JP3932455B2 - 微粒子分離処理システム - Google Patents

Description

この発明は、不純物を除去して高純度の微粒子、溶液を得る微粒子分離処理システムに関するものである。

例えば、薬品、化学品、半導体、機能材料等の生産の過程では、溶液に含まれる特定の微粒子を濾過し、微粒子を得るものがある。また、機械加工では、供給タンクから切削液を供給しながら切削加工が行なわれ、微粉末状の切削クズが含まれる切削液をフィルタ装置に供給し、このフィルタ装置で切削クズを除去して切削液を供給タンクに戻すものがある（例えば特許文献１）。
特開２００１−１３７７４３号公報

このように、溶液に含まれる特定の微粒子を濾過して得たり、切削液から切削クズを濾過して除去するものでは、処理経路においてタンク、配管等の不純物が微粒子に付着し、所定の純度の微粒子や切削液等の溶液とするには限界がある。このため、例えばフィルタ装置とイオン交換装置等を組み合わせることによって、純度を向上させることが可能になるが、別途イオン交換装置を設置する分、構造が複雑で、コストが嵩む等の問題がある。

この発明は、かかる実情に鑑みてなされたもので、簡単な構造で、かつ低コストで高純度の微粒子、溶液を得ることが可能な微粒子分離処理システムを提供することを目的としている。

前記課題を解決し、かつ目的を達成するために、この発明は、以下のように構成した。

請求項１に記載の発明は、
溶液を貯留する貯留タンクと、
前記貯留タンクの溶液を循環させる溶液循環経路と、
前記溶液循環経路に配置され溶液中の微粒子を分離するサイクロン型遠心分離装置とを備え、
前記サイクロン型遠心分離装置は、
前記貯留タンクの溶液出口側と連通する導入通路と、
前記貯留タンクの溶液入口側と連通する流出通路と、
前記導入通路から微粒子を含む溶液を供給して所定流速で渦巻きを生じさせ、遠心状態で微粒子を外側へ移動させて前記流出通路から微粒子を分離した溶液を排出し、前記渦巻きを減速させて分離された微粒子を沈降させるサイクロン部と、
前記サイクロン部で沈降する微粒子を連通孔を通して沈殿させる粒子捕集箱とを有し、
前記粒子捕集箱の中心位置に電極棒を配置し、
前記電極棒の上端部に円錐電極部を設け、この円錐電極部を前記連通孔に臨むように位置させ、
前記電極棒と前記粒子捕集箱の電極とに電位を印加して電気分離を行なうことを特徴とする微粒子分離処理システムである。

請求項２に記載の発明は、前記電極棒に前記微粒子の電荷と同じ電荷を付与し、
前記粒子捕集箱の電極に前記微粒子の電荷とは反対の電荷を付与して電気分離を行なうことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、前記溶液循環経路に、溶液を用いて作動または作業を行なう各種装置を備えることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、前記電極棒の上端部を、前記サイクロン部の下部まで延長したことを特徴とする。

請求項5に記載の発明は、前記サイクロン部は、上方に位置する円筒部と、この円筒部に連続して下方に絞られるテーパ部を有し、
前記円筒部の直径より前記電極棒の長さを長くしたことを特徴とする。

請求項6に記載の発明は、前記粒子捕集箱の電極と前記電極棒との間隔が、前記連通孔の直径以上であることを特徴とする。

前記構成により、この発明は、以下のような効果を有する。

請求項1に記載の発明では、貯留タンクの溶液を循環させる溶液循環経路に溶液中の微粒子を分離するサイクロン型遠心分離装置を備え、このサイクロン型遠心分離装置のサイクロン部で渦巻きを減速させて分離された微粒子を沈降させるとともに、サイクロン部で沈降する微粒子を連通孔を通して粒子捕集箱に沈殿させ、粒子捕集箱の中心位置に配置した電極棒と、粒子捕集箱の電極とに電位を印加することで、溶液中の不純物イオンが電場の影響によって移動する電気泳動で電極棒または電極に付着し、微粒子の表面に付着することが軽減し、簡単な構造で、かつ低コストで高純度の微粒子、または溶液を得ることができる。また、電極棒の上端部に円錐電極部を設け、この円錐電極部を連通孔に臨むように位置させることで、液体の流速が遅いサイクロン部の下部から粒子捕集箱に沈殿した微粒子が連通孔から浮き上がることを防止することができる。

