KR20150096797A - 고압 균질기 - Google Patents

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Abstract

고압 균질기는: 균질화될 액체를 매니폴드(6)를 향하여 공급하기 위한 복수의 펌핑 피스톤(2a, 2b); 개별적인 유압 실린더에 결합된 각각의 피스톤; 상기 펌핑 피스톤(2a, 2b)의 하류에 위치한 균질 밸브; 및 상기 펌핑 피스톤(2a, 2b)을 제어 및 조절하고, 각각의 개별적인 피스톤(2a, 2b)의 운동 법칙을 독립적으로 제어하는 전자 시스템(5)을 구비한다. 상기 전자 조절 시스템(5)은 상기 매니폴드(6) 상에 위치된 변환기에 연결되어, 상기 매니폴드(6)내에서 감지된, 상기 피스톤(2a, 2b)에 의하여 펌핑되는 균질화될 액체 압력에 따라서, 상기 실린더(3a, 3b)로의 오일 공급을 조절하여 안정적인 유량과 압력을 유지할 수 있도록 한다.

Description

고압 균질기{HIGH-PRESSURE HOMOGENIZER}
본 발명은 고압 균질기에 관한 것이다.
잘 알려져 있듯이, 고압 유체 처리 분야, 특히 유화액 미분화 처리, 분산 안정, 제어된 세포질 유체의 파괴/분쇄에서, 균질기로 불리는 장치가 흔히 사용된다. 이 장치는 피스톤을 갖는 펌프를 포함하고, 이 피스톤은 일반적으로 크랭크축 (또는 캠축)에 의해 왕복 운동으로 움직이되, 동위상(synchronous)이고 360°/n의 각도만큼 상호 오프셋된다(n은 (일반적으로 1개에서 최대 8개인 피스톤을 가지는) 기계의 처리 부품 내부에서 유체 압력을 높이며 움직이는 펌핑 피스톤의 개수).
특히, 균질기는 (균질 밸브로 불리는) 고압 영역에서 저압영역으로, 또는 보다 낮은 압력에서 처리될 유체의 강제 이동(forced passage)에 영향을 미치는 조정 밸브를 포함한다. 피스톤 펌프는 조정 밸브의 상류에 위치하며, 크랭크축을 움직이는 전기 모터에 의해 구동된다.
모터와 펌프의 사이에는 또한 도르래 시스템, 그 도르래 시스템에 존재하는 평행 축 또는 유성 감속기어 시스템으로 구성된 감속 기어 유닛이 개재된다.
이러한 운동학적 연쇄는 축의 회전 운동을 왕복 직선운동으로 전환하고, 그 운동을 펌프 피스톤에 정확히 전달한다. 따라서, 각각의 피스톤은 처리될 유체에 맥동 압축 작용한다. 각각의 피스톤 맥동은 매니폴드 내에서 (여러 개의 크랭크 축 간의 상대적인 각도에 의해 야기된 크랭크의 고정 오프셋과 관련하여) 서로 합해져서, 균질 밸브에 의해 직접적으로 감지되는 최종 단일 맥동을 만든다.
각각의 펌핑 피스톤은, 그 자체의 압축 챔버내에서, 0 내지 Pmax 바(bar)의 맥동압을 발생킨다. 상기 Pmax는 기계에 설정되는 최대값으로서, 2000바 보다도 더 클 수 있다.
균질기가 하나의 피스톤만 구비한 경우, 전체 맥동 0 내지 Pmax 바는, 균질 밸브 및 펌핑 밸브의 하류측에 있는 요소(예를 들면, 변환기(transducer))가 맥동을 감지하는 것과 동일한 방식으로 또한 감지된다.
균질기가 복수의 피스톤을 구비한 경우, 최종 맥동의 진폭은 하나의 피스톤을 구비한 펌프의 최종 맥동의 진폭과 비교하면 작지만, 그렇다 하더라도 펌프의 하류에서 감지된다.
