WO2011099093A1 - 粒子分級に用いる慣性フィルタ - Google Patents

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WO2011099093A1
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diameter
fiber
inertial filter
constant
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恵友 鈴木
大谷　吉生
正美 古内
瀬戸　章文
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ニッタ株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/02—Investigating particle size or size distribution
    • G01N15/0255—Investigating particle size or size distribution with mechanical, e.g. inertial, classification, and investigation of sorted collections
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D45/00—Separating dispersed particles from gases or vapours by gravity, inertia, or centrifugal forces
    • B01D45/04—Separating dispersed particles from gases or vapours by gravity, inertia, or centrifugal forces by utilising inertia

Definitions

  • the particles when passing a fluid such as an air current through a through hole filled with the incompressible fiber, the particles are classified and collected by the particle inertia effect by colliding the particles in the air current with the incompressible fiber. It is related with the inertial filter.
  • the inertial filter 100 is arranged in an airflow passage and can be classified, and includes a cylindrical plate 101.
  • the columnar plate 101 includes a through hole 102 having a circular cross section, for example, in the direction from the upstream side to the downstream side of the airflow.
  • the through hole 102 has, for example, a reduced diameter through hole 102a whose inner diameter gradually decreases from the upstream side to the downstream side of the air flow, and a constant diameter through hole 102b with a constant inner diameter coupled to the reduced diameter through hole 102a on the downstream side.
  • the constant diameter through hole 102b is filled with a metal fiber 103 which is an example of an incompressible fiber.
  • an air flow in the direction of the arrow in the figure is generated in the through hole 102 due to a pressure difference generated between the internal pressure of the inertial filter 100 and the external pressure of the inertial filter 100 by the suction force of a pump (not shown).
  • This allows the particles to be classified.
  • the air flow increases in velocity in the reduced diameter through hole 102a and flows into the constant diameter through hole 102b and becomes constant.
  • the fine particles contained in the airflow collide with the metal fiber 103 and are captured in the constant diameter through hole 102b.
  • the capture of the fine particles will be described.
  • the air flow gradually accelerates and then passes through the constant diameter through hole 102b at a constant speed.
  • the constant-diameter through hole 102b has a filter structure in which the metal fibers 103 are layered, it is possible to apply the Stokes number Stk and the Peclet number Pe that can be used to select the gas flow velocity and fiber diameter. it can.
  • the Stokes number Stk is a dimensionless value representing the followability of particles to a gas flow in a filter having a metal fiber structure, and the Stokes number Stk is proportional to the flow velocity and the particle density. It is proportional to the power and inversely proportional to the fiber diameter.
  • the particle size of the particles to be collected can be selected by controlling the gas flow rate and selecting the fiber diameter.
  • the fiber diameter of the metal fiber 103 is extremely small, it is not necessary to increase the flow velocity of the air current as much as the impactor, and the metal fiber 103 is not only the inertia of the particle, Particles can also be collected by collecting gravity, electrostatic force, diffusion, etc.
  • the Peclet number Pe is a number that represents the ratio between the effect that particles are carried by airflow and the effect that particles are carried by diffusion, and is proportional to the flow velocity and fiber diameter and inversely proportional to the diffusion coefficient. In order to reduce the influence of diffusion, it is necessary to increase the Peclet number Pe. The smaller the particle size, the larger the diffusion coefficient and the smaller the fiber diameter is selected. Therefore, it can be seen that increasing the flow rate is preferable for increasing the particle size selectivity. From the above, by selecting the flow rate, fiber diameter, etc., the target particles can be collected or classified by the metal fibers.
  • the packing density of the metal fibers 103 in the constant diameter through hole 102b is substantially constant, and the constant diameter through hole 102b decreases as the particle size of the particles to be collected decreases.
  • the packing density of the inner metal fibers 103 was increased overall.
  • An object of the present invention is to provide an inertial filter that can prevent clogging due to dust loading of incompressible fibers such as metal fibers and can perform particle classification stably over a long period of time.
  • An inertial filter according to the present invention is an inertial filter having a structure in which incompressible fibers are filled in a through hole through which a fluid containing particles passes.
  • the packing density of the incompressible fiber in the through hole was increased in the through hole region on the downstream side of the through hole region on the upstream side of the fluid passage.
  • the fluid is not limited to gas, but includes liquid and others.
