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JP2010017675A - 集塵装置 - Google Patents

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JP2010017675A JP2008182241A JP2008182241A JP2010017675A JP 2010017675 A JP2010017675 A JP 2010017675A JP 2008182241 A JP2008182241 A JP 2008182241A JP 2008182241 A JP2008182241 A JP 2008182241A JP 2010017675 A JP2010017675 A JP 2010017675A
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    • B04CAPPARATUS USING FREE VORTEX FLOW, e.g. CYCLONES
    • B04C5/00Apparatus in which the axial direction of the vortex is reversed
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Abstract

【課題】大気中に含まれる粉塵を分離除去するサイクロン式集塵装置に関して、高い集塵性能と低い圧力損失とを両立した集塵装置を提供することを目的とする。
【解決手段】サイクロン式集塵装置1へ空気が導入されると、環状室2内で旋回流が生じ、空気中の粉塵に遠心力が加わる。その遠心力によって粉塵は空気から分離除去され、集塵室6内に落下し堆積する。粉塵が除去された空気は、内円筒7の下端から吸い込まれ、排気口8から排出される。この構成に加えて、吸気口3から通気口9外周に沿うように案内板10を備えることで、吸気口3から流入した流入気流と環状室2内で生じた旋回流との衝突が緩和され、圧力損失を低減させることができる。これにより高い集塵性能と低い圧力損失とを両立した集塵装置を提供することができる。
【選択図】図2

Description

本発明は、主として大気中に含まれる粉塵を分離除去する集塵装置に関する。
従来のサイクロン式集塵装置は、粉塵を含む空気を吸引し、内部で旋回流を生じさせて粉塵を遠心分離する。気流は装置内部を旋回しながら下降していき、装置下部で反転して、装置内部の流路を通じて装置外へと流出する。
以下、従来のサイクロン式集塵装置の例を、図11を参照しながら説明する。
集塵装置101は、外円筒102、その外周円の接線方向に接続する吸気口103、外円筒102の下端に接続する円錐筒104、円錐筒104の下端に接続する集塵室105、外円筒102の中央をその軸方向に突き抜けるように内円筒106、および排気口107を備えている。粉塵を含む空気は吸気口103から外円筒102に流入し、空気が外円筒102内を旋回するときに空気中の粉塵に遠心力を与え、粉塵は外円筒102内部の側面壁に引き付けられる。粉塵を含む空気はさらに円錐筒104の内壁面を旋回しながら降下し、集塵室105内に粉塵を落下させる。粉塵が除去された空気は内円筒106の下端から吸い上げてられて排気口107から排出される。
このような従来のサイクロン式集塵装置を住宅に適用したものとして、特許文献1がある。
特開2005−127560号公報
従来のサイクロン式集塵装置では、旋回下降流が反転して内円筒に流入する際に、流線の大きな変形と縮流が伴うため、ここで大きな圧力損失が発生し、空気を流すための送風手段に大きな負担を与えるという課題があった。したがって、高い集塵性能と低い圧力損失とを両立することが求められている。
本発明はこのような従来の課題を解決するものであり、高い集塵性能と低い圧力損失とを両立した集塵装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は、環状室と前記環状室外周の接線方向に接続する吸気口、前記環状室の底面部に通気口、前記通気口に接続する外円筒、前記外円筒下方に接続する円錐筒、前記円錐筒の下方に集塵室、前記環状室の中央を外円筒の軸方向に突き抜ける内円筒、前記内円筒に接続する排気口を備えたサイクロン式集塵装置であって、前記環状室内部に前記吸気口からの風路を形成するように、前記吸気口から前記通気口に向けて案内板を備えたことを特徴としている。