또한, 크랭크축(또는 캠축)은 크랭크 간의 상대적인 고정 각을 이루며 구성되므로, 맥동 간의 오프셋이 또한 고정되어 유지된다. 따라서, 최종 맥동은, 비록 감소되었지만 제거된 것은 아니며, 오히려 항상 일정하게 유지된다.
그러나, 공지의 균질기는 일련의 문제점을 나타내는데, 대부분이 개별적인 구성요소의 유효 수명과 관련된다. 실제로, 유체의 맥동 흐름과 압력은 균질 밸브의 움직이는 부품에 대하여 상당히 잠재적 충격을 야기한다.
이러한 충격은, 고정된 부재에 대하여 단축거리(short axial distance)에서 작동하는 밸브의 각각의 가동 요소에 영향을 미치고, 특히 맥동의 낮은 피크 위상(low peak phase)에서 밸브의 전체 구조에 손상을 주기 쉽다.
또한, 펌핑 동작은 맥동을 받는 개별적인 구성요소가 그 구성요소의 수명 사이클을 상당한 감소시키는 피로 부하 사이클을 받도록 한다.
(그 수명 사이클을 결정하는) 구성요소에 대한 마모는 크랭크축의 RPM(맥동 주파수)과 유체 펌핑 압력에 직접적으로 비례한다.
이러한 이유로, 압축부에서 고 성능(펌핑 속도 및 압력)으로 함께 작동하는 모든 구성요소는 매우 짧은 수명을 가질 것이다.
미국특허 US 6827479는 고정 기하학적 구성을 갖는 노즐 밸브와, 유압 피스톤의 전진 이동 속도를 제어하기 위한 시스템을 개시하고 있으며, 여기서 피스톤 이동 속도의 제어는 (상기 시스템에 대한 동작의 자유 없이) 직접적으로 압력을 조절한다. 실질적인 면에서, 피스톤의 전방 이동 속도가 고정되면 (운동 법칙 및 그 운동 법칙에 의한 유량), 균질화 압력은 자동적으로 고정되고 시스템은 실질적으로 단지 하나의 자유도를 갖는다.
이와 관련하여, 본 발명에 기초한 기술적 과제는 위에 언급한 종래의 기술의 문제점을 극복하는 균질기를 제공하는 것이다.
특히, 본 발명의 목적은, 고압에서 사용될 수 있고 펌핑 동작 중에 함께 작동하는 개별적인 구성요소의 수명 사이클을 감소시키기는 기계적 영향을 최소화하는 균질기를 제공하는 것이다.
특히, 본 발명의 목적은, 균질 밸브와 앞서 언급한 구성요소에 손상을 야기하는 스트레스를 감소시킬 수 있도록 맥동 펌핑 효과를 제거할 수 있는 균질기를 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제와 특정한 목적은 하나 또는 그 이상의 첨부된 청구항에 제시된 기술적 특징을 포함하는 본 발명의 균질기에 의해서 달성된다.
본 발명의 추가적인 특징 및 효과는, 첨부된 도면에서 예시된 바와 같이, 균질기의 바람직하지만 비배타적인 실시예에 대한 대략적이고 비제한적인 설명으로부터 보다 명확해질 것이다.
- 도 1은 균질화될 유체를 펌핑하는 동작을 수행하는 부재의 작동 개요에 대한 개략도를 도시한다.
- 도 2는 균질화될 유체를 펌핑하는 동작의 작동 사이클의 블록 선도를 도시한다.
- 도 3은 균질기의 피드백 제어 개요를 도시한다.
첨부된 개략적인 도면들을 참조하면, "1"은 전체적인 고압 균질기를 나타낸다.
균질기는, 액체를 펌핑하여, 펌핑된 액체를 수집하는 단일 매니폴드(6)를 향해 그 액체를 공급하여 그 액체를 균일화시키는 복수 개의 펌펑 피스톤(2a, 2b)을 구비한다.
이하 본 발명의 설명에 있어서, 순전히 비제한적인 예로서, 단지 2개의 실린더(3a, 3b)만이 참조된다는 점을 주목해야 한다. 그러나, 균질기의 형태, 용도 및 균질화될 액체의 유량에 따라, 실린더 및 각각의 피스톤의 개수는 달라질 수 있다.
