粒子分離システム
【課題】粒子分離装置を改善する。
【解決手段】粒子分離システム４０は、並列に積み重ねられた複数の個別湾曲粒子分離装置３０と、複数の個別湾曲粒子分離装置３０の各々の入口に接続された１つの入口カプラー４２であって、その入口カプラー４２はそれら複数の個別湾曲粒子分離装置３０のすべての入口へ流体が入るように機能する入口カプラー４２と、複数の個別湾曲粒子分離装置３０の各々の対応する出口に接続された少なくとも２つの出口カプラー４４及び４６と、を備える。
【解決手段】粒子分離システム４０は、並列に積み重ねられた複数の個別湾曲粒子分離装置３０と、複数の個別湾曲粒子分離装置３０の各々の入口に接続された１つの入口カプラー４２であって、その入口カプラー４２はそれら複数の個別湾曲粒子分離装置３０のすべての入口へ流体が入るように機能する入口カプラー４２と、複数の個別湾曲粒子分離装置３０の各々の対応する出口に接続された少なくとも２つの出口カプラー４４及び４６と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜無し粒子分離のための装置又は方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ほぼ螺旋状又は湾曲状の構成を有する膜無し（membraneless）粒子分離装置が米国にて本願と同時係属している特許出願に記載されている。
【０００３】
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。
【０００４】
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、曲率半径が増大しつつ広がる螺旋状のチャネル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。他の構成を用いることもできる。別の形態では、装置は、例えば、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用いる。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ではチャネル＃１及び＃２とも表示している）、流体のための２つの出口を提供する。
【０００５】
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。この点で、入り口では均一に分散した粒子は、バンド（帯）ごとに分離されるか、又は流体の流れの一部分に位置するようになり、出口では、選ばれた粒子を含んだ第１の部分すなわちバンドと、そのような粒子が存在しない第２の部分とに分けられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−３００２８１号公報
【特許文献２】特開平６−６３４５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
異なる環境と選ばれた改良を取り入れるためのこれらの種類の装置を設計し、実装することが求められる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
１つの態様では、粒子分離システムは、積み重ねられた複数の個別の湾曲した粒子分離装置を備えており、それら粒子分離装置は互いに並列しており、１つの入口カプラーがそれら各粒子分離装置の入口に接続されており、その入口カプラーはそれら複数の個別の湾曲した粒子分離装置のすべての入口へ流体が入るように機能する。
【０００９】
他の態様では、湾曲した粒子分離装置は螺旋状の装置である。
【００１０】
他の態様では、湾曲した粒子分離装置は、当該装置の直径に沿った角距離で１８０度から３６０度の範囲にわたる湾曲した部分を備える。
【００１１】
他の態様では、粒子分離システムはフィードバック制御システムを備える。
【００１２】
他の態様では、フィードバック制御システムは、圧力、流量、バンドの幅、粘度、温度のうちの少なくとも１つに基づき粒子分離システムを制御するように機能する。
【００１３】
他の態様では、粒子分離システムは、前述の複数の積み重ねられた湾曲粒子分離装置に並列的に設けられた、第２の複数の積み重ねられた湾曲粒子分離装置を更に備える。
【００１４】
他の態様では、粒子分離システムは、入口マニフォールドと、ヘリカル螺旋状の構成をなすように配設され内部に流体を流す複数の分離チャネルであって互いに並列した複数の分離チャネルと、出口マニフォールドとを備える。
【００１５】
他の態様では、出口マニフォールドは前記複数のチャネルのそれぞれからの流体の流れを分離するように機能する部分を備える。
【００１６】
他の態様では、その部分は静的な環状(collar)の部分である。
【００１７】
他の態様では、その部分は実質的に円形の環状の部分である。
【００１８】
他の態様では、その部分は、流体の流れの分離を連続的に調整できるようにするための湾曲を有する。
【００１９】
他の態様では、その部分は、流体の流れの分離を段階的に調整できるようにするための離散的な段階状部分(step segments)を備える。
【００２０】
他の態様では、複数の分離チャネルは第１ステージ（第１層）と第２ステージ（第２層）とに配設されている。
【００２１】
他の態様では、第１ステージと第２ステージとは流体インバータ（反転器）により互いに対し隔てられている。
【００２２】
他の態様では、粒子分離システムはフィードバック制御システムを備える。
【００２３】
他の態様では、フィードバック制御システムは、圧力、流量、バンドの幅、粘度、温度のうちの少なくとも１つに基づき粒子分離システムを制御するように機能する。
【００２４】
他の態様では、粒子分離システムは入口本管(main)と出口本管とを備える。
【００２５】
他の態様では、粒子分離システムは、前記入口本管と前記出口本管とに接続された第２の装置を備える。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】螺旋状の粒子分離装置の例を示す図である。
【図２】実施の形態の一態様を示す図である。
【図３】実施の形態の一態様を示す図である。
【図４】実施の形態の一態様を示す図である。
【図５】実施の形態の一態様を示す図である。
【図６】実施の形態の一態様を示す図である。
【図７】実施の形態の一態様を示す図である。
【図８（ａ）】実施の形態の一態様を示す図である。
【図８（ｂ）】実施の形態の一態様を示す図である。
【図８（ｃ）】実施の形態の一態様を示す図である。
【図８（ｄ）】実施の形態の一態様を示す図である。
【図９（ａ）】実施の形態の一態様を示す図である。
【図９（ｂ）】実施の形態の一態様を示す図である。
【図１０（ａ）】実施の形態の一態様を示す図である。
【図１０（ｂ）】実施の形態の一態様を示す図である。
【図１１（ａ）】実施の形態の一態様を示す図である。
【図１１（ｂ）】実施の形態の一態様を示す図である。
【図１１（ｃ）】実施の形態の一態様を示す図である。
【図１２（ａ）】実施の形態の一態様を示す図である。
【図１２（ｂ）】実施の形態の一態様を示す図である。
【図１２（ｃ）】実施の形態の一態様を示す図である。
【図１３（ａ）】実施の形態の一態様を示す図である。
【図１３（ｂ）】実施の形態の一態様を示す図である。
【図１４（ａ）】実施の形態の一態様を示す図である。
【図１４（ｂ）】実施の形態の一態様を示す図である。
【図１４（ｃ）】実施の形態の一態様を示す図である。
【図１５】実施の形態の一態様を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
この実施の形態は、積み重ね（積層）された構成又は並列的な構成又はその両方の構成を持つ流体分離構造を構築するための、様々な流体的構造、実装、及び選ばれた製造技術に関連する。これらの熟慮されたシステムは、処理すべき流体（例えば液体）の効率的なインプット（投入）、及び改善された処理能力（スループット）を可能にし、更にいくつかの変形例では出力流体の調整可能かつ効率的な取り扱いを可能にする。
【００２８】
