KR102111939B1 - 에어로졸 생성방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

유체에 변형력을 인가하고 신장시켜 뉴톤 및 비-뉴톤 유체의 필라멘트를 신장시키고 분열시킴으로써 에어로졸이 생성된다. 유체는 변형 경로를 따라 늘어나고 유체 필라멘트를 형성한다. 유체 필라멘트는 방울들로 분열되고 이들은 수거되어 미스트 또는 에어로졸을 형성한다. 이러한 에어로졸 생성 시스템은 서로 인접하게 배치되고 유체를 늘리는 한 쌍의 역-회전 롤러들 또는 서로를 향하여 이동하고 서로 멀리 떨어져 유체를 늘리는 한 쌍의 피스톤들을 포함한다.

Description

에어로졸 생성방법 및 시스템{METHODS AND SYSTEMS FOR CREATING AEROSOLS}
본 발명은 에어로졸 생성방법 및 시스템에 관한 것이다.
많은 제조 및 산업 분야에서는 미세 증기 미스트 또는 에어로졸 생성에 있어, 예컨대 연소 분야에서 사용되는 연료/공기 혼합물, 분무도장용 분무화 공기-도료 혼합물, 약제 코팅물 도포, 접착제 분야 및 기타 등에서 유체 분무화를 이용한다. 성분액이 일단 에어로졸이 되면 거의 모든 형태의 표면을 쉽게 도장 처리할 수 있다. 달리, 제약 산업에서, 에어로졸은 일반적으로 “분무-건조”라고 칭하는 공정에서 사용되고 활성 약학 성분들을 제조하기 위한 상류 성분액을 미세 분말들로 생성한다.
모든 공지된 분야들에서, 성분액으로부터 에어로졸을 생성하는 것은 도전적인 작업이다. 성분액이 뉴톤 유체로 거동하면, 증기 또는 에어로졸 생성은 다수의 종래 방법들로 달성된다. 하나의 종래 방법은 공기 및 액체를 동반하는 고속 공기 유동을 이용한다. 전형적인 분무기 또는 에어로졸은 큰 수치의 레이놀즈 (Reynolds) 및 웨버 (Weber)에서의 공기 및 성분액 동축 유동을 포함하고, 즉, 관성력이 유체의 점성력 및 표면장력을 지배한다. 일반적으로 이러한 유동은 불안정하고 Kelvin-Helmholtz 및 Plateau-Rayleigh 불안정성에 의해 유체 분열로 이어진다. 많은 경우, 유동은 난류 및 카오스 운동이고, 유체 입자들을 높은 변형 및 변형률로 분해시키고 신장시켜, 유체와 대량의 공기 동반으로 이어지고 결국 공기 중에 부유하는 방울들의 미세 미스트가 생성된다.
고속 동축 유동은 성분액이 뉴톤 특성을 가지고 뉴톤 유체와 같이 거동할 때 효과적이다. 그러나, 많은 성분액들은 다양한 거대분자인 상호작용 고체 성분들을 함유하여 전단박화 및 점탄성을 포함한 비-뉴톤 특성으로 이어진다. 고속 동축 유동 및 전기분무와 같은 종래 분무화 방법들은 비-뉴톤 특성을 가지는 성분액에서는 비효과적이다. 예를들면, 성분액이 점탄성이고 상당한 신장 점조성이면, 신장점도는 유체가 신장될 때 변형 방향으로 수천 수만 배, 즉, 일부 고분자량의 성분액 경우 105 이상 증가된다.
분사 과정에서, 비-뉴톤 특성을 가지는 성분액의 신장 점조화로 인하여 점성저항이 관성력 및 표면장력을 압도하고, 계는 분열되기 전에 큰 변형을 지지하여 작은 방울들 형성을 방지한다. 분사로 인하여 길고, 점착성의 필라멘트, 필름 및 텐드릴 (tendril)을 형성하여 분열되어 공기 중 부유되지 않는다. 실질적으로, 액체는 신장되지만, 미스트 또는 증기를 형성하는 방울들로 분열되지 않는다.
에어로졸 생성을 위한 동축 유동 시스템에서 근본적인 문제는 변형 방향이 병진 방향과 일치하는 것이다. 필라멘트는 궁극적으로 방울들로 분열되어 미스트를 형성하지만, 큰 변형을 달성하기 위하여 젯에서 분사되는 필라멘트들은 반드시 먼 거리를 이동하여야 한다. 필라멘트가 이동할 때, 필라멘트는 운동량을 상실하고 다시 감겨 큰 방울들을 다시 형성한다. 달리, 연속하여 필라멘트를 궤도에 강제하는 시도는 필라멘트를 분열시키고 방울들을 형성하기 위하여 비현실적인 긴 분사가 필요하다.
따라서, 뉴톤 및 비-뉴톤 특성 중 하나 또는 양자를 보이는 유체로부터 에어로졸을 생성하는 방법 및 시스템은 유익할 것이다.
도 1은 본 발명의 양태들에 따라 두 개의 롤러들 사이에 형성된 닙을 통해 유체가 인출되고 유체 필라멘트가 신장되는 진행도이다.
도 2 한 쌍의 피스톤들의 예시이고 이들 사이에서 유체가 신장되고 분열된다.
도 3은 본 발명의 양태들에 의한 한 쌍의 역-회전 롤러들 및 닙의 하류 측에 형성되는 필라멘트를 도시한 것이다.
도 4는 유체 저장소를 가지는 예시적 한 쌍의 역-회전 롤러들의 단면도이다.
