WO2014175083A1 - サイクロン装置 - Google Patents
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- B04C5/04—Tangential inlets
Definitions
- the present invention relates to a cyclone device capable of collecting fine powder in an air stream with a high collection rate.
- a cyclone device 20 used as a device for classifying powder in an air stream has a cylindrical upper structure (cyclonic body 21) and an inverted conical lower structure (conical section 22), as shown in FIG.
- a tangential inlet cyclone device is known.
- an airflow mixed with powder is introduced from the airflow introduction portion 23 so as to draw a vortex in the tangential direction of the cyclone body 21.
- the powder mixed in the air current is separated from the air current by centrifugal force and collides with the inner wall surface of the cyclone body 21 to decrease the speed.
- the powder that collides with the inner wall surface of the cyclone body 21 and decelerates falls along the inner wall surface of the conical section 22 having an inverted conical shape connected to the lower end of the cyclone body 21 due to gravity. It is dropped and collected in the powder collecting part 24 of the sample.
- the airflow is discharged from the airflow discharge portion 25 at the center of the cyclone body 21 to the outside.
- Patent Document 1 Japanese Patent Publication No. 7-22722
- Patent Document 2 Japanese Patent No. 2609537
- Patent Document 3 Japanese Patent No. 2609537
- the conventional tangential inlet type cyclone device 20 as shown in FIG. 9 increases the angular velocity of the airflow in the vicinity of the airflow introduction portion 23 of the cyclone body 21 to separate the powder mixed in the airflow by centrifugal force, The speed is reduced by colliding with the inner wall surface of the cyclone body 21 and collected by the lower inverted conical conical section 22, but the particle size of the collected powder is mainly 1 ⁇ m or more.
- a filter such as a bag filter was separately provided.
- the present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to provide a cyclone apparatus capable of increasing the collection efficiency of submicron-sized fine powder without using a bag filter or the like.
- the cyclone device of the present invention is A cyclone device for separating and collecting powder mixed in an air current from a swirling air current, An air flow introduction section having an air flow introduction portion for introducing a powder mixed air flow from a tangential direction and gradually expanding the diameter downward; An inverted conical conical section that is connected to the lower end of the air flow introduction section and gradually decreases in diameter is provided.
- air flow introduction section is not particularly limited as long as it has an internal structure that gradually expands in the downward direction.
- a configuration having a hemispherical internal structure or a conical shape The structure etc. which have the following internal structure are employable.
- the entire inner wall surface of the airflow introduction section has a spherical shape, or the upper surface of the inner wall surface of the airflow introduction section has a shape other than a spherical surface (for example, a plane).
- a configuration having the same can be adopted.
- the cyclone device of the present invention is a cyclone device that separates and collects powder mixed in an airflow from a swirling airflow, and has an airflow introduction portion that introduces a powder mixed airflow from a tangential direction and has a downward direction.
- the fine powder can be separated and collected, and the powder collection efficiency can be dramatically improved.
- the velocity is lowered by colliding with the inner wall surface of the airflow introduction section, and the powder is collected by dropping below the airflow introduction section (powder collection part) by gravity, but in the cyclone device of the present invention
- the airflow mixed with the powder introduced from the tangential direction of the airflow introduction section of the airflow introduction section has an internal structure in which the airflow introduction section gradually expands downward, so the powder in the airflow Is separated by centrifugal force, while the air velocity is rapidly reduced as soon as it is introduced into the air flow introduction section. Therefore, the powder separated from the air stream easily falls in the air flow introduction section, and the angular velocity is increased in the subsequent conical section having an inverted conical shape to collide with the tapered inner wall surface, thereby improving the collection efficiency.
- the collection efficiency of submicron-sized fine powder can be increased by increasing the difference in the angular velocity of the airflow in the cyclone device as compared with the conventional method.
- the height Ha of the air flow introduction section is set in the range of the height Hb of the conical section of the inverted conical shape, it is possible to prevent the velocity of the air flow descending in the conical section from excessively increasing.
- submicron-sized fine powder can be carried on the air stream and carried to the powder collection section (collection box).
- the speed of the updraft in the conical section does not become excessively high, it becomes possible to make it difficult for the submicron-sized fine powder to go up.
- the submicron-sized fine powder is pushed back by the airflow descending around it and carried to the powder collection section. It becomes possible.
- the cyclone apparatus is a cyclone apparatus that separates and collects powder mixed in an airflow from a swirling airflow, and has an airflow introduction unit that introduces a powder mixed airflow from a tangential direction and is below A hemispherical airflow introduction section that gradually expands in diameter, and an inverted conical conical section that is connected to the lower end of the hemispherical airflow introduction section and gradually decreases in diameter downward are provided.
- the limit particle size of the powder collected by the conventional tangential inlet type cyclone apparatus is set to 1 ⁇ m or more, but the cyclone apparatus of the present invention can also collect submicron-sized fine powder.
- the airflow introduction section of the upper structure of the cyclone device is a portion that introduces an airflow mixed with powder from the airflow introduction portion and rotates it tangentially along the inner wall surface thereof, and at the upper end of the conical section. It is connected and has a structure like a hemispherical protrusion and a saddle. Note that the airflow introduction section only needs to have an internal structure in which the downward direction is gradually expanded in diameter, and may have a hemispherical structure or a conical structure (having a linear taper) (see FIG. 3). .
