聲泳多組分分離技術(shù)平臺的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明描述了一種具有改進(jìn)的捕獲力的用于聲泳的系統(tǒng)，其中通過控制超聲換能器的頻率改進(jìn)捕獲力。換能器包括陶瓷晶體。晶體可以直接暴露于液流。所述晶體可以是空氣背襯的以獲得更高的Q因數(shù)。
【專利說明】聲泳多組分分離技術(shù)平臺

【背景技術(shù)】
[0001] 本申請要求享受下述申請的優(yōu)先權(quán)：2012年3月15日提交的美國臨時專利 申請序號為No.61/611，159,同樣在2012年3月15日提交的美國臨時專利申請序號為 No. 61/611,240,以及，2013年1月21日提交的美國臨時專利申請序號為No. 61/754,792。 這三件申請的內(nèi)容在此以全文引用方式并入本文。
[0002] 聲泳（Acoustophoresis)是利用高強(qiáng)度聲波的顆粒分離。已知聲音的高強(qiáng)度駐波 能對顆粒施加力。駐波具有壓力分布，其表現(xiàn)為隨時間"保持"不動。駐波中的壓力分布從 高壓區(qū)（波節(jié)）到低壓區(qū)（波腹）存在變化。在共鳴器中產(chǎn)生駐波。共鳴器的常見示例包 括許多管樂器，如管風(fēng)琴、長笛、單簧管、以及圓號。
[0003] 對于多組分的液流來說，需要高效的分離技術(shù)，其能消除浪費(fèi)，并且降低所需能 量，從而促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的環(huán)境。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明涉及用于大規(guī)模聲泳的系統(tǒng)和裝置。該裝置使用如本文所述的超聲波換能 器。以產(chǎn)生多駐波的頻率，驅(qū)動換能器。
[0005] 在一些實施方式中，披露了一種裝置，其包括帶有入口和出口的流室，使基底流體 與第二流體和顆粒至少之一的混合物穿過入口和出口流過流室。超聲換能器嵌置在上述流 室的壁中或位于流室壁外，該超聲換能器由超聲頻率的振蕩、周期性或脈沖的電壓信號驅(qū) 動，該信號以更高階振動模式驅(qū)動換能器，以在流道中產(chǎn)生駐波。換能器包括陶瓷晶體。將 反射器置于流室中換能器的相對側(cè)的壁上。
[0006] 在另一些實施方式中，披露了一種使基底流體與第二流體和顆粒至少之一的分離 方法。本方法包括使基底流體流進(jìn)具有諧振器和收集袋的流室，并且用振蕩、周期性、或脈 沖的電壓信號驅(qū)動換能器，以在諧振器中產(chǎn)生駐波，并且將第二流體和顆粒至少之一收集 在收集袋中。
[0007] 在又一些實施方式中，一種裝置包括帶有入口和出口的流室，使基底流體與第二 流體和顆粒至少之一的混合物穿過入口和出口流過流室。多個超聲換能器嵌置在上述流室 的壁中、或置于流室壁的外側(cè)。換能器各包括陶瓷晶體，陶瓷晶體由超聲頻率的振蕩、周期 性或脈沖的電壓信號驅(qū)動，該信號以更高階振動模式驅(qū)動換能器，以在流道中產(chǎn)生駐波。將 反射器置于流室中位于換能器相對側(cè)的壁上。
[0008] 下文更具體地描述這些和其它的非限定性特征。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009] 下面是附圖的簡要說明，這些附圖用于說明本文所披露實施例，并非用于對本發(fā) 明加以限定的目的，附圖中：
[0010] 圖1示出具有一個換能器的聲泳分離器；
[0011] 圖2是圖示聲泳分離器功能的圖；
[0012] 圖3示出了具有多個換能器的聲泳分離器；
[0013] 圖4A是在圖3的分離器中用作入口的擴(kuò)散器的細(xì)節(jié)圖；
[0014] 圖4B是可以與圖3的分離器一起使用的另外的入口擴(kuò)散器的細(xì)節(jié)圖；
[0015] 圖5是常規(guī)超聲換能器的剖視圖；
[0016] 圖6是常規(guī)換能器的耐磨板的照片；
[0017] 圖7是本發(fā)明超聲換能器的剖視圖，換能器內(nèi)存在氣隙，但不存在背襯層；
[0018] 圖8是仿真以產(chǎn)生圖9至圖17的聲泳分離器的計算機(jī)模型；
[0019] 圖9至圖17是聲泳分離器中作用于顆粒的力的仿真；
[0020] 圖18是適合在聲泳分離器中使用的方形換能器和圓形換能器的照片；
