用于过滤预定物质的微粒的过滤系统和方法
【专利摘要】本发明涉及用于过滤预定物质的微粒的过滤系统和方法。提供一种过滤系统。过滤系统包括过滤介质和微柱阵列，过滤介质包括在其中限定的多个孔。每个微柱与多个孔中的一个基本对准，并且被配置为被夹带在经引导通过过滤系统的流体中的预定物质的微粒排斥。
【专利说明】用于过滤预定物质的微粒的过滤系统和方法
【技术领域】
[0001]本申请一般涉及过滤系统，并且更具体的，涉及用于过滤类似大小微粒的过滤系统。
【背景技术】
[0002]至少一些已知的过滤系统被用于从流体流中物理分离其夹带的粒子。通常，过滤系统包括安置在流体流路径中的过滤介质。选择过滤介质以从流体流中分离预定的的粒子。更具体的，至少一些已知的过滤介质包括一个或更多个含有在其中限定的孔隙的材料层。设置每一层内限定的孔隙的大小使得仅允许特定大小的粒子通过。因此，在操作期间，至少一些已知的过滤系统同时允许预定粒子通过孔隙，且在过滤介质表面上收集较大的粒子。
[0003]尽管至少一些已知的过滤系统在分离不同大小的粒子时一般是有效的，但是这种系统在长期使用后会变得阻塞，因而导致过滤介质两端的压降增加。在已知的过滤系统中使用的过滤介质可以被配置成一次使用，从而导致丢弃过滤介质，或是利用例如反向脉冲清洁工艺的工艺清洁和清除堵塞后再使用。然而，清洁工艺通常需要暂时关闭耦合于过滤系统的整个系统，并且可能对过滤介质造成不希望的损害。再者，具有预定孔隙大小的过滤介质对过滤类似大小的粒子通常是无效的。
【发明内容】
[0004]在一个方面，提供过滤系统。该过滤系统包括过滤介质，其包括在其中限定的多个孔和微柱阵列。每个微柱与多个孔中的一个基本对准，并且配置为被预定物质的微粒排斥，这些微粒被夹带在通过过滤系统引导的流体中。
[0005]在另一方面，提供过滤系统。过滤系统包括仓储部(repository)和微柱阵列，阵列中的每个微柱被配置为吸引预定物质的微粒并且传送吸引的微粒到仓储部，这些微粒夹带在通过过滤系统的流体中。
[0006]再一方面，提供用于过滤夹带在流体中的预定物质微粒的方法。该方法包括在流路径中放置微柱阵列和将刺激施加到微柱上以选择性地从流中移除预定物质的微粒。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]图1是在第一操作位置的示例性过滤系统的示意图。
[0008]图2是在第二操作位置的图1中示出的过滤系统的示意图。
[0009]图3是在第一操作位置的可替代过滤系统的前视示意图。
[0010]图4是在第二操作位置的图3中示出的过滤系统的侧视示意图。
[0011]图5是另外的可替代过滤系统的示意图。
【具体实施方式】
[0012]本公开内容的实施涉及过滤预定大小微粒的过滤系统和方法。在此描述的过滤系统包括微柱阵列，当微柱受到刺激时，该微柱阵列选择性地移除流体流中夹带的预定大小的不同微粒。在示例性实施中，微柱要么被其夹带的预定微粒排斥，要么吸引夹带的预定微粒。在微粒和微柱之间产生的电场和/或磁场中的至少一个以及由其产生的力可以诱导排斥或吸引。因此，在此描述的过滤系统基于微粒的特性而非其大小来促进从流体流中分离微粒。再者，由于微柱可以在微米和亚微米范围内被制造的能力，其可以使用各种外部刺激被激活的能力，以及刺激被移除后返回到其初始形式的能力，所以微柱被用于示例性实施中。
[0013]在一个实施中，微柱与过滤介质中限定的孔基本对准，并且每个微柱包括促进预定的微粒和微柱之间产生排斥的涂层。更具体的，施加涂层到微柱的自由端。因为预定的微粒与涂层紧密接触，所以每个微柱的自由端都不与相应的孔对准。因此，通过经过由被排斥的微柱暴露的孔，微粒可以从流体流中被分离出来。在另一个实施例中，微柱包括涂层，其促进吸引预定的微粒到微柱。被吸引的微粒耦合于微柱，并且被转移到仓储部(repository)。因此，在此描述的每个过滤系统使用微粒和微柱之间的吸引和/或排斥来从流体分离夹带的微粒，因此具有基本类似大小的不同物质的微粒可以被分离。
