Particle separation apparatus and method

本発明は、膜無しの粒子分離装置及び方法に関する。

いくつかの異なるタイプの略螺旋状又は湾曲した構成を持つ膜無し（膜レス）粒子分離装置が本願と同時継続中の出願に記載されている。

概略的には、この種の装置は、水と比較して密度差を有する粒子に関連して有用であり、分離のためにチャネルを通して横方向に移動させるのに必要な遠心力又は浮力を生成する。 このような装置のうちのいくつかは、その構成によっては、中性浮力を持つ(neutrally buoyant)粒子の分離にも有益である。 図１には、分離装置２０の一例の形態が示されている。 この形態には、曲率半径が増大する例示的な螺旋状のチャネル２２が示されている。 この形状は、圧力変化のレートを利用している。 他の適切な構成を用いることもできる。 例えば、他の形態では、装置は、側壁の曲率半径が減少しつつ縮小する螺旋状のチャネルを持っている。 曲率半径及びチャネルサイズが実質的に一定に保たれるものもある。 いずれの場合も、チャネル２２は２つの個別のチャネル２４及び２６に分かれ（例えば図１では複数の出口経路を形成するためのチャネル＃１及び＃２として表示している）、流体のための２つの出口を提供する。

これらの種類の分離装置は様々な方法での粒子分離を可能とする。 例えば、流量に応じて、チャネル内を流れる流体により生じる遠心力又は圧力により粒子分離が行われる場合がある。 いずれにしても、このような装置の目的は、粒子分離を実現することである。 典型的には、粒子分離により、流体の流れは、ある種類の粒子を含んだ第１の部分すなわちバンドと、第１の部分の粒子を含まない流体を有する第２の部分とを持つようになる。

これらのタイプのシステムでは、装置の出口での分離性能を強化することが望まれる。

１つの態様では、粒子分離装置は、拡散した粒子を有する流体を受け取るための入口と、第１の部分と第２の部分とを含んだ流れの場を生成するための少なくとも１つの湾曲したチャネルと、前記第１の部分が第１の経路を流れ前記第２の部分が第２の経路を流れるように前記流れを分割するための機構を含んだ出口と、を備える。

他の態様では、前記出口はナイフエッジ部を有する。

他の態様では、前記ナイフエッジ部は回転動作する。

他の態様では、前記ナイフエッジ部はスライド動作する。

他の態様では、前記出口は，前記第１の経路と前記第２の経路との間の圧力差を生成するためのシステムを備える。

他の態様では、前記システムは前記第１の経路内に位置する第１の弁と、前記第２の経路内に位置する第２の弁とを備える。

他の態様では、前記装置は更にフィードバックシステムを備える。

他の態様では、前記フィードバックシステムは、圧力、バンドの幅、及び流量のうちの少なくとも１つに基づいて前記装置を制御するように動作する。

他の態様では、前記フィードバックシステムは、粘度及び温度のうちの少なくとも１つに基づいて前記装置を制御するよう動作する。

他の態様では、前記システムは少なくとも２つのチャネルを備え、それら少なくとも２つのチャネルはそれらチャネル同士の間に配置された１つのアクチュエータを持つ。 ここで、アクチュエータはチャネルの壁を選択的に変形させることにより圧力差を生成する。

他の態様では、前記システムは少なくとも２つのチャネルを備え、それら少なくとも２つのチャネルはそれらチャネル同士の間に配置された２つのアクチュエータを持つ。 ここで、各アクチュエータはそれらチャネルのうちの１つの壁を選択的に変形させることにより圧力差を生成する。

他の態様では、前記システムは、前記第１の経路と前記第２の経路とに対応する各チャネルに選択的に圧力を加えるための圧縮リングを備える。

他の形態では、分離装置内で流体の流れを起こすステップと、第１の出口経路と第２の出口経路との間で流体の流れを変えるために前記出口内の機構を調整するステップと、を含む。