도 5는 에어로졸을 생성하는 한 쌍의 역-회전 롤러들을 가지는 예시적 에어로졸 생성기이다.
도 6A 및 6B는 한 쌍의 역-회전 롤러를 위한 2종의 예시적 유체 코팅 기술을 도시한 것이다.
도 7A-7E는 한 쌍의 역-회전 롤러를 위한 추가 예시적 유체 코팅 기술을 도시한 것이다.
도 8은 한 쌍의 역-회전 롤러의 상류 공기 유동 생성을 위한 팬들을 포함하는 에어로졸 생성용 시스템의 예시이다.
도 9는 한 쌍의 역-회전 롤러 하류에 배플들이 추가 설치된 도 8의 에어로졸 생성용 시스템이다.
도 10은 한 쌍의 역-회전 롤러 및 배플들 하류에 분무 수거기 및 진공이 추가 설치된 도 9의 에어로졸 생성용 시스템이다.
도 11은 한 쌍의 역-회전 롤러 상류에 위치하는 공기 유동 및 한 쌍의 역-회전 롤러 하류에 배치되는 배플들, 분무 수거기, 및 진공을 포함한 에어로졸 생성용 시스템 예시이다.
도 12는 한 쌍의 역-회전 롤러 아래에 팬, 역-회전 롤러 상부에 위치한 배플, 및 한 쌍의 역-회전 롤러 하류에 배치되는 분무 수거기 및 진공을 포함한 에어로졸 생성용 시스템 예시이다.
도 13은 롤러들 사이에 형성된 닙을 따라 역-회전 롤러들과 평행하게 이동하는 공기 스트림을 포함한 에어로졸 생성용 시스템의 또 다른 예시이다.
도 14는 롤러 표면에 다양한 개구들을 보이는 역-회전 롤러의 롤러 예시이다.
도 15A-15C는 역-회전 롤러들 중 하나 또는 양자의 결면이다.
도 16은 상이한 결면들을 가지는 두 영역들을 포함한 역-회전 롤러들 중 하나이다.
도 17은 다양한 거리로 이격되는 리브들이 롤러 원주에 연장되는 역-회전 롤러의 또 다른 결면 예시이다.
도 18은 롤러 표면에서 다수의 강모들이 외향 연장되는 또 다른 유형의 롤러 결면이다.
도 19는 상이한 표면 영역들에서 두 종의 표면 처리된 롤러의 예시이다.
유체 필라멘트들이 신장되고 방울들로 분열되어 에어로졸, 미스트, 또는 기타 증기를 생성하는 에어로졸 생성 시스템 및 방법이 개시된다. 에어로졸, 미스트, 및 증기는 공기 중 부유하는 유체 필라멘트의 하나 이상의 방울들을 기술하기 위하여 상호 교환적으로 사용되는 용어들이다. 때로 유체는 뉴톤 또는 비-뉴톤 특성을 가지는 액체이다. 일반적으로, 비-뉴톤 특성을 가지는 유체는 강한 신장 점조성을 가지므로, 변형될 때 변형 방향으로 신장 점도는 크게 증가하고 때로는 수천 수만 배 증가된다. 비-뉴톤 유체의 신장 점조성으로 점성저항은 유체 관성력 및 표면장력을 압도하므로 계는 분열 전에 큰 변형을 지지하여 작은 액적들 또는 방울들 형성을 방지한다.
적당히 긴 변형 경로를 따라 충분히 변형되고 신장된다면, 뉴톤 및 비-뉴톤 특성을 가지는 유체 모두는, 궁극적으로 작은 방울들로 분열되어 미스트 또는 에어로졸을 형성한다. 모든 유체는 계속하여 신장되어 유체 필라멘트가 여러 방울들로 분열되어 미스트 또는 에어로졸을 형성하기 전까지 유체 필라멘트 (신장된 유체)를 형성할 수 있다.
1차 (first round) 방울들이 형성된 후 잔류하는 과잉 유체 또는 새로운 유체로 유체 필라멘트를 변형 및 신장시키는 과정은 반복된다. 또한, 제1 유체 필라멘트 신장 및 변형 과정과 병행하여 다중 유체 필라멘트들이 신장되므로 형성되는 방울들 용량은 증가된다. 제1 유체 필라멘트 및 임의의 추가적인 과잉 유체 필라멘트들의 신장 시간 간격은 필요하다면 조정 또는 조절 가능한 시간 구간으로 정의될 수 있다. 유체 필라멘트들의 다중 신장 및 분열 간의 시간 구간은 가변적이거나 일정할 수 있다.
도 1은 한 쌍의 역-회전 롤러들 (100, 102)에 의해 신장되는 유체 진행을 보인다. 닙 (104)은 두 개의 롤러들 (100, 102) 사이 공간으로 형성되고 여기에 롤러들 (100, 102)이 역-회전할 때 유체가 인발된다. 유체는 닙 (104) 상류 측 (106)에 집합되고 닙 (104)을 통과하여 인발된다. 닙 (104) 하류 측 (108)에서, 유체는 두 개의 롤러들 (100, 102) 표면들 사이에서 유체 필라멘트 (110)로 신장된다. 롤러들 (100, 102)가 역-회전하면, 유체 필라멘트 (110)가 부착된 롤러들 (100, 102) 표면들은 동일하지만, 이러한 표면들 간의 간격은 더욱 커진다. 롤러들 (100, 102) 표면들이 서로 멀어지도록 회전할수록 유체 필라멘트 (112)는 더욱 길어지고 박화된다. 유체 필라멘트 (112)가 유체 필라멘트 (112)의 모세관 분열점인 액체 다리가 불안정해지는 지점에 이르면, 유체 필라멘트 (112)는 여러 방울들 (114)로 분할되고 과잉 유체 (116)는 롤러 표면 각각에 잔류된다. 과잉 유체 (116)는 각자의 롤러 표면으로 후퇴하고 유체 집합의 일부가 되어 다음 회의 롤러들 회전에서 닙을 통과하여 인발된다. 이러한 과정은 연속 미스트를 제공하기 위하여 반복된다.
