JP5340915B2 - 濾過器 - Google Patents

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Description

本発明は、異物を含有する液体を流入し、濾過エレメントにより異物を除去した状態の液体を流出させる濾過器に関するものである。
かかる濾過器は、種々の産業分野で利用されている。例えば、火力発電所や原子力発電所における冷却水、水力発電用に用いる水、生活用水である上下水道、農業用水、製鉄・窯業・化学工業における加熱炉・圧延機・圧縮機・化学反応機・蒸留装置などの冷却設備、海水から淡水を製造する製造装置、スプリンクラー散水設備などにおいて利用される。すなわち、水、河川水、湖沼水、海水などの水処理が必要とされ、この水処理の初期段階で、水処理機械などを保護する目的などで濾過器による異物除去を行う必要がある。対象となる異物としては、土砂・ヘドロ・木片・金属片・プラスチック片・魚・貝・藻など様々である。
かかる濾過器の基本構造は、円筒状の本体容器と、この内部に設けられる濾過エレメント（フィルター）を備え、本体容器に水や海水などの濾過対象の液体を導入し、この液体に含まれる異物を濾過エレメントにより除去している。
異物が除去された液体は、流出管から送り出され、冷却水、再循環水などとして前述のごとく種々の目的に利用される。除去された異物は、流入された液体と共に、適宜のタイミングでドレイン管から排出された後、処分される。かかる目的の濾過器の１種に旋回渦濾過器（渦巻ストレーナ）がある。かかる濾過器としては、下記特許文献１、２に開示されるものが知られている。これらの濾過器はいずれも、流入管と、流出管と、異物を排出する排出管を有する濾過槽（本体容器）とを有し、この濾過槽内に固定される円筒状あるいは逆円錐台状の濾過エレメントを備えている。流入管から流入した液体は、濾過槽内で旋回流を構成する。旋回流を発生させることで、液体中に含まれる異物を遠心力により分離濃縮させることができ、ドレイン管を介して液体と共に排出することができる。また、旋回流を発生させることで、濾過エレメントの表面に付着する異物を剥離効果により自己洗浄させる機能も有している。
特開２０００−２９１１２４号公報 特開２００３−１９０７１３号公報
上記の遠心力による異物の分離凝縮能力と、濾過エレメント表面の異物の剥離効果による自己洗浄能力にとっては、旋回流の旋回速度がより高速であることが好ましい。しかし、旋回速度が高速であると、濾過エレメントが振動し、金属疲労のために濾過エレメントの寿命が短くなるという問題が生じる。この振動の第１の原因として、液体が濾過エレメントの濾過孔を通過する際に濾過孔後方で発生するカルマン渦による振動が挙げられる。第２の原因として、濾過エレメントの表層を旋回流が通過する際に発生する流体境界層剥離による振動が挙げられる。第３の原因として、異物の濾過エレメントへの衝突による振動が挙げられる。
これらの濾過エレメントの振動を低減させるためには、濾過孔の通過速度と旋回速度を抑え、異物の濾過エレメントへの衝突を抑える必要があり、そのため旋回流の旋回速度は高速にすることが難しかった。旋回速度の低速化は濾過処理量の低下に繋がるので、上記特許文献１、２に開示された濾過器において濾過処理量を増やすには濾過器本体の大型化により対処するしかなかった。
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、その課題は、旋回速度を高速に保ちつつ、濾過エレメントの振動を低減することができる濾過器を提供することである。すなわち、旋回式濾過器の高性能化と小型化の両方を実現することである。
上記課題を解決するため本発明に係る濾過器は、
円筒状の本体容器と、
この本体容器内に本体容器と同軸に設けられ、液体に含まれる異物を除去するための多数の濾過孔が形成された筒状の濾過エレメントと、
本体容器の円周壁面に対して接線方向に設けられ、分離対象物が含まれる液体を導入する流入管と、
濾過エレメントにより濾過された液体を流出する流出管と、
本体容器の円周壁面に対して接線方向に設けられ、分離対象物を液体と共に排出させる異物排出管と、を備えた濾過器であって、
前記濾過孔の全部または一部は、流体の流入側の孔サイズと流出側の孔サイズが異なるようなテーパ状に形成されていることを特徴とするものである。
かかる構成による濾過器の作用・効果を説明する。円筒状の本体容器が設けられており、この本体容器の内部には、異物が含まれる液体を濾過する濾過エレメントが設けられている。濾過エレメントは、筒状に形成され本体容器と同軸になるように設けられる。本体容器の円周壁面に対して接線方向に流入管が設けられている。接線方向に設けられているため、流入管から流入する液体の運動量により、旋回流が生じる。この旋回の遠心力により、液体に含まれる異物は、本体容器の内壁面側に集まり高濃縮化される。本体容器には、その円周壁面に対して接線方向に異物排出管が設けられ、旋回流により旋回した異物は、液体と共に異物排出管から排出させることができる。濾過エレメントを通過した液体は濾過されて流出管から流出される。濾過エレメントには多数の濾過孔が形成されており、この濾過孔を通過することで濾過された液体が流出管から流出させることができる。
上記のような旋回流による濾過器の場合、濾過孔を液体が通過するときに、旋回流の旋回速度が加わるため、濾過孔を通過する速度も高速になりがちである。そして、この濾過孔を通過するときに、濾過孔の後方に、カルマン渦が発生する。一般に、液体が濾過エレメントの濾過孔を通過する時の運動エネルギー損失と、濾過孔後方におけるカルマン渦の発生あるいはカルマン渦の発生による振動とには相関がある。すなわち、濾過孔通過時の液体の有する運動エネルギーの損失の一部が、濾過エレメントの振動エネルギーに変換されている。そのため、濾過孔の全部または一部は、流体の流入側の孔サイズと流出側の孔サイズが異なるようなテーパ状とする。これにより、液体が濾過孔を通過するに際して、濾過孔通過時の運動エネルギーの損失を減少させることができる。従って、運動エネルギー損失に伴う、カルマン渦の発生とこれによる振動エネルギーを減少させることができる。したがって、旋回流の旋回速度が高速であり、液体の濾過孔の通過速度が高速である場合でも、濾過孔後方で発生するカルマン渦による起因する濾過エレメントの振動を低減することができる。その結果、旋回速度を高速に保ちつつ、濾過エレメントの振動を低減することができる濾過器を提供することができる。