他の態様では、前記調整するステップでは、前記出口内でナイフエッジ部を動かす。

他の態様では、前記調整するステップでは、前記装置により圧力を変化させる。

他の態様では、圧力を変化させる処理は、少なくとも１つのアクチュエータを動作させることに基づく。

他の態様では、圧力を変化させる処理は、圧縮リング群と拡張リング群のうちの少なくとも１つを操作することに基づく。

他の態様では、圧力を変化させる処理は、少なくとも１つのバルブを起動することに基づく。

他の態様では、前記調整するステップは，データ項目をフィードバックすることに基づく。

他の態様では、データ項目は、圧力、バンドの幅、流量、粘度及び温度のうちの少なくとも１つに基づく。

螺旋状の粒子分離装置の例を示す図である。

実施の形態の一態様を示す図である。

実施の形態の一態様を示す図である。

実施の形態の一態様を示す図である。

実施の形態の一態様を示す図である。

実施の形態の一態様を示す図である。

実施の形態の一態様を示す図である。

実施の形態の一態様を示す図である。

実施の形態の一態様を示す図である。

実施の形態の一態様を示す図である。

実施の形態の一態様を示す図である。

実施の形態の一態様を示す図である。

実施の形態の一態様を示す図である。

実施の形態の一態様を示す図である。

この実施形態は、流体の流れの分割又は二分岐のための螺旋状分離装置の出口に設けられる機構に関する。 これは、特に、螺旋状又は湾曲した装置において有益である。 分離装置の出口での粒子群のサイズが典型的にはチャネルの一方側では他方側と異なっているからである。 いくつかの形態では、チャネルの一方側には粒子のバンド（帯）が流れ、チャネルの他方側にはほとんど粒子が存在しない。 このことは、特に、中性浮力を持つ粒子が流体中を流れ、分離される場合に成り立つ。 １つの形態では、粒子を含んだ（あるいは他方よりも多く粒子を含んだ）流体流れの部分を微粒子流れと呼び、流体の残りの部分は廃液流れと呼ぶ。

この実施形態では、様々な分離装置の出口に、流体流れに対して透過的な分割（スプリッタ）システムを提供する。 すなわち、この実施形態を実装しても、例えば、集められた粒子のバンド又は粒子の集まりの拡散を起こしたり，統一を乱したりすることはなく、過度の乱流を生成することはなく、望ましい流体の流れを損なうような過度の圧力の揺らぎを起こすことはない。 この実施形態は、例えば２０：８０から８０：２０までの分割比率の範囲で流体の流れを分割するのに適合できるようにする。 適切な流れセンシング及びコンピュータフィードバック制御をシステムに適用してもよい。

当業者なら理解するように、この実施形態は様々な形態をとり得る。 ここで記載するように、この実施形態は静的すなわち受動型の機構またはサブシステムを含んでいてよい。 これらの機構は、２０：８０，３０：７０，４０：６０，５０：５０，・・・などのあらかじめ設定された分割比率に対応するために、モジュール方式又は交換可能であってもよい。 この実施形態のうちの他の形態では、システムは調整可能かつ可変である。 更に他の形態では、システムは、各チャネルすなわち各経路にてサイズが変化する粒子群の流れすなわち粒子バンドを実現するために、出口において差圧制御を可能とする。

図２〜１２を参照すれば、当業者ならば、例示される機構が様々な異なった環境及び構成の中で実装されうることを理解できるであろう。 説明を簡単にするために、ここでは、それらの機構は、単一のチャネルに、単純な形態で及び／又は典型的な環境で適用されるものとして説明する。 例えば、当業者ならば理解できるように、これらの技術及び構造は、例えば複数のチャネルが１つの装置又はシステム内に構成されるような形で、複数繰り返す形で実装してもよい。

図２に例示するように、螺旋状分離装置Ａは入口Ｂと湾曲チャネル部分Ｃと出口１０とを有する。 この分離装置Ａは説明を簡単にするための代表的な形態として示した者に過ぎないことを理解されたい。 図３〜１２は分離装置全体を示すものではなく、それらの図に示された出口部分のいずれも、図２に示したような考慮された分離装置に対して適用できることが理解されるであろう。

図示のように、螺旋状チャネルＣの端部１２は第１のチャネル又は経路１４と第２のチャネル又は経路１６とに分かれている。 図では、このチャネル構成は、基板１８内に配置されている。 出口部分のための他の構成又は環境も存在し得ることが理解されるであろう。 特に、螺旋状装置Ｃの端部１２からのチャネル１４と１６とへの分岐は、端部１２へと突き出したナイフエッジ部（ナイフの刃状の部分）１７を有するほぼ静止した壁部１５から形成されたナイフ機構１１により促進され強められる。 この点で、流体の流れとこの流れの分岐とが強められる。

ナイフエッジ部の形状はチャネルの断面に依存し得ることを理解されたい。 例えば、矩形のチャネルは矩形のナイフエッジ部を持つであろうし、楕円形のチャネル（例えば管を縦に変形することで形成される）は放物線形状のナイフエッジ部を持つであろう。 もちろん、以下に示す実施形態では、他の形のナイフエッジ部及びこれらに対応する壁部が考慮されている。

