CN101607152A - 用于无膜颗粒分离的流体结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于无膜颗粒分离的流体结构。具体而言，提供了一种用于促进弯曲或螺旋型装置中的颗粒分离的流体结构，其包括：多个单独的弯曲型颗粒分离装置，其叠置为使得这些装置彼此平行；以及连接到装置的所有入口上的入口联接器，该入口联接器是可操作的，用以促进流体输入到多个单独的弯曲型颗粒分离装置的所有入口。

Description

用于无膜颗粒分离的流体结构
技术领域
本发明涉及无膜颗粒分离，且具体地涉及用于无膜颗粒分离的流体结构。
背景技术
在共同未决的专利申请中，已经描述了具有大致为螺旋或弯曲构造的若干不同类型的无膜颗粒分离装置。一般而言，这些装置对于与水相比具有密度差异的颗粒较为有用，从而产生为分离目的而横向移动穿过通道所必需的离心力或浮力。这些装置中的一些还对分离中性悬浮颗粒有用，这取决于其构造。
参看图1，示出了分离装置20的一种示例性形式。这种形式示出了具有渐增曲率半径的展开式螺旋通道22。这种几何形状利用了压力变化率。还可使用其它构造。在另一种形式中，该装置可具有对于侧壁带有渐减曲率半径的收缩式螺旋通道。曲率半径和通道尺寸也可大致保持不变。在任一情形下，通道22都展开成两个分离的通道24和26(例如，在图1中也称为通道#1和通道#2)，用以为流体提供两个出口路径。
这些类型的分离装置以多种方式来提供颗粒分离。例如，根据流速，颗粒分离可由穿过通道的流动流体所产生的离心力或压力驱动。在任何情况下，这些装置的目标都在于实现颗粒分离。出于这种考虑，在入口处均匀分布的颗粒分成为条带或填充到一部分流体流中，并且在出口处转移到包括选定微粒的第一部分或条带中以及这些微粒并未位于其中的第二部分中。用于不同环境且结合有选定改进的这些类型的装置的设计和实现方式，是令人期望的。
发明内容
在当前所述实施例的一个方面，该系统包括：多个单独的弯曲型颗粒分离装置，其叠置为使得这些装置彼此平行；以及连接到装置的所有入口上的入口联接器，该入口联接器是可操作的，用以促进流体输入到多个单独的弯曲型颗粒分离装置的所有入口。
在当前所述实施例的另一个发面，弯曲型颗粒分离装置为螺旋型装置。
在当前所述实施例的另一个方面，弯曲型颗粒分离装置包括弯曲部分，其沿其直径而跨越的角距在180度与360度之间。
在当前所述实施例的另一个方面，该系统还包括反馈控制系统。
在当前所述实施例的另一个方面，反馈控制系统是可操作的，用以基于压力、流速、带宽、粘度和温度中的至少一项来控制该系统。
在当前所述实施例的另一个方面，该系统还包括布置成与该多个叠置的弯曲型颗粒分离装置平行的至少第二组多个叠置的弯曲型颗粒分离装置。
在当前所述实施例的另一个方面，该系统包括入口歧管、输出歧管，以及有助于其中的流体流动且布置成螺旋形螺线构造的多个分离通道，其中，通道彼此平行。
在当前所述实施例的另一个方面，输出歧管在其中包括以下部分，所述部分是可操作的，用以使来自于各通道的流体流分流。
在当前所述实施例的另一个方面，该部分为静止套环部分。
在当前所述实施例的另一个方面，该部分为大致圆形的套环部分。
在当前所述实施例的另一个方面，该部分由弯曲组成，以提供对流体流进行连续可调的分流。
在当前所述实施例的另一个方面，该部分由不连续的梯级部段组成，以提供对流体流进行逐步可调的分流。
在当前所述实施例的另一个方面，多个分离通道布置在第一级和第二级中。
在当前所述实施例的另一个方面，第一级和第二级由流体换流器分开。
在当前所述实施例的另一个方面，该系统还包括反馈控制系统。
在当前所述实施例的另一个方面，反馈控制系统是可操作的，用以基于压力、流速、带宽、粘度和温度中的至少一项来控制该系统。
在当前所述实施例的另一个方面，该系统还包括入口主管和出口主管。
在当前所述实施例的另一个方面，该系统还包括连接到入口主管和出口主管上的第二装置。
附图说明
图1为示例性螺旋型颗粒分离装置的示图；
图2示出了当前所述实施例的一种形式；
图3示出了当前所述实施例的一种形式；
图4示出了当前所述实施例的一种形式；
图5示出了当前所述实施例的一种形式；
图6示出了当前所述实施例的一种形式；
图7示出了当前所述实施例的一种形式；
