KR20100100913A - 배합물로의 입자 분산을 위한 초음파 처리 챔버 - Google Patents

Abstract

처리 챔버에 입자를 분배하는 입자 분배 시스템 및 입자가 하나 이상의 배합물과 혼합될 수 있는 처리 챔버를 갖는 초음파 혼합 시스템이 개시된다. 구체적으로, 상기 처리챔버는 배합물과 입자가 유입구에서 배출구로 종방향으로 흐르는 신장체 하우징을 갖는다. 신장체 초음파 웨이브 가이드 어셈블리는 하우징 내에서 신장하며, 소정의 초음파 주파수에서 작동가능하여 하우징 내에서 상기 배합물 및 입자들에게 초음파적으로 에너지를 공급할 수 있다. 웨이브 가이드 어셈블리의 신장체 초음파 호른은 적어도 부분적으로 유입구와 배출구를 매개하도록 배치되며, 서로와의 관계에서 종 방향으로 이격되는 유입구와 배출구를 매개하는 호른에 접촉하고 호른으로부터 외부를 향해 횡방향으로 신장하는 복수의 분리된 교반부재를 갖는다. 상기 호른 및 교반부재는 소정의 주파수에서 호른에 대한 교반 부재의 동적 운동을 위해, 그리고, 소정의 주파수에 대응하는 교반 부재의 초음파 캐비테이션 모드에서 작동하도록 구성되고 배열되어, 배합물과 입자 챔버에서 혼합된다.

Description

배합물로의 입자 분산을 위한 초음파 처리 챔버{ULTRASONIC TREATMENT CHAMBER FOR PARTICLE DISPERSION INTO FORMULATIONS}

본 발명은 개괄적으로 다양한 배합물(formulation)에 입자를 초음파로 혼합하기 위한 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 초음파로 전형적으로 파우더 형태인 입자를 화장품과 같은 배합물에 혼합하기 위한 초음파 혼합 시스템이 개시된다.

예를 들어, 수분 흡수, 촉감 개선, 제재의 증점 및/또는 피부 보호를 포함하는 다양한 이익을 제공하기 위해 파우더 및 입자가 보통 화장품과 같은 배합물에 첨가된다. 파우더가 사용되더라도, 현재의 혼합 과정은 먼지날림(dusting), 응집(clumping), 낮은 수화(hydration)와 같은 여러 가지 문제점을 가지고 있어, 이러한 배합물의 제조업체에 대하여 시간, 에너지 및 비용을 소모하게 할 수 있다.

특히, 배합물은 상온 혼합(cold mix) 또는 가열 혼합(hot mix) 과정에 의해 배치타입 공정에서 제조된다. 상기 상온 혼합 과정은 일반적으로 블레이드, 배플 또는 소용돌이(vortex)를 통해 교반을 행하면서 케틀(kettle)에 순차적으로 첨가된 복수의 성분 또는 상으로 이루어진다. 상기 가열 혼합 과정은 상기 성분 또는 상들이 실온 이상, 예를 들어, 약 40 내지 100℃의 온도로 가열된 후, 상기 성분들 및 상을 혼합한 후에 실온으로 다시 냉각되는 것을 제외하고는 상기 상온 혼합과정과 유사하게 수행된다. 두 과정에서, 파우더(또는 다른 입자들)은 쏟아 붓기(dumpirng), 붓기(pouring) 및/또는 뿌리기를 포함하는 다수의 방법 중 어느 하나의 방법으로 수동으로 상기 다른 성분들에 첨가된다.

파우더 및 입자들을 배합물에 혼합하는 이러한 통상의 방법은 여러 가지 문제점을 가지고 있다. 예를 들어, 상기한 바와 같이, 모든 성분들이 수동으로 연속적으로 첨가된다. 상기 성분들을 첨가하기 전에, 각각의 성분의 중량을 측정할 필요가 있으며, 이는 인간의 실수를 유발할 수 있다. 특히, 상기 성분들이 한번 만에 중량을 측정해야 할 필요가 있는 경우에, 첨가 함량에 대하여 중량 측정 오류가 발생할 수 있다. 나아가, 수동을 성분들을 첨가함으로 인해, 상기 성분의 엎질러짐 또는 하나의 용기에서 다음 용기로의 불완전한 운송의 위험이 존재한다.

배합물에 파우더를 혼합하는 통상적인 방법이 갖는 하나의 다른 큰 이슈는 배치 공정이 가열 시간, 혼합시간 및 완전히 수동이고, 지시 후에 개별적인 혼합자에게 달려있는 부가시간을 필요로 한다는 것이다. 이러한 실무작업은 배치에서 배치, 그리고 혼합자에서 혼합자 사이에 불일치를 야기할 수 있다. 나아가, 이들 과정은 완료하는데 많은 시간을 필요로 하며, 이는 극히 고비용을 야기할 수 있다.

앞의 기재에 근거하여, 본 분야에 있어서, 초음파 에너지를 제공하여 배합물에 파우더 및 입자의 혼합을 향상시키기 위한 혼합시스템에 대한 요구가 있다. 나아가, 상기 시스템이 배치되어 초음파의 캐비테이션(cavitation) 메커니즘을 향상시킬 수 있다면, 그에 의해 파우더 및 입자들이 상기 배합물에 효과적으로 혼합될 것이라는 가능성을 증가시키는 잇점이 있다.

일 견지로서, 배합물 내에 입자를 혼합하기 위한 초음파 혼합 시스템은 일반적으로, 종방향으로 마주보는 말단들 및 내부 공간을 갖는 신장체 하우징(elongate housing), 및 처리 챔버 내에 입자를 분배하는 입자 분배 시스템(particulate dispensing system)을 포함한다. 상기 처리 챔버의 하우징은 일반적으로 종방향의 말단부의 적어도 하나에서 폐쇄되며, 상기 하우징의 내부 공간으로 배합물을 수령하는 적어도 하나의 흡입구 및 입자-함유 배합물이 배합물 및 입자의 초음파 혼합 후에 상기 하우징으로부터 배출되는 적어도 하나의 배출구를 갖는다. 상기 배출구는 상기 유입구로부터 종방향으로 이격되어 있어, 액체가 상기 하우징의 내부공간 내에서 상기 유입구로부터 배출구로 종방향으로 흐른다. 일 구현예로서, 상기 하우징은 별도의 배합물의 성분을 도입하기 위한 두 개의 별도의 출입구를 포함한다. 적어도 하나의 신장체 초음파 웨이브 가이드 어셈블리(elongate ultrasonic waveguide assembly)는 내부 공간 내에서 종방향으로 신장하며, 상기 하우징 내에서 흐르는 상기 배합물과 입자들에 초음파로 에너지를 가하여 혼합할 수 있도록 미리 설정된 초음파에서 작동할 수 있다.

상기 웨이브 가이드 어셈블리는 상기 하우징의 상기 유입구 및 배출구를 적어도 부분적으로 매개하는 위치에 배치된 신장체 초음파 호른(horn)을 포함하며, 상기 유입구에서 배출구로 하우징 내부를 흐르는 배합물 및 입자들과의 접촉을 위하여 위치된 외부표면을 갖는다.

복수의 개별적인 교반 부재는 서로에 대해 종방향으로 이격되어 있는 유입구와 배출구를 매개하는 호른의 외부 표면과 접촉하여 상기 호른의 외부표면으로부터 횡방향으로 외부를 향해 신장한다. 상기 교반 부재 및 호른은 미리 설정된 주파수에서 상기 호른의 초음파 진동으로 호른에 대한 교반 부재의 역동적인 움직임을 위해, 그리고, 상기 미리 설정된 주파수에 대응하는 상기 교반 부재의 초음파 캐비테이션 모드에서 작동하도록 구성되고 배열되어, 상기 챔버에서 배합물이 입자들과 혼합된다.

이와 같이 본 개시는 배합물에 입자들을 혼합하기 위한 초음파 혼합 시스템에 관한 것이다. 상기 혼합 시스템은 처리 챔버 및 입자들을 상기 배합물과 혼합하기 위한 처리 챔버에 분배할 수 있는 입자 분배 시스템을 포함한다. 일반적으로 상기 처리 챔버는 종방향으로 마주보는 말단 및 내부공간을 갖는 신장체 하우징(elongate housing), 그리고, 상기 하우징의 내부 공간 내에서 종방향으로 연장되고, 상기 하우징 내에서 흐르는 상기 배합물 및 입자에 초음파로 에너지를 가하여 배합하도록 미리 설정된 초음파 주파수에서 작동할 수 있는 신장체 초음파 웨이브 가이드 어셈블리 포함한다. 일반적으로 상기 하우징은 그 종방향의 말단의 적어도 하나에서 폐쇄되고, 상기 하우징의 내부 공간에 배합물을 도입하기 위한 적어도 하나의 유입구 및 상기 배합물 및 입자들의 초음파 혼합 후에 상기 하우징으로부터 입자-함유 배합물을 배출하는 적어도 하나의 배출구를 갖는다. 상기 배출구는 상기 유입구로부터 종방향으로 이격되어 있으며, 그리하여 상기 액체는 하우징의 내부 공간 내에서 유입구로부터 배출구로 종방향으로 흐른다.

상기 웨이브 가이드 어셈블리는 적어도 상기 하우징의 유입구 및 배출구를 매개하는 부분에 배치되며, 상기 하우징 내에서 유입구에서 배출구를 향해 흐르는 배합물 및 입자와 접촉하도록 배치된 외부 표면을 갖는 신장체 초음파 호른을 포함한다. 또한, 상기 웨이브 가이드 어셈블리는 서로에 대해 종방향으로 이격된 유입구 및 배출구를 매개하는 호른의 외부표면으로부터 횡방향으로 접촉하여 외부를 향해 연장하는 복수의 분리된 교반 부재를 포함한다. 상기 교반 부재 및 호른은 미리 설정된 주파수에서 상기 호른의 초음파 진동으로 호른에 대한 교반 부재의 역동적인 움직임을 위해, 그리고, 상기 미리 설정된 주파수에 대응하여 상기 교반 부재의 초음파 캐비테이션 모드에서 작동하도록 구성되고 배열되며, 상기 챔버에서 배합물이 입자들과 혼합된다.

본 발명은 나아가, 배합물에 입자를 혼합하기 위한 초음파 혼합 시스템에 관한 것이다. 상기 혼합 시스템은 처리 챔버 및 상기 처리 챔버 내에서 상기 배합물과 혼합하기 위한 입자를 분배할 수 있는 입자 분배 시스템을 포함한다. 상기 처리 챔버는 일반적으로 종방향으로 마주보는 말단 및 내부 공간을 갖는 신장체 하우징 및 상기 하우징의 내부 공간 내에 종방향으로 연장하며, 상기 하우징 내에 흐르는 배합물 및 입자에 초음파로 에너지를 가하여 혼합하도록 미리 설정된 초음파에서 작동할 수 있는 신장체 초음파 웨이브 가이드 어셈블리를 포함한다. 상기 하우징은 일반적으로 종방향의 말단들 중 적어도 하나에서 폐쇄되며, 상기 하우징의 내부 공간에서 배합물을 도입하기 위한 적어도 하나의 유입구 및 상기 배합물 및 입자들의 초음파적 혼합 후에 상기 하우징으로부터 상기 입자-함유 배합물을 배출하는 적어도 하나의 배출구를 갖는다. 상기 배출구는 상기 유입구로부터 종방향으로 이격되어 있어, 액체는 상기 하우징의 내부 공간 내에서 상기 유입구로부터 상기 배출구로 종방향으로 흐른다.

