KR200193475Y1 - 연속구동형 초음파 분산기 - Google Patents

Abstract

소형의 장치로 다량의 시료를 처리하기 위한 연속구동이 가능한 연속유동 셀 및 분산되는 시료의 오염을 막기 위해 시료와 초음파 프로브를 격리시키는 컵 혼의 장점을 하나의 장치로 통합한 격리 연속유동 셀을 구비함으로써, 연속동작이 가능하고 시료운반 튜브의 선택에 따라 유량의 조절이 가능하며 시료에의 불순물 혼입이 차단되고 초음파의 출력을 향상시켜서 보다 다양한 시료를 단시간에 파쇄 및 분산할 수 있는 초음파 분산기가 개시되어 있다. 본 고안에 따른 초음파 분산기의 격리 연속유동 셀은 외부 케이스의 방사상 외면 상에 시료 및 냉각수에 대한 입구와 출구로 사용되는 4개의 파이프가 장착되고, 케이스의 내부에 시료의 운반경로를 제공하는 시료운반용 튜브를 보유한다. 이때, 시료운반용 튜브는 나선형, 코일형, 지그재그형 등 특정한 형태로 감겨있으며, 시료운반 튜브의 총 길이에 따라 초음파가 인가되는 시간이 증감되므로 유량의 조절이 가능하다.

Description

연속구동형 초음파 분산기{Continuous flow type ultrasonic homogenizer}

본 고안은 초음파 분산기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 소형의 장치로 다량의 시료를 처리하기 위한 연속구동이 가능한 연속유동 셀 및 분산되는 시료의 오염을 막기 위해 시료와 초음파 프로브를 격리시키는 컵 혼의 장점을 하나로 통합시킨 격리 연속유동 셀을 구비함으로써, 연속동작이 가능하고 시료운반 튜브의 선택에 따라 유량의 조절이 가능하며 시료에의 불순물 혼입이 차단되고 초음파의 출력을 향상시켜서 보다 다양한 시료를 단시간에 파쇄 및 분산할 수 있는 초음파 분산기에 관한 것이다.

세포파쇄를 위해서 몇 가지 방식의 장치가 개발된바 있다. 즉, 질소등의 가스를 고압으로 세포에 인가한 후 갑자기 제거하여 세포막을 파괴하는 방식, 유압을 이용하여 시료를 매우 미세한 구멍을 통과시킴으로써 세포막을 파괴하는 방식, 실린더 내에서 공이를 고속회전시켜서 세포막을 파괴하는 방식, 그리고 초음파를 이용하여 세포막을 파괴하는 방식등이 있으며, 현재 초음파를 이용한 분산방식이 작업이 신속하고 편리하여 널리 이용되고 있다.

초음파 분산기(ultrasonic homogenizer)는 초음파를 이용하여 세포내의 효소나 각종 유기물질을 세포로부터 분리해내기 위해 세포막을 파괴하거나 서로 다른 물질의 분산 또는 유화에 이용된다.

도 3은 종래 기술에 따른 초음파 분산기의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 3을 참조하면, 종래 기술에 따른 초음파 분산기(10)는 전기신호를 받아서 초음파를 발생시키는 초음파 진동자(12), 초음파 진동자(12)에 연결되어 초음파 진동자에서 발생된 초음파의 진폭을 증폭시키는 초음파 프로브(14), 초음파 프로브(14)의 끝에 장착되어 액체중으로 초음파를 방사하는 팁(16), 초음파 대역의 전기신호를 발생시켜 초음파 진동자에 공급하는 구동회로(18), 그리고 초음파 진동부를 지탱하는 스탠드(20)를 포함한다.

이외에도 초음파 분산기(10)는 사용목적 및 용도에 따라서 연속유동 셀(Continuous Flow Cell), 컵 혼(Cup Horn), 냉각 셀(Cooling Cell), 방음 박스(Soundproof Box) 등을 추가적으로 구비할 수 있다.

