TW201006552A - Fluidic structures for membraneless particle separation - Google Patents

Description

201006552 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 於共同專利申請案中業已說明具有一般呈螺旋或弧形 構形之若干不同類型無薄膜粒子分離的流體構造。一般而 言，此等裝置在關於相較於水具有密度差之粒子方面有 用，如此，透過用於分離之流道，產生橫向遷移所需離心 力或浮力。一些此等裝置亦可依其構形用來分離中性漂浮 粒子。 β 【先前技術】 參考第1圖，其顯示一分離裝置之例子。該形式顯示 具有增大之曲線半徑之膨脹螺旋流道22。此幾何圖形利用 ' 壓力變化比率。亦可使用其他構形。於其他形式中，裝置 . 具有收縮螺旋流道，該螺旋流道具有用於側壁之曲線之減 小半徑。曲線半徑及流道大小亦可保持恆定。於任何情況 下，流道22展開成兩個別流道24及26 (例如，於第1圖中 稱爲流道#1及流道# 2)以提供用於流體之兩排出路徑。 β 此等分離裝置類型以各種方式提供粒子分離。例如， 依流速而定，可藉流體流透過流道所產生之離心力或壓 力，驅動粒子分離。無論如何，此等裝置之目的在於實現 粒子分離。於此方面，在入口處之均質分佈粒子被分離成 帶或聚集於流體流之一部分，並於出口處分成第一部分或 帶，其包含所選粒子，以及第二部分，其內部不具有此等 粒子。期望用於不同環境及倂入所選改進之此等類型的設 計及實施。 201006552 【發明内容】 於目前所說明實施例中，該系統包括複數個個別弧形 粒子分離裝置，其等堆叠成此等裝置相互平行’且一入口 耦合器，入口耦合器運作以促進流體輸入至複數個個別弧 形粒子分離裝置之所有入口。 於目前所說明實施例之另一態樣中，弧形粒子分離裝 置係螺旋裝置。 於目前所說明實施例之另一態樣中’弧形粒子分離裝 φ 置包括多數弧形部，其等沿直徑跨在180度與360度的角 度距離之間。 於目前所說明實施例之另一態樣中，該系統進一步包 - 括反饋控制系統。 ^ 於目前所說明實施例之另一態樣中，反饋控制系統根 據壓力、流動速率、帶寬、黏度及溫度之至少一者運作以 控制該系統。 於目前所說明實施例之另一態樣中，該系統進一步包 〇 括至少第二組複數個堆疊弧形粒子分離裝置，其等配置成 平行於複數個堆叠弧形粒子分離裝置。 於目前所說明實施例之另一態樣中，該系統包括：入 口歧管；複數分離流道，有助於流體在其內流動，並配置 成螺旋構形；以及輸出歧管。 於目前所說明實施例之另一態樣中，該輸出歧管內部 包含一部分，該部分運作，自流道之每一者將流體流分流。 於目前所說明實施例之另一態樣中，該部分係靜態軸 環部。 201006552 於目前所說明實施例之另一態樣中，該部分實質上係 圓形軸環部。 於目前所說明實施例之另一態樣中，該部分由多數曲 線構成以提供流體流之連續可調分流。 於目前所說明實施例之另一態樣中，該部分由多數分 立梯級段構成，以提供流體流之梯級式可調分離。 於目前所說明實施例之另一態樣中，複數個分離流道 配置於第一載台及第二載台。 • 於目前所說明實施例之另一態樣中，第一載台與第二 載台爲流體變流器所分離。 於目前所說明實施例之另一態樣中，該系統進一步包 - 括反饋控制系統。 . 於目前所說明實施例之另一態樣中，反饋控制系統根 據壓力、流動速率、帶寬、黏度及溫度之至少一者運作以 控制該系統。 於目前所說明實施例之另一態樣中，該系統進一步包 β 括入口總管及出口總管。 於目前所說明實施例之另一態樣中，該系統進一步包 括連接於該入口總管及出口總管之第二裝置。 