JP6626826B2 - サイクロン装置及び分級方法 - Google Patents

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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及び該サイクロン装置を用いて粉体を分級する分級方法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、粒子径が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及び該サイクロン装置を用いて粉体を分級する分級方法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、粉体が含まれた第一の流体を前記上部胴筒の内壁面に沿って導入する第一導入管と、前記第一導入管の上方において前記上部胴筒の前記天板の近傍に気密的に接続され、あらかじめ圧縮された第二の流体を導入する第二導入管と、前記サイクロン本体の鉛直中心軸に沿って前記天板の前記開口部に挿入され、前記サイクロン本体内から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部を備え、前記第二導入管は、複数配置され、前記第二の流体は、前記サイクロン本体の鉛直中心軸と直交する方向に沿う方向であって前記上部胴筒の内壁面の接線と平行な方向に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、前記第一導入管が、所定の曲率で屈曲する屈曲部を有することを特徴とする。
また、本発明のサイクロン装置は、前記第二導入管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、本発明の分級方法は、本発明のサイクロン装置を用いて粉体を分級する分級方法であって、前記第二の流体の圧力を調整することを特徴とする。
また、本発明の分級方法は、本発明のサイクロン装置を用いて粉体を分級する分級方法であって、前記第二の流体の流量を調整することを特徴とする。
本発明のサイクロン装置及び該サイクロン装置を用いて粉体を分級する分級方法によれば、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導入する圧縮空気の導入量とサイクロン収率の関係を示す図である。 実施の形態に係るサイクロン装置における第一導入管の屈曲の有無とサイクロン収率の関係を示す図である。
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り、図２は、サイクロン装置の内部構造を上方から視た図である。図１、２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、及び捕集部１２（図３参照）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及び上部胴筒部４ａの下端に一体的に気密結合された逆円錐形状の下部胴筒部４ｂを備えている。上部胴筒部４ａの頂部は、中央に開口部１４ａを有する円盤状の天板１４によって気密的に覆われ、下部胴筒部４ｂの下端には、捕集部１２によって捕集される粉体を排出するための開口部１６が形成されている。なお、「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。
第一導入管６は、所定の曲率を有する屈曲部７を備えたＬ字形状の曲管であり、一方の端部に粉体が含まれた第一の流体が導入される導入口６ａを備え、他方の端部に上部胴筒部４ａの側壁に接続される接続部６ｂを備えている。なお、ここでは屈曲部７が９０°屈曲している場合を例に説明するが、屈曲は必ずしも９０°に限定されない。
また、第一導入管６は、サイクロン本体４の鉛直中心軸１８と直交する平面内に位置し、上部胴筒部４ａの内壁面の接線と平行な方向に第一の流体を導入させることができるように配置されている。なお、第一導入管６の断面形状は、矩形状でもよく円形状でもよい。
第二導入管８は、第一導入管６よりも上方に三本配置され、それぞれ均等な間隔で上部胴筒部４ａの天板１４の近傍に気密的に接続されている。なお、第二導入管８は少なくとも１本配置されていればよく、２本以上配置される場合においてその配置間隔は必ずしも均等な間隔でなくてもよい。また、第二導入管８は、サイクロン本体４の鉛直中心軸１８と直交する平面内に位置し、上部胴筒部４ａの内壁面の接線と平行な方向であって、かつサイクロン本体４の鉛直中心軸１８と直交する方向、即ち、水平な方向に圧縮空気を導入させることができるように配置されている。
なお、第二導入管８は、上部胴筒部４ａの内壁面の接線に沿う方向であって、かつ鉛直中心軸１８と直交する方向に沿う方向に圧縮空気を導入させることができるように配置されていればよい。即ち、第二導入管８は、上部胴筒部４ａの内壁面の接線と平行な方向に完全に一致する方向や鉛直中心軸１８と直交する方向に完全に一致する方向に限らず、本発明の効果を奏する範囲内で圧縮空気を導入させることができるように配置されていればよい。
排気管１０は、鉛直中心軸１８に沿って天板１４の開口部１４ａに挿入され、下端部が上部胴筒部４ａの所定の位置に位置するように配置されている。
