JP2023539122A - コンパクトディスクスタック型サイクロン分離器 - Google Patents

Abstract

本発明によるコンパクトディスクスタック型サイクロン分離器は、流体吸入口と、層状旋回流を発生させる強制渦発生器と、円錐形渦発生チャンバと、上流側開口端部および下流側開口端部を有する軸方向積層コーンとを備え、各コーンは、互いに離間して取り付けられて、コーン間に細い隙間を形成して表面沈降領域を増大させる。より大きい、またはより高比重の粒子を含む流体（重相流体）は、より大きな遠心力を受け、押し出されて渦の外側周縁部を流れ、コーンの内壁に沿うように流れる。旋回して積層コーンに至ると、押し出されて積層コーンの内壁に沿うように流れ、コーン間の細い隙間を通って下方に旋回しながら流れる。より小さい、またはより低比重の粒子を含む流体（軽相流体）は、より小さな遠心力を受け、渦の内側周縁部を流れ、旋回したまま次のコーンまで流れる。この分離プロセスは、軸方向積層コーンの数に応じて繰り返し行われる。分離された重相流体は、積層コーンの底部開口端部に位置する重相流体用の収集チャネルで集められ、重相流体の吐出口を通して除去されるが、軽相流体の吐出口は、積層コーンの最後のコーンの開口端部にある。

Description

本発明は、コンパクトディスクスタック型サイクロン分離器に関する。

サイクロン分離器は、百年以上使用されている。過去２０年の間に、サイクロン分離器は、例えば米国特許第４３７３２２８（Ａ）号による真空掃除機などの真空掃除機のように家庭でよく見られる器具として導入され、広く使用されている。これは、サイクロン分離器が、布袋を使用する従来の真空掃除機とは異なりメンテナンスが容易であり、集塵トレイを取り外して中身を空けるだけで済むからである。布袋は詰まりやすく、詰まると吸引および除塵の効率が急速に低下し、布袋を清掃するために取り外すと、塵が飛散して衛生的でなく、したがって健康にも影響を及ぼし、また、フィルタスクリーンを使用する場合には、定期的に交換する必要があり、不経済である。

しかし、真空掃除機にサイクロン分離器を使用することには、依然として、掃除機を通過した空気を周囲に放出する前に、その空気に含まれる細塵を完全に分離することが不可能であるという欠点がある。それには、複数のサイクロンを複数の層にして配置する必要があり、その結果、大きくてかさばるサイクロン真空掃除機になる。米国特許出願公開第２００６／０２３０７２４（Ａ１）号および米国特許第９４５１８５９（Ｂ２）号による例が見られるが、サイクロン分離器は、サイクロン分離器の接線方向吸入口から旋回流を生じさせるので、細塵を分離する効率が低い。旋回流はその中心に向かって流れ、旋回流の流速は旋回流がその中心に向かって流れるにつれて増大し、この種の旋回流は、自由渦と呼ばれる。遠心力は渦の速度に比例するので、自由渦の遠心力は、渦の外周で小さく、渦の内周で大きい。したがって、より小さい、またはより低比重の粒子を含む流体（軽相流体）は、より遠心力の小さい場である渦の外周を循環し、より大きい、またはより高比重の粒子を含む流体（重相流体）は、渦の内周を循環する。渦がサイクロンの底部吐出口付近を流れると、逆渦が発生し、これが強制渦に変換される。逆渦が発生する点が、流体の分離点である。この点で、渦の最も外側の周縁部は、自由渦から生じる軽相流体である。それに続く周縁部は、重相流体であり、その最も内側の周縁部は、逆渦による強制渦から生じる軽相流体である。したがって、分離点においては、軽相流体および重相流体の両方が、サイクロンの底部吐出口から除去される。

米国特許第４３７３２２８（Ａ）号 米国特許出願公開第２００６／０２３０７２４（Ａ１）号 米国特許第９４５１８５９（Ｂ２）号

従来のサイクロン流体分離器を真空掃除機に使用する際には、問題が発生する。すなわち、従来のサイクロン流体分離器は、細塵を完全に分離することができず、分離効率が低く、したがって、多数のサイクロン分離器が必要となり、その結果として大きくてかさばる真空掃除機になる。

本発明によるコンパクトディスクスタック型サイクロン分離器は、分離器に流体を供給するための吸入口と、流体分配チャンバと、層状旋回流で強制渦を発生させるデバイスと、渦発生チャンバと、渦発生チャンバに長手軸方向に隣接して設置された上流側開口端部および下流側開口端部を有する積層平頭コーンであって、各コーンが互いに離間して取り付けられてコーン間に細い隙間を形成して表面沈降領域を増大させる積層平頭コーンと、積層コーンの底部開口に位置する重相流体用の流体収集チャネルであって、それに隣接して重相流体用の流体蓄積チャンバがある、重相流体用の流体収集チャネルと、分離器から重相流体を放出するための吐出口とを備え、最後の積層コーンの開口端部に、分離器から軽相流体を除去するための吐出口がある。

