(57)【要約】【課題】簡易な方法を用いて粒子を分級する方法と、連続運転可能な小型化した分級装置とを提供する。【解決手段】軸を中心に回転自在な内筒と、前記内筒が内部に配置され、前記内筒に対し同軸かつ所定の間隙を有して設けられた固定された外筒とを備える流体に含まれた粒径の異なる複数の粒子を分級する分級装置を用いる。所定の条件を満たすように前記内筒を回転させて、混合促進領域と孤立混合領域とを有するテイラー渦流を発生させ、前記内筒と前記外筒との間隙に流された前記粒子を分級する。【選択図】図３
2006239681.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒径の異なる複数の粒子を含む流体が、軸を中心に回転自在な内筒と、前記内筒が内部に設けられ且つ同軸の固定された外筒との間に形成される所定の間隙を有する流路を流れる際、前記内筒を回転させ、前記流路内における流体を下記式の関係を満たすように制御することにより、前記流体中に混合促進領域と孤立混合領域とを有するテイラー渦流を発生させる工程と、
前記テイラー渦流により前記粒子を分級し、かつ、前記流体の供給及び分級した前記粒子の回収を行う工程とを有することを特徴とする粒子の分級方法。
Ｔａ＝｛Ｒｉω（Ｒ０−Ｒi）／ν｝｛（Ｒ０−Ｒi）／Ｒi｝0.5
＝Ｒｅ｛（Ｒ０−Ｒi）／Ｒi｝0.5
Ｔａｃ＝｛Ｒiωｃ（Ｒ０−Ｒi）／ν｝｛（Ｒ０−Ｒi）／Ｒi｝0.5  
＝Ｒｅｃ｛（Ｒ０−Ｒi）／Ｒi｝0.5
１≦Ｔａ／Ｔａｃ＝Ｒｅ／Ｒｅｃ＝ω／ωｃ＜２５
ここで、Ｔａは流路におけるテイラー数、Ｔａｃは流路における臨界テイラー数、Ｒｅは流路における回転レイノルズ数、Ｒｅｃは流路における臨界回転レイノルズ数、ωは内筒の回転角速度、ωｃはテイラー渦流が発生する内筒の角速度、Ｒｉは内筒半径、Ｒ０は外筒半径、νは流体の動粘度である。
【請求項２】
さらに前記流路における下記式で表される軸方向レイノルズ数Ｒｅｚを０〜１５０に制御する工程を有することを特徴とする請求項１記載の粒子の分級方法。
Ｒｅｚ＝２（Ｒ０−Ｒi）＜ｕ＞／ν
ここで、＜ｕ＞は前記内筒を回転させないときの前記流路における流体の流れ方向の断面平均速度である。
【請求項３】
前記テイラー渦流の流れ方向の移動速度をｖｄ、前記内筒を回転させないときの前記流路における流体の断面平均速度を＜ｕ＞とするとき、ｖｄ／＜ｕ＞を０〜１．５の範囲に制御することを特徴とする請求項１記載の粒子の分級方法。
ここで、＜ｕ＞は前記内筒を回転させないときの前記流路における流体の流れ方向の断面平均速度である。
【請求項４】
前記テイラー渦流を発生させる工程において、前記テイラー渦流を前記流路中に２つ以上発生させることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の粒子の分級方法。
【請求項５】
前記流路内を流れる前記流体に、１０Ｈｚ以下の振動を与えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の粒子の分級方法。
【請求項６】
前記流路内を流れる前記流体に、１０-6ｍＷ／ｃｍ3以下のエネルギーを有する振動を与えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の粒子の分級方法。
【請求項７】
前記流体の供給流量速度を、前記回転レイノルズ数を制御した後の供給流量速度の−１００％〜＋１００％の範囲で変動させることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の粒子の分級方法。
【請求項８】
粒径の異なる複数の粒子を含む流体が、軸を中心に回転自在な内筒と、前記内筒が内部に設けられ且つ同軸の固定された外筒との間に形成される所定の間隙を有する流路を流れる際、前記内筒を回転させ、前記流路内における流体を層流テイラー渦流から波動テイラー渦流までのものとなるように制御することにより、前記流体中に混合促進領域と孤立混合領域とを有するテイラー渦流を発生させる工程と、
前記テイラー渦流により前記粒子を分級し、かつ、前記流体の供給及び分級した前記粒子の回収を行う工程とを有することを特徴とする粒子の分級方法。
【請求項９】
軸を中心に回転自在な内筒と、前記内筒が内部に配置され、前記内筒に対し同軸かつ所定の間隙を有して設けられた固定された外筒とを備える流体に含まれた粒径の異なる複数の粒子を分級する分級装置であって、
下記式の関係を満たすように前記内筒を回転させて、混合促進領域と孤立混合領域とを有するテイラー渦流を発生させ、前記内筒と前記外筒との間隙に流された前記粒子を分級することを特徴とする分級装置。
Ｔａ＝｛Ｒｉω（Ｒ０−Ｒi）／ν｝｛（Ｒ０−Ｒi）／Ｒi｝0.5
＝Ｒｅ｛（Ｒ０−Ｒi）／Ｒi｝0.5
Ｔａｃ＝｛Ｒiωｃ（Ｒ０−Ｒi）／ν｝｛（Ｒ０−Ｒi）／Ｒi｝0.5
＝Ｒｅｃ｛（Ｒ０−Ｒi）／Ｒi｝0.5
１≦Ｔａ／Ｔａｃ＝Ｒｅ／Ｒｅｃ＝ω／ωｃ＜２５
ここで、Ｔａは流路におけるテイラー数、Ｔａｃは流路における臨界テイラー数、Ｒｅは流路における回転レイノルズ数、Ｒｅｃは流路における臨界回転レイノルズ数、ωは内筒の回転角速度、ωｃはテイラー渦流が発生する内筒の角速度、Ｒｉは内筒半径、Ｒ０は外筒半径、νは流体の動粘度である。
【請求項１０】
前記流路における下記式で表される軸方向レイノルズ数Ｒｅｚが０〜１５０となるように前記流体を流す流体供給装置をさらに備えている請求項９記載の粒子の分級装置。
