JP2016107212A - 遠心分離装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転体の内部状態を適切かつリアルタイムに確認する。【解決手段】遠心分離装置は、円筒形状に形成され、固体１５０と液体１５２との混合液を収容し、回動することで固体と液体とを遠心分離する外胴ボウル１１０と、外胴ボウルの内周面に一部を露出した状態で離間して設けられた複数の電極１２６と、外胴ボウルと一体回転し、複数の電極に電気信号を供給して、複数の電極間の電気抵抗に相当する検出結果を導出する内部測定ユニット１２８と、を備えたことを特徴とする。【選択図】図４

Description

本発明は、固体と液体とを遠心分離する遠心分離装置に関する。

固体と液体との混合液に対し、両者を分離する固液分離処理として、例えば、固体と液体との質量密度（比重）差を利用し、固体（固形分）を沈降させて、上澄み液を分離液として取り出す処理が考えられる。また、その応用例として、回転体内で混合液を高速で回転させ、回転体に加わる径方向の遠心力により固体の沈降速度を高めることで固液分離を促進する、所謂、遠心分離処理も実現されている。

例えば、円筒形状の外胴ボウル内に混合液を収容して高速回転し、外胴ボウルの内周面に堆積された固体と、その径方向内側に位置する液体とに遠心分離し、さらに、固体を内胴スクリュウコンベアによって外胴ボウルの一端から吐出し、液体を清澄液として他端から排出するスクリュウデカンタ型遠心分離装置が利用されている（例えば、特許文献１）。また、このような遠心分離装置の異常を遠隔監視する技術も開示されている（例えば、特許文献２）。

特開平１０−３２８５８０号公報 特開２００７−４４５６９号公報

上述した特許文献２等の技術を用いることで遠心分離装置を外部から監視することは可能となる。しかし、遠心分離装置の内部状態、特に、円筒形状の回転体の内部状態を監視する手段は存在しない。したがって、回転体の回動に費やす負荷や、回動時の振動に基づき、回転体の内部状態を客観的に推測することしかできず、回転体の異常を適切に判断することができなかった。

また、遠心分離装置の異常、例えば、機械振動の増加等を外部診断により把握した場合であっても、その原因が回転体内部における堆積物によるアンバランスなのか、駆動機構自体の問題なのかを運転中に特定することができない。さらには、その原因究明のため運転の停止を余儀なくされ、回転体の内部を洗浄してアンバランスを排除し、原因の切り分けを行う等、繁雑な作業を要していた。

また、このような遠心分離装置では、回転体の内部状態、例えば、収容する混合液の量や性質に拘わらず、所定の条件下で画一的な運転が為されるので、負荷に応じた最適な運転条件で回動することができず、必要以上の動力を費やしていた。

そこで本発明は、このような課題に鑑み、回転体の内部状態を適切かつリアルタイムに確認可能な遠心分離装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の遠心分離装置は、円筒形状に形成され、固体と液体との混合液を収容し、回動することで固体と液体とを遠心分離する回転体と、回転体の内周面に一部を露出した状態で離間して設けられた複数の電極と、回転体と一体回転し、複数の電極に電気信号を供給して、複数の電極間の電気抵抗に相当する検出結果を導出する内部測定ユニットと、を備えたことを特徴とする。

複数の電極は、回転体の回動軸方向に離間して設けられていてもよい。

電気信号は、交流信号であってもよい。

上記課題を解決するために、本発明の他の遠心分離装置は、円筒形状に形成され、固体と液体との混合液を収容し、回動することで固体と液体とを遠心分離する外胴ボウルと、外胴ボウルと相対的に回動し、外胴ボウルの内周面に堆積された固体を外胴ボウル外に吐出する内胴スクリュウコンベアと、外胴ボウルの内周面に一部を露出した状態で離間して設けられた複数の電極と、外胴ボウルと一体回転し、複数の電極に電気信号を供給して、複数の電極間の電気抵抗に相当する検出結果を導出する内部測定ユニットと、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、回転体の内部状態を適切かつリアルタイムに確認可能となる。

スクリュウデカンタ型遠心分離装置の概略的な構成を示した斜視図である。 スクリュウデカンタ型遠心分離装置の概略的な構成を示した縦断面図である。 遠心分離機構を説明するための説明図である。 電極および内部測定ユニットの概略的な構成を説明するための説明図である。 検出結果の処理を説明するための説明図である。 電極の他の配置例を説明するための説明図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

固体と液体との混合液に対し、両者を分離する固液分離処理として、回転体内で混合液を高速で回転させ、回転体に加わる径方向の遠心力により固体の沈降速度を高めることで固液分離を促進する、所謂、遠心分離処理が用いられる。ここでは、遠心分離処理を実現する遠心分離装置として、スクリュウデカンタ型遠心分離装置を例に挙げて説明する。