  • the packing density of the incompressible fiber is lower than the through hole region on the downstream side of the air flow, so that the porosity is high, and in the through hole region on the downstream side of the air flow, Since the packing density of the incompressible fiber is higher than the through hole region on the upstream side of the air flow, the porosity is low.
  • the incompressible fibers having a large particle size among the incompressible fibers that try to pass through the through holes together with the airflow are While the non-compressible fiber is packed in the upstream region where the packing density of the non-compressible fiber is low, the small-sized particles pass through without being trapped.
  • clogging due to dust load on the upstream side of the airflow passage in the through hole is less likely to occur.
  • the packing density of the incompressible fiber is high in the through hole region on the downstream side of the airflow passage, the particles that have passed through the upstream through hole region are captured in the downstream through hole region.
  • the incompressible fiber is composed of metal fiber.
  • metal fiber for example, stainless steel fiber is preferable as this metal fiber, but it is not limited to stainless steel fiber, and may be one or more metal fibers selected from aluminum fiber, copper fiber, and other metal fibers.
  • the fiber is not limited to a metal fiber as long as there is almost no change in volume even if it passes.
  • the through hole is A reduced diameter through hole in which the inner diameter gradually decreases from the upstream side to the downstream side of the air flow, A constant-diameter through-hole having a constant inner diameter coupled downstream with respect to the reduced-diameter through-hole, Including
  • the non-compressible fiber is filled in the constant-diameter through hole, and the filling density is increased in the through-hole region downstream of the fluid passing upstream through-hole region in the constant-diameter through hole.
  • an inertial filter capable of performing particle classification stably over a long period of time can be provided.
  • FIG. 1 is a diagram showing a conceptual configuration of an inertial filter according to an embodiment of the present invention as viewed from the side.
  • FIG. 2 is an enlarged view showing a main part of the inertial filter shown in FIG.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a state of collecting particles in the through hole of the inertial filter according to the embodiment.
  • FIG. 4A is a diagram illustrating the characteristics of Comparative Example 1.
  • FIG. 4B is a diagram illustrating the characteristics of Comparative Example 2.
  • FIG. 5 is a diagram showing characteristics of the embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a graph showing the characteristics of Comparative Examples 1 and 2 and the embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram showing a conceptual configuration of a conventional inertial filter as viewed from the side.
  • FIG. 8 is a view showing a state of collecting particles in a through hole of a conventional inertial filter.
  • the particles are assumed to be particles floating in a gas as an example of a solvent.
  • the particles are not limited to particles floating in a gas, and may include other solvents such as particles floating in a liquid or others. it can.
  • an inertial filter 1 includes a disk-shaped plate 2, a cylindrical plate 3, a columnar plate 4, a cylindrical plate 5, and a disk from the upstream side to the downstream side of the airflow.
  • a total of six plates of the plate-like plate 6 and the columnar plate 7 are laminated in this order.
  • the airflow inflow side filter space 8 is constituted by three plates consisting of the disk-shaped plate 2, the cylindrical plate 3 and the columnar plate 4 on the upstream side of the airflow, and the columnar plate 4, the cylindrical plate 5 and the disk
  • An airflow passage side filter space 9 is constituted by three plates made of the plate-like plate 6, and a space for exhausting the airflow to the outside is constituted by the through holes 12 formed in the cylindrical plate 7.
  • the disc-like plate 2 is arranged as a filter plate on the upstream side of the airflow, has a number of airflow suction holes (not shown), and is operated by an airflow suction pump (not shown) arranged on the airflow downstream side of the inertial filter 1. As shown by the arrow A, the airflow can be sucked into the airflow suction hole.
  • the cylindrical plate 3 has the same outer diameter as that of the disk-shaped plate 2 and constitutes the airflow upstream side surface of the inertial filter 1.
  • the columnar plate 4 has an axial through hole 10 in the center of the plate.
  • the through hole 10 has a reduced diameter through hole 10a whose inner diameter gradually decreases downward from the upper side to the lower side, a constant diameter through hole 10b which is continuous with the lower end of the reduced diameter through hole 10a and has a constant inner diameter, Consists of Airflow flows into the through-hole 10 from the filter space 8 as indicated by an arrow B.
  • the constant diameter through-hole 10b is filled with metal fibers 11 that hardly change in volume even when a high-speed airflow passes as incompressible fibers.
