KR20210157679A - 다주파수 초음파를 이용한 유화 및 분산장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 분산시료를 포함하는 유체를 수용하는 용기; 내측의 수용공간을 통해 상기 용기 및 냉각수를 수용하는 본체; 및 상기 본체의 둘레면을 따라 일정한 간격으로 배치되되, 상기 본체의 내면 접선에 대하여 사전 설정된 각도로 경사지게 배치되어 상기 용기 측으로 일정한 대역의 초음파를 가하는 제1압전진동자;를 포함하고, 상기 본체의 바닥에 배치되어 상기 용기 측으로 상기 제1압전진동자와 다른 대역의 초음파를 가하는 제2압전진동자;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다주파수 초음파를 이용한 유화 및 분산장치에 관한 것이다.

Description

다주파수 초음파를 이용한 유화 및 분산장치{emulsifying and dispersing device using multi frequency ultrasonic wave}
본 발명은 유화 및 분산장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유체에 포함된 분산시료의 분산이 원활할 수 있도록 할 뿐만 아니라 유체에 포함된 유화시료의 유화(乳化)가 원활할 수 있도록 하는 다주파수 초음파를 이용한 유화 및 분산장치에 관한 것이다.
나노입자는, 그 직경이 1-100nm의 것으로서, 체적에 비해 표면적이 큰 특징으로 인하여 일반 물질과는 다른 전기적, 광학적 및 자기적 특성을 갖는다.
이에 나노입자를 고분자 수지 내에 첨가하여 기계적, 화학적, 광학적 물성 등의 다양하고 복합적인 기능을 갖는 나노복합재료를 제조하는 나노융합산업이 주목받고 있다.
한편, 나노입자는 입자들간의 응집력이 비교적 큰 편이므로 입자들이 응집체를 형성하려는 성질로 인해 나노입자들이 가지는 물성을 발휘하지 못하게 되는 문제가 있었다.
이와 같은 문제를 해소하고자 다양한 고분자 수지 내에서 나노입자가 높은 분산성을 갖도록 하기 위한 연구가 진행되고 있다.
예컨대, 대한민국 등록특허공보 제10-1583752호 등에 개시된 바와 같이 에폭시 수지와 나노입자가 혼합된 에폭시 혼합물에 초음파를 가하여 나노입자의 분산이 이루어지도록 하고 있다.
그러나 종래의 초음파를 이용한 나노입자 분산장치는 초음파 배스 또는 호모지나이저와 같이 평면 초음파를 이용함으로써 강력한 음향파워를 발생시키기 어려울 뿐만 아나리 정재파 음장분포로 인하여 나노입자의 분산이 균일하지 못한 문제가 있었다.
또한, 종래의 초음파를 이용한 나노입자 분산장치는 대구경의 원통형 압전진동자를 사용함에 따라 전기적 입력 임피던스가 극도로 낮으므로 전기에너지 공급이 곤란한 문제가 있었다.
이에 본 출원인은 대한민국 등록특허공보 제10-1814103호의 '초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치'를 제안한바 있다.
상기 '초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치'는 압전진동자가 본체의 둘레면을 따라 배치될 뿐만 아니라 일정한 각도로 경사지게 배치되는바, 압전진동자로부터 가해지는 초음파에 의해 현탁액에 와류가 형성될 뿐만 아니라 충격파가 미치게 되므로 이에 의해 나노입자의 분산이 원활할 수 있다.
다만, 상기 '초음파 스트리밍 및 충격파를 이용한 나노입자 분산장치'는 일정한 대역의 초음파만을 가할 수밖에 없었던바, 나노입자의 분산 효과가 제한되는 문제가 있었다.
대한민국 등록특허공보 제10-1583752호
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해소하기 위하여 제안된 것으로, 유체에 포함된 분산시료의 분산이 원활할 수 있도록 할 뿐만 아니라 유체에 포함된 유화시료의 유화가 원활할 수 있도록 하는 다주파수 초음파를 이용한 유화 및 분산장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
분산시료를 포함하는 유체를 수용하는 용기; 내측의 수용공간을 통해 상기 용기 및 냉각수를 수용하는 본체; 및 상기 본체의 둘레면을 따라 일정한 간격으로 배치되되, 상기 본체의 내면 접선에 대하여 사전 설정된 각도로 경사지게 배치되어 상기 용기 측으로 일정한 대역의 초음파를 가하는 제1압전진동자;를 포함하고, 상기 본체의 바닥에 배치되어 상기 용기 측으로 상기 제1압전진동자와 다른 대역의 초음파를 가하는 제2압전진동자;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다주파수 초음파를 이용한 유화 및 분산장치를 제안한다.