[0021] 圖19是以不同頻率驅(qū)動方形換能器時阻抗幅值與頻率關(guān)系的曲線圖；
[0022] 圖20圖示關(guān)于圖19的七個峰幅值的波節(jié)配置；
[0023] 圖21是換能器的九波節(jié)配置的照片；
[0024] 圖22是換能器的另一多波節(jié)配置的照片；
[0025] 圖23是來自換能器的力的計算機(jī)仿真；
[0026] 圖24和圖25示出換能器陣列配置；
[0027] 圖26示出適合與圖21和圖22的換能器一起使用的用于分離浮動材料的聲泳分 離器；
[0028] 圖27是來自換能器陣列的力的計算機(jī)仿真；
[0029] 圖28是示出換能器陣列的波節(jié)的照片；
[0030] 圖29是示出換能器陣列的波節(jié)的照片；以及
[0031] 圖30是來自換能器陣列的力的計算機(jī)仿真。

【具體實施方式】
[0032] 通過參考下文優(yōu)選實施方式以及其中所包括實施例的具體描述，可以更容易地理 解本發(fā)明。在下文說明以及所附權(quán)利要求中，引用了許多用語，這些用語應(yīng)當(dāng)定義為具有下 列意義。
[0033] 單數(shù)形式的"一"、"一種"和"該"包括復(fù)數(shù)的所指對象，除非上下文明確指明。
[0034] 在本說明書中以及權(quán)利要求中使用時，用語"包含"可以包括"由...組成"和"基 本上由......組成"的實施例。
[0035] 數(shù)值應(yīng)當(dāng)理解為包括：減少到相同數(shù)量有效位時是相同的數(shù)值，以及，按小于本申 請中所述類型常規(guī)測量技術(shù)的實驗誤差、偏離所述值以確定該值的數(shù)值。
[0036] 本文所披露的所有范圍都包括所列舉的端點，并且可以獨(dú)立組合（例如，"從2 克?10克"的范圍包括端點2克和10克、以及所有中間值）。本文所披露的該范圍的端點 和任何值并不限于該精確范圍或值；這些數(shù)值的非精確程度足以包括接近范圍和/或值的 值。
[0037] 在本文使用時，可以使用近似描述來修飾任意定量表示，其可以變化而不會導(dǎo)致 與其相關(guān)的基本功能方面的改變。據(jù)此，由一種或多種術(shù)語例如"大約"和"基本上"所修 飾的值，在某些情況下，可以不限于所指定的精確值。在至少某些情況下，近似描述可以對 應(yīng)于測量該值所用儀器的精度。修飾語"約"也應(yīng)當(dāng)視為披露了由兩個端點的絕對值所定 義的范圍。例如，"約2至約4"的表達(dá)也披露了"從2至4"的范圍。
[0038] 需要用于多組分液流的有效分離技術(shù)，其能消除浪費(fèi)，并且降低所需的能量， 因此，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的環(huán)境。使用超聲波駐波的大體積流量聲泳相分離技術(shù)，提供了 具有無耗材、無廢物產(chǎn)生、以及低能源成本的優(yōu)勢。在去除尺寸變化較大的顆粒時，包 括微米和亞微米尺寸顆粒的分離，該技術(shù)是有效的。在共同擁有的美國專利申請序號為 No. 12/947, 757、No. 13/085, 299、No. 13/216, 049、和 No. 13/216, 035 的申請中，可以找到利 用聲泳的聲過濾器/收集器的例子，這些申請各自的全部內(nèi)容在此以引用方式并入本文。
[0039] 本文所描述的平臺技術(shù)提供了一種創(chuàng)新的解決方案，其包括基于超聲駐波的大體 積流量聲泳相分離器，具有無耗材、無廢物產(chǎn)生、以及低能源成本的優(yōu)勢。聲泳是一種從流 體分散體中去除顆粒的低功率、無壓降、不堵塞的固態(tài)方法：也就是，聲泳用來實現(xiàn)更典型 地由多孔過濾器進(jìn)行的分離，但沒有過濾器的缺點。特別地，本發(fā)明提供的系統(tǒng)，在具有高 流量的流動系統(tǒng)中，以大規(guī)模進(jìn)行用于分離的操作。聲諧振器設(shè)計成，產(chǎn)生高強(qiáng)度三維超聲 駐波，其導(dǎo)致大于流體拖曳力與浮力共同作用的聲輻射力，并因此能捕獲懸浮相即將其保 持靜止。本系統(tǒng)具有產(chǎn)生超聲駐波場的能力，該超聲駐波場能捕獲線速度超過1厘米/秒 的流場中的顆粒。此技術(shù)提供了一種用于分離二次相的綠色、可持續(xù)的替代方案，顯著降低 了能源成本。對于小至1微米的粒徑，已經(jīng)證明了優(yōu)良的顆粒分離效率。
