KR102299927B1 - 다-차원 정상파를 사용한 음향영동 분리 기술 - Google Patents
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Abstract
음향영동에 대해 향상된 트랩핑 력을 갖는 시스템이 기술되어 있고 여기서 상기 트랩핑 력은 초음파 트랜듀서의 주파수의 조정에 의해 향상된다. 트랜듀서는 세라믹 크리스탈을 포함한다. 크리스탈은 유체 유동에 직접적으로 노출될 수 있다. 크리스탈은 보다 고 Q 팩터를 초래하는 공기 지지제일 수 있다.
Description
본 출원은 2012년 03월 15일에 출원된 미국특허 가출원번호 61/611,159, 2012년 03월 15일 출원된 미국 가출원번호 61/611,240, 및 2013년 01월 21일 출원된 미국 가출원번호 61/754,792를 우선권 주장하고 있는 2013년 3월 15일 출원된 미국특허 출원번호 13/844,754의 CIP 출원이다. 이들 출원은 참조를 위해 본 명세서에 모두 통합되어 있다.
음향영동(Acoustophoresis)은 고 강도 음파를 사용하여 파티클을 분리한다. 소리의 고 강도 정상파는 파티클에 힘을 가할 수 있다고 오래전부터 알려졌다. 정상파는 시간 내내 "현상 유지"를 나타내는 압력 프로파일을 갖는다. 정상파에서의 압력 프로파일은 고 압력(파절(node))의 영역으로부터 저 압력(파복(anti-node))의 영역으로 변한다. 정상파는 음향 공진기에서 만들어진다. 음향 공진기의 공통의 실시예에는 오르간 파이프, 플룻, 클라리넷 및 호른과 같은 많은 관악기가 포함된다.
지속가능한 환경을 촉진시키기 위하여, 임의의 폐물을 제거하고 요구되는 에너지를 감소시키는, 다중-성분의 액체 스트림에 대한 효율적인 분리 기술이 요구된다.
본 발명은 바람직하게는 대규모로 음향영동을 실시하기 위한 시스템 및 장치에 관한 것이다. 본 장치는 본 명세서에 기재된 바와 같은 하나 이상의 유일무이한 초음파 트랜듀서나, 또는 이러한 트랜듀서의 어레이를 사용한다. 트랜듀서는 다-차원 정상파를 만드는 주파수에서 구동된다.
여러 실시예에 있어서, 기기는 적어도 하나의 유입구 및 적어도 하나의 유출구를 갖는 유동 챔버를 포함하여 개시되어 있고, 상기 유동 챔버를 통한 주요 유체와, 제 2 유체 및 미립자 중 적어도 하나의 혼합물이 유동된다. 적어도 하나의 초음파 트랜듀서가 유동 챔버의 벽부에 묻히거나(embed) 상기 유동 챔버의 벽부 외측에 위치되고 그리고 다-차원 정상파를 유동 채널에 만들기 위하여 고차 모드에서 상기 트랜듀서를 구동시키는 초음파 주파수의 진동하는, 주기적, 변조된, 또는 펄스식 전압 시그널에 의해 구동된다. 트랜듀서는 세라믹 크리스탈이나, 또는 특정 진동 특성을 갖는 여러 압전기 소재를 포함한다. 고체 또는 가요성 반사기가 트랜듀서로부터 유동 챔버의 맞은편 측에서의 벽부에 위치된다. 본 기기는 환형 공간(plenum)으로 공급하는 기기 유입구뿐만 아니라 상기 기기의 상이한 벽부에 위치된 두 개의 유출구를 더 포함할 수 있다.
여러 실시예에 있어서, 주요 유체를 제 2 유체 및/또는 미립자 중 적어도 하나와 분리시키는 방법이 개시되어 있다. 본 방법은 공진기 및 수집 포켓이나 포트를 구비한 유동 챔버로 주요 유체를 유동시키는 단계와, 상기 공진기로써 다-차원 특성의 정상파를 만들고 제 2 유체 및/또는 미립자 중 적어도 하나를 상기 수집 포켓에 수집하기 위하여, 진동하는, 주기적, 변조된, 또는 펄스식 전압 시그널으로써 트랜듀서를 구동시키는 단계를 포함한다.
여러 다른 실시예에 있어서, 본 기기는 적어도 하나의 유입구 및 적어도 하나의 유출구를 갖는 유동 챔버를 포함하고 그리고 상기 유동 챔버를 통해 제 2 유체 및 미립자 중 적어도 하나와 주요 유체의 혼합물이 유동된다. 복수의 초음파 트랜듀서는 상기 유동 챔버의 벽부에 묻히거나 또는 상기 유동 챔버의 벽부 외측에 위치된다. 트랜듀서 각각은 다-차원 정상파를 유동 채널에 만들기 위하여, 고차 모드의 진동에서 트랜듀서를 구동시키는 초음파 주파수의 진동하는, 주기적, 변조된, 또는 펄스식 전압 시그널에 의해 구동되는 세라믹 크리스탈이나 또는 여러 압전기 소재를 포함한다. 고체 또는 가요성 반사기가 트랜듀서로부터 유동 챔버의 맞은편 측에서의 벽부에 위치된다. 본 기기는 환형 공간으로 공급하는 기기 유입구뿐만 아니라 상기 기기의 상이한 벽부에 위치된 두 개의 유출구를 더 포함할 수 있다.
이들 여러 예시적인 특징은 아래에서 더욱 상세하게 기재되어 있다.
아래에서는 도면의 간단한 설명이 기재되어 있고, 이들 도면은 본 명세서에 개시된 예시적인 실시예를 설명하기 위한 목적으로 첨부되었으며 도시된 사항만으로 한정되지 않음을 알 수 있을 것이다.
도 1a는 주요 유체보다 저 밀도의 제 2 유체나 파티클을 갖는 음향영동 분리기의 작동을 나타낸 다이어그램이다.
도 1b는 주요 유체보다 고 밀도의 제 2 유체나 파티클을 갖는 음향영동 분리기의 작동을 나타낸 다이어그램이다.
도 2a는 음향 장이 존재하지 않을 때 조린 비파 파티클 크리 분석기(Jorin ViPA Particle Size Analyzer)로써 만들어진 세포 크기 분포를 나타낸 도면이다. 수평방향 축선은 크기 분류로서, micron 단위이고, 그리고 수직 축선은 볼륨으로 샘플링된 파티클의 퍼센트이다.
도 2b는 음향 장이 존재했을 때 조린 비파 파티클 크기 분석기로써 만들어진 세포 크기 분포를 나타낸 도면이다. 수평방향 축선은 크기 분류로서, micron 단위이고, 그리고 수직 축선은 볼륨으로 샘플링된 파티클의 퍼센트이다.
도 3은 복수의 트랜듀서를 갖는 음향영동 분리기를 나타낸 도면이다.
도 4a는 도 3의 분리기에서의 유입구로서 사용된 디퓨터의 상세한 도면이다.
도 4b는 도 3의 분리기로써 사용될 수 있는 대안적인 유입구 디퓨터의 상세한 도면이다.
도 5는 종래의 초음파 트랜듀서의 단면도이다.
도 6은 종래의 트랜듀서의 마모 플레이트의 도면이다.
도 7a는 본 발명의 초음파 트랜듀서의 단면도이다. 공기 갭이 트랜듀서 내에 존재하고, 그리고 지지제 층이나 마모 플레이트가 존재하지 않는다.
도 7b는 본 발명의 초음파 트랜듀서의 단면도이다. 공기 갭이 트랜듀서 내에 존재하고, 그리고 지지제 층 및 마모 플레이트가 존재한다.
도 8은 도 9 및 도 11-도 17을 만들도록 시뮬레이트된 음향영동 분리기의 컴퓨터 모델이다.
도 9a-도 9d는 음향영동 분리기 내의 파티클 상의 힘의 시뮬레이션을 나타낸 도면이다. 도 9a는 단 하나의 정상파에 대한 축선방향 힘을 나타낸 도면이다. 우측 눈금의 텍스트는 "x10-11"이다. 도 9b는 단 하나의 정상파에 대해 측방향 힘을 나타낸다. 우측 눈금의 텍스트는 "x10-13"이다. 도 9c는 다중-모드 여기에 의한 축선방향 힘을 나타내고 있다. 우측 눈금의 텍스트는 "x10-10"이다. 도 9d는 다중-모드 여기에 의한 측방향 힘을 나타낸 도면이다. 우측 눈금의 텍스트는 "x10-11"이다. 모든 도면에 대해, 수평방향 축선이 챔버 내에서 도 8의 X-축선에 따른 위치(인치)이고, 그리고 수직 축선은 상기 챔버 내에서 도 8의 Y-축선에 따른 위치(인치)이다. 각각의 도면의 우측의 눈금은 뉴튼 단위이다.
도 10은 크리스탈에서의 모드 형상 변위를 나타낸 시뮬레이트 된 크리스탈의 도면이다. X-축선에 대한 텍스트는 "x10-3"이다. z-축선에 대한 텍스트는 "x10-3" 및 "x10-4"을 포함한다.
도 11-도 17은 음향영동 분리기 내의 파티클 상의 힘의 부가적인 시뮬레이션을 나타낸 도면이다. 수평방향 축선은 챔버 내에서 도 8의 X-축선에 따른 위치(인치)이고, 그리고 수직 축선은 상기 챔버 내에서 도 8의 Y-축선에 따른 위치(인치)이다. 우측의 눈금의 단위는 도 13을 제외한 모든 도면에 대해 뉴튼(N)이다. 도 13에 있어서, 우측 눈금의 단위는 파스칼(Pa)이다.
도 11에서의 우측 눈금의 텍스트는 "x10-10"이다.
도 12에서의 우측 눈금의 텍스트는 "x10-10"이다.
도 13에서의 우측 눈금의 텍스트는 "x106"이다. 위쪽을 향하는 삼각형에 의한 상부의 텍스트는 "2.5166x106"이다. 아래쪽을 향하는 삼각형에 의한 하부의 텍스트는 "507.16"이다. 이들 두 개의 삼각형은 이러한 도면에 도시된 최대 값 및 최소 값을 나타내고 있다.
도 14에서의 우측 눈금의 텍스트는 "x10-12"이다. 위쪽을 향하는 삼각형에 의한 상부의 텍스트는 "4.3171x10-10"이다. 아래쪽을 향하는 삼각형에 의한 하부의 텍스트는 "-4.3171x10-10"이다. 이들 두 개의 삼각형은 이러한 도면에 도시된 최대 값 및 최소 값을 나타내고 있다.
도 15에서의 우측 눈금의 텍스트는 "x10-11"이다. 위쪽을 향하는 삼각형에 의한 상부의 텍스트는 "2.0156x10-9"이다. 아래쪽을 향하는 삼각형에 의한 하부의 텍스트는 "-2.0058x10-9"이다. 이들 두 개의 삼각형은 이러한 도면에 도시된 최대 값 및 최소 값을 나타내고 있다.
도 16에 있어 우측 눈금의 상부 텍스트는 "x10-12"이다. 위쪽을 향하는 삼각형에 의한 상부의 텍스트는 "1.4606x10-10"이다. 아래쪽을 향하는 삼각형에 의한 하부 텍스트는 "-1.4604x10-10"이다. 이들 두 개의 삼각형은 이러한 도면에 도시된 최대 값 및 최소 값을 나타내고 있다.
도 17에 있어 우측 눈금의 상부 텍스트는 "x10-11"이다. 위쪽을 향하는 삼각형에 의한 상부 텍스트는 "4.0239x10-10"이다. 아래쪽을 향하는 삼각형에 의한 하부 텍스트는 "-4.4353x10-10"이다. 이들 두 개의 삼각형은 이러한 도면에 도시된 최대 값 및 최소 값을 나타내고 있다.
도 18은 파티클 크기에 대한 음향 방사력, 부력, 및 스토크스의 항력(Stokes' drag force)의 관계를 나타낸 그래프이다. 수평방향 축선의 단위는 micron(㎛)이고 그리고 수직 축선의 단위는 뉴튼(N)이다.
도 19는 음향영동 분리기에서 사용하기 위한 정사각형 트랜듀서 및 원형 트랜듀서의 도면이다.
도 20은 상이한 주파수에서 구동된 정사각형 트랜듀서에 대한 전기 임피던스 크기 대 주파수의 그래프이다.
도 21a는 유체 유동에 수직한 방향으로부터의 도 20의 7개의 피크 크기에 대한 트랩핑 라인 구성을 나타낸 도면이다.
도 21b는 분리기를 나타낸 사시도이다. 유체 유동 방향 및 트랩핑 라인이 도시되어 있다.
도 21c는 파티클이 포집되는 정상파의 트랩핑 파절을 나타내는, 도 21b의 유체 유동 방향(화살표 114)에 따른 유체 유입구로부터 본 도면이다.
도 21d는 도 21b에 도시된 바와 같이 화살표 116에 따른, 트랩핑 라인 구성에서의 트랜듀서 면을 통해 취해진 도면이다.
도 22는 오일-물 에멀젼을 위한 트랜듀서의 다중-모드 변위에 의해 만들어진 정상파의 9개의-트랩핑-라인 구성의 도면이다.
도 23은 9개의-트랩핑-라인 구성 중 위쪽 3개의 트랩핑 라인을 나타낸 도 22의 줌-인 도면이다.
도 24는 음향 압력 크기(우측 눈금은 Pa 단위) 및 트랜듀서 면외 변위(좌측 눈금은 미터 단위)의 컴퓨터 시뮬레이션이다. 좌측 눈금의 상부 텍스트는 "x10-7"이다. 위쪽을 향하는 삼각형에 의한 좌측 눈금의 상부 텍스트는 "1.473x10-6"이다. 아래쪽을 향하는 삼각형에 의한 좌측 눈금의 하부 텍스트는 "1.4612x10-10"이다. 우측 눈금의 상부 텍스트는 "x106"이다. 위쪽을 향하는 삼각형에 의한 우측 눈금의 상부 텍스트는 "1.1129x106"이다. 아래쪽을 향하는 삼각형에 의한 우측 눈금의 하부 텍스트는 "7.357"이다. 삼각형은 주어진 눈금에 대한 상기 도면에서의 최대 값 및 최소 값을 나타내고 있다. 수평방향 축선이 챔버 내에서 도 8의 X-축선에 따른 위치(인치)이고, 그리고 수직 축선은 상기 챔버 내에서 도 8의 Y-축선에 따른 위치(인치)이다.
도 25 및 도 26은 트랜듀서 어레이 구성을 나타낸 도면이다.
도 27a는 도 23 및 도 24의 트랜듀서로써 사용하기 위한 부력있는 소재를 분리하기 위한 음향영동 분리기의 도면이다.
도 27b는 윤곽형성된 노즐 벽부(129) 및 수집 덕트(137)의 교차부 근방에서의 유체 유동의 확대도이다.
도 28은 트랜듀서의 어레이에 의해 발생된 초음파의 음향 압력 크기의 컴퓨터 시뮬레이션이다.
도 29는 트랜듀서의 어레이에 의해 발생된 초음파에서의 오일 액적에 대한 트랩핑 라인을 나타낸 도면이다.
도 30은 트랜듀서의 어레이에 의해 발생된 초음파에서의 오일 액적에 대한 트랩핑 라인을 나타낸 도면이다.
도 31은 음향 압력 크기의 컴퓨터 시뮬레이션이다.
도 32는 대칭적인 램파 및 비-대칭 램파를 나타낸 도면이다.
도 33은 복합 파가 존재하는, 크리스탈의 면내 및 면외 변위를 나타낸 도면이다.
도 34는 직사각형 플레이트의 (1,1) 진동 모드를 나타낸 도면이다. 도 34a는 사시도이다. 도 34b는 플레이트의 길이에 따른 도면이다. 도 34c는 플레이트의 폭에 따른 도면이다. 도 34d는 (1,1) 모드에서 진동하는 직사각형 플레이트의 면내 변위 도면이다.
도 35는 직사각형 플레이트의 (1,2) 진동 모드를 나타낸 도면이다. 도 35a는 사시도이다. 도 35b는 플레이트의 길이에 따른 도면이다. 도 35c는 플레이트의 폭에 따른 도면이다.
도 36은 직사각형 플레이트의 (2,1) 진동 모드를 나타낸 도면이다. 도 36a는 사시도이다. 도 36b는 플레이트의 길이에 따른 도면이다. 도 36c는 플레이트의 폭에 따른 도면이다.
도 37은 직사각형 플레이트의 (2,2) 진동 모드를 나타낸 도면이다. 도 37a는 사시도이다. 도 37b는 플레이트의 길이에 따른 도면이다. 도 37c는 플레이트의 폭에 따른 도면이다.
도 38은 직사각형 플레이트의 (3,3) 진동 모드를 나타낸 도면이다. 도 38a는 사시도이다. 도 38b는 플레이트의 폭에 따른 도면이다. 도 38c는 플레이트의 길이에 따른 도면이다. 도 38d는 (3,3) 모드에서 진동하는 직사각형 플레이트의 면내 변위를 나타낸 도면이다.
도 39a는 (1,1) 진동 모드에서 물에 만들어진 압력 장을 나타낸 도면이다. 도 39b는 (2,2) 진동 모드에서 물에 만들어진 압력 장을 나타낸 도면이다. 도 39c는 (3,3) 진동 모드에서 물에 만들어진 압력 장을 나타낸 도면이다.
