JP7468706B2 - 固液分離装置及び固液分離システム - Google Patents

Description

本開示は、固液分離装置及びそれを用いた固液分離システムに関する。

従来、工業や医学等の各種分野では、製造又は分析処理等において、流体中に分散している固体粒子を所望の条件で分離する技術が利用されている。特許文献１は、上流側に設けられた配列用流路と、下流側に設けられた分離用流路との２種類の流路を用いて微粒子を分離させる固液分離装置に関する技術を開示している。配列用流路は、慣性力により、流体中の微粒子を配列させる。一方、分離用流路は、配列用流路から微粒子が配列された流体を受け入れ、多数の支柱で規定された軌道により、最終的に所望の粒子径ごとに微粒子を分離する。

特開２０１８－８９５５７号公報

特許文献１に開示されている固液分離装置では、分離用流路は、多数の支柱が形成された複雑な幾何形状を有する。一方、配列用流路の横断面形状は、分離用流路の横断面形状とは別に、微粒子を配列させるという観点から様々に設定されるものである。したがって、固液分離装置に設けられている流路全体としては、決して簡易的な形状又は構成であるとは言えない。

そこで、本開示は、簡易的な形状又は構成で分離効率を向上させるのに有利な固液分離装置及び固液分離システムを提供することを目的とする。

本開示の一態様は、固体粒子が分散された流体から固体粒子を分離させる固液分離装置であって、流体が導入される直線状の流路が形成されている流路部と、流路の上流側を流通している流体に横断面方向の二次流れを発生させる二次流れ発生機構と、を備え、流路は、流路幅と当該流路幅に対して垂直な流路高さとで規定される矩形の横断面を有し、流路における少なくとも二次流れ発生機構よりも下流側の横断面では、流通する前記流体の主流が揚力を誘起させるように、流路幅と流路高さとの比で表されるアスペクト比は、１０から１００までの範囲にある。

上記の固液分離装置では、固体粒子の粒子径が１μｍから１ｍｍまでの範囲にある場合、流路高さは、分離対象としての固体粒子の粒子径の１０倍以上かつ１００倍以下の寸法に設定されてもよい。流路における二次流れ発生機構よりも下流側の延伸方向の長さは、流路幅の１００倍以上かつ１０，０００倍以下の寸法に設定されてもよい。また、二次流れ発生機構は、流路部に設置され、流路の長辺側の側壁から流路の内部に向けて超音波を発する超音波振動子であってもよい。又は、二次流れ発生機構は、流路部に形成され、流路の延伸方向に進むにつれて少なくとも一部の横断面の形状を変化させる流路形状変更部であってもよい。

本開示の他の態様に係る固液分離システムは、固体粒子が分散された流体から固体粒子を分離させる固液分離装置と、流体を貯留する貯留槽と、貯留槽から固液分離装置に流体を送る送液部と、少なくとも、送液部の動作を制御することで流体の少なくとも流量又は速度を調整させる制御部と、を備え、固液分離装置は、流体が導入される直線状の流路が形成されている流路部と、流路の上流側を流通している流体に横断面方向の二次流れを発生させる二次流れ発生機構と、を備え、流路は、流路幅と当該流路幅に対して垂直な流路高さとで規定される矩形の横断面を有し、流路における少なくとも二次流れ発生機構よりも下流側の横断面では、流通する前記流体の主流が揚力を誘起させるように、流路幅と流路高さとの比で表されるアスペクト比は、１０から１００までの範囲にある。

上記の固液分離システムでは、流体に分散されている固体粒子は、二次流れに誘起された抗力と、流体の主流に誘起された揚力とを受け、揚力は、分離対象としての固体粒子の粒子径を基準として求められてもよい。流路高さは、分離対象としての固体粒子の粒子径を基準として求められた揚力に基づいて決定されてもよい。抗力は、流体の境界層の内部の横断面方向において揚力とつり合うように決定されてもよい。また、二次流れ発生機構は、流路部に設置され、流路の長辺側の側壁から流路の内部に向けて超音波を発する超音波振動子であり、固液分離システムは、超音波振動子に電力を供給する超音波発振器を備え、制御部は、超音波発振器に対して超音波振動子の振動数又は音圧を変更させて二次流れの速度を変化させることで、抗力を調整してもよい。

本開示によれば、簡易的な形状又は構成で分離効率を向上させるのに有利な固液分離装置及び固液分離システムを提供することができる。

図１は、本開示の第１実施形態に係る固液分離装置の構成を示す概略図である。 図２は、第１実施形態に係る固液分離装置による固液分離の原理を説明する図である。 図３は、輝度値を基準とした流路幅方向での粒子濃度を示すグラフである。 図４は、固体粒子の粒子径と、固体粒子が受ける揚力との関係を示すグラフである。 図５は、流路高さと、固体粒子が受ける揚力との関係を示すグラフである。 図６は、固体粒子の粒子径に対する揚力及び抗力の設定範囲を示すグラフである。 図７は、本開示の第２実施形態に係る固液分離装置の構成を示す概略図である。 図８は、本開示の第３実施形態に係る固液分離装置の構成を示す概略図である。 図９は、本開示の第４実施形態に係る固液分離装置の構成を示す概略図である。 図１０は、図９のＣ－Ｃ断面に対応した、流路部の一部を切断した断面図である。 図１１は、邪魔板の形状及び配置関係を説明するための概略図である。 図１２は、複数の邪魔板を通過した流体中の固体粒子の挙動を示す流体画像である。 図１３Ａは、本開示の固液分離システムとしての細胞培養装置の構成を示す概略図である。 図１３Ｂは、本開示の固液分離システムとしての析出装置の構成を示す概略図である。

以下、いくつかの例示的な実施形態について図面を参照して説明する。ここで、各実施形態に示す寸法、材料、その他、具体的な数値等は例示にすぎず、特に断る場合を除き、本開示を限定するものではない。また、実質的に同一の機能及び構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、本開示に直接関係のない要素については図示を省略する。

（固液分離装置）
図１は、第１実施形態に係る固液分離装置１の構成を示す概略図である。固液分離装置１は、固体粒子ｐが分散された流体から固体粒子ｐを分離させる。固体粒子ｐが分散された流体とは、一般的な意味として、多数の固体粒子ｐを包含する液体（粒子分散液）である。本実施形態において、固液分離とは、流体には様々な粒子径Ｄ_ｐ（粒子サイズ）の固体粒子ｐが予め分散していることを前提として、基本的には、その中から特定の粒子径Ｄ_ｐの固体粒子ｐを分離することをいう。また、本実施形態では、固体粒子ｐとして、粒子径Ｄ_ｐが微小である微粒子が想定されている。具体的には、固液分離装置１が分離対象とする固体粒子ｐの取り得る粒子径Ｄ_ｐは、１μｍから１ｍｍまでの範囲にある。

固液分離装置１は、流路部２と、二次流れ発生機構とを備える。

流路部２は、流体が導入されて流通する直線状の流路７を有する本体部である。本実施形態では、流路部２は、横断面が矩形である流路７を有する直線管である。ここで、流路７の全体形状を表す直線状とは、流路７の延伸方向が、一方向である図中のＸ方向に沿っていることをいう。ただし、ここでの直線状とは、厳密に一直線であることには限定されず、若干の曲がりを許容する。例えば、流路７を流通する流体が流路形状に起因した二次流れが誘起する抗力の影響を受けづらいという限度の上で、流路部２は、若干の曲がりを有する管でもよい場合もあり得る。また、横断面の形状について、ここでの矩形とは、幾何学的に厳密に解釈される形状ではなく、辺自体での若干の曲がり、又は、辺同士の連続部分での若干の曲部の存在を許容する。