この構成により、高い集塵性能と低い圧力損失とを両立した集塵装置を提供することができる。
本発明によれば、高い集塵性能と低い圧力損失とを両立した集塵装置を提供することができる。
本発明の請求項1記載の発明は、環状室と前記環状室外周の接線方向に接続する吸気口、前記環状室の底面部に通気口、前記通気口に接続する外円筒、前記外円筒下方に接続する円錐筒、前記円錐筒の下方に集塵室、前記環状室の中央を外円筒の軸方向に突き抜ける内円筒、前記内円筒に接続する排気口を備えたサイクロン式集塵装置であって、前記環状室内部に前記吸気口からの風路を形成するように、前記吸気口から前記通気口に向けて案内板を備えたことを特徴とする集塵装置である。
適当な長さの案内板を備えることによって、吸気口から流入した流入気流と、環状室内で生じた旋回流との衝突が緩和され、圧力損失を低減させることができる。また案内板の長さを長くすると、流路面積が小さくなって圧力損失が増大するものの、流速が増して集塵性能を高めることができる。
本発明の請求項2記載の発明は、外円筒の軸方向に垂直な面で切断した環状室の断面図において、案内板が前記環状室と吸気口との交点から通気口外周に向けて、曲線として備えられたことを特徴とする請求項1に記載の集塵装置である。
これにより、旋回流と案内板との衝突による圧力損失の増大を緩和することができる。
本発明の請求項3記載の発明は、外円筒の軸方向に垂直な面で切断した環状室の断面図において、通気口の中心を原点とし、案内板の両端のなす角が90°以下であることを特徴とする請求項2に記載の集塵装置である。
案内板の両端のなす角が極端に小さい、すなわち案内板が極端に短いと、流入気流と旋回流との衝突を緩和する効果が十分得られず、圧力損失を低減させることができない。一方、案内板の両端のなす角が90°より大きい、すなわち案内板が長すぎると、流路面積が小さくなって圧力損失の増大を招く。したがって高い集塵性能と低い圧力損失とを両立するためには、案内板の両端のなす角が90°以下であることが好ましく、30〜60°の範囲であることがより好ましい。
本発明の請求項4記載の発明は、環状室の外周半径が連続的に減少して螺旋形状となっていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の集塵装置である。
これにより、環状室で生じる旋回流の流速が大きくなり、空気中の粉塵に与える遠心力を増大させて空気から分離しやすくすることができる。
本発明の請求項5記載の発明は、環状室の螺旋形外周の半径rが、変化率αと最大半径r0とを用いたr=r0×(1−θ×tan(−α×π/180))の式にしたがって減少していくことを特徴とする請求項4に記載の集塵装置である。
これにより、環状室で生じる旋回流の流速をより大きくすることができ、空気中の粉塵に与える遠心力を増大させて空気から分離しやすくすることができる。
本発明の請求項6記載の発明は、変化率αが5〜8の範囲であることを特徴とする請求項5記載の集塵装置である。
これにより、環状室で生じる旋回流の流速をより大きくすることができ、空気中の粉塵に与える遠心力を増大させて空気から分離しやすくすることができる。
本発明の請求項7記載の発明は、環状室の底面が、外円筒の軸方向に垂直な面に対し、内側下方に向けて傾斜していることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の集塵装置である。
これにより、環状室から外円筒へ流れる空気の抵抗を低減することができる。
本発明の請求項8記載の発明は、環状室の底面と外円筒との接合部が曲面であることを特徴とする請求項7に記載の集塵装置である。
これにより、環状室から外円筒へ流れる空気の抵抗を低減することができる。
本発明の請求項9記載の発明は、外円筒直径に対する内円筒直径の比率が0.6以上であることを特徴とする請求項1乃至8のいずれかに記載の集塵装置である。