도 40a는 바이오-파르마 용도(Bio-Pharma application)에 사용된 음향영동 분리기의 분해도이다.
도 40b는 두 개의 음향 챔버의 스택된 음향영동 분리기의 분해도이다.
도 41a는 한 실험을 위해 벡크만 카울터 세포 생존능력 분석기(Beckman Coulter Cell Viability Analyzer)를 사용하여 미디엄(medium)으로부터 세포를 제거하는 효율을 나타낸 그래프이다.
도 41b는 다른 한 실험을 위해 벡크만 카울터 세포 생존능력 분석기를 사용하여 미디엄으로부터 세포를 제거하는 효율을 나타낸 그래프이다.
도 1b는 주요 유체보다 고 밀도의 제 2 유체나 파티클을 갖는 음향영동 분리기의 작동을 나타낸 다이어그램이다.
도 2a는 음향 장이 존재하지 않을 때 조린 비파 파티클 크리 분석기(Jorin ViPA Particle Size Analyzer)로써 만들어진 세포 크기 분포를 나타낸 도면이다. 수평방향 축선은 크기 분류로서, micron 단위이고, 그리고 수직 축선은 볼륨으로 샘플링된 파티클의 퍼센트이다.
도 2b는 음향 장이 존재했을 때 조린 비파 파티클 크기 분석기로써 만들어진 세포 크기 분포를 나타낸 도면이다. 수평방향 축선은 크기 분류로서, micron 단위이고, 그리고 수직 축선은 볼륨으로 샘플링된 파티클의 퍼센트이다.
도 3은 복수의 트랜듀서를 갖는 음향영동 분리기를 나타낸 도면이다.
도 4a는 도 3의 분리기에서의 유입구로서 사용된 디퓨터의 상세한 도면이다.
도 4b는 도 3의 분리기로써 사용될 수 있는 대안적인 유입구 디퓨터의 상세한 도면이다.
도 5는 종래의 초음파 트랜듀서의 단면도이다.
도 6은 종래의 트랜듀서의 마모 플레이트의 도면이다.
도 7a는 본 발명의 초음파 트랜듀서의 단면도이다. 공기 갭이 트랜듀서 내에 존재하고, 그리고 지지제 층이나 마모 플레이트가 존재하지 않는다.
도 7b는 본 발명의 초음파 트랜듀서의 단면도이다. 공기 갭이 트랜듀서 내에 존재하고, 그리고 지지제 층 및 마모 플레이트가 존재한다.
도 8은 도 9 및 도 11-도 17을 만들도록 시뮬레이트된 음향영동 분리기의 컴퓨터 모델이다.
도 9a-도 9d는 음향영동 분리기 내의 파티클 상의 힘의 시뮬레이션을 나타낸 도면이다. 도 9a는 단 하나의 정상파에 대한 축선방향 힘을 나타낸 도면이다. 우측 눈금의 텍스트는 "x10-11"이다. 도 9b는 단 하나의 정상파에 대해 측방향 힘을 나타낸다. 우측 눈금의 텍스트는 "x10-13"이다. 도 9c는 다중-모드 여기에 의한 축선방향 힘을 나타내고 있다. 우측 눈금의 텍스트는 "x10-10"이다. 도 9d는 다중-모드 여기에 의한 측방향 힘을 나타낸 도면이다. 우측 눈금의 텍스트는 "x10-11"이다. 모든 도면에 대해, 수평방향 축선이 챔버 내에서 도 8의 X-축선에 따른 위치(인치)이고, 그리고 수직 축선은 상기 챔버 내에서 도 8의 Y-축선에 따른 위치(인치)이다. 각각의 도면의 우측의 눈금은 뉴튼 단위이다.
도 10은 크리스탈에서의 모드 형상 변위를 나타낸 시뮬레이트 된 크리스탈의 도면이다. X-축선에 대한 텍스트는 "x10-3"이다. z-축선에 대한 텍스트는 "x10-3" 및 "x10-4"을 포함한다.
도 11-도 17은 음향영동 분리기 내의 파티클 상의 힘의 부가적인 시뮬레이션을 나타낸 도면이다. 수평방향 축선은 챔버 내에서 도 8의 X-축선에 따른 위치(인치)이고, 그리고 수직 축선은 상기 챔버 내에서 도 8의 Y-축선에 따른 위치(인치)이다. 우측의 눈금의 단위는 도 13을 제외한 모든 도면에 대해 뉴튼(N)이다. 도 13에 있어서, 우측 눈금의 단위는 파스칼(Pa)이다.
도 11에서의 우측 눈금의 텍스트는 "x10-10"이다.
도 12에서의 우측 눈금의 텍스트는 "x10-10"이다.
도 13에서의 우측 눈금의 텍스트는 "x106"이다. 위쪽을 향하는 삼각형에 의한 상부의 텍스트는 "2.5166x106"이다. 아래쪽을 향하는 삼각형에 의한 하부의 텍스트는 "507.16"이다. 이들 두 개의 삼각형은 이러한 도면에 도시된 최대 값 및 최소 값을 나타내고 있다.
도 14에서의 우측 눈금의 텍스트는 "x10-12"이다. 위쪽을 향하는 삼각형에 의한 상부의 텍스트는 "4.3171x10-10"이다. 아래쪽을 향하는 삼각형에 의한 하부의 텍스트는 "-4.3171x10-10"이다. 이들 두 개의 삼각형은 이러한 도면에 도시된 최대 값 및 최소 값을 나타내고 있다.
도 15에서의 우측 눈금의 텍스트는 "x10-11"이다. 위쪽을 향하는 삼각형에 의한 상부의 텍스트는 "2.0156x10-9"이다. 아래쪽을 향하는 삼각형에 의한 하부의 텍스트는 "-2.0058x10-9"이다. 이들 두 개의 삼각형은 이러한 도면에 도시된 최대 값 및 최소 값을 나타내고 있다.
도 16에 있어 우측 눈금의 상부 텍스트는 "x10-12"이다. 위쪽을 향하는 삼각형에 의한 상부의 텍스트는 "1.4606x10-10"이다. 아래쪽을 향하는 삼각형에 의한 하부 텍스트는 "-1.4604x10-10"이다. 이들 두 개의 삼각형은 이러한 도면에 도시된 최대 값 및 최소 값을 나타내고 있다.
도 17에 있어 우측 눈금의 상부 텍스트는 "x10-11"이다. 위쪽을 향하는 삼각형에 의한 상부 텍스트는 "4.0239x10-10"이다. 아래쪽을 향하는 삼각형에 의한 하부 텍스트는 "-4.4353x10-10"이다. 이들 두 개의 삼각형은 이러한 도면에 도시된 최대 값 및 최소 값을 나타내고 있다.
도 18은 파티클 크기에 대한 음향 방사력, 부력, 및 스토크스의 항력(Stokes' drag force)의 관계를 나타낸 그래프이다. 수평방향 축선의 단위는 micron(㎛)이고 그리고 수직 축선의 단위는 뉴튼(N)이다.
도 19는 음향영동 분리기에서 사용하기 위한 정사각형 트랜듀서 및 원형 트랜듀서의 도면이다.
도 20은 상이한 주파수에서 구동된 정사각형 트랜듀서에 대한 전기 임피던스 크기 대 주파수의 그래프이다.
도 21a는 유체 유동에 수직한 방향으로부터의 도 20의 7개의 피크 크기에 대한 트랩핑 라인 구성을 나타낸 도면이다.
도 21b는 분리기를 나타낸 사시도이다. 유체 유동 방향 및 트랩핑 라인이 도시되어 있다.
도 21c는 파티클이 포집되는 정상파의 트랩핑 파절을 나타내는, 도 21b의 유체 유동 방향(화살표 114)에 따른 유체 유입구로부터 본 도면이다.
도 21d는 도 21b에 도시된 바와 같이 화살표 116에 따른, 트랩핑 라인 구성에서의 트랜듀서 면을 통해 취해진 도면이다.
도 22는 오일-물 에멀젼을 위한 트랜듀서의 다중-모드 변위에 의해 만들어진 정상파의 9개의-트랩핑-라인 구성의 도면이다.
도 23은 9개의-트랩핑-라인 구성 중 위쪽 3개의 트랩핑 라인을 나타낸 도 22의 줌-인 도면이다.
도 24는 음향 압력 크기(우측 눈금은 Pa 단위) 및 트랜듀서 면외 변위(좌측 눈금은 미터 단위)의 컴퓨터 시뮬레이션이다. 좌측 눈금의 상부 텍스트는 "x10-7"이다. 위쪽을 향하는 삼각형에 의한 좌측 눈금의 상부 텍스트는 "1.473x10-6"이다. 아래쪽을 향하는 삼각형에 의한 좌측 눈금의 하부 텍스트는 "1.4612x10-10"이다. 우측 눈금의 상부 텍스트는 "x106"이다. 위쪽을 향하는 삼각형에 의한 우측 눈금의 상부 텍스트는 "1.1129x106"이다. 아래쪽을 향하는 삼각형에 의한 우측 눈금의 하부 텍스트는 "7.357"이다. 삼각형은 주어진 눈금에 대한 상기 도면에서의 최대 값 및 최소 값을 나타내고 있다. 수평방향 축선이 챔버 내에서 도 8의 X-축선에 따른 위치(인치)이고, 그리고 수직 축선은 상기 챔버 내에서 도 8의 Y-축선에 따른 위치(인치)이다.
도 25 및 도 26은 트랜듀서 어레이 구성을 나타낸 도면이다.
도 27a는 도 23 및 도 24의 트랜듀서로써 사용하기 위한 부력있는 소재를 분리하기 위한 음향영동 분리기의 도면이다.
도 27b는 윤곽형성된 노즐 벽부(129) 및 수집 덕트(137)의 교차부 근방에서의 유체 유동의 확대도이다.
도 28은 트랜듀서의 어레이에 의해 발생된 초음파의 음향 압력 크기의 컴퓨터 시뮬레이션이다.
도 29는 트랜듀서의 어레이에 의해 발생된 초음파에서의 오일 액적에 대한 트랩핑 라인을 나타낸 도면이다.
도 30은 트랜듀서의 어레이에 의해 발생된 초음파에서의 오일 액적에 대한 트랩핑 라인을 나타낸 도면이다.
도 31은 음향 압력 크기의 컴퓨터 시뮬레이션이다.
도 32는 대칭적인 램파 및 비-대칭 램파를 나타낸 도면이다.
도 33은 복합 파가 존재하는, 크리스탈의 면내 및 면외 변위를 나타낸 도면이다.
도 34는 직사각형 플레이트의 (1,1) 진동 모드를 나타낸 도면이다. 도 34a는 사시도이다. 도 34b는 플레이트의 길이에 따른 도면이다. 도 34c는 플레이트의 폭에 따른 도면이다. 도 34d는 (1,1) 모드에서 진동하는 직사각형 플레이트의 면내 변위 도면이다.
도 35는 직사각형 플레이트의 (1,2) 진동 모드를 나타낸 도면이다. 도 35a는 사시도이다. 도 35b는 플레이트의 길이에 따른 도면이다. 도 35c는 플레이트의 폭에 따른 도면이다.
도 36은 직사각형 플레이트의 (2,1) 진동 모드를 나타낸 도면이다. 도 36a는 사시도이다. 도 36b는 플레이트의 길이에 따른 도면이다. 도 36c는 플레이트의 폭에 따른 도면이다.
도 37은 직사각형 플레이트의 (2,2) 진동 모드를 나타낸 도면이다. 도 37a는 사시도이다. 도 37b는 플레이트의 길이에 따른 도면이다. 도 37c는 플레이트의 폭에 따른 도면이다.
도 38은 직사각형 플레이트의 (3,3) 진동 모드를 나타낸 도면이다. 도 38a는 사시도이다. 도 38b는 플레이트의 폭에 따른 도면이다. 도 38c는 플레이트의 길이에 따른 도면이다. 도 38d는 (3,3) 모드에서 진동하는 직사각형 플레이트의 면내 변위를 나타낸 도면이다.
도 39a는 (1,1) 진동 모드에서 물에 만들어진 압력 장을 나타낸 도면이다. 도 39b는 (2,2) 진동 모드에서 물에 만들어진 압력 장을 나타낸 도면이다. 도 39c는 (3,3) 진동 모드에서 물에 만들어진 압력 장을 나타낸 도면이다.
도 40a는 바이오-파르마 용도(Bio-Pharma application)에 사용된 음향영동 분리기의 분해도이다.
도 40b는 두 개의 음향 챔버의 스택된 음향영동 분리기의 분해도이다.
도 41a는 한 실험을 위해 벡크만 카울터 세포 생존능력 분석기(Beckman Coulter Cell Viability Analyzer)를 사용하여 미디엄(medium)으로부터 세포를 제거하는 효율을 나타낸 그래프이다.
도 41b는 다른 한 실험을 위해 벡크만 카울터 세포 생존능력 분석기를 사용하여 미디엄으로부터 세포를 제거하는 효율을 나타낸 그래프이다.
본 발명은, 아래 기재된 바람직한 실시예의 상세한 설명과 상기 바람직한 실시예에 포함된 예시적인 실시예를 참조하면 보다 용이하게 이해될 수 있을 것이다. 아래 기재된 실시예 및 청구범위에서, 아래 기재된 바와 같은 의미를 갖도록 정의될 수 있는 많은 용어를 참조하여 기재되어 있다.
본 명세서에 기재된 용어는 단수 형태로 기재되어 있지만, 따로 별도로 언급하지 않았다면 복수의 의미를 포함한다는 것을 알 수 있을 것이다.
본 명세서와 청구범위에서 사용된 바와 같이, "포함하는"이라는 용어는 "이루어지는" 및 "필수적으로 이루어지는" 경우를 포함할 수 있다.
수치 값은 동일한 수의 의미 있는 숫자로 감소될 경우의 동일한 수치 값, 그리고 값을 결정하기 위해 본 출원에 기재된 타입의 종래의 측정 기술의 실험 오차보다 작은 언급된 값과 상이한 수치 값을 포함한다는 것을 알 수 있을 것이다.
본 명세서에 기재된 모든 범위는 기술되어 있는 끝점을 포함하고 독립적으로 조합가능하다(예를 들면, "2 gram 내지 10 gram"의 범위는 끝점, 2 gram 및 10 gram, 그리고 모든 중간 값을 포함한다).
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 대략(약)이라는 용어는 관련된 기본적인 상관관계의 변경을 초래하지 않으면서 변경가능한 임의의 정량적인 표현을 한정(modify)하도록 적용될 수 있다. 따라서, "약(대략)" 및 "실질적으로"와 같은 용어에 의해 한정된 값은 특정된 정확한 값으로 한정되지 않을 수 있다. "약(대략)"은 또한 두 개의 끝점의 절대 값에 의해 정의된 범위를 나타내도록 고려될 수 있다. 예를 들면, "대략 2 내지 대략 4"라는 표현은 또한 "2 내지 4의 범위를 나타낸다.
본 명세서에서 사용된 많은 용어가 서로 관련되어 있음을 알 수 있을 것이다. 예를 들면, "상부(상측)" 및 "하부(하측)"이라는 용어는 서로의 위치에 관한 것이며, 즉 상측 구성요소는 주어진 정위에서 하측 구성요소보다 더 높은 높이로 위치되지만, 그러나 이들 용어는 본 장치가 플립(flip)된다면 변할 수 있다. "유입구" 및 "유출구"라는 용어는 주어진 구조체와 관련하여, 상기 유입구 및 유출구를 통해 유동하는 유체와 관련되며, 예를 들면 유체는 유입구를 통해 구조체 내로 유동하고 유출구를 통해 상기 구조체 외측으로 유동한다. "상류스트림" 및 "하류스트림"이라는 용어는 방향과 관련된 것이며, 여기서 유체는 다양한 구성요소를 통해 유동하는데, 이는 즉 상기 유체가 하류 구성요소를 통해 유동하기 전에 상류 구성요소를 통해 유동한다. 루프(loop)에서, 제 1 구성요소는 제 2 구성요소의 상류 및 하류 모두로서 기재될 수 있음을 알 수 있을 것이다.
"수평" 및 "수직"이라는 용어는 절대적 기준, 즉 지면 레벨과 관련된 방향을 지시하도록 사용되었다. 그러나, 이들 용어는 서로 절대적으로 평행하거나 또는 절대적으로 수직되기 위한 구조체를 필요로 하도록 고려되지 않을 수 있다. 예를 들면, 제 1 수직 구조체 및 제 2 수직 구조체는 서로 필수적으로 평행하지 않는다. "상부" 및 "하부" 또는 "베이스"라는 용어는 표면을 의미하도록 사용되고 있고, 여기서 상부는 절대적 기준, 즉 지구의 표면과 관련하여 하부/베이스보다 항상 더 높다. "위" 및 "아래" 또는 "상향" 및 "하향"이라는 용어는 또한 절대적 기준과 관련되며; 상향 유동은 지구의 중력에 항상 반한다.
본 출원은 "동일한 차수의 크기(the same order of magnitude)"를 언급하고 있다. 보다 작은 수에 의해 나뉘어진 보다 큰 수의 몫이 10 보다 작은 값이라면, 두 개의 수는 대략 동일한 크기를 갖는다.
