(57)【要約】【課題】建屋内の粉塵挙動を、粉塵が大きなサイズのものや密度が高いものであっても、有利に予測することの出来る方法を提供し、また、床上等に飛び地的に沈降堆積する粉塵も効果的に予測することの出来る手法を提供する。【解決手段】コンピュータによる熱流動シミュレーション及び粉塵拡散シミュレーションにより建屋内の粉塵の濃度分布を予測するに際して、建屋内に配設される構造物の位置及び形状、熱発生源の温度或いは発生熱量、建屋の開口部の自然換気及び強制換気を考慮した三次元熱流動シミュレーションから、建屋内の気流速度分布と粉塵の大きさ及び密度から粉塵の終端速度を求め、それら気流速度分布及び粉塵の終端速度を用いて、三次元粉塵拡散シミュレーションを実施することにより、建屋内において浮遊拡散及び沈降堆積する粉塵の濃度分布を予測する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンピュータによる熱流動シミュレーション及び粉塵拡散シミュレーションにより建屋内の粉塵の濃度分布を予測するに際して、かかる建屋内に配設される構造物の位置及び形状、熱発生源の温度或いは発生熱量、建屋の開口部の自然換気及び強制換気を考慮した三次元熱流動シミュレーションから、建屋内の気流速度分布を求め、更に粉塵の大きさ及び密度から粉塵の終端速度を求めた後、それら求められた気流速度分布及び粉塵の終端速度を用いて、建屋内における粉塵発生源の位置とその粉塵発生量を考慮した三次元粉塵拡散シミュレーションを実施することにより、建屋内において浮遊拡散及び沈降堆積する粉塵の濃度分布を予測することを特徴とする建屋内の粉塵挙動予測方法。
【請求項２】
前記三次元粉塵拡散シミュレーションにおいて、鉛直方向の気流速度と粉塵の終端速度との間の大小関係から、かかる粉塵の気流からの離脱を考慮して、建屋内における粉塵の濃度分布を予測することからなる請求項１に記載の建屋内の粉塵挙動予測方法。
【請求項３】
前記建屋内に発生する、大きさや密度の異なる各種粉塵について、それぞれの粉塵に対する終端速度を考慮した、それぞれの粉塵についての前記三次元粉塵拡散シミュレーションの結果を合成して、総合的な粉塵濃度分布を予測することからなる請求項１又は請求項２に記載の建屋内の粉塵挙動予測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、建屋内の粉塵挙動予測方法に係り、特に、粉塵発生の多い鋳造工場や圧延工場等の工場建屋内の環境改善を実現するために、コンピュータ・シミュレーションを利用して、気流速度分布や粉塵の終端速度を求めて、粉塵濃度分布を予測し、解析する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、溶解炉や注湯装置等が設置されている鋳造工場や、冷間圧延工場における冷延油ろ過室等においては、多量の粉塵が発生し、それが、空中に浮遊していたり、床上に降下して堆積することにより、作業環境が悪化するようになるところから、そのような作業環境の改善を図るべく、各種の対策が講じられてきている。そして、近年では、コンピュータによるシミュレーション技術の発展に伴い、工場建屋内の気流をシミュレーションにより予測し、粉塵対策等の適切な環境改善策を事前に評価する気流シミュレーション方法が提案され、例えば、特許第３９５２３２９号公報や特開平１０−１０３７２３号公報においては、工場建屋内の気流シミュレーションを行い、粉塵挙動を予測する方法が、提案されている。
【０００３】
すなわち、それらの特許公報に提案の方法では、工場建屋内の設備配置、熱源状況及び外界との換気を詳細に考慮した三次元気流シミュレーションを行い、この気流シミュレーションの結果を受けて、工場建屋内の数箇所から発生する粉塵について、粉塵拡散シミュレーションを行うようになっている。しかしながら、そのような方法では、粉塵が気流に乗って上昇、拡散し、モニタから屋外に排出される様子は予測することが出来るものの、粉塵の大きさが１０μｍ以上となったり、その密度が２．０ｇ／ｃｍ3 以上となったりすると、工場屋内において、粉塵が床上に沈降堆積するようになるのであるが、上記提案の方法は、そのような沈降堆積する状況を予測するまでには、至っていないのが実情である。即ち、それら特許公報に提案の方法は、粉塵として、極小サイズのものや密度が低いものが、その対象とされているに過ぎないのである。
【０００４】
また、特許第５０２６５９３号公報においては、屋外煙突から放出される粉塵の分布を予測する方法が提案されており、そこでは、風向きや風力を事前に測定しておき、その気流測定結果を受けて、例えば、煙突からの粉塵拡散状況について、粉塵の終端速度を考慮して、粉塵の拡散分布状況をガウシアン分布で求めている。しかし、かかるガウシアン分布は、煙突を中心とした閉じた形状の粉塵濃度分布であり、沈降堆積する粉塵は、そのガウシアン分布の地面に限定されてしまうこととなるのである。そのために、実際に発生しているような、飛び地的に沈降堆積する粉塵濃度分布を予測することが出来ないという問題がある。