図３には、実施形態のうちの他の形態が示される。 放物線状の流体流れ３０が、螺旋状装置（図示省略）の端部１２を通って流れ、出口１０内で第１のチャネル１４又は第２のチャネル１６へと流れるように分割される様子が示されている。 これらの実施形態では、ナイフエッジ機構３２は、チャネルの分岐部に近い点３４を中心に回転可能に支持されている。 あくまで例に過ぎないが、そのナイフエッジ機構３２は壁部３６とナイフエッジ部３８を含んでいる。 理解されるように、ナイフエッジデバイス３２は、波線と矢印とで例示したような位置の範囲内で回転可能である。 上述のように、少なくとも１つの形態では、この範囲により、２つのチャネルにおいて２０：８０から８０：２０までの範囲の相対的な流体の流れがもたらされる。 当業者ならば理解するように、ナイフエッジデバイス３２の回転は、様々な異なった技術を用いて様々に異なった方式で実現され得る。 チャネルの寸法は、ナイフエッジデバイス３２を回転させるための技術に影響し得る。 例えば、１つの形態では、その回転は圧電素子又は水圧（油圧）装置を用いて実現され得る。 手動で回転させてもよいことを理解されたい。

図４には、放物線状の流体流れ３０が、螺旋状装置（図示省略）のチャネルの端部１２を通って流れ、出口１０内で分割すなわち二分岐され第１のチャネル１４又は第２のチャネル１６へと流れ下る様子が示されている。 しかし、この実施形態では、ナイフエッジ機構４０は、例えば外部アクチュエータ４２のレールの上を、スライドするように構成されている。 他の実施形態では、ナイフエッジデバイス４０は，壁部４６と、これに適合したナイフエッジ部４８とを含んでいることが理解されるであろう。 更に、外部アクチュエータは様々な形態をとり得ることも理解されるであろう。 この場合も、分離装置の相対的な寸法と他の環境要因とに応じて、外部アクチュエータとしては圧電アクチュエータ、水圧（油圧）アクチュエータ、又は手動アクチュエータなどを用いることができる。

図５を参照すると、分離装置（図示省略）の出口１０はチャネルの端部１２を通って流れ、第１のチャネル１４と第２のチャネル１６とに分割される放物線状の流体流れ３０を有している。 また、ナイフエッジ機構４０及び外部アクチュエータ４２も図示されている。 しかし、この実施形態では、第１のチャネル１４及び第２のチャネル１６の各々の壁部分５２及び５４に対してスライディング（摺動）ピン５０が設けられている。 壁部分５２及び５４は柔軟な膜により形成されていることを理解されたい。 この柔軟な膜は、様々な適切な材料により形成され得る。 これにより、ピン５０が外部アクチュエータ４２内でスライドすることができ、ナイフエッジデバイス４０の位置を変化させることができる。 壁部分５２及び５４の柔軟性により、チャネルが無傷のままに保たれる。

図２〜５に例示された様々な実施形態は、分離装置の端部にてナイフエッジ部がチャネルの端部内へと延びる構成を示している。 しかし、これら実施形態は、ナイフエッジ部がチャネル内へと延びるのではなく、例えば、単にチャネル又は適切なチャネル積層体の端部と境を接するのみの構成をも考慮している。 例えば、図６には、分離装置の出口１００が例示されている。 図示の通り、分離装置のチャネル１０２は、ナイフ機構１０８により第１のチャネル１０４と第２のチャネル１０６へと分岐している。 他の実施形態と同様、ナイフ機構１０８は壁部分１１０とナイフエッジ部１１２とを含む。 この構成では、外側壁１１４及び１１６も示されている。 動作中は、この実施形態では、ナイフエッジ機構１０８は。 レールに沿って、又は他のタイプのアクチュエータによって、スライドし、流体の流れを可変的に調整できるように分岐させる。 図示のように。 粒子のバンドすなわち集まりすなわち粒子の濃縮したものは第１のチャネル１０４へと流れ込み、他方粒子のバンド（すなわち集まりすなわち粒子の濃縮したもの）を含まない残りの流体は、第２のチャネル１０６を通って流れ得る。

図７には、ナイフエッジ部がチャネルの端部内へと延びていない更なる実施形態が示される。 図示のように、分離装置の端部１２２の出口１２０は、第１のチャネル１２４と第２のチャネル１２６とを備える。 流体の流れの分割すなわち分岐は、回転シリンダー１３０とナイフエッジ部１３２とを含んだ機構１２８を用いて実現される。 チャネル１２４は外側壁１３４と内側壁１３５とにより画定される。 同様に、チャネル１２６は外側壁１３６と内側壁１３７とにより画定される。 了解されるように、ナイフエッジ部１３２が回転されることでチャネル１２２の端部での分割比率が変更される。 内側壁１３５および１３７はそのような回転を可能とするように構成されている。 例えば、内側壁１３５及び１３７は、柔軟性を持っており、自身が回転シリンダーに付いた状態を維持するようになっている。 他の形態では、内側壁１３５及び１３７は単に固定的であってもよく、この場合それら内側壁１３５及び１３７と回転シリンダー１３０との間の漏れを防止するために適切なシール（封止）技術を用いる。

