TW201509507A - 用於改良的分離效率的流體動力分離通道出口設計 - Google Patents

Abstract

使用彎曲通道的懸浮粒子之流體動力分離在諸多應用中提供優點，因為其為一種不需要物理障礙或化學助劑的添加即可處理中性和幾乎中性浮力粒子的快速連續流技術。位在分離通道末端的分流器係設計成可維持平滑、無反向渦流層流並改良粒子分離效率，同時降低阻塞和積垢傾向。

Description

用於改良的分離效率的流體動力分離通道出口設計

本申請案係基於在2013年6月14日提出之美國第61/835,468號專利臨時申請案並主張其優先權，該專利臨時申請案整合於本文中以作為參考。

不使用物理障礙將粒子從流體中分離具有許多優點。更佳為不需要障礙及/或化學助劑或其他粒子的添加即可將中性浮力粒子從流體分離。在彎曲通道中使用用於集中和分離粒子的特定流動模式的流體動力分離(HDS)，係已被證實為一種技術。

在本發明實施例之一態樣中，一種流體動力分離器裝置，其包含：彎曲通道，具有相對之第一和第二壁，有效於使用流體動力之力促進粒子分離以產生：包含流帶或粒子集中的流體之第一流；及第二流；出口，具有用於該第一流的第一出口路徑及用於該第二流的第二出口路徑；及位於該出口的分歧連接部，包含該第一和第二出口路徑的內壁並界定該第一和第二出口路徑之間的散度(divergence)，其中連結該通道和該等出口路徑 的內壁並不包含任何急轉彎或任何轉角且不促進回流區之形成。

在本發明實施例之另一態樣中，該通道的第一壁係直線通過在該第一出口路徑之外壁上與該分歧連接部相對的區域，且其中該通道的第二壁連續彎曲成該第二出口路徑的外壁。

在本發明實施例之另一態樣中，該通道的第一壁係彎曲通過在該第一出口路徑之外壁上與該分歧連接部相對的區域，且其中該通道的第二壁連續彎曲成該第二出口路徑的外壁。

在本發明實施例之另一態樣中，位在該分歧連接部的通道之第一寬度為鄰近該出口的通道之第二寬度大小的至少2倍之倍數。

在本發明實施例之另一態樣中，該分歧連接部包含界定該第一和第二出口路徑間的散度之連續彎曲表面。

在本發明實施例之另一態樣中，係一種流體動力分離器裝置，其包含：彎曲通道，其具有相對之第一和第二壁，有效於使用流體動力之力促進粒子分離以產生：包含流帶或粒子集中的流體之第一流；及第二流；出口，具有用於該第一流的第一出口路徑及用於該第二流的第二出口路徑；及位於該出口的分歧連接部，包含該第一和第二出口路徑的內壁並界定該第一和第二出口路徑之間的散度，其中位在該分歧連接部的通道之第一寬度為鄰近該出口的通道之第二寬度大小的至少2倍之倍數。

在本發明實施例之另一態樣中，該分歧連接部包含界定該第一和第二出口路徑之間的散度之連續彎曲表面。

在本發明實施例之另一態樣中，係一種流體動力分離器裝置，其包含：彎曲通道，具有相對之第一和第二壁，有效於使用流體動力之力促進粒子分離以產生：包含流帶或粒子集中的流體之第一流；及第二流；出口，具有用於該第一流的第一出口路徑及用於該第二流的第二出口路徑；及位於該出口的分歧連接部，包含該第一和第二出口路徑的內壁並界定該第一和第二出口路徑之間的散度，其中該分歧連接部包含連續彎曲表面。

在本發明實施例之另一態樣中，位在該分歧連接部的通道之第一寬度為鄰近該出口的通道之第二寬度大小的至少2倍之倍數。

在本發明實施例之另一態樣中，係一種流體動力分離器裝置，其包含：彎曲通道，具有相對之第一和第二壁，有效於使用流體動力之力促進粒子分離以產生：包含以與該第一壁相隔一間隔距離流動的流帶或粒子集中的流體之第一流；以該間隔距離流動的流體之第二流；及流體之第三流；出口，具有用於該第一流的第一出口路徑、用於該第二流的第二出口路徑及用於該第三流的第三出口路徑。

