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KR20150121263A - 사이클론 장치 - Google Patents

사이클론 장치 Download PDF

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KR20150121263A
KR20150121263A KR1020157029918A KR20157029918A KR20150121263A KR 20150121263 A KR20150121263 A KR 20150121263A KR 1020157029918 A KR1020157029918 A KR 1020157029918A KR 20157029918 A KR20157029918 A KR 20157029918A KR 20150121263 A KR20150121263 A KR 20150121263A
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KR
South Korea
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airflow
powder
air flow
conical
Prior art date
Application number
KR1020157029918A
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Inventor
야스히로 도다
Original Assignee
가부시키가이샤 시즈오카프란토
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Publication date
Application filed by 가부시키가이샤 시즈오카프란토 filed Critical 가부시키가이샤 시즈오카프란토
Publication of KR20150121263A publication Critical patent/KR20150121263A/ko
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Abstract

본 발명은, 서브미크론 사이즈의 미분체의 분리포집효율을 높일 수 있는 사이클론 장치를 제공한다.
기류 중에 혼합된 분체를 선회기류로부터 분리하여 포집하는 사이클론 장치로서, 분체혼합기류를 접선방향으로부터 유입하는 기류유입부(14)를 구비하고 하방으로 점차 직경이 커지는 기류유입 섹션(12)과, 이 기류유입 섹션(12)의 하단에 접속되고 하방으로 점차 직경이 작아지는 역원추 모양의 코니컬 섹션(13)을 설치한 것을 특징으로 하는 사이클론 장치.

Description

사이클론 장치{CYCLONE DEVICE}
본 발명은, 기류(氣流) 중의 미분체(微粉體)를 높은 포집율(捕集率)로 포집할 수 있는 사이클론 장치(cyclone 裝置)에 관한 것이다.
기류 중의 분체를 분급(分級)하는 장치로서 종래부터 사용되는 사이클론 장치(20)는, 도9에 나타내는 바와 같이 원통 모양의 상부구조(사이클론 보디(cyclone body)(21))와 역원추(逆圓錐) 모양의 하부구조(코니컬 섹션(conical section)(22))를 구비하는 접선입구식(接線入口式) 사이클론 장치가 알려져 있다.
이 사이클론 장치에 있어서는, 분체가 섞인 기류가, 기류유입부(氣流流入部)(23)로부터 사이클론 보디(21)의 접선방향으로 소용돌이를 그리도록 하여 유입된다. 그리고 기류 중에 섞인 분체는, 원심력에 의하여 기류 중에서 분리되어 사이클론 보디(21)의 내벽면에 충돌하여 속도가 저하된다.
그 후에 사이클론 보디(21)의 내벽면에 충돌하여 감속(減速)된 분체는, 사이클론 보디(21)의 하단(下端)에 접속되는 역원추 모양의 코니컬 섹션(22)의 내벽면을 따라 중력에 의하여 낙하되고, 코니컬 섹션(22)의 하방부의 분체포집부(粉體捕集部)(24)에 낙하되어 포집된다.
한편 기류는 사이클론 보디(21)에 있어서 중심의 기류배출부(氣流排出部)(25)로부터 외부로 배출되도록 되어 있다.
이러한 사이클론 장치의 개량기술에 관련하여, 예를 들면 특허문헌1(일본국 특허공보 특공평7-22722호 공보)에는 사이클론의 본체를 구형(球形) 모양으로 형성한 구형 사이클론(球形 cyclone)이 기재되어 있다. 또한 특허문헌2(일본국 특허 제09537호 공보)에는 구형 내면을 따라 소용돌이 모양으로 액체를 회전시켜서 통과시킴으로써 현탁·분산액(懸濁·分散液)으로부터 고체입자를 분리시키는 고액분리방법(固液分離方法)이 기재되어 있다.
: 일본국 특허공보 특공평7-22722호 공보 : 일본국 특허2609537호 공보
그러나 도9에 나타내는 바와 같은 종래의 접선입구식 사이클론 장치(20)는, 사이클론 보디(21)에 있어서 기류유입부(23) 부근의 기류의 각속도(角速度)를 빠르게 하여 기류 중에 섞인 분체를 원심력에 의하여 분리함과 아울러, 사이클론 보디(21)의 내벽면에 충돌시켜서 속도를 저하시킴으로써 하부의 역원추 모양의 코니컬 섹션(22)에 의하여 포집하고 있지만, 그 포집하는 분체의 입경(粒徑)은 주로 1μm 이상이며, 이러한 서브미크론 사이즈(submicron size)의 미분체의 포집에는 별도의 백필터(bag filter)와 같은 필터를 설치하여 포집하고 있었다.
또한 상기 특허문헌1이나 특허문헌2에 기재된 사이클론 기술은, 사이클론 보디를 구형화 함으로써 장치 자체를 콤팩트(compact) 하게 하는 것이지만, 분체의 포집위치와 기류의 배출위치가 근접하기 때문에 분리포집한 분체와 기류가 분체포집위치에서 혼재하기 쉽게 되어, 서브미크론 사이즈의 미분체의 분리포집효율을 높이는 것에는 한계가 있었다.
본 발명은, 상기 종래의 문제점을 고려하여 백필터 등을 사용하지 않고 서브미크론 사이즈의 미분체의 포집효율을 높일 수 있는 사이클론 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 사이클론 장치는,
기류 중에 혼합된 분체를 선회기류로부터 분리하여 포집하는 사이클론 장치로서,
분체혼합기류를 접선방향으로부터 유입하는 기류유입부를 구비하고 하방으로 점차 직경이 커지는 기류유입 섹션과,
이 기류유입 섹션의 하단에 접속하고 하방으로 점차 직경이 작아지는 역원추 모양의 코니컬 섹션을 설치한 것을 특징으로 한다.