また、図１では、流路７への流体の導入方向（ＩＮ）と、流路７からの流体の排出方向（ＯＵＴ）とを、白抜きの矢印で表記している。流体が導入する側の流路部２の開口部は、流体の供給機構に接続される。一方、流体が排出される側の流路部２の開口部は、少なくとも、分離された固体粒子ｐの受け入れ機構に接続される。なお、図１では、流体の供給機構、及び、固体粒子ｐの受け入れ機構については、図示を省略している。

流路部２は、流路７の形状を規定する４つの側壁、すなわち、第１側壁２ａ、第２側壁２ｂ、第３側壁２ｃ及び第４側壁２ｄを有する。流路部２は、本実施形態では直線管であるので、これらの側壁は、それぞれ管壁である。これらの側壁のうち、第１側壁２ａと第２側壁２ｂとは、互いに対向し、横断面でのそれぞれの長辺側に相当する側壁である。一方、第３側壁２ｃと第４側壁２ｄとは、互いに対向し、横断面でのそれぞれの短辺側に相当する側壁である。流路７の延伸方向がＸ方向に沿っているとすると、これらの側壁によって規定される流路７の横断面は、ＹＺ断面である。この場合、流路７の横断面での長辺は、Ｙ方向に沿っており、以下、流路幅ｗと定義する。一方、流路７の横断面での短辺は、Ｚ方向に沿っており、以下、流路高さｈと定義する。つまり、流路高さｈは、横断面上では流路幅ｗに対して垂直である。以下、Ｙ方向を流路幅方向と、Ｚ方向を流路高さ方向と、それぞれ表現する場合がある。

ここで、本実施形態では、流路幅ｗと流路高さｈとの比で表されるアスペクト比Ａ_Ｒ（Ａ_Ｒ＝ｗ／ｈ）は、１０から１００までの範囲にある。また、分離対象としての固体粒子ｐの粒子径Ｄ_ｐが１μｍから１ｍｍまでの範囲にある場合、流路高さｈは、粒子径Ｄ_ｐの１０倍以上かつ１００倍以下の寸法に設定される。なお、流路幅ｗは、アスペクト比Ａ_Ｒと流路高さｈとの具体的な値から導き出される。

二次流れ発生機構は、流路７の上流側を流通している流体に横断面方向の二次流れを発生させる。本実施形態では、二次流れ発生機構は、流路７の内部に向けて超音波を発する超音波振動子３である。二次流れ発生機構が超音波振動子３である場合、固液分離装置１は、更に、超音波振動子３に電力を供給する超音波発振器（超音波増幅器）４と、超音波発振器４から超音波振動子３に電力を供給する電力ケーブル５とを備える。その他、固液分離装置１は、超音波発振器４に電力を供給する電源ケーブル等を備える。

超音波振動子３は、例えば、流路部２の外側面に設置することができ、また、ＭＨｚ帯の超音波を発生させることができる平板型圧電素子である。超音波振動子３は、流路７の横断面の長辺側の側壁に相当する少なくとも第２側壁２ｂの外側面で、かつ、流路７の上流側に設置される。ここで、本実施形態では、一例として、第２側壁２ｂの外側面に、１つの超音波振動子３が設置されるものとする。ただし、例えば、第２側壁２ｂの外側面に加えて、同じく流路７の横断面の長辺側の側壁に相当する第１側壁２ａの外側面にも、もう１つの超音波振動子３を設置してもよい。また、一方の側壁、例えば第２側壁２ｂの外側面には、１つの超音波振動子３だけでなく、複数の超音波振動子３が設置されてもよい。また、超音波振動子３は、流路幅方向では、流路幅ｗの中央領域に設置されることが望ましい。

また、二次流れ発生機構である超音波振動子３の設置位置、すなわち、流体に二次流れが発生する位置を基準として、流路７の延伸方向の長さのうち超音波振動子３よりも下流側の長さＬを規定する。この長さＬは、流路幅ｗの１００倍以上かつ１０，０００倍以下の寸法に設定される。

次に、固液分離装置１による固液分離の原理について説明する。

図２は、固液分離装置１による固液分離の原理を説明するための概念図である。図２では、流路７のうち超音波振動子３よりも下流側の領域における流体の流れと、流体に分散している固体粒子ｐの状態とが示されている。また、図２では、流路７内の各方向がアスタリスク付きの３軸方向で示されている。特に、流路幅方向に相当するｙ^＊方向と、流路高さ方向に相当するｚ^＊方向との長さについては、具体的な寸法値ではなく、比率で示されている。

まず、超音波発振器４が超音波振動子３に対してＭＨｚ帯の正弦波の電圧信号を負荷すると、流路７の上流側を流通する流体では、流路高さ方向に超音波の進行波が生成される。そして、進行波の粘性減衰による音圧の空間勾配を駆動力として、流路７内の流体には、渦状の音響流が発生する。この音響流が横断面方向の二次流れである。横断面方向の二次流れにより、流体に分散されている固体粒子ｐは、二次流れに誘起された抗力Ｆ_Ｄを受ける。これにより、超音波振動子３が設置されている部分よりも下流側の流路７では、固体粒子ｐは、二次流れが誘起した抗力Ｆ_Ｄにより、徐々に短辺側の側壁である第３側壁２ｃ又は第４側壁２ｄに向けて輸送される。

一方、流路７の横断面は、アスペクト比Ａ_Ｒが１０から１００までの範囲にあるように予め設定されているので、直線状の流路７を流通する流体の主流は、揚力Ｆ_Ｌを誘起する。これにより、流体に分散されている固体粒子ｐは、主流に誘起された揚力Ｆ_Ｌを受けて、流路７における短辺側の双方の側壁である第３側壁２ｃ及び第４側壁２ｄの近傍に捕捉される（チューブラ・ピンチ効果）。なお、図２では、任意の横断面Ｃ１における境界層の中央での速度分布を例示している。

つまり、固液分離装置１では、流体中の固体粒子ｐは、二次流れに誘起された抗力Ｆ_Ｄによって第３側壁２ｃ又は第４側壁２ｄの方向に輸送され、更に、主流に誘起された揚力Ｆ_Ｌによって第３側壁２ｃ又は第４側壁２ｄの近傍に捕捉されることになる。

以下、固液分離装置１による固液分離の原理についての個々の検証について説明する。

まず、横断面のアスペクト比Ａ_Ｒが上記のような高アスペクト比に設定されている場合の流路７における固体粒子ｐの挙動については、以下の検証から明らかである。

検証用の装置として、流路７が形成されている流路部２を想定した、透明のアクリル製の矩形断面の直線管を準備した。この直線管における流路は、流路部２における流路７の形状条件を満たしており、以下、各部に同一の符号を付して説明する。ただし、ここでは流路７の横断面形状に依拠した固体粒子ｐの挙動について検証するため、二次流れ発生機構は採用していない。

