JP2004330008A - Micro-channel apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、懸濁液に含まれる微粒子の分級・分離操作に用いられるマイクロチャンネル装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
ナノ・マイクロテクノロジーの進展に伴い、マイクロリアクターやマイクロ化学プラントなどの微小な装置が注目されている。この装置は、微粒子(固体微粒子やエマルションなど)を含む懸濁液の生成に用いられ、生成量が微量であるという点を特徴とする。この装置を以下の説明では「造粒装置」という。なお、微小な造粒装置では、物質や熱の移動速度の速さを利用して懸濁液を“微量生成”する。
【0003】
また、上記の微小な造粒装置で生成された懸濁液内の微粒子を製品として取り出すためには、分級(同じ種類のものを大きさで分ける)・分離(種類と大きさの異なるものを分ける)などの操作が必要であり、このような操作を行う装置も造粒装置と同様にマイクロサイズであることが望まれる。
そこで、既存装置のサイクロンをミニチュア化することが検討された(例えば特許文献1を参照)。この小型サイクロンは、直径が10mmであり、装置内で発生させた大きな遠心力を利用して微粒子の分級・分離操作を行う。
【0004】
【特許文献1】
Cillers, J.J. And S.T.L Harrison, ”The Application of mini−hydrocyclones in the concentration of yeast suspensions”, The Chemical Engineering Journal, 65,21−26(1997)
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の小型サイクロンでは、装置内で大きな遠心力を発生させるために、大きな流量(例えば150l/h)が必要であった。つまり、多量の懸濁液サンプルが必要であった。このため、小型サイクロンへの懸濁液サンプルの供給量が少ないと、十分な遠心力を発生させることができず、結果として十分な分級・分離効果を得ることができない。
【0006】
小型サイクロンによる分級・分離効果を高めるためには、微小な造粒装置(マイクロリアクターなど)を長時間稼働させて多量の懸濁液を生成しなければならず、微小な造粒装置の“微量生成”という特徴を生かすことができない。
本発明の目的は、懸濁液の供給量が微量であっても懸濁液内の微粒子を確実に分級・分離できるマイクロチャンネル装置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載のマイクロチャンネル装置は、懸濁液を取り込む入口ポートと、前記入口ポートに一端が取り付けられた湾曲形状の流路と、前記流路の下流側に取り付けられた複数の分岐流路と、前記分岐流路それぞれの下流側の一端に取り付けられ、前記湾曲形状の流路と前記分岐流路を経た後の懸濁液を排出する複数の出口ポートとを備えたものである。
【0008】
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載のマイクロチャンネル装置において、前記湾曲形状の流路が、円形状の一部分により構成されたものである。
請求項3に記載の発明は、請求項2に記載のマイクロチャンネル装置において、前記湾曲形状の流路は、断面積をA、曲率半径をRとし、前記入口ポートに取り込まれる懸濁液の流量をQとするとき、次の条件式を満足するものである。
【0009】
(Q/A)2/R > 9.8
請求項4に記載の発明は、 請求項1から請求項3の何れか1項に記載のマイクロチャンネル装置において、前記湾曲形状の流路は、下流側に向かって流れる懸濁液にディーン渦が発生し得る長さを有するものである。
請求項5に記載の発明は、請求項1から請求項4の何れか1項に記載したマイクロチャンネル装置において、前記入口ポートと前記湾曲形状の流路と前記複数の分岐流路と前記複数の出口ポートとからなるユニットを複数備え、前記複数のユニットが、互いに並列接続されたものである。
【0010】
請求項6に記載の発明は、請求項1から請求項4の何れか1項に記載したマイクロチャンネル装置において、前記入口ポートと前記湾曲形状の流路と前記複数の分岐流路と前記複数の出口ポートとからなるユニットを複数備え、前記複数のユニットが、互いに直列接続されたものである。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。
【0012】
本実施形態のマイクロチャンネル装置10は、図1〜図6に示すように、2枚のアクリル板11,12の間に設けられたマイクロスケールの流路(13〜15)と、流路(13〜15)の上流側に取り付けられた1つの入口ポート16と、下流側に取り付けられた2つの出口ポート17,18とで構成されている。
なお、図1はマイクロチャンネル装置10を上方から見た図である。図2,図3は図1の点線枠10A,10Bの拡大図である。図4,図5は図1のA−A断面図,B−B断面図である。図6はマイクロチャンネル装置10の使用形態を示す概略図である。
【0013】
アクリル板11,12は、複数の貫通孔21を介して、例えばM8のステンレスボルトナット22によりシールされている(図5)。アクリル板11,12の大きさは、例えば一辺が10cmである。アクリル板11の厚さは例えば2cmである。アクリル板12の厚さは例えば1cmである。なお、アクリル板11,12のシールには、ボルトナット22による締め付けの他、接着や接合(融着)によるシール法を用いても構わない。
【0014】
流路(13〜15)は、アクリル板11の表面にストレートエンドミル(例えば径200μm)を用いて切削したものである。流路(13〜15)の断面は、矩形状である(図4,図5)。流路(13〜15)の形成には、ストレートエンドミルによる機械的な切削方法の他、エッチング法や、レーザによる微細加工を用いても構わない。
【0015】
また、流路(13〜15)は、上流側が円弧状であり、下流側で2つに分岐している。以下の説明では、上流側の円弧状の部分13を「円弧状流路13」、下流側で内側に分岐した後の直線部分14を「内側分岐流路14」、下流側で外側に分岐した後の直線部分15を「外側分岐流路15」という。内側とは曲率中心側に対応し、外側は曲率中心とは反対側に対応する。
【0016】
