JP4066225B2

JP4066225B2 - サイクロン分離器

Info

Publication number: JP4066225B2
Application number: JP2001216508A
Authority: JP
Inventors: 田村　　剛
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2001-07-17
Filing date: 2001-07-17
Publication date: 2008-03-26
Anticipated expiration: 2021-07-17
Also published as: JP2003024827A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はサイクロン分離器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
塵と気体とからなる含塵気体を塵と気体に分離して塵を捕集する方法としては大別して、メッシュフィルタ式分離方法とサイクロン式分離方法とがある。メッシュフィルタ式分離方法とは、小さな孔の開いたメッシュフィルタに含塵気体を通過させることにより前記孔より大きな塵を気体から分離する方法である。この方法によれば、孔より大きな塵を確実に分離できる利点があるものの、長期間の使用によりメッシュフィルタに塵が付着・堆積し、分離能力が低下する欠点がある。このためメッシュフィルタの清掃や交換といった定期的な保守・点検作業が不可欠となる。
【０００３】
一方、サイクロン式分離方法とは、気体を旋回させてその遠心力で気体から塵を分離する方法である。従来のサイクロン分離器の一例を図１８に示す。図１８のサイクロン分離器は、塵を含んだ気体を吸い込む吸込口１と、気体を内壁面に沿って螺旋状に旋回させる旋回室４と、旋回室で分離された塵を集積する集塵室５と、旋回室４に同心状に嵌挿した排出管３とを備える。旋回室４は、気体を螺旋状に旋回させる円筒状の旋回部４ａと、その下に接続された逆円錐状部４ｂとからなり、また集塵室５は、円筒状の集塵部５ａとその上に接続された円錐状部５ｂとからなる。旋回室４の内壁の接線方向に吸込口１から吸い込まれた塵を含んだ気体は、旋回室４を螺旋状に旋回しながら下降して行く。この間に気体中の塵は遠心力によって半径方向外方向に押し出され、旋回部４ａの内壁および逆円錐状部４ｂを伝って集塵室５に集まる。他方、塵が分離された気体は、旋回室４の内壁から中心軸方向に流動し、旋回室４に嵌挿された排出管３から器外に排出される。
【０００４】
このようにサイクロン式分離方法では分離された塵は集塵室５に堆積するので、メッシュフィルタ式分離方法に比べて長期間の使用による分離能力の低下は起こりにくい。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１８に示すように従来のサイクロン分離器では、旋回室４で生じた螺旋状の旋回気流が集塵室５内に流入し、再飛散気流となって集塵室５に堆積していた塵の一部を巻き上げて排出管３から器外に流出するのを防止するため、旋回室４と集塵室５とに（逆）円錐状部４ｂ、５ｂをそれぞれ設けて接続通路径を小さくしなければならなかった。このため、従来のサイクロン分離器では、同等の分離能力を備えたメッシュフィルタ式分離器に比べて器体が高くまた重いといった問題があった。
【０００６】
このような従来のサイクロン分離器を搭載した掃除機では、メッシュフィルタ分離器を搭載したものに比べて高さが高いため横転しやすく、収納場所もある程度の高さのある空間に制限された。また、機体が重いため使用時の作業負担が大きかった。
【０００７】
本発明はこのような従来の問題に鑑みてなされたものであり、分離能力を低下させることなく、器体が低く、また小型・軽量なサイクロン分離器を提供することをその目的とするものである。
