JP6906135B2 - サイクロン分離装置 - Google Patents

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Description

本発明は、空気中に含まれる異物を、遠心力を用いて分離するサイクロン分離装置に関するものである。
従来、この種のサイクロン分離装置は、例えば特許文献1のものが知られている。
以下、そのサイクロン分離装置について図7を参照しながら説明する。
図7に示すように、流入口101、旋回室102、内筒管103、内筒管先端104、堆積部105から構成される。異物を含んだ空気は、流入口101から装置内へ流入し、旋回気流となって旋回室102内を流れる際に、遠心力により外周側へ分離され、異物は堆積部105に堆積し、空気は内筒管先端104から内筒管103へ流入し装置外へ流出する。
特開2000−128591号公報
このような従来のサイクロン分離装置においては、内筒管の外側と内側で旋回気流の進行方向が反転しており、内筒管先端付近で空気の乱れが大きくなり、圧力損失が大きくなっていた。先行技術文献では、圧力損失を低減するために、内筒管先端付近の内筒管外周面側にツバ状リングを備えたり、内筒管先端の端部に内筒管の外壁周方向に沿って断面が円形状となるリングを備えたりすることで、旋回気流の進行方向を内筒管の外側と内側で反転さる場合の端部における空気の乱れを抑制し、圧力損失を低減していた。
しかし、実際にサイクロン装置を試作して確認してみると、気流の乱れは端部にとどまらず内筒管の内側にも及ぶことが明らかになった。
そこで本発明は、装置を大型化することなく、異物の分離性能を低下させずに、圧力損失をさらに低減することができるサイクロン分離装置を提供することを目的とする。
そして、この目的を達成するために、本発明に係るサイクロン分離装置は、筐体の側面から空気を流入させ、旋回気流を発生させることができる流入口と、前記流入口に近い側
の底面に設けて空気を前記筐体の外へ流出させる流出口と、前記筐体の内部を空間分割板によって仕切り形成し、前記空間分割板に設けた貫通孔によって互いに連通させた旋回室と分離室と、先端を空気が流入する内筒管先端口とした内筒管と、前記筐体に設けた前記分離室内部と筐体外とを連通させる排出口とを備え、前記流出口から前記旋回室内へ延設した前記内筒管の前記内筒管先端で、前記流入口から流入した旋回気流の進行方向を前記内筒管の外側と内側で反転させるサイクロン分離装置であって、前記内筒管の断面積は、軸方向で変化しており、前記内筒管の全長の中間位置よりも前記内筒管先端口側で最小となるようにし、かつ、前記内筒管の最小断面積の位置から前記内筒管先端口に向かって、徐々に大きくなるようにし、前記内筒管先端口の円筒壁端部である内筒管先端部は、前記内筒管の外側へ向けて丸く膨らんだR形状を備え、前記内筒管の外側で前記R形状の表面に、全周に渡って溝を形成したものであり、これにより所期の目的を達成するものである。
本発明によれば、置を大型化することなく、異物の分離性能を低下させずに、圧力損失を低減させることができるという効果を得ることができる。
本発明の実施の形態1のサイクロン分離装置を正面側から見た外観斜視図 同裏側から見た外観斜視図 同中心軸に沿った断面図 同内筒管の断面図 本発明の実施の形態1の気流変換部材の外観斜視図 従来の内筒管での気流の流れを示した図 従来のサイクロン分離装置を示す断面図
本発明に係るサイクロン分離装置は、筐体の側面から空気を流入させ、旋回気流を発生させることができる流入口と、前記流入口に近い側の底面に設けて空気を前記筐体の外へ流出させる流出口と、前記筐体の内部を空間分割板によって仕切り形成し、前記空間分割板に設けた貫通孔によって互いに連通させた旋回室と分離室と、先端を空気が流入する内筒管先端口とした内筒管と、前記筐体に設けた前記分離室内部と筐体外とを連通させる排出口とを備え、前記流出口から前記旋回室内へ延設した前記内筒管の前記内筒管先端で、前記流入口から流入した旋回気流の進行方向を前記内筒管の外側と内側で反転させるサイクロン分離装置であって、前記内筒管の断面積は、軸方向で変化しており、前記内筒管の全長の中間位置よりも前記内筒管先端口側で最小となるようにし、かつ、前記内筒管の最小断面積の位置から前記内筒管先端口に向かって、徐々に大きくなるようにしたという構成を有する。
これにより、内筒管先端口の端部を発端として下流側へ向かって発生する空気の剥離現象を抑制することができ、内筒管先端口から下流側へ流れる空気のエネルギー損失を抑制することができるため、装置の圧力損失を低減することができる。
