CN1091626C - 一种利用超声分离悬浮颗粒的仪器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用超声波驻波场将悬浮颗粒从气相或液相媒体中分离出来的装置，包括换能器驱动电路、超声换能器、反射壁和盛待分媒体的容器(气相分离时则可不用)。容器由内壁及外壁构成夹层状，可呈楔形。超声换能器、容器和反射壁按顺序由内而外成环形设置，三者的中心轴与水平面垂直并相互重合，而超声换能器、容器的内壁及外壁和反射壁中至少有一个的侧壁倾斜于所述的水平面，是圆柱形、圆台形及圆弧形等的各种组合。
Description
本发明涉及一种可分离液体或气体中微粒的仪器，特别是一种分离血球和血浆的仪器。
目前在需要分离血球和血浆时多采用离心分离装置，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快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，4055491号美国专利中记载的就是其中的一例。但是，根据该专利所公开的方案(盛血容器厚度为1米，超声频率为2.7MHz)，超声反射波由于血液的衰减，在到达超声换能器附近的区域后，其强度仅为发射强度的1/1013，失去了分离血液的起码条件，更谈不上运用于临床了。
申请号为91105848.6、名称为“一种利用超声分离悬浮颗粒的仪器”的中国专利申请，公开了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。该装置的原理是基于下述发现：悬浮颗粒在水平传播的声或超声驻波场中将聚集成以声或超声的半波长为空间周期的一层层聚集带(条带)，继而由于重力而沉降，与媒体分离。该装置包括一个超声换能器驱动电路、一个超声换能器、和一个反射板或容器(用于液相媒体分离时，需要有盛放液体的容器)。超声换能器采用圆柱形或圆弧形结构，容器及反射板也采用同样的结构，它们同心放置，于是在超声换能器与反射板两者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，使装置能在较小的驱动功率下完成有实用价值的分离工作。
上述分离装置中超声换能器、反射板及容器具有同样的形状，且均为圆柱形或圆弧形结构，由于处于驻波声场中待分离液体(血液)的悬浮颗粒(红血球)所形成的条带总是平行于反射板壁的，因此其沉降方向也总是垂直于容器底平面，为90度，由于该流场不合理，因而沉降速度慢，分离效果差，不能满足临床需要。
本发明的目的是设计一种利用超声分离悬浮颗粒的仪器，是对中国专利申请91105848.6、“一种利用超声分离悬浮颗粒的仪器”技术方案的改进，能从液体或气体等媒体中分离出悬浮颗粒，具有安全、快速、实用、高效、量大、价廉的特点。
本发明的目的是这样实现的：一种利用超声分离悬浮颗粒的仪器，包括超声换能器驱动电路、超声换能器、用于反射超声的反射壁和用于盛待分媒体的容器，容器由内壁及外壁构成夹层状，超声换能器、容器和反射壁按上述顺序由内而外成环形设置，三者的中心轴与水平面垂直并相互重合，其特征在于：所述超声换能器、容器的内壁及外壁和反射壁中至少有一个的侧壁倾斜于所述的水平面。
所述容器的内、外壁夹层间呈楔状。
所述容器内、外壁夹层间的楔状是上厚下薄的圆弧形楔状。
所述超声换能器、容器和反射壁中至少有一个为圆台形或圆柱形或圆弧形。
所述容器的底部倾斜于所述的水平面，底部是斜切面。
在所述的超声换能器与容器之间、在容器与反射壁之间还充满有匹配液，匹配液的声阻与待分媒体的声阻相当。
所述的超声换能器外还设置有环氧树脂保护膜或匹配层。
