JP2012519597A - ヒューム管の処理方法 - Google Patents

Abstract

本願は、金属粒子を含む煙、特に溶接ヒュームを吸引するための吸引管（１２）を備え、装置および運転に掛かる経費を僅かにして煙の確実な抑制を可能にする吸引装置（１０）に関する。このため本発明によれば酸化装置（６０）が設けられる。運転時に酸化装置（６０）の傍を流れる粒子はエネルギ供給により加熱され酸化される。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属粒子を含む煙や粉塵を吸引するための吸引管を備えた吸引装置に関する。本発明は、さらにこのような吸引装置を備えた溶接設備、ならびに溶接煙または粉塵の相応する処理方法に関する。

特定の金属材料の溶接時には、可燃性の金属粒子からなる微細な粉塵もしくは煙が発生する。特に、ジルコニウムの処理時に発生する溶接ヒュームは、著しく可燃性であり爆発の危険がある。火災または爆発リスクを減少するための一つの方法は、溶接工程をカプセル化した溶接室内で実施することにある。しかしながら、溶接ヒュームの乾燥状態並びに不適切な取り扱いでは爆発の危険性がある。従来技術によれば、溶接時に溶接室内に発生する可燃性の粒子を含む煙または粉塵は、それ故吸引装置により貯水槽に導かれそこで部分的に拘束される。もっとも、貯水槽は煙もしくは粉塵を一般に完全には拘束できないので、貯水槽に後置接続された残塵フィルタの使用が必要であり、このフィルタ内にさらに引火性の物質が集められる。吸引された空気酸素を吸引区間または残塵フィルタに侵入することにより依然として危険性のポテンシャルが残るが、これは濡れたもしくは湿気のある状態での溶接ヒュームの比較的煩雑な取り扱いによってのみある程度安全に抑制できるにすぎない。

従って本発明の課題は、装置および運転上の経費を僅かに留めて可燃性の溶接ヒュームの安全な抑制を可能にする方法、およびこれに関連する装置を提供することにある。

装置に関する課題は本発明によれば、吸引管に導入される煙または粉塵に作用する酸化装置を次のグループ、すなわちマイクロ波線発生器、レーザ特にダイオードまたはＹＡＧレーザ、加熱またはハロゲンランプ、加熱スパイラル、誘導コイル、ガス炎から構成することによって解決される。

本発明は、可燃性溶接ヒュームによる環境の悪化を、可燃性粒子ができるだけ早期のかつ出来るだけ完全なコントロールされた酸化により不燃性にされることにより回避するという考えから出発している。この場合、点火を回避し、かつ酸化装置自体による危険源の提供を避けるために、粒子が直接的に炎並びに熱せられた表面との接触を避けることが有利であろう。

むしろ、エネルギの調達には無接触作用の原理を用いるのが有利である。なかんずく、吸引区間の始端のできるだけ前方に位置決めされた酸化装置により、傍流する金属粒子はできるだけ早期に酸化温度に加熱されることになる。粒子の加熱に基づき、周囲に空気酸素（または他の酸化剤も）を有する表面における酸化は高まるにもかかわらずコントロールされる。このようなコンセプトでは、溶接ヒュームの点火の危険性は、モデルによる概算の枠内で判明したように、運転パラメータの適当な制御または調整により明らかに少なくなる。

溶接ヒューム粒子へのエネルギの調達は、この場合吸引管におけるその流路の比較的短い行程内で無接触でかつ比較的高い効率で行われる。たとえば、吸引管における質量または容積流密度、流速および／または溶接ヒューム中の空気もしくは酸素成分などの監視された調整可能なパラメータに依存してエネルギの調達、従ってまた酸化率の正確にして信頼性のある、特に必要に即した調整が可能となる。

