KR100326679B1 - 액체스프레이장치및방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 더 작은 단면적을 갖는 구멍(50)에서의 피막(50)의 측면으로 부터 더 큰 단면적을 갖는 구멍(50)에서의 피막(5)의 측면을 향하여 상기 피막(5)을 진동시킴으로써, 액체가 상기 테이퍼형상의 구멍(50)을 통과하도 록 하는 액체 스프레이방법 및 장치를 제공한다.

Description

액체스프레이장치 및 방법

본 발명은 액츄에이터를 이용하여 액체 또는 유탁액(emulsion) 또는 현탁액(suspension) (이하, '액체들'이라고 한다)의 스프레이를 생성하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

그 표면에서 액체의 고주파 기계진동과 대기의 반응에 의해 미세한 방울 스프레이를 생성하는 것이 알려져 있다. 가능한 관련 종래기술로서는, EP-A-0 432 992, GB-A-2 263 076, EP-A-0 516 565, US-A-3 738 574, EP-A-0 480 615, US-A-4 533 082 및 US-A-4 605 167 등이 있다.

어떤 경우(예컨대, US-A-3 738 574)에 있어서는, 액체는 원격 압전기 트랜스듀서로부터 고체결합매체구조를 통해 초음속진동을 전달하는 것에 의해 진동을 벤딩할 때에 여기되는 플레이트상에 형성된 박막으로서 채용된다.

또, 어떤 경우(예컨대, US-A-4 533 082)에 있어서는, 기계진동은 액체를 보지(保持)하는 구멍이 뚫린 피막이나 판(이하, 피막이라 한다)을 향하여 액체를 통해 음속 또는 초음속진동파로서 전파된다. 이 액체내에서의 진동파의 작용은 이 액체가 피막의 구멍을 통해 방울로서 분출되도록 하는 것이다. 이들 경우에 있어서는, 후면(액체방울이 나오는 면과 반대의 면)으로 부터 전면(액체방울이 나오는 면)을 향한 세공(細孔)의 사이즈를 감소시킨다고 하는 잇점이 있다.

상기한 두가지의 경우를 결합한 다른 경우(예컨대 EP-A-0 516 565)에 있어서는, 기계진동은 액체를 보지하는 구멍이 뚫린 피막을 향하여 액체의 박층을 통과한다. 그러나, 이 EP-A-0 516 565에서는 구멍의 특별한 기하도형적 형상을 위해 아무런 잇점이나 단점도 제공하고 있지 않다.

또 다른 경우(예컨대, GB-A-2 263 076, US-A-4 605 167 및 EP-A-0 432 992)에 있어서는, 기계진동원은 액체를 보지하는 구멍이 뚫린 피막에 기계적으로 결합된다. 이 진동의 작용은 그 액체가 피막의 구멍을 통해 방울로서 분출되도록 하는 것이다. 이들 경우에 있어서도, 피막의 후면으로부터 방울이 나오는 전면을 향한 구멍의 사이즈를 감소시킨다고 하는 잇점이 있다.

상기한 장치는 두가지 타입으로 분류할 수 있다.

즉, 예컨대 US-A-3 738 574 및 EP-A-0 516 565에 개시된 바와 같은 제1의 일반적인 타입의 스프레이장치는, 액체를 통한 진동을 스프레이가 생성되는 액체표면에 전달하는 것이지만, 방울사이즈에 영향을 미치는 그 표면의 기하도형적 특징에 대해서는 전혀 개시되어 있지 않다. 이들은 진동에 의해 액체를 보지하는 구멍이 뚫린 피막을 갖추고 있지 않거나(US-A-3 738 574), 구멍이 뚫린 피막은 갖추고 있지만 이 구멍이 방울사이즈에 영향을 미치지는 않는다(EP-A-0 516 565의 예컨대 6열 21행).

또, 예컨대 US-A-4 605 167, US-A-4 533 082, EP-A-0 432 992 및 GB-A-2 263 076에 개시된 바와 같은 제2의 일반적인 타입의 스프레이장치는, 방울이 생성될 때에 액체표면을 바운딩(bounding)하거나 한정하는 구멍이 뚫린 피막은 갖추고 있지만, 이 피막 구멍은 방울사이즈에 영향을 미치는 것은 아니다. 이들 경우에, 본 발명자들은 피막의 전면에 개구된 작은 구멍으로부터 실질적으로 원형의 유체분사가 나오고, 이 분사는 진동사이클당 한번씩 피막을 향하여 진동하거나 피막으로부터 떨어져 진동한다는 것을 발견하였다. 여기(excitation)가 충분히 강할 때, 분사의 종단이 자유로운 방울을 형성하는 것을 중단한다. 이러한 상태가 제1도에 나타내어져 있다. 양자의 경우에 있어서, 방울의 직경은 전형적으로 피막의 전면에 개구한 작은 구멍의 직경의 1.5∼2배의 범위에 있다. 이러한 관계는 잉크분사인쇄에서도 널리 알려져 있고, 액체분사의 불안정성의 많은 연구에서도 발견되고 있다. 전면을 향하여 사이즈가 감소하는 구멍을 갖춘 스프레이생성의 잇점은, 이들 장치 모두에 공통이고, 또한 잉크분사기술로부터 알려져 있다. 이에 대해서는 예컨대 US-A-3 368 212를 참조하기 바란다.

