KR20100098535A - 에멀션 제조용 초음파 처리 챔버 - Google Patents

Abstract

적어도 두 개의 분리된 상이 혼합된 에멀션을 제조할 수 있는 처리 챔버를 갖는 초음파 혼합 시스템에 관한 것이다. 상세하게, 적어도 하나의 상은 분산 상이고 하나의 상은 연속 상이다. 상기 처리 챔버는 신장형 하우징을 가지며, 이를 통해 상기 상들이 제 1 입구 포트 및 제 2 입구 포트에서 각각 세로방향으로 유동하여 출구 포트로 흐른다. 신장형 초음파 도파관 집합체는 상기 하우징 내에서 연장되고 이는 미리결정된 초음파 주파수에서 작동하여 하우징 내에서 초음파적으로 상들을 활성화시킨다. 상기 도파관 집합체의 신장형 초음파 혼은 적어도 부분적으로 입구과 출구 포트 중간에 배치되고, 서로 세로방향으로 이격된 관계로 입구 포트와 출구 포트의 중간에서 혼의 외측 표면과 접촉하며 혼의 외측 표면으로부터 횡방향 외측으로 연장되는 복수의 분리된 교반 부재를 갖는다. 상기 혼 및 교반 부재는 미리결정된 주파수에서 혼에 대해 교반 부재의 동적인 움직임을 위해 구성되고 배치되며 상기 미리결정된 주파수에 상응하는 교반 부재의 초음파 캐비테이션 모드에서 작동하고 상기 상들은 챔버 내에서 혼합된다.

Description

에멀션 제조용 초음파 처리 챔버{ULTRASONIC TREATMENT CHAMBER FOR PREPARING EMULSIONS}

본 발명은 일반적으로 다양한 상을 초음파적으로 혼합하여 에멀션을 제조하기 위한 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게, 적어도 제 1 상 및 제 2 상을 초음파적으로 혼합하여 에멀션을 제조하는 초음파적 혼합 시스템에 관한 것이다.

현재 사용되는 많은 제품들이 하나 혹은 그 이상의 에멀션으로 이루어져 있다. 특히, 사용자의 피부, 모발 및 신체의 피부 건강 이익의 적용을 위해 사용되는 화장품 에멀션의 큰 집합이 있다. 추가로, 예를 들어 청소 카운터탑(countertops), 유리 등과 같은 무생물의 대상에 이점을 제공하기 위해 여러 다른 에멀션이 사용된다. 일반적으로, 에멀션은 분산(dispersed) 상 및 연속 상으로 이루어지고 통상적으로 계면활성제 또는 계면활성제와 다양한 친수성/친유성 밸런스(hydrophilic/lipopilic balances, HLB))의 조합의 첨가로 형성된다. 에멀션은 유용하지만, 현재 혼합 과정은 여러 문제점을 가지며, 이는 이러한 에멀션 제조를 위한 시간, 에너지, 및 돈을 낭비할 수 있다.

특히, 에멀션은 현재 콜드 믹스(cold mix) 또는 핫 믹스(hot mix) 공정에 의한, 배치형(batch-type) 공정에서 제조된다. 상기 콜드 믹스 공정은 일반적으로 블레이드, 배플(baffles) 또는 보텍스(vortex)를 통해 적용되는 교반과 함께 케틀(kettle)에 순차적으로 첨가되는 여러 성분 또는 상으로 이루어진다. 상기 핫 믹스 공정은 상기 성분 또는 상들이 일반적으로 상온을 초과하여 가열되는 것을 제외하고는 상기 콜드 믹스 공정과 유사하게 수행되며, 혼합 전에 예를 들어 약 40 내지 약 1000℃까지 가열되고, 성분 및 상들이 혼합된 후에 다시 상온으로 냉각된다. 양쪽의 공정에서, 다양한 상들은 덤핑(dumping), 푸어링(pouring), 및/또는 시프팅(sifting)을 포함하는 다양한 방법 중 하나에 의해 수동적으로 첨가된다.

이렇게 통상적으로 상들을 에멀션으로 혼합하는 방법은 몇몇 문제를 갖는다. 예를 들어, 상술한 바와 같이 모든 상들은 수동적으로 순차적으로 첨가된다. 상들의 첨가에 앞서, 각 상을 위한 성분은 무게가 달아져야 하며, 이는 인적 과실(human error)을 야기할 수 있다. 특히, 상기 성분들의 무게를 동시에 달아야 하는 경우에는, 첨가량(additive amount)으로 무게가 잘못 측정될 수 있다. 나아가, 상기 성분들의 수동적 첨가에 의해, 상기 성분들을 쏟거나 하나의 용기에서 그 다음으로 불완전하게 옮길 위험이 있다.

에멀션 제조를 위한 상 혼합의 통상적인 방법에 대한 또 다른 주된 이슈는 전체적으로 수동적이고 지시를 따르는 각각의 혼합자에게 남겨진 가열 시간, 혼합 시간, 및 추가 시간이 요구되는 배치(batching) 공정(예컨데, 상술한 바와 같은 콜드 또는 핫 믹스)이다. 이러한 실행은 배치-대-배치 및 컴퓨터 대 컴퓨터로부터의 불일치를 유발할 수 있다. 나아가, 이러힌 절차는 완료를 위해 수 시간을 요구하며, 이는 매우 고비용일 수 있다.

상술한 바에 기초하여, 초음파 에너지를 제공하여 둘 이상의 상의 에멀션으로의 혼합을 향상시키는 혼합 시스템에 대한 당해 기술 분야의 요구가 존재한다. 나아가, 상기 시스템이 초음파의 캐비테이션(cavitation) 메커니즘을 향상시도록 설정할 수 있고, 그에 따라 상기 상이 효과적으로 혼합되어 에멀션을 형성할 수 있는 가능성을 증가시킬 수 있는 경우에 유용할 것이다.

일 견지로, 적어도 2개의 상을 혼합하여 에멀션을 제조하기 위한 초음파 혼합 시스템은 대체로 세로방향(longitudinally) 양 단부 및 내부 공간을 갖는 신장형(elongate) 하우징을 포함하는 처리 챔버를 포함한다. 하우징은 대체로 그의 하나 이상의 세로방향 단부에서 폐쇄되고, 하우징의 내부 공간 내로 적어도 제 1 상을 수용하기 위한 적어도 제 1 입구 포트, 하우징의 내부 공간 내로 적어도 제 2 상을 수용하기 위한 적어도 제 2 입구 포트, 및 상기 제 1 및 제 2 상의 초음파 혼합에 후속적으로 에멀션이 하우징으로부터 배출되는 적어도 하나의 출구 포트를 갖는다. 상기 출구 포트는 상기 제 1 및 제 2 입구 포트로부터 세로방향으로 이격되어, 액체(즉, 제 1 및/또는 제 2 상들)는 하우징의 내부 공간 내에서 상기 제 1 및 제 2입구 포트로부터 출구 포트로 세로방향으로 유동한다. 일 구현으로, 상기 하우징은 혼합되어 에멀션을 형성하기 위한 추가의 상을 수용하기 위한 2 이상의 분리된 포트를 포함한다. 적어도 하나의 신장형 초음파 도파관 집합체가 하우징의 내부 공간 내에서 세로방향으로 연장되고, 하우징 내에서 유동하는 제 1 및 제 2 상(및 어떠한 추가의 상)을 초음파로 활성화(ultrasonically energize)시키고 혼합시키는 미리결정된 초음파 주파수에서 작동 가능하다.

상기 도파관 집합체는, 일반적으로 하우징의 제 1 및 제 2 입구 포트와 출구 포트 중간에 적어도 부분적으로 배치되고 하우징 내에서 상기 제 1 및 제 2입구 포트로부터 출구 포트로 유동하는 상기 제 1 및 제 2 상과 접촉하도록 위치된 외측 표면을 갖는 신장형 초음파 혼을 포함한다. 복수의 별개의 교반 부재들이 서로 세로방향으로 이격된 관계로 제 1 및 제 2 입구 포트와 출구 포트 중간에서 혼의 외측 표면과 접촉하며 외측 표면으로부터 횡방향 외측으로 연장된다. 상기 교반 부재 및 혼은 미리결정된 주파수에서의 혼의 초음파 진동 시에 혼에 대한 교반 부재들의 동적 움직임을 위해, 그리고 미리결정된 주파수에 대응하는 교반 부재의 초음파 캐비테이션 모드에서 작동하고, 상기 챔버 내의 상기 제 1 및 제 2 상이 혼합되도록 구성되고 배열된다.

본 발명의 초음파 혼합 시스템은 일반적으로 (151)로 표시되는 처리 챔버를 포함하며, 작동하여 다양한 상들을 초음파적으로 혼합하여 에멀션을 형성하고, 나아가 상기 챔버 내에서 향상된 혼합을 가능하게 하는 캐비테이션(cavitation) 모드를 제조할 수 있다.

도 1은 에멀션을 제조하기 위한 본 발명의 제 1 구현에 따른 초음파 혼합 시스템의 개략도이다.
도 2는 에멀션을 제조하기 위한 본 발명의 제 2 구현에 따른 초음파 혼합 시스템의 개략도이다.
대응하는 도면 부호는 도면 전체에 걸쳐 대응하는 부분을 표시한다.

초음파 혼합 시스템은 세로방향(longitudinally) 양 단부 및 내부 공간을 갖는 신장형(elongate) 하우징을 포함하는 처리 챔버, 및 상기 하우징 내부 공간 내에서 세로방향으로 연장되고 미리결정된 초음파 주파수에서 작동하여 하우징 내에서 유동하는 제 1 및 제 2 상을 초음파로 활성화(ultrasonically energize)시키고 에멀션을 제조하는 미리결정된 초음파 주파수에서 작동 가능한 신장형 초음파 도파관 집합체를 포함한다. 상기 하우징은그 하나 이상의 세로방향 단부에서 폐쇄되고, 하우징의 내부 공간 내로 적어도 제 1 상을 수용하기 위한 적어도 제 1 입구 포트, 하우징의 내부 공간 내로 적어도 제 2 상을 수용하기 위한 적어도 제 2 입구 포트, 및 상기 제 1 및 제 2 상의 초음파 혼합에 후속적으로 에멀션이 하우징으로부터 배출되는 적어도 하나의 출구 포트를 갖는다. 상기 출구 포트는 상기 제 1 및 제 2 입구 포트로부터 세로방향으로 이격되어, 제 1 및 제 2 상이 하우징의 내부 공간 내에서 상기 제 1 및 제 2입구 포트로부터 출구 포트로 세로방향으로 유동한다.

상기 도파관 집합체는 하우징의 제 1 및 제 2 입구 포트와 출구 포트 중간에 적어도 부분적으로 배치되고 하우징 내에서 상기 제 1 및 제 2입구 포트로부터 출구 포트로 유동하는 상기 제 1 및 제 2 상과 접촉하도록 위치된 외측 표면을 갖는 신장형 초음파 혼을 포함한다. 추가로 상기 도파관 집합체는 서로 세로방향으로 이격된 관계로 제 1 및 제 2 입구 포트와 출구 포트 중간에서 혼의 외측 표면과 접촉하며 외측 표면으로부터 횡방향 외측으로 연장된 복수의 분리된 교반 부재를 포함한다. 상기 교반 부재 및 혼은 미리결정된 주파수에서의 혼의 초음파 진동 시에 혼에 대한 교반 부재들의 동적 움직임을 위해, 그리고 미리결정된 주파수에 대응하는 교반 부재의 초음파 캐비테이션 모드에서 작동하고, 상기 챔버 내의 상기 제 1 및 제 2 상이 혼합되도록 구성되고 배열된다.

본 발명은 나아가 물-내-오일(oil-in-water) 에멀션의 제조를 위한 초음파 혼합 시스템에 관한 것이다. 상기 혼합 시스템은 세로방향(longitudinally) 양 단부 및 내부 공간을 갖는 신장형(elongate) 하우징을 포함하는 처리 챔버, 및 상기 하우징 내부 공간 내에서 세로방향으로 연장되고 미리결정된 초음파 주파수에서 작동하여 하우징 내에서 유동하는 오일 상 및 물 상을 초음파로 활성화(ultrasonically energize)시키고 혼합하는 미리결정된 초음파 주파수에서 작동 가능한 신장형 초음파 도파관 집합체를 포함한다. 상기 하우징은그 하나 이상의 세로방향 단부에서 폐쇄되고, 하우징의 내부 공간 내로 적어도 상기 오일 상을 수용하기 위한 적어도 제 1 입구 포트, 하우징의 내부 공간 내로 적어도 물 상을 수용하기 위한 적어도 제 2 입구 포트, 및 상기 오일 상 물 상의 초음파 혼합에 후속적으로 물-내-오일 에멀션이 하우징으로부터 배출되는 적어도 하나의 출구 포트를 갖는다. 상기 출구 포트는 상기 제 1 및 제 2 입구 포트로부터 세로방향으로 이격되어, 상기 오일 및 물 상이 하우징의 내부 공간 내에서 상기 제 1 및 제 2입구 포트로부터 출구 포트로 세로방향으로 유동한다.

상기 도파관 집합체는 하우징의 제 1 및 제 2 입구 포트와 출구 포트 중간에 적어도 부분적으로 배치되고 하우징 내에서 상기 제 1 및 제 2입구 포트로부터 출구 포트로 유동하는 상기 어일 상 및 물 상과 접촉하도록 위치된 외측 표면을 갖는 신장형 초음파 혼; 서로 세로방향으로 이격된 관계로 제 1 및 제 2 입구 포트와 출구 포트 중간에서 혼의 외측 표면과 접촉하며 외측 표면으로부터 횡방향 외측으로 연장되는 복수의 별개의 교반 부재; 및 하우징의 내부 공간 내에 배치되며 적어도 부분이 상기 하우징으로부터 혼을 향해 횡방향으로 내부로 연장되어 상기 하우징 내에서 세로방향으로 흐르는 오일 및 물 상을 지시하여 내부로 횡방향으로 흘러서 상기 교반 부재 내에서 접촉하게 하는 배플 집합체(baffle assembly)를 포함한다. 상기 교반 부재 및 혼은 미리결정된 주파수에서의 혼의 초음파 진동 시에 혼에 대한 교반 부재들의 동적 움직임을 위해, 그리고 미리결정된 주파수에 대응하는 교반 부재의 초음파 캐비테이션 모드에서 작동하고, 상기 챔버 내의 오일 상 및 물 상이 혼합되도록 구성되고 배열된다.

