JP2008030028A

JP2008030028A - 多段式サイクロン装置と粒状物の分類収集方法

Info

Publication number: JP2008030028A
Application number: JP2007170847A
Authority: JP
Inventors: Yu-Du Hsu; 玉杜徐; Hung-Min Chien; 弘民簡
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2006-07-31
Filing date: 2007-06-28
Publication date: 2008-02-14
Also published as: TW200806379A; TWI293034B

Abstract

【課題】多段式サイクロン装置とナノ粒子の分類収集方法を提供する。
【解決手段】様々な尺寸の粒状物を含む気流からナノ粒子を分類、収集する装置と方法を提供する。複数の異なる大きさの粒状物を含む気流は多段式サイクロン装置の少なくとも一つの第一段階サイクロンを通過する。第一段階サイクロンにより、第一粒状物群を収集する。気流は多段式サイクロン装置の少なくとも一つの第二段階サイクロンを通過する。第二段階サイクロンにより、第二粒状物群を収集する。多段式サイクロン装置の気圧幅は２０〜７６０トール（torr）である。第一段階サイクロンは、カットオフ空気動力学的直径ｄ_pa50,1,jを有し、第二段階サイクロンは、カットオフ空気動力学的直径ｄ_pa50,2,jを有する。第一段階サイクロンと第二段階サイクロンは直列接続である。
【選択図】図１

Description

本発明は、多段式サイクロン装置と粒状物の分類収集方法に関するものである。

ナノ技術は未来のハイテク技術産業の重要な技術であり、化学、光学、電子、セラミック、および、生物技術等に産業に応用されて、産業層と競争力を強化すると共に、高付加価値を創造して、ハイテク産業の主力となっている。しかし、粒状物生産工程において、ナノレベルの微小物は一般の粒状物処理メカニズムでは収集できないので、本案の発明者は、台湾において、中華民国９２年（２００３年）１０月９日に「サイクロンによりナノ粒子を収集する方法、および、サイクロンの設計方法」の発明案（出願番号０９２１２８２１３）を提出し、粒状物収集問題を解決している。

しかし、直接、サイクロンを使用して粒状物を収集するのは、大量、かつ、効果的に粒状物を粒径に応じて分類、収集するのが不可能であり、高経済価値の超細粒状物は、細粒状物や粗粒状物が混入し、低価格での販売することになる。公知のサイクロンを例とすると、１０μｍ以上の粒状物しか収集できないので、各粒状物をどうやって効果的に分離収集するか、また、分類の方式により、超細粒状物の経済価値をどう向上させるかが、本案が解決する問題である。

上述の欠点を改善するため、本発明は、多段式サイクロン装置と粒状物分類収集の方法を提供することを目的とする。

本発明の多段式サイクロン装置は、少なくとも一つの第一段階サイクロンと少なくとも一つの第二段階サイクロンとからなり、第一段階サイクロンは、カットオフ空気動力学的直径ｄ_pa50,1,jを有し、第二段階サイクロンは、カットオフ空気動力学的直径ｄ_pa50,2,jを有する。第一段階サイクロンと第二段階サイクロンは直列接続であり、カットオフ空気動力学的直径ｄ_pa50,1,jは以下の方程式で求められる：

上述の１とｊは第一段階の第ｊ個のサイクロンを示す；μは気体粘度である；Ｎはブレード数；ｗはブレードの厚さ；Ｐはブレード間距離；ｎはブレードの旋転回数；ｒ_max、および、ｒ_minはそれぞれブレードの外径と内径；Ｑは気体体積流率；ζは適合常数；Ｃは粒状物滑り補正係数；である。

カットオフ空気動力学的直径ｄ_pa50,2,jは以下の方程式で求められる：

上述の２とｊは第二段階の第ｊ個のサイクロンを示す；μは気体粘度である；Ｎはブレード数；ｗはブレードの厚さ；Ｐはブレード間距離；ｎはブレードの旋転回数；ｒ_max、および、ｒ_minはそれぞれブレードの外径と内径；Ｑは気体体積流率；ζは適合常数；Ｃは粒状物滑り補正係数；である。

