 형성된 경사부(16)를 따라 비스듬하게 흐르게 되므로 잠깐동안 액체노즐(15)의 단부에 맺히게 되는 액체는 기체질소에 의해 얇게 썰어지듯이 토출될 수 있게 된다. 따라서, 경사가 형성되지 않거나 기체질소의 비대칭적인 유동이 발생하지 않는 경우에 비해 토출되는 액적의 크기 조절이 용이하게 되는 것이다.

도 4는 본 발명에 의한 액적토출장치에 의해 토출된 액적의 크기를 보인 자료이다. 도 4에 도시한 바와 같이, 토출되는 액적의 크기는 대체적으로 기체질소의 압력에 반비례하게 되는 것을 확인할 수 있으며, 압력을 조절하면 토출되는 액적의 크기를 용이하게 조절할 수 있게 되는 것도 확인할 수 있다. 기체질소의 압력을 증감시키기 위해 질소탱크(1)와 액적분사부(10) 사이에 펌프를 설치할 수도 있으며, 또한 액체공급장치(11)에도 펌프를 설치하여 공급하는 액체의 압력도 조절할 수 있을 것이다.

본 실시예에서는 토출하는 액체가 동결보호제 및 그에 포함된 세포였으나, 그에 한정되지 않고 미세유체라면 어떠한 것이라도 본 발명에 의한 액적토출장치에 적용할 수 있을 것이다.

1: 질소탱크 3: 열교환기
7: 액체질소조 10: 액적분사부
11:액체공급장치 14: 기체관
15: 액체노즐 16: 경사부

Claims (8)

1. 개구를 통해 기체를 분사하는 기체관; 및
   액체를 공급하는 것으로 상기 기체관 내에 편심되고 단부가 상기 개구를 통해 노출되도록 설치되어, 상기 기체관을 통하여 분사되는 기체의 비대칭 유동을 유발하는 액체노즐;을 포함하여,
   상기 기체관 내부에 형성되는 비대칭 기체유동에 의해 상기 액체노즐로부터 액적을 토출하는 액적토출장치.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 액체노즐의 노출된 단부에는 경사부가 형성되는 것을 특징으로 하는 액적토출장치.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 기체관은 원뿔형으로 형성되며,
   상기 개구는 원뿔형 기체관의 뾰족한 단부에 형성되는 것을 특징으로 하는 액적토출장치.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 액체노즐의 일측은 상기 개구에 접하고 상기 액체노즐의 타측은 상기 개구와 이격되는 것을 특징으로 하는 액적토출장치.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 기체관에 기체질소를 공급하는 질소탱크를 더 포함하여, 상기 질소탱크에 액체질소를 저장하여 두었다가 기화한 기체질소를 공급하도록 한 것을 특징으로 하는 액적토출장치.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 기체관에 공급되는 기체의 온도를 조절하는 열교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액적토출장치.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 액체노즐에 공급되는 액체는 동결보호제 및 그에 포함된 미세 세포이며,
   토출된 액적을 받기 위한 액체질소조를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액적토출장치.

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