JP6958831B2

JP6958831B2 - 静電選別装置

Info

Publication number: JP6958831B2
Application number: JP2017098480A
Authority: JP
Inventors: 佐伯　暢人; 由隆小池
Original assignee: Shibaura Institute of Technology
Current assignee: Shibaura Institute of Technology
Priority date: 2017-05-17
Filing date: 2017-05-17
Publication date: 2021-11-02
Anticipated expiration: 2037-05-17
Also published as: JP2018192426A

Description

本発明は、クーロン力を利用して、複数種類の非導電性物質が混在する選別対象物を特定種類の回収物と他の種類の回収物とに選別する静電選別装置に関する。

静電選別装置として、水平方向に対して傾斜した軸線の回りを回転可能な円筒状の回転電極と、回転電極の内部空間に投入された選別対象物に対して回転電極の内周面に押し付ける方向のクーロン力を作用させる電界を内部空間に形成するための内部電極とを備えた装置が知られている（特許文献１参照）。

特開２０１６−２０９７９６号公報

特許文献１の選別装置は、選別対象物をコロナ帯電させてから選別対象物を回転電極の内部空間に投入するものである。そのため、回転電極の内部空間に投入される前に選別対象物をコロナ帯電させる際に、例えば選別対象物に含まれる異種の回収物の一方が他方に隠される位置関係になるなどコロナ帯電に適した条件とならない場合がある。そのような場合には、選別対象物に含まれる異種の回収物のそれぞれを満遍なく帯電できなくなるので、帯電した選別対象物に作用するクーロン力を利用してこれらを選別する際に選別精度が悪化する。

そこで、本発明は、十分な選別精度を得ることができる静電選別装置を提供することを目的とする。

本発明の静電選別装置は、複数種類の非導電性物質が混在する選別対象物（Ｍ）を、特定種類の非導電性物質を含む第１回収物（Ｍ１）と、他の種類の非導電性物質を含み前記第１回収物よりも質量が大きい第２回収物（Ｍ２）とに選別する静電選別装置（１）であって、水平方向に対して傾斜した軸線（Ａｘ）の回りに回転可能であり、かつ前記選別対象物が投入される投入口（１１）と前記投入口よりも相対的に低い位置に配置され前記第２回収物が排出される排出口（１２）とに通じる内部空間（Ｓ）が形成された回転電極（１０）と、前記回転電極の前記内部空間に配置され、前記内部空間に投入された前記選別対象物に対して前記回転電極の内周面（１０ａ）に押し付ける方向のクーロン力を作用させる電界を前記内部空間に形成するための内部電極（１６）と、前記回転電極の前記内部空間に配置され、前記内部空間に投入された前記選別対象物をコロナ帯電させるコロナ帯電手段（１７）と、前記回転電極の前記内部空間に配置され、前記回転電極が回転した際にコロナ帯電した前記選別対象物のうち前記回転電極の前記内周面に付着した状態で前記第２回収物よりも高い位置まで移動する前記第１回収物を回収可能な回収手段（１８）と、を備え、前記内部電極は、前記軸線の方向に延びる円筒電極として構成され、前記コロナ帯電手段として、前記円筒電極の外周面（１６ａ）から前記回転電極の内周に向かって延びる複数の針状電極（１７…）が、前記軸線の方向に並べて設けられているものである。

この静電選別装置によれば、回転電極の内部空間に投入された選別対象物が回転電極の回転によって攪拌されながら、複数の針状電極の各先端部からコロナ放電されることにより選別対象物がコロナ帯電される。したがって、選別対象物に混在する第１回収物と第２回収物との位置関係が固定されずに攪拌によってこれらの姿勢が変化するため、第１回収物と第２回収物とを満遍なくコロナ帯電させることができる。これにより、選別対象物に作用するクーロン力を利用して第１回収物と第２回収物とを選別する際に十分な選別精度を得ることができる。