[0014]图1是在第一操作位置102的示例性过滤系统100的示意图，并且图2是在第二操作位置104的过滤系统100的示意图。在示例性实施例中，过滤系统100包括过滤介质110和基本上与过滤介质110对准的微柱阵列120。更具体的，过滤介质110包括限定在其中的多个孔112，并且微柱阵列120包括底座122和从底座122延伸出的多个微柱124。在一个实施中，微柱124从底座122延伸并且每个都与过滤介质110中限定的相应孔112对准。因此，当过滤系统100在第一操作位置时，微柱124中的每一个基本上与孔112对准，因此第一物质的微粒130和第二物质的微粒132都不能由此通过。
[0015]微柱124可以由使过滤系统100能按照本文所述那样来工作的任何合适的材料生产。更具体的，微柱124可以由使微柱124在受到例如电、磁或是电磁力的刺激时能够弯曲的任何合适的材料来生产。示例性的合适材料包括但不限于，二苯基丙氨酸肽纳米管(PNT)和聚偏氟乙烯(PVDF)。而且，微柱124可具有使过滤系统100能够如本文所述那样来工作的任何合适的尺寸。例如，微柱124可具有对应于过滤介质110内限定的孔112的直径D的直径。更具体的，当微柱124与孔对准时，设置微柱124的大小以基本上阻挡微粒130和132通过孔112。而且，在一些实施中，微柱124具有长度L，当微柱124与孔对准时，它使微柱124的自由端126能至少部分插入孔112中。
[0016]在示例性实施中，流体流134被导向过滤系统100。第一物质的微粒130和第二物质的微粒132夹带在流体流134中。在示例性实施中，微粒130和132被设置为基本类似的大小，因此它们不能使用有限定在其中的预定大小孔隙的传统过滤介质来分离。因此，在示例性实施中，第一物质的微粒130不与微柱124起反应，并且第二物质的微粒132与微柱124起反应以促进从流体流134中选择性移除微粒132。
[0017]更具体的，在示例性实施中，每个微柱124的自由端126包括施加在其上的涂层128，该涂层被选择为不与第一物质的微粒130起反应，而与第二物质的微粒132起反应。在本文描述的每个实施中，涂层128可以包括任何使过滤系统100能如本文所述那样工作的合适物质。更具体的，所选择的物质通过使过滤系统能够如本文所述那样工作的任意合适方法来与微粒132起反应。在一些实施中，反应可以被刺激诱发，刺激例如是由微粒132与涂层128之间感应的电场和/或磁场产生的力。例如，在一个实施中，预定物质的微粒132具有正电荷或负电荷，并且涂层128具有与微粒132—样的电荷。因此，微粒132与涂层128的相反场促进排斥微柱124，使其不与孔112对准。在可替代的实施中，涂层128被施加到微柱124的整个表面。
[0018]在操作中，微柱阵列120被定位在通向微柱阵列120的流体流134的路径中。在一些实施中，微柱124相对于流体流134方向基本横向延伸。如图1中所不,微柱124,更具体地，施加到微柱124上的涂层128不与第一物质的微粒130起反应。因此，每个微柱124保持与每个相应的孔112对准并且基本上阻塞每个相应的孔112，因此微粒130不能由此通过。在可替代的实施中，多个微柱阵列120以一系列级位于流体流134的路径中。
[0019]现参见图2，当第二物质的微粒132被导向涂层128和/或紧密靠近涂层128定位时，过滤系统100就移入第二操作位置。更具体的，在示例性的实施中，引起自由端126与孔112不对准的微粒132排斥涂层128，因此孔112被暴露给流体流134。在一些实施中，设置孔112的大小使得微粒132能够通过。因此，当微柱124不与孔112对准时，第二物质的微粒132就流动通过孔112。每个微粒132流动通过孔112后，过滤系统100返回如图1所示的第一操作位置。更具体的，微柱124返回其初始方向，在该初始方向上每个微柱与相应的孔112基本重新对准，因此基本防止流体流134的通过。
[0020]图3是在第一操作位置的另一个示例性过滤系统200的前视示意图，图4是在在第二操作位置的过滤系统200的侧视示意图。在示例性实施中，过滤系统200包括光源202、光传感器204和位于它们之间的微柱阵列220。更具体的，微柱阵列220包括底座222和由底座222朝向光传感器204延伸的多个微柱224。在一些实施中，光源202通过微柱224的阵列220将光导向光传感器204，并且微柱224吸引微粒132并从流体流134移除微粒132。
