CN104363996B - 声泳多组分分离技术平台 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

声泳多组分分离技术平台

背景技术

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。

发明内容

本发明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，并非用于对本发明加以限定的目的，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是本发明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发明。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，本发明提供的系统，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(acoustic contrast factor)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中细菌孢子加速捕获、油回收、以及微藻衍生生物油脱水的作为目标。油回收领域中所使用的现行技术在回收较小油滴即小于20微米油滴时处理不好。然而，本文所描述的声泳系统可以增强较小油滴的捕获与聚结，从而改变粒径分布，导致总体增加的油捕获。为了起到作用，通常需要采用4加仑每分钟(GPM)水平的大流量。另一目标是增强捕获直径小于20微米的油滴。

声泳分离也可用于帮助例如先进生物精炼技术的应用，以将低成本易得的非食品生物质(例如，城市固体废物和污水污泥)转化成很多种化学品和仲醇，然后，可以将它们进一步精炼成可再生汽油、喷气燃料、或柴油。使用水处理技术将发酵液脱水，并隔离有价值的有机盐，以便进一步处理为燃料。脱水过程通常通过昂贵并且低效的超滤方法完成，缺点包括膜频繁积垢、相对较低的浓集因数、以及较高的资本和运营费用。声泳分离可滤出进入粒径分布跨度超过三个数量级即从600微米到0.3微米的颗粒，允许以较低资本和运行费用改善所分离发酵液的浓度。

对于用于转化为生物油的微藻的获取、油回收、以及脱水，声泳分离也是有用的。现行的微藻获取、油回收、以及脱水技术的缺点包括高运营成本和资本费用。当前最佳估计，将一桶衍生自微藻的生物油的价格定为最低每桶200.00美元。微藻生物燃料领域需要改进这种处理的收获、油回收、以及脱水步骤的技术。声泳分离技术满足了这一需求。

一些其它的应用是在污水处理、中水回收以及采水领域中。其它的应用是在生命科学和医学应用领域中，例如脂质与红细胞的分离。这在涉及纵隔吸引(suctioning shedmediastinal blood)的体外循环手术期间将是至关重要的。当血液被重新输注到体内时，将脂质无意地引入到血流中。脂质微栓会移行至脑部，并导致多种神经认知障碍。因此，有必要净化血液。现有方法通常效率较低，或者对红血细胞有害。

特定实施例集中于亚20微米油滴的捕获和生长。至少80％体积的亚20微米液滴被捕获，然后生长至大于20微米的液滴。本过程涉及声驻波中油滴的捕获、许多较小被捕获液滴的聚结、以及声捕获力小于浮力时最终释放较大液滴。

先进多物理场和多尺度计算机模型与带有嵌入式控制的高频(MHz)、高功率和高效率超声波驱动已经组合，以实现由压电换能器阵列驱动的共鸣器的新设计，导致远远超过目前能力的声泳分离装置。

期望的是，这样的换能器提供伴随轴向力的横向力，以便增加声泳系统的颗粒捕获能力。

声泳颗粒分离器1的一种实施例的示意图示于图1中。多组分液流(例如水或其它流体)进入入口4，以及，分离后的流体经由出口6在相反端离开。应当注意到，流过分离器时，此液流通常是处于压力下。颗粒分离器1具有纵向流道8，该纵向流道8运送多组分液流，并通过谐振器10。谐振器10包括充当声波激励源的换能器12(或者某些实施例中的换能器阵列)。共鸣器10具有反射器14，该反射器14位于换能器12相对侧的壁上。收集袋16收集杂质，并且也位于换能器的相对侧。如本文中所定义的，杂质包括颗粒或不同于基底流体的流体。共鸣器10设计成，维持高强度三维声驻波。本系统由函数发生器和放大器驱动(未示出)。本系统性能由计算机进行监测并加以控制。

图2示出用于去除油或其它轻于水的材料的实施例的示意图。由换能器20施加通常在数百千赫至几兆赫范围内的激励频率。在驻波24处捕获微滴22，发生团聚，以及，在其为能浮起的材料的情况下会浮至表面，并且经由流出物出口26排出。净水在出口28处排出。声泳分离技术能以明显降低的成本完成多组分颗粒分离，而没有积垢。