円弧状流路13は、曲率半径が約2cmの半円状の流路である。円弧状流路13の断面は、図4に示す幅Cが約200μm、深さDが約170μmである。円弧状流路13の上流側の一端には、入口ポート16が取り付けられている(図1,図5)。
内側分岐流路14は、断面の幅および深さが円弧状流路13と同じである。内側分岐流路14の下流側の一端には、出口ポート17が取り付けられている(図1,図5)。
【0017】
外側分岐流路15は、断面の幅が下流側で円弧状流路13,内側分岐流路14の2倍になっている(図3)。外側分岐流路15の深さは、円弧状流路13,内側分岐流路14と同じである。外側分岐流路15の下流側の一端には、出口ポート18が設けられている(図1,図5)。
入口ポート16は、アクリル板11に設けられた貫通孔(例えば径5.5mm)である。入口ポート16には、アクリル板11の裏面側にネジ式で嵌め込んだコネクター31を介してチューブ34(例えば径4mm)が取り付けられ、このチューブ34にはマイクロフィーダ37が取り付けられている。マイクロフィーダ37内の懸濁液は、チューブ34を通過した後、入口ポート16から内部に取り込まれる。
【0018】
出口ポート17は、アクリル板11に設けられた貫通孔(例えば径5.5mm)である。出口ポート17には、アクリル板11の裏面側にネジ式で嵌め込んだコネクター32を介してチューブ35(例えば径4mm)が取り付けられる。このチューブ35の先端は、サンプル瓶38の中に入っている。
同様に、出口ポート18は、アクリル板11に設けられた貫通孔(例えば径5.5mm)である。出口ポート18には、アクリル板11の裏面側にネジ式で嵌め込んだコネクター33を介してチューブ36(例えば径4mm)が取り付けられる。このチューブ36の先端は、サンプル瓶39の中に入っている。
【0019】
上記構成のマイクロチャンネル装置10において、入口ポート16から内部に取り込まれた懸濁液は、円弧状流路13を通過した後、内側分岐流路14と外側分岐流路15に分かれて進行する。ちなみに、円弧状流路13の内側を通過する懸濁液が内側分岐流路14に流れ込み、外側を通過する懸濁液が外側分岐流路15に流れ込む。
【0020】
本実施形態のマイクロチャンネル装置10では、図3に示すように、外側分岐流路15の断面の幅を下流側で内側分岐流路14の2倍とし、外側分岐流路15の断面の面積を内側分岐流路14の2倍とした。このため、外側分岐流路15に流れ込む懸濁液の流量を、内側分岐流路14に流れ込む懸濁液の流量の約2倍とすることができる。
【0021】
この場合、図7に示すように、円弧状流路13の最下流地点(内側分岐流路14,外側分岐流路15への分岐地点)では、断面のうち内側の約1/3の面積を占める領域Eの中の懸濁液が内側分岐流路14に流れ込み、外側の約2/3の面積を占める領域Fの中の懸濁液が外側分岐流路15に流れ込むことになる。
【0022】
そして、内側分岐流路14を通過した後の懸濁液は、出口ポート17から排出され、チューブ35を介して内側のサンプル瓶38に流れ込む。また、外側分岐流路15を通過した後の懸濁液は、出口ポート18から排出され、チューブ36を介して外側のサンプル瓶39に流れ込む。
次に、本実施形態のマイクロチャンネル装置10による懸濁液内の微粒子の分級・分離操作について図8(A)〜(C)を用いて説明する。ここでは、懸濁液内に大きさの異なる2種類の微粒子が含まれているとして説明を行う。微粒子は、固体微粒子やエマルション(液滴)、動物細胞、植物細胞、赤血球などである。
【0023】
入口ポート16から取り込まれた懸濁液は、円弧状流路13の最上流地点において未だ遠心力を受けていない。このため、図8(A)に示すように、大きさの異なる2種類の微粒子25,26は断面内で均一に分布している。
その後、これらの微粒子25,26は、円弧状流路13に沿って円周方向に流れながら半径方向の外向きの遠心力F1を受け、図8(B)に示すように、全体的に外側面3Aに寄っていく。ここで、円弧状流路13は断面積が小さいため、微少量の流れ(極めて小さな流量)でも、微粒子25,26の流速は非常に大きくなる。さらに、円弧状流路13の曲率半径も小さいため、非常に大きな遠心力F1が発生する。
【0024】
概算を例示すると、一辺(図7のC,D)が200μmの円弧状流路13に、懸濁液を6ml/minで送液すると、円弧状流路13内での断面平均速度は2.5m/sとなる。さらに、円弧状流路13の曲率半径が2cmの場合、遠心力F1は312.5m/s2となる。またレイノルズ数は500程度である(つまり層流状態)。
このように、円弧状流路13の断面では非常に大きな遠心力F1が発生し、2種類の微粒子25,26は共に外側面3Aに寄っていくが、ある地点よりも下流側の断面では、図8(C)に示すように、遠心力F1に起因した二次流、つまりディーン(Dean)渦F2,F3が発達する。ディーン渦F2,F3は、断面内の上下に発達する一対の流れ場である。
【0025】
ディーン渦F2,F3のうち上側の一方(F2)は、円弧状流路13の中ほどを半径方向の外向きに流れて、外側面3Aの近傍で上向きとなり、上壁面3Cの近傍で半径方向の内向きに流れて、内側面3Bの近傍で下向きとなる。すなわち、円弧状流路13の断面の上側半分を巡回する。
同様に、ディーン渦F2,F3のうち下側の一方(F3)は、円弧状流路13の中ほどを半径方向の外向きに流れて、外側面3Aの近傍で下向きとなり、下壁面3Dの近くで半径方向の内向きに流れて、内側面3Bの近傍で上向きとなる。すなわち、円弧状流路13の断面の下側半分を巡回する。
【0026】
円弧状流路13の断面にディーン渦F2,F3が発達すると、このディーン渦F2,F3の強さと遠心力F1のバランスによって次の現象が起きる。つまり、流れに乗りやすい小さな微粒子25はディーン渦F2,F3と一緒に断面内を巡回して均一化し、大きな微粒子26は流れに乗ることなく外側面3Aの近くに偏在したままとなる。その結果、円弧状流路13の断面の外側では、大きな微粒子26の濃度が高くなり、内側では小さな微粒子25の濃度が高くなる。
【0027】
このため、図8(C)と同様の分布状態で円弧状流路13の最下流地点(内側分岐流路14,外側分岐流路15への分岐地点)に到達した懸濁液は、小さな微粒子25を多く含む内側部分(図7の領域Eの中の懸濁液)が内側分岐流路14に流れ込み、大きな微粒子26を多く含む外側部分(図7の領域Fの中の懸濁液)が外側分岐流路15に流れ込むことになる。
【0028】
そして、内側分岐流路14を通過した後の懸濁液(小さな微粒子25が多い)は、出口ポート17から排出され、チューブ35を介して内側のサンプル瓶38に流れ込む。また、外側分岐流路15を通過した後の懸濁液(大きな微粒子26が多い)は、出口ポート18から排出され、チューブ36を介して外側のサンプル瓶39に流れ込む。