매니폴드(6)에 균질화된 액체를 수용하는 균질 밸브(균질 밸브는 공지된 형태이므로, 설명되거나 도시되지 않음)가 위치되어 있다. 밸브로 진입하는 액체는 앞서 언급한 펌핑 피스톤(2a, 2b)의 동작에 의해 결정되는 압력값과 유량을 갖는다.
바람직하게는, 각각의 피스톤(2a, 2b)은 각각의 유압 실린더(3a, 3b)와 결합되어 있다.
효과적으로는, 균질기(1)는 각각의 펌핑 피스톤(2a, 2b)이 제공되는 복수 개의 유압 실린더(3a, 3b)를 포함한다.
각각의 유압 실린더(3a, 3b)는 실리더(3a, 3b)로 오일을 공급하기 위한 비례제어 밸브를 갖는 각각의 유압 회로를 구비한다.
유압 회로는, 비례제어 오일 밸브에 의해 제어되는 오일의 공급에 의해, 각각의 실린더(3a, 3b)와 각각의 개별 피스톤 (2a, 2b)의 왕복 운동 법칙을 제어할 수 있다.
실제로, 공지된 형태이므로 본 명세서에서 기술하거나 도시하지 않은 비례제어 밸브는, 실린더(3a, 3b)로의 오일 압력과 유량을 조절하여, 각각의 피스톤(2a, 2b)의 추력과 이동 속도를 조절한다.
균질기(1)는 펌핑 피스톤(2a, 2b)을 제어하고 조절하기 위한 전자 시스템 (5)을 또한 포함하여,각각의 개별 피스톤 (2a, 2b)의 운동 법칙을 독립적으로 제어할 수 있다.
특히, 도 2의 블록 선도에 도시되어 있는 바와 같이, 전자 제어 및 조절 시스템(5)은 각각의 유압 실린더(3a, 3b)의 비례제어 밸브에 연결되어, 실린더(3a, 3b)로의 오일 압력과 유량 (및 그 오일 압력과 유량에 따른 각각의 유압 실린더의 추력과 이동 속도 및 그 결과로서 펌핑 피스톤의 추력과 이동 속도)을 조절할 수 있다.
효과적으로는, 전자 제어 및 조절 시스템(5)은 피스톤(2a, 2b)에 의해 펌핑된 균질화될 액체의 압력값을 확인할 수 있도록, 매니폴드(6) 상에 배치된 변환기에 마찬가지로 연결된다. 이러한 방식으로, 비례제어 밸브의 기능 파라미터는, 안정적인 유량과 압력을 유지할 수 있도록, 매니폴드(6) 내에서 감지된 압력에 따라 개별적인 실린더(3a, 3b)로의 오일의 공급을 조정하여 수정된다.
피스톤(2a, 2b)에 의해 펌핑된 균질화될 액체의 압력값을 확인할 수 있도록, 매니폴드(6) 상에 위치된 변환기에 연결되어 있는 전자 제어 및 조절 시스템(5)은, 균질화 밸브의 가동 부품을 구동시키는 공압 실린더를 작동시키는 압축공기 비례제어 밸브의 기능 파라미터를 수정할 수 있고, 그에 따라 고정된 압력 설정점이 매니폴드(6)에서 감지된 압력값에 따라, 유량과는 관계없이 조정될 수 있다.
미국특허 US 6827479와는 달리, 본 발명에서는 균질화가, 유압 펌핑 피스톤의 전방 이동 속도를 또한 조절하는 (전자 시스템(5)에 속하는) 동일한 소프트웨어에 의해 제어되는 피드백 시스템에 의해 조절되는 가변적인 기하학적 구성을 갖는 균질 밸브를 통하여 이루어진다. 피스톤의 이동 속도(운동 법칙, 유량)가 한번 고정되더라도, 압력값을 고정할 자유도는 여전히 있다: 상기 시스템은 독립적으로 관리될 수 있는 2개의 자유도(유량 및 압력)를 가지므로, 압력과 유량의 임의의 조합 및 그 압력과 유량의 조합에서 안정된 패턴을 가질 수 있다.
