JPWO2013145871A1 - 粒子選別機 - Google Patents
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Abstract
Description
特許文献1は、1段目はカラム型でなく、単に網上を流動層とした構造で、ここで針状物を網下に落下させた上、塊状物を2段目のカラム型で重産物と軽産物を分離するタイプの固形物の気流選別方法及び装置に関する。
特許文献2は、2本のカラムを有する固形物の気流選別方法及び装置に関する。まずは、軽産物・中間産物を分離する第1カラムに投入する。軽産物は第1カラム上部から排出・回収し、中間産物は落下させ網上を滑らせて第2カラムへ投入する。第2カラムでは中間産物と重産物に分離する。この特許では2つの送風機を用い断面積を固定した2本のカラムに個別に送風し、産物の回収順序は軽産物→中間産物・重産物の順を辿って、カラム間は網上を重力落下により移動させるものである。
特許文献3は、ディフューザを導入して同一カラム内で段階的に太さを変えて多段にする多段風力選別装置に関する。同軸上に複数のカラムを配するため基本の気流は1つの送風機で行うが、2つのカラム間の風速比は2次気流を導入して行うため、結局、複数の送風機を必要とする。
通常のサイクロン型選別機は多数存在しており、これは、旋回流により発生した遠心力を利用し、より微細な粒子を旋回流に乗せて空気とともに搬送し、旋回流から離脱した重粒子と分離するものである。特許文献4の風力選別装置は、中間産物を排出する目的でストレートカラム気流選別機にサイクロンを組み合わせた例に関する。
また、ストレートカラムあるいはオリフィス付きストレートカラム気流選別機において、高い精度は求めずに、単に3つに区分するだけの選別であれば、特許文献5に示される固形物の気流選別装置の例がある。
ストレートカラム型気流選別機は、分離の閾値となるカラム内の風速分布が比較的狭いため、他の気流選別機に比べ相対的に精度の高い分離が可能である。しかしながら厳密に言えばカラム断面の風速は中心部が高く周辺部が低い風速分布を持つため、その風速分布の幅の分だけ、閾値に幅が生まれて分離精度が低下する。
また、ストレートカラム型気流選別機は、カラム全体が1つの風速(閾値)となるため、粒子が上昇−落下を繰り返して分離速度が他の気流選別機に比べ相対的に遅くなる。これを改善する方法がカラムの途中にオリフィス(絞り)を設けて粒子を加速させる方法である。しかし、オリフィスを設けると、分離速度が速くなる一方、カラム断面の風速は中心部が著しく高くカラム断面風速の不均一さが増す。したがって、この不均一を解消するために、オリフィス後のストレートカラム部を長めに確保する必要があり、これによってカラムが長大になり、装置が大型化してしまう。
一方、分離精度の高いストレートカラム型気流選別機やジグザグ型気流選別機では、1つの風速を境にこれにより上昇するものと、落下するものに2成分分離する。1つの風速による粒子の飛跳距離によって多成分に分離する選別機もあるが、高い選別精度は望めない。ストレートカラム型気流選別機で精度維持しつつ、3成分以上に選別するには複数のカラムを連結する方法がとられるが、従来の方法ではカラムごとに送風機を設けて風速制御を行うため、装置が大型化してしまう。
本発明の解決すべき課題は、分離精度を向上しつつ、分離速度を遅くせずに、シンプルな装置構成の気流選別機を提供しようとするものである。
また、本発明の解決すべき課題は、分離精度を維持しつつ、分離速度を遅くせずに、3成分以上に選別し、かつ装置を大型化させないことを達成させる気流選別機を提供しようとするものである。
また、本発明は、上記気流選別機において、前記第1カラムに設けた前記微弱旋回流発現機構は、前記第1カラムの管内壁周面に設けたらせん状構造体又は前記第1カラム下部に設けた低速回転インペラであることを特徴とする。
また、本発明は、上記気流選別機において、前記第1カラムの壁面の一部を移動させて前記第1カラムの断面積を変化させる第1カラム断面積変更機構を設け、前記制御装置により前記第1カラム断面積変更機構を制御することを特徴とする。
また、本発明は、上記気流選別機において、第2カラムをさらに設け、該第2カラムと前記第1カラム上部はジョイント部を通して接続し、前記第1カラム上部からの前記排気と前記中間粒子・前記軽粒子を前記ジョイント部を介して全て前記第2カラムに吸入させ、前記第2カラムに微弱旋回流発現機構を設けて前記第2カラムの管断面内風速分布を管壁−管中心−管壁にわたって略W字状にすることにより平滑化すると共に、前記第2カラム下部に設けた中間粒子回収装置で前記中間粒子を落下回収し、前記第2カラム上部に設けた軽粒子回収装置により前記第2カラム上部からの前記排気と前記軽粒子を回収し排気することを特徴とする。
