專利名稱：用于處理連續(xù)流動(dòng)的流體的超聲波方法以及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種流體處理設(shè)備，其可以被用于降解流體內(nèi)的物質(zhì)、從 流體移除物質(zhì)、按密度分離流體內(nèi)的物質(zhì)、對流體消毒和/或降解流體內(nèi) 的有毒的化學(xué)物質(zhì)。
本發(fā)明也可以被用于對物體進(jìn)行清潔、消毒和/或除臭。
背景技術(shù)：
將流體置于超聲波之下能夠?qū)崿F(xiàn)對流體以及流體內(nèi)的物體或物質(zhì)的 多種處理。例如，將物體浸入置于超聲波之下的流體可以清潔該物體。將 固體物質(zhì)比如但不限于鹽粒放置在置于超聲波之下的流體內(nèi)將引起對該 固體物質(zhì)的侵蝕。另外，鍵合在一起的物質(zhì)在被放在置于超聲波下的流體 內(nèi)時(shí)可以被分開。在流體內(nèi)行進(jìn)的超聲波也可以被用于將流體內(nèi)的物質(zhì)分
離到帶(band)或薄層(lamma)中。
發(fā)射超聲波進(jìn)入流體會在流體內(nèi)引起氣穴、小氣泡，并且引起流體內(nèi) 的物體和/或物質(zhì)振動(dòng)。在超聲波經(jīng)過流體時(shí)，氣穴自發(fā)地在流體內(nèi)形成。 氣穴的爆炸在流體內(nèi)產(chǎn)生微小的高壓區(qū)域。通過將高壓釋放到流體中，氣 穴的爆炸提供處理流體和流體內(nèi)的物體或物質(zhì)所需的能量。除產(chǎn)生氣穴之 外，發(fā)射進(jìn)入流體的超聲波還使流體內(nèi)的物質(zhì)和/或物體振動(dòng)。在流體內(nèi) 的物質(zhì)和/或物體振動(dòng)時(shí)，將流體內(nèi)的這些物質(zhì)保持在一起的4建(bond) 和/或?qū)⑽镔|(zhì)連接到物體的鍵削弱并且斷裂。
發(fā)射進(jìn)入浸有一物體的流體內(nèi)的超聲波能從該物體移除物質(zhì)，從而清 潔該物體。由超聲波引起的氣穴所釋放的能量撞擊物體，進(jìn)而通過使物體 振動(dòng)和/或使物質(zhì)從該物體移去(dislodging)而使將物質(zhì)保持到該物體的鍵斷裂。使用發(fā)射進(jìn)入流體內(nèi)的超聲波以清潔流體內(nèi)的物體的設(shè)備公開于
美國專利公開2006/0086604 AI、美國專利公開2005/0220665 AI以及美國 專利6,858,181 B2中。
通過將能量限制(trap)在氣穴中、從氣穴的爆炸釋放能量和/或引起 物質(zhì)的振動(dòng)，發(fā)射進(jìn)入流體內(nèi)的超聲波使得將物質(zhì)保持在一起的鍵比如但 不限于祐性鍵、機(jī)械鍵、離子鍵、共價(jià)鍵和/或范德華鍵斷裂，從而將物 質(zhì)分離。穿過該流體的超聲波在流體內(nèi)的物質(zhì)中引起振動(dòng)。在物質(zhì)振動(dòng)時(shí)， 將物質(zhì)保持在一起的鍵開始拉伸并迅速削弱，如果鍵不斷裂的話。此外， 爆炸的氣穴內(nèi)的和/或爆炸的氣穴附近的物質(zhì)被暴露在巨大的壓力變化之 下，這削弱了鍵，如果其不斷裂的話。最終，將物質(zhì)保持在一起的鍵變得 削弱和張緊到以至它們斷裂，從而釋放出物質(zhì)的小片和/或分子進(jìn)入流體。 如果物質(zhì)由多種不同的材料(substance )組成，則構(gòu)成該物質(zhì)的不同材料 被分離并釋放進(jìn)入流體。使用發(fā)射進(jìn)入流體的超聲波以分解和/或分離流 體內(nèi)的物質(zhì)的設(shè)備在美國專利公開2003/0183798 AI、美國專利公開 2003/0051989 AI以及美國專利6,228,273 Bl中有描述。
在流體內(nèi)的物質(zhì)被發(fā)射進(jìn)入流體內(nèi)的超聲波分離之后，該物質(zhì)可以分 離到薄層中。將流體內(nèi)的物質(zhì)分離到薄層中是在發(fā)射進(jìn)入流體內(nèi)的超聲波 的幫助下進(jìn)行的。通過撞擊物質(zhì)，超聲波引起物質(zhì)在流體中移動(dòng)并進(jìn)入特 定的薄層。該物質(zhì)所分離進(jìn)入的特定的薄層，除了別的以外，取決于物質(zhì) 的密度。較低密度的物質(zhì)比如，但不限于氣體，向流體內(nèi)的上部薄層移動(dòng)。 氣體向上部薄層的移動(dòng)受與氣體分子碰撞的超聲波以及流體內(nèi)的物質(zhì)的 密度低于流體的密度時(shí)該物質(zhì)移出該流體的自然趨勢的驅(qū)動(dòng)。較大密度的 物質(zhì)，比如但不限于固體和密度大的流體，下降脫離該流體。與較低密度 的物質(zhì)一樣，撞擊密度大的物質(zhì)的超聲波在超聲波于流體中行進(jìn)的方向上 給該物質(zhì)施加力。然而，由超聲波在密度大的物質(zhì)上施加的力不足以克服 密度大的物質(zhì)在流體內(nèi)下沉的自然趨勢。所以，從較輕的物質(zhì)分離的密度 大的物質(zhì)被分離到流體內(nèi)的下部薄層中。在包括密度較小的物質(zhì)的薄層以 下并且在包括密度大的物質(zhì)的薄層以上，可以形成包括中等密度的物質(zhì)的 薄層。與密度大的物質(zhì)和密度較小的物質(zhì)一樣，撞擊中等密度的物質(zhì)的超聲波在該物質(zhì)上施加力。與密度大的物質(zhì)不同，由發(fā)射進(jìn)入流體內(nèi)的超聲 波施加在中等密度的物質(zhì)上的力全部或部分抵消中等密度物質(zhì)的下沉的 自然趨勢。該物質(zhì)的密度越大，超聲波抵消物質(zhì)下沉的趨勢的有效性就越 低。所以，除了別的以外，該物質(zhì)將基于其密度而分離到薄層中。應(yīng)用發(fā) 射進(jìn)入流體內(nèi)的超聲波將流體內(nèi)的物質(zhì)基于密度分離到薄層中的設(shè)備公
