JP5727108B2 - サイクロン装置 - Google Patents

Description

本発明は、気流中の微粉体を高い捕集率で捕集することができるサイクロン装置に関する。

従来、気流中の粉体を分級する装置として用いられるサイクロン装置２０は、図９に示すように、円筒状の上部構造（サイクロンボディ２１）と逆円錐状の下部構造（コニカルセクション２２）を有する接線入口式サイクロン装置が知られている。
このサイクロン装置においては、粉体の混じった気流が、気流導入部２３からサイクロンボディ２１の接線方向に渦を描く様にして導入される。そして、気流中に混じった粉体は、遠心力で気流中から分離されてサイクロンボディ２１の内壁面に衝突して速度が低下する。
その後、サイクロンボディ２１の内壁面に衝突して減速した粉体は、重力によりサイクロンボディ２１の下端に接続する逆円錐状のコニカルセクション２２の内壁面に沿って落下し、コニカルセクション２２の下方部の粉体捕集部２４に落下して捕集される。
一方、気流はサイクロンボディ２１の中心の気流排出部２５から外部へ排出されるようになっている。

このようなサイクロン装置の改良技術に関連して、例えば特許文献１（特公平７−２２７２２号公報）にはサイクロンの本体を球形状に形成した球形サイクロンが記載されている。また、特許文献２（特許２６０９５３７号公報）には球形内面に沿って渦巻き状に液体を回転通過させることによって、懸濁・分散液から固体粒子を分離させる固液分離方法が記載されている。

特公平７−２２７２２号公報 特許２６０９５３７号公報

しかしながら、図９に示すような従来の接線入口式サイクロン装置２０は、サイクロンボディ２１の気流導入部２３付近の気流の角速度を速くして気流中に混じった粉体を遠心力で分離するともに、サイクロンボディ２１の内壁面に衝突させて速度を低下させ、下部の逆円錐状のコニカルセクション２２により捕集しているが、その捕集する粉体の粒径は主として１μｍ以上であり、このようなサブミクロンサイズの微粉体の捕集には、別途バグフィルターのようなフィルターを設けて捕集していた。
また、前記特許文献１や特許文献２に記載されたサイクロン技術は、サイクロンボディを球形化することによって装置自体をコンパクトにするものではあるが、粉体の捕集位置と気流の排出位置が近接するために、分離捕集した粉体と気流とが粉体捕集位置で混在しやすく、サブミクロンサイズの微粉体の分離捕集効率を高めるには限界があった。

本発明は、前記従来の問題点に鑑みて、バグフィルターなどを用いることなくサブミクロンサイズの微粉体の捕集効率を高めることができるサイクロン装置を提供することを目的とする。

本発明のサイクロン装置は、
気流中に混合された粉体を旋回気流から分離し捕集するサイクロン装置であって、
気流導入セクションと、
前記気流導入セクションに接続したコニカルセクションとを備え、
前記気流導入セクションは、前記コニカルセクションに向かって漸次拡径した球面部と、該球面部に設けられ粉体混合気流を接線方向から導入する気流導入部とを有するものであり、
前記コニカルセクションが、前記球面部に接続し、該球面部から離れるにつれて漸次縮径する逆円錐状のものであり、
前記気流導入セクションの全長Ｈａと前記コニカルセクションの全長Ｈｂの比Ｈａ／Ｈｂが１／１０以上１／５以下であることを特徴とする。

上記「気流導入セクション」は、下方に漸次拡径する内部構造を有していれば、その具体的な構成は特に限定されるものではなく、例えば、半球状の内部構造を有する構成や円錐状の内部構造を有する構成等が採用可能である。
その際、半球状の内部構造を有する構成の態様としては、気流導入セクションの内壁面全体が球面形状を有する構成や、気流導入セクションの内壁面の上部が球面以外（例えば平面等）の形状を有する構成等が採用可能である。

本発明のサイクロン装置は、気流中に混合された粉体を旋回気流中から分離し捕集するサイクロン装置であって、粉体混合気流を接線方向から導入する気流導入部を有して下方に漸次拡径する気流導入セクションと、この半球状の気流導入セクションの下端に接続して下方に漸次縮径する逆円錐状のコニカルセクションを設けているので、気流中に混合されたサブミクロンサイズの微粉体の分離捕集を可能とするとともに、粉体捕集効率を飛躍的に高めることができる。

