KR20070086171A - 루프형 초음파 발생기 및 반응 시스템에의 응용 - Google Patents

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Abstract

화학 반응에 이용되는 초음파는 초음파 변환기로부터 형성되는 전자석에 의해 발생되며, 초음파 변환기의 중앙부 형상은 진동 전압이 인가되었을 때 진동 자기 변형력을 생성하기 위해 배치되는 코일로 권취된 자기 변형 재료로 이루어진 루프이다. 변환기 루프에서의 진동은 초음파 혼에 전달되며, 초음파 혼은 초음파 진동이 반응 혼합물에 직접 전달되도록 반응 매체에 담가진다.

Description

루프형 초음파 발생기 및 반응 시스템에의 응용{LOOP-SHAPED ULTRASOUND GENERATOR AND USE IN REACTION SYSTEMS}
본 발명은 초음파로 액체 매체에서 재료를 처리하는데 이용되는 공정 장비 분야에 속한다.
화학 반응시키기 위한 초음파의 응용은 잘 알려져 있다. 초음파의 화학적 응용을 설명하는 간행물의 예로 Suslick, K.S., Science, vol. 247, p. 1439 (1990), and Mason, TJ., Practical Sonochemistry, A User's Guide to Applications in Chemistry and Chemical Engineering, Ellis Norwood Publishers, West Sussex, England (1991)를 들 수 있다. 개발된 다양한 초음파 처리(sonicating) 시스템 중에서, "프로브(probe)" 타입 시스템으로 알려진 시스템은 초음파 에너지를 발생시키고 그 에너지를 증폭용 초음파 혼(horn)으로 전달하는 초음파 변환기(ultrasonic transducer)를 포함한다.
초음파 발생기(ultrasound generator)는 초음파 변환기에 의해 발생하는 열과 진동이 발생되게 하기 위해 필요한 전력으로 인해 제한된 에너지 출력을 갖는 것이 일반적이다. 이러한 제한 때문에, 스케일이 큰 화학 공정에 대한 초음파의 응용은 제한된 성과에 머무르고 있다. 상대적으로 큰 전력으로 초음파 진동을 얻 는 하나의 수단은 자기 변형 구동(magnetostriction-driven) 초음파 변환기를 이용하는 것이지만, 자기 변형 구동에 의해 얻을 수 있는 진동수는 여전히 그 크기가 중간 수준일 뿐이다. 자기 변형 초음파 변환기와 자기 변형 초음파 변환기의 화학적 반응에 대한 응용은 루만 에이. 에이.(Ruhman, A. A.) 외 다수의 미국특허 제6,545,060 B1호(2003년 4월 8일 공보 발행)와 그 PCT 대응 특허 WO 98/22277 (1998년 5월 28일 공개) 뿐만 아니라 야마자키 엔(Yamazaki, N.) 외 다수의 미국특허 제5,486,733호(1996년 1월 23일 공보 발행), 쿤 엠. 씨.(Kuhn, M. C.) 외 다수의 미국특허 제4,556,467호(1985년 12월 3일 공보 발행), 블롬퀴비스트 피.(Blomqvist, P.) 외 다수의 미국특허 제5,360,498호(1994년 11월 1일 공보 발행) 및 소여 에이치. 티.(Sawyer, H. T.) 미국특허 제4,168,295호(1979년 9월 18일 공보 발행)에 개시되어 있다. 루만 외 다수의 특허는 진동이 흐름의 방향에 대하여 방사 방향으로 배향되고 진동수 범위가 최대 30kHz로 제한되는 연속 흐름 반응기에서 초음파 진동을 생성하는 자기 변형 변환기를 개시한다. 야마자키 외 다수의 특허는 상대적으로 작은 전력으로 작동하는 작은 스케일의 초음파 혼을 개시하며, 자기 변형은 압전 요소와 전왜 변형(electrostrictive strain) 요소와 함께 진동을 발생시킬 수 있는 공급원 그룹 중 하나로 소개된다. 쿤 외 다수의 특허는 복수의 초음파 혼과 100kHz 이하의 진동수를 제공하는 발생기를 포함하는 연속 흐름 처리기를 개시한다. 브롬퀴비스트 외 다수의 특허는 23.5kHz의 공명 진동수에서 작동하는 자기 변형 파우더 복합체을 이용하는 초음파 발생기를 개시한다. 소여 외 다수의 특허는 3개의 초음파 변환기 세트를 가진 흐름 반응(flow-through reaction) 튜브로서, 각 세트는 네 개의 변환기를 가지고 20 내지 40kHz의 진동수에서 초음파를 전달하는 것을 개시한다. 이러한 시스템은 많은 반응 수율이 필요한 높은 처리량의 반응에 적합하지 않다.
