JP3021654B2 - 粒子軽量流体重量流体分離機 - Google Patents

粒子軽量流体重量流体分離機

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は粒子軽量流体重量流体分離機に関する。詳し
くは、気体または液体または固体からなる媒体およびそ
れらの混合物（本明細書ではこれらを流体と呼ぶ）に含
まれる成分を除去あるいは分離する流体遠心機に関す
る。
サイクロンあるいは遠心機とも呼ばれる、気体を分離
したり気体と粒子を分離したりする粒子分離機は、新規
なものではなく、ある制限の中で効果的であることが分
かっている。従来の粒子分離機は多くの問題を抱えてい
るが、粒子分離機の基本原理を利用して修正することに
よって、改良型分離機がディーゼルエンジンおよび他の
用途のために作り出されている。
気体遠心機は概念的には非常に簡単である。気体遠心
機は長くて、超高速……最大100,000rpm……で回転する
もので、原子力産業の分野では二種類のウランの同位体
すなわちU235とU238を分離するために長年にわたって使
用されている。ウランは、六フッ化ウランとして気体状
になっていて、遠心機内に入れられ続いて中央部に通さ
れる。
六フッ化ウランは……流体動力学的に……特殊な物質
で、マッハ１の速度が環境温度でほんの約90m/sであ
り、従って回転速度（500m/sつまり100,000rpm）におい
て、超音速流には衝撃波と損失が伴なう。それにもかか
わらず、このようなシステムは今や多くの国において、
ウランの同位体を分離するためばかりでなく、様々なク
ロムの同位体を分離するためにも、非常にたくさん使用
されている。しかし、その関連技術はかなり高価で、装
置の外部固定閉じ込め容器に対する抗力を最小にするた
めに、近真空中で回転する遠心機を必要とする。
空気あるいは燃焼生成物に対しては、マッハ１は絶対
温度の平方根……293Kでほぼ340m/s、900Kでほぼ600m/s
……に比例し、これらの気体のための遠心機は超音速流
状況下で動作する必要はなく、渦流損失や抗力、さらに
は製造コストにとっても好ましい。
重要なのは、この技術が密度がほんの僅かに違う（∝
分子量つまり238で３）気体を遠心的に分離する点で、
本発明は、ディーゼルエンジンの排気物や他の排気物を
分離処置と同時に浄化する気体遠心の技術を提供するこ
とを目的とする。
遠心機では、非常に強力な遠心力場が、重い物質を装
置の壁の近くに押し付け、重い物質はそこから取り除か
れ、一方、軽い物質は装置の小半径において取り除かれ
る。混合二次流パターンはセットアップされ、重い物質
を装置の適当な部分へ向けるために用いられる。
ディーゼルエンジンの排気物は、多量の二酸化炭素と
水蒸気、微量の酸化窒素と二酸化硫黄と一酸化炭素と炭
化水素（つまり不燃燃料や一部燃焼燃料）を含んだ混合
気体と、微粒子物質とを有している。粒子物質は、その
大きさが40〜50ミクロンから0.1ミクロンまでにわたる
といった、相当な多分散系となっている。一般に粒子物
質の90％は１ミクロン以下で、その中の大部分つまり約
80％は0.1ミクロン〜0.5ミクロンである。このため分離
が難しいものとなっている。
高温（700℃〜800℃）と、気体が冷えたときのタール
（炭化水素）の凝縮とによって複雑になっている。気体
は、400℃以下の温度では微粒子に硫化堆積物を含んで
いる。さらに、高温気体温度のため、音速は約600m/sと
なっている。この速度は、遷音速流あるいは超音速流お
よびそれによる衝撃波を複雑にすることなく、必要な超
高遠心場の生成を可能にするものである。
ディーゼルエンジンの排気物および他の排気物を浄化
するための流体遠心機の設計は、上述したように異なる
気体特性と、例えば乗り物への適用のためのコストを最
小にする要求とでは、根本的に異なっているが、ここ数
十年の高速ターボチャージャーシステムの発展によっ
て、ディーゼルエンジンの排気物および他の排気物を浄
化するとともに分離するために流体遠心機が使用できる
可能性がある。
ディーゼルその他のエンジンのターボチャージャー
は、エンジンのエギゾーストからの高温気体を用いてタ
ービンを回転させる。このタービンは遠心コンプレッサ
ーを回し、空気／燃料の供給物を、エンジンへ供給する
前で圧縮し、これによりエンジンの駆動出力を増加させ
るものである。ターボチャージャーは、最高で100,000r
pmのスピードで回転し、回転子チップの速度は約500m/s
であり、微粒子気体のための気体分離に必要な超高遠心
力場を作り出すことができる。
従って、気体遠心機とターボチャージャーの技術を組
み合わせて、気体サイクロンまたは流体遠心機・ターボ
チャージャー一体型システムを非常に経済的な価格で作
り出せる可能性がある。ただ、このような構成は、より
多くのエネルギーを排気ガスから吸収してしまうことは
避けられない。しかし、通常のターボチャージャーでは
全エネルギーのほんの30％が取り出されるだけであるか
ら、十分なエネルギーが残る。
理論的計算では、0.1ミクロンの大きさの微粒子まで
分離できるという、非常に高い分離能力が得られること
が示されている。残余物から高分子量炭化水素や他の同
様の気体の分離も可能である。
気体流から粒子を取り除く公知方法の一つは、サイク
ロンあるいは他の形態の分離機の使用を必要とする。通
常、これらの分離機は空気に円形状または螺旋状の流れ
を生じさせる。これにより、粒子は力を受けて外側流路
に向かい、そこで回収され、清浄な空気は円または螺旋
の中央から除かれる。粒子は重力のため落下するか、小
量の気体流によってフィルターまで運ばれ、ウエイスト
