JP5734691B2

JP5734691B2 - サイクロン分離装置

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Publication number: JP5734691B2
Application number: JP2011024359A
Authority: JP
Inventors: 和則松尾
Original assignee: Twinbird Corp
Current assignee: Twinbird Corp
Priority date: 2011-02-07
Filing date: 2011-02-07
Publication date: 2015-06-17
Anticipated expiration: 2031-02-07
Also published as: JP2012161744A; CN102626297B; CN102626297A

Description

本発明は、サイクロン分離装置に関するものである。

従来、この種のサイクロン分離装置として、円錐状筒体（本願発明の略錐状部に相当する）の内壁に沿って気流を流して旋回流とし、この旋回流に含まれる粉体を遠心分離するものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。これは、軸方向の一端から他端に向かって、円錐状筒体の半径が比例して減少するように構成されていた。

特公平６−７７６６１号公報

しかしながら、このようなサイクロン分離装置は、前記円錐状筒体の流出口（本願発明の他端に相当する）付近で旋回流の流速が加速度的に上昇する。これは、気流Ｆの流量Ｑと、流速Ｖと、前記円錐状筒体の断面積Ａと、前記円錐状筒体の半径Ｒとの関係が、以下の式で表されることによる。

Ｖ＝Ｑ／Ａ＝Ｑ／πＲ^２

そして、粉体流入筒が設けられた部位（本願発明の一端に相当する）付近の遅い旋回流は、前記流出口付近の速い旋回流に吸引され、前記流出口付近に向かって軸方向に速やかに流れる。遅い旋回流が軸方向に速やかに流れるということは、前記円錐状筒体内で何度も旋回しないうちに前記流出口付近に至るということである。即ち、このようなサイクロン分離装置は、前記円錐状筒体における旋回流の旋回数が少ないという問題があった。このため、浮遊物に十分に遠心力が働かず、浮遊物が残った状態の流体がサイクロンを通過してしまう虞があった。前記円錐状筒体の一端と他端の半径の差を小さくすることも考えられるが、このようにした場合、旋回流の流速が上昇しないため、浮遊物に働く遠心力が大きくならないので、浮遊物の旋回流からの分離効率を高めることができないという問題もあった。

本発明は以上の問題点を解決し、流体中の浮遊物の分離効率を高めることができるサイクロン分離装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に記載のサイクロン分離装置は、中空で且つ略錐状の錐状部が設けられたサイクロン筒を有し、このサイクロン筒の内壁に沿って旋回流を発生させることで、遠心力によって旋回流中の浮遊物を分離するサイクロン分離装置において、前記サイクロン筒の錐状部の一端から他端に向かって、中心軸線方向に沿って単位距離移動する毎の気流の速度差ΔＶを一定とし、前記サイクロン筒の錐状部の軸直断面積Ａを、
Ａ＝Ｑ／（Ｖ _０＋ＤΔＶ）（但し、Ｑは気流の流量、Ｖ _０は気流の初速、Ｄは前記中心軸線に沿った一端からの距離）
の式に基づいて、一端から他端に向かって暫減させたものである。

本発明の請求項１に記載のサイクロン分離装置は、以上のように構成することにより、前記サイクロン筒の錐状部の全域において、旋回流の流速が急激に上昇しないので、旋回流が前記錐状部に比較的長時間留まる。即ち、このようなサイクロン分離装置は、前記錐状部において、旋回流の旋回数を多くすることができるので、流体中の浮遊物に遠心力を十分に働かせて、流体からの浮遊物の遠心分離効率を向上させることができる。

本発明の一実施形態を示すサイクロン分離装置の断面図である。同、錐状部の深さと断面積との関係を表す説明図である。同、錐状部の深さと内壁の半径との関係を表す説明図である。同、錐状部の深さと旋回流の流速との関係を表す説明図である。同、錐状部の内壁に沿って流れる気流を表す説明図である。従来のサイクロン分離装置の断面図である。同、錐状部の深さと断面積との関係を表す説明図である。同、錐状部の深さと内壁の半径との関係を表す説明図である。同、錐状部の深さと旋回流の流速との関係を表す説明図である。同、錐状部の内壁に沿って流れる気流を表す説明図である。

以下、本発明の実施形態について、図１乃至図４に基づいて説明する。１はサイクロン分離装置としてのサイクロン集塵装置である。このサイクロン集塵装置１は、中空のサイクロン筒２と、電動送風機（図示せず）とを有して構成される。前記サイクロン筒２は、円筒部３と、錐状部４と、これら円筒部３と錐状部４の一端４ａとを滑らかに接続する中間部５とを有して形成される。そして、前記円筒部３は、略円筒状に形成されると共に、導入部６が設けられる。この導入部６は、前記円筒部３の内壁に沿って、接線方向に気流を導入するように形成される。また、前記錐状部４の他端４ｂには、排出口７が設けられる。そして、この排出口７には、図示しない塵埃貯留部が着脱可能に取り付けられる。更に、前記円筒部３の中央には、排気筒８が設けられる。

