(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒形状の上部胴筒と逆円錐形状の下部胴筒を有するサイクロン本体と、
前記上部胴筒の上縁部を覆い中央部に開口部を有する天板と、
粉体が含まれた第一の流体を前記サイクロン本体の内壁面に沿って導入する第一導入管と、
前記第一導入管の上方において前記天板の近傍に配置され、第二の流体を導入する第二導入管と、
前記第一導入管の下方に配置され、第三の流体を導入する第三導入管と、
前記サイクロン本体の鉛直中心軸に沿って前記天板の前記開口部に挿入され、前記サイクロン本体内から排気流を上昇させて前記サイクロン本体から排出する排気管と、
前記サイクロン本体内において前記第一の流体、前記第二の流体および前記第三の流体の旋回運動により分離された粉体を捕集する捕集部と
を備え、
前記第二の流体は、前記サイクロン本体の鉛直中心軸と直交する方向に沿う方向であって前記上部胴筒の内壁面の接線と平行な方向に、前記第一導入管から導入される前記第一の流体よりも速い速度で導入され、
前記第三の流体は、前記サイクロン本体の鉛直中心軸と直交する方向に沿う方向であって前記上部胴筒の内壁面の接線と平行な方向に、前記第一導入管から導入される前記第一の流体よりも速い速度で導入されることを特徴とするサイクロン装置。
【請求項２】
前記第二導入管および前記第三導入管は、少なくとも１つ配置されることを特徴とする請求項１記載のサイクロン装置。
【請求項３】
前記第一の流体には空気が用いられ、前記第二の流体及び第三の流体には圧縮空気が用いられることを特徴とする請求項１または２に記載のサイクロン装置。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか一項に記載のサイクロン装置を用いて粉体を分級する分級方法であって、
前記第二の流体および前記第三の流体の少なくとも一方の圧力を調整することを特徴とする分級方法。
【請求項５】
請求項１〜３の何れか一項に記載のサイクロン装置を用いて粉体を分級する分級方法であって、
前記第二の流体および前記第三の流体の少なくとも一方の流量を調整することを特徴とする分級方法。
【請求項６】
請求項１〜３の何れか一項に記載のサイクロン装置を用いて粉体を分級する分級方法であって、
前記サイクロン装置の圧力損失を調整することを特徴とする分級方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粉体を捕集するために用いられるサイクロン装置及び該サイクロン装置を用いて粉体を分級する分級方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、流体中の粉塵等を遠心力によって分離捕集するサイクロン式集塵装置が知られている（例えば、特許文献１）。このサイクロン式集塵装置によれば、サイクロン胴体部の接線方向に２次空気を導入することで、サイクロン胴体部内の分散粉体を含んだ空気をより強く旋回させることより、粒子に大きな遠心力を働かせることができ、空気流に含まれる細かい粉体でも流体から分離され捕集される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４―２８３６７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述のサイクロン式集塵装置においては、粒子径が１μｍ〜２μｍ程度の微粒子を流体から効果的に分離することができるが、１μｍよりも小さな極微細な粒子の捕集効率を上げることが難しいという問題があった。また、このような１μｍよりも小さな極微細な粒子を多く含んだ粉体は、付着性が強く、粉体がサイクロン壁面に付着するため、捕集効率の悪化を招くだけでなく、サイクロン式集塵装置の運転そのものができなくなる問題があった。
【０００５】
このため、微粒子を捕集する場合には、捕集する粒子径に合わせてフィルタ濾布を選択することが可能なバグフィルタが用いられることが多かった。
【０００６】
本発明の目的は、高い捕集効率で微粒子を捕集することができるサイクロン装置及び該サイクロン装置を用いて粉体を分級する分級方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のサイクロン装置は、円筒形状の上部胴筒と逆円錐形状の下部胴筒を有するサイクロン本体と、前記上部胴筒の上縁部を覆い中央部に開口部を有する天板と、粉体が含まれた第一の流体を前記サイクロン本体の内壁面に沿って導入する第一導入管と、前記第一導入管の上方において前記天板の近傍に配置され、第二の流体を導入する第二導入管と、前記第一導入管の下方に配置され、第三の流体を導入する第三導入管と、前記サイクロン本体の鉛直中心軸に沿