CN1110929A - 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方法和装置。该装置包括一个 换能器驱动电路，一个换能器，和一个反射壁(如果系 用于液相媒体分离，则通常还需要盛放液体的容器)， 其特征在于：换能器采用圆台形结构或圆柱形结构， 反射壁以及呈夹层状的容器也采用同样结构或与换 能器成某种对应关系的结构，三者同轴水平地放置， 于是在换能器与反射壁之间的区域存在一个相对区 域很大的驻波声场，由于反射波具有向圆心方向汇聚 的作用，从而补偿了反射波在待分媒体中的衰减。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方法和装置，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。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1M，超声频率2.7MHz），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声或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，用于反射超声、与换能器形状相同或成某种对应关系的反射壁，以及相同形状或与换能器、反射壁成某种对应关系的盛待分媒体的容器（也可以不要）。其特征在于采用圆弧形或圆管形或圆台形的超声换能器、反射壁和盛待分媒体的容器，并令其中心轴相互重合。而彼此的侧面则相互之间成一定的角度。这样在换能器和反射壁之间就形成了特定形状的驻波。

本发明的设计具有如下特点：

第一，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，本发明的装置可在大约3分钟内分离数百毫升血液，完全可满足临床之需；

第二，待分物体受到的超声辐射达到了最小，因而特别适用于血液分离。由换能器发出的超声波是超声柱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，适当调整盛血容器的厚度和直径可以使反射波这种汇聚作用最大程度地抵销其在血液中的衰减，从而使作用区域内的反射波均匀，继而有驻波场的均匀，所以本专利能够采用较小的功率分离血细胞，使红细胞免受不必要的超声辐射，提高血液制品的质量；

第三，本专利可以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其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沉降，但降低频率会使空化阈值也跟着降低，而空化是对红细胞有着严重破坏的，因此，频率的降低在实际应用中受到了一定的限制，本专利的设计在超声频率不变的情况下，可以在很大和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。图1示出了两种情况下换能器发射面与反射壁之间的夹角同超声驻波空间周期之间的关系，同时还示出了驻波存在的区域。由图可以看到空间周期可以在波长不变的情况下通过改变夹角而加大。这里所讲的驻波是通常意义下驻波概念的外延，它实际上是非正向相对的入射波和反射波的叠加和干涉，由图可知，当夹角为零时即是通常所说的驻波；

第四，容器的设计及其与反射壁的相对关系使分离过程具有更加合理的流场。如所周知，悬浮颗粒的沉降受到流场的很大影响。本专利对此予以了充分的考虑，在流场的设计上有着很突出的特点。图2是对这些设计的详细说明。图2（A）至图2（C）对应于圆柱形反射壁、圆台形容器的情形，血细胞在形成聚集带之后开始沉降，遇到容器器壁后则沿器壁下沉，处于不同聚集带上的红细胞在容器的侧壁汇合，一并沉降，依据流体力学原理，显然这样的流场将有助于红细胞与血浆的分离。图2（D）至图2（H）示出了其它情形下的沉降过程和流场。根据图2，显然，可以看出，合理的流场可以通过适当调整容器器壁、反射壁以及水平面三者之间的角度关系，或者令容器器壁呈一楔状而达到；

第五，本专利的设计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。悬浮颗粒在沉降过程中其底部的颗粒密度逐渐加大。由此带来两种影响（1）密度加大使超声的衰减、反射增大，相对减弱了驻波场作用；（2）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（这种力在空间上呈周期性）。对于（1）显然应在底部增大超声的功率密度；而对于（2）则应适当减小。一般而言，如果颗粒密度大、对声的衰减大则应使底部的功率密度大；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密度小。考虑不同水平上相距中心轴一定距离的各点，显然，正圆台形的换能器具功率密度上小下大的特点，而对于圆柱形的换能器，显然倒圆台形的容器内具有功率密度上小下大的特点。在图3所示的各种形式中（D）、（F）、（I）所示的容器具有功率密度上大下小的特点，（B）、（G）、（H）则属于上小下大，而（A）、（C）、（E）、（J）、（K）、（L）则是上下同样大小。

