KR20150025653A - 고압력 호모게나이저용 분사 모듈 - Google Patents

고압력 호모게나이저용 분사 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 높은 전단력, 우수한 난류 또는 와류 현상, 강한 충격 및 우수한 공동화 현상에 의하여 고수율로 우수한 품질의 에멀션 및 분산액을 제조할 수 있을 뿐만 아니라 분사 모듈의 막힘없이 미세한 입자를 함유하는 에멀션 또는 분산액의 제조가 용이하도록 하는 고압력 호모게나이저용 분사 모듈에 관한 것이다.

Description

고압력 호모게나이저용 분사 모듈{The injection module for high pressure homogenizer}
본 발명은 높은 전단력, 우수한 난류 또는 와류 현상, 강한 충격 및 우수한 공동화 현상에 의하여 고수율로 우수한 품질의 에멀션 및 분산액을 제조할 수 있을 뿐만 아니라 분사 모듈의 막힘없이 미세한 입자를 함유하는 에멀션 또는 분산액의 제조가 용이하도록 하는 고압력 호모게나이저용 분사 모듈에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 중앙이 관통된 원통형 실린더와 상기 실린더의 중간에 결합되어 분사로를 형성하는 제1 노즐 블록, 제2 노즐 블럭 및 제3 노즐 블럭으로 구성되고; 제1 노즐 블록은 측면 원의 반지름 중간을 중심으로 하는 제1원형공이 블록의 양측면을 관통하여 동일 지름선상에 두 개 형성되어지며, 측면 원의 반지름 중간을 중심으로 하고 제1원형공이 형성된 지름선과 직각의 지름선상에 제1 원형 요홈이 형성되어지고, 측면 원의 중심으로 하고 제1원형공 또는 제1 원형 요홈의 지름에 두배의 지름을 갖는 제2 원형 요홈이 형성되며 제1원형공과 제2 원형 요홈 사이 및 제2 원형 요홈과 제1 원형 요홈 사이에 미세홈이 형성되어지되 넓이가 다른 제1 미세홈 및 제2 미세홈이 형성되며; 제2 노즐 블럭은 제1 노즐 블록의 제1 원형 요홈과 동일한 지름의 제2원형공이 관통 형성되고, 제2원형공의 지름과 동일한 두께를 갖는 환형 요홈이 형성되며, 측면 원의 중심에 제2 원형 요홈이 형성되고, 환형 요홈과 제2 원형 요홈 사이에 제3 미세홈이 형성되며; 제3 노즐 블록은 제2 원형 요홈과 동일한 지름으로 제3 원형공이 관통 형성되고, 제1 노즐 블록, 제2 노즐 블럭 및 제3 노즐 블록이 밀착되어 결합 구성된 것을 특징으로 하는 고압력 호모게나이저용 분사 모듈에 관한 것이다.
일반적으로 고압력 호모게나이저는 베르누이 정리의 원리를 이용하여 화장품이나 잉크 등의 원료인 에멀션을 생산하거나, 배양된 미생물의 세포벽을 파괴시키는 용도로 많이 사용되는 장치다.
일반적인 고압력 호모게나이저(10)는 도 1에 도시된 바와 같이 혼합된 유체를 저장하기 위한 탱크(20)와 상기 탱크로부터 유입되는 유체에 높은 압력을 가하기 위한 고압축 펌프(30)와 상기 고압축 펌프에 의한 압력으로 유체를 분사로로 통과시켜 나노 사이즈로 자른 후 유화되도록 하는 분사 모듈(50)과 상기 분사 모듈을 통과한 유체의 냉각시키기 위한 열교환기(60)로 구성된다.
