JP2006346538A - サイクロン式固気分離装置 - Google Patents

Abstract

【課題】固気分離性能の向上。
【解決手段】捕集部５の内部には、捕集部５内の気体を吸引して、捕集部５の外部に排出する気体吸引部９が配設されている。この気体吸引部９の吸引口９ａは、捕集部５内で粒子濃度が希薄になる中心領域に位置している。気体吸引部９を構成する吸引管９ｂの端部は旋回流発生部３の気体導入部６に接続されている。従って、真空エジェクタＥ２の吸引力によって吸引された捕集部５内の気体は、吸引管９ｂを介して再び旋回流発生部３に戻される。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体粒子を含む固気混合気体から遠心力を利用して固体粒子を分離するサイクロン式固気分離装置に関する。

粒子径の小さな微粒子、例えば粒子径１００μｍ以下の微粒子を含む固気混合気体の固気分離には、バグフィルターと呼ばれる織布フィルター、焼結金属フィルター、ヘパフィルターなどが用いられている。この中で最も汎用されているバグフィルターは安価であるが、その洗浄作業が面倒な上、目詰まり除去装置が必要である。焼結金属フィルターは高価であり、同様に目詰り除去装置が必要である。ヘパフィルターは微粒子の分離性能は良いが、高価な上、繰り返し使用には不適である。さらに、これらの固気分離手段は、固気分離した粒子の取り扱いに問題を抱えている。すなわち、分離した粒子を払い落としたり、重力沈下することはできても、その分離した粒子を粒子加工に必要な部位に供給したり、別の装置に輸送する機能は持ち合せていない。

これに対して、サイクロン式の固気分離装置は、安価で、洗浄作業も容易な上、分離した粒子をロータリーバルブ等で系外に排出し、付設の輸送手段により、粒子加工に必要な部位に供給したり、別の装置に輸送したりすることができる。しかしながら、サイクロン式の最も大きな欠点は、微粒子、特に粒子径１００μｍ以下の微粒子の分離性能が極めて悪いことである。近時、医薬品、食品、化粧品、農薬等の製造分野では、粒子加工の高度化の傾向に伴い、微粒子の取り扱いが重要になってきている。

このような事情に鑑み、本発明者らは、微粒子に対しても固気分離性能に優れたサイクロン式固気分離装置を既に提案している（下記の特許文献１）。この既定案に係るサイクロン式固気分離装置は、長手方向のスリットを有する内筒を外筒の内側に同心状に配設し、外筒の上部に固気混合気体の旋回流を発生させるための旋回流発生部を設け、旋回流発生部の下部に外筒の内壁面と内筒の外壁面とで構成される環状の遠心分離部を設け、遠心分離部の下部に固体粒子を捕集するための捕集部を設け、旋回流発生部で発生させた固気混合気体の旋回流を遠心分離部に導き、遠心部で固気混合気体中の固体粒子を遠心分離すると共に、固体粒子と分離された気体を内筒のスリット及び内部を通じて吸引して系外に排出し、遠心分離部で分離された固体粒子を捕集部に旋回沈降させて捕集するものであった。
特開２００４−１４８１６４号公報

本発明の課題は、上記の既提案に係るサイクロン式固気分離装置の固気分離性能をより一層高め、特に粒子径１００μｍ以下の微粒子に対しても優れた分離性能を実現することである。

上記課題を解決するため、本発明は、固体粒子を含む固気混合気体から遠心力を利用して固体粒子を分離するサイクロン式固気分離装置において、外筒と、外筒の内側に同心状に配設された内筒とを備え、外筒の上部に固気混合気体の旋回流を発生させるための旋回流発生部が設けられ、旋回流発生部の下部に外筒の内壁面と内筒の外壁面とで構成される環状の遠心分離部が設けられ、遠心分離部の下部に固体粒子を捕集するための捕集部が設けられ、遠心分離部を構成する内筒の周壁には長手方向にスリットが設けられ、捕集部には、捕集部の中心領域の気体を吸引して捕集部の外部に排出する気体吸引部が設けられ、旋回流発生部で発生させた固気混合気体の旋回流を遠心分離部に導き、遠心部で固気混合気体中の固体粒子を遠心分離すると共に、固体粒子と分離された気体を内筒のスリット及び内部を介して吸引して系外に排出し、遠心分離部で分離された固体粒子を捕集部に旋回沈降させて捕集する構成を提供する。

