TWI507237B - 用在無薄膜粒子分離系統中將流體流分流的方法及設備 - Google Patents

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Description

用在無薄膜粒子分離系統中將流體流分流的方法及設備
於共同專利申請案中業已說明具有一般呈螺旋或弧形構形之若干不同類型無薄膜粒子分離裝置。
一般而言，此等裝置在關於與水比較具有不同密度之粒子方面有用，如此，透過用於分離之流道，產生橫向遷移所需離心力或浮力。一些此等裝置亦可依其構形用來分離中性漂浮粒子。參考第1圖，其顯示一分離裝置20之形式例。該形式顯示具有增大之曲線半徑之例示性螺旋流道22。此幾何圖形利用壓力變化比率。亦可使用任何適當形式。然而，例如，於其他形式中，裝置具有收縮螺旋流道，該螺旋流道具有用於側壁之曲線之減小半徑。流道亦可保持實質上恆定之曲線半徑及恆定流道大小。於任何情況下，流道22展開成兩個別流道24及26(例如，亦於第1圖中稱為流道#1及流道#2以容許多重排出路徑)。
此等分離裝置類型以各種方式提供粒子分離。例如，依流動速率而定，可藉流體流流經流道所產生之離心力或壓力，驅動粒子分離。無論如何，此等裝置之目的在於發生粒子分離。典型地，流體流具有：第一部分，其具有一種粒子或帶之粒子；以及第二部分，其內有不具此第一部分之粒子的流體。
於此等類型之系統中，期望能夠於此等裝置之出口增進分離。
於目前所說明實施例之一態樣中，粒子分離裝置包括：入口，用來接收流體，粒子分散於此流體內；至少一個彎曲流道，用來產生包括第一部分及第二部分之流體場；以及出口，包含使流體分流之機構，俾粒子流在第一路徑上，且第二部分流在第二路徑上。
於目前所說明實施例之另一態樣中，出口包括刀刃。
於目前所說明實施例之另一態樣中，該刀刃用來樞轉。
於目前所說明實施例之另一態樣中，該刀刃用來滑動。
於目前所說明實施例之另一態樣中，該出口包括於第一路徑與第二路徑產生壓力差之系統。
於目前所說明實施例之另一態樣中，該系統包括位於第一路徑中之第一閥以及位於第二路徑中之第二閥。
於目前所說明實施例之另一態樣中，該裝置又包括反饋系統。
於目前所說明實施例之另一態樣中，該反饋系統用來根據壓力、帶寬及流動速率之至少一者，控制該裝置。
於目前所說明實施例之另一態樣中，該反饋系統用來根據黏度及溫度之至少一者，控制該裝置。
於目前所說明實施例之另一態樣中，該系統包括至少兩流道，有一致動器設於此等流道之間，其中該致動器選擇地使流道之壁部變形以產生壓力差。
於目前所說明實施例之另一態樣中，該系統包括至少兩流道，有二致動器設於此等流道之間，其中各致動器選擇地使流道之一的壁部變形以產生壓力差。
於目前所說明實施例之另一態樣中，該系統包括多數壓縮環，定位成且用來選擇地施加壓力於對應第一及第二路徑之流道。
於目前所說明實施例之另一態樣中，該方法包括：於分離裝置中起動流體流；以及調整出口中的機構以改變第一與第二路徑間之流體流。
於目前所說明實施例之另一態樣中，該調整包括於出口內移動刀刃。
於目前所說明實施例之另一態樣中，該調整包括藉該裝置改變壓力。
於目前所說明實施例之另一態樣中，改變壓力根據至少一致動器之操作來進行。
於目前所說明實施例之另一態樣中，改變壓力根據諸壓縮環及諸膨脹環之至少一者之操縱來進行。
於目前所說明實施例之另一態樣中，改變壓力根據至少一閥之起動來進行。
於目前所說明實施例之另一態樣中，該調整根據諸反饋資料項目來進行。
於目前所說明實施例之另一態樣中，該等資料項目根據壓力、帶寬、流動速率、黏度及溫度之至少一者。