了解されるように、寸法やチャネルのアーキテクチャに基づきこれら装置の様々な変形を実現し得る。しかし、ここで記載した実施の形態は、微小規模（０から１０ミリリットル毎分）、小規模（１０から１０００ミリリットル毎分）、大規模（１から１０リットル毎分）の単一チャネル流量にわたって、広くスケーラブル（様々な規模に対応可能）となるであろうことを理解すべきである。
【００２９】
手頃な積層技術を利用した平面的な実施の形態を考慮した。この点では、１８０度から３６０の範囲にわたる（完全には螺旋状ではない）円弧は、横方向の流れパターンの発達（development）の一連の段階、定常状態の流れ速度の実現、及びいくつかの循環路が粒子を流体の流れの中の所望の位置へと押し流すための時間、を見込んでいる。ここに記載する他の平面的な実施の形態には、ヘリカル螺旋(helical spirals)が含まれる。
【００３０】
この実施の形態は、例えば、微小規模の応用ではＰＤＭＳなどの安価な材料により、小規模及び大規模の応用では安価なプラスチック（例えばアクリル、ルーサイト（Lucite:商標）、ポリカーボネートなど）により、製造することができる。実施の形態のいくつかについて選ばれた製造技術についても説明する。
【００３１】
更に、並列的な８チャネルのヘリカル螺旋状の実施形態により、素早い組み立てと分解が可能になる。このように熟慮された装置の注目すべき特徴には、流体を粒子を含む流れと廃液の流れとに分離する二分岐機構又は分離機構を含む便利な入口マニフォールド及び出口マニフォールドが含まれる。これらの実施形態は、非常に狭いバンドの粒子を更なる処理のために排出するよう機能する多段装置を許容する。他の並列構成の実施形態及びそのための製造技術も考慮した。また、フィードバック又は制御（又はその両方）のシステムを、以上に説明した様々な実施形態とともに実装してもよい。
【００３２】
さて、図２を参照して、単一平面螺旋状分離装置３０を説明する。装置３０は、入口３２と、少なくとも１つの湾曲状又は螺旋状（スパイラル）の部分３４と、出口３２を有する。この平面的な多重螺旋チャネル装置３０は、１つの形態では、例えば、プラスチックから切り出せばよい。プラスチックの種類は、例えば用途や当該装置が実装される環境などに応じて変わる。装置３０の１つのバリエーションでは、入口３２に近い装置３０の中心領域が除去され、後で説明する入口カプラーへのアクセスを可能にするようになっていてもよい。当該装置の螺旋部分３４は様々な形状を取り得る。例えば、螺旋部分３４は収縮状でも拡散状でもよい。更なる例として、例えば遠心力を増大させるように又は減少させるように、出口３６及び入口３２の位置を適用先に応じて入れ替えてもよい。
【００３３】
例えば装置３０やこの明細書中で説明される他の装置のような、流体内の粒子を分離するための個別の湾曲状又は螺旋状の分離装置の基本的な動作は、上に挙げた特許出願のなかの選ばれた部分に詳細に示されていることを理解すべきである（それら出願の明細書を参考のためにこの出願に組み込む）。したがって、そのような動作については、この明細書中で説明する実施形態の説明に資する程度の説明を除き、この明細書では説明しない。
【００３４】
図３にはシステム４０が代表的に示されており、システム４０は、Ｎ層の並列的な流体処理を可能にするために並列的に積層された複数の装置３０（図２に示される）を備えている。図３に更に代表的に示されているのが、入口カプラー４２である。この入口カプラー４２は、共通の供給源から全積層体の中の各装置３０へと入力される流体を供給するように構成されている。入口カプラー４２は様々な形態を取り得るが、１つの例では、入口カプラー４２は円筒状であり、複数のパーフォレーション（貫通穴）が形成されている。それらパーフォレーションは、システム４０内に積層された装置３０の入口に対応する。これに似た構成の出口カプラーを実装してもよい。２つの出口カプラー４４及び４６が代表例として示されているが、出口カプラーの数は積層された各装置のための出口路すなわち出口チャネルの数に基づき変えてもよい。入口カプラーは、例えば、外部のＡｌ（アルミニウム）プレートを通して最上部のチャネルのみに接続されていてもよい。すべての層に対する流体的な接続は、底部の層を除く上部の層のすべてに対しパンチ穴開けをすることにより達成すればよい。少なくとも２つの流体出口又は出口カプラー（符号４４及び４６で示した）を、最上部のプレートに対して同じ方法で接続してもよい。また、すべての入口及び出口を最下部のプレートに接続するようにしてもよい。
【００３５】
図４に示すように、システム５０は、スループットを増大させるために並列的な複数のチャネルを構成するように垂直に積層された複数の平面湾曲弧状セグメント５２（例えば部分的な弧状セグメント）を備える。この例では螺旋状装置の特性及び機能がこれら平面湾曲弧状セグメント５２にも当てはまるが、これら平面湾曲弧状セグメント５２は、いずれのセグメント５２についても完全なループではない。弧状セグメントすなわち湾曲部分５２は、入口５４と、湾曲状すなわち弧状の部分５６と、出口５８とを有する。図４に更に示されているのは、共通の供給源から図示された全ての個別の弧状セグメントへと流体を供給するように構成されている入口カプラー６０である。入口カプラーは様々な形態をとり得ることを理解されたい。一つの形態では、入口カプラーは円筒であり、各層の入口への複数のパーフォレーション又は１つの連続したスロット（細長い穴）を有する。図３のシステム４０と同様、システム５０は流体粒子分離のスループットを増大させる。少なくとも１つの出口カプラー（図示省略）を更に設けてもよい。出口カプラーは、例えば、図３又は図４の入口カプラーに似たものでよい。
【００３６】
図５には、積層された複数のチャネル（各々個別的に示すことはしていない）を備える他の平面湾曲構造７０が示される。湾曲構造７０は、入口７２（入口カプラーを含んでいてもよい）と、湾曲部分７４及び７６よ、少なくとも１つの出口７８及び７９とを備える。図示したように、ある粒子サイズ及び密度の粒子（例えば浮遊粒子）のような選ばれた粒子のための出口７８がある。出口７８は、湾曲部分７４と湾曲部分７６との間のカーブ（湾曲）の中ほどに位置する。第２のサイズ及び密度を持つ選ばれた粒子（例えば中性浮力粒子）のための第２の出口７９が、入口７２の反対側のカーブ端に位置している。概略的には、これら出口７８及び７９は、流体の流れから様々なサイズ及び密度の粒子を除去するのに用いることができる。上述と同様、少なくとも１つの出口カプラーを利用してもよい。
【００３７】
図６には、システム８０が示されている。システム８０は、図５に示したシステムと同様、並列的な処理によりスループットを増大させるための構成をなすように積層された複数の装置７０を備える。システム８０が幅を増大させた単一の装置７０を備えていてもよいことが理解されるべきである。もちろん、上述と同様に、入口カプラー及び／又は少なくとも１つの出口カプラーを当該システムに実装してもよい。なお、この明細書において「Ａ及び／又はＢ」という記述は、Ａ又はＢ又はその両方、のうちのいずれであってもよいことを示す。
【００３８】
図７にはシステム９０が示されている。システム９０は、図６のシステム８０を複数備える更なる実装例を表している。この設計は、システムのスペース要件及び／又はこの明細書で説明しているこれら実施形態が実装される環境に応じて有益である。特に、図示のように、それら湾曲した分離装置部分のすべてのための入口は、システム９０の構成の中央にある。これは、投入された流体の効率的な処理を可能とし、入口カプラー４１（図３）及び入口カプラー６０（図４）のような入口カプラーの利用により実現することができる。この例でも、１つ又は複数の出口カプラーを設けることができる。
【００３９】
図８（ａ）〜（ｄ）に示すように、図３，４，５，６及び７の積層的及び／又は並列的な実施形態は、様々な異なった技術により製造され得る。図８（ａ）〜（ｄ）は、この明細書に挙げた実施形態のうちの異なるいくつかの実施形態の様々な断面図を示している。これらの図はそれら実施形態を形作るのに用い得る製造方法を説明するものである。
【００４０】