って前記天板の前記開口部に挿入され、前記サイクロン本体内から排気流を上昇させて前記サイクロン本体から排出する排気管と、前記サイクロン本体内において前記第一の流体、前記第二の流体および前記第三の流体の旋回運動により分離された粉体を捕集する捕集部とを備え、前記第二の流体は、前記サイクロン本体の鉛直中心軸と直交する方向に沿う方向であって前記上部胴筒の内壁面の接線と平行な方向に、前記第一導入管から導入される前記第一の流体よりも速い速度で導入され、前記第三の流体は、前記サイクロン本体の鉛直中心軸と直交する方向に沿う方向であって前記上部胴筒の内壁面の接線と平行な方向に、前記第一導入管から導入される前記第一の流体よりも速い速度で導入されることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明のサイクロン装置は、前記第二導入管および前記第三導入管が少なくとも１つ配置されることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明のサイクロン装置は、前記第一の流体には空気が用いられ、前記第二の流体及び第三の流体には圧縮空気が用いられることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の分級方法は、本発明のサイクロン装置を用いて粉体を分級する分級方法であって、前記第二の流体および前記第三の流体の少なくとも一方の圧力を調整することを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の分級方法は、本発明のサイクロン装置を用いて粉体を分級する分級方法であって、前記第二の流体および前記第三の流体の少なくとも一方の流量を調整することを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の分級方法は、本発明のサイクロン装置を用いて粉体を分級する分級方法であって、前記サイクロン装置の圧力損失を調整することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のサイクロン装置及び分級方法によれば、高い捕集効率で微粒子を捕集することができる。また、付着しやすい微細な粉体であっても、連続運転することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施の形態に係るサイクロン装置の内部構造を側方から視た図である。
【図２】実施の形態に係るサイクロン装置の内部構造を上方から視た図である。
【図３】実施の形態に係る他の第一導入管の構成を示す図である。
【図４】実施の形態に係るサイクロンシステムを示す概略図である。
【図５】実施の形態に係るサイクロン装置に導入する圧縮空気の導入量とサイクロン収率の関係を示す図である。
【図６】実施の形態に係るサイクロン装置のサイクロン圧力損失とサイクロン収率の関係を示す図である。
【図７】実施の形態に係るサイクロン装置に導入する圧縮空気の導入量と分級径の関係を示す図である。
【図８】実施の形態に係るサイクロン装置のサイクロン圧力損失と分級径の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態に係るサイクロン装置について説明する。図１は、サイクロン装置の内部構造を側方から視た図であり、図２は、サイクロン装置の内部構造を上方から視た図である。図１、２に示すように、サイクロン装置２は、サイクロン本体４、第一導入管６、第二導入管８、第三導入管９、排気管１０、及び捕集部１２（図４参照）を備えている。
【００２０】
ここで、サイクロン本体４は、円筒形状の上部胴筒部４ａ及び上部胴筒部４ａの下端に一体的に気密結合された逆円錐形状の下部胴筒部４ｂを備えている。上部胴筒部４ａの頂部は、中央に開口部１４ａを有する円盤状の天板１４によって気密的に覆われ、下部胴筒部４ｂの下端には、捕集された粉体を排出するための開口部１６が捕集部１２に連通するように形成されている。なお、「気密」とは、外部から気体が流入せず、かつ内部から気体が漏れないように密封された状態を意味する。
【００２１】
第一導入管６は、一方の端部に粉体が含まれた第一の流体が導入される導入口６ａを備え、他方の端部に上部胴筒部４ａの側壁に接続される接続部６ｂを備えている。また、第一導入管６は、サイクロン本体４の鉛直中心軸１８と直交する平面内に位置し、上部胴筒部４ａの内壁面の接線と平行な方向に第一の流体を導入させることができるように配置されている。なお、第一導入管６の断面形状は、矩形状でもよく円形状でもよい。
【００２２】
