KR102587820B1 - 유로 플레이트 - Google Patents

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Abstract

본 개시의 일 실시예에 따라 두 종류 이상의 유체들을 포함하는 혼합물의 화학 반응을 유도하기 위한 반응기의 유로 플레이트가 개시된다. 상기 유로 플레이트는, 사전 설정된 채널 개수의 유로 채널부를 포함하고, 그리고 상기 유로 채널부는, 상기 유로 플레이트에 대해 차지하는 공간을 최소화하면서 혼합율을 높이기 위해, 사전 설정된 배열 규칙으로 배열되는 유로 단위부를 하나 이상 포함할 수 있다.

Description

유로 플레이트{FLUID CHANNEL PLATE}
본 개시는 유로 플레이트에 관한 것으로, 보다 구체적으로 반응기의 유로 플레이트에 관한 것이다.
일반적인 화학 공정에 사용되는 연속 흐름 반응기(Continuous Flow Reactor)는 유체들의 화학 반응을 진행시켜 생성물을 생산하기 위한 기기이다. 연속 흐름 반응기는 유체들이 이동할 수 있는 유로를 포함하고 있으며, 이와 같은 유로들로 구성된 유로 채널에 유체들을 주입시켜 화학 반응을 유도한다. 특히, 주입된 유체들이 유로 채널 내에서 체류하는 시간이 길어질수록 화학 반응을 많이 일으키고, 이에 따라 생성물을 최대한 많이 얻을 수 있기 때문에, 유체들의 체류시간을 고려한 유로의 구조 설계는 매우 중요하다고 볼 수 있다.
종래의 유로 채널은 유로 내에 다양한 장애물을 배치하여 혼합 유체들의 혼합효율을 향상시키고 체류시간을 늘리는 방식을 사용하고 있으나, 이와 같은 장애물로 인해 유동 저항이 심해져 유체의 압력이 감소(Pressure Drop)하거나 또는 유량이 감소되어 혼합효율이 급격히 감소하는 문제가 발생된다. 또한, 하나의 세트로 구성된 마이크로 유로 채널의 가격에 비해 유체들이 체류하는 시간이 길지 않아 생성물의 생산이 비효율적이고, 경제적인 손실을 가져오는 문제도 발생된다.
따라서, 종래의 유로 채널보다 혼합물의 체류시간이 길어질 수 있고 혼합효율이 높은 유로 채널을 제조하는 방법 및 그 유로 채널을 포함하는 유로 플레이트에 대한 연구가 필요하다.
대한민국 등록특허 제10-1787764호
본 개시는 전술한 배경기술에 대응하여 안출된 것으로, 반응기의 유로 플레이트에 관한 것이다.
본 개시의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
전술한 바와 같은 과제를 실현하기 위한 본 개시의 일 실시예에 따라 두 종류 이상의 유체들을 포함하는 혼합물의 화학 반응을 유도하기 위한 반응기의 유로 플레이트가 개시된다. 상기 유로 플레이트는, 사전 설정된 채널 개수의 유로 채널부를 포함하고, 그리고 상기 유로 채널부는, 상기 유로 플레이트에 대해 차지하는 공간을 최소화하면서 혼합율을 높이기 위해, 사전 설정된 배열 규칙으로 배열되는 유로 단위부를 하나 이상 포함할 수 있다.
대안적으로, 상기 유로 단위부는 상기 혼합물을 분기시키는 2개 이상의 분기 유로들을 포함하고, 그리고 상기 분기 유로들은 분기된 혼합물에 대한 균일한 혼합을 위해 사전 설정된 합류 각도에 기초하여 서로 연결될 수 있다.
대안적으로, 상기 채널 개수는, 상기 유로 단위부의 사이즈 또는 상기 유로 플레이트의 사이즈에 기초하여 설정되고, 상기 유로 단위부의 사이즈는 상기 합류 각도에 기초하여 설정되고, 그리고 상기 합류 각도는 상기 유체들 각각의 물리적 특성 또는 화학적 특성에 기초하여 설정될 수 있다.
대안적으로, 상기 배열 규칙은, 사전 설정된 기준 개수의 상기 유로 단위부와 상기 사전 설정된 기준 개수를 초과하는 개수의 유로 단위부들을 포함하는 유로 단위 세트를 직렬적으로 번갈아 배열하는 규칙일 수 있다.
대안적으로, 상기 사전 설정된 기준 개수는, 상기 유로 플레이트의 사이즈(size) 또는 상기 채널 개수 중 적어도 하나에 기초하여 설정될 수 있다.
대안적으로, 상기 기준 개수는 1이고, 그리고 상기 배열 규칙은, 1개의 유로 단위부와 병렬로 연결된 2개의 유로 단위부들을 포함하는 유로 단위 세트를 직렬적으로 번갈아 배열하는 규칙일 수 있다.
대안적으로, 유로 단위부의 형상은 워터 드롭(water drop) 형상과 같은 유선형 형상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 유로 단위부의 형상은 선단이 날카로운 혹은 뾰족한 유선형 형상을 포함할 수 있다.
대안적으로, 유선형 형상의 유로 단위부의 선단부는 주입되는 유체(기체 또는 액체)를 두 갈래로 분기시키는 역할을 하며, 분기 유로들이 분기되는 분기 각도는 30도 이상이고 90도 이하일 수 있다.
대안적으로, 유선형 형상의 유로 단위부의 상기 선단부에서 분기 유로들이 분기되는 분기 각도는 45도 이상이고 90도 이하일 수 있다.
대안적으로, 유로 채널부는 볼록부와 오목부가 반복되는 외형 구조를 가질 수 있다. 상기 볼록부에 대응하는 상기 유로 채널부 내의 위치에는 상기 유선형 형상의 유로 단위부가 제 1 개수 만큼 배치되며, 그리고 상기 오목부에 대응하는 상기 유로 채널부 내의 위치에는 상기 유선형 형상의 유로 단위부가 제 2 개수 만큼 배치되며, 그리고 상기 제 1 개수는 제 2 개수보다 1만큼 많을 수 있다.
대안적으로, 유선형 형상의 유로 단위부는, 사전 설정된 기준 개수의 상기 유로 단위부와 상기 사전 설정된 기준 개수를 초과하는 개수의 유로 단위부들을 포함하는 유로 단위 세트를 직렬적으로 번갈아 배열하는 규칙에 따라 배열될 수 있다.
대안적으로, 유로 채널부 및 상기 유로 단위부들은, 상기 유로 채널부에서 외형의 단면이 가장 넓은 제 1 위치에서의 유로 단면적의 제 1 합산값과 상기 유로 채널부에서 외형의 단면이 가장 좁은 제 2 위치에서의 유로 단면적의 제 2 합산값이 서로 대응되도록 구성될 수 있다.
대안적으로, 유체가 주입되는 상기 유로 채널부의 제 3 위치의 단면적을 나타내는 제 3 값은 상기 제 1 합산값 및 상기 제 2 합산값과 대응될 수 있다.
대안적으로, 유로 채널부의 상기 제 1 위치를 기준으로 또는 상기 제 2 위치를 기준으로 전방 위치인 제 4 위치에서의 유로 단면적의 제 4 합산값 및 후방 위치인 제 5 위치에서의 유로 단면적의 제 5 합산값 각각은, 상기 제 1 합산값, 상기 제 2 합산값 또는 상기 제 3 합산값 대비 1.5배를 초과하지 않을 수 있다.
대안적으로, 유로 채널부 내에서 N개의 유로들이 형성된 위치에서의 상기 N개의 유로들의 단면적 합산값과, 상기 유로 채널부 내에서 N-1개의 유로들이 형성된 위치에서의 상기 N-1개의 유로들의 단면적 합산값과, 그리고 상기 유로 채널부 내에서 N+1개의 유로들의 단면적 합산값은 서로 대응될 수 있다.
대안적으로, 상기 유로 채널부의 내부면과 상기 유로 채널부 내부에 형성된 유로 단위부들 각각의 외부면 간의 거리는 서로 대응될 수 있다.
대안적으로, 상기 유로 채널부의 각각의 위치별 유로 단면 합산값은 평균 유로 단면 합산값의 1 내지 1.5 배에 해당할 수 있다.
