JP2004330008A

JP2004330008A - マイクロチャンネル装置

Info

Publication number: JP2004330008A
Application number: JP2003126268A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Okawara; 真一大川原; Kohei Ogawa; 浩平小川; Yoshitomo Azuma; 良知東
Original assignee: Rikogaku Shinkokai
Current assignee: Rikogaku Shinkokai
Priority date: 2003-05-01
Filing date: 2003-05-01
Publication date: 2004-11-25

Abstract

【課題】懸濁液の供給量が微量であっても懸濁液内の微粒子を確実に分級・分離できるマイクロチャンネル装置を提供する。
【解決手段】懸濁液を取り込む入口ポート１６と、入口ポートに一端が取り付けられた湾曲形状の流路１３と、流路１３の下流側に取り付けられた複数の分岐流路１４，１５と、分岐流路１４，１５それぞれの下流側の一端に取り付けられ、湾曲形状の流路１３と分岐流路１４，１５を経た後の懸濁液を排出する複数の出口ポート１７，１８とを備える。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、懸濁液に含まれる微粒子の分級・分離操作に用いられるマイクロチャンネル装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ナノ・マイクロテクノロジーの進展に伴い、マイクロリアクターやマイクロ化学プラントなどの微小な装置が注目されている。この装置は、微粒子（固体微粒子やエマルションなど）を含む懸濁液の生成に用いられ、生成量が微量であるという点を特徴とする。この装置を以下の説明では「造粒装置」という。なお、微小な造粒装置では、物質や熱の移動速度の速さを利用して懸濁液を“微量生成”する。
【０００３】
また、上記の微小な造粒装置で生成された懸濁液内の微粒子を製品として取り出すためには、分級（同じ種類のものを大きさで分ける）・分離（種類と大きさの異なるものを分ける）などの操作が必要であり、このような操作を行う装置も造粒装置と同様にマイクロサイズであることが望まれる。
そこで、既存装置のサイクロンをミニチュア化することが検討された（例えば特許文献１を参照）。この小型サイクロンは、直径が１０ｍｍであり、装置内で発生させた大きな遠心力を利用して微粒子の分級・分離操作を行う。
【０００４】
【特許文献１】
Ｃｉｌｌｅｒｓ，Ｊ．Ｊ．ＡｎｄＳ．Ｔ．ＬＨａｒｒｉｓｏｎ， ”ＴｈｅＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｍｉｎｉ−ｈｙｄｒｏｃｙｃｌｏｎｅｓｉｎｔｈｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆｙｅａｓｔｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎｓ”，ＴｈｅＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＪｏｕｒｎａｌ，６５，２１−２６（１９９７）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の小型サイクロンでは、装置内で大きな遠心力を発生させるために、大きな流量（例えば１５０ｌ／ｈ）が必要であった。つまり、多量の懸濁液サンプルが必要であった。このため、小型サイクロンへの懸濁液サンプルの供給量が少ないと、十分な遠心力を発生させることができず、結果として十分な分級・分離効果を得ることができない。
【０００６】
小型サイクロンによる分級・分離効果を高めるためには、微小な造粒装置（マイクロリアクターなど）を長時間稼働させて多量の懸濁液を生成しなければならず、微小な造粒装置の“微量生成”という特徴を生かすことができない。
