JP2004105805A - 還流式分離器 - Google Patents
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Abstract
【課題】分離能力を減少させずに、ガス体に混じって排出されるダストの量を減らし、高さの低くい小型または軽量の還流式分離器を提供する。
【解決手段】ガス体とダストを含む含塵気流１７を取り込む導入口１３と、含塵気流１８が旋回する旋回室１４ａと、ダストを捕集するダストバンカ１４ｂと、ガス体１９を排出する排出口１６とを備えた還流式分離器であって、旋回する含塵気流１８の回転の中心軸とダストバンカ１４ｂの内壁との間に、ダストバンカ１４ｂの内壁の同心円に整列するように平板或いは曲板からなる仕切板１１を一枚以上配置し、ダストバンカ中央部の気流速度を極力抑え、再飛散を防止する。
【選択図】 図１
【解決手段】ガス体とダストを含む含塵気流１７を取り込む導入口１３と、含塵気流１８が旋回する旋回室１４ａと、ダストを捕集するダストバンカ１４ｂと、ガス体１９を排出する排出口１６とを備えた還流式分離器であって、旋回する含塵気流１８の回転の中心軸とダストバンカ１４ｂの内壁との間に、ダストバンカ１４ｂの内壁の同心円に整列するように平板或いは曲板からなる仕切板１１を一枚以上配置し、ダストバンカ中央部の気流速度を極力抑え、再飛散を防止する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばダストを含むガス体を旋回させ、その遠心力によってガス体からダストを分離させて、ダストを捕集する還流式分離器の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ダストとガス体で構成される固気二相流である含塵気流をダストとガス体に分離し、ダストを捕集する装置である含塵気流分離器として、メッシュフィルター式分離器と還流式分離器がある。
【０００３】
メッシュフィルター式分離器とは、小さな穴の空いたメッシュフィルターで含塵気流を濾すことにより、含塵気流から穴より大きなダストを分離する装置である。メッシュフィルター式分離器は単純な構造で穴より大きなダストを確実に分離できるという特徴を有するが、使用を続けるとメッシュフィルターにダストが付着、堆積し、分離能力が徐々に低下するという欠点がある。そのため、メッシュフィルターの清掃、交換等の方法により、フィルターに付着したダストを除去し、分離能力を回復させなければならない。
【０００４】
また、還流式分離器は、ダストとガス体で構成される含塵気流を、円筒状、或いは円錐状、或いは円筒部分と円錐部分を合わせて持つ円筒容器内（以下、旋回室と称する）で旋回させ、ダストを旋回時に生じる遠心力で分離する構造をとっている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００５】
【非特許文献１】
小川明著「サイクロン分離器」コロナ社出版、昭和５５年、ｐ．１
【０００６】
従来の環流式分離器の構造例を図２１に示す。図２１に示す環流式分離器は、導入口１３、旋回室１４ａ、ダストバンカ１４ｂ、メッシュフィルタ１５、排出口１６を備えている。導入口１３から供給される含塵気流１７は、旋回室１４ａに供給され主旋回気流１８となり、ダストは旋回室１４ａの周壁にあたってダストバンカ１４ｂに落下し、塵が除かれたガス体１９は排出口１６から排出される。ダストバンカ１４ｂ内には、再飛散気流８を生じる。環流式分離器では、ほとんどのダストはダストバンカ１４ｂに堆積する。そのため、ダストバンカ１４ｂに堆積したダストを随時、廃棄すれば良く、使用を続けても分離能力は低下しにくい。
【０００７】
含塵気流分離器を手段として用いた装置に、掃除機、空気清浄機、空気調整器、冷房機、暖房機、加湿器、除湿器、ふとん乾燥機、衣類乾燥機等、気体圧縮機（コンプレッサー）等がある。たとえば、掃除機は、ダストと空気を取り込む取込部、ヘッド部から取り込んだダストと空気からなる含塵気流を含塵気流分離器まで誘導する誘導部、含塵気流分離器である含塵気流分離部、含塵気流分離部を通過したガス体を掃除機外に放出させるための放出部を備えている。
【０００８】
含塵気流分離器を手段として用いた装置には、含塵気流分離器として、メッシュフィルター式分離器のみを用いたものと還流式分離器を用いたものがある。還流式分離器を用いた掃除機は、ダストバンカ１４ｂに堆積したダストを随時、廃棄すれば良く、含塵気流分離器としてメッシュフィルター式分離器のみを用いた装置と比較して、使用を続けても集塵能力は低下しにくい。またフィルタ一の交換またはダスト除去をしなければならない頻度が低いまたは無いという特徴を備えている。
【０００９】
しかしながら、還流式分離器では、含塵気流から完全にダストを分離することは困難である。ごく少量ではあるが、分離しきれないダストが排気であるガス体１９に混じってしまう。すなわち、旋回室１４ａで発生した主旋回気流１８は、ダストを分離した以後も運動が収束せず、ダストバンカ１４ｂ内に侵入し、再飛散気流８となる。ダストバンカ１４ｂ内に堆積しているダストは再飛散気流８に乗り、ガス体１９と一緒に分離器から排出される。再飛散を起こしてしまうダストは、比較的軽量なもので、例えば埃や、粒子状の砂や土等の微細な塵（以下、細塵と称する）である。これらの細塵は、微風でも巻き上がりやすい性質がある。
【００１０】
また、従来の還流式分離器は、ダストバンカ１４ｂに堆積したダストの再飛散を減少させるため、旋回室１４ａとダストバンカ１４ｂとの接続部の径を細くしている。そのため、旋回室１４ａとダストバンカ１４ｂとの接続部に至る旋回室１４ａの下部とダストバンカ１４ｂの上部には円錐形状の部位が必要となり、同等の分離能力を備えたメッシュフィルター式分離器と比較して大きく、重く、高さが高くなる。
【００１１】
したがって、還流式分離器を用いた掃除機は、含塵気流分離器として同等の集塵能力を備えたメッシュフィルター式分離器のみを用いた掃除機と比較して、高さが高くなり、横転しやすくなる。掃除機は収納場所が小さい方が好ましく、そのため高さや幅は出来るだけ小さい方が良いし、運搬や清掃時においても小型または軽量である方が望ましい。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明は、分離能力を減少させることなく、ガス体に混じって排出されるダストの量を減らし、かつ、高さが低く、小型または軽量な、還流式分離器を提供すること目的とする。
【００１３】
本発明は、使用を続けても集塵能力は低下しにくく、フィルタ一の交換またはダスト除去をしなければならない頻度が低いかまたは無く、かつガス体に混じって排出されるダストの量が少ない掃除機または空気清浄機または空気調整器または冷房機または暖房機または加湿器または除湿器またはふとん乾燥機または衣類乾燥機等または気体圧縮機（コンプレッサー）を提供することを目的とする。
【００１４】
本発明は、小型または軽量である掃除機または空気清浄機または空気調整器または冷房機または暖房機または加湿器または除湿器またはふとん乾燥機または衣類乾燥機等または気体圧縮機（コンプレッサー）を提供することを目的とする。
【００１５】
本発明は、高さが低く転倒しにくい掃除機を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
前記に説明したように、細塵の再飛散量の原因は、堆積したダストが再飛散気流により巻き上げられることにある。従ってダストを堆積する場所の気流である再飛散気流の流速を遅くすることができれば、細塵の再飛散量を減らすことができる。
【００１７】
再飛散気流の流速を遅くする手段として、旋回室へ流入する含塵気流の流速を遅くする方法があるが、主旋回気流の遠心力によりガス体とダストを分離する還流式分離器では、旋回室へ流入する含塵気流の流速を遅くすると主旋回気流の流速が遅くなり、分離能力が低下してしまうので、本課題を解決する手段として不適である。本課題を解決する手段の一つは旋回室へ流入する含塵気流の流速を遅くせずにダストを堆積する場所の気流を十分に遅くする手段である。
【００１８】