초음파는 음향진동의 일종으로 인간의 가청범위를 넘는 약 20kHz 이상의 주파수를 갖는 소리이다. 초음파는 기계적 진동에 의해 발생되는 일종의 에너지이며, 이 에너지가 어떠한 매체를 통과할 때에 매질의 압축부와 팽창부를 생성하면서 주기적인 파동(wave)을 형성하게 된다. 초음파가 액체를 전파할 때 국부적으로 압력이 증가하는 부분과 감소하는 부분이 발생하며, 이에따라 부의 압력시에 공동이 발생하고 이것이 다음 반주기동안 정의 압력이 가해질 때 일그러지며 큰 충격력을 발생하게 된다. 이러한 현상을 캐비테이션(cavitation)이라 하는데, 통상적으로는 20kHz∼300kHz정도의 주파수에서 쉽게 일어나고, 다른 기계적방법으로 구현하기 곤란한 여러 가지 작용을 쉽게 이루어낼 수 있다.

초음파를 분산하려는 시료에 인가할 경우 초음파 진동부의 출력에 따라 1회에 처리할 수 있는 양이 대략 결정되며, 처리량을 증가시키기 위해서는 초음파 진동부의 출력을 증가시키기 보다는 연속적으로 분산작업이 가능한 연속유동 셀을 초음파 진동부에 장착하여 사용하는 것이 보통이다.

연속유동 셀에 대해서는 세계적으로 이미 여러 업체에서 제품을 생산하고 있으며, 도 4에 도시된 바와 같은 종래 기술의 연속유동 셀(30)은 초음파 프로브(14)(도 3 참조)에 장착되는 금속제 원통(34), 금속제 원통(34)에 장착되어 시료의 입구와 출구로 이용되는 2개의 파이프(33), 시료에 일정한 압을 인가하기 위해 금속제 원통(34) 하부에 장착된 공기흡입구(32) 및 냉각수 순환을 위해 금속제 원통(34)에 장착된 2개의 파이프(31)로 구성된다.

이와같이 구성된 연속유동 셀(30)은 초음파 프로브(14)를 금속제 원통(34)의 상부측으로부터 삽입하여 일정한 유량으로 공급되는 시료에 직접 초음파를 인가하여 분산시키는 것이다. 통상적으로 시간당 20리터정도의 시료를 분산시킬 수 있으며, 연속구동에 따른 초음파 프로브(14)의 발열 및 이로 인한 시료의 변질, 초음파 특성저하등을 막기위해 반드시 냉각수를 순환시키도록 되어있다.

이러한 연속유동 셀(30)을 이용하지 않을 경우 일정한 출력의 초음파 프로브(14)로 처리할 수 있는 시료의 양은 제한되며 작업자가 늘 대기하여야 하는 부담이 생긴다. 시료의 처리량을 증가시키기 위하여 초음파 진동자(12)의 출력을 증가시켜 동일시간에 다량의 시료를 한번에 처리하는 방법도 고려할 수 있으나, 출력증가에 따라 팁(16)의 마모가 촉진되어 시료에의 금속파편 혼입이 심각한 문제점으로 대두된다.

초음파 프로브(14) 및 팁(16)의 재질로서는 알루미늄, 티타늄, 스테인레스스틸등의 금속을 사용하지만, 어떤 경우에도 초음파 방사면의 부식을 피할 수 없으며, 분산하려고 하는 시료에 금속파편 또는 금속이온의 혼입을 방지하기 위해서는 컵 혼을 사용하여 시료를 원천적으로 초음파 프로브(14)로부터 분리시켜야 한다.

도 5는 종래 기술에 따른 컵 혼의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 5에 나타낸 바와 같이, 종래 기술에 따른 컵 혼(50)은 초음파 진동부(11)를 뒤집어 놓아서 초음파가 아래에서 위로 방사되게 한다. 또한, 초음파 프로브(14)에 장착된 컵(40)에 냉각수를 순환시키면서 냉각수를 통해 초음파가 전달되도록 하고, 컵(40) 상부에 시료가 담긴 용기를 장착하여 시료를 초음파 프로브(14)로부터 완전히 격리시키고자 할 때 사용한다.