상기 제1타입의 장치는, 그 (압전기) 진동액츄에이터로의 전기적인 입력에너지의 사용에 상당히 비효율적이다. 예컨대 US-A-3 73S 574에 개시된 타입의 실제 장치는 1주울의 입력에너지로 2.5마이크로리터의 물을 스프레이할 수 있다. EP-A-0 516 565의 개선은, 1주울에 의해 10마이크로리터 정도가 스프레이되는 것을 요구하지만, 액체이송이 액츄에이터로부터 주의깊게 분리되는 피막을 필요로 하는 모세관작용을 제한하고, 그 구조가 대단히 복잡하다. 또, 피막 구멍이 방울사이즈에 실제적인 영향을 미치는 장치를 제공하는 것도 아니다. 더욱이, 현탁액형상의 약의 공급 및 다른 응용에 있어서, 모세관이송 및 방울사이즈를 한정하거나 방울사이즈에 영향을 미치도록 하는 구멍의 기능에 대한 EP-A-0 516 565의 제약은 단점일 수 있다. 이것은, 일반적으로 그 응용에 대하여 가장 적당한 방법을 달성하기 위한 액체이송방법의 넓은 다양성으로부터 자유롭게 선택하는 것이 바람직하다. 예컨대, 약제의 스프레이에 있어서는, 스프레이에 액체의 계량도우즈(metered dose)를 제공함으로써, 이어지는 도우즈공급의 오염을 촉진할 수 있는 잔여의 약액이 스프레이상에 남아 있는 것을 회피하는 것이 바람직하다. 다른 더 큰 현탁액, 예컨대 앤티퍼스피런트(antiperspirant) 현택액의 경우에는, 모세관 갭의 범위를 제한하는 것이 모세관이송의 방해를 초래할 수 있다. 이것은, 장치의 제조상의 질을 유지함으로써 방울사이즈의 반복성(repeatability)에 도움이 될 수 있도록 방울사이즈가 장치의 물리적인 특징을 결정하거나 적어도 영향을 미치게 하는데 도움이 된다.

일반적으로 방울이 분출되는 방향으로 좁아지는 구멍을 갖춘 상기 제2형 태의 장치는, 구멍의 출구직경보다도 큰 방울사이즈의 비율이 더 커진다. 이것은, 고체파티클의 사이즈가 소망하는 방울직경보다도 현저히 작아지는 일없이 그러한 장치가 현탁액을 방울로 스프레이하는 것을 어렵게 만든다. 둘째로, 상기 제2형태의 장치는 또한 아주 작은 방울사이즈를 갖는 스프레이의 생성에는 자주 채용되지 않는다. 예컨대, 환자에 의한 흡입에 적당한 형상으로 현탁액 또는 심장병약액의 스프레이를 생성하는 것이 바람직하다. 전형적으로, 천식약의 폐동맥(정맥)공급에 있어서는, 6㎛의 범위에서 평균 방울사이즈를 갖는 스프레이를 폐동맥(정맥)관내의 최적영역으로 타게팅(targeting)함으로써 약을 공급하는 것이 바람직하다. 이 제2형태의 장치에 의하면, 이것은 3㎛∼4㎛의 범위에서 출구직경을 갖는 구멍을 필요로 하게 된다. 그러한 작은 구멍사이즈의 피막은 제조하기 어렵고, 고가이며, 구멍사이즈, 방울사이즈 및 그러한 타게팅의 양호한 반복성을 가질 수 없다. 더욱이,그러한 현탁액형상의 약의 정식화(formulation)를 2㎛근방의 평균 고체사이즈로 가장 용이하게 생성할 수 있다. 그러한 작은 구멍 및 그러한 고체파티클 사이즈에 의하면, 방해 또는 빈약한 공급을 발생시킬 수 있다.

셋째로, 방울사이즈가 크더라도, 특히 고체사이즈가 채널의 사이즈에 필적할 만한 경우에 현탁액내에 운반되는 고체가 좁아지는 구멍으로 흐르는 것을 블로킹할 수 있다. 일례로서, 피막의 후면에서의 비교적 큰 직경을 갖는 구멍은 전면에서의 비교적 작은 직경을 갖는 구멍을 통과하기에 너무 큰 파티클을 허용한다. 제2의 예로서, 구멍이 좁아짐으로써, 일반적으로 2개이상의 고체파티클이 서로 접촉하거나 구멍의 측벽과 접촉하게 된다. 이때, 이것은 순방향모션을 계측할 수 없게 하여 블로킹을 유발한다.

본 발명의 목적은, 간단한 구성이면서 저가이고, 액체, 현탁액 및 액체 이송수단의 넓은 범위에서 동작시킬 수 있는 스프레이장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 한 실시태양에 따르면, 구멍이 뚫린 피막과, 상기 피막을 진동시키기 위한 액츄에이터 및, 상기 피막의 표면에 액체를 공급하기 위한 수단을 구비하고, 상기 피막의 구멍은 액체방울이 나오는 면에서 떨어진 상기 피막면의 단면적이 상기 피막의 반대면의 단면적보다도 큰 역테이퍼형상을 갖는 것을 특징으로 하는 액체방울 스프레이장치를 제공한다. 이 명세서에서, 피막이라는 것을 플레이트를 포함하는 것으로 한다.

상기 액츄에이터는 벤딩모드에서 동작하도록 채용된 압전기 액츄에이터이다. 그 액츄에이터의 두께는 실질적으로 적어도 하나의 다른 치수보다도 작다.

또, 피막의 방울분출면에 직접 또는 간접으로 분위기가스에 의해 영향을 미치는 압력이 반대의 피막면과 접촉하는 액체의 압력과 같거나 초과하지만, 가스가 피막의 구멍을 통해 상기 액체로 통과할 때의 압력보다는 실질적으로 크지 않도록 압력차를 발생시키는 수단이 제공된다. 상기 분위기가스에 의해 영향을 미치는 압력은, 이것이 피막의 면위에 형성되는 액체막으로서 작용할 때 간접적으로 영향을 미치게 된다. 이 압력차를 생성하기 위해서, 액체공급수단 또는 닫힌 저장용기로부터 액체방울을 방출하기 위한 장치의 작용의 영향 또는 어떤 다른 수단을 사용해도 좋다.

또, 이 장치는 구멍을 통한 액체의 통로에 대항하는 액체에 더 낮은 압력을 가하는 압력바이어스수단을 포함하고 있다.

액체방울이 나오는 면에서 떨어진 상기 피막면의 구멍은 접촉하고 있지않다.

상기 피막의 표면에 액체를 공급하기 위한 수단은, 모세관 이송기구 또는 기포발생기 이송기구이다.

이 장치는 통상의 테이퍼형상 및 역테이퍼형상의 구멍을 포함해도 좋다. 통상의 테이퍼형상의 구멍은 역테이퍼형상의 구멍의 외주에 배치되는 것이 바람직하다. 상기 피막의 표면에 액체를 공급하기 위한 수단은, 상기 액체를 액체방울이 나오는 면에서 떨어진 상기 피막면에 공급하도록 채용되어도 좋다.