본 개시내용의 추가적인 실시예에 따라 반응기에 포함되는 청구항 제 1 항의 유로 플레이트를 제조하는 방법이 개시된다. 상기 방법은, 유로 플레이트의 사이즈에 기초하여 채널 개수를 설정하는 단계; 및 3D 성형 기기를 이용하여 상기 채널 개수의 유로 채널부를 포함하는 상기 유로 플레이트를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
대안적으로, 상기 3D 성형 기기는 3D 프린터를 포함하고, 그리고 상기 3D 성형 기기를 이용하여 상기 채널 개수의 유로 채널부를 포함하는 상기 유로 플레이트를 제조하는 단계는, 3D 성형 기기를 이용한 적층 제조 방법을 통해 일체형으로 상기 유로 채널부를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
본 개시에서 얻을 수 있는 기술적 해결 수단은 이상에서 언급한 해결 수단들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 해결 수단들은 아래의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 개시에의 몇몇 실시예들에 따르면, 경제적이고 효율적으로 혼합물의 화학 반응을 유도하도록 기존보다 많은 개수의 유로 채널부를 포함하는 유로 플레이트 및 그 유로 플레이트를 제조하는 방법을 제공할 수 있다.
본 개시에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
다양한 양상들이 이제 도면들을 참조로 기재되며, 여기서 유사한 참조 번호들은 총괄적으로 유사한 구성요소들을 지칭하는데 이용된다. 이하의 실시예에서, 설명 목적을 위해, 다수의 특정 세부사항들이 하나 이상의 양상들의 총체적 이해를 제공하기 위해 제시된다. 그러나, 그러한 양상(들)이 이러한 특정 세부사항들 없이 실시될 수 있음은 명백할 것이다. 다른 예시들에서, 공지의 구조들 및 장치들이 하나 이상의 양상들의 기재를 용이하게 하기 위해 블록도 형태로 도시된다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 유로 플레이트를 예시적으로 도시한다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 하나의 유로 채널부를 예시적으로 도시한다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따라 혼합물이 유동하는 유로 채널부의 일부를 예시적으로 도시한다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 유로 단위부의 분기 유로들에 대해 예시적으로 도시한다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 합류 각도에 대해 예시적으로 도시한다.
도 6은 본 개시의 다른 일 실시예에 따른 반응기에 포함되는 유로 플레이트를 제조하는 방법의 순서도를 도시한다.
도 7은 본 개시내용의 일 실시예에 따른 유로 단위부의 분기 유로들에 대해 예시적으로 도시한다.
도 8은 본 개시내용의 일 실시예 따른 유로 단위부의 분기 유로들에 대해 예시적으로 도시한다.
도 9는 본 개시내용의 일 실시예에 따른 유로 채널부에 대해 예시적으로 도시한다.
다양한 실시예들 및/또는 양상들이 이제 도면들을 참조하여 개시된다. 하기 설명에서는 설명을 목적으로, 하나 이상의 양상들의 전반적 이해를 돕기 위해 다수의 구체적인 세부사항들이 개시된다. 그러나, 이러한 양상(들)은 이러한 구체적인 세부사항들 없이도 실행될 수 있다는 점 또한 본 개시의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 감지될 수 있을 것이다. 이후의 기재 및 첨부된 도면들은 하나 이상의 양상들의 특정한 예시적인 양상들을 상세하게 기술한다. 하지만, 이러한 양상들은 예시적인 것이고 다양한 양상들의 원리들에서의 다양한 방법들 중 일부가 이용될 수 있으며, 기술되는 설명들은 그러한 양상들 및 그들의 균등물들을 모두 포함하고자 하는 의도이다. 구체적으로, 본 명세서에서 사용되는 "실시예", "예", "양상", "예시" 등은 기술되는 임의의 양상 또는 설계가 다른 양상 또는 설계들보다 양호하다거나, 이점이 있는 것으로 해석되지 않을 수도 있다.
이하, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략한다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않는다.
비록 제 1, 제 2 등이 다양한 소자나 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 소자나 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 소자나 구성요소를 다른 소자나 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제 1 소자나 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제 2 소자나 구성요소 일 수도 있음은 물론이다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
더불어, 용어 "또는"은 배타적 "또는"이 아니라 내포적 "또는"을 의미하는 것으로 의도된다. 즉, 달리 특정되지 않거나 문맥상 명확하지 않은 경우에, "X는 A 또는 B를 이용한다"는 자연적인 내포적 치환 중 하나를 의미하는 것으로 의도된다. 즉, X가 A를 이용하거나; X가 B를 이용하거나; 또는 X가 A 및 B 모두를 이용하는 경우, "X는 A 또는 B를 이용한다"가 이들 경우들 어느 것으로도 적용될 수 있다. 또한, 본 명세서에 사용된 "및/또는"이라는 용어는 열거된 관련 아이템들 중 하나 이상의 아이템의 가능한 모든 조합을 지칭하고 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
또한, "포함한다" 및/또는 "포함하는"이라는 용어는, 해당 특징 및/또는 구성요소가 존재함을 의미하지만, 하나 이상의 다른 특징, 구성요소 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 달리 특정되지 않거나 단수 형태를 지시하는 것으로 문맥상 명확하지 않은 경우에, 본 명세서와 청구범위에서 단수는 일반적으로 "하나 또는 그 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.
본 개시의 목적 및 효과, 그리고 그것들을 달성하기 위한 기술적 구성들은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 본 개시를 설명하는데 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 개시의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 개시에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다.
그러나 본 개시는 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 단지 본 실시예들은 본 개시가 완전하도록 하고, 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 개시의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 개시는 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 개시의 혼합물은 1 종 이상의 유체들로 구성된 물질을 의미한다. 보다 구체적으로, 본 개시의 혼합물은 물리적 또는 화학적인 혼합으로 인해 화학 반응이 일어날 수 있는 1 종 이상의 유체들로 구성된 물질을 의미한다.
본 개시의 유체는 유동 가능한 유체적인 성질을 가지는 물질일 수 있다. 구체적으로, 유체는 상이한 하나 이상의 성분 또는 입자들을 포함하여 유동 가능한 물질일 수도 있다. 예를 들어, 유체는 슬러리(slurry)와 같은 고체 입자들을 포함하는 유동 가능한 물질일 수도 있다. 전술한 슬러리는 유체의 예시일 뿐, 본 개시의 유체는 슬러리에 제한되지 않는다. 또한, 유체는 액체 및 기체와 같은 상(phase)을 가지는 유동적인 물질을 의미할 수 있다. 예를 들어, 1종 이상의 유체들은 액체 상의 유체 및 기체 상의 유체들을 포함할 수도 있다. 전술한 유체들 각각의 상은 예시들일 뿐, 전술한 예시들로 인해 본 개시의 유체들 각각의 상에 대해 제한되어 해석되지 않아야 할 것이다.
본 개시의 화학 반응은 생성물을 생성하는 화학적인 합성 반응으로, 예를 들어, 소화 반응, 산화 반응, 할로겐화, 질화, 독성 가스를 사용하는 반응 등일 수 있으나, 본 개시는 이에 제한되지 않는다. 이에 따라, 본 개시의 혼합물의 화학 반응은 혼합물을 구성하는 유체들의 화학적인 합성 반응일 수 있다. 또한, 본 개시의 생성물은 혼합물의 화학 반응을 통해 생산되는 물질을 의미한다.
또한, 본 개시의 화학 반응은 연속적으로 발생되는 둘 이상의 단계들을 가지는 여러 단계의 화학 반응일 수 있다. 구체적으로, 연속적인 둘 이상의 단계들을 가지는 화학 반응에서는 순차적이며 연속적인 단계를 거쳐 중간 생성물 및 최종 생성물을 생성한다. 보다 구체적으로, 둘 이상의 단계들을 가지는 화학 반응에서는 최종 단계 이전의 단계들 각각에서 중간 생성물들을 생성하며, 최종 단계에서 생성되는 최종 생성물은 이전 단계에서 생성된 중간 생성물의 화학 반응을 통해 생성될 수 있다. 예를 들어, 3단계의 화학 반응에서 1단계에서 생성된 중간 생성물은 2단계에서 다시 화학 반응을 하여 다른 중간 생성물을 생성한다. 또한, 최종 단계인 3단계에서 생성되는 최종 생성물은 2단계에서 생성된 다른 중간 생성물의 화학 반응을 통해 생성될 수 있다. 본 개시의 화학 반응에서 하나의 단계는 2종의 물질들이 화학 반응을 통해 적어도 다른 1종의 새로운 물질을 생성하는 경우를 의미할 수 있다.
본 개시의 생성물은 혼합물의 화학 반응을 통해 생산되는 임의의 물질을 의미한다. 또한, 생성물은 유체로 한정되지 않으며, 고체, 액체, 기체 등의 상(phase)을 가질 수 있다. 둘 이상의 단계들의 화학 반응에서, 생성물은 최종 생성물일 수 있으며, 또한 반응 중간체(reaction intermediate), 중간체 또는 중간 생성물일 수 있다. 중간 생성물은 짧은 시간에 강한 에너지를 가지며 불완전한 분자를 의미할 수 있다. 이에 따라, 중간 생성물은 반응성이 높아 안정적이지 못하며, 안정적인 최종 생성물로 전환되기 위해 다른 물질 또는 다른 분자와의 화학 반응이 빨리 일어날 수 있다. 즉, 본 개시에서 최종 생성물은 화학적으로 안정한 상태이고, 중간 생성물은 불안정한 상태이다. 이후 생성물에 대한 설명은 최종 생성물 또는 중간 생성물로 따로 구분하여 기재하지 않는 한, 모든 생성물에 대한 설명일 수 있다.
