使用多维驻波的声泳分离技术的制作方法
【专利说明】使用多维驻波的声泳分离技术
【背景技术】
[0001] 本申请是2013年3月15日提交的序号为13/844, 754的美国专利申请的延续部 分，该申请要求享受下述申请的优先权：2012年3月15日提交的美国临时专利申请序号 61/611，159,同样在2012年3月15日提交的美国临时专利申请序号61/611，240,以及， 2013年1月21日提交的美国临时专利申请序号61/754, 792。这三件申请的内容在此以全 文引用方式并入本文。
[0002] 声泳（Acoustophoresis)是利用高强度声波的颗粒分离。早已公知声音的高强度 驻波能对颗粒施加力。驻波具有压力分布（profile)，其表现为随时间"保持"不动。驻波 中的压力分布从高压区（波节）到低压区（波腹）存在变化。在声谐振器中产生驻波。声 谐振器的常见示例包括许多管乐器，如管风琴、长笛、单簧管和圆号。
[0003] 对于多组分的液流来说，需要高效的分离技术，其能消除浪费并且降低所需的能 量，从而促进可持续发展的环境。
【发明内容】
[0004] 本公开涉及优选地用于大规模声泳的系统和装置。该装置使用如本文所述的一个 或多个独特的超声换能器，或使用这种换能器的阵列。以产生多维驻波的频率来驱动换能 器。
[0005] 在一些实施方式中，披露了一种装置，其包括带有至少一个入口和至少一个出口 的流室，使基底流体与第二流体和颗粒中的至少一种的混合物穿过入口和出口流动。至少 一个超声换能器嵌置在所述流室的壁中或位于所述流室的壁外，并且由超声频率的振荡、 周期性、经过调制的或脉冲的电压信号驱动，该电压信号以更高阶振动模式驱动换能器，以 在流道中产生多维驻波。换能器包括陶瓷晶体、或者具有特定振动特性的其它压电材料。将 固态或柔性反射器置于流室中位于与换能器相对侧的壁上。本装置可以进一步包括馈入环 形压力室（annular plenum)的装置入口、以及位于装置不同壁上的两个出口。
[0006] 在另一些实施方式中，披露了一种基底流体与第二流体和/或颗粒中的至少一种 的分离方法。本方法包括使基底流体流进具有谐振器和收集袋或收集端口的流室，并且用 振荡、周期性、经过调制的或脉冲的电压信号来驱动换能器，以用谐振器产生多维性质驻 波，并且将第二流体和/或颗粒中的至少一种收集在收集袋中。
[0007] 在又一些实施方式中，一种装置包括带有至少一个入口和至少一个出口的流室， 使基底流体与第二流体和颗粒中的至少一种的混合物穿过入口和出口流动。多个超声换能 器嵌置在所述流室的壁中、或置于所述流室的壁外。换能器各自包括陶瓷晶体或其它压电 材料，陶瓷晶体或其它压电材料由超声频率的振荡、周期性、经过调制的或脉冲的电压信号 驱动，该电压信号以更高阶振动模式驱动换能器，以在流道中产生多维驻波。将固态或柔性 反射器置于流室中与换能器相对侧的壁上。本装置可以进一步包括馈入环形压力室的装置 入口、以及位于装置不同壁上的两个出口。
[0008] 下文更具体地描述这些和其它的非限定性特征。
【附图说明】
[0009] 下面是附图的简要说明，这些附图被示出以用于说明本文所披露的示例性实施 例，而并非用于限制本发明。
[0010] 图IA是图示带有密度低于基底流体的第二流体或颗粒的声泳分离器的功能的 图。
[0011] 图IB是图示带有密度高于基底流体的第二流体或颗粒的声泳分离器的功能的 图。
[0012] 图2A示出没有声场存在时由Jorin ViPA颗粒大小分析仪产生的细胞大小分布， 横轴是以微米为单位的大小等级，而竖轴是颗粒按体积取样的百分比。
[0013] 图2B示出有声场存在时由Jorin ViPA颗粒大小分析仪产生的细胞大小分布，横 轴是以微米为单位的大小等级，而竖轴是颗粒按体积取样的百分比。