상기 「기류유입 섹션」은, 하방으로 점차 직경이 커지는 내부구조를 구비하고 있으면, 그 구체적인 구성은 특별하게 한정되는 것이 아니며 예를 들면 반구 모양의 내부구조를 구비하는 구성이나 원추 모양의 내부구조를 구비하는 구성 등이 채용될 수 있다.
그 때에 반구 모양의 내부구조를 구비하는 구성의 태양으로서는, 기류유입 섹션의 내벽면 전체가 구면 형상을 구비하는 구성이나, 기류유입 섹션의 내벽면의 상부가 구면 이외(예를 들면 평면 등)의 형상을 구비하는 구성 등이 채용될 수 있다.
본 발명의 사이클론 장치는, 기류 중에 혼합된 분체를 선회기류 중에서 분리하여 포집하는 사이클론 장치로서, 분체혼합기류를 접선방향으로부터 유입하는 기류유입부를 구비하고 하방으로 점차 직경이 커지는 기류유입 섹션과, 이 반구 모양의 기류유입 섹션의 하단에 접속되고 하방으로 점차 직경이 작아지는 역원추 모양의 코니컬 섹션을 설치하고 있기 때문에, 기류 중에 혼합된 서브미크론 사이즈의 미분체의 분리포집을 가능하게 함과 아울러 분체포집효율을 비약적으로 높일 수 있다.
즉 종래의 접선입구식 사이클론 장치에서는, 분체가 섞인 기류를 기류유입 섹션의 접선방향으로부터 소용돌이를 그리도록 유입하고, 기류 중에 섞인 분체를, 원심력에 의하여 기류로부터 분리하여 기류유입 섹션의 내벽면에 충돌시켜서 속도를 저하시키고, 분체를 중력에 의하여 기류유입 섹션의 하방(분체포집부)으로 낙하시킴으로써 포집하고 있지만, 본 발명의 사이클론 장치에 있어서는, 기류유입 섹션의 기류유입부에서 그 접선방향으로부터 유입된 분체를 혼합한 기류는, 기류유입 섹션이 하방으로 점차 직경이 커지는 것과 같은 내부구조로 되어 있기 때문에, 기류 중의 분체는 원심력에 의하여 분리되는 한편, 기류는 기류유입 섹션 내에 유입된 순간에 그 선회류의 각속도가 급속하게 저하된다.
그 때문에 기류 중에서 분리된 분체는 기류유입 섹션 내에 있어서 낙하되기 쉬워서, 그 후의 역원추 모양의 코니컬 섹션에서 각속도를 올려서 테이퍼 모양의 내벽면에 충돌하여 포집효율이 향상된다.
이와 같이 종래 방식보다 사이클론 장치 내에서의 기류의 각속도의 차이를 크게 함으로써 서브미크론 사이즈의 미분체의 포집효율을 올릴 수 있다.
상기 구성에 있어서, 기류유입 섹션의 높이(Ha) < 역원추 모양의 코니컬 섹션의 높이(Hb)의 범위로 설정하면, 코니컬 섹션에 있어서 소용돌이 모양으로 하강하는 기류의 속도를 과도하게 증대시키지 않도록 할 수 있고, 이에 따라 서브미크론 사이즈의 미분체를 기류에 실어서 분체포집 섹션(포집상자)까지 운반할 수 있게 된다. 또한 코니컬 섹션에서의 상승기류의 속도도 과도하게 크게는 되지 않기 때문에, 서브미크론 사이즈의 미분체가 상측으로 올라가기 어렵게 할 수 있다. 또한 코니컬 섹션을 상승하는 기류 중에 서브미크론 사이즈의 미분체가 잔류하고 있더라도, 그 주위에 있어서 소용돌이 모양으로 하강하는 기류에 의하여 서브미크론 사이즈의 미분체를 하방으로 되돌려서 분체포집 섹션까지 운반할 수 있게 된다.
도1은, 본 발명의 제1실시예에 관한 사이클론 장치의 정면도이다.
도2는, 상기 제1실시예의 사이클론 장치의 평면도이다.
도3은, 상기 제1실시예의 사이클론 장치의 변형예를 나타내는 정면도이다.
도4는, 종래의 접선입구식 사이클론 장치에 의하여 포집된 분체의 입도분포를 나타내는 그래프이다.
도5는, 상기 제1실시예의 사이클론 장치에 의하여 포집된 분체의 입도분포를 나타내는 그래프이다.
도6은, 본 발명의 제2실시예에 관한 사이클론 장치의 정면 단면도이다.
도7은, 상기 제2실시예의 사이클론 장치의 평면도이다.
도8은, 상기 제2실시예의 사이클론 장치에 있어서 분체를 포함하는 기류가 장치 내를 흐르는 모양을 나타내는, 도6과 마찬가지의 도면이다.
도9는, 종래의 접선입구식 사이클론 장치의 구조를 나타내는 개략적인 설명도이다.
본 실시형태에 관한 사이클론 장치(cyclone 裝置)는, 기류(氣流) 중에 혼합된 분체(粉體)를 선회기류(旋回氣流)로부터 분리하여 포집(捕集)하는 사이클론 장치로서, 분체혼합기류를 접선방향으로부터 유입하는 기류유입부(氣流流入部)를 구비하고 하방으로 점차 직경이 커지는 반구(半球) 모양의 기류유입 섹션(氣流流入 section)과, 이 반구 모양의 기류유입 섹션의 하단(下端)에 접속되고 하방으로 점차 직경이 작아지는 역원추(逆圓錐) 모양의 코니컬 섹션(conical section)을 설치하여 구성되어 있다.
이에 따라 종래의 접선입구식(接線入口式) 사이클론 장치에 의하여 포집하는 분체의 한계입경(限界粒徑)이 1μm 이상으로 되어 있었지만, 본 발명의 사이클론 장치에서는 서브미크론 사이즈(submicron size)의 미분체(微粉體)의 포집도 가능하게 하였다.
