JPS6093032A - 固体粒子輸送用螺旋気流生成装置 - 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） 本発明は管路に安定な＠旋気流、すなわちガスが渦を巻
きつつ旋回軸方向に進行する状態を生成させ、その螺旋
気流により固体粒子を輸送する為の装置に関するもので
ある。

ガスや液体が渦を巻く現象は、例えば竜巻、台風、渦潮
など広く自然界に存在する。

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、家屋で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Ｗ場」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応用されて
いる。

本発明者等は当初このようにして生成させた旋回流によ
る固体粒子の輸送をを試みたが、送給された固体粒子は
管路入口付近の管壁に激しく衝突し管壁を摩耗させるの
で長期間の使用に耐えず、またこのようにしてエネルギ
ーを失うために、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
ることが難しいことが判明した。

そこで、自然界における気流の渦現象、即ち台風、トル
ネート等、あるいは大火災時における竜巻の発生原因は
非圧縮状態で生成する熱上昇気流であるとされているこ
とに思いをいたし、それに相当する状態を与えることの
できる装置について研究を行なった。

竜巻の場合は熱−１−外気流であるが、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じて断熱＋Ｗ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しない。

そこで更に研究を重ねた結果、本質的に管路の長袖方向
のベクトルのみを与えた非圧縮状態の気流を管路に送入
すると、気流平均速度が２０ｍ／秒以七となるあたりか
ら、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が生成することが見
出された。

更に具体的に説明すると、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するということは
、意図的に旋回運動を促すようなベクトルを一切与える
ことなく、また管路入口で急激な膨張又は収縮を生じさ
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
動があることは好ましくない。また軸方向に渦を巻くよ
うな現象も減らすために、気流な管路に送入する部分は
管径が急激に変化するような構造を避ける。

本発明装置は、上記の木質的に管路の長軸方向のベクト
ルのみを与えた非圧縮状態の気流を管路に送入して所望
の気流平均速度を与えることにより管路に安定な螺旋気
流を生成させ、その螺旋気流により固体粒子を輸送する
為の装置である。

（発明の構成） 即ち本発明装置は、底板を有する管路より大きい径の筒
状本体と、筒状本体側面の底板から離れた位置に取り付
はガスの送入方向を筒状本体の中心線に向け１つ中心線
となす角度を任意に変更できるガス送入管と、筒状本体
の底板と反対側に取り付けた大きい径から次第にせばめ
て管路径に等しくなるようにしたコージ体と、底板側か
ら筒状本体の中心線にそって挿入され管路に向けて開口
している固体粒子送給管とを有することを特徴とする。

この装置を、筒状本体として最も一般的である円筒状本
体を有する場合について添付第１図により説明する。１
が管路より大きい径の円筒状本体で、底板２を有してい
る。ガス送入管３は円筒状本体側面の底板から離れた位
置に取り付け、ガスの送入方向Ａを円筒状本体の中心線
Ｂに向は且つ中心線となす角度（図のα）を任意に変更
できるようにしである。４は大きい径から次第にせばめ
て管路径に等しくなるようにしたコーン体で、円筒状本
体の底板と反対側に取り付けである。５は固体粒子送給
管で、底板側から筒状本体の中心線にそって挿入され管
路に向けて開口している。６は接続する管路である。

ガスの送入方向が円筒状本体の中心線となす角度を任意
に変更できるようにする為には、ガス送入管を軟質材料
、例えばゴム、プラスチック等で構成してそれを傾ける
ようにすれば簡単である。

第２図・にガス送入管を傾けてガスの送入方向が円筒状
本体の中心線となす角度をα′とした場合を示す。

この装置の構成を機能面から説明すると、まずガス送入
管３は円筒状本体の底板２から離れた位置に取り付けで
あるので円筒状本体の底板付近にはガスのたまりが出来
る。このガスのたまりはガス送入管から進入されたガス
に対するクッションのような作用をして、送入ガスの微
細な脈動や送入時に生じた乱れを消去し圧力落差のない
均圧状態でガスをコーン体の方へ押し戻す。