本発明の目的は、懸濁液の供給量が微量であっても懸濁液内の微粒子を確実に分級・分離できるマイクロチャンネル装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載のマイクロチャンネル装置は、懸濁液を取り込む入口ポートと、前記入口ポートに一端が取り付けられた湾曲形状の流路と、前記流路の下流側に取り付けられた複数の分岐流路と、前記分岐流路それぞれの下流側の一端に取り付けられ、前記湾曲形状の流路と前記分岐流路を経た後の懸濁液を排出する複数の出口ポートとを備えたものである。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のマイクロチャンネル装置において、前記湾曲形状の流路が、円形状の一部分により構成されたものである。
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のマイクロチャンネル装置において、前記湾曲形状の流路は、断面積をＡ、曲率半径をＲとし、前記入口ポートに取り込まれる懸濁液の流量をＱとするとき、次の条件式を満足するものである。
【０００９】
（Ｑ／Ａ）^２／Ｒ＞９．８
請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３の何れか１項に記載のマイクロチャンネル装置において、前記湾曲形状の流路は、下流側に向かって流れる懸濁液にディーン渦が発生し得る長さを有するものである。
請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４の何れか１項に記載したマイクロチャンネル装置において、前記入口ポートと前記湾曲形状の流路と前記複数の分岐流路と前記複数の出口ポートとからなるユニットを複数備え、前記複数のユニットが、互いに並列接続されたものである。
【００１０】
請求項６に記載の発明は、請求項１から請求項４の何れか１項に記載したマイクロチャンネル装置において、前記入口ポートと前記湾曲形状の流路と前記複数の分岐流路と前記複数の出口ポートとからなるユニットを複数備え、前記複数のユニットが、互いに直列接続されたものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１２】
本実施形態のマイクロチャンネル装置１０は、図１〜図６に示すように、２枚のアクリル板１１，１２の間に設けられたマイクロスケールの流路（１３〜１５）と、流路（１３〜１５）の上流側に取り付けられた１つの入口ポート１６と、下流側に取り付けられた２つの出口ポート１７，１８とで構成されている。
なお、図１はマイクロチャンネル装置１０を上方から見た図である。図２，図３は図１の点線枠１０Ａ，１０Ｂの拡大図である。図４，図５は図１のＡ−Ａ断面図，Ｂ−Ｂ断面図である。図６はマイクロチャンネル装置１０の使用形態を示す概略図である。
【００１３】
アクリル板１１，１２は、複数の貫通孔２１を介して、例えばＭ８のステンレスボルトナット２２によりシールされている（図５）。アクリル板１１，１２の大きさは、例えば一辺が１０ｃｍである。アクリル板１１の厚さは例えば２ｃｍである。アクリル板１２の厚さは例えば１ｃｍである。なお、アクリル板１１，１２のシールには、ボルトナット２２による締め付けの他、接着や接合（融着）によるシール法を用いても構わない。
【００１４】
流路（１３〜１５）は、アクリル板１１の表面にストレートエンドミル（例えば径２００μｍ）を用いて切削したものである。流路（１３〜１５）の断面は、矩形状である（図４，図５）。流路（１３〜１５）の形成には、ストレートエンドミルによる機械的な切削方法の他、エッチング法や、レーザによる微細加工を用いても構わない。
【００１５】
また、流路（１３〜１５）は、上流側が円弧状であり、下流側で２つに分岐している。以下の説明では、上流側の円弧状の部分１３を「円弧状流路１３」、下流側で内側に分岐した後の直線部分１４を「内側分岐流路１４」、下流側で外側に分岐した後の直線部分１５を「外側分岐流路１５」という。内側とは曲率中心側に対応し、外側は曲率中心とは反対側に対応する。
【００１６】
円弧状流路１３は、曲率半径が約２ｃｍの半円状の流路である。円弧状流路１３の断面は、図４に示す幅Ｃが約２００μｍ、深さＤが約１７０μｍである。円弧状流路１３の上流側の一端には、入口ポート１６が取り付けられている（図１，図５）。
内側分岐流路１４は、断面の幅および深さが円弧状流路１３と同じである。内側分岐流路１４の下流側の一端には、出口ポート１７が取り付けられている（図１，図５）。
【００１７】
