KR20090094114A - 초음파 처리 챔버 및 방법 - Google Patents

초음파 처리 챔버 및 방법

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토머스 데이비드 앨러트
잔 게빈 맥도널드
얼 씨. 맥크로
패트릭 션 맥니콜스
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킴벌리-클라크 월드와이드, 인크.
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Abstract

열전도율을 갖는 액체를 초음파 처리하기 위한 장치(21) 및 방법에 있어서, 기다란 처리 챔버 하우징(55)은 입구(69a, 69b)로부터 출구(65)로 챔버의 내부 공간(53)을 통해 종방향으로 액체가 흐르도록 입구(69a, 69b) 및 출구(65)를 갖는다. 챔버 하우징의 내부 공간(53)의 적어도 일부는 액체보다 실질적으로 큰 열전도율을 갖는 입자층(24)으로 충진되며, 상기 입자의 열전도율에 대한 상기 액체의 열전도율의 비는 2:1 내지 400:1의 범위에 있다. 기다란 초음파 도파관 조립체(101)는 하우징의 내부 공간(53) 내에 종방향으로 연장되며, 액체가 입자층을 통해 흐름에 따라 하우징 내로 흐르는 액체와 직접 접촉하여 상기 하우징 내에서 기계적 초음파 진동을 발생시키도록 소정의 초음파 주파수로 작동가능하다.

Description

초음파 처리 챔버 및 방법{ULTRASONIC LIQUID TREATMENT SYSTEM}
본 발명은 액체를 초음파 처리, 특히 미립자 물질이 존재하는 처리 챔버 내에서 흐르는 액체를 초음파 처리하기 위한 장치에 관한 것이다.
액체 반응 또는 처리 챔버는 단일 성분 액체, 액체-액체 반응 및/또는 혼합, 액체-기체 반응 및/또는 혼합 그리고 액체-미립자 반응 및/또는 혼합 등의 액체의 처리를 강화하기 위해 많이 적용된다. 예를 들면, 잉크, 페인트 및 다른 점성 물질을 제형할 때, 적용가능한 용액을 형성하는 처리 챔버 내에서 2가지 이상의 성분(적어도 하나는 액체)이 함께 혼합된다. 다른 예로는, 특정 반응을 촉진시키도록 챔버 내에 각종 액체 및 기체를 동시에 도입하는 것이다. 몇몇을 언급한다면, 이는 공기 및/또는 산소 및/또는 오존 등의 기체의 도입과 함께 챔버 내로의 물의 흐름을 포함할 것이다. 또한, 이러한 챔버는 과산화수소의 분해, 유탁액 중합 반응 및 유탁액 중합 메커니즘에 대한 유탁액 형성 등의 각종 화학반응을 유도하는데 이용될 수 있다.
다른 적용에서, 처리 챔버는 액체 흐름 내의 입자를 탈응집하는데 이용될 수 있다. 이는 잉크 제형에 사용되는 안료 등의 나노입자를 탈응집하는 것이다. 또한, 이러한 나노-안료 입자를 이용하여 잉크를 동시에 제형한다. 이러한 장치는 초음파 챔버 내의 유체 또는 유체/기체 또는 유체/기체/고체 장치의 특정 반응을 촉진시키도록 UV 광에 동시 노출시킬 수 있다. 다른 적용으로는, 사용을 위해 분배하는 분말/액체 및 액체로 이루어진 약학 제형을 마련하는데 혼합 장치를 이용하는 의학 분야가 있다.
반응 또는 처리 챔버의 다수의 적용에 있어서, 소정의 처리 중 일부는 챔버 내에서 흐르는 액체가 소정의 반응, 예컨대 단일 액체 반응, 액체-액체 반응, 액체-기체 반응 또는 액체-고체(예컨대, 입자) 반응을 야기하도록 실질적인 열을 받게 한다. 다른 적용에 있어서, 챔버는 기다란 칼럼 또는 챔버 내에서 액체를 교반하는 몇몇의 교반 기구(agitating mechanism)를 구비하는 것이 종종 유리하다. 액체를 교반함으로써, 소정의 반응(예컨대, 혼합 또는 다른 결과)이 촉진될 수 있으므로, 연속적인 흐름 작동에서 성취될 수 있다. 그 결과, 이러한 교반을 촉진시키는 처리 챔버는 연속적인 흐름 처리 공정에서 특히 유용하다.
액체의 교반은 칼럼을 통해 하나 이상의 액체 성분의 특정 흐름 변수(예컨대, 유량, 압력 등)에 의해 교반이 발생되는 정적 교반(static agitation)으로 지칭될 수 있다. 또한, 정적 교반은 처리되는 액체의 흐름을 분열시켜서 난류화시키는 흐름 칼럼 또는 챔버 내에 배치된 헬리컬 베인 타입의 구성 또는 다른 구조체 등의 고정형 교반 부재를 지나 액체의 흐름을 지향시킴으로써 발생할 수 있다. 동적 교반(dynamic agitation)은 액체가 흐르는 처리 챔버 내의 하나 이상의 교반 부재(예컨대, 베인, 팬 날개 등)를 이동, 예컨대 회전, 요동, 진동시킴으로써 발생된다.
액체의 동적 교반에서 특정 유용한 타입은 액체 내에서 초음파 캐비테이션(ultrasonic cavitation)으로부터 더욱 강한 교반을 일으킨다. 초음파 캐비테이션은 초음파 통전으로 인한 액체 내의 기포의 형성, 성장 및 폭발성 붕괴를 지칭한다. 이러한 캐비테이션은 부유 미립자 물질 또는 캐비테이션 이전의 순간적인 미소기포 내의 가스 충진된 틈 등의 액체 내의 기존의 연약점(pre-existing weak points)을 발생시킨다. 초음파가 액체를 통과함에 따라, 팽창 사이클은 액체 상에 부압을 발휘하여, 분자들을 서로 멀리 끌어당긴다. 초음파 에너지가 충분히 강한 경우에, 부압이 액체의 국부 인장 강도를 초과하면 팽창 사이클은 액체 내에 공동을 형성하므로, 액체의 타입 및 순도에 따라 변화한다.
초기 공동에 의해 형성된 작은 기포는 초음파 에너지의 또다른 흡착 시에 성장한다. 적절한 조건 하에서, 이들 기포는 강하게 붕괴되어, 매우 높은 압력 및 온도를 발생시킨다. 음향 화학(sonochemistry)으로 불리는 몇 가지의 분야에서, 화학반응은 캐비테이션에 의해 발생하는 높은 압력 및 온도를 이용한다. 그러나, 기포의 성장 및 강한 붕괴는 액체의 바람직하게 강한 교반을 제공한다. 초음파 통전된 액체와 고체 표면 사이의 계면에서 발생하는 캐비테이션은 비대칭이며 액체의 높은 속도 제트를 발생시키므로, 액체를 더욱 교반시킨다. 이러한 타입의 캐비테이션은, 예컨대 2가지 이상의 성분의 수용액을 보다 완전하게 혼합하는 것을 촉진시킬 때 특히 유용하다.
예컨대, 유동층 반응기(fluidized bed reactor)의 방식에서 몇몇의 처리 챔버가 입자층(bed of particles)으로 채워지는 것이 공지되어 있다. 이에 따라, 입자는 처리 챔버 내의 액체의 유동 경로에 있으므로, 액체의 처리를 촉진시킨다. 그러나, 이러한 입자가 챔버 내에 존재하면, 챔버는 입자가 흐르는 액체에 의해 챔버 외부로 이송(또는 강제)되는 것을 방지하도록 구성되어야 한다. 예를 들면, 액체를 제외한 입자를 챔버로부터 배출되는 것을 차단하도록 챔버의 출구를 스크린 요소가 차단할 수 있다. 이러한 스크린 요소가 효과적일 수 있지만, 입자가 응집하거나 스크린 상에 고착하여 챔버 외부로의 액체의 유속을 감소시킴으로써, 챔버 내의 압력을 증가시키는 위험이 있다.
따라서, 특히 이러한 처리 챔버에 입자가 사용되는 경우에 흐르는 액체를 처리하는 초음파 캐비테이션의 이점을 이용하는 한편, 처리 챔버의 소정의 작동 및 환경 조건을 유지 및 성취하는 연속적인 흐름 초음파 액체 처리 챔버(continuous flow ultrasonic liquid treatment chamber)에 대한 필요성이 있다.
도 1은 액체를 초음파 처리하는 장치의 일 실시예에 따른 개략도,
도 2는 도 1의 장치의 초음파 처리 챔버의 측면도로서, 입자층이 처리 챔버로부터 생략된 상태임,
도 3은 도 2의 초음파 처리 챔버의 종단면도(수직 단면도),
도 3A는 도 3의 단면도의 일부의 확대도,
도 3B는 도 2의 초음파 처리 챔버의 하우징의 일부를 형성하는 칼라의 평면도,
도 4는 호른 조립체의 변형 실시예의 정면 사시도,
도 5는 액체를 초음파 처리하기 위한 방법의 일 실시예에 따른 작동 동안의, 도 3과 유사한 초음파 처리 챔버의 개략적인 단면도..
상응하는 참조번호는 도면을 통해 상응하는 부품을 지칭한다.
일 실시예에 있어서, 열전도율을 갖는 액체를 초음파 처리하기 위한 초음파 처리 챔버는, 일반적으로 종방향 대향 단부와 내부 공간을 갖는 기다란 하우징을 포함한다. 상기 하우징은 상기 종방향 단부에 근접하고, 상기 액체를 상기 하우징의 내부 공간 내에 수용하기 위한 입구 포트와, 상기 하우징으로부터 상기 액체를 배출하여 상기 액체를 초음파 처리하는 출구 포트를 갖는다. 상기 출구 포트는 상기 하우징의 내부 공간 내에서 상기 입구 포트로부터 상기 출구 포트로 액체가 종방향으로 흐르도록 상기 입구 포트로부터 종방향으로 이격된다. 기다란 초음파 도파관 조립체(elongate ultrasonic waveguide assembly)는 상기 하우징의 내부 공간 내에 종방향으로 연장되며 상기 하우징 내에서 흐르는 액체를 초음파 통전하도록 소정의 초음파 주파수로 작동가능하다. 상기 도파관 조립체는, 상기 하우징의 입구 포트와 출구 포트의 중간에 적어도 부분적으로 배치되며, 상기 입구 포트로부터 상기 출구 포트로 하우징 내로 흐르는 액체와의 접촉을 위해 위치된 외부면을 갖는 기다란 초음파 호른(elongate ultrasonic horn)을 포함한다. 또한, 상기 도파관 조립체와 상기 챔버 하우징 횡방향 중간에 있는 상기 하우징의 내부 공간 내에 입자층(a bed of particles)이 배치된다. 이들 입자는, 입자의 열전도율에 대한 액체의 열전도율의 비는 약 2:1 내지 약 400:1의 범위에 있도록, 상기 하우징 내에서 흐르는 액체보다 실질적으로 큰 열전도율을 갖는다.
