KR20130128430A - 입도들의 가변 스펙트럼을 통해 액적들을 생성하는 방법 및 디바이스 - Google Patents

Abstract

본 발명은 입자 사이즈들의 가변 스펙트럼에 걸쳐 액적들을 생성하는 방법에 관한 것으로, 방법은, 액체 스트림을 주어진 상대적 임팩트 스피드로 기판 상에 임팩트하는 단계; 적어도 하나의 진동 주파수에서 상기 기판을 진동시키는 단계; 상기 기판을 소위 임팩트 온도로 가열하여, 임팩트에 의해 형성되고 진동된 액막이 소위 주요 온도로 가열되어, 조합된 방식으로, 상기 막으로부터 소위 주요 액적들을 형성하도록 하는 수단; 전달/브레이킹/소팅 시스템을 통해 주요 액적들을 석출하는 액체를 향해 상기 액적들을 수송하는 단계를 포함하며, 상기 수송은 소위 수송 온도에서 달성되고, 상대적 임팩트 스피드, 진동 주파수, 주요 온도, 및 수송 온도 파라미터들의 세트는 상기 형성된 주요 액적들의 입자 사이즈의 변조 뿐 아니라 그의 스피드의 변조를 가능하게 한다. 본 발명은 또한 본 발명의 방법을 구현하기 위한 디바이스에도 관련된다.

Description

입도들의 가변 스펙트럼을 통해 액적들을 생성하는 방법 및 디바이스{METHOD AND DEVICE FOR GENERATING DROPLETS OVER A VARIABLE SPECTRUM OF PARTICLE SIZES}

본 발명의 분야는, 특히 핵연료 재료들의 소구체들 (또는 회전 타원체들) 을 합성하기 위한 애플리케이션들에서, 액적들을 생성하는 프로세스들 및 디바이스들의 것이다.

이러한 타입의 프로세스/디바이스는 일반적으로 졸-겔 기법들 (즉, 석출 반응들을 이용하는 기법들) 을 이용하여 핵연료들을 제조하는 보다 일반적인 프로세스에 포함될 수도 있다. 이러한 타입의 프로세스는, 연료 재료들의 소구체들 (spherules)/회전 타원체들 (spheroids) 의 생성 동안 잠재적인 방사성/오염 물질들의 확산을 제한하게 할 수 있으며, 제어된 사이즈 및 형상의 이들 회전 타원체들 자체는 후속으로 디포지션 기법들을 이용하여 잠재적으로 제조된 연료 엘리먼트들 (예를 들어, TRISO/VHTR 타입의 연료) 내에 포함되고, "VHTR 사이클" 과 같은 표현들에서의 두문자어 VHTR 는 "초고온 반응기" 를 나타내고, 표현 "TRISO 연료" 에서의 두문자어 TRISO 는 트리구조-등방성 (tristructural-isotropic) 을 나타내고, TRISO 연료는 특정 타입의 연료 마이크로 입자이다. 연료 마이크로 입자는 그의 중심에 UOx (때때로 UC 또는 UCO) 로 구성된 핵분열성 재료의 소구체를 가지며, 이 중심 소구체는 3 개 등방성 재료들의 4 개 층으로 코팅된다. 4 개 층들은 탄소로 이루어진 다공성 버퍼 층, 열분해 탄소 (PyC) 의 내부 밀집 층, 고온에서 핵분열 산물들을 유지시키고 TRISO 입자들의 구조적 세기를 강화하는 데 사용되는 SiC 의 세라믹 층, 및 외부 밀집 PyC 층이다. 또한, 상기 소구체들을 생성하는 데 바이브로콤팩션 기법들을 이용하는 것이 가능하고 바람직하다.

따라서, 종래의 GSP (gel supported precipitation) 졸-겔 프로세스를 이용하여 석출되는 액상에서 용해된 연료들의 액적들이 현상되었고, 이들 액적들은 도 1 에 예시된 바와 같은 핵연료들을 제조하기 위한 보다 전반적인 프로세스들에서 이용될 수 있는 고형 소구체들의 연이은 합성 (주로, V/HTR 애플리케이션들에 비교되는 바이브로콤팩션에 대한 애플리케이션으로, 상대적으로 큰 소구체 직경들, 즉 300 ㎛ 보다 큰 직경들을 허용함) 에 적합한 (구형도, 액적 사이즈, 생성률 등에 관련한) 속성들 및 제조 조건들을 가지며, 도 1 은 다음의 모든 단계들을 예시한다:

- 단계 1 : 용해된 연료를 포함하는 용액이 마련된다:

- 단계 2 : 제어된 사이즈 및 형상의 액적들이 생성된다;

- 단계 3 : 겔 담지된 졸-겔 프로세스가 이용된다;

- 단계 4 : 고형 소구체들이 제조된다;

- 단계 5 : 상기 소구체들이 디포지트되고, 또는, 단계 5a 에서: 바이브로콤팩션이 연료 클래딩 (cladding) 을 채우는 데 이용된다;

- 단계 6 : V/HTR 연료 엘리먼트들이 생성되고, 또는, 단계 6a 에서: 바바이브로콤팩션에 의해 획득된 연료가 생성된다.

종래기술에서, 액적들은 다수의 디바이스들/프로세스들에 의해 생성된다. 그럼에도 불구하고, 전술한 상황 (핵연료의 제조를 위한 소구체들의 생성) 의 맥락에서, 특정 수의 특정 제약들/목적들은, 특정한 종래기술의 기법들이 선택되어야 한다는 것을 의미한다. 졸-겔 석출 프로세스는 그것이 방사성 분말들을 채용하지 않으므로 오염물질의 확산 위험성을 제한하는 효과적인 방법이라는 것이 주목될 것이다. 대조적으로, 이 기술에서, 더 전반적인 제조 프로세스에서 후속으로 사용되도록 하기 위해 석출되는 고형 소구체들의 사이즈 및 형상은 도 2 에 예시된 바와 같이 제어되어야 하며, 도 2 는 액적들 (G_ou) 이 주어진 액체 표면 (S)(통상, 석출 용액) 을 스트라이크할 때 경험하는 변형, 또는, 보다 정밀하게는, 상기 스트라이크된 표면에 대해 각각 평행 및 수직인 2 개 방향들의 직경 비율들 D_max/D_min 의 시간에 따라 변화를 도시하며, 구형도에서의 변화량 Δ 를 도시한다.

따라서, 액적들 자체는 다음을 가져야 한다:

- 제어된 사이즈들 및 형상들 (일반적으로는 수십 내지 수백 마이크론의 범위일 수도 있는 범위 및 1.1 보다 낮은 구형도 (D_max/D_min) 를 가짐); 및

- 액적 생성률은 (그들이 졸-겔 프로세스의 맥락에서 석출을 가능하게 하는 엘리먼트를 포함하는 액적을 스트라이크할 때 (전술한 구형도를 특징으로 하는) 액적들의 변형을 제한하기 위해) 이상적으로는 낮아야 한다.

일반적으로, 액적들을 생성하기 위한 종래기술에서 식별할 수 있는 메인 기술들은 다음과 같다:

- 가스의 분사를 이용한 연무법:

이 기법은 매우 보편적이고 다양한 산업분야에서 이용된다. 이 기법은, 액체를 분해하고 하고, 높은 전단력을 생성하는 가스의 (분해될 액체 대한) 상대적 이동에 의해 전달되는 동역학 에너지 및 그 결과로서 후속하는 바람직한 분해를 야기하는 데 채용된다. 이 기법의 예들은 특허 출원 US 2010/0078499 및 EP 1 888 250 에 특히 기술되어 있다. 이러한 타입의 주요 단점은, 그것이 가스의 분사를 채용한다는 것인데, 이는 핵 산업에서 불리하다 (이는, 그들이 필터링을 요구하는 가스의 폐기물의 근원인 오염물질과 접촉하기 때문이다). 또한, 이러한 타입들의 액적 발생기는 액체 피드 배출구가 액체를 연무시키는 데 사용되는 가스의 유속을 증가시키지 않도록 하는 제한적 단면을 가져야 한다는 필요성으로 인해 빈번하게 폐색된다. 이러한 제한사항은 높은 폐쇄 위험성을 초래하며, 이것은 방사성 재료를 프로세싱하는 데 사용되는 디바이스들 상에서의 보수/유지를 실행해야 하는 핵산업에서 매우 불리하다 (ALARA 원리에 관하여: ALARA 원리는 방사선 방호를 이온화하는 기본 원리들 중 하나이다. 그 목적은 핵 서비스 제공자들의 개인에 의해 수용되는 개별적 및 총체적 선량을 감소시키는 것이다).