上記課題を解決するために、本発明は、ガス体とダストを含む含塵気流を取り込む導入口と、含塵気流が旋回する旋回室と、ダストを捕集するダストバンカと、ガス体を排出する排出口とを備えた還流式分離器において、旋回する含塵気流の回転の中心軸とダストバンカの内壁との間に、前記ダストバンカの内壁の同心円に整列するように平板或いは曲板からなる仕切板を一枚以上配置した。
【００１９】
さらに、本発明は、上記還流式分離器において、ダストバンカ内において、仕切板の外周側とダストバンカ内壁との間で主旋回気流が発生した状態で、前記仕切板の内周側の領域における気流速度が、導入口から旋回室へ流入する含塵気流の気流速度の１／１０以下となるようにし、さらに、仕切板の上の端面を円盤状の仕切固定板に固定した。また、仕切固定板の外周に、筒状のリブを配置した。
【００２０】
本発明は、上記還流式分離器において、ダストバンカの内壁の断面が円である断面において、前記断面における内径をＤとしたとき、前記円の中心から、０．１５〜０．４９５Ｄの距離にある領域に仕切板を配置した。また、仕切板の外周曲率と等価な円の円周長に占める、仕切板と仕切板の間隙の割合を開口率としたとき、開口率が２５％以下となるように仕切板を配置した。
【００２１】
さらに、本発明は、上記環流式分離器を備えて、掃除機または空気清浄機また空気調整器または冷房機または暖房機または加湿器または除湿器またはふとん乾燥機または衣類乾燥機または気体圧縮機を構成した。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施の形態にかかる還流式分離器の構成の概要を、図１を用いて説明する。第１の実施の形態は、旋回気流の回転の中心軸とダストバンカの内壁との間に、ダストバンカ内壁の同心円に整列するように平板或いは曲板からなる仕切板を一枚以上配置する。
【００２３】
この還流式分離器は、旋回気流の回転の中心軸とダストバンカの内壁との間に、ダストバンカの内壁の同心円に整列するように平板或いは曲板からなる仕切板１１を４枚配置した還流式分離器の例である。図１に示した還流式分離器は、４枚の仕切板１１と、含塵気流をとりこむ導入口１３と、分離器本体１４と、排出口１６とを備えている。分離器本体１４の上部は旋回室１４ａ、下部はダストバンカ１４ｂとして働く。排出口１６の旋回室１４ａ内に位置する部分にメッシュフィルタ１５が設けられている。排出口１６側を減圧とすることによって、導入口１３から分離器本体１４内に含塵気流１７が導入され、旋回室１４ａに主旋回気流１８を生じ、ダストバンカ１４ｂで塵が分離されたガス体１９が排出口１６から引き出される。
【００２４】
図１に示した還流式分離器のＡ−Ａ断面図を図２に示す。図２は、図１中のＡ−Ａで示した部分のＸＺ平面断面である。図２において、２０はダストバンカ内壁、２１は主旋回気流回転方向、Ｄはダストバンカ内壁２０のダストバンカ内径、ｄ１は仕切板１１の仕切板外周直径、ｄ２は仕切板内周直径を表す。仕切板１１は、仕切板１１の外周曲面がダストバンカ内壁２０の同心円に整列するように配置している。
【００２５】
Ａ−Ａ断面における気流を、図３を用いて説明する。ダストバンカ１４ｂの内壁付近を高速で旋回する主旋回気流２２は、仕切板１１の間隙がよどみ部となり、カルマン渦２３を生む。次にカルマン渦２３は、仕切板１１の内周側の空間内に主旋回気流２２と逆方向に旋回する逆旋回気流２４を生む。
【００２６】
図４に、断面Ａ−Ａにおける気流速度を示す。２７は断面における最大気流速度Ｖｍａｘである。図４より、仕切板外周側の領域（図５の２５）が気流速度の速い高速度領域であり、中心から仕切板内周側の領域（図５の２６）が気流速度の遅い低速度領域であることがわかる。高速度領域は、主旋回気流２２の流れる領域と一致し、低速度領域は、逆旋回気流２４の流れる領域と一致する。
【００２７】
図６は、図１に示した第１の発明にかかる還流式分離器の例の模式的な断面図である。主旋回気流の進行について図６を用いて、詳細に説明する。ただし、図中の矢印は気流の絶対的なベクトルではなくＸＹ平面に投影したベクトルをあらわしている。
【００２８】
まず、含塵気流１７が、導入口１３より吸引される。吸引された含塵気流１７は、上述のように分離器本体１４内で主旋回気流となるが、この主旋回気流は、分離器本体内の内壁にそって下降する下降気流２９である。下降気流２９は、分離器本体１４の底部に達すると、分離器本体１４の内壁からやや中心側で上昇気流３０となる。含塵気流１７のうち、ダストの多くはその質量のため、上昇気流３０に乗ることができず、ダストはカルマン渦２３、次に逆旋回気流２４に乗って、低速度領域であるダストバンカ１４ｂの底面、中央部位に集約する。低速度領域は気流速度が遅いため、再飛散する細塵の量は従来技術の還流式分離器と比較して少なくなる。また、従来のサイクロン分離器に必要な円錐の絞り部分が不必要となるため、高さが低く、小型または軽量となる。さらに、ダストバンカ１４ｂの中央部位に集まってダストが堆積するので、ダストの廃棄が容易である。
【００２９】
このような還流式分離器において、前記仕切板１１の内周側の領域２６における気流速度（逆旋回気流２４）を、導入口１３から旋回室１４ａへ流入する含塵気流１７の気流速度の１／１０以下とする。これにより、細塵の再飛散量が減り、ガス体に混じって排出されるダストの量を減らすことができる。また、従来のサイクロン分離器に必要な円錐の絞り部分が不必要となるため、高さが低く、小型または軽量となる。また、ダストバンカの中央部位に集まってダストが堆積するので、ダストの廃棄が容易である。
【００３０】
また、上記還流式分離器において、仕切板１１の上の端面を円板状の仕切固定板１０に固定する。仕切板１１を仕切固定板１０に固定した状態の例を図７に示す。図１には、還流式分離器における仕切板１１と仕切固定板１０の配置の例が示されている。
【００３１】
仕切板１１の上部を仕切固定板１０を用いて固定することによって、回転中央部におけるダストバンカ１４ｂと旋回室１４ａとの間の気流の流出入が阻まれる。これにより、主旋回気流が回転の中央部を通って旋回室１４ａからダストバンカ１４ｂに流入することがなくなり、低速度領域の気流速度がさらに遅くなり、再飛散する細塵の量が少なくなり、ガス体に混じって排出されるダストの量を減らすことができる。また、上昇気流３０に含まれるダストの多くは仕切固定板１０に阻まれて、旋回室１４ａに流入できなくなるので、ガス体１９に混じって排出されるダストの量を減らすことができる。また、従来のサイクロン分離器に必要な円錐の絞り部分が不必要となるため、高さが低く、小型または軽量となる。さらに、ダストバンカの中央部位に集まってダストが堆積するので、ダストの廃棄が容易である。
【００３２】
また、仕切板１１の上の端面を円板状の仕切固定板１０で固定することにより、仕切板１１をより強固に固定することができるため、頑丈である。さらに、簡易に本発明の分離器を組立てることができる。
【００３３】
上記仕切固定板１０の外周に、筒状のリブ１２を配置することが有効である。仕切固定板１０の外周に筒状のリブ１２を配置した例を図８に示す。仕切固定板１０の外周に筒状のリブ１２を配置することによって、回転中央部におけるダストバンカ１４ｂと旋回室１４ａとの間の気流の流出入がさらに阻まれる。これにより、主旋回気流が回転の中央部を通って旋回室１４ａからダストバンカ１４ｂに流入することがなくなり、低速度領域の気流速度がさらに遅くなり、再飛散する細塵の量が少なくなり、ガス体に混じって排出されるダストの量を減らすことができる。また、上昇気流３０に含まれるダストの多くはリブ１２に阻まれて、旋回室１４ａに流入できなくなるので、ガス体１９に混じって排出されるダストの量を減らすことができる。また、従来のサイクロン分離器に必要な円錐の絞り部分が不必要となるため、高さが低く、小型または軽量となる。さらに、ダストバンカの中央部分に集まってダストが堆積するので、ダストの廃棄が容易である。加えて、リブを設けたことによって、仕切固定板の強度が増し、より頑丈になる。
【００３４】