[0040] 聲泳分離技術(shù)采用超聲波駐波，以在基底液流中捕獲二次相顆粒即將其保持靜 止。這是與以前方法中僅僅用聲輻射力作用改變顆粒軌跡的重要區(qū)別。使顆粒偏離（Off) 的聲場散播導(dǎo)致三維聲輻射力，其充當(dāng)三維捕獲場。聲輻射力與顆粒體積（例如，半徑的立 方）成正比。聲福射力與頻率和聲襯比度因數(shù)（acoustic contrast factor)成正比。聲福 射力還與聲能（例如，聲壓幅值的平方）成比例。力的正弦空間變化驅(qū)動顆粒到達(dá)駐波的 穩(wěn)定位置。當(dāng)施加于顆粒的聲輻射力強(qiáng)于流體拖曳力和浮力/重力的共同作用時，在聲駐 波場內(nèi)捕獲顆粒。聲力對捕獲顆粒的作用導(dǎo)致顆粒和液滴進(jìn)行集中、團(tuán)聚和/或聚結(jié)。使 重于水（即：比水密集）的顆粒通過增強(qiáng)的重力沉降而分離，以及，使輕于水的顆粒通過增 強(qiáng)的浮力而分離。
[0041] 在能源生產(chǎn)的許多領(lǐng)域例如采水、水力壓裂、以及生物燃料例如收獲和脫水中，有 效且經(jīng)濟(jì)的顆粒分離處理會是有用的。聲泳技術(shù)可用于將水中細(xì)菌孢子加速捕獲、油回收、 以及微藻衍生生物油脫水的作為目標(biāo)。油回收領(lǐng)域中所使用的現(xiàn)行技術(shù)在回收較小油滴即 小于20微米油滴時處理不好。然而，本文所描述的聲泳系統(tǒng)可以增強(qiáng)較小油滴的捕獲與聚 結(jié)，從而改變粒徑分布，導(dǎo)致總體增加的油捕獲。為了起到作用，通常需要采用4加侖每分 鐘（GPM)水平的大流量。另一目標(biāo)是增強(qiáng)捕獲直徑小于20微米的油滴。
[0042] 聲泳分離也可用于幫助例如先進(jìn)生物精煉技術(shù)的應(yīng)用，以將低成本易得的非食品 生物質(zhì)（例如，城市固體廢物和污水污泥）轉(zhuǎn)化成很多種化學(xué)品和仲醇，然后，可以將它們 進(jìn)一步精煉成可再生汽油、噴氣燃料、或柴油。使用水處理技術(shù)將發(fā)酵液脫水，并隔離有價 值的有機(jī)鹽，以便進(jìn)一步處理為燃料。脫水過程通常通過昂貴并且低效的超濾方法完成，缺 點包括膜頻繁積垢、相對較低的濃集因數(shù)、以及較高的資本和運(yùn)營費(fèi)用。聲泳分離可濾出進(jìn) 入粒徑分布跨度超過三個數(shù)量級即從600微米到0. 3微米的顆粒，允許以較低資本和運(yùn)行 費(fèi)用改善所分離發(fā)酵液的濃度。
[0043] 對于用于轉(zhuǎn)化為生物油的微藻的獲取、油回收、以及脫水，聲泳分離也是有用的。 現(xiàn)行的微藻獲取、油回收、以及脫水技術(shù)的缺點包括高運(yùn)營成本和資本費(fèi)用。當(dāng)前最佳估 計，將一桶衍生自微藻的生物油的價格定為最低每桶200. OO美元。微藻生物燃料領(lǐng)域需要 改進(jìn)這種處理的收獲、油回收、以及脫水步驟的技術(shù)。聲泳分離技術(shù)滿足了這一需求。
[0044] 一些其它的應(yīng)用是在污水處理、中水回收以及采水領(lǐng)域中。其它的應(yīng)用是在生命 科學(xué)和醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域中，例如脂質(zhì)與紅細(xì)胞的分離。這在涉及縱隔吸引（suctioning shed mediastinal blood)的體外循環(huán)手術(shù)期間將是至關(guān)重要的。當(dāng)血液被重新輸注到體內(nèi)時， 將脂質(zhì)無意地引入到血流中。脂質(zhì)微栓會移行至腦部，并導(dǎo)致多種神經(jīng)認(rèn)知障礙。因此，有 必要凈化血液。現(xiàn)有方法通常效率較低，或者對紅血細(xì)胞有害。
[0045] 特定實施例集中于亞20微米油滴的捕獲和生長。至少80%體積的亞20微米液滴 被捕獲，然后生長至大于20微米的液滴。本過程涉及聲駐波中油滴的捕獲、許多較小被捕 獲液滴的聚結(jié)、以及聲捕獲力小于浮力時最終釋放較大液滴。
[0046] 先進(jìn)多物理場和多尺度計算機(jī)模型與帶有嵌入式控制的高頻（MHz)、高功率和高 效率超聲波驅(qū)動已經(jīng)組合，以實現(xiàn)由壓電換能器陣列驅(qū)動的共鳴器的新設(shè)計，導(dǎo)致遠(yuǎn)遠(yuǎn)超 過目前能力的聲泳分離裝置。