- 진동 인젝터를 사용한 액적들의 생성:

이 기술은 캘리브레이트된 액적들을 생성하는 졸-겔 프로세싱에서 폭 넓게 이용된다. 이러한 타입의 기술에서, 액체 분사는 중력 하에서 주어진 주파수로 진동 처리되어 분사를 단순 분산 액적들로 분해하는 캘리브레이트된 오리피스를 통해 흐른다. 진동 오리피스들을 갖는 디바이스들 (특허 출원 WO 2006/048523 에서 기술된 예) 에서, 분사들은 거의 원통형이고, 생성된 액적들의 직경은 오리피스의 것의 약 2 배이다. 이것은, 이 기술의 유용성을 상당히 제한하며, 바람직한 액적들의 직경이 감소할 때에만 증가하는 높은 폐쇄 위험성을 초래한다. 특히 이러한 타입의 발생기에 의해 생성된 액적들의 직경을 변화시킬 수 있도록 하기 위해, 분사가 방출되는 노즐의 직경을 변화시키는 것이 필수적이며, 이는 또한 산업분야에 의해 종종 요구되는 자유도가 아니며, 전술한 ALARA 원리와 반대된다는 것이 주목될 것이다. 또한, 이러한 타입의 인젝터는, 도 3 및 도 4 에 예시된 바와 같이, 고점성 (일반적으로, 50 cp 보다 높음) 액체들에 대해 작은 액적들 (사이즈 면에서 100 ㎛ 보다 작음) 을 생성하는 것으로 제한되며, 도 3 및 도 4 는 각각 인젝터의 직경 (D_inj) 의 함수로서 직선형 배출 인젝터에서의 손실 수두 (head loss) 의 진동, 및 예를 들어 폴리비닐 아세테이트 (PVA) 가 풍부한 수용액과 같은 점성 액체의 배출을 위한 폐색형 T_{av / Bou} 로 되기 전의 시간적 변형을 각각 도시하며, 직경 D_min 은 손실 수두가 매우 크게 되기 전의 최소 직경에 대응한다.

- 기계적 로터리 효과를 이용하여 액체 분사를 분해하는 것에 의한 액적들의 생성:

이러한 타입의 디바이스는 액체 분사와 (고속으로) 접촉하는 이동 (대부분 회전 시) 중지에 의해 유도되는 기계적 전단력을 통해 분사가 분해되게 한다. 표면 분사 (jet-on-surface) 맞춤 분무기라고도 지칭되는 이러한 타입의 디바이스는 산업 제품에 분리할 수도 있는 재료 (저 수율) 의 상당한 손실에 의해 수반되며, 이에 따라 생성된 액적들은 또한 분사를 절단하는 엘리먼트의 스피드 (또는 입사 액체의 스피드) 에 근접한 방출 스피드를 가지며, 이에 의해 전술한 목적을 달성하는 데 실패한다.

- 초음파를 이용한 액적들의 생성:

이러한 타입의 기술에서, 분해될 액체의 자유 표면은 음파의 소스에 의해 여기된다. 액체의 컬럼들은 액체의 표면에 나타나고, 이러한 컬럼들로부터, 매우 작은 액적들이 매우 넓은 액적 사이즈 분산을 갖고 누출되며, 이러한 타입의 발생기는 또한 수십 마이크론보다 큰 직경을 갖는 액적들이 용이하게 생성되게 하지 않는다. 또한, 액적들이 액체 소스의 근처에 있으므로, 액적들을 겔화하는 다계를 실행하기가 용이하지 않고, 그에 따라 액체 소스 자체를 석출시킬 위험성 없이 형성된다. 또한, 분해는 액체의 자유 표면의 자연 공진 주파수에 의해 제약된다. 이에 따라 달성 가능한 액적 직경을 조절하기 위한 자유도는 거의 존재하지 않으며, 이는 프로세싱의 관점으로 볼 때 상당한 제한사항이다.

- 원자화에 의한 생성 (회전하는 선택적 진동 디바이스):

이러한 타입의 디바이스는 회전 부재의 표면 상의 액막을 생성하기 위해 원심력의 이용에 기초한다. 이 부재 (종종 디스크 또는 휠) 의 주변부에서, 액적들의 형상 및 그들의 사이즈가 회전의 파라미터들, 로터리 엘리먼트의 표면 마무리, 및 원자화될 액체의 이화학적 속성들에 의존하든 아니든, 액적들이 생성된다. 본 발명의 용액이 분해하기로 제안하는 액체들은 폐색형 효과들을 야기하기 쉽다; 클로깅 관련 효과들 (clogging-related effects) 로 인해 반드시 변화하게 되는 기학적 구조를 갖는 엘리먼트들 (종종 티스 (teeth) 라고 지칭됨) 의 표면 마무리 및 특성 사이즈에 대한 분해를 기반으로 하는 것 (특허 출원 WO 2005/102537 에서 설명됨) 이 실행 가능하지는 않다. 또한, 액적들의 방출 속도는 본질적으로 (회전 플레이트의 선형 회전 스피드와 동일한 정도로) 높아서, 석출액과의 임팩트를 통해 액적들을 겔화함으로써 소구체들을 획득하는 것을 어렵게 한다. 또한, 로터리 분무기들은 그들이 높은 회전 속도의 통신을 요구하므로 점성 액체들을 분해하는 데에는 매우 적합하지 않고; 또한, 분해의 안정성은 제어 관련 문제들을 야기한다.

- 맞춤 분사들을 이용한 액적들의 생성:

이러한 타입의 디바이스 (특히, 특허 출원 WO 2009/047284 에서 기술됨) 는 맞춤 분사들을 서로 스트라이크하게 함으로써 액적들을 생성한다. 이러한 타입의 발생기는, 그것이 현상된 것들 (화염 (flame) 또는 플라즈마 콘(cone) 과 같은 고온 매질) 과 같은 특정 조건들 하에서 사용되지 않으면, 액체의 불리한 손실을 유발한다. 또한, 액적들의 방출 속도는 액체 분사들의 스트라이크속도와 동일한 정도의 것이어서, 또한 전술한 목적들의 달성/전술한 제약들의 충족에 실패한다.

따라서, 본 분야에 공지되어 있는 모든 기법들 중, 액적들을 생성하기 위한 어떠한 기법도 다음의 기준들 모두를 충족시키지는 않는다:

- 잠재적으로 (매우) 점성인 액체들의 분해를 통한 액적들의 생성;

- 석출의 영향을 받을 수 있는 또는 높은 폐쇄 위험성을 유발하는 다른 효과들을 받을 수 있는 액체의 액적들의 생성;

- (가능하게는, 0.1 m/s 정도로 낮거나 더 낮은) 낮은 액적 스피드로 방출될 수 있는 액체의 액적들의 생성; 및

- 폭 넓고 조절 가능한 액적 사이즈 분포 (수십 마이크론 내지 수백 마이크론) 를 갖는 액적들의 생성.

이들 목적들 및/또는 제약 함수들 중 특정의 것들은, 특히 다음의 바람직한 결과에 관하여, 이율배반적/모순적인 것이 주목될 것이다:

- 액적들의 고속 방출 없는 점성 액체들의 분해. 구체적으로, 높은 점성력들은 이용될 높은 동역학 에너지들 또는 전단력들을 통상적으로 요구하며, 이는 고속 액적들의 분무/생성을 결과적으로 유도한다;

- 폐색 효과들에 민감한 엘리먼트들을 사용하지 않은 소형 사이즈의 액적들의 생성. 구체적으로, 대부분의 액적 발생기들에서, 액적들은 기계적 엘리먼트들을 사용하여 획득되며, 그 사이즈는 대략 생성될 액적들에 대해 바람직한 사이즈이다. 이 사이즈는, 채용된 기법이 이러한 타입의 엘리먼트에 기초할 때 실제 인젝터의 직경 (액적의 사이즈는 배출구의 직경의 약 2 배이다), 또는 생성될 불안정성 또는 적용될 전단력들이 기초적인 볼륨들의 분해를 유도하게 하는 프로파일 엘리먼트들 (티스, 니들들 (needles) 등) 의 사이즈 중 어느 하나이며, 그 사이즈는 이들 엘리먼트들의 것과 유사하다.

이것은, 이 맥락에서, 본 발명의 주제가, 폐색 형성 위험이 존재하지 않는 변조 가능한 액적 사이즈 분포를 갖는 저속 액적들을 생성하는 프로세스인 이유이며, 다음의 단계들을 포함하는 것을 특징으로 한다:

- 액체의 스트림이 주어진 상대적 임팩트 속도를 갖는 담체를 스트라이크하게 하는 단계;

- 상기 담체가 적어도 하나의 진동 주파수에서 진동하게 하는 단계;

- 상기 담체를 임팩트 온도라고 지칭되는 온도로 가열하여, 임팩트에 의해 형성되고 진동하도록 제조된 액막이 주요 온도라고 지칭되는 것으로 가열되어, 조합적으로 상기 막으로부터 주요 액적들이라고 지칭되는 것을 형성하도록 하는 단계; 및

- 모든 이들 파라미터들, 즉 상대적 임팩트 속도, 진동 주파수, 주요 온도, 및 상기 형성된 액적들의 액적 사이즈 및 후자의 속도가 변조되게 하는 수송 온도.