開于美國專利6,929,750 B2中。
使用發(fā)射進(jìn)入流體的超聲波將鍵斷裂也可以被用于殺死流體內(nèi)的有 機(jī)體和/或使流體內(nèi)的有機(jī)體去活性，比如，但不限于，細(xì)菌、病毒、真 菌、藻類和/或酵母菌。將構(gòu)成有機(jī)體的細(xì)胞膜的分子分離時(shí)，振動(dòng)和氣 穴在有機(jī)體的細(xì)胞膜中產(chǎn)生洞。化學(xué)物質(zhì)可以穿過于細(xì)胞膜中產(chǎn)生的洞而 進(jìn)入和/或離開有機(jī)體的細(xì)胞質(zhì)，從而引起細(xì)胞溶解和/或中毒。除擾亂細(xì) 胞膜之外，被發(fā)射進(jìn)入流體的超聲波也可以使有機(jī)體存活所需的分子改變 性質(zhì)或以其他方式將其破環(huán)。例如，通過使有機(jī)體內(nèi)的蛋白質(zhì)振動(dòng)，被發(fā) 射進(jìn)入包含該有機(jī)體的流體的超聲波可以引起包括該蛋白質(zhì)的亞單位分 離。改變蛋白質(zhì)性質(zhì)致使蛋白質(zhì)在它的生命存續(xù)作用中無效，從而實(shí)質(zhì)上 從該有機(jī)體移除蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)的丟失可能會使有機(jī)體去活性，和/或在 該種蛋白質(zhì)為存活所需時(shí)，最終導(dǎo)致有機(jī)體的死亡。使用發(fā)射進(jìn)入流體內(nèi) 的超聲波使有機(jī)體去活性和/或殺死有機(jī)體的設(shè)備公開于美國專利公開 2003/0234173 AI、美國專利7,018,546 B2以及美國專利6,444,176 Bl中。
雖然存在使用發(fā)射進(jìn)入流體中的超聲波清潔流體中的物體、對流體和 /或流體內(nèi)的物體消毒、使流體內(nèi)鍵合的物質(zhì)分離、將流體內(nèi)的物質(zhì)分離 到分立的薄層中，以及殺死和/或使流體內(nèi)的有機(jī)體去活性的設(shè)備，但是 缺乏一種大規(guī)模地提供所有這些處理的設(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種超聲波流體處理設(shè)備，其包括容器、通向所述容器的 一個(gè)入口管道或多個(gè)入口管道、 一個(gè)出口管道或多個(gè)出口管道，以及位于 所述容器的側(cè)壁內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)超聲波換能器。該容器的側(cè)壁內(nèi)的換能器 發(fā)射超聲波進(jìn)入流體，該超聲波橫向于或不平行于通過容器的主要流體流。發(fā)射進(jìn)入容器的超聲波可以按多種方式處理流體、流體內(nèi)的物質(zhì)和/ 或流體內(nèi)的有機(jī)體，比如，但不限于，清潔流體內(nèi)的物體、對流體和/或 流體內(nèi)的物體消毒、分離流體內(nèi)的鍵合物、將流體內(nèi)的物質(zhì)分離到分立的 薄層中、殺死流體內(nèi)的有機(jī)體、使流體內(nèi)的有機(jī)體去活性、從流體內(nèi)的有 機(jī)體提取物質(zhì)、從流體內(nèi)的其它物質(zhì)提取物質(zhì)、在流體內(nèi)51起化學(xué)反應(yīng)和 /或?qū)⒘黧w內(nèi)的有毒物質(zhì)轉(zhuǎn)換到毒性較'J、的狀態(tài)。
將流體供給進(jìn)入容器的入口管道的橫截面面積應(yīng)小于容器的橫截面 面積。當(dāng)待被處理的流體進(jìn)入容器時(shí)，流體的速度降低，而同時(shí)，總的流 量速率(每單位時(shí)間穿過本發(fā)明設(shè)備的流體體積)保持恒定。容器內(nèi)流體 的減小的速度增加了流體、流體內(nèi)的物質(zhì)和/或流體內(nèi)的有機(jī)體暴露于超 聲波的時(shí)間量，從而增加了由穿過容器的每體積的流體所接收的處理量。 對超聲波增加的暴露可以幫助增加超聲波處理的功效。
在某些情況中，可能需要在將流體、流體內(nèi)的物質(zhì)和/或流體內(nèi)的有
機(jī)體暴露于超聲波下之前，在流體中建立層流(laminar flow )。在流體中 建立層流有助于確保在流體內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定的氣穴和/或超聲波。使用層流產(chǎn) 生流體內(nèi)的穩(wěn)定的氣穴和/或超聲波可以增加發(fā)射進(jìn)入流體的超聲波對流 體、流體內(nèi)的物質(zhì)和/或流體內(nèi)的有機(jī)體的處理的功效。要在流體流過本 發(fā)明設(shè)備時(shí)在流體中產(chǎn)生層流，就需要允許流體流過足夠的距離，以便由 于流體進(jìn)入容器、流體與容器內(nèi)的物體的碰撞和/或流體與容器壁的碰撞 而在流體中產(chǎn)生的任何紊流(turbulence)在流體離開容器之前耗散。為 了有助于在到達(dá)發(fā)射超聲波進(jìn)入流體的第 一換能器之前在流體中建立層 流，相對于穿過容器的流體流來說，發(fā)射超聲波進(jìn)入容器內(nèi)的流體的第一 換能器應(yīng)被放置為距入口管道的開口所在的容器壁一段距離，這一段距離 至少近似等于入口管道的開口的最大高度。相對于穿過該容器的流體流來 說，容器的長度應(yīng)為至少近似等于入口管道的開口的最大高度的兩倍。
