JP6721362B2

JP6721362B2 - サイクロン分離装置及び住宅換気用給気フード

Info

Publication number: JP6721362B2
Application number: JP2016041876A
Authority: JP
Inventors: 昌典松村
Original assignee: Kitami Institute of Technology NUC
Current assignee: Kitami Institute of Technology NUC
Priority date: 2016-03-04
Filing date: 2016-03-04
Publication date: 2020-07-15
Anticipated expiration: 2036-03-04
Also published as: JP2017154113A

Description

本発明は、空気中の異物を遠心分離するサイクロン分離装置及びこのサイクロン分離装置を用いた住宅換気用給気フードに関する。

本願出願人は、特許文献１において、従来の円錐状のサイクロン分離装置よりサイクロン筒体の軸方向長さを短縮し、小型化して設置性を向上させるとともに、高い分離性能と低い圧力損失を両立させたサイクロン分離装置を提案している。

特許文献１に記載のサイクロン分離装置は、軸方向の一端に吸気口を他端に排気口を設けたサイクロン室を有し、吸気口は、軸心近傍の所定領域にサイクロン室への吸気を遮る吸気遮断領域を設けることによりこの吸気遮断領域の周囲の環状領域として形成され、排気口は、吸気遮断領域と対面する軸心近傍の領域として形成されている。環状領域として形成された吸気口には、サイクロン室に渦流を流入させるための傾斜状の羽根部材が周方向に並ぶように配置され、吸気遮断領域は排気口の５０％以上の大きさに設定されているように構成されている。

これにより、環状の吸気口から渦流を導入し、サイクロン室の軸心付近には渦流を入れず、塵埃を分離するための側壁近傍に渦流を導入できることから、環状の吸気口から流入した渦流がサイクロン室の側壁に効果的に当って塵埃が効果的に分離される。しかも、従来の円錐状のサイクロン分離装置のようなサイクロン内筒を必要としないため、サイクロン筒体内で生じる摩擦損失も小さく、吸気口から流入した流れは軸方向に反転することなく軸に沿って一方向に流れて排出されるうえ、サイクロン室自体の軸方向長さを大幅に縮小できるため、圧力損失も大幅に減少する。このような構造により、サイクロン室自体の軸方向長さを大幅に縮小して小型化することができ、かつ塵埃の分離効率も高くて圧力損失も少ない。

特許第４７３４５７０号公報

しかしながら、上述した特許文献１に記載のサイクロン分離装置を用いたサイクロン式住宅換気用給気フードによると、風量８０〜１８０ｍ^３／ｈにおいて実用上必要な分離性能及び圧力損失性能を維持するためには、吸気口外周の直径（フィン直径）がおよそ１８０ｍｍ程度必要となる。この場合、塵埃溜まり部を含めると、住宅換気用給気フードの高さはおよそ３００ｍｍ以上とする必要がある。しかし住宅換気用の給気口は、住宅窓のすぐ上部に設けられることが多く、この場合、窓枠と給気口の距離は３００ｍｍよりもはるかに短く、上述のサイクロン式住宅換気用給気フードを設置することは難しかった。また、ユーザからは、住宅外観の美的観点から、より小さな給気フード（例えば、高さ２５０ｍｍ以下のサイクロン式住宅換気用給気フード）が要望されている。

また、上述した特許文献１に記載のサイクロン分離装置を小型化してこの大きさにすると、実用上必要な集塵性能や圧力損失を得ることが難しかった。図６は、市販のサイクロン式給気フードにおける、吸気口外径ｄ１と圧力損失係数及び集塵率との関係を示している。これら圧力損失係数及び集塵率の値は吸気口外径ｄ１を縮小する前の値で無次元化しているため、圧力損失係数は１より大きいと性能低下に、集塵率は１より小さいと性能低下を意味する。吸気口外径ｄ１を小さくしていくと、特に集塵率が大きく低下することがわかる。従って、小型化するためには、既存の市販品を単純に縮小するだけでは不十分である。