도 2는 한 쌍의 피스톤들 (200, 202) 사이에서 신장되어 유체 필라멘트 (206)를 형성하고 궁극적으로 다수의 방울들 (206)로 분열되는 유체 (204) 진행을 보인다. 유체 (204)는 피스톤들 (200, 202) 사이에 놓인다. 피스톤들 (200, 202)은 서로 멀어지고 계속적인 변형력이 유체 (204)에 작용되어 피스톤들 (200, 202) 사이에서 유체가 신장되며 유체 필라멘트 (206)가 형성된다. 유체 필라멘트 (206)가 더욱 길어지고 박화될수록, 유체 필라멘트 (206)는 궁극적으로 모세관 분열점에 도달하고 여기에서 다중 방울들 (208)로 분할되고 과잉 유체 (210)는 각각의 피스톤 (200, 202) 표면에 잔류한다. 또한 도 2는 스트링-상-비드들 (beads-on-a-string) 구조 (212)를 보이고, 이는 전구체인 유체 필라멘트 (206)가 방울들 (208)이 형성되는 모세관 분열점에 도달한 지점이다. 과잉 유체 (210)는 피스톤들 (200, 202)에 집합되고 피스톤들 (200, 202)은 다시 합쳐지고 유체는 다시 신장되므로, 과정이 반복되고 추가 미스트 방울들이 형성된다.
도 3은 역-회전 롤러들 (302, 304) 쌍의 예시이다. 롤러들 (302, 304)은 롤러들 사이에 닙 (306)을 형성한다. 일부 실시예들에서, 닙은 롤러들 사이에 물리적으로 이격된 공간에 형성된다. 다른 실시예들에서 닙 (306)은 물리적으로 서로 접한 롤러들에 의해 형성된다. 또 다른 실시예들에서, 롤러들은 닙에서 롤러들이 서로 접할 때 압축되는 유연한 표면재를 가진다.
닙 (306)은 상류 측 (310) 및 하류 측 (312)을 가진다. 롤러(들)을 코팅하는 유체는 닙 (306) 상류 측 (310)에 집합된다. 유체는 닙 (306)을 통과하여 하류 측 (312)으로 인발되고 신장되어 유체 필라멘트 (308)를 형성한다. 하류 측에서 유체 필라멘트 (308)에는 연속적으로 증가하는 변형력이 인가되고, 롤러들 (302, 304) 표면들이 서로 멀어지고 변형력이 증가할수록 유체 필라멘트 (308)는 더욱 길어지고 박화된다. 도 3에 도시된 실시예에서, 유체는 롤러들의 표면들에 동일한 위치에 부착되어 있고 롤러들이 역-회전하여 롤러들의 표면들 사이 거리가 증가하는 - 롤러들 (302, 304) 역-회전으로 인하여 유체 필라멘트 (308)에 인가되는 변형력이 커지고, 유체 필라멘트는 분열될 때까지 늘어난다.
도 4는 한 쌍의 역회전 롤러들 (402, 404)을 가지는 에어로졸 생성 시스템 (400) 상세도이다. 도 3과 유사하게, 도 4의 한 쌍의 역-회전 롤러들 (402, 404)은 이들 사이에 닙 (406)을 형성하고 서로에 대하여 역-회전한다. 롤러들 (402, 404)은 모두 각각 유체 (412, 414)로 도포된다. 유체 (412, 414)는 각각의 롤러 (402, 404) 전체 원주 주위로 연장된다. 하나 또는 두 롤러들 (402, 404)에서 유체 (412, 414) 일부는 부분적으로 건조되어 롤러 표면(들) 영역들에는 유체 코팅물이 부재할 수 있다. 달리, 유체는 한 쌍의 롤러들 중 하나에만 코팅되고 이 역시 다른 실시예들에서 부분적인 건조 영역을 가질 수 있다.
도 4에서, 하부 롤러 (404) 일부는 하부 롤러 (404)를 코팅하는 유체 (410)를 담고 있는 코팅팬 (408)에 잠긴다. 하부 롤러 (404)는 또한 하부 롤러 (404) 및 상부 롤러 (402) 사이에 음의 간격이 구현될 수 있는 고무층 (416)을 가진다. 두 개의 롤러들 (402, 404) 사이 음의 간격으로 인하여 유체는 롤러들 (402, 404) 사이에서 가역적으로 압축된다. 고무층 (416)은 또한 유체 (410)가 롤러 (404) 표면에 부착되도록 보강한다. 고무층 (416)은 본 실시예에서는 고무 재질이지만, 다른 실시예들에서 유체를 롤러에 부착시키도록 조력하는 임의의 기타 적합한 재료일 수 있다.