確定本發(fā)明的特定構(gòu)型是否允許穿過該容器的流體產(chǎn)生層流可以通 過觀察流過該容器的流體而確定。觀察穿過本發(fā)明設(shè)備的流體流可以通過 構(gòu)造本發(fā)明的透明的實(shí)體模型(mockup)而實(shí)現(xiàn)。包含懸浮在流體內(nèi)的 細(xì)微顆粒的流體隨后可以流過該透明的實(shí)體模型。
10將橫向于或不平行于通過容器的流體的主要流動(dòng)、總體流動(dòng)方向的超 聲波發(fā)射進(jìn)入流體的換能器可以位于容器的任意側(cè)壁內(nèi)。側(cè)壁為容器的不 垂直于穿過該容器的流體的主要流動(dòng)的任何壁。
位于容器內(nèi)的任何給定的換能器可以發(fā)射特定頻率和/或振幅的超聲 波，或者可以發(fā)射頻率和/或振幅變化的超聲波進(jìn)入容器。由換能器發(fā)射
的超聲波的頻率應(yīng)為至少近似18kHZ。優(yōu)選地，換能器發(fā)射頻率在近似 20kHz到近似200kHz之間或在近似1MHz到近似5MHz之間的超聲波進(jìn) 入容器。由換能器發(fā)射進(jìn)入流體的超聲波的振幅應(yīng)為至少近似1微米或更 大。穿過容器的每體積的流體應(yīng)被暴露于發(fā)射進(jìn)入容器的每一頻率和/或 振幅的超聲波達(dá)至少1秒鐘。優(yōu)選地，穿過容器的每加侖流體應(yīng)被暴露于 發(fā)射進(jìn)入容器的每一頻率和/或振幅的超聲波達(dá)至少5秒鐘。
分立的換能器可以負(fù)責(zé)發(fā)射特定頻率和/或振幅或一定頻率和/或振 幅范圍內(nèi)的超聲波進(jìn)入流過該容器的流體?？蛇x擇地，位于該容器的側(cè)壁 內(nèi)的、負(fù)責(zé)發(fā)射特定頻率和/或振幅或一定頻率和/或振幅范圍內(nèi)的超聲波 進(jìn)入流體的換能器，可以布置成帶和/或帶的陣列。將負(fù)責(zé)釋放特定頻率 和/或振幅或一定頻率和/或振幅范圍內(nèi)的超聲波的換能器布置成帶和/或 帶的陣列，有助于在流體流過容器時(shí)實(shí)現(xiàn)在流體內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定的氣穴和/或 所需頻率和/或振幅的超聲波。
換能器可以被同步地激勵(lì)。可選擇地，換能器、帶和/或帶的陣列可 以順序地被激勵(lì)，使得相對于通過容器的流體流來說，換能器、帶和/或 陣列可在前面的換能器、帶和/或陣列被去激勵(lì)時(shí)被激勵(lì)。
換能器可以被各種波型驅(qū)動(dòng)，比如但不限于方波、三角形波、梯形波、 正弦波和/或其任4可組合。
處理流過容器的流體所需的由換能器釋放的超聲波能量的強(qiáng)度取決 于流體對換能器的深度。對特定的深度所需的強(qiáng)度可以通過在換能器以上 放置所需深度的流體而確定。持續(xù)增加強(qiáng)度的超聲波能量可以隨后被從換 能器發(fā)射出，同時(shí)監(jiān)測該換能器以上的流體的表面。當(dāng)在流體的表面觀測 到所需的流體處理時(shí)，由換能器釋放的超聲波能量的強(qiáng)度應(yīng)被注意到并被 記錄，因?yàn)樗鼘?yīng)于對給定深度的流體所需的強(qiáng)度。如果位于容器的側(cè)壁內(nèi)的換能器使得發(fā)射進(jìn)入流體的超聲波以小于180度的角度相交，則上面 的程序應(yīng)使用深度等于從換能器到超聲波的交叉點(diǎn)的最大距離的流體實(shí) 現(xiàn)。如果來自多個(gè)換能器的發(fā)射進(jìn)入流體的超聲波以180度角相交，則上 面的程序應(yīng)使用深度等于換能器之間距離的 一半的流體實(shí)現(xiàn)。
發(fā)射頻率和/或振幅變化的超聲波有助于實(shí)現(xiàn)對包含多種物質(zhì)和/或 有機(jī)體的、穿過容器的流體的處理。當(dāng)流體流過容器時(shí)，層流可以在流體 到達(dá)發(fā)射超聲波進(jìn)入流體的第 一換能器之前被建立。發(fā)射進(jìn)入流體的超聲 波在流體內(nèi)引起氣穴和/或使流體內(nèi)的任何物質(zhì)振動(dòng)。由流體內(nèi)的氣穴和 由在流體中存在的任何物質(zhì)內(nèi)引起的振動(dòng)(如果有的話)釋放的能量取決 于穿過該流體的超聲波的頻率和/或振幅。流體內(nèi)的不同物質(zhì)和/或有機(jī)體 可以是對不同頻率和/或振幅的超聲波為敏感的。
將物質(zhì)暴露于頻率合適的超聲波將會在物質(zhì)內(nèi)引起諧振振動(dòng)。諧振振 動(dòng)將最大量的張力放置在物質(zhì)內(nèi)的鍵上，從而使得它們更加可能自發(fā)地?cái)?裂和/或在被暴露于由爆炸的氣穴釋放的能量時(shí)斷裂。同樣地，不同的有 機(jī)體的膜和/或分子在暴露于特定頻率和/或振幅的超聲波時(shí)將諧振振動(dòng)， 從而使得有機(jī)體的膜更可能破裂和/或有機(jī)體的分子更加可能自發(fā)地改變 性質(zhì)和/或在暴露于由爆炸的氣穴釋放的能量時(shí)改變性質(zhì)。
