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KR101366546B1 - 초음파 처리 챔버와, 이를 구비한 초음파 처리 장치, 및 화합물 제거 방법 - Google Patents

초음파 처리 챔버와, 이를 구비한 초음파 처리 장치, 및 화합물 제거 방법 Download PDF

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KR101366546B1
KR101366546B1 KR1020097004933A KR20097004933A KR101366546B1 KR 101366546 B1 KR101366546 B1 KR 101366546B1 KR 1020097004933 A KR1020097004933 A KR 1020097004933A KR 20097004933 A KR20097004933 A KR 20097004933A KR 101366546 B1 KR101366546 B1 KR 101366546B1
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KR
South Korea
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housing
horn
liquid
ultrasonic
longitudinally
Prior art date
Application number
KR1020097004933A
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English (en)
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KR20090050073A (ko
Inventor
로버트 앨런 얀센
스티브 로퍼스
토머스 데이비드 앨러트
잔 글렌 앨레스
폴 워렌 라스무센
패트린 션 맥니콜스
얼 씨. 맥크로
Original Assignee
킴벌리-클라크 월드와이드, 인크.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 킴벌리-클라크 월드와이드, 인크. filed Critical 킴벌리-클라크 월드와이드, 인크.
Publication of KR20090050073A publication Critical patent/KR20090050073A/ko
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Abstract

초음파 액체 처리 챔버는 입구 포트로부터 출구 포트로 액체가 종방향으로 흐르는 기다란 하우징을 갖는다. 기다란 초음파 도파관 조립체는 하우징 내에서 연장되며 하우징 내에서 액체를 초음파 통전하도록 소정의 초음파 에너지로 작동가능하다. 도파관 조립체의 기다란 초음파 호른은 입구 포트와 출구 포트 중간에 적어도 부분적으로 배치되며, 서로 종방향으로 이격되게 입구 포트와 출구 포트 중간에 호른과 접촉하며 호른으로부터 횡방향 외측으로 연장되는 복수의 별개인 교반 부재를 갖는다. 호른과 교반 부재는 소정 주파수로 호른에 대한 교반 부재의 동적 운동을 위해 구성 및 배치되며, 챔버 내에서 처리되는 소정의 주파수 및 액체에 대응하는 교반 부재의 초음파 캐비테이션 모드에서 작동하도록 구성 및 배치된다.

Description

초음파 처리 챔버와, 이를 구비한 초음파 처리 장치, 및 화합물 제거 방법{ULTRASONIC LIQUID TREATMENT CHAMBER AND CONTINUOUS FLOW MIXING SYSTEM}
본 발명은 액체를 초음파 처리, 특히 흐르는 액체를 초음파 처리하기 위한 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 2가지 이상의 성분(이들 성분 중 적어도 하나는 액체임)을 함께 초음파 혼합하기 위한 연속적인 흐름 혼합 장치에 관한 것이다.
수용액의 교반은 단일 성분 액체, 액체-액체 혼합, 액체-기체 혼합 및 액체-미립자 혼합 등의 액체의 처리를 강화하기 위해 많이 적용된다. 예를 들면, 잉크, 페인트 및 다른 점성 물질을 제형할 때, 적용가능한 용액을 형성하도록 2가지 이상의 성분(적어도 하나는 액체)이 함께 혼합된다. 다른 예로는, 특정 반응을 촉진시키도록 챔버 내에 각종 액체 및 기체를 동시에 도입하는 것이 있다. 이는 몇몇을 언급하면 공기 및/또는 산소 및/또는 오존 등의 기체의 도입과 함께 챔버 내로의 물의 흐름을 포함할 것이다. 또한, 이러한 챔버는 과산화수소의 분해, 유탁액 중합 반응 및 유탁액 중합 메커니즘에 대한 유탁액 형성 등의 각종 화학반응을 유도 하는데 이용될 수 있다.
다른 적용에서, 이러한 장치는 액체 흐름 내의 입자를 탈응집하는데 이용될 수 있다. 이는 잉크 제형에 사용되는 안료 등의 나노입자를 탈응집하는 것이다. 또한, 나노-안료 입자를 이용하여 잉크를 동시에 제형한다. 이러한 장치는 초음파 챔버 내의 유체 또는 유체/기체 또는 유체/기체/고체 장치의 특정 반응을 촉진시키도록 UV 광에 동시 노출시킬 수 있다. 다른 적용으로는, 사용을 위해 분배하는 분말/액체 및 액체로 이루어진 약학 제형을 마련하는데 혼합 장치를 이용하는 의학 분야가 있다.
특히, 이와 같은 교반 처리는 장치, 보통 칼럼 또는 기다란 챔버를 통해 연속적으로 이동하는 동안 액체를 처리하는 연속 타입 흐름 처리 장치에 제공한다. 액체를 교반함으로써, 소정의 반응(예컨대, 혼합 또는 다른 결과)이 기대될 수 있으므로, 연속적인 흐름 작동에서 성취될 수 있다.
액체의 교반은 칼럼을 통해 하나 이상의 액체 성분의 특정 흐름 변수(예컨대, 유량, 압력 등)에 의해 교반이 발생되는 정적 교반으로 지칭될 수 있다. 또한, 정적 교반은 처리되는 액체의 흐름을 분열시켜서 난류화시키는 흐름 칼럼 또는 챔버 내에 배치된 헬리컬 베인 타입의 구성 또는 다른 구조체 등의 고정형 교반 부재를 지나 액체의 흐름을 지향시킴으로써 발생할 수 있다. 동적 교반은 액체가 흐르는 처리 챔버 내의 하나 이상의 교반 부재(예컨대, 베인, 팬 날개 등)를 이동, 예컨대 회전, 요동, 진동 등을 시킴으로써 발생된다.
액체의 동적 교반에서 특정 유용한 타입은 액체 내에서 초음파 캐비테이 션(ultrasonic cavitation)으로부터 더욱 강한 교반을 일으킨다. 초음파 캐비테이션은 초음파 통전으로 인한 액체 내의 기포의 형성, 성장 및 폭발성 붕괴를 지칭한다. 이러한 캐비테이션은 부유 미립자 물질 또는 캐비테이션 이전의 순간적인 미소기포 내의 가스 충진된 틈 등의 액체 내의 기존의 연약점을 발생시킨다. 초음파가 액체를 통과함에 따라, 팽창 사이클은 액체 상에 부압을 발휘하여, 분자들을 서로 멀리 끌어당긴다. 초음파 에너지가 충분히 강한 경우에, 부압이 액체의 국부 인장 강도를 초과하면 팽창 사이클은 액체 내에 공동을 형성하므로, 액체의 타입 및 순도에 따라 변화한다.
초기 공동에 의해 형성된 작은 기포는 초음파 에너지의 또다른 흡착 시에 성장한다. 적절한 조건 하에서, 이들 기포는 강하게 붕괴되어, 매우 높은 압력 및 온도를 발생시킨다. 음향 화학으로 불리는 몇몇 분야에서, 화학반응은 캐비테이션에 의해 발생된 높은 압력 및 온도를 이용한다. 그러나, 거포의 성장 및 강한 붕괴는 액체의 바람직하게 강한 교반을 제공한다. 초음파 통전된 액체와 고체 표면 사이의 계면에서 발생하는 캐비테이션은 비대칭이며 액체의 높은 속도 제트를 발생시키므로, 액체를 더욱 교반시킨다. 이러한 타입의 캐비테이션은, 예컨대 2가지 이상의 성분의 수용액을 함께 완전하게 혼합하는 것을 용이하게 할 때 특히 유용하다.
따라서, 흐르는 액체를 처리하는 초음파 캐비테이션의 이점을 이용하는 연속적인 흐름 초음파 액체 처리 챔버 및 혼합 장치에 대한 필요성이 있다.
일 실시예에 있어서, 액체를 초음파 처리하기 위한 초음파 처리 챔버는, 종방향 대향 단부와 내부 공간을 갖는 기다란 하우징을 포함한다. 상기 하우징은 상기 종방향 단부에 근접하고, 상기 액체를 상기 하우징의 내부 공간 내에 수용하기 위한 입구 포트와, 상기 하우징으로부터 상기 액체를 배출하여 상기 액체를 초음파 처리하는 출구 포트를 갖는다. 상기 출구 포트는 상기 입구 포트로부터 상기 출구 포트로의 상기 하우징의 내부 공간 내에 액체가 종방향으로 흐르도록 상기 입구 포트로부터 종방향으로 이격된다. 기다란 초음파 도파관 조립체는 상기 하우징의 내부 공간 내에 종방향으로 연장되며 상기 하우징 내로 흐르는 액체를 초음파 통전하도록 소정의 초음파 주파수로 작동가능하다.
상기 도파관 조립체는, 상기 하우징의 입구 포트와 출구 포트의 중간에 적어도 부분적으로 배치되며, 상기 입구 포트로부터 상기 출구 포트로 하우징 내로 흐르는 액체와의 접촉을 위해 위치된 외부면을 갖는다. 복수의 교반 부재는 서로 종방향으로 이격된 상기 입구 포트와 상기 출구 포트 중간의 상기 호른의 외부면과 접촉하여 상기 외부면으로부터 횡방향 외측으로 연장된다. 상기 교반 부재와 상기 호른은 상기 소정의 주파수에서 상기 호른의 초음파 진동에 대해 상기 호른에 관한 상기 교반 부재의 동적 운동을 위해 구성 및 배치되고, 소정의 주파수 및 상기 챔버 내에서 처리되는 액체에 상응하는 상기 교반 부재의 초음파 캐비테이션 모드에서 작동하도록 구성 및 배치된다.
다른 실시예에 있어서, 액체를 초음파 처리하기 위한 초음파 처리 챔버는, 기다란 하우징으로서, 종방향 대향 단부, 내부 공간, 상기 종방향 단부에 근접하고, 상기 액체를 상기 하우징의 내부 공간 내에 수용하기 위한 입구 포트와, 상기 하우징으로부터 상기 액체를 배출하여 상기 액체를 초음파 처리하는 출구 포트를 갖는 기다란 하우징을 포함한다. 상기 출구 포트는 상기 입구 포트로부터 상기 출구 포트로의 상기 하우징의 내부 공간 내에 액체가 종방향으로 흐르도록 상기 입구 포트로부터 종방향으로 이격된다. 기다란 초음파 도파관 조립체는 상기 하우징의 내부 공간 내에 종방향으로 연장되며 상기 하우징 내로 흐르는 액체를 초음파 통전하도록 소정의 초음파 주파수로 작동가능하다.
상기 도파관 조립체는, 상기 하우징의 입구 포트와 출구 포트의 중간에 적어도 부분적으로 배치되며, 상기 입구 포트로부터 상기 출구 포트로 하우징 내로 흐르는 액체와의 접촉을 위해 위치된 외부면을 갖는 기다란 초음파 호른을 포함한다. 상기 호른은 상기 소정의 초음파 주파수로 상기 호른의 초음파 진동에 반응하여 종방향 변위와 반경방향 변위 양자를 위해 구성된다. 교반 부재는 상기 입구 포트와 상기 출구 포트 중간에서 상기 호른의 외부면과 접촉하여 상기 외부면으로부터 횡방향 외측으로 연장된다. 상기 교반 부재는 상기 호른의 외부면으로부터 횡방향 외측으로 연장되는 횡방향 구성요소와, 상기 호른의 외부면과 횡방향으로 이격된 상기 횡방향 구성요소에 연결되고 상기 횡방향 구성요소와 상이한 방향으로 연장되며 적어도 부분적으로 상기 호른의 외부면에 횡방향이 아닌 종방향 구성요소를 포함한다.
