АКУСТИЧЕСКИЙ ФИЛЬТР ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ЧАСТИЦ ЖИДКИХ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ
ACOUSTIC FILTER FOR SEPARATION OF PARTICLES OF FLUID DISPERSED SYSTEMS

Изобретение относится к устройствам для разделения и концентрирования частиц жидких дисперсных систем: суспензий, взвесей и т.п. в поле стоячей ультразвуковой волны и может быть использовано в биологии, медицине, пищевой промышленности и т.д.
Известно устройство для осветления суспензий, содержащее рабочую камеру в виде прямоугольного корпуса, элемент для подвода суспензии, приемники осветленной жидкой фазы и сгущенных продуктов; устройство снабжено источником ультразвука, расположенным на одной стенке корпуса, а противоположная стенка установлена на расстоянии, кратном одной второй длины волны ультразвука, при этом приемники сгущенных продуктов выполнены в виде щелевых отсекателей и установлены в нижней части рабочей камеры под зонами пучности давлений ультразвуковой стоячей волны, а элемент для подвода суспензии снабжен дозатором для подачи флокулянтов, SU 1426950.
Недостатком такого устройства является отсутствие системы охлаждения рабочей камеры, что может привести к нежелательному нагреву суспензии, при этом устройство не обеспечивает достаточной степени разделения взвешенных частиц по фракциям, поскольку для предотвращения перегрева суспензии необходима весьма большая скорость ее прохождения через рабочую камеру, что может воспрепятствовать удержанию в ней частиц.
Известен акустический фильтр для разделения частиц жидких дисперсных систем, включающий вертикально расположенную рабочую камеру с подводящими и отводящими патрубками. Рабочая камера установлена в охладительной камере, включенной в систему циркуляции охлаждающей жидкости. Ультразвуковой излучатель выполнен в виде пластин, размещенных в охладительной камере и укрепленных на наружной поверхности рабочей камеры, US 5626767 (А).
Данное техническое решение принято в качестве прототипа настоящего изобретения.
Оно позволяет исключить необходимость больших скоростей жидкой среды в рабочей камере для ее охлаждения, что улучшает удержание частиц в рабочей камере в сравнении с SU 1426950. Однако прототипу присущ ряд серьезных недостатков.
2
Прежде всего следует отметить невысокую плотность ультразвуковой энергии в рабочей камере вследствие отсутствия возможности фокусировки и концентрации энергии от излучателя больших размеров в камере значительно меньшего размера. Пьезокристаллические и магнитострикционные ультразвуковые излучатели имеют пределы интенсивности ультразвука, излучаемого с единицы поверхности, как правило, не более 2-3 Вт/см, что ограничивает в устройстве-прототипе плотность ультразвуковой энергии в рабочей камере и соответственно производительность акустического фильтра.
Кроме того, ультразвуковое поле, создаваемое плоскими излучателями устройства-прототипа, является неравномерным, что обусловлено наличием выраженных локальных максимумов ультразвуковой энергии в рабочей камере вследствие особенностей диаграммы направленности плоского излучателя. Эта диаграмма характеризуется центральным максимумом со значительной амплитудой и боковыми лепестками со значительно меньшей амплитудой. Вследствие этого в рабочей камере в зоне, соответствующей центральному лепестку диаграммы направленности излучателя, силы ультразвукового поля, удерживающие частицы жидкой дисперсной системы, в несколько раз превышают силы ультразвукового поля в других частях камеры, что создает своего рода «дыры» в акустическом фильтре и существенно ухудшает качество разделения частиц, особенно близких друг к другу по размерам и акустическим параметрам, в частности по скорости распространения ультразвука в материале частиц.
Задачей настоящего изобретения является повышение производительности устройства, а также улучшение качества разделения частиц жидких дисперсных систем.
Согласно изобретению в акустическом фильтре для разделения частиц жидких дисперсных систем, включающем рабочую камеру с подводящим и отводящим патрубками, установленную в охладительной камере, включенной в систему циркуляции охлаждающей жидкости, и ультразвуковой излучатель, размещенный в охладительной камере, ультразвуковой излучатель выполнен в виде шарового сегмента, шаровой сегмент обращен вогнутой поверхностью к рабочей камере, плоскость основания шарового сегмента параллельна продольной центральной оси рабочей камеры и находится от нее на расстоянии
,
где R - радиус вогнутой поверхности шарового сегмента;
D - диаметр основания шарового сегмента;
l - длина рабочей камеры.
Заявителем не выявлены какие-либо технические решения, идентичные заявленному, что позволяет сделать вывод о соответствии настоящего изобретения критерию «новизна».
Благодаря реализации отличительных признаков изобретения объект приобретает два принципиально новых, весьма важных свойства.
Во-первых, обеспечивается возможность фокусировки ультразвуковой энергии в рабочей камере и создания в рабочей камере высокой удельной плотности этой энергии, существенно превышающей максимальную плотность энергии, излучаемой с единицы поверхности ультразвукового излучателя. Это позволяет значительно увеличить производительность устройства.
Во-вторых, ультразвуковое поле, создаваемое в рабочей камере, значительно более равномерно распределяется по ее объему, что предотвращает образование акустических «дыр» в фильтре и существенно повышает качество разделения частиц жидких дисперсных систем.
