JP2942634B2 - 固液分離機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】〔発明の目的〕

【０００２】

【産業上の利用分野】本発明は、固形分を含有する廃液
から、固体分と液体分との遠心分離を行う回転容器を備
えた固液分離機に係り、特に回転容器の改良に関する。

【０００３】

【従来の技術】一般に、核燃料の再処理にあたっては、
使用済核燃料を溶解した硝酸溶液から不溶性の核分裂生
成物の固体微粒子を、遠心力を利用して分離除去する固
液分離機が用いられている。この固液分離機は、下部ま
たは上部が開口した回転容器を高速度で回転させ、この
下部または上部の開口部から給液管を挿入して回転容器
の中に固形分を含む被処理溶液としての廃液を供給して
その固液の分離を行うものである。

【０００４】図６は、上記従来の遠心分離式固液分離機
の構成例を示す断面図である。使用済燃料再処理プラン
トのコンクリート壁１０１には、開口部１２０の上部に
固液分離機１０２の上部ケーシング１０３が、また開口
部１２０の下部には固液分離機１０２の下部ケーシング
１０４が処理液受け皿１０５を介して接続される。

【０００５】下部ケーシング１０４内には、回転軸１０
６に吊下げられた遠心分離用回転容器１０７が収めら
れ、この回転容器１０７にはその底板１０８内に設けら
れたクラッド出口１０９を通して、廃液導入ノズル１１
０と洗浄ノズル１１１が導入される。前記下部ケーシン
グ１０４の下端には、クラッド排出管１１２が接続す
る。

【０００６】回転容器１０７の頂板１１３には処理液案
内孔１１４が放射状に設けられ、この処理液案内孔１１
４の処理液受け皿１０５側の上部には処理液案内ベーン
１１５が設置される。そして、処理液受け皿１０５の底
部には、処理液排出管１１６が接続する。

【０００７】回転軸１０６は、軸受１１７によって支持
され、コンクリート壁１０１を貫通しながら、上部ケー
シング１０３に収容される。回転軸１０６の上端は、カ
ップリング１１８を介してモータ１１９と接続する。

【０００８】固形分（クラッド）を含む廃液（固液）
は、廃液導入ノズル１１０を通って回転容器１０７内に
案内され、回転容器１０７の回転に伴う遠心作用によっ
てクラッドと処理液に遠心分離される。その後クラッド
は、クラッド出口１０９から沈降して下部ケーシング１
０４内に至り、さらにクラッド排出管１１２を通って固
液分離機１０２から排出される。他方、処理液は、処理
液案内孔１１４を通って処理液受け皿１０５内に至る
が、この際処理液案内ベーン１１５によって処理液受け
皿１０５の下方に案内され、処理液排出管１１６から固
液分離機１０２外へ排出される。

【０００９】ところで、回転容器１０７は、モータ１１
９の駆動が回転軸１０６を介して伝達されることにより
回転するが、回転軸１０６と回転容器１０７の連結は、
回転軸１０６と回転容器７の頂板１１３とをボルト締め
して行うのが普通である。

【００１０】また遠心分離された固体分が回転容器１０
７の内壁に所定量堆積して固着した場合は、回転容器１
０７への廃液の供給および回転容器の回転を停止し、さ
らに洗浄ノズル１１１から洗浄液を噴出せしめることに
より、堆積した固体分は、回転容器１０７のクラッド排
出管１１２から洗浄排出される。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の固液分離機において、回転容器は、回転軸を介して伝
達されたモータの回転駆動力によって高速で回転してお
り、駆動部のモータからの回転軸の長さに対応した距離
を隔てて回転されているので、回転容器にて発生する振
動が、回転軸を含めた回転系全体に影響を与えることに
なる。

【００１２】しかも、回転する回転容器内に導入された
廃液は、固有の流体振動を生じることが、一般に知られ
ている（例えば、機械工業便覧Ａ５編、流体工学、第１
６章参照）。この流体振動は、軸方向や周方向に単独に
発生したり、あるいは両方向に複合的に発生することが
実験により確認されている。

【００１３】従来の固液分離機においても同様に、回転
する回転容器内で廃液が軸方向あるいは周方向に振動
し、モータや回転軸等の回転系と共振を生ずることがあ
り、このような流体特性による廃液の振動を抑制するこ
とは実質的に困難であった。