還流式分離器において、ダストバンカ１４ｂの内壁の断面が円である断面において、前記断面における内径をＤとしたとき、前記円の中心から、０．１５〜０．４９５Ｄの距離にある領域に仕切板１１を配置する。これにより、安定したカルマン渦２３と安定かつ低速な逆旋回気流２４を生成することができ、再飛散する細塵の量が少なくなり、ガス体に混じって排出されるダストの量を減らすことができる。また、従来のサイクロン分離器に必要な円錐の絞り部分が不必要となるため、高さが低く、小型または軽量となる。さらに、ダストバンカの中央部分に集まってダストが堆積するので、ダストの廃棄が容易である。
【００３５】
本発明の還流式分離器において、仕切板１１の外周曲率と等価な円の円周長に占める、仕切板１１と仕切板１１の間隙の割合を開口率としたとき、開口率が２５％以下となるように仕切板１１を配置することで、分離器の性能を向上させることが可能であり、また、再飛散を極力防止することが可能となる。
【００３６】
上記環流式分離方法を含塵気流分離方法として用いることにより、使用を続けても堆積したダストによって能力が低下しにくく、またフィルタ一の交換またはダスト除去をしなければならない頻度が低いまたは無くなる。
【００３７】
なお、環流式分離器には、排出口の前または後のガス体が通過する位置にメッシュフィルター等からなる含塵気流分離器を二次分離器として配置し、分離能力を向上させたものがある。図２１のメッシュフィルター部、図１、図６のメッシュフィルター部１５は二次分離器の例である。二次分離器の有無は、本願発明にとって本質的な要素ではない。また、メッシュフィルター式分離器以外の含塵気流分離器でも良い。ちなみに、再飛散する細塵の量を少なくする本発明の環流式分離器に二次分離器を配置した場合、二次分離器に堆積するダストの量を減らすことができ、二次分離器の交換または清掃をする頻度をへらすことができる。
【００３８】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態を図１を用いて説明する。本発明の第１の実施の形態にかかる還流式分離器は、ダストとガス体とを分離器内部に誘導する導入口１３と、内部が旋回室１４ａおよびダストバンカ１４ｂとに分割された分離器本体１４と、ダストバンカ１４ｂ内に設けた仕切板１１と、仕切板１１を固定する仕切固定板１０と、捕集不可能な細塵を付着させガス体のみを通過させるメッシュフィルター部１５と、メッシュフィルター部を通過したガス体を分離器本体から排出する排出口１６を備えている。
【００３９】
初期状態では、分離器本体１４の内部はガス体により満たされている。排出口１６における気圧を低くすると、導入口１３から吸入され、還流式分離器内部を通過し排出口１６へ排出される気流が発生する。その際、導入口１３から吸入される気流１７が、ガス体とダストとを含む含塵気流である場合に、含塵気流からダストを分離し、ダストバンカ１４ｂに補集するものである。
【００４０】
この分離器においてサイクロン気流が発生する工程について説明する。まず排出口１６における気圧を導入口１３における気圧より低くすると、図１中のＹ方向へのガス体の流れである排気１９が発生し、導入口１３より新たな含塵気流１７が吸引される。分離器本体１４中に主旋回気流１８が発生する。
【００４１】
図９に主旋回気流１８の状態を示す。分離器本体１４の内壁付近に発生する主旋回気流１８は、螺旋状に旋回しつつ分離器本体１４の下部に向かって進行する。
【００４２】
図６の還流式分離器の断面図に示すように、導入口１３か吸引された含塵気流１７は、上述のように分離器本体１４内で主旋回気流１８となるが、分離器本体内の内壁にそって下降する下降気流２９となる。下降気流２９は分離器本体１４の底部に達すると、分離器本体１４の内壁からやや中心側で上昇気流３０となる。この時、含塵気流１７のうち、ダストは上昇気流３０に乗らず、ガス体のみ上昇気流３０となる。ダストは中心方向ベクトル３１に従って分離器本体１４の中心部に集約しようとする。ガス体のみとなった上昇気流３０はメッシュフィルター部１５を通過し、排出口１６から外部へ排出される。
【００４３】
ここで本発明の仕切板１１の有効性を、上述した分離器本体と本発明の仕切板または比較例の仕切板を使用した実験と解析によって確認する。用意したモデルは比較例１〜比較例３、実施例１〜実施例８であり、詳細は後述する。いずれの場合も排出口１６から１．５立方メートル毎分の風量で排出する。このとき導入口１３と分離器本体１４の境界面付近において２２メートル毎秒の気流を生じる。
【００４４】
実験は、定量のダストを吸引した時にダストバンカ内に捕集されるダスト量を評価対象する。実際の家庭内のダストは重さや形状等が不均一である。例えば、家庭内で見られるダストの種類は、米やふりかけやコーヒー等の食べ物かす、小物玩具、土や砂、ホッチキスの針、鉛筆の芯、消しゴムかす、輪ゴム、人の髪の毛、ペットの抜け毛、細かな埃等が挙げられる。これらのダストは使用環境や生活環境で大きく左右され、重たいゴミと軽いゴミの含有率が常に一定では無いため、このダストを用いた実験の再現性は低く、比較実験用試料として不適である。
【００４５】
また、従来の分離器は、例えば前記家庭内ゴミの内、細かな埃以外はそのものの重量のために１００％近くの捕集が可能であるが、細かな埃の捕集はし難い。例えばメッシュフィルター式分離器で細かな埃を吸い込むと、メッシュフィルター部分に細かな埃が付着し、それを起点として次々に新たな埃が堆積し、やがてメッシュフィルターの目詰まりを引き起こす。そうすると、分離器としての性能低下をまねくばかりでなく、分離器のモーターが発熱して事故になりかねず、そのため分離器には細かな埃に対する性能が求められている。
【００４６】
したがって、還流式分離器の性能を評価するには軽量で捕集が困難なダストが好ましく、しかも実験結果の信頼性から一定の重さに揃ったものでなければならない。よって、本実験では、ダスト試料としてＪＩＳＺ８９０１準拠のタルク粉を利用した。使用したタルク粉は、真比重が２．７６、見かけ比重が０．３、中心粒径が約８μｍである。一回の実験でタルク粉５グラムを使用し、分離器に吸引させてダストバンカに捕集されるタルク粉の量を評価対象とする。捕集されるタルク粉の量が多いほど、細塵の補集率が高く、ガス体に混じって排出されるダストの量が少ない分離器であると評価する。
【００４７】
解析には汎用流体解析ソフトウェアを用いる。この実施例における分離器の場合、ガス体は空気なので気相、ダスト試料はタルク粉なので固相であるから、固気二相流の流れ場解析を行う。固気二相流の場合、気相はオイラー法、固相はラグランジュ法による運動方程式を利用するため、二相ラグランジュ法を適用して解析を行う。境界条件は排出口より吸引する条件と、導入口側は大気開放条件を付与する。計算終了後に図１のＡ−Ａ断面の速度ベクトルより内部の気体の流速を求め、比較対象とする。
【００４８】
用意した実施例と比較例について説明する。図２は実施例１のＡ−Ａ断面図、図１０は実施例２のＡ−Ａ断面図、図１１は実施例３のＡ−Ａ断面図、図１２は実施例４のＡ−Ａ断面図、図１３は実施例５のＡ−Ａ断面図、図１４は実施例６のＡ−Ａ断面図、図１５は実施例７のＡ−Ａ断面図、図１６は実施例８のＡ−Ａ断面図である。図１７は比較例１のＡ−Ａ断面図、図１８は比較例２のＡ−Ａ断面図である。
【００４９】
図２、図１０〜図１４、図１６、図１８において中一点鎖線で示した部分は、それぞれにおいての仕切板の仕切板外周直径ｄ１と仕切板内周直径ｄ２を示している。図１５において中一点鎖線で示した部分は、仕切板３７の仕切板外周直径ｄ１と仕切板内周直径ｄ２、第二仕切板３８の第二仕切板外周直径ｄ３、第二仕切板内周直径ｄ４を示している。
【００５０】