図８に示すように、分離装置（図示省略）の出口１２０はチャネル１２２の端部１２２を有しており、その端部１２２は第１のチャネル１２４と第２のチャネル１２６とに分かれている。 この構成では、機構１４０が、流体の流れを分割するためにシステムに設けられている。 機構１４０は、摺動シリンダー１４２と、ナイフエッジ部１４４とを備える。 １つ前の実施形態と同様、チャネル１２４は外側壁１３４と内側壁１３５とにより画定される。 同様に、チャネル１２６は外側壁１３６と内側壁１３７とにより画定される。 この実施形態では、内側壁１３５及び１３６は、少なくとも１つの形態では、柔軟な膜により形成され、チャネル１２４及び１２６内の流体を保持しつつも、シリンダー１４２が摺動できるようになっている。

図９〜１１に示すように、ここで考慮している螺旋状分離装置内の流体の流れの分割すなわち分岐の状態を変化させることは、各出口において差圧又は流れを制御することによっても実現できる。 この実施形態では、差圧又は流れの制御は、個別に制御された複数のアクチュエータすなわち隣接するチャネル同士の間での２ウェイ（２分割）での同時作動を用いて実現することができる。 出口チャネルを柔軟な膜でできた壁とすることで変形を許容することができる。 壁の変形は流れの断面積を変化させ、これにより上流側の流体の圧力を変化させる。 また、各出力チャネルにフロー制御弁を個別に設けてもよい。 この場合各チャネルは柔軟でなくてもよい。

図９には、螺旋状分離装置（図示省略）のチャネルの端部２０２の出口２００が示されている。 チャネル２０２は第１のチャネル２０４と第２のチャネル２０６十に分かれている。 チャネル２０４は、固い外側壁２０４と柔軟な内側壁２１０とで画定されている。 チャネル２０５は、固い外側壁２１２と柔軟な内側壁２１４とで画定されている。 この実施形態では、プランジャー２１８（例えばソレノイド）を備えるアクチュエータ２１６が様々な方法で内側壁２１０を変形させるように駆動され、当該チャネル内の上流で差圧（圧力差）を生成する。 同様に、プランジャー２２２を備えるアクチュエータ２２０が壁２１４を変形させて所望の差圧又は流れの制御を達成するために利用される。 理解されるように、本実施形態の目的を達成するためにアクチュエータは様々な異なる方法で制御されてもよい。 例えば、それらアクチュエータのうちの１つが差圧及び流れの制御を生成するために駆動されるようにしてもよい。 また、両方のアクチュエータが、同じ変化レートで、連携してすなわち補完するように駆動され、差圧及び流れの制御を実現してもよい。

図１０（ａ）及び（ｂ）に示すように、システム２００はただ１つのアクチュエータ２５０を備える。 単一のアクチュエータ２５０は、柔軟な壁２１０及び２１４の両方を操作するためのサイズを有するプランジャー２５２を備える。 図１０（ａ）では、プランジャー２５２は左側の極限の位置にある。 図１０（ｂ）には、反対に右側の極限位置を示している。

図９及び図１０の実施形態のいずれでも、アクチュエータを用いることでチャネル内に差圧及び流れの制御がもたらされ、これにより各チャネル２０４と２０６との各々における粒子流れの度合いを可変できるようになる。

そのような結果を達成するための他の方法は、出口の経路すなわちチャネルの各々又は少なくとも１つに調節可能な弁を設けることである。 図１１に示されるように、システム２００は第１のチャネル２３０及び第２のチャネル２３２を含む。 第１のチャネル２３０の中には弁２３４が配置されている。 第２のチャネル２３２には弁２３６が配置されている。 したがって、２つの個別の弁は各チャネルの中の流れを制御することができる。 この場合、チャネル２３０及び２３２の壁は柔軟でなくてもよい。 更に、弁は様々な公知の形態をとってもよいが、少なくとの１つの例では弁はインライン型（経路中に組み込まれるタイプ）の弁である。 弁を選択的に操作することで、システム内に所望する差圧及び流れの制御をもたらす。 理解されるように、１つの弁でも、入口での圧力に影響を与えずに流れを２つの出口の間で分けるのに十分である。

