KR20230098679A - 고액 분리 장치 및 고액 분리 시스템 - Google Patents

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료스케 이케다
요시유키 이소
다쓰야 야마시타
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가부시키가이샤 아이에이치아이
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Abstract

고체 입자(p)가 분산된 유체로부터 고체 입자(p)를 분리시키는 고액 분리 장치(1)는, 유체가 도입되는 직선형의 유로(7)가 형성되어 있는 유로부(2)와, 유로(7)의 상류측을 유통하고 있는 유체에 횡단면 방향의 2차 흐름을 발생시키는 2차 흐름 발생 기구로서의 초음파 진동자(3)를 구비한다. 유로(7)는, 유로 폭 w과 상기 유로 폭 w에 대하여 수직한 유로 높이 h에서 규정되는 직사각형의 횡단면을 가진다. 유로(7)에서의 적어도 2차 흐름 발생 기구보다 하류측의 횡단면에서는, 유로 폭 w과 유로 높이 h의 비로 표시되는 아스펙트비(AR)는 10∼100까지의 범위에 있다.

Description

고액 분리 장치 및 고액 분리 시스템
본 개시는, 고액 분리 장치 및 이것을 이용한 고액 분리 시스템에 관한 것이다.
종래, 공업이나 의학 등의 각종 분야에서는, 제조 또는 분석 처리 등에 있어서, 유체(流體) 중에 분산되어 있는 고체 입자를 원하는 조건에서 분리하는 기술이 이용되고 있다. 특허문헌 1은, 상류측에 설치된 배열용 유로와, 하류측에 설치된 분리용 유로의 2종류의 유로를 이용하여 미립자를 분리시키는 고액 분리 장치에 관한 기술을 개시하고 있다. 배열용 유로는 관성력에 의해, 유체 중의 미립자를 배열시킨다. 한편, 분리용 유로는, 배열용 유로로부터 미립자가 배열된 유체를 받아들이고, 다수의 지주(支柱)로 규정된 궤도에 의해, 최종적으로 원하는 입자 직경마다 미립자를 분리한다.
일본공개특허 제2018-89557호 공보
특허문헌 1에 개시되어 있는 고액 분리 장치에서는, 분리용 유로는, 다수의 지주가 형성된 복잡한 기하 형상을 가진다. 한편, 배열용 유로의 횡단면 형상은 분리용 유로의 횡단면 형상과는 별도로, 미립자를 배열시킨다는 관점에서 다양하게 설정되는 것이다. 따라서, 고액 분리 장치에 설치되어 있는 유로 전체로서는, 결코 간이적인 형상 또는 구성이라고는 할 수 없다.
그래서, 본 개시는, 간이적인 형상 또는 구성으로 분리 효율을 향상시키는 데 유리한 고액 분리 장치 및 고액 분리 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 개시의 일 태양(態樣)은, 고체 입자가 분산된 유체로부터 고체 입자를 분리시키는 고액 분리 장치로서, 유체가 도입되는 직선형의 유로가 형성되어 있는 유로부와, 유로의 상류측을 유통하고 있는 유체에 횡단면 방향의 2차 흐름을 발생시키는 2차 흐름 발생 기구(機構)를 구비하고, 유로는, 유로 폭과 해당 유로 폭에 대하여 수직한 유로 높이로 규정되는 직사각형의 횡단면을 가지고, 유로에서의 적어도 2차 흐름 발생 기구보다 하류측의 횡단면에서는, 유로 폭과 유로 높이의 비로 표시되는 아스펙트비는, 10∼100까지의 범위에 있다.
상기의 고액 분리 장치에서는, 고체 입자의 입자 직경이 1㎛∼1㎜까지의 범위에 있는 경우, 유로 높이는, 분리 대상으로서의 고체 입자의 입자 직경의 10배 이상 또한 100배 이하의 치수로 설정되어도 된다. 유로에서의 2차 흐름 발생 기구보다 하류측의 연신 방향의 길이는, 유로 폭의 100배 이상 또한 10,000배 이하의 치수로 설정되어도 된다. 또한, 2차 흐름 발생 기구는 유로부에 설치되고, 유로의 장변(長邊)측의 측벽으로부터 유로의 내부를 향하여 초음파를 발하는 초음파 진동자라도 된다. 또는, 2차 흐름 발생 기구는 유로부에 형성되고, 유로의 연신 방향으로 진행됨에 따라 적어도 일부의 횡단면의 형상을 변화시키는 유로 형상 변경부라도 된다.
본 개시의 다른 태양에 관련된 고액 분리 시스템은, 고체 입자가 분산된 유체로부터 고체 입자를 분리시키는 고액 분리 장치와, 유체를 저류(貯留)하는 저류조와, 저류조로부터 고액 분리 장치에 유체를 보내는 송액부(送液部)와, 적어도, 송액부의 동작을 제어함으로써 유체의 적어도 유량 또는 속도를 조정시키는 제어부를 구비하고, 고액 분리 장치는, 유체가 도입되는 직선형의 유로가 형성되어 있는 유로부와, 유로의 상류측을 유통하고 있는 유체에 횡단면 방향의 2차 흐름을 발생시키는 2차 흐름 발생 기구를 구비하고, 유로는, 유로 폭과 해당 유로 폭에 대하여 수직한 유로 높이로 규정되는 직사각형의 횡단면을 가지고, 유로에서의 적어도 2차 흐름 발생 기구보다 하류측의 횡단면에서는, 유로 폭과 유로 높이의 비로 표시되는 아스펙트비는 10∼100까지의 범위에 있다.
상기의 고액 분리 시스템에서는, 유체에 분산되어 있는 고체 입자는 2차 흐름에 유도된 항력과, 유체의 주류에 유도된 양력을 받고, 양력은 분리 대상으로서의 고체 입자의 입자 직경을 기준으로 하여 구해져도 된다. 유로 높이는, 분리 대상으로서의 고체 입자의 입자 직경을 기준으로 하여 구해진 양력에 기초하여 결정되어도 된다. 항력은, 유체의 경계층의 내부의 횡단면 방향에 있어서 양력과 균형이 잡히도록 결정되어도 된다. 또한, 2차 흐름 발생 기구는 유로부에 설치되고, 유로의 장변측의 측벽으로부터 유로의 내부를 향하여 초음파를 발하는 초음파 진동자이고, 고액 분리 시스템은 초음파 진동자에 전력을 공급하는 초음파 발진기를 구비하고, 제어부는 초음파 발진기에 대하여 초음파 진동자의 진동수 또는 음압을 변경시켜 2차 흐름의 속도를 변화시킴으로써, 항력을 조정해도 된다.
본 개시에 의하면, 간이적인 형상 또는 구성으로 분리 효율을 향상시키는 데에 유리한 고액 분리 장치 및 고액 분리 시스템을 제공할 수 있다.
[도 1] 도 1은, 본 개시의 제1 실시형태에 관련된 고액 분리 장치의 구성을 나타내는 개략도이다.
[도 2] 도 2는, 제1 실시형태에 관련된 고액 분리 장치에 의한 고액 분리의 원리를 설명하는 도면이다.
[도 3] 도 3은, 휘도값을 기준으로 한 유로 폭 방향에서의 입자 농도를 나타내는 그래프이다.
[도 4] 도 4는, 고체 입자의 입자 직경과, 고체 입자가 받는 양력의 관계를 나타내는 그래프이다.
[도 5] 도 5는, 유로 높이와, 고체 입자가 받는 양력의 관계를 나타내는 그래프이다.
[도 6] 도 6은, 고체 입자의 입자 직경에 대한 양력 및 항력의 설정 범위를 나타내는 그래프이다.
[도 7] 도 7은, 본 개시의 제2 실시형태에 관련된 고액 분리 장치의 구성을 나타내는 개략도이다.
[도 8] 도 8은, 본 개시의 제3 실시형태에 관련된 고액 분리 장치의 구성을 나타내는 개략도이다.
[도 9] 도 9는, 본 개시의 제4 실시형태에 관련된 고액 분리 장치의 구성을 나타내는 개략도이다.
[도 10] 도 10은, 도 9의 C-C 단면(斷面)에 대응한, 유로부의 일부를 절단한 단면도이다.
[도 11] 도 11은, 방해판의 형상 및 배치 관계를 설명하기 위한 개략도이다.
[도 12] 도 12는, 복수의 방해판을 통과한 유체 중의 고체 입자의 거동을 나타내는 유체 화상이다.
[도 13a] 도 13a는, 본 개시의 고액 분리 시스템으로서의 세포 배양 장치의 구성을 나타내는 개략도이다.
[도 13b] 도 13b는, 본 개시의 고액 분리 시스템으로서의 석출 장치의 구성을 나타내는 개략도이다.
이하, 몇 가지의 예시적인 실시형태에 대하여 도면을 참조하여 설명한다. 여기에서, 각 실시형태에 나타내는 치수, 재료, 기타, 구체적인 수치 등은 예시에 지나지 않고, 특별히 단서가 있는 경우를 제외하고, 본 개시를 한정하는 것은 아니다. 또한, 실질적으로 동일한 기능 및 구성을 가지는 요소에 대해서는 동일한 부호를 붙이는 것에 의해 중복 설명을 생략하고, 본 개시에 직접 관계가 없는 요소에 대해서는 도시를 생략한다.