일 실시예에 있어서, 초음파 처리 챔버 내에서 액체를 초음파 처리하기 위한 방법은, 일반적으로 챔버의 내부 공간의 적어도 일부를 액체의 열전도율보다 실질적으로 큰 열전도율을 갖는 입자층으로 충진하는 단계를 포함하며, 입자의 열전도율에 대한 액체의 열전도율의 비는 약 2:1 내지 약 400:1의 범위에 있다. 액체는 입자층을 통해 상기 하우징 내의 종방향 흐름을 위한 하우징 입구로부터 하우징 출구로 지향된다. 액체가 입자층을 통해 흐름에 따라 상기 하우징 내에서 흐르는 액체와 직접 접촉하여 상기 하우징 내에 기계적 초음파 진동(mechanical ultrasonic vibration)이 발생된다.
일 실시예에 있어서, 도 1을 참조하면, 액체를 초음파 처리하기 위한 장치는 기계적 진동 및 음향 정재파(acoustic standing wave)로 액체를 초음파 처리하도록 작동가능한 초음파 처리 챔버(21)를 포함한다. 본원에 사용된 바와 같은 용어 "액체(liquid)"는 단일 성분 액체, 액체-액체 혼합물과 같이 적어도 하나의 성분이 액체인 2가지 이상의 성분으로 이루어진 용액, 미립자 물질을 포함하는 액체-기체 혼합물 또는 액체, 또는 다른 점성 유체를 지칭한다.
초음파 처리 챔버(21)는 도 1에 개략적으로 도시되어 있으며, 액체가 챔버를 통과함에 따라 액체를 처리하기 위한 미립자 물질[본원에서 챔버 입자(24)로도 부름], 일반적으로 구형 비드 또는 입자로 적어도 팩킹되는 챔버인 팩킹층(packed bed) 또는 유동층 반응기로서 처리 챔버를 사용하는 것과 관련하여 더욱 기술된다. 도 1에 도시한 특정 실시예에 있어서, 수용액의 2가지 이상의 성분을 혼합하기 위해 초음파 처리 챔버(21)를 이용하도록 액체 처리 장치(23)를 구성한다.
예컨대, 초음파 처리 챔버(21)에 대한 혼합 용도의 몇 가지의 예로는, 이에 한정되지는 않지만, 플라스틱 산업에서의 혼합 수지 및 경화제; 표백제, 습윤 강도 증강제, 전분, 염료, 효소, 충진제, 안티 슬라임제, 실리콘 첨가물 등의 화학 첨가물와 펄프 슬러리의 혼합; 코팅용 점토 슬러리, 습윤 강도 수지 등의 중합 첨가물, 전분 현탁액, 실리콘 화합물, 로션, 충진 현탁액 등의 종이 및 티슈 산업에 사용되는 혼합물; 수지와 색소제, 충진제 및 다른 혼합물의 혼합; 음식 유상액(예컨대, 선블록 제품, 핸드 로션, 립스틱 화합물 등), 화장품, 세척제(오일과 물의 나노유상액), 약제 화합물 등의 유상액을 마련하기 위한 혼합 불가능한 상(immiscible phases)의 혼합; 헤어 염색제 등의 화장품을 형성하기 위한 색상제와 다른 화합물의 혼합; 표백제, 습윤 강도 증강제, 전분, 염료 등의 화학 첨가물과 펄프 슬러리의 혼합; 및 점토 슬러리와 같이 종이 및 티슈 산업에 사용되는 화합물의 혼합이 있다.
그러나, 초음파 액체 처리 챔버(21)는 혼합 이외에 미립자 물질층을 통해 액체를 적어도 부분적으로 통과시키는 단계가 액체의 소정의 처리를 포함하는 액체 초음파 처리 장치와 함께 사용될 수 있다. 비제한적인 예로서, 음식 공정 및 처리, 용액의 탈기(예컨대, 산소, 질소, 암모니아 등의 수용액으로부터 분해된 기체의 인출), 및 반응을 촉진하도록 화학반응에 여기(excitation)를 부여하는 음향 화학에서와 같은 화학반응의 강화가 있다.
추가적인 예로서, 후속적인 처리를 단순화하고 공극 형성을 감소하는 혼합물의 탈기; 초음파 에너지가 잉크(특히, 효소, 세제 또는 다른 화학물) 제거에 도움을 줄 수 있는 재활용된 제지 섬유의 탈잉크; 기체 및 슬러리 또는 액체를 혼합해야 하는 오일, 치즈 또는 다른 음식물의 수소화; 우유 및 다른 화합물의 균질화; 각종 첨가물 및 기포가 슬러리와 혼합될 필요가 있을 수 있는 폐수 및/또는 비료 처리; 윤활 혼합물, 가솔린 혼합물, 왁스 혼합물 등의 석유화학제품의 제조 및 석유화학제품에서 유도된 화합물의 제조; 반죽(예컨대, 글루텐 등의 파손을 개선시킬 수 있는 가루에 첨가될 작용제의 조합물의 혼합 또는 반죽 자체의 처리)의 처리가 있다. 또한, 초음파 처리 챔버(21)는 슬러리 등의 단일 또는 다수 상을 포함하는 화학 반응기 내에 사용될 수도 있다.
다른 용도로서, 초음파 처리 챔버(21)는 그라비어 코팅(gravure coating), 메이어 로드 코팅(mayer rod coating) 또는 용액으로부터 기포를 제거하는 것이 바람직한 다른 코팅 적용에서 사용되는 코팅 용액으로부터 가둬진 기포를 제거하는데 이용될 수 있다. 또한, 초음파 처리 챔버(21)는, 예컨대 챔버 입자가 흡착 물질을 포함하는 경우에 수용액으로부터 액체 또는 고체 물질을 제거하는데 이용될 수도 있다.
초음파 처리 챔버(21)의 추가적인 이점은, 액체가 챔버를 통과함에 따라 액체를 보다 균일하게 가열하고 제어한다는 점이다. 예를 들면, 챔버(21)를 통한 액체의 네어지 입력 및/또는 처리량(예컨대, 흐름율)에 의해 온도가 제어될 수 있다. 그 결과, 바이오리액터의 고속 발효(효소 또는 미생물)를 돕는 적당한 가열 등과 같이 추가적인 적용이 보다 쉽게 수행되므로, 고처리량의 저온 살균법을 위한 보다 높은 온도를 성취하고 훨씬 높은 온도 살균 프로세스 및 반응을 성취한다.
특히, 초음파 처리 챔버(21)는 액체의 초음파 처리가 인라인, 예컨대 유체가 챔버를 연속적으로 흐르는 연속적인 흐름 프로세스로 요구되는 액체 처리 장치에 사용되기에 적합하다. 그러나, 처리 챔버(21)는 연속적인 흐름 프로세스 대신에 배치 프로세스에 따라 액체를 처리하는 액체 처리 장치에 사용될 수 있으며, 이는 본 발명의 범위 내에 있는 것이다.
도 1에 도시한 실시예에 있어서, 초음파 처리 챔버(21)는 대체로 기다랗고 입구 단부(25)(도시한 실시예의 배향에서의 하단부) 및 출구 단부(27)(도시한 실시예의 배향에서의 상단부)를 갖는다. 상기 장치(23)는 그 입구 단부(25)에서 처리 챔버(21)에 유체를 도입하고, 챔버 내에 종방향으로 흐르고(예컨대, 도시한 실시예의 배향에서의 상측), 챔버의 출구 단부에서 챔버로부터 나오도록 구성된다.
용어 "상측(upper)" 및 "하측(lower)"은 각종 도면에 도시된 초음파 처리 챔버(21)의 수직 배향에 따라 본원에서 사용되며, 사용시에 챔버의 필요한 배향을 기술할 의도는 아니다. 즉, 각종 도면에 도시된 바와 같이 챔버의 출구 단부(27)가 입구 단부(25) 위에 있는 상태로 챔버(21)가 수직방향으로 배향되는 것이 가장 바람직하지만, 챔버는 입구 단부가 출구 단부 위에 있는 상태로 배향될 수 있거나, 또는 수직방향 이외의 다른 배향일 수 있으며, 이는 본 발명의 범위 내에 있는 것이다.
용어 "축방향(axial)" 및 "종방향(longitudinal)"은 챔버의 길이방향(예컨대 도시한 실시예에서 수직방향과 같은 단부 대 단부)을 방향적으로 지칭한다. 용어 "횡방향(transverse)", "측방향(lateral)" 및 "반경방향(radial)"은 축방향(예컨대, 종방향)에 수직한 방향을 언급한다. 용어 "내측(inner)" 및 "외측(outer)"은, 용어 "내측"이 챔버의 내부를 향한 방향(예컨대, 챔버의 종축을 향한 방향)을 지칭하며 용어 "외측"이 챔버의 외부를 향한 방향(예컨대, 챔버의 종축으로부터 멀어지는 방향)을 지칭하는 상태에서 초음파 처리 챔버의 축방향에 대한 횡방향을 언급하는데 사용된다.
초음파 처리 챔버(21)의 입구 단부(25)는 하나 이상의 액체 구성요소를 챔버(21)에 지향시키도록 작동가능한 적절한 전달 장치(29)와 유체식 연통한다. 예를 들면, 도 1의 도시된 처리 장치(23)에서, 전달 장치(29)는 대응하는 공급원(참조번호 "32"로서 도 1에 개략적으로 도시됨)으로부터 적절한 도관(참조번호 "33"으로서 도 1에 개략적으로 도시됨)을 거쳐 챔버(21)의 입구 단부(25)에 각각의 구성요소를 펌핑하도록 작동가능한 복수의 펌프(31)(예컨대, 함께 혼합되는 잉크 구성요소 각각을 위한 하나의 펌프)를 포함한다. 일례로서, 4개의 펌프(31), 구성요소 공급원 및 대응하는 도관(33)이 도 1에 도시된다.
