(57)【要約】  洗浄が不要でありながら、目詰まりがなく、長寿命で、圧力損失が低減され、処理量の増加及び小型化が可能な微粒子分離装置を実現する。  マイクロピラー２６は第１列２６０１・・・第n列２６０５のように配置され、同一列内ではマイクロピラー２６は互いに同一間隔ａで配置され、各列は一つ上流の列に対して列方向に距離ｂだけずれて配置される。液体は各マイクロピラー２６の間を流れる。電極２５０１、２５０２に電源１４から電圧が印加されて流路内に電界が発生する。マイクロピラー２６は絶縁体であるため間隔が狭いところは電気力線が密で電界強度が大きく間隔が広いところは電気力線が疎で電界強度が小さい。誘電体である微粒子３０は電界強度が大きい箇所から小さい箇所に引き付けられる誘電泳動力を受けるため、液体中の微粒子３０は、流路の片側に集められ液体から分離される。
2013069122.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微粒子分離装置において、
誘電体である微粒子を複数個懸濁した懸濁液を流入させる微粒子流入部と、
上記微粒子流入部から微粒子懸濁液が供給され、微粒子懸濁液が流れる流路と、この流路に配置される絶縁体からなる複数のマイクロピラーと、これら複数のマイクロピラーが配置された上記流路に電界を発生させる電圧源とを有し、上記複数のマイクロピラーは、上記電圧源から発生された電界の強度が疎と密となる部分を形成し、上記懸濁液中の微粒子を一定方向に偏向させる位置に形成されている微粒子分離部と、
上記微粒子分離部により分離された微粒子が濃縮された微粒子濃縮液を流出させる微粒子濃縮液流出路と、
上記微粒子分離部により微粒子が除去された微粒子除去液を流出させる微粒子除去液流出路と、
を備えることを特徴とする微粒子分離装置。
【請求項２】
請求項１に記載の微粒子分離装置において、
上記複数のマイクロピラーは、上記流路の上記微粒子懸濁液が流れる方向に直交する方向に一定間隔で配置された列を複数形成し、上記微粒子懸濁液が流れる方向について互いに隣接するマイクロピラーどおしは、上記微粒子懸濁液が流れる方向に直交する方向に、上記一定間隔より小さい間隔だけずらして配置されることを特徴とする微粒子分離装置。
【請求項３】
請求項１に記載の微粒子分離装置において、
上記電圧源は、上記流路に間欠的に電圧を印加することを特徴とする微粒子分離装置。
【請求項４】
請求項１に記載の微粒子分離装置において、
上記電圧源は、上記微粒子分離部の流路を形成する側面上に互いに対向する電極を有することを特徴とする微粒子分離装置。
【請求項５】
請求項１に記載の微粒子分離装置において、
上記電圧源は、上記微粒子分離部の流路の上記微粒子懸濁液が流れる上流側と下流側とに配置され、互いに対向する電極を有することを特徴とする微粒子分離装置。
【請求項６】
請求項１に記載の微粒子分離装置において、
上記マイクロピラーの断面形状が円形であることを特徴とする微粒子分離装置。
【請求項７】
請求項１に記載の微粒子分離装置において、
上記マイクロピラーの断面形状が三角形であることを特徴とする微粒子分離装置。
【請求項８】
請求項1記載の微粒子分離装置において、
上記マイクロピラーの断面形状が四角形であることを特徴とする微粒子分離装置。
【請求項９】
請求項１記載の微粒子分離装置において、
上前記マイクロピラーの断面形状が六角形であることを特徴とする微粒子分離装置。
【請求項１０】
請求項1記載の微粒子分離装置において、
上記粒子分離部と上記粒子濃縮液流出路と上記微粒子除去液流出路は、それぞれ複数形成され、それらは共通の微粒子流入部に接続されていることを特徴とする微粒子分離装置。
【請求項１１】
微粒子分離装置において、
ホウ素を含むホウ素溶液を流入させるホウ素溶液流入部と、
ホウ素吸着微粒子を懸濁したホウ素吸着微粒子懸濁液を流入させるホウ素吸着微粒子懸濁液流入部と、
上記ホウ素溶液流入部とホウ素吸着微粒子懸濁液流入部の下流側に位置し、ホウ素溶液とホウ素吸着微粒子懸濁液とを混合する混合部と、
上記混合部の下流側に位置しホウ素溶液中のホウ素をホウ素吸着微粒子に吸着させる吸着部と、
上記吸着部から、ホウ素を吸着したホウ素吸着微粒子を含む微粒子懸濁液が供給され、微粒子懸濁液が流れる流路と、この流路に配置される絶縁体からなる複数のマイクロピラーと、これら複数のマイクロピラーが配置された上記流路に電界を発生させる電圧源とを有し、上記複数のマイクロピラーは、上記電圧源から発生された電界の強度が疎と密となる部分を形成し、上記懸濁液中の微粒子を一定方向に偏向させる位置に形成されている微粒子分離部と、
上記微粒子分離部により分離された微粒子が濃縮された微粒子濃縮液を流出させる微粒子濃縮液流出路と、