すなわち、従来の接線入口式サイクロン装置では、粉体の混じった気流を気流導入セクションの接線方向から渦を描く様に導入し、気流中に混じった粉体を、遠心力で気流から分離して気流導入セクションの内壁面に衝突させて速度を低下させ、粉体を重力により気流導入セクションの下方（粉体捕集部）に落下させることで捕集しているが、本発明のサイクロン装置においては、気流導入セクションの気流導入部よりその接線方向から導入された粉体を混合した気流は、気流導入セクションが下方に漸次拡径するような内部構造になっているので、気流中の粉体は遠心力で分離させられる一方、気流は気流導入セクション内に導入された途端にその旋回流の角速度が急速に低下させられる。
そのため、気流中から分離した粉体は気流導入セクション内において落下しやすく、その後の逆円錐状のコニカルセクションで角速度を上げられテーパ状の内壁面に衝突して捕集効率が向上する。
このように、従来方式よりもサイクロン装置内での気流の角速度の差を大きくすることにより、サブミクロンサイズの微粉体の捕集効率を上げることができる。
上記構成において、気流導入セクションの高さＨａ＜逆円錐状のコニカルセクションの高さＨｂの範囲に設定すれば、コニカルセクションにおいて渦状に下降する気流の速度を過度に増大させないようにすることが可能となり、これによりサブミクロンサイズの微粉体を気流に乗せて粉体捕集セクション（捕集箱）まで運ぶことが可能となる。また、コニカルセクションでの上昇気流の速度も過度に大きくはならないので、サブミクロンサイズの微粉体が上に上がって行きにくくすることが可能となる。さらに、コニカルセクションを上昇する気流中にサブミクロンサイズの微粉体が残留していても、その周囲において渦状に下降する気流によってサブミクロンサイズの微粉体を下方へ押し戻して粉体捕集セクションまで運ぶことが可能となる。

本発明の第１実施例に係るサイクロン装置の正面図である。 上記第１実施例のサイクロン装置の平面図である。 上記第１実施例のサイクロン装置の変形例を示す正面図である。 従来の接線入口式サイクロン装置により捕集された粉体の粒度分布を示すグラフである。 上記第１実施例のサイクロン装置により捕集された粉体の粒度分布を示すグラフである。 本発明の第２実施例に係るサイクロン装置の正面断面図である。 上記第２実施例のサイクロン装置の平面図である。 上記第２実施例のサイクロン装置において、粉体を含む気流が装置内を流れる様子を示す、図６と同様の図である。 従来の接線入口式サイクロン装置の構造を示す概略説明図である。

本実施形態に係るサイクロン装置は、気流中に混合された粉体を旋回気流から分離し捕集するサイクロン装置であって、粉体混合気流を接線方向から導入する気流導入部を有して下方に漸次拡径する半球状の気流導入セクションと、この半球状の気流導入セクションの下端に接続して下方に漸次縮径する逆円錐状のコニカルセクションを設けて構成されている。
これによって、従来の接線入口式サイクロン装置で捕集する粉体の限界粒径が１μｍ以上とされていたが、本発明のサイクロン装置ではサブミクロンサイズの微粉体の捕集も可能とした。

本実施形態に係るサイクロン装置の上部構造の気流導入セクションは、粉体を混合した気流を気流導入部から導入してその内壁面に沿って接線方向に旋回させる部位であり、コニカルセクションの上端に接続して、半球状に突出してお椀を伏せたような構造を呈している。
なお、気流導入セクションは、下方向が漸次拡径状態の内部構造になっていればよく、半球状の構造の他、円錐状（直線状のテーパを有する）の構造でもよい（図３参照）。
このように気流導入セクションを、下方に漸次拡径した状態（下方広がり）とすることによって、勢いよく導入される気流の角速度を一旦低下させることができ、１μｍ以下の粒径の微粉体であっても分離捕集できるようにした（後述する図４，図５参照）。

本実施形態のサイクロン装置の下部構造のコニカルセクションは、気流導入セクションの下端に接続して逆円錐状（下方に漸次縮径する）の形状をなした部位であり、旋回気流に混合した粉体を遠心分離するともに、逆円錐状の内壁面に衝突させて落下させることで、サブミクロンサイズの微粉体を気流中から分離捕集するようにしている。

また、本実施形態のサイクロン装置においては、気流導入セクションの高さＨａとコニカルセクションの高さＨｂを、Ｈａ＜Ｈｂの範囲に設定することができる。
これによって、気流中に含まれるサブミクロンサイズの微粉体あるいはミクロンオーダーの粉体をさらに効率的に分離捕集することが可能になる。