[0047] 期望的是，這樣的換能器提供伴隨軸向力的橫向力，以便增加聲泳系統(tǒng)的顆粒捕 獲能力。
[0048] 聲泳顆粒分離器1的一種實施例的示意圖示于圖1中。多組分液流（例如水或其 它流體）進(jìn)入入口 4,以及，分離后的流體經(jīng)由出口 6在相反端離開。應(yīng)當(dāng)注意到，流過分離 器時，此液流通常是處于壓力下。顆粒分離器1具有縱向流道8,該縱向流道8運(yùn)送多組分 液流，并通過諧振器10。諧振器10包括充當(dāng)聲波激勵源的換能器12 (或者某些實施例中的 換能器陣列）。共鳴器10具有反射器14,該反射器14位于換能器12相對側(cè)的壁上。收集 袋16收集雜質(zhì)，并且也位于換能器的相對側(cè)。如本文中所定義的，雜質(zhì)包括顆?；虿煌?基底流體的流體。共鳴器10設(shè)計成，維持高強(qiáng)度三維聲駐波。本系統(tǒng)由函數(shù)發(fā)生器和放大 器驅(qū)動（未示出）。本系統(tǒng)性能由計算機(jī)進(jìn)行監(jiān)測并加以控制。
[0049] 圖2示出用于去除油或其它輕于水的材料的實施例的示意圖。由換能器20施加 通常在數(shù)百千赫至幾兆赫范圍內(nèi)的激勵頻率。在駐波24處捕獲微滴22,發(fā)生團(tuán)聚，以及，在 其為能浮起的材料的情況下會浮至表面，并且經(jīng)由流出物出口 26排出。凈水在出口 28處 排出。聲泳分離技術(shù)能以明顯降低的成本完成多組分顆粒分離，而沒有積垢。
[0050] 圖3示出聲泳顆粒分離器30的另一實施例。類似聲泳分離器1，聲泳分離器30具 有入口 32和出口 34。入口 32適配有管口或擴(kuò)散器90，該管口或擴(kuò)散器90具有蜂窩95，以 便于塞流的產(chǎn)生。聲泳分離器30具有換能器40的陣列38,在本情況下，六個換能器全都 布置在同一壁上。這些換能器布置成，使其覆蓋流動路徑的整個橫截面。在特定的實施例 中，圖3的聲泳分離系統(tǒng)具有6英寸X6英寸的方形橫截面，其以高達(dá)3加侖每分鐘（GPM) 的流量、或8毫米/秒的線速度工作。換能器40是六個PZT-8 (鋯鈦酸鉛）換能器，具有1 英寸的直徑和標(biāo)稱2MHz的諧振頻率。對于以3GPM流量的液滴捕獲，各換能器消耗約28瓦 的功率。這表示0.25千瓦小時/立方米的能耗成本。這表明本技術(shù)具有非常低的能耗成 本。理想的是，各換能器由其自有的放大器進(jìn)行供電并加以控制。
[0051] 圖4A和圖4B示出在聲泳分離器入口處可以使用的兩種不同擴(kuò)散器。擴(kuò)散器90 具有入口 92 (這里帶有圓形形狀）和出口 94 (這里帶有方形形狀）。圖4A的擴(kuò)散器示于圖 3中。圖4A包括柵格或蜂窩95,而圖4B則沒有。柵格有助于保證均勻流動。
[0052] 圖5是常規(guī)超聲換能器的剖視圖。此換能器具有位于底端的耐磨板50、環(huán)氧樹脂 層52、陶瓷晶體54 (由例如PZT制成）、環(huán)氧樹脂層56、以及背襯層58。環(huán)氧樹脂層56將 背襯層58附著至晶體54。整個組件容納在殼體60中，殼體60可以由例如鋁制成。連接器 62提供與電線的連接，以穿過殼體，并且與附著于晶體54的引線（未示出）連接。
[0053] 圖6是帶有氣泡64的耐磨板50的照片，在氣泡64處，由于振蕩壓力，耐磨板已被 拉離陶瓷晶體表面。
[0054] 圖7是本發(fā)明超聲換能器81的剖視圖，該換能器81能與圖1和圖3的聲泳分離 器一起使用。換能器81具有鋁制殼體82。PZT晶體86限定換能器的底端，并且暴露于殼 體外部。晶體在其周邊由殼體進(jìn)行支撐。
[0055] 經(jīng)由螺紋88,螺釘（未示出）將殼體的鋁制頂板82a安裝于殼體的本體82b。頂 板包括連接器84,以將電傳送至PZT晶體86。由電引線90將電力提供給PZT晶體86。應(yīng) 當(dāng)注意到，晶體86沒有如圖5中所示的背襯層。換而言之，在鋁頂板82a與晶體86之間， 換能器中有氣隙87。有些實施例中，可以設(shè)置最小限度的背襯。
