JP6349222B2 - サイクロン装置 - Google Patents

Description

本発明は、粉体を捕集するために用いられるサイクロン装置に関するものである。

従来、流体中の粉塵等を遠心力によって分離捕集するサイクロン式集塵装置が知られている（例えば、特許文献１）。このサイクロン式集塵装置によれば、除塵すべき流体をサイクロン室内で旋回運動させることにより、遠心力によって流体に含まれる粉体が流体から分離され捕集される。

特開平８−５２３８３号公報

しかしながら、上述のサイクロン式集塵装置においては、粒子径０．１μｍ〜２．０μｍ程度の微粒子を流体から効果的に分離することができず、微粒子の捕集効率を上げることが難しいという問題があった。

このため、微粒子を捕集する場合には、捕集する粒子径に合わせてフィルター濾布を選択することが可能なバグフィルターが用いられることが多かった。

本発明の目的は、高い捕集効率で微粒子を捕集することができるサイクロン装置を提供することである。

本発明のサイクロン装置は、円筒形状の上部胴筒と逆円錐形状の下部胴筒を有するサイクロン本体と、前記上部胴筒の上縁部を覆い中央部に開口部を有する天板と、円筒形状の側壁に形成され前記側壁の内壁面の接線方向に向かう貫通孔を有し、前記上部胴筒内の前記天板の近傍に交換可能に配置されるリングと、粉体が含まれた第一の流体を前記サイクロン本体の内壁面に沿って導入する第一導入管と、前記第一導入管よりも前記天板側に配置され、前記上部胴筒の内壁面と前記リングの外壁面との間に形成された円環状の空間部に対して第二の流体を導入する第二導入管と、前記上部胴筒の鉛直中心軸に沿って前記開口部に挿入され、前記サイクロン本体内に発生した排気流を上昇させて前記サイクロン本体から排出する排気管と、前記サイクロン本体内において前記第一の流体、及び前記リングに形成された前記貫通孔を介して前記サイクロン本体内に導入された前記第二の流体の旋回運動により分離された粉体を捕集する捕集箱とを備え、前記貫通孔は、前記上部胴筒の鉛直中心軸と直交する平面に対して俯角をもって形成されることを特徴とする。

また、本発明のサイクロン装置は、前記俯角が、１０°〜４５°の角度であることを特徴とする。

また、本発明のサイクロン装置は、前記貫通孔から導入される前記第二の流体が、前記第一導入管から導入される前記第一の流体よりも速い速度で導入されることを特徴とする。

また、本発明のサイクロン装置は、前記貫通孔が、複数形成されていることを特徴とする。

また、本発明のサイクロン装置は、前記第一の流体に空気が用いられ、前記第二の流体に圧縮空気が用いられることを特徴とする。

また、本発明のサイクロン装置は、前記リングが、前記貫通孔の数、及び前記貫通孔の前記俯角の角度の少なくとも一方が異なるリングと交換可能であることを特徴とする。

また、本発明のサイクロン装置は、前記第一の流体を導入する前記第一導入管の内壁開口部の開口率を変化させることができることを特徴とする。

本発明のサイクロン装置によれば、高い捕集効率で微粒子を捕集することができる。

実施の形態に係るサイクロン装置の内部構造を側方から視た図である。 実施の形態に係るサイクロン装置の上部胴筒部の内部構造を上方から視た図である。 実施の形態に係るサイクロン装置に備えられるリングを示す斜視図である。 実施の形態に係るサイクロンシステムを示す概略図である。 実施の形態に係るサイクロン装置に備えられるリングに形成された貫通孔の水平面に対する角度、孔径、及び孔数を示す表である。 実施の形態に係るサイクロン装置において貫通孔の水平面に対する角度が異なるリングを用いた実験結果を示す図である。 実施の形態に係るサイクロン装置において貫通孔の水平面に対する角度が異なるリングを用いた実験結果を示す図である。 実施の形態に係るサイクロン装置において貫通孔の水平面に対する角度が異なるリングを用いた実験結果であり、図７と開口率が異なる条件のものを示す図である。 実施の形態に係るサイクロン装置において貫通孔の孔数が異なるリングを用いた実験結果を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態に係るサイクロン装置について説明する。図１は、サイクロン装置の内部構造を側方から視た図である。図１に示すように、サイクロン装置２は、サイクロン本体４、第一導入管６、第二導入管８、排気管１０、及び捕集箱１２を備えている。