在流體流內(nèi)的細(xì)胞和/或病毒破裂時(shí)，細(xì)胞和/或病毒內(nèi)的物質(zhì).比如 但不限于，蛋白質(zhì)、核酸和/或糖， 一皮釋放進(jìn)入流體。從流體內(nèi)的有機(jī)體 釋放的物質(zhì)隨后可以自由地分離到薄層中。在流體層流的區(qū)域以內(nèi)將材料 分離到不同的流體薄層中可以最有效率。類似地，由物質(zhì)的侵蝕和/或物 質(zhì)內(nèi)的鍵斷裂而釋放的分子在分開時(shí)可自由地分離到薄層中。流體內(nèi)的薄 層可以使用不同的出口管道收集。例如，使用位置鄰近于容器的底部的出 口管道收集下部薄層內(nèi)的密度大的物質(zhì)可能是理想的。所收集的密度大的 物質(zhì)可以通過容器重復(fù)循環(huán)，以便將物質(zhì)暴露于進(jìn)一步的處理。將物質(zhì)暴 露于容器內(nèi)的若干次處理可以允許更多的密度較低的物質(zhì)被從密度較大 的物質(zhì)分開和/或分離進(jìn)流體內(nèi)的較高的薄層。位于上部薄層內(nèi)的密度較 低的物質(zhì)可以使用在容器的頂部附近的出口管道收集。可選擇地，分離進(jìn) 流體的上部薄層的揮發(fā)性的物質(zhì)可以被允許通過容器的頂部而從流體逸脫。分離進(jìn)中間層的中等密度的物質(zhì)可以使用在容器的中部附近的出口管 道收集。由出口管道從容器重新獲得的流體和/或薄層可以被排出和/或被 保持以做進(jìn)一 步的處理。
可能需要擾亂已建立的流體層流。例如通過產(chǎn)生紊流，比如但不限于
通過產(chǎn)生渦流(vortice)、擾流、漩渦和/或其任何組合來擾亂層流，可以允 許分離到分立的薄層中的材料被重新混合。然而，薄層內(nèi)的未受紊流擾亂 的物質(zhì)將保持分開。將來自上部薄層的物質(zhì)和來自下部薄層的物質(zhì)組合可 以通過在流體內(nèi)產(chǎn)生渦流實(shí)現(xiàn)。在螺旋地向下時(shí)，渦流從薄層沿著渦流的 長度向下拉物質(zhì)到下部薄層。在流過本發(fā)明設(shè)備的流體內(nèi)產(chǎn)生渦流可以通 過在容器的下部側(cè)壁中放置出口而實(shí)現(xiàn)。將來自鄰近的薄層的物質(zhì)組合可 以通過在兩個(gè)或多個(gè)薄層的邊界產(chǎn)生旋渦而實(shí)現(xiàn)。由漩渦產(chǎn)生的紊流可以 從上部薄層拉動(dòng)物質(zhì)進(jìn)入下部薄層以及從下部薄層拉動(dòng)物質(zhì)進(jìn)入上部薄 層。在薄層的上部和下部邊界產(chǎn)生漩渦可以允許來自上部薄層和下部薄層 的材料被拉進(jìn)該薄層。旋渦可以通過將障礙物放置進(jìn)入容器內(nèi)而產(chǎn)生，容 器內(nèi)的流體不能平滑地環(huán)繞流過該障礙物，比如，但不限于，矩形棱柱和 /或三角形棱柱?？蛇x擇地，來自若干相鄰薄層的材料可以通過在容器內(nèi) 產(chǎn)生跨過若千薄層的大擾流而被組合。產(chǎn)生擾流可以通過在容器中關(guān)于撞 擊翼面的流體流成角度地放置一個(gè)翼狀結(jié)構(gòu)(airfoil like structure )而實(shí)現(xiàn)。 擾亂層流的紊流也可以通過在容器內(nèi)注射流體而產(chǎn)生。
將分離到薄層中的物質(zhì)重新混合也可以使用發(fā)射進(jìn)入流體的超聲波 而實(shí)現(xiàn)。發(fā)射橫向于或不平行于作用在流體內(nèi)的物質(zhì)上的重力的超聲波進(jìn) 入流體，可以將物質(zhì)攜帶出一薄層而進(jìn)入該物質(zhì)已經(jīng)分離進(jìn)的薄層中以及 進(jìn)入其它薄層。當(dāng)不平行于作用在流體內(nèi)的物質(zhì)上的重力的超聲波穿過該 流體時(shí)，超聲波可以將流體內(nèi)的物質(zhì)沿著波的路徑引導(dǎo)到波的波腹點(diǎn) (anti-nodal point )。如果橫向于或不平行于作用在流體內(nèi)的物質(zhì)上的重力 的超聲波跨越多個(gè)薄層，那么 一個(gè)薄層內(nèi)的物質(zhì)可以4皮攜帶到圍繞波的波 腹點(diǎn)的薄層。
發(fā)射不平行于作用在流體內(nèi)的物質(zhì)上的重力的超聲波進(jìn)入流體可以 使用位于容器的側(cè)壁內(nèi)和/或位于容器的近似垂直于穿過該容器的主要流體流的壁內(nèi)的換能器而實(shí)現(xiàn)。
如果要在本發(fā)明設(shè)備內(nèi)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，則選擇性地混合分離到薄層中 的材料可能是理想的。例如，流過本發(fā)明設(shè)備的流體內(nèi)的物質(zhì)可以反應(yīng)形 成所需產(chǎn)物。然而，所需產(chǎn)物的形成可能受到流體內(nèi)其它物質(zhì)的存在的妨 礙。其它物質(zhì)可以是分離的反應(yīng)物、生產(chǎn)所需產(chǎn)物的反應(yīng)的產(chǎn)物和/或所 需的產(chǎn)物本身。其它物質(zhì)可以與產(chǎn)生所需產(chǎn)物的反應(yīng)物反應(yīng)，從而阻止所 需產(chǎn)物的產(chǎn)生?？蛇x擇地，當(dāng)與所需產(chǎn)物反應(yīng)時(shí)，其它物質(zhì)可以將所需的 產(chǎn)物轉(zhuǎn)換成不需要的產(chǎn)物。將反應(yīng)物、所需的產(chǎn)物和/或其它物質(zhì)分離到 分立的薄層中及隨后選擇性地組合薄層允許妨礙和/或防止形成所需產(chǎn)物 的其它物質(zhì)與產(chǎn)生所需產(chǎn)物的反應(yīng)物反應(yīng)和/或與所需產(chǎn)物反應(yīng)。