상기 웨이브 가이드 어셈블리는 상기 하우징의 유입구와 배출구를 매개하는 부분에 적어도 배치되고, 상기 하우징 내에서 상기 유입구에서 배출구로 흐르는 상기 배합물 및 입자들과 접촉하도록 위치된 외부 표면을 갖는 신장체 초음파 호른; 서로와의 관계에서 종방향으로 이격된 유입구와 배출구를 매개하는 상기 호른의 외부 표면과 접촉하여 횡방향으로 외부를 향해 연장하는 복수의 분리된 교반 부재; 및 상기 하우징의 내부 공간 내에 배치되고, 적어도 부분적으로 상기 호른을 향해 횡방향으로 하우징으로부터 내부를 향해 연장되며, 상기 하우징에서 흐르는 액체를 종방향으로 향하게 하여, 상기 교반 부재와 접촉하게 수평으로 내부를 향해 흐르도록 하는 배플 어셈블리를 포함한다. 상기 교반 부재 및 호른은 미리 설정된 주파수에서 상기 호른의 초음파 진동에 의해 호른에 대한 교반 부재의 역동적인 움직임을 위해, 그리고, 미리 설정된 주파수에 대응하는 교반 부재의 초음파 캐비테이션 모드에서 작동하도록 구성되고 배열되며, 상기 배합물과 입자들은 상기 챔버에서 혼합된다.

본 개시는 또한 상기 개시된 초음파 혼합 시스템을 사용하여 입자를 배합물에 혼합하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 처리 챔버의 하우징의 내부 공간 내의 유입 영역(intake zone)으로 입자들을 전달하는 단계; 상기 유입구를 통해 상기 하우징의 내부 공간으로 배합물을 전달하는 단계; 및 미리 설정된 초음파 주파수에서 작동하는 신장체 초음파 웨이브 가이드 어셈블리를 통해 상기 입자와 배합물을 초음파로 혼합하는 단계를 포함한다. 상기 유입 영역은 상기 하우징의 내부 공간 내의 호른의 말단부(terminal end)와 유입구 사이의 공간으로 정의된다.

본 개시의 다른 특징은 일부 명백하게 될 것이며, 이하에서 일부 기재될 것이다.

도 1은 입자와 배합물의 혼합에 대한 본 개시의 첫번째 구현예에 관한 초음파 혼합 시스템의 개략도이다.
도 2는 입자와 배합물의 혼합에 대한 본 개시의 두번째 구현예에 관한 초음파 혼합 시스템의 개략도이다.
관련 인용번호는 상기 도면들 전체에서 동일한 부분을 나타낸다.

특별히 일 구현예로서 도 1을 참조하면, 입자를 배합물에 혼합하는 초음파 혼합 시스템은 입자를 처리 챔버에 분배하기 위한, 전체적으로 300으로 나타내는, 입자 분배 시스템 및 전체적으로 151로 나타내는 처리 챔버를 전체적으로 포함하며, 상기 처리 챔버는 입자를 적어도 하나의 배합물과 초음파적으로 혼합하도록 실시할 수 있으며, 나아가, 상기 챔버의 하우징 151 내에서 보다 잘 혼합하도록 하는 캐비테이션 모드를 생성할 수 있다.

일반적으로, 초음파 에너지는 웨이브 가이드 어셈블리에 의해 생성되며, 배합물의 증가된 캐비테이션은 마이크로 버블을 생성하도록 야기하는 것으로 여겨진다. 이들 마이크로 버블이 붕괴될 때, 배합물 내의 압력이 증가되어 상기 입자를 배합물 내로 그리고, 전체적으로 강력하게 분배시킨다.

상기 용어 "액체(liquid)" 및 "배합물(formulation)"은 단일 성분 배합물, 액체-액체 배합물과 같이 성분의 하나가 적어도 하나가 액체인 둘 이상의 성분으로 구성된 배합물 또는 액체-가스 배합물을 나타내는 것으로 호환적으로 사용된다.

상기 초음파 혼합 시스템(121)은 도 1에서 개략적으로 나타내며, 입자 분배 시스템(도 1에서 전체적으로 300으로 나타냄)을 포함하여 나타낸다. 상기 입자 분배 시스템은 본 분야에서 공지된 적합한 어떠한 분배 시스템일 수 있다. 전형적으로, 상기 입자 분배 시스템은 입자를 유입구(inlet port)의 업스트림인 입구 말단(inlet end)의 처리 챔버로 전달한다. 이러한 배치에 있어서, 입자들은 아래쪽으로 내려가서 위에서 보다 완전하게 기재된 바와 같이 소용돌이 동작(swirling action)에 기인하여 상기 유입 영역에서 배합물과 혼합을 개시한다. 상기 입자와 배합물간의 혼합은 또한 웨이브 가이드 어셈블리의 호른의 외부 표면 주변에서 일어날 것이다. 하나의 특히 바람직한 구현예로서, 상기 입자 분배 시스템은 제어된 속도로 상기 입자를 분배하는 아가(agar)를 포함할 수 있으며, 적합하게는 상기 속도는 중량에 기초한 정밀도이다. 다른 구현예로서, 상기 입자 분배 시스템은 상기 입자를 처리 챔버 내로 공급하는 하나 이상의 펌프를 포함한다.

전형적으로, 상기 처리 챔버 내로의 입자의 유속은 약 1그림/분 내지 약 1,000그램/분이다. 보다 적합하게는, 상기 입자는 약 5그램/분 내지 약 500그램/분의 유속으로 처리 챔버로 전달된다.

도 1의 상기 초음파 혼합 시스템은 또한 입자를 배합물에 혼합하여 입자-함유 배합물을 생성하기 위한 초음파 혼합 시스템의 처리 챔버의 사용에 대하여 여기서 기재된다. 상기 입자-혼합 배합물은 그 결과로서 개선된 촉감, 수분 흡수, 증점 및/또는 사용자의 피부에 대한 피부 유익성을 갖는 화장품과 같은 배합물을 제공할 수 있다. 예를 들어, 일 구현예로서, 상기 화장품은 피부 케어 로션일 수 있으며, 그리고, 상기 입자 함유 배합물 내에 함유된 입자는 사용자의 피부를 자외선의 손상효과로부터 보호하기 위한 자외선 차단제일 수 있다. 그러나, 여기에서 화장품에 대해 기재하였으나, 상기 초음파 혼합 시스템은 다양한 기타 배합물에 입자를 혼합하는데 사용될 수 있음을 본 분야에서 숙련된 자들은 이해해야 한다. 예를 들어, 다른 적합한 배합물은 손 소독제, 생물 및 무생물 표면 클렌저, 웨트 와이프(wet wipe), 선탠 로션, 페인트, 잉크, 코팅 및 산업용 및 소비 제품용 연마제를 포함할 수 있다.

상기 입자들은 배합물의 기능 및/또는 심미감을 향상시킬 수 있는 어떠한 입자 또는 분산물(dispersion)일 수 있다. 전형적으로, 상기 입자들은 고체 입자이지만, 상기 입자들은 미립자 파우더, 액상 분산물(liquid dispersions), 캡슐화된 액체 등일 수 있다. 본 개시의 초음파 혼합 시스템을 사용하여 배합물과 혼합하는 적합한 입자의 예들은 셀룰로직스(예를 들어, 히드록시에틸 셀룰로오스, 히드록시프로피레틸셀룰로오즈), 검(예를 들어, 구아 검, 아카시아검), 아크릴레이트류(예를 들어 Carbomer 980 및 Pemulen TRl(이들 모두는 Noveon(Cleveland, Ohio)으로부터 상업적으로 입수가능함.), 콜로이달 실리카 및 용융 실리카와 같은 레올로지 조절 입자를 포함할 수 있으며, 점도를 향상시키기 위해 배합물과 혼합될 수 있다. 추가적으로, 전분(예를 들어, 옥수수 전분, 타피오카 전분, 쌀전분), 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리메틸실세퀴옥산, 보론 니트라이드, 라우로일 리신, 아크릴레이트류, 아크릴레이트 코폴리머류(예를 들어, 메틸메타크릴레이트 크로스폴리머류), 나일론-12, 나일론-6, 폴리에틸렌, 탈크, 스티렌, 실리콘 수지, 폴리스티렌, 폴리프로필렌, 에틸렌/아크릴산 코폴리머, 비스무스 옥시클로라이드, 마이카, 계면-처리된 마이카, 실리카, 및 실리카 실리에이트가 배합물의 피부-촉감을 향상시키기 위해 하나 이상의 배합물과 혼합될 수 있다. 다른 적합한 입자들은 감각증진제(sensory enhancers), 안료(예를 들어, 아연옥사이드, 티타늄 디옥사이드, 철옥사이드, 지르코늄 옥사이드, 바륨 술페이트, 비스무스 옥시클로라이드, 알루미늄 옥사이드, 바륨 술페이트), Blue 1 Lake and Yellow 5 Lake와 같은 레이크류, FD&C Yellow No. 5, FD&C Blue No. 1, D&C Orange No. 5와 같은 염료, 연마제, 흡수제, 응고 억제제(anti-caking), 여드름 억제제(anti-acne), 비듬 억제제(anti-dandruff), 발한 억제제(anti-perspirant), 바인더, 벌킹제(bulking agents), 색소, 데오도란트, 박피제(exfoliants), 불투명화제(opacifying agents), 구강청결제(oral care agents), 피부보호제(skin protectants), 미끄럼조정제(slip modifiers), 현탁화제(suspending agents), 온감제(warming agents)(예를 들어, 마그네슘 클로라이드, 마그네슘 술페이트, 칼슘 클로라이드), 및 기타 본 기술분야에서 공지된 적합한 입자를 포함할 수 있다.

상기한 바와 같이, 일부 구현예로서, 상기 입자들은 코팅 또는 캡슐화될 수 있다. 상기 코팅은 각각의 입자 및 상기 입자가 혼합되는 배합물에 따라 친수성 또는 소수성일 수 있다. 캡술화 코팅의 예로는 셀룰로오스계 폴리머 물질(예를 들어, 에틸 셀룰로오스), 카르보하이드레이트계 물질(예를 들어, 양이온성 전분 및 설탕), 폴리글리콜산, 폴리락산, 및 락산계 지방족 폴리에스테르류, 및 이들로부터 유도된 물질(예를 들어, 덱스트린 및 시클로덱스트린)은 물론, 인체 조직과 상용화할 수 있는 기타 물질을 포함한다.

상기 캡슐화 코팅 두께는 입자의 조성에 따라 변화할 수 있으며, 일반적으로 캡슐화된 입자가 캡슐화 물질의 얇은 층으로 둘러싸일 수 있도록 제조되며, 이는 단층 또는 보다 두꺼운 라미네이트층일 수 있으며, 복합체층일 수 있다. 캡슐화 코팅은 제품의 취급 또는 운송 중에 상기 코팅의 크래킹 또는 파괴를 방지하기에 충분히 두꺼워야 한다. 캡슐화 코팅은 저장, 수송 또는 사용 중 대기 조건으로부터 습도가 캡슐화 코팅의 붕괴를 야기하여 상기 입자의 노출을 야기하지 않도록 구성되어야 한다.