본 개시의 반응기는 전술한 혼합물의 화학 반응을 야기시켜 생성물을 획득하기 위한 기기(apparatus)일 수 있다. 구체적으로, 본 개시의 혼합물은 포함하고 있는 1종 이상의 유체들의 혼합을 통해 화학 반응이 유도될 수 있다. 본 개시의 반응기는 이러한 혼합물의 혼합을 야기시켜 생성물을 획득할 수 있는 기기일 수 있다. 또한, 본 개시의 반응기는 혼합물을 연속적으로 흐르게 하여 혼합물의 균일한 혼합을 야기하고, 그리고 혼합으로 인해 생성되는 생성물을 획득할 수 있는 기기일 수 있다.
본 개시의 반응기는 유체가 유동할 수 있는 유로 채널부를 포함하는 유로 플레이트를 하나 이상 포함할 수 있다. 이에 따라, 반응기의 유로 플레이트에 혼합물을 반응기에 주입하는 경우, 혼합물이 유로 플레이트의 유로 채널부 내에 유동하고, 혼합물의 균일한 혼합 및 화학 반응이 발생될 수 있다. 이에 따라, 반응기를 통과하는 혼합물로부터 생성물을 획득할 수 있다.
예를 들어, 본 개시의 반응기는 화학 반응기, 유체 반응기, 연속 반응기, 마이크로 반응기, 리액터(reactor), 마이크로 리액터(micro reactor), 연속 리액터 또는 연속 흐름 반응기 등일 수도 있다.
본 개시에서 혼합물의 체류시간은 혼합물이 반응기에 주입되는 경우 혼합물 전체가 반응기를 통과하는 데 걸리는 시간일 수 있다. 또한, 혼합물의 체류시간은 혼합물 전체가 유로 플레이트를 통과하는데 걸리는 시간일 수도 있다.
예를 들어, 100g의 혼합물이 반응기에 주입되는 경우, 혼합물 100g 전체가 반응기를 통과하는데 걸리는 시간이 체류시간일 수 있다. 여기서 반응기를 통과한 혼합물 100g은 전술한 바와 같이 생성물을 포함할 수도 있으며, 100g과 상이한 무게를 가질 수도 있다. 전술한 혼합물의 무게는 예시일 뿐이며, 전술한 예시로 인해 본 개시의 반응기 또는 유로 플레이트에 주입되는 혼합물의 무게가 제한되어 해석되지 않아야 할 것이다.
본 개시의 유로 플레이트는 유체가 유동할 수 있는 통로인 유로를 포함하는 반응기의 구성 요소이며, 일반 기계학에서 정의되는 판 또는 플레이트(plate)의 형상일 수 있다. 즉, 하나의 반응기는 하나 이상의 유로 플레이트를 포함할 수 있다. 구체적으로, 본 개시의 유로 플레이트는 유체가 유동할 수 있는 유로 채널부를 하나 이상 포함할 수 있다. 또한, 본 개시의 유로 채널부는 유로들의 세트일 수 있으며, 혼합물로부터 생성물을 획득할 수 있는 최소한의 유로들의 세트 구성일 수 있다. 구체적으로, 본 개시의 유로 플레이트 및 유로 채널부에 대한 하나의 예시가 도 1에 도시되어 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 유로 플레이트를 예시적으로 도시한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 개시의 유로 플레이트(2000)는 유로 채널부(1000)를 하나 이상 포함할 수 있다. 또한, 유로 플레이트(2000)는 1종 이상의 유제가 주입될 수 있는 제 1 유입구(2100) 및 제 2 유입구(2200)를 포함할 수 있다. 또한, 유로 플레이트(2000) 유로 채널부(1000)들을 통과한 생성물 또는 유체들이 배출될 수 있는 유출구(2400)를 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 개시의 유로 채널부(1000)는 유체가 유로 채널부(1000) 내로 유입될 수 있는 통로인 제 1 메인 유로(2310)를 포함할 수 있다. 또한, 유로 채널부(1000)는 유로 채널부(1000)를 통과한 유체가 배출될 수 있는 통로인 제 2 메인 유로(2320)를 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 개시의 유로 플레이트(2000)에 포함된 하나 이상의 유로 채널부(1000)들, 하나 이상의 유입구들(2100,2200) 또는 하나 이상의 유출구(2400)들 중 적어도 2개는 일체형으로 서로 연결될 수 있다. 구체적으로, 본 개시의 제 1 메인 유로(2310)는 유입구들과 연결되거나 또는 다른 유로 채널부의 제 2 메인 유로와 연결될 수도 있다. 또한, 제 2 메인 유로는 유출구(2400)와 연결될 수도 있다.
도 2를 참조하여 혼합물의 유동 경로에 대해 설명하면, 도 1의 제 1 유입구(2100)에 주입된 제 1 유체와 제 2 유입구(2200)에 주입된 제 2 유체는 제 1 메인 유로(2310)를 통해 하나의 유로 채널부(1000)로 이동할 수 있다. 여기서, 제 1 유체 및 제 2 유체는 제 1 메인 유로(2310) 내에서 혼합되어 혼합물을 형성하고, 그리고 일부 혼합물에 의해 생성물이 생성될 수도 있다. 하나의 유로 채널부(1000)를 통과한 혼합물의 적어도 일부분 또는 생성물 중 적어도 하나는 제 2 메인 유로(2320)를 통해 다른 유로 채널부의 제 1 메인 유로로 이동될 수 있다. 여기서 혼합물의 적어도 일부분은 최종 단계의 화학 반응이 발생되지 않은 혼합물일 수 있다. 유로 플레이트(2000)에 포함된 모든 유로 채널부(1000)들을 통과한 혼합물의 적어도 일부분 또는 생성물 중 적어도 하나는 유출구(2400)를 통해 배출될 수 있다.
도 1은 유로 플레이트에 대한 예시일 뿐이며, 도 1로 인해 본 개시의 유로 플레이트에 포함되는 하나 이상의 유로 채널부들, 유입구들, 유출구들 또는 메인 유로들이 도 1에 도시된 바에 따라 제한되어 해석되지 않아야 할 것이다.
본 개시의 반응기에 포함된 하나 이상의 유로 플레이트들은 서로 연결될 수 있다. 구체적으로, 유로 플레이트의 유출구는 다른 유로 플레이트의 유출구와 연결될 수 있다.
예를 들어, 본 개시의 반응기에 3개의 유로 플레이트들을 포함하는 경우, 제 1 유로 플레이트의 유출구를 통과한 혼합물의 적어도 일부분 또는 생성물 중 적어도 하나는 제 2 유로 플레이트의 유입구로 바로 주입될 수 있다. 또한, 제 2 유로 플레이트의 유출구를 통과한 혼합물의 적어도 일부분 또는 생성물 중 적어도 하나는 제 3 유로 플레이트의 유입구로 바로 주입될 수 있다. 따라서, 혼합물의 생성물은 3개의 유로 플레이트들을 연속적으로 통과하여 최종적으로 제 3 유로 플레이트의 유출구를 통해 획득될 수 있다.
전술한 유로 플레이트의 개수는 예시일 뿐이며, 전술한 예시로 인해 본 개시의 반응기에 포함될 수 있는 유로 플레이트가 제한되어 해석되지 않아야 할 것이다.
본 개시의 채널 개수는 하나의 유로 플레이트에 포함될 수 있는 유로 채널부의 최대 개수일 수 있다. 즉, 본 개시의 유로 플레이트는 사전 설정된 채널 개수의 유로 채널부를 포함할 수 있다. 이에 따라, 채널 개수는 유로 단위부의 사이즈 또는 유로 플레이트의 사이즈 중 적어도 하나에 기초하여 설정될 수 있다.
또한, 채널 개수는 생성물을 생산하기 위한 혼합물의 체류 시간에 기초하여 설정될 수도 있다. 구체적으로, 혼합물로부터 생성물의 양을 최대한 얻을 수 있는 최대 체류 시간에 기초하여 채널 개수가 설정될 수도 있다. 즉, 본 개시의 채널 개수는 체류 시간, 유로 단위부의 사이즈 또는 유로 플레이트의 사이즈 중 적어도 하나에 기초하여 설정될 수 있다. 바람직하게, 본 개시의 채널 개수는 최대 체류 시간, 유로 단위부의 사이즈 또는 유로 플레이트의 사이즈 중 적어도 하나에 기초하여 설정될 수 있다.