回転電極の内部空間に投入されてコロナ帯電した選別対象物には、内部空間に形成された電界によってクーロン力が作用するとともに、選別対象物が持つ電荷によって鏡像力が作用し、さらに回転電極の回転に伴う遠心力が作用する。これにより、選別対象物は回転電極の内周面に押し付けられた状態で回転電極とともに回転移動するが、第１回収物及び第２回収物のそれぞれに作用するこれらの力と重力との関係が異なるため回転電極の内周面に付着する条件が異なる。第１回収物に比べて第２回収物の質量が大きいので単位質量当たりの帯電量は第１回収物が第２回収物よりも大きい。そのため、第１回収物は第２回収物よりもクーロン力及び鏡像力の影響を大きく受ける。これにより、第１回収物は第２回収物よりも高い位置まで内周面に付着して移動して回収手段にて回収される一方で、内周面に付着しない第２回収物又は移動中に内周面から落下した第２回収物は回転電極の傾斜に従って下方に滑り落ちて排出口から排出される。これにより選別対象物が第１回収物と第２回収物とに選別される。

本発明の静電選別装置の一態様において、前記内部電極と前記コロナ帯電手段とは一体化され、かつ共通の電源（ＰＳ）から電力供給可能であってもよい。この態様によれば、電界形成用の電源とコロナ帯電用の電源とを別々に準備しなくてもよい利点がある。

本発明の静電選別装置の一態様において、前記回転電極は、円筒形状のドラム電極（１０）として構成され、前記内部電極は、前記軸線上に配置されてもよい。この態様によれば、回転電極の内部空間に一様な電界を形成することができる。

なお、以上の説明では本発明の理解を容易にするために添付図面の参照符号を括弧書きにて付記したが、それにより本発明が図示の形態に限定されるものではない。

以上説明したように、本発明の静電選別装置によれば、回転電極の内部空間に投入された選別対象物が回転電極の回転によって攪拌されながら、内部空間に配置されたコロナ帯電手段によってコロナ帯電される。したがって、選別対象物に混在する第１回収物と第２回収物との位置関係が固定されずに攪拌によってこれらの姿勢が変化するため、第１回収物と第２回収物とを満遍なくコロナ帯電させることができる。これにより、選別対象物に作用するクーロン力を利用して第１回収物と第２回収物とを選別する際に十分な選別精度を得ることができる。

本発明の一形態に係る静電選別装置の外観を示した斜視図。図１の静電選別装置に係る選別ユニットの一部を切断して内部構造を示した図。静電選別装置を模式的に示した図。選別対象物に対して作用する力の関係を示した図。実験で使用した選別対象物に含まれる乾燥レタスを撮影した写真。実験で使用した選別対象物に含まれるプラスチック片を撮影した写真。実験結果としての乾燥レタスの回収率を示した図。実験結果としてのプラスチック片の回収率を示した図。

図１に示すように、静電選別装置１は、床面等に設置されるフレーム２を備えている。フレーム２には、選別対象物を投入するための投入ユニット３と、選別対象物から所定の回収物を選別する選別ユニット４とが取り付けられている。

投入ユニット３は選別対象物が投入されるホッパ５と、そのホッパ５に投入された選別対象物を選別ユニット４に向かって搬送するフィーダ６とを備えている。選別対象物は複数種類の非導電性物質が混在する混合物である。静電選別装置１は、乾燥キャベツや乾燥レタス等の乾燥野菜に毛髪やビニール片等の異物が混在する混合物を選別対象物の一例として取り扱う。静電選別装置１は、このような選別対象物から、特定種類の非導電性物質である毛髪やビニール片等の異物と、他の種類の非導電性物質である乾燥キャベツや乾燥レタス等の乾燥野菜とを選別するように設計されている。このような異物が第１回収物の一例に、乾燥野菜が第２回収物の一例に、それぞれ相当する。ホッパ５に投入された選別対象物はフィーダ６に送られる。フィーダ６は選別対象物を振動させながら選別ユニット４に向かって搬送する。