上記において、気体吸引部で吸引した捕集部内の気体を旋回流発生部に戻す構成とすることができる。

また、旋回流発生部と遠心分離部とを仕切壁で仕切り、仕切壁に、旋回流発生部で発生した旋回流を遠心分離部に導き入れる複数の開口部を設けた構成とすることができる。

以上の構成において、内筒のスリットの幅は０．５ｍｍ以下に設定することが好ましい。

また、外筒の内径（Φ３）と内筒の外径（Φ１）との比（Φ１／Φ３）は０．５以下であることが好ましい。これにより、遠心分離部における固体粒子の良好な分離効果が確保できる。

捕集部に、捕集部の中心領域の気体を吸引する気体吸引部を設けたので、遠心分離部から捕集部への粒子の移動が円滑に行われ、粒子の捕集効率を高めることができる。

また、気体吸引部で吸引した捕集部内の気体を旋回流発生部に戻す構成とすることにより、吸引された気体中に粒子が混入していた場合でも粒子の損失を防止することができる。

また、旋回流発生部と遠心分離部とを仕切る仕切壁に複数の開口部を設け、旋回流発生部で発生した旋回流を複数の開口部を介して遠心分離部に導き入れる構成することにより、遠心分離部の空間を有効利用して、固気分離の効率を高めることができる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態に係るサイクロン式固気分離装置Ａ（以下、単に「固気分離装置Ａ」という。）の全体概略構成を示す縦断面図である。同図に示すように、この固気分離装置Ａは、外筒１と、外筒１の内側に同心状に配設された内筒２とを備え、外筒１の最上部から下部にかけて旋回流発生部３、遠心分離部４、捕集部５が順次に設けられている。

この実施形態において、外筒１は、旋回流発生部３及び遠心分離部４に対応する部分が円筒状、捕集部５に対応する部分が下方に向かって漸次縮径する円錐筒状をなしている。内筒２は全長に亘って円筒状をなし、その下端は閉塞し、その上端は開口２ａになっている。この内筒２の上方部分は旋回流発生部３の中心部を貫通して外筒１の上端壁１ａから外部に突出している。

旋回流発生部３は、外筒１の上端壁１ａと、その下方に離隔して配置された仕切壁１ｂと、上部周壁１ｃと、その中心部を貫通する内筒２の上部周壁２ｂとによって環状空間に形成されている。旋回流発生部３とその下部の遠心分離部４とは仕切壁１ｂによって仕切られている。そして、旋回流発生部３には、固体粒子（以下、単に「粒子」という。）を含む固気混合気体を接線方向から旋回流発生部３に導入するための気体導入部６が接続されている。また、図２（ａ）に示すように、旋回流発生部３と遠心分離部４とを仕切る仕切壁１ｂには複数の開口部１ｂ１が設けられており、旋回流発生部３で発生した旋回流ｆは仕切壁１ｂの開口部１ｂ１を介して下部の遠心分離部４に導き入れられる。この実施形態において、開口部１ｂ１は例えば３箇所に４５度間隔で設けられており、さらに、図２（ｂ）に示すように、各開口部１ｂ１の一方の側壁面１ｂ２、すなわち、旋回流ｆの流れに対して下流側に位置する一方の側壁面１ｂ２は、旋回流ｆを遠心分離部４に円滑に案内するために傾斜面に形成されている。

尚、図２（ａ）に模式的に示すように、外筒１の上部周壁１ｃに、旋回流発生部３で発生した旋回流ｆを増速するための増速手段７を１又は複数配設しても良い。この増速手段７は、例えば、ジェット気流を連続的又は間欠的に噴射する噴射ノズルで構成することができる。

この実施形態において、内筒２の下端は遠心分離部４の下方端の付近まで達し、その下端には、外筒１の内径よりも小径でかつ内筒２の外径よりも大径の円形を呈する隔壁板２ｃが固定されている。

遠心分離部４は、外筒１の中間部周壁１ｄの内壁面と内筒２の中間部周壁２ｄの外壁面との間に形成される環状空間によって構成される。この遠心分離部４を構成する内筒２の中間部周壁２ｄには長手方向に沿って１又は複数のスリット２ｄ１が形成されている。この実施形態では、複数のスリット２ｄ１を円周方向等間隔に形成している。スリット２ｄ１の幅は、分離すべき粒子の粒子径等を勘案して適宜設定すればよいが、例えばスリット２ｄ１の幅を１ｍｍ以下、好ましくは０．５ｍｍ以下、さらに好ましくは０．１〜０．３ｍｍ程度に設定すると、粒子径１００μｍ以下の微粒子に対しても高い分離性能を得ることができる。