【實施方式】 目前所說明實施例係有關實現屬於堆疊及/或平行構 形之流體分離構造之建構的各種流體構造、實施方法及所 選製造技術。此等構思之系統提供待處理流體之有效率的 輸入、改良通量以及於某些變化例中，輸出流體之可調及 有效率的處理。 201006552 須理解此等裝置之變化例可根據大小比例及流道構造 實現。然而，經過深思，在此所說明之實施例於規模上極 度可變，涵蓋微型規模（0至lOmL/min(毫升/分）），小型規 模（10至1 000mL/min)及巨型規模（1至10mL/min)單流道流 速。 本發明想到使用方便堆疊技術之平面實施例。在這方 面，範圍在180至360度內之圓弧（未完成螺旋）容許橫流 型式發展的多數連續級（sequential stages)、用於若干循環 ® 通路而將粒子掃至流體流中所欲位置之穩定狀態流速及時 間的達成。在此所說明平面實施例包含螺旋形螺旋。 目前所想到的實施例可由用於微型規模之諸如PDMS ' 的低廉材料、用於小型規模及巨型規模用途之低廉塑膠（諸 - 如丙烯酸、璐彩特（Lucite)及聚碳酸酯）。亦說明用於某些 實施例之所選製造技術。 此外，平行之八個流道螺旋形螺旋實施例提供快速裝 配及拆卸。所想到的此種實施例的顯著特點包含方便的入 ® 口岐管及出口岐管，其等包含將流體分成粒子及廢水流體 流的分叉機構或分流器。所想到的實施例亦容許多段裝置 運轉以輸出供進一步處理或加工之極窄粒子帶。因此，想 到其他平行構形實施例及製造技術。亦可藉目前所說明實 施例之任一者實施反饋及或控制系統。 現在參考第2圖，其顯示單一平面螺旋分離裝置30。 裝置30具有入口 32、至少一個彎曲或螺旋部34及出口 36。在一種類型中，此種平面多螺旋流道裝置30可由塑膠 製成，塑膠類型可隨著特定用途及實施的環境而不同。於 201006552 裝置30之一變化例中，可移除裝置30接近入口 32之中央 區以容許後文說明之入口耦合器。裝置之螺旋部34可爲各 種形式。例如，螺旋部34可收斂或分歧。作爲又一例子， 出口 36及入口 32之位置可互換以配合用途，例如增加或 減少離心力。 須知，分離流體中粒子之個別彎曲或螺旋分離裝置， 像是裝置30或本文所考慮之其他裝置之基本操作於上述 專利申請案（倂提於此俾供參考）之選擇部分中詳加說明。 © 因此，此種操作在此將不說明，除非此說明有助於目前所 述實施例之說明。 參考第3圖，其代表性顯示系統40，此系統40包括 - 複數個裝置30(顯示於第2圖中），其等平行堆疊以容許流 . 體之N層平行處理。於第3圖中亦代表性顯示入口耦合器 42，其容許輸入流體自共同供應源供至整個堆疊內各裝置 30。入口耦合器42可爲各種形式；惟，於一例子中，入口 耦合器42爲圓筒形，且於其內形成有穿孔。此等穿孔對應 © 於堆叠在系統40中之裝置30的入口。亦可實施類似構形 之多數出口耦合器。在此顯示兩個出口耦合器44及46’ 雖則出口耦合器之數目可根據用於各堆疊裝置之出口路徑 或流道的數目改變。入口耦合器例如可透過外部鋁板’僅 與頂部流道連結。對所有層的流體連接可藉由除了底部’ 衝切所有頂層達成。至少兩流體出口或諸如44及46所示 者之出口耦合器可以相同方式連接於頂板上。所有入口及 出口連接亦可實施於底板上。 參考第4圖，系統50包括多平面彎曲弧段52(例如分 201006552 級弧段）’其等直立堆疊成平行流道以增加通量。此等平面 彎曲弧段並不完成任一段52之環圈，雖則在此情況下，螺 旋裝置之特徵及供應適用於此等段52。弧段或彎曲部52 包括入口 54、彎曲或弧部56及出口 58。於第4圖中亦顯 示入口耦合器60，其再度容許流體自共同源流至圖示之所 有個別弧段。須知，入口耦合器42可爲各種形式。於一例 子中，入口耦合器爲圓筒形，且於其內形成有對應於各層 之入口之穿孔或連續長槽。亦可實施至少一個入口耦合 ® 器。