【０００５】
このように、従来から提案の粉塵拡散シミュレーション方法では、計算或いは測定された気流に乗って粉塵が運ばれる際に、気流よりも大きな密度や大きなサイズの粉塵に対しては、それが、気流から離脱、降下し、気流条件に応じて飛び地的に沈降堆積する状況を正確に予測することは出来ていないのである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３９５２３２９号公報
【特許文献２】特開平１０−１０３７２３号公報
【特許文献３】特許第５０２６５９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ここにおいて、本発明は、かかる事情を背景にして為されたものであって、その解決課題とするところは、建屋内の粉塵挙動を、かかる粉塵が大きなサイズのものであっても、また密度が高いものであっても、有利に予測することの出来る方法を提供することにあり、また、床上等に飛び地的に沈降堆積する粉塵も効果的に予測することの出来る手法を提供することにもある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
そして、本発明は、上述した課題を解決するために、以下に列挙せる如き各種の態様において、好適に実施され得るものであるが、また、以下に記載の各態様は、任意の組み合わせにおいて採用可能である。なお、本発明の態様乃至は技術的特徴は、以下に記載のものに何等限定されることなく、明細書全体の記載及び図面に開示の発明思想に基づいて認識され得るものであることが、理解されるべきである。
【０００９】
そこで、本発明は、先ず、前記した課題を解決すべく、コンピュータによる熱流動シミュレーション及び粉塵拡散シミュレーションにより建屋内の粉塵の濃度分布を予測するに際して、かかる建屋内に配設される構造物の位置及び形状、熱発生源の温度或いは発生熱量、建屋の開口部の自然換気及び強制換気を考慮した三次元熱流動シミュレーションから、建屋内の気流速度分布を求め、更に粉塵の大きさ及び密度から粉塵の終端速度を求めた後、それら求められた気流速度分布及び粉塵の終端速度を用いて、建屋内における粉塵発生源の位置とその粉塵発生量を考慮した三次元粉塵拡散シミュレーションを実施することにより、建屋内において浮遊拡散及び沈降堆積する粉塵の濃度分布を予測することを特徴とする建屋内の粉塵挙動予測方法を、その要旨とするものである。
【００１０】
なお、かかる本発明に従う建屋内の粉塵挙動予測方法の望ましい態様の一つによれば、前記三次元粉塵拡散シミュレーションにおいて、鉛直方向の気流速度と粉塵の終端速度との間の大小関係から、かかる粉塵の気流からの離脱を考慮して、建屋内における粉塵の濃度分布が予測されることとなる。
【００１１】
また、本発明に従う建屋内の粉塵挙動予測方法の好ましい態様の他の一つによれば、前記建屋内に発生する、大きさや密度の異なる各種粉塵について、それぞれの粉塵に対する終端速度を考慮した、それぞれの粉塵についての前記三次元粉塵拡散シミュレーションの結果を合成して、総合的な粉塵濃度分布が予測されることとなる。
【発明の効果】
【００１２】
このように、本発明に従う建屋内の粉塵挙動予測方法にあっては、熱流動シミュレーションによって求められた気流速度分布に加えて、粉塵の大きさ及び密度から求めた粉塵の終端速度を用いて、粉塵拡散シミュレーションを実施して、建屋内における粉塵の濃度分布を予測しているところから、建屋内の局所空間における粉塵の滞留及び沈降堆積の状況を正確に把握することが出来ることとなり、それによって、建屋内環境を改善するための定量的な方策、例えば、追加的な排気装置や吸引装置の配設位置やその能力を、より一層有利に見積もることが出来ることとなったのである。
【００１３】
また、本発明によれば、粉塵拡散シミュレーションにおいて、各種粉塵の特徴（径、密度）を考慮した終端速度を用いているために、粉塵毎に対するきめ細かな改善対策を講じることが可能となるのであり、これによって、より効果的な且つ経済的な成果を期待することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に従う建屋内の粉塵挙動予測方法の一例に係る工程説明図である。
【図２】冷間圧延工場における冷延油ろ過室の一例を示す模式鳥瞰図である。
【図３】粉塵の終端速度マップの一例を示す図である。
【図４】本発明に従う熱流動シミュレーションによって求められる気流の温度分布を、ある建屋断面で示す説明図である。
【図５】本発明に従う粉塵拡散シミュレーションによって求められた粉塵濃度分布を、ある建屋断面で示す説明図である。