图3示出声泳颗粒分离器30的另一实施例。类似声泳分离器1，声泳分离器30具有入口32和出口34。入口32适配有管口或扩散器90，该管口或扩散器90具有蜂窝95，以便于塞流的产生。声泳分离器30具有换能器40的阵列38，在本情况下，六个换能器全都布置在同一壁上。这些换能器布置成，使其覆盖流动路径的整个横截面。在特定的实施例中，图3的声泳分离系统具有6英寸×6英寸的方形横截面，其以高达3加仑每分钟(GPM)的流量、或8毫米/秒的线速度工作。换能器40是六个PZT-8(锆钛酸铅)换能器，具有1英寸的直径和标称2MHz的谐振频率。对于以3GPM流量的液滴捕获，各换能器消耗约28瓦的功率。这表示0.25千瓦小时/立方米的能耗成本。这表明本技术具有非常低的能耗成本。理想的是，各换能器由其自有的放大器进行供电并加以控制。

图4A和图4B示出在声泳分离器入口处可以使用的两种不同扩散器。扩散器90具有入口92(这里带有圆形形状)和出口94(这里带有方形形状)。图4A的扩散器示于图3中。图4A包括栅格或蜂窝95，而图4B则没有。栅格有助于保证均匀流动。

图5是常规超声换能器的剖视图。此换能器具有位于底端的耐磨板50、环氧树脂层52、陶瓷晶体54(由例如PZT制成)、环氧树脂层56、以及背衬层58。环氧树脂层56将背衬层58附着至晶体54。整个组件容纳在壳体60中，壳体60可以由例如铝制成。连接器62提供与电线的连接，以穿过壳体，并且与附着于晶体54的引线(未示出)连接。

图6是带有气泡64的耐磨板50的照片，在气泡64处，由于振荡压力，耐磨板已被拉离陶瓷晶体表面。

图7是本发明超声换能器81的剖视图，该换能器81能与图1和图3的声泳分离器一起使用。换能器81具有铝制壳体82。PZT晶体86限定换能器的底端，并且暴露于壳体外部。晶体在其周边由壳体进行支撑。

经由螺纹88，螺钉(未示出)将壳体的铝制顶板82a安装于壳体的本体82b。顶板包括连接器84，以将电传送至PZT晶体86。由电引线90将电力提供给PZT晶体86。应当注意到，晶体86没有如图5中所示的背衬层。换而言之，在铝顶板82a与晶体86之间，换能器中有气隙87。有些实施例中，可以设置最小限度的背衬。

换能器设计会影响系统的性能。典型换能器是层状结构，带有结合于背衬层和耐磨板的陶瓷晶体。因为表现为驻波的高机械阻抗加载于换能器，关于耐磨板的传统设计准则(例如半波长或四分之一波长的厚度)以及制造方法可能并不合适。与之相比，在本文披露换能器的一种实施例中，没有耐磨板或背衬，允许晶体以高Q因数振动。振动的陶瓷晶体/盘片直接暴露于流过流室的流体。

除去背衬(例如，使晶体背衬空气)也允许陶瓷晶体获得更高阶振动模式(例如，更高阶模态位移)。在具有带背衬晶体的换能器中，晶体以均匀位移振动，像活塞一样。通过除去背衬，允许晶体以不均匀位移模式振动。晶体的模态越高阶，晶体具有越多的波节线。虽然捕获线与波节的相关性不必一一对应，而且，以更高频率驱动晶体不一定产生更多捕获线，但是，晶体的更高阶模态位移产生更多的捕获线。参见下文关于图19至图22的讨论。

在有些实施方式中，晶体可以具有最低限度影响晶体Q因数(例如，少于5％)的背衬。背衬也可以由基本透声的材料制成，例如轻木或软木，其允许晶体以更高阶模态振动，并维持高Q因数，同时仍为晶体提供一些机械支撑。在另一实施例中，背衬可以是栅格工件(1attice work)，其按照处于特定高阶振动模式的振动晶体的节点，在节点部位处提供支撑，同时，允许晶体的其余部分自由振动。晶格工件或透声材料的目标是在不降低晶体Q因数的情况下提供支撑。