캡슐화된 입자는 사용자가 피부에 사용할 때 배합물에서 캡슐화된 입자를 느낄 수 없도록 하는 사이즈이어야 한다. 전형적으로 상기 캡슐화된 입자들은 약 25마이크로미터, 바람직하게는 약 10마이크로미터보다 크지 않는 직경을 가진다. 이들 사이즈에서, 입자-함유 배합물이 피부와 접촉할 때 "모래같은(gritty)" 또는 "가려운(scratchy)" 느낌이 없다.

특히 바람직한 구현예로서, 도 1에 나타낸 바와 같이, 처리 챔버(151)은 일반적으로 신장체이며, 통상의 유입 말단(125)(상기 도시된 구현예의 배열에서 상부 말단)과 통상의 배출 말단(127)(상기 도시된 구현예의 배열에서 하부 말단)을 갖는다. 상기 처리 챔버(151)은 액체가 일반적으로 상기 유입 말단(125)에서 처리 챔버(151)로 들어가서 상기 챔버 내에서 종방향으로(예를 들어, 상기 도시된 구현예의 배열에서 아래 방향으로) 일반적으로 흘러, 상기 챔버의 배출 말단(127)에서 일반적으로 챔버를 나오도록 배치된다.

상기 용어 "상부(upper)" 및 "하부(lower)"는 여기에서 다양한 도면으로 예시된 처리 챔버(151)의 수직배향에 대하여 사용되며, 사용상 상기 챔버의 필수적인 배향을 나타내고자 하는 의도는 아니다. 즉, 상기 챔버(151)은 가장 적합하게는 상기 도면에 나타낸 바와 같이 유입 말단(125) 아래에 상기 챔버(151)의 배출 말단(127)으로 수직으로 배향되지만, 상기 챔버는 상기 배출 말단 아래에 유입 말단으로 배열될 수 있거나, 또는 기타 수직 배향으로 배열될 수 있는 것이며, 이는 본 개시의 범위 내에 속한다는 것을 이해해야 한다.

용어 "축(axial)" 및 "길이(longitudinal)"는 여기에서 방향성으로 챔버(151)의 수직 방향(예를 들어, 도 1로 나타낸 구현예에서 수직 방향과 같은 “end-to-end”)을 나타낸다. 용어 "가로(transverse)", "측면(lateral)" 및 "방사(radial)"는 여기서 축(즉, 수직) 방향에 대하여 수직방향을 말한다. 용어 "내부(inner)"는 챔버의 내부를 향하는 방향을 말하며, 용어 "외부(outer)"는 상기 챔버의 외부를 향하는 방향을 말하는 것으로서, 용어 "내부(inner)" 및 "외부(outer)"는 또한 상기 처리 챔버(151)의 축 방향에 대하여 가로 방향과 관련하여 사용된다.

처리 챔버(151)의 유입 말단(125)은 적절한 이송 시스템(일반적으로 129로 나타냄)과 연결되며, 이는 상기 챔버(151)로, 보다 바람직하게는 챔버와 연결되어 하나 이상의 배합물을 보내도록 작동할 수 있다. 전형적으로, 상기 이송 시스템(129)은 적합한 도관(132)을 통해 해당 원료로부터의 각각의 배합물을 챔버의 유입 말단(125)으로 공급할 수 있는 하나 이상의 펌프(130)을 포함할 수 있다.

상기 이송 시스템(129)은, 본 발명의 범위를 벗어남이 없이, 하나의 배합물 이상 또는 배합물을 생성하기 위해 성분들을 혼합할 때와 같은 단일 배합물을 위한 하나의 성분 이상을 처리 챔버(151)로 이송하기 위해 형성될 수 있는 것으로 이해된다. 또한, 도 1로 도시한 것 및 여기에 기재한 것 이외의 이송 시스템이 본 개시의 범위를 벗어남이 없이 하나 이상의 배합물을 처리 챔버(151)의 유입 말단(125)으로 이송하기 위해 사용될 수 있는 것으로 생각된다. 하나의 배합물 이상은 본 개시의 범위를 벗어남이 없이, 상기 처리 챔버의 유입 말단으로 이송되는 동일한 배합물 또는 상이한 배합물의 두 개의 스트림을 말할 수 있는 것으로 이해되어야 한다.

처리 챔버 151은 챔버로 이송된 배합물이 유입 말단(125)에서 배출 말단(127)로 흐르는 상기 챔버(151)의 내부 공간(153)을 형성되는 하우징을 포함한다. 상기 하우징(151)은 적합하게는 일반적으로 적어도 부분적으로, 상기 챔버(151)의 측벽(sidewall)을 형성되는 신장체 튜브(155)를 포함한다. 상기 튜브(155)는 그 안에 형성된 하나 이상의 유입구(일반적으로 도 1에서 156으로 나타냄)를 가지며, 이를 통해 상기 챔버(151) 내에서 입자들과 혼합되는 하나 이상의 배합물이 그 내부 공간(153)으로 이송된다. 본 분야의 숙련된 자들은 상기 하우징의 유입 말단은 하나의 출입구(port)(도 2 참조), 2 이상의 출입구, 그리고 심지어 3 이상의 출입구를 포함할 수 있다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 도시하지는 않았으나, 상기 하우징은 3개의 유입구를 포함할 수 있으며, 제1 유입구 및 제2 유입구는 적합하게는 평행으로, 서로 이격되어 존재하며, 제3 유입구는 제1 및 제2 유입구로부터 상기 하우징의 반대 측벽에 배치된다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 상기 유입말단(125)는 주변환경에 대해 개방되어 있다. 그러나, 선택적 구현예(나타내지 않음)로서, 상기 하우징은 상기 측벽의 수직으로 반대 말단에 연결되어 실질적으로 폐쇄하며, 일반적으로 처리 챔버의 유입 말단을 형성되는 적어도 하나의 유입구를 갖는 클로져(closure)를 포함할 수 있다. 상기 챔버의 측벽(즉, 신장체 튜브에 의해 정의됨)은 상기 칸막이 및 웨이브 가이드 어셈블리(아래에 나타냄)와 함께 상기 챔버의 내부 공간을 정의하는 내부 표면을 갖는다.

도 1에 도시된 구현예로서, 상기 튜브(155)는 일반적으로 실린더형이어서, 상기 챔버 측벽(157)은 일반적으로 단면이 고리형이다. 그러나, 챔버 측벽(157)의 단면은 다각형 또는 다른 적합한 형상과 같은 고리형 이외의 다른 것일 수 있으며, 본 개시의 범위에 속하는 것으로 생각된다. 상기 물질은 챔버가 작동하는 압력, 및 온도와 같은 챔버 내의 환경 조건에서 상기 챔버 내에서 혼합되는 배합물 및 입자들과 상용할 수 있는 것이라면 어떠한 적합한 물질이 사용될 수 있는 것으로 이해되지만, 상기 도시된 챔버(151)의 챔버 측벽(157)은 적합하게는 투명한 물질로 이루어진다.

일반적으로 203으로 나타내는 웨이브 어셈블리는 상기 챔버(151)의 내부 곤간(153) 내에서 적어도 부분적으로 종방향으로 연장하여 상기 챔버(151)의 내부 공간(153)을 통해 흐르는 배합물( 및 어떠한 성분) 및 입자들에게 초음파적으로 에너지를 제공한다. 특히, 도시한 구현예의 상기 웨이브 가이드 어셈블리(203)는 상기 챔버(151)의 아래 또는 배출 말단(127)으로부터 내부 공간(153)으로 유입구(즉, 유입구(156)이 존재함)를 매개하도록 배치된 웨이브가이드 어셈블리의 말단부(113)까지 신장한다. 도 1에 나타내었으나, 종방향으로 챔버의 내부공간(153)으로 신장하기 때문에, 본 분야에서 숙련된 자는 상기 웨이브 가이드 어셈블리는 본 개시의 범위로부터 이탈함이 없이, 내부 공간을 통해 수평한 상기 챔버의 하우징 측벽으로부터 옆으로 신장할 수 있다는 것을 이해해야 한다. 전형적으로, 웨이브 가이드 어셈블리(203)는 여기서 나중에 나타내는 챔버 하우징(151)에 직접 또는 간접으로 고정되어 있다.

또 도 1을 참조하면, 상기 웨이브가이드 어셈블리(203)은 적합하게는, 상기 챔버(151) 내에서 처리되는 액체 내에 완전한 침수를 위해 유입구(156) 및 유출구(165)를 매개하는 하우징(151)의 내부공간(153)에 전적으로 배치되는 일반적으로 133으로 나타내낸 신장체 호른 어셈블리를 포함하며, 보다 바람직하게는 상기 도시된 구현예로서, 챔버 측벽(157)과 동축으로 배열된다. 상기 호른 어셈블리(133)은 측벽(157)의 내부 표면(167)과 함께 배합물( 및 그 성분들)과 입자들이 챔버 내에서 호른을 지나쳐 흐르는 챔버의 내부 공간 내에 흐르는 통로를 정의하는 외부 표면(107)을 갖는다(상기 흐르는 통로(flow path)의 이 부분은 넓게 여기서 초음파 처리 영역으로 불린다.). 상기 호른 어셈블리(133)은 상기 호른 어셈블리의 말단부를 형성되는 상부 말단(그러므로 상기 웨이브가이드 어셈블리의 말단부(113)) 및 종방향으로 반대의 하부 말단(111)을 갖는다. 나타내지 않았으나, 상기 웨이브 가이드 어셈블리(203)은 또한 상부 말단에서 호른 어셈블리(133)의 및 하부말단까지 동축으로 연결된 부스터를 포함한다. 도시하지는 않았으나, 상기 웨이브가이드 어셈블리(203)는 또한 호른 어셈블리(133)의 상부 말단에서 하부말단(111)까지 동축으로 정렬되어 연결된 부스터를 포함한다. 그러나, 상기 웨이브 가이드 어셈블리(203)은 호른 어셈블리(133)를 포함할 수 있으며, 본 개시의 범위에 포함된다. 또한, 상기 부스터는 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이, 호른 어셈블리(133)가 상기 챔버 하우징(151)에 적층되면서 완전히 상기 챔버 하우징(151)의 내부에 배치될 수 있다.

상기 웨이브 가이드 어셈블리(203), 더욱 특별하게는 상기 부스터는 적층 부재(도시하지 않음)에 의해 상부 말단에서 챔버 하우징(151), 즉, 챔버 측벽(157)로 형성되는 튜브(155)상에 적합하게 적층되며, 처리 챔버 하우징으로부터 웨이브가이드 어셈블리(이는 작동 중에 초음파로 진동한다.)를 진동으로 분리하도록 배열된다. 즉, 상기 적층 부재는 챔버 하우징의 내부 공간(153) 내에 웨이브 가이드의 원하는 횡방향 부분을 유지하고, 상기 챔버 하우징 내에 호른 어셈블리의 종방향 및 횡방향 이동을 가능하게 하면서 웨이브가이드 어셈블리(203)의 종방향 및 횡방향의 기계적 진동이 챔버 하우징(151)으로 전달하는 것을 억제한다. 상기 적층 부재는 또한 적어도 부분적으로(즉, 부스터, 호른 어셈블리의 하부 말단 및/또는 클로져(163) 상기 챔버(151)의 배출말단(127)에 인접한다. 적합한 적층 부재 배열의 예는 U.S. 특허 No. 제6,676,003호에 예시 및 기재되어 있다.