本発明に係る濾過器において、前記濾過エレメントの外周面であって、濾過孔の周辺に凹凸部を設けたことが好ましい。
濾過エレメントの外周面においては高速の旋回流が発生しており、濾過エレメントの表層には流体境界層の剥離が発生し、濾過エレメントの振動を引き起こす。濾過エレメントの外周面であって、濾過孔の周辺に凹凸部を設けることで、濾過エレメントの表層は乱流層を有するようになり、流体境界層の剥離が抑えられ、その結果、濾過エレメントの振動を低減することができる。
本発明において、前記濾過エレメントに形成された多数の孔の夫々に、濾過エレメントとは異なる材質で製作され、かつ、テーパ孔が形成されたブッシュを挿入して取り付けることで、前記濾過孔が形成されることが好ましい。
かかるブッシュにより、テーパを有する濾過孔を形成することができると共に、濾過孔の形状に自由度が増し、濾過器の夫々に適した濾過孔を形成することができる。また、ブッシュを濾過エレメントに取り付けたときに、濾過孔の周辺に凹凸部もブッシュ自身により形成することができる。さらに弾性率の異なる素材との複合化による制振効果で、振動低減をより効果的に実現することができる。
本発明に係る濾過器において、前記濾過エレメントの内周面側及び／又は外周面側に網状体を設けたことが好ましい。
網状体を設けることで、濾過エレメント表面の流れを乱し、層流境界層より剥離しにくい乱流境界層にする方法で、流体の剥離が引き起こす濾過エレメントの励振を抑制する事が出来る。これにより、濾過エレメントの振動を低減することができる。
本発明に係る濾過器において、前記異物排出管が向かい合う位置の前記濾過エレメントに、濾過孔を有しない面を設けたことが好ましい。
この異物排出管が向かい合う位置では濾過エレメントに異物が衝突する頻度も高く、濾過エレメントの振動の原因となる。したがって、異物排出管に向かい合う位置の濾過エレメント部分を振動し難い、濾過孔を有しない面を設けることで、異物の衝突による濾過エレメントの振動を低減させることができる。
本発明に係る濾過器において、前記濾過孔を有しない面には、弾性を有するシート層が設けられることが好ましい。
濾過エレメントは通常金属製であり、ゴムなどの弾性を有する材料・樹脂とは固有振動数が異なっている。そこで、濾過エレメントの表面に弾性を有するシート層を形成すれば、金属と弾性材料との接合境界において摩擦が発生し振動を減衰させることができる。かかる弾性材料としては、ゴムあるいはエラストマー樹脂などが好適である。
本発明に係る濾過器において、前記濾過エレメントを本体容器に取り付けるに際して、制振部材を介在させた状態で取り付けることが好ましい。
制振部材としては、ゴムやエラストマー樹脂などを使用することができ、これにより、濾過エレメントの振動と、振動に伴う騒音の発生を抑制することができる。
本発明に係る濾過器において、流入管に対して絶縁された状態で取り付けられる第１電極部と、前記濾過エレメントに対して取り付けられる第２電極部と、これら電極部間を通電することで濾過エレメントの濾過孔近傍に気泡を発生可能に構成したことが好ましい。
上記のように第１電極部と第２電極部を構成し、直流、交流、パルス電圧印加などにより通電することで、電気分解の原理により、濾過エレメントの表面に微小な電解発生気体泡（気泡）を発生させる。これにより、濾過エレメントの濾過孔後方で発生するカルマン渦の発生を低減させ、カルマン渦による濾過エレメントの振動を低減させることができる。また、かかる気泡の発生により、濾過エレメントの表面に付着している異物を浮き上がらせて、濾過孔の目つまりを抑制するなどの副次的な作用・効果も奏することができる。
本発明において、前記濾過エレメントは、前記流入管側が前記流出管側よりも大径の円錐状に形成されることが好ましい。濾過エレメントを円錐状とすることで、振動共振帯を分散させて、共振や振動疲労を抑制することができる。
第１実施形態に係る濾過器の構成を示す図 第２実施形態に係る濾過器の構成を示す図 濾過孔の別実施形態を示す図 第３実施形態に係る濾過器の構成を示す図 第４実施形態に係る濾過器の構成を示す図 第５実施形態に係る濾過器の構成を示す図 洗浄装置の構成を示す図 濾過孔の断面形状を示す図
符号の説明
１ 本体容器
１ａ フランジ
２ 底蓋
３ 上蓋
３ｃ テーパ面
５ 流入管
６ 堤
７ 濾過エレメント
７ａ 濾過孔
７ｂ 円筒部
７ｃ テーパ部
７ｄ フランジ
７Ｘ 小径部
７Ｙ 大径部
８ 流出管
９ 円筒管
９ａ 取り付け部
１２ 異物排出管
１３ テーパシート
１４ 制振リング
１６ 樹脂製ブッシュ
１６ａ 頭部
１６ｂ 本体部
１７ 制振リング
２２ 中間接続管
２４ 金網
本発明に係る濾過器の好適な実施形態を図面を用いて説明する。
＜第１実施形態＞
＜構成＞
本体容器１は円筒状に形成され、その中心軸ｘは垂直状態になるように設置される。本体容器１は、例えば、ＳＳ４００鋼により製作され、防食のために内壁面をゴムライニングすることが好ましい。本体容器１の下部には底蓋２が溶接などにより本体容器１に対して結合され、本体容器１の上部には上蓋３が取り付けられる。本体容器１の最上部の外周面には、フランジ１ａが一体的に形成されており、ボルト・ナット機構４により、上蓋３が着脱可能に取り付けられる。