본 발명의 다른 실시태양에 따르면, 더 작은 단면적을 갖는 구멍에서의 피막의 측면으로부터 더 큰 단면적을 갖는 구멍에서의 피막의 측면을 향하여 상기 피막을 진동시킴으로써 액체가 상기 테이퍼형상의 구멍을 통과하도록 하는 것을 특징으로 하는 액체 스프레이방법을 제공한다.

본 발명자들은, 본 발명에 따른 장치는 스프레이되는 액체에 모세관파를 여기하는 것에 의해 동작한다고 믿고 있다. 이러한 모세관파 스프레이에 대해서는 후술하기로 한다.

이후, 명세서 및 청구범위에서는, 방울이 발생하는 전면에서보다도 후면에서 큰 면적을 갖는 구멍을 통상의 테이퍼형상의 구멍이라 칭하고, 전면에서보다도 후면에서 작은 면적을 갖는 구멍을 역테이퍼형상의 구멍이라 칭하기로 한다. 또한 대응하여 역테이퍼형상 및 통상의 테이퍼형상의 피막이라 정의한다.

액츄에이터를 동작시키기 위한 전자구동회로와 이것을 탑재하는 액츄에이터는, 예컨대 WO-A-93 10910, EP-A-0 432 992, US-A-4 533 082, US-A-4 605 167에 개시된 종래기술의 형상이나 편리한 다른 적당한 형상중 어느 하나를 취해도 좋다. 일반적으로는, 액츄에이터와 그러한 공진진동여기를 생성하기 위해 상호 작용하는 구동전자회로를 사용하는 것이 바람직하다.

이러한 구성의 제1의 장점은, 평균 현탁액 파티클 사이즈에 대한 평균 방울 사이즈의 비율을 종래기술의 장치에 비해 축소시킬 수 있고, 또 간단하면서도 저가의 장치를 현탁액의 방울 스프레이의 생성에 사용할 수 있다는 것이다.

이러한 구성의 제2의 장점은, 구멍의 방해가능성을 줄이고 용이하게 제조할 수 있는 피막을 사용함으로써, 폐흡입에 적당한 작은 방울직경의 액체 및 현탁액 스프레이를 생성할 수 있다는 것이다.

이러한 구성의 제3의 장점은, 표면의 균일한 코팅에 적당한 비교적 저속의액체 스프레이를 생성할 수 있다는 것이다.

이하, 일례를 들어 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 제안된 실시예를 상세히 설명한다.

제1도는 피막의 전면(방울이 나오는 면)에서의 면적이 피막의 후면에서의 면적보다 작은 구멍으로부터 액체방울을 분출하는 이어지는 단계를 순서대로 나타낸 종래기술에 따른 장치의 개략단면도,

제2도는 제안된 방울 분배장치의 단면도,

제3도는 제2도의 장치에 있어서 구멍이 뚫린 피막의 제안된 형상을 설명하는 단면도,

제4도는 제안된 실시예에 따른 스프레이 헤드의 평면 및 단면도,

제5도는 본 발명에 따른 방을 분배장치를 형성하기 위한 스프레이 헤드로 사용될 수 있는 대체 유압 제어장치를 개략적으로 나타낸 단면도,

제6도는 본 발명에 따른 방을 발생장치를 나타낸 도면,

제7도는 본 발명의 제2실시예에 따른 방을 분배장치를 개략적으로 나타낸 도면,

제8도는 제7도의 장치에 있어서 대체 피막구조를 설명하는 단면도,

제9도는 통상의 테이퍼형상의 구멍과 역테이퍼형상의 구멍으로부터의 방울분출을 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.

제1도는 통상의 테이퍼형상의 구멍을 갖춘 피막(membrane; 61)과, 그 후면과 접촉하는 액체바디(2)에 대해 화살표(상기 피막의 평면과 실질적으로 수직한 방향으로 표시되어 있음; 58)로 나타낸 진동모선을 나타내고 있다. 또, 제1도(a)∼제1도(c)는 1사이클의 진동모션중에 상기 테이퍼형상의 구멍으로부터 유체(62)를 실질적으로 순환·분사시켜 자유로운 방울(64)을 계속해서 형성하기 위한 액체메니스커스(liquid meniscus; 63)의 발생을 순서대로 나타내고 있다.

제2도는 액체(2)를 구멍이 뚫린 피막(5)의 후면(52)으로 직접 이송하는 엔클로저(enclosure; 3)와, 환형(環形) 전자음향 디스크와 기판 등에 의해 이루어진 진동수단 또는 액츄에이터(7)를 구비하고, 전자회로(8)에 의해 동작가능한 방울 분배장치(1)를 나타내고 있다. 상기 전자회로(8)는, 전력공급기(9)로부터 전력을 얻어 상기 구멍이 뚫린 피막(5)을 이 피막의 평면과 실질적으로 수직하게 진동시킴으로써, 상기 구멍이 뚫린 피막의 전면(51)으로부터 떨어져서 나오는 액체의 방울을 생성한다. 이후에서는, 상기 구멍이 뚫린 피막(5)과 액츄에이터(7)를 조합하여 에어러솔 헤드(aerosol head; 40)라 칭하기로 한다.

에어러솔 헤드(40)는, 예컨대 부드러운 실리콘러버(도시하지 않음)로 형성된 홈모양의 환형 적층체에 의해 그 진동모션을 지나치게 제한하지 않도록 포획되어 유지된다. 액체저장 및 후면으로의 공급은, 예컨대 제2도에 나타낸 엔클로저(3)에 의해 이루어진다.

제31(a)는 실질적으로 화살표(58)방향으로 진동하도록 동작가능하고 또 미세한 에어러솔 스프레이를 생성하기 위한 방울 분배장치(1)에 사용하기 적합한 구멍이 뚫린 피막(5)의 제1예의 상세를 나타낸 단면도이다. 이 예에 있어서, 피막(5)은 복수의 테이퍼형상의 원뿔형 구멍(50)을 갖추고 있는 폴리머의 원형 층으로 이루어진다. 각 구멍(50)은 평방격자(square lattice)로 레이아웃(layout)된 전출구면의 제구(53)와 후입구면의 개구(54)를 갖추고 있다. 이들 구멍은 예컨대 엑시머레이저로 레이저드릴링함으로써 폴리머 피막에 도입해도 좋다.