ダクトにつながる枝管内に設けた適当な容器に回収され
る。
サイクロン内の気体の螺旋運動あるいは円運動によっ
て、パイプ内の排気ガスの流れはかなり乱れたものとな
り、従って分離能を低下させるようなエネルギーの低い
領域を含んでいることが分かる。
不動の壁と高速の流れの間の壁乱効果によって、通常
のサイクロンの分離作用には根本的な限界がある。特
に、高能率サイクロンは、５ミクロン程度の大きさの粒
子は全部を取り除くが、３ミクロン程度の大きさの粒子
はほんの50％、１ミクロン程度の大きさの粒子はわずか
20％を取り除くに過ぎない。
気体の乱れが分離能を最も低下させる箇所は、気体が
分離チャンバーへ入るところである。
ねらいは二つの気体の流れを作り出すことである。一
つは、全体の流れの少なくとも50％、好ましくは80％以
上を有し、実質的に清浄で、大気中へ直接排気が可能な
ものである。もう一つは、ほとんどの汚染物（粒子と重
い炭化水素）を含んでいて、排気ガス再循環などの技
術、触媒、フィルター（多くの大型エンジン製造工業で
製造されている）によって経済的に処理できるものであ
る。汚染物の濃度が気体流全体の50％以下、好ましくは
20％以下であることは、気体の浄化のコストと廃物の蓄
積を減らす。上の比率は変えてもよい。
粒子の発生はディーゼルエンジンの燃焼では避けるこ
とはできない。その量と組成は、燃焼方法とディーゼル
エンジンのセッティングに大きく依存しており、また動
作状態と燃料の組成に依存している。粒子は固体揮発性
成分からなり、その組成は運転動作の種類に依存する。
全負荷で運転しているエンジンの排出は、すすと硫黄
粉の固体物質の約90％を作り出している。こられの存在
は増え続けており、炭化水素は健康に害を与えるとの環
境意識から注意を増加させている。
エンジンが消費するオイルのいくらかは、完全に燃焼
せず、CO2（二酸化炭素）と水蒸気にならない。金属性
添加剤の場合はまさにそうである。これらのオイル消費
／燃焼の生成物は粒子としてエンジンから出る。
本発明は粒子とHC（炭化水素）基準に最も関心をおい
ているが、現存のエンジンは要求される排出基準に合う
ように作られなければならないため、CO（一酸化炭素）
とNOx（酸化窒素）もまた重要である。違反は燃料組成
に起因していることがしばしばある。
粒子の定義は、すす即ち炭素質とそのエーロゾル、燃
料と潤滑剤の部分燃焼により生じる有機物、燃焼しなか
った燃料と潤滑剤を含んでいる。
（10〜20年前の）現存のディーゼルは広範囲に粒子を
まき散らす。これは、現存の貨物自動車、汽車、船など
から出る黒煙として見ることができる。
伝統的手法による気体流パターンは、汚れた気体を局
在させ、外壁上に凝集させ、清浄な気体を中央部から取
り出すことを可能にする。
本発明は、ターボチャージャーと気体遠心機の技術と
原理を利用した、比較的安価に製造できる流体遠心装置
を提供することを目的としている。
本発明によれば、非回転収容容器と、この容器内にあ
る中空管状回転シュラウドと、非回転インレットアッセ
ンブリーと非回転アウトレットアッセンブリーと、回転
シュラウドを駆動する手段とを備えていて、収容容器と
シュラウドがインレットアッセンブリーとアウトレット
アッセンブリーの間に配置されており、アウトレットア
ッセンブリーが清浄気体用アウトレットと汚い気体用ア
ウトレットを有している流体遠心装置が提供される。
回転シュラウドは両側が平行になっている。または円
錐形状になっている。
運転時、回転シュラウドはタービンブレードに連結さ
れる。あるいは本装置やターボチャージャーの駆動軸に
連結される。あるいは他の手段によって運転される。
シュラウドは頑丈な複数の壁を有している。これらの
壁には、穴が開けられていて、あるいはメッシュ状にな
っていて、粒子はシュラウドの壁を通過できるようにな
っている。
収容容器は、シュラウドの形状にそっくりになってい
る。
装置の回転スピードは、クラッチ、ガバナー、ギヤ機
構、タービン設計、またインレットアッセンブリーとア
ウトレットアッセンブリーの形状と機能によって変わ
る。
装置は、それ自体が含まれるように設計されたボルト
オン固定物となっている。
遠心機とインレットアッセンブリーとアウトレットア
ッセンブリーは、触媒で覆われている。
シュラウドは、分離処理と反応促進のための穴空き物
質を有している。穴空き物質は触媒で被覆されている。
本発明の理解を深めるため、その実施例について添付
した図面を参照しながら説明する。ここに、各図面は以
下の通りである。
図１は、本発明の第一実施例の流体遠心機の斜視図で
ある。
図２は、図１の装置の断面図で、装置構成の詳細を示
している。
図３は、図２のIII−III線に沿った断面図である。
図４は、図２のIV−IV線に沿った断面図である。
図５は、図２のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。
図６は、図２の装置の部品の別の形態の長手方向断面
図である。
図７は、図６のVII−VII線に沿った断面図である。
図８は、上述した部品の更に別の形態の長手方向断面
図である。
図９は、図８のIX−IX線に沿った断面図である。
図10は、図８と図９に示した部品の別の形態を示して
いる。
図11は、上述した部品の更に別の形態を示している。
図12は、本発明の装置で使用する粒子回収容器の拡大
図である。
図13は、粒子回収容器の別の形態を示している。
図14は、本発明の流体遠心機の更に別の形態を示して
いる。
図15は、図14の流体遠心装置の変形例を示している。
図16は、本発明の装置を用いた発電プラントの図であ
る。