본 발명의 범위를 벗어남이 없이, 전달 장치(29)는 4개 미만(1개) 또는 4개 이상의 성분을 처리 챔버(21)에 전달하도록 구성될 수 있다. 또한, 도 1에 도시되고 본원에 기술된 것 이외에 전달 장치는 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 초음파 처리 챔버(21)의 입구 단부(25)에 하나 이상의 성분을 전달하는데 이용될 수 있다.
도 2를 참조하면, 액체 처리 장치(23)의 초음파 처리 챔버(21)는, 챔버로 전달되는 액체가 입구 단부(25)로부터 출구 단부(27)로 흐르는 챔버의 내부 공간(53)을 형성하는 하우징(51)을 포함한다. 하우징(51)은 챔버(21)의 측벽(57)을 적어도 부분적으로 형성하는 기다란 튜브(55)를 포함하는 것이 바람직하다. 도시한 실시예에 있어서, 하우징(51)은 챔버(21)의 입구 단부(25)를 형성하도록 튜브(55)의 일 단부에 연결되어 그 상에 장착된 입구 칼라(61)를 더 포함한다.
또한, 하우징(51)은 측벽(57)의 종방향 대향 단부에 연결되어 실질적으로 폐쇄하며 처리 챔버(21)의 출구 단부(27)를 형성하도록 하나 이상의 출구 포트(65)(넓게는, 출구)를 갖는 차폐체(63)를 더 포함한다. 또한, 차폐체(63)는 함께 조립 유지되며 출구 포트(65)[예컨대, 챔버(21)의 내부 공간(53)과 출구 포트 사이]를 차단하는 스크린 요소(66)를 가져서, 챔버 입자(24)가 수용액과 함께 출구 포트를 통해 챔버 외부로 흐르는 것을 억제한다. 챔버(21)의 측벽(57)(예컨대, 기다란 튜브(55)에 의해 형성됨)은 칼라(61)와 차폐체(63)와 함께 챔버의 내부 공간(53)을 형성하는 내부면(67)을 갖는다.
도시한 실시예에 있어서, 튜브(55)는 챔버 측벽(57)의 단면이 대체로 환형이 되도록 원통형이다. 그러나, 챔버 측벽(57)의 단면은 환형이 아니라 다각형 또는 다른 적절한 형상 등일 수 있으며, 이는 본 발명의 범위 내에 있다. 재료가 챔버 내에서 처리되는 액체 성분, 챔버를 작동하도록 의도된 압력 및 온도 등의 챔버 내의 다른 환경 조건과 호환가능하기만 하면 임의의 적절한 재료가 사용될 수 있더라도, 도시한 챔버(21)의 챔버 측벽(57)은 투명한 재료로 구성되는 것이 바람직하다.
도 3B를 참조하면, 챔버(21)의 입구 단부(25)에 있는 입구 칼라(61)는 대체로 환형이며, 챔버(21)의 내부 공간(53) 내로 액체 용액 성분을 수용하도록 형성된 하나 이상, 보다 바람직하게 복수의 입구 포트(69a, 69b)(넓게는, 입구)를 갖는다. 하나 이상의 입구 포트(69a)는 환형 칼라(61)에 대해 대체로 접선방향으로 배향되어, 챔버에 도입됨에 따라 액체에 소용돌이 작용을 부여하도록 액체가 챔버(21)의 내부 공간(53) 내로 흐른다. 보다 바람직하게, 도시한 실시예에 있어서, 한 쌍의 입구 포트(69a, 69b)는 서로 평행하게 배치되며 환형 칼라(61)에 대해 대체로 접선방향으로 연장되며, 하나의 포트(69a)는 외측 입구 포트로서 지칭되고 다른 포트(69b)는 내측 입구 포트로 지칭된다.
이와 같은 이중 접선방향 입구 포트(69a, 69b) 구성은, 수용액이 챔버(21) 내에서 초음파 처리를 더 받기 전에 2가지 이상의 성분을 함께 초기 혼합하는데 특히 유용하다. 본 구성의 특히 적절한 용도에 있어서, 챔버(21) 내에서 처리되는 액체가 2가지 이상의 액체를 포함하는 경우, 가장 낮은 점도를 갖는 액체는 외측 입구 포트(69a)를 거쳐 챔버 내로 흐르도록 지향되는 한편, 가장 높은 점도를 갖는 액체는 내측 입구 포트(69b)를 거쳐 챔버 내로 흐르도록 지향된다. 외측 입구 포트(69a)를 통해 가장 낮은 점도 성분을 흘리면, 보다 높은 점도 성분이 챔버 내로 도입되는 유속으로 챔버(21)의 내부 공간(53) 내로 보다 높은 점도 성분을 끌어당기는 경향을 갖는다.
액체 성분이 챔버(21) 내로 지향되는 접선방향으로부터 발생된 소용돌이 작용과 함께 이러한 작용은, 수용액이 초음파 처리용 챔버를 통해 더 흐르기 전에 2가지 성분의 초기 혼합을 촉진시킨다. 도시한 실시예에 있어서, 칼라(61)는 추가적인 접선방향 입구 포트 세트(69a, 69b)와, 한 쌍의 대체로 수직방향으로 배향된 입구 포트(71)를 갖는다. 그러나, 포트(69a, 69b) 중 어느 것도 칼라(61)에 대해 접선방향으로 배향될 필요는 없으며, 이는 본 발명의 범위 내에 있다. 또한, 입구 포트(69a, 69b, 71)의 개수는 변경할 수 있고, 단일의 입구 포트로 제한될 수도 있다.
초음파 도파관 조립체(101)는, 챔버 입자(24)를 초음파 통전할 뿐만 아니라, 챔버의 내부 공간(53)을 통해 흐르는 액체(및 수용액의 임의의 다른 성분)를 초음파 통전하도록, 챔버(21)의 내부 공간(53) 내에 적어도 부분적으로 종방향으로 연장된다. 특히, 도시한 실시예의 초음파 도파관 조립체(101)는 내부 공간(53) 위로의 챔버(21)의 하측 또는 입구 단부(25)로부터 입구 포트(69a, 69b)와 출구 포트(65) 중간에 배치된 도파관 조립체의 말단부(103)로 종방향으로 연장된다. 보다 바람직하게, 도파관 조립체(101)는 후술하는 바와 같이 챔버 하우징(51)에 직접 또는 간접적으로 장착된다.
초음파 도파관 조립체(101)는 챔버(21) 내에서 처리되는 액체 내로 완전히 침수하기 위해 최상위 입구 포트와 출구 포트 중간에 하우징(51)의 내부 공간(53)과 함께 전체적으로 배치된 기다란 호른 조립체(horn assembly)(105)를 포함하는 것이 바람직하며, 이는 챔버 측벽(57)과 동축으로 정렬되는 것이 보다 바람직하다. 호른 조립체(105)는 측벽(57)의 내부면(67)과 함께 액체와 다른 성분이 챔버 내의 호른 조립체를 지나 흐르는 챔버(21)의 내부 공간(53) 내에 흐름 경로를 형성하는 외부면(107)을 갖는다(흐름 경로의 일부는 초음파 처리 지대로서 넓게 지칭됨). 호른 조립체(105)는, 호른 조립체의 말단부[도파관 조립체의 말단부(103)]를 형성하는 상단부(109)와, 종방향 대향 하단부(111)를 갖는다. 또한, 도시한 실시예의 도파관 조립체(101)는 호른 조립체(105)의 하단부(111)와 동축으로 정렬되어 그 상단부에서 하단부(111)에 연결되는 부스터(113)를 더 포함한다. 그러나, 도파관 조립체(1101)는 호른 조립체(105)만을 포함할 수 있으며, 이는 본 발명의 범위 내에 있다. 또한, 부스터(113)는 챔버 하우징(51)의 외부에 전체적으로 배치될 수 있으며, 호른 조립체(105)는 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 챔버 하우징(51) 상에 장착된다.
초음파 도파관 조립체(101), 특히 도 3에 도시한 실시예에서의 부스터(113)는, 초음파 처리 챔버 하우징으로부터 도파관 조립체(작동시에 초음파 진동함)를 진동면에서 격리하도록 구성되는 장착 부재(115)에 의해 그 상단부에 챔버 측벽(57)을 형성하는 챔버 하우징(51), 예컨대 튜브(55) 상에 장착되는 것이 바람직하다. 즉, 장착 부재(115)는 도파관 조립체(101)의 종방향 및 횡방향 기계적 진동이 챔버 하우징(51)에 전달되는 것을 방해하는 한편, 챔버 하우징의 내부 공간(53) 내에 도파관 조립체[특히, 호른 조립체(105)]의 소정의 횡방향 위치를 유지하며 챔버 하우징 내의 종방향 및 횡방향 변위를 허용한다. 도시한 실시예에 있어서, 장착 부재(115)는 챔버(21)의 입구 단부(25)를 (예컨대, 부스터(113)와 함께) 적어도 부분적으로 폐쇄한다.
일례로서, 도시한 실시예의 장착 부재(115)는 횡방향으로 이격된 관계로서 도파관 조립체(101)에 횡방향으로 연장되는 환형의 외측 세그먼트(117)와, 외측 세그먼트를 도파관 조립체에 상호연결하는 플랜지 부재(119)를 포함한다. 장착 부재(115)의 횡방향 외측 세그먼트(117) 및 플랜지 부재(119)는 도파관 조립체(101)의 원주 둘레에서 연속적으로 연장되지만, 하나 이상의 요소는 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 휠 스포크(wheel spokes)의 방식과 같이 도파관 조립체 둘레에서 불연속적일 수 있다. 특히, 장착 부재(115)의 외측 세그먼트(117)는 입구 칼라(61)에 의해 형성된 숄더(shoulder)(121)에 대해 안착하도록 구성된다.