【図６】粉塵の終端速度を考慮しない、従来の粉塵拡散シミュレーションによって求められた粉塵濃度分布を、ある建屋断面で示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の構成を更に具体的に明らかにするために、本発明の代表的な実施の形態について、図面を参照しつつ、詳細に説明することとする。
【００１６】
先ず、図１には、本発明に従う建屋内の粉塵挙動予測方法において、それを、建屋内の気流速度分布を求めるステップ１、粉塵の終端速度を求めるステップ２、そして建屋内における粉塵の濃度分布を予測するステップ３の三段階に分けて、シミュレーションする方法が、フローチャートの形態において示されている。そこにおいて、ステップ１の熱流動シミュレーションでは、気流に対してデッドゾーンとなる設備構造物の位置や形状が入力され、また、上昇気流の駆動力となる熱源について、その位置、形状、温度及び発生熱量が入力され、更には、屋外との自然換気、或いは強制換気についての設備条件が入力される。そして、それらの入力条件下において、熱流動シミュレーションが実施され、建屋内における気流の速度分布が求められるのである。また、ステップ２では、各種粉塵の密度とサイズに対応した終端速度（浮遊臨界速度とも言う）が求められることとなる。次いで、ステップ３の粉塵拡散シミュレーションでは、上記の気流速度分布及び粉塵終端速度の結果を用いて、複数の粉塵源から、粉塵が気流に乗って上昇拡散、或いは降下沈降する状況の粉塵濃度分布が予測されるのである。なお、このとき、サイズや密度が異なる各種の粉塵が建屋内において発生乃至は存在する場合にあっては、それら各種の粉塵の濃度分布を合成して、総合的な粉塵濃度分布が予測されることとなる。
【００１７】
そして、このような本発明は、例えば、図２に示される如き冷間圧延工場の冷延油ろ過室、所謂シュナイダー室における粉塵挙動の予測に、好適に採用されるのである。即ち、シュナイダー室の模式鳥瞰図を示す図２において、熱流動計算で、特に重要な要素となる熱源、粉塵源、ガラリ（自然吸気）、モニタ（自然排気）、強制排気ファンの位置が示されているが、その他、気流に対してデッドゾーンとなる設備構造物も、入力条件として考慮されることとなる。また、シュナイダー室では、混合タンク内で使用済みの冷延油と珪藻土が混合されるようになっており、シュナイダー（ろ過）装置のろ紙で、珪藻土に取り込まれた摩耗金属粉が、除去されるようになっている。また、珪藻土は、そのサイズが約１０μｍ以下と小径であるため、タンク蓋の隙間から粉塵として漏れ出る可能性があり、タンク及びシュナイダー装置の周囲空間より、相対的に高温部分から発生した上昇気流に乗って、粉塵がシュナイダー室の空間全体に拡散するようになる。この粉塵拡散の駆動力として、強制排気ファン、ガラリ、モニタによる室内外空気の流出及び流入が関係しており、その結果、粉塵の一部は、強制排気ファンを通じて室外に流出せしめられる一方、残りはシュナイダー室内の構造物や床上に沈降堆積することとなる。従って、労働環境を改善するためには、現状の粉塵拡散状況を、本発明に従う粉塵拡散シミュレーションにより正確に把握して、具体的な対策を講じ、更に、そのような対策の確認を行うことが必要となるのである。
【００１８】
本発明は、かくの如きシュナイダー室における粉塵の濃度分布を、粉塵拡散シミュレーションにより予測しようとするものであって、そこでは、先ず、先のステップ１における熱流動シミュレーションが、以下の解析モデル式（１）〜（５）に基づいて実施される。即ち、シュナイダー室における気流の温度Ｔ、速度ｕ，ｖ，ｗ、及び圧力Ｐは、以下の質量保存式（１）、運動量保存式（ナビエ−ストークスの式）（２）〜（４）、及びエネルギー保存式（５）を数値的に解いて求められ、それによって、最終的に、定常状態での気流の温度分布及び速度分布が得られることとなる。
【数１】
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【数２】
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【数３】
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【数４】
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【数５】
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ここにおいて、ρ：空気の密度、Ｃ：空気の比熱、κ：空気の熱伝導度、μ：空気の粘性係数、ｇ：重力加速度、β：空気の体積膨張率、ｃ：空気の圧力伝播速度である。
【００１９】