前記錐状部４について詳述する。この錐状部４は、その中心軸線Ｘと直交する断面が円形となるように形成される。また、前記錐状部４は、その中心軸線Ｘに沿って一端４ａから他端４ｂに向かうに従って、その内壁９の半径Ｒが暫減するように形成される。なお、前記錐状部４における、中心軸線Ｘに沿った一端４ａからの距離Ｄと半径Ｒとの関係は、一次関数的な減少ではなく、図示しない電動送風機が発生させる気流Ｆの流量Ｑと、前記錐状部４における気流Ｆの初速Ｖ_０と、前記錐状部４の中心軸線Ｘ方向に沿った単位距離毎の気流Ｆの速度差ΔＶによって算出される曲線となる。そして、本実施形態では、流量Ｑ、気流Ｆの初速Ｖ_０及び速度差ΔＶは一定である。即ち、本実施形態では、気流Ｆの流速Ｖは、前記錐状部４における中心軸線Ｘに沿った一端４ａからの距離Ｄに比例する。

気流Ｆの流量Ｑと流速Ｖとの関係は、以下の式で表される。なお、Ａは前記錐状部４の断面積、Ｒは前記錐状部４の内壁９の半径である。

Ｑ＝ＡＶ＝πＲ^２Ｖ

そして、前記錐状部４の一端４ａからの距離がＤとなる位置における気流Ｆの流量Ｑと流速Ｖとの関係は、以下の式で表される。

Ｑ＝πＲ^２（Ｖ_０＋ＤΔＶ）

従って、前記錐状部４の一端４ａからの距離がＤとなる位置における断面積Ａは、以下の式で表される。

Ａ＝πＲ^２＝Ｑ／（Ｖ_０＋ＤΔＶ）

また、前記錐状部４の一端４ａからの距離がＤとなる位置における半径Ｒは、以下の式で表される。

Ｒ＝（Ｑ／π（Ｖ_０＋ＤΔＶ））^１／２

以上の関係に基づいて、前記錐状部４における、中心軸線Ｘに沿った一端４ａからの距離Ｄと断面積Ａ及び半径Ｒとの関係の一例を示す。この例では、電動送風機が発生させる気流Ｆの風量Ｑを２．０ｍ^３／ｍｉｎ（＝０．０３３３ｍ^３／ｓ）、前記錐状部４の中心軸線Ｘに沿った５ｍｍ毎の気流Ｆの速度差ΔＶを１．７０ｍ／ｓ、前記錐状部４の一端４ａにおける半径Ｒａを３０ｍｍ（＝０．０３ｍ）とする。なお、Ｑ、ΔＶ及びＲａの値は一例であり、適宜変更可能である。また、ΔＶの数値は５ｍｍ毎に算出されたものであるが、１ｍｍ毎に算出すれば、ΔＶの数値は１／５、即ち０．３４ｍ／ｓとなる。また、前記気流Ｆの初速Ｖ_０は、上記計算式によって、１１．８０ｍ／ｓと算出される。この値も、Ｑ及びＲａの設定値によって変化する。更に、以下の表の数値は、π＝３．１４として計算した。

前記錐状部４の一端４ａからの距離Ｄと断面積Ａとの関係を表した図が図２である。また、前記錐状部４の一端４ａからの距離Ｄと前記内壁９の半径Ｒとの関係を表した図が図３である。これらの図２，３に示すように、前記錐状部４の断面積Ａ及び半径Ｒの変化は、一端４ａ側から他端４ｂ側に向かうに従って徐々に緩やかになる。即ち、前記錐状部４の断面積Ａ及び半径Ｒの変化率は、一端４ａ付近で急激に減少するが、その後は緩やかに減少してゆき、他端４ｂ付近では僅かに減少するだけである。また、前記錐状部４の一端４ａからの距離Ｄと気流Ｆの流速Ｖとの関係を表した図が図４である。この図４に示すように、前記錐状部４における気流Ｆの流速Ｖは、一端４ａ側から他端４ｂ側に向かうに従って正比例して大きくなる。