粒状物分類収集方法は、複数の異なる大きさの粒状物を含む気流が多段式サイクロン装置の少なくとも一つの第一段階サイクロンを通過する。第一段階サイクロンにより、第一粒状物群を収集する。第一段階サイクロンを通過した複数の異なる大きさの粒状物を含む気流は多段式サイクロン装置の少なくとも一つの第二段階サイクロンを通過する。第二段階サイクロンにより、第二粒状物群を収集する。第一段階サイクロン、および、第二段階サイクロン内の気圧は２０〜７６０トールである。

本発明の多段式サイクロン装置、および、粒状物の分類収集方法は、公知技術中の大量、かつ、効果的に粒状物を粒径によって分類収集できない問題を解決し、高経済価値の超細粒状物が細粒状物や粗粒状物が混入して低価格で販売することになるのを防止し、効果的に粒状物を粒径によって分類し、高経済価値を達成する。

図１と図８は本発明の粒状物分類収集方法を示す図で、その工程は、ａ．複数の異なる大きさの粒状物を含む気流が少なくとも一つの第一段階サイクロン１１を通過する。ｂ．第一段階サイクロン１１により、第一粒状物群を収集する。ｃ．第一段階サイクロン１１を通過した複数の異なる大きさの粒状物を含む気流は少なくとも一つの第二段階サイクロン１２を通過する。ｄ．第二段階サイクロン１２により、第二粒状物群を収集する。第一段階サイクロン１１、および、第二段階サイクロン１２内の気圧幅は２０〜７６０トールである。図１を参照すると、注意すべきことは、本発明の多段式サイクロン装置１０は中度の真空（２０トール）から常圧（７６０トール）の条件下で作用し、多段式サイクロン装置１０は、複数の第一段階サイクロン１１、および、第二段階サイクロン１２を有し、第一段階サイクロン１１は互いに並列され、第二段階サイクロン１２も互いに並列され、かつ、第一段階サイクロン１１と第二段階サイクロン１２は対応し、直列接続である。図１は、粒状物収集の分類金型工場の設計で、複数の異なる大きさの粒状物を含む気流が、まず、供給機２０により、公知のサイクロン２１中に伝送され、公知のサイクロン２１により、最大粒径の粒状物を収集する。気流は、さらに、多段式サイクロン装置１０中に流れ、多段式サイクロン装置１０に流入した気体は、複数の第一サイクロン１１を通過し、これらの第一段階サイクロン１１は、気流中の大粒径の粒状物（第一レベル粒状物群）を収集し、その後、気流は第二段階サイクロン１２に流入し、第二段階サイクロン１２は、小粒径の粒状物（第二レベル粒状物群）を収集し、続いて、第一段階サイクロン１１中の大粒径粒状物（第一レベル粒状物群）は、第一収集器２２に送られ、第二段階サイクロン１２中の小粒径粒状物（第二レベル粒状物群）は第二収集器２３中に送られる。最後に、多段式サイクロン１０を経た気流は、フィルター２４、および、送風機２５を通過中に最後の処理が施される。注意すべきことは、本発明の多段式サイクロン１０が袋式集塵設備（図示しない）、或いは、その他の収集設備に結合されて、粒状物を収集するのを助ける。本発明の多段式サイクロン装置１０は、袋式集塵設備と結合することが出来る以外に、バッグハウス型（bag-house）、バッグフィルター（bag-filter）、ＨＥＰＡフィルター（ＨＥＰＡ filter）、および、電気集塵装置（electrostatic precipitator）と結合し、粒状物の収集を助ける。また、気流が多段式サイクロン装置１０を通過する前、気流はＴ型三通管（図示しない）を通過し、Ｔ型三通管により、粒径が１０μｍ以上の粒状物をろ過して、気流が多段式サイクロン装置１０を通過するときに、直接１０μｍ以下の粒状物を収集することができる。

図２、図３で示されるように、本発明の第一段階サイクロン１１、および、第二段階サイクロン１２は皆軸翼型サイクロンで、キャビン１１１、および、サイクロン構造１１２、からなり、キャビン１１１は気流を導入する気流入口１１３、気流出口１１４、および、内壁１１５、を有し、キャビン構造１１２はキャビン１１１内に位置し、かつ、気流入口１１３と気流出口１１４の間を介し、サイクロン構造１１２とキャビン１１１の内壁１１５はチャンネル１１６を形成する。チャンネル１１６は気流がチャンネル１１６を通過するときに旋転を生成し、気流中の粒状物は遠心力により、キャビン１１１内の内壁１１５に衝突する。サイクロン構造１１２は、円柱体１１７と円柱体１１７の軸心を環繞し、かつ、円柱体１１７上に設置される螺旋型ブレード１１８を有し、チャンネル１１６は螺旋型ブレード１１８とブレード１１８に近接するキャビン１１１により定義される。注意すべきことは、本実施例中、気体入口１１３はキャビン１１１の上部に設置され、気流出口１１４はサイクロン構造１１２下方に設置され、キャビン１１１の径方向から延伸する。