（スクリュウデカンタ型遠心分離装置１００）
図１は、スクリュウデカンタ型遠心分離装置１００の概略的な構成を示した斜視図であり、図２は、スクリュウデカンタ型遠心分離装置１００の概略的な構成を示した縦断面図である。説明の便宜上、図１では、主たる内部構造も示している。スクリュウデカンタ型遠心分離装置１００は、外胴ボウル（回転体）１１０と、ケーシング１１２と、軸受１１４と、本体駆動用モータ１１６と、フィートパイプ１１８と、内胴スクリュウコンベア１２０と、差速制動機１２２と、ギヤボックス１２４と、電極１２６と、内部測定ユニット１２８とを含んで構成される。スクリュウデカンタ型遠心分離装置１００は、例えば、食品、飲料水、薬品、化学製品、鉄鋼製品等の製造プロセスや、屎尿処理、下水処理、スラリー処理、工場排水処理等の水処理といった様々な分野において、固液分離に利用される。

外胴ボウル１１０は、スクリュウデカンタ型遠心分離装置１００の長手方向に延びる円筒形状の中空ボウルで形成され、ケーシング１１２内において両端が軸受１１４により回転自在に軸支される。そして、外胴ボウル１１０は、フィートパイプ１１８から供給された、固体と液体との混合液を中空ボウル内に収容し、本体駆動用モータ１１６を動力として回動し、固体と液体とを遠心分離する。

内胴スクリュウコンベア１２０は、径方向外方に突出したスクリュウ羽根１２０ａを胴体１２０ｂの外周に螺旋状に巻回して構成され、両端が軸受（図示せず）により外胴ボウル１１０と同芯に回転自在に軸支される。したがって、内胴スクリュウコンベア１２０は、外胴ボウル１１０に囲繞されることとなる。そして、内胴スクリュウコンベア１２０は、差速制動機１２２の動力とギヤボックス１２４の遊星歯車機構によって、外胴ボウル１１０と同方向に高速回転するとともに、外胴ボウル１１０と相対的な回転速度差を有して回動する。こうして、内胴スクリュウコンベア１２０は、外胴ボウル１１０の内周面に堆積された固体（堆積物）をスクリュウ羽根１２０ａによって外胴ボウル１１０外に吐出する。スキミング機構（図示せず）は、遠心力を利用して、外胴ボウル１１０で分離された液体に気泡が生じるのを抑制しつつ、液体を外部に排出する。また、液体排出口（図示せず）の構造を変えることで、液体の質量密度差により、さらに、液体を水分と油分とに分離することもできる。内部測定ユニット１２８は、外胴ボウル１１０の内部状態を測定する。

以下、外胴ボウル１１０と内胴スクリュウコンベア１２０とによる遠心分離機構および内部測定ユニット１２８について詳述する。

（遠心分離機構）
図３は、遠心分離機構を説明するための説明図である。図３において、白抜き矢印は混合液、固体、液体それぞれの流動方向を示し、黒点は固体、ハッチングした領域は液体を示している。

図３（ａ）に示すように、混合液（原液）は、フィートパイプ１１８および内胴スクリュウコンベア１２０を通じて外胴ボウル１１０に供給される。外胴ボウル１１０と内胴スクリュウコンベア１２０とは、実線の矢印で示したように、同方向に高速回転（例えば２，０００〜６，０００ｒｐｍ）し、その回転を通じた径方向外方への遠心力によって、外胴ボウル１１０内周面の径方向外側に質量密度の高い固体１５０を堆積させ、径方向内側に位置する質量密度の低い液体１５２と分離する。

液体１５２は、新たに外胴ボウル１１０に供給された混合液により押圧され、清澄液として外胴ボウル１１０の大径側の側板１１０ａに設けられた液体排出口１１０ｂから排出される。このとき、液体排出口１１０ｂは、外胴ボウル１１０の外径より径方向内側に形成されるので、遠心力によって外胴ボウル１１０の内周面に押しつけられた固体１５０は、側板１１０ａを超えて液体排出口１１０ｂから排出されることはほぼない。

また、図３（ｂ）に示すように、内胴スクリュウコンベア１２０には、胴体１２０ｂの外周に沿って螺旋状にスクリュウ羽根１２０ａが形成されている。そして、上述したように、差速制動機１２２の動力とギヤボックス１２４の遊星歯車機構によって、内胴スクリュウコンベア１２０と外胴ボウル１１０とは相対的な回転速度差が生じるように構成されており、内胴スクリュウコンベア１２０は外胴ボウル１１０に対して相対的に回転（例えば＋１０〜＋６０ｒｐｍ）する。したがって、外胴ボウル１１０の内周面に堆積された固体１５０はスクリュウ羽根１２０ａによるスクリュウコンベアの作用を通じて図３（ｂ）中、右側に移動される。