尚、図３に例示するように、遠心分離部４に対応する外筒１の中間部周壁１ｄに、旋回流を増速するための増速手段７’を１又は複数配設しても良い。この増速手段７’は、例えば、ジェット気流を連続的又は間欠的に噴射する噴射ノズルで構成することができる。

捕集部５は、外筒１の最下部空間、すなわち、内筒２の隔壁板２ｃよりも下部の空間で構成される。捕集部５に対応する外筒１の下部周壁１ｅは、下方に向かって漸次縮径する円錐筒状をなしている。この捕集部５の最下部中心、すなわち、外筒１の下端壁１ｆの中心には、捕集部５で捕集した粒子を外部に取り出すための取出口１ｆ１が設けられている。そして、この取出口１ｆ１に、吸引手段、例えば真空エジェクタＥ１や吸引ブロアーによって捕集部５内の粒子を吸引して外部に取り出す輸送通路８が接続されている。

また、捕集部５の内部には、捕集部５内の気体を吸引して、捕集部５の外部に排出する気体吸引部９が配設されている。この気体吸引部９の吸引口９ａは、捕集部５内で粒子濃度が希薄になる中心領域に位置し、その高さ方向の位置は、好ましくは捕集部５の高さの１／２以上の位置に設定されている。この実施形態において、気体吸引部９は、吸引手段、例えば真空エジェクタＥ２が介装された吸引管９ｂで構成されている。この吸引管９ｂの一端部は、外筒１の下部周壁１ｅを貫通して捕集部５内に導かれ、捕集部５の中心線に沿って上方に屈曲している。この屈曲部の上端開口が吸引口９ａになる。一方、吸引管９ｂの他端部は旋回流発生部３の気体導入部６に接続されている。従って、真空エジェクタＥ２や吸引ブロアーの吸引力によって吸引された捕集部５内の気体は、吸引管９ｂを介して再び旋回流発生部３に戻される。

この実施形態の固気分離装置Ａは、例えば、図示されていない固気混合気体の発生源、好適には粉粒体処理装置、より好適には医薬品や食品等の製造に用いられる流動層装置の排気部に気体導入部６を接続し、図示されていないブロアー等の負圧吸引源に内筒２の開口２ａを接続して使用する。固気混合気体の気体導入部６への導入は、固気混合気体に正圧を与えて気体導入部６に圧送する構成としても良いし、あるいは、内筒２の開口２ａに接続された負圧吸引源の吸引力のみによって固気混合気体を気体導入部６から吸引する構成としても良い。さらには、上記の圧送と吸引を併用した構成としても良い。

気体導入部６から旋回流発生部３に導入された固気混合気体は、図２（ａ）の矢印ｆで示すように、旋回流発生部３の環状空間を通過する間に旋回流ｆに変換され、そして、仕切壁１ｂの開口部１ｂ１を介して下部の遠心分離部４に導かれる。遠心分離部４に導かれた固気混合気体は、旋回流の状態を保ったまま、遠心分離部４内を螺旋旋回して下方に進む。その際、固気混合気体中の粒子は、旋回時の遠心力を受けて外筒１の中間部周壁１ｄの内壁面側に押し遣られ、これにより、固気混合気体中の粒子と気体とが分離される。外筒１の中間部周壁１ｄの内壁面側に押し遣られた粒子は、該内壁面との接触によって流速を徐々に低下させつつ遠心分離部４を下降して行く。一方、内筒２の中間部周壁２ｄの外壁面の近傍を旋回する気体は、内筒２の開口２ａに接続された負圧吸引源の作用により、スリット２ｄ１を介して内筒２の内部に吸引されるが、その気体中に僅かに含まれる粒子は、スリット２ｄ１の幅が例えば０．５ｍｍ以下と狭いために、スリット２ｄ１の部分を飛び越して旋回し、この部分でも固気分離が進行する。そして、殆ど粒子を含まなくなった気体は内筒２の内部を通って固気分離装置Ａの外部（系外）に排出される。