본 발명은 나아가 본 발명에 기술된 초음파 혼합 시스템을 이용한 에멀션의 제조방법에 관한 것이다. 본 방법은 상기 제 1 상을 상기 제 1 입구 포트를 통해 하우징의 내부 공간으로 전달하는 단계; 상기 제 2 상을 상기 제 2 입구 포트를 통해 하우징의 내부 공간으로 전달하는 단계; 및 상기 제 1 및 제 2 상을 비리결정된 초음파 주파수에서 작동하는 신장형(elongated) 초음파 도파관 집합체를 통해 초음파 혼합하는 단계를 포함한다.

본 발명의 다른 특징들은 이하에서 부분적으로 명백해지며 부분적으로 지적될 것이다.

특히 도 1을 참조하면, 일 구현에서, 일반적으로 (121)로 지시되며, 상들을 혼합하여 에멀션을 제조하기 위한 초음파 혼합 시스템은 일반적으로 (151)로 표시되는 처리 챔버를 포함하며, 이는 작동하여 다양한 상들을 초음파적으로 혼합하여 에멀션을 형성하고, 나아가 상기 챔버(151) 내에서 향상된 혼합을 가능하게 하는 캐비테이션(cavitation) 모드를 제조할 수 있다.

일반적으로 초음파 에너지가 도파관 집합체에 의해 만들어지면서, 상의 캐비테이션이 증가하며, 마이크로버블을 제조하는 것으로 생각된다. 이러한 마이크로 버블은 그 후 붕괴되고, 상기 챔버 내의 압력이 증가하여 다양한 상을 강력히 혼합하여 에멀션을 형성한다.

본원에서 사용되는 바와 같은 "액체" 및 "에멀션"이라는 용어는, 2 또는 그 이상의 상을 포함하며, 전형적으로 하나의 상은 분산(dispersed) 상이고 하나의 상은 연속 상인 배합물을 언급하는 것으로 교체가능하게 사용된다. 나아가, 적어도 하나의 상은 액체-액체 에멀션, 액체-기체 에멀션 또는 입상 물질이 혼합된 액체 에멀션이거나 또는 다른 점성 유체를 지칭하도록 의도된다.

초음파 혼합 시스템(121)이 도 1에 개략적으로 도시되어 있고, 다양한 상들을 혼합하여 에멀션을 제조하는 초음파 혼합 시스템 내 처리 챔버(151)의 사용을 참고하여 본 명세서에서 더욱 기술된다. 상기 에멀션은 사용자의 피부, 모발, 및/또는 신체에 다양한 피부 이익 중 하나를 제공하기 위한 화장품 에멀션일 수 있다. 예를 들어, 일 구현으로, 상기 화장품 에멀션은 사용자의 피부를 세정하는 물-내-오일(oil-in-water) 에멀션일 수 있다. 그러나, 본 명세서에서는 물-내-오일 에멀션과 관련하여 기술되어 있지만, 본 명세서의 견지를 벗어남이 없이 상기 초음파 혼합 시스템은 다양한 상을 혼합하여 다른 형태의 에멀션의 제조를 위해 이용될 수 있음이 당해 기술분야의 숙련자에게 이해되어야 한다.

예를 들어, 다른 적절한 에멀션은 오일-내-물, 물-내-오일-내-물(water-in-oil-in-water) 에멀션, 오일-내-물-내-오일(oil-in-water-in-oil) 에멀션, 실리콘-내-물(water-in-silicone) 에멀션, 물-내-실리콘-내-물(water-in-silicone-in-water) 에멀션, 실리콘-내-글리콜(glycol-in- silicone) 에멀션, 고내상(high internal phase) 에멀션 등을 포함할 수 있다. 본 발명의 초음파 처리 시스템을 이용하여 제조할 수 있는 또 다른 에멀션은 손 살균제, 항-노화 로션, 상처 케어 세럼, 치아 미백 젤, 생물 및 무생물 표면 세정제(animate and inanimate surface cleanser), 물티슈(wet wipe), 선탠 로션, 페인트, 잉크, 코팅, 및 산업 및 소비 제품용 연마제(polishes)를 포함한다.

특히 바람직한 구현으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 처리 챔버(151)는 통상적으로 신장형(elongate)이고 일반 입구 말단(125)(설명된 구현의 배향에서 하부 말단) 및 일반 출구 말단(127)(설명된 구현의 배향에서 상부 말단)을 갖는다. 상기 처리 챔버(151)는 상기 처리 챔버(151)로 적어도 2 상이 이들의 입구 말단(125)에서 유입되고, 상기 챔버 내에서 일반적으로 세로방향(longitudinally)(예컨데 설명된 구현의 방향에서 상부로)으로 흐르고 상기 일반적으로 챔버의 출구 말단(127)에서 챔버를 나가도록 구성된다.

본 명세서에서 "상부" 및 "하부"라는 용어는 다양한 도면에 도시된 처리 챔버(151)의 수직 배향에 따라 사용되고, 사용 시의 챔버의 필수적인 배향을 설명하도록 의도되지 않는다. 즉, 챔버(151)가 가장 적합하게는 수직으로 배향되며, 챔버의 출구 단부(127)가 다양한 도면에 도시된 바와 같이 입구 단부(125) 위에 있지만, 챔버는 입구 단부가 출구 단부 위에 있는 채로 배향될 수 있거나, 수직 배향 이외로 배향될 수 있는 것으로 이해되고, 이는 본 발명의 범주 안에 포함된다.

본 명세서에서 "축방향" 및 "세로방향"이라는 용어는 챔버(151)의 수직 방향(예컨대, 도 1의 도시된 구현에서의 수직 방향과 같은 단부 대 단부)에 대한 방향성을 지칭한다. 본 명세서에서 "횡방향", "측방향", 및 " 방사상(radial)"이라는 용어는 축방향(예컨대, 세로방향)에 대해 직각인 방향을 지칭한다. "내측" 및 "외측"이라는 용어는 처리 챔버(151)의 축방향에 대해 횡방향인 방향에 관하여 사용되고, "내측"이라는 용어는 챔버의 내부를 향한 방향을 지칭하고, "외측"이라는 용어는 챔버의 외부를 향한 방향을 지칭한다.

처리 챔버(151)의 입구 단부(125)는 하나 이상의 상을 상기 챔버(151)로, 더 적합하게는 챔버를 통해 지시하도록 작동 가능한 전달 시스템과 유체 연통한다. 보다 상세하게, 도 1에 도시된 바와 같이, 두 개의 전달 시스템(128 및 129)가 작동하여 제 1상(나타내지 않음) 및 제 2상(나타내지 않음)을 상기 챔버(151)를 통해 지시한다. 전형적으로, 상기 전달 시스템(128 및 129)은 독립적으로 하나 혹은 그 이상의 펌프(170 및 171)를 각각 포함하고, 상기 펌프는 각각의 상을 대응하는 이들의 공급원으로부터 상기 챔버(151)의 입구 단부(125)로 적절한 도관(132, 134)을 거쳐 펌핑하도록 작동 가능하다.

전달 시스템(128, 129)은 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이, 하나 이상의 상을 처리 챔버(121)로 전달하도록 구성될 수 있는 것이 이해된다. 또한, 도 1에 도시되고 본원에서 설명되는 것 이외의 전달 시스템이 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이 하나 이상의 상을 처리 챔버(151)의 입구 단부(125)로 전달하도록 사용될 수 있는 것도 고려된다. 하나 이상의 상은 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이, 상기 처리 챔버의 입구 말단으로 전달되는 동일하거나 상이한 상의 2개의 스트림을 나타낼 수 있는 것이 이해되어야 한다.

상기 처리 챔버(151)는 챔버(151)의 내부 공간(153)을 형성하는 하우징을 포함하고, 챔버(151)로 전달되는 적어도 3개의 상은 하우징을 통해 입구 단부(125)로부터 출구 단부(127)로 유동한다. 상기 챔버 하우징(151)은 적합하게는, 대체로 챔버(151)의 측벽(157)을 적어도 부분적으로 형성하는 신장형 튜브(155)를 포함한다. 상기 튜브(155)는 내부에 형성된 하나 이상의 입구 포트(두개의 그러한 입구 포트가 도 1에 도시되어 있고, 156 및 158로 표시되어 있음)를 가질 수 있고, 이를 통해 챔버(151) 내에서 처리될 적어도 2 개의 분리된 상이 챔버의 내부 공간(153)으로 전달된다. 하우징의 입구 단부는 두개 이상, 3개 이상, 그리고 심지어 4개 이상의 입구 포트를 포함할 수 있는 것을 본 기술 분야의 숙련자는 이해하여야 한다. 예를 들어, 도시되지는 않았지만, 상기 하우징은 3개의 입구 포트를 포함할 수 있고, 여기서 상기 제1 입구 포트와 제2 입구 포트는 적합하게는 서로 평행하게, 서로 이격된 관계에 있고, 상기 제 3 입구 포트는 상기 제 1 및 제 2 입구 포트로부터 상기 하우징의 반대 측변 상에 배향될 수 있다.

바람직하게는 상기 입구 포트가 입구 말단에서 인접하게 배치되는 한편, 본 발명의 견지를 벗어나지 않고 상기 입구 포트가 서로 챔버의 측벽을 따라 이격될 수 있음(도 2 참고)이 당해 기순분야의 숙련자에게 인식되어야 한다. 특히 도 2에 도시된 바와 같이 상기 제 1 입구 포트(228)은 일반적으로 (211)로 지시되는 상기 입구 단부의 말단에 배치되고, 상기 제 2 입구 포트(229)는 상기 입구 말단(225)와 출구 단부(227)사이에 횡으로 배치될 수 있다. 이러한 형태의 구성은 하나 혹은 그 이상의 혼합될 상들이 반응성이거나 또는 난류(turbulence), 열, 또는 다른 상 혹은 성분과의 상호작용에 의해 잠재적으로 불안정한 경우에 유리하다. 이러한 반응성 성분 및/또는 상은 상기 제 1 입구 포트에서 멀리 떨어진 대안적인 지점(즉, 제 2 입구 포트)에서 첨가될 수 있다. 택일적인 구현으로, 상기 반응성 성분 및/또는 상은 에멀션이 챔버를 나가자마자 인-라인 혼합기(in-line mixer)와 같이 챔버 밖으로부터 첨가되어 에멀션을 제조할 수 있다.

다시 도 1을 참조하면, 상기 하우징(151)은 측벽(157)의 세로방향 반대쪽 단부에 연결되어 이를 실질적으로 폐쇄하며, 처리 챔버의 출구 단부(127)를 대체로 형성하기 위한 하나 이상의 출구 포트(165)를 내부에 갖는 폐쇄구(closure)를 포함할 수 있다. 택일적으로, 본 발명의 견지를 벗어남이 없이, 상기 하우징은 측벽의 세로방향 단부에 연결되어 이를 실질적으로 폐쇄하며, 적어도 하나의 입구 포트(228)를 갖는(도 2 참고) 폐쇠구를 포함한다. 상기 챔버의 (예컨대, 신장형 튜브에 의해 형성된) 측벽은 도파관 집합체(하기에서 추가로 설명됨) 및 폐쇄구와 함께 챔버의 내부 공간을 형성하는 내측 표면을 갖는다.

도 1의 구현에 설명되 예에서, 튜브(155)는 대체로 원통형이어서, 상기 챔버 측벽(157)은 단면이 대체로 환상이다. 그러나, 챔버 측벽(157)의 단면은 다각형 또는 다른 적합한 형상과 같이, 환상 이외의 것일 수 있는 것으로 고려되고, 이는 본 발명의 범주 내에 포한된다. 도시된 챔버(151)의 챔버 측벽(157)은 적합하게는 투명한 재료로 구성되지만, 어떠한 임의의 적합한 재료가 챔버 내에서 혼합되는 상, 챔버가 작동하도록 의도된 압력, 및 온도와 같은 챔버 내의 다른 환경 조건과 양립 가능하다면, 사용될 수 있는 것으로 이해된다.

전체적으로 (203)로 표시된 도파관 집합체는 챔버(151)의 내부 공간(153)을 통해 유동하는 상(및 이들의 결과-에멀션)를 초음파로 활성화시키도록, 챔버(151)의 내부 공간(153) 내에서 세로방향으로 적어도 부분적으로 연장된다. 특히, 도시된 구현의 도파관 집합체(203)는 챔버(151)의 하부 또는 입구 단부(125)로부터 내부 공간(153) 내로 위로 세로방향으로, 입구 포트(예컨대, 존재하는 경우 입구 포트(156)) 및 출구 포트(예컨대, 존재하는 경우 출구 포트(165))의 중간에 배치된 도파관 집합체의 말단 단부(113)로 연장된다. 도 1에서 챔버(151)의 내부 공간(153) 내로 입구로부터 세로방향으로 연장되는 것으로 도시되어 있지만, 도파관 집합체는 상기 출구 말단으로부터 하부로 내부 공간으로 횡으로 연장될 수 있는 것으로 본 기술 분야의 숙련자는 이해하여야 하며(도 1 참고); 즉 상기 도파관 집합체는 본 발명의 견지를 벗어남이 없이 상기 챔버 하우징 내에서 반전될 수 있다. 나아가, 상기 도파관 집합체는 챔버의 하우징 측벽으로부터 챔버의 내부 공간을 통해 수평으로 이어지면서, 측방향으로 연장될 수 있는 것을 본 기술 분야의 숙련자는 이해하여야 한다. 전형적으로, 도파관 집합체(203)는 본원에서 이후에 설명될 바와 같이, 챔버 하우징(151)에 직접 또는 간접으로 장착된다.