上記微粒子分離部により微粒子が除去された微粒子除去液を流出させる微粒子除去液流出路と、
を備えることを特徴とする微粒子分離装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の微粒子分離装置において、
上記複数のマイクロピラーは、上記流路の上記微粒子懸濁液が流れる方向に直交する方向に一定間隔で配置された列を複数形成し、上記微粒子懸濁液が流れる方向について互いに隣接するマイクロピラーどおしは、上記微粒子懸濁液が流れる方向に直交する方向に、上記一定間隔より小さい間隔だけずらして配置されることを特徴とする微粒子分離装置。
【請求項１３】
微粒子分離方法において、
誘電体である微粒子を複数個懸濁した懸濁液を流入させ、
上記流入された微粒子懸濁液が供給され微粒子懸濁液が流れる流路に絶縁体からなる複数のマイクロピラーを配置し、これら複数のマイクロピラーを配置した上記流路に電界を発生させ、上記複数のマイクロピラーが、上記電界の強度が疎と密となる部分を形成し、上記懸濁液中の微粒子を一定方向に偏向して上記懸濁液から分離し、
上記懸濁液から分離された微粒子が濃縮された微粒子濃縮液を微粒子濃縮液流出路に流出し、
上記懸濁液から微粒子が除去された微粒子除去液を微粒子除去液流出路に流出することを特徴とする微粒子分離方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の微粒子分離方法において、
上記複数のマイクロピラーは、上記流路の上記微粒子懸濁液が流れる方向に直交する方向に一定間隔で配置された列を複数形成し、上記微粒子懸濁液が流れる方向について互いに隣接するマイクロピラーどおしは、上記微粒子懸濁液が流れる方向に直交する方向に、上記一定間隔より小さい間隔だけずらして配置されることを特徴とする微粒子分離方法。
【請求項１５】
請求項１３に記載の微粒子分離方法において、
上記流路の間欠的に電圧を印加することを特徴とする微粒子分離方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体から微粒子を分離する微粒子分離装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、工業用水等の、微粒子を含む液体から微粒子を除去する方法として、分離膜を使った処理が一般的である。【０００３】
例えば、孔径が数マイクロメートルの精密ろ過膜を用いて微粒子懸濁液をろ過することで、微粒子を含む液体から数マイクロメートルの大きさの微粒子を取り除くことができる。このとき、微粒子によって分離膜が徐々に目詰まりして分離膜の透過抵抗が増大していく。このため、分離膜を透過する液体の流量を同一に保つためには送液圧力を大きくしていく必要がある。【０００４】
よって、定期的に分離膜を洗浄して、目詰まりした微粒子を取り除く必要がある。例えば、特許文献１では、酸性水を膜ろ過装置の透過水側に供給して、通常時とは逆向きに液体を分離膜に流すことで目詰まりした微粒子を除去する方法を開示している。【０００５】
また、特許文献２は、生体試料から分析対象成分を分離するために、不均一電界によって液体中の粒子、液滴、分子などの誘電体に生じる力である誘電泳動力を利用して、液体中の２種類以上の分子を分離する方法を開示している。【０００６】
微小流路の底面に形成した互いに向かい合う２つの櫛歯状電極に電圧を印加することで、電極間に電界が発生する。このとき発生する電界は、電極の近傍では電界強度が大きく、電極から離れるほど電界強度が小さくなるような不均一な電界強度となる。この場合、液体中の分子には電界強度の小さい部分から大きい部分に向かって引きつけられる誘電泳動力が働く。【０００７】
その結果、液体中の分子は、電極の近傍に引きつけられながら液体の流れによる流体抗力によって下流に向かって移動する。誘電泳動力の大きさは誘電体の誘電率によって異なるため、液体に懸濁している誘電率の異なる２種類の分子は誘電泳動力の違いによって移動する速度が異なるため，流れ方向に分離される。【０００８】
また、非特許文献1は、微小流路内で微粒子を大きさによって分離する方法を開示している。微小流路内には、微粒子と同程度の断面積を持つマイクロピラーが複数形成されている。マイクロピラーは、流れ方向に対して垂直な方向に等間隔で配置した列をなし、各列は一つ上流の列に対して流れ方向に対して垂直な方向に一定距離だけ、ずれて配置されている。このとき、小さい粒子はマイクロピラーの間を通り抜けるため、マイクロピラーの配置に関係なく流路と平行な方向に液体とともに移動する。【０００９】