上述のように、この実施形態では、旋回流発生部３と遠心分離部４とを仕切る仕切壁１ｂに複数の開口部１ｂ１を設け、旋回流発生部３で発生した旋回流を複数の開口部１ｂ１を介して遠心分離部４に導き入れる構成にしている。仕切壁１ｂの各開口部１ｂ１からそれぞれ遠心分離部４に流入した旋回流は、遠心分離部４内で螺旋状の旋回ピッチの位相が相互にずれた状態で併存し、各旋回流の流れを複合して１つの旋回流として見た場合、仕切壁１ｂに１つの開口部のみを設けた構成と比較して、旋回流の螺旋状の旋回ピッチが密になった流れの形態を呈する。これにより、遠心分離部４の空間を有効利用して、固気分離の効率を高めることができる。

そして、遠心分離４部の下方部分に達し、流速がさらに低下した粒子は、外筒１の内壁面と内筒２の下端の隔壁板２ｃとの間の間隙を通過して捕集部５に入り、捕集部５内を旋回沈降しながら流速をさらに低下させ、やがて流速を失って捕集部５の下方部分に堆積する。そして、捕集部５の下方部分に堆積した粒子は、取出口１ｆ１から輸送通路８に吸引されて固気分離装置Ａの外部に排出される。尚、遠心分離部４から捕集部５に旋回沈降した粒子は、隔壁板２ｃにより、遠心分離部４に逆流することが防止される。

上述のように、この実施形態では、捕集部５の内部に、捕集部５内の気体を吸引する気体吸引部９を配設しているので、遠心分離部４から捕集部５への粒子の移動が円滑に行われ、粒子の捕集効率を高めることができる。また、気体吸引部９によって吸引された捕集部５内の気体が旋回流発生部３に戻され、上記の分離操作が繰り返されることにより、吸引された気体中に粒子が混入していた場合でも粒子の損失にはならない。

図４は、上述した実施形態の固気分離装置Ａを医薬品や食品等の製造に用いられる流動層装置３０に接続した例を概念的に示している。流動層装置３０は、流動層容器３１の底部から導入した流動化気体によって、粉粒体粒子を浮遊流動させて流動層３５を形成しつつ、スプレーノズル３３からスプレー液（膜剤液、結合剤液等）を噴霧して造粒又はコーティングを行うものである。流動層３５の内部を通過した流動化気体は流動層容器３１内を上昇して上部空間に達するが、バグフィルターを配設した従来装置のように流動化気体に混じって飛散しようとする微細粒子が流動層容器３１の上部空間で滞留することがなく、固気分離装置Ａに運ばれる。そして、固気分離装置Ａに運ばれた微細粒子は、そこで固気分離され、固気分離装置Ａから流動層３５の内部に戻されて再利用される。具体的には、固気分離装置Ａの気体導入部６に排気ダクト３４を接続し、固気分離装置Ａの輸送通路８を流動層容器３１の流動室に連通させている。

図５は、内筒２の具体例を示している。この例の内筒２は、離隔板２ｃを除く部分の長さＬ１が３００ｍｍ、外径Φ１が３４ｍｍ、内径Φ２が２８．４ｍｍである。上端の開口２ａは内径Φ２よりも小径で、配管継手を接続できるようにネジが設けられている。この例では、スリット２ｄ１は、遠心分離部４を構成する中間部周壁２ｄから、旋回流発生部３を構成する上部周壁２ｂに亘って形成されており、その全長Ｌ２は２７０ｍｍである。図１に示す構成と同様に、スリット２ｄ１は、遠心分離部４を構成する中間部周壁２ｄにのみ形成するようにしても良い。

スリット２ｄ１は、円周方向等間隔（４５°間隔）で８本形成されている。スリット２ｄ１の幅Ｗは０．３ｍｍであり、スリット２ｄ１は半径線ｒに対して旋回流ｆの旋回方向に角度θだけ傾斜している。この傾斜角度θは例えば４５°である。

図６は、内筒２の他の具体例を示している。この例の内筒２は、離隔板２ｃを除く部分の長さＬ１が３００ｍｍ、外径Φ１が３４ｍｍ、内径Φ２が２８．４ｍｍである。上端の開口２ａは内径Φ２よりも小径で、配管継手を接続できるようにネジが設けられている。この例では、スリット２ｄ１は、遠心分離部４を構成する中間部周壁２ｄから、旋回流発生部３を構成する上部周壁２ｂに亘って形成されており、その全長Ｌ２は２８０ｍｍである。図１に示す構成と同様に、スリット２ｄ１は、遠心分離部４を構成する中間部周壁２ｄにのみ形成するようにしても良い。

