聲驅動納米微粒集中器的製作方法

2023-07-07 06:36:11

專利名稱：聲驅動納米微粒集中器的製作方法
聲驅動納米微粒集中器
背景技術：
以下描述用於幫助讀者理解。不承認提供的信息或引用的參考文獻是現有技術。在現代製造、消費者電子設備的普遍使用以及醫學應用中，來自擬人和自然來源的幾百納米或更小數量級的納米顆粒物質越來越多。傳統上，使用物理過濾系統從流體中去除顆粒。例如，在採暖通風和空調系統(HVAC)系統中，可以使用放入流體流的玻璃纖維或紡粘纖維過濾器、帶電板或陶瓷珠來去除顆粒。在液體流體中，可以使用各種機制的過濾器從液體中去除顆粒。然而物理過濾系統限制流體的流動，從而導致移動流體所消耗的能量更高並且導致頻繁的維護。此外，物理過濾系統可能容易堵塞。有興趣使用聲能(具體地，超聲能)在液相流體中高效地集中微粒。流體中超聲能的構思可以應用到流式細胞學、微流體學以及其他液相應用。可以使用超聲能，利用微米量級上的充液腔，來分離出微米尺寸的生物分子，如，細胞等。

發明內容
說明性的一種設備包括聲換能器，所述聲換能器被配置為與流體腔的至少一部分聲學關聯。流體腔被配置為諧振器。聲換能器被配置為在流體腔的所述至少一部分中產生聲波。聲波被選擇為提高流體腔中某一位置處至少一種顆粒的濃度。說明性的一種方法包括在流體腔的至少一部分中形成聲波。流體腔被配置為諧振器。聲波被選擇為在流體腔中某一位置集中流體腔中的至少一種顆粒。聲波在流體腔的所述至少一部分中諧振。以上發明內容僅僅是說明性的，而絕不是限制性的。除了上述示例性的各方案、各實施例和各特徵之外，參照附圖和以下詳細說明，將清楚其他方案、其他實施例和其他特徵。


結合附圖，通過以下描述和所附的權利要求，本公開的前述和其他特徵將變得更清楚。應理解，這些附圖僅描述了根據本公開的若干實施例，因此不應被看作是限制本公開的範圍，將利用附圖來更具體詳盡地描述本公開。圖I是根據說明性實施例的聲微粒集中器的示意性正視圖。圖2是根據說明性實施例的圖I的聲微粒集中器的示意性側視圖。圖3是根據說明性實施例的具有圓形截面的聲微粒集中器的示意性側視圖。圖4是根據說明性實施例的包括阻抗材料的聲微粒集中器的示意性正視圖。圖5是根據說明性實施例的圖4的包括阻抗材料的聲微粒集中器的示意性側視圖。圖6是根據說明性實施例的具有圓形截面的包括阻抗材料的聲微粒集中器的示意性正視圖。圖7是根據說明性實施例的聲微粒集中器系統的示意性正視圖。
圖8是示出了根據說明性實施例的為了聲學地集中微粒而執行的操作的流程圖。
具體實施例方式在以下詳細描述中，參考附圖，附圖構成以下詳細描述的一部分。在圖中，除非上下文指出，否則相似的符號典型地表示相似的組件。詳細描述、附圖和權利要求中描述的說明性實施例不旨在限制。在不脫離本文提出的主題的精神和範圍的前提下，可以採用其他實施例，並且可以進行其他改變。容易理解，本文中一般性描述的並且在圖中示出的本公開的方面可以以多種不同方式被布置、替換、組合和設計，所有這些布置、替換組合和設計都是可以毫無疑義地得出的，並且構成本公開的一部分。本文針對聲微粒集中器描述了說明性的系統、方法、計算機可讀程序等。由諸如流體腔等多層諧振結構產生例如四分之一波長諧振模式下的聲波，並且使用所述聲波來集中流體中的納米微粒汙染物。可以由附著到流體腔的聲換能器來產生聲波。這些聲波工作在大的頻率範圍上，但具體工作在可聽範圍上。可以在流中收集納米微粒，並且可以轉移所述納米微粒以用於分析、矯正、隔離或其他用途。例如在標準排氣管道中，可以使用可聽或接近可聽的聲信號來聲學地驅動諧振。 參考圖1，示出了根據說明性實施例的聲微粒集中器100的示意性正視圖。聲微粒集中器100包括流體腔110和聲換能器120。流體腔110可以是封閉物或部分封閉物，其能夠至少部分地或完全地容納流體，例如但不限於氣體。