본 개시의 체류 시간은 혼합물로부터 사전 결정된 최소 양의 생성물을 얻기 위해 반응기 내에 혼합물이 체류해야 하는 시간일 수 있다. 또한, 본 개시의 최대 체류 시간은 혼합물로부터 최대한의 생성물을 얻기 위해 걸리는 혼합물의 화학 반응 시간일 수 있으며, 혼합물 전체가 하나의 유로 채널을 통과하는 시간, 하나의 유로 플레이트를 통과하는 시간 또는 하나의 반응기를 통과하는 시간 중 하나일 수 있다.
예를 들어, 혼합물로부터 이론상으로 계산되는 생성물의 최대 양을 획득하기 위해 10시간의 체류 시간이 필요한 경우, 10시간의 체류 시간에 기초하여 하나의 반응기에 포함된 유로 플레이트들 각각에 대해 필요한 유로 채널부의 채널 개수가 계산될 수도 있다.
전술한 시간은 예시일 뿐이며, 전술한 시간으로 인해 본 개시의 체류 시간이 제한되어 해석되지 않아야 할 것이다.
본 개시에서 사전 설정된다는 것은 플레이트를 설계(design)하는 단계에서 계산되거나 또는 결정된다는 의미일 수 있다. 또한, 본 개시의 사이즈(size)는 공간(space)에 대해 차지하고 있는 정도를 나타내는 기하학적 치수일 수 있으며, 예를 들어, 부피, 단면적 크기 또는 넓이일 수 있다. 보다 구체적으로, 본 개시의 사이즈는 반응기의 전체 부피에 대해 차지하고 있는 정도 또는 유로 플레이트의 전체 면적에 대해 차지하고 있는 정도를 나타내는 치수일 수 있다.
전술한 바에 따르면, 유로 채널부는 혼합물의 화학 반응을 유도하여 생성물을 생성시킬 수 있는 구성이므로, 많은 개수의 유로 채널부가 연결될수록 혼합물의 화학 반응이 여러번 유도되어 혼합물로부터 최대한의 생성물을 획득할 수 있다. 따라서, 혼합물에 대해 생성물을 최대한 획득하기 위해 본 개시의 유로 플레이트는 유로 채널부를 최대한 많이 포함할 수도 있다.
예를 들어, 100㎠의 단면적 넓이를 가지는 유로 플레이트에 대해 채널 개수는 100개로 계산될 수 있다. 여기서, 제 1 혼합물 100g을 100개의 유로 채널부들을 통과시키는 경우, 제 1 혼합물 100g을 2개의 유로 채널부들에 대해서만 통과시키는 경우보다 훨씬 많은 양의 생성물을 획득할 수 있다.
전술한 유로 플레이트의 사이즈, 혼합물의 양 및 채널 개수는 예시들일 뿐이며, 전술한 예시들로 인해 본 개시의 유로 플레이트, 혼합물 및 채널 개수가 제한되어 해석되지 않아야 할 것이다.
또한, 본 개시의 유로 채널부는 유로 플레이트에 대해 차지하는 공간을 최소화하면서 혼합율을 높이기 위해, 사전 설정된 배열 규칙으로 배열되는 유로 단위부를 하나 이상 포함할 수 있다. 즉, 하나의 유로 플레이트에 대해 최대한 많은 유로 채널부들을 배치시키기 위해, 사전 결정된 배열 규칙으로 유로 단위부들을 배열시켜 하나의 유로 채널부를 구성할 수 있다.
본 개시의 배열 규칙은 하나의 유로 채널부에 대해 하나 이상의 유로 단위부를 배치시키는 사전 결정된 규칙일 수 있다. 본 개시의 배열 규칙은 혼합물의 균일한 혼합을 유도하면서 유로 플레이트에 유로 채널부 및 유로 단위부의 개수를 최대한으로 포함시킬 수 있는 방법일 수 있다.
구체적으로, 본 개시의 배열 규칙은 사전 설정된 기준 개수의 유로 단위부와 사전 설정된 기준 개수를 초과하는 개수의 유로 단위부들을 포함하는 유로 단위 세트를 직렬적으로 번갈아 배열하는 규칙일 수 있다. 여기서 직렬적으로 배열하는 것은 일렬로 연결하는 것을 의미하며, 유체의 유동 방향과 평행하거나 동일하게 일렬로 연결하는 것일 수도 있다.
본 개시의 기준 개수는 배열 규칙과 관련된 유로 단위부에 대한 개수일 수 있으며, 유로 플레이트의 사이즈(size) 또는 채널 개수 중 적어도 하나에 기초하여 사전에 설정될 수 있다. 즉, 유로 플레이트의 사이즈 또는 채널 개수 중 적어도 하나에 기초하여 기준 개수가 계산될 수 있다. 또한, 기준 개수는 전술한 체류 시간에 기초하여 설정될 수도 있다. 즉, 체류 시간, 유로 플레이트의 사이즈 또는 채널 개수 중 적어도 하나에 기초하여 기준 개수가 설정될 수도 있다. 바람직하게, 본 개시의 기준 개수는 최대 체류 시간, 유로 플레이트의 사이즈 또는 채널 개수 중 적어도 하나에 기초하여 설정될 수도 있다.
본 개시의 유로 단위 세트는 전술한 사전 결정된 기준 개수를 초과하는 개수의 유로 단위부들의 세트일 수 있다. 또한, 본 개시의 유로 단위 세트에 포함된 유로 단위부들이 병렬로 연결될 수 있다. 여기서 병렬로 연결되는 것은 가로로 늘어놓고 연결되는 것을 의미하며, 유체의 유동 방향과 수직하거나 상이하게 일렬로 연결하는 것일 수 있다.
예를 들어, 기준 개수는 1일 수 있고, 이에 따라, 배열 규칙은 1개의 유로 단위부와 병렬로 연결된 2개의 유로 단위부들을 포함하는 유로 단위 세트를 직렬적으로 번갈아 배열하는 규칙일 수 있다. 전술한 기준 개수는 예시일 뿐이며, 전술한 예시로 인해 본 개시의 기준 개수 또는 배열 규칙이 제한되어 해석되지 않아야 할 것이다.
도 2를 참조하여 유로 단위부 및 유로 단위 세트에 대해 자세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 하나의 유로 채널부(1000)를 예시적으로 도시한다.
도 2에 도시된 유로 채널부(1000)는 하나 이상의 유로 단위부(111)들을 포함하며, 여기서 유로 단위부(111)들은 사전 결정된 배열 규칙에 따라 배치되어 있다. 도 2에 도시된 유로 단위부(111)들의 배열 규칙은 기준 개수가 1인 배열 규칙이다. 이에 따라 도 2에 도시된 바와 같이, 배열 규칙에 따라 1개의 유로 단위부(111)와 유로 단위 세트(110)가 번갈아 배열될 수 있다. 또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 유로 단위 세트(110)는 병렬로 2개가 연결된 유로 단위부(111)를 포함할 수 있다.
도 2는 유료 채널부 및 유로 단위부의 예시들일 뿐이며, 도 2로 인해 본 개시의 유로 단위 세트, 유로 단위부, 유로 채널부, 기준 개수 또는 배열 규칙이 제한되어 해석되지 않아야 할 것이다.
본 개시의 혼합율은 혼합물에 포함된 유체들의 균일한 혼합의 정도일 수 있다. 본 개시의 균일한 혼합은 유체들 각각에 포함된 성분들이 서로 균일하게 섞여 있는 것을 의미하며, 이론과 가장 유사하게 유체들의 화학 반응을 일으킬 수 있는 혼합일 수 있다. 즉, 균일한 혼합은 혼합물 내에 포함된 유체들이 균일하게 혼합되는 것일 수 있고, 유체들 각각에 포함된 성분들이 전체 혼합물에 대해 균일하게 분포되는 것을 의미할 수 있다. 균일한 혼합은 분기된 혼합물의 유동 속도에 영향을 받을 수 있으며, 균일한 혼합은 균일한 화학 반응을 야기할 수 있다.
본 개시의 유로 단위부는 혼합물을 적어도 한번 나뉘어 유동시킬 수 있는 유로 구성일 수 있다. 유로 단위부는 혼합물을 분기시키는 2개 이상의 분기 유로들을 포함할 수 있다. 본 개시의 유로 단위부의 분기 유로는 유로 단위부 내에서 유동하는 혼합물을 나뉘어 유동시키는 유로일 수 있다.
또한, 유로 단위부에 포함된 분기 유로들은 분기된 혼합물에 대한 균일한 혼합을 위해 사전 설정된 합류 각도에 기초하여 서로 연결될 수 있다. 구체적으로, 분기 유로들은 충돌면을 기준으로 나뉘어지고 합류 각도에 따라 다시 연결될 수 있다. 여기서 충돌면은 유동하는 혼합물의 유속을 감소시키거나 흐름을 방해하기 위한 유로 벽면의 적어도 일부일 수 있다. 즉, 유로 단위부 내에서 유동하는 혼합물은 충돌면에 충돌하고, 그리고 분기 유로들 각각으로 나뉘어 유동하다가 다시 합쳐질 수 있다. 여기서 충돌면은 바람직하게 오목한 형상으로 구성될 수 있다.