また、本発明は、上記気流選別機において、前記第2カラムに設けた前記微弱旋回流発現機構は、前記第2カラムの管内壁周面に設けたらせん状構造体又は前記第2カラム下部に設けた低速回転インペラであることを特徴とする。
また、本発明は、上記気流選別機において、前記第2カラムの壁面の一部を移動させて前記第2カラムの断面積を変化させる第2カラム断面積変更機構を設け、前記制御装置により前記第2カラム断面積変更機構を制御することを特徴とする。
また、本発明は、上記気流選別機において、前記ジョイント部は、ジョイント延長方向に沿って前記第2カラム内に上方斜め向きに前記第1カラム上部からの前記排気と前記中間粒子・前記軽粒子を突入させるように前記第2カラムの管周壁に開口接続すると共に、前記ジョイント部にはオリフィスを設け、前記ジョイント部内の風速を前記第1カラム内の風速より早くして前記第1カラム上部からの前記排気と前記中間粒子・前記軽粒子を前記第2カラム内深くまで搬送させることにより前記ジョイント部から前記第2カラム内に突入直後の失速による落下回収を防止したことを特徴とする。
また、本発明は、上記気流選別機において、前記第1カラム及び前記第2カラムに格納型風速計を設け、両カラムの前記管断面風速分布をモニタすることを特徴とする。
また、本発明は、上記気流選別機において、前記制御装置は、予め取得された選別データベースを記憶する手段を備え、該選別データベース基づいて前記第1カラム及び前記第2カラムの気流選別条件を設定して制御運転できるようにしたことを特徴とする。
また、本発明は、上記気流選別機において、前記試料として、使用済みプリント基板から剥離回収した素子類からタンタルコンデンサと同一の寸法範囲の粒子を回収した一次濃縮産物を用い、前記中間粒子として、前記タンタルコンデンサと同一比重範囲の粒子を回収するようにしたことを特徴とする。
本発明では、制御装置により、気体挿入量あるいはカラム断面積変更機構を制御することによって風速を調整することができる。
本発明では、カラム内周壁面にらせん構造体を設けて微弱旋回流を起こすようにすると、微弱旋回流を起こすための動力が不要で省エネルギとなる。
本発明では、第1カラムにさらに第2カラムを設けた場合に、少なくとも一方のカラムを断面積可変とすることにより、カラム間の風速比を変化させることができ、1つの送風機のみで所望の風速比が実現できる。
従来の鉛直上昇流のみのストレートカラム型気流選別機では、カラム内を上昇する気流は管壁との摩擦により、いわゆる層流域でのポアズイユ流れ、乱流域での1/7乗則で知られるように、中心部で早く周辺部で遅くなる図1(a)に示す上に凸の流速分布となる。これにより、同じ粒子でも、偶然に管の中央部に存在した場合には気流により粒子は上昇し、偶然に管の周辺部に存在した場合には粒子は落下するということが起こり得る。すなわち、その分、分離精度が低下する。
一方、直管内を高速の旋回流(サイクロン)で空気を流すと、中心よりも外側の流速が大きくなることが知られており、図1(b)に示した下に凸の流速分布となる。
これらに対して、図1(c)に示した本発明の微弱旋回上昇流では、カラム内を鉛直方向に空気が上昇するのではなく、極わずかに旋回しながらカラム上方へと流すと、上述の図1(a)及び(b)の2ケースの中間的な作用下での図1(c)に示すような略W字状の風速分布を示し、相対的に一様な断面風速を示すようになる。すなわち、カラム内断面の流速分布(管壁−管中心−管壁)が、図1(a)の上に凸であった流速分布が、本発明の微弱旋回上昇流の図1(c)では、管壁での流速が上がると共に管中心での流速は下がり略W字状の風速分布となり、図1(a)の断面風速差より図1(c)の断面風速差の方が小さくなる。したがって、本発明の微弱旋回上昇流では、カラム内断面の風速分布がより平滑化され、分離精度がより向上する。なお、本明細書において、微弱旋回上昇流とは、気流がカラム内を1回転(旋回)する間に、その気流が鉛直方向にカラム直径の10倍以上上昇する、低速旋回の上昇流を指す。
例えば、内径90mmのカラムで、14.8m/sの上昇流を得るとき、4〜5r.p.s.(1秒間に4〜5回)程度、すなわち、気流が3m上昇するにつれ1回転するような、極めて緩やかな旋回を与えると、断面風速の平滑な風速分布を得ることができる。