一方、大きい粒子はマイクロピラーの間を通り抜けることができず、マイクロピラー列のずれに従って液体の流れに対して斜めに移動する。その結果、流路上流で同じ位置にあった大きさの異なる複数の粒子は，流路の下流では流路内の位置が異なる。【００１０】
また、非特許文献2は、ホウ素吸着粒子を用いてホウ素溶液中からホウ素を除去する方法が開示されている。この方法では、ホウ素を吸着する粒子を溶液中に分散させて溶液中のホウ素を吸着させた後に、溶液を分離膜でろ過することで粒子を取り除き、ホウ素を含まない液体を得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特許第４３０４８０３号公報
【特許文献２】特開２００１−１６５９６０号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】Ｓｃｉｅｎｃｅ、Ｖｏｌ．３０４（２００４）、ｐｐ．９８７−９９０．
【非特許文献２】Ｄｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎ、Ｖｏｌ．２４１（２００９）、ｐｐ．１２１７−１３２．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、上述した従来技術のように、分離膜を用いて液体から微粒子を除去する方法では、通常のろ過用に液体を送液する装置とは別に、分離膜の洗浄用に液体を送液する装置が必要であるため、装置全体として大掛かりになってしまっていた。また、分離膜を洗浄しても目詰まりした微粒子を完全には取り除くことは困難である。このため、分離膜をある程度の期間使用したら、その分離膜を交換する必要があり、分離膜の長寿命化が困難であった。【００１４】
ここで、特許文献２において開示されている技術を応用すると、分離膜を用いずに液体から微粒子を除去することができる。すなわち、微粒子が流れの抗力によって移動しないほどに大きな誘電泳動力を発生させて微粒子を電極近傍に捕捉することで、流路の下流から液体のみを取り出すことができる。【００１５】
この方法では、分離膜を用いる必要が無いため、微粒子の目詰まりがなく洗浄が不要である。【００１６】
ただし、誘電泳動力によって微粒子を流路内に捕捉し続けると流路が閉塞するため、定期的に誘電泳動力の発生を停止し、捕捉した粒子を下流に流すことが必要である。そのため、連続した処理ができず、処理量を増加することができないという課題がある。【００１７】
また、非特許文献１に開示されているマイクロピラーによって微粒子を偏向させる方法を液体からの微粒子の除去に応用することが考えられる。この場合は、流路の圧力損失が課題となる。【００１８】
つまり、分離対象の粒子の大きさが小さくなるほど、ピラーの互いの間隔を短くする必要があるため、その結果、流路の圧力損失が大きくなる。流路の圧力損失がデバイスの耐圧より大きくなると液漏れが発生するため、流路の圧力損失はデバイス耐圧よりも小さい必要がある。【００１９】
流路の圧力損失は、流路を流れる流量に比例するため、流路の圧力損失をデバイス耐圧より小さくするためには、処理量を大きくすることができない。【００２０】
本発明の目的は、洗浄が不要でありながら、目詰まりがなく、長寿命で、圧力損失が低減され、処理量の増加及び小型化が可能な微粒子分離装置及び方法を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記目的を達成するため、本発明は次のように構成される。【００２２】
誘電体である微粒子を複数個懸濁した懸濁液を流入させ、流入された微粒子懸濁液が供給され微粒子懸濁液が流れる流路に絶縁体からなる複数のマイクロピラーを配置し、これら複数のマイクロピラーを配置した上記流路に電界を発生させ、上記複数のマイクロピラーが、上記電界の強度が疎と密となる部分を形成し、上記懸濁液中の微粒子を一定方向に偏向して上記懸濁液から分離し、上記懸濁液から分離された微粒子が濃縮された微粒子濃縮液を微粒子濃縮液流出路に流出し、上記懸濁液から微粒子が除去された微粒子除去液を微粒子除去液流出路に流出する。
【発明の効果】
【００２３】
洗浄が不要でありながら、目詰まりがなく、長寿命で、圧力損失が低減され、処理量の増加及び小型化が可能な微粒子分離装置及び方法を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施例である微粒子分離装置の概略構成図である。
【図２】図１に示した微粒子分離装置の流路基板上に形成される微粒子分離ユニットの構造を示す図である。
【図３】本発明の一実施例における微粒子分離部の上面図である。
【図４】本発明の一実施例における微粒子分離装置の動作原理図である。
【図５】本発明の一実施例における微粒子分離装置の動作原理図である。