본 실시형태에 관한 사이클론 장치에 있어서 상부구조의 기류유입 섹션은, 분체를 혼합한 기류를 기류유입부로부터 유입하여 그 내벽면을 따라 접선방향으로 선회시키는 부위로서, 코니컬 섹션의 상단(上端)에 접속되고, 반구 모양으로 돌출되어 공기를 엎어 놓은 것과 같은 구조를 나타내고 있다.
또 기류유입 섹션은, 하측방향이 점차 직경이 커지는 상태의 내부구조로 되어 있으면 좋고, 반구 모양의 구조 이외에 원추 모양(직선 모양의 테이퍼(taper)를 구비함)의 구조이더라도 좋다(도3을 참조).
이와 같이 기류유입 섹션을 하방으로 점차 직경이 커진 상태(하방이 넓어짐)로 함으로써, 급격하게 유입되는 기류의 각속도를 일단 저하시킬 수 있어, 1μm 이하의 입경의 미분체이더라도 분리포집할 수 있도록 하였다(후술하는 도4, 도5를 참조).
본 실시형태의 사이클론 장치에 있어서 하부구조의 코니컬 섹션은, 기류유입 섹션의 하단에 접속되고 역원추 모양(하방으로 점차 직경이 작아짐)의 형상을 이루는 부위로서, 선회기류에 혼합된 분체를 원심분리함과 아울러 역원추 모양의 내벽면에 충돌시켜서 낙하시킴으로써 서브미크론 사이즈의 미분체를 기류 중에서 분리포집하도록 되어 있다.
또한 본 실시형태의 사이클론 장치에 있어서는, 기류유입 섹션의 높이(Ha)와 코니컬 섹션의 높이(Hb)를 Ha < Hb의 범위로 설정할 수 있다.
이에 따라 기류 중에 포함되는 서브미크론 사이즈의 미분체 혹은 미크론 단위의 분체를 더 효율적으로 분리포집할 수 있다.
여기에서 기류유입 섹션의 높이(Ha) ≥ 코니컬 섹션의 높이(Hb)이면, 기류유입 섹션의 내벽면을 따라 접선모양으로 유입되는 분체를 포함하는 기류를 충분한 각속도를 구비한 선회상태로 하기 위한 코니컬 섹션의 스페이스(space)가 상대적으로 작아지기 때문에 분리효율이 극단적으로 저하되는 경향이 발생한다.
또한 기류유입 섹션과 코니컬 섹션의 각각의 높이의 비율(Ha/Hb)은, 1/10∼1/5의 범위로 설정하는 것이 더 바람직하다. 높이의 비율(Ha/Hb)이 1/10보다 작아지게 되면, 코니컬 섹션이 길어지기 때문에 분체를 포함하는 기류가 분체포집 섹션(粉體捕集 section)까지 도달하지 않게 되어 분리효율이 저하된다.
반대로 비율(Ha/Hb)이 1/5보다 커지게 되면, 기류유입부와 포집분체의 포집위치가 근접하기 때문에 기류가 지나치게 빨라지게 되어 분체포집 섹션이나 포집상자 중의 분체를 감아 올려버려서, 분리효율이 저하되는 경향이 발생한다.
또 실시형태에 있어서, 기류유입 섹션과 코니컬 섹션이 접속되는 부분의 내경을 200∼250mm로 하고, 기류유입 섹션의 높이(Ha)를 70∼100mm로 하고, 코니컬 섹션의 높이(Hb)를 200∼1000mm의 범위로 함과 아울러, 기류유입 섹션의 높이(Ha) < 코니컬 섹션의 높이(Hb)로 하였다.
실시예
<제1실시예>
이하, 본 발명의 제1실시예에 관한 사이클론 장치에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다.
도1 및 도2에 나타내는 바와 같이 본 실시예의 사이클론 장치(10)는, 상부구조의 기류유입 섹션(12)과, 하부구조의 코니컬 섹션(13)으로 구성되어 있다.
기류유입 섹션(12)은 하방으로 점차 직경이 커진 반구 모양의 내부구조를 나타내고 있고, 분체를 포함하는 기류가, 기류유입 섹션(12)의 일단(一端)에 설치된 기류유입부(14)로부터 기류유입 섹션(12)의 접선방향으로 유입되어, 그 내벽면을 따라 선회기류를 생성하도록 되어 있다.
하부구조의 코니컬 섹션(13)은, 이 반구 모양의 기류유입 섹션(12)의 하단에 접속되고 하방으로 점차 직경이 작아지는 테이퍼 모양의 역원추 모양의 내부구조를 나타내고 있어, 상부구조의 기류유입 섹션(12) 내에서 감속시킨 기류의 각속도를 증속(增速)시키도록 되어 있다.
또한 기류유입 섹션(12)의 중심위치에는, 기류배출부(15)가 상하방향으로 관통하여 설치되어 있어 분체의 분리를 끝낸 기류를 외부로 배출시키도록 되어 있다.
또 하부구조의 코니컬 섹션(13)의 하단에는, 분리된 분체를 포집하는 분체포집 섹션(16)이 설치되어 있다.
본 실시예에 있어서, 반구 모양의 기류유입 섹션(12)과 코니컬 섹션(13)의 접속부의 내경을 215mm로 하고, 높이(Ha)는 85mm로 하고, 코니컬 섹션(13)의 높이(Hb)는 515mm로 하였다. 즉 기류유입 섹션(12)과 코니컬 섹션(13)의 높이의 비율(Ha/Hb)을 1/6로 설정하고, 소정의 테이퍼가 코니컬 섹션(13)에 형성되도록 하였다. 또 분체포집 섹션(16)의 구경(口徑)을 약 50mm로 하였다.
기류유입부(14)로부터 기류유입 섹션(12) 내로 유입된 분체를 포함하는 기류는 기류유입 섹션(12)의 내벽면을 따라 선회기류를 형성하고, 이 사이에, 기류 중의 분체에 원심력이 작용하여 분체는 기류유입 섹션(12)의 내벽면에 충돌함으로써 기류 중에서 분리된다.