图8(a)至图8(d)示出了当前所述实施例的一种形式；
图9(a)至图9(b)示出了当前所述实施例的一种形式；
图10(a)至图10(b)示出了当前所述实施例的一种形式；
图11(a)至图11(c)示出了当前所述实施例的一种形式；
图12(a)至图12(c)示出了当前所述实施例的一种形式；
图13(a)至图13(b)示出了当前所述实施例的一种形式；
图14(a)至图14(c)示出了当前所述实施例的一种形式；以及
图15示出了当前所述实施例的一种形式。
具体实施方式
当前所述实施例涉及多种流体结构、实现方式以及选定的制造技术，用以实现具有叠置和/或平行构造的流体分离结构的构成。这些构思出的系统提供了待处理的流体的有效输入、改善的处理能力，并且在一些变型中，提供了可调且有效的输出流体处理。
应当理解的是，这些装置的变型可基于尺寸比例和通道结构而实现。然而，期望的是本文所述的实施例将是高度地可缩放的，以覆盖微小比例(0mL/min至10mL/min)、小比例(10mL/min至1000mL/min)和大比例(1mL/min至10L/min)的单通道流速。
所构思出的是利用常规叠置技术的平面实施例。出于这种考虑，在180度至360度范围内的圆弧(其并未完成螺旋)容许横向流型发展、达到稳态流速以及用于若干次循环以将颗粒扫到流体流中的期望位置上的时间的连续阶段。本文所述的其它平面实施例包括螺旋形螺线。
当前构思出的实施例可由廉价的材料，例如用于微小规模应用场合的PDMS、用于小规模和大规模应用场合的廉价塑料(例如丙烯酸、有机玻璃和聚碳酸酯)制成。还描述了用于这些实施例中的有些实施例的选定制造技术。
此外，平行的八通道螺旋形螺线实施例提供了快速的组装和拆卸。这种构思出的装置的显著特征包括方便的入口歧管和出口歧管，其包括分叉机构或分流器，用以将流体分成微粒流和流出的流体流。构思出的实施例还容许可操作用以输出极窄的微粒带以便进一步处理和加工的多级装置。构思出了其它平行构造的实施例及其制造技术。而且，可利用当前所述实施例来实现反馈和/或控制系统。
现参照图2，示出了单个平面螺旋型分离装置30。该装置30具有入口32、至少一个弯曲或螺旋部分34，以及出口36。在一种形式中，该平面多螺旋通道装置30可从塑料上切割而成。塑料的类型可随特定应用场合和其实施环境而变化。在该装置30的一种变型中，靠近入口32的该装置30的中心区域可除去，以容许使用将在下文中进行描述的入口联接器。该装置的螺旋部分34可采用多种形式。例如，螺旋部分34可收缩或扩张。如一个另外的实例，出口36和入口32的位置可互换，以适合应用场合，例如用于增大或减小离心力。
应当认识到的是，在上文所引用的专利申请(其通过引用而并入到本文中)的选定部分中详细描述了用以分离流体中的颗粒的单独的弯曲或螺旋型分离装置如装置30或本文所构思出的其它装置的基本操作。因此，这些操作将不会在本文中进行描述，除非这种描述将增强对当前所述实施例的说明。
参看图3，代表性地示出了一种系统40，该系统40包括以平行方式叠置的多个装置30(图2中所示)，用以容许N层流体的并行处理。图3中还代表性地示出了入口联接器42，其容许输入流体从公共供给源提供到整个叠层内的各装置30中。入口联接器42可采用多种形式；但在一个实例中，入口联接器42为圆柱形的，并具有形成于其中的穿孔。穿孔对应于叠置在系统40中的装置30的入口。也可实现具有类似构造的出口联接器。此处代表性地示出了两个出口联接器44和46，但出口联接器的数量可基于用于各叠置的装置的出口路径或通道的数量而变化。例如，入口联接器可通过外部铝板而只与顶部通道相连结。对所有层的流体连接可通过击穿除底部外的所有顶层来实现。至少两个流体出口，或如在44和46处所示出的那些出口联接器，可以同样的方式连接在顶板上。所有入口连接和出口连接也可在底板上实现。
参看图4，系统50包括多个平面弯曲弧段52(例如，分段的弧段)，其垂直地叠置成平行通道，以增大处理能力。这些平面弯曲弧段并未完成用于任何一段52的回路，但在这种情况下，螺旋装置的特点和功能仍将适用于这些段52。弧段或弯曲部分52包括入口54、弯曲或弧形部56，以及出口58。图4中还示出了入口联接器60，其也容许流体从公共源进入所示出的所有单独的弧段。应当认识到的是，入口联接器可采用多种形式。在一种形式中，入口联接器为圆柱形的，并具有对应于各层的入口的穿孔或连续槽口。与图3中的系统40相似，系统50为流体颗粒分离提供了增大的处理能力。还可实现至少一个出口联接器(未示出)。例如，一个或多个出口联接器可类似于图3或图4中的入口联接器。