ここで、サイクロン本体４は、円筒形状の上部胴筒部４ａ、上部胴筒部４ａよりも円筒径の小さい中部胴筒部４ｂ、及び逆円錐形状の下部胴筒部４ｃの三つの胴筒部によって構成されている。

上部胴筒部４ａは、円筒形状の側壁部１６を備え、上部胴筒部４ａの頂部は、中央に開口部２２ａが形成された円盤状の天板２２によって気密的に覆われている。ここで、「気密」とは、外部から気体が流入せず、かつ内部から気体が漏れないように密封された状態を意味する。上部胴筒部４ａ内には、リング１８が天板２２の近傍に交換可能に配置され、上部胴筒部４ａの内壁面とリング１８の外壁面との間に円環状の空間部２０が形成されている。また、側壁部１６とリング１８は後述するフランジ４ｇ上に配置され、空間部２０の下部はフランジ４ｇによって気密的に閉塞されている。

中部胴筒部４ｂは、上部胴筒部４ａの下部に配置され、円筒形状の側壁部４ｆ、及び側壁部４ｆの上端部から外側に向けて延びる円環状のフランジ４ｇを備えている。また、下部胴筒部４ｃは、中部胴筒部４ｂの下端に気密結合されており、下部胴筒部４ｃの下端には、捕集箱１２によって捕集される粉体を排出するための開口部４ｊが形成されている。

第一導入管６は、側壁部４ｆの上部に形成された矩形状の内壁開口部６ａに接続され、内壁開口部６ａには、開口比（後述する第一の流体を通過させることが可能な面積／全開させた場合の内壁開口部６ａの面積）を調整可能な調節装置１７（図２参照）が設けられている。

第二導入管８は、側壁部１６に形成された孔部８ａに接続されている。ここで、第二導入管８は、第一導入管６よりも天板２２側に位置している。また、排出管１０は、上部胴筒部４ａの鉛直中心軸Ｘに沿って開口部２２ａに挿入され、排出管１０の下端は中部胴筒部４ｂ内の所定の位置に位置している。

図２は、上部胴筒部４ａの内部構造を上方から視た図である。図２に示すように、上部胴筒部４ａの側壁部１６の内壁面とリング１８の外壁面との間に形成されている空間部２０には、孔部８ａから送り込まれた圧縮空気が導入される。また、第一導入管６と第二導入管８は、排気管１０に対して回転対称になる位置に配置されている。

図３は、上部胴筒部４ａに配置されるリング１８を示す斜視図である。図３に示すように、リング１８の側壁には、側壁を貫通する貫通孔１８ａが形成されている。ここで、貫通孔１８ａは、上部胴筒部４ａの鉛直中心軸Ｘと直交する水平面Ｙに対する角度θが俯角となるように形成されている。なお、角度θは、１０°〜４５°の間で選択される。また、貫通孔１８ａは、リング１８の側壁に４ケ所所定の間隔で形成されている。また、貫通孔１８ａの貫通方向は、第一導入管６から導入される第一の流体の向きと同一方向となるように、リング１８の内壁面に対して略接線方向となるように形成されるのが好ましい。

次に、サイクロン装置２を用いて粉体を捕集する処理について、図４に示すサイクロンシステムの概略図を参照して説明する。ここで、実験は、図５に示すように、貫通孔１８ａの水平面Ｙ（図３参照）に対する角度θ＝０°のリング１８、角度θ＝１０°のリング１８、角度θ＝２０°のリング１８、角度θ＝３０°のリング１８を用意し、これらのリング１８を交換することにより、貫通孔１８ａの角度θを変化させて行なったものである。また、実験に使用されたリング１８は、すべて孔径４ｍｍの貫通口１８ａを４ケ所に備えている。なお、実験には、原料粉体としてＪＩＳ Ｚ ８９０１「試験用粉体及び試験用粒子」によるＪＩＳ試験用粉体１ １１種 関東ローム（焼成品）（以下「関東ロームＪＩＳ１１」と呼ぶ）を用いた。

まず、サイクロンシステムの運転が開始された場合、ブロアー５２、コンプレッサ５３、及びコンプレッサ５４がそれぞれ駆動される。

ブロアー５２が駆動されると、排気管１０を介してサイクロン本体４内部の気体が吸引される。この吸引により、サイクロン本体４の内壁面に沿って旋回する旋回流が発生する。

また、コンプレッサ５３が駆動されると、分散器５８に空気が送り込まれる。これにより、分散器５８内の内壁面に沿って旋回流が発生し、分散器５８に導入される原料粉体を分散させることが可能となる。また、コンプレッサ５４が駆動されると、第二導入管８から空間部２０に圧縮空気が導入される。

