WO2019198996A1 - 초음파 처리 장치 - Google Patents

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WO2019198996A1
WO2019198996A1 PCT/KR2019/004144 KR2019004144W WO2019198996A1 WO 2019198996 A1 WO2019198996 A1 WO 2019198996A1 KR 2019004144 W KR2019004144 W KR 2019004144W WO 2019198996 A1 WO2019198996 A1 WO 2019198996A1
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WO
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ultrasonic
raw material
processing
generating module
ultrasonic wave
Prior art date
Application number
PCT/KR2019/004144
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English (en)
French (fr)
Inventor
정성재
김동석
최준현
최해란
Original Assignee
(주)클래시스
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Publication date
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61K—PREPARATIONS FOR MEDICAL, DENTAL OR TOILETRY PURPOSES
    • A61K8/00—Cosmetics or similar toiletry preparations
    • A61K8/02—Cosmetics or similar toiletry preparations characterised by special physical form
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61Q—SPECIFIC USE OF COSMETICS OR SIMILAR TOILETRY PREPARATIONS
    • A61Q19/00—Preparations for care of the skin
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F23/00—Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
    • B01F23/40—Mixing liquids with liquids; Emulsifying
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F31/00—Mixers with shaking, oscillating, or vibrating mechanisms
    • B01F31/80—Mixing by means of high-frequency vibrations above one kHz, e.g. ultrasonic vibrations
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F35/00—Accessories for mixers; Auxiliary operations or auxiliary devices; Parts or details of general application
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy

Definitions

  • the present invention relates to an ultrasonic processing apparatus, and more particularly, to an ultrasonic processing apparatus that performs dispersion, extraction, etc. using a focused ultrasonic wave.
  • An object of the present invention is to provide an apparatus for processing a raw material by ultrasonic waves without the problems of the prior art as described above.
  • an apparatus for processing a raw material using ultrasonic waves the ultrasonic wave generating module for irradiating focused processing ultrasound focused on a specific position of the processing chamber and a processing chamber in which the raw material is stored or transported.
  • the ultrasonic generating module includes an ultrasonic transducer, and the ultrasonic transducer includes an elliptical oscillator to generate focused ultrasound.
  • the apparatus further includes a cooling device for lowering the temperature of the ultrasonic medium.
  • a pre-processing storage container for storing the raw material supplied to the processing chamber
  • a post-processing storage container for storing the raw material sonicated in the processing chamber.
  • It further includes a circulation transfer pipe for transferring the raw material in the storage container after the treatment to the storage container before the treatment. It is installed at a specific position of the circulation transfer pipe further comprises an on-off valve for controlling the transfer of raw material from the storage container after the treatment to the pre-processing storage container.
  • the ultrasonic wave generation module includes a cartridge housing having the ultrasonic transducer installed therein and having a cartridge window at a specific position, and the ultrasonic wave filled in the cartridge housing and generated by the ultrasonic transducer to the cartridge window. It further comprises an ultrasonic medium to deliver.
  • One form of the processing chamber is a processing container in which raw materials are stored.
  • the apparatus further comprises moving means for moving the ultrasonic transducer with respect to the processing container.
  • the apparatus further includes a moving means for moving the processing container.
  • the apparatus further comprises moving means for moving the ultrasonic wave generating module with respect to the processing container, and a stirrer attached to the ultrasonic wave generating module to mix the raw materials in the processing container.
  • the ultrasonic wave generating module is disposed above the processing container and the cartridge window is downward.
  • the ultrasonic wave generating module is disposed below the processing container and the cartridge window is upward.
  • the cartridge housing has a step to form an air pocket in the periphery of the cartridge window.
  • the ultrasonic wave generation module includes a plurality of ultrasonic transducers inside the cartridge housing.
  • the plurality of ultrasonic transducers have at least two focal points different from the cartridge window.
  • the cartridge window is located inside the processing vessel.
  • a plurality of ultrasonic generating modules are installed in the processing container, and the focus of the plurality of ultrasonic cartridges is the same.
  • the apparatus further includes a pan for stirring the raw material in the processing container.
  • the ultrasonic transducer is installed so as to be forward or backward with respect to the processing container. Further means for cooling the raw material in the processing container.
  • the processing container is provided with two or more raw material inlets. It further includes an opening and closing valve for controlling the injection of the raw material into the processing container through the raw material inlet.
  • the focus of the ultrasonic wave generating module is focused on the interface of the raw material.
  • the process chamber further comprises an isolation chamber, wherein the isolation chamber has a window through which ultrasonic waves pass, and the focus of the ultrasonic wave generation module is focused on the interior of the isolation chamber.
  • the isolation chamber includes an inflow door through which the raw material flows from the processing container, and an outflow door through which the raw material flows into the processing container, and further includes a fan installed near the inflow door or the outflow door and flowing the raw material.
  • the bottom surface of the processing container consists of an inclined surface having an inclination with respect to the ground.
  • the focal point of the ultrasonic wave generating module is located directly above the inclined surface.
  • the ultrasonic wave generation module includes a plurality of ultrasonic transducers along the inclined surface.
  • the inclination adjustment unit for varying the inclination of the inclined surface further includes.
  • Another form of the processing chamber is a processing pipeline through which raw materials are transferred.
  • the ultrasonic wave generating module is disposed outside the processing conduit, and an ultrasonic medium is provided between the ultrasonic generating module and the processing conduit.
  • the treatment duct has a polygonal cross section for installation of the ultrasonic wave generating module.
  • the inlet of the treatment conduit is installed to be located below the outlet.
  • the processing conduit is further provided between the inlet of the processing conduit and the installation position of the ultrasonic wave generating module, and further comprises an ultrasonic disperser for mixing the different components of the raw material.
  • a first opening and closing valve for controlling the flow of the raw material downstream of the installation position of the ultrasonic wave generating module in the processing pipeline.
  • a second on-off valve for controlling the flow of the raw material further upstream of the installation position of the ultrasonic wave generating module in the processing pipeline.
  • a flow sensor installed in the processing pipe and measuring the amount of raw material transferred from the processing pipe, wherein the first or second open / close valve is controlled according to the measured value of the flow sensor.
  • a third opening / closing valve for controlling the flow of raw material between the inlet of the processing conduit and the ultrasonic disperser in the processing conduit.
  • a raw material inlet is provided between the third on-off valve and the installation position of the ultrasonic disperser in the processing pipeline.
  • a raw material injection port is installed between the second on-off valve and the installation position of the ultrasonic wave generating module in the processing pipe line.
  • the treatment conduit has a concentrator having a relatively narrow diameter, and the focus of the ultrasonic cartridge is focused on the concentrator.
  • the dispersion of the oily component and the aqueous component by the focused ultrasound enables long-term storage of the dispersed solution without using a surfactant that is harmful to the human body.
  • FIG. 1 is a block diagram of an ultrasonic processing apparatus according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram of the ultrasonic processing apparatus according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a block diagram of the ultrasonic processing apparatus according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a block diagram of the ultrasonic processing apparatus according to the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 5A is a configuration diagram of an ultrasonic processing apparatus according to a fifth embodiment of the present invention
  • FIG. 5B is a configuration diagram of an ultrasonic wave generation module.
  • FIG. 6 is a block diagram of the ultrasonic processing apparatus according to the sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a detailed view of the ultrasonic wave generating module applied to the ultrasonic processing apparatus of FIG. 6.
  • FIG. 8A is a perspective view of an ultrasonic processing apparatus according to a seventh embodiment of the present invention
  • FIG. 8B is a plan view
  • FIG. 8C is an exploded perspective view
  • FIG. 8D is a cross-sectional view of the ultrasonic wave generating module.
  • FIG. 9 is a conceptual diagram of the ultrasonic processing apparatus according to the eighth embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a configuration diagram of the ultrasonic processing apparatus according to the ninth embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a view for explaining a first form in which an ultrasonic wave generating module is installed in a processing pipeline in the ninth embodiment shown in FIG. 10.
  • FIG. 12 is a view for explaining a second form in which an ultrasonic wave generating module is installed in a processing pipeline in the ninth embodiment shown in FIG. 10.
  • FIG. 13 is a view for explaining a third form in which the ultrasonic wave generating module is installed in the processing pipeline in the ninth embodiment shown in FIG. 10.
  • FIG. 14 is a view for explaining an installation form of the ultrasonic wave generating module 1007 viewed from the direction “A” of FIG. 13.
  • FIG. 15 is a view for explaining a fourth form in which the ultrasonic wave generating module is installed in the processing pipeline in the ninth embodiment shown in FIG. 10.
  • the ultrasonic processing apparatus 100 includes a processing container 102 in which raw materials to be ultrasonicated are stored, and an ultrasonic wave generating module for irradiating focused ultrasound having a focus on a specific position of the processing container 102 ( 110).
  • the ultrasonic wave generating module 110 is located above the processing container 102.
  • the processing container 102, the ultrasonic wave generating module 110, and the like are shown in cross-sectional view.
  • the ultrasonic wave generating module 110 includes an ultrasonic transducer 116, a cartridge housing 112, an ultrasonic medium 113, and the like.
  • the ultrasonic transducer 116 is provided with an ellipsoidal oscillator 117 to generate focused ultrasound.
  • An ultrasonic transducer 116 is installed inside the cartridge housing 112.
  • the cartridge housing 112 has an opening formed at a lower portion thereof, and a cartridge window 114 for transmitting ultrasonic waves is attached to the opening.
  • the ultrasonic medium 113 is filled inside the cartridge housing 112 and delivers the ultrasonic waves generated by the ultrasonic transducer 116 to the cartridge window 114.
  • a coupling part 104 in which the ultrasonic wave generating module 110 is detachably mounted is installed, and the raw material to be ultrasonicated is stored.
  • the ultrasonic wave generating module 110 irradiates focused ultrasonic waves to fine-tune particles of cosmetic raw materials stored in the processing container 102 or extract functional components from natural substances such as various animals, plants, mushrooms, seafood, seaweed, and organic matter. .
  • Cosmetic raw materials may include aqueous raw materials, oily raw materials, functional raw materials.
  • Aqueous raw materials include purified water, alcohols, and the like
  • oily raw materials include vegetable oils, animal oils, mineral oils, higher fatty acids, higher fatty alcohols, ester waxes, and the like
  • functional raw materials include whitening functional raw materials such as niacinamide.
  • Wrinkle improving functional raw materials such as Retinol, collagen, Adenocine, etc.
  • UV blocking functional raw materials such as GlycerylPABA, Drometrizole, and whitening and wrinkle improving functional raw materials such as arbutin adenosine It includes.
  • the ultrasonic processing apparatus 100 When the ultrasonic processing apparatus 100 performs dispersion, two or more raw materials are mixed and stored in the processing container 102.
  • the processing container 102 stores a mixture of an aqueous raw material and an oily raw material.
  • the ultrasonic wave generation module 110 irradiates focused ultrasonic waves to the mixed raw material in which the aqueous raw material and the oily raw material are mixed, so that the micronized particles of the aqueous raw material and the micronized particles of the oily raw material are mixed with each other.
  • the energy In the case of using focused ultrasound, the energy is higher than that of the radially irradiated ultrasound, and thus the particles are further refined, so that the aqueous and oily raw materials are mixed for a long time.
  • the focal point of the ultrasonic wave generating module 110 may be adjusted to the interface between the aqueous raw material and the oily raw material.
  • a moving mechanism 118 for moving the ultrasonic transducer 116 is installed inside the ultrasonic wave generating module 110 so that the focused ultrasonic waves can be evenly irradiated to the raw material stored in the processing container 102 or the processing container 102.
  • a raw material flow device (not shown) that transmits and shakes vibrations to the raw materials therein is installed in the processing container 102.
  • the ultrasonic wave generating module 110 is installed such that the cartridge window 114 through which ultrasonic waves pass is in contact with the water surface of the raw material 103 or partially immersed in the raw material. Therefore, the ultrasonic waves generated by the ultrasonic wave generation module 110 are irradiated onto the raw material 103 without passing through the air.
  • the cartridge window 114 is a film of translucent or transparent material that can transmit ultrasonic waves.
  • the cartridge window 114 may be a Kapton film or another material known to smoothly pass ultrasonic waves.
  • the moving mechanism 118 moves the ultrasonic transducer 116 such that the focused ultrasound generated by the ultrasonic transducer 116 is evenly irradiated onto the raw material 103 in the processing container 102.
  • the moving mechanism 118 includes an X axis moving part 118a for moving the ultrasonic transducer 116 in the X axis direction, a Y axis moving part 118b for moving in the Y axis direction, and a Z axis moving for moving in the Z axis direction. It consists of a part 118c.
  • a raw material flow device (not shown) may be provided to shake the raw material in the processing container 102 so that the focused ultrasound may be evenly irradiated onto the raw material.
  • the raw material flow device may be configured such that the processing vessel 102 performs a clockwise movement, a rotary movement, and the like.
  • a stirring blade (not shown) for stirring the raw material may be provided in the processing container 102.
  • the temperature of the raw material 103 may rise to generate gas.
  • a gas outlet (not shown) may be formed in the coupling part 104 to discharge the gas.
  • the medium cooling mechanism includes a metal plate 120 inserted into the cartridge housing 112 and in contact with the ultrasonic medium 113, and a heat sink for dissipating heat transferred through the metal plate 120 into the air. 122). Peltier elements may be used in place of the heat sink 122.
  • Raw material containers 130, 132, 134 may be further provided.
  • the raw material containers 130 and 132 store raw materials before ultrasonication.
  • the raw material container 134 stores raw materials after ultrasonication.
  • the raw material container 130 is connected to the raw material inlet 137 of the processing container 102 through the transfer pipe 136, and the raw material transfer through the transfer pipe 136 is controlled through the opening / closing valve 144.
  • the raw material container 132 is connected to the raw material inlet 139 of the processing container 102 through the transfer pipe 138, and the raw material transfer through the transfer pipe 138 is controlled through the opening / closing valve 146.
  • a bulky raw material for example, an aqueous raw material
  • a small raw material for example, an oily raw material
  • the raw materials stored in the raw material containers 130 and 132 are transferred into the processing container 102 through a pump (not shown) with the open / close valves 144 and 146 open for ultrasonic processing.
  • the raw material ultrasonicated in the processing container 102 is transferred to the raw material container 134 by opening and closing the valve 148.
  • the raw material stored in the raw material container 134 is transferred to the raw material container 130 through the transfer pipe 142.