ここで、外胴ボウル１１０は、図３（ｂ）中、右側に推移するに連れ、断面が漸減する円錐形状となっており、スクリュウ羽根１２０ａによって移動させられた固体１５０は、脱水された状態で、外胴ボウル１１０の小径側に設けられた固体吐出口１１０ｃから吐出される。

ここでは、外胴ボウル１１０と内胴スクリュウコンベア１２０とが回転している状態で、フィートパイプ１１８から混合液を連続的に供給することで、分離された固体１５０と液体１５２とを連続的に取得することが可能となる。

（内部測定ユニット１２８）
このようなスクリュウデカンタ型遠心分離装置１００の外胴ボウル１１０では、径方向に固体１５０や液体１５２を漏出しない構造になっているので、外胴ボウル１１０の内部状態を外部から把握するのは困難であり、その異常を適切に判断することができなかった。また、外胴ボウル１１０が収容する混合液の量や性質に拘わらず、回転速度が一定となる運転が為されるので、負荷に応じた最適な運転条件で回動することができず、必要以上の動力を費やすこともあった。そこで、本実施形態では、電極１２６や内部測定ユニット１２８を設けることで、外胴ボウル１１０の内部状態を適切かつリアルタイムに確認し、異常判断や、適切な動力設定に用いる。

図４は、電極１２６および内部測定ユニット１２８の概略的な構成を説明するための説明図であり、図４中に、図３（ａ）のＡＡ’断面を示す。かかる図４中の断面にハッチングで示したように、外胴ボウル１１０には、外胴ボウル１１０の内周面に金属（例えばステンレス）の一部を露出した状態（内周面と電極１２６の表面が面一となる状態）で、複数（ここでは２つ）の電極１２６が設けられている。また、電極１２６の金属が露出している部位以外の外胴ボウル１１０の内周面は、外胴ボウル１１０の電気伝導の影響を受けないように、例えば、絶縁物によるコーティングがなされている。かかる複数の電極１２６は、離間して設けられ、図４の例では、円周方向に１８０°離間した位置に配されている。

内部測定ユニット１２８は、信号出力回路１２８ａ、固定抵抗１２８ｂ、整流回路１２８ｃ、信号入力回路１２８ｅ、送信回路１２８ｆを含んで構成され、外胴ボウル１１０の外面より径方向外側に固定されて外胴ボウル１１０と一体的に回転する。

信号出力回路１２８ａは、モータドライバ等で構成され、所定周波数（例えば１０ｋＨｚ）の矩形波（交流）の電気信号を出力する。かかる電気信号は、固定抵抗１２８ｂを通じて電極１２６に伝達され、外胴ボウル１１０中の混合液に伝導される。したがって、電極１２６間では、２つの固定抵抗１２８ｂと混合液の電気抵抗との抵抗分割による交流電圧が生じる。

ここで、電気信号として、矩形波等の交流信号を採用しているのは、電極１２６の劣化を抑制するためである。すなわち、直流信号を用いた場合、液体１５２（ここでは食塩水を採用）の電極１２６付近において、電気分解が作用し、ガスが連続的に発生して、これが、電極１２６自体を酸化させる原因となる。

一方、交流信号を用いた場合、陰極と陽極との高周波の逆転現象により、連続的なガスの発生が抑えられる。ひいては、電極１２６自体の劣化を抑制することが可能となる。

また、ここでは、信号出力回路１２８ａのコストや占有体積を抑えるべく、モータドライバを用い、矩形波の電気信号を出力するとしたが、交流信号であれば、例えば、サイン波や台形波の電気信号を出力してもよい。

このように電極１２６間に生じた交流電圧は、整流回路１２８ｃにより整流され、フィルタ１２８ｄにより平滑化されて、Ａ／Ｄコンバータや演算回路（ＣＰＵ、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等）で構成される信号入力回路１２８ｅに取り込まれる。したがって、信号入力回路１２８ｅでは、電極１２６間の電気抵抗に相当する検出結果、ここでは、電極１２６間の電圧を得ることができる。かかる検出結果は、送信回路１２８ｆから無線通信を通じて外部の受信回路１３０に伝達される。

図５は、検出結果の処理を説明するための説明図である。上述したように、本実施形態のスクリュウデカンタ型遠心分離装置１００では、固体１５０と液体１５２との混合液が遠心力により外胴ボウル１１０内周面の径方向外側に堆積する。ここで、固体１５０と液体１５２との導電率が把握されていれば、固体１５０と液体１５２それぞれの径方向の厚みに応じて、総合的な導電率（電気抵抗）が一意に決まる。換言すれば、固体１５０と液体１５２それぞれの径方向の厚みによって、電極１２６間の電圧（交流電圧）も一意に決定されることになる。

