JP2018134592A - 液体分離装置 - Google Patents

Abstract

【課題】第１液体と第２液体を分離する液体分離装置を、連続的に使用可能とする技術を提供する。
【解決手段】本明細書は、混合液体流路から第１液体と第２液体の混合液体を受け入れて、第１液体流路に第１液体を送り出し、第２液体流路に第２液体を送り出す液体分離装置を開示する。第１液体流路は、液体分離装置から見て第１方向に配置されている。第２液体流路は、液体分離装置から見て第２方向に配置されている。液体分離装置は、第１方向で第１液体流路に連通しており、かつ第２方向で第２液体流路に連通する分離用流路を備えている。分離用流路の内側表面は、第１液体との接触角が第２液体との接触角よりも小さい。分離用流路の内側表面は、突起を有している。突起は、第１方向に直交して分離用流路の内側を向く方向と第１方向の間の角度に向けて、分離用流路の内側表面から突出している。突起の先端は９０度より小さい角度を有する。
【選択図】図１

Description

本明細書が開示する技術は、液体分離装置に関する。

特許文献１には、混合液体流路から第１液体と第２液体の混合液体を受け入れて、第１液体流路に第１液体を送り出す液体分離装置が開示されている。この液体分離装置では、第１液体流路は、液体分離装置から見て第１方向に配置されている。この液体分離装置では、分離用流路の内側表面が、第１液体との接触角が第２液体との接触角よりも小さい。

特開２０１６−６４３８５号公報

特許文献１の液体分離装置では、第１液体は第１液体流路に流れ出ていくものの、第２液体は分離用流路に流れ込むことができず、分離用流路の上部に溜まっていくことになる。このため、液体分離装置の使用者は、分離用流路の上部に溜まった第２液体を取り除く作業を定期的に行なう必要があり、液体分離装置を連続的に使用することができない。

本明細書では、上記の課題を解決する技術を提供する。本明細書では、第１液体と第２液体を分離する液体分離装置を、連続的に使用可能とする技術を提供する。

本明細書は、混合液体流路から第１液体と第２液体の混合液体を受け入れて、第１液体流路に第１液体を送り出し、第２液体流路に第２液体を送り出す液体分離装置を開示する。第１液体流路は、液体分離装置から見て第１方向に配置されている。第２液体流路は、液体分離装置から見て第２方向に配置されている。液体分離装置は、第１方向で第１液体流路に連通しており、かつ第２方向で第２液体流路に連通する分離用流路を備えている。分離用流路の内側表面は、第１液体との接触角が第２液体との接触角よりも小さい。分離用流路の内側表面は、突起を有している。突起は、第１方向に直交して分離用流路の内側を向く方向と第１方向の間の角度に向けて、分離用流路の内側表面から突出している。突起の先端は９０度より小さい角度を有する。

上記の液体分離装置では、混合液体が流れ込む分離用流路の内側表面に、第１方向に直交して分離用流路の内側を向く方向と第１方向の間の角度に向けて、分離用流路の内側表面から突出しており、先端が９０度より小さい角度を有する突起が設けられている。このため、液体が分離用流路を第１方向に流れる際に、分離用流路の内側表面との接触角度が小さい液体はそれほど大きな抵抗を受けないものの、分離用流路の内側表面との接触角度が大きい液体は突起の先端でのピン留め効果によって、比較的大きな抵抗を受ける。上記の液体分離装置では、分離用流路の内側表面が、第１液体との接触角が第２液体との接触角よりも小さいので、第１液体は分離用流路を第１方向に流れる際に、それほど大きな抵抗を受けることなく、第１液体流路へ流れ出ていき、第２液体は分離用流路を第１方向に流れる際に、比較的大きな抵抗を受けて、第１液体流路へ流れ出ることができず、第２液体流路へ流れ出ることになる。上記の液体分離装置では、分離された第１液体または第２液体が溜まってしまうことがないので、液体分離装置を連続的に使用することができる。

上記の液体分離装置は、分離用流路の内側表面が、第１液体との接触角が９０度より小さくてもよく、第２液体との接触角が９０度より大きくてもよい。

上記の液体分離装置では、第１液体は分離用流路を第１方向に流れる際に、ほとんど抵抗を受けることなく、第１液体流路へ流れ出ていき、第２液体は分離用流路を第１方向に流れる際に、非常に大きな抵抗を受けて、第１液体流路へ流れ出ることができず、第２液体流路へ流れ出ることになる。上記の液体分離装置によれば、第１液体と第２液体をより精密に分離することができる。

