JPS6031437A - 螺旋気流による粒塊の輸送方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （目的及び背景） 本発明は螺旋気流にょる粒塊の輸送に関するものであり
、比較的大きな粒塊の輸送に適し、かつエネルギー効率
の優れた粒塊の輸送方法を提供することを目的とする。

北米大陸中央部に発生するトルネート、即ち大竜巻は牛
馬、自動車、家屋さえも空中へ吸いＬげて異なる地点へ
落下させ、大きな被害をもたらすことはよく知られてい
る０日本においても、それほど強力かつ大規模ではない
が、五穀、魚、蛙などを吸い上げて遠方に降らせる、い
わゆる怪雨現象が報告されている。

かかる自然現象は不特定地点で不時に発生するので単に
災害を与えるに過ぎないが、類似の現象をあらかじめ設
定した特定の場所の間における安定な１場ｊとして存在
させることができれば、それを利用して物体を輸送する
ことが可能になる。

本発明者等はこのような発想に基いて安定な竜巻類似現
象を生成させる試みを行った。

人工的に旋回流を発生させるための方法として一般的に
考えられるのは、管内にその内周の切線方向から高速で
気流を送入する方法で、サイクロンその他にも応用され
ている。

本発明者等は当初この方法を試みたが、気流の送入口付
近では旋回流が形成されても、管路が長い場合には次第
に消滅して安定に維持することができないことが判明し
た。

そこで竜巻そのものについて考察すると、その本体は−
Ｌ昇する気流塊であり、上昇速度が増加するに従ってそ
の中心部分は低圧化するにの低圧部を１指して周囲から
空気が流入し、この流入する空気によりその気流塊は旋
回し始め、その回転に伴う遠心力により中心部はさらに
低圧化し、さらに多くの空気を引寄せて旋回は一層加速
されるようになる。

電在の場合は熱上昇気流であるが、空気を管路に強制的
に高速で送入すれば同様に旋回流を発生するかというと
、工業的に空気輸送などで一般に用いられている条件、
即ち圧縮した空気を弁などを通して断熱膨張的に圧力落
差のある状態で送入したのでは乱流を生じるだけで安定
な旋回流は生じない。

そこで本発明者等はぎらに研究を重ねて本発明に到達し
た。

（発明の構成） 即ち本発明は、本質的に管路の長軸方向のベクトルのみ
を与えた気流を管路に送入し、気流平均速度を２０ｍ／
秒以ヒとすることにより管路内に管路断面に関しては旋
回流をなしつつ管路長軸方向に進行する安定な螺旋気流
を形成させ、その螺旋気流域に粒塊を供給することより
なる螺旋気流による粒塊の輸送方法である。

更に具体的に説明すると１本質的に管路の長袖方向のベ
クトルのみを与えた気流を管路に送入するということは
、意図的に回転運動を促すようなベクトルを一切与える
ことなく、また管路人口で急激な膨張を生じさせること
もなく、いわば管路の長袖方向にピストンフローのよう
な状態で気流が滑らかに流線を乱さずに送入されるよう
にすることを意味する。それゆえ送入気流に脈動がある
ことも好ましくない。また軸方向に渦を巻くような現象
もなくすために、プロワ−等から導かれた気体を管路に
送入する部分は管径が急激に拡大又は縮小するような構
造を避ける。

このような状態で送入した場合、気流はそのままピスト
ンフローの状態を保ちつつ出口まで、進行することが予
想されるが、次の条件を与えた場合には管路に安定な螺
旋気流が生成することを見出した。その条件とは気流平
均速度を２０ｍ／秒以」二とすることである。

このような条件下では管路入口から数十ｃｍ以内で既に
管路断面に対しては旋回流をなしつつ管路長軸方向に進
行する螺旋気流が生成していることが確認された。もち
ろん螺旋気流そのものは気体であるから肉眼では直接観
察できないが、次に述べる実験によりＩＩＩ！ｇ旋気流
の存在を確認できる。