또 다른 실시예에 있어서, 액체를 초음파 처리하기 위한 초음파 처리 챔버는, 기다란 하우징으로서, 종방향 대향 단부, 내부 공간, 상기 하우징의 내부 공간 내에 수용하기 위한 입구 포트와, 상기 하우징으로부터 상기 액체를 배출하여 상기 액체를 초음파 처리하는 출구 포트를 갖는 기다란 하우징을 포함한다. 상기 출구 포트는 상기 입구 포트로부터 상기 출구 포트로의 상기 하우징의 내부 공간 내에 액체가 종방향으로 흐르도록 상기 입구 포트로부터 종방향으로 이격된다. 기다란 초음파 도파관 조립체는 상기 하우징의 내부 공간 내에 종방향으로 연장되며 상기 하우징 내로 흐르는 액체를 초음파 통전하도록 소정의 초음파 주파수로 작동가능하다.
상기 도파관 조립체는, 상기 하우징의 입구 포트와 출구 포트의 중간에 적어도 부분적으로 배치되며 상기 입구 포트로부터 상기 출구 포트로 상기 하우징 내로 흐르는 액체와 접촉하도록 위치된 외부면을 갖는 기다란 초음파 호른을 포함한다. 복수의 별개인 교반 부재는, 상기 입구 포트와 상기 출구 포트 중간에서 서로 종방향으로 이격되게 상기 호른의 외부면과 접촉하여 상기 외부면으로부터 횡방향 외측으로 연장된다. 상기 교반 부재와 상기 호른은 상기 소정의 주파수에서 상기 호른의 초음파 진동에 대해 상기 호른에 관한 상기 교반 부재의 동적 운동을 위해 구성 및 배치된다. 상기 교반 부재 각각은 환형이며 상기 호른의 원주 둘레에서 연속적으로 연장된다.
또 다른 실시예에 있어서, 액체를 초음파 처리하기 위한 초음파 처리 챔버는, 기다란 하우징으로서, 종방향 대향 단부, 내부 공간, 상기 하우징의 내부 공간 내에 수용하기 위한 입구 포트와, 상기 하우징으로부터 상기 액체를 배출하여 상기 액체를 초음파 처리하는 출구 포트를 갖는 기다란 하우징을 포함한다. 상기 출구 포트는 상기 입구 포트로부터 상기 출구 포트로의 상기 하우징의 내부 공간 내에 액체가 종방향으로 흐르도록 상기 입구 포트로부터 종방향으로 이격된다. 기다란 초음파 도파관 조립체는 상기 하우징의 내부 공간 내에 종방향으로 연장되며 상기 하우징 내로 흐르는 액체를 초음파 통전하도록 소정의 초음파 주파수로 작동가능하다.
상기 도파관 조립체는, 상기 출구 포트로부터 종방향으로 이격된 말단부와, 상기 입구 포트로부터 상기 출구 포트로 상기 하우징 내로 흐르는 액체와 접촉하게 위치된 외부면을 갖는 기다란 초음파 호른을 포함한다. 복수의 별개인 교반 부재는 상기 입구 포트와 상기 출구 포트 중간에 서로 종방향으로 이격된 상기 호른의 외부면과 접촉하여 상기 외부면으로부터 횡방향 외측으로 연장된다. 상기 교반 부재 중 하나는 서로 종방향으로 이격된 상기 호른의 상기 말단부 중 하나에 종방향으로 위치되고 그에 인접하게 위치된다.
다른 실시예에 있어서, 액체를 초음파 처리하기 위한 초음파 처리 챔버는, 기다란 하우징으로서, 종방향 대향 단부, 내부 공간, 상기 하우징의 내부 공간 내에 수용하기 위한 입구 포트와, 상기 하우징으로부터 상기 액체를 배출하여 상기 액체를 초음파 처리하는 출구 포트를 갖는 기다란 하우징을 포함한다. 상기 출구 포트는 상기 입구 포트로부터 상기 출구 포트로의 상기 하우징의 내부 공간 내에 액체가 종방향으로 흐르도록 상기 입구 포트로부터 종방향으로 이격된다. 기다란 초음파 도파관 조립체는 상기 하우징의 내부 공간 내에 종방향으로 연장되며 상기 하우징 내로 흐르는 액체를 초음파 통전하도록 소정의 초음파 주파수로 작동가능하다.
상기 초음파 도파관 조립체는, 상기 입구 포트로부터 상기 출구 포트로 상기 하우징 내로 흐르는 액체와 접촉하기 위해 위치된 외부면을 갖는 기다란 초음파 호른을 포함한다. 복수의 별개인 교반 부재는 상기 입구 포트와 상기 출구 포트 중간에 서로 종방향으로 이격된 상기 호른의 외부면과 접촉하여 상기 외부면으로부터 횡방향 외측으로 연장된다. 상기 처리 챔버의 배플 조립체는 상기 하우징으로부터 상기 하우징의 내부 공간 내의 상기 호른 쪽으로 횡방향 내측으로 연장되는 복수의 별개인 배플 부재를 포함한다. 상기 배플 부재는 서로 종방향으로 이격되며 상기 도파관 조립체의 교반 부재와 종방향으로 갈라진다.
도 1은 잉크 용액 혼합 장치의 형태로 도시되며 액체를 초음파 처리하는 초음파 처리 챔버를 내장하는 액체를 초음파 처리하는 장치의 일 실시예에 따른 혼합 장치의 개략도,
도 2는 액체를 초음파 처리하기 위한 초음파 처리 챔버의 측면도,
도 3은 도 2의 초음파 처리 챔버의 종단면도(수직 단면도),
도 3A는 도 3의 단면도의 일부의 확대도,
도 3B는 도 2의 초음파 처리 챔버의 하우징의 일부를 형성하는 칼라의 평면도,
도 4는 도 2의 초음파 처리 챔버의 호른 조립체와 배플 조립체의 분해 사시도,
도 5는 호른 조립체의 변형 실시예의 정면 사시도,
도 6은 도 3A와 유사한 확대 종단면도이지만, 배플 조립체의 변형 실시예를 도시한 도면,
도 7은 배플 조립체의 다른 변형 실시예의 정면 사시도,
도 8은 배플 조립체의 다른 변형 실시예의 분해도,
도 9는 배플 조립체의 다른 변형 실시예의 종단면도(수직 단면도).
상응하는 참조번호는 도면을 통해 상응하는 부품을 지칭한다.
일 실시예에 있어서, 도 1을 참조하면, 액체를 초음파 처리하기 위한 장치는 액체를 초음파 처리하도록 작동가능한 초음파 처리 챔버(21)를 포함한다. 본원에 사용된 바와 같은 용어 "액체(liquid)"는 단일 성분 액체, 액체-액체 혼합물과 같이 적어도 하나의 성분이 액체인 2가지 이상의 성분으로 이루어진 용액, 미립자 물질을 포함하는 액체-기체 혼합물 또는 액체, 또는 다른 점성 유체를 지칭한다.
초음파 처리 챔버(21)는 도 1에 개략적으로 도시되어 있으며 혼합 장치(23) 내에 처리 챔버를 사용하는 것과 관련하여 더욱 기술하며, 이러한 혼합 장치(23)는 챔버 내의 용액에 초음파 에너지를 인가하여 성분 중 적어도 하나가 액체인 2가지 이상의 성분을 혼합함으로써 수용액을 형성하는데 이용되고, 보다 상세하게는 2가 지 이상의 잉크 성분으로부터 액체 잉크 용액을 형성하는 혼합 장치이다. 그러나, 본원에 기술된 초음파 처리 챔버(21)는 액체 잉크 용액 이외의 수용액을 형성하기 위한 혼합 장치와 함께 이용될 수 있다. 또한, 초음파 처리 챔버(21)는 혼합 이외에 액체의 적어도 부분적으로의 초음파 교반이 액체의 소정 처리를 포함하는 액체 초음파 처리 장치에 사용될 수 있다.
특히, 초음파 처리 챔버(21)는 액체의 초음파 교반이 인라인, 예컨대 유체가 챔버를 통해 연속적으로 흐르는 연속적인 흐름 공정에 요구되는 액체 처리 장치에 사용하는 것이 적합하다. 초음파 처리 챔버의 다른 용도로는, 한정되지는 않지만, 혼합 용액, 페인트 및 다른 점성 물질(예컨대, 잉크 용액 이외의); 음식 처리; 탈기 용액(예컨대, 산소, 질소, 암모니아 등의 수용액으로부터 가스를 뽑아내는 것); 및 예컨대 반응을 촉진시키도록 화학반응에 여기를 부여하는 음향 화학에서 주로 사용되는 강화된 화학반응이 있다. 연속적인 흐름 공정 대신에 배치 공정에 따라 액체를 처리하는 액체 처리 장치에 처리 챔버(21)가 사용될 수 있으며, 이는 본 발명의 범위 내에 있다.
초음파 처리 챔버(21)에 대한 혼합 용도의 추가적인 예로는, 한정되지는 않지만, 플라스틱 산업에서의 혼합 수지 및 경화제; 표백제, 습윤 강도 증강제, 전분, 염료, 효소, 충진제, 안티 슬라임제, 실리콘 첨가물 등의 화학 첨가물와 펄프 슬러리의 혼합; 코팅용 점토 슬러리, 습윤 강도 수지 등의 중합 첨가물, 전분 현탁액, 실리콘 화합물, 로션, 충진 현탁액 등의 종이 및 티슈 산업에 사용되는 혼합물; 수지와 색소제, 충진제 및 다른 혼합물의 혼합; 음식 유상액(예컨대, 선블록 제품, 핸드 로션, 립스틱 화합물 등), 화장품, 세척제(오일과 물의 나노유상액), 약제 혼합물 등의 유상액을 마련하기 위한 혼합 불가능한 상(immiscible phases)의 혼합; 및 헤어 염색 등의 화장품을 형성하기 위한 다른 화합물이 있다.
초음파 처리 챔버(21)의 다른 용도는, 한정되지는 않지만, 후속 처리를 단순화하고 공극 형성을 감소시키기 위한 혼합물의 탈기; (특히, 효소, 세척제 또는 다른 화학물의 존재시에) 초음파 에너지가 잉크의 제거를 도울 수 있는 재활용된 제지 섬유의 탈잉크; 가스 및 슬러리 또는 액체를 혼합해야 하는 오일, 치즈 다른 음식물의 수소 첨가; 우유 및 다른 화합물의 균질화; 셀을 손상시킬 수 있는 강한 기계적 전단 없이 셀이 영양분과 다른 화합물과 혼합되어야 하는 섬세한 셀을 바이오리액터와 발효 유닛 내에 내장; 각종 첨가물 및 기포가 슬러리와 혼합될 필요가 있는 폐수 및/또는 비료의 처리; 윤활 혼합물, 가솔린 혼합, 왁스 혼합물 등의 석유화학제품의 제조 및 석유화학제품에서 유도된 화합물의 제조; 반죽(예컨대, 글루텐 등의 파손을 개선시킬 수 있는 가루에 첨가될 작용제의 조합물의 혼합 또는 반죽 자체의 처리의 처리가 있다. 또한, 초음파 처리 챔버(21)는 슬러리 등의 단일 또는 다수 상을 포함하는 화학 반응기 내에 사용될 수도 있다.
다른 용도로서, 초음파 처리 챔버(21)는 그라비어 코팅(gravure coating), 메이어 로드 코팅(mayer rod coating) 또는 용액으로부터 기포를 제거하는 것이 바람직한 다른 코팅 적용에서 사용되는 코팅 용액으로부터 가둬진 기포를 제거하는데 이용될 수 있다.