- the air flow introduction section By setting the air flow introduction section to a state where the diameter is gradually expanded downward (downward expansion), the angular velocity of the air current that is vigorously introduced can be temporarily reduced, and the fine powder having a particle diameter of 1 ⁇ m or less can be obtained.
- separation and collection can be performed (see FIGS. 4 and 5 described later).
- the conical section of the lower structure of the cyclone device of the present embodiment is a portion that is connected to the lower end of the airflow introduction section and has an inverted conical shape (gradually shrinking downward), and is mixed with the swirling airflow. Is separated and collected from the air current by colliding with the inner wall surface of the inverted cone and dropping it.
- the height Ha of the air flow introduction section and the height Hb of the conical section can be set in a range of Ha ⁇ Hb. This makes it possible to more efficiently separate and collect submicron-sized fine powder or micron-order powder contained in the airflow.
- the ratio of the heights of the airflow introduction section and the conical section (Ha / Hb) is set in the range of 1/10 to 1/5.
- the height ratio (Ha / Hb) is smaller than 1/10, the conical section becomes long, so that the airflow containing the powder does not reach the powder collecting section, and the separation efficiency is lowered.
- the inner diameter of the connecting portion between the airflow introduction section and the conical section is 200 to 250 mm
- the height Ha of the airflow introduction section is 70 to 100 mm
- the height Hb of the conical section is 200 to 1000 mm.
- the height Ha of the airflow introduction section ⁇ the height Hb of the conical section.
- the cyclone device 10 includes an airflow introduction section 12 having an upper structure and a conical section 13 having a lower structure.
- the airflow introduction section 12 has a hemispherical internal structure that gradually expands downward, and the airflow including the powder is tangent to the airflow introduction section 12 from the airflow introduction portion 14 provided at one end of the airflow introduction section 12. Introduced in the direction, a swirling airflow is generated along the inner wall surface.
- the substructure conical section 13 is connected to the lower end of the hemispherical air flow introduction section 12 and has a tapered inverted conical internal structure that gradually decreases in diameter downward. The angular velocity of the airflow decelerated by is increased.
- an air flow discharge unit 15 is provided at the center position of the air flow introduction section 12 so as to penetrate in the vertical direction so that the air flow after the separation of the powder is discharged to the outside.
- a powder collecting section 16 for collecting the separated powder is provided at the lower end of the conical section 13 of the lower structure.
- the inner diameter of the connecting portion between the hemispherical air flow introduction section 12 and the conical section 13 was 215 mm
- the height Ha was 85 mm
- the height Hb of the conical section 13 was 515 mm. That is, the height ratio (Ha / Hb) between the air flow introduction section 12 and the conical section 13 was set to 1/6, and a predetermined taper was formed in the conical section 13.
- the diameter of the powder collection section 16 was about 50 mm.
- the airflow including the powder introduced from the airflow introduction section 14 into the airflow introduction section 12 forms a swirling airflow along the inner wall surface of the airflow introduction section 12, and during this time, centrifugal force acts on the powder in the airflow. Then, the powder collides with the inner wall surface of the air flow introduction section 12 and is separated from the air flow. Since the swirling airflow has an internal structure in which the airflow introduction section 12 gradually increases in diameter downward, the angular velocity of the airflow is reduced in the airflow introduction section 12. For this reason, the powder separated from the airflow in the airflow introduction section 12 easily falls in the airflow having a reduced angular velocity, and the taper of the inverted conical conical section 13 connected to the lower end of the airflow introduction section 12.
- the airflow from which the powder has been separated has a swirling flow diameter that decreases at the lower portion of the conical section 13 and becomes an ascending airflow at the central portion of the conical section 13. Are discharged to the outside.
- Test conditions (a) Weather: Cloudy (b) Temperature: 14 ° C (C) Humidity: 56.0% (D) Test raw material: Carbon (e) Test machine: Cyclone mill 150BMS type (f) Crusher motor rotational speed: 15,000 rpm (G) Powder frequency for powder collection: 50hz (H) Introducing machine screw frequency: 50hz (I) Raw material input amount: 500 g
- Collection rate comparison device A (conventional cyclone device): Collection rate 81.3%
- Apparatus B (cyclone apparatus of a present Example): Collection rate 94.0%
- the change in the collection rate was measured by changing the shape, diameter, and length of the cyclone body (airflow introduction section of this example) of the cyclone apparatus superstructure. It can be seen that the collection rate of the cyclone apparatus of this embodiment shown in FIG. 1 is 1.16 times higher than the collection rate of the conventional cyclone apparatus.
- FIGS. 4 and 5 are graphs showing the particle size distribution of fine powders collected by the conventional cyclone device and the cyclone device of this example, respectively. Changes in the particle size distribution were measured under the same conditions.
- the cyclone apparatus of this example was able to collect powder having a particle size of less than 1.060 ⁇ m to 0.630 ⁇ m or more, which could not be collected by the conventional cyclone device. Therefore, the average particle diameter (D50) which is the peak of the particle diameter of the powder collected by the cyclone apparatus of the present embodiment is larger than the average particle diameter which is the peak of the particle diameter of the powder collected by the conventional cyclone apparatus. It can also be seen that it is 1.66 ⁇ m smaller.