実施例１（図２）は、ダストバンカ内径Ｄが１１６ｍｍ、仕切板外周直径ｄ１が９１ｍｍ、仕切板内周直径ｄ２が６６ｍｍ、仕切板間距離Ｓが１２．５ｍｍとなるように４枚の仕切板を配置する。実施例２（図１０）は、仕切板外周直径ｄ１が７０ｍｍ、仕切板内周直径ｄ２が４５ｍｍ、仕切板間距離Ｓが１２．５ｍｍとなるように４枚の仕切板を配置する。実施例３（図１１）は、仕切板外周直径ｄ１が１０２ｍｍ、仕切板内周直径ｄ２が７７ｍｍ、仕切板間距離Ｓが１２．５ｍｍとなるように４枚の仕切板を配置する。実施例４（図１２）は、仕切板外周直径ｄ１が９１ｍｍ、仕切板内周直径ｄ２が７８．５ｍｍ、仕切板間距離Ｓが１２．５ｍｍとなるように４枚の仕切板を配置する。実施例５（図１３）は、仕切板外周直径ｄ１が９１ｍｍ、仕切板内周直径ｄ２が６６ｍｍ、仕切板間距離Ｓが１２．５ｍｍとなるように５枚の仕切板を配置する。実施例６（図１４）は、仕切板外周直径ｄ１が９１ｍｍ、仕切板内周直径ｄ２が６６ｍｍ、仕切板間距離Ｓが１２．５ｍｍとなるように３枚の仕切板を配置する。実施例７（図１５）は、仕切板３７の仕切板外周直径ｄ１が９１ｍｍ、仕切板内周直径ｄ２が８３ｍｍ、第二仕切板３８の第二仕切板外周直径ｄ３が７４ｍｍ、第二仕切板内周直径ｄ４が６６ｍｍ、仕切板間距離Ｓが１２．５ｍｍとなるように８枚の仕切板を配置する。実施例８（図１６）は、仕切板外周直径ｄ１が９１ｍｍ、仕切板内周直径ｄ２が６６ｍｍ、仕切板間距離Ｓが１２．５ｍｍとなるように２枚の仕切板を配置する。なお実施例１〜実施例８は旋回室高さが９０ｍｍ、ダストバンカ高さが９０ｍｍ、分離器本体全高は１８０ｍｍである。
【００５１】
比較例１（図１７）は仕切板を用いないモデルである。比較例２（図１８）は、仕切板外周直径ｄ１が９１ｍｍ、仕切板内周直径ｄ２が６６ｍｍ、仕切板間距離Ｓが１２．５ｍｍとなるように６枚の仕切板を配置する。なお比較例１から比較例２は旋回室高さが９０ｍｍ、ダストバンカ高さが９０ｍｍ、分離器本体全高は１８０ｍｍである。
【００５２】
比較例３（図２１）は、従来の分離器である。実施例１〜実施例８と比較例１、比較例２の性能と同一にするため、旋回室高さのうち円筒部分は９０ｍｍで円錐部分は１１２ｍｍ、ダストバンカ高さのうち円筒部分は５０ｍｍで円錐部分は４０ｍｍ、分離器本体全高は２９２ｍｍである。
【００５３】
実施例１〜実施例８、比較例１〜比較例３の実験結果と解析結果を図１９に示す。実験結果は、タルク粉５グラムに対するダストバンカでの捕集量を示し、解析結果はそれぞれのモデルの仕切板内周側の領域の平均風速である。なお比較例１と比較例３の解析結果のみダストバンカ内壁内の領域での平均風速を用いている。また、仕切板外周直径ｄ１の円周に占める仕切板間距離Ｓの割合を開口率とし、この数値を図１９に記載している。
【００５４】
この結果より実施例１〜実施例８は、細塵を５０％以上捕集しているが、比較例１〜比較例３の捕集量は１５％に達しない。この原因は、解析結果からもわかるように、比較例は仕切板内周側の領域またはダストバンカ内壁内の風速が速く、タルクの多くが再飛散しているためである。再飛散したタルク粉はメッシュフィルター部を通り抜け排出口から外へ排出され、補集量が少なくなっている。
【００５５】
（第２の実施の形態）
【００５６】
本発明の第２の実施の形態を図８を用いて説明する。この実施の形態は、実施例１の仕切固定板１０にリブ１２を付加した形態である。
【００５７】
図８を用いてリブ付き仕切固定板を用いた実施の形態を説明する。図８は、第１の実施の形態における仕切板１１と仕切固定板１０とリブ１２の形状と配置の例を示した図である。リブ１２とは、仕切固定板１０の外周に配置した円筒状の板である。図８にリブ１２の高さである寸法の位置をＨで示す。
【００５８】
実施例１にそれぞれ１０ｍｍ、２０ｍｍ、３０ｍｍの高さのリブを付加した実施例９、１０、１１の実験結果を図２０に示す。
【００５９】
リブ１２を設けた実施例９、１０、１１は、実施例１よりさらに多くのタルク粉を捕集する実験結果となった。これにより、実施例９、１０、１１は細塵の補集率が高く、ガス体に混じって排出されるダストの量が少ない分離器であると評価することができる。
【００６０】
【発明の効果】
本発明によれば、ガス体とダストを含む含塵気流を取り込む導入口と、含塵気流が旋回する旋回室と、ダストを捕集するダストバンカと、ガス体を排出する排出口とを備えた還流式分離器であって、前記旋回する含塵気流の回転の中心軸とダストバンカの内壁との間に、前記ダストバンカの内壁の同心円に整列するように平板或いは曲板からなる仕切板を一枚以上配置することにより、再飛散する細塵の量を従来技術の還流式分離器と比較して少なくすることができる。従ってガス体に混じって排出されるダストの量を減らすことができる。また、分離機自体の高さを低くすることができ、かつ小型または軽量とすることができる。さらに、ダストバンカの中央部位に集まってダストが堆積するので、ダストの廃棄が容易である。
【００６１】
仕切板の上の端面を円盤状の仕切固定板に固定したことにより、仕切板をより頑丈なものとすることができ、簡易に分離器を組立てることができる。さらに、仕切固定板の外周に、筒状のリブを配置することによって、再飛散する細塵の量をさらに少なくすることができかつ仕切板をより頑丈なものとすることができる。
【００６２】
ダストバンカの内壁の断面が円である断面において、前記断面における内径をＤとしたとき、前記円の中心から、０．１５〜０．４９５Ｄの距離にある領域に仕切板を配置することにより、再飛散する細塵の量を少なくすることができ、ガス体に混じって排出されるダストの量を減らすことができる。また、高さが低く、小型または軽量となる。さらに、ダストバンカの中央部位に集まってダストが堆積するので、ダストの廃棄が容易である。
【００６３】
仕切板の外周曲率と等価な円の円周長に占める、仕切板と仕切板の間隙の割合を開口率としたとき、開口率が２５％以下となるように仕切板を配置することにより、再飛散する細塵の量を少なくすることができ、ガス体に混じって排出されるダストの量を減らすことができる。高さが低く、小型または軽量となる。また、ダストバンカの中央部位に集まってダストが堆積するので、ダストの廃棄が容易である。
【００６４】
上記環流式分離器を備えることにより、使用を続けても堆積したダストによって能力が低下しにくく、またフィルタ一の交換またはダスト除去をしなければならない頻度が低いまたは無い、掃除機、空気清浄機、空気調整器、冷房機、暖房機、加湿器、除湿器、ふとん乾燥機、衣類乾燥機、気体圧縮機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による仕切板を備えた還流式分離器の構造。
【図２】本発明による還流式分離器であって実施例１のＡ−Ａ断面。
【図３】Ａ−Ａ断面における気流ベクトルの様子。
【図４】断面Ａ−Ａにおける気流速度を示すグラフ。
【図５】高速度領域と低速度領域とを示す図。
【図６】分離器本体断面内でのＸ方向とＹ方向の気流ベクトルの様子。
【図７】仕切板１１を仕切固定板１０に固定した状態の例。
【図８】仕切固定板の外周に筒状のリブを配置した例。
【図９】分離器本体の最外周におけるサイクロン気流ベクトルの様子。
【図１０】実施例２のＡ−Ａ断面図。
【図１１】実施例３のＡ−Ａ断面図。
【図１２】実施例４のＡ−Ａ断面図。
【図１３】実施例５のＡ−Ａ断面図。
【図１４】実施例６のＡ−Ａ断面図。
【図１５】実施例７のＡ−Ａ断面図。
【図１６】実施例８のＡ−Ａ断面図。
【図１７】比較例１のＡ−Ａ断面図。
【図１８】比較例２のＡ−Ａ断面図。
【図１９】第１の実施の形態で用いた実施例と比較例の寸法と実験結果と解析結果の表。
【図２０】第２の実施の形態で用いた実施例と比較例の寸法と実験結果の表。
【図２１】従来のサイクロン分離器の構造。
【符号の説明】
８ 再飛散気流
１０ 仕切固定板
１１ 仕切板
１２ リブ
１３ 導入口
１４ 分離器本体
１４ａ 旋回室
１４ｂ ダストバンカ
１５ メッシュフィルター部
１６ 排出口
１７ 含塵気流
１８ 主旋回気流
１９ ガス体
２０ ダストバンカ内壁
２１ 主旋回気流回転方向
２２ 主旋回気流
２３ カルマン渦
２４ 逆旋回気流
２５ 高速度領域
２６ 低速度領域
２７ 最大気流速度
２９ 下降気流
３０ 上昇気流
３１ 中心方向ベクトル
３２〜３７、３９，４０ 仕切板
３８ 第二仕切板
Ｄ ダストバンカ内径
ｄ１ 仕切板外周直径
ｄ２ 仕切板内周直径
ｄ３ 第二仕切板外周直径
ｄ４ 第二仕切板内周直径
Ｈ リブ高さ
Ｓ 仕切板間距離