도 1의 도시된 실시예에 있어서, 초음파 처리 챔버(21)는 대체로 기다란 형 상이고, 일반적인 입구 단부(25)(도시한 실시예의 배향에서의 하단부) 및 일반적인 출구 단부(27)(도시한 실시예의 배향에서의 상단부)를 갖는다. 장치(23)는 그 입구 단부(25)에서 처리 챔버(21)에 유체를 도입하고, 챔버 내에 종방향으로 흐르고(예컨대, 도시한 실시예의 배향에서의 상측), 챔버의 출구 단부에서 챔버로부터 나오도록 구성된다.
용어 "상측(upper)" 및 "하측(lower)"은 각종 도면에 도시된 초음파 처리 챔버(21)의 수직 배향에 따라 본원에서 사용되며, 사용시에 챔버의 필요한 배향을 기술할 의도는 아니다. 즉, 각종 도면에 도시된 바와 같이 챔버의 출구 단부가 입구 단부 위에 있는 상태로 챔버가 수직방향으로 배치되는 것이 가장 적합하지만, 챔버는 입구 단부가 출구 단부 위에 있는 상태로 배향될 수 있거나, 또는 수직방향 이외의 다른 배향일 수 있으며 본 발명의 범위 내에 있는 것이다.
용어 "축방향(axial)" 및 "종방향(longitudinal)"은 챔버의 길이방향(예컨대 도시한 실시예에서 수직방향과 같은 단부 대 단부)을 방향적으로 지칭한다. 용어 "횡방향(transverse)", "측방향(lateral)" 및 "반경방향(radial)"은 축방향(예컨대, 종방향)에 수직한 방향을 언급한다. 용어 "내측(inner)" 및 "외측(outer)"은, 용어 "내측"이 챔버의 내부를 향한 방향(예컨대, 챔버의 종축을 향한 방향)을 지칭하며 용어 "외측"이 챔버의 외부를 향한 방향(예컨대, 챔버의 종축으로부터 멀어지는 방향)을 지칭하는 상태에서 초음파 처리 챔버의 축방향에 대한 횡방향을 언급하는데 사용된다.
초음파 처리 챔버(21)의 입구 단부(25)는 하나 이상의 액체 구성요소를 챔 버(21)에 지향시키도록 작동가능한 적절한 전달 장치(29)와 유체식 연통한다. 예를 들면, 도 1의 도시된 액체 잉크 용액 혼합 장치(23)에서, 전달 장치(29)는 대응하는 공급원(참조번호 "32"로서 도 1에 개략적으로 도시됨)으로부터 적절한 도관(참조번호 "33"으로서 도 1에 개략적으로 도시됨)을 거쳐 챔버(21)의 입구 단부(25)에 각각의 구성요소를 펌핑하도록 작동가능한 복수의 펌프(31)(예컨대, 함께 혼합되는 잉크 구성요소 각각을 위한 하나의 펌프)를 포함한다. 일례로서, 4개의 펌프(31), 구성요소 공급원 및 대응하는 도관(33)이 잉크 성분의 조합물, 예컨대, 안료 분산, 물, 글리세린, 바인더, 계면활성제 및/또는 살생물제 등의 안료 잉크 용액을 형성하는데 이용되는 성분, 또는 염료 혹은 호수, 물, 글리세린, 계면활성제, 살생물제 및 바인더 등의 반응 잉크 용액을 형성하기 위한 성분, 또는 다른 액체 잉크 용액을 형성하기 위한 성분을 전달하기 위해 도 1에 도시되어 있다.
본 발명의 범위를 벗어남이 없이, 전달 장치(29)는 4개 미만(1개) 또는 4개 이상의 성분을 처리 챔버(21)에 전달하도록 구성될 수 있다. 또한, 도 1에 도시되고 본원에 기술된 것 이외에 전달 장치는 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 초음파 처리 챔버(21)의 입구 단부(25)에 하나 이상의 성분을 전달하는데 이용될 수 있다.
또한, 도시된 실시예의 잉크 혼합 장치(23)는 액체 용액이 챔버로부터 나온 후에 액체 용액(예컨대, 잉크 용액)을 처리하기 위해 초음파 처리 챔버(21)의 출구 단부(27)와 유체식 연통하는 후처리 장치(35)를 포함한다. 도시한 혼합 장치(23)는 혼합 장치 내의 액체 압력을 모니터링하기 위한 하나 이상의 압력 게이지(37)(도 1에서는 2개)를 포함한다. 또한, (예컨대, 챔버로 전달되는 하나 이상의 성분 내에 초기에 존재하는) 수용액 내에 존재할 수 있는 먼지, 부스러기 또는 오염물 등의 미립자 물질을 여과하기 위해 처리 챔버(21)의 하류에 있는 수용액의 흐름 경로를 따라 하나 이상의 필터 유닛(39a, 39b)이 배치될 수 있다. 예를 들면, 도시한 실시예에 있어서, 약 0.5 미크론 이상인 크기의 입자를 여과하도록 제 1 필터 유닛(39a)이 구성되고, 약 0.2 미크론 이상인 크기의 입자를 더욱 여과하도록 제 1 필터 유닛의 하류에 위치된 제 2 필터 유닛(39b)이 구성된다. 그러나, 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이, 하나만 또는 2개 이상의 필터 유닛(39a, 39b)이 사용될 수 있거나, 또는 필터 유닛이 함께 생략될 수도 있다.
도 1을 참조하면, 후처리 장치(35)는 처리 챔버(21) 내의 초음파 처리 후에 수용액(예컨대, 잉크 용액)으로부터 기포를 제거하도록 작동가능한 탈기 및 기포 제거 유닛(41)을 더 포함할 수 있다. 특정 적절한 실시예에 있어서, 탈기 및 기포 제거 유닛(41)은 종래의 멤브레인 접촉기를 포함한다. 멤브레인 접촉기의 구성 및 작동은 당업자에게 잘 공지되어 있으므로, 더 이상 설명하지는 않는다. 적절한 멤브레인 접촉기의 일례로는, SuperPhobic 상표명의 미국 노스캐롤라이나주 샤롯의 멤브라나로부터 입수가능한 것이 있다. 또한, pH, 전도성, 점도, 온도, 색상, 표면장력 및 다른 특성 등의 수용액(예컨대, 잉크 용액)의 각종 특성을 모니터링하기 위해 하나 이상의 센서 유닛(43)이 제공될 수도 있다.
후처리 이후에, 초음파 처리 챔버(21)에 의해 처리된 액체는 다수의 적용 중 어느 것을 갖는 저장 컨테이너 또는 작동 장치(45)로 지향될 수 있다. 예를 들면, 도 1의 액체 잉크 용액 혼합 장치(23)는 기판 상으로 잉크 용액을 연속적으로 전달 하기 위한 잉크젯 헤드 내로 직접 잉크 용액을 전달하거나, 또는 슬롯 다이, 그라비어, 실크 스크린, 메이어 로드, 롤러, 스프레이 또는 잉크 용액으로 기판을 코팅하는데 사용되는 다른 적절한 코터 등의 코터 내로 직접 펌핑될 수 있다. 다른 적용의 예로는, 원자화를 위한 스프레이 노즐로 처리되는 액체를 전달하거나, 또는 사출 성형 또는 반응성 사출 성형으로 처리되는 액체를 전달하는 것을 포함한다. 처리되는 액체를 어플리케이터로 전달하는데 사용되는 임의의 장치(도시하지 않음)는 후처리 장치(예컨대, 후처리 장치(35))의 하류에 배치될 수 있거나, 또는 후처리 장치는 처리되는 액체를 후속의 어플리케이터로 전달하도록 챔버(21)의 출구 포트(65)와 직접 연통할 수 있다.
도 2를 참조하면, 액체 처리 장치(23)의 초음파 처리 챔버(21)는, 챔버로 전달되는 액체가 입구 단부(25)로부터 출구 단부(27)로 흐르는 챔버의 내부 공간(53)을 형성하는 하우징(51)을 포함한다. 하우징(51)은 챔버(21)의 측벽(57)을 적어도 부분적으로 형성하는 기다란 튜브(55)를 포함하는 것이 바람직하다. 튜브(55)는 챔버(21) 내에서 처리되는 하나 이상의 성분을 내부 공간(53)으로 전달하는 하나 이상의 입구 포트(도 2에 도시된 입구 포트로서 참조번호 "59"로 나타냄)를 가질 수 있다. 도시한 실시예에 있어서, 하우징(51)은 (입구 포트(59)와 함께) 챔버(21)의 입구 단부(25)를 더욱 형성하도록 튜브(55)의 일 단부에 연결되어 그 상에 장착된 입구 칼라(61)를 더 포함한다.
또한, 하우징(51)은 측벽(57)의 종방향 대향 단부에 연결되어 실질적으로 폐쇄하며 처리 챔버(21)의 출구 단부(27)를 형성하도록 하나 이상의 출구 포트(65)를 갖는 차폐체(63)를 더 포함한다. 챔버(21)의 측벽(57)(예컨대, 기다란 튜브(55)에 의해 형성됨)은 칼라(61)와 차폐체(63)와 함께 챔버의 내부 공간(53)을 형성하는 내부면(67)을 갖는다. 도시한 실시예에 있어서, 튜브(55)는 챔버 측벽(57)의 단면이 대체로 환형이 되도록 원통형이다. 그러나, 챔버 측벽(57)의 단면은 환형이 아니라 다각형 또는 다른 적절한 형상 등일 수 있으며, 이는 본 발명의 범위 내에 있다. 재료가 챔버 내에서 처리되는 액체 성분, 챔버를 작동하도록 의도된 압력 및 온도 등의 챔버 내의 다른 환경 조건과 호환가능하기만 하면 임의의 적절한 재료가 사용될 수 있더라도, 도시한 챔버(21)의 챔버 측벽(57)은 투명한 재료로 구성되는 것이 바람직하다.
도 3B를 참조하면, 챔버(21)의 입구 단부(25)에 있는 입구 칼라(61)는 대체로 환형이며, 챔버(21)의 내부 공간(53) 내로 액체 용액 성분을 수용하도록 형성된 하나 이상, 보다 바람직하게 복수의 입구 포트(69a, 69b)를 갖는다. 하나 이상의 입구 포트(69a)는 환형 칼라(61)에 대해 대체로 접선방향으로 배향되어, 챔버에 도입됨에 따라 액체에 소용돌이 작용을 부여하도록 액체가 챔버(21)의 내부 공간(53) 내로 흐른다. 보다 바람직하게, 도시한 실시예에 있어서, 한 쌍의 입구 포트(69a, 69b)는 서로 평행하게 배치되며 환형 칼라(61)에 대해 대체로 접선방향으로 연장되고, 하나의 포트(69a)는 외측 입구 포트로서 지칭되고 다른 포트(69a)는 내측 입구 포트로 지칭된다.
이와 같은 이중 접선방향 입구 포트(69a, 69b)는 수용액이 챔버(21) 내에서 초음파 처리를 더 받기 전에 2가지 이상의 성분을 함께 초기 혼합하는데 특히 유용 하다. 본 구성의 특히 적절한 용도에 있어서, 챔버(21) 내에서 처리되는 액체가 2가지 이상의 액체를 포함하는 경우, 가장 낮은 점도를 갖는 액체는 외측 입구 포트(69a)를 거쳐 챔버 내로 흐르도록 지향되는 한편, 가장 높은 점도를 갖는 액체는 내측 입구 포트(69b)를 거쳐 챔버 내로 흐르도록 지향된다. 외측 입구 포트(69a)를 통해 가장 낮은 점도 성분을 흘리면, 보다 높은 점도 성분이 챔버 내로 도입되는 유속으로 챔버(21)의 내부 공간(53) 내로 보다 높은 점도 성분을 끌어당기는 경향을 갖는다.