  • the raw material transferred to the raw material container 130 is transferred to the processing container 102 through the transfer pipe 136 and ultrasonicated again. That is, the raw material is circulated in the order of the raw material container 134, the transfer pipe 142, the raw material container 130, the processing container 102.
  • a thin oily raw material floats on the surface of the aqueous raw material in the processing container 102, and thus the focus of the focused ultrasound generated by the ultrasonic wave generating module 110 needs to be formed near the surface of the raw material.
  • the focused ultrasound generated by the ultrasonic wave generation module 110 is irradiated toward the bottom surface of the processing container 102, the raw material may adhere to the bottom surface. Therefore, it is preferable that the moving mechanism 118 removes the raw material attached to the bottom surface by causing the focused ultrasound to be formed near the bottom surface in the cleaning mode.
  • the ultrasonic transducer 116 since the ultrasonic transducer 116 does not directly contact the raw material in the processing container 102, it is possible to suppress generation of harmful components during ultrasonic processing. In addition, since it is easy to separate the ultrasonic wave generating module 110 from the processing container 102, it is easy to replace the ultrasonic transducer 116. In addition, in this embodiment, there is an advantage that the focused ultrasound can be uniformly irradiated to the raw material stably stored in the processing container 102 through the moving mechanism 118.
  • the ultrasonic wave generating module 210 includes an ultrasonic transducer 216, a cartridge housing 212, an ultrasonic medium 213, and the like.
  • the ultrasonic transducer 216 has an ellipsoidal oscillator 217 to generate focused ultrasound.
  • An ultrasonic transducer 216 is installed inside the cartridge housing 212, and an opening is formed at an upper portion thereof, and a cartridge window 214 is attached to the opening.
  • the ultrasonic medium 213 fills the interior of the cartridge housing 212 and delivers the ultrasonic waves generated by the ultrasonic transducer 216 to the cartridge window 214.
  • a moving mechanism 218 for moving the ultrasonic transducer 216 is installed in the ultrasonic wave generating module 210 or the raw material in the processing container 202 so that the focused ultrasonic waves can be evenly irradiated to the raw material stored in the processing container 202.
  • a raw material flow device (not shown) that transmits and shakes vibrations is installed in the processing container 202.
  • a coupling part 204 is formed to detachably mount the processing container 202 to the ultrasonic wave generating module 210.
  • the bottom surface of the processing container 202 is provided with a container window 206 through which ultrasonic waves pass. Since the ultrasonic wave generating module 210 is installed to face upward, sag may occur in the cartridge window 214, and a gap may be formed between the cartridge window 214 and the container window 206. When a gap is formed between the windows 206 and 214, ultrasonic waves cannot be delivered in the air and a large loss occurs. To prevent this phenomenon, a medium capable of transmitting ultrasonic waves is filled between the windows 206 and 214.
  • the container window 206 is formed of a film material in which sagging occurs due to the load of the raw material filled in the processing container 202 and is in close contact with the cartridge window 214. That is, the container window 206 is formed by the film material to be in close contact with the cartridge window 214 where the deflection is similar, so that no empty space is formed between the windows 206 and 214.
  • the cartridge housing 212 may be configured such that the cartridge window 214 is positioned lower than the normal water surface of the ultrasonic medium 213 in the cartridge housing 212. There is a need. To this end, the cartridge housing 212 forms an air pocket 226 such that the upper periphery 225 has a step compared to the cartridge window 214.
  • the moving mechanism 218 moves the ultrasonic transducer 216 so that the focused ultrasound generated by the ultrasonic transducer 216 is evenly irradiated to the raw material in the storage container 202.
  • the moving mechanism 218 moves in the X-axis direction, the X-axis moving part 218a for moving the ultrasonic transducer 216 in the X-axis direction, the Y-axis moving part 218b for moving in the Y-axis direction, and moving in the Z-axis direction. It consists of the Z-axis moving part 218c.
  • a raw material flow device may be provided to shake the raw material in the processing container 202 so that the focused ultrasound may be evenly irradiated onto the raw material.
  • the raw material flow device may be configured such that the processing vessel 202 performs a clockwise movement, a rotational movement, and the like.
  • a stirring blade (not shown) for stirring the raw material may be provided inside the processing container 202.
  • a gas discharge port 252 may be formed in the upper portion of the processing container 202 to discharge the gas.
  • the gas outlet 252 may be provided with a check valve 254 that opens at a pressure of a predetermined size or more.
  • the medium cooling mechanism is a metal plate 220 inserted into the cartridge housing 112 and in contact with the ultrasonic medium 113, and a heat sink 222 for dissipating heat transferred through the metal plate 220 into the air. It is composed.
  • a Peltier element may be used instead of the heat sink 222.
  • Raw material containers 230, 232, and 234 may be further provided.
  • the raw material containers 230 and 232 store raw materials before ultrasonication.
  • the raw material container 234 stores raw materials after ultrasonication.
  • the raw material container 230 is connected to the raw material inlet 237 of the processing container 202 through the transfer pipe 236, and the raw material transfer through the transfer pipe 236 is controlled through the opening / closing valve 244.
  • the raw material container 232 is connected to the raw material inlet 239 of the processing container 202 through the transfer pipe 238, and the raw material transfer through the transfer pipe 238 is controlled through the open / close valve 246.
  • the raw material container 234 is connected to the raw material outlet 241 of the processing container 202 through the transfer pipe 240, and the raw material transfer through the transfer pipe 240 is controlled through the open / close valve 248.
  • the raw material container 230 and the raw material container 234 are connected through the transfer pipe 242, and the raw material transfer through the transfer pipe 242 is controlled through the opening / closing valve 250.
  • the ultrasonic transducer 216 since the ultrasonic transducer 216 does not directly contact the raw material in the processing container 202, it is possible to suppress the generation of harmful components during the ultrasonic processing. In addition, since it is easy to separate the ultrasonic wave generating module 210 from the processing container 202, it is easy to replace the ultrasonic transducer 216. In addition, in this embodiment, the focused ultrasound can be uniformly irradiated to the raw material stably stored in the processing container 202 through the moving mechanism 218.
  • the ultrasonic waves generated by the ultrasonic wave generating module 210 are directed toward the surface of the raw material, there is less concern that the ultrasonic wave may be attached to the raw material on the bottom surface of the processing container 202, thereby reducing the need for cleaning.
  • the ultrasonic processing apparatus 300 includes an ultrasonic wave generating module for irradiating focused ultrasonic waves having a focus on a processing container 202 in which raw materials to be ultrasonicated are stored and a specific position of the processing container 302 ( 310).
  • the ultrasonic wave generating module 310 includes an ultrasonic transducer 316, a cartridge housing 312, an ultrasonic medium 313, and the like.
  • the cartridge housing 312 has a cartridge window 314 formed thereon.
  • the ultrasonic medium 313 fills the interior of the cartridge housing 312 and delivers the ultrasonic waves generated by the ultrasonic transducer 316 to the cartridge window 214.
  • the focus of the ultrasonic wave generating module 310 is that the transducer 316 is aligned with the bottom surface of the processing container 302, that is, near the top surface of the container window 306.
  • An isolation chamber 370 is installed at the bottom of the processing container 302.
  • the isolation chamber 370 has a window through which ultrasonic waves pass.
  • a window is formed at the bottom of the isolation chamber.
  • the focal point of the ultrasonic wave generating module 310 is aligned with the interior of the isolation chamber 370.
  • the isolation chamber 370 includes an inlet 372 through which the raw material flows from the processing container 302, and an outlet 374 through which the raw material flows into the processing container 302.
  • the inlet 372 is provided with an inlet door 376 that opens into the isolation chamber 370, and the outlet 374 is provided with an outlet door 378 that opens to the outside of the isolation chamber 370.
  • raw material conveying fans 380 and 382 may be installed to flow the raw material.
  • the raw materials in the processing container 302 are introduced into the isolation chamber 370 through the inlet 372 by the operations of the raw material conveying fans 380 and 382.
  • the raw material introduced into the isolation chamber 370 is processed by focused ultrasound while being transported along the isolation chamber, and flows out through the outlet 374.
  • a gas discharge port 352 may be formed at an upper portion of the processing container 302 to discharge the gas.
  • the gas outlet 352 may be provided with a check valve 354 that opens at a pressure of a predetermined size or more.
  • the ultrasonic processing apparatus 400 includes a processing container 402 in which raw materials to be ultrasonicated are stored, and an ultrasonic wave generating module for irradiating focused ultrasound having a focus on a specific position of the processing container 202 ( 410.
  • the ultrasonic wave generating module 410 includes ultrasonic transducers 416a, 416b, and 416c, an ultrasonic medium 413, and a main housing 411.
  • the ultrasonic medium 413 fills the interior of the main housing 412 and delivers the ultrasonic waves generated by the ultrasonic transducers 416a, 416b, 416c.
  • An opening is formed in an upper surface of the main housing 412.
  • One end of the inclination adjustment columns 464a and 464b supports the bottom surface of the processing container 402.
  • the inclination adjustment parts 462a and 462b can adjust the inclination of the bottom surface of the processing container 402 with respect to the ground by adjusting the heights of the inclination adjustment columns 464a and 464b.
  • FIG. 4 when the left side of the bottom surface of the processing container 402 is higher than the right side, the raw material moves from left to right along the bottom surface, so that the raw material is transferred in the processing container 402. There is no need to provide a separate mechanism.
  • the bottom of the processing container 402 is provided with a container window 406 through which ultrasonic waves pass.
  • the processing vessel 402 is installed in the opening of the main housing 412 and the vessel window 406 is immersed in the ultrasonic medium 413.
  • the raw material does not accumulate on the bottom surface of the processing vessel 402 and flows along the inclined surface, so the focus of the ultrasonic transducers 416a, 416b, and 416c is located directly above the inclined surface. It is desirable to.
  • the plurality of ultrasonic transducers 416a, 416b, and 416c may be disposed along the inclined surface such that the same raw material is irradiated to the ultrasonic wave several times.
  • Raw material containers 430, 432, and 434 may be further provided.
  • the raw material containers 430 and 432 store raw materials before ultrasonication.
  • the raw material container 434 stores raw materials after ultrasonication.
  • the raw material container 430 is connected to the raw material inlet 437 of the processing container 402 through the transfer pipe 436, and the raw material transfer through the transfer pipe 436 is controlled through the opening / closing valve 444.
  • the raw material container 432 is connected to the raw material inlet 439 of the processing container 402 through the transfer pipe 438, and the raw material transfer through the transfer pipe 438 is controlled through the opening / closing valve 446.
  • the raw material container 434 is connected to the raw material outlet 441 of the processing container 402 through the transfer pipe 440, and the raw material transfer through the transfer pipe 440 is controlled through the opening / closing valve 448.
  • the raw material container 430 and the raw material container 434 are connected through the transfer pipe 442, and the raw material transfer through the transfer pipe 442 is controlled through the opening / closing valve 450.
  • the delivery tube 438 is connected to the same side of the processing vessel 402 and the delivery tube 440 is connected to the opposite side. That is, the raw material injection holes 470 and 472 are formed on the same side of the processing container 402, and the raw material discharge holes 474 are formed on the opposite side.
  • the guide member 474 is further provided so that the raw material injected through the raw material injection holes 470 and 472 flows down the wall instead of directly falling to the bottom surface of the processing container 402.
  • FIG. 5A is a configuration diagram of the ultrasonic processing apparatus 500 according to the fifth embodiment of the present invention
  • FIG. 5B is a configuration diagram of the ultrasonic wave generation module 504 used in the ultrasonic processing apparatus 500.
  • the ultrasonic processing apparatus 500 includes a processing container 502 in which raw materials to be ultrasonicated are stored, and an ultrasonic wave generating module for irradiating focused ultrasound having a focus on a specific position of the processing container 502 ( 504 and an ultrasonic reflection member 510.
  • the ultrasonic reflective member 510 includes an ultrasonic transducer 516, a cartridge housing 512, an ultrasonic medium 513, and the like.
  • the cartridge housing 512 has a cartridge window 514 formed at the bottom thereof, and an ultrasonic transducer 516 is installed therein.
  • the ultrasonic medium 513 fills the interior of the cartridge housing 512 and delivers the ultrasonic waves generated by the ultrasonic transducer 516 to the cartridge window 514.
  • a moving mechanism 506 is provided for moving the ultrasonic wave generating module 504 so that the focused ultrasonic waves can be evenly irradiated to the raw material stored in the processing container 502.
  • the moving mechanism 506 In the ultrasonic processing apparatus 500, at least a part of the ultrasonic wave generating module 504 is moved by the moving mechanism 506 in a state of being immersed in the raw material inside the processing container 502.
  • the ultrasonic reflection member 510 is connected to and installed in the ultrasonic generation module 504.
  • the ultrasonic reflection member 510 moves together with the ultrasonic wave generation module 504 and is positioned in the ultrasonic irradiation direction of the ultrasonic wave generation module 504 to reflect the ultrasonic waves past the focus of the focused ultrasonic waves in the opposite direction.
  • the ultrasonic reflection member 510 may be formed in a “c” shape.
  • the ultrasonic reflection member 510 is installed so that one surface thereof faces in the irradiation direction of the ultrasonic waves to reflect the ultrasonic waves.
  • the ultrasonic reflective member 510 allows ultrasonic waves to be more uniformly irradiated into the raw material.
  • the stirring unit 508 is installed outside the ultrasonic wave generating module 504.
  • the stirring unit 508 mixes the raw materials when the ultrasonic wave generating module 504 is moved by the moving mechanism 506 so that ultrasonic waves are uniformly irradiated onto the raw materials.
  • the ultrasonic processing apparatus 500 since the ultrasonic generating module 504 is moved by the moving mechanism 506 while a part of the ultrasonic generating module 504 is locked to the raw material inside the processing container 502, the ultrasonic generating module 504 is the processing container. A function of stirring the raw material in 502 is performed. Therefore, the ultrasonic processing apparatus 500 has an advantage that even the simple configuration of the ultrasonic wave can be uniformly irradiated on the raw material.
  • the ultrasonic processing apparatus 600 includes a processing container 602 for storing raw materials to be ultrasonicated, and an ultrasonic wave generating module 604 for generating focused ultrasonic waves.
  • the ultrasonic processing apparatus 600 is equipped with the raw material raising / lowering mechanism 606 which moves the processing container 602 up / down.
  • the ultrasonic processing apparatus 600 further includes a support 608 for supporting the processing container 602 and the ultrasonic wave generating module 604.
  • the support 608 includes a base portion 610 in which the processing container 602 is positioned at an upper portion thereof, and a support portion 612 standing on one side of the base portion 610 to support the ultrasonic wave generating module 604.