さらに、従来の円錐状のサイクロン分離装置及び特許文献１に記載のサイクロン分離装置において、塵埃と空気の流動状態は図７に示すように、サイクロン筒体内へ流入した直後の塵埃と空気の初速度の半径方向成分は、中心に向かう方向であることから塵埃も空気も当初は旋回しながら中心方向に向かって移動する。しかしその後、塵埃は外側に向かって働く遠心力によって、速度の半径方向成分は外側方向に反転し、ようやく遠心分離される。従って、遠心分離されるまで塵埃の移動距離が長く、分離に時間がかかり、集塵率が低下するという問題点があった。

従って本発明の目的は、小型化しても集塵性能や圧力損失性能の低下の少ないサイクロン分離装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、高さが小さいサイクロン式住宅換気用給気フードを提供することにある。

本発明によれば、サイクロン分離装置は、軸方向の一端に設けられた円形状の吸気口と軸方向の他端に設けられた円形状の排気口とを有する略円筒形状のサイクロン筒体と、吸気口の内側のサイクロン筒体内に設けられ、吸気口から軸方向に吸い込まれた空気を旋回させかつ軸中心付近から半径方向に向かう速度成分を持たせてサイクロン筒体内に流入させる気流案内部材とを備えている。気流案内部材は軸方向の吸気口側の一端が開口し、他端が閉止された円筒形状又は円錐台形状を有し、この気流案内部材の側壁には、側壁の周方向に沿って配置されそれぞれが軸方向に伸長する多数のスリット状開口と、これら多数のスリット状開口にそれぞれ隣接して配置され、吸い込まれた空気がサイクロン筒体内で旋回するように案内する多数の案内羽根とが形成されている。

略円筒形状のサイクロン筒体内に設けられた気流案内部材は、軸方向の吸気口側の一端が開口し、他端が閉止された円筒形状又は円錐台形状を有する気流案内部材の側壁の周方向に沿って配置されそれぞれが軸方向に伸長するスリット状の多数の開口と、多数の開口にそれぞれ隣接して配置され、吸い込まれた空気がサイクロン筒体内で旋回するように案内する多数の案内羽根とが形成されていることにより、吸気口から軸方向に吸い込まれた空気を旋回させかつ軸中心付近から半径方向に向かう速度成分を持たせてサイクロン筒体内に流入させることができる。また、気流案内部材により、吸気口の内側に窪んだ空間を形成する側壁の面積を大きくとることができるため、ここに形成された案内羽根の隙間間隔も大きくすることができ、小型化しても圧力損失の増大を防ぐことが可能となる。そのため、小型化しても集塵性能や圧力損失性能の低下の少ないサイクロン分離装置を得ることが可能となる。

気流案内部材の側壁の外側に設けられ、側壁と間隔をとって気流案内部材を覆うように配置された円筒部材をさらに備えていることが好ましい。これにより、空気を効率よく旋回させることができる。

多数の案内羽根は、気流案内部材の側壁の表面の法線方向に対して所定角度傾斜して配置されていることも好ましい。これにより、空気を効率よく外周に向かって流出しサイクロン筒体内で旋回させることができる。

本発明によれば、住宅換気用給気フードは、上述した本発明のサイクロン分離装置と、サイクロン分離装置のサイクロン筒体の下部に軸方向の全長にわたって設けられたスリット状の塵埃落下口とを備えている。

本発明のサイクロン分離装置によれば、吸気口から軸方向に吸い込まれた空気を旋回させかつ軸中心付近から半径方向に向かう速度成分を持たせてサイクロン筒体内に流入させることができる。また、気流案内部材により、吸気口の内側に窪んだ空間を形成する側壁の面積を大きくとることができるため、ここに形成された案内羽根の隙間間隔も大きくすることができ、小型化しても圧力損失の増大を防ぐことができ、塵埃等の分離が速く、分離性能が高くなり、その結果、小型化しても集塵性能や圧力損失性能の低下の少ないサイクロン分離装置を得ることができる。