図８（ａ）には、構成１００の断面図が示されている。この形態では、端部プレート１０６同士の間に形成されたチャンバの中に管１０２が配置されている。図示のように、それらチャンバは、プレート１０４及びスペーサー１０８により画定されている。この構成では、管１０２はプレート１０４同士の間に制御可能に押し込まれている。構成１００を実現するために。様々に異なる組み立て手順を用いることができる。同様に、様々に異なる材料を用いることができる。しかし、図８（ａ）の構成の一形態（及び図８（ｂ）〜（ｄ）の対応する例示要素）では、端部プレート１０６はアルミニウムで形成され、管１０２はタイゴン（Tygon:商標）材料により形成され、スペーサー１０８及びプレート１０４はプレキシグラス(Plexiglas:商標)などのプラスチックで形成される。
【００４１】
図８（ｂ）には、管１０２がプレート１１２の中に形成された空洞１１４の中に設けられ、スループット増大のために積層されている点を除けば類似している構造１１０が示されている。それらプレートには位置合わせ用の切り込み１１６が設けられている。プレート１１２には、プレキシグラス（商標）のようなプラスチック材料を含む適切な材料を用いればよい。
【００４２】
図８（ｃ）には管１０２がないシステム１２０が示されている。この例では、十分にシール（封止）された空洞１２４が基板１２２内に形成されており、その空洞１２４がスループット増大のために積み重ねられた複数の流体チャネルを形成する。最上部の空洞１２４をシールするキャップ層１２８も示されている。図８（ｂ）と同様、位置合わせ用の切れ込み１２６が設けられている。基板１２２と覆い用プレート１２８は適切な材料により形成されているが、少なくとも１つの形態では、それら要素はプレキシグラス（商標）などのプラスチック材料により形成されている。
【００４３】
図８（ｄ）を参照すると、システム１３０は壁部１３４とプレート１３６により画定された複数の螺旋状のトラック（路）を備えている。壁部１３４とプレート１３６は様々な形態をとり得る。しかし、１つの形態では、これらの構造はプラスチックで形成される。基本的には、構造１３４が形成され、複数の閉じたチャネル１３２を形成するために構造１３４の両側が薄板で覆われる。これら並列的な装置は支持及びスループットを改善するために積み重ねられる。図８（ａ）〜（ｃ）と同様、両端部は、例えばアルミニウムなどで形成されたプレートにより支持される。
【００４４】
図９（ａ）〜（ｂ）には更なる実施形態が示される。図９（ａ）に示されるように、装置２００は、ヘリカル螺旋構造をなす８個の並列的なチャネルを含んでいる。この実施形態は、図９（ｂ）の分解図、図１０（ａ）の断面図、及び図１０（ｂ）の端部キャップ及びマニフォールド構造に示されるように、素早く組み立て及び分解が可能である。
【００４５】
動作においては、流体は入口２０２を通って装置２００に入り、出口路２０４及び２０６を通って（分離されて）出て行く。上側流体マニフォールド２１０は、端部キャップ２１２にも受けられた半径方向について傾いたそれぞれ対応するスロットを通して、（チャネル２１４のような）８つの個別のチャネルに供給される。下側端部キャップ２１６は、各チャネルに対応して、複数のスロットと複数のシュート（滑り台状通路）２１７とを備える。出口マニフォールド２１８は、流体を粒子を含む流れと廃液の流れとに分離する二分岐構造として動作する内部リング２１９を備える。
【００４６】
チャネル２１４のような複数のチャネルにより形成されたヘリカル螺旋構造は、外部保護スリーブ２２０の中にはめ込まれる。１つの形態では、装置２００は、上部と下部のマニフォールド及び端部キャップの構造同士を反対方向に回転させることにより締め付けられることが理解されるであろう。この締め付けにより、ヘリカル螺旋同士が互いに対して押しつけられ、これにより個々の流れ断面の歪みを防ぎ、したがって、より薄くより安価な材料が使用できるとともに、スペースを更に削減することができる。個々のチャネルは、流れを止めるために、入口又は出口に個別の流れ制御手段を備えていてもよい。
【００４７】
設計はいくぶん自動クリーニング方式であり、０．１〜１９メートル毎秒の速度ではそのように動作するものの、並列的なチャネル群により１つのチャネルの目詰まりが進んだ場合に動作を続けるよう他のチャネルに活が入れられるので、冗長性がもたらされる。一定の分離速度を維持するよう流量を調整するために、フィードバックループの中にフローセンサを組み込んでもよい。更に、フラッシュミキサーなどのインライン式（ラインに組み込まれる）装置を上部マニフォールドに一体化してもよい。並列化の例示のために８つのチャネルを例示したが、いくつのチャネルを用いてもよい。
【００４８】
螺旋状のセパレータ（分離器）はすべての微粒子を、源水(source water)の質に応じて、すなわち微粒子の濃度とサイズの分布に応じて異なる幅のバンド（帯）へと集めることになる。螺旋状濃縮機のリアルタイムでの効率を最適化できるようにするために、調節可能な流れスプリッタ（分割器）を備えることが望ましい。
【００４９】
図１０（ａ）及び１０（ｂ）には、そのような流れスプリッタを備えた出口マニフォールド２１８が例示されている。このスプリット（分割）機構は、このあと図１１（ａ）〜（ｃ）との関連で説明するような様々な形態をとり得る。しかし、少なくとも１つの形態では、スプリッタは、流れが分割されることで一部分２２が第１の路を通って廃液として当該装置から出て行き、流れの一部分２２４が粒子を含んだ第２の路（すなわち粒子バンド）を通って当該装置から出て行くようにすることができる。
【００５０】
スプリッタは、自分の中心軸回りに回転することができるように、螺旋状分離装置２００に接続されている。８つの並列的なチャネルを持つ装置２００のためには、スプリッタは約４５度だけ回転することになる。スプリッタ壁の半径方向の変化の程度は、想定する源水の質に合わせて最適化することができる。例えば、源水の質がわずかしか変化しないと想定されるのならば、半径の変化が小さくても、幅の変化の範囲を捉えるのには十分である。水の質のバリエーションがより大きいのならば、半径の変化をより大きくすることが必要になるかもしれない。調整可能なスプリッタが手動で作動する場合、インライン型のメータその他のセンサからのフィードバックを利用してもよい。スプリッタを動作させる他の方法は、自動的なフィードバックループを用いることである。この方法では、チャネルの出口に光学センサを用いることで、バンドの幅を定常的に計測し、サーバ又はモータがスプリッタの最適設定をリアルタイムで調整するようにすることができる。同様に、ポンプのスピードやパワーを調整することにより流体速度のフィードバックを制御するためにフローセンサを用いて流量を監視してもよい。
【００５１】
図１１（ａ）〜１１（ｃ）には、出力流体マニフォールドの様々な形態が示されている。図１１（ａ）は静止型スプリッタを示している。この形態では、マニフォールド２１８にはスプリッタとして機能する実質的に円形の環状装置２１９を備えている。分割割合が２０：８０，３０：７０，・・・，８０：２０とあらかじめ設定された環状装置を交換可能に用いてもよい。図１１（ｂ）は、特注の湾曲での非線形的な制御のための連続的に調整可能な流れセパレータを示している.この形態では、マニフォールド２１８’には、流れを連続的に調整可能とするために戦略的に配置された湾曲部分と直線部分とを備える部分２１９’を備える。図１１（ｃ）は離散的な階段状の調整可能な流れセパレータデザインを示している.この形態では、マニフォールド２１８”は離散的に階段状に流れを調整可能にするために離散的な複数の段が形成された部分２１９”を備える。この形態では、１つの段から次の段へと一段ずつ遷移する。
【００５２】
スプリッタは、これらの形態又はその他の形態のうちのいずれの形態であっても、装置のマニフォールドを選ばれた方向に選ばれた角距離だけ回すことにより調整される。これによりチャネルの出口部分を横切るように分割（スプリッタ）機構を動かすことで、経路２２２と経路２２４との間の分割状態が変化するようにしてもよい。コンピュータにより制御されるモータにより調整を自動化してもよい。
【００５３】