ここで、気流導入セクションの高さＨａ≧コニカルセクションの高さＨｂであると、気流導入セクションの内壁面に沿って接線状に導入される粉体を含む気流を十分な角速度を有した旋回状態にするためのコニカルセクションのスペースが相対的に少なくなるために、分離効率が極端に低下する傾向が生じる。
また、気流導入セクションとコニカルセクションとのそれぞれの高さの比率（Ｈａ／Ｈｂ）は、１／１０〜１／５の範囲に設定することがより好ましい。高さの比率（Ｈａ／Ｈｂ）が１／１０より小さくなると、コニカルセクションが長くなるので、粉体を含む気流が粉体捕集セクションまで届かなくなり、分離効率が低下する。
逆に比率（Ｈａ／Ｈｂ）が１／５より大きくなると、気流導入部と捕集粉体の捕集位置とが近接するために、気流が速すぎて粉体捕集セクションや捕集箱の中の粉体を巻き上げてしまい、分離効率が低下する傾向が生じる。

なお、実施形態において、気流導入セクションとコニカルセクションとの接続する部分の内径を２００〜２５０ｍｍとし、気流導入セクションの高さＨａを７０〜１００ｍｍとし、コニカルセクションの高さＨｂを２００〜１０００ｍｍの範囲とするとともに、気流導入セクションの高さＨａ＜コニカルセクションの高さＨｂとした。

＜第１実施例＞
以下、本発明の第１実施例に係るサイクロン装置について図面を参照しながら説明する。
図１及び図２に示すように、本実施例のサイクロン装置１０は、上部構造の気流導入セクション１２と、下部構造のコニカルセクション１３とから構成されている。
気流導入セクション１２は、下方に漸次拡径した半球状の内部構造を呈しており、粉体を含む気流が、気流導入セクション１２の一端に設けられた気流導入部１４から気流導入セクション１２の接線方向に導入され、その内壁面に沿って旋回気流を生成するようになっている。
下部構造のコニカルセクション１３は、この半球状の気流導入セクション１２の下端に接続して下方に漸次縮径するテーパ状の逆円錐状の内部構造を呈しており、上部構造の気流導入セクション１２内で減速させられた気流の角速度を増速させるようになっている。
また、気流導入セクション１２の中心位置には、気流排出部１５が上下方向に貫通して設けられており、粉体の分離を終えた気流を外部に排出させるようになっている。
なお、下部構造のコニカルセクション１３の下端には、分離された粉体を捕集する粉体捕集セクション１６が設けられている。

本実施例において、半球状の気流導入セクション１２とコニカルセクション１３の接続部の内径を２１５ｍｍとし、高さＨａは８５ｍｍとし、コニカルセクション１３の高さＨｂは５１５ｍｍとした。すなわち、気流導入セクション１２とコニカルセクション１３との高さの比率（Ｈａ／Ｈｂ）を１／６に設定し、所定のテーパがコニカルセクション１３に形成されるようにした。なお、粉体捕集セクション１６の口径を約５０ｍｍとした。

気流導入部１４から気流導入セクション１２内に導入された粉体を含む気流は、気流導入セクション１２の内壁面に沿って旋回気流を形成し、この間に、気流中の粉体に遠心力が作用して、粉体は気流導入セクション１２の内壁面に衝突し気流中から分離させられる。
旋回気流は、気流導入セクション１２が下方へ漸次拡径した内部構造となっているため、気流導入セクション１２内において気流の角速度は低下させられる。
このため、気流導入セクション１２内において気流中から分離された粉体は、角速度が低下した気流中を落下しやすくなり、気流導入セクション１２の下端に接続された逆円錐状のコニカルセクション１３のテーパ内壁面に沿って下降し、粉体捕集セクション１６に捕集されるようになる。
一方、粉体を分離した気流は、コニカルセクション１３の下部で旋回流径が小さくなるとともにコニカルセクション１３の中央部において上昇気流となり、気流導入セクション１２の上方中心部に設けられた気流排出部１５から外部へ排出されるようになっている。

本実施例におけるサイクロン装置の粉体捕集効果を検証するために行った従来装置との比較試験の結果を以下に示す。図４及び図５は、この比較試験において捕集された粉体の粒度分布を示すグラフである。