第二導入管８は、第一導入管６よりも上方に３本配置され、それぞれ均等な間隔で上部胴筒部４ａの天板１４の近傍に気密的に接続されている。なお、第二導入管８は少なくとも１本配置されていればよく、２本以上配置される場合においてその配置間隔は必ずしも均等な間隔でなくてもよい。また、第二導入管８は、サイクロン本体４の鉛直中心軸１８と直交する平面内に位置し、上部胴筒部４ａの内壁面の接線と平行な方向であって、かつサイクロン本体４の鉛直中心軸１８と直交する方向、即ち、水平な方向に圧縮空気を導入させることができるように配置されている。
【００２３】
また第三導入管９は、第一導入管６よりも下方に３本配置され、胴筒部４ａに気密的に接続されている。なお、第三導入管９は少なくとも１本配置されていればよく、２本以上配置される場合においてその配置間隔は必ずしも均等な間隔でなくてもよい。また、第三導入管９は、サイクロン本体４の鉛直中心軸１８と直交する平面内に位置し、上部胴筒部４ａの内壁面の接線と平行な方向であって、かつサイクロン本体４の鉛直中心軸１８と直交する方向、即ち、水平な方向に圧縮空気を導入させることができるように配置されている。
【００２４】
なお、第二導入管８及び第三導入管９は、上部胴筒部４ａの内壁面の接線に沿う方向であって、かつ鉛直中心軸１８と直交する方向に沿う方向に圧縮空気を導入させることができるように配置されていればよい。即ち、第二導入管８及び第三導入管９は、上部胴筒部４ａの内壁面の接線と平行な方向に完全に一致する方向や鉛直中心軸１８と直交する方向に完全に一致する方向に限らず、本発明の効果を奏する範囲内で圧縮空気を導入させることができるように配置されていればよい。
【００２５】
また、この実施の形態では、第二導入管８の本数及び第三導入管９の本数が同一であるが、同一でなくてもよい。また、この実施の形態では、第二導入管８及び第三導入管９が上部胴筒部４ａの同一母線上に配置されているが、異なる母線上に配置されてもよい。
【００２６】
排気管１０は、鉛直中心軸１８に沿って天板１４の開口部１４ａに挿入され、下端部が上部胴筒部４ａの所定の位置に位置するように配置されている。
【００２７】
なお、第一導入管６のサイクロン本体４への接続形式として、図２に示す接線方式以外にも、図３に示すようなスクロール型の第１導入管７を備えたサイクロン装置においても、本発明は適用可能である。
【００２８】
次に、サイクロン装置２を用いて粉体を捕集する処理について、図４に示すサイクロンシステムの概略図を参照しながら説明する。なお、ここでは、原料粉体に中位径１．１μｍのシリカ粉を使用して実験を行った場合を例に説明する。ここで、実験は、サイクロン装置２に導入する圧縮空気の導入量を０（ＮＬ／ｍｉｎ）、１００（ＮＬ／ｍｉｎ）、３００（ＮＬ／ｍｉｎ）、５００（ＮＬ／ｍｉｎ）、７００（ＮＬ／ｍｉｎ）に変化させて行われたものである。
【００２９】
まず、サイクロンシステムの運転が開始された場合、ブロア５２、コンプレッサ５４、及びコンプレッサ７４がそれぞれ駆動される。ここで、ブロア５２が駆動されると、排気管１０を介してサイクロン本体４内部の気体が吸引される。この吸引により、サイクロン本体４の内壁面に沿って渦巻状の旋回流が発生する。
【００３０】
またコンプレッサ５４が駆動されると、分散器７０に圧縮空気が供給される。また、コンプレッサ７４が駆動されると、第二導入管８、第三導入管９からサイクロン本体４の内壁面の接線と平行な方向であって、かつ水平な方向に導入される。なお、第二導入管８及び第三導入管９からサイクロン本体４内に導入される圧縮空気の速度は、第一導入管６から導入される第一の流体の速度よりも速い速度である。これにより、サイクロン本体４内の旋回流の旋回速度が加速される。
【００３１】
次に、フィーダ９０によって原料粉体であるシリカ粉が分散器７０に供給される。ここで、分散器７０に供給されるシリカ粉の中位径Ｄ50は、１．１μｍであり、２ｋｇ／ｈの供給量で供給される。
【００３２】
分散器７０において凝集していたシリカ粉はバラバラに分散されて排出管から空気とともに排出され、シリカ粉を空気中に含んだ第一の流体が、図２に示す導入口６ａから第一導入管６に導入される。
【００３３】
第一導入管６に導入された第一の流体は、第一導入管６内を直進した後、サイクロン本体４内にサイクロン本体４の内壁面に沿って内壁面の接線と平行な方向であって、かつ水平な方向に導入される。
【００３４】
次に、第一の流体によってサイクロン本体４内に導入された粉体は、第二導入管８によって第一導入管６よりも上方で作られた旋回流に乗ってサイクロン本体４内を旋回しながら下降する。また旋回しながら下降する旋回流に第三導入管９から導入された速度の大きな流体によって、旋回流内の粉体は、さらに大きな旋回運動の遠心力によって旋回流から分離されることから、排気管１０から排出される粉体の量が低減される。なお、サイクロン装置２においては、粒径１μｍ以下の極微小な粒子であっても効果的に分離される。