参看图5，示出了包括叠置通道(未分别示出)的另一个平面弯曲结构70。弯曲结构70具有入口72(其可包括入口联接器)、弯曲部分74和76，以及至少一个出口78或79。如图所示，存在用于选定颗粒如具有特定尺寸或密度的颗粒(例如，上浮颗粒)的出口78。出口78定位在弯曲部分74和弯曲部分76之间曲线的中间附近。用于具有第二尺寸或密度的选定颗粒(例如，中性悬浮颗粒)的第二出口79定位在与入口72相对的曲线末端处。一般而言，这些出口78和79可用于从流体流中除去具有不同尺寸或密度的颗粒。同上文一样，也可利用至少一个出口联接器。
参看图6，示出了一种系统80。该系统80包括如图5中所示的多个装置70，其叠置成一种构造用以容许通过并行处理的方式来增大处理能力。应当认识到的是，该系统80还可包括宽度增大的单个装置70。当然，同上文一样，可在该系统中实现入口联接器和/或至少一个出口联接器。
参看图7，示出了一种系统90。该系统90提供了图6中的多个系统80的又一种实现方式。该设计可取决于系统的空间要求和/或实现当前所述实施例的环境而较为有利。值得注意的是，如图所示，用于所有弯曲型分离装置部的入口位于该系统90构造的中心处。这就容许对输入流体的有效处理，并且可通过使用入口联接器如入口联接器42(图3)和入口联接器60(图4)来实现。此外，还可实现一个或多个出口联接器。
参看图8(a)至图8(d)，应当认识到的是，可使用多种不同的技术来制造图3、图4、图5、图6和图7中的叠置和/或平行的实施例。图8(a)至图8(d)示出了当前所述实施例的不同实施例的多个截面。这些视图还提供了可用来形成当前所述实施例的制造详图的说明。
参看图8(a)，示出了一种构造100的截面图。在这种形式中，管道102设置在限定于端板106之间的腔室内。如图所示，腔室由板件104和隔离件108所限定。在这种构造中，管道102在板件104之间可控制地受到挤压。为了实现该构造100，可使用多种不同的组装程序。同样，可使用多种不同的材料。然而，在图8(a)(以及图8(b)至图8(d)的对应示例性元件中)的构造的一种形式中，端板106由铝形成，管道102由聚乙烯材料形成，而隔离件108和板件104由塑料，例如胶质玻璃形成。
在图8(b)中，提供了一种类似的结构110，除了管道102凹入形成在板件112中并叠置起来以增大处理能力的腔114内。板件还设有定位凹口116。任何适合的材料都可用来形成板件112，包括塑料材料，例如胶质玻璃。
参看图8(c)，示出了一种系统120，其中除去了管道102。在这种情况下，充分密封的腔124形成在基底122中，并且形成了叠置起来以增大处理能力的流体通道。还示出了用以密封顶部腔124的盖层128。类似于图8(b)，也提供了定位凹口126。基底122和盖板128可由任何适合的材料形成；但在至少一种形式中，这些元件是由塑料材料形成，例如胶质玻璃。
参看图8(d)，一种系统130包括由壁部134和板件136所限定的螺旋路径132。壁部134和板件136可采用多种形式。但在一种形式中，这些结构是由塑料形成的。实质上，该结构134形成并随后在两侧层叠起来，以形成封闭的通道132。再次，这些平行装置叠置起来以用于改善支承和处理能力。如同图8(a)至图8(c)一样，两端由例如铝形成的板件来支承。
图9(a)至图9(b)示出了当前所述实施例的一个另外的实施例。如图9(a)中所示，一种装置200包括以螺旋形螺线布置的八个平行通道。如图9(b)中的分解图、图10(a)中的截面图以及图10(b)中的端盖和歧管结构中所示，该实施例提供了快速的组装和拆卸。
在操作中，流体经由入口202而进入该装置200，并且经由出口路径204和206而离开(单独的)。上流体歧管210经由端盖212上相应的径向斜槽而供给八个单独的通道(例如通道214)。下端盖216具有对应于各通道以及相应斜道217的槽口。出口歧管218包括内环219，其作为分叉器(bifurcator)来将流体分成微粒流和流出流。