請求項２に記載の発明では、電極棒に微粒子の電荷と同じ電荷を付与し、粒子捕集箱の電極に微粒子の電荷とは反対の電荷を付与して電気分離を行なうことで、溶液中の不純物イオンが電場の影響によって移動する電気泳動で粒子捕集箱の面積の広い電極に付着し、微粒子の表面に付着することが軽減し、簡単な構造で、かつ低コストで高純度の微粒子、または溶液を得ることができる。

請求項３に記載の発明では、溶液循環経路に各種装置を備え、高純度の溶液を用いて作動または作業を行なうことができる。

請求項４に記載の発明では、電極棒の上端部を、サイクロン部の下部まで延長したことで、液体の流速が遅いサイクロン部の下部から粒子捕集箱までの微粒子を中心位置から外側へ移動させ、サイクロン部の下部及び粒子捕集箱に付着させ、あるいは飛散することを防止し、効率よく微粒子を粒子捕集箱内に捕集することができる。

請求項5に記載の発明では、サイクロン部の円筒部の直径より電極棒の長さを長くしたことで、電極棒による電荷が大きくなって微粒子をサイクロン部の下部から粒子捕集箱に移動させ、かつ飛散することを防止し、効率よく微粒子を粒子捕集箱内に捕集することができる。

請求項6に記載の発明では、粒子捕集箱の電極と電極棒との間隔が、連通孔の直径以上であり、粒子捕集箱の電極と電極棒との間隔が狭いことで、微粒子をサイクロン部の下部から粒子捕集箱に移動させ保持でき、飛散することを防止し、効率よく微粒子を粒子捕集箱内に捕集することができる。この時、連通孔の直径より狭くすると微粒子を粒子捕集箱内に捕集するスペースがなくなり、間隔を連通孔の直径以上とすると捕集するスペースを確保することができる。

以下、この発明の微粒子分離処理システムの実施の形態について説明するが、この発明は、この実施の形態に限定されない。また、この発明の実施の形態は、発明の最も好ましい形態を示すものであり、この発明の用語はこれに限定されない。

この実施の形態の微粒子分離処理システムは、薬品、化学品、半導体、機能材料等の生産の過程で、溶液に含まれる特定の微粒子を分離し、微粒子を得るもの、あるいは溶液を得るもの等に広く使用される。

この実施の形態の微粒子分離処理システムの一例を、図１に示す。図１は微粒子分離処理システムの概略構成図である。この実施の形態の微粒子分離処理システム１００は、溶液を貯留する貯留タンク１０１と、貯留タンク１０１の溶液を循環させる溶液循環経路１０２と、溶液循環経路１０２に配置され溶液中の溶液中の微粒子を分離するサイクロン型遠心分離装置１とを備える。この溶液循環経路１０２には、循環ポンプ１０３を備え、この循環ポンプ１０３で溶液を循環させる。

このサイクロン型遠心分離装置１は、貯留タンク１０１の溶液出口側と連通する導入通路５と、貯留タンク１０１の溶液入口側と連通する流出通路４と、導入通路５から微粒子を含む溶液を供給して所定流速で渦巻きを生じさせ、遠心状態で微粒子を外側へ移動させて流出通路４から微粒子を分離した溶液を排出し、渦巻きを減速させて分離された微粒子を沈降させるサイクロン部２と、サイクロン部２で沈降する微粒子を連通孔を通して沈殿させる粒子捕集箱３とを有する。

