JP2018192438A - 微粒子分離装置 - Google Patents

Abstract

【課題】例えば熱交換器を有する給湯機等の水循環回路を流れる循環水から鉄さび等の金属を効果的に除去することができる微粒子分離装置を提供する。【解決手段】微粒子分離装置は、容器と、容器の内部に媒体を流入させる入口接続部と、容器の内部に流入させた媒体を容器の外部へ排出させる出口接続部と、媒体に含まれる異物を出口接続部から排出される前に捕捉する金属フィルタと、金属フィルタに付着した異物を掻き取る回転体と、容器の底部と出口接続部との間を仕切り、表面に複数の貫通孔を有する導電性の邪魔板と、金属フィルタ及び邪魔板に配線を介して接続され、金属フィルタ及び邪魔板に電圧を印加して、異物の径を増加させる電気化学的酸化処理を行う電源と、を備えている。【選択図】図１

Description

本発明は水循環回路を含む水循環システムから微粒子を分離する微粒子分離装置に関するものである。

従来、微粒子分離装置として、例えば特許文献１には、槽内に存在する懸濁液から微粒子を分離し、分離液を排出する懸濁液濃縮造粒装置が開示されている。この懸濁液濃縮造粒装置は、懸濁液供給管と凝集剤注入管とを接続した略円筒状の槽内の下部に、モータに連結された回転軸の回転に伴って回転する回転翼が配設されている。槽内の上部には、液のみを透過し得る多孔質材による多孔質壁を有する筒体が、回転翼と共に回転軸によって回転可能に配置され、回転翼の上方で筒体の内部にドラフトチューブが配置されている。この懸濁液濃縮造粒装置は、懸濁液供給管から供給された懸濁液と、凝集剤注入管から供給された有機高分子凝集剤とが回転翼の回転による旋回流で混合されて反応し、上昇と下降を繰り返して造粒され、その一部が筒体の多孔質壁を透過して固形物の回収率を高める構成である。槽内の造粒物は、槽の内部から外部に延びる造粒物流出管を通って槽外へ排出される。

ところで、例えば給湯機等に代表される熱交換器を有する水循環回路では、配管から混入する鉄さびを主成分とする微粒子を除去することが必要である。水循環経路中に存在する電磁弁、熱交換器、配管等に鉄さびが付着すると、稼働時に部品が故障する虞があるからである。

特開２０００−３３４２２０号公報

特許文献１に開示された発明は、槽内に存在する懸濁液から微粒子を分離し、分離液を排出する構成ではあるものの、汚泥処理を目的とした装置であって、例えば鉄さび等の微粒子を含む循環水から鉄さび等を効果的に除去できるものではない。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、例えば熱交換器を有する給湯機等の水循環回路を流れる循環水から鉄さび等の金属を効果的に除去することができる微粒子分離装置を提供することを目的とする。

本発明に係る微粒子分離装置は、循環経路を循環する媒体中の異物を捕捉する微粒子分離装置であって、容器と、前記容器の下方に設けられ、前記容器の内部に前記媒体を流入させる入口接続部と、前記容器の上方に設けられ、前記容器の内部に流入させた前記媒体を前記容器の外部へ排出させる出口接続部と、前記容器の内部に設けられ、前記媒体に含まれる前記異物を前記出口接続部から排出される前に捕捉する金属フィルタと、前記容器の内部に設けられた軸部材によって回転自在に支持され、前記金属フィルタに付着した前記異物を掻き取る回転体と、前記容器の底部と前記出口接続部との間を仕切り、表面に複数の貫通孔を有する導電性の邪魔板と、前記金属フィルタ及び前記邪魔板に配線を介して接続され、前記金属フィルタ及び前記邪魔板に電圧を印加して、前記異物の径を増加させる電気化学的酸化処理を行う電源と、を備えているものである。

本発明に係る微粒子分離装置によれば、径の大きい異物は、容器の内部で沈降し、邪魔板の貫通孔を通過させて、容器の底部で捕捉することができる。径の小さい異物は、容器の内部を上昇して金属フィルタに付着させ、金属フィルタに電圧を印加して電気化学的酸化処理を行い異物の径を増加させて、回転体で掻き取ることができ、容器の底部に向かって沈降させて捕捉することができる。よって、微粒子分離装置は、例えば熱交換器を有する給湯機等の水循環回路を流れる循環水から鉄さび等の金属を効果的に除去することができる。

