ФИЛЬТРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ И СПОСОБЫ ФИЛЬТРАЦИИ ЧАСТИЦ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО ЗАДАННОГО ВЕЩЕСТВА
FILTRATION SYSTEMS AND METHODS FOR FILTRATION OF PARTICLES OF PREDETERMINED SUBSTANCE

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее раскрытие, в общем, относится к фильтрационным системам, а более конкретно к фильтрационным системам для использования при фильтрации частиц сходных размеров.
По меньшей мере, некоторые известные фильтрационные системы используются для физической сепарации вовлеченных твердых частиц от потока текучей среды. Как правило, фильтрационные системы включают фильтрующую среду, расположенную на пути потока текучей среды. Фильтрующая среда выбирается для сепарации предварительно заданных твердых частиц от потока текучей среды. Более конкретно, по меньшей мере, некоторые известные фильтрующие среды включают один или более слоев материала, имеющего заданные в нем поры. Заданные в каждом слое поры имеют размер, который позволяет проходить через них твердым частицам только конкретного размера. По существу, во время эксплуатации, по меньшей мере, некоторые известные фильтрационные системы одновременно позволяют проходить через поры предварительно заданным твердым частицам, причем собирая твердые частицы большего размера на поверхности фильтрующей среды.
Хотя, по меньшей мере, некоторые известные фильтрационные системы, как правило, эффективны при сепарации твердых частиц различных размеров, после длительного использования такие системы могут засоряться, что в результате приводит к увеличенному падению давления через фильтрующую среду. Фильтрующие среды, используемые в известных фильтрационных системах, могут быть выполнены для одноразового использования, что приводит к размещению фильтрующих сред на свалке, или могут использоваться повторно после очистки и удаления засора с помощью таких процессов, как процесс очистки обратным импульсом. Однако процессы очистки, как правило, требуют временного отключения всей системы, соединенной с фильтрационной системой, и, что нежелательно, могут приводить к повреждению фильтрующей среды. Кроме того, фильтрующие среды, которые имеют предварительно заданные размеры пор, как правило, неэффективны при фильтрации твердых частиц сходных размеров.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В одном аспекте предлагается фильтрационная система. Фильтрационная система включает в себя фильтрующую среду, включающую несколько заданных в нем отверстий и группу микроколонн. Каждая микроколонна расположена, по существу, на одной линии с одним из нескольких отверстий и выполнена так, чтобы отталкиваться частицами предварительно заданного вещества, вовлеченного в поток, направленный через фильтрационную систему.
В другом аспекте предлагается фильтрационная система. Фильтрационная система включает в себя контейнер и группу микроколонн. Каждая микроколонна в группе выполнена для притягивания частиц предварительно заданного вещества, вовлеченных в поток, направленный через фильтрационную систему и перевода притянутых частиц в контейнер.
В еще одном аспекте предлагается способ фильтрации вовлеченных в поток частиц предварительно заданного вещества. Способ включает в себя размещение группы микроколонн на пути потока и применение стимулов к микроколоннам для селективного удаления частиц предварительно заданного вещества из потока.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Показано на:
Фиг. 1: схематическая иллюстрация примерной фильтрационной системы в первом рабочем положении.
Фиг. 2: схематическая иллюстрация фильтрационной системы, показанной на фиг. 1, во втором рабочем положении.
Фиг. 3: схематический вид спереди альтернативной фильтрационной системы в первом рабочем положении.
Фиг. 4: схематический вид сбоку фильтрационной системы, показанной на фиг. 3 во втором рабочем положении.
Фиг. 5: схематическая иллюстрация еще одной альтернативной фильтрационной системы.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Варианты осуществления настоящего раскрытия относится к фильтрационным системам и способам фильтрации частиц предварительно заданного размера. Фильтрационные системы, описанные здесь, включают группу микроколонн, которые селективно удаляют различные частицы предварительно заданного размера, которые вовлечены в поток текучей среды, когда микроколонны подвержены стимулам. В примерных вариантах осуществления микроколонны либо отталкиваются, либо притягивают к себе вовлеченные предварительно заданные частицы. Отталкивание или притягивание может быть индуцировано, по меньшей мере, одним из следующего: электрическое поле и/или магнитное поле, созданное между частицами и микроколоннами, и генерированные им силы. Как таковые, описанные здесь фильтрационные системы облегчают сепарацию частиц от потока текучей среды на основе характеристик частиц, но не их размера. Кроме того, в примерных вариантах осуществления используются микроколонны благодаря их возможности изготавливаться в микронном и субмикронном диапазоне, их возможности активации, используя различные внешние стимулы, и их возможности возврата к исходной форме после того, как стимулы удалены.