将晶体布置为与流体直接接触，通过避免耐磨板的阻尼和能量吸收作用，也有助于获得高Q因数。其它实施方式可以具有耐磨板或耐磨表面，以防止含铅的PZT接触基底流体。在例如生物应用例如血液分离中这将是期望的。这些应用可以使用耐磨层例如铬、电镀镍或化学镀镍。也可以使用化学气相沉积来施加一层聚(对-二甲苯)(poly(p-xylxyene))(例如聚对二甲苯)、或其它聚合物。有机和生物相容涂层例如硅树脂或聚氨酯也可以考虑作为耐磨面。

在本发明的系统中，以一定电压使本系统操作，使得在超声驻波中捕获颗粒，即保持在静止位置。颗粒沿限定好的捕获线(其按半波长分开)收集到其中。在各波节面内，将颗粒捕获在声辐射势能的极小值中。声辐射力的轴向分量驱动带有正衬比度因数的颗粒到达压力波节面，而具有负衬比度因数的颗粒则被驱动到达压力波腹面。声辐射力的径向或横向分量是捕获颗粒的力。在使用典型换能器的系统中，声辐射力的径向或横向分量通常比声辐射力的轴向分量小几个数量级。与此相反，分离器1和分离器30中的横向力会非常明显，与轴向力分量在相同数量级，并且足以克服线速度高达1厘米/秒的流体的拖曳力。如上面所讨论的，关于晶体例如具有均匀位移的活塞那样有效移动的振动形式，与之相反，通过以更高阶模态驱动换能器，可以增大横向力。这些更高阶模式的振动类似于鼓模式中的膜振动，鼓模式例如模式(1，1)、(1，2)、(2，1)、(2，2)、(2，3)或(m，n)，其中m和n大于或等于1。声压与换能器的驱动电压成正比。电功率与电压的平方成正比。

图8是声泳分离器92的计算机模型，仿真以获得图9至图17。压电陶瓷晶体94与水通道96中的流体直接接触。一层硅98位于晶体94与铝顶板100之间。反射器102反射波以产生驻波。反射器由提供良好反射的高声阻抗材料例如钢或钨制成。作为参照，将Y轴104称为轴向。将X轴106称为径向或横向。在COMSOL中计算声压和速度模型，该COMSOL包括PZT换能器的压电模型、周围结构(例如，反射板和壁)的线性弹性模型、以及水柱中的波的线性声学模型。将声压和速度作为数据输出至MATLAB。使用Gor’kov’s公式，在MATLAB中计算作用于悬浮颗粒的辐射力。将颗粒和流体材料的特性如密度、声速、以及粒径输入到程序中，并且用这些特性来确定单极散射贡献和偶极散射贡献。通过对场势U执行梯度运算，确定声辐射力，该场势U是颗粒体积以及声场的时间平均势能和动能的函数。

图9A至图9D示出单个声波与多模声波之间在捕获方面差异的仿真。图9A示出了与单个声驻波相关的轴向力。图9B示出了由于单个声驻波所致的横向力。图9C和图9D示出分别在形成多驻波的多模式(具有多个节点的高阶振动模式)压电晶体激励中的轴向力和横向力。电力输入与图9A和图9B所示单一模式下的情况是相同的，但捕获力(横向力)更大，为其70倍(注意与图9D相比的图9B中右边的刻度)。在终点为钢反射器(参见图8)的开放水道中，通过封装在铝顶板中的1兆赫压电换能器(其由10伏交流驱动)的计算机建模仿真，生成这些图。图9A和图9B中的场是具有400千帕峰值压力的960千赫。图9C和图9D中的场是具有1400千帕峰值压力的961千赫。除了较高的力之外，961千赫的场(图9C和图9D)还具有更大的梯度和焦点(focal spots)。

图10示出了关于圆形晶体(以1兆赫频率驱动)的模态计算的三维计算机生成模型。

图11至图17是基于图8的模型，具有以2兆赫工作的PZT-8压电换能器。在终点为钢反射板(0.180英寸厚)的4英寸×2英寸的水道中，换能器是1英寸宽、0.04英寸厚，封装在铝顶板(0.125英寸厚)中。声束跨越2英寸的距离。二维模型中不包括1英寸的深度尺寸。以15伏驱动换能器，并且进行扫频计算，以识别不同声波谐振。示出了三个相邻的声波谐振频率的结果，即1.9964兆赫的结果(图11、图12和图13)、2.0106兆赫的结果(图14和图15)、和2.025兆赫的结果(图16和图17)。对于具有5微米的半径、880千克/立方米的密度、以及1700米/秒的声速的油滴，计算声辐射力。水是主流体，具有1000千克/立方米的密度、1500米/秒的声速、和0.001千克/毫秒的动态粘度。图11示出横向(水平)声辐射力。图12示出关于1.9964兆赫谐振频率的轴向(竖向)分量。图13示出的声压幅值。