【００１４】さらに従来の固液分離機においては、固形
分を含む廃液は回転容器とともに高速度で回転するが、
回転容器内で廃液が流体特性により、軸方向や周方向に
流体振動を発生して、固体分の分離効率を著しく低下さ
せ、所定の分離性能が得られないという問題や、回転体
に異常振動を励起させて回転の安定性を喪失して回転軸
や回転容器が損傷するなどの問題が高頻度で発生してい
た。

【００１５】本発明は上述した事情を考慮してなされた
もので、固体分と液体分の分離性能を向上させるととも
に、共振が発生することなく安定した回転性能を有する
固液分離機を提供することを目的とする。 〔発明の構成〕

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は、上述した課題
を解決するためになされたものであり、まず、請求項１
の発明は、導入された廃液を固形分と上澄液とに遠心分
離する筒状回転容器と、この回転容器を回転駆動させる
駆動機構とを備えた固液分離機において、上記回転容器
の固形分出口側内周と上澄液排出孔側内周とにそれぞれ
回転中心方向に傾斜して突出するように形成された第１
および第２の堰を備え、これらの各堰の傾斜面と上記回
転容器内周面とのなす角度を相互に異ならせて構成され
る。

【００１７】また、回転容器内周面から第１および第２
の各堰の先端までの高さを相互に異ならせて構成するこ
ともできる。

【００１８】

【作用】上記構成に係る固液分離機によれば、駆動機構
によって回転容器を所定速度で回転させた状態で固形分
を含む廃液を回転容器内へ連続して供給すると、廃液中
の固形分と上澄液とが遠心分離される。そして回転容器
内周面における廃液の液面高さが、第１の堰または第２
の堰のいずれか低い方の高さよりも大きくなった時点
で、上澄液は、堰の頂部から溢流し、上澄液排出孔から
順次外部へ排出される。このとき回転容器内へは廃液が
連続的に供給されているため、定格回転数で回転する回
転容器内は堰の高さに相当する範囲が廃液で満たされ
る。

【００１９】このとき廃液の液面にその流体特性によっ
て振動波が発生した場合においても、各堰の傾斜面と回
転容器内周面とのなす角度が相互に異っているため、発
生した振動波が双方の堰の傾斜面に沿って移動反射する
際の、波動速度が異なる。すなわち第１の堰付近におけ
る波動速度と、第２の堰付近における波動速度とは異な
るため前進波と後進波とが共鳴して一定の振動数で流体
振動が発生することはない。つまり波動速度が異なる前
進波と後進波との干渉によって振動波は相互に減衰さ
れ、結果的に回転系全体の共振に発展することなく、振
動がなく極めて安定した状態で固液分離機を運転するこ
とができる。

【００２０】また、回転容器内周面から第１および第２
の堰の先端までの高さを相互に異なるように形成した場
合には振動波の減衰効果をより高めることができる。す
なわち回転容器内周面から第１および第２の堰の頂部ま
での高さを相互に異ならせ、例えば上澄液排出孔側に配
設した第２の堰の高さを固形分出口側に配設した第１の
堰の高さよりも低く設定すると、回転容器内の廃液の液
面高さは、第２の堰の高さにより規制され、その第２の
堰の高さとほぼ等しくなる。

【００２１】この状態で回転容器内の廃液の液面に、流
体特性によって周方向に振動波が発生した場合、振動波
の山部が、高さが低い第２の堰の頂部から流出して崩れ
る。この山部の削減により、第２の堰の液面付近におけ
る廃液量が減少するため、周方向の振動波の固有振動数
が変化して振動波全体が減衰される。そのため、回転系
の一定の振動数との共振が効果的に防止され、安定した
運転を継続することができる。

【００２２】

【実施例】以下、本発明に係る固液分離機の一実施例に
ついて添付図面を参照して説明する。

【００２３】本実施例に係る固液分離機は、図１に示す
ように、駆動装置としてのモータ１に連結され、軸受２
に軸支されて垂下された回転軸３が、円筒形状の回転容
器４の上部に形成された頂部５に連結され、この回転容
器４をモータ１と一体に回転可能に垂直に吊下げて構成
される。この頂部５の下方には上澄液排出孔６が径方向
に穿設されており、回転容器４の円筒部４ａで固液分離
された上澄液は、この上澄液排出孔６を通じて外部へ排
出される。