- the particle size of the powder collected by the cyclone apparatus of the present example is 10% (D10), 0.85 ⁇ m smaller than the conventional cyclone apparatus, and 90% (D90). It is clear that it is 6.3 ⁇ m smaller than the type cyclone device.
- the cyclone device 10 of the present embodiment can increase the separation and collection efficiency of submicron-sized fine powder without using a bag filter or the like. It is presumed that the separation and collection efficiency is improved for the following reason. That is, since the airflow introduction section 12 has an internal structure that gradually increases in diameter downward, the airflow that has entered the tangential direction of the airflow introduction section 12 decreases in angular velocity while traveling in the hemisphere. Since the conical section 13 of the lower structure gradually decreases in diameter downward, the rotational diameter becomes smaller and the angular velocity increases. In this way, by increasing the difference in angular velocity, the submicron-sized fine powder is easily separated from the airflow by the centrifugal action and is easily collected.
- the cyclone device 10 there is no fear of foreign matters due to the bag filter and clogging that occurs in the bag filter does not occur, so that maintenance is easy and continuous operation for a long time is possible. Furthermore, a conventional cyclone device that forms a swirling flow in a cylindrical upper portion and centrifuges the powder requires a blower having a large air volume because of a large pressure loss. However, the cyclone device 10 of the present embodiment can be made more compact than a cylindrical device, and the device can be driven by a blower or the like having a small pressure loss and a small air volume, and is excellent in energy saving.
- the cyclone device 10 of the present embodiment has a configuration in which the air flow introduction section 12 has a hemispherical internal structure having a flat portion on the upper portion, but as a modification thereof, as shown in FIG. It is also possible for the section 12 to have a conical internal structure with a flat portion at the top.
- FIG. 6 is a front sectional view showing the cyclone device 110 according to the present embodiment
- FIG. 7 is a plan view thereof.
- the cyclone device 110 of the present embodiment includes a hemispherical airflow introduction section 112 that gradually expands downward, and an inverted cone that is connected to the lower end of this airflow introduction section and gradually decreases in diameter downward.
- a powder collecting section 116 connected to the lower end of the conical section 113.
- the air flow introduction section 112 includes an air flow introduction portion 114 for introducing an air flow containing powder into the apparatus, and an air flow discharge portion for discharging the air flow after the separation of the powder to the outside. 115.
- the airflow introduction section 112 includes a spherical surface portion 112A in which the entire inner wall surface is formed in a hemispherical shape along a spherical surface, and a cylinder that opens upward at the upper end position of the spherical surface portion 112A (center position of the spherical surface portion 112A in plan view).
- 112B and the outer peripheral flange portion 112C extending horizontally at the lower end position (the position of the outer peripheral edge in plan view) of the spherical surface portion 112A.
- the height of the air flow introduction section 112 (more precisely, the height of the inner wall surface of the spherical surface portion 112A) Ha is the lower end position.
- the value is slightly smaller than half of the inner diameter D1.
- the conical section 113 includes a cylindrical main body portion 113A formed in an inverted conical shape, and an upper end flange portion 113B and a lower end flange portion 113C extending horizontally at both upper and lower ends of the main body portion 113A.
- the inner diameter of the upper end position of the conical section 113 is set to the same value as the inner diameter D1 of the lower end position of the spherical surface portion 112A of the airflow introduction section 112.
- the conical section 113 is fixed to the air flow introducing section 112, and this fixing is performed in a manner that can be separated by attaching and detaching the ring-shaped fixture 120.
- the ring-shaped fixture 120 is configured such that a pair of half rings 120A and 120B can rotate relative to each other about a pin 120C.
- this ring-shaped fixing tool 120 is a state in which the outer peripheral flange portion 112C of the air flow introduction section 112 and the upper end flange portion 113B of the conical section 113 are vertically overlapped, and a pair of half rings 120A, The fitting is performed by fitting 120B into these and tightening the buckle 120D.
- the powder collection section 116 is configured as a cylindrical sealed container, and a circular opening 116a is formed at the center of the upper surface thereof.
- the inner diameter of the opening 116a is set to the same value as the inner diameter D2 at the lower end position of the conical section 113.
- the powder collecting section 116 is fixed to the lower end flange portion 113C of the conical section 113 at the outer peripheral edge portion of the opening 116a. This fixing is performed, for example, by welding or bolting.
- the air flow introduction portion 114 is formed in a cylindrical shape, and extends horizontally in the tangential direction at a position deviating from the center position of the air flow introduction section 112 in plan view.
- the airflow introduction portion 114 is fixed to the spherical portion 112A of the airflow introduction section 112 at one end thereof. This fixing is performed, for example, by welding or bolting.
- An opening 112 ⁇ / b> Aa communicating with the airflow introduction portion 114 is formed in the spherical portion 112 ⁇ / b> A of the airflow introduction section 112.
- the airflow discharge portion 115 is formed in a cylindrical shape and penetrates the airflow introduction section 112 in the vertical direction at the center position. At this time, the airflow discharger 115 is fixed to the cylindrical opening 112B at the upper end of the airflow discharger 115 in a state of being fitted in the cylindrical opening 112B of the airflow introduction section 112. This fixing is performed, for example, by welding or bolting.