本发明的仪器，用于反射超声的反射壁可以与超声换能器形状相同或成某种对应关系，盛待分媒体容器的形状可以与超声换能器及反射壁相同也可以成某种对应关系，采用圆台形或圆柱形或圆弧形的超声换能器、容器及反射壁的中心轴相互重合，而彼此的侧壁间则互成一定的角度，在超声换能器和反射壁之间就形成了特定形状的驻波声场。
本发明的有益效果是：
1)保证了分离的高效率，可在较小的超声换能器面积下得到较大范围的超声驻波场，从而获得了快速、量大的分离效果，如在驱动功率为100W，超声换能器直径为1cm至3cm的条件下，本发明的仪器可在约3分钟内分离数百毫升血液，完全可满足临床需要；
2)待分媒体受到的超声辐射达到最小，因而特别适用于血液分离，由超声换能器发出的超声波是超声驻面波或圆台形的柱面超声波，当其遇反射壁反射时，反射波朝向圆心方向汇聚，适当调整容器的厚度和直径，可以使反射波的汇聚作用最大程度地抵销其在待分媒体中的衰减，从而使作用区域内的反射波均匀，继而使驻波场均匀，所以能实现以较小的功率分离血细胞，使红血球免受不必要的超声辐射，提高血液制品的质量；
3)可在不改变超声波长的条件下加大超声驻波场的空间周期，提高分离速度，根据分析可以断定，在一定范围内，红细胞在聚集之后的沉降速度与超声的半波长成正比，所以降低超声频率将有助于加速红血球的沉降，但降低频率会使空化阈值也跟着降低，而空化对红血球是有严重破坏作用的，因此降低频率的方法在实际的应用中受到了一定的限制，而本发明的设计可在超声频率不变的情况下，在很大程度上使超声驻波的空间周期得以加大，从而提高了沉降速度；
参见图1A、图1B，图中示出在两种情况下，超声换能器的超声发射面与反射壁间的夹角θ、α与超声驻波空间周期T间的关系，同时还示出了超声驻波存在的区域。
图1A中，超声换能器11为圆柱形管，反射壁12为圆台形，虚线箭头表示入射波，实线箭头表示反射波，超声换能器11的超声发射面与反射壁12的反射面间的夹角为θ，根据前述原理，可得：T＝λ/2cosθ。
图1B中，超声换能器13为圆台形，反射壁14为圆柱形，虚线箭头表示入射波，实线箭头表示反射波，超声换能器13的超声发射面与反射壁14的反射面间的夹角为α，根据前述原理，可得：T＝λ/2cosα。由此可见，空间周期T可以在波长λ不变的情况下通过改变超声换能器的超声发射面与反射壁的反射面间的夹角θ、α而加大，而当夹角θ或α为零时，即中国专利申请91105848.6中的技术方案，T＝λ/2。
4)众所周知，悬浮颗粒的沉降受流场的影响很大，本发明容器的设计及其与反射壁间的相对倾斜关系，使分离过程具有更加合理的流场，如图2A至图2H所示的沉降过程及流场，图中用空心箭头表示红血球，用实心箭头表示血浆。
图2A至图2C中，21为圆柱形反射壁，22为圆台形容器，红血球在形成平行于反射壁21的聚集带20后开始沉降，遇到容器22的器壁(内壁及外壁)则沿器壁下沉，处于不同聚集带20上的红血球在容器22的器壁汇合一并下沉。根据流体力学的原理，下降的悬浮颗粒在遇到与水平面成非90度的承接面时，不管该承接面与超声换能器间的相对位置如何，都将因聚集作用而加速沉降，显然这样的流场将有助于红细胞与血浆的分离。
图2D至图2F中，24为圆台形反射壁，23为圆柱形容器且内、外壁间呈单弧形楔状，红血球在形成平行于反射壁24的聚集带25后开始沉降，遇到容器23的器壁(内壁及外壁)则沿器壁下沉。
图2G至图2H中，27为圆柱形反射壁，26为圆弧形容器且内、外壁间呈双弧形楔状，红血球在形成平行于反射壁27的聚集带28后开始沉降，遇到容器26的器壁(内壁及外壁)则沿器壁下沉。
显然，根据图2可以看出，合理的流场可以通过适当调整容器器壁、反射壁与水平面间的角度关系，或者令容器器壁呈弧形楔状而达到。