상기와 같이 구성되는 고압력 호모게나이저(10)의 작용을 물과 기름의 예로써 설명하면 다음과 같다. 즉, 물과 기름을 교반하여 혼합한 혼합물을 탱크(20)에 저장한 다음, 물과 기름의 혼합물은 분사 모듈(50) 방향으로 이동하다가 고압축 펌프(30)에 의해 큰 압력을 받으면서 분사 모듈(50)의 분사로를 통과하게 된다. 이때, 상술한 베르누이 원리에 의해 물과 기름이 혼합된 유체가 매우 좁은 분사로를 매우 빠른 속도로 통과하는 과정에서 물과 기름에 전단력이 작용하여 각각 나노 사이즈로 잘게 부서지면서 뭉쳐있는 분자의 연결구조가 끊어지고, 이후 유체가 분사로를 완전히 통과하고 나면 넓은 통로에서 속도가 늦어지면서 다시 높은 압력에 의해 끊어진 물과 기름 분자들 간에 서로 뭉쳐 에멀션이 생산되는 것이다.
상기 고압력 호모게나이저(10)의 핵심 부품으로써 종래 분사 모듈(50)은 도 2에 도시된 바와 같이 중앙이 관통된 원통형 실린더(52)와 상기 실린더의 중간에 결합되어 분사로를 형성하는 전후 한 쌍의 노즐 블록(54a, 54b)으로 구성되는데, 이와 같은 종래 전후 노즐 블록(54a, 54b)은 각각 서로 반대 방향으로 편심된 구멍(56a, 56b)을 뚫은 상태에서 서로 밀착하는 단면에 상기 전후 구멍으로 연결되는 직경 80~100㎛의 가는 홈(58a, 58b)을 가공한 후 마주하게 결합하여 분사로를 형성하게 된다.
그러나, 고압력 호모게나이저를 사용할 경우 유체에 입도가 상대적으로 큰 물질이 함유되어 있거나 유체의 점도가 높은 경우 등과 같은 다양한 원인에 의하여 분사 모듈의 분사로가 종종 막히는 경우가 발생한다. 분사 모듈의 분사로가 막히게 되면 분사 모듈 전체를 분해하여 세척한 후 재조립하거나 분사 모듈을 분리하여 역방향으로 조립하고 가동하여 막힌 분사로를 개방시키는 방법이 사용되지만, 막힌 분사로를 개방시키기 위하여 수행중인 공정을 중지시켜야 하기 때문에 생산성이 저하되고, 분사 모듈 분리 및 분해시에 배관 중간에 있는 유체가 밖으로 흐르거나 분출되어 기기 자체를 오염시킬 뿐만 아니라 주변 환경을 오염시키는 문제가 있으며, 분사 모듈 분리 및 분해와 조립을 행하여야 하기 때문에 번거롭고 시간이 많이 소요되며 불필요하게 인력이 필요하게 되는 단점이 있다.
뿐만 아니라, 막힌 분사로를 개방시키기 위하여 수행중인 공정을 중지시킬 경우 분사 모듈, 배관 중간에 있는 유체가 손실되고, 반복적인 분사 모듈의 분리 및 분해로 인하여 기기의 손상을 초래하는 등의 문제점이 있었다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명자 등은 실용신안등록 제453473호에 기재된 바와 같이 "혼합된 유체를 저장하기 위한 탱크, 상기 탱크에 저장된 유체를 고압으로 순환시키기 위한 고압축 펌프, 상기 고압축 펌프에 의한 압력으로 유체를 분사로로 통과시켜 나노 사이즈로 자른 후 유화되도록 하는 분사 모듈과 상기 분사 모듈을 통과한 유체를 냉각시키기 위한 열교환기가 고압력 관으로 연결 구성되는 고압력 호모게나이저에 있어서, 탱크와 분사 모듈이 연결관으로 연결되어지되 분지기에 의하여 분지된 제1연결관과 제2연결관이 분사 모듈 전,후의 제1배출관과 제2배출관 중간에 연결설치되며, 연결관 중간에 고압축 펌프가 연결되고, 제1배출관과 열교환기가 연결되며, 제1연결관과 제2연결관이 연결된 제1배출관과 제2배출관의 연결 부분 좌,우 및 제1연결관과 제2연결관 중간에 고압밸브를 설치하여 구성"함으로써 분사 모듈의 분사로가 막혔을 경우 이를 용이하게 개방 가능하고, 분사 모듈의 분사로 막힘 현상 발생으로 인한 생산성 저하, 재료 손실, 제품 오염, 비용 상승 등의 문제점을 해결하여 에멀션 생산의 안정성을 향상시킬 수 있는 효과를 갖는 고압력 호모게나이저를 고안한 바 있다.