  • the metal fibers 11 are preferably SUS (stainless) fibers, but are not limited to SUS fibers, and may be one or more metal fibers selected from aluminum fibers, copper fibers, and other metal fibers. Further, the fibers are not limited to metal fibers as long as they are fibers that are incompressible and hardly change in volume even when a high-speed airflow passes through them.
  • the airflow that has passed through the through hole 10 passes through the disc-shaped plate 6 as indicated by the arrow C in the filter space 9, and then the inertial filter 1 as indicated by the arrow D in the through hole 12 of the cylindrical plate 7. It flows out and is exhausted.
  • the through hole 10 includes the reduced diameter through hole 10a and the constant diameter through hole 10b, and the metal fiber 11 is not filled into the reduced diameter through hole 10a but is filled into the constant diameter through hole 10b. Yes.
  • the constant-diameter through-hole 10b is divided into a through-hole region 10b1 on the upstream side through which the fluid passes and a through-hole region 10b2 on the downstream side based on the difference in packing density of the metal fibers 11 therein, and the upstream side through which the fluid passes
  • the through hole region 10b1 is filled with metal fibers 11a at a lower packing density than the through hole region 10b2 on the downstream side of the fluid passage, and the downstream through hole region 10b2 is higher than the through hole region 10b1 on the upstream side of the fluid passage.
  • the metal fibers 11b are filled at a filling density.
  • metal fibers 11a and 11b are incompressible, the same type of metal fibers 11 may be used, or different types of metal fibers 11 may be used. Moreover, it is possible to use a fiber other than the metal fiber instead of the metal fiber 11 as long as it is incompressible.
  • the metal fiber 11 is filled in a two-layer structure within the constant diameter through hole 10b.
  • the metal fiber 11 is not limited to the above two-layer structure, and may have a structure of three or more layers.
  • the packing density of the metal fibers 11 is lower in the layer on the upstream side of the airflow passage than the layer on the downstream side of the airflow passage, and the packing density of the metal fibers 11 is higher in the layer on the downstream side of the airflow passage. .
  • the packing density of the metal fibers 11 is higher as the airflow passage is more downstream in the constant diameter through hole 10b.
  • the metal fiber filling density changes stepwise (stepwise), but is not necessarily limited to changing the metal fiber filling density stepwise in this way, and is continuous. Alternatively, the metal fiber packing density may be changed.
  • the through-hole depth (axial dimension) of the through-hole region 10b1 on the upstream side through which the fluid passes and the downstream through-hole region 10b2 The ratio of the through hole depth (axial dimension) itself may be set as appropriate, but the through hole depth dimension in the through hole region 10b1 is D1, and the through hole depth dimension in the through hole region 10b2 is D2. In this case, for example, it is preferable that the ratio is D1 / D2 ⁇ 1.
  • the metal fiber 11a has a low filling density in the through-hole region 10b1 on the upstream side of the airflow passage, and the porosity is high. Since the filling density of the metal fibers 11b is high, the porosity is low. Therefore, when the particle diameters of the particles in the airflow are roughly classified into two types, large and small, particles having a large particle diameter are captured by the metal fibers 11a in the airflow passage upstream side through-hole region 10b1, while the particle diameter is small. The particles pass through without being captured, and are captured by the airflow passage downstream through-hole region 10b2.
  • the inertial filter 1 of this invention it can provide the inertial filter which can carry out particle
  • the horizontal axis indicates the number of particles collected
  • the vertical axis indicates the depth of the through hole.
  • the number of particles collected increases gradually in the depth direction of the through hole, and then gradually decreases.
  • the filter characteristics of the conventional inertia filter 100 and the inertia filter 1 of the embodiment are compared with each other, and in the conventional inertia filter 100, a dust load is caused near the entrance of the constant diameter through hole 102b.
  • the embodiment shows that the particle collection is performed in the entire constant-diameter through hole 10b and is excellent in particle collection efficiency.
  • the airflow passage upstream through-hole region 10b1 is filled with the metal fibers 11 at a filling rate of 0.3%
  • the airflow passage downstream through-hole region 10b2 is filled with the metal fibers 11
  • the classification characteristic is high, and the fluctuation of the classification characteristic is small before and after dust accumulation.