- the air flow introduction unit 114 is formed at a position where the powder mixed air flow is introduced into the air flow introduction section 116 along the outer peripheral surface of the air flow discharge unit 115. That is, the air flow introduction portion 114 is arranged in a positional relationship such that the virtual extension surface of the inner peripheral surface thereof makes point contact with the outer peripheral surface of the air flow discharge portion 115 or a positional relationship close thereto. By arranging the airflow introduction portion 114 in such a positional relationship, the opening 112Aa of the airflow introduction section 112 is positioned at the upper end portion of the spherical surface portion 112A.
- FIG. 8 is a view similar to FIG. 6 showing a state where a powder mixed airflow (that is, an airflow including powder) flows in the cyclone device 110 of the present embodiment.
- a curve A with an arrow indicated by a bold line shows a typical flow state of the powder mixed airflow.
- a plurality of arrows B arranged in series along the curve A indicate the flow velocity of the powder mixed gas stream, and the longer the arrow, the higher the flow velocity.
- the powder mixed airflow introduced in the tangential direction from the airflow introduction portion 114 to the airflow introduction section 112 is an airflow swirling along the inner wall surface of the spherical portion 112A. It becomes.
- the spherical portion 112A has a semispherical shape along the spherical surface of the entire inner wall surface, and the powder mixed airflow is introduced from the opening 112Aa formed at the upper end portion of the spherical portion 112A.
- the direction of the mixed air flow greatly changes downward while smoothly turning along the inner wall surface of the spherical surface portion 112A.
- the airflow immediately after the transition to the inside of the conical section 113 is a vortex flow that turns considerably downward and gently, but the main body portion 113A of the conical section 113 is formed in an inverted conical shape. As the inside of the portion 113A is lowered, the turning radius gradually decreases, and the flow velocity gradually increases accordingly. For this reason, this vortex-like airflow becomes a certain amount of fast flow when reaching the lower end position. Then, the spiral airflow flows into the powder collection section 116 with a certain amount of fast flow along with the powder falling along the inner wall surface of the main body 113A.
- the inner diameter of the powder collection section 116 is considerably larger than the inner diameter of the opening 116a, the flow velocity of the vortex-like airflow decreases rapidly immediately after passing through the opening 116a. For this reason, the submicron-sized fine powder contained in the airflow flowing into the powder collecting section 116 is separated and tends to stay inside.
- the airflow that flows into the powder collection section 116 and separates the submicron-sized fine powder returns to the conical section 113 through the opening 116a.
- the spiral airflow flowing from the conical section 113 into the powder collecting section 116 passes through the annular region near the outer peripheral edge of the opening 116a, the upward airflow returning to the conical section 113 is caused by the opening 116a. Pass through the central area.
- the upward airflow returning to the conical section 113 rises in the center of the spiral airflow that flows downward along the inner wall surface of the main body portion 113A, and is discharged outside the apparatus through the airflow discharge portion 115. .
- the entire inner wall surface of the spherical surface portion 112A of the air flow introducing section 112 is formed in a hemispherical shape along the spherical surface, and the powder mixed air current is generated from the opening 112Aa of the spherical surface portion 112A. Since it is configured to be introduced along the outer peripheral surface of the airflow discharger 115, the spherical portion 112A is prevented after the direction of the powder mixed airflow is prevented from changing due to the collision with the airflow discharger 115.
- the powder mixed gas stream can be introduced on the innermost side and the uppermost side. Therefore, the flow velocity of the powder mixed airflow can be sharply reduced inside the spherical surface portion 112A, so that even if the powder contained in the airflow is a submicron sized fine powder, Can be separated.
- the ratio Ha / Hb between the height of the airflow introduction section 112 and the conical section 113 is set to Ha / Hb ⁇ 1/2, so that the velocity of the airflow descending in the conical section 113 Can be prevented from excessively increasing. Therefore, the submicron-sized fine powder can be carried to the powder collecting section 116 on the air stream. In addition, since the speed of the updraft in the conical section 113 does not become excessively large, it is possible to make it difficult for the submicron-sized fine powder to go up.
- the lower end position of the airflow discharge unit 115 is set to a position below the lower end position of the airflow introduction section 112 and above the center position in the vertical direction of the conical section 113.
- the powder collection position that is, the position of the opening 116a of the powder collection section 116) and the discharge position of the airflow from the conical section 113 can be sufficiently separated. Therefore, the separated and collected powder and the air current are less likely to be mixed at the collection position of the powder, thereby further increasing the separation and collection efficiency of the submicron-sized fine powder.
- the inner diameter D1 of the lower end position of the airflow introduction section 112 is set to a value that is five times or more the inner diameter D4 of the airflow introduction section 114.
- the effect of reducing the angular velocity can be sufficiently enhanced. That is, in the conventional cyclone device 20 shown in FIG. 9, it is necessary to increase the angular velocity of the powder mixed airflow flowing into the cylindrical cyclone body 21 and separate the powder in the airflow by centrifugal force.
- the inner diameter of the cyclone body 21 cannot be made much larger than the inner diameter of the introduction portion 23.
- the powder mixed air flow is smoothly swirled along the inner wall surface of the spherical surface portion 112A of the air flow introducing section 112 so as to greatly change the direction downward, and the angular velocity is rapidly reduced.