図４は、第一段階サイクロン１１と第二段階サイクロン１２のもう一つの実施例を示し、構造はほぼ同じであるが、異なるのは、本実施例の気体入口１１３ａは、キャビン１１１の上部に設置され、気体入口１１３ａの設計方向とキャビン１１１の切線方向は相同で、気流出口１１４ａはサイクロン構造１１２下方に設置され、キャビン１１１の径方向に延伸する。

図５は、本案の第一段階サイクロン１１と第二段階サイクロン１２のもう一つの実施例を示す図で、構造はほぼ同じであるが、異なるのは、本実施例の気体入口１１３ｂは、キャビン１１１の上部に設置され、気体入口１１３ｂの設計方向とキャビン１１１の切線方向は相同で、気流出口１１４ｂはサイクロン構造１１２上方に設置され、キャビン１１１の軸方向に延伸する。

注意すべきことは、本発明のサイクロン（第一段階サイクロン１１、および、第二段階サイクロン１２）の構造と本案の発明者が提出した「サイクロンによりナノ粒子を収集する方法、および、サイクロンの設計方法」の発明案（申請番号０９２１２８２１３）のサイクロン構造とは異なり、異なるのは、本発明はさらに、図２、図４、図５の設計のように、多種のサイクロン中の気流入口、および、気流出口の設計位置を提供していることである。また、本案のサイクロンは多段式設計を採用し、故に、サイクロン中に適用する気圧は、２０〜７６０トールで、本案の申請者が提出する前案の適用気圧（２０トール以下）と明らかに異なり、適用気圧が異なる故、カットオフ空気動力学的直径を計算する理論方程式も伴って変化する。

本発明の第一段階サイクロン１１、および、第二段階サイクロン１２は、それぞれ、カットオフ空気動力学的直径（ｄ_pa50）を有し、カットオフ空気動力学的直径（ｄ_pa50）は以下の公式で算出され：

上述のｉとｊは第ｉ段階の第ｊ個のサイクロンを示す；μは気体粘度である；Ｎはブレード数；ｗはブレードの厚さ；Ｐはブレード間距離；ｎはブレードの旋転回数；ｒ_max、および、ｒ_minはそれぞれブレードの外径と内径；Ｑは気体体積流率；ζは適合常数；Ｃは粒状物滑り補正係数；であり、理論効率と文献上実験データは符合し、第ｉ段階の第ｊ個のサイクロンの滑り補正係数Ｃ_i,jは以下の公式で算出される（Hinds, W.C., 1999, Aerosol Technology, 2^nd Ed., Wiley & Sons, Inc., 99.49.）：

ｄｐは粒径、λ_i,jは第ｉ段階の第ｊ個のサイクロン中の気体分子の自由平均路径長さで、その値と気体圧力は反比例し、気体温度と正比例する。

本発明の粒状物を含む気体の生成工程に対し、圧力が中度の中空（２０トール）から常圧（７６０トール）の条件下で、粒状物の分類収集装置と方法を設計すると共に、実験室の実験を実行し、第ｉ段階の第ｊ個のサイクロンの粒状物の収集効率は、以下の公式で計算される：

は正規化パラメータ（normalized parameter）；Ψ_i,j,50＝８^*１０⁴（ｎｍ−ｌｐｍ）は粒状物の収集効率η_i,j＝０．５のときの正規化パラメータの値；ｄｐ_i,j第ｉ段階の第ｊ個のサイクロン中の粒状物粒径；Ｑ_i,j第ｉ段階の第ｊ個のサイクロンの気体流量；ζ’は適合常数；であり、理論効率と文献上実験データは符合する。

図６を参照すると、本発明の軸翼型サイクロンの正規化パラメータ：

に対する粒状物収集効率テスト結果は、図から分かるように、正規化パラメータがΨ_i,j,50＝８^*１０⁴ｓ（ｎｍ−ｌｐｍ）のとき、粒状物の収集効率はη_i,j＝０．５（すなわち、５０％）で、適当な流量と圧力下で操作するとき、粒径の大きさは１００（ｎｍ）に達する。

