KR20210066714A

KR20210066714A - 초음파 호모지나이저

Info

Publication number: KR20210066714A
Application number: KR1020200148397A
Authority: KR
Inventors: 미네유키 세키모토; 히토시 야마모토; 히로시 하세가와; 다카시 가와무라
Original assignee: 가부시끼가이샤가이죠
Priority date: 2019-11-27
Filing date: 2020-11-09
Publication date: 2021-06-07
Also published as: TWI805963B; JP7381899B2; JP2021087943A; TW202131990A

Abstract

(과제) 본 발명은, 초음파 호모지나이저 내를 흐르는 혼합액에 효과적으로 초음파 캐비테이션을 발생시켜서, 초음파 호모지나이저의 분산성능을 향상시킨다.
(해결수단) 초음파 호모지나이저(10)는, 초음파 발생장치(14)와, 초음파 발생장치(14)에서 발생한 초음파를 조사하는 조사혼(14D)과, 조사혼(14D)의 하단면(조사면)(14E)을 내부에 수용하는 홀더(12)와, 홀더(12)의 하단면에 형성되고 혼합액을 홀더(12) 내로 들여보내는 인렛부(24A)와, 홀더(12)에 있어서 인렛부(24A)보다 상방에 형성되고 홀더(12) 내로 들여보낸 혼합액을 배출하는 아웃렛부(24B)를 구비한다. 인렛부(24A)의 개구면적은 조사혼(14D)의 하단면(14E)의 조사면적보다 작고, 조사혼(14D)의 하단면(14E)은 인렛부(24A)인 취입구의 상방을 향하도록 배치된다.

Description

초음파 호모지나이저{ULTRASONIC HOMOGENIZER}

본 발명은, 초음파(超音波)를 조사(照射)하여 분산을 하는 초음파 호모지나이저(超音波 homogenizer)에 관한 것이다.

초음파 호모지나이저에서는, 액중(液中)에 배치된 진동자(振動子)를 초음파 영역의 진동수로 진동시켜서, 진동면(조사면)으로부터 액중으로 조사되는 초음파에 의하여 발생되는 캐비테이션(cavitation)에 의하여 액중으로 분체(粉體) 등의 물질을 분산시키고 있다. 예를 들면 특허문헌1에서는, 세로로 긴 원통용기의 축을 따라 축방향으로 진동하는 진동자를 배치하고, 원통용기의 측면 상방으로부터 혼합액을 공급하고, 측면 하방으로 혼합액을 배출하고 있다. 또한 진동자의 축방향을 따라 소정 간격으로 원환 모양의 진동면(조사면(照射面))을 평행하게 다수 형성하고, 진동면 상호간의 간극에 형성되는 복수의 초음파 조사영역에서 효과적으로 캐비테이션을 발생시키고 있다.

: 일본국 공개특허 특개2011―017886호 공보

그러나 특허문헌1의 구성에서는, 진동면의 상호간 사이의 혼합액에 효과적으로 초음파 캐비테이션을 발생시킬 수 있지만, 혼합액의 대부분은, 진동면 상호간의 사이에 형성되는 초음파 조사영역보다 외측의 원통 내주면 근처의 영역을 내주면을 따라 흐른다. 그 때문에 혼합액의 대부분은 초음파 캐비테이션에 접촉되지 않고 배출되어, 충분한 분산효과는 얻어지지 않는다.

본 발명은, 초음파 호모지나이저 내를 흐르는 혼합액에 효과적으로 초음파 캐비테이션을 발생시켜서, 초음파 호모지나이저의 분산성능을 향상시키는 것을 과제로 하고 있다.

본 발명의 제1발명인 초음파 호모지나이저는, 초음파 발생수단과, 상기 초음파 발생수단에 의하여 발생한 초음파를 조사하는 조사혼과, 상기 조사혼의 조사면을 내부에 수용하는 홀더와, 상기 홀더의 하단면에 형성되고 혼합액을 상기 홀더 내로 들여보내는 취입구와, 상기 홀더에 있어서 상기 취입구보다 상방에 형성되고 상기 홀더 내로 들여보낸 혼합액을 배출하는 배출구를 구비하고, 상기 취입구의 개구면적은 상기 조사혼의 조사면적보다 작고, 상기 조사혼의 조사면은 상기 취입구의 상방을 향하도록 배치되는 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명의 제2발명인 초음파 호모지나이저는, 제1발명에 있어서, 상기 조사혼의 진동 중심에 플랜지를 부착하고, 상기 플랜지를 상기 홀더에 고정하는 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명의 제3발명인 초음파 호모지나이저는, 제1 또는 제2발명에 있어서, 상기 홀더의 주위에 냉각용의 매체를 통과시키는 재킷이 설치되고, 상기 재킷의 상방에 상기 배출구가 형성되는 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명의 제4발명인 초음파 호모지나이저는, 제1∼제3발명에 있어서, 상기 배출구를 상기 홀더의 주위에 복수 형성하고, 각 배출구와 접속된 배출배관의 하류를 합류시키는 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명에 의하면, 초음파 호모지나이저 내를 흐르는 혼합액에 효과적으로 초음파 캐비테이션을 발생시켜서, 초음파 호모지나이저의 분산성능을 향상시킬 수 있다.