본 발명의 일 변형예에 따르면, 프로세스는 사이 액체를 사전 분해하여 일차 액적들을 생성하는 단계를 더 포함하며, 일차 액적들은 가능하게는 일반적으로 약 시간당 0.1 내지 1 리터일 수도 있는 매질 유속으로 상기 담체를 스트라이크한다.

본 발명의 일 변형예에 따르면, 사전 분해하는 단계는 상기 액체를 진동하게 함으로써 실행되고, 가능하게는 특히 노즐을 통해 예비 주파수라고 지칭되는 것으로 실행될 수도 있다.

본 발명의 일 변형예에 따르면, 프로세스는 제 1 주기 동안 그리고 제 1 진동 진폭으로 상기 담체를 진동하게 만들어 상기 일차 액적들의 임팩트 속도에 영향을 미치는 단계, 및 제 2 주기 동안 그리고 제 2 진폭으로 상기 담체를 진동하게 만들어 일차 액적들로부터 획득된 막에 의해 주요 액적들의 액적 사이즈를 조절하는 단계를 포함하며, 이들 단계들은 가능하게는 동시에 수반된다.

본 발명의 일 변형예에 따르면, 분사는 높은 액적 유속을 획득하기 위해 연속적이다.

본 발명의 일 변형예에 따르면, 상기 담체는 상기 연속적인 유체 분사의 방향에 법선인 방향으로 각도 (θ₁) 를 약 10 도보다 작게 만든다.

본 발명의 일 변형예에 따르면, 프로세스는 상기 액적들의 유착 (coalescence) 을 감소시키고 정전 효과를 통해 브레이킹 (braking)/소팅 (sorting) 을 허용하도록 정전장에 대해 형성된 주요 액적들 및/또는 일차 액적들을 처리하는 단계를 더 포함한다.

본 발명의 일 변형예에 따르면, 임팩트 온도는 분해될 액체의 비등점과 바람직한 주요 액적들의 라이덴프로스트 온도(Leidenfrost temperature) 사이에 위치되며, 수송 온도는 상기 라이덴프로스트 온도 근처의 온도들의 범위에 속한다.

본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 주요 액적들의 수송은 수송 온도라고 지칭되는 것에서 실행되며, 이 수송 온도는 주요 온도라고 지칭되는 것과는 상이하다.

본 발명의 일 변형예에 따르면, 액체는, 실온에서 약 십 센티푸아즈 (centipoise) 보다 높은 점성을 가지며, 가능하게는 특히 폴리비닐 알콜 (PVA) 와 같은 첨가제를 조절하는 리올로지 (rheology) 를 포함하는 악티니드 용액 또는 질산 우라늄 용액인 점성 액체이다.

본 발명의 일 변형예에 따르면, 형성된 막은 두께 면에서 약 수십 내지 수백 마이크론이다.

유리하게도, 진동 주파수들은 약 수 헤르츠 내지 수십 킬로헤르츠이다.

본 발명의 일 변형예에 따르면, 임팩트 속도는 약 수 센티미터/초 내지 약 백 미터/초이다.

본 발명의 일 변형예에 따르면, 모든 단계들은 챔버 외부의 분위기에 대해 진공 하에 있는 상기 챔버에서 실행된다.

본 발명의 다른 주제는, 변조 가능한 액적 사이즈 분포를 갖는 액적들을 생성하는 디바이스이며, 다음을 특징으로 한다:

- 담체 상에 액체를 분무하여 상기 액체가 상기 담체를 스트라이크하게 하는 수단;

- 상기 액체의 임팩트 속도를 조절하는 수단;

- 상기 담체를 주요 주파수에서 진동하게 하는 수단, 및 상기 액체가 주요 온도라고 지칭되는 것으로 가열되어 상기 막으로부터 주요 액적들이라고 지칭되는 것을 형성하도록 하는 온도로 상기 담체를 가열하는 수단; 및

- 상기 주요 액적들을 스토리지 구획으로 수송하는 수단으로서, 상기 수송하는 수단은 수송 온도라고 지칭되는 것에서 실행되는, 상기 수송하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 변형예에 따르면, 디바이스는 가압 액체의 저장조 및 사전 분해용 인젝터를 포함한다.

본 발명의 일 변형예에 따르면, 분무하는 수단은 스트라이크될 담체 상으로 연속 흐름 막을 분무하고, 상기 담체는, 평평하지 않고 가능하게는 오목형 선대칭 3 차원이고 특히 반구체인 형상을 가질 수도 있는 표면을 갖는다.

본 발명의 일 변형예에 따르면, 액체를 분무하는 수단은 상기 액체를 일차 액적들로 사전 분해하는 수단, 및 상기 일차 액적들을 상기 담체 상으로 분무하는 수단을 포함한다.

본 발명의 일 변형예에 따르면, 액체를 일차 액적들로 사전 분해하는 수단은 노즐 타입의 직선형 또는 테이퍼형 배출구를 포함한다.

본 발명의 일 변형예에 따르면, 사전 분해하는 수단은, 가능하게는 예비 주파수라고 지칭되는 것으로 진동을 생성하는 압전 트랜스듀서를 포함하는 초음파 발생기를 포함한다.

본 발명의 일 변형예에 따르면, 사전 분해하는 수단은 안티-오버플로우 시스템을 더 포함한다.

본 발명의 일 변형예에 따르면, 담체는 주요 액적들을 수집하는 가이딩 그루브들을 포함한다.

본 발명의 일 변형예에 따르면, 담체를 진동하게 만드는 수단은 압전 엘리먼트를 포함한다.

본 발명의 일 변형예에 따르면, 수집하는 수단은 액적들을 석출시키는 용액에 상기 주요 액적들을 수송하는 수단을 포함한다.

본 발명의 일 변형예에 따르면, 수송 수단은 전자기 브레이크 수단을 포함한다.

본 발명의 일 변형예에 따르면, 수송 수단은 상기 담체에 대해 기울어진 램프 (ramp) 를 포함한다.

본 발명의 일 변형예에 따르면, 수송 수단은 상기 주요 액적들을 분류하는 수단을 더 포함한다.

본 발명의 일 변형예에 따르면, 수송/브레이크 수단은 캐로셀 리셉터클 (carousel receptacle) 을 포함한다.

본 발명의 일 변형예에 따르면, 디바이스는 상기 액체를 스프레이하는 수단, 상기 담체 및 상기 담체가 진동하게 하는 수단, 및 챔버에 진공을 생성하는 수단을 포함하는 제어된 압력 챔버를 포함한다.

다음의 비제한적 설명을 읽으면, 그리고 첨부한 도면에 의해, 본 발명은 더욱 잘 이해될 것이고, 다른 이점들이 명백해질 것이다:
- 도 1 은 본 발명이 포함될 수도 있는, 핵연료 엘리먼트들을 제조하는 프로세스에서의 다양한 단계들을 예시한다;
- 도 2 는 석출 시약을 함유하는 용액에 의해 형성된 액체 표면을 스트라이크할 때 겔 담지 석출 처리된 액적들의 구형도 변화를 예시한다;
- 도 3 은 인젝터의 직경의 함수로서 직선형 배출 인젝터에서의 수두 손실 변화를 예시한다;
- 도 4 는 직선형 배출 인젝터가 PVA 가 풍부한 수용액과 같은 점성 액체의 배출을 위해 폐색되기 전의 시간 변화를 예시한다;
- 도 5 는 본 발명에 따라 액적들을 생성하는 프로세스에서의 다양한 단계들의 블록도를 예시한다;
- 도 6 은 사전 분해하는 단계를 실행하는 두 가지의 가능한 방식으레 따른 본 발명의 프로세스에서 제 1 단계를 예시한다;
- 도 7 은 레이놀드 수 (Re) 와 오네소그 수 (Oh) 의 함수로서 액막의 디포지션 조건들을 예시한다;
- 도 8 은 시간 포스트-임팩트 (T_imp) 의 함수로서 계수들 β 및 ξ 에서의 일반적인 변화를 예시한다;
- 도 9(a) 및 도 9(b) 는 액체의 분무 분사 방향의 법선에 대해 기울어진 평평한 고체 표면 상에 디포지트된 액적들의 파라미터들의 변화에 대한 다양한 프로파일들을 예시한다;
- 도 10 은, 액체 분사로부터 주요 액적들을 생성하며, 상기 액적들을 수송 및 소팅하는 시스템을 포함하는 시스템을 예시한다;
- 도 11 은 임계적 분무 석판 압력에서의 변화를 예시하며, 그 효과는 액적들의 임팩트 속도의 함수로서 액체의 볼륨을 다수의 서브볼륨들로 분해하는 것을 유도하는 고체 표면에 대한 액체 볼륨의 임팩트에 대응한다;
- 도 12 는 다양한 타입들의 액체에 대한 반경 (R) 의 구형 돔 위를 흐르는 (흐름 9 l/h의 유속) 액막의 두께를 예시한다;
- 도 13 은 본 발명의 프로세스의 일 실시예에 따라 적용되어, 가열 처리되는 평면 벽의 표면 상에서 액적들의 분해를 최적화할 수 있는 진동들의 시퀀스를 예시한다;
- 도 14 는 본 발명에 따른 완전한 디바이스의 일 실시예를 예시한다.