(고액 분리 장치)
도 1은, 제1 실시형태에 관련된 고액 분리 장치(1)의 구성을 나타내는 개략도이다. 고액 분리 장치(1)는, 고체 입자(p)가 분산된 유체로부터 고체 입자(p)를 분리시킨다. 고체 입자(p)가 분산된 유체란, 일반적인 의미로서, 다수의 고체 입자(p)를 포함하는 액체(입자 분산액)이다. 본 실시형태에 있어서, 고액 분리란, 유체에는 다양한 입자 직경 Dp(입자 사이즈)의 고체 입자(p)가 미리 분산되어 있는 것을 전제로 하여, 기본적으로는, 그 중에서 특정한 입자 직경 Dp의 고체 입자(p)를 분리하는 것을 말한다. 또한, 본 실시형태에서는, 고체 입자(p)로서, 입자 직경 Dp가 미소한 미립자가 상정되고 있다. 구체적으로는, 고액 분리 장치(1)가 분리 대상으로 하는 고체 입자(p)가 취할 수 있는 입자 직경 Dp는 1㎛∼1㎜까지의 범위에 있다.
고액 분리 장치(1)는 유로부(2)와, 2차 흐름 발생 기구를 구비한다.
유로부(2)는, 유체가 도입되어 유통하는 직선형의 유로(7)를 가지는 본체부이다. 본 실시형태에서는, 유로부(2)는, 횡단면이 직사각형인 유로(7)를 가지는 직선관이다. 여기에서, 유로(7)의 전체 형상을 나타내는 직선형이란, 유로(7)의 연신 방향이, 일방향인 도면 중의 X방향을 따르고 있는 것을 말한다. 다만, 여기에서의 직선형이란, 엄밀하게 일직선인 것에는 한정되지 않고, 약간의 휨을 허용한다. 예를 들면, 유로(7)를 유통하는 유체가 유로 형상에 기인한 2차 흐름이 유도하는 항력의 영향을 받기 어렵다고 하는 한도에서, 유로부(2)는 약간의 휨을 가지는 관이어도 되는 경우도 있을 수 있다. 또한, 횡단면의 형상에 대하여, 여기에서의 직사각형이란, 기하학적으로 엄밀하게 해석되는 형상이 아니고, 변 자체에서의 약간의 휨, 또는, 변끼리의 연속 부분에서의 약간의 휨부의 존재를 허용한다.
또한, 도 1에서는, 유로(7)로의 유체의 도입 방향(IN)과, 유로(7)로부터의 유체의 배출 방향(OUT)을 흰 화살표로 표기하고 있다. 유체가 도입되는 측의 유로부(2)의 개구부는 유체의 공급 기구에 접속된다. 한편, 유체가 배출되는 측의 유로부(2)의 개구부는, 적어도, 분리된 고체 입자(p)의 수용 기구에 접속된다. 그리고, 도 1에서는, 유체의 공급 기구, 및 고체 입자(p)의 수용 기구에 대해서는 도시를 생략하고 있다.
유로부(2)는 유로(7)의 형상을 규정하는 4개의 측벽, 즉 제1 측벽(2a), 제2 측벽(2b), 제3 측벽(2c) 및 제4 측벽(2d)을 가진다. 유로부(2)는 본 실시형태에서는 직선관이므로, 이들 측벽은 각각 관벽(管壁)이다. 이들 측벽 중, 제1 측벽(2a)와 제2 측벽(2b)은 서로 대향하고, 횡단면에서의 각각의 장변측에 상당하는 측벽이다. 한편, 제3 측벽(2c)과 제4 측벽(2d)은 서로 대향하고, 횡단면에서의 각각의 단변(短邊)측에 상당하는 측벽이다. 유로(7)의 연신 방향이 X방향을 따르고 있다고 하면, 이들 측벽에 의해 규정되는 유로(7)의 횡단면은 YZ 단면이다. 이 경우, 유로(7)의 횡단면에서의 장변은 Y방향을 따르고 있고, 이하, 유로 폭 w로 정의한다. 한편, 유로(7)의 횡단면에서의 단변은 Z방향을 따르고 있고, 이하, 유로 높이 h로 정의한다. 즉, 유로 높이 h는 횡단면 상에서는 유로 폭 w에 대하여 수직이다. 이하, Y방향을 유로 폭 방향과, Z방향을 유로 높이 방향으로 각각 표현하는 경우가 있다.
여기에서, 본 실시형태에서는, 유로 폭 w와 유로 높이 h의 비로 표시되는 아스펙트비 AR(AR=w/h)는, 10∼100까지의 범위에 있다. 또한, 분리 대상으로서의 고체 입자(p)의 입자 직경 Dp가 1㎛∼1㎜까지의 범위에 있는 경우, 유로 높이 h는 입자 직경 Dp의 10배 이상 또한 100배 이하의 치수로 설정된다. 그리고, 유로 폭 w는 아스펙트비 AR과 유로 높이 h의 구체적인 값으로부터 도출된다.
2차 흐름 발생 기구는 유로(7)의 상류측을 유통하고 있는 유체에 횡단면 방향의 2차 흐름을 발생시킨다. 본 실시형태에서는 2차 흐름 발생 기구는 유로(7)의 내부를 향하여 초음파를 발하는 초음파 진동자(3)이다. 2차 흐름 발생 기구가 초음파 진동자(3)인 경우, 고액 분리 장치(1)는, 초음파 진동자(3)에 전력을 공급하는 초음파 발진기(초음파 증폭기)(4)와, 초음파 발진기(4)로부터 초음파 진동자(3)에 전력을 공급하는 전력 케이블(5)을 더 구비한다. 그 외, 고액 분리 장치(1)는 초음파 발진기(4)에 전력을 공급하는 전원 케이블 등을 구비한다.
초음파 진동자(3)는 예를 들면 유로부(2)의 외측면에 설치할 수 있고, 또한, MHz대의 초음파를 발생시킬 수 있는 평판형 압전(壓電) 소자이다. 초음파 진동자(3)는, 유로(7)의 횡단면의 장변측의 측벽에 상당하는 적어도 제2 측벽(2b)의 외측면이고, 또한, 유로(7)의 상류측에 설치된다. 여기에서, 본 실시형태에서는, 일례로서, 제2 측벽(2b)의 외측면에, 1개의 초음파 진동자(3)가 설치되는 것으로 한다. 다만, 예를 들면, 제2 측벽(2b)의 외측면에 더하여, 마찬가지로 유로(7)의 횡단면의 장변측의 측벽에 상당하는 제1 측벽(2a)의 외측면에도, 또 하나의 초음파 진동자(3)를 설치해도 된다. 또한, 한쪽의 측벽, 예를 들면 제2 측벽(2b)의 외측면에는, 1개의 초음파 진동자(3)뿐만 아니라, 복수의 초음파 진동자(3)가 설치되어도 된다. 또한, 초음파 진동자(3)는, 유로 폭 방향에서는, 유로 폭 w의 중앙 영역에 설치되는 것이 바람직하다.
또한, 2차 흐름 발생 기구인 초음파 진동자(3)의 설치 위치, 즉, 유체에 2차 흐름이 발생하는 위치를 기준으로 하여, 유로(7)의 연신 방향의 길이 중 초음파 진동자(3)보다 하류측의 길이 L을 규정한다. 이 길이 L은, 유로 폭 w의 100배 이상 또한 10,000배 이하의 치수로 설정된다.
다음으로, 고액 분리 장치(1)에 의한 고액 분리의 원리에 대하여 설명한다.
도 2는, 고액 분리 장치(1)에 의한 고액 분리의 원리를 설명하기 위한 개념도이다. 도 2에서는, 유로(7) 중 초음파 진동자(3)보다 하류측의 영역에서의 유체의 흐름과, 유체에 분산되어 있는 고체 입자(p)의 상태가 나타내어져 있다. 또한, 도 2에서는, 유로(7) 내의 각 방향이 별표가 붙은 3축 방향으로 나타내어져 있다. 특히, 유로 폭 방향에 상당하는 y*방향과, 유로 높이 방향에 상당하는 z*방향의 길이에 대해서는, 구체적인 치수값이 아니라, 비율로 나타내어져 있다.
먼저, 초음파 발진기(4)가 초음파 진동자(3)에 대하여 MHz대의 정현파(正弦波)의 전압 신호를 부하하면, 유로(7)의 상류측을 유통하는 유체에서는, 유로 높이 방향으로 초음파의 진행파가 생성된다. 그리고, 진행파의 점성(粘性) 감쇠에 의한 음압의 공간 구배를 구동력으로 하여, 유로(7) 내의 유체에는, 소용돌이 모양의 음향류(音響流)가 발생한다. 이 음향류가 횡단면 방향의 2차 흐름이다. 횡단면 방향의 2차 흐름에 의해, 유체에 분산되어 있는 고체 입자(p)는 2차 흐름에 유도된 항력 FD를 받는다. 이로써, 초음파 진동자(3)가 설치되어 있는 부분보다 하류측의 유로(7)에서는, 고체 입자(p)는 2차 흐름이 유도한 항력 FD에 의해, 서서히 단변측의 측벽인 제3 측벽(2c) 또는 제4 측벽(2d)을 향하여 수송된다.
한편, 유로(7)의 횡단면은, 아스펙트비 AR이 10∼100까지의 범위에 있도록 사전에 설정되어 있으므로, 직선형의 유로(7)를 유통하는 유체의 주류는 양력 FL을 유도한다. 이로써, 유체에 분산되어 있는 고체 입자(p)는, 주류에 유도된 양력 FL을 받고, 유로(7)에서의 단변측의 양쪽의 측벽인 제3 측벽(2c) 및 제4 측벽(2d)의 근방에 포착된다(튜블러·핀치 효과). 그리고, 도 2에서는, 임의의 횡단면(C1)에서의 경계층의 중앙에서의 속도 분포를 예시하고 있다.