流體是在施加剪應力的情況下連續變形(流動)的物質。流體可以是液體、氣體或者液體和氣體的結合。液體的示例是水、乙二醇、油等。氣體的示例是空氣、氮、蒸汽等。流體可以具有任何溫度、壓強或密度，只要使其仍然處於液相或氣相即可。流體腔110可以例如是管道、管子、專用氣室、封閉物或旋流器。例如，流體腔110可以是HVAC管道。流體腔110可以由金屬、塑料或基於纖維的材料製成。例如，流體腔110可以由鋼、鍍鋅鋼、鋁、鈦或任何氣體金屬製成。備選地，流體腔110可以由聚氯乙烯(PVC)、丙烯睛-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚碳酸酯或任何其他塑料製成。流體腔110可以具有大於幾平方釐米的截面。例如，流體腔110可以是截面為大約45平方釐米的3英寸管道。流體腔110可以是截面為大約45平方釐米的3英寸圓形管道。流體腔110可以是截面為大於33300平方釐米的6英尺X 6英尺矩形管道。備選地，流體腔110可以是截面為大約O. 4平方釐米的O. 25英寸圓形管道。流體腔110可以是任意形狀和任意尺寸的。在備選實施例中，流體腔110具有大約25平方釐米到大約900平方釐米的截面。聲換能器120可以是產生聲波的設備。例如,聲換能器120可以是揚聲器、擴音器、磁感應單兀、壓電揚聲器或任何其他聲音產生設備。聲換能器120與流體腔110的至少一部分130聲學關聯。聲學關聯意味著第一對象和第二對象被配置為使得可以以最小的衰減(例如，大約50%)將聲波(S卩，聲能)從第一對象傳輸至和/或傳輸通過第二對象。流體腔110的部分130可以包括與流體腔110的長度相關聯的頂部、底部、第一側和第二側。例如，在包括幾百英尺的9」X 16」管道網路的管道系統中，流體腔110的部分130可以是管道網路的3英尺部分。在一個備選實施例中，聲換能器120直接附著到流體腔110的部分130，使得聲換能器120產生的聲波傳輸到流體腔110的部分130內。在另一備選實施例中，流體腔110的部分130自身是聲換能器120的一部分。例如，在將壓電裝置附著到採暖管道時，採暖管道的材料起到聲換能器的振動膜的作用。備選地，可以將聲換能器構造到流體腔中。聲換能器120可以產生單一聲頻率或順序地或同時地產生多個聲頻率。如下所述，頻率可以被選擇為影響具體的微粒。聲換能器120還可以產生音樂。音樂可以被選擇為包括處於具體功率級的具體頻率。例如，頻率可以在OHz到60kHz範圍內，功率級可以在O分貝到200分貝範圍內。可以沿流體腔110的部分130放置一個或多個聲換能器。例如，可以在矩形管道的每一側放置聲換能器。在另一示例中，可以圍繞圓形管道的外側放置聲換能器。每個聲換能器可以設計用於不同的頻率範圍或相同的頻率範圍或其組合。在另一說明性實施例中，整個流體腔110可以與一個或多個聲換能器聲學關聯。流體腔110的部分130可以被配置為諧振器。在一個說明性實施例中，流體腔110的部分130可以是四分之一波長諧振器。流體腔110的部分130的第一側140和流體腔110的部分130的第二側150彼此相隔四分之一波長(λ/4)。聲換能器120位於第一側140。 因此，當聲換能器120形成波長為λ的聲波時，在流體腔110的部分130中形成四分之一波長駐波160。四分之一波長駐波160包括第一側140處的波節162和第二側150處的波腹。在波節162處聲功率最小，在波腹166處聲功率最大。在另一備選實施例中，流體腔110的部分130可以是二分之一波長諧振器。流體腔Iio的部分130的第一側140和流體腔110的部分130的第二側150可以彼此相隔二分之一波長(λ/2)。在所不實施例中，聲換能器120位於第一側140。