본 발명의 프로세스는 도 5 의 도면에 의해 개략적으로 나타내지며, 도면은 프로세스의 모든 주요 구성 단계들과, 상기 프로세스의 특정 선택적 또는 대안의 단계들을 종합적으로 예시한다:

- 본 발명의 프로세스에서의 선택적 초기 단계 (Et₀) 에서, 액체는 일차 액적들 (G_ou1) 의 세트를 획득하기 위해 분해된다;

- 본 발명의 일 변형에 따라, 초기 단계는 전기 충전 동작 (Et₁) 이라고 지칭되는 것으로 보충될 수도 있으며, 그 목적은 상기 일차 액적들을 서로 분리한 채로 유지시키는 것이다;

- 일반적으로, 그리고 제 1 단계 (Et₁) 에서, 액막은, 담체에 따른 임팩트를 통해, 연속 분사의 형태로 취한 액체 (L_iq) 로부터 또는 일차 액적 (G_ou1) 의 각각으로부터 생성된다.

- 다음, 이 막은, 단계 (Et₂) 에서, 상기 막을 분해하여 캘리브레이트된 액적 사이즈의 주요 액적들의 세트 (G_oup) 를 획득하도록 하기 위해 진동 및 적합한 온도로 처리된다;

- 다음, 단계 (Et₃) 에서, 상기 주요 액적들이 이송되는데, 이는 유리하게도 전기 충적 단계 (Et₃') 라고 지칭되는 것을 가능하게 하며, 그 목적은 상기 주요 액적들을 서로 분리한 채로 유지시키기 위한 것이다;

- 마지막으로, 상기 주요 액적들을 수송/분류/브레이크하는 단계 (Et₄) 가 실행되며, 이는, 특정 변형들에 따라, 가능하게는 유리하게도, 특히 정전력들을 이용하여 상기 액적들의 인도 및 분류를 포함한다.

이들 동작들 모두는 유리하게도 중앙 제어 동작 (E_Pil) 에 의해 제어될 수도 있다는 것이 주목될 것이다.

일반적으로, 그리고, 본 발명의 프로세스에 따르면, 임팩트 단계라고 지칭되는 제 1 단계가 제공되며, 이 단계는 담체, 일반적으로는 담체 플레이트 상에 가압 유체를 분사하여, 바람직한 액적들을 형성하도록 분해시키고자 하는 막을 형성하는 것으로 구성된다.

본 발명의 제 1 변형에서, 제어되는 액적 사이즈의 액적들을 형성하기에 바람직한 액적을 사전 분해하는 초기 단계가 중간 유속의 구현의 맥락에 제공된다.

도 6 에 예시된 바와 같이, 이 액체는 가압 저장조 (R₁) 로부터 온다. 액체는 주입구 (In) 에 전송된다. 이 변형에 따르면, 액체를 사전 분해할 수 있는 서브시스템이 또한 제공된다.

이러한 서브시스템은, 도 6 에 예시된 바와 같이, 적어도 200 마이크론의 직경을 갖고, 가능하게는 노즐 타입인, 직선형 또는 테이퍼형 배출구를 포함할 수도 있고, 이에 따라 높은 폐색 위험성이 없이 그리고 특히 옵션 1 에 대응하는 석출 효과들로 인한 폐쇄 위험성을 제한하도록 불활성 가스 (g_int) 의 흐름에 의해 특히 보장되는 플러싱 시스템을 선택적으로 프로세싱하는 일 없이, 점성 액체들이 이용될 수 있도록 한다. 석영 크리스털 압전 액추에이터 (P_iezo) 는 일차 액적들 (G_ou1) 의 흐름이 주입된 액체 (L_iq) 로부터 생성되게 한다.

대안으로, 그리고 옵션 2 에 대응하여, 사전 분해는, 임의의 노들의 배출구에서의 임의의 폐쇄 위험성을 제거하는, 오버플로우 (F_D) 를 나타낸 화살표들에 의해 예시된 피드 (A_l) 를 통해 공급되는 오버플로우 시스템에 의해, 그리고 압축된 가스 실린던 (B₁) 에 접속된 플렉시블 챔버 (Ch_s) 를 포함하는 것에 의해 또는 배출 섹션이 석출 산물 (예를 들어, 암모니아) 의 증기가 풍부한 주변 분위기와 접촉하지 않도록 분포될 용액에 나타나는 것에 의해 보장될 수도 있다.

배출구와 연결되는 생성된 액적들 (G_ou1) 은 압전 크리스털의 주파수 (f) 및 저장조 (R₁) 의 압력에 의해 제어되는 체적 유속 (Q) 에 의해 설정된 직경 (d₀) 을 갖는다. 이 직경 (d₀) 은 다음의 표현에 의해 근사적으로 1 차로 제공된다:

,

여기서, α 는 배출구의 오리피스의 직경에 특히 의존하는 상수이다.

옵션 2 에 대해, 직경은 오버플로우의 이화학적 (physico-chemical) 속성들, 그의 유속, 및 이전 단편을 지지하는 표면의 기하학적 및 표면 마무리 (이 경우에는 중력성) 에 의존한다.

전술한 서브시스템에 의해 생성된 액적들은 고체 벽에 영향을 미치도록 마련된다. 일반적으로, 액적이 평평한 고체 표면을 스트라이크할 때, 액막이 생성되며, 그 형상은 고체 표면 상에 아래에서 정의되는 바와 같은 파라미터들 (β 및 ξ) 에 의해 설명될 수도 있다:

여기서, D 는 액막의 직경이고 시간의 함수로서 변화하며, D₀ 은 임팩트 이전의 액적의 초기 직경이다;

ξ= h/D₀

여기서 h 는 벽을 스트라이크하는 액적에 의해 생성된 액체의 높이이고, 시간의 함수로서 변화한다 (도 8 참조).

파라미터 β 는 특정 임계치에 도달할 때까지 시간에 따라 변화하며, 이 임계치는 액체에서의 이동량이 유량을 제한된 영역 내에 유지시키고자 하는 표면 장력에 의해 유도된 힘들과 등가라는 사실에 대응한다. 이 임계치의 최대 값은 주로 웨버 수 (We) 의 함수이다.

대략적으로:

,

여기서, We 는 다상 시스템의 인터페이스에서 유체들의 흐름을 특징으로 하도록 유체 역학에서 이용되는 웨버 수이다. 그것은 표면 장력에 대한 내부 힘들의 비율에 대응한다.

그것은 다음의 방식으로 정의된다:

여기서,

- v : 스피드;

- Lc : 특성 길이;

- ρ: 밀도; 및

- σ : 표면 장력.

이 임계치 아래에서, 액체 표면이 접촉하거나, 또는 그 후, 특정 조건들 하에서, 자연스럽게 분해되어, 도 7 에 예시된 바와 같이 이차 액적들을 형성하며, 도 7 은 레이놀드 수 (Re) 및 오네소그 수 (Oh) (

) 의 함수로서 액막의 디포지션 조건들을 도시하며, 여기서

이고, 디포지션 영역 (Re_d) 에 대해 자연 분해의 영역 (Re_frac) 을 나타낸다.

다른 경우들에 있어서, 초기 액적은 리바운드하는 것으로 관측될 수도 있는데, 이는 본 발명의 맥락에서 바람직하지 않다.

파라미터 β 에 더하여, 파라미터 ξ 를 유도하는 것이 가능한데, 이는 상기 액적의 초기 직경에 대한 변형된 액적 포스트-임팩트의 높이의 비율을 설명한다. 도 8 은 시간 포스트-임팩트 (T_imp) 의 함수로서 파라미터들 β 및 ξ 의 일반적인 변형을 예시한다.

도달될 β 의 최대 값에 대해 취해지는 시간은, 적어도 상당히 통상적인 임팩트 조건들 (즉, 초 당 수십 미터보다 크지 않은 스피드에 대해, 그리고 뉴턴 유체들에 대해) 하에서 유체의 본질 및 주입 조건들에만 약하게 의존한다는 것이 주목될 것이다. 이러한 관점에서, 많은 경우들에 대해, 최대 확산 시간의 크기 정도는 약 밀리초이다. 이 시간 길이를 넘어, 유체가 확산하게 하는 불활성 힘들은 확산에 반대하는 표면 장력 관련 힘들보다 크다.

본 발명의 제 2 변형예에 따르면, 그리고 전반적으로 그것이 높은 유속들로 액적들을 생성하는 문제일 때, 그것은 도 9(a) 및 도 9(b) 에 도시된 바와 같은 플레이 상으로의 연속 분사의 직접적인 임팩트에 의해 액적들로의 사전 분해 없이도 액막을 생성하도록 선택될 수도 있다는 것이 가능하며, 도 9(a) 및 도 9(b) 는 각각 액체의 분사 (J_Liq) 로부터 형성된 액체 층 (N_Liq) 의 측면 및 상면 뷰들이며, 이 도면들은 액체의 두께를 제어하기 위한 파라미터들로서 각도들 θ₁ 및 θ₂ 을 갖는 액막을 생성하는 시스템을 예시하며, 막의 이면 프로파일 (Pr_r) 및 전면 프로파일 (Pr_vi) 을 도시한다.