진동 전압(oscillating voltage)이 가해지며 전기 코일로 권취된(wound) 자기 변형 재료로 이루어진 루프(loop)로 구동되는 초음파 발생기에 의해 높은 에너지와 높은 진동수에서 초음파가 반응 시스템에 제공될 수 있다는 것이 최근 밝혀졌다. 진동 전압은 루프에서 초음파 진동을 생성하고, 이 초음파 진동은 반응 매체 속으로 연장되는 초음파 혼으로 전달되고, 반응 매체에서 초음파 혼이 직접 반응물과 접촉한다. 루프는 바람직하게 코일을 통과하여 지나가는 전류에 의해 생성되는 자기장에 알맞은 형상과 치수를 갖는다. 초음파 발생기는 바람직하게 연속-흐름 반응기(continuous-flow reactor)에 설치될 수 있는데, 이는 반응기를 통과하여 지나가는 액체 반응 매체에서 화학적 반응을 유도한다. 따라서 본 발명은 초음파 발생기, 발생기를 포함하는 연속-흐름 반응기 및 초음파에 의해 개선될 수 있는 화학 반응을 수행하는 발생기를 이용하는 방법에 속한다. 본 발명의 특정 실시예에서, 진폭, 진동수 또는 양쪽 모두에 대한 목표값에서 초음파 진동을 유지하도록 감지 요소와 제어기가 포함될 수 있다.
본 발명은 수율, 반응속도 또는 양쪽 모두가 초음파에 의해 개선될 수 있는 어떤 화학 반응의 수행에서라도 유용하고, 특히 원유의 탈황과 원유 분류(fraction)에서 유용하다. 이러한 재료의 처리에 초음파를 이용하는 공정이 미국특허 제6,402.939호(2002년 6월 11일 공보 발행), 미국특허 제6,500,219호(2002년 12월 31일 공보 발행), 미국특허 제6,652,992호(2003년 11월 25일 공보 발행), 미국 공개 특허 출원 2003-0051988 A1(2003년 3월 20일 공개) 및 미국 공개 특허 출원 2004-0079680 A1(2004년 4월 29일 공개)에 개시되어 있다. 본 명세서에 인용된 모든 특허, 특허 출원, 출원 공개는 이에 의해 제공될 수 있는 모든 법적인 목적을 가지고 참조로서 본원에 통합된다.
도 1은 반응기에 장착된 본 발명에 따른 초음파 발생기를 가진 연속-흐름 반응기의 횡단면도.
도 2는 도 1의 초음파 발생기의 상면도.
도 3은 도 2의 초음파 발생기의 일부를 구성하는 초음파 변환기와 감지 요소와 초음파 변환기의 단면도(端面圖).
도 4는 도 3의 초음파 변환기의 측면도.
도 5는 도 3의 감지 요소의 측면도.
본 발명에 따라, 초음파 진동은 자기 변형을 통해 초음파 영역에서 주기적으로 변화하는 전압을 기계적 진동으로 변환하는 루프형 변환기에 의해 초음파 혼으로 전달된다. 따라서 루프형 초음파 변환기는 전자석처럼 작동하며 자기 변형 재료, 바람직하게는 연자성 합금(soft magnetic alloy)으로 형성된다. 연자성 합금은 전기장이 존재하는 경우 자성을 가지지만 전기장이 제거된 후에는 약자성을 가 지거나 자성을 가지지 않는다. 연자성 합금은 잘 알려져 있고, 이러한 합금은 본 발명에 이용되기에 적합하다. 크롬, 바나듐, 몰리브덴과 같은 추가적인 합금원소를 함유하는 철-실리콘 합금, 철-실리콘-알루미늄 합금, 니켈-철 합금 및 철-코발트 합금을 예로 들 수 있다. 이러한 합금의 상품명의 예로 HIPERCO® 27, HIPERCO® 35, 2V PERMENDUR® 및 SUPERMENDUR를 들 수 있다. 현시점에서 바람직한 합금은 HIPERCO® Alloy 50A(High Temp Metals, Inc., Sylmar, California, USA)이다. 자기 변형 재료는 자기장이 적용됨에 따라 크기나 형상에 있어 물리적 변화를 겪는다. 자기 변형 재료는 본 기술 분야에 잘 알려진 바와 같이, 자기 변형적이면서 연자성 합금인 재료이다. 감지 자석(sensing magnet) 또한 이용되는 본 발명의 실시예에서, 감지 자석은 마찬가지로 자기 변형 재료, 바람직하게는 연자성 합금으로 이루어진다. 편의상 같은 합금이 변환기와 감지 자석 모두에 이용될 수 있다.
루프의 크기는 화학 반응에서 얻어지는 수율 또는 변환을 얻기 위해 필요한 에너지에 따라 다양할 수 있다. 대부분의 경우 세장형 즉, 폭보다 길이가 더 긴 루프에서 최적 결과가 얻어질 것이다. 바람직한 루프는 길이가 약 5 cm 내지 약 50 cm이고, 더 바람직하게는 약 9 cm 내지 약 30 cm이다. 또한 바람직하게 세장형 루프는 단부에서 연결되는 두 개의 직선형 평행 종방향 섹션으로 형성되며, 종방향 섹션 사이의 간극은 그 폭이 약 0.5 cm 내지 약 5 cm, 가장 바람직하게는 약 1 cm 내지 약 3 cm이다.