これにより、外円筒から円錐筒に降下した空気が、反転して内円筒を上昇する際に生じる圧力損失を低減することができる。
本発明の請求項10記載の発明は、円錐筒の斜度が30°以下であることを特徴とする請求項1乃至9のいずれかに記載の集塵装置である。
これにより、円錐筒を降下する空気の抵抗を低減することができる。
本発明の請求項11記載の発明は、下方に向かって外径が大きくなるフランジを内円筒の下端に備えたことを特徴とする請求項1乃至10のいずれかに記載の集塵装置である。
これにより、外円筒から円錐筒へ降下する空気と内円筒へ吸い上げられる空気との干渉を緩和することができる。
本発明の請求項12記載の発明は、集塵室の内部に粘着性材料を備えたことを特徴とする請求項1乃至11のいずれかに記載の集塵装置である。
これにより、集塵室に入った細かい粉塵を捕捉し、内円筒へ吸い上げられる空気の中に舞い戻ることを抑制することができる。
本発明の請求項13記載の発明は、集塵室の内部に殺虫性材料を備えたことを特徴とする請求項1乃至12のいずれかに記載の集塵装置である。
本発明の集塵装置を、吸気口が屋外に通じている状態で使用する場合、粉塵とともに小さな虫が捕らえられ、集塵室に集められる。その際、虫が生きたままだと自力で内円筒から集塵装置外、例えば室内へと逃げ出す恐れがある。集塵室の内部に殺虫性材料を備えることで、集塵室に捕らえた虫を殺し、室内などへの侵入を防ぐことができる。
本発明の請求項14記載の発明は、集塵室の内部に抗菌、防カビ加工を施したことを特徴とする請求項1乃至13のいずれかに記載の集塵装置である。
集塵室に粉塵や虫の死骸などが堆積すると、カビなどが発生して不衛生になるおそれがある。集塵室の内部に抗菌、防カビ加工を施すことで、カビなどの発生を遅らせ、不衛生になるのを防ぐことができる。
本発明の請求項15記載の発明は、集塵室に堆積したごみを自動的に集塵装置外へと排出する機構を備えたことを特徴とする請求項1乃至14のいずれかに記載の集塵装置である。
集塵室に粉塵や虫の死骸などが堆積すると、カビなどが発生して不衛生になるおそれがある。また粉塵などの堆積量が増えると、その一部が気流で舞い上がって飛散し、内円筒に吸い上げられるおそれがある。集塵室に堆積したごみを自動的に集塵装置外へと排出する機構を備えることで、集塵室に大量のごみが堆積するのを防ぎ、粉塵の飛散や集塵室内が不衛生になることを抑制することができる。
本発明の請求項16記載の発明は、集塵室の内部に前記集塵室の底面に接した集塵板、前記集塵室の底面に開閉可能なごみ排出口を備え、前記集塵板は定期的に前記集塵室の底面上を移動して前記ごみ排出口近傍にごみを集め、前記ごみ排出口が開口してごみを装置外へと排出する機構を備えたことを特徴とする請求項15に記載の集塵装置である。
これにより、集塵室に堆積したごみを簡単な機構で定期的に排出することができる。この場合、ごみ排出口は屋外に通じていることが好ましい。
本発明の請求項17記載の発明は、内円筒の下端から排気口の間にフィルタを備えたことを特徴とする請求項1乃至16のいずれかに記載の集塵装置である。
これにより、集塵室内に捕らえられなかった微細な粉塵や生きた虫などを捕集することができ、これらが排気口から排出されて室内などに侵入することを防ぐことができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
(実施の形態1)
図1は本発明の実施の形態1の集塵装置の斜視図である。
サイクロン式の集塵装置1は、環状室2、環状室2の接線方向から接続する吸気口3、環状室2の底面と接続する外円筒4、外円筒4の下端に接続する円錐筒5、円錐筒5の下端に接続する集塵室6、環状室2の中央を外円筒4の軸方向に突き抜ける内円筒7、内円筒7に接続する排気口8から構成される。
送風手段によって集塵装置1へ空気が導入されると、環状室2内で旋回流が生じ、空気中の粉塵に遠心力が加わる。その遠心力によって粉塵は環状室2の外周壁方向へと移動し、空気とともに旋回しながら環状室2から外円筒4と内円筒7との間の空間に入る。さらに粉塵は円錐筒5の内壁面に沿って旋回しながら降下し、集塵室6内に落下する。粉塵が除去された空気は、内円筒7の下端から吸い込まれ、排気口8から排出される。