제3도(b)는 피막이 실질적으로 화살표(58)방향으로 진동하도록 동작가능하고 또 방울 분배장치(1)에 사용하기 적합한 본 발명에 따른 구멍이 뚫린 피막(205)의 제2예의 상세를 나타낸 단면도이다. 이 피막은 전기주조된 니켈로 직경 8mm의 원형 디스크로서 형성되고, 예컨대 네덜란드 어비크의 스토크 비코(Stork Veco)에 의해 제조된다. 그 두께는 70미크론이고, "a"로 나타낸 직경 120미크론의 전면(2051)과 "b"로 나타낸 직경 30미크론의 후면(2052)의 2050으로 나타낸 복수개의 구멍을 갖추어 형성되어 있다. 이들 구멍은 피치 170㎛의 정상각형 격자로 레이아웃되어 있다. 이들 구멍의 프로파일(profile)은, 전면(2051)에서 가장 작은 치수 50㎛의 실질적으로 평탄한 지면영역("c"로 나타냄)을 갖는 두꺼은 피막을 통해 전면과 후면 직경사이에서 스무드하게 변동한다.

또한, 유리나 실리콘 등의 대체물질로 제작된 제3도(a) 및 제3도(b)를 참조하여 설명한 것과 유사한 기하도형적인 형상을 갖는 피막을 사용해도 좋다.

제4도는 에어러솔 헤드(40)의 하나의 적당한 형상에 따른 평면 및 단면도를 나타내고 있다. 이 에어러솔 헤드(40)는, 인바(Invar)로서 알려진 니켈-철합금의 환대(環帶; 71)를 구비한 전자음향 디스크(70)와, 결합된 압전기 세라믹 환대(72) 및 원형의 구멍이 뚫린 피막(5)으로 구성된다. 이 구멍이 뚫린 피막은 제3도(b)를 참조하여 설명한 바와 같다. 니켈-철 환대는 20mm의 외경과 0.2mm의 두께를 가지며, 중심을 공유하는 홀(73)로 구성된다. 압전기 세라믹은 독일 라우프의 회체스트 세람테크(Hoechst CeramTec)로부터의 타입 P51로서, 16mm의 외경과 10mm의 내경 및 0.25mm의 두께를 갖는다. 상기 세라믹의 상면(74)에는 구동전극(75)과 선택감지전극(76)의 2개의 전극이 설치되어 있다. 이 감지전극(76)은 이 예에서는 실질적으로내경으로부터 외경으로 쉽게 연장되는 폭 1.5mm의 금속으로 구성된다. 구동전극(75)은 그 이외의 표면에 걸쳐 연장되고, 0.5mm의 공극에 의해 상기감지전극으로부터 전기적으로 절연되어 있다. 도시하지 않은 세선(細線)에 의한 납땜접속에 의해 전기적인 접촉이 이루어진다.

동작시에, 구동전극(75)은 전자회로(8)를 이용하여 적형적으로 대략 30V의 진폭을 갖는 100∼300㎑범위의 주파수에서 정현파 또는 톱니파신호에 의해 구동되어, 구멍이 뚫린 피막의 전면(51)으로부터 떨어져서 나오는 방울 스프레이를 생성한다. 여기서, 방울의 평균사이즈는 전형적으로 10미크론의 영역이다. 액츄에이터 헤드는 통상 방울을 효과적으로 생성하는 모든 주파수에서의 진동공진을 갖도록 해도 좋다. 이러한 공진시에 상기 감지전극(76)으로부터의 신호는 그 주파수에서 국소최대(local maximum)를 갖는다. 구동회로는 전극(76)으로부터의 피드백신호를 이용하지 않는 개방루프(open-loop)로 해도 좋고, 그 피드백을 이용한 단락루프(closed-loop)로 해도 좋다. 각 경우에 있어서, 전자구동회로는 공진시에 액츄에이터 헤드의 전기적인 거동의 변화에 응답하여 이 액츄에이터 헤드와 구동회로가 서로 협력하여 이 액츄에이터 헤드의 공진진동을 유지하도록 할 수 있다. 단락 루프는, 피에조 액츄에이터가 최대공급을 주도록 미리 결정된 구동과 피드백 또는 감지전극 사이의 위상각을 유지함으로써 공진진동을 유지하도록 보증할 수 있다.

제5도(a)는 오픈-셀드 모세관 포움러버(open-celled capillary foam rubber)로 구성된 도관을 갖춘 유체이송기구를 나타낸 단면도이다. 이러한 모세관 이송기구는 액압제어를 제공하도록 사용해도 좋다. (액압제어의 잇점에 대해서는 후술하기로 한다.) 통기구멍(83)과 모세관(81)의 작용에 의해, 액체가 주위의 공기압이하의 압력에서 모세관(81)내에 수용된다. 모세관 포움러버의 세공사이즈를 제어하여 이 압력치를 제어하도록 할 수 있다. 주위의 모세관(81)은 견고한 외부하우징(82)이다. 이러한 구성은, 액체가 손실될 위험을 줄이면서 위험한 예컨대 중독성의 액체의 스프레이를 공급하는데 특히 유용하다. 물질(81)의 모세관작용는, 외부하우징(82)에 손상이 발생하더라도 액체의 탈출을 줄이거나 최소화할 수 있도록 액체를 수용하기 위한 작용을 갖는다. 이러한 잇점은 약제나 의약의 액체 또는 인화성 액체를 보지(保持)하는데 응용하는 것이 가능하다.