  • the horizontal axis is the aerodynamic particle size
  • the vertical axis is the classification characteristic.
  • the airflow passage upstream through-hole region 10b1 is filled with the metal fiber 11 at a filling rate of 0.3%
  • the airflow passage downstream side through-hole region 10b2 is filled with the metal fiber 11 at a filling rate of 6%.
  • the particle trapping efficiency is high, and even if the dust load increases, the fluctuation of the pressure loss is small.
  • the horizontal axis represents the amount of dust load
  • the vertical axis represents the pressure loss.
  • the particles when passing a fluid such as an air current through a through hole filled with the incompressible fiber, the particles are classified and collected by the particle inertia effect by colliding the particles in the air current with the incompressible fiber. This is particularly useful in inertial filters.

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Abstract

　定径貫通孔内における非圧縮性繊維の充填密度を、流体通過上流側の貫通孔領域より下流側の貫通孔領域で高くすることで、長期にわたり目詰まりせず安定して粒子分級を行う慣性フィルタ。

Description

粒子分級に用いる慣性フィルタ
　本発明は、非圧縮性繊維を充填した貫通孔内に気流等の流体を通過させる際に非圧縮性繊維に気流中の粒子を衝突させることによる粒子慣性効果で粒子を分級捕集するようにした慣性フィルタに関するものである。
　図７を参照して従来の慣性フィルタ１００を説明すると、この慣性フィルタ１００は、気流通過路内に配置されて粒子分級することができるものであり、円柱状プレート１０１を備える。円柱状プレート１０１は、気流通過上流側から下流側方向の例えば断面円形の貫通孔１０２を具備する。この貫通孔１０２は気流通過上流側から下流側にかけて例えば内径が漸次縮径する縮径貫通孔１０２ａと、この縮径貫通孔１０２ａに下流側で連成される内径が一定の定径貫通孔１０２ｂとを含む。この定径貫通孔１０２ｂ内に、非圧縮性繊維の一例である金属繊維１０３が充填されている。
　この慣性フィルタ１００では、図示略のポンプの吸引力により、慣性フィルタ１００の内圧を下げて慣性フィルタ１００の外圧との間で生成する気圧差で貫通孔１０２内に図中矢印方向の気流を発生させて粒子を分級させることができるようになっている。上記気流は、縮径貫通孔１０２ａ内で速度上昇して定径貫通孔１０２ｂ内に流入して一定となる。そして、定径貫通孔１０２ｂ内において気流に含む微粒子は金属繊維１０３に衝突して捕捉される。