하나의 특히 적합한 구현예로서, 상기 적층부재는 단일 조각 구조(single piece construction)이다. 한층 더 바람직하게는, 상기 적층 부재는 부스터(그리고 보다 넓게는 웨이브 가이드 어셈블리(203)와 함께)와 함께 일체로 형성될 수 있다. 그러나, 상기 적층부재는 상기 웨이브가이드 어셈블리(203)으로부터 분리되어 구성될 수 있으며, 본 개시의 범위에 속하는 것으로 이해된다. 또한, 상기 적층 부재의 하나 이상의 성분은 별도로 구성되어 적합하게 연결되거나, 또는 함께 조립될 수 있는 것으로 이해된다.

하나의 적합한 구현예로서, 상기 적층 부재는 또한 일반적으로 상기 챔버(151)의 내부 공간(153) 내에 적합한 배열로 웨이브 가이드 어셈블리(203)을 지지하도록 견고하게 구성된다. 예를 들어, 일 구현예로서, 견고한 적층 부재는 비 탄성물질, 보다 적합하게는 금속, 그리고 한층 더 적합하게는 상기 부스터(및 보다 넓게는 웨이브가이드 어셈블리(203))를 구성하는 것과 동일한 금속으로 구성될 수 있다. 그러나, 상기 용어 "견고한(rigid)"은 적층 부재가 웨이브가이드 어셈블리(203)의 초음파 진동에 대한 응답으로 동적 습곡(dynamic flexing) 및/또는 굴곡(bending)을 할 수 없다는 것을 의미하고자 의도하는 것이 아니다. 다른 구현예로서, 상기 견고한 적층 부재는 하중 하에서 정적 변위(static displacement)에 대한 충분히 저항성이 있으나, 그러나, 웨이브 가이드 어셈블리(203)의 초음파 진동에 대한 응답으로 동적 습곡 및/또는 굴곡이 가능한 탄성물질로 구성될 수 있다.

적어도 여자기(exciter)(도시하지 않음) 및 전원(도시하지 않음)을 포함하는 적합한 초음파 운전 시스템(ultrasonic drive system)(131)은 챔버(151)의 외부에 존재하고, 부스터(나타내지 않음) (그리고, 보다 넓게는 웨이브 가이드 어셈블리(203))에 효과적으로 연결되어 웨이브 가이드 어셈블리를 기계적으로 초음파로 진동시킨다. 적합한 초음파 운전 시스템(131)의 예로는 St. Charles, Illinois의 Dukane Ultrasonics사로부터 이용할 수 있는 Model 20A3000 시스템 및 Schaumberg, Illinois의 Herrmann Ultrasonics사로부터 입수할 수 있는 Model 2000CS 시스템을 포함한다.

일 구현예로서, 상기 운전 시스템(131)은 약 15kHz 내지 약 100kHz 범위, 보다 적합하게는 약 15kHz 내지 약 60kHz 범위, 그리고 한층 더 적합하게는 약 20kHz 내지 약 40kHz 범위의 주파수에서 웨이브 가이드 어셈블리(203)을 작동시킬 수 있다. 이러한 초음파 운전 시스템(131)은 본 분야의 숙련된 자들에게 잘 알려져 있으며, 여기서 추가적으로 기재할 필요는 없다.

일부 구현예로서, 도시하지는 않았으나, 처리 챔버는 배합물 및 입자를 초음파적으로 처리하여 혼합하기 위한 적어도 2개의 호른 어셈블리를 갖는 하나 이상의 웨이브 가이드 어셈블리를 포함할 수 있다. 상기한 바와 같이, 상기 처리 챔버는 배합물 및 입자들이 유입 말단으로부터 이송되는 챔버의 내부공간을 정의하는 하우징을 포함한다. 상기 하우징은 적어도 부분적으로 챔버의 측벽을 형성되는 신장체 튜브를 포함한다. 상기한 바와 같이, 단지 하나의 웨이브가이드 어셈블리를 함유하는 구현예로서, 상기 튜브는 그 안에 형성되고, 상기 챔버 내에서 혼합되는 하나 이상의 배합물 및 입자들이 그 내부 공간으로 이송되는 하나 이상의 유입구 및 입자-함유 배합물이 챔버를 나가는 적어도 하나의 배출구를 가질 수 있다.

이러한 구현예에서, 2 이상의 웨이브 가이드 어셈블리는 초음파적으로 에너지를 공급하는 상기 챔버의 내부 공간 안에서 적어도 부분적으로 종방향으로 신장하여 상기 챔버의 내부 공간을 통해 흐르는 배합물 및 입자를 혼합한다. 각 웨이브 가이드 어셈블리는 각각 신장체 호른 어셈블리를 포함하며, 각각은 상기 챔버 내에서 입자와 함께 혼합되는 배합물 안에 완전한 침지를 위해 유입구와 배출구를 매개하는 하우징의 내부공간 내에 완전히 배치된다. 각 호른 어셈블리는 여기에서 보다 완전하게 기재한 바와 같이 독립적으로 구성될 수 있다(복수의 교반 부재 및 배플 어셈블리와 함께 호른을 포함함).

다시 도 1을 참고하면, 상기 호른 어셈블리(133)은 신장체, 일반적으로 외부 표면(107)을 갖는 실린더형 호른(105) 및 상기 호른에 연결되고, 적어도 부분적으로 서로 종방향으로 이격된 상기 호른의 외부표면으로부터 횡방향으로 외부를 향해 신장하는 둘 이상(즉, 복수)의 교반 부재(137)를 포함한다. 상기 호른(105)은 적합하게는 상기 호른의 공명파장의 약 반(resonating wavelength)(다르게는 통상 반파장이라 함)과 동일한 길이를 갖도록 크기설정되는 된다. 하나의 특별한 구현예로서, 상기 호른(105)은 적합하게는 앞에서 기재된 초음파 주파수 범위, 가장 바람직하게는 20kHz에서 공명하도록 배열되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 호른(105)는 티타늄 합금(예를 들어, Ti₆Al₄V)으로 구성되고 20kHz에서 공명하도록 크기 조절되는 것이 바람직하다. 그러므로, 이러한 주파수에서 작동하는 반파장 호른(105)은 약 4인치 내지 약 6인치 범위, 보다 적합하게는 약 4.5인치 내지 약 5.5인치 범위, 한층 더 적합하게는 약 5.0인치 내지 약 5.5인치 범위, 그리고, 가장 적합하게는 약 5.25인치(133.4mm)의 길이(반파장의 길이에 상응함)를 갖는다. 그러나, 처리챔버(151)은 본 개시의 범위로부터 벗어나지 않는 반파장의 어떤 증가분을 갖도록 크기조절된 호른(105)를 포함할 수 있다고 이해된다.

일 구현예로서(나타내지 않음), 상기 교반 부재(137)는 서로 종방향으로 이격된 관계로 그리고 호른의 외부 표면으로부터 횡방향으로 외측을 향해 호른 의 원주 둘레에 대하여 연속적으로 신장하는 일련의 5개의 워셔 형상의 링(washer-shaped rings)을 포함한다. 이러한 방식에서, 호른에 대한 교반 부재 각각의 진동 변위는 호른의 원주 둘레에서 대하여 비교적 균일하다. 그러나, 상기 교반 부재는 호른의 원주 둘레에 대하여 각각 연속적일 필요는 없다. 예를 들면, 상기 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. 예를 들어, 도 1에 나타낸 바와 같이, 5개의 교반부재 중 하나는 T-형상(701)이다. 구체적으로, 상기 T-형상의 교반부재(701)은 노드 영역을 둘러싼다. T-형상에서 부재들은 여기에서 보다 상세하게 기재된 바와 같이 캐비테이션 효과를 더욱 증가시키는 강한 방사상(즉, 수평)의 음파를 생성한다는 것이 밝혀졌다.

치수를 예시함에 있어서, 도 1에서 도시한 구현예의 상기 호른 어셈블리(133)는 약 5.25인치(133.4mm)의 길이를 가지며, 상기 링(137) 중 하나는 적합하게는 호른(105)의 말단부(113)에 인접하게 배치되며(그러므로 웨이브 가이드 어셈블리(203)), 보다 적합하게는 호른(105)의 말단부로부터 대략 0.063인치(1.6mm) 종방향으로 이격된다. 다른 구현예로서, 최상부 링은 상기 호른(105)의 말단부에 배치될 수 있으며, 본 개시의 범위에 속한다. 상기 링(137)은 각각 약 0.125인치(3.2mm)이며, 서로 약 0.875인치(22.2mm)의 간격으로 세로 방향으로 이격된다.

교반부재(137)(즉, 도시된 구현예에서의 링)의 수는 본 개시의 범위로부터 벗어남이 없이 5 이하이거나 이상일 수 있다고 이해된다. 또한, 교반부재(137) 사이의 종방향의 간격은 도 1에서 도시한 것 및 상기한 바와 다를 수 있다(즉, 보다 근접하거나 또는 더 이격됨)고 이해된다. 그러므로, 도 1에 나타낸 상기 링(137)은 종방향으로 서로 동등하게 이격되어 있으나, 2 이상의 교반부재가 존재하는 경우, 선택적으로 종방향으로 연속적인 교반부재 사이의 간격은 균일할 필요가 없는 것으로 생각되며, 본 개시의 범위에 속한다.

특히, 교반부재(137)의 위치는 적어도 부분적으로 호른 어셈블리(133)의 진동시에 교반 부재의 의도된 진동 변위의 함수이다. 예를 들어, 도 1에 도시된 구현예에서, 상기 호른 어셈블리(133)은 일반적으로 상기 호른(105)의 종방향으로 중심에 위치한 노드 영역(nodal region)을 갖는다. 여기 에서 사용되고, 그리고 보다 구체적으로 도 1에 나타낸 것으로서, 상기 호른(105)의 "노드 영역(nodal region)"은 호른의 초음파진동 중 종방향의 변위가 거의 또는 전혀 발생하지 않고, 상기 호른의 횡방향(즉, 나타낸 구현예에서 방사상)의 변위가 일반적으로 최대로 되는 호른 부재의 종방향 영역 또는 세그먼트를 나타낸다. 상기 호른 어셈블리(133)의 횡방향 변위는 적합하게는 호른의 횡방향의 확장을 포함하지만, 호른의 횡방향 움직임(즉, 굽힘)도 포함한다.

도시한 실시예에 있어서, 반 파장 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.

도 1에 도시한 구현예에서, 반파장 호른(105)의 배열은 상기 노드 영역이 특히 노드 평면(nodal plane)(즉, 종 방향 변위가 일어나지 않지만, 횡방향 변위가 일반적으로 최대로 되는 호른 부재에 대한 횡방향 평면)이 존재하는 것에 의해 형성되는 그러한 것이다. 이 평면은 또한 때때로 "노드 포인트(nodal point)"라고도 한다. 따라서, 호른(105)의 노드 영역으로부터 추가로 종방향으로 배치되는 교반부재(137)(즉, 상기 도시된 구현예에서, 상기 링)는 우선 종방향 변위를 겪게 될 것이며, 반면, 종방향으로 노드 영역에 더 가까운 교반부재는 종방향 말단의 교반부재에 비하여 증가된 양의 횡방향 변위 및 감소된 양의 종방향 변위를 겪게 될 것이다.