도 3A에서 가장 잘 알 수 있는 바와 같이, 칼라(61)의 내측 단면 치수(예컨대, 내경)는, 플랜지 부재(119)를 수용하도록 챔버 측벽(57)으로부터 종방향 하측으로 떨어지게 칼라가 연장함에 따라, 외측으로 단차진다. 특히 적절한 실시예에 있어서, 칼라(61)는 대체로 환형의 갭(123)을 형성하도록 플랜지 부재(119)로부터 횡방향으로 이격되게 충분히 크기설정되며, 칼라의 입구 포트(69a, 69b)를 거쳐 챔버(21)로 전달되는 액체는 챔버의 내부 공간(53)에 들어간다. 이러한 환형 갭(123)은 칼라 입구 포트(69a, 69b)를 거쳐 챔버(21) 내로 도입 시에 액체의 소용돌리 작용을 촉진시킨다.
장착 부재(115)는 외측 세그먼트(117)의 적어도 외측 에지 마진부, 보다 바람직하게 외측 세그먼트의 실질적인 횡방향 부분이 칼라(61) 상에 형성된 숄더(121)에 안착되도록 횡방향 단면이 적절하게 크기설정된다. 복수의 볼트와 이에 상응하는 너트(도시하지 않음) 구성 등의 적절한 고정 장치(도시하지 않음)는 칼라(61)에 의해 형성된 숄더(121)에 장착 부재(115)의 외측 세그먼트(117)를 고정함으로써, 부스터(113)[넓게는, 도파관 조립체(101)]를 챔버 하우징(51)에 연결한다.
플랜지 부재(119)는 도파관 조립체(101)의 초음파 진동에 반응하여 플랜지 부재(119)의 굴곡 및/또는 만곡을 용이하게 하도록 장착 부재(115)의 외측 세그먼트(117)보다 비교적 얇게 구성되는 것이 적절할 수 있다. 일례로서, 플랜지 부재(119)의 두께는 약 0.2 mm 내지 약 5 mm의 범위이고, 보다 바람직하게는 약 2.5 mm일 수 있다. 도시한 장착 부재(115)의 플랜지 부재(119)는 도파관 조립체(101)에 연결되며 대체로 횡방향 외측이지만 장착 부재의 외측 세그먼트(117)의 내측으로 연장되는 내측 횡방향 구성요소(125)와, 장착 부재의 외측 세그먼트와 횡방향 내측 구성요소를 상호연결하며 횡방향 내측 구성요소와 함께 플랜지 부재(119)의 대체로 L자 형상 단면을 형성하는 축방향 또는 종방향 구성요소를 갖는 것이 적절하다. 그러나, 플랜지 부재(119)는 대체로 U자 형상의 단면 또는 H-형상, I-형상, 역 U-형상 등과 같은 다른 적절한 단면 형상을 가질 수 있으며, 이는 본 발명의 범위 내에 있다. 적절한 장착 부재 구성의 추가적인 예는 미국 특허 제6,676,003호에 기재되어 있으며, 그 전체 내용은 본원에 참고로 인용한다.
도시한 플랜지 부재(119)의 종방향 구성요소(127)는 횡방향 외측 세그먼트(117)에 그리고 플랜지 부재의 횡방향 내측 구성요소(125)에 적절하게 캔틸레버 지지되는 한편, 플랜지의 내측 구성요소는 도파관 조립체(101)에 캔틸레버 지지된다. 따라서, 플랜지 부재(119)는 도파관 조립체(101)의 횡방향 및 반경방향 변위로부터 챔버 하우징(51)을 격리하도록 도파관 조립체(101)의 진동 변위에 반응하여 장착 부재(115)의 외측 세그먼트(117)에 대해 동적으로 굴곡 및/또는 만곡할 수 있다.
도시한 실시예에 있어서, 장착 부재(115)의 횡방향 외측 세그먼트(117) 및 플랜지 부재(119)의 횡방향 내측 구성요소(125)가 서로에 대해 종방향으로 편위된 위치에 대체로 배치되지만, 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 동일한 위치(예컨대, 플랜지 부재가 대체로 U자 형상의 단면인 경우) 또는 도 3에 도시한 것과는 다른 위치에 배치될 수 있다.
특히 적절한 실시예에 있어서, 장착 부재(115)는 단일 피스 구성을 갖는다. 보다 바람직하게, 장착 부재(115)는 도 3에 도시한 바와 같이 부스터(113)[더욱 넓게는, 도파관 조립체(101)]와 일체 형성될 수 있다. 그러나, 장착 부재(115)는 도파관 조립체(101)와 분리되게 구성될 수 있으며, 이는 본 발명의 범위 내에 있다. 또한, 장착 부재(115)의 하나 이상의 구성요소는 별개로 구성될 수 있고, 연결 또는 서로 조립되는 것이 바람직하다.
적절한 실시예에 있어서, 장착 부재(115)는 챔버(21)의 내부 공간(53) 내에 적절하게 정렬하여 도파관 조립체(101)를 보유하도록 대체로 강성(예컨대, 하중 하에서의 정적 변위에 대한 저항성)으로 구성된다. 예를 들면, 일 실시예에 있어서의 강성의 장착 부재(115)는 비탄성 재료, 보다 바람직하게 금속, 훨씬 바람직하게 부스터(113)[더욱 넓게는 도파관 조립체(101)]를 구성하는 동일한 금속일 수 있다. 그러나, 용어 "강성(rigid)"은 장착 부재(115)가 도파관 조립체(101)의 초음파 진동에 반응하여 동적 굴곡 및/또는 만곡할 수 없음을 의미하도록 의도되지 않는다. 다른 실시예에 있어서, 강성의 장착 부재(115)는 하중 하에서 정적 변위에 충분히 저항하지만, 도파관 조립체(101)의 초음파 진동에 반응하여 동적 굴곡 및/또는 만곡을 할 수 있는 탄성 재료로 이루어질 수 있다. 도 3에 도시한 장착 부재(115)가 금속, 보다 바람직하게 부스터(113)와 동일한 재료로 구성되지만, 장착 부재는 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 적절한 대체로 강성의 재료로 이루어질 수 있다.
적어도 여자기(exciter)(도시하지 않음)와 전원(도시하지 않음)을 구비한 적절한 초음파 구동 장치(131)가 챔버(21)의 외부에 배치되며 기계 초음파식으로 진동하도록 도파관 조립체에 통전하게 부스터(113)[더욱 넓게는, 도파관 조립체(101)]에 연결된다. 초음파 구동 장치(131)의 적절한 예로는, 일리노이즈주 세인트 챨스의 두칸 울트라소닉스로부터 입수가능한 모델 20A3000 장치와, 일리노이즈주 샤움버크의 허먼 울트라소닉스로부터 입수가능한 모델 2000CS 장치가 있다.
구동 장치(131)는 약 15 kHz 내지 약 100 kHz의 범위, 보다 바람직하게 약 15 kHz 내지 약 60 kHz의 범위 그리고 훨씬 바람직하게 약 20 kHz 내지 약 40 kHz의 범위의 주파수에서 도파관 조립체(101)를 작동시킬 수 있다. 이와 같은 초음파 구동 장치(131)는 당업자에게 잘 공지되어 있으므로 본원에서 더 이상 설명할 필요는 없다.
특히, 도 3을 참조하면, 호른 조립체(105)는 외부면(135)을 갖는 기다랗고 대체로 원통형인 호른(133)과, 호른에 연결되며 서로 종방향으로 이격된 관계로 호른의 외부면으로부터 횡방향 외측으로 적어도 부분적으로 연장되는 2개 이상(즉, 복수 개)의 교반 부재(137)를 포함한다. 호른(133)은, 호른의 공명 파장의 대략 반(달리 "반파장"으로도 언급됨)과 동일한 길이를 갖도록 크기설정되는 것이 바람직하다. 특정 실시예에 있어서, 호른(133)은 이전 언급된 초음파 주파수 범위, 보다 바람직하게 20 kHz에서 공명하도록 구성되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 호른(133)은 티타늄 합금(예컨대, Ti6Al4V)으로 구성되는 것이 바람직하며, 20 kHz로 공명하도록 크기설정될 수 있다. 이에 따라, 이와 같은 주파수로 작동하는 반파장 호른(133)은 약 4 인치 내지 약 6 인치의 범위, 보다 바람직하게 약 4.5 인치 내지 약 5.5 인치의 범위, 더욱 바람직하게 약 5.0 인치 내지 약 5.5 인치, 가장 바람직하게 약 5.25 인치(133.4 mm)의 길이(반파장에 대응함)를 갖는다. 그러나, 초음파 처리 챔버(21)는 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 호른(133)이 반파장의 증분을 갖도록 크기설정되는 호른 조립체(105)를 구비할 수 있다.
도시한 실시예에 있어서, 교반 부재(137)는 서로 종방향으로 이격된 관계로 그리고 호른의 외부면으로부터 횡방향(예컨대, 도시한 실시예에서의 반경방향) 외측으로 호른 부재(133)를 봉입하는 일련의 6개의 와셔 형상의 링을 포함한다. 이러한 방식에서, 호른(133)에 대한 교반 부재(137) 각각의 진동 변위는 호른의 원주 둘레에서 비교적 균일하다. 그러나, 교반 부재(137) 각각은 호른(133)의 원주 둘레에서 각각 연속적일 필요는 없다. 예를 들면, 교반 부재(137)는 호른(133)의 외부면(135)으로부터 횡방향 외측으로 연장되는 스포크(spokes), 블레이드(blades), 핀(fins) 또는 다른 별도의 구조 부재의 형태를 취할 수도 있다.
약 5.25 인치(133.4 mm)의 길이를 갖는 도 3에 도시된 실시예를 위한 호른(133)에 치수예를 제공하기 위해, 링(137) 중 하나는 호른(137)[도파관 조립체(101)]의 말단부에 인접하게 배치되는 것이 바람직하고, 호른 부재의 말단부로부터 대략 0.063 인치(1.6 mm) 종방향으로 이격되는 것이 보다 바람직하다. 다른 실시예에 있어서, 최상위 링(137)은 호른의 말단부에 배치될 수 있으며, 이는 본 발명의 범위 내에 있다. 링(137) 각각은 약 0.125 인치(3.2 mm)의 두께를 가지며 약 0.875 인치(22.2 mm)의 거리로 (링의 대면하는 표면 사이에서) 서로 종방향으로 이격된다.