图11和图12示出，辐射力的横向和轴向分量的相对量值非常相似，约1.2e-10牛顿，这表明能产生大捕获力，这里，横向力分量为轴向分量的相似量值或更高。这是一个新的结果，并且与文献中提及的典型结果矛盾。

第二个结果是，对于毫米/秒数量级的典型流速，声捕获力量值超过流体拖曳力的量值，并因此能使用此声场来捕获油滴。当然，通过提高施加于换能器的功率，能够获得更高流速的捕获。也就是说，声压与换能器的驱动电压成正比。电功率与电压的平方成正比。

第三个结果是，在所示出的频率处，与此特定捕获模式相关联的高捕获力延伸横过整个流道，从而使得能横过整个通道宽度捕获油滴。最后，声捕获力场最小值(即被捕获颗粒的位置)与所观察到的驻波中油滴被捕获位置显示良好的一致性，表明COMSOL模型确实是预测颗粒声捕获的准确工具。这在下文中更具体地示出。

图14示出在2.0106兆赫谐振频率处的横向力分量，以及，图15示出在2.0106兆赫谐振频率处的轴向声辐射力分量。图14和图15呈现比图11和图12更高的峰值捕获力。横向声辐射力超过轴向辐射力。然而，较高捕获力位于流道的上部，并且不跨越流道的整个深度。因此，代表一种模式，其在捕获通道上部中的颗粒时是有效的，但无需跨越整个通道。同样，与所测得捕获模式的比较表明，存在这种模式以及捕获模式。

图16示出在2.025兆赫谐振频率处的横向力分量，以及，图17示出在2.025兆赫谐振频率处的轴向声辐射力分量。声场在各声谐振频率处急剧变化，因此，系统的仔细调谐是至关重要的。至少，对于声捕获力的准确预测，二维模型是必需的。

开发出了二维轴对称模型来计算关于圆形换能器的捕获力。使用模型来预测对颗粒的声捕获力，然后，将其与流体拖曳力和浮力的作用相结合，可以用来预测颗粒轨迹。该模型清楚地示出，能产生捕获颗粒所必需的横向声捕获力，并且克服浮力和流体拖曳力的影响。该模型还示出，该换能器并不提供越过由圆形换能器所产生驻波的整个体积的大捕获力，表明圆形换能器仅在由换能器所产生超声驻波的中心附近输出高捕获力，但朝驻波的边缘提供非常小的捕获力。这进一步表明，圆形换能器只对流体流动中待流过圆形换能器驻波的较小部分提供有限的捕获，并且，在驻波的边缘附近没有捕获。

因为圆形换能器不提供越过整个体积的大捕获力，研究了换能器形状对油分离效率的影响。使用了1英寸直径的圆形PZT-8结晶(图18，110)和1英寸x1英寸的方形晶体(图18，112)。另外，在相同条件下进行试验。表1示出结果。

表1：圆形和方形换能器形状的研究结果

结果表明，方形换能器112比圆形换能器110提供更好的油分离效率，这可以由下列事实来解释：方形换能器112使声捕获力具有更好的流道覆盖，以及，圆形换能器只沿驻波的中心线提供强捕获力，证实了数字仿真的发现。

除了换能器的形状之外，换能器的模态(换能器振动的形态)影响油分离效率。产生更多的波节，提供更多地点用于待捕获的油。图19示出在2.2兆赫换能器谐振附近所测量的换能器电阻抗量值(作为频率的函数)。换能器阻抗的最小值对应于水柱的声波谐振，并且表示用于操作的潜在的操作频率。数字仿真表明，换能器位移分布在这些声谐振频率处明显变化，从而，直接影响声驻波以及所得到的捕获力。换能器位移模态从单个半波长模式变化至三个半波长模态。高阶换能器模态位移模式导致更高的捕获力、以及用于被捕获油滴的多个稳定捕获位置。单个半波长模式导致一条线的被捕获液滴，而三个半波长模式越过流道上导致三条平行线的被捕获液滴。

