KR102487073B1 - 일정한 유체 유동을 갖는 음파영동 장치 - Google Patents

Abstract

1차 유체로부터 2차 유체/파티클의 분리를 향상시키기 위하여 유체 혼합물의 실질적으로 수직의 유동 경로를 포함하는 음파영동 장치가 개시된다. 수직의 유동 경로는 중력으로부터 초래되는 음향 챔버에서의 속도 불-균일성을 감소시킨다. 본 장치는 다차원 음향 정상파가 발생되는 음향 챔버를 포함한다. 유체는 덤프 디퓨져를 사용하여 음향 챔버로 안내될 수 있고, 여기서 복수의 유입물이 상기 음향 챔버의 바닥부 근처에 진입하고, 이에 따라 유동 대칭은 음향 챔버로의 유입구 혼합물 유동과 연속의 중력에 의한 파티클 응집물 퇴거 사이의 임의의 유동 간섭 효과 모두를 감소시킨다.

Description

일정한 유체 유동을 갖는 음파영동 장치{ACOUSTOPHORETIC DEVICE WITH UNIFORM FLUID FLOW}

본 출원은 2014년 07월 02일에 출원된 미국특허 가출원번호 제62/020,088호와 2015년 04월 29일에 출원된 미국특허 가출원번호 제62/154,672호를 우선권 주장하고 있으며, 이들 특허문헌은 참조를 위해 그 내용이 모두 본 명세서에 통합되어 있다.

파티클/유체 혼합물을 그 별개의 성분으로 분리하는 능력은 많은 적용예에 있어서 바람직하다. 물리적인 크기 배제 필터가 이러한 목적을 위해 사용될 수 있으며, 여기서 파티클이 상기 필터에 트랩되고 유체가 상기 필터를 통해 유동한다. 물리적인 필터의 예에는 접선방향 유동 여과, 깊이 유동 여과, 중공의 섬유 여과, 및 원심분리에 의해 작동하는 예가 포함된다. 그러나, 물리적인 필터는 함께 작동하는데 복잡할 수 있다. 필터가 메워짐에 따라, 여과 능력은 감소된다. 또한, 이러한 필터를 사용하는 것은 필터 분리와, 상기 필터에 트랩된 파티클을 청소하거나 얻기 위해 주기적인 정지를 필요로 한다.

음파영동(acoustophoresis)은 멤브레인이나 물리적인 크기 배제 필터를 사용하지 않고도, 고 강도 음파를 사용하여 1차, 즉 주된(host) 유체로부터의 2차 유체 및 파티클을 분리하는 것이다. 소리의 고 강도 정상파가 밀도 및/또는 압축성 모두에 있어 차이가 있을 때, 유체에서의 파티클에 힘을 가할 수 있다고 알려져 있으며, 이는 음향 콘트라트 인자로 더 잘 알려져 있다. 정상파에서의 압력 프로파일은 파절(node)에서 국부 최소 압력 진폭의 영역과 파복(anti-node)에서 국부 최대치의 영역을 갖는다. 파티클의 밀도 및 압축성에 따라, 상기 파티클은 정상파의 파절이나 또는 파복에서 트랩될 것이다. 정상파의 주파수가 높으면 높을수록, 정상파의 압력에 의해 트랩될 수 있는 파티클은 더 작게 된다.

하나의 평면 음향 정상파의 사용은 이러한 분리 공정을 달성하도록 사용되고 있다. 그러나, 이러한 하나의 평면파는, 파티클이나 또는 2차 유체가 평면 정상파를 터언 오프함으로써 1차 유체로부터 단지 분리될 수 있는 방식으로, 상기 파티클이나 또는 2차 유체를 트랩하는 경향이 있다. 이러한 구성은 연속의 작동을 허용하지 않는다. 또한, 음향 평면 정상파를 발생시키는데 요구되는 파워의 양은 폐 에너지를 통한 1차 유체를 가열시키는 경향이 있다.

따라서, 종래의 음파영동 장치의 효율은 열 발생, 유체 유동 제한, 및 상이한 타입의 재료의 포집 불능을 포함한 여러 인자에 기인하여 한정되고 있다. 중력에 의해 구동되는 연속 공정인 음파영동 파티클 분리 공정을 허용하는 향상된 유체 움직임(dynamic)과 합쳐진 3차원 음향 정상파를 사용하는 향상된 음파영동 장치가 본 명세서에 개시된다.

본 발명은 파티클/유체 혼합물로부터 파티클의 분리를 향상시키도록 사용될 수 있는 향상된 유체 움직임을 갖는 음파영동 시스템에 관한 것이다. 증가된 농도의 파티클을 갖는 새로운 혼합물이 얻어질 수 있거나, 또는 상기 파티클 자체가 얻어질 수 있다. 더욱 특별한 실시예에 있어서, 파티클은 CHO(Chinese hamster ovary) 세포, NS0 혼성 세포, BHK(baby hamster kidney) 세포, 및 인간 세포와 같은 생물학적 세포이다.

간략하게, 본 명세서에 기재된 시스템 모두는 유체 움직임을 사용하여 1차 유체로부터 2차 유체/파티클 분리를 향상시키기 위하여, 음향 챔버를 통한 혼합물의 실질적으로 수직의 유동 경로를 포함한다. 수직의 유동 경로는 중력으로부터 초래되는 음향 챔버에서의 속도 불-균일성을 감소시킨다. 부가적인 시스템에 있어서, 들어오는 유동이 더욱 일정하도록 덤프(dump) 디퓨져가 사용되어, 음파영동 시스템의 효율이 최대화된다. 다른 시스템에 있어서, 배플(즉, 얇은 판형 플레이트)가 파티클/2차 유체용 수집 표면처럼 사용됨으로서 1차 유체가 이들 수집 표면상을 유동한다.

음향 챔버를 형성하는 측벽부를 구비한 하우징; 상기 음향 챔버에서의 적어도 하나의 상측 유출구; 상기 음향 챔버 아래의 적어도 하나의 하측 농축물 유출구로 향하는 얕은 벽부; 상기 하우징의 상기 측벽부에 위치된 적어도 하나의 초음파 트랜듀서; 상기 적어도 하나의 초음파 트랜듀서에 마주한 상기 하우징의 상기 측벽부에 위치된 적어도 하나의 반사기; 및 상기 음향 챔버로의 유체의 혼합물의 유입을 위한 적어도 하나의 디퓨져 유입구;를 포함한 음파영동 장치가 다양한 실시예에 개시되어 있다.

적어도 하나의 디퓨져 유입구는 덤프 디퓨져의 일부일 수 있다. 적어도 하나의 디퓨져 유입구는 바닥부로부터 측정된 바와 같이, 음향 챔버의 높이의 0 %와 100 % 사이의 높이에 위치될 수 있다. 적어도 하나의 디퓨져 유입구는 적어도 하나의 초음파 트랜듀서에 의해 생성된 음향 정상파의 축선 방향에 수직인 유동 방향을 제공하는 슬롯이나 구멍의 형상을 취할 수 있다. 얕은 벽부 농축물 유출구는 파티클 응집물을 수집하도록 사용될 수 있고, 그리고 수평방향 평면과 관련하여 60° 이하의 각도를 가질 수 있다. 본 장치는 유동 방향에서 원형 단면이나 직사각형 단면을 가질 수 있다.

여러 특별한 실시예에 있어서, 적어도 하나의 디퓨져 유입구는 하우징에 대해 위치된 복수의 디퓨져 유입구이므로, 본 장치는 수직 평면이나 또는 라인 대칭부를 구비하고 그리고 유체의 유입이 대칭이다. 복수의 디퓨져 유입구는 복수의 덤프 디퓨져에 의해 제공될 수 있다.

다른 특별한 실시예에 있어서, 적어도 하나의 디퓨져 유입구는 적어도 하나의 상측 유출구와 함께 음향 챔버의 상측 단부에 위치된다. 벽부는 적어도 하나의 상측 유출구로부터 적어도 하나의 디퓨져 유입구를 분리하여, 유체가 적어도 하나의 디퓨져 유입구로부터 수직 하향으로, 이후 수평으로, 이후 적어도 하나의 상측 유출구로 수직 상향으로 유동한다.

또한 현탁액에 이송된 제2 유체나 미립자로부터 주된 유체를 분리하는 방법이 또한 개시된다. 본 방법은 일정한 방식으로 음파영동 장치를 통해 현탁액의 제2 유체나 미립자 및 주된 유체의 혼합물을 유동시키는 단계를 포함한다. 본 장치는: 음향 챔버를 형성하는 측벽부를 구비한 하우징; 상기 음향 챔버에서의 적어도 하나의 상측 유출구; 상기 음향 챔버 아래의 적어도 하나의 하측 농축물 유출구로 향하는 얕은 벽부; 상기 하우징의 상기 측벽부에 위치되고, 상기 음향 챔버에서 다차원 음향 정상파를 만들도록 전압 시그널에 의해 구동되는 압전 재료를 포함하는 적어도 하나의 초음파 트랜듀서; 상기 적어도 하나의 초음파 트랜듀서에 마주한 상기 하우징의 상기 측벽부에 위치된 적어도 하나의 반사기; 및 얕은 벽부 농축물 유출구 상의 상기 음향 챔버의 상기 측벽부에서의 적어도 하나의 디퓨져 유입구;를 포함한다. 본 방법은 제2 유체나 또는 미립자의 보다 작은 파티클을 응집물로 다차원 음향 정상파에서 포집하는 단계를 더 포함하고, 그리고 중력은 상기 제2 유체 또는 미립자를 주된 유체로부터 연속적으로 분리하고; 그리고 중력 분리된 제2 유체 또는 미립자는 순차적으로 적어도 하나의 하측 농축물 유출구에 떨어진다. 주된 유체와, 제2 유체나 또는 미립자의 혼합물은 슬러리일 수 있다.

하우징의 유출구 단부와 유입구 단부 사이에 1차 유동 채널을 형성하는 상기 하우징; 상기 하우징의 한측에 위치된 적어도 하나의 초음파 트랜듀서; 상기 적어도 하나의 초음파 트랜듀서에 마주한 상기 하우징의 한측에 위치된 적어도 하나의 반사기; 및 상기 1차 유동 채널로 뻗어있는 적어도 하나의 배플;을 포함하는 음파영동 장치가 본 명세서의 여러 실시예에 개시되어 있다.

음파영동 장치는 2차 유동 채널과 연결되는 적어도 하나의 반사기와 적어도 하나의 트랜듀서 사이에서 하우징의 한 측 상에 포트를 더 포함할 수 있고, 적어도 하나의 배플은 1차 유동 채널 및 2차 유동 채널 모두로 뻗어있다. 2차 유동 채널은 1차 유동 채널과 관련하여 경사질 수 있다. 특별한 실시예에 있어서, 1차 유동 채널과 2차 유동 채널 사이의 각도는 대략 15° 내지 90°이다. 적어도 하나의 배플이 1차 유동 채널과 관련하여 일반적으로 경사지지만, 그러나 2차 유동 채널과 관련하여 경사지지 않는다. 수집 웰(well)이 적어도 하나의 배플 하류의 2차 유동 채널에 위치될 수 있다.

음파영동 장치는 다양한 구성으로 배치된 복수의 배플을 구비할 수 있다. 복수의 배플이 서로 평행하게 배치될 수 있다. 복수의 배플은 적어도 2개의 상이한 거리로 1차 유동 채널로 뻗어있을 수 있다. 복수의 배플 중에서, 여러 배플이 1차 유동 채널과 관련하여 적어도 2개의 상이한 각도로 배치될 수 있다. 복수의 배플 중에서, 여러 배플이 모두 동일한 길이를 가질 수 있거나 또는 가변 길이를 가질 수 있다.

여러 실시예에 있어서, 1차 유동 채널은 실질적으로 U자 형상을 취한다. 다른 실시예에 있어서, 유입구 단부 및 유출구 단부가 하우징의 양 단부에 위치되는데, 이는 즉, 1차 유동 채널이 직선형이라는 것이다.

또한 주된 유체로부터 미립자나 제2 유체를 분리하는 방법이 음파영동 장치를 통해 제2 유체나 미립자와 주된 유체의 혼합물을 유동시키는 단계를 포함하는 것으로 개시되어 있다. 본 장치는: 1차 유동 채널을 형성하는 적어도 하나의 유출구 및 적어도 하나의 유입구를 구비한 음향 챔버; 상기 음향 챔버의 벽부에 위치되고, 상기 음향 챔버에 다차원 음향 정상파를 만들도록 전압 시그널에 의해 구동되는 압전 재료를 포함한 초음파 트랜듀서; 상기 적어도 하나의 초음파 트랜듀서에 마주한 상기 음향 챔버의 벽부에 위치된 적어도 하나의 반사기; 및 상기 1차 유동 채널로 뻗어있는 적어도 하나의 배플;을 포함한다. 본 방법은 주된 유체로부터 제2 유체나 미립자를 군집, 집합 및 유착하고 그리고 연속적으로 중력 분리시키도록 다차원 음향 정상파에서 제2 유체나 미립자의 보다 작은 파티클을 포집하는 단계를 더 포함하고; 그리고 중력 분리된 제2 유체나 미립자가 순차적으로 적어도 하나의 배플과 접촉하고 그리고 수집 유출구로 나아가게 된다.