그러나, 상기와 같은 고압력 호모게나이저는 분사 모듈의 분사로가 막혔을 경우 유로 방향을 조정하여 막히는 문제점을 해결하기 위한 것이므로 유체가 통과하는 배관에 유체가 잔존하게 되고, 잔존하는 유체는 오염 또는 변질되고 순차적으로 처리하고자 하는 유체를 오염 또는 변질시키게 되는 단점이 있을 뿐만 아니라 추가적인 부품이 많이 필요하기 때문에 원가 상승의 용인이 됨은 물론 분사로가 막혔을 경우 수동으로 밸브를 일일이 조작하여야 하므로 번거로운 단점이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 높은 전단력, 우수한 난류 또는 와류 현상, 강한 충격 및 우수한 공동화 현상에 의하여 고수율로 우수한 품질의 에멀션 및 분산액을 제조할 수 있을 뿐만 아니라 분사 모듈의 막힘없이 미세한 입자를 함유하는 에멀션 또는 분산액의 제조가 용이하도록 하는 고압력 호모게나이저용 분사 모듈을 제공하는 데 있다.
상기 목적 뿐만 아니라 용이하게 표출되는 다른 목적들을 용이하게 달성하기 위하여 본 발명에서는 중앙이 관통된 원통형 실린더와 상기 실린더의 중간에 결합되어 분사로를 형성하는 제1 노즐 블록, 제2 노즐 블럭 및 제3 노즐 블럭으로 구성되고; 제1 노즐 블록은 측면 원의 반지름 중간을 중심으로 하는 제1원형공이 블록의 양측면을 관통하여 동일 지름선상에 두 개 형성되어지며, 측면 원의 반지름 중간을 중심으로 하고 제1원형공이 형성된 지름선과 직각의 지름선상에 제1 원형 요홈이 형성되어지고, 측면 원의 중심으로 하고 제1원형공 또는 제1 원형 요홈의 지름에 두배의 지름을 갖는 제2 원형 요홈이 형성되며 제1원형공과 제2 원형 요홈 사이 및 제2 원형 요홈과 제1 원형 요홈 사이에 미세홈이 형성되어지되 넓이가 다른 제1 미세홈 및 제2 미세홈이 형성되며; 제2 노즐 블럭은 제1 노즐 블록의 제1 원형 요홈과 동일한 지름의 제2원형공이 관통 형성되고, 제2원형공의 지름과 동일한 두께를 갖는 환형 요홈이 형성되며, 측면 원의 중심에 제2 원형 요홈이 형성되고, 환형 요홈과 제2 원형 요홈 사이에 제3 미세홈이 형성되며; 제3 노즐 블록은 제2 원형 요홈과 동일한 지름으로 제3 원형공이 관통 형성되고, 제1 노즐 블록, 제2 노즐 블럭 및 제3 노즐 블록이 밀착되도록 고압력 호모게나이저용 분사 모듈을 결합 구성함으로서 높은 전단력, 우수한 난류 또는 와류 현상, 강한 충격 및 우수한 공동화 현상에 의하여 고수율로 우수한 품질의 에멀션 및 분산액을 제조할 수 있을 뿐만 아니라 분사 모듈의 막힘없이 미세한 입자를 함유하는 에멀션 또는 분산액의 제조가 용이하도록 하였다.
본 발명에 따른 고압력 호모게나이저용 분사 모듈은 높은 전단력, 우수한 난류 또는 와류 현상, 강한 충격 및 우수한 공동화 현상에 의하여 고수율로 우수한 품질의 에멀션 및 분산액을 제조할 수 있을 뿐만 아니라 분사 모듈의 막힘없이 미세한 입자를 함유하는 에멀션 또는 분산액의 제조가 용이한 효과가 있다.
도 1은 도 1은 종래 고압력 호모게나이저의 일례를 도시한 사시도이고,
도 2는 종래 고압력 호모게나이저용 분사 모듈의 일례를 도시한 단면도이며,
도 3은 본 발명에 따른 고압력 호모게나이저용 분사 모듈의 개략적인 분리 사시도이고,
도 4는 본 발명에 따른 고압력 호모게나이저용 분사 모듈이 적용된 상태의 단면도이며,
도 5는 도 4의 A부 확대도이고,
도 6은 본 발명의 다른 실시예를 설명하기 위한 분사 모듈의 부분 정면도이다.