由通道例如通道214所形成的螺旋形螺线结构装配在外部护套220内。应当认识到的是，在一种形式中，通过使顶部歧管和底部歧管以及端盖结构反向旋转来紧固该装置200。紧固迫使螺旋形螺线彼此抵靠，从而防止了单独的流体截面的变形，且因此容许使用更薄且更廉价的材料，以及进一步缩小空间。各单独的通道可任选地具有在入口或出口处的单独流量控制器用以停止流动。
尽管该设计在0.1m/s至10m/s的速度范围内工作时可稍微地进行自动清除，但当在一个通道中产生堵塞时，由于其它通道将弥补这种不通畅而继续工作，故平行通道容许冗余。可选的是，流量传感器可并入反馈回路内来调整流速，以便保持恒定的分离速度。此外，其它嵌入装置，例如快速混合器，可与顶部歧管形成为一体。示出了八个通道来显示平行性，但也可使用任意数量的通道。
根据源头的水质，即微粒密集度和粒径分布，螺旋型分离器将所有的微粒采集到具有不同宽度的条带中。为了容许实时地优化螺旋型浓缩器的效率，期望的是具有可调的分流器。
现参看图10(a)和图10(b)，示出了具有这种分流器的出口歧管218。该分流机构可采用各种形式，如将结合图11(a)至图11(c)进行描述的那样；然而，在至少一种形式中，分流器将容许流体分流，以使得一部分222将作为流出物而在第一路径上离开装置，而流体的另一部分224将在包含颗粒(例如颗粒带)的第二路径上离开装置。
分流器连接到螺旋型分离器装置200上，使其可围绕其中的中心轴线旋转。对于具有八个平行通道的装置200，分流器通常将只旋转大约45度。分流器壁的径向变化程度可相对于期望的源头水质来进行优化。例如，如果只要求质量稍微变化，则较小的半径变化足以获取宽度变化的范围。如果水质的变化较大，则可能需要较大的半径变化。当人工地操作可调分流器时，可使用来自于嵌入式仪表或其它传感器的反馈。操作分流器的另一种方式是设置自动反馈回路。这样，可在通道的出口部分处使用光学传感器，用以不断地测量带宽，以及指导服务器或马达来实时调整最佳分流器设置。同样，流量传感器还可用来监测流速，以便通过调整泵速和/或功率来对流体速度进行反馈控制。
参看图11(a)至图11(c)，示出了输出流体歧管的各种形式。图11(a)示出了静态分流器。在这种形式中，歧管218设有大致为圆形的套环装置219以作为分流器。可互换地使用预设划分成20∶80、30∶70至80∶20的套环装置。图11(b)示出了一种用于以定制曲率进行非线性控制的连续可调的分流器。在这种形式中，歧管218′设有包括策略上安置成弯曲部分和平直部分的部分219′，用以提供连续可调的流动。图11(c)示出了不连续的逐步可调的分流器设计。在这种形式中，歧管218″包括由不连续的梯级所形成的部分219″，以提供不连续的逐步可调的流动。在这种形式中，从一个梯级到下一个梯级的转换可为不可逆的。
在这些和其它形式的任何一种中，分流器是通过在选定方向上使歧管转动选定的角距来调整的。这样将使分流机构移动穿过通道的整个出口部分，使得在路径222与路径224之间的分裂可为变化的。调整可通过由计算机控制的马达来自动进行。
图12(a)和图12(b)示出了图9(a)至图11(c)中的实施例的扩展，其中示出了模块化的八通道两级螺旋形螺线实施例。在所示实施例中提供了流体换流器316。流体换流器包括具有位于其中的对应于螺旋通道的槽口的圆板326和328。流体换流器还包括连接位于板件326和328中的对应槽口的通路330。在图12(a)和图12(b)中所示的示例性实施例中，流体转换始于流体流中，使得任何驻留的颗粒带从通道的一侧翻转到通道的另一侧，以提供对颗粒的压缩。这样就实现了较窄的条带。在图12(b)中，示出了第一级314和第二螺旋级315。为了实现颗粒带的上述翻转，螺旋级315进行颠倒的翻转。流体换流器316位于这些级之间。
为了进一步阐述转换过程的原理，参看图12(c)。应当认识到的是，图12(c)中的实施例在结构上不同于图12(a)和图12(b)中的实施例，因为螺旋装置具有不同的构造，并且未示出换流器结构，例如换流器316。然而，本领域的技术人员将认识到，如结合该附图进行阐述的换流原理可应用于换流器316的换流过程。如图所示，螺旋型装置350包括入口352、螺旋通道的第一弯曲部分或级354、过渡部分356、第二弯曲部分或级358，以及出口360，362和364。在操作中，流体收容于入口352处，并流过第一级354，并且将颗粒分离开，而在一些形式中，颗粒聚集到位于通道一侧上的颗粒带中。当流体穿过突变过渡点356时，条带(或分离的颗粒)翻转到通道的相对侧上。然后，第二级358继续压紧颗粒，产生了更为紧凑的颗粒以及甚至更窄的颗粒带。