미국특허 US 6827479에서, 피스톤 속도가 증가 (감소)함에 따라, 균질화 압력은 마찬가지로 각각 증가 (감소)하는 반면에, 본 발명에서는 도 3에서의 혁신적인 작동 개요에 의하여, 피스톤 속도가 증가하면, 균질화 압력이 증가 또는 감소될 수 있고, 피스톤 속도가 감소하면, 균질화 압력이 증가 또는 감소될 수 있다.
동일한 유형의 조정은 완전한 수동 작동 모드에서 또한 이루어질 수 있다.
도 1을 참조하면, 개별적인 유압 실린더(3a, 3b)는 그래프(4a, 4b)에 도시된 바와 같이 펄스 패턴을 갖는다. 실린더(3a, 3b)의 패턴은 개별적인 피스톤(2a, 2b)의 동작이 교차하도록 설정되어 있다. 다시 말해, (결과물을 공급하는) 제1 피스톤(2a)은 점진적으로 그 속도가 증가되어, 유량이 증가된다(그래프 4a). 제1 피스톤(2a)의 속도가 최대 속도에 도달하여 일정 시간 동안 유지되고, 이 피스톤이 그 행정의 거의 끝에 있을 때, 그 속도는 0이 될 때까지 감소한다(하강 경사). 이 하강 경사 단계와 동시에, (수축하면서 뒤로 흡인된) 제2 피스톤(3b)은 제1 피스톤(2a)의 하강 경사와 동일한 경사로 상승하기 시작한다(그래프 4b).
각각의 실린더(3a, 3b) (및 각각의 피스톤(2a, 2b))에 대한 위상 오프셋은 전자 시스템(5)에 의하여 개별적으로 제어가능하고, 속도 및 이에 따른 패턴 7 (그래프 4c)에 의해 표시되는 일정 유량의 합을 한정한다. 위에 기술된 설명과 도면에는, 단지 2개의 실린더(3a, 3b)만이 나타나 있는데, 이는 결과물(7)을 한정하도록 개수가 조정된 것이다. 그러나, 실린더가 (2개 이상의) 다수인 경우, 피스톤(2a, 2b)의 개별적인 왕복 운동은 상승 램프 및 하강 램프 사이의 전이를 시스템(5)에 의해 제거하는 방식으로 조절되어, 최종 맥동 효과를 제거한다.
따라서, 균질화 액체는 초기 전이를 제외하고는 일정한 균질화 압력을 나타내는 일정한 유량비로 균질 밸브를 향하여 펌핑되므로, 본 목적 중 하나가 실현된다.
효과적으로는, 시스템(5)은 독립적인 방식으로 각각의 실린더(3a, 3b)의 유압 회로의 개별적인 비례제어 밸브를 직접적으로 조절하므로, 최종 맥동 운동과 여러 피스톤 간의 고정된 위상 오프셋으로 인한 문제를 회피한다.
다시 말해, 각각의 피스톤에 대한 적절한 운동 법칙이 생성되고, 이 운동 법칙이 전자 시스템(5)의 작동 소프트웨어 프로그램에 설정된 위상 오프셋에 따라 조합되며, 작업자가 매니폴드(6)에서 유량을 조합할 수 있으므로, 자체 유량의 일정한 합(결과물(7))과 이로 인한 일정한 동일 압력이 보장된다.
또한, 균질화될 액체의 점성과 실린더(2a, 2b)의 유입구 압력의 변화가 있을 때 위상 오프셋을 수정할 수 있다.
따라서, 기계 부재가 더 이상 펌핑 동작의 맥동 작용을 받지 않기 때문에, 여러 개의 중요한 기계 부재가 보호된다. 특히, 균질 밸브는 개별적인 피스톤(2a, 2b)의 합성 효과(7)에 기인한 일정한 압력와 유량으로 처리될 액체를 수용한다.
이러한 효과는, 실린더(3a, 3b)가 유압식이고, 이에 따라 단일 작동 소프트웨어 프로그램에 의해 독립적으로 조절될 수 있다는 사실에 의해 달성된다.