カス送入管を円筒の中心線に向けて取り付けるのは、こ
こで旋回ベクトルを生じるのを避けるためである。従っ
て旋回ベクトルを生じない程度の取付誤差は許される。

かくしてガス送入管の取付位置から先の円筒部では、ガ
スは均圧な非圧縮状態で木質的に管路の長袖方向のベク
トルのみを有してコーン体の方へ移動するようになる。

コーン体４は円筒状本体の１一部を次第にせばめて管路
径に等しくなるようにしであるので、円筒状本体を移動
してきた気流はここで次第に速度が増加し、螺旋気流を
生成するに必要な気流平均速度を与えられるようになる
。

本発明装置の各部分に機能的名称を与えるならば、ガス
送入管取付位置から底板までの部分を緩衝域、ガス送入
管取付位置から先の筒状本体部分を均圧域、コーン体部
分を縮流域と名付けることができよう。

以上の機能面の説明から、本発明装置における設計諸要
件や、形状面での任意性の範囲はおのずから明らかにな
るであろう。

まずコーン体（縮流域）における大きい径の部分の面積
と管路径にしぼったコーン先端の部分との面積の比率に
ついて述べる。コーン体は筒状本体に存在する非圧縮状
態のガスに螺旋気流を生成するのに必要な気流平均速度
を与えるためのものである。その速度は既述の如＜　２
０　ｍ　７秒以上であるが、螺旋気流により輸送する固
体粒子が大きい場合や高所へ移動させる場合等には、１
００ｍ／秒またはそれ以上にすることもある。そのよう
な場合、コーン体における大きい径の部分の面積と管路
径にしぼったコーン先端の部分との面積の比率を２０対
ｌにすれば筒状本体部分におけるガス速度を５　ｍ　７
秒とすることができ、この部分の均圧性に悪影響を与え
ない。管路内の気流平均速度が２０ｍ／秒でよい場合に
は、この比率を４対ｌ、即ち径で２対ｌにするだけで筒
状本体部分におけるガス速度を５　ｍ　７秒とすること
ができる。

コーン体の形状は截頭円錐状でもよいが、第１図に示し
たような滑らかな流線を与えるものならば一層好ましい
。

筒状本体内の均圧域におけるガス速度は、１０ｍ／秒以
下になるようにするのが好ましい。従って筒状本体の径
は使用するガス量により定められることになる。

また筒状本体の形状は必ずしも円筒状に限られるもので
はなく、角柱状その他でもよい。要はガスが非圧縮状態
で均圧のなめらかな流れになってコーン体の方へ移動す
る形状であればよい。

このような装置を用いることにより、木質的に管路の長
袖方向のベクトルのみを与えた非圧縮状態の気流を管路
に送入することができる。

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、気流平均速度が２０ｍ／秒以上になると管路
に安定な螺旋気流が生成していることが１見出された。

かかる条件下では管路入口から数十ｃｍ以内、あるいは
コーン体部において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Ｉ　Ｋ　ｇ　／　ｃ　ｍ　２を
越えることはない。

本発明装置により生成した安定な螺旋気流は、トルネー
トや竜巻と同じように物体の搬送能力を有している。即
ち管路入口で螺旋気流域に物体を送給すればその物体も
螺旋を描きつつ管路出口まで搬送される。また丁度管軸
部に送給された物体は殆ど直線状に非常な速度で管路の
出口に向う。

固体粒子送給管５が固体粒子を送給するためのものであ
る。送給手段としては、例えばスクリューフィーダーと
かエアフィーダーとかを用いる。

固体粒子の大きさについては特に理論的な限界はなく、
粉末状のものから大きな塊に至るまで螺旋気流により輸
送することが可能であるが、当然のことながら管路の太
さによる制約を受けるので。

大きい塊を輸送しようとする時はそれに適した管径のも
のを用いる必要がある。また固体粒子送給管もそれに適
した構造と性能を有するものを選ぶ必要がある。固体粒
子送給管の先端の開口部の位置は、軽い粉末用の場合は
円筒状本体の部分でもよいが、大きな、あるいは重い固
体粒子用の場合はなるべくコーン体の部分まで延長して
固体粒子が送給管から出ると同時に螺旋気流域に送給さ
れるようにするべきである。