本体容器１の上蓋３に近い上部側に、流入管５が取り付けられている。流入管５は、本体容器１の円周壁面に対して接線方向となるように取り付けられている。従って、流入管５から導入された濾過対象の液体は、中心軸ｘを中心に旋回する旋回流を形成する。
本体容器１の内部には、筒状の濾過エレメント７が設けられており、本体容器１と同軸になるように設置される。濾過エレメント７は、金属板をプレス打ち抜き加工し、多数の小孔である濾過孔７ａは、打抜加工と切削加工の組み合わせで製作される。素材としては、例えば、ＳＵＳ３０４のステンレス鋼が用いられる。濾過エレメント７は、上部が大径で下部が小径の円錐台状に形成されており、小径下部には、流出管８の端部が接合されている。流出管８は、濾過された液体が流出されるものであり、底蓋２側から本体容器１の内部に侵入する形で取り付けられ、濾過エレメント底部はシールされている。
濾過エレメント７の大径上部には、円筒管９が溶接等により一体的に接合されている。円筒管９の表面には孔は形成されておらず、従って、濾過機能を有しない。円筒管９の面はテーパ面としてもよい。本体容器１の内壁面最上部から突出した取り付け部１ｂと、円筒管９の円筒面から突出した取り付け部９ａをボルト・ナット１０により連結する。これにより、濾過エレメント７が本体容器１に対して固定される。
このような取り付け部１ｂ，９ａは、例えば、円周方向に沿って３箇所程度設けられる。また、これら取り付け部１ｂ，９ａの取り付け面は内壁面に対して垂直に設定されている。円筒管９は、例えば、ＳＵＳ３０４ステンレス鋼により製作され、ボルト・ナット１０も同様にＳＵＳ３０４により製作される。ボルト・ナット１０を外すことで、濾過エレメント７を取り外してメンテナンスを行なうことができる。円筒管１０は、流入管５よりも更に上方に位置している。また、ボルト・ナット１０で結合するに際して、制振ワッシャ（例えば、セイシンエンジニアリング社製のＭ２０５２）を使用することで、振動を抑制することができる。
本体容器１の底部側には、濾過対象の液体に含まれる異物を排出するための異物排出管１２が設けられている。異物排出管１２は、本体容器１の円周壁面に対して接線方向に設けられており、異物を液体と共に排出することができる。この接線方向は、旋回流の方向（渦順方向）に沿っており、旋回力を利用してスムーズに排出することができる。異物排出管１２は、常時開放した状態にしてもよいが、適宜のタイミングで開放して異物や気泡を排出するように動作させてもよい。例えば、断続的に異物排出管１２を開放して異物を排出するようにすることができる。もちろん、異物排出管１２を開放したまま、常時異物を排出可能に運転してもよい。
濾過エレメント７の下部であって、異物排出管１２と向かい合う箇所には、テーパシート１３（シート層に相当）が取り付けられている。このテーパシート１３は、テーパ管とこのテーパ管の外周面に設けられるゴム層（制振部材に相当）の二層構造で形成される。テーパ管は、例えば、ＳＵＳ３０４ステンレス鋼により製作され、濾過エレメント７の下部に溶接などにより固着することができる。テーパシート１３の上下方向の長さは、異物排出管１２の径のほぼ２倍である。
上記ゴム層は、接着等によりテーパ管の表面に接着、加熱融着などにより取り付けられる。なお、ゴムに代えてエラストマー樹脂でもよく、要するに制振性を有する材料により製作することが好ましい。異物排出管１２の周辺には、異物が旋回流と共に旋回しており、これが濾過エレメント７と衝突すると、大きな騒音を立てたり濾過エレメント７の振動発生の要因となる。そこで、制振性を有するテーパシート１３を取り付けることで、かかる騒音・振動を抑制することができる。
また、濾過エレメント７の最下部と流出管８の外周面との間には、制振リング１４が設けられており、テーパシート１３と同様にゴムもしくはエラストマー樹脂により製作することができる。この制振リング１４により、濾過エレメント７の振動が本体容器１に伝達することを抑制することができる。また、この制振リング１４は、本体容器１の底部の液シールの機能も果たしている。
図１（ｃ）は、濾過エレメント７の濾過孔７ａの断面形状を示す図である。濾過孔７ａは、円筒部７ｂとテーパ部７ｃにより構成されており、テーパ部７ｃの孔サイズｒ１（流入側に位置する）は、円筒部７ｂの孔サイズｒ２（流出側に位置する）よりも大きくなるように設定されている。図１（ｃ）に液体（水）が通過する方向を矢印で図示しているが、流入側のほうが径が大きくなるように設定される。
ちなみに、濾過孔７ａはプレス打ち抜き加工により、例えば、厚さ４ｍｍのＳＵＳ３０４ステンレス鋼板に、孔径φ４ｍｍの孔を開けることができる。この濾過孔７ａは角度６０゜の千鳥配列とし、孔ピッチは８ｍｍとすることができる。そして、直径８ｍｍのドリルで片面のみ深さ２ｍｍまで切削することで、図１（ｃ）のようなテーパ部７ｃを形成することができる。また、テーパの角度は５９゜となっている。
ただし、本発明として、円筒部７ｂとテーパ部７ｃの長さの比率や、テーパの角度などは適宜設定することができる。また、濾過孔７ａの大きさ、配列態様、形成個数なども適宜設定することができる。
＜作用＞
次に、第１実施形態に係る濾過器の濾過作用について説明する。流入管５から濾過対象である異物を含む液体が導入される。液体は、接線方向から導入されるため、この液体の運動量により強制渦が生じ液体は旋回する。強制渦とは、外径側に向かうほど流速が大きくなる状態の渦である。
この旋回流による遠心力で高比重の異物は、内壁面側に分離・濃縮された状態となり、重力により異物は旋回しながら本体容器１の内壁面に沿って下降していく。そして、底面部に設けられた異物排出管１２を介して異物は液体と共に本体容器１外に排出することができる。旋回流を形成する効果として、内壁面に異物を濃縮させることのほかに、濾過エレメント７の表面に付着する異物を旋回流により剥離させる作用も行う。