상기 본체는 둘레면의 일측에 형성되어 상기 냉각수를 순환시키는 순환라인을 포함한다.
상기 순환라인은 상기 냉각수를 강제 유동시키는 펌프를 포함할 수 있다.
상기 본체는 둘레면의 하단부에 형성되는 적어도 하나의 개방홈을 포함한다.
상기 본체는 상기 용기가 거치되는 덮개를 더 포함할 수 있다.
상기 제1압전진동자는 MHz 대역의 고주파를 가한다.
상기 제1압전진동자는 이동부재에 의해 전후진함에 따라 상기 용기와의 간격이 조절될 수 있다.
상기 제2압전진동자는 KHz 대역의 저주파를 가한다.
상기 제2압전진동자는 이동부재에 의해 승강함에 따라 상기 용기와의 간격이 조절될 수 있다.
상기 제2압전진동자는 상기 제1압전진동자와 동시 또는 시차를 두고 작동할 수 있다.
본 발명에 의한 다주파수 초음파를 이용한 유화 및 분산장치는, 제1압전진동자 및 제2압전진동자를 포함하는바, 제1압전진동자 및 제2압전진동자에 의해 용기 내의 유체로 고주파 및 저주파가 가해지므로 상대적으로 크게 응집된 분산시료가 저주파에 의해 덩어리 형태로 분산되고, 상대적으로 작게 응집된 분산시료가 고주파에 의해 잘게 분산되므로 2중의 분산에 의해 분산시료의 분산이 원활할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 다주파수 초음파를 이용한 유화 및 분산장치는, 제1압전진동자가 본체 둘레면을 따라 일정한 간격으로 배치되되, 본체의 내면 접선에 대하여 사전 설정된 각도로 경사지게 배치되는바, 제1압전진동자에 의한 고주파에 의해 유체에 와류가 형성되므로 유체 표면에 존재하는 유화시료가 와류의 중심에서 순환하며 제1압전진동자 및 제2압전진동자로부터 가해지는 고주파 및 저주파에 의해 유화되므로 유화시료의 유화가 원활할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 다주파수 초음파를 이용한 유화 및 분산장치는, 제1압전진동자 및 제2압전진동자가 이동부재에 의해 이동하는바, 제1압전진동자로부터 용기에 이르는 간격 및 제2압전진동자로부터 용기에 이르는 간격이 조절되므로 제1압전진동자 및 제2압전진동자에 의한 고주파 및 저주파가 유체에 포함된 분산시료 및 유화시료에 원활히 전달될 수 있어 분산시료의 분산 및 유화시료의 유화가 더욱 원활할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 다주파수 초음파를 이용한 유화 및 분산장치는, 본체가 냉각수의 순환을 위한 순환라인을 포함하는바, 순환라인에 의해 냉각수의 순환이 이루어짐에 따라 용기 내의 유체가 일정한 온도를 유지하게 되므로 분산시료의 분산 및 유화시료의 유화가 더욱 원활할 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 다주파수 초음파를 이용한 유화 및 분산장치의 외형을 보인 사시도이다.
도 2는 본 발명에 의한 다주파수 초음파를 이용한 유화 및 분산장치의 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 본 발명에 의한 다주파수 초음파를 이용한 유화 및 분산장치에서 제1압전진동자의 배치 형태를 보인 예시도이다.
도 4는 본 발명에 의한 다주파수 초음파를 이용한 유화 및 분산장치에서 제1압전진동자에 의한 분산시료의 분산을 보인 예시도이다.
도 5는 본 발명에 의한 다주파수 초음파를 이용한 유화 및 분산장치에서 제2압전진동자에 의한 분산시료의 분산을 보인 예시도이다.
도 6은 본 발명에 의한 다주파수 초음파를 이용한 유화 및 분산장치에 의한 유화시료의 유화를 보인 예시도이다.
도 7은 본 발명에 의한 다주파수 초음파를 이용한 유화 및 분산장치에서 제1압전진동자의 전후진을 보인 예시도이다.
도 8은 본 발명에 의한 다주파수 초음파를 이용한 유화 및 분산장치에서 제2압전진동자의 승강을 보인 예시도이다.