例如’（多數）入口耦合器可類似第3或4圖之入口耦 合器。 參考第5圖，其顯示包括多數堆疊流道（未個別顯示） - 之另一平面彎曲構造70。此彎曲構造70具有入口 72(可 . 包含入口耦合器）、彎曲部74及76以及至少一個出口 78 或79。出口 78定位於彎曲部74與彎曲部76間的曲線周 圍的中途。用於所選第二尺寸或密度之粒子（例如中性漂浮 粒子）之第二出口 79定位於對向入口 72之曲線端部。一般 ® 而言，此等出口 78及79可用來從流體流移除不同尺寸或 密度之粒子。如以上，亦可使用至少一個出口耦合器。 參考第6圖’其顯示系統80。此系統80包括複數個 如第5圖所示裝置70，此等裝置70堆疊於一容許藉由平 行處理增加通量之構形中。須知，本系統80亦可包括寬度 增大之單一裝置70。當然，可於本系統中實施一入口耦合 器及或至少一個出口耦合器。 參考第7圖，其顯示系統90»顯示系統90代表第6 圖之複數個系統90之又一實施例。該設計可隨著目前所說 201006552 明實施例實施之系統及/或環境之空間要件而有利。顯然， 如圖所示，用於彎曲分離裝置之所有部之入口位於系統90 構形之中心。這容許輸入流體之有效率的處理，並可藉由 使用諸如入口耦合器42(第3圖）及入口耦合器60(第4圖） 之入口耦合器。再度，亦可實施出口耦合器或耦合器。 參考第8(a)至8(d)圖，須知，可使用種種不同技術製 造第3、4、5、6及7圖之堆疊及/或平行實施例。第8(a) 至8(d)圖顯示目前所說明實施例實施之不同實施例之各個 0 截面。此等圖亦提供製造細節之說明，此等細節可用來形 成目前所說明實施例。 參考第8(a)圖，其顯示構形100之橫剖視圖。於此形 - 式中，管件1〇2配置於形成在諸端板106間之室內。如圖 . 所示，此等室由多數板104及多數隔件108所界定。於本 構形中，管件102可控制地擠壓於諸板104間。爲實現此 構形100，可使用各種不同材料。然而，於第8(a)圖之構 形之一形式（及於第8(b)-8(d)圖之對應元件例）中，諸端板 β 106由鋁形成，且管件102由太空管（Tygon)形成，且諸隔 件108及諸板104由諸如膠質玻璃（Plexiglas)之塑膠材料 形成。 於第8(b)圖中，提供除了管件102嵌入形成於板112 中之空腔114及堆疊以增加通量外類似之構造11〇。此等 板亦設有多數對準凹口 116。可使用諸如膠質玻璃 (?16\丨81&3)之塑膠材料之任何適當材料來形成多數板112。 參考第8(c)圖，其顯示去除管件102之系統120。於 此情況下，充份密封之多數空腔124形成於基板122中， -10- 201006552 並形成堆疊以增加通量之多數流體流道。亦顯示密封頂部 空腔124之蓋層128。如同第8(b)圖，亦設置多數對準凹 口 126。基板122及蓋層128可由任何適當材料來形成； 然而’於至少一形式中，此等元件由諸如膠質玻璃（商標名 稱Plexiglas)之塑膠材料形成。 參考第8(d)圖，系統130包括由多數壁部134及多數 板136形成之螺旋路徑132。此等壁部134及板136可爲 多種形式。然而，於一形式中，此等構造由塑膠形成。基 ❹ 本上，構造134形成並接著層疊於兩側上以形成多數圍封 流道132。再度，堆疊此等平行裝置以改進支撐及通量。 如第8(a)-(c)圖，兩端以例如由鋁形成之多數板支撐。 * 第 9(a)及9(b)圖顯示目前所說明實施例之又一實施 . 例。如於第9(a)圖中所示，裝置200包含成螺旋形螺旋配 置之八個平行流道。如於第9 (b)圖之分解圖、第10(a)圖 之橫剖視圖及第10 (b)圖之端蓋及歧管構造所示，本實施 例提供快速裝配及拆卸。 β 於操作中，流體透過入口 202進入裝置200並透過流 出路徑2 04及206離開（分離）。