【0029】
したがって、本実施形態のマイクロチャンネル装置10によれば、極めて小さな流量(例えば6ml/min)でも、懸濁液内の微粒子を確実に分級・分離することができる。2種類の微粒子25,26の物質が同じ種類の場合には、図9に示すような分級(Classification)操作が行われたことになる。また、2種類の微粒子25,26の物質が異なる種類の場合には、図10に示すような分離(Separation)操作が行われたことになる。
【0030】
次に、本実施形態のマイクロチャンネル装置10による分級操作の具体的な実験例(図11,図12)を説明する。
ここでは、比重1.19で最頻粒径(モード粒径)9μmのアクリル粒子(綜研化学株式会社製商品名MR−10HG)をイオン交換水に懸濁させた試料(0.06wt%)を用意し、この懸濁液をレイノルズ(Re)数の範囲150〜600でマイクロフィーダ37から入口ポート16に送液した。懸濁液内に含まれる微粒子の径は、約1μm〜60μmの範囲で広く分布している(多分散系)。
【0031】
そして、マイクロチャンネル装置10の出口ポート17,18からサンプル瓶38,39の各々に流れ込んだ懸濁液について、微粒子の粒度分布(株式会社島津製商品名SALD−200VER Model−2)を測定した。例えばRe数が600の場合の測定結果は図11の通りである。図11は体積基準粒度分布を表している。
内側のサンプル瓶38に流れ込んだ懸濁液の微粒子の粒度分布は、図11の実線に示す通り、最頻粒径DINが7.5μm程度である。外側のサンプル瓶39に流れ込んだ懸濁液の微粒子の粒度分布は、図11の点線に示すとおり、最頻粒径DOUTが13.4μm程度である。
【0032】
つまり、内側のサンプル瓶38には小さい微粒子(DIN=7.5μm程度)が流れ込み、外側のサンプル瓶39には大きい微粒子(DOUT=13.4μm程度)が流れ込んだことが分かる。図11の測定結果から、本実施形態のマイクロチャンネル装置10による明確な分級効果が実証されたことになる。
【0033】
さらに、外側のサンプル瓶39での最頻粒径DOUTと内側のサンプル瓶38での最頻粒径DINとの比(=最頻粒径比DOUT/DIN)を計算し、図12に“◇”でプロットした。図12の横軸は、Re数である。図12の“◇”は、最頻粒径比DOUT/DINのRe数に対する依存性を示している。
図12の“◇”の測定結果から、最頻粒径比DOUT/DINは、Re数の変化に拘わらず同程度の値(1.3〜1.8)を示すことが分かった。これは、外側の最頻粒径DOUTが内側の最頻粒径DINの1.3〜1.8倍程度であり、マイクロチャンネル装置10による明確な分級効果を表している。ちなみに、最頻粒径比DOUT/DINの値が「1」のときは、内外のサンプル瓶38,39で最頻粒径が等しく、全く分級されなかったことになる。
【0034】
このように、本実施形態のマイクロチャンネル装置10によれば、極めて小さな流量で、Re数を変えた場合(範囲150〜600)でも、常に明確な分級効果を得ることができる(図11,図12◇参照)。
また、内外のサンプル瓶38,39に流れ込んだ各々の懸濁液について、その質量を測定した。内側のサンプル瓶38内の懸濁液の質量を測定することにより、内側の出口ポート17での流量QINを求めることができる。同様に、外側のサンプル瓶39内の懸濁液の質量を測定することにより、外側の出口ポート18での流量QOUTを求めることができる。
【0035】
そして、外側の出口ポート18での流量QOUTと内側の出口ポート17での流量QINとの比(=流量比QOUT/QIN)を計算し、図12に“○”でプロットした。図12の“○”は、流量比QOUT/QINのRe数に対する依存性を示している。この測定結果から、Re数の変化に拘わらず流量比QOUT/QINが同程度の値(2.0〜2.5)を示すことが分かった。
【0036】
さらに、内外のサンプル瓶38,39に流れ込んだ各々の懸濁液について、波長900nmにおける吸光度(APEL,PD−303)の測定も行った。吸光度を測定することにより、各々の懸濁液の濃度を求めることができる。ちなみに、吸光度は濃度にほぼ比例する。
【0037】
そして、外側のサンプル瓶39での吸光度IOUTと内側のサンプル瓶38での吸光度IINとの比(=吸光度比IOUT/IIN)を計算し、図12に“□”でプロットした。図12の“□”は、吸光度比IOUT/IINのRe数に対する依存性を示している。この測定結果から、Re数の変化に拘わらず吸光度比IOUT/IINが同程度の値(1.5〜2.0)を示すことが分かった。
【0038】
図12の“○”と“□”の測定結果は、図3で既に説明したように、外側分岐流路15の断面の幅を内側分岐流路14の2倍としたことに起因している。つまり、外側分岐流路15の断面の幅が2倍であるため、内側のサンプル瓶38と比較して外側のサンプル瓶39から、流量QOUTが2.0〜2.5倍で、濃度が1.5〜2.0倍の懸濁液を得ることができた。
【0039】
この場合、外側のサンプル瓶39に流れ込んだ微粒子の量(=流量QOUT(2.0〜2.5倍)×濃度(1.5〜2.0倍))は、内側のサンプル瓶38に流れ込んだ微粒子の量の3.0〜4.5倍程度である。つまり、内側と比較して外側から多量の微粒子を得ることができる。
なお、上記した図11,図12と同様の測定結果は、最頻粒径7μmのアクリル粒子を含む懸濁液や最頻粒径20μmのアクリル粒子を含む懸濁液でも得ることができた。
【0040】
上記したように、本実施形態のマイクロチャンネル装置10によれば、入口ポート16からの懸濁液の供給量が極めて微量であっても、懸濁液内の微粒子を確実に分級・分離することができる。
ただし、円弧状流路15の断面積をA[m2]、曲率半径をR[m]、入口ポート16に取り込まれる懸濁液の流量をQ[m3/s]とするとき、次の条件式(1)を満足することが好ましい。条件式(1)を満足する場合、少なくとも重力以上の遠心力を発生させることができため、懸濁液内の微粒子を分級・分離できる。
【0041】
(Q/A)2/R > 9.8 …(1)
さらに、本実施形態のマイクロチャンネル装置10によれば、懸濁液に遠心力F1とディーン渦F2,F3を発生させる流路(円弧状流路13)を円形状の一部分により構成したため、流路(13)を短く構成することができ、効率よく分級・分離できる。
【0042】