В одном варианте осуществления микроколонны расположены по существу на одной линии с заданными в фильтрующей среде отверстиями, и каждая микроколонна включает в себя покрытие, которое способствует созданию отталкивания между предварительно заданными частицами и микроколоннами. Более конкретно, покрытие нанесено на свободный конец микроколонн. Свободный конец каждой микроколонны смещается относительно соответствующего отверстия, когда предварительно заданные частицы входят в тесный контакт с покрытием. По существу, частицы могут быть сепарированы от потока текучей среды при прохождении через отверстия, открытые отталкиваемыми микроколоннами. В другом варианте осуществления микроколонны включают покрытие, которое способствует притягиванию предварительно заданных частиц к микроколоннам. Притягиваемые частицы сцепляются с микроколоннами и переносятся в контейнер. Как таковая, каждая фильтрационная система, описанная здесь, сепарирует вовлеченные частицы от текучей среды, используя притягивание и/или отталкивание между частицами и микроколоннами, так что могут быть сепарированы частицы различных веществ, имеющие сходные размеры.
Фиг. 1 является схематической иллюстрацией примерной фильтрационной системы 100 в первом рабочем положении 102, а фиг. 2 является схематической иллюстрацией фильтрационной системы 100 во втором рабочем положении 104. В примерном варианте осуществления фильтрационная система 100 включает в себя фильтрующую среду ПО и группу 120 микроколонн, которая по существу находится на одной линии с фильтрующей средой 110. Более конкретно, фильтрующая среда 110 включает в себя несколько заданных в ней отверстий 112, а группа 120 микроколонн включает в себя основание 122 и несколько микроколонн 124, которые простираются от основания 122. В одном варианте осуществления микроколонны 124 простираются от основания 122, и каждая находится на одной линии с соответствующим заданным в фильтрующей среде 110 отверстием 112. По существу, когда фильтрационная система 100 находится в первом рабочем положении, микроколонны 124, причем каждая из них, находятся по существу на одной линии с отверстиями 112, так что частицы 130 первого вещества и частицы 132 второго вещества не могут проходить через них.
Микроколонны 124 могут быть изготовлены из любого подходящего материала, который делает возможным функционирование фильтрационной системы 100 как описано здесь. Более конкретно, микроколонны 124 могут быть изготовлены из любого подходящего материала, который делает возможным сгибание микроколонн 124 при подвергании стимулам, например, электрическим, магнитным или электромагнитным силам. К примерным подходящим материалам относятся, но не ограничены ими, дифенилаланинпептидные нанотрубки (ΡΝΤ), поливинилиденфторид (PVDF). Кроме того, микроколонны 124 могут иметь любые подходящие размеры, которые делают возможным функционирование фильтрационной системы 100 как описано здесь. Например, микроколонны 124 могут иметь диаметр, который соответствует диаметру D заданных в фильтрующей среде 110 отверстий 112. Более конкретно, размеры микроколонн 124 определены так, чтобы по существу блокировать прохождение частиц 130 и 132 через отверстия 112, когда микроколонны 124 находятся на одной линии с ними. Кроме того, в некоторых вариантах микроколонны 124 имеют длину L, которая дает возможность, по меньшей мере, частично вставлять свободный конец 126 микроколонн 124 в отверстия 112, когда микроколонны 124 находятся на одной линии с ними.
В примерном варианте осуществления поток 134 текучей среды направляется к фильтрационной системе 100. Частицы 130 первого вещества и частицы 132 второго вещества вовлечены в поток 134 текучей среды. В примерном варианте осуществления частицы 130 и 132 имеют по существу сходные размеры, так что они не могут быть сепарированы при использовании традиционных фильтрующих сред, имеющих заданные в них поры предварительно заданного размера. Соответственно, в примерном варианте осуществления частицы 130 первого вещества инертны по отношению к микроколоннам 124, а частицы 132 второго вещества вступают в реакцию с микроколоннами 124 для облегчения селективного удаления частиц 132 из потока 134 текучей среды.