【００３５】
また、旋回流から分離された粉体は、サイクロン本体４の内壁面に付着することなく、捕集部１２によって捕集された後に回収される。なお、従来のサイクロンでは、微粒子がサイクロン内壁面にひどく付着することが多く、連続運転ができない場合が多かったが、本発明では、第二導入管８および第三導入管９を備えているため、何時間運転しても微粒子がサイクロン本体４の内壁面に付着することはない。
【００３６】
なお、旋回流から分離されなかった微粒子は、排気流と共にサイクロン本体４内から上昇して排気管１０から排出された後、バグフィルタ９２によって捕集される。
【００３７】
図５は、サイクロン装置２に導入される圧縮空気の導入量（導入空気量）とサイクロン収率（捕集部１２から回収された粉体の重量／サイクロン本体４内に導入された第一の流体に含まれる粉体の重量）の関係を示す図である。ここで、図５において、横軸は圧縮空気導入量（導入空気量）（ＮＬ／ｍｉｎ）、縦軸はサイクロン収率（収率）（％）を示している。なお、図５は、（１）第二導入管８を３個及び第三導入管９を０個、（２）第二導入管８を０個及び第三導入管９を３個、（３）第二導入管８を３個及び第三導入管９を３個、（４）第二導入管８を１個及び第三導入管９を３個配置し、またブロア５２で吸引する空気量がそれぞれ２．５（Ｎｍ3／ｍｉｎ）である場合の結果を示している。
【００３８】
なお、圧縮空気の導入量が０（ＮＬ／ｍｉｎ）の場合（即ち、第二導入管８および第三導入管９から圧縮空気を導入しない場合）、サイクロン収率が２３．６％である。
【００３９】
また、図５に示す実験結果によれば、（３）第二導入管８および第三導入管９の併せて６か所から流入する圧縮空気の導入量を１００（ＮＬ／ｍｉｎ）に増加させた場合には、サイクロン収率が８６．６％に上昇する。更に（３）の場合において、圧縮空気の導入量を３００（ＮＬ／ｍｉｎ）に増加させた場合には、サイクロン収率が９１．２％となり、圧縮空気の導入量を５００（ＮＬ／ｍｉｎ）の場合には、サイクロン収率が９１．６％、圧縮空気の導入量を７００（ＮＬ／ｍｉｎ）とした場合には、サイクロン収率が９３％となる。
【００４０】
即ち、（３）第二導入管８を３個及び第三導入管９を３個配置した場合は、他の（１）（２）及び（４）の場合と比較して、収率が高くなる。また、（４）第二導入管８を１個及び第三導入管９を３個配置した場合も、他の（１）（２）の場合と比較して、収率が高くなる。
【００４１】
図６は、サイクロン装置２のサイクロン圧力損失とサイクロン収率の関係を示す図である。ここで、図６において、横軸はサイクロン圧力損失（ｋＰａ）、縦軸はサイクロン収率（収率）（％）を示している。なお、図６は、（１）第二導入管８を３個及び第三導入管９を０個、（２）第二導入管８を０個及び第三導入管９を３個、（３）第二導入管８を３個及び第三導入管９を３個、（４）第二導入管８を１個及び第三導入管９を３個配置し、またブロア５２で吸引する空気量がそれぞれ２．５（Ｎｍ3／ｍｉｎ）である場合の結果を示している。
【００４２】
図６に示す実験結果によれば、（３）第二導入管８を３個及び第三導入管９を３個配置した場合は、他の（１）（２）及び（４）の場合と比較して、サイクロン圧力損失が低いにもかかわらず高い収率を得ることができる。また、（４）第二導入管８を１個及び第三導入管９を３個配置した場合は、他の（１）（２）の場合と比較して、サイクロン圧力損失が低いにもかかわらず高い収率を得ることができる。
【００４３】
また、圧縮空気の導入量を３００（ＮＬ／ｍｉｎ）に増加させた場合に、サイクロン装置２で回収したシリカ粉の粒子径を測定すると中位径が１．２μｍに対し、サイクロン装置２で捕集できずに後段のバグフィルタ９２で回収した微量の粉体の中位径が０．２７μｍであった。即ち、サイクロン装置２を用いて、第一導入管６から導入された様々な大きさの粒子を持った粉体を、大粒子と小粒子に分けることができる。したがって、本発明のサイクロン装置２を単なる捕集器としての利用ではなく、分級器として活用することができる。
【００４４】
図７は、第二導入管８および第三導入管９から導入する圧縮空気導入量（導入空気量）（横軸）を変えたときの分級径（縦軸）を表した結果である。図７のグラフに示すように、圧縮空気導入量を１００〜７００(ＮＬ/ｍｉｎ)に変化させると、分級径を０．５０〜０．３７μｍと制御できる。即ち、圧縮空気導入量を任意に変化すれば、粉体を希望の大きさに分級できることを表している。即ち、サイクロン本体４に導入する圧縮空気の導入量を調整することにより、所望の分級径を得ることができ、サイクロン装置２を用いて捕集する粒子の大きさを制御することができる。
【００４５】