また、ステップ２においては、サイズや密度の異なる各種の粉塵（密度：ρP 、径：ｄ、体積：Ｖ＝πｄ3 ／６）に対する終端速度Ｗが、それぞれ、求められる。即ち、粉塵には、浮力及び気流からの抵抗力が働くところから、下記の鉛直ｚ方向の運動方程式（６）を解くことにより、終端速度（浮遊臨界速度）が、下記式（７）によって求められ得るのである。ここで、空気の密度：ρが相対的に小さいと仮定すると、かかる終端速度は、粉塵の径：ｄ、密度：ρP 、重力加速度：ｇ、空気の粘性係数：μに依存することとなる。そして、この求められた各種粉塵の密度及び径に対応した終端速度のマップが、図３に示されている。なお、シュナイダー室における粉塵（密度：２．３ｇ／ｃｍ3 、粒子サイズ：１０μｍ）の終端速度が、丸印にて示されている。
【数６】
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【数７】
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【００２０】
次いで、ステップ３の粉塵拡散シミュレーションにおいては、上記で求められた気流の速度分布ｖ（ベクトル）と粉塵の終端速度Ｗ（ベクトル）を用いて、下記拡散方程式（８）が数値的に解かれ、シュナイダー室における粉塵濃度分布：ＣP が求められることとなる。ここで、Ｄは、粉塵の拡散係数である。
【数８】
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【００２１】
そして、かかる式（８）の左辺における鉛直方向の気流速度と粉塵終端速度の差が、正の場合にあっては、粉塵は気流に乗って上昇し、負の場合にあっては、気流から離脱して降下する挙動を示すのである。また、その差が０の場合、即ち鉛直方向気流速度と粉塵終端速度が等しい場合には、長時間浮遊することとなる。従って、シュナイダー室内での複雑な気流速度分布に応じて、粉塵が上昇、下降、或いは浮遊停滞する場所が、詳細に予測され得るようになるのであり、また飛び地的に沈降堆積する粉塵濃度分布を、有利に予測することも出来ることとなるのである。
【００２２】
ところで、図４には、上記したステップ１に係る熱流動シミュレーションにおいて、エネルギー保存式（５）より求められるシュナイダー室における気流の温度分布が、ある建屋断面において示されている。この図４において、その左側には、熱源及び粉塵源となる混合タンクが配置されており、中央には、シュナイダー装置の近傍空間が存在しているのである。このような温度分布を見ることにより、三次元となるために表示の難しい気流の速度分布の挙動が、容易に理解され得るのである。
【００２３】
また、図５には、上記した本発明に従うステップ３に係る粉塵拡散シミュレーションによる粉塵濃度分布が、ある建物断面において示されており、更に図６には粉塵の終端速度を考慮しない従来のシミュレーション方法によって得られる粉塵濃度分布が、同様な建屋断面において示されている。それら図５及び図６の対比から明らかなように、粉塵の終端速度を考慮しない従来の場合には、粉塵は、温度分布と同じく、シュナイダー室の天井空間に上昇拡散しているが、床に沈降堆積する様子は認められない。これに対して、本発明に従う結果を示す図５では、天井空間に向かう粉塵もあれば、設備構造物や床上に飛び地的に沈降堆積する粉塵も予測され得ているのである。なお、それらの図では、粉塵濃度の単位を規格化しているが、上記した拡散方程式（８）の形式上、単位空間当りの粉塵個数、或いは粉塵質量においても、表現は可能である。
【００２４】
以上、本発明の代表的な実施形態について詳述してきたが、それは、あくまでも、例示に過ぎないものであって、本発明は、そのような実施形態に係る具体的な記述によって、何等限定的に解釈されるものではないことが、理解されるべきである。
【００２５】
例えば、上記した実施形態においては、粉塵の発生する建屋として、冷間圧延工場におけるシュナイダー室を対象としたが、これに代えて、粉塵発生の多い鋳造工場等の、他の工場建屋に対しても、更には工場建屋に限られることなく、粉塵の発生する各種建屋における粉塵挙動を、本発明に従って有利に予測することが可能である。
【００２６】
また、建屋内で発生する粉塵にあっても、無機質や有機質、更には金属質の何れのものをも対象とすることが可能であり、そしてそれらのうちの一種の粉塵が対象とされる他、複数のものが混合した形態の粉塵が対象とされることとなるが、その中でも、本発明にあっては、粒径が１０μｍ以上で、密度が２．０ｇ／ｃｍ3 以上の単一の粉塵や混合粉塵を含むものに対して、好適に適用されることとなる。
【００２７】
その他、一々列挙はしないが、本発明は、当業者の知識に基づいて、種々なる変更、修正、改良等を加えた態様において実施され得るものであり、そして、そのような実施の態様が、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、何れも、本発明の範疇に属するものであることが理解されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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