[0056] 換能器設(shè)計會影響系統(tǒng)的性能。典型換能器是層狀結(jié)構(gòu)，帶有結(jié)合于背襯層和耐 磨板的陶瓷晶體。因為表現(xiàn)為駐波的高機(jī)械阻抗加載于換能器，關(guān)于耐磨板的傳統(tǒng)設(shè)計準(zhǔn) 則（例如半波長或四分之一波長的厚度）以及制造方法可能并不合適。與之相比，在本文 披露換能器的一種實施例中，沒有耐磨板或背襯，允許晶體以高Q因數(shù)振動。振動的陶瓷晶 體/盤片直接暴露于流過流室的流體。
[0057] 除去背襯（例如，使晶體背襯空氣）也允許陶瓷晶體獲得更高階振動模式（例如， 更高階模態(tài)位移）。在具有帶背襯晶體的換能器中，晶體以均勻位移振動，像活塞一樣。通 過除去背襯，允許晶體以不均勻位移模式振動。晶體的模態(tài)越高階，晶體具有越多的波節(jié) 線。雖然捕獲線與波節(jié)的相關(guān)性不必一一對應(yīng)，而且，以更高頻率驅(qū)動晶體不一定產(chǎn)生更多 捕獲線，但是，晶體的更高階模態(tài)位移產(chǎn)生更多的捕獲線。參見下文關(guān)于圖19至圖22的討 論。
[0058] 在有些實施方式中，晶體可以具有最低限度影響晶體Q因數(shù)（例如，少于5% )的 背襯。背襯也可以由基本透聲的材料制成，例如輕木或軟木，其允許晶體以更高階模態(tài)振 動，并維持高Q因數(shù)，同時仍為晶體提供一些機(jī)械支撐。在另一實施例中，背襯可以是柵格 工件（lattice work)，其按照處于特定高階振動模式的振動晶體的節(jié)點，在節(jié)點部位處提 供支撐，同時，允許晶體的其余部分自由振動。晶格工件或透聲材料的目標(biāo)是在不降低晶體 Q因數(shù)的情況下提供支撐。
[0059] 將晶體布置為與流體直接接觸，通過避免耐磨板的阻尼和能量吸收作用，也有助 于獲得高Q因數(shù)。其它實施方式可以具有耐磨板或耐磨表面，以防止含鉛的PZT接觸基底流 體。在例如生物應(yīng)用例如血液分離中這將是期望的。這些應(yīng)用可以使用耐磨層例如鉻、電鍍 鎳或化學(xué)鍍鎳。也可以使用化學(xué)氣相沉積來施加一層聚（對-二甲苯）（poly(p-xylxyene)) (例如聚對二甲苯）、或其它聚合物。有機(jī)和生物相容涂層例如硅樹脂或聚氨酯也可以考慮 作為耐磨面。
[0060] 在本發(fā)明的系統(tǒng)中，以一定電壓使本系統(tǒng)操作，使得在超聲駐波中捕獲顆粒，即保 持在靜止位置。顆粒沿限定好的捕獲線（其按半波長分開）收集到其中。在各波節(jié)面內(nèi)，將 顆粒捕獲在聲輻射勢能的極小值中。聲輻射力的軸向分量驅(qū)動帶有正襯比度因數(shù)的顆粒到 達(dá)壓力波節(jié)面，而具有負(fù)襯比度因數(shù)的顆粒則被驅(qū)動到達(dá)壓力波腹面。聲輻射力的徑向或 橫向分量是捕獲顆粒的力。在使用典型換能器的系統(tǒng)中，聲輻射力的徑向或橫向分量通常 比聲輻射力的軸向分量小幾個數(shù)量級。與此相反，分離器1和分離器30中的橫向力會非常 明顯，與軸向力分量在相同數(shù)量級，并且足以克服線速度高達(dá)1厘米/秒的流體的拖曳力。 如上面所討論的，關(guān)于晶體例如具有均勻位移的活塞那樣有效移動的振動形式，與之相反， 通過以更高階模態(tài)驅(qū)動換能器，可以增大橫向力。這些更高階模式的振動類似于鼓模式中 的膜振動，鼓模式例如模式（1，1)、（1，2)、（2，1)、（2,2)、（2,3)或（m，n)，其中m和η大于 或等于1。聲壓與換能器的驅(qū)動電壓成正比。電功率與電壓的平方成正比。
[0061] 圖8是聲泳分離器92的計算機(jī)模型，仿真以獲得圖9至圖17。壓電陶瓷晶體94 與水通道96中的流體直接接觸。一層硅98位于晶體94與鋁頂板100之間。反射器102 反射波以產(chǎn)生駐波。反射器由提供良好反射的高聲阻抗材料例如鋼或鎢制成。作為參照， 將Y軸104稱為軸向。將X軸106稱為徑向或橫向。在COMSOL中計算聲壓和速度模型，該 COMSOL包括PZT換能器的壓電模型、周圍結(jié)構(gòu)（例如，反射板和壁）的線性彈性模型、以及 水柱中的波的線性聲學(xué)模型。將聲壓和速度作為數(shù)據(jù)輸出至MATLAB。使用Gor' kov' s公 式，在MATLAB中計算作用于懸浮顆粒的輻射力。將顆粒和流體材料的特性如密度、聲速、以 及粒徑輸入到程序中，并且用這些特性來確定單極散射貢獻(xiàn)和偶極散射貢獻(xiàn)。通過對場勢 U執(zhí)行梯度運(yùn)算，確定聲輻射力，該場勢U是顆粒體積以及聲場的時間平均勢能和動能的函 數(shù)。