구체적으로, 본 개시의 유로 단위부 및 분기 유로에 대해 도 3 및 도 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따라 혼합물이 유동하는 유로 채널부의 일부를 예시적으로 도시한다.
도 3에 도시된 바에 따르면, 메인 유로를 따라 유동 방향(A)으로 유동하는 혼합물은 유로 단위부들의 분기 유로들을 따라 화살표 방향으로 유동할 수 있다. 구체적으로, 유로 단위부의 분기 유로들은 충돌면(10)을 형성하면서 좌우로 나뉘어질 수 있다. 이에 따라, 혼합물은 충돌면(10)에 먼저 충돌하고, 그리고 분기 유로들로 나뉘어 유동하게 된다. 또한, 나뉘어 유동하는 혼합물은 분기 유로들이 연결되는 합류 지점(20)에서 다시 혼합되고, 그 다음의 분기 유로들을 따라 다시 나뉘어 유동하다가 다시 혼합되는 과정을 반복한다. 이와 같이, 혼합물은 유로 채널부의 분기 유로들을 따라서 충돌면(10)을 기준으로 나뉘어 유동하다가 합류 지점(20)에서 다시 혼합되는 과정을 반복하면서 균일하게 혼합된다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 유로 단위부의 분기 유로들에 대해 예시적으로 도시한다.
도 4에 점선으로 표시된 바와 같이, 하나의 유로 단위부(111)에 대해서 제 1 분기 유로(121) 및 제 2 분기 유로(122)를 포함할 수 있다. 혼합물은 제 1 분기 유로(121) 및 제 2 분기 유로(122) 각각의 점선을 따라서 유동될 수 있다.
예를 들어, 100g의 혼합물 중 50g은 제 1 분기 유로(121)를 통해 유동하고 나머지 50g은 제 2 분기 유로(122)를 통해 유동할 수 있다. 또는, 100g의 혼합물 중 30g은 제 1 분기 유로(121)를 통해 유동하고 나머지 70g은 제 2 분기 유로(122)를 통해 유동할 수도 있다.
도 3 및 도 4는 유로 단위부 및 분기 유로의 예시들일 뿐이며, 도 3 및 도 4으로 인해 본 개시의 유로 단위부 또는 분기 유로가 제한되어 해석되지 않아야 할 것이다.
본 개시의 유로 단위부의 사이즈는 유로 플레이트의 전체 면적에 대해 차지하는 전체적인 크기일 수 있다. 유로 단위부의 사이즈는 합류 각도에 기초하여 설정될 수 있고, 그리고 합류 각도는 유체들 각각의 물리적 특성 또는 화학적 특성에 기초하여 설정될 수 있다.
여기서 물리적 특성 및 화학적 특성은 물질이 가지고 있는 고유한 성질이며, 물리적 특성은 물질의 본질을 변화시키기 않으면서 측정할 수 있는 성질이고, 그리고 화학적 특성은 화학 반응으로 인해 물질의 본질이 변하는 경우에 나타나는 성질일 수 있다.
예를 들어, 물리적 특성은 녹는점, 점도, 끓는점, 밀도 및 용해도 등을 포함할 수 있고, 화학적 특성은 산성, 염기성, 기체 발생, 가연성 및 폭발성 등을 포함할 수 있다. 전술한 물리적 특성 및 화학적 특성은 예시들일 뿐이며, 전술한 예시들로 인해 본 개시의 물리적 특성 및 화학적 특성이 제한되어 해석되지 않아야 할 것이다.
본 개시의 합류 각도는 분기 유로들이 연결되는 각도일 수 있으며, 구체적으로 분기 유로들 각각의 내부 중심선들이 이루는 각도일 수 있다. 또한, 합류 각도는 유체들 각각의 물리적 특성 또는 화학적 특성에 기초하여 설정될 수 있다.
구체적으로, 합류 각도는 분기 유로들 각각을 통해 나뉘어 유동하는 혼합물의 유속에 영향을 줄 수도 있다. 이에 따라, 합류 각도는 혼합물에 포함된 유체들 각각의 물리적 특성 또는 화학적 특성 중 적어도 하나에 기초하여 설정될 수도 있다.
예를 들어, 제 1 혼합물의 물리적 특성이 낮은 점성을 가지는 경우의 제 1 합류 각도는 높은 점성을 가지는 제 2 혼합물의 제 2 합류 각도와 상이할 수 있다. 다른 예를 들어, 폭발 반응하는 유체들을 포함하는 제 3 혼합물에 대한 제 3 합류 각도는 폭발 반응이 없는 유체들을 포함하는 제 4 혼합물에 대한 제 4 합류 각도와 상이할 수 있다.
전술한 물리적 특성 및 화학적 특성은 예시들일 뿐이며, 전술한 예시들로 인해 본 개시의 물리적 특성 또는 화학적 특성이 제한되어 해석되지 않아야 할 것이다.
또한, 본 개시의 유로 단위부의 사이즈는 합류 각도에 기초하여 설정될 수 있다. 본 개시의 유로 단위부의 사이즈는 유로 단위부가 유로 채널부 내에서 차지하는 면적일 수 있으며, 유로 단위부의 가로 길이에 비례할 수 있다. 즉, 합류 각도가 작을수록 유로 단위부의 가로 길이도 줄어들어 유로 단위부의 사이즈가 작아질 수도 있다.
추가적으로, 합류 각도에 기초하여 전술한 충돌면에 대해 혼합물이 충돌하는 면적 또는 형상이 설정될 수도 있다. 여기서, 혼합물이 충돌하는 충돌면의 면적은 혼합물의 유동을 방해하거나 유속을 줄이는데 영향을 주는 유로 벽면의 면적일 수 있다. 또한, 충돌면에 대한 형상은 충돌면의 오목한 형상일 수 있으며, 합류 각도가 작아질수록 충돌면에 대한 형상에서 오목한 정도는 커질 수도 있다.
본 개시의 합류 각도에 대해 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 합류 각도에 대해 예시적으로 도시한다.
도 5에 도시된 바에 따라, 본 개시에서 분기 유로들은 합류 각도(a')로 연결될 수 있다. 여기서 합류 각도(a')에 기초하여 전술한 충돌면에 대해 혼합물이 충돌하는 면적, 형상 또는 가로 길이가 설정될 수도 있다. 여기서, 혼합물이 충돌하는 충돌면의 면적은 혼합물의 유동을 방해하거나 유속을 줄이는데 영향을 주는 유로 벽면의 면적일 수 있다. 분기 유로들을 통해 나뉘어서 유동하는 혼합물은 합류 각도(a')로 충돌하여 다시 혼합될 수 있다.
도 5에 도시된 합류 각도(a')가 작아지는 경우, 유로 단위부의 가로 길이가 줄어들어 유로 단위부의 사이즈가 줄어들 수도 있으며, 이에 따라 유로 단위부의 전체 사이즈가 줄어들 수도 있다, 또한, 도 5에 도시된 합류 각도(a')가 작아지는 경우, 충돌면의 면적이 줄어들 거나 또는 형상의 오목한 정도가 커질 수 있다.
도 5에 도시된 유로 단위부들 및 합류 각도는 예시들일 뿐이며, 전술한 예시들 및 도 5로 인해 본 개시의 유로 단위부 또는 합류 각도가 제한되어 해석되지 않아야 할 것이다.
본 개시의 3D 성형 기기는 3D 프린팅 기술을 이용하여 제품을 생산하거나 성형할 수 있는 기기일 수 있다. 예를 들어, 본 개시의 3D 성형 기기는 3D 프린터일 수 있으나, 본 개시의 3D 성형 기기는 3D 프린터로 제한되지 않는다.
본 개시의 3D 프린터는 FFF(Fused Filament Fabrication, 열가소성 수지 압출 적층 방식), SLA 방식(Stereo Lithography Apparatus, 광경화성 수지 조형 방식) 또는 DLP 방식(Digital Light Processing), SLS 방식(Selective Laser Sintering, 선택적 레이저 소결 방식), 잉크젯(Inkjet) 방식 또는 폴리젯(Polyjet) 방식 중 적어도 하나의 방식을 구현하는 3D 프린터일 수 있다. 바람직하게, 본 개시의 3D 프린터는 적층 제조 방식으로 제품을 제조할 수 있으며, 본 개시의 유로 채널부는 3D 프린터의 적층 제조 방식을 통해 일체형으로 제조될 수 있다.