類似地，將反應(yīng)物、所需的產(chǎn)品和/或其它材料分離到分立的薄層中 允許優(yōu)化所需的化學(xué)反應(yīng)。因此，在化學(xué)反應(yīng)在本發(fā)明設(shè)備內(nèi)和/或以外 發(fā)生之后，流體的層流可以被建立在流過本發(fā)明設(shè)備的流體內(nèi)。流體內(nèi)的 物質(zhì)隨后可以被允許分離到分立的薄層中。選擇性地將容器中的包含反應(yīng) 以生成所需產(chǎn)物和/或反應(yīng)的物質(zhì)的薄層重新混合可以隨后在容器內(nèi)通過 在流體內(nèi)產(chǎn)生紊流而被重新混合和/或在本發(fā)明設(shè)備外被重新混合。在選 擇性地混合薄層之后和/或在該過程中，在組合的薄層內(nèi)的物質(zhì)可以隨后 被允許在本發(fā)明設(shè)備內(nèi)和/或本發(fā)明設(shè)備外反應(yīng)。將流體內(nèi)的物質(zhì)連續(xù)地 分離、重新組合和/或反應(yīng)可以使用本發(fā)明的一個(gè)單元完成和/或在本發(fā)明 的若千個(gè)串聯(lián)和/或并聯(lián)的單元內(nèi)完成。
在容器內(nèi)發(fā)生的反應(yīng)可以被在流體流過本發(fā)明設(shè)備時(shí)和/或之前被引
入流體的多種媒介(agent)催化，比如但不限于，化學(xué)物質(zhì)、微生物、 酶、無線電波、；微波、光波和/或其4i何組合。例如，在流體從入口管道 進(jìn)入容器之前，化學(xué)物質(zhì)比如，但不限于，氯、溴、臭氧、抗生素、抗真 菌劑、抗病毒藥和/或其任何組合，可以被引入流體中。所引入的化學(xué)物 質(zhì)可以與流體、與流體內(nèi)的物質(zhì)和/或流體內(nèi)的有機(jī)體反應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)所需 的結(jié)果。例如，化學(xué)物質(zhì)可以與流體內(nèi)的物質(zhì)反應(yīng)，以便將物質(zhì)轉(zhuǎn)換到毒 性更小的狀態(tài)?？蛇x擇地，化學(xué)物質(zhì)可以與流體內(nèi)的有機(jī)體反應(yīng)，以便殺 死有機(jī)體和/或使有機(jī)體去活性。流體內(nèi)的氣穴內(nèi)的能量或由流體內(nèi)的氣穴釋放的能量和/或流體內(nèi)的物質(zhì)和/或有機(jī)體的振動(dòng)可以增加化學(xué)反應(yīng) 的功法t和/或速率。
因此，本發(fā)明的 一個(gè)方面可以是清潔浸入流過本發(fā)明設(shè)備的流體的物體。
本發(fā)明的另 一個(gè)方面可以是對浸入流過本發(fā)明設(shè)備的流體的物體消毒。
本發(fā)明的另 一個(gè)方面可以是對浸入流過本發(fā)明設(shè)備的流體的物體除
臭
本發(fā)明的另 一個(gè)方面可以是對流過本發(fā)明設(shè)備的流體消毒。
本發(fā)明的另 一個(gè)方面可以是使流過本發(fā)明設(shè)備的流體內(nèi)的有機(jī)體去 活性。
本發(fā)明的另 一個(gè)方面可以是殺死流過本發(fā)明設(shè)備的流體內(nèi)的有機(jī)體。 本發(fā)明的另 一個(gè)方面可以是對流過本發(fā)明設(shè)備的流體除臭。
本發(fā)明的另 一個(gè)方面可以是分離流過本發(fā)明設(shè)備的流體內(nèi)的鍵合的物質(zhì)。
本發(fā)明的另 一 個(gè)方面可以是將流過本發(fā)明設(shè)備的流體內(nèi)的有機(jī)體內(nèi) 的物質(zhì)釋放進(jìn)入流過本發(fā)明設(shè)備的流體。
本發(fā)明的另 一 個(gè)方面可以是將流過本發(fā)明設(shè)備的流體內(nèi)的物質(zhì)分離 到薄層中。
本發(fā)明的另 一 個(gè)方面可以是將流過本發(fā)明設(shè)備的流體內(nèi)的有毒物質(zhì) 轉(zhuǎn)化到毒性較小的狀態(tài)。
本發(fā)明的另 一個(gè)方面可以是將氣體從流過本發(fā)明設(shè)備的流體移除。
本發(fā)明的另 一個(gè)方面可以是從流過本發(fā)明設(shè)備的流體內(nèi)的物質(zhì)組合 提取物質(zhì)。
本發(fā)明的另 一個(gè)方面可以是從流過本發(fā)明設(shè)備的流體內(nèi)的細(xì)胞提取物質(zhì)。
15本發(fā)明的另 一個(gè)方面可以是乂人流過本發(fā)明設(shè)備的流體中的病毒4是取物質(zhì)。
本發(fā)明的這些方面和其它方面將由于下面的書面描述和圖片而變得 更加明顯。


本發(fā)明將參照優(yōu)選實(shí)施方式的圖展示和描述并清楚地理解細(xì)節(jié)。 圖1描繪了本發(fā)明的超聲波流體處理設(shè)備的橫截面圖。
圖2描繪了本發(fā)明的超聲波流體處理設(shè)備的三維視圖。
圖3描繪了本發(fā)明的流體處理設(shè)備的容器和入口管道的橫截面圖。
圖4描繪了本發(fā)明的流體處理設(shè)備的可供選擇的構(gòu)型的橫截面圖，該 構(gòu)型進(jìn)一步包括收集容器內(nèi)流體的不同薄層的多個(gè)出口管道。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的最佳模式
圖1和圖2中描繪了本發(fā)明的超聲波流體處理設(shè)備的一種可能的構(gòu) 型，其包括容器101、通向容器101的入口管道102、出口管道103以及 處在所述容器的側(cè)壁內(nèi)的超聲波鈸式換能器(cymbal transducer) 104或 多個(gè)鈸式換能器。發(fā)射超聲波進(jìn)入所述容器內(nèi)的流體的第一鈸式換能器 104定位成距所述入口管道102 —段距離，使得在到達(dá)所述第一鈸式換能 器之前，在流體內(nèi)建立層流。流體通過入口管道102進(jìn)入容器101。在流 體進(jìn)入容器101時(shí)，流體的速度下降。層流在流體到達(dá)發(fā)射超聲波進(jìn)入容 器101內(nèi)的流體的第一鈸式換能器104之前在流體內(nèi)建立，其中超聲波橫 向于或不平行于穿過容器101的流體流。
