JP4898182B2 - 濾過装置 - Google Patents

Description

本発明は、微粒子を含むダーティ液を濾過するための濾過装置に関する。

たとえば精密な加工を行う工作機械では、加工部の潤滑あるいは冷却のためにクーラント等の液が使用されている。この種の液はワークの加工に伴って切り粉等が混入するばかりでなく、ダスト、カーボンなどの微粒子も混入することもあって次第に汚れてゆき、ダーティ液となることが避けられない。

ダーティ液を濾過するために、たとえば工作機械から生じる切り屑をフィルタエレメントとして電磁コイルによって磁化させることにより、ダーティ液中の磁性体不純物を捕捉するフィルタ装置が提案されている。（下記特許文献１参照）
特開平１１−７７４７９号公報

しかし特許文献１のフィルタ装置は、切り屑からなるフィルタエレメントを用いるため濾過精度のばらつきが大きく、しかも濾過できる微粒子は磁性材料からなる切り屑など金属性の微粒子に限定され、カーボンやアルミニウムなどの非磁性体微粒子、特に数十μｍ程度の超微粒子に対しては濾過能力を発揮することができない。

また、切り屑からなるフィルタエレメントを用いる場合、切り屑の表面状態がきわめて荒いため、濾過能力が低下したとき、濾過能力を回復させるためのフィルタエレメントの洗浄をすることが困難である。このためフィルタエレメント（切り屑）自体はコストがかからなくても、このフィルタエレメント（切り屑）を頻繁に交換する必要があり、そのための手数とコストが高くつくという問題がある。

洗浄を効果的に行うには濾材の表面が滑らかな方がよい。しかし一般常識では、濾過性能を高めるには濾材の表面に多数の凹凸あるいはポーラスが存在することが望ましいと考えられていたため、表面の滑らかな材料をあえて濾材に使用することはなかった。すなわち、濾過効率と洗浄のしやすさは両立できないと考えられていた。しかし本発明者が鋭意研究したところによれば、本明細書で詳細に述べるように、表面が滑らかなスチールボールなどからなる球形の磁性金属球と磁石とを組合わせることにより、精密濾過に適しかつ洗浄の容易な高性能の濾過装置が得られることを見出した。

従って本発明の目的は、磁性を有する微粒子だけでなく非磁性の微粒子も除去でき、しかも洗浄を容易に行うことのできる濾過装置を提供することにある。

本発明の濾過装置は、微粒子を含むダーティ液を濾過するための濾過装置であって、前記ダーティ液が導入される濾過槽と、磁性材料からなる多数の球形の金属球を集合させてなり、各金属球が互いに動きうる状態で前記濾過槽の内部に収容された磁性球濾材と、前記磁性球濾材に対し第１の位置と上側の第２の位置とに相対移動可能な磁石であって前記濾過槽内の前記磁性球濾材を収容した濾材ユニットに形成されている磁石収容部に挿入された磁石ガイド内に上下方向に移動可能に収容され前記第１の位置において前記金属球に磁界を与えることによって前記各金属球どうしを磁気的に吸着させて互いに固定し、前記第２の位置において前記各金属球どうしの磁気的な吸着を解除し前記各金属球どうしを動きうる状態とする磁石と、前記ダーティ液の濾過時に前記磁石を前記磁石ガイドに沿って前記第１の位置に移動させ、前記磁性球濾材の洗浄時に前記磁石を前記磁石ガイドに沿って前記第２の位置に移動させる保持手段と、前記磁性球濾材の下側に形成され前記ダーティ液を導入するダーティ室と、前記磁性球濾材の上側に形成され前記磁性球濾材を通って濾過されたクリーン液を収容するクリーン室と、前記クリーン室に接続され前記磁性球濾材の洗浄時で前記磁石が前記第２の位置にあるとき前記クリーン室に圧縮エアを供給し前記クリーン室内に前記圧縮エアの圧力を与えることにより前記クリーン液を前記磁性球濾材を経て前記ダーティ室に押し出すエアバルブを備えたエア供給管と、前記ダーティ室の下方に配置され前記磁性球濾材の洗浄時に前記ダーティ室内に落とされた液中のスラッジを処理するスラッジ処理装置とを具備している。