【図６】本発明の一実施例における微粒子分離装置の微小流路中の電極の形状と配置例を示す図である。
【図７】本発明の一実施例における微粒子分離装置の微小流路中の電極の形状と配置例を示す図である。
【図８】本発明の一実施例における微粒子分離装置の微小流路中の電極の形状と配置例を示す図である。
【図９】本発明の一実施例における微粒子分離装置のマイクロピラーの形状例を示す図である。
【図１０】本発明の一実施例における微粒子分離装置のマイクロピラーの形状例を示す図である。
【図１１】本発明の一実施例における微粒子分離装置のマイクロピラーの形状例を示す図である。
【図１２】本発明の一実施例における微粒子分離装置のマイクロピラーの形状例を示す図である。
【図１３】本発明の一実施例における微粒子分離装置のマイクロピラーの形状例を示す図である。
【図１４】本発明の一実施例における微粒子分離装置のマイクロピラーの形状例を示す図である。
【図１５】本発明における一実施例の粒子分離装置を多量処理化装置とした場合の一例を示す図である。
【図１６】本発明における一実施例の粒子分離装置を多量処理化装置とした場合の他の例を示す図である。
【図１７】本発明の一実施例であるホウ素除去装置の全体概略構成図である。
【図１８】図１７に示したホウ素除去装置内の流路基板上に形成されるホウ素除去ユニットの構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明による微粒子分離装置及び方法の実施形態について説明する。
【実施例】
【００２６】
図１は、本発明が適用される微粒子分離装置の全体概略構成図である。図１において、微粒子分離装置は、流路基板１及びカバー基板２を有する流路デバイス３と、この流路デバイス３と配管４０１、４０２、４０３とを接続する配管コネクタ５０１、５０２及び５０３と、上記流路デバイス３に微粒子懸濁液６を送液するポンプ７と、微粒子懸濁液６を収容する微粒子懸濁液容器８と、上記流路デバイス３から流出する微粒子除去液９を収容する微粒子除去液容器１０とを備える。【００２７】
さらに、微粒子分離装置は、上記流路デバイス３から流出する微粒子濃縮液１１を収容する微粒子濃縮液容器１２と、上記流路デバイス３内の電極と電気的に接続する電極コネクタ１３０１、１３０２と、電極コネクタ１３０１、１３０２に印加する電圧の電源１４と、電極コネクタ１３０１、１３０２に印加する電圧を制御するコントローラ１５と、電極コネクタ１３０１、１３０２、電源１４及びコントローラ１５を互いに電気的に接続する電気配線１６とを備える。【００２８】
図２は、図１に示した微粒子分離装置の流路基板１上に形成される微粒子分離ユニット２０の構造を示す図である。【００２９】
図２において、微粒子分離ユニット２０は、微粒子懸濁液流入路２１と、微粒子分離部２２と、微粒子除去液流出路２３と、微粒子濃縮液流出路２４と、電極２５０１、２５０２とを備えている。微粒子分離部２２には、複数のマイクロピラー２６が形成されている。【００３０】
図１に示した流路デバイス3の作製方法の一例としては、流路基板１の材料をシリコンとし、カバー基板２はガラスを材料として作製して、両者を陽極接合によって接合する方法がある。この場合には、微粒子懸濁液流入路２１、微粒子分離部２２、微粒子除去液流出路２３、及び微粒子除去液流出路２４は、シリコンの深堀エッチングによって流路基板１上に形成される。【００３１】
また、電極２５０１、２５０２は、シリコンの表面を酸化膜や窒化膜などの絶縁膜で覆い、金、白金、アルミニウム、チタンなどの金属材料を蒸着した後にフォトリソグラフィによってパターニングすることで形成される。【００３２】
流路デバイス3の作製方法のその他の例として、流路基板1の材料をポリジメチルシロキサンとし、カバー基板２はガラスを材料して作製して、ポリジメチルシロキサンで形成された流路基板１の表面にプラズマを照射した後に流路基板１とカバー基板２とを接合する方法がある。この場合には、流路基板1は、シリコンを深堀エッチングすることで得られる微粒子懸濁液流入路２１、微粒子分離部２２、微粒子除去液流出路２３、微粒子除去液流出路２４の鋳型を、ポリジメチルシロキサンに転写することで形成される。【００３３】
流路デバイス3の、さらにその他の作製方法例としては、流路基板１及びカバー基板２の材料を共にポリジメチルシロキサンとして作製し、流路基板１とカバー基板２の表面にプラズマを照射した後に両者を接合する方法がある。この場合、流路基板１は、シリコンを深堀エッチングすることで得られる微粒子懸濁液流入路２１、微粒子分離部２２、微粒子除去液流出路２３、微粒子除去液流出路２４の鋳型を、ポリジメチルシロキサンに転写することで形成される。【００３４】