外側分岐流路１５は、断面の幅が下流側で円弧状流路１３，内側分岐流路１４の２倍になっている（図３）。外側分岐流路１５の深さは、円弧状流路１３，内側分岐流路１４と同じである。外側分岐流路１５の下流側の一端には、出口ポート１８が設けられている（図１，図５）。
入口ポート１６は、アクリル板１１に設けられた貫通孔（例えば径５．５ｍｍ）である。入口ポート１６には、アクリル板１１の裏面側にネジ式で嵌め込んだコネクター３１を介してチューブ３４（例えば径４ｍｍ）が取り付けられ、このチューブ３４にはマイクロフィーダ３７が取り付けられている。マイクロフィーダ３７内の懸濁液は、チューブ３４を通過した後、入口ポート１６から内部に取り込まれる。
【００１８】
出口ポート１７は、アクリル板１１に設けられた貫通孔（例えば径５．５ｍｍ）である。出口ポート１７には、アクリル板１１の裏面側にネジ式で嵌め込んだコネクター３２を介してチューブ３５（例えば径４ｍｍ）が取り付けられる。このチューブ３５の先端は、サンプル瓶３８の中に入っている。
同様に、出口ポート１８は、アクリル板１１に設けられた貫通孔（例えば径５．５ｍｍ）である。出口ポート１８には、アクリル板１１の裏面側にネジ式で嵌め込んだコネクター３３を介してチューブ３６（例えば径４ｍｍ）が取り付けられる。このチューブ３６の先端は、サンプル瓶３９の中に入っている。
【００１９】
上記構成のマイクロチャンネル装置１０において、入口ポート１６から内部に取り込まれた懸濁液は、円弧状流路１３を通過した後、内側分岐流路１４と外側分岐流路１５に分かれて進行する。ちなみに、円弧状流路１３の内側を通過する懸濁液が内側分岐流路１４に流れ込み、外側を通過する懸濁液が外側分岐流路１５に流れ込む。
【００２０】
本実施形態のマイクロチャンネル装置１０では、図３に示すように、外側分岐流路１５の断面の幅を下流側で内側分岐流路１４の２倍とし、外側分岐流路１５の断面の面積を内側分岐流路１４の２倍とした。このため、外側分岐流路１５に流れ込む懸濁液の流量を、内側分岐流路１４に流れ込む懸濁液の流量の約２倍とすることができる。
【００２１】
この場合、図７に示すように、円弧状流路１３の最下流地点（内側分岐流路１４，外側分岐流路１５への分岐地点）では、断面のうち内側の約１／３の面積を占める領域Ｅの中の懸濁液が内側分岐流路１４に流れ込み、外側の約２／３の面積を占める領域Ｆの中の懸濁液が外側分岐流路１５に流れ込むことになる。
【００２２】
そして、内側分岐流路１４を通過した後の懸濁液は、出口ポート１７から排出され、チューブ３５を介して内側のサンプル瓶３８に流れ込む。また、外側分岐流路１５を通過した後の懸濁液は、出口ポート１８から排出され、チューブ３６を介して外側のサンプル瓶３９に流れ込む。
次に、本実施形態のマイクロチャンネル装置１０による懸濁液内の微粒子の分級・分離操作について図８（Ａ）〜（Ｃ）を用いて説明する。ここでは、懸濁液内に大きさの異なる２種類の微粒子が含まれているとして説明を行う。微粒子は、固体微粒子やエマルション（液滴）、動物細胞、植物細胞、赤血球などである。
【００２３】
入口ポート１６から取り込まれた懸濁液は、円弧状流路１３の最上流地点において未だ遠心力を受けていない。このため、図８（Ａ）に示すように、大きさの異なる２種類の微粒子２５，２６は断面内で均一に分布している。
その後、これらの微粒子２５，２６は、円弧状流路１３に沿って円周方向に流れながら半径方向の外向きの遠心力Ｆ１を受け、図８（Ｂ）に示すように、全体的に外側面３Ａに寄っていく。ここで、円弧状流路１３は断面積が小さいため、微少量の流れ（極めて小さな流量）でも、微粒子２５，２６の流速は非常に大きくなる。さらに、円弧状流路１３の曲率半径も小さいため、非常に大きな遠心力Ｆ１が発生する。
【００２４】
概算を例示すると、一辺（図７のＣ，Ｄ）が２００μｍの円弧状流路１３に、懸濁液を６ｍｌ／ｍｉｎで送液すると、円弧状流路１３内での断面平均速度は２．５ｍ／ｓとなる。さらに、円弧状流路１３の曲率半径が２ｃｍの場合、遠心力Ｆ１は３１２．５ｍ／ｓ^２となる。またレイノルズ数は５００程度である（つまり層流状態）。
このように、円弧状流路１３の断面では非常に大きな遠心力Ｆ１が発生し、２種類の微粒子２５，２６は共に外側面３Ａに寄っていくが、ある地点よりも下流側の断面では、図８（Ｃ）に示すように、遠心力Ｆ１に起因した二次流、つまりディーン（Ｄｅａｎ）渦Ｆ２，Ｆ３が発達する。ディーン渦Ｆ２，Ｆ３は、断面内の上下に発達する一対の流れ場である。
【００２５】