図１２には、システム内での差圧及び／又は流れの制御により流体の流れを分割する他の実施形態が示されている。 この実施形態では、そのようにするために、二分岐された出口の半径方向の圧縮が利用される。 出口は、柔軟な外側リング３０４、硬性リング３０４及び柔軟な内側リング３０６を備える。 第１の一組のチャネル３１０が外側リング３０２と硬性リング３０４との間に配置される。 第２の一組のチャネル３１２が硬性リング３０４と内側リング３０６との間に配置される。 一組のチャネル３１０が、図１０（ａ）のチャネル２０４のような、分割された第１の一組の出口チャネルに該当することが理解されるであろう。 一組のチャネル３２０は、図１０（ａ）のチャネル２０６のような、分割された第２の一組の出口チャネルに該当する.当業者なら理解できるように、この構成は、複数の分離装置と複数の流れの経路すなわちチャネルをまとめる機構とを実装することから考案された。

チャネル内の圧力は、内側リング３０２と外側リング３０６とを互いに逆向きに半径方向に圧縮又は拡張することにより、各チャネルの直径と、流体の内側流れと外側流れとの相対流量とを操作することにより、調整される。 リング３０２及び３０６は、同時に又は個別的に圧縮及び／又は拡張することができ、これによりシステム内で差圧及び／又は流れの制御が可能となる。 当業者なら理解するように、リングを圧縮することでより均一でより円滑な遷移が可能となる。 しかし、リングの拡張によっても、この実施形態の目的は達成できる。 すべての内側チャネル及び外側チャネルは、最終的には、全体システムの構成に応じて、下流側で一体に結合される。

この明細書に記載した様々な実施形態はあくまで例にすぎない。 様々なバリエーションが考えられる。 例えば、この明細書に示した各出口が２つのチャネルに分割すなわち二分岐されてもよい。 この出口の分割（および明細書に示した実施形態の中でのその分割の応用）は、３以上のチャネルへと拡張してもよい。

また、この明細書にて考察した各種の構成を構築するための材料は、システムの寸法、用途、及び環境に応じて様々に変わり得る。 同様に、ここで考察したシステムの寸法も変わり得る。

この明細書に示した様々な実施形態は、流体の流れの分割を向上させるために、様々なセンシング（検出）及びフィードバック制御を含んでいてもよい。 例えば、システム内の分割すなわち分岐の点よりも前に光学センサを配置し、中間点で、それら光学センサを用いてバンドの幅及び位置を検出してもよい。 分割機構にフィードバック信号を送り、チャネル内でのバンド捕捉と流体回収を最大化するようにしてもよい。 またチャネルに沿って流量センサを設け、速度の変化を検出してもよい。 このデータは、一定の流量ひいては速度を維持するために必要なポンプにフィードバックされるのに用いることができる。 またバンドの拡散を最小化し流れの回収を最大化するべく各チャネルの流量を調整するために、圧力センサを設けてもよい。 流体の操作を補正するために温度センサを用いてもよく、また操作パラメータを正しく調整するために粘度センサを用いてもよい。

了解されるように、これらの種類のセンシング及びフィードバック制御装置は、ここに記載したセンシング及びフィードバックの目的やその他の目的を達成するために、様々に異なる方法でシステム内に実装してよい。 この点で、これらの種類の装置は、環境とシステム構成に適合した異なる様々なハードウエア構成及び／又はソフトウエア技術を用いて実装してよい。

図１３には、フィードバック及び／又は制御システム４００の例が示されている。 システム４００は、投入される流体を受け取る螺旋状分離装置４０２のような分離装置を備える。 処理中は、分離装置４０２は投入された流体４０４を廃液流れ４０６と微粒子流れ４０８とに分離する。 上述のように、この処理は、この明細書にて考察した様々な流れスプリッタ４００のいずれを用いても強化される。 了解されるように、流れスプリッタは、収集された様々なデータ項目に基づき制御されるようにしてもよい。 これらのデータ項目には，例えば、圧力、バンドの幅、及び流量が含まれる。 上述のように、温度センサ及び粘度センサを，所望のデータを収集するのに用いてもよい。 それらのデータ項目はコントローラ４２０に供給される。 コントローラ４２０はアクチュエータ４３０を制御し、これらアクチュエータ４３０により、上述の各実施形態から了解されるように、流体が分割される。 アクチュエータ４３０と流れスプリッタとを一体に統合してもよい。

Ａ 螺旋状粒子分離装置、Ｂ 入口、Ｃ 湾曲チャネル部分、１０ 出口、１１ ナイフ機構、１２ 端部、１４ 第１のチャネル、１６ 第２のチャネル、１５ 壁部、１７ ナイフエッジ部、１８ 基板。