액체 성분이 챔버(21) 내로 지향되는 접선방향으로부터 발생된 소용돌이 작용과 함께 이러한 작용은 수용액이 초음파 처리용 챔버를 통해 더 흐르기 전에 2가지 성분의 초기 혼합을 촉진시킨다. 혼합물에 추가적인 성분이 첨가되면, 이러한 성분은 챔버 측벽(57) 내에 형성된 입구 포트(59)를 거쳐 챔버(21)의 내부 공간(53) 내로 전달될 수 있다. 도시한 실시예에 있어서, 칼라(61)는 추가적인 접선방향 입구 포트 세트와, 한 쌍의 대체로 수직방향으로 배향된 입구 포트(71)를 갖는다. 그러나, 포트(69a, 69b) 중 어느 것도 칼라(61)에 대해 접선방향으로 배향될 필요는 없으며, 이는 본 발명의 범위 내에 있다. 또한, 칼라(61)는 함께 혼합된 모든 성분이 챔버 측벽(57) 내에 형성된 입구 포트(59)로 전달되도록 함께 생략될 수도 있다.
초음파 도파관 조립체(101)는 챔버의 내부 공간(53)을 통해 흐르는 액체(및 수용액의 임의의 다른 성분)를 초음파 통전하도록 챔버(21)의 내부 공간(53) 내에 적어도 부분적으로 종방향으로 연장된다. 특히, 도시한 실시예의 초음파 도파관 조립체(101)는 내부 공간(53) 위로의 챔버(21)의 하측 또는 입구 단부(25)로부터 최상위 입구 포트(예컨대, 존재하는 입구 포트(59) 또는 다른 입구 포트(69a, 69b)) 중간에 배치된 도파관 조립체의 말단부(103)로 종방향으로 연장된다. 보다 바람직하게, 도파관 조립체(101)는 후술하는 바와 같이 챔버 하우징(51)에 직접 또는 간접적으로 장착된다.
초음파 도파관 조립체(101)는 챔버(21) 내에서 처리되는 액체 내로 완전히 침수하기 위해 최상위 입구 포트와 출구 포트 중간에 하우징(5)의 내부 공간(53)과 함께 전체적으로 배치된 기다란 호른 조립체(horn assembly)(105)를 포함하는 것이 바람직하며, 이는 챔버 측벽(57)과 동축으로 정렬되는 것이 보다 바람직하다. 호른 조립체(105)는 측벽(57)의 내부면(67)과 함께 액체와 다른 성분이 챔버 내의 호른 조립체를 지나 흐르는 챔버(21)의 내부 공간(53) 내에 흐름 경로를 형성하는 외부면(107)을 갖는다(흐름 경로의 일부는 초음파 처리 지대로서 넓게 지칭됨). 호른 조립체(105)는, 호른 조립체의 말단부(도파관 조립체의 말단부(103))를 형성하는 상단부(109)와, 종방향 대향 하단부(111)를 갖는다. 또한, 도시한 실시예의 도파관 조립체(101)는 호른 조립체(105)의 하단부(111)와 동축으로 정렬되어 그 상단부에서 하단부(111)에 연결되는 부스터(113)를 더 포함한다. 그러나, 도파관 조립체(1101)는 호른 조립체(105)만을 포함할 수 있으며, 이는 본 발명의 범위 내에 있다. 또한, 부스터(113)는 챔버 하우징(51)의 외부에 전체적으로 배치될 수 있으며, 호른 조립체(105)는 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 챔버 하우징(51) 상에 장착된다.
초음파 도파관 조립체(101), 특히 도 3에 도시한 실시예에서의 부스터(113)는 초음파 처리 챔버 하우징으로부터 도파관 조립체(작동시에 초음파 진동함)를 진동면에서 격리하도록 구성되는 장착 부재(115)에 의해 그 상단부에 챔버 측벽(57)을 형성하는 챔버 하우징(51), 예컨대 튜브(55) 상에 장착되는 것이 바람직하다. 즉, 장착 부재(115)는 도파관 조립체(101)의 종방향 및 횡방향 기계적 진동이 챔버 하우징(51)에 전달되는 것을 방해하는 한편, 챔버 하우징의 내부 공간(53) 내에 도파관 조립체(특히, 호른 조립체(105))의 소정의 횡방향 위치를 유지하며 챔버 하우징 내의 종방향 및 횡방향 변위를 허용한다. 도시한 실시예에 있어서, 장착 부재(115)는 챔버(21)의 입구 단부(25)를 (예컨대, 부스터(113)와 함께) 적어도 부분적으로 폐쇄한다.
일례로서, 도시한 실시예의 장착 부재(115)는 횡방향으로 이격되게 도파관 조립체(101)에 횡방향으로 연장되는 환형의 외측 세그먼트(117)와, 외측 세그먼트를 도파관 조립체에 상호연결하는 플랜지 부재(119)를 포함한다. 장착 부재(115)의 횡방향 외측 세그먼트(117) 및 플랜지 부재(119)는 도파관 조립체(101)의 원주 둘레에서 연속적으로 연장되지만, 하나 이상의 요소는 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 휠 스포크의 방식과 같이 도파관 조립체 둘레에서 불연속적일 수 있다. 특히, 장착 부재(115)의 외측 세그먼트(117)는 입구 칼라(61)에 의해 형성된 숄더(121)에 대해 안착하도록 구성된다.
도 6에서 잘 알 수 있는 바와 같이, 칼라(61)의 내부 단면 치수(예컨대, 내경)는 칼라(34)가 플랜지 부재(119)를 수용하도록 챔버 측벽(57)로부터 멀리 종방 향 하측으로 연장됨에 따라 외측으로 단차진다. 특히 적절한 실시예에 있어서, 칼라(61)는 대체로 환형의 갭(123)을 형성하도록 플랜지 부재(191)로부터 횡방향으로 이격되기에 충분한 크기로 형성되며, 칼라의 입구 포트(69a, 69b)를 거쳐 챔버(21)로 전달되는 액체는 챔버의 내부 공간(53)에 도입된다. 이와 같은 환형의 갭(123)은 칼라 입구 포트(69a, 69b)를 거쳐 챔버(21) 내로 도입될 때 유출물의 소용돌이 작용을 더욱 촉진시킨다.
장착 부재(115)는 외측 세그먼트(117)의 적어도 외측 에지 마진부, 보다 바람직하게 외측 세그먼트의 실질적인 횡방향 부분이 칼라(61) 상에 형성된 숄더(121)에 안착되도록 횡방향 단면이 적절하게 크기설정된다. 볼트와 너트(도시하지 않음) 구성 등의 적절한 고정 장치(도시하지 않음)는 칼라(61)에 의해 형성된 숄더(121)에 장착 부재(115)의 외측 세그먼트(117)를 고정함으로써, 부스터(113)(넓게는, 도파관 조립체(101))를 챔버 하우징(51)에 연결한다.
플랜지 부재(119)는 도파관 조립체(101)의 초음파 진동에 반응하여 플랜지 부재(119)의 굴곡 및/또는 만곡을 용이하게 하도록 장착 부재(115)의 외측 세그먼트(117)보다 비교적 얇게 구성되는 것이 적절할 수 있다. 일례로서, 플랜지 부재(119)의 두께는 약 0.2 mm 내지 약 5 mm의 범위 일 수 있고, 보다 바람직하게는 약 2.5 mm이다. 도시한 장착 부재(115)의 플랜지 부재(119)는 도파관 조립체(101)에 연결되며 대체로 횡방향 외측이지만 장착 부재의 외측 세그먼트(117)의 내측으로 연장되는 내측 횡방향 구성요소(125)와, 장착 부재)의 외측 세그먼트와 횡방향 내측 구성요소를 상호연결하며 횡방향 내측 구성요소와 함께 플랜지 부재(119)의 대체로 L자 형상 단면을 형성하는 축방향 또는 종방향 구성요소를 갖는 것이 적절하다. 그러나, 플랜지 부재(119)는 대체로 U자 형상의 단면 또는 H-형상, I-형상, 역 U-형상 등과 같은 다른 적절한 단면 형상을 가질 수 있으며, 이는 본 발명의 범위 내에 있다. 적절한 장착 부재 구성의 추가적인 예는 미국 특허 제6,676,003호에 기재되어 있으며, 그 전체 내용은 본원에 참고로 인용한다.
도시한 플랜지 부재(119)의 종방향 구성요소(127)는 횡방향 외측 세그먼트(117)에 그리고 플랜지 부재의 횡방향 내측 구성요소(125)에 적절하게 캔틸레버 지지되는 한편, 플랜지의 내측 구성요소는 도파관 조립체(101)에 캔틸레버 지지된다. 따라서, 플랜지 부재(119)는 도파관 조립체(101)의 횡방향 및 반경방향 변위로부터 챔버 하우징(51)을 격리하도록 도파관 조립체(101)의 진동 변위에 반응하여 장착 부재(115)의 외측 세그먼트(117)에 대해 동적으로 굴곡 및/또는 만곡할 수 있다.
도시한 실시예에 있어서, 장착 부재(115)의 횡방향 외측 세그먼트(117) 및 플랜지 부재(119)의 횡방향 내측 구성요소(125)가 서로에 대해 종방향으로 편위된 위치에 대체로 배치되지만, 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 동일한 위치(예컨대, 플랜지 부재가 대체로 U자 형상의 단면인 경우) 또는 도 3에 도시한 것과는 다른 위치에 배치될 수 있다.
특히 적절한 실시예에 있어서, 장착 부재(115)는 단일 피스 구성을 갖는다. 보다 바람직하게, 장착 부재(115)는 도 3에 도시한 바와 같이 부스터(113)(더욱 넓게는, 도파관 조립체(101))와 일체 형성될 수 있다. 그러나, 장착 부재(115)는 도 파관 조립체(101)와 분리되게 구성될 수 있으며, 이는 본 발명의 범위 내에 있다. 또한, 장착 부재(115)의 하나 이상의 구성요소는 별개로 구성될 수 있고, 연결 또는 서로 조립되는 것이 바람직하다.
적절한 실시예에 있어서, 장착 부재(115)는 챔버(21)의 내부 공간(53) 내에 적절하게 정렬하여 도파관 조립체(101)를 보유하도록 대체로 강성(예컨대, 하중 하에서의 정적 변위에 대한 저항성)으로 구성된다. 예를 들면, 일 실시예에 있어서의 강성의 장착 부재(115)는 비탄성 재료, 보다 바람직하게 금속, 훨씬 바람직하게 부스터(113)(더욱 넓게는 도파관 조립체(101))를 구성하는 동일한 금속일 수 있다. 그러나, 용어 "강성(rigid)"은 장착 부재(115)가 도파관 조립체(101)의 초음파 진동에 반응하여 동적 굴곡 및/또는 만곡할 수 없음을 의미하도록 의도되지 않는다. 다른 실시예에 있어서, 강성의 장착 부재(115)는 하중 하에서 정적 변위에 충분히 저항하지만, 도파관 조립체(101)의 초음파 진동에 반응하여 동적 굴곡 및/또는 만곡을 할 수 있는 탄성 재료로 이루어질 수 있다. 도 3에 도시한 장착 부재(115)가 금속, 보다 바람직하게 부스터(113)와 동일한 재료로 구성되지만, 장착 부재는 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 적절한 대체로 강성의 재료로 이루어질 수 있다.