교반 부재(137)(예컨대, 도시한 실시예에서의 링)의 개수는 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 6개 미만 또는 6개 이상일 수 있다. 또한, 다른 실시예에 있어서, 교반 부재(137)는 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 전체적으로 생략될 수 있으며, 호른의 외부면(135)은 처리 챔버(21) 내의 유동 경로 내에서 하나의 기계적 초음파 진동 접촉을 제공한다. 교반 부재(137) 사이의 종방향 이격거리는 도 3에 도시한 것과 상술한 것(예컨대, 더욱 가깝거나 또는 더욱 이격됨)과는 다를 수 있다. 도 3에 도시한 링(137)이 서로 종방향으로 동일하게 이격되지만, 2개 이상의 교반 부재가 존재하는 경우, 종방향으로 연속적인 교반 부재 사이의 이격거리는 본 발명의 범위 내에 있도록 균일할 필요는 없다.
특히, 교반 부재(137)의 위치는 적어도 부분적으로 호른(133)의 진동 시에 교반 부재의 의도된 진동 변위의 함수이다. 예를 들면, 도시한 실시예에 있어서, 호른(133)은, 호른의 대체로 종방향 중앙에 배치된 파절 영역(nodal region)을 갖는다(예컨대, 제 3 링과 제 4 링 사이). 본원에 사용된 바와 같이, 호른(133)의 "파절 영역"은 종방향 영역 또는 호른 부재의 세그먼트를 지칭하며, 이를 따라 종방향 변위가 호른 부재의 초음파 진동 동안에 (거의) 발생하지 않고, 호른 부재의 횡방향 변위(도시한 실시예에서는 반경방향)는 대체로 최대화된다. 호른(133)의 횡방향 변위는 호른의 횡방향 팽창을 포함하는 것이 바람직하지만, 호른의 횡방향 운동(예컨대, 만곡)을 포함할 수도 있다.
도시한 실시예에 있어서, 반파장 호른(133)의 구성은 파절 영역이 파절 평면(즉, 종방향 변위가 발생하지 않지만 횡방향 변위가 최대화되는 호른 부재에 대한 횡방향 평면)에 의해 형성되도록 한다. 이러한 평면은 때때로 파절 지점으로서 지칭된다. 따라서, 호른(133)의 파절 영역으로부터 보다 말단에 배치된 교반 부재(137)(예컨대, 도시한 실시예에서는, 링)는 주로 종방향 변위를 받는 한편, 파절 영역에 보다 가까운 교반 부재는 종방향으로 가장 말단의 교반 부재에 대해 증가된 양의 횡방향 변위와 감소된 양의 축방향 변위를 받을 것이다.
호른(133)은 파절 영역이 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 호른 부재 상에 종방향으로 중심 위치 이외에 구성될 수 있다. 또한, 호른 조립체(105)의 초음파 진동 시에 호른에 대한 종방향 및 횡방향 변위를 모두 받도록 호른 상에 하나 이상의 교반 부재(137)가 종방향으로 위치될 수 있다.
도 3을 참조하면, 교반 부재(137)는 호른 부재의 초음파 진동에 반응하여 교반 부재의 동적 굴곡/만곡을 용이하게 하도록 충분히 구성된다(예컨대, 교반 부재가 호른(133)의 외부면(135)으로부터 횡방향 외측으로 연장되는 거리인 횡방향 길이 및 두께 등의 치수 및/또는 재료). 특히 적절한 실시예에 있어서, 도파관 조립체(101)가 초음파 챔버 내에서 작동되게 하는 소정의 초음파식의 주파수(이와는 달리, 도파관 조립체의 소정 주파수로도 언급됨) 및 챔버(21) 내에서 처리되는 특정 액체에 대해, 교반 부재(137)와 호른(133)은 소정 주파수에서 초음파 캐비테이션 모드로 언급되는 것으로 교반 부재를 작동하도록 구성 및 배치되는 것이 바람직하다.
본원에 사용된 바와 같이, 교반 부재의 초음파 캐비테이션 모드는 소정의 초음파 주파수에서 처리되는 액체의 캐비테이션(즉, 액체 내의 기포의 형성, 성장 및 내파열)을 발생시키기에 충분한 교반 부재의 진동 변위를 지칭한다. 예를 들면, 챔버 내에서 흐르는 액체가 수용성 용액, 보다 바람직하게 물을 포함하고, 도파관 조립체(101)가 작동하는 초음파 주파수(즉, 소정의 주파수)가 약 20 kHz인 경우, 교반 부재(137) 중 하나 이상은 교반 부재의 캐비테이션 모드를 확립하도록 적어도 1.75 밀(mils)(즉, 0.00175 인치 또는 0.044 mm)의 진동 변위를 제공하는 것이 바람직하다. 도파관 조립체(101)는 처리되는 특정 액체와 관련된 소정의 캐비테이션 모드를 성취하도록 다르게 구성(예컨대, 재료, 사이즈 등)될 수 있다. 예를 들면, 처리되는 액체의 점도가 변함에 따라, 교반 부재의 캐비테이션 모드를 변화시킬 필요가 있다.
특정 적절한 실시예에 있어서, 교반 부재의 캐비테이션 모드는 교반 부재의 공명 모드와 상응하여, 교반 부재의 진동 변위는 호른 변위에 대해 증폭된다. 그러나, 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이, 캐비테이션은 그 공명 모드에서 또는 호른의 변위보다 큰 진동 변위에서도 작동하는 교반 부재 없이 발생할 수 있다.
적절한 치수예에 있어서, 하나 이상, 보다 바람직하게 모든 교반 부재(137)의 횡방향 길이 대 교반 부재의 두께의 비는 약 2:1 내지 약 6:1의 범위에 있다. 다른 예로서, 도 3에 도시한 링(137) 각각은 호른(133)의 외부면(135)으로부터 횡방향 외측으로 약 0.5 인치(12.7 mm)의 길이 연장되고, 링 각각의 두께는 약 0.125 인치(3.2 mm)이므로, 각각의 링의 횡방향 길이 대 두께의 비는 약 4:1이다. 그러나, 교반 부재(137)의 두께 및/또는 횡방향 길이는 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 도 3에 도시한 것과는 다를 수 있다. 또한, 도시한 실시예의 교반 부재(137)(링)가 동일한 횡방향 길이와 두께를 가지지만, 교반 부재는 상이한 두께 및/또는 횡방향 길이를 가질 수 있다.
도시한 실시예에 있어서, 교반 부재(137)의 횡방향 길이는 흐름 경로의 크기(및 적어도 부분적으로 방향)를 적어도 부분적으로 형성하며, 이에 따라 챔버(21)의 내부 공간(53) 내의 액체 또는 다른 유동가능한 성분은 호른 조립체(105)를 지나 흐른다. 예를 들면, 도 3에 도시한 호른(133)은 약 0.875 인치(22.2 mm)의 반경을 갖고, 각각의 링(137)의 횡방향 길이는 상술한 바와 같이 약 0.5 인치(12.7 mm)이다. 하우징 측벽(57)의 내부면(67)의 반경은 각각의 링과 하우징 측벽의 내부면 사이의 횡방향 이격거리가 약 0.375 인치(9.5 mm)가 되도록 대략 1.75 인치(44.5 mm)이다. 호른 외부면(135)과 챔버 측벽(57)의 내부면(67) 사이의 이격거리 및/또는 교반 부재(137)와 챔버 측벽의 내부면 사이의 이격거리는 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 상술한 것보다 크거나 작을 수 있다.
일반적으로, 호른(133)은 적절한 음향적 및 기계적 특성을 갖는 금속으로 구성될 수 있다. 호른(133)의 구성을 위한 적절한 금속으로는, 이에 한정되지 않지만, 알루미늄, 모넬, 티타늄, 스테인리스강 및 몇 가지의 합금이 있다. 또한, 모든 또는 일부 호른(133)은 은, 백금 및 구리 등의 다른 금속으로 코팅될 수 있다. 특히 적절한 실시예에 있어서, 교반 부재(137)는 호른(133)과 동일한 재료로 구성되고, 호른과 일체 형성되는 것이 보다 바람직하다. 다른 실시예에 있어서, 교반 부재(137) 중 하나 이상은 호른(133)과 별도로 형성되어, 호른 조립체(105)를 형성하도록 연결될 수 있다.
도 3에 도시한 교반 부재(137)(예컨대, 링)가 비교적 평탄한 단면, 즉 비교적 직사각형의 단면이지만, 링은 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 직사각형 이외의 단면을 가질 수 있다. 본 예에서, 용어 "단면"은 호른의 외부면(135)에 대한 하나의 횡방향(예컨대, 도시한 실시예에서의 반경방향)을 따르는 단면을 지칭하는데 사용된다. 더욱이, 도 3에 도시한 교반 부재(137)(예컨대, 링)가 횡방향 구성요소만으로 구성되더라도, 교반 부재(137)의 하나 이상은 도파관 조립체(101)의 초음파 진동 동안에 호른의 횡방향 진동 변위(예컨대, 도 3에 도시한 호른의 파절 영역에서 그리고 그 근방에서)를 이용하도록 하나 이상의 종방향(예컨대, 축방향) 구성요소를 가질 수 있다.
예를 들면, 도 4는 호른(233)의 외부면(235)으로부터 횡방향 외측으로 연장되는 5개의 교반 부재(237)를 갖는 호른 조립체(205)의 일 변형 실시예를 도시한다. 교반 부재(237) 각각이 예컨대 도 3의 것과 유사한 링의 형태로 횡방향 구성요소를 가지지만, 가장 중앙에 있는 교반 부재(237)는 횡방향 구성요소에 고정된 환형의 종방향 구성요소(241)를 갖는다. 특히, 가장 중앙의 교반 부재(237)는 파절 영역, 특히 도 5에 도시된 실시예에서의 호른(233)의 파절 평면에서 종방향으로 배치되며, 이 경우 호른(233)의 횡방향 변위는 초음파 통전 동안에 대체로 최대인 한편, 종방향 변위는 대체로 최소화된다. 이에 따라, 종방향 구성요소(241)는 호른의 초음파 통전 시에 호른(233)의 횡방향 변위에 반응하여 횡방향으로 동적 운동(예컨대, 굴곡/만곡)을 할 수 있다.