上記の液体分離装置は、第１液体の表面張力が、第２液体の表面張力よりも大きくてもよい。

上記の液体分離装置では、第２方向に関して、第１液体は液体分離装置から流れ出にくく、第２液体は液体分離装置から流れ出やすい。このため、第１液体が第２液体流路に流れ出ることを抑制することができ、第１液体と第２液体をより精密に分離することができる。

上記の液体分離装置は、分離用流路の内側表面に、突起が第１方向に繰り返し配置されていてもよい。

上記の液体分離装置によれば、複数の突起のそれぞれにおいて第２液体のピン留め効果が生じるため、第１液体と第２液体をより精密に分離することができる。

実施例の液体分離装置２の外観を模式的に示す斜視図である。 図１のＩＩ−ＩＩ断面から見た断面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面から見た断面図である。 実施例の液体分離装置２において、第１液体が分離用流路４を第１方向に流れる様子を模式的に示す図である。 実施例の液体分離装置２において、第２液体が分離用流路４を第１方向に流れる様子を模式的に示す図である。 実施例の液体分離装置２の分離用流路４の変形例を説明する断面図である。

（実施例）
図１は、本実施例の液体分離装置２の構成を模式的に示している。液体分離装置２は、混合液体流路（図示せず）から第１液体と第２液体の混合液体を受け入れ、第１液体流路（図示せず）に第１液体を送り出すとともに、第２液体流路（図示せず）に第２液体を送り出す。第１液体は、例えば水であり、第２液体は、例えば油である。図１において、混合液体流路は、液体分離装置２から見てＸ方向負方向に配置されており、第１液体流路は、液体分離装置２から見てＸ方向正方向に配置されており、第２液体流路は、液体分離装置２から見てＺ方向負方向に配置されている。混合液体流路から液体分離装置２には、例えばポンプ（図示せず）などによって所定の流入圧力で混合液体が流入する。また、液体分離装置２には、Ｚ方向負方向に（すなわち、第２液体流路が配置された方向に）重力加速度ｇが作用している。以下では、液体分離装置２から見て第１液体流路が存在する方向（図１のＸ方向正方向）を第１方向といい、液体分離装置２から見て第２液体流路が存在する方向（図１のＺ方向負方向）を第２方向という。

液体分離装置２は、複数の分離用流路４を備えるシリコン基板６を備えている。複数の分離用流路４は、シリコン基板６の上面（Ｚ方向正方向の端面）から下面（Ｚ方向負方向の端面）まで貫通している。複数の分離用流路４は、例えば、シリコン基板６に深掘りエッチング（ＤＲＩＥ）等のエッチングを施すことで、形成されている。複数の分離用流路４は、それぞれ、混合液体流路に連通している。また、複数の分離用流路４は、それぞれ、第１方向で第１液体流路に連通しており、かつ第２方向で第２液体流路に連通している。

複数の分離用流路４は、それぞれ、シリコン基板６の第１壁面８と第２壁面１０によって規定されている。第１壁面８の内側表面と、第２壁面１０の内側表面は、いずれも、対応する分離用流路４の内側表面を構成する。

図２に示すように、第１壁面８は、複数の突起１２を備えている。複数の突起１２は、それぞれ、第１方向に直交して分離用流路４の内側を向く方向（図２の下方向）と第１方向（図２の右方向）の間の角度に向けて、第１壁面８から突出している。複数の突起１２のそれぞれの先端の角度は、９０度より小さい。複数の突起１２は、第１壁面８の内側表面に、第１方向に間隔を置かずに繰り返し配置されている。隣接する突起１２間の付け根の角度は、９０度より小さい。複数の突起１２が存在することによって、第１壁面８の内側表面は、第１方向に関して、複数の突起１２の先端で外側に２７０度以上折り返す形状と、複数の突起１２の付け根で内側に２７０度以上折り返す形状が、繰り返し配置されている。図３に示すように、第１壁面８は、第２方向（Ｚ方向負方向）に関して、一様な形状に形成されている。

