JP2004089898A - 流体中の浮遊粒子の分離方法と装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流体中の浮遊粒子を慣性力で分離し、装置が比較的単純な構造であるうえに粒子の除去効率が高く、分離した微小粒子を系内に滞留させない。
【解決手段】流体中の浮遊粒子の分離流体中に浮遊する粒子を加速して慣性力によって分離する方法であり、主流と支流を分岐路において逆方向に配列し、含粒子流体は支流側へ傾斜した流入路を通って流体加速部を経て導入され、含粒子流体中の粗大粒子は慣性力によって分岐路を通過して主流に乗って除去され、一方、含粒子流体中の微小粒子は慣性力が小さいので分岐路で反転して支流に乗って出て行く。
【選択図】　　　図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主流および支流を逆方向に配列することで流体中の浮遊粒子を慣性力で分離する方法に関し、比較的単純な構造であるうえに粒子の除去効率が高く、分離した微小、粗大それぞれの粒子が系内に滞留しない浮遊粒子の分離装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、わが国では、二酸化硫黄、二酸化窒素および浮遊粒子状物質（粒径１０μｍ以下の粒子、以下ではＰＭ１０と称する）は、最も重要な大気汚染物質として環境基準が設けられ削減の努力が払われてきた。ガス状汚染質であるこれら二酸化硫黄や二酸化窒素はそれ自体人体に有害であるだけでなく、大気中で硫酸塩や硝酸塩に粒子化されていくが、これらの粒子はＰＭ１０の主成分であり、またＰＭ１０が強い酸性を示す原因物質となっている。都会の環境保全のためには、大気中に混在するこれらのガス状や粒子状物質を確実に分離し、且つ互いに妨害のないように自動測定して、それぞれの大気含有量の正確な濃度を把握し適切な公害防止策を実施する必要がある。
【０００３】硝酸ガスは二酸化窒素が大気中で酸化生成されたもので、微量で規制の対象物質とはなっていないが、硝酸塩粒子生成の前駆物質であり大気化学分野で重要な物質である。大気中の硝酸ガスなどの自動測定装置として、山本らの研究発表［Ａｔｏｍｓ．Ｅｎｖｉｒｏｎ．第３５巻、５３３９〜５３４６頁、１９９１年発行］がある。近年、米国で粒径２．５μｍ以下の粒子（以下ではＰＭ２．５と称する）が従来のＰＭ１０以上に強い人体有害性を示すことが明らかにされて規制基準が設定された。これに伴い、わが国でも、これまでのＰＭ１０より厳しい規制対象物質としてＰＭ２．５の規制が検討されている。
【０００４】二酸化硫黄や二酸化窒素などのガス自動測定装置では、大気の微量測定前に不要な粒子をあらかじめ分離する必要があり、除塵用のプレフィルターを取り付けるのが一般的である。このプレフィルターは、使用時間の経過とともに捕集された粒子がフィルター表面に付着して滞留し、フィルター交換を怠ると目詰まりの問題が発生する。このため、測定期間中フィルターの交換作業を定期的に行う必要があり、これは非常に煩雑な作業である。また、このプレフィルターの表面や捕集された粒子上で、二酸化硫黄や二酸化窒素が吸着されてマイナス妨害を起こしたり、硝酸ガスが吸脱着されてプラスやマイナス妨害を起こすことが問題となっている。このようなフィルター表面や粒子の妨害は、測定すべき大気が自動測定の際に吸引気流となってフィルター表面や捕集された粒子上を通過する限り回避できない。硝酸ガスなどの自動測定装置では、このような測定妨害やプレフィルターの定期交換を回避するために、除塵用フィルターを取り付けない場合さえある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ガス自動測定装置において不可欠な除塵過程で、従来のプレフィルター法で生じる前記のようなフィルター表面でのガス吸着およびフィルター上の滞留粒子のガス吸脱着などの妨害をなくすことを要する。また、フィルターの目詰まりによる圧損の影響や取替えの煩雑さを取り除くことが必要である。