流体は、上流側吸入口を介した圧力、または下流側吐出口を介した吸引によって、あるいはその両方を同時に使用して、分離器の軸方向吸入口または接線方向吸入口を通って本発明の分離器に入る。

流体が本発明の分離器に入ると、その流体は、流体分配チャンバに収集され、渦発生デバイスに分配される。渦発生デバイスは、トランスミッションベースの周りに対称に配置された複数の貫通孔を有する構成の内部空洞を有する円錐形または円筒形のトランスミッションベースである。貫通孔の横には、貫通孔側縁部ブロックがあり、貫通孔の入口には、流体を貫通孔内に案内するための貫通孔側縁部ブロックの壁面があり、トランスミッションベースの内部空洞の内部の貫通孔の吐出口には、トランスミッションベースの内壁に向かって湾曲した凸状湾曲縁部表面の形状をした貫通孔側縁部ブロックの壁面がある。貫通孔の入口の貫通孔側縁部ブロックの壁面の反対側は、貫通孔に向けられた直線状縁部表面があり、トランスミッションベースの内壁に向かって湾曲した凸状湾曲縁部表面は、貫通孔の噴出軸に最も近い表面となる。特定の圧力および／または特定の吸引力を有する流体が貫通孔を通って流れると、その流体は、コアンダ効果（噴出する流体は、その壁面が貫通孔の噴出軸の噴出流線から逸脱していても、最も近い壁面に向かって流れ、その壁面に沿って流れる傾向を有する。その結果として、その領域は圧力が低くなり、それにより周囲の流体を内向きに流れ、次いでその壁面に沿うように流れるようにする）によって偏向されて、トランスミッションベースの内壁に向かって湾曲した凸状湾曲縁部表面に沿って流れ、渦発生チャンバの一部であるトランスミッションベースの内部空洞内の流体を内向きに流れ、トランスミッションベースの内壁に向かって湾曲した凸状湾曲縁部表面に沿って流れるように誘導する。トランスミッションベースの内壁に向かって湾曲した凸状湾曲縁部表面により、流体は、トランスミッションベースの内壁に沿うように流れる。トランスミッションベースの周りの外壁および内壁の両方に対する貫通孔の対称的配置、ならびに凸状湾曲縁部表面およびトランスミッションベースの内壁の周りの貫通孔の噴出軸の対称的配置により、各凸状湾曲表面の流れは、互いに中継するように流れて、内部空洞の内壁上の流れに、空洞内の旋回流を生じさせる。コアンダ効果により、それは層状旋回流を生じさせる。動的力は、凸状湾曲縁部表面とトランスミッションベースの内壁の周縁部との接点で最高であるので、渦の速度は、渦の最も外側の周縁部である凸状湾曲縁部表面で最高となり、渦の速度は、流れが渦の中心に近づくにつれて次第に減少する。遠心力は渦の速度に比例して変化する。強制渦によって発生する遠心加速度勾配プロフィルにおいて、遠心力は、最も外側の周縁部で最高であり、その後、渦の中心に近づくにつれて次第に低下する。遠心力の影響下にある流体粒子分布では、重相流体は、より大きな遠心力を受け、押し出されて、流れの外側周縁部を流れるが、軽相流体は、より小さな遠心力を受け、内側周縁部を循環する。本発明による分離器で生じる渦は層状旋回流であるので、粒子は、生成される遠心加速度の勾配プロフィルに対応して、その比重または形態学的大きさに応じて、すなわち大きいか小さいかに応じて、複数の分配層に容易に分離される。

渦発生チャンバまたは渦発生チャンバの一部分は、円錐形である。その円周は円錐の軸方向の長さに沿って連続的に短くなるので、旋回速度の加速度および遠心力は軸方向に沿って増大する。流体流は、渦発生デバイスにより層状旋回流で強制渦を形成し、渦発生チャンバ内で旋回するときに、旋回を加速させ、遠心力を増大させる。遠心力が増大すると、明白な流体分離層が生じる。重相流体は、渦の外側周縁部に分離され、軽相流体は、渦の内側周縁部を流れる。円錐形の渦発生チャンバに隣接して、上流側開口端部および下流側開口端部を有する積層平頭コーンがある。各コーンは、コーンを分離してコーン間に細い隙間を形成して表面沈降領域を増大させる突起を有する。流体が、渦発生チャンバのコーンと積層コーンの間の細い隙間を通って渦発生チャンバから最初の積層コーンに流れるとき、次のコーンの方が半径が長いので、渦の円周が突然大きくなる。重相流体からなる渦の外側層は、次のコーンの内壁に押し付けられ、そのコーンの底部吐出口を通って下方に旋回して、重相流体用の収集チャネルに流れる。これは、積層コーンの上流側開口端部の下の隙間であり、コーンカバーと積層コーンとの間の隙間である。軽相流体は、最初は内側周縁部を旋回し、次いで渦の外側周縁部を旋回し、この渦は、コーンの内壁の次の部分に沿って旋回し、コーンの上側開口端部を通って旋回し続ける。重相流体（全ての旋回する流体と比較して）は、最初のコーンの内壁を旋回して通過するときに、押し出されて、次のコーンの内壁に沿って旋回するようになる。このプロセスは、上述のように繰り返され、最後のコーンの下流側開口端部に到達するまで、積層コーンの数に応じて複数回繰り返される。これにより、流体が旋回しながら通る全てのコーンから重相流体を分離し、残った流体は、より小さい、またはより低比重の粒子の流体となり、意図した軽相流体が得られる。