また、本発明に係るサイクロン分離装置は、前記内筒管先端口の円筒壁端部である内筒管先端部は、前記内筒管の外側へ向けて丸く膨らんだR形状を備え、前記内筒管の内側面から外側面まで前記R形状に沿って連続して円弧で繋がっているという構成を有する。
これにより、内筒管の外側と内側で旋回気流の方向が異なっていても、内筒管先端部で発生する空気の剥離を抑制することができ、内筒管へ流入しようとする空気のエネルギー損失を抑制することができるため、装置の圧力損失を低減することができる。
また、本発明に係るサイクロン分離装置は、前記内筒管先端口の円筒壁端部である内筒管先端部は、前記内筒管の外側へ向けて丸く膨らんだR形状を備え、前記内筒管の外側で前記R形状の表面に、全周に渡って溝を形成したという構成を有する。
これにより、圧力損失を増大させずに、流入口から侵入した水滴が、内筒管外側表面を伝って水滴が内筒管内側へ流入することを抑制することができる。R形状部分を水滴が伝わる時に溝部分にトラップされ、重力により下方へ移動し、溝部分の最下部から下方へ落下するため、内筒管内側へ流入することを抑制することができる。
また、本発明に係るサイクロン分離装置は、前記内筒管先端口の直径をφin、前記内筒管の最小断面積部分の直径をφmin、前記内筒管で前記流出口側端部の直径をφoutとした場合、φin>φout>φminの関係にあり、φmin=(0.75〜0.85)×φinであるという構成を有する。
これにより、圧力損失を低減する内筒管の最適形状を決定することができ、最大限に圧力損失を低減することができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
(実施の形態1)
本実施の形態は、屋外の空気を住宅に取り込む際に、住宅外壁の空気の取り入れ口である給気口にとりつける換気口フード1に、本発明のサイクロン分離装置を適用した形態である。住宅内には送風機を設置し、換気ダクトを用いて送風機と給気口を接続し、換気口フード1を通過した空気を室内へ供給する。
図1は換気口フード1の正面側で、住宅外壁に取り付けた場合、屋外側から見える図である。中心軸26は水平である。図2は換気口フード1の裏側で、住宅の外壁側から見た場合の図である。図3は換気口フード1の断面図で、点線で記した接続管18を用いて、住宅外壁内に埋め込まれた換気ダクトと接続する。
次に換気口フード1の外観構成について説明する。
換気口フード1は、図1に示す筐体の正面側のカバー2と、図2に示す筐体の底面である裏側のベース板3とで構成され、筐体の側面側にカバー2の上部と下部を突出させ、カバー2の円形形状に沿って湾曲させた突出板4を備えている。
カバー2は、中心軸26の周りを回転させてできる回転体形状であり、正面側に突出したドーム形状である。なお、カバー2の形状は、ドーム形状に限らず円筒形状であってもよい。
カバー2とベース板3は、突出板4を介して接続されている。これにより、カバー2とベース板3との間に隙間を設けて流入口6を形成している。流入口6は、換気口フード1の側面でベース板3に接するように構成され、360度に渡って流入口6であるが、突出板4部分は空気が流入しない。
そして流入口6には、流入空気が旋回するように、中心軸26に向けて斜めに配置した固定羽根5を複数設けている。
図1に示すように、カバー2の下部に位置する部分には、排出口7を備える。
また図2に示すように、ベース板3は中央部に円形の開口を備え、ここが空気の流出口8となる。
次に図3を用いて換気口フード1内部の構成を説明する。
カバー2の内側は、空間分割板9によって旋回室10と分離室11に区切られている。分離室11は円環状で旋回室10を取り囲む構成である。空間分割板9には貫通孔12を備え、貫通孔12を介して旋回室10と分離室11が空間的につながっている。
ベース板3の流出口8から旋回室10内へ延設するように内筒管13を備え、旋回室10内の空気が流入する内筒管13の内筒管先端口13aは図3の断面図において、空間分割板9と重なる位置まで延設している。
そして、旋回室10内で内筒管13と対向する位置には、気流変換部材14を備え、その周囲にはリング部材15を備える。
流出口8は円形状で、その中心は中心軸26と重なる。
空間分割板9は流入口6の端部つまり固定羽根5の端部からカバー2の正面側に向かって、旋回室10の断面積(中心軸26と垂直面)が小さくなるように傾斜しており、空間分割板9とカバー2の隙間に出来た空間が分離室11である。
排出口7は中心軸26が水平状態において、重力方向下部に位置するようにカバー2側面に開口させ、中心軸26方向に長い長方形状の開口で、屋外と分離室11が空間的に接続される。
接続管18はベース板3に固定され流出口8のサイズと概同サイズの円筒形状で、中心軸26上に備える。
