JP2018008226A - サイクロン分離装置 - Google Patents

Abstract

【課題】サイクロン分離装置において、塵埃の捕集効率の改善を図る。
【解決手段】円筒状に形成され、気体と固体との混合物である被処理流体を旋回軸（Z）の回りに旋回させ、該旋回の遠心力によって該気体と該固体とを分離し、分離した固体を円筒側面に形成された固体導出口（23）から導出する本体部（20）を設ける。本体部（20）は、固体導出口（23）において旋回軸（Z）に直交する所定の断面では、固体を該固体導出口（23）に案内するように、該旋回軸（Z）を基準とした、本体部（20）の内面（20a）の半径（R）を徐々に変化させる。
【選択図】図６

Description

本発明は、サイクロン分離装置に関するものである。

従来、気体と固体の混合物から固体を分離するサイクロン分離装置が知られている。特許文献１に開示されたサイクロン分離装置では、軸方向が水平となるように旋回室（サイクロン室）が形成される。また、このサイクロン分離装置では、旋回室の一端に環状の吸気口が形成され、旋回室の他端の中心部に排気口が形成される。このサイクロン分離装置は、吸気口を通って旋回室へ流入した室外空気を旋回させることによって室外空気中の塵埃を分離し、塵埃が分離された室外空気を排気口から流出させる。また、遠心分離された塵埃は、旋回室に設けられた排出口から排出され、塵埃収容室に回収される。

特開２００８−０３６５７９号公報

しかしながら、前記特許文献１の例等のサイクロン分離装置では、旋回室内を周回する塵埃の中には排出口から排出されずに、該排出口上を通過して、再度、旋回流に戻ってしまうものもあると考えられる。すなわち、サイクロン分離装置の塵埃の捕集効率に関しては改善の余地がある。

本発明は前記の問題に着目してなされたものであり、サイクロン分離装置において、塵埃の捕集効率の改善を図ることを目的としている。

前記の課題を解決するため、第１の態様は、
円筒状に形成され、気体と固体との混合物である被処理流体を旋回軸（Z）の回りに旋回させ、該旋回の遠心力によって該気体と該固体とを分離し、分離した気体を流体導出口（22）から導出するとともに、分離した固体を円筒側面に形成された固体導出口（23）から導出する本体部（20）と、
前記固体導出口（23）から導出された前記固体を収容する収容箱（55）と、
を備え、
前記本体部（20）は、前記固体導出口（23）において前記旋回軸（Z）に直交する所定の断面では、前記固体を該固体導出口（23）に案内するように、該旋回軸（Z）を基準とした、前記本体部（20）の内面（20a）の半径（R）が徐々に変化していることを特徴とする。

この構成では、本体部（20）の内面（20a）によって、塵埃が固体導出口（23）に案内される。

また、第２の態様は、第１の態様において、
前記断面では、前記内面（20a）の半径（R）が、前記固体の周回方向における、前記固体導出口（23）の手前から、該周回方向に沿って徐々に増大し、該固体導出口（23）の縁（23a）において最大となっていることを特徴とする。

この構成では、本体部（20）の内面（20a）によって、塵埃は、本体円筒部（30）の径方向外寄りに軌道が修正され、塵埃収容室（56）に案内される。

また、第３の態様は、第１の態様において、
前記断面では、前記内面（20a）の半径（R）が、前記固体の周回方向における、前記固体導出口（23）の後ろ側の縁（23b）において最小であり、該後ろ側の縁（23b）から、該周回方向に沿った所定の範囲において徐々に増大していることを特徴とする。

この構成では、塵埃は、固体導出口（23）の後ろ側の縁（23b）に阻まれて、本体円筒部（30）の径方向外寄りの軌道に沿い、塵埃収容室（56）に案内される。

また、第４の態様は、第１から第３の態様の何れかにおいて、
前記断面では、前記内面（20a）の一部分が、該本体部（20）の外面の一部分とラップしていることを特徴とする。

この構成では、ラップ部分が存在することによって、塵埃収容室（56）内に入った塵埃が、収容箱（55）内に存在する気流で本体部（20）内に逆戻りするのを防止することが可能になる。

前記の各態様によれば、サイクロン分離装置において、塵埃の捕集効率の改善を図ることが可能になる。

図１は、実施形態１の給気フードを備えた換気システムの概略構成図である。 図２は、実施形態1の給気フードの斜視図である。 図３は、実施形態1の給気フードの正面図である。 図４は、図３におけるIV−IV断面を示す給気フードの断面図である。 図５は、図４と同じ断面を示す給気フードの一部断面図である。 図６は、固体導出口付近における給気フードの断面図を示す。 図７は、実施形態２における給気フードの断面図である。 図８は、実施形態３における給気フードの断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