この場合、管路出口が大気に解放されている時は管路人
口の圧力がゲージ川でＩ　Ｋ　ｇ　／　ｃ　ｍ　２を越
えることはない。

実！＄１ 第１図に示すように、内径１．５インチの透明プラスチ
ックチューブを用い、た管路ｌに垂直部分を設け、前記
の条件に掟って送入した気流が下部から」一部へと流れ
るようにする。そこで管路人口から合成樹脂ペレット（
径５ｍｍ、長さ５ｍ田の円柱状）を送入すると、気流速
度が十分に速い場合にはペレットはこの垂直管路を下部
から上部へ瞬間的に通過するが、気流速度を調節してペ
レットに働く重力によるド向きのベクトルと気流による
上向きのベクトルが釣合うようにすると、ペレットは垂
直管中の一定位置、例えば第１図のＡ−Ａ′の位置に留
り、その運動が肉眼で観察できるようになる。第２図は
第１図のＡ−Ａ　’線における断面図であるが、ペレッ
ト２は矢印で示すような旋回運動をしていることがわか
る。Ａ−Ａ　’部分を手で押えてせばめてやると、この
部分の流速が増加するのでペレットは上方へ飛び出し、
やや上部の釣合点Ｂ−Ｂ　’へ移動してこの断面での旋
回運動を続行する。この場合ペレット２は管内壁１１に
直接接触してはいない。即ち管内壁１１に近い部分には
旋回流に基く遠心力により圧縮された気層３が環状に形
成されている（図では環状気層の厚みを誇張して描いて
いるが、実際はｉｎｍ以下、ミクロンオーダーの厚みで
ある）。従ってペレットは環状気層との境界部分で螺旋
気流の上向きベクトルと重力の下向きベクトルの釣合の
もとに一定平面で螺旋気流の回転ベクトルにより旋回し
ている。この釣合状態から気流の流速を増せば、ペレッ
ト自身も螺旋流を描きつつ出口方向に進むことは容易に
理解できるであろう。

この状態から徐々に垂直管を斜めに傾けてゆくと、一定
平面で旋回していたペレットは旋回を続けながら上昇を
開始しく即ちピッチの短い螺旋流を描くことになる）、
管の傾きが有る限度に達すると、急激に吸い込まれるよ
うに出口方向（この場合上方）へ飛んで行き見えなくな
る。

実験２ 内径１．５インチの透明プラスチックチューブを用いて
、出口を大気に解放した長さ２００ｍの管路を敷設した
。管路は途中にカーブや若干の高低を有していた。管路
入口に第３図のような構造のフィーダー４を設け、空気
送入管４１から送入された空気が管路の軸方向に乱れの
ないピストン流どなり、そのまま徐々に縮小されて管路
入口１２に達するようにし、管路における平均気流速度
が２６ｍ／秒になるようにした。この時の管路入口部の
ゲージ圧は０．１Ｋｇ／ｃｍ２であった。

フィーダー４の軸心に沿って挿入した粒塊導入線的に供
給し、管路の途中をストロボライトで照らして観察した
ところ、ペレットが螺旋を描きつつ出口方向に進行して
いることを確認できた。

ざらに管壁に近いところで運動しているペレットに比べ
て、管の中心に近いところを通るペレットは速度が速く
、追い抜き現象を示していることが観察できた。

またこの実験を長時間続けたにも拘らず、プラスチック
チューブの柔らかい内壁に傷は全くつかず、ペレットが
内壁に直接接触していないことも確認できた。

実験３ 実験２で設置したプラスチックチューブ管路の出口から
連続的に飛び出す合成樹脂ペレットを、出口から５０ｃ
ｍ離して管路に垂直に立てた石膏ボード面に衝突させた
。石膏ボード面に傷がついたが、その傷あとは斜めに食
い込んだ形状を呈しており、ペレットが管路軸に垂直な
ベクトルを持っていたことを示していた。これはペレッ
トが管路の軸方向に直進しているのではなく、旋回運動
もしていたことを意味するものである。

以上の実験から明らかなように、管路内部には安定な螺
旋気流が形成されている。螺旋気流を管路断面に投影し
て見れば回転運動であり、その回転に伴う遠心力により
内部の気体粒子は外側に投げ出される結果、管内壁に沿
って圧縮された薄い気層を形成し、内部は気体密度が低
くなる。この気体音度が低い部分において螺旋気流が存
在しているのである。しかも実験２から推定されるよう
に、螺旋気流の管軸方向の進行速度は管の中心部に近づ
くほど速くなる。一方気体密度は管の中心部に近づくほ
ど小さくなる。このようにして管内の各部において「場
のエネルギー」とｒ運動のエネルギー１の合計量が一定
になるようなバランス状態が保たれているものと推定さ
れる。