그런데, 이러한 구조의 컵 혼(50)은 초음파 진동부(11)를 거꾸로 설치하여야 하므로 사용이 상당히 불편하며, 금속재질의 초음파 프로브(14)와 유리재질의 컵(40)을 방수되는 상태로 체결하기 위해 테프론 링(41)을 삽입하여야만 하며, 한번에 처리할 수 있는 시료의 양이 제한될 수 밖에 없는 단점을 지닌다.

본 고안은 상기와 같은 종래의 문제점 및 과제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 고안의 목적은 기존 방식의 연속유동 셀을 개량하여 소형의 장치로 다량의 시료를 처리하도록 연속구동이 가능하며 금속제 초음파 프로브 끝에 장착되어 초음파를 액중으로 방사하는 팁 마모에 의한 시료에의 이물질 유입을 근본적으로 차단하고 이와동시에 냉각수의 공급이 용이한 연속구동형 초음파 분산기를 제공하려는 것이다.

도 1은 본 고안에 따른 연속구동형 초음파 분산기의 구성을 개략적으로 나타낸 도면,

도 2a 내지 도 2d는 본 고안에 따른 격리 연속유동 셀의 다양한 실시 예들을 보여주는 도면,

도 3은 종래 기술에 따른 초음파 분산기의 구성을 개략적으로 나타낸 도면,

도 4는 종래 기술에 따른 연속유동 셀의 사시도, 그리고

도 5는 종래 기술에 따른 컵 혼의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

10,60 : 초음파 분산기 12,62 : 초음파 진동자

14,64 : 초음파 프로브 16,66 : 팁

18,68 : 구동 회로 30,70 : 연속유동 셀

31,32,73a,73b,74a,74b : 파이프 71 : 외부 케이스

72,72a,72b,72c,72d : 시료 운반 튜브

상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 본 고안은,

전기신호를 받아서 초음파를 발생시키는 초음파 진동자, 상기 초음파 진동자에 연결되어 상기 초음파 진동자에서 발생된 초음파의 진폭을 증폭시키는 초음파 프로브, 상기 초음파 프로브의 끝에 장착되어 액체중으로 초음파를 방사하는 팁, 그리고 초음파 대역의 전기신호를 발생시켜 상기 초음파 진동자에 공급하는 구동회로를 포함하는 연속구동형 초음파 분산기에 있어서,

상기 초음파 프로브의 격리 연속유동 셀은 비이커 형상의 속이 빈 외부 케이스 및 상기 외부 케이스 내에 배치되어 시료의 운반경로를 제공하는 시료 운반 튜브를 구비하며, 상기 외부 케이스의 방사상 하부 외면과 상부 외면 상에는 냉각수의 순환을 위한 냉각수 유입 파이프와 냉각수 배출 파이프가 각각 부착되며, 상기 시료 운반 튜브의 상단부와 하단부는 상기 외부 케이스의 방사상 내면 상에 부착되고, 상기 상단부와 상기 하단부의 부착위치에 대응하는 상기 외부 케이스의 방사상 외면 상에는 외부의 시료저장 용기와 상기 시료 운반 튜브를 연통시키기 위한 시료 배출 파이프와 시료 유입 파이프의 고정단부가 각각 부착된 것을 특징으로 하는 연속구동형 초음파 분산기를 제공한다.

바람직하게는, 상기 시료 운반 튜브는 나선 형상, 지그재그 형상 또는 코일 형상을 갖는다.

이상에서 언급한 바와 같이, 본 고안에 따른 연속구동형 초음파 분산기는 기존의 연속유동 셀과 컵 혼의 장점을 하나의 장치로 통합한 격리 연속유동 셀을 구비함으로써, 연속동작이 가능하고, 시료운반 튜브의 선택에 따라 유량의 조절이 가능하며, 시료에의 불순물 혼입이 차단되고, 초음파의 출력을 향상시켜서 보다 다양한 시료를 단시간에 파쇄 및 분산할 수 있다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 고안에 따른 연속구동형 초음파 분산기에 대하여 보다 상세하게 설명한다.