次に、図３〜図５を参照して、本発明の一実施例である微粒子分離装置による微粒子分離の原理を説明する。【００３５】
図３は、微粒子分離部２２の上面図である。図３において、マイクロピラー２６は、第１列２６０１、第２列２６０２、第３列２６０３、第４列２６０４、・・・第n列２６０５のように配置されている。【００３６】
同一の列内では、マイクロピラー２６は互いに同一の間隔ａで配置されており，各列は一つ上流の列に対して列方向（液体の流れ方向に対してほぼ直交する方向）に距離ｂだけずれて配置されている。【００３７】
図３に示した例では、ｂ＝ａ／３であり、３列ごとにマイクロピラー２６の位置が列方向に同一となっている（例えば、第１列２６０１と第４列２６０４はマイクロピラー２６の位置が列方向に互いに同一となっている）。【００３８】
液体は、各マイクロピラー２６の間を流れるため、全体としてみると流路を形成する壁面に対して平行な方向に流れる。【００３９】
マイクロピラー２６の寸法例としては、その径が数マイクロメートルから数十マイクロメートルである。また、マイクロピラー２６の互いの間隔ａも、数マイクロメートルから数十マイクロメートルである。【００４０】
電極２５０１、２５０２に電源１４から電圧が印加されることで、流路内に電界が発生する。マイクロピラー２６は絶縁体で形成されているため、図４に示すように、電気力線２９はマイクロピラー２６をよけて分布する。したがって、マイクロピラー２６間の間隔が狭いところは電気力線２９が密で電界強度が大きく、マイクロピラー２６間の間隔が広いところは電気力線２９が疎で電界強度が小さくなり、電界強度が不均一な電界が形成される。つまり、図４に示すように、４つのマイクロピラー２６に包囲された中央部が、この中央部を囲む部分より電気力線２９が疎で電界強度が小さくなる。【００４１】
この場合、誘電体である微粒子３０は、電界強度が大きい箇所から電界強度が小さい箇所に引き付けられる誘電泳動力を受ける（負の誘電泳動）。また、微粒子３０は液体の流れる方向に流体抗力を受ける。【００４２】
図５は、電極２５０１及び２５０２への印加電圧の時系列変化を示す図である。図５に示すように、印加電圧を一定時間ごとに大きさを変えることによって、それに応じて誘電泳動力も変化する。【００４３】
電極２５０１及び２５０２への印加電圧を０にすることで（図５の丸１、丸３、丸５、丸７に示す期間）、誘電泳動力も０になり、微粒子３０には流体抗力のみが働き、流体抗力によって微粒子３０は同一列内のマイクロピラー２６の間を通過する（図３の丸１に示す）。【００４４】
その後、電極２５０１及び２５０２に電圧を印加することで（図５の丸２、丸４、丸６に示す期間）、誘電泳動力によって電界強度が小さい領域である４つのマイクロピラー２６の中央に微粒子が捕捉される（図３の丸２、丸４、丸６で示す）。この操作、つまり、微粒子捕捉期間（図５の丸２、４、６の期間）と微粒子移動期間（図５の丸１、３、５、７の期間）を繰り返すことで、電圧を間欠的に流路に印加することで、より効果的に微粒子３０は図３に示した点線の矢印に沿って移動し（丸１、丸３、丸５、丸７に示す点線）、液体の流れに対して偏向される。図示した例では、右側方向に微粒子３０の流れが偏向されて、集合され、図２に示した微粒子濃縮液流出路２４に向かう。【００４５】
使用する液体の一例としては純水が挙げられる。また、微粒子３０の一例としては、ポリスチレンが挙げられる。また、図５の丸２、丸４、丸６に示す期間における電圧周波数は、電気力線が疎の部分に微粒子３０が引き付けられるような周波数であり、例えば、１ＭＨｚである。この電圧周波数は、コントローラ１５の操作部を用いてオペレータ等により変更、調整が可能である。【００４６】
以上のような動作により、液体中の複数の微粒子３０は、微粒子濃縮液流出路２４に向かって濃縮されるように誘電泳動力を受ける。このため、微粒子除去液流路２３には液体のみが流入され、微粒子３０が液体から分離される。【００４７】
したがって、液体中の微粒子３０は、複数のマイクロピラー２６間を誘電泳動力を受けて、一定方向に誘導され、液体から分離されるので、分離膜を必要とせず、その洗浄が不要でありながら、目詰まりがなく、長寿命で、圧力損失が低減され、処理量の増加及び小型化が可能な微粒子分離装置及び方法を実現することができる。【００４８】
図６〜図８は、本発明の一実施例における微粒子分離装置の微小流路中の電極の形状と配置例を示す図である。【００４９】
図６は、電極２５０１をマイクロピラー群２６０１の上流側に配置し、電極２５０２をマイクロピラー群２６０１の下流側に配置した場合の例である。この場合、電極２５０１、２５０２は、流路底面に薄膜電極として形成される。【００５０】