図２に示すように、第２壁面１０は、複数の突起１４を備えている。複数の突起１４は、それぞれ、第１方向に直交して分離用流路４の内側を向く方向（図２の上方向）と第１方向（図２の右方向）の間の角度に向けて、第２壁面１０から突出している。複数の突起１４のそれぞれの先端の角度は、９０度より小さい。複数の突起１４は、第２壁面１０の内側表面に、第１方向に間隔を置かずに繰り返し配置されている。隣接する突起１４間の付け根の角度は、９０度より小さい。複数の突起１４が存在することによって、第２壁面１０の内側表面は、第１方向に関して、複数の突起１４の先端で外側に２７０度以上折り返す形状と、複数の突起１４の付け根で内側に２７０度以上折り返す形状が、繰り返し配置されている。第２壁面１０は、第２方向（Ｚ方向負方向）に関して、一様な形状に形成されている。

第１壁面８の内側表面と、第２壁面１０の内側表面は、第１液体との接触角が、第２液体との接触角よりも小さくなるように形成されている。特に、本実施例の液体分離装置２では、第１壁面８の内側表面と、第２壁面１０の内側表面は、第１液体との接触角が９０度より小さく、第２液体との接触角が９０度より大きくなるように形成されている。例えば、第１液体が水であり、第２液体が油である場合には、第１壁面８の内側表面と、第２壁面１０の内側表面に、シリコン酸化膜を形成することで、第１液体との接触角は９０度より小さくなり、第２液体との接触角は９０度より大きくなる。

図１に示す液体分離装置２のサイズは、第１方向（Ｘ方向正方向）に沿った長さが１０μｍ−１０ｃｍ程度であり、第２方向（Ｚ方向負方向）に沿った長さが１０μｍ−１０ｃｍ程度であり、第１方向と第２方向に直交する方向（Ｙ方向）に沿った長さが３μｍ−３ｃｍ程度である。また、複数の分離用流路４の幅（すなわち、第１壁面８と第２壁面１０の間のＹ方向に沿った距離）が１μｍ−１ｃｍ程度であり、複数の突起１２および複数の突起１４の第１方向と第２方向に直交する方向（Ｙ方向）に沿った高さは１００ｎｍ−１０００μｍ程度である。

図４は、第１方向に関して、第１液体が分離用流路４を流れる様子を模式的に示している。第１液体は、第１壁面８の内側表面、および第２壁面１０の内側表面との接触角が小さい。従って、第１液体が分離用流路４を第１方向に流れる際には、第１壁面８の突起１２や第２壁面１０の突起１４に接触する箇所は、それほど大きな抵抗を受けない。特に、第１液体と、第１壁面８の内側表面、および第２壁面１０の内側表面との接触角が９０度より小さい場合、第１液体が分離用流路４を第１方向に流れる際には、第１壁面８の突起１２や第２壁面１０の突起１４に接触する箇所は、ほとんど抵抗を受けることがない。

図５は、第１方向に関して、第２液体が分離用流路４を流れる様子を模式的に示している。第２液体は、第１壁面８の内側表面、および第２壁面１０の内側表面との接触角が大きい。従って、第２液体が分離用流路４を第１方向に流れる際には、第１壁面８の突起１２や第２壁面１０の突起１４に接触する箇所は、比較的大きな抵抗を受ける。特に、第２液体と、第１壁面８の内側表面、および第２壁面１０の内側表面との接触角が９０度より大きい場合、第２液体が分離用流路４を第１方向に流れる際には、第１壁面８の突起１２や第２壁面１０の突起１４に接触する箇所は、非常に大きな抵抗を受ける。このように、本実施例の液体分離装置２では、第１壁面８の突起１２や第２壁面１０の突起１４によって、第２液体の第１方向への流れを妨げるピン留め効果が生じる。

本実施例の液体分離装置２では、混合液体が複数の分離用流路４を通過する際に、第１壁面８の複数の突起１２と第２壁面１０の複数の突起１４によって、第１方向への流れに関して、第１液体にはほとんど抵抗がかからないのに対して、第２流体には大きな抵抗がかかる。このため、図３に示すように、混合液体中の第１液体は、液体分離装置２を第１方向に通過して、第１液体流路に流れ出るのに対して、混合液体中の第２液体は、液体分離装置２を第１方向に通過することができず、重力加速度ｇによって第２方向に流れて、第２液体流路に流れ出る。本実施例の液体分離装置２によれば、簡素な構成によって、第１液体と第２液体を分離することができる。