ディーン渦Ｆ２，Ｆ３のうち上側の一方（Ｆ２）は、円弧状流路１３の中ほどを半径方向の外向きに流れて、外側面３Ａの近傍で上向きとなり、上壁面３Ｃの近傍で半径方向の内向きに流れて、内側面３Ｂの近傍で下向きとなる。すなわち、円弧状流路１３の断面の上側半分を巡回する。
同様に、ディーン渦Ｆ２，Ｆ３のうち下側の一方（Ｆ３）は、円弧状流路１３の中ほどを半径方向の外向きに流れて、外側面３Ａの近傍で下向きとなり、下壁面３Ｄの近くで半径方向の内向きに流れて、内側面３Ｂの近傍で上向きとなる。すなわち、円弧状流路１３の断面の下側半分を巡回する。
【００２６】
円弧状流路１３の断面にディーン渦Ｆ２，Ｆ３が発達すると、このディーン渦Ｆ２，Ｆ３の強さと遠心力Ｆ１のバランスによって次の現象が起きる。つまり、流れに乗りやすい小さな微粒子２５はディーン渦Ｆ２，Ｆ３と一緒に断面内を巡回して均一化し、大きな微粒子２６は流れに乗ることなく外側面３Ａの近くに偏在したままとなる。その結果、円弧状流路１３の断面の外側では、大きな微粒子２６の濃度が高くなり、内側では小さな微粒子２５の濃度が高くなる。
【００２７】
このため、図８（Ｃ）と同様の分布状態で円弧状流路１３の最下流地点（内側分岐流路１４，外側分岐流路１５への分岐地点）に到達した懸濁液は、小さな微粒子２５を多く含む内側部分（図７の領域Ｅの中の懸濁液）が内側分岐流路１４に流れ込み、大きな微粒子２６を多く含む外側部分（図７の領域Ｆの中の懸濁液）が外側分岐流路１５に流れ込むことになる。
【００２８】
そして、内側分岐流路１４を通過した後の懸濁液（小さな微粒子２５が多い）は、出口ポート１７から排出され、チューブ３５を介して内側のサンプル瓶３８に流れ込む。また、外側分岐流路１５を通過した後の懸濁液（大きな微粒子２６が多い）は、出口ポート１８から排出され、チューブ３６を介して外側のサンプル瓶３９に流れ込む。
【００２９】
したがって、本実施形態のマイクロチャンネル装置１０によれば、極めて小さな流量（例えば６ｍｌ／ｍｉｎ）でも、懸濁液内の微粒子を確実に分級・分離することができる。２種類の微粒子２５，２６の物質が同じ種類の場合には、図９に示すような分級（Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）操作が行われたことになる。また、２種類の微粒子２５，２６の物質が異なる種類の場合には、図１０に示すような分離（Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ）操作が行われたことになる。
【００３０】
次に、本実施形態のマイクロチャンネル装置１０による分級操作の具体的な実験例（図１１，図１２）を説明する。
ここでは、比重１．１９で最頻粒径（モード粒径）９μｍのアクリル粒子（綜研化学株式会社製商品名ＭＲ−１０ＨＧ）をイオン交換水に懸濁させた試料（０．０６ｗｔ％）を用意し、この懸濁液をレイノルズ（Ｒｅ）数の範囲１５０〜６００でマイクロフィーダ３７から入口ポート１６に送液した。懸濁液内に含まれる微粒子の径は、約１μｍ〜６０μｍの範囲で広く分布している（多分散系）。
【００３１】
そして、マイクロチャンネル装置１０の出口ポート１７，１８からサンプル瓶３８，３９の各々に流れ込んだ懸濁液について、微粒子の粒度分布（株式会社島津製商品名ＳＡＬＤ−２００ＶＥＲＭｏｄｅｌ−２）を測定した。例えばＲｅ数が６００の場合の測定結果は図１１の通りである。図１１は体積基準粒度分布を表している。
内側のサンプル瓶３８に流れ込んだ懸濁液の微粒子の粒度分布は、図１１の実線に示す通り、最頻粒径Ｄ_ＩＮが７．５μｍ程度である。外側のサンプル瓶３９に流れ込んだ懸濁液の微粒子の粒度分布は、図１１の点線に示すとおり、最頻粒径Ｄ_ＯＵＴが１３．４μｍ程度である。
【００３２】
つまり、内側のサンプル瓶３８には小さい微粒子（Ｄ_ＩＮ＝７．５μｍ程度）が流れ込み、外側のサンプル瓶３９には大きい微粒子（Ｄ_ＯＵＴ＝１３．４μｍ程度）が流れ込んだことが分かる。図１１の測定結果から、本実施形態のマイクロチャンネル装置１０による明確な分級効果が実証されたことになる。
【００３３】
さらに、外側のサンプル瓶３９での最頻粒径Ｄ_ＯＵＴと内側のサンプル瓶３８での最頻粒径Ｄ_ＩＮとの比（＝最頻粒径比Ｄ_ＯＵＴ／Ｄ_ＩＮ）を計算し、図１２に“◇”でプロットした。図１２の横軸は、Ｒｅ数である。図１２の“◇”は、最頻粒径比Ｄ_ＯＵＴ／Ｄ_ＩＮのＲｅ数に対する依存性を示している。
