KR20140139548A

KR20140139548A - 음향영동 다중-성분 분리 기술 플랫폼

Info

Publication number: KR20140139548A
Application number: KR20147028386A
Authority: KR
Inventors: 바트 립켄스; 제이슨 디온네; Ⅲ 토마스 제이. 켄네디; 루이스 마시; Ⅲ 스탠리 코발스티
Original assignee: 프로디자인 소닉스, 인크.
Priority date: 2012-03-15
Filing date: 2013-03-15
Publication date: 2014-12-05
Also published as: DE13760840T1; EP2825279B1; EP2825279A1; CN104363996B; WO2013138797A1; ES2805323T3; CN104363996A; EP2825279A4; RU2608419C2; CN107349687A; SG11201405693PA; CN107349687B; RU2014141372A

Abstract

음향영동을 위해 향상된 트랩핑 힘을 갖는 시스템이 기재되어 있고 여기서 상기 트랩핑 힘은 초음파 트랜듀서의 주파수의 조정에 의해 향상된다. 트랜듀서는 세라믹 크리스탈을 포함한다. 크리스탈은 유체 유동에 직접적으로 노출될 수 있다. 크리스탈은 공기 뒤받침될 수 있고, 보다 큰 Q-팩터(factor)를 초래한다.

Description

음향영동 다중-성분 분리 기술 플랫폼{ACOUSTOPHORETIC MULTI-COMPONENT SEPARATION TECHNOLOGY PLATFORM}

본 출원은 2012년 03월 15일에 출원된 미국 가출원번호 제61/611,159호와, 2012년 03월 15일에 출원된 미국 가출원번호 제61/611,240호와, 2013년 01월 21일에 출원된 미국 가출원번호 제61/754,792호를 우선권 주장하고 있다. 이들 3개의 출원은 참조를 위해 본 명세서에 모두 통합되어 있다.

음향영동(acoustophoresis)은 고 강도 음파를 사용하는 파티클 분리이다. 소리의 고 강도 정상파가 파티클에 힘을 가할 수 있다는 것이 오래도록 알려져 왔다. 정상파는 시간 내내 "현상 유지"(stand still)을 나타내는 압력 프로파일을 갖는다. 정상파에서의 압력 프로파일은 고 압력(마디(nodes))의 영역으로부터 저 압력(비-마디(anti-nodes))의 영역까지 변한다. 정상파는 음향 공명기에서 만들어진다. 음향 공명기의 공통의 실시예는 오르간 파이프, 플룻, 클라리넷, 및 호른과 같은 많은 음악용 관악기를 포함한다.

임의의 폐기물을 제거하고 필요한 에너지를 감소시켜 지속가능한 환경(sustainable environment)을 촉진시키는 다중-성분 액체 스트림에 대한 효율적인 분리 기술이 요구된다.

본 발명은 큰 규모의 음향영동용 시스템 및 장치에 관한 것이다. 이러한 장치는 본 명세서에 기재된 바와 같은 초음파 트랜듀서를 사용한다. 트랜듀서는 다수의 정상파를 만드는 주파수에서 구동된다.

여러 실시예에 있어서, 제 2 유체 및 미립자 중 적어도 하나와 호스트(host) 유체의 혼합물이 통과해 유동되는 유입구와 유출구를 구비한 유동 챔버를 포함한 기기가 개시되어 있다. 유동 챔버 벽부 외측에 위치되거나 또는 상기 유동 챔버의 벽부에 끼워넣어진 초음파 트랜듀서는 유동 채널에 정상파를 만들기 위해 보다 고 차수(higher order)의 모드의 진동으로 트랜듀서를 구동하는 초음파 주파수의 변동하는, 주기적인, 또는 펄스식(pulsed) 전압 시그널에 의해 구동된다. 트랜듀서는 세라믹 크리스탈을 포함한다. 반사기는 트랜듀서로부터 유동 챔버의 마주한 쪽 상의 벽부에 위치된다.

여러 실시예에 있어서, 제 2 유체 및 미립자 중 적어도 하나로부터 호스트 유체를 분리하는 방법이 개시된다. 이러한 방법은 공명기 및 수집 포켓을 구비한 유동 챔버에 호스트 유체를 유동시키는 단계와, 정상파를 공명기에서 만들고 그리고 제 2 유체 및 미립자 중 적어도 하나를 수집 포켓에 수집하도록 변동하는, 주기적인, 또는 펄스식 전압 시그널로서 트랜듀서를 구동시키는 단계를 포함한다.

여러 다른 실시예에 있어서, 본 발명의 기기는 제 2 유체 및 미립자 중 적어도 하나와 호스트 유체의 혼합물이 통과해 유동되는 유입구 및 유출구를 구비한 유동 챔버를 포함한다. 복수의 초음파 트랜듀서는 유동 챔버 벽부의 외측에 위치되거나 또는 상기 유동 챔버의 벽부에 끼워넣어진다. 트랜듀서는 각각 유동 채널에 정상파를 만들기 위해 보다 고 차수의 모드로 트랜듀서를 구동하는 초음파 주파수의 변동하는, 주기적인, 또는 펄스식 전압 시그널에 의해 구동된 세라믹 크리스탈을 포함한다. 반사기는 트랜듀서로부터 유동 챔버의 마주한 쪽에서의 벽부 상에 위치된다.

이들 여러 예시적인 특징은 아래에서 더욱 상세하게 기재되어 있다.

도면의 간단한 설명이 아래 기재되어 있고, 이들 도면은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로서 본 발명이 이들 도시된 사항만으로 한정되지 않음을 알 수 있을 것이다.

도 1은 하나의 트랜듀서를 구비한 음향영동 분리기의 도면이다.
도 2는 음향영동 분리기의 작용을 나타낸 다이어그램이다.
도 3은 복수의 트랜듀서를 구비한 음향영동 분리기의 도면이다.
도 4a는 도 3의 분리기의 유입구처럼 사용된 디퓨져의 상세도이다.
도 4b는 도 3의 분리기로써 사용될 수 있는 선택적인 유입구 디퓨져의 상세도이다.
도 5는 종래의 초음파 트랜듀서의 단면 다이어그램이다.
도 6은 종래의 트랜듀서의 마찰 플레이트의 도면이다.
도 7은 본 발명의 초음파 트랜듀서의 단면 다이어그램이다. 공기 갭이 트랜듀서 내에 존재하고, 그리고 지지제 층이 존재하지 않는다.
도 8은 도 9 - 도 17을 만들도록 시뮬레이트된 음향영동 분리기의 컴퓨터 모델이다.
도 9 - 도 17은 음향영동 분리기에서의 파티클 상의 외력의 시뮬레이션이다.
도 18은 음향영동 분리기에서 사용하기 위한 정사각형 트랜듀서 및 원형 트랜듀서의 사진이다.
도 19는 정사각형 트랜듀서가 상이한 주파수에서 구동됨에 따른 주파수 대 임피던스 진폭의 그래프이다.
도 20은 도 19의 7개의 피크 진폭에 대한 마디 구성을 나타낸 도면이다.
도 21은 트랜듀서의 9개의 마디 구성의 사진이다.
도 22는 트랜듀서의 다른 한 다중-마디 구성의 사진이다.
도 23은 트랜듀서로부터의 외력의 컴퓨터 시뮬레이션이다.
도 24 및 도 25는 트랜듀서 어레이 구성을 나타낸 도면이다.
도 26은 도 21 및 도 22의 트랜듀서로써 사용하기 위한 부력이 있는 재료를 분리하기 위한 음향영동 분리기를 나타낸 도면이다.
도 27은 트랜듀서의 어레이로부터의 외력의 컴퓨터 시뮬레이션이다.
도 28은 트랜듀서의 어레이의 마디를 나타낸 사진이다.
도 29는 트랜듀서의 어레이의 마디를 나타낸 사진이다.
도 30은 트랜듀서의 어레이로부터의 외력의 컴퓨터 시뮬레이션이다.