検証時の各種の設定条件としては、以下のとおりである。分離対象とする固体粒子ｐは、粒子径Ｄ_ｐが１０μｍの中立浮遊粒子である。この固体粒子ｐが多数分散された流体を、流量を２５０ｍＬ／ｍｉｎの一定とし、かつ、レイノルズ数Ｒｅを１５００とした状態で、検証用の流路７内に流通させる。検証用の流路７に関して、流路幅ｗを５ｍｍ、流路高さｈを０．４ｍｍ、流路７における流体の入口から下流側への延伸方向の長さを１２００ｍｍと設定する。この場合、アスペクト比Ａ_Ｒは、１２．５である。流路高さｈは、粒子径Ｄ_ｐの４０倍である。また、流路７の延伸方向の長さは、上記規定した二次流れ発生機構よりも下流側の長さＬと同等とみなすと、流路幅ｗの２４０倍である。したがって、これらの寸法値は、すべて、図１を用いた説明で提示した各種条件を満たしている。

上記の設定条件のもと、固体粒子ｐが分散された流体を流路７内に流通させている間、流路７に対して光を照射して、輝度を計測した。

図３は、輝度値を基準とした流路幅方向での粒子濃度を示すグラフである。図３の横軸は、流路幅方向の位置ｙであり、図２に示したｙ^＊方向の定義に従い、第３側壁２ｃの位置を０、第４側壁２ｄの位置を５ｍｍと規定している。図３の縦軸は、輝度値である。輝度値は、粒子濃度に比例する。凡例として、ｘの各値は、図２に示したｘ^＊方向の定義に従い、流路７における流体の入口から下流側への延伸方向の距離を示している。

図３を参照すると、流路７における流体の入口（ｘ＝０）から下流側に向けて流体が進むにつれて、第３側壁２ｃ（ｙ＝０）の近傍及び第４側壁２ｄ（ｙ＝５ｍｍ）の近傍の輝度値が上昇し、すなわち、粒子濃度が増大していることがわかる。このとき、高濃度領域と低濃度領域との濃度比は、最大で３～４程度である。また、流体の境界層厚さは、流路高さｈと同等である。このことから、アスペクト比Ａ_Ｒが１０から１００までの範囲にある矩形断面の直線状の流路７では、第３側壁２ｃの近傍及び第４側壁２ｄの近傍で急峻な速度勾配が発現すると考えられる。そして、流体の境界層の内部では、固体粒子ｐに対して流路幅方向の揚力Ｆ_Ｌが作用し、第３側壁２ｃの近傍及び第４側壁２ｄの近傍に固体粒子ｐが集中すると予測される。

また、主流に誘起される揚力Ｆ_Ｌと、二次流れに誘起される抗力Ｆ_Ｄとには、以下のような関係性がある。

二次流れに誘起される抗力Ｆ_Ｄの有効範囲は、流体の粘性による減衰により、二次流れ発生機構である超音波振動子３の位置から流路７の延伸方向に有限である。この点、本実施形態では、抗力Ｆ_Ｄを誘起する二次流れは、揚力Ｆ_Ｌを誘起する主流が流通する領域と同じ横断面である直線状の流路７の一部で発生される。したがって、固体粒子ｐに対して、抗力Ｆ_Ｄが作用している間に揚力Ｆ_Ｌを効果的に作用させる点で有利である。

図４は、固体粒子ｐの粒子径Ｄ_ｐと、固体粒子ｐが受ける揚力Ｆ_Ｌとの関係を示すグラフである。固体粒子ｐの流体中の位置は、図２に示すように境界層の中央に設定され、かつ、流路７を流通する流体の流量が１００ｍＬ／ｍｉｎで一定であるものとする。主流に誘起される揚力Ｆ_Ｌは、図４に示すように、粒子径Ｄ_ｐの４乗に比例して増加する。一方、二次流れに誘起される抗力Ｆ_Ｄは、以下の図６に関連して示されるが、粒子径Ｄ_ｐに比例して増加する。

図５は、流路高さｈと、固体粒子ｐが受ける揚力Ｆ_Ｌとの関係を示すグラフである。この場合の流量等の各条件は、図４における各条件と同一である。揚力Ｆ_Ｌは、流路高さｈの約－６乗に比例して減少する。つまり、図４及び図５を参照することでわかるとおり、分離対象である固体粒子ｐの粒子径Ｄ_ｐを基準としつつ、流路高さｈを適切に設定することで、揚力Ｆ_Ｌを効果的な大きさに調整することができる。

図６は、固体粒子ｐの粒子径Ｄ_ｐに対する揚力Ｆ_Ｌ及び抗力Ｆ_Ｄのそれぞれの設定範囲を示すグラフである。図６では、粒子径Ｄ_ｐの４乗に比例する揚力Ｆ_Ｌを、主流のレイノルズ数Ｒｅを３段階に変化させて示している。第１揚力Ｆ_Ｌ１は、レイノルズ数Ｒｅが０．０１に調整されたとき、第２揚力Ｆ_Ｌ２は、レイノルズ数Ｒｅが０．０５に調整されたとき、また、第３揚力Ｆ_Ｌ３は、レイノルズ数Ｒｅが０．１に調整されたときのそれぞれの揚力Ｆ_Ｌである。一方、図６では、粒子径Ｄ_ｐに比例する抗力Ｆ_Ｄを、二次流れの代表速度Ｕを２段階に変化させて示している。第１抗力Ｆ_Ｄ１は、代表速度Ｕが０．０５ｍ／ｓに調整されたとき、また、第２抗力Ｆ_Ｄ２は、代表速度Ｕが０．０１ｍ／ｓに調整されたときのそれぞれの抗力Ｆ_Ｄである。

ここで、図６において、第１揚力Ｆ_Ｌ１と第３揚力Ｆ_Ｌ３との間を、揚力Ｆ_Ｌの設定範囲である第１設定範囲Ｒ１と規定する。一方、第１抗力Ｆ_Ｄ１と第２抗力Ｆ_Ｄ２との間を、抗力Ｆ_Ｄの設定範囲である第２設定範囲Ｒ２と規定する。このとき、第１設定範囲Ｒ１と第２設定範囲Ｒ２との重複範囲が、揚力Ｆ_Ｌと抗力Ｆ_Ｄとがつり合う範囲、すなわち、力学的に平衡となる範囲である。つまり、固液分離に二次流れを利用する場合には、主流に誘起される揚力Ｆ_Ｌ又は二次流れに誘起される抗力Ｆ_Ｄに依存して、分離対象である固体粒子ｐに関する平衡径や平衡位置が定まる。ここで、平衡径とは、力学的平衡にある揚力Ｆ_Ｌと抗力Ｆ_Ｄとを基準として定められる、流路７内の特定の位置に集中する固体粒子ｐの粒子径Ｄ_ｐをいう。一方、平衡位置とは、分離対象である固体粒子ｐの特定の粒子径Ｄ_ｐを基準として定められる、力学的平衡にある揚力Ｆ_Ｌと抗力Ｆ_Ｄとの取り得る値（それらの値によって固体粒子ｐが集中する位置）をいう。

つまり、分離対象である固体粒子ｐの粒子径Ｄ_ｐを考慮しつつ、揚力Ｆ_Ｌと抗力Ｆ_Ｄとが力学的平衡となるように、主流のレイノルズ数Ｒｅや二次流れの代表速度Ｕを適切に設定すれば、流路７の短辺側の側壁近傍に固体粒子ｐをより集中させやすくなる。

次に、本実施形態に係る固液分離装置１の効果について説明する。

固体粒子ｐが分散された流体から固体粒子ｐを分離させる固液分離装置１は、流体が導入される直線状の流路７が形成されている流路部２と、流路７の上流側を流通している流体に横断面方向の二次流れを発生させる二次流れ発生機構とを備える。流路７は、流路幅ｗと当該流路幅ｗに対して垂直な流路高さｈとで規定される矩形の横断面を有する。流路７における少なくとも二次流れ発生機構よりも下流側の横断面では、流路幅ｗと流路高さｈとの比で表されるアスペクト比Ａ_Ｒは、１０から１００までの範囲にある。