積層コーンは、上流側のコーンの開口端部よりも下流側のコーンの開口端部が小さくなるように設計されることがある。積層コーンの開口端部は、軸の長手方向の長さに沿って最後のコーンまで積層されるにつれて次第に小さくなり、積層コーンの内部空洞は円錐形になっている。これにより、コーン間の全ての細い隙間を通して流体を分配することができる。重相流体がコーン間の隙間を通って旋回するとき、この流体は、さらに、積層コーンを覆うコーンの内部の構造の内壁に沿って旋回することになる。積層コーンの壁面、および積層コーンを覆うコーンの内壁に沿って流れる流体の一部分は、円錐形または円筒形の外部構造と積層コーンを覆う円錐形内部構造との間の隙間である重相流体の蓄積チャンバに沈殿する。流体蓄積チャンバ内の重相流体は、必要に応じて、または継続的に解放することができる弁を備えることもある吐出口を通して放出することができる。

上側天井または側壁上の重相流体用の流体蓄積チャンバの壁面は、重相流体（汚染されている）を分離器から放出する前に濾過するために外部構造の壁面上にフィルタスクリーンを備える吐出口を備えることができる。清浄流体吐出口とも呼ばれる軽相流体用の吐出口、または最後の積層コーンの開口端部は、直線状の端部吐出口を閉止して側方吐出口を開いて軸方向流を減少させ、側方吐出口から流出するように偏向させて、渦発生チャンバ内の旋回流を安定させてより高い分離効率が得られるようにするキャップシールを備えた丸形管を備えることがある。

分離器内の積層コーンは、中実壁面コーンであっても、コアンダスクリーンコーンであってもよい。コアンダスクリーンコーンは、ウェッジワイヤで覆われた壁面を有する円錐形構造を備える。ウェッジワイヤは、三角形の断面を有し、各ウェッジワイヤの間に細い隙間を空けて長手方向に沿ってコーン構造に固定される。ウェッジワイヤ間の隙間空間は、ワイヤに沿って同じである。ウェッジワイヤは、平坦側面を内向きにして内壁になるようにしてコーンの周りに配置され、三角形側は、外側に向いてコーンの外壁になる。コーンの外周の曲率により、次のウェッジワイヤの平坦側面は、（旋回方向に沿って）その前のウェッジワイヤの平坦側面に対して立ち上がり角をなし、前のウェッジワイヤの平坦側面からの直線状の流線が次のウェッジワイヤの三角形側の壁面に向かって流れるようにする。遠心力下でより大きな遠心力を受けながら渦の外側周縁部を旋回する重相流体は、ウェッジワイヤの平坦表面に沿うように流れ、次いでコアンダ効果によって次のウェッジワイヤの三角形側の壁面に向かってまっすぐに流れ、その後、コアンダスクリーンコーンから流出して現在のコーンと次のコーンの間の隙間に流入し、重相流体用の流体収集チャネルに流入する。軽相流体は、より小さな遠心力を受け、渦の内側を流れ、前のウェッジワイヤの平坦表面から次のウェッジワイヤの平坦表面に流れ、次いでコアンダスクリーンコーンの内側を流れ、次いで軸方向に旋回してコアンダスクリーンコーンの次の部分に流れる。コーン間の隙間でコーン内を旋回する軽相流体は、新たに入ってくる流体に巻き込まれて、下流側開口端部に戻る。汚染物質分離とも呼ばれる、軽相流体から重相流体を分離するプロセスは、積層されたコアンダスクリーンコーンの全ての層で繰り返し行われる。コーンの外壁におけるウェッジワイヤ間の隙間はコーンの内壁におけるウェッジワイヤの隙間より大きいので、コアンダスクリーンは詰まりにくい。

本発明によるコンパクトディスクスタック型サイクロン分離器は、沈殿せずに残った重相流体を、重相流体用の蓄積チャンバの上方にある吐出口で分離器から放出する前に濾過するためのフィルタスクリーンまたはフィルタ要素を必要としない別のバージョンに発展させることができる。上記の吐出口を省略し、最後の積層コーンの下流側吐出口に元々ある軽相流体の吐出口を閉止して、円錐形内部構造の下側縁部より上方に仕切壁を形成して重相流体用の蓄積領域を分離し、また外部構造を円錐形内部構造より高くなるように拡大することにより、上記の改造によって生じる全ての空間が、事前スクリーニングされた流体を後に分離するための空間となる。