[도1] 본 발명의 1실시형태의 초음파 호모지나이저의 종단면도이다.
[도2] 도1의 초음파 호모지나이저의 홀더를 중심으로 하는 일부 확대 종단면도이다.
[도3] 조사혼과 홀더의 지름방향의 배치를 나타내는 평면도이다.
[도4] 본 실시형태의 초음파 호모지나이저를 사용한 유닛의 구성을 나타내는 블록도이다.
[도5] 변형예에 있어서의 초음파 호모지나이저의 아웃렛부 및 혼합액 배출관의 배치를 나타내는 일부 확대 종단면도이다.
[도6] 변형예에 있어서의 초음파 호모지나이저의 아웃렛부의 배치를 나타내는 평면도이다.

이하, 본 발명의 실시형태를 도면을 참조하여 설명한다. 도1은, 본 발명의 1실시형태인 초음파 호모지나이저(超音波 homogenizer)의 종단면도이고, 도2는, 홀더(holder)(12)를 중심으로 하는 초음파 호모지나이저(10)의 부분 확대 종단면도이다.

본 실시형태의 초음파 호모지나이저(10)는, 액체와 분체(粉體), 액체와 액체 등 다양한 혼합액이 주입되는 홀더(12)와, 소정의 주파수, 강도(强度), 파형의 초음파를 발생시키는 초음파 발생장치(超音波發生裝置)(14)를 구비한다.

초음파 발생장치(14)는, 초음파 발진기(超音波發振器)(14A), 초음파 진동자(超音波振動子)(14B), 부스터(booster)(14C), 조사혼(照射horn)(14D)을 구비한다. 초음파 발진기(14A)는, 설정되는 소정의 주파수, 강도, 파형에 대응하는 구동신호를 발생시키고, 이것을 초음파 진동자(14B)에 공급(인가)한다. 초음파 진동자(14B)는, 초음파 발진기(14A)로부터의 구동신호에 의하여 진동하고, 초음파 진동자(14B)에서 발생한 초음파 진동은, 부스터(14C)에서 진폭이 증폭되어 조사혼(14D)으로 전달된다. 이에 따라 조사혼(14D)은, 소정의 주파수, 강도, 파형으로 축을 따라 상하방향으로 진동된다. 조사혼(14D)은, 예를 들면 원통 형상을 나타내고, 축을 수직으로 하여 그 하단부(下端部)가 홀더(12) 내에 삽입된다.

조사혼(14D)은, 홀더(12)의 상부 개구 가장자리(18)에 부착된 플랜지 부재(flange 部材)(20)에 의하여 그 진동 중심이 지지되고, 홀더(12)에 대하여 소정 위치에 고정된다. 플랜지 부재(20)는, 예를 들면 나사(22) 등의 부착부재에 의하여 홀더(12)의 상부 개구 가장자리(18)에 부착된다.

홀더(12)는, 조사혼(14D)이 삽입됨과 아울러 혼합액이 공급되는 혼합액조(混合液槽)(24)를 그 중앙에 구비한다. 혼합액조(24)의 주위에는, 그 외주를 둘러싸도록, 냉각액(냉각매체)이 유통(流通)되는 냉각조(冷却槽)(재킷(jacket))(26)가 배치된다. 혼합액조(24)는 원통 형상을 나타내고, 상부 개구 가장자리(18)를 통하여 외부로 개방된다.

혼합액조(24)의 바닥면 중앙에는 인렛부(inlet部)(취입구(取入口))(24A)가 형성되고, 혼합액 공급관(28A)이 접속된다. 혼합액조(24)의 상방 외측부에는 아웃렛부(outlet部)(배출구(排出口))(24B)가 형성되고, 혼합액 배출관(28B)이 접속된다. 즉 혼합액은, 혼합액조(24)의 바닥부 중앙으로부터 유입되어 상방 외측부로 배출된다.

한편, 냉각조(26)의 하방 외측부에는 인렛부(26A)가 형성되고, 냉각액 공급관(30A)이 접속된다. 또한 냉각조(26)의 상방 외측부에 있어서, 예를 들면 혼합액조(24)를 사이에 두고 인렛부(26A)와는 대략 반대측에는 아웃렛부(배출구)(26B)가 형성되고, 냉각액 배출관(30B)이 접속된다. 또 냉각액은, 초음파 진동에 의한 홀더(12) 내의 혼합액의 온도상승을 억제한다.