종방향 구성요소가 몇 가지의 종방향 벡터를 가지는 한, 종방향 구성요소(241)는 종방향, 즉 호른(233)의 외부면에 평행하게 전체적으로 연장될 필요는 없다. 또한, 도시한 실시예에 있어서, 종방향 구성요소(241)를 갖는 교반 부재(237)가 대체로 T자 형상의 단면을 가지지만, 이러한 교반 부재의 다른 구성으로서 (아래 또는 위로 연장되는 종방향 구성요소를 갖는) L자 형상의 단면, +형상의 단면, 또는 다른 적절한 단면이 적절하다. 또한, 하나 이상의 구멍이 가장 중앙의 교반 부재(237), 예컨대 횡방향 구성요소 및/또는 종방향 구성요소(241)에 형성될 수 있으므로, 이러한 부재를 통해 수평방향 및 수직방향으로 유체를 자유롭게 흐르게 할 수 있다.
도 3에 가장 잘 도시된 바와 같이, 도파관 조립체(101)[예컨대, 도시한 실시예에서의 호른(133)]의 말단부(103)는 버퍼 지대[즉, 도파관 조립체(101)의 말단부(103)의 종방향 위의 챔버 하우징(51)의 내부 공간(53)의 부분]를 제공하도록 챔버(21)의 출구 단부(27)에서 출구 포트(65)로부터 종방향으로 이격되므로, 챔버의 출구 단부(27)에서 도파관 조립체(101)의 말단부(103)의 하류로 유체가 흐름에 따라 더욱 균일한 구성요소의 혼합을 할 수 있다. 예를 들면, 적절한 실시예에 있어서, 버퍼 지대는 공간 용적[즉, 버퍼 지대 내의 챔버 하우징(51) 내의 개방 공간(53)의 부분의 용적]을 가지며, 버퍼 지대의 공간 용적 대 도파관 조립체의 말단부 상류에 있는 챔버 하우징의 내부 공간의 나머지 부분의 공간 용적의 비는 약 0.01:1 내지 약 5.0:1의 범위, 보다 바람직하게 약 1:1의 범위가 적절하다.
도시한 버퍼 지대를 제공하면, 도 1의 잉크 용액 혼합 장치(23)에서 수용액을 형성하도록 성분을 혼합하는데 챔버(21)를 사용하는 경우에 특히 적절하다. 즉, 도파관 조립체(101)의 말단부(103)와 챔버(21)의 출구 포트(65) 사이의 종방향 이격거리는 액체가 출구 포트를 거쳐 챔버를 나오기 전에 정착하도록 혼합된 수용액의 교반된 흐름을 위해 충분한 공간을 제공한다. 이는 도시한 실시예에서와 같이, 교반 부재(137) 중 하나가 호른(133)의 말단부에 또는 그 근방에 배치되는 경우에 특히 유용하다. 액체가 호른(133)의 말단부를 지나 흐름에 따라 이러한 구성이 액체의 유익한 후방 혼합을 초래하지만, 챔버로부터 배출되기 전에 교반된 흐름은 적어도 부분적으로 정착하는 것이 바람직하다. 그러나, 챔버(21)의 내부 공간(53) 내의 도파관 조립체(101)의 말단부(103)는 챔버의 출구 단부(27)에서 출구 포트(65)에 종방향으로 더 근접하게 배치될 수 있거나, 또는 버퍼 지대는 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 실질적으로 전체적으로 생략될 수도 있다.
호른 조립체(105)의 대향, 예컨대 보다 근접한 단부는 챔버 하우징(51)의 내부 공간(53) 내의 액체의 초기 소용돌이가 호른 조립체(105)의 상류에서 발생되는 액체 흡입 지대를 형성하도록 칼라(61)로부터 종방향으로 이격되는 것이 바람직하다. 이러한 흡입 지대(intake zone)는 2가지 이상의 성분을 혼합하는데 처리 챔버(21)를 사용하는 경우 특히 유용하며, 혼합되는 성분이 챔버 하우징(51)에 도입됨에 따라 흡입 지대에서 소용돌이 작용에 의해 초기의 혼합이 촉진된다. 그러나, 호른 조립체(105)의 근접 단부는 도 3에 도시된 것보다 칼라(61)에 근접될 수 있고, 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 흡입 지대를 생략하도록 칼라에 실질적으로 인접될 수 있다.
도시한 초음파 처리 챔버(21)는 반사기의 형태인 정재파 부재(standing wave member)(301)를 더 포함한다. "정재파 부재"는 도파관 조립체와 함께 챔버 하우징(51) 내에서 정재파를 발생하는 도파관 조립체(101) 이외의 부재를 지칭하는 것으로 의도된다. 반사기(301)는 챔버(21)의 내부 공간(53), 보다 상세하게 도파관 조립체의 말단부와 종방향 이격, 대향된 관계로 챔버(21)의 출구 포트(65)와 도파관 조립체(101)의 말단부(103) 사이의 버퍼 지대에 배치된다. 또한, 챔버(21) 내의 반사기(301)의 위치는 반사기가 출구 포트(65), 보다 적절하게 차폐체(63)의 스크린 요소(66)로부터 종방향으로 이격되는 것이다. 도파관 조립체(101)의 초음파 작동 시에, 반사기(301)는 (본 실시예에서, 초음파 변환기로서 작용하는) 도파관 조립체와 함께 작용하여, 버퍼 지대 내, 보다 상세하게 도파관 조립체의 말단부(103)와 반사기 사이에 음향 정재파를 발생시킨다.
반사기(301) 대신에, 정재파 부재는 서로 대향된 관계로 도파관 조립체로부터 이격되며 도파관 조립체와 함께 도파관 조립체에 의해 발생된 파형 에너지 반대방향으로의 이동이 음향 정재파를 발생하는 초음파 음향파 에너지를 발생하도록 작동하는 변환기 등의 다른 파형 발생기일 수 있다.
특정 실시예에 있어서, 반사기(301)(넓게는, 정재파 부재) 및 도파관 조립체(101)는 하나 이상의 파절(node)을 갖고 출구 포트(65)에 또는 그에 인접하게, 보다 적절하게, 스크린 요소(65)에 또는 그에 인접하게 파절을 갖지 않는 음향 정재파를 발생한다. 즉, 정재파의 임의의 파절은 적어도 출구 포트(65), 차폐체(63)의 스크린 요소(66)로부터 종방향으로 이격된다. 예를 들면, 도파관 조립체(101)의 말단부(103)와 반사기(301) 사이의 종방향 이격거리는 음향 파장(λ)의 반(즉, 반파장)에 상응하며, 정재파의 파장(λ)은 챔버(21)의 버퍼 지대 내에서 흐르는 액체 및 도파관 조립체(변환기로서 작용함)를 작동하는 주파수의 함수이다.
특히,
λ = c/f
여기서, c는 챔버 내의 액체를 통한 음향 속도,
f는 도파관 조립체(101)의 작동 주파수
도시한 실시예에 있어서, 반사기(301)의 위치는 반사기와 도파관 조립체 사이의 종방향 이격거리를 조절하도록 도파관 조립체(101)의 말단부(103)에 대해 종방향으로 조절가능한 것이 적절하다. 이는 도파관 조립체의 소정의 작동 주파수 및/또는 처리되는 수용액에 따라 반사기(301)가 도파관 조립체(101)에 대해 선택적으로 위치설정되게 함으로써, 반파장 정재파(또는 다수의 반파장 정재파)를 발생한다. 특히, 2개 이상의 지지 포스트(305)로 이루어진 지지 프레임(303)은 차폐체(63)를 통해 챔버(21)의 내부 공간(63) 아래로, 예컨대 출구 포트(65), 보다 바람직하게 차폐체의 스크린 요소(66)를 지나 연장되며, 차폐체에 대해 종방향으로 이동가능한 것이 바람직하다. 반사기(301)는 차폐체(63)와 도파관 조립체(101)에 대해 지지 프레임과의 결합 운동을 위해 지지 프레임(303)에 고정되는 것이 바람직하다. 지지 프레임(303)은 수동으로 조절되거나 또는 적절한 조절 기구(도시하지 않음)에 의해 기계적으로 조절될 수 있다.
도시한 실시예의 반사기(301)는 챔버 측벽(57)과 충분한 이격 관계를 위해 크기설정된 대체로 원형의 고형 플레이트를 구비함으로써, 반사기는 스크린 요소(66)와 출구 포트(65)를 통해 액체의 유속을 실질적으로 감소시키지 않는다. 반사기(301)는 챔버(21) 내로 흐르는 액체(예컨대, 정재파를 발생시키는 액체)의 것보다 (실질적으로) 큰 음향 임피던스를 갖는 재료로 구성되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 일 실시예에 있어서, 반사기(301)는 스테인리스강으로 구성될 수 있다. 그러나, 반사기(301)는 챔버(21) 내의 액체보다 큰 임피던스를 갖는 임의의 적절한 재료로 구성될 수 있으며, 이는 본 발명의 범위 내에 있는 것이다. 또한, 반사기(301)는 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 평면형 및/또는 원형 이외의 것일 수 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 챔버 입자(24)는 반사기(301) 아래의, 보다 바람직하게 도파관 조립체(101)의 말단부(103) 아래의 레벨(즉, 반사기의 상류)로 챔버(21)의 내부 공간(53) 내에 배치되어, 입자가 버퍼 지대 내에 초기(예컨대, 챔버를 통한 액체 흐름 전에)에 배치되지 않는 것이 바람직하다. 챔버 입자(24)가 구형인 것이 가장 바람직하지만, 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 입자가 임의의 형상일 수 있다.
특정 실시예에 있어서, 챔버 입자(24)는 비교적 높은 열전도율, 즉 초음파 처리 챔버(21) 내에서 처리되는 액체보다 실질적으로 큰 열전도율을 갖는 것이 바람직하다. 일례로서, 물은 약 0.60와트/미터-켈빈(w/m-K)의 열전도율을 갖는다. 본원에 사용된 바와 같이, 용어 "열전도율"은 열을 전달 또는 전도하는 재료의 능력을 지칭한다. 이에 따라, 보다 높은 열전도율은 이러한 재료가 열을 보다 쉽게(빨리) 전도하는 것을 나타낸다.