図１２の“◇”の測定結果から、最頻粒径比Ｄ_ＯＵＴ／Ｄ_ＩＮは、Ｒｅ数の変化に拘わらず同程度の値（１．３〜１．８）を示すことが分かった。これは、外側の最頻粒径Ｄ_ＯＵＴが内側の最頻粒径Ｄ_ＩＮの１．３〜１．８倍程度であり、マイクロチャンネル装置１０による明確な分級効果を表している。ちなみに、最頻粒径比Ｄ_ＯＵＴ／Ｄ_ＩＮの値が「１」のときは、内外のサンプル瓶３８，３９で最頻粒径が等しく、全く分級されなかったことになる。
【００３４】
このように、本実施形態のマイクロチャンネル装置１０によれば、極めて小さな流量で、Ｒｅ数を変えた場合（範囲１５０〜６００）でも、常に明確な分級効果を得ることができる（図１１，図１２◇参照）。
また、内外のサンプル瓶３８，３９に流れ込んだ各々の懸濁液について、その質量を測定した。内側のサンプル瓶３８内の懸濁液の質量を測定することにより、内側の出口ポート１７での流量Ｑ_ＩＮを求めることができる。同様に、外側のサンプル瓶３９内の懸濁液の質量を測定することにより、外側の出口ポート１８での流量Ｑ_ＯＵＴを求めることができる。
【００３５】
そして、外側の出口ポート１８での流量Ｑ_ＯＵＴと内側の出口ポート１７での流量Ｑ_ＩＮとの比（＝流量比Ｑ_ＯＵＴ／Ｑ_ＩＮ）を計算し、図１２に“○”でプロットした。図１２の“○”は、流量比Ｑ_ＯＵＴ／Ｑ_ＩＮのＲｅ数に対する依存性を示している。この測定結果から、Ｒｅ数の変化に拘わらず流量比Ｑ_ＯＵＴ／Ｑ_ＩＮが同程度の値（２．０〜２．５）を示すことが分かった。
【００３６】
さらに、内外のサンプル瓶３８，３９に流れ込んだ各々の懸濁液について、波長９００ｎｍにおける吸光度（ＡＰＥＬ，ＰＤ−３０３）の測定も行った。吸光度を測定することにより、各々の懸濁液の濃度を求めることができる。ちなみに、吸光度は濃度にほぼ比例する。
【００３７】
そして、外側のサンプル瓶３９での吸光度Ｉ_ＯＵＴと内側のサンプル瓶３８での吸光度Ｉ_ＩＮとの比（＝吸光度比Ｉ_ＯＵＴ／Ｉ_ＩＮ）を計算し、図１２に“□”でプロットした。図１２の“□”は、吸光度比Ｉ_ＯＵＴ／Ｉ_ＩＮのＲｅ数に対する依存性を示している。この測定結果から、Ｒｅ数の変化に拘わらず吸光度比Ｉ_ＯＵＴ／Ｉ_ＩＮが同程度の値（１．５〜２．０）を示すことが分かった。
【００３８】
図１２の“○”と“□”の測定結果は、図３で既に説明したように、外側分岐流路１５の断面の幅を内側分岐流路１４の２倍としたことに起因している。つまり、外側分岐流路１５の断面の幅が２倍であるため、内側のサンプル瓶３８と比較して外側のサンプル瓶３９から、流量Ｑ_ＯＵＴが２．０〜２．５倍で、濃度が１．５〜２．０倍の懸濁液を得ることができた。
【００３９】
この場合、外側のサンプル瓶３９に流れ込んだ微粒子の量（＝流量Ｑ_ＯＵＴ（２．０〜２．５倍）×濃度（１．５〜２．０倍））は、内側のサンプル瓶３８に流れ込んだ微粒子の量の３．０〜４．５倍程度である。つまり、内側と比較して外側から多量の微粒子を得ることができる。
なお、上記した図１１，図１２と同様の測定結果は、最頻粒径７μｍのアクリル粒子を含む懸濁液や最頻粒径２０μｍのアクリル粒子を含む懸濁液でも得ることができた。
【００４０】
上記したように、本実施形態のマイクロチャンネル装置１０によれば、入口ポート１６からの懸濁液の供給量が極めて微量であっても、懸濁液内の微粒子を確実に分級・分離することができる。
ただし、円弧状流路１５の断面積をＡ［ｍ^２］、曲率半径をＲ［ｍ］、入口ポート１６に取り込まれる懸濁液の流量をＱ［ｍ^３／ｓ］とするとき、次の条件式（１）を満足することが好ましい。条件式（１）を満足する場合、少なくとも重力以上の遠心力を発生させることができため、懸濁液内の微粒子を分級・分離できる。
【００４１】
（Ｑ／Ａ）^２／Ｒ＞９．８ …（１）
さらに、本実施形態のマイクロチャンネル装置１０によれば、懸濁液に遠心力Ｆ１とディーン渦Ｆ２，Ｆ３を発生させる流路（円弧状流路１３）を円形状の一部分により構成したため、流路（１３）を短く構成することができ、効率よく分級・分離できる。
【００４２】
また、本実施形態のマイクロチャンネル装置１０によれば、マイクロフィーダー３７から送液する懸濁液の流量に応じて、懸濁液内の微粒子の分級・分離精度を調整することができる。さらに、微粒子の径が異なる場合には、マイクロフィーダー３７からの流量により対応できる。すなわち、微粒子の径に応じて流量を調整することで、微粒子の径に拘わらず一定の精度で分級・分離を行うことができる。
