CN1069668A - 一种利用超声分离悬浮颗粒的仪器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用声波驻波场将微粒从气相 或液相媒体中分离的装置。该装置包括一个换能器 驱动电路，一个换能器，和一个反射板(如果系用于液 相媒体分离，则需要盛放液体的容器)。其特征在于： 换能器采用圆柱形或圆弧形结构，反射板也采用同样 结构，两者同心放置，于是在两者之间的区域存在一 个驻波声场，由于反射波具有向圆心方向的汇聚作 用，从而补偿了反射波在血液中的衰减。结果表明， 本发明的装置在较小的驱动功率下，可完成有实用价 值的分离工作(例如血液分离)。

Description

本发明涉及一种可分离液体或气体中微粒的，特别是分离血球和血浆的装置。

目前，在需要分离血细胞和血浆的场合，多采用的是离心分离装置，但该装置非常复杂，价格昂贵，且容易造成对血细胞的损害。

70年代，有人发现超声驻波场有利于加速血细胞在血浆中的沉降速度，并试图据此建立一种血细胞分离方法。美国专利4055491号所记载的就是其中一例。但是根据该专利所公开的方案（盛血容器厚度为1a，超声频率2.7NHz），超声反射波由于血液的衰减在到达换能器附近的区域后，强度仅为发射强度的1/10¹³，因此已失去了分离血液的起码条件，更谈不上运用于临床了。

本发明的目的在于提供一种安全、快速、实用、高效、大量、价廉的分离装置，该装置能够从媒体（液体或气体）中分离出悬浮颗粒。

本发明的原理基于下述发现：悬浮颗粒在水平传播的声或超声驻波场中将聚集成以超声的半波长为空间周期的一层层聚集带，继而由于重力而沉降，与媒体分离。

本发明的装置包括超声换能器驱动电路，超声换能器T，用于反射超声的与换能器形状相同的反射容器，以及相同形状的用于盛待分离媒体（分离气相物质时可不需要）的容器。其特征在于：采用园弧形或园柱形的换能器，和相同形状的反射容器，在待分离媒体的空间区域产生柱面超声驻波。图1是一个最佳实施例的装置排布图。20是圆柱形换能器，30是盛血液的容器，40是同心放置的反射容器。换能器发出的超声波是柱面波，遇反射容器器壁将反射，而反射波是朝向圆心方向汇聚的，因此与发射波在血液中的衰减作用可相互补偿，所以可以保证盛血液容器区域的驻波场均匀。

本发明的设计保证了分离的高效率。这意味着，在较小的换能器面积下，可得到较大范围的超声驻波场，从而获得了快速、大量的效果。例如，在驱动功率为100W、换能器直径为1cm至3cm的条件下，本发明的装置可在3min内分离数百毫升血液，完全可满足临床之需。第二，本装置特别适用于血液分离，由于盛血容器内声场均匀，所以能够采用较小的功率分离血细胞，从而使它们免受不必要的超声辐射，提高血液制品的质量。

下面将结合二个实施例具体介绍本发明。

图1所示为采用圆管式换能器的本发明装置。该装置设计用于血液分离，因此需要一个容器30，容器的材料应选用与血液的声阻尽可能一致的材料，例如聚乙烯或聚氯乙烯。超声换能器的高度为5cm，直径为2cm，采用厚度振动模式，频率为2.0MHz。血容器30的高度h略高于5cm，夹层的厚度为2.5cm。内径r₁＝9.7cm，外径r₂＝12.2cm。这样每次可分离的血量U＝（12.2²-9.7²）πh＝860ml。

盛血容器30在顶部有出口31，以便其中的气体在注入血液时排出。

容器40为反射容器，应选用与其中媒介（例如水）的声阻差别尽量大的材料，本实施例选择了不锈钢。

显然，为了能够产生驻波场，反射板与换能器的距离应该为半波长的整数倍。在本实施例所选定的频率下，反射板内壁与换能器轴心的距离为14cm。

换能器的驱动电路10选用它激式高频功放电路。图2是其原理图。功放器件选用了TMOS，选用开关式的工作方式。

当容器30中的血液中的超声强度达到0.2m/cm²左右时，在3分钟甚至更短的时间里，即可完成860ml血液的分离。分离后的血细胞可以经由血容器30上的出口32排出。

图3是上述装置的剖视图。

本实施例的分离装置还可以用于制药工艺，食品工业等方面。

实施例2

图4所示为本发明一种除尘装置的示意图。

超声柱面声波具有极好的对称性，在水平面不存在水平方向的旁瓣，因而没有多次反射带来的干扰，因此比平面波的分离效果好得多。这对于处理气体非常有意义。

如图4所示，本分离装置由换能器驱动电路（与实施例1的相同）10、园柱形换能器20、缓冲层80、采集容器50、不锈钢反射板90等构成。

待处理的气体90由入口导管61进入缓冲区80，再进入分离区70。微尘在分离区受到驻波场的作用后，形成团块，随后下沉，被采集容器50收集。气体则经分离区至缓冲区80，然后从出口81排出。为了避免气体在流动中产生扰动也可加多个入口和出口。当然也可以采用断续式分离，这样可以省去缓冲区80。

园管形换能器20同心地置于园筒形分离区中。在换能器外，还设置了一定厚度的匹配层201，目的是提高有效的分离空间，同时也可减小气体中的腐蚀性物质对换能器的腐蚀。

换能器20的工作频率视气体中颗粒大小而定。颗粒愈小频率应愈高。例如，气体中的颗粒物为碳墨微粒，其直径φ＝1μa至10μa，则换能器的最佳声频率为21KHz。一般说来，在这样的频率下，换能器20可在径向振动的模式下工作。

上面介绍了本发明的几个实施例，但对其作一些变动仍属于本发明的构思。例如，换能器由园管形变为园弧形，仍然能够产生柱面波，只要配以相同形状的反射板，同样能够使反射波向园心的汇聚作用补偿反射波在血中的衰减。同样在平板式换能器之前加一柱面声透镜也可以形成柱面波进而进行分离。实施例1中的盛血容器上用于血细胞流出的口可以设置在最底部。媒介物的选择也多种多样，只要求该媒介的声阻与盛血容器的声阻尽量一致。满足该条件的最普通的有水、5%NaCl溶液等。反射板的材料也可以是铁、铜、铝等金属材料。

Claims (7)

1、一种用于分离血液的装置，包括一个换能器驱动电路，换能器，反射容器，血容器，其特征在于：换能器是能够产生柱面波的园弧形或园管形换能器，反射容器及血容器与换能器有同样的形状，三者同心地放置。

2、根据权利要求1所述的装置，其特征在于：血容器为聚乙烯材料制作。

3、根据权利要求1所述的装置，其特征在于：血容器为聚氯乙烯材料制作。

4、根据权利要求1所述的装置，其特征在于：反射容器为不锈钢材料制作。

5、一种用于从气相媒体中分离微粒的装置，包括一个换能器驱动电路、一个匹配层和一个反射板构成，其特征在于：换能器为能够产生柱面声波的园柱形或园弧形换能器，匹配层与反射板与换能器具有相同的形状。

6、根据权利要求5所述的装置，其特征在于：匹配层为环氧树脂材料。

7、根据权利要求5所述的装置，反射板是不锈钢板。

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