「吸引管」という用語は、ここでは剛体の管に限定して解釈すべきではない。むしろ、たとえば可撓性のチューブなども使用することができる。

酸化装置は、種々の方法で実施可能である。特に、（マイクロ波線発生用の）マグネトロンまたは、たとえばダイオードレーザまたはＹＡＧレーザなどのレーザが使用可能である。代替的にまたは付加的に、ハロゲンランプや赤外線ランプなどのランプ並びに加熱スパイラル、誘導コイルまたはガス炎なども使用できる。種々の実施形態もしくは同様に形成された多数のコンポーネントを、並列および／または直列接続して運転することができる。酸化装置は、有利には構造的に吸引管の領域内に設けられる。その形態次第で、酸化装置はたとえば吸引管に組み込んだり、その傍に配置したり場合によっては通路を介してその内部範囲に接続したりまたは吸引管の周りに配置することができる。

有利には、酸化装置は電磁線の発生器を包含する。この場合、有利な線形はマイクロ波線である。約１ｍと１ｍｍの間の波長領域に基づき、この線は誘電加熱もしくは分子または帯電粒子の双極および多極振動の励起に適している。マイクロ波線の発生器はこの場合なかんずく、できるだけ大きな空間領域ができるだけ均等にマイクロ波線で貫通されるように使用される。このために吸引管は、マイクロ波の周波数領域に共鳴する中空導体として形成される。

代替的にまたは上記と組み合わせて粒子の加熱のために、少なくともレーザ、特にダイオードレーザまたはＹＡＧレーザにより発生されるレーザ線を使用することができる。活性媒体として、ネオジムをドープしたＹＡＧ結晶を使用したＮｄ：ＹＡＧレーザは波長１０６４ｎｍの赤外線領域の線を発生する。ダイオードレーザは、特にそのコンパクトな構成により酸化装置として適している。

粒子の加熱は、有利な実施態様では適当に設定された線出力を持つハロゲンランプなどによっても実現できる。

酸化装置の別の有利な実施形態は、電気加熱スパイラル（抵抗加熱）を含む。加熱スパイラル中を流れる電流は、加熱スパイラルを加熱しそれにより吸引管中を流れる粒子またはガス流を加熱する。加熱スパイラルは、吸引管の周りに巻きつけることができる。これはまた吸引管の内部に挿入することもできる。加熱スパイラルが吸引管を取り囲む場合には、吸引管はなかんずく加熱スパイラルから放出される熱をできるだけ損失なく吸引管の内室に導く材料から構成される。

酸化装置として交流電流を付勢可能な誘導コイルを使用すると有利である。誘導コイル中を流れる交流電流のアンペア数、電圧および周波数などのパラメータの簡単に実現可能な変化により酸化に必要なエネルギを粒子に伝達することができる。溶接ヒューム粒子における渦電流誘導の、特に高い効率を得るため誘導コイルは吸引管の周りに多数のワイヤ巻線を巻き付けるようにすると有利である。代替的に、誘導コイルは相応する管断面においてそれ自体が管壁を形成するようにすることもできよう。これにより、コイル巻線の縁部もしくは外側にある漏洩磁場を専ら利用する装置とは異なり、達成可能な磁界強さが最大であるコイル内部における全電磁界がエネルギ伝達に対して実質的に有効となる。誘導コイルが吸引管を取り囲む場合には、吸引管は誘導磁界をできるだけ少なく遮蔽または弱める材料、たとえばプラスチックから作ると有利である。

粒子の加熱には、有利な実施態様では酸化装置は上述のコンセプトの代わりにまたはこれに付加してガス炎を使用することができる。ガス炎はこの場合、粒子の加熱およびそれに続く酸化が保証され同時に粒子流の爆発的もしくはコントロールできない点火が避けられる強さおよび温度範囲に設定される。