図１２（ａ）及び（ｂ）は、図９（ａ）〜１１（ｃ）の実施形態の拡張を示しており、モジュール形式の８チャネル２段（ステージ）ヘリカル螺旋状の実施形態を例示している。この例には流れインバータ（反転器）が設けられている。流れインバータは円形プレート３２６及び３２８を備えている。これらプレートは、複数の螺旋状のチャネルに対応する複数のスロットを備える。流れインバータは、プレート３２６及び３２８内の対応するスロット同士を接続する通路３３０を備える。図１２（ａ）及び１２（ｂ）に示される例示的な実施形態では、流れの反転が流体の流れに起こり、存在するいかなる粒子のバンドもチャネルの一方の側から他方の側へと裏返され（反対側へと動かされ）、これにより粒子が圧縮される。これによりバンドが細くなる。図１２（ｂ）では、第１段３１４と第２螺旋段３１５とが示されている。上述した粒子バンドの裏返しを実現するために、第２螺旋段３１５は上下逆さまになっている。流れインバータ３１６はそれら第１段と第２段との間に設けられている。
【００５４】
反転プロセスの原理について更に説明するために、図１２（ｃ）を参照する。理解されるように、図１２（ｃ）の実施形態は、螺旋状装置が異なった構成であり、インバータ３１６のようなインバータ（反転器）構造が示されていない点で、図１２（ａ）及び（ｂ）の構造と異なっている。にもかかわらず、当業者なら理解されるように、この図を参照して説明する反転原理は、インバータ３１６の反転プロセスにも適用できる。図示のように、螺旋状装置３５０は，入口３１５、第１の湾曲部分すなわちステージ３５４、遷移部３５６、第２の湾曲部分すなわちステージ３５８、並びに出口３６０，３６２及び３６４を備えている。動作中は、流体は入口３５２で受け取られ、第１のステージ３５４を通って流れ、これにより粒子は分離され、ある形態ではチャネルの一方の側上に粒子は粒子バンドへと集められる。流体が遷移ポイント３５６を通過するのに伴って、バンド（すなわち分離された粒子）はチャネルの反対側へと裏返される。そして、第２のステージ３５８は粒子群の圧縮を続け、これにより更に圧縮され更に細くなった粒子バンドが形成される。
【００５５】
図１３（ａ）及び（ｂ）には、更なる実施形態が示されている。図１３（ａ）及び（ｂ）には、ここで説明する複数の実施形態に係る螺旋状装置６００が例示されている。この実施形態では、螺旋状装置６００はヘリカル螺旋形態をとっている。この点で、装置の螺旋本体部分６０４は、入口６０６と、第１の出口６０８と第２の出口６１０とを持つヘリカル螺旋構造を有する。この単一チャネルヘリカル構造は、コイル状スプリングの形状を持つ中空の「スリンキー(slinky)」タイプの装置に似ている。この装置は、部分ごとに射出成形技術を用いる方法などの様々な方法により製造することができる。それら部分は、使用される前に公知の加工処理により結合される。この装置を製造するための他の方法では、押し出し成形技術を用いてもよい。押し出し成形では、押し出されたプラスチックが外気により冷却されるか又は液体浴に浸され、所望の形態又は構造となるよう凝固される。ヘリカルコイルの形成は、押し出しマンドレル（心金）又はコイル形成用浴のどちらかの回転を制御することにより実現することができる。ショア「Ａ」硬さのＰＶＣ、高密度のポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン及びポリカーボネートなどの熱可塑性プラスチック(thermal plastics)など、異なる様々な材料を用いることができる。
【００５６】
図１３（ｂ）に示すように、ず１３（ａ）に示したような螺旋状装置は、システムのスループットを向上させるために並列配列することもできる。図示のように、すべての螺旋状装置６００は流体マニフォールドから入口本管６２０へと接続されており、それら装置６００の各々の第１の出口は第１出口本管６２２に接続されている。装置６００の第２の出口はそれぞれ第２出口本管６２４に接続されている。
【００５７】
図１４（ａ）〜１４（ｃ）には、垂直方向に積み重ねられた並列チャネルを持つ類似のシステムが示されている。図１４（ａ）の実施形態は、螺旋状に巻き付けられたような形状の装置である螺旋状装置７００が示されている。この装置は、入口７０６、第１出口７０８及び第２出口７１０を有する螺旋状の本体７０４を備える。このような装置は、ウェブ（巻き取り紙）状に供給されるＭｙｌａｒ（マイラー）（商標）のようなプラスチック（又は液体を通さない）材料の上にリブ構造を導入することにより製造してもよい。リブ構造は、急速硬化型エポキシ印刷技術を用いて形成すればよい。
【００５８】
図１３（ａ）及び１３（ｂ）に例示した実施形態の場合と同様、装置７００は、図１４（ｂ）に示すように、複数の装置７００が流体マニフォールドから入口本管７２０へと接続された１つのシステムを構成するように配列してもよい。同様に、それら装置の第１の出口ラインは１つの第１出口本管７２２へと接続されている。それら装置７００の第２の出口欄は第２出口本管７２４へと接続されている。
【００５９】
図１４（ｃ）から分かるように、本体７０４は、単一のチャネル１２１０で構成されていてもよいし、複数のチャネル１２１０〜１２２４を含んでいてもよい。もちろん、チャネルの数や形態はどのようなものであってもよい。
【００６０】
更に、この明細書にて記載又は考慮されたいかなる螺旋状又はその他の装置も、図１３（ａ）、１３（ｂ）、１４（ａ）、１４（ｂ）に示すように、カスケード（直列）的又は並列的に配列してもよい。それら実際に図示したものはあくまで例に過ぎない。この明細書にて考慮した装置を構成するには、適切な材料であればどのような材料を用いてもよい。
【００６１】
図１５には、フィードバック制御システム９００の例が示されている。図示のように、分離装置９０２（これら実施の形態にて記載又は考慮されたいかなる螺旋状又はその他の分離装置のいずれの形態をとってもよい）は、投入される流体９０４を受け取り、これを処理して廃液流れ９０６と微粒子流れ９０８とを形成する。上述から分かるように、システム９００は、圧力、バンドの幅、流量、温度及び粘度などのような様々なデータ項目を用いることができ、それらデータ項目はそれぞれ適切なセンサにより計測され得る。データはコントローラ９１０に供給され、コントローラ９１０は様々なアクチュエータ９２０を制御し、それらアクチュエータ９２０は装置９０２の性能を所望の方法で向上させるために機能する。
【符号の説明】
【００６２】
３０ 分離装置、３２ 入口、３４ 螺旋状の部分、３６ 出口、４０ 粒子分離システム、４２ 入口カプラー、４４，４６ 出口カプラー。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜無し粒子分離のための装置又は方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ほぼ螺旋状又は湾曲状の構成を有する膜無し（membraneless）粒子分離装置が米国にて本願と同時係属している特許出願に記載されている。
【０００３】
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。
【０００４】
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、曲率半径が増大しつつ広がる螺旋状のチャネル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。他の構成を用いることもできる。別の形態では、装置は、例えば、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用いる。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ではチャネル＃１及び＃２とも表示している）、流体のための２つの出口を提供する。
【０００５】
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。この点で、入り口では均一に分散した粒子は、バンド（帯）ごとに分離されるか、又は流体の流れの一部分に位置するようになり、出口では、選ばれた粒子を含んだ第１の部分すなわちバンドと、そのような粒子が存在しない第２の部分とに分けられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−３００２８１号公報