Ｒｅｚ＝２（Ｒ０−Ｒi）＜ｕ＞／ν
ここで、＜ｕ＞は前記内筒を回転させないときの前記流路における流体の断面平均速度である。
【請求項１１】
前記液体供給装置が、前記テイラー渦流の流れ方向の移動速度をｖｄ、前記内筒を回転させないときの前記流路における流体の断面平均速度を＜ｕ＞とするとき、ｖｄ／＜ｕ＞を０〜１．５の範囲に制御するものであることを特徴とする請求項９記載の粒子の分級装置。
ここで、＜ｕ＞は前記内筒を回転させないときの前記流路における流体の断面平均速度である。
【請求項１２】
前記内筒が、その外側曲面において一端と多端とを結ぶ方向に等間隔かつ直線状に延設された長尺状突起物を有する請求項９〜１１のいずれか１項に記載の分級装置。
【請求項１３】
前記流路中の前記流体を振動させる振動装置を外筒側面又は／及び内外筒上下にさらに設けた請求項９〜１１のいずれか１項に記載の分級装置。
【請求項１４】
前記流路中の前記流体の供給量を時間的に変動させて脈動させるためのポンプが前記流路と連通して設けられている請求項９〜１１のいずれか１項に記載の分級装置。
【請求項１５】
軸を中心に回転自在な内筒と、前記内筒が内部に配置され、前記内筒に対し同軸かつ所定の間隙を有して設けられた固定された外筒とを備える流体に含まれた粒径の異なる複数の粒子を分級する分級装置であって、
前記流路内における流体を層流テイラー渦流から波動テイラー渦流までのものとなるように前記内筒を回転させて、混合促進領域と孤立混合領域とを有するテイラー渦流を発生させ、前記内筒と前記外筒との間隙に流された前記粒子を分級することを特徴とする分級装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒径が数μｍの粒子であっても連続的に分級できる粒子の分級方法及び分級装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、粒子の分級方法及び分級装置は公知となっている。例えば、下記特許文献１に開示されるものがある。この特許文献１は、遠心ローター内分離流路にて、分離対象とする微粒子試料を液相中において沈降速度法により分離する遠心分離方式を用いた微粒子分級方法であって、分離流路内で液相の溶液密度が遠心ローターの動径方向において連続的に変化する連続的密度勾配を形成させ、かつ、原材料の供給及び分級した微粒子の回収を完全連続方式により行うことを特徴とする微粒子分級方法と、この分級方法を用いた分級装置を開示している。
【特許文献１】特開２００４−３１４０６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１のものは、分離流路内で液相の溶液密度が遠心ローターの動径方向において連続的に変化する連続的密度勾配を形成させる必要があり、そのための装置（連続密度勾配形成器）が設けられている。しかし、このような方法及び装置では、上述した連続的密度勾配を形成させるという複雑な作業が必要であり、また、このような遠心分離方法を用いた分級装置を小型化することには一定の限界がある。
【０００４】
そこで、本発明の目的は、簡易な方法を用いて粒子を分級する方法と、連続運転可能な小型化した分級装置を提供することである。
【課題を解決するための手段及び効果】
【０００５】
本発明の粒子の分級方法は、粒径の異なる複数の粒子を含む流体が、軸を中心に回転自在な内筒と、前記内筒が内部に設けられ且つ同軸の固定された外筒との間に形成される所定の間隙を有する流路を流れる際、前記内筒を回転させ、前記流路内における流体を下記式の関係を満たすように制御することにより、前記流体中に混合促進領域と孤立混合領域とを有するテイラー渦流を発生させる工程と、前記テイラー渦流により前記粒子を分級し、かつ、前記流体の供給及び分級した前記粒子の回収を行う工程とを有することを特徴とする。
Ｔａ＝｛Ｒiω（Ｒ０−Ｒi）／ν｝｛（Ｒ０−Ｒi）／Ｒi｝0.5
＝Ｒｅ｛（Ｒ０−Ｒi）／Ｒi｝0.5
Ｔａｃ＝｛Ｒiωｃ（Ｒ０−Ｒi）／ν｝｛（Ｒ０−Ｒi）／Ｒi｝0.5
＝Ｒｅｃ｛（Ｒ０−Ｒi）／Ｒi｝0.5
１≦Ｔａ／Ｔａｃ＝Ｒｅ／Ｒｅｃ＝ω／ωｃ＜２５
ここで、Ｔａは流路におけるテイラー数、Ｔａｃは流路における臨界テイラー数、Ｒｅは流路における回転レイノルズ数、Ｒｅｃは流路における臨界回転レイノルズ数、ωは内筒の回転角速度、ωｃはテイラー渦流が発生する内筒の角速度、Ｒｉは内筒半径、Ｒ０は外筒半径、νは流体の動粘度である。なお、Ｔａ／Ｔａｃが１以下であればテイラー渦流が発生せず、２５以上であれば乱流が発生してしまうため上述のような範囲に制御する必要がある。なお、上記式の関係を示すように制御する代りに、テイラー渦流が、層流テイラー渦流から波動テイラー渦流（渦境界に発生する波運動が単一周期である状態のもの）までのものとなるように制御するものであってもよい。
【０００６】
上記構成によれば、孤立混合領域である渦の遠心力の効果により、孤立混合領域の渦の外周部に粒径の大きい粒子が多く存在し、内部中心に向かうに従い、粒径の小さい粒子が多く存在するという粒子分布を形成することができる。そして、流体を流路中に流しながら外周部から順番に粒子を回収するので、流体中の粒子を分級することができる。
【０００７】
なお、微粒子分級装置の多くは気−固系のいわゆる乾式の装置であるが、本発明に係る分級装置は、固−液系の湿式の装置であり、エマルション系に適用することも可能である。また、液相で用いられるアンドリアゼンピペットに代表される重力沈降法では分級に長時間を要するが、これらに比べ本発明に係る分級装置は短時間での分級が可能である。