선회기류는, 기류유입 섹션(12)이 하방으로 점차 직경이 커진 내부구조로 되어 있기 때문에 기류유입 섹션(12) 내에 있어서 기류의 각속도는 저하된다.
이 때문에 기류유입 섹션(12) 내에 있어서 기류 중에서 분리된 분체는, 각속도가 저하된 기류 중을 낙하하기 쉬워지게 되어, 기류유입 섹션(12)의 하단에 접속된 역원추 모양의 코니컬 섹션(13)의 테이퍼 내벽면을 따라 하강하여, 분체포집 섹션(16)에 포집되게 된다.
한편 분체를 분리한 기류는, 코니컬 섹션(13)의 하부에서 선회류 지름이 작아짐과 아울러 코니컬 섹션(13)의 중앙부에 있어서 상승기류로 되어, 기류유입 섹션(12)의 상방 중심부에 설치된 기류배출부(15)로부터 외부로 배출되도록 되어 있다.
본 실시예에 있어서의 사이클론 장치의 분체포집효과를 검증하기 위하여 실시한 종래장치와의 비교시험의 결과를 이하에 나타낸다. 도4 및 도5는, 이 비교시험에 있어서 포집된 분체의 입도분포를 나타내는 그래프이다.
시험조건
(a)날씨 : 흐림
(b)기온 : 14℃
(c)습도 : 56.0%
(d)시험원료 : 카본(carbon)
(e)시험기 : 사이클론 밀(cyclone mill) 150BMS형
(f)분쇄기 모터 회전수 : 15,000rpm
(g)분체포집용 블로워(blower) 주파수 : 50hz
(h)유입기 스크루 주파수 : 50hz
(i)원료투입량 : 500g
시험결과
(A)포집율의 비교
장치A(종래형 사이클론 장치) : 포집율 81.3%
장치B(본 실시예의 사이클론 장치) : 포집율 94.0%
카본 투입량을 500g으로 하는 동일한 조건하에서, 사이클론 장치에 있어서 상부구조의 사이클론 보디(cyclone body)(본 실시예의 기류유입 섹션)의 형상과 지름, 길이를 변경함으로써 포집율의 변화를 측정하였다.
도1에 나타내는 본 실시예의 사이클론 장치의 포집율은, 종래형 사이클론 장치의 포집율보다 1.16배 높아지는 것을 알 수 있다.
(B)입도분포의 비교
도4 및 도5는, 종래형 사이클론 장치 및 본 실시예의 사이클론 장치에 의하여 각각 포집된 미분체의 입도분포를 나타내는 그래프이다. 동일조건하에서 입도분포의 변화를 측정하였다.
본 실시예의 사이클론 장치는, 종래형 사이클론 장치가 포집할 수 없었던 입경이 1.060μm 미만에서부터 입경이 0.630μm 이상인 분체를 포집할 수 있었다.
따라서 본 실시예의 사이클론 장치에 의하여 포집한 분체의 입경의 피크(peak)인 평균입경(D50)은, 종래형 사이클론 장치에 의하여 포집한 분체의 입경의 피크인 평균입경보다 1.66μm 작은 것을 알 수 있다.
또한 본 실시예의 사이클론 장치에 의하여 포집된 분체의 입경은, 누적값이 10%(D10)에서도 종래형 사이클론 장치보다 0.85μm 작고, 누적값이 90%(D90)에서도 종래형 사이클론 장치보다 6.3μm 작은 것이 명백하다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예의 사이클론 장치(10)는, 백필터(bag filter) 등을 사용하지 않고 서브미크론 사이즈(submicron size)의 미분체의 분리포집효율을 높일 수 있다.
이와 같이 분리포집효율이 좋아지는 것은 이하의 이유에 의한 것으로 추정된다.
즉 기류유입 섹션(12)이 하방으로 점차 직경이 커지는 내부구조를 구비하고 있기 때문에, 기류유입 섹션(12)의 접선방향으로 들어온 기류는, 반구 중을 도는 사이에 각속도가 떨어진다. 그리고 하부구조의 코니컬 섹션(13)은 하방으로 점차 직경이 작아지는 구조이기 때문에 회전지름이 작아지게 되어 각속도가 상승한다.
이와 같이 각속도의 차이를 크게 함으로써 서브미크론 사이즈의 미분체가 원심작용에 의하여 기류로부터 분리되기 쉬워져서 포집되기 쉬워진다.
또한 사이클론 장치(10)에서는, 백필터에 기인하는 이물질 혼입의 우려가 없어 백필터에서 발생하는 막힘도 발생하지 않기 때문에, 유지보수가 용이하여 장시간의 연속운전이 가능하다.
또한 원통 모양의 상부에서 선회류를 형성시켜서 분체를 원심분리시키는 종래형의 사이클론 장치에서는, 압력손실이 크기 때문에 풍량(風量)이 큰 블로워 등이 필요하다.
그러나 본 실시예의 사이클론 장치(10)는, 원통 모양의 것에 비하여 컴팩트화가 가능하고 또한 압력손실이 작아서, 풍량이 작은 블로워 등에 의하여 장치를 구동시킬 수 있어 에너지 절약성이 우수하다.
본 실시예의 사이클론 장치(10)는, 그 기류유입 섹션(12)이 상부에 평면부를 구비하는 반구 모양의 내부구조를 구비하는 구성으로 되어 있지만, 그 변형예로서 도3에 나타내는 바와 같이 그 기류유입 섹션(12)이 상부에 평면부를 구비하는 원추 모양의 내부구조를 구비하는 구성으로 할 수도 있다.
<제2실시예>
다음에 본 발명의 제2실시예에 대하여 설명한다.
도6은 본 실시예에 관한 사이클론 장치(110)를 나타내는 정면 단면도이고, 도7은 그 평면도이다.