5)本发明的技术可以使不同水平面上的功率密度不一样，以适用于不同的场合，悬浮颗粒在沉降的过程中，容器底部的颗粒逐渐增多，由此带来两种影响：其1是，密度加大使超声的衰减、反射增大，相对减弱了驻波场的作用；其2是底部逐渐增厚的聚集带受到愈来愈大的超声驻波场力的作用。对于其1，显然应在底部增大超声的功率密度，而对其2则应适当减小底部超声的功率密度。
一般而言，如果悬浮颗粒密度大、对超声的衰减大则应使底部的功率密度增大；如果悬浮颗粒对超声的衰减较之悬浮液更小，则应使底部的功率密度减小。显然，正圆台形的超声换能器具有功率密度上小下大的特点；而对于圆柱形的超声换能器，显然倒圆台形的容器内具有功率密度上小下大的特点。
图3A至图3L中示出反射壁、超声换能器与容器的各种组合形式中容器具有的功率密度情况，其中容器基本上采用了楔状结构以利于采集，不同的组合形式可适用于不同的场合。其中31表示圆柱形超声换能器，32表示正圆台形超声换能器，33表示倒圆台形超声换能器，34表示圆柱形反射壁，35表示正圆台形反射壁，36表示倒圆台形反射壁，37表示周缘为正圆台形、底部为非平板式的反射壁，38表示各种夹层为弧形楔状的容器。
图3所示的各种形式中，D、F、I所示的容器38具有功率密度上大下小的特点，B、G、H所示的容器38具有功率密度上小下大的特点，而A、C、E、J、K、L所示的容器38具有功率密度上下同样大小的特点。
一般来说，如果忽略了折射、绕射等效应，驻波波节或波腹面的形状将与反射壁相同，所以，容器与反射壁的相对方位决定了悬浮颗粒聚集带在容器中的位置和方向，利用该现象就可以改变容器中的流场，从而加速悬浮颗粒的沉降。而圆台形超声换能器的发射面与反射壁的反射面间的夹角则决定了驻波波节或波腹面的空间周期，不同的空间周期对分离是有不同影响的，在一定范围内，空间周期越大，沉降速度越快。图3仅例举出几种组合结构，显然还可以有许多种不同的组合，如将图3A至图3L所示的形状倒置，就形成适合于其它场合应用的组合结构。
下面结合实施例及附图进一步说明本发明的技术。
图1A、图1B是超声换能器发射面与反射壁反射面间的夹角与超声驻波空间周期间关系的示意图
图2A至图2H是容器设计及其与反射壁的相对关系与流场间关系的示意图
图3A至图3L是超声换能器、反射壁与容器不同形式的组合结构及其与功率密度关系的示意图
图4、图5分别是由超声换能器、容器与反射壁组成的血液分离装置的两种立体组合结构示意图
图6是一种血液分离系统的结构及管路连接示意图
图7是血液分离系统中血液分离及电信号处理的系统框图
图8A至图8F分别是盛待分媒体容器的立体结构示意图
图9是一种从气相中分离粉尘的设备结构示意图
图1至图3的说明前已述及，不再赘述。
参见图4，是一种由圆台形超声换能器40、圆台形盛待分血液的容器42及圆台形反射壁43组成的血液分离装置，图中41为气体出口，44为悬浮颗粒出口。图4所示装置的特点是：反射壁43的反射面与超声换能器40的发射面呈平行关系。容器42选择与血液的声阻尽可能一致的材料，如聚乙烯或聚氯乙烯，在超声换能器40与容器42之间、在容器42与反射壁43之间可充满匹配液，如5％的氯化钠溶液。
超声换能器40的高度为5cm，上端为1.8cm，下端为2.5cm，采用厚度振动模式，频率为2.0MHz。容器42的高度h略高于5cm，容器内、外壁间夹层的厚度为2.5cm，平均内径r1＝9.7cm，平均外径r2＝12.2cm。这样每次可分离的血液量U＝(12.22-9.72)πh＝860ml。
在盛血容器42的顶部设置气体出口41，供在注入血液时排出容器内的气体。反射壁43应选用与其中(反射壁43与容器42的外壁间)媒介，如水的声阻差别尽量大的材料，如不锈钢。
超声换能器40、盛血容器42及反射壁43由内而外同心地排放，反射壁43与超声换能器40间的垂直距离可以是半波长的整数倍，从而可构成一个共振腔，但也可以不是。在本实施例所选定的频率下，反射壁43的内壁与超声换能器40轴心间的距离是14cm。