事前スクリーニングされた流体を後に分離するための空間は、重相流体用の収集チャンバからの流体吸入口を備える、積層コーンを覆う内部構造の周囲に対称に取り付けられたいくつかの小型のサイクロン分離器からなる。この流体吸入口は、最後の積層コーンの底部開口端部より上方に位置する。これは、沈殿していない流体を、各小形のサイクロン分離器につながる流体分配チャンバに導入するためである。小型のサイクロン分離器は、倒立円錐形を有する。小型のサイクロン分離器は、コアンダ効果の原理を利用する層状旋回流で強制渦を発生させるデバイスと、サイクロンコーンの底部にある分離された重相流体または汚染流体用の流体吐出口とからなる。除去された粒子は、蓄積チャンバに蓄積され、分離された粒子を分離器から放出するための弁を有することがある吐出口があり、渦ファインダが、サイクロンコーンの最上部の中心にあり、これが、浄化された流体がサイクロンから流出するための軽相流体吐出口であり、これは、浄化された流体を分離器の各小型のサイクロンから除去するための、外部構造の最上部の中心にある共通の吐出口である。

小型のサイクロン分離器の渦発生デバイスは、コアンダ効果の原理を利用する層状旋回流で強制渦を発生させるデバイスであり、そのトランスミッションベースは、内部空洞を有する倒立円錐形または円筒形であり、好ましくは倒立円錐形である。渦発生デバイスのトランスミッションベースの周りに、外部流体をトランスミッションベースの内部空洞に案内するための複数の貫通孔が対称に設置される。貫通孔の横には、貫通孔側縁部ブロックがある。内部空洞内の貫通孔の吐出口の縁部の片側は、別の貫通孔側縁部表面と比較して貫通孔の噴出軸に最も近い表面である、トランスミッションベースの内壁に向かって湾曲した凸状湾曲縁部表面であり、貫通孔の縁部および貫通孔は、渦発生デバイスのトランスミッションベースの内壁の周りに対称に設置される。

流体が積層コーンから分離されるときに、重相流体は、積層コーンの壁面である表面沈降領域に沿うように旋回し、積層コーンを覆うコーンの内部構造壁面は、沈殿し、収集されて、下方の蓄積チャンバに蓄積される。沈殿しない軽相流体（または微細汚染物質を含む流体）は、流体収集チャネルより上方に流れる。この流体は、次いで、積層コーンを覆う内部円錐構造の周りに対称に設置された小型のサイクロンの流体分配チャンバにつながる吸入口に流入する。流体分配チャンバ内の流体は、渦発生デバイスのトランスミッションベースに分配される。トランスミッションベースの内壁に向かって湾曲した凸状湾曲縁部表面を有する貫通孔および貫通孔の噴出軸をコアンダプロフィルに従って配置することにより、流体は、偏向してトランスミッションベースの内壁に向かって湾曲した凸状湾曲縁部表面に沿って流れ、渦発生デバイスのチャンバの一部であるトランスミッションベースの内部空洞内の流体を、内向きに流れ、トランスミッションベースの内壁に向かって湾曲した凸状湾曲縁部表面に沿うように流れるように誘導する。トランスミッションベースの周りの外壁および内壁の両方に対する複数の貫通孔の対称的配置、ならびに凸状湾曲縁部表面およびトランスミッションベースの内壁の周りの貫通孔の噴出軸の対称的配置により、流れる流体は、トランスミッションベースの内壁に向かって湾曲した凸状湾曲縁部表面に沿うように流れ、互いに中継するように流れて、それにより層状旋回流で強制渦を発生させるチャンバの内壁上を流れる。動的エネルギーは、凸状湾曲縁部表面と渦発生チャンバの内壁の周縁部との接点で最高であるので、旋回流の速度は、渦の最も外側の周縁部である凸状湾曲縁部表面で最高となり、旋回流の速度は、動的エネルギーの減少に対応して、渦の中心に近づくにつれて次第に減少する。このような渦は、強制渦である。遠心力は、渦の速度に比例して変化する。強制渦によって遠心加速度勾配プロフィルが生じるので、遠心力は、最も外側の周縁部で最高であり、その後、遠心力下にある粒子分布に従って、渦の中心に近づくにつれて次第に低下する。すなわち、重相流体が、より大きな遠心力を受け、押し出されて、外側周縁部を流れる。より小さな遠心力を受ける軽相流体は、内側周縁部を流れ、本発明による小型のサイクロン分離器の渦発生デバイスによって発生する渦は、層状旋回流である。したがって、粒子は、遠心加速度勾配プロフィルに従って比重または大きさの分布層に分離されるので、容易に分離できる。小型のサイクロンは、直径が小さいので大きな渦速度を生じ、つまり大きな遠心力を生じ、またこの短いサイクロン半径により、粒子が容易に遠心分離されてサイクロンコーンの壁面に沿うように流れ、それにより遠心力による高い沈殿率を生み出すので、微細汚染物質の分離が非常に効率的になる。サイクロンの周縁部は長手方向に向かって次第に短くなるので、円錐形の渦発生チャンバ内を流れる渦の発生した大きな速度は、端部開口（下流側開口）までコーンに沿って次第に増大する。この端部開口は、流体に含まれる微細汚染物質とも呼ばれる重相流体の流体吐出口であり、この底部吐出口の断面積は、小型のサイクロン分離器の渦発生デバイスの貫通孔の総断面積より小さい。これは、流体流をサイクロン分離器に導入して、底部吐出口が放出できる量より多くの流体が入るようにして逆流を発生させるチャネルである。発生する渦は、強制渦であるので、重相流体（流体中の微細汚染物質とも呼ばれる）を有する流体は、底部吐出口において、分離器から微細汚染物質を除去するための弁を備える吐出口を有する重相流体（または流体中の微細汚染物質）用の蓄積チャンバ中に分離される。軽相流体（浄化流体とも呼ばれる）は、サイクロンコーンの最上部まで上方に旋回する。底部吐出口の中心には、旋回流の逆流を補助するために円錐形尖体を設置することができる。コーンの上側壁面の中心には、流体が巻き込まれて分離器から旋回して流出するようにすることができる渦ファインダを備える。渦ファインダの吐出口には、分離効率を高めるために、直線状の吐出口を塞いで側方吐出口を開いて、直線的な流れを阻止し、側方吐出口を通して流れを偏向させて、渦発生チャンバ内の渦を安定させる、キャップシールを備える丸形管を備えることもある。全ての小型のサイクロン分離器からの浄化流体は、軽相流体の収集チャネルに集まり、次いで軽相流体（または浄化流体）用の流体吐出口を通して吸引され、または押し出されて、本発明によるコンパクトディスクスタック型サイクロン分離器から放出される。

