一种基于球面波共振原理的超声波细胞破碎装置

摘要

本发明公开了一种基于球面波共振原理的超声波细胞破碎装置，包括通过传输线连接的超声波发生器、换能器和变幅杆，超声波发生器的一侧设有介质容器，换能器设置在超声波发生器和介质容器之间，变幅杆与换能器连接并设置在介质容器内，介质容器内设有样本容器，样本容器通过样本容器固定装置固定在介质容器内。本发明的优点在于，在不提高超声波发生器能量的前提下，利用超声波在样本容器内形成球面波并且富集起来的特点，实现了对超声波组织破碎效果的强化，有效的提高了物料破碎的效果，不会影响正常的破碎工作，样本容器可以从介质容器内取出，方便介质容器的清理，避免了介质液体残留在介质容器内的现象。

权利要求

1.一种基于球面波共振原理的超声波细胞破碎装置，包括通过传输线（1）连接的超声波发生器（2）、换能器（3）和变幅杆（4），其特征在于：所述超声波发生器（2）的一侧设有介质容器（5），所述换能器（3）设置在超声波发生器（2）和介质容器（5）之间，所述变幅杆（4）与换能器（3）连接并设置在介质容器（5）内，所述介质容器（5）内设有样本容器（6），所述样本容器（6）通过样本容器固定装置固定在介质容器（5）内。

2.如权利要求1所述的一种基于球面波共振原理的超声波细胞破碎装置，其特征在于：所述样本容器（6）为球形容器，所述样本容器（6）上设有下料管（7），所述下料管（7）的一端与样本容器（6）固定连接，另一端延伸设置在介质容器（5）外。

3.如权利要求2所述的一种基于球面波共振原理的超声波细胞破碎装置，其特征在于：所述样本容器固定装置包括固定框体（8），连接杆（9）和限位环（10），所述固定框体（8）与介质容器（5）的内壁相适配，所述限位环（10）的内径与样本容器（6）的外径相适配，所述固定框体（8）通过连接杆（9）与限位环（10）固定连接。

4.如权利要求3所述的一种基于球面波共振原理的超声波细胞破碎装置，其特征在于：所述连接杆（9）内设有与样本容器（6）相适配的顶块（11），所述顶块（11）的一侧与样本容器（6）相接触，另一侧连接有弹簧（12）。

5.如权利要求4所述的一种基于球面波共振原理的超声波细胞破碎装置，其特征在于：所述限位环（10）和连接杆（9）的连接部设有与样本容器（6）相适配的底部限位杆（13）。

6.如权利要求5所述的一种超声波细胞破碎装置，其特征在于：所述介质容器（5）的内壁上设有限位块（14）。

7.如权利要求6所述的一种基于球面波共振原理的超声波细胞破碎装置，其特征在于：所述介质容器（5）内填充有外部介质（15），所述样本容器（6）内填充有内部介质（16），所述外部介质（15）的液高大于样本容器（6）的球形部，所述内部介质（16）的液高大于样本容器（6）的球形部且小于外部介质（15）的液高。

8.如权利要求7所述的一种基于球面波共振原理的超声波细胞破碎装置，其特征在于：所述样本容器（6）至变幅杆（4）的距离为外部介质（15）中超声波频率波长的整数倍，所述样本容器（6）的内径为内部介质（16）中超声波频率波长的整数倍，所述样本容器（6）的壁厚小于内部介质（16）所用材料中超声波频率波长的1/10,所述外部介质（15）的密度大于内部介质（16）的密度。

9.如权利要求8所述的一种基于球面波共振原理的超声波细胞破碎装置，其特征在于：所述介质容器（5）的顶部设有顶盖（17），所述顶盖（17）的通过铰链（18）与介质容器（5）活动连接。

10.如权利要求9所述的一种基于球面波共振原理的超声波细胞破碎装置，其特征在于：所述顶盖（17）上设有下料管（7）可以通过的通孔（19），所述通孔（19）上套接有下料管密封圈（20），所述介质容器（5）的侧板上设有与顶盖（17）相对应的顶盖密封垫（21）。