図17は、気体流からのメタンの除去に適している、本
発明の別の実施例の流体遠心装置の図である。
図18は、本発明の流体遠心装置に用いる空気プレクリ
ーナーの図である。
図１に示すように、本発明の浄化装置すなわち流体遠
心機は、ターボチャージャーあるいは他の気体インレッ
トアッセンブリー２と、気体アウトレットアッセンブリ
ー４とを有している。これらは、非回転収容容器６によ
って連結されている。ターボチャージャー２すなわち気
体インレットシステムは、ターボチャージャー２とアウ
トレットアッセンブリー４の内部につながったマニホー
ルド８……（図示のように）集合ポートすなわち単一ポ
ートである……を有している。アッセンブリー４は清浄
気体用アウトレット10と汚い気体用アウトレット10Aを
有している。粒子回収容器すなわちトラップ……図12と
図13を参照せよ……がアウトレットアッセンブリー４に
取り付けられる。この回収容器は粒子を除去し、気体の
20％〜50％以上が通過し、あるいはエンジンへの再循環
されるのを可能にする。
インレットアッセンブリーはアウトレットアッセンブ
リーにあいだに回収容器を設けることなく直接取り付け
られることが望ましい。
図２〜図５に示すように、ターボチャージャーすなわ
ち気体インレット２は、排気ガスタービンブレード16を
有するタービンハウジング14を有している。タービンブ
レード16はシリンダーを有している。汚い排気ガス用イ
ンレットは８で示され、汚い排気ガス用アウトレットは
符号18で示されている。中央駆動軸は20で示され、装置
はモーターや他の動力源によって駆動されるため、ター
ボチャージャー駆動軸すなわちタービンに連結されてい
る必要はない。遠心機は、流体圧力、可変ギヤボック
ス、プーリーとベルトシステム、電気または他の動力シ
ステムによって駆動される。ターボチャージャー２は容
器６に、ターボチャージャーのフランジ22と容器のフラ
ンジ24とによって連結されている。容器はフランジ26を
介してアウトレットアッセンブリー４に連結されてい
る。フランジ22と24の間、フランジ26と外側アッセンブ
リー４の間には、シール28が設けられている。シールは
成分を考慮した材質で作られる。この材質は要求される
機能と温度にも依存する。
必要に応じて、シールは別の箇所に設けてもよい。
オイルシール30を有するベアリング30が遠心機の両端
に設けられている。ベアリングはターボチャージャーの
標準ベアリングに関係している。あるいは、他のタイプ
のベアリングたとえば磁気、圧縮空気などを用いてもよ
い。
安定化の向上を図るために、中央駆動軸20またはシュ
ラウド6Aの長手方向に沿ってベアリングを設けてもよ
い。
潤滑オイルまたは他の物質がすべてのベアリングに供
給され回収される。潤滑材はインレット32を通って供給
され、アウトレット34を通って出る。
収容容器６は、断面はほぼ円形で、滑らかな平行面を
有している。容器は内部円筒型シュラウド6Aを有してい
る。シュラウド6Aはタービンブレード16に連結してい
て、回転可能になっている。収容容器とシュラウドは、
大きさ、直径、長さは変更可能であってもよい。
シュラウドは、気体と粒子が回転面に投げつけられる
ように設けられている。シュラウド6Aは回転して、サイ
クロンすなわち遠心装置あるいは他の同様の装置の固定
壁に対して垂直な過度の乱流を防ぐ。
アウトレットアッセンブリー４はハウジング36を有し
ている。図から分かるように、ハウジング36は二以上の
部品で作られていて、その間にシール36Aが設けられて
いる。外側アッセンブリー４はベアリング軸エンドキャ
ップ28を有している。
汚い気体廃物回収手段12はアウトレットアッセンブリ
ー４に設けられる。回収手段は、図12に示すように、回
収チャンバーすなわちトラップ43で構成され、手段43A
を介してアッセンブリー４に接続され、チャンバーすな
わちトラップが空の間、回収される粒子が大気中に直接
放出されるのを防いでいる。チャンバーすなわちトラッ
プは、汚い気体などがアウトレット10Aを通ってチャン
バーすなわちトラップに入れるようになっていて、粒子
と重い気体は取り除き、軽い気体（窒素、二酸化炭素、
酸素ほか）はチャンバーすなわちトラップの有孔部44を
通過できるように設計されている。取り外し可能に取り
付けられるエンドキャップ45は、有孔部45Aを有してい
て、気体の通過を許す。この気体は、エンジンほかへ再
循環してもよい。
回収チャンバーすなわちトラップは、ベイヨネット型
コネクターを有している。これは、上方に押されてひね
られたとき、チャンバーすなわちトラップの首にあるア
イリス（図示せず）が開き、このときアッセンブリー４
に連結される。回収チャンバーすなわちトラップを外す
ときは、反対の動作が起こる。すなわち、アイリスが閉
じ、不注意による粒子の放出が防止される。チャンバー
すなわちトラップ内の粒子の量の確認を可能にするディ
ップスティックを設けてもよい。チャンバーすなわちト
ラップの長さと容量は、適当な時間の間あるいは乗り物
ユニットの有効期間は、粒子の回収を可能にするものと
なっている。
回収チャンバーすなわちトラップの別の装置において
は、図13に示すように、金属化した物質または他の物質
用のバッグ46を保護する外側カートリッジとしてのみ作
用する。バッグ46はセルフシーリングで、その中にアッ
センブリー４からの粒子が入る。バッグは空に保たれ、
新しいバッグに交換される。チャンバーすなわちトラッ
プはバッグがなくてもよい。トラップすなわちチャンバ
ーは、図12を参照しつつ説明したような、有孔部とエン
ドキャップを有していてもよい。
粒子回収器の別の形態は、回収器の首にバルブを有し