本発明の一実施形態に係るサイクロン分離装置の構成を概略的に示す図である。図１のサイクロン分離装置の気流案内部材の構成を概略的に示す図である。図１のサイクロン分離装置における塵埃と空気の流動状態を概略的に示す図である。図１のサイクロン分離装置を用いた住宅換気用給気フードの構成を概略的に示す図である。図４の住宅換気用給気フードの実験結果を示す図である。従来のサイクロン分離装置の吸気口径を小さくした場合の性能変化を示す図である。従来のサイクロン分離装置における塵埃と空気の流動状態を概略的に示す図である。

図１は本発明の一実施形態に係るサイクロン分離装置１００の構成を概略的に示しており、同図（ａ）は吸気口１１側から見た図であり、（ｂ）は断面図である。図２は気流案内部材２０の構成を概略的に示しており、同図（ａ）は吸気側（大径側）から見た図であり、（ｂ）は側面図である。図３はサイクロン分離装置における塵埃と空気の流動状態を概略的に示しており、同図（ａ）は側面から見た状態であり、（ｂ）は吸気口１１側から見た図である。

本実施形態のサイクロン分離装置１００は、サイクロン筒体１０と、気流案内部材２０と、円筒部材３０とから主として構成されている。

サイクロン筒体１０は、軸方向の一端（空気流入端）の中央部に円形状の吸気口１１が設けられ、他端（空気排出端）の中央部に円形状の排気口１２が設けられた略円筒形状に形成されている。サイクロン筒体１０の側壁には塵埃落下口１３が設けられている。この塵埃落下口１３は、サイクロン分離装置１００をサイクロン筒体１０の軸が水平方向となるように設置した場合、サイクロン筒体１０の下側となる側壁に設けられている。また、排気口１２には、ダクト部材１４が連結されている。排気口１２の直径は吸気口１１の直径より小さくなるように構成されている。

気流案内部材２０は、吸気口１１の内側のサイクロン筒体１０内に窪んだ空間を形成するように設けられ、吸気口１１から軸方向に吸い込まれた空気を旋回させかつ軸中心付近から半径方向に向かう速度成分を持たせてサイクロン筒体１０内に流入させるように構成されている。この気流案内部材２０は、例えば、円錐台形状に形成され、その側壁には、側壁の周方向に沿って配置されそれぞれが軸方向に伸長する多数のスリット状開口２１が設けられていると共に、これら多数のスリット状開口２１にそれぞれ隣接して配置され、吸い込まれた空気がサイクロン筒体１０内で旋回するように案内する多数の案内羽根２２とが形成されている。これら多数の案内羽根２２は、円錐台形状の側壁の表面から立起するように構成されおり、気流案内部材２０の円錐台形状の側壁表面の法線方向に対して所定角度（例えば、４５度〜９０度）だけ傾斜するように配置されていることが望ましい。また、気流案内部材２０の軸方向の吸気口１１側の一端（大径端）は開口し、吸気口１１の内側に固着している。気流案内部材２０の他端（小径端）は閉止されている。図３に示すように、吸気口１１から軸方向に吸い込まれた空気が、気流案内部材２０の案内羽根２２によって旋回しながらスリット状開口２１を通って側壁外部へ流出するように構成されている。

円筒部材３０は、気流案内部材２０の側壁の外側に設けられ、この側壁と間隔をとって気流案内部材２０を覆うように配置されている。円筒部材３０の一端（先端）がサイクロン筒体１０の吸気口１１側の端板の内側に固着されており、他端（後端）は開口している。また、円筒部材３０の軸方向の長さは、気流案内部材２０のスリット状開口２１を有する部分より長く、即ち、円筒部材３０により気流案内部材２０のスリット状開口２１をカバーできるように構成されている。この円筒部材３０を設置することで、空気を効率よく旋回させることができる。