또한, 두 개의 피스톤의 계단식-증가(step-up)/계단식-감소(step -down) 전이 횟수가 오직 분당 5-6회이고(그래프 4c), 다른 경우에도 (감속된 피스톤 속도의 결과로서) 분당 15회 미만이며, 이는 약 160rpm으로 정확하게 회전하는 종래 기술의 크랭크축이 분당 거의 160회 맥동하는 것과 매우 다르다. 또한, 가상 캠에서 피스톤 자체의 하강 경사와 상승 경사의 존재에 의하여 피스톤의 전이 횟수가 감소된다.
이상적인 상황에서는 유량과 압력이 일정하지만, 현실에서는 피스톤의 위상 변화에 대한 전이가 펌핑 밸브를 통한 역류를 야기할 수 있다는 점이 중요하다; 이는 부여된 최대 압력에 따라 변화하는, 바람직하게는 0 내지 100 바의 정격 압력에 작은 편차를 야기할 수도 있다. 대신에, 그 정격 압력은 피스톤 이동의 중심 위상에서 완전히 일정하게 유지된다.
횟수(주기/분)가 매우 작은 경우에, 압력 피크(음 또는 양)가 감소되고, 그에 따라 고정 및 가동 부품 간에 충격 가능성이 또한 감소되기 때문에, 피로 부하 사이클을 받는 구성요소의 유효 수명이 연장되고, 균질 밸브에 대한 손상 가능성이 감소된다.
균질기(1)는 또한 처리될 액체의 점성과 고압에 대해 보다 다양하게 적용가능한 것으로 보여진다. 이러한 효과는 또한, 개별적인 실린더(3a, 3b)를 독립적으로 조절할 수 있기 때문에 달성된다.
0 내지 4000 바의 압력에서 작동할 수 있는 본 발명의 다른 장점은, 이 균질기가 완전하게 원격 제어될 수 있다는 사실에 있다.
본 발명의 균질기를 이용한 균질화 공정은, 매니폴드 내부에서 밸브/펌핑 피스톤의 하류에 유량을 조합하여, 사용자에 의해서 설정될 수 있는, 위상 오프셋에 따라 조합되고 생성되는 각각의 피스톤의 운동 법칙에 의해 수행된다. 유량의 조합은 균질화 밸브에 대하여, 일정한 유량의 합과 그 합에 따른 일정한 압력을 보장한다.
제2 피스톤의 시작 단계와 제1 피스톤의 정지 단계 사이의 위상 오프셋은, 적절한 속도 경사를 이용하여 조정할 수 있고, 그 속도 경사의 시작과 끝은 소프트웨어를 통해서 완벽하게 제어될 수 있다.
처리된 유체의 최대 작동 압력과 점성은 변화하므로, 오프셋은 전이중에 가장 적절한 방식으로 임의 압력 피크의 진폭을 감소시킬 수 있도록 수정될 수 있다.
본 발명의 균질기는 1000 내지 4000 바 사이의 압력에서 특히 적합하고, 많은 분야(식품, 화학, 제약, 생명 공학 및 나노 입자)에서 적용된다.
사용된 소프트웨어 프로그램은 두 개의 특정한 제어 카드(축 제어 카드)의 조합에 의한 가동축의 제어 및 자동화에 기초하여 사용된다.
축 제어 카드는, 작동기의 이동을 제어하는 동시에, 피스톤 자체 내부에 위치된 선형 인코더에 의해 피스톤의 순 위치(absoulte position)를 감지하여 소프트웨어 프로그램이 피스톤의 위치 및 이동을 극히 정밀하게 제어하게 하는 명령 및 피드백 기반 조절 루프(loop)를 생성할 수 있도록, 비례제어 밸브를 경유하여 작동기(및 이에 따라 펌프 피스톤)와 접속한다.
축 제어 소프트웨어 프로그램은 따라서 피크를 최소한으로 감소하는 방식으로 미리 가상캠을 조정함으로써 반전 이동 위상을 최적화할 수 있도록, 맞춤식 가상캠에 따라 피스톤을 이동시킬 수 있다.