試験条件
（ａ）天候：曇り
（ｂ）気温：１４℃
（ｃ）湿度：５６．０％
（ｄ）試験原料：カーボン
（ｅ）試験機：サイクロンミル１５０ＢＭＳ型
（ｆ）粉砕機モーター回転数：１５，０００ｒｐｍ
（ｇ）粉体捕集用プロワー周波数：５０ｈｚ
（ｈ）導入機スクリュウ周波数：５０ｈｚ
（ｉ）原料投入量：５００ｇ

試験結果
（イ）捕集率の比較
装置Ａ（従来型サイクロン装置）：捕集率８１．３％
装置Ｂ（本実施例のサイクロン装置）：捕集率９４．０％
カーボン投入量５００ｇとする同一条件のもと、サイクロン装置上部構造のサイクロンボディ（本実施例の気流導入セクション）の形状と直径、長さを変えることで捕集率の変化を測定した。
図１に示す本実施例のサイクロン装置の捕集率は、従来型サイクロン装置の捕集率よりも１．１６倍高くなることが分かる。

（ロ）粒度分布の比較
図４及び図５は、従来型サイクロン装置及び本実施例のサイクロン装置により、それぞれ捕集された微粉体の粒度分布を示すグラフである。同一条件のもと粒度分布に変化を測定した。
本実施例のサイクロン装置は、従来型サイクロン装置が捕集できなかった、粒径１．０６０μｍ未満から粒径０．６３０μｍ以上の粉体を捕集することができた。
従って、本実施例のサイクロン装置で捕集した粉体の粒径のピークである平均粒径（Ｄ５０）は、従来型サイクロン装置で捕集した粉体の粒径のピークである平均粒径よりも、１．６６μｍ小さいことが分かる。
また、本実施例のサイクロン装置で捕集された粉体の粒径は、累積値１０％（Ｄ１０）でも、従来型サイクロン装置よりも０．８５μｍ小さく、累積値９０%（Ｄ９０）でも、従来型サイクロン装置よりも６．３μｍ小さいことが明らかである。

以上説明したように、本実施例のサイクロン装置１０は、バグフィルターなどを用いることなく、サブミクロンサイズの微粉体の分離捕集効率を高めることができる。
このように分離捕集効率がよくなるのは以下の理由によるものと推定される。
すなわち、気流導入セクション１２が下方に漸次拡径内部構造を有しているため、気流導入セクション１２の接線方向に入ってきた気流は、半球の中を回る間に、角速度が落ちる。そして、下部構造のコニカルセクション１３は下方に漸次縮径する構造であるので回転径が小さくなって角速度が上昇する。
このように、角速度の差を大きくすることによって、サブミクロンサイズの微粉体が遠心作用で気流から分離されやすくなり捕集されやすくなる。

また、サイクロン装置１０では、バグフィルターに起因する異物混入の恐れがなく、バグフィルターで発生する目詰まりも発生しないので、メンテナンスが容易で長時間の連続運転が可能である。
さらに、円筒状の上部で旋回流を形成させて粉体を遠心分離させる従来型のサイクロン装置では、圧力損失が大きいため風量の大きなブロア等が必要である。
しかし、本実施例のサイクロン装置１０は、円筒状のものに比べてコンパクト化が可能であり、しかも圧力損失が小さく、風量の小さいブロア等で装置を駆動させることができ、省エネ性に優れる。

本実施例のサイクロン装置１０は、その気流導入セクション１２が上部に平面部を有する半球状の内部構造を有する構成となっているが、その変形例として、図３に示すように、その気流導入セクション１２が上部に平面部を有する円錐状の内部構造を有する構成とすることも可能である。

＜第２実施例＞
次に、本発明の第２実施例について説明する。
図６は、本実施例に係るサイクロン装置１１０を示す正面断面図であり、図７は、その平面図である。
これらの図に示すように、本実施例のサイクロン装置１１０は、下方に漸次拡径する半球状の気流導入セクション１１２と、この気流導入セクションの下端に接続して下方に漸次縮径する逆円錐状のコニカルセクション１１３と、このコニカルセクション１１３の下端部に接続された粉体捕集セクション１１６とを備えている。
本実施例においても、気流導入セクション１１２には、粉体を含む気流を装置内に導入するための気流導入部１１４と、粉体の分離を終えた気流を外部に排出するための気流排出部１１５とが設けられている。これらの具体的な構成については後述する。