《発明の実施形態１》
図１は、実施形態１の給気フード（10）を備えた換気システム（110）の概略構成図である。本実施形態の給気フード（10）は、サイクロン分離装置を構成しており、室内空間の換気を行う換気システム（110）に設けられている。以下では、先ず、本実施形態の給気フード（10）を備えた換気システム（110）の概要を説明し、次に、本実施形態の給気フード（10）の詳細を説明する。

−換気システム−
図１に示すように、換気システム（110）は、住宅等の建物（100）に設置されて室内空間の換気を行うものである。この換気システム（110）は、本実施形態の給気フード（10）と、換気装置（120）と、換気装置（120）に接続されたダクト（111〜114）とを備えている。

本実施形態の給気フード（10）は、建物（100）の天井裏に取り付けられている。この給気フード（10）は、換気装置（120）へ供給される室外空気（OA）を被処理流体とし、室外空気（OA）から埃や虫などの比較的大きな塵埃（固体）を分離する。

換気装置（120）は、ケーシング（121）と、全熱交換器（124）と、給気ファン（125）と、排気ファン（126）と、フィルタ（127）とを備えている。ケーシング（121）の内部には、給気通路（122）と排気通路（123）とが形成されている。全熱交換器（124）は、給気通路（122）を流れる室外空気（OA）と、排気通路（123）を流れる室内空気（RA）との間で、熱と水分を交換させる。給気通路（122）では、全熱交換器（124）の下流側に給気ファン（125）が配置され、全熱交換器（124）の上流側にフィルタ（127）が配置される。排気通路（123）では、全熱交換器（124）の下流側に排気ファン（126）が配置される。

換気装置（120）のケーシング（121）には、ダクト（111〜114）が接続されている。外気吸込ダクト（111）は、一端が給気フード（10）に接続され、他端が給気通路（122）の始端に接続されている。給気ダクト（112）は、一端が給気通路（122）の終端に接続され、他端が室内空間に開口している。内気吸込ダクト（113）は、一端が室内空間に開口し、他端が排気通路（123）の始端に接続されている。排気ダクト（114）は、一端が排気通路（123）の終端に接続され、他端が室外空間に開口している。

−給気フードの構成−
図２に示すように、サイクロン分離装置を構成する給気フード（10）は、本体部（20）と、収容箱（55）とを備えている。また、本体部（20）は、本体円筒部（30）と、ガイド部材（40）と、ダクト接続部（45）と、中央部材（50）とを備えている。

図３及び図４に示すように、本体円筒部（30）は、比較的大径の円筒状に形成されている。本体円筒部（30）は、一端（図４における左端）が開口し、他端（図４における右端）が端板部（32）で一部閉塞されている。本体円筒部（30）の内部空間は、被処理流体である室外空気（OA）が旋回しながら流れる旋回室（33）となっている。

ガイド部材（40）は、一つの中央円板（42）と、多数の案内羽根（41）とを備えている。中央円板（42）は、直径が本体円筒部（30）の内径よりも小さい円板状の部材である。案内羽根（41）は、中央円板（42）の周囲に放射状に配置されている。図５に示すように、各案内羽根（41）は、旋回室（33）において室外空気（OA）が給気フード（10）の正面から見て時計方向へ旋回するように、水平方向に対して傾斜している。

ガイド部材（40）は、中央円板（42）の中心軸が旋回室（33）の中心軸と実質的に一致する姿勢で、本体円筒部（30）の一端（図４における左端）に取り付けられている。本体部（20）では、本体円筒部（30）の周壁部（31）の一端（図４における左端）と中央円板（42）の間に形成された円環状の開口が、旋回室（33）へ室外空気（OA）を導入するための導入口（21）となっている。また、本体部（20）では、導入口（21）に案内羽根（41）が配置されている。

ダクト接続部（45）は、両端が開口した円筒状（あるいは、円管状）の部材である。ダクト接続部（45）は、その一端部（図４における左端部）が本体円筒部（30）の端板部（32）を貫通して旋回室（33）に開口している。旋回室（33）に開口するダクト接続部（45）の一端は、旋回室（33）から室外空気（OA）を導出するための流体導出口（22）を構成している。ダクト接続部（45）の一端面は、本体円筒部（30）の端板部（32）の内側面と面一になっている。また、ダクト接続部（45）の中心軸は、旋回室（33）の中心軸と実質的に一致している。ダクト接続部（45）の他端部（図４における右端部）には、外気吸込ダクト（111）が接続される。