【０００８】
本発明の粒子の分級方法は、前記流路における下記式で表される軸方向レイノルズ数Ｒｅｚを０〜１５０に制御する工程を有することが好ましい。
Ｒｅｚ＝２（Ｒ０−Ｒi）＜ｕ＞／ν
ここで、＜ｕ＞は前記内筒を回転させないときの前記流路における流体の流れ方向の断面平均速度である。
上記構成により、流体が移動しても、テイラー渦流を安定的に存在させることができるので、粒子の分級を安定的かつ連続的に行うことができる。
【０００９】
本発明の粒子の分級方法は、前記テイラー渦流の流れ方向の移動速度をｖｄ、前記内筒を回転させないときの前記流路における流体の断面平均速度を＜ｕ＞とするとき、ｖｄ／＜ｕ＞を０〜１．５の範囲に制御することが好ましい。
上記構成により、流体中の粒子の分級を安定的かつ連続的に行うことができる。
【００１０】
本発明の粒子の分級方法は、前記テイラー渦流を発生させる工程において、前記テイラー渦流を前記流路中に２つ以上発生させることが好ましい。
上記構成により、流体が移動しても、テイラー渦流を安定して存在させることができるので、粒子の分級を安定的に行うことができる。
【００１１】
本発明の粒子の分級方法は、前記流路内を流れる前記流体に、１０Ｈｚ以下の振動若しくは１０−６ｍＷ／ｃｍ３以下のエネルギーを有する振動を与えることが好ましい。または、前記流体の供給流量速度を、前記回転レイノルズ数を制御した後の供給流量速度の−１００％〜＋１００％の範囲で変動させることが好ましい。
上記構成により、流体に攪乱を与えるので、渦の外周部の物質移動の速い領域の大きさを制御することができる。したがって、例えば、その領域の大きさを大きくすることで、渦流中の粒径の大きい粒子から確実に回収することができる。この攪乱を与える方法としては、例えば、内筒に突起物をつけて内筒の回転時に攪乱を与えたり、外筒側面又は／及び内外筒上下等にスピーカー等を用いて圧力変動を与えたり、流体供給時に供給量を時間的に変動させて、流体に脈動を与えたりする方法が挙げられる。
【００１２】
本発明の粒子の分級装置は、軸を中心に回転自在な内筒と、前記内筒が内部に配置され、前記内筒に対し同軸かつ所定の間隙を有して設けられた固定された外筒とを備える流体に含まれた粒径の異なる複数の粒子を分級する分級装置であって、下記式の関係を満たすように前記内筒を回転させて、混合促進領域と孤立混合領域とを有するテイラー渦流を発生させ、前記内筒と前記外筒との間隙に流された前記粒子を分級することを特徴とする。
Ｔａ＝｛Ｒiω（Ｒ０−Ｒi）／ν｝｛（Ｒ０−Ｒi）／Ｒi｝0.5
＝Ｒｅ｛（Ｒ０−Ｒi）／Ｒi｝0.5
Ｔａｃ＝｛Ｒｉωｃ（Ｒ０−Ｒi）／ν｝｛（Ｒ０−Ｒi）／Ｒi｝0.5
＝Ｒｅｃ｛（Ｒ０−Ｒi）／Ｒi｝0.5
１≦Ｔａ／Ｔａｃ＝Ｒｅ／Ｒｅｃ＝ω／ωｃ＜２５
ここで、Ｔａは流路におけるテイラー数、Ｔａｃは流路における臨界テイラー数、Ｒｅは流路における回転レイノルズ数、Ｒｅｃは流路における臨界回転レイノルズ数、ωは内筒の回転角速度、ωｃはテイラー渦流が発生する内筒の角速度、Ｒｉは内筒半径、Ｒ０は外筒半径、νは流体の動粘度である。なお、Ｔａ／Ｔａｃが１以下であればテイラー渦流が発生せず、２５以上であれば乱流が発生してしまうため上述のような範囲に制御する必要がある。なお、上記式の関係を示すように制御する代りに、テイラー渦流が層流テイラー渦流から波動テイラー渦流までのものとなるように制御するものであってもよい。
【００１３】
上記構成によれば、孤立混合領域である渦の遠心力の効果により、孤立混合領域の渦の外周部に粒径の大きい粒子が多く存在し、内部中心に向かうに従い、粒径の小さい粒子が多く存在するという粒子分布を形成することができる。そして、流体を流路中に流しながら外周部から順番に粒子を回収するので、流体中の粒子を分級することができる。
【００１４】
本発明の粒子の分級装置は、前記流路における下記式で表される軸方向レイノルズ数Ｒｅｚが０〜１５０となるように前記流体を流す流体供給装置をさらに備えていることが好ましい。
Ｒｅｚ＝２（Ｒ０−Ｒi）＜ｕ＞／ν
ここで、＜ｕ＞は前記内筒を回転させないときの前記流路における流体の流れ方向の断面平均速度である。
上記構成により、流体が移動しても、テイラー渦流を安定的に存在させることができるので、粒子の分級を安定的かつ連続的に行うことができる。
【００１５】
本発明の粒子の分級装置は、前記テイラー渦流の流れ方向の移動速度をｖｄ、前記内筒を回転させないときの前記流路における流体の断面平均速度を＜ｕ＞とするとき、ｖｄ／＜ｕ＞を０〜１．５の範囲に制御するものであることが好ましく、より好ましくは０〜１．０の範囲に制御することである。
上記構成により、流体中の粒子の分級を安定的かつ連続的に行うことができる。
【００１６】
本発明の粒子の分級装置は、前記内筒が、その外側曲面において一端と多端とを結ぶ方向に等間隔かつ直線状に延設された長尺状突起物を有することが好ましい。または、前記流路中の前記流体を振動させる振動装置を外筒側面又は／及び内外筒上下にさらに設けたものであることが好ましい。または、前記流路中の前記流体の供給量を時間的に変動させて脈動させるためのポンプが前記流路と連通して設けられていることが好ましい。