  • a moving wheel 614 is installed below the base part 610.
  • the support part 612 is provided with an ultrasonic moving mechanism 616 for moving the ultrasonic wave generating module 604.
  • the ultrasonic wave generating module 604 is installed to the moving mechanism 616 through the support 626.
  • a stirring member 618 is further provided for stirring the raw materials in the processing container 602.
  • the stirring member 618 is rotated by a motor (not shown), has a propeller shape, and a plurality of stirring members 618 may be installed at regular intervals.
  • the stirring member 618 is connected with the ultrasonic wave generating module 604 by the support 624, and moves together when the ultrasonic wave generating module 604 is moved by the moving mechanism 616 to allow the raw materials to be mixed better.
  • the ultrasonic processing apparatus 600 further includes a temperature sensor 620 for sensing the temperature of the raw material in the processing container 602 and a cooling unit 622 for cooling the temperature of the raw material.
  • a temperature sensor 620 for sensing the temperature of the raw material in the processing container 602
  • a cooling unit 622 for cooling the temperature of the raw material.
  • One example of the cooling unit 622 is installed in the processing vessel 602 to directly cool raw materials stored in the processing vessel 602.
  • the cooling unit 622 may be implemented with, for example, a Peltier element.
  • Another example of the cooling unit 622 is as illustrated in FIG. 1 or 2, while cooling the raw material while transferring the raw material in the processing container 602 to an external storage container through a transfer pipe, and back to the processing container 602. It may consist of injecting.
  • the ultrasonic generating module 604 includes a plurality of ultrasonic transducers 706 in the cartridge housing 702 filled with the ultrasonic medium 704.
  • the plurality of ultrasonic transducers 706 are located at different heights or different radii of curvature of the ultrasonic oscillator have different focal lengths from the cartridge window 708.
  • the plurality of ultrasonic transducers 706 may generate ultrasonic waves at different intensities.
  • the ultrasonic transducer 706 is located within the cartridge housing 702 and may be installed to irradiate the ultrasonic wave to the upper side or the lower side of the cartridge housing 702. As in the present embodiment, when the ultrasonic transducer 706 irradiates ultrasonic waves to the lower side of the cartridge housing 702, the cartridge window 708 is installed on the lower surface of the cartridge housing 702. When the ultrasonic transducer 706 irradiates ultrasonic waves to the upper side of the cartridge housing 702, the cartridge window is installed on the upper surface of the cartridge housing 702.
  • the ultrasonic wave generation module 604 supplies power to the plurality of ultrasonic transducers 706 through the power line 708 and a control signal from a controller (not shown) through the control line 710. Further comprising a medium circulation line 714 capable of circulating the ultrasonic medium 703 in the cartridge housing 702, the medium circulation line 714 is provided with a temperature sensor 712 for measuring the temperature of the ultrasonic medium. .
  • the medium circulation line 714 may be configured by tying the power line 708 and the control line 710 into one cable form.
  • the medium circulation line 714 receives temperature information from the temperature sensor 712, and when the medium inside the cartridge housing 702 is heated above a predetermined temperature by ultrasonic waves, the medium is circulated to the outside to appropriately adjust the temperature of the medium. Keep at temperature.
  • the ultrasonic generation module 604 is located in the cartridge housing 702 and further includes a check valve 716.
  • the check valve 716 discharges gas generated inside the cartridge housing 702.
  • the ultrasonic medium can be heated by ultrasonic waves to produce a gas.
  • the gas is present as bubbles inside the cartridge housing 702 and thus prevents the transmission of ultrasonic waves.
  • FIG. 8A is a perspective view of the ultrasonic processing apparatus 800 according to the seventh embodiment of the present invention
  • FIG. 8B is a plan view
  • FIG. 8C is an exploded perspective view
  • FIG. 8D is a sectional view of the ultrasonic wave generating module.
  • a plurality of ultrasonic wave generating modules 802 are radially symmetrically installed on the side surface of the processing container 804.
  • three ultrasonic wave generation modules 802 are installed, but this is only one example.
  • the processing vessel 804 may be a cylindrical vessel.
  • An openable cover 808 having a raw material injection port 806 is provided on the upper portion of the processing container 804.
  • a attracting fan 810 for transferring the raw material to the center of the plurality of ultrasonic wave generation module 802 is installed.
  • the attracting fan 810 is spaced apart from the bottom surface of the cover 808 through the fixed fastening member 812 and is disposed close to the center of the plurality of ultrasonic wave generating modules 802.
  • the attraction pan 810 guides the raw material flow in the processing container 804 to the center of the plurality of ultrasonic wave generating modules 802 so as to uniformly mix the raw materials throughout the processing container 804.
  • the attracting fan 810 forcibly transfers a relatively low specific gravity of the raw materials when the raw materials having different specific gravity are mixed so that the raw materials are better mixed.
  • the ultrasonic generating module 802 includes an ultrasonic transducer 814, a cartridge housing 816 surrounding the ultrasonic transducer 814, a cartridge window 818, and a cartridge window 818, as shown in FIG. 8D.
  • Control board for transmitting an electrical signal to the ultrasonic transducer 814 is coupled to the fixing ring 820, the main housing 822 surrounding the cartridge housing 816, and the back of the main housing 822 824.
  • a hole 826 is formed at the point where the ultrasonic wave generating module 802 is installed in the processing container 804, and the ultrasonic wave generating module 802 is formed so that the cartridge window 818 is positioned inside the processing container 804. 826). Only the cartridge window 818, not the outer wall of the processing container 804, is provided between the ultrasonic transducer 814 and the raw material inside the processing container 804 to facilitate the transfer of the ultrasonic wave to the raw material.
  • the cartridge window 818 is maintained in shape with a retaining ring 820 that secures the edge of the cartridge window 818 to the main housing 822.
  • the ultrasonic wave generation module 802 is provided with a cooling water inlet 828 for introducing coolant into the main housing 822 or discharging the introduced coolant to the outside of the main housing 822.
  • the coolant serves to cool the ultrasonic transducer 814.
  • Cavitation is a large impact phenomenon that occurs when the cavity collapses due to a change in the positive (-) pressure generated when the ultrasonic waves propagate into the inside of the raw material.
  • the pressure is strong enough to reach hundreds of atmospheres, but this phenomenon occurs in extremely short moments, such as tens of milliseconds, and is repeated over and over, allowing for particle dispersion.
  • a cooling module 829 for cooling the raw materials in the processing container 804 is installed at the bottom surface of the processing container 804.
  • the cooling module 829 includes a water block 830 and a water block cover 832 coupled to the bottom surface of the water block 830.
  • the cooling module 829 is formed with a coolant inlet 834 and a coolant outlet 836, whereby the coolant in the water block 830 is maintained at a low temperature.
  • the cooling water increases the dispersion effect due to the ultrasonic wave by lowering the temperature of the raw material at the bottom surface of the processing container 804.
  • the cooling module 829 may be coupled to the top of the processing vessel 804 to facilitate convection inside the processing vessel 804. In addition, it may be installed to surround the processing container 804 such as a cooling jacket to be located close to the point where the ultrasonic dispersion is performed.
  • An outer circumferential surface of the ultrasonic transducer 814 and a tip inner circumferential surface of the cartridge housing 816 may be screwed.
  • the ultrasonic transducer 814 may be rotated to allow the ultrasonic transducer 814 to move forward or backward, thereby facilitating maintenance and repair, or changing the focal position of the focused ultrasound.
  • a rotating actuator (not shown) for rotating the ultrasonic transducer 814 may be installed in the main housing 822.
  • the cartridge housing 816 may move forward or backward with respect to the main housing 822, or both methods may be used. .
  • Power may be sequentially applied to the plurality of ultrasonic transducers 814.
  • a vortex may be formed to apply more energy to the raw material.
  • the main housing 822 may be provided with a tilting actuator (not shown) for changing the angle of the cartridge housing 816.
  • the tilting actuator may change the irradiation angle of the ultrasonic waves emitted from the ultrasonic transducer 814.
  • the ultrasonic wave generating module is installed in the form of ultrasonic transducers 904a and 904b, rather than an ultrasonic cartridge in the processing container 902.
  • two ultrasonic transducers 904a and 904b in the form of hemispheres are installed inside the processing container 902 in a form facing each other.
  • the two ultrasonic transducers 904a and 904b are spaced apart from each other with a slight spacing 905.
  • Ultrasonic transducers 904a and 904b are formed with a raw material inlet hole 906 at a central portion thereof.
  • an ultrasonic medium is required to deliver the ultrasonic waves generated by the ultrasonic transducer to the raw material.
  • the generated ultrasonic wave may be irradiated onto the raw material with maximum efficiency.
  • the ultrasonic processing apparatus 1000 includes raw material containers 1002 and 1004 for storing raw materials, a processing conduit 1006, an ultrasonic wave generating module 1007, and a pump 1032. Ultrasonication of the raw material is performed in the processing conduit 1006.
  • One or a plurality of ultrasonic wave generating modules 1007 may be installed for one treatment pipe line 1006.
  • One or a plurality of treatment pipes may be installed, and when a plurality of treatment pipes are installed, they may be installed in series or in parallel.
  • the ultrasonic irradiation time can be increased.
  • the treatment pipelines are connected in parallel, it is possible to increase the amount of raw material sonicated per unit time.
  • the embodiment shown in FIG. 10 illustrates the case where two processing conduits are connected in parallel.
  • the raw material container 1002 is a container for storing the raw material before the sonication
  • the raw material container 1004 is a container for storing the raw material after the sonication in the processing conduit 1006.
  • the transfer pipe 1008 transfers the raw material stored in the raw material container 1002 to the inlet port 1006a of the processing pipe line 1006.
  • the transfer pipe 1010 transfers the raw material flowing out of the outlet 1006b of the processing pipe line 1006 to the raw material container 1004.
  • the transfer pipe 1012 transfers the raw material stored in the raw material container 1004 to the raw material container 1002.
  • the feed of raw materials in the transfer pipes 1008, 1010, 1012 is performed using a pump (not shown) or gravity.
  • the on-off valve 1014 controls the flow of the raw material in the transfer pipe 1008, the on-off valve 1016 controls the flow of the raw material in the transfer pipe 1010, and the on / off valve 1018 is the transfer pipe 1012. To control the flow of raw materials.
  • the inlet 1006a of the treatment conduit 1006 is preferably positioned below the outlet 1006b for uniform ultrasonic irradiation.
  • An ultrasonic disperser 1024 for mixing heterogeneous components of the raw material may be installed between the inlet port 1006a of the processing conduit and the installation position of the ultrasonic wave generating module 1007.
  • the ultrasonic disperser 1024 performs dispersion before the ultrasonic wave generating module 1007 when the ultrasonic processing apparatus 1000 performs dispersion so that the raw material is more uniformly dispersed.
  • an on / off valve 1020 is installed downstream of the position where the ultrasonic wave generating module 1007 is installed, and an on / off valve 1022 is provided upstream.
  • An on-off valve 1026 may be further installed between the inlet 1006a of the treatment pipe and the ultrasonic disperser 1024.
  • the amount of ultrasonic wave treatment may be increased during a unit time. If the ultrasonic treatment speed is different for each treatment pipe line according to the internal condition of the treatment pipe, the ultrasonic treatment degree of the raw material is different for each treatment pipe line. Therefore, when using a plurality of treatment pipes, it is necessary to make the ultrasonic treatment speed constant for each treatment pipe.
  • a flow sensor 1028 for measuring the amount of raw material transferred from the processing pipe is installed in each processing pipe.
  • the controller 1030 controls the open / close valves 1020, 1022, and 1024 according to the measured value of the flow sensor 1028.
  • the control unit 1030 uses on-off valves 1020 and 1024 to adjust the degree of ultrasonic processing by the ultrasonic wave generating module 1007, and the on / off valve 1024 to adjust the degree of ultrasonic processing by the ultrasonic disperser 1024. 1026).
  • the controller 1030 may confine the raw material between the open / close valves 1020 and 1022 and allow the ultrasonic wave generating module 1007 to sufficiently irradiate the focused ultrasound with the raw material.
  • the oily raw material When the oily raw material is dispersed in the aqueous raw material using the ultrasonic processing apparatus 1000, when both the aqueous raw material and the oily raw material are put into the storage container 1002 and transferred to the processing pipe line 1006 through the transfer pipe 1008, The oily raw material may be attached to the wall of the transfer pipe 1008. The attachment of oily raw materials not only results in the loss of oily raw materials but also causes cleaning problems of the transfer pipe 1008. For this reason, it is preferable that only the aqueous raw material is put in the storage container 1002 and the oily raw material flows into the ultrasonic processing apparatus 1000 near the inlet port 1006a of the processing pipe line 1006.
  • a raw material inlet is provided between the on-off valve 1026 and the ultrasonic disperser 1024 and the oily raw material flows into the ultrasonic processing apparatus 1000 through the raw material inlet.
  • a raw material inlet is provided between the on-off valve 1022 and the installation position of the ultrasonic wave generating module 1007, and the oily raw material is supplied through the raw material inlet. It is preferable to inflow.
  • the ultrasonic processing apparatus 1000 ultrasonication is performed on the raw material in the processing pipe line 1002 through which the raw material is transferred. Compared to the case where the ultrasonic treatment is performed in the processing container as in the ultrasonic processing apparatus 100, uniform ultrasonic irradiation of the raw material is possible and a mechanism for moving the ultrasonic wave generating module is not required. There is an advantage to this.
  • FIG. 11 is a view for explaining a first form in which the ultrasonic wave generating module 1007 is installed in the processing pipeline 1006 in the ninth embodiment shown in FIG. 10. As shown, the ultrasonic wave generating module 1007 is disposed outside the processing conduit 1006.
  • a conduit window 1101 is formed on a wall of the processing conduit 1006 in which the ultrasonic wave generating module 1007 is installed, and a transparent or translucent window 1102 for transmitting ultrasonic waves is attached.
  • the ultrasonic wave generation module 1007 includes an ultrasonic transducer 1104 and an ultrasonic medium 1106 inside the cartridge housing 1103. The focused ultrasound generated by the ultrasonic transducer 1104 is irradiated to the raw material inside the processing conduit 1006 via the ultrasonic medium 1106 and the window 1102.
  • FIG. 12 is a view for explaining a second form in which the ultrasonic wave generating module 1007 is installed in the processing pipeline 1006 in the ninth embodiment shown in FIG. 10. As shown, the ultrasonic wave generating module 1007 is disposed outside the processing conduit 1006.