内筒管13は円筒形状で、図4はそれを軸方向に切断した断面図であるが、軸方向に垂直に切った断面積はその軸方向で変化している形状である。流出口8と重なる部分は流出口8と同じサイズの断面となり、この部分、すなわち流出口の直径をφoutとする。断面積が最小となる位置の直径、すなわち最小直径をφmin、内筒管13に最初に空気が流入する入り口である内筒管先端口13aの直径、すなわち流入口の直径をφinとする。
最小直径φminの軸方向位置は、内筒管13全体の長さ(軸方向)の中間位置と内筒管先端口13aとの間に位置している。また、流入口の直径φinは最も大きく、φin>φout>φminの関係である。
内筒管先端口13aを形成する円筒壁端部19は、内筒管13の外側が丸く膨らんだR形状部20となっており、内筒管13の内周面23から滑らかに連続した円弧で繋がっている。
R形状部20の表面から中心軸26に向かって360度に渡って溝21を形成している。溝21の幅は、その深さの1/3〜1/5である。
本実施の形態では、内筒管13をベース板3に取り付けるため、内筒管13のφout部にベース板3固定のためのフランジ22を備えている。
気流変換部材14は図5に示すように、カバー2側は円筒形状の円筒部材16で構成され、円筒部材16には内筒管13側を頂点とする円錐形状を有し、前記円錐形状の外周に円弧羽根17が4枚円形状に均等配置されたものである。
次に、分離機構について説明する。
異物を含んだ屋外空気は、流入口6より換気口フード1内に流入し、固定羽根5により旋回気流となり、換気口フード1の正面側へ向かいながら旋回室10内を旋回する。ここで、異物は遠心力により空間分割板9側に移動し、貫通孔12付近を通過する際に分離室11へ移動する。異物を分離した空気は、内筒管先端口13aから内筒管13に流入し、流出口8より装置外へ流出する。つまり、内筒管先端口13aで、流入口6から流入した旋回気流の進行方向を内筒管13の外側と内側で反転させることとなる。
分離室11に移動した異物は、一旦、分離室11内に貯留される。送風機により換気口フード1内は負圧となっているため、排出口7から分離室11内に空気が流入する。その流入した空気は、貫通孔12を通り、旋回室10へ流入し、旋回室10内の旋回気流と合流する。
なお、排出口7の屋外側で、自然風が吹くと、排出口7部の屋外側で静圧が下がり、分離室11側の静圧よりも低くなったときに、分離されている異物が屋外へ引っ張り出される。これにより、異物が自動的に屋外へ排出されるため、分離室11内に異物が貯まり続けることがなく、貯留物を除去するメンテナンスを不要とすることができる。
次に、図6は従来の内筒管13で軸方向の断面積が変わらない単なる円筒形状であった場合の断面図を表している。白矢印は気流の流れ方向を表しており、黒矢印は気流のベクトルを示している。また黒矢印の内側で黒線は気流の流れ方向を示す線(流線)である。
図6の形状の場合、気流を流すと、黒矢印で示したように、内筒管13外側の気流が進行方向を変化させながら内筒管先端口13aから流入する。この際、内筒管先端口13aの円筒壁端部19を発端として、流線で示したような渦流が発生する。これにより気流の流れが阻害され、圧力損失が増加する原因となっていた。
そこで、この渦流の外面に沿って若干小さめに壁面を設けたのが、本発明の図4の形状となる。渦流の厚みが最大となる部分は内筒管先端口13aと内筒管13長さの中間位置との間となり、渦流の厚みの最大部分に対応させた内筒管13の最小断面積部分、すなわち最小直径φminなる部分を備えている。
最小直径φminは内筒管先端口13aと内筒管13長さの中間位置に設けている。最小直径φminは、φmin=(0.77〜0.87)×φinが望ましい。本実施の形態では、φmin=0.82×φinである。
最小直径φminは、流入口の直径の0.77倍より小さいと空気の通過面積が小さくなるため、通気抵抗が上がり、圧力損失が増加してしまう。また、流入口の直径の0.87倍より大きいと円筒管端部から生じる渦流を完全に消失させることができず、圧力損失を十分に低減することができない。なお、最小直径φminを流入口の直径の0.77〜0.82倍とすることで渦流の外面に沿って若干小さめに壁面を設けることとなり、壁面における気流の誘引効果により、気流が本来の進行方向に流れる有効領域を拡大することができ、その結果通気抵抗が減り、圧力損失を低減することができる。
最小断面積部分を通過した後は、流速を下げるために、気流を乱さないよう徐々に断面積を広げていき、流出口8と同じサイズにまで広げて流出口の直径φoutとしている。