この粒子捕集箱３の中心位置には電極棒１０を配置し、この電極棒１０と粒子捕集箱３の電極１１とに電位を印加して電気分離を行なう。この微粒子分離装置１では、サイクロン部２で渦巻きを減速させて分離された微粒子を沈降させるとともに、サイクロン部２で沈降する微粒子を連通孔を通して粒子捕集箱３に沈殿させ、粒子捕集箱３の中心位置に配置した電極棒１０に微粒子の電荷と同じ電荷を付与し、粒子捕集箱３の電極１１に微粒子の電荷とは反対の電荷を付与することで、溶液中の不純物イオンが電場の影響によって移動する電気泳動で粒子捕集箱３の面積の広い電極１１に付着し、微粒子の表面に付着することが軽減し、簡単な構造で、かつ低コストで高純度の微粒子、または溶液を得ることができる。 また、粒子捕集箱３の中心位置に配置した電極棒１０に微粒子の電荷と逆の電荷を付与し、粒子捕集箱３の電極１１に微粒子の電荷と同じ電荷を付与し、溶液中の不純物イオンが電場の影響によって移動する電気泳動で電極棒１０に付着するようにしてもよく、電極棒１０の清掃や交換が容易である。

この実施の形態の微粒子分離処理システムの他の一例を、図２に示す。図２は微粒子分離処理システムの概略構成図である。この実施の形態の微粒子分離処理システム１００は、溶液を貯留する貯留タンク１０１と、貯留タンク１０１の溶液を循環させる溶液循環経路１０２と、溶液循環経路１０２に配置され溶液中を不純物を除去するサイクロン型遠心分離装置１と各種装置１１０を備える。このサイクロン型遠心分離装置１は図１と同様に構成され、各種装置１１０は放電加工機等であり、溶液を用いて作動または作業を行なうが、サイクロン型遠心分離装置１を備えることで、高純度の溶液を用いて作動または作業を行なうことができる。

次に、サイクロン型遠心分離装置１の構成を、図３及び図４に基づいて説明する。図３はサイクロン型遠心分離装置の断面図、図４はサイクロン型遠心分離装置の平面図である。この実施の形態のサイクロン型遠心分離装置１は、鉛直方向にサイクロン部２と粒子捕集箱３とを有する。サイクロン部２は、樹脂等の絶縁体、あるいはＳＵＳ等の導体金属で形成される。このサイクロン部２の上部には、軸芯に流出通路４を有し、軸芯から偏位した位置に導入通路５を有する。流出通路４は、サイクロン部２の上部を貫通した管体６により形成され、導入通路５は、サイクロン部２の上部に一体成形した管体７により形成される。

サイクロン部２は、上下２段のテーパ部２ａ１，２ａ２を有し、下部のテーパ部２ａ２は連通孔８を介して粒子捕集箱３に連通している。このサイクロン部２で導入通路５から微粒子９０を含む溶液を供給して所定流速で渦巻きを生じさせ、遠心状態で微粒子９０を外側へ移動させて流出通路４から微粒子９０を分離した溶液を排出し、渦巻きを減速させて分離された微粒子９０を沈降させる。

このサイクロン部２で沈降する分離された微粒子９０は、連通孔８を通して粒子捕集箱３に落下して溜る。粒子捕集箱３は、下部の排出孔３ａにドレンバルブ９が接続され、このドレンバルブ９によって粒子捕集箱３に溜る微粒子９０のドレンが排出される。

この実施の形態のサイクロン型遠心分離装置置１は、粒子捕集箱３の中心位置に電極棒１０を配置し、この電極棒１０は粒子捕集箱３の底蓋３ｂから連通孔８に臨むように上方へ延びている。また、粒子捕集箱３の底蓋３ｂは粒子捕集箱円筒３ｃに取り付けられ、この粒子捕集箱円筒３ｃはサイクロン部２の下部に取り付けられている。この粒子捕集箱円筒３ｃは、樹脂等の絶縁体で形成され、粒子捕集箱円筒３ｃの内部に金属リングの電極１１が設けられている。