本発明の実施の形態に係る微粒子分離装置を模式的に示した内部構成図である。 本発明の実施の形態に係る微粒子分離装置の回転体の構造を模式的に示した平面図である。 図２に示したＡ部拡大図である。 本発明の実施の形態に係る微粒子分離装置の邪魔板を模式的に示した平面図である。 本発明の実施の形態に係る微粒子分離装置の邪魔板の異なる形態を模式的に示した平面図である。 本発明の実施の形態に係る微粒子分離装置の邪魔板の異なる形態を模式的に示した平面図である。 金属フィルタ、邪魔板及び対向電極を有しない微粒子分離装置を模式的に示した内部構成図である。 図４〜図６に示した邪魔板をそれぞれ備えた微粒子分離装置における鉄さびの捕捉比率と、図７に示した微粒子分離装置における鉄さびの捕捉比率とを比較したグラフである。 本実施の形態に係る微粒子分離装置を構成する邪魔板の表面形状の一例を模式的に示した説明図である。 本実施の形態に係る微粒子分離装置を構成する邪魔板の表面形状の一例を模式的に示した説明図である。 本実施の形態に係る微粒子分離装置を構成する邪魔板の表面形状の一例を模式的に示した説明図である。 図９〜図１１に示した邪魔板をそれぞれ備えた微粒子分離装置における鉄さびの捕捉比率と、図７に示した微粒子分離装置における鉄さびの捕捉比率とを比較したグラフである。 フィルタ及び邪魔板に印加する電圧と時間の関係を示すグラフである。 印加電圧と鉄さびの捕捉比率との関係を示したグラフである。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、各図中、同一又は相当する部分には、同一符号を付して、その説明を適宜省略又は簡略化する。また、各図に記載の構成について、その形状、大きさ、及び配置等は、本発明の範囲内で適宜変更することができる。

実施の形態．
図１は、本発明の実施の形態に係る微粒子分離装置を模式的に示した内部構成図である。図２は、本発明の実施の形態に係る微粒子分離装置の回転体の構造を模式的に示した平面図である。図３は、図２に示したＡ部拡大図である。図４は、本発明の実施の形態に係る微粒子分離装置の邪魔板を模式的に示した平面図である。本実施の形態に係る微粒子分離装置１００は、例えば熱交換器を有する給湯機等の水循環回路を循環する媒体中の異物を捕捉するものである。微粒子分離装置１００は、図１に示すように、容器１と、容器１の下方に設けられ、容器１の内部に媒体を流入させる入口接続部２と、容器１の上方に設けられ、容器１の内部に流入させた媒体を容器１の外部へ排出させる出口接続部３と、を備えている。媒体とは、一例として鉄さび４を含む循環水である。なお、本実施の形態では、鉄さび４の粒径が１０μｍ以上のものを鉄さび大４ａとし表記し、鉄さび４の粒径が１０μｍより小さいものを鉄さび小４ｂとして表記する場合がある。

容器１の内部の上方位置には、図１及び図２に示すように、出口接続部３に接続される円環状の外周流路部１２が設けられている。外周流路部１２の内周面には、循環水に含まれる鉄さび４を出口接続部３から排出される前に捕捉する金属フィルタ１１が設けられている。また、外周流路部１２で囲まれた内部には、容器１の内部に設けられた軸部材９によって回転自在に支持され、金属フィルタ１１に付着した鉄さび４を掻き取る回転体１０が設けられている。

金属フィルタ１１は、図１及び図２に示すように、回転体１０の外面を取り囲むように設けられている。金属フィルタ１１には、循環水に含まれる鉄さび４を捕捉するための捕捉孔が複数形成されている。捕捉孔の径は、捕捉対象とする鉄さび４の粒子の径にもよるが、微粒子分離装置１００の圧力損失を考慮した場合、２μｍ〜８μｍの範囲である。その際に捕捉される鉄さび４の粒径は、３μｍ〜１０μｍの範囲である。また、微粒子分離装置１００の圧力損失が低い場合は、より小さい孔径の捕捉孔を有する金属フィルタ１１を使用してもよい。つまり、捕捉対象とする鉄さび４の粒子の径は、微粒子分離装置１００の圧力損失により、任意に調整するものである。

回転体１０は、図１及び図２に示すように、内部が中空の円柱体形状で構成されている。回転体１０は、容器１の上端部に固定された上下方向に延在する軸部材９によって回転可能に支持されている。回転体１０の下端面には、循環水を内部へ取り入れるための円形の流入孔１５が、軸部材９の周囲に形成されている。また、回転体１０の外周面には、周方向に間隔をあけて配置されたノズル１６が複数（図示例の場合は８つ）設けられている。ノズル１６は、先端部にスリット条の長方形の吐出孔が形成されている。回転体１０の内部は、ノズル１６を介して外部と連通している。つまり、流入孔１５を介して回転体１０の内部に取り入れられた循環水は、ノズル１６の吐出孔から回転体１０の外部へ吐出されて、回転体１０の周方向へ放出される。

回転体１０は、図３に示すように、ノズル１６の先端部から周方向（Ｂ方向）に放出させた流体の反発力により、軸部材９を中心に回転する。つまり、回転体１０は、流体の反発力を回転の駆動力としているため、モータにて駆動させる必要がない。