이들 도면에 나타내는 바와 같이 본 실시예의 사이클론 장치(110)는, 하방으로 점차 직경이 커지는 반구 모양의 기류유입 섹션(112)과, 이 기류유입 섹션의 하단에 접속되고 하방으로 점차 직경이 작아지는 역원추 모양의 코니컬 섹션(113)과, 이 코니컬 섹션(113)의 하단부에 접속된 분체포집 섹션(116)을 구비하고 있다.
본 실시예에 있어서도 기류유입 섹션(112)에는, 분체를 포함하는 기류를 장치 내로 유입하기 위한 기류유입부(114)와, 분체의 분리를 끝낸 기류를 외부로 배출하기 위한 기류배출부(115)가 설치되어 있다. 이들의 구체적인 구성에 대해서는 후술한다.
기류유입 섹션(112)은, 내벽면의 전역(全域)이 구면(球面)을 따라 반구 모양으로 형성된 구면부(球面部)(112A)와, 이 구면부(112A)의 상단위치(평면에서 볼 때에는 구면부(112A)의 중심위치)에 있어서 상방을 향하여 개구되는 통모양 개구부(112B)와, 구면부(112A)의 하단위치(평면에서 볼 때에는 외주 가장자리의 위치)에 있어서 수평으로 연장되는 외주 플랜지부(外周 flange部)(112C)로 이루어지도록 되어 있다.
이와 같이 구면부(112A)의 상단위치에 통모양 개구부(112B)가 형성되어 있도록 함으로써, 기류유입 섹션(112)의 높이(정확하게는 구면부(112A)의 내벽면의 높이)(Ha)는 그 하단위치의 내경(D1)의 반 정도보다 약간 작은 값으로 되어 있다.
코니컬 섹션(113)은, 역원추 모양으로 형성된 통모양의 본체부(113A)와, 이 본체부(113A)의 상하 양단에 있어서 각각 수평으로 연장되는 상단 플랜지부(113B) 및 하단 플랜지부(113C)로 이루어지도록 되어 있다.
코니컬 섹션의 높이(Hb)는, 기류유입 섹션의 높이(Ha)의 2배 이상의 값(즉 Ha/Hb ≤ 1/2)(더 바람직하게는 Ha/Hb ≤ 1/3)으로 설정되어 있다. 구체적으로는 Ha/Hb = 1/6 정도의 값으로 설정되어 있다.
이 코니컬 섹션(113)의 상단위치의 내경은, 기류유입 섹션(112)의 구면부(112A)의 하단위치의 내경(D1)과 동일한 값으로 설정되어 있다. 또한 이 코니컬 섹션(113)의 하단위치의 내경(D2)은, 그 상단위치의 내경(D1)에 대하여 D2 = 1/6×D1∼1/4×D1 정도의 값으로 설정되어 있다.
이 코니컬 섹션(113)은 기류유입 섹션(112)에 고정되어 있지만, 이 고정은 링모양 고정구(120)의 착탈(着脫)에 의하여 분리할 수 있는 태양으로 이루어져 있다.
이 링모양 고정구(120)는, 도7에 나타내는 바와 같이 1쌍의 반할 링(半割 ring)(120A, 120B)이 핀(120C)을 중심으로 하여 상대회전할 수 있도록 구성되어 있다. 그리고 이 링모양 고정구(120)는, 기류유입 섹션(112)의 외주 플랜지부(112C)와 코니컬 섹션(113)의 상단 플랜지부(113B)를 서로 상하로 포갠 상태에서, 그 외주측으로부터 1쌍의 반할 링(120A, 120B)을 이들에 삽입하고 버클(buckle)(120D)을 체결함으로써 그 장착이 이루어지도록 구성되어 있다.
분체포집 섹션(116)은 원통 모양의 밀폐용기로서 구성되어 있고, 그 상면의 중심위치에는 원형의 개구부(116a)가 형성되어 있다. 이 개구부(116a)의 내경은, 코니컬 섹션(113)의 하단위치의 내경(D2)과 동일한 값으로 설정되어 있다.
이 분체포집 섹션(116)의 내경(D3)은, 기류유입 섹션(112)에 있어서 구면부(112A)의 하단위치의 내경(D1)보다 큰 값으로 설정되어 있다. 구체적으로는 D3/D1 = 1.2∼2 정도의 범위 내의 값으로 설정되어 있다.
이 분체포집 섹션(116)은, 그 개구부(116a)의 외주 가장자리부에 있어서 코니컬 섹션(113)의 하단 플랜지부(113C)에 고정되어 있다. 이 고정은 예를 들면 용접이나 볼트체결 등에 의하여 이루어져 있다.
다음에 기류유입부(114) 및 기류배출부(115)의 구성에 대하여 설명한다. 기류유입부(114)는 원통 모양으로 형성되어 있고, 평면에서 볼 때에 있어서 기류유입 섹션(112)의 중심위치로부터 벗어난 위치에서 접선방향으로 수평하게 연장되어 있다. 그리고 이 기류유입부(114)는 그 일단부(一端部)에서 기류유입 섹션(112)의 구면부(112A)에 고정되어 있다. 이 고정은 예를 들면 용접이나 볼트체결 등에 의하여 이루어져 있다. 기류유입 섹션(112)의 구면부(112A)에는, 기류유입부(114)와 연결되는 개구부(112Aa)가 형성되어 있다. 한편 기류배출부(115)는 원통 모양으로 형성되어 있고, 기류유입 섹션(112)을 그 중심위치에 있어서 상하방향으로 관통하고 있다. 그 때에 이 기류배출부(115)는, 기류유입 섹션(112)의 통모양 개구부(112B)에 삽입된 상태에서 그 상단부에 있어서 통모양 개구부(112B)에 고정되어 있다. 이 고정은 예를 들면 용접이나 볼트체결 등에 의하여 이루어져 있다.
