JP2014155901A - サイクロン式分級装置 - Google Patents

Abstract

【課題】遠心分離室内での逆流領域を可及的に縮小し、分級効率を向上させることのできるサイクロン型粉体分級装置を提供する。
【解決手段】サイクロン塔の遠心分離室に供給する粉体を旋回流により、前記粉体を微粉と粗粉とに分離するサイクロン型粉体分級装置において、遠心分離室内における前記流出管の上部に、截頭円錐台形状の整流アダプターを配置するとともに、外気を取り入れるための孔を設けたリング状部材をサイクロン塔の上部に配置したことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、遠心力を利用したサイクロン式分級装置に関する。

粉体を分級する乾式の分級装置として、従来からサイクロン式分級装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
このようなサイクロン式分級装置は、粉体を空気とともにサイクロン塔上部に吹き込んで分級を行うものであり、構造が簡単で保守点検の負担も少ないという利点がある。

このような分級装置は、環境規制に応じた集塵、電子素材の研磨材料の粒度調整、資源リサイクルにおける粉体の分離など、様々な工業プロセスで利用されているが、最近では、１．０μｍ以下の粒子分級の要求が強まり、その分級性能の向上が望まれている。

サイクロンの分級性能の向上を妨げる要因として、
１）サイクロン内部での旋回流が逆流する領域が存在すること、
２）旋回流の影響を受けずに流出管から微粉として排出される粒子が存在すること、などが挙げられる。

なお、旋回流の逆流は、下降流と上昇流の衝突により、乱流が発生するためと思われる。
一方、サイクロンの粒子捕集効率を向上させるには、図９に示したように、粉体を供給する流入管２から、略円筒状のサイクロン塔３の遠心分離室４内に、理想的な強い旋回流６が形成されると良いことが知られている。

しかしながら、遠心分離室４内で旋回流６が逆流してしまったり旋回流６が弱かったりすると、流出管８の外周面に巻き上げられた粉体が付着してしまったり、微細な粉体が流出管８の外方にそのまま排出されてしまい、分級精度や分級効率を低下させてしまう問題があった。

なお、上記の逆流現象は、泡を用いた可視化実験で確認することができる。すなわち、例えば、逆流が発生していると予想される領域に予め泡を付着させ、所定時間サイクロンを稼働させ、その後、泡の残量を調べれば、逆流現象の有無などを確認することができる。実験により、逆流が予想される遠心分離室４内における流出管８の上部に泡９を付着させサイクロンを３０秒稼働させて確認したところ、図１０に示したように、泡９を付着させた付近にそのまま泡９が残存していた。これにより、流入管２の粉体流出口付近に逆流が生じており、この逆流により、流出管８の上部周辺では、逆流現象が生じていて、結果として分級性能が損なわれてしまうことが確認された。

特開２０１１−１２５８０１号公報

本発明は、このような実情に鑑み、遠心分離室内での逆流領域を可及的に縮小し、分級効率を向上させることのできるサイクロン型粉体分級装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するための本発明に係るサイクロン型粉体分級装置は、
略円筒状の周壁を有するサイクロン塔の遠心分離室に流入管を介して粒度分布を有する粉体を供給して前記遠心分離室内に旋回流を形成するとともに、
前記遠心分離室に連通する流出管を介して前記遠心分離室内の空気を吸引又は吐出することにより、前記粉体を微粉と粗粉とに分離するサイクロン型粉体分級装置において、
前記流入管は、前記遠心分離室の前記周壁に形成された開口部を介して前記遠心分離室に連通するとともに前記遠心分離室に対して接線方向に接続されており、
さらに、前記遠心分離室内における前記流出管の上部に、截頭円錐台形状の整流アダプターが、その切断された頭部側の一端部を下に向けた姿勢にして、その切断された頭部側の一端部が、前記遠心分離室内に位置する前記流出管の下端より上方に配置されていることを特徴としている。

このような構成の本発明によれば、整流アダプターの作用により遠心分離室上部付近での旋回流の螺旋が大きくなるとともに逆流領域を可及的に少なくすることができる。
これにより、流出管の上部周囲にも十分旋回流が生じるようになり、微細な粒子を付着させることなく下方に導くことができる。

また、本発明においては、
前記截頭円錐台形状に形成された前記整流アダプターにおいて、
前記截頭円錐台形状の小径側の一端部における前記流出管の外径より半径方向に突出した長さをａ、
前記截頭円錐台形状の大径側の他端部における前記流出管の外径より半径方向に突出した長さをｂとしたとき、
１．００＜ｂ／ａ≦２．００、好ましくは、１．２９≦ｂ／ａ≦１．５７
の範囲であることが好ましい。