즉, 고액 분리 장치(1)에서는, 유체 중의 고체 입자(p)는 2차 흐름에 유도된 항력 FD에 의해 제3 측벽(2c) 또는 제4 측벽(2d)의 방향으로 수송되고, 또한, 주류에 유도된 양력 FL에 의해 제3 측벽(2c) 또는 제4 측벽(2d)의 근방에 포착되게 된다.
이하, 고액 분리 장치(1)에 의한 고액 분리의 원리에 관한 각각의 검증에 대하여 설명한다.
먼저, 횡단면의 아스펙트비 AR이 상기와 같은 높은 아스펙트비로 설정되어 있는 경우의 유로(7)에서의 고체 입자(p)의 거동에 대해서는, 이하의 검증으로부터 분명하다.
검증용의 장치로서, 유로(7)가 형성되어 있는 유로부(2)를 상정한, 투명한 아크릴제의 직사각형 단면의 직선관을 준비했다. 이 직선관에서의 유로는, 유로부(2)에서의 유로(7)의 형상 조건을 만족시키고 있고, 이하, 각 부에 동일한 부호를 붙여 설명한다. 다만, 여기서는 유로(7)의 횡단면 형상에 의거한 고체 입자(p)의 거동에 대하여 검증하므로, 2차 흐름 발생 기구는 채용하고 있지 않다.
검증 시의 각종 설정 조건으로서는, 하기한 바와 같다. 분리 대상으로 하는 고체 입자(p)는, 입자 직경 Dp가 10㎛인 중립 부유 입자이다. 이 고체 입자(p)가 다수 분산된 유체를, 유량을 250mL/min의 일정한 것으로 하고, 또한, 레이놀즈 수 Re를 1500으로 한 상태에서, 검증용 유로(7) 내에 유통시킨다. 검증용 유로(7)에 관하여, 유로 폭 w를 5㎜, 유로 높이 h를 0.4㎜, 유로(7)에서의 유체의 입구로부터 하류측으로의 연신 방향의 길이를 1200㎜로 설정한다. 이 경우, 아스펙트비 AR은 12.5이다. 유로 높이 h는 입자 직경 Dp의 40배다. 또한, 유로(7)의 연신 방향의 길이는, 상기 규정한 2차 흐름 발생 기구보다 하류측의 길이 L과 동등하다고 간주하면, 유로 폭 w의 240배다. 따라서, 이들 치수값은 모두, 도 1을 이용한 설명에서 제시한 각종 조건을 만족시키고 있다.
상기의 설정 조건 하에서, 고체 입자(p)가 분산된 유체를 유로(7) 내에 유통시키고 있는 동안, 유로(7)에 대하여 광을 조사(照射)하여, 휘도를 계측했다.
도 3은, 휘도값을 기준으로 한 유로 폭 방향에서의 입자 농도를 나타내는 그래프이다. 도 3의 가로축은 유로 폭 방향의 위치 y이고, 도 2에 나타낸 y*방향의 정의에 따라서, 제3 측벽(2c)의 위치를 0, 제4 측벽(2d)의 위치를 5㎜로 규정하고 있다. 도 3의 세로축은 휘도값이다. 휘도값은 입자 농도에 비례한다. 범례로서, x의 각 값은, 도 2에 나타낸 x*방향의 정의를 따라서, 유로(7)에서의 유체의 입구로부터 하류측으로의 연신 방향의 거리를 나타내고 있다.
도 3을 참조하면, 유로(7)에서의 유체의 입구(x=0)로부터 하류측을 향하여 유체가 진행함에 따라, 제3 측벽(2c)(y=0)의 근방 및 제4 측벽(2d)(y=5㎜)의 근방의 휘도값이 상승하고, 즉, 입자 농도가 증대하고 있는 것을 알 수 있다. 이 때, 고농도 영역과 저농도 영역의 농도비는, 최대로 3∼4 정도이다. 또한, 유체의 경계층 두께는, 유로 높이 h와 동등하다. 이러한 점으로부터, 아스펙트비 AR이 10∼100까지의 범위에 있는 직사각형 단면의 직선형의 유로(7)에서는, 제3 측벽(2c)의 근방 및 제4 측벽(2d)의 근방에서 급준한 속도 구배가 발현된다고 생각된다. 그리고, 유체의 경계층의 내부에서는, 고체 입자(p)에 대하여 유로 폭 방향의 양력 FL이 작용하고, 제3 측벽(2c)의 근방 및 제4 측벽(2d)의 근방에 고체 입자(p)가 집중한다고 예측된다.
또한, 주류에 유도되는 양력 FL과, 2차 흐름에 유도되는 항력 FD에는, 다음과 같은 관계성이 있다.
2차 흐름에 유도되는 항력 FD의 유효 범위는 유체의 점성에 의한 감쇠에 의해, 2차 흐름 발생 기구인 초음파 진동자(3)의 위치로부터 유로(7)의 연신 방향으로 유한하다. 이러한 점에서, 본 실시형태에서는, 항력 FD를 유도하는 2차 흐름은, 양력 FL을 유도하는 주류가 유통하는 영역과 동일한 횡단면인 직선형의 유로(7)의 일부에서 발생된다. 따라서, 고체 입자(p)에 대하여, 항력 FD가 작용하고 있는 동안에 양력 FL을 효과적으로 작용시키는 점에서 유리하다.
도 4는, 고체 입자(p)의 입자 직경 Dp와, 고체 입자(p)가 받는 양력 FL의 관계를 나타내는 그래프이다. 고체 입자(p)의 유체 중의 위치는, 도 2에 나타낸 바와 같이 경계층의 중앙에 설정되고, 또한, 유로(7)를 유통하는 유체의 유량이 100mL/min으로 일정한 것으로 한다. 주류에 유도되는 양력 FL은 도 4에 나타낸 바와 같이, 입자 직경 Dp의 4제곱에 비례하여 증가한다. 한편, 2차 흐름에 유도되는 항력 FD는 이하의 도 6에 관련하여 나타내어지지만, 입자 직경 Dp에 비례하여 증가한다.
도 5는, 유로 높이 h와, 고체 입자(p)가 받는 양력 FL의 관계를 나타내는 그래프이다. 이 경우의 유량 등의 각 조건은, 도 4에서의 각 조건과 동일하다. 양력 FL은 유로 높이 h의 약 -6제곱에 비례하여 감소한다. 즉, 도 4 및 도 5를 참조함으로써 알 수 있는 바와 같이, 분리 대상인 고체 입자(p)의 입자 직경 Dp를 기준으로 하면서, 유로 높이 h를 적절하게 설정함으로써, 양력 FL을 효과적인 크기로 조정할 수 있다.
도 6은, 고체 입자(p)의 입자 직경 Dp에 대한 양력 FL 및 항력 FD의 각각의 설정 범위를 나타내는 그래프이다. 도 6에서는, 입자 직경 Dp의 4제곱에 비례하는 양력 FL을, 주류의 레이놀즈 수 Re를 3단계로 변화시켜 나타내고 있다. 제1 양력 FL1은, 레이놀즈 수 Re가 0.01로 조정되었을 때, 제2 양력 FL2는, 레이놀즈 수 Re가 0.05로 조정되었을 때, 또한, 제3 양력 FL3은, 레이놀즈 수 Re가 0.1로 조정되었을 때의 각각의 양력 FL이다. 한편, 도 6에서는, 입자 직경 Dp에 비례하는 항력 FD를, 2차 흐름의 대표 속도 U를 2단계로 변화시켜 나타내고 있다. 제1 항력 FD1은, 대표 속도 U가 0.05m/s로 조정되었을 때, 또한, 제2 항력 FD2는, 대표 속도 U가 0.01m/s로 조정되었을 때의 각각의 항력 FD이다.
여기에서, 도 6에 있어서, 제1 양력 FL1과 제3 양력 FL3 사이를, 양력 FL의 설정 범위인 제1 설정 범위(R1)로 규정한다. 한편, 제1 항력 FD1과 제2 항력 FD2 사이를, 항력 FD의 설정 범위인 제2 설정 범위(R2)로 규정한다. 이 때, 제1 설정 범위(R1)와 제2 설정 범위(R2)의 중복 범위가, 양력 FL과 항력 FD가 균형잡히는 범위, 즉 역학적으로 평형이 되는 범위이다. 즉, 고액 분리에 2차 흐름을 이용하는 경우에는, 주류에 유도되는 양력 FL 또는 2차 흐름에 유도되는 항력 FD에 의존하여, 분리 대상인 고체 입자(p)에 관한 평형 직경이나 평형 위치가 정해진다. 여기에서, 평형 직경이란, 역학적 평형에 있는 양력 FL과 항력 FD를 기준으로 하여 정해지는, 유로(7) 내의 특정한 위치에 집중되는 고체 입자(p)의 입자 직경 Dp를 말한다. 한편, 평형 위치란, 분리 대상인 고체 입자(p)가 특정한 입자 직경 Dp를 기준으로 하여 정해지는, 역학적 평형에 있는 양력 FL과 항력 FD가 취할 수 있는 값(이들의 값에 의해 고체 입자(p)가 집중되는 위치)를 말한다.
즉, 분리 대상인 고체 입자(p)의 입자 직경 Dp를 고려하면서, 양력 FL과 항력 FD가 역학적 평형로 되도록, 주류의 레이놀즈 수 Re나 2차 흐름의 대표 속도 U를 적절하게 설정하면, 유로(7)의 단변측의 측벽 근방에 고체 입자(p)를 보다 집중시키기 쉬워진다.
다음으로, 본 실시형태에 관련된 고액 분리 장치(1)의 효과에 대하여 설명한다.