ている。これにより回収器は取り外されることなく空に
される。
別の構成では、回収チャンバーは清浄気体アウトレッ
ト10に接続される。
回収された粒子は、廃棄生成物として他の目的に利用
される。
所望の長さ所望の断面形状の可撓性あるいは剛性のパ
イプが取り付けられる。このようなパイプは、粒子回収
器すなわちトラップが遠心機の軸に対して所望の向きで
配置されることを可能にする。
回収チャンバーすなわちトラップ12の代わりに、吸収
フィルター、焼却技術、他の手段を用いて粒子を処理し
てもよい。
上述した清浄化装置すなわち流体遠心機は、ディーゼ
ルエンジンの排気の清浄に特に適しているが、他にも多
くの用途がある。そのいくつかについて以下に述べる。
ディーゼルエンジンの排気の浄化への適用に対して
は、上述の清浄化装置すなわち流体遠心機は、エンジン
コンパートメント内に垂直に取り付けられているが、他
の配置でもよい。本装置は水平位置での使用が図示され
ているが、（必要に応じて）他の向きでも一向に構わな
い。本装置は、標準的なターボチャージャーあるいは他
の排気システムに取り付けることができる。独立した動
力源を持つように取り付けられてもよい。本装置は、排
気ガスをディーゼルエンジンから直接取り込むように設
けてもよい。
本装置は、エンジン（あるいは他の装置）の下流側に
組み込まれるように設計されており、内燃エンジンの排
気システムに組み込まれる通常のサイレンサーボックス
に対する交換に適当な大きさと形状となっている。
本装置は、図示していないブラケットやストラップ、
他の手段によって所定の位置に固定される。
本発明は基本的に静的な設置を基本としているが、例
えばディーゼルの乗り物にも設置できることを示すた
め、振動、ショック、他の要因を引き起こす状況下での
運用について説明する。本装置および必要な保持部品
を、スピードを変化させたときの不安定な動きに伴なう
振動、ショック、急激な負荷状況に対しても安定に保た
れるフレームの上に設置することが提案されている。シ
ョックアブソーバーとダンパーはフレームに固定され
る。フレームは、流体遠心装置を安定に保ちつつ回転す
る性能および乗り物がロールしたときや丘を上り下りす
る際にも装置を所定位置に保つ性能を持っていなければ
ならない。これは、ジロスタビライザーあるいは同様の
装置によって制御される。
本発明の装置の大きさは様々あってもよい。その大き
さは分離と浄化が必要な物質の種類と堆積に関係する。
本発明の装置は相互に関連させて連結され使用され、こ
れらは共通の回収器を有していてもよい。
本発明の構成部品は様々な金属で作られ、使用する材
質の表面は摩擦を低減するために平滑仕上げすなち特殊
電気研磨仕上げが施されていなければならない。あるい
は、平滑面を有する他の適当な材質を用いてもよい。ア
ウトレットアッセンブリーと収容容器６は、内燃エンジ
ンあるいは他の装置からの排気ガスによる高温に対して
耐性を有している物質で作られる。図示したアウトレッ
トアッセンブリーは二本の排気ポートを有しているが、
これは分離する物質に応じて変更可能である。
本装置はダイアフラムセンサーあるいは他のセンサー
を有していて、エンジンあるいは他のシステムからの流
れが調整できる。
使用時、ディーゼルエンジンあるいは別種のエンジン
（図示せず）からの排気ガス……約700℃の温度になっ
ている……はインレット８を通ってターボチャージャー
に入り、そこでは汚い気体がタービンブレード16に当た
り、これにより気体はアウトレット18を通って収容分離
容器６の回転内側シュラウド6Aに入る前に加速される。
シュラウド6A内では、気体は回転壁に当たって、シュラ
ウドを通ってアッセンブリー４に入る。生じている高遠
心力場は、重い気体と粒子状物質をシュラウドの外側領
域に閉じ込め、その一方で軽い気体と物質は中央領域に
留まらせる。清浄な気体はアウトレット10を通ってアウ
トレットアッセンブリー４を出、いっぽう汚い気体はア
ウトレット10Aを通って出て回収チャンバーすなわちト
ラップ12に向かう。あるいは、アウトレット10と10Aま
たは望むなら他のアウトレットを出た気体は、図示した
ものと大きさと設計が同じまたは大きさと設計が異なっ
ている同様の分離装置、あるいは上述した別の装置に向
かってもよい。大きさと設計は通過体積に依存する。平
行かつ渦状に装置を出る気体流の混合は、排気ガスが大
気に放出されるときに、通常エンジンサイレンサーと組
合わさってノイズを減らす。
別の異なる形態の収容容器６を図６と図７に示す。内
側シュラウド6Aを有する容器は、その内面に段部50が設
けられている。この段部は、気体の流れのもれを減らす
とともに、シュラウドの抗力を減少させるための凹部52
を形成している。支持ストラット54がシュラウドのため
に設けられている。
収容分離容器の別の形態を図８と図９に示す。段部50
と凹部52を有する収容分離容器６は、軸20に固定され一
緒に回転するシュラウド6Aを有している。シュラウドは
ストラット54を有している。円錐状シュラウド56が、シ
ュラウド6Aの内部に配置され、それと軸20に連結されて
いる。円錐状シュラウド56の壁は、連続的あるいは穴の
空いたメッシュ状で、アウトレットアッセンブリー４に
向かってシュラウドを通過するときに汚い排気ガスを加
速する追加の回転面を構成している。シュラウドは、端
部を塞ぐ穴空きエンドプレート58を有している。
図８と図９に示した円錐形状の内側容器56の代わり
に、図10に示すような円筒60……穴空きあるいは穴無し
……であってもよい。内側容器は、穴の空いた支持エン
ドプレート62を有している。
図11に示すように、収容分離容器は、タービンブレー