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３に示すサイクロンシステムの概略図を参照しながら説明する。なお、ここでは、原料粉体にシリカ粉を使用して実験を行った場合を例に説明する。ここで、実験は、サイクロン装置２に導入する圧縮空気の導入量を０（ＮＬ／ｍｉｎ）、１７０（ＮＬ／ｍｉｎ）、３５０（ＮＬ／ｍｉｎ）、５００（ＮＬ／ｍｉｎ）に変化させて行われたものである。
まず、サイクロンシステムの運転が開始された場合、ブロワ５２、コンプレッサ５４、及びコンプレッサ７４がそれぞれ駆動される。
ここで、ブロワ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の内壁面に沿って渦巻状の旋回流が発生する。
また、コンプレッサ５４が駆動されると、分級器７０に圧縮空気が送り込まれる。これにより、分級器７０内の内壁面に沿って旋回流が発生し、分級器７０に導入される原料粉体を分級することが可能となる。
また、コンプレッサ７４が駆動されると、圧縮空気が三本の第二導入管８からサイクロン本体４の内壁面の接線と平行な方向であって、かつ水平な方向に導入される。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の速度よりも速い速度である。これにより、サイクロン本体４内の旋回流の旋回速度が加速される。
次に、フィーダ９０によって原料粉体であるシリカ粉が分級器７０に供給される。ここで、分級器７０に供給されるシリカ粉の中位径Ｄ50は、１．１μｍであり、１ｋｇ／ｈの供給量で供給される。
分級器７０において分級されたシリカ粉は排出管７０ａから排出され、シリカ粉を空気中に含んだ第一の流体が、図２に示す導入口６ａから第一導入管６に導入される。ここで、第一の流体に含まれるシリカ粉の中位径Ｄ50は、０．５５μｍであり、４００ｇ／ｈの導入量で第一導入管６に導入される。
第一導入管６に導入された第一の流体は、第一導入管６内を直進した後、屈曲部７を通過する。ここで、第一の流体に含まれる粉体には遠心力が作用するため、粉体は屈曲部７の外周側に偏在する。屈曲部７を通過した第一の流体は、粉体がサイクロン本体４の鉛直中心軸１８から離れた位置に偏在したままの状態で第一導入管６を直進した後、サイクロン本体４内にサイクロン本体４の内壁面に沿って内壁面の接線と平行な方向であって、かつ水平な方向に導入される。
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、第二導入管８によって第一導入管６よりも上方に作られた旋回流に乗ってサイクロン本体４内を旋回しながら下降する。旋回流内の粉体は、旋回運動の遠心力によって旋回流から分離されることから、排気管１０から排出される粉体の量が低減される。なお、サイクロン装置２においては、粒径０．１μｍ〜２．０μｍ程度の微粒子が効果的に分離される。
旋回流から分離された粉体の一部は、凝集体としてサイクロン本体４の内壁面に付着し、内壁面に付着しなかった粉体が捕集部１２によって捕集された後に回収される。なお、内壁面に付着した粉体は、サイクロン本体４を分解することによって収集され、回収される。
なお、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９２によって捕集される。
図４は、サイクロン装置２に導入される圧縮空気の導入量とサイクロン収率（捕集部１２及びサイクロン本体４内から回収された粉体の重量／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）の関係を示す図である。ここで、図４において、横軸は圧縮空気導入量（ＮＬ／ｍｉｎ）、左縦軸はサイクロン収率（％）、右縦軸はサイクロン圧力損失（ｋＰａ）をそれぞれ示している。なお、図４は、第一導入管６からサイクロン本体４内に導入される第一の流体の導入量が０．９（Ｎｍ3／ｍｉｎ）である場合の結果を示している。
図４に示す実験結果によれば、圧縮空気の導入量が０（ＮＬ／ｍｉｎ）の場合（即ち、第二導入管８から圧縮空気を導入しない場合）、サイクロン収率が７６．３％である。
これに対し、圧縮空気の導入量を１７０（ＮＬ／ｍｉｎ）に増加させた場合には、サイクロン収率が７７．８％に上昇する。更に、圧縮空気の導入量を３５０（ＮＬ／ｍｉｎ）に増加させた場合には、サイクロン収率が８７．１％に上昇し、圧縮空気の導入量を５００（ＮＬ／ｍｉｎ）に増加させた場合には、９２．５％まで上昇する。
即ち、この実験結果によれば、圧縮空気を導入することでサイクロン収率が上昇することが示されている。なお、この実験結果によれば、圧縮空気の導入量を増加させた場合、圧力損失もまた上昇する。
この実施の形態に係るサイクロン装置２によれば、第二導入管８が第一導入管６よりも上方に配置されていることから、第一の流体により導入された粉体を加速された旋回流に的確に乗せることができる。したがって、微粒子を高い捕集効率で捕集し、高いサイクロン収率で回収することができる。
また、この実施の形態に係るサイクロン装置２によれば、圧縮空気を複数の第二導入管８からサイクロン本体４の内壁面の接線と平行な方向であって、かつ水平な方向に導入することにより、サイクロン本体４内の旋回流の旋回速度を効果的に加速させて旋回流の遠心力を増大させるため、高いサイクロン収率で第一の流体に含まれる粉体を回収することができる。