- the powder in the airflow is separated, it is rather effective to increase the inner diameter D1 at the lower end position of the airflow introduction section 112 to some extent. Therefore, if D1 ⁇ 5 ⁇ D4 as in the present embodiment and the effect of reducing the angular velocity of the powder mixed airflow in the airflow introduction section 112 is sufficiently enhanced, the function of separating powder from the airflow can be enhanced. it can. At that time, even if it is a fine powder of submicron size, the separation function can be enhanced.
- the inner diameter D3 of the powder collecting section 116 formed in a cylindrical shape has an inner diameter larger than the inner diameter D1 of the connection portion between the airflow introduction section 112 and the conical section 113.
- the stirring speed of the powder collected in the powder collection section 116 can be sufficiently reduced, and thus the powder collected in the powder collection section 116 flows into the powder collection section 116. It is possible to prevent the air from being wound up by the airflow. Therefore, even if it is fine powder of a submicron size, once it is collected in the powder collection section 116, it can be easily retained in the powder collection section 116.
- the powder collection section 116 has been described as being configured as a cylindrical sealed container, but a configuration having other shapes is also possible. Even in this case, a configuration in which the upper end portion of the powder collection section 116 has an inner diameter larger than the inner diameter D1 of the connection portion between the airflow introduction section 112 and the conical section 113 (for example, an inverted conical configuration). As a result, it is possible to obtain the same operational effects as in the present embodiment.
- the first and second embodiments have been described above with respect to the configuration of the cyclone device according to the present invention.
- the setting values such as the components of the cyclone device according to the present invention and the amount of the powder mixed airflow to be introduced are not limited to those of the first and second embodiments, but the technical idea of the present invention. It goes without saying that a person skilled in the art can make changes at any time within the above range.
- the cyclone device As a use of the cyclone device according to the present invention, for example, it can be used in combination with a suction blower in a vacuum cleaner, or in a state of being attached to an air cleaner suction port in a fuel cell vehicle or a fuel cell generator. ,
- the cyclone apparatus of the present invention targets fine powder. Therefore, it can be expected to be widely applied to industrial processes that handle powders such as classification and pulverization operations, and the industrial applicability is extremely high.
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Abstract