본 개시의 범위를 벗어남이 없이, 호른(105)은 노드 영역이 호른 부재에서 종방향으로 중심에 위치되지 않도록 배열될 수 있다고 이해된다. 또한, 하나 이상의 교반부재(137)가 호른에 종방향으로 위치되어, 상기 호른(105)의 초음파 진동으로 호른에 대한 종방향 및 횡방향 변위를 겪게 할 수 있다.

또 도 1을 참조하면, 상기 교반부재(137)는 호른의 초음파 진동에 대한 응답으로 교반부재의 동적 운동(dynamic motion), 그리고 특히 동적 습곡/굴곡(dynamic flexing/bending)을 촉진하도록 (즉, 재료 및/또는 두께 및 횡방향 길이와 같은 치수에서, 횡방향 길이는 호른(105)의 외부표면(107)으로부터 횡방향으로 외부로 향하여 교반부재가 신장하는 거리이다.) 충분히 구성될 수 있다. 하나의 특히 적합한 구현예로서, 웨이브 가이드 어셈블리(203)가 처리챔버에서 작동되는 소정의 초음파 주파수(여기서는 웨이브 가이드 어셈블리의 미리 설정된 주파수라고 달리 표현된다.), 그리고, 특히 액체가 상기 챔버(151) 내에서 처리되는 소정 초음파 주파수에 대하여, 상기 교반 부재(137) 및 호른(105)은 적합하게는 여기서 미리 설정된 주파수에서 초음파 캐비테이션 모드라고 하는 상기 교반부재를 작동시키도록 구성되고 배열된다.

여기서 사용되는 것으로서, 교반부재의 초음파 캐비테이션 모드는 미리 설정된 초음파 주파수에서 처리되는 배합물의 캐비테이션(즉, 액체에서 버블의 형성, 성장, 및 내파붕괴(implosive collapse))의 결과를 가져오기에 충분한 교반부재의 진동 변위를 말한다. 예를 들어, 챔버 내에서의 상기 배합물(및 입자) 흐름이 수용성 액체 배합물을 포함하고, 그리고, 웨이브 가이드 어셈블리(203)가 작동되는 초음파 주파수(즉, 미리 설정된 주파수)가 약 20kHz인 경우, 하나 이상의 교반 부재(137)는 적합하게는 적어도 1.75mils(즉, 0.00175인치 또는 0.044mm)의 진동변위를 제공하여 교반부재의 캐비테이션 모드를 확립하도록 구성된다.

상기 웨이브가이드 어셈블리(203)는 혼합되는 특별한 배합물 및/또는 입자들과 관련된 소정의 캐비테이션 모드를 달성하기 위해 다르게 구성될 수 있다고 이해된다. 예를 들어, 입자와 혼합되는 배합물의 점도가 변화함으로써, 교반 부재의 캐비테이션 모드가 변화될 필요가 있다.

특히 적합한 구현예로서, 교반부재의 상기 캐비테이션 모드는 교반부재의 진동 변위가 호른의 변위에 비례하여 증폭되는 교반부재의 공명 모드(resonant mode)에 상응한다. 그러나, 캐비테이션은 본 개시의 범위를 벗어남이 없이, 공명 모드에서 교반부재 작동 없이 또는 심지어 호른의 변위보다 더 큰 진동 변위에서 일어날 수 있다.

하나의 적합한 구현예로서, 교반부재의 두께에 대한 적어도 하나, 그리고, 보다 적합하게는 모든 교반부재의 횡방향 길이의 비는 약 2:1 내지 약 6:1의 범위이다. 다른 예로서, 각각의 링은 호른(105)의 외부 표면(107)으로부터 횡방향으로 외부를 향해 길이 약 0.5인치(12.7mm) 신장하며, 각 링의 두께는 약 0.125인치(3.2mm)이며, 그리하여 각 링의 길이 대 두께 비는 약 4:1이다. 그러나, 교반부재의 두께 및/또는 횡방향 길이는, 본 개시의 범위를 벗어남이 없이, 상기한 바와 같은 링의 두께 및/또는 횡방향 길이와는 다를 수 있다. 또한, 상기 교반부재(137)(링)은 적합하게는 동일한 횡방향 길이 및 두께를 갖는 반면, 상기 교반부재는 다른 두께 및/또는 횡방향 길이를 가질 수 있는 것으로 이해된다.

상기한 구현예로서, 교반부재의 횡방향 길이는 또한 적어도 부분적으로 배합물 및 입자들 또는 상기 챔버의 내부 공간에서 흐를 수 있는 기타 성분이 호른을 통과하여 흐르는 흐름 경로(flow path)의 크기(그리고, 적어도 부분적으로 방향)을 결정한다. 예를 들어, 상기 호른은 약 0.875인치(22.2mm)의 반경을 가질 수 있으며, 각 링의 횡 방향 길이는 상기한 바와 같이 약 0.5인치(12.7mm)이다. 하우징 측벽의 내부 표면의 반경은 대략 1.75인치(44.5mm)이고, 그리하여 각 링과 하우징 측벽의 내부 표면 간의 횡방향 간격은 약 0.375인치(9.5mm)이다. 호른 외부 표면과 챔버 측벽의 내부표면, 그리고/또는 교반부재 및 챔버 측벽의 내부표면 사이의 공간은 본 개시의 범위를 벗어남이 없이 상기한 것보다 크거나 작을 수 있다고 생각된다.

일반적으로 호른(105)는 적합한 음파 및 기계적 특성을 갖는 금속으로 구성될 수 있다. 호른(105)의 구성을 위한 적합한 금속의 예로는 제한없이, 알루미늄, 모넬, 티타늄, 스테인레스 스틸, 합금 스틸을 포함한다. 또한, 호른(105)의 전부 또는 일부는 몇 가지 언급하자면, 은, 백금, 금, 팔라듐, 이산화납 및 구리와 같은 다른 금속으로 코팅될 수 있다. 특히 적합한 구현예로서, 교반 부재(137)은 호른(105)으로서 동일한 물질로 구성되며, 보다 적합하게는 호른과 일체로 형성된다. 다른 구현예로서, 하나 이상의 교반부재(137)가 호른(105)으로부터 별개로 형성되어 연결될 수 있다.

도 1에 나타낸 교반부재(137)(즉, 링)은 상대적으로 평평하지만, 즉, 단면이 직사각형이지만, 상기 링은 본 개시의 범위를 벗어남이 없이, 직사각형과는 다른 단면을 가질 수 있는 것으로 이해된다. 용어 "단면(cross-section)"은 하나의 횡방향(즉, 호른 외부 표면(107)에 관하여 도시한 구현예에서 반지름 방향으로)을 따라 얻은 단면을 말한다. 또한, 보여지는 바와 같이, 도 1에 나타낸, 처음 두 개 및 마지막 두 개의 교반부재(137)(즉, 링)는 횡방향 성분만을 갖도록 구성되며, 하나 이상의 교반부재는 웨이브 가이드 어셈블리(203)의 초음파 진동 중에 호른의 횡방향 진동 변위(즉, 도 1에 나타낸 바와 같은 세 번째 교반 부재에서)를 이용하기 위해 적어도 하나의 종방향(즉, 축) 성분을 가질 수 있다고 생각된다.

도 1에서 가장 잘 나타낸 바와 같이, 호른(105)의 말단부(113)는 적합하게는 도 1에서 유입 말단(125)로부터 종방향으로 이격되어, 챔버 하우징(151)의 내부 공간(153) 내에 액체의 초기 소용돌이가 호른(105)의 상부 스트림을 발생시키는 액체 유입 영역(liquid intake zone)이라고 여기서 말하는 것을 정의한다.이 유입 영역은 처리 챔버(151)가 2 이상의 성분들과 함께(도 1에서 유입구(156)로부터 입자 및 배합물 또는 2 이상의 성분의 배합물을 갖는 것과 같이) 혼합하는데 사용되는 경우 특히 유용하며, 혼합되는 성분들이 챔버 하우징(151)을 들어감으로써 유입 영역에서의 소용돌이 동작에 의해 초기 혼합이 촉진된다. 그러나, 호른(105)의 말단부는 도 1에 나타낸 것 보다는 유입 말단(125)에 보다 근접할 수 있으며, 본 개시의 범위를 벗어남이 없이, 일반적으로 유입 영역을 생략하고자 실질적으로 유입구(156)에 인접할 수 있다고 생각된다.

추가적으로, 통상 245로 기재되는, 배플 어셈블리는 챔버 하우징(151)의 내부공간(153) 내에, 특히 바람직하게는 횡방향으로 인접한 측벽(157)의 내부표면(167) 및 일반적으로 호른(105)과의 횡방향으로 대응되는 관계로 배치된다. 적합한 일 구현예로서, 상기 배플 어셈블리(245)는 하우징 측벽(157)의 내부 표면에 인접하게 배치되고 적어도 부분적으로 호른(105)을 향해 측벽(167)의 내부표면으로부터 횡방향으로 내부를 향해 신장하는 하나 이상의 배플 부재(247)를 포함한다. 보다 적합하게는, 하나 이상의 배플 부재(247)는 하우징 측벽 내부 표면(167)으로부터, 호른(105)의 외부 표면(107)에서 외부를 향해 신장하는 교반부재와 종방향으로 벌어진 위치에서 내부를 향해 횡방향으로 신장한다. 용어 "종방향으로 벌어진(longitudinally intersticed)"은 여기서 호른(105)의 종방향 축에 평행하게 그은 종방향 선이 교반부재(137) 및 배플 멤버(247) 모두를 통과한다는 것을 의미하는 것으로 사용된다. 예로서, 도시된 구현예에서, 배플 어셈블리(245)는 5개의 교반부재(237)와 함께 종방향으로 벌어진 4개, 일반적으로는 고리모양의 배플 부재(247)(즉, 호른(105)에 대하여 연속적으로 신장하는)를 포함한다.

도 1에 나타낸 4개의 고리모양의 배플 부재(247)는 앞에서의 치수 예의 교반부재와 동일한 두께이고(즉, 0.125인치(3.2mm), 서로(즉, 연속적인 배플 부재의 마주보는 면 사이) 종 방향으로 이격되어 있으며, 상기 링 사이의 종 방향의 간격과 동일하다(즉, 0.875인치(22.2mm)). 각각의 고리 형상의 배플 부재(247)는 약 0.5인치(12.7mm)의 횡 방향 길이를 가지며, 그리하여 배플 부재의 최내부 가장자리는 교반 부재(137)(즉, 링)의 최 외곽 가장자리를 넘어 횡 방향으로 내부를 향해 신장한다. 그러나, 배플 부재(247)는 호른(105)의 교반 부재(137)의 최 외곽 가장자리를 넘어 횡 방향으로 내부로 신장할 필요는 없는 것으로 이해된다.