미립자는 CHO(Chinese hamster ovary) 세포, NS0 혼성 세포, BHK(baby hamster kidney) 세포, 곤충 세포 또는 인간 세포와 같은 줄기 세포 및 T-세포일 수 있다. 혼합물은 음향 챔버를 통해 연속적으로 유동될 수 있다. 정상파는 축선방향 힘 및 측방향 힘을 가질 수 있고, 상기 측방향 힘은 축선방향 힘과 적어도 동일한 승수(order of magnitude)를 갖는다.

이들 여러 예시적인 특징은 특히 아래 기재된 바와 같다.

아래에는 도면의 간단한 설명이 기재되어 있고, 이들 도면은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하기 위한 것으로서 본 발명을 한정하기 위한 것이 아님을 알 수 있을 것이다.

도 1은 3개의 상이한 모듈(초음파 트랜듀서 모듈, 수집 웰 모듈, 및 유입구/유출구 모듈)로 만들어진 기본적인 음파영동 장치의 외측 사시도이다.
도 2는 도 1의 장치를 통과하는 유체의 U자 형상의 유동 경로를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 배플로부터 형성된 분리 시스템을 통합하고 있는 유동 챔버의 사시도이다.
도 4는 도 3의 유동 챔버의 측면도이다.
도 5는 경사진 하측 단부를 구비한 수집 웰과 결합된, 도 3의 유동 챔버의 사시도이다.
도 6은 배플을 구비한 다른 한 유동 챔버의 측면도이다. 배플은 모두 동일한 길이를 갖고, 그리고 서로 평행하게 모두 배향된다.
도 7은 배플을 구비한 다른 한 유동 챔버의 측면도이다. 이들 배플은 2개의 상이한 거리로 유동 챔버 및 1차 유동 채널로 뻗어있다.
도 8은 배플을 구비한 다른 한 유동 챔버의 측면도이다. 배플은 1차 유동 채널과 관련하여 적어도 2개의 상이한 각도로 배치된다.
도 9는 배플을 구비한 다른 한 유동 챔버의 측면도이다. 여기서, 1차 유동 채널은 U자 형상이다. 유입구 및 유출구는 유동 챔버/하우징의 양 단부 보다는 인접한 벽부에 위치한다.
도 10은 종래의 초음파 트랜듀서의 단면 다이어그램이다.
도 11은 본 발명의 초음파 트랜듀서의 단면 다이어그램이다. 공기 갭이 트랜듀서 내에 존재하고, 그리고 지지(backing) 층이나 마모 플레이트가 존재하지 않는다.
도 12는 본 발명의 초음파 트랜듀서의 단면 다이어그램이다. 공기 갭이 트랜듀서 내에 존재하고, 그리고 지지 층이나 마모 플레이트가 존재하지 않는다.
도 13은 파티클 크기에 대한 음향 방사력, 부력, 및 스토크스 항력(Stokes' drag force)의 관계를 나타내는 그래프이다. 수평방향 축선은 미크론(㎛) 단위이고 수직 축선은 뉴턴(N) 단위이다.
도 14는 상이한 주파수에서 구동되는 정사각형(square) 트랜듀서에 대한 주파수 대 전기 임피던스 진폭의 그래프이다.
도 15a는 유체 유동에 수직한 방향으로부터 도 14의 피크 진폭 중 7개에 대한 트랩핑 라인 구성을 나타낸 도면이다.
도 15b는 분리기를 나타내는 사시도이다. 유체 유동 방향 및 트랩핑 라인이 도시되어 있다.
도 15c는 파티클이 포집될 수 있는 정상파의 트랩핑 파절을 나타내고 있는, 도 15b의 유체 유동 방향(화살표 114)에 따른 유체 유입구로부터의 도면이다.
도 15d는 도 15b에 도시된 바와 같은 화살표 116에 따른, 트랩핑 라인 구성에서 트랜듀서 면을 통해 취해진 도면이다.
도 16a는 주된 유체보다 더 저 밀도의 제2 유체나 미립자에 의한 음파영동 분리기의 작동을 나타낸 도면이다.
도 16b는 주된 유체보다 더 고밀도의 제2 유체나 미립자를 갖는 음파영동 분리기의 작동을 나타내는 다이어그램이다.
도 17은 유동 대칭 및 더욱 일정한 속도를 발생시키는 마주한 유동 유입구를 포함한 음파영동 장치의 단면도이다.
도 18은 덤프 디퓨져의 내부가 보여질 수 있도록, 전방 플레이트가 제거된 상태인, 예시적인 유입구 덤프 디퓨터의 챔버/하우징/플리넘(plenum)의 사시도이다.
도 19는 도 18의 플리넘으로서 사용되는 전방 플레이트의 사시도이다.
도 20은 수집 유출구에 대한 배플 및 하나의 덤프 디퓨져를 사용하는 음향 챔버를 나타낸 다이어그램이다.
도 21은 유동 분배기의 사시도이다.
도 22는 도 21의 유동 분배기의 측면도이다.
도 23은 도 21의 유동 분배기에서의 디퓨터를 가로지른 유동 속도를 나타낸 그래프이다.
도 24는 (도 22에서와 같은) 유동 분배기 및 U자 형상의 유동 경로를 갖는 음향 챔버를 나타낸 다이어그램이다.
도 25는 트랜듀서의 어레이에 의해 발생된 초음파 파의 음향 압력 진폭의 컴퓨터 시뮬레이션이다.
도 26a - 도 26c는 직사각형 플레이트의 (3,3) 진동 모드를 나타낸 도면이다. 도 26a는 사시도이다. 도 26b는 플레이트의 폭 방향에 따른 도면이다. 도 26c는 플레이트의 길이방향에 따른 도면이다.

본 발명은 본 명세서에 포함된 예와 아래 상세하게 기재된 바람직한 실시예의 설명을 참조한다면 보다 용이하게 이해될 수 있을 것이다. 아래에서는 실시예와 청구범위가 기재되어 있고, 아래 기재된 바와 같은 의미를 갖도록 정의될 수 있는 많은 용어를 참조하기 바란다.

특정 용어가 명확함을 위해 아래 기재된 설명에 사용되고 있을지라도, 이들 용어는 도면에서 설명을 위해 선택된 실시예의 특별한 구조만을 언급하기 위한 것이고, 그리고 본 발명의 범위를 한정하거나 제한하기 위한 것이 아니다. 도면 및 아래 기재된 설명에 있어서, 동일한 부재 번호는 동일하게 작동하는 구성요소를 언급하고 있음을 알 수 있을 것이다. 더욱이, 도면은 축적에 맞춰져 있지 않음을 알 수 있을 것이다.

도면에 있어서, 내부 표면은 따로 특별히 언급하지 않았다면, 단면도에서 점선으로 나타내어져 있다.

본 명세서에 기재된 용어가 비록 단수의 표현으로 기재되어 있지만, 이는 본 발명을 명확하게 나타내기 위한 것으로서, 따로 특별히 언급하지 않았다면, 상기 용어는 복수의 의미를 포함할 수 있다.

본 명세서와 청구범위에서 사용된 바와 같이, 개방형 연결 구문(open-ended transitional phrase), "포함하는", "구성하는", "구비하는(갖는)", "수용하는" 및 이의 변형 구문은 명명된 구성요소/단계의 존재를 필요로 하고 그리고 다른 성분/단계의 존재를 가능하게 한다. 이들 구문은 또한 단지 명명된 구성요소/단계와 피할 수 없는 불순물을 허용할 수 있고 그리고 다른 구성요소/단계를 배제하는, 폐쇄형 구문(closed-ended phrase) "이루어지는" 또는 "필수적으로 이루어지는"을 개시하는 것으로 해석될 수 있다.

본 명세서에서 사용된 모든 수치 값은, 동일한 수의 상당한 수치 및 값을 결정하도록, 본 출원에 기술된 타입의 종래의 측정 기술의 실험 오차보다 더 작은 언급된 값과 상이한 수치 값으로 감소될 때, 동일한 수치 값을 포함하는 것으로 이해될 수 있다.

본 명세서에 개시된 모든 범위는 인용된 끝점을 포함하며, 독립적으로 병합가능하다(예를 들면, "2 그램 내지 10 그램"의 범위는 끝점, 2 그램 및 10 그램과, 모든 중간 값을 포함한다).

"실질적으로" 및 "약(대략)"이라는 용어는 임의의 수치 값의 기본적인 작용을 변경시키지 않으면서 변할 수 있는 임의의 수치 값을 포함하도록 사용될 수 있다. 범위로써 사용된, "실질적으로" 및 "약"은 또한 2개의 끝이 2개의 끝점의 절대 값에 의해 정의된 범위를 나타내는데, 예를 들면 "대략 2 내지 대략 4"는 또한 범위 "2 내지 4"를 의미할 수 있다. "약"이라는 용어는 지시된 수치의 플러스 또는 마이너스 10 %를 감안한 용어일 수 있다.

본 명세서에 사용된 많은 용어가 연관된 용어라는 것을 알 수 있을 것이다. 예를 들면, "상측" 및 "하측"이라는 용어는 위치에 있어 서로 관련된 용어이며, 이는 즉, 상측 성분이 주어진 정위로 하측 성분보다 더 높은 높이에 위치되지만, 그러나 이들 용어는 장치가 뒤집힌다면 변할 수 있다는 것이다. "유입구" 및 "유출구"라는 용어는 주어진 구조체와 관련하여 상기 유입구 및 상기 유출구를 통해 유동하는 유체와 관련되며, 예를 들면, 한 유체가 상기 구조체로의 상기 유입구를 통해 유동하고 그리고 상기 구조체 외측으로의 상기 유출구를 통해 유동한다. "상류" 및 "하류"라는 용어는 유체가 다양한 성분을 통해 유동하는 방향과 관련된 용어인데, 이는 즉, 상기 유체가 하류 성분을 통해 유동하기 전에 상류 성분을 통한 유동 유체라는 것이다. 루프에서, 제1 성분이 제2 성분의 상류 및 하류 모두인 것으로 기술될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.

"수평" 및 "수직"이라는 용어는 절대 기준, 즉 지반면(ground level)과 관련된 방향을 지시하도록 사용된다. 그러나, 이들 용어가 서로에 대해서나 지표에 대해 절대적으로 평행하거나 절대적으로 수직하는 구조를 필요로 하지 않는다. "상측(상향)" 및 "하측(하향)"이라는 용어는 또한 절대 기준과 관련되며; 상향 유동은 지구 중력에 대해 항상 반한다.

"평행"이라는 용어는 2개의 표면 사이를 일반적으로 일정한 거리로 유지하는 2개의 표면의 놓여있는 의미(lay sense)로 해석될 수 있고, 그리고 이러한 표면이 무한으로 확장될 때 결코 교차하지 않는다는 엄격한 수학적 의미로 해석되지 않는다.

본 출원은 "동일한 승수"라는 표현을 언급하고 있다. 보다 작은 수에 의해 나뉘어진 보다 큰 수의 몫이 10보다 작은 값이라면, 2개의 수가 동일한 승수를 갖는다.

본 발명의 음파영동 분리 기술은 초음파 음향 정상파를 사용하여, 주된 유체 스트림에 이차 유체나 파티클을 트랩, 즉 고정 유지시킨다. 파티클이나 또는 이차 유체는 주된 유체와 관련된 파티클의 또는 이차 유체의 음향 콘트라스트 인자에 따라, 다차원의 음향 정상파의 파절이나 파복에서 수집되고, 응집물(cluster)이 다차원의 음향 정상파(예를 들면, 유착이나 응집에 의해)의 유지 력을 극복하는데 충분히 큰 크기로 성장하게 될 때, 다차원의 음향 정상파를 종국에는 나오는 응집물을 형성한다. 이는 파티클 궤적이 단지 음향 방사력의 영향에 의해 변경되는 경우 종전 접근법과의 중요한 차이이다. 파티클을 떨어뜨리는 음향 장의 산란은 3차원 트랩핑 장처럼 작용하는 3차원 음향 방사력을 초래한다. 음향 방사력은, 파티클이 파장과 관련하여 작을 때, 파티클 볼륨(예를 들면, 반경의 세제곱)에 비례한다. 이는 주파수 및 음향 콘트라스트 인자에 비례한다. 또한 음향 에너지(예를 들면, 음향 압력 진폭의 제곱)로 조정된다. 조화 여기에 대해, 힘의 사인곡선적 공간 변화는 정상파 내의 안정적인 축선방향 위치로 파티클을 구동시키는 것이다. 파티클에 가해진 음향 방사력이 유체 항력과 부력과 중력의 결합된 효과보다 더 클 때, 상기 파티클이 음향 정상파 장 내에서 트랩된다. 이러한 구성은 트랩된 파티클의 농도, 응집 및/또는 유착을 초래한다. 강한 측방향 힘은 파티클의 급격한 응집물을 만든다. 한 재료의 비교적 큰 솔리드가 이에 따라 상이한 재료, 동일한 재료, 및/또는 강화된 중력 분리를 통한 주된 유체의 보다 작은 파티클로부터 분리될 수 있다.