まず、流路部２に形成されている流路７の横断面は、アスペクト比Ａ_Ｒが上記の範囲にあるように予め設定されているので、流路７を流通する流体の主流は揚力Ｆ_Ｌを誘起し、流体に分散されている固体粒子ｐは、主流に誘起された揚力Ｆ_Ｌを受ける。これにより、流路７における短辺側の側壁である第３側壁２ｃ及び第４側壁２ｄの近傍に固体粒子ｐを捕捉させることができる。

また、二次流れ発生機構により、流路７の上流側を流通する流体には横断面方向の二次流れが発生するので、流体に分散されている固体粒子ｐは、二次流れに誘起された抗力Ｆ_Ｄを受ける。これにより、二次流れ発生機構が設置又は形成されている部分よりも下流側の流路７では、短辺側の側壁である第３側壁２ｃ及び第４側壁２ｄに向けて固体粒子ｐを輸送させることができる。したがって、固液分離装置１によれば、例えば、単に流体の主流が誘起する揚力Ｆ_Ｌのみで固体粒子ｐを分離させる場合よりも、分離効率を向上させることができる。

更に、従来の固液分離装置では、例えば、揚力と抗力とを流路内の同一領域で誘起させて固体粒子を分離したり、流路の幾何形状が複雑化していたりする場合がある。これらの場合、所望の分離の分解能を得る、すなわち、分離させたい固体粒子の粒子径の選択範囲を広げようとすれば、処理量が減少し、反対に、処理量を増加させようとすれば、所望の分解能を得ることが難しくなることも考えられる。これに対して、固液分離装置１では、流体に抗力Ｆ_Ｄを誘起させる部分と、流体に揚力Ｆ_Ｌを誘起させる部分とは、流路７の上流側と下流側とで互いに独立している。つまり、固液分離装置１は、揚力Ｆ_Ｌと抗力Ｆ_Ｄとをそれぞれ独立して調整することができるので、処理量を維持しつつ、所望の分解能を得やすくすることができる。例えば、固液分離装置１によれば、原理的には、粒子径Ｄ_ｐが１μｍから１ｍｍまでの範囲にある固体粒子ｐを、１００ｍＬ／ｍｉｎの処理量で分離することができる。

一方、流路７における少なくとも二次流れ発生機構よりも下流側の横断面は、一定の寸法で統一された簡易的な形状となる。また、二次流れ発生機構の構成又は形状によっては、流路７において、二次流れ発生機構により二次流れが発生する領域の横断面形状を、揚力Ｆ_Ｌを誘起させる主流が流通する領域の横断面形状と同一とすることもできる。したがって、固液分離装置１では、流路部２の形状又は構成が簡易化される。

このように、本実施形態によれば、簡易的な形状又は構成で分離効率を向上させるのに有利な固液分離装置１を提供することができる。

また、固液分離装置１では、固体粒子ｐの粒子径Ｄ_ｐが１μｍから１ｍｍまでの範囲にある場合、流路高さｈは、分離対象としての固体粒子ｐの粒子径Ｄ_ｐの１０倍以上かつ１００倍以下の寸法に設定されてもよい。

この固液分離装置１によれば、流体の主流が誘起する揚力Ｆ_Ｌと、流体の二次流れが誘起する抗力Ｆ_Ｄとによる分離効果をより向上させることができる。

また、固液分離装置１では、流路７における二次流れ発生機構よりも下流側の延伸方向の長さＬは、流路幅ｗの１００倍以上かつ１０，０００倍以下の寸法に設定されてもよい。

この固液分離装置１によれば、流体の主流が誘起する揚力Ｆ_Ｌと、流体の二次流れが誘起する抗力Ｆ_Ｄとによる分離効果をより向上させることができる。

また、固液分離装置１では、二次流れ発生機構は、流路部２に設置され、流路７の長辺側の側壁（第１側壁２ａ及び／又は第２側壁２ｂ）から流路７の内部に向けて超音波を発する超音波振動子３であってもよい。

この固液分離装置１によれば、流路７を流通する流体に対して二次流れを発生させるに際して、二次流れの速度を簡易的な構成で変化させることができる。この場合、固液分離装置１では、超音波振動子３が、いわゆるアクティブ型の固液分離機構として機能し、超音波振動子３が設置されている部分よりも下流側の流路７自体が、いわゆるパッシブ型の固液分離機構として機能する。したがって、二次流れを誘起する抗力Ｆ_Ｄを調整しやすくなるなど流体力の制御性が向上し、分離対象とし得る固体粒子ｐの幅が広がる。結果として、固液分離装置１の汎用性を向上させることができる。

（第２実施形態）
図７は、第２実施形態に係る固液分離装置１０の構成を示す概略図である。上記の第１実施形態に係る固液分離装置１では、二次流れ発生機構として、流路部２に設置される超音波振動子３を例示した。これに対して、二次流れ発生機構は、超音波振動子３に代えて、例えば、流路部１２に形成され、流路１７の延伸方向に進むにつれて少なくとも一部の横断面の形状を変化させる流路形状変更部であってもよい。

固液分離装置１０は、上記の固液分離装置１において直線管であった流路部２に代えて、例えばマイクロデバイスを想定したブロック状の流路部１２を備える。流路部１２は、第１平板１３と第２平板１４との２つの平板をＺ方向で重ね合わせることで形成されてもよい。この場合、下段の第２平板１４には、上面側に、上記の流路部２に設けられていた流路７と同一の設定条件を満たす流路１７が、溝部として形成されている。これに対して、上段の第１平板１３は、いわゆる蓋体であり、流路１７を下面で覆うように第２平板１４に接合される。流路部１２では、上記の流路部２における第３側壁２ｃ、第４側壁２ｄ及び第２側壁２ｂが、第２平板１４の溝部の一部である第１側壁１４ａ、第２側壁１４ｂ及び底壁１４ｃに対応する。また、流路部１２では、上記の流路部２における第１側壁２ａが、第１平板１３の下面側の一部に対応する。

また、固液分離装置１０では、二次流れ発生機構を構成する流路形状変更部は、複数の支柱である。本実施形態における複数の支柱は、第２平板１４の底壁１４ｃ上で、かつ、流路１７内に位置するように形成される３つの支柱、すなわち、第１支柱１４ｄ、第２支柱１４ｅ及び第３支柱１４ｆである。これらの支柱は、例えば円柱であり、各支柱の上面は、第１平板１３の下面と接触する。流路１７内にこれらの複数の支柱が設けられることで、流路１７の形状、すなわち、流路１７の横断面の形状は、流路１７の延伸方向に進むにつれて、支柱が存在する部分で変化する。このような複数の支柱の形状、大きさ、配列又は設置数などを適宜変更することで、固体粒子ｐが分散されている流体が流路１７に導入されたとき、これらの支柱によって、流体に二次流れを発生させることができる。

このような固液分離装置１０によっても、上記の固液分離装置１と同様に、簡易的な形状又は構成で分離効率を向上させることができる。特に、固液分離装置１０によれば、例えば、二次流れ発生機構を、電力を用いることなく簡易的な構成とすることができる。