本質的に管路の長軸方向のベクトルのみを与えた気流を
一定速度以」−で管路に送入しただけで何故に回転方向
のベクＩ・ルが発生するのかということは、まだ理論的
に説明し得る段階には達していない。台風などの場合に
は、」二Ａ気流に対して地球の自転の力が働いて回転流
を発生させると説明されているが１本発明の場合におい
ては必ずしもその理論を適用することは出来ない。螺旋
気流の廻る方向、即ち左巻か左巻かは、時により異り一
定していない（竜巻の場合も左巻と左巻があるという）
。現段階で言えることは、現実に管路に螺旋気流が発生
し安定に存在していること、旋回運動の結果生ずる遠心
力の影響及び軸方向の運動に伴なうコリオリの力も加わ
って気体粒子は外側へ投げ出され大部分が管壁に沿って
薄い動きの少ない環状の気層を形成していること、管の
中心部に近いほど気圧が低く又気流進行速度も速いこと
等である。

現段階においては推定の域を出ないが、気体粒子は遠心
力により管壁に押し付けられてはいるものの、管軸、即
ち旋回軸の最も気圧の低い部分に向って常に流れ込もう
というポテンシャルを、有しており、現実に分子レベル
ではそのような動きを生じていることは予想できる。こ
れはず度屯巻の中心や台風の目に四方から空気が流れ込
む動きと同様であり、管路入口の僅かな形状の差によっ
て発生した回転方向のベクトルがこの為に強調されて安
定な螺旋気流を生成するのではないかとも考えられる。

そこでその螺旋気流域に粒塊を供給すれば、粒塊も螺旋
を描きつつ気体密度の薄い部分を通過する。管内壁とは
圧縮された気層で隔てられているので、粒塊が硬いもの
であっても管内壁を傷つけることはない、この点が従来
の各種空気輸送方法とは大きく異なるところである。

さきに、螺旋気流の場合は管路入口と管路出口との差圧
はｌ　Ｋ　ｇ　／　ｃ　ｍ　２を越えることはないと述
べたが、この点について更に詳細に説明する。

管路入口と出口との残圧は、主として管径、管路長、気
流速度の関数になる。近似的に言えば、管路長が２倍に
なれば差圧は２倍になり、また気流速度を２倍にしても
差圧は２倍になる。逆に管径が大きくなれば差圧は減少
する方向になり、管径が小さいうちは管径の２乗に反比
例して減少するが、管径が大になるにつれて影響度は小
さくなる。

例をいくつか挙げると、管径２０ｃｍ、管路長１００　
ｍ　、平均気流速度２５ｍ／秒の時の入口圧は約０．０
５Ｋｇ／ｃｍ２となる。又管径１．５インチ（３，８１
ｃｍ）、管路長２００ｍ、平均気流速度２６ｍ／秒の時
の入口圧は、実験２に示した通りＯ，１Ｋｇ／ｃｍ２で
あった。

この割合で計算すると、管路が非常に長い場合又は管径
が非常に細い場合には１人口圧がＩＫｇ／Ｃ′ｍ２以上
になることもあり得るが、本発明者等の知見によると、
人口と出口の圧力差が１Ｋｇ／ｃｍ２迄が管内で螺旋気
流が安定に存在する限界である・ 工業的に利用する場合は、負荷の変動、出口側圧力の変
化、その他の制御困難な要因が働くことも考えらるので
、実用限界としてはこの７割位の数字、即ち管路入口と
管路出口との差圧が０．　７Ｋ　ｇ　／　ｃ　ｍ　２以
下になるようにシステム設計するのが好ましい。

螺旋気流の発生条件として平均気流速度を２０ｍ／秒以
上にするということを述べたが、これは粒塊をごく少量
実験的に供給して螺旋流の存在を確認した場合の下限の
偵であり、粒塊を多量に供給した場合には途中でスタグ
ネーションを起す危険がある。従って工業的実用限界と
しては少なくともその１割増しの数字、即ち２２ｍ／秒
以上とするのが好ましい。上り勾配を有する管路で粒塊
を輸送する場合には、更に高めに設定した方がよい。平
均気流速度を高めれば螺旋気流の安定性が増し、大きな
、または重い粒塊の輸送が容易になるが、その反面入口
圧がそれに比例して増加するので、管路長、即ち輸送距
離が短くなると共に必要な動力も増加するというマイナ
スも生じる。