제5도(b)는 액압제어를 제공하도록 사용할 수도 있는 기록기계기술로부터 알려진 소위 기포발생장치를 나타낸 단면도이다. 피막에 설치된 구멍으로부터 액체를 분배하는 동작은, 저장용기(90)에 압력을 발생시켜 피막과 접촉하는 액체(91)의 압력이 대기압이하로 감소하도록 한다. 이 압력이 액체 메니스커스압력에 비해 피막의 구멍이나 보조제구(92)를 통해 공기를 빨아내기에 충분할 만큼 낮을 때에는, 저장용기의 압력이 압력차를 견디도록 액체 메니스커스에 비해 충분히 상승할 때까지 공기를 기포로서 빨아들인다. 이와 같이 해서, 액압이 대기압이하의 값으로 조정된다. (개구(92)는 일반적으로 액체가 엔클로저로부터 쉽게 누설되지 않도록 충분히 작게 선택된다.) 이들 압력제어방법은 모두 상기 인용된 압력범위내에서 스프레이헤드(40)로부터 스프레이공급을 늘릴 수 있음을 알 수 있고, 본 발명의 범위내에서 다른 방법을 적용할 수도 있음을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

이하에서는, 제6도(a)∼제6도(g)를 참조하여 본 발명의 동작방법에 대해 상세히 설명한다. 또한, 본 발명자들에 의해 현재 인지되어 있는 것뿐만 아니라 본 발명에 의해 제공되는 방울 발생기구에 대해서도 상세히 설명한다. 이들 기구는 충분히 검증된 것은 아니지만, 본 발명의 범위내에서 이해가능한 것이다.

액체에 인가되는 압력차가 제로에 가까우면(즉, 스프레이 헤드에서의 액체의 압력이 구멍이 뚫린 피막의 전면의 압력과 거의 같으면), 제6도(a)에 나타낸 바와 같이 액체(2)가 피막을 이 피막(5)의 후면(52)에 부착된 메니스커스(65)와 접촉시킨다. 제6도(b)의 중간부분에 나타낸 바와 같이, 진동여기(58)에 응답하여 피막 액체가 피막(5)의 전면(51)을 향하여 흐름을 알수 있다.

가장 일반적으로, 피막이 진동하지 않을 때 액체 메니스커스 압력에 대한 피막 구멍을 통해 공기를 흡입하는데 필요한 압력과 비교하여 압력차가 작은 경우에는, 제6도(c)에 나타낸 바와 같이 피막의 재료 및 구멍의 단면 프로파일은 액체(2)가 박막으로서의 피막의 전면(51)의 위로 흘러나가는 것을 허용한다. 제6도(d)에 나타낸 바와 같이, 피막(5)의 진동에 의해 액체 메니스커스(67)의 표면에 모세관파를 여기할 수 있다. 이것은, 예컨대 제3도(a)에 따라 상술한 에어러솔 헤드에 피막(5)용의 폴리머재료를 사용한 경우에 발생하는 것으로 알고 있었다. 이들 파의위치는 구멍(50)의 측벽이나 개구(53)를 바운드하는 전면(51)과의 교차점에 의해 제약을 받지 않는다. 액체메니스커스(67)의 진동진폭이 충분히 큰 경우에는, 방울이 전형적으로 모세관파장의 1/3정도의 직경을 가지고 방출되게 된다(예컨대, "로젠버그의 초음파기술의 원리(Rozenberg - Principles of Ultrasonic Technology)" 참조). 상기 구멍의 형상은 메니스커스(67)로부터 방울로서 손실되는 액체의 효과적인 보충을 가능하게 한다. 그리고 피막의 형상은 유효한 진동여기(vibrational excitation)를 가능하게 한다.

오히려 면(51)은 구멍으로 완전히 채워지지 않고 있지만, 액체는 구멍면적보다도 큰 면(51)의 면적을 통해 용이하게 퍼진다. 이러한 특징은, 진동(58)에 따른 구멍(50)을 통한 유속과 액체가 메니스커스(67)의 모세관파로부터 방울로서 스프레이될 때의 속도간의 균형을 이루게 한다. 이러한 균형은, 양자택일로 혹은 상술한 방법과 조합하여 면(51)위에 박막을 형성하기에 충분히 작은 (진동에 따른 구멍을 통한 흐름에 대항하는)압력차에 의해 이루어진다. 이러한 균형에 의해, 방울 스프레이의 형성을 금지할 수 있는 전면(51)위로 초과액체가 흐르는 것을 방지할 수 있다.

구멍(50)을 통한 흐름에 대항하는 압력차가 양자택일로 선택됨으로써, 벌크액체(bulk liquid)는 제6도(e)에 나타낸 바와 같이 피막(5)의 전면(51)위로는 흐르지 않지만, 피막(5)과 이 피막의 전면(51) 및 후면(52) 사이에서 접촉하는 메니스커스(66)를 갖게 된다. 이 경우에는, 제6도(e)에 나타낸 바와 같이 피막의 진동이 액체메니스커스(66)의 각각에 진동을 여기할 수 있다. (전형적으로, 이것은 피막이진동하지 않을 때 구멍의 최대 액체 메니스커스 압력에 대한 피막 구멍을 통해 공기를 흡입하는데 필요한 압력과 비교할 수 있지만, 그보다 크지 않은 압력차를 필요로 한다.) 구멍의 기하도형적 배열이 유체 메니스커스의 기하도형적 배열을 보충하기 때문에, 피막의 진동과 액체의 결합은 이 경우에 특히 유효하다. 액체 메니스커스의 유도여기는 모세관파의 형상을 취한다. 그러한 모세관파의 정수는 구멍내에 고정된다. 이와 같이 해서, 구멍의 기하도형적 배열은 모세관파와 여기되고 그들 파가 유효하게 발생될 때 메니스커스의 기하도형적 배열과 잘 매치하게 된다. 다시 방울분출이 적당한 주파수와 진동의 진폭을 가지고 관측되게 된다.

제6도(e)에 따른 특별한 경우를 나타낸 제6도(f) 및 제6도(g)에 있어서는, 액체의 메니스커스가 상기 구멍(50)과 구멍이 뚫린 피막의 후면(52: 제6도(f)) 또는 전면(51: 제6도(g))과의 교차점의 근방에 보지되도록 압력차가 선택되고, 모세관파가 진동(58)의 작용을 통해 그 메니스커스에 형성된다. 다시, 이것은 메니스커스의 유효한 진동여기를 가능하게 하고, 진동(58)의 진폭과 주파수가 적당하면 액체방울을 분출하게 된다. 그들 구멍과 접촉하는 액체의 표면장력의 작용에 대하여 피막 구멍을 통해 공기(또는 다른 분위기가스)를 흡입하는데 필요한 압력과 제로간의 압력차의 값이 방울 발생의 효율을 향상시키도록 작용하고 있음을 알 수 있다.

