JPS6048825A - 補完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よる粒塊の輸送方法の改良に関する
ものであり、比較的大きな、または重い粒塊を効率よく
輸送することを目的とする。

＠旋気がｔによる輸送はこれまで工業的に取り上げられ
たことのない未開拓の分野であるので、まず螺旋気流に
よる輸送とは如何なるものであるかを説明する。

北米大陸中央部に発生するトルネート−１即ち大竜巻は
牛馬、自動車、家屋さえも空中へ吸い上げて異なる地点
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。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丁場」として存在
ぎせることかできれば、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醒巻類似現
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、気流の送入口伺
近では旋回流が形成されても、管路か長い場合には次第
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。

そこで電在そのものについて考察すると、その本体は上
昇する気流魂であり、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。この低圧７ｉＲを［４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、その回転に付う遠心力により中心部は
さらに低圧化し、さらに多イの空気を引寄せて旋回は一
層加速されるようになる。

厄巻の場合は熱上昇気流であるが、空気を管路Ｉ−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召−しるだけで
安定な旋回流は生じない。

そこで木登町名等はさらに研究を重ねて螺旋気流が生成
し、かつ安定して存在する条件を見出した。

即ち、本質的に管路の長袖方向のベク）・ルのみを！ｊ
−えた気流を管路に送入し気流平均速度を２０ｍ　、／
秒以Ｙ−とすると、管路内に管路断面に関しては旋＠流
をなしつつ管路長軸方向に進行する安定な虫累旋気流が
形成される。その螺旋気流域に粒塊を供給すれば螺旋気
流による粒塊の輸送が行われる。

更に具体的に説明すると、木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
、放間的に回転運動を促すようなベクトルを−（ｉｌＪ
与えることなく、また管路入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、ブロワ−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。

このような状だ、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、意外にも気流平均速度？　２０　ｍ　／秒
以」−とするど管路に安定な螺旋気流が生成することが
見出された。

このような条衿下では管路入口から数十ｃｍν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）ｊ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＠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、次に述へ、る実験により螺旋気流の存
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入
口の圧力がゲージ圧でＩＫｇ／ｃｍ２を越えることはな
い。

実験１ 第１図に示すように、内径１．５インチの透明プラスチ
・ンクヂューブを用いた管路１に垂直部分を設け、前記
の条件に従って送入した気流が下部から−Ｌ部へと流れ
るようにする。そこで管路入口から合成構脂ペレット（
径５ｍｍ、長さ５ｍｍの円柱状）を送入すると、気流速
度が十分に速い場合に１よ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（動く重力による下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だ、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ｐｌＳ１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λ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。この場合ベレット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〈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ｌ　ｍ　ｍ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
せは、ぺｌ／　ソｊ・自身も螺旋流を描きつつ出口方向
に５年むことは容部に理解できるであろう。

この：ｌｌ：態から徐々に毛直管を斜めに傾けてゆくと
、−走平面で旋回していたペレットは旋回を続けながエ
フ）二Ｆｌを開始しく即ちピッチの短い＠旋流を描くこ
とになる）、管の＠きが有る限度に達すると、急′Ｉす
に吸い込まれるように出口方向（この場合１−力）−飛
んで行き見えなくなる。

実験２ 内径１．５イン千の透明プラスチ・ンクチューブを用い
て、出口を大気に解放した佼さ２００ｍの′斤路を敷設
した。管路は途中にカーブや若干の高低を右していた。

管路入「ゴに第３図のような構造のフィーダー４を設け
、空気送入管４１から送ヌされた空気が管路の軸方向に
乱れのないピストン流となり、そのまま徐々に縮小され
て管路入０１２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。この時の管路人
［１部のゲージ圧はＯ，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管４２か
ら実験１で用いた合成樹脂ペレットを連続的に供給し、
管路の途中をス）・ロポ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。

さらに管壁に近いところで運動しているペトットに比べ
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澤た。

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、ペレットか
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
連続的に飛ひ出す合成樹脂ぺ１．−ットを、出口から５
０ｃｍ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。これはベ
レッ１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
旋気僚が形成されている。螺旋気流を管路断面に投影し
て見れば回転運動であり、その回転にイすう遠心力によ
り内部の気体粒子は外側に投げ１′＋１される結果、管
内壁に泊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。この気体密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ｊ′場のエネルギーーと了運動のエネルギー、１の
合計驕が一足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。

ｋＷ的に管路の長軸方向のベクトルのみをグーえた気流
を一定速度以−にで管路に送入しただけで何故に回転方
向のベクト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。台風なとの場合に
は、上昇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、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、即ち石巻か左巻かは、詩により異り一定
していない（竜巻の場合も石巻と左巻があるという）。

現段階でＨ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連動に伴なうコリオりの力も加わっ
て気体粒＝ｒ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伺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
は丁度竜巻の中心壱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１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。

管路入口のフィーダーは、木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と同し径で
あってもよいか、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状にせばめて管路１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左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管４２か
ら粒塊を供給すると、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ｔα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ターを垂直に設置し、
粒塊導入ｖ４２を直管にして粒塊を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−ぢが向ｊ二する。

さきに、蛤旋気波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。

管路人「］と出口との差圧は、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
小さくな例をいくつか挙げると、管径２０ｃｍ、管路長
１００ｍ、平均気流速度２５ｍ／秒の時の入口圧は約０
．０５Ｋｇ／Ｃｍ２となる。又管径１，５インチ（３，
８１ｃｍ）、管路長２００ｍ、平均％流速度２６ｍ／秒
の時の入口圧は、実験２に示した通り０．１Ｋｇ／ａｍ
２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、入口圧が１Ｋｇ／Ｃｍ２以上に
なることもあり得るが、未発ＨＡ渚等の知見によると、
入口と出口の圧力差か１Ｋｇ／　ｃ　ｍ　２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置するのが好ましい。