因此，當聲換能器120形成波長為λ的聲波時，在流體腔110的部分130中形成二分之一波長駐波170。二分之一波長駐波170包括位於第一側140和第二側150的波節(172，174)和位於第一側140與第二側150之間半途處的波腹176。在波節(172，174)處聲功率最小，在波腹166處聲功率最大。備選地，流體腔110的部分130可以被配置為使得可以形成其他分數駐波。流體腔Iio的部分130可以被設計為使得流體腔110的部分130的各個區域可以產生基於不同波長的駐波。此外，流體腔110的部分130可以被配置為產生二維駐波。例如，可以通過針對每一維度使用換能器、在一個維度使用換能器而在另一個維度使用反射器、或者使用瞬態聲激勵，來產生二維駐波，其中所述瞬態聲激勵是三維的，並且被設計為使得傳播的波序列產生與諧振結構相呼應的二維或三維駐波。可以使用適於控制換能器的計算機來產生和控制二維和三維駐波。流體腔110可以定向、約束或容納流體180。流體180可以是例如氣體或液體。流體180可以用於加熱、冷卻或移動流體180內分散的材料。在一個說明性實施例中，氣體可以是環境空氣、加熱空氣、空調空氣、加溼空氣或製冷空氣。在另一備選實施例中，氣體可以是工業氣體、醫學氣體或者諸如提純的氮、氧、氬或二氧化碳之類的專業氣體。在一個說明性實施例中，液體可以是冷卻液體、加熱液體或者用於移動材料的液體，如，水、乙二醇或氨
坐寸ο流體180包含顆粒185。顆粒185可以包括各種尺寸、形狀、重量、密度和材料的微粒。例如，顆粒185可以包括但不限於納米微粒、灰塵、細菌、微生物、病毒、孢子、分子或高分子。顆粒185可以是任何尺寸的，但典型地直徑為O. 01至10微米。顆粒185還可以直徑為大約10至25微米或者直徑為大約25至50微米。顆粒的示例可以包括灰塵、汙垢和飛灰。納米微粒可以被看作是直徑為大約O. I至O. 5微米的任何微粒。納米微粒還可以包括直徑大約O. 5至I微米或者直徑大約I到5微米的任何微粒。納米微粒的示例可以包括灰塵、汙垢、來自納米技術製造工藝的廢料、作為來自化學反應、化工產品、其他空氣汙染的產物的微粒。在一個說明性實施例中，流體180沿箭頭190的方向流動。當激活聲換能器120時，產生聲波，可以通過開關、檢測器來手動激活聲換能器120，或者通過自動化控制系統來激活聲換能器120。聲波可以使顆粒185向第二側150移動。因此，產生由箭頭195表示的聲學力。聲波被選擇為提高流體腔110中某一位置處顆粒185的濃度。當流體腔110的部分130是四分之一波長諧振器時，流體腔110中的該位置在第二側150的波腹166處。由於四分之一波長波在氣室頂部附近或頂部處產生具有能量最大值的波節，所以聲波能量將納米微粒有區別地驅動到流的頂部。當流體腔110的部分130是二分之一波長諧振器時，流體腔110中的該位置在流體腔110中間的波腹176處。通過使用允許二分之一波長諧振的諧振結構，在流體腔的中點處收集微粒。因此，各種微粒收集配置成為可能，從而允許各種微粒收集點。氣體中微粒受到的聲學力(FJ與微粒半徑的三次冪成比例，使得
權利要求
1.一種設備，包括 聲換能器，與配置為諧振器的流體腔的至少一部分聲學關聯，其中， 聲換能器被配置為在流體腔的所述至少一部分中產生聲波， 聲波被選擇為提高流體腔中某一位置處至少一種顆粒的濃度。
2.根據權利要求I所述的設備，還包括 收集裝置，與流體腔相關聯，並且被配置為收集所述至少一種顆粒。
3.根據權利要求2所述的設備，其中，收集裝置位於聲波的波腹或波節處。
4.根據權利要求I或2所述的設備，其中，流體腔被配置為容納流動的氣體，所述至少一種顆粒懸浮在所述氣體中。
5.根據權利要求1、2或4所述的設備，其中，所述至少一種顆粒包括納米顆粒。
6.根據權利要求I、2、4或5所述的設備，其中，流體腔的所述至少一部分包括在流體腔的所述至少一部分的一側處的阻抗匹配材料。