比重が軽い異物は、濾過エレメント７の表面に付着する場合もあるが、高速旋回流の剥離作用により、浮遊状態に戻り、他の異物と共に旋回流により異物排出管１２から排出される。このように遠心力と剥離作用の両方の機能を満足させるために、流入された液体の旋回流を形成することが必要であり、特に液体の粘性係数が３×１０-3Ｐａ・ｓ以下で、流入管５の入口部分における液体流速が１ｍ／ｓ以上であることが好ましい。流速は、できる限り高速にすることが好ましく、旋回流の流速は、この入口部における流速にほぼ比例し、高速であればあるほど、濾過器としての性能を発揮可能になる。しかし、旋回流を高速にすれば、濾過エレメント７の振動発生による金属疲労が生じ、騒音の発生や寿命が短くなるという問題が生じる。
そこで、前述のように濾過エレメント７の濾過孔７ａは、テーパ面が形成されているので、カルマン渦の発生を抑制し、濾過エレメント７の振動を抑制することができる。そのため、濾過孔７ａの全部または一部は、流体の流入側の孔サイズが流出側の孔サイズよりも大きくなるようなテーパ状とする。なお、孔サイズの関係は逆にしたテーパ状でもよい。これにより、液体が濾過孔７ａを通過するに際して、濾過孔通過時の運動エネルギーの損失を減少させることができる。従って、運動エネルギー損失に伴う、カルマン渦の発生とこれによる振動エネルギーを減少させることができる。
また、濾過エレメント７の下部に設けられているテーパシート１３は表面が制振材料により形成されているので、濾過器の底部に沈降している高比重の異物（鉄片、酸化物など）の衝突による振動が抑制される。また、テーパシート１３が設けられる領域は濾過孔７ａが形成されていないので、濾過孔７ａを液体が通過することにより発生するカルマン渦も形成されない。
さらに、濾過エレメント７の上部に設けられる前述の制振ワッシャや、制振リング１４により、濾過エレメント７に振動が発生したとしても、本体容器１に振動が伝達されにくくし、騒音を低減すると共に、濾過エレメント７の長寿命化にも寄与することができる。
本実施形態による濾過器を製鉄所で使用する圧延冷却循環水の異物除去に使用してみたところ、長期間の仕様に耐えうることを確認することができた。
＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態に係る濾過器を図２により説明する。第１実施形態と同じ機能をする部分については、同じ符号を付している。第１実施形態と異なる点を中心に説明する。この点は、第３実施形態以降についても同様である。
本体容器１は、第１実施形態と同様に中心軸ｘが垂直方向になるように設置され、好ましくは、ＳＵＳ３０４のステンレス鋼により製作される。濾過エレメント７は、好ましくは、ＳＵＳ３０４ステンレス鋼を素材として使用し、板をプレス打ち抜き加工で多数の小孔の濾過孔７ａを打ち抜くことで製作される。また、摩耗防止のためにＮＨ3ガス中で５００℃で窒化熱処理し焼入硬化させることができる。熱処理前のビッカース硬度はＨＶ２００程度であったが、熱処理後はＨＶ４５０程度にすることができる。硬度を高めることで、制振性の向上に寄与することができる。濾過エレメント７は、上部から下部まで円筒状に形成されており、本体容器１とほぼ同じ軸方向長さを有している。
濾過エレメント７の上部には、リング状のフランジ板７ｄが溶接結合されている。このフランジ板７ｄの縁部分を本体容器１のフランジ１ａと上蓋３とで挟持することで、濾過エレメント７が本体容器１に対して固定される。
流出管８の上端部８ａは、本体容器１の底部から少し突出した状態で底部に取り付けられている。また、流出管８と濾過エレメント７の下部との間には、第１実施形態と同様に制振リング１４を介在させている。
濾過エレメント7の内部には、補強用として垂直角棒１５とリング角棒１６とを溶接により固定している。垂直角棒１５やリング角棒１６の配置個数やピッチ、断面の大きさについては、適宜設定することができる。また、角棒ではなく丸棒を使用してもよい。材質は、濾過エレメント７と同じにすることができる。かかる角棒１５，１６を設けることで、濾過エレメント７の強度を高め制振性を改善することができる。
濾過エレメント７の濾過孔７ａの断面形状は図２（ｃ）に示される。この濾過エレメント７は、例えば、厚さ４ｍｍのＳＵＳ３１６ステンレス鋼を使用して、孔径５ｍｍのプレス穴開け加工により製作することができる。このプレス打ち抜き加工において、打ち抜きダイスとパンチのクリアランス幅を取ることで、打ち抜きの剪断層を厚くし、図示のようなテーパ孔を形成することができる。図示のように、入口側から出口側にかけて連続的に傾斜したテーパ面をプレス打ち抜き加工により孔形成と同時に形成することができる。具体的には、ここでｒ１＝４．９８ｍｍ、ｒ２＝５．２５ｍｍとすることができる。
本実施形態による濾過器を銅精錬の際に発生するスラグの処理に使用したところ、長期間の使用に耐えることができた。
＜樹脂製ブッシュによる濾過孔の構成例＞
次に、樹脂製ブッシュ１６を用いて濾過孔７ａを構成した例を図３により説明する。この樹脂製ブッシュ１６は、頭部１６ａと本体部１６ｂにより構成され、軸線に沿ってテーパ孔が形成される。この樹脂製ブッシュ１６は、例えば、ナイロン６６（例えば、旭化成社製、レオナ１３００Ｓ）により樹脂成型により製作することができ、これを予め濾過エレメント７に形成されている孔に圧入することで、濾過エレメント７に取り付けることができる。
樹脂製ブッシュ１６の本体部１６ｂの外径はφ５．２ｍｍとし、濾過エレメント７に予め形成する孔径を５ｍｍとすることで、圧入により確実に固定することができる。また、濾過エレメント７の外周面からは頭部１６ａが突出すると共に、内周面からは本体部１６ｂが一部突出した状態で、樹脂製ブッシュ１６が取り付けられる。従って、濾過エレメント７の表面には凹凸部が繰り返し形成されることになる。この凹凸部により、濾過エレメント７の表層は乱流層を有するようになり、流体境界層の剥離が抑えられ、その結果、濾過エレメントの振動を低減することができる。