ドに連結された円筒形状のシュラウド6Aを有しており、
シュラウド6Aとアウトレット10と10Aを含めた全体が回
転して装置の分離動作を行なう。収容分離容器６は、汚
い気体インレット８を有している。収容分離容器はター
ボチャージャー２すなわちインレットアッセンブリーあ
るいは他の排気システムに連結される。円錐状シュラウ
ド6Aはその中で気体を回転させ、重い気体を外側端部に
集めて10Aから出るようにし、清浄な気体をシュラウド
内の中央部に留まらせて10から出るようにする。
フランジ24Aと26Aは収容分離容器に24Bと26Bにおいて
固定されている。
ベアリング30Aが気体出口のアウトレットパイプ10と1
0Aを支持するために設けられている。これらのパイプは
タービンブレード16とシュラウドに連結されていて、こ
れらの構成要素がベアリング30Aの間で回転する。
図11では、駆動軸はないが、必要なら設けてもよい。
アウトレット10Aはインレット８に対して装置の反対
側に配置する代わりに、装置の長手方向に沿ってあるい
はインレットポートの近くに配置してもよい。
本発明による上記装置はディーゼルエンジンに関連さ
せて説明したが、これは本発明の用途の一つに過ぎな
い。なぜなら、本装置の基本原理を使用すれば下記の流
体およびその混合物を分離できるからである。
気体−固体 重い気体−軽い気体 重い液体−軽い液体 液体−固体 気体−液体（霧煙状） 図14に示した実施例……再び基本的にディーゼルエン
ジン排気物の浄化への用途を考慮している……は、燃焼
行程によって普通に発生するカーボン微粒子を核生成中
心に使用するものである。核生成中心に水/SO3が凝縮し
て大きな粒子となるために除去が容易となる。
硫黄は、スチーム／水蒸気と結合し凝縮してカーボン
粒子となり、これにより実質的に粒子の排出が多くな
る。
反応を正確に起こさせるために、正確な時間と温度が
重要である。従って、タービンと遠心機をSO2とSO3に対
して適当な触媒で覆うことが提案されている。
より多くのSO2とSO3が除去されるように、より多くの
核生成中心を作るため、上流側（すなわちシステム）に
細分割カーボン（つまり、すす）を供給する必要があ
る。
適用に際しては、遠心装置（後述する）の基本原理の
使用して遠心機の分解能を向上させると同時に硫黄の問
題を解決しなければならない。これはまた燃料製油所に
対する必要性を低減し、ディーゼルの燃料の硫黄含有量
を0.5％に減らすことで、標準的排気触媒が使用でき、1
994年米国排出基準に合うようになる。
酸化触媒コンバーターへの貴金属触媒の使用は、炭化
水素と一酸化炭素（NOxではない）の排出を非常に有効
に低減する技術として、ディーゼルエンジンでは広く実
施されている。実際、そのエンジンの出す生成物は、同
様のガソリンエンジンよりも非常に少ない。しかし、こ
れは硫黄含有量が非常に低い燃料油を使用したときの事
実であって、望ましくないことに、多くの貴金属触媒
は、同時に炭化水素や一酸化炭素を酸化するため、例え
ば約350℃以上の温度でSO2とSO3が酸化するといった不
所望な反応を引き起こす。これらが水（蒸気）に接する
と、約１〜３倍の質量の水に結合する吸湿性硫黄ができ
る。これは100℃〜200℃の温度範囲内にあるいわゆる酸
露点で起きる。二酸化硫黄からの三酸化硫黄の生成は、
温度と使用する触媒のタイプに大きく依存している。こ
れは重大な問題として広く知られている。
排出されるすすの量は同じであるが、粒子排出物は、
すす物質への硫黄の吸着により、生成系触媒を使用した
エンジン……超低硫黄燃料で着火する……に比べて140
％まで増加する。
図14の装置は、大粒の粒子の形成と分離を促進する。
遠心装置は適当な触媒、大抵はプラチナを基材とする触
媒で覆われている。図14では、遠心機62のタービン64と
シュラウド66に加えて、インレットアッセンブリー、ア
ウトレットアッセンブリー、他の表面が、プラチナを基
材とする触媒で覆れている。必要な反応の促進とプロセ
スを得るため、触媒で被覆された短いハニカム構造体68
がシュラウド66の第一セクションに挿入されている。こ
の結果、認識可能な大きさに凝集成長した粒子が生じ、
汚い気体流70からの収集を容易にし、全体のたった５％
〜10％に減少される。カーボン微粒子への水／硫黄の集
中を促進するために、シュラウドの外側面の冷却する気
体が必要される。清浄な気体流は、冷却されたシュラウ
ドにほどんと接触しないので、汚い気体流ほど冷却され
ない。従って、続くわずかな触媒に対して、残りの炭化
水素と一酸化炭素を酸化させるに十分な温度を有してい
る。
図15に示す別の装置では、触媒で被覆されているハニ
カム構造体72が、タービン64とシュラウド66の間に配置
され固定された分割ユニット74として挿入されている。
いくつかの場合では、ハニカム構造触媒領域の表面積
を増加させることが望まれる。これはタービンブレード
（とうぜん触媒で被覆されている）の枚数を増やすこと
によって、あるいはタービンブレードの間を気体の流れ
を邪魔しないハニカム（図示せず）で埋めることによっ
てなされる。ディフューザーの分野では、これはエッグ
ボックス原理と呼ばれている。
必然的に汚い気体は湿性凝集粒子物質すなわちカーボ
ン微粒子硫化物をたくさん含んでおり、これはカートリ
ッジフィルターあるいは他の同様の装置によって直ちに
分離されなければならない。
本装置は内燃エンジンあるいは液化気体燃焼とよく機
能する。
本発明の基本原理は、気体流から硫黄を除去する用途
にも使用でき、自動車、船舶、鉄道のエンジン、オフロ
ード乗り物、機械装置、他の輸送システム、発電所、石