【００２４】回転容器４の開口側下端部４ｂには、この
開口側下端部４ｂの内側に周方向に沿って、中空円錐状
の第１の堰７が、延設されている。この第１の堰７は、
上記開口側下端部４ｂから連続して回転容器４の回転中
心Ｃ方向に突出するように傾斜して形成され、この第１
の堰７の上端部７ｂが回転容器４の下方に開口してい
る。そして、図２に示すように、この第１の堰７の傾斜
面７ａと円筒部４ａの内周面４ｃとのなす角（第１の堰
側角）θ₁ を鈍角として形成している。

【００２５】さらに、上記回転容器４の上部４ｄ内側に
は、周方向に沿って、断面が山形状の第２の堰８が延設
され、この第２の堰８の上方には、上澄液排出孔６が設
けられている。また、この第２の堰８の円筒部４ａ側の
傾斜面８ａと円筒部４ａの内周面４ｃとのなす角（第２
の堰側角）θ₂ を鈍角として形成し、この第２の堰側角
θ₂ と上記第１の堰側角θ₁ との角度を異ならせている
（θ₁ ＞９０°，θ₂ ＞９０°、θ₁ ≠θ₂ ）。

【００２６】また、第１の堰７の先端７ｂから、円筒部
４ａの内周面４ｃまでの高さｈ₁ は、第２の堰８の先端
８ｂから上記内周面４ｃまでの高さｈ₂ より高く設定さ
れている。

【００２７】すなわち、回転容器４の回転中心Ｃから第
１および第２の堰の先端７ｂ、８ｂまでのそれぞれの距
離をｒ₁ ，ｒ₂ とし、また回転中心Ｃから回転容器４の
内周面４ｃまでの距離をｒ₃ とすると下記の関係式が成
立つ。

【００２８】 ｈ₁ ＞ｈ₂ ， ｒ₂ ＞ｒ₁ ， ｈ₁ ＋ｒ₁ ＝ｈ₂ ＋ｒ₂ ＝ｒ₃ また回転容器４の上澄液排出孔６は図４に示すように、
頂部５と第２の堰８とに挟まれ周方向に形成された周溝
５ａの半径方向に放射状に複数個穿設されている。この
ため、この第２の堰８から溢出した上澄液を径方向から
外部に排出できるようになっている。

【００２９】定格回転中の回転容器４内に導入された廃
液２０は、固体分と液体分として分離されると、分離さ
れた上澄液としての液体分が、図３（ａ）に示すよう
に、円筒部４ａに満たされ、さらに廃液が導入され、廃
液の流体振動が発生した場合には、図３（ｂ），（ｃ）
に示すように、上澄液が第１の堰７より低い第２の堰８
の先端８ｂを越えて溢れ出し、図１および図２に示すよ
うに上澄液排出孔６から外部へ排出されるようになって
いる。

【００３０】回転容器４の内部には給液管１０と洗浄管
１１とが配設され、上記洗浄管１１を通り洗浄ノズル１
２から噴射される洗浄液によって円筒部４ａの内周面４
ｃに付着した固形分は洗い落とされ、第一の堰７の先端
７ｂから下方へ排出される。

【００３１】回転容器４内へ供給された廃液２０は、ま
ず第１の堰７の上に落下し、次に回転容器４と一体とな
って回転する回転速度が付与された円筒部４ａへ流れ込
む。ここで廃液中の固体分には回転速度の２乗に比例し
た遠心力が作用し、この固体分は比重の異なる液体分か
ら分離され、回転容器４の内周面４ｃに付着する。

【００３２】ところで、回転容器４に収容される廃液２
０の量は、図２に示すように回転容器４内周面からの高
さを第１の堰７より低くした第２の堰８の高さｈ₂ によ
って決まり、廃液の表面高さと第２の堰８の高さｈ₂ は
概略一致する。したがって、固液分離された液体の上澄
み液は、第２の堰８の上端部８ｂから溢れて上記上澄液
排出孔６を通って外部へ排出され回収される。

【００３３】定格回転中の回転容器４内に収容された溶
液は、上述の如く、固有の流体振動を生じる。回転容器
４内に収容された廃液に流体振動が発生した場合、廃液
表面には振動波が生じる。この振動波は運転条件によっ
ては軸方向に生じたり周方向に生じたりすることがあ
り、さらに両方向に複合的に生じる場合もある。

【００３４】この振動波の速度は、回転容器内の廃液の
深さと遠心加速度との積の平方根に等しく、この流体振
動で生じる波の速度は廃液の深さと回転数によって決ま
る。

【００３５】すなわち、廃液の深さをＨ、回転数の関数
である遠心加速度をＧとすれば、振動波の速度Ｖ_a は次
式で与えられる。ただし、廃液の深さＨは容器の長さに
くらべて十分小さいものとする。