【０００６】ＰＭ１０またはＰＭ２．５の自動測定装置には、空気取り入れ口にそれぞれ１０μｍあるいは２．５μｍ以上の粗大粒子を除去するために、遠心力によるサイクロンやバーチャルインパクターを取り付けている。しかしながら、これらの機器は、構造が比較的複雑であるために高価なものとなるうえに、気流の滞留個所が存在するなど粒子の分離性能に悪影響を与えていることが考えられ、より単純な構造のものが求められている。
【０００７】バーチャルインパクターは、既存インパクターやサイクロンと同様に構造が複雑である。バーチャルインパクターは、図７に例示するように、大気の導入孔１００と、該導入孔と同軸状に下方に配置し且つ第１吸気路１０２と連通する吸気孔１０４と、第２吸気路１０６と連通するハウジング室１０５とを備えるハウジング１０８で構成する。第２吸気路１０６による流出速度を第１吸気路１０２による流出速度より大きく、例えば、第２吸気路１０６の気体流量を３０リットル／分、第１吸気路１０２の気体流量を２リットル／分に定める。バーチャルインパクターについて、ハウジング１０８を適切に設計すると、比較的大きい粒子だけを導入孔１００下方の吸気路１０２に取り込み、粒径による微粒子の正確な分離が可能になる。
【０００８】バーチャルインパクターは、分離すべき粗大粒子がハウジング室１０５に混入することがあり、粒子の除去効率において多少難がある。バーチャルインパクターでは、微小粒子を含む気流が図７の矢印のように横方向に拡がり、この気流拡がりに対応できるようにハウジング室１０５を設計するため、装置がある程度大型化してしまう。ハウジング室１０５内には、その下方１１２で微粒子の滞留が多少生じ、既存インパクターほどでなくても測定誤差が発生する場合がある。
【０００９】本発明は、従来の微粒子用の除塵機器に関する前記の問題点を改善するために提案されたものであり、粒子の除去効率が高い浮遊粒子の分離方法と装置を提供することを目的としている。本発明の他の目的は、分離した微小、粗大それぞれの粒子が系内に滞留することが少ない浮遊粒子の分離方法と装置を提供することを目的としている。本発明の別の目的は、比較的簡単な構造によって小型化が可能である浮遊粒子の分離装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る浮遊粒子の分離方法は、主流と支流を分岐路において逆方向に配列し、流体中に浮遊する粒子を加速して慣性力によって分離する。この分離方法では、含粒子流体を支流側へ傾斜した流入路を通って流体加速部を経て導入する。含粒子流体中の粗大粒子は、慣性力によって分岐路を通過して主流に乗って除去され、一方、含粒子流体中の微小粒子は、慣性力が小さいので分岐路で反転して支流に乗って出て行く。
【００１１】この分離方法において、流体加速部の間隔は、入口側が出口側よりやや大きいかまたは等しく、しかもそれらの間隔が調整可能であると好ましい。この分離方法は、気体中の浮遊粒子について説明しているけれども、装置に多少の変更を加えると液体中の浮遊粒子の分離にも適用可能である。
【００１２】本発明に係る浮遊粒子の分離装置は、前端部をテーパ状に成形する細長いサンプリング管と、該管のテーパ部と対応する傾斜角度を有する円錐孔を設けた基台と、サンプリング管を垂直に支持する受け台とを備える。この分離装置では、サンプリング管を垂直方向に設置してそのテーパ部を基台の円錐孔と近接配置することによって流体加速部を設定する。したがって、流体加速部の水平断面の形状は正確な同心円となっている。基台の円錐孔の頂部から延設する連通路およびサンプリング管の中心孔がそれぞれ流体の吸引路に相当する。
