用于产生驻波超声场的装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种用于在流体(100)中产生具有频率f的驻波超声场、尤其是以便集中、固定或操纵流体(100)中的分散颗粒或以便保留或分离来自流体(100)的分散颗粒的装置，该装置包括：用于保持流体(100)的基本上尺寸稳定的容器(1)；以及声学地连接到该容器(1)的外壁(12)并且可在频率f处被电激励的至少一个振荡元件(2)，其特征在于，振荡元件的压电板具有至少一个基本上平坦的侧表面(21)，并且振荡元件(2)借助所述一个平坦的侧表面(21)声学地连接到容器(1)的外壁(12)在圆柱形内部(14)的区域中的基本上平坦的连接表面(11)，连接表面(11)与圆柱形内部(14)的主轴(H)和振荡元件(2)两者平行地布置。平行地布置。平行地布置。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于产生驻波超声场的装置
[0001]本专利技术涉及一种用于在流体中产生具有频率f的驻波超声场、尤其是用于集中、固定或操纵流体中的分散颗粒或用于保留或分离来自流体的分散颗粒的装置，该装置包括：用于接纳流体的基本上尺寸稳定的容器；以及声学地连接到该容器的外壁的至少一个振荡元件，其中该容器至少在该振荡元件的区域中包括用于接纳流体的具有内半径r
o
的基本上为圆柱形的内部，并且其中该振荡元件在与内部的主轴正交的方向上具有平均厚度p和宽度b，其中宽度b不大于内直径2r
o
。
[0002]本专利技术还涉及一种用于在流体中产生具有频率f的驻波超声场、尤其是用于通过在基本上尺寸稳定的容器中施加驻波超声场来集中流体中的分散颗粒或分离来自流体的分散颗粒的方法，其中至少一个振荡元件在至少一个频率f处被激励，并且振荡元件振荡该容器以及布置在圆柱形内部的流体，其中该振荡元件具有平均厚度p，并且内部具有内半径r
o
，并且其中振荡元件在与该内部的主轴正交的方向上具有宽度b，其中该宽度b不大于内直径2r
o
。
[0003]当流体暴露于超声场时(例如通过将来自振荡元件的振荡经由容器引入流体中)，可以在流体中实现各种效果(诸如其混合或加热)。使用驻波超声场，声学技术特别用于分离或操纵流体(亦称为介质)中或来自流体的细胞、细菌和微生物、细小固体、液滴、气泡等(即，通常处于固态、液态和气态的颗粒——为简单起见，以下称为颗粒)。这些颗粒可以分散、悬浮或乳化在流体中，并且通常具有在所施加的驻波超声场的一个波长与千分之一波长之间的范围内的大小。在该情形中，流体被布置在容器的内部，并且声学系统被制成由振荡元件振荡。声学系统是指被制成振荡的部件，并且因此至少包括容器、振荡元件和内部的流体。驻波场通过在容器壁处的反射或也通过来自相对方向的相同频率的超声波的叠加而在内部构建，由此颗粒收集并且优选地聚集在驻波场的振荡波腹或波节中。在该过程中，流体也可以连续地通过内部，而所收集的颗粒被驻波阻止通过。因此，即使是大量流体也可以清除这些颗粒。
[0004]例如，此类装置或方法在生物技术或实验室诊断中用于从营养介质中分离细胞、细菌和其他微生物，或者还用于浓缩微量元素和污染物(诸如悬浮的重金属颗粒、或乳化碳氢化合物液滴)以提高可检测性，或者还用于回收有价值的颗粒材料(例如，稀土或贵金属)。为了富集或分离太小而不能由超声场直接检测的物质和颗粒(例如，病毒或分子)，也可以使用所谓的载体颗粒，其表面被所寻找的物质占据，以便随后通过超声场与载体颗粒一起分离。此类载体颗粒的表面也可以通过生物技术、机械、磁、电或化学方式选择性地活化，以便在载体颗粒的辅助下仅从介质中分离某些所需物质。该技术还可用于净化流体。
[0005]声学分离技术基于近几十年从文献中已知的声学辐射力的机制，其由驻波声场施加在分散在流体中的颗粒上并且取决于这些颗粒相对于流体(介质)的声学对比度而将这些颗粒集中到驻波场的波腹中(适用于比流体重的大多数固体颗粒和与应用相关的分散液滴)或者集中到波节中(适用于比流体轻的气泡或液滴)。在该情形中，通常选择波场的频率，以使得介质中声场的波长比待分离颗粒的直径大一到两个数量级。与实际相关的是尤其在100kHz至10MHz的数量级的频率范围。