また、本実施形態のマイクロチャンネル装置10によれば、マイクロフィーダー37から送液する懸濁液の流量に応じて、懸濁液内の微粒子の分級・分離精度を調整することができる。さらに、微粒子の径が異なる場合には、マイクロフィーダー37からの流量により対応できる。すなわち、微粒子の径に応じて流量を調整することで、微粒子の径に拘わらず一定の精度で分級・分離を行うことができる。
【0043】
また、本実施形態のマイクロチャンネル装置10によれば、マイクロフィーダー37からの流量を調整して、円弧状流路13の断面にディーン渦F2,F3が発生しないようにする(またはディーン渦F2,F3を弱くする)ことで、図13に示すように、懸濁液内の微粒子を濃縮することもできる(Concentration)。この場合、外側分岐流路15,出口ポート18を介して外側のサンプル瓶39から濃厚な懸濁液を得ることができる。
【0044】
さらに、本実施形態のマイクロチャンネル装置10は、図14に示すように、マイクロリアクターやマイクロ化学プラントなどの微小な造粒装置40の下流部分に直接接続することができる。この場合の造粒装置40は、原料液4A,4Bを各々の流路41,42を介して合流させるものである。そして造粒装置40の流路41,42の合流地点に、マイクロチャンネル装置10の円弧状流路13の上流側の一端が取り付けられている。円弧状流路13の中では、造粒装置40からの原料液4A,4Bにより懸濁液が生成され、その後、懸濁液内の微粒子が分級・分離される。この構成によれば、懸濁液の生成から微粒子の分級・分離までを連続的に処理可能なデッドスペース0のシステムを構築できる。
【0045】
なお、上記した実施形態では、入口ポート16と流路(13〜15)と出口ポート17,18からなるユニットを1つ備えたマイクロチャンネル装置10の例を説明したが、本発明はこれに限定されない。
例えば図15(A),(B)に示すマイクロチャンネル装置45のように、複数のユニット46を厚さ方向に貼り合わせて並列接続してもよい。各々のユニット46は、入口ポート16どうしが連続的に形成され、出口ポート17どうしが連続的に形成され、出口ポート18どうしが連続的に形成されている。各々のユニット46の流路(13〜15)は独立している。
【0046】
上記構成のマイクロチャンネル装置45では、共通の入口ポート16から操作対象の懸濁液47が取り込まれ、各ユニット46の流路(13〜15)に分配される。そして、各ユニット46の内側分岐流路14を通過した後の懸濁液(小さい微粒子を多く含む)は、共通の出口ポート17で合流して排出される。また、各ユニット46の外側分岐流路15を通過した後の懸濁液(大きい微粒子を多く含む)は、共通の出口ポート18で合流して排出される。
【0047】
このように、マイクロチャンネル装置45によれば、多段並列操作が可能となり、懸濁液の処理量(流量)を増やすことができる(Numbering−up)。具体的にいうと、N段のユニット46からなる場合、懸濁液の処理量をN倍に増やすことができる。このとき、装置の分級・分離性能がユニット数により変化することはない。つまり、分級・分離性能を一定に保ったまま、懸濁液の処理量を増やすことができる。
【0048】
また、図16(A)〜(C)に示すマイクロチャンネル装置48のように、入口ポート16と出口ポート17,18を懸濁液の出し入れ面6Aとは反対側の面6Bまで貫通させ、この面6Bから貫通孔(16〜18)にロッド51〜53を挿入するように構成することもできる。この場合、貫通孔(16〜18)内でのロッド51〜53の挿入長さL1,L2を等しくする必要がある。
【0049】
マイクロチャンネル装置48では、共通の入口ポート16から懸濁液47が取り込まれても、反対側の面6Bからロッド51の先端までのユニット46には懸濁液が流れ込まないため、分級・分離操作に供される稼働ユニット数をロッド51〜53の挿入長さL1,L2に応じて任意に調節することができる。
したがって、例えば100段のユニット46を重ねて構成したマイクロチャンネル装置48の場合には、最大流量から最小流量までの範囲(100段階)で懸濁液47の流量が変化しても、その流量に応じてロッド51〜53の挿入長さL1,L2を調整し、稼働ユニット数を適切に設定することで、同じ分級・分離性能を維持できる。
【0050】
また逆に、マイクロチャンネル装置45,48に取り込む懸濁液47の流量をユニット数に拘わらず一定に保つ場合には、分級・分離性能を変えることができる。従来の小型サイクロンでは、流量を変えると性能(分級・分離できる粒子径)も変化してしまうが、上記の多段並列操作によれば、流量および性能のうち一方を一定に保ったまま他方を変えることが簡単に行える。
【0051】
さらに、図17に示すマイクロチャンネル装置55のように、複数のユニット46を厚さ方向に貼り合わせて直列接続してもよい。直列接続のため、隣り合うユニット46どうしの向きは交互に左右反転させてある。また、隣り合うユニット46のうち上流側(図中6Uの符号を付した)の外側の出力ポート18は、下流側(図中6Dの符号を付した)の入力ポート16に接続され、内側の出力ポート17は各ユニット46どうしで連続的に接続され、各ユニット46の流路(13〜15)は独立している。
【0052】
上記構成のマイクロチャンネル装置55では、1段目の入口ポート16から操作対象の懸濁液47が取り込まれ、小さい微粒子を含む懸濁液が各段の内側分岐流路14を介して内側の出口ポート17に合流する。また、大きな微粒子を含む懸濁液は外側分岐流路15を介して次の段の入口ポート16に流れ込む。この多段直列操作によれば、小さい微粒子の除去性能が向上し、装置の分級・分離精度が向上する(直列ナンバリングアップ)。
【0053】
また、図15〜図17のマイクロチャンネル装置45,48,55のように、複数のユニット46を貼り合わせてナンバリングアップする場合、各々のユニット46に形成される流路がマイクロスケールの極めて浅いものである(例えば170μm)ため、各々のユニット46を極めて薄くする(例えば1mm以下)ことができる。したがって、ナンバリングアップによる装置の大型化を回避することが可能となる。例えば1mmのユニット46を100段重ねた場合でも、装置全体の厚さを10cm程度に抑えることができる。
【0054】
また、上記した実施形態では、円弧状流路13の下流側に2つの分岐流路14,15を設けたが、分岐流路の数は3つ以上でもよい(図18,図19参照)。出口側の分岐流路の数に応じて、分級・分離の階数を調整することができる。