이하, 첨부 도면에 의거 본 발명에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 다주파수 초음파를 이용한 유화 및 분산장치(A)는, 용기(10); 본체(20); 제1압전진동자(30); 및 제2압전진동자(40);를 포함한다.
본 발명의 용기(10)는 분산시료(110)를 포함하는 유체(100)를 수용한다.
따라서 용기(10)에 의해 본체(20) 내에서 유체(100)와 아래에서 설명하는 냉각수(200)의 혼합이 방지된다.
한편, 용기(10)는 유체(100)의 수용이 원활할 수 있는 것이라면 통상의 어떠한 종류의 것이어도 무방하며, 그 일례로는 유리 용기(10)일 수 있다.
그리고 용기(10)에 수용되는 분산시료(110)를 포함하는 유체(100)는 통상의 어떠한 종류의 것이어도 무방하며, 그 일례로는 나노입자가 포함된 현탁액일 수 있다.
그리고 용기(10)에 수용되는 분산시료(110)를 포함하는 유체(100)는 기름 등의 유화시료(120)를 포함할 수 있다.
본 발명의 본체(20)는 내측의 수용공간(21)을 통해 용기(10) 및 냉각수(200)를 수용한다.
따라서 본체(20)에서 유체(100)의 냉각이 이루어진다.
이때, 본체(20)는 둘레면의 일측에 냉각수(200)를 순환시키는 순환라인(22)을 포함함으로써 냉각수(200)의 순환에 의해 유체(100) 냉각이 원활할 수 있다.
여기서, 순환라인(22)은 펌프(22a)를 포함함으로써 펌프(22a)에 의해 냉각수(200)의 강제 유동이 이루어짐에 따라 냉각수(200)의 순환이 원활할 수 있다.
그리고 본체(20)는 둘레면의 하단부에 형성되는 적어도 하나의 개방홈(23)을 포함함으로써 개방홈(23)에 의해 외부로부터 제2압전진동자(40)로 케이블(42)의 연결이 용이하다.
그리고 본체(20)는 덮개(24)를 더 포함함으로써 덮개(24)에 용기(10)를 거치, 더욱 구체적으로 달아맴으로써 용기(10)가 바르게 설 수 있을 뿐만 아니라 용기(10)의 유동이 방지될 수 있다.
이때, 덮개(24)는 탈부착식으로 마련됨으로써 덮개(24) 분리에 의해 본체(20)의 수용공간(21) 개방이 이루어질 수 있다.
본 발명의 제1압전진동자(30)는, 본체(20)의 둘레면을 따라 일정한 간격으로 배치되되, 본체(20)의 내면 접선에 대하여 사전 설정된 각도로 경사지게 배치되어 용기(10) 측으로 일정한 대역의 초음파를 가한다.
따라서 제1압전진동자(30)로부터 초음파가 가해짐에 따라 용기(10)에 수용된 유체(100)에서 분산시료(110)의 분산이 이루어진다.
이때, 제1압전진동자(30)는 MHz 대역의 고주파를 가함으로써 이에 의해 특히 상대적으로 작게 응집된 분산시료(110)가 잘게 분산된다.
그리고 제1압전진동자(30)는 이동부재(31)에 의해 전후진함으로써 용기(10)와의 간격이 조절되므로 이에 의해 유체(100)로의 고주파 전달이 원활할 수 있다.
여기서, 이동부재(31)는 제1압전진동자(30)를 전후진시킬 수 있는 것이라면 통상의 어떠한 구조 및 방식의 것이어도 무방하며, 그 일례로는 선단이 본체(20) 둘레면에 나선물림하고 내측에 제1압전진동자(30)가 삽입 설치되는 관 형태의 것일 수 있다.
따라서 관 형태의 이동부재(31)를 회전시킴으로써 제1압전진동자(30)의 전후진이 간단히 이루어질 수 있다.
본 발명의 제2압전진동자(40)는, 본체(20)의 바닥에 배치되어 상기 용기(10) 측으로 상기 제1압전진동자(30)와 다른 대역의 초음파를 가한다.
따라서 제2압전진동자(40)로부터 초음파가 가해짐에 따라 용기(10)에 수용된 유체(100)에서 분산시료(110)의 분산이 이루어진다.
이때, 제2압전진동자(40)는, KHz 대역의 저주파를 가함으로써 이에 의해 특히 상대적으로 크게 응집된 분산시료(110)가 덩어리 형태로 분산된다.