Description
このサイクロン装置においては、粉体の混じった気流が、気流導入部23からサイクロンボディ21の接線方向に渦を描く様にして導入される。そして、気流中に混じった粉体は、遠心力で気流中から分離されてサイクロンボディ21の内壁面に衝突して速度が低下する。
その後、サイクロンボディ21の内壁面に衝突して減速した粉体は、重力によりサイクロンボディ21の下端に接続する逆円錐状のコニカルセクション22の内壁面に沿って落下し、コニカルセクション22の下方部の粉体捕集部24に落下して捕集される。
一方、気流はサイクロンボディ21の中心の気流排出部25から外部へ排出されるようになっている。
また、前記特許文献1や特許文献2に記載されたサイクロン技術は、サイクロンボディを球形化することによって装置自体をコンパクトにするものではあるが、粉体の捕集位置と気流の排出位置が近接するために、分離捕集した粉体と気流とが粉体捕集位置で混在しやすく、サブミクロンサイズの微粉体の分離捕集効率を高めるには限界があった。
気流中に混合された粉体を旋回気流から分離し捕集するサイクロン装置であって、
粉体混合気流を接線方向から導入する気流導入部を有して下方に漸次拡径する気流導入セクションと、
この気流導入セクションの下端に接続して下方に漸次縮径する逆円錐状のコニカルセクションを設けたことを特徴とする。
その際、半球状の内部構造を有する構成の態様としては、気流導入セクションの内壁面全体が球面形状を有する構成や、気流導入セクションの内壁面の上部が球面以外(例えば平面等)の形状を有する構成等が採用可能である。
そのため、気流中から分離した粉体は気流導入セクション内において落下しやすく、その後の逆円錐状のコニカルセクションで角速度を上げられテーパ状の内壁面に衝突して捕集効率が向上する。
このように、従来方式よりもサイクロン装置内での気流の角速度の差を大きくすることにより、サブミクロンサイズの微粉体の捕集効率を上げることができる。
上記構成において、気流導入セクションの高さHa<逆円錐状のコニカルセクションの高さHbの範囲に設定すれば、コニカルセクションにおいて渦状に下降する気流の速度を過度に増大させないようにすることが可能となり、これによりサブミクロンサイズの微粉体を気流に乗せて粉体捕集セクション(捕集箱)まで運ぶことが可能となる。また、コニカルセクションでの上昇気流の速度も過度に大きくはならないので、サブミクロンサイズの微粉体が上に上がって行きにくくすることが可能となる。さらに、コニカルセクションを上昇する気流中にサブミクロンサイズの微粉体が残留していても、その周囲において渦状に下降する気流によってサブミクロンサイズの微粉体を下方へ押し戻して粉体捕集セクションまで運ぶことが可能となる。
これによって、従来の接線入口式サイクロン装置で捕集する粉体の限界粒径が1μm以上とされていたが、本発明のサイクロン装置ではサブミクロンサイズの微粉体の捕集も可能とした。
なお、気流導入セクションは、下方向が漸次拡径状態の内部構造になっていればよく、半球状の構造の他、円錐状(直線状のテーパを有する)の構造でもよい(図3参照)。
このように気流導入セクションを、下方に漸次拡径した状態(下方広がり)とすることによって、勢いよく導入される気流の角速度を一旦低下させることができ、1μm以下の粒径の微粉体であっても分離捕集できるようにした(後述する図4,図5参照)。
これによって、気流中に含まれるサブミクロンサイズの微粉体あるいはミクロンオーダーの粉体をさらに効率的に分離捕集することが可能になる。
また、気流導入セクションとコニカルセクションとのそれぞれの高さの比率(Ha/Hb)は、1/10~1/5の範囲に設定することがより好ましい。高さの比率(Ha/Hb)が1/10より小さくなると、コニカルセクションが長くなるので、粉体を含む気流が粉体捕集セクションまで届かなくなり、分離効率が低下する。
逆に比率(Ha/Hb)が1/5より大きくなると、気流導入部と捕集粉体の捕集位置とが近接するために、気流が速すぎて粉体捕集セクションや捕集箱の中の粉体を巻き上げてしまい、分離効率が低下する傾向が生じる。
以下、本発明の第1実施例に係るサイクロン装置について図面を参照しながら説明する。
図1及び図2に示すように、本実施例のサイクロン装置10は、上部構造の気流導入セクション12と、下部構造のコニカルセクション13とから構成されている。
気流導入セクション12は、下方に漸次拡径した半球状の内部構造を呈しており、粉体を含む気流が、気流導入セクション12の一端に設けられた気流導入部14から気流導入セクション12の接線方向に導入され、その内壁面に沿って旋回気流を生成するようになっている。
下部構造のコニカルセクション13は、この半球状の気流導入セクション12の下端に接続して下方に漸次縮径するテーパ状の逆円錐状の内部構造を呈しており、上部構造の気流導入セクション12内で減速させられた気流の角速度を増速させるようになっている。
また、気流導入セクション12の中心位置には、気流排出部15が上下方向に貫通して設けられており、粉体の分離を終えた気流を外部に排出させるようになっている。
なお、下部構造のコニカルセクション13の下端には、分離された粉体を捕集する粉体捕集セクション16が設けられている。
旋回気流は、気流導入セクション12が下方へ漸次拡径した内部構造となっているため、気流導入セクション12内において気流の角速度は低下させられる。
このため、気流導入セクション12内において気流中から分離された粉体は、角速度が低下した気流中を落下しやすくなり、気流導入セクション12の下端に接続された逆円錐状のコニカルセクション13のテーパ内壁面に沿って下降し、粉体捕集セクション16に捕集されるようになる。
一方、粉体を分離した気流は、コニカルセクション13の下部で旋回流径が小さくなるとともにコニカルセクション13の中央部において上昇気流となり、気流導入セクション12の上方中心部に設けられた気流排出部15から外部へ排出されるようになっている。
(a)天候:曇り
(b)気温:14℃
(c)湿度:56.0%
(d)試験原料:カーボン
(e)試験機:サイクロンミル150BMS型
(f)粉砕機モーター回転数:15,000rpm
(g)粉体捕集用プロワー周波数:50hz
(h)導入機スクリュウ周波数:50hz
(i)原料投入量:500g
(イ)捕集率の比較
装置A(従来型サイクロン装置):捕集率81.3%
装置B(本実施例のサイクロン装置):捕集率94.0%
カーボン投入量500gとする同一条件のもと、サイクロン装置上部構造のサイクロンボディ(本実施例の気流導入セクション)の形状と直径、長さを変えることで捕集率の変化を測定した。
図1に示す本実施例のサイクロン装置の捕集率は、従来型サイクロン装置の捕集率よりも1.16倍高くなることが分かる。