回転体１０は、ノズル１６の先端を金属フィルタ１１に接触させながら回転し、金属フィルタ１１の表面に付着した鉄さび小４ｂを掻き取る。ここで「掻き取る」とは、ノズル１６の先端部が金属フィルタ１１に対して平行に接触し、回転体１０の回転にともなってノズル１６の先端部が金属フィルタ１１の表面に接触しながら移動することであり、金属フィルタ１１の表面に付着した鉄さび小４ｂを金属フィルタ１１の表面から連続的に剥離することを意味する。

ノズル１６の高さ寸法Ｓは、金属フィルタ１１の高さ寸法と同じか、それよりも１０％短く設定する。なお、金属フィルタ１１の高さ寸法は、容器１の内部を流れる循環水の圧力損失が大きくならない程度に設定する必要がある。具体的には、金属フィルタ１１の高さ寸法は、容器１の高さの１／５０〜１／５の範囲に設定する。また、回転体１０の回転速度が大きい場合は、回転体１０の高速回転に必要な運動エネルギーが大きくなり、容器１の内部を移動する循環水の圧力損失が増加する。この圧力損失の増加を回避するために、回転体１０の回転速度は１分間あたりに２０回転以下に設定する。

また、容器１の内部の下方位置には、図１に示すように、容器１の底部と出口接続部３との間を仕切る導電性の邪魔板７と、邪魔板７よりも上方に配置され容器１の内周面に取り付けられた導電性の対向電極８と、が設けられている。邪魔板７は、絶縁体５を介して容器１の内周面に取り付けている。また、対向電極８は、絶縁体６を介して容器１の内面に取り付けられている。邪魔板７と対向電極８とが短絡しないようにするためである。なお、図示することは省略したが、金属フィルタ１１にも絶縁体を設けて、金属フィルタ１１と対向電極８とが短絡しないようにする。

邪魔板７は、沈降した鉄さび４を容器１の底部で捕捉するために設けられている。邪魔板７には、図４に示すように、沈降した鉄さび４を通過させて容器１の底部に到達させるための貫通孔７０が複数形成されている。図４に示した邪魔板７の貫通孔７０は、平面的に見て略同径の円形状であり、邪魔板７の全面に形成されている。なお、対向電極８は、電気化学的酸化処理を起こすために設けられている。

また、微粒子分離装置１００には、金属フィルタ１１及び邪魔板７に配線１４を介して接続され、金属フィルタ１１及び邪魔板７に電圧を印加して、異物の径を増加させる電気化学的酸化処理を行う電源１３が設けられている。

電源１３から印加される電位は、金属フィルタ１１と邪魔板７が同じ符号であり、同じ電圧に設定されている。一方、対向電極８は金属フィルタ１１と邪魔板７に印加する電圧と符号が逆になるように設定されている。

ここで、金属フィルタ１１と邪魔板７に印加される電圧は、＋０．２Ｖ以上＋１．５Ｖ以下の範囲である。印加する電圧が＋０．２Ｖよりも低い場合、鉄さび４の粒径を増加させる効果がない。また、印加する電圧が＋１．５Ｖより高い場合、金属フィルタ１１及び邪魔板７の表面で酸素ガスが発生し、鉄さび４が金属フィルタ１１及び邪魔板７に付着し、鉄さび４の粒径を増加させる効果が低くなるからである。

次に、本実施の形態の微粒子分離装置１００の作用について説明する。鉄さび大４ａ及び鉄さび小４ｂを含む循環水は、入口接続部２から容器１の内部へ流入する。循環水は、容器１の内部へ流入する際に、容器１の内部での平均流速が、入口接続部２の内部での平均流速よりも低下する。これは、容器１の内径が、入口接続部２の内径より大きいためである。例えば入口接続部２の内径が１．７ｃｍであり、容器１の内径が７．７ｃｍである場合、容器１の内部における循環水の平均流速は、入口接続部２の内部の平均流速に比べて約１／２０に減少する。

容器１の内部に流入した循環水は、平均流速が２．０ｍ／秒以上の場合、大部分の鉄さびが巻き上げられてほとんど沈降しない。一方、容器１の内部に流入した循環水は、平均流速が０．２５ｍ／ｓ以下になると大部分の鉄さび大４ａが容器１の内部で沈降する傾向を有する。ただし、この循環水の平均流速の低下による容器１の内部での沈降は、鉄さび大４ａに効果が限定される。ここで、容器１の内径と入口接続部２の内径の比率は、（容器１の内径）／（入口接続部２の内径）＝Ａとした場合、２≦Ａ≦２０の範囲であり、循環水の流量には依存しない。