このような割合で、ｂ／ａが設定されていれば、分級性能が向上することが、実験により確認された。
ここで、本発明に係る遠心分離装置では、前記遠心分離室の上部側外周面に、リング状部材が設置され、このリング状部材に、前記遠心分離室に連通し外気を導入するための空気取り入れ孔が複数個、形成されていることが好ましい。

このような構成であれば、５０％の部分分離効率の粒子径が小さくなることが実験により確認された。
さらに、本発明では、前記空気取り入れ孔は、前記旋回流の流れに沿うように、前記周壁の接線方向に形成されていることが好ましい。

このような構成であれば、外気を遠心分離室内に取り入れ易くなる。
また、本発明では、前記流入管から前記遠心分離室内に流入される粉体含有空気の量をＱ（Ｌ／min）、
前記リング状部材の前記空気取り入れ孔から前記遠心分離室内に流入される大気の量をｑ(Ｌ／min)としたとき、
０．２≦ｑｃ／Ｑ[-]≦０．８、好ましくは、０．２≦ｑｃ／Ｑ[-]≦０．７の範囲であることが好ましい。

このような割合で外気を取り入れれば、捕集効率の向上に寄与することが実験により確認できた。

本発明に係るサイクロン型粉体分級装置によれば、遠心分離室内における逆流領域が縮小し、遠心分離室内での旋回流の整流により、流出管上部に粉体が付着したままになることが無い。これにより粉体を効果的に下方に導くことができ、分級性能を向上させることができる。

また、リング状部材に形成された空気取り入れ孔から導入される外気の導入により、遠心分離室内での旋回流の螺旋を大きくすることが可能となり、結果として、粒子捕集効率を向上させることができる。

図１は本発明の一実施例に係るサイクロン型粉体分級装置の概略断面図である。 図２は図１に示したサイクロン塔の概略断面図である。 図３（Ａ）は、図１に示した流出管の上部に設置された整流アダプターを示す概略図、図３（Ｂ）は整流アダプターの上面図、図３（Ｃ）は整流アダプターの断面図である。 図４は、本発明の一実施例に係る整流アダプターが設置されたサイクロン型粉体分級装置の要部断面図である。 図５は、様々な形状の整流アダプターを設置した場合の圧力損失と５０％分離径との関係を示す実験結果のグラフである。 図６は、本発明の他の実施例に係るサイクロン分級装置を示した概略断面図である。 図７は、図６に示した実施例で採用されたリング状部材の概略断面図である。 図８は、リング状部材に孔を設けた場合における孔の総開口面積と、導入空気の割合をグラフで示したものである。 図９は従来のサイクロン分級装置の挙動を示す概略図である。 図１０は、従来例であり、逆流が生じていると思われる部分に泡を付着させ、稼働させた後の状態を示す可視化実験の概略図である。

以下、図面を参照しながら、本発明に係るサイクロン型粉体分級装置の好ましい実施の形態について説明する。
図１は本発明の一実施例に係るサイクロン型粉体分級装置３０の概略構成図で、図２は、図１に示したサイクロン塔３８の概略平面図である。

このサイクロン型粉体分級装置３０では、頂点を鉛直方向に向けた略円錐台形状のサイクロン塔３８を有している。サイクロン塔３８内の上部には、略円筒状の周壁４２を有する遠心分離室４６が画成されている。サイクロン塔３８の下部には粗粉排出口５２を介して捕集器３９が具備されている。

遠心分離室４６の中心軸上に流出管４８が配置されている。流出管４８は、遠心分離室４６内に粉体を供給する流入管４０の高さより低い位置まで下方に延出され、この流出管４８の下端がサイクロン塔３８内に開放されて遠心分離室４６に連通し、流出管４８の上端がサイクロン塔３８の上部外方に延出されて微粉排出口５０を形成している。

また、本実施例のサイクロン型粉体分級装置３０では、遠心分離室４６内に位置する流出管４８の上部外周面に、本実施例の主要部を構成する整流アダプター５４が設置されている。

以下、図３（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）を参照しながら、整流アダプター５４について説明する。
整流アダプター５４は、図３（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示したように、上面が下面より大径な截頭円錐台形状に形成されている。
この整流アダプター５４は、その切断された頭部側の一端部５４ａが下に向けた姿勢で、流出管４８の外周面に装着されている。流出管４８の外径はＨである。

また、整流アダプター５４における一端部（小径側の端部）５４ａの、流出管４８の外径Ｈより半径方向に突出した長さをａ、他端部５４ｂの流出管４８の外径Ｈより半径方向に突出した長さをｂとしたとき、
１．００＜ｂ／ａ≦２．００、好ましくは、１．２９≦ｂ／ａ≦１．５７に設定されている。
また、サイクロン塔３８内上部を構成する略円筒状部分（直胴部）の内径をＤ、整流アダプター５４の高さをＬとしたとき、０．１≦Ｌ／Ｄ≦０．６の関係を満たすことが好ましい。
なお、本実施例では、流入管４０の内径Ｊは３７ｍｍ、サイクロン塔３８内上部を構成する略円筒状部分（直胴部）の内径Ｄは７２ｍｍ、整流アダプター５４の高さＬは４０ｍｍに設定されている。

