声泳多组分分离技术平台制造技术

本发明专利技术描述了一种具有改进的捕获力的用于声泳的系统，其中通过控制超声换能器的频率改进捕获力。换能器包括陶瓷晶体。晶体可以直接暴露于液流。所述晶体可以是空气背衬的以获得更高的Q因数。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】声泳多组分分离技术平台
技术介绍
本申请要求享受下述申请的优先权：2012年3月15日提交的美国临时专利申请序号为No.61/611,159，同样在2012年3月15日提交的美国临时专利申请序号为No.61/611,240，以及，2013年1月21日提交的美国临时专利申请序号为No.61/754,792。这三件申请的内容在此以全文引用方式并入本文。声泳(Acoustophoresis)是利用高强度声波的颗粒分离。已知声音的高强度驻波能对颗粒施加力。驻波具有压力分布，其表现为随时间“保持”不动。驻波中的压力分布从高压区(波节)到低压区(波腹)存在变化。在共鸣器中产生驻波。共鸣器的常见示例包括许多管乐器，如管风琴、长笛、单簧管、以及圆号。对于多组分的液流来说，需要高效的分离技术，其能消除浪费，并且降低所需能量，从而促进可持续发展的环境。
技术实现思路
本专利技术涉及用于大规模声泳的系统和装置。该装置使用如本文所述的超声波换能器。以产生多驻波的频率，驱动换能器。在一些实施方式中，披露了一种装置，其包括带有入口和出口的流室，使基底流体与第二流体和颗粒至少之一的混合物穿过入口和出口流过流室。超声换能器嵌置在上述流室的壁中或位于流室壁外，该超声换能器由超声频率的振荡、周期性或脉冲的电压信号驱动，该信号以更高阶振动模式驱动换能器，以在流道中产生驻波。换能器包括陶瓷晶体。将反射器置于流室中换能器的相对侧的壁上。在另一些实施方式中，披露了一种使基底流体与第二流体和颗粒至少之一的分离方法。本方法包括使基底流体流进具有谐振器和收集袋的流室，并且用振荡、周期性、或脉冲的电压信号驱动换能器，以在谐振器中产生驻波，并且将第二流体和颗粒至少之一收集在收集袋中。在又一些实施方式中，一种装置包括带有入口和出口的流室，使基底流体与第二流体和颗粒至少之一的混合物穿过入口和出口流过流室。多个超声换能器嵌置在上述流室的壁中、或置于流室壁的外侧。换能器各包括陶瓷晶体，陶瓷晶体由超声频率的振荡、周期性或脉冲的电压信号驱动，该信号以更高阶振动模式驱动换能器，以在流道中产生驻波。将反射器置于流室中位于换能器相对侧的壁上。下文更具体地描述这些和其它的非限定性特征。附图说明下面是附图的简要说明，这些附图用于说明本文所披露实施例，并非用于对本专利技术加以限定的目的，附图中：图1示出具有一个换能器的声泳分离器；图2是图示声泳分离器功能的图；图3示出了具有多个换能器的声泳分离器；图4A是在图3的分离器中用作入口的扩散器的细节图；图4B是可以与图3的分离器一起使用的另外的入口扩散器的细节图；图5是常规超声换能器的剖视图；图6是常规换能器的耐磨板的照片；图7是本专利技术超声换能器的剖视图，换能器内存在气隙，但不存在背衬层；图8是仿真以产生图9至图17的声泳分离器的计算机模型；图9至图17是声泳分离器中作用于颗粒的力的仿真；图18是适合在声泳分离器中使用的方形换能器和圆形换能器的照片；图19是以不同频率驱动方形换能器时阻抗幅值与频率关系的曲线图；图20图示关于图19的七个峰幅值的波节配置；图21是换能器的九波节配置的照片；图22是换能器的另一多波节配置的照片；图23是来自换能器的力的计算机仿真；图24和图25示出换能器阵列配置；图26示出适合与图21和图22的换能器一起使用的用于分离浮动材料的声泳分离器；图27是来自换能器阵列的力的计算机仿真；图28是示出换能器阵列的波节的照片；图29是示出换能器阵列的波节的照片；以及图30是来自换能器阵列的力的计算机仿真。具体实施方式通过参考下文优选实施方式以及其中所包括实施例的具体描述，可以更容易地理解本专利技术。