第二導入管８から空間部２０に圧縮空気が導入されると、空間部２０に導入された圧縮空気は更に貫通孔１８ａを通過し、リング１８の内壁面の接線方向に沿って俯角方向に向けてサイクロン本体４内に導入される。なお、サイクロン本体４内に導入される圧縮空気の速度は、第一導入管６から導入される第一の流体よりも速い速度である。これにより、サイクロン本体４内を旋回する旋回流の旋回速度が加速される。

次に、フィーダ５６によって原料粉体である関東ロームＪＩＳ１１が分散器５８に供給される。分散器５８において分散された関東ロームＪＩＳ１１は、分散器５８から排出され、関東ロームＪＩＳ１１を空気中に含んだ第一の流体が第一導入管６に導入される。第一の流体は、第一導入管６からサイクロン本体４内に、サイクロン本体４の内壁面に沿って導入される。

次に、第一の流体によってサイクロン本体４内に導入された粉体は、旋回流によりサイクロン本体４内を旋回しながら下降し、旋回流内の粉体が旋回運動の遠心力によって旋回流から分離される。なお、旋回流の旋回速度は、俯角方向に導入された圧縮空気によって加速されているため、粒径０．１μｍ〜２．０μｍ程度の微粒子が旋回流から効果的に分離される。

旋回流から分離された粉体は捕集箱１２によって捕集され、旋回流から分離されなかった微粒子は、排気流と共にサイクロン本体４内から上昇して排気管１０から排出された後、バグフィルタ６０によって捕集される。

図６は、貫通孔１８ａの角度θを変化させて実験を行った場合におけるサイクロン装置２の部分分級効率Δηを示す図である。ここで、図６は、排気管１０を通過する排気流の総流量をＱｔ＝５００Ｌ／ｍｉｎ、第二導入管８を通過する圧縮空気の流量をｑ＝２００Ｌ／ｍｉｎ、第一導入管６の開口比をＧ＝１．０（開口率１００％）とした場合の実験結果を示している。

図６の実験結果によれば、角度θ＝１０°、２０°、３０°のリング１８を用いた場合の部分分級効率Δη、及び捕集率Ｅ（捕集箱１２によって捕集された粉体の重量／サイクロン本体４内に導入された第一の流体に含まれる粉体の重量）は、角度θ＝０°のリング１８を用いた場合の部分分級効率Δη、及び捕集率Ｅよりも高い。

即ち、貫通口１８ａが俯角をもって形成されたリング１８を用いた場合の部分分級効率Δη、及び捕集率Ｅは、貫通口１８ａが水平に形成されたリング１８を用いた場合の部分分級効率Δη、及び捕集率Ｅよりも高い。

また、図７は、上述の実験において、排気管１０を通過する排気流の総流量をＱｔ＝８００Ｌ／ｍｉｎ、第二導入管８を通過する圧縮空気の流量をｑ＝２００Ｌ／ｍｉｎ、第一導入管６の開口比をＧ＝１．０（開口率１００％）とした場合の実験結果を示す図である。図７の実験結果によれば、角度θ＝２０°のリング１８を用いた場合の部分分級効率Δη、及び捕集率Ｅは、角度θ＝０°のリング１８を用いた場合よりも高い。

図８は、上述の実験において、排気管１０を通過する排気流の総流量をＱｔ＝８００Ｌ／ｍｉｎ、第二導入管８を通過する圧縮空気の流量をｑ＝２００Ｌ／ｍｉｎ、第一導入管６の開口比をＧ＝０．６（開口率６０％）とした場合の実験結果を示す図である。図８の実験結果によれば、角度θ＝２０°のリング１８を用いた場合の部分分級効率Δη、及び捕集率Ｅは、角度θ＝０°のリング１８を用いた場合よりも高い。

この実施の形態に係るサイクロン装置２によれば、リング１８を交換して貫通孔１８ａの水平面Ｙに対する角度θを最適な俯角に設定することにより、高い捕集効率で微粒子を捕集することができる。また、第一導入管６の開口比Ｇや排気管１０を通過する排気流の総流量Ｑｔを変化させることにより、微粒子の捕集効率を向上させることができる。