気流導入セクション１１２は、内壁面の全域が球面に沿って半球状に形成された球面部１１２Ａと、この球面部１１２Ａの上端位置（平面視では球面部１１２Ａの中心位置）において上向きに開口する筒状開口部１１２Ｂと、球面部１１２Ａの下端位置（平面視では外周縁の位置）において水平に延びる外周フランジ部１１２Ｃとからなっている。
このように球面部１１２Ａの上端位置に筒状開口部１１２Ｂが形成されていることにより、気流導入セクション１１２の高さ（正確には球面部１１２Ａの内壁面の高さ）Ｈａは、その下端位置の内径Ｄ１の半分よりも僅かに小さい値になっている。

コニカルセクション１１３は、逆円錐状に形成された筒状の本体部１１３Ａと、この本体部１１３Ａの上下両端においてそれぞれ水平に延びる上端フランジ部１１３Ｂおよび下端フランジ部１１３Ｃとからなっている。
コニカルセクションの高さＨｂは、気流導入セクションの高さＨａの２倍以上の値（すなわちＨａ／Ｈｂ≦１／２）（より好ましくはＨａ／Ｈｂ≦１／３）に設定されている。具体的には、Ｈａ／Ｈｂ＝１／６程度の値に設定されている。
このコニカルセクション１１３の上端位置の内径は、気流導入セクション１１２の球面部１１２Ａの下端位置の内径Ｄ１と同じ値に設定されている。また、このコニカルセクション１１３の下端位置の内径Ｄ２は、その上端位置の内径Ｄ１に対して、Ｄ２＝１／６〜１／４×Ｄ１程度の値に設定されている。

このコニカルセクション１１３は気流導入セクション１１２に固定されているが、この固定はリング状固定具１２０の着脱によって分離可能な態様で行われている。
このリング状固定具１２０は、図７に示すように、１対の半割リング１２０Ａ、１２０Ｂがピン１２０Ｃを中心にして相対回動し得るように構成されている。そして、このリング状固定具１２０は、気流導入セクション１１２の外周フランジ部１１２Ｃとコニカルセクション１１３の上端フランジ部１１３Ｂとを上下に重ね合わせた状態で、その外周側から１対の半割リング１２０Ａ、１２０Ｂをこれらに嵌め込んでバックル１２０Ｄを締め付けることにより、その装着が行われるように構成されている。

粉体捕集セクション１１６は、円筒状の密閉容器として構成されており、その上面中心位置には円形の開口部１１６ａが形成されている。この開口部１１６ａの内径は、コニカルセクション１１３の下端位置の内径Ｄ２と同じ値に設定されている。
この粉体捕集セクション１１６の内径Ｄ３は、気流導入セクション１１２の球面部１１２Ａの下端位置の内径Ｄ１よりも大きい値に設定されている。具体的には、Ｄ３／Ｄ１＝１．２〜２程度の範囲内の値に設定されている。
この粉体捕集セクション１１６は、その開口部１１６ａの外周縁部においてコニカルセクション１１３の下端フランジ部１１３Ｃに固定されている。この固定は、例えば溶接やボルト締め等によって行われている。

次に、気流導入部１１４および気流排出部１１５の構成について説明する。
気流導入部１１４は、円筒状に形成されており、平面視において気流導入セクション１１２の中心位置から外れた位置において接線方向に水平に延びている。そして、この気流導入部１１４は、その一端部において気流導入セクション１１２の球面部１１２Ａに固定されている。この固定は、例えば溶接やボルト締め等によって行われている。
気流導入セクション１１２の球面部１１２Ａには、気流導入部１１４と連通する開口部１１２Ａａが形成されている。
一方、気流排出部１１５は、円筒状に形成されており、気流導入セクション１１２をその中心位置において上下方向に貫通している。その際、この気流排出部１１５は、気流導入セクション１１２の筒状開口部１１２Ｂに嵌め込まれた状態で、その上端部において筒状開口部１１２Ｂに固定されている。この固定は、例えば溶接やボルト締め等によって行われている。

本実施例のサイクロン装置１１０において、気流導入部１１４は、粉体混合気流を気流導入セクション１１６に対して気流排出部１１５の外周面に沿って導入する位置に形成されている。
すなわち、この気流導入部１１４は、その内周面の仮想延長面が気流排出部１１５の外周面と点接触するような位置関係またはこれに近い位置関係で配置されている。気流導入部１１４がこのような位置関係で配置されていることにより、気流導入セクション１１２の開口部１１２Ａａは、その球面部１１２Ａの上端部に位置することとなる。
この気流導入部１１４の内径Ｄ４は、気流導入セクションの下端位置の内径Ｄ１に対して１／５以下の値に設定されている。具体的には、Ｄ４／Ｄ１＝１／７〜１／５程度の範囲内の値（例えばＤ４／Ｄ１＝１／６程度の値）に設定されている。