この明細書で言う「球」は理想的には幾何学で言う球形の立体であるが、その直径（球径）や真球度について、球体を製造する上での誤差等の不可避的要因による多少のばらつきがあっても差し支えない。前記金属球の一例は、表面が滑らかに仕上げられたスチールボールであり、これらスチールボールの直径が互いに同等であることが望ましい。しかし互いに直径が異なる複数種類のスチールボールが混合されていてもよい。

前記金属球は、波形に形成されたメッシュ部材からなる仕切り板の間に収容されるとよい。この場合、メッシュ部材の孔径を前記スチールボールの直径よりも小さくする。この構成により、メッシュ部材の孔がスチールボールによって塞がれてしまうことを回避でき、液が通る開口部を常に確保できる。

前記濾過槽は、前記磁性球濾材の下側に形成されたダーティ室と、前記磁性球濾材の上側に形成されたクリーン室とを有し、前記磁性球濾材の洗浄時に前記クリーン室内のクリーン液を前記磁性球濾材を経て前記ダーティ室に落下させることで、前記金属球間の隙間に捕捉されていた微粒子を洗い流してスラッジ処理装置等に送るとよい。こうすることにより、必要に応じて、濾過槽内のクリーン液を利用して磁性球濾材の洗浄を容易に行うことができ、濾過能力を回復させることができる。この場合、濾過装置をそのまま洗浄に利用することができるためランニングコストが安くつく。

本発明によれば、磁性球濾材に磁界を与えたときに各金属球が互いに接した状態で固定され、球面どうしの接触点に向かって奥が狭まった狭小な隙間が形成される。この隙間等に微粒子を捕らえることができるため、磁性、非磁性を問わず微粒子を捕捉できる。しかも磁性球濾材に表面が滑らかな金属球を用いているため、洗浄を行う際に磁界を解除して金属球どうしを動きうる状態にすることで、金属球の表面に捕捉されていた微粒子が容易に金属球から離れることができ、洗浄を効果的に行うことができる。

以下に本発明の一実施形態について、図１〜図９を参照して説明する。
図１と図２に示された濾過装置１０は、濾過槽１１と濾材ユニット１２を備えている。濾過槽１１の材料は鉄系などの磁性材料である。濾過槽１１の上部にカバー筐体１３が設けられている。濾過槽１１の内部に、濾材ユニット１２の下側に位置するダーティ室１５と、濾材ユニット１２の上側に位置するクリーン室１６とが形成されている。クリーン室１６の上部は隔壁１７によって気密に閉塞されている。

濾過槽１１の下部に、ダーティ室１５に開口するダーティ液入口２０が形成されている。濾過すべき微粒子を含むダーティ液は、このダーティ液入口２０からダーティ室１５に導入される。濾過槽１１の上部に、クリーン室１６に開口するクリーン液出口２１が形成されている。

図２に示すようにクリーン液出口２１にクリーン液管２２が接続されている。このクリーン液管２２に、大気圧開放手段であるエアバルブ２３を備えたエア供給管２４が接続されている。エアバルブ２３を開放することにより、クリーン室１６を大気に開放することができる。なお、エア供給管２４に圧搾空気の供給源が接続されていてもよい。その場合には、クリーン室１６内に圧搾空気を供給することができる。濾過槽１１の底部に、ドレンバルブ２５を備えたドレンポート２６が設けられている。

濾材ユニット１２は、以下に説明するように構成されている。
図３は、濾材ユニット１２の一部を拡大して示す断面図である。この濾材ユニット１２は、波形に形成されたメッシュ部材（パンチングメタル）からなる仕切り板３０，３１と、これら仕切り板３０，３１によって囲まれるケースである濾材収容部３２と、濾材収容部３２に収容された磁性球濾材３３とを備えている。