음파영동 장치에 대한 하나의 특별한 적용예가 생물반응장치 재료의 처리에 있다. 유체 스트림에 존재하는 발현된(expressed) 재료로부터 세포 및 세포 찌꺼기 모두를 여과할 수 있다는 것은 중요하다. 발현된 재료는 재조합형 단백질이나 단클론성 항체와 같은 생체분자로 이루어지고, 그리고 회수(recover)될 요구되는 산물이다. 음파영동의 사용을 통해, 세포와 세포 찌꺼기의 분리는 매우 효과적이고 그리고 발현된 재료의 매우 적은 손실을 유도한다. 이러한 구성은 필터 베드 자체에서의 발현된 재료의 손실이 생물반응장치에 의해 만들어진 재료의 5 %에 이를 수 있도록, 고 세포 밀도에서 제한된 효율을 나타내는, 현 여과 처리(깊이 여과, 접선방향 유동 여과 등)에 대한 향상이다. CHO(Chinese hamster ovary), NS0 하이브리도마 세포, BHK(baby hamster kidney) 세포, 및 인간 세포를 포함한 포유류 세포 배양의 사용은 오늘날의 제약에 필요한 재조합형 단백질 항체 및 단클론성 항체의 생산/발현(producing/expressing)의 매우 효과적인 방식이라고 증명되었다. 음파영동을 통한 포유류 세포 및 포유류 세포 찌꺼기의 여과는 생물반응장치의 수율(yield)을 상당하게 증가시키는데 도움이 된다. 다차원의 음향 파의 사용을 통한 음파영동 처리는 또한 규조토를 사용하는 깊이 여과, TFF(접선방향 유동 여과), 또는 다른 물리적인 여과 공정과 같은, 상류 표준 여과 처리나 하류 표준 여과 처리와 결합될 수 있다.

이와 관련하여, 콘트라스트 인자는 파티클 및 유체 자체의 밀도와 압축성 사이의 차이이다. 이들 특성은 파티클 및 유체 자체의 특징이다. 대부분의 세포 타입은 상기 세포가 현탁되는 매체보다 더 큰 밀도 및 적은 압축성을 나타내어, 세포와 매체 사이의 음향 콘트라스트 인자가 양의 값을 갖는다. 이 결과, 축선방향 음향 방사력(ARF)은 양의 콘트라스트 인자를 갖는 세포를 압력 절면(nodal plane)으로 구동시키는 반면에, 음의 콘트라스트 인자를 갖는 세포나 다른 파티클이 압력 파복 평면으로 구동된다. ARF의 반경방향 또는 측방향 성분이 유체 항력과 중력의 결합된 효과보다 더 크다. 반경방향 성분이나 또는 측방향 성분은 세포/파티클을 평면으로 구동시키며, 이 평면에서 상기 세포/파티클이 보다 큰 그룹으로 덩어리질 수 있고, 이후 유체로부터 중력 분리될 것이다.

세포가 정상파의 파절에서 응집함에 따라, 또한 정상파 내에 사전에 유지되는 세포와 접촉하게 됨에 따라 보다 많은 세포가 트랩되도록 발생하는 세포 배양 배지의 물리적인 세척(scrubbing)이 존재한다. 이는 일반적으로 세포를 세포 배양 배지와 분리시킨다. 발현된 생체분자가 영양분 유체 스트림(즉, 세포 배양 배지)에 남아있다.

바람직하게, 초음파 트랜듀서는, 정상파의 파티클 트랩핑 능력 및 군집 능력을 향상시키기 위하여, 축선방향 힘을 수반하도록 현탁 파티클에 측방향 힘을 가하는 3-차원의 또는 다차원의 음향 정상파를 유체에 발생시킨다. 문헌에 개시된 전형적인 결과는 측방향 힘이 축선방향 힘보다 100배 더 작다는 것이다. 이와 달리, 본 출원에 개시된 기술은 축선방향 힘과 동일한 승수에 이르도록, 보다 큰 측방향 힘을 제공한다.

3차원 음향 장에 대해, Gor'kov의 공식은 임의의 음장(sound field)에 적용가능한 음향 방사력(F_ac)을 계산하도록 사용될 수 있다. 1차 음향 방사력(F_ac)은 장 포텐셜(U)의 함수로서 정의되고,

상기 식에서, 장 포텐셜(U)은 아래 식으로 정의되고,

그리고 f₁ 및 f₂는 아래 식에 의해 정의된 단극 및 쌍극 기여이고,

상기 식에서, p는 음향 압력이고, u는 유체 파티클 속도이고, Λ는 세포 밀도(ρ_p) 대 유체 밀도(ρ_f)의 비이고, σ는 세포 음속 c_p 대 유체 음속 c_f의 비이고, V_o는 세포의 볼륨이고, 그리고 < >는 파의 주기 내내의 시간 평균을 지시한다. Gor'kov의 공식은 파장 보다 더 작은 파티클에 적용가능하다. 보다 큰 파티클 크기에 대해, Ilinskii는 임의의 파티클 크기에 대한 3D 음향 방사력을 계산하기 위한 공식을 제시한다. Ilinskii, Acoustic Radiation Force on a Sphere in Tissue, The Journal of the Acoustical Society of America, 132, 3, 1954 (2012), 문헌을 참조하기 바라며, 이 문헌은 참조를 위해 본 명세서에 그 내용이 모두 포함되어 있다.

다중모드 방식으로 초음파 트랜듀서에서의 압전 크리스탈의 섭동(perturbation)은 다차원의 음향 정상파의 발생을 허용한다. 압전 크리스탈은 설계된 주파수에서 다중모드 방식으로 변형하도록 특별하게 설계되어, 다차원의 음향 정상파의 발생을 가능하게 한다. 다차원의 음향 정상파는 상기 다차원의 음향 정상파를 생성할 수 있는 3 x 3 모드와 같은 압전 크리스탈의 별개의 모드에 의해 발생될 수 있다. 다수의 다차원의 음향 정상파는 또한 압전 크리스탈이 많은 상이한 모드 형상을 통해 진동할 수 있게 함으로써 발생될 수 있다. 따라서, 크리스탈은 0 x 0 모드(즉, 피스톤 모드)와 같은 다수의 모드를 1 x 1, 2 x 2, 1 x 3, 3 x 1, 3 x 3, 및 다른 고차 모드(other higher order modes)로 여기시킬 수 있고, 이후 크리스탈의 저차 모드(반드시 연속 차수(straight order)는 아님)를 통해 사이클 되돌릴(back) 수 있다. 모드 사이의 크리스탈의 이러한 스위칭 또는 디더링(dithering)은 지정된 시간 내내 발생될 하나의 피스톤 모드 형상과 함께, 다양한 다차원의 파 형상을 가능하게 한다.

또한 임의 위상(arbitrary phasing)을 갖는 다수의 초음파 트랜듀서가 구동될 수 있다. 달리 말하자면, 다수의 트랜듀서가 서로 이상(out of phase)이면서 유체 스트림에서 별개의 재료로 작동할 수 있다. 대안적으로, 어레이의 여러 구성요소가 상기 어레이의 다른 구성요소와 이상에 있도록, 정돈된(ordered) 어레이로 나뉘어진 하나의 초음파 트랜듀서가 또한 작동될 수 있다.

때때로 음향 스트리밍에 의해 정상파의 주파수나 또는 전압 진폭이 변조될 필요가 있다. 이는 진폭 변조에 의해 및/또는 주파수 변조에 의해 행해질 수 있다. 정상파의 전파의 듀티 사이클은 또한 재료의 트랩핑을 위한 특정 결과를 달성하도록 사용될 수 있다. 달리 말하자면, 음향 빔은 요구되는 결과를 달성하도록 터언 온 될 수 있고, 그리고 상이한 주파수에서 셧 오프될 수 있다.

본 발명의 초음파 트랜듀서에 의해 발생된 총 음향 방사력(ARF)의 측방향 힘은 상당하고 1 cm/s에 이르거나 이보다 더 빠른 고 선형 속도에서 유체 항력을 극복하는데 충분하다. 예를 들면, 본 발명의 장치를 통한 선형 속도는 세포/파티클의 분리를 위해 최소 4 cm/min일 수 있고, 그리고 오일 위상/물 위상의 분리를 위해 1 cm/s 만큼 빠를 수 있다. 유동 율은 최소 25 mL/min일 수 있고, 그리고 그 범위는 40 mL/min 내지 2700 mL/min 만큼 빠를 수 있거나, 또는 심지어 이보다 더 큰 범위 만큼 빠를 수 있다. 이는 회분 반응기(batch reactor), 첨가식 생물반응장치, 및 관류 생물반응장치에 적용된다.

본 발명은 1차, 즉 주된 유체로부터 2차 유체/파티클의 분리를 위한 향상된 유체 움직임을 갖는 음파영동 장치에 관한 것이다. U-터언부는 이러한 장치의 유동 경로에 존재할 수 있다. 배플(즉, 얇은 판형 플레이트)은 또한 파티클/2차 유체를 1차 유체로부터 분리한 이후에, 상기 파티클/2차 유체의 농도를 증대시키도록 사용될 수 있다.

음파영동 분리 공정에 영향을 미치는 유체 움직임 매개변수는 레이놀즈 수에 의해 정의될 수 있다. 예로서, 4 cm/min 내지 25 cm/min의 유동 속도로 1 micron 내지 250 ㎛의 파티클 크기에 대한 파티클 레이놀즈 수는 대략 0.0005 내지 1이다. 4 cm/min의 유동 속도에서의 1 inch 길이 챔버에 대한 챔버 레이놀즈 수와 12 cm/min에서의 3 inch 길이 챔버에 대한 챔버 레이놀즈 수의 범위는 대략 10 내지 150이다. 분당 30 mL 내지 분당 540 mL에서의 0.12 인치 내지 0.31 인치의 유입구 배관 직경에 기초한 레이놀즈 수는 대략 200 내지 1500이다.

필요하다면, 다수의 초음파 트랜듀서로부터의 다수의 정상파가 또한 사용될 수 있고, 이는 다중 분리 단계를 허용한다. 예를 들면, 2개의 초음파 트랜듀서를 지나 뻗어있는 유동 경로에 있어서, 제1 트랜듀서(및 그 정상파)는 특정 양의 파티클을 수집할 것이고, 그리고 제2 트랜듀서(및 그 정상파)는 상기 제1 트랜듀서가 유지할 수 없는 부가적인 파티클을 수집할 것이다. 이러한 구성은 파티클/유체 비가 크고(즉, 큰 볼륨의 파티클), 그리고 제1 트랜듀서의 분리 용량이 도달되는 경우에 유용할 수 있다. 이러한 구성은 또한 2개 모드의(bimodal) 또는 보다 큰 크기 분배를 갖는 파티클에 대해 유용할 수 있으며, 여기서 각각의 트랜듀서가 특정 크기 범위 내의 파티클을 포집하도록 최적화될 수 있다.

도 1은 U-터언부를 포함하는 기본적인 음파영동 장치의 외측 사시도이다. 이러한 기본적인 음파영동 장치(100)는 초음파 트랜듀서 모듈(200), 수집 웰 모듈(300), 및 유입구/유출구 모듈(400)을 포함한 키트로부터 형성된다. 여기서 알 수 있는 바와 같이, 3개의 모듈은 1차 유동 채널(102)을 형성하도록 함께 역으로 서로 맞물리며, 상기 1차 유동 채널로 유체/파티클 혼합물이 혼합물 내의 파티클을 더욱 농축하거나 또는 유체로부터 파티클을 분리하도록, 그리고 파티클/농축된 혼합물을 회수하도록 처리될 수 있다. 본 발명이 비-모듈식 음파영동 분리 장치에 또한 적용가능하다는 것을 알 수 있을 것이다.

간략하게, 도 1에 있어서, 유입구/유출구 모듈(400)은 유동 경로에 대한 유입구 포트(432)와 유출구 포트(434)를 수용한다. 유체/파티클 혼합물은 유입구 포트(432)를 통해 펌프된다. 혼합물은 중력에 의해 하향 유동하고 그리고 초음파 트랜듀서 모듈(200)을 통해 펌핑되며, 여기서 파티클이 트랩되고 초음파 정상파에 의해 유지된다. 유체가 유동 경로로 계속 펌프됨에 따라, 종국에는 수집 웰 모듈(300) 및 초음파 트랜듀서 모듈(200)은 유체로 채워지고, 그리고 유체 압력은 유체가 본 장치의 정상부에서 유출구 포트(434)를 통해 외측으로 유동하는 것을 보장하도록 충분히 높게 상승한다.