下面将结合几个实施例具体介绍本发明。

图1为超声换能器、反射壁不同相对关系下驻波区域及其空间周期的示意图。其中：

（A）：对应于圆柱形超声换能器和圆台形反射壁的情形，图中示出了驻波场的空间周期。

（B）：对应于圆台形超声换能器和圆柱形反射壁的情形，图中示出了驻波场的空间周期。

类似地容易理解圆台形超声换能器和反射壁（无论平行或不平行）的情形。

图2（A）、（B）和（C）是圆柱形反射壁、圆台形容器的情形下悬浮颗粒沉降的过程及对应的流场。（D）、（E）是圆台形的反射壁、圆柱形容器（底部呈楔形）所对应的悬浮颗粒沉降过程及流场。

（F）、（G）是圆台形反射壁、楔形容器所对应的沉降过程和流场。

（H）是圆台形反射壁、楔形容器所对应的流场。

图3是超声换能器反射壁和待分媒体容器的几种不同形式组合的侧视图，它们的容器部分基本上都采用了楔状结构以利于采集。这些不同的构造可适于不同的场合。一般来讲，如果忽略了折射，绕射等效应，驻波波节（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，利用这一点可以改变容器中流场从而加速沉降。超声换能器的圆台面与反射面之间的夹角则决定了驻波波节（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，沉降速率也越快。图3所画出的只是几种构形，显然还可以有许多不同的组合比如将图3所画的示意图倒置即可得到不同的一些组合，它们可适用于另外一些场合。

图4是一种血细胞分离装置的示意图。其中：20是圆台形超声换能器；30是圆台形盛待分媒体的容器；40是圆台形反射壁；31是颗粒的出口。

图5与图4相似，只是盛待分媒体的容器为圆柱形，超声换能器为圆柱形，而反射壁则为圆台形。

图6是一种血液分离装置的系统管路示意图。其中：100是超声分离部分；101是换能器；102是容器；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和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。

图7是系统框图。其中201是血液汲取装置，202是过滤装置，203是泵血装置，204是分离装置，205是血液回输系统，206是控制系统，207是检测系统。

图8是待分媒体容器的几种形式，一般而言，如果待分媒体对超声的衰减大则容器的跨度应当小。图8中：

（A）：圆柱形的容器

（B）：圆台形的容器。

（C）：倒圆台形的容器

（D）：形同圆柱形，但底部呈楔形，这将有利于分离后的采集。

（E）：整个容器的两壁不是平行的，形成楔状，这样的造形所形成的流场将有利于分离。

（F）：容器的内外两壁呈楔状，且底部呈斜切面的一种造形，它有利于采集，比如可在O点开口。

图9是一种从气相中分离粉尘的设备示意图。在超声换能器的外侧有一起着保护和匹配作用的层结构，它可直接与气体接触。类比于图3的各种造形，显然它也可以有许多种形式，比如可以采用圆柱形超声换能器和圆台形反射壁的结构。

下面结合图4、图5和图9所示的几个实施例对本发明作进一步的具体说明。

实施例1：

图4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。其间充满了匹配液，如5%的氯化钠溶液。

超声换能器的高度为5cm，上端为1.8cm，下端为2.5cm，采用厚度振动模式，频率为2.0MHz。血容器30的高度H略高于5cm，夹层的厚度为2.5cm。平均内径rl=9.7cm，平均外径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为反射壁所构成，显然应选用与其中媒介（例如水）的声阻差别尽量大的材料，本实施例选择了不锈钢。

本实施例中，换能器20、反射壁40以及盛血容器30平行地排放。反射壁与换能器的垂直距离可以是半波长的整数倍，这样可以构成一个共振腔，但也可以不是，在本实施例所选定的频率下，反射内壁与换能器轴心的距离为14cm。

在本实施例中换能器所发射的超声功率密度为上小下大，这样就可以使底部的血球更加密集，分离更加彻底，而上部的血球又不致于在整个分离过程中受到过多的辐射。

换能器的驱动电路可有多种选择，为了防止频漂，还可以加自动频率跟踪电路。

当容器30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。

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。当然在这些领域中可以适当改变分离装置的各部分的尺寸大小。