Более конкретно, в примерном варианте осуществления свободный конец 126 каждой микроколонны 124 содержит покрытие 128, нанесенное на него, которое выбирается как инертное по отношению к частицам 130 первого вещества и реагирующее на частицы 132 второго вещества. В каждом варианте осуществления, описанном здесь, покрытие 128 может содержать любое подходящее вещество, которое делает возможным функционирование фильтрационной системы 100 как описано здесь. Более конкретно, выбранное вещество вступает в реакцию с частицами любым подходящим способом, который делает возможным функционирование фильтрационной системы 100 как описано здесь. В некоторых вариантах осуществления реакция может быть вызвана стимулами, например, силами, генерированными, или электрическим полем и/или магнитным полем, индуцированным между частицами 132 и покрытием 128. Например, в одном варианте осуществления частицы 132 предварительно заданного вещества имеют, либо положительный, либо отрицательный заряд, а покрытие 128 имеет такой же заряд, как и частицы 132. По существу, противоположные поля частиц 132 и покрытия 128 способствуют отталкиванию микроколонн 124 из расположения на одной линии с отверстиями 112. В альтернативных вариантах осуществления покрытие 128 наносится на всю поверхность микроколонн 124.
При эксплуатации группа 120 микроколонн расположена на пути потока 134 текучей среды, который направляется к группе 120 микроколонн. В некоторых вариантах осуществления микроколонны 124 простираются по существу в поперечном направлении относительно направления потока 134 текучей среды. Как показано на фиг.1, микроколонны 124, а более конкретно, покрытие 18, нанесенное на микроколонны 124, инертны по отношению к частицам 130 первого вещества. По существу, каждая микроколонна 124 сохраняет свое расположение на одной линии с каждым соответствующим отверстием 112 и по существу блокирует его, так что частицы 130 не могут проходить через них. В альтернативных вариантах осуществления несколько групп 120 микроколонн расположены на пути потока 134 текучей среды в последовательности стадий.
Теперь, обращаясь к фиг. 2, когда частицы 132 второго вещества направляются к покрытию 128 и/или расположены в непосредственной близости от покрытия 128, фильтрационная система переходит во второе рабочее положение. Более конкретно, в примерном варианте осуществления, покрытие 128 отталкивается частицами 132, что заставляет свободный конец 126 выходить из расположения на одной линии с отверстием 112, так что отверстие 112 открывается для потока 134 текучей среды. В некоторых вариантах осуществления отверстие имеет размер, делающий возможным прохождение частиц 132 через него. По существу, когда микроколонны не находятся на одной линии с отверстиями 112, частицы 132 второго вещества проходят через отверстия 112. После того, как каждая частица 132 пройдет через отверстие 112, фильтрационная система возвращается в первое рабочее положение, как показано на фиг. 1. Более конкретно, микроколонны 124 возвращаются в свою первоначальную ориентацию, причем каждая из них снова находится по существу на одной линии с соответствующими отверстиями 112, так что прохождение потока 134 текучей среды через них, по существу, предотвращается.
Фиг. 3 представляет собой схематическую иллюстрацию вида спереди еще одной примерной фильтрационной системы 200 в первом рабочем положении, а фиг. 4 схематическую иллюстрацию вида сбоку фильтрационной системы 200 во втором рабочем положении. В примерном варианте осуществления фильтрационная система 200 содержит источник 202 света, световой датчик 204 и группу 220 микроколонн, расположенную между ними. Более конкретно, группа 220 микроколонн содержит основание 222 и несколько микроколонн 224, простирающихся от основания 222 к световому датчику 204. В некоторых вариантах осуществления источник 202 света направляет свет к световому датчику 204 через микроколонны 224 группы 220, и микроколонны 224 притягивают и удаляют частицы 132 из потока 134 текучей среды.