その発現機構としては、下方から緩やかにインペラを回転させる方法、カラム自体を回転させる方法、カラム内部にらせん構造体を配する方法、非回転の傾斜羽根やスタティックミキサ等のらせん階段状のスクリュー形状物を介して管内に送気して管内の気流を回転させる方法、カラム内壁に鉛直方向から傾斜した送気ノズルを配し、管内の気流を回転させる方法などがある。なお、インペラとしては、羽根が鉛直方向と平行に切り立ったタイプと羽根が鉛直方向から傾斜したタイプのいずれも用いることができる。また、らせん構造体を配する方法としては、スプリング等のらせん構造体を管内壁に沿って押し込む方法、管内壁にらせん状の溝を形成する方法、管内壁にリボンやテープ等の制流物をらせん状に取付ける方法などが挙げられる。これらの発現機構の中では、インペラを回転させる方法及びカラム自体を回転させる方法は、別途駆動源が必要となるが、らせん状構造体を取り付ける方法では駆動源を必要としないため省エネ化が図れる。
なお、旋回流を起こす前の段階で、カラム内の風向に乱れがあると、精密な微弱旋回上昇流を起こすことが困難となる。そこで、いずれかの旋回流を起こす機構の前に、格子状の整流板を設置することも有効である。また、カラム内への試料の供給方法としては、上述の微弱旋回流発現機構の構成に応じて選択することができ、カラムの下方から試料を上昇流に乗せて供給してもよく、カラム側壁の供給口に対して斜め上方向から試料を自重落下させて供給してもよく、或いは、その両方を組み合わせてもよい。
しかしながら、本発明の微弱旋回流の下では、旋回しながらオリフィス10bを通過するため、図2(b)に示すように、オリフィス10b通過直後、直ちに空気が管壁方向へと広がり、速やかに平滑な断面風速に戻る。
通常の鉛直流によるオリフィス付きストレートカラム気流選別機と、本発明の微弱旋回上昇流を採用したオリフィス付きストレートカラム気流選別機を比較した場合、両者では、基準となる断面風速分布が異なる(本発明の方がより平滑である)ため、一概に比較ができないが、例えば、内径90mm、オリフィス内径84mmのカラムで、14.8m/sの上昇流を得るとき、通常の鉛直流の元では、オリフィス通過後、通常のストレートカラムレベルの平滑さに戻るに20cmのカラム長さを必要とするが、微弱旋回上昇流を流した場合は、微弱旋回上昇流に基づく極めて平滑な風速分布に戻るのに10cmのカラム長さしか必要としない。ただし、同一オリフィス内径だとオリフィスによる加速効果は、前者が流速7%増であるのに対し、後者の本発明では流速5%増に止まり、加速効果は幾分減少する。
図3に示すように、送風機1と直接連結する第1カラム2は断面積を固定とし、送風機1のインバータ制御による挿入空気量によって風速を制御する。また、第1カラム2からジョイント部3を通じて接続された第2カラム4は、第1カラム2の排気をジョイント部3を通じて吸入し、第2カラム4の断面積を変化させることにより風速制御を行う。なお、図示していないが、第1カラム2及び第2カラム4の管壁内周面にらせん状構造物を取り付けて、微弱旋回上昇流を起こすようにしている。この際、断面風速平滑化のため、長方形の断面形状で長さを伸び縮みさせるのでなく、直線と半円を組み合わせた扁平な楕円(陸上競技のトラックの形状)の直線部分を伸び縮みさせることにより、四つ角の風速低下を防止できるとともに、前記の微弱旋回上昇流を起こすことも容易になる。
なお、本発明の微弱旋回上昇流では、カラムの管断面内風速分布を管壁−管中心−管壁にわたって略W字状にすることにより、カラム内断面の風速分布がより平滑化され、分離精度が向上するので、単一のカラム(すなわち第1カラム2のみ)での気流選別機としても用いることができることはいうまでもなく、その際、断面積を変化させる断面積変更機構を設けてもよい。さらに、図3では、気体の挿入は送風機1を第1カラム2下部に直結したが、送風機1に限らずともよく、試料の供給も、試料供給装置に限らず、気体の挿入時に気流と共に供給するなどしてもよい。
また、カラム断面の任意の1点を測定するだけでなく、風速計を断面方向に位置を変えながら、断面方向の多数の点の風速を連続的に測定し、カラム内の断面風速及びその平滑化をモニタリングすることが重要である。さらに、風速計がカラム内に止まっていると、実際の選別時の邪魔となることから、モニタリング終了後は、風速計は格納させて、カラム内壁に突起物を残さないことも重要である。
本発明の2段カラム気流選別機のパイロット機を用い、タンタルコンデンサと粒径および比重が近接する(極めて選別困難度の高い)混合素子模擬試料に対して、タンタルコンデンサの濃縮試験を行った結果、元のタンタルコンデンサ品位(純度)14.2%に対し、回収率91.4%で品位が85.5%まで向上し、このときの分離効率が88.9%であった。これは連続式のパイロット機でありながら、古典的なバッチ式1段カラムラボ機で試験をした特許文献6に記載の結果と同等の精度であり、本発明が極めて実用性に富むことを示すものである。