上述から分かるように、η_i,jと粒状物の粒径ｄｐは一定の関係があり、粒状物が緻密性（非多孔性）の場合、粒径ｄｐは、ＢＥＴ比表面積分析方法により決定され、円球粒状物の比表面積Ｓと粒径ｄｐの関係は下式で示される：

ρ_pは粒状物の密度、図７は粒状物の密度ρ_p＝５．８ｇ／ｃｍ³を例として生成された粒状物の粒径ｄｐと比表面積Ｓの関係対照図である。例えば、比表面積Ｓが１０．３ｍ²／ｇである場合、このときの粒径は０．１μｍ（すなわち、１００ｎｍ）で、注意すべきことは、本実施例はＢＥＴ比表面積を利用して分析するとき、フィルター（図示しない）を使用し、フィルターに用いるフィルター布の空気体布比（ｍ³／ｍｉｎ／ｍ²；単位フィルター布面積に流れる単位時間当たりの廃気量の比例）は約１．９５で、粒状物の収集効率η_i,jを向上させる必要がある場合、空気体布比は１か１以下に下がる。

粒状物がその他の形状（円球形ではない）場合、比表面積Ｓと粒径ｄｐの関係は、形状修正因子ζを加えて修正し、以下のように示される：

本発明の多段式サイクロン装置、および、粒状物の分類収集方法は、公知技術中の大量、かつ、効果的に粒状物を粒径によって分類収集できない問題を解決し、高経済価値の超細粒状物が細粒状物や粗粒状物が混入して低価格で販売することになるのを防止する。本発明の多段式サイクロン装置、および、粒状物の分類収集方法は、効果的に粒状物を粒径によって分類し、高経済価値を達成する。

本発明では好ましい実施例を前述の通り開示したが、これらは決して本発明に限定するものではなく、当該技術を熟知する者なら誰でも、本発明の精神と領域を脱しない範囲内で各種の変動や潤色を加えることができ、したがって本発明の保護範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。

本発明の粒状物収集の分類金型工場の設計図である。本発明のサイクロンを示す図である。本発明のサイクロン構造図である。本考案のサイクロンのもう一つの実施例を示す図である。本考案のサイクロンのもう一つの実施例を示す図である。本考案の多段式サイクロン装置の収集粒状物対正規化パラメータと収集効率の関係図である。粒状物の密度がρ_p＝５．８ｇ／ｃｍ³のとき、粒状物の粒径ｄｐと比表面積Ｓの関係図である。本発明の粒状物分類収集方法の工程図である。

符号の説明

１０多段式サイクロン装置
１１第一段階サイクロン
１１１キャビン
１１２サイクロン構造
１１３、１１３ａ、１１３ｂ気流入口
１１４、１１４ａ、１１４ｂ気流出口
１１５内壁
１１６チャンネル
１１７円柱体
１１８螺旋型ブレード
１２第二段階サイクロン
２０供給機
２１公知のサイクロン
２２第一収集器
２３第二収集器
２４フィルター
２５送風機
ｄ_pa50 カットオフ空気動力学的直径

Claims

粒状物の分類収集方法であって、工程は、
複数の異なる大きさの粒状物を含む気流が少なくとも一つの第一段階サイクロンを通過する工程と、
前記第一段階サイクロンにより、第一粒状物群を収集する工程と、
前記第一段階サイクロンを通過した複数の異なる大きさの粒状物を含む気流は少なくとも一つの第二段階サイクロンを通過する工程と、
前記第二段階サイクロンにより、第二粒状物群を収集する工程と
を含み、
前記第一段階サイクロン、および、前記第二段階サイクロン内の気圧幅が２０〜７６０トールである
ことを特徴とする方法。
前記第一段階サイクロンの数量が複数のとき、前記第一段階サイクロンは互いに並列設置され、前記第二段階サイクロンの数量が複数であるとき、前記第二段階サイクロンは互いに並列設置されることを特徴とする請求項１記載の方法。
前記第一段階サイクロンと前記第二段階サイクロンは直列接続であることを特徴とする請求項１記載の方法。
前記第一段階サイクロン、および、前記第二段階サイクロンは軸翼型サイクロンで、前記軸翼型サイクロンは、キャビンとサイクロン構造を有し、前記キャビンは、前記気流を導入する気流入口、気流出口、および、内壁を有し、前記サイクロン構造は前記キャビン内に位置し、かつ、前記気流入口と前記気流出口の間を介し、前記サイクロン構造の前記内壁はチャンネルを形成し、気流が前記チャンネルを通過するとき旋転を生成し、前記気流中の粒状物は遠心力により前記キャビンの内壁に衝突することを特徴とする請求項１記載の方法。
前記サイクロン構造は、円柱体と前記円柱体を環繞し、かつ、前記円柱体上に設置される螺旋型ブレードを有し、前記チャンネルは螺旋型ブレードと前記ブレードに近接するキャビンにより定義されることを特徴とする請求項４記載の方法。
前記第一段階サイクロン、および、前記第二段階サイクロンは、それぞれ、カットオフ空気動力学的直径（ｄ_pa50）を有し、カットオフ空気動力学的直径（ｄ_pa50）は以下の式で算出され、