中央部材（50）は、一端（図４における左端）が開口して他端（図４における右端）が閉塞された円筒状の部材である。中央部材（50）の外径は、ガイド部材（40）の中央円板（42）の外径と実質的に一致している。中央部材（50）の長さは、本体円筒部（30）の長さの概ね半分程度である。中央部材（50）は、中央円板（42）の内側面（旋回室（33）側の面）から突出するように配置され、旋回室（33）の中心軸（36）に沿って延びている。中央部材（50）の中心軸は、旋回室（33）の中心軸（36）と実質的に一致している。

上述したように、中央部材（50）の中心軸と、ダクト接続部（45）の中心軸とは、旋回室（33）の中心軸（36）と実質的に一致している。従って、ダクト接続部（45）の一端によって構成された流体導出口（22）は、中央部材（50）の突端面（図４における右端面）と向かい合っている。

図４に示すように、旋回室（33）は、一端（図４における左端）寄りの領域の中央部が中央部材（50）に占められている。つまり、旋回室（33）の一端寄りの領域は、旋回室（33）の中心軸（36）を含む領域が、旋回室（33）の一端から他端へ向かって延びる中央部材（50）によって占められている。このため、旋回室（33）は、一端寄りの領域が中央部材（50）の周囲を囲む環状空間（34）となり、中央部材（50）の突端（51）よりも旋回室（33）の他端（図４における右端）寄りの領域（即ち、中央部材（50）の突端（51）から本体円筒部（30）の端板部（32）までの領域）が円状空間（35）となる。

本体円筒部（30）の周壁部（31）には、旋回室（33）から塵埃を導出するための固体導出口（23）が形成されている。具体的には、図４に示すように、固体導出口（23）は、本体円筒部（30）の周壁部（31）のうち、旋回室（33）の後段である円状空間（35）に面する部分に形成され、周壁部（31）を貫通している。この固体導出口（23）は、本体円筒部（30）の端板部（32）に隣接している。また、図６に、固体導出口（23）付近における給気フード（10）の断面図を示す。この図６は、図４におけるVI−VI断面に相当する。図６に示すように、固体導出口（23）は、周壁部（31）のうち給気フード（10）の正面から見て右下の領域に位置している。本実施形態では、この固体導出口（23）の周辺の構成に特徴がある。当該特徴については後に詳述する。

収容箱（55）は、図３に示すように、本体円筒部（30）の下部を覆うように配置された箱状の部材である。図４に示すように、収容箱（55）は、本体円筒部（30）の端板部（32）寄りに配置され、固体導出口（23）を覆っている。収容箱（55）と本体円筒部（30）に囲まれた空間は、塵埃収容室（56）となる。

−固体導出口の周辺の構成−
この給気フード（10）では、旋回室（33）内の塵埃（固体）が収容箱（55）に確実に入るように、本体円筒部（30）（より具体的には周壁部（31））の内面の形状が工夫されている。具体的に、本体円筒部（30）の内面（20a）は、固体導出口（23）に対応する部分において、中心軸（36）に直交する断面を見ると、旋回している固体を固体導出口（23）に案内するように、中心軸（36）を基準とした半径（R）が徐々に変化している。

この半径（R）の変化を説明するために、図６に示すように座標系を定義する。この座標系には、中心軸（36）に直交し且つ水平なX軸、中心軸（36）及びX軸に直交するY軸がある。この座標系では、Ｘ−Ｙ座標平面において、座標値が、Ｘ＞０、且つＹ＞０となる領域を「第１象限」とする。Ｘ−Ｙ座標平面は、第１象限を起点にして反時計回りに、各座標軸を境界として、第２象限、第３象限、第４象限の順に区分される。このように定義した座標系において、固体導出口（23）は、第４象限内に位置している。また、固体の周回方向における固体導出口（23）の後ろ側の縁（23b）は、Y軸上にある。

そして、この本体円筒部（30）は、固体導出口（23）の部分における断面では、内面（20a）の半径（R）は、第１象限から第３象限までの範囲において一定値（R0）である。一方、第４象限を見ると、内面（20a）の半径（R）は、該内面（20a）とX軸との交点（P0）から時計回り方向に角度にしてαだけ進んだ位置（P1）までが一定値（R0）であり、位置（P1）から更に時計回り方向に内面（20a）上を進むにしたがって徐々に増大（単調増加）し、固体導出口（23）の縁（23a）において最大値（Rmax）となっている。