说明书

一种基于球面波共振原理的超声波细胞破碎装置

技术领域

[0001] 本发明属于超声波破碎设备技术领域，具体涉及一种基于球面波共振原理的超声波细胞破碎装置。

背景技术

[0002] 超声波破碎装置是利用超声波在液体中的空化效应，使液体产生无数个小气泡，通过小气泡的爆裂，从而使液体中的固体颗粒或细胞组织破碎，它能用于多种动植物、病毒、细胞、细菌及组织的破碎，同时也可用来乳化、分立、匀化、提取、消泡、清晰、纳米材料的制备、分散及加速化学反应等，超声波破碎装置广泛应用于生物学、微生物学、物理学、动物学、农学、制药、化工、污水处理、纳米材料等领域。

[0003] 传统的超声波破碎装置由超声波发生器、换能器和隔音箱三个部分组成，换能器在工作时因振动会产生较大的噪音，在实际使用过程中，一般都将换能器放入隔音箱内，可有效隔离噪音，隔音箱内有一个专用的破碎瓶，将换能器上的变幅杆伸入破碎瓶内的液体中，从而对细胞或组织进行破碎操作，传统的超声波破碎装置的结构设置不合理，不利于处理液的散热，处理液会残留在破碎瓶的死角处，不便于破碎瓶的清理。

[0004] 超声波细胞破碎装置已经广泛应用于科学实验及实际生产当中，通过超声波在液体中的空化效应，引起物料结构中的共振现象，利用共振来破坏物料的结构，目前常用的超声波破碎装置主要以散射波和T型波为主，散射波范围广，但强度却相对较弱，T型波虽然强度较高，但其发生后迅速向四周扩散，并不会形成波动能量的积累，破碎效果主要取决于波动冲击后的第一次反应，由于波动能量不能聚集，导致物料破碎效果不佳，影响后期的实验和生产加工，工作效率低。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供一种基于球面波共振原理的超声波细胞破碎装置，以解决现有技术中波动能量不能聚集，物料破碎效果不佳，影响后期的实验和生产加工，工作效率低，介质液体散热不良，介质液体残留不便于清理的问题。

[0006] 为达到上述目的，本发明的技术方案是：一种基于球面波共振原理的超声波细胞破碎装置，包括通过传输线1连接的超声波发生器2、换能器3和变幅杆4，超声波发生器2的一侧设有介质容器5，换能器3设置在超声波发生器2和介质容器5之间，变幅杆4与换能器3连接并设置在介质容器5内，介质容器5内设有样本容器6，样本容器6通过样本容器固定装置固定在介质容器5内。

[0007] 优选的，样本容器6为球形容器，样本容器6上设有下料管7，下料管7的一端与样本容器6固定连接，另一端延伸设置在介质容器5外。

[0008] 优选的，样本容器固定装置包括固定框体8，连接杆9和限位环10，固定框体8与介质容器5的内壁相适配，限位环10的内径与样本容器6的外径相适配，固定框体8通过连接杆9与限位环10固定连接。

[0009] 优选的，连接杆9内设有与样本容器6相适配的顶块11，顶块11的一侧与样本容器6相接触，另一侧连接有弹簧12。

[0010] 优选的，限位环10和连接杆9的连接部设有与样本容器6相适配的底部限位杆13。

[0011] 优选的，介质容器5的内壁上设有限位块14。

[0012] 优选的，介质容器5内填充有外部介质15，样本容器6内填充有内部介质16，外部介质15的液高大于样本容器6的球形部，内部介质16的液高大于样本容器6的球形部且小于外部介质15的液高。

[0013] 优选的，样本容器6至变幅杆4的距离为外部介质15中超声波频率波长的整数倍，样本容器6的内径为内部介质16中超声波频率波长的整数倍，样本容器6的壁厚小于内部介质16所用材料中超声波频率波长的1/10,外部介质15的密度大于内部介质16的密度。