【特許文献２】特開平６−６３４５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
異なる環境と選ばれた改良を取り入れるためのこれらの種類の装置を設計し、実装することが求められる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
１つの態様では、粒子分離システムは、積み重ねられた複数の個別の湾曲した粒子分離装置を備えており、それら粒子分離装置は互いに並列しており、１つの入口カプラーがそれら各粒子分離装置の入口に接続されており、その入口カプラーはそれら複数の個別の湾曲した粒子分離装置のすべての入口へ流体が入るように機能する。
【０００９】
他の態様では、湾曲した粒子分離装置は螺旋状の装置である。
【００１０】
他の態様では、湾曲した粒子分離装置は、当該装置の直径に沿った角距離で１８０度から３６０度の範囲にわたる湾曲した部分を備える。
【００１１】
他の態様では、粒子分離システムはフィードバック制御システムを備える。
【００１２】
他の態様では、フィードバック制御システムは、圧力、流量、バンドの幅、粘度、温度のうちの少なくとも１つに基づき粒子分離システムを制御するように機能する。
【００１３】
他の態様では、粒子分離システムは、前述の複数の積み重ねられた湾曲粒子分離装置に並列的に設けられた、第２の複数の積み重ねられた湾曲粒子分離装置を更に備える。
【００１４】
他の態様では、粒子分離システムは、入口マニフォールドと、ヘリカル螺旋状の構成をなすように配設され内部に流体を流す複数の分離チャネルであって互いに並列した複数の分離チャネルと、出口マニフォールドとを備える。
【００１５】
他の態様では、出口マニフォールドは前記複数のチャネルのそれぞれからの流体の流れを分離するように機能する部分を備える。
【００１６】
他の態様では、その部分は静的な環状(collar)の部分である。
【００１７】
他の態様では、その部分は実質的に円形の環状の部分である。
【００１８】
他の態様では、その部分は、流体の流れの分離を連続的に調整できるようにするための湾曲を有する。
【００１９】
他の態様では、その部分は、流体の流れの分離を段階的に調整できるようにするための離散的な段階状部分(step segments)を備える。
【００２０】
他の態様では、複数の分離チャネルは第１ステージ（第１層）と第２ステージ（第２層）とに配設されている。
【００２１】
他の態様では、第１ステージと第２ステージとは流体インバータ（反転器）により互いに対し隔てられている。
【００２２】
他の態様では、粒子分離システムはフィードバック制御システムを備える。
【００２３】
他の態様では、フィードバック制御システムは、圧力、流量、バンドの幅、粘度、温度のうちの少なくとも１つに基づき粒子分離システムを制御するように機能する。
【００２４】
他の態様では、粒子分離システムは入口本管(main)と出口本管とを備える。
【００２５】
他の態様では、粒子分離システムは、前記入口本管と前記出口本管とに接続された第２の装置を備える。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】螺旋状の粒子分離装置の例を示す図である。
【図２】実施の形態の一態様を示す図である。
【図３】実施の形態の一態様を示す図である。
【図４】実施の形態の一態様を示す図である。
【図５】実施の形態の一態様を示す図である。
【図６】実施の形態の一態様を示す図である。
【図７】実施の形態の一態様を示す図である。
【図８（ａ）】実施の形態の一態様を示す図である。
【図８（ｂ）】実施の形態の一態様を示す図である。
【図８（ｃ）】実施の形態の一態様を示す図である。
【図８（ｄ）】実施の形態の一態様を示す図である。
【図９（ａ）】実施の形態の一態様を示す図である。
【図９（ｂ）】実施の形態の一態様を示す図である。
【図１０（ａ）】実施の形態の一態様を示す図である。
【図１０（ｂ）】実施の形態の一態様を示す図である。
【図１１（ａ）】実施の形態の一態様を示す図である。
【図１１（ｂ）】実施の形態の一態様を示す図である。
【図１１（ｃ）】実施の形態の一態様を示す図である。
【図１２（ａ）】実施の形態の一態様を示す図である。
【図１２（ｂ）】実施の形態の一態様を示す図である。
【図１２（ｃ）】実施の形態の一態様を示す図である。
【図１３（ａ）】実施の形態の一態様を示す図である。
【図１３（ｂ）】実施の形態の一態様を示す図である。
【図１４（ａ）】実施の形態の一態様を示す図である。
【図１４（ｂ）】実施の形態の一態様を示す図である。
【図１４（ｃ）】実施の形態の一態様を示す図である。
【図１５】実施の形態の一態様を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
この実施の形態は、積み重ね（積層）された構成又は並列的な構成又はその両方の構成を持つ流体分離構造を構築するための、様々な流体的構造、実装、及び選ばれた製造技術に関連する。これらの熟慮されたシステムは、処理すべき流体（例えば液体）の効率的なインプット（投入）、及び改善された処理能力（スループット）を可能にし、更にいくつかの変形例では出力流体の調整可能かつ効率的な取り扱いを可能にする。
【００２８】
了解されるように、寸法やチャネルのアーキテクチャに基づきこれら装置の様々な変形を実現し得る。しかし、ここで記載した実施の形態は、微小規模（０から１０ミリリットル毎分）、小規模（１０から１０００ミリリットル毎分）、大規模（１から１０リットル毎分）の単一チャネル流量にわたって、広くスケーラブル（様々な規模に対応可能）となるであろうことを理解すべきである。
【００２９】
手頃な積層技術を利用した平面的な実施の形態を考慮した。この点では、１８０度から３６０の範囲にわたる（完全には螺旋状ではない）円弧は、横方向の流れパターンの発達（development）の一連の段階、定常状態の流れ速度の実現、及びいくつかの循環路が粒子を流体の流れの中の所望の位置へと押し流すための時間、を見込んでいる。ここに記載する他の平面的な実施の形態には、ヘリカル螺旋(helical spirals)が含まれる。
【００３０】
この実施の形態は、例えば、微小規模の応用ではＰＤＭＳなどの安価な材料により、小規模及び大規模の応用では安価なプラスチック（例えばアクリル、ルーサイト（Lucite:商標）、ポリカーボネートなど）により、製造することができる。実施の形態のいくつかについて選ばれた製造技術についても説明する。
【００３１】
更に、並列的な８チャネルのヘリカル螺旋状の実施形態により、素早い組み立てと分解が可能になる。このように熟慮された装置の注目すべき特徴には、流体を粒子を含む流れと廃液の流れとに分離する二分岐機構又は分離機構を含む便利な入口マニフォールド及び出口マニフォールドが含まれる。これらの実施形態は、非常に狭いバンドの粒子を更なる処理のために排出するよう機能する多段装置を許容する。他の並列構成の実施形態及びそのための製造技術も考慮した。また、フィードバック又は制御（又はその両方）のシステムを、以上に説明した様々な実施形態とともに実装してもよい。
【００３２】
さて、図２を参照して、単一平面螺旋状分離装置３０を説明する。装置３０は、入口３２と、少なくとも１つの湾曲状又は螺旋状（スパイラル）の部分３４と、出口３２を有する。この平面的な多重螺旋チャネル装置３０は、１つの形態では、例えば、プラスチックから切り出せばよい。プラスチックの種類は、例えば用途や当該装置が実装される環境などに応じて変わる。装置３０の１つのバリエーションでは、入口３２に近い装置３０の中心領域が除去され、後で説明する入口カプラーへのアクセスを可能にするようになっていてもよい。当該装置の螺旋部分３４は様々な形状を取り得る。例えば、螺旋部分３４は収縮状でも拡散状でもよい。更なる例として、例えば遠心力を増大させるように又は減少させるように、出口３６及び入口３２の位置を適用先に応じて入れ替えてもよい。
【００３３】