계속 도 1을 참조하면, 상기 도파관 집합체(203)는 적합하게는 챔버(151) 내에서 처리되는 액체 내에 완전히 침지되도록 입구 포트(156, 158)와 출구 포트(165) 중간에서 하우징(151)의 내부 공간(153) 내에 전체가 배치된, 전체적으로 (133)으로 표시된 신장형 혼 집합체를 포함하고, 더 적합하게는, 도시된 구현에서, 혼 집합체는 챔버 측벽(157)과 동축으로 정렬된다. 혼 집합체(133)는 측벽(157)의 내측 표면(167)과 함께 챔버(151)의 내부 공간(153) 내의 유동 경로를 형성하는 외측 표면(107)을 갖고, 이 유동 경로를 따라 2 또는 그 이상의 상(및 그 결과 에멀션)들이 챔버 내에서 혼을 지나 유동한다 (유동 경로의 이러한 부분은 대체로 본 명세서에서 초음파 처리 구역으로서 지칭됨). 상기 혼 집합체(133)는 혼 집합체의 종결 단부(및 따라서 도파관 집합체의 종결 단부(113))를 형성하는 상 단부, 및 세로방향 반대측의 하단부(111)를 갖는다. 또한, 도시되지는 않았지만, 도파관 집합체(203)는, 혼 집합체(133)와 동축으로 정렬되고, 상단부에서 그의 하단부(111)로 연결되는 부스터를 또한 포함하는 것이 특히 바람직하다. 그러나, 상기 도파관 집합체(203)는 혼 집합체(133)만을 포함할 수 있는 것으로 이해되고, 이는 본 발명의 범주 내에 든다. 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이, 부스터는, 혼 집합체(133)가 챔버 하우징(151) 상에 장착된 채로, 그의 전체가 챔버 하우징(151)의 외부에 배치될 수 있는 것도 고려된다.

상기 도파관 집합체(203), 보다 구체적으로 상기 부스터는 적합하게는 (작동 중에 초음파 진동하는) 도파관 집합체를 처리 챔버 하우징으로부터 진동 격리시키도록 구성된 장착 부재(도시되지 않음)에 의해, 그의 상단부에서 챔버 하우징(151) 상에, 예컨대 챔버 측벽(157)을 형성하는 튜브(155) 상에 장착된다. 즉, 상기 장착 부재는 챔버 하우징의 내부 공간(153) 내에서 도파관 집합체(구체적으로 혼 집합체(133))의 목적하는 횡방향 위치를 유지하고 챔버 하우징 내에서 혼 집합체의 세로방향(longitudinal) 및 횡방향(transverse) 변위를 허용하면서, 도파관 집합체(203)의 세로방향 및 횡방향 기계적 진동의 챔버 하우징(151)으로의 전달을 억제한다. 또한, 장착 부재는 (예컨대, 부스터, 혼 집합체의 하단부와 함께) 챔버(151)의 입구 단부(125)를 적어도 부분적으로 폐쇄한다. 적합한 장착 부재 구성의 예는 미국 특허 제6,676,003호에 도시되고 설명되어 있고, 상기 미국 특허의 전체 내용은 본원과 일치하는 범위까지 본원에 참고 문헌으로 편입된다.

하나의 특히 적합한 실시예에서, 상기 장착 부재는 단일편 구성이다. 보다 더 적합하게는, 상기 장착 부재는 상기 부스터(및 더 광범위하게는, 도파관 집합체(203))와 일체로 형성될 수 있다. 그러나, 상기 장착 부재는 도파관 집합체(203)와 별도로 구성될 수 있는 것으로 이해되고, 이는 본 발명의 범주 내에 든다. 또한, 장착 부재의 하나 이상의 구성 요소들은 별도로 구성되고, 적합하게 함께 연결되거나 달리 조립될 수 있는 것으로 이해된다.

하나의 적합한 실시예에서, 상기 장착 부재는 도파관 집합체(203)를 챔버(151)의 내부 공간(153) 내에 적절한 정렬로 유지시키기 위해 대체로 강성(예컨대, 하중 하에서 정적 변위에 대해 저항성)이도록 추가로 구성된다. 예를 들어, 일 구현의 강성 장착 부재는 비탄성 재료, 더 적합하게는 금속, 보다 더 적합하게는 부스터(및 더 광범위하게는 도파관 집합체(203))를 구성하는 동일한 금속으로 구성될 수 있다. 그러나, "강성"이라는 용어는 장착 부재가 도파관 집합체(203)의 초음파 진동에 응답하여 동적인 휨 및/또는 굽힘이 불가능한 것을 의미하도록 의도되지 않는다. 다른 실시예에서, 강성 장착 부재는 하중 하에서 정적 변위에 대해 충분히 저항성이지만, 도파관 집합체(203)의 초음파 진동에 응답하여 동적인 휨 및/또는 굽힘이 가능한 탄성 재료로 구성될 수 있다.

적어도 여기체(도시되지 않음) 및 전원(도시되지 않음)을 포함하는 적합한 초음파 구동 시스템(131)이 챔버(151)의 외부에 배치되고, 부스터(도시되지 않음) (및 더 광범위하게는 도파관 집합체(203))에 작동식으로 연결되어, 도파관 집합체를 기계식으로 초음파로 진동시키도록 활성화시킨다. 적합한 초음파 구동 시스템(131)의 예는 미국 일리노이주 세인트 찰스 소재의 듀케인 울트라소닉스(Dukane Ultrasonics)로부터 구입 가능한 모델 20A3000 시스템, 및 미국 일리노이주 샤움버그 소재의 헤르만 울트라소닉스(Herrmann Ultrasonics)로부터 구입 가능한 모델 2000CS 시스템을 포함한다.

일 실시예에서, 구동 시스템(131)은 약 15 kHz 내지 약 100 kHz의 범위, 더 적합하게는 약 15 kHz 내지 약 60 kHz의 범위, 보다 더 적합하게는 약 20 kHz 내지 약 40 kHz의 범위 내의 주파수에서 도파관 집합체(203)를 작동시킬 수 있다. 이러한 초음파 구동 시스템(131)은 본 기술 분야의 숙련자에게 공지되어 있고, 본원에서 추가로 설명될 필요가 없다.

도시되지 않았으나, 일부 구현으로, 상기 처리 챔버는 초음파적으로 처리하고 상들을 혼합하여 에멀션을 제조하기 위한 적어도 2개의 혼 집합체를 포함하는 하나 이상의 도파관 집합체를 포함할 수 있다. 상술한 바와 같이, 상기 처리 챔버는 상기 챔버의 내부 공간을 형성하는 하우징을 포함하며, 상기 내부 공간을 통해 상들이 입구 말단으로부터 전달된다. 상기 하우징을 신장형 튜브를 포함하며, 이는 적어도 일부분 상기 챔버의 측벽을 형성한다. 상술한 바와 같이 하나의 도파관 집합체만을 포함하는 구현으로, 상기 튜브는 그 내부에 형성된, 챔버 내에서 혼합될 적어도 2 상을 내부 공간으로 전달하는 2 개 이상의 입구 포트, 및 상기 챔버에서 에멀션이 배출되는 적어도 하나의 출구 포트를 가질 수 있다.

이러한 구현으로, 2 또는 그 이상의 도파관 집합체가 적어도 부분적으로 상기 챔버의 내부 공간 내에서 횡으로 연장되어 초음파적으로 활성화하고 상기 챔버의 내부 공간을 통해 흐르는 상(및 결과 에멀션)들을 혼합한다. 각각의 도파관 집합체는 개별적으로 신장형 혼 집합체를 포함하고, 이들은 각각 전체적으로 상기 하우징의 내부 공간 내에 상기 입구 포트과 출구 포트의 중간에 배치되어 상기 챔버 내에서 혼합될 상들이 내에 완전히 침지되도록 한다. 각각의 혼 집합체는 독립적으로 본 명세서세 보다 자세히 설명된 바와 같이 구성될 수 있다(복수의 교반 부재 및 배플 집합체(baffle assemblies)와 함께 혼은 포함).

다시 도 1을 참조하면, 혼 집합체(133)는 외측 표면(107)을 갖는 신장형의, 대체로 원통형인 혼(105)과, 혼에 연결되고 혼의 외측 표면으로부터 횡방향 외측으로 적어도 부분적으로 연장된, 서로 세로방향으로 이격된 관계의 2개 이상의(즉, 복수의) 교반 부재(137)를 포함한다. 혼(105)은 적합하게는 혼의 공진 파장의 약 절반(일반적으로, 1/2 파장으로 달리 지칭됨)과 동일한 길이를 갖는 크기이다. 하나의 특정 실시예에서, 상기 혼(105)은 적합하게는 앞서 언급된 초음파 주파수 범위 내에서, 가장 적합하게는 20 kHz에서 공진하도록 구성된다. 예를 들어, 혼(105)은 적합하게는 티타늄 합금(예컨대, Ti₆Al₄V)으로 구성되고, 20 kHz에서 공진하는 크기일 수 있다. 그러한 주파수에서 작동하는 1/2 파장 혼(105)은 따라서 약 101.6 mm(4 인치) 내지 약 152.4 mm(6 인치)의 범위, 더 적합하게는 약 114.3 mm(4.5 인치) 내지 약 139.7 mm(5.5 인치)의 범위, 보다 더 적합하게는 약 127 mm(5.0 인치) 내지 약 139.7 mm(5.5 인치)의 범위의 (1/2 파장에 대응하는) 길이, 및 가장 적합하게는 약 5.25 인치(133.4 mm)의 길이를 갖는다. 그러나, 초음파 처리 챔버(151)는 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이 1/2 파장의 임의의 증분을 갖는 크기의 혼(105)을 포함할 수 있는 것이 이해된다.

일 구현으로(도시되지 않음), 상기 교반 부재(137)는 혼의 원주부 둘레에서, 서로 세로방향으로 이격된 관계로 그리고 혼의 외측 표면으로부터 횡방향 외측으로 연장하는 일련의 5개의 와셔형(washer-shaped) 링을 포함한다. 이러한 방식으로, 혼에 대한 교반 부재 각각의 진동 변위는 혼의 원주부 둘레에서 비교적 균일하다. 그러나, 교반 부재는 각각 혼의 원주부 둘레에서 연속적일 필요가 없는 것으로 이해된다. 예를 들어, 상기 교반 부재는 대신, 스포크, 블레이드, 핀(fin), 또는 혼의 외측 표면으로부터 횡방향 외측으로 연장하는 다른 별개의 구조 부재의 형태일 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 5개의 교반 부재들 중 1개는 T-형상(701)이다. 구체적으로, 상기 T-형 교반 부재(701)는 노드 영역을 둘러싼다. T-형상의 부재들은 본원에서 더 상세하게 설명되는 바와 같이 캐비테이션 효과를 더욱 증가시키는 강한 반경방향(예컨대, 수평) 음파를 발생시키는 것이 발견되었다.

치수 예로서, 도 1의 도시된 실시예의 혼 집합체(133)는 약 5.25 인치(133.4 mm)의 길이를 갖고, 링(137) 중 하나는 적합하게는 혼(105)(및 따라서 도파관 집합체(203))의 종결 단부(113)에 인접하여 배치되고, 더 적합하게는 혼(105)의 종결 단부로부터 대략 0.063 인치(1.6 mm) 세로방향으로 이격된다. 다른 실시예에서, 최상부 링(137)은 혼(105)의 종결 단부에 배치될 수 있고, 이는 본 발명의 범주 내에 든다. 링(137)은 각각 두께가 약 0.125 인치(3.2 mm)이고, 서로로부터 (링들의 대면 표면들 사이) 약 0.875 인치(22.2 mm)의 거리로 세로방향으로 이격된다.

교반 부재(137)(예컨대, 도시된 실시예에서 링)의 개수는 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이 5개 미만 또는 초과일 수 있는 것으로 이해된다. 교반 부재(137)들 사이의 세로방향 간격은 도 1에 도시되고 상기에서 설명된 바와 다를 수 있는 것(예컨대, 더 가깝거나 더 멀리 이격될 수 있는 것)도 이해된다. 또한, 도 1에 도시된 링(137)이 서로로부터 세로방향으로 균등하게 이격되지만, 2개를 초과하는 교반 부재들이 존재하는 경우에, 세로방향으로 연속된 교반 부재들 사이의 간격은 본 발명의 범주 내에서 균일할 필요가 없는 것이 대안적으로 고려된다.

특히, 교반 부재(137)의 위치는 적어도 부분적으로 혼 집합체(133)의 진동 시의 교반 부재들의 의도된 진동 변위의 함수이다. 예를 들어, 도 1의 도시된 실시예에서, 혼 집합체(133)는 혼(105)의 대체로 세로방향 중심에 위치된 노드 영역을 갖는다(예컨데, 3번째 링). 본원에서 사용되고, 특히 도 1에 도시된 혼(105)의 "노드 영역"은, 혼의 초음파 진동 중에 세로방향 변위가 거의 (또는 전혀) 발생하지 않고 혼의 횡방향 (예컨대, 도시된 실시예에서 반경방향) 변위가 대체로 최대화되는, 혼 부재의 세로방향 영역 또는 세그먼트를 지칭한다. 또한, 혼 집합체(133)의 횡방향 변위는 적합하게는 혼의 횡방향 확장을 포함하지만, 혼의 횡방향 이동(예컨대, 굽힘)을 포함할 수도 있다.

도 1의 도시된 실시예에서, 1/2 파장 혼(105)의 구성은 노드 영역이 특히 노드 평면 (즉, 횡방향 변위가 대체로 최대화되면서 세로방향 변위가 발생하지 않는 혼 부재에 대해 횡방향인 평면)에 의해 형성되도록 되어 있다. 이러한 평면은 또한 때때로 "노드 지점"으로 지칭된다. 따라서, 혼(105)의 노드 영역으로부터 세로방향으로 더 멀리 배치된 교반 부재(137)(예컨대, 도시된 실시예에서, 링)들은 주로 세로방향 변위를 경험하고, 노드 영역에 세로방향으로 더 가까이 있는 교반 부재들은 세로방향으로 먼 교반 부재들에 비해 증가된 양의 횡방향 변위 및 감소된 양의 세로방향 변위를 경험할 것인 반면, 혼(105)은 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이 노드 영역이 혼 부재 상에서 세로방향으로 중심에 위치되지 않도록 구성될 수 있는 것으로 이해된다. 또한 교반 부재(137) 중 하나 이상은 혼(105)의 초음파 진동 시에 혼에 대한 세로방향 및 횡방향 변위를 모두 경험하도록 혼 상에서 세로방향으로 위치될 수 있는 것으로 이해된다.