炭利用、石油掘削用プラットフォーム、気体油燃焼ボイ
ラー、金属製造で使用される。
本発明の流体遠心機は、石炭燃焼ボイラーから出るSO
2の浄化を含め、他にも多くの用途がある。
現在、発電所では高価な脱硫排気プラント、あるいは
燃焼室内に石灰岩／ドロマイト微粒子が噴射される別の
ものが必要とされている。
本発明の技術を用いればSO2の除去が可能である。加
えて、超微粒子物質も除去できる。本発明は、新しい燃
焼サイクルで石炭を燃焼する発電システムにとって、SO
2を除去する新規のシステムを提供する。この発電シス
テムでは、高エンタルピーの気体が高圧で生成され、図
16に示すように、気体浄化システム、ガスタービン76、
熱ボイラー78を通過するときに様々な圧力相を受ける。
流体遠心機モジュールは符号80で示してある。
一般に、二本の気体浄化流路にはシステムが続いてい
る。一つは低温システムで、そこでは細かい固形物と硫
黄が標準的な化学的プロセスによって除去される。もう
一つは高温システムで、そこではサイクロン82とこれに
続く高温フィルターの組み合わせによって微粒子が除去
される。このようなシステムは、硫黄保有のための流動
床84に吸着剤を加えるといった、流動床技術のいくつか
の形態に基づいている。吸着剤は、効果的な硫黄吸着を
達成するために、非常に高いモル比で添加されなければ
ならない。この結果、他のシステムに比べて粒子の排出
は多くなり、また気体の浄化は金がかかるものとなる。
流体遠心機80は、上述したように、システムに組み込
まれ、微粒子と硫黄の両方を除去する。このような遠心
機の使用は、遠心機モジュールを運転する動力を提供す
るために、約0.5バールの圧力差の気体が得られること
をあてにしている。
遠心機を設置する場所は、PFB気化装置86から消費熱
回復ボイラー78までの通気管とガスタービン76の排気管
を含め、いくつかある。
設置場所は、SO2からSO3への変換を得るため、十分に
O2があることが必要である。別の可能性はSO2からＳへ
の還元である。
微粒子と硫黄を含む汚い気体流88は、気体流全体の約
５％〜20％が分けられ、小型分離低温気体浄化システム
を通る。
PFB気化装置86、消費熱回復ボイラー78、２〜３ミク
ロン大（あるいは通常のサイクロンの範囲内）の物質の
流動床84を出た気体を浄化することは有益で、微粒子物
質がガスタービン76を通過して遠心機に達するのを可能
にする。この微粒子物質は、遠心機において硫黄凝縮プ
ロセスの凝縮核として機能する。
図16では、気体遠心機80は、硫黄凝縮温度より高い温
度で動作するので、硫黄ではなく単に微粒子物質の除去
を行なう。
また、すす微粒子が遠心機アッセンブリーの上流に噴
射され、核生成中心として作用する。
吸着剤（ドロマイト）の噴射がなくなれば、かなりな
利益が得られる。
最終排気管で動作する流体遠心機80Aは、100℃〜200
℃の温度範囲で微粒子硫化物を取り除くように設計され
ている。二つのユニットが両方とも必要なわけでないこ
とがわかる。
次世代の固体燃料燃焼発電所は、いわゆる「気化装
置」を使用する。そこでは固体燃料が特殊な環境下で部
分的に燃焼／加熱され、燃料の全部が一酸化炭素、水
素、メタン、その他からなる高圧気体に変わる。
気体は、粒子物質、タール、燃料中の硫黄の燃焼から
のSO2とSO3を除去する浄化システムに通される。
気体は、浄化のため、1200℃〜1500℃の温度から非常
に低い温度（すなわち50℃〜100℃）に冷却される。
流体遠心機は、粒子物質を全体の流れの約10％〜20％
に取り除くだけでなく、上述した硫黄除去プロセスによ
ってSO2とSO3をも取り除くといった、このようなシステ
ムの高温気体浄化システムの要部を構成している。浄化
後、気体はガスタービンに入れられ、多くの空気が燃焼
のために足される。ここで発電される。ガスタービンか
らの高温排気ガスは次に消費熱ボイラーに入れられ、通
常の方法によって蒸気／電力が作られる。
提案のサイクルの種々多くを組み合わせることによ
り、多くの変形が可能である。
石炭発電プロセスで生じる多くの問題に一体型流体遠
心機を使用することが可能である。
本発明の別の用途に、多くの状況下でのメタンの除去
がある。これは気体分離からの気体と遠心機の中央へ向
かう分離される軽い気体すなわちメタンの移動である。
軽い気体のメタン（分子量16）を、分子量が28.7の空気
の流れ全体の極一部に集中させるために強力な遠心力が
使用される。メタンは温室気体としては二酸化炭素の三
十倍以上の効果がある。採掘場換気用導管からの空気
は、メタンを含んでいる。多量が生成され、問題は最小
のコストでメタンを減らすことである。
図17に示すように、長さが約５メートルある遠心機90
が、メタンを空気の10％〜20％に集中させるために使用
される。遠心機は、超低摩擦ベアリング92で支持され、
50,000〜100,000rpmの範囲でスピードで回転し、20℃に
おいて空気に300m/s（マッハ１をやや下回る）の周速を
与える。メタンは燃焼室内で約0.3バールに圧縮されて
燃焼され、この結果生じる高温気体が遠心機タービン94
の駆動に使用される。これは図17中に流れ表示で示され
ている。軸方向流れファン96が遠心機のインレットに配
置され、インレット内への気体の流れを作り出す。ファ
ンコンプレッサーを駆動するのに十分な量を越えるエネ
ルギーが得られる。従って、空気の10％〜20％内の１％
〜1.5％濃度のメタンは、特殊な燃焼室内で燃焼され、
燃料の助けなく、約1.25％の濃度に下がる。
上の基本原理は、採掘場換気用導管、埋立地、下水処
理場、金属処理再処理装置、農芸装置など、メタンに関