気流排出部１１５は、その下端位置が気流導入セクション１１２の下端位置よりも下方側でかつコニカルセクション１１３の上下方向中心位置よりも上方側の位置に設定されている。すなわち、この気流排出部１１５の下端位置から気流導入セクション１１２の下端位置までの高さＨｃは、コニカルセクションの高さＨｂに対して、Ｈｃ＜１／２×Ｈｂ（より好ましくはＨｃ＜１／４×Ｈｂ）の値（例えばＨｃ＝１／７×Ｈｂ程度の値）に設定されている。
また、この気流排出部１１５の内径Ｄ５は、気流導入部１１４の内径Ｄ４に対して、Ｄ５≧Ｄ４に設定されている。具体的には、Ｄ５／Ｄ４＝１〜１．５程度の範囲内の値に設定されている。

図８は、本実施例のサイクロン装置１１０において、粉体混合気流（すなわち粉体を含む気流）が装置内を流れる様子を示す、図６と同様の図である。
同図において、太線で示す矢印付きの曲線Ａは、粉体混合気流の典型的な流れの状態を示している。また、この曲線Ａに沿って直列状に配置された複数の矢印Ｂは、粉体混合気流の流速を示しており、長い矢印ほど流速が大きいことを示している。

同図に示すように、本実施例においても、気流導入部１１４から気流導入セクション１１２に対して接線方向に導入された粉体混合気流は、その球面部１１２Ａの内壁面に沿って旋回する気流となる。
その際、球面部１１２Ａは、その内壁面の全域が球面に沿って半球状に形成されており、その上端部に形成された開口部１１２Ａａから粉体混合気流が導入されるので、この粉体混合気流は球面部１１２Ａの内壁面に沿って滑らかに旋回しながらその向きを下向きに大きく変化させることとなる。しかも、この粉体混合気流は、球面部１１２Ａの内部においてその旋回半径が急激に増大するので、その流速は急激に減少し、球面部１１２Ａの下端位置に到達した時点ではかなり緩やかな流れとなり、この状態でコニカルセクション１１３に移行することとなる。このため、気流中に含まれている粉体がたとえサブミクロンサイズの微粉体であっても気流中から容易に分離され、コニカルセクション１１３の本体部１１３Ａの内壁面に沿って落下することとなる。

コニカルセクション１１３の内部に移行した直後の気流は、かなり下向きで緩やかに旋回する渦状の流れとなっているが、このコニカルセクション１１３の本体部１１３Ａは逆円錐状に形成されているので、この本体部１１３Ａの内部を下降するに従って旋回半径が徐々に減少し、これに伴って流速が徐々に増大する。このため、この渦状の気流は、その下端位置に到達した時点ではある程度速い流れとなる。
そして、この渦状の気流は、本体部１１３Ａの内壁面に沿って落下する粉体と共にある程度速い流れのまま粉体捕集セクション１１６に流入する。その際、この粉体捕集セクション１１６の内径はその開口部１１６ａの内径に比してかなり大きいので、渦状の気流は開口部１１６ａを通過した直後にその流速が急激に減少する。このため、粉体捕集セクション１１６に流入した気流に含まれるサブミクロンサイズの微粉体が分離して、その内部に滞留しやすくなる。

一方、粉体捕集セクション１１６に流入してサブミクロンサイズの微粉体を分離した気流は、その開口部１１６ａを介してコニカルセクション１１３に戻る。その際、コニカルセクション１１３から粉体捕集セクション１１６に流入する渦状の気流は、この開口部１１６ａにおける外周縁寄りの環状領域を通過するので、コニカルセクション１１３に戻る上向きの気流は開口部１１６ａの中心領域を通過する。
そして、このコニカルセクション１１３に戻った上向きの気流は、その本体部１１３Ａの内壁面に沿って下向きに流れる渦状の気流の中心を上昇し、気流排出部１１５を介して装置の外部に排出される。

次に本実施例の作用効果について説明する。
本実施例のサイクロン装置１１０は、その気流導入セクション１１２の球面部１１２Ａにおける内壁面の全域が球面に沿って半球状に形成されており、この球面部１１２Ａの開口部１１２Ａａから粉体混合気流が気流排出部１１５の外周面に沿って導入される構成となっているので、気流排出部１１５への衝突により粉体混合気流の向きが変わってしまうのを未然に防止した上で、球面部１１２Ａの最も内周側でかつ最も上方側において粉体混合気流の導入を行うことができる。
したがって、球面部１１２Ａの内部において粉体混合気流の流速を急激に減少させることができ、これにより気流中に含まれている粉体がたとえサブミクロンサイズの微粉体であっても容易にこれを分離することができる。