본 실시예의 사이클론 장치(110)에 있어서 기류유입부(114)는, 분체혼합기류를 기류유입 섹션(112)에 대하여 기류배출부(115)의 외주면을 따라 유입하는 위치에 형성되어 있다.
즉 이 기류유입부(114)는, 그 내주면의 가상연장면(假想延長面)이 기류배출부(115)의 외주면과 점접촉(點接觸)하는 것과 같은 위치관계 또는 이것에 가까운 위치관계로 배치되어 있다. 기류유입부(114)가 이와 같은 위치관계로 배치되어 있도록 함으로써, 기류유입 섹션(112)의 개구부(112Aa)는 그 구면부(112A)의 상단부에 위치하게 된다.
이 기류유입부(114)의 내경(D4)은, 기류유입 섹션의 하단위치의 내경(D1)에 대하여 1/5 이하의 값으로 설정되어 있다. 구체적으로는 D4/D1 = 1/7∼1/5 정도의 범위 내의 값(예를 들면 D4/D1 = 1/6 정도의 값)으로 설정되어 있다.
기류배출부(115)는, 그 하단위치가 기류유입 섹션(112)의 하단위치보다 하방측이고 또한 코니컬 섹션(113)의 상하방향 중심위치보다 상방측의 위치에 설정되어 있다. 즉 이 기류배출부(115)의 하단위치에서부터 기류유입 섹션(112)의 하단위치까지의 높이(Hc)는, 코니컬 섹션의 높이(Hb)에 대하여 Hc < 1/2×Hb(더 바람직하게는 Hc < 1/4×Hb)의 값(예를 들면 Hc = 1/7×Hb 정도의 값)으로 설정되어 있다.
또한 이 기류배출부(115)의 내경(D5)은, 기류유입부(114)의 내경(D4)에 대하여 D5 ≥ D4로 설정되어 있다. 구체적으로는 D5/D4 = 1∼1.5 정도의 범위 내의 값으로 설정되어 있다.
도8은, 본 실시예의 사이클론 장치(110)에 있어서 분체혼합기류(즉 분체를 포함하는 기류)가 장치 내를 흐르는 모양을 나타내는, 도6과 마찬가지의 도면이다.
동(同) 도면에 있어서, 굵은 선으로 나타내는 화살표가 붙은 곡선(A)은 분체혼합기류의 전형적인 흐름의 상태를 나타내고 있다. 또한 이 곡선(A)을 따라 직렬모양으로 배치된 복수의 화살표(B)는 분체혼합기류의 유속(流速)을 나타내고 있고, 긴 화살표 등은 유속이 큰 것을 나타내고 있다.
동 도면에 나타내는 바와 같이 본 실시예에 있어서도, 기류유입부(114)로부터 기류유입 섹션(112)에 대하여 접선방향으로 유입된 분체혼합기류는, 그 구면부(112A)의 내벽면을 따라 선회하는 기류로 된다.
그 때에 구면부(112A)는 그 내벽면의 전역이 구면을 따라 반구 모양으로 형성되어 있고, 그 상단부에 형성된 개구부(112Aa)로부터 분체혼합기류가 유입되기 때문에, 이 분체혼합기류는 구면부(112A)의 내벽면을 따라 매끄러운 모양으로 선회하면서 그 방향을 하측을 향하여 크게 변화시키게 된다. 또한 이 분체혼합기류는, 구면부(112A)의 내부에 있어서 그 선회반경이 급격하게 증대되기 때문에 그 유속은 급격하게 감소되어, 구면부(112A)의 하단위치에 도달한 시점에서는 상당히 완만한 흐름으로 되고, 이 상태에서 코니컬 섹션(113)으로 이행하게 된다. 이 때문에 기류 중에 포함되어 있는 분체가 예를 들어 서브미크론 사이즈의 미분체이더라도 기류 중에서 용이하게 분리되어, 코니컬 섹션(113)의 본체부(113A)의 내벽면을 따라 낙하하게 된다.
코니컬 섹션(113)의 내부로 이행한 직후의 기류는 하측을 향하여 상당히 완만하게 선회하는 소용돌이 상태의 흐름으로 되어 있지만, 이 코니컬 섹션(113)의 본체부(113A)는 역원추 모양으로 형성되어 있기 때문에 이 본체부(113A)의 내부를 하강함에 따라 선회반경이 서서히 감소하고, 이에 따라 유속이 서서히 증대된다. 이 때문에 이 소용돌이 상태의 기류는, 그 하단위치에 도달한 시점에서는 어느 정도 빠른 흐름으로 된다.
그리고 이 소용돌이 상태의 기류는, 본체부(113A)의 내벽면을 따라 낙하하는 분체와 함께 어느 정도 빠른 흐름인 상태에서 분체포집 섹션(116)으로 유입된다. 그 때에 이 분체포집 섹션(116)의 내경은 그 개구부(116a)의 내경에 비하여 상당히 크기 때문에, 소용돌이 상태의 기류는 개구부(116a)를 통과한 직후에 그 유속이 급격하게 감소된다. 이 때문에 분체포집 섹션(116)으로 유입된 기류에 포함되는 서브미크론 사이즈의 미분체가 분리되어, 그 내부에 체류하기 쉬워지게 된다.
한편 분체포집 섹션(116)으로 유입되어 서브미크론 사이즈의 미분체를 분리한 기류는, 그 개구부(116a)를 통하여 코니컬 섹션(113)으로 되돌아간다. 그 때에 코니컬 섹션(113)으로부터 분체포집 섹션(116)으로 유입되는 소용돌이 상태의 기류는 이 개구부(116a)에 있어서 외주 가장자리 부근의 고리모양 영역을 통과하기 때문에, 코니컬 섹션(113)으로 되돌아가는 상측을 향하는 기류는 개구부(116a)의 중심영역을 통과한다.