【００１３】この分離装置は、細長いサンプリング管の周壁に雄ネジ部を刻設するとともに、受け台の貫通孔またはその取付部の内周面に雌ネジ部を刻設すると好ましい。この構造により、この分離装置は、サンプリング管をねじ込んで流体加速部つまりノズル部の間隔を任意に増減できる。所望に応じて、サンプリング管を二重管にすることも可能である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の分離方法では、図１および図２に概略で示すような複数の分流流路を利用し、これらの流路は円形状（図４参照）に２次元で形成し、この場合にはノズルの形状が同心円のリング状である。これらの流路は、垂直面に形成してもよく、この場合にはノズルの形状が矩形である。この分離方法について、その原理を図１によって説明すると、矢印で図示する主流１と支流２を分岐路３において逆方向に配列し、浮遊粒子を含んだ含粒子流体５を支流２側へ傾斜した流入路６を通って流体加速部つまりノズル部７を経て導入する。
【００１５】主流１と支流２は、図２のようにポンプや測定器（いずれも図示しない）などによって吸引される吸気路を通る。主流１と支流２で吸引されることにより、大気などの含粒子流体５を流入路６を通して系内へ導入できる。主流１および支流２の流量は、捕集すべき微小粒子８の粒径に応じて適宜変更することにより、所望の粒径である微小粒子８のみを逆方向の支流２に乗せて取り出すことが可能である。この明細書において、例えば、微小粒子８は粒径１μｍ以下、粗大粒子１０は粒径１μｍを超える粒子について使用している。
【００１６】系内へ吸引された含粒子流体５は、ノズル部７において加速され、粗大粒子１０は慣性力が大きいので主流１に乗せて主吸引路１２から除去し、微小粒子８は慣性力が小さいので逆方向の支流２に乗せて支吸引路１４へ送り込む。この分離方法について、主流１および支流２の流量調整、またはサンプリング管１６（図２と図４参照）のような可動部材の上下移動でノズル部７の全長とその間隔を調整することにより、図４に示すような分離装置３０の分級特性を変えることができる。
【００１７】主流１と支流２は、垂直軸について同軸状に逆方向に配列すればよく、主流１または支流２を多少ずらしたり、傾斜させても浮遊粒子の分離は実質的に可能である。流入路６の傾斜角度は、垂直面に対して約５〜４５度好ましくは約１０〜２０度の範囲に定めると、粗大粒子１０の慣性力を保持させて直進させ、分離装置をコンパクトに纏められるうえに、分岐路３において微小粒子８の引き戻しが可能であるので好ましい。また、主流１や支流２が通過する吸引路１２，１４、流入路６およびノズル部７の表面は、粒子の付着や滞留が生じないように平滑化処理を行うと好ましい。
【００１８】図２に示すように、ノズル部７が全長に亘ってその間隔がほぼ一定であると、含粒子流体５がノズル部７で加速されて層流となり、流体中に浮遊する粒子８，１０を精度よく分離できるので好ましい。この分離方法において、主流１および支流２の流量は、ガス測定装置の吸引空気量によって異なるけれども、一般に０．１リットル／分以上であると適用可能である。支流２で分離できる微小粒子は、主流１および支流２の流量およびノズル間隔の調節によって粒径約１μｍ以上でほぼ１００％、粒径０．５〜１μｍで８２％以上、粒径０．０５〜１μｍでも７０％近く分離することが可能である。含粒子流体５が通常の気体である場合には、例えば、主吸引路１２の内径を約８ｍｍ、支吸引路１４の内径を約６ｍｍに定めると、ノズル部７が全長で約６ｍｍになり、その間隔を０．０１〜２ｍｍの範囲で調整可能である。
【００１９】この分離方法に適用できる流体は、一般に大気、窒素、酸素、不活性気体、都市ガス、プロパンガスのような気体であり、所望に応じて浮遊の固体粒子を含む液体にも適用してもよい。気流体の場合、そこに含まれる浮遊粒子は、粒径約１μｍ以上であればほぼ１００％分離可能であり、大気中に含まれる硝酸塩粒子、硫酸塩粒子、燃焼灰、土壌粒子、花粉などであっても、気体中に浮遊するプリント用トナー粒子、穀物粉、セメント粉なども分離可能である。
【００２０】この分離方法において、大気中の降下煤塵や、比較的大きな粒子が重力による沈降で流入路６の器壁に沈着するのを防ぐには、分離装置を図１〜図５に示すように設置することが望ましい。また、大型の分離装置において気流の流速が比較的遅いと、重力によって層流が微小粒子を多く含む上部流れと粗大粒子を多く含む下部流れとに分かれ、微小粒子を含む気流と粗大粒子を含む気流の軌跡が混乱することがあり、この場合には、分離装置を逆立ちさせて使用すると好ましい。