−給気フードの除塵作用−
換気装置（120）の給気ファン（125）が作動すると、室外空気（OA）が給気フード（10）を通って外気吸込ダクト（111）へ流入する。給気フード（10）では、被処理流体である室外空気（OA）から、埃や虫などの比較的大きな塵埃（固体）が分離される。その際、給気フード（10）では、気体と固体との混合物である被処理流体（室外空気（OA））を横向きの旋回軸（Z）の回りに旋回させて、遠心力によって該気体と該固体とを分離している。ここでは、給気フード（10）が室外空気（OA）から塵埃を分離する作用について、図５を参照しながら説明する。

給気フード（10）では、室外空気（OA）が導入口（21）を通って旋回室（33）へ流入する。ガイド部材（40）の案内羽根（41）は、導入口（21）を通過する室外空気（OA）の流れを、旋回室（33）の周方向へ案内する。このため、旋回室（33）へ流入した室外空気（OA）は、給気フード（10）の正面から見て時計方向へ旋回しながら、円状空間（35）へ向かって流れる。すなわち、旋回室（33）内には室外空気（OA）（被処理流体）の旋回流が形成される。室外空気（OA）が旋回室（33）を流れる過程では、室外空気（OA）に含まれる塵埃に遠心力が作用し、旋回室（33）の周壁面（即ち、本体円筒部（30）の内周面）付近に塵埃が集まってゆく。また、旋回室（33）の周壁面付近における塵埃の密度が高くなると、塵埃が凝集して比較的大きな塊を形成する。

室外空気（OA）が旋回室（33）から円状空間（35）へ流入した時点では、大半の塵埃が既に本体円筒部（30）の周壁部（31）付近（即ち、旋回室（33）の周壁面付近）に集まっている。このため、円柱空間の中心軸付近の領域に存在する室外空気（OA）は、塵埃を殆ど含まない状態となる。この塵埃を殆ど含まない室外空気（OA）は、流体導出口（22）へ流入し、流体導出口（22）へ流入した室外空気（OA）は、ダクト接続部（45）を通って外気吸込ダクト（111）へ流れてゆく。

一方、旋回室（33）の周壁面付近に集まった塵埃は、本体円筒部（30）の端板部（32）側へ移動してゆき、端板部（32）付近の軌道を周回する。この軌道は固体導出口（23）に対応している。旋回室（33）での室外空気（OA）の旋回方向は、図６の断面では時計回りであり、その旋回軸（Z）は、旋回室（33）の中心軸（36）と同一と見なしてよい。また、本実施形態では、固体導出口（23）において旋回軸（Z）に直交する所定の断面では、内面（20a）の半径（R）が、前記固体の周回方向における、固体導出口（23）の手前から、該周回方向に沿って徐々に増大し、固体導出口（23）の縁（23a）において最大値（Rmax）となっている。そのため、前記軌道上の固体は、内面（20a）の半径（R）が変化している部分において、本体円筒部（30）の径方向外寄りに軌道が修正され、塵埃収容室（56）に案内されることになる。

〈本実施形態における効果〉
以上のように、本実施形態では、本体円筒部（30）の内面（20a）の半径（R）を、塵埃が塵埃収容室（56）に向かうように、中心軸（36）（すなわち、旋回軸（Z））を基準とした半径（R）を徐々に変化させている。そのため、給気フード（10）では、周回する塵埃が固体導出口（23）を素通りし難くなる。したがって、本実施形態によれば、サイクロン分離装置（給気フード（10））において、塵埃を効率よく捕集することが可能になる。

《発明の実施形態２》
図７は、発明の実施形態２における給気フード（10）の断面図である。この図も、中心軸（36）に直交する、固体導出口（23）付近の断面を示している。本実施形態でも、実施形態１と同様の座標系を定義すると、固体導出口（23）は、第４象限内に位置している。また、この例でも、固体の周回方向における、固体導出口（23）の後ろ側の縁（23b）は、Y軸上にある。

そして、この例でも、本体円筒部（30）の内面（20a）は、固体導出口（23）に対応する部分において、中心軸（36）に直交する断面を見ると、旋回している固体を固体導出口（23）に案内するように、中心軸（36）を基準とした半径（R）が徐々に変化している。

具体的には、固体導出口（23）の部分において中心軸（36）に直交する本体円筒部（30）の断面では、本体円筒部（30）の内面（20a）の半径（R）は、第１象限、第２象限、及び第４象限では一定値（R0）である。それに対して、第３象限では、内面（20a）の半径（R）は、固体の周回方向における、固体導出口（23）の後ろ側の縁（23b）において最小値（Rmin）であり、該後ろ側の縁（23b）から、時計回り（すなわち固体の周回方向）の所定の範囲において徐々に増大（単調増加）している。具体的にこの例では、後ろ側の縁（23b）から、角度にしてβの範囲において、内面（20a）の半径（R）は、最小値（Rmin）からR0まで徐々に増加している。内面（20a）の半径（R）は、R0まで増加した後は、その値のままで変化していない。