次に、本実施形態の作用について説明する。まず、図示しない電動送風機を作動させると、この電動送風機は気流Ｆを発生させる。この気流Ｆは、前記導入部６から前記サイクロン筒２内に流入する。そして、前記サイクロン筒２内に流入した気流Ｆは、前記円筒部３の内壁に沿った旋回流Ｆｖとなる。この旋回流Ｆｖは、前記中間部６を経て前記錐状部４に至る。なお、図５に示すように、この旋回流Ｆｖの中心軸線Ｘに沿った他端４ｂ側への移動速度は遅く、前記錐状部４内に比較的長時間留まる。これは、図４に示すように、前記錐状部４の全域において、旋回流Ｆｖの流速Ｖが加速度的に上昇しないため、一端４ａ側を流れる遅い旋回流Ｆｖが、他端４ｂ側を流れる速い旋回流Ｆｖに引かれて、急速に他端４ｂ側に流れるということがないからである。即ち、前記錐状部４は、その内部を流れる旋回流Ｆｖの旋回数を多くすることができることで、旋回流Ｆｖ中に浮遊した塵埃に遠心力を十分に働かせることができる。そして、前記錐状部４の他端４ｂにおける旋回流Ｆｖの速度を、従来通り速くすることができるので、旋回流Ｆｖ中に浮遊した塵埃に働く遠心力を大きくすることができる。これにより、前記サイクロン集塵装置１は、旋回流Ｆｖからの塵埃の遠心分離効率を向上させることができる。

そして、旋回流Ｆｖから遠心分離された塵埃は、前記排出口７から図示しない塵埃貯留部に排出され、この塵埃貯留部に溜められる。また、塵埃が除去された旋回流Ｆｖは、前記排気筒８を通って前記サイクロン筒２から流出し、図示しない電動送風機に至る。なお、前述した通り、前記サイクロン集塵装置１は、前記錐状部４における旋回流Ｆｖの他端４ｂへの移動速度を遅くすることができるので、前記塵埃貯留部に溜められた塵埃が、旋回流Ｆｖによって掻き乱されにくくすることができる。このため、分離された塵埃が再び旋回流Ｆｖに乗って、前記排気筒８から排出される虞を減ずることができる。

なお、比較のため、錐状部１０４の半径Ｒが、その一端１０４ａからの距離Ｄに比例して減少する従来の構造のサイクロン筒についても、図６乃至図１０に基づいて説明する。この従来例において、前記錐状部１０４の中心軸線Ｙ方向の長さ（１５０ｍｍ）と、前記錐状部１０４の両端１０４ａ，１０４ｂにおける半径Ｒ（３０ｍｍ及び１３ｍｍ）を、本実施形態の数値と同じにした。また、風量Ｑの条件も、本実施形態と同じにした。

気流Ｆの流量Ｑと流速Ｖとの関係は、以下の式で表される。

Ｑ＝ＡＶ＝πＲ^２Ｖ

そして、前記錐状部４の一端１０４ａからの距離がＤとなる位置における半径Ｒ及び断面積Ａは、一端１０４ａにおける半径をＲａ、他端１０４ｂにおける半径をＲｂ、錐状部１０４の中心軸線Ｙ方向の長さをＬとすると、以下の式で表される。

Ｒ＝Ｒａ−（Ｒａ−Ｒｂ）Ｄ／Ｌ＝０．０３−０．０１７Ｄ／０．１５
Ａ＝πＲ^２＝π（０．０３−０．０１７Ｄ／０．１５）^２

即ち、前記錐状部４の一端４ａからの距離がＤとなる位置における気流Ｆの流量Ｑと流速Ｖとの関係は、以下の式で表される。

Ｑ＝π（０．０３−０．０１７Ｄ／０．１５）^２Ｖ

従って、前記錐状部４の一端４ａからの距離がＤとなる位置における流速Ｖは、以下の式で表される。

Ｖ＝Ｑ／π（０．０３−０．０１７Ｄ／０．１５）^２

これらの計算式に基づいて、前記錐状部４の一端１０４ａからの距離がＤとなる位置における半径Ｒ及び流速Ｖを算出した。

前記錐状部１０４の一端１０４ａからの距離Ｄと断面積Ａとの関係を表した図が図７である。また、前記錐状部１０４の一端１０４ａからの距離Ｄとその内壁１０９の半径Ｒとの関係を表した図が図８である。更に、前記錐状部１０４の一端１０４ａからの距離Ｄと気流Ｆの流速Ｖとの関係を表した図が図９である。図８に示すように、前記錐状部１０４の内壁１０９の半径Ｒは、前記錐状部１０４の一端１０４ａからの距離Ｄに比例して減少する。また、図７に示すように、前記錐状部１０４の断面積Ａの変化率は、一端１０４ａ側から他端１０４ｂ側に向かうに従って小さくなるものの、その減少は本願発明の場合に比べて遙かに緩い（直線に近い）ものである。この結果、図９に示すように、前記錐状部１０４における気流Ｆの流速Ｖの変化率は、一端１０４ａ側から他端１０４ｂ側に向かうに従って加速度的に大きくなる。即ち、前記錐状部１０４における気流Ｆの流速Ｖは、他端１０４ｂ付近で急激に速くなる。