また本実施例においては、気流導入セクション１１２とコニカルセクション１１３の高さの比Ｈａ／Ｈｂが、Ｈａ／Ｈｂ≦１／２に設定されているので、コニカルセクション１１３において渦状に下降する気流の速度を過度に増大させないようにすることができる。したがって、サブミクロンサイズの微粉体を気流に乗せて粉体捕集セクション１１６まで運ぶことができる。また、コニカルセクション１１３での上昇気流の速度も過度に大きくはならないので、サブミクロンサイズの微粉体が上に上がって行きにくくすることができる。さらに、コニカルセクション１１３を上昇する気流中にサブミクロンサイズの微粉体が残留していても、その周囲において渦状に下降する気流によってサブミクロンサイズの微粉体を下方へ押し戻して粉体捕集セクション１１６まで運ぶことができる。
このような効果は、粉体の種類にかかわらず得ることが可能であり、その際、Ｈａ／Ｈｂ≦１／３とすることがより効果的である。なお、粉体がカーボンの場合には、Ｈａ／Ｈｂ＝１／１０〜１／５とすることがより一層効果的であり、粉体がお茶の炭である場合には、Ｈａ／Ｈｂ＝１／３〜１／５とすることがより一層効果的である。

さらに本実施例においては、気流排出部１１５の下端位置が、気流導入セクション１１２の下端位置よりも下方側でかつコニカルセクション１１３の上下方向中心位置よりも上方側の位置に設定されているので、粉体の捕集位置（すなわち粉体捕集セクション１１６の開口部１１６ａの位置）とコニカルセクション１１３からの気流の排出位置とを十分に離すことができる。したがって、分離捕集した粉体と気流とが粉体の捕集位置で混在しにくくなり、これによりサブミクロンサイズの微粉体の分離捕集効率をさらに高めることができる。その際、流排出部１１５の下端位置から気流導入セクション１１２の下端位置までの高さＨｃは、コニカルセクションの高さＨｂに対して、Ｈｃ＜１／４×Ｈｂとすることがより効果的である。

また本実施例においては、気流導入セクション１１２の下端位置の内径Ｄ１が、気流導入部１１４の内径Ｄ４に対して５倍以上の値に設定されているので、気流導入セクション１１２における粉体混合気流の角速度低減効果を十分に高めることができる。
すなわち、図９に示す従来のサイクロン装置２０においては、円筒状のサイクロンボディ２１に流入する粉体混合気流の角速度を大きくして気流中の粉体を遠心力で分離する必要があるので、気流導入部２３の内径に対してサイクロンボディ２１の内径をあまり大きくすることができない。これに対し、本実施例においては、気流導入セクション１１２の球面部１１２Ａの内壁面に沿って粉体混合気流を滑らかに旋回させてその向きを下向きに大きく変化させるとともにその角速度を急激に小さくすることにより、気流中の粉体を分離する構成となっているので、気流導入セクション１１２の下端位置の内径Ｄ１をある程度大きくすることがむしろ効果的である。
そこで、本実施例のようにＤ１≧５×Ｄ４として、気流導入セクション１１２における粉体混合気流の角速度低減効果を十分に高めるようにすれば、気流中からの粉体の分離機能を高めることができる。その際、たとえサブミクロンサイズの微粉体であっても分離機能を高めることができる。

さらに本実施例においては、円筒状に形成された粉体捕集セクション１１６の内径Ｄ３が、気流導入セクション１１２とコニカルセクション１１３との接続部の内径Ｄ１よりも大きい内径を有しているので、粉体捕集セクション１１６に捕集された粉体の撹拌速度を十分低下させることができ、これにより粉体捕集セクション１１６に捕集された粉体を、粉体捕集セクション１１６に流入した気流によって巻き上げられてしまうのを未然に防止することができる。したがって、たとえサブミクロンサイズの微粉体であっても、粉体捕集セクション１１６に一旦捕集された後は、粉体捕集セクション１１６に滞留させておくことが容易に可能となる。