（第３実施形態）
図８は、第３実施形態に係る固液分離装置２０の構成を示す概略図である。上記の第２実施形態に係る固液分離装置１０では、二次流れ発生機構を構成する流路形状変更部として、複数の支柱を例示した。しかし、流路形状変更部は、このような流路部１２に形成される支柱に限定されない。

固液分離装置２０が備える流路部２２は、第２実施形態に係る固液分離装置１０における流路部１２と同様にブロック状である。流路部２２は、固液分離装置１０における第１平板１３及び第２平板１４に対応する、第１平板２３及び第２平板２４で形成されてもよい。ここで、第２平板２４の上面側には、固液分離装置１０の第２平板１４と同様に、溝部として流路２７が形成されているが、流路２７の形状が、固液分離装置１０の流路１７の形状と異なる。

まず、流路部２２では、上記の流路部１２における第１側壁１４ａ、第２側壁１４ｂ及び底壁１４ｃが、第２平板２４の溝部の一部である第１側壁２４ａ、第２側壁２４ｂ及び底壁２４ｃに対応する。また、流路部２２では、流路２７のＺ方向上側の側壁は、第１平板２３の下面側の一部である。

その上で、固液分離装置２０では、流路形状変更部として、上記の固液分離装置１０における複数の支柱に代えて、流路２７の一部に横断面が縮小する領域を設けることでベンチュリ効果を生じさせるベンチュリ構造部が用いられる。例えば、本実施形態におけるベンチュリ構造部２４ｄは、第２平板２４の底壁２４ｃ上で、第１側壁２４ａの一部としてＹ方向に突出する３つの突出壁、すなわち、第１突出壁２４ｅ、第２突出壁２４ｆ及び第３突出壁２４ｇで囲まれる突出部である。ベンチュリ構造部２４ｄの上面は、第１平板２３の下面と接触する。

第１突出壁２４ｅは、流路２７の延伸方向であるＸ方向に対して垂直な壁部であり、第２側壁２４ｂとは接触しない。第２突出壁２４ｆは、第１側壁２４ａ及び第２側壁２４ｂと並行な壁部であり、第１突出壁２４ｅと連続し、かつ、第２側壁２４ｂとは接触しない。また、第３突出壁２４ｇは、Ｘ方向の一端が第２突出壁２４ｆと連続し、Ｘ方向の他端が、ベンチュリ構造部２４ｄよりも下流側の第１側壁２４ａと連続する壁部である。つまり、第３突出壁２４ｇは、流路２７の延伸方向に進むにつれて第２突出壁２４ｆ側から第１側壁２４ａ側に徐々に寄る。

ベンチュリ構造部２４ｄによれば、上流側に、流路幅ｗよりも狭い流路幅ｗ１で規定される横断面（流路幅ｗ１×流路高さｈ）となる縮小部２７ａが形成される。縮小部２７ａは、流路２７の延伸方向では、第２突出壁２４ｆのＸ方向の長さ分の領域となる。そして、縮小部２７ａよりも下流側では、第３突出壁２４ｇにより、流路２７の延伸方向に進むにつれて徐々に流路幅が拡大していき、最終的に流路幅ｗと流路高さｈとで規定される横断面に戻る拡大部２７ｂが形成される。なお、縮小部２７ａは、流路２７を流通する流体の流速を一時的に増加させるための領域であるので、縮小部２７ａを形成する第２突出壁２４ｆのＸ方向の長さは、拡大部２７ｂを形成する第３突出壁２４ｇのＸ方向成分の長さよりも十分に短くてよい。流路２７内にベンチュリ構造部２４ｄが設けられることで、流路２７の横断面の形状は、流路２７の延伸方向に進むにつれて、縮小部２７ａと拡大部２７ｂとで変化する。このようなベンチュリ構造部２４ｄの形状又は大きさなどを適宜変更することで、固体粒子ｐが分散されている流体が流路２７に導入されたとき、ベンチュリ構造部２４ｄによって、流体に二次流れを発生させることができる。

このような固液分離装置２０によっても、上記の固液分離装置１０と同様に、例えば、二次流れ発生機構を、電力を用いることなく簡易的な構成とすることができる。

（第４実施形態）
図９は、第４実施形態に係る固液分離装置３０の構成を示す概略図である。二次流れ発生機構を構成する流路形状変更部は、第２実施形態における第１支柱１４ｄ等の複数の支柱、又は、第３実施形態におけるベンチュリ構造部２４ｄに代えて、複数の邪魔板３５であってもよい。

固液分離装置３０が備える流路部３２は、第２実施形態に係る固液分離装置１０における流路部１２と同様にブロック状である。流路部３２は、固液分離装置１０における第１平板１３及び第２平板１４に対応する、第１平板３３及び第２平板３４で形成されてもよい。ここで、第２平板３４の上面側には、固液分離装置１０の第２平板１４と同様に、溝部として流路３７が形成されているが、流路３７の形状が、固液分離装置１０の流路１７の形状と異なる。なお、図９では、流路３７の形状を全体的に明示させるために、第１平板３３が二点鎖線で描画されている。

流路部３２では、固液分離装置１０の流路部１２における第１側壁１４ａ、第２側壁１４ｂ及び底壁１４ｃが、第２平板３４の溝部の一部である第１側壁３４ａ、第２側壁３４ｂ及び底壁３４ｃに対応する。また、流路部３２では、流路３７のＺ方向上側の側壁は、第１平板３３の下面側の一部である。更に、流路３７の横断面についても、上記の各実施形態と同様に、（流路幅ｗ×流路高さｈ）で規定される。

固液分離装置３０では、二次流れ発生機構を構成する流路形状変更部は、複数の邪魔板３５である。例えば、本実施形態における邪魔板３５は、第２平板３４の底壁３４ｃから第１平板３３の下面に向けて突出する突出部である。邪魔板３５の上面は、第１平板３３とは接触しない。複数の邪魔板３５は、互いに同一形状で、以下で詳説するような一定の規則性をもって流路３７内に配置される。図９では、第１板３５ａ、第２板３５ｂ、第３板３５ｃ、第４板３５ｄ及び第５板３５ｅで表される五つの邪魔板３５が例示されている。なお、図９では、二次流れ発生機構の入口又は出口と交差する邪魔板３５は、描画上の例示として、当該交差位置又はその近傍から二次流れ発生機構の外方に向かう一部位が存在しない形状で表されている。

図１０は、図９中のＣ－Ｃ断面に対応し、流路３７の延伸方向であるＸ方向に対して垂直な面で流路部３２の一部を切断した断面図である。図１０では、流路３７内を流通する流体の当該切断面における流れの様子がベクトルで例示されている。また、図１１は、複数の邪魔板３５をＺ方向に沿って見た、邪魔板３５の形状及び複数の邪魔板３５の配置関係を説明するための概略平面図である。

邪魔板３５の形状は、ＸＹ平面に沿った底壁３４ｃと平行で、かつ、Ｘ方向に対して傾斜角θで傾いた方向を延伸方向とする棒状である。ただし、各々の邪魔板３５の両先端部は、ＸＺ平面に沿って切り欠かれていてもよい。邪魔板３５の延伸方向での長さを邪魔板長さＬ_Ｐとすると、流路幅方向であるＹ方向での邪魔板３５の長さ成分Ｌ_Ｙは、Ｌ_Ｐｓｉｎθで表され、流路幅ｗよりも短い。また、邪魔板３５は、第１側壁３４ａ及び第２側壁３４ｂのいずれとも接触しない。流路３７では、このような形状を有するｎ個の邪魔板３５が、ピッチＰ_ｉの等間隔で、Ｘ方向に沿って配列されている。