上記構成により、流体に攪乱を与えることができるので、渦の外周部の物質移動の速い領域の大きさを制御することができる。その結果、渦の孤立混合領域の大きさを制御することができる。したがって、例えば、その領域の大きさを大きくすることで、渦流中の粒径の大きい粒子から確実に回収することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図を用いて本発明の実施形態について説明する。まず、本実施形態の粒子の分級方法及び分級装置で用いるテイラー渦流の原理について説明する。図１は、テイラー渦流の発生原理を説明するための図である。
【００１８】
内円筒１と外円筒２とからなる共軸二重円筒の間隙に流体を満たし、内円筒１を角速度ωで回転させる。この角速度ωがある臨界値を超えると、図１に示すような円環状の渦３ａ（図１の断面部分において紙面上左回りの回転を有する）、３ｂ（図１の断面部分において紙面上右回りの回転を有する）が交互に軸方向に複数重なった層流テイラー渦流が生じる。
【００１９】
ここで、このテイラー渦流が発生する際の具体的な関係式を示す。テイラー数は、一般に、Ｔａ＝｛Ｒiω（Ｒ０−Ｒi）／ν｝｛（Ｒ０−Ｒi）／Ｒi｝0.5＝Ｒｅ｛（Ｒ０−Ｒi）／Ｒi｝0.5と定義される（Ｒｅは回転レイノルズ数）。したがって、テイラー渦流が発生する臨界テイラー数は、Ｔａｃ＝｛Ｒiωｃ（Ｒ０−Ｒi）／ν｝｛（Ｒ０−Ｒi）／Ｒi｝0.5＝Ｒｅｃ｛（Ｒ０−Ｒi）／Ｒi｝0.5と示される。この臨界テイラー数Ｔａｃは、η＝Ｒi／Ｒ０によって決定される（Ｔａｃとηとの関係は図１０を参照）。ここで、ωｃはテイラー渦流が発生する内円筒１の角速度、Ｒｅｃは臨界回転レイノルズ数、Ｒiは内円筒１の半径、Ｒ０は外円筒２の半径、νは流体の動粘度である。上述の各式から、テイラー数Ｔａ、臨界テイラー数Ｔａｃ、回転レイノルズ数Ｒｅ、臨界回転レイノルズ数Ｒｅｃ、内円筒１の回転角速度ω、及びテイラー渦流が発生する内円筒１の角速度ωｃの関係は、Ｔａ／Ｔａｃ＝Ｒｅ／Ｒｅｃ＝ω／ωｃと整理されることは明白である。
【００２０】
なお、安定したテイラー渦流を発生させるためには、１≦Ｔａ／Ｔａｃ＝Ｒｅ／Ｒｅｃ＝ω／ωｃ＜２５と制御する必要がある。なぜなら、Ｔａ／Ｔａｃが１以下であればテイラー渦流が発生せず、２５以上であれば乱流が発生してしまい、粒子を分級するための孤立混合領域が消失してしまうためである。なお、上記式の関係を示すように制御する代りに、テイラー渦流が層流テイラー渦流から波動テイラー渦流までのものとなるように制御するものであってもよい。
【００２１】
上述のように制御され、内円筒１の角速度が比較的小さいときに生じるテイラー渦流の状態では、一個の独立した渦３ａ内での混合は、その回転流により促進され、隣り合う渦３ｂ、５ｂとの間の物質移動は抑制されることとなる。また、適度な軸方向の流れを付加するだけであれば、渦３ａ、３ｂや渦対３、４、５は崩壊することなく移動する。この現象は、渦３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂ、それぞれが独立した攪拌槽とみなされ、これらが軸方向に移動することになるので、理想的な管型流れを有すると考えられる。
【００２２】
しかし、この状態の流体にわずかな振動（例えば、内円筒１を回転させるためのモータの振動）が加わると、渦３ａ、３ｂ間にバイパス流れを生じさせ、渦３ａ、３ｂ周辺部では軸方向に急速に物質移動が起こることが確認された。一方、このような状態となっても、渦３ａ、３ｂの内部の流体要素は、渦３ａ、３ｂ内の領域に閉じ込められ、結果として２つの明確な領域（孤立混合領域６、混合促進領域７）に分かれることもわかった（図２参照）。なお、孤立混合領域６とは、図２に示すように、渦３ａの内部領域のことをいい、混合促進領域７とは、図２に示すように、渦３ａ、３ｂ間の領域（点線周辺部）のことをいう。
【００２３】
また、粒子はその径の大きさにより、渦３ａ、３ｂ内において存在する位置が異なることが分かった。具体的には、渦３ａ、３ｂの遠心力の効果により、粒径の大きな粒子は渦３ａ、３ｂの外周部に多く存在し、小さい粒子は渦３ａ、３ｂの内側に向かうにしたがって多く存在するような粒子分布となる。
【００２４】
本発明の実施形態に係る粒子の分級方法及び分級装置においては、上述のようなテイラー渦流の現象を利用したものである。つまり、上述のような粒子分布を有する渦３ａ、３ｂにおいて、その外周部の粒径の大きな粒子から順に回収していけば、粒子を分級することができるものである。以下では、具体的な本発明の実施形態に係る粒子の分級装置の説明をする。
【００２５】
＜第１実施形態＞
図３は、本発明の第１実施形態に係る分級装置の主要部を示す断面図である。第１実施形態に係る分級装置１０は、内円筒１１（半径Ｒi）と外円筒１２（半径Ｒ０）とを備えてなる。
【００２６】
内円筒１１は、同軸の回転軸１５、１６によって鉛直方向に固定され、これら回転軸１５、１６とともに軸を中心に回転自在なものである。また、内円筒１１は、回転中に流体が漏れないように内円筒とリング状の部材１９ａ、１９ｂとの間にはシール（図示せず）がなされている。なお、蓋部１２ａはその中心に孔を有するリング状の部材であって、その孔には十分な間隙を有して回転軸１５が挿入されている。
【００２７】