この構成により、端板部（32）付近を周回していた固体は、固体導出口（23）の後ろ側の縁（23b）に阻まれて、本体円筒部（30）の径方向外寄りの軌道に沿い、塵埃収容室（56）に案内されることになる。つまり、前記軌道上の塵埃は、固体導出口（23）上を素通りし難くなる。

以上の通り本実施形態でも、サイクロン分離装置（給気フード（10））において、塵埃を効率よく捕集することが可能になる。

《発明の実施形態３》
図８は、発明の実施形態３における給気フード（10）の断面図である。この図も、中心軸（36）に直交する、固体導出口（23）付近の断面を示している。本実施形態の給気フード（10）は、実施形態１の固体導出口（23）の周辺の形状に変更を加えたものである。

本実施形態における固体導出口（23）の周辺の形状を説明するため、ここでも、実施形態１と同様の座標系を定義する（図８参照）。図８に示すように、固体導出口（23）の部分における本体円筒部（30）の断面では、本体円筒部（30）の内面（20a）の半径（R）は、第１象限から第３象限までは一定値（R0）である。一方、第４象限を見ると、内面（20a）の半径（R）は、該内面（20a）とX軸との交点から時計回り方向に、角度にしてαだけ進んだ位置（P1）までが一定値（R0）であり、位置（P1）から更に時計回り方向に進むにしたがって徐々に増大し、固体導出口（23）の縁（23a）において最大値（Rmax）となっている。

そして、この例では、本体円筒部（30）の内面（20a）の一部分が、該本体部（20）の外面の一部分とラップしている。具体的には、図８に示すように、縁（23b）側の外面（20b）と縁（23a）側の内面（20a）とがラップするように、縁（23a）側の周壁部（31）が延長されている。こうすることで、塵埃収容室（56）内に入った塵埃が、塵埃収容室（56）内に存在する気流で旋回室（33）内に逆戻りするのを防止することが可能になる。すなわち、本実施形態でもサイクロン分離装置（給気フード（10））において、塵埃を効率よく捕集することが可能になる。

なお、前記のように周壁部（31）を延長する構造は、実施形態２の構造に対しても採用することができる。

《その他の実施形態》
なお、給気フード（10）は、旋回軸（Z）が横向きのものには限定されない。例えば、旋回軸（Z）が鉛直方向となる給気フード（10）にも、各実施形態で示した本体円筒部（30）の形態を適用してもよい。

また、収容箱（55）の位置は例示であり、本体部（20）の下側である必要はない。例えば、本体部（20）の横に設けてもよい。

また、固体導出口（23）の位置や大きさも例示であり、前記実施形態の構成には限定されない。

本発明は、サイクロン分離装置として有用である。

１０ 給気フード（サイクロン分離装置）
２０ 本体部
２０ａ 内面
２２ 流体導出口
２３ 固体導出口
２３ａ 縁
２３ｂ 縁
５５ 収容箱

Claims (4)

1. 円筒状に形成され、気体と固体との混合物である被処理流体を旋回軸（Z）の回りに旋回させ、該旋回の遠心力によって該気体と該固体とを分離し、分離した気体を流体導出口（22）から導出するとともに、分離した固体を円筒側面に形成された固体導出口（23）から導出する本体部（20）と、
   前記固体導出口（23）から導出された前記固体を収容する収容箱（55）と、
   を備え、
   前記本体部（20）は、前記固体導出口（23）において前記旋回軸（Z）に直交する所定の断面では、前記固体を該固体導出口（23）に案内するように、該旋回軸（Z）を基準とした、前記本体部（20）の内面（20a）の半径（R）が徐々に変化していることを特徴とするサイクロン分離装置。
2. 請求項１において、
   前記断面では、前記内面（20a）の半径（R）が、前記固体の周回方向における、前記固体導出口（23）の手前から、該周回方向に沿って徐々に増大し、該固体導出口（23）の縁（23a）において最大となっていることを特徴とするサイクロン分離装置。
3. 請求項１において、
   前記断面では、前記内面（20a）の半径（R）が、前記固体の周回方向における、前記固体導出口（23）の後ろ側の縁（23b）において最小であり、該後ろ側の縁（23b）から、該周回方向に沿った所定の範囲において徐々に増大していることを特徴とするサイクロン分離装置。
4. 請求項１から請求項３の何れかにおいて、
   前記断面では、前記内面（20a）の一部分が、該本体部（20）の外面の一部分とラップしていることを特徴とするサイクロン分離装置。

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