적어도 여자기(exciter)(도시하지 않음)와 전원(도시하지 않음)을 구비한 적절한 초음파 구동 장치(131)가 챔버(21)의 외부에 배치되며 기계 초음파식으로 진동하도록 도파관 조립체에 통전하게 부스터(113)[더욱 넓게는, 도파관 조립체(101)]에 연결된다. 초음파 구동 장치(131)의 적절한 예로는, 일리노이즈주 세 인트 챨스의 두칸 울트라소닉스로부터 입수가능한 모델 20A3000 장치와, 일리노이즈주 샤움버크의 허먼 울트라소닉스로부터 입수가능한 모델 2000CS 장치가 있다.
일 실시예에 있어서, 구동 장치(131)는 약 15 kHz 내지 약 100 kHz의 범위, 보다 바람직하게 약 15 kHz 내지 약 60 kHz의 범위, 훨씬 바람직하게 약 20 kHz 내지 약 40 kHz 그리고 더욱 바람직하게 약 20 kHz의 주파수에서 도파관 조립체(101)를 작동시킬 수 있다. 이와 같은 초음파 구동 장치(131)는 당업자에게 잘 공지되어 있으므로 본원에서 더 이상 설명할 필요는 없다.
도 3을 참조하면, 호른 조립체(105)는 외부면(135)을 갖는 기다랗고 대체로 원통형의 호른 부재(133)와, 호른에 연결되며 서로 이격된 관계로 호른 부재의 외부면으로부터 횡방향 외측으로 적어도 부분적으로 연장되는 2개 이상(즉, 복수 개)의 교반 부재(137)를 포함한다. 호른(133)은, 호른의 공명 파장의 대략 반(달리 반 파장으로도 언급됨)과 동일한 길이를 갖도록 크기설정되는 것이 바람직하다. 특정 실시예에 있어서, 호른(133)은 이전 언급된 초음파 주파수 범위, 보다 바람직하게 20 kHz에서 공명하도록 구성되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 호른(133)은 티타늄 합금(예컨대, Ti6Al4V)으로 구성되는 것이 바람직하며, 20 kHz로 공명하도록 크기설정될 수 있다. 이에 따라, 이와 같은 주파수로 작동하는 반 파장 호른(133)은 약 4 인치 내지 약 6 인치의 범위, 보다 바람직하게 약 4.5 인치 내지 약 5.5 인치의 범위, 더욱 바람직하게 약 5.0 인치 내지 약 5.5 인치, 가장 바람직하게 약 5.25 인치 (133.4 mm)의 길이(반 파장에 대응함)를 갖는다. 그러나, 초음파 처리 챔버(21)는 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 호른(133)이 반 파장의 증분을 갖도록 크기설정되는 호른 조립체(105)를 구비할 수 있다.
도시한 실시예에 있어서, 교반 부재(137)는 서로 종방향으로 이격된 관계로 그리고 호른의 외부면으로부터 횡방향(예컨대, 도시한 실시예에서의 반경방향) 외측으로 호른 부재(133)를 봉입하는 일련의 6개의 와셔 형상의 링을 포함한다. 이러한 방식에서, 호른(133)에 대한 교반 부재(137) 각각의 진동 변위는 호른의 원주 둘레에서 비교적 균일하다. 그러나, 교반 부재(137)는 호른(133)의 원주 둘레에서 각각 연속적일 필요는 없다. 예를 들면, 교반 부재(137)는 호른(133)의 외부면으로부터 횡방향 외측으로 연장되는 스포크, 블레이드, 핀 또는 다른 별도의 구조 부재의 형태를 취할 수도 있다.
약 5.25 인치(133.4 mm)의 길이를 갖는 도 3에 도시된 실시예의 호른(133)에 치수예를 제공하기 위해, 링(137) 중 하나는 호른(137)(도파관 조립체(101)의 말단부에 인접하게 배치되는 것이 바람직하고, 호른 부재의 말단부로부터 대략 0.063 인치(1.6 mm) 종방향으로 이격되는 것이 보다 바람직하다. 다른 실시예에 있어서, 최상위 링(137)은 호른의 말단부에 배치될 수 있으며, 이는 본 발명의 범위 내에 있다. 링(137) 각각은 약 0.125 인치(3.2 mm)이며 약 0.875 인치(22.2 mm)의 거리로 (링의 대면하는 표면 사이에서) 서로 종방향으로 이격된다.
교반 부재(137)(예컨대, 도시한 실시예에서의 링)의 개수는 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 6개 미만 또는 6개 이상일 수 있다. 또한, 교반 부재(137) 사이의 종방향 이격거리는 도 3에 도시한 것과 상술한 것(예컨대, 더욱 가깝거나 또는 더욱 이격됨)과는 다를 수 있다. 도 3에 도시한 링(137)이 서로 종방향으로 동일하게 이격되지만, 2개 이상의 교반 부재가 존재하는 경우, 종방향으로 연속적인 교반 부재 사이의 이격거리는 본 발명의 범위 내에 있도록 균일할 필요는 없다.
특히, 교반 부재(137)의 위치는 적어도 부분적으로 호른(133)의 진동 시에 교반 부재의 의도된 진동 변위의 함수이다. 예를 들면, 도시한 실시예에 있어서, 호른(133)은, 호른의 대체로 종방향 중앙에 배치된 결절 영역을 갖는다(예컨대, 제 3 링과 제 4 링 사이). 본원에 사용된 바와 같이, 호른(133)의 "결절 영역"은 종방향 영역 또는 호른 부재의 세그먼트를 지칭하며, 이를 따라 종방향 변위가 호른 부재의 초음파 진동 동안에 (거의) 발생하지 않고, 호른 부재의 횡방향 변위(도시한 실시예에서는 반경방향)는 대체로 최대화된다. 호른(133)의 횡방향 변위는 호른의 횡방향 팽창을 포함하는 것이 바람직하지만, 호른의 횡방향 운동(예컨대, 만곡)을 포함할 수도 있다.
도시한 실시예에 있어서, 반 파장 호른(133)의 구성은 결절 영역이 결절 평면(즉, 종방향 변위가 발생하지 않지만 횡방향 변위가 최대화되는 호른 부재에 대한 횡방향 평면)에 의해 형성되도록 한다. 이러한 평면은 때때로 결절 지점으로서 지칭된다. 따라서, 호른(133)의 결절 영역으로부터 보다 말단에 배치된 교반 부재(137)(예컨대, 도시한 실시예에서는, 링)는 주로 종방향 변위를 받는 한편, 결절 영역에 보다 가까운 교반 부재는 종방향으로 가장 말단의 교반 부재에 대해 증가된 양의 횡방향 변위와 감소된 양의 축방향 변위를 받을 것이다.
호른(133)은 결절 영역이 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 호른 부재 상 에 종방향으로 중심 위치되도록 구성될 수 있다. 호른 조립체(105)의 초음파 진동 시에 호른에 대한 종방향 및 횡방향 변위를 모두 받도록 호른 상에 하나 이상의 교반 부재(137)가 종방향으로 위치될 수 있다.
도 3을 참조하면, 교반 부재(137)는 호른 부재의 초음파 진동에 반응하여 교반 부재의 동적 굴곡/만곡을 용이하게 하도록 충분히 구성된다(예컨대, 교반 부재가 호른(133)의 외부면(135)으로부터 횡방향 외측으로 연장되는 거리인 횡방향 길이 및 두께 등의 치수 및/또는 재료). 특히 적절한 실시예에 있어서, 도파관 조립체(101)가 초음파 챔버 내에서 작동되게 하는 소정의 초음파식의 주파수(이와는 달리, 도파관 조립체의 소정 주파수로도 언급됨) 및 챔버(21) 내에서 처리되는 특정 액체에 대해, 교반 부재(137)와 호른(133)은 소정 주파수에서 초음파 캐비테이션 모드로 언급되는 것으로 교반 부재를 작동하도록 구성 및 배치되는 것이 바람직하다.
본원에 사용된 바와 같이, 교반 부재의 초음파 캐비테이션 모드는 소정의 초음파 주파수에서 처리되는 액체의 캐비테이션(즉, 액체 내의 기포의 형성, 성장 및 내파열)을 발생시키기에 충분한 교반 부재의 진동 변위를 지칭한다. 예를 들면, 챔버 내에서 흐르는 액체가 수용성 용액, 보다 바람직하게 물을 포함하고, 도파관 조립체(101)가 작동하는 초음파 주파수(즉, 소정의 주파수)가 약 20 kHz인 경우, 교반 부재(137) 중 하나 이상은 교반 부재의 캐비테이션 모드를 확립하도록 적어도 1.75 밀(mile)(즉, 0.00175 인치 또는 0.044 mm)의 진동 변위를 제공하는 것이 바람직하다. 도파관 조립체(101)는 처리되는 특정 액체와 관련된 소정의 캐비테이션 모드를 성취하도록 다르게 구성(예컨대, 재료, 사이즈 등)될 수 있다. 예를 들면, 처리되는 액체의 점도가 변함에 따라, 교반 부재의 캐비테이션 모드를 변화시킬 필요가 있다.
특정 적절한 실시예에 있어서, 교반 부재의 캐비테이션 모드는 교반 부재의 공명 모드와 상응하여, 교반 부재의 진동 변위는 호른 변위에 대해 증폭된다. 그러나, 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이, 캐비테이션은 그 공명 모드에서 또는 호른의 변위보다 큰 진동 변위에서도 작동하는 교반 부재 없이 발생할 수 있다.
적절한 치수예에 있어서, 하나 이상, 보다 바람직하게 모든 교반 부재(137)의 횡방향 길이 대 교반 부재의 두께의 비는 약 2:1 내지 약 6:1의 범위에 있다. 다른 예로서, 도 3에 도시한 링(137) 각각은 호른(133)의 외부면(135)으로부터 횡방향 외측으로 약 0.5 인치(12.7 mm)의 길이 연장되고, 링 각각의 두께는 약 0.125 인치(3.2 mm)이므로, 각각의 링의 횡방향 길이 대 두께의 비는 약 4:1이다. 그러나, 교반 부재(137)의 두께 및/또는 횡방향 길이는 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 도 3에 도시한 것과는 다를 수 있다. 또한, 도시한 실시예의 교반 부재(137)(링)가 동일한 횡방향 길이와 두께를 가지지만, 교반 부재는 상이한 두께 및/또는 횡방향 길이를 가질 수 있다.
도시한 실시예에 있어서, 교반 부재(137)의 횡방향 길이는 흐름 경로의 크기(및 적어도 부분적으로 방향)를 적어도 부분적으로 형성하며, 이에 따라 챔버(21)의 내부 공간(53) 내의 액체 또는 다른 유동가능한 성분은 호른 조립체(105)를 지나 흐른다. 예를 들면, 도 3에 도시한 호른(133)은 약 0.875 인치(22.0 mm) 의 반경을 갖고, 각각의 링(137)의 횡방향 길이는 상술한 바와 같이 약 0.5 인치(12.7 mm)이다. 하우징 측벽(57)의 내부면(67)의 반경은 각각의 링과 하우징 측벽의 내부면 사이의 횡방향 이격거리가 약 0.375 인치(9.5 mm)가 되도록 대략 1.75 인치(44.5 mm)이다. 호른 외부면(135)과 챔버 측벽(57)의 내부면(67) 사이의 이격거리 및/또는 교반 부재(137)와 챔버 측벽의 내부면 사이의 이격거리는 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 상술한 것보다 크거나 작을 수 있다.