図4及び図5は、従来型サイクロン装置及び本実施例のサイクロン装置により、それぞれ捕集された微粉体の粒度分布を示すグラフである。同一条件のもと粒度分布に変化を測定した。
本実施例のサイクロン装置は、従来型サイクロン装置が捕集できなかった、粒径1.060μm未満から粒径0.630μm以上の粉体を捕集することができた。
従って、本実施例のサイクロン装置で捕集した粉体の粒径のピークである平均粒径(D50)は、従来型サイクロン装置で捕集した粉体の粒径のピークである平均粒径よりも、1.66μm小さいことが分かる。
また、本実施例のサイクロン装置で捕集された粉体の粒径は、累積値10%(D10)でも、従来型サイクロン装置よりも0.85μm小さく、累積値90%(D90)でも、従来型サイクロン装置よりも6.3μm小さいことが明らかである。
このように分離捕集効率がよくなるのは以下の理由によるものと推定される。
すなわち、気流導入セクション12が下方に漸次拡径内部構造を有しているため、気流導入セクション12の接線方向に入ってきた気流は、半球の中を回る間に、角速度が落ちる。そして、下部構造のコニカルセクション13は下方に漸次縮径する構造であるので回転径が小さくなって角速度が上昇する。
このように、角速度の差を大きくすることによって、サブミクロンサイズの微粉体が遠心作用で気流から分離されやすくなり捕集されやすくなる。
さらに、円筒状の上部で旋回流を形成させて粉体を遠心分離させる従来型のサイクロン装置では、圧力損失が大きいため風量の大きなブロア等が必要である。
しかし、本実施例のサイクロン装置10は、円筒状のものに比べてコンパクト化が可能であり、しかも圧力損失が小さく、風量の小さいブロア等で装置を駆動させることができ、省エネ性に優れる。
次に、本発明の第2実施例について説明する。
図6は、本実施例に係るサイクロン装置110を示す正面断面図であり、図7は、その平面図である。
これらの図に示すように、本実施例のサイクロン装置110は、下方に漸次拡径する半球状の気流導入セクション112と、この気流導入セクションの下端に接続して下方に漸次縮径する逆円錐状のコニカルセクション113と、このコニカルセクション113の下端部に接続された粉体捕集セクション116とを備えている。
本実施例においても、気流導入セクション112には、粉体を含む気流を装置内に導入するための気流導入部114と、粉体の分離を終えた気流を外部に排出するための気流排出部115とが設けられている。これらの具体的な構成については後述する。
このように球面部112Aの上端位置に筒状開口部112Bが形成されていることにより、気流導入セクション112の高さ(正確には球面部112Aの内壁面の高さ)Haは、その下端位置の内径D1の半分よりも僅かに小さい値になっている。
コニカルセクションの高さHbは、気流導入セクションの高さHaの2倍以上の値(すなわちHa/Hb≦1/2)(より好ましくはHa/Hb≦1/3)に設定されている。具体的には、Ha/Hb=1/6程度の値に設定されている。
このコニカルセクション113の上端位置の内径は、気流導入セクション112の球面部112Aの下端位置の内径D1と同じ値に設定されている。また、このコニカルセクション113の下端位置の内径D2は、その上端位置の内径D1に対して、D2=1/6~1/4×D1程度の値に設定されている。
このリング状固定具120は、図7に示すように、1対の半割リング120A、120Bがピン120Cを中心にして相対回動し得るように構成されている。そして、このリング状固定具120は、気流導入セクション112の外周フランジ部112Cとコニカルセクション113の上端フランジ部113Bとを上下に重ね合わせた状態で、その外周側から1対の半割リング120A、120Bをこれらに嵌め込んでバックル120Dを締め付けることにより、その装着が行われるように構成されている。
この粉体捕集セクション116の内径D3は、気流導入セクション112の球面部112Aの下端位置の内径D1よりも大きい値に設定されている。具体的には、D3/D1=1.2~2程度の範囲内の値に設定されている。
この粉体捕集セクション116は、その開口部116aの外周縁部においてコニカルセクション113の下端フランジ部113Cに固定されている。この固定は、例えば溶接やボルト締め等によって行われている。
気流導入部114は、円筒状に形成されており、平面視において気流導入セクション112の中心位置から外れた位置において接線方向に水平に延びている。そして、この気流導入部114は、その一端部において気流導入セクション112の球面部112Aに固定されている。この固定は、例えば溶接やボルト締め等によって行われている。
気流導入セクション112の球面部112Aには、気流導入部114と連通する開口部112Aaが形成されている。
一方、気流排出部115は、円筒状に形成されており、気流導入セクション112をその中心位置において上下方向に貫通している。その際、この気流排出部115は、気流導入セクション112の筒状開口部112Bに嵌め込まれた状態で、その上端部において筒状開口部112Bに固定されている。この固定は、例えば溶接やボルト締め等によって行われている。
すなわち、この気流導入部114は、その内周面の仮想延長面が気流排出部115の外周面と点接触するような位置関係またはこれに近い位置関係で配置されている。気流導入部114がこのような位置関係で配置されていることにより、気流導入セクション112の開口部112Aaは、その球面部112Aの上端部に位置することとなる。
この気流導入部114の内径D4は、気流導入セクションの下端位置の内径D1に対して1/5以下の値に設定されている。具体的には、D4/D1=1/7~1/5程度の範囲内の値(例えばD4/D1=1/6程度の値)に設定されている。
また、この気流排出部115の内径D5は、気流導入部114の内径D4に対して、D5≧D4に設定されている。具体的には、D5/D4=1~1.5程度の範囲内の値に設定されている。
同図において、太線で示す矢印付きの曲線Aは、粉体混合気流の典型的な流れの状態を示している。また、この曲線Aに沿って直列状に配置された複数の矢印Bは、粉体混合気流の流速を示しており、長い矢印ほど流速が大きいことを示している。
その際、球面部112Aは、その内壁面の全域が球面に沿って半球状に形成されており、その上端部に形成された開口部112Aaから粉体混合気流が導入されるので、この粉体混合気流は球面部112Aの内壁面に沿って滑らかに旋回しながらその向きを下向きに大きく変化させることとなる。しかも、この粉体混合気流は、球面部112Aの内部においてその旋回半径が急激に増大するので、その流速は急激に減少し、球面部112Aの下端位置に到達した時点ではかなり緩やかな流れとなり、この状態でコニカルセクション113に移行することとなる。このため、気流中に含まれている粉体がたとえサブミクロンサイズの微粉体であっても気流中から容易に分離され、コニカルセクション113の本体部113Aの内壁面に沿って落下することとなる。