특히 바람직한 실시예에서, 루프는 라미네이트(laminate)를 형성하기 위해 연결되는 자기 변형 재료로 이루어진 얇고 평평한 플레이트의 적층 구조(stack)로 형성되며, 라미네이트는 인접한 플레이트의 각 쌍 사이에 유전체 재료 층을 포함한다. 유전체 층은 바람직하게 플라스틱 수지 또는 세라믹 접착제이다. 적층 구조의 플레이트 수는 다양할 수 있고 초음파 진동의 강도와 전력을 원하는 수준으로 수용하는데 어려움이 없다. 그러나 대부분의 경우 50 내지 1000 개의 플레이트 또는 바람직하게 100 내지 400 개의 플레이트로 최적 결과가 얻어진다. 비록 얇은 플레이트가 맴돌이 전류 손실(eddy current loss)을 감소시키기 위해 바람직하긴 하지만, 각 플레이트의 두께 또한 다양할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 단일 플레이트의 두께는 약 4 미크론 내지 400 미크론이고, 가장 바람직하게는 약 50 미크론 내지 약 250 미크론이다. 현시점에서 바람직한 실시예에서, 400 개의 플레이트가 이용되고, 각 플레이트는 100 미크론의 두께를 가지며, 각각의 인접한 플레이트 쌍 사이에 25 미크론 두께의 유전체 수지 층이 있다. 감지 자석이 포함되는 경우, 감지 자석은 또한 바람직하게 루프형일 수 있고, 특히 바람직한 실시예에서는 감지 자석의 길이 및 폭이 변환기 루프의 길이 및 폭과 동일하다. 감지 자석은 또한 바람직하게 얇고 평평한 플레이트의 적층 구조이고, 가장 바람직하게는 변환기 루프의 플레이트와 같은 치수를 가진다.
플레이트 적층 구조에 이용되는 플레이트를 제조하기 위한 현시점에서 바람직한 방법에서, 개별 플레이트는 원하는 두께의 자성 합금 원자재(raw magnetic alloy material)의 박판(sheet)에서 절삭되고, 각각의 플레이트는 원하는 공명 진동수의 파장의 절반과 동일한 길이로 절삭된다. 따라서, 예를 들어 17.5 kHz의 공명 진동수에 대해 각 플레이트의 바람직한 길이는 5.0 내지 5.5 인치(12.7 내지 14.0 cm)이다. 마찬가지로 35 kHz의 공명 진동수에 대해 바람직한 플레이트 길이는 약 2.55 내지 2.75 인치(6.5 내지 7.0 cm)이다. 각 플레이트의 중심부에서 연장되는 개구(central elongated opening)는 개구의 각 측부 상에 코일을 형성하기 위해 전기 와이어의 통로를 제공하기에 충분히 크게 절삭된다. 일단 절삭되면, 플레이트는 열 처리되어 초음파 변환기의 구성 요소로서 성능을 최대화하기 위해 열 처리될 수 있다. 현시점에서 바람직한 처리 방법에서, 플레이트는 불활성 분위기(inert atmosphere)에서 1000 화씨온도/시간(556 섭씨온도/시간) 비율로 900℉(482℃)까지 가열되고, 그 후 400 화씨온도/시간(222 섭씨온도/시간) 비율로 1625℉(885℃)까지 가열되고, 그 후 수 시간(바람직하게 3 내지 4 시간) 동안 1,625℉(885℃)에서 담가지고(soaked), 그 후 3.2 화씨온도/시간(1.7 섭씨온도/시간)으로 600℉(316℃)까지 냉각되며, 마지막으로 상온으로 냉각된다. 그 후 원하는 수의 플레이트가 유전체 접착제로 서로 접착되어 적층 구조를 형성한다. 일단 접착되면, 플레이트 적층 구조는 초음파 혼 또는 초음파 혼이 장착되는 지지 블록에 연결된다. 현시점에서 바람직한 방법에서, 접착은 혼 또는 블록의 표면에 은 납땜 재료로 변환기를 납땜하여 이루어진다.
변환기 루프는 전기 전도성 와이어로 이루어진 코일로 권취되고, 감지 루프가 존재하는 경우, 감지 루프도 마찬가지로 전기 전도성 와이어로 권취된다. 변환기 루프 둘레의 권취부(winding)는 배열되고 배치되어 권취부에 걸쳐 변화 전압(varying voltage)이 가해지는 경우 루프에서 자기 변형 진동을 생성한다. 최대 결과를 위해, 변환기 루프 둘레의 권취부는 바람직하게 루프의 하나의 종방향 섹션 둘레의 코일이 다른 종방향 섹션 둘레의 코일의 방향과 반대 방향으로 권취된다. 전압이 양쪽 권취부에 인가되면 결과 전류(resulting current)에서 유발되는 자극성(magnetic polarities)이 반대 방향에 있고 자기 변형력이 루프의 종방향 치수에 평행한 방향에서 만들어진다. 감지 루프가 존재하는 경우, 감지 루프의 두 측부 둘레의 권취부는 바람직하게 한쪽 측부를 둘러싸고 다른 측부로 이어지는 단일 권취부이며, 이렇게 하여 두 측부 둘레의 권취부가 연속하게 된다. 감지 루프의 양쪽 측부는 같은 자극성을 가지도록 바람직하게 권취되고 감지 자석은 감지 루프에서 자기장 진동을 발생시키는 역 자기 변형 효과로 구동 자석에 의해 생성되는 진동에 전체적으로 반응할 것이다. 이러한 자기장 진동은 차례로 감지 루프 둘레의 코일에서 전압 진동을 생성한다. 전압 진동은 제어기에 전달되어 목표 값과 비교될 수 있다.