【０００８】
また本発明の目的は、長期間の使用によっても集塵能力が低下せず、フィルタ清掃や交換を行う頻度が低いあるいはゼロで、排出気体中の塵量が少ない掃除機や空気清浄機、空気調整機、冷暖房機、加湿器、除湿機、乾燥機などの家庭用電気機器および気体圧縮機を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、サイクロン分離器の分離能力を低下させることなく、器体を低くし、さらに小型・軽量化できないか鋭意検討を重ねた結果、塵が堆積している場所での気体速度を遅くすればよいという一見簡単でありながら、これまで誰も試みなかった着想に基づき本発明をなすに至った。
【００１０】
すなわち本発明のサイクロン分離器は、塵を含む気体を吸い込む吸込口と、前記気体が内壁面に沿って螺旋状に旋回する旋回部と気体から塵を分離し集積する分離・集積部とを有するサイクロン本体と、気体を排出する排出管とを備えたサイクロン分離器であって、前記分離・集積部における前記サイクロン本体の中心軸と内壁との間に、半径方向から気体旋回方向に外側端が傾斜した案内板を設けて、前記分離・集積部における内壁面から中心軸方向へ向かう気体の速度を減速し、前記分離・集積部における前記中心軸付近に集積した塵が排出気体と共に排出されないようにしたこと特徴とする。
【００１１】
ここでサイクロン分離器の分離能力を一層高めるには、前記分離・集積部における中心軸方向へ向かう気体の速度を、吸込口からサイクロン本体に吸い込まれる気体速度の１０％以下にするのが好ましい。
【００１２】
分離・集積部での気体速度を充分に遅くする観点から、分離・集積部の中心軸から分離・集積部の内半径の３０〜９９％の領域に前記案内板を設けるのが好ましい。また案内板は分離・集積部の内半径の４０〜９０％の範囲の曲率半径を有する曲板であるのが望ましい。
【００１３】
また、案内板の固定をより強固にすると共に、塵の器外への散出を防止する観点から、円板状の上板を前記案内板の上端に取り付けるのが好ましく、塵の器外への散出を一層防止するために、前記上板の外周から周壁を垂下させて前記案内板の上部を覆うのがより好ましい。
【００１４】
また本発明の家庭用電気機器は前記のいずれかに記載のサイクロン分離器を備えたことを特徴とする。この家庭用電気機器は掃除機、空気清浄機、空気調整機、冷暖房機、加湿器、除湿機、乾燥機の少なくとも１つであるのが好ましい。
【００１５】
そしてまた本発明の気体圧縮機は前記のいずれかに記載のサイクロン分離器を備えたことを特徴とする
【００１６】
【発明の実施の形態】
図を基に以下説明する。図１に、本発明のサイクロン分離器の一例を示す斜視図を示す。図１のサイクロン分離器は、円筒状のサイクロン本体２と、サイクロン本体２の側壁の接線方向に塵を含む気体を吸い込む吸込口１と、サイクロン本体２の上面から同心状に挿嵌された排出管３とを備える。サイクロン本体２は、気体が内壁面に沿って螺旋状に旋回する旋回部２ａと、気体から塵を分離し集積する分離・集積部２ｂとを有し、分離・集積部２ｂにおけるサイクロン本体２の中心軸と内壁との間には、半径方向から気体旋回方向に外側端が傾斜した４枚の案内板２１が等角度で設けられている。そしてこの案内板２１の上端には円板状の上板２２が取り付けられている。また排出管３に形成された開口部３１には気体中の塵を捕集するためのフィルタ３２が取り付けられている。
【００１７】