この樹脂製ブッシュ１６は、ナイロンだけでなく、種々の材質により製作することができる。例えば、ＡＢＳ，ＡＳ，ＰＳ，ＰＰ，ＰＥ，ＰＴＦＥ，ＰＯＭ，ＰＰＥ，ＰＢＴ，ＰＥＴ，ＰＣ，ＰＰＳ，ＰＶＣなどの熱可塑性樹脂により製作することができる。また、ＮＲ，ＩＲ，ＢＲ，ＳＢＲ，ＥＰＤＭ，ポリウレタン、シリコーンなどのゴム・エラストマーにより製作することができる。また、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂などの熱硬化性樹脂により製作することができる。また、ブッシュ１６は樹脂製でなくてもよく、酸化アルミニウム、酸化珪素、窒化アルミ、窒化珪素、酸化鉄などを主成分とするセラミックにより製作することができる。あるいは、ステンレス鋼を含む鋼、ニッケル、ニッケル合金、銅、銅合金、チタン、チタン合金などの金属で製作することができる。金属で製作する場合は、汎用の棒材からの機械切削加工、ダイキャスト成型、射出成型、プレス成型、粉末焼結法などにより製作することができる。ブッシュ１６は、濾過エレメント７と異なる材質にすれば、弾性率の異なる素材との複合化による制振効果で、振動を低減することができる。
＜第３実施形態＞
次に、第３実施形態に係る濾過器について図４により説明する。本体容器１は円筒状に形成され、その中心軸ｘは垂直状態になるように設置される。本体容器１は、例えば、ＳＳ４００鋼により製作される。本体容器１の内部空間は、リング状の仕切り板１ｃにより下部空間と上部空間に分かれており、仕切り板１ｃは本体容器１の高さ方向の中央部よりもやや下よりの位置に溶接により本体容器１の内壁面に結合されている。本体容器１の内壁面には、防食用のゴムライニングが施される。
流入管５は、本体容器１の下部寄り、すなわち、下部空間側に位置しており、本体容器１の内壁面に対して接線方向となるように設けられる。流出管８も本体容器１の内壁面に接線方向となるように設けられ、かつ、本体容器１内の上部空間に位置している。これらの接線方向は、旋回流の方向に一致している。
また、流入管５と本体容器１の境界部分には堤６が設けられている。この堤６は、流入管５から流入する液体を強制的に本体容器１の内壁面の方向に向かわせる。これにより、より強い旋回流を生じさせることができる。この堤６により、濾過エレメント７へ直接流体が衝突することを抑制し、振動の発生も低減させることができるなお、堤６による偏向方向は、内壁面に方向のみならず、底蓋２や上蓋３の方向への偏向成分が含まれていてもよい。
濾過エレメント７は、上部空間に配置されており、その上端部は、第２実施形態と同様に、一体結合されたフランジ７ｄにより本体容器１に対して支持される。また、下端部は制振リング１７により仕切り板１ｃに対して結合される。制振リング１７に関しては、既に第１実施形態で説明したのと同じ目的であり、濾過エレメント７の振動を抑制するものである。この実施形態では、液体は濾過エレメント７の内側から外側へと通過する。
異物排出管としては、比較的高比重の異物を排出させる第１異物排出管１２Ａと、比較的低比重の異物や気泡を排出させる第２異物排出管１２Ｂとが設けられている。
第１異物排出管１２Ａは、本体容器１の底部、かつ、流入管５の下部に設けられている。また、本体容器１の内壁面に対して接線方向となるように設けられる。第２異物排出管１２Ｂは、本体容器１の中央上部において、上蓋３に対して固定される。
濾過エレメント７の濾過孔７ａの断面形状を図４（ｃ）に示す。液体の流入側ｒ１から流出側ｒ２にかけて内径が変化するテーパ部を有する濾過孔７ａが形成される。濾過エレメント７は、例えば、厚さが４ｍｍのＳＵＳ３１６ステンレス鋼板を機械加工することで製作される。また、濾過孔７ａは、プレス打ち抜き加工により、直径５ｍｍの孔を形成する。また、夫々の濾過孔７ａは、テーパリーマ（例えば、日立ツール社製のＨＴＥ２０４０）により、図示のようなテーパ孔を形成することができる。テーパの角度は５゜にすることができる。かかるテーパ面を形成することで、カルマン渦の発生を抑制し、カルマン渦に起因する濾過エレメント７の振動を抑制することができる。
本体容器１の流入管５から流入した液体は、接線方向から導入されるため、この液体の運動量により強制渦が生じ液体は旋回する。特に、堤６を設けているため、強力な旋回流を形成することができる。この旋回流による遠心力により、高比重の異物は、本体容器１の内壁面に沿って高濃縮化されながら旋回して下降し、第１異物排出管１２Ａから液体と共に排出される。
また、仕切り板１ｃを設けていることで、高比重の異物が上方に移動すること、すなわち、濾過エレメント７の内側に侵入しようとすることを防止することができる。一方、低比重の異物や液体に含まれる空気などの気泡は、旋回流により軸中心に濃縮されようとする。この低比重の異物は、渦の中心に集まり、竜巻状の流れに乗って上昇する。かかる低比重の異物は、軸中心に濃縮されるので、濾過エレメント７との接触頻度が少ない状態になる。流入管５の近傍では強制渦であるが、流入管５から離れるに従い、自由渦の傾向が高まる。従って、渦中心の線速度は上向きとなるため、この渦中心に濃縮される低比重の異物は、上蓋３に設けられている第２異物排出管１２Ｂから本体容器１の外部へと排出される。
本実施形態による濾過器を火力発電冷却用海水の砂、クラゲ、海藻、漂流ゴミなどの除去に使用したところ、長期間の使用に耐えることができた。
＜第４実施形態＞
第４実施形態に係る濾過器を図５により説明する。この第４実施形態は、第３実施形態と同様に第１異物排出管１２Ａと第２異物排出管１２Ｂの２つが設けられている。この濾過エレメント７の全長は、本体容器１の高さとほぼ同じであるが、小径部７Ｘと大径部７Ｙに分かれている。小径部７Ｘと大径部７Ｙの間には、テーパ部７Ｚが設けられる。テーパ部７Ｚは、高さ方向のほぼ中央に位置している。
本体容器１のほぼ中央部には、リング状に形成された取り付け部１ｄが溶接により本体容器１の内壁面に結合されている。この取り付け部１ｄはテーパ部１Ｚに対応したテーパ面が形成されており、ゴムパッキン１８を介して濾過エレメント７のテーパ部７Ｚを支持している。ゴムパッキン１８をテーパ部７Ｚに密着させることで、上部空間と下部空間を仕切ることができる。また、ゴムパッキン１８を介することで、濾過エレメント７の振動を抑制することができる。