【００４３】
また、本実施形態のマイクロチャンネル装置１０によれば、マイクロフィーダー３７からの流量を調整して、円弧状流路１３の断面にディーン渦Ｆ２，Ｆ３が発生しないようにする（またはディーン渦Ｆ２，Ｆ３を弱くする）ことで、図１３に示すように、懸濁液内の微粒子を濃縮することもできる（Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ）。この場合、外側分岐流路１５，出口ポート１８を介して外側のサンプル瓶３９から濃厚な懸濁液を得ることができる。
【００４４】
さらに、本実施形態のマイクロチャンネル装置１０は、図１４に示すように、マイクロリアクターやマイクロ化学プラントなどの微小な造粒装置４０の下流部分に直接接続することができる。この場合の造粒装置４０は、原料液４Ａ，４Ｂを各々の流路４１，４２を介して合流させるものである。そして造粒装置４０の流路４１，４２の合流地点に、マイクロチャンネル装置１０の円弧状流路１３の上流側の一端が取り付けられている。円弧状流路１３の中では、造粒装置４０からの原料液４Ａ，４Ｂにより懸濁液が生成され、その後、懸濁液内の微粒子が分級・分離される。この構成によれば、懸濁液の生成から微粒子の分級・分離までを連続的に処理可能なデッドスペース０のシステムを構築できる。
【００４５】
なお、上記した実施形態では、入口ポート１６と流路（１３〜１５）と出口ポート１７，１８からなるユニットを１つ備えたマイクロチャンネル装置１０の例を説明したが、本発明はこれに限定されない。
例えば図１５（Ａ），（Ｂ）に示すマイクロチャンネル装置４５のように、複数のユニット４６を厚さ方向に貼り合わせて並列接続してもよい。各々のユニット４６は、入口ポート１６どうしが連続的に形成され、出口ポート１７どうしが連続的に形成され、出口ポート１８どうしが連続的に形成されている。各々のユニット４６の流路（１３〜１５）は独立している。
【００４６】
上記構成のマイクロチャンネル装置４５では、共通の入口ポート１６から操作対象の懸濁液４７が取り込まれ、各ユニット４６の流路（１３〜１５）に分配される。そして、各ユニット４６の内側分岐流路１４を通過した後の懸濁液（小さい微粒子を多く含む）は、共通の出口ポート１７で合流して排出される。また、各ユニット４６の外側分岐流路１５を通過した後の懸濁液（大きい微粒子を多く含む）は、共通の出口ポート１８で合流して排出される。
【００４７】
このように、マイクロチャンネル装置４５によれば、多段並列操作が可能となり、懸濁液の処理量（流量）を増やすことができる（Ｎｕｍｂｅｒｉｎｇ−ｕｐ）。具体的にいうと、Ｎ段のユニット４６からなる場合、懸濁液の処理量をＮ倍に増やすことができる。このとき、装置の分級・分離性能がユニット数により変化することはない。つまり、分級・分離性能を一定に保ったまま、懸濁液の処理量を増やすことができる。
【００４８】
また、図１６（Ａ）〜（Ｃ）に示すマイクロチャンネル装置４８のように、入口ポート１６と出口ポート１７，１８を懸濁液の出し入れ面６Ａとは反対側の面６Ｂまで貫通させ、この面６Ｂから貫通孔（１６〜１８）にロッド５１〜５３を挿入するように構成することもできる。この場合、貫通孔（１６〜１８）内でのロッド５１〜５３の挿入長さＬ１，Ｌ２を等しくする必要がある。
【００４９】
マイクロチャンネル装置４８では、共通の入口ポート１６から懸濁液４７が取り込まれても、反対側の面６Ｂからロッド５１の先端までのユニット４６には懸濁液が流れ込まないため、分級・分離操作に供される稼働ユニット数をロッド５１〜５３の挿入長さＬ１，Ｌ２に応じて任意に調節することができる。
したがって、例えば１００段のユニット４６を重ねて構成したマイクロチャンネル装置４８の場合には、最大流量から最小流量までの範囲（１００段階）で懸濁液４７の流量が変化しても、その流量に応じてロッド５１〜５３の挿入長さＬ１，Ｌ２を調整し、稼働ユニット数を適切に設定することで、同じ分級・分離性能を維持できる。
【００５０】
また逆に、マイクロチャンネル装置４５，４８に取り込む懸濁液４７の流量をユニット数に拘わらず一定に保つ場合には、分級・分離性能を変えることができる。従来の小型サイクロンでは、流量を変えると性能（分級・分離できる粒子径）も変化してしまうが、上記の多段並列操作によれば、流量および性能のうち一方を一定に保ったまま他方を変えることが簡単に行える。