このようなサイクロン分離器において、吸込口１から吸い込まれた、塵を含んだ気体は、図２に示すように旋回部２ａの内周壁を螺旋状に旋回しながら下降する。サイクロン本体２内での気体の流れを図３に基づいてさらに説明する。図３は図１のサイクロン分離器の側断面図である。なお、ここでの矢印は気流ベクトルのうちのＸ方向とＹ方向の成分のみを表している。螺旋状に旋回下降する気体がサイクロン本体２の底面に達すると、下降位置からやや中心軸側で気体は上昇する。このとき気体中の塵はその自重により上昇気流と一緒には上昇することができず、サイクロン本体２下部に留まる。そして案内板２１の作用で減速された、内壁から中心軸方向への気流により、分離・集積部２ｂにおいて内壁付近から中心軸方向に塵は移動して案内板２１の内側端より中心軸側の空間（以下、「集積部」と呼ぶことがある）に主に堆積する。この案内板２１による減速作用については後述する。一方、気体は案内板２１の側面近傍を上昇し、案内板２１および上板２２を越えるまで上昇すると中心軸方向に流れを変え、サイクロン本体２の中心軸と同心状に挿嵌された排出管３の開口部３１に至る。ここで開口部３１に取り付けられたフィルタ３２により気体中に残留する塵が捕捉された後、気体は排出管３を通って器外に排出される。
【００１８】
前記の案内板による気流の減速作用について説明する。図４に、図３のＡ−Ａ線断面図を示す。半径方向から気体旋回方向２４に外側端が傾斜した案内板２１によって、案内板２１の外側端の気体旋回方向下流側にカルマン渦２５が発生する。このカルマン渦２５が発端となって案内板２１の中心軸側付近に気体旋回方向２４とは逆方向の気流（以下「逆旋回気流」と記すことがある）２６が発生する。塵はこのカルマン渦２５及び逆旋回気流２６に乗って主に集積部に堆積する。逆旋回気流２６の速度は、内壁近傍の旋回気流の速度よりもはるかに遅いため、集積部に堆積した塵が上昇気体と共に器外に排出されるのが有効に防止される。
【００１９】
図５に、図４の断面図における半径方向の気体速度分布を示す。この図から明らかなように、案内板の内側端より中心軸側である集積部では内壁近傍より気流速度が格段に遅いことがわかる。分離・集積部の中心軸付近の流体速度は小さいければ小さいほどよく、その上限値は塵の種類や大きさなどによって変化するが、一般に吸込口からサイクロン本体に吸い込まれる気体速度の１０％以下が好ましい。
【００２０】
分離・集積部が円筒状である場合に、案内板は、分離・集積部の中心軸から分離・集積部の内半径の３０〜９９％の領域に設けるのが望ましい。図６に、分離・集積部の平断面図を示す。分離・集積部の内半径をＲとすると、０．３Ｒ〜０．９９Ｒの領域に案内板２１を設けるのがよい。この領域に案内板２１を配設することにより、カルマン渦および逆旋回気流を安定して発生させることができ、この結果、従来のサイクロン分離器にあった円錐状部を設けなくても、気体と共に器外に排出される塵を少なくできるようになり、分離器の高さを低くでき、また軽量化することができる。
【００２１】
また案内板は、分離・集積部の内半径の４０〜９０％の範囲の曲率半径を有する曲板であるのが好ましい。このような曲率半径を有する円弧とすることにより、前記と同様にカルマン渦および逆旋回気流を安定して発生させることができるからである。
【００２２】
図７に示すように、案内板２１の上端には円板状の上板２２を取り付けるのが望ましい。これによりサイクロン本体の中心軸付近における、旋回部と分離・集積部との間の気体流れが阻止され、旋回部の気体が中心軸付近から分離・集積部に流れ込むことがなくなり、集積部に堆積した塵が再飛散することが防止される。加えて、分離・集積部における上昇気流に含まれる塵の多くが、上板に阻まれて旋回部に流入できなくなるので、器外に排出される塵の量がさらに少なくなる。また、案内板の上端に上板を取り付けることにより案内板の取付強度を格段に大きくできると共に、サイクロン分離器の組立を容易にできるようになる。
【００２３】
また図８に示すように、上板２２の外周から周壁２３を垂下させると、サイクロン本体の中心軸付近における、旋回部と分離・集積部との間の気体流れを一層確実に阻止できる。周壁２３の長さＨとしては案内板の高さの１０〜３０％の範囲が好ましい。
【００２４】