본 발명에 따른 고압력 호모게나이저용 분사 모듈(100)은 중앙이 관통된 원통형 실린더(110)와 상기 실린더(110)의 중간에 결합되어 분사로를 형성하는 제1 노즐 블록(200), 제2 노즐 블럭(300) 및 제3 노즐 블럭(400)으로 구성되고; 제1 노즐 블록(200)은 측면 원의 반지름 중간을 중심으로 하는 제1원형공(210)이 블록의 양측면을 관통하여 동일 지름선상에 두 개 형성되어지며, 측면 원의 반지름 중간을 중심으로 하고 제1원형공(210)이 형성된 지름선과 직각의 지름선상에 제1 원형 요홈(220)이 형성되어지고, 측면 원의 중심으로 하고 제1원형공(210) 또는 제1 원형 요홈(220)의 지름에 두배의 지름을 갖는 제2 원형 요홈(250)이 형성되며 제1원형공(210)과 제2 원형 요홈(250) 사이 및 제2 원형 요홈(250)과 제1 원형 요홈(220) 사이에 미세홈(230, 240)이 형성되어지되 넓이가 다른 제1 미세홈(230) 및 제2 미세홈(240)이 형성되며; 제2 노즐 블럭(300)은 제1 노즐 블록(200)의 제1 원형 요홈(210) 동일한 지름의 제2원형공(310)이 관통 형성되고, 제2원형공(310)의 지름과 동일한 두께를 갖는 환형 요홈(330)이 형성되며, 측면 원의 중심에 제2 원형 요홈(320)이 형성되고, 환형 요홈(330)과 제2 원형 요홈(320) 사이에 제3 미세홈(340)이 형성되며; 제3 노즐 블록(400)은 제2 원형 요홈(320)과 동일한 지름으로 제3 원형공(410)이 관통 형성되고, 제1 노즐 블록(200), 제2 노즐 블럭(300) 및 제3 노즐 블록(400)이 밀착되어 결합 구성된 것으로 특징지워진다.
상기 제1 노즐 블록(200), 제2 노즐 블럭(300) 및 제3 노즐 블록(400)은 각각 강도가 높은 재질로 구성되는 표층(미도시)과 표층을 지지하는 지지층(미도시)으로 구성되고, 표층의 재질로는 다이아몬드, 지지층의 재질은 스테인레스 스틸인 것이 바람직하지만 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 강도가 높은 재질이라면 모두 사용 가능하며, 특히 표층은 지지층 보다 강도가 우수하여야 한다.
특히, 표층에는 미세홈에 의한 유로가 형성되기 때문에 표층의 두께가 형성되는 유로의 높이 보다 두껍게 구성되는 것이 가공의 용이성 및 사용시 오염 방지 측면에서 바람직하지만 표층은 강도가 우수한 재질을 사용하여야 하기 때문에 가격 상승 요인이 되기 때문에 표층을 너무 두껍게 형성하지 않도록 하는 것이 효과적이다. 본 발명에서는 표층의 두께를 3㎜로 하였다.
그러나, 상기의 제1 노즐 블록(200), 제2 노즐 블럭(300)과 제3 노즐 블록(400)은 표층과 지지층으로 적층 구성되지 않고 강도가 우수한 재질을 이용하여 하나의 층으로 구성할 수도 있다.
상기 제1 노즐 블록(200)은 도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같이 측면 원의 반지름 중간을 중심으로 하는 제1원형공(210)이 블록의 양측면을 관통하여 동일 지름선상에 두 개 형성되어지며, 측면 원의 반지름 중간을 중심으로 하고 제1원형공(210)이 형성된 지름선과 직각의 지름선상에 제1 원형 요홈(220)이 형성되어지고, 측면 원의 중심으로 하고 제1원형공(210) 또는 제1 원형 요홈(220)의 지름에 두배의 지름을 갖는 제2 원형 요홈(250)이 형성되며 제1원형공(210)과 제2 원형 요홈(250) 사이 및 제2 원형 요홈(250)과 제1 원형 요홈(220) 사이에 미세홈(230, 240)이 형성되어지되 넓이가 다른 제1 미세홈(230) 및 제2 미세홈(240)이 형성된다.