例えば装置３０やこの明細書中で説明される他の装置のような、流体内の粒子を分離するための個別の湾曲状又は螺旋状の分離装置の基本的な動作は、上に挙げた特許出願のなかの選ばれた部分に詳細に示されていることを理解すべきである（それら出願の明細書を参考のためにこの出願に組み込む）。したがって、そのような動作については、この明細書中で説明する実施形態の説明に資する程度の説明を除き、この明細書では説明しない。
【００３４】
図３にはシステム４０が代表的に示されており、システム４０は、Ｎ層の並列的な流体処理を可能にするために並列的に積層された複数の装置３０（図２に示される）を備えている。図３に更に代表的に示されているのが、入口カプラー４２である。この入口カプラー４２は、共通の供給源から全積層体の中の各装置３０へと入力される流体を供給するように構成されている。入口カプラー４２は様々な形態を取り得るが、１つの例では、入口カプラー４２は円筒状であり、複数のパーフォレーション（貫通穴）が形成されている。それらパーフォレーションは、システム４０内に積層された装置３０の入口に対応する。これに似た構成の出口カプラーを実装してもよい。２つの出口カプラー４４及び４６が代表例として示されているが、出口カプラーの数は積層された各装置のための出口路すなわち出口チャネルの数に基づき変えてもよい。入口カプラーは、例えば、外部のＡｌ（アルミニウム）プレートを通して最上部のチャネルのみに接続されていてもよい。すべての層に対する流体的な接続は、底部の層を除く上部の層のすべてに対しパンチ穴開けをすることにより達成すればよい。少なくとも２つの流体出口又は出口カプラー（符号４４及び４６で示した）を、最上部のプレートに対して同じ方法で接続してもよい。また、すべての入口及び出口を最下部のプレートに接続するようにしてもよい。
【００３５】
図４に示すように、システム５０は、スループットを増大させるために並列的な複数のチャネルを構成するように垂直に積層された複数の平面湾曲弧状セグメント５２（例えば部分的な弧状セグメント）を備える。この例では螺旋状装置の特性及び機能がこれら平面湾曲弧状セグメント５２にも当てはまるが、これら平面湾曲弧状セグメント５２は、いずれのセグメント５２についても完全なループではない。弧状セグメントすなわち湾曲部分５２は、入口５４と、湾曲状すなわち弧状の部分５６と、出口５８とを有する。図４に更に示されているのは、共通の供給源から図示された全ての個別の弧状セグメントへと流体を供給するように構成されている入口カプラー６０である。入口カプラーは様々な形態をとり得ることを理解されたい。一つの形態では、入口カプラーは円筒であり、各層の入口への複数のパーフォレーション又は１つの連続したスロット（細長い穴）を有する。図３のシステム４０と同様、システム５０は流体粒子分離のスループットを増大させる。少なくとも１つの出口カプラー（図示省略）を更に設けてもよい。出口カプラーは、例えば、図３又は図４の入口カプラーに似たものでよい。
【００３６】
図５には、積層された複数のチャネル（各々個別的に示すことはしていない）を備える他の平面湾曲構造７０が示される。湾曲構造７０は、入口７２（入口カプラーを含んでいてもよい）と、湾曲部分７４及び７６よ、少なくとも１つの出口７８及び７９とを備える。図示したように、ある粒子サイズ及び密度の粒子（例えば浮遊粒子）のような選ばれた粒子のための出口７８がある。出口７８は、湾曲部分７４と湾曲部分７６との間のカーブ（湾曲）の中ほどに位置する。第２のサイズ及び密度を持つ選ばれた粒子（例えば中性浮力粒子）のための第２の出口７９が、入口７２の反対側のカーブ端に位置している。概略的には、これら出口７８及び７９は、流体の流れから様々なサイズ及び密度の粒子を除去するのに用いることができる。上述と同様、少なくとも１つの出口カプラーを利用してもよい。
【００３７】
図６には、システム８０が示されている。システム８０は、図５に示したシステムと同様、並列的な処理によりスループットを増大させるための構成をなすように積層された複数の装置７０を備える。システム８０が幅を増大させた単一の装置７０を備えていてもよいことが理解されるべきである。もちろん、上述と同様に、入口カプラー及び／又は少なくとも１つの出口カプラーを当該システムに実装してもよい。なお、この明細書において「Ａ及び／又はＢ」という記述は、Ａ又はＢ又はその両方、のうちのいずれであってもよいことを示す。
【００３８】
図７にはシステム９０が示されている。システム９０は、図６のシステム８０を複数備える更なる実装例を表している。この設計は、システムのスペース要件及び／又はこの明細書で説明しているこれら実施形態が実装される環境に応じて有益である。特に、図示のように、それら湾曲した分離装置部分のすべてのための入口は、システム９０の構成の中央にある。これは、投入された流体の効率的な処理を可能とし、入口カプラー４１（図３）及び入口カプラー６０（図４）のような入口カプラーの利用により実現することができる。この例でも、１つ又は複数の出口カプラーを設けることができる。
【００３９】
図８（ａ）〜（ｄ）に示すように、図３，４，５，６及び７の積層的及び／又は並列的な実施形態は、様々な異なった技術により製造され得る。図８（ａ）〜（ｄ）は、この明細書に挙げた実施形態のうちの異なるいくつかの実施形態の様々な断面図を示している。これらの図はそれら実施形態を形作るのに用い得る製造方法を説明するものである。
【００４０】
図８（ａ）には、構成１００の断面図が示されている。この形態では、端部プレート１０６同士の間に形成されたチャンバの中に管１０２が配置されている。図示のように、それらチャンバは、プレート１０４及びスペーサー１０８により画定されている。この構成では、管１０２はプレート１０４同士の間に制御可能に押し込まれている。構成１００を実現するために。様々に異なる組み立て手順を用いることができる。同様に、様々に異なる材料を用いることができる。しかし、図８（ａ）の構成の一形態（及び図８（ｂ）〜（ｄ）の対応する例示要素）では、端部プレート１０６はアルミニウムで形成され、管１０２はタイゴン（Tygon:商標）材料により形成され、スペーサー１０８及びプレート１０４はプレキシグラス(Plexiglas:商標)などのプラスチックで形成される。
【００４１】
図８（ｂ）には、管１０２がプレート１１２の中に形成された空洞１１４の中に設けられ、スループット増大のために積層されている点を除けば類似している構造１１０が示されている。それらプレートには位置合わせ用の切り込み１１６が設けられている。プレート１１２には、プレキシグラス（商標）のようなプラスチック材料を含む適切な材料を用いればよい。
【００４２】
図８（ｃ）には管１０２がないシステム１２０が示されている。この例では、十分にシール（封止）された空洞１２４が基板１２２内に形成されており、その空洞１２４がスループット増大のために積み重ねられた複数の流体チャネルを形成する。最上部の空洞１２４をシールするキャップ層１２８も示されている。図８（ｂ）と同様、位置合わせ用の切れ込み１２６が設けられている。基板１２２と覆い用プレート１２８は適切な材料により形成されているが、少なくとも１つの形態では、それら要素はプレキシグラス（商標）などのプラスチック材料により形成されている。
【００４３】
図８（ｄ）を参照すると、システム１３０は壁部１３４とプレート１３６により画定された複数の螺旋状のトラック（路）を備えている。壁部１３４とプレート１３６は様々な形態をとり得る。しかし、１つの形態では、これらの構造はプラスチックで形成される。基本的には、構造１３４が形成され、複数の閉じたチャネル１３２を形成するために構造１３４の両側が薄板で覆われる。これら並列的な装置は支持及びスループットを改善するために積み重ねられる。図８（ａ）〜（ｃ）と同様、両端部は、例えばアルミニウムなどで形成されたプレートにより支持される。
【００４４】
図９（ａ）〜（ｂ）には更なる実施形態が示される。図９（ａ）に示されるように、装置２００は、ヘリカル螺旋構造をなす８個の並列的なチャネルを含んでいる。この実施形態は、図９（ｂ）の分解図、図１０（ａ）の断面図、及び図１０（ｂ）の端部キャップ及びマニフォールド構造に示されるように、素早く組み立て及び分解が可能である。