일반적으로, 호른(133)은 적절한 음향적 및 기계적 특성을 갖는 금속으로 구성될 수 있다. 호른(133)의 구성을 위한 적절한 금속으로는, 알루미늄, 모넬, 티타늄, 스테인리스강 및 몇몇 합금강이 있다. 또한, 모든 또는 일부 호른(133)은 은, 백금 및 구비 등의 다른 금속으로 코팅될 수 있다. 특히 적절한 실시예에 있어서, 교반 부재(137)는 호른(133)과 동일한 재료로 구성되고, 호른과 일체 형성되는 것이 보다 바람직하다. 다른 실시예에 있어서, 교반 부재(137) 중 하나 이상은 호른(133)과 별도로 형성되고, 호른 조립체(105)를 형성하도록 연결될 수 있다.
도 3에 도시한 교반 부재(137)(예컨대, 링)가 비교적 평탄한 단면, 즉 비교적 직사각형의 단면이지만, 링은 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 직사각형 이외의 단면을 가질 수 있다. 본 예에서, 용어 "단면"은 하나의 횡방향(예컨대, 도시한 실시예에서의 반경방향)을 따르는 단면을 지칭하는데 사용된다. 더욱이, 도 3에 도시한 교반 부재(137)(예컨대, 링)가 횡방향 구성요소만으로 구성되더라도, 교반 부재(137)의 하나 이상은 도파관 조립체(101)의 초음파 진동 동안에 호른의 횡방향 진동 변위(예컨대, 도 3에 도시한 호른의 절결 영역에서 그리고 그 근방에 서)를 이용하도록 하나 이상의 종방향(예컨대, 축방향) 구성요소를 가질 수 있다.
예를 들면, 도 5는 호른(233)의 외부면(235)으로부터 횡방향 외측으로 연장되는 5개의 교반 부재(237)를 갖는 호른 조립체(205)의 일 변형 실시예를 도시한다. 교반 부재(237) 각각이 예컨대 도 3의 것과 유사한 링의 형태로 횡방향 구성요소를 가지지만, 가장 중앙에 있는 교반 부재(237)는 횡방향 구성요소에 고정된 환형의 종방향 구성요소(241)를 갖는다. 특히, 가장 중앙의 교반 부재(237)는 절결 영역, 특히 도 5에 도시된 실시예에서의 호른(233)의 절결 평면에서 종방향으로 배치되며, 이 경우 호른(233)의 횡방향 변위는 초음파 통전 동안에 대체로 최대인 한편, 종방향 변위는 대체로 최소화된다. 이에 따라, 종방향 구성요소(241)는 호른의 초음파 통전 시에 호른(233)의 횡방향 변위에 반응하여 횡방향으로 동적 운동(예컨대, 굴곡/만곡)을 할 수 있다.
종방향 구성요소가 몇 가지의 종방향 벡터를 가지는 한, 종방향 구성요소(241)는 종방향, 즉 호른(233)의 외부면에 평행하게 전체적으로 연장될 필요는 없다. 또한, 도시한 실시예에 있어서, 종방향 구성요소(241)를 갖는 교반 부재(237)가 대체로 T자 형상의 단면을 가지지만, 이러한 교반 부재의 다른 구성으로서 (아래 또는 위로 연장되는 종방향 구성요소를 갖는) L자 형상의 단면, +형상의 단면, 또는 다른 적절한 단면이 적절하다. 또한, 하나 이상의 구멍이 가장 중앙의 교반 부재(237), 예컨대 횡방향 구성요소 및/또는 종방향 구성요소(241)에 형성될 수 있으므로, 이러한 부재를 통해 수평방향 및 수직방향으로 유체를 자유롭게 흐르게 할 수 있다.
도 3에 가장 잘 도시된 바와 같이, 도파관 조립체(101)(예컨대, 도시한 실시예에서의 호른(133))의 말단부(103)는 버퍼 지대(즉, 도파관 조립체(101)의 말단부(103)의 종방향 위의 챔버 하우징(51)의 내부 공간(53)의 부분)를 제공하도록 챔버(21)의 출구 단부(27)에서 출구 포트(65)로부터 종방향으로 이격되므로, 챔버의 출구 단부(27)에서 도파관 조립체(101)의 말단부(103)의 하류로 유체가 흐름에 따라 더욱 균일한 구성요소의 혼합을 할 수 있다. 예를 들면, 적절한 실시예에 있어서, 버퍼 지대는 공간 용적(즉, 버퍼 지대 내의 챔버 하우징(51) 내의 개방 공간(53)의 부분의 용적)을 가지며, 버퍼 지대의 공간 용적 대 도파관 조립체의 말단부 상류에 있는 챔버 하우징의 내부 공간의 나머지 부분의 공간 용적의 비는 약 0.01:1 내지 약 5.0:1의 범위, 보다 바람직하게 약 1:1의 범위가 적절하다.
도시한 버퍼 지대를 제공하면, 도 1의 잉크 용액 혼합 장치(23)에서 수용액을 형성하도록 성분을 혼합하는데 챔버(21)를 사용하는 경우에 특히 적절하다. 즉, 도파관 조립체(101)의 말단부(103)와 챔버(21)의 출구 포트(65) 사이의 종방향 이격거리는 액체가 출구 포트를 거쳐 챔버를 나오기 전에 정착하도록 혼합된 수용액의 교반된 흐름을 위해 충분한 공간을 제공한다. 이는 도시한 실시예에서와 같이, 교반 부재(137) 중 하나가 호른(133)의 말단부에 또는 그 근방에 배치되는 경우에 특히 유용하다. 액체가 호른(133)의 말단부를 지나 흐름에 따라 이러한 구성이 액체의 유익한 후방 혼합을 초래하지만, 챔버로부터 배출되기 전에 교반된 흐름은 적어도 부분적으로 정착하는 것이 바람직하다. 그러나, 챔버(21)의 내부 공간(53) 내의 도파관 조립체(101)의 말단부(103)는 챔버의 출구 단부(27)에서 출구 포트(65)에 종방향으로 더 근접하게 배치될 수 있거나, 또는 버퍼 지대는 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 실질적으로 전체적으로 생략될 수도 있다.
호른 조립체(105)의 대향, 예컨대 더 근접한 단부는 챔버 하우징(51)의 내부 공간(53) 내의 액체의 초기 소용돌이가 호른 조립체(105)의 상류에서 발생되는 액체 흡입 지대를 형성하도록 칼라(61)로부터 종방향으로 이격되는 것이 바람직하다. 이러한 흡입 지대는 2가지 이상의 성분을 혼합하는데 처리 챔버(21)를 사용하는 경우 특히 유용하며, 혼합되는 성분이 챔버 하우징(51)에 도입됨에 따라 흡입 지대에서 소용돌이 작용에 의해 초기의 혼합이 촉진된다. 그러나, 호른 조립체(105)의 근접 단부는 도 3에 도시된 것보다 칼라(61)에 근접될 수 있고, 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 흡입 지대를 생략하도록 칼라에 실질적으로 인접될 수 있다.
도 3을 참조하면, 배플 조립체(145)는 챔버(21)의 내부 공간(53) 내에 그리고 특히 측벽(57)의 내부면(67)에 횡방향으로 인접하고 호른 조립체(105)와 횡방향으로 대향되게 배치될 수 있다. 적절한 실시예에 있어서, 배플 조립체(145)는 하우징 측벽(57)의 내부면(67)에 인접하게 배치되며 측벽의 내부면으로부터 호른 조립체(105) 쪽으로 적어도 부분적으로 횡방향 내측으로 연장되는 하나 이상의 배플 부재(147)를 포함한다. 보다 바람직하게, 하나 이상의 배플 부재(147)는 하우징 측벽의 내부면(67)으로부터 호른 부재(133)의 외부면(135)으로부터 외측으로 연장되는 교반 부재(137)와 종방향으로 갈라지는 위치로 횡방향으로 연장된다. 용어 "종방향으로 갈라진(longitudinally intersticed)"은 호른(133)의 종축에 평행하게 형성된 종방향 라인이 교반 부재(137)와 배플 부재(147) 양자를 통과하는 것을 의 미하도록 사용된다. 일례로서, 도시한 실시예에 있어서, 배플 조립체(145)는 호른 조립체(105)의 6개의 링(137)과 종방향으로 갈라진 5개의 대체로 환형의 배플 부재(147)(즉, 호른(133) 둘레를 연속적으로 연장됨)를 포함한다.
특정례로서, 도 3에 도시한 5개의 환형의 배플 부재(147)는 호른 조립체 링(137)과 동일한 두께(즉, 0.125 인치 (3.2 mm))를 가지며, 링 간의 종방향 이격거리(즉, 약 0.875 인치(22.2 mm))와 동일하게 서로 종방향으로 이격된다(예컨대, 연속적인 배플 부재의 대향면 사이). 환형의 배플 부재(147) 각각은 약 0.5 인치(12.7 mm)의 횡방향 길이(예컨대, 하우징 측벽(57)의 내부면(67)의 내측)를 가지므로, 배플 부재의 최내측 에지는 교반 부재(137)(예컨대, 링)의 최외측 에지 위로 횡방향 내측으로 연장된다. 그러나, 배플 부재(147)는 호른 조립체(105)의 교반 부재(137)의 최외측 에지 위로 횡방향 내측으로 연장될 필요는 없다.
이에 따라, 배플 부재(147)는 호른 조립체(105)를 지난 챔버(21)의 내부 공간(53)(예컨대, 초음파 처리 지대 내) 내로 흐르는 액체의 흐름 경로로 연장된다. 이로써, 배플 부재(147)는 액체가 호른 조립체(105)를 지나 챔버 측벽(57)의 내부면(67)을 따라 흐르는 것을 방해하고, 보다 바람직하게, 배플 부재는 호른 조립체의 교반 부재 위로 흐르기 위해 호른 조립체 횡방향 내측으로 액체의 흐름을 촉진시킴으로써, 액체의 초음파 통전(즉, 교반)을 촉진시킨다.
예컨대, 액체 교반의 결과로서, 측벽(57)의 내부면(67)을 따라 그리고 각각의 배플 부재(147)의 하부 상의 면을 가로질러 기포가 정체되거나 또는 쌓이는 것을 방해하기 위해, 배플 부재의 외측 에지와 챔버 측벽의 내부면 사이의 가스 흐 름(예컨대, 기포)을 촉진시키도록 배플 부재 각각의 외측 에지에 일련의 노치(149)(넓게는, 개구)가 형성된다. 예를 들면, 도시한 실시예에 있어서, 4개의 노치가 서로 동일하게 이격되게 배플 부재(147) 각각의 외측 에지에 형성된다. 개구는 배플 부재가 하우징을 접하는 외측 에지 이외에 배플 부재(147) 내에 형성되며, 이는 본 발명의 범위 내에 있다. 또한, 이러한 노치(149)는 생략될 수 있다.
또한, 배플 부재(147)는 환형이거나 또는 호른(133) 둘레에서 연속적으로 연장될 필요는 없다. 예를 들면, 배플 부재(147)는 스포크, 범프, 세그먼트 또는 하우징 측벽(57)의 내부면(67)에 인접하게 횡방향 내측으로 연장되는 다른 별도의 구조 부재의 형태로서 호른(133) 둘레에서 불연속적으로 연장될 수 있다. 호른 둘레에서 연속적으로 연장되는 배플 부재(147)와 관련한 용어 "연속적(continuously)"은 2개 이상의 아치형 세그먼트가 단부 대 단부 인접 관계로 배치(즉 상당한 갭이 이러한 세그먼트 사이에 형성되는 한)된 배플 부재를 배제하지 않는다.