제6도(e), 제6도(f) 및 제6도(g)에 나타낸 경우에 있어서는, 마침 단일의 모세관파(다시말해서, 하나의 모세관파장)만이 개구(53,54) 사이의 구멍의 직경내에 고정되고, 필요하다면 이렇게 고정되는 하나의 모세관파 이상의 모세관파에 더 높은 주파수여기를 사용해도 좋다. 이것은 거의 진동여기 주파수로 유지되도록 하기의 관계를 요구함으로써 표현할 수 있다.

여기서:

Φ = 피막의 전면과 후면 사이의 소정의 점에서의 테이퍼형상의 구멍의 직경,

n =정수,

λc = 액체내에서의 모세관파의 파장.

모세관파의 파장(λc)과 여기주파수(f) 사이의 관계식은 다음과 같이 주어진다.

여기서: σ = 유체표면장력(주파수 f에서),

ρ = 유체밀도.

본 발명자들은, 이 관계식도 또한 상술한 바와 같이 모세관파가 구멍에 의해 바운드되는 경우에 유지된다는 것을 발견하였다. 따라서, 상기한 바와 같이 직경 Φ의 테이퍼형상의 구멍에 대해서는, 장치를 다음 식을 만족하도록 설계 및 동작시키는 것이 바람직하다.

상기한 관계식의 근사조건에 대응하여, 이 관계식이 하기의 범위를유지할 때 동작을 만족시키는 것을 알 수 있었다.

특정수 p에 대해서만 모세관파를 테이퍼형상의 구멍내에 형성할 수 있다고 하는 잇점을 지닌 장치에 있어서는, 구멍의 작은 직경에 대한 구멍(53으로 나타냄)의 큰 직경의 비율이 1∼(p+1)/p의 범위에 있지 않으면 안된다. 이것은 p의 작은 정수치에 대해 가장 효과적이다.

모세관파 방울이 대략 모세관파장 λc의 1/3의 직경을 갖기 때문에, 본 발명에 따른 장치는 출구(53)의 직경의 대략 1/3이하의 직경을 갖는 방울을 생성하게 된다. (액체 메니스커스가 피막의 후면(52)에 설치된 개구(54)나 그 근방에 유지되어 있는 경우에는, 본 발명에 따른 장치는 더 작은 개구(54)의 직경의 대략 1/3이하의 직경을 갖는 방울을 생성하게 된다. 종래기술의 장치와 달리, 이 경우는 구멍의 치수가 방울의 사이즈에 영향을 미치므로, 유용하게 소망하는 직경의 방울을 생성할 수 있도록 선택할 수 있다.) 이 장치는 요구에 따라 예컨대 폐병약공급 등의 응용에 있어서 작은 방울을 생성하는데 특히 유용하다.

제3도(b)를 참조하여 설명한 구멍이 뚫린 피막과 제4도를 참조하여 설명한 스프레이 헤드 및 제5도(b)를 참조하여 설명한 기포발생기를 사용한 경우에, 제6도(e), 제6도(f) 및 제6도(g)를 참조하여 설명한 장치 및 방법에 따라 방을 발생이 일어난다. 그러한 장치로부터 물을 스프레이하는 경우에는, (피막의 전면위로 흘러나가는 유체에 대항하는) -30mbar의 압력차에서 최적의 스프레이가 개시된다.그리고 압력차가 증가함에 따라 -76mbar의 압력차까지는 스프레이 유속 및 효율이 향상된다. 구멍이 뚫린 피막이 기포발생기로서 작용하는 압력에서 최적의 스프레이가 얻어진다. 이 상태는 전형적인 것이다. 따라서, 기포발생기, 모세관 이송기구 및 흐름에 대항하는 압력차를 부여하는 다른 수단 등은 본 발명에 특별한 잇점을 제공한다. 이 장치에 대한 스프레이작용은, 115, 137, 204 및 262㎑의 주파수에서 30V 진폭의 정현여기와, 대응하는 계산된 51㎛∼30㎛의 범위의 모세관파장에 따라 얻어진다. 후자의 파장은 구멍의 최소개구치수에 대응하고, 대략 10미크론정도의 크기의 방울을 생성한다. 이 장치는 10미크론정도의 영역의 방울을 생성함에 있어서 본 발명자들에게 알려진 본 발명의 최선의 실시예이다.

이들 각종의 실시예에 있어서, 본 발명에서의 역테이퍼형상의 구멍을 사용함으로써, 현탁액을 스프레이할 때의 방해를 방지할 수 있다. 첫째로, 종래기술의 장치와 달리 구멍은 피막을 완전히 통과할 수는 없지만 구멍을 영원히 손상하지 않도록 피막 진동에 의해 움직이는 고체파티클을 허용하지 않는다. 둘째로, 서로 접촉하거나 구멍의 측벽과 접촉하여 구멍을 차단하지 않도록 2개이상의 고체파티클을 유기하지 않는다. 셋째로, 주어진 크기의 방울을 생성하기 위해 비교적 큰 구멍을 이용할 수 있기 때문에, 방해없이 현탁액의 비교적 큰 고체파티클을 통과시킬 수 있다. 또한, 이 발명에 따른 장치는 요구에 따라 폐병약공급 등과 같이 방울이 작은 경우에 피막을 비교적 용이하게 제조하는 것을 가능하게 한다.

구멍사이즈가 동일한 본 발명의 장치와 종래기술의 장치의 방울방출 주파수간에는 상당한 차이가 있다. 예컨대, 15㎛의 최소직경의 경우, 종래기술의 장치는일반적으로 40㎑의 범위의 주파수에서 방울을 분출하도록 동작하지만, 본 발명의 장치는 적형적으로 400∼700㎑의 범위에서 방울분출을 일으킨다.