なお本装置内の気流が固体粒子送給管を逆流するとガス
流が乱れて螺旋気流の生成に悪影響を及ぼす恐れがある
ので、ガスシールを十分に行なう必要がある。またエア
フィーダーを使用する場合は、使用するエア礒が螺旋気
流生成用のガス量に対してあまり多量にならないように
注意する。

輸送すべき固体粒子の量が多い場合、あるいは固体粒子
が大きいか重いか又はその両方である場合には、螺旋気
流を形成して固体粒子の輸送を行なうガス量を増して気
流平均速度を速くする。しかし少箪を輸送する場合、あ
るいは小さく軽いものを輸送する場合にはガス酸を減ら
してエネルギ１ −効率を高めるよう配慮すべきである。

本発明装置においてガスの送入方向が筒状本体の中心線
となす角度を任意に変更できるようにしであるのは、こ
のような操業条件の変更に対応して常に最高のエネルギ
ー効率を維持するためである。この点について更に詳細
に説明する。

ガス送入管の取付位置と角度とは相互に関連を有する。

既述の如く、ガスの送入管を円筒状本体側面の底板から
離れた位置に取り伺ける目的は、底板付近にガスのたま
り（緩衝域）を設け、ガス送入管から送入されたガスに
対するクッションのような作用をさせて、送入ガスの微
細な脈動や送入時に生じた乱れを消去し圧力落差のない
均圧状態でガスをコーン体の方へ押し戻すためである。

そのため取付位置はガス送入管の開口部の端が底板から
少なくとも１ｃｍは離れたところに取り付けるのがよい
。

しかしこのガスのたまりのクッション作用はガス送入管
から送入されるガス量により変化する。

従って変化するガス量に応じて最適のクッション２ 作用を持たせるためにガスの送入角度を変化し得るよう
にするのである。

一般的には多少でも底板方向に向けた範囲で調整する。

だがこの場合、ガス送入口から送入角度で延長した線が
底板とクロスしないように配慮する必要がある。送入し
たガスが直接底板にあたるような配置では緩衝域のガス
のたまりが維持されないので好ましくない。そこで筒状
本体の径の大きさと、ガス送入角度の可変範囲に応じて
取付位置を底板から離すようにする。

またガス送入管の数は１本に限られるものではなく２木
以ｌ二でもよい。その場合は対称的な位置あるいはバラ
ンスのよい位置に取り付けるのが好ましい。

本発明装置に送入するガスは、できるだけ脈動のないも
のを使用する。圧力は高圧を要しないので、ガス送給源
としては往復運動のコンプレッサーよりも回転連動のブ
ロワ−の方が好ましい。必要に応じサージタンクを設け
て脈動を消去する。

第３図及び第４図にそのような装置を示す。第３図が管
路方向から見た正面図で、第４図はその側面図である。

円筒状本体ｌのまわりに環状のサージタンク７を設置し
、このサージタンクと円筒状本体との間を４本の可撓性
材料製のガス送入管３で接続する。８はブロワ−等から
サージタンクへのガス送給管である。このような装置で
サージタンクを円筒状本体の中心線方向、即ち図のＡ−
Ａ′方向に、例えば水圧ジヤツキなどで移動できるよう
にしておけば、容易にガス送入管３の傾きを変更するこ
とができる。

ガスの種類として最も一般的なのは空気であるが、必要
に応じ窒素その他を使用することもできる。

螺旋気流そのものはガスであるから肉眼では直接観察で
きないが、次に述べる実施例により螺旋気流の存在と、
それによる固体粒子の輸送を確認できる。

実施例１ 第５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６に垂直部分を設け、第３図及
び第４図に示したような装置を用いて管路に送入した気
流が、この垂直管路を下部から北部へと流れるようにす
る。

固体粒子送給管５から合成樹脂ペレット（径５ｍｍ、長
さ５ｍｍの円柱状）を送入すると、気流速度が十分に速
い場合にはペレットはこの垂直管路を下部から」一部へ
瞬間的に通過するが、気流速度を調節してペレットに働
く重力による下向きのベク）・ルと気流によるＬ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５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６図は第５図
のＡ−Ａ　′線における断面図であるが、ペレット９は
矢印で示すような旋回連動をしているのが観察される。