また、図１に示したように本実施例では、流出管４８の微粉排出口５０に、バグフィルタ等から微粉回収部５１が接続され、さらに吸引ブロア５３が接続されている。吸引ブロア５３は、微粉回収部５１および微粉排出口５０を通して遠心分離室４６内の空気の吸引を行う。吸引を行うと、遠心分離室４６内が負圧になる。

また、本実施例のサイクロン型粉体分級装置３０では、図示しないホッパーに貯留された分級対象となる粉体が、定量供給装置３２により定量的に排出され、必要に応じて分散装置３６により粉体が空気中に分散し、分散された粉体含有の空気が吸引ブロア５３による吸引により、流入管４０を介してサイクロン塔３８の遠心分離室４６内に流入される。このとき、図２に示したように、流入管４０が遠心分離室４６に対して接線方向に配置されているため、遠心分離室４６の内部に粉体と空気による旋回流Ｒが形成される。また、吸引ブロア５３の代わりに、定量供給装置３２の上流側に吐出ブロア（図示せず）を設置することによっても、遠心分離室４６の内部に粉体と空気による旋回流Ｒが形成される。

この旋回流Ｒに晒された粉体は、旋回運動を行うことにより分散されつつ粒径に応じた分離作用を受ける。その結果、分級点以下の粒径を有する微粉が空気流とともに遠心分離室４６内に開口している流出管４８の下端から流出管４８内に吸引され、微粉排出口５０を介して微粉回収部５１に回収される。

一方、分級点より大きな粒径を有する粗粉は、微粉排出口５０から上方に排出されることなく、略円錐台形状のサイクロン塔３８内を落下し、サイクロン塔３８の下端に形成されている粗粉排出口５２から捕集器３９に排出され、ここに捕集される。

このようにして、本実施例では、粒度分布を有する粉体が微粉と粗粉とに分離される。
また、本実施例では、整流アダプター５４を設けたことにより、下降流と上昇流との衝突により、これまで生じていた乱流を少なくすることが可能となる。

すなわち、遠心分離室４６上部付近では、吸引ブロア５３による上昇流と、旋回流Ｒによる下降流が生じているが、整流アダプター５４が流入管４０の開口部４３付近に配置されているので、旋回流Ｒの乱れを少なくすることができる。
この整流アダプター５４による作用は、例えば、泡を用いた可視化実験により確認することができる。

例えば、図４に示したように、遠心分離室４６内に位置する流出管４８の上部に、整流アダプター５４を配置する。そして、整流アダプター５４の周面全体を覆うように図１０の場合と同様に泡９を付着させた。３０秒間の稼働後、泡９の状態を確認したところ、図４に示したように、泡９は殆ど残っておらず、整流アダプター５４の下部にわずかに残存しているのみであった。

このように泡を用いた可視化実験により、整流アダプター５４の作用として、旋回流Ｒの逆流領域を少なくしていることが確認できた。すなわち、流入管４０の遠心分離室４６に臨む付近すなわち図４の上部付近に、旋回流Ｒを生じさせることが可能となり、その旋回流Ｒにより今までは、その位置に滞留し易かった粉体を下方に導いていることが確認できた。

なお、上記截頭円錐台形状の整流アダプターの形状において、図３（Ｃ）に示したａ、ｂを変更し、ｂ／ａがどのような割合が好ましいかを調べた。［表１］にその寸法と割合を示す。

その結果、タイプＡ₃を除く全てに効果があることが確認できた。また、好ましくはタイプＦ、タイプＧ、タイプＨが良好であることから、
１．００＜ｂ／ａ≦２．００、好ましくは、１．２９≦ｂ／ａ≦１．５７
であることが分かった。

また、タイプＡ₃、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈの整流アダプター５４を用いて、圧力損失・流量一定で実験した場合の結果を図５に示す。
図５は、表１におけるタイプＡ３、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈの整流アダプター５４を用いて、５０％の部分分離効率の粒子径と圧力損失の関係を示した結果である。

なお、図５において、横軸は、ｂ／ａの割合を示しており、左側の第１の縦軸は粒子の径を、右側の第２の縦軸は圧力損失を示している。
図５からタイプＧの整流アダプターが最も小さい粒子まで捕集できることが分かった。

上記の実施例では、整流アダプター５４を用いることにより分級性能を向上させているが、遠心分離室４６内に、流入管４０以外から外気を導入させることによっても、分級性能を向上させることができる。
図６は、サイクロン塔３８の遠心分離室４６内に、外気を導入する実施例の概略図を示したものである。