한 쌍의 역-회전 롤러들 (402, 404) 사이에는 닙 (406)이 형성된다. 본 실시예에서, 닙은 두 개의 롤러들 (402, 404) 사이에서 조절된 유체 두께로 유체 층들 (412, 414)을 압착한다. 조절된 유체 두께는 일부 실시예들에서는 조정 가능하고 또는 다른 실시예들에서는 일정할 수 있다. 유체 두께를 조절함으로써 닙 (406) 하류 측에서 미스트 방울들 (418)이 형성되는 용량 및 방식이 조절된다. 도 1과 관련하여 상기된 바와 같이, 유체는 닙 (406) 상류 측에 집합된 후 닙 (406)을 통과한다. 도 4에 도시된 실시예에서 유체 집합은 두 롤러들 (402, 404)에서 유래하는 유체들의 조합이다.
도 5는 유체를 늘리는 변형 요소로서 한 쌍의 역-회전 롤러들 (502, 504)을 가지는 에어로졸 생성 시스템 (500)의 예시를 보인다. 구동요소, 예컨대 도 5에 도시된 모터들 (506)은, 한 쌍의 역-회전 롤러들 (502, 504)을 도 5에서 화살표들 (508, 510)로 표기되는 바와 같이 서로 역-회전하도록 구동시킨다. 유체원 (511), 예컨대 액체를 담고 있는 저장소는, 하나 또는 두 롤러들 (502, 504)을 유체로 도포한다. 유체 필름이 하나 또는 두 롤러들 (502, 504)의 표면(들)에 형성된다. 계량 블레이드 (512) 또는 다른 필름 두께 조절 기구가 필라멘트 생성 시스템 (500)에 포함되어 롤러(들) (502, 504) 상의 필름 두께를 조절할 수 있다. 계량 블레이드 (512)는 도 5에 도시된 바와 같이 하나 또는 두 롤러들 (502, 504)과 접촉되거나, 또는 거의 접촉되어 롤러(들) (502, 504) 상에서 유체 필름 두께를 조절한다.
상기된 바와 같이, 롤러들이 서로에 대하여 역-회전하면, 하나 또는 두 롤러들을 코팅하는 유체는 롤러들 사이에 형성된 닙으로 인발된다. 유체 필라멘트는 닙 하류 측에서 신장되고 방울들로 분열되어 닙 하류 측에서 미스트로 형성된다. 방울들로 분열되는 유체 필라멘트는 롤러들로부터 멀어지는 방향으로 유동한다. 롤러들의 닙을 통과하여 인발되는 유체에 의해 형성되는 미스트를 수거하기 위하여 수거 요소 (harvesting element)가 배치된다. 미스트는 유체 필라멘트 분열로 인해 형성되는 방울들의 집합체이다.
도 6A 및 6B는 유체를 늘리는 한 쌍의 역-회전 롤러들이 장착된 에어로졸 생성 시스템을 위한 상이한 두 유형의 유체 코팅 기술들을 보인다. 도 6A는 유체가 한 쌍의 역-회전 롤러들 중 상부 롤러 (604)와 접촉하는 유체 피드 (602)를 포함한다. 유체 피드 (602)에 의해 유체는 상부 롤러 (604)와 접촉되며, 본 실시예에서 이 주위에 계량 블레이드 (606) 역시 상부 롤러 (604)와 접촉된다. 계량 블레이드 (606)는 상부 롤러 (604) 표면에 부착되는 유체의 두께를 조절한다. 상부 롤러 (604)가 반-시계방향으로 회전하면 유체는 상부 롤러 (604) 표면 원주 주위로 유체 필름을 형성하고 계량 블레이드 (606)는 본 실시예에서 상부 롤러 (604) 표면 또는 대안적 실시예들에서 하나 또는 양 롤러들과의 밀접한 정도에 따라 유체 필름의 최대 두께를 설정한다.
롤러들 (604, 610)이 역-회전하면서 상부 롤러 (604) 및 하부 롤러 (610) 사이에 형성되는 닙 (608)으로 유체를 통과시켜 인발시킨다. 하부 롤러 (610)는 시계방향으로 회전되고, 닙 (608)의 상류단을 통과하여 유체 필름을 당긴다. 닙 (608)의 하류 측에 있는 공기 유동경로 (612, 614)는 각각의 롤러의 회전 방향과 평행한 경로를 가지고, 즉 상부의, 반-시계방향 회전 롤러 (604)에 대하여, 공기유동 경로 (612)는 상부 롤러 (604)의 반-시계 회전방향과 평행하고 하부의, 시계방향 회전 롤러 (610)에 대하여, 공기유동 경로 (614)는 하부 롤러 (610)의 시계 회전방향과 평행하다.
도 6B는 도 6A에 도시된 역-회전 롤러들 (604, 610) 동일 쌍에 대한 다른 롤러 코팅 기술을 보이고, 여기에서 유체원은 유체가 담겨있는 팬 또는 저장소 (616)이다. 저장소 (616)는 하부 롤러 (610)가 잠기고 회전할 때 팬 (616)에 있는 유체를 통과하여 유체가 하부 롤러 (610) 표면에 부착되도록 배치된다. 계량 블레이드 (618)는 하부 롤러 (610)와 접촉하거나 거의 접촉되도록 배치되어 유체가 통과하는 최대 두께를 형성함으로써 하부 롤러 (610) 표면에 부착되는 유체 필름 두께를 조절한다. 공기 유동 경로 (612, 614)는 도 6A 및 6B에 도시된 두 코팅 기술들의 역-회전 롤러들에 있어서 동일하거나 유사하다.