電圧印加手段１２は、電極棒１０に微粒子９０の電荷と同じ電荷を付与し、粒子捕集箱３の電極１１に微粒子９０の電荷とは反対の電荷を付与する。この実施の形態では、溶液に含まれる微粒子９０が処理工程で静電気が生じて負に帯電するために、電極棒１０に負の電位をかけて負極として負の電荷を与え、粒子捕集箱３の電極１１に正の電位をかけて正極として正の電荷を与えている。

また、サイクロン部２は、上方に位置する円筒部２ｃに連続して下方に絞られるテーパ部２ａ２を有し、円筒部２ｃの直径Ｄ１より電極棒１０の長さＬ１を長くしている。このように電極棒１０の長さＬ１を設定することで、電極棒１０による電荷が大きくなって微粒子９０をサイクロン部２の下部から粒子捕集箱３に移動させ、かつ飛散することを防止し、効率よく微粒子９０を粒子捕集箱３内に捕集することができる。

また、粒子捕集箱３の電極１１と電極棒１０との間隔Ｄ２が、連通孔８の直径Ｄ３以上である。この粒子捕集箱３の電極１１と電極棒１０との間隔Ｄ２が、連通孔８の直径Ｄ３以上である。この粒子捕集箱３の電極１１と電極棒１０との間隔Ｄ２が狭いと、微粒子をサイクロン部２の下部から粒子捕集箱３に移動させ保持でき、飛散することを防止し、効率よく微粒子９０を粒子捕集箱３内に捕集することができる。この時、連通孔８の直径Ｄ３より狭くすると微粒子９０を粒子捕集箱３内に捕集するスペースがなくなり、間隔Ｄ２を連通孔８の直径Ｄ３以上とすると、微粒子９０を捕集するスペースを確保することができる。

この実施の形態のサイクロン型遠心分離装置１は、サイクロン部２で沈降する分離された微粒子９０は、連通孔８を通して粒子捕集箱３に落下して溜る。溶液の流速が遅い粒子捕集箱３内では、中心付近で微粒子９０が浮き上がる現象が生じるが、粒子捕集箱３の中心位置に電極棒１０を配置し、電極棒１０に微粒子９０の電荷と同じ電荷を付与し、さらに粒子捕集箱３の金属リングの電極１１に微粒子９０の電荷とは反対の電荷を付与することで、中心位置から外側へ移動させて粒子捕集箱３の金属リングの電極１１の内壁へ付着させ、あるいは飛散することを防止し、効率よく微粒子９０を粒子捕集箱３内に捕集することができる。

また、溶液中の不純物イオンが電場の影響によって移動する電気泳動で粒子捕集箱３の面積の広い電極１１に付着し、微粒子の表面に付着することを軽減し、簡単な構造で、かつ低コストで高純度の微粒子、または溶液を得ることができる。なお、この実施の形態では、電極棒１０に微粒子９０の電荷と同じ電荷を付与し、粒子捕集箱３に微粒子９０の電荷とは反対の電荷を付与するようにしているが、少なくともいずれか一方に電荷を付与する構造であればよい。

次に、他の実施の形態のサイクロン型遠心分離装置の一例を、図５に示す。図５はサイクロン型遠心分離装置の断面図である。この実施の形態のサイクロン型遠心分離装置１は、図３及び図４の実施の形態と同じ構成は同じ符号を付して説明を省略する。

この実施の形態のサイクロン型遠心分離装置１は、電極棒１０の上端部１０ａを、サイクロン部２の下部まで延長している。この電極棒１０の上端部１０ａがサイクロン部２の下部まで延長していることで、液体の流速が遅いサイクロン部の下部から粒子捕集箱３までの微粒子９０を中心位置から外側へ移動させ、サイクロン部２の下部及び粒子捕集箱３の内壁へ付着させ、あるいは飛散することを防止し、効率よく微粒子９０を粒子捕集箱３内に捕集することができる。