특정 실시예에 있어서, 비교적 높은 열전도 입자의 열전도율 대 챔버 내에서 흐르는 액체(예컨대, 입자층을 통해)의 열전도율의 비는 약 2:1 내지 약 400:1의 범위, 보다 바람직하게 약 5:1 내지 약 400:1의 범위, 훨씬 바람직하게 약 10:1 내지 약 400:1의 범위, 훨씬 바람직하게 약 50:1 내지 약 400:1의 범위 그리고 약 100:1 내지 약 400:1의 범위일 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 열전도 챔버 입자는 적어도 약 1.0 w/m-K, 보다 바람직하게 적어도 약 5 w/m-K의 열전도율을 갖는다. 다른 실시예에 있어서, 챔버 입자의 열전도율은 적어도 약 30일 수 있고, 100, 200 또는 그 이상일 수도 있다.
챔버 입자를 구성할 수 있는 적절한 재료의 예로는, 괄호로 제공된 재료의 대략의 열전도율(w/m-K)을 가지며, 알루미나(강옥 포함)(30), 알루미늄(237), 안티몬(24), 비스무스(8), 베릴륨(201), 카드뮴(97), 칼슘(125), 크롬(94), 코발트(100), 구리(401), 철(80), 납(35), 니켈(91), 백금(72), 로듐(150), 티타늄(22), 텅스텐(173), 아연(116), 이산화티타늄(금홍석, 티타니아)(10), 탄화규소(35-40), 세라믹(110), 운모(약 7 이하) 및 보론 나이트라이드(카보런덤)(20) 등이 있다.
챔버 입자(24)를 구성할 수 있는 적절한 재료의 예로는, 전체, 또는 부분적으로 표면 처리된 것으로서, 자철석, 산화니켈 등의 각종 혼합 원자가 산화물; 탄소 및 흑연; FeS2 및 CuFeS2 등의 황화물 반도체; 칼슘 염화물 이염화물 등의 각종 수화염 및 다른 염; 예컨대 중합체의 카르복시산 부분 또는 금속 철와의 킬레이트 화합물 상에 철, 니켈 등의 금속 철을 갖는 폴리락틱산의 중합체 및 공중합체; 수산화알루미늄, 산화아연 및 타이타늄산바륨 등이 있다.
적절한 입자의 일례로서, 2006년 9월 8일자로 "기판에 기능성 화합물을 전달하기 위한 전달 시스템 및 그를 이용한 공정"이라는 명칭으로 출원된 미국 특허 출원 11/530,210호가 있으며, 처리 챔버(21)를 통해 흐르는 액체로부터 소정의 재료를 제거하는 알루미나로 이루어진 흡착 입자의 사용을 개시한다.
특정 실시예에 있어서, 챔버 입자는 약 5 나노미터 내지 약 500 나노미터의 범위, 보다 바람직하게 약 10 나노미터 내지 약 1 미크론으로 크기설정된다. 그러나, 챔버 입자(24)는 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 상기한 범위보다 작거나 크게 크기설정될 수 있다.
도 1에 도시한 액체 처리 장치(23)의 작동 시에, 하나 이상의 성분(32)(성분 중 하나 이상은 액체임)은 도관(33)을 거쳐 처리 챔버 하우징(51)의 칼라(61) 내에 형성된 입구 포트(69a, 69b)로 전달된다. 이들 성분이 입구 포트(69a, 69b)를 거쳐 챔버(21)의 내부 공간(53)에 도입됨에 따라, 입구 포트의 배향은 예컨대 챔버의 내부 공간의 유체 흡입 지대에서 호른 조립체(105)의 상류에 있는 이들 성분의 혼합을 초기화하도록 소용돌이 작용을 유도한다. 수용액은 도파관 조립체(101)를 지나 그리고 도파관 조립체와 챔버 측벽(57) 사이의 챔버 입자층(24)을 통해 상측으로 흐른다.
도파관 조립체(101), 특히 호른 조립체(105)는 소정의 초음파 주파수로 기계적으로 진동하도록 구동 장치(131)에 의해 구동된다. 호른(133)의 초음파 여기에 반응하여, 호른(133)의 외부면(135)으로부터 외측으로 연장되는 교반 부재(137)는 호른에 대해 동적으로 만곡/굴곡하거나, 또는 (호른의 파절 영역에 대한 교반 부재의 종방향 위치에 따라) 횡방향으로 변위한다. 교반 부재(237) 중 하나가 호른의 파절 영역에 배치되며 호른으로부터 횡방향으로 이격된 종방향 성분(241)을 갖는 상태에서 도 4에 도시한 바와 같은 호른 조립체(205)를 사용하면, 교반 부재의 종방향 성분은 호른에 대해 횡방향으로 동적으로 만곡/굴곡한다.
챔버 측벽(57)의 내부면(67)과 호른 조립체(105) 사이의 흐름 경로를 따라 연속적으로 수용액이 흘러서, 교반 부재(137)의 초음파 진동은 수용액을 교반한다(수용액이 2가지 이상의 성분을 포함하는 경우, 성분의 혼합을 촉진함). 특정 실시예에 있어서, 교반 부재의 동적 운동은 액체 내의 캐비테이션이 수용액의 교반을 더욱 촉진하게 한다. 또한, 호른 조립체(105)에 의해 부여된 초음파 에너지는 증가된 반응 속도를 촉진하도록 챔버(21) 내에서 각각의 입자 둘레의 유체역학적 경계층을 감소시킨다(액체 성분의 반응 또는 흡착 등의 챔버 입자와 액체 사이의 반응의 경우에 발생함).
또한, 도파관 조립체(101)의 초음파 진동은 도파관 조립체 표면을 둘러싸는 인접한 영역에 높은 열을 발생시킨다. 그 결과, 도파관 조립체(101)의 표면과 접촉하거나 또는 그에 바로 인접한 챔버 내의 액체는 도파관 조립체의 초음파 진동 에 의해 실질적으로 가열된다. 액체 자체가 이러한 인접 영역으로부터 도파관 조립체(101)와 챔버 측벽의 내부면(67) 사이에서 흐르는 액체의 나머지로 열전도를 촉진시키지만, 챔버 입자(24)의 보다 높은 열전도율과 동일한 효율을 처리할 수 없다. 따라서, 보다 높은 열전도율의 챔버 입자(24)는 챔버 측벽(57)의 내부면(67)과 도파관 조립체 사이의 입자층을 통해 흐르는 액체 전체에서 초음파 도파관 조립체(24)에 의해 발생된 열을 보다 신속하게 전도한다. 이는 액체 처리(예컨대, 혼합, 반응 등)가 챔버 내에서 액체가 흐름에 따라 액체의 온도를 증가시키는 것을 수반하는 경우에 특히 유용하다.
또한, 도파관 조립체(101)의 초음파 작동은 도파관 조립체의 말단부(103)와 반사기 사이의 버퍼 지대 내의 액체 내에 음향 정재파(예컨대, 일 치수의 정재파)를 [반사기(301)와 함께] 발생시키며, 정재파의 하나 이상의 파절은 출구 포트(65), 보다 상세하게 스크린 요소(66)로부터 종방향으로 이격된다. 도 5를 참조하면, 도파관 조립체(101)의 말단부(103) 이상으로 액체가 흐름에 따라, 몇몇의 챔버 입자(24)를 버퍼 지대 내로 이송할 수 있다. 이들 입자(24) 둘레의 정재파의 음향 방사는 반파장 장상파의 파절[또는 반사기(301)와 도파관 조립체(101) 사이의 거리가 다수의 반파장인 경우에 각각의 반파장에서의 파절]인 가장 가까운 동적 안정한 위치 쪽으로 입자를 가압한다. 이에 따라, 입자(24)는 도 5에 도시한 바와 같이 스크린 요소(66)와 출구 포트(65)로부터 멀리 정재파의 파절에서 대체로 "트랩(trap)"되므로, 입자가 스크린 요소, 및 출구 포트에 응집하는 것을 방지하거나, 이와는 달리 챔버(21) 외부로 액체의 유속을 감소시킨다.
몇몇 실시예에 있어서, 정재파의 파절에서 안정화된 입자(24)는 응집될 것이다. 이와 같은 응집이 무거워짐에 따라, 응집된 입자는 파절로부터 멀리 떨어지고, (예컨대, 챔버를 통한 흐름방향에 대해) 챔버(21) 내의 입자 메인층 후방 아래로 떨어질 것이다.
챔버(21) 내의 액체의 더 이상의 교반이 요구되는 경우, 배플 조립체(도시하지 않음)는 챔버의 내부 공간(53) 내에 그리고 특히 측벽(57)의 내부면(67)에 횡방향으로 인접하고 호른 조립체(105)와 횡방향으로 대향되게 배치될 수 있다. 이와 같은 배플 조립체는 하우징 측벽(57)의 내부면(67)에 인접하게 배치되며 교반 부재(137)와 상호 이격된 관계로 측벽의 내부면으로부터 호른 조립체(105) 쪽으로 적어도 부분적으로 횡방향 내측으로 연장되는 하나 이상의 배플 부재를 포함한다. 이들 배플 부재는 호른 조립체(105)의 초음파 진동되는 교반 부재(137) 위로 액체의 흐름을 횡방향 내측으로 촉진시킨다. 하나의 적절한 배플 조립체는, 2006년 9월 8일자로 "초음파 액체 처리 챔버 및 연속적인 흐름 혼합 장치"라는 명칭으로 출원된 미국 특허 출원 11/530,311호에 개시되어 있으며, 이는 본원에 참고로 인용한다.
다른 적절한 실시예에 있어서, 초음파 처리 챔버(21)의 측벽(57)은 도파관 조립체의 초음파 진동 시에 음향 정재파를 발생시키도록 도파관 조립체(101)에 대해 배치 및 구성될 수 있다. 특히, 챔버 측벽(57)은 챔버(21) 내로, 특히 도파관 조립체(101)와 챔버 측벽 사이의 흐름 경로를 따라 흐르는 액체보다 실질적으로 큰 음향 임피던스를 갖는 재료로 구성될 수 있다. 측벽(57)의 내부면(67)은 [챔버 내의 액체 및 도파관 조립체(101)의 작동 주파수에 근거하여] 초음파 호른(133)의 외부면(135)으로부터 반파장 정재파를 발생시키기에 충분한 거리로 이격되는 것이 바람직하며, 호른의 외부면은 변환기로서 작용하고, 챔버의 측벽은 반사기로서 작용한다.