鉄さび大４ａは、容器１の内部における循環水の平均流速の低下によって、邪魔板７の複数の貫通孔７０を通って容器１の底部に沈降し、そこで留まり捕捉される。容器１の底部は、邪魔板７によって入口接続部２から容器１の内部に流入した循環水の流れの影響を受け難い。そのため、容器１の底部に捕捉された鉄さび大４ａは、入口接続部２から容器１の内部に流入した循環水の流れによって巻き上げられることがなく、そのまま捕捉された状態が維持される。通常の家庭用の熱交換システムを例とした場合では、水循環経路が、ステンレス製のタンク、ステンレス製の熱交換機、鉄製又は銅製の配管、室内暖房用の鉄製ラジエターから構成される。水循環経路中における鉄製配管及び室内暖房用の鉄製ラジエターは、システムの使用とともに循環水中の酸素と反応して腐食し、鉄さびを生成する。生成された鉄さびは、循環水とともに熱交換システム内を循環する。この際、使用期間１５年間で発生する鉄さびの全体積は、１５０ｍＬ程度である。推定使用期間１５年に発生する鉄さびの全量は、例えば長さが３０ｃｍ程度の円筒容器に対して、入口接続部２から容器１の底部までの距離を５ｃｍ程度とすることにより、捕捉可能となる。

粒径が１０μｍより小さい鉄さび小４ｂは、容器１内の底部に沈降せずに、容器１の内部で上昇する。容器１の内部で上昇した鉄さび小４ｂは、流入孔１５から回転体１０の内部に流入する。鉄さび小４ｂを含む循環水は、回転体１０の外周面に設けられたノズル１６から金属フィルタ１１を介して外周流路部１２に流入され、出口接続部３から水循環システム内に戻される。ここで、鉄さび小４ｂは、金属フィルタ１１によって捕捉される。回転体１０の外周面に設けたノズル１６は、先端部が金属フィルタ１１に接触している。回転体１０は、ノズル１６から流出する循環水の反発力でノズル１６を金属フィルタ１１に接触させながら軸部材９を中心に回転する。回転体１０は、ノズル１６の先端を金属フィルタ１１に接触させることで、金属フィルタ１１の表面に付着した鉄さび小４ｂを掻き取ることができ、流入孔１５を通じて容器１の内部に戻すことができる。

ノズル１６よって放出される循環水に含まれ、金属フィルタ１１の孔よりも小さい径を有する鉄さび４は、金属フィルタ１１を通過して外周流路部１２に入り、外周流路部１２と接続された出口接続部３から水循環システムに戻される。

次に、図１を用いて電気化学的酸化処理による鉄さびの粒径の増加について説明する。金属フィルタ１１の表面及び邪魔板７の表面に接触した鉄さび４の表面は、鉄さび４が水と接触することで水酸化鉄に覆われている。この水酸化鉄は、電気化学的に酸化されて鉄酸化物（鉄さび）に変化する際に水分子を脱離して密度が増加する。この水酸化鉄から鉄酸化物に変化し、密度増加が起こる際に、隣接する表面を水酸化鉄で覆われた鉄さび粒子同士が凝集し、鉄さび１個あたりの径が増加する現象が確認された。電気化学的に酸化処理を実施する場合、酸化反応の駆動力となる正の電圧印加と電子の移動は、電源１３より連続的に実施される。そのため、電源１３と接続した邪魔板７と金属フィルタ１１の表面では、付着した鉄さび４の粒径の増加と凝集が連続的に進行することを新たに見出した。そのため、特に、これまでフィルタによる除去が困難であった鉄さび微粒子においても電気化学的酸化処理による粒子径の増加により高効率な捕集を実現することができる。

金属フィルタ１１の表面で電気化学的に酸化された鉄さび４は、粒径が増加するとともに、鉄さび４同士が凝集して粒径が増加するため、金属フィルタ１１の表面を移動するノズル１６の先端部によって金属フィルタ１１の表面から掻き取られる。金属フィルタ１１の表面から掻き取られた鉄さび４は、流入孔１５を通じて容器１の内部に戻され、容器１の内部を循環することで表面が水と反応して再び水酸化鉄で覆われる。

容器１の内部を循環する鉄さび４の粒子は、金属フィルタ１１と邪魔板７に接触するごとに、その粒径が増加する。鉄さび４の粒子は、粒径が１０μｍ以上に増加することで鉄さび大４ａとなり、沈降作用により邪魔板７に形成された貫通孔７０から容器１の底部に沈降する。沈降した鉄さび４は、邪魔板７により粒子の巻きあがりが防止されるため容器１の底部に留まる。

金属フィルタ１１の表面で電気化学的に酸化された鉄さび４は、ノズル１６の先端部が金属フィルタ１１の表面を移動することで掻き取られる。一方、邪魔板７の表面にて固着した鉄さび４は、流体のせん断応力だけでは掻き取れない場合がある。

そこで、金属フィルタ１１及び邪魔板７に印加する電位を負に設定することで、金属フィルタ１１及び邪魔板７の表面で水素ガスを発生させる。発生した水素ガスは、気泡となって浮上し、気泡と金属フィルタ１１及び邪魔板７の界面付近に存在する鉄さび４にせん断応力を発生させて、金属フィルタ１１及び邪魔板７に固着した鉄さび４を掻き取る効果がある。