上流體歧管210透過端蓋 2 1 2上之個別徑向歪斜長槽對八個個別流道（諸如流道 214)。下端蓋216具有對應各流道之多數長槽及對應滑槽 217。流出歧管218包含內環219，該內環219作爲將流體 分成粒子及廢水流之分叉。 諸如流道214之多數流道所形成之螺旋形螺旋構造裝 入外保護套筒220內。須知，於一形式中，裝置200藉由 逆轉頂部和底部歧管以及端蓋構造旋緊。旋緊將螺旋形螺 -11- 201006552 旋相互推抵，如此防止個別流橫截面變形，並因此容許使 用較薄及低廉材料以及進一步在空間上減小。各個別流道 可任選地在入口及出口具有個別流控制以停止流動。 雖然本設計在其以0.1至l〇m/S範圍內之速度操作時 或多或少自行清潔，平行流道卻容許多餘流道，在一流道 中發生堵塞時，其他流道介入流動減弱以連續操作。任選 地，流動感測器可倂入反饋回路中而調整流速以維持恆定 分離速度。此外，諸如快速混合器之其他線上裝置可與頂 Φ 部歧管整合。圖示有八個流道平行，然而，可使用任何數 目之流道。 依流體源之水品質，亦即粒子濃度及尺寸分佈，螺旋 - 分離器將所有粒子集中成不同寬度的帶。爲容許即時最佳 . 化螺旋濃縮器之效率，較佳係具有可調整分流器。 參考第10(a)及10(b)圖，其顯示具有此種分流器之出 口歧管218。分流機構可如將結合第11(a)至11(c)圖所說 明，採用各種形式；然而，於至少一形式中，分流器容許 β 流體分離，俾一部分222於第一路徑成爲廢水流離開裝 置，且流體之一部分224於含有粒子（例如，粒子帶）之第 二路徑離開裝置。 分流器連接於螺旋分離器裝置200，使之可在其中心 軸上旋轉。就具有八個平行流道之裝置200而言，分流器 典型地僅旋轉約45度。可將分流器壁的徑向變化角度最佳 化至所期望的流體源水質。例如，若品質依期望僅略微變 化，較小的半徑變化即足以涵蓋寬度變化範圍。若水質的 變化較大，即可能需要較大的半徑變化。當可調分流器手 -12- 201006552 動操作時，可使用線上儀器及其他感測器之反饋。操作分 流器之另一方式係提供自動反饋回路。以此方式，光學感 測器可用在流道之出口部，以不斷測量帶寬，並控制伺服 器或馬達以即時調整最佳分流設定。同樣地，亦可使用流 動感測器來監視用於流速反饋控制之流動速率，此流速反 饋控制藉由調整泵速及/或動力來進行。 參考第11(a)至11(c)圖，其顯示各種輸出流體歧管。 第11 (a)圖顯示靜態分流器。於該形式中，歧管218設有作 β 爲分流器之實質上圓形軸環裝置 219。具有預設分流 20:80、30:70之軸環裝置可透過80:20互換使用。第11(b) 圖顯示連續可調流動分離器，其提供定製曲率（custom ' curvature)之非線性控制。於此形式中，歧管21 8’設有部分 . 219’其包含策略性放置之彎曲及筆直部以提供連續可調 流。 第11(c)圖顯示分立梯級狀可調流分離器設計。於此形 式中，歧管218”包含部分219”其由多數分立梯級形成以提 ® 供分立梯級狀可調流。於此形式中，可用棘輪進行自一梯 級至次梯級的過渡。 於所有此等形式之任一者中，諸分流器藉由朝所選定 方向轉動裝置之歧管達所選定角度距離，予以調整。這將 移動分離機構越過流道之出口部，俾路徑222與路徑224 間的分離可變化。可藉電腦控制之馬達將調整自動化。 第12(a)及12(b)圖顯示第9(a)至11(c)圖中之實施例之 延伸，其中顯示一模組八流道兩段式螺旋狀螺線實施例。 流體變流器316設於圖示之實施例中。流體變流器包括圓 -13- 201006552 板326及3 2 8，其等內具有對應螺旋流道之長槽。流體變 流器亦包含連接圓板326及328中之對應長槽之流道33 0。 