【００４５】
動作においては、流体は入口２０２を通って装置２００に入り、出口路２０４及び２０６を通って（分離されて）出て行く。上側流体マニフォールド２１０は、端部キャップ２１２にも受けられた半径方向について傾いたそれぞれ対応するスロットを通して、（チャネル２１４のような）８つの個別のチャネルに供給される。下側端部キャップ２１６は、各チャネルに対応して、複数のスロットと複数のシュート（滑り台状通路）２１７とを備える。出口マニフォールド２１８は、流体を粒子を含む流れと廃液の流れとに分離する二分岐構造として動作する内部リング２１９を備える。
【００４６】
チャネル２１４のような複数のチャネルにより形成されたヘリカル螺旋構造は、外部保護スリーブ２２０の中にはめ込まれる。１つの形態では、装置２００は、上部と下部のマニフォールド及び端部キャップの構造同士を反対方向に回転させることにより締め付けられることが理解されるであろう。この締め付けにより、ヘリカル螺旋同士が互いに対して押しつけられ、これにより個々の流れ断面の歪みを防ぎ、したがって、より薄くより安価な材料が使用できるとともに、スペースを更に削減することができる。個々のチャネルは、流れを止めるために、入口又は出口に個別の流れ制御手段を備えていてもよい。
【００４７】
設計はいくぶん自動クリーニング方式であり、０．１〜１９メートル毎秒の速度ではそのように動作するものの、並列的なチャネル群により１つのチャネルの目詰まりが進んだ場合に動作を続けるよう他のチャネルに活が入れられるので、冗長性がもたらされる。一定の分離速度を維持するよう流量を調整するために、フィードバックループの中にフローセンサを組み込んでもよい。更に、フラッシュミキサーなどのインライン式（ラインに組み込まれる）装置を上部マニフォールドに一体化してもよい。並列化の例示のために８つのチャネルを例示したが、いくつのチャネルを用いてもよい。
【００４８】
螺旋状のセパレータ（分離器）はすべての微粒子を、源水(source water)の質に応じて、すなわち微粒子の濃度とサイズの分布に応じて異なる幅のバンド（帯）へと集めることになる。螺旋状濃縮機のリアルタイムでの効率を最適化できるようにするために、調節可能な流れスプリッタ（分割器）を備えることが望ましい。
【００４９】
図１０（ａ）及び１０（ｂ）には、そのような流れスプリッタを備えた出口マニフォールド２１８が例示されている。このスプリット（分割）機構は、このあと図１１（ａ）〜（ｃ）との関連で説明するような様々な形態をとり得る。しかし、少なくとも１つの形態では、スプリッタは、流れが分割されることで一部分２２が第１の路を通って廃液として当該装置から出て行き、流れの一部分２２４が粒子を含んだ第２の路（すなわち粒子バンド）を通って当該装置から出て行くようにすることができる。
【００５０】
スプリッタは、自分の中心軸回りに回転することができるように、螺旋状分離装置２００に接続されている。８つの並列的なチャネルを持つ装置２００のためには、スプリッタは約４５度だけ回転することになる。スプリッタ壁の半径方向の変化の程度は、想定する源水の質に合わせて最適化することができる。例えば、源水の質がわずかしか変化しないと想定されるのならば、半径の変化が小さくても、幅の変化の範囲を捉えるのには十分である。水の質のバリエーションがより大きいのならば、半径の変化をより大きくすることが必要になるかもしれない。調整可能なスプリッタが手動で作動する場合、インライン型のメータその他のセンサからのフィードバックを利用してもよい。スプリッタを動作させる他の方法は、自動的なフィードバックループを用いることである。この方法では、チャネルの出口に光学センサを用いることで、バンドの幅を定常的に計測し、サーバ又はモータがスプリッタの最適設定をリアルタイムで調整するようにすることができる。同様に、ポンプのスピードやパワーを調整することにより流体速度のフィードバックを制御するためにフローセンサを用いて流量を監視してもよい。
【００５１】
図１１（ａ）〜１１（ｃ）には、出力流体マニフォールドの様々な形態が示されている。図１１（ａ）は静止型スプリッタを示している。この形態では、マニフォールド２１８にはスプリッタとして機能する実質的に円形の環状装置２１９を備えている。分割割合が２０：８０，３０：７０，・・・，８０：２０とあらかじめ設定された環状装置を交換可能に用いてもよい。図１１（ｂ）は、特注の湾曲での非線形的な制御のための連続的に調整可能な流れセパレータを示している.この形態では、マニフォールド２１８’には、流れを連続的に調整可能とするために戦略的に配置された湾曲部分と直線部分とを備える部分２１９’を備える。図１１（ｃ）は離散的な階段状の調整可能な流れセパレータデザインを示している.この形態では、マニフォールド２１８”は離散的に階段状に流れを調整可能にするために離散的な複数の段が形成された部分２１９”を備える。この形態では、１つの段から次の段へと一段ずつ遷移する。
【００５２】
スプリッタは、これらの形態又はその他の形態のうちのいずれの形態であっても、装置のマニフォールドを選ばれた方向に選ばれた角距離だけ回すことにより調整される。これによりチャネルの出口部分を横切るように分割（スプリッタ）機構を動かすことで、経路２２２と経路２２４との間の分割状態が変化するようにしてもよい。コンピュータにより制御されるモータにより調整を自動化してもよい。
【００５３】
図１２（ａ）及び（ｂ）は、図９（ａ）〜１１（ｃ）の実施形態の拡張を示しており、モジュール形式の８チャネル２段（ステージ）ヘリカル螺旋状の実施形態を例示している。この例には流れインバータ（反転器）が設けられている。流れインバータは円形プレート３２６及び３２８を備えている。これらプレートは、複数の螺旋状のチャネルに対応する複数のスロットを備える。流れインバータは、プレート３２６及び３２８内の対応するスロット同士を接続する通路３３０を備える。図１２（ａ）及び１２（ｂ）に示される例示的な実施形態では、流れの反転が流体の流れに起こり、存在するいかなる粒子のバンドもチャネルの一方の側から他方の側へと裏返され（反対側へと動かされ）、これにより粒子が圧縮される。これによりバンドが細くなる。図１２（ｂ）では、第１段３１４と第２螺旋段３１５とが示されている。上述した粒子バンドの裏返しを実現するために、第２螺旋段３１５は上下逆さまになっている。流れインバータ３１６はそれら第１段と第２段との間に設けられている。
【００５４】
反転プロセスの原理について更に説明するために、図１２（ｃ）を参照する。理解されるように、図１２（ｃ）の実施形態は、螺旋状装置が異なった構成であり、インバータ３１６のようなインバータ（反転器）構造が示されていない点で、図１２（ａ）及び（ｂ）の構造と異なっている。にもかかわらず、当業者なら理解されるように、この図を参照して説明する反転原理は、インバータ３１６の反転プロセスにも適用できる。図示のように、螺旋状装置３５０は，入口３１５、第１の湾曲部分すなわちステージ３５４、遷移部３５６、第２の湾曲部分すなわちステージ３５８、並びに出口３６０，３６２及び３６４を備えている。動作中は、流体は入口３５２で受け取られ、第１のステージ３５４を通って流れ、これにより粒子は分離され、ある形態ではチャネルの一方の側上に粒子は粒子バンドへと集められる。流体が遷移ポイント３５６を通過するのに伴って、バンド（すなわち分離された粒子）はチャネルの反対側へと裏返される。そして、第２のステージ３５８は粒子群の圧縮を続け、これにより更に圧縮され更に細くなった粒子バンドが形成される。
【００５５】