濾過エレメント７の上端部は、第２実施形態と同様にフランジ７ｄを設けることで、本体容器１に支持することができる。ただし、フランジ７ｄの表裏両面にゴムパッキン１９を介在させ、本体容器１とは電気的に絶縁した状態で支持をする。また、濾過エレメント７の下端部にもゴムパッキン２０を介在させて、本体容器１と電気的に絶縁する。このように、濾過エレメント７は、ゴムパッキン１８，１９，２０により、本体容器１に対して電気的に絶縁されると共に、振動を抑制する機能を付与する。ゴムパッキン１９は、液シールとしての機能も有する。
流入管５には、ゴムパッキン２１を介して中間接続管２２が絶縁ボルト２３により連結される。すなわち、中間接続管２２は、電気的に絶縁された状態で流入管５に接続される。中間接続管２２は電極として機能させるため、長さは短くてもよい。中間接続管２２を第１電極部（正極）とし、前述の濾過エレメント７のフランジ７ｄを第２電極部（負極）とする。ゴムパッキン２１は、液シールとしての機能も有する。
電極間に電圧を印加する方法として、電流制限機能付き非接地型直流電源を使用して、１Ｖから２０Ｖの電圧で通電を行なう。かかる通電を行なうことで、電気分解の原理により、濾過エレメント７の表面に微小な電解発生気体泡（気泡）を発生させる。これにより、濾過エレメント７の濾過孔７ａの後方で発生するカルマン渦の発生を低減させ、カルマン渦による濾過エレメント７の振動を低減させることができる。また、かかる気泡の発生により、濾過エレメント７の表面に付着している異物を浮き上がらせて、濾過孔７ａの目つまりを抑制するなどの副次的な作用・効果も奏することができる。すなわち、通電を行なうことで、濾過エレメント７の表面に付着する藻などの生物、スカムなどの粘着物の付着を減少させる。濾過孔７ａの目つまりが生じると、濾過孔７ａを通過するときの流速が増大し、カルマン渦がより発生しやすくなるが、目つまりを防止することで、カルマン渦の発生も抑制することができる。
図５（ｃ）に、濾過エレメント７の濾過孔７ａの断面形状を示す。濾過孔７ａの形状は、小径部７Ｘも大径部７Ｙも同じである。図示するように、円筒部７ｂとテーパ部７ｃにより構成されている。このテーパ部７ｃは、実際は球面として形成されるが、かかる形状もテーパ面に含まれるものである。具体的には、濾過エレメント７を厚さ５ｍｍのＳＵＳ３１６ステンレス鋼板に直径６ｍｍの濾過孔７ａをプレス打ち抜き加工で形成する。次に、各濾過孔７ａをＲ＝５ｍｍのボールエンドミル（日立ツール社製、ＧＸＢ２１００）で深さ２．５ｍｍまで切削加工することで、図示のような濾過孔７ａが形成される。切削表面側の孔径はｒ１＝９．５ｍｍである。
更に、大径部７Ｙの内側には３０メッシュの平織金網２４（網状体に相当）がスポット溶接により固定されている。金網２４の目の大きさは、濾過孔７ａの径よりも小さくなるように設定される。小径部７Ｘの内側には、金網は設けられていない。かかる金網２４を設けることで、濾過エレメント７表面での流体境界層の剥離が抑えられ、カルマン渦の発生を抑制することができる。これにより、濾過エレメント７の振動を低減することができる。なお、金網２４は、濾過エレメント７の内周面側ではなく、外周面側に設けてもよい。あるいは両方に設けてもよい。また、小径部７Ｘのほうにも設けてもよい。
本実施形態による濾過器をダム式の水力発電所の濾過器として使用し、小石、木の葉、藻、腐敗物、スカムなどの除去に使用したところ、長期間の使用に耐えることができた。また、流入管５の流入速度を３ｍ／ｓに設定してみたが、濾過エレメント７の振動による金属疲労は認められなかった。
＜第５実施形態＞
第５実施形態に係る濾過器の構成を図６に示す。この濾過器は、濾過エレメント７の内周面を洗浄するための機構が組み込まれている。洗浄をするための水中ポンプ３０が下部軸３１と上部軸３２により支持されており、これらの軸は本体容器１の中心軸上にある。上蓋３は、上部に突出した球面部３ａを有しており、その中心が軸受３３により支持されている。下部軸３２は、濾過エレメント７の下端部において一体的に溶接された軸受脚３４に設けられた軸受部３４ａに支持されている。軸受脚３４は、濾過エレメント７の中心から放射状に３本伸びるように設けられ、中心に行くほど高さが高くなるように設定され、最も高さの高い中心部に軸受部３４ａが設けられている。上部軸３２は中空軸とし、水中ポンプ３０駆動用の配線ケーブルが組み込まれる。
水中ポンプ３０の先端取り付け部３０ａに、洗浄管３５が設けられており、水平方向に噴流を吐出するための多数の孔が形成されている。洗浄管３５の上部は、先端取り付け部３０ａに支持されているが、下部は下部軸３１から半径方向に突出した支持脚３６により支持されている。噴流を濾過エレメント７の内周面に向けて吐出することで、濾過エレメント７の内周面を洗浄することができる。洗浄管３５の表面はできるだけ濾過エレメント７の内周面に近接させることが好ましい。これにより、効率よく洗浄を行うことができる。
水中ポンプ３０は、本体容器１の中心軸周りに回転可能に構成されており、これにより、濾過エレメント７の内周面を全面に渡って洗浄することができる。水中ポンプ３０による吸水方向は、図示のような矢印方向である。水中ポンプ３０としては、例えば、鶴見製作所製の５０ＴＭ２．５Ｓを使用することができる。
また、水中ポンプ３０を使用することで、濾過エレメント７の内部から高圧・多量の流体を濾過エレメント７に衝突させ、穴がゴミにより詰まっているのを解消させる。ゴミ詰まりが発生すると、穴を流体が通過するときの速度が上昇し、振動が大きくなる傾向にある。従って、ゴミ詰まりの解消による振動の低減効果も有している。また、かかる目的で水中ポンプ３０を使用する場合、流体の噴出方向を旋回流の方向に合わせておけば、濾過器を稼動しながら水中ポンプ３０の使用が可能になる。