임의의 폐물을 제거하고 요구되는 에너지를 감소시켜서, 이에 따라 지속가능한 환경을 촉진하는 다중-성분의 액체 스트림을 위한 효율적인 분리 기술이 요구된다. 초음파 정상파를 사용하는 대용량 유동율 음향영동 위상 분리기 기술은 소모품이 없고, 폐물이 발생하지 않으며, 그리고 저가의 에너지의 장점을 제공한다. 기술은 미크론(micron) 및 서브-미크론 크기의 파티클의 분리를 포함한, 크게 변하는 크기의 파티클의 제거에 효과적이다. 음향영동을 사용하는 음향 필터/수집기의 실시예가 본 출원인의 미국 특허 출원번호 12/947,757; 13/085,299; 13/216,049; 및 13/216,035에 기재되어 있고, 각각의 문헌의 전체 내용은 참조를 위해 본 명세서에 포함되어 있다.
본 명세서에 기재된 플랫폼 기술은 소모품이 없고, 폐물이 발생하지 않으며, 그리고 저가의 에너지의 장점을 갖는, 초음파 정상파에 기초한, 대용량 유동율 음향영동 위상 분리기를 포함한 혁신적인 해결책을 제공한다. 음향영동은 유체 분산으로부터 파티클 제거를 위한 저-파워의, 압력-강하 없고, 막힘없으며, 고체-상태의 접근법이며: 즉, 다공성 필터로 전형적으로 보다 더 실행되는 분리를 달성하도록 사용되지만, 그러나 필터의 단점이 없다. 특히, 본 발명은 고 유동율로 유동 시스템에서 분리를 위해 큰-규모로 작동하는 시스템을 제공한다. 음향 공진기는 유체 항력 및 부력이나 또는 중력의 결합 효과보다 더 큰 음향 방사력을 초래하는 고강도 3 차원 초음파 정상파를 만들도록 설계되고, 그리고 이에 따라 음향 파에 대한 보다 많은 시간 동안에 파티클 농도, 응집 및/또는 유착이 증대될 수 있도록 중단된 단계를 트랩(즉, 고정 유지)시킬 수 있다. 현 시스템은 0.1 mm/sec 내지 1 cm/s의 속도 범위를 갖는 선형 속도에서의 유동 장에서 파티클을 트랩할 수 있는 초음파 정상파 장을 만드는 능력을 갖는다. 이러한 기술은 에너지 비용이 상당히 감소되는 2차 단계의 분리를 위한 새롭고(green) 지속가능한 대안책을 제공한다. 우수한 파티클 분리 효율이 1 micron 만큼 가능한 작은 파티클 크기에 대해 실험되고 있다.
음향영동 분리 기술은 2차 위상 파티클을 주요 유체 스트림에 트랩하도록, 즉 고정 유지하도록 초음파 정상파를 사용한다. 이러한 사항은 파티클 궤적이 단지 음향 방사력의 영향에 의해 변경되었던 종전 접근법과 중요한 차이이다. 파티클을 떼어내는 음향 장의 산란은 3차원 트랩핑 장으로 작용하는 3차원 음향 방사력을 초래한다. 음향 방사력은, 파티클이 파장과 관련하여 작을 때, 파티클 볼륨에 비례한다(예를 들면, 반경의 세제곱). 주파수 및 음향 콘트라스트 인자에 비례한다. 또한 음향 에너지로써 크기 정해진다(scale)(예를 들면, 음향 압력 크기의 자승). 조화 여기를 위해, 힘의 사인곡선형 공간 변화는 파티클을 정상파 내에서 안정적인 위치로 구동시키는 것이다. 파티클에 가해진 음향 방사력이 유체 항력 및 부력/중력의 결합 효과보다 더 클 때, 상기 파티클이 음향 정상파 장 내에서 트랩된다. 트랩된 파티클 상에서의 음향 력의 작용은 파티클 및 액적의 농도, 응집 및/또는 유착을 초래한다. 부가적으로, 브저크니스 힘(Bjerkness force)과 같은 2차 상호-파티클 힘은 파티클 응집에 도움이 된다. 주요-유체보다 무거운(즉, 상기 주요 유체보다 고 밀도의) 파티클 및/또는 유체가 증가된 중력 침강을 통해 분리되고, 그리고 상기 주요-유체보다 가벼운 파티클 및/또는 유체가 증가된 부력을 통해 분리된다.
또한, 부정 위상(arbitrary phasing)을 갖는 다중 초음파 트랜듀서가 구동될 수 있다. 즉, 다중 트랜듀서는 서로 면외(out of plane)에 있으면서 유체 스트림에서의 별개의 소재에 대해 작동할 수 있다. 선택적으로, 정렬된(ordered) 어레이로 나뉘어진 단 하나의 초음파 트랜듀서는, 또한 어레이의 여러 구성요소가 상기 어레이의 다른 구성요소와 면외에 있도록, 작동될 수 있다.
효율적인 그리고 경제적인 파티클 분리 공정은 많은 영역의 에너지 발생, 예를 들면, 물 생성, 수리학적-파쇄(hydro-fracking) 발생, 그리고, 예를 들면, 하베스팅(harvesting) 및 탈수와 같은 바이오-연료 발생에 유용할 수 있다. 음향영동 기술은 물에서의 세균 홀씨의 가속된 포집, 오일-회수, 및 미소-조류로부터 유도된 바이오-오일의 탈수를 목표로 하도록 사용될 수 있다. 오일 회수 분야에서 사용된 현 기술은 작은, 즉, 20 micron 보다 작은, 오일 액적의 회수에서 잘 실행되지 않는다. 그러나, 본 명세서에 기재된 음향영동 시스템은 작은 오일 액적의 포집 및 유착을 향상시킬 수 있고, 이에 따라 전반적으로 향상된 오일 포집을 초래하는 파티클 크기 분포를 변경시킨다(shift). 사용되도록, 일반적으로 평방 피트(단면적) 당 15-20 GPM(gallons per minute)의 레벨에서 큰 유동율이 증명될 필요가 있다. 다른 한 목표는 20 micron 보다 작은 직경을 갖는 오일 액적의 포집을 증대시키는 것이다.
음향영동 분리는 또한 저-비용으로 용이하게 이용가능한 비-식품 바이오매스(예를 들면, 도시 고형 폐기물 및 하수 오니)를, 이후 재생가능한 가솔린, 제트 연료, 또는 디젤로 더욱 정제될 수 있는 다수의 화학제품 및 2차 알콜로 변환시키는 향상된 바이오-정제 기술과 같은 분야에 도움이 되도록 사용될 수 있다. 물 처리 기술은 발효 배양액을 탈수하도록 사용되고 그리고 연료로의 또 다른 처리를 위해 귀중한 유기 염류를 격리한다. 탈수 공정은 비싸고 비능률적인 초-여과작용 방법을 통해 현재 행해지고 있으며, 이러한 방법은 멤브레인의 빈번한 부착물, 비교적 저 농도 팩터(factor), 그리고 고 자본 및 작동 경비와 같은 단점을 갖는다. 음향영동 분리는 3 이상의 차수(order) 크기, 즉 600 micron 내지 0.3 micron 간격(span)의 들어오는 파티클 크기 분포를 갖는 파티클을 여과할 수 있어, 보다 적은 자본 및 작동 경비로 분리된 배양액의 농도의 개량을 가능하게 한다. 여러 다른 용도가 폐 처리, 생활하수 재생, 및 물 생산의 영역에 있다.
음향영동 분리는 바이오-오일로의 변환을 위한 미소-조류의 하베스팅, 오일-회수 및 탈수에 또한 유용하다. 미소-조류에 대한 현 하베스팅, 오일 회수, 및 탈수 기술은 고 작동 및 자본 비용에 불리하다. 현 최상의 견적은 배럴 당 최소 $200.00로 미소-조류로부터 유도된 바이오-오일의 배럴의 가격을 받게한다. 이러한 공정의 하베스팅, 오일-회수, 및 탈수 단계를 향상시키는 기술에 대한 미소-조류 바이오연료의 기술이 필요하다. 음향영동 분리 기술은 이러한 요구를 만족시킨다.
다른 용도는 적혈구로부터의 지질의 분리와 같은, 의료 용도 및 생명 과학의 영역이다. 이는 흡인 유출 종격동(suctioning shed mediastinal) 혈액을 포함한, 심폐 회로 수술(cardiopulmonary bypass surgery) 동안에, 임계 중요도를 가질 수 있다. 지질은, 혈액이 몸체로 재-수혈(re-transfuse)될 때, 혈류로 의도하지 않게 유도된다. 지질 미소-색전은 뇌로 이동할 수 있고 그리고 다양한 신경-인지(neuro-cognitive) 장애를 야기할 수 있다. 따라서, 혈액을 깨끗하게 할 필요가 있다. 현 방법은 현재 적혈구에 유해하거나 효과가 없다는 것이다.
음향영동 장치에 대한 하나의 특정 용도는 생물반응장치 소재의 공정에 있다. 유가 배양식(fed batch) 생물반응장치에서, 유체 스트림에 있는 발현된 소재로부터의 모든 세포와 세포 찌꺼기를 여과하기 위해 생산 사이클 끝이 중요하다. 발현된 소재는 재조합형 단백질이나 또는 단일클론의 항체와 같은 생체분자로 이루어지고, 그리고 재생될 요구되는 산출물이다. 음향영동의 사용을 통해, 세포 찌꺼기 및 세포의 분리는 매우 효과가 있고 그리고 발현된 소재의 매우 적은 손실을 야기한다. 이는, 필터 베드 자체에서의 발현된 소재의 손실이 생물반응장치에 의해 만들어진 소재의 5%에 이를 수 있도록, 고 세포 밀도에서 제한된 효율을 나타내는, 현 여과작용 공정(깊이 여과작용, 접선 유동 여과작용, 원심분리)보다 우수한 향상이다. 포유류 세포 배양의 사용은 CHO(Chinese hamster ovary)를 포함하고, NS0 하이브리도마 세포, BHK(baby hamster kidney) 세포, 및 인체 세포는 오늘날의 약학에 요구되는 재조합형 단백질 및 단일클론의 항체를 만들고/발현하는 매우 효과있는 방식이라고 증명되었다. 음향영동을 통한 포유류 세포 및 포유류 세포 찌꺼기의 여과 작용은 유가 배양식 생물반응장치의 수율을 상당히 증가시키는데 도움이 된다.
다른 한 타입의 생물반응장치, 살포 반응기(perfusion reactor)는 CHO 세포로부터 목표 단백질 또는 단일클론의 항체의 연속 식을 사용한다. 이는 보다 신속한 생산 사이클에서 보다 상당히 작은 풋프린트(footprint)를 가능하게 한다. CHO 세포가 단백질을 만들고/발현함에 따라, 상기 CHO 세포를 유체 스트림에 유지시키기 위한 음향영동의 사용은 매우 효과가 있고 폐쇄된 루프의 생산 방식이다. 또한 소재가 필터 베드에서 손실되지 않는다는 점에서 단백질 및 단일클론의 항체의 최대 생산 효율이 가능하게 된다.
유가 배양식 생물반응장치 공정에 있어서, 음향영동 장치는 세포 및 세포 찌꺼기를 트랩하기 위한 단일의 정상파나 또는 다중 정상파를 사용한다. 양의 콘트라스 인자를 갖는 세포 및 세포 찌꺼기는 정상파의 파절(파복과 반대로)로 이동한다. 세포 및 세포 찌꺼기가 정상파의 파절에서 집적함에 따라, 보다 많은 세포가 정상파 내에 사전에 유지된 세포와 접촉하게 되고 이에 따라, 상기 보다 많은 세포가 트랩되도록 발생하는 유체 스트림의 물리적인 스크러빙(scrubbing)이 또한 있다. 정상파에서의 세포는 덩어리(mass)가 음향 파에 의해 더 이상 유지되지 않을 수 있을 정도로 집적할 때, 트랩되어 버린 결집된 세포 및 세포 찌꺼기는 중력을 통해 유체 스트림 외측으로 떨어지고, 그리고 별도로 수집될 수 있다. 세포 및 세포 찌꺼기의 이러한 중력 침강을 돕기 위하여, 정상파는 중단될 수 있어 모든 세포가 유가 배양식 생물반응장치로부터 여과되는 유체 스트림 외측으로 떨어질 수 있게 한다.
특별한 실시예는 또한 서브-20-미크론 오일 액적의 포집 및 성장에 촛점이 맞춰져 있다. 서브-20-미크론 액적의 적어도 80%의 볼륨이 포집되고 이후 20 micron보다 더 큰 액적으로 성장된다. 공정은 음향 정상파에서의 오일 액적의 트랩핑, 많은 작은 트랩된 액적의 유착, 그리고 종국에는 음향 트랩핑 력이 부력보다 작게 될 때 보다 큰 액적의 배출을 포함한다. 이러한 설계가 도 3에 도시되어 있고 여기서 오염물의 분리가 요구되지 않는다.
제어부가 묻힌 고 주파수(MHz), 고-파워, 및 고-효율 초음파 구동기 그리고 향상된 다중-물리학(multi-physics) 및 다중 길이 스케일 컴퓨터 모델이 압전기 트랜듀서의 어레이에 의해 구동된 새로운 설계의 음향 공진기에 도달하도록 합쳐지고 있어, 현재의 특성을 상당히 뛰어넘는 음향영동 분리 장치를 초래한다.
바람직하게, 이러한 트랜듀서는 음향영동 시스템의 파티클 트랩핑 특성을 증대시키기 위하여, 축선방향 힘을 동반하는 부유 파티클/2차 유체에 측방향 힘을 가하는 유체에서 3차원 정상파를 만든다. 문헌에 개시된 전형적인 결과는 측방향 힘이 축선방향 힘보다 작은 2의 차수의 크기라는 것을 나타낸다. 이와 달리, 본 출원에서 개시된 기술은 축선방향 힘과 대략적으로 동일한 차수의 크기를 갖게 되는 측방향 힘을 제공한다.
본 명세서에서 정의된 바와 같이, 불순물은 주요 유체와 다른 유체나 파티클을 포함한다. 음향 공진기(10)는 고 강도 3차원 음향 정상파를 유지하도록 설계된다. 시스템은 함수 발생기 및 증폭기(도시 생략)에 의해 구동된다. 시스템 성능이 모니터되고 컴퓨터에 의해 제어된다.
때때로, 음향 스트리밍 때문에, 정상파의 주파수나 또는 전압 크기를 변조할 필요가 있을 수 있다. 이는 크기 변조에 의해 및/또는 주파수 변조에 의해 행해질 수 있다. 정상파의 전파의 듀티 사이클은 또한 소재의 트랩을 위한 특정 결과를 달성하도록 사용될 수 있다. 즉, 음향 빔은 요구되는 결과를 달성하기 위해 상이한 주파수에서 터언 온될 수 있고 셧 오프될 수 있다.
오일이나 또는 물보다 가벼운 여러 소재를 제거하기 위한 일 실시예의 개략적인 사항이 도 1a에 도시되어 있다. 전형적으로 수백 kHz 내지 수십 MHz 범위에서의 여기 주파수가 트랜듀서(10)에 의해 적용된다. 하나 이상의 정상파가 트랜듀서(10)와 반사기(11) 사이에서 만들어진다. 미소액적(12)은 집적, 결집, 응집, 또는 유착, 그리고 부력있는 소재의 경우에, 표면으로 부유하고 그리고 유동 경로 상에 위치된 유출용 유출구(16)를 통해 배출되는 압력 파복(14)에서, 정상파에 트랩된다. 정화된 물이 유출구(18)에서 배출된다. 음향영동 분리 기술은 상당히 감소된 비용으로 임의의 부착물 없이 다중-성분 파티클 분리를 달성할 수 있다.
오염물이나 또는 물보다 무거운 여러 소재를 제거하기 위한 실시예의 개략적인 사항이 도 1b에 도시되어 있다. 전형적으로 수백 kHz 내지 수십 MHz 범위에서의 여기 주파수가 트랜듀서(10)에 의해 가해진다. 들어오는 물(13)에서의 오염물은 집적, 결집, 응집, 또는 유착되고, 그리고 보다 무거운 소재의 경우에, 수집기 바닥으로 가라앉고 유동 경로 아래에 위치된 유출용 유출구(17)를 통해 배출되는 압력 파절(15)에 있어서, 정상파에 트랩된다. 정화된 물이 유출구(18)에서 배출된다.
도 2a는 음향 장이 활성화되지 않은 상태에서 음향영동 시스템을 통과한 오일-물 에멀젼으로 측정되었던 파티클 크기 분포를 나타낸 도면이다. 피크 파티클 크기(20)는 음향 장이 활성화되지 않은 상태에서 그 크기가 20-50 micron 사이이다. 이들 액적은 전형적으로, 예를 들면, 습식사이클론과 같은 종래의 수단에 의해 분리되기 매우 어렵다.