초음파 혼은 일반적으로 초음파 혼에 대한 선행 기술 분야에서 알려진 종래의 어떠한 형상 및 크기로도 이루어질 수 있다. 혼은 예를 들어 바람직하게는 원형 단면을 갖는 막대형일 수 있고, 약 5 cm 내지 약 100 cm, 반응기 크기에 따라 바람직하게 약 10 cm 내지 약 50 cm의 적합한 길이를 가질 수 있으며, 약 3 cm 내지 약 30 cm, 바람직하게 약 5 cm 내지 약 15 cm의 직경을 가질 수 있다. 초음파 변환기 루프는 혼에 동작적으로 결합되는데, 다시 말해 루프의 기계적인 진동을 혼에 전달하는 물리적 연결에 의해 결합된다. 혼의 재료가 되는 금속은 초음파 기술 분야에서 잘 알려져 있다. 철, 스테인리스 철, 니켈, 알루미늄, 티타늄, 구리 및 이러한 금속들의 다양한 합금을 예로 들 수 있다. 알루미늄과 티타늄이 바람직하 다.
변환기는 어떠한 진동 전압에 의해서라도 전력을 공급받을 수 있다. 진동은 예를 들어 정현(sinusoidal) 파형에서 방형(rectangular) 파형까지 어떠한 파형으로라도 가정될 수 있다. "방형 파형"이라 함은 전압이 계단상으로 변화하는 상태로 일정한 양의(positive) 값과 기준값 사이에서 교번하는 직류 전압을 의미한다. 본 발명의 실시에 있어서 바람직한 방형 파형은 기준값이 영(zero) 전압이라기 보다는 음 전압이고, 바람직하게 교차하는 양 전압과 음 전압이 같은 크기를 갖는다. 바람직한 전압 진폭은 약 140 볼트 내지 약 300 볼트이고, 약 220 볼트 단일 위상(single-phase)이 가장 바람직하며, 바람직한 와트수는 약 12 킬로와트 내지 약 20 킬로와트이다. 전압 진동의 진동수는 원하는 초음파 진동수를 얻기 위해 선택될 것이다. 바람직한 진동수는 약 10 내지 약 30 킬로헤르츠, 가장 바람직하게는 약 17 내지 약 20 킬로헤르츠이다.
본 발명에 따른 초음파 변환기는 이용 중에 냉각되는 경우 가장 효과적으로 기능한다. 변환기 루프의 냉각과 감지 루프가 존재하는 경우 감지 루프의 냉각은, 냉각재가 지나가고 순환하는 재킷(jacket) 또는 하우징에 이러한 루프를 봉입함으로써 편리하게 이루어질 수 있다. 초음파 발생기는 용기 내부로 돌출된 초음파 혼과 함께 반응 용기에 장착되고 변환기, 감지기 및 냉각재 재킷은 용기 바깥쪽에 있다. 물이 일반적으로 효과적이고 편리한 냉각 매체이다.
본 발명에 따른 초음파 발생기는 배치식(batch-wise) 반응을 촉진하기(promote) 위한 배치 반응기 또는 연속적인 방식으로 수행되는 반응을 위한 연속 -흐름 반응기 모두에서 이용될 수 있다. 연속-흐름 반응기가 바람직하다.
본 발명이 다양하게 구현되고 다양한 구조를 가질 여지가 있지만, 특정 실시예에 대한 상세한 검토는 본 발명의 개념과 본 발명이 어떻게 적용되는지에 대한 완전한 이해를 제공할 것이다. 이러한 실시예가 도면에 도시되었다.
도 1은 연속 흐름 반응기(11)의 횡단면도로서 흐르는 반응 매체가 본 발명에 따라 초음파에 노출되어있다. 반응기는 처리되지 않은 반응 매체의 도입을 위한 입구 포트(entry port)(13)와 처리된 반응 매체가 챔버에서 유출되는 통로인 출구 포트(exit port)를 갖는 반응 챔버(12)로 구성되며, 출구 포트 중 두 개(14, 15)가 도시되어 있으며, 이들을 통해 처리된 반응 매체가 챔버를 떠나게 된다. 초음파 혼(16)이 반응기에 장착되는데, 초음파 혼의 원위 단부(distal end)(17)는 반응 챔버(12) 내부로 연장된다. 혼의 근위 단부(proximal end)(18)는 연결 블록(21)에 연결되어 차례로 초음파 변환기(22)에 연결된다. 연결 블록(21)은 변환기(22)로부터 혼(16)으로의 진동 전달 수단으로 이용되고, 변환기(22)에 의해 생성된 초음파 진동의 진폭을 증가시키기 위한 부스터 및 도파관(waveguide)으로 이용된다. 변환기(22)는 정션 박스(junction box)(23)를 통해 전원, 증폭기, 제어기를 포함하는 전기 전력 유닛(24)에 연결된다.