本発明のサイクロン分離器は、気体中の塵を分離する必要がある種々の機器に搭載可能であり、小型・軽量であることから家庭用電気機器、中でも掃除機や空気清浄機、空気調整機、冷房機、暖房機、除湿機、乾燥機などに好適に搭載される。さらには気体圧縮機に好適に搭載される。
【００２５】
【実施例】
汎用流体解析ソフトウエアを用いて、図１に示したサイクロン分離器の集積部の気体速度を算出する仮想実験と、実際にサイクロン分離器を作製して塵の捕集量を計測する試作実験とを行った。両実験共に、サイクロン分離器の運転条件として排出管からの排気量を１．５ｍ³／ｍｉｎとした。この条件ではサイクロン本体に吸い込まれる気体速度は２２ｍ／ｍｉｎとなった。
【００２６】
仮想実験では、気流は空気とタルク粉との固気二相流であり、気体はオイラー法、固体はラグランジュ法による運動方程式を用いるので、二相ラグランジュ法を用いて解析を行った。排出管から排出する条件と、吸込口の大気開放条件とを境界条件として入力し集積部における気体速度と算出した。一方、試作実験では、塵としてＪＩＳＺ８９０１準拠のタルク粉を用いた。タルク粉の真比重は２．７６ｇ／ｃｍ³、見掛け比重は０．３０ｇ／ｃｍ²、中心粒径は約８μｍである。粒径分布を図９に示す。このタルク粉５ｇをサイクロン分離器に吸引させて、集積部に捕集されるタルク粉量を計測した。
【００２７】
（実施例１）
本体高さが１８０ｍｍ、旋回部が９０ｍｍ、分離・集積部が９０ｍｍのサイクロン分離器の分離・集積部に、図１０の断面図に示すように、高さ９０ｍｍの案内板２１を取り付けた。ここで、分離・集積部の内半径Ｒは５８ｍｍ、案内板の外端半径ｒ₁は４５ｍｍ、内端半径ｒ₂は２５ｍｍ、曲率半径は２５ｍｍである。解析結果を表１に示す。
【００２８】
（実施例２〜５、比較例１〜３）
表１に示す外端半径ｒ₁、内端半径ｒ₂、曲率半径を有する案内板を、図１１〜図１７の断面図に示すように取り付けた。解析結果を表１に示す。
【００２９】
（比較例４）
図１８に示す従来のサイクロン分離器を用いて同様の実験を行った。なお、旋回室の高さは９０ｍｍ、逆円錐状部は１１２ｍｍ、集塵部は５０ｍｍ、円錐状部は４０ｍｍ、分離器全高は２６０ｍｍである。解析結果を表１に示す。
【００３０】
【表１】

【００３１】
表１から明らかなように、実施例１〜５のサイクロン分離器では２．６７ｇ以上のタルク粉を分離できた。一方、比較例１〜４のサイクロン分離器では０．２０〜０．４４ｇのタルク粉しか分離できず、大半のタルク粉は空気と共に器外に排出されてしまった。これは、集積部における気体速度が実施例では０．６ｍ／ｍｉｎ以下であるのに対して、比較例では３．０ｍ／ｍｉｎ以上と速かったため集積部に堆積したタルク粉が再飛散したことが原因と考えられる。なお、比較例１と比較例４における気体速度とは、分離・集積部での平均気体速度を意味する。
【００３２】
（実施例６〜８）
次に、上板の外周に周壁を設けて案内板の上部を覆った場合の実験を行った。図８に示す周壁の長さＨを１０，２０，３０ｍｍ（案内板の高さに対して１１，２２，３３％）とした場合のタルク粉の捕集量を算出した。結果を表２に示す。なお、用いたサイクロン分離器およびその運転条件、タルク粉は前記と同じである。
【００３３】
【表２】

【００３４】
表２から明らかなように、周壁を設けた実施例６〜８では捕集量が２．９３〜３．１１ｇとなり、周壁を設けなかった実施例１（２．８８ｇ）よりも捕集量が増えた。したがって、上板に周壁を設けることによりサイクロン分離器の分離能力を高くできることがわかる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明のサイクロン分離器では、サイクロン本体に旋回部と分離・集積部とを設け、分離・集積部におけるサイクロン本体の中心軸と内壁との間に、半径方向から気体旋回方向に外側端が傾斜した案内板を設けて、前記分離・集積部における内壁面から中心軸方向へ向かう気体の速度を減速し、前記分離・集積部における前記中心軸付近に集積した塵が排出気体と共に排出されないようにしたので、従来のサイクロン分離器のような円錐状部を設けなくても塵の再飛散を防止でき、これにより器体を低く、小型・軽量化できる。