濾過エレメント７の下端部には、円筒シート２５が設けられており、第１実施形態のテーパシート１３と同じ目的のために使用される。円筒シート２５の高さ方向の長さは、異物排出管１２の径の２倍程度に設定される。これにより、異物が濾過エレメント７の表面に衝突することによる騒音や振動の発生を抑制することができる。また濾過エレメント７の最下端部には、リング状の固定板３７が溶接により固着され、この固定板３７の中央に、流出管８の先端部が挿入される。
また、本体容器１や流入管５、流出管８、異物排出管１２は、例えば、ＳＳ４００鋼により製作し、その内壁面（接液部）にはＦＲＰライニングを施すことが好ましい。ＦＲＰとして使用する樹脂は、例えば、昭和高分子社製リポキシＲ−８０２を使用することができる。
図８は、濾過孔７ａの断面形状を示す図である。濾過エレメント７は、例えば、厚さ２ｍｍのＳＵＳ３０４ステンレス鋼板にプレス打ち抜き加工により孔径３ｍｍの濾過孔７ａを形成する。ついで、Ｒ＝５ｍｍの部分球形状のプレス押し型（図８にＲを破線で図示する）により、濾過エレメント７の外表面に出っ張りが形成されるようにする。これにより、液体の流入側の径ｒ１は流出側の径ｒ２よりも大きくなるようなテーパ孔が形成される。濾過孔７ａがテーパ孔に形成されると同時に、濾過エレメント７の表裏面に凹凸部も形成されることになる。
上記のような濾過孔７ａを形成することで、濾過孔７ａを液体が通過するときに発生するカルマン渦の発生を抑制し、これに起因する濾過エレメント７の振動も抑制することができる。また、濾過エレメント７の表面に凹凸部が形成されるため、境界層剥離が抑えられ、その結果、濾過エレメント７の振動を低減することができる。また、表面の出っ張りにより、外表面に付着した特にフィルム状の異物を旋回流により剥離しやすくする。
濾過エレメント７の内周面側には、濾過孔７ａの周囲に凹部が形成されることになるが、かかる凹部を形成することで、水中ポンプ３０により洗浄するときに、噴流を濾過孔７ａに集中しやすくなり、洗浄効果をあげることができる。また、目つまりの解消も行ないやすくなる。ちなみに、水中ポンプ３０による洗浄は、定期的に行うことができる。
本実施形態に係る濾過器を下水処理場における土砂、ヘドロ、スカム、プラスチックフィルム片などの除去に使用したところ、長期間の使用に耐えることができた。流入管５の流入速度を２．５ｍ／ｓとしたところ、特に濾過エレメント７の振動が発生することも無く、安全かつ安定的に使用することができた。
＜別実施形態＞
本発明に関する５つの実施形態を説明してきたが、更に種々の実施形態を採用することができる。また、各実施形態において採用している構造を他の任意の実施形態に採用することは可能である。例えば、各実施形態で説明している濾過孔の形状を他の実施形態に適用してもよい。例えば、第１実施形態で採用している濾過エレメント７の支持構造やテーパシート１３と同じ機能を他の実施形態で採用してもよい。例えば、濾過エレメント７は、円筒状にしてもよいし円錐台状にしてもよい。流入管５、流出管８、異物排出管１２の配置構成についても適宜の場所に設置することができる。また、他の構成についても同様である。
第１実施形態におけるテーパシート１３の構成に関して、次のように構成してもよい。まず、濾過エレメント７の下端部には、濾過孔７ａが形成されない領域を形成してもよい。そして、この領域にゴムシートなどの制振性を有するシートを表面に巻き付けてもよい。
濾過孔７ａの構成について種々説明したが、液体の流入側の孔サイズを大きくするか、流出側の孔サイズを大きくするかについては、どちらを選択してもよい。また、孔形状をテーパにする場合、その形状については任意にすることができる。例えば、テーパの角度、テーパを直線状にするか曲線状にするか、円筒部とテーパ部の組み合わせとする場合に円筒部の長さをどの程度にするか、などについては適宜決めることができる。孔形状についても、円形孔に限定されるものではなく、矩形、正方形、楕円形など種々の形状を採用可能である。また、濾過エレメント７に形成される全ての濾過孔７ａについて、上記のテーパ状にする必要はなく、一部の濾過孔７ａについてのみテーパ状に形成してもよい。
本体容器１、流入管５、流出管８、異物排出管１２、濾過エレメント７の材質については、本実施形態で説明した材料以外の種々の材料を選択することができる。
例えば、濾過エレメント７としてはステンレス鋼を含む種々の種類の鋼、ニッケル、ニッケル合金、銅、銅合金、チタン、チタン合金などが例示される。濾過エレメント７を上記金属で形成する場合、少なくとも一部を上記金属で形成し、本体容器１とは電気的に絶縁した状態で取り付けてもよい。この場合、濾過エレメント７の好ましくは流入管の近傍に、亜鉛、アルミニウム、マグネシウム、あるいはマグネシウム合金を取り付けることができる。これにより、濾過エレメント７が電解腐食により消耗することを回避し、腐食の進行に伴い濾過エレメント７が振動しやすくなるのを抑制することができる。
本体容器１や流入管５、流出管８などは、ステンレス鋼を含む種々の種類の鋼、ニッケル、ニッケル合金、銅、銅合金、チタン、チタン合金、これらの金属と鋼とのクラッド材（貼り合わせ材）などにより製作することができる。あるいは、ＦＲＰ（繊維強化熱硬化性樹脂）やＦＲＴＰ（繊維強化熱可塑性樹脂）により製作することができる。ここで、強化繊維として、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、ポリエステル繊維などが使用できる。熱硬化性樹脂として、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂などを使用することができる。熱可塑性樹脂として、例えば、ＡＢＳ，ＡＳ，ＰＳ，ＰＰ，ＰＥ，ＰＴＦＥ，ＰＯＭ，ＰＰＥ，ＰＢＴ，ＰＥＴ，ＰＣ，ＰＰＳ，ＰＶＣなどを使用することができる。