【００２１】図３には、本発明の分離方法の変形例を示す。この分離方法では、主流２０および含粒子流体を導入する流入路２４は図１とほぼ同様であるけれども、支流について第１支流２１および第２支流２２を有する。支流２１，２２は、例えばサンプリング管を二重管にすることによって比較的容易に達成でき、該二重管はそれぞれ単独で上下移動が可能である。
【００２２】主流２０と支流２１，２２は、ポンプや測定器などによって吸引される吸気路を通り、大気などの含粒子流体を流入路２４を通して系内へ導入する。系内へ吸引された含粒子流体５は、ノズル部２５において加速され、粗大粒子は慣性力が大きいので主流２０に乗せて主吸引路２６から除去し、より小さい微小粒子を逆方向の支流２１に乗せて環状平面の支吸引路２７へ送り込み、より大きい微小粒子は慣性力が多少生じるので、逆方向の支流２２に乗せて円形平面の支吸引路２８へ送り込む。この分離方法は２種の微小粒子を分離できる。この分離方法では、主流２０および支流２１，２２の流量の調節、ノズル部２５、二重管の先端位置の調節、およびそれぞれのノズル水平断面を同心円とするための中心軸の調節を正確にすることが必要である。
【００２３】本発明の分離装置３０は、ステンレス鋼やニッケルなどの金属、ガラス、セラミックスまたはプラスチック製のいずれでもよく、金属製ならば、鏡面仕上げやフッ素樹脂（例えばＰＴＦＥ樹脂）による表面加工などの平滑化処理を行う。分離装置３０は、図４および図５に例示するように、単一または複数部材を一体化した円柱形の基台３２を有し、該基台の下方中央部に円錐孔３３を設ける。基台３２の上方には、チューブなどを介してポンプ（図示しない）などと接続する円筒部３４を形成し、該円筒部の中心孔３５が円錐孔３３の頂部から延設する連通路３６である。連通路３６は、図１と図２に示す主吸引路１２に相当する。
【００２４】一方、垂直に配置する細長いサンプリング管１６は、その前端部３８をテーパ状に成形し、該管のテーパ部３８は基台３２の円錐孔３３とほぼ同じ傾斜角度に設定する。サンプリング管１６の後端部４０は、チューブなどを介してポンプや測定器（図示しない）などと接続し、該管の中心孔４１が図１と図２に示す支吸引路１４に相当する。
【００２５】サンプリング管１６は、下方の受け台４２によって垂直に支持し、該サンプリング管は垂直位置を適宜変更できる。受け台４２は、基台と一体であっても、複数本の支持棒４５などを介して基台３２と連結してもよい。サンプリング管１６の上下移動は、その後方部に雄ネジ部４３を刻設することにより、該雄ネジ部を受け台４２の中央取付部４４に適宜ねじ込むことで可能となる。このサンプリング管は、スプライン加工してクランプで固定したり、ウォームギヤまたはラックーピニオンなどで上下移動を可能にしてもよい。
【００２６】分離装置３０において、流体加速部つまりノズル部７（図１と図２）は、サンプリング管１６のテーパ部３８を基台３２の円錐孔３３と近接配置して設定し、テーパ部１６の外周面と円錐孔３３の内周面と間の円錐筒部である。ノズル部７の間隔調整は、サンプリング管１６または基台３２の上下移動によって行うと容易である。
【００２７】分離装置３０は、粒径が１μｍを超える粗大粒子ならばほぼ１００％除去することが可能である。分離装置３０の応用例として、大気中のガス自動測定に関して、微小粒子が測定装置に流入しても差しつかえない硝酸ガス自動測定装置や有機ガスの採取装置の場合、本装置をプレフィルターの代わりの粗大粒子除去装置として使用できる。浮遊粒子状物質自動測定装置に関して、ＰＭ２．５、ＰＭ１０の分級器としての用途がある。今後、米国と同様に浮遊粒子状物質の環境基準値が改正された場合、ＰＭ２．５の分級器の市場性は広く、大きな経済効果が期待できる。このほか種種の粒子測定機などの部品のうちで分級器としての用途が考えられる。分離装置３０をガスおよび粒子の自動測定装置に取り付けるには、例えば、該測定器をチューブを介してサンプリング管１６の後端部４０と接続し、吸引ポンプをチューブなどを介して分離装置３０の円筒部３４と接続すればよい。