また管路中を輸送さ庇る粒塊は、実験？で観察した如く
管軸に近い螺旋経路を通るものも、管壁に近い螺旋経路
を通るものもあるが、経路により軸方向の速度及び受け
る遠心力は異って来る。輸送中の粒塊はしばしば経路変
更するが、そのため粒塊は異なるｒ場のエネルギー１の
影響を受けて潮汐現象を呈する。その結果粒塊が固く脆
いものである場合は粉砕現象が起きることもある。これ
は気流平均速度が高い時はど著しい、この現象を利用し
て輸送よりも、あるいは輸送を兼ねて粉砕を行わしめる
こともできる。

また既述のように螺旋気流が存在する部分は低圧になっ
ており、その中心即ち管軸部分は真空に近くなっている
。そこで管路中を輸送される粒塊が水分を含んでいるも
のである場合は乾燥現象が起きることもある。この現象
を利用して輸送よりも、あるいは輸送を兼ねて乾燥を行
わしめることもできる。積極的に乾燥を目的とする時は
除湿した気体を用い、かつ実験ｌに示したように粒塊の
滞留時間が長くなるような手段を用いればよい。

逆に乾燥を避けるためには気体を加湿して用いればよい
。

それ故工業的に利用するに当っては、輸送区間の距離、
）高低差、輸送すべき粒塊の大きさ及び重さ、所要動力
、その他粉砕とか乾燥とかの条件を考慮して最適の条件
設定を行なうべきである。

管径は輸送すべき粒塊の大きさ、輸送量等に応じて定め
ればよい。

管路入口のフィーダーは、本質的に管路の長袖方向のベ
クトルのみを与えた気流を管路に送入できる構造にする
必要があり、その１例を第３図に示す。フィーダー４は
直管状で、その一端は閉鎖されており、その閉鎖端４３
に近い場所にブロワ−などから送られた気体の送入管４
１を設ける。

使用する気体は多くの場合空気でよいが、粉塵爆発の危
険が予想される場合などは窒素等の不活性ガスを使用す
る。フィーダーの管径は最初から輸送管路１と同じ径で
あってもよいが、第３図のように気体の導入部は管路よ
り太くし、徐々にロート４４状にぜばめて管路ｌと同じ
管径にして接続するのが効果的である。ロート部の形状
は一葉双曲面回転体状とするのが最も好ましい。さらに
フィーダー４の管軸に沿って、閉鎖端側から粒塊送入管
４２を挿入設置する。送入管４１から送り込まれた気体
はフィーダー内壁と粒塊送入管４２の外壁との間の環状
通路を通って平行流となり、管路入口１２に向う。この
ような状態でフィーダーの出口から管路入口にかけて螺
旋気流が発生するので、その螺旋気流域に送入ｖ４２か
ら粒塊を供給するン、その粒塊は生成した螺旋気流に乗
って自らも螺旋流を描きつつ出口方向に向う。また丁度
管軸部に供給された粒塊は殆ど直線状に非常な速度で管
路の出口に向う。

また第３図のような構造のフィーダーを垂直に設置し、
粒塊導入管４２を直管にして粒塊な高い位置から落下さ
せるようにすれば、粒塊は重力による加速がついた状態
で供給されるため、輸送効率が向上する。

実施例１ 内径１．５インチ（３，８ｃｍ）の透明プラスチ−、ク
チューブを用いて、出口を大気に解放した５０ｍの管路
をｇＬ設し、合ｙ＆柵脂ペレットの輸送試験を行った。

本発明に規定する条件下に空気を１．４２Ｎｍ”７分の
割合で送入（平均気流速度２０．９ｍ／秒）して螺旋気
流を形成潰せ、第３図に示したようなフィーダーにより
上記ベレットを供給して供給量を徐々に増したところ、
３００Ｋｇ／時の割合で輸送できた。この時の入口圧力
は０．０２５Ｋｇ／ａｍ２Ｇであった。