이하에서는 본 개시의 일 실시예에 따른 유로 플레이트를 제조하는 방법에 대해 설명한다.
도 6은 본 개시의 다른 일 실시예에 따른 반응기에 포함되는 유로 플레이트를 제조하는 방법의 순서도를 도시한다.
본 개시의 유로 플레이트를 제조하는 방법은 유로 플레이트의 사이즈에 기초하여 채널 개수를 설정(710)하는 단계를 포함할 수 있다. 구체적으로, 유로 단위부의 사이즈 또는 유로 플레이트의 사이즈 중 적어도 하나에 기초하여 채널 개수가 설정될 수 있다. 또한, 전술한 체류 시간, 유로 단위부의 사이즈 또는 유로 플레이트의 사이즈 중 적어도 하나에 기초하여 채널 개수가 설정될 수도 있다. 바람직하게, 전술한 최대 체류 시간, 유로 단위부의 사이즈 또는 유로 플레이트의 사이즈 중 적어도 하나에 기초하여 채널 개수가 설정될 수도 있다.
또한, 유로 플레이트의 사이즈 또는 채널 개수 중 적어도 하나에 기초하여 기준 개수가 설정될 수도 있다. 여기서, 설정된 기준 개수에 따라 배열 규칙이 결정될 수 있으며, 결정된 배열 규칙으로 배열되는 유로 단위부를 하나 이상 포함하는 유로 채널부가 결정될 수 있다. 또한, 기준 개수는 체류 시간, 유로 플레이트의 사이즈 또는 채널 개수 중 적어도 하나에 기초하여 설정될 수도 있다. 바람직하게, 기준 개수는 최대 체류 시간, 유로 플레이트의 사이즈 또는 채널 개수 중 적어도 하나에 기초하여 설정될 수도 있다.
이에 따라, 설정된 기준 개수에 기초하여 설정된 배열 규칙에 따라 유로 단위부들을 배치하여 하나의 유로 채널부를 구성하고, 하나의 유로 플레이트에 대해 유로 채널부를 전술한 채널 개수만큼 배치하도록 제조할 수도 있다.
본 개시의 유로 플레이트를 제조하는 방법은 3D 성형 기기를 이용하여 채널 개수의 유로 채널부를 포함하는 유로 플레이트를 제조(720)하는 단계를 포함할 수 있다.
구체적으로, 전술한 바에 따라 기준 개수가 설정되고, 그리고 유로 단위부의 배열 규칙이 설정될 수 있다. 이후 유로 단위부를 배열 규칙에 기초하여 배열하여 유로 채널부를 구성할 수 있으며, 이와 같은 유로 채널부는 3D 성형 기기를 이용하여 제조될 수 있다.
또한, 3D 성형 기기는 3D 프린터를 포함할 수 있으며, 유로 채널부는 3D 성형 기기를 이용한 적층 제조 방법을 통해 일체형으로 제조될 수도 있다.
예를 들어, 유로 플레이트의 사이즈인 10㎠에 기초하여 채널 개수가 10으로 계산될 수 있다. 이에 따라, 채널 개수는 10개로 설정되며, 10개의 채널 개수 또는 유로 플레이트의 사이즈인 10㎠ 중 적어도 하나에 기초하여 기준 개수가 1로 설정될 수도 있다. 이에 따라, 배열 규칙은 1개의 유로 단위부와 병렬로 연결된 2개의 유로 단위부들을 포함하는 유로 단위 세트를 번갈아 배열하는 규칙으로 결정될 수 있다.
이후 3D 프린터를 이용한 적층 제조 방법을 통해 하나의 유로 플레이트에 채널 개수인 10개의 유로 채널부가 포함되어 있는 일체형의 유로 플레이트로 제조할 수도 있다. 즉, 도 1에 도시된 유로 플레이트는 일체형으로 제조될 수도 있다.
또는, 3D 프린터를 이용한 적층 제조 방법을 통해 하나의 유로 플레이트에 포함된 10개의 유로 채널부 각각을 일체형으로 제조할 수도 있다. 즉, 도 2에 도시된 유로 채널부는 일체형으로 제조될 수도 있다.
또한, 3D 프린터를 이용하여 일체형으로 제조된 유로 채널부 각각은 1개의 유로 단위부와 병렬로 연결된 2개의 유로 단위부들을 포함하는 유로 단위 세트를 번갈아 배열된 하나 이상의 유로 단위부들을 포함할 수 있다.
전술한 도 1, 도 2, 유로 플레이트의 사이즈, 기준 개수, 배열 규칙 및 채널 개수는 예시들일 뿐이며, 전술한 예시들로 인해 본 개시의 유로 플레이트의 사이즈, 기준 개수, 배열 규칙, 채널 개수, 유로 플레이트, 유로 채널부 또는 유로 단위부 등이 제한되어 해석되지 않아야 할 것이다.
전술한 바와 같이 본 개시의 몇몇 실시예들에 따른 본 발명의 유로 플레이트는 배열 규칙으로 배열된 유로 단위부들을 하나 이상 포함하는 유로 채널부들의 세트일 수 있다. 본 개시의 유로 플레이트는 기존의 유로 채널을 포함하는 플레이트 구성보다 혼합물의 체류 시간을 증가시키도록 제조되어, 혼합물로부터 획득될 수 있는 생성물의 양이 증가할 수 있다. 즉, 하나의 반응기에는 하나 이상의 유로 플레이트들이 포함될 수 있는데, 여기서 기존의 유로 플레이트보다 본 개시의 유로 채널부를 포함하는 유로 플레이트가 동일한 생산 시간동안 혼합물로부터 생성물을 생산하는 양이 더 많을 수 있다.
따라서, 본 개시의 몇몇 실시예들에 따른 유로 플레이트는 기존보다 생성물 생산 효율이 더 좋고, 그리고 생산 단가를 줄일 수 있어 경제적이라는 현저한 효과를 가질 수 있다.
도 7 및 도 8은 본 개시내용의 일 실시예에 따른 유로 단위부의 분기 유로들에 대해 예시적으로 도시한다.
일 실시예에 따라 도 7 및 도 8에서의 유로 단위부(600)의 형상은 워터 드롭(water drop) 형상을 포함하는 유선형 형상을 가질 수 있다. 유로 단위부(600)의 형상은 선단이 뾰족 또는 날카로운 유선형 형상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 워터 드롭 형상은 물방울 모양을 포함할 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 유선형 형상의 유로 단위부(600)에 대해서 워터 드롭 형상을 예로 들어 설명하기로 한다.
워터 드롭 형상은 상부에서 날카로운 형상을 가지며 하부의 특정 지점까지 완만한 형상을 가질 수 있다. 본 개시내용의 워터 드롭 형상은 선단부로부터 유로 단위부의 길이 방향으로 특정 위치까지는 직선에 가까운 각도로 외형이 형성되며, 상기 특정 위치 이후로는 원형에 가까운 각도로 외형이 형성될 수 있다. 다른 실시예에서, 워터 드롭 형상은 상기 유로 단위부의 길이 방향으로 선단부로부터 하부의 특정 지점까지 그 면적이 상대적으로 급격하게 넓어지는 형상을 가지며 그리고 상기 특정 지점부터 상기 유로 단위부의 길이 방향으로 말단부까지 그 면적이 상대적으로 완만하게 줄어드는 형상을 가질 수 있다.
워터 드롭 형상에서의 선단부는 예를 들어, 30도 이상이고 90도 미만의 분기 각도를 가질 수 있으며, 이러한 분기 각도에 의해 분기 유로들(670, 680 및 690)이 생성될 수 있다. 본 개시내용의 바람직한 실시예에 따른 분기 각도는 45도이상이고 90도 미만이며, 이는 해당 분기 각도의 범위의 경우 사출성형이 보다 용이함에 따라, 워터 드롭 형상의 유로 단위부(660)의 성능을 유지하면서 해당 제품의 사출에 따른 제조 비용을 바람직하게 줄일 수 있게 된다. 즉, 분기 각도가 45도 미만인 경우 날카로운 형상의 가공이 불편해지고 어려워지기 때문에, 제품 성형에 대한 비용이 높아질 수 있을 뿐만 아니라 반응물의 유동에 대한 마모 등에 따른 오염이 발생될 수 있다. 또한, 분기 각도가 90도 이하가 되면 유체의 유동저항을 없애 압력강하를 적게할 수 있다는 장점이 있다. 따라서, 전술한 이유로 인해 바람직한 분기 각도는 45도 이상 90도 이하가 될 것이다.