【００３６】

【数１】

【００３７】したがって、軸方向の流体振動により発生
する振動波に対しては、円筒部４ａ両端の第１および第
２の堰７，８に傾斜角度を持たせることにより廃液の深
さＨを変え、次第に浅く（Ｈ→０）して波の速度Ｖ_a を
減速（Ｖ_a →０）させ、反射波の発生を防止することに
より、各堰７，８の付近での波立ちが消滅する。このた
め回転容器４に流体力に起因する外乱が加わらない。

【００３８】また、両方の堰７，８の円筒部４ａ側のそ
れぞれの傾斜角（各堰の傾斜面と回転容器内周面とのな
す角度）が異なっていれば、上記第１の堰付近の波の速
度と上記第２の堰付近の波の速度とが異なることになる
ので、前進波と後進波とが共鳴することがなく、従って
一定の振動数で流体振動が起こることはない。

【００３９】次に、円筒部４ａ内で周方向の流体振動が
生じた場合には、図３（ｄ）に示すように、振動波の山
部を形成する流体２０ａが、第１の堰７の先端７ｂより
高さの低い第２の堰８の先端８ｂから溢れ出て、前記上
澄液排出孔６から外部へ排出され、山部が消滅して上記
上澄液の量が減少するので上記周方向の流体振動数が変
化し、回転系の振動数と共振することはない。

【００４０】したがって、軸方向に発生した振動波に対
しては、円筒部４ａの両端の第１の堰７と第２の堰８と
にそれぞれ傾斜角度を持たせることにより、振動波の速
度を変化させるとともに、両端の堰において溶液の深さ
が０になるように、例えば本実施例では、第１および第
２の堰の傾斜面の角度を、回転容器４の径方向に対して
約４５度に設定している。

【００４１】これにより円筒部４ａの両端の各堰部にお
いて廃液の速度が０となる部分が形成され、大きな振動
波の反射がなくなる。この結果、上記回転容器４に軸方
向の流体力の外乱が作用しなくなり、極めて振動が少な
い安定した状態で分離機の運転が可能になった。

【００４２】また、第１の堰７と第２の堰８の傾斜角度
に約５度程度の差をつけておくことにより、第１の堰７
からの後退波と第２の堰８からの後退波の速度が等速に
ならないので、回転容器４中で波動が定常波とならな
い。したがって一定の振動数で流体振動が成長すること
はないので回転系との共振を効果的に防止することがで
きる。

【００４３】次に、周方向の振動波が発生した場合に
は、波の山部にある上澄液が、上記第１の堰７よりも高
さの低い上記第２の堰８の先端８ｂを越えて、上記回転
容器４から溢れ出て、上記上澄液排出孔６を通って外部
へ排出される。

【００４４】このため、振動波の山部は消滅して廃液の
量が減少するので、周方向の振動波の流体振動数が変化
し、振動波が減衰し、回転系の一定の振動数と共振する
ことはない。

【００４５】また、上記第２の堰８の高さｈ₂ を上記第
１の堰７よりも低くしているため、固形分がほとんど分
離されている廃液表面の上澄液は、固形分を排出回収す
る側の上記第１の堰７を越えて排出されることはなく、
すべて上記第２の堰８を越えて、上澄液排出孔６を介し
て外部に排出されるので、周方向の振動波が発生した場
合でも固液の分離効率が低下するおそれはない。

【００４６】次に、作用をまとめて説明する。

【００４７】廃液２０が給液管１０を介して、定格回転
中の回転容器４内に導入されると、遠心分離作用によ
り、固体分と液体分とに分離される。

【００４８】分離された上澄液としての液体分が円筒部
４ａに満たされ、液面が流体特性により振動を始める
と、液面に振動波が発生する。しかしながらこの振動波
は両堰７，８の傾斜面に沿って移動、反射する際に、軸
方向の振動波の固有振動数が変化するため、振動波は減
衰される。その結果、上澄液の振動は回転系との共振に
発展せず、固液分離機を安定した状態で運転することが
できる。

【００４９】さらに、液面が流体特性により周方向に振
動を始めると、高さが低い方の第２の堰８の先端８ｂか
ら、振動波の山部が流出して崩れ、周方向の振動波の固
有振動数が変化するため、振動波が減衰する。その結
果、液面の振動は回転系との共振に発展せず固液分離機
の振動量は小さくなる。なお第２の堰８を溢流した上澄
液は上澄液排出孔６から外部へ排出回収される。