図７は、電極２５０１〜２５０４を円形状とし、電極２５０１、２５０２をマイクロピラー群２６０１の上流側に配置し、電極２５０３、２５０４をマイクロピラー群２６０１の下流側に配置した場合の例である。この場合、電極２５０１、２５０２、２５０３、２５０４は、流路底面に薄膜電極として形成される。【００５１】
図８は、電極２５０１〜２５０４を円柱状とし、電極２５０１、２５０２をマイクロピラー群２６０１の上流側における流路両脇の電極差し込み部分２７０１、２７０２に配置し、電極２５０３、２５０４をマイクロピラー群２６０１の下流側における流路両脇の電極差し込み部分２７０３、２７０４に配置した場合の例である。【００５２】
この場合、電極２５０１〜２５０４は、カバー基板２に形成された穴を通して流路内に挿入されている。また、電極差し込み部分２７０１、２７０２、２７０３、２７０４と流路とは、接続路２８０１、２８０２、２８０３、２８０４を介して接続されている。【００５３】
図９〜図１４は、本発明の一実施例における微粒子分離装置のマイクロピラーの形状例を示す図である。【００５４】
図９は、断面が円形のマイクロピラーを示す図である。図１０は、断面が三角形のマイクロピラーを示す図である。図１１は、断面がひし形のマイクロピラーを示す図である。図１２は、断面が六角形のマイクロピラーを示す図である。図１３は、断面が円形で高さ方向に均一な勾配を持つマイクロピラーを示す図である。図１３に示した例では、上面部の面積が下面部の面積より小の場合を示したが、上面部の面積が下面部の面積より大のマクロピラーであってもよい。そして、図１４は、断面が円形で高さ方向に勾配を持ち，上面と下面の中間の断面が最も小さいマイクロピラーを示す図である。【００５５】
図９〜図１４に示した形状のマイクロピラーのいずれであっても、本発明に適用することが可能である。【００５６】
図１５、図１６は、本発明における一実施例の粒子分離装置を多量処理化装置とした場合の例を示す図である。【００５７】
図１５に示した例は、複数の微粒子分離ユニット２０１、２０２、２０３、２０４を直線状に並列に接続した例である。なお、微粒子分離ユニット２０１、２０２、２０３、２０４のそれぞれは、図１に示した微粒子分離装置と同様な構成となっている。【００５８】
図１５において、共通の微粒子懸濁液流入路２１１から中間流入路２１２、２１３、２１４を通って、微粒子懸濁液が各微粒子分離ユニット２０１、２０２、２０３、２０４に流入する。各微粒子分離ユニット２０１、２０２、２０３、２０４の微粒子除去液は、微粒子除去液流出路２３１、２３２、２３４を通って流出する。【００５９】
また、各微粒子分離ユニット２０１、２０２、２０３、２０４の微粒子濃縮液は、微粒子濃縮液流出路２４１、２４２、２４３、２４４を通って流出する。【００６０】
図１６は、複数の微粒子分離ユニット２０１、２０２、２０３、２０４、２０５、２０６を円形状に配置し、かつ、並列に接続した例である。【００６１】
図１６において、複数の微粒子分離ユニット２０１、２０２、２０３、２０４、２０５、２０６に共通の微粒子懸濁液流入路２１１を通って、微粒子懸濁液が各微粒子分離ユニット２０１、２０２、２０３、２０４、２０５、２０６に流入する。微粒子懸濁液流入路２１１は、円形状に配置された２０１、２０２、２０３、２０４、２０５、２０６の中央部に形成されている。【００６２】
各微粒子分離ユニット２０１、２０２、２０３、２０４、２０５、２０６の微粒子除去液は、これら円形状に配置された微粒子分離ユニット２０１、２０２、２０３、２０４、２０５、２０６の外周側に配置された微粒子除去液流出路２３１、２３２、２３４、２３５、２３６を通って流出する。【００６３】
また、各微粒子分離ユニット２０１、２０２、２０３、２０４、２０５、２０６の微粒子濃縮液は、これら円形状に配置された微粒子分離ユニット２０１、２０２、２０３、２０４、２０５、２０６の外周側に配置された微粒子濃縮液流出路２４１、２４２、２４３、２４４、２４５、２４６を通って流出する。【００６４】
図１５、図１６に示したように構成すれば、大量の液体から高速で微粒子を分離することが可能である。例えば、大量の泥水から微粒子を高速で分離することができる。【００６５】
図１７、図１８は、本発明による微粒子分離装置を用いたホウ素除去装置に適用した場合の例を示す図である。【００６６】
図１７は、本発明の一実施例であるホウ素除去装置の全体概略構成図である。図１７において、ホウ素除去装置は、流路基板１及びカバー基板２を有する流路デバイス３と、この流路デバイス３と配管４０１、４０２、４０３、４０４とを接続する配管コネクタ５０１、５０２、５０３、５０４と、上記流路デバイス３にホウ素を含む原液６１を送液するポンプ７１と、原液６１を収容する原液容器８１と、ホウ素吸着粒子懸濁液６２を送液するポンプ７２と、ホウ素吸着粒子懸濁液６２を収容するホウ素吸着粒子懸濁液容器８２とを備える。【００６７】