본 개시내용의 일 실시예에서, 다양한 형상과 배치를 가진 유로 단위부들이 존재할 수 있다. 다양한 형상과 배치를 가진 유로 단위부들을 구비한 유로 설계 모델들을 대상으로 액체와 가스 혼합인 상태에서의 유로의 성능을 비교하였다. 비교 결과, 워터 드롭 형상을 가지되 본 개시내용의 일 실시에에 따른 배열 규칙과 채널부의 크기를 갖는 경우 가장 최적의 유로 성능을 나타내었다. 액체-기체의 혼합인 상태인 유체의 경우 액체와 기체 각각의 고유의 성질로 인해 주기성을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 기체는 압축이 가능한 것에 비해 액체는 압축성이 거의 없는 물질이다. 따라서, 액체와 기체가 함께 주입이 되는 경우, 액체와는 달리 기체는 고유의 압축성으로 인해 압축이 되고 정제가 될 수 있다. 이러한 상황에서, 기체가 지속적으로 주입됨에 따라 압축된 기체의 압력은 점점 커지게 되며, 압력이 커짐에 따라 이러한 압력은 액체를 밀어내는 추진력으로 사용될 수 있다.
기체의 압력은 액체를 순간적으로 밀어내면서 유로 내부를 채운 뒤에 점차적으로 기체의 압력이 내려가게 된다. 그리고나서, 다시 액체가 그 공간을 차지하게 되는 현상이 반복될 수 있다. 이처럼, 액체와 기체가 혼합된 유체가 유로에 인입되는 경우, 기체와 액체의 고유의 성질로 인해 유체의 속도 및 유량의 변동에 대한 주기성을 갖게 된다. 이러한 주기성 또는 주기성의 변동폭을 줄이기 위해서 워터 드롭 형상의 유로 단위부들을 본 개시내용의 일 실시예에 따른 규칙으로 배열하고 그에 상응하는 채널부의 크기를 형성하는 경우, 특정 주기에 따라 유동의 변화가 생기는 주기성이 확연히 줄어들게 되었다.
더불어, 특히 단면적이 큰 부분에 기체가 잠시 체류하면서 해당 부분에 순간적으로 기체의 체적이 늘어나는 현상이 발생될 수 있다. 이러한 단면적이 큰 부분에 기체가 일부 체류하는 현상의 경우 특정한 주기성을 띄고 있지는 않으며, 유로의 단면적의 형상에 따라 가변적으로 발생될 수 있다. 워터 드롭 형상의 유로 단위부들(660)을 본 개시내용의 일 실시예에 따른 규칙으로 배열하고 그에 상응하는 채널부(1000)의 크기를 형성하는 경우, 유로의 특정한 부분에 기체가 잠시 체류하면서 기체의 체적이 순간적으로 늘어남에 따라 비-주기적으로 유동의 변화가 생기는 현상이 확연히 줄게 되었다.
본 개시내용의 유로 단위부(660)는 유로의 길이 방향으로 단면의 변화가 크지 않기 때문에, 유속의 변화가 커지지 않게 된다. 본 개시내용의 유로 단위부(600)는 전체적으로 유선형의 형상으로 유동을 급격하게 변화시키는 요소가 존재하지 않는다.
본 개시내용의 유로 단위부(660)의 선단부는 45도 이상이고 90도 미만의 각도 범위를 가지며, 이러한 선단부의 각도 범위로 인해 기포가 통과되는 경우 충분히 작은 기포로 분리시킴에 따라 기체들이 모이는 현상을 대폭 줄일 수 있다.
본 개시내용의 일 실시예에 따라 워터 드롭 형상의 유로 단위부(600)는, 사전 설정된 기준 개수의 상기 유로 단위부와 상기 사전 설정된 기준 개수를 초과하는 개수의 유로 단위부들을 포함하는 유로 단위 세트를 직렬적으로 번갈아 배열하는 규칙에 따라 배열될 수 있다. 전술한 규칙은 1개의 유로 단위부와 2개의 유로 단위부, 1개와 3개, 2개와 3개, 및/또는 3개와 5개 등의 다양한 실시예를 가질 수 있다.
본 개시내용의 일 실시예에 따라, 도 7 및 도 8에서 도시되는 바와 같이, 유로 채널부(1000)는 볼록부와 오목부가 반복되는 외형 구조를 가질 수 있다. 볼록부에 대응하는 상기 유로 채널부(1000) 내의 위치에는 상기 워터 드롭 형상의 유로 단위부가 제 1 개수 만큼 배치되며, 그리고 상기 오목부에 대응하는 상기 유로 채널부(1000) 내의 위치에는 상기 워터 드롭 형상의 유로 단위부가 제 2 개수 만큼 배치되며, 그리고 여기서 제 1 개수는 제 2 개수보다 1만큼 많을 수 있다.
전술한 바와 같이, 워터 드롭 형상의 유로 단위부는, 사전 설정된 기준 개수의 상기 유로 단위부와 상기 사전 설정된 기준 개수를 초과하는 개수의 유로 단위부들을 포함하는 유로 단위 세트를 직렬적으로 번갈아 배열하는 규칙에 따라 배열될 수 있다.
유로 채널부(1000) 및 유로 단위부들은, 유로 채널부(1000)에서 외형의 단면이 가장 넓은 제 1 위치(630)에서의 유로 단면적의 제 1 합산값과 상기 유로 채널부에서 외형의 단면이 가장 좁은 제 2 위치(650)에서의 유로 단면적의 제 2 합산값이 서로 대응되도록 구성될 수 있다. 이와 관련하여, 도 8을 참조하면, 제 1 위치(630)에 대응하는 위치들에서 유로 단면들의 면적합산값 A3은 제 2 위치(650)에 대응하는 위치들에서의 유로 단면들의 면적합산값 A3와 동일할 수 있다. 즉, A3 = a31+a32+a33 = A5 = a51+a52 가 성립될 수 있다.
본 개시내용의 추가적인 실시예에서, 유체가 주입되는 유로 채널부(1000)의 제 3 위치(610)의 단면적을 나타내는 제 3 값(A1)은 상기 A3 및 상기 A5와 대응될 수 있다. 즉, A1 = A3 = A5가 성립될 수 있다. 이처럼, A1 = A3 = A5가 성립됨에 따라, 인입되는 유체가 정체되는 현상을 용이하게 제거될 수 있다. 특히 기체와 액체가 혼합된 유체의 경우 전술한 구조를 통해 유체의 정체 현상이 보다 급격하게 줄어들 수 있다.
본 개시내용의 추가적인 실시예에서, 유로 채널부(1000)의 제 1 위치(630)를 기준으로 또는 상기 제 2 위치(650)를 기준으로 전방 위치인 제 4 위치(640)에서의 유로 단면적의 제 4 합산값(A4=a41+a42) 및 후방 위치인 제 5 위치(620)에서의 유로 단면적의 제 5 합산값(A2=a21+a22) 각각은, 상기 A1, 또는 A3 또는 A5에 비해서 1.5배를 초과하지 않는 값을 가지도록 유로 채널부(1000)가 구성될 수 있다. 일 실시예에서, A2와 A4는 서로 대응되는 값을 가질 수 있다. A2와 A4는 각각 A1 대비 1.5배 이하의 값을 갖게 된다. A2와 A4는 각각 A3 대비 1.5배 이하의 값을 갖게 된다. A2와 A4는 각각 A5 대비 1.5배 이하의 값을 갖게 된다.
일 실시예에서, 상기 제 1 위치 내지 제 5 위치에 대응하는 단면적의 계산 기준은 유체가 진입하는 방향(즉, 유체의 유동 방향)의 수직인 방향을 기준으로 한다.
본 개시내용의 일 실시예에서, 유로 채널부(1000) 내에서 N개의 유로들이 형성된 위치에서의 상기 N개의 유로들의 단면적 합산값과, 상기 유로 채널부(1000) 내에서 N-1개의 유로들이 형성된 위치에서의 상기 N-1개의 유로들의 단면적 합산값과, 그리고 상기 유로 채널부 내에서 N+1개의 유로들의 단면적 합산값은 서로 동일할 수 있다.
도 7 및 8을 참조하면, 유로 채널부(1000)는 4개의 유로들(670a, 670b, 670c 및 670d)이 형성되는 670번 위치, 3개의 유로들(680a, 680b 및 680c)이 형성되는 680번 위치 그리고 2개의 유로들(690a 및 690b)이 형성되는 690번 위치에서의 유로들의 단면적의 합산값을 서로 대응될 수 있다. 즉, 4개의 유로들(670a, 670b, 670c 및 670d)의 단면적의 합산값과 3개의 유로들(680a, 680b 및 680c)의 단면적의 합산값과 2개의 유로들(690a 및 690b)의 단면적의 합산값이 서로 동일하도록 유로 단위부 및 유로 채널부(1000)가 배치 및 구성될 수 있다.
본 개시내용의 추가적인 실시예에서, 유체(반응물)가 흐르는 방향의 수직되는 유로 단면들의 합은 위치에 따라 차이가 크지 않고 그 차이는 반응물이 진입하는 위치 단면의 거의 1~1.5배 정도 되는 것으로 고려될 수도 있다.