그러므로, 상기 배플 부재(247)는 호른(105)을 통과하여 챔버(151)의 내부공간(153) 안으로(초음파 처리 영역 안으로) 흐르는 배합물과 입자들의 흐름 경로 안으로 신장한다는 것을 인식할 것이다. 마찬가지로, 상기 배플 부재(247)는 배합물 및 입자들이 호른(105)을 통과하여 챔버 측벽(157)의 내부 표면(167)을 따라 흐르는 것을 억제하며, 보다 적합하게는, 배플 부재는 호른의 교반부재를 경유한 흐름 때문에 배합물 및 입자들의 횡방향 내부로 호른을 향해 흐르는 것을 촉진하며, 그에 의해 배합물 및 입자들의 초음파 에너지 공급(즉, 교반)을 촉진하여, 입자-함유 배합물을 형성하 배합물 및 입자들을 혼합하기 시작한다.

일 구현예로서, 예를 들어, 배합물의 교반의 결과로서, 측벽(157)의 내부 표면(167)을 따라, 그리고, 각 배플부재(247)의 하부 측상의 면을 가로질러 기포가 정체되거나 또는 쌓이는 것을 방해하기 위해, 배플 부재의 외측 와 챔버 측벽의 내부면 사이의 가스 흐름(즉, 가스 버블)을 촉진시키도록 배플 부재 각각의 외측 가장자리에 일련의 노치(notches)(넓게는 개구부)가 형성될 수 있다. 예를 들어, 하나의 특히 바람직한 구현예로서, 내개의 각 노치가 서로와의 관계에서 서로 동일한 간격으로 상기 배플 부재 각각의 외부 가장자리에 형성된다. 상기 개구부는 배플부재가 하우징에 인접한 경우에는 외부 가장자리 이외에 배플 부재에 형성될 수 있다고 이해되며, 이는 본 개시의 범위에 속한다. 또한, 이들 노치는 상기한 바와 같이, 4개 이상 또는 이하의 수를 가질 수 있으며, 심지어 완전히 생략될 수 있다.

나아가, 상기 배플 부재(247)은 고리모양이거나, 다르게는 호른(105)에 대하여 연속적으로 연장될 필요는 없다. 예를 들어, 상기 배플 부재(247)는 스포크, 범프, 세그먼트 또는 하우징 측벽(157)의 내부 표면(167)에 인접하게 횡방향 내측으로 연장하는 다른 별도의 구조적 형태와 같이, 호른(105)에 대하여 불연속적으로 연장될 수 있다. 호른에 대하여 연속적으로 신장하는 배플 부재(247)와 관련하여 용어 "연속적으로(continuously)"는 2개 이상의 아치형 세그먼트가 말단 대 말단(end-to-end) 인접관계로 배치(즉, 상당한 갭이 세그먼트 사이에 형성되는 한)된 배플 부재를 배제하지 않는다. 미국 출원 시리얼 번호 제11/530,311호(2006년 9월 8일 출원됨)에 적합한 배플 부재 배열이 개시되어 있으며, 여기와 관련되는 범위에 대한 참조예로서 여기에 포함된다.

또한, 도 1에 나타낸 배플부재(247)이 각각 평평하지만, 즉, 일반적으로 얇은 직사각형의 단면을 갖지만, 하나 이상의 배플 부재는 챔버(151)의 내부 공간(153)을 따라 버블의 흐름을 더욱 촉진하기 위해 단면이 일반적으로 평평하거나 또는 직사각형인 것과는 다를 수 있다. 용어 "단면(cross-section)"은 본 예시에서 하나의 횡 방향(즉, 호른 외부 표면(107)에 대하여, 도시된 구현예에서의 반경방향으로)을 따라 취한 단면을 의미하는 것으로 사용된다.

일 구현예로서, 도 2에 나타낸 바와 같이, 처리 챔버는 나아가 일반적으로 400으로 표시되는 액체 순환 루프(liquid recycle loop)에 연결될 수 있다. 전형적으로, 상기 액체 순환 루프(400)은 유입구(256)와 배출구(267) 사이에 종방향으로 배치된다. 액체 순환 루프(400)은 하우징(251)의 내부 공간(253) 내에서 입자와 혼합되는 배합물을 다시 하우징(251)의 내부 공간(253)의 유입 영역(일반적으로 261로 표시됨) 순환시킨다. 상기 배합물을 다시 유입 영역으로 순환시킴으로써, 배합물( 및 그 성분들)과 입자들의 보다 효과적인 혼합이 배합물로서 얻어질 수 있으며, 캐비테이션하는 처리 챔버 내에 입자들이 보다 긴 체류 시간 동안 잔존할 수 있게 한다. 나아가, 챔버의 상부 위치(즉, 유입 영역)에서 교반이 강화될 수 있으며, 그에 의해 배합물에 입자들의 분배 및/또는 용해를 더 좋게 촉진한다.

액체 순환 루프는 유입 영역의 하우징 다운 스트림의 내부공간으로부터 액체 배합물을 하우징의 내부 공간의 유입 영역으로 다시 순환시킬 수 있는 어떠한 시스템일 수 있다. 하나의 특히 바람직한 구현예로서, 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 액체 순환 루프(400)은 상기 배합물을 하우징(251)의 내부 공간(253)의 유입 영역(261) 내로 다시 이송시키는 하나 이상의 펌프(402)를 포함한다.

전형적으로 배합물(및 입자)은 배합물(아래에 기재됨)의 순환 유속 대 초기 공급물 유속의 비가 1.0 이상으로 처리 챔버 내로 다시 이송된다. 순환 유속 대 초기 공급물 유속의 비가 바람직하게는 1.0보다 크지만, 1.0 미만의 비는 본 개시의 범위로부터 이탈함이 없이 허용될 수 있음이 이해되어야 한다.

일 구현예로서, 초음파 혼합 시스템은 또한 처리 챔버의 배출 말단에 배치된 필터 어셈블리를 포함할 수 있다. 초기에 배합물에 첨가된 많은 입자들은 서로 끌어당겨 큰 공으로 덩어리질 수 있다. 나아가, 입자 함유 배합물 내의 입자들은 수 차례에 걸쳐, 시간 경과에 따라 안정화되고, 서로 끌어당겨 큰 구를 형성하는데, 이를 재응집이라 한다. 이와 같이, 필터 어셈블리는 배합물이 소비자 사용을 위한 포장 단위로 이송되기 전에 입자 함유 배합물 내에 입자가 큰 구를 제거할 수 있으며, 아래에 보다 자세하게 기재한다. 구체적으로, 상기 필터 어셈블리는 약 0.2 미크론을 넘는 사이즈를 갖는 입자들을 제거하기 위해 구성된다.

구체적으로, 하나의 특히 바람직한 구현예로서, 상기 필터 어셈블리는 배출구의 내부 표면을 덮는다. 상기 필터 어셈블리는 약 0.5 미크론 내지 약 20 미크론의 포어 사이즈를 갖는 필터를 포함한다. 보다 적합하게는, 상기 필터 어셈블리는 약 1 미크론 내지 약 5 미크론, 보다 더 적합하게는 약 2미크론의 포어 사이즈를 갖는 필터를 포함한다. 필터 어셈블리에 사용되는 필터의 개수 및 포어 사이즈는 전형적으로 처리 챔버 내에서 혼합되는 입자 및 배합물에 의존한다.

본 개시의 초음파 혼합 시스템의 일 구현예에 따른 작동에서, 혼합 시스템(보다 구체적으로는 처리 챔버)은 하나 이상의 배합물들 내에 입자를 혼합/분산시키기 위해 사용된다. 구체적으로, 배합물은 도관을 통해 처리 챔버 하우징 내에 형성된 하나 이상의 유입 포트로 이송된다(즉, 상기한 펌프에 의해). 배합물은 본 분야에서 알려진 적합한 배합물일 수 있다. 예를 들어, 친수성 배합물, 소수성 배합물, 실리필릭(hydrophilic) 배합물 및 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 본 개시의 초음파 시스템에서 혼합되는 특히 적합한 배합물의 예로는 오일-인-워터 에멀젼, 워터-인-오일 에멀젼, 워터-인-오일-인-워터 에멀젼, 오일-인-워터-인-오일 에멀젼, 워터-인-실리콘 에멀젼, 워터-인-실리콘-인-워터 에멀젼, 글리콜-인-실리콘 에멀젼, 고 내부상 에멀젼(high internal phase emulsions), 히드로젤 등과 같은 에멀젼을 포함할 수 있다. 고 내부상 에멀젼은 본 분야에서 잘 알려져 있으며, 전형적으로는 약 70%(전체 중량 에멀젼에 대하여) 내지 약 80%(전체 중량 에멀젼에 대하여)를 갖는 에멀젼을 말한다. 나아가, 본 분야에서 숙련된 자들에게 알려진 바와 같이, "히드로젤(hydrogel)"은 전형적으로는 겔을 형성하기 위한 레올로지 조절제 및 또는 증점제를 사용하여 증점된 친수성 베이스(base)를 말한다. 예를 들어, 히드로젤은 베이스로 중화된 카보머(carbomer)로 증점된 물로 이루어진 베이스로 형성될 수 있다.

일반적으로, 배합물은 전형적으로 약 0.1리터/분 내지 약 100리터/분으로 처리 챔버 하우징 내로 이송된다. 보다 적합하게는, 처리 챔버 하우징 내로 이송되는 배합물의 함량은 약 1.0리터/분 내지 약 10리터/분이다.

일 구현예로서, 상기 배합물은 배합물을 하우징의 내부공간으로 이송 및 상기 입자와 혼합하는 중에 동시에 초음파 혼합 시스템을 사용하여 제조된다. 이러한 구현예에서, 처리 챔버는 배합물의 각각의 성분들을 하우징의 내부 공간으로 이송하기 위해 하나 이상의 유입구를 포함할 수 있다. 예를 들어, 일 구현예로서, 배합물의 제1 성분을 제1 유입구를 통해 처리 챔버 하우징의 내부 공간으로 이송할 수 있으며, 배합물의 제2 성분을 제2 유입구를 통해 처리 챔버 하우징의 내부 공간으로 이송할 수 있다. 일 구현예로서, 제1 성분은 물이며, 제2 성분은 산화아연이다. 제1 성분은 제1 유입구를 통해 하우징의 내부공간으로 약 0.1리터/분 내지 약 100리터/분의 유속으로 이송되며, 제2 성분은 제2 유입구를 통해 하우징의 내부 공간으로 약 1밀리리터/분 내지 약 1000밀리리터/분의 유속으로 이송된다.

전형적으로, 제1 및 제2 유입구는 처리챔버 하우징의 측벽을 다라 평행하게 배치된다. 선택적 구현예로서, 제1 및 제2 유입구는 처리챔버 하우징의 반대 측벽에 배치된다. 여기서 2개의 유입구를 갖는 것을 기재하였으나, 본 분야에서 숙련된 자들은 본 개시의 범위를 벗어남이 없이, 2 이상의 유입구가 배합물의 다양한 성분을 이송하기 위해 사용될 수 있음을 이해해야 한다.

일 구현예로서, 배합물(또는 하나 이상의 성분)은 처리 챔버에 이송되기 전에 가열된다. 일부 배합물과 함께, 각각의 성분이 상대적으로 낮은 점도를 가지지만(즉, 점도 100cps 미만), 그 성분들로 제조된 결과 배합물은 높은 점도를 가지며(즉, 100cps 보다 큰 점도), 이는 배합물의 응집 및 처리 챔버의 유입구의 막힘을 야기한다. 예를 들어, 워터-인-오일 에멀젼은 혼합 중에 막히게 될 수 있다. 이러한 타입의 배합물에 있어서, 워터 및/또는 오일 성분은 대략 40℃ 이상의 온도로 가열된다. 적합하게는, 배합물(또는 하나 이상의 성분들)은 유입구를 통해 처리 챔버로 이송되기 전에 약 70 내지 약 100℃의 온도로 가열될 수 있다.