仕切り板３０，３１の材料であるメッシュ部材の孔径ｄ（図３に示す）は、後述する金属球３５の直径よりも小さい。一例として、金属球３５の直径が２．２ｍｍあるいは２．８ｍｍの場合に、メッシュ部材の孔径ｄは１．５ｍｍである。これにより、メッシュ部材に形成されている孔が金属球３５によって塞がれてしまうことを回避でき、液が通る開口部を必ず確保することができる。

磁性球濾材３３は、磁性材料からなる多数の球形の金属球（例えばスチールボール）３５を集合させたものであり、濾材収容部３２の内部において、磁界を与えない自由状態のもとでは各金属球３５が相対的に動くことができるように、上側の仕切り板３０と金属球３５との間に、ある程度の隙間が存在するように余裕をもたせて収容されている。これらの金属球３５は、表面が滑らかに仕上げられたスチールボールである。

これら金属球３５はボールベアリングの転動体（ボール）に似た外観であるが、表面粗度や直径ばらつきなどに関してボールベアリングほどの精度はなくても十分使用できる。濾材収容部３２に収容される全ての金属球３５の直径は互いに同等であるが、直径が異なる複数種類のスチールボールを混ぜて使用すると好ましい場合もある。

この濾材ユニット１２に磁石収容部４０が形成されている。磁石収容部４０に有底の容器状をなす磁石ガイド４１が挿入されている。磁石ガイド４１は磁石収容部４０から濾過槽１１の上部付近まで延びている。

磁石ガイド４１に磁石４５が収容されている。磁石４５の一例は、強力な永久磁石である。この磁石４５は磁石ガイド４１に沿って上下方向に相対移動することが可能であり、磁性球濾材３３に対し、図１に実線で示す下部側の第１の位置Ａと、図１に２点鎖線で示す上部側の第２の位置Ｂにわたって移動することができる。この磁石４５は、磁性球濾材３３に対して第１の位置Ａにあるとき、金属球３５に磁界を与えることによって各金属球３５どうしを磁気的に吸着させて互いに固定する。また、磁石４５が第２の位置Ｂに移動すると、各金属球３５どうしの磁気的な吸着が解除され、金属球３５が動きうるようになっている。

磁石４５を第１の位置Ａと第２の位置Ｂとに相対移動させるための保持手段として、それぞれの磁石４５に取付けられた昇降ロッド５０と、各昇降ロッド５０の上端部どうしをつなぐ水平方向の連結部材５１と、連結部材５１に固定されて上方に延びる操作部材５２などを備えている。操作部材５２は手動あるいは図示しないアクチュエータによって上下方向に駆動され、磁石４５を前記第１の位置Ａと第２の位置Ｂとに移動させることができるように構成されている。

図４と図６は、前記濾過装置１０を有する濾過設備６０の概要を示している。この濾過設備６０は、ダーティタンク６１と、クリーンタンク６２と、前記濾過装置１０と、スラッジ処理装置６３などを備えている。図４に示すように、濾過すべき微粒子を含むダーティ液Ｑ１は、ポンプ６５と配管６６およびバルブ６７を経て、濾過装置１０のダーティ液入口２０に供給される。濾過装置１０のクリーン室１６内のクリーン液Ｑ２は、バルブ７０と配管７１を経てクリーンタンク６２に回収される。

ダーティ液Ｑ１を濾過するための濾過工程では、図４に示すようにバルブ６７，７０を開弁させ、ドレンバルブ２５を閉じる。そしてダーティタンク６１内のダーティ液Ｑ１をポンプ６５によって濾過装置１０のダーティ室１５に供給する。また、濾材ユニット１２の磁石４５を前記第１の位置Ａ（図１に示す）に移動させることにより、磁性球濾材３３に磁界を与える。