【００３６】
また本発明の家庭用電気機器および気体圧縮機では、前記サイクロン分離器を搭載するので、長期間の使用によっても分離能力が低下せず、フィルタ清掃や交換を行う頻度が低いあるいはゼロとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のサイクロン分離器の一例を示す部分断面斜視図である。
【図２】本発明のサイクロン分離器における気体の流れを示す図である。
【図３】本発明のサイクロン分離器におけるＸ、Ｙ方向の気体の流れを示す図である。
【図４】分離・集積部における気体の流れを示す断面図である。
【図５】分離・集積部における半径方向の気体速度分布図である。
【図６】案内板の取り付け領域を示す断面図である。
【図７】上板を設けた案内板の一例を示す斜視図である。
【図８】外周に周壁を設けた上板を案内板に取り付けた斜視図である。
【図９】実施例で用いたタルク粉の粒径分布図である。
【図１０】実施例１における案内板の取り付け状態を示す断面図である。
【図１１】実施例２における案内板の取り付け状態を示す断面図である。
【図１２】実施例３における案内板の取り付け状態を示す断面図である。
【図１３】実施例４における案内板の取り付け状態を示す断面図である。
【図１４】実施例５における案内板の取り付け状態を示す断面図である。
【図１５】比較例１における案内板の取り付け状態を示す断面図である。
【図１６】比較例２における案内板の取り付け状態を示す断面図である。
【図１７】比較例３における案内板の取り付け状態を示す断面図である。
【図１８】従来のサイクロン分離器を示す斜視図である。
【符号の説明】
１吸込口
２サイクロン本体
２ａ旋回部
２ｂ分離・集積部
３排出管
４旋回室
４ａ旋回部
４ｂ逆円錐状部
５集塵室
５ａ集塵部
５ｂ円錐状部
２１案内板
２２上板
２３周壁
３１開口部
３２フィルタ

Claims

塵を含む気体を吸い込む吸込口と、
前記気体が内壁面に沿って螺旋状に旋回する旋回部と、気体から塵を分離し集積する分離・集積部とを有するサイクロン本体と、
気体を排出する排出管とを備えたサイクロン分離器であって、
前記分離・集積部における前記サイクロン本体の中心軸と内壁との間に、半径方向から気体旋回方向に外側端が傾斜した案内板を設けて、前記分離・集積部における内壁面から中心軸方向へ向かう気体の速度を減速し、前記分離・集積部における前記中心軸付近に集積した塵が排出気体と共に排出されないようにしたこと特徴とするサイクロン分離器。
前記分離・集積部における中心軸方向へ向かう気体の速度が、吸込口からサイクロン本体に吸い込まれる気体速度の１０％以下である請求項１記載のサイクロン分離器。
前記分離・集積部が円筒状であって、分離・集積部の中心軸から分離・集積部の内半径の３０〜９９％の領域に前記案内板を設ける請求項１又は２記載のサイクロン分離器。
前記案内板が分離・集積部の内半径の４０〜９０％の範囲の曲率半径を有する曲板である請求項１〜３のいずれかに記載のサイクロン分離器。
前記案内板の上端に円板状の上板を取り付けた請求項１〜４記載のサイクロン分離器
前記上板の外周から周壁を垂下させて前記案内板の上部を覆う請求項５記載のサイクロン分離器。
請求項１〜６のいずれかに記載のサイクロン分離器を備えたことを特徴とする家庭用電気機器。
前記家庭用電気機器が掃除機、空気清浄機、空気調整機、冷暖房機、加湿器、除湿機、乾燥機の少なくとも１つである請求項７の家庭用電気機器。
請求項１〜６のいずれかに記載のサイクロン分離器を備えたことを特徴とする気体圧縮機。