【００５０】一方、遠心分離された固体分は回転容器４
の円筒部４ａ内周に堆積捕集される。そして所定の量が
捕集された時点で、回転容器４への廃液の供給を停止す
るとともに、回転容器４の回転を停止する。そして、こ
の堆積捕集された固体分に対して、この回転容器４内に
引き入れられた洗浄管１１の洗浄ノズル１２から洗浄液
が吹付けられ、固体分は回転容器４の開口部から洗浄排
出される。

【００５１】なお、上記第１の堰７と上記第２の堰８の
高さｈ₁ 、ｈ₂ の関係は、前者が後者の１．５〜２．５
倍の範囲であれば良好な分離効率が得られることが、本
発明者らの実験により確認されている。

【００５２】図５は本発明に係る固液分離機の回転容器
の他の構成例を示す斜視図であり、上澄液排出孔１６が
頂部５の周縁部に軸方向に複数個穿設された実施例を示
している。この構成により第２の堰８の先端８ｂから溢
流した上澄液を軸方向から外部に排出できるようになっ
ている。

【００５３】上記上澄液排出孔６，１６の配列位置、個
数および大きさについては特に限定されるものではな
く、所定の溶液供給量が閉塞することなく排出できる条
件を満たせばよい。

【００５４】なお上述した実施例は、下部に固形分排出
用の開口部が形成された回転容器について説明したが、
これに限られるものではなく、上部開口形の回転容器に
も、同様に適用することができる。

【００５５】

【発明の効果】以上に述べたように、本発明に係る固液
分離機によれば、回転容器の固形分出口側内周と上澄液
排出孔側内周とにそれぞれ堰を周方向に形成し、これら
各堰の傾斜面と該回転容器内周面とのなす角度をそれぞ
れ異なるように設定したので、簡易な構造で回転容器内
の廃液の流体振動を防止することができ、回転容器の流
体振動に起因する不安定振動を防止でき、安定した回転
性能を維持することができる。

【００５６】さらに、回転容器内周面から各堰の先端ま
での高さをそれぞれ異なるように設定することにより、
回転容器内の廃液に大きな波立ちなどの乱れが生じるの
を、より効果的に防止でき、溶液の安定した流れが確保
できるので固液分離の効率をより向上させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る固液分離機の一実施例を示す縦断
面図。

【図２】図１の要部を示す縦断面図。

【図３】（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ上記固液分離機の回
転容器内の廃液の軸方向の液面状態を示す断面図、
（ｄ）は上記固液分離機の回転容器内の溶液の径方向の
液面状態を示す断面図。

【図４】上記固液分離機の上澄液排出孔の配設方向を示
す斜視断面図。

【図５】上記固液分離機の上澄液排出孔の他の配置例を
示す斜視断面図。

【図６】従来の固液分離機を示す縦断面図。

【符号の説明】

３…回転軸 ４…回転容器 ４ａ…円筒部 ４ｂ…円筒部開口側下端部 ４ｃ…内周面 ４ｄ…円筒部上部 ５…頂部 ６，１６…上澄液排出孔 ７…第１の堰 ７ａ…第２の堰の傾斜面 ７ｂ…第１の堰の先端 ８…第２の堰 ８ａ…第２の堰の傾斜面 ８ｂ…第２の堰の先端

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G21C 19/46 G21F 9/06

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 導入された廃液を固形分と上澄液とに遠
   心分離する筒状回転容器と、この回転容器を回転駆動さ
   せる駆動機構とを備えた固液分離機において、上記回転
   容器の固形分出口側内周と上澄液排出孔側内周とにそれ
   ぞれ回転中心方向に突出する第１および第２の堰を備
   え、この第１の堰と上記回転容器の内周面とのなす角度
   および上記第２の堰と上記回転容器の内周面とのなす角
   度を共に鈍角とするとともに、これらの角度を相互に異
   なるように設定したことを特徴とする固液分離機。
2. 【請求項２】 回転容器の内周面から第１および第２の
   各堰の先端までの高さが相互に異なることを特徴とする
   請求項１記載の固液分離機。
3. 【請求項３】 第１の堰の高さが第２の堰の高さの１．
   ５〜２．５倍の範囲であることを特徴とする請求項２記
   載の固液分離機。