　上記微粒子の捕捉について説明する。まず慣性フィルタ１００の縮径貫通孔１０２ａは気流下流側方向へ内径が小さくなっていくので、気流は徐々に加速した後、定径貫通孔１０２ｂを一定速度で通過し、この通過の際に粒子を捕集する。定径貫通孔１０２ｂは金属繊維１０３が層状になったフィルタ構造になっているので、気体の流速、繊維径の選択に用いることができるストークス数Ｓｔｋと、ペクレ数Ｐｅと、を適用することができる。ストークス数Ｓｔｋは、金属繊維構造のフィルタ内での、気体の流れに対する粒子の追従性を表す無次元の値であり、また、ストークス数Ｓｔｋは、流速、粒子密度に比例し、粒径の２乗に比例し、繊維径に反比例する。
　ストークス数Ｓｔｋの式によると、気体の流速が大きくなるに従い、粒径が大きい浮遊粒子から順に気体の運動に追従できなくなり、気体の流路から外れて金属繊維１０３と衝突するようになる。このストークス数Ｓｔｋを参考にしつつ、気体の流速を制御することと、繊維径を選択することとにより、捕集目的の粒子の粒径を選択することができる。
　なお、上記従来の慣性フィルタ１００においては、金属繊維１０３の繊維径は極めて小さいので、インパクタほど気流の流速を大きくする必要がなく、また、金属繊維１０３は、粒子の慣性だけではなく、さえぎり、重力、静電気力、拡散などの捕集によっても粒子を捕集することができる。
　ペクレ数Ｐｅは、気流により粒子が運ばれる効果と、拡散によって粒子が運ばれる効果との比率を表す数であり、流速、繊維径に比例し、拡散係数に反比例する。拡散の影響を少なくするには、ペクレ数Ｐｅを大きくする必要がある。粒径が小さいほど、拡散係数が大きくなり、繊維径は小さい値が選択されているので、流速を高めることが粒径の選択性を高めることに好ましいことがわかる。以上から、流速、繊維径等を選択することで、目的とする粒子を金属繊維により捕集ないし分級することができる。
特開２００８－７０２２２号公報
　以上説明した図７で示す慣性フィルタ１００においては、定径貫通孔１０２ｂ内における金属繊維１０３の充填密度はほぼ一定化されており、捕集対象の粒子の粒径が小さくなるほど定径貫通孔１０２ｂ内の金属繊維１０３の充填密度を全体的に高くしていた。
　しかしながら、上記のように金属繊維１０３の充填密度を高くした場合、図８で示すように粒径小の粒子の捕集分級は可能となるものの、定径貫通孔１０２ｂ内の金属繊維１０３において気流通過上流側に位置する金属繊維部分では粉塵負荷により早期に目詰まりを起こし易くなり、その結果、ポンプの吸引力を高くしなければ、吸引しにくくなり、早期の段階で粒子分級に支障を来たすようになっていた。
　図７、図８において定径貫通孔１０２ｂ全体の深さ（貫通孔入口から出口までの深さ）はｄ２であり、定径貫通孔１０２ｂへの気流流入入口では貫通孔深さｄをｄ＝０、気流流出出口での貫通孔深さをｄ＝ｄ２とすると、この貫通孔１０２では貫通孔深さｄ＝０から貫通孔深さｄ＝ｄｘまでは粒子捕集がよく行われるのであるが、この貫通孔深さｄ＝ｄｘで目詰まりしている結果、それ以降の貫通孔深さでは粒子捕集が行われなくなってしまっている。図８では粒子捕集状況を誇張して示しハッチング部分は粒子捕集の状況を示している。
　本発明は、金属繊維等の非圧縮性繊維の粉塵負荷による目詰まりを起きにくくし、長期にわたり安定して粒子分級を行うことができる慣性フィルタを提供することを課題としている。
　本発明による慣性フィルタは、粒子を含む流体が通過する貫通孔内に非圧縮性繊維を充填した構造を備えた慣性フィルタであって、
 上記貫通孔内における非圧縮性繊維の充填密度を、流体通過上流側の貫通孔領域より下流側の貫通孔領域で高くした。なお、上記流体は気体に限らず、液体、その他のものを含む。
　上記貫通孔において、気流通過上流側の貫通孔領域では非圧縮性繊維の充填密度が気流通過下流側の貫通孔領域より低いので空隙率が高くなり、また、気流通過下流側の貫通孔領域では非圧縮性繊維の充填密度が気流通過上流側の貫通孔領域より高いので空隙率が低くなっている。そのため、気流中の粒子を例えば粒径が大と小との２種類の粒子に分類した場合、貫通孔内を気流と共に通過しようとする非圧縮性繊維のうち粒径大の非圧縮性繊維は、非圧縮性繊維の充填密度が低い気流通過上流側領域で捕捉される一方で、粒径小の粒子は捕捉されずに通過する。その結果、貫通孔内の気流通過上流側での粉塵負荷による目詰まりは起こりにくくなる。そして、気流通過下流側の貫通孔領域では、非圧縮性繊維の充填密度が高いので、上流側貫通孔領域を通過した粒子は下流側の貫通孔領域で捕捉される。これにより、本発明の慣性フィルタでは、粉塵負荷で目詰まりしにくく、したがって長期にわたり安定して粒子分級捕集を行うことができる慣性フィルタを提供することができる。