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばダストを含むガス体を旋回させ、その遠心力によってガス体からダストを分離させて、ダストを捕集する還流式分離器の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ダストとガス体で構成される固気二相流である含塵気流をダストとガス体に分離し、ダストを捕集する装置である含塵気流分離器として、メッシュフィルター式分離器と還流式分離器がある。
【０００３】
メッシュフィルター式分離器とは、小さな穴の空いたメッシュフィルターで含塵気流を濾すことにより、含塵気流から穴より大きなダストを分離する装置である。メッシュフィルター式分離器は単純な構造で穴より大きなダストを確実に分離できるという特徴を有するが、使用を続けるとメッシュフィルターにダストが付着、堆積し、分離能力が徐々に低下するという欠点がある。そのため、メッシュフィルターの清掃、交換等の方法により、フィルターに付着したダストを除去し、分離能力を回復させなければならない。
【０００４】
また、還流式分離器は、ダストとガス体で構成される含塵気流を、円筒状、或いは円錐状、或いは円筒部分と円錐部分を合わせて持つ円筒容器内（以下、旋回室と称する）で旋回させ、ダストを旋回時に生じる遠心力で分離する構造をとっている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００５】
【非特許文献１】
小川明著「サイクロン分離器」コロナ社出版、昭和５５年、ｐ．１
【０００６】
従来の環流式分離器の構造例を図２１に示す。図２１に示す環流式分離器は、導入口１３、旋回室１４ａ、ダストバンカ１４ｂ、メッシュフィルタ１５、排出口１６を備えている。導入口１３から供給される含塵気流１７は、旋回室１４ａに供給され主旋回気流１８となり、ダストは旋回室１４ａの周壁にあたってダストバンカ１４ｂに落下し、塵が除かれたガス体１９は排出口１６から排出される。ダストバンカ１４ｂ内には、再飛散気流８を生じる。環流式分離器では、ほとんどのダストはダストバンカ１４ｂに堆積する。そのため、ダストバンカ１４ｂに堆積したダストを随時、廃棄すれば良く、使用を続けても分離能力は低下しにくい。
【０００７】
含塵気流分離器を手段として用いた装置に、掃除機、空気清浄機、空気調整器、冷房機、暖房機、加湿器、除湿器、ふとん乾燥機、衣類乾燥機等、気体圧縮機（コンプレッサー）等がある。たとえば、掃除機は、ダストと空気を取り込む取込部、ヘッド部から取り込んだダストと空気からなる含塵気流を含塵気流分離器まで誘導する誘導部、含塵気流分離器である含塵気流分離部、含塵気流分離部を通過したガス体を掃除機外に放出させるための放出部を備えている。
【０００８】
含塵気流分離器を手段として用いた装置には、含塵気流分離器として、メッシュフィルター式分離器のみを用いたものと還流式分離器を用いたものがある。還流式分離器を用いた掃除機は、ダストバンカ１４ｂに堆積したダストを随時、廃棄すれば良く、含塵気流分離器としてメッシュフィルター式分離器のみを用いた装置と比較して、使用を続けても集塵能力は低下しにくい。またフィルタ一の交換またはダスト除去をしなければならない頻度が低いまたは無いという特徴を備えている。
【０００９】
しかしながら、還流式分離器では、含塵気流から完全にダストを分離することは困難である。ごく少量ではあるが、分離しきれないダストが排気であるガス体１９に混じってしまう。すなわち、旋回室１４ａで発生した主旋回気流１８は、ダストを分離した以後も運動が収束せず、ダストバンカ１４ｂ内に侵入し、再飛散気流８となる。ダストバンカ１４ｂ内に堆積しているダストは再飛散気流８に乗り、ガス体１９と一緒に分離器から排出される。再飛散を起こしてしまうダストは、比較的軽量なもので、例えば埃や、粒子状の砂や土等の微細な塵（以下、細塵と称する）である。これらの細塵は、微風でも巻き上がりやすい性質がある。
【００１０】
また、従来の還流式分離器は、ダストバンカ１４ｂに堆積したダストの再飛散を減少させるため、旋回室１４ａとダストバンカ１４ｂとの接続部の径を細くしている。そのため、旋回室１４ａとダストバンカ１４ｂとの接続部に至る旋回室１４ａの下部とダストバンカ１４ｂの上部には円錐形状の部位が必要となり、同等の分離能力を備えたメッシュフィルター式分離器と比較して大きく、重く、高さが高くなる。
【００１１】
したがって、還流式分離器を用いた掃除機は、含塵気流分離器として同等の集塵能力を備えたメッシュフィルター式分離器のみを用いた掃除機と比較して、高さが高くなり、横転しやすくなる。掃除機は収納場所が小さい方が好ましく、そのため高さや幅は出来るだけ小さい方が良いし、運搬や清掃時においても小型または軽量である方が望ましい。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明は、分離能力を減少させることなく、ガス体に混じって排出されるダストの量を減らし、かつ、高さが低く、小型または軽量な、還流式分離器を提供すること目的とする。
【００１３】
本発明は、使用を続けても集塵能力は低下しにくく、フィルタ一の交換またはダスト除去をしなければならない頻度が低いかまたは無く、かつガス体に混じって排出されるダストの量が少ない掃除機または空気清浄機または空気調整器または冷房機または暖房機または加湿器または除湿器またはふとん乾燥機または衣類乾燥機等または気体圧縮機（コンプレッサー）を提供することを目的とする。
【００１４】
本発明は、小型または軽量である掃除機または空気清浄機または空気調整器または冷房機または暖房機または加湿器または除湿器またはふとん乾燥機または衣類乾燥機等または気体圧縮機（コンプレッサー）を提供することを目的とする。
【００１５】
本発明は、高さが低く転倒しにくい掃除機を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
前記に説明したように、細塵の再飛散量の原因は、堆積したダストが再飛散気流により巻き上げられることにある。従ってダストを堆積する場所の気流である再飛散気流の流速を遅くすることができれば、細塵の再飛散量を減らすことができる。
【００１７】
再飛散気流の流速を遅くする手段として、旋回室へ流入する含塵気流の流速を遅くする方法があるが、主旋回気流の遠心力によりガス体とダストを分離する還流式分離器では、旋回室へ流入する含塵気流の流速を遅くすると主旋回気流の流速が遅くなり、分離能力が低下してしまうので、本課題を解決する手段として不適である。本課題を解決する手段の一つは旋回室へ流入する含塵気流の流速を遅くせずにダストを堆積する場所の気流を十分に遅くする手段である。
【００１８】
上記課題を解決するために、本発明は、ガス体とダストを含む含塵気流を取り込む導入口と、含塵気流が旋回する旋回室と、ダストを捕集するダストバンカと、ガス体を排出する排出口とを備えた還流式分離器において、旋回する含塵気流の回転の中心軸とダストバンカの内壁との間に、前記ダストバンカの内壁の同心円に整列するように平板或いは曲板からなる仕切板を一枚以上配置した。
【００１９】
さらに、本発明は、上記還流式分離器において、ダストバンカ内において、仕切板の外周側とダストバンカ内壁との間で主旋回気流が発生した状態で、前記仕切板の内周側の領域における気流速度が、導入口から旋回室へ流入する含塵気流の気流速度の１／１０以下となるようにし、さらに、仕切板の上の端面を円盤状の仕切固定板に固定した。また、仕切固定板の外周に、筒状のリブを配置した。
【００２０】
本発明は、上記還流式分離器において、ダストバンカの内壁の断面が円である断面において、前記断面における内径をＤとしたとき、前記円の中心から、０．１５〜０．４９５Ｄの距離にある領域に仕切板を配置した。また、仕切板の外周曲率と等価な円の円周長に占める、仕切板と仕切板の間隙の割合を開口率としたとき、開口率が２５％以下となるように仕切板を配置した。
【００２１】
さらに、本発明は、上記環流式分離器を備えて、掃除機または空気清浄機また空気調整器または冷房機または暖房機または加湿器または除湿器またはふとん乾燥機または衣類乾燥機または気体圧縮機を構成した。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施の形態にかかる還流式分離器の構成の概要を、図１を用いて説明する。第１の実施の形態は、旋回気流の回転の中心軸とダストバンカの内壁との間に、ダストバンカ内壁の同心円に整列するように平板或いは曲板からなる仕切板を一枚以上配置する。