[0021]微柱224可以由使过滤系统200能如本文所述那样工作的任何合适材料来制造。更具体的，微柱可以由当微柱受到例如是施加的电压或热的刺激时使微柱224能够弯曲的任何合适材料来制造。在示例性实施中，微柱224可以由压电材料来制造，当压电材料被施加电压时，其被激活。示例性的合适压电材料包括但不限于，天然存在的晶体材料，合成晶体材料和合成陶瓷材料。
[0022]在示例性实施中，涂层228被施加到微柱224的自由端226，该微柱224通过使过滤系统200能够如本文所述那样工作的任何合适方法与微粒132起反应。在一些实施中，微粒132和涂层228之间感应的电场和/或磁场可以引起反应。例如，在一个实施中，预定物质的微粒132具有正电荷或负电荷，而涂层228具有与微粒132相反的电荷。因此，微粒132的场与涂层228的场促进将微粒132吸引到微柱224上，因此微粒132可以被传送到与微柱阵列220相邻的微粒仓储部240。
[0023]在操作中，微柱阵列220定位在流体流134的路径中，该流体流134被导向微柱阵列220。在一些实施中，微柱224相对于流体流134的方向基本横向延伸。微柱224，并且更具体的，施加到微柱224上的涂层228，不与第一物质的微粒130起反应。因此，微柱224保持基本上直的方向直到第二物质的微粒132紧密靠近微柱224定位。在可替代的实施中，多个微柱阵列220以一系列级定位在流体流134的路径中。
[0024]参见图4，当第二物质的微粒132被导向和/或定位在紧密靠近涂层228时，过滤系统200进入第二操作位置。更具体的，在示例性实施中，涂层228将微粒132吸引到微柱224上。随着微粒132在微柱224的表面上持续累积，来自光源202通过微柱阵列220的光由于微粒132的累积而变得越来越被阻塞。因此，在光传感器204处接收的光量也会相应减少。
[0025]在一些实施中，光传感器204与控制系统206通信耦合，控制系统被206配置为当光传感器204处接收的光发光强度低到预定的水平时激活微柱224。更具体的，当微柱224是由压电材料制成的时，在达到预定水平时，控制系统206选择性地施加电压刺激到微柱224上以激活微柱224。在每个示例性实施中，可以选择发光强度的预定水平为使过滤系统200能如本文所述那样工作的任何合适的水平。
[0026]在示例性的实施中，控制系统206激活微柱阵列220来传送累积的微粒132到微粒仓储部240。更具体的，当发光强度达到预定水平时，控制系统206施加电压以使得微柱224朝向微粒仓储部240弯曲。在一些实施中，微柱224在与所施加的电压相反的方向弯曲。更具体的，压电材料响应于所施加的电压，这使微柱224在与所施加的电压相反的方向弯曲。微粒仓储部240通过克服微粒132和微柱224之间的引力来从微柱224移除微粒132。一旦微粒仓储部240移除了微粒132，那么光传感器204检测到的发光强度就增加到预定水平之上，并且控制系统206使微柱224失活并使它们返回到其初始方向。
[0027]微粒仓储部240被配置为通过使过滤系统200能如本文所述那样工作的任何合适的方法从微柱224移除微粒132。示例性的合适移除方法包括但不限于，抽吸法、磁吸引和通过静电排斥的移除。
[0028]图5是示例性的过滤系统300的侧视示意图。在示例性的实施中，过滤系统300包括外壳310和在外壳310内转动的圆柱体320。外壳310包括在其中限定的入口 210和出口 314，其中入口 312被限定为与流体流134相邻并且出口 314被限定为与微粒仓储部240相邻。在示例性实施中，外壳310和入口 312被配置为阻止至少一些微粒132和134流动通过柱体320。进一步的，微柱324围绕圆柱体320周向间隔，并且选择性地移除流体流134中夹带的预定物质的微粒132。在一些实施中，微柱324包括吸引微粒132到其上的涂层(未不出)。
[0029]在操作中，随着流体流134被引导通过入口 312，微粒132被吸引到微柱324上。微柱与第二物质的微粒132起反应并且吸引这些微粒，而不与第一物质的微粒130起反应。进一步的，圆柱体320旋转，使得吸引的微粒132被收集到其上的微柱324不与入口 312对准，而移动到与出口 314对准。然后收集到的微粒312通过出口 314被微粒仓储部240移除。