なお、水素ガスを発生させる際に印加する電圧は、−０．２Ｖよりも小さく、−２．０Ｖ以上の範囲内である。電圧が−０．２Ｖ以上であると、水素ガスが発生せず、電圧が−２．０Ｖより低いと金属フィルタ１１及び邪魔板７の表面への水素イオンの供給速度が律速するため、水素ガス発生速度が飽和する。剥離した鉄さび粒子は、容器１の内部を循環し、金属フィルタ１１及び邪魔板７の表面での電気化学的酸化処理を繰り返することで粒径が増加する。剥離した鉄さび粒子は、粒径が１０μｍ以上に増加すると、邪魔板７の複数の貫通孔７０を通って容器１の底部に沈降し、そこで留まり捕捉される。

次に、邪魔板７に形成した捕捉孔の形状と、鉄さびの捕捉効果との関係を、図４〜図８に基づいて説明する。図５及び図６は、本発明の実施の形態に係る微粒子分離装置の邪魔板の異なる形態を模式的に示した平面図である。図７は、金属フィルタ、邪魔板及び対向電極を有しない微粒子分離装置を模式的に示した内部構成図である。図８は、図４〜図６に示した邪魔板をそれぞれ備えた微粒子分離装置における鉄さびの捕捉比率と、図７に示した微粒子分離装置における鉄さびの捕捉比率とを比較したグラフである。なお、図７に示した微粒子分離装置は、図１に示した本実施の形態の微粒子分離装置１００と比較して、フィルタ、邪魔板及び対向電極を有しない構成であり、以下ベンチマーク表記する。

本出願人は、上記微粒子分離装置１００において、邪魔板７の捕捉孔の形状が鉄さび４の捕捉効果に及ぼす影響について検討を行った。図４に示す邪魔板７Ａは、上記したように、全面に略同径の円形の貫通孔７０を複数形成した構成である。図５に示す邪魔板７Ｂは、図４に示す貫通孔７０よりも小さい孔径の円形の貫通孔７１を複数設けた領域と、半月形状の貫通孔７２を形成した領域とで構成している。円形の貫通孔７１は、入口接続部２を設けた側に形成され、半月形状の貫通孔７２は、入口接続部２を設けた側とは反対側に形成されている。図６に示す邪魔板７Ｃは、図５に示した半月形状の貫通孔７２が入口接続部２を設けた側に形成され、図５に示した円形の貫通孔７１が入口接続部２を設けた側とは反対側に複数形成された構成である。

ここで、入口接続部２の内径が１．７ｃｍであり、容器１の内径が７．７ｃｍとした。循環水の平均流速は、入口接続部２の内部が２．０ｍ／ｓ、容器１の内部が０．１ｍ／ｓとなるように設定した。金属フィルタ１１及び邪魔板７に印加する電圧は、＋０．５Ｖ又は−０．５Ｖとした。電圧の印加時間は、金属フィルタ１１と邪魔板７の表面に、＋０．５Ｖを１時間印加するごとに、−０．５Ｖを５分間印加するサイクルで実施した。また、上記条件の下、微粒子分離装置１００は、５台の鉄製のラジエターと１台の熱交換器、１台のステンレス製タンクを含む家庭用の給湯暖房システムに接続した構成とし、９０日間連続運転した。なお、図７に示すベンチマークは、金属フィルタと邪魔板、対向電極、電源を有さないため、粒径が１０μｍ以下の鉄さび４を捕捉できない構成である。

そして、９０日間連続運転を行った後に微粒子分離装置１００を回収し、底部を切断して捕捉された鉄さびの重量測定を行った結果を図８に示す。図８の縦軸は、鉄さびの捕捉比率を示している。図８の横軸は、図４〜図６に示した邪魔板７Ａ、７Ｂ、７Ｃをそれぞれ備えた微粒子分離装置と、図７に示した微粒子分離装置とを示している。図８では、ベンチマークの鉄さび４の捕捉量を１とした場合に対する、図４〜図６に示す邪魔板７Ａ、７Ｂ、７Ｃを設けた場合の鉄さび４の捕捉量の比率を示している。