在下文说明以及所附权利要求中，引用了许多用语，这些用语应当定义为具有下列意义。单数形式的“一”、“一种”和“该”包括复数的所指对象，除非上下文明确指明。在本说明书中以及权利要求中使用时，用语“包含”可以包括“由...组成”和“基本上由......组成”的实施例。数值应当理解为包括：减少到相同数量有效位时是相同的数值，以及，按小于本申请中所述类型常规测量技术的实验误差、偏离所述值以确定该值的数值。本文所披露的所有范围都包括所列举的端点，并且可以独立组合(例如，“从2克～10克”的范围包括端点2克和10克、以及所有中间值)。本文所披露的该范围的端点和任何值并不限于该精确范围或值；这些数值的非精确程度足以包括接近范围和/或值的值。在本文使用时，可以使用近似描述来修饰任意定量表示，其可以变化而不会导致与其相关的基本功能方面的改变。据此，由一种或多种术语例如“大约”和“基本上”所修饰的值，在某些情况下，可以不限于所指定的精确值。在至少某些情况下，近似描述可以对应于测量该值所用仪器的精度。修饰语“约”也应当视为披露了由两个端点的绝对值所定义的范围。例如，“约2至约4”的表达也披露了“从2至4”的范围。需要用于多组分液流的有效分离技术，其能消除浪费，并且降低所需的能量，因此，促进可持续发展的环境。使用超声波驻波的大体积流量声泳相分离技术，提供了具有无耗材、无废物产生、以及低能源成本的优势。在去除尺寸变化较大的颗粒时，包括微米和亚微米尺寸颗粒的分离，该技术是有效的。在共同拥有的美国专利申请序号为No.12/947,757、No.13/085,299、No.13/216,049、和No.13/216,035的申请中，可以找到利用声泳的声过滤器/收集器的例子，这些申请各自的全部内容在此以引用方式并入本文。本文所描述的平台技术提供了一种创新的解决方案，其包括基于超声驻波的大体积流量声泳相分离器，具有无耗材、无废物产生、以及低能源成本的优势。声泳是一种从流体分散体中去除颗粒的低功率、无压降、不堵塞的固态方法：也就是，声泳用来实现更典型地由多孔过滤器进行的分离，但没有过滤器的缺点。特别地，本专利技术提供的系统，在具有高流量的流动系统中，以大规模进行用于分离的操作。声谐振器设计成，产生高强度三维超声驻波，其导致大于流体拖曳力与浮力共同作用的声辐射力，并因此能捕获悬浮相即将其保持静止。本系统具有产生超声驻波场的能力，该超声驻波场能捕获线速度超过1厘米/秒的流场中的颗粒。此技术提供了一种用于分离二次相的绿色、可持续的替代方案，显著降低了能源成本。对于小至1微米的粒径，已经证明了优良的颗粒分离效率。声泳分离技术采用超声波驻波，以在基底液流中捕获二次相颗粒即将其保持静止。这是与以前方法中仅仅用声辐射力作用改变颗粒轨迹的重要区别。使颗粒偏离(off)的声场散播导致三维声辐射力，其充当三维捕获场。声辐射力与颗粒体积(例如，半径的立方)成正比。声辐射力与频率和声衬比度因数(acousticcontrastfactor)成正比。声辐射力还与声能(例如，声压幅值的平方)成比例。力的正弦空间变化驱动颗粒到达驻波的稳定位置。当施加于颗粒的声辐射力强于流体拖曳力和浮力/重力的共同作用时，在声驻波场内捕获颗粒。声力对捕获颗粒的作用导致颗粒和液滴进行集中、团聚和/或聚结。使重于水(即：比水密集)的颗粒通过增强的重力沉降而分离，以及，使轻于水的颗粒通过增强的浮力而分离。在能源生产的许多领域例如采水、水力压裂、以及生物燃料例如收获和脱水中，有效且经济的颗粒分离处理会是有用的。声泳技术可用于将水本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种从基底流体分离杂质的方法，所述方法包括：设置流室，所述流室具有声能量源，以及，在所述流室的相对侧具有声能量反射器；使所述基底流体流过所述流室；向所述基底流体施加所述声能量源，以在所述基底流体中产生多个入射波；以及从所述反射器反射所述多个入射波，产生与所述入射波谐振的多个反射波，形成多驻波。