为了研究换能器模态对声捕获力和油分离效率的影响，除激励频率之外的所有条件相同，重复实验10次。十个相邻的声谐振频率，在图19上用圆圈数字1-9和字母A表示，用作激励频率。条件为：实验持续时间30分钟、1000ppm的油浓度、500毫升/分钟的流速、以及20W的施加功率。

随着乳液通过换能器，观察到捕获波节线并进行表征。关于图19中所指定十个谐振频率中的七个，涉及越过流道的波节捕获线数量的观察以及样式的特征，如图20中所示。

激励频率的影响清楚地确定波节捕获线的数量，这些数量从声谐振激励频率5、9处的单个捕获线变化到声谐振频率4处的9个捕获波节线。在其它激励频率处，观察到4个或5个波节捕获线。这些实验方式观察到的结果证实了，由图9A和图9B与图9C和图9D进行比较而得出的差异所预期的结果。换能器振动的不同模式能产生驻波的不同(更多)波节，而更多波节通常产生更高的捕获力。

表2总结了得自使用类似于图1的系统的油捕获试验的发现。一个重要结论是，声波分离器的油分离效率与换能器的模态直接相关。越高阶模态位移，产生越大的声捕获力，以及，产生更多捕获波节线，导致越好的效率。对标定(scaling)研究有用的第二个结论是，测试表明，以500毫升/分钟捕获5微米油滴，每1英寸声束跨度每平方英寸换能器面积需要10瓦功率。主要耗损是声驻波的总体积中的热粘性吸收的耗损。与此流速相关的能源成本是每立方米0.667千瓦时。

表2：捕获模式俘获效率研究

图21和图22示出九条捕获波节线模式中被捕获油滴的照片。虚线叠加在波节线上。图23示出在与9捕获波节线模式相匹配的COMSOL中计算出的压力场。数字模型是一个二维模型；因此只观察到三个捕获列。在垂直于图21和图22的二维模型平面的三维中，存在两组或更多(two more sets)的三捕获列。这一比较表明，在预测超声驻波的性质以及所得到的捕获力方面，数字模型是准确的，再次证实了由图9A和图9B与图9C和图9D进行比较而得到差异所预测的结果。

在更大的系统中，可以采用不同传感器布置。图24示出一种换能器阵列120，包括三个方形1英寸×1英寸晶体120a、120b、120c。两个方形换能器互相平行，以及，第三个方形换能器偏置，以形成三角形图案。图25示出一种换能器阵列122，包括两个矩形1英寸×2.5英寸晶体122a、122b，布置成以其长轴互相平行。关于每1英寸×1英寸的换能器横截面面积和每英寸的声驻波跨度，每个换能器的功耗为10瓦，以便获得足够的声捕获力。对于中等规模系统的4英寸跨度，每个1英寸×1英寸方形换能器消耗40瓦。在中等规模系统中，较大的1英寸×2.5英寸矩形换能器使用100W。三个1英寸×1英寸方形换能器的阵列将消耗总共120W，以及，两个1英寸×2.5英寸换能器的阵列将消耗约200W。

图26中示出一种4英寸的中等规模系统124，用于分离基底流体与浮动流体或颗粒。基底流体进入入口126并且向下流动到分离器128，分离器128包括换能器阵列130和反射器132。分离器产生驻波134，以使浮流或微粒(例如油)团聚。浮力136将漂浮物运送到收集室140。

换能器阵列120安装在系统124中，将其取出，然后安装换能器阵列122。这些阵列并行操作，使得各换能器由来自放大器的相同电压信号驱动。电子驱动电路由函数发生器和300瓦A300ENI射频放大器组成。测试结果示于表3中。第一测试仅使用两个1英寸×1英寸方形换能器或阵列120，其取向互相平行，并且在1300毫升/分钟的流速下运行。此测试得到88％的油分离效率。接下来的测试涉及所有三个方形换能器和2000毫升/分钟的流速，并且得到93％的效率。这些结果是优良的，并且证明本技术可扩展到由换能器阵列驱动的较大流道。下一组测试涉及1英寸×2.5英寸矩形换能器阵列122。对于第一测试，只运行一个换能器，并且得到87％的效率。第二测试以两个换能器都工作，得到97％的效率。对于1英寸×2.5英寸的换能器，所使用的功率水平基于以安全水平运行换能器。对于这些测试，关于中等系统的能源成本为每立方米1千瓦时。