상기 각각 두 개의 제1원형공(210)과 제1 원형 요홈(220)의 지름은 동일한 것이 제작의 용이성 및 정확한 균형 유지 측면에서 바람직하지만, 다르게 형성할 수 도 있고, 다르게 형성할 경우에는 제1원형공(210)의 지름을 제1 원형 요홈(220)의 지름 보다 크게 형성하는 것이 유체의 효과적인 흐름 측면에서 바람직이다.
한편, 상기 제1원형공(210)과 제2 원형 요홈(250) 사이 및 제2 원형 요홈(250)과 제1 원형 요홈(220) 사이에 형성되는 제1 미세홈(230) 및 제2 미세홈(240)은 제2 원형 요홈(250)의 원형이 완전히 상실되지 않도록 형성하는 것이 우수한 난류 또는 와류 현상 유발, 전단력, 충격 및 공동화 현상 측면에서 효과적이다.
본 발명에서는 일예로 제1 노즐 블록(200)의 측면원 지름을 8㎜, 제1원형공(210)과 제1 원형 요홈(220)의 반지름을 0.5㎜, 제1 원형 요홈(220), 제1 미세홈(230) 및 제2 미세홈(240)과 제2 원형 요홈(250)의 높이를 1 ∼ 3㎜로 행하였다.
상기 제1 미세홈(230) 및 제2 미세홈(240)은 넓이가 다르게 형성하되 제1 미세홈(230)의 넓이가 제2 미세홈(240)의 넓이 보다 크도록 형성하여 2단계에 걸쳐 분산이 이루어지도록 한다.
본 발명에서는 일례로 제1 미세홈(230)의 넓이를 200㎛, 제2 미세홈(240)의 넓이를 150㎛로 제작하였다.
또한, 상기 제2 노즐 블럭(300)에는 제1 노즐 블록(200)의 제1 원형 요홈(220)과 동일한 지름의 제2원형공(310)이 관통 형성되고, 제2원형공(310)의 지름과 동일한 두께를 갖는 환형 요홈(330)이 형성되며, 측면 원의 중심에 제2 원형 요홈(320)이 형성되고, 환형 요홈(330)과 제2 원형 요홈(320) 사이에 제3 미세홈(340)이 형성된다.
상기 제2 원형 요홈(320)의 지름은 환형 요홈(330)의 내측 지름 보다 작도록 하여 제3 미세홈(340)이 형성 가능하도록 하며, 제3 미세홈(340)의 넓이는 제2 미세홈(240)의 넓이 보다 작도록 형성하고, 본 발명에서는 제3 미세홈(340)의 넓이를 75㎛로 제작하였다.
한편, 상기 제1 노즐 블록(200)의 제1 원형 요홈(220)과 제2 노즐 블럭(300)의 제2원형공(310)이 정확하게 일치하도록 설치되어야 고압에 의한 손상이 방지되지만 설치시 제1 원형 요홈(220)과 제2원형공(310)을 정확하게 일치시켜 설치하는 것이 용이하지는 않다.
따라서, 도 6에 도시된 바와 같이 제2 노즐 블럭(300)의 제2원형공(310)을 원형이 아닌 타원형으로 형성하여 제1 노즐 블록(200)의 제1 원형 요홈(220)과 제2 노즐 블럭(300)의 제2원형공(310)이 정확하게 일치하게 설치되지 않더라도 고압에 의한 손상이 방지되도록 하였다.
그러나, 상기 제2 노즐 블럭(300)의 제2원형공(310)이 원형이 아닌 타원형으로 형성되더라도 타원의 중심이 제1 노즐 블록(200)의 제1 원형 요홈(220) 중심과 일치되도록 설치하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 제3 노즐 블록(400)은 제2 원형 요홈(320)과 동일한 지름으로 제3 원형공(410)이 관통 형성되어 설치시 제2 노즐 블록(300)에 형성된 패턴이 기능을 발휘하도록 한다.