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.03.15 US 61/611,240;2012.03.15 US 61/611,159;1.一种从基底流体分离杂质的方法，所述方法包括：设置流室，所述流室具有声能量源，以及，在所述流室的相对侧具有声能量反射器；使所述基底流体流过所述流室；向所述基底流体施加所述声能量源，以产生三维超声驻波，其中，所述三维超声驻波导致声辐射力具有相同量级的轴向分量和横向分量，其中，所述声能量源是超声换能器，所述超声换能器包括限定所述换能器一侧的压电晶体，所述换能器被在超声谐振频率的振荡、周期性、或脉冲的电压信号驱动，该信号驱动所述换能器以在所述流室中产生三维超声驻波。2.根据权利要求1所述的方法，其中，使所述基底流体连续流过所述流室。3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述三维超声驻波产生波节线，以及横向分量在所述波节线中捕获杂质。4.根据权利要求3所述的方法，其中，在所述波节线中捕获的所述杂质发生团聚或聚结，从而，使重于所述基底流体的杂质通过增强的重力沉降而分离，以及，使轻于所述基底流体的杂质通过增强的浮力而分离。5.一种装置，包括：流室，其具有入口和出口，使基底流体与第二流体和颗粒至少之一的混合物穿过所述入口和所述出口流过所述流室；超声换能器，其位于所述流室的壁上，所述换能器包括限定所述换能器一侧的压电晶体，所述换能器被在超声谐振频率的振荡、周期性、或脉冲的电压信号驱动，该信号驱动所述换能器以在所述流室中产生三维超声驻波；反射器，其位于所述流室中位于所述换能器相对侧的壁上。6.根据权利要求1所述的方法，其中，以非均匀位移模式驱动所述晶体。7.根据权利要求1所述的方法，其中，以具有多于一个波节捕获线的更高阶模态，驱动所述晶体。8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述换能器的压电晶体直接暴露于流过所述流室的所述基底流体。9.根据权利要求5所述的装置，其中，所述压电晶体由PZT-8制成。10.根据权利要求5所述的装置，其中，所述换能器具有容纳所述压电晶体的壳体。11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述壳体包括顶部和气隙，所述气隙布置在所述顶部与所述压电晶体之间。12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述压电晶体没有背衬层。13.根据权利要求5所述的装置，其中，在所述流室的壁中，所述流室具有收集袋。14.根据权利要求5所述的装置，其中，所述反射器是钢或钨。15.根据权利要求5所述的装置，其中，所述流室在所述入口处进一步包括扩散器。16.根据权利要求15所述的装置，其中，所述扩散器具有用于使流动均匀的栅格装置。17.根据权利要求5所述的装置，其中，所述压电晶体为方形的。18.一种装置，包括：流室，其具有入口和出口，使基底流体与第二流体和颗粒至少之一的混合物穿过所述入口和所述出口流过所述流室；多个超声换能器，其位于所述流室的壁上，各换能器包括于超声谐振频率的振荡、周期性、或脉冲的电压信号驱动的压电晶体，该信号驱动所述换能器以非均匀模式的位移振动，以在所述流室中产生三维超声驻波，其中，各三维超声驻波导致声辐射力具有相同量级的轴向分量和横向分量；以及反射器，其位于所述流室中所述换能器相对侧的壁上。19.根据权利要求18所述的装置，...

【专利技术属性】
技术研发人员：巴特·利普肯斯，杰森·迪翁，托马斯·J·肯尼迪三世，路易斯·玛斯，斯担利·科瓦尔斯基三世，
申请(专利权)人：弗洛设计声能学公司，
类型：发明
国别省市：美国;US