이 실시예에서 초음파 변환기(22)는 세장형 루프이고, 직선형이고 평행하며 각각 연결 섹션(33, 34)에 의해 상하에서 연결되는 두 개의 종방향 측부(31, 32)를 가진다. 루프에 결합된 권취부는 종방향 섹션을 둘러싸고 도 3 및 4에 도시되어 있으며, 아래에서 설명된다. 감지 루프가 포함될 수 있으나 감지 루프가 변환기 루프(22)와 같은 프로필을 가지므로 도면에서는 보이지 않는다. 변환기 루프(22)와 블록(21)의 상측 단부는 반응기 바깥쪽의 하우징(35) 내에 봉입된다. 냉각재는 연속적으로 하우징을 통과하여 지나가는데, 입력 포트(36)를 통해 들어가고 출력 포트(37)를 통해 나간다.
반응기 입력 포트(13)에 들어가는 액체 반응 혼합물은 연속적이고 일정한 흐름으로 데드 볼륨(dead volume)이 거의 또는 전혀 없이 초음파 혼의 원위 단부(17)의 표면을 가로질러 바깥쪽으로 흐른다. 혼(16)은 평평한 원위 단부(17)를 가지는 실린더형이고, 본 발명의 범위 내에서 치수가 다양할 수 있기는 하지만, 원위 단부는 바람직하게 약 3 cm 내지 약 30 cm, 가장 바람직하게 약 5 cm 내지 약 15 cm의 직경을 가지는 원형이다. 비록 대부분의 용례에서 최적 결과를 위해 간극 폭은 3.0 cm 이하이고, 바람직하게는 2.0 cm 이하, 가장 바람직하게는 1.5 cm 이하이지만, 반응 챔버의 저부(39)와 혼의 원위 단부(17) 사이의 간극(38)은 마찬가지로 다양할 수 있다. 바람직하게, 최소 간극 폭은 0.5 cm이고, 가장 바람직하게는 1.0 cm이다. 혼의 원위 단부(17) 표면적의 반응 챔버 체적에 대한 비율은 바람직하게 약 0.5 cm-1 이상이고 가장 바람직하게는 약 0.5 cm-1 내지 약 5 cm- 1 이다. 현시점에서 의 바람직한 실시예에서, 원위 단부는 직경이 약 3.0 인치(7.6 cm)이고, 간극은 약 0.5인치(1.3 cm)이다. 반응 챔버(12), 초음파 혼(16) 및 연결 블록(21)은 특정 형상으로 제한되지 않지만, 가장 편리하고 경제적으로는 공통 축선(40)을 중심으로 회전하는 부재처럼 형성된다.
도 2는 초음파 변환기(22), 감지 자석(41) 및 연결 블록(21)의 접촉 표면의 상면도이다. 감지 자석(41)의 프로필은 변환기(22)의 프로필과 동일하며, 다시 말해 감지 자석이 더 얇은 두께를 가지기는 하지만 양쪽 모두 같은 높이와 같은 폭의 루프이다. 변환기와 감지 자석 모두 자기 변형 재료로 이루어지며 유전체 접착제(44)로 서로 접착되어 있는 얇은 금속 플레이트(42, 43)의 적층 구조로 형성된다. 변환기(22)의 플레이트는 간극(47)에 의해 나뉘는 두 개의 그룹(45, 46)으로 분할되어 순환 냉각재와 접촉하기 위한 추가적인 표면적을 제공하여 냉각을 촉진하도록 한다.
도 3, 4 및 5에는 권취부의 측면도가 도시되어 있다. 도 3은 플레이트 적층 구조의 에지(edge)를 도시하는 반면에 도 4 및 5는 플레이트 적층 구조의 넓은 표면을 도시한다.
변환기 루프 둘레의 권취부는 도 3 및 4에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 루프의 각 측부 둘레의 권취부는 루프의 다른 측부 둘레의 권취부와 이격하며, 각 측부는 적층 구조의 플레이트 그룹(45, 46) 모두를 둘러싸는 단일 권취부를 가진다. 따라서, 와이어의 단일 코일(48)은 루프의 왼편 측부(49)를 형성하는 모든 플레이트를 둘러싸고(도 5), 그렇게 함에 있어서 플레이트의 두 개의 그룹 사이의 간극(47)을 메우며, 독립적인 또 다른 단일 코일(50)은 오른편 측부(51)을 형성하는 모든 플레이트를 둘러싸며, 마찬가지로 간극(47)을 메운다. 두 개의 코일(48, 50)은 반대 방향으로 권취되고, 루프의 어느 측부에서 그 측부를 둘러싸는 권취부에서의 전류에 의해 발생되는 자극성이, 화살표(52)에 의해 지시되는 방향에서 자 기 변형력이 생성되면서 다른 측부에서 생성되는 자극성과 반대가 되도록 전압이 인가된다.
감지 루프(41) 둘레의 권취부는 도 3 및 도 5에서 도시된다. 연속적인 권취부(53)가 이용되며 루프의 어느 측부를 둘러싸고 다른 측부로 연속된다. 이러한 권취의 경우, 구동 자석에 의해 발생되는 변화하는 자기장이 실질적인 자기 변형 효과없이 자기 유도에 의해 권취부에서 전압을 만들어낸다.