上述のｉとｊは第ｉ段階の第ｊ個のサイクロン、μは気体粘度、Ｎはブレード数、ｗはブレードの厚さ、Ｐはブレード間距離、ｎはブレードの旋転回数；ｒ_max、および、ｒ_minはそれぞれブレードの外径と内径、Ｑは気体体積流率、ζは適合常数、Ｃは粒状物滑り補正係数であることを特徴とする請求項５記載の方法。
前記第ｉ段階の第ｊ個のサイクロンの滑り補正係数Ｃ_i,jは以下の公式で算出され、

ｄｐは粒径、λ_i,jは第ｉ段階の第ｊ個のサイクロン中の気体分子の自由平均路径長さであることを特徴とする請求項６記載の方法。
多段式サイクロン装置であって、
少なくとも一つのブレードとカットオフ空気動力学的直径ｄ_pa50,1,jを有し、前記ブレードが設けられる少なくとも一つの第一段階サイクロンと、
少なくとも一つのブレードとカットオフ空気動力学的直径ｄ_pa50,2,jを有し、前記ブレードが設けられる少なくとも一つの第二段階サイクロンと、
からなり、前記第一段階サイクロンと前記第二段階サイクロンは直列接続で、前記カットオフ空気動力学的直径ｄ_pa50,1,jは以下の方程式により求められ、

上述の１とｊは第一段階の第ｊ個のサイクロン、μは気体粘度、Ｎはブレード数、ｗはブレードの厚さ、Ｐはブレード間距離、ｎはブレードの旋転回数、ｒ_max、および、ｒ_minはそれぞれブレードの外径と内径、Ｑは気体体積流率、ζは適合常数、Ｃは粒状物滑り補正係数で、
前記カットオフ空気動力学的直径ｄ_pa50,2,jは以下の方程式で求められ、

上述の２とｊは第二段階の第ｊ個のサイクロン、μは気体粘度、Ｎはブレード数、ｗはブレードの厚さ、Ｐはブレード間距離、ｎはブレードの旋転回数、ｒ_max、および、ｒ_minはそれぞれブレードの外径と内径、Ｑは気体体積流率、ζは適合常数、Ｃは粒状物滑り補正係数であることを特徴とする多段式サイクロン装置。
前記第一段階サイクロンの数量が複数のとき、前記第一段階サイクロンは互いに並列設置され、前記第二段階サイクロンの数量が複数であるとき、前記第二段階サイクロンは互いに並列設置されることを特徴とする請求項８記載の多段式サイクロン装置。
前記第一段階サイクロン、および、前記第二段階サイクロンは軸翼型サイクロンで、前記軸翼型サイクロンは、キャビンとサイクロン構造を有し、前記キャビンは、前記気流を導入する気流入口、気流出口、および、内壁を有し、前記サイクロン構造は前記キャビン内に位置し、かつ、前記気流入口と前記気流出口の間を介し、前記サイクロン構造の前記内壁はチャンネルを形成し、気流が前記チャンネルを通過するとき旋転を生成し、前記気流中の粒状物は遠心力により前記キャビンの内壁に衝突することを特徴とする請求項８記載の多段式サイクロン装置。
前記サイクロン構造は、円柱体と前記円柱体を環繞し、かつ、前記円柱体上に設置される螺旋型ブレードを有し、前記チャンネルは螺旋型ブレードと前記ブレードに近接するキャビンにより定義されることを特徴とする請求項８記載の多段式サイクロン装置。