먼저 유입구/유출구 모듈(400)을 살펴보면, 벽부(440)가 유입구 포트(432)와 유출구 포트(434) 사이에 위치된다. 벽부가 존재하기 때문에, 유체는 유입구 포트로부터 본 장치의 나머지부를 통해 하향 유동하고 그리고 이후에 유출구 포트로 유동한다. 벽부는 1차 유동 채널을 2개의 별개의 서브-채널로 기본적으로 분리하며, 하나의 서브-채널(480)은 유입구 포트(432) 및 벽부에 의해 확인되고, 그리고 다른 서브-채널(482)은 유출구 포트(434) 및 벽부에 의해 확인된다. 유입구 포트용 유동 채널의 단면적은 유출구 포트용 유동 채널의 단면적보다 더 작거나, 동일하거나 또는 더 클 수 있다.

또한, 유입구 포트에 인접한 제1 리테이너 벽부(442) 및 유출구 포트에 인접한 제2 리테이너 벽부(444)가 제공된다. 들어오는 유체는 초음파 트랜듀서 모듈(200)로 하향 유동하기 전에 제1 리테이너 벽부(442) 상을 반드시 유동해야 한다. 이와 비슷하게, 상향 돌아오는 유체가 유출구 포트(434)를 통해 빠져나오기 전에 제2 리테이너 벽부(444) 상을 반드시 유동한다. 이러한 구성은 들어오는 유체의 난류를 감소시킬 수 있는 수단을 제공하여, 초음파 트랜듀서 모듈에서 음향 정상파에 트랩된 파티클이 충분한 크기로 집합하기 전에 방해받지 않거나 또는 정상파 외측으로 씻겨지지 않는다.

본 명세서에 기재된 바와 같이, 여러 실시예에 있어서, 벽부(440)는 하우징의 상측 단부로부터 이격된다. 이러한 갭(446)이 형성되고, 그리고 예를 들면, 유동 경로가 역으로 차단되는 경우에, 상기 갭은 유입구 포트(432)와 유출구 포트(434) 사이의 압력 릴리프 통로로서 작용한다.

초음파 트랜듀서(240)는 초음파 트랜듀서 모듈(200)의 하우징의 한 측에 위치되고, 그리고 반사기(242)가 초음파 트랜듀서에 마주한 하우징의 한 측에 위치된다. 초음파 트랜듀서가 1차 유동 채널에 바로 인접하고, 그리고 1차 유동 채널을 통과하는 임의의 유체에 직접적으로 노출될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.

초음파 정상파 내의 파티클은 수집되거나, 군집되거나, 또는 응집되고, 그리고 종국에는 중력이 정상파의 음향 력을 극복하는 크기까지 성장하며, 그리고 상기 파티클은 집합하고, 이후 수집 웰 모듈(300)로 떨어져/가라앉는다. 수집 웰 모듈은 단면 크기에 있어 정점(334)으로 하향 테이퍼지는 웰 모듈(330)을 포함한다. 드레인 라인(340)은 정점(334)을 포트(342)에 연결하며, 여기서 농축된 파티클이 상기 웰 모듈 외측으로 끌어당겨질 수 있다.

도 1의 3개의 모듈은 상기 모듈이 역으로 결합될 수 있게 하고 수밀 시일을 형성하도록 의도된 상보적인 부착 부재에 의해 함께 결합된다. 설명된 부착 부재는 함께 억지-끼워맞춤되도록 의도된다. 물론, 모듈이 함께 나사식 결합되도록, 다른 가역성 부착 수단이 내측 나사산부나 또는 외측 나사산부를 포함한 예를 들면, 부착 부재로 고려된다.

도 2는 도 1의 장치를 통한 비선형 U자 형상의 유체 유동 경로를 나타낸 다이어그램이다. 챔버에서의 유동은 수직 하향으로, 수평으로, 그리고 이후 수직 상향으로 나아간다. 공급물(feed)은 주된 유체 및 미립자를 포함하고, 그리고 하향 향하는 화살표로서 나타나 있다. 유입구는 더욱 일정한 유동을 위해 유동 분배기를 포함한다. 공급물은 초음파 트랜듀서(240) 및 반사기(242)에 의해 생성된 음향 정상파를 통과하여, 미립자를 포집하고 뭉친다. 공급물은 빠져나오기 전에 음향 정상파를 2번 통과한다. 본 장치를 빠져나오는 유체가 투과액(permeate)이고, 그리고 공급물에 비해 보다 저 농도의 미립자를 수용한다. 미립자가 음향 방사력을 극복하는데 충분한 크기로 성장함에 따라, 응집된 부분이 음향 챔버의 바닥부에 떨어진다. 이는 공급물에 비해 보다 고 농도의 미립자를 수용한 농축물이다.

도 3은 배플로부터 형성된 분리 시스템을 통합한 초음파 트랜듀서 모듈(900)의 사시도이다. 도 4는 도 3의 초음파 트랜듀서 모듈의 측면도(y-z 평면)이다.

이러한 초음파 트랜듀서 모듈(900)은 제1 단부(904), 제2 단부(906), 및 4개의 측 벽부(910, 912, 914, 916)를 갖는 하우징(902)을 구비한다. 1차 유동 채널(930)은 유입구 단부와 유출구 단부 사이에 형성되며, 이 경우 원형 개구(932, 934)로써 나타내어지는 바와 같이 하우징의 제1 단부 및 제2 단부에 대응한다. 바꿔 말하면, 이러한 하우징은 유입구 및 유출구를 구비한 유동 챔버이다. 하우징의 제1 단부(904) 및 제2 단부(906)는 z-축선을 형성하는 것으로 여겨질 수 있다. 초음파 트랜듀서(도시 생략) 및 반사기(도시 생략)가 위치되는 하우징의 면이 정사각형 개구(936, 938)에 의해 나타내어지고, 그리고 y-축선을 형성하는 것으로 여겨질 수 있다.

도 3의 초음파 트랜듀서에 있어서, 경사진 연장부(940)는 초음파 트랜듀서(936)와 반사기(938) 사이의 면(910) 중 한 면에서의 포트로부터 뻗어있다. 2차 유동 채널(942)은 경사진 연장부(940) 내에 존재하며, 상기 2차 유동 채널은 모듈의 제1 단부(904)와 제2 단부(906) 사이의 1차 유동 채널(930)과 연결된다. 적어도 하나의 배플(944)은 도 4에 가장 잘 도시된 바와 같이, 높이(945)까지 1차 유동 채널(930)로 뻗어있다. 배플(944)은 또한 2차 유동 채널(942)로 뻗어있다. 배플은 평탄한 플레이트이다. 배플(944)은 경사진 연장부(940)/2차 유동 채널(942)의 원위 단부(948)에서 제3 개구(946)로 향한다. 제3 부착 부재(964)는 경사진 연장부(940)의 원위 단부(948)에 배치된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 부착 부재(960) 및 제2 부착 부재(962)가 모두 암 부재(예를 들면, 구멍)이고, 그리고 제3 부착 부재(964)가 숫 부재(예를 들면, 텅부(tongue))이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 2차 유동 채널(907)은 1차 유동 채널(905)(점선으로 지시됨)과 관련하여 경사진다. 이들 사이의 각도는 대략 15° 내지 90°이고(2개의 유동 채널 사이의 보다 작은 각도가 항상 측정됨), 그리고 특별한 실시예에 있어서 대략 45° 내지 대략 75°이다. 이와 비슷하게, 배플(944)이 1차 유동 채널(905)과 관련하여 경사지고, 그리고 2차 유동 채널(907)과 관련하여 경사지지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다. 바꿔 말하면, 배플은 2차 유동 채널과 실질적으로 평행하다.

도 5에 도시된 하나의 모드의 작동에 있어서, 도 3의 초음파 트랜듀서 모듈은 경사진 연장부(940)가 베이스로 작용하도록 지향되게 고려된다. 음향 정상파 장은 파티클을 트랩할 것이고, 그리고 집합물이 음향 정상파 장 외측으로 그리고 하향 떨어지도록 파티클 집합물이 중력에 대해 충분히 무거울 때까지 응집을 야기한다. 집합물은 이후 집합물을 수집 웰 모듈로 가이드하는 수집 표면으로서 사용되는 배플(944) 상에 떨어진다.

도 5는 수집 웰 모듈(300)과 결합된 도 3의 초음파 트랜듀서 모듈(900)의 사시도이다. 이러한 수집 웰 모듈은 4개의 측 벽부, 즉 상측 벽부(320), 하측 벽부(322), 웰(330), 및 포트(342)를 구비한다. 특히, 하측 벽부(322)는 상측 벽부와 평행하기 보다는 경사져 있다. 하측 벽부의 각도는 경사진 연장부의 각도와 동일하다. 이러한 구성은 초음파 트랜듀서 모듈을 지지하기 위한 평탄한 베이스를 제공한다.

도 6 - 도 8은 본 발명의 범주 내에 속하는 것으로 여겨지는 배플의 여러 변경을 나타내는 대안적인 구조체의 측면도이다. 다시 말하자면, 정사각형 개구(936)는 트랜듀서가 위치될 수 있는 곳을 나타낸다. 먼저 도 4를 살펴보면, 도면에 도시된 배플(944) 모두는 동일한 거리(945)에 대해 1차 유동 채널로 뻗어있다. 배플(944) 모두는 또한 제3 개구(946)로 뻗어있다. 이 결과, 도 4에 도시된 배플 모두는 (측면으로부터 측정된 바와 같은) 상이한 길이를 갖는다.

도 6에 있어서, 배플(952) 모두는 동일한 거리(945)에 대해 1차 유동 채널(905)로 뻗어있다. 이들 배플은 또한, 모든 배플이 서로 평행하도록, 지향된다. 그러나, 배플 모두는 또한 동일한 길이(955)를 갖는다. 이 결과, 본 명세서에 기재된 바와 같이, 일부의 배플이 제3 개구(946)로 뻗어있지 않을 수 있고, 그리고 다른 일부의 배플이 제3 개구(946)를 넘어 뻗어있을 수 있다.

도 7에 있어서, 배플은 2개의 상이한 세트의 배플로 분리된다. 여러 배플(962)이 제1 거리(945)에 대해 1차 유동 채널(905)로 뻗어있고, 그리고 많은 배플이 상기 제1 거리(945)보다 더 큰 제2 거리(947)에 대해 1차 유동 채널(905)로 뻗어있다.

최종적으로, 도 8에 있어서, 하우징은 개구(936)에 다수의 초음파 트랜듀서의 존재를 가능하게 할 수 있는 다소 세장형(elongate)이다. 이러한 도면에서의 배플은 모든 배플이 서로 평행하도록 배치되지 않는다. 제1 세트의 배플(964)은 서로 평행하게 배치되고, 그리고 제2 세트의 배플(966)은 서로 평행하게 배치된다. 2개의 세트는 1차 유동 채널(905)과 관련하여 상이한 각도를 취한다. 각도는 1차 유동 채널의 유동 방향과 관련하여 측정된다. 따라서, 예를 들면, 여기서, 유동 방향은 좌측으로부터 우측이고, 배플(964)은 직각일 수 있는 한편으로, 배플(966)은 예각일 수 있다.

도 9는 다른 한 실시예의 측면도이다. 이 도면에서, 1차 유동 채널(930)은 유입구 단부(972)로부터 유출구 단부(974)까지 U-터언부를 구비한다. 경사진 연장부(940)가 여전히 존재하며, 2차 유동 채널은 화살표(907)로써 지시된다. 배플(944)은 2개의 유동 채널 사이에서 뻗어있도록 존재한다.

상기 기재된 음파영동 장치는 임의의 적당한 재료로부터 만들어질 수 있다. 이러한 적당한 재료는 폴리카보네이트나 폴리메틸 메타크릴레이트, 또는 다른 아크릴레이트와 같은 의료용 등급의 플라스틱을 포함한다. 일반적으로, 이러한 재료가 다소 투명성인 것이 바람직하므로, 깨끗한 윈도우가 만들어질 수 있고, 그리고 내부 유동 채널 및 유동 경로가 음파영동 장치/시스템의 작동 동안에 보여질 수 있다.

다양한 코팅은 모듈의 내부 유동 채널에 사용될 수 있다. 이러한 코팅은 에폭시, 예를 들면, 폴리아미드 또는 아민과 가교결합된 에피클로로히드린 비스페놀; 또는 폴리우레탄 코팅, 예를 들면, 지방족 이소시아네이트와 가교결합된 폴리에스테르 폴리올을 포함한다. 이러한 코팅은 매끈한 표면을 만들고 및/또는 표면 장력을 감소시키는데 유용하며, 세포가 요구되는 위치(예를 들면 수집 웰 모듈)로 그리고 유동 채널 표면을 따라 중력의 영향을 받아 더욱 잘 미끄러질 수 있게 한다.