なお、上記では2段カラムを用いて、軽粒子、中間粒子、重粒子の3種の分離産物を得る場合で説明したが、カラム段数を増やして3段以上の構成とすれば、より多くの分離産物数を得ることも可能である。また、単一カラムによるバッチ処理にも利用できることはもちろんである。
2 第1カラム
3,13 ジョイント部
4,14 第2カラム
5 重粒子
6 中間粒子
7 軽粒子
8 試料フィーダ
9,10b オリフィス
10a カラム
Claims (10)
- 下方から気体を挿入し、内部で試料を流動させる第1カラムと、前記第1カラム下部に設けた重粒子回収装置と、前記第1カラムへの挿入気体量によって風速を制御する制御装置を備えた気流選別機において、
前記第1カラムに微弱旋回流発現機構を設け、前記第1カラムの管断面内風速分布を管壁−管中心−管壁にわたって略W字状にすることにより平滑化し、前記重粒子回収装置で前記試料中の重粒子を落下回収するとともに、前記第1カラム上部から排気と中間粒子・軽粒子を回収することを特徴とする気流選別機。 - 前記第1カラムに設けた前記微弱旋回流発現機構は、前記第1カラムの管内壁周面に設けたらせん状構造体又は前記第1カラム下部に設けた低速回転インペラであることを特徴とする請求項1記載の気流選別機。
- 前記第1カラムの壁面の一部を移動させて前記第1カラムの断面積を変化させる第1カラム断面積変更機構を設け、前記制御装置により前記第1カラム断面積変更機構を制御することを特徴とする請求項1又は2記載の気流選別機。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載の気流選別機において、第2カラムをさらに設け、該第2カラムと前記第1カラム上部はジョイント部を通して接続し、前記第1カラム上部からの前記排気と前記中間粒子・前記軽粒子を前記ジョイント部を介して全て前記第2カラムに吸入させ、
前記第2カラムに微弱旋回流発現機構を設けて前記第2カラムの管断面内風速分布を管壁−管中心−管壁にわたって略W字状にすることにより平滑化すると共に、
前記第2カラム下部に設けた中間粒子回収装置で前記中間粒子を落下回収し、前記第2カラム上部に設けた軽粒子回収装置により前記第2カラム上部からの前記排気と前記軽粒子を回収し排気することを特徴とする気流選別機。 - 前記第2カラムに設けた前記微弱旋回流発現機構は、前記第2カラムの管内壁周面に設けたらせん状構造体又は前記第2カラム下部に設けた低速回転インペラであることを特徴とする請求項4記載の気流選別機。
- 前記第2カラムの壁面の一部を移動させて前記第2カラムの断面積を変化させる第2カラム断面積変更機構を設け、前記制御装置により前記第2カラム断面積変更機構を制御することを特徴とする請求項4又は5記載の気流選別機。
- 請求項4〜6のいずれか1項記載の気流選別機において、前記ジョイント部は、ジョイント延長方向に沿って前記第2カラム内に上方斜め向きに前記第1カラム上部からの前記排気と前記中間粒子・前記軽粒子を突入させるように前記第2カラムの管周壁に開口接続すると共に、前記ジョイント部にはオリフィスを設け、前記ジョイント部内の風速を前記第1カラム内の風速より早くして前記第1カラム上部からの前記排気と前記中間粒子・前記軽粒子を前記第2カラム内深くまで搬送させることにより前記ジョイント部から前記第2カラム内に突入直後の失速による落下回収を防止したことを特徴とする気流選別機。
- 前記第1カラム及び前記第2カラムに格納型風速計を設け、両カラムの前記管断面風速分布をモニタすることを特徴とする請求項4〜7のいずれか1項記載の気流選別機。
- 前記制御装置は、予め取得された選別データベースを記憶する手段を備え、該選別データベース基づいて前記第1カラム及び前記第2カラムの気流選別条件を設定して制御運転できるようにしたことを特徴とする請求項4〜8のいずれか1項記載の気流選別機。
- 前記試料として、使用済みプリント基板から剥離回収した素子類からタンタルコンデンサと同一の寸法範囲の粒子を回収した一次濃縮産物を用い、前記中間粒子として、前記タンタルコンデンサと同一比重範囲の粒子を回収するようにしたことを特徴とする請求項4〜9のいずれか1項記載の気流選別機。
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