도 2b는 음향 장이 활성화된 상태에서 오일-물 에멀젼이 음향영동 시스템을 통과한 이후에 측정되었던 유사한 파티클 크기 분포를 나타낸다. 피크 파티클 크기(22)는 음향 장이 활성화된 상태에서 그 크기가 200 micron보다 더 크다. 결과는 상기 액적 상에서의 음향 력의 작용의 결과로서, 상당한 양의 오일 액적의 성장, 즉, 보다 큰 액적(20 micron보다 큼)으로 유착되거나, 응집되거나 결집된 많은 서브-20 micron 액적을 명확하게 나타낸다.
도 3은 다른 한 실시예의 음향영동 파티클 분리기(30)를 나타낸 도면이다. 음향영동 분리기(30)는 유입구(32) 및 유출구(34)를 구비한다. 유입구(32)는 허니콤(95)을 구비한 디퓨터(90)나 또는 노즐이 끼워맞춰져 플러그 유동의 전개를 용이하게 한다. 음향영동 분리기(30)는 트랜듀서(40)의 어레이(38)를 구비하며, 본 경우에 6개의 트랜듀서가 동일한 벽부에 모두 배치된다. 트랜듀서는 유동 경로의 전체 단면을 커버하도록 배치된다. 도 3의 음향영동 분리 시스템은 특정 실시예에 있어서, 3 GPM(gallons per minute), 또는 8 mm/sec의 선형 속도에 이르는 유동율에서 작동하는 6 inch x 6 inch의 정사각형 단면을 갖는다. 트랜듀서(40)는 1 inch 직경 및 공칭 2 MHz 공명 주파수를 갖는 6개의 PZT-8(Lead Zirconate Titanate) 트랜듀서이다. 각각의 트랜듀서는 3 GPM의 유동율에서 액적 트랩을 위해 대략 28W의 파워를 소비한다. 이는 0.25 kW hr/㎥의 에너지 비용으로 바꾼다. 이는 이러한 기술의 에너지가 매우 저가라는 표시이다. 바람직하게, 각각의 트랜듀서는 파워 공급되고 그 자신의 증폭기에 의해 제어된다. 이러한 실시예에 대한 용도는 도 2a 및 도 2b에서 명확한 바와 같이, 미크론-크기의 오일 액적의 응집, 집적, 결집 또는 유착을 통해 파티클 크기 분포를 보다 상당히 큰 액적으로 변경하는 것이다.
도 4a 및 도 4b는 음향영동 분리기의 유입구에서 사용될 수 있는 두 개의 상이한 디퓨져를 나타내고 있다. 디퓨져(90)는 입구(92)(이 경우, 원형 형상을 가짐) 및 출구(94)(이 경우, 정사각형 형상을 가짐)를 구비한다. 도 4a의 디퓨져가 도 3에 도시되어 있다. 도 4a는 그리드나 또는 허니콤(95)을 포함하는 반면에, 도 4b는 포함하지 않는다. 그리드는 일정한 유동을 보장하는데 도움이 된다.
도 5는 종래의 초음파 트랜듀서의 단면도이다. 이러한 트랜듀서는 하부 단부에서의 마모 플레이트(50), 에폭시 층(52), 세라믹 크리스탈(54)(예를 들면, PZT로 만들어짐), 에폭시 층(56), 및 지지제 층(backing layer, 58)을 갖는다. 세라믹 크리스탈의 어느 한 쪽에, 전극, 양의 전극(61) 및 음의 전극(63)이 있다. 에폭시 층(56)은 지지제 층(58)을 크리스탈(54)에 부착시킨다. 전체 조립체가 예를 들면, 알루미늄으로 만들어질 수 있는 하우징(60)에 수용된다. 전기 어댑터(62)는 하우징을 통과하는 와이어용 연결부를 제공하고 그리고 크리스탈(54)에 부착된 리드(도시 생략)와 연결된다. 전형적으로, 지지제 층은 폭넓은 범위의 주파수를 가로지른 일정한 변위를 갖는 광대역의 트랜듀서를 만들고 댐핑을 부가하도록 설계되고 그리고 특별한 진동 고유-모드에서 여기를 억제하도록 설계된다. 마모 플레이트는 트랜듀서가 방사하는 미디엄의 특징적인 임피던스와 보다 잘 맞춰지는 임피던스 전환기로 통상적으로 설계된다.
도 6은, 마모 플레이트가 진동하는 압력 및 가열 때문에, 세라믹 크리스탈 표면으로부터 멀리 당겨지는, 거품(64)을 갖는 마모 플레이트(50)의 도면이다.
도 7a는 본 발명의 초음파 트랜듀서(81)의 단면도이며, 상기 트랜듀서는 도 3의 음향영동 분리기로써 사용될 수 있다. 트랜듀서(81)는 알루미늄 하우징(82)을 구비한다. PZT 크리스탈(86)은 트랜듀서의 하부 단부를 형성하고, 그리고 하우징의 외부로부터 노출된다. 크리스탈은 상기 크리스탈과 하우징 사이에 위치된, 예를 들면 실리콘이나 이와 유사한 소재의, 작은 탄성 층(98)에 의해 그 주변부에서 지지된다. 달리 말하자면, 층이 존재하지 않는다.
나사(도시 생략)는 하우징의 알루미늄 상부 플레이트(82a)를, 나사산부(88)를 통해 상기 하우징의 몸체(82b)에 부착시킨다. 상부 플레이트는 파워를 PZT 크리스탈(86)로 통과시키도록 연결기(84)를 포함한다. PZT 크리스탈(86)의 하부 표면 및 상부 표면은 각각의 은이나 니켈과 같은 전극(양극 및 음극)에 연결된다. 랩-주위(wrap-around) 전극 탭(90)은 하부 전극과 연결되고 그리고 상부 전극으로부터 절연된다. 전기 파워가 크리스탈 상의 전극을 통해 PZT 크리스탈(86)에 제공된 상태에서, 랩-주위 탭(90)은 지면 연결 점이다. 크리스탈(86)은 도 5에 나타난 바와 같은 에폭시 층이나 또는 지지제 층을 구비하지 않음을 알 수 있을 것이다. 달리 말하자면, 알루미늄 상부 플레이트(82a)와 크리스탈(86) 사이의 트랜듀서에 공기 갭(87)이 있다(즉, 공기 갭이 완전하게 비워짐). 최소의 지지제 층(58) 및/또는 마모 플레이트(50)가 도 7b에서 볼 수 있는 바와 같이, 여러 실시예에, 제공될 수 있다.
트랜듀서 설계는 시스템의 성능에 영향을 미칠 수 있다. 전형적인 트랜듀서는 지지제 층 및 마모 플레이트에 접합된 세라믹 크리스탈을 갖는 적층된 구조체이다. 트랜듀서가 정상파로써 나타난 큰 기계적 임피던스로 부하가 걸리기 때문에, 마모 플레이트에 대한 전통적인 설계 가이드라인, 예를 들면, 정상파 적용에 대한 1/2 파장 두께나 또는 방사 적용에 대한 1/4 파장 두께, 그리고 제조 방법은 적당하지 않을 수 있다. 오히려, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 트랜듀서, 마모 플레이트 또는 백킹(backing)이 없어서, 크리스탈이 고 Q-팩터를 갖는 고유모드 중 하나로 진동할 수 있게 한다. 진동하는 세라믹 크리스탈/디스크는 유동 챔버를 통해 유동하는 유체에 직접적으로 노출된다.
백킹을 제거하면(예를 들면, 크리스탈 공기 지지되면(backed)) 또한 세라믹 크리스탈이 작은 댐핑(예를 들면, 보다 고차의 모드 변위)을 갖는 고차 모드의 진동으로 진동할 수 있다. 백킹을 갖는 크리스탈을 구비한 트랜듀서에 있어서, 상기 크리스탈은 피스톤처럼, 보다 일정한 변위로 진동한다. 백킹을 제거하면 크리스탈이 일정하지 않은 변위 모드에서 진동할 수 있게 된다. 크리스탈의 모드 형상 차수가 고차이면 일수록, 상기 크리스탈은 보다 많은 파절 라인을 갖는다. 파절에 대한 트랩핑 라인의 상호관련이 반드시 일대일이 아닐지라도, 크리스탈의 보다 고차의 모드 변위는 보다 많은 트랩핑 라인을 생성할 것이고 그리고 보다 고 주파수에서 크리스탈을 구동시키는 것은 보다 많은 트랩핑 라인을 필수적으로 만들지 않을 것이다. 도 20- 도 21d과 관련하여 아래 기재된 사항을 살펴보기 바란다.
여러 실시예에 있어서, 크리스탈은 Q-팩터의 크리스탈(예를 들면, 5% 보다 작음)에 최소로 영향을 미치는 백킹을 가질 수 있다. 백킹은 발사 나무, 포옴, 또는 코르크와 같은 실질적으로 음향학적 투과성 소재로 만들어질 수 있으며, 이러한 소재는 크리스탈에 대한 여러 기계적 지지부를 계속 제공하면서, 상기 크리스탈이 고차 모드 형상으로 진동할 수 있게 하고, 그리고 고 Q-팩터를 유지한다. 격자가 특별한 고차 진동 모드로 진동하는 크리스탈의 파절을 뒤따라, 상기 크리스탈의 나머지가 자유롭게 진동할 수 있게 하면서 파절 위치에 지지부를 제공하도록, 지지제 층은 솔리드형일 수 있거나, 또는 상기 층을 통한 구멍을 갖는 격자일 수 있다. 격자 세공이나 또는 음향학적 투과성 소재의 목표는 크리스탈의 Q-팩터를 낮추지 않거나 또는 특별한 모드 형상의 여기와 간섭하지 않는 지지부를 제공하는 것이다.
크리스탈이 유체와 직접 접촉되면 또한 에폭시 층 및 마모 플레이트의 댐프닝(dampening) 및 에너지 흡수 효과를 피함으로써 고 Q-팩터에 기여한다. 여러 실시예는, 리드(lead)를 포함한 PZT가 주요 유체와 접촉하는 것을 방지하도록, 마모 플레이트나 마모 표면을 구비할 수 있다. 이러한 구성은 혈액 분리와 같은 예를 들면, 생물학적 적용에 바람직할 수 있다. 이러한 적용은 크롬, 전해질 니켈, 또는 무전해 니켈과 같은 보호 층(wear layer)을 사용할 수 있다. 화학 증착은 또한 폴리(p-크실릴렌)(예를 들면, 파릴렌) 또는 여러 폴리머 층을 도포하도록 사용될 수 있다. 실리콘 또는 폴리우레탄과 같은 유기 및 생체에 적합한 코팅은 또한 마모 표면처럼 사용가능하다.
현 시스템에 있어서, 상기 시스템은, 파티클이 초음파 정상파에 트랩되도록, 즉, 고정 위치에 유지되도록, 전압에서 작동된다. 파티클은 1/2 파장만큼 분리된, 잘 형성된 트랩핑 라인을 따라서 수집된다. 각각의 파절 평면 내에서, 파티클은 음향 방사 포텐셜의 최소치 내에서 트랩된다. 음향 방사력의 축선방향 성분이 양의 콘트라스트 인자를 갖는 파티클을 압력 파절 평면으로 구동시키는 반면에, 음의 콘트라스트 인자를 갖는 파티클은 압력 파복 평면으로 구동된다. 음향 방사력의 반경방향이나 또는 측방향 성분은 파티클을 트랩하는 힘이다. 전형적인 트랜듀서를 사용하는 시스템에 있어서, 음향 방사력의 반경방향이나 또는 측방향 성분이 전형적으로 음향 방사력의 축선방향 성분보다 더 작은 수의 차수의 크기를 갖는다. 이와 달리, 도 1a, 도 1b, 도 3 및 도 27에 도시된 분리기에서의 측방향 힘이 축선방향 힘 성분과 대략적으로 동일하게 클 수 있고, 그리고 1 cm/s에 이르는 선형 속도에서 유체 항력을 극복하는데 충분하다. 상기 기재한 바와 같이, 측방향 힘은, 크리스탈이 일정한 변위를 갖는 피스톤처럼 효과적으로 이동하는 진동 형태에 반하여, 트랜듀서를 고차 모드 형상에서 구동시킴으로써 증가될 수 있다. 음향 압력은 트랜듀서의 구동 전압에 비례한다. 전기 파워는 전압의 제곱에 비례한다.
실시예에 있어서, 트랜듀서를 구동시키는 펄스식 전압 시그널은 사인곡선형, 정사각형, 톱니형, 또는 삼각형 파형을 가질 수 있고; 그리고 500 kHz 내지 10 MHz의 주파수를 갖는다. 펄스식 전압 시그널은 임의의 요구되는 파형을 만드는 펄스 폭 변조에 의해 구동될 수 있다. 펄스식 전압 시그널은 또한 스트리밍을 제거하기 위한 크기 또는 주파수 변조 개시/정지 특성을 가질 수 있다.
도 8은 도 9a-도 9d 및 도 11-도 17을 만들도록 시뮬레이트된 음향영동 분리기(92)의 컴퓨터 모델이다. 피에조 세라믹 크리스탈(94)은 물 채널(96)의 유체와 직접적으로 접촉한 상태이다. 실리콘(98)의 층은 크리스탈(94)과 알루미늄 상부 플레이트(100) 사이에 존재한다. 반사기(102)는 정상파를 만들도록 파를 반사시킨다. 반사기는 스틸이나 텅스텐과 같은 고 음향 임피던스 소재로 만들어지고, 우수한 반사를 만든다. 참고적으로, Y-축선(104)은 축선 방향을 의미할 것이다. X-축선(106)은 반경방향이나 또는 측방향을 의미할 것이다. 음향 압력 모델 및 속도 모델이 PZT 트랜듀서의 피에조-전기 모델, 주변 구조의 선형 탄성 모델(예를 들면, 반사기 플레이트 및 벽부), 그리고 물 칼럼에서의 파의 선형 음향 모델을 포함하여 산출되었다. 부유 파티클 상에 작용하는 방사력은 Gor'kov의 공식을 사용하여 계산되었다. 밀도, 음속, 및 파티클 크기와 같은 파티클 및 유체 소재의 특성이 프로그램에 입력되고, 그리고 단극 및 이중극 분산 기여를 결정하도록 사용된다. 음향 방사력은 음향 장의 시간 평균의 포텐셜 및 운동 에너지 그리고 파티클의 볼륨의 함수인, 장 포텐셜(U)에서 구배 작동을 실행함으로써 결정된다.
전형적인 실험에 있어서, 시스템은 파티클이 초음파 정상파에서 트랩되도록, 즉, 고정 위치를 유지하도록, 전압에서 작동된다. 음향 방사력의 축선방향 성분이 양의 콘트라스트 인자를 갖는 파티클을 압력 파절 평면으로 구동시키는 반면에, 음의 콘트라스트 인자를 갖는 파티클이 압력 파복 평면으로 구동된다. 음향 방사력의 반경방향이나 측방향 성분이 파티클을 트랩하는 힘이다. 따라서, 유체 항력 및 중력의 결합 효과보다 반드시 더 커야만 한다. 작은 파티클이나 에멀젼에 대해, 항력(FD)이 아래와 같이 표현될 수 있다:
상기 식에서 Uf 및 Up은 유체 및 파티클 속도이고, Rp은 파티클 반경이고, 
및 
은 유체 및 파티클의 동점성 계수이며, 그리고 
는 동점성 계수의 비이다. 부력 FB는 아래와 같이 나타내어질 수 있다:
초음파 정상파에 트랩될 파티클에 대해, 상기 파티클 상에서의 힘의 평형은 반드시 영이어야 하고, 이에 따라 측방향 음향 방사력(FLRF)에 대한 식이 아래와 같이 주어질 수 있다:
파티클의 알려진 크기 및 소재 특성에 대해, 그리고 주어진 유동율에 대해, 이러한 방정식은 측방향 음향 방사력의 크기를 추정하도록 사용될 수 있다.
음향 방사력을 계산하도록 사용된 이론상의 모델은 Gor'kov으로써 전개된 식이다. 주요 음향 방사력(FA)은 장 포텐셜(U)의 함수로 정의된다, 
,
여기서 장 포텐셜(U)은 아래와 같이 정의되며
그리고 f1 및 f2는 아래의 식으로써 정의된 단극 그리고 이중극 기여이다:
여기서 p는 음향 압력이고, u는 유체 파티클 속도이고, 
는 파티클 밀도(
) 대 유체 밀도(
)의 비이고, σ는 파티클 음속(Cp) 대 유체 음속(Cf)의 비이며, 및 Vo는 파티클의 볼륨이다. 일 차원 정상파에 대해, 음향 압력은 다음과 같이 표현되며,
여기서 A는 음향 압력 크기이고, k는 파수(wavenumber)이며, 그리고 w는 각도 주파수이다. 이러한 경우에 있어서, 음향 방사력(FARF)의 축선방향 성분만이 있으며, 아래와 같이 나타내어지며
여기서 X는 
에 의해 주어진 콘트라스트 인자이다.
양의 콘트라스트 인자를 갖는 파티클은 압력 파절 평면에서 구동될 것이고, 그리고 음의 콘트라스트 인자를 갖는 파티클은 압력 파복 평면에서 구동될 것이다.