7.根據權利要求6所述的設備，其中，所述阻抗匹配材料是金屬。
8.根據權利要求6所述的設備，其中，流體腔的所述至少一部分包括在流體腔的所述至少一部分的另一側處的反射材料。
9.根據權利要求8所述的設備，其中，所述反射材料包括軟木、橡膠和泡沫中的至少一個。
10.根據權利要求8所述的設備，其中，流體腔的所述至少一部分是四分之一波長諧振器，所述阻抗匹配材料和所述反射材料位於所述四分之一波長諧振器的相對端。
11.根據權利要求8所述的設備，其中，流體腔的所述至少一部分是二分之一波長諧振器，所述阻抗匹配材料和所述反射材料位於所述二分之一波長諧振器的相對端，收集裝置位於流體腔的所述至少一部分的中部。
12.根據權利要求1、2、4、5、6或8所述的設備，還包括 至少一個傳感器，位於流體腔的所述至少一部分的入口或出口處，並且被配置為測量所述至少一種顆粒的濃度；以及 控制器，與所述至少一個傳感器通信耦合，並且被配置為根據測量的所述至少一種顆粒的濃度來選擇頻率。
13.根據權利要求12所述的設備，其中，所述至少一種顆粒包括第一顆粒和第二顆粒，所述至少一個傳感器測量第一顆粒的第一密度和第二顆粒的第二密度； 控制器被配置為選擇第一頻率來提高流體腔中第一位置處第一顆粒的濃度，選擇第二頻率來提高流體腔中第二位置處第二顆粒的濃度。
14.一種方法,包括 在配置為諧振器的流體腔的至少一部分中形成聲波，其中聲波被選擇為在流體腔中某一位置處集中流體腔中的至少一種顆粒，並且聲波在流體腔的所述至少一部分中諧振。
15.根據權利要求14所述的方法，還包括 在流體腔的所述位置處收集所述至少一種顆粒。
16.根據權利要求14或15所述的方法，其中，流體腔中的所述位置位於聲波的波腹或波節處。
17.根據權利要求14、15或16所述的方法，其中，流體腔被配置為容納流動的氣體，所述至少一種顆粒懸浮在所述氣體中。
18.根據權利要求14、15、16或17所述的方法，其中，所述至少一種顆粒包括納米顆粒。
19.根據權利要求14、15、16、17或18所述的方法，其中，流體腔的所述至少一部分包括阻抗匹配材料。
20.根據權利要求14、15、16、17、18或19所述的方法，其中，流體腔的所述至少一部分包括反射材料。
21.根據權利要求20所述的方法，其中，流體腔的所述至少一部分是四分之一波長諧振器，所述阻抗匹配材料和所述反射材料位於所述四分之一波長諧振器的相對端。
22.根據權利要求14、15、16、17、18、19或20所述的方法，其中，聲波具有在IHz到5000Hz範圍內的頻率。
23.根據權利要求14、15、16、17、18、19、20或22所述的方法，其中，形成聲波發生在感測所述至少一種顆粒的閾值濃度之後。
24.根據權利要求14、15、16、17、18、19、20、22或23所述的方法，其中，所述至少一種顆粒包括第一顆粒和第二顆粒，第一顆粒的第一密度大於第二顆粒的第二密度。
25.根據權利要求24所述的方法，其中，聲波包括第一頻率和第二頻率，第一頻率被選擇為提高流體腔中第一位置處第一顆粒的濃度，第二頻率被選擇為提高流體腔中第二位置處第二顆粒的濃度。
全文摘要
一種設備，包括聲換能器，聲換能器被配置為與流體腔的至少一部分聲學關聯。流體腔被配置為諧振器。聲換能器被配置為在流體腔的所述至少一部分中產生聲波。聲波被選擇為提高流體腔中某一位置處至少一種顆粒的濃度。
文檔編號B01D51/08GK102933280SQ201080067234
公開日2013年2月13日 申請日期2010年6月4日 優先權日2010年6月4日
發明者陳勝偉, 艾德爾多·沃, 塞謬爾·羅斯·格蘭德·蘭永, 斯圖爾特·艾略特, 理察·艾爾曼 申請人:英派爾科技開發有限公司