本発明の目的は、真空掃除機、特に携帯型真空掃除機、エアコンディショナの空気フィルタまたは内燃機関の空気フィルタ、浄水器、あるいは様々な産業の流体分離器での使用に適した、高い分離効率および小型のサイズを有するサイクロン分離器を作製することである。本発明によるサイクロン分離器の渦発生デバイスは、層状旋回流で強制渦タイプの渦を発生させる。渦の速度は、渦の外周で最高であり、渦の中心に近づくにつれて低下する。遠心力は、渦の流速に比例して変化するので、発生した強制渦から得られる遠心加速度勾配プロフィルは、遠心力下の流体粒子の分布に対応する。すなわち、より大きな遠心力を受ける重相流体は、外側周縁部を循環し、より小さな遠心力を受ける軽相流体は、渦の内側周縁部を循環して、複数の分離層に明白に分離されるので容易に分離される。したがって、本発明による流体分離器の分離効率は、従来のサイクロン分離器より高い。従来のサイクロン流体分離器は、サイクロンの接線方向吸入口によって渦を生じさせて、自由渦タイプの渦を生じ、渦の中心に向かう旋回を生じ、渦の速度は次第に増大する。速度は、渦の中心で最高であり、これは、遠心力下の粒子の分布とは反対である。従来のサイクロン流体分離器の渦は、渦が逆に流れると強制渦タイプの渦に変わる。逆流点では、これは、流体の分離点となる。渦の最も外側の周縁部は、元の自由渦によって生じる軽相流体である。次の層は、重相流体の層である。その後、さらに次の層は、逆流の強制渦によって生じる軽相流体である。分離点において、最大層の小さな粒子とその後の層のより大きな粒子の両方が、サイクロンの底部吐出口を介して分離される。その結果として、塵を分離するために使用される、または真空掃除機で使用される従来のサイクロン流体分離器は、細塵も放出することになる。これにより、サイクロン流体分離器の分離効率が低くなる。本発明によるサイクロン流体分離器は、軸方向の強制渦流を生じることができるので、コーンを軸方向に積層して、表面沈降領域を増大させることができる。１つのコーンがサイクロン分離器と同等であり、したがって、複数積層することにより、表面沈降領域はかなり増大する。これは、軸に沿って層状に積層されたコーンによって、分離効率を大幅に高めるためである。このように、コーンは、限られた空間で複数層に積層することができる。したがって、本発明の積層コーンを備えたサイクロン分離器は、サイズが小型である。