도 6A 및 6B 실시예들에 도시된 닙 (608)은 두 개의 롤러들 (604, 610) 사이에 간격 또는 공간을 포함하여 롤러들 (604, 610)은 인접하지만 서로 접하지는 않는다. 닙 (608)에 의해 형성되는 좁은 간격으로 인하여 유체 필라멘트들은 닙 (608) 하류단에서 신장되고 방울들로 분열되어 미스트 또는 에어로졸을 형성한다.
도 7A-7E는 유체를 한 쌍의 역-회전 롤러들을 가지는 변형요소들의 롤러(들)에 적용하기 위한 대안적 코팅 기술들을 보인다. 이들 실시예에서, 롤러들은 한 쌍의 역-회전 롤러들 일부이지만 단순화를 위하여 단일 롤러 (700)가 도시된다. 도 7A는 롤러 (700)에 슬롯 비드 코팅을 적용하는 유체원 (702)을 보인다. 유체원 (702)은 상류 측 및 롤러 (700) 높이를 따라 대략 중간에서 롤러 (700) 표면에 유체를 도포하도록 배치된다. 유체원 (702)은 롤러 (700) 표면과 접촉하거나 본 실시예에서 거의 접촉할 수 있다. 유체 (704)는 롤러 (700) 원주에 코팅된다.
도 7B는 제1 유체 (708) 및 제2 유체 (710)를 가지는 유체원 (706)을 보이고 이는 롤러 (700)에 다중-층 슬롯 비드 코팅을 적용한다. 도 7A에서 논의된 단일-층 슬롯 비드 코팅 기술과 유사하게, 유체원 (706)은 상류 측 및 롤러 (700) 높이를 따라 대략 중간에서 롤러 (700) 표면에 유체를 도포하도록 배치되고 롤러 (700) 표면과 접하거나 거의 접하도록 놓인다. 그러나, 본 실시예에서, 유체원 (706)은 제1 유체 (708) 및 제2 유체 (710)을 포함하고 이들은 서로 적층되어 다중-층 유체 (712)로서 롤러 (700) 표면에 도포된다. 다중-층 유체 (712)는 롤러 (700) 원주에 코팅된다.
도 7C는 슬롯 커튼 코팅 기술을 도시한 것이고 유체원 (714)은 롤러 (700) 위에 대략 폭을 따라 중간에 배치된다. 유체원 (714)은 또한 롤러 (700)와 이격되고 유체를 롤러 (700)에 도포할 때 롤러 (700) 표면에 물리적으로 접촉되지 않아, 유체는 롤러 (700)와 접촉되기 전에 공기를 통해 일정 거리를 이동한다. 유체 경로 (716)는 도 7A 및 7B에서 논의된 다른 코팅 기술들과 유사한 방식으로 롤러 원주 주위로 연장된다.
도 7D는 슬라이드 비드 코팅 기술을 도시한 것이고 유체원 (718)은 제1 유체 (720), 제2 유체 (722), 및 제3 유체 (724)를 포함하고 이들은 함께 롤러 (700) 표면에 부착되는 다중-층 유체 (726)를 형성한다. 유체원 (718)은 일측에서 롤러 (700)에 대하여 유각으로 경사를 이루어 제1 유체 (720), 제2 유체 (722), 및 제3 유체 (724) 각각 배분되면, 이들은 서로 진전하여 다중-층 유체 (726)를 형성한다. 본 실시예에서 유체원 (718)은 롤러 (700)와 접촉되거나 거의 접촉되어 유체 (726)를 배분하도록 배치된다. 상기된 기타 실시예들과 유사하게 유체 (726) 유체 경로는 롤러 (700) 원주를 주위로 연장된다.
도 7E는 슬라이드 커튼 코팅 기술을 보이고, 여기에서 유체원 (728)은 제1 유체 (730), 제2 유체 (732), 및 제3 유체 (734)를 포함하고 이들은 함께 롤러 (700) 표면에 부착하는 다중-층 유체 (736)를 생성한다. 유체원 (728)은 일측에서 롤러 (700)에 대하여 유각을 가지고 경사를 이루도록 배치되어 제1 유체 (730), 제2 유체 (732), 및 제3 유체 (734) 각각이 배분될 때, 이들은 서로 주행하여 다중-층 유체 (736)를 형성한다. 유체원 (728)은 롤러 (700) 표면에서 이격되고 롤러 (700)에 유체 (736)를 도포할 때 롤러 (700) 표면과 물리적으로 접촉되지 않아, 유체 (736)는 공기를 통해 일정 거리를 주행한 후 롤러 (700)에 접촉된다. 유체 경로는 유체 (736) 및 롤러 (700) 사이의 접촉점에 수직 방향으로 연장되고 롤러 (700) 원주 주위를 코팅한다.
임의의 적합한 코팅 기술(들)이 롤러 표면에 유체를 도포하기 위하여 사용될 수 있고 상기 코팅 기술들은 어떠한 방식으로도 본 발명의 제한할 의도는 아니다. 예를들면, 유체는 롤러(들)에 대하여 임의의 적합한 유각 및 임의의 적합한 위치에서 도포될 수 있다. 유체는 하나 또는 두 롤러들에 적하되거나 또는 롤러 표면에 직접 도포될 수 있다. 상기 실시예들에서, 롤러들은 둥글고 닙 하류 측에서 유체를 적용하면 하류 측에서 롤러가 코팅되고 롤러 회전으로 유체는 닙 상류 측에서 닙으로 진입되므로 유체는 닙의 상류 또는 하류 측에 적용될 수 있다.