초박막을 획득하기 위해, 액체의 분사에, 가능하게는 상기 플레이트의 표면에 법선이 아니고 그 대신에 플레이트에 대해 법선 방향이고 작게 (10° 보다 작게) 유지되는 각도 (θ) 를 형성하는 벡터의 속도를 부여하는 것이 바람직하다. 이것은, 막의 분해 이후에 생성되는 액적들의 후속하는 수집에 대해 바람직한 방향으로 흐름에 바람직한 코스를 부과하는 것을 가능하게 만든다.

도 10 은 이러한 관점에서 비평면 표면이 담체로서 사용되는 변형을 예시하며, 이 때 그 담체는 진동 구역 (Z_vib) 을 생성하도록 하기 위해 진동하게 된다. 따라서, 액체의 분사 (J_Liq) 는 볼록한 표면 (S_Conv) 을 스트라이크한다. 확대도는 액막과 고체 표면의 상호 작용을 도시한다. 액적들 (G_oup) 을 형성하는 데 바람직한 온도를 획득하기 위해, 가열 벽들 (Pa_c) 이 제공된다.

이 변형예에 따르면, 가이딩 그루브들 (r_guid) 은 형성된 주요 액적들을 수집하기 위해 제공되며, 그 어셈블리는 정전 수집 수단의 콤포넌트들인 커패시터 플레이트들 (p_cd) 사이에 배치된다.

이 경우에 있어서, 막의 두께는 액체의 고유한 속성들에 의존하지만, 또한분사 속도에도 의존한다. 또한, 습식 표면의 주변부 상에서, 후자가 예를 들어 평평한 경우에 있어서, 유체 흐름의 라인들은 집중되고 (습식 표면의 중앙 구역에서의 막 두께에 비해) 보다 두꺼운 액체 구역들을 형성한다. 이 효과의 영향을 제한하기 위해, 따라서, 본 변형예에 따라, 반구체에 의해 제공되는 것들과 같은 비평면 표면들 또는 보다 일반적으로는 특정의 오목한 비대칭 3 차원 형상들 (예컨대, 콘, 타원형 등) 을 이용하는 것이 제안된다.

액막의 두께는 다음의 관계에 의해 꾸준한 흐름 레짐 (regime) 에서의 뉴턴 액체의 경우에 대해 근사화될 수도 있다:

여기서, W = S/δ (S 는 액체의 단면적임) 이고, Qv 는 액체의 볼륨 유속이며, δ 는 Pa.s. 단위의 점성이다.

액적들을 확산시킴으로써 획득된 액막들의 두께 및 표면 위로 액체를 흘림으로써 획득되는 것들의 두께가 비교되면, 그들은 유사한 정도의 크기를 갖는 것으로 간주될 수도 있다 (반구체 위를 흐르는 물의 막의 경우에는 250 ㎛ 이고, 1 m/s 에 가까운 임팩트의 속도에 대한 1 mm 직경의 물 액적의 임팩트에 의해 생성된 막의 두께의 경우에는 100 내지 200㎛). 그럼에도 불구하고, 점성은 막의 두께 및 막의 흐름 면적에 대해 무시할 수 없는 영향을 가질 수도 있고, 특정 흐름 면적 (후자의 특성 길이에 대응함) 이상에서 주어진 볼륨 유속에 대해 액막의 두께 감소가 관찰될 것이라고는 더 이상 기대되지 않는다는 것 (습윤성 한도에 도달함) 이 주목될 것이다. 이 한도는 도 12 의 곡선들 (12a, 12b) 을 이용하여 근사화될 수도 있으며, 도면은 (주어진 유속에 대해) 흐름 면적의 계속되는 증가에도 불구하고 막 두께에서 보다 느린 변화를 보여 준다.

따라서, (실온에서) 60 cp 의 점성을 갖는 고 점성 막 (예를 들어, 도 12b 의 질산 우라늄 용액에 대응하는 브로스 (broth)) 의 두께 한도는 약 400 ㎛ 인 것으로 간주될 수도 있고, 그 반면 100 ㎛ 의 두께가 실온에서 1 cp 에 가까운 점성 (도 12a) 을 갖는 물의 경우에 획득된다.

발명자는, 그것이 진공 하에서 작업하기에 특히 유리할 수도 있고, 그에 의해 다음을 제한하는 것이 가능해진다는 것을 관찰했다:

- 액체/고체 접촉각 (그리고, 그에 따른 막의 두께 한도); 및

- "스플래시 (splash)" 또는 "분무석판" 이라고 지칭되는 효과에 대응하는, 액체/벽 임팩트 동안 분해하는 액체의 기질.

그 아래에서는 자연 분해가 더 이상 관찰되지 않는 압력 임계치 (Pc) 는 임팩트 속도 및 동점성 (kinematic viscosity) (20 ℃ 에서 물에 대해 10^-6 센티스토크 (cSt)) 에 의존한다. 제 1 근사화를 위해, 이 임계치는 kPa 로 표현되는 다음의 관계에 의해 주어질 수도 있다:

,

여기서 a, b 및 c 는 각각의 타입의 액체에 대해 실험적으로 결정될 수 있는 상수들이다.

V₀ 은 유체 분사의 임팩트 속도이고, V_L 은 동점성이다.

이 관계로부터, 점성 액체들은 저 점도의 액체들의 것보다 낮은 임계적 "분무 석판" 압력을 갖는다는 것이 주목될 것이다. 따라서, 분무 석판을 다루기 위한 상이한 가능한 전략들이 존재한다:

- 액적들의 사이즈 분포가 만족스럽다면, 직접적인 분무 석판을 촉진한다;

- 또는, 동작 압력을 감소시킴으로써 스플래시-프리 디포지션을 촉진한다 (이것은, 대부분의 경우들에 있어서, 점성 액체들에 대해 용이하게 인비전 (invision) 될 수 있는데, 이는 점성 액체들의 증기압이 덜 점성인 액체들의 것보다 낮기 때문이다);

- 또는, 이와 달리 (액체의 속성들 및 프로세스 제약들에 의존하여) 용이하게 방지될 수 없는 임의의 분무 석판을 방지하기 위해 (액적 주입이 아닌) 연속 분사 주입을 선호한다.

이러한 면에서, 도 11 은 액적의 점도를 물에 대해 (곡선 11a) 그리고 "브로스" (곡선 11b) 에 대해 액적의 속도의 함수로서 임계적 "분무 석판" 압력의 변화를 예시한다.

초친수 표면들은 또한 유리하게도 박막들의 형성을 촉직하는 데 사용될 수도 있다. 그럼에도 불구하고, 이 전략 자체는 불만족스러운데, 이는 이 소수성 속성이 표면 마무리에 매우 의존하기 때문이다 (또한, 그에 더해, 매우 높은 소수성 표면은, 제 2 단계에서, 이것이 발생하도록 하기 위해서, 접촉 표면에 너무 강하게 바운드되어서는 안 되는 막의 분해를 불리하게도 방지하고 있을 수도 있다). 산업 제품에서 대부분의 경우, 막 형성 동안, 디포지트 형성을 방지하는 것이 가능하지 않다고 하면, 표면의 소수성 본질이 일반적으로 시간에 따라 감소하기만 한다. 따라서, 파라미터들의 조합을 이용하여 그리고 특히 최적화된 표면 기하학적 구조들을 통해 최적의 디포지션 조건들이 셋업하는 것이 필수적이다.

이러한 점에서, 도 12 는 다양한 액체들에 대한 반경 (R) 의 구형 돔 위를 흐르는 액막의 두께 델타를 예시한다 - 곡선 (12a) : 물, 곡선 (12b) : "브로스".

일반적으로, 상대적으로 얇은 액막을 획득하기 위해 주요 액적들을 얻도록 하는 일차 액적들의 분해의 경우에 있어서, 이상적으로는, 값 β_max 를 달성하는 것 (그리고, 그에 따라 특성 시간 τ 를 기다리는 것) 이 필수적이다.

어떤 임팩트 모드 (액체 분사 또는 일차 액적들의 분사) 가 사용되든, 본 발명의 프로세스는, 제 2 단계에서, 담체 상에 생성된 막의 분해를 제공하며, 문헌에서 공지된 효과를 이용하고, 그에 의해 이 효과가 그것을 분해하기 위해 액체의 자연 주파수에 부분적으로 의존한다는 사실을 고려하여, 진동을 인가함으로써 전달되는 에너지를 이용하여 자유 표면이 분해된다 (또한, 이에 의해 분해에 의해 생성된 액적들의 직경을 설정한다).