고체 입자(p)가 분산된 유체로부터 고체 입자(p)를 분리시키는 고액 분리 장치(1)는, 유체가 도입되는 직선형의 유로(7)가 형성되어 있는 유로부(2)와, 유로(7)의 상류측을 유통하고 있는 유체에 횡단면 방향의 2차 흐름을 발생시키는 2차 흐름 발생 기구를 구비한다. 유로(7)는, 유로 폭 w와 해당 유로 폭 w에 대하여 수직한 유로 높이 h로 규정되는 직사각형의 횡단면을 가진다. 유로(7)에서의 적어도 2차 흐름 발생 기구보다 하류측의 횡단면에서는, 유로 폭 w와 유로 높이 h의 비로 표시되는 아스펙트비 AR은, 10∼100까지의 범위에 있다.
먼저, 유로부(2)에 형성되어 있는 유로(7)의 횡단면은, 아스펙트비 AR이 상기의 범위에 있도록 사전에 설정되어 있으므로, 유로(7)를 유통하는 유체의 주류는 양력 FL을 유도하고, 유체에 분산되어 있는 고체 입자(p)는, 주류에 유도된 양력 FL을 받는다. 이로써, 유로(7)에서의 단변측의 측벽인 제3 측벽(2c) 및 제4 측벽(2d)의 근방에 고체 입자(p)를 포착시킬 수 있다.
또한, 2차 흐름 발생 기구에 의해, 유로(7)의 상류측을 유통하는 유체에는 횡단면 방향의 2차 흐름이 발생하므로, 유체에 분산되어 있는 고체 입자(p)는 2차 흐름에 유도된 항력 FD를 받는다. 이로써, 2차 흐름 발생 기구가 설치 또는 형성되어 있는 부분보다 하류측의 유로(7)에서는, 단변측의 측벽인 제3 측벽(2c) 및 제4 측벽(2d)을 향하여 고체 입자(p)를 수송시킬 수 있다. 따라서, 고액 분리 장치(1)에 의하면, 예를 들면, 단지 유체의 주류가 유도하는 양력 FL만으로 고체 입자(p)를 분리시키는 경우보다, 분리 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 종래의 고액 분리 장치에서는, 예를 들면, 양력과 항력을 유로 내의 동일 영역에서 유도시켜 고체 입자를 분리하거나, 유로의 기하 형상이 복잡화되어 있거나 하는 경우가 있다. 이들의 경우, 원하는 분리의 분해능을 얻는, 즉, 분리시키고 싶은 고체 입자의 입자 직경의 선택 범위를 넓히려고 하면, 처리량이 감소하고, 반대로, 처리량을 증가시키려고 하면, 원하는 분해능을 얻는 것이 어려워지는 것도 고려된다. 이에 대하여, 고액 분리 장치(1)에서는, 유체에 항력 FD를 유도시키는 부분과, 유체에 양력 FL을 유도시키는 부분은, 유로(7)의 상류측과 하류측에서 서로 독립하고 있다. 즉, 고액 분리 장치(1)는 양력 FL과 항력 FD를 각각 독립적으로 조정할 수 있으므로, 처리량을 유지하면서, 원하는 분해능을 얻기 쉽게 할 수 있다. 예를 들면, 고액 분리 장치(1)에 의하면, 원리적으로는, 입자 직경 Dp가 1㎛∼1㎜까지의 범위에 있는 고체 입자(p)를 100mL/min의 처리량으로 분리할 수 있다.
한편, 유로(7)에서의 적어도 2차 흐름 발생 기구보다 하류측의 횡단면은, 일정한 치수로 통일된 간이적인 형상으로 된다. 또한, 2차 흐름 발생 기구의 구성 또는 형상에 따라서는, 유로(7)에 있어서, 2차 흐름 발생 기구에 의해 2차 흐름이 발생하는 영역의 횡단면 형상을, 양력 FL을 유도시키는 주류가 유통하는 영역의 횡단면 형상과 동일하게 하는 것도 가능하다. 따라서, 고액 분리 장치(1)에서는, 유로부(2)의 형상 또는 구성이 간이화된다.
이와 같이, 본 실시형태에 의하면, 간이적인 형상 또는 구성으로 분리 효율을 향상시키는 데에 유리한 고액 분리 장치(1)를 제공할 수 있다.
또한, 고액 분리 장치(1)에서는, 고체 입자(p)의 입자 직경 Dp가 1㎛∼1㎜까지의 범위에 있는 경우, 유로 높이 h는, 분리 대상으로서의 고체 입자(p)의 입자 직경 Dp의 10배 이상 또한 100배 이하의 치수로 설정되어도 된다.
이 고액 분리 장치(1)에 의하면, 유체의 주류가 유도하는 양력 FL과, 유체의 2차 흐름이 유도하는 항력 FD에 의한 분리 효과를 보다 향상시킬 수 있다.
또한, 고액 분리 장치(1)에서는, 유로(7)에서의 2차 흐름 발생 기구보다 하류측의 연신 방향의 길이 L은, 유로 폭 w의 100배 이상 또한 10,000배 이하의 치수로 설정되어도 된다.
이 고액 분리 장치(1)에 의하면, 유체의 주류가 유도하는 양력 FL과, 유체의 2차 흐름이 유도하는 항력 FD에 의한 분리 효과를 보다 향상시킬 수 있다.
또한, 고액 분리 장치(1)에서는 2차 흐름 발생 기구는 유로부(2)에 설치되고, 유로(7)의 장변측의 측벽{제1 측벽(2a) 및/또는 제2 측벽(2b)}으로부터 유로(7)의 내부를 향하여 초음파를 발하는 초음파 진동자(3)라도 된다.
이 고액 분리 장치(1)에 의하면, 유로(7)를 유통하는 유체에 대하여 2차 흐름을 발생시킬 때, 2차 흐름의 속도를 간이적인 구성으로 변화시킬 수 있다. 이 경우, 고액 분리 장치(1)에서는, 초음파 진동자(3)가 이른바 액티브형의 고액 분리 기구로서 기능하고, 초음파 진동자(3)가 설치되어 있는 부분보다 하류측의 유로(7)자체가 이른바 패시브형의 고액 분리 기구로서 기능한다. 따라서, 2차 흐름을 유도하는 항력 FD를 조정하기 쉬워지는 등 유체력의 제어성이 향상되고, 분리 대상으로 할 수 있는 고체 입자(p)의 폭이 넓어진다. 결과로서, 고액 분리 장치(1)의 범용성을 향상시킬 수 있다.
(제2 실시형태)
도 7은, 제2 실시형태에 관련된 고액 분리 장치(10)의 구성을 나타내는 개략도이다. 상기의 제1 실시형태에 관련된 고액 분리 장치(1)에서는 2차 흐름 발생 기구로서, 유로부(2)에 설치되는 초음파 진동자(3)를 예시했다. 이에 대하여, 2차 흐름 발생 기구는 초음파 진동자(3) 대신에, 예를 들면 유로부(12)에 형성되고, 유로(17)의 연신 방향으로 진행됨에 따라 적어도 일부의 횡단면의 형상을 변화시키는 유로 형상 변경부라도 된다.
고액 분리 장치(10)는, 상기의 고액 분리 장치(1)에 있어서 직선관이었던 유로부(2) 대신에, 예를 들면 마이크로 디바이스를 상정한 블록형의 유로부(12)를 구비한다. 유로부(12)는, 제1 평판(13)과 제2 평판(14)의 2개의 평판을 Z방향에서 중첩시킴으로써 형성되어도 된다. 이 경우, 하단(下段)의 제2 평판(14)에는, 상면측에 상기의 유로부(2)에 설치되어 있었던 유로(7)와 동일한 설정 조건을 만족시키는 유로(17)가 홈부로서 형성되어 있다. 이에 대하여, 상단(上段)의 제1 평판(13)은 이른바 커버체이며, 유로(17)를 하면으로 덮도록 제2 평판(14)에 접합된다. 유로부(12)에서는, 상기의 유로부(2)에서의 제3 측벽(2c), 제4 측벽(2d) 및 제2 측벽(2b)가, 제2 평판(14)의 홈부의 일부인 제1 측벽(14a), 제2 측벽(14b) 및 바닥벽(14c)에 대응한다. 또한, 유로부(12)에서는, 상기의 유로부(2)에서의 제1 측벽(2a)가 제1 평판(13)의 하면측의 일부에 대응한다.
또한, 고액 분리 장치(10)에서는 2차 흐름 발생 기구를 구성하는 유로 형상 변경부는 복수의 지주이다. 본 실시형태에서의 복수의 지주는, 제2 평판(14)의 바닥벽(14c) 위에서, 또한, 유로(17) 내에 위치하도록 형성되는 3개의 지주, 즉, 제1 지주(14d), 제2 지주(14e) 및 제3 지주(14f)이다. 이들 지주는 예를 들면 원기둥이고, 각 지주의 상면은 제1 평판(13)의 하면과 접촉한다. 유로(17) 내에 이들 복수의 지주가 설치됨으로써, 유로(17)의 형상, 즉, 유로(17)의 횡단면의 형상은 유로(17)의 연신 방향으로 진행됨에 따라, 지주가 존재하는 부분에서 변화된다. 이와 같은 복수의 지주의 형상, 크기, 배열 또는 설치수 등을 적절히 변경함으로써, 고체 입자(p)가 분산되어 있는 유체가 유로(17)에 도입되었을 때, 이들 지주에 의해, 유체에 2차 흐름을 발생시킬 수 있다.
이와 같은 고액 분리 장치(10)에 의해서도, 상기의 고액 분리 장치(1)와 마찬가지로, 간이적인 형상 또는 구성으로 분리 효율을 향상시킬 수 있다. 특히, 고액 분리 장치(10)에 의하면, 예를 들면 2차 흐름 발생 기구를, 전력을 사용하지 않고 간이적인 구성으로 할 수 있다.