在本發明實施例之另一態樣中，大部分的粒子和少於10%的輸入流體使用該等出口路徑之一者離開該裝置。

在本發明實施例之另一態樣中，大部分的粒子和少於10%的輸入流體使用中間的出口路徑離開該裝置。

在本發明實施例之另一態樣中，係一種用於分離流動於流體中之粒子的方法，其包含：在具有彎曲通道及至少第一、第二及第三出口路徑的流體動力分離器中接收輸入流體；及控制該裝置以產生並定位粒子流帶經由該第一、第二或第三出口路徑當中選定的一者離開該裝置。

在本發明實施例之另一態樣中，該控制包含產生並定位粒子流帶以少於10%的輸入流體離開該裝置。

在本發明實施例之另一態樣中，係一種流體動力分離器裝置，其包含：彎曲通道，具有相對之第一和第二壁，有效於使用流體動力之力促進粒子分離以產生：包含流帶或粒子集中的流體之第一流；及第二流；出口，具有用於該第一流的第一出口路徑及用於該第二流的第二出口路徑；及位於該出口的分歧連接部，包含該第一和第二出口路徑的內壁並界定該第一和第二出口路徑之間的散度，其中該通道的第一壁和第二壁展開成扇形且為平滑且無銳角轉角，且其中該通道的第二壁連續彎曲成該第二出口路徑的外壁。

在本發明實施例之另一態樣中，該通道的第一壁直線通過在該第一出口路徑之外壁上與該分歧連接部相對的區域。

在本發明實施例之另一態樣中，該第一壁連續彎曲成該第一出口的外壁。

1‧‧‧裝置

2‧‧‧出口區域

3‧‧‧彎曲裝置

4‧‧‧出口區域

5‧‧‧彎曲裝置

6‧‧‧出口區域

7‧‧‧堆疊

8‧‧‧彎曲裝置

9‧‧‧通道

10‧‧‧密封墊或密封元件

11‧‧‧孔洞

12‧‧‧通道

13‧‧‧側壁部

14‧‧‧銳角轉角

16‧‧‧回流區

20‧‧‧出口

21‧‧‧壁

22‧‧‧壁

22'‧‧‧壁

23‧‧‧出口路徑

24‧‧‧出口路徑

25‧‧‧分歧連接部

26‧‧‧內壁

27‧‧‧內壁

28‧‧‧外壁

29‧‧‧外壁

30‧‧‧流體動力分離裝置

31‧‧‧出口區域

32‧‧‧集中藻類流帶

34‧‧‧出口路徑

35‧‧‧正常區段

40‧‧‧出口

41‧‧‧流體

42‧‧‧集中出口路徑

43‧‧‧長條狀懸浮粒子或纖維

44‧‧‧稀釋或潔淨出口路徑

46‧‧‧分歧連接部

48‧‧‧彎曲或圓弧邊緣

50‧‧‧出口

52‧‧‧粒子流帶

53‧‧‧壁

54‧‧‧壁

56‧‧‧出口路徑

58‧‧‧出口路徑

60‧‧‧出口路徑

第1a圖至第1d圖表示本發明實施例之不同的操作環境；第2a圖為表示本發明實施例所處理之情況的速度場圖示；第2b圖為根據本發明實施例之範例實施例的圖示；第3a圖為根據本發明實施例之範例實施例的圖示；第3b圖為根據本發明實施例之其他範例實施例；第4圖為根據類似第3a圖及第3b圖所示的實施例之實驗室結果的範例；第5圖為根據本發明實施例之其他範例實施例；及第6圖為根據本發明實施例之其他範例實施例。