図１及び図２に示すように、選別ユニット４は、水平方向に対して傾斜した軸線Ａｘの回りに回転可能な回転電極の一例としてのドラム電極１０を備えている。本形態では、ドラム電極１０は接地されている（図３参照）。ドラム電極１０は、両端が開口した円筒形状に加工された金属製の部材である。これにより、ドラム電極１０には、フィーダ６にて搬送された選別対象物が投入される投入口１１と、投入口１１よりも相対的に低い位置に配置された排出口１２と、これら投入口１１及び排出口１２に通じる内部空間Ｓとがそれぞれ形成される。ドラム電極１０の内周面１０ａには格子状の凹凸が形成されている。これにより内部空間Ｓに投入された選別対象物の攪拌が促進される。ドラム電極１０の内部空間Ｓには、内部電極の一例としての円筒電極１６と、選別対象物を同極性（本形態では負極性）に帯電させるコロナ帯電手段の一例としての複数の針状電極１７と、ドラム電極１０の内周面１０ａに付着した第１回収物の一例である上記の異物を回収する回収手段の一例としての集塵機１８とが設けられている。

円筒電極１６は、内部空間Ｓに投入された選別対象物に対してドラム電極１０の内周面１０ａに押し付ける方向のクーロン力を作用させる電界を内部空間Ｓに形成するために設けられている。円筒電極１６はドラム電極１０の軸線Ａｘ上に配置され、かつドラム電極１０のほぼ全域に亘って軸線Ａｘの方向に延びている。これにより、ドラム電極１０の内部空間Ｓに一様な電界を形成することができる。

図２に示すように、複数の針状電極１７のそれぞれは、円筒電極１６の外周面１６ａからドラム電極１０の内周面１０ａに向かって延びている。これにより、円筒電極１６と複数の針状電極１７とは一体化され、かつ共通の電源ＰＳ（図３参照）から電力供給可能である。そのため、電界形成用の電源とコロナ帯電用の電源とを別々に準備しなくてもよい利点がある。複数の針状電極１７は、軸線Ａｘの方向に等間隔で並ぶグループが円筒電極１６の周方向に関して所定角度（例えば４５°）毎に配置されるように規則的に配置されている。

集塵機１８は、ドラム電極１０の内周面１０ａに隣接するようにしてドラム電極１０の軸線Ａｘの方向に延びている。集塵機１８は、回収ブラシ１８ａを有し、その回収ブラシ１８ａにて内周面１０ａに付着した異物を掻き落とし、掻き落とされた異物を吸引することで回収する。集塵機１８は、ドラム電極１０の中心よりも上方に設けられている。集塵機１８は、ドラム電極１０の軸線Ａｘ方向全域に対して一部の領域、一例として上部領域に設けられる。なお、集塵機１８を配置する領域は図示の形態に限らず適宜設定してよい。例えば、集塵機１８を配置する領域がドラム電極１０の軸線Ａｘ方向全域に及ぶように変更することもできる。

図１及び図２に示すように、ドラム電極１０は駆動機構２０にて回転駆動される。駆動機構２０は、ドラム電極１０を支持するようにドラム電極１０の上部及び下部のそれぞれに左右一対ずつ設けられた４つの駆動ローラ２０ａと、各駆動ローラ２０ａを回転駆動するための駆動源となる電動モータ２０ｂ（図１参照）とが設けられている。電動モータ２０ｂの回転が不図示の動力伝達機構を介して各駆動ローラ２０ａに伝達されることにより、各駆動ローラ２０ａに支持されたドラム電極１０は回転駆動される。図１に示すように、ドラム電極１０の排出口１２の下方には、集塵機１８にて回収されずにドラム電極１０から滑り落ちた回収物を回収するための回収箱２１が設けられている。