Заявителем не выявлены источники информации, в которых содержались бы сведения о влиянии отличительных признаков изобретения на достигаемый технический результат.
Указанные новые свойства объекта обусловливают, по мнению заявителя, соответствие изобретения критерию «изобретательский уровень».
Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где изображено:
на фиг.1 - схема установки, продольный разрез;
на фиг.2 - схема, иллюстрирующая взаимное расположение
излучателя и рабочей камеры;
на фиг.3 - разрез А - А на фиг.1;
на фиг.4 - схема, иллюстрирующая диаграмму направленности ультразвукового излучения заявленного устройства,
на фиг.5 - схема, иллюстрирующая диаграмму направленности ультразвукового излучения устройства-прототипа.
Акустический фильтр для разделения частиц жидких дисперсных систем включает рабочую камеру 1 с подводящей 2 и отводящей 3 магистралями, установленную в охладительной камере, содержащей корпус 4 и крышку 5, включенной в систему циркуляции охлаждающей жидкости, содержащую емкость 6, насос 7, подающий через магистраль 8 охлаждающую жидкость (в данном примере - воду) в охладительную камеру. Насос 7 связан с емкостью 6 магистралью 9. Охлаждающая жидкость отводится из охладительной камеры в емкость 6 через магистраль 10. Корпус 4 охладительной камеры выполнен из стекла, крышка 5 охладительной камеры выполнена из алюминиевого сплава. Внутри охладительной камеры, в конкретном примере в ее крышке 5 установлен пьезокерамический ультразвуковой излучатель 11, выполненный в виде шарового сегмента, который обращен вогнутой поверхностью к рабочей камере 1. Плоскость 12 основания шарового сегмента параллельна продольной центральной оси 13 рабочей камеры 1 и находится от нее на расстоянии
,
где R - радиус вогнутой поверхности шарового сегмента с центром в точке О;
D - диаметр основания шарового сегмента;
l - длина рабочей камеры.
Благодаря такой геометрии излучаемые ультразвуковые волны должны сходиться в точке О, находящейся за рабочей камерой 1, при этом энергия ультразвукового излучения практически полностью поступает в рабочую камеру 1 (фиг.2).
Жидкая дисперсная система, в данном примере разбавленный буферной жидкостью гомогенат нервной ткани животного из лабораторной посуды (не показана), с помощью насоса 14 засасывается в рабочую камеру 1 через магистраль 2. Всасывающий патрубок насоса 14 соединен с рабочей камерой 1 магистралью 3, нагнетательный патрубок насоса 15 соединен с приемной емкостью 17 магистралью 18. Ультразвуковой излучатель 11 питается от генератора 19 электрических колебаний ультразвуковой частоты.
Устройство работает следующим образом.
Жидкая дисперсная система содержит в данном примере частицы, представляющие собой обломки клеточных мембран нервной ткани (изображены кружочками на фиг.1, 3), размером более 0,5 мкм, и синаптосомы, представляющие собой микросферы диаметром менее 0,5 мкм (изображены точками на фиг.1, 3).
Жидкая дисперсная система поступает в рабочую камеру 1 и подвергается воздействию ультразвукового излучения, которое создается излучателем 11 и представляет собой стоячую ультразвуковую волну.
Благодаря реализации признаков настоящего изобретения ультразвуковое поле более равномерно и не имеет выраженных локальных максимумов (фиг.4), присущих ультразвуковому полю, создаваемому устройством-прототипом (фиг.5). Под действием сил радиационного давления, возникающих в стоячей ультразвуковой волне, в рабочей камере 1 удерживаются частицы жидкой дисперсной системы размером более 0,5 мкм. Частицы меньшего размера, представляющие интерес для лабораторных исследований в области функциональной нейрохимии, проходят в приемную емкость 17. Удерживаемые в рабочей камере 1 крупные частицы представляют собой отходы, которые по окончании процесса удаляются из рабочей камеры 1.
Процесс разделения частиц жидкой дисперсной системы в рабочей камере 1 связан с выделением тепловой энергии в рабочей камере 1, а также с нагревом излучателя 11. Для поддержания заданной рабочей температуры камеры 1 и излучателя 11 насосом 7 в охладительную камеру из емкости 6 подается охлаждающая жидкость. После прохождения охладительной камеры охлаждающая жидкость возвращается в емкость 6.
В рабочей камере 1 благодаря сферической форме излучателя и геометрии устройства в целом концентрируется ультразвуковая энергия высокой плотности. Это позволяет увеличить расход жидкой дисперсной системы через рабочую камеру 1 и соответственно повысить производительность устройства. Равномерность ультразвукового поля в рабочей камере позволяет повысить качество разделения частиц жидкой дисперсной системы за счет обеспечения возможности разделения близких по размеру частиц. Это объясняется тем, что при равномерности ультразвукового поля в рабочей камере величина сил, удерживающих частицы, практически одна и та же по всему объему рабочей камеры. Вследствие этого устройство, настроенное путем установки параметров ультразвукового излучения на удержание частиц определенного размера, будет надежно удерживать эти и более крупные частицы в рабочей камере.
Для изготовления устройства использованы широко известные конструкционные материалы и заводское оборудование. Это обстоятельство, по мнению заявителя, позволяет сделать вывод о том, что данное изобретение соответствует критерию «промышленная применимость».