소프트웨어 프로그램은 제어 패널으로부터 또는 리모콘 신호를 통하여 명령을 수신하고, 피스톤을 이동시켜, 다른 점성과 다른 압력을 갖는 유체가 있을 때, 가능한 최대 선형 작동을 획득하도록 동작 파라미터(가상캠의 진행 및 설계)를 수정한다.

Claims (8)

  1. - 균질화될 액체를 매니폴드(6)를 향하여 공급하기 위한 복수의 펌핑 피스톤(2a, 2b);
    - 상기 매니폴드(6)로 펌핑되는 상기 균질화될 액체를 수용할 수 있도록 상기 펌핑 피스톤(2a, 2b)의 하류에 위치한 균질 밸브; 및
    - 상기 펌핑 피스톤(2a, 2b)을 제어 및 조절하고, 각각의 개별적인 피스톤(2a, 2b)의 운동 법칙을 독립적으로 제어하는 전자 조절 시스템(5)을 포함하는 고압 균질기에 있어서,
    유량과 압력을 안정적으로 유지할 수 있도록, 상기 전자 조절 시스템(5)은 상기 매니폴드(6) 상에 위치된 변환기에 연결되어, 상기 피스톤(2a, 2b)에 의해 펌핑되어 매니폴드(6)에서 감지되는 균질화될 액체의 압력에 따라 각각의 실린더(3a, 3b)로의 오일 공급을 조절할 수 있고, 상기 균질 밸브의 가동 부품을 구동하는 공압 실린더를 작동시키는 압축 공기 비례제어 밸브의 기능 파라미터를 수정하는 것이 가능하여, 또한 상기 유량과는 관계없이, 상기 매니폴드(6) 내에서 감지되는 압력값에 따라 고정 압력 설정점이 조절될 수 있는 것을 특징으로 하는 고압 균질기.
  2. 제1항에 있어서,
    피스톤은 각각의 유압 실린더(3a, 3b)에 각각 결합되는 것을 특징으로 하는 고압 균질기.
  3. 제2항에 있어서,
    유압 실린더(3a, 3b) 각각은 오일을 상기 유압 실린더로 공급하기 위한 비례제어 밸브를 갖는 각각의 유압 회로를 구비한 것을 특징으로 하는 고압 균질기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전자 제어 및 조절 시스템(5)은 상기 유압 실린더의 상기 비례제어 밸브에 각각 연결되어 상기 개별적인 실린더(3a, 3b)로의 오일의 압력과 흐름을 조절하는 것을 특징으로 하는 고압 균질기.
  5. 선행 항 중 어느 한 항에 따른 균질기 내에서의 균질화 공정에 있어서,
    초기 전이 단계 후에, 상기 밸브/펌핑 피스톤의 하류의 압력과 상기 균질 밸브 유입구의 압력은 거의 일정한 것을 특징으로 하는 균질기 내에서의 균질화 공정.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 균질기 내에서의 균질화 공정에 있어서,
    매니폴드의 내부에서 밸브/펌핑 피스톤의 하류에 있는 유량을 조합하여, 상기 유량의 합을 일정하게 하여 균질 밸브에 대한 압력을 일정하게 보장하도록, 사용자에 의해서 설정될 수 있는 위상 오프셋에 따라 상기 각각의 피스톤의 운동 법칙이 생성 및 조합되는 것을 특징으로 하는 균질기 내에서의 균질화 공정.
  7. 제5항 및 제6항에 있어서,
    균질화 공정이, 펌핑 피스톤의 전방 이동 속도를 또한 조절하는 전자 제어 및 조절 시스템(5) 의해 제어되는 피드백 시스템에 의해 조절되는 가변적인 기하하적 구성을 갖는 균질 밸브를 통하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 균질기 내에서의 균질화 공정.
  8. 제5항 내지 제7항에 있어서,
    두 개의 피스톤(2a, 2b)의 계단식-증가/계단식-감소 전이가 분당 15회 미만인 것을 특징으로 하는 균질기 내에서의 균질화 공정.
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