　好ましい態様では、非圧縮性繊維を金属繊維で構成する。この金属繊維として例えばステンレス繊維が好ましいが、ステンレス繊維に限定するものではなく、アルミ繊維、銅繊維、その他の金属繊維から選ばれる１種以上の金属繊維でもよく、また、非圧縮性で高速気流が通過しても体積変化が殆どない繊維であれば、金属繊維に限定しない。
　別の好ましい態様では、
　上記貫通孔は、
　気流通過上流側から下流側方向に内径が漸次縮径する縮径貫通孔と、
　上記縮径貫通孔に対して下流側で連成された内径が一定の定径貫通孔と、
　を含み、
　上記定径貫通孔に上記非圧縮性繊維を充填すると共に、その充填密度を、当該定径貫通孔における流体通過上流側貫通孔領域より下流側の貫通孔領域で高くする。
　本発明によれば、長期にわたり安定して粒子分級を行うことができる慣性フィルタを提供することができる。
図１は本発明の実施の形態にかかる慣性フィルタを側面から見た概念構成を示す図である。 図２は図１で示す慣性フィルタの要部を拡大して示す図である。 図３は実施の形態の慣性フィルタの貫通孔内における粒子捕集状況を示す図である。 図４Ａは比較例１の特性を示す図である。 図４Ｂは比較例２の特性を示す図である。 図５は本発明の実施の形態の特性を示す図である。 図６は比較例１、２、本発明の実施の形態の特性をそれぞれ示す図である。 図７は従来にかかる慣性フィルタを側面から見た概念構成を示す図である。 図８は従来の慣性フィルタの貫通孔内における粒子捕集状況を示す図である。
　以下、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態に係る慣性フィルタを説明する。なお、実施の形態において粒子は溶媒の一例として気体中に浮遊する粒子を想定するが、気体中に浮遊する粒子に限定されず、他の溶媒例えば液中やその他を浮遊する粒子を含むことができる。
　図１および図２を参照して、実施の形態の慣性フィルタ１は、気流通過上流側から下流側にかけて円板状プレート２、円筒状プレート３、円柱状プレート４、円筒状プレート５、円板状プレート６、および円柱状プレート７の合計６枚のプレートをこの順序で積層して構成されている。そして、気流上流側における円板状プレート２、円筒状プレート３および円柱状プレート４からなる３枚のプレートにより気流流入側フィルタ空間８を構成し、円柱状プレート４、円筒状プレート５および円板状プレート６からなる３枚のプレートにより気流通過側フィルタ空間９を構成し、円柱状プレート７に形成された貫通孔１２により気流を外部に排気する空間を構成する。
　円板状プレート２は、フィルタプレートとして、気流上流側に配置され、図示略の気流吸入孔を多数有し、慣性フィルタ１の気流下流側に配置した図示略の気流吸引ポンプの作用により、この気流吸入孔から内部に矢印Ａで示すように気流を吸入することができるようになっている。円筒状プレート３は、円板状プレート２の外径と同じ外径を有し、慣性フィルタ１の気流上流側側面を構成する。円柱状プレート４は、当該プレート中央に軸方向の貫通孔１０を有する。この貫通孔１０は、上側から下側へかけて内径が下方へ漸次縮径する縮径貫通孔１０ａと、縮径貫通孔１０ａの下端に連続し内径が一定である定径貫通孔１０ｂと、から構成される。この貫通孔１０にはフィルタ空間８から矢印Ｂで示すように気流が流入する。
　そして定径貫通孔１０ｂには非圧縮性繊維として高速気流が通過しても体積変化が殆どない金属繊維１１が充填される。この金属繊維１１は好ましくはＳＵＳ（ステンレス）繊維であるが、ＳＵＳ繊維に限定するものではなく、アルミ繊維、銅繊維、その他の金属繊維から選ばれる１種以上の金属繊維でもよい。また、非圧縮性で高速気流が通過しても体積変化が殆どない繊維であれば、金属繊維に限定しない。