[0030]微粒132通过使过滤系统300能如本文所述那样工作的任何合适的方法来从微柱324上移除微粒132。示例性的合适的移除方法包括但不限于，抽吸法、磁吸引和通过静电排斥的移除。此外，在一个实施中，配置微柱324具有长度L2，随着圆柱体320旋转，通过抵靠着外壳310的内部表面314刮擦微柱324的自由端326，长度L2使得微粒132能够被移除。因此，随着圆柱体320的旋转，过滤系统300从流体流134连续地移除微粒132。
[0031]即使当流体流中的其他微粒与预定的微粒具有基本上类似的大小，本文所描述的过滤系统和方法也能够从流体流选择性移除预定物质的微粒。在示例性实施中，过滤系统包括仅仅与预定物质的微粒起反应的微柱阵列。例如，在一些实施中，由电场和/或磁场中的一种以及由其产生的力诱发微粒和微柱之间的反应。与微柱起反应的微粒随后通过经过限定在过虑介质中的暴露孔和/或通过沉积在微粒仓储部而被从流体流中移除。因此，基于除了要被过滤微粒的大小的其他因素，本文所述的过滤系统选择性移除预定物质的微粒。
[0032]所写的说明书使用示例来公开包括最佳模式的各种实施，而且还可以使得本领域的技术人员能够实践各种实施，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何所包含的方法。本公开的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域的技术人员想到的其他示例。如果这些其他的示例具有不是不同于权利要求文字语言的结构元件，或其包括具有与权利要求文字语言的非本质不同的等同结构元件，那么这些其它示例旨在权利要求的范围内。
[0033]进一步，本公开包括根据以下条款的实施例:
[0034]条款1.一种过滤系统，其包括:包含限定在其中的多个孔的过滤介质；和微柱阵列，每个所述微柱与所述多个孔中的一个基本对准，并且被配置为被夹带在经引导通过所述过滤系统的流中的预定物质的微粒排斥。
[0035]条款2.根据条款I所述的过滤系统，其中每个微柱包括自由端，设置所述自由端的大小以当每个微柱与所述多个孔中的相应的孔对准时，阻塞相应的孔。
[0036]条款3.根据条款2所述的过滤系统，其中当所述微柱被所述预定物质排斥时，每个所述自由端从与每个所述孔对准的位置可位移。
[0037]条款4.根据条款3所述的过滤系统，其中当所述自由端被位移以使预定物质的微粒能够流动通过所述过滤介质时，所述多个孔中的每个通过所述微柱中的一个暴露并且不阻塞。
[0038]条款5.根据条款4所述的过滤系统，其中当所述预定微粒通过所述过滤介质被移除时，所述微柱阵列中的每一个微柱被配置为与所述多个孔中的一个重新对准。
[0039]条款6.根据条款I所述的过滤系统,其中所述微柱阵列中的每个微柱都包含涂层，所述涂层被配置为被所述预定物质的微粒排斥。
[0040]条款7.根据条款6所述的过滤系统，其中所述涂层包括具有电荷的物质，该电荷与预定物质微粒的电荷相同。
[0041]条款8.—种过滤系统，其包括:仓储部；和微柱阵列，其中在所述阵列中的每个所述微柱被配置为吸引夹带在流中的预定物质的微粒并传送所吸引到的微粒到所述仓储部，所述流被引导通过所述过滤系统。
[0042]条款9.根据条款8所述的过滤系统，还包括定位在所述微柱系阵列的对侧上的光源和光传感器，其中所述光源将光引导朝向所述光传感器通过所述微柱。
[0043]条款10.根据条款9所述的过滤系统，其中所述微柱被配置为当吸引的微粒将在所述光传感器接收的光量减少到预定的水平时弯向所述仓储部。
[0044]条款11.根据条款10所述的过滤系统，其中当吸引的微粒被传送到所述仓储部时，所述微柱被配置为返回初始方向。
[0045]条款12.根据条款8所述的过滤系统，其中所述微柱包括涂层，所述的涂层被配置为吸引预定物质的微粒。
[0046]条款13.根据条款12所述的过滤系统，其中所述涂层包括物质，所述物质具有与预定物质微粒的电荷相反的电荷。
[0047]条款14.根据条款8所述的过滤系统，其中所述仓储部通过克服所述微粒与所述微柱之间的引力将吸引的微粒从所述微柱移除。
[0048]条款15.根据条款8所述的过滤系统还包括:外壳，所述外壳包括限定在其中的入口和出口，其中所述出口位于在与所述仓储部相邻的位置；和配置为在所述外壳内旋转的圆柱体，其中所述微柱围绕所述圆柱体周向间隔，并且被配置为当所述微柱与入口对准时收集预定微粒，当所述微柱与所述出口对准时释放所述微粒。