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
−■二部の釣合点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９は管の内壁６１に
直接接触してはいない。即ち管内壁６１に近い部分には
旋回流に基５ 〈遠心力により圧縮された気層ｌＯ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１ｍｍ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−
Ｌ向きベクトルと重力のド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）、
管の傾きが成る限度に達すると、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。

実施例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　６ 低を有していた。管路入口に第３図及び第４図のような
構造の装置を設け、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。第３図の装置の固・液
送給管５から実施例１で用いた合成樹脂ベレットを連続
的に送給し、管路の途中をストロボライトｆ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。管路の
中心を通るペレットは肉眼では観察できなかったが、ビ
デオテープに録画してストップモーションで点検したと
ころ非常な高速で大量に輸送されていることがわかった
。

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。

以Ｅの実施例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。しかも実施例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「運動のエネルギーｊ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。

本質的に管路の長袖方向のベクトルのみを与えた気流を
一定速度以上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。台風などの場合には、
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、時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
階でごえることは、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、旋回運動の結果化ずる遠心力の影
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
は丁度竜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「１の僅かな形状の差によっ
て　９ 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固体粒子を送給してやれば、固
体粒子も螺旋を描きつつ気体密度の低い部分を通過する
。管内壁とは圧縮された気層で隔てられているので、固
体粒子が硬いものであっても管内壁を傷つけることはな
い。

螺旋気流の発生条件として気流平均速度は２０ｍ／秒以
七であるということを述べたが、これは小さい粒をごく
少量実験的に送給して螺旋波の存在を確認した場合の下
限の値であり、螺旋気流を固体粒子の輸送に利用する場
合、固体粒子を多量に送給すると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固体粒子を輸
送する場合には、更に高めに設定した方がよい。気流平
均速度を高めれば螺旋気流の安定性が増し、大きな、ま
たは重い固体粒子の輸送が容０ 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、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れる固体粒子は、実施例２で観察し
た如く管壁に近い螺旋経路を通るものも管路中心の直線
に近い経路を通るものもあるが、径路により軸方向の速
度及び受ける遠心力は異って来る。

輸送中の固体粒子はしばしば経路変更するが、そのため
固体粒子は異なるｖ場のエネルギーｊの影響を受けて潮
汐現象を呈する。その結果固体粒子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固体粒子が水分を含んでい
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且つ実施例１に示したように固
体粒子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、輸送すべき固体粒子の大きさ及び重さ、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。管径は輸送すべき固体粒
子の大きさ、輸送量等に応じて定めればよい。

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。

（効果） （１）本発明装置を用いることにより管路内に安定な螺
旋気流が容易に生成される。

（２）本発明装置により生成した螺旋気流を用いて固体
粒子の輸送を行なうことができ、かつ管路内壁には遠心
力により圧縮された環状の気層が形成され輸送中の固体
粒子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）環状気層が存在するため、輸送される固体粒子は
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、異なる種類の固体粒子に切り換えて輸送を行う
ことが容易である。

（４）従来の空気輸送技術では輸送困難な大きな固体粒
子を輸送することができる。

（５）輸送のほか、粉砕、乾燥、研削等、新たな応用面
が開ける。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図はは本発明装置の基本概念を示す図、
第３図及び第４図はその実用的な構造を示す図、第５図
及びｗＳＢ図は本発明装置により螺旋気流が生成してい
ることを確認する実験の説明図である。 代理人　弁理士　青　麻　昌　二 ３ 第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 底板を有する管路より大きい径の筒状本体と、筒状本体
   側面の底板から離れた位置に取り付はガスの送入方向を
   筒状本体の中心線に向は且つ中心線となす角度を任意に
   変更できるガス送入管と、筒状本体の底板と反対側に取
   り付けた大きい径から次第にせばめて管路径に等しくな
   るようにしたコーン体と、底板側から筒状本体の中心線
   にそって挿入され管路に向けて開口している固体粒子送
   給管とを有することを特徴とする固体粒子輸送用螺旋気
   流生成装置。