外円筒１２は、内円筒１１が内部に配置され、内円筒１１に対し同軸かつ所定の間隙ｄ（外円筒半径Ｒ０と内円筒半径Ｒiとの差）を有して設けられ、支持部材１３で一端の蓋部１２ａを基台１４側へ押し込むようにして固定されている。また、外円筒１２下部には、渦３ａ、３ｂ外側の大きい粒子を回収する回収管２１が外部に向かって設けられている。なお、回収管２１は、外円筒１２との接続部分において弁（図示せず）を有しており、必要に応じて開閉可能となっていて、外部に設けられたポンプ（図示せず）と接続されている。弁の開放時にこのポンプによって、テイラー渦流の外側部の粒子を吸引し、回収する。
【００２８】
なお、これら内円筒１１、外円筒１２間には、流体が流れる流路が形成されており、この流路の上部には流体を供給するための供給管１７が、下部には流体を排出するための排出管１８がそれぞれ連通するように設けられている。供給管１７は、蓋部１２ａの側面から部材中を途中まで貫通し、その途中から内円筒１１と外円筒１２との間の流路と連通するように下面方向に貫通してなるものである。排出管１８は、基台１４の上面において、内円筒１１と外円筒１２との間の流路に接する部分から下方向へ途中まで貫通し、その途中から基台１４の側面へ貫通してなるものである。なお、排出管１８には図示しない排出調整弁が外部に設けられている。
【００２９】
回転軸１５は、固定部材２０によって回転自在に固定されている。この固定部材は、壁や固定された柱等に固定されており、回転軸１５が回転しても移動しないように設けられている。これにより、内円筒１１は、軸を中心に安定した回転運動を行うことができる。
【００３０】
回転軸１６は、その下部において図示しないモータと連結されており、このモータによって軸を中心に回転させられるものである。
【００３１】
次に、分級装置１０の動作について説明する。まず、排出管１８に設けられている図示しない排出調整弁を閉じておいて、供給管１７から径の異なる粒子を含んだ流体を、内円筒１１と外円筒１２との間の流路に供給する。流路に流体を溜めた後、図示しないモータを作動させ、回転軸１６とともに回転軸１５及び内円筒１１を所定の角速度で回転させて、１≦Ｔａ／Ｔａｃ＝Ｒｅ／Ｒｅｃ＝ω／ωｃ＜２５となるように制御することにより、テイラー渦流を発生させる。また、Ｒｅｚ＝２（Ｒ０−Ｒi）＜ｕ＞／νで示される流路内の軸方向レイノルズ数を０〜１５０に図示しない流体供給装置により制御して、連続運転させる。ここで、＜ｕ＞は内円筒１１を回転させないときの前記流路における流体の流れ方向の断面平均速度である。このとき、図示しないモータの振動等が適度に流体に伝わっていれば、流体が攪乱され、図２を用いて説明した上述の孤立混合領域及び混合促進領域を有するテイラー渦流となり、径の大きい粒子を渦の外側に、径の小さい粒子を内側に分級することができる。その後、排出管１８に設けられている図示しない排出調整弁を開き、徐々に上記流体を供給管１７から流路へ所定量供給しつつ、テイラー渦流の流れ方向の移動速度をｖｄとするとき、ｖｄ／＜ｕ＞が０〜１．５の範囲になるように制御して内円筒１１の下方向に移動させ、排出管１８から排出する。このとき、図示しない弁が開かれた回収管２１に接続された外部ポンプ（図示せず）の吸引により、渦の外側に存在する径の大きい粒子は回収され、径の小さい粒子はそのまま排出管１８から排出されることとなる。
【００３２】
なお、流体に上記の攪乱を与えるには、例えば、内円筒１１にその外側曲面において一端と多端とを結ぶ方向に等間隔かつ直線状に延設された長尺状突起物（図５の例を参照）をつけ、この内円筒１１を回転させたり、外円筒１２側面又は／及び内円筒１１及び外円筒１２の上下等にスピーカー等を用いて圧力変動を与えたり、流体供給時に供給量を時間的に変動させて、流体に脈動を与えたりすることで、故意に行うこともできる。
【００３３】
なお、本実施形態の分級装置１０において、粒子の分級に影響を及ぼすものとしては、（１）渦の回転速度（遠心力）、（２）孤立混合領域及び混合促進領域の大きさ、（３）渦の移動速度、（４）流動状態が挙げられる。なお、流動状態は孤立混合領域及び混合促進領域の大きさに影響を及ぼす。
これら（１）〜（４）の項目を制御するための因子として、次のものが挙げられる。装置サイズ、内円筒１１の回転角速度、流体の動粘度、流体供給速度、必要に応じて流体に与えられる振動の強さと周期である。このうち、内円筒１１の回転角速度と流体の動粘度との関係については、無次元パラメータの上記テイラー数（回転レイノルズ数）で表される。図４にこれら制御因子と粒子の分級に影響を及ぼす項目（１）〜（４）との関係について示す。例えば、上記（１）〜（４）の項目を制御するには、円筒の実効長さＬと内円筒１１と外円筒１２との半径差（Ｒｉ−Ｒ０）との比Γ（＝Ｌ／（Ｒｉ−Ｒ０））が２以上であることが好ましく、必要に応じて振動を与える場合には、周期は１０Ｈｚ以下、又は１０−６ｍＷ／ｃｍ３以下のエネルギーのものが好ましい。流体供給速度については、上記段落（００２７）の分級装置１０の動作の部分で説明したように、ｖｄ／＜ｕ＞が０〜１．５の範囲になるように制御することが好ましい。また、流体供給速度を、テイラー数（回転レイノルズ数）を制御した後の供給流量速度の−１００％〜＋１００％の範囲で変動させることによって流体に攪乱を与え、渦の外周部の物質移動の速い領域の大きさを制御することもできる。
【００３４】
本実施形態によれば、上記のように流体の流れを制御することによって意図的に孤立混合領域である渦を作ることができる。この渦の遠心力の効果により、孤立混合領域の渦の外周部に粒径の大きい粒子が多く存在し、内部中心に向かうに従い、粒径の小さい粒子が多く存在するという粒子分布を形成することができる。そして、流体を流路中に流しながら外周部から順番に粒子を回収するので、流体中の粒子を連続的に確実に分級し、回収することができる。