そして、図１０に示すように、気流Ｆ（旋回流Ｆｖ）の中心軸線Ｙに沿った他端１０４ｂ側への移動速度は速く、このため、前記錐状部１０４内に比較的短時間しか留まることができない。これは、図９に示した通り、前記錐状部１０４における旋回流Ｆｖの流速Ｖが、他端１０４ｂ付近で急激に速くなることで、一端１０４ａ側を流れる遅い旋回流Ｆｖが、他端１０４ｂ側を流れる速い旋回流Ｆｖに引かれて、急速に他端１０４ｂ側に流れるからである。即ち、前記錐状部１０４は、その内部を流れる旋回流Ｆｖの旋回数を多くすることができないので、他端１０４ｂにおける旋回流Ｆｖの速度を速くすることができるにも拘わらず、旋回流Ｆｖ中に浮遊した塵埃に遠心力を十分に働かせることができない。このため、従来のサイクロン集塵装置１０１は、旋回流Ｆｖからの塵埃の遠心分離効率を向上させるのに限界があった。また、前記サイクロン集塵装置１０１は、旋回流Ｆｖの他端１０４ｂへの移動速度が大きいので、分離された塵埃が、他端１０４ｂに向かって勢いよく流れる旋回流Ｆｖによって掻き乱され、再びこの旋回流Ｆｖに乗って排気筒１０８から排出される虞もあった。

以上のように、本発明は、中空の錐状部４が設けられたサイクロン筒２を有し、このサイクロン筒２の錐状部４の内壁９に沿って旋回流Ｆｖを発生させることで、遠心力によって旋回流Ｆｖ中の塵埃等の浮遊物を分離するサイクロン分離装置としてのサイクロン集塵装置１であって、前記錐状部４の一端４ａから他端４ｂに向かって、中心軸線Ｘ方向に沿って単位距離移動する毎の旋回流Ｆｖの速度差ΔＶを一定とし、前記サイクロン筒２の錐状部４の軸直断面積Ａを、
Ａ＝Ｑ／（Ｖ _０＋ＤΔＶ）（但し、Ｑは気流の流量、Ｖ _０は気流の初速、Ｄは前記中心軸線に沿った一端からの距離）
の式に基づいて、一端４ａから他端４ｂに向かって暫減させたことにより、前記錐状部４の全域において、旋回流Ｆｖの流速Ｖが急激に上昇せず、旋回流Ｆｖが前記錐状部４に比較的長時間留まることで旋回数を多くすることができるので、旋回流Ｆｖ中の塵埃に遠心力を十分に働かせて、旋回流Ｆｖからの塵埃の遠心分離効率を向上させることができるものである。

なお、本発明は以上の実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。例えば、上記実施形態は、サイクロン集塵装置に関するものであるが、他の分離装置に採用してもよい。また、電気掃除機に採用してもよい。また、一段型のサイクロン分離装置ばかりでなく、多段型のサイクロン分離装置における何れの段に採用してもよい。更に、上記実施形態では、錐状部の一端から他端にかけて、ΔＶを一定としたが、要は、旋回流の流速が錐状部の他端付近で急激に上昇しないように抑えることができればよいので、ΔＶに若干の変動があっても許容される。

１サイクロン集塵装置（サイクロン分離装置）
２サイクロン筒
４錐状部
４ａ一端
４ｂ他端
９内壁
Ｘ中心軸線
Ａ錐状部４の軸直断面積
Ｒ錐状部４の半径
Ｄ錐状部４の一端４ａからの距離
Ｆｖ旋回流
Ｖ旋回流Ｆｖの流速
ΔＶ単位距離毎の旋回流Ｆｖの速度差

Claims

中空で且つ略錐状の錐状部が設けられたサイクロン筒を有し、このサイクロン筒の内壁に沿って旋回流を発生させることで、遠心力によって旋回流中の浮遊物を分離するサイクロン分離装置において、
前記サイクロン筒の錐状部の一端から他端に向かって、中心軸線方向に沿って単位距離移動する毎の気流の速度差ΔＶを一定とし、前記サイクロン筒の錐状部の軸直断面積Ａを、
Ａ＝Ｑ／（Ｖ _０＋ＤΔＶ）（但し、Ｑは気流の流量、Ｖ _０は気流の初速、Ｄは前記中心軸線に沿った一端からの距離）
の式に基づいて、一端から他端に向かって暫減させたことを特徴とするサイクロン分離装置。