【００５１】
さらに、図１７に示すマイクロチャンネル装置５５のように、複数のユニット４６を厚さ方向に貼り合わせて直列接続してもよい。直列接続のため、隣り合うユニット４６どうしの向きは交互に左右反転させてある。また、隣り合うユニット４６のうち上流側（図中６Ｕの符号を付した）の外側の出力ポート１８は、下流側（図中６Ｄの符号を付した）の入力ポート１６に接続され、内側の出力ポート１７は各ユニット４６どうしで連続的に接続され、各ユニット４６の流路（１３〜１５）は独立している。
【００５２】
上記構成のマイクロチャンネル装置５５では、１段目の入口ポート１６から操作対象の懸濁液４７が取り込まれ、小さい微粒子を含む懸濁液が各段の内側分岐流路１４を介して内側の出口ポート１７に合流する。また、大きな微粒子を含む懸濁液は外側分岐流路１５を介して次の段の入口ポート１６に流れ込む。この多段直列操作によれば、小さい微粒子の除去性能が向上し、装置の分級・分離精度が向上する（直列ナンバリングアップ）。
【００５３】
また、図１５〜図１７のマイクロチャンネル装置４５，４８，５５のように、複数のユニット４６を貼り合わせてナンバリングアップする場合、各々のユニット４６に形成される流路がマイクロスケールの極めて浅いものである（例えば１７０μｍ）ため、各々のユニット４６を極めて薄くする（例えば１ｍｍ以下）ことができる。したがって、ナンバリングアップによる装置の大型化を回避することが可能となる。例えば１ｍｍのユニット４６を１００段重ねた場合でも、装置全体の厚さを１０ｃｍ程度に抑えることができる。
【００５４】
また、上記した実施形態では、円弧状流路１３の下流側に２つの分岐流路１４，１５を設けたが、分岐流路の数は３つ以上でもよい（図１８，図１９参照）。出口側の分岐流路の数に応じて、分級・分離の階数を調整することができる。
さらに、上記した実施形態では、円弧状流路１３を半円状としたが、本発明はこれに限らない。円弧状流路１３は、円形状の一部分（任意の長さ）により構成できる。ただし下流側に向かって流れる懸濁液にディーン渦が発生し得る長さを確保することが好ましい。また、円弧状流路１３の形状は、円形状に限らず、楕円形状や放物線形状など湾曲形状であれば何でも構わない。
【００５５】
また、上記した実施形態では、流路（１３〜１５）の断面形状を矩形状としたが、本発明はこれに限定されない。断面形状は、矩形以外（例えば円形）でもよい。断面のサイズは、十分な遠心力が得られるように、流路の少なくとも一辺が１ｍｍ以下であって断面積が十分に小さければ、任意に決めることができる。また、操作対象の懸濁液内の微粒子サイズに応じて断面のサイズを決めてもよい。
【００５６】
さらに、上記した実施形態では、外側分岐流路１５の幅を下流側で２倍にする例を説明したが、内側分岐流路１４と幅を等しくしてもよい。各分岐流路の幅に応じて、各分岐流路における流量の比を任意にコントロールすることにより、分級の性能を変えることができる。流量比のコントロール法には、各分岐流路の幅を変える以外、各分岐流路の長さを変える方法や、出口ポート１７，１８にかける圧力を調整する方法などが考えられる。前者の場合、分岐流路の長さに応じて圧力損失が大きくなり、結果として、長い分岐流路における流量を減らすことができる。後者の場合、高い圧力をかけた出口ポートに連なる分岐流路の流量を減らすことができる。
【００５７】
また、多分散系の懸濁液に限らず、実用上単分散とみなせるような極めて粒径の分布幅が小さい懸濁液にも、本発明を適用できる。
さらに、上記した実施形態では、２枚のアクリル板１１，１２の間にマイクロスケールの流路（１３〜１５）を設けたが、本発明はこれに限定されない。例えばガラスや各種高分子、シリコンウエハ、銅、ステンレスなど、他の材料からなる２枚の板部材の間に、同様のマイクロスケールの流路を設けてもよい。
【００５８】
また、上記した実施形態では、２枚の板部材のうち一方に溝を形成して、その溝を他方の板部材で蓋する例を説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば１枚の板部材の中に直接、３次元的な中空状の閉じた流路を形成しても良い。この場合、流路を確実にシールできるという利点がある。したがって、懸濁液の性質に起因して操作圧力が高い場合には、１枚の板部材の中に中空状の流路を形成することが好ましい。この形成には例えばマイクロ光造形法を用いることができる。