コンパクトディスクスタック型サイクロン分離器を示す図である。 接線方向流体吸入口を有する渦発生デバイスを示す図である。 軸方向流体吸入口を有する渦発生デバイスを示す図である。 渦発生デバイスのトランスミッションベースを示す図である。 渦発生デバイスのトランスミッションベースの動作概略図である。 速度勾配プロフィル／遠心加速度勾配プロフィルを示す強制渦の概略図である。 渦発生チャンバに隣接して設置される積層コーンを示す図である。 積層コーンを覆う円錐形内部構造を示す図である。 サイクロン流体分離器の円錐形外部構造を示す図である。 コアンダスクリーンコーンを示す図である。 流体に含まれる細塵または微細な流体粒子を分離するための小型のサイクロン流体分離器を備えたコンパクトディスクスタック型サイクロン分離器を示す図である。 小型のサイクロン流体分離器を示す図である。 小型のサイクロン流体分離器の動作概略図である。 逆流を促進するために底部吐出口の中心に円錐形尖部を備えた小型のサイクロン流体分離器の動作概略図である。 小型のサイクロン流体分離器の渦発生デバイスの円錐形トランスミッションベースをひっくり返して示す図である。 小型のサイクロン分離器の渦発生デバイスのトランスミッションベースの動作概略図である。 内部の構成要素を示す、流体に含まれる細塵または微細な流体粒子を分離するために小型のサイクロン流体分離器を有する積層コーンを備えたサイクロン流体分離器の３Ｄ画像を示す図である。 直線状の吐出口を遮断して側方吐出口を通して流れを偏向させるキャップシールを有する管端部を覆う丸形ボックスを示す図である。 直線状の吐出口を覆って側方吐出口を通して流れを偏向させる丸形ボックスを示す図である。 コアンダ効果の原理を利用する、層状旋回流で強制渦を発生させるデバイスを有する積層コーンを備えたサイクロン流体分離器の接続概略図である。

本発明によるコンパクトディスクスタック型サイクロン分離器は、流体吸入口と、層状旋回流で強制渦を発生させるデバイスと、円錐形渦発生チャンバと、上流側開口端部および下流側開口端部を有する積層平頭コーンであって、各積層コーンがコーンを分離してコーン間に細い隙間を形成して表面沈降領域を増大させる突起を有する、積層平頭コーンと、積層コーンの底部吐出口に位置する重相流体用の流体収集チャネルと、重相流体用の吐出口と、積層コーンの最後のコーンの下流側開口端部にある軽相流体用の吐出口とを備える。

上記のコンパクトディスクスタック型サイクロン分離器は、層状旋回流で強制渦を発生させるチャンバの前で軸方向流体吸入口に取り付けられた案内羽根またはインペラである渦発生デバイスと共に使用することができる。

以下、コアンダ効果を利用する層状旋回流で強制渦を発生させるデバイスを使用する本発明によるコンパクトディスクスタック型サイクロン分離器について述べる。

図１は、本発明によるコンパクトディスクスタック型サイクロン分離器を示している。このコンパクトディスクスタック型サイクロン分離器は、分離器内に流体を案内する吸入口３と、流体分配チャンバ４を含む渦発生デバイス２と、トランスミッションベース１１と、層状旋回流を生み出すコアンダ効果の原理を利用する渦発生デバイス５と、コーン１０間に狭い隙間２３…ｎを空けて各コーンを分離して表面沈降領域を増大するコーン壁面上の突起を有する、上流側開口端部および下流側開口端部を有する積層平頭コーン２１…ｎと、重相流体用の流体収集チャネル２５と、重相流体用の蓄積チャンバ３５と、重相流体用の吐出口３６と、軽相流体を放出する吐出口３４と、を備える。

図２は、本発明による分離器への流体の導入を示す図であり、流体は、分離器の接線方向吸入口３、または図３による分離器の軸方向吸入口１０３を介して入ることができる。流体は、上流側の圧力、または下流側吐出口の吸引力を用いて、あるいはその両方を同時に利用して、取り込むことができる。

図１によれば、分離対象の流体が本発明による分離器１内に送り込まれると、その流体は、渦発生デバイス２の流体分配チャンバ４内に収集され、トランスミッションベース１１内に分配される。

図４によれば、この渦発生デバイスは、円錐形または円筒形のトランスミッションベース１１と、トランスミッションベースの構成に対応する内部空洞１２と、トランスミッションベース１１の周りに対称に配置された複数の細い垂直方向の矩形の隙間を形成する貫通孔１３とからなり、貫通孔１３の横に、貫通孔側縁部ブロック１４および貫通孔の入口の縁部壁面１６がある。貫通孔１３が内部空洞１２に入るところでは、貫通孔側縁部ブロックの壁面は、トランスミッションベース１５の内壁に向かって湾曲した凸状湾曲縁部表面１５となる。縁部壁面１６の反対側の貫通孔側縁部壁面は、縁部壁面１７である。縁部壁面１６と縁部壁面１７の間の隙間は、入口では広く開いており、その後貫通孔１３のところで細くなって、流体が貫通孔１３を通って集めやすくなるようになっている。貫通孔１３は、縁部壁面１６とは位置合わせされないが、図５によれば貫通孔の噴出軸ａである縁部壁面１７と位置合わせされる。