도 8-12는 에어로졸 수거 시스템의 예시적 구조들이고, 각각은 에어로졸 방울들 형성 또는 에어로졸 미스트 지향에 조력한다. 도 8-12 각각은 한 쌍의 역-회전 롤러들 (800, 802), 유체원 (804), 및 계량 블레이드 (806)를 포함한다. 다른 실시예에서, 전기장은 닙 또는 주변에 인가되어 유체 필라멘트로부터 방울들 형성을 조장한다.
도 8에서, 에어로졸 생성 시스템은 각자 공기 유동 경로들 (810)을 가지는 3개의 송풍기들 (808)을 더욱 포함하여 롤러들 사이 닙 하류 측에서 유체 필라멘트가 신장되고 방울들로 분열되도록 보강하고 미스트 또는 에어로졸이 공기 유동 방향 (810)으로 이동되도록 촉진한다. 달리, 송풍기들은 유체 필라멘트를 신장하고 방울들로 분열시키도록 촉진하는 임의의 적합한 압축 공기원 또는 임의의 가압원으로 대체될 수 있다.
도 9는 두 개의 배플들 (812)이 닙 하류 측에 롤러들 (800, 802)에 대하여 유각으로 장착되는 도 8의 에어로졸 생성 시스템을 도시한 것이다. 배플들 (812)은 형성된 에어로졸을 경로 (814)로 안내하여 두 개의 배플들 (812) 사이에 형성되는 개구 (816)로 통과시킨다. 도 10은 에어로졸 수거기 (818) 및 진공 (820)이 부가된 도 9의 에어로졸 생성 시스템을 도시한 것이다. 에어로졸 수거기 (818)는 에어로졸 방울들을 임의의 적합한 유형의 용기에 회수하기 위한 요소이다. 진공 (820)은 에어로졸 방울들이 에어로졸 수거기 (818) 내부로 안내되도록 또는 에어로졸이 원하는 방향 또는 원하는 경로를 따라 안내되도록 조력하기 위하여 인가된다. 도 11은 도 10의 에어로졸 생성 시스템과 동일하지만, 송풍기들이 제거된 것이다.
도 12는 한 쌍의 역-회전 롤러들 (800, 802), 유체원 (804), 및 계량 블레이드 (806)를 가지는 또 다른 에어로졸 생성 시스템이다. 도 12에 도시된 실시예에서, 송풍기 (822)는 하류 측 및 한 쌍의 롤러들 (800, 802) 아래에 놓여 공기 유동 경로 (824)는 에어로졸이 롤러들 (800, 802)에서 이탈되는 방향과 수직하다. 공기 유동 경로 (824)는 에어로졸을 배플 (826)로 향하도록 하고, 여기에서 다시 에어로졸은 에어로졸 수거기 (828)로 지향된다. 진공 (830)이 에어로졸 수거기 (828)에 인가되어 하나의 구성에서 에어로졸은 에어로졸 수거기 (828) 내부로 이동된다. 다른 구성에서, 공기 스트림은 하나 또는 두 롤러들을 통과하고 하나 또는 두 롤러들 또는 이의 일부를 통과하여 방사방향으로 배출된다.
도 13은 또 다른 에어로졸 생성 시스템을 도시한 것이고 이는 한 쌍의 역-회전 롤러들 (1300, 1302)을 포함한다. 하부 롤러 (1302)는 부분적으로 저장소 (1304)에 담긴 액체에 잠기고 이를 거쳐 회전되도록 배치된다. 공기 스트림 (1308)은 롤러들 (1300, 1302) 길이에 대략 평행하게 닙 하류 측에서 유체 분열로 형성되는 방울들 (1306)을 향하여 흐른다.
도 14는 표면에 다수의 개구들 (1402)을 가지는 롤러 (1400)를 도시한 것이다. 구멍들은 유체를 개구들 (1402) 내부로 당기고 유체 필라멘트가 형성되는 방식을 조절하고 (예를들면, 미스트 방울들 크기를 조절하는 유체 필라멘트의 크기), 유체 필라멘트 분열이 형성되는 방식 및 미스트 형성을 조정한다. 개구들 (1402)은 또한 롤러 (1400) 표면으로의 유체 부착력을 개선한다. 또한, 개구들 (1402)은 중공 롤러 내부로 연장되는 롤러 표면 관통 구멍들 또는 바닥을 가지는 개구들, 예컨대 롤러 표면에서 내향 연장되는 공동일 수 있다. 개구들 (1402)은 유체가 부착하는 롤러 표면의 표면적을 증가시킨다. 유체를 위한 면적, 예컨대 도 14에 도시된 바와 같이 개구들 (1402)에서 유체가 집합하는 면적이 증가함으로써, 롤러들이 역회전 할 때 신장될 수 있는 유량이 증가하고, 이는 다시 모세관 분열점에 도달한 유체 필라멘트에서 형성되는 방울들의 증가로 이어진다. 하나 또는 두 롤러들은 도 14에 도시된 개구들을 포함한다. 개구들 (1402)은 임의의 적합한 구성을 가지고 임의의 적합한 형상 및 크기를 가질 수 있다.
도 15A-15C는 하나 또는 두 롤러들의 표면들에 적용될 수 있는 다양한 결면들을 보인다. 결면들은 롤러들 표면과 일체로 형성되거나 또는 롤러들 최상 표면에 층으로서 적용될 수 있다. 도 15A는 다중 딤플들을 가지는 롤러 결면을 보인다. 도 15B 및 15C는 패턴화 융기 요소들을 가지는 롤러 결면들을 보인다. 롤러(들) 결면(들)은 유체가 부착되는 롤러의 표면적을 증가시키고 유체 및 롤러 표면 사이에서 두께, 형상, 유동, 부착 각도 또는 기타 등을 형성하거나 변경시킨다.