  • the ultrasonic wave generation module 1007 of the present embodiment has an advantage of easy maintenance because it can be detachably installed in the processing pipe 1006.
  • FIG. 13 is a view for explaining a third form in which the ultrasonic wave generating module 1007 is provided for the processing pipeline 1006 in the ninth embodiment shown in FIG. 10.
  • a conduit window 1301 is formed on the wall of the processing conduit 1006 in which the ultrasonic wave generating module 1007 is installed.
  • the ultrasonic wave generating module 1007 includes an ultrasonic transducer 1304 and an ultrasonic medium 1306 in the cartridge housing 1303.
  • the cartridge housing 1303 has a cartridge window 1308 formed in a direction in which ultrasonic waves are irradiated, and a transparent or translucent window 1309 for transmitting ultrasonic waves is attached.
  • the cartridge housing 1303 is provided with a guide portion 1310 by inclining the upstream sidewall to reduce the resistance to the material flow.
  • the focused ultrasound generated by the ultrasonic transducer 1304 is irradiated to the raw material inside the processing conduit 1006 via the ultrasonic medium 1306 and the window 1309.
  • the window 1309 of the ultrasonic wave generation module 1007 is located inside the processing conduit 1006 through the conduit window 1301. In this embodiment, since the ultrasonic wave is irradiated to the raw material while the raw material passes through the narrow space between the windows 1308, the ultrasonic irradiation to the raw material is more uniform.
  • FIG. 14 is a view for explaining an installation form of the ultrasonic wave generating module 1007 viewed from the direction “A” of FIG. 13.
  • the treatment pipeline 1006 preferably has a polygonal shape in order to facilitate the installation of the ultrasonic wave generating module 1007.
  • the plurality of ultrasonic wave generating modules 1007 are installed in one processing pipe line 1006, when the ultrasonic waves generated in one ultrasonic wave generating module 1007 reach another ultrasonic wave generating module, the ultrasonic wave generating module may be damaged. have. Therefore, it is necessary to arrange a plurality of ultrasonic generating modules so that the ultrasonic interference is small. For this reason, FIG. 14 illustrates a hexagonal treatment conduit 1006.
  • a triangular treatment tube is also possible, but the hexagonal treatment tube has the advantage of low resistance to raw material flow.
  • FIG. 15 is a view for explaining a fourth form in which the ultrasonic wave generating module 1007 is installed in the processing pipeline 1006 in the ninth embodiment shown in FIG. 10. As shown, the ultrasonic wave generating module 1007 is disposed outside the processing conduit 1006.
  • the processing conduit 1006 has a region 1508 having a relatively narrow diameter, and the focal point of the ultrasonic generating module 1007 is focused on the narrow diameter region 1508.
  • a conduit window 1501 is formed on a wall of the processing conduit 1006 in which the ultrasonic wave generating module 1007 is installed, and a transparent or translucent window 1502 for transmitting ultrasonic waves is attached.
  • the ultrasonic wave generation module 1007 includes an ultrasonic transducer 1504 and an ultrasonic medium 1506 in the cartridge housing 1503. The focused ultrasound generated by the ultrasonic transducer 1504 is irradiated to the raw material inside the processing conduit 1006 via the ultrasonic medium 1506 and the window 1502.
  • the ultrasonic wave is irradiated to the raw material while the raw material passes through the narrow diameter region 1508, the ultrasonic irradiation to the raw material is more uniform.
  • a pump may be installed in the transfer pipe to transfer the raw material, but this is too obvious to those skilled in the art, and thus the pump is not shown for convenience of description.
  • a cooling mechanism for cooling the ultrasonic medium and a cooling mechanism for cooling the raw material such cooling mechanism may be selectively used in all embodiments.

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Abstract

본 발명은 집속 초음파를 이용하여 분산, 추출 등을 수행하는 초음파 처리 장치에 관한 것이다. 본 발명의 초음파 처리 장치는 원료가 저장 또는 이송되는 처리 챔버와, 처리 챔버의 특정 위치에 초점을 갖는 집속 초음파를 조사하는 초음파 발생 모듈을 포함한다. 초음파 발생 모듈은 초음파 트랜스듀서를 구비하고, 초음파 트랜스듀서는 타원형 발진체를 구비한다. 본 발명에 의해 집속 초음파로 유성 성분과 수성 성분의 분산을 수행하면 인체에 유해한 계면활성제를 사용하지 않고서도 분산된 용액을 성분 분리 없이 장기간 보관할 수 있다. 또한, 천연 물질로부터 기능성 성분을 추출할 때 추출 효율이 높고 기능성 성분이 변성될 우려가 없다는 장점이 있다.

Description

초음파 처리 장치
본 발명은 초음파 처리 장치에 관한 것으로서, 특히 집속 초음파(focused ultrasonic wave)를 이용하여 분산, 추출 등을 수행하는 초음파 처리 장치에 관한 것이다.
수성 원료에 유성 원료를 분산시킬 때 사용되는 계면활성제는 인체에 유해하다. 따라서 방사상으로 조사되는 초음파로 분산(dispersion)을 수행하는 기술이 제안되고 있으나, 장시간 보관하는 경우 수성 원료와 유성 원료가 다시 분리되는 문제점이 있다.
초음파를 이용하여 천연 물질로부터 기능성 성분을 추출(extraction)하는 기술도 제안되고 있다. 열을 사용하면 기능성 성분이 추출 과정에서 변성될 우려가 있으나, 초음파 추출은 이런 우려가 적다. 하지만 방사상으로 조사되는 초음파를 추출에 이용하는 경우, 천연 물질의 강한 세포벽으로 인해 기능성 성분이 충분히 추출되지 않는 문제점이 있다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
1. 한국공개특허공보 제10-2012-0096377호 (초음파 분산기)
2. 한국등록특허공보 제10-0992371호 (상온 초음파 추출장치)
본 발명은 전술한 바와 같은 종래 기술의 문제점이 없이 초음파로 원료를 처리하는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 초음파를 이용하여 원료를 처리하는 장치에 있어서, 원료가 저장 또는 이송되는 처리 챔버와, 상기 처리 챔버의 특정 위치에 초점을 갖는 집속 초음파를 조사하는 초음파 발생 모듈을 포함하고, 상기 초음파 발생 모듈은 초음파 트랜스듀서를 구비하고, 상기 초음파 트랜스듀서는 타원형 발진체를 구비하여 집속 초음파를 생성하는 것을 일 측면으로 한다.
바람직하게는, 상기 초음파 매질의 온도를 하강시키는 냉각장치를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 처리 챔버로 공급되는 원료를 저장하는 처리전 저장용기와, 상기 처리 챔버에서 초음파 처리된 원료를 저장하는 처리후 저장용기를 더 포함한다. 상기 처리후 저장용기 내의 원료를 상기 처리전 저장용기로 전달하는 순환 이송관을 더 포함한다. 상기 순환 이송관의 특정 위치에 설치되어 상기 처리후 저장용기로부터 상기 처리전 저장용기로의 원료의 이송을 제어하는 개폐밸브를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 초음파 발생 모듈은 상기 초음파 트랜스듀서가 내부에 설치되고 특정 위치에 카트리지 윈도우를 갖는 카트리지 하우징과, 상기 카트리지 하우징의 내부에 채워지고 상기 초음파 트랜스듀서에서 생성된 초음파를 상기 카트리지 윈도우로 전달하는 초음파 매질을 더 구비한다.
상기 처리 챔버의 일 형태는 원료가 저장되는 처리 용기이다.
바람직하게는, 상기 초음파 트랜스듀서를 상기 처리 용기에 대해 이동시키는 이동수단을 더 포함한다. 또한, 상기 처리 용기를 이동시키는 이동수단을 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 처리 용기에 대해 상기 초음파 발생 모듈을 이동시키는 이동 수단과, 상기 초음파 발생 모듈에 부착되어 상기 처리 용기 내의 원료를 혼합하는 교반기를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 초음파 발생 모듈은 상기 처리 용기의 위에 배치되고, 상기 카트리지 윈도우는 하향한다.
바람직하게는, 상기 초음파 발생 모듈은 상기 처리 용기의 아래에 배치되고, 상기 카트리지 윈도우는 상향한다. 상기 카트리지 하우징은 상기 카트리지 윈도우의 주변부에 에어 포켓부를 형성하기 위하여 단차를 구비한다.
바람직하게는, 상기 초음파 발생 모듈은 상기 카트리지 하우징의 내부에 복수의 초음파 트랜스듀서를 구비한다. 상기 복수의 초음파 트랜스듀서는 적어도 2개의 초점이 상기 카트리지 윈도우로부터 거리가 상이하다.
바람직하게는, 상기 카트리지 윈도우는 상기 처리 용기의 내부에 위치한다. 상기 처리 용기에 복수개의 초음파 발생 모듈이 설치되고, 상기 복수개의 초음파 카트리지의 초점이 동일하다.
바람직하게는, 상기 처리 용기 내에서 원료를 교반하는 팬을 더 포함한다. 상기 초음파 트랜스듀서는 상기 처리 용기에 대해 전진 또는 후진 가능하게 설치된다. 상기 처리 용기 내의 원료를 냉각시키는 수단을 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 처리 용기는 원료 주입구를 2개 이상 구비한다. 상기 원료 주입구를 통한 상기 처리 용기에의 원료 주입을 제어하는 개폐 밸브를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 처리 용기에 적어도 2개의 성분을 갖는 원료가 저장되는 경우 상기 초음파 발생 모듈의 초점이 상기 원료의 경계면에 맞춰진다.
바람직하게는, 상기 처리 용기의 내부에 격리실을 더 포함하고, 상기 격리실은 초음파가 통과하는 윈도우를 구비하며, 상기 초음파 발생 모듈의 초점은 상기 격리실의 내부에 맞춰진다. 상기 격리실은 상기 처리 용기로부터 원료가 유입되는 유입 도어와, 상기 처리 용기로 원료가 유출되는 유출 도어를 구비하며, 상기 유입 도어 또는 유출 도어의 근방에 설치되고 원료를 유동시키는 팬을 더 포함한다.
바람직하게는 상기 처리 용기의 바닥면은 지면에 대해 경사를 갖는 경사면으로 구성된다. 상기 초음파 발생 모듈의 초점은 상기 경사면의 바로 위에 위치한다. 상기 초음파 발생 모듈은 상기 경사면을 따라 복수개의 초음파 트랜스듀서를 구비한다. 또한, 상기 경사면의 경사를 가변시키는 경사 조정부를 더 포함한다.
상기 처리 챔버의 다른 형태는 원료가 이송되는 처리 관로이다.
바람직하게는, 상기 초음파 발생 모듈은 상기 처리 관로의 외부에 배치되고, 상기 초음파 발생 모듈과 상기 처리 관로의 사이에 초음파 매질이 구비된다.
바람직하게는, 상기 처리 관로는 상기 초음파 발생 모듈의 설치를 위해 다각형 단면을 갖는다.
바람직하게는, 상기 처리 관로의 유입구는 유출구보다 아래쪽에 위치하도록 설치된다.
바람직하게는, 상기 처리 관로에서 상기 처리 관로의 유입구와 상기 초음파 발생 모듈의 설치 위치의 사이에 설치되고, 원료의 이종 성분을 혼합하는 초음파 분산기를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 처리 관로에서 상기 초음파 발생 모듈의 설치 위치의 하류에 원료의 흐름을 제어하는 제1 개폐밸브를 더 포함한다. 상기 처리 관로에서 상기 초음파 발생 모듈의 설치 위치의 상류에 원료의 흐름을 제어하는 제2 개폐밸브를 더 포함한다. 상기 처리 관로에 설치되고 상기 처리 관로에서 이송되는 원료의 양을 측정하는 플로우 센서(flow sensor)를 더 포함하고, 상기 플로우 센서의 측정값에 따라 상기 제1 또는 제2 개폐밸브가 제어된다. 상기 처리 관로에서 상기 처리 관로의 유입구와 상기 초음파 분산기의 사이에 원료의 흐름을 제어하는 제3 개폐밸브를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 처리 관로에서 상기 제3 개폐밸브와 상기 초음파 분산기의 설치 위치의 사이에 원료 주입구가 설치된다. 또는 상기 처리 관로에서 상기 제2 개폐밸브와 상기 초음파 발생 모듈의 설치 위치의 사이에 원료 주입구가 설치된다.
바람직하게는, 상기 처리 관로는 상대적으로 좁은 직경을 갖는 집중부를 갖고, 상기 초음파 카트리지의 초점은 상기 집중부에 맞춰진다.
본 발명에 의해 집속 초음파로 유성 성분과 수성 성분의 분산을 수행하면 인체에 유해한 계면활성제를 사용하지 않고서도 분산된 용액을 성분 분리 없이 장기간 보관할 수 있다. 또한, 천연 물질로부터 기능성 성분을 추출할 때 추출 효율이 높고 기능성 성분이 변성될 우려가 없다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 초음파 처리 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 초음파 처리 장치의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 초음파 처리 장치의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 초음파 처리 장치의 구성도이다.
도 5a는 본 발명의 제5 실시예에 따른 초음파 처리 장치의 구성도이고, 도 5b는 초음파 생성 모듈의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 제6 실시예에 따른 초음파 처리 장치의 구성도이다.
도 7은 도 6의 초음파 처리 장치에 적용된 초음파 발생 모듈의 상세도이다.
도 8a는 본 발명의 제7 실시예에 따른 초음파 처리 장치의 사시도이고, 도 8b는 평면도이며, 도 8c는 분해 사시도이고, 도 8d는 초음파 생성 모듈의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 제8 실시예에 따른 초음파 처리 장치의 개념도이다.
도 10은 본 발명의 제9 실시예에 따른 초음파 처리 장치의 구성도이다.
도 11은 도 10에 도시된 제9 실시예에서 처리 관로에 대해 초음파 발생 모듈을 설치한 제1 형태를 설명하는 도면이다.
도 12는 도 10에 도시된 제9 실시예에서 처리 관로에 대해 초음파 발생 모듈을 설치한 제2 형태를 설명하는 도면이다.
도 13은 도 10에 도시된 제9 실시예에서 처리 관로에 대해 초음파 발생 모듈을 설치한 제3 형태를 설명하는 도면이다.
도 14는 도 13의 “A”방향에서 바라본 초음파 발생 모듈(1007)의 설치 형태를 설명하는 도면이다.