도 1은 본 고안에 따른 연속구동형 초음파 분산기의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 고안에 따른 초음파 분산기(60)는 전기신호를 받아 초음파를 발생시키는 초음파 진동자(62), 초음파 진동자(62)에서 발생된 초음파의 진폭을 증폭시키는 초음파 프로브(64), 초음파 프로브(64)의 끝에 장착되어 액체중으로 초음파를 방사하는 팁(66) 및 초음파대역의 전기신호를 발생시키는 구동회로 (68)를 포함한다. 이때, 초음파 프로브(64)의 방사상 외면 상에는 격리 연속유동 셀(Isolated Continuous Flow Cell)(70)이 연결되어 있다.

격리 연속유동 셀(70)은 중공의 외부 케이스(71) 및 외부 케이스(71) 내부에 장착되어 외부 케이스(71) 내에서 시료의 운반경로를 제공하는 시료 운반 튜브(72)를 포함한다.

한편, 외부 케이스(71)의 방사상 하부 외면과 상부 외면 상에는 냉각수의 순환을 위한 냉각수 유입 파이프(73b)와 냉각수 배출 파이프(73a)가 각각 부착된다. 냉각수 유입 파이프(73b)와 냉각수 배출 파이프(73a)는 초음파 에너지를 시료에 효율적으로 전달하며 초음파 프로브(64)를 냉각하기 위한 냉각수의 입구와 출구로 이용된다.

상기 시료 운반 튜브(72)의 상단부(76a)와 하단부(76b)는 외부 케이스(71)의 방사상 내면 상에 부착된다(도 2a 참조). 이때, 시료 운반 튜브(72)의 상단부(76a)와 상기 하단부(76b)의 부착위치에 대응하는 외부 케이스(71)의 방사상 외면 상에는 외부의 시료저장 용기와 시료운반 튜브(72)를 연통시키기 위한 시료 배출 파이프(74a)와 시료 유입 파이프(74b)의 고정단부가 각각 부착된다.

시료 배출 파이프(74a)와 시료 유입 파이프(74b)는 이들의 형성위치에 대응하여 외부 케이스(71)의 측벽(77)을 관통하여 형성된 제 1 및 제 2 연통공(78a,78b)을 통해서 시료 운반 튜브(72)의 상단부(76a) 및 하단부(76b)와 연통하게 된다.

외부 케이스(71) 내부에 배치된 시료 운반 튜브(72)는 격리 연속유동 셀(70)내에서의 시료의 유동 시간을 증가시키기 위하여 나선형, 코일형, 지그재그형등의 다양한 형상을 갖는다.

도 2a 내지 도 2d에는 격리 연속유동 셀의 다양한 실시예가 제시되어 있는데, 시료 운반 튜브(72)의 감긴 형상에 따라 나선형, 코일형 및 지그재그형이 고안되었고, 초음파 인가방향에 대한 시료운반 튜브의 장착자세, 즉 시료의 이동방향에 따라 수직형과 수평형이 고안되었다. 또한, 입체적 구조에 따라 단층형과 다층형(코일형의 경우는 단일코일형과 다중코일형)이 고안되었는데, 세부적으로는 수직단층 나선형, 수평단층 나선형, 수직다층 나선형, 수평다층 나선형, 수직단층 지그재그형, 수평단층 지그재그형, 수직다층 지그재그형, 수평다층 지그재그형, 수직단일 코일형, 수평단일 코일형, 수직다중 코일형, 수평다중 코일형 등의 구조가 고안되었다.

특히, 수직형 구조는 시료가 시료 운반 튜브(72)를 따라 유동하면서 초음파 프로브(64)로부터의 거리가 주기적으로 변화되므로, 인가되는 초음파의 음압이 주기적으로 강약을 반복하게 되고, 따라서 동일한 출력으로 연속구동할 때에도 마치 펄스모드로 구동하는 것과 유사한 효과를 얻을 수 있다. 이것은 별도의 제어장치없이 시료 운반 튜브(72)의 구조만으로 달성할 수 있는 효과로서 시료의 종류에 따라 보다 신속정확한 분산효과를 얻을 수 있다.