在流體流過容器101時(shí)，超聲波被從鈸式換能器]04發(fā)射進(jìn)入流體。 容器101的側(cè)壁內(nèi)的任何給定的鈸式換能器104可以發(fā)射特定頻率和/或 振幅的超聲波，或可以發(fā)射頻率和/或振幅變化的超聲波進(jìn)入容器。分立 的鈸式換能器104可以負(fù)責(zé)發(fā)射特定頻率和/或振幅的超聲波，或一定頻率和/或振幅范圍內(nèi)的超聲波進(jìn)入流過容器101的流體?？蛇x擇地，容器
101的側(cè)壁內(nèi)的鈸式換能器104可以被布置成帶，如圖1中通過元件105、 016、 107、 108、 109和110所描繪的那樣，負(fù)責(zé)發(fā)射特定頻率和/或振幅 的超聲波或一定頻率和/或振幅范圍內(nèi)的超聲波進(jìn)入流體。
為了在發(fā)射超聲波進(jìn)入容器101內(nèi)的流體的第一鈸式換能器104和/ 或鈸式換能器的帶105之前關(guān)于穿過容器101的流體流建立層流，第一鈸 式換能器104和/或鈸式換能器的帶105應(yīng)定位為距入口管道102的開口 所在的容器101壁至少一段距離d，優(yōu)選地為2*d,其中d近似于入口管 道102的開口的最大高度。相對于穿過容器101的流體流，容器101的長 度應(yīng)為至少等于近似2*(1的距離。分離到流過容器101的流體的上部薄層 中的揮發(fā)性物質(zhì)可以被允許通過穿過覆蓋容器10]的多孔材料lll而從流 體逸脫。在被由鈸式換能器]04發(fā)射的進(jìn)入容器101的超聲波處理之后， 流體通過出口管道103離開容器101。在通過出口管道103離開之前，分 離到分立的薄層中的物質(zhì)和/或有機(jī)體可以被由換能器112和/或換能器 104發(fā)出的超聲波重新混合，換能器112和/或換能器104所發(fā)射的超聲波 橫向于或不平行于作用在容器101內(nèi)的物質(zhì)和/或有機(jī)體上的重力。
雖然圖中已描繪了鈸式換能器，但可以使用其它類型的換能器比如 ^旦不卩艮于，朗之萬4灸能器(Langevin transducer )。
圖3中描繪的是容器101和入口管道102的不同的可能構(gòu)型的橫截 面。如圖3a至圖3c中所描繪的那樣，入口管道102可以具有圓形的開口 。 可選擇地，如圖3d中所描繪的那樣，入口管道102可以具有橢圓形的開 口。入口管道102的開口也可以具有如圖3e、 3f和3g中分別描繪的三角 形、梯形或矩形構(gòu)型。容器101可以分別被構(gòu)造為如圖la、 lb、c和ld 所描繪的圓柱體、矩形棱柱、三角形棱柱或橢圓形棱柱。只要容器101 的4黃截面面積比入口管道102的纟黃截面面積大，容器101和入口管道102 的開口可以具有除圖3中描繪的構(gòu)型以外的其它構(gòu)型和/或組合。
圖4中描繪的是本發(fā)明的超聲波流體處理設(shè)備的一種可選擇的構(gòu)型 的橫截面圖，其進(jìn)一步包括收集容器101內(nèi)的流體的不同薄層的多個(gè)出口 管道401 、 402和403。如所描繪的那才羊，出口管道401 、 402和403可以間隔緊密地在一起，以允許將要被收集的薄層平滑地流進(jìn)出口管道401、
402和403。可選4奪地，出口管道401 、 402和/或403可以^皮此間隔開， 以允許在薄層離開容器101時(shí)產(chǎn)生將薄層混合的紊流或控制流體深度。出 口管道403收集容器101內(nèi)的流體的下部薄層。
同樣如圖4中所示，連接到出口管道403的管道409使由出口管道 403收集的流體的下部薄層的至少一部分重復(fù)循環(huán)到容器101中，以便使 下部薄層內(nèi)的物質(zhì)在容器101內(nèi)接受進(jìn)一步的處理。為了促進(jìn)穿過容器 101的流體產(chǎn)生層流，入口管道102和重復(fù)循環(huán)管道409內(nèi)的壓力的總和 近似與出口管道401、 402和403內(nèi)的壓力總和相等。容器101的側(cè)壁內(nèi) 的鈸式換能器104的帶被布置成陣列404、 405、 406以及407,負(fù)責(zé)發(fā)射 特定頻率和/或振幅的超聲波或一定頻率和/或振幅范圍內(nèi)的超聲波進(jìn)入 容器IOI內(nèi)的流體。在流體從入口管道102進(jìn)入容器101之前，化學(xué)物質(zhì) 可以通過孔口 408#皮引入流體。
容器101的頂部可以被圖4中所描繪的側(cè)壁密封，或被圖1中所描繪 的多孔材料密封。可選擇地，容器101的頂部可以為打開的。打開的頂部 允許物體下降進(jìn)入和/或移動(dòng)穿過流動(dòng)穿過容器101的流體，從而允許物
體被清潔、消毒、除臭和/或其任何組合。
雖然本文已經(jīng)展示和描述了特定的實(shí)施方式，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理 解，被認(rèn)為能達(dá)到相同的或類似目的的任何布置可以代替這些特定的實(shí)施 方式。應(yīng)理解上面的描述的意圖是說明性的而非限制性的。在審閱了本發(fā) 明內(nèi)容后，上面的實(shí)施方式和其它實(shí)施方式的組合對于那些本領(lǐng)域技術(shù)人 員將是明顯的。本發(fā)明的范圍應(yīng)參照附屬的權(quán)利要求連同這些權(quán)利要求所 保護(hù)的等價(jià)物的全部范圍 一起確定。