[0014] 图3示出了具有多个换能器的声泳分离器。
[0015] 图4A是在图3的分离器中用作入口的扩散器的细节图。
[0016] 图4B是可以与图3的分离器一起使用的备选入口扩散器的细节图。
[0017] 图5是常规超声换能器的剖视图。
[0018] 图6是常规换能器的耐磨板的照片。
[0019] 图7A是本公开的超声换能器的剖视图，该换能器内存在气隙，但不存在背衬层或 耐磨板。
[0020] 图7B是本公开的超声换能器的剖视图，该换能器内存在气隙，并且存在背衬层和 耐磨板。
[0021] 图8是被仿真以产生图9以及图11至图17的声泳分离器的计算机模型。
[0022] 图9A至图9D示出了声泳分离器中作用于颗粒的力的仿真，图9A示出了关于单个 驻波的轴向力，右侧标度顶部的文字是"X10 11"。图9B示出了关于单个驻波的横向力，右 侧标度顶部的文字是" X 10 13"。图9C示出了具有多模激励的轴向力，右侧标度顶部的文字 是"X101(]"。图9D示出了具有多模激励的横向力，右侧标度顶部的文字是"X10 11"。对于 所有这些图，横轴是以英寸为单位的室内沿图8中X轴的位置，而竖轴是以英寸为单位的室 内沿图8中Y轴的位置，各图右侧的标度以牛顿为单位。
[0023] 图10是示出晶体中模态位移（mode shape displacement)的仿真晶体的照片，关 于X轴的文字读数为" X 10 3"，关于z轴的文字包括" X 10 3"和" X 10 4"。
[0024] 图11至图17是声泳分离器中作用于颗粒的力的另外仿真，横轴是以英寸为单位 的室内沿图8中X轴的位置，竖轴是以英寸为单位的室内沿图8中Y轴的位置，除图13之 外，这些图中右侧的标度以牛顿（N)为单位，图13中，右侧的标度以帕斯卡（Pa)为单位。
[0025] 图11中右侧标度顶部的文字是" X 10 1Q"。
[0026] 图12中右侧标度顶部的文字是" X 10 1(]"。
[0027] 图13中右侧标度顶部的文字是"X106"，上指三角形顶部的文字读数为 "2. 5166xl06"，下指三角形底部的文字读数为"507. 16"，这两个三角形示出了本图中所描 绘的最大值和最小值。
[0028] 图14中右侧标度顶部的文字是"X1012"，上指三角形顶部的文字读数为 "4. 3171x10 1Q"，下指三角形底部的文字读数为"-4. 3171x10 1Q"，这两个三角形示出了本图 中所描绘的最大值和最小值。
[0029] 图15中右侧标度顶部的文字是"X1011"，上指三角形顶部的文字读数为 "2. 0156x10 9"，下指三角形底部的文字读数为"-2. 0058x10 9"，这两个三角形示出了本图 中所描绘的最大值和最小值。
[0030] 图16中右侧标度顶部的文字是"X1012"，上指三角形顶部的文字读数为 "1.4606x10 1Q"，下指三角形底部的文字读数为"-1.4604x10 1Q"，这两个三角形示出了本图 中所描绘的最大值和最小值。
[0031] 图17中右侧标度顶部的文字是"X1011"，上指三角形顶部的文字读数为 "4. 0239x10 1Q"，下指三角形底部的文字读数为"-4. 4353x10 1Q"，这两个三角形示出了本图 中所描绘的最大值和最小值。
[0032] 图18是示出了声辐射力、浮力、以及斯托克斯（Stokes'）阻力与颗粒大小的关系 的曲线，横轴以微米（ym)为单位，而竖轴以牛顿（N)为单位。
[0033] 图19是在声泳分离器中使用的方形换能器和圆形换能器的照片。
[0034] 图20是以不同频率驱动方形换能器时电阻抗幅值与频率关系的曲线图。
[0035] 图21A图示自正交于流体流动方向关于图20的七个峰幅值的捕获线配置。