Gor'kov의 이론은 유체에서의 음향 장의 파장과 관련하여 작은 파티클 크기로 제한되고, 그리고 또한 방사력에 대한 유체 및 파티클의 점도의 영향이 고려되지 않았다. 부가적인 수치 모델이 파장과 관련된 파티클 크기와 관련하여 임의의 제한없이 파티클에 대한 음향 방사력의 계산을 위해 개발되고 있다. 이들 모델은 또한 유체 및 파티클 점도의 영향을 포함하므로, 이에 따라서 음향 방사력의 보다 정확한 계산이다. 실행된 모델은 유리 일린스키(Yurii Ilinskii) 및 이브게니아 자보로트스카야(Evgenia Zabolotskaya)의 이론상의 작업(work)에 기초한다.
도 9a-도 9d는 단 하나의 음향 파 및 다중모드 음향 파 사이의 트랩핑 압력 구배에서의 차이의 시뮬레이션을 나타내고 있다. 도 9a는 단 하나의 정상 음향 파와 관련된 축선방향 힘을 나타내고 있다. 도 9b는 단 하나의 정상 음향 파에 의한 측방향 힘을 나타내고 있다. 도 9c 및 도 9d는 다중 정상파가 형성되는 다중-모드(다중 파절을 갖는 고차 진동 모드) 압전기 크리스탈 여기에 있어서, 축선방향 힘 및 측방향 힘을 각각 나타내고 있다. 전기 인풋은 도 9a 및 도 9b의 단 하나의 모드와 동일하지만, 그러나 트랩핑 력(측방향 힘)이 70 배 더 크다(도 9d에 비교된 도 9b에서의 우측 눈금 참조). 도면은 스틸 반사기로써 종결된 개방 물 채널에서의 알루미늄 상부 플레이트에서 플롯된 10 V AC에 의해 구동된 1MHz 피에조-전기 트랜듀서의 컴퓨터 모델링 시뮬레이션에 의해 만들어졌다(도 8 참조). 도 9a 및 도 9b에서의 장은 400 kPa의 피크 압력을 갖는 960 kHz이다. 도 9c 및 도 9d에서의 장은 400 kPa의 피크 압력을 갖는 961 kHz이다. 보다 큰 힘에 더하여, 961 kHz의 장(도 9c 및 도 9d)은 보다 많은 구배 및 초점을 갖는다.
도 10은 1 MHz의 주파수에서 구동된 원형 크리스탈에 대한 면외 변위를 나타낸 3 차원 컴퓨터 생성 모델의 모드 형상 계산을 나타내고 있다.
도 11-도 17은 2 MHz에서 작동하는 PZT-8 피에조-전기 트랜듀서를 갖는 도 8의 모델에 기초한다. 트랜듀서는 스틸 반사기 플레이트(0.180" 두께)로 종결된 4"x2" 물 채널에서의 알루미늄 상부 플레이트(0.125" 두께)에서 플롯된 1" 폭 및 0.04" 두께를 갖는다. 음향 빔은 2"의 거리로 되어 있다(span). 1"인 깊이 치수가 2D 모델에 포함되지 않는다. 트랜듀서는 15V에서 구동되고 그리고 주파수 스윕(sweep) 계산은 다양한 음향 공명을 확인하도록 행해진다. 3개의 연속적인 음향 공명 주파수, 즉, 1.9964 MHz(도 11, 도 12 및 도 13), 2.0106 MHz(도 14 및 도 15), 및 2.025 MHz(도 16 및 도 17)의 결과가 나타나 있다. 음향 방사력이 5 micron의 반경, 880 kg/㎥의 밀도, 및 1700 m/sec의 음속을 갖는 오일 액적에 대해 계산된다. 물은 1000 kg/㎥의 밀도, 1500 m/sec의 음속, 및 0.001 kg/msec의 동점성 계수를 갖는 메인 유체이다. 도 11은 측방향(수평방향) 음향 방사력을 나타내고 있다. 도 12는 1.9964 MHz의 공명 주파수에 대한 축선방향(수직) 성분을 나타내고 있다. 도 13은 음향 압력 크기를 나타내고 있다.
도 11-도 15는 비교적 작은 측방향 트랩핑 력을 나타내고 있다. 도 16-도 17은 방사력의 측방향 성분 및 축선방향 성분의 상대 크기가 매우 비슷하다는 것을 보여주고, 큰 트랩핑 력이 발생할 수 있다는 것을 나타내며, 여기서 상기 측방향 힘 성분이 축선방향 성분보다 더 크거나 비슷한 크기를 갖는다. 이는 새로운 결과이고 그리고 문헌에서 언급된 전형적인 결과에 반한다.
제 2 결과는, 음향 트랩핑 력의 크기가 대략 mm/s의 전형적인 유동 속도에 대하여, 유체 항력의 크기를 초과하고 그리고 이에 따라서 오일 액적을 트랩하도록 이러한 음향 장이 사용될 수 있다는 것을 나타낸다. 물론, 보다 빠른 유동 속도에서의 트랩핑은 트랜듀서에 적용된 파워를 증대시킴으로써 얻어질 수 있다. 즉, 음향 압력은 트랜듀서의 구동 전압에 비례한다. 전기 파워는 전압의 제곱에 비례한다.
제 3 결과는, 주어진 주파수에서, 이러한 특별한 트랩핑 모드와 관련된 고 트랩핑 력이 전체 유동 채널을 가로질러 제공되고, 이에 따라 전체 채널 폭을 가로지른 오일 액적의 포집을 가능하게 한다는 것이다. 최종적으로, 음향 트랩핑 력 장의 최소치, 즉, 트랩된 파티클의 위치와, 정상파에서의 액적의 관찰된 트랩핑 위치의 비교는 우수한 일치성(agreement)을 보여주며, 모델링이 파티클의 음향 트랩핑의 예측에 대한 실제 정확한 도구라는 것을 나타낸다. 이는 아래에서 더욱 상세하게 나타나 있다.
도 14는 2.0106 MHz의 공명 주파수에서 측방향 음향 방사력 성분을 나타내고 있고, 그리고 도 15는 2.0106 MHz의 공명 주파수에서 축선방향 음향 방사력 성분을 나타내고 있다. 도 14 및 도 15는, 도 11 및 도 12보다 더 큰 피크 트랩핑 력을 나타낸다. 측방향 음향 방사력은 축선방향 방사력을 초과한다. 그러나, 보다 큰 트랩핑 력이 유동 채널의 상부 부분에 위치되고, 그리고 상기 유동 채널의 총 깊이에 이르지 않는다. 따라서, 모드가 채널의 상측 부분에서의 트랩핑 파티클에 효과적이지만, 그러나 전체 패널을 반드시 가로지를 필요가 없음을 나타낸다. 다시 말하자면, 측정된 트랩핑 패턴 비교는 이러한 모드 및 트랩핑 패턴의 존재를 지시한다.
도 16은 2.025 MHz의 공명 주파수에서의 측방향 힘 성분을 나타내고, 그리고 도 17은 2.025 MHz의 공명 주파수에서의 축선방향 음향 방사력 성분을 나타낸다. 음향 장이 각각의 음향 공명 주파수에서 확실하게 변하고, 그리고 이에 따라 시스템의 주의깊은 조정(tuning)이 중요하다. 최소치에서, 2D 모델이 음향 트랩핑 력의 정확한 예측을 위해 필요하다.
2D 선대칭적인 모델이 원형 트랜듀서에 대한 트랩핑 력을 산출하도록 개발되었다. 모델은 파티클 상에서의 음향 트랩핑 력을 예측하도록 사용되었고, 이후 유체 항력 및 부력의 작용과 조합하여 파티클 궤적을 예측하도록 사용될 수 있다. 모델은 명확하게 트랩 파티클을 트랩하는데 필요한 측방향 음향 트랩핑 력을 만들 수 있고, 그리고 부력 및 유체 항력의 영향을 극복할 수 있다는 것을 나타낸다. 모델은 또한 원형 트랜듀서가 트랜듀서에 의해 만들어진 정상파의 전체 볼륨을 가로지른 큰 트랩핑 력을 제공하지 못한다는 것을 나타내며, 원형 트랜듀서가 단지 상기 트랜듀서에 의해 발생된 초음파 정상파의 중앙 부근에서 큰 트랩핑 력을 초래하지만, 그러나 정상파의 엣지 쪽으로 상당히 작은 트랩핑 력을 제공한다는 것을 나타낸다. 더욱이 이는 원형 트랜듀서가 단지 상기 원형 트랜듀서의 정상파를 가로질러 유동할 수 있는 유체 유동의 작은 부분에 대해 제한된 트랩핑을 제공하고, 상기 정상파의 엣지 근방에서 트랩핑이 없다는 것을 나타낸다.
도 18은 파티클 반경과 음향 방사력, 유체 항력, 및 부력의 비례를 나타낸 린-로그(lin-log) 그래프 (선형 Y-축선, 대수(logarithmic) X-축선)이다. 계산은 실험에 사용된 전형적인 SAE-30 오일 액적에 대해 행해진다. 부력은 파티클 볼륨 종속 힘이고, 이에 따라서 대략 미크론 크기의 파티클은 무시가능하지만, 그러나 성장하여, 대략 수백 미크론 크기의 파티클로 아주 크게 된다. 유체 항력은 유체 속도와 선형으로 비례하고(scale), 그리고 이에 따라 전형적으로 미크론 크기의 파티클에 대한 부력을 초과하지만, 그러나 대략 수백 미크론의 보다 큰 크기의 파티클이 무시가능하다. 음향 방사력 스케일링(scaling)이 상이하다. 파티클 크기가 작을 때, Gor'kov의 방정식은 정확하고 그리고 음향 트랩핑 력이 파티클의 볼륨과 비례한다. 결국에는, 파티클 크기가 성장할 때, 음향 방사력이 파티클 반경의 세제곱으로 더 이상 증가하지 않고, 특정 임계 파티클 크기에서 신속하게 소멸될 것이다. 파티클 크기를 더욱 증대시키기 위하여, 방사력은 반대 위상(그래프에서는 나타나 있지 않음)을 가진 상태에서 그 크기가 다시 증가한다. 이러한 패턴은 증가하는 파티클 크기에 대해 반복된다.
처음에, 부유물이 주로 작은 미크론 크기의 파티클을 갖는 시스템을 통해 유동하고 있을 때, 음향 방사력이 정상파에서 트랩될 파티클에 대한 부력과 유체 항력의 결합 효과를 균형 맞출 필요가 있다. 도 18에서 이러한 사항은, Rc1로 지시된, 대략 3.5 micron의 파티클 크기에 대해 발생한다. 그래프는 이후 모든 보다 큰 파티클이 잘 트랩될 것이라는 것을 나타낸다. 따라서, 작은 파티클이 정상파에 트랩될 때, 파티클 유착/결집/집적/응집이 발생하여, 유효 파티클 크기의 계속적인 성장을 초래한다. 파티클 크기가 성장함으로서, 음향 방사력은, 큰 파티클에 의해 음향 방사력이 감소되도록, 상기 파티클을 반사한다. 제 2 임계 파티클 크기(Rc2)로 지시된, 부력이 현저하게 될 때까지 파티클 크기가 계속 성장하여, 상기 크기에서 상기 파티클은, 주요 유체와 관련된 그 상대 밀도에 따라, 상승하거나 가라앉을 것이다. 파티클이 상승하거나 가라앉음에 따라, 음향 방사력을 더 이상 반사시키지 않게 되고, 이에 따라 상기 음향 방사력이 이후 증가한다. 모든 파티클이 떨어져 나갈 것이고, 그리고 이들 잔여 파티클의 크기가 계속해서 매우 잘 성장할 것이라는 것을 알 수 있을 것이다. 이러한 현상은 크기(Rc2)를 넘는 음향 방사력에서의 신속한 강하 및 상승을 설명하고 있다. 따라서, 도 18은 작은 파티클이 정상파에서 어떻게 연속적으로 트랩될 수 있고, 보다 큰 파티클이나 응집물로 어떻게 성장하며, 이후 결론적으로 증가된 부력 때문에 상승되거나 또는 침강(settle out)될 것이라는 것을 설명하고 있다.
원형 트랜듀서가 전체 볼륨을 가로지른 큰 트랩핑 력을 제공하지 않기 때문에, 오일 분리 효율에 대한 트랜듀서 형상의 결과가 조사되었다. 1"-직경 원형 PZT-8 크리스탈(도 19, 110) 그리고 1"x1" 정사각형 크리스탈(도 19, 112)이 사용되었다. 그렇지 않다면 실험이 동일한 조건에서 행해졌다. 표 1은 결과를 나타낸다.
표 1: 라운드형 및 정사각형 트랜듀서 형상의 조사의 결과
결과는 정사각형 트랜듀서(112)가 라운드형 트랜듀서(110)보다 더 우수한 오일 분리 효율을 제공한다는 것을 나타내고 있으며, 상기 정사각형 트랜듀서(112)가 음향 트랩핑 력으로써 유동 채널의 보다 우수한 적용 범위(coverage)를 제공하고 그리고 라운드형 트랜듀서 만이 정상파의 중심선에 따른 강한 트랩핑 력을 제공한다는 사실에 의해 설명되며, 수치 시뮬레이션의 결과를 확인할 수 있다.
트랜듀서의 크기, 형상 및 두께는 상이한 여기 주파수에서 트랜듀서 변위를 결정하고, 이 결과 오일 분리 효율에 영향을 미친다. 전형적으로, 트랜듀서는 두께 공명 주파수 근방의 주파수(반 파장)에서 작동된다. 트랜듀서 변위에서의 구배는 전형적으로 트랩될 오일에 대한 보다 많은 환경(place)을 초래한다. 고차의 모드 변위는 모든 방향에서 음향 장에서의 강한 구배를 갖는 3차원 음향 정상파를 만들고, 이에 따라 모든 방향에서 동일하게 강한 음향 방사력을 생성하여, 다중 트랩핑 라인을 야기시키며, 이 경우 트랩핑 라인의 수는 상기 트랜듀서의 특별한 모드 형상과 관련된다.
도 20은 2.2 MHz 트랜듀서 공명의 부근에서 주파수의 함수처럼 트랜듀서의 측정된 전기 임피던스 크기를 나타낸다. 트랜듀서 전기 임피던스에서의 최소치는 물(water) 칼럼의 음향 공명에 대응하고 그리고 작동용 포텐셜 주파수를 나타낸다. 수치 모델링은, 트랜듀서 변위 프로파일이 이들 음향 공명 주파수에서 상당히 변하고, 이에 따라 음향 정상파 및 최종 트랩핑 력에 직접적으로 영향을 미친다는 것을 나타낸다. 트랜듀서가 그 두께 공명 근방에서 작동하기 때문에, 전극 표면의 변위가 필수적으로 면외이다. 트랜듀서 전극의 전형적인 변위가 일정하지 않고 그리고 여기 주파수에 따라 변한다. 일례로서, 단 하나의 라인의 트랩된 오일 액적을 갖는 한 여기 주파수에서, 변위는 전극의 중앙에서 단 하나의 최대치를 갖고 트랜듀서 엣지 근방에서 최소치를 갖는다. 다른 한 여기 주파수에서, 트랜듀서 프로파일은 다중 트랩된 라인의 오일 액적으로 나아가는 다중 최대치를 갖는다. 고차 트랜듀서 변위 패턴은 포집된 오일 액적에 대한 보다 큰 트랩핑 력 및 다중 안정적인 트랩핑 라인을 초래한다.
오일 분리 효율 및 음향 트랩핑 력에서의 트랜듀서 변위 프로파일의 효과를 조사하기 위하여, 여기 주파수를 제외한 모든 동일한 조건하에서 실험이 10회 반복되었다. 도 20에서 원으로 둘러싸인 숫자 1 내지 9와, 문자 A로 지시된 10개의 연속적인 음향 공명 주파수가 여기 주파수로서 사용되었다. 조건은 30 min의 실험 지속기간, 대략적으로 5-micron SAE-30 오일 액적의 1000 ppm 오일 농도, 500 ml/min의 유동 율, 및 20W의 적용된 파워이었다.
에멀젼이 트랜듀서에 의해 통과됨에 따라, 오일 액적의 트랩핑 라인이 관찰되었고 특징화되었다. 특징화에는 도 21a에 도시된 바와 같이, 유체 채널을 가로지른 트랩핑 라인의 수의 패턴, 도 20에서 확인된 10개의 공명 주파수 중 7개의 패턴 및 결과(observation)가 포함되었다.
도 21b는 본 시스템의 사시도이며, 여기서 트랩핑 라인 위치가 결정되고 있다. 도 21c는 화살표 114에 따라, 유입구를 아래로 보았을 경우에 나타나는 시스템의 도면이다. 도 21d는 화살표 116에 따라, 트랜듀서에서 직접적으로 볼 경우에 나타나는 시스템의 도면이다.
여기 주파수의 효과는 명확하게 음향 공명(5 및 9)의 여기 주파수에서의 단 하나의 트랩핑 라인으로부터, 음향 공명 주파수(4)에 대한 9개의 트랩핑 라인까지 변하는, 상기 트랩핑 라인의 수를 결정한다. 여러 여기 주파수에서 4개나 5개의 트랩핑 라인이 관찰된다. 이들 실험적으로 관찰된 결과는 도 9a 및 도 9b가 도 9c 및 도 9d와 비교되었을 때 차이점으로부터 예측된 결과를 확인한다. 트랜듀서의 상이한 변위 프로파일은, 변위 프로파일에서의 보다 많은 구배가 일반적으로 보다 큰 트랩핑 력 및 보다 많은 트랩핑 라인을 만들며, 상이한 (보다 많은) 트랩핑 라인을 정상파에서 만들 수 있다.