設計例１及び２ 内径１．５インチ（３，８ｃｍ）のプラスチックチュー
ブを用いた基礎実験で得られたデータに基いて、内径８
インチ（２０，３ｃｍ）のガス管を用いた輸送距離１０
０ｍの螺旋気流による粒塊輸送システムを設計した０粒
径ｌ〜２５　ｍ　ｍ　、昆虫１．４０の石炭（設計例１
）および粒径２５〜６０ｍｍ、比重１．４１の石炭（設
計例２）を輸送する場合の諸元を第１表に示す。

第１表 但し、混合比ｍは次式で表される値である。

ｍ＝＝ｗ／　（ＱＸ、１．２９） ここで　Ｗ；輸送量、　Ｋ　ｇ　／　ｍ　ｉ　ｎＱ：風
量、Ｎｍ’／ｍ１ｎ １．２９：０℃における空気比重 既述の如く、螺旋気流による輸送距離は実用的には入口
と出口の差圧がｌ　Ｋ、ｇ　／　ｃ　ｍ２以下が限界で
あると思われるので、それ以上の距離の輸送を必要とす
る場合は途中にデボを設けて本発明の輸送方法を繰り返
すか、または管路の途中の適当な場所にブースターを設
ける。

ブースターの構造の１例を第４図に示す。第１の管路ｌ
の末端を下向きにして垂直降下部分１３を形成し、輸送
されて来た粒塊が旋回しつつ自由落下する状態にする。

この垂直降下部分１３の途中に、上向きの空隙５１を有
する嵌合管５を設ける０粒塊はこの嵌合構造に殆ど影響
されることなく旋回落下を続けるが、ここまで螺旋気流
を朋成して来た気体の一部はここで粒塊と分離して空隙
５１を通って大気中へ拡散し、この部分の圧力は大気圧
とほぼ等しくなる。旋回しつつ落下する粒塊を第２のフ
ィーダー４′に供給し、新たな気流を送入管４１’から
導入し螺旋気流を強化して第２の管路ｌ′へ送る。さき
に嵌合管５における空隙５１を設けたのは、完全な密閉
系にすると送入管４１′から導入された気流により生ず
る圧力が第１の管路の人口へフィードバックしてその元
圧が高まるのを避けるためである。空隙５１で放出する
空気量は全量のｉｏ〜２０％程度が適当で、それに相当
する量を新たに送入管４１’から導入するようにする。

（効果） （１）管路出口が大気圧である場合、管路入口圧は１Ｋ
ｇ／ｃｍ２Ｇ以下の低圧であるため輸送管路には大きな
圧力がかからない。従って配管材料はその程度の圧力で
変形しないだけの強度を有するものであればよい。

（２）管路内壁には遠心力により圧縮された環状の気層
が形成され、輸送中の粒塊は直接管壁に接触しないので
、配管材料には殆ど摩耗を生じない。

（３）前２項の結果、配管材料として安価で軽量なプラ
スチックパイプ等を使用することができる。

（４）環状気層が存在するため、輸送される粒塊は管路
を構成する配管材料に直接接触していないので、輸送終
了後の配管内面は特定の物質によって汚染されることな
く、異なる種類の粒塊に切り換えて輸送を行うことが容
易である。

（５）従来の空気輸送技術では輸送困難な大きな粒塊を
輸送することができる。

（６）輸送を兼ねて、または主たる目的として、粉砕ま
たは乾燥を行わせることができる。

（７）実験ｌに示したような旋回運動を用いてディスプ
レー装置を作ることかできる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は垂直管路で下から上へ流れる螺旋気
流を形成させた時に、小さな粒体が同一平面で旋回運動
を行うことを説明するための図、第３図は管路人口へ気
流及び粒塊の供給を行うためのフィーターの構造の１例
を示す説明図、第４図は長距離を輸送する場合に螺旋気
流を安定に存在させるためのブースターの構造の１例を
示す説明図である。 特許出願人　堀　井　清　之 村　１）　逗　詮 代理人　弁理士　青　麻　昌　二 第１図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 木質的に管路の長軸方向のベクトルのみを与えた気流を
   管路に送入し、！Ａ流平均速度を２０ｍ／秒以−ヒとす
   ることにより管路内に管路断面に関しては旋回流をなし
   つつ管路長軸方向に進行する安定な螺旋気流を形成させ
   、その螺旋気流域に粒塊を供給することよりなる螺旋気
   流にょる粒塊の輸送方法。