본 발명은 아래 기재된 본 명세서에 기재된 예시적인 사항과 요구되는 실시예의 상세한 설명을 참조한다면 더욱 용이하게 이해될 수 있을 것이다. 아래 청구범위에 기재된 사항에 있어서, 많은 용어가 아래 기재된 의미를 갖도록 정의될 수 있음을 참조하기 바란다.

본 명세서의 용어는 단수 형태로 기재되어 있지만 별도로 언급하지 않았다면 복수의 의미도 포함할 수 있음을 알 수 있을 것이다.

본 명세서 및 청구범위에서 사용된 바와 같이, "포함하는"이라는 용어는 "이루어진" 및 "필수적으로 이루어진" 경우를 포함할 수 있다.

수치 값은 동일한 수의 중요 수로 감소될 때 동일한 수치 값과 본 출원에 기재된 타입의 종래의 측정 기술의 실험 오차보다 더 작은 언급된 값과 상이한 수치 값을 포함하여 값으로 결정된다는 것을 알 수 있을 것이다.

본 명세서에 기재된 모든 범위는 자세히 기술된 끝점을 포함하고 그리고 독립적으로 결합가능한 (예를 들면, "2 그램 내지 10 그램"의 범위는 끝점, 2 그램 및 10 그램, 그리고 모든 중간 값을 포함한다). 본 명세서에 기재된 범위의 끝점 및 임의의 값은 정확한 범위나 또는 값으로 한정되지 않고; 이들 범위 및/또는 값의 근사 값을 포함하도록 충분하게 정확하지 않다.

본 명세서에서 사용된 바와 같이, 근사값을 나타내는 표현(approximating language)은 본 발명과 관련된 기본적인 작동의 변화를 초래하지 않으면서 변할 수 있는 임의의 정량적인 표현을 변경하도록 적용될 수 있다. 따라서, "대략" 및 "실질적으로"와 같은 용어에 의해 수정된 값은 여러 경우에 있어서 특정된 정확한 값으로 한정되지 않을 수 있다. 적어도 여러 경우에 있어서, 근사값을 나타내는 표현은 값을 측정하기 위한 기구의 정밀도와 대응할 수 있다. 수식구 "대략(약)"이 또한 2개의 끝점의 절대 값으로 정의된 범위를 개시함으로서 고려될 수 있다. 예를 들면, "약 2 내지 약 4"라는 표현은 또한 "2 내지 4" 범위를 나타낸다.

임의의 폐기물을 제거하고 필요한 에너지를 감소시키며, 이에 따라 지속가능한 환경을 촉진하는 다중-성분 액체 스트림에 대한 효율적인 분리 기술이 요구된다. 초음파 정상파를 사용하는 큰 볼륨의 유동 율 음향영동 위상 분리기 기술은 소비재(consumable) 없음, 폐기물 미발생, 및 낮은 에너지 소비의 장점을 제공한다. 이러한 기술은 미크론 및 미크론보다 작은 크기의 파티클의 분리를 포함하는, 크게 변하는 크기의 파티클의 제거에 효율적이다. 음향영동을 이용하는 음향 필터/수집기의 실시예가 본 출원인의 미국 특허 출원 번호 제12/947,757호; 제13/085,299호; 제13/216,049호; 및 제13/216,035호에 개시되어 있고, 이들 각각의 특허문헌의 내용은 참조를 위해 본 명세서에 모두 포함되어 있다.

본 명세서에 기재된 플랫폼 기술은 소비재 없음, 폐기물 미발생, 및 낮은 에너지 소비의 장점을 갖는 초음파 정상파에 기초한 큰 볼륨 유동율 음향영동(acoustophoretic) 위상 분리기를 포함하는 혁신적인 해결책을 제공한다. 음향영동은 유체 분산으로부터의 파티클 제거에 대한 저-파워, 압력-강하 없음, 막힘(clog) 없음, 고체-상태 접근법이고: 즉, 더욱 전형적으로 다공성 필터로 실행되지만 필터의 단점을 가지 않는 분리가 달성되도록 사용된다. 특히, 본 발명은 고 유동 율을 갖는 유동 시스템에서 분리를 위해 큰 규모로 작동하는 시스템을 제공한다. 음향 공명기는 유체 드래그(drag) 및 부력의 결합 효과보다 더 큰 음향 방사력을 초래하는 고강도 3차원 초음파 정상파를 만들고, 이에 따라서, 부유 위상을 트랩할 수 있도록, 즉 유지할 수 있도록 설계된다. 본 시스템은 1 cm/s을 초과하는 선형 속도를 갖는 유동 장에서 파티클을 트랩할 수 있는 초음파 정상파 장을 만드는 능력을 갖는다. 이러한 기술은 에너지 비용의 상당한 감소를 갖는 2차 위상의 분리를 위한 친환경 지속가능한 대안(green and sustainable alternative)을 제공한다. 우수한 파티클 분리 효율이 1 미크론만큼 작은 파티클 크기에 대해 증명되고 있다.

음향영동 분리 기술은 호스트 유체 스트림에 고정, 2차 위상 파티클을 트랩하도록, 즉, 유지하도록, 초음파 정상파를 사용한다. 이는 파티클 궤도가 음향 방사력의 효과에 의해 단지 변경되는 종래 접근법으로부터의 중요한 특징이다. 파티클을 확산시키는 음향 장은 3-차원 트랩핑 장으로 작용하는 3차원 음향 방사력을 초래한다. 음향 방사력은 파티클 볼륨(예를 들면, 반경의 세제곱)에 비례한다. 이는 주파수 및 음향 콘트라스트 인자(contrast factor)에 비례한다. 또한 음향 에너지(예를 들면, 정사각형의 음향 압력 진폭)와 비교된다(scale). 힘의 정현파형 공간 변화는 파티클을 정상파의 안정적인 위치로 구동하는 것이다. 파티클 상에 가해진 음향 방사력이 유체 드래그 힘 및 부력/중력의 결합 효과보다 더 클 때, 상기 파티클은 음향 정상파 장 내에서 트랩된다. 트랩된 파티클에서의 음향 력의 작용은 파티클 및 액적의 집중, 응집 및/또는 유착을 초래한다. 물 보다 무거운 (즉, 물보다 고 밀도) 파티클은 강화된 중력 침강(gravitational settling)을 통해 분리되고, 그리고 물 보다 가벼운 파티클은 강화된 부력을 통해 분리된다.

효율적이고 경제적인 파티클 분리 공정은 예를 들면, 물 생성과 같은 에너지 생성, 수압-파쇄(hydro-fracking), 및 예를 들면, 하베스팅(harvesting) 및 탈수와 같은 바이오-연료의 많은 분야에서 유용할 수 있다. 음향영동 기술은 물에서의 세균 포자의 포집, 오일-회수, 및 미세-조류로부터 유도된 바이오-오일의 탈수를 목표로 삼는데 사용될 수 있다. 오일 회수 분야에서 사용된 현재의 기술은 작은 회수, 즉, 20 미크론보다 작은, 유적에서 잘 실행되지 않는다. 그러나, 본 명세서에 기재된 음향영동 시스템은 작은 유적의 유착 및 포집을 강화할 수 있어, 전반적으로 증가된 오일 포집을 초래하는 파티클 크기 분포를 변경한다. 사용하기 위해, 일반적으로 4 GPM(gallons per minute)의 레벨에서 큰 유동 율을 증명할 필요가 있다. 다른 한 목표는 20 미크론 보다 작은 직경을 갖는 유적의 포집을 증대시키는 것이다.