표 2는 도 27a와 유사한 시스템을 사용하여 오일 트랩핑 실험으로부터의 결과를 요약한 것이다. 중요한 결론은 음향 분리기의 오일 분리 효율이 트랜듀서의 모드 형상과 직접적으로 관련된다는 점이다. 고차 변위 프로파일은 보다 우수한 효율을 초래하는 보다 큰 음향 트랩핑 력 및 보다 많은 트랩핑 라인을 만든다. 스케일링 연구에 유용한 제 2 결론은, 500 ml/min에서 5 micron 오일 액적을 포집하는 것이 1"의 음향 빔 간격(span)당 트랜듀서 영역의 평방 인치당 10 Watt의 파워를 필요로 한다는 것을 테스트가 나타낸다는, 것이다. 주요 소산은 음향 정상파의 전용적(bulk volume)에서의 열-점성 흡수이다. 이러한 유동율과 관련된 에너지 비용은 입방 미터 당 0.667 kWh이다.
표 2: 트랩핑 패턴 포집 효율 연구
도 22 및 도 23은 9개의 트랩핑 라인 패턴에서의 트랩된 오일 액적의 사진을 나타내고 있다. 점선은 트랩핑 라인 상에서 중첩된다. 도 24는 9개의 트랩핑 라인 패턴과 맞춰지는 압력 장을 나타내고 있다. 수치 모델은 2-차원 모델이고; 이에 따라서 단지 3개의 트랩핑 라인이 관찰된다. 두 개 이상의 세트의 3개의 트랩핑 라인이 도 22 및 도 23의 2D 모델의 평면에 수직한 제 3 차원으로 나타난다. 이러한 비교는 수치 모델이 초음파 정상파의 특성 및 최종 트랩핑 력의 예측에 정확하다는 것을 나타내며, 도 9a 및 도 9b이 도 9c 및 도 9d와 비교될 때의 차이로부터 예측된 결과를 다시 한번 확인한다.
보다 큰 시스템에 있어서, 상이한 트랜듀서 배치가 실행가능하다. 도 25는 3개의 정사각형 1"x1" 크리스탈(120a, 120b, 120c)을 포함한 트랜듀서 어레이(120)를 나타내고 있다. 두 개의 정사각형이 서로 평행하고, 그리고 제 3 정사각형이 삼각형 패턴을 형성하도록 오프셋되며 100% 음향 적용범위를 얻는다. 도 26은 트랜듀서 어레이(122)를 나타내고 있으며, 상기 트랜듀서 어레이는 서로 평행한 긴 축선과 배치된 두 개의 직사각형 1" x 2.5" 크리스탈(122a, 122b)을 포함한다. 트랜듀서 당 파워 소산은 충분한 음향 트랩핑 력을 얻기 위하여, 1"x1" 트랜듀서 단면적 당 그리고 음향 정상파 간격 인치당 10 W 이었다. 4" 간격의 중간 스케일 시스템에 대해, 각각의 1"x1" 정사각형 트랜듀서는 40 W를 소비한다. 보다 큰 1"x2.5" 직사각형 트랜듀서가 중간 스케일 시스템에서 100W를 사용한다. 3개의 1"x1" 정사각형 트랜듀서의 어레이가 총 120 W를 소비할 수 있고 그리고 두 개의 1"x2.5" 트랜듀서의 어레이가 대략 200 W를 소비할 수 있다. 가깝게 이격된 트랜듀서의 어레이가 상기 기술의 대안적인 포텐셜 실시예를 나타낸다. 트랜듀서 크기, 형상, 수, 및 위치가 요구되는 3차원 음향 정상파를 발생시키도록 요구됨에 따라 변경될 수 있다.
주요 유체를 부력 있는 유체나 미립자와 분리하기 위한 4" 바이(by) 2.5" 유동 단면적 중간 스케일 기기(124)가 도 27a에 도시되어 있다. 음향 경로 길이는 4"이다. 본 기기는, 유동 방향이 하향인 정위로 도면에 나타나 있으며, 주요 유체와 보다 저 밀도의 파티클을 분리하도록 사용된다. 그러나, 본 기기는 필수적으로 주요 유체보다 더 무거운 파티클의 분리를 허용하기 위해 거꾸로 회전될 수 있다. 상향 방향에서의 부력 대신에, 중력에 의한 응집된 파티클의 무게는 상기 파티클을 하향으로 당긴다. 이러한 실시예는 유체가 수직으로 유동하는 정위를 갖는 것으로 나타나 있음을 알 수 있을 것이다. 그러나, 또한 유체 유동이 수평방향 방향으로, 또는 한 각도로 위치될 수 있게 고려된다.
파티클-수용 유체가 유입구(126)를 통해 환형 공간(131)으로 기기에 진입한다. 환형 공간은 환형 내경 및 환형 외경을 갖는다. 두 개의 유입구는, 임의의 수의 유입구가 요구됨으로서 제공될 수 있지만, 본 도면에서 나타내어져 있다. 특별한 실시예에 있어서, 4개의 유입구가 사용된다. 유입구는 반경방향으로 대향되고 그리고 정위된다.
윤곽형성된 노즐 벽부(129)는 벽부 구역 근방에서 보다 고 속도를 만들고 난류를 감소시키는 방식으로 유동 경로의 외경을 감소시켜서, 유체속도 프로파일이 전개됨에 따라 근방 플러그 유동을 만드는데, 이는, 즉 원주방향 운동 성분 및 저 유동 난류가 거의 없거나 아예 없이 유체가 중심선의 방향으로 하향 가속된다는 것이다. 이는 음향 분리 및 파티클 수집에 최적인 챔버 유동 프로파일을 발생시킨다. 유체는 연결 덕트(127)를 통해 그리고 유동/분리 챔버(128)로 통과한다. 도 27b에서의 줌-인된 윤곽형성된 노즐(129)에서 보여지는 바와 같이, 노즐 벽부는 또한 반경방향 운동 성분을 부유 파티클에 부가하여, 상기 파티클을 기기의 중심선에 보다 가깝게 이동시키고 그리고 상승하는, 부력 있는 응집된 파티클을 갖는 보다 많은 충돌을 발생시킨다. 이러한 반경방향 운동이 분리 챔버에 도달하기 전에 연결 덕트(127)에서의 유체의 최적의 스크러빙(scrubbing)을 가능하게 할 것이다. 윤곽형성된 노즐 벽부(129)는 또한 파티클 수집을 향상시키기 위하여 수집 덕트(133)의 입구에서 큰 규모의 소용돌이를 발생시키는 방식으로 유체를 나아가게 한다. 일반적으로, 장치(124)의 유동 영역은 환형 공간(131)으로부터 분리 챔버(128)까지 연속적으로 감소하도록 설계되어, 보다 우수한 파티클 분리, 응집, 및 수집을 위한 저 난류 및 소용돌이 형성을 보장한다. 노즐 벽부는 광폭의 단부와 협폭의 단부를 갖는다. 스크러빙이라는 용어는 보다 큰 파티클/액적이 유체 유동에 반하는 방향으로 이동하고 보다 작은 파티클과 충돌할 때, 부유물 밖으로 보다 작은 파티클을 스크러빙한다는 효과를 발생시키는 파티클/액적 응집, 집적, 결집 또는 유착의 처리를 기술하도록 사용된다.
도 27a를 살펴보면, 유동/분리 챔버(128)는 상기 챔버의 맞은편 측에서 트랜듀서 어레이(130) 및 반사기(132)를 포함한다. 사용 중에, 정상파(134)는 트랜듀서 어레이(130)와 반사기(132) 사이에 만들어진다. 이들 정상파는 파티클을 집적하도록 사용될 수 있고, 그리고 이러한 정위는 부력있는 파티클(예를 들면, 오일)을 집적하도록 사용된다. 잔여 파티클을 수용한 유체는 이후 유동 유출구(135)를 통해 빠져나간다.
부력있는 파티클이 집적함에 따라, 상기 파티클은 결국에는 유체 유동 항력 및 음향 방사력의 결합 효과를 극복하고, 그리고 그의 부력(136)은 부력있는 파티클을 상향 상승시킬 수 있는데 충분하다. 이와 관련하여, 수집 덕트(133)는 환형 공간(131)에 의해 둘러싸인다. 보다 큰 파티클은 이러한 덕트를 통해 그리고 수집 챔버(140)로 통과할 것이다. 이러한 수집 챔버는 또한 유출구 덕트의 부분일 수 있다. 수집 덕트 및 유동 유출구는 기기의 반대쪽 양 단부에 있다.
분리 챔버(128)에 형성된 부력있는 파티클은 순차적으로 연결 덕트(127) 및 노즐 벽부(129)를 통과한다는 것을 알 수 있을 것이다. 이는 환형 공간으로부터 들어오는 유동이 노즐 벽부에 의해 부여된 내측 반경방향 운동 때문에, 상승하는 응집된 파티클 상에서의 유동을 야기시키게 한다. 이는 상승하는 파티클이 들어오는 유동에서의 보다 작은 파티클을 또한 트랩할 수 있게 하여, 스크러빙 유효성을 증대시킨다. 연결 덕트(127) 및 윤곽형성된 노즐 벽부(129)의 길이는 이에 따라 스크러빙 유효성을 증가시킨다. 특히 큰 유효성은 0.1 micron 내지 20 micron의 크기를 갖는 파티클에 대해 알려졌으며, 이 경우 효율은 종래의 방법에 대해 매우 낮다.
본 발명에서의 설계는 유동 챔버(128)에 대한 유입구에서의 저 유동 난류, 음향 분리 이전의 파티클 응집 및/또는 유착을 강화하기 위해 유동 챔버 이전의 스크러빙 길이, 및 수집 덕트(133)에서 파티클 제거에 도움이 되는 수집 소용돌이의 사용을 최적화된 속도 프로파일로 제공한다.
도 27a의 기기로써 실행된 실험에 있어서, 트랜듀서 어레이(120)가 시스템(124)에 설치되고 제거되며, 그리고 이후에 트랜듀서 어레이(122)가 설치된다. 어레이는 각각의 트랜듀서가 증폭기로부터 동일한 전압 시그널에 의해 구동되도록 병렬로 작동되었다. 전자 구동 회로가 함수 발생기 및 300W A300 ENI RF 증폭기로 이루어졌다. 테스트의 결과가 표 3에 나타나 있다. 제 1 테스트가 서로 평행하게 정위된, 어레이(120) 또는 1"x1" 정사각형 트랜듀서 중 단지 2개를 사용하였고, 그리고 1300 ml/min의 유동율에서 실행되었다. 88%의 오일 분리 효율이 초래된다. 다음 테스트는 모든 3개의 정사각형 트랜듀서 및 2000 ml/min의 유동율을 포함하고, 그리고 93%의 효율을 초래하였다. 이들 결과는 우수하고 그리고 기술이 트랜듀서의 어레이에 의해 구동된 보다 큰 유동 채널에 적용가능하다(scalable)는 것을 증명한다. 다음 세트의 테스트가 1"x2.5" 직사각형 트랜듀서 어레이(122)를 포함하였다. 제 1 테스트에 대해, 단지 하나의 트랜듀서가 실행되었고 그리고 87%의 효율을 초래하였다. 양 트랜듀서가 작동하는 상태에서의 제 2 테스트가 97%의 효율을 초래하였다. 1"x2.5" 트랜듀서에 대해, 사용되었던 파워 레벨은 안전 레벨에서 트랜듀서를 작동시키는 것에 기초하였다. 이들 테스트를 위한, 중간 시스템에 대한 에너지 비용은 입방 미터 당 1 kWh이다.
표 3: 중간 시스템 테스트 결과
수치 모델링은 또한 음향 정상파에 대한 4"의 간격을 갖는 중간 크기의 시스템에 대해 행해졌다. 다중 트랜듀서는 트랜듀서 사이의 커플링 효과를 조사하도록 모델링 되었다. 주파수 스윕은 행해졌고 그리고 음향 모드 형상이 트랜듀서의 고차 모드 형상에 확실하게 결합하는 공명 주파수가 확인되었다. 수치 및 실험 결과 사이의 비교가 우수하고 그리고 모델의 정확도를 증명한다. 도 28은 우측에서 두 개의 트랜듀서를 갖는 음향 압력 장의 모델을 나타내고 있다. 정상파에서의 트랩된 오일 액적의 사진 그래프가 도 29에 나타나 있다. 실험 및 모델 양자는 동일한 특징을 나타낸다. 특정 여기 주파수에서, 오일 액적은, 강한 트랩핑 력으로써 확장된 음향 장을 나타내는, 트랜듀서 영역으로써 형성된 유체 볼륨 외측의 정상파 웰(well)에서 트랩된다. 도 30은 이러한 트랩된 오일 액적의 사진그래프를 나타낸다. 도 31은 동일한 특징을 예측하는 음향 압력 장 모델을 나타낸다.
트랜듀서는 전형적으로 얇은 압전기 플레이트이고, 상기 압전기 플레이트는 도 38에 도시된 바와 같이, z-축선에서의 전기장 및 z-축선에서의 주요 변위를 갖는, (3, 3) 모드에서 작동된다. 트랜듀서는 전형적으로 한 측에서 공기(즉, 상기 트랜듀서 내의 공기 갭)와 연결되고 그리고 다른 한 측에서 물(즉, 주요 유체)과 연결된다. 플레이트에서 발생된 파의 타입은 복합 파로서 알려졌다. 압전기 플레이트에서의 복합 파의 서브세트가 약하게 대칭적인(또한 압축성 또는 확장성을 의미함) 램파(Lamb wave)와 비슷하다. 플레이트의 압전기 특성은 전형적으로 대칭적인 램파의 여기를 초래한다. 파는 물 층으로 방사되기 때문에 약하며, 이는 물 층에서의 음향 정상파의 발생을 초래한다. 대칭적인 램파는 도 32의 좌측에 도시된 바와 같이, 플레이트의 중립 축선과 관련하여 대칭적인 변위 프로파일을 갖는다. 대칭적인 램파는 도 32의 우측에 도시된 바와 같이, 비-대칭 램파보다 더 바람직하게 보여진다. 램파는 플레이트의 표면에서 응력이 없는 상태인 무한 정도의 얇은 플레이트에 존재한다. 이러한 실시예의 트랜듀서가 본래 유한하기 때문에, 실제 모드의 변위가 더욱 복잡하게 된다. 도 33은 플레이트의 두께를 가로지른 면내 변위(x-변위) 및 면외 변위(y-변위)의 전형적인 변화를 나타내고 있으며, 상기 면내 변위가 상기 플레이트의 상기 두께를 가로지른 우함수이고 그리고 면외 변위는 기함수이다. 플레이트의 유한 크기 때문에, 변위 성분은 상기 플레이트의 폭과 길이를 가로질러 변한다. 일 실시예가 도 38에 도시되어 있고, 상기 도면은 (3,3) 변위 모드를 나타내고 있다. 면외 성분은 3개의 주기적 파동(undulation)에 의해 특징지워지고 그리고 면내 성분은 3개의 진동에 의해 특징지워진다. 트랜듀서의 이러한 변위 프로파일은 (3,3) 모드를 의미한다. 부가적인 보다 고 주파수 진동은, 폭 및 길이 대 두께 비가 주어진 트랜듀서에 대해 25이기 때문에, 폭 및 길이 방향에서의 기본적인 길이방향 모드의 25번째 조화인 예를 들면, 25 피크를 갖는 진동과 같은 변위 프로파일에서 보여진다. 일반적으로, (m,n) 모드는 트랜듀서의 변위 모드이고, 이 변위 모드에 있어서 트랜듀서 변위에서 폭 방향으로 m 파동이 있고 길이방향으로 n 파동이 있으며, 그리고 도 33에 나타난 바와 같은 두께 변화가 있다. 최대 수(m 및 n)는 여기 주파수 및 크리스탈의 치수의 함수이다.
이미 언급된 바와 같이, 트랜듀서는 압전기 크리스탈이 일반식의 고차 모드(m, n)로 진동하도록 구동되며, 여기서 m 및 n은 독립적으로 1보다 크다. 도 34-도 38은, 순차로, 직사각형 플레이트의 진동 모드((1,1), (2,1), (1,2), (2,2), 및 (3,3))를 나타내고 있다. 각각의 도면에 있어서, 플레이트(156)는 그 폭(152)과 동일하거나 더 긴 길이(150)를 갖는다. 길이(y=0)에 따른 시점과, 폭(x=0)에 따른 시점의 사시도가 각각의 진동 모드에 대해 제공된다.
도 34는 진동 모드(1,1)를 나타내고 있다. 이러한 모드에 있어서, 플레이트는 직사각형 플레이트(156)의 중심에 있는 파복(154)에서 그 최대 변위를 갖는다. 도 34b는 길이(150)에 따른(즉, 화살표 151에 따른) 시점을 나타내고 있고 그리고 도 34c는 폭(152)에 따른(화살표 153에 따른) 시점을 나타내고 있다. 도 34d는 진동 모드(1,1)와 관련된 면내 변위를 나타내고 있다.