さらに、ホウ素除去装置は、上記流路デバイス３から流出するホウ素除去液９１を収容するホウ素除去液容器１０１と、上記流路デバイス３から流出するホウ素濃縮液１１１を収容するホウ素濃縮液容器１２１と、上記流路デバイス３内に形成された電極と電気的に接続する電極コネクタ１３０１、１３０２と、上記電極に印加する電圧の電源１４と、上記電極に印加する電圧を制御するコントローラ１５と、上記電極コネクタ１３０１、１３０２、上記電源１４、及び上記コントローラ１５を互いに電気的に接続する電気配線１６とを備える。【００６８】
図１８は、図１７に示したホウ素除去装置内の流路基板１上に形成されるホウ素除去ユニットの構造を示す図である。図１８において、ホウ素除去ユニットは、原液流入路２１０１と、ホウ素吸着微粒子懸濁液流入路２１０２と、原液とホウ素吸着微粒子懸濁液とが混合する混合部２１０３と、ホウ素がホウ素吸着微粒子に吸着する吸着部２１０４と、ホウ素吸着微粒子を液体から分離させる微粒子分離部２２と、ホウ素除去液流出路２３と、ホウ素濃縮液流出路２４と、電極２５０１、２５０２とを備えている。微粒子分離部２２には、図３に示した構成と同様に構成された複数のマイクロピラー２６が形成されている。【００６９】
ホウ素吸着微粒子懸濁液流入路２１０２を通って流入する原液６１とホウ素吸着微粒子懸濁液流入路２１０２を通って流入するホウ素吸着微粒子懸濁液６２とは、混合部２１０３で混合する。【００７０】
そして、混合部２１０３の下流側にある吸着部２１０４において、液体中のホウ素が複数のホウ素吸着微粒子に吸着する。続いて、吸着部２１０４の下流にある分離部２２において、上述した微粒子分離装置の原理の動作と同様な動作によりホウ素吸着粒子は液体から分離される。【００７１】
その結果、原液６１中のホウ素はホウ素吸着微粒子とともに微粒子分離部２２の下流にあるホウ素濃縮液流出路２４から流路外に流出される。また、ホウ素除去液流出路２３からはホウ素を含まない液体が流出される。【００７２】
図１７、図１８に示した本発明の実施例であるホウ素除去装置によれば、洗浄が不要でありながら、目詰まりがなく、長寿命で、圧力損失が低減され、処理量の増加及び小型化が可能なホウ素除去装置を実現することができる。【００７３】
なお、本発明の上述した例においては、図５に示したように微粒子捕捉期間（丸２、丸４、丸６で示す期間）に電圧を電極２５０１と２５０２とに印加し、微粒子移動期間（丸１、丸３、丸５、丸７で示す期間）には電圧を印加しない構成としたが、微粒子移動期間を設けることなく、流体の流れにより微粒子を一定方向に分離する構成とすることも可能である。
【符号の説明】
【００７４】
１・・・流路基板、  ２・・・カバー基板、  ３・・・流路デバイス、  ６・・・微粒子懸濁液、  ７・・・ポンプ 、  ９・・・微粒子除去液、  １０・・・微粒子除去液容器、  １１・・・微粒子濃縮液、  １２・・・微粒子濃縮液容器、  １４・・・電源、  １５・・・コントローラ、  １６・・・電気配線、  ２０・・・微粒子分離ユニット、  ２１・・・微粒子懸濁液流入路、  ２２・・・微粒子分離部、  ２３・・・微粒子除去液流出路、  ２４・・・微粒子濃縮液流出路、  ２６・・・マイクロピラー、  １３０１、１３０２・・・電極コネクタ、２５０１、２５０２・・・電極、  ４０１、４０２、４０３・・・配管、  ５０１、５０２、５０３・・・配管コネクタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年12月3日(2014.12.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微粒子分離装置において、
誘電体である微粒子を複数個懸濁した懸濁液を流入させる微粒子流入部と、
上記微粒子流入部から微粒子懸濁液が供給され、微粒子懸濁液が流れる流路と、この流路に配置される絶縁体からなる複数のマイクロピラーと、これら複数のマイクロピラーが配置された上記流路に電界を発生させる電圧源とを有し、上記複数のマイクロピラーは、上記電圧源から発生された電界の強度が疎と密となる部分を形成し、上記懸濁液中の微粒子を一定方向に偏向させる位置に形成されている微粒子分離部と、
上記微粒子分離部により分離された微粒子が濃縮された微粒子濃縮液を流出させる微粒子濃縮液流出路と、
上記微粒子分離部により微粒子が除去された微粒子除去液を流出させる微粒子除去液流出路と、
を備え、
上記複数のマイクロピラーは、上記流路の上記微粒子懸濁液が流れる方向に直交する方向に一定間隔で配置された列を複数形成し、上記微粒子懸濁液が流れる方向について互いに隣接するマイクロピラーどおしは、上記微粒子懸濁液が流れる方向に直交する方向に、上記一定間隔より小さい間隔だけずらして配置されることを特徴とする微粒子分離装置。