目前所說明實施例提供一種設於螺旋分離裝置之出口，用以將流體流分流或分叉之機構。這在螺旋或彎曲流道中特別有利，此乃因為分離裝置之出口典型地相對於流道之另一側，在流道之一側具有不同尺寸之粒子。於某些形式中，流道之一側可具有流入其中之粒子帶，而流道之相對側則具有極少的駐留粒子。這在中性漂浮粒子流入流體並於其中分離情況下特別顯著。於至少一形式中，含有粒子(或較多粒子)之流體流部分稱為粒子流，而流體的剩餘部分則稱為廢水流。
目前所說明各種實施例提供一分流系統於各種分離裝置之出口，流體可通過該分離裝置。亦即，目前所說明實施例之實施典型地不會造成擴散或危及集中粒子帶或粒子群之完整性，不會產生不當的擾流，且不會造成有害於所欲流體流之過度壓力變動。目前所說明實施例容許適用於例如自20：80分流至80：20分流範圍內的流體流之分流。亦可應用適當流體感測及電腦反饋控制於該系統。
目前所說明之各種實施例，如熟於此技藝人士所知者，可採用種種形式。如本文所述，目前所說明之實施例可包含靜態或被動機構或次系統。此等機構亦可模組化或互換以提供20：80、30：70、40：60、50：50等預定流體分流分配。於目前所說明實施例之其他形式中，該系統可調節且可變。於目前所說明實施例之又其他形式中，該系統容許於多數出口進行差壓控制以有助於在個別流道或路徑中不同大小粒子或粒子帶之流動。
參考第2至12圖，須知圖示之該機構亦可於種種不同環境及構形中實施。為容易顯示及解釋，此種機構在此圖示成適用於簡單形式及/或代表性環境中之單一流道。例如，熟於本技藝人士當知，此等技術及構造可以複數及反覆方式實施，例如將複數流道配置於裝置或系統內。
現在參考第2圖，其顯示具有入口B、彎曲流道部C及出口10之分離裝置A。須知，為求易於說明，僅以代表形式顯示分離裝置A。第3至12圖並未具體顯示全體分離裝置，惟須知此等圖式之出口之任一者可適用於如在第2圖所示構思之分離裝置。
如圖所示，螺旋流道部C之端部12分歧成第一流道或路徑14及第二流道或路徑16。該流道之構形如圖示位於基底18中。惟須知，可存在有用於出口之其他形式或環境。顯然，流道14及16自螺旋流道部C之端部12之分流藉刀機構11促成及增進，該刀機構11由具有突伸入端部12之刀刃17之大致靜態壁15形成。在這方面，其增進流體之流動及分離。
須知，刀刃之形狀可充份依流道截面而定。例如，矩形流道可具有矩形刀刃，而橢圓形流道(例如藉由使管子垂直變形而形成)則可具有拋物線狀刀刃。當然，目前所說明之實施例考慮其他刀刃及對應壁之形狀。
現在參考第3圖，其顯示目前所說明實施例之其他形式。拋物線狀流體流30如圖示流經螺旋裝置(末圖示)之端部12，並在出口10中分流入第一流道14及第二流道16。惟，於此等實施例中，刀刃機構32樞轉於接近流道分離處之一點34。雖然僅範示，刀刃機構32卻包含壁36及刀刃部38。如可觀察得知，刀刃機構32可如箭號及虛線例示，樞轉經過多數位置之範圍。如上述，於至少一形式中，該範圍於二流道中提供自20：80至80：20範圍之相對流體流。熟於本技藝人士當知，刀刃機構32之樞轉可使用種種不同技術，以種種不同方式完成。流道之大小可左右致使刀刃機構32樞轉之技術。例如，於一形式中，樞轉可使用壓電裝置或液壓裝置來完成。亦須知此樞轉可手動完成。
現在參考第4圖，其顯示拋物線狀流體流30流入螺旋裝置(未圖示)之流道之端部12，並在出口10中分流或分叉成向下流入第一流道14及第二流道16之流體流。然而，於本實施例中，刀刃機構40被適用來例如滑動於外部致動器42之軌上。如其他實施例，須知刀刃裝置40包含壁46及適當之刀刃部48。又須知，外部致動器可採用種種形式。再者，依分離裝置之相對大小及其他環境因素，外部致動器可為壓電致動器、液壓致動器或手動致動器。