　貫通孔１０を通過した気流は、フィルタ空間９内を矢印Ｃで示すように円板状プレート６を通過し、ついで円柱状プレート７の貫通孔１２内を矢印Ｄで示すように当該慣性フィルタ１外に流出して排気される。
　次に図２を参照して円柱状プレート４の貫通孔１０内に充填する金属繊維１１の充填形態を説明する。貫通孔１０は、上記したように、縮径貫通孔１０ａと、定径貫通孔１０ｂとを含むと共に、金属繊維１１は縮径貫通孔１０ａには充填されず定径貫通孔１０ｂに充填されている。そして定径貫通孔１０ｂを、その内部での金属繊維１１の充填密度の相違に基づいて、流体通過上流側の貫通孔領域１０ｂ１と下流側の貫通孔領域１０ｂ２とに分けると共に、流体通過上流側の貫通孔領域１０ｂ１には、流体通過下流側の貫通孔領域１０ｂ２より低い充填密度で金属繊維１１ａを充填し、下流側の貫通孔領域１０ｂ２には、流体通過上流側の貫通孔領域１０ｂ１より高い充填密度で金属繊維１１ｂを充填する。金属繊維１１ａ、１１ｂは非圧縮性であれば種類が同一の金属繊維１１であってもよいし、また種類が異なる金属繊維１１であってもよい。また、金属繊維１１に変えて金属繊維以外の繊維であっても非圧縮性であれば用いてもよい。
　以上説明したように、金属繊維１１は定径貫通孔１０ｂ内で２層構造で充填されている。この場合、金属繊維１１は上記２層構造に限定されず、３層以上の構造でもよい。この場合、気流通過上流側の層では、気流通過下流側の層より金属繊維１１の充填密度が低く、気流通過下流側の層では、気流通過上流側の層より金属繊維１１の充填密度が高い。要は、定径貫通孔１０ｂ内で気流通過下流側になるほど、金属繊維１１の充填密度が高くなっている。ここで、上記２層構造では、ステップ的（階段状）に金属繊維充填密度が変化しているが、必ずしも、このようにステップ的に金属繊維充填密度を変化することに限定されず、連続的に金属繊維充填密度を変化させるようにしてもよい。
　また、上記金属繊維充填密度が２層構造となっている上記貫通孔１０において流体通過上流側の貫通孔領域１０ｂ１それ自体の貫通孔深さ（軸方向寸法）と、下流側の貫通孔領域１０ｂ２それ自体の貫通孔深さ（軸方向寸法）との割合は適宜設定するとよいが、貫通孔領域１０ｂ１での貫通孔深さ寸法をＤ１、貫通孔領域１０ｂ２での貫通孔深さ寸法をＤ２とした場合、例えばＤ１／Ｄ２≧１の割合とするのが好ましい。
　以上の構成を備える結果、定径貫通孔１０ｂにおいて、気流通過上流側の貫通孔領域１０ｂ１では金属繊維１１ａはその充填密度が低いので空隙率が高く、また、気流通過下流側貫通孔領域１０ｂ２では金属繊維１１ｂの充填密度が高いので空隙率が低くなっている。そのため、気流中の粒子の粒径を大小２種類に大別分類した場合は、粒径大の粒子は気流通過上流側貫通孔領域１０ｂ１内の金属繊維１１ａで捕捉される一方で、粒径小の粒子は捕捉されずに通過し、気流通過下流側貫通孔領域１０ｂ２で捕捉される。
　その結果、貫通孔１０内において気流通過上流側貫通孔領域１０ｂ１内では金属繊維１１ａの充填密度が低く空隙率が高いのでそこでは粉塵負荷の影響は少なく目詰まりは起こりにくくなる。そして、気流通過下流側貫通孔領域１０ｂ２内では金属繊維１１ｂの充填密度が高いので、気流通過上流側貫通孔領域１０ｂ１内を通過した粒径小の粒子は当該下流側金属繊維１１ｂで捕捉される。これにより、本発明の慣性フィルタ１では、長期にわたり目詰まりしにくく安定して粒子分級を行うことができる慣性フィルタを提供することができる。
　図３を参照して実施の形態の慣性フィルタによる粒子捕集を説明する。図３において、横軸は粒子捕集数、縦軸は貫通孔深さを示す。貫通孔１０ｂにおいて、気流流入入口すなわち貫通孔深さｄ＝０から貫通孔深さｄ＝ｄ１までは気流通過上流側貫通孔領域１０ｂ１であって金属繊維１１ａの低い充填密度に対応した粒子捕集特性となっていて、粒子捕集数は貫通孔深さ方向に漸次に増加し、次いで漸次に減少する。貫通孔深さｄ＝ｄ１からｄ２までは気流通過下流側貫通孔領域１０ｂ２であって金属繊維１１ｂの高い充填密度に対応した粒子捕集特性となっていて、所定深さまでは粒子捕集数が急増し、それ以降の深さでは急減する。