도 16은 표면이 제1 결면을 가지는 제1 부분 (1602) 및 표면이 제1 결면과는 상이한 제2 결면을 가지는 제2 부분 (1604)을 포함하는 롤러 (1600)를 도시한 것이다. 도 17은 롤러 원주 주위로 연장되고 서로 다양한 거리들로 이격되는 다수의 리브들 (1702)을 포함한 결면의 또 다른 롤러 (1700)을 보인다. 도 18은 표면에서 외향 연장되는 다중 강모들 (1802)을 가지는 도 다른 예시적 롤러 (1800)이다.
도 19 유체가 롤러 (1900)와 접촉하는 각도를 변경시키도록 제1 표면 처리된 제1 영역 (1902) 및 유체가 롤러 (1900)와 접촉하는 각도를 변경시키도록 제1 표면 처리와는 상이한 제2 표면 처리된 제2 영역 (1904)을 가지는 또 다른 롤러 (1900)이다. 다른 실시예들에서, 롤러와 접촉하는 각도를 변경시키도록 롤러에는 단일 표면 처리된다.
롤러들에 적용되는 결면 및/또는 표면 처리는 무엇보다도 각각의 유체에 맞도록 에어로졸 생성 공정을 변경하고 가장 효율적으로 유체를 에어로졸화 하기 위하여 에어로졸 대상 유체의 특성에 따라 선택된다. 일부 실시예들에서, 하나 또는 두 롤러들의 결면으로 롤러 표면에 부착되는 유체 코팅 두께가 변경된다. 이러한 결면은 표적 영역들에서 유체 농도를 변경시킴으로써 방울들로 분열되는 유체 필라멘트 효율성을 높이는 방식으로 유체 필름 두께를 변경시키는데 도움이 된다.
롤러들은 임의의 적합한 재료들 예컨대 강재 또는 기타 금속 (들), 플라스틱, 고무, 또는 기타 등을 포함한다. 또한 롤러들 또는 이의 임의의 일부는 단일 재료이거나 임의의 개수의 다중 재료들일 수 있다. 예를들면, 롤러의 코어 재료는 코어 재료보다 유연한 재료로 코팅되거나 재료의 표층을 포함한다. 일부 실시예들에서, 표층 재료를 사용함으로써 유체는 롤러 부착이 용이하거나 유체는 표층 재료 부재인 경우와 다른 각도 또는 다른 방식으로 롤러에 부착된다.
롤러들에 대한 유체원 배향은 임의의 바람직한 위치일 수 있다. 상기 일부 실시예들은 미스트 또는 에어로졸을 형성하는 방울들을 특정 방향으로 지향하는 유동 공기원을 논의한다. 유동 공기원은 임의의 기체원일 수 있고 공기에 국한되지 않는다. 예를들면, 기체원은 기체가 닙의 상부 또는 하부로 기체가 흐르도록 위치할 수 있고 유체 필라멘트 분열에 의해 방울들을 형성하도록 강화 또는 유발시킨다. 달리, 기체원은 기체가 하나 또는 두 롤러들을 통과하여 주행하도록 위치되어 기체는 롤러(들)로부터 방사방향으로 배출된다.
형성된 미스트는 다양한 기하구조의 에어로졸이 형성되도록 분사된다. 미스트 분사 방식에 따라 임의의 바람직한 기하학적 구조가 형성된다. 기하구조는 임의의 형상, 예컨대 사각형, 원추, 또는 원뿔 형상일 수 있고 이러한 형상의 크기 및 외형은 에어로졸화 대상 유체 용적 및 농도를 변경시켜 조절된다.

Claims (20)

  1. 모세관 분열점을 가지는 유체로부터 미스트를 생성하는 방법에 있어서:
    2개의 멀어지는 표면들 중 적어도 하나에 상기 유체를 도포하는 단계로서, 상기 유체가 상기 표면들 중 적어도 하나에 부착되게 하는, 상기 도포 단계;
    상기 2개의 멀어지는 표면들 사이로 연장되는 변형 경로를 따라 상기 유체를 신장시키는 단계로서, 상기 신장되는 유체는 상기 유체에 인가되는 변형력에 의해 유체 필라멘트를 형성하는, 상기 신장시키는 단계;
    상기 인가되는 변형력이 상기 유체 필라멘트의 모세관 분열점을 초과할 때 상기 유체 필라멘트가 다수의 방울들로 분열되게 하는 단계; 및
    미스트를 형성하기 위해 상기 다수의 방울들을 수거하는 단계를 포함하는, 모세관 분열점을 가지는 유체로부터 미스트를 생성하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유체의 신장은 한 쌍의 피스톤에 의해 수행되고, 상기 한 쌍의 피스톤 사이에서 상기 유체가 신장되는, 모세관 분열점을 가지는 유체로부터 미스트를 생성하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 변형 경로는 상기 한 쌍의 피스톤 사이에서 연장되는, 모세관 분열점을 가지는 유체로부터 미스트를 생성하는 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 유체 필라멘트로부터 상기 미스트가 형성된 후 잔류하는 과잉 유체를 상기 한 쌍의 피스톤 중 적어도 하나에 집합시키는 단계로서, 상기 과잉 유체는 과잉 유체 모세관 분열점을 갖는, 상기 집합 단계;
    과잉 유체 필라멘트를 형성하기 위하여 상기 변형력을 상기 과잉 유체 필라멘트에 인가하여 상기 변형 경로를 따라 상기 과잉 유체를 신장시키는 단계; 및