現在參考第5圖，其顯示分離裝置(未圖示)之出口10有一拋物線狀流體流30，其流經分成第一流道14及第二流道16之流道之端部12。亦顯示刀刃機構40及外部致動器42。惟，於本實施例中設有滑動銷50以分別導引第一及第二流道14及16之壁部52及54。須知，壁部52及54由撓性膜形成。該撓性膜可由種種適當材料形成。這容許銷50滑入外部致動器42中，從而改變刀刃裝置40之位置。壁部52及54之撓性容許保持流道完整性。
在第2至5圖中所示之實施例顯示刀刃伸入分離裝置端部之流道端部之構形。然而，目前所說明實施例亦考慮刀刃不伸入流道，而是例如僅緊靠流道或適當流道堆疊之端部。例如，現在參考第6圖，其顯示分離裝置之出口100。如圖所示，分離裝置之流道102被刀刃機構108分成第一流道104及第二流道106。如其他實施例，刀刃機構108包含壁部110及刀刃112。於本構形中亦顯示外壁114及116。於本實施例中，在操作時，刀刃機構108沿軌或藉其他類型之致動器，以可變及可調節方式將流體流分流。如圖所示，一粒子帶、群或濃縮體可流入第一流道104，而不包含粒子帶(群或濃縮體)之剩餘流體則可流經第二流道106。
現在參考第7圖，其顯示又一實施例，其中刀刃不伸入流道之端部。如圖所示，用於分離裝置之端部122之出口120包含第一流道124及第二流道126。流體流之分流或分叉使用包括旋轉圓筒130及刀刃132之機構128達成。流道124由外壁134及內壁135形成。流道126同樣由外壁136及內壁137形成。須知，旋轉刀刃132以改變流道之端部122之分流比率。內壁135及137構成配合此旋轉。例如，內壁135及137可在性質上可撓，這容許其等附著於旋轉圓筒上。於其他形式中，內壁135及137可在性質上單純地靜態，可藉由適當密封技術確保於內壁135及137與旋轉圓筒130間無洩漏。
現在參考第8圖，分離裝置(未圖示)之出口120包含流道之端部122，其被分成第一流道124及第二流道126。於本構形中，機構140設於系統以將流體流分流。機構140包含滑動圓筒142及刀刃144。如前述實施例，流道124由外壁134及內壁135形成。同樣地，流道126由外壁136及內壁137形成。於本實施例，在至少一形式中，內壁135及137由撓性膜形成以容許圓筒142滑動，惟仍保持流體於流道124及126內。
現在參考第9至11圖，亦可使用於個別出口之差壓或流動控制，變化在此所考慮之螺旋分離裝置中流體流之分流或分叉。於目前所說明之實施例中，可使用獨立控制之致動器或用於相鄰流道之同時雙向致動來達成差壓或流動控制。用於出口流道之撓性膜壁通常用來容許變形。壁部之變形會修正流體流之截面，並因此修正上游流體上之壓力。流動控制閥可獨立實施於出口流道上。於此情況下，流道無須可撓。
現在參考第9圖，其顯示螺旋分離裝置(未圖示)之流道之端部202的出口200。流道202被分成第一流道204及第二流道206。流道204由剛性外壁208及撓性內壁210形成。流道206由剛性外壁212及撓性內壁214形成。於本實施例中，致動具有柱塞218(例如電磁線圈)之致動器216，以種種不同方式使壁210變形而於流道上游產生差壓。同樣地，使用具有柱塞222之致動器220來使壁214變形以達到所欲差壓或流動控制。須知，可以種種不同方式控制致動器，以達成目前所說明實施例之目的。例如，可致動諸致動器之一以產生差壓及流動控制。或者，可串聯或互補地，以相同或不同速率致動兩致動器，以產生差壓及流動控制。
參考第10(a)及10(b)圖，系統200僅包含單一致動器250。單一致動器250包含大小作成可操作撓性壁210及214兩者之柱塞252。如於第10(a)圖所示，柱塞252顯示位於最左端位置。第10(b)圖顯示對向之最右側位置。