[0006]由于颗粒声学诱导迁移到驻波场的波腹或波节区域，这些颗粒通常在那里被压缩成颗粒聚集体，其在流体或气体颗粒的情形中也可能导致融合成更大的液滴或气泡。发生此类压缩的两个毗邻区域之间(即毗邻波腹或毗邻波节之间)的距离是介质中超声场波长的一半。
[0007]为了稳定地形成驻波场，容器必须在尺寸上基本稳定，以便能够在与声源的恒定方向和距离上反射声波。因此，尤其是声音生成区域中的容器壁以及与声音生成相对的容器壁的尺寸稳定性是重要的。因此，尺寸不稳定的容器(诸如塑料袋等)是不合适的，除非它们进而由尺寸稳定的装置适当支撑。由金属、玻璃或硬塑料制成、尤其是由具有生物相容性且因此特别适用于生物技术和医疗应用的材料制成的容器已被证明特别稳定且易于制造。
[0008]然而，由于实际上每个声学驻波声场都不是理想地均匀构建的，而是驻波场的声能通常在该容器内不均匀地分布(例如，由于来自声音发射振荡元件的表面的通常不均匀辐射以及由于将也可在横向方向上构建的声学共振场耦合到声音传播(例如，由于容器的横向内壁之间的声学反射))，声学力不仅在由振荡元件发射的声波的方向上在颗粒聚集体处发生，而且声学力也作用在此类横向方向上，其可以以流体在同样横向方向上流经声学区域的可能移动来抵消颗粒聚集体的夹带。在文献中，这被经典地称为“声学捕获”或颗粒带或“颗粒柱”的宏观形成。如果流体的原始颗粒浓度较低，则仅相对较少的颗粒富集在波腹或波节中，并且可以按特别明显的方式观察到声学捕获的效果。
[0009]由于波腹(或波节)内颗粒的局部浓度及其相关联的凝结，如果继续引入更多颗粒(例如，在分散体流过波场时)，则以此方式捕获的颗粒聚集体可随时间继续增长并且变得太重而无法由与浮力或重力相反的声学力永久地保持。如果颗粒聚集体变得太大，则这导致颗粒聚集体通过沉降(对于比流体重的颗粒)或浮选(对于比流体轻的颗粒)而自发地沉淀。然而，此类沉淀也可以按受控方式(通过故意停用声场)产生。
[0010]在进入驻波场之前，介质中的初始颗粒浓度越高，维持永久的声学捕获变得越困难，因为所形成的颗粒聚集体很快变得太重(或太轻)而无法通过抵抗浮力或重力的声学力来保持。在(进入声场的)流体内>1％(v/v)的数量级的颗粒浓度处，通常没有稳定的随机阶段(即，未通过使具有强横向场梯度的特定生成的声波几何结构稳定)声学捕获是可观察的；颗粒凝结成聚集体，并且随后聚集体从波场中沉淀基本上被认为是合流过程。
[0011]颗粒凝结到聚集体和通过重力或浮力使聚集体沉淀的此类合流过程在文献中也被描述为“声学增强式沉降”或类似地“声学增强式浮选”。
[0012]对于此类声学诱导分离过程，特别是对于颗粒浓度>1％(v/v)的流体，横向声学力的帮助有限，因为由于相对较高的颗粒浓度，在(垂直于声音传播方向形成的)波腹或波节平面内可能已经发生足够的凝结，并且(即，与这些波腹/波节平面平行的)附加横向力不会导致已经非常大的形成颗粒聚集体的进一步凝结，而是相反地导致将大的颗粒聚集体拆分成若干个较小颗粒聚集体，由此阻碍了聚集体从波场的高效连续沉淀。
[0013]在实践中，已经示出，对于基于以上所描述的声学诱导沉积的原理的颗粒浓度>1％(v/v)的分散体的分离，横向声学力通常应保持比纵向声学力(其导致颗粒主要迁移到波腹或波节平面中)弱一个数量级。
[0014]如专利EP0,633,049B1中所描述的，使纵向声学力(即，作用在声音传播方向上的声学力)超过横向声学力的有效方法是平坦驻波场的有针对性的激励。在该实施例之后，可
以实现与容器的平坦发射表面平行的平坦波腹和波节区域的主要表达，并且如果适用，可以实现平行相对的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于在流体(100)中产生具有频率f的驻波超声场、尤其是用于集中、固定或操纵所述流体(100)中的分散颗粒或用于保留或分离来自所述流体(100)的分散颗粒的装置，所述装置包括：用于接纳所述流体(100)的基本上尺寸稳定的容器(1)；以及声学地连接到所述容器(1)的外壁(12)且能以所述频率f激励的至少一个振荡元件(2)，其中，所述容器(1)至少在所述振荡元件(2)的区域中具有用于接纳流体的具有内半径r