[0062] 圖9A至圖9D示出單個聲波與多模聲波之間在捕獲方面差異的仿真。圖9A示出 了與單個聲駐波相關(guān)的軸向力。圖9B示出了由于單個聲駐波所致的橫向力。圖9C和圖9D 示出分別在形成多駐波的多模式（具有多個節(jié)點的高階振動模式）壓電晶體激勵中的軸向 力和橫向力。電力輸入與圖9A和圖9B所示單一模式下的情況是相同的，但捕獲力（橫向 力）更大，為其70倍（注意與圖9D相比的圖9B中右邊的刻度）。在終點為鋼反射器（參 見圖8)的開放水道中，通過封裝在鋁頂板中的1兆赫壓電換能器（其由10伏交流驅(qū)動） 的計算機(jī)建模仿真，生成這些圖。圖9A和圖9B中的場是具有400千帕峰值壓力的960千 赫。圖9C和圖9D中的場是具有1400千帕峰值壓力的961千赫。除了較高的力之外，961 千赫的場（圖9C和圖9D)還具有更大的梯度和焦點（focal spots)。
[0063] 圖10示出了關(guān)于圓形晶體（以1兆赫頻率驅(qū)動）的模態(tài)計算的三維計算機(jī)生成 模型。
[0064] 圖11至圖17是基于圖8的模型，具有以2兆赫工作的PZT-8壓電換能器。在終 點為鋼反射板（〇. 180英寸厚）的4英寸X 2英寸的水道中，換能器是1英寸寬、0.04英寸 厚，封裝在鋁頂板（0.125英寸厚）中。聲束跨越2英寸的距離。二維模型中不包括1英 寸的深度尺寸。以15伏驅(qū)動換能器，并且進(jìn)行掃頻計算，以識別不同聲波諧振。示出了三 個相鄰的聲波諧振頻率的結(jié)果，即1. 9964兆赫的結(jié)果（圖11、圖12和圖13)、2. 0106兆赫 的結(jié)果（圖14和圖15)、和2. 025兆赫的結(jié)果（圖16和圖17)。對于具有5微米的半徑、 880千克/立方米的密度、以及1700米/秒的聲速的油滴，計算聲輻射力。水是主流體，具 有1000千克/立方米的密度、1500米/秒的聲速、和0. 001千克/毫秒的動態(tài)粘度。圖11 示出橫向（水平）聲輻射力。圖12示出關(guān)于1.9964兆赫諧振頻率的軸向（堅向）分量。 圖13示出的聲壓幅值。
[0065] 圖11和圖12示出，輻射力的橫向和軸向分量的相對量值非常相似，約I. 2e_10牛 頓，這表明能產(chǎn)生大捕獲力，這里，橫向力分量為軸向分量的相似量值或更高。這是一個新 的結(jié)果，并且與文獻(xiàn)中提及的典型結(jié)果矛盾。
[0066] 第二個結(jié)果是，對于毫米/秒數(shù)量級的典型流速，聲捕獲力量值超過流體拖曳力 的量值，并因此能使用此聲場來捕獲油滴。當(dāng)然，通過提高施加于換能器的功率，能夠獲得 更高流速的捕獲。也就是說，聲壓與換能器的驅(qū)動電壓成正比。電功率與電壓的平方成正 比。
[0067] 第三個結(jié)果是，在所示出的頻率處，與此特定捕獲模式相關(guān)聯(lián)的高捕獲力延伸橫 過整個流道，從而使得能橫過整個通道寬度捕獲油滴。最后，聲捕獲力場最小值（即被捕獲 顆粒的位置）與所觀察到的駐波中油滴被捕獲位置顯示良好的一致性，表明COMSOL模型確 實是預(yù)測顆粒聲捕獲的準(zhǔn)確工具。這在下文中更具體地示出。
[0068] 圖14示出在2. 0106兆赫諧振頻率處的橫向力分量，以及，圖15示出在2. 0106兆 赫諧振頻率處的軸向聲輻射力分量。圖14和圖15呈現(xiàn)比圖11和圖12更高的峰值捕獲力。 橫向聲輻射力超過軸向輻射力。然而，較高捕獲力位于流道的上部，并且不跨越流道的整個 深度。因此，代表一種模式，其在捕獲通道上部中的顆粒時是有效的，但無需跨越整個通道。 同樣，與所測得捕獲模式的比較表明，存在這種模式以及捕獲模式。
[0069] 圖16示出在2. 025兆赫諧振頻率處的橫向力分量，以及，圖17示出在2. 025兆赫 諧振頻率處的軸向聲輻射力分量。聲場在各聲諧振頻率處急劇變化，因此，系統(tǒng)的仔細(xì)調(diào)諧 是至關(guān)重要的。至少，對于聲捕獲力的準(zhǔn)確預(yù)測，二維模型是必需的。
[0070] 開發(fā)出了二維軸對稱模型來計算關(guān)于圓形換能器的捕獲力。使用模型來預(yù)測對顆 粒的聲捕獲力，然后，將其與流體拖曳力和浮力的作用相結(jié)合，可以用來預(yù)測顆粒軌跡。該 模型清楚地示出，能產(chǎn)生捕獲顆粒所必需的橫向聲捕獲力，并且克服浮力和流體拖曳力的 影響。該模型還示出，該換能器并不提供越過由圓形換能器所產(chǎn)生駐波的整個體積的大捕 獲力，表明圓形換能器僅在由換能器所產(chǎn)生超聲駐波的中心附近輸出高捕獲力，但朝駐波 的邊緣提供非常小的捕獲力。這進(jìn)一步表明，圓形換能器只對流體流動中待流過圓形換能 器駐波的較小部分提供有限的捕獲，并且，在駐波的邊緣附近沒有捕獲。