場合によっては、吸引された溶接ヒューム内の酸素成分は、吸引管における粒子の所望の酸化を進行させるのに既に十分である。しかし、溶接工程は周囲に対して十分にカプセル化された溶接室内で、特に酸素成分が減ぜられたまたはまったく存在しない不活性雰囲気で行うようにすれば、いずれにしても溶接室内における爆発および火災のリスクが最小になるので有利である。この場合、吸引管を介して溶接室から吸引される溶接煙または粉塵を酸化装置に到達する前に酸化剤、特に酸素を含む周囲空気で的確に富化することが必要であり、または少なくとも有利になる。このため、吸引管は１つまたは多数の空気導入口またはスリットを有するようにし、これを煙または粉塵の流れ方向から見て酸化装置の前に配置すれば、運転中に吸引作用により所望の酸化反応に適した量の周囲空気が、必要に応じて吸引され加熱および酸化領域に到達する前に溶接ヒュームと混合されるので有利である。

溶接室および吸引装置を備えた溶接設備に関しては上述の課題は、吸引装置の吸引管が溶接室に接続されることにより解決される。

方法に関しては上述の課題は、金属粒子を含む煙または粉塵が吸引管に吸引され、この管中でエネルギ供給により加熱され、かつコントロールされて酸化されることにより解決される。この場合、煙または粉塵は連続的な流れとして、吸引管の加熱および酸化領域に導かれると有利である。

本発明により得られる利点は特に、なかんずく無接触な加熱により可燃性煙または粉塵粒子のコントロールされた完全な酸化が生じ、粒子がその後の処理において、火災または爆発のリスクに関していかなる場合にも、危険のないようにされることにある。装置に関する前提条件はわずかで、同様に必要とされる技術的コンポーネントの所要空間もわずかである。煙もしくは粉塵の経費のかかる湿式処理は省略できる。付加的な処理時間は同様に生じない。完全に酸化された粉塵の集合体は、このような廃棄産物の取り扱いにおける危険を最小限に減ずる。システムは、保守の必要性が少ない。吸引およびフィルタ設備の洗浄は比較的稀にしか必要でないので、それに伴う機械の休止時間は短くできる。プロセスの進行に携わる作業者または機械の取扱者は、従来よりも危険性のポテンシャルに晒される頻度は少なくなる。

上述のコンセプトは主に溶接ヒュームの処理に利用されるが、これに限定されるものではない。他の応用分野はたとえば金属を含む材料の切削（穴あけ、旋盤、フライス、鋸引、研磨など）である。また火災の危険の減少は必ずしも関心の中心にあるものではない。むしろ、上述の煙粒子などの無接触、および場合によっては無炎の加熱は他の技術的目的からも行うことができよう。重要な前提は従って、総じて本発明により使用される作用原理に通じているキャリアガス流中に搬送される粒子、通常は金属をベースとするまたは金属成分を含む粒子が発生することもしくは存在することである。

図１は溶接ヒュームの吸引装置および酸化装置としての誘導コイルを備えた溶接設備を示す。 図２は溶接ヒュームの吸引装置および代替的な酸化装置、たとえばマイクロ波線発生器を備えた溶接設備を示す。

本発明の実施例を、図面に基づいて更に詳細に説明する。図は、いずれも著しく概略的に示したものである。

図１に示された溶接設備２は、溶接室８の内室６に配置された溶接機４（溶接ロボット）を有する。そこでは、ジルコニウムまたはジルコニウム合金から成るまたはこれらの材料を主要成分として含む複数の加工品が、たとえば原子力分野における燃料棒被覆管の製造におけるように、互いに溶接される。溶接工程は、周囲に対して気密にカプセル化された溶接室８の内室６において、ここには図示しない供給システムにより用意される少なくとも部分的に不活性化された酸素の少ない雰囲気中で行われる。