この磁界によって、図５に示すように各金属球３５が互いに接した状態で固定され、各金属球３５の球面どうしの接触点Ｃに向かって、奥が狭い「くさび状」の狭小な隙間Ｇが形成される。ダーティ液Ｑ１が各金属球３５の間の接触点Ｃ付近を流れる際に、この隙間Ｇの奥などに微粒子Ｓが入り込み、微粒子Ｓが捕捉される。このため、磁性、非磁性を問わず微粒子Ｓを捕捉できる。この微粒子Ｓが磁性体の場合には、磁石４５によって磁気を帯びた金属球３５の表面に微粒子Ｓを付着させることもできる。

磁性球濾材３３に捕捉された微粒子Ｓの量が増すと濾過性能が低下する。濾過性能を回復させるために洗浄工程を実施する。洗浄工程では、図６に示すようにバルブ６７，７０を閉じ、エアバルブ２３（図２に示す）を開弁させることにより、クリーン室１６の内部を大気に開放する。またポンプ６５を停止させ、ドレンバルブ２５を開弁させる。そして濾材ユニット１２の磁石４５を前記第２の位置Ｂ（図１に示す）に移動させることにより、それまでの濾過工程で磁性球濾材３３に与えていた磁界を解除し、図７に誇張して示すように各金属球３５どうしを動きうる状態にする。

こうすることにより、クリーン室１６内のクリーン液Ｑ２が、自重によって濾材ユニット１２を通りながらダーティ室１５に向かって落下する。このとき、エア供給管２４（図２に示す）から圧搾エアをクリーン室１６に供給することにより、クリーン室１６内のクリーン液Ｑ２をエアの圧力によって速やかにダーティ室１５に向けて押し出してもよい。

クリーン室１６からダーティ室１５に向かってクリーン液Ｑ２が流れることにより、金属球３５の表面がクリーン液Ｑ２によって洗い流される。すなわち図７に示すように、球面間の隙間Ｇ´が広がることにより、それまで金属球３５間に捕捉されていた微粒子Ｓが金属球３５の滑らかな表面から離れることができ、洗浄を容易にかつ効果的に行うことができる。ドレンポート２６からスラッジ処理装置６３に排出された微粒子等を大量に含むスラッジは、スラッジ処理装置６３によって液から分離されて回収される。

以上説明したように本実施形態の濾過装置１０は、濾過能力が低下したときに、必要に応じて濾過槽１１内のクリーン液Ｑ２を利用して磁性球濾材３３の洗浄を容易にかつ迅速に行うことができ、短時間に濾過能力を回復することができる。しかも濾過装置１０自体をそのまま利用して洗浄を行うことができるため、ランニングコストが安くつく。

図８は、前記濾過装置１０を用いて実際にサンプル液を濾過した場合に、濾過前と濾過後の液中の微粒子の数を光学顕微鏡によって観察した結果を示している。サンプル液は磁性体微粒子（ＦＣＤ・切粉）が混入されている油性クーラント液であり、流量は３０リットル／分である。

濾過前のダーティ液では、等価円直径で２．６μｍから５６．８μｍまでの大きさの磁性体微粒子が多数観察されたが、濾過後のクリーン液では、２．６μｍから５．８μｍの磁性体微粒子が少数観察されたに過ぎず、比較的大きな微粒子から１０μｍ付近までの超微粒子を十分除去できることが確認された。この例では、ダーティ液のＳＳ濃度（ｍｇ／リットル）２９９ｐｐｍ、クリーン液のＳＳ濃度４ｐｐｍで、微粒子の除去率（切粉除去率）９８．７％であった。

図９は、前記濾過装置１０を用いて非磁性体（アルミニウム）からなる微粒子を含む水溶性のサンプル液を濾過した場合に、液中の微粒子の数を光学顕微鏡によって観察した結果を示している。流量は２０リットル／分である。濾過前のダーティ液では、２．６μｍから５０．９μｍまでの大きさの微粒子が多数観察されたが、濾過後のクリーン液では、２．６μｍから９．８μｍの非磁性体微粒子が少数観察されたに過ぎず、比較的大きな微粒子から１０μｍ付近までの超微粒子も十分除去できることが確認された。この例では、ダーティ液のＳＳ濃度が１２３ｐｐｍ、クリーン液のＳＳ濃度が２ｐｐｍで、微粒子の除去率９８．４％であった。