また、図2は環状室2を外円筒4の軸方向に垂直な面で切断した断面図である。
吸気口3から通気口9外周に沿うように案内板10が備えられている。案内板10の長さは、内円筒7の中心と案内板10の両端とのなす角θG(°)で表される。
案内板10によって、吸気口3から流入した流入気流と環状室2内で生じた旋回流との衝突が緩和され、圧力損失を低減させることができる。また案内板10の長さを長くする(すなわちθGを大きくする)と、流路面積が小さくなって圧力損失が増大するものの、流速が増して集塵性能を高めることができる。案内板10は流入気流と旋回流との衝突を緩和し圧力損失を低減できれば、どのような形状でも構わないが、図2のように吸気口3から通気口9外周に向けて曲線として備えられることが、圧力損失低減の観点から好ましい。
図3は、螺旋半径の変化率α=6.5のとき、案内板の長さθGに対する集塵効率と圧力損失の関係を示すグラフである。また図4は、螺旋半径の変化率α=9.5のとき、案内板の長さθGに対する集塵効率と圧力損失の関係を示すグラフである。なお螺旋半径の変化率αとは、環状室2の外周が一定の割合で半径が変化する螺旋を描くとき、その螺旋半径の変化率を表す定数である。
案内板の長さθGを大きくしていくと集塵効率は一定だが、圧力損失は小さくなって極小値を迎え、その後急激に増大する。これは次のように考えられる。θGが極端に小さい、すなわち案内板が極端に短いと、流入気流と旋回流との衝突を緩和する効果が十分得られず、圧力損失を低減させることができない。一方、θGが大きすぎる、すなわち案内板が長すぎると、流路面積が小さくなって圧力損失の増大を招く。また旋回流は環状室2外周に沿って次第に降下していくため、空気の流れ方向に対して、流入気流と旋回流との衝突で生じる圧力損失は徐々に小さくなっていく。したがって案内板を長くしすぎても、圧力損失を低減させる効果は得られない。αの値によって多少異なるが、高い集塵性能と低い圧力損失とを両立するためには、θGは90°以下であることが好ましく、30〜60°がより好ましい。なお集塵効率を測定する際は、模擬粉塵としてJIS Z8901試験用粉体1の15種を使用した。
図5は図2の断面図を簡単に記した図である。
環状室2の外周は螺旋を描くようにその半径rが小さくなる形状であるから、環状室2内で空気が旋回するとき、空気は進行するにしたがって徐々に加速し、空気中の粉塵に加わる遠心力が大きくなって、空気と粉塵の分離が促進される。一方、螺旋の半径が小さくなると空気抵抗が大きくなり、圧力損失が増大する。例えば環状室2の吸気口3側から、空気の流れる方向に外周の半分までの半径がr=r0、残り半分がr=0.7×r0のように不連続的に半径が小さくなる螺旋形状の場合、その不連続点における急な流路変化が大きな空気抵抗となって、圧力損失が増大する。そこで環状室2の外周半径が吸気口3側から、空気の流れる方向に一定の割合で減少するような螺旋形状であれば、環状室2の外周壁と空気との間で生じる抵抗は外周方向全域で均一となって、圧力損失の増大を抑制することができる。螺旋半径の変化率を定数αとしたとき、図5中の半径rは、最大半径r0に対し、中心角θの関数としてr=r0×(1−θ×tan(−α×π/180))で表される。式中において、θは角度(ラジアン)、πは円周率である。
図6はαと集塵効率との関係を示すグラフである。αが5〜8のときに集塵効率が高く、α=6.5がより好ましい。αが5よりも小さいときは、吸気口3からの流入気流と環状室2で生じた旋回流とが合流する場所で乱流が発生するため、粉塵に対して十分な遠心力が与えられないと考えられる。逆にαが8よりも大きくなると、粉塵に与える遠心力が大きくなり、粉塵が環状室2を一周して、吸気口3から入ってくる空気中の粉塵と再び混合されてしまい、かえって集塵効率が悪くなると考えられる。
また環状室2の底面を、外円筒4の軸方向に垂直な面に対し、内側下方に向けて傾斜させても良い。これにより、環状室2から外円筒4へ向かって流れる空気が徐々に下方へ移動するため、空気の抵抗を抑えることができ、集塵装置の圧力損失を低減することができる。また環状室2の底面と外円筒4との接合部を曲面としても良い。これにより空気の抵抗をより抑えることができ、圧力損失の低減が期待できる。