図８に示すように、ベンチマークによる鉄さび４の捕捉量と、邪魔板７Ａ〜７Ｃを設けた場合の鉄さび４の捕捉量とを比較すると、邪魔板７Ａの鉄さび４の捕捉量は約３．６倍、邪魔板７Ｂの鉄さび４の捕捉量は３．２倍、邪魔板７Ｃの鉄さび４の捕捉量は２．３倍となり、図４に示す邪魔板７Ａを備えた微粒子分離装置１００の場合が最も捕捉効果が高かった。これは、粒径が１０μｍ以上の鉄さび４の粒子が、邪魔板７を介して容器１の底部に沈降する場合、貫通孔７０の孔径を大きく形成した邪魔板７Ａが鉄さび４を捕捉する効果が高いことを示している。また、半月形状の貫通孔７２を形成した邪魔板７Ｂ及び７Ｃの場合、入口接続部２を設けた側とは反対側に半月形状の貫通孔７２を形成した邪魔板７Ｂが、鉄さび４を捕捉する効果が高い。半月形状の貫通孔７２を入口接続部２の近くに形成した場合、入口接続部２から流入する循環水によって容器１の底部に沈降した鉄さび４が巻き上げられることで、捕捉効率が低下することを示している。

次に、邪魔板７の表面形状と、鉄さびの捕捉効果との関係を、図９〜図１２に基づいて説明する。図９〜図１１は、本実施の形態に係る微粒子分離装置を構成する邪魔板の表面形状の一例を模式的に示した説明図である。図１２は、図９〜図１１に示した邪魔板をそれぞれ備えた微粒子分離装置における鉄さびの捕捉比率と、図７に示した微粒子分離装置における鉄さびの捕捉比率とを比較したグラフである。

本出願人は、上記微粒子分離装置１００において、邪魔板７の表面形状が鉄さび４の捕捉効果に及ぼす影響について検討を行った。図９〜図１１に示した邪魔板７Ｄ、７Ｅ、７Ｆの貫通孔７０は、図４に示した邪魔板７Ａと同じ構造とする。図９に示した邪魔板７Ｄの表面形状は、平坦とした構成である。図１０に示した邪魔板７Ｅの表面形状は、ジグザグ状の突起部７３が形成されて凹凸形状とした構成である。突起部７３の先端の角度は、９０度である。突起部７３の高さＨ_１は、突起部７３を除く邪魔板７Ｅの厚みＨ_２と略同じである。図１１に示した邪魔板７Ｆの表面形状は、周期的な波形状の突起部７４を形成した構成である。波形状の突起部７４の最大高さＨ_３は、突起部７４を除く邪魔板７Ｆの厚みＨ_２の５０％程度である。突起部７４の横幅Ｌは、邪魔板７Ｆの厚みＨ_２の３倍程度である。

ここで、入口接続部２の内径が１．７ｃｍであり、容器１の内径が７．７ｃｍとした。循環水の平均流速は、入口接続部２の内部が２．０ｍ／ｓ、容器１の内部が０．１ｍ／ｓとなるように設定した。金属フィルタ１１及び邪魔板７に印加する電圧は、＋０．５Ｖ又は−０．５Ｖとした。電圧の印加時間は、金属フィルタ１１と邪魔板７の表面に、＋０．５Ｖを１時間印加するごとに、−０．５Ｖを５分間印加するサイクルで実施した。また、微粒子分離装置１００は、５台の鉄製のラジエターと１台の熱交換器、１台のステンレス製タンクを含む家庭用の給湯暖房システムに接続した構成とし、９０日間連続運転した。なお、図７に示すベンチマークは、フィルタと邪魔板、対向電極、電源を有さないため、粒径が１０μｍ以下の鉄さび４を捕捉できない構成である。

そして、９０日間連続運転を行った後に微粒子分離装置１００を回収し、底部を切断して捕捉された鉄さび４の重量測定を行った結果を図１２に示す。図１２の縦軸は、鉄さびの捕捉比率を示している。図１２の横軸は、図９〜図１１に示した邪魔板７Ｄ、７Ｅ、７Ｆをそれぞれ備えた微粒子分離装置と、図７に示した微粒子分離装置とを示している。図１２では、ベンチマークの鉄さび４の捕捉量を１とした場合に対する、図９〜図１１に示す邪魔板７Ｄ、７Ｅ、７Ｆを設けた場合の鉄さび４の捕捉量の比率を示している。

図１２に示すように、ベンチマークによる鉄さび４の捕捉量と、邪魔板７Ｄ〜７Ｆを設けた場合の鉄さび４の捕捉量とを比較すると、邪魔板７Ｄの鉄さび４の捕捉量は約３．６倍、邪魔板７Ｅの鉄さび４の捕捉量は４．０倍、邪魔板７Ｆの鉄さび４の捕捉量は３．７倍となり、図１０に示す邪魔板７Ｅの場合が最も捕捉効果が高かった。これは、邪魔板７の表面形状に突起部７３を形成することで表面積が増加されるため、鉄さび４の電気化学的酸化処理が促進され、短時間で粒子径が増加することによると考えられる。また、波型状の突起部７４よりもジグザグ状の突起部７３とすることで捕捉効果が高い理由については、ジグザグの状の突起部７３の先端で電気化学反応速度が大きくなるため、鉄さび４の粒径の増加が進行したものと考えられる。