现参看图13(a)和图13(b)，示出了又一个实施例。在图13(a)和图13(b)中，示出了根据当前所述实施例的螺旋型装置600。在该实施例中，螺旋型装置600采用了螺旋形螺线形式。出于这种考虑，装置604的螺旋体部分为螺旋形螺线，其具有入口606、第一出口608，以及第二出口610。应当认识到的是，该单通以多种方式制造，包括使用注入成型技术进行分段地制造。然后在使用之前使用公知的方法来将这些段熔合在一起。用于制造该装置的另一种方法包括使用压挤成型技术，其中挤出的塑料可由空气冷却或浸入液池中以将其固化成期望的形状和结构。螺旋盘绕可通过控制挤出心轴或冷却槽的旋转来实现。可使用各种不同的材料，包括热塑料，例如具有邵氏硬度为“A”的PVC、高密度聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯以及聚碳酸酯。
如图13(b)中所示，例如图13(a)中所示的螺旋型装置，其可以平行布置而设置，以增大系统的处理能力。如图所示，所有螺旋型装置600都从流体歧管连接到输入主管620上，并且装置600的相应第一出口连接到第一出口主管622上。装置600的第二出口连接到第二出口主管624上。
参看图14(a)至图14(c)，示出了具有垂直叠置的平行通道的类似系统。然而，图14(a)中的实施例示出的螺旋型装置700是螺旋缠绕型装置。该装置700包括具有入口706、第一出口708以及第二出口710的螺旋缠绕体704。可通过将加强筋结构引入由卷筒给料的聚酯薄膜类塑料(或流体不可渗透的)材料来制造这种装置。可使用快凝的环氧树脂印刷技术来形成加强筋结构。
如同图13(a)和图13(b)中所示的实施例一样，如图14(b)中所示的装置700可设置在系统中，在该系统中，多个装置700从流体歧管平行地连接到入水口主管720上。同样，用于该装置的第一出口管线连接到第一出口主管722上。该装置700的第二出口管线连接到第二出口主管724上。
参看图14(c)，应当认识到的是，本体704可包括单个通道1210或多个通道1210至1224。当然，任何数量或形式的通道都可满足需要。
此外，应当认识到的是，本文所述或所构思出的任何螺旋的或其它的装置可以如图13(a)、图13(b)、图14(a)和图14(b)所示的层叠方式或平行方式进行设置。这些实际示出的仅为实例。更进一步来说，任何适合的材料都可用来形成本文所构思的装置。
现参看图15，示出了一种示例性反馈和控制系统900。如图所示，分离器902(其可采用当前所述实施例或其它所构思出的任何螺旋的或其它的分离器形式)接收输入流体904，并且对其进行处理以实现流出流906和微粒流908。如上文所提到的那样，系统900可使用各种数据项，例如压力、带宽、流速、温度或粘度，所有这些都可使用适合的传感器测量到。数据提供给控制各个促动器920的控制器910，促动器920可操作地用于以期望的方式更改装置902的性能。

Claims (4)

1.一种颗粒分离系统，包括：
多个单独的弯曲型颗粒分离装置，其叠置成使得所述装置彼此平行；
连接到所述装置的所有入口上的入口联接器，所述入口联接器可操作用于促进流体输入到所述多个单独的弯曲型颗粒分离装置的所有入口；以及，
至少两个出口联接器，其连接到所述多个单独的弯曲型颗粒分离装置的相应出口上。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述弯曲型颗粒分离装置为螺旋型装置。
3.一种颗粒分离系统，包括：
入口歧管；
促进在其中的流体流动且布置成螺旋形螺线构造的多个分离通道，其中，所述通道彼此平行；以及，
输出歧管。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述系统还包括反馈控制系统。
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