次に、他の実施の形態のサイクロン型遠心分離装置の一例を、図６に示す。図６はサイクロン型遠心分離装置の断面図である。この実施の形態のサイクロン型遠心分離装置１は、図３及び図４の実施の形態と同じ構成は同じ符号を付して説明を省略する。

この実施の形態のサイクロン型遠心分離装置１は、電極棒１０の上端部に電極円錐部１３を設け、この電極円錐部１３を連通孔８に臨むように位置させており、電極円錐部１３によって粒子捕集箱３の内部に沈殿した微細物が連通孔８から浮き上がることを防止することができる。
［実施例］
図１の微粒子分離処理システムにおいて、図７（ａ）に示す電極がない図３及び図４と同じ構成のサイクロン型遠心分離装置と、図７（ｂ）に示す図１及び図２のサイクロン型遠心分離装置と、図７（ｃ）に示す図５のサイクロン型遠心分離装置と、図７（ｄ）に示す図６のサイクロン型遠心分離装置とを用い、微粒子を含む溶液は、シリカ粒子を含むイオン交換水の分散媒を試料として用い、シリカ粒子に不純物が付着する測定を行なった。

この測定結果を図８及び図９に示す。図８は二酸化ケイ素原粉のシリカ（Ｓｉ）１００％に対し、図７（ａ）に示す電極なし、図７（ｂ）に示す標準電極５０Ｖ印加、図７（ｃ）に示す延長電極５０Ｖ印加、図７（ｄ）に示す円錐電極５０Ｖ印加で分離処理した場合について、それぞれ粗粉、微粉の組成を数値で示し、図９は円グラフで示した。

図７（ａ）に示す電極なしでは、粗粉はシリカ（Ｓｉ）１００％であるが（図９（ａ））、微粉はシリカ（Ｓｉ）９９．３４８％にカルシウム（Ｃａ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）の不純物が多く付着した（図９（ｂ））。微粉に不純物の付着が顕著であった。

図７（ｂ）に示す標準電極５０Ｖ印加では、粗粉はシリカ（Ｓｉ）９９．８％に鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）が付着し（図９（ｃ））、微粉はシリカ（Ｓｉ）９９．９０１％で鉄（Ｆｅ）のみが僅かに付着した（図９（ｄ））。 微粉と粗粉でほとんど差はなく、微粉に不純物の付着は殆ど見られない。

図７（ｃ）に示す延長電極５０Ｖ印加では、粗粉はシリカ（Ｓｉ）１００％であり（図９（ｅ））、微粉もシリカ（Ｓｉ）１００％であり（図９（ｆ））、不純物の付着は粗粉、微粉ともになかった。

図７（ｄ）に示す円錐電極５０Ｖ印加では、粗粉はシリカ（Ｓｉ）９９．８８５％で、鉄（Ｆｅ）が付着し（図９（ｇ））、微粉はシリカ（Ｓｉ）９９．９６９％で、ジルコニウム（Ｚｒ）の不純物が付着した（図９（ｈ））。粗粉と微粉で有意差はなかった。

また、試料粉体のシリカ粒子の分離効率を測定した。この結果を図１０に示した。図１０に示す測定条件は、以下の通りである。

試料粉体：シリカ粒子
分散媒：イオン交換水
分散媒の温度Ｔ：３４℃
分散媒の流量Ｑ：４２０ｌ／ｈ
分散媒の濃度Ｃｐ：０．２ｗｔ％
入り側と出側の圧力差△Ｐ：０．２Ｋｇ／ｍ²
ｐＨ：７
図８及び図９に示す測定結果では、図７（ａ）に示す電極がない図３及び図４と同じ構成のサイクロン型遠心分離装置より、図７（ｂ）に示す図３及び図４のサイクロン型遠心分離装置と、図７（ｃ）に示す図５のサイクロン型遠心分離装置と、図７（ｄ）に示す図６のサイクロン型遠心分離装置とが分散媒の小さい粒子径を分離でき、かつ分離効率が向上した。特に、図７（ｄ）に示す図６のサイクロン型遠心分離装置が分散媒の小さい粒子径を分離でき、かつ分離効率が特に向上し好ましい結果が得られた。