図５によれば、トランスミッションベースの内壁に向かって湾曲する凸状湾曲縁部表面１５は、貫通孔の出口付近で他の縁部壁面と比較して貫通孔の噴出軸に最も近い表面になるように配置される。特定の圧力および／または特定の吸引力を有する流体が貫通孔１３内を流れると、その流体は、コアンダ効果によって偏向されて、破線ｂに沿ってトランスミッションベースの内壁に向かって湾曲した凸状湾曲縁部表面１５に沿うように流れ、トランスミッションベース１１の内部空洞１２内の流体を、破線Ａに沿って内向きに流れ、また破線ｂに沿ってトランスミッションベースの内壁に向かって湾曲した凸状湾曲縁部表面１５に沿って流れるように誘導する。トランスミッションベース１１の周囲の貫通孔の対称的な配置と、凸状湾曲縁部表面１５およびトランスミッションベース１１の内壁の周りの貫通孔の噴出軸ａの対称的な配置とにより、各凸状湾曲縁部表面上の流体流は互いに中継するように流れて、コアンダ効果によって、破線Ｂに沿った、渦発生チャンバ５の一部であるトランスミッションベースの内壁の周面上の流体流を生み出して、層状旋回流を生じさせる。

図６によれば、図６内の円周は図５の破線流Ｂであり、凸状湾曲縁部表面１５が渦発生チャンバの内壁の周面に接触する点で動的エネルギーは最大になる。したがって、渦の速度は、図６では円周として示されている渦の最外周である凸状湾曲縁部表面１５で最高になる。渦の速度は、渦が渦の中心に近づくにつれて、動的エネルギーの減衰に対応して次第に低下する。このような渦は、強制渦である。強制渦によって生じる遠心加速度の勾配プロフィルにおいて、遠心力は、図６の概略図に示すように、最も外側の周縁部で最高となり、渦の中心に近づくにつれて次第に低下する。遠心力下にある流体粒子分布では、重相流体は、より大きな遠心力を受け、外側周縁部に遠心分離され、一方、軽相流体は、より小さな遠心力を受けるので、内側周縁部を循環する。したがって、層状旋回流である本発明による渦発生デバイスによって発生される渦の結果として、粒子は、発生した遠心加速度勾配プロフィルに相関して、その比重または大きさに応じて、すなわち大きいか小さいかに応じて複数の分配層に分離されるので、容易に分離される。

図１によれば、渦発生チャンバ５または渦発生チャンバの一部分は、平頭円錐形であり、下流側コーンの開口端部の円周は、上流側コーンの開口端部の円周より短く、これにより渦の加速度を生じさせ、渦発生チャンバ５の長手方向軸に沿って遠心力を増大させる。

図１および図７によれば、円錐形渦発生チャンバ５に隣接して、上流側開口端部および下流側開口端部の両方を有する積層コーン２１…ｎがある。各コーンは、各コーンを分離してコーン１０の間に細い隙間２３…ｎを形成して表面沈降領域を増大させる突起を有する。旋回流が、渦発生チャンバの開口端部７に隣接する最初の積層コーンに到達すると、その後のコーン２１の直径が渦発生チャンバ５のコーンの開口端部の直径より大きいので、渦の外周が突然長くなる。重相流体を含む外周渦は、遠心分離されて次のコーン２１の内壁９に沿って旋回し、そのコーンの底部の開口端部まで旋回しながら降下して、重相流体用の流体収集チャネル２５に流入する。これは、積層コーンの底部開口端部にある隙間であり、それらは、積層コーンおよび積層コーンの底部開口端部を覆う図１および図８による円錐形内部構造３１の間の空間である。渦の内周を旋回する軽相流体は、次のコーンの傾斜した内壁表面９に沿うように旋回することになる。この流体は、コーンの下流側開口端部２４に向かって循環し続ける。流体の旋回が最初の積層コーンの内壁９を通過するとき、重相流体（全ての旋回流体と比較して）は、遠心分離されて次のコーンの内壁２２に沿うことになる。上述の分離プロセスは、積層コーンの数に応じて数回繰り返され、この分離プロセスは、最初の積層コーンから、図９による外部構造の吐出口３４と位置合わせされたチャネルである最後のコーンの下流側開口端部まで行われる。

図１によれば、重相流体は、コーン１０の間の隙間２３…ｎから旋回して下方に向かい、その後、積層コーンを覆う内部コーン構造３１の内壁に沿って流れる。この流体は、積層コーンの内壁および積層コーンを覆う円錐形内部構造３１の内壁３０に沿って旋回し、その流体の粒子の一部分は、円錐形内部構造３１の底部縁部の吐出口３２を通って、円錐形または円筒形の外部構造３３と図８による積層コーンを覆う円錐形内部構造３１との間の空間である重相流体用の蓄積チャンバ３５に沈殿する。流体蓄積チャンバ内の重相流体は、吐出口３６を介して放出することができ、適宜または継続的に流体を放出することができる弁３７が設けられることもある。