如所示，使用彎曲通道的懸浮粒子之流體動力分離(HDS)在諸多應用中提供優點，原因在於其為一種不需要物理障礙或化學助劑的添加即可處理包括中性和幾乎中性浮力粒子的快速連續流技術。此技術使用各種不同力達成分離。例如，由於在至少部分情況下向心力 作用於流經通道的液體，而出現橫向流模式。在某些流動條件和幾何限制下，此等橫向流模式會以一對狄恩渦流(Dean vortices)呈現。此種液流中傳輸的粒子在沿著通道移動時，螺旋圍繞此等渦流核心。在某些位置，剪力和慣性力之組合推動粒子靠近渦流中心，造成粒子動態聚焦而在渦流系核心附近形成流帶(band)。根據通道幾何和流動情況，渦流核心位置能夠靠近側壁之一者，因而將液流分離成富含粒子與無粒子或稀薄粒子部分。在通道末端，液流通常會分成兩股或多股液流，其中一股有集中粒子，另一股有稀薄粒子。

本發明實施例描述位在分離通道末端出口的分流器之改良設計。根據此種實施例，可維持平滑、無反向渦流層流，同時降低阻塞和積垢的傾向。

根據本發明實施例的分流器及/或出口之設計允許從潔淨流中有效分離(亦即得到或移除)集中流中的粒子。針對維持選擇性所需功能的流體動力分離裝置，根據本發明實施例的分離器達成數個目標，例如：1.維持層流；2.維持集中粒子流帶呈狹窄且朝向集中液流出口聚焦並予以通過；及3.降低阻塞和積垢的傾向。

應理解可將此構思的任何不同實施例或設計，或此種實施例或設計之組合，套用到任何單一裝置或系統，或是複數裝置或系統。

此外，根據本發明實施例之實例係描述改良流體動力分離效率之不同操作情況中的不同設計。當然，應理解不同的操作情況包含各種不同設定之彎曲通道和裝置，其使用不同流體動力之力(其中部分如上述)以便將粒子分離成不同部分的場流及/或粒子流帶而達到分離。此種彎曲通道流體動力分離裝置(或其部分)之實例係描述於第1a圖至第1d圖。第1a圖表示呈現單一通道實例的彎曲通道裝置1(其係為包含多個轉彎的螺旋裝置)之代表圖。裝置1具有出口區域2。第1b圖表示具有單一通道、全幅轉彎構造之彎曲裝置3，其中通道橫跨180度和360度(例如，如圖所示接近360度)之間。裝置3具有出口區域4。第1c圖描述具有單一通道及半幅轉彎構造的彎曲裝置5。裝置5具有出口區域6。第1d圖表示複數彎曲裝置8之堆疊7。圖中亦表示通道9、密封墊或密封元件10和孔洞11。

應理解此種裝置(例如第1a圖至第1d圖所示)可整合用於分離流體(例如液體)中粒子的系統。此種系統可包含控制元件(例如控制模組、處理器、作動器、感測器等)來控制流體流動以便在系統中達成預計的分離。

值得注意的是，根據本發明實施例，此等裝置及其他此種裝置之出口可同樣採用多種形式，其中部分已顯示(例如在區域2、4和6)。然而，根據本發明實施例，出口係設有分流器(或分離器部分、出口路徑、分歧連接部)允許流體及分離之粒子從分離通道流出至不同位置。此等位置之精確性質，猶如整體設計和操作環境，將會因為操作情況及操作環境之因素而改變。

在一實施例中，使用平滑無轉彎壁連結流體動力分離器通道與分離器通道出口處的分流器。在此方面，於正常運作的流體動力分離通道之一實例內之液流為層流以支援粒子分離所需的流場。為了維持此種層流，避免分離器中出現擾流，在此代表實施例中，通道壁形成為平滑表面且無尖銳或大型障礙物。

反之，分離器處急轉彎或銳角邊緣導致沿著通道方向產生逆向旋轉渦流，如第2a圖中計算流體動力模擬所示。第2a圖表示具有包含銳角分歧部14的通道分離之側壁部13的通道12。如第2圖所示，在產生低流速逆向旋轉渦流的銳角轉角14之後形成回流區16。