次に、金属フィルタ１１及び邪魔板７に印加する電圧と、鉄さび４の捕捉効果との関係を、図１３及び図１４に基づいて説明する。図１３は、金属フィルタ及び邪魔板に印加する電圧と時間の関係を示すグラフである。図１３の縦軸は、印加電位を示している。図１３の横軸は、印加時間を示している。また、図１４は、印加電圧と鉄さびの捕捉比率との関係を示したグラフである。図１４の縦軸は、鉄さびの捕捉比率を示している。図１４の横軸は、印加電圧を示している。

本出願人は、上記微粒子分離装置１００において、金属フィルタ１１及び邪魔板７に印加する電圧と鉄さび４の捕捉効果との関係について検討を行った。図１３に示すように、正の電圧Ｖ１（Ｖ）を時間Ｔ１（ｓ）印加することで金属フィルタ１１と邪魔板７の表面に存在する鉄さび４を電気化学的に酸化し、鉄さび４の粒径を増加させる。また、負の電圧Ｖ２（Ｖ）を時間Ｔ２（ｓ）印加することで、金属フィルタ１１と邪魔板７の表面に固着した鉄さび４を脱離する。

ここで、入口接続部２の内径が１．７ｃｍであり、容器１の内径が７．７ｃｍとした。循環水の平均流速は、入口接続部２の内部が２．０ｍ／ｓ、容器１の内部が０．１ｍ／ｓとなるように設定した。金属フィルタ１１及び邪魔板７に印加する電圧は、０Ｖ〜＋１．２Ｖの範囲とした。電圧の印加時間は、金属フィルタ１１と邪魔板７の表面に、正の電圧を１時間印加するごとに、−０．５Ｖを５分間印加するサイクルで実施した。また、微粒子分離装置１００は、５台の鉄製のラジエターと１台の熱交換器、１台のステンレス製タンクを含む家庭用の給湯暖房システムに接続した構成とし、９０日間連続運転した。なお、邪魔板７は、図４に示した邪魔板７Ａを使用し、図９に示した平坦な表面形状とした。

図１４に示すように、印加電圧が０．２Ｖよりも低い場合には、鉄さび４の捕捉効果はベンチマーク（印加電圧Ｖ１が０Ｖであり、金属フィルタ、邪魔板及び対向電極を有しない構成の装置）よりも高い。これは、邪魔板７と金属フィルタ１１が設置されている効果と考えられる。なお、この場合、正の電圧印加による鉄さび４の酸化による効果は低い。電圧印加が＋０．２Ｖよりも大きい場合には、電圧の増加とともに鉄さび４の捕捉効果が増加する。電圧印加が＋０．８Ｖよりも大きい場合には、鉄さび４の捕捉効果は飽和する傾向にある。これは、鉄さび４の酸化反応に加えて酸素ガスが発生し、鉄さび４の酸化の効率が低下したためと考えられる。

以上のように、本実施の形態に係る微粒子分離装置１００は、容器１と、容器１の下方に設けられ、容器１の内部に媒体を流入させる入口接続部２と、容器１の上方に設けられ、容器１の内部に流入させた媒体を容器１の外部へ排出させる出口接続部３と、を備えている。そして、微粒子分離装置１００は、容器１の内部に設けられ、媒体に含まれる異物を出口接続部３から排出される前に捕捉する金属フィルタ１１と、容器１の内部に設けられた軸部材９によって回転自在に支持され、金属フィルタ１１に付着した異物を掻き取る回転体１０と、容器１の底部と出口接続部３との間を仕切り、表面に複数の貫通孔７０を有する導電性の邪魔板７と、金属フィルタ１１及び邪魔板７に配線１４を介して接続され、金属フィルタ１１及び邪魔板７に電圧を印加して、異物の径を増加させる電気化学的酸化処理を行う電源１３と、を備えている。

よって、本実施の形態に係る微粒子分離装置１００によれば、例えば粒径の大きい鉄さび大４ａは、容器１の内部で沈降し、邪魔板７の貫通孔７０を通過させて、容器１の底部で捕捉することができる。一方、粒径の小さい鉄さび小４ｂは、容器１の内部を上昇して金属フィルタ１１に付着させ、金属フィルタ１１に電圧を印加して電気化学的酸化処理を行い、粒径を増加させて回転体１０で掻き取ることができるため、容器１の底部に向かって沈降させて捕捉することができる。よって、微粒子分離装置１００は、例えば熱交換器を有する給湯機等の水循環回路を流れる循環水から鉄さび４等の金属を効果的に除去することができる。

また、回転体１０は、入口接続部２から出口接続部３に向かって流れる媒体の水流によって回転させる構成であり、モータで駆動させる構成ではないので、構造面での制約が少なくて済む。よって、微粒子分離装置１００は、例えば熱交換器を有する給湯機等の水循環システム内に配置することができる。