또한, 방법은 상기한 바와 같이, 입자를 상기 배합물과 혼합되는 챔버의 내부 공간으로 이송하는 단계를 포함한다. 구체적으로, 상기 입자는 하우징의 내부공간 내의 유입 영역으로 이송된다. 구체적으로, 일 구현예로서, 하우징이 내부 공간 내의 호른은, 여기에서 보다 상세하게 기재한 바와 같이, 유입 영역을 설정하는 유입구로부터 실질적으로 수직으로 이격된 말단부를 갖는다. 상기 배합물과 혼합되는 입자들은 처리 챔버 하우징의 유입 영역 내로 이송된다.

전형적으로, 위에서 더욱 상세하게 기재한 바와 같이, 상기 입자들은 상기한 입자 분배 시스템을 사용하여 이송된다. 구체적으로 입자 분배 시스템은 적합하게는 처리 챔버의 유입 영역 위에 배치된다. 일단 입자 분배 시스템으로부터 이송되면, 입자들은 아래 방향으로 하강하여 유입구를 통해 하우징의 내부 공간으로 이송되는 배합물과 함께 혼합되기 시작한다.

전형적으로, 입자 분배 시스템은 아가(agar)를 사용하여 입자의 이송을 계량할 수 있다. 이러한 메커니즘으로, 상기 입자들은 약 1그램/분 내지 약 1000그램/분의 속도로 내부공간으로 이송된다. 보다 적합하게는, 입자들은 약 5그램/분 내지 약 500그램/분의 속도로 내부 공간으로 이송된다.

상기 구현예에 따르면, 배합물 및 입자들은 챔버 내에서 아래 방향으로 계속 흐르기 때문에, 웨이브 가이드 어셈블리, 및 더욱 구체적으로는 호른 어셈블리가 운전 시스템에 의해 작동하여 소정의 초음파 주파수로 진동한다. 호른의 초음파 여기에 대한 응답으로, 호른의 외부 표면으로부터 외부를 향해 연장하는 교반부재는 호른에 대하여 다이내믹하게 굴곡/습곡시키거나, 횡방향으로 바꾸어 놓는다(호른의 노드 영역에 대한 교반 부재의 종방향 위치에 따라).

배합물 및 입자들은 호른 어셈블리 및 하우징 측벽의 내부 표면 사이의 흐름 경로를 따라 종방향으로 연속적으로 흘러, 교반 부재의 초음파 진동 및 역학적 움직임이 배합물에 캐비테이션을 야기하여 교반을 더욱 촉진한다. 배플 부재는 하우징 측벽의 내부 표면을 따라 배합물위 종방향 흐름을 교란시키고, 흐름을 횡방향의 내부를 향하도록 반복적으로 돌려 진동하는 교반 부재 위를 흐르게 한다.

혼합된 입자-함유 배합물은 웨이브 가이드 어셈블리의 말단부를 지나 종방향으로 하부 스트림으로 흐르기 때문에, 입자-함유 배합물의 초기 재 혼합이 또한 교반 부재 또는 인접한 호른의 말단부의 다이내믹한 움직임의 결과로서 일어난다. 나아가, 입자-함유 배합물의 하부 스트림은 배출구를 통해 처리 챔버를 나가기 전에 보다 균일한 성분들(예를 들어, 배합물의 성분들 및 입자들)의 혼합물을 제공하는 교반된 배합물의 결과로 나타난다.

일 구현예로서, 도 2에 나타낸 바와 같이, 입자-함유 배합물은 아래로 이동하기 때문에, 입자-함유 배합물의 일부는 상기한 바와 같은 액체 순환 루프를 통해 조속하게 하우징으로 향하게 된다. 이부분의 입자-함유 배합물은 그 후에 다시 처리 챔버의 하우징의 내부 공간의 유입 영역으로 이송되어 새로운 배합물 및 입자와 혼합된다. 상기 입자-함유 배합물 부분을 순환함으로써, 보다 완전한 배합물 및 입자의 혼합이 일어난다.

입자-함유 배합물이 완전히 혼합되면, 입자-함유 배합물은 배출구를 통해 처리 챔버를 나간다. 일 구현예로서, 일단 배출되면, 입자-함유 배합물은 후-처리 이송 시스템으로 향하여 하나 이상의 포장 유닛으로 이송될 수 있다. 제한 없이, 예를 들어, 입자-함유 배합물은 향상된 피부 감촉을 제공하는 마이카 입자를 함유하는 화장품이며, 입자-함유 배합물은 후처리 이송 시스템으로 향하여 소비자의 사용을 위한 로션-펌프로 이송될 수 있다.

후처리 이송 시스템은 본 분야에서 입자-함유 배합물을 최종-제품 포장 유닛으로 이송하기 위한 잘 알려진 시스템일 수 있다. 예를 들어, 하나의 특히 바람직한 구현예로서, 도 2에 나타낸 바와 같이, 일반적으로 500으로 나타내어지는 후처리 이송 시스템은 입자-함유 배합물을 하나 이상의 포장 유닛(도시하지 않음)으로 이송하는 펌프(502)를 포함한다. 상기 후처리 이송 시스템(500)은 입자-함유 배합물이 포장 유닛으로 이송될 수 있도록 하는 속도를 제어하기 위해 하나 또는 두 개의 플루우 메터(flow meter)(504) 및 컨트롤러(506)을 더욱 포함할 수 있다. 본 개시의 범위로부터 이탈함이 없이, 본 분야에서 알려지고, 액체 배합물을 분배하기에 적합한 플로우 메터 및/또는 컨트롤러가 입자-함유 배합물을 하나 이상의 포장 유닛으로 이송하는데 사용될 수 있다.

본 개시를 다음의 실시예로 설명하나, 이는 단지 설명의 목적이며, 실시될 수 있는 본 개시 또는 방법의 범위를 한정하고자 의도되는 것이 아니다.

실시예 1

본 실시예에서, 본 개시의 도 1의 초음파 혼합 시스템에 다양한 입자들을 수도물과 혼합하였다. 균일한 혼합물을 형성하기 위해 물 배합물에 입자를 효과적으로 혼합하기 위한 초음파 혼합 시스템의 능력을 비이커(beaker)에서 혼합물을 수동으로 교반하는 것과 비교하였다. 또한, 균일하게 물과 혼합되어 존재하는 입자의 능력을 분석하여 비이커에서 수동 교반을 사용하여 제조된 혼합물과 비교하였다.

각 입자-타입을 독립적으로 수도물에 첨가하고, 도 1의 초음파 혼합 시스템 또는 비이커에서 용액을 수동으로 혼합하는 주걱(spatula)을 사용하여 각각 혼합하였다. 입자-함유 수(particulate-containing water)의 모든 샘플은 혼합 후 즉각, 혼합 후 10분, 혼합 후 1시간, 혼합 후 20시간 및 혼합 후 30시간 후에 육안으로 관찰하였다. 다양한 입자들, 입자의 함량, 수도물의 양, 및 육안 관찰을 표 1 에 나타내었다.

				육안관찰
샘플	중량 (%)	혼합 방법	혼합 시간 (hr)	혼합 후 즉시	혼합 10분 후	혼합 1시간 후	혼합 20시간 후	혼합 30시간 후
A
히드록시에틸 셀룰로오스 (NATROSOL®, Hercules, Inc., Wilmington, Delaware)	0.28	초음파 혼합	1	어안클러스터 소멸; 완전히 명확한 배합	안정; 명확한 배합	안정; 명확한 배합	안정; 명확한 배합	안정; 명확한 배합
물	99.72
B
히드록시에틸셀룰로오스 (NATROSOL®, Hercules, Inc., Wilmington, Delaware)	2.44	수동 혼합	2	어안 클러스터 존재	어안 클러스터 여전히 존재	어안 클러스터 여전히 존재	어안 클러스터 소멸	안정; 명확한 혼합
물	97.56
C
산화아연(GLENN-20, UUSP-1, GLENN Co., St. Paul, Minnesota)	0.42	초음파 혼합	2	우유와 같은 배합물	우유와 같은 배합물	점진적으로 산화아연의 안정	작은 입자가 용기 바닥에 앉음	물에서 산화아연 입자의 완전한 분리
물	99.56
D
산화아연(GLENN-20, UUSP-1, GLENN Co., St. Paul, Minnesota)	2.44	수동 혼합	2	교반 중에만 우유와 같은 배합물	조질 입자가 용기 바닥에 완전히 앉음	물에서 산화아연 입자가 완전히 분리됨
물	97.56
E
소듐 폴리아크릴레이트(COSMEDIA SP, Cognis Co., Cincinnati, Ohio)	0.38	초음파 혼합	4	물에 용해되기 어려우나, 4시간 후 깨끗한 용액으로 됨	안정; 깨끗한 용액	안정; 깨끗한 용액	높은 점도 겔상 배합물	높은 점도 겔상 배합물
물	99.62
F
소듐 폴리아크릴레이트(COSMEDIA SP, Cognis Co., Cincinnati, Ohio)	2.44	수동 혼합	4	물에 용해되기 어려움; 큰 덩어리 존재	큰 덩어리 여전히 존재	큰 덩어리 여전히 존재	큰 덩어리 여전히 존재	큰 덩어리 여전히 존재
물	97.56

어안 클러스터: Fish-eye clusters

표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 개시의 초음파 혼합 시스템으로의 초음파 혼합은 보다 빠르고, 보다 효과적인 혼합을 가능하게 하였다. 구체적으로는, 입자-함유 물 배합물은 보다 짧은 주기 시간 후에 완전히 균질하였다; 이는 수동 혼합에 비하여 본 개시의 초음파 혼합 시스템을 사용하면 입자가 물에 보다 빨리 완전히 용해된다. 나아가, 초음파 혼합 시스템은 보다 장시간 동안 안정하고, 균질한 배합물로 존재하는 입자-함유 배합물을 제조하였다.

본 개시의 요소를 도입하는 경우, 또는 보다 바람직한 구현예를 도입하는 경우, "하나(a 또는 an)", "상기(the 또는 said)"는 하나 이상의 요소가 있음을 의미하는 의도이다. 용어 "포함하는(comprising)", "포함하는(including)", 및 "갖는(having)"은 포괄적이며, 기재된 요소 이외의 추가적 요소가 존재한다는 것을 의미하는 것을 의도한다.

다양한 변화가 상기 구성 및 방법에서 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 행해질 수 있기 때문에, 상기 설명에 포함되고, 첨부 도면에 나타낸 모든 문제는 예시적인 것으로 해석되어야 하며, 한정하는 의미로 해석되어서는 안 된다.