계속 도 1을 참조하면, 교반 부재(137)는 혼의 초음파 진동에 응답하여 교반 부재의 동적 운동, 특히 동적인 휨/굽힘을 충분히 용이하게 하도록 (예컨대, 재료, 및/또는 두께 및 교반 부재가 혼(105)의 외측 표면(107)으로부터 횡방향 외측으로 연장하는 거리인 횡방향 길이와 같은 치수에 있어서) 구성된다. 하나의 특히 적합한 실시예에서, 도파관 집합체(203)가 처리 챔버 내에서 작동되도록 주어진 초음파 주파수(본원에서, 도파관 집합체의 소정의 주파수로 달리 지칭됨) 및 챔버(151) 내에서 처리되는 특정 액체에 대해, 교반 부재(137) 및 혼(105)은 적합하게는 본원에서 소정의 주파수에서의 초음파 캐비테이션 모드로 지칭되는 것에서 교반 부재들을 작동시키도록 구성 및 배열된다.

본원에서 사용되는 바와 같이, 교반 부재의 초음파 캐비테이션 모드는 미리 결정된 초음파 주파수에서 제조되는 에멀션의 캐비테이션 (즉, 액체 내에서의 버블의 형성, 성장 및 폭발성 붕괴)를 생성하기에 충분한 교반 부재의 진동 변위를 지칭한다. 예를 들어, 챔버 내에서 유동하는 에멀션을 위한 적어도 하나의 상이 수성 상을 포함하고, 도파관 집합체(203)가 작동되는 초음파 주파수(즉, 미리결정된 주파수)가 약 20 kHz인 경우에, 교반 부재(137)들 중 하나 이상은 적합하게는 교반 부재의 캐비테이션 모드를 확립하기 위해 적어도 1.75 mil (즉, 0.00175 인치 또는 0.044 mm)의 진동 변위를 제공하도록 구성된다. 유사하게, 챔버 내에서 유동하는 에멀션을 위한 적어도 하나의 상이 소수성 상(즉, 오일)을 포함하고, 초음파 주파수가 약 20 kHz인 경우에, 교반 부재(137)들 중 하나 이상은 적합하게는 교반 부재의 캐비테이션 모드를 확립하기 위해 적어도 1.75 mil의 진동 변위를 제공하도록 구성된다.

도파관 집합체(203)는 제조되는 특정 에멀션과 관련된 목적하는 캐비테이션 모드를 달성하기 위해 (예컨대, 재료, 크기 등에 있어서) 다르게 구성될 수 있는 것으로 이해된다. 예를 들어, 에멀션을 제조하기 위해 혼합되는 상의 점성이 변화함에 따라, 교반 부재의 캐비테이션 모드는 변화될 필요가 있을 수 있다.

특히 적합한 실시예에서, 상기 교반 부재의 캐비테이션 모드는 교반 부재의 공진 모드에 대응하고, 이에 의해 교반 부재의 진동 변위는 혼의 변위에 대해 증폭된다. 그러나, 캐비테이션은 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이, 교반 부재가 그의 공진 모드에서 작동하지 않으면서, 또는 심지어 혼의 변위보다 더 큰 진동 변위에서도 발생할 수 있는 것이 이해된다.

하나의 적합한 실시예에서, 교반 부재 중 적어도 하나 이상, 더 적합하게는 모두의 횡방향 길이의 교반 부재의 두께에 대한 비율은 약 2:1 내지 약 6:1의 범위 내이다. 다른 예로서, 링은 각각 혼(105)의 외측 표면(107)으로부터 횡방향 외측으로 약 0.5 인치(12.7 mm)의 길이로 연장되고, 각각의 링의 두께는 약 0.125 인치(3.2 mm)여서, 각각의 링의 두께에 대한 횡방향 길이의 비율은 약 4:1이다. 그러나, 교반 부재의 두께 및/또는 횡방향 길이는 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이 상기에서 설명된 바와 같은 링의 두께 및/또는 횡방향 길이와 다를 수 있는 것으로 이해된다. 또한, 교반 부재(137)(링)가 적합하게는 각각 동일한 횡방향 길이 및 두께를 갖지만, 교반 부재는 상이한 두께 및/또는 횡방향 길이를 가질 수 있는 것으로 이해된다.

전술한 구현에서, 교반 부재의 횡방향 길이는 또한 챔버의 내부 공간 내의 액체 또는 다른 유동 가능한 성분이 혼을 지나 유동하는 유동 경로의 크기를 적어도 부분적으로 (그리고 방향을 적어도 부분적으로) 형성한다. 예를 들어, 상기 혼은 약 0.875 인치(22.2 mm)의 반경을 가질 수 있고, 각각의 링의 횡방향 길이는 상기에서 논의된 바와 같이, 약 0.5 인치(12.7 mm)이다. 하우징 측벽의 내측 표면의 반경은 대략 1.75 인치(44.5 mm)여서, 각각의 링과 하우징 측벽의 내측 표면 사이의 횡방향 간격은 약 0.375 인치(9.5 mm)이다. 혼 외측 표면과 챔버 측벽의 내측 표면 사이 및/또는 교반 부재와 챔버 측벽의 내측 표면 사이의 간격은 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이 위에서 설명된 것보다 더 크거나 더 작을 수 있는 것이 고려된다.

대체로, 혼(105)은 적합한 음향적 및 기계적 특성을 갖는 금속으로 구성될 수 있다. 혼(105)을 구성하기 위해 적합한 금속의 예는 알루미늄, 모넬, 티타늄, 스테인리스 강, 및 몇몇 합금 강철을 포함하되, 이에 제한되지 않는다. 혼(105)의 전부 또는 일부는 몇몇을 언급하자면 은, 백금(platinum), 금, 팔라듐, 이산화납, 및 구리와 같은 다른 금속으로 코팅될 수 있는 것도 고려된다. 하나의 특히 적합한 구현에서, 교반 부재(137)는 혼(105)과 동일한 재료로 구성되고, 더 적합하게는 혼과 일체로 형성된다. 다른 실시예에서, 교반 부재(137) 중 하나 이상은 대신에 혼(105)과 별도로 형성되어 혼에 연결될 수 있다.

도 1에 도시된 교반 부재(137)(예컨대, 링)이 비교적 편평, 즉 단면이 비교적 직사각형이지만, 링은 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이 직사각형 이외의 단면을 가질 수 있는 것이 이해된다. 이러한 경우에 "단면"이라는 용어는 하나의 횡방향을 따라 (예컨대, 도시된 실시예에서, 혼 외측 표면(107)에 대해 반경방향으로) 취한 단면을 지칭한다. 추가로, 도 1에 도시된 교반 부재(137)(예컨대, 링)가 횡방향 구성요소를 갖는 것으로만 구성되었지만, 교반 부재들 중 하나 이상은 도파관 집합체(203)의 초음파 진동 중에 (예컨대, 도 1에 도시된 혼의 노드 영역에서 그리고 그 부근에서) 혼의 횡방향 진동 변위를 이용하기 위해 적어도 하나의 세로방향 (예컨대, 축방향) 구성요소를 가질 수 있는 것이 고려된다.

도 1에 가장 잘 도시된 바와 같이, 도파관 집합체(예를 들어 도시된 구현에서 혼(105)의)의 말단부(113)는 적합하게는 도 1의 출구 말단(127)에서 출구 포트(165)로부터 세로방향으로 이격되어, 본 명세서에서 버퍼 영역(즉, 도파관 집합체(203)의 말단 단부(113)를 종으로 지나는 상기 챔버 하우징(151)의 내부 공간(153)의 부분)으로 지칭되는 것을 형성하며, 이는 챔버(151)의 말단 단부(112)의 하류를 흘러 출구 말단(127)까지 흐르는 데 상들의(및 결과 에멀션) 성분들이 더욱 균일하게 혼합되도록 한다. 예를 들어, 절적한 일 구현으로, 상기 버퍼 영역은 공극체적(void volume)(즉, 상기 버퍼 영역 내 챔버 하우징(151) 내의 개방 공간(153)의 부분의 체적)을 가지며, 여기서 상기 버퍼 영역 공극 체적에 대한 상기 도파관 집합체의 말단 단부의 상류의 상기 챔버 하우징 내부 공간의 나머지 부분의 공극 체적의 비율은 적절하게는 약 0.01:1 내지 약 5:0.1, 그리고 더욱 적절하게는 약 1:1의 범위이다.

출구 포트(127)를 통해 에멀션이 챔버로부터 배출되기 전에 상기 도파관 집합체(203)의 말단 단부(113)와 상기 챔버(151)의 출구 포트(165) 사이의 상기 종적인 공간이 혼합 에멀션의 교반된 흐름에 충분한 공간을 제공하여 일반적으로 가라앉게 하면서 혼합 상의 제조에 사용되어 에멀션을 형성하는 경우 상기 기술된 버퍼 영역이 상기 챔버(151)가 특히 적절하다. 이는 특히, 상기 기술된 구현에서, 교반 부재(137) 중 하나가 혼(113)의 말단 단부에 또는 그 인접에 배치되는 경우에 유용하다. 이러한 배치는 에멀션이 혼(113)의 말단 단부를 지나 흐르는 경우 에멀션의 백-혼합(back-mixing)에 유익한 한편, 챔버를 나가기 전에 이러한 교반 흐름이 적어도 부분적으로 진정되는 것이 바람직하다. 그러나, 본 발명의 견지를 벗어남이 없이, 상기 혼(105)의 말단 단부(113)는 도 1에 도시된 것 보다 상기 출구 말단(127)에 가까울 수 있는 것으로 이해되고, 실질적으로 출구 포트(165)에 인접하여 일반적으로 상기 버퍼 영역을 생략할 수 있다.

나아가, 전체적으로 (245)로 표시된 배플 집합체가 챔버 하우징(151)의 내부 공간(153) 내에서, 특히 측벽(157)의 내측 표면(167)에 대체로 횡방향으로 인접하여 그리고 혼(105)과 대체로 횡방향으로 대향하는 관계로 배치된다. 하나의 적합한 구현에서, 상기 배플 집합체(245)는 하우징 측벽(157)의 내측 표면(167)에 인접하여 배치되고, 측벽의 내측 표면으로부터 혼(105)을 향해 횡방향 내측으로 적어도 부분적으로 연장되는 하나 이상의 배플 부재(247)를 포함한다. 더 적합하게는, 하나 이상의 배플 부재(247)는 하우징 측벽 내측 표면(167)으로부터, 혼(105)의 외측 표면(107)으로부터 외측으로 연장되는 교반 부재(137)와 세로방향으로 끼워지는 위치로 횡방향 내측으로 연장한다. 본 명세서에서 "세로방향으로 끼워지는"이라는 용어는 혼(105)의 세로방향 축에 대해 평행하게 그려진 세로방향 선이 교반 부재(137) 및 배플 부재(247)를 통과하는 것을 의미하도록 사용된다. 일례로서, 도시된 구현에서, 배플 집합체(245)는 5개의 교반 부재(237)와 세로방향으로 끼워지는 4개의 대체로 환상인 배플 부재(247)를 포함한다(즉, 혼(105) 둘레에서 연속적으로 연장되는).

더 특별한 예로서, 도 1에 도시된 4개의 환상 배플 부재(247)는 이전의 치수 예(즉, 0.125 인치(3.2 mm))의 교반 부재(137)와 동일한 두께이고, 링들 사이의 세로방향 간격(즉, 0.875 인치(22.2 mm))과 동일하게 (예컨대, 연속된 배플 부재들의 대향된 면들 사이에서) 서로로부터 세로방향으로 이격된다. 환상 배플 부재(247) 각각은 배플 부재의 최내측 모서리가 교반 부재(137)(예컨대, 링)의 최외측 모서리를 넘어 횡방향 내측으로 연장되도록, 약 0.5 인치(12.7 mm)의 횡방향 길이(예컨대, 하우징 측벽(157)의 내측 표면(167)의 내측의)를 갖는다. 그러나, 상기 배플 부재(247)는 본 발명의 범주 내에서 혼(105)의 교반 부재(137)의 최외측 모서리를 넘어 횡방향 내측으로 연장할 필요가 없는 것으로 이해된다.

배플 부재(247)는 따라서 (예컨대, 초음파 처리 구역 내에서) 챔버(151)의 내부 공간(153) 내에서 혼(105)을 지나 유동하는 상(및 결과-에멀션)의 유동 경로 내로 연장하는 것으로 이해될 것이다. 이와 같이, 배플 부재(247)는 상들이 챔버 측벽(157)의 내측 표면(167)을 따라 혼(105)을 지나 유동하는 것을 억제하고, 더 적합하게는 배플 부재는 혼의 교반 부재를 넘어 유동하도록 혼을 향한 횡방향 내측으로의 상들의 유동을 용이하게 하여, 상들의 초음파 활성화(즉, 교반)를 용이하게 하여 상들의 온합을 개시하고 에멀션을 형성한다.

일 구현으로, 예를 들어 상기 챔버 내 상들의 교반 결과로서, 기체 버블이 측벽(157)의 내측 표면(267)을 따라 그리고 각각의 배플 부재(147)의 저면 상의 면을 가로질러 정체되거나 축적되는 것을 억제하기 위해, 일련의 노치(notch)(광범위하게는, 개방부)들이 배플 부재들 각각의 외측 모서리(도시되지 않음) 내에 형성되어, 배플 부재의 외측 모서리와 챔버 측벽의 내측 표면 사이의 기체(예컨대, 기체 버블)의 유동을 용이하게 한다. 예를 들어, 하나의 특히 바람직한 구현에서, 4개의 이러한 노치들이 서로 등간격으로 배플 부재들 각각의 외측 모서리 내에 형성된다. 개방부들은, 배플 부재가 하우징과 맞닿는 경우에, 외측 모서리 이외에서 배플 부재 내에 형성될 수 있는 것으로 이해되고, 이는 본 발명의 범주 내에 든다. 이러한 노치들은 상기에서 논의된 바와 같이, 4개보다 더 많거나 더 적은 개수일 수 있고, 심지어 완전히 생략될 수 있는 것으로도 이해된다.