図３に示すように、ドラム電極１０は接地されるとともに、円筒電極１６及び複数の針状電極１７は共通の直流電源ＰＳの負極と接続されている。選別対象物Ｍが投入ユニット３のフィーダ６を介して水平面に対してφだけ傾斜して回転するドラム電極１０の内部空間Ｓに投入されると、選別対象物Ｍは攪拌されながら複数の針状電極１７の各先端部からのコロナ放電によって負極性にコロナ帯電される。同時に、円筒電極１６によって選別対象物Ｍに対してドラム電極１０の内周面１０ａに押し付ける方向のクーロン力を作用させる電界が内部空間Ｓに形成される。

選別対象物Ｍには、相対的に質量の小さい異物Ｍ１と相対的に質量の大きい乾燥野菜Ｍ２とが含まれている。そのため、質量の小さな異物Ｍ１はドラム電極１０の内周面１０ａに付着して集塵機１８にて回収される。一方、乾燥野菜Ｍ２は異物Ｍ１よりも質量が大きいため、ドラム電極１０の内周面１０ａに付着せずにドラム電極１０の傾斜によって滑り落ちて排出口１２から排出され、回収箱２１にて回収される。

ドラム電極１０の内部空間Ｓに投入された選別対象物Ｍの状態は以下の通りとなる。図４に示すように、回転するドラム電極１０の内部空間Ｓに投入された選別対象物Ｍには、内部空間Ｓに形成された電界により、ドラム電極１０の内周面１０ａに押し付ける方向のクーロン力Ｆ_１と、鏡像力Ｆ_２と、遠心力Ｆ_３とが作用する。それぞれの力は以下の式１〜式３で定義される。

Ｆ_１＝ｑＥ …１
Ｆ_２＝ｑ^２／（１６πε_０ｄ^２） …２
Ｆ_３＝ｍｒω^２ …３

ここで、ｑは選別対象物の持つ電荷量、Ｅは電界の強さ、ε_０は真空の誘電率、ｄは電荷とドラム電極１０の内周面１０ａとの距離、ｍは選別対象物の質量、ｒはドラム電極１０の半径、ωはドラム電極１０の各速度を示している。ドラム電極１０の内周面に選別対象物が付着する条件は以下の通りである。

μＮ−ｍｇｓｉｎφ＞０ …４
μＮ−ｍｇｃｏｓφｓｉｎθ＞０ …５
Ｎ＝ｍｇｃｏｓφｃｏｓθ＋Ｆ_１＋Ｆ_２＋Ｆ_３＞０ …６

ここで、μは選別対象物とドラム電極１０の内周面１０ａとの静止摩擦係数、θは鉛直方向を基準とした選別対象物の存在する角度である。

式４は選別対象物がドラム電極１０の傾きによって滑らない条件を示しており、式５は選別対象物がドラム電極１０の円周方向に滑らない条件を示している。また、式６は選別対象物に垂直抗力が生じることを示している。異物Ｍ１に比べて質量が大きな乾燥野菜Ｍ２であれば、単位質量あたりの帯電量が小さいので、θが大きくなることによりドラム電極１０内を滑り出し、回収箱２１側に輸送される。一方、乾燥野菜Ｍ２に比べて質量の小さな異物Ｍ１は単位質量あたりの帯電量が大きく、θが大きくなったとしてもクーロン力Ｆ_１及び鏡像力Ｆ_２の影響を大きく受ける。これにより、異物Ｍ１は回転するドラム電極１０に付着したまま集塵機１８まで移動して、集塵機１８にて回収される。

本形態によれば、ドラム電極１０の内部空間Ｓに配置されたコロナ帯電手段としての複数の針状電極１７によって、内部空間Ｓに投入された選別対象物が攪拌されながらコロナ帯電される。したがって、選別対象物に混在する異物Ｍ１と乾燥野菜Ｍ２との位置関係が固定されずに攪拌によってこれらの姿勢が変化するため、異物Ｍ１と乾燥野菜Ｍ２とを満遍なくコロナ帯電させることができる。これにより、選別対象物に作用するクーロン力を利用して異物Ｍ１と乾燥野菜Ｍ２とを選別する際に十分な選別精度を得ることができる。