図7は図1の集塵装置1を外円筒4の軸方向で切断した模式的断面図である。また、図8は外円筒直径d1と内円筒直径d2の比率d2/d1に対する集塵効率と圧力損失の関係を示すグラフである。d2/d1の値が大きくなると、集塵効率はわずかに低くなるがほぼ一定である。一方、圧力損失は急激に小さくなり、0.6以上でほぼ一定となる。d2/d1の値が小さい場合、外円筒4と内円筒7の間の空間が大きいため、円錐筒5へ降下していく空気が流れやすい反面、内円筒7に吸い込まれる際の抵抗が大きくなる。したがって、比率d2/d1が0.6以上であれば高い集塵性能と低い圧力損失とを両立することができる。ただしd2の値がd1の値に近づき過ぎると、円錐筒5へ向かう空気の抵抗が大きくなるため、比率d2/d1は0.9以下とするのが良い。
図9は、図7中の円錐筒5の斜度θCに対する集塵効率と圧力損失の関係を示すグラフである。θCが30°以上になると集塵効率も、圧力損失も悪化する傾向が見られる。その理由は明確でないが、急激に流路が狭まることによる弊害と考えられる。したがって円錐筒5の斜度θCは30°以下にするのが好ましい。
また内円筒7の下端に、下方に向かって外径が大きくなるフランジを備えても良い。これにより、外円筒4から円錐筒5へ降下する空気と内円筒7へ吸い上げられる空気との干渉を緩和することができる。
また集塵室6の内部に粘着性材料を備えても良い。これにより、集塵室6に入った細かい粉塵を捕捉し、内円筒7へ吸い上げられる空気の中に舞い戻ることを抑制することができる。
また集塵室6の内部に殺虫性材料を備えても良い。集塵装置1を、吸気口3が屋外に通じている状態で使用する場合、粉塵とともに小さな虫が捕らえられ、集塵室6に集められる。その際、虫が生きたままだと自力で内円筒7から集塵装置1外、例えば室内へと逃げ出す恐れがある。集塵室6の内部に殺虫性材料を備えることで、集塵室6に捕らえた虫を殺し、室内などへの侵入を防ぐことができる。
また集塵室6の内部に抗菌、防カビ加工を施しても良い。集塵室6に粉塵や虫の死骸などが堆積すると、カビなどが発生して不衛生になるおそれがある。集塵室6の内部に抗菌、防カビ加工を施すことで、カビなどの発生を遅らせ、不衛生になるのを防ぐことができる。
また集塵室6に堆積したごみを自動的に集塵装置1外へと排出する機構を備えても良い。集塵室6に粉塵や虫の死骸などが堆積すると、カビなどが発生して不衛生になるおそれがある。また粉塵などの堆積量が増えると、その一部が気流で舞い上がって飛散し、内円筒に吸い上げられるおそれがある。集塵室6に堆積したごみを自動的に集塵装置1外へと排出する機構を備えることで、集塵室6に大量のごみが堆積するのを防ぎ、粉塵の飛散や集塵室6内が不衛生になることを抑制することができる。
図10は、自動的にごみを排出する機構を備えた場合の集塵室6を、水平に切断した模式的断面図である。集塵室6の底面に接して集塵板11が備えられている。集塵板11は断面図ではS字を描く形状であり、その中央を回転可能となるように固定されている。また集塵室6の底面には開閉可能なごみ排出口12が備えられている。集塵板11は定期的に固定部を中心に回転し、集塵室6内に堆積した粉塵をかき集め、同時にごみ排出口12が開口して集塵装置1外へ排出する。ごみ排出口12は直接または配管などを経て屋外に通じていることが好ましい。
また内円筒7の下端から排気口8の間にフィルタを備えても良い。フィルタを備える位置は、内円筒7の下端から排気口8の間の任意の位置で構わない。フィルタとしては、例えば目の粗い編み目状のフィルタでも、HEPAフィルタなどの高性能フィルタでも構わない。これにより、集塵室6内に捕らえられなかった微細な粉塵や生きた虫などを捕集することができ、これらが排気口8から排出されて室内などに侵入することを防ぐことができる。
本発明の集塵装置は、建物の換気や空調のために屋外の空気を室内に取り入れる際、空気中の粉塵を捕集し、浄化して室内に給気するので有用である。また室内の空気を循環しながら使用するエアコンや空気清浄機にも適用することができる。