在本实施例中，超声换能器40所发射的超声功率密度为上小下大，从而可使底部的红血球更加密集，分离更为彻底，且上部的红血球又不致于在整个分离过程中受到过多的辐射。
超声换能器的驱动电路可以有多种选择，为防止频漂，还可增加自动频率跟踪电路。
当容器42内血液中的超声强度达到0.2w/cm2左右时，在3分钟甚至更短的时间里，即可完成960ml血液的分离。分离后的红血球可从悬浮颗粒出口44排出。
图4实施例的分离装置，通过适当改变各部分的尺寸，还可用于制药、食品工业。
参见图5，是一种由圆柱形超声换能器50、圆柱形盛待分血液的容器52及圆台形反射壁53组成的血液分离装置，图中51为气体出口，54为悬浮颗粒出口。与图4所示实施例的区别是：反射壁53的反射面与超声换能器50的发射面呈非平行关系，且圆柱形盛待分血液的容器52呈楔状，底部倾斜于水平面。
本实施例中，在圆柱形超声换能器50与圆柱形容器52之间、在圆柱形容器52与圆台形反射壁53之间也可充满匹配液，匹配液的声阻与血液的声阻相当。
本实施例的结构可以在空间上形成如图1A所示的驻波，θ是圆台形反射壁53的侧面与底面间的夹角。该结构的特点是：
由于红血球形成的聚集带与盛血容器的方向不一致，其红血球和血浆的分离过程及流场将如图2D中所示，红血球沿外侧壁流下，显然有利于沉降；驻波场的空间周期T较之垂直反射时的大，将有利于加速沉降，利用该特点一方面可适当加大驻波场的空间周期，另一方面又不会出现单纯降低频率时的情况，即在加大驻波场空间周期的同时又降低了空化阈值；由于盛血容器的底部呈楔状，可有利于红血球的采集回收；由于盛血容器的底部是斜切面，可提高从底部汲取血液时的效率。
参见图6，图中示出一种使用本发明分离装置的血液分离系统结构，图中100是超声分离部分，101是超声换能器，102是盛待分血液的容器，103是反射壁，104是血液进出口，105是辅助进出口，110是蠕动泵，120是集液袋，121是集液袋控制阀，130是冲洗液袋，131是冲洗液控制阀，140是血液采集袋，141是血液采集控制阀，150是过滤器，151是滤液控制阀，152是外壳，153是滤网，154与155分别是血液的进出口，156是抽真空接口，157是吸引导管，160是抗凝剂袋，161是导管，170是吸管。
参见图7，图中示出使用本发明装置的血液系统的原理框图，包括血液汲取装置201，过滤装置202，泵血装置203，分离装置204，血液回输系统205，控制系统206和检测系统207。图中实线箭头表示血液管路，血液从血液汲取装置201依次进入过滤装置202，泵血装置203，分离装置204和血液回输系统20。虚线箭头表示电信号通路，其中控制系统206向检测系统207、泵血装置203，分离装置204及血液回输系统205发出控制信号，检测系统接收来自泵血装置203，分离装置204和血液回输系统20的回授信号，控制系统206接收来自控制系统207的回授信号。
参见图8A至图8F，图中示出各种盛待分媒体容器的形状。一般来说，如果待分媒体对超声的衰减大，则容器的直径应当小。图8A所示为圆柱形容器；图8B所示为圆台形容器；图8C所示为倒圆台形容器；图8D所示为圆柱形容器但夹层底部呈楔形，可有利于分离后的红血球的采集；图8E所示容器基本为圆台形，但容器的内、外壁不是平行的，形成楔状，该结构所形成的流场将有利于分离；图8F所示容器基本为圆柱形，但容器的内、外两壁呈楔状，且底部有斜切面造形，可有利于采集，如可在0点开口。
参见图9，是一种从气相中分离粉尘的设备。在倒圆台形超声换能器90的外侧设有起保护及匹配作用的环氧树脂保护层(保护膜或匹配层)201，可直接与气体接触。图中60、80为缓冲层，50为采集容器，70为不锈钢反射板。其中的分离部分可类比于图3中的各种造形，而可以有许多种结构形式，如采用圆柱形超声换能器和圆台形反射壁等。
