CN101219292A - 超声波微分离器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波微分离器，由超声波换能器(4)、反射层(1)、硅片(3)、进流口(5)、浊流口(6)、洁流口(7)构成。分离腔(2)成长方体状，分离腔(2)一头与进流口(5)相通，另外一头与浊流口(6)、洁流口(7)相通。在远离反射层方向的硅片(3)上，安装有多个阻抗相等、极化方向相同的超声波换能器(4)。超声波换能器(4)的排列走向垂直于进流口(5)与浊流口(6)的连线。本发明克服了微粒提前沉降影响分离，浊流混流到洁流等分离效果不佳，浊流口位置不能准确定位的不足。提供了一种避免了清浊混流现象，层流的稳定，分离效果好，能准确确定浊流出口处的开口位置的装置，制造方便，可以广泛运用。

Description

超声波微分离器

技术领域

本发明涉及一种流体的分离器，具体涉及流体中的微粒分离器。

背景技术

对含有悬浮颗粒的混合流体而言，悬浮颗粒往往是问题的核心，如培养液中的生物细胞、病毒，污水中的颗粒物，药品、食品及化工生产中的有效成分或有害颗粒等。宏观领域中，分离方法多种多样，如利用重力或离心力进行沉淀、浮选，或采用过滤、凝聚、吸附等方法。除此之外，超声波也能对流体中的悬浮颗粒产生一个平均作用力，该力可用于控制悬浮颗粒的运动而实现颗粒分离。微分离器正是利用驻波场中的超声波辐射力，将悬浮颗粒集中到驻波波节，然后通过特殊的出口设计，将波节处的浊流与波节两旁的清流分别导出，从而达到清浊分离的目的。

2003年，英国Southampton大学的Harris和Hill等用硅片和Pyrex玻璃，按MEMS的腐蚀和极化键合工艺加工制成了一个微型分离腔，如图1所示。此超声分离器采用侧面分流，从进流口流入，经过微型分离腔，微型分离腔内的驻波场中的超声波辐射力，将悬浮颗粒集中到驻波波节，然后通过特殊的出口设计，将波节处的浊流与波节两旁的清流分别导出，从而达到清浊分离的目的。最后从洁流口和浊流口流出，从而达到分离微粒的目的。此模型的侧面导流方式不利于层流的形成与导出，凝聚的悬浮粒在出口处常因流向变化混流到洁流口，影响分离效果；而且因为分离腔高度尺寸较小，为超声波的半波长，所以分离流道的开取较难；同时由于微粒间的相互作用力，从而微粒凝聚成团提前沉降影响分离；流体中的声速受温度、声波波长的影响也较显著，微粒凝聚的波节面并不稳定，并不能恒定汇聚在中心层处，这样浊流出口处的开口位置便不能准确把握。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供超声波微分离器。

为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：

超声波微分离器，由超声波换能器4、反射层1、硅片3、进流口5、浊流口6、洁流口7构成，硅片3成凹形状，和反射层1贴在一起围成的分离腔2，分离腔2成长方体状，分离腔2一头与进流口5相通，分离腔2另外一头与浊流口6、洁流口7相通，其特征在于远离反射层方向的硅片3上，安装有多个超声波换能器4，超声波换能器4之间的阻抗相等，极化方向相同。超声波换能器4的排列走向垂直于进流口5与浊流口6的连线。

更进一步的技术方案是超声波换能器个数为两个，其间采用串联方式连接，即第一超声波换能器41和第二超声波换能器42的上面连接在一起，在第一超声波换能器41的下面a和第二超声波换能器42的下面b之间加有正弦激励电压u。

更进一步的技术方案是超声波换能器个数为两个，其间采用并联方式连接，即第一超声波换能器43的上面和第二超声波换能器44的下面d相连，第一超声波换能器43的下面c和第二超声波换能器44的上面相连，第一超声波换能器43的下面c和第二超声波换能器44的下面d之间加有正弦激励电压u。

更进一步的技术方案是超声波换能器个数为三个，其间采用串联方式连接，即第二超声波换能器55排列在第一超声波换能器54和第三超声波换能器56之间；第一超声波换能器54的上面和第二超声波换能器55的下面相连，第二超声波换能器55的上面和第三超声波换能器56的下面相连；第一超声波换能器53的下面g和第三超声波换能器56的上面h之间加有正弦激励电压u。

更进一步的技术方案是超声波换能器个数为三个，其间采用并联方式连接，即第二超声波换能器52排列在第一超声波换能器51和第三超声波换能器53之间；第一超声波换能器51的上面和第二超声波换能器52的下面e、第三超声波换能器的上面相连，第一超声波换能器51的下面和第二超声波换能器52的上面f、第三超声波换能器53的下面相连；第二超声波换能器52的下面e和第二超声波换能器52的上面f之间加有正弦激励电压u。