雖然上述現象並非全棕色擾流的根源，回流區16的渦流可能會帶給分離結果負面影響，原因是：(1)限制通過一個或兩個出口的液流路徑，因而抵銷所需的分流，及(2)擾亂粒子流帶並在無限回流迴圈中捕集粒子，在此粒子有較高機率與通道壁交互作用而開始形成積垢層。此種情況下之積垢層通常會限制液流並增加通道阻塞的機會。雖然可藉由附有感測器(例如流量計)、作動器(例如壓力閥)和控制器(例如電腦)的主動液流控制系統來獨立調整分流，但強烈建議避免提高通道積垢或阻塞的任何流動模式。

根據本發明實施例，藉由設計具有允許平滑轉換而無銳角轉彎之壁的適當分流器之出口，可較佳維持層流且可避免此種低液流回流區。

在此方面，於一實例中提供分歧部，使分流器處的兩個出口路徑展開成扇形，以便內側和外側通道壁的曲率改變呈平滑且無任何急轉彎或角。第2b圖描繪具有壁21和22之通道的出口20之此種設計。出口路徑23和24皆從主通道方向彎曲出。出口路徑之散度係由分歧連接部25定義，此種連接部亦包含出口路徑23和24之內壁26和27。在此實施例中無回流區16。

在其他實施例中，通道寬度在出口或分流器處增加以減少積垢和阻塞傾向。流體動力分離器的目標通常是將粒子盡量集中成小液體容量。因此，在出口處通過集中液流的流動亦必須盡量佔總流量的小部分，但攜帶大部分或所有懸浮粒子。為了減少粒子阻塞，特別是在出口集中側附近，可增寬分離器處的通道。其類似增寬高速公路出入交流道以降低流通的阻塞。如同第3a、3b圖及第4圖中的設計所示，在出口區域31分歧連接部25附近的寬度為流體動力分離通道正常區段(代表性顯示於鄰近出口處的35)寬度的至少2倍之倍數(例如2、2.5、3、3.5、4等)。當分離率增加而減少總集中流量，集中流寬度會進一步縮減，此時流入集中流出口的液流中粒子具有較多空間且與通道壁的交互作用較少，且不太可能被彈回稀釋流中。

由於文氏管效應(Venturi effect)，即使有平滑、無轉彎側壁，在通道分歧處亦可能產生回流區(參閱第3a圖)。當主要流線在通道變寬處偏離側壁時產生回流區。降低此效應的其中一種方法是逐漸增加通道寬 度，但如此會增加總通道長度，導致操作分離器所需能量增加，因而不佳。另一個選項是考量到我們主要必須壓縮產生流帶之側壁附近的回流區，以迫使流線靠近此側壁。第3b圖表示一此種實施方式，其中外壁(流帶形成處)在通道增寬區段時及分流器之前保持直線22'。通道右側的集中出口路徑24在分離處保持直線，導致在此壁22'不產生渦流。因此，壁部分係直線通過集中出口路徑24之外壁29上與分歧連接部25相對的區域。另外，如同第3a圖，通道之壁21連續彎曲成出口路徑23的外壁28。回流區16亦在稀釋或潔淨路徑23減少。此外，出口路徑之散度係由分歧連接部25所定義，此種連接處亦包含出口路徑23和24的內壁26和27。

根據第3b圖描述的概念，流體動力分離裝置30之一實例係用於分離藻類。如第4圖所示，集中藻類流帶32可通過分離器流入出口路徑34而不受到大曲率之干擾。黑色流帶32係由集中藻類形成，其在流體動力分離通道中良好分離並維持緊密形式，原因是通過分離器右側離開時不會經受通道的大曲率。

應理解此範例實施例(例如，使用平滑、無轉彎壁連接流體動力分離器裝置與其分流器)帶來諸多優點，包括：a.將由幾何特徵引起的流帶擾流最小化；b.降低通道內阻塞和積垢的傾向；及c.消除提高被捕獲粒子之積垢傾向的停滯流和回流區。

應理解此範例實施例(例如在分流器處通道寬度增加)藉由提供更多空間予以減少粒子與壁之交互作用的集中粒子流，而減少積垢和阻塞的傾向。其亦將粒子由於擁擠效應而從壁被彈回至稀釋流的機會減至最小，特別是在操作高分離率時。