이 자연 주파수에 대한 자유도를 획득하기 위해, 본 발명은 액체에 대해 주어지는 동역학 에너지에 의해 전달되는 작은 두께를 갖는 액막을 사용할 것을 제안하며, 이 막은 또한 고체 담체 표면에 의해 전달되는 진동 에너지의 영향을 받는다. 이 접근법은, 담체 표면의 주파수/진폭 및 막 두께의 수반되는 제어를 통해, 필요하다면, 넓은 액적 사이즈 분포에 걸쳐 직경들을 획득하도록 하는 보다 큰 가요성을 달성하는 것을 가능하게 만든다.

또한, 이 효과를 증폭시키기 위해, 담체 표면의 온도는 특히 라이덴프로스트 온도라고 지칭되는 것에 대해 자체 제어된다. 이 온도는 종래 기술에서 정의되며, 열역학적 효과와 관련되어, 매우 고온인 담체 상에 분무되는 유체 또는 액체의 액적이 구체가 되게 하다. 라이덴프로스트 온도는 벽에 잔존하는 액적의 수명 (즉, 액체가 완전히 증발하기 전의 시간) 이 고려되는 액체의 비등점보다 높은 온도 범위에서 최대화되는 벽 온도로서 정의된다.

그 후, 그것은 다음에 의해 매우 작은 사이즈를 갖는 액적들을 획득하도록 인비전될 수도 있다:

- 액막의 두께를 제어한다;

- 그와 같이 형성된 막에 충분한 진동 에너지를 전달한다;

- 벽의 온도의 임팩트를 이용한다.

구체적으로, 벽에 가해지는 진동 에너지가 적절하지 않거나 존재하지 않는 경우, (액적의 직경과 관련하여, 넓은 액적 사이즈 분포 또는 심지어 여러 파퓰레이션들로) 액적의 자연 분해가 발생하거나 어떠한 분해도 발생하지 않는다.

고온 벽이 적절한 진동들의 영향을 받는 경우에 있어서, 일차 액적의 강제 분열에 의해 생성된 주요 액적들은 보다 작은 평균 직경을 가지며, 주요 액적들의 사이즈 분포는 보다 좁다.

우수한 분해를 획득하기 위해서는, 액막이 기본 볼륨들로 분해되도록 하는 것이 필요하며, 그 특성 길이는 대략 막의 최소 두께이다. 이를 위해, 진동 (또는 더 정확하게는 임팩트 표면의 발진 이동) 이 유리하게도 비율 Rmax/hmin 근처에 대응하는 최수 횟수를 반복해야 하며, 여기서 임팩트가 지속되는 시간 길이 내에서 (즉, 확산 동안) Rmax 는 임팩트로부터 초래된 습윤 표면의 최대 반경이고, hmin 은 막의 최소 두께이며 (Rmax/hmin) 은 통상적으로 5 와 15 사이이다). 제 1 근사화를 위해, 확산 시간은, 대부분의 조건들 하에서 그리고 대부분의 액체들에 대해, 1 내지 5 ms 사이인 것으로 간주될 수도 있고; 따라서, 임팩트 표면이 크기의 차수에 의해 적어도 약 1 kHz 의 주파수에서 진동하게 하는 것이 필요하다.

또한, 진동 주파수가 너무 높으면, 너무 작은 액적들이 생성되어, 본 발명에 의해 목적으로 되는 산업 응용에는 쓸모없는 박무를 형성할 것이며, 이 주파수 한도는 약 수십 킬로헤르츠이다.

도 13 은 고온의 평평한 진동 표면 상에서의 액적의 임팩트 동안 생성된 다양한 효과들 사이의 가능한 시퀀싱의 일 실시예를 예시한다. 액적들 (Gou) 의 동역학 에너지의 조절 및 액막에 인가될 진동 주파수들과 관련한 이유들로, 본 발명의 일 변형예에서는, 2 개의 진동을 인가하는 것이 제안된다: 하나는 상대적 임팩트 속도가 조절되게 하는 주기 (T₁) 및 진폭 (d) 이고, 다른 것은 특성 분해 길이 (그리고, 이에 따른 주요 액적들의 사이즈) 를 설정하는 주기 (T₂) 및 진폭 (d_l) 이다. 임팩트의 포인트 (P_imp) 는 담체 상의 일차 액적의 임팩트를 심볼화하고, 진동은 변위 속도 (v_dimp), 담체의 평면에 수직인 축을 따라서 그리고 변위 (d_imp) 에 의해 나타내진다.

흐르는 막이 사전 분해 없이 분해되는 경우에 있어서, 분해 원리는, 진동하도록 제조된 구역이 (선택적으로) 분사의 임팩트 구역과는 분리된다는 점을 제외하면, 전술한 경우에서와 동일하다.

흐르는 막의 경우에 있어서, 후자의 동역작 에너지는 특히 (액적의 경우와는 대조적으로) 액체의 점성 및 표면 장력에 관련되는 힘들의 작용을 통해 (일차 액적들의 경우에 비해) 선험적으로 감소하는 경향이 없다는 것이 주목될 것이다. 따라서, 분해를 획득하도록 액막에 전달되는 진동 에너지 밀도 (즉, 분해될 막의 단위 질량당 에너지) 는 (액적의 경우에 비해) 보다 높은 것으로 간주될 수도 있다. 따라서, 막의 두께 (그리고 이에 따라 그것을 획득하기 위해 유체에 전달되는 동역학 에너지) 와 분해를 보장하는 데 요구되는 진동 에너지 사이에서 발견되는 절충안이 존재한다.

통상적으로, 흐르는 막에 대해 강구되는 두께는 액적이 단순히 평평한 표면을 스트라이크할 때 획득되는 액체의 두께와 유사할 수도 있다.

흐르는 막들의 경우에 있어서, 분해 주파수들은 박무가 생성되지 않고서 액적들의 분해를 고려한 경우보다 더 높을 수도 있다. 이러한 관점에서, 인가되는 주파수들은 가능하게는 20 kHz 를 초과할 것이다. 또한, 진동에 의해 전달되는 에너지는 흐르는 막의 동역학 에너지보다 적어도 더 높아야 한다.

이를 위해, 주파수 (f) × 막에 인가되는 진폭 (a) 의 곱셈은 후자의 유속 (v_L) 보다 높아야 한다: a·f > v_L (흐르는 막의 분해를 위한 필요 조건).

또한, 1 차의 크기에 대해, 진폭은 막 두께와 비슷해야 한다. 이들 모든 이유들로, 전체 막이 아니라 그것의 가장 얇은 부분에만 진동 에너지를 인가하는 것이 유용할 수도 있다.

또한, 형성된 액적들을 석출 액체의 방향으로 수송하는 단계에 관해, 상기 액적들을 그들의 구형 상태로 유지시키는 것이 중요하다. 수송 동안 벽에 가해지는 온도는 특정 온도이다. 구체적으로, 액적들의 분해 및 수송 동안에 채용되는 효과들이 완전히 동일하지는 않으므로, 임팩트 포인트에서의 온도 및 수송을 위한 온도는 상이할 수도 있다. 예를 들어, 임팩트 구역에서 벽의 온도가 너무 높으면, 액체는 분해되는 것이 아니라 리바운드될 것이다. 또한, 너무 높은 온도는 액적들이 형성되는 액체의 증발 속도를 증가시킬 것이지만, 너무 낮은 온도는 획득된 가스 계면막이 액적의 구형을 보존하고 액적이 벽 위에 부유되는 것을 보장하기에는 충분히 두껍지 않다는 것을 의미한다.

벽의 온도가 너무 높으면 (물의 경우에 약 280-300℃), 액체는 리바운될 수도 있지만, 그 반면 벽의 온도가 너무 낮으면, 액적들은 충분히 구형이 되지 않을 것이고, 그들의 이동이 더욱 불규칙해질 것이다.

또한, 액적 수송 수단은 흐름에 대해 바람직한 방향을 전달하기 위해 벽과 수직면 사이의 각도가 90° 이외의 것이어야 하는 것을 요구할 수도 있다는 것이 주목될 것이다.

상기 주요 액적들을 분리하거나 브레이크하는 수단이 이제 더 상세히 설명될 것이다.

이들 수단은 특히 다음을 이용할 수도 있다:

- 액적 사이즈 선택들 달성하고 또한 생성된 액적들을 브레이크 하도록 하는 정전 효과 (옵션 1);

- 또는, 동역학 에너지의 손실을 통한 물리적 가이딩 및 브레이킹 (옵션 2).

옵션 1 에서, 이용된 효과는 액적들의 저 변위 스피드들로 인해 강한 필드들이 반드시 요구되지 않으면서 적절하게 이루어지게 되어, 중력이 극복되고 액적들이 브레이크된다.