도 35는 모드 (2,1)를 나타내고 있다. 여기서, 두 개의 파복(160)(멤브레인(156)의 평면상의 피크)이 있다. 이들 두 개의 파복은 길이(150)의 중앙에서 그리고 폭(152)에 평행하게 뻗어있는 최소 변위(162)의 파절 라인의 맞은편 측에 있다. 정사각형 트랜듀서(길이(150)가 폭(152)과 동일한 것, 도 19의 트랜듀서(112)에서와 같이 그리고 도 25에서와 같이)의 경우에, (1,2) 및 (2,1) 모드는 단지 서로의 회전이라는 것을 알 수 있을 것이다. 도 35b는 길이에 따른(즉, 화살표 161에 따른) 시점이고 그리고 도 35c는 폭에 따른(즉, 화살표 163에 따른) 시점을 나타낸다.
도 36은 모드 (1,2)를 나타내고 있다. 이러한 모드는 또한 두 개의 파복(166) 및 하나의 파절 라인(164)을 갖는다. 도 35와 비교하면, 여기서 차이는 파절 라인(164)이 (길이(150)에 평행하게) 길이방향으로 그리고 폭(152)의 중심에서 뻗어있다는 것이다. 도 36b는 화살표 165에 따른 시점을 나타내고 그리고 도 36c는 화살표 167에 따른 시점을 나타낸다.
도 37은 네 개의 파복(174) 및 두 개의 파절 라인(170, 172)을 갖는 (2, 2) 모드를 나타내고 있다. 하나의 파절 라인(172)은 폭(152)의 중앙에서, 길이(150)에 평행하다. 다른 파절 라인(170)은 길이(150)의 중앙에서, 폭(152)에 평행하다. 도 37b는 화살표 171에 따른 시점을 나타내고 그리고 도 37c는 화살표 173에 따른 시점을 나타낸다.
도 38은 진동 모드 (3,3)를 나타낸다. 두 개의 길이방향 파절 라인(186) 및 두 개의 폭-방향 파절 라인(180)이 있다. 3개의 세트의 파복(182)이 파절 라인(180)에 의해 만들어지고, 그리고 3개 세트의 파복(184)이 파절 라인(186)에 의해 만들어진다. 이러한 구성은 각각의 방향의 교차로부터 초래된 총 9개의 파복을 야기시킨다. 도 38b는 화살표 181에 따른 시점을 나타내고 그리고 도 38c는 화살표 183에 따른 시점을 나타낸다. 도 38d는 진동 모드 (3, 3)와 관련된 면내 변위를 나타낸다.
이들 모드는 설명을 위한 것이고, 일반적으로, 트랜듀서는 (2,2) 모드보다 고차 모드에서 진동할 것이다. 고차 모드가 보다 많은 파절 및 파복을 만들 것이고, 모든 방향, 즉 정상파의 방향뿐만 아니라, 측방향 방향에서의 음향 장에서 강한 구배로 특징지워지는, 물 층에 3차원 정상파를 초래할 것이다. 결론적으로, 음향 구배는 측방향 방향에서 보다 강한 트랩핑 력을 초래한다.
도 39a - 도 39c는 상이한 변위 모드에서 작동하는 트랜듀서에 의해 발생된 압력 장을 나타내고 있다. 각각의 도면에 있어서, 진동하는 크리스탈은 y = 1 inch로 도시되어 있고, 그리고 유체로 전달된 최종 정상파가 아래 설명되어 있다. 도 39a는, 물 층이 (1,1) 모드에서 현저하게 작동하는 트랜듀서에 의해 구동될 때, 음향 압력의 크기를 나타내고 있다. 최종 압력 장은 측방향 방향에서 천천히 변하는 음향 압력 크기를 갖는 본래 일차원의 정상파로 기술될 수 있는 압력 장이다. 도 39b는 (2,2) 모드에서 현저하게 작동하는 트랜듀서에 의해 여기된 압력 장을 나타내고 있고, 그리고 이와 유사하게 도 39c는 트랜듀서가 (3,3) 모드에서 현저하게 작동될 때의 압력 장을 나타내고 있다. 본 출원인은 (2,2) 여기가 4개의 (2x2) 평행한 음향 정상파의 발생을 야기시키고, 그리고 (3,3) 여기는 9개의 (3x3) 정상파의 발생을 야기시킨다는 것을 알았다. 측방향 음향 방사력 성분 대 축선방향 성분의 비는 이들 3개의 압력 장에 대해 계산되었다. (2,2) 모드에서의 여기는 (1,1) 모드와 비교하여 2배의 비를 야기시킨다. (3,3) 모드에서의 여기는 (1,1) 모드의 비의 3배를 야기시키고, 이에 따라 고차 모드 여기의 장점을 증명한다.
일반적으로 말하자면, 그러나 도 27a의 트랜듀서 어레이를 특히 참조하면, 본 발명의 트랜듀서 셋업(setup)은 유체 유동에 수직한 정상파를 포함하는 3차원 압력 장을 만든다. 압력 구배는 정상파 방향에 수직한(즉, 음향영동 힘이 유체 유동방향에 평행한) 음향영동 힘을 발생시키도록 충분히 크며, 상기 음향영동 힘은 상기 파의 방향에서의 음향영동 힘과 대략적으로 동일한 차수의 크기를 갖는다. 이러한 구성은 종래의 장치에서와 같이 수집 평면에서의 단지 트랩핑 파티클과 대조적으로, 잘-형성된 트랩핑 라인을 따라서 그리고 유동 챔버 내에서의 향상된 파티클 트랩핑 및 수집을 허용한다. 파티클은 정상파의 파절이나 파복으로 이동할 상당한 시간을 가져서, 파티클이 집중하고, 응집하고, 및/또는 유착할 수 있는 구역을 발생시킨다.
여러 실시예에 있어서, 유체 유동은 층류 유동이 발생하는, 즉, 1500에 이르는 레이놀즈 수를 갖는다. 산업상 실제 적용을 위해, 레이놀즈 수가 시스템을 통한 유동에 대해 통상적으로 10 내지 1500이다. 유체 운동에 대한 파티클 이동은 1.0보다 상당히 작은 레이놀즈 수를 발생시킨다. 레이놀즈 수는 주어진 유동 장에서의 관성 유동 효과 대 점성 효과의 비를 나타낸다. 1.0보다 작은 레이놀즈 수, 점성 력은 유동 장에서 두드러진다. 이러한 구성은 전단 력이 유동 내내 두드러진 상당한 댐핑을 초래한다. 점성 력이 두드러진 이러한 유동은 스토크스 유도(Stokes flow)이라 불리며, 당밀(molasses)의 유동이 그 일례이다. 벽부 윤곽형성 및 간소화(streamlining)는 매우 덜 중요하다.
고 점성 유체의 유동이나 또는 MEMS 장치와 같은 매우 작은 통로에서의 유동과 관련된다. 유입구 윤곽형성은 덜 중요하다. FSA 파티클 분리기에서의 유체와 관련된 파티클의 유동은 파티클 직경 그리고 상기 파티클과 유체 사이의 상대 속도 모두가 매우 작기 때문에 스토크스 유동일 것이다. 다른 한편으로, 시스템을 통한 유동에 대한 레이놀즈 수는 유체 속도 및 유입구 직경이 매우 더 크기 때문에 1.0 보다 상당히 더 클 것이다. 1.0보다 상당히 더 큰 레이놀즈 수에 대해, 점성 력은 유동이 표면과 접촉하게 되는 곳에서만 두드러진다. 표면 근방의 이러한 점성 구역은 경계 층이라 불리고 그리고 먼저 루트비히 프란틀(Ludwig Prandtl)에 의해 인지되었다(참조 2). 덕트 유동에 있어서, 유동은, 레이놀즈 수가 덕트에서의 유동의 완전한 전개를 위해 1.0보다 상당히 크고 2300보다 작으면, 층류일 것이다. 벽부에서의 벽부 전단 응력이 거리로써 스트림으로 확산될 것이다. 덕트의 유입구에서, 유동 속도가 일정하게 시작한다. 유동이 덕트 아래로 이동함에 따라, 벽부 점성 력의 결과가 포물선 속도 프로파일을 만들도록 중심선 쪽으로 내측으로 확산할 것이다. 이러한 포물선 프로파일은 평균 속도의 2배인 피크 값을 가질 것이다. 전개할 포물선 프로파일에 필요한 길이가 레이놀즈 수의 함수이다. CHO 작동에 전형적인 20의 레이놀즈 수에 대해, 전개 길이는 1.2 덕트 직경일 것이다. 따라서, 완전하게 전개된 유동이 매우 빠르게 발생한다. 중심에서의 이러한 피크 속도는 음향 파티클 분리에 불리할 수 있다. 또한, 층류 유동 레이놀즈 수에서 난류가 발생할 수 있고 그리고 유동 표면 윤곽형성이 유동 제어에 매우 중요하다. 이러한 이유 때문에, 분리기는 환형 유입구 공간 및 수집기 튜브로 설계되었다.
큰 환형 공간은 도 27b에 도시된 바와 같은 중심선 쪽으로 내측으로 유체를 가속시켜 나아가게 하는 유입구 벽부 노즐에 의해 뒤따른다. 벽부 외형은 프로파일에서 상당한 영향을 미칠 것이다. 영역 수렴(area convergence)은 유동 평균 속도를 증가시킬 것이지만, 그러나 벽부 외형이 속도 프로파일을 결정한다. 노즐 벽부 외형은 유동 스트림라인일 것이고, 그리고 분리기에서 작은 반경의 곡률로 설계된다.
트랜듀서는 정상파 방향에 수직한 방향으로 그리고 정상파 방향으로 대략적으로 동일한 차수의 크기의 힘을 발생시키는 압력 장을 만들도록 사용된다. 힘이 대충 대략적으로 크기가 동일할 때, 0.1 micron 내지 300 micron 크기의 파티클은 도 21c에서 볼 수 있는 바와 같이, 응집의 구역("트랩핑 라인")쪽으로 보다 효과적으로 이동될 것이다. 직교한 음향영동 힘 성분에서의 동일하게 큰 구배 때문에, 트랜듀서(130)와 반사기(132) 사이의 정상파 방향에서 일정한(regular) 위치에 위치하지 않는 "고온의 스팟(hot spot)" 또는 파티클 수집 구역이 있다. 고온의 지점은 최대 또는 최소 음향 방사 포텐셜에 위치된다. 이러한 고온의 지점은 수집 동안의 트랜듀서와 반사기 사이의 보다 우수한 파 전달 및 보다 강한 상호-파티클 힘을 가능하게 하는 파티클 수집을 나타내며, 보다 빠르고 보다 우수한 파티클 응집을 초래한다.
음향영동 분리기의 하나의 출원은 "ACOUSTOPHORETIC SEPARATION OF LIPID PARTICLES FROM RED BLOOD CELLS"를 발명의 명칭으로 하여 Dutra 및 Lipkens가 출원한 미국특허 출원 13/866,584에 개시된, 적혈구의 분리와 같은, 미디엄으로부터의 세포의 분리이며, 상기 문헌의 전체 내용은 참조를 위해 본 명세서에 모두 통합되어 있다.
다른 한 출원은 단백질을 만드는 생물학적 세포로부터 생물학적 치료 단백질의 분리이다. 이와 관련하여, 현 분리 방법은 여과작용 또는 원심분리를 필요로 하고, 이러한 방법 중 어느 한 방법은 세포를 손상시킬 수 있어, 단백질 찌꺼기 및 효소를 정화 공정으로 배출하고 정화 시스템의 하류 부분에서의 부하를 증대시킨다. 이는 보다 많은 양의 치료 단백질의 수집 및 보다 우수한 비용 효율을 가능하게 하기 때문에, 보다 큰 세포 밀도를 갖는 볼륨을 처리할 수 있는 것이 바람직하다.
도 40a 및 도 40b는 음향영동 분리기의 다양한 부품을 나타낸 분해도이다. 도 40a는 단지 하나의 분리 챔버를 나타내고 있는 한편으로, 도 40b는 두 개의 분리 챔버를 나타내고 있다.
도 40a를 살펴보면, 유체가 4개의 포트 유입구(191)를 통해 분리기(190)에 진입한다. 전이부(192)는 분리 챔버(193)를 통한 플러그 유동을 만들도록 제공된다. 트랜듀서(40) 및 반사기(194)는 분리 챔버의 마주한 벽부 상에 위치된다. 유체는 이후 분리 챔버(193) 및 유출구(195)를 통해 분리기를 빠져나온다.
도 40b에는 두 개의 분리 챔버(193)가 도시되어 있다. 시스템 커플러(196)는 두 개의 챔버(193) 사이에 배치되어 이들을 함께 연결한다.
음향영동 분리는 CHO(Chinese hamster ovary) 세포의 상이한 라인에서 테스트되었다. 한 실험에 있어서, 8.09x106 cells/mL의 시작 세포 밀도, 1,232 NTU의 혼탁도, 및 대략적으로 75%의 세포 생존능력에 의한 용액이 도 40a에 도시된 바와 같은 시스템을 사용하여 분리되었다. 트랜듀서는 2 MHz 크리스탈이었고, 대략적으로 2.23 MHz에서 작동하며, 24-28 Watts를 필요로 한다(draw). 25 mL/min의 유동율이 사용되었다. 이러한 실험의 결과가 도 41a에 나타나 있다.
다른 한 실험에 있어서, 8.09x106 cells/mL의 시작 세포 밀도, 1,232 NTU의 혼탁도, 및 대략적으로 75%의 세포 생존능력에 의한 용액이 분리되었다. 이러한 CHO 세포 라인은 두 개의 모드의(bi-modal) 파티클 크기 분포(크기 12 ㎛ 및 20 ㎛ 크기로)를 갖는다. 결과가 도 41b에 나타나 있다.
도 41a 및 도 41b는 벡크만 카울터 세포 생존능력 분석기에 의해 만들어졌다. 여러 테스트는 세포를 유체로부터 분리할 때 1 MHz 및 3 MHz의 주파수가 2 MHz 만큼 효과적이지 않았다는 것을 나타낸다.
10 L/hr의 유동율에서의 여러 테스트에 있어서, 99%의 세포가 99% 보다 큰 확인된 세포 생존능력으로써 포집되었다. 50 mL/min(즉, 3 L/hr)의 유동율에서의 여러 테스트가 거의 100%의 생존능력을 갖고 그리고 온도 상승이 거의 없는 상태로부터 아예 없는 상태까지 3x106 cells/mL의 최종 세포 밀도를 얻었다. 여러 다른 테스트에 있어서, 혼탁도에서의 95% 감소가 6 L/hr의 유동율에서 얻어졌다.
도 27에 도시된 스케일된 유닛(scaled unit)에서의 테스팅이 생물학적 적용을 위해 CHO용 시뮬런트(simulant)로서 효모를 사용하여 행해졌다. 이들 테스트를 위해, 15 L/hr의 유동율에서, 다양한 주파수가 파워 레벨과 마찬가지로 테스트되었다. 표 4가 테스트 결과를 나타낸다.
표 4: 15 L/hr 유동율에서의 2.5" x 4" 시스템 결과
생물학적 적용에 있어, 많은 부분, 예를 들면, 하우징, 유입구, 출구 공간, 및 입구 공간으로부터 그리고 이들로 나아가는 배관(tubing)은, 단지 트랜듀서 및 반사기가 재사용을 위해 세정된 상태에서, 모두 처분될 수 있다. 원심분리기를 피하고 그리고 필터가 세포의 생존능력을 저하시키지 않으면서, CHO 세포의 보다 우수한 분리를 가능하게 한다. 음향영동 분리기의 형상 계수는 또한 필터링 시스템보다 더 작으므로, CHO 분리가 최소화될 수 있다. 트랜듀서는 또한 급격한 압력 변화를 만들도록 구동되어 CHO 세포의 응집에 의한 차단을 방지하거나 세정할 수 있다. 트랜듀서의 주파수는 또한 주어진 파워에 대한 최적의 유효성을 얻도록 변경될 수 있다.
본 발명은 예시적인 실시예를 참조하여 기재되어 있다. 명확하게도, 앞서 기재된 설명을 읽고 이해한 사람이라면 본 발명에 대한 여러 변경 및 수정을 행할 수 있을 것이다. 당업자라면 첨부된 청구범위의 범주 내에서 본 발명에 대한 여러 변경 및 수정이 가능하다는 것을 알 수 있을 것이다.