상기와 같이 구성되는 분사 모듈이 적용되는 본 발명에 따른 고압력 호모게나이저의 작동을 살펴보면 다음과 같다.
분사 모듈의 좌측 유입구로 고압의 유체가 유입되고, 제1 노즐 블록(200), 제2 노즐 블럭(300)과 제3 노즐 블록(400)을 통과하여 우측으로 이송되게 된다. 특히, 제1 노즐 블록(200)과 제2 노즐 블럭(300)을 통과시 유체는 제1원형공(210), 제1 미세홈(230), 제2 원형 요홈(250), 제2 미세홈(240), 제1 원형 요홈(220), 제2원형공(310), 환형요홈(330), 제3 미세홈(340), 제2 원형요홈(320)을 순차적으로 통과하게 되면서 강하게 회전을 하게 될 뿐만 아니라 베르누이 정리의 원리에 따라 전단력(shear), 난류 또는 와류(turbulence) 현상, 충격(impact), 공동화(cavitation) 현상이 발생하게 되어 분산 효과가 발현되고 유체의 에멀션화가 이루어지게 된다.
즉, 본 발명에서는 하나의 분사 모듈을 유체가 통과하면서 3단계에 걸쳐 미세 입자의 파쇄를 행함으로써 분사 모듈이 막히지 않는 효과를 얻을 수 있게 된다.
110. 원통형 실린더 200. 제1 노즐 블록
210. 제1원형공 220. 제1 원형 요홈
230. 제1 미세홈 240. 제2 미세홈
250. 제2 원형 요홈 300. 제2 노즐 블럭
310. 제2원형공 320. 제2 원형 요홈
330. 환형 요홈 340. 제3 미세홈
400. 제3 노즐 블록 410. 제3 원형공

Claims (2)

  1. 중앙이 관통된 원통형 실린더(110)와 상기 실린더(110)의 중간에 결합되어 분사로를 형성하는 제1 노즐 블록(200), 제2 노즐 블럭(300) 및 제3 노즐 블럭(400)으로 구성되고; 제1 노즐 블록(200)은 측면 원의 반지름 중간을 중심으로 하는 제1원형공(210)이 블록의 양측면을 관통하여 동일 지름선상에 두 개 형성되어지며, 측면 원의 반지름 중간을 중심으로 하고 제1원형공(210)이 형성된 지름선과 직각의 지름선상에 제1 원형 요홈(220)이 형성되어지고, 측면 원의 중심으로 하고 제1원형공(210) 또는 제1 원형 요홈(220)의 지름에 두배의 지름을 갖는 제2 원형 요홈(250)이 형성되며 제1원형공(210)과 제2 원형 요홈(250) 사이 및 제2 원형 요홈(250)과 제1 원형 요홈(220) 사이에 미세홈(230, 240)이 형성되어지되 넓이가 다른 제1 미세홈(230) 및 제2 미세홈(240)이 형성되며; 제2 노즐 블럭(300)은 제1 노즐 블록(200)의 제1 원형 요홈(210) 동일한 지름의 제2원형공(310)이 관통 형성되고, 제2원형공(310)의 지름과 동일한 두께를 갖는 환형 요홈(330)이 형성되며, 측면 원의 중심에 제2 원형 요홈(320)이 형성되고, 환형 요홈(330)과 제2 원형 요홈(320) 사이에 제3 미세홈(340)이 형성되며; 제3 노즐 블록(400)은 제2 원형 요홈(320)과 동일한 지름으로 제3 원형공(410)이 관통 형성되고, 제1 노즐 블록(200), 제2 노즐 블럭(300) 및 제3 노즐 블록(400)이 밀착되어 결합 구성된 것을 특징으로 하는 고압력 호모게나이저용 분사 모듈(100).
  2. 청구항 1에 있어서, 제2 노즐 블럭(300)의 제2원형공(310)을 타원형으로 형성하는 것을 특징으로 하는 고압력 호모게나이저용 분사 모듈(100).
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CN114225804A (zh) * 2021-09-30 2022-03-25 上海迈克孚生物科技有限公司 一种纳米材料分散混合处理器

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