さらに、上記した実施形態では、円弧状流路13を半円状としたが、本発明はこれに限らない。円弧状流路13は、円形状の一部分(任意の長さ)により構成できる。ただし下流側に向かって流れる懸濁液にディーン渦が発生し得る長さを確保することが好ましい。また、円弧状流路13の形状は、円形状に限らず、楕円形状や放物線形状など湾曲形状であれば何でも構わない。
【0055】
また、上記した実施形態では、流路(13〜15)の断面形状を矩形状としたが、本発明はこれに限定されない。断面形状は、矩形以外(例えば円形)でもよい。断面のサイズは、十分な遠心力が得られるように、流路の少なくとも一辺が1mm以下であって断面積が十分に小さければ、任意に決めることができる。また、操作対象の懸濁液内の微粒子サイズに応じて断面のサイズを決めてもよい。
【0056】
さらに、上記した実施形態では、外側分岐流路15の幅を下流側で2倍にする例を説明したが、内側分岐流路14と幅を等しくしてもよい。各分岐流路の幅に応じて、各分岐流路における流量の比を任意にコントロールすることにより、分級の性能を変えることができる。流量比のコントロール法には、各分岐流路の幅を変える以外、各分岐流路の長さを変える方法や、出口ポート17,18にかける圧力を調整する方法などが考えられる。前者の場合、分岐流路の長さに応じて圧力損失が大きくなり、結果として、長い分岐流路における流量を減らすことができる。後者の場合、高い圧力をかけた出口ポートに連なる分岐流路の流量を減らすことができる。
【0057】
また、多分散系の懸濁液に限らず、実用上単分散とみなせるような極めて粒径の分布幅が小さい懸濁液にも、本発明を適用できる。
さらに、上記した実施形態では、2枚のアクリル板11,12の間にマイクロスケールの流路(13〜15)を設けたが、本発明はこれに限定されない。例えばガラスや各種高分子、シリコンウエハ、銅、ステンレスなど、他の材料からなる2枚の板部材の間に、同様のマイクロスケールの流路を設けてもよい。
【0058】
また、上記した実施形態では、2枚の板部材のうち一方に溝を形成して、その溝を他方の板部材で蓋する例を説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば1枚の板部材の中に直接、3次元的な中空状の閉じた流路を形成しても良い。この場合、流路を確実にシールできるという利点がある。したがって、懸濁液の性質に起因して操作圧力が高い場合には、1枚の板部材の中に中空状の流路を形成することが好ましい。この形成には例えばマイクロ光造形法を用いることができる。
【0059】
ただし、1枚の板部材の中に中空状の流路を形成すると、図15〜図17のマイクロチャンネル装置45,48,55のように複数のユニット46を貼り合わせる場合、装置の厚みという点で不利になる。このため、懸濁液の性質に起因して操作圧力が低い場合には、装置の大きさを優先してユニット46の表面に溝を形成することが好ましい。
【0060】
さらに、図17のマイクロチャンネル装置55(直列ナンバリングアップ)の変形例として、図20のマイクロチャンネル装置60のように構成することもできる。マイクロチャンネル装置60では、前段の内側分岐流路の出口ポート17と次段の入口ポート16が接続される。この構成により、大きな微粒子を除去する性能が向上する。
【0061】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、懸濁液の供給量が微量であっても懸濁液内の微粒子を確実に分級・分離できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】マイクロチャンネル装置10の上面図である。
【図2】円弧状流路13の拡大図である。
【図3】流路(13〜15)の分岐地点および外側分岐流路15の拡大図である。
【図4】図1のAA断面図である。
【図5】図1のBB断面図である。
【図6】マイクロチャンネル装置10にマイクロフィーダ37とサンプル瓶38,39を取り付けた状態を示す図である。
【図7】円弧状流路13から内側分岐流路14と外側分岐流路15に流れ込む懸濁液を説明する断面図である。
【図8】円弧状流路13内で発生する遠心力F1とディーン渦F2,F3を説明する断面図である。
【図9】分級操作を説明する模式図である。
【図10】分離操作を説明する模式図である。
【図11】マイクロチャンネル装置10による分級操作の具体的な測定結果である。
【図12】マイクロチャンネル装置10による分級操作の具体的な測定結果である。
【図13】濃縮操作を説明する模式図である。
【図14】微小な造粒装置40との接続例を示す図である。
【図15】多段並列操作が可能なマイクロチャンネル装置45の外観構成を示す図(A)、模式的な概略構成を示す図(B)である。
【図16】多段並列操作が可能なマイクロチャンネル装置48の概略構成図である。
【図17】多段直列操作が可能なマイクロチャンネル装置55の概略構成図である。
【図18】分岐流路を3つ設けた場合の構成図である。
【図19】分岐流路を4つ設けた場合の構成図である。
【図20】マイクロチャンネル装置60の概略構成図である。
【符号の説明】
10 マイクロチャンネル装置
13 円弧状流路
14 内側分岐流路
15 外側分岐流路
16 入口ポート
17,18 出口ポート[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a microchannel device used for classification / separation of fine particles contained in a suspension.
[0002]
[Prior art]
With the advancement of nano / micro technology, micro devices such as micro reactors and micro chemical plants are attracting attention. This apparatus is used for producing a suspension containing fine particles (solid fine particles, emulsion, etc.), and is characterized in that the amount of the generated fine particles is very small. This device is referred to as a “granulation device” in the following description. In the case of a fine granulation apparatus, the suspension is "generated in a very small amount" by utilizing the speed of movement of a substance or heat.