음향영동 분리는 또한 저가로 용이하게 이용가능한 비-식량 바이오매스(예를 들면, 도시 고형 폐기물 및 하수오물 슬러지)를 이후 재생가능한 가솔린, 제트 연료, 또는 디젤로 더욱 재정제될 수 있는 다수의 화학제품 및 2차 알코올로 변환하는 향상된 생체-정제(bio-refining) 기술과 같은 용도에 도움이 되도록 사용될 수 있다. 수 처리 기술은 발효 브로스(fermentation broth)를 탈수시키고 값비싼 유기 염류(organic salt)를 연료로 더욱 처리하기 위해 격리(isolate)하도록 사용된다. 탈수 공정은 멤브레인의 부착물(fouling), 비교적 저 농도 인자, 및 많은 자본과 작동 경비를 종종 겪게 되는 고비용 및 비효율적인 초(ultra)-여과 방법을 통해 일반적으로 행해진다. 음향영동 분리는 3개 이상의 차수의 크기, 즉 600 미크론 내지 0.3 미크론 폭(span)의 들어오는 파티클 크기 분포를 갖는 파티클을 여과할 수 있어, 보다 적은 자본 및 작동 경비를 갖는 별도의 브로스의 농축(concentration)에서의 향상을 가능하게 한다.

음향영동 분리는 바이오-오일로의 변환을 위한 미세-조류의 하베스팅, 오일-회수, 및 탈수에 또한 유용하다. 미세-조류에 대한 현재의 하베스팅, 오일 회수, 및 탈수 기술은 큰 작동 및 자본 경비의 손해를 입고 있다. 현 최상의 견적은 배럴 당 최소 $200.00에서의 미세-조류로부터 유도된 바이오-오일의 가격을 부과한다. 이러한 공정의 하베스팅 단계, 오일-회수 단계, 및 탈수 단계를 향상시키는 기술에 대한 미세-조류 바이오연료의 기술에서의 요구가 있다. 음향영동 분리 기술은 이러한 필요를 만족한다.

여러 다른 용도가 폐수 처리, 생활 하수 재생(grey water recycling), 및 물 생산의 영역에 있다. 여러 용도가 빨간색 혈액 세포로부터의 지질의 분리와 같은 생명 과학 및 의료 용도의 영역에 있다. 이는 빨아들어 솟구치는 종격동의(suctioning shed mediastinal) 혈액을 포함한 심폐 회로 수술 동안에 결정적인 중요도를 가질 수 있다. 지질은, 혈액이 신체로 재수혈될 때, 혈류로 의도하지 않게 유도된다. 지질 미세-색전(micro-emboli)은 뇌로 이동할 수 있고 그리고 다양한 신경-인지 장애(neuro-cognitive disorder)를 야기시킨다. 따라서, 혈액을 깨끗하게 할 필요가 있다. 현재의 방법은 빨간색 혈액 세포에 현재 효과가 없거나 유해하다.

특별한 실시예가 20 미크론 보다 작은 유적의 성장 및 포집에 촛점이 맞춰져 있다. 20-미크론보다 작은 액적의 볼륨의 적어도 80%가 포집되고 그리고 이후에 20 미크론 보다 더 큰 액적으로 성장된다. 공정은 음향 정상파에서의 유적의 트랩핑(trapping), 많은 작은 트랩된 액적의 유착, 그리고 마침내 음향 트랩핑 힘이 부력 힘보다 더 작게 될 때 보다 큰 액적의 배출을 포함한다.

제어부가 끼워넣어진 향상된 다중-물리 및 다수의 길이 척도(scale) 컴퓨터 모델 그리고 고 주파수(MHz), 고-파워, 및 고-효율 초음파 구동기가 압전기 트랜듀서의 어레이에 구동된 음향 공명기의 새로운 디자인에 도달하도록 결합되어, 현 특성을 상당히 능가하는 음향영동 분리 장치를 야기시킨다.

바람직하게, 이러한 트랜듀서는 음향영동 시스템의 파티클 트랩핑 특성을 증대시키기 위하여 축선방향 힘을 수반하도록 횡방향 힘을 제공한다.

일 실시예의 음향영동 파티클 분리기(1)가 개략적으로 도 1에 도시되어 있다. 다중-성분의 액체 스트림(예를 들면, 물 또는 다른 유체)이 유입구(4)에 진입하고 그리고 분리된 유체가 유출구(6)를 통해 반대쪽 단부에서 빠져나온다. 이러한 액체 스트림은 분리기를 통해 유동할 때 통상적으로 압력의 영향을 받음을 알 수 있을 것이다. 파티클 분리기(1)는 길이방향 유동 채널(8)을 구비하고, 상기 유동 채널은 다중-성분의 액체 스트림을 이송하고 공명기(10)를 통과한다. 공명기(10)는 트랜듀서(12)나 또는, 여러 실시예에 있어서, 상기 트랜듀서의 어레이를 포함하고, 여기되는 음파의 원(source)으로서 작용한다. 음향 공명기(10)는 트랜듀서(12)에 마주한 벽부에 위치된 반사기(14)를 구비한다. 수집 포켓(16)은 불순물을 수집하고, 또한 트랜듀서에 마주하여 위치된다. 본 명세서에 정의된 바와 같이, 불순물은 호스트 유체와 다른 유체나 또는 파티클을 포함한다. 음향 공명기(10)는 고 강도 3-차원 음향 정상파를 유지하도록 설계된다. 시스템은 함수 발생기(function generator) 및 증폭기(도시 생략)에 의해 구동된다. 시스템 성능은 모니터되고 컴퓨터에 의해 제어된다.

오일이나 물보다 더 가벼운 여러 재료를 제거하기 위한 일 실시예가 도 2에 개략적으로 도시되어 있다. 전형적으로 수 100 kHz 내지 수 MHz 범위의 여기 주파수가 트랜듀서(20)에 의해 적용된다. 미세액적(22)이 정상파(24)에서 트랩되고, 응집하며, 그리고 부력이 있는 재료의 경우에, 표면으로 부유하고 그리고 방출 유출구(26)를 통해 배출된다. 정제수는 유출구(28)에서 배출된다. 음향영동 분리 기술은 많이 감소된 비용에서의 임의의 부착물 없이 다중-성분 파티클 분리를 달성할 수 있다.

도 3은 음향영동 파티클 분리기(30)의 다른 일 실시예를 나타내고 있다. 음향영동 분리기(1)처럼, 음향영동 분리기(30)는 유입구(32) 및 유출구(34)를 구비하고 있다. 유입구(32)는 허니콤(95)을 구비한 노즐이나 또는 디퓨져(90)로써 끼워맞춰져 플러그 유동(plug flow)의 전개를 용이하게 한다. 음향영동 분리기(30)는 트랜듀서(40)의 어레이(38)를 구비하고, 본 경우에서는 6개의 트랜듀서 모두가 동일한 벽부에 배치된다. 트랜듀서는 유동경로의 전체 단면을 커버하도록 배치된다. 도 3의 음향영동 분리 시스템은, 특정 실시예에 있어서, 3(GPM : gallons per minute)에 이르는 유동 율이나 또는 8 mm/sec의 선형 속도에서 작동하는, 6 인치 x 6 인치의 정사각형 단면을 갖는다. 트랜듀서(40)는 1 인치 직경 및 공칭 2 MHz 공진 주파수를 갖는 6개의 PZT-8(Lead Zirconate Titanate) 트랜듀서이다. 각각의 트랜듀서는 3 GPM의 유동 율에서 트랩핑하는 액적에 대해 약 28 W의 파워를 소비한다. 이는 0.25 kW hr/㎥의 에너지 비용을 변경한다(translate). 이러한 구성은 이러한 기술의 매우 낮은 에너지 비용을 나타낸다. 바람직하게, 각각 트랜듀서는 파워공급되고 그 자신의 증폭기에 의해 제어된다.