음파영동 장치의 유동 속도가 반드시 제어되어, 중력이 파티클 집합 상에서 작용할 수 있다. 이와 관련하여, 유입구/유출구 모듈 또는 포트 모듈을 통해 음파영동 장치에서의 유동 경로 내외측으로 통과하는 파티클/유체 혼합물이 분당 대략 100 밀리리터(ml/min)의 속도로 유동할 수 있게 고려된다. 비교를 하자면, 포트를 통한 수집 웰 모듈 외측으로의 유동 속도가 대략 3 ml/min로부터 대략 10 ml/min까지 상당히 더 느리다.

본 발명의 장치에 사용된 초음파 트랜듀서의 여러 설명이 또한 도움이 될 수 있다. 이와 관련하여, 트랜듀서는 통상적으로 PZT-8(lead zirconate titanate)으로 만들어진 압전 크리스탈을 사용한다. 이러한 크리스탈은 1 인치 직경 및 공칭 2 MHz 공명 주파수를 가질 수 있다. 각각의 초음파 트랜듀서 모듈은 단지 하나의 크리스탈을 구비할 수 있거나, 또는 별개의 초음파 트랜듀서로서 각각 작동하는 다수의 크리스탈을 구비할 수 있고, 그리고 하나의 또는 다수의 증폭기에 의해 제어된다.

도 10은 종래의 초음파 트랜듀서의 단면 다이어그램이다. 이러한 트랜듀서는 바닥 단부에서의 마모 플레이트(50), 에폭시 층(52), 세라믹 크리스탈(54)(예를 들면, PZT로 만들어진), 에폭시 층(56), 및 지지 층(58)을 구비한다. 세라믹 크리스탈의 어느 한 면에서, 전극(양의 전극(61) 및 음의 전극(63))이 존재한다. 에폭시 층(56)은 지지 층(58)을 크리스탈(54)에 부착한다. 전체 조립체는 예를 들면, 알루미늄으로 만들어질 수 있는 하우징(60)에 수용된다. 전기 어댑터(62)는 크리스탈(54)에 부착된 납(lead)(도시 생략)과 연결되고 하우징을 통과하도록, 와이어용 연결부를 제공한다. 전형적으로, 지지 층은 폭넓은 범위의 주파수에 걸쳐 일정한 변위를 갖는 브로드밴드 트랜듀서를 만들도록 그리고 댐핑을 부가하도록 설계되고, 그리고 특별한 진동 고유-모드에서 여기를 억제하도록 설계된다. 마모 플레이트는 통상적으로 임피던스 변압기로서 설계되어, 트랜듀서가 방사하는 매체의 특성 임피던스와 더욱 잘 조화한다.

도 11은 본 발명의 초음파 트랜듀서(81)의 단면도이다. 트랜듀서(81)는 디스크 또는 플레이트처럼 형성되고, 그리고 알루미늄 하우징(82)을 구비한다. 압전 크리스탈은 회티탄석 세라믹 크리스탈의 덩어리이고, 각각의 회티탄석 세라믹 크리스탈은 보다 큰, 2가의 금속 이온, 통상적으로 납이나 바륨, 및 O^2- 이온의 격자에서 작은, 4가의 금속 이온, 통상적으로 티타늄이나 또는 지르코늄으로 이루어진다. 일례로서, PZT(lead zirconate titanate) 크리스탈(86)은 트랜듀서의 바닥 단부를 형성하고, 그리고 하우징의 외부로부터 노출된다. 크리스탈은 크리스탈과 하우징 사이에 위치된, 작은 탄성 층(98), 예를 들면, 실리콘이나 이와 비슷한 재료에 의해, 그 주변부에서 지지된다. 바꿔 말하면, 마모 층이 존재하지 않는다.

나사(88)는 하우징의 알루미늄 상부 플레이트(82a)를 상기 하우징의 몸체(82b)에 나사산부를 통해 부착한다. 상부 플레이트는 트랜듀서에 파워 공급하기 위한 컨넥터(84)를 포함한다. PZT 크리스탈(86)의 상부 표면은 양의 전극(90) 및 음의 전극(92)과 연결되고, 이들 전극은 절연 재료(94)에 의해 분리된다. 전극은 은이나 니켈과 같은 임의의 전도성 재료로부터 만들어질 수 있다. 전기력은 크리스탈 상의 전극을 통해 PZT 크리스탈(86)에 제공된다. 크리스탈(86)이 지지 층이나 에폭시 층을 구비하지 않음을 알기 바란다. 바꿔 말하면, 알루미늄 상부 플레이트(82a)와 크리스탈(86) 사이의 트랜듀서에 공기 갭(87)이 존재한다(즉, 공기 갭이 완전하게 비워진다). 최소 지지부(58, backing) 및/또는 마모 플레이트(50)가 도 12에 도시된 바와 같이, 여러 실시예에 제공될 수 있다.

트랜듀서 설계가 시스템의 성능에 영향을 미칠 수 있다. 전형적인 트랜듀서는 지지 층 및 마모 플레이트에 접합된 세라믹 크리스탈을 구비한 적층된 구조체이다. 트랜듀서가 정상파에 의해 나타나는 고 기계적 임피던스로써 부하를 받기(load) 때문에, 예를 들면, 정상파 적용예에 1/2 파장 두께나 또는 방사 적용예에 1/4 파장 두께와 같은 마모 플레이트에 대한 전통적인 설계 가이드 라인과, 제조 방법이 적당하지 않을 수 있다. 이와 달리, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 트랜듀서는 마모 플레이트나 또는 지지부를 구비하지 않으므로, 고 Q-인자를 갖는 그 고유모드 중 한 고유모드에서 크리스탈이 진동할 수 있게 한다. 진동하는 세라믹 크리스탈/디스크가 유동 챔버를 통해 유동하는 유체에 직접적으로 노출된다.

지지부를 지지하는 것은(예를 들면, 크리스탈 공기가 지지(back)되게 하는 것은) 또한 거의 없는 댐핑(예를 들면, 고차 모드의 변위)으로 고차 모드의 진동에서 세라믹 크리스탈이 진동할 수 있게 한다. 지지부를 구비한 크리스탈이 제공된 트랜듀서에 있어서, 상기 크리스탈은 피스톤처럼, 더욱 일정한 변위로써 진동한다. 지지부가 제거되면, 크리스탈이 일정하지 않은 변위 모드로 진동할 수 있다. 크리스탈의 모드 형상이 보다 고차일수록, 상기 크리스탈은 보다 많은 마디 선(nodal line)을 갖는다. 파절에 대한 트랩핑 라인의 상관관계가 반드시 일 대 일일 필요가 없을지라도, 크리스탈의 고차 모드의 변위가 보다 많은 트랩핑 라인을 만들고, 그리고 보다 고 주파수에서 크리스탈을 구동시키는 것은 보다 많은 트랩핑 라인을 반드시 만들지 않을 것이다.

여러 실시예에 있어서, 크리스탈은 크리스탈의 Q-인자에 최소로(예를 들면, 5 %보다 작게) 영향을 미치는 지지부를 구비할 수 있다. 지지부는 발사 나무, 포옴, 또는 코르크와 같은 실질적으로 음향적으로 투명한 재료로 만들어질 수 있으며, 이들 재료는 크리스탈용 여러 기계적 지지부를 여전히 제공하면서 고 Q-인자를 유지하고 고차 모드 형상으로 크리스탈이 진동할 수 있게 한다. 지지 층은 솔리드일 수 있거나, 또는 층을 통한 구멍을 구비한 격자일 수 있으므로, 상기 격자는 특별한 고차 진동 모드에서 진동하는 크리스탈의 파절에 뒤따라, 상기 크리스탈의 나머지부(rest)가 자유롭게 진동할 수 있게 하면서, 파절 위치에서 지지부를 제공한다. 음향적으로 투명한 재료 또는 격자 작업의 목표는 특별한 모드 형상의 여기와의 간섭없이 또는 크리스탈의 Q-인자를 낮추지 않으면서 지지부를 제공하는 것이다.

유체와 직접 접촉하게 크리스탈을 배치하는 것은 또한 에폭시 층 및 마모 플레이트의 완충 및 에너지 흡수 효과를 피함으로써 고 Q-인자에 기여한다. 여러 실시예는 납을 포함한 PZT가 주된 유체와 접촉하는 것을 방지하도록 마모 플레이트나 또는 마모 표면을 가질 수 있다. 이는, 예를 들면, 혈액 분리와 같은 생물학적 적용에 바람직할 수 있다. 이러한 적용은 크롬, 전해 니켈, 또는 무전해 니켈과 같은 마모 층을 사용할 수 있다. 화학적 증착이 또한 폴리(p-크실릴렌)(예를 들면, 파릴렌) 또는 다른 폴리머나 폴리머 필름의 층을 도포하도록 사용될 수 있다. 실리콘 또는 폴리우레탄과 같은 유기 및 생체적합 코팅이 또한 마모 표면처럼 사용가능하다. 유리 탄소 마모 층이 또한 사용될 수 있다.

도 13은 파티클 반경과 음향 방사력, 유체 항력, 및 부력의 크기조정(scaling)을 나타내는 로그-로그 그래프(로그의 Y-축선, 로그의 X-축선)이고, 음향 방사력을 사용하는 파티클의 분리에 대한 설명을 제공한다. 계산이 실험에 사용된 전형적인 SAE-30 오일 액적에 대해 행해진다. 부력은 파티클 볼륨에 따른 힘이며, 이에 따라 대략 미크론의 파티클 크기가 증가하지만, 그러나 무시가능하고, 그리고 대략 수백 미크론의 파티클 크기에 대해 중요하게 된다. 유체 항력은 유체 속도를 선형으로 크기조정하고, 이에 따라서 전형적으로 미크론 크기의 파티클에 대한 부력을 초과하지만, 그러나 대략 수백 미크론의 보다 큰 크기의 파티클에 대해 무시가능하다. 음향 방사력 크기조정은 상이하다. 파티클 크기가 작을 때, Gor'kov의 공식은 정확하고, 음향 트랩핑 력은 파티클의 볼륨을 크기조정한다. 종국에는, 파티클 크기가 성장할 때, 음향 방사력은 상기 파티클 반경의 세제곱으로 더 이상 증가하지 않고, 그리고 특정 임계 파티클 크기에서 급격하게 소산할 것이다. 파티클 크기를 더욱 증가시키기 위해, 방사력은 다시 크기 증대하지만 반대 위상을 갖는다(그래프에 도시되지 않음). 이러한 패턴은 파티클 크기를 증가시키기 위해 반복한다.

처음에, 현탁액이 주로 작은 미크론 크기의 파티클로써 시스템을 통해 유동하고 있을 때, 음향 방사력은 정상파에서 트랩될 파티클에 대한 부력과 유체 항력의 결합된 효과를 밸런스 맞출 필요가 있다. 도 13에 있어서, 이는 R_c1로 지시된 대략 3.5 미크론의 파티클 크기에 대해 발생한다. 그래프는 이후 모든 보다 큰 파티클이 또한 트랩될 것이라는 것을 나타낸다. 따라서, 작은 파티클이 정상파에 트랩될 때, 파티클의 유착/군집/집합/응집이 발생하여, 유효 파티클 크기의 계속된 성장을 초래한다. 파티클이 응집됨에 따라, 뭉쳐진 파티클에서의 모든 파티클의 총 항력은 개별 파티클에서의 항력의 총합보다 상당히 더 작다. 본질적으로, 파티클이 응집됨에 따라, 이러한 파티클은 유체 유동으로부터 서로 보호(shield)하고 그리고 상기 응집의 총 항력을 감소시킨다. 파티클 크기가 성장함에 따라, 음향 방사력이 파티클을 반사시켜서, 큰 파티클이 음향 방사력을 감소시킬 것이다. 파티클에서의 음향 측방향 힘은 크기 성장과 정체를 유지하도록 응집을 위한 항력보다 반드시 더 커야 한다.

파티클 크기 성장은 부력이 지배적일 때까지 계속되고, 제2 임계 파티클 크기(R_c2)에 의해 지시되며, 상기 제2 임계 파티클 크기에서, 상기 파티클이 주된 유체와 관련된 그 상대 밀도에 따라, 상승하거나 또는 가라앉을 것이다. 이러한 크기에서, 음향 력은 2차이고, 중력/부력이 지배적이고, 그리고 파티클은 주된 유체 외측으로 자연적으로 떨어진다. 파티클이 상승하거나 또는 가라앉음에 따라, 상기 파티클은 음향 방사력을 더 이상 반사시키지 않으므로, 상기 음향 방사력은 이후 증가한다. 모든 파티클이 퇴거하지 않을 것이고, 그리고 이들 남아있는 파티클은 크기면에서 또한 계속 성장할 것이다. 이러한 현상은 크기(R_c2)를 벗어난 음향 방사력의 빠른 강하와 상승을 설명한다. 따라서, 도 13은 작은 파티클이 어떻게 정상파에서 연속적으로 트랩될 수 있고, 보다 큰 파티클로의 성장하거나 군집하며, 이후 종국에는 증가된 부력 때문에 상승하거나 또는 떨어지는(settle out) 것을 설명하고 있다.