o
的基本上为圆柱形的内部(14)，并且其中所述振荡元件(2)在与所述内部(14)的主轴(H)正交的方向上具有平均厚度p和宽度b，其中所述宽度b不大于内直径2r
o
，其特征在于，所述振荡元件(2)具有至少一个基本上平坦的侧表面(21)，并且所述振荡元件(2)经由所述平坦的侧表面(21)声学地连接到所述容器(1)的外壁(12)在所述圆柱形内部(14)的区域中的基本上平坦的连接表面(11)，其中所述连接表面(11)与所述圆柱形内部(14)的主轴(H)和所述振荡元件(2)两者平行地布置。2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述振荡元件(2)具有在厚度方向上极化并且与所述圆柱形内部(14)的主轴(H)平行地对齐的至少一个压电板(20)，并且所述压电板(20)具有与所述厚度方向垂直的电极表面。3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述振荡元件(2)在与所述内部(14)的主轴(H)平行的方向上具有为厚度p的至少两倍大、优选地至少三倍大的长度，并且所述振荡元件(2)的宽度b为厚度p的至少两倍大、优选地至少三倍大。4.如权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述振荡元件(2)具有与所述振荡元件(2)的平均厚度p相对应的基本上均匀的厚度。5.如权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，所述容器(10)的外壁(12)在所述圆柱形内部(14)的区域中除了所述至少一个连接表面(11)之外具有基本上圆柱形的形状。6.如权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于，所述振荡元件(2)的宽度b小于或等于3
·
(r
P
·
v
C
/f)
1/2
、优选地在(r
P
·
v
C
/f)
1/2
与2.5
·
(r
P
·
v
C
/f)
1/2
之间、特别优选地在1.5
·
(r
P
·
v
C
/f)
1/2
与2
·
(r
P
·
v
C
/f)
1/2
之间，其中适用r
P
＝r
o
+c
o
，r
o
是所述内部(14)的内半径，c
o
是所述振荡元件(2)的区域中的所述容器壁部段(10)的最小壁厚，并且v
C
是所述容器壁部段(10)中的声速。7.如权利要求1至6中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置具有换能器阵列(200)，所述换能器阵列(200)至少包括所述振荡元件(2)和在所述振荡元件(2)的区域中的容器壁部段(10)、以及可任选地声学地耦合到所述振荡元件(2)和/或所述容器壁部段(10)并且优选地布置在所述振荡元件的厚度方向上的另外的部件，其中所述容器壁部段(10)在所述连接表面(11)的中心区域中在所述振荡元件(2)的区域中具有最小壁厚c
o
、以及在所述振荡元件(2)的边缘区域中具有最大径向壁厚c
max
＝c
o
+Δc，并且所述容器壁部段(10)的等效平均壁厚c
equ
由c
equ
＝c
o
+Δc/3来定义，其中所述最大径向壁厚c
max
与所述最小壁厚c
o
之间的差异Δc由所述振荡元件(2)的宽度b经由关系Δc＝(b2/4+r
P
2)
1/2
‑
r
P
来确定，其中适用r＝r
o
+c
o
，并且r
o
是所述圆柱形内部(14)的半径。8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述换能器阵列的各层的厚度被选择为使得所述换能器阵列的自然共振频率f
er
与所述超声场的期望频率f具有大于距离f
er,1
‑
f
er,2
的
五分之一的距离，其中f
er,1
和f
er,2