(제3 실시형태)
도 8은, 제3 실시형태에 관련된 고액 분리 장치(20)의 구성을 나타내는 개략도이다. 상기의 제2 실시형태에 관련된 고액 분리 장치(10)에서는 2차 흐름 발생 기구를 구성하는 유로 형상 변경부로서, 복수의 지주를 예시했다. 그러나, 유로 형상 변경부는 이와 같은 유로부(12)에 형성되는 지주에 한정되지 않는다.
고액 분리 장치(20)가 구비하는 유로부(22)는, 제2 실시형태에 관련된 고액 분리 장치(10)에서의 유로부(12)와 마찬가지로 블록형이다. 유로부(22)는, 고액 분리 장치(10)에서의 제1 평판(13) 및 제2 평판(14)에 대응하는, 제1 평판(23) 및 제2 평판(24)으로 형성되어도 된다. 여기에서, 제2 평판(24)의 상면측에는, 고액 분리 장치(10)의 제2 평판(14)과 마찬가지로, 홈부로서 유로(27)가 형성되어 있지만, 유로(27)의 형상이 고액 분리 장치(10)의 유로(17)의 형상과 상이하다.
먼저, 유로부(22)에서는, 상기의 유로부(12)에서의 제1 측벽(14a), 제2 측벽(14b) 및 바닥벽(14c)이, 제2 평판(24)의 홈부의 일부인 제1 측벽(24a), 제2 측벽(24b) 및 바닥벽(24c)에 대응한다. 또한, 유로부(22)에서는, 유로(27)의 Z방향 상측의 측벽은 제1 평판(23)의 하면측의 일부이다.
게다가, 고액 분리 장치(20)에서는, 유로 형상 변경부로서, 상기의 고액 분리 장치(10)에서의 복수의 지주 대신에, 유로(27)의 일부에 횡단면이 축소하는 영역을 형성함으로써 벤츄리 효과를 생기게 하는 벤츄리 구조부가 이용된다. 예를 들면, 본 실시형태에서의 벤츄리 구조부(24d)는, 제2 평판(24)의 바닥벽(24c) 상에서, 제1 측벽(24a)의 일부로서 Y방향으로 돌출하는 3개의 돌출벽, 즉, 제1 돌출벽(24e), 제2 돌출벽(24f) 및 제3 돌출벽(24g)으로 둘러싸이는 돌출부다. 벤츄리 구조부(24d)의 상면은 제1 평판(23)의 하면과 접촉한다.
제1 돌출벽(24e)은 유로(27)의 연신 방향인 X방향에 대하여 수직한 벽부이며, 제2 측벽(24b)과는 접촉하지 않는다. 제2 돌출벽(24f)는 제1 측벽(24a) 및 제2 측벽(24b)와 병행한 벽부이며, 제1 돌출벽(24e)과 연속하고, 또한, 제2 측벽(24b)과는 접촉하지 않는다. 또한, 제3 돌출벽(24g)은, X방향의 일단(一端)이 제2 돌출벽(24f)과 연속하고, X방향의 타단(他端)이 벤츄리 구조부(24d)보다 하류측의 제1 측벽(24a)와 연속하는 벽부이다. 즉, 제3 돌출벽(24g)은 유로(27)의 연신 방향으로 진행됨에 따라 제2 돌출벽(24f) 측으로부터 제1 측벽(24a) 측으로 접근한다.
벤츄리 구조부(24d)에 의하면, 상류측에, 유로 폭 w보다 좁은 유로 폭 w1로 규정되는 횡단면(유로 폭 w1×유로 높이 h)으로 되는 축소부(27a)가 형성된다. 축소부(27a)는, 유로(27)의 연신 방향에서는, 제2 돌출벽(24f)의 X방향의 길이만큼의 영역으로 된다. 그리고, 축소부(27a)보다 하류측에서는, 제3 돌출벽(24g)에 의해, 유로(27)의 연신 방향으로 진행됨에 따라 서서히 유로 폭이 확대해 가고, 최종적으로 유로 폭 w와 유로 높이 h에서 규정되는 횡단면으로 되돌아오는 확대부(27b)가 형성된다. 그리고, 축소부(27a)는, 유로(27)를 유통하는 유체의 유속을 일시적으로 증가시키기 위한 영역이므로, 축소부(27a)를 형성하는 제2 돌출벽(24f)의 X방향의 길이는, 확대부(27b)를 형성하는 제3 돌출벽(24g)의 X방향 성분의 길이보다 충분히 짧으면 된다. 유로(27) 내에 벤츄리 구조부(24d)가 설치됨으로써, 유로(27)의 횡단면의 형상은 유로(27)의 연신 방향으로 진행됨에 따라, 축소부(27a)와 확대부(27b)에서 변화한다. 이와 같은 벤츄리 구조부(24d)의 형상 또는 크기 등을 적절히 변경함으로써, 고체 입자(p)가 분산되어 있는 유체가 유로(27)에 도입되었을 때, 벤츄리 구조부(24d)에 의해, 유체에 2차 흐름을 발생시킬 수 있다.
이와 같은 고액 분리 장치(20)에 의해서도, 상기의 고액 분리 장치(10)와 마찬가지로, 예를 들면 2차 흐름 발생 기구를, 전력을 사용하지 않고 간이적인 구성으로 할 수 있다.
(제4 실시형태)
도 9는, 제4 실시형태에 관련된 고액 분리 장치(30)의 구성을 나타내는 개략도이다. 2차 흐름 발생 기구를 구성하는 유로 형상 변경부는, 제2 실시형태에서의 제1 지주(14d) 등의 복수의 지주, 또는, 제3 실시형태에서의 벤츄리 구조부(24d) 대신에, 복수의 방해판(35)이라도 된다.
고액 분리 장치(30)가 구비하는 유로부(32)는, 제2 실시형태에 관련된 고액 분리 장치(10)에서의 유로부(12)와 마찬가지로 블록형이다. 유로부(32)는, 고액 분리 장치(10)에서의 제1 평판(13) 및 제2 평판(14)에 대응하는, 제1 평판(33) 및 제2 평판(34)으로 형성되어도 된다. 여기에서, 제2 평판(34)의 상면측에는, 고액 분리 장치(10)의 제2 평판(14)과 마찬가지로, 홈부로서 유로(37)가 형성되어 있지만, 유로(37)의 형상이 고액 분리 장치(10)의 유로(17)의 형상과 상이하다. 그리고, 도 9에서는, 유로(37)의 형상을 전체적으로 명시시키기 위하여, 제1 평판(33)이 2점쇄선으로 묘화되어 있다.
유로부(32)에서는, 고액 분리 장치(10)의 유로부(12)에서의 제1 측벽(14a), 제2 측벽(14b) 및 바닥벽(14c)이, 제2 평판(34)의 홈부의 일부인 제1 측벽(34a), 제2 측벽(34b) 및 바닥벽(34c)에 대응한다. 또한, 유로부(32)에서는, 유로(37)의 Z방향 상측의 측벽은 제1 평판(33)의 하면측의 일부이다. 또한, 유로(37)의 횡단면에 대해서도, 상기의 각 실시형태와 마찬가지로, (유로 폭 w×유로 높이 h)로 규정된다.
고액 분리 장치(30)에서는 2차 흐름 발생 기구를 구성하는 유로 형상 변경부는 복수의 방해판(35)이다. 예를 들면, 본 실시형태에서의 방해판(35)은, 제2 평판(34)의 바닥벽(34c)로부터 제1 평판(33)의 하면을 향하여 돌출하는 돌출부다. 방해판(35)의 상면은 제1 평판(33)과는 접촉하지 않는다. 복수의 방해판(35)은 서로 동일 형상이며, 이하에서 상세히 설명하는 바와 같은 일정한 규칙성을 가지고 유로(37) 내에 배치된다. 도 9에서는, 제1 판(35a), 제2 판(35b), 제3 판(35c), 제4 판(35d) 및 제5 판(35e)으로 표시되는 5개의 방해판(35)이 예시되어 있다. 그리고, 도 9에서는 2차 흐름 발생 기구의 입구 또는 출구와 교차하는 방해판(35)은, 묘화 상의 예시로서, 해당 교차 위치 또는 그 근방으로부터 2차 흐름 발생 기구의 외측을 향하는 일부 정도가 존재하지 않는 형상으로 표시되어 있다.
도 10은, 도 9 중의 C-C 단면에 대응하고, 유로(37)의 연신 방향인 X방향에 대하여 수직한 면으로 유로부(32)의 일부를 절단한 단면도이다. 도 10에서는, 유로(37) 내를 유통하는 유체의 해당 절단면에서의 흐름의 모양이 벡터로 예시되어 있다. 또한, 도 11은, 복수의 방해판(35)을 Z방향을 따라 본, 방해판(35)의 형상 및 복수의 방해판(35)의 배치 관계를 설명하기 위한 개략 평면도이다.
방해판(35)의 형상은 XY 평면을 따른 바닥벽(34c)과 평행하고, 또한, X방향에 대하여 경사각 θ로 기운 방향을 연신 방향으로 하는 봉형이다. 다만, 각각의 방해판(35)의 양 선단부는, XZ 평면을 따라 절결(切缺)되어 있어도 된다. 방해판(35)의 연신 방향에서의 길이를 방해판 길이 LP로 하면, 유로 폭 방향인 Y방향에서의 방해판(35)의 길이 성분 LY는, LPsinθ로 표시되고, 유로 폭 w보다 짧다. 또한, 방해판(35)은 제1 측벽(34a) 및 제2 측벽(34b) 중 어느 것과도 접촉하지 않는다. 유로(37)에서는, 이와 같은 형상을 가지는 n개의 방해판(35)이 피치 Pi의 등간격으로 X방향을 따라 배열되어 있다.