그리고 제2압전진동자(40)는 이동부재(41)에 의해 승강함으로써 용기(10)와의 간격이 조절되므로 이에 의해 유체(100)로의 저주파 전달이 원활할 수 있다.
여기서 이동부재(41)는 제2압전진동자(40)를 전후진시킬 수 있는 것이라면 통상의 어떠한 구조 및 방식의 것이어도 무방한바, 그 일례로는 선단이 본체(20) 바닥면에 나선물림하고 내측에 제1압전진동자(30)가 삽입 설치되는 관 형태의 것일 수 있다.
따라서 관 형태의 이동부재(41)를 회전시킴으로써 제2압전진동자(40)의 승강이 간단히 이루어질 수 있다.
한편, 제2압전진동자(40)는 제1압전진동자(30)와 동시 또는 시차를 두고 작동할 수 있다.
따라서 유체(100)에 고주파 및 저주파가 동시에 가해지거나 시차를 두고 가해질 수 있다.
본 발명에 의한 다주파수 초음파를 이용한 유화 및 분산장치(A)는 유체(100)에 포함된 분산시료(110)의 분산이 원활할 수 있도록 한다. 이에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 용기(10) 내에는 분산시료(110)가 포함된 유체(100), 예컨대 나노입자가 포함된 현탁액이 수용된다.
그리고 용기(10)는 본체(20) 내측 수용공간(21)에 수용된다.
한편, 본체(20) 내에 수용된 용기(10), 다시 말해 유체(100)로는 초음파가 가해진다.
즉, 본 발명은, 본체(20)의 둘레면을 따라 일정한 간격으로 배치되는 제1압전진동자(30) 및 본체(20)의 바닥에 배치되는 제2압전진동자(40)를 포함하는바, 유체(100)에 제1압전진동자(30) 및 제2압전진동자(40)로부터의 초음파가 가해진다.
여기서, 제1압전진동자(30)는 MHz 대역의 고주파를 가하고, 제2압전진동자(40)는 KHz 대역의 저주파를 가하는바, 유체(100)에 고주파 및 저주파가 2중으로 가해진다.
따라서 유체(100)에 비해 밀도가 높아 용기(10) 바닥으로 내려앉는 분산시료(110)는 수용공간(21) 하부에서 제2압전진동자(40)로부터 가해지는 저주파에 의해 분산, 특히 도 5에 도시된 바와 같이 상대적으로 크게 응집된 분산시료(110)가 저주파에 의해 덩어리 형태로 분산되면서 저주파의 직진류 현상에 의해 수용공간(21) 상부로 이동되어 제1압전진동자(30)로부터 가해지는 고주파에 의해 다시 분산, 특히 도 4에 도시된 바와 같이 상대적으로 작게 응집된 분산시료(110)가 고주파에 의해 잘게 분산되므로 분산시료(110)의 분산이 원활할 수 있다.
이때, 본 발명의 제1압전진동자(30)는, 도 3에 도시된 바와 같이 본체(20)의 둘레면을 따라 일정한 간격으로 배치되되, 상기 본체(20)의 내면 접선에 대하여 사전 설정된 각도로 경사지게 배치되는바, 제1압전진동자(30)에 의해 고강도 초음파 음장이 생성되어 초음파 케비테이션에 의한 충격파가 발생할 뿐만 아니라 유체(100)에 와류가 형성되어 전단력이 발생하므로 충격파 및 전단력에 의해 분산시료(110)의 분산이 원활할 수 있다.
또한, 본 발명의 제1압전진동자(30) 및 제2압전진동자(40)는, 이동부재(31, 41)에 의해 이동하는바, 도 7에 도시된 바와 같은 제1압전진동자(30)의 전후진 및 도 8에 도시된 바와 같은 제2압전진동자(40)의 승강에 의해 용기(10)와의 간격이 조절되므로 제1압전진동자(30) 및 제2압전진동자(40)에 의한 고주파 및 저주파가 유체(100)에 포함된 분산시료(110)에 더욱 원활히 전달될 수 있어 분산시료(110)의 분산이 더욱 원활할 수 있다.
한편, 이상에서는 분산시료(110)의 분산에 관하여 설명하였으나, 본 발명에 의한 다주파수 초음파를 이용한 유화 및 분산장치(A)는 분산시료(110)의 분산이 원활할 수 있도록 할 뿐만 아니라 유화시료(120)의 유화 또한 원활할 수 있도록 한다.