本発明の実施の形態1の集塵装置の斜視図 本発明の実施の形態1の環状室の断面図 本発明の実施の形態1の案内板の長さθGに対する集塵効率と圧力損失の関係を示すグラフ(α=6.5) 本発明の実施の形態1の案内板の長さθGに対する集塵効率と圧力損失の関係を示すグラフ(α=9.5) 本発明の実施の形態1の環状室の模式的断面図 本発明の実施の形態1の螺旋半径の変化率αと集塵効率との関係を示すグラフ 本発明の実施の形態1の集塵装置の模式的断面図 本発明の実施の形態1の外円筒直径と内円筒直径の比率d2/d1に対する集塵効率と圧力損失の関係を示すグラフ 本発明の実施の形態1の円錐筒の斜度θCに対する集塵効率と圧力損失の関係を示すグラフ 本発明の実施の形態1の集塵室の模式的断面図 従来の集塵装置を示す斜視図
符号の説明
1 集塵装置
2 環状室
3 吸気口
4 外円筒
5 円錐筒
6 集塵室
7 内円筒
8 排気口
9 通気口
10 案内板
11 集塵板
12 ごみ排出口
101 集塵装置
102 外円筒
103 吸気口
104 円錐筒
105 集塵室
106 内円筒
107 排気口

Claims (17)

  1. 環状室と前記環状室外周の接線方向に接続する吸気口、前記環状室の底面部に通気口、前記通気口に接続する外円筒、前記外円筒下方に接続する円錐筒、前記円錐筒の下方に集塵室、前記環状室の中央を外円筒の軸方向に突き抜ける内円筒、前記内円筒に接続する排気口を備えたサイクロン式集塵装置であって、前記環状室内部に前記吸気口からの風路を形成するように、前記吸気口から前記通気口に向けて案内板を備えたことを特徴とする集塵装置。
  2. 外円筒の軸方向に垂直な面で切断した環状室の断面図において、案内板が前記環状室と吸気口との交点から通気口外周に向けて、曲線として備えられたことを特徴とする請求項1に記載の集塵装置。
  3. 外円筒の軸方向に垂直な面で切断した環状室の断面図において、通気口の中心を原点とし、案内板の両端のなす角が90°以下であることを特徴とする請求項2に記載の集塵装置。
  4. 環状室の外周半径が連続的に減少して螺旋形状となっていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の集塵装置。
  5. 環状室の螺旋形外周の半径rが、変化率αと最大半径r0とを用いたr=r0×(1−θ×tan(−α×π/180))の式にしたがって減少していくことを特徴とする請求項4に記載の集塵装置。
  6. 変化率αが5〜8の範囲であることを特徴とする請求項5記載の集塵装置。
  7. 環状室の底面が、外円筒の軸方向に垂直な面に対し、内側下方に向けて傾斜していることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の集塵装置。
  8. 環状室の底面と外円筒との接合部が曲面であることを特徴とする請求項7に記載の集塵装置。
  9. 外円筒直径に対する内円筒直径の比率が0.6以上であることを特徴とする請求項1乃至8のいずれかに記載の集塵装置。
  10. 円錐筒の斜度が30°以下であることを特徴とする請求項1乃至9のいずれかに記載の集塵装置。
  11. 下方に向かって外径が大きくなるフランジを内円筒の下端に備えたことを特徴とする請求項1乃至10のいずれかに記載の集塵装置。
  12. 集塵室の内部に粘着性材料を備えたことを特徴とする請求項1乃至11のいずれかに記載の集塵装置。
  13. 集塵室の内部に殺虫性材料を備えたことを特徴とする請求項1乃至12のいずれかに記載の集塵装置。
  14. 集塵室の内部に抗菌、防カビ加工を施したことを特徴とする請求項1乃至13のいずれかに記載の集塵装置。
  15. 集塵室に堆積したごみを自動的に集塵装置外へと排出する機構を備えたことを特徴とする請求項1乃至14のいずれかに記載の集塵装置。
  16. 集塵室の内部に前記集塵室の底面に接した集塵板、前記集塵室の底面に開閉可能なごみ排出口を備え、前記集塵板は定期的に前記集塵室の底面上を移動して前記ごみ排出口近傍にごみを集め、前記ごみ排出口が開口してごみを装置外へと排出する機構を備えたことを特徴とする請求項15に記載の集塵装置。
  17. 内円筒の下端から排気口の間にフィルタを備えたことを特徴とする請求項1乃至16のいずれかに記載の集塵装置。
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