Claims (25)

1. 배합물에 입자를 혼합하는 초음파 혼합 시스템(ultrasonic mixing system)으로서,
   배합물과 혼합하는 처리 챔버(treatment chamber) 내로 입자를 분배할 수 있는 입자 분배 시스템(particulate dispensing sysstem); 및 처리챔버를 포함하되,
   상기 처리챔버는 신장체 하우징(elongate housing) 및 신장체 초음파 웨이브 가이드 어셈블리(elongate ultrasonic waveguide assembly)를 포함하며,
   여기서 상기 신장체 하우징은 종방향으로 마주보는 말단들(ends) 및 내부 공간(interior space)을 가지며, 상기 하우징은 일반적으로 적어도 하나의 종방향 말단(longitudinal end)이 폐쇄되고, 하우징의 내부 공간에 배합물을 수령하는 적어도 하나의 유입구(inlet port) 및 입자-함유 배합물(particulate-containing formulation)을 형성하기 위해 배합물과 입자를 초음파 혼합한 후에 입자-함유 배합물이 하우징으로부터 배출되는 적어도 하나의 배출구(outlet port)를 포함하되, 상기 배출구는 배합물 및 입자들이 하우징의 내부 공간 내에서 유입구로부터 배출구로 종방향으로 흐르도록 유입구로부터 종방향으로 이격되며,
   상기 신장체 초음파 웨이브가이드 어셈블리는 하우징의 내부 공간 내에서 종방향으로 신장하고, 초음파적으로 에너지를 공급하여 상기 하우징 내에서 흐르는 배합물과 입자를 혼합하기 위해 미리 설정된 초음파 주파수에서 작동가능하며, 상기 웨이브 가이드 어셈블리는 적어도 부분적으로 상기 하우징의 유입구 및 유출구를 매개하도록 배치되고, 하우징 내에서 유입구로부터 배출구로 흐르는 배합물 및 입자들과 접촉하도록 배치된 외부 표면을 갖는 신장체 초음파 호른 및 서로와의 관계에서 종방향으로 이격되어 있는 유입구와 배출구를 매개하는 호른의 외부 표면과 접촉하여 외부를 향해 횡으로 연장하는 복수의 분리된 교반부재를 포함하되, 상기 교반부재 및 호른은 미리 설정된 주파수에서 호른의 초음파 진동시 호른에 대한 교반 부재의 다이내믹한 운동(dynamic motion)을 위해, 그리고 미리 설정된 주파수에 대응하는 교반부재의 초음파 캐비테이션 모드(ultrasonic cavitation mode)에서 작동하도록 구성되고 배열되어, 배합물 및 입자들이 챔버에서 혼합되는 것인 초음파 혼합 시스템.
2. 제 1항에 있어서, 상기 입자는 레올로지 조절제, 감각증진제(sensory enhancers), 안료, 레이크류(lakes), 염료, 연마제, 흡수제, 응고 억제제(anti-caking), 여드름 억제제(anti-acne), 비듬 억제제(anti-dandruff), 발한 억제제(anti-perspirant), 바인더, 벌킹제(bulking agents), 색소, 데오도란트, 박피제(exfoliants), 불투명화제(opacifying agents), 구강청결제(oral care agents), 피부보호제(skin protectants), 미끄럼조정제(slip modifiers), 현탁화제(suspending agents), 온감제(warming agents) 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것인 초음파 혼합 시스템.
3. 제 1항에 있어서, 배합물을 유입구를 통해 처리챔버의 하우징의 내부 공간으로 이송시키도록 작동할 수 있는 이송 시스템을 더욱 포함하되, 상기 배합물은 약 0.1리터/분 내지 약 100리터/분의 속도로 유입구에 이송되는 것인 초음파 혼합 시스템.
4. 제 1항에 있어서, 상기 배합물은 친수성 배합물, 소수성 배합물, 실리필릭 배합물 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 초음파 혼합 시스템.
5. 제 1항에 있어서, 상기 소정의 주파수는 20kHz 내지 약 40kHz의 범위인 초음파 혼합 시스템.
6. 제 1항에 있어서, 상기 유입구가 제1 유입구이고, 처리 챔버가 상기 제1 유입구와의 관계에서 평행하게 배열된 제2 유입구를 더욱 포함하는 초음파 혼합 시스템.
7. 제 1항에 있어서, 상기 호른은 하우징의 내부 공간 내에, 그리고 유입구로부터 종방향으로 실질적으로 이격된 말단부를 갖고, 그 사이에서 상기 하우징의 내부 공간 내에 유입 영역을 결정하는 초음파 혼합 시스템.
8. 제 7항에 있어서, 유입구와 배출구 사이에 종방향으로 배치되고, 하우징 내에서 입자와 혼합되는 배합물의 일부를 하우징의 내부 공간의 유입 영역으로 다시 순환시킬 수 있는 액체 순환 시스템을 더욱 포함하는 초음파 혼합 시스템.
9. 배합물에 입자를 혼합하는 초음파 혼합 시스템으로서,
   배합물과 혼합하기 위한 처리 챔버에 입자를 분배할 수 있는 입자 분배 시스템; 및 처리챔버를 포함하되,
   상기 처리 챔버는 신장체 하우징 및 신장체 초음파 웨이브 가이드 어셈블리를 포함하며,
   상기 신장체 하우징은 종방향으로 마주보는 말단들 및 내부 공간을 갖고, 상기 하우징은 일반적으로 적어도 하나의 종방향 말단에 인접하며, 하우징의 내부 공간으로 배합물을 수령하기 위한 적어도 하나의 유입구 및 입자-함유 배합물을 형성하기 위한 초음파 혼합 후에 입자-함유 배합물이 하우징으로부터 배출되는 적어도 하나의 배출구를 가지며, 상기 배출구는 배합물과 입자가 상기 하우징의 내부 공간 내에서 유입구에서 배출구로 종방향으로 흐르도록 상기 유입구로부터 종방향으로 이격되며;
   상기 신장체 초음파 웨이브 가이드 어셈블리는 상기 하우징의 내부 공간 내에서 종방향으로 신장하며, 초음파적으로 에너지를 공급하여 상기 하우징 내에서 흐르는 배합물 및 입자를 혼합하기 위해 미리 설정된 초음파 주파수에서 작동가능하며, 상기 웨이브 가이드 어셈블리는 적어도 부분적으로 하우징의 유입구와 배출구를 매개하도록 배치되고, 하우징 내에서 유입구에서 배출구로 흐르는 배합물 및 입자들과 접촉하도록 배치된 외부 표면을 갖는 신장체 초음파 호른, 서로와의 관계에서 종방향으로 이격되어 있는 유입구와 배출구를 매개하는 호른의 외부 표면과 접촉하여 외부를 향해 횡방향으로 신장하는 복수의 분리된 교반부재, 및 하우징의 내부 공간 내에 배치되고, 하우징에서 배합물과 입자들이 교반부재와 접촉하여 횡방향으로 내부를 향해 흐르면서 종방향으로 흐르게 하는 적어도 부분적으로 호른을 향해 하우징으로부터 횡방향으로 내부를 향해 배치된 배플 어셈블리를 포함하되, 상기 교반부재와 호른은 미리 설정된 주파수에서 호른의 초음파 진동시 호른에 대한 교반부재의 다이내믹한 움직임을 위해, 그리고, 미리 설정된 주파수에 대응하여 교반부재의 초음파 캐비테이션 모드로 작동하도록 구성되고 배열되어 배합물과 입자가 챔버에서 혼합되는, 초음파 혼합 시스템
10. 제 9항에 있어서, 상기 입자는 레올로지 조절제, 감각증진제, 안료, 레이크류, 염료, 연마제, 흡수제, 응고 억제제, 여드름 억제제, 비듬 억제제, 발한 억제제, 바인더, 벌킹제, 색소, 데오도란트, 박피제, 불투명화제, 구강청결제, 피부보호제, 미끄럼 조정제, 현탁화제, 온감제 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것인 초음파 혼합 시스템.
11. 제 9항에 있어서, 배합물을 유입구를 통해 처리챔버의 하우징의 내부 공간으로 이송시키도록 작동할 수 있는 이송 시스템을 더욱 포함하되, 상기 배합물은 약 0.1리터/분 내지 약 100리터/분의 속도로 유입구에 이송되는 것인 초음파 혼합 시스템.
12. 제 9항에 있어서, 상기 배합물은 친수성 배합물, 소수성 배합물, 실리필릭 배합물 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 초음파 혼합 시스템.
13. 제 9항에 있어서, 상기 소정의 주파수는 20kHz 내지 약 40kHz의 범위인 초음파 혼합 시스템.
14. 제 9항에 있어서, 상기 유입구가 제1 유입구이고, 처리 챔버가 상기 제1 유입구와의 관계에서 평행하게 배열된 제2 유입구를 더욱 포함하는 초음파 혼합 시스템.
15. 제 9항에 있어서, 상기 호른은 하우징의 내부 공간 내에, 그리고 유입구로부터 종방향으로 실질적으로 이격된 말단부를 갖고, 그 사이에서 상기 하우징의 내부 공간 내에 유입 영역을 결정하는 초음파 혼합 시스템.
16. 제 15항에 있어서, 유입구와 배출구 사이에 종방향으로 배치되고, 하우징 내에서 입자와 혼합되는 배합물의 일부를 하우징의 내부 공간의 유입 영역으로 다시 순환시킬 수 있는 액체 순환 시스템을 더욱 포함하는 초음파 혼합 시스템.
17. 제 1항의 초음파 혼합 시스템을 사용하여 배합물에 입자를 혼합하는 방법으로서,
    입자를 하우징의 내부 공간 내의 유입 영역에 이송하되, 상기 유입 영역은 하우징의 내부 공간 내의 호른의 말단부와 유입구 사이의 공간으로서 정의되는 단계; 하우징의 내부 공간 내로 유입구를 통해 배합물을 이송하는 단계; 및 소정의 초음파 주파수에서 작동하는 신장체 초음파 웨이브 가이드 어셈블리를 통해 입자와 배합물을 혼합하는 단계를 포함하는 방법.
18. 제 17항에 있어서, 상기 입자는 레올로지 조절제, 감각증진제, 안료, 레이크류, 염료, 연마제, 흡수제, 응고 억제제, 여드름 억제제, 비듬 억제제, 발한 억제제, 바인더, 벌킹제, 색소, 데오도란트, 박피제, 불투명화제, 구강청결제, 피부보호제, 미끄럼 조정제, 현탁화제, 온감제 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것인 방법.
19. 제 17항에 있어서, 상기 배합물은 친수성 배합물, 소수성 배합물, 실리필릭 배합물 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 방법.
20. 제 17항에 있어서, 상기 배합물은 약 0.1리터/분 내지 약 100리터/분의 속도로 유입구에 이송되는 것인 방법.
21. 제 19항에 있어서, 상기 유입구가 제1 유입구이고, 처리 챔버가 상기 제1 유입구와의 관계에서 평행하게 배열된 제2 유입구를 더욱 포함하는 방법.
22. 제 21항에 있어서, 상기 배합물은 하우징의 내부 공간으로 배합물의 이송 중에 동시에 제조되며, 여기서 적어도 배합물이 제1 성분이 제1 유입구를 통해 이송되고, 배합물의 적어도 제2 성분은 제2 포트를 통해 이송되는 것인 방법.
23. 제 17항에 있어서, 상기 배합물은 하우징의 내부 공간으로 이송되기 전에 가열되는 것인 방법.
24. 제 17항에 있어서, 상기 입자 및 배합물은 약 20kHz 내지 약 40kHz 범위인 소정의 주파수를 사용하여 초음파적으로 혼합되는 것인 방법.
25. 제 17항에 있어서, 액체 순환 시스템을 통해 입자와 혼합되는 배합물의 일부를 순환하는 단계를 포함하는 방법.

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