【００５９】
ただし、１枚の板部材の中に中空状の流路を形成すると、図１５〜図１７のマイクロチャンネル装置４５，４８，５５のように複数のユニット４６を貼り合わせる場合、装置の厚みという点で不利になる。このため、懸濁液の性質に起因して操作圧力が低い場合には、装置の大きさを優先してユニット４６の表面に溝を形成することが好ましい。
【００６０】
さらに、図１７のマイクロチャンネル装置５５（直列ナンバリングアップ）の変形例として、図２０のマイクロチャンネル装置６０のように構成することもできる。マイクロチャンネル装置６０では、前段の内側分岐流路の出口ポート１７と次段の入口ポート１６が接続される。この構成により、大きな微粒子を除去する性能が向上する。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、懸濁液の供給量が微量であっても懸濁液内の微粒子を確実に分級・分離できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】マイクロチャンネル装置１０の上面図である。
【図２】円弧状流路１３の拡大図である。
【図３】流路（１３〜１５）の分岐地点および外側分岐流路１５の拡大図である。
【図４】図１のＡＡ断面図である。
【図５】図１のＢＢ断面図である。
【図６】マイクロチャンネル装置１０にマイクロフィーダ３７とサンプル瓶３８，３９を取り付けた状態を示す図である。
【図７】円弧状流路１３から内側分岐流路１４と外側分岐流路１５に流れ込む懸濁液を説明する断面図である。
【図８】円弧状流路１３内で発生する遠心力Ｆ１とディーン渦Ｆ２，Ｆ３を説明する断面図である。
【図９】分級操作を説明する模式図である。
【図１０】分離操作を説明する模式図である。
【図１１】マイクロチャンネル装置１０による分級操作の具体的な測定結果である。
【図１２】マイクロチャンネル装置１０による分級操作の具体的な測定結果である。
【図１３】濃縮操作を説明する模式図である。
【図１４】微小な造粒装置４０との接続例を示す図である。
【図１５】多段並列操作が可能なマイクロチャンネル装置４５の外観構成を示す図（Ａ）、模式的な概略構成を示す図（Ｂ）である。
【図１６】多段並列操作が可能なマイクロチャンネル装置４８の概略構成図である。
【図１７】多段直列操作が可能なマイクロチャンネル装置５５の概略構成図である。
【図１８】分岐流路を３つ設けた場合の構成図である。
【図１９】分岐流路を４つ設けた場合の構成図である。
【図２０】マイクロチャンネル装置６０の概略構成図である。
【符号の説明】
１０マイクロチャンネル装置
１３円弧状流路
１４内側分岐流路
１５外側分岐流路
１６入口ポート
１７，１８出口ポート

Claims

懸濁液を取り込む入口ポートと、
前記入口ポートに一端が取り付けられた湾曲形状の流路と、
前記流路の下流側に取り付けられた複数の分岐流路と、
前記分岐流路それぞれの下流側の一端に取り付けられ、前記湾曲形状の流路と前記分岐流路を経た後の懸濁液を排出する複数の出口ポートとを備えた
ことを特徴とするマイクロチャンネル装置。
請求項１に記載のマイクロチャンネル装置において、
前記湾曲形状の流路は、円形状の一部分により構成される
ことを特徴とするマイクロチャンネル装置。
請求項２に記載のマイクロチャンネル装置において、
前記湾曲形状の流路は、断面積をＡ、曲率半径をＲとし、前記入口ポートに取り込まれる懸濁液の流量をＱとするとき、次の条件式を満足する
（Ｑ／Ａ）^２／Ｒ＞９．８
ことを特徴とするマイクロチャンネル装置。
請求項１から請求項３の何れか１項に記載のマイクロチャンネル装置において、
前記湾曲形状の流路は、下流側に向かって流れる懸濁液にディーン渦が発生し得る長さを有する
ことを特徴とするマイクロチャンネル装置。
請求項１から請求項４の何れか１項に記載したマイクロチャンネル装置において、
前記入口ポートと前記湾曲形状の流路と前記複数の分岐流路と前記複数の出口ポートとからなるユニットを複数備え、
前記複数のユニットは、互いに並列接続される
ことを特徴とするマイクロチャンネル装置。
請求項１から請求項４の何れか１項に記載したマイクロチャンネル装置において、
前記入口ポートと前記湾曲形状の流路と前記複数の分岐流路と前記複数の出口ポートとからなるユニットを複数備え、
前記複数のユニットは、互いに直列接続される
ことを特徴とするマイクロチャンネル装置。