基于振动电机以及水平和对角排列的延伸弹簧构建的内置谐振机构搅拌可生物降解废物的生物反应器制造技术

本发明专利技术是一种谐振搅拌机构，用于安装在生物反应器容器内以搅拌和降解可生物降解废物。本发明专利技术或者由一层水平布置的弹簧构成，并在每个弹簧内安装至少一个振动电机；或者由一个中心支架、多个固定在该中心支架的振动电机、以及多个水平或对角线布置的拉伸弹簧层构成。本发明专利技术提供声波、振动、谐振频率和热量，用于搅拌和降解生物反应器容器内的可生物降解废物。通过在接收罐的顶部组装多个圆柱体桶鼓的方式构造生物反应器容器，可以降低成本。通过将本生物反应器系统与芯汲床、水培种植床、炉灶单元以及温室集成一体，可以建立水、热量、养分、氧气和二氧化碳的闭环再循环。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】基于振动电机以及水平和对角排列的延伸弹簧构建的内置谐振机构搅拌可生物降解废物的生物反应器相关申请的交叉引用本申请是2018年3月12日提交的PCT专利申请PCT/CA2018/050295的继续申请，并主张该专利申请的优先权。
本专利技术涉及在容器内搅拌内容物。更具体地，本专利技术涉及在堆肥生物反应器装置内搅拌可生物降解的废物，该装置将可生物降解废物降解成可通过循环水运输的液体和细颗粒。
技术介绍
搅拌是降解堆肥生物反应器容器内可生物降解废物的重要过程。其主要目的是防止送入的废物被压实或结块，并对容器内的所有废物进行良好的充气。如专利US5300438、US5744351和US9617191所示，现有技术一般采用水平旋转机构或垂直旋转机构来进行搅拌和混合。由于以下原因，上述搅拌机构的效率不高并且不适用于某些特定情况：(1)仅使用驱动电机产生的扭矩来旋转容器内的内容物；(2)电机产生的其它能量如声波、振动和热量等不仅无用，而且是需要特别处理的负担；(3)通常将容器内的内容物过度搅拌，使内容物移动超过为了防止结块和保持充气所需的力度；(4)通常采用高压(AC110V或AC220V)驱动的电机，当采用太阳能电池板作为电机的电源时，从DC12V转换为AC110V或AC220V时会有电力损耗；(5)对于那些宽度或截面直径小于2.5英尺的生物反应器容器(例如专利US9617191的容器)，由于顶部有一个喂料模块，顶盖上没有足够的空间用于安装驱动电机；(6)这些搅拌器仅适用于立式和卧式圆筒形容器，不适用于正方体或长方体容器；(7)通常仅安装一个电机来驱动搅拌机构，当唯一的电机损坏时，需要立即维修。在制药和生物工业领域，已经有尝试采用谐振来搅拌或混合密封容器内的液体。授予VijaySingh的专利US7195354公开了一种通过产生倾斜运动的机构对密闭容器内液体进行谐振波混合的方法，该机构产生倾斜运动以摇动位于其连接平台上的密闭容器，实现容器内的配料成分与液体混合。HaroldWHowe等人的专利US7188993公开了一种谐振混合设备，该设备包括多个压缩弹簧和振动电机，并由框架和组件连接和支撑。但是，上述谐振混合机构和方法仅适用于混合液体，不适合于安装在堆肥生物反应器容器的内部。其摇动或振动容器的操作是暂时的，且其连接平台位于容器下方，因此在谐振混合操作过程中，容器通常不会有处于工作状态的输入或输出端口。它们同样有损失驱动电机产生的声波能和热能的问题。市场期望一种搅拌机构：该搅拌机构无需占用生物反应器容器顶盖上的位置安装电机；能将由驱动电机产生的声波能、振动能和热能充分利用；能由太阳能电池板提供的DC12V电源驱动；能在容器的输入输出端口处于工作状态时正常工作；并且能有一个或多个备用电机，以延长其使用寿命和确保某个驱动电机出现故障时无需立即维修。与其它堆肥生物反应器装置相比，专利US9617191及其申请号为US15615820、公开号为US-2017-0354906的部分继续申请(Continuation-In-Part)中公开的堆肥生物反应器装置具有以下优点：(1)它是第一个将光合作用和炉灶燃烧结合到堆肥过程中的设备，因此扩展了传统堆肥概念的定义；(2)它是第一台将所有可生物降解废物(包括固体废物、废水和废气)回收为养分以种植食品植物的设备；(3)它是第一个将堆肥过程与鱼菜共生(Aquaponics)技术相结合的堆肥生物反应器，从而引发了Compoponics的新概念；(4)它着眼于将废物降解为气体以及可通过循环水输送的液体和细小颗粒，从而实现了高效的几乎完全回收和循环利用。但是，除了前述关于其搅拌模块的缺点之外，专利US9617191及其相关的部分继续申请(Continuation-In-Part)US15615820还具有其他方面需要改进：(1)其设有的凹形或圆锥形的下部分隔板和中室的结构使得构造生物反应器主体容器变得复杂，因此其中室的工作流程可部分地转移到其上室和下室。(2)其因将所有循环水流过加热子腔室加热而消耗大量电力，通常仅需要对来自抽水马桶包含粪便的黑水进行消毒灭菌处理。(3)因每隔几年需要清理一次其上室中坚不可摧的腐殖质，如将其上室分隔为两个或多个垂直分隔的子腔，则便于清理操作；当其中一个上室子腔进行清理准备时，其他一个或多个上室子腔仍可用于接收日常废物。(4)当芯汲床内的土壤结块时，会阻止气体滤过土壤，不利于植物生长；还需要一种机构来搅动其芯汲床的土壤，以使芯汲床中生长的植物的根系保持良好的通气状态。本专利技术将提供用于搅拌堆肥生物反应器容器内废物的新改进的机构和方法，并克服所有上述现有技术的局限性。它还为专利US9617191及其部分继续申请(Continuation-In-Part)US15615820提供了改进。