전력 공급 장치, 증폭기, 제어기를 포함하는 전력 요소는 상업용 공급 장치에서 이용가능하고 상술한 기능을 수행하는데 적합한 종래의 요소이다. 현시점에서의 바람직한 실시예에서, 출력 DAC(디지털/아날로그 컨버터)를 가진 Advantek 712 또는 Agilent 33220A 같은 컴퓨터 제어 임의(arbitrary) 파형 발생기, 또는 8038 집적 회로 칩(8038 integrated circuit chip)으로 마이크로 프로세서 구동, 설계된 전압 제어 파형 발생기가 이용된다. 임의 파형 발생기는 마이크로프로세서 상의 출력 DAC에 의해 또는 LabVIEW®(미국 오스틴 텍사스 National Instruments Corporation) 컴퓨터의 기능에 의해 자동 조율되며(auto-tuned), 펄스 소프트웨어가 임의 파형 발생기를 제어하여 변환기 공명 진동수에 펄스 진동수를 맞추어서 초음파 출력을 최대로 한다. 양 및 음 펄스 성분은 자기 변형 효과를 최대화하는 전체 DC 요소를 제공하기 위해 맞추어질 수 있다. 마이크로프로세서 또는 LabVIEW® 컴퓨터에서 이용되는 다른 안전 특징구조는 전력 결함 및 전력 서지(surge)를 탐지하는 온도 센서를 포함한다.
바람직한 전력 요소는 전체 브릿지 전력 구성(bridge power configuration) 에서 IGBT(integrated gate bipolar transistor; 집적 게이트 양극성 트랜지스터)로 이루어진다. 전체 브릿지 전력 구성은 두 개의 하프-브릿지 푸쉬-풀 증폭기(half-bridge push-pull amplifier) 구성으로 형성된 네 개의 IGBT 트랜지스터를 이용한다. 각 하프 브릿지 섹션은 비대칭 직사각형 펄스 트레인에 의해 구동되며, 상기 트레인은 180도 위상차를 갖는다. 각 하프 브릿지 섹션을 구동하는 펄스의 대칭(즉, 양 및 음 펄스 성분의 상대적인 크기)은 최대 초음파 출력 전력을 위해 최적화될 수 있다. 각 IGBT는 광아이솔레이션 구동 트랜지스터(opto-isolation driving transistor)에 의해 신호 공급원에서 격리된다. 감지 요소는 감지 루프에서의 진동에 의해 발생되는 AC 리턴 신호를 측정한다. 듀얼 비대칭 출력 펄스의 진동수는 감지 루프에서의 편향을 감지하거나 초음파 변환기 루프에 전달되는 출력 전력을 감지하여 최적화된다.
전술한 바는 주로 설명을 위한 예시를 목적으로 한다. 장치나 시스템의 구성 요소, 배열, 이용되는 재료, 작동 조건 및 본원에 개시된 다른 특징에 대한 추가적인 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 본 기술 분야의 당업자에게 명백할 것이다.

Claims (43)

  1. 초음파 진동 발생 장치로서,
    초음파 혼,
    상기 초음파 혼에 작동적으로 연결되어 기계적인 진동을 발생시키고 발생된 진동을 상기 초음파 혼에 전달하는 자기 변형 재료로 이루어진 루프형 초음파 변환기로서, 구동 코일에 걸쳐 전압이 인가되는 것에 반응하여 상기 초음파 변환기에서 자기 변형력을 생성하도록 배열된 상기 구동 코일로 권취된 것인 루프형 초음파 변환기, 및
    주기적으로 변화하는 전압을 상기 구동 코일에 걸쳐 인가하기 위한 전원
    을 포함하는 것인 초음파 진동 발생 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 초음파 변환기는 폭보다 길이가 길고, 양 단부에서 연결되는 두 개의 평행 종방향 섹션을 포함하는 것인 초음파 진동 발생 장치.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 종방향 섹션은 약 0.5cm 내지 5cm의 간극으로 이격되는 것인 초음파 진동 발생 장치.
  4. 청구항 2에 있어서, 상기 종방향 섹션은 약 1cm 내지 약 3cm의 간극으로 이격되는 것인 초음파 진동 발생 장치.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 초음파 변환기는 유전체 재료로 이루어진 층과 교대로 위치하는 자기 변형 재료로 이루어진 복수의 플레이트를 포함하는 것인 초음파 진동 발생 장치.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 초음파 변환기는 유전체 수지로 이루어진 층과 교대로 위치하는 자기 변형 재료로 이루어진 50 내지 1000개의 플레이트를 포함하고, 각각의 플레이트는 약 4미크론 내지 약 400미크론의 두께를 가지는 것인 초음파 진동 발생 장치.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 초음파 변환기는 유전체 수지로 이루어진 층과 교대로 위치하는 자기 변형 재료로 이루어진 100 내지 400개의 플레이트를 포함하고, 각각의 플레이트는 약 50미크론 내지 약 250미크론의 두께를 가지는 것인 초음파 진동 발생 장치.
  8. 청구항 6에 있어서, 상기 각각의 플레이트는 약 5cm 내지 약 50cm의 길이를 가지는 것인 초음파 진동 발생 장치.
  9. 청구항 6에 있어서, 상기 각각의 플레이트는 약 9cm 내지 약 30cm의 길이를 가지는 것인 초음파 진동 발생 장치.