更进一步的技术方案是分离腔2两端通过导流槽8与进流口5、浊流口6、洁流口7相通，导流槽8为一头大一头小的楔形，与进流口5、浊流口6、洁流口7相通的为导流槽8的小头，朝向分离腔2中央的为导流槽8的大头。

更进一步的技术方案是反射层1为Pyrex玻璃。

更进一步的技术方案是超声波换能器4是压电陶瓷片。

更进一步的技术方案是分离腔2的长度与高度的比例为整数比，比值范围为35比1到45比1。

更进一步的技术方案是浊流口6有一个，洁流口7有两个，对称的排列在浊流口6的两边。

与现有技术相比，本发明的有益效果是避免传统超声波微分离腔所遇到的清浊混流问题，避免了流向上的谐振，层流稳定，分离效果好，能准确确定浊流出口处的开口位置，制造方便。

附图说明

图1为现有技术的结构示意图。

图2为本发明实施例1的结构示意图。

图3为图2的A-A’向剖视图。

图4为图2的B-B’向剖视图。

图5为本发明实施例1的超声波换能器4串联连接原理图。

图6为本发明实施例2的超声波换能器4并连接原理图。

图7为本发明实施例3的结构示意图。

图8为图7的C-C’向剖视图。

图9为本发明实施例3的超声波换能器4串连接原理图。

图10为本发明实施例4的超声波换能器4并连接原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步阐述。

现有的所有微分离器均采用一维谐振模型，是形成一个方向上的驻波谐振，使颗粒汇聚于波节面。而本发明在分离器的宽度方向上再形成一个驻波，在分离器出口截面的方向上形成二维的驻波。这样根据驻波场中的超声波辐射力使颗粒汇聚在波节的理论，二维驻波场中，颗粒就会汇聚在中央的波节处形成一束。

实施例1

如图2、图3、图4、图5所示，硅片3成凹形状，和Pyrex玻璃反射层1贴在一起围成的分离腔2，分离腔2成长方体状，长度与高度的比例为37比1。分离腔2一头与进流口5相通，分离腔2另外一头与浊流口6、两个洁流口7相通。分离腔2两端通过导流槽8与进流口5、浊流口6、洁流口7相通。导流槽8为一头大一头小的楔形，与进流口5、浊流口6、洁流口7相通的为导流槽8的小头，朝向分离腔2中央的为导流槽8的大头。两个压电陶瓷片第一超声波换能器41和第二超声波换能器42之间的阻抗相等，极化方向相同。第一超声波换能器41和第二超声波换能器42的排列走向垂直于进流口5与浊流口6的连线。第一超声波换能器41和第二超声波换能器42采用串联方式连接，即第一超声波换能器41和第二超声波换能器42的上面连接在一起，在第一超声波换能器41的下面a和第二超声波换能器42的下面b之间加有正弦激励电压u。

实施例2

如图6所示，硅片3成凹形状，和Pyrex玻璃反射层1贴在一起围成的分离腔2，分离腔2成长方体状，长度与高度的比例为37比1。分离腔2一头与进流口5相通，分离腔2另外一头与浊流口6、两个洁流口7相通。分离腔2两端通过导流槽8与进流口5、浊流口6、洁流口7相通。导流槽8为一头大一头小的楔形，与进流口5、浊流口6、洁流口7相通的为导流槽8的小头，朝向分离腔2中央的为导流槽8的大头。两个压电陶瓷片第一超声波换能器43和第二超声波换能器44之间的阻抗相等，极化方向相同。第一超声波换能器43和第二超声波换能器44的排列走向垂直于进流口5与浊流口6的连线。第一超声波换能器43和第二超声波换能器44的采用并联方式连接，即第一超声波换能器43的上面和第二超声波换能器44的下面d相连，第一超声波换能器43的下面c和第二超声波换能器44的上面相连，第一超声波换能器43的下面c和第二超声波换能器44的下面d之间加有正弦激励电压u。

实施例3

如图7、8、9所示，硅片3成凹形状，和Pyrex玻璃反射层1贴在一起围成的分离腔2，分离腔2成长方体状，长度与高度的比例为35比1。分离腔2一头与进流口5相通，分离腔2另外一头与浊流口6、两个洁流口7相通。分离腔2两端通过导流槽8与进流口5、浊流口6、洁流口7相通。导流槽8为一头大一头小的楔形，与进流口5、浊流口6、洁流口7相通的为导流槽8的小头，朝向分离腔2中央的为导流槽8的大头。三个压电陶瓷片第一超声波换能器54第二超声波换能器55和第三超声波换能器56之间的阻抗相等，极化方向相同。第一超声波换能器54第二超声波换能器55和第三超声波换能器56的排列走向垂直于进流口5与浊流口6的连线。第一超声波换能器54、第二超声波换能器55和第三超声波换能器56采用串联方式连接，即第二超声波换能器55排列在第一超声波换能器54和第三超声波换能器56之间；第一超声波换能器54的上面和第二超声波换能器55的下面相连，第二超声波换能器55的上面和第三超声波换能器56的下面相连；第一超声波换能器53的下面g和第三超声波换能器56的上面h之间加有正弦激励电压u。