技术实现思路
本专利技术是一种谐振搅拌机构，用于安装在堆肥生物反应器容器内(或其它应用领域)用于搅拌可生物降解废物、土壤或其它介质。它或者是由一层水平布置的弹簧构成，其中每个弹簧内安装至少1个防水振动电机。也或者由一个中央支架、至少一个固定在中央支架上的防水振动电机、以及多层水平或对角线布置的拉伸弹簧构成；其每个弹簧的外端与固定在容器内侧壁上的连接器连接，而内端与中央支架的连接环连接；其中最下层的弹簧数量多于每一个上层的弹簧数量，因此进料的废物被每一层的任何两个相邻弹簧之间的间隙过滤；并且，其中弹簧的振动频率和防水振动电机的振动频率相匹配以提供谐振。本专利技术适合于圆柱体和正方体或长方体形状的容器。可采用低压(DC5V或12V)和高压(AC110V或220V)驱动振动电机。由于振动电机位于容器内的废物内，因此振动电机产生的所有势能(包括声波、振动和热量)都被用来搅拌和降解废物。由于所有的拉伸弹簧均通过中心支架与振动电机连接，因此，由振动电机的振动产生的能量被弹簧的固有能量放大。振动电机和弹簧的振动偶合会产生谐振频率，该谐振频率具有能量、有助于搅拌和降解废物。本专利技术还为专利US9617191及其部分继续申请(Continuation-In-Part)US15615820的生物反应器设备提供了以下其他改进：(1)因设有谐振搅拌器，生物反应器容器的宽度或截面直径可以小于2.5英尺，因为在顶盖上不需要预留安装搅拌电机的位置；(2)与构造垂直布置的三个腔室的主体容器相比，通过在接收罐上放置多个桶鼓来制造生物反应器容器，不仅节省了制造成本，而且更易于运输和清洁；(3)通过仅将黑水(混有粪便)而不是所有循环水加热到70-100℃进行消毒，从而节省了电费。从以下描述中将容易理解本专利技术的其它目的、特征和优点。该描述参考了附图，这些附图用于图示优选实施例；但是，这样的实施例不代表本专利技术的全部范围。附图说明在下文中，将结合提供的附图来描述本专利技术的实施例，上述附图用于说明而不是限制权利要求的范围；其中，相同的标号表示相同的元件。其中：图1示出了安装于设有上腔室和下腔室的生物反应器容器内的1个多层谐振搅拌器30和1个本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于生物反应器容器上腔室内的多层谐振搅拌器，上述生物反应器容器由一个多孔分隔板将其内部空间分隔为一个用于接收可生物降解废物的上述上腔室和一个用于接收上述上腔室产生的液体和颗粒的下腔室，其特征在于，包括：/na.多层水平排列的连接器，固定于上述生物反应器容器的上述上腔室的侧壁内表面；/nb.一个中心支架，其设有一个顶环、一个底环、在上述顶环和上述底环之间至少一个与上述顶环和上述底环焊接一体的连杆、以及在上述连杆上的至少一个用于安装防水振动电机的区域；/nc.多层水平或对角布置的拉伸弹簧，其中每个上述弹簧有一个内端与上述中心支架的上述顶环或上述底环连接、有一个外端与上述侧壁上的上述连接器之一连接；/nd.至少一个上述防水振动电机，安装于上述中心支架的上述区域；/n由此上述多层谐振搅拌器提供声波、振动、谐振频率以及热量四种能的至少一种，以搅拌上述上腔室内的上述可生物降解废物、并加速将上述可生物降解废物降解成可通过循环水输送的液体和颗粒。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180312 CA PCT/CA2018/0502951.一种用于生物反应器容器上腔室内的多层谐振搅拌器，上述生物反应器容器由一个多孔分隔板将其内部空间分隔为一个用于接收可生物降解废物的上述上腔室和一个用于接收上述上腔室产生的液体和颗粒的下腔室，其特征在于，包括：
a.多层水平排列的连接器，固定于上述生物反应器容器的上述上腔室的侧壁内表面；
b.一个中心支架，其设有一个顶环、一个底环、在上述顶环和上述底环之间至少一个与上述顶环和上述底环焊接一体的连杆、以及在上述连杆上的至少一个用于安装防水振动电机的区域；
c.多层水平或对角布置的拉伸弹簧，其中每个上述弹簧有一个内端与上述中心支架的上述顶环或上述底环连接、有一个外端与上述侧壁上的上述连接器之一连接；
d.至少一个上述防水振动电机，安装于上述中心支架的上述区域；
由此上述多层谐振搅拌器提供声波、振动、谐振频率以及热量四种能的至少一种，以搅拌上述上腔室内的上述可生物降解废物、并加速将上述可生物降解废物降解成可通过循环水输送的液体和颗粒。