【００２３】
この還流式分離器は、旋回気流の回転の中心軸とダストバンカの内壁との間に、ダストバンカの内壁の同心円に整列するように平板或いは曲板からなる仕切板１１を４枚配置した還流式分離器の例である。図１に示した還流式分離器は、４枚の仕切板１１と、含塵気流をとりこむ導入口１３と、分離器本体１４と、排出口１６とを備えている。分離器本体１４の上部は旋回室１４ａ、下部はダストバンカ１４ｂとして働く。排出口１６の旋回室１４ａ内に位置する部分にメッシュフィルタ１５が設けられている。排出口１６側を減圧とすることによって、導入口１３から分離器本体１４内に含塵気流１７が導入され、旋回室１４ａに主旋回気流１８を生じ、ダストバンカ１４ｂで塵が分離されたガス体１９が排出口１６から引き出される。
【００２４】
図１に示した還流式分離器のＡ−Ａ断面図を図２に示す。図２は、図１中のＡ−Ａで示した部分のＸＺ平面断面である。図２において、２０はダストバンカ内壁、２１は主旋回気流回転方向、Ｄはダストバンカ内壁２０のダストバンカ内径、ｄ１は仕切板１１の仕切板外周直径、ｄ２は仕切板内周直径を表す。仕切板１１は、仕切板１１の外周曲面がダストバンカ内壁２０の同心円に整列するように配置している。
【００２５】
Ａ−Ａ断面における気流を、図３を用いて説明する。ダストバンカ１４ｂの内壁付近を高速で旋回する主旋回気流２２は、仕切板１１の間隙がよどみ部となり、カルマン渦２３を生む。次にカルマン渦２３は、仕切板１１の内周側の空間内に主旋回気流２２と逆方向に旋回する逆旋回気流２４を生む。
【００２６】
図４に、断面Ａ−Ａにおける気流速度を示す。２７は断面における最大気流速度Ｖｍａｘである。図４より、仕切板外周側の領域（図５の２５）が気流速度の速い高速度領域であり、中心から仕切板内周側の領域（図５の２６）が気流速度の遅い低速度領域であることがわかる。高速度領域は、主旋回気流２２の流れる領域と一致し、低速度領域は、逆旋回気流２４の流れる領域と一致する。
【００２７】
図６は、図１に示した第１の発明にかかる還流式分離器の例の模式的な断面図である。主旋回気流の進行について図６を用いて、詳細に説明する。ただし、図中の矢印は気流の絶対的なベクトルではなくＸＹ平面に投影したベクトルをあらわしている。
【００２８】
まず、含塵気流１７が、導入口１３より吸引される。吸引された含塵気流１７は、上述のように分離器本体１４内で主旋回気流となるが、この主旋回気流は、分離器本体内の内壁にそって下降する下降気流２９である。下降気流２９は、分離器本体１４の底部に達すると、分離器本体１４の内壁からやや中心側で上昇気流３０となる。含塵気流１７のうち、ダストの多くはその質量のため、上昇気流３０に乗ることができず、ダストはカルマン渦２３、次に逆旋回気流２４に乗って、低速度領域であるダストバンカ１４ｂの底面、中央部位に集約する。低速度領域は気流速度が遅いため、再飛散する細塵の量は従来技術の還流式分離器と比較して少なくなる。また、従来のサイクロン分離器に必要な円錐の絞り部分が不必要となるため、高さが低く、小型または軽量となる。さらに、ダストバンカ１４ｂの中央部位に集まってダストが堆積するので、ダストの廃棄が容易である。
【００２９】
このような還流式分離器において、前記仕切板１１の内周側の領域２６における気流速度（逆旋回気流２４）を、導入口１３から旋回室１４ａへ流入する含塵気流１７の気流速度の１／１０以下とする。これにより、細塵の再飛散量が減り、ガス体に混じって排出されるダストの量を減らすことができる。また、従来のサイクロン分離器に必要な円錐の絞り部分が不必要となるため、高さが低く、小型または軽量となる。また、ダストバンカの中央部位に集まってダストが堆積するので、ダストの廃棄が容易である。
【００３０】
また、上記還流式分離器において、仕切板１１の上の端面を円板状の仕切固定板１０に固定する。仕切板１１を仕切固定板１０に固定した状態の例を図７に示す。図１には、還流式分離器における仕切板１１と仕切固定板１０の配置の例が示されている。
【００３１】
仕切板１１の上部を仕切固定板１０を用いて固定することによって、回転中央部におけるダストバンカ１４ｂと旋回室１４ａとの間の気流の流出入が阻まれる。これにより、主旋回気流が回転の中央部を通って旋回室１４ａからダストバンカ１４ｂに流入することがなくなり、低速度領域の気流速度がさらに遅くなり、再飛散する細塵の量が少なくなり、ガス体に混じって排出されるダストの量を減らすことができる。また、上昇気流３０に含まれるダストの多くは仕切固定板１０に阻まれて、旋回室１４ａに流入できなくなるので、ガス体１９に混じって排出されるダストの量を減らすことができる。また、従来のサイクロン分離器に必要な円錐の絞り部分が不必要となるため、高さが低く、小型または軽量となる。さらに、ダストバンカの中央部位に集まってダストが堆積するので、ダストの廃棄が容易である。
【００３２】
また、仕切板１１の上の端面を円板状の仕切固定板１０で固定することにより、仕切板１１をより強固に固定することができるため、頑丈である。さらに、簡易に本発明の分離器を組立てることができる。
【００３３】
上記仕切固定板１０の外周に、筒状のリブ１２を配置することが有効である。仕切固定板１０の外周に筒状のリブ１２を配置した例を図８に示す。仕切固定板１０の外周に筒状のリブ１２を配置することによって、回転中央部におけるダストバンカ１４ｂと旋回室１４ａとの間の気流の流出入がさらに阻まれる。これにより、主旋回気流が回転の中央部を通って旋回室１４ａからダストバンカ１４ｂに流入することがなくなり、低速度領域の気流速度がさらに遅くなり、再飛散する細塵の量が少なくなり、ガス体に混じって排出されるダストの量を減らすことができる。また、上昇気流３０に含まれるダストの多くはリブ１２に阻まれて、旋回室１４ａに流入できなくなるので、ガス体１９に混じって排出されるダストの量を減らすことができる。また、従来のサイクロン分離器に必要な円錐の絞り部分が不必要となるため、高さが低く、小型または軽量となる。さらに、ダストバンカの中央部分に集まってダストが堆積するので、ダストの廃棄が容易である。加えて、リブを設けたことによって、仕切固定板の強度が増し、より頑丈になる。
【００３４】
還流式分離器において、ダストバンカ１４ｂの内壁の断面が円である断面において、前記断面における内径をＤとしたとき、前記円の中心から、０．１５〜０．４９５Ｄの距離にある領域に仕切板１１を配置する。これにより、安定したカルマン渦２３と安定かつ低速な逆旋回気流２４を生成することができ、再飛散する細塵の量が少なくなり、ガス体に混じって排出されるダストの量を減らすことができる。また、従来のサイクロン分離器に必要な円錐の絞り部分が不必要となるため、高さが低く、小型または軽量となる。さらに、ダストバンカの中央部分に集まってダストが堆積するので、ダストの廃棄が容易である。
【００３５】
本発明の還流式分離器において、仕切板１１の外周曲率と等価な円の円周長に占める、仕切板１１と仕切板１１の間隙の割合を開口率としたとき、開口率が２５％以下となるように仕切板１１を配置することで、分離器の性能を向上させることが可能であり、また、再飛散を極力防止することが可能となる。
【００３６】
上記環流式分離方法を含塵気流分離方法として用いることにより、使用を続けても堆積したダストによって能力が低下しにくく、またフィルタ一の交換またはダスト除去をしなければならない頻度が低いまたは無くなる。
【００３７】
なお、環流式分離器には、排出口の前または後のガス体が通過する位置にメッシュフィルター等からなる含塵気流分離器を二次分離器として配置し、分離能力を向上させたものがある。図２１のメッシュフィルター部、図１、図６のメッシュフィルター部１５は二次分離器の例である。二次分離器の有無は、本願発明にとって本質的な要素ではない。また、メッシュフィルター式分離器以外の含塵気流分離器でも良い。ちなみに、再飛散する細塵の量を少なくする本発明の環流式分離器に二次分離器を配置した場合、二次分離器に堆積するダストの量を減らすことができ、二次分離器の交換または清掃をする頻度をへらすことができる。