트랜듀서의 크기, 형상, 및 두께는 상이한 여기 주파수에서 트랜듀서 변위를 결정하고, 이 결과 파티클 분리 효율에 영향을 미친다. 전형적으로, 트랜듀서는 두께 공명 주파수(1/2 파장) 근처의 주파수에서 작동된다. 트랜듀서 변위에서의 구배는 전형적으로 보다 많은 장소에서 파티클이 트랩되게 한다. 고차 모드의 변위가 음향 장에서 모든 방향으로 강한 구배를 갖는 3차원 음향 정상파를 만들고, 그리고 이에 따라 동일하게 강한 음향 방사력을 모든 방향으로 생성하여, 트랩핑 라인의 수가 특별한 모드 형상의 트랜듀서와 상관시키는 다수의 트랩핑 라인을 유도한다.

도 14는 2.2 MHz 트랜듀서 공명 부근의 주파수 함수로서, 측정된 전기 임피던스 진폭을 나타내고 있다. 트랜듀서 전기 임피던스에서의 최소치는 물 칼럼의 음향 공명에 대응하고 그리고 작동을 위한 포텐셜 주파수를 나타낸다. 수치 모델링은 트랜듀서 변위 프로파일이 이들 음향 공명 주파수에서 상당하게 변하고, 이에 따라 직접적으로 음향 정상파 및 최종 트랩핑 력에 영향을 미친다는 것을 나타낸다. 트랜듀서가 그 두께 공명 근처에서 작동하기 때문에, 전극 표면의 변위는 기본적으로 이상이다. 트랜듀서 전극의 전형적인 변위는 일정하지 않으며, 여기의 주파수에 따라 변한다. 일례로서, 트랩된 파티클의 하나의 라인에 의한 여기의 한 주파수에서, 변위는 전극의 중간부에서 한 최대치를 갖고 트랜듀서 엣지 근처에서 최소치를 갖는다. 다른 한 여기 주파수에서, 트랜듀서 프로파일은 파티클의 다수의 트랩된 라인으로 유도하는 다수의 최대치를 갖는다. 고차 트랜듀서 변위 패턴은 포집된 파티클에 대한 다수의 적당한 트랩핑 라인 및 보다 큰 트랩핑 력을 초래한다.

파티클 분리 효율 및 음향 트랩핑 력에서의 트랜듀서 변위 프로파일의 영향을 조사하기 위해, 여기 주파수를 제외하고는 모든 조건이 동일한 상태에서 실험이 10 회 반복되었다. 도 14에서의 원 숫자 1-9 및 문자 A에 의해 지시된 10개의 연속의 음향 공명 주파수가 여기 주파수로서 사용되었다. 조건은 30 min의 실험 기간, 대략적으로 5-미크론 SAE-30 오일 액적의 1000 ppm 오일 농도, 500 ml/min의 유동 율, 및 20 W의 가해진 파워이었다.

에멀젼이 트랜듀서에 의해 통과됨에 따라, 오일 액적의 트랩핑 라인이 관찰되었고 특징지워진다. 이러한 특징은 도 15a에 도시된 바와 같이, 도 14에서 확인된 10개의 공명 주파수 중 7개의 공명 주파수에 대해, 유체 채널을 가로지른 트랩핑 라인의 수의 관찰과 패턴을 포함하였다.

도 15b는 트랩핑 라인 위치가 결정되는 시스템의 사시도이다. 도 15c는 화살표 114에 따라, 유입구 아래로 봤을 때 나타나는 시스템의 도면이다. 도 15d는 화살표 116에 따라, 트랜듀서 면을 직접적으로 봤을 때 나타나는 시스템의 도면이다.

여기 주파수의 효과는 음향 공명 5 및 9의 여기 주파수에서 하나의 트랩핑 라인으로부터 음향 공명 주파수 4에 대해 9개의 트랩핑 라인까지 변하는 트랩핑 라인의 수를 확실하게 결정한다. 다른 여기 주파수에서 4개나 또는 5개의 트랩핑 라인이 관찰된다. 트랜듀서의 상이한 변위 프로파일은, 상기 변위 프로파일에 보다 많은 구배가 일반적으로 보다 큰 트랩핑 력 및 보다 많은 트랩핑 라인을 만드는 상태에서, 정상파에 상이한 (보다 많은) 트랩핑 라인을 만들 수 있다.

현 시스템에 있어서, 시스템은 파티클 및 파티클 응집물이 초음파 정상파에 트랩되도록 전압에서 작동한다. 파티클 및 응집물이 웰-형성된(well-defined) 트랩핑 라인에 수집된다. 각각의 트랩핑 라인은 음향 정상파의 주 방향과 정렬된다. 트랩핑 라인에서의 응집물과 파티클이 파장 절반만큼 분리된다. 정상파의 각각의 압력 파절 평면 내에 있어서, 파티클이 매우 특별한 지점, 전형적으로 음향 방사 포텐셜의 최소치에서 트랩된다. 음향 방사력의 축선방향 성분이 양의 콘트라트 인자를 갖는 파티클을 압력 파절 평면으로 구동시키는 반면에, 음의 콘트라트 인자를 갖는 파티클이 압력 파복 평면으로 구동된다. 음향 방사력의 반경방향 또는 측방향 성분은 응집물이 임계 크기에 도달할 때, 이후 중력 분리되는 타이트하게 구성되는(packed) 응집물로 정상파에서의 파티클을 트랩하거나, 군집시키거나 또는 뭉치는 힘이다. 전형적인 트랜듀서를 사용하는 시스템에 있어서, 음향 방사력의 반경방향 또는 측방향 성분은 전형적으로 음향 방사력의 축선방향 성분보다 수 승수 배 더 작다. 따라서, 2개의 한정사항이 있다. 파티클의 매우 약한 트랩핑 능력이 제공되고, 더욱이, 중력에 기인하여 분리될, 충분히 타이트하게 구성된 응집물이 생성될 수 없다. 현 장치에서의 측방향 힘은 축선방향 힘 성분과 동일한 승수 배로 상당히 클 수 있고, 그리고 1 cm/s에 이르는 선형 속도에서 유체 항력을 극복하는데 충분하다. 강한 응집 능력은 중력/부력 분리를 통해 주된 유체로부터 연속적으로 외측으로 분리되는 응집물의 급격한 형성을 유도한다.

3-차원의 음향 정상파가 크리스탈의 진동 모드의 중첩의 결과이다. 3차원 힘 구배가 정상파의 모든 파절 평면에서 발생된다. 다수의 파티클 응집물이 도 15b에 도시된 바와 같이, 정상파의 축선 방향으로 라인을 따라 형성된다. 최적의 수집을 위해, 파티클 응집물의 형상이 최저 항력을 제공할 수 있다. 20 아래의 파티클 레이놀즈 수에서, 원통형 형상은 구보다 상당히 더 작은 항력 계수를 갖는다. 실린더는 또한 주어진 표면적에 대해 상당하게 보다 많은 파티클(덩어리)을 이송 할 수 있어, 원통형 파티클 응집물이 구형 파티클 응집물보다 보다 큰 중력/부력 및 보다 작은 저항 항력을 가질 것이다. 따라서, 원통형 파티클 응집물이 다른 형상부보다 더욱 빠르게 떨어져 나갈 것이다(drop out). "실린더"는 타원체인 것으로 보다 잘 기재될 수 있는 상기 응집물의 형상을 기술하기 위한 약칭으로서 사용되었음을 알 수 있을 것이다.

따라서, 전체 시스템이 도 16a(주된 유체보다 더 저 밀도인 유체/파티클에 대해) 및 도 16b(주된 유체보다 더 고 밀도인 유체/파티클에 대해)에서와 같이 작동한다. 하나 이상의 정상파가 트랜듀서(10)와 반사기(11) 사이 만들어진다. 파티클(12)이 압력 파복(14)에서 정상파에 트랩되며, 상기 압력 파복에서 상기 파티클이 파티클의 보다 큰 응집물로 응집하거나, 집합하거나, 군집하거나, 또는 유착한다. 도 16a에서와 같은 부력 재료에 대해, 응집물은 표면으로 부유하고, 그리고 유동 경로 상에 위치된 폐수 유출구(16)를 통해 방출된다. 도 16b에서와 같이, 보다 무거운 재료의 경우에, 응집물이 바닥부에 가라앉고 그리고 유동 경로 아래에 위치된 폐수 유출구(17)를 통해 방출된다. 정화된 물이 유출구(18)에서 방출된다.

도 16b를 지금 살펴보면, 저 파티클 레이놀즈 수(~1)에서, 파티클 응집물은 중력이 현저하고 관성 효과는 무시가능하기 때문에 음향 챔버에서 극적으로 떨어질 것이다. 이 결과, 응집물은 매우 빠른 속도로 하향 강하하고, 그리고 보다 저 밀도의 정화된 유체가 유동 질량 보존에 기인하여 상승한다. 이 결과, 음향 챔버의 상부 근처에 위치된 음향 정상파에 의해 형성된 파절이 보다 저 파절만큼 신속하게 충전되지 않을 것이고, 그리고 가능한 빠르게 떨어지지 않을 것이다. 더욱이, 챔버의 바닥 근처의 응집물/파절이 응집물을 떨어뜨림으로써 지장을 받을 것이다. 이들 효과는 보다 낮은 분리 효율/성능을 초래한다. 따라서, 유동 움직임을 변경하는 것은 음파영동 장치의 성능을 향상시키는데 도움이 될 수 있다.

도 17은 작은 파티클 레이놀즈 수에서 유체에 의한 여러 문제점을 개선하는데 사용될 수 있고, 그리고 본 장치를 통한 더욱 일정한 유동을 만드는 음파영동 장치에 대한 구성의 단면도이다. 본 장치(500)는 상측 단부(502) 및 하측 단부(504)를 구비한 음향 챔버를 통해 상향 수직 유동을 갖는다. 음향 챔버는 또한 수직 평면 또는 라인의 유동 대칭(505)을 제공하는 수집기 설계 및 2개의 마주한 덤프 유입구를 구비한다. 일반적으로, 유동 방향에서의 장치의 단면은 원형이거나 직사각형이다. 본 장치는 음향 챔버(510)를 내부에 형성하는 측벽부(508)를 구비한 하우징(506)으로부터 형성된다. 음향 챔버는 비워지는데, 이는 즉, 챔버 내에 아무것도 없다는 것이며, 그리고 유체가 음향 챔버를 통해 유동한다. 적어도 하나의 상측 유출구(512)는 음향 챔버(510)의 상측 단부에 존재한다. 적어도 하나의 수집기 유출구(514)는 음향 챔버의 하측 단부(504)에 존재한다. 얕은 벽부(516)가 음향 챔버의 하측 단부에 존재하고, 그리고 유출구(514)로 유도된다. 얕은 벽부가 수평방향 평면(여기서, 챔버 바닥부에 의해 지시됨, 라인(501))과 관련하여 측정될 때 한 각도를 가지며, 이 각도(A)는 실시예에서 대략 60° 이하이며, 예를 들면 대략 30° 내지 대략 45°이다. 적어도 하나의 초음파 트랜듀서(520)가 측벽부(508)에 존재하고, 그리고 적어도 하나의 반사기(522)가 초음파 트랜듀서(520)와 마주하여 측벽부(508)에 존재한다. 트랜듀서(520) 및 반사기(522)는 장치의 상측 단부(502)에 보다 근접하여 위치된다.

이러한 본 장치(500)는 대칭의, 이중 덤프 디퓨져, 플리넘 유입구 구성을 포함한다. 이 경우, 2개의 덤프 디퓨져(530)가 본 장치의 양 측에 배치된다. 각각의 덤프 디퓨져는 상측 단부(532) 및 하측 단부(534)를 구비한 플리넘/챔버를 구비한다. 플리넘 볼륨은 유동 확산을 제공하고 그리고 들어오는 유동 불-균일성을 극적으로 감소시킨다. 유입구 유동 포트(542)가 상측 단부(532)에 위치되고, 그리고 적어도 하나의 유동 유출구(544)는 플리넘의 하측 단부에 위치된다. 이들 플리넘 유동 유출구(544)는 또한 음향 챔버 측벽부(508)를 통과하고, 그리고 음향 챔버로의 유동 유입구로 고려될 수 있다. 이들 음향 챔버 유동 유입구는 라인의 구멍이나 슬롯의 형태를 취할 수 있고, 그리고 이들은 음향 챔버의 바닥부 상에 배치된다. 실시예에 있어서, 음향 챔버 유입구는 음향 챔버의 높이(517)의 0 %와 100 % 사이, 그리고 더욱 특별하게는 상기 음향 챔버의 상기 높이의 5 %와 25 % 사이의 높이(515)에서, 챔버 바닥부(501) 상에 위치된다. 디퓨져 유출구(544)는 초음파 트랜듀서에 의해 생성된 음향 정상파의 축선 방향에 직교하는 유동 방향을 제공한다. 음향 챔버 유입구는 또한 마주한 위치로 배치되어, 수평방향 속도가 음향 챔버의 중심에서 0으로 감소할 것이다.