【００３５】
また、上記所定の振動を故意に与える場合には、渦の外周部の物質移動の速い領域の大きさを制御することができる。その結果、渦の大きさを制御することができる。したがって、例えば、その領域の大きさを大きくすることで、渦流中の粒径の大きい粒子から確実に回収することができる。
【００３６】
なお、本実施形態の変形例として、回収管を外円筒１２の上下方向に複数並設しておいて、外側に分布する径の大きい粒子から径の小さい粒子へと段階的に回収していくこととしてもよい。
【００３７】
また、本実施形態の分級装置１０において、粒子が含まれる流体を下側から、つまり１８を供給口とし、２１と１７とを排出口として利用しても同様に粒子の分級をすることができる。
【００３８】
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態に係る分級装置について説明する。図６は、本発明の第２実施形態に係る分級装置の断面図である。第２実施形態に係る分級装置３０は、内筒３１と、外筒３２と、モータ３３と、上蓋３４と、下蓋３５とを備えてなる。
【００３９】
内筒３１は、上方に拡径している円錐角３２°以下の円錐台形状の筒である。その上下部には一体的に回転する同軸の回転軸３６、３７がそれぞれ設けられている。回転軸３６は、モータ３３と連結しており、モータ３３の回転運動を内筒３１に伝動するものである。
【００４０】
外筒３２は、内筒３１と所定の間隙ｄを有するように、内筒３１の外側曲面部に沿った内部曲面形状を有している筒である。また、外筒３２は、外筒３２の側面から内部に向かって連通し、図示しない弁が設けられている、流体の排出口３９、４０と流体の供給口３８とを有している。なお、供給口３８は外筒３２の上方、排出口３９は下方、排出口４０は供給口３８と排出口３９との間に設けられている。なお、排出口４０は、供給口３８と排出口３９との間において、その設ける位置を分級する粒子の大きさに応じて変更してもよい。
【００４１】
上蓋３４と下蓋３５とは、外筒３２の蓋部であるとともに、回転軸３６、３７を回転自在に支持する部材４１、４２、４３が固設された部材である。また、上蓋３４には、回転軸３６の下部で回転軸３６を回転自在に支持し、流体のリークを防止するためのシール部材４４と、流体を供給する際、内部の空気抜きをするための弁４５とを備える。また、下蓋３５は、回転軸３７の上部で回転軸３７を回転自在に支持し、流体のリークを防止するためのシール部材４６を備えている。
【００４２】
次に、分級装置３０の動作について説明する。まず、弁４５を開き、排出口３８、３９に設けられている図示しない弁を閉じておいて、供給口４０から径の異なる粒子を含んだ流体を、内筒３１と外筒３２との間の流路に供給する。流路に流体を溜めた後、モータ３３を作動させ、回転軸３６とともに回転軸３７及び内筒３１を所定の角速度で回転させて、１≦Ｔａ／Ｔａｃ＝Ｒｅ／Ｒｅｃ＝ω／ωｃ＜２５となるように制御することにより、テイラー渦流５１ａ、５１ｂを発生させる（図７参照）。なお、テイラー渦流５１ａ、５１ｂはそれぞれ形状が異なっているが、この流れは内筒３１が円錐形状のため遠心力が軸方向により異なるので、このような形状となることがある。したがって、これらテイラー渦流５１ａ、５１ｂは、テイラー渦流の例の一つである。また、Ｒｅｚ＝２（Ｒ０−Ｒi）＜ｕ＞／νで示される流路内の軸方向レイノルズ数を０〜１５０に図示しない流体供給装置により制御することによって、連続運転させる。ここで、＜ｕ＞は内筒３１を回転させないときの前記流路における流体の流れ方向の断面平均速度である。このとき、モータ３３の振動等が適度に流体に伝わっていれば、流体が攪乱され、孤立混合領域及び混合促進領域を有するテイラー渦流となり、径の大きい粒子を渦の外側に、径の小さい粒子を内側に分級することができる。その後、排出口４０に設けられている図示しない排出調整弁を開き、徐々に上記流体を供給口３８から流路へ所定量供給しつつ、テイラー渦流の流れ方向の移動速度をｖｄとするとき、ｖｄ／＜ｕ＞が０〜１．５の範囲になるように制御して、流体を流路に沿って下側へ移動させ、排出口４０から排出する。このとき、回収口４０に接続された外部ポンプ（図示せず）の吸引により、渦の外側に存在する径の大きい粒子は回収され、径の小さい粒子はそのまま排出口３９から排出されることとなる。
【００４３】
なお、本実施形態の分級装置３０において、粒子の分級に影響を及ぼすもの及びその値の範囲としては、上記第１実施形態と同様であるが、テイラー数及び軸方向レイノルズ数の基準位置は、内筒３１の最下部である最小半径の円平面の高さ位置である。
【００４４】
本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００４５】
なお、本実施形態の分級装置３０においては、粒子が含まれる流体を下側から、つまり３９を供給口とし、４０と３８とを排出口として利用しても同様に粒子の分級をすることができる。
【００４６】
また、本実施形態では、内筒３１を上方に拡径するような円錐台形状としているが、下方に拡径するような円錐台形状であってもよい。その際、当然ながら、外筒３２は、内筒３１と所定の間隙ｄを有するように、内筒３１の外側曲面部に沿った内部曲面形状を有するように形成される。このような構成としても、第２実施形態の分級装置と同様の効果を得ることができる。なお、この場合のテイラー数及び軸方向レイノルズ数の基準位置は、内筒３１の最上部である最小半径の円平面の高さ位置である。