Микроколонны 224 могут быть изготовлены из любого подходящего материала, который делает возможным функционирование фильтрационной системы 200 как описано здесь. Более конкретно, микроколонны могут быть изготовлены из любого подходящего материала, который делает возможным сгибание микроколонн при их подвергании стимулам, например, электрическому напряжению или нагреву. В примерном варианте осуществления микроколонны изготовлены из пьезоэлектрического материала, который активируется, когда на него подается напряжение. К примерным подходящим пьезоэлектрическим материалам относятся, но этим не ограничиваются, встречающийся в природе кристаллический материал, синтетический кристаллический материал и синтетический керамический материал.
В примерном варианте осуществления на свободный конец 226 микроколонн 224 нанесено покрытие 228, которое вступает в реакцию с частицами 132 любым подходящим способом, который делает возможным функционирование фильтрационной системы 200 как описано здесь. В некоторых вариантах осуществления реакция может быть вызвана, или электрическим полем и/или магнитным полем, индуцированным между частицами 132 и покрытием 228. Например, в одном варианте осуществления частицы 132 предварительно заданного вещества имеют, либо положительный, либо отрицательный заряд, а покрытие 228 имеет противоположный заряд по сравнению с частицами 132. По существу, поля частиц 132 и покрытия 228 способствуют притягиванию частиц 132 к микроколоннам 224, так что частицы 132 могут быть перенесены в контейнер 240 для частиц, расположенный рядом с группой 220 микроколонн.
При эксплуатации группа 220 микроколонн расположена на пути потока 134 текучей среды, который направляется к группе 220 микроколонн. В некоторых вариантах осуществления микроколонны 224 простираются по существу в поперечном направлении относительно направления потока 134 текучей среды. Микроколонны 224, а более конкретно, покрытие 228, нанесенное на микроколонны 224, инертны по отношению к частицам 130 первого вещества. Как таковые, микроколонны 224 остаются по существу в прямой ориентации до тех пор, пока частицы 132 второго вещества не будут расположены в непосредственной близости от микроколонн 224. В альтернативных вариантах осуществления несколько групп 220 микроколонн расположены на пути потока 134 текучей среды в последовательности стадий.
Теперь, обращаясь к фиг. 4, когда частицы 132 второго вещества направляются к покрытию 228 и/или расположены в непосредственной близости от покрытия 228, фильтрационная система 200 переходит во второе рабочее положение. Более конкретно, в примерном варианте осуществления покрытие 228 притягивает частицы 132 к микроколоннам 224. Так как частицы 132 все больше накапливаются на поверхности микроколонн 224, свет, направленный через группу 220 микроколонн от источника 202 света все более и более блокируется накоплением частиц 132. По существу, количество света, принимаемого на световом датчике 204, соответственно уменьшается.
В некоторых вариантах осуществления световой датчик 204 соединен с системой 206 управления, которая выполнена, чтобы активировать микроколонны 224, когда сила света, принимаемого на световом датчике 204, уменьшается до предварительно заданного уровня. Более конкретно, если микроколонны 224 изготовлены из пьезоэлектрического материала, система 206 управления в качестве стимула селективно подает напряжение на микроколонны 224, чтобы активировать их, когда достигается заданный уровень. В каждом примерном варианте осуществления заданный уровень силы света может быть выбран любым уровнем, который делает возможным функционирование фильтрационной системы 200 как описано здесь.
В примерном варианте осуществления система 206 управления активирует группу 220 микроколонн, чтобы перевести накопленные частицы 132 в контейнер 240 для частиц. Более конкретно, когда сила света достигает заданного уровня, система 206 управления подает напряжение, чтобы согнуть микроколонны 224 к контейнеру 240 для частиц. В некоторых вариантах осуществления микроколонны 224 сгибаются в направлении, противоположном поданному напряжению. Более конкретно, пьезоэлектрический материал реагирует на поданное напряжение, что сгибает микроколонны 224 в направлении, противоположном поданному напряжению. Контейнер 240 для частиц удаляет частицы 132 с микроколонн 224, преодолевая силу притяжения между ними. Как только частицы 132 удалены контейнером 240 для частиц, сила света, детектированного световым датчиком 204, увеличивается до величины выше заданного уровня, и система 206 управления деактивирует микроколонны 224 и возвращает их в первоначальную ориентацию.