각각의 덤프 디퓨져는 진입 포트(542)를 포함하고, 이 진입 포트로 주된 유체/제2 유체나 또는 미립자의 혼합물이 유동한다(X는 지면으로의 유동 방향을 의미함). 이러한 구성은 음향 챔버에서의 하향 유동을 제거한다. 혼합물이 덤프 디퓨져에서 플리넘을 채우고, 이후 음향 챔버 유입구(544)로 수평으로 유동하고, 그리고 음향 챔버에 진입하며, 여기서 혼합물이 상측 유출구(512) 외측으로 그리고 수직 상향으로 유동한다. 덤프 디퓨져는 중력 효과가 지배적인 수평의 유입구 유동, 호스(hosing) 및 펌프로부터 초래되는 유동 불-균일성과 유동 맥동을 감소/제거한다. 음향 챔버 유입구(544)는 이후 초음파 정상파에서 형성되는 마디 응집물(nodal clusters)과 초음파 트랜듀서의 아래 그리고 챔버(라인(501))의 바닥부 상의 음향 챔버로 보다 무거운 혼합물을 이동한다. 이러한 유입하는 재료에 의해 만들어진 응집물의 임의의 방해를 최소화한다.

수직 평면 또는 라인 대칭부(505)가 중력과 정렬된다. 또한 바람직하게 대칭인 유동 스트림라인이 개시되어 있는데, 이는 수집될, 유출구(514)를 통해 떨어지는 응집물의 방해, 순환, 소용돌이 방해, 및 불-균일성을 최소화하기 때문이다. 대칭은 또한 유입구 유동 분배 및 파티클 수집 공정에서 중력을 최대화한다. (비교적) 무거운 들어오는 혼합물이 본 장치의 정상부에서 빠져나오는 투과액보다 더 무겁기 때문에, 음향 챔버의 바닥부 근처에서 나아가고, 중력에 기인하여 챔버의 바닥부를 가로질러 퍼져나가며, 그리고 바닥부로부터 정상부까지 거의 일정한 속도 프로파일을 제공한다. 혼합물의 수평방향 속도는, 상기 혼합물이 이중의 마주한 유입구 유동에 기인하여 음향 챔버의 센터에 접근하므로, 0으로 감소할 것이다. 이는 챔버 유동 사이의 최소 간섭과 파티클 응집물의 떨어짐을 보장한다. 일정한 속도는 최상의 분리 및 수집 결과를 제공하는데, 그 이유는 측방향 음향 력이 음향 챔버 외측으로 연속으로 떨어져 성장하도록 응집물에 대한 항력을 반드시 극복하기 때문이다. 이러한 구성은 또한 유입구 유동 분배기의 필요성을 제거한다.

파티클 응집물이 떨어져 나감에 따라, 정상파와 관련된 축선방향 음향 력은 상기 응집물이 온전하게 유지하게 한다. 이는 빠른 종단 속도, 대략 1 cm/sec를 갖는 응집물의 빠른 떨어짐을 보장한다. 이는 대략 0.1 cm/sec 내지 0.3 cm/sec의 챔버 유동 속도에 비해 매우 빠르다. 얕은 벽부 각도는 원통형 파티클 응집물이 음향 챔버를 빠져나오기 전에 단지 매우 짧은 거리를 떨어져야 하므로, 상기 응집물의 작은 분산이 발생한다는 것을 의미한다. 이상적으로, 시스템은 트랜듀서의 평방 인치당 3 내지 12 크리스탈 진동 파절으로서 작동한다. 중앙 수집 구역에서의 대칭, 최소 유동 방해 및 얕은 수집기 벽부는 배플/얇은 판형 플레이트를 필요로 하지 않으면서 우수한 수집을 제공한다.

도 18 및 도 19는 음향 챔버(510)로의 미립자와 주된 유체의 혼합물의 더욱 일정한 유동을 제공하는데 사용되는 덤프 디퓨저의 상세한 사항을 부가적으로 제공하고 있다. 도 18은 덤프 디퓨져의 내부 및 외부 모두를 나타내고 있는, 전방 플레이트가 제거된 사시도이다. 도 19는 덤프 디퓨져의 전방 플레이트의 사시도이다. 도 18을 포함해서, 덤프 디퓨져(530)는 상측 단부(532), 반대쪽 하측 단부(534), 2개의 측면(538), 및 전방 면(536)을 구비한 플리넘(531)을 포함한다. 중공의 챔버(540)는 하우징(531) 내에 존재한다. 덤프 디퓨져는 또한 혼합물을 수용해 챔버(540)로 유도하는 진입 포트(542)를 포함한다. 진입 포트(542)는 하우징의 측면(538)에 그리고 상측 단부에 존재하고; 2개의 진입 포트가 여기서 보여질 수 있다. 도 19는 하우징의 전방 면(536)에 부착된 전방 플레이트(546)의 도면이다. 본 명세서에 기재된 바와 같이, 플리넘 유출구(544)는 하측 단부(534)에 위치되고, 그리고 얇은 슬롯의 형태를 또한 가질 수 있을지라도, 2개의 라인의 구멍의 형태를 갖는다. 사용 중에, 주된 유체/제2 유체나 또는 미립자의 혼합물이 진입 포트(542)를 통해 진입하고 그리고 챔버(540)를 채운다. 압력은 이후 혼합물을 균일하게 유출구(544)를 통해 외측으로 가압한다.

도 20은 하나의 덤프 디퓨져(530) 및 배플(944)을 포함한 실시예를 나타내고 있다. 여기서, 본 장치(500)는 상측 유출구(512) 및 하측 유출구(514)를 포함한다. 하측 유출구(514)는 2차 유동 채널(907)의 단부에 존재한다. 박스(936)는 초음파 트랜듀서 및 반사기의 위치를 지시하고 있다. 덤프 디퓨져(530)는 음향 챔버의 한 측에 위치하고, 그리고 수직의 유동 성분을 거의 갖지 않는다. 들어오는 혼합물은 챔버의 바닥부에서 유도되고, 상기 챔버를 바닥부로부터 상측으로 채우도록 디퓨져 유출구(544)를 통해 수평으로 유동하여, 혼합물의 일정한 상향 유동을 만든다. 챔버의 바닥부 근처에서의 수평방향 속도가 빠를 수 있다. 배플(944)은 수평의 유동과 음향 정상파 외측으로 떨어지는 응집물 사이의 간섭을 감소시키는데 유용할 수 있다. 투과액은 상측 유출구(512)를 통해 빠져나온다.

도 21 및 도 22는 챔버로의 하향 유동을 갖는 음향 챔버(U 설계)로써 사용될 수 있는 유동 분배기의 상이한 도면이다. 유동 분배기는 플리넘(554)의 진입 단부(553)로의 유입구(552)를 포함한다. 반대쪽 진입 단부는 폐쇄되는, 플리넘의 먼 단부(555)이다. 도 22에 더욱 잘 나타나 있는 바와 같이, 플리넘은 진입 단부(553)로부터 먼 단부(555)로 단면적이 감소하도록 형성된다. 복수의 디퓨져(558)는 플리넘(554)의 바닥부 측에 부착된다. 도 21에 나타난 바와 같이, 디퓨져는 3 x 9 어레이로 배치된다. 플리넘은 각각의 디퓨져(558)를 통한 일정한 유동을 최대화하도록 형성된다. 도 22에 더욱 잘 나타난 바와 같이, 각각의 디퓨져의 근위 단부(557)는 플리넘과 결합하고, 그리고 각각의 디퓨저의 원위 단부(559)는 또한 디퓨져 유입구로 여겨질 수 있는 슬리브(560)와 결합한다. 디퓨져의 단면적은 근위 단부(557)로부터 원위 단부(559)까지 증가한다. 디퓨져를 통한 유동이 매우 일정하다. 도 23은 속도 대 유동 분배기의 위치를 나타낸 그래프이며, 여기서 영(0)은 진입 단부 근처이고 그리고 일(1)은 먼 단부이다. 여기서 알 수 있는 바와 같이, 9개의 디퓨져를 가로지른 유동이 0.011 m/s와 0.013 m/s 사이의 속도를 가지면서, 매우 일정하다.

도 21 및 도 22의 유동 분배기는 도 2의 장치에서 일정한 공급물을 제공하도록 사용될 수 있다. 이는 도 24에 나타나 있다. 여기서, 본 장치(500)의 유입구는 유동 분배기(550)를 포함한다. 본 장치는 유입구(552) 및 상측 유출구(512)를 분리하는 벽부(440)를 포함한다. 혼합물이 초음파 트랜듀서(520) 및 반사기(522)를 지나 유동할 때, 수집 효율을 향상시키도록 주된 유체와 미립자의 혼합물의 일정한 하향 유동을 만드는 전체 유입구 덕트/유동 경로를 가로질러 상기 혼합물을 퍼지게 하는, 유동 분배기(550)로 상기 혼합물이 유동한다. 유동 경로는 실질적으로 U자 형상이어서, 유동 분배기(550)로부터의 수직 하향 유동과, 이후 수평 유동과, 상측 유출구(512)로의 수직 상향 유동을 수용한다. 큰 파티클 응집물은 다시 얕은 벽부(516) 상에 떨어지고 하측 유출구(514)를 통해 빠져나온다. 투과액은 상측 유출구(512)를 통해 빠져나온다.

실시예에 있어서, 트랜듀서를 구동하는 펄스 전압 시그널은 사인파형이나, 정현파형이나, 톱니형이나, 또는 삼각형 파형을 가질 수 있고, 그리고 500 kHz 내지 10 MHz의 주파수를 갖는다. 펄스 전압 시그널은 임의의 요구되는 파형을 만드는 펄스 폭 변조로써 구동될 수 있다. 펄스 전압 시그널은 또한 스트리밍을 제거하도록 진폭이나 주파수 변조 시작/종료 특성을 가질 수 있다.

트랜듀서는 정상파 방향으로 그리고 상기 정상파 방향에 직교한 방향으로, 동일한 승수의 힘을 만드는 압력 장을 생성하도록 사용된다. 힘이 대략적으로 동일한 승수를 가질 때, 0.1 미크론 내지 300 미크론 크기의 파티클이 응집 구역("트랩핑 라인") 쪽으로 더욱 효과적으로 이동될 것이다. 직교 음파영동 힘 성분에서의 동일하게 큰 구배 때문에, 트랜듀서(130)와 반사기(132) 사이의 정상파 방향에서 규칙적인 위치에 위치되지 않는 "고온의 스팟"이나 또는 파티클 수집 구역이 존재한다. 고온의 스팟이 음향 방사 포텐셜의 최소치에 위치된다. 이러한 고온의 스팟이 파티클 수집 위치를 나타낸다.

수치 모델 결과와 실험 결과 사이의 비교가 본 발명의 다차원 음향 정상파에 대해 우수하고, 그리고 모델의 정확도를 입증한다. 도 25a는 우측에서 2개의 트랜듀서에 의한 수치 모델의 음향 압력 장을 나타낸 도면이다. 정상파에서 트랩된 오일 액적의 사진이 도 25b에 나타나있다. 수치 모델 결과 및 실제 실험 결과 모두가 동일한 특징을 나타낸다.

상기 기재된 바와 같이, 측방향 힘은 일정한 변위를 갖는 피스톤처럼 효과적으로 이동하는 진동의 형태에 반하여, 보다 고차 모드 형상으로 트랜듀서를 구동시킴으로서 증대될 수 있다. 따라서, 발생된 타입의 파가 약간 대칭인(leaky symmetric) (또한 압축이나 또는 팽창으로 언급됨) 램 파와 비슷한 변위 프로파일을 갖는, 합성파로 특징지워질 수 있다. 파는 물 층으로 방사하기 때문에 약하며, 이는 상기 물 층에서의 음향 정상파의 발생을 초래한다. 대칭의 램 파는 3-D 공간에 다수의 정상파의 발생을 야기시키는, 압전 소자의 중립 축선과 관련하여 대칭인 변위 프로파일을 갖는다. 진동의 이들 고차 모드는 모드 (1,1), (1,2), (2,1), (2,2), (2, 3), 또는 (m, n)를 포함할 수 있으며, 여기서 m과 n은 1이거나 이보다 더 크다. 음향 압력은 트랜듀서의 구동 전압에 비례한다. 전기력은 전압의 자승에 비례한다.