액적들의 스피드 및 궤도가 그들의 수송을 위해 제어되게 하기 위해 실행되는 제 1 단계는 전하의 전달이며, 이는 가능하게는 액적 생성 프로세스에서의 상이한 스테이지들에서 일어난다. 전하가 액체에 전달되기 때문에, 액적들은 그들의 이동 중에 합쳐지지 않고, 그에 의해 그들의 궤도가 분해 후의 전기장 (E) 의 인가에 의해 변경되게 한다. 도 10 에 예시된 바와 같이, 이 장은 2 개의 커패시터 플레이트들 사이에 인가될 수도 있다 (전하는 액체가 초기에 확산되는 볼록 표면에 전하를 인가함으로써 액체에 전달될 수도 있다). (속도 벡터 (V_o) 에 대해) 초기 궤도에 유도된 편차 X 가 그 후에 다음의 표현에 의해 제공된다:

여기서, E 는 전기장이고, R 은 액적의 직경이고, v_o 는 전기장에 진입하는 초기 속도이고, α 는 특히 액체의 속성에 의존하는 비례 상수이다.

따라서, 전기장은 액적들의 궤도를 변경함으로 액적 사이즈 선택을 만드는 데 이용될 수도 있지만, 또한 일단 선택이 실행되었으면 (또는 심지어 잠재적으로 미리) 궤도를 브레이크하는 데 이용될 수도 있다; 후자의 경우, 전기장 (E) 은 전범위적으로 액적들의 흐름을 특징으로 하는 속도 벡터에 거의 반대되는 방향으로 배향되어야 한다.

Vo 와 동일 선상에 있는 (그러나, 반대 방향의) 필드의 경우에 있어서, 브레이킹 시간 (즉, 초기 속도 (Vo) 를 0 으로 감소시키는 데 요구되는 시간) 이 다음의 표현에 의해 제공된다:

여기서, α' 은 액체의 본질에 특히 의존하는 비례 상수이다.

일반적으로, 액적을 완전히 정지시키는 것은 바람직하지 않지만, 그의 변위 속도를 충분히 감소시키는 것, 즉 인비저닝된 산업적 응용과 양립 가능한 속도로 감소시키는 것은 바람직하다. 졸-겔 프로세스의 경우에 있어서, 요구되는 속도는 10cm/s 보다 낮을 수도 있다.

옵션 2 에서, 동역학 에너지의 방산을 통한 물리적 가이딩 및 브레이킹의 경우에 있어서, 라이덴프로스트 효과가 활용되어, 액적들이 고온 벽으로부터 리바운드하도록 제조되게 한다. 도 10 은 가이딩 그루브들 (액적들의 것에 대해 반대 극성의 전하로 선택적으로 충전될 수도 있음) 을 도시함으로써 이 가능성을 예시한다.

도 14 는 본 발명의 액적 생성 프로세스가 구현되게 하는 본 발명에 따른 디바이스의 완전한 실시예를 예시한다.

이 디바이스는 진공 펌프 (p_vide) 에 의해 유리하게도 펌핑된 챔버 (E_nc) 를 포함한다. 이 챔버는 막을 형성하도록 의도된 액체 또는 일차 액적들을 수용 및 가열하는 수단 (Csi), 및 바람직한 주요 액적들을 형성하기 위해 (P_vib 및 P_iezo2 를 통해) 상기 막을 진동하게 하는 수단을 포함하는 담체 어셈블리 (S_upp) 를 포함한다.

확대도는 진동하도록 제조된 담체를 예시하며, 상기 담체는 가열 엘리먼트 (RC), 엘리먼트 (P_iezo2), 및 어셈블리를 강화시키는 횡방향 엘리먼트들 (S_lat) 을 포함한다. 예를 들어, 고-가열-플럭스 (일반적으로 5 W/㎠ 보다 높음) , 낮은 웨이트, 테플론 또는 유사한 재료로 제조된 플렉시블 저항성 히터들은, 그들이 추천 주파수들에서 진동하도록 제조되는 것을 용이하게 하고, 그들이 발생할 수도 있는 임의의 화학적 공격을 저항할 수 있도록 하기 위해 사용될 수도 있다.

챔버는 액체 (L_iq) 를 공급받는 주입 노즐 (B_inj) 을 포함한다.

진동하는 담체 상에의 액체 또는 일차 액적들의 임팩트의 구역이 제어되게 하는 센터링 수단은 유리하게 제공되며, 광학 조절 및 시각화 수단을 포함한다. 더 구체적으로, 이 목적을 위해, 챔버는 광다이오드 (P_hoto) 에 커플링된 광섬유 (f_ib) 를 갖추고 있다.

형성된 주요 액적들을 수집하는 수단이 또한 상기 챔버에 포함되며, 상기 액적들을 수집하기 위한 구역으로의 통과를 위해 챔버의 외부와 통신하여 위치되어야 한다. 이를 위해, 상측 플레이트 (P_sup) 가 유리하게도 제공되어, 진공 챔버로부터 진공 챔버의 외부로 액적들을 전달하는 밀폐 시스템과 담체 사이에서 램프 (ramp) 로서 서빙할 수도 있으며, 이 시스템은 일반적으로 캐로셀 (C_ar) 이다.

상기 캐로셀의 확대도는 캐로셀에 진입하는 액적들 (G_oupi) 의 흐름을 도시하면, 액적들은 캐로셀에서 소팅되고, 브레이크된 후 그로부터 액적들 (G_oups) 의 흐름으로서 배출되고, 캐로셀은 또한 에어 로크로서 서빙하는데, 즉 그것은 고형 담체 상에 액체의 임팩트 동안 가해진 것과 액적들의 프로세싱 동안 그들의 후속 사용을 위해 가해진 것 사이에서 압력이 스태거되게 한다.

일반적으로, 전술한 디바이스의 동작에 수반되는 모든 파라미터들은 후술되는 것과 같은 제어 시스템에 의해 제어될 수도 있다.

더 구체적으로, 이러한 제어 시스템은 생성된 액적들에 대한 평균 직경 세트포인트 및/또는 후자에 대한 생성률에 근접하기 위해 프로세스/디바이스의 동작 파라미터들을 조절하도록 의도된다. 이를 위해, 다음의 파라미터들이 입력 데이터로서 이용될 수도 있다:

- V₀, ΔPr (액체를 공급받는 저장조의 압력) 를 통해 또는 진동 임팩트 표면의 이동을 통해 조절 가능한, 액적들 또는 액체 분사의 임팩트 속도; 파라미터를 정의하는 것은, 모든 상대적 임팩트 속도 (Vr) 이상, 즉 플레이트와 액적들 또는 분사 사이의 속도이다;

- D₀, 임팩트 이전의 액체 분사의 직경 또는 액적들의 직경;

- f₁, 높은 진폭 (a₁) 의 고체 표면의 진동 주파수;

- f₂, 낮은 진폭 (a₂) 의 고체 표면의 진동 주파수;

- TP₁, 임팩트된 벽의 온도;

- TP₂, 이차 액적들의 수송을 보장하는 벽의 온도;

- ΔE₀, 분해될 액체가 충전되게 하는 전위차;

- E₁, 생성된 액적들의 액적 사이즈의 선택을 가능하게 하는 정전장;

- E₂, 브레이킹 정전장;

- θ₁ 및 θ₃, 각각, 액체 분사 또는 떨어지는 액적들의 속도 벡터와 액막을 형성하는 표면에 대한 법선 사이의 임팩트 각도, 및 생성된 액적들의 수송면과 수직면 사이의 각도; 및

- P, 액적들에 의해 스트라이크된 고체 표면에서의 분위기 압력.

길이 (l)(커패시터 플레이트들의 길이) 에 대해, 그것이 고정된다. 또한, 그것은 바람직한 효과들로부터 프로세스 동안의 이득을 얻기 위해 분해될 액체의 속성들을 변경하도록 인비전될 수도 있다. 이것은 특히 다음에 의해 달성될 수도 있다:

- 특히 라이덴프로스트 효과를 증폭하고 액적들의 수명을 증가시키기 위해 분해되는 액체보다 더 낮은 증발 온도를 갖는 미사일 화합물을 잠재적으로 추가한다;

- 점성 및/또는 표면 장력이 감소하게 하는 화합물을 잠재적으로 추가한다.

제어 파라미터들을 조절하기 위해, 전술한 법칙들이 프로세서에 의해 이용되며, 프로세서는 또한 제어기 (예를 들어, PID, 즉 비례-적분-미분 제어기라고 지칭되는 것 (종래의 커맨드/제어 전자장치)) 를 포함하여, (주요) 액적들에 대한 직경 세트포인트 (및/또는 후자의 속도) 가 준수되는 것을 보장하며, 그 표적 (평균 직경 및/또는 액적 사이즈 및/또는 속도) 은 필요하다면 이미지 분석으로 보완되는 광학적 진단을 통해 측정된다.

전수한 파라미터들은 예를 들어 유리하게도 다음의 범위들에 놓일 수도 있다.

또한, 파라미터 쌍 (D₀, Vr) 이 (특히 좁은 입자 사이즈 범위에 대해) 특정 조건들 하에서 다음의 부등식을 따르는 것이 유리할 수도 있다:

유사한 점성 및 표면 장력 속성들이 물의 것들과 유사한 액체의 경우, 사이즈 면에서 대략 100 ㎛ 의 액적들을 얻기 위해, 조절될 파라미터들의 다음 표시 값들은 적합한 값들을 나타낸다.