於第12(a)及12(b)圖所示例示性實施例中，在流體流中起 動流體變流，俾其中任何粒子帶自流道一側翻轉到流道另 一側以提供粒子之緊密結合。這實現較窄帶。於第12(b) 圖中顯示第一節314及第二螺旋節315。爲達到粒子帶之 上述翻轉，螺旋節315上下翻轉。流體變流器316定位於 諸節之間。 ❹ 爲進一步解釋變流程序之原理，參考第12(c)圖。須 知，在構造上第12(c)圖之實施例與第12(a)及12(b)圖之實 施例之不同點在於螺旋裝置係不同構形，且未顯示諸如變 • 流器316之變流器構造。然而，熟於本技藝人士當知結合 . 此圖所解釋之變流原理可應用於變流器316之變流程序。 如圖所示，螺旋裝置350包含入口 352、螺旋流道之第一 彎曲部或節354、過渡部356、第二彎曲部或節358及出口 360、362及364。於操作中，在入口 352接受流體，該流 ® 體流經第一節3 54，粒子被分離，且於某些形式中，被集 中在流道一側之粒子帶。當流體流經陡過渡點356，帶（或 分離粒子）翻轉至流道之對側。第二節358持續使粒子緊 實，形成更緊實，甚至更狹窄之粒子帶。 現在參考第13(a)及13(b)圖，其等顯示又一實施例。 於第13(a)及13(b)圖中顯示根據目前所說明實施例之螺旋 裝置6 00。於本實施例中’螺旋裝置600採用螺旋狀螺線 之形式。 在此方面，裝置604之螺旋本體部係具有入口 6〇6、 -14- 201006552 第一出口 608及第二出口 610之螺旋狀螺線。須知，單— 流道螺旋構造類似具有螺旋彈簧之形狀的中空“線條，，型 裝置。此裝置可以包括使用射出成形技術之多段之各種方 式製成。接著，於使用前使用習知方法將諸段熔接在一起。 另一用以製造此裝置之方法包含使用擠出成型技術，其 中’擠出之塑膠可空氣冷卻或浸於液槽，固化成所欲形狀 及構造。螺旋捲繞可藉由控制擠出心軸或冷卻槽的旋轉達 成。可使用各種不同材料，包含諸如具有蕭氏（Shore) ‘‘ A” © 硬度之pvc、高密度聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯及聚碳酸 酯之熱塑料。 如於第13(b)圖所示，諸如第13(a)圖所示者之螺旋裝 - 置可配設成平行配置以增加系統的通量。如圖所示，螺旋 . 裝置600全部自流體總管連接於輸入總管62 0，且諸裝置 600之個別第一出口連接於第一出口總管622。諸裝置600 之第二出口連接於第二出口總管624。 參考第14(a)至14(c)圖，其顯示具有直立堆疊平行流 β 道之類似系統。然而’第14 (a)圖之實施例顯示一種屬於螺 旋捲曲裝置之螺旋裝置700。該裝置700包含螺旋捲曲本 體704’其具有入口 706、第一出口 708及第二出口 710。 此一裝置可藉由將肋構造導至網式進給之Mylar狀 塑膠（或流體可滲透）材料製成。肋構造可使用快速凝固之 環氧印刷技術形成。 如第13(a)及13(b)所示實施例，第14(b)圖所示裝置 700可配置於一系統，其中複數個裝置700自流體岐管平 行連接於水入口 720。同樣地，用於此等裝置之第一流出 -15- 201006552 管線連接於第一出口總管722。諸裝置700之第二流出管 線連接於第二出口總管724。 參考第14(c)圖，須知，本體704可包括單一流道121 或複數流道121 0-1224。當然，可爲任意數目或形式之流道。 而且’須知，在所說明或考慮之螺旋或其他裝置之任 —者可以如第13(a)、13(b)、14(a)及14(b)圖所示，以瀑布 狀或平行方式配置。此等實際顯示者僅爲例子。又可使用 任何適當材料來形成在此所考慮之裝置。 ® 參考第15圖，其顯示一反饋及控制系統900例。