도 4a 및 도 4b는 음향영동 분리기의 유입구에서 사용될 수 있는 2개의 상이한 디퓨져를 나타내고 있다. 디퓨져(90)는 입구(92)(여기서 원형 형상임) 및 출구(94)(여기서 정사각형 형상임)를 구비한다. 도 4a의 디퓨져가 도 3에 도시되어 있다. 도 4a는 그리드(grid) 또는 허니콤(95)을 포함하는 반면에, 도 4b는 포함하지 않는다. 그리드는 일정한 유동을 보장하는데 도움이 된다.

도 5는 종래의 초음파 트랜듀서의 단면 다이어그램이다. 이러한 트랜듀서는 하부 단부에서의 마찰 플레이트(50), 에폭시 층(52), (예를 들면, PZT로 만들어진) 세라믹 크리스탈(54), 에폭시 층(56), 및 지지제 층(58)을 갖는다. 에폭시 층(56)은 지지제 층(58)을 크리스탈(54)에 부착한다. 전체 조립체는 예를 들면, 알루미늄으로 만들어질 수 있는 하우징(60)에 수용된다. 연결기(62)는 하우징을 통과하고 그리고 크리스탈(54)에 부착되도록 인입선(lead)(도시 생략)과 연결되는 와이어용 연결부를 제공한다.

도 6은 거품(64)을 갖는 마찰 플레이트(50)의 사진이며, 여기서 상기 마찰 플레이트가 주기적인 압력 때문에 세라믹 크리스탈 표면으로부터 멀리 당겨진다.

도 7은 본 발명의 초음파 트랜듀서(81)의 단면도이고, 상기 트랜듀서는 도 1 및 도 3의 음향영동 분리기로 사용될 수 있다. 트랜듀서(81)는 알루미늄 하우징(82)을 구비한다. PZT 크리스탈(86)은 트랜듀서의 하부 단부를 형성하고, 그리고 하우징의 외부로부터 노출된다. 크리스탈은 하우징에 의해 그 주변부에서 지지된다.

나사(도시 생략)는 나사부(88)를 통해 하우징의 알루미늄 상부 플레이트(82a)를 상기 하우징의 몸체(82b)에 부착한다. 상부 플레이트는 파워를 PZT 크리스탈(86)에 통과시키도록 연결기(84)를 포함한다. 전기력이 전기 인입선(90)에 의해 PZT 크리스탈(86)에 제공된다. 크리스탈(86)이 도 5에 존재하는 바와 같은 지지제 층을 구비하지 않는다는 것을 알기 바란다. 달리 말하자면, 알루미늄 상부 플레이트(82a)와 크리스탈(86) 사이의 트랜듀서에 공기 갭(87)이 존재한다. 최소 지지체(backing)가 여러 실시예에 제공될 수 있다.

트랜듀서 설계품은 시스템의 성능에 영향을 미칠 수 있다. 전형적인 트랜듀서는 지지제 층 및 마찰 플레이트와 결합된 세라믹 크리스탈을 갖는 적층된 구조체이다. 트랜듀서가 정상파에 의해 나타나는 큰 기계적인 임피던스로 부하가 걸리기 때문에, 마찰 플레이트에 대한 전통적인 설계 가이드라인, 예를 들면, 1/2 또는 1/4 파장 두께, 및 제조 방법이 적당하지 않을 수 있다. 오히려, 본 발명의 일 실시예에 있어서 트랜듀서에, 마찰 플레이트 또는 지지체가 없어, 크리스탈이 큰 Q-팩터(Q-factor)로 진동할 수 있게 한다. 진동 세라믹 크리스탈/디스크가 유동 챔버를 통해 유동하는 유체에 직접적으로 노출된다.

(예를 들면, 크리스탈 공기 뒷받침되게 하는) 지지체를 제거하면 또한 세라믹 크리스탈이 보다 고 차수의 모드의 진동(예를 들면, 보다 고 차수의 모드의 변위)을 얻을 수 있다. 지지체를 갖는 크리스탈을 구비한 트랜듀서에 있어서, 크리스탈은 피스톤처럼, 일정한 변위로 진동한다. 지지체를 제거하면 크리스탈이 일정하지 않은 변위 모드에서 진동할 수 있다. 크리스탈의 모드 형상의 차수가 크면 클수록, 상기 크리스탈이 갖는 마디선(nodal line)은 더 많다. 마디에 대한 트랩핑 선의 상관관계(correlation)가 일대일이 필수적이지 않을지라도, 크리스탈의 보다 고 차수의 모드의 변위는 보다 많은 트랩핑 선을 만들고, 그리고 보다 고 주파수에서 크리스탈을 구동하는 것은 더 많은 트랩핑 선을 필수적으로 만들지 않을 것이다. 도 19 - 도 22와 관련하여 아래 기재된 사항을 참조 바란다.

여러 실시예에 있어서, 크리스탈은 (예를 들면, 5% 보다 적게) 상기 크리스탈의 Q-팩터에 최소로 영향을 미치는 지지체를 구비할 수 있다. 지지체는 크리스탈에 대해 여러 기계적인 지지부를 계속 제공하면서 큰 Q-팩터를 유지하고 보다 고 차수의 모드 형상에서 크리스탈이 진동할 수 있게 하는 발사 나무(balsa wood) 또는 코르크와 같은 실질적으로 음향학적으로 투과성 재료로 만들어질 수 있다. 다른 한 실시예에 있어서, 지지체는 특히 보다 고차의 진동 모드에서 진동 크리스탈의 마디를 따르는 격자 세공일 수 있어, 크리스탈의 나머지가 자유롭게 진동할 수 있게 하면서 마디 위치에 지지부를 제공한다. 격자 세공이나 또는 음향적으로 투과성 재료의 목표는 크리스탈의 Q-팩터를 저하시키지 않으면서 지지부를 제공하는 것이다.

유체와 직접적으로 접촉상태인 크리스탈을 배치시키는 것은 또한 마찰 플레이트의 댐핑 효과 및 에너지 흡수 효과를 피함으로써 큰 Q-팩터(Q-factor)에 기여한다. 여러 실시예가 마찰 플레이트나 또는 마찰 표면을 구비하여, 인입선을 포함한 PZT가 호스트 유체와 접촉하는 것을 방지할 수 있다. 이러한 구성은 예를 들면, 분리되는 혈액과 같은 생물학적 적용에 바람직할 수 있다. 이러한 적용은 크롬, 전해질의 니켈, 또는 무전해 니켈과 같은 마찰 층을 사용할 수 있다. 화학 증착은 또한 폴리(p-크실크세인(p-xylxyene))(예를 들면, 패럴린(Parylene)) 또는 다른 폴리머의 층을 적용하도록 사용될 수 있다. 실리콘 또는 폴리우레탄과 같은 유기(Organic) 코팅 및 생체에 적합한 코팅이 또한 마찰 표면처럼 고려된다.