本文陳述的本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備的實(shí)現(xiàn)方法僅為基于理論的。它們 的意圖不是限制本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)方法或排除可以在本發(fā)明中存在的和/或負(fù) 責(zé)本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)的可能的實(shí)現(xiàn)方法。
工業(yè)實(shí)用性本發(fā)明涉及一種流體處理設(shè)備及方法，其可以被用于降解流體內(nèi)的物 質(zhì)、從流體移除物質(zhì)、按密度分離流體內(nèi)的物質(zhì)、對流體消毒和/或降解 流體內(nèi)的有毒化學(xué)物質(zhì)，并且也可以被用于對物體清潔、消毒和/或除臭。
權(quán)利要求
1.一種流體處理設(shè)備，其包括容器，其具有側(cè)壁；入口管道，其用于提供流體進(jìn)入所述容器；出口管道，其用于移除所述流體；至少一個(gè)超聲波換能器，其位于所述側(cè)壁內(nèi)，并以一頻率和一振幅發(fā)射超聲波，以在所述容器內(nèi)的所述流體中產(chǎn)生氣穴；且所述超聲波換能器還被定位成使得所述超聲波被發(fā)射進(jìn)入所述容器的層流區(qū)域。
2. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述超聲波換能器發(fā)射一頻率 范圍內(nèi)的超聲波。
3. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述超聲波換能器發(fā)射一振幅 范圍內(nèi)的超聲波。
4. 如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中，所述超聲波換能器發(fā)射一振幅 范圍內(nèi)的超聲波。
5. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其在所述容器的所述側(cè)壁內(nèi)具有至少 一個(gè)換能器帶。
6. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其在所述容器的所述側(cè)壁內(nèi)具有至少 一個(gè)換能器陣列。
7. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述換能器被定位在距所述入 口管道一段距離處，所述一段距離至少近似等于所述入口管道的開口的最 大尺寸。
8. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述換能器被定位在距所述入 口管道一段距離處，所述一段距離至少等于所述入口管道的開口的最大尺 寸的近似兩倍。
9. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，在所述流體進(jìn)入所述容器之前， 有化學(xué)物質(zhì)被引入所述流體。
10. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，在所述流體進(jìn)入所述容器之前， 有催化劑被引入所述流體。
11. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述容器具有可以變化的深度。
12. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述流體被分離到分立的薄層中。
13. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，密度大的物質(zhì)薄層被分離并被 重復(fù)循環(huán)。
14. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其還具有用于收集氣體產(chǎn)物的裝置。
15. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其還具有用于收集所述流體的一部分 的裝置，所述一部分包含至少一種產(chǎn)物。
16. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其具有振幅為1微米或者更大的所述 超聲波。
17. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其具有暴露于所述超聲波至少1秒鐘 的所述流體。
18. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其具有頻率在20kHz到200kHz的范圍內(nèi)的所述超聲波。
19. 如權(quán)利要求所述的設(shè)備，其具有頻率在lmHz到5mHz的范圍內(nèi)的所述超聲波。
20. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其具有由一波型驅(qū)動(dòng)的所述超聲波換 能器，所述波型選自由方波、正弦波、梯形波、三角形波組成的組。
21. 如權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其具有將至少兩個(gè)薄層重新混合的 紊流區(qū)。