また、この実施の形態に係るサイクロン装置２によれば、捕集部１２に系外に捕集された粉体を排出する機能をもたせることで捕集された粉体を回収する度にサイクロンシステムの運転を停止させる必要がないため、サイクロンシステムを連続運転することができる。また、バグフィルタ９２の繊維等の不純物が混入することがないため、純度の高い微粒子を捕集することができる。
図５は、第一導入管６における屈曲部７の有無とサイクロン収率の関係を示す図である。ここで、図５の説明においては、屈曲部７を有しない第一導入管を無（直管）と表記し、屈曲部７を有する本実施の形態の第一導入管６を有（曲管）と表記する。なお、図５は、直管からサイクロン本体４内に導入される第一の流体の導入量、及び曲管からサイクロン本体４内に導入される第一の流体の導入量が何れも０．９（Ｎｍ3／ｍｉｎ）である場合の結果を示している。
図５において、（ａ）は、直管をサイクロン装置２に接続し、第二導入管８から圧縮空気を導入しない状態で直管から第一の流体をサイクロン本体４に導入した場合におけるサイクロン収率を示している。
また、（ｂ）は、曲管からサイクロン本体４に第一の流体を導入した場合におけるサイクロン収率を示している。
また、（ｃ）は、直管をサイクロン装置２に接続し、第二導入管８から５００（ＮＬ／ｍｉｎ）の導入量の圧縮空気をサイクロン本体４内に導入した状態で直管から第一の流体をサイクロン本体４内に導入した場合におけるサイクロン収率を示している。
また、（ｄ）は、第二導入管８から５００（ＮＬ／ｍｉｎ）の導入量で圧縮空気をサイクロン本体４内に導入した状態で曲管から第一の流体をサイクロン本体４に導入した場合におけるサイクロン収率を示している。
図５によれば、第二導入管８から圧縮空気を導入しない場合のサイクロン収率は、曲管を用いた場合の方が直管を用いた場合よりも高い。
また、第二導入管８から５００（ＮＬ／ｍｉｎ）の導入量でサイクロン本体４内に圧縮空気を導入した場合のサイクロン収率もまた、曲管を用いた場合の方が直管を用いた場合よりも高い。
即ち、本実施の形態に係るサイクロン装置２によれば、曲管を用いて粉体をサイクロン本体４の鉛直中心軸１８から離れた位置に偏在させた状態でサイクロン本体４内に導入することにより、直管を用いた場合に比べてサイクロン収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を用いて粉体を分級する分級方法によれば、第二導入管８から導入される圧縮空気の導入量を調整することにより、所望の分級径を得ることができ、サイクロン装置２を用いて捕集する粒子の大きさを制御することができる。
また、この実施の形態に係るサイクロン装置２を用いて粉体を分級する分級方法によれば、第二導入管８から導入される圧縮空気の圧力を調整することにより、所望の分級径を得ることができ、サイクロン装置２を用いて捕集する粒子の大きさを制御することができる。
なお、上述の実施の形態においては、第一の流体により導入される粉体の中位径Ｄ50が０．５５μｍである場合を例示しているが、本実施の形態に係るサイクロン装置２は、粒子径が０．１μｍ〜２．０μｍ程度の微粒子を捕集するのに適している。
また、上述の実施の形態において、第一導入管６は、必ずしも上部胴筒部４ａの内壁面の接線と平行な方向に第一の流体を導入することができるように配置されていなくてもよい。
また、上述の実施の形態において、原料粉体にはシリカ粉に代えて、他の金属粉体や無機粉体、有機粉体等を用いてもよい。

Claims (5)

  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、
    粉体が含まれた第一の流体を前記上部胴筒の内壁面に沿って導入する第一導入管と、
    前記第一導入管の上方において前記上部胴筒の前記天板の近傍に気密的に接続され、あらかじめ圧縮された第二の流体を導入する第二導入管と、
    前記サイクロン本体の鉛直中心軸に沿って前記天板の前記開口部に挿入され、前記サイクロン本体内から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部を備え、
    前記第二導入管は、複数配置され、
    前記第二の流体は、前記サイクロン本体の鉛直中心軸と直交する方向に沿う方向であって前記上部胴筒の内壁面の接線と平行な方向に導入されることを特徴とするサイクロン装置。
  2. 前記第一導入管は、所定の曲率で屈曲する屈曲部を有することを特徴とする請求項１記載のサイクロン装置。
  3. 前記第二導入管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. 請求項１〜３の何れか一項に記載のサイクロン装置を用いて粉体を分級する分級方法であって、
    前記第二の流体の圧力を調整することを特徴とする分級方法。
  5. 請求項１〜３の何れか一項に記載のサイクロン装置を用いて粉体を分級する分級方法であって、
    前記第二の流体の流量を調整することを特徴とする分級方法。
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