また、この実施の形態に係るサイクロン装置２によれば、貫通孔１８ａからサイクロン本体４の内壁面に沿って圧縮空気を俯角方向に導入し、旋回流の旋回速度を加速することにより、旋回流からの微粒子の部分分級効率を向上させることができる。これにより、旋回流に含まれる粉体を高い捕集率で捕集することができる。

なお、上述の実施の形態において、リング１８に形成される貫通孔１８ａの数は必ずしも４ケ所に限定されない。例えば、貫通孔１８ａが４ケ所に形成されたリング１８に代えて、貫通孔１８ａが１ケ所に形成されたリング１８を上部胴筒部４ａに配置してもよく、貫通孔１８ａが２ケ所に形成されたリング１８を上部胴筒部４ａに配置してもよく、必要に応じて必要な孔数の貫通孔を配置できる。

ここで、図９は、貫通孔１８ａの孔数ｎが異なるリング１８を用いた実験結果を示す図である。図９によれば、貫通孔１８ａが２ケ所に形成されたリング１８（ｎ＝２）を用いた場合の部分分級効率Δη、及び捕集率Ｅは、貫通孔１８ａが１ケ所に形成されたリング１８（ｎ＝１）を用いた場合の部分分級効率Δη、及び捕集率Ｅよりも高い。更に、貫通孔１８ａが４ケ所に形成されたリング１８（ｎ＝４）を用いた場合の部分分級効率Δη、及び捕集率Ｅは、リング１８（ｎ＝２）を用いた場合の部分分級効率Δη、及び捕集率Ｅよりも高い。即ち、図９によれば、貫通孔１８ａの孔数ｎが多くなる程部分分級効率Δη、及び捕集率Ｅが高くなる傾向が示される。

また、上述の実施の形態においては、貫通孔１８ａが円形断面を有する場合を例に説明しているが、貫通孔１８ａの断面形状は矩形状であってもよい。

また、上述の実施の形態において、第一導入管６と第二導入管８は、必ずしも排気管１０に対して回転対称になる位置に配置されなくてもよい。

２…サイクロン装置、４…サイクロン本体、４ａ…上部胴筒部、４ｂ…中部胴筒部、４ｃ…下部胴筒部、６…第一導入管、８…第二導入管、１０…排気管、１２…捕集箱、１６…側壁部、１７…調節装置、１８…リング、１８ａ…貫通孔、２０…空間部、２２…天板、２２ａ…開口部

Claims (7)

1. 円筒形状の上部胴筒と逆円錐形状の下部胴筒を有するサイクロン本体と、
   前記上部胴筒の上縁部を覆い中央部に開口部を有する天板と、
   円筒形状の側壁に形成され前記側壁の内壁面の接線方向に向かう貫通孔を有し、前記上部胴筒内の前記天板の近傍に交換可能に配置されるリングと、
   粉体が含まれた第一の流体を前記サイクロン本体の内壁面に沿って導入する第一導入管と、
   前記第一導入管よりも前記天板側に配置され、前記上部胴筒の内壁面と前記リングの外壁面との間に形成された円環状の空間部に対して第二の流体を導入する第二導入管と、
   前記上部胴筒の鉛直中心軸に沿って前記開口部に挿入され、前記サイクロン本体内に発生した排気流を上昇させて前記サイクロン本体から排出する排気管と、
   前記サイクロン本体内において前記第一の流体、及び前記リングに形成された前記貫通孔を介して前記サイクロン本体内に導入された前記第二の流体の旋回運動により分離された粉体を捕集する捕集箱と
   を備え、
   前記貫通孔は、前記上部胴筒の鉛直中心軸と直交する平面に対して俯角をもって形成されることを特徴とするサイクロン装置。
2. 前記俯角は、１０°〜４５°の角度であることを特徴とする請求項１記載のサイクロン装置。
3. 前記貫通孔から導入される前記第二の流体は、前記第一導入管から導入される前記第一の流体よりも速い速度で導入されることを特徴とする請求項１または２に記載のサイクロン装置。
4. 前記貫通孔は、複数形成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のサイクロン装置。
5. 前記第一の流体には空気が用いられ、前記第二の流体には圧縮空気が用いられることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載のサイクロン装置。
6. 前記リングは、前記貫通孔の数、及び前記貫通孔の前記俯角の角度の少なくとも一方が異なるリングと交換可能であることを特徴とする請求項４記載のサイクロン装置。
7. 前記第一の流体を導入する前記第一導入管の内壁開口部の開口率を変化させることができることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載のサイクロン装置。