배플 부재(247)는 환상이거나 혼(105) 둘레에서 연속적으로 연장될 필요가 없는 것으로도 또한 고려된다. 예를 들어, 배플 부재(247)는 스포크, 범프, 세그먼트, 또는 하우징 측벽(157)의 내측 표면(167)에 인접해서부터 횡방향 내측으로 연장하는 다른 별개의 구조적 형성부의 형태에서와 같이, 혼(105) 둘레에서 불연속적으로 연장될 수 있다. 혼 둘레에서 연속적으로 연장되는 배플 부재(247)와 관련된 "연속적으로"라는 용어는 단부 대 단부로 맞닿는 관계로 배열된 2개 이상의 원호형 세그먼트들인 배플 부재를, 즉 상당한 갭이 그러한 세그먼트들 사이에 형성되지 않는 한, 배제하지 않는다. 적합한 배플 부재 구성은 본원과 일치하는 범위까지 본명세서에 참고 문헌으로로 편입된, (2006년 9월 8일자로 출원된) 미국 출원 제11/530,311호에 개시되어 있다.

또한, 도 1에 도시된 배플 부재(247)들이 각각 예컨대, 대체로 얇은 직사각형 단면을 가져서, 대체로 편평하지만, 배플 부재들 중 하나 이상이 각각 챔버(151)의 내부 공간(153)을 따른 기체 버블의 유동을 더욱 용이하게 하기 위해 대체로 편평하거나 직사각형 단면이 아닐 수 있는 것이 고려된다. "단면"이라는 용어는 이러한 경우에, 하나의 횡방향을 따라 (예컨대, 혼 외측 표면(107)에 대해, 도시된 구현에서 반경방향으로) 취한 단면을 지칭하도록 사용된다.

상술한 바와 같이 몇몇 구현으로, 상기 도파관 집합체는 챔버 내에서 뒤집어지리 수 있다. 특히, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 도파관 집합체(303)는 상기 챔버 하우징(251)에 출구 말단(227)에 장착되고 상기 챔버 하우징(251)의 내부 공간(253) 내로 아래 방향으로 종으로 연장된다. 상기 제 1 및 제 2 상(나타내지 않음)은 챔버(251)로 입구 포트(228) 및 (229)를 통해 들어가고 종으로 상부 방향으로 혼(213)의 말단 단부(그리고, 기술된 바와 같이 상기 도파관 집합체의 말단 단부)를 향해 유동하며 상기 상들은 초음파로 활성화되고 혼합되어 에멀션을 형성한다. 혼합되면, 상기 에멀션은 상기 챔버(251)의 출구 말단(227)으로 이동하고 출구 포트(165)를 통해 챔버(251)를 나간다.

일 구현으로, 도시되지 않았으나, 상기 초음파 혼합 시스템은 상기 처리 챔버의 출구 말단에 재치된 필터 집합체를 더욱 포함할 수 있다. 많은 에멀션은, 처음 제조되는 때에, 다양한 상들 내에서 서로 끌어당기고 모여서 큰 덩이를 형성하는 하나 이상의 성분을 함유할 수 있다. 나아가 많은 경우 상기 제조된 에멀션 내의 입자는 시간이 지나면서 서로 공격하여 큰 덩이를 만들 수 있으며, 이는 재집적(reagglomeration)이라 언급된다. 따라서, 필너 집합체는 소비자의 사용을 위한 최종 제품으로 전달되기 전에 상기 에멀션 내에서 형성하는 입자의 큰 덩이를 거를 수 있더, 특히, 상기 필터 집합체는 약 0,2 미크론(microns)를 초과하는 입자를 거르기 위해 구성될 수 있다.

상세하게, 특히 바람직한 일 구현으로, 상기 필터 집합체는 내부 표면을 커버한한다. 상기 필터 집합체는 약 0.5 미크론 내지 약 20 미크론의 구멍 크기를 갖는 필터를 포함한다. 보다 적절하게, 상기 필터 집합체는 약 1 미크론 내지 약 5 미크론, 그리고 더욱 적절하게 약 2 미크론의 구멍 크기를 갖는 필터를 포함한다. 상기 필터 집합체에서 사용하기 위한 필터의 구멍의 수 및 크기는 전헝적으로 상기 처리 챔버 내에서 혼합될 배합물(및 그 성분)에 따른다.

탈기장치(Degasser)가 또한 상기 초음파 혼합 시스템에 포함될 수 있다. 예를 들어, 제조된 에멀션이 처리 챔버에서 배출되는 경우, 상기 에멀션이 탈기장치로 유동하며 여기서 상기 에멀션이 화장품 배합물과 같이 소비자의 최종-제품에 사용되지 전에 과량의 기체 버블이 상기 에멀션으로부터 제거될 수 있다.

탈기 장치의 특히 바람직한 구현은 NATCO (Houston, Texas)로부터 상업적으로 입수가능한 것과 같은 연속 유동 기체-액체 싸이클론 분리기(ontinuous flow gas-liquid cyclone separator)이다, 그러나, 원심 작용에 의해 에멀션으로부터 기체를 분리할 수 있는 어떠한 다른 시스템이 본 발명의 견지를 벗어나지 않고 사용될 수 있는 것으로 당해 기술분야의 숙련자에게 이해되어야 한다.

상기 본 명세서의 초음파 혼합 시스템의 일 구현에 따른 작동에 있어서, 상기 혼합 시스템(보다 상세하게는, 상기 처리 챔버)은 2 이상의 상을 혼합하여 에멀션을 형성하는데 사용할 수 있다. 특히, 적어도 제 1 상이 도관을 통해 제 1 입구 포트로 전달되어(예를 들어 상술한 바와 같은 펌프에 의해) 처리 챔버 하우징 내에서 형성되고 제 2상이 도관을 통해 제 2 입구 포트로 전달되어(예를 들어 상술한 바와 같은 펌프에 의해) 처리 챔버 하우징 내에서 형성될 수 있다. 상기 상들은 당해 기술 분야에 알려진 에멀션의 형성을 위한 어떠한 적절한 상일 수 있다. 적절한 상은 예를 들어 오일 상, 수성 상, 실리콘 상, 글리콜 상, 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 다양한 조합으로 혼합되는 경우, 상기 상들은 물-내-오일(oil-in-water) 에멀션, 오일-내-물(water-in-oil) 에멀션, 물-내-오일-내-물(water-in-oil-in-water) 에멀션, 오일-내-물-내-오일(oil-in-water-in-oil) 에멀션, 실리콘-내-물(water-in-silicone) 에멀션, 물-내-실리콘-내-물(water-in-silicone-in-water) 에멀션, 실리콘-내-글리콜(glycol-in-silicone) 에멀션, 고내부상(high internal phase) 에멀션, 하이드로겔 등과 같은 에멀션을 형성한다. 고내부상(high internal phase) 에멀션은 당해 기술 분야에 잘 알려져 있으며, 전형적으로 오일 상의 약 70%(총 에멀션 중량 기준) 내지 약 80%(총 에멀션 중량 기준)을 갖는 에멀션으로 언급된다. 나아가, 당해 기술 분야의 숙련자에게 알려진 바와 같이, "하이드로겔(hydrogel)"은 전형적으로 레올로지 개질제 및/또는 증점제에 의해 농조화된 친수성 염기를 나타낸다. 예를 들어 하이드로겔은 염기로 중화된 카르보머로 농조화된 물로 이루어진 염기로 형성될 수 있다.

본 명세서에서는 상기 초음파 혼합 시스템을 사용하여 물-내-오일(oil-in-water) 에멀션의 제조 방법을 설명할 것이나, 이에 제한되는 것은 아니다. 물-내-오일(oil-in-water) 에멀션 제조의 관점에서 기술되었으나, 상술한 어떠한 에멀션이 본 발명의 견지를 벅어나지 않고 상기 기술된 일반적인 공정을 이용하여 제조될 수 있는 것으로 인식되어야 한다. 일반적으로, 물-내-오일을 제조하기 위한 방법은 하기를 포함함다: 제 1 상(즉, 오일 상)을 제 1 입구 포트를 통해 처리 챔버 하우징의 내부 공간으로 전달하는 단계 및 제 2 상(즉, 물(water) 상)을 제 2 입구 포트를 통해 처리 챔버 하우징의 내부 공간으로 전달하는 단계. 전형적으로, 상기에서 보다 상세하게 설명된 바와 같이, 상기 제1 및 제 2 입구 포트는 상기 처리 챔버 하우징의 측벽을 따라 평행하게 배치된다. 택일적을 구현으로, 상기 제 1 및 제 2 입구 포트는 상기 처리 챔버 하우징의 반대 측벽에 배치된다. 본 명세서에서는 2개의 입구 포트를 갖는 것으로 기술하고 있으나, 당해 기술분야의 숙련자는 본 발명의 견지를 벗어나지 않고 2 개 이상의 입구 포트가 혼합될 다양한 상을 전달하는데 이용될 수 있는 것으로 이해해야 한다.

특히 바람직한 물-내-오일 에멀션은 약 0.1%(오일 상의 총 중량 기준) 내지 약 99%(오일 상의 총 중량 기준)을 포함하는 오일 상으로 제조될 수 있다. 보다 적절하게, 상기 오일 상은 약 1%(오일 상의 총 중량 기준) 내지 약 80%(오일 상의 총 중량 기준) 오일, 그리고 더욱 바란직하게는 약 5%(오일 상의 총 중량 기준) 내지 약 50%(오일 상의 총 중량 기준) 오일을 포함한다. 상기 오일은 천연 오일, 합성 오일, 및 이들의 조합일 수 있다.

상기 용어 "천연 오일"은 오일, 필수 오일, 및 이들의 조합을 포함하는 것으로 의도된다. 적절한 오일은 커넬(Apricot Kernel) 오일, 아보카도 오일, 바바수 오일, 서양지치(borage) 씨 오일, 카멜리아 오일, 캐놀라 오일, 당근 오일, 캐슈넛 오일, 파마자유, 체리 핏(Chery Pit) 오일, 치아(chia) 오일, 코코넛 오일, 콜드 리버(cold liver) 오일, 옥수수 배아 오일, 옥수수 오일, 목화씨 오일, 난유(egg oil), 에폭시화 대두 오일, 달맞이 꽃 오일, 포도 씨 오일, 헤이즐넛 오일, 잡종(hybrid) 잇꽃 오일, 잡종 해바라기씨 오일, 수소화 파마자유, 수소화 파마자유 로레이트, 수소화 코코넛 오일, 수소화 목화씨 오일, 수소화 어유, 수소화 라드(lard), 수소화 멘하덴(menhaden) 오일, 수소화 밍크(mink) 오일, 수소화 오렌지라피유(Orange roughy oil), 수소화 팜 커넬(Palm Kernel) 오일, 수소화 팜 오일, 수소화 피넛 오일, 수소화 상어간 오일, 수소화 대두 오일, 수소화 식물성 오일, 라놀린 및 라놀린 유도체, 레스퀘렐라(lesquerella) 오일, 아마 오일, 마카다미아 넛 오일, 말리에이트화 대두 오일, 메도우폼 씨 오일, 멘하덴 오일, 밍크 오일, 모린가 오일, 모르티에렐라(mortierella) 오일, 우각유(neatsfoot oil), 올리브 허스크 오일, 올리브 오일, 오렌지러피 오일, 팜 커넬유, 팜유, 피치 커넬유, 피넛 오일, 펭가와 잠비(Pengawar Djambi) 오일, 피스타치오 넛 오일, 평지씨 오일, 쌀겨 오일, 잇꽃 오일, 참깨 오일, 상어 간 오일, 대두 오일, 해바라기씨 오일, 감편도(sweet almond) 오일, 톨유, 식물성 오일, 월넛 오일, 밀기울(wheat bran) 지질, 맥아 오일, 자도아리(zadoary) 오일, 다양한 다른 식물의 오일 추출물 및 다른 야채 또는 부분적으로 수소화된 야채 오일 등뿐만 아니라 이들의 혼합물을 포함한다.

적절한 필수 오일은 아니스 오일, 밤 민트(balm mint) 오일, 바질 오일, 비 밤(Bee Balm) 오일, 베르가못 오일, 자작나무 오일, 아몬드(bitter almond) 오일, 광귤 오일, 금잔화 오일, 캘리포니아 육두구 오일, 캐러웨이 오일, 카르다몸 오일, 카모마일 오일, 시나몬 오일, 클래리(clary) 오일, 클로버 잎 오일, 클로버 오일, 고수 오일, 사이프러스 오일, 유칼립투스 오일, 회향(fennel) 오일, 치자나무 오일, 제라늄 오일, 생강 오일, 그레이프프루트 오일, 홉스(hops) 오일, 힙티스(hyptis) 오일, 인디고 버시(indigo bush) 오일, 쟈스민 오일, 쥬니퍼 오일, 키위 오일, 라우렐 오일, 라벤더 오일, 레몬그라스 오일, 레몬 오일, 린덴 오일, 러비지(lovage) 오일, 만다린 오렌지 오일, 마트리카리아(matricaria) 오일, 사향 장미 오일, 육두구 오일, 유향, 오렌지 꽃 오일, 오렌지 오일, 파촐리 오일, 페니로얄 오일, 페퍼민트 오일, 파인 오일, 파인 타르 오일, 로즈 힙스 오일, 로즈마리 오일, 장미 오일, 루(rue) 오일, 세이지 오일, 삼부커스(sambucus) 오일, 백단유(sandalwood) 오일, 사사프라스 오일, 전나무 오일, 스피아민트 오일, 마조람(sweet marjoram) 오일, 향기제비꽃(sweet violet) 오일, 타르 오일, 차나무 오일, 백리향 오일, 야생 민트 오일, 서양톱풀(yarrow) 오일, 일랑일랑 오일 등뿐만 아니라 이들의 혼합물을 포함한다.