이와 같은 시료 운반 튜브(72)의 형상 변화에 의해서, 외부 케이스(71) 상부측에 장착된 초음파 프로브(64)에서 하부측으로 방사되는 초음파 에너지가 외부 케이스(71)내 일정높이까지 차있는 냉각수를 통해 밑바닥까지 전달되므로 초음파에 의해 시료가 분산되는 시간을 증가시키는 효과가 있다.

따라서, 유량을 증가시켜서 시간당 처리량을 증가시키는 효과를 얻을 수 있으며, 시료의 종류에 따라 시료 운반 튜브(72)의 감긴 횟수를 변화시킬 수 있어서 일반적인 방법으로 파쇄 및 분산에 시간이 오래 걸리는 시료들도 단시간에 처리할 수 있는 장점이 있다.

이때, 시료운반 튜브(72)는 스테인레스스틸등의 금속이나 유리재질이 적합하며, 시료의 종류에 따라서는 의료 및 화학용으로 이용되는 비닐튜브를 이용하여 원하는 모양으로 손쉽게 구성하여 사용하는 것도 무방하다.

본 고안에 의한 격리 연속유동 셀(70)에서의 순환냉각수는 냉각 자켓등 별도의 복잡한 장치를 필요로 하지 않으며, 단순히 하부입력, 상부출력의 구조로서 일정 수위를 유지하며 초음파 프로브 및 시료의 발열을 억제하고 초음파를 효율적으로 시료에 전달하는 역할을 한다.

〈실시예〉

격리 연속유동 셀의 케이스로서 유리를 이용하였으며 외경Φ75, 내경Φ70, 높이 180mm의 크기로 제작하였고, 이때 케이스는 상부측이 개방되고 하부측은 밀폐된 비이커형상을 지닌다. 냉각수의 순환을 위하여 전술한 케이스의 하부측에 냉각수 유입 파이프를 설치하고 상부측에 냉각수 배출 파이프를 설치하였으며, 이들 파이프의 외경은 Φ8, 내경은 Φ6로 하였고 역시 유리파이프를 이용하였다.

냉각수는 하부에서 유입되어 상부측으로 자연스럽게 오버플로우(overflow) 하며 이 과정에서 초음파 프로브와 직접 접촉하여 냉각시키고 시료를 간접적으로 냉각시키면서 초음파를 효율적으로 전달하는 역할을 수행한다.

케이스 상부측에 시료의 입구 및 출구로 사용되는 2개의 파이프가 설치되는데, 이들 파이프의 위치는 냉각수의 배출 파이프보다는 약간 낮은 위치에 설치되고 냉각수용 파이프와 동일한 크기의 파이프를 이용하였고, 실리콘 호스를 끼운후 조임밴드로 냉각수 및 시료가 누설되지 않도록 잘 조여주었다.

시료 도입 파이프는 케이스 내부의 시료운반 튜브에 연결되고 시료운반 튜브는 수평코일형의 외곽튜브 및 내곽튜브로 구성되는데, 외곽튜브는 회전하며 하부로 진행하는 코일형으로서 이때 외곽 튜브의 전체 지름은 Φ65에 달하고 8회의 턴(turn)수를 지니며 제일 아래층에서 내곽튜브와 일체형으로 연결되고, 내곽튜브는 역시 회전하며 상부로 진행하는 코일형으로서 이때 내곽튜브의 전체직경은 Φ40에 달하고 외곽튜브와 동일하게 8회의 턴(turn)수를 지니며 제일 윗층에 도달한 후 케이스 외부의 시료 배출파이프와 연결된다.