本体容器１、流入管５、流出管８などの内壁面（接液部）の防食ライニングとしては、ゴムライニングとして、ＮＲ，ＩＲ，ＢＲ，ＳＢＲ，ＮＢＲ，ＥＰＤＭ，ポリウレタン、シリコーンなどを使用することができる。
本実施形態において、本体容器１は垂直に設置されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、水平に設置してもよい。水平設置することで、濾過エレメント７の円周方向の位置により、液体に作用する重力は異なってくる。この非対称効果により、振動の大きさを軽減することができる。
本実施形態において、濾過エレメント７の表面に凹凸部を形成する構成を説明したが、本実施形態で説明したものの他、次のような構成も採用することができる。例えば、濾過エレメント７の表面に補強リブを取り付けることで凹凸部を形成し、振動防止を行なうことができる。特に、濾過エレメント７の基本固有振動数に近い振動に対しては、第２実施形態で説明したように、濾過エレメント７の軸方向に補強リブを設けることは、濾過エレメントの固有振動数を高周波数側にずらせ共振域から逃れる事ができて効果的である。高次振動数に対しては、第２実施形態で説明したように、円環状の補強リブが効果的である。
濾過エレメント７の制作方法については種々の変形例が考えられるが、金属平板を素材として、これを機械加工して製作することが好ましい。金属平板は、濾過エレメント７として必要な多数の濾過孔７ａの精密機械孔開け加工が容易であり、製造効率もよい。すなわち、平板の状態で孔開け加工した後、これを曲げ加工することで、円筒状、円錐状、円錐台状の濾過エレメント７を製作することができる。なお、最初に孔開け加工をするのではなく、円筒状などに曲げ加工した後、孔開け加工してもよい。
孔開け加工と凹凸部の加工については、既に実施形態において説明してきたように、汎用の機械加工技術を用いることができ、プレス打ち抜き加工のほかに、プラズマ加工、放電加工、レーザ加工、ドリル、リーマ、エンドミル等を使用することができる。また、これらの加工法のうち、１つだけではなく、複数を組み合わせて加工してもよい。
第４実施形態で説明した金網２４（網状体）についても種々の変形例が考えられる。網状体は、金属ワイヤのほか織物によっても製作することができる。網状体は、濾過エレメント７を円筒状などに曲げ加工する前に、濾過エレメント７に固着してもよいし、円筒状などに曲げ加工した後に固着してもよい。
第１実施形態における取り付け部１ｂ，９ａは、旋回流体に乱れを生じさせて、流体の共振と、その結果により発生する濾過エレメント７の振動を防止する機能も果たす。これを目的として、特に、流入管５と本体容器１の接続部の近傍に、羽根形状の部材を設けることもできる。かかる部材は、本体容器１、上蓋３、濾過エレメント７に一体的に取り付けることができる(一例として、特開２００７−２９６４９２号公報)。
本発明の濾過器が処理対象とする液体については、水、海水、湖水、工業用水など種々の液体が考えられるが、特定のものに限定されるものではない。

Claims (9)

  1. 円筒状の本体容器と、
    この本体容器内に本体容器と同軸に設けられ、液体に含まれる異物を除去するための多数の濾過孔が形成された筒状の濾過エレメントと、
    本体容器の円周壁面に対して接線方向に設けられ、分離対象物が含まれる液体を導入し前記液体に旋回流を発生させる流入管と、
    濾過エレメントにより濾過された液体を流出する流出管と、
    本体容器の円周壁面に対して接線方向に設けられ、分離対象物を液体と共に排出させる異物排出管と、を備えた濾過器であって、
    前記濾過孔の全部または一部は、流体の流入側の孔サイズが流出側の孔サイズよりも大きくなるようなテーパ状に形成されていることを特徴とする濾過器。
  2. 前記濾過エレメントの流入側となる表面には、前記旋回流に乱流層を形成する凹凸部が繰り返し形成されていることを特徴とする請求項１に記載の濾過器。
  3. 前記濾過エレメントに形成された多数の孔の夫々に、濾過エレメントとは異なる材質で製作され、かつ、テーパ孔が形成されたブッシュを挿入して取り付けることで、前記濾過孔が形成されており、前記ブッシュの頭部が前記濾過エレメントの表面から突出した状態で取り付けられることにより、前記凹凸部が前記濾過エレメントの表面に繰り返し形成されることを特徴とする請求項２に記載の濾過器。
  4. 前記濾過エレメントの内周面側及び／又は外周面側に網状体を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の濾過器。
  5. 前記異物排出管が向かい合う位置の前記濾過エレメントに、濾過孔を有しない面を設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の濾過器。
  6. 前記濾過孔を有しない面には、弾性を有するシート層が設けられることを特徴とする請求項５に記載の濾過器。
  7. 前記濾過エレメントを本体容器に取り付けるに際して、制振部材を介在させた状態で取り付けることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の濾過器。
  8. 流入管に対して絶縁された状態で取り付けられる第１電極部と、前記濾過エレメントに対して取り付けられる第２電極部と、これら電極部間を通電することで濾過エレメントの濾過孔近傍に気泡を発生可能に構成したことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の濾過器。
  9. 前記濾過エレメントは、前記流入管側が前記流出管側よりも大径の円錐状に形成されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の濾過器。
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