도 15는 도 10에 도시된 제9 실시예에서 처리 관로에 대해 초음파 발생 모듈을 설치한 제4 형태를 설명하는 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 초음파 처리 장치(100)의 구성도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 초음파 처리 장치(100)는 초음파 처리되는 원료가 저장되는 처리 용기(102)와, 처리 용기(102)의 특정 위치에 초점을 갖는 집속 초음파를 조사하는 초음파 발생 모듈(110)을 구비한다. 초음파 발생 모듈(110)은 처리 용기(102)의 위쪽에 위치한다. 도 1에서 이해의 편의를 위해 처리 용기(102), 초음파 발생 모듈(110) 등은 단면도로 표시하였다.
초음파 발생 모듈(110)은 초음파 트랜스듀서(116), 카트리지 하우징(112), 초음파 매질(113) 등을 구비한다. 초음파 트랜스듀서(116)는 타원형 발진체(117)를 구비하여 집속 초음파를 생성한다. 카트리지 하우징(112)의 내부에 초음파 트랜스듀서(116)가 설치된다. 카트리지 하우징(112)은 하부에 개구부가 형성되고, 개구부에는 초음파를 투과시키는 카트리지 윈도우(114)가 부착된다. 초음파 매질(113)은 카트리지 하우징(112)의 내부에 채워지고 초음파 트랜스듀서(116)에서 생성된 초음파를 카트리지 윈도우(114)로 전달한다.
처리 용기(102)에는 초음파 발생 모듈(110)이 분리 가능하게 장착되는 결합부(104)가 설치되며, 초음파 처리되는 원료가 저장된다. 초음파 발생 모듈(110)은 집속 초음파를 조사하여 처리 용기(102)에 저장된 예를 들어, 화장품 원료의 입자를 미세화 하거나 각종 동식물, 버섯, 해산물, 해초, 유기물 등의 천연 물질로부터 기능성 성분을 추출한다.
화장품 원료는 수성 원료, 유성 원료, 기능성 원료를 포함할 수 있다. 수성 원료는 정제수, 알콜 등을 포함하고, 유성 원료는 식물성 오일류, 동물성 오일류, 광물성 오일류, 고급 지방산, 고급 지방 알코올, 에스테르 왁스 등을 포함하며, 기능성 원료는 나이아신아마이드(Niacinamide) 등과 같은 미백 기능성 원료, 레티놀(Retinol), 콜라겐, 아데노신(Adenocine) 등과 같은 주름 개선 기능성 원료, 글리세릴파바(GlycerylPABA), 드로메트리졸(Drometrizole) 등과 같은 자외선 차단 기능성 원료, 알부틴 아데노신과 같은 미백과 주름 개선 기능성 원료 등을 포함한다.
초음파 처리 장치(100)가 분산을 수행하는 경우 처리 용기(102)에는 2 이상의 원료가 혼합되어 저장된다. 예를 들어, 처리 용기(102)에는 수성 원료와 유성 원료가 혼합되어 저장된다. 초음파 발생 모듈(110)은 수성 원료와 유성 원료가 혼합된 혼합원료에 집속 초음파를 조사함으로써, 수성 원료의 미세화된 입자와 유성 원료의 미세화된 입자가 서로 혼합되도록 한다. 집속 초음파를 사용하는 경우 방사상으로 조사되는 초음파에 비해 에너지가 높아 입자가 더욱 미세화됨으로 수성 원료와 유성 원료가 혼합된 상태로 장기간 유지할 수 있다. 초음파 처리 장치(100)에서 분산을 수행하는 경우 초음파 발생 모듈(110)의 초점은 수성 원료와 유성 원료의 경계면에 맞춰지는 것이 바람직하다.
집속 초음파가 처리 용기(102)에 저장된 원료에 고르게 조사될 수 있도록 초음파 트랜스듀서(116)를 이동시키는 이동기구(118)가 초음파 발생 모듈(110)의 내부에 설치되거나, 또는 처리 용기(102) 내의 원료에 진동을 전달하여 흔드는 원료 유동기기(미도시됨)가 처리 용기(102)에 설치된다.
초음파 발생 모듈(110)은 초음파가 투과되는 카트리지 윈도우(114)가 원료(103)의 수면(水面)과 접촉하거나, 일부가 원료 내로 잠기게 설치된다. 따라서 초음파 발생 모듈(110)에서 발생된 초음파가 공기를 통과하지 않고 원료(103)에 조사된다.
카트리지 윈도우(114)는 초음파를 투과할 수 있는 반투명 또는 투명 재질의 필름이다. 본 실시예에서 카트리지 윈도우(114)는 캡톤 필름이나, 초음파를 원활하게 통과시킬 수 있는 공지의 다른 재질일 수 있다.
이동기구(118)는 초음파 트랜스듀서(116)에서 생성된 집속 초음파가 처리 용기(102) 내의 원료(103)에 골고루 조사되도록 초음파 트랜스듀서(116)를 이동시킨다. 이동기구(118)는 초음파 트랜스듀서(116)를 X축 방향으로 이동시키는 X축 이동부(118a), Y축 방향으로 이동시키는 Y축 이동부(118b), Z축 방향으로 이동시키는 Z축 이동부(118c)로 구성된다.
본 실시예에서 이동기구(118)는 초음파 트랜스듀서(116)가 X/Y/Z축을 따라 직선 운동을 하도록 구성되나, 초음파 트랜스듀서가 피벗 운동, 시계추 운동, 나선형 운동 등의 다양한 형태로 움직이도록 구성될 수 있다. 또한, 본 실시예에서 이동기구(118)는 카트리지 하우징(112)의 내부에 위치되고, 초음파 트랜스듀서(116)와 연결되어 초음파 트랜스듀서(116)를 이동시키도록 구성되나, 이동기구는 카트리지 하우징의 외측에 위치하여 카트리지 하우징을 이동시키도록 구성될 수 있다.
또한, 처리 용기(102) 내의 원료를 흔들어 집속 초음파가 원료에 고르게 조사될 수 있도록 원료 유동기기(미도시됨)가 구비될 수 있다. 상기 원료 유동기기는 처리 용기(102)가 시계추 운동, 회전 운동 등을 하도록 구성될 수 있다. 또한, 처리 용기(102)의 내부에 원료를 교반하는 교반 날개(미도시됨)가 구비될 수 있다.
집속 초음파가 처리 용기(102) 내의 원료(103)에 조사되면 원료(103)의 온도가 상승하여 가스가 발생할 수 있다. 이 가스를 방출할 수 있도록 결합부(104)에는 가스 방출구(미도시됨)가 형성될 수 있다.
초음파 발생 모듈(110)이 장시간 집속 초음파를 생성하면 초음파 매질(113)의 온도가 상승하게 되므로 초음파 매질(113)을 냉각시키는 냉각기구가 필요하다. 본 실시예에서 매질 냉각기구는 카트리지 하우징(112)에 삽입되어 초음파 매질(113)과 접촉하는 금속판(120)과, 금속판(120)을 통해 전달된 열을 공기 중으로 발산하는 히트 싱크(heat sink, 122)로 구성된다. 히트 싱크(122) 대신에 펠티어 소자가 사용될 수 있다.
원료 용기(130, 132, 134)가 더 구비될 수 있다. 원료 용기(130, 132)에는 초음파 처리 전의 원료가 저장된다. 원료 용기(134)에는 초음파 처리 후의 원료가 저장된다. 원료 용기(130)는 이송관(136)을 통해 처리 용기(102)의 원료 주입구(137)에 연결되며, 이송관(136)을 통한 원료 이송은 개폐밸브(144)를 통해 조절된다. 원료 용기(132)는 이송관(138)을 통해 처리 용기(102)의 원료 주입구(139)와 연결되며, 이송관(138)을 통한 원료 이송은 개폐밸브(146)를 통해 조절된다. 원료 용기(134)는 이송관(140)을 통해 처리 용기(102)의 원료 배출구(141)와 연결되며, 이송관(140)을 통한 원료 이송은 개폐밸브(148)를 통해 조절된다. 원료 용기(130)와 원료 용기(134)는 이송관(142)를 통해 연결되며, 이송관(142)을 통한 원료 이송은 개폐밸브(150)를 통해 조절된다.
수성 원료에 유성 원료를 분산하는 경우 부피가 큰 원료, 예를 들어 수성 원료는 원료 용기(130)에 저장되고, 부피가 작은 원료, 예를 들어 유성 원료는 원료 용기(132)에 저장된다. 원료 용기(130, 132)에 저장된 원료는 초음파 처리를 위해 개폐밸브(144, 146)가 개방된 상태에서 펌프(미도시됨)를 통해 처리 용기(102) 내로 이송된다. 처리 용기(102)에서 초음파 처리된 원료는 개폐밸브(148)를 개방하여 원료 용기(134) 내로 이송된다.
1회의 초음파 처리가 충분하지 않은 경우 반복해서 초음파 처리를 수행할 필요가 있다. 이 경우는 개폐밸브(150)를 개방하여 초음파 처리된 후 원료 용기(134)에 저장되어 있는 원료를 이송관(142)을 통해 원료 용기(130)로 이송한다. 원료 용기(130)로 이송된 원료는 이송관(136)을 통해 처리 용기(102)로 이송되어 다시 초음파 처리된다. 즉, 원료 용기(134), 이송관(142), 원료용기(130), 처리용기(102)의 순서로 원료가 순환하게 된다.
분산 처리의 경우 처리 용기(102) 내에서 예를 들어, 수성 원료의 수면에 얇게 유성 원료가 떠있으므로 초음파 발생 모듈(110)에서 생성된 집속 초음파의 초점은 원료의 수면 근처에 형성될 필요가 있다. 본 실시에서와 같이, 초음파 발생 모듈(110)에서 생성된 집속 초음파가 처리 용기(102)의 바닥면을 향해 조사되는 경우에는 원료가 바닥면에 붙을 수 있다. 따라서 이동기구(118)는 세정 모드에서 집속 초음파의 초점이 바닥면 근처에 형성되도록 하여 바닥면에 붙은 원료를 떼어내는 것이 바람직하다.
본 실시예에서는 초음파 트랜스듀서(116)가 처리 용기(102) 내의 원료와 직접 접촉하지 않으므로 초음파 처리 중에 유해 성분이 생성되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 처리 용기(102)로부터 초음파 발생 모듈(110)을 분리하기가 용이하므로 초음파 트랜스듀서(116)를 교체하기가 용이하다. 또한, 본 실시예에서는 처리 용기(102)에 안정적으로 저장된 원료에 이동기구(118)를 통해 집속 초음파를 균일하게 조사할 수 있는 장점이 있다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 초음파 처리 장치의 구성도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 초음파 처리 장치(200)는 초음파 처리되는 원료가 저장되는 처리 용기(202)와, 처리 용기(202)의 특정 위치에 초점을 갖는 집속 초음파를 조사하는 초음파 발생 모듈(210)을 구비한다. 초음파 처리 장치(200)는 초음파 발생 모듈(210)이 처리 용기(202)의 아래쪽에 위치하는 점에서 도 1에 도시된 초음파 처리 장치(100)와 상이하다.
초음파 발생 모듈(210)은 초음파 트랜스듀서(216), 카트리지 하우징(212), 초음파 매질(213) 등을 구비한다. 초음파 트랜스듀서(216)는 타원형 발진체(217)를 구비하여 집속 초음파를 생성한다. 카트리지 하우징(212)의 내부에 초음파 트랜스듀서(216)가 설치되고, 상부에는 개구부가 형성되며, 이 개구부에는 카트리지 윈도우(214)가 부착된다. 초음파 매질(213)은 카트리지 하우징(212)의 내부에 채워지고 초음파 트랜스듀서(216)에서 생성된 초음파를 카트리지 윈도우(214)로 전달한다.
집속 초음파가 처리 용기(202)에 저장된 원료에 고르게 조사될 수 있도록 초음파 트랜스듀서(216)를 이동시키는 이동기구(218)가 초음파 발생 모듈(210)에 설치되거나, 또는 처리 용기(202) 내의 원료에 진동을 전달하여 흔드는 원료 유동기기(도시되지 않음)가 처리 용기(202)에 설치된다.
초음파 발생 모듈(210)에 처리 용기(202)를 분리 가능하게 장착하기 위한 결합부(204)가 형성된다. 처리 용기(202)의 바닥면에는 초음파가 투과하는 용기 윈도우(206)가 설치된다. 초음파 발생 모듈(210)이 상부를 향하게 설치되므로 카트리지 윈도우(214)에 처짐이 발생하여 카트리지 윈도우(214)와 용기 윈도우(206) 사이에 간격이 형성될 수 있다. 윈도우(206, 214) 사이에 간격이 형성되는 경우 초음파가 공기 중에서 전달되지 못하고 손실이 크게 발생되는 문제점이 있다. 이러한 현상의 방지를 위해 윈도우(206, 214) 사이에 초음파를 전달할 수 있는 매질이 채워진다. 또는 용기 윈도우(206)는 처리 용기(202) 내부에 채워지는 원료의 하중에 의해 처짐이 발생되어 카트리지 윈도우(214)에 밀착되는 필름재로 형성된다. 즉, 용기 윈도우(206)는 필름재로 처짐이 발생되어 마찬가지로 처짐이 발생된 카트리지 윈도우(214)에 밀착됨으로써 윈도우(206, 214)의 사이에 빈 공간이 형성되지 않도록 한다.
초음파 발생 모듈(210)에 초음파 매질을 완전히 채울 수는 없으므로 카트리지 윈도우(214)가 카트리지 하우징(212) 내에서의 초음파 매질(213)의 통상적인 수면보다 낮게 위치하도록 카트리지 하우징(212)을 구성할 필요가 있다. 이를 위해 카트리지 하우징(212)은 상면 둘레부(225)가 카트리지 윈도우(214)에 비해 단차를 갖도록 하여 에어 포켓부(226)를 형성한다.
이동기구(218)는 초음파 트랜스듀서(216)에서 생성된 집속 초음파가 저장 용기(202) 내의 원료에 골고루 조사되도록 초음파 트랜스듀서(216)를 이동시킨다. 본 실시예에서 이동기구(218)는 초음파 트랜스듀서(216)를 X축 방향으로 이동시키는 X축 이동부(218a), Y축 방향으로 이동시키는 Y축 이동부(218b), Z축 방향으로 이동시키는 Z축 이동부(218c)로 구성된다.
처리 용기(202) 내의 원료를 흔들어 집속 초음파가 원료에 고르게 조사될 수 있도록 원료 유동기기(미도시됨)가 구비될 수 있다. 상기 원료 유동기기는 처리 용기(202)가 시계추 운동, 회전 운동 등을 하도록 구성될 수 있다. 또한, 처리 용기(202)의 내부에 원료를 교반하는 교반 날개(미도시됨)가 구비될 수 있다.