図１３（ａ）及び（ｂ）には、更なる実施形態が示されている。図１３（ａ）及び（ｂ）には、ここで説明する複数の実施形態に係る螺旋状装置６００が例示されている。この実施形態では、螺旋状装置６００はヘリカル螺旋形態をとっている。この点で、装置の螺旋本体部分６０４は、入口６０６と、第１の出口６０８と第２の出口６１０とを持つヘリカル螺旋構造を有する。この単一チャネルヘリカル構造は、コイル状スプリングの形状を持つ中空の「スリンキー(slinky)」タイプの装置に似ている。この装置は、部分ごとに射出成形技術を用いる方法などの様々な方法により製造することができる。それら部分は、使用される前に公知の加工処理により結合される。この装置を製造するための他の方法では、押し出し成形技術を用いてもよい。押し出し成形では、押し出されたプラスチックが外気により冷却されるか又は液体浴に浸され、所望の形態又は構造となるよう凝固される。ヘリカルコイルの形成は、押し出しマンドレル（心金）又はコイル形成用浴のどちらかの回転を制御することにより実現することができる。ショア「Ａ」硬さのＰＶＣ、高密度のポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン及びポリカーボネートなどの熱可塑性プラスチック(thermal plastics)など、異なる様々な材料を用いることができる。
【００５６】
図１３（ｂ）に示すように、ず１３（ａ）に示したような螺旋状装置は、システムのスループットを向上させるために並列配列することもできる。図示のように、すべての螺旋状装置６００は流体マニフォールドから入口本管６２０へと接続されており、それら装置６００の各々の第１の出口は第１出口本管６２２に接続されている。装置６００の第２の出口はそれぞれ第２出口本管６２４に接続されている。
【００５７】
図１４（ａ）〜１４（ｃ）には、垂直方向に積み重ねられた並列チャネルを持つ類似のシステムが示されている。図１４（ａ）の実施形態は、螺旋状に巻き付けられたような形状の装置である螺旋状装置７００が示されている。この装置は、入口７０６、第１出口７０８及び第２出口７１０を有する螺旋状の本体７０４を備える。このような装置は、ウェブ（巻き取り紙）状に供給されるＭｙｌａｒ（マイラー）（商標）のようなプラスチック（又は液体を通さない）材料の上にリブ構造を導入することにより製造してもよい。リブ構造は、急速硬化型エポキシ印刷技術を用いて形成すればよい。
【００５８】
図１３（ａ）及び１３（ｂ）に例示した実施形態の場合と同様、装置７００は、図１４（ｂ）に示すように、複数の装置７００が流体マニフォールドから入口本管７２０へと接続された１つのシステムを構成するように配列してもよい。同様に、それら装置の第１の出口ラインは１つの第１出口本管７２２へと接続されている。それら装置７００の第２の出口欄は第２出口本管７２４へと接続されている。
【００５９】
図１４（ｃ）から分かるように、本体７０４は、単一のチャネル１２１０で構成されていてもよいし、複数のチャネル１２１０〜１２２４を含んでいてもよい。もちろん、チャネルの数や形態はどのようなものであってもよい。
【００６０】
更に、この明細書にて記載又は考慮されたいかなる螺旋状又はその他の装置も、図１３（ａ）、１３（ｂ）、１４（ａ）、１４（ｂ）に示すように、カスケード（直列）的又は並列的に配列してもよい。それら実際に図示したものはあくまで例に過ぎない。この明細書にて考慮した装置を構成するには、適切な材料であればどのような材料を用いてもよい。
【００６１】
図１５には、フィードバック制御システム９００の例が示されている。図示のように、分離装置９０２（これら実施の形態にて記載又は考慮されたいかなる螺旋状又はその他の分離装置のいずれの形態をとってもよい）は、投入される流体９０４を受け取り、これを処理して廃液流れ９０６と微粒子流れ９０８とを形成する。上述から分かるように、システム９００は、圧力、バンドの幅、流量、温度及び粘度などのような様々なデータ項目を用いることができ、それらデータ項目はそれぞれ適切なセンサにより計測され得る。データはコントローラ９１０に供給され、コントローラ９１０は様々なアクチュエータ９２０を制御し、それらアクチュエータ９２０は装置９０２の性能を所望の方法で向上させるために機能する。
【符号の説明】
【００６２】
３０ 分離装置、３２ 入口、３４ 螺旋状の部分、３６ 出口、４０ 粒子分離システム、４２ 入口カプラー、４４，４６ 出口カプラー。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
並列に積み重ねられた複数の個別湾曲粒子分離装置と、
前記複数の個別湾曲粒子分離装置の各々の入口に接続された１つの入口カプラーであって、その入口カプラーはそれら複数の個別湾曲粒子分離装置のすべての入口へ流体が入るように機能する入口カプラーと、
前記複数の個別湾曲粒子分離装置の各々の対応する出口に接続された少なくとも２つの出口カプラーと、
を備える粒子分離システム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムであって、前記個別湾曲粒子分離装置は、螺旋状の装置であることを特徴とするシステム。
【請求項３】
入口マニフォールドと、
ヘリカル螺旋状の構成をなすように配設され内部に流体を流す複数の分離チャネルであって互いに並列した複数の分離チャネルと、
出口マニフォールドと、
を備える粒子分離システム。
【請求項４】
請求項３記載のシステムであって、フィードバック制御システムを備えることを特徴とするシステム。
【請求項１】
並列に積み重ねられた複数の個別湾曲粒子分離装置と、
前記複数の個別湾曲粒子分離装置の各々の入口に接続された１つの入口カプラーであって、その入口カプラーはそれら複数の個別湾曲粒子分離装置のすべての入口へ流体が入るように機能する入口カプラーと、
前記複数の個別湾曲粒子分離装置の各々の対応する出口に接続された少なくとも２つの出口カプラーと、
を備える粒子分離システム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムであって、前記個別湾曲粒子分離装置は、螺旋状の装置であることを特徴とするシステム。
【請求項３】
入口マニフォールドと、
ヘリカル螺旋状の構成をなすように配設され内部に流体を流す複数の分離チャネルであって互いに並列した複数の分離チャネルと、
出口マニフォールドと、
を備える粒子分離システム。
【請求項４】
請求項３記載のシステムであって、フィードバック制御システムを備えることを特徴とするシステム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８（ａ）】
【図８（ｂ）】
【図８（ｃ）】
【図８（ｄ）】
【図９（ａ）】
【図９（ｂ）】
【図１０（ａ）】
【図１０（ｂ）】
【図１１（ａ）】
【図１１（ｂ）】
【図１１（ｃ）】
【図１２（ａ）】
【図１２（ｂ）】
【図１２（ｃ）】
【図１３（ａ）】
【図１３（ｂ）】
【図１４（ａ）】
【図１４（ｂ）】
【図１４（ｃ）】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８（ａ）】
【図８（ｂ）】
【図８（ｃ）】
【図８（ｄ）】
【図９（ａ）】
【図９（ｂ）】
【図１０（ａ）】
【図１０（ｂ）】
【図１１（ａ）】
【図１１（ｂ）】
【図１１（ｃ）】
【図１２（ａ）】
【図１２（ｂ）】
【図１２（ｃ）】
【図１３（ａ）】
【図１３（ｂ）】
【図１４（ａ）】
【図１４（ｂ）】
【図１４（ｃ）】
【図１５】
【公開番号】特開２００９−２７４０６６（Ｐ２００９−２７４０６６Ａ）
【公開日】平成２１年１１月２６日（２００９．１１．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１１５６９７（Ｐ２００９−１１５６９７）
【出願日】平成２１年５月１２日（２００９．５．１２）
【出願人】（５０２０９６５４３）パロ・アルト・リサーチ・センター・インコーポレーテッド (393)
【氏名又は名称原語表記】Ｐａｌｏ Ａｌｔｏ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１１月２６日（２００９．１１．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年５月１２日（２００９．５．１２）
【出願人】（５０２０９６５４３）パロ・アルト・リサーチ・センター・インコーポレーテッド (393)
【氏名又は名称原語表記】Ｐａｌｏ Ａｌｔｏ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ
【Ｆターム（参考）】
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