예를 들면, 도 4에서 잘 도시된 바와 같이, 배플 부재(147)는 튜브(55)와 별도로 형성되는 것이 바람직하며 지지 로드 조립체(support rod assemblies)(151)(도시한 실시예에서는 4개의 지지 로드 조립체(151)가 사용됨) 상에 장착된다. 지지 로드 조립체(151)는 챔버의 출구 단부(27)로부터(보다 바람직하게, 차폐체(63)로부터) 배플 부재 각각을 통해 아래로 연장되는 길이로 크기설정된다. 지지 로드 조립체(151)는 챔버(21)의 내부 공간(53) 내의 소정 위치에 배플 조립체(145)를 고정하도록 차폐체(63)에 고정(예컨대, 나사 고정)된다.
특히, 도시한 실시예의 환형 배플 부재(147) 각각은 호른 조립체(105) 둘레 에 배플 조립체를 조립하기 용이하게 위해 투피스 구성(각각의 피스는 반환형임)을 갖는다. 예를 들면, 배플 부재(147)의 하나의 피스 세트는 한 쌍의 지지 로드 조립체(151) 상에 장착되고, 대응하는 배플 부재의 피스 세트는 다른 한 쌍의 지지 로드 조립체 상에 장착되므로, 모든 지지 로드 조립체가 챔버(21)의 내부 공간(53) 내의 소정 위치에 있는 경우에, 각각의 배플 부재의 환형 형상이 형성된다.
도시한 실시예에 있어서, 각각의 지지 로드 조립체(151)는 복수의 별개인 로드 세그먼트를 포함하며, 예컨대, 로드 세그먼트는 배플 부재(147) 피스 사이에서 연장되며 그리고 그들에 나사식 연결된다. 그러나, 각각의 로드 조립체(151)는 단일 로드와, 이러한 단일 로드와 일체 형성 또는 단일 로드와 별도 형성 그리고 그에 연결된 배플 부재(147)를 포함할 수 있다. 또한, 배플 부재(147)는 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 단일 피스 구성 또는 2개 이상의 피스로 구성될 수 있다. 또한, 배플 부재(147)는 도시한 실시예의 지지 로드 조립체(151) 이외에 챔버(21)의 내부 공간(53) 내에 지지되는 것이 적절할 수 있으며, 이는 본 발명의 범위 내에 있다. 다른 적절한 실시예에 있어서, 예컨대, 배플 부재(147)는 챔버 하우징(51)의 튜브(55)와 일체 형성될 수 있거나, 또는 튜브(55)와 별로 형성되고 하우징 측벽(57)의 내부면(67)에 고정될 수도 있다.
또한, 도 3 및 도 4에 도시한 배플 부재(147)가 대체로 평탄, 예컨대 대체로 얇은 직사각형 단면을 갖지만, 하나 이상의 배플 부재는 챔버(21)의 내부 공간(53)을 따라 기포의 흐름을 더욱 촉진시키도록 평탄 또는 직사각형 단면 이외의 것일 수 있다. 용어 "단면"은 호른 외부면(135)에 대한 하나의 횡방향(예컨대, 도시한 실시예에서의 반경방향)을 따라 취한 단면을 언급하는 것으로 사용된다.
예를 들면, 도 6은 서로 종방향으로 이격되게 복수의 별개인 환형의 배플 부재(347)를 구성하는 배플 조립체(345)의 변형 실시예를 도시한다. 각각의 배플 부재(347)는 대향면(353, 355)을 가지며 불균일한 두께를 갖고, 특히 배플 부재가 챔버 측벽(57)으로부터 내측으로 멀리 연장됨에 따라 두께가 감소한다. 도시한 실시예에 있어서, 배플 부재(347)는 단면이 대체로 삼각형이다. 보다 바람직하게, 각각의 배플 부재(347)는, 배플 부재의 하부면(353)이 횡방향 이외로만 연장되고, 특히 챔버(21)의 출구 단부 종방향 쪽으로 부분적으로 연장되도록 챔버 측벽(57)에 대해 하부면이 각도를 이룬다. 또한, 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이, 하부면(353) 및 상부면(355)은 챔버 측벽(57)에 대해 각도를 이루며 챔버(21)의 출구 단부 쪽으로 종방향으로 부분적으로 연장될 수 있다.
도 7 내지 도 9는 챔버의 내부 공간을 따라 기포의 흐름을 촉진시키는데 유용한 배플 조립체(545)의 다른 변형 실시예를 도시한다. 본 실시예에 있어서는, 챔버 측벽에 대해 인접하는 종방향 외벽(548)을 갖는 복수의 별개인 배플 세그먼트(546)가 있고, 호른(도 3의 실시예의 호른(133)과 유사함) 둘레에서 원주방향으로 부분적으로 연장되도록 외벽에 고정되는 아치형 세그먼트의 형태인 한 쌍의 배플 부재(547)가 있다. 도 9에 잘 도시된 바와 같이, 아치형 배플 부재(547) 각각의 종방향 위치는 세그먼트가 원주방향으로 연장됨에 따라 점차적으로 변경한다. 배플 세그먼트(546) 각각은 전술한 바와 같이 적절한 지지 로드 조립체(551) 상에 장착된다.
도 1에 도시한 잉크 용액 혼합 장치(23)의 일 실시예에 따른 작동에서, 함께 혼합되는 하나 이상의 잉크 성분(32)(성분 중 적어도 하나는 액체임)은 도관(33)을 거쳐 처리 챔버 하우징(51)의 칼라(61) 내에 형성된 입구 포트(69a, 69b)로 (예컨대, 도시한 실시예에서 펌프(31)에 의해) 전달된다. 이들 성분이 입구 포트(69a, 69b)를 거쳐 챔버(21)의 내부 공간(53)에 도입됨에 따라, 입구 포트의 배향은 챔버의 내부 공간의 유체 흡입 지대에서와 같이 호른 조립체(105)의 상류에 있는 성분의 초기 혼합에 소용돌이 작용을 유도한다.
잉크 용액 등의 액체를 처리하는 공정의 일 실시예에 따르면, 수용액이 챔버(21) 내의 상측으로 연속적으로 흐름에 따라, 도파관 조립체(101), 특히 호른 조립체(105)는 소정의 초음파 주파수에서 진동하도록 구동 장치(131)에 의해 구동된다. 호른(133)의 초음파 여기에 반응하여, 호른(133)의 외부면(135) 외측으로부터 연장되는 교반 부재(137)는 호른에 대해 동적으로 굴곡/만곡하거나, 또는 (호른의 절결 영역에 대한 교반 부재의 종방향 위치에 따라) 횡방향으로 변위한다. 호른의 절결 영역에 배치된 교반 부재(237) 중 하나를 갖는 도 5에 도시된 것과 같은 호른 조립체(205)를 이용하고, 호른으로부터 횡방향으로 이격된 종방향 구성요소(241)를 갖는 경우, 교반 부재의 종방향 구성요소는 호른에 대해 횡방향으로 동적 굴곡/만곡한다.
수용액은 호른 조립체(105)와 하우징 측벽(57)의 내부면(67) 사이의 흐름 경로를 따라 종방향으로 흐르므로, 교반 부재(137)의 초음파 진동은 혼합되는 각종 구성요소를 함께 혼합한다. 특히 적절한 실시예에 있어서, 교반 부재의 동적 운동 은 액체 내의 캐비테이션이 수용액의 교반, 특히 도 1의 장치(23) 내에서의 혼합을 더욱 촉진시키게 한다. 배플 부재(147)는 하우징 측벽(57)의 내부면(67)을 따라 종방향의 액체 흐름을 분열시키고, 진동하는 교반 부재(137) 위로 흐르도록 흐름을 횡방향 내측으로 반복적으로 지향시킨다.
혼합된 수용액이 버퍼 지대 쪽으로 도파관 조립체(101)의 말단부(103)를 지나 종방향 하류로 흐름에 따라, 호른(133)의 말단부에 또는 그 근방에 교반 부재(137)의 동적 운동의 결과로서 수용액의 초기 후방 혼합이 발생한다. 수용액의 하류측 흐름, 예컨대 버퍼 지대 내로의 흐름은 후처리 장치(35)에 의해 후속으로 후처리하기 위해 출구 포트(65)를 거쳐 처리 챔버(21)로부터 나오기 전에 더욱 균일한 성분의 혼합을 제공하는 교반된 용액을 형성한다.
본 발명(실시예)의 요소를 소개함에 있어서, 지시어들은 하나 이상의 요소를 의미할 수 있다. 용어 "포함하는(comprising)", "구비하는(including)" 및 "갖는(having)"은 열거된 요소 이외의 추가적인 요소를 포함할 수 있음을 의도한다.
본 발명의 범위를 벗어남이 없이 각종 변경이 이루어질 수 있으므로, 상기한 설명 및 첨부한 도면에 포함된 모든 것은 예시적인 것이며 제한의 의도는 아니다.

Claims (27)

  1. 액체를 초음파 처리하기 위한 초음파 처리 챔버에 있어서,
    종방향 대향 단부와 내부 공간을 갖는 기다란 하우징으로서, 상기 하우징은 상기 종방향 단부에 근접하고, 상기 액체를 상기 하우징의 내부 공간 내에 수용하기 위한 입구 포트와, 상기 하우징으로부터 상기 액체를 배출하여 상기 액체를 초음파 처리하는 출구 포트를 가지며, 상기 출구 포트는 상기 입구 포트로부터 상기 출구 포트로의 상기 하우징의 내부 공간 내에 액체가 종방향으로 흐르도록 상기 입구 포트로부터 종방향으로 이격되는, 상기 하우징; 및
    상기 하우징의 내부 공간 내에 종방향으로 연장되며 상기 하우징 내로 흐르는 액체를 초음파 통전하도록 소정의 초음파 주파수로 작동가능한 기다란 초음파 도파관 조립체로서, 상기 도파관 조립체는, 상기 하우징의 입구 포트와 출구 포트의 중간에 적어도 부분적으로 배치되며, 상기 입구 포트로부터 상기 출구 포트로 하우징 내로 흐르는 액체와의 접촉을 위해 위치된 외부면을 갖는 기다란 초음파 호른과, 서로 종방향으로 이격된 상기 입구 포트와 상기 출구 포트 중간에 위치된 상기 호른의 외부면과 접촉하여 상기 외부면으로부터 횡방향 외측으로 연장되는 복수의 별개인 교반 부재를 포함하며, 상기 교반 부재와 상기 호른은 상기 소정의 주파수에서 상기 호른의 초음파 진동에 대해 상기 호른에 관한 상기 교반 부재의 동적 운동을 위해 구성 및 배치되고, 소정의 주파수 및 상기 챔버 내에서 처리되는 액체에 상응하는 상기 교반 부재의 초음파 캐비테이션 모드에서 작동하도록 구성 및 배치되는, 상기 초음파 도파관 조립체;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 처리 챔버.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 소정의 주파수는 20 kHz 내지 40 kHz의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 초음파 처리 챔버.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 호른은 상기 하우징의 내부 공간 내에 있으며 상기 하우징의 내부 공간 내에 버퍼 지대를 형성하도록 상기 출구 포트로부터 종방향으로 이격되는 말단부를 갖는 것을 특징으로 하는 초음파 처리 챔버.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 초음파 처리 챔버는 액체 잉크 용액을 형성하기 위한 혼합 장치를 포함하며, 상기 혼합 장치는 액체인 2가지 이상의 잉크 성분을 액체 잉크 용액을 형성하도록 2가지 이상의 잉크 성분을 혼합하도록 작동가능한 상기 초음파 처리 챔버의 하우징의 내부 공간으로 전달하도록 작동가능한 전달 장치와, 상기 잉크 용액을 처리하여 상기 출구 포트를 거쳐 상기 처리 챔버로부터 액체 잉크 용액을 배출시키는 후처리 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 처리 챔버.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 입구 포트는, 상기 입구 포트에서 상기 하우징의 내부 공간 내로 전달되는 액체에 소용돌이 작용을 유도하도록 상기 하우징에 대해 접선방향으로 배향되는 것을 특징으로 하는 초음파 처리 챔버.