在其他實施例中，將分離器處的分歧連接部修整成圓形以降低積垢傾向。雖然分離器中的銳角邊緣減少停滯現象，但纖維等長條狀懸浮物質可輕易地堵塞(trap)(原因是例如壁附近的剪力)，導致可能形成的積垢層。因此，如第5圖所示，將分離器處的分歧連接部修整成圓形或彎曲邊緣以減少纖維等長條狀結構之堵塞。在此方面，具有集中出口路徑42和稀釋或潔淨出口路徑44的出口40進一步包含由連續彎曲或圓弧邊緣48構成的分歧連接部46。在此方面，流體41之集中部分或流帶可離開通道和出口40而不使長條狀懸浮粒子或纖維，例如43所示者，在分離器之分歧連接部的銳角邊緣被收集或堵塞。

應理解在分離器使用圓弧狀分歧連接部可減少積垢傾向。其特別適用於當長條狀和纖維物質為輸入流中的分離目標的時候。

在其他實施例中，使用3通(3-way)分離器設計進一步是集中流的液體量減至最少。如果集中流帶十分狹窄，但不鄰近側壁，3通分離器將允許增加的粒子集中成為出口液流之一者。第6圖表示在具有相向的壁53和54以及出口路徑56、58和60的微流體通道或出 口50的粒子分離。此分離表示在通道50的一壁54附近形成粒子流帶52。亦即粒子流帶52與壁54相隔一間隔距離流動。藉由在鄰近壁54處加入出口56，而減少通過集中通道58的總流體流動，同時在集中通道58中達成集中的增加。

如第6圖所示，採用具有大約80-10-10百分比輸入流分離率(分別代表出口路徑60、58和56)的3通分離器。大部分粒子(例如大部分粒子流帶)係被捕集在通道58中，其佔有通過整個通道50之輸入流的10%以下。剩餘液流通過出口路徑56和60而流出。另外，亦發現根據此實施例通過出口路徑58的液流之粒子集中增加6倍。

如此，舉例而言，3通分離器設計大幅減少集中流的液體量。其係在集中粒子流帶並非最靠近兩側壁中之一者的某些操作方式中特別有用。

亦應理解可變更集中粒子流的分離率或相對位置來改良(例如最佳化)3通分離器。藉此可達成更高的粒子集中或補集效率。

茲此能夠以多種方式控制構思之3通分離器構成。然而，在至少一形式中，控制3通分離器構成時，舉例而言，可使用上述控制元件調整系統在通道(及出口)產生並定位適當的粒子流帶或部分以便充分運用此實施例中集中增加的可能性。在此方面，舉例而言，此種裝置之操作方式包括在分離系統中接收輸入流(例如液體)，多方面控制流體之流動(例如使用上述控制器及/或 控制元件)以產生並定位(例如與側壁相隔一間隔距離)欲經由適當出口路徑離開通道的流體中粒子流帶(或液流或部分)來獲得改良的集中。當然，在一形式中，此種系統之控制或調整必須考量分離率和出口路徑的相對位置。

應理解上述揭露者與其他功能和功效的變化型式，或其替代型式，可整合至複數其他不同系統或應用。茲此各種本發明未預見或未預期之替代型式、修改型式、變化型式或改善型式可隨後由熟習以下申請專利範圍亦意圖包含之相關技術的人士做出。

12‧‧‧通道

13‧‧‧側壁部

14‧‧‧銳角轉角

16‧‧‧回流區

Claims (17)