实施例2：

图5所示为本发明的又一实施例。它与实施例1的区别在于反射壁与换能器呈一种非平行的关系。盛血容器则呈楔状，底部呈略微倾斜。

在这一实施例中超声换能器采用圆柱形，反射壁的形状则采用圆台形，在换能器、反射壁、容器之间充满了匹配液，它与血液的声阻相当。这样的排布方法可以在空间上形成如图1（A）所示的驻波，其空间周期为λ/（1-COSθ），式中λ是波长，θ是圆台的侧面与底面之间的夹角。这一排布有如下几个特点：第一，血细胞形成的聚集带与盛血容器的方向不一致，这样血球和血浆的下降过程和流场将如图2（D）所示，血球沿外侧壁流下，显然这有利于沉降；第二个特点在于驻波场的空间周期较之垂直反射的空间周期为大，这是有利于加速沉降速度的。利用这一点一方面可以适当加大驻波场的空间周期，另一方面不会象单纯降低频率以加大驻波场空间周期那样同时降低空化阈值。第三个特点在于盛血容器的底部呈楔状，这样有利于采集回收；第四个特点在于盛血容的底部呈斜切面，这样在从底部汲取血液时效率更高。

实施例1和2仅仅是本专利的两种形式，事实上它还可以有多种多样的形式。图8示出了几种盛血容器的形式，而图3则示出了换能器、反射壁和容器的几种排布方法，这里所画的仅是侧视图。

实施例3：

图9所示为本发明一种除尘装置的示意图。

超声柱面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，故它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9所示，本分离装置由倒圆台形换能器20、缓冲层60、采集容器50、不锈钢反射板70等构成。

待处理的气体由入口导管61进入缓冲区60，再进入换能器与反射壁之间的分离区。微尘在分离区受到驻波场的作用后，形成团块，随后下沉，被采集容器收集。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。

倒圆台形换能器20同心地置于倒圆台形分离区中。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；达到声匹配，同时也可减小气体中的腐蚀性物质对换能器的腐蚀。

换能器的最佳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，其直径为1μm至10μm，则换能器的最佳声频率为21KHz。一般来说，在这样的频率下，换能器20也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，换能器由圆管形变为圆弧形，在平板式换能器之前加一柱面声透镜，则仍然能够产生柱面波，同样会得到本专利所带来的好处。匹配液的选择也多种多样，只要求该媒介的声阻与待分液体的声阻尽量一致。满足该条件的最普通的有水，5%NaCl溶液等。容器应采用尽量薄且声阻尽量与待分液体一样的材质制成。反射壁的材料也可以是铁、铜、铝等声阻较大的材料，反射壁还可以由盛血容器的外侧壁构成，比如空气和聚乙烯所构成的界面就是一个很好的反射界面。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换能器也属于本发明的构思。在圆柱形换能器上也可以加上适当的声透镜使声场的波前与中心轴成一定角度，显然这种构形也属于本发明的构思。在换能器上加上保护膜或匹配层也自然属于本发明的构思。为了防止腐蚀，在反射壁所构成的容器内壁上也可以加上防腐层，如很薄的聚四氟乙烯等。依据本专利显然还可以使换能器、容器、反射壁三者的侧壁彼此互不平行，比如彼此相差一个角度而达到同样的目的。在电路上也可有各种形式，比如加上频率自动跟踪等。盛待分媒体的容器也可以在其适当的高度上开一个或多个小孔以使上清液在分离之后易于汲取。此外盛血容器也可以不是闭合的，如呈C形以便容易拆装。超声的辐射功率也可以经过适当的调制以提高分离效率。

Claims (9)

1、一种用于分离血液的装置，包括一个换能器驱动电路、超声换能器、反射壁、血容器，其特征在于：换能器、反射壁、容器可以各自呈圆柱形圆台形或倒圆台形的形状，三者可以构成不同的组合，中心轴与水平垂直，并相互重合。

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、根据权利要求1所述，其特征在于盛待分媒体容器的内外壁构成楔状，呈上厚下薄的形状；

6、根据权利要求1所述，其特征在于盛待分媒体容器的底部与水平成一夹角；

7、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，其特征在于：换能器、反射壁（及容器）可各自呈圆柱形、圆弧形、圆台形，三者可以构成不同的组合。

8、根据权利要求7所述的装置，其特征在于：匹配层为环氧树脂材料。

9、根据权利要求7所述的装置，反射板是不锈钢板。

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