방해판(35)의 연신 방향에 대하여 수직으로 되는 단면의 형상은, 대체로 직사각형이다. 이하, 방해판(35)의 단면에 관하여, 높이를 방해판 높이 hP와, 폭을 방해판 폭 wp로, 각각 표기한다.
방해판 높이 hP는 예를 들면 유로(37)의 유로 높이 h를 기준으로 하여, 하기와 같이 설정된다. 먼저, 유로(37)를 유통하는 유체에 관한 유속을, 다음과 같이 규정한다. V0은, 유로(37)의 연신 방향인 X방향을 따라 유로(37)에 도입되는 유체의 주류 유속이다. V1은, 방해판(35)의 연신 방향을 따른 방향에서의 제1 유속이다. V2는, 유로 폭 방향인 Y방향에서의 제2 유속이며, 주류 속도 V0을 이용하여, 식(1)로 표시된다.
[수 1]
Figure pct00001
또한, 복수의 방해판(35)이 설치되어 있는 구간을 유체의 주류가 통과하는 시간 t는, 식(2)로 표시된다.
[수 2]
Figure pct00002
또한, 유체 중에 분산되어 있는 고체 입자(p)를 제1 측벽(34a) 또는 제2 측벽(34b)의 근방에 포착시키기 위해서는, 복수의 방해판(35)이 설치되어 있는 구간을 유체의 주류가 통과하는 동안에, 유로 폭 방향의 흐름이 유로(27)의 횡단면을 적어도 일주(一周)할 필요가 있다. 따라서, 식(3)이 성립한다.
[수 3]
Figure pct00003
여기에서, 첫째로, 방해판 높이 hP가 유로 높이 h의 절반의 높이, 즉 0.5h일 때, 복수의 방해판(35)은 가장 효율적으로 2차 흐름을 생성할 수 있다.
둘째로, 방해판 높이 hP가 0.5h보다 낮을 때에는, 2차 흐름의 유량이 적어진다. 따라서, 방해판 높이 hP가 낮아짐에 따라서 2차 흐름의 유량이 비례적으로 적어지는 것을 상정하여, 유로 폭 방향의 흐름이 유로(27)의 횡단면을 적어도 일주한다는 상기의 조건은, 적어도 (0.5h/hP)주한다는 조건으로 변경되어도 된다. 이 경우, 식(3)은 식(4)로 수정된다.
[수 4]
Figure pct00004
식(4)에 식(1) 및 식(2)를 대입하여 정리하면, 식(5)가 도출된다.
[수 5]
Figure pct00005
따라서, 방해판 높이 hP가 0.5h보다 낮을 때에는, 임의의 유로 폭 w 및 유로 높이 h를 가지는 유로(37)에 대하여, 식(5)의 조건을 만족시키도록, 방해판(35)의 배열에 관한 피치 Pi, 방해판(35)의 설치수 n 및 방해판 높이 hP가 설정되면 된다.
셋째로, 방해판 높이 hP가 0.5h보다 높을 때도, 2차 흐름의 유량이 적어진다. 따라서, 방해판 높이 hP가 높아짐에 따라 2차 흐름의 유량이 비례적으로 적어지는 것을 상정하여, 유로 폭 방향의 흐름이 유로(27)의 횡단면을 적어도 일주한다는 상기의 조건은, 적어도 (0.5h/(h-hP))주한다는 조건으로 변경되어도 된다. 이 경우, 식(3)은 식(6)으로 수정된다.
[수 6]
Figure pct00006
식(6)에 식(1) 및 식(2)를 대입하여 정리하면, 식(7)이 도출된다.
[수 7]
Figure pct00007
따라서, 방해판 높이 hP가 0.5h보다 높을 때에는, 임의의 유로 폭 w 및 유로 높이 h를 가지는 유로(37)에 대하여, 식(7)의 조건을 만족시키도록, 방해판(35)의 배열에 관한 피치 Pi, 방해판(35)의 설치수 n 및 방해판 높이 hP가 설정되면 된다.
즉, 2차 흐름 발생 기구로서 복수의 방해판(35)이 채용되는 경우의 방해판 높이 hP의 상한값은 식(7)에 기초하여 규정되고, 방해판 높이 hP의 하한값은 식(5)에 기초하여 규정될 수 있다.
또한, 방해판 폭 wp는 예를 들면, 유로(37) 내에서의 압력 손실을 저감시키기 위해서는 유로(37)의 횡단면의 폐색율을 0.5 이하로 하는 것이 바람직하다는 조건에 기초하여, 하기와 같이 설정된다. 방해판(35)이 존재하지 않는다고 가정한 경우의 유로(37)의 횡단면은, (유로 폭 w×유로 높이 h)로 표시된다. 그래서, 어느 횡단면에서의 방해판(35)의 수를 m개로 하면, 폐색율이 0.5 이하라는 조건을 만족시키기 위해서는, 방해판 폭 wp의 상한값을, 식(8)을 만족시키도록 설정하면 된다. 한편, 방해판 폭 wp의 하한값은 가능한 작게 설정되는 것이 바람직하다.
[수 8]
Figure pct00008
또한, 방해판(35)의 경사각 θ는, 식(5) 및 식(7)에 기초한 상한값 및 하한값으로 규정되는 범위를 결정하고, 해당 범위에 포함되는 값으로 설정되어도 된다. 다만, 경사각 θ가 지나치게 큰 경우, 흐름의 박리가 일어나고, 2차 흐름이 의도하지 않는 것으로 되는 것도 고려된다. 그래서, 경사각 θ는 45°이하인 것이 바람직하고, 나아가 30°이하인 것이 보다 바람직하다.
고액 분리 장치(30)에서는, 유로 형상 변경부로서 복수의 방해판(35)을 채용함으로써, 도 10에 나타낸 유로(37) 내에서의 각 위치에서의 벡터의 향하는 방향으로부터 명백한 바와 같이, 유로(37)를 유통하는 유체에는, 횡단면 방향에서의 2차 흐름이 생기고 있는 것을 알 수 있다. 또한, 유로 형상 변경부로서, 제2 실시형태에 있어서 예시한 제1 지주(14d) 등의 복수의 원기둥를 채용하는 경우, 2차 흐름은 원기둥의 직후에서는 강하게 생기지만, 하류측을 향함에 따라서 서서히 쇠퇴한다. 이에 대하여, 유로 형상 변경부로서 복수의 방해판(35)을 채용하는 경우에는, 2차 흐름이 쇠퇴하기 어렵다는 이점이 있다.
도 12는, 2차 흐름 발생 기구를 통과한 유체 중의 고체 입자(p)의 거동을 나타내는 유체 화상이다. 이 유체 화상은, 유로(37)의 일부를 유통하는 유체를 Z방향을 따라 촬영함으로써 얻어진 것이다. 여기에서, 복수의 방해판(35)으로 구성되는 2차 흐름 발생 기구는 X방향을 따른 유로(37)의 상류측에 위치하고 있다. 그리고, 도 12에서는, 유체 화상이 취득된 유로(37) 중의 위치에 대한 2차 흐름 발생 기구의 위치를 예시하기 위하여, 2차 흐름 발생 기구에 상당하는 부위가 유체 화상에 인접하여 2점쇄선으로 나타내어져 있다.
도 12에 나타낸 바와 같이, 고액 분리 장치(30)에 있어서도, 고체 입자(p)가 분산되어 있는 유체가 유로(37)를 유통함으로써, 고체 입자(p)는 적어도 제1 측벽(34a) 또는 제2 측벽(34b)의 근방에 포착되는 것을 알 수 있다. 일례로서, 도 12에 나타낸 유체 화상을 얻어졌을 때, 유로(37)의 입구 영역(RIN)에서의 입자 농도는 0.55vol%였다. 이에 대하여, 유로(37)의 출구측에 있어서, 고체 입자(p)가 모여 온 고농도 영역(RH)에서의 입자 농도는 1.33vol%였다. 한편, 유로(37)의 출구측에 있어서, 고체 입자(p)가 적은 저농도 영역(RL)에서의 입자 농도는 0.11vol%였다.
또한, 고액 분리 장치(30)는 2차 흐름 발생 기구로서 복수의 방해판(35)을 채용함으로써, 고체 입자(p)를 제1 측벽(34a) 또는 제2 측벽(34b)의 근방뿐만 아니라, 도 12에 나타낸 바와 같이 유로(37)의 유로 폭 방향의 중앙 영역에도 포착시킬 수 있는 가능성이 있다.
또한, 고액 분리 장치(30)에 의해서도, 상기의 고액 분리 장치(10) 등과 마찬가지로, 예를 들면 2차 흐름 발생 기구를, 전력을 사용하지 않고 간이적인 구성으로 할 수 있다.
그리고, 상기한 고액 분리 장치(30)의 예에서는, 복수의 방해판(35)이, 유로 바닥측인 제2 평판(34)의 바닥벽(34c)에 설치되고, 바닥벽(34c)으로부터 제1 평판(33)의 하면을 향하여 돌출한다. 이에 대하여, 복수의 방해판(35)은 천장측인 제1 평판(33)에 설치되고, 제1 평판(33)으로부터 바닥벽(34c)을 향하여 돌출하는 것이라도 된다. 또는, 복수의 방해판(35)은, 유로 바닥측인 제2 평판(34)의 바닥벽(34c)과, 천장측인 제1 평판(33)의 양쪽에 설치되는 것이라도 된다.