도파관 조립체(101)의 작동 시에, 호른 외부면(135)과 측벽 내부면(67) 사이의 액체 내에 음향 정재파가 발생된다. 이러한 정재파는 측벽 내부면(67)과 호른 외부면(135)으로부터 이격된 하나 이상의 파절을 갖는 것이 바람직하다. 흐름 경로 내의 챔버 입자(24)는 정재파의 하나 이상의 파절 쪽으로 가압되어 대체로 안정화 또는 트랩되므로, 측벽(57) 및/또는 호른(133)에 대해 입자가 정체되는 것을 억제하고, 버퍼 지대 내로 도파관 조립체(101)의 말단부(103) 하류 위로의 액체의 흐름에 의해 이송되는 입자를 억제한다.
다른 실시예에 있어서, 예컨대 초음파 처리 챔버(21)가 수용액을 형성하도록 2가지 이상의 성분과 함께 혼합하기 위해 사용되는 경우, 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 챔버 입자(24)는 생략될 수 있다(예컨대, 챔버는 도 2에 도시한 바와 유사함). 이러한 실시예에 있어서, 챔버(21)의 버퍼 지대 내에 형성된 종방향 정재파[즉, 도파관 조립체(101)와 반사기(301)에 의한]는 액체 성분 내에 존재할 수 잇는 작은 미립자 오염물을 트랩하는데 이용되므로, 용액이 처리 챔버로부터 배출되기 전에 오염물을 수용액으로부터 효과적으로 제거한다.
본 발명(실시예)의 요소를 소개함에 있어서, 지시어들은 하나 이상의 요소를 의미할 수 있다. 용어 "포함하는(comprising)", "구비하는(including)" 및 "갖는(having)"은 열거된 요소 이외의 추가적인 요소를 포함할 수 있음을 의도한다.
본 발명의 범위를 벗어남이 없이 각종 변경이 이루어질 수 있으므로, 상기한 설명 및 첨부한 도면에 포함된 모든 것은 예시적인 것이며 제한의 의도는 아니다.

Claims (26)

  1. 열전도율을 갖는 액체를 초음파 처리하기 위한 초음파 처리 챔버에 있어서,
    종방향 대향 단부와 내부 공간을 갖는 기다란 하우징으로서, 상기 하우징은 상기 종방향 단부에 근접하고, 상기 액체를 상기 하우징의 내부 공간 내에 수용하기 위한 입구 포트와, 상기 하우징으로부터 상기 액체를 배출하여 상기 액체를 초음파 처리하는 출구 포트를 가지며, 상기 출구 포트는 상기 입구 포트로부터 상기 출구 포트로의 상기 하우징의 내부 공간 내에 액체가 종방향으로 흐르도록 상기 입구 포트로부터 종방향으로 이격되는, 상기 하우징; 및
    상기 하우징의 내부 공간 내에 종방향으로 연장되며 상기 하우징 내로 흐르는 액체를 초음파 통전하도록 소정의 초음파 주파수로 작동가능한 기다란 초음파 도파관 조립체로서, 상기 도파관 조립체는, 상기 하우징의 입구 포트와 출구 포트의 중간에 배치되며, 상기 입구 포트로부터 상기 출구 포트로 하우징 내로 흐르는 액체와의 접촉을 위해 위치된 외부면을 갖는, 상기 기다란 초음파 도파관 조립체; 및
    상기 도파관 조립체와 상기 챔버 하우징의 횡방향 중간에 있는 상기 하우징의 내부 공간 내에 배치된 입자층(a bed of particles)으로서, 상기 입자는 상기 하우징 내로 흐르는 액체보다 큰 열전도율을 갖고, 상기 입자의 열전도율에 대한 상기 액체의 열전도율의 비는 2:1 내지 400:1의 범위에 있는, 상기 입자층;을 포함하는 초음파 처리 챔버.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 입자의 열전도율에 대한 상기 액체의 열전도율의 비는 5:1 내지 400: 1의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 초음파 처리 챔버.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 입자의 열전도율에 대한 상기 액체의 열전도율의 비는 50:1 내지 400: 1의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 초음파 처리 챔버.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 입자는 5 w/m-K 이상의 열전도율을 갖는 것을 특징으로 하는 초음파 처리 챔버.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 입자는 30 w/m-K 이상의 열전도율을 갖는 것을 특징으로 하는 초음파 처리 챔버.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 입자는 100 w/m-K 이상의 열전도율을 갖는 것을 특징으로 하는 초음파 처리 챔버.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 도파관 조립체는 상기 하우징의 출구 포트로부터 종방향으로 이격된 말단부를 갖고,
    상기 챔버는 상기 하우징의 출구 포트와 상기 도파관 조립체의 말단부의 종방향 중간에 있는 상기 하우징 내에 배치된 정재파 부재를 더 포함하며,
    상기 정재파 부재는 상기 소정의 초음파 주파수로 상기 도파관 조립체의 작동 시에 음향 정재파를 형성하도록 상기 도파관 조립체의 말단부로부터 이격되는 것을 특징으로 하는 초음파 처리 챔버.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 정재파 부재는 반사기를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 처리 챔버.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 도파관 조립체는 서로 종방향으로 이격된 관계로 상기 입구 포트와 상기 출구 포트 중간에 있는 상기 호른의 외부면과 접촉하며 그로부터 횡방향 외측으로 연장되는 복수의 별개인 교반 부재를 더 포함하며,
    상기 교반 부재와 상기 호른은 상기 소정의 주파수에서 상기 호른의 초음파 진동 시에 상기 호른에 대한 상기 교반 부재의 동적 운동을 위해 구성 및 배치되는 것을 특징으로 하는 초음파 처리 챔버.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 교반 부재는 상기 소정의 주파수 및 상기 챔버 내에서 처리되는 액체에 상응하는 상기 교반 부재의 초음파 캐비테이션 모드에서 작동하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 초음파 처리 챔버.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 입자는 알루미나, 알루미늄, 안티몬, 비스무스, 베릴륨, 카드뮴, 칼슘, 크롬, 코발트, 구리, 철, 납, 니켈, 백금, 로듐, 티타늄, 텅스텐, 아연, 이산화티타늄, 탄화규소, 세라믹, 운모 및 보론 나이트라이드 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 처리 챔버.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 소정의 주파수는 20 kHz 내지 40 kHz의 범위인 것을 특징으로 하는 초음파 처리 챔버.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 호른과 교반 부재는 상기 도파관 조립체의 호른 조립체를 함께 형성하며, 상기 호른 조립체는 상기 하우징의 내부 공간 내에 전체적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 초음파 처리 챔버.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 종방향 단부 중 하나에서 상기 하우징 상에 상기 도파관 조립체를 장착하기 위한 장착 부재를 더 포함하며,
    상기 장착 부재는 상기 하우징을 상기 도파관 조립체로부터 진동적으로 격리하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 초음파 처리 챔버.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 호른은 반파장의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 초음파 처리 챔버.
  16. 제7항에 있어서,
    상기 정재파 부재는 상기 도파관 조립체의 말단부로부터 반파장의 거리로 이격되는 것을 특징으로 하는 초음파 처리 챔버.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 하우징은 상기 종방향 단부 중 하나에 있고 상기 출구 포트를 갖는 차폐체를 더 포함하며, 상기 차페체는 상기 하우징의 내부 공간과 상기 출구 포트 중간에 스크린 부재를 갖는 것을 특징으로 하는 초음파 처리 챔버.
  18. 내부 공간을 갖는 기다란 관형의 하우징, 입구, 상기 입구로부터 종방향으로 이격된 출구로 이루어진 초음파 처리 챔버 내에 열전도율을 갖는 액체를 초음파 처리하기 위한 방법에 있어서,
    상기 하우징의 내부 공간의 적어도 일부를 액체보다 큰 열전도율을 갖는 입자층으로 충진하는 단계로서, 상기 입자의 열전도율에 대한 상기 액체의 열전도율의 비는 2:1 내지 400: 1의 범위에 있는, 상기 입자층 충진 단계;
    상기 입자층을 통해 상기 하우징 내의 종방향 흐름을 상기 하우징 출구로 하기 위한 상기 하우징 입구에서 상기 액체를 상기 하우징 내로 지향하는 단계; 및
    상기 액체가 상기 입자층을 통해 흐름에 따라 상기 하우징 내로 흐르는 액체와 직접 접촉하여 상기 하우징 내에 기계적 초음파 진동을 발생시키는 단계;를 포함하는 초음파 처리 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 하우징 출구로부터 종방향으로 이격된 파절을 갖는 음향 정재파를 갖는 상기 하우징 내에서 상기 음향 정재파를 발생시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 처리 방법.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 입자의 열전도율에 대한 상기 액체의 열전도율의 비는 5:1 내지 400: 1의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 초음파 처리 방법.
  21. 제18항에 있어서,
    상기 입자의 열전도율에 대한 상기 액체의 열전도율의 비는 50:1 내지 400: 1의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 초음파 처리 방법.
  22. 제18항에 있어서,
    상기 입자는 5 w/m-K 이상의 열전도율을 갖는 것을 특징으로 하는 초음파 처리 방법.
  23. 제18항에 있어서,
    상기 입자는 30 w/m-K 이상의 열전도율을 갖는 것을 특징으로 하는 초음파 처리 방법.
  24. 제18항에 있어서,
    상기 입자는 100 w/m-K 이상의 열전도율을 갖는 것을 특징으로 하는 초음파 처리 방법.
  25. 제18항에 있어서,
    상기 입자는 알루미나, 알루미늄, 안티몬, 비스무스, 베릴륨, 카드뮴, 칼슘, 크롬, 코발트, 구리, 철, 납, 니켈, 백금, 로듐, 티타늄, 텅스텐, 아연, 이산화티타늄, 탄화규소, 세라믹, 운모 및 보론 나이트라이드 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 처리 방법.
  26. 제18항에 있어서,
    상기 기계적 초음파 진동 발생 단계는 20 kHz 내지 40 kHz 범위의 주파수에서 기계적 초음파 진동을 발생시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 처리 방법.
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