2.如权利要求1所述的多层谐振搅拌器，其特征在于，上述中心支架还设有与上述连杆焊接一体的至少一个平板，并且每个上述平板设有两个相对的平坦表面，每个上述平坦表面用于安装一个上述防水振动电机；其中上述平板或者水平布置、或者竖直纵向布置、或者竖直横向布置；其中安装于每个上述平板上的两个上述防水振动电机一起工作以增加振动强度或者其中一个设置为工作电机而另一个设置为备用电机以增加上述多层谐振搅拌器的寿命。


3.如权利要求1所述的多层谐振搅拌器，其特征在于，上述中心支架在上述顶环和上述底环之间还设有与上述连杆焊接一体的至少一个额外的连接环，用于连接额外的水平层或对角层的弹簧。


4.如权利要求1所述的多层谐振搅拌器，其特征在于，上述弹簧的第一振动频率与上述防水振动电机的第二振动频率相匹配，从而使上述防水振动电机产生的振动被上述弹簧的固有能量放大并产生谐振，以搅拌上述上腔室内的上述可生物降解废物、并加速将上述可生物降解废物降解为可通过循环水输送的液体和颗粒。


5.如权利要求1所述的多层谐振搅拌器，其特征在于，上述水平排列或对角排列的拉伸弹簧层，其特征在于，每一个下层比其上层设有更多数量的弹簧；因此，送入上述上腔室的上述可生物降解废物被同一层任意两个弹簧之间的间隙过滤，较大尺寸的废物停留在上述上腔室的上层，而较小尺寸的废物则过滤到上述上腔室的下层。


6.如权利要求1所述的多层谐振搅拌器，其特征在于，上述对角布置的延伸弹簧层还设有两个弹簧层，其中每一个弹簧的内端与上述中心支架的上述顶环连接，而其外端或者与最上一层的上述连接器之一连接或者与较下一层的上述连接器之一连接；从而使上述两个弹簧层平衡对称，并且使上述顶环处于与上述连接器的最上层和较下层之间的垂直中点相平行的位置，而且保持上述中心支架处于稳定和平衡的状态；而且，在沿上述最上一层弹簧的上表面形成锥体形状，以接收被送入上述上腔室的上述可生物降解废物。