또한, 상기의 고액 분리 장치(30)의 예에서는 2차 흐름 발생 기구 전체에 있어서, 복수의 방해판(35)이 하나의 값의 피치 Pi로 배열되어 있다. 이에 대하여, 복수의 방해판(35)은, 2차 흐름 발생 기구 전체에 있어서 복수의 값의 피치 Pi로 배열되는, 즉, 도중에 피치 Pi의 값이 변경되어 배열되는 것이라도 된다. 다만, 피치 Pi의 값이 지나치게 작은 경우, 점성 저항이 커지므로, 피치 Pi의 값은 유로 높이 h보다 크게 설정되는 것이 바람직하다.
또한, 상기의 고액 분리 장치(30)의 예에서는, 복수의 방해판(35)이 유로(37)의 유로 폭 w의 중앙부에 설치되어 있다. 즉, 유로 폭 방향에 있어서, 방해판(35)으로부터 제1 측벽(34a)까지의 거리와, 방해판(35)으로부터 제2 측벽(34b)까지의 거리는 동일하다. 이에 대하여, 복수의 방해판(35)은 유로 폭 방향에 있어서, 제2 측벽(34b)의 측보다 제1 측벽(34a) 측으로 근접하도록 설치되어도 되고, 반대로, 제1 측벽(34a)의 측보다 제2 측벽(34b) 측으로 근접하도록 설치되어도 된다.
또한, 도 7에 나타낸 고액 분리 장치(10), 도 8에 나타낸 고액 분리 장치(20) 및 도 9 등에 나타낸 고액 분리 장치(30)에서는, 유로 형상 변경부가 블록형의 유로부(12), 유로부(22) 또는 유로부(32)에 형성되는 경우를 예시했다. 이에 대하여, 예를 들면, 고액 분리 장치(1)에서의 직선관인 유로부(2)에, 2차 흐름 발생 기구로서, 초음파 진동자(3) 대신에 유로 형상 변경부가 설치되어도 된다. 또한, 도 7에 나타낸 고액 분리 장치(10), 도 8에 나타낸 고액 분리 장치(20) 및 도 9 등에 나타낸 고액 분리 장치(30)에서는, 블록형의 유로부(12), 유로부(22) 또는 유로부(32)가 모두 2개의 평판의 조합에 의해 구성되는 경우를 예시했다. 이에 대하여, 예를 들면, 3차원 금속 적층 조형 기술을 이용함으로써, 유로(17)를 가지는 유로부(12), 유로(27)를 가지는 유로부(22), 또는, 유로(37)를 가지는 유로부(32)가 일체적으로 형성되어도 된다.
(고액 분리 시스템)
다음으로, 상기 실시형태에 관련된 고액 분리 장치(고액 분리 장치(1) 등)의 응용예로서, 적어도 어느 하나의 고액 분리 장치를 채용한 고액 분리 시스템에 대하여 설명한다.
도 13a 및 도 13b는, 상기 실시형태에 관련된 고액 분리 장치(고액 분리 장치(1) 등)을 구비하는 고액 분리 시스템의 구성을 나타내는 개략도이다. 그리고, 도 13a 및 도 13b에서는, 고액 분리 시스템이 고액 분리 장치(1)를 구비하는 경우를 예시한다.
도 13a는, 본 실시형태에 관련된 고액 분리 시스템의 일례로서의 세포 배양 장치(동물세포 연속 배양 장치)(100)를 나타내는 개략도이다. 세포 배양 장치(100)에서는, 고체 입자(p)가 분산되어 있는 유체로서 배양액이 상정되고 있다. 세포 배양 장치(100)는, 배지를 저류하는 저류조로서의 배양조(培養槽)(102)와, 배양액을 배양조(102)로부터 고액 분리 장치(1)에 보내는 송액부로서의 펌프(106a)를 구비한다. 배지는, 제1 공급 밸브(104a)를 구비하는 배지 추가 배관(104)을 통하여 배양조(102)에 공급된다. 배양조(102)는 교반기(102a)를 구비하고, 배지를 배양한다. 배양조(102) 내의 배양액은, 펌프(106a)에 접속된 배양액 공급 배관(106)을 통하여 고액 분리 장치(1)에 공급된다. 고액 분리 장치(1)는, 유로(7)에 도입된 배양액을 농축액과 청징액으로 분리할 수 있다. 청징액은 그대로 회수된다. 한편, 농축액은, 제2 공급 밸브(108a)를 구비하는 농축액 반송(返送) 배관(108)을 통하여 배양조(102)로 되돌아간다. 또한, 세포 배양 장치(100)는, 적어도, 펌프(106a)의 동작을 제어함으로써 배양액의 적어도 유량 또는 속도를 조정시키는 제어부(110)를 구비한다. 제어부(110)는, 기타, 교반기(102a)의 동작이나, 제1 공급 밸브(104a) 또는 제2 공급 밸브(108a)의 개폐 동작 등을 제어해도 된다.
도 13b는, 본 실시형태에 관련된 고액 분리 시스템의 일례로서의 석출 장치(200)를 나타내는 개략도이다. 석출 장치(200)에서는, 고체 입자(p)가 분산되어 있는 유체로서, 결정화한 대경(大徑) 입자나 소경(小徑) 입자를 포함하는 유체가 상정되고 있다. 석출 장치(200)는, 석출액을 저류하는 저류조로서의 석출조(202)와, 유체를 석출조(202)로부터 고액 분리 장치(1)에 보내는 송액부로서의 펌프(206a)와, 고액 분리 장치(1)에 의해 분리된 농축액으로부터 대경 입자만을 골라내는 분리막(207a)을 구비한다. 석출액은, 제1 공급 밸브(204a)를 구비하는 석출액추가 배관(204)을 통하여 석출조(202)에 공급된다. 석출조(202)는 교반기(202a)를 구비하고, 석출을 촉진한다. 석출조(202) 내의 유체는, 펌프(206a)에 접속된 유체공급 배관(206)을 통하여 고액 분리 장치(1)에 공급된다. 고액 분리 장치(1)는, 유로(7)에 도입된 유체를, 주로 대경 입자를 함유하는 농축액과, 주로 소경 입자를 함유하는 청징액으로 분리할 수 있다. 농축액은 농축액 공급 배관(207)을 통하여 분리막(207a)에 보내어진다. 분리막(207a)에 의해 농축액으로부터 골라내어진 대경 입자는 그대로 회수된다. 그 후, 대경 입자가 골라내어진 유체는, 청징액으로서, 제2 공급 밸브(209a)를 구비하는 청징액 반송 배관(209)을 통하여 석출조(202)로 되돌아간다. 한편, 고액 분리 장치(1)에서 분리된 청징액은, 바이패스 배관(208)을 통하여 직접적으로 청징액 반송 배관(209)에 보내어지고, 석출조(202)로 되돌아간다. 또한, 석출 장치(200)는 적어도, 펌프(206a)의 동작을 제어함으로써 유체의 적어도 유량 또는 속도를 조정시키는 제어부(210)를 구비한다. 제어부(210)는, 기타, 교반기(202a)의 동작이나, 제1 공급 밸브(204a) 또는 제2 공급 밸브(209a)의 개폐 동작 등을 제어해도 된다.
다음으로, 세포 배양 장치(100)나 석출 장치(200)와 같은 본 실시형태에 관련된 고액 분리 시스템의 효과에 대하여 설명한다.
고액 분리 시스템은, 상기 실시형태에 관련된 고액 분리 장치와, 유체를 저류하는 저류조와, 저류조로부터 고액 분리 장치에 유체를 보내는 송액부와, 적어도, 송액부의 동작을 제어함으로써 유체의 적어도 유량 또는 속도를 조정시키는 제어부를 구비한다.
이 고액 분리 시스템에 의하면, 상기 실시형태에 관련된 고액 분리 장치를 구비하고 있으므로, 시스템 전체로서, 분리 효율을 향상시키거나, 또는, 처리량을 유지하면서, 원하는 분해능을 얻기 쉽게 할 수 있다.
또한, 고액 분리 시스템에서는, 유체에 분산되어 있는 고체 입자(p)는 2차 흐름에 유도된 항력 FD와, 유체의 주류에 유도된 양력 FL을 받고, 양력 FL은, 분리 대상으로서의 고체 입자(p)의 입자 직경 Dp를 기준으로 하여 구해져도 된다.
이 고액 분리 시스템에 의하면, 분리 대상으로서의 고체 입자(p)에 대하여, 유로(유로(7) 등, 이하 동일)에 있어서 단변측의 측벽 근방에 집중시키기 쉽게 하는 데에 보다 적절한 양력 FL을 작용시킬 수 있다. 그리고, 단변측의 측벽이란, 고액 분리 장치(1)에서는, 제3 측벽(2c) 및 제4 측벽(2d)에 상당하고, 고액 분리 장치(10)에서는, 제1 측벽(14a) 및 제2 측벽(14b)에 상당한다.
또한, 고액 분리 시스템에서는, 유로 높이 h는, 분리 대상으로서의 고체 입자(p)의 입자 직경 Dp를 기준으로 하여 구해진 양력 FL에 기초하여 결정되어도 된다.
이 고액 분리 시스템에 의하면, 유로의 유로 높이 h를 적절한 치수로 설정함으로써, 유로에 있어서 유체의 주류로부터 유도되는 양력 FL을 원하는 크기로 조정할 수 있다.
또한, 고액 분리 시스템에서는, 항력 FD는 유체의 경계층의 내부의 횡단면 방향에 있어서 양력 FL과 균형잡히도록 결정되어도 된다.
이 고액 분리 시스템에 의하면, 유체의 경계층의 내부의 횡단면 방향에서의 양력 FL에 대하여 항력 FD가 역학적으로 평형으로 되므로, 유로의 단변측의 측벽 근방에, 분리 대상으로서의 고체 입자(p)를 보다 집중시키기 쉽게 할 수 있다.