  10. 청구항 2에 있어서, 상기 구동 코일은 하나의 종방향 섹션 둘레를 권취하는 제1 구동 코일 및 다른 종방향 섹션 둘레를 권취하는 제2 구동 코일을 포함하고, 상기 제1 및 제2 구동 코일은 반대 방향으로 권취되는 것인 초음파 진동 발생 장치.
  11. 청구항 1에 있어서, 상기 초음파 변환기는 은 납땜 합금으로 납땜하여 상기 초음파 혼에 연결되는 것인 초음파 진동 발생 장치.
  12. 청구항 1에 있어서, 상기 주기적으로 변화하는 전압은 약 10 내지 약 30kHz의 진동수의 펄스상(pulsewise) 전압인 것인 초음파 진동 발생 장치.
  13. 청구항 1에 있어서, 상기 주기적으로 변화하는 전압은 약 10 내지 약 30kHz의 진동수와 약 12 내지 20kW의 와트수의 펄스상 전압인 것인 초음파 진동 발생 장치.
  14. 청구항 1에 있어서, 감지 코일로 권취된 자기 변형 재료로 이루어진 감지 자석을 더 포함하고, 상기 감지 자석은 상기 초음파 변환기에서의 진동이 상기 감지 자석에 전달되고 상기 코일에서 진동 전압을 발생시키도록 배열되는 것인 초음파 진동 발생 장치.
  15. 청구항 14에 있어서, 상기 감지 자석은 루프형이고 상기 초음파 변환기와 상기 감지 자석은 모두 평행한 종방향 섹션으로 연장되고, 상기 감지 자석의 종방향 섹션은 상기 초음파 변환기의 종방향 섹션과 길이가 거의 동일한 것인 초음파 진동 발생 장치.
  16. 액체 재료를 초음파로 연속적으로 처리하는 흐름 반응기로서,
    입력 및 출력 포트를 가진 반응 용기,
    상기 반응 용기에 장착되고 상기 반응 용기의 내부로 연장되는 초음파 혼,
    상기 초음파 혼에 작동적으로 연결되어 기계적인 진동을 발생시키고 발생된 진동을 상기 초음파 혼에 전달하는 자기 변형 재료로 이루어진 루프형 초음파 변환기로서, 구동 코일에 걸쳐 전압이 인가되는 것에 반응하여 상기 초음파 변환기에서 자기 변형력을 생성하도록 배열된 상기 구동 코일로 권취된 것인 루프형 초음파 변환기, 및
    주기적으로 변화하는 전압을 상기 구동 코일에 걸쳐 인가하기 위한 전원
    을 포함하는 것인 흐름 반응기.
  17. 청구항 16에 있어서, 상기 초음파 변환기는 폭보다 길이가 길고, 양 단부에서 연결되는 두 개의 평행 종방향 섹션을 포함하는 것인 흐름 반응기.
  18. 청구항 17에 있어서, 상기 종방향 섹션은 약 0.5cm 내지 5cm의 간극으로 이격되는 것인 흐름 반응기.
  19. 청구항 17에 있어서, 상기 종방향 섹션은 약 1cm 내지 약 3cm의 간극으로 이격되는 것인 흐름 반응기.
  20. 청구항 16에 있어서, 상기 초음파 변환기는 유전체 재료로 이루어진 층과 교대로 위치하는 자기 변형 재료로 이루어진 복수의 플레이트를 포함하는 것인 흐름 반응기.
  21. 청구항 16에 있어서, 상기 초음파 변환기는 유전체 수지로 이루어진 층과 교대로 위치하는 자기 변형 재료로 이루어진 50 내지 1000개의 플레이트를 포함하고, 각각의 플레이트는 약 4미크론 내지 약 400미크론의 두께를 가지는 것인 흐름 반응기.
  22. 청구항 16에 있어서, 상기 초음파 변환기는 유전체 수지로 이루어진 층과 교대로 위치하는 자기 변형 재료로 이루어진 100 내지 400개의 플레이트를 포함하고, 각각의 플레이트는 약 50미크론 내지 약 250미크론의 두께를 가지는 것인 흐름 반응기.
  23. 청구항 21에 있어서, 상기 각각의 플레이트는 약 5cm 내지 약 50cm의 길이를 가지는 것인 흐름 반응기.
  24. 청구항 21에 있어서, 상기 각각의 플레이트는 약 9cm 내지 약 30cm의 길이를 가지는 것인 흐름 반응기.
  25. 청구항 17에 있어서, 상기 구동 코일은 하나의 종방향 섹션 둘레를 권취하는 제1 구동 코일 및 다른 종방향 섹션 둘레를 권취하는 제2 구동 코일을 포함하고, 상기 제1 및 제2 구동 코일은 반대 방향으로 권취되는 것인 흐름 반응기.
  26. 청구항 16에 있어서, 상기 초음파 변환기는 은 납땜 합금으로 납땜하여 상기 초음파 혼에 연결되는 것인 흐름 반응기.
  27. 청구항 16에 있어서, 상기 주기적으로 변화하는 전압은 약 10 내지 약 30kHz의 진동수의 펄스상 전압인 것인 흐름 반응기.
  28. 청구항 16에 있어서, 상기 주기적으로 변화하는 전압은 약 10 내지 약 30kHz의 진동수와 약 12 내지 20kW의 와트수의 펄스상 전압인 것인 흐름 반응기.