表3：中等系统测试结果

对于声驻波具有4英寸跨度的中等规模系统，也做了数字仿真。对多个换能器进行建模，以研究换能器之间的耦合效应。进行频率扫描，并且识别声模态与换能器的更高阶模态强烈耦合的谐振频率。数字结果与实验结果之间的比较是优良的，并且证明了模型的准确性。图27示出右侧具有两个换能器的模型的声压场。图28中示出驻波中被捕获油滴的照片。试验和模型都示出相同的特征。在某些激励频率处，油滴被捕获在由换能器面积所限定的流体体积之外的驻波阱中，表明以强捕获力扩展了声场。图29示出这种被捕获油滴的照片。图30示出预测相同特征的声压场模型。

参照示例性实施方式对本发明进行了描述。显然，在阅读并理解前述具体描述之后，其他人可以做出修改和变更。本发明构造为包括所有这些修改和变更，只要这些修改和变更在所附权利要求或其等效置换的范围之内。

Claims (38)

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，其中，所述换能器跨越所述流室的宽度。

20.根据权利要求19所述的装置，其中，所述多个超声换能器的每一个为方形的。

21.根据权利要求19所述的装置，其中，所述多个超声换能器的每一个为矩形的。

22.根据权利要求18所述的装置，其中，所述晶体至少之一是空气背衬的。

23.根据权利要求18所述的装置，其中，所述晶体至少之一是由基本透声的材料为背衬的。

24.根据权利要求23所述的装置，其中，所述基本透声材料是轻木或软木。

25.根据权利要求18所述的装置，其中，所述晶体至少之一是由栅格结构背衬的。

26.根据权利要求18所述的装置，其中，所述超声换能器具有接触所述基底流体的面，所述面涂覆有耐磨层，所述耐磨层包含铬、电镀镍、化学镀镍、对-二甲苯、以及聚氨酯之一。

27.一种装置，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，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；以及

反射器，其与所述超声换能器相对；以及，其中所述超声换能器包括：

壳体；

位于底端处的暴露的压电晶体；

位于所述壳体顶端处的顶板，所述顶板包括连接器；以及

所述顶板与所述压电晶体之间的气隙；

其中，所述壳体内不具有背衬层，或者，所述壳体内具有由基本透声的材料制成的背衬层。

28.一种用于从基底流体分离第二流体或颗粒的处理方法，包括：

使含有所述第二流体或颗粒的所述基底流体通过装置流过，该装置包括：

流室，其具有入口和出口；

超声换能器，其嵌置于所述流室的壁上，所述超声换能器包括限定所述换能器一侧的压电晶体；以及

反射器，其位于所述流室中与所述换能器相对侧的壁上；

籍由于超声谐振频率的振荡、周期性、或脉冲的电压信号驱动所述超声换能器，以在所述流室中产生三维超声驻波，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，在所述三维超声驻波中捕获所述第二流体或颗粒，并将该第二流体或颗粒分离。

29.根据权利要求28所述的方法，其中，在所述驻波中捕获的所述第二流体或颗粒发生团聚或聚结，从而，使重于水的杂质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。

30.根据权利要求28所述的方法，其中所述超声换能器包括：

壳体；

位于底端处的从所述壳体外部暴露的所述压电晶体；

位于所述壳体顶端处的顶板，所述顶板包括连接器；以及

所述顶板与所述压电晶体之间的气隙。

31.根据权利要求28所述的方法，其中，所述压电晶体具有基本透声的材料制成的背衬。

32.根据权利要求31所述的方法，其中，所述基本透声材料是轻木或软木。

33.根据权利要求31所述的方法，其中，所述基本透声材料为栅格形式。

34.根据权利要求30所述的方法，其中，所述超声换能器不具有耐磨板或背衬。

35.根据权利要求30所述的方法，其中，所述压电晶体以更高阶模式振动。

36.根据权利要求28所述的方法，其中，所述超声换能器由振荡、周期性、或脉冲的电压信号驱动。

37.根据权利要求28所述的方法，其中，在数百千赫至几兆赫频率范围驱动所述超声换能器。

38.根据权利要求28所述的方法，其中，所述第二流体或者颗粒具有从600微米到0.3微米的颗粒尺寸分布。