즉, 본 발명의 제1압전진동자(30)는, 위에서 설명한 바와 같이 본체(20)의 둘레면을 따라 일정한 간격으로 배치되되, 본체(20)의 내면 접선에 대하여 사전 설정된 각도로 경사지게 배치되는바, 제1압전진동자(30)에 의해 유체(100)에 고주파가 가해질 때 유체(100)에 와류가 형성되어 도 6에 도시된 바와 같이 유체(100) 표면에 존재하는 유화시료(120)(기름 등)가 와류에 의해 하부에서 상부로 순환하게 되므로 유화시료(120) 순환 과정에서 고주파 및 저주파가 가해짐에 따라 유화시료(120)의 유화가 원활해진다.
다만, 상기와 같은 분산 및 유화 과정에서 유체(100)의 온도가 상승하게 되면 분산 및 유화가 더뎌질 수 있다.
그러나 본 발명의 본체(20)는 냉각수(200)를 순환시키는 순환라인(22)을 포함하는바, 순환라인(22)에 의해 냉각수(200)의 순환이 이루어짐에 따라 용기(10) 내의 유체(100)가 일정한 온도를 유지하게 되므로 분산시료(110)의 분산 및 유화시료(120)의 유화가 더욱 원활할 수 있다.
또한, 순환라인(22)은 펌프(22a)를 포함할 수 있는바, 펌프(22a)에 의해 냉각수(200)의 강제 유동이 이루어짐에 따라 냉각수(200)의 순환이 원활하므로 용기(10) 내의 유체(100)가 더욱 일정한 온도를 유지하게 되어 분산시료(110)의 분산 및 유화시료(120)의 유화가 더욱 원활할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하므로 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 변경 가능하며, 그와 같은 변경은 이하 청구범위 기재에 의하여 정의되는 본 발명의 보호범위 내에 있게 된다.
10 : 용기 20 : 본체
21 : 수용공간 22 : 순환라인
22a : 펌프 23 : 개방홈
24 : 덮개 30 : 제1압전진동자
31 : 이동부재 40 : 제2압전진동자
41 : 이동부재 42 : 케이블
100 : 유체 110 : 분산시료
120 : 유화시료 200 : 냉각수
A : 유화 및 분산장치

Claims (10)

  1. 분산시료를 포함하는 유체를 수용하는 용기;
    내측의 수용공간을 통해 상기 용기 및 냉각수를 수용하는 본체; 및
    상기 본체의 둘레면을 따라 일정한 간격으로 배치되되, 상기 본체의 내면 접선에 대하여 사전 설정된 각도로 경사지게 배치되어 상기 용기 측으로 일정한 대역의 초음파를 가하는 제1압전진동자;를 포함하고,
    상기 본체의 바닥에 배치되어 상기 용기 측으로 상기 제1압전진동자와 다른 대역의 초음파를 가하는 제2압전진동자;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다주파수 초음파를 이용한 유화 및 분산장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 본체는 둘레면의 일측에 형성되어 상기 냉각수를 순환시키는 순환라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 다주파수 초음파를 이용한 유화 및 분산장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 순환라인은 상기 냉각수를 강제 유동시키는 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 다주파수 초음파를 이용한 유화 및 분산장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 본체는 둘레면의 하단부에 형성되는 적어도 하나의 개방홈을 포함하는 것을 특징으로 하는 다주파수 초음파를 이용한 유화 및 분산장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 본체는 상기 용기가 거치되는 덮개를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다주파수 초음파를 이용한 유화 및 분산장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1압전진동자는 MHz 대역의 고주파를 가하는 것을 특징으로 하는 다주파수 초음파를 이용한 유화 및 분산장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1압전진동자는 이동부재에 의해 전후진함에 따라 상기 용기와의 간격이 조절되는 것을 특징으로 하는 다주파수 초음파를 이용한 유화 및 분산장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2압전진동자는, KHz 대역의 저주파를 가하는 것을 특징으로 하는 다주파수 초음파를 이용한 유화 및 분산장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제2압전진동자는 이동부재에 의해 승강함에 따라 상기 용기와의 간격이 조절되는 것을 특징으로 하는 다주파수 초음파를 이용한 유화 및 분산장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제2압전진동자는 상기 제1압전진동자와 동시 또는 시차를 두고 초음파를 가하는 것을 특징으로 하는 다주파수 초음파를 이용한 유화 및 분산장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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