このように構成したサイクロン分離装置１００において、塵埃と空気は、図３に示すように流動する。即ち、吸気口１１から軸方向に吸い込まれた空気は、気流案内部材２０の案内羽根２２によって旋回しながらスリット状開口２１を通って側壁外部へ向かって流出し、その際に流入初速度の半径方向成分（図中矢印）が付与され、空気が旋回する際に塵埃に対して遠心力が発生する。この遠心力により塵埃がサイクロン筒体１０の内壁面に到達し分離されるようになっている。即ち、塵埃と空気は、サイクロン筒体１０内に流入した直後は両者とも軸中心付近から外側方向に移動しながらサイクロン筒体１０内で旋回するが、その後、空気はサイクロン筒体１０の後端面に設けられた排気口１２に向かうため、空気の半径方向速度は中心に向かう方向に反転する。しかし、塵埃はサイクロン筒体１０内に流入した直後から遠心力によってさらに外側方向に移動速度を強め、その結果、塵埃は短時間に遠心分離される。

図４は本発明のサイクロン分離装置１００を用いた住宅換気用給気フード２００の構成を概略的に示しており、同図（ａ）は正面から見た図であり、（ｂ）は断面図である。図５は住宅換気用給気フード２００の実験結果を示している。

図４に示すように、住宅換気用給気フード２００は、サイクロン分離装置１００を用いて、サイクロン筒体１０の下部に軸方向の全長にわたってスリット状の塵埃落下口１３が形成され、塵埃落下口１３から落下した塵埃を収容する塵埃収容室４０がサイクロン筒体１０の下部に設けられている。塵埃収容室４０の底面には塵埃を取り出すための取り出し口が設けられている（図示せず）。なお、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、サイクロン筒体１０の下部にスリット状の塵埃落下口１３のみを設けて、塵埃収容室４０を設けなくても良い。

住宅換気用給気フード２００の性能を評価するために、気流案内部材２０の寸法を、表１に示すように変化させて５つのモデルを作成した。表１において、Ｄ１は大径端の直径、Ｄ２は小径端の直径、ｈは気流案内部材２０の軸方向の長さ、Ｌはスリット状開口２１の気流案内部材２０の側壁面に沿った長さ、θは側壁の軸方向に対する角度（円錐台形状のモデル１、モデル３〜５において）である。モデル２は、気流案内部材２０が円筒形状であり、その案内羽根２２は側壁に軸方向と平行に配列されている（翼列型）。ただしこれらのモデルでは、円筒部材３０は設置していない。

図５は住宅換気用給気フード２００の実験結果を示している。同図（ａ）は圧力損失係数と開口２１の長さＬとの関係を示しており、（ｂ）は集塵率と開口２１の長さとの関係を示している。図５における「市販型」は特許文献１に記載のサイクロン分離装置を用いた住宅換気用給気フードである。

図５（ａ）に示すように、モデル１〜５において、圧力損失係数は開口２１の長さが長いほど小さくなる。寸法Ｄ１が小さいほど圧力損失係数が大きくなる。

また、図５（ｂ）に示すように、モデル４及び５において、開口２１の長さが２０〜５０ｍｍの範囲では、集塵率がほぼ変わらず、集塵率が従来（市販型）の住宅換気用給気フードとほぼ同じである。

従って、モデル５（本体高さ２５０ｍｍ）は、市販型を約１７％小型化したものと同等の大きさであり、その性能は、Ｌ＝５０ｍｍのとき集塵率ζ＝９５．５％、圧力損失係数η＝５．５となり、これらのモデルの中では最も良い性能が得られた。

以上説明したように本実施形態において、サイクロン分離装置１００は、サイクロン筒体１０と、気流案内部材２０と、円筒部材３０とを備えている。気流案内部材２０は、軸方向の吸気口側の一端が開口し、他端が閉止された円錐台形状に形成され、側壁に軸方向のスリット状開口２１が多数設けられたと共に、これらスリット状開口２１にそれぞれ隣接して配置され、空気を外周に向かって流出しサイクロン筒体１０内で旋回するように案内する案内羽根２２が多数側壁の周方向に並んで配置されていることで、吸気口１１から軸方向に吸い込まれた空気を旋回しながら軸中心付近から外側に向かう半径方向の速度成分を持たせてサイクロン筒体１０内に流入させることができ、また、吸気口１１の内側に窪んだ空間を形成する側壁面の面積が大きくとることができるため、ここに形成された案内羽根２２の隙間間隔も大きくすることができ、小型化しても圧力損失の増大を防ぐことができ、塵埃等の分離が速く、分離性能が高くなり、小型化しても集塵性能や圧力損失性能の低下が少ない。