なお本発明を実施するに当たって、濾過槽や磁性球濾材の金属球、磁石、保持手段などの本発明の構成要素を、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜に変更して実施できることは言うまでもない。

本発明の一実施形態に係る濾過装置の縦断面図。 図１中のＦ２−Ｆ２線に沿う濾過装置の縦断面図。 図１に示された濾過装置の濾材ユニットの一部を拡大して示す断面図。 図１に示された濾過装置を備えた濾過設備の濾過時の状態を模式的に示す断面図。 図１に示された濾過装置の磁性球濾材の濾過時の作用を示す側面図。 図１に示された濾過装置を備えた濾過設備の洗浄時の状態を模式的に示す断面図。 図１に示された濾過装置の磁性球濾材の洗浄時の作用を示す側面図。 磁性体微粒子を含むダーティ液の濾過前と濾過後の微粒子数を示す図。 非磁性体微粒子を含むダーティ液の濾過前と濾過後の微粒子数を示す図。

符号の説明

１０…濾過装置
１１…濾過槽
１２…濾材ユニット
１５…ダーティ室
１６…クリーン室
３３…磁性球濾材
３５…金属球
４５…磁石
５０…昇降ロッド（保持手段）

Claims (4)

1. 微粒子を含むダーティ液を濾過するための濾過装置であって、
   前記ダーティ液が導入される濾過槽と、
   磁性材料からなる多数の球形の金属球を集合させてなり、各金属球が互いに動きうる状態で前記濾過槽の内部に収容された磁性球濾材と、
   前記磁性球濾材に対し第１の位置と上側の第２の位置とに相対移動可能な磁石であって、前記濾過槽内の前記磁性球濾材を収容した濾材ユニットに形成されている磁石収容部に挿入された磁石ガイド内に上下方向に移動可能に収容され、前記第１の位置において前記金属球に磁界を与えることによって前記各金属球どうしを磁気的に吸着させて互いに固定し、前記第２の位置において前記各金属球どうしの磁気的な吸着を解除し前記各金属球どうしを動きうる状態とする磁石と、
   前記ダーティ液の濾過時に前記磁石を前記磁石ガイドに沿って前記第１の位置に移動させ、前記磁性球濾材の洗浄時に前記磁石を前記磁石ガイドに沿って前記第２の位置に移動させる保持手段と、
   前記磁性球濾材の下側に形成され前記ダーティ液を導入するダーティ室と、
   前記磁性球濾材の上側に形成され前記磁性球濾材を通って濾過されたクリーン液を収容するクリーン室と、
   前記クリーン室に接続され、前記磁性球濾材の洗浄時で前記磁石が前記第２の位置にあるとき前記クリーン室に圧縮エアを供給し前記クリーン室内に前記圧縮エアの圧力を与えることにより前記クリーン室内のクリーン液を前記磁性球濾材を経て前記ダーティ室に押し出すエアバルブを備えたエア供給管と、
   前記ダーティ室の下方に配置され、前記磁性球濾材の洗浄時に前記ダーティ室内に落とされた液中のスラッジを処理するスラッジ処理装置と、
   を具備したことを特徴とする濾過装置。
2. 前記磁性球濾材を構成する前記金属球は、表面が平滑なスチールボールであり、かつ、これらスチールボールの直径が互いに同等であることを特徴とする請求項１に記載の濾過装置。
3. 前記磁性球濾材を構成する前記金属球は、表面が平滑なスチールボールであり、かつ、互いに直径が異なる複数種類のスチールボールが混合されていることを特徴とする請求項１に記載の濾過装置。
4. 前記金属球は、波形に形成されたメッシュ部材からなる仕切り板によって囲まれる濾材収容部に収容され、該メッシュ部材の孔径が前記スチールボールの直径よりも小さいことを特徴とする請求項２または３に記載の濾過装置。

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