그리고 이 코니컬 섹션(113)으로 되돌아간 상측을 향하는 기류는, 그 본체부(113A)의 내벽면을 따라 하측을 향하여 흐르는 소용돌이 상태의 기류의 중심을 상승하여, 기류배출부(115)를 통하여 장치의 외부로 배출된다.
다음에 본 실시예의 작용효과에 대하여 설명한다. 본 실시예의 사이클론 장치(110)는, 그 기류유입 섹션(112)의 구면부(112A)에 있어서의 내벽면의 전역이 구면을 따라 반구 모양으로 형성되어 있고, 이 구면부(112A)의 개구부(112Aa)로부터 분체혼합기류가 기류배출부(115)의 외주면을 따라 유입되는 구성으로 되어 있기 때문에, 기류배출부(115)에 대한 충돌에 의하여 분체혼합기류의 방향이 변경되어 버리는 것을 미연에 방지한 후에, 구면부(112A)의 가장 내주측이고 또한 가장 상방측에서 분체혼합기류를 유입할 수 있다.
따라서 구면부(112A)의 내부에 있어서 분체혼합기류의 유속을 급격하게 감소시킬 수 있고, 이에 따라 기류 중에 포함되어 있는 분체가 예를 들어 서브미크론 사이즈의 미분체이더라도 용이하게 이것을 분리할 수 있다.
또 본 실시예에 있어서는 기류유입 섹션(112)과 코니컬 섹션(113)의 높이의 비(Ha/Hb)가 Ha/Hb ≤ 1/2로 설정되어 있기 때문에, 코니컬 섹션(113)에 있어서 소용돌이 상태로 하강하는 기류의 속도를 과도하게 증대시키지 않도록 할 수 있다. 따라서 서브미크론 사이즈의 미분체를 기류에 실어서 분체포집 섹션(116)까지 운반할 수 있다. 또한 코니컬 섹션(113)에서의 상승기류의 속도도 과도하게 크게는 되지 않기 때문에, 서브미크론 사이즈의 미분체가 상방으로 올라가기 어렵게 할 수 있다. 또한 코니컬 섹션(113)을 상승하는 기류 중에 서브미크론 사이즈의 미분체가 잔류하고 있더라도, 그 주위에 있어서 소용돌이 상태로 하강하는 기류에 의하여 서브미크론 사이즈의 미분체를 하방으로 되돌려서 분체포집 섹션(116)까지 운반할 수 있다.
이러한 효과는 분체의 종류에 관계없이 얻는 것이 가능하며, 그 때에 Ha/Hb ≤ 1/3로 하는 것이 더 효과적이다. 또 분체가 카본인 경우에는 Ha/Hb = 1/10∼1/5로 하는 것이 더한층 효과적이고, 분체가 다도(茶道)용의 숯인 경우에는 Ha/Hb = 1/3∼1/5로 하는 것이 더한층 효과적이다.
또한 본 실시예에 있어서는, 기류배출부(115)의 하단위치가 기류유입 섹션(112)의 하단위치보다 하방측이고 또한 코니컬 섹션(113)의 상하방향 중심위치보다 상방측의 위치에 설정되어 있기 때문에, 분체의 포집위치(즉 분체포집 섹션(116)의 개구부(116a)의 위치)와, 코니컬 섹션(113)으로부터의 기류의 배출위치를 충분하게 떨어뜨릴 수 있다. 따라서 분리포집한 분체와 기류가 분체의 포집위치에서 혼재하기 어렵게 되고, 이에 따라 서브미크론 사이즈의 미분체의 분리포집효율을 더 높일 수 있다. 그 때에 기류배출부(115)의 하단위치에서부터 기류유입 섹션(112)의 하단위치까지의 높이(Hc)는, 코니컬 섹션의 높이(Hb)에 대하여 Hc < 1/4×Hb로 하는 것이 더 효과적이다.
또 본 실시예에 있어서는, 기류유입 섹션(112)의 하단위치의 내경(D1)이 기류유입부(114)의 내경(D4)에 대하여 5배 이상의 값으로 설정되어 있기 때문에, 기류유입 섹션(112)에 있어서의 분체혼합기류의 각속도 감소효과를 충분하게 높일 수 있다.
즉 도9에 나타내는 종래의 사이클론 장치(20)에 있어서는, 원통 모양의 사이클론 보디(21)로 유입되는 분체혼합기류의 각속도를 크게 하여 기류 중의 분체를 원심력에 의하여 분리할 필요가 있기 때문에, 기류유입부(23)의 내경에 대하여 사이클론 보디(21)의 내경을 지나치게 크게 할 수 없다. 이에 대하여 본 실시예에 있어서는, 기류유입 섹션(112)에 있어서 구면부(112A)의 내벽면을 따라 분체혼합기류를 매끄러운 모양으로 선회시켜서 그 방향을 하측을 향하여 크게 변화시킴과 아울러 그 각속도를 급격하게 작게 함으로써 기류 중의 분체를 분리하는 구성으로 되어 있기 때문에, 기류유입 섹션(112)의 하단위치의 내경(D1)을 어느 정도 크게 하는 것이 오히려 효과적이다.
그리고 본 실시예와 같이 D1 ≥ 5×D4로 하여 기류유입 섹션(112)에 있어서의 분체혼합기류의 각속도 감소효과를 충분히 높이도록 하면, 기류 중에서의 분체의 분리기능을 높일 수 있다. 그 때에 가령 서브미크론 사이즈의 미분체이더라도 분리기능을 높일 수 있다.
또한 본 실시예에 있어서는, 원통 모양으로 형성된 분체포집 섹션(116)의 내경(D3)이, 기류유입 섹션(112)과 코니컬 섹션(113)의 접속부의 내경(D1)보다 큰 내경을 구비하고 있기 때문에, 분체포집 섹션(116)에 포집된 분체의 교반속도(攪拌速度)를 충분히 저하시킬 수 있고, 이에 따라 분체포집 섹션(116)에 포집된 분체를, 분체포집 섹션(116)으로 유입된 기류에 의하여 감아 올려 버리는 것을 미연에 방지할 수 있다. 따라서 가령 서브미크론 사이즈의 미분체이더라도 분체포집 섹션(116)에 일단 포집된 후에는, 분체포집 섹션(116)에 체류시켜 두는 것이 용이하게 가능하게 된다.