Claims (27)
- 기기로서,
적어도 하나의 유입구 및 적어도 하나의 유출구를 갖는 유동 챔버;
상기 유동 챔버에 연결되며, 고차 모드 형상에서 진동하도록 여기시키기 위해 구성된 압전기 소재를 포함하는 적어도 하나의 초음파 트랜듀서; 및
상기 적어도 하나의 초음파 트랜듀서로부터 상기 유동 챔버의 맞은편 측에 위치된 반사기를 포함하는, 기기. - 청구항 1에 있어서,
상기 압전기 소재는 다수의 최대치 및 최소치를 갖는 변위 프로파일을 만들기 위해 진동하도록 구성된, 기기. - 청구항 1에 있어서,
상기 압전기 소재의 형상은 직사각형인, 기기. - 삭제
- 청구항 1에 있어서,
환형 공간으로 나아가는 기기 유입구;
상기 기기 유입구의 하류의 윤곽형성된 노즐 벽부;
상기 환형 공간에 의해 둘러싸인 수집 덕트; 및
상기 윤곽형성된 노즐 벽부를 상기 유동 챔버의 적어도 하나의 유입구에 연결하는 연결 덕트를 더 포함하는, 기기. - 청구항 1에 있어서,
상기 적어도 하나의 초음파 트랜듀서는:
상부 단부, 하부 단부, 및 내부 볼륨을 갖는 하우징;
상기 하우징의 하부 단부에 위치하고 노출된 외측 표면 및 내측 표면으로 배치된 압전기 소재; 및
상기 하우징의 상부 단부와 상기 압전기 소재 사이의 공기 갭을 포함하는, 기기. - 기기로서,
유입구 및 유출구를 구비한 유동 챔버;
상기 유동 챔버에 연결되며, 동일한 차수의 크기를 갖는 축선방향 힘 성분 및 측방향 힘 성분을 갖는 음향 방사력을 포함하는 다-차원 파를 만들기 위해 고차 모드 형상에서 진동하도록 여기시키기 위해 구성된 압전기 소재를 포함하는 적어도 하나의 초음파 트랜듀서; 및
다-차원 정상파를 만들기 위해 상기 다-차원 파를 반사시키기 위한 상기 적어도 하나의 초음파 트랜듀서로부터 상기 유동 챔버의 맞은편 측에 위치된 반사기를 포함하는, 기기. - 청구항 7에 있어서,
상기 다-차원 정상파는 보다 강한 상호-파티클 힘을 허용하는 음향 방사 포텐셜의 최대치나 최소치의 장소를 생성하는, 기기. - 제 2 유체나 미립자를 주요 유체와 분리하는 방법으로서,
상기 주요 유체와 상기 제 2 유체나 미립자의 혼합물을 기기를 통해 유동시키는 단계, 및
유동 챔버에 다-차원 정상파를 만들기 위해 고차 모드 형상에서 적어도 하나의 초음파 트랜듀서를 여기시키는 단계를 포함하며,
상기 기기는:
적어도 하나의 유입구 및 적어도 하나의 유출구를 구비한 상기 유동 챔버;
상기 유동 챔버에 연결되며, 상기 유동 챔버에 다-차원 파를 만들기 위해 고차 모드 형상에서 진동하도록 여기시키기 위해 구성된 압전기 소재를 포함하는 적어도 하나의 초음파 트랜듀서; 및
다-차원 정상파를 만들기 위해 상기 다-차원 파를 반사시키기 위한 상기 적어도 하나의 초음파 트랜듀서로부터 상기 유동 챔버의 맞은편 측에 위치된 반사기를 포함하고,
상기 제 2 유체 또는 미립자가 다-차원 정상파에서 응집, 집적 또는 유착되어 유체 항력 및 음향 방사력을 극복하는 크기로 성장하는 무리를 형성하여, 상기 무리가 중력 침강 또는 부력에 의해 상기 다-차원 정상파를 떠나게 하는, 제 2 유체나 미립자를 주요 유체와 분리하는 방법. - 청구항 9에 있어서,
상기 다-차원 정상파는 0.1 mm/s 내지 1 cm/s의 선형 속도를 갖는 낮은(low) 장에서 파티클을 트랩하도록 구성된, 제 2 유체나 미립자를 주요 유체와 분리하는 방법. - 청구항 9에 있어서,
상기 압전기 소재는 다수의 최대치 및 최소치를 갖는 변위 프로파일을 만들기 위해 진동하도록 구성된, 제 2 유체나 미립자를 주요 유체와 분리하는 방법. - 청구항 9에 있어서,
상기 적어도 하나의 초음파 트랜듀서는:
상부 단부, 하부 단부, 및 내부 볼륨을 갖는 하우징;
상기 하우징의 하부 단부에 위치하고 노출된 외측 표면 및 내측 표면으로 배치된 압전기 소재; 및
상기 하우징의 상부 단부와 상기 압전기 소재 사이의 공기 갭을 포함하는, 제 2 유체나 미립자를 주요 유체와 분리하는 방법. - 청구항 12에 있어서,
상기 압전기 소재의 외측 표면은 마모 표면 소재에 의해 커버되고, 상기 마모 표면 소재는 우레탄, 에폭시, 또는 실리콘 코팅인, 제 2 유체나 미립자를 주요 유체와 분리하는 방법. - 청구항 9에 있어서,
상기 주요 유체는 수직 하향으로 유동하고, 그리고 상기 제 2 유체나 미립자는 적어도 하나의 유출구로부터 기기의 맞은편 단부에 배치된 수집 덕트쪽으로 상향 부유하는, 제 2 유체나 미립자를 주요 유체와 분리하는 방법. - 청구항 9에 있어서,
상기 주요 유체는 수직 상향 유동하고, 그리고 상기 제 2 유체나 미립자는 적어도 하나의 유출구로부터 기기의 맞은편 단부에 배치된 수집 덕트로 하향 가라앉는, 제 2 유체나 미립자를 주요 유체와 분리하는 방법. - 청구항 9에 있어서,
상기 미립자는 CHO(Chinese hamster overy) 세포, NS0 하이브리도마(hybridoma) 세포, BHK(baby hamster kidney) 세포, 또는 인체 세포인, 제 2 유체나 미립자를 주요 유체와 분리하는 방법. - 청구항 9에 있어서,
볼륨 기준으로 90%를 초과하는 미립자가 상기 주요 유체로부터 분리되는, 제 2 유체나 미립자를 주요 유체와 분리하는 방법. - 청구항 9에 있어서,
상기 다-차원 정상파는 유동 방향에 수직인, 제 2 유체나 미립자를 주요 유체와 분리하는 방법. - 청구항 9에 있어서,
음향 방사 포텐셜의 최대치나 최소치를 생성하는 단계를 더 포함하는, 제 2 유체나 미립자를 주요 유체와 분리하는 방법. - 청구항 9에 있어서,
500 kHz 내지 10 MHz의 주파수에서 적어도 하나의 초음파 트랜듀서를 여기시키는 단계를 더 포함하는, 제 2 유체나 미립자를 주요 유체와 분리하는 방법. - 청구항 9에 있어서,
상기 주요 유체와 상기 제 2 유체나 미립자의 혼합물은 상기 유동 챔버에 진입하기 이전에 1500 보다 작은 레이놀즈 수를 갖는, 제 2 유체나 미립자를 주요 유체와 분리하는 방법. - 청구항 9에 있어서,
상기 미립자는 0.1 micron 내지 300 micron의 크기를 갖는, 제 2 유체나 미립자를 주요 유체와 분리하는 방법. - 청구항 9에 있어서,
상기 주요 유체와 상기 제 2 유체나 미립자의 혼합물이 적어도 0.25 liter/hour의 속도로 상기 유동 챔버를 통해 유동하는, 제 2 유체나 미립자를 주요 유체와 분리하는 방법. - 청구항 9에 있어서,
상기 혼합물은 상기 유동 챔버 유입구에 진입하기 전에, 기기 유입구로부터 환형 공간을 통해 그리고 윤곽형성된 노즐 벽부를 지나 유동하는, 제 2 유체나 미립자를 주요 유체와 분리하는 방법. - 주요 유체에 제 2 유체나 미립자를 응집시키는 방법으로서,
상기 제 2 유체나 미립자 및 주요 유체의 혼합물을 적어도 하나의 유입구 및 적어도 하나의 유출구를 포함하는 유동 챔버 내로 유동시키는 단계;
상기 유동 챔버에 다-차원 파를 만들기 위해 고차 모드 형상에서 진동하도록 상기 유동 챔버에 연결된 초음파 트랜듀서의 압전기 소재를 여기시키는 단계; 및
다-차원 정상파를 만들기 위해 적어도 하나의 초음파 트랜듀서로부터 상기 유동 챔버의 맞은편 측에 위치된 반사기에 의해 상기 다-차원 파를 반사시키는 단계; 및
상기 주요 유체에 제 2 유체나 미립자를 응집시키기 위해 상기 다-차원 정상파에서 생성된 국소의 음향 방사 포텐셜의 최대치나 최소치로 상기 제 2 유체나 미립자를 구동시키는 단계를 포함하는, 주요 유체에 제 2 유체나 미립자를 응집시키는 방법. - 주요 유체로부터 제 2 유체나 미립자를 분리시키는 방법으로서,
상기 제 2 유체나 미립자 및 주요 유체의 혼합물을 적어도 하나의 유입구 및 적어도 하나의 유출구를 포함하는 유동 챔버 내로 유동시키는 단계;
상기 유동 챔버에 다-차원 파를 만들기 위해 고차 모드 형상에서 진동하도록 상기 유동 챔버에 연결된 초음파 트랜듀서의 압전기 소재를 여기시키는 단계; 및
다-차원 정상파를 만들기 위해 적어도 하나의 초음파 트랜듀서로부터 상기 유동 챔버의 맞은편 측에 위치된 반사기에 의해 상기 다-차원 파를 반사시키는 단계;
상기 초음파 트랜듀서의 전기 임피던스 크기를 측정하는 단계; 및
측정된 전기 임피던스에 따라 상기 압전기 소재의 여기를 제어하는 단계를 포함하는, 주요 유체로부터 제 2 유체나 미립자를 분리시키는 방법. - 청구항 26에 있어서,
최소의 전기 임피던스를 얻기 위해 상기 압전기 소재의 여기를 제어하는 단계를 더 포함하는, 주요 유체로부터 제 2 유체나 미립자를 분리시키는 방법.
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| US9725690B2 (en) | 2013-06-24 | 2017-08-08 | Flodesign Sonics, Inc. | Fluid dynamic sonic separator |
| US9745569B2 (en) | 2013-09-13 | 2017-08-29 | Flodesign Sonics, Inc. | System for generating high concentration factors for low cell density suspensions |
| WO2015105955A1 (en) | 2014-01-08 | 2015-07-16 | Flodesign Sonics, Inc. | Acoustophoresis device with dual acoustophoretic chamber |
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| US10640760B2 (en) | 2016-05-03 | 2020-05-05 | Flodesign Sonics, Inc. | Therapeutic cell washing, concentration, and separation utilizing acoustophoresis |
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| EP3319739B1 (en) | 2015-07-09 | 2021-03-31 | Flodesign Sonics Inc. | Non-planar and non-symmetrical piezolectric crystals and reflectors |
| US11459540B2 (en) | 2015-07-28 | 2022-10-04 | Flodesign Sonics, Inc. | Expanded bed affinity selection |
| US11474085B2 (en) | 2015-07-28 | 2022-10-18 | Flodesign Sonics, Inc. | Expanded bed affinity selection |
| EP3341102A1 (en) * | 2015-08-28 | 2018-07-04 | Flodesign Sonics Inc. | Large scale acoustic separation device |
| WO2017041102A1 (en) * | 2015-09-04 | 2017-03-09 | Flodesign Sonics, Inc. | Acoustic blood separation processes and devices |
| US10710006B2 (en) | 2016-04-25 | 2020-07-14 | Flodesign Sonics, Inc. | Piezoelectric transducer for generation of an acoustic standing wave |
| US11214789B2 (en) | 2016-05-03 | 2022-01-04 | Flodesign Sonics, Inc. | Concentration and washing of particles with acoustics |
| US11085035B2 (en) | 2016-05-03 | 2021-08-10 | Flodesign Sonics, Inc. | Therapeutic cell washing, concentration, and separation utilizing acoustophoresis |
| CN105944192A (zh) * | 2016-05-11 | 2016-09-21 | 吉林大学 | 一种捕获并去除输液管中气泡的装置 |
| FR3052864B1 (fr) * | 2016-06-21 | 2020-08-28 | Maco Pharma Sa | Procede pour mesurer le debit d’un fluide |
| CN109863238A (zh) * | 2016-08-23 | 2019-06-07 | 弗洛设计声能学公司 | 声学生物反应器方法 |
| CA3041517A1 (en) | 2016-10-19 | 2018-04-26 | Flodesign Sonics, Inc. | Affinity cell extraction by acoustics |
| CN106934234B (zh) * | 2017-03-09 | 2021-05-07 | 南京大学 | 一种构造弯曲驻波操控粒子沿弯曲轨迹运动的方法 |
| GB2566459A (en) * | 2017-09-13 | 2019-03-20 | Labxero Ltd | An acoustic apparatus |
| EP3725092A4 (en) | 2017-12-14 | 2021-09-22 | FloDesign Sonics, Inc. | DRIVE AND CONTROL UNIT FOR ACOUSTIC CONVERTER |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001525722A (ja) * | 1997-05-03 | 2001-12-11 | ユニバーシティ カレッジ カーディフ コンサルタンツ リミテッド | 粒子マニピュレーション |
| US20110123392A1 (en) * | 2009-11-16 | 2011-05-26 | Flodesign, Inc. | Ultrasound and acoustophoresis for water purification |
Family Cites Families (23)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US2667944A (en) * | 1949-12-10 | 1954-02-02 | Combustion Eng | Cyclone separator |
| JPS5999900A (ja) * | 1982-11-29 | 1984-06-08 | Toshiba Corp | 超音波探触子 |
| US4699588A (en) * | 1986-03-06 | 1987-10-13 | Sonotech, Inc. | Method and apparatus for conducting a process in a pulsating environment |
| AT389235B (de) * | 1987-05-19 | 1989-11-10 | Stuckart Wolfgang | Verfahren zur reinigung von fluessigkeiten mittels ultraschall und vorrichtungen zur durchfuehrung dieses verfahrens |
| US5355048A (en) * | 1993-07-21 | 1994-10-11 | Fsi International, Inc. | Megasonic transducer for cleaning substrate surfaces |
| US7981368B2 (en) * | 1998-10-28 | 2011-07-19 | Covaris, Inc. | Method and apparatus for acoustically controlling liquid solutions in microfluidic devices |
| AU2001245936A1 (en) * | 2000-03-23 | 2001-10-03 | Cross Match Technologies, Inc. | Piezoelectric identification device and applications thereof |
| US6395186B1 (en) * | 2000-06-20 | 2002-05-28 | Delaware Capital Formation, Inc. | Pressure liquid filtration with ultrasonic bridging prevention |
| US6467350B1 (en) * | 2001-03-15 | 2002-10-22 | The Regents Of The University Of California | Cylindrical acoustic levitator/concentrator |
| US6818128B2 (en) * | 2002-06-20 | 2004-11-16 | The Halliday Foundation, Inc. | Apparatus for directing ultrasonic energy |
| US7108137B2 (en) * | 2002-10-02 | 2006-09-19 | Wisconsin Alumni Research Foundation | Method and apparatus for separating particles by size |
| WO2007083295A2 (en) * | 2006-01-19 | 2007-07-26 | Yeda Research And Development Co. Ltd. | Device and method for particle manipulation in fluid |
| US20080185350A1 (en) * | 2007-02-05 | 2008-08-07 | Koch-Glitsch, Lp | Method and apparatus for separating oil sand particulates from a three-phase stream |
| GB0716047D0 (en) * | 2007-08-16 | 2007-09-26 | Welding Inst | Acoustic transducer assembley |
| ES2326109B1 (es) * | 2007-12-05 | 2010-06-25 | Consejo Superior De Investigaciones Cientificas | Microdispositivo de separacion y extraccion selectiva y no invasiva de particulas en suspensiones polidispersas, procedimiento de fabricacion y sus aplicaciones. |
| WO2009097240A1 (en) * | 2008-01-30 | 2009-08-06 | Dynamic Connections, Llc | Enhancing phoretic separation |
| EP2558179B1 (en) * | 2010-04-12 | 2020-08-05 | Flodesign Sonics Inc. | Use of ultrasound and acoustophoresis technology for separation of particulates from a host medium |
| US8889388B2 (en) * | 2010-04-21 | 2014-11-18 | Zhaowei Wang | Acoustic device and methods thereof for separation and concentration |
| RU2445748C1 (ru) * | 2010-08-24 | 2012-03-20 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Пьезоэлектрик" | Пьезоэлектрический преобразователь |
| US8980106B2 (en) * | 2010-12-15 | 2015-03-17 | Abbott Laboratories | Apparatus and method for separation of whole blood into plasma or serum and cells |
| GB2486680A (en) * | 2010-12-22 | 2012-06-27 | Morgan Electro Ceramics Ltd | Ultrasonic or acoustic transducer that supports two or more frequencies |
| WO2013138797A1 (en) * | 2012-03-15 | 2013-09-19 | Flodesign Sonics, Inc. | Acoustophoretic multi-component separation technology platform |
| EP2872234A1 (en) * | 2012-07-16 | 2015-05-20 | Flodesign Sonics Inc. | Improved separation of multi-component fluid through ultrasonic acoustophoresis |
-
2013
- 2013-09-13 CA CA2887318A patent/CA2887318C/en active Active
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Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001525722A (ja) * | 1997-05-03 | 2001-12-11 | ユニバーシティ カレッジ カーディフ コンサルタンツ リミテッド | 粒子マニピュレーション |
| US20110123392A1 (en) * | 2009-11-16 | 2011-05-26 | Flodesign, Inc. | Ultrasound and acoustophoresis for water purification |
Also Published As
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