또, 종래기술의 장치와의 차이점은 장기에 인용된 부(負)의 액체바이어스압력의 작용으로부터 알 수 있다. 종래기술의 장치의 경우, 예컨대 제1도에 나타낸 바와 같이 특별히 피막 전면의 웨팅(wetting)을 방지하기 위해 부의 바이어스압력을 사용하였다. 그러나, 이러한 바이어스는 구멍내에서 새로운 평형위치에 고립되어야 할 메니스커스를 공급하지 못한다. 구체적으로는, 종래기술의 장치에 있어서는 바이어스압력이 메니스커스의 엣지를 구멍과 피막의 전면과의 교차점에서 분리하기에 충분하게 되자 마자 메니스커스를 구멍으로부터 떨어져 완전히 끌어 당겨 스프레이작용을 방해한다. 그에 반해, 본 발명에 있어서는 압력차가 피막 전면의 웨팅을 허용하도록 선택되거나, 혹은 압력차가 테이퍼형상의 구멍내에서 유체 메니스커스를 거꾸로 끌어 당기기에 충분한 경우에, 유체 메니스커스가 테이퍼형상의 구멍내에서 새로운 평형위치에 도달하는 것을 가능하게 하고, 그에 따라 안정한 방울방출을 유지할 수 있게 된다. 후자는 모세관파장의 정수가 구멍내에서 고정되어 방울을 효과적으로 분출하도록 바이어스압력과 주파수의 조합을 설정하는 것을 가능하게 한다.

제7도는 대체액체 이송기구를 갖춘 제2의 방울 분배장치를 나타내고 있다. 이 액체이송기구는, 이송관(103)과, 피막(105)의 면(1051)과 함께 작용하여 피막(105)내의 홀(1060)에 모세관 액체채널을 제공하는 환형 플레이트(102)를 갖추고 있다. 피막(105)은 진동수단 또는 액츄에이터(7)에 연결되어 있다.액츄에이터(7)는 밀봉지지·적층체(108), 전자회로(8) 및 전력 공급기(9)에 연결되어 있다. 이송관(103)은 밀봉지지체(108)에 대응하여 탑재해도 좋다(도시하지 않음). 회로(8) 및 전력공급기(9)는 예컨대 제1실시예의 장치에 나타낸 것과 동일해도 좋다. 구멍이 뚫린 피막(105)의 그 평면과 실질적으로 수직한 화살표(58)방향으로의 진동은, 이 피막의 전면(1051)으로부터 액체(1010)의 방울을 생성한다. 이하에서는, 구멍이 뚫린 피막(105)과 액츄에이터(107)를 조합하여 에어러솔 헤드(1040)라고 부르기로 한다.

제8도는 액체가 구멍이 뚫린 피막(105)과 접촉하는 경우의 상세를 나타낸 단면도이다. 이 피막(105)은 각각이 1060 및 1050으로 나타낸 통상의 테이퍼형상과 역테이퍼형상의 원뿔형 구멍을 갖추고 있다. 이중 역테이퍼형상의 구멍(1050)은 피막의 전면위의 액체를 자유롭게 하도록 위치하고 있다. 또, 통상의 테이퍼형상의 구멍(1060)은 피막의 전면으로부터 액체를 받아들이도록 위치하고 있는데, 예컨대 역테이퍼형상의 구멍(1050)의 주위에 놓이도록 할 수 있다.

이 제2의 방울 분배장치에 있어서도, 제1예의 장치에 대해 상술한 방울 발생기구를 사용해도 좋다. 그러나, 흘타입(1060)의 존재는 피막(5)의 전면에 대하여 각종의 액체이송이 이용되는 것을 가능하게 한다. 액체이송은 피막의 전면에 설치된 홀타입(1060)에 의해 수행된다. 액체공급수단의 하나로서, 피막(105)의 면(1051)과 함께 작용하는 환형 플레이트(102)를 갖춘 모세관 이송수단이 있다. 사용시에, 이 제2예의 방울 분배장치는 액체를 홀타입(1060)을 통해 피막(105)의 후면(1052)에 전달하도록 작용하고, 액체와 접촉하여 상기 피막의 후면(1052)에 홀타일(1050)을 유지하는 액체웨팅 작용에 의해 제1예의 방울 분배장치와 동일한 방법으로 홀(1050)의 전면으로부터 방울 분배를 가능하게 한다. 그 이외의 상세한 설명은 상술한 제1의 방울 분배장치의 것에 따른다.

제9도는 통상의 테이퍼형상의 구멍과 역테이퍼형상의 구멍이 설치된 피막의 제2사용예를 나타낸 것이다. 이것은 제1도 및 제6도에서 이해할 수 있는 바와 같이 나타낸 방울발생의 통상적인 기구의 단일 장치에 의한 조합을 혀용한다. 순방향 및 역방향 테이퍼형상의 구멍을 대략 동일한 사이즈 또는 다른 사이즈로 해도 좋다. 따라서, 이러한 장치는 한 동작주파수에서 하나의 기구에 의해 방울을 생성할 수 있고, 다른 주파수에서 다른 기구에 의해 방울을 생성할 수 있다. 마찬가지로, 이러한 장치는 하나의 기구에 의해 통상의 테이퍼형상의 구멍(1060)으로부터 비교적 큰 사이즈의 방울(1011)을 생성할 수 있고, 다른 기구에 의해 역테이퍼형상의 구멍(1050)으로부터 비교적 작은 사이즈의 방울(1010)을 생성할 수 있다. 더욱이, 하나의 기구에 의해 비교적 고속의 스프레이를 생성하고, 다른 기구에 의해 비교적 저속의 스프레이를 생성하는 것이 가능하게 된다. 방울 사이즈, 동작 주파수 및 방울 속도의 다른 조합도 가능함은 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 마지막으로, 예컨대 상술한 바와 같은 기포발생기 엔클로저설계시에, 피막의 역테이퍼형상의 영역으로부터의 개선된 방울 발생에 대한 부의 압력바이어스를 생성하기 위해서, 통상의 테이퍼형상의 구멍(1060)의 방울 생성기구를 사용할 수 있다.