第１液体の表面張力が、第２液体の表面張力よりも大きい場合、第２方向に関して、第１液体は液体分離装置２から流れ出にくく、第２液体は液体分離装置２から流れ出やすい。このため、第１液体が第２液体流路に流れ出ることを抑制することができ、第１液体と第２液体をより精密に分離することができる。例えば、第１液体が水であり、第２液体が油である場合には、第１液体の表面張力が、第２液体の表面張力よりも大きいので、第１液体と第２液体をより精密に分離することができる。

なお、第１壁面８の内側表面の複数の突起１２、および第２壁面１０の内側表面の複数の突起１４は、図２に示すように、第１方向（図２の右方向）に関して、鋸刃状に、すなわち間隔を置かずに繰り返し配置されていてもよいし、図６に示すように、第１方向（図６の右方向）に関して、棘状に、すなわち間隔を置いて繰り返し配置されていてもよい。

本実施例の液体分離装置２では、分離用流路４が複数設けられている。このような構成とすることによって、液体分離装置２で処理することができる混合液体の量を多くすることができる。

本実施例の液体分離装置２では、それぞれの分離用流路４の内側表面に、複数の突起１２および複数の突起１４が、第１方向に繰り返し配置されている。このような構成とすることによって、複数の突起１２および複数の突起１４のそれぞれにおいて第２液体のピン留め効果が生じるため、第１液体と第２液体をより精密に分離することができる。

上記の実施例では、液体分離装置２に、第２方向に重力加速度ｇが作用する場合について説明したが、重力加速度ｇに限らず、第２液体に、または第１液体と第２液体に、第２方向に向けた力を作用させることで、第１液体と第２液体を精密に分離することができる。あるいは、混合液体流路からの混合液体が、第１方向に十分に大きな流入圧力で流れ込む場合には、第２方向に重力加速度ｇなどの力が作用していなくても、液体分離装置２によって、混合液体を第１液体と第２液体に分離することができる。この場合、第１液体は分離用流路４の内部において、第１方向へ流れる際にほとんど抵抗を受けないので、第１方向に向けた流入圧力を受けた第１液体は、そのまま第１液体流路へ流れ出る。これに対して、第２液体は分離用流路４の内部において、第１方向へ流れる際に大きな抵抗を受けるものの、第２方向へ流れる際にほとんど抵抗を受けないので、第１方向に向けた流入圧力を受けた第２液体は、分離用流路４の内部で流れる方向を第１方向から第２方向に変えて、第２液体流路へと流れ出ていく。

上記の実施例では、液体分離装置２を、シリコン基板６にエッチングによって複数の分離用流路４を形成することで製造する場合について説明した。これとは異なり、液体分離装置２は、シリコン基板６にナノインプリントによって複数の分離用流路４を形成することで製造してもよい。あるいは、液体分離装置２は、ガラスブロックや金属ブロックにレーザー加工によって複数の分離用流路４を形成することで製造してもよい。あるいは、液体分離装置２は、３Ｄプリント技術によって複数の分離用流路４を備える樹脂製のブロックを形成することで製造してもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：液体分離装置、 ４：分離用流路、 ６：シリコン基板、 ８：第１壁面、 １０：第２壁面、 １２：突起、 １４：突起

Claims (4)

1. 混合液体流路から第１液体と第２液体の混合液体を受け入れて、第１液体流路に第１液体を送り出し、第２液体流路に第２液体を送り出す液体分離装置であって、
   第１液体流路は、液体分離装置から見て第１方向に配置されており、
   第２液体流路は、液体分離装置から見て第２方向に配置されており、
   液体分離装置は、第１方向で第１液体流路に連通しており、かつ第２方向で第２液体流路に連通する分離用流路を備えており、
   分離用流路の内側表面が、第１液体との接触角が第２液体との接触角よりも小さく、
   分離用流路の内側表面が、突起を有しており、
   突起は、第１方向に直交して分離用流路の内側を向く方向と第１方向の間の角度に向けて、分離用流路の内側表面から突出しており、
   突起の先端は９０度より小さい角度を有する、液体分離装置。
2. 分離用流路の内側表面が、第１液体との接触角が９０度より小さく、第２液体との接触角が９０度より大きい、請求項１の液体分離装置。
3. 第１液体の表面張力が、第２液体の表面張力よりも大きい、請求項１または２の液体分離装置。
4. 分離用流路の内側表面に、突起が第１方向に繰り返し配置されている、請求項１から３の何れか一項の液体分離装置。