於第9、10(a)及10(b)圖之一中，須知致動器之實施會在流道中產生差壓及流動控制，這容許改變流道204及206之每一者中粒子流的程度。
達成此結果的另一方式係在諸流出路徑或流出流道之每一者或至少一者設置多數可調節閥。如於第11圖所示，系統200包含第一流道230及第二流道232。閥234定位於第一流道230內。閥236定位於第二流道232內。如此，二個別閥可控制諸流道內之流體流。於此情況下，諸流道230、232之壁無須可撓。此外，閥可採用種種周知形式，惟，於至少一形式中，閥為管線內(in-line)閥。閥之選擇性操作會於系統中產生所欲差壓及流動控制。須知一個閥已足以將二出口間之流體流分流而不會影響入口壓力。
現在參考第12圖，其顯示藉助於系統內差壓及流動控制將流體流分流之另一實施例。於本實施例中，使用分歧出口之徑向壓縮來如此進行。圖示係出口300之端視圖。該出口包含柔順外環302、剛性環304及柔順內環306。第一組流道310配設在外環302與剛性環304間。第二組流道312配設在剛性環304與柔順內環306間。須知，該組流道310對應業已分流的諸如第10(a)圖之流道204之第一組流出流道。第二組流道312與業已從出口分流的諸如第10(a)圖之流道206之第二組流出流道有關。熟於此技藝人士當知該配置源自複數分離裝置之實施及如圖示多數流體流路徑或流道之適當聚集。
流道內之壓力可利用內外環306及302之反復徑向壓縮/膨脹，藉由操縱流道直徑及內、外流體流之相對流動速率，予以調節。內外環306及302可同時或個別壓縮及/或膨脹，以於系統中產生差壓及流動控制。熟於此技藝人士當知環壓縮可提供更均勻及更平順之轉變。然而，環膨脹亦達到目前所說明實施例之諸目的。須知，依整體系統之構形而定，於一形式中，所有內外流道最終可於下游組合。
須知，本文中圖示之實施例僅用來作為例子。考慮到變化。例如，本文中圖示及說明之各出口分流及分歧成二流道。出口之分流(及目前所說明之實施例之應用)可擴及三或更多流道。
亦須知，用來構成本文所考慮種種配置之材料會因系統之大小、應用及環境而異。同樣地，所考慮系統之大小可不同。
如前面所提，目前所說明實施例可包含種種感測及反饋控制以容許增進之流體流分流。例如，光學感測器可於分流或分岐點前置於系統中，以及於中途點，用來偵測帶寬及位置。可將反饋信號送至分流機構以最大化流道中之帶捕獲及流體回收。亦可沿流道設置流動感測器以偵測速度變動。接著，該資料可被用來反饋至多數必要泵以維持恆定流動速率，並因此維持速度。亦可設置壓力感測器來調整各流道中的流動速率以最小化帶分散及最大化流體回收。可使用溫度感測器來校正流體操作，並可使用黏度感測器來校正作業參數之調整。
須知，此等類型之感測及反饋控制裝置可以種種不同方式在本系統中實施，以達成本文所提感測及反饋控制及其他目的。在此方面，此等類型之裝置可使用不同硬體構形及/或適於環境及系統構形之軟體技術來實施。
參考第13圖，其顯示一反饋及/或控制系統400。該系統400包含一諸如螺旋分離器402之分離器，其接受輸入流體404。於操作中，分離器402將輸入流體404分離成廢水流406及粒子流408。如圖所示，該方法透過使用在此所構思之任一種分流器400來增進。須知，分流器可根據所收集種種資料項目控制。此等資料項目例如包含壓力、帶寬及流動速率。如以上所述，亦可使用溫度及黏度感測器來收集所欲資料。將此等資料項目饋送至控制器420。控制器420控制多數致動器430，如由以上實施例可知，此等致動器430被用來將流體分流。須知，致動器430及分流器可整合在相同裝置中。