邪魔板３５の延伸方向に対して垂直となる断面の形状は、おおよそ矩形である。以下、邪魔板３５の断面に関して、高さを邪魔板高さｈ_Ｐと、幅を邪魔板幅ｗ_ｐと、それぞれ表記する。

邪魔板高さｈ_Ｐは、例えば、流路３７の流路高さｈを基準として、以下のように設定される。まず、流路３７を流通する流体に関する流速を、次のように規定する。Ｖ_０は、流路３７の延伸方向であるＸ方向に沿って流路３７に導入される流体の主流流速である。Ｖ_１は、邪魔板３５の延伸方向に沿った方向での第１流速である。Ｖ_２は、流路幅方向であるＹ方向での第２流速であり、主流速度Ｖ_０を用いて、式（１）で表される。

また、複数の邪魔板３５が設けられている区間を流体の主流が通過する時間ｔは、式（２）で表される。

更に、流体中に分散されている固体粒子ｐを第１側壁３４ａ又は第２側壁３４ｂの近傍に捕捉させるためには、複数の邪魔板３５が設けられている区間を流体の主流が通過する間に、流路幅方向の流れが流路２７の横断面を少なくとも一周する必要がある。したがって、式（３）が成り立つ。

ここで、第一に、邪魔板高さｈ_Ｐが、流路高さｈの半分の高さ、すなわち、０．５ｈであるとき、複数の邪魔板３５は、最も効率的に二次流れを生成することができる。

第二に、邪魔板高さｈ_Ｐが０．５ｈよりも低いときには、二次流れの流量が少なくなる。したがって、邪魔板高さｈ_Ｐが低くなるに従って二次流れの流量が比例的に少なくなることを想定して、流路幅方向の流れが流路２７の横断面を少なくとも一周するという上記の条件は、少なくとも（０．５ｈ／ｈ_Ｐ）周するという条件に変更されてもよい。この場合、式（３）は、式（４）に修正される。

式（４）に式（１）及び式（２）を代入して整理すると、式（５）が導かれる。

したがって、邪魔板高さｈ_Ｐが０．５ｈよりも低いときには、任意の流路幅ｗ及び流路高さｈを有する流路３７に対して、式（５）の条件を満たすように、邪魔板３５の配列に係るピッチＰ_ｉ、邪魔板３５の設置数ｎ及び邪魔板高さｈ_Ｐが設定されればよい。

第三に、邪魔板高さｈ_Ｐが０．５ｈよりも高いときも、二次流れの流量が少なくなる。したがって、邪魔板高さｈ_Ｐが高くなるに従って二次流れの流量が比例的に少なくなることを想定して、流路幅方向の流れが流路２７の横断面を少なくとも一周するという上記の条件は、少なくとも（０．５ｈ／（ｈ－ｈ_Ｐ））周するという条件に変更されてもよい。この場合、式（３）は、式（６）に修正される。

式（６）に式（１）及び式（２）を代入して整理すると、式（７）が導かれる。

したがって、邪魔板高さｈ_Ｐが０．５ｈよりも高いときには、任意の流路幅ｗ及び流路高さｈを有する流路３７に対して、式（７）の条件を満たすように、邪魔板３５の配列に係るピッチＰ_ｉ、邪魔板３５の設置数ｎ及び邪魔板高さｈ_Ｐが設定されればよい。

つまり、二次流れ発生機構として複数の邪魔板３５が採用される場合の邪魔板高さｈ_Ｐの上限値は、式（７）に基づいて規定され、邪魔板高さｈ_Ｐの下限値は、式（５）に基づいて規定され得る。

また、邪魔板幅ｗ_ｐは、例えば、流路３７内での圧損を低減させるためには流路３７の横断面の閉塞率を０．５以下とすることが望ましいという条件に基づいて、以下のように設定される。邪魔板３５が存在しないと仮定した場合の流路３７の横断面は、（流路幅ｗ×流路高さｈ）で表される。そこで、ある横断面における邪魔板３５の数をｍ個とすると、閉塞率が０．５以下であるという条件を満たすためには、邪魔板幅ｗ_ｐの上限値を、式（８）を満たすように設定すればよい。一方、邪魔板幅ｗ_ｐの下限値は、可能な限り小さく設定されることが望ましい。

更に、邪魔板３５の傾斜角θは、式（５）及び式（７）に基づいた上限値及び下限値で規定される範囲を決定し、当該範囲に含まれる値に設定されてもよい。ただし、傾斜角θが大きすぎる場合、流れの剥離が起こり、二次流れが意図しないものとなることも考えられる。そこで、傾斜角θは、４５°以下であることが望ましく、更には３０°以下であることがより望ましい。

固液分離装置３０では、流路形状変更部として複数の邪魔板３５を採用することで、図１０に示す流路３７内での各位置におけるベクトルの向く方向から明らかなように、流路３７を流通する流体には、横断面方向での二次流れが生じていることがわかる。また、流路形状変更部として、第２実施形態において例示した第１支柱１４ｄ等の複数の円柱を採用する場合、二次流れは、円柱の直後では強く生じるものの、下流側に向かうにつれて徐々に減衰する。これに対して、流路形状変更部として複数の邪魔板３５を採用する場合には、二次流れが減衰しにくいという利点がある。

図１２は、二次流れ発生機構を通過した流体中の固体粒子ｐの挙動を示す流体画像である。この流体画像は、流路３７の一部を流通する流体をＺ方向に沿って撮影することで得られたものである。ここで、複数の邪魔板３５で構成される二次流れ発生機構は、Ｘ方向に沿った流路３７の上流側に位置している。なお、図１２では、流体画像が取得された流路３７中の位置に対する二次流れ発生機構の位置を例示するために、二次流れ発生機構に相当する部位が、流体画像に隣接して二点鎖線で示されている。

図１２に示すように、固液分離装置３０においても、固体粒子ｐが分散されている流体が流路３７を流通することで、固体粒子ｐは、少なくとも、第１側壁３４ａ又は第２側壁３４ｂの近傍に捕捉されることがわかる。一例として、図１２に示す流体画像が得られたとき、流路３７の入口領域Ｒ_ＩＮでの粒子濃度は、０．５５ｖｏｌ％であった。これに対して、流路３７の出口側において、固体粒子ｐが集まってきた高濃度領域Ｒ_Ｈでの粒子濃度は、１．３３ｖｏｌ％であった。一方、流路３７の出口側において、固体粒子ｐが少ない低濃度領域Ｒ_Ｌでの粒子濃度は、０．１１ｖｏｌ％であった。

また、固液分離装置３０は、二次流れ発生機構として複数の邪魔板３５を採用することで、固体粒子ｐを、第１側壁３４ａ又は第２側壁３４ｂの近傍のみならず、図１２に示すように流路３７の流路幅方向の中央領域にも捕捉させることができる可能性がある。

更に、固液分離装置３０によっても、上記の固液分離装置１０等と同様に、例えば、二次流れ発生機構を、電力を用いることなく簡易的な構成とすることができる。

なお、上記の固液分離装置３０の例では、複数の邪魔板３５が、流路床側である第２平板３４の底壁３４ｃに設けられ、底壁３４ｃから第１平板３３の下面に向けて突出する。これに対して、複数の邪魔板３５は、天井側である第１平板３３に設けられ、第１平板３３から底壁３４ｃに向けて突出するものであってもよい。又は、複数の邪魔板３５は、流路床側である第２平板３４の底壁３４ｃと、天井側である第１平板３３との双方に設けられるものであってもよい。