집속 초음파가 처리 용기(202) 내의 원료에 조사되면 원료의 온도가 상승하여 가스가 발생할 수 있다. 이 가스를 방출할 수 있도록 처리 용기(202)의 상부에는 가스 방출구(252)가 형성될 수 있다. 또한 가스 방출구(252)에는 소정 크기 이상의 압력에서 개방되는 체크 밸브(254)가 구비될 수 있다.
초음파 발생 모듈(210)이 장시간 집속 초음파를 생성하면 초음파 매질(213)의 온도가 상승하게 되므로 초음파 매질(213)을 냉각시키는 냉각기구가 필요하다. 본 실시예에서 매질 냉각기구는 카트리지 하우징(112)에 삽입되어 초음파 매질(113)과 접촉하는 금속판(220)과, 금속판(220)을 통해 전달된 열을 공기 중으로 발산하는 히트 싱크(222)로 구성된다. 히트 싱크(222) 대신에 펠티어 소자가 사용될 수 있다.
원료 용기(230, 232, 234)가 더 구비될 수 있다. 원료 용기(230, 232)에는 초음파 처리 전의 원료가 저장된다. 원료 용기(234)에는 초음파 처리 후의 원료가 저장된다. 원료 용기(230)는 이송관(236)을 통해 처리 용기(202)의 원료 주입구(237)에 연결되며, 이송관(236)을 통한 원료 이송은 개폐밸브(244)를 통해 조절된다. 원료 용기(232)는 이송관(238)을 통해 처리 용기(202)의 원료 주입구(239)와 연결되며, 이송관(238)을 통한 원료 이송은 개폐밸브(246)를 통해 조절된다. 원료 용기(234)는 이송관(240)을 통해 처리 용기(202)의 원료 배출구(241)와 연결되며, 이송관(240)을 통한 원료 이송은 개폐밸브(248)를 통해 조절된다. 원료 용기(230)와 원료 용기(234)는 이송관(242)를 통해 연결되며, 이송관(242)을 통한 원료 이송은 개폐밸브(250)를 통해 조절된다.
본 실시예에서는 초음파 트랜스듀서(216)가 처리 용기(202) 내의 원료와 직접 접촉하지 않으므로 초음파 처리 중에 유해 성분이 생성되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 처리 용기(202)로부터 초음파 발생 모듈(210)을 분리하기가 용이하므로 초음파 트랜스듀서(216)를 교체하기가 용이하다. 또한, 본 실시예에서는 처리 용기(202)에 안정적으로 저장된 원료에 이동기구(218)를 통해 집속 초음파를 균일하게 조사할 수 있다. 또한, 초음파 발생 모듈(210)에서 생성된 초음파가 원료의 수면을 향하므로 처리 용기(202)의 바닥면에 원료에 부착할 우려가 적어 청소의 필요성이 적다는 장점이 있다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 초음파 처리 장치의 구성도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 초음파 처리 장치(300)는 초음파 처리되는 원료가 저장되는 처리 용기(202)와, 처리 용기(302)의 특정 위치에 초점을 갖는 집속 초음파를 조사하는 초음파 발생 모듈(310)을 구비한다.
초음파 발생 모듈(310)은 초음파 트랜스듀서(316), 카트리지 하우징(312), 초음파 매질(313) 등을 구비한다. 카트리지 하우징(312)은 상부에 카트리지 윈도우(314)가 형성된다. 초음파 매질(313)은 카트리지 하우징(312)의 내부에 채워지고 초음파 트랜스듀서(316)에서 생성된 초음파를 카트리지 윈도우(214)로 전달한다. 초음파 발생 모듈(310)의 초점은 트랜스듀서(316)는 처리 용기(302)의 바닥면 즉, 용기 윈도우(306)의 상면 근처에 맞춰진다.
처리 용기(302)의 내부에서 바닥부에는 격리실(370)이 설치된다. 격리실(370)은 초음파가 통과하는 윈도우를 구비한다. 본 실시예에서는 초음파 발생 모듈(310)이 처리 용기(302)의 하부에 위치하므로 윈도우가 격리실의 바닥에 형성된다. 초음파 발생 모듈(310)의 초점은 격리실(370)의 내부에 맞춰진다. 격리실(370)은 처리 용기(302)로부터 원료가 유입되는 유입구(372)와, 처리 용기(302)로 원료가 유출되는 유출구(374)를 구비한다. 유입구(372)에는 격리실(370)의 내부로 열리는 유입 도어(376)가 설치되고, 유출구(374)에는 격리실(370)의 외부로 열리는 유출 도어(378)가 설치된다. 유입 도어(376) 또는 유출 도어(378)의 근방에는 원료를 유동시키는 원료 이송 팬(380, 382)이 설치될 수 있다.
원료 이송 팬(380, 382)의 동작에 의해 처리 용기(302) 내부의 원료는 유입구(372)를 통해 격리실(370)의 내부로 유입된다. 격리실(370)의 내부로 유입된 원료는 격리실을 따라 이송되는 동안 집속 초음파에 의해 처리되고, 유출구(374)를 통해 유출된다.
집속 초음파가 처리 용기(302) 내의 원료에 조사되면 원료의 온도가 상승하여 가스가 발생할 수 있다. 이 가스를 방출할 수 있도록 처리 용기(302)의 상부에는 가스 방출구(352)가 형성될 수 있다. 또한 가스 방출구(352)에는 소정 크기 이상의 압력에서 개방되는 체크 밸브(354)가 구비될 수 있다.
본 실시예에서는 격리실(370)을 구비하고, 처리 용기(302) 내의 원료(303)를 격리실(370)로 이송하여 초음파 처리함으로써 원료(303)에 보다 균일하게 초음파를 조사할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 초음파 처리 장치(400)의 구성도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 초음파 처리 장치(400)는 초음파 처리되는 원료가 저장되는 처리 용기(402)와, 처리 용기(202)의 특정 위치에 초점을 갖는 집속 초음파를 조사하는 초음파 발생 모듈(410)을 구비한다.
초음파 발생 모듈(410)은 초음파 트랜스듀서(416a, 416b, 416c), 초음파 매질(413), 메인 하우징(411)을 구비한다. 초음파 매질(413)은 메인 하우징(412)의 내부에 채워지고 초음파 트랜스듀서(416a, 416b, 416c)에서 생성된 초음파를 전달한다.
집속 초음파가 처리 용기(402)에 저장된 원료에 고르게 조사될 수 있도록 초음파 트랜스듀서(416a, 416b, 416c)를 이동시키는 이동기구(418)가 초음파 발생 모듈(410)에 설치된다.
메인 하우징(412)의 상면에는 개구부가 형성된다. 경사 조절 기둥(464a, 464b)은 그 일단이 처리 용기(402)의 바닥면을 지지한다. 경사 조절부(462a, 462b)는 경사 조절 기둥(464a, 464b)의 높이를 조절함으로써 처리 용기(402)의 바닥면이 지면에 대해 갖는 경사를 조절할 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 처리 용기(402)의 바닥면의 왼쪽을 오른쪽에 비해 높게 하면 원료는 바닥면을 따라 왼쪽에서 오른쪽으로 이동하게 되므로, 처리 용기(402) 내에서 원료의 이송을 위한 별도의 기구를 구비할 필요가 없다.
처리 용기(402)의 바닥면에는 초음파가 투과하는 용기 윈도우(406)가 설치된다. 처리 용기(402)는 메인 하우징(412)의 개구부에 설치되며, 용기 윈도우(406)는 초음파 매질(413)에 잠겨 있다.
처리 용기(402)의 바닥면이 지면에 대해 경사면이면 원료가 처리 용기(402)의 바닥면에 쌓이지 않고 경사면을 따라 흐르게 되므로 초음파 트랜스듀서(416a, 416b, 416c)의 초점은 경사면의 바로 위에 위치하는 것이 바람직하다. 복수의 초음파 트랜스듀서(416a, 416b, 416c)는 상기 경사면을 따라 배치됨으로써 동일한 원료가 여러 번 초음파에 조사되도록 할 수 있다.
원료 용기(430, 432, 434)가 더 구비될 수 있다. 원료 용기(430, 432)에는 초음파 처리 전의 원료가 저장된다. 원료 용기(434)에는 초음파 처리 후의 원료가 저장된다. 원료 용기(430)는 이송관(436)을 통해 처리 용기(402)의 원료 주입구(437)에 연결되며, 이송관(436)을 통한 원료 이송은 개폐밸브(444)를 통해 조절된다. 원료 용기(432)는 이송관(438)을 통해 처리 용기(402)의 원료 주입구(439)와 연결되며, 이송관(438)을 통한 원료 이송은 개폐밸브(446)를 통해 조절된다. 원료 용기(434)는 이송관(440)을 통해 처리 용기(402)의 원료 배출구(441)와 연결되며, 이송관(440)을 통한 원료 이송은 개폐밸브(448)를 통해 조절된다. 원료 용기(430)와 원료 용기(434)는 이송관(442)를 통해 연결되며, 이송관(442)을 통한 원료 이송은 개폐밸브(450)를 통해 조절된다.
이송관(436)에 대해 이송관(438)은 처리 용기(402)의 동일한 측면에 연결되고, 이송관(440)은 반대 측면에 연결된다. 즉, 원료 주입구(470, 472)는 처리 용기(402)의 동일 측면에 형성되고, 원료 배출구(474)는 반대 측면에 형성된다. 원료 주입구(470, 472)를 통해 주입된 원료가 처리 용기(402)의 바닥면으로 바로 떨어지지 않고 벽면을 따라 흘러내리도록 가이드 부재(474)가 더 설치된다.
도 5a는 본 발명의 제5 실시예에 따른 초음파 처리 장치(500)의 구성도이고, 도 5b는 초음파 처리 장치(500)에 사용된 초음파 생성 모듈(504)의 구성도이다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 초음파 처리 장치(500)는 초음파 처리되는 원료가 저장되는 처리 용기(502)와, 처리 용기(502)의 특정 위치에 초점을 갖는 집속 초음파를 조사하는 초음파 생성 모듈(504)과, 초음파 반사 부재(510)를 구비한다.
초음파 반사 부재(510)은 초음파 트랜스듀서(516), 카트리지 하우징(512), 초음파 매질(513) 등을 구비한다. 카트리지 하우징(512)은 하부에 카트리지 윈도우(514)가 형성되고, 그 내부에 초음파 트랜스듀서(516)가 설치된다. 초음파 매질(513)은 카트리지 하우징(512)의 내부에 채워지고 초음파 트랜스듀서(516)에서 생성된 초음파를 카트리지 윈도우(514)로 전달한다.
집속 초음파가 처리 용기(502)에 저장된 원료에 고르게 조사될 수 있도록 초음파 생성 모듈(504)를 이동시키는 이동기구(506)가 설치된다. 초음파 처리 장치(500)에서는 초음파 발생 모듈(504)의 적어도 일부가 처리 용기(502) 내부의 원료에 잠긴 상태에서 이동기구(506)에 의해 이동된다.
초음파 반사 부재(510)가 초음파 발생 모듈(504)에 연결되어 설치된다. 초음파 반사 부재(510)는 초음파 발생 모듈(504)과 함께 이동하며, 초음파 발생 모듈(504)의 초음파 조사 방향에 위치되어 집속 초음파의 초점을 지난 초음파를 반대 방향으로 반사시킨다. 초음파 반사 부재(510)는 “ㄷ”자 형상으로 형성될 수 있다. 초음파 반사 부재(510)는 일면이 초음파의 조사 방향에서 마주보게 설치되어 초음파를 반사시킨다. 초음파 반사 부재(510)는 초음파가 원료 내에 더 균일하게 조사되도록 한다.
초음파 발생 모듈(504)의 외측에는 교반부(508)가 설치된다. 교반부(508)는 초음파 발생 모듈(504)가 이동기구(506)에 의해 이동될 때 원료를 섞어 초음파가 원료에 균일하게 조사되도록 한다.
도 5b에 도시된 바와 같이, 초음파 발생 모듈(504)은 이동축(518)을 통해 이동기구(506)에 의해 연결되며, 교반부(508)는 초음파 발생 모듈(504)의 외측에 돌출되게 설치된다. 교반부(508a, 508b, 508c, 508d)는 초음파 발생 모듈(504)에 대해 방사상으로 대칭되게 설치되며, 숟가락 모양의 단부의 방향이 다를 수 있다.
본 실시예는 처리 용기(502) 내부의 원료에 초음파 발생 모듈(504)의 일부가 잠긴 상태에서 이동기구(506)에 의해 초음파 발생 모듈(504)이 이동하므로 초음파 발생 모듈(504)이 처리 용기(502) 내의 원료를 교반하는 기능을 수행한다. 따라서 초음파 처리 장치(500)는 간단한 구성으로도 원료에 초음파의 균일한 조사가 가능하다는 장점이 있다.
도 6은 본 발명의 제6 실시예에 따른 초음파 처리 장치(600)의 구성도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 초음파 처리 장치(600)는 초음파 처리되는 원료를 저장하는 처리 용기(602)와, 집속 초음파를 생성하는 초음파 발생 모듈(604)를 구비한다.
초음파 처리 장치(600)는 처리 용기(602)를 상/하 이동시키는 원료 승하강 기구(606)를 구비한다. 또한, 초음파 처리 장치(600)는 처리 용기(602)와 초음파 발생 모듈(604)을 지지하는 지지대(608)를 더 구비한다. 지지대(608)는 상부에 처리 용기(602)가 위치되는 베이스부(610)와, 베이스부(610)의 일 측에 세워져 초음파 발생 모듈(604)을 지지하는 지지부(612)를 포함한다. 베이스부(610)의 하부에는 이동 바퀴(614)가 설치된다. 지지부(612)에는 초음파 발생 모듈(604)를 이동시키는 초음파 이동기구(616)가 설치된다. 초음파 발생 모듈(604)는 지지체(626)를 통해 이동기구(616)에 설치된다.
처리 용기(602) 내의 원료를 교반하기 위한 교반 부재(618)가 더 설치된다. 교반 부재(618)는 모터(미도시됨)에 의해 회전되고, 프로펠러 형태를 가지며, 복수개가 일정 간격으로 이격되게 설치될 수 있다. 교반 부재(618)는 지지체(624)에 의해 초음파 발생 모듈(604)과 연결되고, 초음파 발생 모듈(604)이 이동기구(616)에 의해 이동될 때 함께 이동되어 원료가 더 잘 혼합되도록 한다.