상기의 케이스, 냉각수 유입파이프 및 배출파이프, 시료 유입파이프 및 배출파이프, 케이스내 시료운반 튜브는 모두 유리재질로서 일체형으로 동시에 제작하는 것이 가능하다. 케이스내의 시료운반 튜브내에 저장될 수 있는 용량은 40cc정도이며 시간당 20리터의 유량으로 시료를 분산할 경우 7초이상 직접 분산하는 것과 동일한 효과를 얻을 수 있다. 초음파의 인가와 더불어 순간적으로 분산되는 시료의 경우 유량을 더욱 증가시키는 것이 가능하며 연동식 펌프를 이용하여 시간당 30리터의 유량을 달성할 수 있다.

이상에서 언급한 바와 같이, 본 고안에 따른 초음파 분산기는 연속동작이 가능하며, 시료운반 튜브의 선택에 따라 유량의 조절이 가능하고, 연속모드 출력시에도 펄스모드 출력과 유사한 효과를 얻을 수 있다. 또한, 초음파 프로브와 시료를 격리시켜 시료에의 불순물 혼입이 차단되므로, 초음파의 출력을 향상시켜서 보다 다양한 시료를 단시간에 파쇄, 분산할 수 있고 냉각수의 순환공급이 용이하다. 즉, 기존의 연속유동 셀과 컵 혼의 장점을 모두 갖춘 격리 연속유동 셀이 구현된다.

상기에서는 본 고안의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 실용신안등록청구범위에 기재된 본 고안의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위내에서 본 고안을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (6)

1. 전기신호를 받아서 초음파를 발생시키는 초음파 진동자(62), 상기 초음파 진동자(62)에 연결되어 상기 초음파 진동자(62)에서 발생된 초음파의 진폭을 증폭시키는 초음파 프로브(64), 상기 초음파 프로브(64)의 끝에 장착되어 액체중으로 초음파를 방사하는 팁(66), 그리고 초음파 대역의 전기신호를 발생시켜 상기 초음파 진동자(62)에 공급하는 구동회로(68)를 포함하는 연속구동형 초음파 분산기(60)에 있어서,

   상기 초음파 프로브(64)의 격리 연속유동 셀(70)은 비이커 형상의 속이 빈 외부 케이스(71) 및 상기 외부 케이스(71) 내에 배치되어 시료의 운반경로를 제공하는 시료 운반 튜브(72)를 구비하며, 상기 외부 케이스(71)의 방사상 하부 외면과 상부 외면 상에는 냉각수의 순환을 위한 냉각수 유입 파이프(73b)와 냉각수 배출 파이프(73a)가 각각 부착되며, 상기 시료 운반 튜브(72)의 상단부(76a)와 하단부(76b)는 상기 외부 케이스(71)의 방사상 내면 상에 부착되고, 상기 상단부(76a)와 상기 하단부(76b)의 부착위치에 대응하는 상기 외부 케이스(71)의 방사상 외면 상에는 외부의 시료저장 용기와 상기 시료운반 튜브(72)를 연통시키기 위한 시료 배출 파이프(74a)와 시료 유입 파이프(74b)의 고정단부가 각각 부착된 것을 특징으로 하는 연속구동형 초음파 분산기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 시료 운반 튜브(72)의 상기 상단부(76a)와 상기 하단부(76b)는 상기 상단부(76a)와 상기 하단부(76b)의 부착위치에 대응하여 상기 외부 케이스(71)의 측벽(77)을 관통하여 형성된 제 1 연통공(78a)과 제 2 연통공(78b)을 통해서 상기 시료 배출 파이프(74a) 및 상기 시료 유입 파이프(74b)와 연통하는 것을 특징으로 하는 연속구동형 초음파 분산기.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 시료 운반 튜브(72)가 나선 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 연속구동형 초음파 분산기.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 시료 운반 튜브(72)가 지그재그 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 연속구동형 초음파 분산기.
5. 제 2 항에 있어서, 상기 시료 운반 튜브(72)가 코일 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 연속구동형 초음파 분산기.
6. 제 2 항에 있어서, 상기 시료 운반 튜브(72)는 복수개의 시료를 동시에 연속분산시키도록 나선형 튜브, 지그재그 형상의 튜브 또는 코일형 튜브중 적어도 2개의 튜브를 일체화하여 형성되는 것을 특징으로 하는 초음파 분산기.