する他の用途にも利用できる。上ではメタン増加につい
て述べたが、流体遠心装置の基本原理は、ここでは説明
しないが他の気体の気体分離処理も可能である。
上述の装置は、大気あるいはエンジンの取り入れ空気
あるいは密閉された部屋の通風システムから、砂等の大
きな粒子と微細塵等の小さい粒子の両方を取り除けな
い。
塵、繊維、埃、砂などの空中粒子を前もって空気中か
ら分離するためのプレクリーナーが提案されている。こ
のようなプレクリーナーは、産業上の放射の担体とポス
ト核環境である小さい塵粒子も取り除く。
プレクリーナーは、内燃エンジンに用いたとき、高効
率清浄燃焼を促進し、エンジンの寿命を延ばす。図18に
示すように、遠心機100のインレットに、保護ノーズコ
ーン102が設けられている。これは、大きい粒子が遠心
機に入るのを防止し、遠心機に入る空気を予め浄化す
る。
本装置はエンジンの吸気システムの一部または全体と
して働き、特に都合の悪い環境下で、空気流から粒子物
質を除去する。
本装置の基本原理は「雰囲気の浄化」が必要な状況に
も適用でき、細菌分野、医療分野、空調システム、軍事
的用途、核産業、コンピューター分野、食品製造分野、
セメントや製薬などの処理産業において使用される。
本発明の流体遠心機は、絶対的な清浄さが要求される
エロクトロニクス分野やマイクロチップ等の製造、バイ
オ医療分野におけるビールス、バクテリア、他の有機体
の制御、気体から放射性微粒子を取り除く核産業にわた
って適用できる。
基本的に、ほとんどのシステムは、システムに入るす
べての空気や気体をフィルターにかけるために、大きく
非常に高価なフィルターを用いる。気体面速度は低いの
で、フィルター領域は大きくなる。湿式フィルターは不
所望な物質を含んでいるので使用が難しく、また長期間
の維持と交換のため高くつく。このようなフィルター
は、本発明の原理による一連の（電気駆動式）流体遠心
機によって、交換される。５％〜10％の汚い気体が一連
の超細目フィルターに供給され、高面速度で動作された
場合には多くの物質を吸収できる。必然的に、フィルタ
ー圧力低下は高くなるが、気体流全体の５％〜10％のみ
が処理されているときは耐え得る。
本発明の原理は極低温の分野、O2、N2、CO2、アルゴ
ン、M2、Me、その他の生成および気体の分離にも適用で
きる。これは通常は、大型圧縮器、ポンプ、冷却装置が
一般に必要で、これらはしばしば非常に効率が悪いた
め、高価な処理となっている。
極低温プラント内の適当な位置に適当な大きさの本発
明の遠心機を設置することにより、空気中のO2、CO2、N
2の分離を改善でき、サークルの残余効率が改善する。
新規または現存の極低温プラントの適当な箇所に本発
明の遠心機を複数設けることが提案されている。これに
よって例えばシステム内にO2が高い割合で存在するよう
になり、プラントの全体での効率が飛躍的に向上する。
上述した実施例では、冷却フィンが装置の一部または
全体に設けられている。このフィンは冷却効果を高め、
装置に入る気体の体積に比べて、排出される気体の体積
を小さくする。
収容分離容器は温度制御ジャケットに設けられ、ジャ
ケットと容器の間には断熱材が設けられる。パイプある
いは要素が上述の断熱材に巻かれ、シュラウドを有して
いる容器の周囲の温度を制御するために使用される。収
容分離容器とシュラウドはその内面に溝を有し、容器は
クーラントすなわち空気のインレットとアウトレットを
有している。
シュラウドは、ベアリングに取り付けたゴムバンドや
ストラットで支持される穴空きエンドキャップを有して
いる。ゴムバンドやストラットは、ネジ付固定リングに
よってシュラウドを所定の位置に保持する。ネジの方向
は、装置の回転方向によっている。
いくつかの用途に対しては、ファンあるいはブロワー
と、吸い込みあるいは押し込みのための電源とが必要で
ある。
図には示してないが、装置の反対側端にタービンブレ
ードが設けられている。タービンブレードは、シュラウ
ドまたは駆動軸の方向に連続的に延びている。あるい
は、強調して作動する一連の分離タービンで構成されて
もよい。収容分離容器とシュラウドを長くすることによ
って、分離効率は向上し、間接的に生じる圧力低下は減
少する。
本発明の流体遠心装置は一体構造あるいは分割構造で
作られる。
最後に、本発明の流体遠心装置は、金属の分類、例え
ば粉末や塗料等の製造における金属の等級付けに用いて
もよい。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 ９１２２２３０．７ (32)優先日 平成３年10月19日(1991．10．19) (33)優先権主張国 イギリス（ＧＢ） (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F01N 3/02 B01D 53/24

Claims (19)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】非回転収容容器（６）と、この非回転収容
    容器内にある中空管状回転シュラウド（6A）と、非回転
    インレットアッセンブリー（２）と非回転アウトレット
    アッセンブリー（４）と、中空管状回転シュラウドを駆
    動する手段とを備えていて、非回転収容容器（６）と中
    空管状回転シュラウド（6A）が非回転インレットアッセ
    ンブリー（２）と非回転アウトレットアッセンブリー
    （４）の間に配置されている流体遠心装置において、非
    回転アウトレットアッセンブリー（４）が清浄気体用ア
    ウトレット（10）と汚い気体用アウトレット（10A）を