초음파 처리 장치(600)는 처리 용기(602) 내의 원료의 온도를 감지하는 온도 감지센서(620)와, 원료의 온도를 냉각시키는 냉각 유닛(622)를 더 포함한다. 냉각 유닛(622)의 일 예는 처리 용기(602) 내에 설치되어 처리 용기(602) 내에 저장된 원료를 직접 냉각한다. 냉각 유닛(622)은 예를 들어, 펠티어 소자로 구현할 수 있다. 냉각 유닛(622)의 다른 예는 도 1 또는 도 2에 예시한 바와 같이, 처리 용기(602) 내의 원료를 이송관을 통해 외부의 저장 용기로 이송하면서 원료를 냉각시켜 다시 처리 용기(602)로 주입하는 것으로 구성될 수 있다.
도 7은 초음파 처리 장치(600)에 적용된 초음파 발생 모듈(604)의 개념도이다. 초음파 발생 모듈(604)은 초음파 매질(704)이 채워진 카트리지 하우징(702) 내에 복수의 초음파 트랜스듀서(706)를 구비한다. 복수의 초음파 트랜스듀서(706)는 상이한 높이에 위치되거나 초음파 발진체의 곡률 반경이 상이하여 카트리지 윈도우(708)로부터의 초점 거리가 상이하다. 또한, 복수의 초음파 트랜스듀서(706)는 서로 다른 세기로 초음파를 발생시킬 수 있다.
초음파 트랜스듀서(706)는 카트리지 하우징(702) 내에 위치되고, 카트리지 하우징(702)의 상부 측으로 또는 하부 측으로 초음파를 조사하도록 설치될 수 있다. 본 실시예에서와 같이 초음파 트랜스듀서(706)가 카트리지 하우징(702)의 하부 측으로 초음파를 조사하는 경우 카트리지 윈도우(708)는 카트리지 하우징(702)의 하면에 설치된다. 초음파 트랜스듀서(706)가 카트리지 하우징(702)의 상부 측으로 초음파를 조사하는 경우 카트리지 윈도우는 카트리지 하우징(702)의 상면에 설치된다.
초음파 발생 모듈(604)은 전원 라인(708)을 통해 복수의 초음파 트랜스듀서(706)에 전원을 공급하고, 제어 라인(710)을 통해 제어부(미도시됨)로부터의 제어 신호를 공급한다. 카트리지 하우징(702) 내부의 초음파 매질(703)을 순환시킬 수 있는 매질 순환 라인(714)을 더 포함하고, 매질 순환 라인(714)에는 초음파 매질의 온도를 측정하는 온도 센서(712)가 설치된다. 매질 순환 라인(714)은 전원 라인(708) 및 제어 라인(710)과 하나의 케이블 형태로 묶여서 구성될 수 있다. 매질 순환 라인(714)은 온도 센서(712)로부터 온도 정보를 전달받고, 카트리지 하우징(702) 내부의 매질이 초음파에 의해 미리 설정된 온도 이상으로 가열되는 경우 매질을 외부로 순환시킴으로써 매질의 온도를 적절한 온도로 유지시킨다.
초음파 발생 모듈(604)은 카트리지 하우징(702)에 위치되어 체크 밸브(716)를 더 구비한다. 체크 밸브(716)는 카트리지 하우징(702)의 내부에서 발생된 가스를 방출한다. 초음파 매질은 초음파에 의해 가열되어 가스를 생성할 수 있다. 가스는 카트리지 하우징(702) 내부에 기포로 존재하게 되므로 초음파의 전달을 방해한다.
도 8a는 본 발명의 제7 실시예에 따른 초음파 처리 장치(800)의 사시도이고, 도 8b는 평면도이며, 도 8c는 분해 사시도이고, 도 8d는 초음파 생성 모듈의 단면도이다. 초음파 처리 장치(800)에서 초음파 발생 모듈(802)은 처리 용기(804)의 측면에 복수개가 방사상 대칭되게 설치된다. 본 실시예는 초음파 발생 모듈(802)이 3개 설치된 경우이나 이는 하나의 예시일 뿐이다.
처리 용기(804)는 원통형 용기일 수 있다. 처리 용기(804)의 상부에는 원료 주입구(806)를 구비한 개폐 가능한 커버(808)가 설치된다.
커버(808)의 하부에는 복수개의 초음파 발생 모듈(802)의 중심으로 원료를 이송시키는 유인 팬(810)이 설치된다. 유인 팬(810)은 고정 체결 부재(812)를 통해 커버(808)의 바닥면으로부터 이격되어 복수개의 초음파 발생 모듈(802)의 중심에 근접되게 배치된다. 유인 팬(810)은 처리 용기(804) 내부의 원료 흐름을 복수개의 초음파 발생 모듈(802)의 중심으로 유도함으로써 처리 용기(804) 내부 전체에 걸쳐 원료의 혼합이 균일하게 이루어지도록 한다. 또한, 유인 팬(810)은 서로 다른 비중을 갖는 원료들이 혼합되는 경우 상대적으로 낮은 비중의 원료를 하부로 강제 이송시켜 원료가 더 잘 혼합되도록 한다.
초음파 발생 모듈(802)은 도 8d에 도시된 바와 같이, 초음파 트랜스듀서(814)와, 초음파 트랜스듀서(814)를 둘러싸는 카트리지 하우징(816)과, 카트리지 윈도우(818)와, 카트리지 윈도우(818)을 고정시키는 고정 링(820)과, 카트리지 하우징(816)을 둘러싸는 메인 하우징(822)과, 메인 하우징(822)의 배면에 결합되어 초음파 트랜스듀서(814)로 전기 신호를 전송하는 제어보드(824)로 구성된다.
처리 용기(804)에서 초음파 발생 모듈(802)이 설치되는 지점에는 홀(826)이 형성되고, 초음파 발생 모듈(802)은 카트리지 윈도우(818)가 처리 용기(804)의 내부에 위치하도록 홀(826)에 수밀하게 결합된다. 초음파 트랜스듀서(814)와 처리 용기(804) 내부의 원료 사이에는 처리 용기(804)의 외벽이 아닌 카트리지 윈도우(818)만이 설치되어 초음파의 원료에의 전달이 원활하게 한다. 카트리지 윈도우(818)는 카트리지 윈도우(818)의 테두리를 메인 하우징(822)에 고정시키는 고정 링(820)으로 형태가 유지된다.
초음파 발생 모듈(802)에는 메인 하우징(822)의 내부로 냉각수를 유입하거나 유입된 냉각수를 메인 하우징(822)의 외부로 배출하는 냉각수 출입구(828)가 설치된다. 냉각수는 초음파 트랜스듀서(814)를 냉각시키는 작용을 한다.
초음파로 인한 분산은 초음파가 원료 내부에 발생시키는 미세한 캐비티(cavity)이 붕괴되면서 일어난다. 캐비테이션 현상은 초음파가 원료의 내부로 전파될 때 발생되는 (+)(-) 압력의 변화에 의해 캐비티가 붕괴될 때 발생하는 큰 충격 현상이다. 이 때 압력은 수백 기압에 이를 만큼 강력하나 이 현상은 수십 밀리 초 정도의 극도로 짧은 순간에 이루어지며 계속 반복되므로 입자의 분산 효과가 가능하다.
일반적으로 액체는 온도가 상승되면 캐비테이션 현상이 약해진다. 따라서 초음파로 인한 분산 효과를 높이기 위해서는 원료가 낮은 온도로 유지될 필요가 있다. 이를 위해 처리 용기(804)의 바닥면에는 처리 용기(804) 내부의 원료를 냉각시키는 냉각 모듈(829)이 설치된다. 냉각 모듈(829)은 워터 블록(830)과, 워터 블록(830)의 바닥면에 결합되는 워터 블록 커버(832)를 구비한다.
냉각 모듈(829)에는 냉각수 입구(834)와 냉각수 출구(836)가 형성되며, 이를 통해 워터 블록(830) 내의 냉각수가 낮은 온도로 유지된다. 냉각수는 처리 용기(804)의 바닥면에서 원료의 온도를 낮춤으로써 초음파로 인한 분산 효과를 높게 한다.
처리 용기(804) 내부의 대류를 원활하게 하기 위해 냉각 모듈(829)은 처리 용기(804)의 상부에 결합될 수 있다. 또한 초음파 분산이 수행되는 지점에 근접되게 위치하도록 냉각 자켓과 같이 처리 용기(804)를 둘러싸는 형태로 설치될 수도 있다.
초음파 트랜스듀서(814)의 외주면과 카트리지 하우징(816)의 선단 내주면은 나사 결합될 수 있다. 이 경우 초음파 트랜스듀서(814)를 회전시켜 초음파 트랜스듀서(814)가 전진 또는 후진하도록 함으로써 유지 및 보수를 용이하게 하거나 집속 초음파의 초점 위치를 변경할 수 있다.
초음파 트랜스듀서(814)를 회전시키는 회전 액추에이터(미도시됨)가 메인 하우징(822)에 설치될 수 있다. 초음파 트랜스듀서(814)가 카트리지 하우징(816)에 대해 전진 또는 후진하는 방법 외에도 카트리지 하우징(816)이 메인 하우징(822)에 대해 전진 또는 후진하는 방법을 사용하거나, 상기 두 방법을 모두 사용할 수 있다.
복수의 초음파 트랜스듀서(814)에 순차적으로 전원을 인가할 수 있다. 이 경우, 초음파 트랜스듀서(814)에서 발생된 집속 초음파의 초점이 집중되지 아니한 상태에서는 와류가 형성되어 원료에 더욱 큰 에너지를 인가할 수 있다.
메인 하우징(822)에는 카트리지 하우징(816)의 각도를 변경시키는 틸팅 액추에이터(미도시됨)가 설치될 수 있다. 틸팅 액추에이터는 초음파 트랜스듀서(814)로부터 조사되는 초음파의 조사 각도를 변경할 수 있다. 상기 회전 액추에이터와 틸팅 액추에이터에 의해 초음파 트랜스듀서(814)에서 생성된 집속 초음파의 초점을 조정하여 초음파가 원료에 균일하게 조사되게 할 수 있다.
도 9는 본 발명의 제8 실시예에 따른 초음파 처리 장치(900)의 개념을 설명하는 평면도이다. 처리 용기(902)의 내부에 초음파 발생 모듈이 초음파 카트리지 형태로 설치되는 것이 아니라, 초음파 트랜스듀서(904a, 904b) 형태로 설치된다. 본 실시예에서는 반구 형태의 예를 들어, 2개의 초음파 트랜스듀서(904a, 904b)가 서로 마주보는 형태로 처리 용기(902)의 내부에 설치된다. 2개의 초음파 트랜스듀서(904a, 904b)는 약간의 간격(905)을 가지고 서로 이격되어 있다. 초음파 트랜스듀서(904a, 904b)에는 중앙 부위에 원료 유입 홀(906)이 형성된다.
초음파 트랜스듀서가 카트리지 하우징의 내부에 위치하는 경우에는 초음파 트랜스듀서에서 생성된 초음파를 원료에 전달하기 위해 초음파 매질을 필요로 한다. 초음파 처리 장치(900)에서는 초음파 트랜스듀서(904a, 904b)가 처리 용기(902) 내부의 원료와 직접 접촉하므로 생성된 초음파를 최대 효율로 원료에 조사할 수 있다.
2개의 초음파 트랜스듀서(904a, 904b)가 내부를 향해 초음파를 조사하면 중앙 부위의 원료는 초음파에 밀려 2개의 초음파 트랜스듀서(904a, 904b) 사이의 간격(905)을 통해 빠져나간다. 따라서 중앙 부위에서 원료의 밀도가 낮아지므로 초음파 트랜스듀서(904a, 904b) 외부의 원료가 원료 유입 홀(906)을 통해 중앙 부위로 유입된다. 따라서 도 9에 도시된 바와 같은 원료의 흐름이 생기므로 원활한 원료 혼합과 균일한 초음파 조사가 가능해진다.
도 10은 본 발명의 제9 실시예에 따른 초음파 처리 장치(1000)의 구성도이다. 도시된 바와 같이, 초음파 처리 장치(1000)는 원료를 저장하는 원료 용기(1002, 1004)와, 처리 관로(1006)와, 초음파 발생 모듈(1007), 펌프(1032)를 구비한다. 원료에 대한 초음파 처리는 처리 관로(1006)에서 이루어진다. 하나의 처리 관로(1006)에 대해 하나 또는 복수의 초음파 발생 모듈(1007)이 설치될 수 있다.
처리 관로는 하나 또는 복수개가 설치될 수 있으며, 복수개가 설치되는 경우 직렬 또는 병렬 형태로 설치될 수 있다. 예를 들어, 처리 관로가 직렬로 연결되는 경우에는 초음파 조사 시간을 증가시킬 수 있다. 처리 관로가 병렬로 연결되는 경우에는 단위 시간 당 초음파 처리되는 원료의 양을 증가시킬 수 있다. 도 10에 도시된 실시예는 2개의 처리 관로가 병렬로 연결된 경우를 예시하고 있다.
원료 용기(1002)는 초음파 처리 이전의 원료를 저장하는 용기이고, 원료 용기(1004)는 처리 관로(1006)에서의 초음파 처리 이후의 원료를 저장하는 용기이다. 이송관(1008)은 원료 용기(1002)에 저장된 원료를 처리 관로(1006)의 유입구(1006a)로 이송한다. 이송관(1010)은 처리 관로(1006)의 유출구(1006b)에서 유출된 원료를 원료 용기(1004)로 이송한다. 이송관(1012)은 원료 용기(1004)에 저장된 원료를 원료 용기(1002)로 이송한다. 이송관(1008, 1010, 1012)에서의 원료의 이송은 펌프(미도시됨)나 중력을 이용하여 이루어진다. 개폐밸브(1014)는 이송관(1008)에서의 원료의 흐름을 제어하고, 개폐밸브(1016)는 이송관(1010)에서의 원료의 흐름을 제어하며, 개폐밸브(1018)는 이송관(1012)에서의 원료의 흐름을 제어한다.