スリット２ｄ１は、円周方向等間隔（１５°間隔）で２４本形成されている。スリット２ｄ１の幅Ｗは０．１ｍｍであり、スリット２ｄ１は半径線ｒに対して旋回流ｆの旋回方向に角度θだけ傾斜している。この傾斜角度θは例えば４５°である。

尚、上述した実施形態において、外筒１と内筒２とは同軸であることが好ましく、外筒１の内径（Φ３）と内筒２の外径（Φ１）との比（Φ１／Φ３）は０．５以下であることが好ましく、また、これらの表面はできるだけ平滑であることが好ましい。また、外筒１の下部周壁１ｅは円筒状に形成しても良い。また、外筒１の中間部周壁１ｄと内筒２の中間部周壁２ｄを下方に向かって漸次縮径する同心円錐状に形成し、両者の間に環状の遠心分離部４を形成するようにしても良い。また、内筒２のスリット２ｄ１の幅を種々異ならせた複数の固気分離装置Ａを直列で接続することにより、各固気分離装置Ａでスリット２ｄ１の幅に応じた粒子径の粒子を篩分（分級）することもできる。さらに、内筒２の内部を間欠的に正圧にし、スリット２ｄ１に詰まった粒子を逆洗する機構を設けても良い。

従来のサイクロン式固気分離装置では、分離限界粒子径は１００μｍを少し越える程度であったが、この実施形態の固気分離装置Ａでは、例えば粒子径１０〜２０μｍのコンスターチ粒子の分離回収率が９９．５％以上に達し、顕著な効果が得られた。

本発明の実施形態に係るサイクロン式固気分離装置の全体構成を概念的に示す縦断面図である。 図２（ａ）は旋回流発生部を示す要部破断平面図、図２（ｂ）は仕切り壁の開口部周辺を示す要部断面図である。 外筒に旋回流の増速手段を設けた例を示す平面図である。 実施形態に係る固気分離装置を流動層装置に接続した例を模式的に示す図である。 内筒の具体例を示す側面図｛図５（ａ）｝、図５（ａ）のＸ−Ｘ断面図｛図５（ｂ）｝、スリット周辺部の拡大断面図｛図５（ｃ）｝である。 内筒の具体例を示す側面図｛図６（ａ）｝、図６（ａ）のＸ−Ｘ断面図｛図６（ｂ）｝、スリット周辺部の拡大断面図｛図６（ｃ）｝である。

符号の説明

Ａ サイクロン式固気分離装置
１ 外筒
１ｂ 仕切壁
１ｂ１ 開口部
２ 内筒
２ｄ１ スリット
３ 旋回流発生部
４ 遠心分離部
５ 捕集部
９ 気体吸引部

Claims (5)

1. 固体粒子を含む固気混合気体から遠心力を利用して固体粒子を分離するサイクロン式固気分離装置において、
   外筒と、該外筒の内側に同心状に配設された内筒とを備え、
   前記外筒の上部に固気混合気体の旋回流を発生させるための旋回流発生部が設けられ、該旋回流発生部の下部に前記外筒の内壁面と前記内筒の外壁面とで構成される環状の遠心分離部が設けられ、該遠心分離部の下部に固体粒子を捕集するための捕集部が設けられ、
   前記遠心分離部を構成する前記内筒の周壁には長手方向にスリットが設けられ、
   前記捕集部には、該捕集部の中心領域の気体を吸引して該捕集部の外部に排出する気体吸引部が設けられ、
   前記旋回流発生部で発生させた固気混合気体の旋回流を前記遠心分離部に導き、該遠心部で固気混合気体中の固体粒子を遠心分離すると共に、固体粒子を分離された気体を前記内筒のスリット及び内部を介して吸引して系外に排出し、前記遠心分離部で分離された固体粒子を前記捕集部に旋回沈降させて捕集することを特徴とするサイクロン式固気分離装置。
2. 前記気体吸引部で吸引した捕集部内の気体を前記旋回流発生部に戻すことを特徴とする請求項１に記載のサイクロン式固気分離装置。
3. 前記旋回流発生部と前記遠心分離部とは仕切壁で仕切られ、該仕切壁に、前記旋回流発生部で発生した旋回流を前記遠心分離部に導き入れる複数の開口部が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のサイクロン式固気分離装置。
4. 前記内筒のスリットの幅が０．５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載のサイクロン式固気分離装置。
5. 前記外筒の内径（Φ３）と前記内筒の外径（Φ１）との比（Φ１／Φ３）が０．５以下であることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載のサイクロン式固気分離装置。

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