7.如权利要求1所述的多层谐振搅拌器，其特征在于，上述水平布置的弹簧层还设有最低层，上述最低层弹簧层位于上述生物反应器容器的上述多孔分隔板上方，并且上述最低层弹簧层的下表面与上述多孔分隔板上表面之间的垂直间隙小于1英寸；因此，上述最低层弹簧层的振动可以防止上述多孔分隔板的过滤孔被淤泥或粘性颗粒阻塞。


8.一种固定于生物反应器容器内的多孔分隔板上表面的单层谐振搅拌器，上述生物反应器容器由一个多孔分隔板将其内部空间分隔为一个用于接收可生物降解废物的上腔室和一个用于接收上述上腔室产生的液体和颗粒的下腔室，其特征在于，包括：
a.一个沿着上述上腔室的侧壁内表面布置的外支架；
b.位于上述外支架上的多个连接器或孔；
c.固定于上述多孔分隔板的上述上表面上的内支架；
d.一层水平布置的弹簧，其内端与上述内支架相连，其外端与上述外支架上的上述连接器或孔之一相连；
e.安装于每个上述弹簧内的至少一个防水振动电机；
由此上述单层谐振搅拌器提供声波、振动、谐振频率以及热量四种能的至少一种，以搅拌上述多孔分隔板之上及附近空间区域的上述可生物降解废物、并加速将上述可生物降解废物降解成可通过循环水输送的液体和颗粒。


9.如权利要求8所述的单层谐振搅拌器，其特征在于，还在每个上述弹簧内安装两个或更多个防水振动电机；因此，每个上述弹簧内的所有上述防水振动电机设置为同时一起工作以增加振动强度或者设置为其中一半为工作电机而另一半为备用电机以增加上述单层谐振搅拌器的寿命。


10.如权利要求9所述的单层谐振搅拌器，其特征在于，安装于每个上述弹簧内的每个上述防水振动电机，是通过将振子、空心杯电机及其一部分电线密封在金属管内而实现防水处理；其中上述空心杯电机是低压(≤12V)电机，其零负荷转速大于40000RPM，其横截面直径小于10毫米，其长度小于25毫米。


11.如权利要求10所述的单层谐振搅拌器，其特征在于，上述防水振动电机浸没于生物反应器容器内的液体水平面，以防止上述振动电机过热。


12.一种用于回收可生物降解废物的生物反应器系统，其特征在于，包括：
a.多个圆柱体桶鼓，用于接收可生物降解废物；
b.一个接收罐，用于接收在上述桶鼓内产生的液体和颗粒；
c.位于每个上述桶鼓内的一个权利要求1的多层谐振搅拌器、或一个权利要求1的多层谐振搅拌器加上一个权利要求7的单层谐振搅拌器；
d.位于每个上述桶鼓的顶壁上的喂料模块，用于喂料上述可生物降解废物；
e.安装于每个上述桶鼓的底壁开口的多孔分隔板，用于将每个上述桶鼓中产生的液体和颗粒过滤到上述接收罐中；
f.位于至少一个上述桶鼓的侧壁或上述顶壁上的至少一个液体输入口；
g.位于上述接收罐的侧壁上的一个液体输出口；
h.一个曝气模块，其设有安装于上述接收罐内的曝气器；
i.位于上述接收罐顶壁上的多个圆形开口和位于上述接收罐内的用于支撑上述桶鼓的多个支撑件，其中，上述桶鼓的底端侧壁与上述接收罐顶壁的上述圆形开口的顶边缘之间的间隙被密封以防止液体、气味和气体泄漏；
由此上述生物反应器系统，以连续的方式将上述可生物降解废物降解成上述液体和颗粒，以供应到种植床。


13.如权利要求12所述的生物反应器系统，其特征在于，上述喂料模块是圆柱体管，其包括：
a.一个透明的顶盖；
b.在上述圆柱体管的下部容积内的一个蝶形阀，其固定于水平横截面直径位置的连接杆上，上述连接杆的两端通过上述圆柱体管侧壁上的一对孔穿透上述圆柱体管；
c.一个操作杆，其位于上述圆柱体管外部并且与上述连接杆的一端连接，用于打开或关闭上...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴象根，
申请(专利权)人：吴象根，
类型：发明
国别省市：加拿大;CA