몇몇 바람직한 천연 오일은 아보카도 오일, 살구 오일, 바바수야자 오일, 서양지치(borage) 오일, 카멜리아 오일, 캐놀라 오일, 파마자유, 코코넛 오일, 옥수수 오일, 목화씨 오일, 달맞이꽃 오일, 수소화 목화씨 오일, 수소화 팜 커넬 오일, 말리에이트화(maleated) 대두 오일, 메도우팜 오일, 팜 커넬 오일, 포스포리피드, 평지씨 오일, 로즈힙 오일, 해바라기 오일, 대두 오일 등뿐만 아니라, 이의 혼합물을 포함하나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 용어 "합성 오일"은 합성 오일, 에스테르, 실리콘, 다른 에멀리언트(emollient) 및 이들의 조합을 포함하는 것으로 의도된다. 적절한 합성 오일의 예는 바셀린 및 바셀린계 오일, 미네랄 오일, 미네랄 젤리, 이소파라핀, 메티콘과 같은 폴리디메틸실록산, 시클로메티콘, 디메티콘, 디메티콘올, 트리메티콘, 알킬 디메티콘, 알킬 메티콘, 알킬디메티콘 코폴리올, 오르가노-실록산(즉, 여기서 상기 유기 작용기는 알킬, 페닐, 아민, 폴리에틸렌 글리콜, 아민-글리콜, 알킬아릴, 카르복살, 등으로부터 선택될 수 있음), 실리콘 엘라스토머와 같은 실리콘, 페닐 실리콘, 알킬 트리메틸실란, 디메티콘 크로스폴리머, 시클로메티콘, 검, 수지(resines), 지방산 에스테르(C₆-C₂₈ 지방산 및 C₆-C₂₈ 지방성 알콜의 에스테르), 글리세릴 에스테르 및 유도체, 지방산 에스테르 에톡실레이트, 알킬 에톡실레이트, C₁₂-C₂₈ 지방성 알콜, C₁₂-C1₈ 지방산, C₁₂-C₁₈ 지방성 알콜 에테르, 프로필렌 글리콜 에스테르 및 유도체, 알콕실화 카르복실산, 알콕실화 알콜, 지방성 알콜, 궤르베트(guerbet) 알콜, 궤르베트 산, 궤르베트 에스테르, 및 다른 화장품적으로 허용되는 에몰리에이트를 포함한다.

적절한 에스테르의 특정 예는 세틸 팔미에이트, 스테아릴 팔미에이트, 세틸 스테아레이트, 이소프로필 로레이트, 이소프로필 미리스테이트, 이소프로필 팔미에이트, 및 이들의 조합을 포함하나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 오일에 더하여, 상기 물-내-오일 에멀션의 오일 상은 하나 이상의 계면활성제 및/또는 산화방지제(antioxidant)를 포함할 수 있다. 그러나, 상기 오일 상은 본 발명의 견지를 벗어남이 없이 상기 계면활성제/산화방지제를 함유하지 않을 수 있는 것으로 인식되어야 한다. 나아가, 상기 초음파 처리 시스템에 의해 발생된 캐비테이션(cavitation)에 기인하여, 계면활성제가 이용되는 경우, 보다 적은 양의 계면활성제의 첨가가 필요하다. 본 명세서에서는 오일 상으로 기술되지만, 본 발명의 견지를 벗어남이 없이 상기 오일 상에 첨가되는 것에 추가로 또는 택일적으로 하나 이상의 계면활성제가 물 상에 첨가될 수 있는 것으로 당업자에게 인식되어야 한다.

상술한 바와 같이, 에멀션은 전형적으로 계면활성제를 이용하여 제조되며, 상기 계면활성제는 에멸션의 전체적인 클린징(cleansing), 에멀션(emulsification ) 특성에 기여할 수 있다. 추가로, 상기 계면활성제가 사용되어 피부에 부드럽고 사용자로부터 필수 오일의 박탈, 그에 따른 자극 형성 경향이 낮은 에멀션을 제공할 수 있다. 바람직하게, 상기 오일 상은 약 0.1%(총 오일 상 기준) 내지 약 20%(총 오일 상 기준)의 계면활성제를 함유한다. 더욱 바람직하게, 상기 오일 상은 약 1%(총 오일 상 기준) 내지 약 15%(총 오일 상 기준)의 계면활성제, 그리고 더욱 바람직하게는 약 2%(총 오일 상 기준) 내지 약 10%(총 오일 상 기준)의 계면활성제를 함유한다.

적절한 계면활성제는 음이온성 계면활성제, 양쪽성(amphoteric) 계면활성제, 양이온성 계면활성제, 양성이온(zwitterion) 계면활성제, 비-이온 계면활성제, 및 이들의 조합을 포함한다. 적절한 음이온성 계면활성제는 예를 들어 알킬 설페이트, 알킬 에테르 설페이트, 알킬 아릴 설포네이트, 알파-올레핀 설포네이트, 알칼리 금속 또는 알킬 설페이트의 암모늄염, 알칼리 금속 또는 알킬 에테르 설페이트의 암모늄염, 알킬 포스페이트, 실리콘 포스페이트, 알킬 글리세릴 설포네이트, 알킬 설포숙시네이트, 알킬 타우라레이트, 아실 타우라레이트, 알킬 사르코시네이트, 아실 사르코시네이트, 설포아세테이트, 알킬 포스페이트 에스테르, 모노알킬 숙시네이트, 모노알킬 말리에이트(maleate), 설포아세테이트, 아실 이세티오네이트, 알킬 카르복실레이트, 포스페이트 에스테르, 설포숙시네이트(예를 들어, 소듐 디옥틸설포숙시네이트), 및 이들의 조합을 포함한다. 음이온성 계면활성제의 특정 예는 소듐 로릴 설페이트, 소듐 로릴 에테르 설페이트, 암모늄 로릴 설포숙시네이트, 암모늄 로릴 설페이트, 암모늄 로릴 에테르 설페이트, 소듐 도데실벤젠 설포네이트, 트리에탄올아민 도데실벤젠 설포네이트, 소듐 코코일 이세티오네이트, 소듐 로릴 이세티오네이트, 소듐 N-로릴 사르코실레이트, 및 이들의 조합을 포함한다.

적절한 양이온성 계면활성제는 예를 들어 알킬 암모늄염, 폴리머릭 암모늄염, 알킬 피리디늄염, 아릴 암모늄염, 알킬 아릴 암모늄염, 실리콘 4차 암모늄 화합물, 및 이들의 조합을 포함한다. 양이온성 계면활성제의 특정한 예는 베헤닐트리암모늄 클로라이드, 스테아릴코늄(stearlkonium) 클로라이드, 디스테아랄코늄 클로라이드, 클로로헥시딘 디글루타메이트, 폴리헥사메틸렌 비구아나이드(PHMB), 세틸 피리디늄 클로라이드, 벤즈암모늄 클로라이드, 벤잘코늄 클로라이드, 및 이들의 조합을 포함한다.

적절한 양쪽성(amphoteric) 계면활성제는 예를 들어 베타인, 알킬아미도 베타인, 설포베타인, N-알킬 베타인, 설테인(sultaines), 암포아세테이트, 암포디아세테이트, 이미다졸린 카르복실레이트, 사르코시네이트, 코캄포카르복실글리시네이트 및 아실암포프로피오네이트와 같은 아실암포글리시네이트, 및 이들의 조합을 포함한다. 양쪽성 계면활성제의 특정 예는 코카미도프로필 베타인, 로라미도프로필 베타인, 메도우폼아미도프로필 베타인, 소듐 코코일 사르코시네이트, 소듐 코캄포아세테이트, 디소듐 코코암포디아세테이트, 암모늄 코코일 사르코시네이트, 소듐 코코암포프로피오네이트, 및 이들의 조합을 포함한다.

적절한 양성이온(zwitterion) 계면활성제는 예를 들어 알킬 아민 옥사이드, 실리콘 아민 옥사이드, 및 이들의 조합을 포함한다. 적절한 양성이온 계면활성제의 예는 예를들어, 4-[N,N-디(2-히드록시에틸)-N-옥타데실암모니오]-부탄-1-카르복실레이트, S-[S-3-히드록시프로필-S-헥사데실설포니오]-3-히드록시펜탄-1-설페이트, 3-[P,P-디에틸-P-3, 6, 9-트리옥사테트라덱솝실포스포니오]-2-히드록시프로판-1-포스페이트, 3-[N,N-디프로필-N-3-도데콕시-2-히드록시프로필암모니오]-프로판-1-포스포네이트, 3-(N,N-디메틸-N-헥사데실암모니오)프로판-1-설포네이트, 3-(N,N-디메틸-N-헥사데실암모니오)-2-히드록시프로판-1-설포네이트, 4-[N,N-디(2-히드록시에틸)-N-(2-히드록시도데실)암모니오]-부탄-1-카르복실레이트, 3-[S-에틸-S-(3-도데콕시-2-히드록시프로필)설포니오]-프로판-1-포스페이트, 3-[P,P-디메틸-P-도데실포스포니오]-프로판-1-포스포네이트, 5-[N,N-디(3-히드록시프로필)-N-헥사데실암모니오]-2-히드록시-펜탄-1-설페이트, 및 이들의 조합을 포함한다.

적절한 비-이온성 계면활성제는 예를 들어 코카미드 MEA 및 코카미드 DEA와 같은 모노- 및 디-알카놀아민, 아민 옥사이드, 알킬 폴리글루코사이드, 에톡실화 실리콘, 에톡실화 알콜, 에톡실화 카르복실산, 에톡실화 아민, 에톡실화 아미드, 에톡실화 알킬올아미드, 에톡실화 알킬페놀, 에톡실화 글리세릴 에스테르, 에톡실화 소르비탄 에스테르, 에톡실화 포스페이트 에스테르, 글리콜 스터아레이트, 글리세릴 스터아레이트, 및 이들의 조합을 포함한다.

본 명세서에 기술된 상기 많은 비이온성 계면활성제는 상기 다-상 케어 시스템의 클린징 배합물의 발포 특성을 향상시키고, 보다 소형, 감소된 기포 크기 또는 크림같은(creamy) 포말(foam)을 제공할 수 있기 위해 작용할 수 있는 것으로 당해 기술 분야의 숙련자들에게 인식되어야 한다.

추가로 상기 오일 상은 하나 이상의 산화방지제를 포함할 수 있다. 적절한 산화방지제는 예를 들어 글루코실세라미드, 아실세라미드, 보바인 세라미드, 스핑고리피드 E, 와 같은 BHT, BHA, 비타민 E, 세라미드, 세라미드 유도체 및 이들의 조합을 포함한다.

추가로, 상기 물-내-오일 에멀션은 약 0.1%(물 상의 총 중량 기준) 내지 냑 99%(물 상의 총 중량 기준)의 물을 갖는 물 상, 및 습윤제, 킬레이팅제 및 보존제를 포함하는 군형(balance)을 포함한다. 적절한 습윤제는 글리세린, 글리세린 유도체, 소듐 히알루로네이트, 베타인, 아미노산, 글리코스아미노글라이칸, 꿀, 소르비톨, 글리콜, 폴리올, 당, 수소화 전분 가수분해물, PCA의 염, 락틱산, 락테이트, 및 우레아를 포함할 수 있다. 특히 바람직한 습윤제는 글리세린이다.

킬레이팅제는 보존 효능을 행상시킬 수 있고, 에멀션을 변색시키거나 또는 에멀션의 안정성을 방해할 수 있는 금속에 결합한다. 적절한 킬레이팅제는 예를 들어 다우 케미컬 컴퍼니(Dow Chemical Company)로부터 VERSENE Na2의 상품명으로 상업적으로 입수가능한 디소듐 에틸렌디아민 테트라아세트산(EDTA)을 포함한다.

추가로, 상술한 바와 같이, 상기 물 상은 하나 이상의 보존제를 포함할 수 있다. 적절한 보존제는 예를 들어 메틸파라벤, 프로필파라벤, 이소부틸파라벤, 및 이들의 혼합물의 파라-히드록시벤조에이트의 저급 알킬 에스테르, 벤질알콜, DMDM 히단토인(DMDM Hydantoin) 및 벤조익산을 포함한다.

일 구현으로, 상기 상들은 농조화된 에멀션을 제공하는 하나 이상의 증점제와 혼합된다. 특히, 상기 에멀션이 하이드로겔인 경우, 고듐 히드록시드와 같은 염기성 pH 조절제가 에멀션의 농조화에 바람직하게 사용된다.

다양한 증점제가 본 명세서에 기술된 상들에 사용될 수 있다. 일 구현으로, 상기 증점제는 셀룰로오스성 증점제 또는 검(gum)일 수 있다. 적절한 셀룰로오스성 또는 검 증점제의 예는 잔탄검, 아가, 알기네이트, 카라기난, 퍼셀라란, 구아, 양이온성 구아, 아라비아 검, 트라가칸 검, 카라야 검, 로커스트빈 검, 덱스트란, 전분, 개질된(modified) 전분, 겔랑검, 카르복시메틸셀룰로오스, 히드록시프로필셀룰로오스, 히드록시에틸셀룰로오스, 프로필렌 글리콜 알지네이트, 히드록시프로필 구아, 아밀로펙틴, 셀룰로스 검, 키토산, 개질된 키토산, 히드록시프로필 메틸셀룰로오스, 마이크로크리스탈 셀룰로오스, 실리카, 건식실리카(fumed silica), 콜로이달 실리카, 디하이드로잔탄 검, 비-아크릴계 카르보머, 및 이들의 조합을 포함한다.

택일적으로 또는 추가로, 상기 증점제는 아크릴계 폴리머일 수 있다. 적절한 아크릴계 폴리머 증점제는 아크릴레이트/C₁₀-C₃₀알킬 아크릴레이트 교차(cross)폴리머, 약간의(certain) 카르보머, 아크릴레이트 코폴리머, 아미노아크릴레이트 코폴리머, 및 이들의 조합을 포함하나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상업적으로 입수가능한 아크릴계 폴리머 증점제의 예는 아크릴레이트/아미노아크릴레이트/C_10-30 알킬 PEG-20 이타코네이트 코폴리머인 Structure® Plus(National Starch & Chemical, Bridgewater, NJ), 아크릴레이트 코폴리머인 Carbopol® Aqua SF-1 Polymer(Noveon, Cleveland OH), 아크릴레이트/C10-30알킬 아크릴레이트 교차폴리머인 Pemulen® TR-1 및 TR-2 및 Carbopol® ETD 2020(Noveon으로부터 입수 가능), 및 카르보머인 폴리머의 Carbopol®Ultrez 시리즈(Noveon으로부터 입수 가능)를 포함하나, 이에 제한되지 않는다.