また、回転体１０の外周面には、回転体１０の内部と外部とを連通させるノズル１６が設けられている。回転体１０は、内部に流入した媒体をノズル１６から吐出することで回転すると共に、ノズル１６の先端によって金属フィルタ１１に付着した異物を掻き取る構成である。よって、微粒子分離装置１００は、ノズル１６を設けることによって、回転体１０を効率良く回転させることができ、且つ金属フィルタ１１に付着した異物を効果的に掻き取ることができる。

また、邪魔板７の上面は、複数の突起部７３、７４が形成されて凹凸形状又は波形状とした構成である。よって、微粒子分離装置１００は、上記したように、鉄さび４の捕捉量を効果的に高めることができる。

また、金属フィルタ１１及び邪魔板７には、電源１３によって＋０．２Ｖ以上＋１．５Ｖ以下の範囲で電圧が印加される。つまり、微粒子分離装置１００は、前記範囲によって電気化学的酸化処理の電圧を適正に設定することができ、効率良く異物の径を増加させることができる。

また、金属フィルタ１１及び邪魔板７には、電源１３によって−０．２Ｖよりも小さく、−２．０Ｖ以上の範囲で電圧が印加される。よって、微粒子分離装置１００は、金属フィルタ１１及び邪魔板７の表面で水素ガスを発生させることができ、発生した水素ガスが気泡となって浮上し、気泡と金属フィルタ１１及び邪魔板７の界面付近に存在する鉄さび４にせん断応力を発生させて、金属フィルタ１１及び邪魔板７に固着した鉄さび４を掻き取ることができる。

以上に本発明を実施の形態に基づいて説明したが、本発明は上述した実施の形態の構成に限定されるものではない。例えば、図示した微粒子分離装置１００の内部構成は一例であって、上述した内容に限定されるものではない。本実施の形態の微粒子分離装置１００は、他の構成要素を含んだ構成であっても同様に実施することができる。また、邪魔板７の上面は、ジグザグ状の突起部７３が形成されて凹凸形状とした構成、又は周期的な波形状の突起部７４を形成した構成に限定されず、例えば矩形状の突起部を形成して凹凸形状とした構成でもよい。要するに、いわゆる当業者が必要に応じてなす種々なる変更、応用、利用の範囲をも本発明の要旨（技術的範囲）に含むことを念のため申し添える。

１ 容器、２ 入口接続部、３ 出口接続部、４ 鉄さび、４ａ 鉄さび大、４ｂ 鉄さび小、５、６ 絶縁体、７、７Ａ〜７Ｆ 邪魔板、８ 対向電極、９ 軸部材、１０ 回転体、１１ 金属フィルタ、１２ 外周流路部、１３ 電源、１４ 配線、１５ 流入孔、１６ ノズル、７０、７１、７２ 貫通孔、７３、７４ 突起部、１００ 微粒子分離装置。

Claims (6)

1. 循環経路を循環する媒体中の異物を捕捉する微粒子分離装置であって、
   容器と、
   前記容器の下方に設けられ、前記容器の内部に前記媒体を流入させる入口接続部と、
   前記容器の上方に設けられ、前記容器の内部に流入させた前記媒体を前記容器の外部へ排出させる出口接続部と、
   前記容器の内部に設けられ、前記媒体に含まれる前記異物を前記出口接続部から排出される前に捕捉する金属フィルタと、
   前記容器の内部に設けられた軸部材によって回転自在に支持され、前記金属フィルタに付着した前記異物を掻き取る回転体と、
   前記容器の底部と前記出口接続部との間を仕切り、表面に複数の貫通孔を有する導電性の邪魔板と、
   前記金属フィルタ及び前記邪魔板に配線を介して接続され、前記金属フィルタ及び前記邪魔板に電圧を印加して、前記異物の径を増加させる電気化学的酸化処理を行う電源と、を備えている、微粒子分離装置。
2. 前記回転体は、前記入口接続部から前記出口接続部に向かって流れる前記媒体の水流によって回転する構成である、請求項１に記載の微粒子分離装置。
3. 前記回転体の外周面には、前記回転体の内部と外部とを連通させるノズルが設けられており、
   前記回転体は、内部に流入した前記媒体を前記ノズルから吐出することで回転すると共に、前記ノズルの先端によって前記金属フィルタに付着した前記異物を掻き取る構成である、請求項１又は２に記載の微粒子分離装置。
4. 前記邪魔板の上面は、複数の突起部が形成されて凹凸形状又は波形状とした構成である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の微粒子分離装置。
5. 前記金属フィルタ及び前記邪魔板には、前記電源によって＋０．２Ｖ以上＋１．５Ｖ以下の範囲で電圧が印加される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の微粒子分離装置。
6. 前記金属フィルタ及び前記邪魔板には、前記電源によって−０．２Ｖよりも小さく、−２．０Ｖ以上の範囲で電圧が印加される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の微粒子分離装置。

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