Claims (28)

1. 변조 가능한 액적 사이즈 분포를 갖는 액적들을 생성하는 프로세스로서,
   - 액체 스트림이, 주어진 상대적 임팩트 속도로 담체를 스트라이크하게 하는 단계;
   - 상기 담체가, 적어도 하나의 진동 주파수에서 진동하게 하는 단계;
   - 임팩트에 의해 형성되고 진동하도록 제조된 액막이 주요 온도라고 지칭되는 것으로 가열되어 조합하여 상기 액막으로부터 주요 액적들이라고 지칭되는 것을 형성하도록 상기 담체를 임팩트 온도라고 지칭되는 온도로 가열하는 단계; 및
   - 전달/브레이킹 (braking)/소팅 (sorting) 시스템을 통해 상기 주요 액적드을 침강시키기 위한 액체에 상기 액적들을 수송하는 단계로서, 상기 수송은 수송 온도라고 지칭되는 것에서 실행되는, 상기 액적들을 수송하는 단계를 포함하고,
   - 이들 모든 파라미터들, 즉 상기 상대적 임팩트 속도, 상기 진동 주파수, 상기 주요 온도, 및 상기 수송 온도는 상기 형성된 주요 액적들의 액적 사이즈 및 상기 형성된 주요 액적들의 속도가 변조되게 하는 것을 특징으로 하는 변조 가능한 액적 사이즈 분포를 갖는 액적들을 생성하는 프로세스.
2. 제 1 항에 있어서,
   일차 액적들을 생성하도록 상기 액체를 사전 분해하는 단계로서, 상기 일차 액적들은 매질 유속으로 상기 담체를 스트라이크하는, 상기 액체를 사전 분해하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 변조 가능한 액적 사이즈 분포를 갖는 액적들을 생성하는 프로세스.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 사전 분해하는 단계는 상기 액체가 진동하게 함으로써 실행되는 것을 특징으로 하는 변조 가능한 액적 사이즈 분포를 갖는 액적들을 생성하는 프로세스.
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
   상기 일차 액적들의 임팩트 속도에 영향을 미치도록 제 1 주기 동안 그리고 제 1 진동 진폭으로 상기 담체가 진동하게 하는 단계, 및 상기 일차 액적들로부터 획득되는 필름에 의해 상기 주요 액적들의 액적 사이즈를 조절하도록 제 2 주기 동안 그리고 제 2 진폭으로 상기 담체가 진동하게 하는 단계를 포함하고, 이들 단계들은 가능하게는 동시에 일어나는 것을 특징으로 하는 변조 가능한 액적 사이즈 분포를 갖는 액적들을 생성하는 프로세스.
5. 제 1 항에 있어서,
   분사는 높은 액적 유속을 얻기 위해 연속적인 것을 특징으로 하는 변조 가능한 액적 사이즈 분포를 갖는 액적들을 생성하는 프로세스.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 담체는 각도 (θ₁) 가 유체의 상기 연속 분사의 방향에 법선인 방향으로 약 10 도보다 작게 만드는 것을 특징으로 하는 변조 가능한 액적 사이즈 분포를 갖는 액적들을 생성하는 프로세스.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 액적들의 유착 (coalescence) 을 감소시키고 액적들이 정전 효과를 통해 브레이킹/소팅되게 하도록 전기장에 형성된 주요 액적들 및/또는 일차 액적들을 처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 변조 가능한 액적 사이즈 분포를 갖는 액적들을 생성하는 프로세스.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
   임팩트 온도는 분해될 액체의 비등점과 바람직한 주요 액적들의 라이덴프로스트 온도 사이에 위치되고, 수송 온도는 상기 라이덴프로스트 온도에 가까운 온도들의 범위에 속하는 것을 특징으로 하는 변조 가능한 액적 사이즈 분포를 갖는 액적들을 생성하는 프로세스.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 주요 액적들의 수송은 수송 온도라고 지칭되는 것에서 실행되고, 이 수송 온도는 주요 온도라고 지칭되는 것과는 상이한 것을 특징으로 하는 변조 가능한 액적 사이즈 분포를 갖는 액적들을 생성하는 프로세스.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    액체는 약 10 센티푸아즈보다 높은 점성을 갖는 점성 액체이고, 가능하게는 특히 PVA 와 같은 리올로지 조절 첨가제를 함유한 악티니드 용액 또는 질산 우라늄인 것을 특징으로 하는 변조 가능한 액적 사이즈 분포를 갖는 액적들을 생성하는 프로세스.
11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    형성된 막은 두께 면에서 약 수백 마이크론이고, 진동 주파수는 약 수 헤르츠 내지 수십 킬로헤르츠인 것을 특징으로 하는 변조 가능한 액적 사이즈 분포를 갖는 액적들을 생성하는 프로세스.
12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    임팩트 속도는 대략 수 센티미터/초 내지 약 백 미터/초인 것을 특징으로 하는 변조 가능한 액적 사이즈 분포를 갖는 액적들을 생성하는 프로세스.
13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기의 모든 단계들은 챔버에서 실행되며, 상기 챔버는 상기 챔버 외부의 분위기에 대해 진공 하에 있는 것을 특징으로 하는 변조 가능한 액적 사이즈 분포를 갖는 액적들을 생성하는 프로세스.
14. 변조 가능한 액적 사이즈 분포를 갖는 액적들을 생성하는 디바이스로서,
    - 액체가 담체를 스트라이크하도록 상기 담체 상에 상기 액체를 분무하는 수단;
    - 상기 액체의 임팩트 속도를 조절하는 수단;
    - 상기 담체가 주요 주파수에서 진동하게 하는 수단 및 상기 액체가 주요 온도라고 지칭되는 것으로 가열되어 막으로부터 주요 액적들이라고 지칭되는 것을 형성하도록 하는 온도로 상기 담체를 가열하는 수단 (RC); 및
    - 상기 주요 액적들을 저장 구획에 수송하는 수단으로서, 상기 수송은 수송 온도라고 지칭되는 것에서 실행되는, 상기 수송하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 액적들을 생성하는 디바이스.
15. 제 14 항에 있어서,
    가압 액체의 저장조 및 인젝터를 포함하는 것을 특징으로 하는 액적들을 생성하는 디바이스.
16. 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서,
    상기 분무하는 수단은 스트라이크될 담체 상에 연속적인 흐르는 막을 분무하고, 상기 담체는 평평하지 않고 가능하게는 오목한 비대칭 3 차원이고 특히 반구체 형상을 가질 수도 있는 것을 특징으로 하는 액적들을 생성하는 디바이스.
17. 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서,
    상기 유체를 분무하는 수단은 상기 액체를 일차 액적들로 사전 분해하는 수단 및 상기 일차 액적들을 상기 담체 상에 분무하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 액적들을 생성하는 디바이스.
18. 제 17 항에 있어서,
    상기 액체를 일차 액적들로 사전 분해하는 수단은 노즐 타입의 직선형 또는 테이퍼형 배출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 액적들을 생성하는 디바이스.
19. 제 17 항 또는 제 18 항에 있어서,
    상기 사전 분해하는 수단은, 가능하게는 예비 주파수라고 지칭되는 것에서 진동을 생성하는 압전 트랜스듀서를 포함하는 초음파 발생기를 포함하는 것을 특징으로 하는 액적들을 생성하는 디바이스.
20. 제 17 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 사전 분해하는 수단은 오버플로우 방지 시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액적들을 생성하는 디바이스.
21. 제 14 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 담체는 상기 주요 액적들을 수집하기 위한 가이딩 그루브들을 포함하는 것을 특징으로 하는 액적들을 생성하는 디바이스.
22. 제 14 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 담체가 진동하게 하는 수단은 압전 엘리먼트를 포함하는 것을 특징으로 하는 액적들을 생성하는 디바이스.
23. 제 14 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수집하는 수단은 상기 액적들을 침강시키기 위한 용액에 상기 액적들을 수송하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 액적들을 생성하는 디바이스.
24. 제 23 항에 있어서,
    상시 수송 수단은 전자기 브레이킹 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 액적들을 생성하는 디바이스.
25. 제 23 항에 있어서,
    상기 수송하는 수단은 상기 담체에 대해 기울어진 램프 (ramp) 를 포함하는 것을 특징으로 하는 액적들을 생성하는 디바이스.
26. 제 23 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주요 액적들을 소팅하는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액적들을 생성하는 디바이스.
27. 제 26 항에 있어서,
    상기 소팅하는 수단은 회전 시에 구동되는 캐로셀 리셉터클 (carousel receptacle) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 액적들을 생성하는 디바이스.
28. 제 15 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 액체를 분무하는 수단, 상기 담체, 및 상기 담체가 진동하게 하는 수단을 포함하는 챔버; 및
    - 상기 챔버에 진공을 만드는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 액적들을 생성하는 디바이스.

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