일 구현으로, 상술한 바와 같은 하이드로겔을 사용하는 경우, 상기 상(예를 들어 하이드로겔)은 산-민감성(sensitive) 증점제 및/또는 염기-민감성 증점제를 이용하여 배합될 수 있다. 상기 명칭에서 제시되는 바와 같이, 산-민감성 증점제는 산성 제제(agent)와의 접촉에 의해 활성화되고(즉, 부풀거나(swell) 또는 "농조화(thicken)"), 한편 염기-민감성 증점제는 알칼리성 제제와의 접촉에 의해 활성화된다. 상기 산성- 또는 염기성 - 민감성 증점제는 활성화 전에 다른 상 성분과 결합될 수 있고, 상기 산성- 또는 염기성- 민감성 증점제가 상기 상 전체에 분산된 후 산성 또는 알칼리성 제제와 접촉하여 활성화될 수 있다.

상(phase)에 사용하기 위한 적절한 산-민감성 증점제의 예는 상술한 Structure® Plus(National Starch & Chemical, Bridgewater, NJ) 증점제를 포함한다. 상기 산-민감성 증점제는 예를 들어 글리콜릭산, 락틱산, 포스포릭산, 시트릭산, 다른 유기산, 및 유사한 산성 제제를 포함하는 어떠한 넓은 범위의 산성 제제와의 접촉에 의해 활성화될 수 있다. 산 민감성 증점제는 일반적으로 약 3 내지 약 9pH 범위, 그리고 더욱 더욱 전형적으로 약 3 내지 약 7pH 범위 상에서 활성화된다. 상기 Structure® Plus 증점제는 전형적으로 약 3 내지 약 9pH 범위 상에서 활성화된다.

적절한 염기-민간성 증점제는 상술한 Carbopol® Aqua SH-1 Polymer(Noveon, Cleveland OH) 증점제뿐만 아니라, 상술된 Pemulen® TR-1 및 TR-2 증점제(Noveon으로부터 입수가능), Carbopol® ETD 2020 증점제(Noveon으로부터 입수가능), 및 Carbopol® Ultrez 시리즈의 증점제(Noveon으로부터 입수가능), 그리고 다른 카르보머 및 전분, 및 이들의 조합을 포함한다. 상기 염기-민감성 증점제는 예를 들어 다양한 하이드록사이드 및 아민, 및 다른 유사한 알칼라인 제제를 포함하는 어떠한 넓은 범위의 알칼리성 제제와의 접촉에 의해 활성화될 수 있다. 적절한 금속 하이드록사이드의 예는 포타슘 하이드록사이드 및 소듐 하이드록사이드를 포함하며, 이에 제한되는 것은 아니다. 적절한 아민의 예는 트리에탄올아민, 디에탄올아민, 모노에탄올아민, 트로메타민, 아미노메틸프로파놀, 트리이소프로파놀아민, 디이소프로파놀아민, 테트라하이드록시프로필에틸렌디아민, 및 PEG-15 코코아민을 포함하며, 이에 제한되는 것은 아니다. 염기 민감성 증점제는 일반적으로 약 5 내지 약 11의 pH 범위, 보다 전형적으로 약 6 내지 약 11의 pH 범위에서 활성화된다.

상기에서는 증점제로 하이드로겔을 사용하는 것으로 기술하였으나, 당해 기술 분야의 숙련자는 상술한 증점제가 에멀션을 제조하기 위해 기술된 어떠한 상과 함께 사용될 수 있는 것으로 인식하여야 한다.

특정 구현으로, 하나 이상의 상은 둘 이상의 상이한 형태의 증점제를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 상들은 셀룰로스성 증점제, 검 증점제, 산-민감성 증점제, 염기-민감성 증점제, 및/또는 아크릴계(acrylic based) 폴리머 증점제의 어떠한 조합을 포함할 수 있다.

본 명세서에 기재된 바와 같이 에멀션 제조를 위해 상을 혼합하는 관점에서, 당해 기술 분야에 알려진 어떠한 방법을 이용하여 제조된 하나의 에멀션은 하나 혹은 그 이상의 추가적인 상과 혼합되어 본 발명의 견지를 벗어나지 않으면서 상기 초음파 혼합 시스템 및 본 명세서에 기술된 방법을 이용하여 제 2 에멀션을 제조할 수 있는 것으로 인식되어야 한다. 예를 들어, 일 구현으로, 물-내-오일-내-물 에멀션이 제조되어 제 1 입구 포트를 통해 상기 처리 챔버 하우징의 내부 공간으로 전달되고 분리된 상(즉, 상술한 바와 같은 물 상)은 제 2 입구 포트를 통해 상기 처리 챔버 하우징의 내부 공간으로 전달된다. 상술한 바와 같이 미리결정된 주파수에서 작동하는 상기 초음파 혼합 시스템(및, 보다 상세하게는 도파관 집합체)은 상기 오일-내-물 에멀션을 물 상과 혼합하여 물-내-오일-내-물을 제조한다.

일 구현으로, 하나 이상의 상들이 상기 처리 챔버에 전달되기 전에 가열될 수 있다. 특히, 몇몇 에멀션으로, 몇몇 또는 모든 개별적인 상이 비교적 낮은 점성을 갖는 반면(즉, 100cps 이하의 점도), 다른 상 또는 상기 상으로부터 제조된 결과 에멀션은 높은 점도를 가지고(즉, 100cps 를 초과하는 점도), 이는 에멀션의 군집 및 상기 처리 챔버의 출구 포트의 폐쇄 결과를 가져올 수 있다. 예를 들어, 많은 오일-내-물 에멀션은 혼합하는 동안 군집을 겪을 수 있다. 이러한 유형의 에멀션에서, 상기 물 및/또는 오일 상은 전형적으로 혼합되기 전에 대략 40℃ 혹은 그 보다 높은 온도로 가열될 수 있다. 적절하게, 하나 또는 그 이상의 상은 입구 포트를 통해 처리 챔버로 전달되기 전에 약 70℃의 온도로부터 약 100℃까지 가열될 수 있다.

전형적으로 상기 오일 상 및 물 상은 상기 처리 챔버에 약 1g/m(grams per minute) 내지 약 100,000 g/m의 유속으로 전달된다. 일 구현으로, 상기 오일 상 및 물 상은 상이한 유속을 갖는다. 예를 들어, 특정 일 구현으로, 상기 오일 상은 제 1 입구 포트를 통해 약 1g/m 내지 약 10,000 g/m의 유속으로 전달될 수 있고, 상기 물 상은 제 2입구 포트를 통해 약 1g/m 내지 약 10,000 g/m의 유속으로 전달될 수 있다. 택일적인 구현으로, 상기 오일 상 및 물 상은 상기 처리 챔버의 내부로 동일한 유속으로 전달될 수 있다.

상기 구현에 따라, 챔버 내에서 물과 오일 상이 상류로 계속 유동함에 따라, 상기 도파관 집합체, 그리고 더욱 상세하게는 상기 혼 집합체가 구동 시스템에 의해 구동되어 미리 결정된 초음파 주파수에서 진동하여 상을 혼합하고, 이에 따라 에멀션을 제조한다. 특히, 초음파 활성화에 대한 반응으로 혼의 외부 표면으로부터 외부를 향해 연장된 교반 부재가 동력학적으로 혼에 대해 굽거나(flex/bend) 또는 횡으로 이동된다(상기 혼의 노달(nodal) 영역에 대한 교반 부재의 종적인 위치 상에 의존하여).

상기 상들은 연속적으로 종적으로 상기 혼 집합체와 하우징 측벽의 내부 표면 사이의 흐름 경로를 따라 유동하여, 상기 초음파 진동 및 교반 부재의 동적 움직임이 상에서의 캐비테이션을 유발하고 교반을 더욱 촉진한다. 배플 부재는 상기 하우징 측벽의 내부 표면을 따르는 액체의 종적인 흐름을 방해하고 반복적으로 상기 흐름을 진동하는 교반 부재를 넘어 횡으로 내부로 유동하도록 지시한다.

혼합 에멀션이 종적으로 하류로 유동하여 상기 도파관 집합체의 말단 단부를 지남에 따라, 에멀션의 초기의 백(back) 혼합이 또한 상기 혼의 말단 단부 또는 그 인접에서의 상기 교반 부재의 동적 움직임의 결과로서 발생한다. 상기 에멀션의 나아간 하류의 유동은 출구 포트를 통한 처리 챔버로부터의 배출에 앞서 상들의 보다 균일한 혼합을 제공하는 교반된 액체의 결과를 가져온다.

본 명세서는 하기의 실시예에 의해 자세히 설명되며, 다만 이는 설명을 목적으로 하는 것으로서 본 발명이 이에 의해 제한되는 것은 아니다.

실시예 1

본 실시예에서, 오일 상과 수성 액체 상을 혼합하여 물-내-오일 형태의 에멀션을 제조하기 위한 본 발명의 초음파 혼합 시스템의 능력을 분석하였다. 특히, 상기 초음파 혼합 시스템의 상기 초음파 혼합 시스템이 미네랄 오일의 분산을 희석된 숩식 와이프(wet wipes) 내로 혼합하는 능력을 분석하였다.

상기 희석된 습식 와이프 용액은 4.153%(중량으로(by weight)) KIMSPEC AVE® (Rhodia, Inc., Cranbury, New Jersey로부터 상업적으로 입수 가능) 및 95.848% (중량으로) 정제 수를 포함하였다. IKA® EUROSTAR, IKA Works Co., Wilmington, North Carolina)로 부터 입수가능한 프로펠러 믹서(propeller mixer)를 이용하여, 분당 약 540 회전 속도(rpm)로 회전시키면서 KIMSPEC AVE®를 물에 혼합하여 용액을 제조하였다. 희석된 습식 와이프 용액의 4개의 분리되노 시료를 제조하였다. 상기 각각의 시료에 대한 용액을 도 1의 초음파 혼합 시스템의 제 1 입구 포트로 전달하였다.

추가로, Penreco Co., The Woodlands, Texas로 부터 Penreco® Drakeol® LT mineral oil N. F.로서 입수가능한 미네랄 오일의 흐름을 도 1에 나타난 초음파 혼합 시스템의 제 2 입구 포트로 전달하였다. 미네랄 오일의 습식 와이프 용액에 대한 중량비는 1:199였다. 세 개의 상이한 에멀션 시료의 유속을 시료 A, B, 및 C에 대해 사용하였다(각각 4000 grams per minute, 2000 grams per minute, 및 1000 grams per minute). 추가로, LCW, South Plainfield, New Jersey로부터 Solubilisant LRI로서 입수가능한 계면활성제 1%(용액의 총 중량 기준)를 첨가하여 하나의 습식 와이프 용액(시료 D)을 제조하고, 계면활성의 습식 와이프 용액에 대한 중량비는 1:2:197였다. 상기 시료 D의 유속은 1000 g/m였다.

상기 초음파 혼합 시스템은 그 후 초음파 구동 시스템을 이용하여 20 kHz의 주파수에서 초음파적으로 활성화하였다. 처리 챔버 내 혼합 후, 상기 습식 와이프 용액(여기서는 이에 편입된 미네랄 오일을 가짐)은 출구 포트를 통해 상기처리 챔버로부터 배출되었다. 에멀션의 관찰된 물리적 외견을 표 1에 요약하였다. 이렇게 Light Scattering Method by Micromeritics Analytical Services (Norcross, Georgia)를 이용하여 분석하였다. 습식 와이프 내 미네랄 오일 방울의 평균 입자 크기 및 크기 분포에 대한 자료를 표 2에 나타내었다.

습식 와이프 용액 시료	미네랄 오일의 혼합 시스템으로의 유속(g/min)	혼합 시간(분)	미네랄 오일을 함유하는 습식 와이프 용액의 시각적 외견
A	20	0.5	반투명, 우유 같음, 가시적인 방울 없음
B	10	1	우유 같음; A보다 덜 투명; 가시적인 방울 없음
C	5	2	우유 같음; 불투명; 가시적인 방울 없음
D	5	2	우유 같음; 불투명; 가시적인 방울 없음

습식 와이프 용액 시료	평균 입자 직경(㎛)	90% 미세(finer) 직경	50% 미세(finer) 직경(중앙 값)	10% 미세(finer) 직경
A	1.862	3.368	1.381	0.576
B	1.110	2.266	0.655	0.190
C	0.654	1.375	0.379	0.142
D	0.767	1.536	0.510	0.166

표 2에 나타난 바와 같이, 상기 초음파 혼합 시스템에서 2 분 동안 혼합한, 상기 습식 와이프 용액 C 및 D는 미네랄 오일 방울의 보다 작은 입자 크기를 가졌고, 수성 습식 와이프 용액 내에서 미네랄 오일의 보다 나은 분산을 나타내었다.

추가로, 40일 후, 상기 습식 와이프 용액 시료의 외견을 시각적으로 분석하였다. 모든 습식 와이프 용액은 얇은 크림층(creamy layer)을 상부에 포함하였으나, 상기 층은 약간 교반으로 시료의 남은 부분과 혼합가능하였다(miscible).

실시예 2

본 실시예에서, 본 명세서의 초음파 혼합 시스템을 사용하여 오일 상을 물 상으로 에멀션화하여 물-내-오일 에멀션을 제조하였다. 안정한 물-내-오일 에멀션의 제조를 위한 초음파 혼합 시스템의 능력을 분석하고 상술한 통상적인 콜드 믹스(cold mix) 공정을 이용하여 제조한 물-내-오일 에멀션과 비교하였다.

3개의 물-내-오일 에멀션을 제조하였다. 특히, 미네랄 오일(Penreco® Drakeol® LT mineral oil N. F.로서 Penreco Co., The Woodlands, Texas로부터 입수 가능) 1 중량부(part) 대 199 중량부의 물을 혼합하여 대략 2 분 동안의 기간 동안 혼합하여 물-내-오일 에멀션을 제조하였다. 상기 제 1 에멀션 시료(시료 1)를 프로펠러 믹서(IKA® EUROSTAR, IKA Works, Co., Wilmington, North Carolina) 및 표준 콜드 믹스 배치 공정을 이용하여 제조하였다.

다른 두 개의 물-내-오일 에멀션(시료 2 및 3)을 도 1의 초음파 혼합 시스템에서 제조하였다. 특히, 상기 초음파 혼합 시스템을 이용하여 시료 2의 물-내-오일 에멀션을 제조하기 위해, 상기 오일 상을 제 1 입구 포트에 20 g/m의 유속으로 첨가하고 상기 물 상을 상기 제 2 입구 포트에 3980g/g/m의 유속으로 첨가하였다. 상기 오일 상 및 물 상을 챔버 내에서 30초간 혼합하였다.