（実験方法）
静電選別装置１に対して実施した実験について説明する。まず、選別対象物として、図５Ａに示した乾燥野菜としての乾燥レタス８０ｇと、図５Ｂに示した異物としてのプラスチック片２０．４８ｍｇ（１６個相当）とを混合させたものを準備した。なお、プラスチック片の１個の大きさは５×３０×０．０１５ｍｍに調整されている。

次に、上述した静電選別装置１を以下の条件で運転し、上記のとおり準備した選別対象物を静電選別装置１に投入して選別実験を行った。この選別実験では、円筒電極１６（針状電極１７）への印加電圧を変化させて、その印加電圧が選別精度に与える影響について評価した。

・ドラム電極１０の回転速度：１５ｒｐｍ
・ドラム電極１０の傾斜角度：φ＝２０°
・円筒電極１６（針状電極１７）への印加電圧：０、−２ｋＶ、−５ｋＶ

回収箱２１、ドラム電極１０の内部、及び集塵機１８の３箇所に回収位置を設定し、各回収位置について次式７を用いて回収率を算出した。そして、それぞれの選別実験を上記印加電圧毎に３回ずつ行った。

回収率［％］＝各回収位置の質量［ｇ］／全投入質量［ｇ］×１００ …７

（実験結果）
図６Ａ及び図６Ｂは実験結果を示しており、各図の横軸は回収位置を表し、縦軸は３回の平均回収率を示している。図６Ａは乾燥レタスの回収結果を、図６Ｂはプラスチック片の回収結果をそれぞれ示している。

図６Ａから明らかなように、乾燥レタスは印加電圧に関わらず１００％近くが回収箱２１にて回収された。このことは、乾燥レタスはプラスチック片に比べて単位質量あたりの帯電量が小さく、上記の印加電圧を大きくしたとしてもそれから受けるクーロン力の影響が小さいためであると考えられる。一方、図６Ｂから明らかなように、プラスチック片は、上記の印加電圧が−２ｋＶの時に約２％が回収箱２１で回収された。このことは、プラスチック片があまり帯電していないためにクーロン力や鏡像力がとても小さくなった結果として、ドラム電極１０の内周面に付着しなかったためと考えられる。上記の印加電圧を−５ｋＶとした実験では、回収箱２１にプラスチック片がないことから、乾燥レタスからすべての異物を除去できたと言える。

本発明は、上記形態に限定されることなく、種々の形態にて実施することができる。上記形態の静電選別装置は、回転電極として円筒状のドラム電極１０を有しているが、回転電極が中空状である限りその形状は任意である。例えば、多角柱形状や楕円柱形状等の非円形断面が軸線方向に一定である形状の回転電極や、楕円体形状等の非円形断面が軸線方向に変化する形状の回転電極を有する形態で本発明を実施することもできる。

上記形態では、内周面１０ａに格子状の凹凸が形成されたドラム電極１０を回転電極の一例としているが、例えば、内周面に格子状の凹凸がなく平滑な内周面を持つ回転電極に変更することもできる。

上記形態の静電選別装置は、フィーダ６を含む投入ユニット３を有し、その投入ユニット３を用いて選別対象物を投入口１１に投入しているが、例えば、このような投入ユニットを持たない形態で本発明を実施することもできる。この形態の場合には、作業員によって選別対象物が回転電極の投入口に投入される。

上記形態の静電選別装置は、内部電極とコロナ帯電手段とが一体化された形態の一例として円筒電極とその外周面から径方向外側に延びる複数の針状電極とが一体化されているが、これらが一体化されること及びコロナ帯電手段が複数の針状電極であることに限らない。例えば、内部電極とコロナ帯電手段とがともに回転電極の内部空間に配置されるが、これらが物理的に分離した別装置である形態で本発明を実施してもよい。また、内部電極とコロナ帯電手段とが一体化されるか否かに関わらず、コロナ帯電手段をワイヤ型の電極にて構成した形態で本発明を実施することもできる。