도2에 나타내는 바와 같이 원통형의 조사혼(14D)의 진동면(조사면(照射面))인 하단면(下端面)(14E)은, 혼합액조(24)의 바닥면으로부터 소정 거리를 두고 인렛부(취입구)(24A)의 상방을 향하도록 배치되고, 이에 따라 혼합액조(24)와 조사혼(14D)의 하단면(14E)과의 사이에는 일정한 간격의 유로(流路)가 형성된다.

도3은, 조사혼(14D)과 홀더(12)의 지름방향의 배치를 나타내는 평면도로서, 혼합액조(24)의 인렛부(24A)의 내주면, 조사혼(14D)의 외주면, 혼합액조(24)의 외주벽, 냉각조(26)의 외주벽의 위치가 나타나 있다. 도3에 나타내는 바와 같이 본 실시형태에 있어서, 혼합액조(24)의 인렛부(24A)의 내주면, 조사혼(14D)의 외주면, 혼합액조(24)의 외주벽, 냉각조(26)의 외주벽은 대략 동심원(同心圓) 모양으로 배치되고, 조사혼(14D)의 외주면과 혼합액조(24)의 내주면 사이에는 일정한 간격의 유로가 형성된다.

인렛부(24A)인 취입구의 내경은 조사혼(14D)의 외경보다 작고, 취입구의 개구면적은 조사혼(14D)의 조사면적보다 작다. 인렛부(24A)로부터 혼합액조(24) 내로 유입된 혼합액은, 조사혼(14D)의 하단면 중앙을 향하여 대략 수직 상향(上向)으로 흘러 들어가고, 조사혼(14D)의 하단면(14E)에 부딪쳐서 대략 수평방향으로 방사상(放射狀)으로 흐름의 방향을 바꾼다. 혼합액은, 혼합액조(24)의 바닥면과 조사혼(14D)의 사이에 형성된 유로를 따라 방사상으로 지름방향의 외측으로 흐른다.

동(同) 구성에 의하여 인렛부(24A)인 취입구로부터 유입된 혼합액은 전부, 혼합액조(24)의 바닥면과 조사혼(14D)의 사이에 형성된 유로를 따라 흐르고, 혼합액은 조사혼(14D)의 하단면(14E) 근처를 따라 이동하게 된다. 그 때문에, 혼합액체의 분체는 조사혼(14D)의 진동면(조사면)인 하단면(14E)이 발생시키는 초음파 캐비테이션(超音波 cavitation)에 의하여 효율적으로 일정하게 혼합액 중으로 분산된다.

방사상으로 흐르는 혼합액이 혼합액조(24)의 내주면 근처에 도달하면, 내주면에 부딪쳐서 상방을 향하도록 흐름이 바뀐다. 이에 따라 혼합액은, 혼합액조(24)의 내주면과 조사혼(14D)의 외주면 사이의 유로를 따라 상승하여 아웃렛부(24B)로 배출된다.

한편, 인렛부(26A)로부터 냉각조(26) 내로 유입된 냉각액은, 혼합액조(24)의 외주면과 냉각조(26)의 내주면 사이에 형성되는 원환 모양의 유로를 따라 흘러서, 반대측의 아웃렛부(26B)로 배출된다. 즉 혼합액조(24) 내를 흐르는 혼합액과 냉각조(26) 내를 흐르는 냉각액의 사이에서는, 혼합액조(24)의 측벽을 통하여 열교환이 이루어져서 혼합액이 냉각된다.

도4는, 복수의 초음파 호모지나이저(10)를 유닛으로서 사용하는 경우의 구성을 나타내는 블록도이다. 도4에 나타내는 실시형태에서는, 4대의 초음파 호모지나이저(10)가 병렬로 접속되어 있다. 즉 혼합액은, 각 초음파 호모지나이저(10)의 홀더(12)로 분배되어 공급되고, 각 홀더(12)로부터 배출되는 혼합액은 다시 합류된다.

이상과 같이 본 실시형태의 초음파 호모지나이저에 의하면, 초음파 호모지나이저의 구성에서는, 홀더로 유입되는 혼합액이 모두 조사혼의 진동면 근방을 따라 이동하기 때문에, 혼합액에는 효과적으로 초음파 캐비테이션이 발생하여, 혼합액 내의 분체는 효율적으로 일정하게 분산된다.