[0071] 因為圓形換能器不提供越過整個體積的大捕獲力，研究了換能器形狀對油分離效 率的影響。使用了 1英寸直徑的圓形PZT-8結(jié)晶（圖18,110)和1英寸Xl英寸的方形晶 體（圖18,112)。另外，在相同條件下進(jìn)行試驗。表1示出結(jié)果。
[0072] 表1 :圓形和方形換能器形狀的研究結(jié)果

【權(quán)利要求】
1. 一種從基底流體分離雜質(zhì)的方法，所述方法包括： 設(shè)置流室，所述流室具有聲能量源，以及，在所述流室的相對側(cè)具有聲能量反射器； 使所述基底流體流過所述流室； 向所述基底流體施加所述聲能量源，以在所述基底流體中產(chǎn)生多個入射波；以及 從所述反射器反射所述多個入射波，產(chǎn)生與所述入射波諧振的多個反射波，形成多駐 波。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，使所述基底流體連續(xù)流過所述流室。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，相對于所述聲能量源，所述駐波具有軸向力和橫 向力，所述橫向力處于至少與所述軸向力相同的量級。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述駐波產(chǎn)生波節(jié)線，以及，所述橫向力在所述 波節(jié)線中捕獲雜質(zhì)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，在所述波節(jié)線中捕獲的所述雜質(zhì)發(fā)生團(tuán)聚或聚 結(jié)，從而，使重于水的雜質(zhì)通過增強(qiáng)的重力沉降而分離，以及，使輕于水的顆粒通過增強(qiáng)的 浮力而分離。
6. -種裝置，包括： 流室，其具有入口和出口，使基底流體與第二流體和顆粒至少之一的混合物穿過所述 入口和所述出口流過所述流室； 超聲換能器，其位于所述流室的壁上，所述換能器包括限定所述換能器一側(cè)的陶瓷晶 體，所述換能器由超聲頻率的振蕩、周期性、或脈沖的電壓信號驅(qū)動，該信號驅(qū)動所述換能 器以在所述流室中產(chǎn)生駐波； 反射器，其位于所述流室中位于所述換能器相對側(cè)的壁上。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中，以非均勻位移模式驅(qū)動所述晶體。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其中，以具有多于一個波節(jié)的更高階模態(tài)，驅(qū)動所述晶 體。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述換能器的陶瓷晶體直接暴露于流過所述流 室的流體。
10. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中，所述陶瓷晶體由PZT-8制成。
11. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中，所述換能器具有容納所述陶瓷晶體的殼體。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其中，所述殼體包括頂部和氣隙，所述氣隙布置在所 述頂部與所述陶瓷晶體之間。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其中，所述陶瓷晶體沒有背襯層。
14. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中，所述換能器的振動在所述流室中形成駐波。
15. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中，在所述流室的壁中，所述流室具有收集袋。
16. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中，所述反射器是鋼或鎢。
17. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中，所述流道中的駐波對第二流體或顆粒的至少之 一施加軸向力和徑向力。
18. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中，所述流室在所述入口處進(jìn)一步包括擴(kuò)散器。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，其中，所述擴(kuò)散器具有用于使流動均勻的柵格裝置。
20. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中，所述陶瓷晶體為方形的。
21. -種裝置，包括： 流室，其具有入口和出口，使基底流體與第二流體和顆粒至少之一的混合物穿過所述 入口和所述出口流過所述流室； 多個超聲換能器，其位于所述流室的壁上，所述換能器各包括由超聲頻率的振蕩、周期 性、或脈沖的電壓信號驅(qū)動的陶瓷晶體，該信號驅(qū)動所述換能器以非均勻模式的位移振動， 以在所述流道中產(chǎn)生駐波；以及 反射器，其位于所述流室中所述換能器相對側(cè)的壁上。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的裝置，其中，所述換能器跨越所述流室的寬度。
23. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的裝置，其中，所述多個超聲換能器的每一個為方形的。
24. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的裝置，其中，所述多個超聲換能器的每一個為矩形的。
25. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的裝置，其中，所述晶體至少之一是空氣背襯的。
26. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的裝置，其中，所述晶體至少之一是由基本透聲的材料為背 襯的。
27. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的裝置，其中，所述基本透聲材料是輕木或軟木之一。
28. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的裝置，其中，所述晶體至少之一是由柵格結(jié)構(gòu)背襯的，通過 以更高階模態(tài)位移使所述晶體振動而產(chǎn)生多個節(jié)點，所述柵格結(jié)構(gòu)附著在該多個節(jié)點的至 少部分節(jié)點處。
29. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的裝置，其中，所述超聲換能器具有接觸所述基底流體的面， 所述面涂覆有耐磨層，所述耐磨層包含鉻、電鍍鎳、化學(xué)鍍鎳、聚（對-二甲苯）、以及聚氨酯 之一。
30. -種超聲換能器，包括： 殼體； 位于底端處的暴露的陶瓷晶體； 位于所述殼體頂端處的頂板，所述頂部包括連接器；以及 所述頂板與所述陶瓷晶體之間的氣隙； 其中，所述殼體內(nèi)不具有背襯層。
31. -種用于從基底流體分離第二流體或顆粒的處理，包括： 使含有所述第二流體或顆粒的所述基底流體流過流室，其中，在所述流室中設(shè)置有超 聲換能器； 以在所述流室中產(chǎn)生多駐波的頻率，驅(qū)動所述超聲換能器， 其中，在所述駐波中捕獲所述第二流體或顆粒，并將該第二流體或顆粒分離。
32. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其中，在所述駐波中捕獲的所述第二流體或顆粒發(fā) 生團(tuán)聚或聚結(jié)，從而，使重于水的雜質(zhì)通過增強(qiáng)的重力沉降而分離，以及，使輕于水的顆粒 通過增強(qiáng)的浮力而分離。
【文檔編號】B01D43/00GK104363996SQ201380025527
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2013年3月15日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月15日
【發(fā)明者】巴特·利普肯斯, 杰森·迪翁, 托馬斯·J·肯尼迪三世, 路易斯·瑪斯, 斯擔(dān)利·科瓦爾斯基三世 申請人:弗洛設(shè)計聲能學(xué)公司