　従来の慣性フィルタ１００と実施の形態の慣性フィルタ１それぞれのフィルタ特性をそれぞれ図５と図３とで比較して示すように従来の慣性フィルタ１００では定径貫通孔１０２ｂの入口近傍で粉塵負荷により目詰まりを来たし、粒子捕集効率が悪いのに対して、実施の形態では、粒子捕集は定径貫通孔１０ｂ全体で行われ粒子捕集効率に優れていることが判る。
　本実施の形態の慣性フィルタ１による効果を、図４Ａ～図６を参照してさらに詳細に説明する。まず、分級特性と粒子の捕捉効率における本実施の形態の効果を説明する。図４Ａに示すように、定径貫通孔１０ｂ全体に金属繊維１１を充填率６％で均一に充填した比較例１の構成では、粒子の捕捉効率は高いが、粉塵堆積後に分級特性が劣化する。一方、図４Ｂに示すように、定径貫通孔１０ｂ全体に金属繊維１１を充填率１％で均一に充填した比較例２の構成では、粉塵堆積前後で分級特性はほとんど変動しないものの、粒子の捕捉効率は低い。これに対して、図５に示すように、気流通過上流側貫通孔領域１０ｂ１に金属繊維１１を充填率０．３％で充填し、気流通過下流側貫通孔領域１０ｂ２に金属繊維１１を充填率６％で充填した本実施の形態の構成では、分級特性が高く、かつ粉塵堆積前後で分級特性の変動も少ない。なお、図４Ａ、図４Ｂ、図５それぞれにおいて、横軸は空気動力学的粒径であり、縦軸は分級特性である。
　次に粉塵負荷による圧力損失の変動における本実施の形態の効果を図６を参照して説明する。図６に示すように、定径貫通孔１０ｂ全体に金属繊維１１を充填率６％で均一に充填した比較例３の構成では、粉塵負荷量が増加すると、それに伴って圧力損失が急激に増加する。一方、定径貫通孔１０ｂ全体に金属繊維１１を充填率０．３％で均一に充填した比較例４の構成では、粉塵負荷量が増加しても、圧力損失の変動は少ない。しかしながら、図示はしないが粒子の捕捉効率が低い。これに対して、気流通過上流側貫通孔領域１０ｂ１に金属繊維１１を充填率０．３％で充填し、気流通過下流側貫通孔領域１０ｂ２に金属繊維１１を充填率６％で充填した本実施の形態の構成では、粒子の捕捉効率が高いうえに、粉塵負荷量が増加しても、圧力損失の変動は少ない。なお、図６において、横軸は粉塵負荷の量であり、縦軸は圧力損失である。
　本発明は、非圧縮性繊維を充填した貫通孔内に気流等の流体を通過させる際に非圧縮性繊維に気流中の粒子を衝突させることによる粒子慣性効果で粒子を分級捕集するようにした慣性フィルタにおいて特に有用である。
　　１　　　慣性フィルタ
２，６　　　円板状プレート
３，５　　　円筒状プレート
４，７　　　円柱状プレート
８，９　　　フィルタ空間
　１０　　　貫通孔
　１０ａ　　縮径貫通孔
　１０ｂ　　定径貫通孔
　１０ｂ１　気流通過上流側貫通孔領域
　１０ｂ２　気流通過下流側貫通孔領域
　１１　　　金属繊維
　１１ａ　　低充填密度の金属繊維
　１１ｂ　　高充填密度の金属繊維

Claims (4)

  1. 　粒子を含む流体が通過する貫通孔内に非圧縮性繊維を充填した構造を備えた慣性フィルタであって、
    　上記貫通孔内における非圧縮性繊維の充填密度を、流体通過上流側の貫通孔領域より下流側の貫通孔領域で高くした、
    　慣性フィルタ。
  2. 　上記非圧縮性繊維が金属繊維であることである、
    　請求項１に記載の慣性フィルタ。
  3. 　上記貫通孔は、
    　気流通過上流側から下流側方向にかけての内径が漸次縮径する縮径貫通孔と、
    　気流通過上流側から下流側方向にかけての内径が一定であって上記縮径貫通孔に対して下流側で連成された定径貫通孔と、
    　を含み、
    　上記定径貫通孔に上記非圧縮性繊維を充填すると共に、その充填密度を、当該定径貫通孔における流体通過上流側貫通孔領域より下流側の貫通孔領域で高くした、
    　請求項１または２に記載の慣性フィルタ。
  4. 　上記流体通過上流側貫通孔領域の貫通孔深さをＤ１、上記流体通過下流側貫通孔領域の貫通孔深さをＤ２としたとき、これらの間にＤ１／Ｄ２≧１の関係を有する、
    　請求項１または２に記載の慣性フィルタ。
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