다음에 도5, 도6을 참조하여, 본 실시형태의 초음파 호모지나이저의 변형예에 대하여 설명한다. 또 도5는, 변형예에 있어서의 초음파 호모지나이저의 아웃렛부 및 혼합액 배출관의 배치를 모식적으로 나타내는 일부 확대 종단면도이고, 도6은, 변형예에 있어서의 초음파 호모지나이저의 아웃렛부의 배치를 나타내는 도5의 A―A 단면도이다. 또 실시형태와 동일한 구성에 관해서는 동일한 참조부호를 사용하고, 그에 대한 설명은 생략한다.

실시형태에 있어서의 초음파 호모지나이저(10)의 혼합액조(24)의 상방 외측부에는, 1개의 아웃렛부(24B)가 형성되었지만, 변형예의 초음파 호모지나이저(32)의 홀더(34)에는, 외주부를 따라 복수의 아웃렛부(배출구)(36)가 형성된다. 각 아웃렛부(36)에는 각각 혼합액 배출관(배출배관)(38)이 접속되고, 혼합액 배출관(38)의 각각은 하류부(C)에서 합류된다. 또 도5에 나타내는 합류위치(C)는 모식적인 것으로서, 그 배치는 임의이다.

복수의 아웃렛부(36)는, 혼합액조(24)에 있어서 상방 외측부의 동일한 높이와 혼합액조(24)의 원통축 주위에, 예를 들면 등간격(等間隔)으로(회전대칭으로) 배치된다. 도6에서는, 아웃렛부(36)가 방사상으로 4개 형성되어 있다. 또 아웃렛부(36)의 수는 4개에 한정되는 것은 아니며, 3개나 6개 등이어도 좋다. 또한 냉각조(26)에 형성되는 냉각액의 아웃렛부(26B)는, 인렛부(26A)의 반대측에 있어서 아웃렛부(36)와 경합하지 않는 위치에 배치된다. 도5에 있어서 아웃렛부(26B)는, 아웃렛부(36)의 하방에 배치되어 있지만, 아웃렛부(36) 상호간 사이의 동일한 높이에 배치하는 것도 가능하다.

이상과 같이 변형예의 구성에 있어서도 실시형태와 동일한 효과가 얻어진다. 또한 변형예에서는, 혼합액조 내의 흐름이 전체 둘레에 걸쳐서 더 일정하게 되기 때문에 분산의 효율이 더 향상된다.

또 초음파 호모지나이저가 발생시키는 초음파의 진폭이나 주파수, 파형은, 조정할 수 있는 것이 바람직하다. 또한 본 실시형태에서는, 복수의 초음파 호모지나이저를 병렬로 접속하여 유닛으로 하였지만, 복수의 초음파 호모지나이저를 직렬로 접속하여 유닛으로 하여도 좋다. 또한 본 실시형태에서는, 냉각액을 냉매로서 사용하였지만, 기체를 냉각매체로서 사용할 수도 있다.

10, 32 : 초음파 호모지나이저
12, 34 : 홀더
14 : 초음파 발생장치
14D : 조사혼
20 : 플랜지 부재
24 : 혼합액조
24A : 인렛부(취입구)
24B, 36 : 아웃렛부(배출구)
26 : 냉각조(재킷)
26B : 아웃렛부(배출구)

Claims

초음파 발생수단(超音波發生手段)과,
상기 초음파 발생수단에 의하여 발생한 초음파를 조사(照射)하는 조사혼(照射horn)과,
상기 조사혼의 조사면(照射面)을 내부에 수용하는 홀더(holder)와,
상기 홀더의 하단면(下端面)에 형성되고, 혼합액을 상기 홀더 내로 들여보내는 취입구(取入口)와,
상기 홀더에 있어서, 상기 취입구보다 상방에 형성되고, 상기 홀더 내로 들여보낸 혼합액을 배출하는 배출구(排出口)를
구비하고,
상기 취입구의 개구면적은 상기 조사혼의 조사면적보다 작고, 상기 조사혼의 조사면은 상기 취입구의 상방을 향하도록 배치되는
것을 특징으로 하는 초음파 호모지나이저(超音波 homogenizer).
제1항에 있어서,
상기 조사혼의 진동 중심에 플랜지(flange)를 부착하고, 상기 플랜지를 상기 홀더에 고정하는 것을 특징으로 하는 초음파 호모지나이저.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 홀더의 주위에 냉각용의 매체를 통과시키는 재킷(jacket)이 설치되고, 상기 재킷의 상방에 상기 배출구가 형성되는 것을 특징으로 하는 초음파 호모지나이저.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 배출구를 상기 홀더의 주위에 복수 형성하고, 각 배출구와 접속된 배출배관(排出配管)의 하류를 합류시키는 것을 특징으로 하는 초음파 호모지나이저.