【００３８】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態を図１を用いて説明する。本発明の第１の実施の形態にかかる還流式分離器は、ダストとガス体とを分離器内部に誘導する導入口１３と、内部が旋回室１４ａおよびダストバンカ１４ｂとに分割された分離器本体１４と、ダストバンカ１４ｂ内に設けた仕切板１１と、仕切板１１を固定する仕切固定板１０と、捕集不可能な細塵を付着させガス体のみを通過させるメッシュフィルター部１５と、メッシュフィルター部を通過したガス体を分離器本体から排出する排出口１６を備えている。
【００３９】
初期状態では、分離器本体１４の内部はガス体により満たされている。排出口１６における気圧を低くすると、導入口１３から吸入され、還流式分離器内部を通過し排出口１６へ排出される気流が発生する。その際、導入口１３から吸入される気流１７が、ガス体とダストとを含む含塵気流である場合に、含塵気流からダストを分離し、ダストバンカ１４ｂに補集するものである。
【００４０】
この分離器においてサイクロン気流が発生する工程について説明する。まず排出口１６における気圧を導入口１３における気圧より低くすると、図１中のＹ方向へのガス体の流れである排気１９が発生し、導入口１３より新たな含塵気流１７が吸引される。分離器本体１４中に主旋回気流１８が発生する。
【００４１】
図９に主旋回気流１８の状態を示す。分離器本体１４の内壁付近に発生する主旋回気流１８は、螺旋状に旋回しつつ分離器本体１４の下部に向かって進行する。
【００４２】
図６の還流式分離器の断面図に示すように、導入口１３か吸引された含塵気流１７は、上述のように分離器本体１４内で主旋回気流１８となるが、分離器本体内の内壁にそって下降する下降気流２９となる。下降気流２９は分離器本体１４の底部に達すると、分離器本体１４の内壁からやや中心側で上昇気流３０となる。この時、含塵気流１７のうち、ダストは上昇気流３０に乗らず、ガス体のみ上昇気流３０となる。ダストは中心方向ベクトル３１に従って分離器本体１４の中心部に集約しようとする。ガス体のみとなった上昇気流３０はメッシュフィルター部１５を通過し、排出口１６から外部へ排出される。
【００４３】
ここで本発明の仕切板１１の有効性を、上述した分離器本体と本発明の仕切板または比較例の仕切板を使用した実験と解析によって確認する。用意したモデルは比較例１〜比較例３、実施例１〜実施例８であり、詳細は後述する。いずれの場合も排出口１６から１．５立方メートル毎分の風量で排出する。このとき導入口１３と分離器本体１４の境界面付近において２２メートル毎秒の気流を生じる。
【００４４】
実験は、定量のダストを吸引した時にダストバンカ内に捕集されるダスト量を評価対象する。実際の家庭内のダストは重さや形状等が不均一である。例えば、家庭内で見られるダストの種類は、米やふりかけやコーヒー等の食べ物かす、小物玩具、土や砂、ホッチキスの針、鉛筆の芯、消しゴムかす、輪ゴム、人の髪の毛、ペットの抜け毛、細かな埃等が挙げられる。これらのダストは使用環境や生活環境で大きく左右され、重たいゴミと軽いゴミの含有率が常に一定では無いため、このダストを用いた実験の再現性は低く、比較実験用試料として不適である。
【００４５】
また、従来の分離器は、例えば前記家庭内ゴミの内、細かな埃以外はそのものの重量のために１００％近くの捕集が可能であるが、細かな埃の捕集はし難い。例えばメッシュフィルター式分離器で細かな埃を吸い込むと、メッシュフィルター部分に細かな埃が付着し、それを起点として次々に新たな埃が堆積し、やがてメッシュフィルターの目詰まりを引き起こす。そうすると、分離器としての性能低下をまねくばかりでなく、分離器のモーターが発熱して事故になりかねず、そのため分離器には細かな埃に対する性能が求められている。
【００４６】
したがって、還流式分離器の性能を評価するには軽量で捕集が困難なダストが好ましく、しかも実験結果の信頼性から一定の重さに揃ったものでなければならない。よって、本実験では、ダスト試料としてＪＩＳＺ８９０１準拠のタルク粉を利用した。使用したタルク粉は、真比重が２．７６、見かけ比重が０．３、中心粒径が約８μｍである。一回の実験でタルク粉５グラムを使用し、分離器に吸引させてダストバンカに捕集されるタルク粉の量を評価対象とする。捕集されるタルク粉の量が多いほど、細塵の補集率が高く、ガス体に混じって排出されるダストの量が少ない分離器であると評価する。
【００４７】
解析には汎用流体解析ソフトウェアを用いる。この実施例における分離器の場合、ガス体は空気なので気相、ダスト試料はタルク粉なので固相であるから、固気二相流の流れ場解析を行う。固気二相流の場合、気相はオイラー法、固相はラグランジュ法による運動方程式を利用するため、二相ラグランジュ法を適用して解析を行う。境界条件は排出口より吸引する条件と、導入口側は大気開放条件を付与する。計算終了後に図１のＡ−Ａ断面の速度ベクトルより内部の気体の流速を求め、比較対象とする。
【００４８】
用意した実施例と比較例について説明する。図２は実施例１のＡ−Ａ断面図、図１０は実施例２のＡ−Ａ断面図、図１１は実施例３のＡ−Ａ断面図、図１２は実施例４のＡ−Ａ断面図、図１３は実施例５のＡ−Ａ断面図、図１４は実施例６のＡ−Ａ断面図、図１５は実施例７のＡ−Ａ断面図、図１６は実施例８のＡ−Ａ断面図である。図１７は比較例１のＡ−Ａ断面図、図１８は比較例２のＡ−Ａ断面図である。
【００４９】
図２、図１０〜図１４、図１６、図１８において中一点鎖線で示した部分は、それぞれにおいての仕切板の仕切板外周直径ｄ１と仕切板内周直径ｄ２を示している。図１５において中一点鎖線で示した部分は、仕切板３７の仕切板外周直径ｄ１と仕切板内周直径ｄ２、第二仕切板３８の第二仕切板外周直径ｄ３、第二仕切板内周直径ｄ４を示している。
【００５０】
実施例１（図２）は、ダストバンカ内径Ｄが１１６ｍｍ、仕切板外周直径ｄ１が９１ｍｍ、仕切板内周直径ｄ２が６６ｍｍ、仕切板間距離Ｓが１２．５ｍｍとなるように４枚の仕切板を配置する。実施例２（図１０）は、仕切板外周直径ｄ１が７０ｍｍ、仕切板内周直径ｄ２が４５ｍｍ、仕切板間距離Ｓが１２．５ｍｍとなるように４枚の仕切板を配置する。実施例３（図１１）は、仕切板外周直径ｄ１が１０２ｍｍ、仕切板内周直径ｄ２が７７ｍｍ、仕切板間距離Ｓが１２．５ｍｍとなるように４枚の仕切板を配置する。実施例４（図１２）は、仕切板外周直径ｄ１が９１ｍｍ、仕切板内周直径ｄ２が７８．５ｍｍ、仕切板間距離Ｓが１２．５ｍｍとなるように４枚の仕切板を配置する。実施例５（図１３）は、仕切板外周直径ｄ１が９１ｍｍ、仕切板内周直径ｄ２が６６ｍｍ、仕切板間距離Ｓが１２．５ｍｍとなるように５枚の仕切板を配置する。実施例６（図１４）は、仕切板外周直径ｄ１が９１ｍｍ、仕切板内周直径ｄ２が６６ｍｍ、仕切板間距離Ｓが１２．５ｍｍとなるように３枚の仕切板を配置する。実施例７（図１５）は、仕切板３７の仕切板外周直径ｄ１が９１ｍｍ、仕切板内周直径ｄ２が８３ｍｍ、第二仕切板３８の第二仕切板外周直径ｄ３が７４ｍｍ、第二仕切板内周直径ｄ４が６６ｍｍ、仕切板間距離Ｓが１２．５ｍｍとなるように８枚の仕切板を配置する。実施例８（図１６）は、仕切板外周直径ｄ１が９１ｍｍ、仕切板内周直径ｄ２が６６ｍｍ、仕切板間距離Ｓが１２．５ｍｍとなるように２枚の仕切板を配置する。なお実施例１〜実施例８は旋回室高さが９０ｍｍ、ダストバンカ高さが９０ｍｍ、分離器本体全高は１８０ｍｍである。
【００５１】
比較例１（図１７）は仕切板を用いないモデルである。比較例２（図１８）は、仕切板外周直径ｄ１が９１ｍｍ、仕切板内周直径ｄ２が６６ｍｍ、仕切板間距離Ｓが１２．５ｍｍとなるように６枚の仕切板を配置する。なお比較例１から比較例２は旋回室高さが９０ｍｍ、ダストバンカ高さが９０ｍｍ、分離器本体全高は１８０ｍｍである。
【００５２】
比較例３（図２１）は、従来の分離器である。実施例１〜実施例８と比較例１、比較例２の性能と同一にするため、旋回室高さのうち円筒部分は９０ｍｍで円錐部分は１１２ｍｍ、ダストバンカ高さのうち円筒部分は５０ｍｍで円錐部分は４０ｍｍ、分離器本体全高は２９２ｍｍである。