본 시스템에 있어서, 파티클이 초음파 정상파에서 트랩되도록, 즉, 고정 위치에 유지되도록, 시스템은 전압에서 작동된다. 파티클은 반 파장만큼 분리된 잘 형성된 트랩핑 선을 따라서 수집된다. 각각의 마디면(nodal plane) 내에서, 파티클은 최소의 음향 방사 포텐셜에서 트랩된다. 음향 방사력의 축선방향 성분이 양의 콘트라스트 인자(contrast factor)를 갖는 파티클을 압력 마디면으로 나아가게 하는(drive) 반면에 음의 콘트라스트 인자를 갖는 파티클이 압력 비(anti)-마디면으로 나아가게 된다. 음향 방사력의 반경방향 성분이나 또는 측방향 성분은 파티클을 트랩하는 힘이다. 전형적인 트랜듀서를 사용하는 시스템에서, 음향 방사력의 반경방향 성분이나 또는 측방향 성분이 전형적으로 음향 방사력의 축선방향 성분보다 수개의 차수의 크기보다 더 작다. 대조적으로, 분리기(1 및 30)에서의 측방향 힘은 축선방향 힘 성분과 대략 동일한 크기에서 중요(significant)할 수 있고, 그리고 1 cm/s에 이르는 선 속도에서 유체 드래그 힘을 극복하는데 충분하다. 상기 기재된 바와 같이, 측방향 힘은, 크리스탈이 일정한 변위를 갖는 피스톤처럼 효율적으로 움직이는 진동의 형태에 반하여, 보다 고 차수의 모드 형상에서 트랜듀서를 구동함으로써 증가될 수 있다. 이들 보다 고 차수의 모드의 진동은 모드 (1, 1), (1, 2), (2, 1), (2, 2), (2, 3), 또는 (m, n)와 같은 드럼(drum) 모드에서의 멤브레인의 진동과 유사하며, 여기서 m 및 n은 1이거나 또는 1보다 크다. 음향 압력은 트랜듀서의 구동 전압에 비례한다. 전기력은 전압의 정사각형에 비례한다.

도 8은 도 9 - 도 17을 만들도록 시뮬레이트된 음향영동 분리기(92)의 컴퓨터 모델이다. 피에조 세라믹 크리스탈(94)은 수(water) 채널(96)에 있는 유체와 직접적으로 접촉하고 있다. 규소(98)의 층은 크리스탈(94)과 알루미늄 상부 플레이트(100) 사이에 위치한다. 반사기(102)는 파를 반사시켜 정상파를 만든다. 반사기는 스틸이나 또는 텅스텐과 같은 고 음향 임피던스 재료로 만들어져서, 우수한 반사를 제공한다. 참고적으로, Y-축선(104)은 축선 방향을 의미한다. X-축선(106)은 반경방향 또는 측방향을 의미할 것이다. 음향 압력 모델 및 속도 모델은 PZT 트랜듀서의 압전기 모델, 주변 구조체(예를 들면, 반사기 플레이트 및 벽부)의 선형 탄성 모델, 및 수주(water colum)에서의 파의 선형 음향 모델을 포함한 COMSOL에서 계산되었다. 음향 압력 및 속도는 데이터로서 MATLAB로 익스포트(export)되었다. 부유 파티클에서 작용하는 방사력은 Gor'kov's 공식을 사용한 MATLAB으로 계산되었다. 밀도, 음속, 및 파티클 크기와 같은 파티클 및 유체 재료 특성은 프로그램으로 입력되고, 그리고 단극 및 이중극 산란 기여를 결정하도록 사용된다. 음향 방사력은 장(field) 포텐셜(U)에서의 구배(gradient) 작동을 실행함으로서 결정되고, 이는 음향 장의 시간 평균의 포텐셜 및 카이네틱 에너지와 파티클의 볼륨의 함수이다.

도 9a - 도 9d는 단일 음파와 멀티모드 음파 사이에서의 트랩핑 차이의 시뮬레이션을 나타낸 도면이다. 도 9a는 단일 정상 음파와 관련된 축선방향 힘을 나타낸 도면이다. 도 9b는 단일 정상 음파에 기인한 측방향 힘을 나타낸 도면이다. 도 9c 및 도 9d는 다수의 정상파가 형성되는 다중-모드(다수의 마디를 갖는 보다 고차의 진동 모드) 압전기 크리스탈 여기에서, 축선방향 힘 및 측방향 힘을 각각 나타낸 도면이다. 전기적 인풋은 도 9a 및 도 9b의 단일 모드와 동일하지만, 그러나 트랩핑 힘(측방향 힘)은 70 배 더 크다(도 9d에 대비된 도 9b에서의 우측에 대한 비율 참조). 이들 도면은 스틸 반사기에 의해 경계가 형성된 개방 수 채널에서의 알루미늄 상부 플레이트에서 플롯된 10 V AC에 의해 구동된 1 MHz 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 kHz 장(도 9c 및 d)은 보다 많은 구배 및 촛점을 갖는다.

도 10은 1 MHz의 주파수에서 구동된 원형 크리스탈에 대한 모드 형상 계산의 3차원 컴퓨터 생성된 모델의 도면이다.

도 11 내지 도 17은 2 MHz에서 작동하는 PZT-8 압전기 트랜듀서에 의한 도 8의 모델에 기초한다. 트랜듀서는 스틸 반사기 플레이트(0.180" 두께)에 의해 경계가 형성된 4" x 2" 수 채널에서 알루미늄 상부 플레이트(0.125" 두께)에 플롯된 1 " 폭 및 0.04" 두께이다. 음향 빔은 2"의 거리에 걸쳐진다(span). 1 "인 깊이 치수는 2D 모델에 포함되지 않는다. 트랜듀서는 15V에서 구동되고 그리고 주파수 스윕(sweep) 계산은 다양한 음향 공명을 확인하도록 행해진다. 3개의 연속적인 음향 공진 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 방사력은 5 미크론의 반경, 880 kg/㎥의 밀도, 및 1700 m/sec의 음속을 갖는 유적에 대해 계산된다. 물은 1000 kg/㎥의 밀도, 1500 m/sec의 음속, 및 0.001 kg/msec의 동점성 계수를 갖는 메인 유체이다. 도 11은 측방향 (수평) 음향 방사력을 나타낸다. 도 12는 1.9964 MHz의 공진 주파수에 대한 축선방향 (수직) 성분을 나타낸다. 도 13은 음향 압력 진폭을 나타낸다.

도 11 및 도 12는 방사력의 측방향 성분 및 축선방향 성분의 상대 크기가 대략 1.2e-10N으로 매우 유사하다는 것을 나타내고, 큰 트랩핑 힘을 만들 수 있다는 것을 나타내며, 이 경우 측방향 힘 성분이 축선방향 성분 보다 더 크거나 비슷한 크기를 갖는다. 이러한 사항은 새로운 결과이고 문헌에서 언급된 전형적인 결과와 모순된다.

제 2 결과는 음향 트랩핑 힘 크기가 대략 mm/s의 전형적인 유동 속도에 대해 유체 드래그 힘의 크기를 초과한다는 것이고, 이에 따라서 유적을 트랩하도록 이러한 음향 장을 사용할 수 있다. 물론, 보다 빠른 유동 속도에서의 트랩핑이 트랜듀서에 적용된 파워를 증가시킴으로써 얻어질 수 있다. 즉, 음향 압력은 트랜듀서의 구동 전압에 비례한다. 전기력은 전압의 정사각형에 비례한다.