さらには、導入空気量は圧縮空気の圧力で決定されるため、サイクロン本体４に導入する圧縮空気の圧力を調整することにより、所望の分級径を得ることができ、サイクロン装置２を用いて捕集する粒子の大きさを制御することができる。
【００４６】
さらには、この実験結果によれば、圧縮空気の導入量を増加させた場合、サイクロン本体４内の旋回流の旋回速度が速くなるため、圧力損失も上昇する。図８は、サイクロン装置２のサイクロン圧力損失（横軸）に対する分級径（縦軸）を示すグラフである。図８のグラフに示すように、サイクロンの圧力損失を任意に変えることで、サイクロンの分級径を制御することもできる。即ち、サイクロン装置２のサイクロン圧力損失を調整することにより、所望の分級径を得ることができ、サイクロン装置２を用いて捕集する粒子の大きさを制御することができる。
【００４７】
この実施の形態に係るサイクロン装置２によれば、第二導入管８が第一導入管６よりも上方に配置されていることから、第一の流体により導入された粉体の中で、流体とともにサイクロン天板に移動し、排出管１０に沿って下方に移動しながらバグフィルタ９２に進む粒子の運動を抑制することができる。さらには、第一の流体により導入された粉体の中で、流体とともにサイクロン上部胴筒部４ａならびにサイクロン下部胴筒部４ｂ沿って下方に移動する粉体に、第三導入管９から導入される圧縮空気によって、的確に旋回流の旋回速度を加速させ、粉体により大きな遠心力を与えることで、微粒子を高い捕集効率で捕集し、高いサイクロン収率で回収することができる。
【００４８】
また、この実施の形態に係るサイクロン装置２によれば、圧縮空気を第二導入管８及び第三導入管９からサイクロン本体４の内壁面の接線と平行な方向であって、かつ水平な方向に導入することにより、サイクロン本体４内の旋回流の旋回速度を効果的に加速させて旋回流の遠心力を増大させるため、高いサイクロン収率で第一の流体に含まれる粉体を回収することができる。
【００４９】
また、この実施の形態に係るサイクロン装置２によれば、捕集部１２に系外に捕集された粉体を排出する機能をもたせることで捕集された粉体を回収する度にサイクロンシステムの運転を停止させる必要がないため、サイクロンシステムを連続運転することができる。また、バグフィルタ９２の繊維等の不純物が混入することがないため、純度の高い微粒子を捕集することができる。
【００５０】
また、この実施の形態に係るサイクロン装置２を用いて粉体を分級する分級方法によれば、第二導入管８及び第三導入管９から導入される圧縮空気の導入量を調整することにより、所望の分級径を得ることができ、サイクロン装置２を用いて捕集する粒子の大きさを制御することができる。
【００５１】
また、この実施の形態に係るサイクロン装置２を用いて粉体を分級する分級方法によれば、第二導入管８及び第三導入管９から導入される圧縮空気の圧力を調整することにより、所望の分級径を得ることができ、サイクロン装置２を用いて捕集する粒子の大きさを制御することができる。
【００５２】
また、この実施の形態に係るサイクロン装置２を用いて粉体を分級する分級方法によれば、サイクロン装置２のサイクロン圧力損失を調整することにより、所望の分級径を得ることができ、サイクロン装置２を用いて捕集する粒子の大きさを制御することができる。
【００５３】
なお、上述の実施の形態においては、第一の流体により導入される粉体の中位径Ｄ50が１．１μｍである場合を例示しているが、本実施の形態に係るサイクロン装置２は、粒子径が０．１μｍ〜２．０μｍ程度、特に粒子径が１μｍ以下の微粒子を捕集し、分級するのに適している。
【００５４】
また、上述の実施の形態において、第一導入管６は、必ずしも上部胴筒部４ａの内壁面の接線と平行な方向に第一の流体を導入することができるように配置されていなくてもよい。
【００５５】
さらに、上述の実施の形態において、第一の流体乃至第三の流体は、温度の指定がされていないが、第一の流体乃至第三の流体の少なくとも１つに加熱した流体を利用することもでき、加熱した流体によりサイクロン装置２に導入される粉体を乾燥させながら粒子を捕集することができる。
【符号の説明】
【００５６】
２…サイクロン装置、４…サイクロン本体、４ａ…上部胴筒部、４ｂ…下部胴筒部、６…第一導入管、７…屈曲部、８…第二導入管、９…第三導入管、１０…排気管、１２…捕集部、１４…天板、１６…開口部
【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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【図７】
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【図８】
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