实施例4

如图19所示，硅片3成凹形状，和Pyrex玻璃反射层1贴在一起围成的分离腔2，分离腔2成长方体状，长度与高度的比例为45比1。分离腔2一头与进流口5相通，分离腔2另外一头与浊流口6、两个洁流口7相通。分离腔2两端通过导流槽8与进流口5、浊流口6、洁流口7相通。导流槽8为一头大一头小的楔形，与进流口5、浊流口6、洁流口7相通的为导流槽8的小头，朝向分离腔2中央的为导流槽8的大头。三个压电陶瓷片第一超声波换能器51第二超声波换能器52和第三超声波换能器53之间的阻抗相等，极化方向相同。第一超声波换能器51、第二超声波换能器52和第三超声波换能器53的排列走向垂直于进流口5与浊流口6的连线。第一超声波换能器54第二超声波换能器55和第三超声波换能器56采用并联方式连接，即第二超声波换能器52排列在第一超声波换能器51和第三超声波换能器53之间；第一超声波换能器51的上面和第二超声波换能器52的下面e、第三超声波换能器的上面相连，第一超声波换能器51的下面和第二超声波换能器52的上面f、第三超声波换能器53的下面相连；第二超声波换能器52的下面e和第二超声波换能器52的上面f之间加有正弦激励电压u。

Claims (10)

1.超声波微分离器，由超声波换能器(4)、反射层(1)、硅片(3)、进流口(5)、浊流口(6)、洁流口(7)构成，硅片(3)成凹形状，和反射层(1)贴在一起围成的分离腔(2)，分离腔(2)成长方体状，分离腔(2)一头与进流口(5)相通，分离腔(2)另外一头与浊流口(6)、洁流口(7)相通，其特征在于远离反射层方向的硅片(3)上，安装有多个超声波换能器(4)，超声波换能器(4)之间的阻抗相等，极化方向相同；超声波换能器(4)的排列走向垂直于进流口(5)与浊流口(6)的连线。

2.根据权利要求1所述的超声波微分离器，其特征在于所述的超声波换能器个数为两个，其间采用串联方式连接，即第一超声波换能器(41)和第二超声波换能器(42)的上面连接在一起，在第一超声波换能器(41)的下面(a)和第二超声波换能器(42)的下面(b)之间加有正弦激励电压(u)。

3.根据权利要求1所述的超声波微分离器，其特征在于所述的超声波换能器个数为两个，其间采用并联方式连接，即第一超声波换能器(43)的上面和第二超声波换能器(44)的下面(d)相连，第一超声波换能器(43)的下面(c)和第二超声波换能器(44)的上面相连，第一超声波换能器(43)的下面(c)和第二超声波换能器(44)的下面(d)之间加有正弦激励电压(u)。

4.根据权利要求1所述的超声波微分离器，其特征在于所述的超声波换能器个数为三个，其间采用串联方式连接，即第二超声波换能器(55)排列在第一超声波换能器(54)和第三超声波换能器(56)之间；第一超声波换能器(54)的上面和第二超声波换能器(55)的下面相连，第二超声波换能器(55)的上面和第三超声波换能器(56)的下面相连；第一超声波换能器(53)的下面(g)和第三超声波换能器(56)的上面(h)之间加有正弦激励电压(u)。

5.根据权利要求1所述的超声波微分离器，其特征在于所述的超声波换能器个数为三个，其间采用并联方式连接，即第二超声波换能器(52)排列在第一超声波换能器(51)和第三超声波换能器(53)之间；第一超声波换能器(51)的上面和第二超声波换能器(52)的下面(e)、第三超声波换能器的上面相连，第一超声波换能器(51)的下面和第二超声波换能器(52)的上面(f)、第三超声波换能器(53)的下面相连；第二超声波换能器(52)的下面(e)和第二超声波换能器(52)的上面(f)之间加有正弦激励电压(u)。

6.根据权利要求1至权利要求5任一权利要所述的超声波微分离器，其特征在于所述的分离腔(2)两端通过导流槽(8)与进流口(5)、浊流口(6)、洁流口(7)相通，导流槽(8)为一头大一头小的楔形，与进流口(5)、浊流口(6)、洁流口(7)相通的为导流槽(8)的小头，朝向分离腔(2)中央的为导流槽(8)的大头。

7.根据权利要求6所述的超声波微分离器，其特征在于所述的反射层(1)为Pyrex玻璃。

8.根据权利要求7所述的超声波微分离器，其特征在于所述的超声波换能器(4)是压电陶瓷片。

9.根据权利要求8所述的超声波微分离器，其特征在于所述的分离腔(2)的长度与高度的比例为整数比，比值范围为35比1到45比1。

10.根据权利要求9所述的超声波微分离器，其特征在于所述的浊流口(6)有一个，洁流口(7)有两个，对称的排列在浊流口(6)的两边。

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