[0003]
In addition, in order to take out the fine particles in the suspension generated by the above-mentioned fine granulator as a product, classification (separating the same type by size) and separation (separating different types and sizes) are necessary. Separation) is required, and it is desired that the apparatus for performing such an operation be of a micro size as in the case of the granulating apparatus.
Therefore, miniaturization of a cyclone of an existing device has been studied (for example, see Patent Document 1). This small cyclone has a diameter of 10 mm, and classifies and separates fine particles by using a large centrifugal force generated in the apparatus.
[0004]
[Patent Document 1]
Cillers, J.M. J. And S. T. L. Harrison, "The Applications of mini-hydrocyclones in the concentration of last suspensions", The Chemical Engineering Journal, 1997, 2621-26.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-mentioned conventional small cyclone, a large flow rate (for example, 150 l / h) was required to generate a large centrifugal force in the apparatus. That is, a large amount of suspension sample was required. For this reason, if the supply amount of the suspension sample to the small cyclone is small, sufficient centrifugal force cannot be generated, and as a result, sufficient classification and separation effects cannot be obtained.
[0006]
In order to increase the classification / separation effect of a small cyclone, a large amount of suspension must be generated by operating a minute granulator (microreactor, etc.) for a long time. It cannot take advantage of the characteristic of “generation”.
An object of the present invention is to provide a microchannel device capable of reliably classifying and separating fine particles in a suspension even when the supply amount of the suspension is very small.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The microchannel device according to
[0008]
According to a second aspect of the present invention, in the microchannel device according to the first aspect, the curved flow path is constituted by a part of a circular shape.
According to a third aspect of the present invention, in the microchannel device according to the second aspect, the curved flow path has a sectional area of A, a radius of curvature of R, and a flow rate of the suspension taken into the inlet port. Is Q, the following conditional expression is satisfied.
[0009]
(Q / A) 2 /R>9.8
According to a fourth aspect of the present invention, in the microchannel device according to any one of the first to third aspects, the curved flow path has a Dean vortex in the suspension flowing downstream. It has a length that can occur.