대안적으로, 유로 채널부(1000)의 각각의 위치별 유로 단면 합산값은 평균 유로 단면 합산값의 1 내지 1.5 배에 해당할 수 있다. 즉, 유체의 유동 방향에 수직한 형태의 유로 단면적들의 합산은 평균 유로 단면 합산값의 1 내지 1.5배 범위 내에 존재할 수 있다.
전술한 바와 같은 면적들의 대응관계를 고려하여 유로 채널부(1000)가 형성됨에 따라 워터 드롭 형상의 유로 단위부들의 특징과 함께 유체의 인입시 유체가 정체되는 비-주기적 그리고/또는 주기적 현상이 제거될 수 있다.
도 9는 본 개시내용의 일 실시예에 따른 유로 채널부(1000)에 대해 예시적으로 도시한다.
도 9에서 예시되는 유로 채널부(1000)의 형상 및 내부 유선형 유로 단위부들의 형상 및 배치를 통해 유체의 인입시 유체가 정체되는 현상이 제거될 수 있으며, 특히 기체를 포함하고 있는 유체의 경우 정체 현상이 제거되는 효과가 보다 우수할 수 있다.
제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 개시의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 개시를 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 개시의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 개시의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 개시는 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.

Claims (18)

  1. 두 종류 이상의 유체들을 포함하는 혼합물의 화학 반응을 유도하기 위한 반응기의 유로 플레이트로서, 상기 유로 플레이트는,
    사전 설정된 채널 개수의 유로 채널부를 포함하고, 그리고
    상기 유로 채널부는,
    상기 유로 플레이트에 대해 차지하는 공간을 최소화하면서 혼합율을 높이기 위해, 사전 설정된 배열 규칙으로 배열되는 유로 단위부를 하나 이상 포함하고,
    상기 사전 설정된 채널 개수는 상기 유로 단위부의 사이즈 또는 상기 유로 플레이트의 사이즈 중 적어도 하나에 기초하여 설정되고, 그리고,
    상기 유로 단위부의 사이즈는 상기 유체들 각각의 물리적 특성 또는 화학적 특성 중 적어도 하나에 기초하여 설정되는 합류 각도에 기초하여 설정되는,
    유로 플레이트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유로 단위부는 상기 혼합물을 분기시키는 2개 이상의 분기 유로들을 포함하고, 그리고
    상기 분기 유로들은 분기된 혼합물에 대한 균일한 혼합을 위해 상기 합류 각도에 기초하여 서로 연결되는,
    유로 플레이트.
  3. 삭제
  4. 두 종류 이상의 유체들을 포함하는 혼합물의 화학 반응을 유도하기 위한 반응기의 유로 플레이트로서, 상기 유로 플레이트는,
    사전 설정된 채널 개수의 유로 채널부를 포함하고, 그리고
    상기 유로 채널부는,
    상기 유로 플레이트에 대해 차지하는 공간을 최소화하면서 혼합율을 높이기 위해, 사전 설정된 배열 규칙으로 배열되는 유로 단위부를 하나 이상 포함하고,
    상기 배열 규칙은,
    사전 설정된 기준 개수의 상기 유로 단위부와 상기 사전 설정된 기준 개수를 초과하는 개수의 유로 단위부들을 포함하는 유로 단위 세트를 직렬적으로 번갈아 배열하는 규칙인,
    유로 플레이트.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 사전 설정된 기준 개수는,
    상기 유로 플레이트의 사이즈(size) 또는 상기 채널 개수 중 적어도 하나에 기초하여 설정되는,
    유로 플레이트.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 기준 개수는 1이고, 그리고
    상기 배열 규칙은,
    1개의 유로 단위부와 병렬로 연결된 2개의 유로 단위부들을 포함하는 유로 단위 세트를 직렬적으로 번갈아 배열하는 규칙인,
    유로 플레이트.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 유로 단위부의 형상은 유선형 형상 - 상기 유선형 형상은 상부에 날카로운 형상의 선단부 및 하부에 원만한 형상을 갖는 워터 드롭 형상을 포함함 - 을 포함하는,
    유로 플레이트.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 유선형 형상의 유로 단위부의 상기 선단부에서 분기 유로들이 분기되는 분기 각도는 30도 이상이고 90도 이하인,
    유로 플레이트.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 유선형 형상의 유로 단위부의 상기 선단부에서 분기 유로들이 분기되는 분기 각도는 45도 이상이고 90도 이하인,
    유로 플레이트.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 유로 채널부는 볼록부와 오목부가 반복되는 외형 구조를 가지며,
    상기 볼록부에 대응하는 상기 유로 채널부 내의 위치에는 상기 유선형 형상의 유로 단위부가 제 1 개수 만큼 배치되며, 그리고 상기 오목부에 대응하는 상기 유로 채널부 내의 위치에는 상기 유선형 형상의 유로 단위부가 제 2 개수 만큼 배치되며, 그리고
    상기 제 1 개수는 제 2 개수보다 1만큼 많은,
    유로 플레이트.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 유선형 형상의 유로 단위부는, 사전 설정된 기준 개수의 상기 유로 단위부와 상기 사전 설정된 기준 개수를 초과하는 개수의 유로 단위부들을 포함하는 유로 단위 세트를 직렬적으로 번갈아 배열하는 규칙에 따라 배열되며, 그리고
    상기 유로 채널부 및 상기 유로 단위부들은, 상기 유로 채널부에서 외형의 단면이 가장 넓은 제 1 위치에서의 유로 단면적의 제 1 합산값과 상기 유로 채널부에서 외형의 단면이 가장 좁은 제 2 위치에서의 유로 단면적의 제 2 합산값이 서로 대응되도록 구성되는,
    유로 플레이트.
  12. 제 11 항에 있어서,
    유체가 주입되는 상기 유로 채널부의 제 3 위치의 단면적을 나타내는 제 3 값은 상기 제 1 합산값 및 상기 제 2 합산값과 대응되는,
    유로 플레이트.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 유로 채널부의 상기 제 1 위치를 기준으로 또는 상기 제 2 위치를 기준으로 전방 위치인 제 4 위치에서의 유로 단면적의 제 4 합산값 및 후방 위치인 제 5 위치에서의 유로 단면적의 제 5 합산값 각각은, 상기 제 1 합산값, 상기 제 2 합산값 또는 상기 제 3 합산값 대비 1.5배를 초과하지 않는,
    유로 플레이트.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 유로 채널부 내에서 N개의 유로들이 형성된 위치에서의 상기 N개의 유로들의 단면적 합산값과, 상기 유로 채널부 내에서 N-1개의 유로들이 형성된 위치에서의 상기 N-1개의 유로들의 단면적 합산값과, 그리고 상기 유로 채널부 내에서 N+1개의 유로들의 단면적 합산값은 서로 대응되는,
    유로 플레이트.
  15. 제 7 항에 있어서,
    상기 유로 채널부의 내부면과 상기 유로 채널부 내부에 형성된 유로 단위부들 각각의 외부면 간의 거리는 서로 대응되는,
    유로 플레이트.
  16. 제 7 항에 있어서,
    상기 유로 채널부의 각각의 위치별 유로 단면 합산값은 평균 유로 단면 합산값의 1 내지 1.5 배에 해당하는,
    유로 플레이트.
  17. 반응기에 포함되는 유로 플레이트를 제조하는 방법으로서, 상기 방법은,
    상기 유로 플레이트의 사이즈에 기초하여 채널 개수를 설정하는 단계; 및
    3D 성형 기기를 이용하여 상기 채널 개수의 유로 채널부를 포함하는 상기 유로 플레이트를 제조하는 단계;
    를 포함하며,
    상기 유로 플레이트는, 두 종류 이상의 유체들을 포함하는 혼합물의 화학 반응을 유도하기 위한 반응기의 유로 플레이트로서, 상기 유로 플레이트는,
    사전 설정된 채널 개수의 유로 채널부를 포함하고, 그리고
    상기 유로 채널부는,
    상기 유로 플레이트에 대해 차지하는 공간을 최소화하면서 혼합율을 높이기 위해, 사전 설정된 배열 규칙으로 배열되는 유로 단위부를 하나 이상 포함하는,
    유로 플레이트를 제조하는 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 3D 성형 기기는 3D 프린터를 포함하고, 그리고
    상기 3D 성형 기기를 이용하여 상기 채널 개수의 유로 채널부를 포함하는 상기 유로 플레이트를 제조하는 단계는,
    상기 3D 성형 기기를 이용한 적층 제조 방법을 통해 일체형으로 상기 유로 채널부를 제조하는 단계;
    를 포함하는,
    유로 플레이트를 제조하는 방법.
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