제 3 결과는 도시된 주파수에서, 이러한 특별한 트랩핑 모드와 관련된 큰 트랩핑 힘이 전체 유동 채널을 가로질러 펼쳐져, 전체 채널 폭을 가로지른 유적의 포집을 가능하게 한다는 것이다. 최종적으로, 정상파에서의 액적의 관찰된 트랩핑 위치와, 트랩된 파티클의 위치, 즉 음향 트랩핑 힘의 장의 최소치와의 비교가 만족할만한 일치를 나타내어, COMSOL 모델링이 실제로 음향 트랩핑의 파티클의 예측을 위한 정확한 도구라는 것을 나타낸다. 이러한 사항은 아래에서 더욱 상세하게 나타나 있다.

도 14는 2.0106 MHz의 공진 주파수에서의 측방향 힘 성분을 나타내고, 그리고 도 15는 2.0106 MHz의 공진 주파수에서의 축선방향 음향 방사력 성분을 나타내고 있다. 도 14 및 도 15는 도 11 및 도 12보다 더 높은 피크 트랩핑 힘을 나타낸다. 측방향 음향 방사력은 축선방향 방사력을 초과한다. 그러나, 보다 큰 트랩핑 힘은 유동 채널의 상부 부분에 위치되고, 그리고 상기 유동 채널의 총 깊이에 걸쳐지지 않는다. 따라서, 채널의 상부 부분에서, 그러나 전체 채널을 필수적으로 가로지르지 않는 트랩핑 파티클에 효과적인 모드를 나타낸다. 다시 말하자면, 측정된 트랩핑 패턴과의 비교는 이러한 모드 및 트랩핑 패턴의 존재를 지시한다.

도 16은 2.025 MHz의 공진 주파수에서의 측방향 힘 성분을 나타내고, 그리고 도 17은 2.025 MHz의 공진 주파수에서의 축선방향 음향 방사력 성분을 나타내고 있다. 음향 장은 각각 음향 공진 주파수에서 확실하게(drastically) 변하고, 그리고 이에 따라 시스템의 신중한 조정이 중요하다. 최소로, 2D 모델은 음향 트랩핑 힘의 정확한 예측에 필요하다.

2D 선대칭의 모델은 원형 트랜듀서용 트랩핑 힘을 계산하도록 개발되었다. 모델은 파티클에서의 음향 트랩핑 힘을 예측하도록 사용되었고, 이는 이후에 유체 드래그 및 부력 힘의 작용과 조합하여 파티클 궤도를 예측하도록 사용될 수 있다. 모델은 명확하게 부력 및 유체 드래그의 영향을 극복하고 파티클을 트랩하는데 필요한 측방향 음향 트랩핑 힘을 생성할 수 있다는 것을 나타낸다. 모델은 또한 원형 트랜듀서가 상기 트랜듀서에 의해 만들어진 정상파의 총 볼륨을 가로질러 큰 트랩핑 힘을 제공하지 않는 것을 나타내며, 원형 트랜듀서가 단지 상기 트랜듀서에 의해 발생된 초음파 정상파의 중심 근처에서 큰 트랩핑 힘만을 생성하지만, 정상파의 엣지쪽으로 더욱 보다 작은 트랩핑 힘을 제공한다는 것을 나타낸다. 이는 원형 트랜듀서 만이 원형 트랜듀서의 정상파를 가로질러 유동하는 유체 유동의 작은 섹션에 대해 제한된 트랩핑을 제공하고 정상파의 엣지 근처에서는 트랩핑이 없다는 것을 더욱 나타낸다.

원형 트랜듀서가 전체 볼륨을 가로지른 큰 트랩핑 힘을 제공하지 않기 때문에, 오일 분리 효과 시 트랜듀서 형상의 효과가 조사되었다. 1"-직경의 원형 PZT-8 크리스탈(도 18, 110) 및 1" x 1" 정사각형 크리스탈(도 18, 112)이 사용되었다. 여러 실험이 동일한 조건으로 실행되었다. 표 1은 그 결과를 나타낸다.

표 1 : 둥근 및 정사각형 트랜듀서 형상의 조사 결과

결과는 정사각형 트랜듀서(112)가 둥근 트랜듀서(110)보다 더 우수한 오일 분리 효과를 제공하는 것을 나타내고 있으며, 이는 정사각형 트랜듀서(112)가, 음향 트랩핑 힘으로써, 유동 채널의 보다 우수한 적용범위를 제공하고, 그리고 둥근 트랜듀서 만이 정상파의 중앙선을 따라서 강한 트랩핑 힘을 제공하여, 수치 시뮬레이션의 결과(finding)를 확인한다는 사실에 의해 설명된다.

트랜듀서의 형상에 더하여, 상기 트랜듀서의 모드의 형상(트랜듀서가 진동하고 있는 어느 형상으로)은 오일 분리 효율에 영향을 미친다. 마디를 더 만드는 것은 트랩될 오일에 대해 보다 많은 장소를 제공한다. 도 19는, 2.2 MHz 트랜듀서 공명의 부근에서의 주파수의 함수로서, 트랜듀서의 측정된 전기 임피던스 진폭을 나타낸다. 트랜듀서 임피던스에서의 최소값은 수주(water column)의 음향 공명에 대응하고 그리고 작동을 위한 포텐셜 주파수를 나타낸다. 수치 모델링은 트랜듀서 변위 프로파일이 이들 음향 공진 주파수에서 상당하게 변하고, 이에 따라 직접적으로 음향 정상파 및 최종 트랩핑 힘에 영향을 미친다는 것을 나타낸다. 트랜듀서 변위 모드 형상은 단일 절반 파장 모드로부터 3개의 절반 파장 모드 형상까지 변한다. 보다 큰 차수의 트랜듀서 모드의 변위 패턴이 포집된 유적을 위한 다수의 안정적인 트랩핑 위치 및 보다 큰 트랩핑 힘을 초래한다. 단일 절반 파장 모드는 트랩된 액적의 하나의 선을 초래하고, 반면에 3개의 절반 파장 모드는 유체 채널을 가로지른 트랩된 액적의 3개의 평행한 선을 초래한다.

음향 트랩핑 힘 및 오일 분리 효과에서의 트랜듀서 모드 형상의 영향을 조사하기 위하여, 실험이 여기 주파수(excitation frequency)를 제외하고는 모든 조건이 동일한 상태에서 10회 반복되었다. 도 19에서 원으로 둘러싸인 숫자 1-9와 문자 A로 지시된 10개의 연속적인 음향 공진 주파수가 여기 주파수로 사용되었다. 조건은 30 min의 실험 지속기간, 1000 ppm 오일 농도, 500 ml/min의 유동율, 및 20W의 적용된 파워이었다.

트랜듀서로써 통과된 에멀젼처럼, 트랩핑 마디선이 관찰되고 특징지워진다. 특징은 도 19에서 확인된 10개의 공진 주파수 중 7개의 공진 주파수에 대해 도 20에 도시된 바와 같이, 유체 채널을 가로지른 마디 트랩핑 선의 패턴 및 관찰의 수가 포함된다.

여기 주파수의 효과는 명확하게 음향 공명의 여기 주파수(5 및 9)에서 단일의 트랩핑 선으로부터, 음향 공진 주파수(4)에 대한 9개의 트랩핑 마디선까지 변하는 마디 트랩핑 선의 수를 결정한다. 여러 여기 주파수에서, 4개나 또는 5개의 마디 트랩핑 선이 관찰된다. 이들 실험적으로 관찰된 결과는 도 9a 및 도 9b가 도 9c 및 도 9d에 대해 비교될 때의 차이점으로부터 예상된 결과를 확인한다. 트랜듀서의 상이한 모드의 진동이 보다 큰 트랩핑 힘을 일반적으로 생성하는 보다 많은 마디로써, 정상파의 상이한 (보다 많은) 마디를 만들 수 있다.