加工品の溶接時には、溶接ガス雰囲気中に微細なジルコニウムおよび他の粒子から成る健康に有害でかつ酸素と接触すると容易に燃え上がる粉塵、いわゆる溶接ヒュームが発生する。設備の運転時に溶接ヒュームは、間断なく連続的に溶接室８から吸引される。このため、吸引管１２を備えた吸引装置１０が設けられる。たとえば、可撓性チューブとしても実現できる吸引管１２はその第１の端部１４で溶接室８に接続されている。代替的に、鐘形吸引器を溶接室により完全には周囲から遮蔽されていない溶接区域上に配置することもできる。吸引管１２の溶接室８とは反対側の第２の端部１６は、ここでは概略的にしか示されていない真空吸引器１８もしくは真空ポンプもしくは（たとえばラジアル圧縮機の形の）吸引ブロアに接続される。溶接ヒュームの流れ方向２０から見て真空ポンプもしくは吸引ブロアの前に、ここでは同様に概略的にしか示されていないガスを通すフィルタユニット２２もしくは粉塵袋などがあり、この中で吸引された固形粒子が、フィルタ材料の孔径および種類に応じて、捕集される。

吸引装置１０は、溶接ヒュームもしくはフィルタユニット２２内のその固形残留物の処理時において、火災および爆発のリスクを特に僅かにするように構想されている。この目的のため、吸引管１２の加熱および酸化領域２４内で溶接ヒュームに存在するジルコニウム含有粒子の的確にしてコントロールされた酸化が行われる。そこでは、すなわち誘導コイル２６が配置され、このコイルは吸引管１２の周りに巻き付けられた多数のワイヤループまたはワイヤ巻線２８を有する。ワイヤ巻線２８全体は、コイル巻線３０を形成する。誘導コイル２６の対称軸は、吸引管１２の中心軸３１に一致する。誘導コイル２６は電流回路３２内で交流電源３４に接続されているので、電流回路３２を閉じた際にコイル巻線３０内に時間的に変化するなかんずく周期的な電磁交流磁界が発生し、吸引管１２の内室を貫通する。コイル巻線３０の始端および終端では、誘導された電磁磁界は空間的に比較的不均一である。

ジルコニウム含有粒子が吸引管１２の加熱および酸化領域２４を貫流すると、この領域には渦電流が生じ、その結果粒子は加熱されることになる。これにより、容積流中に存在する空気酸素との強められた反応、すなわち酸化が促進される。運転パラメータを適当に調整すると酸化は極めて効果的に短い行程でそれにもかかわらず、火災および爆発のリスクがわずかであるように著しくコントロールされて進行するので、フィルタユニット２２には比較的害の少ない良好に対処できる完全に酸化された粒子だけが集められる。

吸引された溶接ヒュームを酸素で富化するために、吸引管１２は流れ方向２０から見て誘導コイル２６の前に多数の空気導入口３６を有し、この導入口はたとえばこの実施例のように２つの対向する管部分または管片の間に、環状スリットの形に形成することができる。しかし、勿論他の導入口形状も可能である。

なかんずく流れを導く形状、圧力比および真空吸引器１８の（場合により調整可能な）吸引能力によって規定される重要な運転パラメータとしては、加熱および酸化領域２４内の粒子含有溶接ヒュームの流速並びに容積もしくは質量流密度が挙げられる。さらに、容積流中の酸素の割合が酸化率に重要な影響を与える。たとえば、適当なセンサにより監視される上述の値によって、誘導コイル２６に付勢される交流電流のアンペア数、電圧および周波数が良好にコントロールされ必要に応じて調整される。代替的にまたは付加的に、所定のまたは既知の電気特性値において、たとえば空気導入口３６に可調整絞り弁などを設けることにより、空気もしくは酸素供給を可変的に制御することも可能である。

図２に示した吸引装置１０は、図１に示した実施形態とは酸化装置６０の構成だけが異なる。酸化装置は、ここではたとえばマグネトロンを内蔵するマイクロ波線発生器４０により形成される。マグネトロンにより発生されるマイクロ波線は、マイクロ波線発生器４０から通路４４を通って吸引管１２に導かれる。マイクロ波線発生器４０と吸引管１２の間の通路４４は、たとえば中空導体として実現し得る。加熱および酸化領域２４では流れ方向２０に流れる粒子はマイクロ波線により加熱され、その表面が酸化される。加熱および酸化領域は、この実施形態ではまさに吸引管１２のマイクロ波により貫通される範囲である。吸引管１２は、この関連ではその内側表面がマイクロ波線を（部分的に）反射する中空体として理解することもできる。できるだけ大きく均等にマイクロ波線により貫通される空間領域を実現するために、吸引管１２は加熱および酸化領域２４でマイクロ波線を反射する部材により補完される。吸引管は、またその形状および／またはその材料特性において流れ方向２０における、この領域の前後の形態を変えることも可能である。マイクロ波線発生器４０は、吸引管１２に構造的に組み込むこともできる。