[0049]条款16.—种用于过滤夹带在流中的预定物质微粒的方法，所述方法包括:在流路径上安置/定位微柱阵列；和施加刺激到微柱上以选择性地从流中移除所述预定物质的微粒。
[0050]条款17.根据条款16所述的方法，还包括配置所述微柱以实现其被所述预定物质的微粒吸引或者所排斥中的至少一种。
[0051]条款18.根据条款16所述的方法，其中施加刺激到微柱上包括，当从所述流中移除所述预定物质的微粒时，将微柱从基本上直的配置定向到弯曲配置。
[0052]条款19.根据条款18所述的方法，其中定向所述微柱还包括在从流中移除所述预定物质的微粒后使所述微柱返回所述基本上直的配置。
[0053]条款20.根据条款16所述的方法，其中安置微柱阵列包括定向所述阵列使得所述微柱相对于流的方向横向延伸。
【权利要求】
1.一种过滤系统(200),其包括: 仓储部(240);和 微柱(224)的阵列(220)，其中在所述阵列中的每个所述微柱被配置为吸引夹带在被引导通过所述过滤系统的流体流(134)中的预定物质的微粒(132)，并且传送所吸引的微粒到所述仓储部。
2.根据权利要求1所述的过滤系统(200)，还包括光源(202)和位于所述微柱(224)的阵列(220)的对立侧上的光传感器(204)，其中所述光源通过所述微柱将光指向所述光传感器。
3.根据权利要求2所述的过滤系统(200)，其中当所吸引的微粒(132)将在所述光传感器(204)接收的光量减少到预定水平时，所述的微柱(224)被配置为弯向所述仓储部(240)。
4.根据权利要求3所述的过滤系统(200)，其中当所吸引的微粒(132)被传送到所述仓储部(240)时，所述微柱(224)被配置为返回初始方向。
5.根据权利要求1所述的过滤系统(200)，其中所述微柱(224)包括涂层(228)，所述涂层被配置为吸引所述预定物质的微粒(132)。
6.根据权利要求5所述的过滤系统(200)，其中所述涂层(228)包括物质，所述物质具有与所述预定物质的微粒(132)的电荷相反的电荷。
7.根据权利要求1所述的过滤系统(200)，其中所述仓储部通过克服所述微粒与所述微柱之间的引力将所吸引的微粒(132)从所述微柱(224)移除。
8.根据权利要求1所述的过滤系统(200，300)，还包括: 外壳(310)，所述外壳包括在其中限定的入口(312)和出口(314)，所述出口位于与所述仓储部(240)相邻的位置；和 圆柱体(320)，其被配置为在所述外壳内旋转，其中所述微柱(224)围绕所述柱体周向间隔，并且所述柱体被配置为当所述微柱与所述入口对准时收集预定的微粒(132)，以及当所述微柱与所述出口对准时释放所述微粒。
9.一种用于过滤夹带在流体流(134)中的预定物质的微粒(132)的方法,所述方法包括: 在所述流体流的路径上放置微柱(124，224)的阵列(120，220);和 施加刺激到所述微柱上以选择性地从所述流体流移除所述预定物质的微粒。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括配置所述微柱(124，224)以实现被所述预定物质的微粒(132)排斥或吸引中的至少一种。
11.根据权利要求9所述的方法，其中施加刺激到微柱(124，224)包括，当从所述流体流(134)移除所述预定物质的微粒(132)时，将所述微柱从基本直的配置定向到弯曲的配置。
12.根据权利要求11所述的方法，其中定向所述微柱(124，224)还包括在从所述流体流(134)移除所述预定物质的微粒(132)后，使所述微柱返回所述基本直的配置。
13.根据权利要求9所述的方法，其中放置微柱(124，224)的阵列(120，220)包括定向所述阵列，使得所述微柱相对于所述流体流(134)的方向横向延伸。
【文档编号】B01D50/00GK104043307SQ201410092840
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年3月13日 优先权日:2013年3月14日
【发明者】D·F·威尔金斯 申请人:波音公司