また、上記の固液分離装置３０の例では、二次流れ発生機構全体において、複数の邪魔板３５が一つの値のピッチＰ_ｉで配列されている。これに対して、複数の邪魔板３５は、二次流れ発生機構全体において複数の値のピッチＰ_ｉで配列される、すなわち、途中でピッチＰ_ｉの値が変更されて配列されるものであってもよい。ただし、ピッチＰ_ｉの値が小さすぎる場合、粘性抵抗が大きくなるため、ピッチＰ_ｉの値は、流路高さｈよりも大きく設定されることが望ましい。

更に、上記の固液分離装置３０の例では、複数の邪魔板３５が、流路３７の流路幅ｗの中央部に設けられている。つまり、流路幅方向において、邪魔板３５から第１側壁３４ａまでの距離と、邪魔板３５から第２側壁３４ｂまでの距離とは、同一である。これに対して、複数の邪魔板３５は、流路幅方向において、第２側壁３４ｂの側よりも第１側壁３４ａの側に寄るように設けられてもよいし、反対に、第１側壁３４ａの側よりも第２側壁３４ｂの側に寄るように設けられてもよい。

また、図７に示す固液分離装置１０、図８に示す固液分離装置２０及び図９等に示す固液分離装置３０では、流路形状変更部がブロック状の流路部１２、流路部２２又は流路部３２に形成される場合を例示した。これに対して、例えば、固液分離装置１における直線管である流路部２に、二次流れ発生機構として、超音波振動子３に代えて流路形状変更部が設けられてもよい。また、図７に示す固液分離装置１０、図８に示す固液分離装置２０及び図９等に示す固液分離装置３０では、ブロック状の流路部１２、流路部２２又は流路部３２が共に２つの平板の組み合わせで構成される場合を例示した。これに対して、例えば、三次元金属積層造形技術を利用することで、流路１７を有する流路部１２、流路２７を有する流路部２２、又は、流路３７を有する流路部３２が一体的に形成されてもよい。

（固液分離システム）
次に、上記実施形態に係る固液分離装置（固液分離装置１等）の応用例として、少なくともいずれかの固液分離装置を採用した固液分離システムについて説明する。

図１３Ａ及び図１３Ｂは、上記実施形態に係る固液分離装置（固液分離装置１等）を備える固液分離システムの構成を示す概略図である。なお、図１３Ａ及び図１３Ｂでは、固液分離システムが固液分離装置１を備える場合を例示する。

図１３Ａは、本実施形態に係る固液分離システムの一例としての細胞培養装置（動物細胞連続培養装置）１００を示す概略図である。細胞培養装置１００では、固体粒子ｐが分散されている流体として培養液が想定されている。細胞培養装置１００は、培地を貯留する貯留槽としての培養槽１０２と、培養液を培養槽１０２から固液分離装置１に送る送液部としてのポンプ１０６ａとを備える。培地は、第１供給バルブ１０４ａを備える培地追加配管１０４を介して培養槽１０２に供給される。培養槽１０２は、撹拌器１０２ａを備え、培地を培養する。培養槽１０２内の培養液は、ポンプ１０６ａに接続された培養液供給配管１０６を介して固液分離装置１に供給される。固液分離装置１は、流路７に導入された培養液を濃縮液と清澄液とに分離することができる。清澄液は、そのまま回収される。一方、濃縮液は、第２供給バルブ１０８ａを備える濃縮液返送配管１０８を介して培養槽１０２に戻される。また、細胞培養装置１００は、少なくとも、ポンプ１０６ａの動作を制御することで培養液の少なくとも流量又は速度を調整させる制御部１１０を備える。制御部１１０は、その他、撹拌器１０２ａの動作や、第１供給バルブ１０４ａ又は第２供給バルブ１０８ａの開閉動作などを制御してもよい。

図１３Ｂは、本実施形態に係る固液分離システムの一例としての析出装置２００を示す概略図である。析出装置２００では、固体粒子ｐが分散されている流体として、結晶化した大径粒子や小径粒子を含む流体が想定されている。析出装置２００は、析出液を貯留する貯留槽としての析出槽２０２と、流体を析出槽２０２から固液分離装置１に送る送液部としてのポンプ２０６ａと、固液分離装置１により分離された濃縮液から大径粒子のみを抜き出す分離膜２０７ａとを備える。析出液は、第１供給バルブ２０４ａを備える析出液追加配管２０４を介して析出槽２０２に供給される。析出槽２０２は、撹拌器２０２ａを備え、析出を促す。析出槽２０２内の流体は、ポンプ２０６ａに接続された流体供給配管２０６を介して固液分離装置１に供給される。固液分離装置１は、流路７に導入された流体を、主に大径粒子を含有する濃縮液と、主に小径粒子を含有する清澄液とに分離することができる。濃縮液は、濃縮液供給配管２０７を介して分離膜２０７ａに送られる。分離膜２０７ａによって濃縮液から抜き出された大径粒子は、そのまま回収される。その後、大径粒子が抜き出された流体は、清澄液として、第２供給バルブ２０９ａを備える清澄液返送配管２０９を介して析出槽２０２に戻される。一方、固液分離装置１で分離された清澄液は、バイパス配管２０８を介して直接的に清澄液返送配管２０９に送られ、析出槽２０２に戻される。また、析出装置２００は、少なくとも、ポンプ２０６ａの動作を制御することで流体の少なくとも流量又は速度を調整させる制御部２１０を備える。制御部２１０は、その他、撹拌器２０２ａの動作や、第１供給バルブ２０４ａ又は第２供給バルブ２０９ａの開閉動作などを制御してもよい。

次に、細胞培養装置１００や析出装置２００のような本実施形態に係る固液分離システムの効果について説明する。

固液分離システムは、上記実施形態に係る固液分離装置と、流体を貯留する貯留槽と、貯留槽から固液分離装置に流体を送る送液部と、少なくとも、送液部の動作を制御することで流体の少なくとも流量又は速度を調整させる制御部とを備える。

この固液分離システムによれば、上記実施形態に係る固液分離装置を備えるので、システム全体として、分離効率を向上させ、又は、処理量を維持しつつ、所望の分解能を得やすくすることができる。

また、固液分離システムでは、流体に分散されている固体粒子ｐは、二次流れに誘起された抗力Ｆ_Ｄと、流体の主流に誘起された揚力Ｆ_Ｌとを受け、揚力Ｆ_Ｌは、分離対象としての固体粒子ｐの粒子径Ｄ_ｐを基準として求められてもよい。

この固液分離システムによれば、分離対象としての固体粒子ｐに対して、流路（流路７等、以下同様）において短辺側の側壁近傍に集中させやすくするのにより適切な揚力Ｆ_Ｌを作用させることができる。なお、短辺側の側壁とは、固液分離装置１では、第３側壁２ｃ及び第４側壁２ｄに相当し、固液分離装置１０では、第１側壁１４ａ及び第２側壁１４ｂに相当する。