代替的な実施例では、図２に概略的に示した酸化装置６０はレーザ、特にダイオードまたはＹＡＧレーザ、ハロゲンランプ、電気加熱スパイラルまたはガス炎を包含することができ、これらは吸引管１２内を流れる煙に作用しその加熱およびコントロールされた酸化を行う。上述のエネルギもしくは熱源の多数の組み合わせが可能である。

酸化効率を高めるために、吸引管１２は酸化装置６０の範囲にいわゆる粉塵トラップなどのラビリンス状構造を有することができ、このためたとえば管路に相応する分離および／またはガイド板および／または方向転換部材を配置することができる。

粉塵または煙の流れ方向は、少なくとも酸化装置６０の直接作用範囲では、なかんずく垂直、特に下から上に方向づけるべきであろう。

２ 溶接設備
４ 溶接機
６ 内室
８ 溶接室
１０ 吸引装置
１２ 吸引管
１４ 始端
１６ 終端
１８ 真空吸引器
２０ 流れ方向
２２ フィルタユニット
２４ 加熱および酸化領域
２６ 誘導コイル
２８ ワイヤ巻線
３０ コイル巻線
３１ 中心もしくは対称軸
３２ 電流回路
３４ 交流電源
３６ 空気導入口
４０ マイクロ波線発生器
４４ 通路
６０ 酸化装置

Claims (9)

1. 金属粒子を含む煙または粉塵を吸引するための吸引管（１２）を備え、吸引管（１２）内を流れる煙または粉塵に作用する少なくとも１つの酸化装置（６０）が次のグループ、すなわちマイクロ波線発生器、レーザ特にダイオードまたはＹＡＧレーザ、加熱またはハロゲンランプ、加熱スパイラル、誘導コイル（２６）、ガス炎から成る吸引装置（１０）。
2. 酸化装置（６０）として交流電流を付勢される誘導コイル（２６）が設けられ、このコイルにより吸引管（１２）内に電磁交流磁界を発生可能にし、誘導コイル（２６）が吸引管（１２）の周りに巻き付けられた多数のワイヤ巻線（２８）を有する請求項１記載の吸引装置（１０）。
3. 吸引管（１２）が煙または粉塵の流れ方向（２０）から見て酸化装置（６０）の前に配置された１つまたは複数の空気導入口（３６）を有する請求項１または２記載の吸引装置（１０）。
4. 請求項１から３の１つに記載された溶接室（８）と吸引装置（１０）を備え、吸引管（１２）が溶接室（８）に接続された溶接設備（２）。
5. 煙または粉塵が吸引管（１２）に吸引され、この管内でエネルギ供給により加熱されその際酸化されるようにした金属粒子を含む煙または粉塵の処理方法。
6. エネルギが次のグループ、すなわちマイクロ波線発生器、レーザ特にダイオードまたはＹＡＧレーザ、加熱またはハロゲンランプ、加熱スパイラル、誘導コイル（２６）、ガス炎から成る少なくとも１つの酸化装置（６）によって供給される請求項５記載の方法。
7. 煙または粉塵が連続的な流れとして吸引管（１２）内の加熱および酸化領域（２４）に導かれる請求項５または６記載の方法。
8. 煙または粉塵が加熱の前に酸化剤を含むガスまたはガス混合物、特に周囲空気により富化される請求項５から７の１つに記載の方法。
9. 処理すべき煙または粉塵が溶接時に溶接ヒュームとして金属材料、特にジルコニウムをベースとする材料から発生する請求項５から８の１つに記載の方法。

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