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
値であり、粒塊を多量に供給した場合には途中でスタグ
ネージ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。上り勾配を看する管路で粒塊
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。

そこで木登四基等は低風速、低圧力というエネルギー消
費の少ない条件下で、大きな、または重い粒塊を輸送す
る方法について検討を重ねた結果本発明に到達した。

（構成） 即ち本発明は、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、その螺旋気流域に小粒子または軽粒子を添加するこ
とにより螺旋気流を補完強化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。

ここで小粒子または軽粒子というのは、本来の輸送１コ
的物である粒塊に対して相対的に小さい、または軽い粒
子をいうのであって、小さく肚つ軽い粒子をも含める。

このような小粒子または軽粒子を添加すると、螺旋気流
は補完強化されて、大きな、又は重い粒塊を効率よく輸
送することが出来るようになる。

即ち小粒子または軽粒子を添加しない場合より・　も、
より高速で粒塊を輸送するようになるが、あるいは輸送
が困難であった一層大きい、又は一層重い粒塊が輸送可
能になる。

螺旋気流が補完強化された影響は、大きい又は重い粒子
の側にだけ現れるのではなく、小さい又は軽い粒子の側
にも現れ、同じ気流条件でも、より多くの小さい又は軽
い粒子が輸送されるようになる。即ち大きい又は重い粒
子と、小さい又は軽い粒子どは相互補完的に働いて螺旋
気流を強化する。

これは小さい又は軒い粒子を添加すると螺旋気流は補強
され、その結果管中央の場も高エネルギー化し、その高
エネルギー場に大きい又は重い粒塊が入るとまた螺旋気
流が補強されるという関係を生ずるためと思われる。

小粒子または軽粒子の添加のために特別の方法または装
置を用いる必要はなく、管路入口で粒塊と混合した状態
で螺旋気流域に供給してやるだけでよい。

実施例１ 螺旋気流による輸送は水平管の場合非常に高速で４１１
定が困難なので、実験１で用いた垂直管における移動速
度を測定した。

第１図に示すような内径１．５インチの透明プラスチッ
クチューブを用いた管路１に垂直部分を設け、空気を用
いた螺旋気流が下部から上部へと流れるようにする。気
流平均速度（送入空気量）を調節して粒塊の移動が肉眼
で観察できるようにし、管路入口からセラミックの粒塊
（直径５ｍｍの球形、比重４）を１個だけ送入して下か
ら上への移動速度をＡｌｌ＋定したところ、５０ｃｍ上
昇するのに７秒かかった。

気流平均速度を同一に保ちつつ、上記セラミック１個と
米粒（比重１．２５）２０個の割合で同時に管路に送入
したところ、セラミックが５０ｃｍ上月するのに要する
時間は３秒に短縮された。

気流平均速度が同一であるにも拘らずセラミックの一ヒ
昇速度が増加したのは、米粒を鯵加したことにより螺旋
％流が補完強化されたものと解することができる。

また米粒２０個だけを送入した時に米粒が５０ｃｍ上昇
するのに要した時間は２．０秒であったのに対し、米粒
２０個にセラミック１個の割合で同時に送入した場合に
米粒が５　Ｑ　ｃ　ｍ　Ｊ二昇するのに要した時間は１
．６秒に短縮された。

これで大粒子と小粒子とを混在させることの影響は相互
補完的であるが、大粒子に対する影響の方が顕著である
ことがわかる。

小粒子または軽粒子を定常的に添加すれば、管路全域に
わたり補完された螺旋気流が形成され。

それを利用して大きい、または重い粒塊を定常的に効率
よく輸送することができる。

実施例２ 実施例Ｊで示した方法により、石炭の粒塊（径４ｍｍ）
を輸送する際に石炭の小粒（径１　ｍ　ｍ　）、を添加
した場合の影響を測定した。

垂直管を５０ｃｍ上昇するに要した時間は、粒塊２個だ
けの時は５．２秒、小粒４０個だけの時４１１．５秒で
あったのに対し、粒塊２個と小粒４０個の割合で混合し
たものの時は、粒塊が２．３秒、小粒が１．１秒とそれ
ぞれ短縮された。粒塊にも小粒にも補完効果は現れてい
るが、粒塊に対する効果の方が顕著である。

（効果） 螺旋気流による輸送の一般的な特色として、（１）管路
出口が大気圧である場合、管路入口圧はＩＫｇ／ａｍ２
Ｇ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ｔｌ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）＃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。

特に本発明を適用した場合において、 （５）大きな、または眞い粒塊を効率よく輸送すること
ができる。

【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ヒヘ流れる螺旋気
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であり、さらに実施例１及
び２で用いた実験装置の概念をも示すものである。第３
図は管路入口へ気流及び粒塊の供給を行うためのフィー
ダーの構造の１例を示す説明図である。 特許出願人　堀　井　清　之 同　村　１）　捏　詮 代理人　弁理士　青　麻　昌　−ニ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 管路内に管路断面に関しては旋回流をなしつつ管路反軸
   方向に進行する安定な螺旋気流を形成させ、その螺旋気
   流域に小粒子または軽粒子を添加することにより螺旋気
   流を補完強化することよりなる螺旋気流による粒塊の輸
   送方法。