지금은 본 발명자들에게 알려진 그 장치의 스프레이 헤드의 최적 조건 및 상세는, 제3도(b), 제4도, 제5도(b) 및 제6도(e)∼제6도(g)를 참조하여 설명했다.

도면에는 나타내지 않았지만, 본 발명에 따른 장치는 아랫쪽, 옆쪽 또는 윗쪽으로 스프레이하도록 동작시킬 수도 있다.

Claims (25)

1. 구멍이 뚫린 피막과,

   상기 피막을 진동시키기 위한 액츄에이터 및,

   상기 피막의 표면에 액체를 공급하기 위한 수단을 구비하고,

   상기 피막의 구멍은, 액체방울이 나오는 면에서 떨어진 상기 피막면의 단면적이 상기 피막의 반대면의 단면적보다도 큰 역테이퍼형상을 갖고, 방울스프레이가 나오는 면의 액체흐름을 대체하는데 반대면의 액체흐름을 사용하는 것을 특징으로 하는 액체방울 스프레이장치.
2. 제1항에 있어서, 액체방울이 나오는 면에서 떨어진 면과 반대인 상기 피막면과 접촉하는 액체에 감소한 압력을 가하는 압력바이어스수단을 더 구비한 것을 특징으로 하는 액체방울 스프레이장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 감소한 압력은, 제로에서 공기를 유체에 접촉된 상기 피막의 구멍을 통해 공기를 빼내는 압력까지의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 액체방울 스프레이장치.
4. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, 액체방울이 나오는 면에서 떨어진 상기 피막면의 구멍은 접촉하고 있지 않은 것을 특징으로 하는 액체방울 스프레이장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 액츄에이터는 압전기 액츄에이터인 것을 특징으로 하는 액체방울 스프레이장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 압전기 액츄에이터는 벤딩모드에서 동작하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 액체방울 스프레이장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 피막의 표면에 액체를 공급하기 위한 수단은, 모세관 이송기구인 것을 특징으로 하는 액체방울 스프레이장치.
8. 제1항에 있어서, 상기 피막의 표면에 액체를 공급하기 위한 수단은, 기포발생기 이송기구인 것을 특징으로 하는 액체방울 스프레이장치.
9. 제1항에 있어서, 상기 구멍 모두가 역테이퍼형상을 갖는 것을 특징으로 하는 액체방울 스프레이장치.
10. 제9항에 있어서, 상기 피막은 통상의 테이퍼형상의 구멍을 더 갖추고 있는 것을 특징으로 하는 액체방울 스프레이장치.
11. 제10항에 있어서, 상기 통상의 테이퍼형상의 구멍은, 역테이퍼형상의 구멍의 외주에 배치되는 것을 특징으로 하는 액체방울 스프레이장치.
12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 피막의 표면에 액체를 공급하기 위한 수단은, 상기 액체를 액체방울이 나오는 면에서 떨어진 상기 피막면에 공급하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 액체방울 스프레이장치.
13. 제1항에 있어서, 상기 피막의 표면에 액체를 공급하기 위한 수단은, 상기 액체를 액체방울이 나오는 면에서 떨어진 면과 반대의 상기 피막면에 공급하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 액체방울 스프레이장치.
14. 제1항에 있어서, 상기 액츄에이터는 하기의 관계식을 만족하도록 상기 피막을 진동시키도록 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 액체방울 스프레이장치.

    여기서, Φ = 상기 피막의 전면과 후면 사이의 소정의 점에서의 상기 테이퍼형상의 구멍의 직경,

    n = 임의의 정수,

    λ c =상기 액체의 모세관파의 파장,

    σ =유체의 표면장력(주파수 f에서),

    ρ =유체밀도.
15. 제1항에 있어서, 상기 액츄에이터는 상기 피막을 20㎑∼7㎒의 주파수범위에서 진동시키도록 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 액체방울 스프레이장치.
16. 더 작은 단면적을 갖는 구멍에서의 피막의 측면으로부터 더 큰 단면적을 갖는 구멍에서의 피막의 측면을 향하여 상기 피막을 진동시킴으로써 액체가 상기 테이퍼형상의 구멍을 통과하도록 하는 것을 특징으로 하는 액체 스프레이방법.
17. 제16항에 있어서, 상기 구멍을 통과하는 상기 액체의 통로를 방해하는 액체에 압력바이어스를 가하는 것을 특징으로 하는 액체 스프레이방법.
18. 제17항에 있어서, 상기 압력바이어스는, 제로에서 공기를 유체에 접촉된 상기 피막의 구멍을 통해 빼내는 압력까지의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 액체 스프레이방법.
19. 제16항에 있어서, 액츄에이터는 압전기 액츄에이터이고, 벤딩모드에서 동작하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 액체 스프레이방법.
20. 제16항 내지 제19항중 어느 한 항에 있어서, 상기 액체를 모세관 이송기구를통해서 상기 피막의 표면에 공급하는 것을 특징으로 하는 액체 스프레이방법.
21. 제16항 내지 제19항중 어느 한 항에 있어서, 상기 액체를 기포발생기 이송기구를 통해서 상기 피막의 표면에 공급하는 것을 특징으로 하는 액체 스프레이방법.
22. 제16항에 있어서, 상기 액체를 액체방울이 나오는 면에서 떨어진 상기 피막면에 공급하는 것을 특징으로 하는 액체 스프레이방법.
23. 제16항에 있어서, 상기 액체를 액체방울이 나오는 면에서 떨어진 면과 반대의 상기 피막면에 공급하는 것을 특징으로 하는 액체 스프레이방법.
24. 제16항에 있어서, 상기 액츄에이터는 하기의 관계식을 만족하도록 상기 피막을 진동시키는 것을 특징으로 하는 액체 스프레이방법.

    여기서, Φ = 상기 피막의 전면과 후면 사이의 소정의 점에서의 상기 테이퍼형상의 구멍의 직경,

    n = 임의의 정수,

    λ c = 상기 액체의 모세관파의 파장,

    σ = 유체의 표면장력(주파수 f에서),

    ρ = 유체밀도.
25. 제16항에 있어서, 상기 피막을 20㎑∼7㎒의 범위의 주파수로 진동시키는 것을 특징으로 하는 액체 스프레이방법.