【００２８】
【実施例】
次に、本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
【００２９】浮遊粒子の分離装置３０は、ノズル形状が同心円であり、少なくとも円柱形の基台３２および細長いサンプリング管１６によって構成する。基台３２およびサンプリング管１６は、フッ素樹脂で表面加工したステンレス鋼製である。分離装置３０の基台３２は、図４および図５に例示するように、相互にねじ合わせて一体化した基台部３２ａ，３２ｂからなる。
【００３０】円柱形の基台３２において、第１基台部３２ａは、その下方中央部で貫通する円錐孔３３を設け、さらに下端部にフランジ部４６を備える。第２基台部３２ｂは、その上方中央に円筒部３４を形成し、該円筒部の中心孔３５と円錐孔３３の頂部との内径は等しい。円筒部３４の中心孔３５は、図１と図２に示す主吸引路１２に相当する連通路３６である。例えば、フランジ部４６の外径は５０ｍｍ、中心孔３５の内径は１０ｍｍである。
【００３１】一方、垂直に配置する細長いサンプリング管１６は、その前端部をテーパ状に成形し、該管のテーパ部３８は基台３２の円錐孔３３とほぼ同じ傾斜角度を有する。サンプリング管１６の後方部に雄ネジ部４３を刻設し、位置決め用のナット４８をねじ込む。サンプリング管１６の後端部４０は、チューブを介して測定器（図示しない）と接続し、該管の中心孔４１が図１と図２に示す支吸引路１４に相当する。例えば、サンプリング管１６は全長１０７ｍｍ、外径１０ｍｍ、中心孔４１の内径が６ｍｍである。
【００３２】サンプリング管１６は、下方の受け台４２によって垂直に支持し、該受け台の外径は５０ｍｍである。受け台４２の中央には、下向きに筒状の取付部４４を設置し、該取付部の内周面に雌ネジ部を刻設する。この雌ネジ部はサンプリング管後方の雄ネジ部４３と噛み合い可能である。
【００３３】３本の支持棒４５は、受け台４２の外周縁近傍において円周方向に等間隔で垂直に立設し、各支持棒は回転自在であって先端部にネジ部（図示しない）を刻設する。一方、基台３２のフランジ部４６において円周方向に等間隔で３個のネジ孔（図示しない）を設け、各ネジ孔に支持棒４５のネジ部をねじ込む。各支持棒４５を適宜にねじ込んで高さを調整すると、サンプリング管１６のテーパ部３８と基台３２の円錐孔３３とを正確に位置合わせできる。
【００３４】サンプリング管１６は、その後方の雄ネジ部４３を適宜ねじ込むことにより、その垂直位置を変更して基台３２の円錐孔３３と近接配置できる。下記の実験を行うために、サンプリング管１６のテーパ部外周面と基台３２の円錐孔内周面とによってノズル部７（図１および図２）を設定し、該ノズル部が全長６ｍｍであり、その間隔を約１ｍｍに定める。
【００３５】実験例
分離装置３０つまり粒子除去器に関して、大気中の浮遊粒子の除去効率を求めるため、２台のヘリング型低圧インパクター（図示しない）を使用する。この粒子除去器を２台の低圧インパクターのうち一方に取り付け、２台同時に大気中の粒子を捕集し、それぞれの粒径分布（重量濃度）を比較する。用いるヘリング型低圧インパクターについては、Ｓ．Ｖ．Ｈｅｒｉｎｇらの研究発表［Ｅｎｖｉｒｏｎ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．　第１２巻、６６７〜６７３頁、１９８７年発行］を参照している。
【００３６】この粒子除去器の運転条件は、微小粒子を捕集測定する支流２（図１）の吸引流量を６００ｍｌ／分として、自動測定の大気測定装置（図示しない）の吸引流量と合致させ、且つ大気を排出する主流１（図１）の吸引流量を４０００ｍｌ／分に定める。一方、低圧インパクターの吸引流量は１０００ｍｌ／分で引くことに設定されている。このため、粒子除去器を付けた低圧インパクターには、吸引口の前で４００ｍｌ／分のダストフリーの清浄空気を加え、全流量を１０００ｍｌ／分として微小粒子を捕集する。