【実施例】
【００４７】
第１実施形態と同構成の分級装置を用いて、粒子を分級する実験を行った。以下に、具体的に説明する。
【００４８】
（実施例１：粒子径分布の時間変化）
図３に示す分級装置１０と同構成の分級装置の流路内にグリセリン溶液及び界面活性剤のみを入れ、流路内でテイラー渦流を発生させた状態にしておき、供給管１７から平均粒子径が４０μｍ（０．９ｇ）及び９０μｍ（５．１ｇ）のＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）粒子を混合したグリセリン水溶液をポンプにて流路内に投入した。一定時間経過ごと（２０分後及び４０分後）に、装置下部より混合された水溶液を採取し、マイクロスコープにて画像を撮影し、その画像に存在する粒子の粒子径を測定した。実験条件としては、平均滞留時間（流路体積を液体供給流量で割ったもので液体供給速度の逆数に相当）は２０分、軸方向レイノルズ数Ｒｅｚ＝１．６、内円筒の角速度は２．１ｒａｄ／ｓ、回転レイノルズ数Ｒｅは３３３（このとき、テイラー数Ｔａは２１１、臨界テイラー数Ｔａｃは５１、臨界レイノルズ数Ｒｅｃは８１であって、Ｔａ／Ｔａｃ＝Ｒｅ／Ｒｅｃ＝４．１）であり、流路中の流体には意図的な振動は与えていない。このときの実験結果を図８に示す。
【００４９】
図８を見ると、初期の粒子径分布と比較して、２０分では８０μｍ以上の大きな粒子の分布が多くなっている。これは、径の大きな粒子が渦外周部に多く存在し、バイパス効果（各渦の外周部において大きな粒子の受け渡しが行われ、受け渡された径の大きな粒子がさらに強制的にその渦の外周部を通り流されていくという効果）により早く回収口に到達したことを意味する。したがって、４０分後では外周部に存在していた大きな粒子はすでに排出・回収されてしまい、渦内部に存在する小さな粒子が回収口に遅れて到達するため、次に回収された粒子の粒子径分布は７０μｍ以下の粒子となっていることがわかる。
【００５０】
（実施例２：テイラー渦流の内外の粒子径分布の時間変化）
図３に示す分級装置１０と同構成の分級装置の流路内に、ＰＭＭＡ粒子（４０μｍ（０．２６ｇ）及び９０μｍ（４．５９ｇ）を混合）を懸濁させたグリセリン水溶液で満たし、渦を発生させ、装置下部側面より注射器で渦の外側及び内側の水溶液を採取し、マイクロスコープにて画像を撮影し、その画像に存在する粒子の粒子径を測定した。実験条件としては、平均滞留時間（流路体積を液体供給流量で割ったもので液体供給速度の逆数に相当）は４０分、軸方向レイノルズ数Ｒｅｚ＝０．８、内円筒の角速度は３．１ｒａｄ／ｓ、回転レイノルズ数Ｒｅは５００（このとき、テイラー数Ｔａは３１６、臨界テイラー数Ｔａｃは５１、臨界回転レイノルズ数Ｒｅｃは８１であって、Ｔａ／Ｔａｃ＝Ｒｅ／Ｒｅｃ＝６．２）であり、流路中の流体には意図的な振動は与えていない。このときの実験結果を図９に示す。
【００５１】
図９より、時間経過とともに、径の大きい粒子は渦の外側に移動し、バイパス効果により軸方向下側に移動していくため、大きい粒子がなくなっていくのがわかった。
【００５２】
したがって、実施例１、２から径の異なる粒子を容易に分級することができることが分かった。
【００５３】
（実施例３：Ｒｅ／Ｒｅｃの値の変化による分級効果の検証）
次に、図３に示す分級装置１０と同構成の分級装置の流路内に、ＰＭＭＡ粒子（４０μｍ（０．２６ｇ）、６０μｍ（０．８６ｇ）及び９０μｍ（２．９２ｇ）を混合）を懸濁させたグリセリン水溶液で満たし、Ｒｅ／Ｒｅｃ（回転レイノルズ数／臨界回転レイノルズ数）の変化と、流路内でのテイラー渦流の発生と、分級効果との関係を検証した。実験条件としては、平均滞留時間（＝装置内の流路体積／流量）は∞分（流量が０のため）、軸方向レイノルズ数Ｒｅｚ＝０、内円筒の角速度は２．１〜３２ｒａｄ／ｓとするとともに、下記表１の条件１〜６をそれぞれ設定し、このような５通りの条件下において検証した。なお、流路中の流体には意図的な振動は与えていない。また、この検証の各条件下において、アルミ箔片を微少量混入して流れを可視化し分級装置の流路を側面から撮影した写真を図１１（ａ）〜（ｆ）に示すとともに、表１には図１１から判断される結果と、図１１（ａ）〜（ｆ）の写真との対応関係も示した。
【００５４】
【表１】
2006239681.tif 000003
【００５５】
表１に示したように、条件２〜４においてはほぼ安定したテイラー渦流が発生し、分級効果が得られることがわかった。条件１ではテイラー渦流が発生せず、また、条件５、６では、弱い乱流波動テイラー渦流、乱流テイラー渦流がそれぞれ発生し、分級効果を得ることができないことがわかった。なお、表１の条件１におけるクエット流とは、渦が発生しない層流状態のことである。条件２における層流テイラー渦流とは、渦境界面に波運動が生じない渦流動のことである。条件３の波動テイラー渦流とは、渦境界に単一周期の波運動が生じる渦流動のことである。条件４における準周期性（二重周期性）波動テイラー渦流とは、渦境界に二つの周期波動が重ね合わされた波運動が生じる渦流動である。条件５における弱い乱流波動テイラー渦流とは、渦境界の波運動が非周期的（カオス的）となる渦流動である。条件６における乱流テイラー渦流とは、渦境界の波運動は消滅し、渦全体に乱れが発生する渦流動のことである。
【００５６】