この実施例では、サイクロン塔３８の上部側外周面に、内部の遠心分離室４６を拡張する態様でリング状部材６０が設置されていることが前記実施例と異なり、他の構成は前記実施例と同様である。

このリング状部材６０には複数個の空気取り入れ孔６２が形成され、これら空気取り入れ孔６２から遠心分離室４６内に外気が積極的に加えることが可能にされている。
リング状部材６０に形成された空気取り入れ孔６２は、図７に示したように、旋回流Ｒの流れに沿うように、周壁６１の接線方向に形成されている。空気取り入れ孔６２は、同一径に限定されず、外気導入側の開口を、大にすることもできる。

したがって、リング状部材６０に導入される外気は、図７に矢印Ｋで示したように、遠心分離室４６内に外周部から略均等に吸収される。
なお、この空気取り入れ孔６２の数は限定されないが、サイクロン塔の軸芯に対し、点対称位置に形成されていることが好ましい。

この空気取り入れ孔から導入される外気量をｑｃ(Ｌ／min)、
流入管４０から遠心分離室４６内に導入されるメインの圧縮空気の量をＱ（Ｌ／min）としたとき、
０．２≦ｑｃ／Ｑ[-]≦０．８、好ましくは０．２≦ｑｃ／Ｑ[-]≦０．７の範囲で効果があることが実験で確認できた。

表２は、リング状部材に設けた孔の数（ｎ）と、その孔の入口幅（Ｗ）と、孔の高さ（Ａ）をそれぞれ変化させたサンプルの一覧表である。

これらの形状別のリング状部材を用いることにより、どのタイプが好ましいかを調べた。
図８は、表２のタイプ別ごとに、５０％の部分分離効率の径と、ｑｃ／Ｑとの関係を示したグラフである。
この図８から、表２のタイプＣが最も小径の粉体を分離できることが分かった。

以上説明したように、孔を設けたリング状部材を遠心分離室を拡開するように設けた場合には、内部に導入される外気により旋回流が強力になることが分かった。なお、シミュレーションの結果によれば、外気を導入することにより、図７に示した旋回流Ｒが、流入管４０の出口付近で小さく旋回するのではなく、上方から下方に向かって大きな弧を描いて螺旋が形成されることが分かった。

３０ サイクロン型粉体分級装置
３８ サイクロン塔
４０ 流入管
４２ 周壁
４３ 開口部
４６ 遠心分離室
４８ 流出管
５４ 整流アダプター
５４ａ 一端部
６０ リング状部材
６２ 空気取り入れ孔
Ｒ 旋回流

Claims (5)

1. 略円筒状の周壁を有するサイクロン塔の遠心分離室に流入管を介して粒度分布を有する粉体を供給して前記遠心分離室内に旋回流を形成するとともに、
   前記遠心分離室に連通する流出管を介して前記遠心分離室内の空気を吸引又は吐出することにより、前記粉体を微粉と粗粉とに分離するサイクロン型粉体分級装置において、
   前記流入管は、前記遠心分離室の前記周壁に形成された開口部を介して前記遠心分離室に連通するとともに前記遠心分離室に対して接線方向に接続されており、
   さらに、前記遠心分離室内における前記流出管の上部に、截頭円錐台形状の整流アダプターが、その切断された頭部側の一端部を下に向けた姿勢にして、その切断された頭部側の一端部が、前記遠心分離室内に位置する前記流出管の下端より上方に配置されていることを特徴とするサイクロン型粉体分級装置。
2. 前記截頭円錐台形状に形成された前記整流アダプターにおいて、
   前記截頭円錐台形状の小径側の一端部における前記流出管の外径より半径方向に突出した長さをａ、
   前記截頭円錐台形状の大径側の他端部における前記流出管の外径より半径方向に突出した長さをｂとしたとき、
   １．００＜ｂ／ａ≦２．００
   の範囲であることを特徴とする請求項１に記載のサイクロン型粉体分級装置。
3. 前記遠心分離室の上部側外周面に、リング状部材が設置され、このリング状部材に、前記遠心分離室に連通し外気を導入するための空気取り入れ孔が複数個、形成されてい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型粉体分級装置。
4. 前記空気取り入れ孔は、前記旋回流の流れに沿うように、前記周壁の接線方向に形成されていることを特徴とする請求項２に記載のサイクロン型粉体分級装置。
5. 前記流入管から前記遠心分離室内に流入される粉体含有空気の量をＱ（Ｌ／min）、
   前記リング状部材の前記空気取り入れ孔から前記遠心分離室内に流入される大気の量をｑｃ(Ｌ／min)としたとき、
   ０．２≦ｑｃ／Ｑ[-]≦０．８の範囲であることを特徴とする請求項３または４に記載のサイクロン型粉体分級装置。

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