계면활성제(Solubilisant LRI, LCW, South Plainfield, New Jersey) 내에 제 상기 오일 상을 계면활성제 대 오일의 중량비 1:1로 추가의 혼합에 의해 시료 3을 제조하였다. 상기 혼합된 오일 상(계면활성제를 포함)을 그 후 24g/m의 유속으로 도 1의 상기 초음파 혼합 시스템의 제 1 입구 포트로 첨가하였다. 상기 물 상을 상기 제 2 입구 포트에 3980g/m의 유속으로 첨가하고 오일 상과 혼합하였다. 오일 상의 상기 오일 및 계면활성제 및 물 상의 물을 0.3:0.3:99.4의 중량비로 첨가하였다. 에멀션이 형성되면, 상기 에멀션을 시각적으로 조사하고 두 개의 분리된 용기에 저장하였다. 30 시간 후, 상기 용기를 시각적으로 조사하였다. 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.

시료	혼합 방법	혼합 시간 (min)	혼합 후 즉시 에멀션의 물리적 외견의 시각적 관찰	30 시간 후 에멀션의 물리적 외견의 시각적 관찰
1	핸드 믹서	2.0	1-2 분간 우유 같은 배합물	물 상과 완전히 분리된 오일 상
2	초음파 혼합 시스템	0.5	방울 없는 안정한 우유같은 에멀션	상부에 약간의 1mm 직경의 오일 방울을 갖는 우유같은 에멀션; 3일 후 완전히 분리됨
3	초음파 혼합 시스템	0.5	가시적인 오일 방울 없는 우유같은 에멀션	가시적인 오일 방울 없는 우유같은 에멀션

표 3에 나타난 바와 같이, 상기 초음파 혼합 시스템을 이용하여 제조한 모든 에멀션은 챔버에서 나온 30 시간 후까지 안정하게 남아있는 한편, 배치 공정에서 제조된 에멀션은 수분 후에 분리되었다. 시료 2가 최종적으로 약 3일 후에 완전히 분리된 한편, SOLUBILISANT LRI을 포함하는 오일 상을 이용하여 제조한 에멀션은 40일 동안 안정하게 남아있었다.

상기 배치-제조된 물-내-오일 에멀션으로부터의 오일 방울은 수 마이크로미터에서 수백마이크로미터까지 크기였다. 상기 초음파 혼합 시스템을 이용하여 제조한 두 개의 에멀션에 대해 , 5일이 지난 후 상기 오일 방울의 범위는 서브-마이크로미터(sub-micrometers)의 크기에서 수(a couple of ) 마이크로미터였다.

본 발명 또는 본 발명의 바람직한 실시예의 요소들을 소개할 때, 관사인 "하나(a, an)", "그(the)", 및 "상기(said)"는 하나 이상의 요소들이 있다는 것을 의미하도록 의도된다. "포함하는" 및 "갖는"이라는 용어는 포괄적이며, 열거된 요소들 이외의 추가의 요소들이 있을 수 있다는 것을 의미하도록 의도된다.

다양한 변화가 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이 상기 구성 및 방법에 있어서 이루어질 수 있으므로, 상기 설명에 포함되고 첨부된 도면에 도시된 모든 대상은 예시적이며 제한적이지 않은 의미로 해석되어야 하는 것으로 의도된다.

Claims (20)

1. 하우징의 하나 이상의 세로방향 단부가 폐쇄되고, 하우징의 내부 공간 내로 에멀션을 위한 제 1 상을 수용하기 위한 적어도 제 1 입구 포트, 하우징의 내부 공간 내로 에멀션을 위한 제 2 상을 수용하기 위한 제 2 입구 포트, 및 에멀션 형성을 위한 상기 제 1 및 제 2 상의 초음파 혼합에 후속적으로 에멀션을 하우징으로부터 배출하는 적어도 하나의 출구 포트를 가지며, 상기 출구 포트는 상기 제 1 및 제 2 입구 포트로부터 세로방향으로 이격되어 제 1 상 및 제 2 상이 하우징의 내부 공간 내에서 상기 입구 포트로부터 출구 포트로 세로방향으로 유동하는, 세로방향(longitudinally) 양 단부 및 내부 공간을 갖는 신장형(elongate) 하우징; 및
   하우징의 제 1 및 제 2 입구 포트와 출구 포트 중간에 적어도 부분적으로 배치되고, 하우징 내에서 상기 제 1 및 제 2 입구 포트로부터 출구 포트로 유동하는 상기 제 1 및 제 2 상과 접촉하도록 위치된 외측 표면을 갖는 신장형 초음파 혼(horn), 및 서로 세로방향으로 이격된 관계로 제 1 및 제 2 입구 포트와 출구 포트 중간에서 혼의 외측 표면과 접촉하며 혼의 외측 표면으로부터 횡방향 외측으로 연장되는 복수의 별개의 교반 부재를 포함하며, 상기 교반 부재 및 혼은 미리결정된 주파수에서 혼의 초음파 진동 시에 혼에 대한 교반 부재들의 동적 움직임을 위해 구성되고 배열되며, 미리결정된 주파수에 대응하는 교반 부재의 초음파 캐비테이션 모드에서 작동하여, 상기 챔버 내의 상기 제 1 및 제 2 상이 혼합되도록 하는, 상기 하우징의 내부 공간에서 세로방향(longitudinally)으로 연장되고 미리결정된 초음파 주파수에서 작동하여 상기 하우징 내에서 유동하는 제 1 및 제 2 상을 초음파적으로 활성화하고 혼합하는 신장형 초음파 도파관 집합체
   를 포함하는 처리 챔버를 포함하는 에멀션 제조용 초음파 혼합 시스템.
   
2. 제 1항에 있어서, 제 1 입구 포트를 통해 제 1 상을 상기 챔버의 하우징의 내부 공간으로 전달하도록 작동가능한 제 1 전달 시스템 및 제 2 입구 포트를 통해 제 2 상을 상기 챔버의 하우징의 내부 공간으로 전달하도록 작동가능한 제 2 전달 시스템을 추가로 포함하고, 여기서 상기 제 1 상 및 제 2 상은 독립적으로 약 1g/m 내지 약 100,000 g/m의 의 속도로 전달되는 초음파 혼합 시스템.
   
3. 제 1항에 있어서, 상기 에멀션은 물-내-오일(oil-in-water) 에멀션, 오일-내-물(water-in-oil) 에멀션, 물-내-오일-내-물(water-in-oil-in-water) 에멀션, 오일-내-물-내-오일(oil-in-water-in-oil) 에멀션, 실리콘-내-물(water-in-silicone) 에멀션, 물-내-실리콘-내-물(water-in-silicone-in-water) 에멀션, 실리콘-내-글리콜(glycol-in- silicone) 에멀션, 및 고내상(high internal phase) 에멀션으로 이루어진 그룹으로 부터 선택되는 초음파 혼합 시스템.
   
4. 제 1항에 있어서, 상기 제 1상 및 제 2상은 독립적으로 오일 상, 물 상, 실리콘 상, 글리콜 상, 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 초음파 혼합 시스템.
   
5. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 상 및 제 2 상 중 적어도 하나는 계면활성제를 추가로 포함하는 초음파 혼합 시스템.
   
6. 제 1항에 있어서, 에멀션을 위한 제 3 상을 하우징의 내부 공간으로 수용하기 위한 제 3 입구 포트를 추가로 포함하며, 상기 제 3 상은 오일 상, 물 상, 실리콘 상, 글리콜 상, 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 초음파 혼합 시스템.
   
7. 제 1항에 있어서, 상기 미리결정된 주파수는 약 20kHz 내지 약 40kHz의 범위인 초음파 혼합 시스템.
   
8. 제 1항에 있어서, 상기 혼은 하우징의 내부 공간 내에 말단 단부를 가지며 입구 포트로부터 실질적으로 세로방향으로 이격되어 하우징의 내부 공간 내에서 유입 영역을 형성하는 초음파 혼합 시스템.
   
9. 하우징의 하나 이상의 세로방향 단부가 폐쇄되고, 하우징의 내부 공간 내로 오일 상(oil phase)을 수용하기 위한 적어도 제 1 입구 포트, 하우징의 내부 공간 내로 물 상(water phase)을 수용하기 위한 제 2 입구 포트, 및 물-내-오일(oil-in-water) 에멀션 형성을 위한 상기 오일 상 및 물 상의 초음파 혼합에 후속적으로 물-내-오일 에멀션을 하우징으로부터 배출하는 적어도 하나의 출구 포트를 가지며, 상기 출구 포트는 상기 입구 포트로부터 세로방향으로 이격되어 오일 및 물 상이 하우징의 내부 공간 내에서 상기 입구 포트로부터 출구 포트로 세로방향으로 유동하는, 세로방향(longitudinally) 양 단부 및 내부 공간을 갖는 신장형(elongate) 하우징;
   하우징의 제 1 및 제 2 입구 포트와 출구 포트 중간에 적어도 부분적으로 배치되고, 하우징 내에서 상기 제 1 및 제 2 입구 포트로부터 출구 포트로 유동하는 상기 오일 및 물 상과 접촉하도록 위치된 외측 표면을 갖는 신장형 초음파 혼(horn), 서로 세로방향으로 이격된 관계로 제 1 및 제 2 입구 포트와 출구 포트 중간에서 혼의 외측 표면과 접촉하며 혼의 외측 표면으로부터 횡방향 외측으로 연장되는 복수의 별개의 교반 부재, 및 하우징의 내부 공간 내에 배치되며 적어도 부분적으로 상기 하우징으로부터 혼을 향해 횡방향으로 내부로 연장되며 상기 하우징 내에서 세로방향으로 흐르는 오일 및 물 상을 안내하여 횡방향으로 내부로 흘러서 상기 교반 부재와 접촉하게 하는 배플 집합체(baffle assembly)를 포함하며, 상기 교반 부재 및 혼은 미리결정된 주파수에서 혼의 초음파 진동 시에 혼에 대한 교반 부재들의 동적 움직임을 위해 구성되고 배열되며, 미리결정된 주파수에 대응하는 교반 부재의 초음파 캐비테이션 모드에서 작동하여, 상기 챔버 내의 상기 제 1 및 제 2 상이 혼합되도록 하는, 상기 하우징의 내부 공간에서 세로방향(longitudinally)으로 연장되고 미리결정된 초음파 주파수에서 작동하여 상기 하우징 내에서 유동하는 오일 및 물 상을 초음파적으로 활성화하고 혼합하는 신장형 초음파 도파관 집합체
   를 포함하는 처리 챔버를 포함하는 물-내-오일(oil-in-water) 에멀션 제조용 초음파 혼합 시스템.
   
10. 제 9항에 있어서, 상기 오일 상을 상기 제 1 입구 포트를 통해 상기 챔버의 하우징의 내부 공간으로 전달하도록 작동가능한 제 1 전달 시스템 및 물 상을 상기 제 2 입구 포트를 통해 상기 챔버의 하우징의 내부 공간으로 전달하도록 작동가능한 제 2 전달 시스템을 추가로 포함하고, 여기서 상기 오일 상 및 물 상은 독립적으로 약 1g/m 내지 약 100,000 g/m의 의 속도로 상기 하우징의 내부 공간으로 전달되는 초음파 혼합 시스템.
    
11. 제 9항에 있어서, 상기 오일 상은 계면활성제를 추가로 포함하는 초음파 혼합 시스템.
    
12. 제 9항에 있어서, 상기 미리결정된 주파수는 약 20kHz 내지 약 40kHz의 범위인 초음파 혼합 시스템.
    
13. 제 9항에 있어서, 상기 혼은 하우징의 내부 공간 내에 말단 단부를 가지며 입구 포트로부터 실질적으로 세로방향으로 이격되어 하우징의 내부 공간 내에서 유입 영역을 형성하는 초음파 혼합 시스템.
    
14. 상기 제 1 상을 상기 제 1 입구 포트를 통해 하우징의 내부 공간으로 전달하는 단계;
    상기 제 2 상을 상기 제 2 입구 포트를 통해 하우징의 내부 공간으로 전달하는 단계; 및
    상기 제 1 및 제 2 상을 미리결정된 초음파 주파수에서 작동하는 신장형(elongated) 초음파 도파관 집합체를 통해 초음파 혼합하는 단계
    를 포함하는, 제 1항의 초음파 혼합 시스템을 이용한 에멀션 제조방법.
    
15. 제 14항에 있어서, 상기 제 1 상 및 제 2 상은 약 1 g/m 내지 약 100,000 g/m의 속도로 독립적으로 전달되는 방법.
    
16. 제 14항에 있어서, 상기 에멀션은 물-내-오일(oil-in-water) 에멀션, 오일-내-물(water-in-oil) 에멀션, 물-내-오일-내-물(water-in-oil-in-water) 에멀션, 오일-내-물-내-오일(oil-in-water-in-oil) 에멀션, 실리콘-내-물(water-in-silicone) 에멀션, 물-내-실리콘-내-물(water-in-silicone-in-water) 에멀션, 실리콘-내-글리콜(glycol-in-silicone) 에멀션, 및 고내상(high internal phase) 에멀션으로 이루어진 그룹으로 부터 선택되는 방법.
    
17. 제 16항에 있어서, 상기 제 1상 및 제 2상은 독립적으로 오일 상, 물 상, 실리콘 상, 글리콜 상, 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 방법.
    
18. 제 16항에 있어서, 제 3 상을 제 3 입구 포트를 통해 하우징의 내부 공간으로 전달하는 단계를 추가로 포함하며, 상기 제 3 상은 오일 상, 물 상, 실리콘 상, 글리콜 상, 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 방법.
    
19. 제 14항에 있어서, 상기 제 1 상 및 제 2상 중 적어도 하나는 상기 하우징의 내부 공간으로 전달되기 전에 가열되는 방법.
    
20. 제 14항에 있어서, 상기 제 1상 및 제 2상은 약 20kHz 내지 약 40kHz의 범위의 미리결정된 주파수를 이용하여 초음파적으로(ultrasonically) 혼합되는 초음파 혼합 시스템.

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