さらに、内筒管先端口13aに丸みを持たせながら外広がりとしたR形状とし、内筒管13の内周面23から連続した曲面でつながり、内筒管13の外周面24までつながっている。そしてR形状部20の最大直径部25に表面から中心軸26へ向かって、全周に渡って溝21を備えている。このような円筒壁端部19とすることで、内筒管13の外周面24を流れる気流の剥離現象の発生を抑制しつつ、R形状に沿ってスムーズに気流の向きを変えることができるため、内筒管13へ流入する際の流入損失を低減でき、圧力損失を低減することができる。
R形状部20の溝21の幅は前述したようにその深さに対して1/3〜1/5と狭く、気流に影響を与えないので、溝21による圧力損失の増加はない。
この溝21は、流入口6から侵入した水滴が内筒管13外周面24を伝って内筒管13内に流入するのを防ぐためのものである。
このように、本発明の内筒管13形状は、内筒管先端口13aのR形状によって、内筒管13へ流入する際の流入損失を低減でき、また内筒管13の断面積を縮小することで、内筒管13端部から発生する渦流の影響を消失させ、その後ゆるやかに断面積を広げて流速を減少させる、これら3つの効果で圧力損失を大幅に低減することが可能となり、また圧力損失を上昇させずに、水滴の侵入も防止することもできる。
なお、先行文献(特開2000−128591号公報)では、流入損失のみの低減であるため、圧力損失の低減効果は限定的である。
また、内筒管先端口13aを空間分割板9と重なる位置にまで延設させることにより、流入口6から侵入した水滴が内筒管先端口13aから直接侵入することを防ぐことができる。
また、本発明の内筒管13の構造は、異物の分離に影響を与えることがないので、分離性能を維持したまま圧力損失を低減することができる。
気流変換部材14は、旋回気流を円弧羽根17で受け、中心に集めることができ、円弧羽根17の根元部分は内筒管13側を頂点とした円錐形状となっているので、円弧羽根17で受けた気流は中心に集まりつつ、円錐面に沿って頂点側つまり内筒管13側へ向かうこととなるので、空気はスムーズに下流へ流れようとする。この流れに影響され、内筒管13内周面23近傍を流れる気流、特にφmin付近の壁面沿いを流れる気流もスムーズに下流へ流れようとする。つまり、気流変換部材14と本発明の形状である内筒管13の形状とが相まって、さらなる圧力損失の低減につながる。
本発明に係るサイクロン分離装置は、装置を大型化することなく、異物を分離する分離性能を低下させずに、さらに圧力損失を低減することができるので、送風機の動力を小さくすることができるため、省エネや静音が要求される住宅に給気する空気中の異物の分離に有効であり、例えば住宅外壁の給気口に取り付ける換気口フード等として有用である。
1 換気口フード
2 カバー
3 ベース板
4 突出板
5 固定羽根
6 流入口
7 排出口
8 流出口
9 空間分割板
10 旋回室
11 分離室
12 貫通孔
13 内筒管
13a 内筒管先端口
14 気流変換部材
15 リング部材
16 円筒部材
17 円弧羽根
18 接続管
19 円筒壁端部
20 R形状部
21 溝
22 フランジ
23 内周面
24 外周面
25 最大直径部
26 中心軸

Claims (3)

  1. 体の側面から空気を流入させ、旋回気流を発生させることができる流入口と、前記流入口に近い側の底面に設けて空気を前記筐体の外へ流出させる流出口と、前記筐体の内部を空間分割板によって仕切り形成し、前記空間分割板に設けた貫通孔によって互いに連通させた旋回室と分離室と、先端を空気が流入する内筒管先端口とした内筒管と、前記筐体に設けた前記分離室内部と筐体外とを連通させる排出口とを備え、前記流出口から前記旋回室内へ延設した前記内筒管の前記内筒管先端で、前記流入口から流入した旋回気流の進行方向を前記内筒管の外側と内側で反転させるサイクロン分離装置であって、
    記内筒管の断面積は、軸方向で変化しており、前記内筒管の全長の中間位置よりも前記内筒管先端口側で最小となるようにし、かつ、前記内筒管の最小断面積の位置から前記内筒管先端口に向かって、徐々に大きくなるようにし
    前記内筒管先端口の円筒壁端部である内筒管先端部は、前記内筒管の外側へ向けて丸く膨らんだR形状を備え、前記内筒管の外側で前記R形状の表面に、全周に渡って溝を形成したサイクロン分離装置。
  2. 前記内筒管先端部は、記内筒管の内側面から外側面まで前記R形状に沿って連続して円弧で繋がっている請求項1記載のサイクロン分離装置。
  3. 記内筒管先端口の直径をφin、前記内筒管の最小断面積部分の直径をφmin、前記内筒管で前記流出口側端部の直径をφoutとした場合、φin>φout>φminの関係にあり、φmin=(0.75〜0.85)×φinである請求項1または2に記載のサイクロン分離装置。
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