如圖 所示’分離器902(其採用目前所說明或其他實施例所考慮 之螺旋或其他分離器之任一者的形式）接受流體9 04並加以 • 處理而獲得廢水流906及粒子流908。如以上所說明，系 . 統900可使用各種資料項，像是壓力、帶寬、流速、溫度 或黏度’其全部使用適當的感測器來測量。將資料送至控 制各種致動器920之控制器910，此等致動器920以所欲 方式運轉以修飾裝置902之性能。 ® 【圖式簡單說明】 第1圖係一螺旋粒子分離裝置例子之代表圖； 第2圖顯示目前所說明實施例之形式； 第3圖顯示目前所說明實施例之形式； 第4圖顯示目前所說明實施例之形式； 第5圖顯示目前所說明實施例之形式； 第6圖顯示目前所說明實施例之形式； 第7圖顯示目前所說明實施例之形式； 第8(a)-8(d)圖顯示目前所說明實施例之形式； -16- 201006552 第9(a)-9(b)圖顯示目前所說明實施例之形式； 第10(a)及10(b)圖顯示目前所說明實施例之一形式； 第ll(a)-ll(c)圖顯示目前所說明實施例之形式； 第12(a)-12(c)圖顯示目前所說明實施例之形式； 第13(a)-13(b)圖顯示目前所說明實施例之形式； 第14(a)-14(c)圖顯示目前所說明實施例之形式；以及 第15圖顯示目前所說明實施例之形式； 【主要元件符號說明】

30, 200 螺旋分離裝置 32, 54, 72, 202, 352, 606, 706 入口 34 螺旋部 36, 58, 78, 79, 360、362, 364 出口 40, 50, 80, 90,120, 130 系統 42, 60 入口耦合器 44, 46 出口耦合器 52, 74, 76 弧段或彎曲部 56 彎曲或弧部 70 彎曲構造 100 構形 102 管 104, 112， 136 板 106 端板 108 隔件 110 構造 114, 124 空腔 116, 126 對準凹口 -17- 201006552 122 128 132 134 204, 206 210 212 214, 330, 1210-1224 216 ❹ 217 218, 2185 219 220 219，，222, 224 • 314 315 316 326, 328 ❹ 350, 600, 700 354 356 358 604 608, 708 610, 710 620 622, 722 624, 724 基底 蓋板 螺旋路徑 壁部 流出路徑 上流體歧管 端蓋 流道 下端蓋 滑槽 流出歧管 內環（圓軸環裝置） 外保護套筒 部分（路徑） 第一螺旋節 第二螺旋節 流體變流器 圓板 螺旋裝置 第一彎曲部或節 過渡部 第二彎曲部或節 裝置 第一出口 第二出口 輸入總管 第一輸出總管 第二輸出總管 -18- 201006552 704 螺旋捲繞本體 900 控制系統 902 分離器 904 輸入流體 906 廢水流 908 粒子流 910 控制器 920 致動器 參 ❹ -19-

Claims (1)

1. 201006552 七、申請專利範圍： 1. —種粒子分離系統，包括： 複數個個別彎曲粒子分離裝置，堆疊成該等裝置相 互平行； 一入口耦合器，連接於該等裝置之所有入口，該入 口耦合器運轉以有助於流體輸入至複數個個別彎曲粒子 分離裝置之所有入口：以及 至少兩出口耦合器，連接於複數個個別彎曲粒子分 φ 離裝置之對應出口。 2. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該等彎曲粒子分離 裝置係螺旋裝置。 . 3.—種粒子分離系統，包括： —入口歧管； 複數個分離流道，有助於其內流體流，且配置成螺 旋形螺旋構形，其中該等流道相互平行；以及 —出口歧管。 〇 4.如申請專利範圍第7項之系統，進一步包括反饋控制系 統。 -20-