  8. 액체를 초음파 처리하기 위한 초음파 처리 챔버에 있어서,
    기다란 하우징으로서, 종방향 대향 단부, 내부 공간, 상기 종방향 단부에 근접하고, 상기 액체를 상기 하우징의 내부 공간 내에 수용하기 위한 입구 포트와, 상기 하우징으로부터 상기 액체를 배출하여 상기 액체를 초음파 처리하는 출구 포트를 가지며, 상기 출구 포트는 상기 입구 포트로부터 상기 출구 포트로의 상기 하우징의 내부 공간 내에 액체가 종방향으로 흐르도록 상기 입구 포트로부터 종방향으로 이격되는, 상기 하우징; 및
    상기 하우징의 내부 공간 내에 종방향으로 연장되며 상기 하우징 내로 흐르는 액체를 초음파 통전하도록 소정의 초음파 주파수로 작동가능한 기다란 초음파 도파관 조립체로서, 상기 도파관 조립체는, 상기 하우징의 입구 포트와 출구 포트의 중간에 적어도 부분적으로 배치되며, 상기 입구 포트로부터 상기 출구 포트로 하우징 내로 흐르는 액체와의 접촉을 위해 위치된 외부면을 갖는 기다란 초음파 호른과, 상기 입구 포트와 상기 출구 포트 중간에 상기 호른의 외부면과 접촉하고 상기 외부면으로부터 횡방향 외측으로 연장되는 교반 부재를 포함하며, 상기 호른은 상기 소정의 초음파 주파수로 상기 호른의 초음파 진동에 반응하여 종방향 변위와 반경방향 변위 양자를 위해 구성되고, 상기 교반 부재는 상기 호른의 외부면으로부 터 횡방향 외측으로 연장되는 횡방향 구성요소와, 상기 호른의 외부면과 횡방향으로 이격된 상기 횡방향 구성요소에 연결되고 상기 횡방향 구성요소와 상이한 방향으로 연장되며 적어도 부분적으로 상기 호른의 외부면에 횡방향이 아닌 종방향 구성요소를 포함하는, 상기 초음파 도파관 조립체;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 처리 챔버.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 호른은, 상기 소정의 주파수로 상기 호른의 진동에 대해 상기 호른의 횡방향 변위가 최대화되고 상기 호른의 종방향 변위가 최소화되는 결절 영역을 가지며, 상기 교반 부재는 상기 호른의 결절 영역 중 하나에 종방향으로 배치되며 그에 인접하게 배치되는 것을 특징으로 하는 초음파 처리 챔버.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 교반 부재의 종방향 구성요소는 상기 호른의 외부면에 평행하게 연장되는 것을 특징으로 하는 초음파 처리 챔버.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 교반 부재의 횡방향 구성요소는 상기 호른의 외부면의 원주 둘레에서 연속적으로 연장되는 것을 특징으로 하는 초음파 처리 챔버.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 교반 부재는 제 1 교반 부재를 포함하고, 상기 도파관 조립체는 상기 호른의 외부면으로부터 횡방향 외측으로 연장되는 복수의 추가적인 교반 부재를 더 포함하며, 상기 복수의 추가적인 교반 부재는 서로 종방향으로 이격되고 상기 제 1 교반 부재로부터 종방향으로 이격되는 것을 특징으로 하는 초음파 처리 챔버.
  13. 액체를 초음파 처리하기 위한 초음파 처리 챔버에 있어서,
    기다란 하우징으로서, 종방향 대향 단부, 내부 공간, 상기 하우징의 내부 공간 내에 수용하기 위한 입구 포트와, 상기 하우징으로부터 상기 액체를 배출하여 상기 액체를 초음파 처리하는 출구 포트를 갖는 기다란 하우징으로서, 상기 출구 포트는 상기 입구 포트로부터 상기 출구 포트로의 상기 하우징의 내부 공간 내에 액체가 종방향으로 흐르도록 상기 입구 포트로부터 종방향으로 이격되는, 상기 기다란 하우징; 및
    상기 하우징의 내부 공간 내에 종방향으로 연장되며 상기 하우징 내로 흐르는 액체를 초음파 통전하도록 소정의 초음파 주파수로 작동가능한 기다란 초음파 도파관 조립체로서, 상기 도파관 조립체는, 상기 하우징의 입구 포트와 출구 포트의 중간에 적어도 부분적으로 배치되며 상기 입구 포트로부터 상기 출구 포트로 상기 하우징 내로 흐르는 액체와 접촉하도록 위치된 외부면을 갖는 기다란 초음파 호른과, 상기 입구 포트와 상기 출구 포트 중간에서 서로 종방향으로 이격되게 상기 호른의 외부면과 접촉하여 상기 외부면으로부터 횡방향 외측으로 연장되는 복수의 별개인 교반 부재를 포함하며, 상기 교반 부재와 상기 호른은 상기 소정의 주파수에서 상기 호른의 초음파 진동에 대해 상기 호른에 관한 상기 교반 부재의 동적 운동을 위해 구성 및 배치되고, 소정의 주파수 및 상기 챔버 내에서 처리되는 액체에 상응하는 상기 교반 부재의 초음파 캐비테이션 모드에서 작동하도록 구성 및 배치되는, 상기 초음파 도파관 조립체;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 처리 챔버.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 소정의 주파수는 20 kHz 내지 40 kHz의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 초음파 처리 챔버.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 호른은 상기 하우징의 내부 공간 내에 있으며 상기 하우징의 내부 공간 내에 버퍼 지대를 형성하도록 상기 출구 포트로부터 종방향으로 이격되는 말단부를 갖는 것을 특징으로 하는 초음파 처리 챔버.
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 제13항에 있어서,
    상기 초음파 처리 챔버는 액체 잉크 용액을 형성하기 위한 혼합 장치를 포함하며, 상기 혼합 장치는 액체인 2가지 이상의 잉크 성분을 액체 잉크 용액을 형성하도록 2가지 이상의 잉크 성분을 혼합하도록 작동가능한 상기 초음파 처리 챔버의 하우징의 내부 공간으로 전달하도록 작동가능한 전달 장치와, 상기 잉크 용액을 처리하여 상기 출구 포트를 거쳐 상기 처리 챔버로부터 액체 잉크 용액을 배출시키는 후처리 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 처리 챔버.
  19. 액체를 초음파 처리하기 위한 초음파 처리 챔버에 있어서,
    기다란 하우징으로서, 종방향 대향 단부, 내부 공간, 상기 하우징의 내부 공간 내에 수용하기 위한 입구 포트와, 상기 하우징으로부터 상기 액체를 배출하여 상기 액체를 초음파 처리하는 출구 포트를 갖는 기다란 하우징으로서, 상기 출구 포트는 상기 입구 포트로부터 상기 출구 포트로의 상기 하우징의 내부 공간 내에 액체가 종방향으로 흐르도록 상기 입구 포트로부터 종방향으로 이격되는, 상기 기다란 하우징; 및
    상기 하우징의 내부 공간 내에 종방향으로 연장되며 상기 하우징 내로 흐르는 액체를 초음파 통전하도록 소정의 초음파 주파수로 작동가능한 기다란 초음파 도파관 조립체로서, 상기 도파관 조립체는, 상기 출구 포트로부터 종방향으로 이격된 말단부와, 상기 입구 포트로부터 상기 출구 포트로 상기 하우징 내로 흐르는 액체와 접촉하게 위치된 외부면을 갖는 기다란 초음파 호른, 및 상기 입구 포트와 상 기 출구 포트 중간에 서로 종방향으로 이격된 상기 호른의 외부면과 접촉하여 상기 외부면으로부터 횡방향 외측으로 연장되는 복수의 별개인 교반 부재를 포함하며, 상기 교반 부재 중 하나는 상기 출구 포트와 종방향으로 이격된 상기 호른의 말단부 중 하나에 그리고 그에 인접하게 종방향으로 위치되는, 상기 초음파 도파관 조립체;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 처리 챔버.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 호른의 말단부는 상기 하우징의 내부 공간 내에 버퍼 지대를 형성하도록 상기 출구 포트로부터 종방향으로 이격되는 것을 특징으로 하는 초음파 처리 챔버.
  21. 삭제
  22. 제19항에 있어서,
    상기 하우징의 내부 공간 내에 배치되며, 상기 하우징으로부터 상기 호른 쪽으로 횡방향 내측으로 적어도 부분적으로 연장되어 상기 도파관 조립체의 교반 부재와 횡방향 내측으로 접촉하여 흐르도록 상기 하우징 내에서 종방향으로 흐르는 액체를 지향시키는 배플 조립체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 처리 챔버.
  23. 제19항에 있어서,
    상기 초음파 처리 챔버는 액체 잉크 용액을 형성하기 위한 혼합 장치를 포함하며, 상기 혼합 장치는 액체인 2가지 이상의 잉크 성분을 액체 잉크 용액을 형성하도록 2가지 이상의 잉크 성분을 혼합하도록 작동가능한 상기 초음파 처리 챔버의 하우징의 내부 공간으로 전달하도록 작동가능한 전달 장치와, 상기 잉크 용액을 처리하여 상기 출구 포트를 거쳐 상기 처리 챔버로부터 액체 잉크 용액을 배출시키는 후처리 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 처리 챔버.
  24. 액체를 초음파 처리하기 위한 초음파 처리 챔버에 있어서,
    종방향 대향 단부, 내부 공간, 하우징의 내부 공간 내에 수용하기 위한 입구 포트와, 상기 하우징으로부터 상기 액체를 배출하여 상기 액체를 초음파 처리하는 출구 포트를 갖는 기다란 하우징으로서, 상기 출구 포트는 상기 입구 포트로부터 상기 출구 포트로의 상기 하우징의 내부 공간 내에 액체가 종방향으로 흐르도록 상기 입구 포트로부터 종방향으로 이격되는, 상기 기다란 하우징;
    상기 하우징의 내부 공간 내에 종방향으로 연장되며 상기 하우징 내로 흐르는 액체를 초음파 통전하도록 소정의 초음파 주파수로 작동가능한 기다란 초음파 도파관 조립체로서, 상기 도파관 조립체는, 상기 출구 포트로부터 종방향으로 이격된 말단부와, 상기 입구 포트로부터 상기 출구 포트로 상기 하우징 내로 흐르는 액체와 접촉하게 위치된 외부면을 갖는 기다란 초음파 호른, 및 상기 입구 포트와 상기 출구 포트 중간에 서로 종방향으로 이격된 상기 호른의 외부면과 접촉하여 상기 외부면으로부터 횡방향 외측으로 연장되는 복수의 별개인 교반 부재를 포함하는, 상기 초음파 도파관 조립체; 및
    상기 하우징으로부터 상기 하우징의 내부 공간 내의 상기 호른 쪽으로 횡방향 내측으로 연장되는 복수의 별개인 배플 부재를 포함하는 배플 조립체로서, 상기 배플 부재는 서로 종방향으로 이격되며 상기 도파관 조립체의 교반 부재와 종방향으로 갈라지는, 상기 배플 조립체;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 처리 챔버.
  25. 삭제
  26. 제24항에 있어서,
    상기 배플 부재 각각은 아치형이며 상기 하우징의 각각의 부분을 따라 원주방향으로 연장되며, 상기 배플 부재 각각의 종방향 위치는 상기 배플 부재가 상기 하우징의 상기 각각의 부분을 따라 원주방향으로 연장됨에 따라 상기 하우징에 대해 변화하는 것을 특징으로 하는 초음파 처리 챔버.
  27. 삭제
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