    상기 인가되는 변형력이 상기 과잉 유체 필라멘트의 과잉 유체 모세관 분열점을 초과할 때 상기 과잉 유체 필라멘트가 다수의 과잉 유체 방울들로 분열되게 하는 단계를 더 포함하는, 모세관 분열점을 가지는 유체로부터 미스트를 생성하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 유체의 신장은 한 쌍의 역-회전 롤러들에 의해 수행되는, 모세관 분열점을 가지는 유체로부터 미스트를 생성하는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 한 쌍의 역-회전 롤러들은 이들 사이에 닙(nip)을 형성하고, 상기 변형 경로는 상기 닙의 하류 측에서 상기 롤러들 각각의 표면들 사이에서 연장되는, 모세관 분열점을 가지는 유체로부터 미스트를 생성하는 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 유체 필라멘트로부터 상기 미스트가 형성된 후 잔류하는 과잉 유체를 집합시키는 단계로서, 상기 과잉 유체는 과잉 유체 모세관 분열점을 갖는, 상기 집합 단계;
    과잉 유체 필라멘트를 형성하기 위하여 상기 변형력을 상기 과잉 유체 필라멘트에 인가하여 상기 변형 경로를 따라 상기 과잉 유체를 신장시키는 단계; 및
    상기 인가되는 변형력이 상기 과잉 유체 필라멘트의 상기 과잉 유체 모세관 분열점을 초과할 때 상기 과잉 유체 필라멘트가 다수의 과잉 유체 방울들로 분열되게 하는 단계를 더 포함하는, 모세관 분열점을 가지는 유체로부터 미스트를 생성하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 유체 필라멘트의 신장은 상기 과잉 유체 필라멘트의 신장 전에 발생하고, 시간 구간에 의해 형성되는, 모세관 분열점을 가지는 유체로부터 미스트를 생성하는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 시간 구간은 조정 가능한, 모세관 분열점을 가지는 유체로부터 미스트를 생성하는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 유체는 비-뉴턴 특성을 포함하는, 모세관 분열점을 가지는 유체로부터 미스트를 생성하는 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 유체는 뉴턴 특성을 포함하는, 모세관 분열점을 가지는 유체로부터 미스트를 생성하는 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 변형 경로를 따라 상기 유체의 신장을 계속하여 증가시키는 단계를 더 포함하고, 상기 유체 필라멘트는 상기 유체 필라멘트가 그 모세관 분열점에 도달할 때까지 상기 신장이 증가함에 따라 더욱 길어지고 박화되는, 모세관 분열점을 가지는 유체로부터 미스트를 생성하는 방법.
  13. 제1항에 있어서, 기하 구조로 정의되는 에어로졸을 형성하기 위하여 상기 미스트를 유도하는(directing) 단계를 더 포함하는, 모세관 분열점을 가지는 유체로부터 미스트를 생성하는 방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 다수의 방울들을 수거하는 단계는 공기 유동을 제공하거나 진공에 수거기를 제공하는 것 중 하나를 포함하는, 모세관 분열점을 가지는 유체로부터 미스트를 생성하는 방법.
  15. 모세관 분열점을 가지는 유체로부터 미스트를 생성하는 방법에 있어서:
    계속적인 변형력의 인가에 의해 2개의 멀어지는 표면 사이로 연장되는 변형 경로를 따라 상기 유체를 신장시키는 단계로서, 상기 계속적인 변형력은 상기 멀어지는 표면들을 갖는 구조들을 서로 멀리 떨어지게 이동시킴으로써 인가되며, 상기 신장된 유체는 유체 필라멘트를 형성하는, 상기 신장시키는 단계;
    상기 변형력이 상기 유체의 모세관 분열점을 초과할 때 상기 유체 필라멘트가 다수의 방울들로 분열되게 하는 단계; 및
    미스트를 형성하기 위해 상기 다수의 방울들을 수거하는 단계를 포함하는, 모세관 분열점을 가지는 유체로부터 미스트를 생성하는 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 변형력은 한 쌍의 피스톤에 의해 상기 유체에 인가되고, 상기 한 쌍의 피스톤 사이에서 상기 유체가 신장되는, 모세관 분열점을 가지는 유체로부터 미스트를 생성하는 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 변형 경로는 상기 한 쌍의 피스톤 사이에서 연장되는, 모세관 분열점을 가지는 유체로부터 미스트를 생성하는 방법.
  18. 제15항에 있어서, 상기 변형력은 한 쌍의 역-회전 롤러들에 의해 상기 유체에 인가되는, 모세관 분열점을 가지는 유체로부터 미스트를 생성하는 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 한 쌍의 역-회전 롤러들은 이들 사이에 닙을 형성하고, 상기 닙은 상류 측 및 하류 측을 갖고, 유체는 상기 닙의 상류 측에 집합되어 상기 닙으로 인발되며(drawn), 상기 변형 경로는 상기 닙 하류 측에서 상기 롤러들 각각의 표면들 사이에서 연장되는, 모세관 분열점을 가지는 유체로부터 미스트를 생성하는 방법.
  20. 제15항에 있어서, 상기 다수의 방울들을 수거하는 단계는 공기 유동을 제공하거나 진공에 수거기를 제공하는 것 중 하나를 포함하는, 모세관 분열점을 가지는 유체로부터 미스트를 생성하는 방법.
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