또한, 고액 분리 시스템에서는 2차 흐름 발생 기구는 유로부(2)에 설치되고, 유로(7)의 장변측의 측벽으로부터 유로(7)의 내부를 향하여 초음파를 발하는 초음파 진동자(3)라도 된다. 이 경우, 고액 분리 시스템은 초음파 진동자(3)에 전력을 공급하는 초음파 발진기(4)를 구비해도 된다. 제어부(110)는, 초음파 발진기(4)에 대하여 초음파 진동자(3)의 진동수 또는 음압을 변경시켜 2차 흐름의 속도(예를 들면, 대표 속도 U)를 변화시킴으로써, 항력 FD를 조정해도 된다.
이 고액 분리 시스템에 의하면, 2차 흐름을 유도하는 항력 FD를 조정하기 쉬워지는 등 유체력의 제어성이 향상되고, 분리 대상으로 할 수 있는 고체 입자(p)의 폭이 넓어진다. 또한, 이와 같이 2차 흐름이 음향류이며, 특히, 액상(液相)과 고체 입자의 음향 임피던스 차가 큰 경우에는, 고체 입자(p)에 대하여 음향 반사력이 작용한다. 따라서, 유체에 분산되어 있는 고체 입자(p)에는, 양력 FL 및 항력 FD에 더하여 음향 반사력 FR이 가해지므로, 제어부(110)는, 유로(7)에 있어서 유체의 주류의 횡단면 방향에서의 고체 입자(p)의 평형 위치를 보다 조정하기 쉽다는 이점도 있다.
그리고, 여기서는, 본 실시형태에 관련된 고액 분리 시스템으로서, 세포 배양 장치(100)나 석출 장치(200)를 예시하였으나, 적용예는 이들 장치에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 실시형태에 관련된 고액 분리 장치를 채용하는 것이라면, 고액 분리 시스템은, 카메라나 레이저 기기 등의 검사 기기와 조합한, 의약품이나 식품 등의 품질 검사를 행하는 검사 장치라도 된다.
몇 가지의 실시형태를 설명하였으나, 상기 개시 내용에 기초하여 실시형태의 수정 또는 변형을 하는 것이 가능하다. 상기의 실시형태의 모든 구성 요소, 및 청구의 범위에 기재된 모든 특징은, 이들이 서로 모순되지 않는 한, 개개로 골라내어 조합해도 된다.
본 출원은, 2020년 12월 21일자에 출원된 일본특허출원 제2020-211418호에 기초한 우선권을 주장하고 있고, 이 출원의 전체 내용이 참조에 의해 본 명세서에 편입된다.
1: 고액 분리 장치
2: 유로부
2a: 제1 측벽
2b: 제2 측벽
3: 초음파 진동자
4: 초음파 발진기
7: 유로
10: 고액 분리 장치
12: 유로부
14d: 제1 지주
14e: 제2 지주
14f: 제3 지주
17: 유로
20: 고액 분리 장치
22: 유로부
24d: 벤츄리 구조부
27: 유로
30: 고액 분리 장치
32: 유로부
35: 방해판
37: 유로
100: 세포 배양 장치
102: 배양조
106a: 펌프
110: 제어부
200: 석출 장치
202: 석출조
206a: 펌프
210: 제어부
AR: 아스펙트비
Dp: 입자 직경
FD: 항력
FL: 양력
h: 유로 높이
p: 고체 입자
w: 유로 폭

Claims (10)

  1. 고체 입자가 분산된 유체(流體)로부터 상기 고체 입자를 분리시키는 고액 분리 장치로서,
    상기 유체가 도입되는 직선형의 유로가 형성되어 있는 유로부; 및
    상기 유로의 상류측을 유통하고 있는 상기 유체에 횡단면 방향의 2차 흐름을 발생시키는 2차 흐름 발생 기구;를 구비하고,
    상기 유로는, 유로 폭과 상기 유로 폭에 대하여 수직한 유로 높이로 규정되는 직사각형의 횡단면을 가지고,
    상기 유로에서의 적어도 상기 2차 흐름 발생 기구보다 하류측의 상기 횡단면에서는, 상기 유로 폭과 상기 유로 높이의 비로 표시되는 아스펙트비는, 10∼100까지의 범위에 있는,
    고액 분리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고체 입자의 입자 직경이 1㎛∼1㎜까지의 범위에 있는 경우, 상기 유로 높이는, 분리 대상으로서의 상기 고체 입자의 상기 입자 직경의 10배 이상 또한 100배 이하의 치수로 설정되는, 고액 분리 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 유로에서의 상기 2차 흐름 발생 기구보다 하류측의 연신 방향의 길이는, 상기 유로 폭의 100배 이상 또한 10,000배 이하의 치수로 설정되는, 고액 분리 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 2차 흐름 발생 기구는, 상기 유로부에 설치되고, 상기 유로의 장변(長邊)측의 측벽으로부터 상기 유로의 내부를 향하여 초음파를 발하는 초음파 진동자인, 고액 분리 장치.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 2차 흐름 발생 기구는, 상기 유로부에 형성되고, 상기 유로의 연신 방향으로 진행됨에 따라 적어도 일부의 상기 횡단면의 형상을 변화시키는 유로 형상 변경부인, 고액 분리 장치.
  6. 고체 입자가 분산된 유체로부터 상기 고체 입자를 분리시키는 고액 분리 장치;
    유체를 저류(貯留)하는 저류조;
    상기 저류조로부터 상기 고액 분리 장치에 유체를 보내는 송액부(送液部); 및
    적어도, 상기 송액부의 동작을 제어함으로써 유체의 적어도 유량 또는 속도를 조정시키는 제어부;를 구비하고,
    상기 고액 분리 장치는,
    상기 유체가 도입되는 직선형의 유로가 형성되어 있는 유로부와,
    상기 유로의 상류측을 유통하고 있는 상기 유체에 횡단면 방향의 2차 흐름을 발생시키는 2차 흐름 발생 기구를 구비하고,
    상기 유로는, 유로 폭과 상기 유로 폭에 대하여 수직한 유로 높이로 규정되는 직사각형의 횡단면을 가지고,
    상기 유로에서의 적어도 상기 2차 흐름 발생 기구보다 하류측의 상기 횡단면에서는, 상기 유로 폭과 상기 유로 높이의 비로 표시되는 아스펙트비는, 10∼100까지의 범위에 있는,
    고액 분리 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 유체에 분산되어 있는 상기 고체 입자는, 상기 2차 흐름에 유도된 항력과, 상기 유체의 주류에 유도된 양력을 받고,
    상기 양력은, 분리 대상으로서의 상기 고체 입자의 입자 직경을 기준으로 하여 구해지는, 고액 분리 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 유로 높이는, 분리 대상으로서의 상기 고체 입자의 입자 직경을 기준으로 하여 구해진 상기 양력에 기초하여 결정되는, 고액 분리 시스템.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 항력은, 상기 유체의 경계층의 내부의 횡단면 방향에 있어서 상기 양력과 균형잡히도록 결정되는, 고액 분리 시스템.
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 2차 흐름 발생 기구는, 상기 유로부에 설치되고, 상기 유로의 장변측의 측벽으로부터 상기 유로의 내부를 향하여 초음파를 발하는 초음파 진동자이며,
    상기 고액 분리 시스템은, 상기 초음파 진동자에 전력을 공급하는 초음파 발진기를 구비하고,
    상기 제어부는, 상기 초음파 발진기에 대하여 상기 초음파 진동자의 진동수 또는 음압을 변경시켜 상기 2차 흐름의 상기 속도를 변화시킴으로써, 상기 항력을 조정하는, 고액 분리 시스템.
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2024029793A (ja) * 2022-08-23 2024-03-07 東洋製罐グループホールディングス株式会社 マイクロ流体デバイス、マイクロ流体デバイスの製造方法、及び検査システム

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2018089557A (ja) 2016-11-30 2018-06-14 国立大学法人東京工業大学 微粒子分離デバイスおよび微粒子の分離方法

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SE522801C2 (sv) * 2001-03-09 2004-03-09 Erysave Ab Anordning för att separera suspenderade partiklar från en fluid med ultraljud samt metod för sådan separering
US8208138B2 (en) 2009-09-24 2012-06-26 University Of Cincinnati Spiral microchannel particle separators, straight microchannel particle separators, and continuous particle separator and detector systems
WO2011078115A1 (ja) 2009-12-25 2011-06-30 学校法人常翔学園 固液分離機能を有する装置、μ－ＴＡＳデバイス及び固液分離方法
SG11201501837TA (en) * 2012-09-21 2015-04-29 Massachusetts Inst Technology Micro-fluidic device and uses thereof
JP6064640B2 (ja) * 2013-02-07 2017-01-25 株式会社Ihi 固液分離方法及び装置
JP6151128B2 (ja) 2013-08-12 2017-06-21 株式会社東芝 半導体マイクロ分析チップ及びその製造方法
JP7097825B2 (ja) 2016-06-21 2022-07-08 ベクトン・ディキンソン・アンド・カンパニー 音響粒子分離のためのデバイス及び方法
JP2020025900A (ja) * 2018-08-09 2020-02-20 東ソー株式会社 粒子分離方法
WO2020139210A1 (en) 2018-12-28 2020-07-02 Mikro Biyosistemler Elektronik Sanayi Ve Ticaret A.S. A method of microfluidic particle separation enhancement and the device thereof
CN109967150B (zh) 2019-04-24 2021-07-23 河海大学常州校区 一种用于操控微纳米颗粒的惯性微流控芯片

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2018089557A (ja) 2016-11-30 2018-06-14 国立大学法人東京工業大学 微粒子分離デバイスおよび微粒子の分離方法

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