According to a fifth aspect of the present invention, in the microchannel device according to any one of the first to fourth aspects, the inlet port, the curved flow path, the plurality of branch flow paths, and the plurality of branch flow paths are provided. A plurality of units each including an outlet port are provided, and the plurality of units are connected in parallel with each other.
[0010]
According to a sixth aspect of the present invention, in the microchannel device according to any one of the first to fourth aspects, the inlet port, the curved flow path, the plurality of branch flow paths, and the plurality of branch flow paths are provided. A plurality of units each including an outlet port are provided, and the plurality of units are connected in series to each other.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0012]
As shown in FIGS. 1 to 6, the
FIG. 1 is a diagram of the
[0013]
The
[0014]
The channels (13 to 15) are obtained by cutting the surface of the
[0015]
In addition, the flow path (13 to 15) has an arc shape on the upstream side and is branched into two on the downstream side. In the following description, the arc-shaped
[0016]
The arc-shaped
The
[0017]
The
The
[0018]
The
Similarly, the
[0019]
In the
[0020]
In the
[0021]
In this case, as shown in FIG. 7, at the most downstream point of the arc-shaped flow path 13 (a branch point to the inner
[0022]
Then, the suspension after passing through the inner
Next, an operation of classifying and separating fine particles in the suspension by the
[0023]
The suspension taken in from the
Thereafter, these
[0024]
For example, when the suspension is fed at a rate of 6 ml / min into the arc-shaped
As described above, a very large centrifugal force F1 is generated in the cross section of the arc-shaped
[0025]
One of the upper sides (F2) of the Dean vortices F2 and F3 flows radially outward in the middle of the arc-shaped
Similarly, one of the lower sides (F3) of the Dean vortices F2 and F3 flows radially outward in the middle of the arc-shaped
[0026]
When the Dean vortices F2 and F3 develop in the cross section of the arc-shaped
[0027]
For this reason, the suspension reaching the most downstream point (branch point to the inner
[0028]
Then, the suspension (many small particles 25) after passing through the
[0029]
Therefore, according to the
[0030]
Next, a specific experimental example (FIGS. 11 and 12) of a classification operation by the
Here, a sample (0.06 wt%) in which acrylic particles (trade name: MR-10HG manufactured by Soken Chemical Co., Ltd.) having a specific gravity of 1.19 and a mode particle size (mode particle size) of 9 μm were suspended in ion-exchanged water. This suspension was supplied from the
[0031]
Then, for the suspensions flowing into the
The particle size distribution of the fine particles of the suspension flowing into the
[0032]
In other words, small particles (D IN = 7.5 μm) and large fine particles (D OUT = 13.4 μm). From the measurement results in FIG. 11, a clear classification effect by the
[0033]
Further, the mode particle diameter D in the
From the measurement result of “◇” in FIG. OUT / D IN Shows the same value (1.3 to 1.8) regardless of the change in the Re number. This is the outermost mode particle size D OUT Is the mode diameter D inside IN This is about 1.3 to 1.8 times that of the above, indicating a clear classification effect of the
[0034]
As described above, according to the
The mass of each of the suspensions flowing into the inner and
[0035]
And the flow rate Q at the
[0036]
Further, the absorbance (APEL, PD-303) at a wavelength of 900 nm was measured for each of the suspensions flowing into the inner and
[0037]
And the absorbance I in the
[0038]
The measurement results of “O” and “□” in FIG. 12 are due to the fact that the width of the cross section of the outer
[0039]
In this case, the amount of fine particles flowing into the outer sample bottle 39 (= flow rate Q OUT (2.0 to 2.5 times) × concentration (1.5 to 2.0 times)) is about 3.0 to 4.5 times the amount of the fine particles flowing into the
Note that the same measurement results as those in FIGS. 11 and 12 described above could be obtained with a suspension containing acrylic particles having a mode particle size of 7 μm and a suspension containing acrylic particles having a mode particle size of 20 μm.
[0040]
As described above, according to the
However, the cross-sectional area of the arc-shaped
[0041]
(Q / A) 2 /R>9.8 (1)
Furthermore, according to the
[0042]
Further, according to the
[0043]
Further, according to the
[0044]
Further, as shown in FIG. 14, the
[0045]
In the above embodiment, the example of the
For example, as in a microchannel device 45 shown in FIGS. 15A and 15B, a plurality of
[0046]
In the microchannel device 45 having the above configuration, the
[0047]
Thus, according to the microchannel device 45, multistage parallel operation becomes possible, and the throughput (flow rate) of the suspension can be increased (Numbering-up). Specifically, in the case where the
[0048]
Also, as in a microchannel device 48 shown in FIGS. 16A to 16C, the
[0049]
In the microchannel device 48, even if the
Therefore, for example, in the case of the microchannel device 48 configured by stacking the
[0050]
Conversely, if the flow rate of the
[0051]
Further, as in a micro channel device 55 shown in FIG. 17, a plurality of
[0052]
In the microchannel device 55 having the above-described configuration, the
[0053]
Also, when a plurality of
[0054]
In the above-described embodiment, two
Further, in the above-described embodiment, the arc-shaped
[0055]
Further, in the above-described embodiment, the cross-sectional shape of the flow path (13 to 15) is rectangular, but the present invention is not limited to this. The cross-sectional shape may be other than rectangular (for example, circular). The size of the cross section can be arbitrarily determined as long as at least one side of the flow path is 1 mm or less and the cross sectional area is sufficiently small so that a sufficient centrifugal force can be obtained. The size of the cross section may be determined according to the size of the fine particles in the suspension to be operated.