【請求項２】
請求項１に記載の微粒子分離装置において、
上記電圧源は、上記流路に間欠的に電圧を印加することを特徴とする微粒子分離装置。
【請求項３】
請求項１に記載の微粒子分離装置において、
上記電圧源は、上記微粒子分離部の流路を形成する側面上に互いに対向する電極を有することを特徴とする微粒子分離装置。
【請求項４】
請求項１に記載の微粒子分離装置において、
上記電圧源は、上記微粒子分離部の流路の上記微粒子懸濁液が流れる上流側と下流側とに配置され、互いに対向する電極を有することを特徴とする微粒子分離装置。
【請求項５】
請求項１に記載の微粒子分離装置において、
上記マイクロピラーの断面形状が円形であることを特徴とする微粒子分離装置。
【請求項６】
請求項１に記載の微粒子分離装置において、
上記マイクロピラーの断面形状が三角形であることを特徴とする微粒子分離装置。
【請求項７】
請求項１記載の微粒子分離装置において、
上記マイクロピラーの断面形状が四角形であることを特徴とする微粒子分離装置。
【請求項８】
請求項１記載の微粒子分離装置において、
上前記マイクロピラーの断面形状が六角形であることを特徴とする微粒子分離装置。
【請求項９】
請求項１記載の微粒子分離装置において、
上記粒子分離部と上記粒子濃縮液流出路と上記微粒子除去液流出路は、それぞれ複数形成され、それらは共通の微粒子流入部に接続されていることを特徴とする微粒子分離装置。
【請求項１０】
微粒子分離装置において、
ホウ素を含むホウ素溶液を流入させるホウ素溶液流入部と、
ホウ素吸着微粒子を懸濁したホウ素吸着微粒子懸濁液を流入させるホウ素吸着微粒子懸濁液流入部と、
上記ホウ素溶液流入部とホウ素吸着微粒子懸濁液流入部の下流側に位置し、ホウ素溶液とホウ素吸着微粒子懸濁液とを混合する混合部と、
上記混合部の下流側に位置しホウ素溶液中のホウ素をホウ素吸着微粒子に吸着させる吸着部と、
上記吸着部から、ホウ素を吸着したホウ素吸着微粒子を含む微粒子懸濁液が供給され、微粒子懸濁液が流れる流路と、この流路に配置される絶縁体からなる複数のマイクロピラーと、これら複数のマイクロピラーが配置された上記流路に電界を発生させる電圧源とを有し、上記複数のマイクロピラーは、上記電圧源から発生された電界の強度が疎と密となる部分を形成し、上記懸濁液中の微粒子を一定方向に偏向させる位置に形成されている微粒子分離部と、
上記微粒子分離部により分離された微粒子が濃縮された微粒子濃縮液を流出させる微粒子濃縮液流出路と、
上記微粒子分離部により微粒子が除去された微粒子除去液を流出させる微粒子除去液流出路と、
を備えることを特徴とする微粒子分離装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の微粒子分離装置において、
上記複数のマイクロピラーは、上記流路の上記微粒子懸濁液が流れる方向に直交する方向に一定間隔で配置された列を複数形成し、上記微粒子懸濁液が流れる方向について互いに隣接するマイクロピラーどおしは、上記微粒子懸濁液が流れる方向に直交する方向に、上記一定間隔より小さい間隔だけずらして配置されることを特徴とする微粒子分離装置。
【請求項１２】
微粒子分離方法において、
誘電体である微粒子を複数個懸濁した懸濁液を流入させ、
上記流入された微粒子懸濁液が供給され微粒子懸濁液が流れる流路に絶縁体からなる複数のマイクロピラーを配置し、これら複数のマイクロピラーを配置した上記流路に電界を発生させ、上記複数のマイクロピラーが、上記電界の強度が疎と密となる部分を形成し、上記懸濁液中の微粒子を一定方向に偏向して上記懸濁液から分離し、
上記懸濁液から分離された微粒子が濃縮された微粒子濃縮液を微粒子濃縮液流出路に流出し、
上記懸濁液から微粒子が除去された微粒子除去液を微粒子除去液流出路に流出する微粒子分離方法であって、
上記複数のマイクロピラーは、上記流路の上記微粒子懸濁液が流れる方向に直交する方向に一定間隔で配置された列を複数形成し、上記微粒子懸濁液が流れる方向について互いに隣接するマイクロピラーどおしは、上記微粒子懸濁液が流れる方向に直交する方向に、上記一定間隔より小さい間隔だけずらして配置されることを特徴とする微粒子分離方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の微粒子分離方法において、
上記流路の間欠的に電圧を印加することを特徴とする微粒子分離方法。
【国際調査報告】
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