また、固液分離システムでは、流路高さｈは、分離対象としての固体粒子ｐの粒子径Ｄ_ｐを基準として求められた揚力Ｆ_Ｌに基づいて決定されてもよい。

この固液分離システムによれば、流路の流路高さｈを適切な寸法に設定することで、流路において流体の主流から誘起される揚力Ｆ_Ｌを所望の大きさに調整することができる。

また、固液分離システムでは、抗力Ｆ_Ｄは、流体の境界層の内部の横断面方向において揚力Ｆ_Ｌとつり合うように決定されてもよい。

この固液分離システムによれば、流体の境界層の内部の横断面方向における揚力Ｆ_Ｌに対して抗力Ｆ_Ｄが力学的に平衡となるので、流路の短辺側の側壁近傍に、分離対象としての固体粒子ｐをより集中させやすくすることができる。

また、固液分離システムでは、二次流れ発生機構は、流路部２に設置され、流路７の長辺側の側壁から流路７の内部に向けて超音波を発する超音波振動子３であってもよい。この場合、固液分離システムは、超音波振動子３に電力を供給する超音波発振器４を備えてもよい。制御部１１０は、超音波発振器４に対して超音波振動子３の振動数又は音圧を変更させて二次流れの速度（例えば代表速度Ｕ）を変化させることで、抗力Ｆ_Ｄを調整してもよい。

この固液分離システムによれば、二次流れを誘起する抗力Ｆ_Ｄを調整しやすくなるなど流体力の制御性が向上し、分離対象とし得る固体粒子ｐの幅が広がる。また、このように二次流れが音響流であり、特に、液相と固体粒子との音響インピーダンス差が大きい場合には、固体粒子ｐに対して音響反射力が作用する。したがって、流体に分散されている固体粒子ｐには、揚力Ｆ_Ｌ及び抗力Ｆ_Ｄに加えて音響反射力Ｆ_Ｒが加わることになるので、制御部１１０は、流路７において流体の主流の横断面方向での固体粒子ｐの平衡位置をより調整しやすくなるという利点もある。

なお、ここでは、本実施形態に係る固液分離システムとして、細胞培養装置１００や析出装置２００を例示したが、適用例はこれらの装置に限定されるものではない。例えば、上記実施形態に係る固液分離装置を採用するものであれば、固液分離システムは、カメラやレーザー機器などの検査機器と組み合わせた、医薬品や食品等の品質検査を行う検査装置であってもよい。

いくつかの実施形態を説明したが、上記開示内容に基づいて実施形態の修正又は変形をすることが可能である。上記の実施形態のすべての構成要素、及び請求の範囲に記載されたすべての特徴は、それらが互いに矛盾しない限り、個々に抜き出して組み合わせてもよい。

本出願は、２０２０年１２月２１日に出願された日本国特許願第２０２０－２１１４１８に基づく優先権を主張しており、この出願の全内容が参照により本明細書に組み込まれる。

１ 固液分離装置
２ 流路部
２ａ 第１側壁
２ｂ 第２側壁
３ 超音波振動子
４ 超音波発振器
７ 流路
１０ 固液分離装置
１２ 流路部
１４ｄ 第１支柱
１４ｅ 第２支柱
１４ｆ 第３支柱
１７ 流路
２０ 固液分離装置
２２ 流路部
２４ｄ ベンチュリ構造部
２７ 流路
３０ 固液分離装置
３２ 流路部
３５ 邪魔板
３７ 流路
１００ 細胞培養装置
１０２ 培養槽
１０６ａ ポンプ
１１０ 制御部
２００ 析出装置
２０２ 析出槽
２０６ａ ポンプ
２１０ 制御部
Ａ_Ｒ アスペクト比
Ｄ_ｐ 粒子径
Ｆ_Ｄ 抗力
Ｆ_Ｌ 揚力
ｈ 流路高さ
ｐ 固体粒子
ｗ 流路幅

Claims (10)

1. 固体粒子が分散された流体から前記固体粒子を分離させる固液分離装置であって、
   前記流体が導入される直線状の流路が形成されている流路部と、
   前記流路の上流側を流通している前記流体に横断面方向の二次流れを発生させる二次流れ発生機構と、を備え、
   前記流路は、流路幅と当該流路幅に対して垂直な流路高さとで規定される矩形の横断面を有し、
   前記流路における前記二次流れ発生機構よりも下流側の前記横断面では、流通する前記流体の主流が揚力を誘起させるように、前記流路幅と前記流路高さとの比で表されるアスペクト比は、１０から１００までの範囲にある一定値であり、
   前記流路における上流側の前記横断面は、下流側の前記横断面と同一の形状、又は、前記下流側の前記横断面の形状の中に前記二次流れ発生機構の一部を含む形状に規定される、固液分離装置。
2. 前記固体粒子の粒子径が１μｍから１ｍｍまでの範囲にある場合、前記流路高さは、分離対象としての前記固体粒子の前記粒子径の１０倍以上かつ１００倍以下の寸法に設定される、請求項１に記載の固液分離装置。
3. 前記流路における前記二次流れ発生機構よりも下流側の延伸方向の長さは、前記流路幅の１００倍以上かつ１０，０００倍以下の寸法に設定される、請求項２に記載の固液分離装置。
4. 前記二次流れ発生機構は、前記流路部に設置され、前記流路の長辺側の側壁から前記流路の内部に向けて超音波を発する超音波振動子である、請求項１～３のいずれか１項に記載の固液分離装置。
5. 前記二次流れ発生機構は、前記流路部に形成され、前記流路の延伸方向に進むにつれて少なくとも一部の前記横断面の形状を変化させる流路形状変更部である、請求項１～３のいずれか１項に記載の固液分離装置。
6. 固体粒子が分散された流体から前記固体粒子を分離させる固液分離装置と、
   流体を貯留する貯留槽と、
   前記貯留槽から前記固液分離装置に流体を送る送液部と、
   少なくとも、前記送液部の動作を制御することで流体の少なくとも流量又は速度を調整させる制御部と、を備え、
   前記固液分離装置は、
   前記流体が導入される直線状の流路が形成されている流路部と、
   前記流路の上流側を流通している前記流体に横断面方向の二次流れを発生させる二次流れ発生機構と、を備え、
   前記流路は、流路幅と当該流路幅に対して垂直な流路高さとで規定される矩形の横断面を有し、
   前記流路における前記二次流れ発生機構よりも下流側の前記横断面では、流通する前記流体の主流が揚力を誘起させるように、前記流路幅と前記流路高さとの比で表されるアスペクト比は、１０から１００までの範囲にある一定値であり、
   前記流路における上流側の前記横断面は、下流側の前記横断面と同一の形状、又は、前記下流側の前記横断面の形状の中に前記二次流れ発生機構の一部を含む形状に規定される、固液分離システム。
7. 前記流体に分散されている前記固体粒子は、前記二次流れに誘起された抗力と、前記流体の前記主流に誘起された揚力とを受け、
   前記揚力は、分離対象としての前記固体粒子の粒子径を基準として求められる、請求項６に記載の固液分離システム。
8. 前記流路高さは、分離対象としての前記固体粒子の粒子径を基準として求められた前記揚力に基づいて決定される、請求項７に記載の固液分離システム。
9. 前記抗力は、前記流体の境界層の内部の横断面方向において前記揚力とつり合うように決定される、請求項７又は８に記載の固液分離システム。
10. 前記二次流れ発生機構は、前記流路部に設置され、前記流路の長辺側の側壁から前記流路の内部に向けて超音波を発する超音波振動子であり、
    前記固液分離システムは、前記超音波振動子に電力を供給する超音波発振器を備え、
    前記制御部は、前記超音波発振器に対して前記超音波振動子の振動数又は音圧を変更させて前記二次流れの前記速度を変化させることで、前記抗力を調整する、請求項７～９のいずれか１項に記載の固液分離システム。

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