是相对于所述频率f的两个最接近的自然共振频率f
er
。9.如权利要求7或8所述的装置，其特征在于，在所述振荡元件的厚度方向上声学地耦合的所述换能器阵列(200)的各层的厚度被选择为使得所述换能器阵列(200)的半波数κ满足以下条件：κ＝1/2+n
±
Δn其中n为自然数，并且公差值Δn至少小于0.3、优选地小于0.2、尤其优选地小于0.1，并且所述换能器阵列(200)的半波数κ基本上由下式给定：κ＝2f
·
(c
equ
/v
C
+p/v
P
+d1/v
d1
+d2/v
d2
+...+d
i
/v
di
),其中，vc是在所述振荡元件(2)的区域中在所述容器壁部段(10)中的声速，vp是在所述振荡元件(2)中厚度方向上的声速，而d1至di是所述换能器阵列(200)在所述厚度方向上声学耦合的另外的层(23、24、25、26)的厚度并且vd1至vdi是所述换能器阵列(200)在所述厚度方向上声学耦合的另外的层(23、24、25、26)的声速，如果存在这些另外的层的话；并且索引“i”是指示所述换能器阵列的这些另外的层(23、24、25、26)的数目的自然数。10.如权利要求1至9中任一项所述的装置，其特征在于，所述振荡元件(2)的厚度p被选择为基本上等于值v
P
/(2f)，其中v
p
是在所述振荡元件(2)中厚度方向上的声速。11.如权利要求1至10中任一项所述的装置，其特征在于，所述振荡元件(2)的宽度b在(r
P
·
v
C
/f)
1/2
与4
·
(r
P
·
v
C
/f)
1/2
之间、优选地在1.5
·
(r
P
·
v
C
/f)
1/2
与3.5
·
(r
P
·
v
C
/f)
1/2
之间、特别优选地在2
·
(r
P
·
v
C
/f)
1/2
与3
·
(r
P
·
v
C
/f)
1/2
之间的范围中，其中适用r
P
＝r
o
+c
o
，r
o
是所述内部(14)的内半径，c
o
是所述振荡元件(2)的区域中的所述容器壁部段(10)的最小壁厚，并且其中v
C
是所述容器壁部段(10)中的声速，并且其中v
P
是在所述振荡元件(2)中厚度方向上的声速。12.如权利要求7至11中任一项所述的装置，其特征在于，所述换能器阵列(200)的在厚度方向上声学耦合地布置在所述振荡元件(2)与所述容器壁部段(10)之间的耦合层(23、24)的厚度d'1至d'
j
以及所述容器壁部段(10)的最小壁厚c
o
被选择为满足以下条件：c
o
/v
c
+((b2/4+r
P2
)
1/2
‑
r
P
)/(3v
C
)+d'1/v
d'1
+d'2/v
d'2
+..+d'
j
/v
d'j
＝p/v
P
·
(1/2+q
±
Δq)其中，v
d'1
至v
d'j
是所述耦合层(23、24)的声速，其中所述索引数j是指示布置在所述振荡元件(2)与所述容器壁部段(10)之间的所述换能器阵列的耦合层(23、24)的数目的自然数，并且q是自然数，并且公差值Δq至少小于0.3、优选地小于0.2、特别优选地小于0.1。13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所有耦合层(23、24)具有可忽略的厚度或没有耦合层，因此所有d'基本上对应于0。14.如权利要求7至13中任一项所述的装置，其特征在于，所述换能器阵列(200)的在厚度方向上声学耦合的布置在所述振荡元件(2)背离所述容器的一侧上的外层(25、26)的厚度d"1至d"
k
被选择为使得满足以下条件：d"1/v
d"1
+d"2/v
d"2
+...+d"
k
/v
d"k
＝p/v
P
·
(s
±
Δs)其中，vd"1至vd"k是外层(25、26)的声速，其中索引数k是指示所述换能器阵列的布置在所述振荡元件的背离所述容器的一侧上的外层(25、26)的数目的自然数，并且s是自然数，并且公差值Δs至少小于0.3、优选地小于0.2、特别优选地小于0.1。15.如权利要求1至14中任一项所述的装置，其特征在于，所述容器...

【专利技术属性】
技术研发人员：费利克斯，
申请(专利权)人：费利克斯，
类型：发明
国别省市：