[0036] 图21B是图示分离器的透视图，示出了流体流动方向和捕获线。
[0037] 图2IC是自流体入口起沿图2IB的流体流动方向（箭头114)的图，示出了驻波的 捕获波节，在这些捕获波节处颗粒将被捕获。
[0038] 图21D是沿如图21B中所示的箭头116在捕获线配置处通过换能器面所观察到的 图。
[0039] 图22是由用于油水乳状液的换能器的多模态位移所建立驻波的九个捕获线配置 的照片。
[0040] 图23是图22的放大照片，示出九个捕获线配置中的上三个捕获线。
[0041] 图24是声压幅值（右手标度，以帕为单位）和换能器面外位移（左手标度，以米 为单位）的计算机仿真，左手标度顶部文字读数为" X10 7"，左手标度上指三角形顶部的文 字读数为" 1. 473x10 6"，左手标度下指三角形底部的文字读数为" 1. 4612x10 1(]"，右手标度 顶部文字读数为" X 1〇6"，右手标度上指三角形顶部的文字读数" I. 1129xl06"，右手标度下 指三角形底部的文字读数"7. 357"，这些三角形示出了对于给定标度在本图中所描绘的最 大值和最小值，横轴是以英寸为单位的室内沿图8中X轴的位置，而竖轴是以英寸为单位的 室内沿图8中Y轴的位置。
[0042] 图25和图26示出了换能器阵列配置。
[0043] 图27A示出适合与图23和图24的换能器一起使用的用于分离浮动材料的声泳分 离器。
[0044] 图27B是靠近异型管嘴壁129与收集管137的交会处出流流动的放大图。
[0045] 图28是由换能器阵列所产生的超声波的声压幅值的计算机仿真。
[0046] 图29是示出由换能器阵列所产生的超声波中用于油滴的捕获线的照片。
[0047] 图30是示出由换能器阵列所产生的超声波中用于油滴的捕获线的照片。
[0048] 图31是声压幅值的计算机仿真。
[0049] 图32示出了对称Lamb波和反对称Lamb波的图。
[0050] 图33示出存在复合波的晶体的面内和面外位移。
[0051] 图34图示矩形板的（1，1)振动模式，图34A是透视图，图34B是沿板长度的图，图 34C是沿板宽度的图，图34D示出以（1，1)模式振动的矩形板的面内位移。
[0052] 图35图示矩形板的（1，2)振动模式，图35A是透视图，图35B是沿板长度的图，图 35C是沿板宽度的图。
[0053] 36图示矩形板的（2,1)振动模式，图36A是透视图，图36B是沿板长度的图，图36C 是沿板宽度的图。
[0054] 图37图示矩形板的（2, 2)振动模式，图37A是透视图，图37B是沿板长度的图，图 37C是沿板宽度的图。
[0055] 图38图示矩形板的（3, 3)振动模式，图38A是透视图，图38B是沿板宽度的图，图 38C是沿板长度的图，图38D示出以（3, 3)模式振动的矩形板的面内位移。
[0056] 图39A示出以（1，1)振动模式在水中建立的压力场，图39B示出以（2,2)振动模 式在水中建立的压力场，图39C示出以（3, 3)模式在水中建立的压力场。
[0057] 图40A示出在生物制药应用中所使用的声泳分离器的分解图。
[0058] 图40B示出具有两个声室的叠置式声泳分离器的分解图。
[0059] 图41A是示出关于一个实验使用贝克曼库尔特细胞活力分析仪（Beckman Coulter Cell Viability Analyzer)从介质中去除细胞的效率曲线。
[0060] 图41B是示出关于另一实验使用贝克曼库尔特细胞活力分析仪从介质中去除细 胞的效率曲线。
【具体实施方式】
[0061] 通过参考下文期望实施方式以及其中所包括实施例的具体描述，可以更容易地理 解本公开。在下文说明以及所附权利要求