[0014] 优选的，介质容器5的顶部设有顶盖17，顶盖17的通过铰链18与介质容器5活动连接。

[0015] 优选的，顶盖17上设有下料管7可以通过的通孔19，通孔19上套接有下料管密封圈20，介质容器5的侧板上设有与顶盖17相对应的顶盖密封垫21。

[0016] 本发明的优点在于：本发明在不提高超声波发生器能量的前提下，利用超声波在样本容器内形成球面波并且富集起来的特点，实现了对超声波组织破碎效果的强化，有效的提高了物料破碎的效果，超声波能量不会向四周扩散，样本容器通过样本容器固定装置牢固的固定在介质容器内，避免了样本容器发生位移的现象，保证了物料破碎过程的稳定性，有效的提高了破碎装置的工作效率，为后期的实验和生产加工提供便利，内外两种介质散热效果好，不会影响正常的破碎工作，样本容器可以从介质容器内取出，方便介质容器的清理，避免了介质液体残留在介质容器内的现象。

附图说明

[0017] 图1为本发明的剖视结构示意图。

[0018] 图2为本发明样本容器固定装置的结构示意图。

[0019] 图3为本发明的剖视立体结构示意图。

[0020] 附图标记含义如下：传输线（1），超声波发生器（2），换能器（3），变幅杆（4），介质容器（5），样本容器（6），下料管（7），固定框体（8），连接杆（9），限位环（10），顶块（11），弹簧（12），底部限位杆（13），限位块（14），外部介质（15），内部介质（16），顶盖（17），铰链（18），通孔（19），下料管密封圈（20），顶盖密封垫（21）。

具体实施方式

[0021] 下面结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步说明。

[0022] 如图1、图2和图3所示的一种基于球面波共振原理的超声波细胞破碎装置，包括通过传输线1连接的超声波发生器2、换能器3和变幅杆4，超声波发生器2的一侧设有介质容器5，换能器3设置在超声波发生器2和介质容器5之间，变幅杆4与换能器3连接并设置在介质容器5内，介质容器5内设有样本容器6，样本容器6通过样本容器固定装置固定在介质容器5内。

[0023] 为了使样本容器6内形成球面共振，使超声波振动可以在样本容器6的内部介质16内形成富集，提高破碎效率和破碎效果，设置样本容器6为球形容器，样本容器6上设有下料管7，下料管7的一端与样本容器6固定连接，另一端延伸设置在介质容器5外。

[0024] 为了保证样本容器6在外部介质15中的稳定性，避免样本容器6本体在超声波的作用下发生振动，使样本容器6内的超声波可以形成富集，使样本容器6固定的更加牢靠，样本容器固定装置包括固定框体8，连接杆9和限位环10，固定框体8与介质容器5的内壁相适配，限位环10的内径与样本容器6的外径相适配，固定框体8通过连接杆9与限位环10固定连接。

[0025] 为了进一步保证样本容器6的稳定性，在连接杆9内设有与样本容器6相适配的顶块11，顶块11的一侧与样本容器6相接触，另一侧连接有弹簧12。

[0026] 为了保证样本容器6球形底部的稳定性，使其固定的更加牢靠，在限位环10和连接杆9的连接部设有与样本容器6相适配的底部限位杆13。

[0027] 为了保证样本容器固定装置的稳定性，方便其固定在介质容器5的内壁上，在介质容器5的内壁上设有限位块14。

[0028] 为了进一步使样本容器6内的超声波形成富集，提高破碎效果，在介质容器5内填充有外部介质15，样本容器6内填充有内部介质16，外部介质15的液高大于样本容器6的球形部，内部介质16的液高大于样本容器6的球形部且小于外部介质15的液高。

[0029] 为了进一步提高破碎的效率和效果，使超声波在样本容器6内形成富集，提高超声波的传输速度，设置样本容器6至变幅杆4的距离为外部介质15中超声波频率波长的整数倍，样本容器6的内径为内部介质16中超声波频率波长的整数倍，样本容器6的壁厚小于内部介质16所用材料中超声波频率波长的1/10,外部介质15的密度大于内部介质16的密度。

[0030] 为了方便破碎工作结束后取出样本容器6，在介质容器5的顶部设有顶盖17，顶盖17的通过铰链18与介质容器5活动连接。

[0031] 为了保证介质容器的密闭性，防止外部介质15溢出，使下料管7固定的更牢靠，在顶盖17上设有下料管7可以通过的通孔18，通孔18上套接有下料管密封圈19，介质容器5的侧板上设有与顶盖17相对应的顶盖密封垫20。