上記形態の静電選別装置は、内部電極としてドラム電極１０の軸線Ａｘ上に配置され、かつ軸線Ａｘ方向に延びている円筒電極１６を備えているが、例えば、内部電極が回転電極の回転中心上に配置されずに回転中心よりも下方に偏って配置された形態で本発明を実施してもよい。この形態の場合は、回転中心上に内部電極が配置される場合よりも大きなクーロン力を選別対象物に作用させることができる。

上記形態の静電選別装置は、回収手段として、回収ブラシ１８ａを有する集塵機１８を備えているが、例えば、回転電極の内周面に付着した回収物を掻き落とすスクレーパや吸引する吸引器を有する装置を回収手段として採用することもできる。また、回転電極の内周面に付着した回収物を容易に回収するため、当該回収物を除電する除電機能を持つ装置を回収手段として採用してもよい。

上記形態では、静電選別装置が選別可能な第２回収物の一例として、乾燥キャベツや乾燥レタス等の乾燥野菜を例示したが、例えば、乾燥させた魚や肉、豆腐、玉子等の乾燥食品を第２回収物として対応可能である。また、静電選別装置が選別可能な第１回収物の一例として、ビニール片、プラスチック片、毛髪を例示したが、例えば、ゴム片や繊維等の各種の異物を第１回収物として対応可能である。このように、非導電性物質同士で、かつ互いに質量差のある物質であれば本発明の静電選別装置を利用できる。選別対象物の帯電極性は負極性に限られない。選別する物質の性質に応じて正極性であってもよい。この場合には内部電極は直流電源の正極と接続される。

１静電選別装置
１０ドラム電極（回転電極）
１０ａ内周面
１６円筒電極（内部電極）
１６ａ外周面
１７針状電極（コロナ帯電手段）
１８集塵機（回収手段）
Ｍ選別対象物
Ｍ１異物（第１回収物）
Ｍ２乾燥野菜（第２回収物）
Ｓ内部空間
ＰＳ電源

Claims

複数種類の非導電性物質が混在する選別対象物を、特定種類の非導電性物質を含む第１回収物と、他の種類の非導電性物質を含み前記第１回収物よりも質量が大きい第２回収物とに選別する静電選別装置であって、
水平方向に対して傾斜した軸線の回りに回転可能であり、かつ前記選別対象物が投入される投入口と前記投入口よりも相対的に低い位置に配置され前記第２回収物が排出される排出口とに通じる内部空間が形成された回転電極と、
前記回転電極の前記内部空間に配置され、前記内部空間に投入された前記選別対象物に対して前記回転電極の内周面に押し付ける方向のクーロン力を作用させる電界を前記内部空間に形成するための内部電極と、
前記回転電極の前記内部空間に配置され、前記内部空間に投入された前記選別対象物をコロナ帯電させるコロナ帯電手段と、
前記回転電極の前記内部空間に配置され、前記回転電極が回転した際にコロナ帯電した前記選別対象物のうち前記回転電極の前記内周面に付着した状態で前記第２回収物よりも高い位置まで移動する前記第１回収物を回収可能な回収手段と、
を備え、
前記内部電極は、前記軸線の方向に延びる円筒電極として構成され、
前記コロナ帯電手段として、前記円筒電極の外周面から前記回転電極の内周に向かって延びる複数の針状電極が、前記軸線の方向に並べて設けられている、
ことを特徴とする静電選別装置。
前記内部電極と前記コロナ帯電手段とは一体化され、かつ共通の電源から電力供給可能である請求項１に記載の静電選別装置。
前記回転電極は、円筒形状のドラム電極として構成され、
前記内部電極は、前記軸線上に配置されている請求項１又は２に記載の静電選別装置。