표 2는 도 1과 유사한 시스템을 사용하는 오일 트랩핑 실험으로부터의 결과를 요약하였다. 중요한 결론은 음향 분리기의 오일 분리 효율이 트랜듀서의 모드 형상과 직접적으로 관련 있다는 것이다. 보다 고 차수의 모드의 변위는 보다 우수한 효율을 초래하는 보다 큰 음향 트랩핑 힘 및 보다 많은 트랩핑 마디선을 만든다. 비율(scaling) 연구에 유용한, 두 번째 결론은 500 ml/min에서 5 미크론 유적을 포집하려면 1 "의 음향 빔 폭(span) 당 트랜듀서 영역의 정사각형-인치 당 10 와트의 파워가 필요하다는 것을 테스트가 나타내고 있다는 것이다. 메인 소산(dissipation)은 가용적(bulk volume)의 음향 정상파에서의 열-점성 흡수의 소산이다. 이러한 유동 율과 관련된 에너지 비용은 입방 미터 당 0.667 kWh이다.

표 2: 트랩핑 패턴 포집 효율 연구

도 21 및 도 22는 9개의 트랩핑 마디선 패턴에서의 트랩된 유적의 사진을 나타낸다. 점선은 마디선 상에 중첩된다. 도 23은 9개의 트랩핑 마디선 패턴과 맞춰지는 COMSOL에서 계산된, 압력 장을 나타낸다. 수치 모델은 2-차원 모델이고; 이에 따라서 단지 3개의 트랩핑 칼럼(column)이 관찰된다. 2개 이상의 세트의 3개의 트랩핑 칼럼이 도 21 및 도 22의 2D 모델의 평면에 수직한 제 3 차원에 존재한다. 이러한 비교는 수치 모델이 초음파 정상파의 특성 및 최종 트랩핑 힘의 예측에 정확하고 그리고 도 9a 및 도 9b가 도 9c 및 도 9d와 비교될 때의 차이점으로부터 예상된 결과를 다시 확인한다는 것을 나타낸다.

보다 큰 시스템에 있어서, 상이한 트랜듀서 배치가 적합하다. 도 24는 3개의 정사각형 1" x 1" 크리스탈(120a, 120b, 120c)을 포함한 트랜듀서 어레이(120)를 나타내고 있다. 2개의 정사각형이 서로 평행하고, 그리고 제 3 정사각형이 삼각형 패턴을 형성하도록 오프셋된다. 도 25는 트랜듀서 어레이(122)를 나타내고 있으며, 상기 트랜듀서 어레이는 서로 평행한 긴 축선을 구비하여 배치된 2개의 직사각형 1 " x 2.5" 크리스탈(122a, 122b)을 포함한다. 트랜듀서 당 파워 소산은 1" x 1" 트랜듀서 단면적 당 그리고 음향 정상파 폭의 인치당 10 W이었다, 충분한 음향 트랩핑 힘을 얻는다. 4" 폭의 중간 규모 시스템에 대해, 각각 1" x 1" 정사각형 트랜듀서가 40 W를 소비한다. 보다 큰 1" x 2.5" 직사각형 트랜듀서가 중간 규모 시스템에서 100W를 사용한다. 3개의 1" x 1" 정사각형 트랜듀서의 어레이가 총 120 W를 소비할 것이고 그리고 2개의 1" x 2.5" 트랜듀서의 어레이가 약 200 W를 소비할 것이다.

부력이 있는 유체나 또는 미립자로부터 호스트 유체를 분리하기 위한 4" 중간 규모 시스템(124)이 도 26에 도시되어 있다. 호스트 유체는 유입구(126)에 진입하고, 그리고 트랜듀서 어레이(130)를 포함한 분리기(128)로 그리고 반사기(132)로 하향 유동한다. 분리기는 부력이 있는 유체 또는 미립자(예를 들면, 오일)를 집적하도록 정상파(134)를 만든다. 부력이 있는 힘(136)은 부력이 있는 재료를 수집 챔버(140)로 이송한다.

트랜듀서 어레이(120)는 시스템(124)에 설치되었고, 제거되었으며 이후 트랜듀서 어레이(122)가 설치되었다. 어레이는 각각의 트랜듀서가 증폭기로부터 동일한 전압 시그널에 의해 구동되도록 평행하게 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, 단지 2개의 1" x 1" 정사각형 트랜듀서나 또는 어레이(120)를 사용하였고, 그리고 1300 ml/min의 유동 율에서 실행되었다. 88%의 오일 분리 효율이 초래되었다. 다음 테스트가 모든 3개의 정사각형 트랜듀서 및 2000 ml/min의 유동 율을 포함하며, 93%의 효율을 나타내었다. 이들 결과는 우수하고 그리고 기술이 트랜듀서의 어레이에 의해 구동된 보다 큰 유동 채널에 확대/축소가능하다고(scalable) 증명되었다. 다음 세트의 테스트가 1" x 2.5" 직사각형 트랜듀서 어레이(122)를 포함하였다. 제 1 테스트에 대해, 단지 하나의 트랜듀서가 작동되었고 87%의 효율을 나타내었다. 이들 2개의 트랜듀서 작동에 의한 제 2 테스트가 97%의 효율을 나타내었다. 1" x 2.5" 트랜듀서에 대해, 사용된 파워 레벨은 안전 레벨에서 트랜듀서의 작동에 기초하였다. 이들 테스트를 위해, 중간 시스템에 대한 에너지 비용은 입방 미터 당 1kWh이다.

표 3: 중간 시스템 테스트 결과

수치 모델링은 또한 음향 정상파에 대해 4"의 폭을 갖는 중간 크기의 시스템에 대해 행해졌다. 다수의 트랜듀서가 트랜듀서 사이의 커플링 효과를 조사하도록 모델링되었다. 주파수 스윕은 실행되었고 그리고 보다 고 차수의 모드 형상의 트랜듀서와 확실하게 음향 모드 형상의 결합되는 공진 주파수가 확인되었다. 수치 결과와 실험 결과 사이의 비교가 뛰어나고 그리고 모델의 정확도를 증명한다. 도 27은 우측에 2개의 트랜듀서를 갖는 모델의 음향 압력 장을 나타낸 도면이다. 정상파에서의 트랩된 유적의 사진이 도 28에 나타나 있다. 실험 및 모델 모두가 동일한 특징을 나타내고 있다. 특정 여기 주파수에서, 유적은 트랜듀서 영역에 의해 형성된 유체 볼륨 외측의 정상파 웰(well)에 트랩되어, 강한 트랩핑 력을 갖는 확장된 음향 장을 나타낸다. 도 29는 이러한 트랩된 유적의 사진을 나타내고 있다. 도 30은 동일한 특징을 예측하는 음향 압력 장 모델을 나타낸 도면이다.

본 발명은 예시적인 실시예를 참조하여 기재되어 있다. 명백하게도, 본 발명에 대한 수정 및 변경은 상기 상세한 설명을 읽고 이해하고 있는 당업자에게 실시될 수 있지만, 이러한 수정 및 변경은 본 발명의 범주 내에서 행해지는 것임을 알 수 있을 것이다. 본 발명의 지금까지의 이러한 모든 변경 및 수정은 첨부된 청구범위의 범주 내에서 이루어짐을 알 수 있을 것이다.