    有していることを特徴とする流体遠心装置。
  2. 【請求項２】中空管状回転シュラウド（6A）が、両側が
    平行になっているか、あるいは円錐形状になっているこ
    とを特徴とする請求項１に記載の流体遠心装置。
  3. 【請求項３】中空管状回転シュラウド（6A）がタービン
    ブレードに連結されていて、これにより駆動されること
    を特徴とする請求項１または請求項２に記載の流体遠心
    装置。
  4. 【請求項４】中空管状回転シュラウド（6A）が本装置の
    駆動軸（20）に連結されていることを特徴とする請求項
    １または請求項２に記載の流体遠心装置。
  5. 【請求項５】中空管状回転シュラウドが、連続体、穴の
    空いたメッシュ状、他の穴空き構造になっていて、粒子
    がその壁を通過できることを特徴とする請求項１〜請求
    項４のいずれかに記載の流体遠心装置。
  6. 【請求項６】非回転収容容器（６）が中空管状回転シュ
    ラウド（6A）の形状にそっくりになっていることを特徴
    とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の流体遠心
    装置。
  7. 【請求項７】本装置と非回転インレットアッセンブリー
    （２）と非回転アウトレットアッセンブリー（４）が触
    媒で覆われていることを特徴とする請求項１〜請求項６
    のいずれかに記載の流体遠心装置。
  8. 【請求項８】中空管状回転シュラウド（6A）が、分離処
    理と反応促進のための粗目メッシュ状物質（68）を有し
    ていることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか
    に記載の流体遠心装置。
  9. 【請求項９】中空管状回転シュラウド（6A）と非回転イ
    ンレットアッセンブリー（２）の間に粗目メッシュ状物
    質（72）が配置されていることを特徴とする請求項１〜
    請求項７のいずれかに記載の流体遠心装置。
  10. 【請求項１０】粗目メッシュ状物質（68,72）が触媒で
    被覆されていることを特徴とする請求項８または請求項
    ９に記載の流体遠心装置。
  11. 【請求項１１】非回転収容容器（６）はその内面に、中
    空管状回転シュラウド（6A）の抗力を防止する凹部を形
    成するとともに本装置を通る気体の漏れ流れを減少させ
    る段部（50）を有していることを特徴とする上述の請求
    項のいずれかに記載の流体遠心装置。
  12. 【請求項１２】中空管状回転シュラウド（6A）は、汚い
    気体が本装置を通る際に、これを加速する追加回転面を
    構成する追加シュラウド（56）を有していることを特徴
    とする請求項11に記載の流体遠心装置。
  13. 【請求項１３】中空管状回転シュラウド（6A）が穴空き
    エンドプレート（58）を有していることを特徴とする請
    求項12に記載の流体遠心装置。
  14. 【請求項１４】非回転アウトレットアッセンブリー
    （４）が粒子回収器すなわちトラップ（12）に連結され
    ることを特徴とする上述の請求項のいずれかに記載の流
    体遠心装置。
  15. 【請求項１５】非回転収容容器（６）が温度制御ジャケ
    ットを有していることを特徴とする上述の請求項のいず
    れかに記載の流体遠心装置。
  16. 【請求項１６】非回転収容容器（６）が冷却フィンを有
    していることを特徴とする上述の請求項のいずれかに記
    載の流体遠心装置。
  17. 【請求項１７】中空管状回転シュラウド（6A）は長さが
    変化することを特徴とする上述の請求項のいずれかに記
    載の流体遠心装置。
  18. 【請求項１８】非回転収容容器（６）と、この非回転収
    容容器内にある中空管状回転シュラウド（6A）と、非回
    転インレットアッセンブリー（２）と非回転アウトレッ
    トアッセンブリー（４）と、中空管状回転シュラウド
    （6A）を駆動する手段とを備えていて、非回転収容容器
    （６）と中空管状回転シュラウド（6A）が非回転アウト
    レットアッセンブリー（２）と非回転アウトレットアッ
    センブリー（４）の間に配置されている流体遠心装置に
    おいて、非回転アウトレットアッセンブリー（４）が清
    浄気体用アウトレット（10）と汚い気体用アウトレット
    （10A）を有していることを特徴とする流体遠心装置を
    備えているディーゼルエンジン用排気システム。
  19. 【請求項１９】非回転収容容器（６）と、この非回転収
    容容器内にある中空管状回転シュラウド（6A）と、非回
    転インレットアッセンブリー（２）と非回転アウトレッ
    トアッセンブリー（４）と、中空管状回転シュラウド
    （6A）を駆動する手段とを備えていて、非回転収容容器
    （６）と中空管状回転シュラウド（6A）が非回転インレ
    ットアッセンブリー（２）と非回転アウトレットアッセ
    ンブリー（４）の間に配置されている流体遠心装置にお
    いて、非回転アウトレットアッセンブリー（４）が清浄
    気体用アウトレット（10）と汚い気体用アウトレット
    （10A）を有していることを特徴とする流体遠心装置を
    備えている、流体の分離と固体の分離と流体と固体の分
    離を行なう装置。
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