처리 관로(1006)의 유입구(1006a)는 유출구(1006b)에 비해 아래에 위치하는 것이 균일한 초음파 조사를 위해 바람직하다. 처리 관로의 유입구(1006a)와 초음파 발생 모듈(1007)의 설치 위치의 사이에 원료의 이종 성분을 혼합하는 초음파 분산기(1024)가 설치될 수 있다. 초음파 분산기(1024)는 초음파 처리 장치(1000)가 분산을 수행하는 경우 초음파 발생 모듈(1007)보다 먼저 분산을 수행하여 원료가 더 균일하게 분산되도록 한다. 처리 관로(1006)에서의 원료의 흐름을 제어하기 위하여 초음파 발생 모듈(1007)이 설치된 위치의 하류에 개폐밸브(1020)가 설치되고, 상류에 개폐밸브(1022)가 설치된다. 처리 관로의 유입구(1006a)와 초음파 분산기(1024)의 사이에 개폐밸브(1026)가 더 설치될 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 복수의 처리 관로를 사용하는 경우 단위 시간 동안에 초음파 처리되는 원료의 양(초음파 처리속도)을 증가시킬 수 있다. 처리 관로의 내부 상태 등에 따라 처리 관로마다 초음파 처리속도가 상이하면 처리 관로마다 원료의 초음파 처리 정도가 상이하게 된다. 따라서 복수의 처리 관로를 사용하는 경우에는 처리 관로마다 초음파 처리속도를 일정하게 할 필요가 있다. 이를 위해 각각의 처리 관로에 처리 관로에서 이송되는 원료의 양을 측정하는 플로우 센서(1028)를 설치한다. 제어부(1030)는 플로우 센서(1028)의 측정값에 따라 개폐밸브(1020, 1022, 1024)를 제어한다. 제어부(1030)는 초음파 발생 모듈(1007)에 의한 초음파 처리 정도를 조정하기 위하여 개폐밸브(1020, 1024)를 사용하고, 초음파 분산기(1024)에 의한 초음파 처리 정도를 조정하기 위하여 개폐밸브(1024, 1026)를 사용한다. 제어부(1030)는 개폐밸브(1020, 1022) 사이에 원료를 가두어 놓고 초음파 발생 모듈(1007)이 충분하게 원료에 집속 초음파를 조사하도록 할 수 있다.
초음파 처리 장치(1000)를 이용하여 수성 원료에 유성 원료를 분산하는 경우, 저장 용기(1002)에 수성 원료와 유성 원료를 모두 넣고 이송관(1008)을 통해 처리 관로(1006)로 이송하면 이송 도중에 유성 원료는 이송관(1008)의 벽에 부착될 수 있다. 이러한 유성 원료의 부착은 유성 원료의 손실을 가져올 뿐만 아니라 이송관(1008)의 세정 문제를 야기시킨다. 이러한 이유로 저장 용기(1002)에는 수성 원료만 넣고 유성 원료는 처리 관로(1006)의 유입구(1006a)의 근처에서 초음파 처리 장치(1000)에 유입하는 것이 바람직하다. 개폐밸브(1026)와 초음파 분산기(1024)의 사이에서 원료 주입구를 설치하고, 이 원료 주입구를 통해 유성 원료를 초음파 처리 장치(1000)에 유입하는 것이 바람직하다. 초음파 분산기(1024)가 초음파 처리 장치(10000)에 설치되지 않는 경우에는 개폐밸브(1022)와 초음파 발생 모듈(1007)의 설치 위치의 사이에 원료 주입구를 설치하고, 이 원료 주입구를 통해 유성 원료를 유입하는 것이 바람직하다.
초음파 처리 장치(1000)에서는 원료가 이송되는 처리 관로(1002)에서 원료에 대해 초음파 처리가 이루어진다. 초음파 처리 장치(100)에서와 같이 초음파 처리가 처리 용기에서 이루어지는 경우에 비해 원료에의 균일한 초음파 조사가 가능하고, 초음파 발생 모듈을 이동시키는 기구를 필요로 하지 않으므로 보다 간단하게 초음파 처리 장치를 구성할 수 있는 장점이 있다.
도 11은 도 10에 도시된 제9 실시예에서 처리 관로(1006)에 대해 초음파 발생 모듈(1007)을 설치한 제1 형태를 설명하는 도면이다. 도시된 바와 같이, 초음파 발생 모듈(1007)은 처리 관로(1006)의 외부에 배치된다.
초음파 발생 모듈(1007)이 설치되는 처리 관로(1006)의 벽에는 관로 윈도우(1101)가 형성되고, 초음파를 전달하는 투명 또는 반투명의 윈도우(1102)이 부착된다. 초음파 발생 모듈(1007)은 카트리지 하우징(1103)의 내부에 초음파 트랜스듀서(1104)와 초음파 매질(1106)을 구비한다. 초음파 트랜스듀서(1104)에서 생성된 집속 초음파는 초음파 매질(1106)과 윈도우(1102)를 거쳐 처리 관로(1006) 내부의 원료에 조사된다.
도 12는 도 10에 도시된 제9 실시예에서 처리 관로(1006)에 대해 초음파 발생 모듈(1007)을 설치한 제2 형태를 설명하는 도면이다. 도시된 바와 같이, 초음파 발생 모듈(1007)은 처리 관로(1006)의 외부에 배치된다.
초음파 발생 모듈(1007)이 설치되는 처리 관로(1006)의 벽에는 관로 윈도우(1201)가 형성되고, 초음파를 전달하는 투명 또는 반투명의 윈도우(1202)이 부착된다. 초음파 발생 모듈(1007)은 카트리지 하우징(1203)의 내부에 초음파 트랜스듀서(1204)와 초음파 매질(1206)을 구비한다. 카트리지 하우징(1203)은 초음파가 조사되는 방향으로 카트리지 윈도우(1208)가 형성되고, 초음파를 전달하는 투명 또는 반투명의 윈도우(1209)이 부착된다. 초음파 트랜스듀서(1204)에서 생성된 집속 초음파는 초음파 매질(1206)과 윈도우(1209)과 윈도우(1202)를 거쳐 처리 관로(1006) 내부의 원료에 조사된다. 카트리지 윈도우(1208)와 관로 윈도우(1202)의 사이에는 초음파 매질(미도시됨)이 초음파 전달을 위해 구비된다.
본 실시예는 도 11에 도시된 실시예에 비해 초음파 전달 경로에서 상대적으로 많은 경계를 만나게 되므로 반사 등으로 초음파 에너지가 다소 손실될 우려가 있다. 본 실시예의 초음파 발생 모듈(1007)은 처리 관로(1006)에 탈부착 가능하게 설치될 수 있으므로 유지보수가 용이하다는 장점이 있다.
도 13은 도 10에 도시된 제9 실시예에서 처리 관로(1006)에 대해 초음파 발생 모듈(1007)을 설치한 제3 형태를 설명하는 도면이다.
초음파 발생 모듈(1007)이 설치되는 처리 관로(1006)의 벽에는 관로 윈도우(1301)가 형성된다. 초음파 발생 모듈(1007)은 카트리지 하우징(1303)의 내부에 초음파 트랜스듀서(1304)와 초음파 매질(1306)을 구비한다. 카트리지 하우징(1303)은 초음파가 조사되는 방향으로 카트리지 윈도우(1308)가 형성되고, 초음파를 전달하는 투명 또는 반투명의 윈도우(1309)이 부착된다. 카트리지 하우징(1303)은 원료 흐름에의 저항을 줄이기 위해 상류측 측벽을 경사지게 형성하여 가이드부(1310)를 구비한다. 초음파 트랜스듀서(1304)에서 생성된 집속 초음파는 초음파 매질(1306)과 윈도우(1309)을 거쳐 처리 관로(1006) 내부의 원료에 조사된다.
초음파 발생 모듈(1007)의 윈도우(1309)은 관로 윈도우(1301)를 통해 처리 관로(1006)의 내부에 위치한다. 본 실시예에서는 원료가 윈도우(1308) 사이의 좁은 공간을 지나가는 동안 원료에 초음파가 조사되므로 원료에의 초음파 조사가 더욱 균일해지는 장점이 있다.
도 14는 도 13의 “A”방향에서 바라본 초음파 발생 모듈(1007)의 설치 형태를 설명하는 도면이다. 처리 관로(1006)는 초음파 발생 모듈(1007)의 설치를 용이하게 하기 위하여 다각형 형태를 구비하는 것이 바람직하다. 또한 하나의 처리 관로(1006)에 대해 복수의 초음파 발생 모듈(1007)을 설치하는 경우 하나의 초음파 발생 모듈(1007)에서 생성된 초음파가 다른 초음파 발생 모듈에 도달하면 초음파 발생 모듈이 손상될 우려가 있다. 따라서 초음파 간섭이 적도록 복수의 초음파 발생 모듈을 배치할 필요가 있다. 이러한 이유로 도 14는 6각형의 처리 관로(1006)를 예시하고 있다. 3각형의 처리 관로도 가능하나, 6각형 처리 관로는 원료 흐름에의 저항이 적다는 장점이 있다.
도 15는 도 10에 도시된 제9 실시예에서 처리 관로(1006)에 대해 초음파 발생 모듈(1007)을 설치한 제4 형태를 설명하는 도면이다. 도시된 바와 같이, 초음파 발생 모듈(1007)은 처리 관로(1006)의 외부에 배치된다. 처리 관로(1006)는 상대적으로 좁은 직경을 갖는 영역(1508)을 갖고, 초음파 발생 모듈(1007)의 초점은 상기 좁은 직경의 영역(1508)에 맞춰진다.
초음파 발생 모듈(1007)이 설치되는 처리 관로(1006)의 벽에는 관로 윈도우(1501)가 형성되고, 초음파를 전달하는 투명 또는 반투명의 윈도우(1502)이 부착된다. 초음파 발생 모듈(1007)은 카트리지 하우징(1503)의 내부에 초음파 트랜스듀서(1504)와 초음파 매질(1506)을 구비한다. 초음파 트랜스듀서(1504)에서 생성된 집속 초음파는 초음파 매질(1506)과 윈도우(1502)를 거쳐 처리 관로(1006) 내부의 원료에 조사된다.
본 실시예에서는 원료가 좁은 직경의 영역(1508)을 지나가는 동안 원료에 초음파가 조사되므로 원료에의 초음파 조사가 더욱 균일해지는 장점이 있다.
전술한 실시예들에서 원료를 이송하기 위해 이송관에 펌프가 설치될 수 있으나, 통상의 기술자들에게 이는 너무 명백하므로 설명의 편의를 위해 펌프를 도시하지 않았다. 전술한 실시예들의 일부에서 초음파 매질을 냉각시키는 냉각기구와 원료를 냉각시키는 냉각기구를 설명하였으나, 이러한 냉각기구는 모든 실시예들에서 선택적으로 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (20)

  1. 초음파를 이용하여 원료를 처리하는 장치에 있어서,
    원료가 저장 또는 이송되는 처리 챔버와,
    상기 처리 챔버의 특정 위치에 초점을 갖는 집속 초음파를 조사하는 초음파발생 모듈을 포함하고,
    상기 초음파 발생 모듈은 초음파 트랜스듀서를 구비하고,
    상기 초음파 트랜스듀서는 타원형 발진체를 구비하여 집속 초음파를 생성하는 것을 특징으로 하는 초음파 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 처리 챔버로 공급되는 원료를 저장하는 처리전 저장용기와,
    상기 처리 챔버에서 초음파 처리된 원료를 저장하는 처리후 저장용기를
    더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 처리 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 처리후 저장용기 내의 원료를 상기 처리전 저장용기로 전달하는 순환 이송관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 처리 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 처리 챔버는 원료가 저장되는 처리 용기인 것을 특징으로 하는 초음파 처리 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 초음파 트랜스듀서를 상기 처리 용기에 대해 이동시키는 이동수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 처리 장치.
  6. 제4항에 있어서, 상기 초음파 발생 모듈은
    상기 초음파 트랜스듀서가 내부에 설치되고 특정 위치에 카트리지 윈도우를 갖는 카트리지 하우징과,
    상기 카트리지 하우징의 내부에 채워지고 상기 초음파 트랜스듀서에서 생성된 초음파를 상기 카트리지 윈도우로 전달하는 초음파 매질을
    더 구비하는 것을 특징으로 하는 초음파 처리 장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 처리 용기 내에서 원료를 교반하는 팬을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 처리 장치.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 초음파 트랜스듀서는 상기 처리 용기에 대해 전진 또는 후진 가능하게 설치되는 것을 특징으로 하는 초음파 처리 장치.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 처리 용기 내의 원료를 냉각시키는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 처리 장치.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 처리 용기에 적어도 2개의 성분을 갖는 원료가 저장되는 경우 상기 초음파 발생 모듈의 초점이 상기 원료의 경계면에 맞춰지는 것을 특징으로 하는 초음파 처리 장치.
  11. 제4항에 있어서,
    상기 처리 용기의 내부에 격리실을 더 포함하고,
    상기 격리실은 초음파가 통과하는 윈도우를 구비하며,
    상기 초음파 발생 모듈의 초점은 상기 격리실의 내부에 맞춰지는 것을 특징으로 하는 초음파 처리 장치.
  12. 제4항에 있어서,
    상기 처리 용기의 바닥면은 지면에 대해 경사를 갖는 경사면으로 구성되는 것을 특징으로 하는 초음파 처리 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 처리 챔버는 원료가 이송되는 처리 관로인 것을 특징으로 하는 초음파 처리 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 초음파 발생 모듈은 상기 처리 관로의 외부에 배치되고, 상기 초음파 발생 모듈과 상기 처리 관로의 사이에 초음파 매질이 구비되는 것을 특징으로 하는 초음파 처리 장치.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 초음파 발생 모듈은
    상기 초음파 트랜스듀서가 내부에 설치되고 특정 위치에 카트리지 윈도우를 갖는 카트리지 하우징과,
    상기 카트리지 하우징의 내부에 채워지고 상기 초음파 트랜스듀서에서 생성된 초음파를 상기 카트리지 윈도우로 전달하는 초음파 매질을
    더 구비하는 것을 특징으로 하는 초음파 처리 장치.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 처리 관로의 유입구는 유출구보다 아래쪽에 위치하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 초음파 처리 장치.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 처리 관로에서 상기 초음파 발생 모듈의 설치 위치의 하류에 원료의 흐름을 제어하는 제1 개폐밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 처리 장치.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 처리 관로에서 상기 초음파 발생 모듈의 설치 위치의 상류에 원료의 흐름을 제어하는 제2 개폐밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 처리 장치.
  19. 제13항에 있어서,
    상기 처리 관로에서 상기 처리 관로의 유입구와 상기 초음파 발생 모듈의 설치 위치의 사이에 설치되고, 원료의 이종 성분을 혼합하는 초음파 분산기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 처리 장치.
  20. 제13항에 있어서,
    상기 처리 관로는 상대적으로 좁은 직경을 갖는 집중부를 갖고, 상기 초음파 카트리지의 초점은 상기 집중부에 맞춰지는 것을 특징으로 하는 초음파 처리 장치.
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