Claims

호스트 유체로부터의 불순물 분리 방법으로서,
음향 에너지 원을 구비한 유동 챔버와, 상기 유동 챔버의 마주한 쪽에서, 음향 에너지의 반사기를 제공하는 단계;
상기 유동 챔버를 통해 상기 호스트 유체를 유동시키는 단계;
복수의 입사 파를 상기 호스트 유체에서 만들기 위하여, 상기 호스트 유체에 음향 에너지 원을 적용하는 단계; 및
상기 입사 파와 공명하는 복수의 반사파를 만들기 위하여, 상기 반사기로부터 복수의 입사 파를 반사시켜, 복수의 정상파를 형성하는 단계;를 포함하는 호스트 유체로부터의 불순물 분리 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 호스트 유체는 상기 유동 챔버를 통해 연속적으로 유동되는, 호스트 유체로부터의 불순물 분리 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 정상파는 음향 에너지 원과 관련하여 축선방향 힘과 측방향 힘을 갖고, 상기 측방향 힘은 적어도 상기 축선방향 힘과 적어도 동일한 차수의 크기인, 호스트 유체로부터의 불순물 분리 방법.
청구항 3에 있어서,
상기 정상파는 마디선(node line)을 만들고 그리고 상기 측방향 힘은 상기 마디선에서의 불순물을 트랩하는, 호스트 유체로부터의 불순물 분리 방법.
청구항 4에 있어서,
물 불순물보다 무거운 것은 강화된 중력 침강을 통해 분리되고 물 파티클보다 가벼운 것은 강화된 부력을 통해 분리되도록, 상기 마디선에서 트랩된 상기 불순물은 유착하거나 집적하는, 호스트 유체로부터의 불순물 분리 방법.
제 2 유체 및 미립자 중 적어도 하나와 호스트 유체의 혼합물이 통과해 유동되는 유출구 및 유입구를 구비한 유동 챔버;
상기 유동 챔버의 벽부 상의 초음파 트랜듀서; 및
상기 트랜듀서로부터 상기 유동 챔버의 마주한 쪽 벽부 상의 반사기;를 포함하고,
상기 트랜듀서는 상기 트랜듀서의 한 면을 형성하는 세라믹 크리스탈을 포함하고, 상기 트랜듀서는 상기 유동 챔버에 정상파를 만들기 위해 상기 트랜듀서를 구동시키는 초음파 주파수의 변동하는, 주기적인 또는 펄스식 전압 시그널에 의해 구동되는 기기.
청구항 6에 있어서,
상기 크리스탈은 일정하지 않는 변위 모드로 구동되는 기기.
청구항 7에 있어서,
상기 크리스탈은 한 개보다 큰 마디를 갖는 보다 고 차수의 모드 형상에서 구동되는 기기.
청구항 6에 있어서,
상기 트랜듀서의 상기 세라믹 크리스탈은 상기 유동 챔버를 통해 유동하는 유체에 직접적으로 노출되는 기기.
청구항 6에 있어서,
상기 세라믹 크리스탈은 PZT-8로 만들어지는 기기.
청구항 6에 있어서,
상기 트랜듀서는 상기 세라믹 크리스탈을 수용한 하우징을 구비하는 기기.
청구항 11에 있어서,
상기 하우징은 상부와 공기 갭을 포함하고, 상기 공기 갭은 상기 상부와 상기 세라믹 크리스탈 사이에 배치되는 기기.
청구항 12에 있어서,
상기 세라믹 크리스탈은 지지제 층을 구비하지 않는 기기.
청구항 6에 있어서,
상기 트랜듀서의 진동은 정상파를 상기 유동 챔버에 형성하는 기기.
청구항 6에 있어서,
상기 유동 챔버는 상기 유동 챔버의 벽부에 수집 포켓을 구비하는 기기.
청구항 6에 있어서,
상기 반사기는 스틸 또는 텅스텐인 기기.
청구항 6에 있어서,
상기 유동 채널에서의 상기 정상파는 적어도 하나의 제 2 유체 또는 미립자에 축선방향 힘 및 반경방향 힘을 가하는 기기.
청구항 6에 있어서,
상기 유동 챔버는 상기 유입구에서 디퓨져를 더 포함하는 기기.
청구항 18에 있어서,
상기 디퓨져는 일정한 유동을 위한 그리드 장치를 구비하는 기기.
청구항 6에 있어서,
상기 세라믹 크리스탈은 정사각형인 기기.
제 2 유체 및 미립자 중 적어도 하나와 호스트 유체의 혼합물이 통과해 유동되는 유출구 및 유입구를 구비한 유동 챔버;
상기 유동 챔버의 한 벽부 상에 위치된 복수의 초음파 트랜듀서; 및
상기 트랜듀서로부터 상기 유동 챔버의 마주한 쪽 상의 상기 벽부에 위치된 반사기;를 포함하고,
상기 트랜듀서 각각은 정상파를 상기 유동 채널에 만들기 위하여, 일정하지 않는 모드의 변위로 진동하도록 상기 트랜듀서를 구동시키는 초음파 주파수의 변동하는, 주기적인, 또는 펄스식 전압 시그널에 의해 구동된 세라믹 크리스탈을 포함하는 기기.
청구항 21에 있어서,
상기 트랜듀서는 상기 유동 챔버의 폭에 걸쳐지는 기기.
청구항 22에 있어서,
복수의 초음파 트랜듀서 중 각각의 초음파 트랜듀서는 정사각형인 기기.
청구항 22에 있어서,
복수의 초음파 트랜듀서 중 각각의 초음파 트랜듀서는 직사각형인 기기.
청구항 21에 있어서,
상기 크리스탈 중 적어도 하나의 크리스탈은 공기 뒷받침되는(back) 기기.
청구항 21에 있어서,
상기 크리스탈 중 적어도 하나의 크리스탈은 실질적으로 음향학적으로 투과성 재료에 의해 뒷받침되는 기기.
청구항 26에 있어서,
실질적으로 음향 재료는 발사 나무나 또는 코르크 중 하나인 기기.
청구항 21에 있어서,
상기 크리스탈 중 적어도 하나의 크리스탈은 보다 고 차수의 모드의 변위로 상기 크리스탈을 진동시킴으로써 만들어진 복수의 마디 중 적어도 수개의 마디에 부착된 격자 구조체에 의해 뒤받침 되는 기기.
청구항 21에 있어서,
상기 초음파 트랜듀서는 상기 호스트 유체와 접촉하는 한 면을 갖고, 상기 면은 크롬, 전해질의 니켈 또는 무전해 니켈, p-크실크세인(p-xylxyene), 및 우레탄 중 하나를 포함한 마찰 층으로 코팅되는 기기.
초음파 트랜듀서로서,
하우징;
하부 단부에서의 노출된 세라믹 크리스탈;
연결기를 포함한, 상기 하우징의 상부 단부에서의 상부 플레이트; 및
상기 상부 플레이트와 상기 세라믹 크리스탈 사이의 공기 갭;을 포함하고,
상기 하우징 내에 지지제 층이 존재하지 않는 초음파 트랜듀서.
호스트 유체로부터의 제 2 유체나 미립자 분리 공정으로서,
초음파 트랜듀서가 존재하는 유동 챔버를 통해 제 2 유체나 미립자를 수용한 상기 호스트 유체를 유동시키는 단계; 및
다수의 정상파를 상기 유동 챔버에서 만드는 주파수에서 상기 초음파 트랜듀서를 구동시키는 단계;를 포함하고,
상기 제 2 유체나 미립자는 상기 정상파에서 트랩되고 분리되는, 호스트 유체로부터의 제 2 유체나 미립자 분리 공정.
청구항 31에 있어서,
물 불순물보다 무거운 것은 강화된 중력 침강을 통해 분리되고 물 파티클 보다 가벼운 것은 강화된 부력을 통해 분리되도록, 상기 정상파에서 트랩된 상기 제 2 유체나 미립자는 유착하거나 집적하는, 호스트 유체로부터의 제 2 유체나 미립자 분리 공정.