[0056]
Further, in the above-described embodiment, an example has been described in which the width of the outer
[0057]
In addition, the present invention is not limited to a polydisperse suspension, and can be applied to a suspension having a very small particle size distribution width that can be regarded as a monodisperse in practical use.
Furthermore, in the above-described embodiment, the micro-scale channels (13 to 15) are provided between the two
[0058]
Further, in the above-described embodiment, an example in which a groove is formed in one of the two plate members and the groove is covered with the other plate member has been described, but the present invention is not limited to this. For example, a three-dimensional hollow closed channel may be formed directly in one plate member. In this case, there is an advantage that the flow path can be reliably sealed. Therefore, when the operating pressure is high due to the properties of the suspension, it is preferable to form a hollow channel in one plate member. For this formation, for example, a micro stereolithography method can be used.
[0059]
However, when a hollow flow path is formed in one plate member, when a plurality of
[0060]
Further, as a modified example of the microchannel device 55 (serial numbering up) in FIG. 17, a configuration like the
[0061]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, even if the supply amount of the suspension is very small, the fine particles in the suspension can be reliably classified and separated.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a top view of a
FIG. 2 is an enlarged view of an arc-shaped
FIG. 3 is an enlarged view of a branch point of a flow path (13 to 15) and an outer
FIG. 4 is a sectional view taken along the line AA of FIG.
FIG. 5 is a sectional view taken along the line BB of FIG. 1;
FIG. 6 is a view showing a state in which a
FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a suspension flowing from an arc-shaped
FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating a centrifugal force F1 and Dean vortices F2 and F3 generated in the arc-shaped
FIG. 9 is a schematic diagram illustrating a classification operation.
FIG. 10 is a schematic diagram illustrating a separation operation.
FIG. 11 shows specific measurement results of a classification operation performed by the
FIG. 12 shows specific measurement results of a classification operation performed by the
FIG. 13 is a schematic diagram illustrating a concentration operation.
FIG. 14 is a diagram showing an example of connection with a
15A is a diagram illustrating an external configuration of a microchannel device 45 capable of performing multi-stage parallel operation, and FIG. 15B is a diagram illustrating a schematic configuration thereof.
FIG. 16 is a schematic configuration diagram of a microchannel device 48 capable of performing multi-stage parallel operation.
FIG. 17 is a schematic configuration diagram of a microchannel device 55 capable of performing multi-stage serial operation.
FIG. 18 is a configuration diagram when three branch flow paths are provided.
FIG. 19 is a configuration diagram when four branch flow paths are provided.
FIG. 20 is a schematic configuration diagram of a
[Explanation of symbols]
10 Microchannel device
13 Arc-shaped channel
14 Inside branch channel
15 Outside branch channel
16 entrance port
17, 18 exit port
Claims (6)
前記入口ポートに一端が取り付けられた湾曲形状の流路と、
前記流路の下流側に取り付けられた複数の分岐流路と、
前記分岐流路それぞれの下流側の一端に取り付けられ、前記湾曲形状の流路と前記分岐流路を経た後の懸濁液を排出する複数の出口ポートとを備えた
ことを特徴とするマイクロチャンネル装置。An inlet port for taking in the suspension,
A curved flow path having one end attached to the inlet port,
A plurality of branch channels attached downstream of the channel,
A microchannel attached to one downstream end of each of the branch flow paths, comprising: the curved flow path; and a plurality of outlet ports for discharging a suspension after passing through the branch flow path. apparatus.
前記湾曲形状の流路は、円形状の一部分により構成される
ことを特徴とするマイクロチャンネル装置。The microchannel device according to claim 1,
The microchannel device according to claim 1, wherein the curved flow path is constituted by a part of a circular shape.
前記湾曲形状の流路は、断面積をA、曲率半径をRとし、前記入口ポートに取り込まれる懸濁液の流量をQとするとき、次の条件式を満足する
(Q/A)2/R > 9.8
ことを特徴とするマイクロチャンネル装置。The microchannel device according to claim 2,
The curved flow path satisfies the following condition (Q / A) 2 /, where A is the cross-sectional area, R is the radius of curvature, and Q is the flow rate of the suspension taken into the inlet port. R> 9.8
A microchannel device characterized by the above-mentioned.
前記湾曲形状の流路は、下流側に向かって流れる懸濁液にディーン渦が発生し得る長さを有する
ことを特徴とするマイクロチャンネル装置。The microchannel device according to any one of claims 1 to 3,
The micro-channel device according to claim 1, wherein the curved flow path has a length capable of generating a Dean vortex in the suspension flowing toward the downstream side.
前記入口ポートと前記湾曲形状の流路と前記複数の分岐流路と前記複数の出口ポートとからなるユニットを複数備え、
前記複数のユニットは、互いに並列接続される
ことを特徴とするマイクロチャンネル装置。The microchannel device according to any one of claims 1 to 4,
A plurality of units comprising the inlet port, the curved flow path, the plurality of branch flow paths, and the plurality of outlet ports,
The plurality of units are connected in parallel with each other.
前記入口ポートと前記湾曲形状の流路と前記複数の分岐流路と前記複数の出口ポートとからなるユニットを複数備え、
前記複数のユニットは、互いに直列接続される
ことを特徴とするマイクロチャンネル装置。The microchannel device according to any one of claims 1 to 4,
A plurality of units comprising the inlet port, the curved flow path, the plurality of branch flow paths, and the plurality of outlet ports,
The plurality of units are connected in series with each other.
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