例えば、外胴ボウル１１０内において、固体１５０と液体１５２とを合わせた径方向の厚みが等しい場合、固体１５０と液体１５２との厚みの比率によって電極１２６間の電圧が異なることとなる。この特性を利用すると、図５のように、電極１２６間の電圧から固体１５０の厚みを一意に特定することが可能となる。ここで、電圧と固体１５０の厚みの関係が漸増二次曲線となるのは、固体１５０の導電率が液体１５２の導電率より極めて低いことに起因している。

また、上述した固定抵抗１２８ｂは、測定対象となる固体１５０や液体１５２の導電率（電気抵抗）に応じて、切り換えることもできる。これは、測定感度を高めるには、２つの固定抵抗１２８ｂの和と電極１２６間の抵抗とが同等となるのが好ましく、例えば、電極１２６間の抵抗の変化幅の中間値を固定抵抗１２８ｂの合成抵抗とすることが望ましいからである。

（電極１２６の他の配置例）
図６は、電極１２６の他の配置例を説明するための説明図である。スクリュウデカンタ型遠心分離装置１００では、固体１５０は、内胴スクリュウコンベア１２０のスクリュウ羽根１２０ａによって押圧され、外胴ボウル１１０外に吐出される。したがって、回動軸方向に着目すると、固体１５０は、図６に示すように、スクリュウ羽根１２０ａの固体吐出口１１０ｃ側の厚みが比較的大きくなる傾向にある。そこで、図６のように、外胴ボウル１１０の回動軸方向に離間させ、内周面に金属の一部を露出した状態で複数（ここでは２つ）の電極１２６を設ける。こうすることで、スクリュウ羽根１２０ａの回動に対する固体１５０の変位をリアルタイムに測定することが可能となる。また、スクリュウ羽根１２０ａに粘着し、流動しなくなった固体１５０の厚さ等も適切に把握することが可能となる。

以上、説明したように、本実施形態のスクリュウデカンタ型遠心分離装置１００では、電極１２６間の電圧に基づいて、外胴ボウル１１０の内周面に堆積した固体１５０や液体１５２の厚さを適切かつリアルタイムに把握でき、外胴ボウル１１０内の異常を迅速に確認することが可能となる。したがって、機械振動の増加等を外部診断により把握した場合であっても、その原因が外胴ボウル１１０内部における堆積物によるアンバランスなのか否か迅速に特定することができるので、その特定に費やす不要な処理を回避することができる。

また、外胴ボウル１１０内の内部状態、例えば、混合液の量や、固体１５０と液体１５２との堆積比率等を適切かつリアルタイムに把握することができるので、それに応じた最適な運転条件で外胴ボウル１１０を回転させることが可能となり、消費動力を低減することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上述した実施形態では、内部測定ユニット１２８を外胴ボウル１１０と一体的に形成し、送信回路１２８ｆから受信回路１３０に無線通信を通じて検出結果を伝達する例を挙げて説明したが、かかる場合に限らず、内部測定ユニット１２８が外部と非接触であれば足り、例えば、フォトカプラ等の光学的な通信手段によって検出結果を伝達するとしてもよい。

本発明は、固体と液体とを遠心分離する遠心分離装置に利用することができる。

１１０ 外胴ボウル（回転体）
１２０ 内胴スクリュウコンベア
１２６ 電極
１２８ 内部測定ユニット

Claims (4)

1. 円筒形状に形成され、固体と液体との混合液を収容し、回動することで該固体と該液体とを遠心分離する回転体と、
   前記回転体の内周面に一部を露出した状態で離間して設けられた複数の電極と、
   前記回転体と一体回転し、前記複数の電極に電気信号を供給して、該複数の電極間の電気抵抗に相当する検出結果を導出する内部測定ユニットと、
   を備えたことを特徴とする遠心分離装置。
2. 前記複数の電極は、前記回転体の回動軸方向に離間して設けられていることを特徴とする請求項１に記載の遠心分離装置。
3. 前記電気信号は、交流信号であることを特徴とする請求項１または２に記載の遠心分離装置。
4. 円筒形状に形成され、固体と液体との混合液を収容し、回動することで該固体と該液体とを遠心分離する外胴ボウルと、
   前記外胴ボウルと相対的に回動し、該外胴ボウルの内周面に堆積された固体を該外胴ボウル外に吐出する内胴スクリュウコンベアと、
   前記外胴ボウルの内周面に一部を露出した状態で離間して設けられた複数の電極と、
   前記外胴ボウルと一体回転し、前記複数の電極に電気信号を供給して、該複数の電極間の電気抵抗に相当する検出結果を導出する内部測定ユニットと、
   を備えたことを特徴とする遠心分離装置。

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