[0032] 实施例一

[0033] 超声波发生器2的功率为100W，超声波的频率为20kHZ，介质容器5中外部介质15为水，水中的超声波的传导速率为1473m/s，波长为7.365cm，样本容器6至变幅杆4的距离为外部介质15中超声波频率波长的整数倍，从而设置样本容器6至变幅杆4的距离为73.65cm；内部介质16为乙醇，乙醇中的声波的传导速率为1168m/s，波长为5.84cm，样本容器6的内径为内部介质16中超声波频率波长的整数倍，从而设置样本容器6的内径为58.4cm；样本容器6的材料为玻璃，玻璃中的超声波的传导速率为5640m/s，波长为28.2cm，样本容器6的壁厚小于内部介质16所用材料中超声波频率波长的1/10，从而设置样本容器6的壁厚小于2.82cm。

[0034] 以DPPH在乙醇当中的溶解为例，DPPH是分析抗氧化剂自由基清除能力的重要试剂，不溶于水，可溶解于乙醇，然而其溶解速率极慢，0.1gDPPH完全溶解在250ml乙醇当中约耗时6小时；T型超声波装置在同等功率、频率的输出条件下（100W、20kHZ），需30分钟可完全溶解DPPH；采用本发明实施例一中的超声波处理条件，可有效加速DPPH在乙醇当中的溶解速率，5分钟即可完全溶解，可有效将DPPH的颗粒破碎及溶解效率提高6倍。

[0035] 实施例二

[0036] 超声波发生器2的功率为200W，超声波频率为25kHZ，介质容器5中的外部介质15为20%氯化钙溶液，氯化钙溶液中的超声波的传导速率为1531m/s，波长为6.124cm，样本容器6至变幅杆4的距离为外部介质15中超声波频率波长的整数倍，从而设置样本容器6至变幅杆
4的距离为61.24cm；内部介质16为水，水中的超声波的传导速率为1473m/s，波长为
5.892cm，样本容器6的内径为内部介质16中超声波频率波长的整数倍，从而设置样本容器6的内径为58.92cm；样本容器6的材料为有机玻璃，有机玻璃中的超声波的传导速率为
2692m/s，波长为10.77cm，样本容器6的壁厚小于内部介质16所用材料中超声波频率波长的
1/10，从而设置样本容器6的壁厚小于1.07cm。

[0037] 以通过超声波辅助萃取牛肺中的肝素钠为例，T型超声波装置在同等功率、频率的输出条件下（200W、25kHZ），可将肝素钠提取率提高16%；采用本发明实施例二中的超声波处理条件，肝素钠的提取率可以达到22%，可将肝素钠辅助萃取效率提高6%。

[0038] 实施例三

[0039] 超声波发生器2的功率为400W，超声波频率为40kHZ，介质容器5中的外部介质15为20%氯化钙溶液，氯化钙溶液中的超声波的传导速率为1531m/s，波长为3.8275cm，样本容器
6至变幅杆4的距离为外部介质15中超声波频率波长的整数倍，从而设置样本容器6至变幅杆4的距离为76.55cm；内部介质16为牛奶，牛奶中的超声波的传导速率为1473m/s，波长为
3.6825cm，样本容器6的内径为内部介质16中超声波频率波长的整数倍，从而设置样本容器
6的内径为73.65cm；样本容器6的材料为有机玻璃，有机玻璃中的超声波的传导速率为
2692m/s，波长为6.73cm，样本容器6的壁厚小于内部介质16所用材料中超声波频率波长的
1/10，从而设置样本容器6的壁厚小于0.673cm。

[0040] 以对牛奶进行超声波破碎为例，采用本发明实施例三中的超声波处理条件，在均质5分钟的条件下，可将牛奶乳化液的平均粒径降低至1.0微米以下。

[0041] 以上所述的仅是本发明的较佳实例，本发明的技术方案并不受此限制，应当指出对于本领域普通技术人员来说，在本发明所提供的技术启示下，作为本领域的公知常识，还可以做出其他等同变型和改进，也应视为本发明的保护范围。