Контейнер 240 для частиц выполнен для удаления частиц 132 с микроколонн 224 любым подходящим способом, который делает возможным функционирование фильтрационной системы 200 как описано здесь. К примерным подходящим способам удаления относятся, но не ограничиваются ими, способ всасывания, магнитное притяжение и удаление электростатическим отталкиванием.
Фиг. 5 представляет собой схематическую иллюстрацию вида сбоку примерной фильтрационной системы 300. В примерном варианте осуществления фильтрационная система 300 содержит корпус 310 и цилиндрическое тело 320, которое вращается внутри корпуса 310. Корпус 310 содержит заданные в нем впуск 312 и выпуск 314, причем впуск 312 определен смежно потоку 134 текучей среды, а выпуск 314 определен смежно контейнеру 240 для частиц. В примерном варианте осуществления корпус 310 и впуск 312 выполнены так, чтобы задерживать, по меньшей мере, некоторые частицы 132 и 134 от протекания мимо тела 320. Кроме того, микроколонны 324 по окружности разнесены вокруг цилиндрического тела 320 и селективно удаляют вовлеченные в поток 134 текучей среды частицы 132 предварительно заданного вещества. В некоторых вариантах осуществления микроколонны 324 содержат покрытие (не показано), которое притягивает частицы 132 к ним.
При эксплуатации частицы 132 притягиваются к микроколоннам 324, так как поток 134 текучей среды направлен мимо впуска 312. Микроколонны вступают в реакцию с частицами 132 и притягивают частицы 132 второго вещества, и инертны по отношению к частицам 130 первого вещества. Кроме того, цилиндрическое тело 320 вращается так, что микроколонны 324, притянув частицы 132, собранные на них, смещаются из расположения на одной линии с впуском 312 и смещаются в расположение на одной линии с выпуском 314. Затем собранные частицы 132 удаляются контейнером 240 для частиц через выпуск 314.
Частицы 132 удаляются с микроколонн 324 любым подходящим способом, который делает возможным функционирование фильтрационной системы 300 как описано здесь. К примерным подходящим способам удаления относятся, но не ограничиваются ими, способ всасывания, магнитное притяжение и удаление электростатическим отталкиванием. Кроме того, в одном варианте осуществления микроколонны выполнены так, что они имеют длину L2, которая делает возможным удаление частиц 132 за счет шабрения свободного конца 326 микроколонн о внутреннюю поверхность 314 корпуса 310, когда вращается цилиндрическое тело 320. По существу, фильтрационная система 300 непрерывно удаляет частицы 132 из потока 134 текучей среды при вращении цилиндрического тела 320.
Описанные здесь фильтрационная система и способ делают возможным селективное удаление частиц предварительно заданного вещества из потока текучей среды даже, если другие частицы в потоке текучей среды имеют, по существу, сходные с предварительно заданными частицами размеры. В примерных вариантах осуществления фильтрационные системы содержат группу микроколонн, которые вступают в реакцию только с частицами предварительно заданного вещества. Например, в некоторых вариантах осуществления реакция между частицами и микроколоннами вызывается, или электрическим полем и/или магнитным полем и генерированными от них силами. Затем частицы, которые вступают в реакцию с микроколоннами, удаляются из потока текучей среды при прохождении через заданные в фильтрующей среде открытые отверстия и/или путем отложения в контейнере для частиц. Как таковые, фильтрационные системы, описанные здесь, селективно удаляют частицы предварительно заданного вещества на основе факторов за исключением размеров частиц, подлежащих фильтрации.
В этом письменном описании используются примеры для раскрытия различных вариантов осуществления, включая лучший вариант осуществления, а также чтобы позволить любому специалисту в данной области применять на практике различные варианты осуществления, включая изготовление и использование любых устройств или систем и выполнение любых включенных способов. Патентоспособный объем раскрытия определен формулой изобретения и может включать другие примеры, которые придут в голову специалистам в данной области. Предполагается, что такие другие примеры входят в объем формулы изобретения, если они имеют конструктивные элементы, которые не отличаются от буквальных формулировок формулы изобретения, или если они содержат эквивалентные конструктивные элементы с несущественными отличиями от буквальных формулировок формулы изобретения.