また、気流案内部材２０の側壁の外側には、この側壁と間隔を開けて気流案内部材２０を覆うように配置された円筒部材３０をさらに備えていることで、空気を効率よく旋回させることができる。

また、案内羽根２２は、気流案内部材２０の円錐台形状の側壁表面の法線方向に対して所定角度だけ傾斜するように配置されていることで、空気を効率よく外周に向かって流出しサイクロン筒体１０内で旋回させることができる。

本発明の住宅換気用給気フード２００は、サイクロン分離装置１００を用いて、サイクロン筒体１０の下部に軸方向の全長にわたる塵埃落下口１３が形成され、塵埃落下口１３から落下した塵埃を収容する塵埃収容室４０がサイクロン筒体１０の下部に設けられていることで、塵埃収容室４０を含めて高さが２５０ｍｍ以下にすることが可能となり、小型化が実現でき、住宅窓のすぐ上部に設けることができる。

なお、上述した実施形態において、サイクロン分離装置１００の気流案内部材２０が円錐台形状に形成された例を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、円筒形状に形成しても良い。

また、上述した実施形態において、気流案内部材２０の案内羽根２２は、円錐台状の壁面の外表面から立起するように構成している例を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、円錐台形状の壁面の外表面及び内表面から両側へ立起するように構成するようにしても良い。

以上述べた実施形態は本発明を例示的に示すものであって限定的に示すものではなく、本発明は他の種々の変形態様及び変更態様で実施することができる。従って本発明の範囲は特許請求の範囲及びその均等範囲によってのみ規定されるものである。

本発明のサイクロン分離装置は、空気中の異物を遠心分離する住宅換気用給気フード等に利用できる。

１０サイクロン筒体
１１吸気口
１２排気口
１３塵埃落下口
２０気流案内部材
２１スリット状開口
２２案内羽根
３０円筒部材
４０塵埃収容室
１００サイクロン分離装置
２００住宅換気用給気フード

Claims

軸方向の一端に設けられた円形状の開口からなる吸気口と軸方向の他端に設けられた円形状の排気口とを有する略円筒形状のサイクロン筒体と、
前記吸気口の内側の前記サイクロン筒体内に設けられ、前記吸気口から軸方向に吸い込まれた空気を旋回させかつ軸中心付近から半径方向に向かう速度成分を持たせて前記サイクロン筒体内に流入させる気流案内部材とを備え、
前記サイクロン筒体の排気口の直径は吸気口の直径より小さくなるように構成され、
前記気流案内部材は軸方向の前記吸気口側の一端が開口し、他端が閉止された円筒形状又は円錐台形状を有し、該気流案内部材の側壁には、該側壁の周方向に沿って配置されそれぞれが軸方向に伸長する多数のスリット状開口と、該多数のスリット状開口にそれぞれ隣接して配置され、前記吸い込まれた空気が前記サイクロン筒体内で旋回するように案内する多数の案内羽根とが形成されていることを特徴とするサイクロン分離装置。
前記気流案内部材の前記側壁の外側に設けられ、該側壁と間隔をとって該気流案内部材を覆うように配置された円筒部材をさらに備え、
前記円筒部材は、一端が前記サイクロン筒体の吸気口側の端板の内側に固着されており、他端が開口しており、前記気流案内部材の多数のスリット状開口をカバーできるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のサイクロン分離装置。
前記気流案内部材は、円錐台形状であり、大径端は開口し、吸気口の内側に固着され、小径端は封止されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のサイクロン分離装置。
前記多数の案内羽根は、前記気流案内部材の前記側壁の表面の法線方向に対して所定角度傾斜して配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のサイクロン分離装置。
請求項１から４のいずれか１項に記載のサイクロン分離装置と、該サイクロン分離装置の前記サイクロン筒体の下部に軸方向の全長にわたって設けられたスリット状の塵埃落下口とを備えていることを特徴とする住宅換気用給気フード。