由于超声柱面波具有极好的对称性，在水平面上不存在水平方向的旁瓣，因而没有多次反射带来的干扰，故其分离效果优于平面波，这对处理气体非常有利。
待处理的气体由入口导管61进入缓冲区60，再进入超声换能器90与反射壁70间的分离区，微尘在分离区受到驻波场的作用后，形成团块，随后在重力作用下下沉，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，也可以增加多个入口和出口，当然也可采用断续式分离。
倒圆台形超声换能器90同心地置于倒圆台形的分离区中，超声换能器90外所设置的一定厚度的匹配层201，可提高分离空间的有效性，达到声匹配，同时也可减少气体中腐蚀性物质对超声换能器90的腐蚀。
超声换能器的最佳工作频率视气体中悬浮颗粒的大小而定。悬浮颗粒愈小超声频率应愈高。如，当气体中的悬浮颗粒为碳墨微粒、其直径为1μm至10μm时，则超声换能器的最佳工作频率为21KHz。一般来说，在这样的工作频率下，超声换能器90也可在径向振动的模式下工作。
本发明在实施时，也可将超声换能器由圆管形变为圆弧形，若在平板式超声换能器之前加一柱面声透镜，仍能产生柱面波，获得本发明带来的好处。也可将超声换能器由圆柱形或圆台形改为椭圆柱形或椭圆台形或侧壁曲率呈连续变化的形状。在圆柱形超声换能器上还可加上适当的声透镜，而使超声驻波场的波前与中心轴成一定角度。
匹配液的选择也有多样，如水、5％的氯化钠溶液等，只要求该匹配液的声阻尽量与待分媒体的声阻一致。
本发明的容器应采用尽量薄且声阻尽量与待分媒体的声阻一致的材料。
本发明反射壁的用材可以是铁、铜、铝等声阻较大的材料，也可由容器的外侧壁构成反射壁，如由空气和聚乙烯所构成的界面就是一个很好的反射界面。
本发明除了可在超声换能器上加上保护膜或匹配层外，还可在由反射壁构成的容器内壁上加上防腐层，如很薄的聚四氟乙烯等。
按照本发明的构思，显然还可以使超声换能器、容器、反射壁三者的侧壁彼此不平行，如彼此相差一定角度，也能达到本发明的目的。实施时，在盛待分媒体的容器上，于适当高度处开设一个或多个小孔，以汲取分离后的清液，容器也可以不是闭合的，如成C形，以便于拆装，超声的辐射功率也可经过适当的调制，以提高分离效率。
Claims (7)
1.一种利用超声分离悬浮颗粒的仪器，包括超声换能器驱动电路、超声换能器、用于反射超声的反射壁和用于盛待分媒体的容器，容器由内壁及外壁构成夹层状，超声换能器、容器和反射壁按上述顺序由内而外成环形设置，三者的中心轴与水平面垂直并相互重合，其特征在于：所述超声换能器、容器的内壁及外壁和反射壁中至少有一个的侧壁倾斜于所述的水平面。
2.根据权利要求1所述的利用超声分离悬浮颗粒的仪器，其特征在于：所述容器的内、外壁夹层间呈楔状。
3.根据权利要求2所述的利用超声分离悬浮颗粒的仪器，其特征在于：所述容器内、外壁夹层间的楔状是上厚下薄的圆弧形楔状。
4.根据权利要求1所述的利用超声分离悬浮颗粒的仪器，其特征在于：所述超声换能器、容器和反射壁中至少有一个为圆台形或圆柱形或圆弧形。
5.根据权利要求1所述的利用超声分离悬浮颗粒的仪器，其特征在于：所述容器的底部倾斜于所述的水平面，底部是斜切面。
6.根据权利要求1所述的利用超声分离悬浮颗粒的仪器，其特征在于：在所述的超声换能器与容器之间、在容器与反射壁之间还充满有匹配液，匹配液的声阻与待分媒体的声阻相当。
7.根据权利要求1所述的利用超声分离悬浮颗粒的仪器，其特征在于：所述的超声换能器外还设置有环氧树脂保护膜或匹配层。
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