【００５３】
実施例１〜実施例８、比較例１〜比較例３の実験結果と解析結果を図１９に示す。実験結果は、タルク粉５グラムに対するダストバンカでの捕集量を示し、解析結果はそれぞれのモデルの仕切板内周側の領域の平均風速である。なお比較例１と比較例３の解析結果のみダストバンカ内壁内の領域での平均風速を用いている。また、仕切板外周直径ｄ１の円周に占める仕切板間距離Ｓの割合を開口率とし、この数値を図１９に記載している。
【００５４】
この結果より実施例１〜実施例８は、細塵を５０％以上捕集しているが、比較例１〜比較例３の捕集量は１５％に達しない。この原因は、解析結果からもわかるように、比較例は仕切板内周側の領域またはダストバンカ内壁内の風速が速く、タルクの多くが再飛散しているためである。再飛散したタルク粉はメッシュフィルター部を通り抜け排出口から外へ排出され、補集量が少なくなっている。
【００５５】
（第２の実施の形態）
【００５６】
本発明の第２の実施の形態を図８を用いて説明する。この実施の形態は、実施例１の仕切固定板１０にリブ１２を付加した形態である。
【００５７】
図８を用いてリブ付き仕切固定板を用いた実施の形態を説明する。図８は、第１の実施の形態における仕切板１１と仕切固定板１０とリブ１２の形状と配置の例を示した図である。リブ１２とは、仕切固定板１０の外周に配置した円筒状の板である。図８にリブ１２の高さである寸法の位置をＨで示す。
【００５８】
実施例１にそれぞれ１０ｍｍ、２０ｍｍ、３０ｍｍの高さのリブを付加した実施例９、１０、１１の実験結果を図２０に示す。
【００５９】
リブ１２を設けた実施例９、１０、１１は、実施例１よりさらに多くのタルク粉を捕集する実験結果となった。これにより、実施例９、１０、１１は細塵の補集率が高く、ガス体に混じって排出されるダストの量が少ない分離器であると評価することができる。
【００６０】
【発明の効果】
本発明によれば、ガス体とダストを含む含塵気流を取り込む導入口と、含塵気流が旋回する旋回室と、ダストを捕集するダストバンカと、ガス体を排出する排出口とを備えた還流式分離器であって、前記旋回する含塵気流の回転の中心軸とダストバンカの内壁との間に、前記ダストバンカの内壁の同心円に整列するように平板或いは曲板からなる仕切板を一枚以上配置することにより、再飛散する細塵の量を従来技術の還流式分離器と比較して少なくすることができる。従ってガス体に混じって排出されるダストの量を減らすことができる。また、分離機自体の高さを低くすることができ、かつ小型または軽量とすることができる。さらに、ダストバンカの中央部位に集まってダストが堆積するので、ダストの廃棄が容易である。
【００６１】
仕切板の上の端面を円盤状の仕切固定板に固定したことにより、仕切板をより頑丈なものとすることができ、簡易に分離器を組立てることができる。さらに、仕切固定板の外周に、筒状のリブを配置することによって、再飛散する細塵の量をさらに少なくすることができかつ仕切板をより頑丈なものとすることができる。
【００６２】
ダストバンカの内壁の断面が円である断面において、前記断面における内径をＤとしたとき、前記円の中心から、０．１５〜０．４９５Ｄの距離にある領域に仕切板を配置することにより、再飛散する細塵の量を少なくすることができ、ガス体に混じって排出されるダストの量を減らすことができる。また、高さが低く、小型または軽量となる。さらに、ダストバンカの中央部位に集まってダストが堆積するので、ダストの廃棄が容易である。
【００６３】
仕切板の外周曲率と等価な円の円周長に占める、仕切板と仕切板の間隙の割合を開口率としたとき、開口率が２５％以下となるように仕切板を配置することにより、再飛散する細塵の量を少なくすることができ、ガス体に混じって排出されるダストの量を減らすことができる。高さが低く、小型または軽量となる。また、ダストバンカの中央部位に集まってダストが堆積するので、ダストの廃棄が容易である。
【００６４】
上記環流式分離器を備えることにより、使用を続けても堆積したダストによって能力が低下しにくく、またフィルタ一の交換またはダスト除去をしなければならない頻度が低いまたは無い、掃除機、空気清浄機、空気調整器、冷房機、暖房機、加湿器、除湿器、ふとん乾燥機、衣類乾燥機、気体圧縮機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による仕切板を備えた還流式分離器の構造。
【図２】本発明による還流式分離器であって実施例１のＡ−Ａ断面。
【図３】Ａ−Ａ断面における気流ベクトルの様子。
【図４】断面Ａ−Ａにおける気流速度を示すグラフ。
【図５】高速度領域と低速度領域とを示す図。
【図６】分離器本体断面内でのＸ方向とＹ方向の気流ベクトルの様子。
【図７】仕切板１１を仕切固定板１０に固定した状態の例。
【図８】仕切固定板の外周に筒状のリブを配置した例。
【図９】分離器本体の最外周におけるサイクロン気流ベクトルの様子。
【図１０】実施例２のＡ−Ａ断面図。
【図１１】実施例３のＡ−Ａ断面図。
【図１２】実施例４のＡ−Ａ断面図。
【図１３】実施例５のＡ−Ａ断面図。
【図１４】実施例６のＡ−Ａ断面図。
【図１５】実施例７のＡ−Ａ断面図。
【図１６】実施例８のＡ−Ａ断面図。
【図１７】比較例１のＡ−Ａ断面図。
【図１８】比較例２のＡ−Ａ断面図。
【図１９】第１の実施の形態で用いた実施例と比較例の寸法と実験結果と解析結果の表。
【図２０】第２の実施の形態で用いた実施例と比較例の寸法と実験結果の表。
【図２１】従来のサイクロン分離器の構造。
【符号の説明】
８ 再飛散気流
１０ 仕切固定板
１１ 仕切板
１２ リブ
１３ 導入口
１４ 分離器本体
１４ａ 旋回室
１４ｂ ダストバンカ
１５ メッシュフィルター部
１６ 排出口
１７ 含塵気流
１８ 主旋回気流
１９ ガス体
２０ ダストバンカ内壁
２１ 主旋回気流回転方向
２２ 主旋回気流
２３ カルマン渦
２４ 逆旋回気流
２５ 高速度領域
２６ 低速度領域
２７ 最大気流速度
２９ 下降気流
３０ 上昇気流
３１ 中心方向ベクトル
３２〜３７、３９，４０ 仕切板
３８ 第二仕切板
Ｄ ダストバンカ内径
ｄ１ 仕切板外周直径
ｄ２ 仕切板内周直径
ｄ３ 第二仕切板外周直径
ｄ４ 第二仕切板内周直径
Ｈ リブ高さ
Ｓ 仕切板間距離
Claims (7)
- ガス体とダストを含む含塵気流を取り込む導入口と、含塵気流が旋回する旋回室と、ダストを捕集するダストバンカと、ガス体を排出する排出口とを備えた還流式分離器であって、
前記旋回する含塵気流の回転の中心軸とダストバンカの内壁との間に、前記ダストバンカの内壁の同心円に整列するように平板或いは曲板からなる仕切板を一枚以上配置したことを特徴とする還流式分離器。 - ダストバンカ内において、仕切板の外周側とダストバンカ内壁との間で主旋回気流が発生した状態で、前記仕切板の内周側の領域における気流速度が、導入口から旋回室へ流入する含塵気流の気流速度の１／１０以下であることを特徴とする請求項１に記載の還流式分離器。
- 仕切板の上の端面を円盤状の仕切固定板に固定したことを特徴とする請求項１に記載の還流式分離器。
- 仕切固定板の外周に、筒状のリブを配置したことを特徴とする請求項３に記載の還流式分離器。
- ダストバンカの内壁の断面が円である断面において、前記断面における内径をＤとしたとき、前記円の中心から、０．１５〜０．４９５Ｄの距離にある領域に仕切板を配置することを特徴とする、請求項１に記載の還流式分離器。
- 仕切板の外周曲率と等価な円の円周長に占める、仕切板と仕切板の間隙の割合を開口率としたとき、開口率が２５％以下となるように仕切板を配置したことを特徴とする請求項１に記載の還流式分離器。
- 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の環流式分離器を備えた掃除機または空気清浄機また空気調整器または冷房機または暖房機または加湿器または除湿器またはふとん乾燥機または衣類乾燥機または気体圧縮機。
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