  29. 청구항 16에 있어서, 감지 코일로 권취된 자기 변형 재료로 이루어진 감지 자석을 더 포함하고, 상기 감지 자석은 상기 초음파 변환기에서의 진동이 상기 감지 자석에 전달되고 상기 코일에서 진동 전압을 발생시키도록 배열되는 것인 흐름 반응기.
  30. 청구항 29에 있어서, 상기 감지 자석은 루프형이고 상기 초음파 변환기와 상기 감지 자석은 모두 평행한 종방향 섹션으로 연장되고, 상기 감지 자석의 종방향 섹션은 상기 초음파 변환기의 종방향 섹션과 길이가 거의 동일한 것인 흐름 반응기.
  31. 초음파로 개선된 화학 반응을 수행하는 방법으로서,
    반응될 재료를 액상으로 초음파 챔버를 통과하게 하는 단계로서, 상기 재료는 초음파 변환기에서 발생된 초음파에 노출되고, 상기 초음파 변환기는 상기 초음파 혼에 작동적으로 연결되어 기계적인 진동을 발생시키고 발생된 진동을 상기 초음파 혼에 전달하는 자기 변형 재료로 이루어진 루프형 초음파 변환기로서, 구동 코일에 걸쳐 전압이 인가되는 것에 반응하여 상기 초음파 변환기에서 자기 변형력을 생성하도록 배열된 상기 구동 코일로 권취된 것인 루프형 초음파 변환기를 포함하는 것인 단계, 및
    상기 구동 코일에 걸쳐 주기적으로 변화하는 전압을 인가하는 단계
    를 포함하는 것인 초음파로 개선된 화학 반응을 수행하는 방법.
  32. 청구항 31에 있어서, 상기 초음파 변환기는 폭보다 길이가 길고, 양 단부에서 연결되는 두 개의 평행 종방향 섹션을 포함하는 것인 초음파로 개선된 화학 반응을 수행하는 방법.
  33. 청구항 32에 있어서, 상기 종방향 섹션은 약 0.5cm 내지 5cm의 간극으로 이격되는 것인 초음파로 개선된 화학 반응을 수행하는 방법.
  34. 청구항 32에 있어서, 상기 종방향 섹션은 약 1cm 내지 약 3cm의 간극으로 이격되는 것인 초음파로 개선된 화학 반응을 수행하는 방법.
  35. 청구항 31에 있어서, 상기 초음파 변환기는 유전체 재료로 이루어진 층과 교대로 위치하는 자기 변형 재료로 이루어진 복수의 플레이트를 포함하는 것인 초음파로 개선된 화학 반응을 수행하는 방법.
  36. 청구항 31에 있어서, 상기 초음파 변환기는 유전체 수지로 이루어진 층과 교대로 위치하는 자기 변형 재료로 이루어진 50 내지 1000개의 플레이트를 포함하고, 각각의 플레이트는 약 4미크론 내지 약 400미크론의 두께를 가지는 것인 초음파로 개선된 화학 반응을 수행하는 방법.
  37. 청구항 31에 있어서, 상기 초음파 변환기는 유전체 수지로 이루어진 층과 교 대로 위치하는 자기 변형 재료로 이루어진 100 내지 400개의 플레이트를 포함하고, 각각의 플레이트는 약 50미크론 내지 약 250미크론의 두께를 가지는 것인 초음파로 개선된 화학 반응을 수행하는 방법.
  38. 청구항 36에 있어서, 상기 각각의 플레이트는 약 5cm 내지 약 50cm의 길이를 가지는 것인 초음파로 개선된 화학 반응을 수행하는 방법.
  39. 청구항 36에 있어서, 상기 각각의 플레이트는 약 9cm 내지 약 30cm의 길이를 가지는 것인 초음파로 개선된 화학 반응을 수행하는 방법.
  40. 청구항 32에 있어서, 상기 구동 코일은 하나의 종방향 섹션 둘레를 권취하는 제1 구동 코일 및 다른 종방향 섹션 둘레를 권취하는 제2 구동 코일을 포함하고, 상기 제1 및 제2 구동 코일은 반대 방향으로 권취되는 것인 초음파로 개선된 화학 반응을 수행하는 방법.
  41. 청구항 31에 있어서, 약 10 내지 약 30kHz의 진동수의 펄스방식으로 상기 전압을 주기적으로 변화시키는 단계를 포함하는 것인 초음파로 개선된 화학 반응을 수행하는 방법.
  42. 청구항 31에 있어서, 약 10 내지 약 30kHz의 진동수와 약 12 내지 약 20kW의 와트수의 펄스방식으로 상기 전압을 주기적으로 변화시키는 단계를 포함하는 것인 초음파로 개선된 화학 반응을 수행하는 방법.
  43. 청구항 31에 있어서, 감지 코일로 권취된 자기 변형 재료로 이루어진 감지 자석으로 상기 초음파 변환기에서의 진동을 감지하는 단계, 상기 감지 코일에서 진동 전압을 발생시키는 단계, 및 상기 진동 전압을 제어기에 전달하는 단계를 더 포함하는 것인 초음파로 개선된 화학 반응을 수행하는 방법.
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