22. 如權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其具有用于收集選定的薄層的多個(gè) 出口管道。
23. —種流體處理設(shè)備，其包括容器，其具有側(cè)壁；入口管道，其用于提供流體進(jìn)入所述容器； 出口管道，其用于移除所述流體；至少一個(gè)超聲波換能器，其位于所述側(cè)壁內(nèi)，并以一頻率和振幅發(fā)射 超聲波；且所述超聲波換能器還被定位成使得所述超聲波被發(fā)射進(jìn)入所述容器 的層流區(qū)域。
24. —種處理流體的方法，其包括 將流體通過入口管道傳輸進(jìn)入容器； 在所述容器內(nèi)建立層流區(qū)域； 在所述容器的側(cè)壁內(nèi)放置至少一個(gè)超聲波換能器； 在所述層流區(qū)域內(nèi)建立薄層；以一頻率和一振幅從所述超聲波換能器發(fā)射超聲波進(jìn)入所述層流區(qū) 域；以及使所述薄層內(nèi)的流體形成氣穴。
25. 如權(quán)利要求24所述的方法，其中，從所述超聲波換能器發(fā)射超 聲波的所述步驟處于一頻率范圍內(nèi)。
26. 如權(quán)利要求24所述的方法，其中，從所述超聲波換能器發(fā)射超 聲波的所述步驟處于一振幅范圍內(nèi)。
27. 如權(quán)利要求25所述的方法，其中，從所述超聲波換能器發(fā)射超 聲波的所述步驟處于一振幅范圍內(nèi)。
28. 如權(quán)利要求24所述的方法，其中，所述超聲波從所述容器的所 述側(cè)壁內(nèi)的至少一個(gè)換能器帶發(fā)射。
29. 如權(quán)利要求24所述的方法，其中，所述超聲波從所述容器的所 述側(cè)壁內(nèi)的至少 一個(gè)換能器陣列發(fā)射。
30. 如權(quán)利要求24所述的方法，其中，放置超聲波換能器的步驟提供距所述入口管道的 一段距離，所述一段距離至少近似等于所述入口管道 的開口的最大尺寸。
31. 如權(quán)利要求24所述的方法，其中，放置超聲波換能器的步驟提 供距所述入口管道的一段距離，所述一段距離至少等于所述入口管道的開 口的最大尺寸的近似兩倍。
32. 如權(quán)利要求24所述的方法，其具有附加的步驟在所述流體進(jìn) 入所述容器之前將化學(xué)物質(zhì)引入所述流體。
33. 如權(quán)利要求24所述的方法，其具有附加的步驟在所述流體進(jìn) 入所述容器之前將催化劑引入所述流體。
34. 如權(quán)利要求24所述的方法，其具有附加的步驟改變?nèi)萜鞯纳疃取?br> 35. 如權(quán)利要求24所述的方法，其具有附加的步驟將所述流體的 成分分離到分立的薄層中。
36. 如權(quán)利要求24所述的方法，其具有附加的步驟分離以及重復(fù) 循環(huán)密度大的物質(zhì)薄層。
37. 如權(quán)利要求24所述的方法，其還具有附加的步驟收集氣體產(chǎn)物。
38. 如權(quán)利要求24所述的方法，其還具有附加的步驟收集所述流 體的一部分，所述一部分包含至少一種產(chǎn)物。
39. 如權(quán)利要求24所述的方法，其中，所述超聲波的振幅為1微米 或更大。
40. 如權(quán)利要求24所述的方法，其具有步驟將所述流體暴露于所 述超聲波大于1秒鐘的 一段時(shí)間。
41. 如權(quán)利要求24所述的方法，其中，所述超聲波的頻率在20kHz 到200kHz的范圍內(nèi)。
42. 如權(quán)利要求24所述的方法，其中，所述超聲波的頻率在lmHz 到5mHz的范圍內(nèi)。
43. 如權(quán)利要求24所述的方法，其具有步驟通過一波型驅(qū)動(dòng)所述 超聲波換能器，所述波型選自由方波、正弦波、梯形波、三龜形波組成的組。
44. 如權(quán)利要求24所述的方法，其還具有步驟將至少兩個(gè)薄層重 新混合。
45. 如權(quán)利要求24所述的方法，其具有多個(gè)出口管道來收集選定的 薄層。
46. 如權(quán)利要求24所述的方法，其進(jìn)一步包括傳遞所述流體通過 多個(gè)區(qū)域，且每個(gè)區(qū)域具有提供不同振幅的所述超聲波換能器。
47. 如權(quán)利要求24所述的方法，其進(jìn)一步包括傳遞所述流體通過 多個(gè)區(qū)域，且每個(gè)區(qū)域具有提供不同頻率的所述超聲波換能器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種超聲波流體處理設(shè)備，其包括容器、通向所述容器的至少一個(gè)入口管道、至少一個(gè)出口管道以及位于所述容器的側(cè)壁內(nèi)的至少一個(gè)超聲波換能器。該換能器發(fā)射不平行于穿過該容器的主要流體流的超聲波進(jìn)入流體。被發(fā)射進(jìn)入該容器的超聲波可以以多種方式處理該流體、流體內(nèi)的物質(zhì)和/或流體內(nèi)的有機(jī)體，比如但不限于，清潔流體內(nèi)的物體、對流體和/或流體內(nèi)的物體消毒、分離流體內(nèi)鍵合的物質(zhì)、將流體內(nèi)的物質(zhì)分離到分立的薄層中、殺死流體內(nèi)的有機(jī)體或使其去活性、提取流體內(nèi)的物質(zhì)、在流體內(nèi)引起化學(xué)反應(yīng)，和/或?qū)⒘黧w內(nèi)有毒的物質(zhì)轉(zhuǎn)化到毒性較小的狀態(tài)。
文檔編號C02F1/36GK101631748SQ200780050163
公開日2010年1月20日 申請日期2007年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月21日
發(fā)明者艾拉茲·巴巴耶夫 申請人:艾拉茲·巴巴耶夫