트랜듀서는 도 26a - 도 26c에 도시된 바와 같이, z-축선에서 전기장과 z-축선에서 1차 변위를 갖는 상태에서 (3, 3) 모드로 작동되는 전형적인 얇은 압전 플레이트이다. 트랜듀서는 한 측에서 공기(즉, 트랜듀서 내에서의 공기 갭)에 의해 그리고 다른 한 측에서 물(즉, 주된 유체)에 의해 전형적으로 연결된다. 플레이트(156)는 폭(152)과 동일하거나 이보다 더 큰 길이(150)를 갖는다. 길이(y = 0)에 따른 시점과 폭(x = 0)에 따른 시점의 사시도가 제공된다. 도 26a는 진동 모드(3, 3)를 나타내고 있다. 2개의 세로의 파절 라인(186) 및 2개의 가로의 파절 라인(180)이 존재한다. 3개의 세트의 파복(182)이 파절 라인(180)에 의해 만들어지고, 그리고 3개 세트의 파복(184)이 파절 라인(186)에 의해 만들어진다. 이는 각각의 방향에서 그 교차부로부터 초래되는 총 9개의 파복을 야기한다. 도 26b는 화살표 181에 따른 도면이고 그리고 도 26c는 화살표 183에 따른 도면이다.

생물학적 적용예에 있어서, 시스템의 부품(예를 들면, 음향 챔버, 상기 음향 챔버로부터 또는 상기 음향 챔버로 나아가는 배관, 트랜듀서, 덤프 디퓨져, 배플, 등) 모두가 서로 분리될 수 있고, 그리고 일회용이라고 여겨진다. 트랜듀서의 주파수는 또한 주어진 파워에 대해 최적의 효과를 얻기 위해 변할 수 있다.

아래 기재된 예는 본 발명의 공정 및 장치를 나타내도록 제공된다. 이러한 예는 단지 예시적이며 본 발명을 제한하려는 것은 아니다.

실시예

3개의 상이한 장치가 만들어졌고 세포 분리 효율에 대해 테스트되었다. 베이스라인 장치는 도 20과 비슷하였고, 한 측에서 하나의 덤프 디퓨져를 구비한다. 제2의, 도 17과 비슷한 장치가 사용되며, 30 도의 각도에서 2개의 덤프 디퓨져 및 얕은 벽부를 구비한다(2DD30로 약칭됨). 제3의, 도 17과 유사한 장치가 사용되었으며, 45 도의 각도에서 2개의 덤프 디퓨져 및 얕은 벽부를 구비한다(2DD45로 약칭됨).

본 장치가 1.5 볼륨% 이스트 용액을 사용하여 테스트되었다. 각각의 장치가 2개의 트랜듀서(하나의 정상부 상에 다른 하나가 수직으로 배치됨)를 사용하였으며, 이 2개의 트랜듀서는 정상부 트랜듀서로 50 볼트와 바닥부 트랜듀서로 60 볼트를 가져서, 트랜듀서 주파수 2.23 MHz에서 작동한다. 통과액 속도(flowthrough rate)는 대략 270 mL/min이었으며, 대략 8.1 mL/min 농축물이 빼내진다. 세포 분리 효율은 공급물과 투과액 사이에서의 탁도의 퍼센티지 감소로서 측정되었다. 아래 표 1은 결과치를 나타내고 있다:

장치	% 정화
베이스라인	90
2DD30	90
2DD45	90

다음에, 2DD45 장치가 상이한 유동률에서 테스트되었고, 그리고 % 정화가 다시 측정되었다. 표 2는 결과치를 나타내고 있다:

유동 속도 (mL/min)	% 정화
135	95
270	94
405	91
540	76
675	55
810	48

표 2에서의 결과는, 우수한 세포 분리가 이중 덤프 디퓨져 설계를 사용할 때, 베이스라인 장치의 유동률의 3 배로 얻어질 수 있다는 것을 나타내었다.

본 발명은 예시적인 실시예를 참조하여 기재되어 있다. 명확하게도, 당업자가 앞서 기재된 상세한 설명을 읽고 이해하였다면 이 상세한 설명에 대한 수정 및 변경을 행할 수 있다. 이러한 모든 수정 및 변경은 첨부된 청구범위의 범주 내에서 행해지도록 본 발명은 안출되었다는 것을 알 수 있을 것이다.

Claims (21)

1. 음파영동 장치로서,
   유동 챔버;
   상기 유동 챔버에 연결되어 거기에서 음향 파를 발생하는 적어도 하나의 초음파 트랜듀서;
   상기 적어도 하나의 초음파 트랜듀서로부터 유동 챔버의 양 측에 위치된 적어도 하나의 반사기;
   유체 혼합물의 대칭 유입을 위해 상기 유동 챔버의 양 측에 서로 위치된 적어도 2 개의 장치 유입구로서, 각 장치 유입구는 상기 장치 유입구를 포함한 제 1 단부, 및 유동 챔버 유입구를 포함한, 상기 제 1 단부로부터 원위의 제 2 단부를 가진 덤프 디퓨져 플리넘을 포함한, 적어도 2 개의 장치 유입구; 및
   장치 유출구, 여기서, 상기 적어도 하나의 초음파 트랜듀서와 적어도 하나의 반사기는 상기 유동 챔버 유입구와 장치 유출구 사이에 위치됨;를 포함하는, 음파영동 장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 유동 챔버에 인접하게 위치된 얕은 벽부를 추가로 포함하는, 음파영동 장치.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 유동 챔버 유입구는 상기 유동 챔버의 높이의 5 % 내지 25 %의 높이로 위치되는, 음파영동 장치.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 유동 챔버 유입구는 상기 적어도 하나의 초음파 트랜듀서에 의해 발생된 음향 파의 축선 방향과 정렬된 유동 방향을 제공하는 슬롯이나 구멍의 형상을 취하는, 음파영동 장치.
5. 청구항 2에 있어서,
   상기 얕은 벽부는 수평방향 평면과 관련하여 60° 이하의 각도를 갖는, 음파영동 장치.
6. 청구항 1에 있어서,
   유동 방향으로 원형 단면이나 직사각형 단면을 더욱 포함하는, 음파영동 장치.
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 적어도 하나의 장치 유입구는, 유체 유동이 장치로 균일하게 유동하도록 복수의 균일하게 분배된 장치를 포함하는, 음파영동 장치.
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 복수의 장치 유입구의 각각은 덤프 디퓨져 플리넘을 포함하는, 음파영동 장치.
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 발생된 음향 파를 2번 통과하는 유동 경로를 형성하기 위해 상기 적어도 하나의 초음파 트랜듀서와 적어도 하나의 반사기 사이에 벽부를 더욱 포함하는, 음파영동 장치.
10. 제2 유체 또는 미립자로부터 주된 유체를 분리하는 방법으로서,
    음파영동 장치를 통해 주된 유체와 제2 유체나 미립자의 혼합물을 유동시키는 단계, 여기서, 상기 음파영동 장치는:
    유동 챔버;
    상기 유동 챔버에 연결되고 상기 유동 챔버에서 다차원 음향 파를 발생하도록 여기되게 구성된 압전 재료를 포함하는 적어도 하나의 초음파 트랜듀서;
    다차원 음향 정상파를 형성하도록 다차원 음향 파를 반사시키기 위해 상기 적어도 하나의 초음파 트랜듀서로부터 유동 챔버의 양 측에 위치된 적어도 하나의 반사기; 및
    상기 혼합물의 대칭 유입을 위해 상기 유동 챔버의 양 측에 위치된 적어도 2 개의 장치 유입구로서, 각 장치 유입구는 상기 장치 유입구를 포함한 제 1 단부, 및 유동 챔버 유입구를 포함한, 상기 제 1 단부로부터 원위의 제 2 단부를 가진 덤프 디퓨져 플리넘을 포함한, 적어도 2 개의 장치 유입구;를 포함함;
    상기 제2 유체 또는 미립자를 더 큰 파티클로 응집하기 위해 다차원 음향 정상파에서 상기 제2 유체 또는 미립자의 보다 작은 파티클을 포집하는 단계;를 포함하고,
    여기서, 상기 더 큰 파티클은 중력 또는 부력이 지배적이고 더 큰 파티클이 다차원 음향 정상파를 빠져나가도록 크기가 증가하는, 제2 유체 또는 미립자로부터 주된 유체를 분리하는 방법.
11. 청구항 10에 있어서,
    상기 주된 유체와 상기 제2 유체 또는 미립자의 상기 혼합물은 슬러리인, 제2 유체 또는 미립자로부터 주된 유체를 분리하는 방법.
12. 청구항 10에 있어서,
    들어오는 혼합물에서의 보다 작은 파티클이 대략 0.0005 내지 1의 파티클 레이놀즈 수를 갖는, 제2 유체 또는 미립자로부터 주된 유체를 분리하는 방법.
13. 음파영동 장치로서,
    하우징의 유입구 영역과 유출구 영역 사이에 1차 유동 채널을 형성하는 상기 하우징;
    상기 하우징의 한 측에 위치된 적어도 하나의 초음파 트랜듀서;
    상기 적어도 하나의 초음파 트랜듀서에 마주한 상기 하우징의 한 측에 위치된 적어도 하나의 반사기;
    상기 1차 유동 채널로 유체의 대칭 유입을 위해 상기 하우징의 양 측에 서로 위치된 적어도 2 개의 장치 유입구;를 포함하며,
    각 장치 유입구는 덤프 디퓨져 플리넘을 포함하고, 그리고
    상기 적어도 2 개의 장치 유입구 각각은 적어도 하나의 초음파 트랜듀서 및 적어도 하나의 반사기 아래에 위치되는, 음파영동 장치.
14. 청구항 13에 있어서,
    상기 적어도 하나의 트랜듀서, 및 2차 유동 채널과 연결되는 상기 적어도 하나의 반사기 사이에서 상기 하우징의 한 측의 포트, 및 적어도 하나의 배플을 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 배플은 상기 1차 유동 채널 및 상기 2차 유동 채널 모두로 뻗어있는, 음파영동 장치.
15. 청구항 14에 있어서,
    상기 1차 유동 채널과 상기 2차 유동 채널 사이의 각도는 대략 15° 내지 90°인, 음파영동 장치.
16. 청구항 14에 있어서,
    상기 적어도 하나의 배플은 상기 1차 유동 채널과 관련하여 경사지고, 그리고 상기 2차 유동 채널과 관련하여 경사지지 않는, 음파영동 장치.
17. 청구항 14에 있어서,
    상기 적어도 하나의 배플은 (i) 서로 평행하게 배치되거나, 또는 (ⅱ) 적어도 2개의 상이한 거리로 상기 1차 유동 채널로 뻗어있거나, 또는 (ⅲ) 상기 1차 유동 채널과 관련하여 적어도 2개의 상이한 각도로 배치되거나, 또는 (iv) 모두 동일한 길이를 갖는, 복수의 배플인, 음파영동 장치.
18. 청구항 13에 있어서,
    상기 1차 유동 채널은 실질적으로 U자 형상인, 음파영동 장치.
19. 주된 유체로부터 제2 유체나 미립자를 분리하는 방법으로서,
    음파영동 장치를 통해, 상기 주된 유체와 상기 제2 유체나 미립자의 혼합물을 연속적으로 유동시키는 단계; 여기서, 상기 음파영동 장치는:
    1차 유동 채널을 형성하는 적어도 하나의 유출구, 및 상기 혼합물의 대칭 유입을 위해 음향 챔버의 양 측에 서로 위치된 적어도 2 개의 유입구를 구비한 상기 음향 챔버;
    상기 음향 챔버에 다차원 음향 파를 발생하도록 여기되게 구성되는 압전 재료를 포함하고, 상기 음향 챔버에 연결된 초음파 트랜듀서;
    다차원 음향 정상파를 형성하기 위해 상기 다차원 음향 파를 반사시키기 위해 상기 초음파 트랜듀서로부터 음향 챔버의 양 측에 위치한 적어도 하나의 반사기; 및
    상기 1차 유동 채널로 뻗어있는 적어도 하나의 배플;을 포함함;
    중력 또는 부력이 더 큰 파티클을 상기 다차원 음향 정상파에서 빠져나가게 할 때까지 크기를 증가시키는 더 큰 파티클로 상기 제2 유체 또는 미립자를 응집하기 위해 다차원 음향 정상파에서 상기 제2 유체 또는 미립자의 보다 작은 파티클을 포집하는 단계;를 포함하고,
    여기서, 상기 다차원 음향 정상파를 빠져나가는 더 큰 파티클은 적어도 하나의 배플과 접촉하고 수집 웰로 나아가게 되는, 주된 유체로부터 제2 유체나 미립자를 분리하는 방법.
20. 청구항 19에 있어서,
    상기 미립자는 CHO(Chinese hamster ovary) 세포, NS0 혼성 세포, BHK(baby hamster kidney) 세포, 곤충 세포, 또는 인간 세포인, 주된 유체로부터 제2 유체나 미립자를 분리하는 방법.
21. 청구항 19에 있어서,
    상기 다차원 음향 정상파는 축선방향 힘 및 측방향 힘을 갖고, 상기 측방향 힘은 적어도 상기 축선방향 힘과 동일한 승수를 갖는, 주된 유체로부터 제2 유체나 미립자를 분리하는 방법.

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