（実施例４：軸方向レイノルズ数の変化による分級効果の検証）
次に、図３に示す分級装置１０と同構成の分級装置の流路内に、ＰＭＭＡ粒子（４０μｍ（０．２６ｇ）、６０μｍ（０．８６ｇ）及び９０μｍ（２．９２ｇ）を混合）を懸濁させたグリセリン水溶液で満たし、軸方向レイノルズ数Ｒｅｚの変化と、流路内でのテイラー渦流の発生と、分級効果との関係を検証した。実験条件としては、平均滞留時間は１分〜５分、Ｒｅ／Ｒｅｃ＝２．７、内円筒の角速度は６．３ｒａｄ／ｓとするとともに、軸方向レイノルズ数Ｒｅｚが０、２．５、５、１０となる４つの条件下において検証した。なお、流路中の流体には意図的な振動は与えていない。また、この検証の各条件下において、アルミ箔片を微少量混入して流れを可視化し分級装置の流路を側面から撮影した写真を図１２（ａ）〜（ｄ）に示す。
【００５７】
図１２（ａ）〜（ｃ）から、上述の３つの条件全てにおいて、ほぼ安定したテイラー渦流が発生し、分級効果が得られていることがわかる。
【００５８】
（実施例５：ｖｄ／＜ｕ＞の変化による分級効果の検証）
次に、図３に示す分級装置１０と同構成の分級装置の流路内に、ＰＭＭＡ粒子（４０μｍ（０．２６ｇ）、６０μｍ（０．８６ｇ）及び９０μｍ（２．９２ｇ）を混合）を懸濁させたグリセリン水溶液で満たし、軸方向レイノルズ数Ｒｅｚの変化と、流路内でのテイラー渦流の発生と、分級効果との関係を検証した。実験条件としては、平均滞留時間は２４分〜∞、Ｒｅ／Ｒｅｃ＝９．９〜１３．１、内円筒の角速度は８．４〜９．６ｒａｄ／ｓとするとともに、ｖｄ／＜ｕ＞（テイラー渦流の流れ方向の移動速度／内筒を回転させないときの流路における流体の断面平均速度）が０、０．７９、１．４９となる３つの条件下において検証した。なお、流路中の流体には意図的な振動は与えていない。また、この検証の各条件下における分級状態を図１３（ａ）〜（ｃ）に示す。なお、図１３（ａ）〜（ｃ）中の「ｏｕｔ１」とは、図１４に示すように、例えば図１に示した渦３ａを用いると、外側渦３ａ１と内側渦３ａ２との間におけるテイラー渦流中心方向側に存在する領域３１のことである。「ｏｕｔ２」とは、外側渦３ａ１と内側渦３ａ２との間におけるテイラー渦流中心方向側と反対方向に存在する領域３２のことである。同様に「ｉｎ」とは、内側渦３３内の領域のことである。
【００５９】
図１３（ａ）〜（ｃ）から、上述の３つの条件全てにおいて、分級効果が得られていることがわかる。
【００６０】
なお、本発明は、特許請求の範囲を逸脱しない範囲で設計変更できるものであり、上記実施形態や実施例に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】テイラー渦流の発生原理を説明するための図である。
【図２】テイラー渦流の孤立混合領域と混合促進領域とを説明するための図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る分級装置の主要部を示す断面図である。
【図４】制御因子と粒子の分級に影響を及ぼす項目との関係を示す図である。
【図５】内円筒に設けられた長尺状突起物の例を示す図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る分級装置の断面図である。
【図７】図６の分級装置の作動時における流路の流体の状態を示す図である。
【図８】本発明の実施例１の実験結果を示すグラフである。
【図９】本発明の実施例２の実験結果を示すグラフである。
【図１０】流路における臨界テイラー数と、内筒と外筒との半径比との関係を示すグラフである。
【図１１】本発明の実施例３の実験結果を示す写真である。
【図１２】本発明の実施例４の実験結果を示す写真である。
【図１３】本発明の実施例５の実験結果を示すグラフである。
【図１４】本発明の実施例５の実験の説明に使用する図である。
【符号の説明】
【００６２】
１、１１    内円筒
２、１２    外円筒
３ａ、３ｂ  渦
３、４     渦対
６         孤立混合領域
７         混合促進領域
１０、３０  分級装置
１２ａ     蓋部
１３       支持部材
１４       基台
１５、１６、３６、３７  回転軸
１７       供給管
１８       排出管
２０       固定部材
２１       回収管
３１       内筒
３２       外筒
３３       モータ
３４       上蓋
３５       下蓋
３８、３９  排出口
４０       供給口
４４、４６  シール部材
４５       弁
【図１】
2006239681.tif 000004
【図２】
2006239681.tif 000005
【図３】
2006239681.tif 000006
【図４】
2006239681.tif 000007
【図５】
2006239681.tif 000008
【図６】
2006239681.tif 000009
【図７】
2006239681.tif 000010
【図８】
2006239681.tif 000011
【図９】
2006239681.tif 000012
【図１０】
2006239681.tif 000013
【図１１】
2006239681.tif 000014
【図１２】
2006239681.tif 000015
【図１３】
2006239681.tif 000016
【図１４】
2006239681.tif 000017