そして、この渦状の気流は、本体部113Aの内壁面に沿って落下する粉体と共にある程度速い流れのまま粉体捕集セクション116に流入する。その際、この粉体捕集セクション116の内径はその開口部116aの内径に比してかなり大きいので、渦状の気流は開口部116aを通過した直後にその流速が急激に減少する。このため、粉体捕集セクション116に流入した気流に含まれるサブミクロンサイズの微粉体が分離して、その内部に滞留しやすくなる。
そして、このコニカルセクション113に戻った上向きの気流は、その本体部113Aの内壁面に沿って下向きに流れる渦状の気流の中心を上昇し、気流排出部115を介して装置の外部に排出される。
本実施例のサイクロン装置110は、その気流導入セクション112の球面部112Aにおける内壁面の全域が球面に沿って半球状に形成されており、この球面部112Aの開口部112Aaから粉体混合気流が気流排出部115の外周面に沿って導入される構成となっているので、気流排出部115への衝突により粉体混合気流の向きが変わってしまうのを未然に防止した上で、球面部112Aの最も内周側でかつ最も上方側において粉体混合気流の導入を行うことができる。
したがって、球面部112Aの内部において粉体混合気流の流速を急激に減少させることができ、これにより気流中に含まれている粉体がたとえサブミクロンサイズの微粉体であっても容易にこれを分離することができる。
このような効果は、粉体の種類にかかわらず得ることが可能であり、その際、Ha/Hb≦1/3とすることがより効果的である。なお、粉体がカーボンの場合には、Ha/Hb=1/10~1/5とすることがより一層効果的であり、粉体がお茶の炭である場合には、Ha/Hb=1/3~1/5とすることがより一層効果的である。
すなわち、図9に示す従来のサイクロン装置20においては、円筒状のサイクロンボディ21に流入する粉体混合気流の角速度を大きくして気流中の粉体を遠心力で分離する必要があるので、気流導入部23の内径に対してサイクロンボディ21の内径をあまり大きくすることができない。これに対し、本実施例においては、気流導入セクション112の球面部112Aの内壁面に沿って粉体混合気流を滑らかに旋回させてその向きを下向きに大きく変化させるとともにその角速度を急激に小さくすることにより、気流中の粉体を分離する構成となっているので、気流導入セクション112の下端位置の内径D1をある程度大きくすることがむしろ効果的である。
そこで、本実施例のようにD1≧5×D4として、気流導入セクション112における粉体混合気流の角速度低減効果を十分に高めるようにすれば、気流中からの粉体の分離機能を高めることができる。その際、たとえサブミクロンサイズの微粉体であっても分離機能を高めることができる。
本発明に係るサイクロン装置の構成部材や、導入される粉体混合気流の量などの各設定値は、第1および第2実施例のものに限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で当業者により随時変更が可能であることは言うまでもない。
12 気流導入セクション
13 コニカルセクション
14 気流導入部
15 気流排出部
16 粉体捕集セクション
20 従来型のサイクロン装置
21 サイクロンボディ
22 コニカルセクション
23 気流導入部
24 粉体捕集部
25 気流排出部
110 第2実施例のサイクロン装置
112 気流導入セクション
112A 球面部
112Aa 開口部
112B 筒状開口部
112C 外周フランジ部
113 コニカルセクション
113A 本体部
113B 上端フランジ部
113C 下端フランジ部
114 気流導入部
115 気流排出部
116 粉体捕集セクション
116a 開口部
120 リング状固定具
120A、120B 半割リング
120C ピン
120D バックル
D1 気流導入セクションの下端位置の内径
D2 コニカルセクションの下端位置の内径
D3 粉体捕集セクションの内径
D4 気流導入部の内径
D5 気流排出部の内径
Ha 気流導入セクションの高さ
Hb コニカルセクションの高さ
Hc 気流排出部の下端位置から気流導入セクションの下端位置までの高さ
Claims (8)
- 気流中に混合された粉体を旋回気流から分離し捕集するサイクロン装置であって、
粉体混合気流を接線方向から導入する気流導入部を有して下方に漸次拡径する気流導入セクションと、
この気流導入セクションの下端に接続して下方に漸次縮径する逆円錐状のコニカルセクションを設けたことを特徴とするサイクロン装置。 - 前記気流導入セクションが、半球状の内部構造を有するように構成されたことを特徴とする請求項1に記載のサイクロン装置。
- 前記気流導入セクションの高さHa<前記逆円錐状のコニカルセクションの高さHbの範囲に設定するように構成したことを特徴とする請求項1乃至2のいずれか1項に記載のサイクロン装置。
- 前記気流導入セクションと前記コニカルセクションの高さの比Ha/Hbが、Ha/Hb≦1/2に設定されていることを特徴とする請求項3に記載のサイクロン装置。
- 前記気流導入セクションの中心位置に、粉体の分離を終えた気流を外部に排出するための気流排出部が、前記気流導入セクションを上下方向に貫通するようにして設けられており、
前記気流排出部の下端位置が、前記気流導入セクションの下端位置よりも下方側でかつ前記コニカルセクションの上下方向中心位置よりも上方側の位置に設定されていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載のサイクロン装置。 - 前記気流導入部が、粉体混合気流を前記気流導入セクションに対して前記気流排出部の外周面に沿って導入する位置に形成されていることを特徴とする請求項5に記載のサイクロン装置。
- 前記気流導入セクションと前記コニカルセクションとの接続部の内径が、前記気流導入部の内径に対して5倍以上の値に設定されていることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載のサイクロン装置。
- 前記コニカルセクションの下端に接続した開口部を有し、旋回気流から分離された粉体を捕集するための粉体捕集セクションが設けられており、
前記粉体捕集セクションの上端部が、前記気流導入セクションと前記コニカルセクションとの接続部の内径よりも大きい内径を有していることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載のサイクロン装置。
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