この微粒子分離システムでは、薬品、化学品、半導体、機能性材料等の生産の過程で、溶液に含まれる特定の微粒子を分離する場合、純度の高い微粒子を選択的に得ることができる。また、溶液中の不純物イオンを除去する場合にも広く使われる。

微粒子分離処理システムの概略構成図である。 他の実施の形態の微粒子分離処理システムの概略構成図である。 サイクロン型遠心分離装置の断面図である。 サイクロン型遠心分離装置の平面図である。 サイクロン型遠心分離装置の断面図である。 サイクロン型遠心分離装置の断面図である。 比較例と実施例のサイクロン型遠心分離装置を示す図である。 微粒子の純度を数値で示す図である。 微粒子の純度を円グラフで示す図である。 粒子捕集箱に印加する電位が分離性能に及ぼす影響を示す図である。

符号の説明

１ サイクロン型遠心分離装置
２ サイクロン部
４ 流出通路
５ 導入通路
１０ 電極棒
１１ 電極
１００ 微粒子分離処理システム
１０１ 貯留タンク
１０２ 溶液循環経路
１０３ 循環ポンプ
１１０ 各種装置

Claims (6)

1. 溶液を貯留する貯留タンクと、
   前記貯留タンクの溶液を循環させる溶液循環経路と、
   前記溶液循環経路に配置され溶液中の微粒子を分離するサイクロン型遠心分離装置とを備え、
   前記サイクロン型遠心分離装置は、
   前記貯留タンクの溶液出口側と連通する導入通路と、
   前記貯留タンクの溶液入口側と連通する流出通路と、
   前記導入通路から微粒子を含む溶液を供給して所定流速で渦巻きを生じさせ、遠心状態で微粒子を外側へ移動させて前記流出通路から微粒子を分離した溶液を排出し、前記渦巻きを減速させて分離された微粒子を沈降させるサイクロン部と、
   前記サイクロン部で沈降する微粒子を連通孔を通して沈殿させる粒子捕集箱とを有し、
   前記粒子捕集箱の中心位置に電極棒を配置し、
   前記電極棒の上端部に円錐電極部を設け、この円錐電極部を前記連通孔に臨むように位置させ、
   前記電極棒と前記粒子捕集箱の電極とに電位を印加して電気分離を行なうことを特徴とする微粒子分離処理システム。
2. 前記電極棒に前記微粒子の電荷と同じ電荷を付与し、
   前記粒子捕集箱の電極に前記微粒子の電荷とは反対の電荷を付与して電気分離を行なうことを特徴とする請求項１に記載の微粒子分離処理システム。
3. 前記溶液循環経路に、溶液を用いて作動または作業を行なう各種装置を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の微粒子分離処理システム。
4. 前記電極棒の上端部を、前記サイクロン部の下部まで延長したことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の微粒子分離処理システム。
5. 前記サイクロン部は、上方に位置する円筒部と、この円筒部に連続して下方に絞られるテーパ部を有し、
   前記円筒部の直径より前記電極棒の長さを長くしたことを特徴とする請求項１乃至請求項4のいずれか１項に記載の微粒子分離処理システム。
6. 前記粒子捕集箱の電極と前記電極棒との間隔が、前記連通孔の直径以上であることを特徴とする請求項１乃至請求項5のいずれか１項に記載の微粒子分離処理システム。

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