또 본 실시예에 있어서는, 분체포집 섹션(116)이 원통 모양의 밀폐용기로서 구성되어 있는 것으로 하여 설명하였지만, 이 이외의 형상을 구비하는 구성으로 할 수도 있다. 이와 같이 하였을 경우에 있어서도, 분체포집 섹션(116)의 상단부가, 기류유입 섹션(112)과 코니컬 섹션(113)의 접속부의 내경(D1)보다 큰 내경을 구비하는 구성(예를 들면 역원추 모양의 구성)으로 하면, 본 실시예와 동일한 작용효과를 얻을 수 있다.
이상에서는 본 발명에 관한 사이클론 장치의 형태에 관하여 제1 및 제2실시예를 설명하였다.
본 발명에 관한 사이클론 장치의 구성부재나 유입되는 분체혼합기류의 양 등 각 설정치는, 제1 및 제2실시예의 것에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당업자에 의하여 수시로 변경이 가능하다는 것은 말할 필요도 없다.
본 발명에 관한 사이클론 장치의 용도로서 예를 들면 청소기에 있어서 흡인 블로워와 조합시켜서 사용하거나, 연료전지차나 연료전지발전기에 있어서 에어 클리너(air cleaner)의 흡인구에 부착한 상태에서 사용하거나 할 수도 있다.
분체의 부가가치를 높이기 위하여 1μm 이하의 입경이고 또한 입경분포가 제어된 미분체를 요구하는 경향이 최근에 강하기 때문에, 본 발명의 사이클론 장치는, 미분체를 대상으로 한 분급(分級) 및 분쇄조작 등의 분체를 취급하는 공업 프로세스에 널리 응용하는 것을 기대할 수 있어 산업상 이용가능성이 매우 높다.
10 : 제1실시예의 사이클론 장치
12 : 기류유입 섹션
13 : 코니컬 섹션
14 : 기류유입부
15 : 기류배출부
16 : 분체포집 섹션
20 : 종래형의 사이클론 장치
21 : 사이클론 보디
22 : 코니컬 섹션
23 : 기류유입부
24 : 분체포집부
25 : 기류배출부
110 : 제2실시예의 사이클론 장치
112 : 기류유입 섹션
112A : 구면부
112Aa : 개구부
112B : 통모양 개구부
112C : 외주 플랜지부
113 : 코니컬 섹션
113A : 본체부
113B : 상단 플랜지부
113C : 하단 플랜지부
114 : 기류유입부
115 : 기류배출부
116 : 분체포집 섹션
116a : 개구부
120 : 링모양 고정구
120A, 120B : 반할 링
120C : 핀
120D : 버클
D1 : 기류유입 섹션의 하단위치의 내경
D2 : 코니컬 섹션의 하단위치의 내경
D3 : 분체포집 섹션의 내경
D4 : 기류유입부의 내경
D5 : 기류배출부의 내경
Ha : 기류유입 섹션의 높이
Hb : 코니컬 섹션의 높이
Hc : 기류배출부의 하단위치에서부터 기류유입 섹션의 하단위치까지의 높이

Claims (8)

  1. 기류(氣流) 중에 혼합된 분체(粉體)를 선회기류(旋回氣流)로부터 분리하여 포집(捕集)하는 사이클론 장치(cyclone 裝置)로서,
    분체혼합기류를 접선방향으로부터 유입하는 기류유입부(氣流流入部)를 구비하고 하방으로 점차 직경이 커지는 기류유입 섹션(氣流流入 section)과,
    이 기류유입 섹션의 하단(下端)에 접속되고 하방으로 점차 직경이 작아지는 역원추(逆圓錐) 모양의 코니컬 섹션(conical section)을
    설치한 것을 특징으로 하는 사이클론 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기류유입 섹션이, 반구(半球) 모양의 내부구조를 구비하도록 구성된 것을 특징으로 하는 사이클론 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 기류유입 섹션의 높이(Ha) < 상기 역원추 모양의 코니컬 섹션의 높이(Hb)의 범위로 설정하도록 구성한 것을 특징으로 하는 사이클론 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 기류유입 섹션과 상기 코니컬 섹션의 높이의 비(Ha/Hb)가, Ha/Hb ≤ 1/2로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 사이클론 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 기류유입 섹션의 중심위치에, 분체의 분리를 끝낸 기류를 외부로 배출하기 위한 기류배출부(氣流排出部)가, 상기 기류유입 섹션을 상하방향으로 관통하도록 하여 설치되어 있고,
    상기 기류배출부의 하단위치(下端位置)가, 상기 기류유입 섹션의 하단위치보다 하방측이고 또한 상기 코니컬 섹션의 상하방향 중심위치보다 상방측의 위치에 설정되어 있는 것을
    특징으로 하는 사이클론 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 기류유입부가, 분체혼합기류를 상기 기류유입 섹션에 대하여 상기 기류배출부의 외주면을 따라 유입하는 위치에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 사이클론 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 기류유입 섹션과 상기 코니컬 섹션의 접속부의 내경이, 상기 기류유입부의 내경에 대하여 5배 이상의 값으로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 사이클론 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 코니컬 섹션의 하단에 접속된 개구부를 구비하고, 선회기류로부터 분리된 분체를 포집하기 위한 분체포집 섹션(粉體捕集 section)이 설치되어 있고,
    상기 분체포집 섹션의 상단부(上端部)가, 상기 기류유입 섹션과 상기 코니컬 섹션의 접속부의 내경보다 큰 내경을 구비하고 있는 것을
    특징으로 하는 사이클론 장치.
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