10．．．出口
11．．．刀機構
12．．．端部
14．．．第一流道或路徑
15．．．靜態壁
16．．．第二流道或路徑
17．．．刀刃
18．．．基底
20．．．分離裝置
22．．．螺旋流道
24,26．．．流道
30．．．流體流
32．．．刀刃機構
36．．．壁
38．．．刀刃部
40．．．刀刃機構
42．．．致動器
46．．．壁
48．．．刀刃部
50．．．滑動銷
52,54．．．壁部
100．．．出口
102．．．流道
104．．．第一流道
106．．．第二流道
108．．．刀刃機構
114,116．．．外壁
120．．．出口
122．．．端部
124．．．第一流道
126．．．第二流道
128．．．機構
130．．．旋轉圓筒
132．．．旋轉刀刃
134．．．外壁
135,137．．．內壁
200．．．出口(系統)
202．．．端部
204．．．第一流道
206．．．第二流道
208．．．外壁
210．．．內壁
212．．．外壁
214．．．內壁
218．．．柱塞
220．．．致動器
222．．．柱塞
230．．．第一流道
232．．．第二流道
236．．．閥
250．．．致動器
252．．．柱塞
300．．．出口
302．．．外環
304．．．環
306．．．內環
310．．．第一組流道
312．．．第二組流道
400．．．反饋及/或控制系統
402．．．螺旋分離器
404．．．流體
406．．．廢水流
408．．．粒子流
420．．．控制器
430．．．致動器
A．．．分離裝置A
B．．．入口B
C．．．彎曲流道部C
第1圖係一螺旋粒子分離裝置例之代表圖；
第2圖顯示目前所說明實施例之形式；
第3圖顯示目前所說明實施例之形式；
第4圖顯示目前所說明實施例之形式；
第5圖顯示目前所說明實施例之形式；
第6圖顯示目前所說明實施例之形式；
第7圖顯示目前所說明實施例之形式；
第8圖顯示目前所說明實施例之形式；
第9圖顯示目前所說明實施例之形式；
第10(a)及10(b)圖顯示目前所說明實施例之一形式；
第11圖顯示目前所說明實施例之形式；
第12圖顯示目前所說明實施例之形式；以及
第13圖顯示目前所說明實施例之形式。
20．．．分離裝置
22．．．螺旋流道
24．．．流道
26．．．流道

Claims (4)

  1. 一種粒子分離裝置，包括：入口，可作用為接受流體，於該流體內分散有粒子；至少一個彎曲流道，可作用為產生包括第一部分及第二部分之流體場，該流體場的該第一部份及該第二部份係藉由在該彎曲流道中由該流體場產生的流動驅動力所形成，該流動驅動力包含有離心力以及至少壓力或浮力；出口，包含將該流體分流之機構，使該第一部分於第一路徑上流動，且該第二部分於第二路徑上流動；以及控制器，其設置成根據壓力、流動速率、帶寬、溫度或黏度以控制該機構。
  2. 如申請專利範圍第1項之裝置，進一步包括具有該控制器的反饋系統。
  3. 一種用來於具有第一及第二流出路徑之粒子分離裝置之出口將流體流分流的方法，該方法包括：於該分離裝置中起始流體流，其中該第一及第二流出路徑間之粒子分離係由流動驅動力產生，該流動驅動力係由在該粒子分離裝置之彎曲流道中的流體流動所產生，該流體驅動力包含離心力以及至少壓力或浮力；以及調整該出口中之機構，根據根據壓力、帶寬、流動速率、黏度或溫度之至少一者使用控制器以改變該第一 與第二流出路徑間之流體流。
  4. 如申請專利範圍第3項之方法，其中該調整根據多數反饋資料項目來進行，該反饋資料項目係反饋至該控制器。
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