なお、本実施例においては、粉体捕集セクション１１６が円筒状の密閉容器として構成されているものとして説明したが、これ以外の形状を有する構成とすることも可能である。このようにした場合においても、粉体捕集セクション１１６の上端部が、気流導入セクション１１２とコニカルセクション１１３との接続部の内径Ｄ１よりも大きい内径を有する構成（例えば、逆円錐状の構成）とすれば、本実施例と同様の作用効果を得ることができる。

以上、本発明に係るサイクロン装置の形態に関して第１および第２実施例を説明した。
本発明に係るサイクロン装置の構成部材や、導入される粉体混合気流の量などの各設定値は、第１および第２実施例のものに限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で当業者により随時変更が可能であることは言うまでもない。

本発明に係るサイクロン装置の用途として、例えば、掃除機において吸引ブロワーと組み合わせて用いたり、燃料電池車や燃料電池発電機においてエアークリーナーの吸引口に取り付けた状態で用いたりすることも可能である、

近年、粉体の付加価値を高めるために１μｍ以下の粒径でかつ粒径分布が制御された微粉体を要求する傾向が強くなっていることから、本発明のサイクロン装置は、微粉体を対象とした分級および粉砕操作などの粉体を扱う工業プロセスに広く応用することが期待でき、産業上の利用可能性が極めて高い。

１０ 第１実施例のサイクロン装置
１２ 気流導入セクション
１３ コニカルセクション
１４ 気流導入部
１５ 気流排出部
１６ 粉体捕集セクション
２０ 従来型のサイクロン装置
２１ サイクロンボディ
２２ コニカルセクション
２３ 気流導入部
２４ 粉体捕集部
２５ 気流排出部
１１０ 第２実施例のサイクロン装置
１１２ 気流導入セクション
１１２Ａ 球面部
１１２Ａａ 開口部
１１２Ｂ 筒状開口部
１１２Ｃ 外周フランジ部
１１３ コニカルセクション
１１３Ａ 本体部
１１３Ｂ 上端フランジ部
１１３Ｃ 下端フランジ部
１１４ 気流導入部
１１５ 気流排出部
１１６ 粉体捕集セクション
１１６ａ 開口部
１２０ リング状固定具
１２０Ａ、１２０Ｂ 半割リング
１２０Ｃ ピン
１２０Ｄ バックル
Ｄ１ 気流導入セクションの下端位置の内径
Ｄ２ コニカルセクションの下端位置の内径
Ｄ３ 粉体捕集セクションの内径
Ｄ４ 気流導入部の内径
Ｄ５ 気流排出部の内径
Ｈａ 気流導入セクションの高さ
Ｈｂ コニカルセクションの高さ
Ｈｃ 気流排出部の下端位置から気流導入セクションの下端位置までの高さ

Claims (6)

1. 気流中に混合された粉体を旋回気流から分離し捕集するサイクロン装置であって、
   気流導入セクションと、
   前記気流導入セクションに接続したコニカルセクションとを備え、
   前記気流導入セクションは、前記コニカルセクションに向かって漸次拡径した球面部と、該球面部に設けられ粉体混合気流を接線方向から導入する気流導入部とを有するものであり、
   前記コニカルセクションが、前記球面部に接続し、該球面部から離れるにつれて漸次縮径する逆円錐状のものであり、
   前記気流導入セクションの全長Ｈａと前記コニカルセクションの全長Ｈｂの比Ｈａ／Ｈｂが１／１０以上１／５以下であることを特徴とするサイクロン装置。
2. 前記気流導入セクションが、半球状の内部構造を有するように構成されたことを特徴とする請求項１に記載のサイクロン装置。
3. 粉体の分離を終えた気流を外部に排出するための気流排出部が設けられており、
   前記気流排出部が、前記コニカルセクション内における、該コニカルセクションの長さ方向中心位置よりも前記気流導入セクション側の位置から、該気流導入セクションの中心軸に沿って該気流導入セクションを貫通するようにして設けられたものであることを特徴とする請求項１乃至２のいずれか１項に記載のサイクロン装置。
4. 前記気流導入部が、粉体混合気流を前記気流導入セクションに対して前記気流排出部の外周面に沿って導入する位置に形成されていることを特徴とする請求項３に記載のサイクロン装置。
5. 前記気流導入セクションと前記コニカルセクションとの接続部の内径が、前記気流導入部の内径に対して５倍以上の値に設定されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のサイクロン装置。
6. 前記コニカルセクションにおける、前記気流導入セクション側とは反対側の端部の内径が、このコニカルセクションと前記気流導入セクションとの接続部の内径に対して１／６以上１／４以下の値に設定されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のサイクロン装置。

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