【００３７】測定した大気粒子の粒径分布の結果を図６に示す。大気除去器を接続した低圧インパクターは、単独の低圧インパクターと比べて明らかに大気粒子の重量濃度粒径分布が異なり、粗大粒子の量が図６の点模様部分において減少している。図６の点模様部分が、粒子除去器によって分離されたものと判定できる。
【００３８】この粒子除去器に関して、下記の表１に捕集粒子の粒径別、粒子分類別および全粒子について、それぞれの除去効率を示す。
【表１】

この表１から、粗大粒子径（＞１μｍ）で１００％、微小粒子径（＜１μｍ）で６６％、全粒子径で約８０％の粒子が除去されることが判明する。
【００３９】
【発明の効果】
本発明に係る浮遊粒子の分離方法は、公知のバーチャルインパクターのような粒子分離器と比べて微粒子の除去効率が高いうえに装置の小型化が可能である。この分離方法で除去された粗粒子は、系外に放出されるので捕集粒子による測定妨害や目詰まりの心配がなく、大気中の硝酸ガスや硫酸ガスなどの自動測定装置に用いると好適である。
【００４０】本発明に係る浮遊粒子の分離装置は、流入路、ノズル部、主流部、分岐路、支流部の全てが同心円状であり、非対称構造である従来の慣性法装置にみられるようなノズル端点がなく、流路に撹乱の生じる個所がない。従来のいずれよりも極めて単純な構造であり、非常に安価に製造することができる。この分離装置において、ノズル間隔はサンプリング管の回転で容易に変えられるので、ノズルによるジェット流の速度が変わり粒子の除去効率が可変となり、多様な用途への適用が可能である。この分離装置の規模を変えると、粉体やエアロゾルの粒径別分離にも利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る分離方法を示す概略説明図である。
【図２】図１の分離方法の原理を気流によって示す概略説明図である。
【図３】本発明の分離方法の変形例を示す概略説明図である。
【図４】本発明に係る分離装置の一例を示す斜視図である。
【図５】図４の分離装置の縦断面図である。
【図６】分離装置である粒子除去器による大気粒子の粒径変化を示すグラフである。
【図７】公知のバーチャルインパクターの概略断面図である。
【符号の説明】
１　主流
２　支流
３　分岐路
５　含粒子流体
６　含粒子流体の流入路
７　ノズル部
８　微小粒子
１０　粗大粒子
１６　サンプリング管
３０　分離装置
３２　基台
３３　円錐孔
４２　受け台

Claims (4)

1. 主流と支流を分岐路において逆方向に配列し、流体中に浮遊する粒子を加速して慣性力によって分離する方法であって、含粒子流体は支流側へ傾斜した流入路を通って流体加速部を経て導入され、含粒子流体中の粗大粒子は慣性力によって分岐路を通過して主流に乗って除去され、一方、含粒子流体中の微小粒子は慣性力が小さいので分岐路で反転して支流に乗って出て行く流体中の浮遊粒子の分離方法。
2. 流体加速部の間隔は、入口側が出口側よりやや大きいかまたは等しく、しかもそれらの間隔が調整可能である請求項１記載の分離方法。
3. 前端部をテーパ状に成形する細長いサンプリング管と、該管のテーパ部と対応する傾斜角度を有する円錐孔を設けた基台と、サンプリング管を垂直に支持する受け台とを備え、サンプリング管を垂直方向に設置してそのテーパ部を基台の円錐孔と近接配置することによって流体加速部を設定し、基台の円錐孔の頂部から延設する連通路およびサンプリング管の中心孔がそれぞれ流体の吸引路に相当する流体中の浮遊粒子の分離装置。
4. 細長いサンプリング管の周壁に雄ネジ部を刻設するとともに、受け台の貫通孔またはその取付部の内周面に雌ネジ部を刻設することにより、サンプリング管をねじ込んで流体加速部の間隔を任意に増減できる請求項３記載の装置。

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