1. 一種流體動力分離器裝置，其包含：彎曲通道，具有相對之第一和第二壁，有效於使用流體動力之力促進粒子分離而產生：包含流帶或粒子集中的流體之第一流；及第二流；出口，具有用於該第一流的第一出口路徑及用於該第二流的第二出口路徑；及位於該出口的分歧連接部，包含該第一和第二出口路徑的內壁並界定該第一和第二出口路徑之間的散度(divergence)，其中連結該通道和該等出口路徑的內壁並不包含任何急轉彎或任何轉角且不促進回流區之形成。
2. 如請求項1之裝置，其中該通道的第一壁係直線通過在該第一出口路徑之外壁上與該分歧連接部相對的區域，且其中該通道的第二壁連續彎曲成該第二出口路徑的外壁。
3. 如請求項1之裝置，其中該通道的第一壁係彎曲通過在該第一出口路徑之外壁上與該分歧連接部相對的區域，且其中該通道的第二壁連續彎曲成該第二出口路徑的外壁。
4. 如請求項1之裝置，其中位在該分歧連接部的通道之第一寬度為鄰近該出口的通道之第二寬度大小的至少2倍之倍數。
5. 如請求項1之裝置，其中該分歧連接部包含界定該第一和第二出口路徑間的散度之連續彎曲表面。
6. 一種流體動力分離器裝置，其包含：彎曲通道，具有相對之第一和第二壁，有效於使用流體動力之力促進粒子分離而產生：包含流帶或粒子集中的流體之第一流；及第二流；出口，具有用於該第一流的第一出口路徑及用於該第二流的第二出口路徑；及位於該出口的分歧連接部，包含該第一和第二出口路徑的內壁並界定該第一和第二出口路徑之間的散度，其中位在該分歧連接部的通道之第一寬度為鄰近該出口的通道之第二寬度大小的至少2倍之倍數。
7. 如請求項6之裝置，其中該分歧連接部包含界定該第一和第二出口路徑之間的散度之連續彎曲表面。
8. 一種流體動力分離器裝置，其包含：彎曲通道，具有相對之第一和第二壁，有效於使用流體動力之力促進粒子分離而產生：包含流帶或粒子集中的流體之第一流；及第二流；出口，具有用於該第一流的第一出口路徑及用於該第二流的第二出口路徑；及位於該出口的分歧連接部，包含該第一和第二出口路徑的內壁並界定該第一和第二出口路徑之間的散度，其中該分歧連接部包含連續彎曲表面。
9. 如請求項8之裝置，其中位在該分歧連接部的通道之第一寬度為鄰近該出口的通道之第二寬度大小的至少2倍之倍數。
10. 一種流體動力分離器裝置，其包含：彎曲通道，具有相對之第一和第二壁，有效於使用流體動力之力促進粒子分離而產生：包含以與該第一壁相隔一間隔距離流動的流帶或粒子集中的流體之第一流；以該間隔距離流動的流體之第二流；及流體之第三流；出口，具有用於該第一流的第一出口路徑、用於該第二流的第二出口路徑及用於該第三流的第三出口路徑。
11. 如請求項10之裝置，其中大部分的粒子和少於10%的輸入流體使用該等出口路徑之一者離開該裝置。
12. 如請求項10之裝置，其中大部分的粒子和少於10%的輸入流體使用中間的出口路徑離開該裝置。
13. 一種用於分離流動於流體中之粒子的方法，其包含：在具有彎曲通道及至少第一、第二及第三出口路徑的流體動力分離器中接收輸入流體；及控制該裝置以產生並定位粒子流帶經由該第一、第二或第三出口路徑當中選定的一者離開該裝置。
14. 如請求項13之方法，其中該控制包含產生並定位粒子流帶以少於10%的輸入流體離開該裝置。
15. 一種流體動力分離器裝置，其包含：彎曲通道，具有相對之第一和第二壁，有效於使用流體動力之力促進粒子分離而產生：包含流帶或粒子集中的流體之第一流；及第二流； 出口，具有用於該第一流的第一出口路徑及用於該第二流的第二出口路徑；及位於該出口的分歧連接部，包含該第一和第二出口路徑的內壁並界定該第一和第二出口路徑之間的散度，其中該通道的第一壁和第二壁展開成扇形且為平滑且無銳角轉角，且其中該通道的第二壁連續彎曲成該第二出口路徑的外壁。
16. 如請求項15之裝置，其中該通道的第一壁直線通過在該第一出口路徑之外壁上與該分歧連接部相對的區域。
17. 如請求項15之裝置，其中該第一壁連續彎曲成該第一出口的外壁。