重相流体用の蓄積チャンバ内の沈降しない流体は、上方に向かって旋回して重相流体用の蓄積チャンバの上側部分に至る。この部分は、汚染された重相流体を分離器から放出する前に濾過するために、図９による外部構造３３の壁面上にフィルタスクリーンを含む吐出口を備えることができる。

図１および図１７ａ、図１７ｂによれば、軽相流体、すなわち無汚染の流体用の吐出口３４には、分離効率を高めるために、直線状の吐出口を閉止して側方吐出口４０４を開け、直接流を遮断して偏向させて側方吐出口４０４を通して旋回させてチャンバ内の旋回流を維持するために、キャップシール４０１を備えた丸形管が設置されることがある。

分離器内の積層コーンは、中実の壁面コーンであってもよいし、図１０によるコアンダスクリーンコーンであってもよい。コアンダスクリーンコーン２１’は、壁面としてウェッジワイヤで覆われ、ウェッジワイヤ間に細い隙間を有する円錐形構造からなり、ウェッジワイヤは、三角形の断面を有するワイヤであり、円錐形構造に長手方向に接着される。ウェッジワイヤ間の隙間は、ワイヤに沿って同じである。ウェッジワイヤは、平坦側面を内壁として内側に向けてコーンの周りに配置され、三角形の頂点側は、外側に向いてコーンの外壁となる。コーンの周りに配置されたウェッジワイヤは、コーンの円周の曲率を有し、次のウェッジワイヤの平坦側面は、その前のウェッジワイヤの平坦側面に対してｗ度の立ち上がり角を有し、実線の流線に示すように、その前のウェッジワイヤの平坦側面からまっすぐに次のウェッジワイヤの三角形の側壁に向かう流体流を生じる。コアンダ効果によって渦の外周を流れる重相流体は、ウェッジワイヤの平坦側面に沿って流れ、そのままその後のウェッジワイヤの三角形の側壁に流れ、次いでコアンダスクリーンから流出して、図１による次のコーンの間の隙間２３に流入し、次いで旋回しながら重相流体用の収集チャネル２５に入る。渦の内周を旋回する軽相流体は、コアンダスクリーンコーン内を旋回し、その後、その結果としてコアンダスクリーンコーンの次の部分に旋回しながら流れる。コーン間の隙間内で旋回する軽相流体は、逆に、上方に向かってコーンの下流側開口端部２４まで旋回して流れ、新たに入ってくる旋回流体流に巻き込まれる。重相流体を軽相流体から分離する（汚染物質を除去するともいう）プロセスは、積層コーンの全ての層で行われる。外壁のウェッジワイヤ間の隙間が内壁のウェッジワイヤ間の隙間より大きいので、コアンダスクリーンは詰まりにくい。

図１８によれば、本発明によるコンパクトディスクスタック型サイクロン分離器（ＣＤＳＣＳ）の分離効率は、コアンダ効果の原理を適用して渦発生チャンバの内壁において層状旋回流で強制渦を発生させるデバイスを使用する、本発明によるコンパクトディスクスタック型サイクロン分離器の多数のセットを接続することによって最適化することができる。特に、産業用途での流体分離プロセスの場合。分離対象の流体は、吸入口４０３から分離器に導入される。本発明による分離器（ＣＤＳＣＳ Ｉ）から分離された後で、重相流体は、吐出口４３６を通して蓄積タンク１（蓄積部Ｉ）内に送られるが、軽相流体は、第１の分離器の軽相流体吐出口と第２の分離器（ＣＤＳＣＳ ＩＩ）の渦発生チャンバの上流側吸入口とを接続する円筒形連結管を通して次の分離器まで旋回し続け、第２の分離器（ＣＤＳＣＳ ＩＩ）の渦発生チャンバに流入する。渦は、加速用の流体および加速される流体の粘性によって加速される。加速用の流体は、第１の分離器１の渦発生デバイスによって生じる速度より高い速度の渦を発生させる圧力で吸入口５０３に注入される。分離された重相流体は、吐出口５３６から蓄積タンク２（蓄積部ＩＩ）内に放出され、渦を加速するために吸入口５０３を通して継続的に戻される。この分離は、分離器１（ＣＤＳＣＳ Ｉ）から入ってくる流体および蓄積タンク２（蓄積部ＩＩ）に蓄積される加速用の流体の両方を用いて行われる。蓄積タンク２内の分離された流体の粒子サイズまたは比重が均一になると、分離された流体は、蓄積タンク２から放出される。

分離器は、必要な数だけ接続することができる。渦の速度は、加速されて次第に増大するので、層ごとに増大する。発生する遠心力は、次第に大きくなる。したがって、非常に小さな粒子を有する流体を分離することができ、また、各層で流体を分離して、所望の粒子サイズを得ることもできる。

図１１によれば、本発明によるコンパクトディスクスタック型サイクロン分離器は、重相流体用の蓄積チャンバ３５の上方に位置する沈降しない流体用の吐出口が省略され、そのためフィルタの洗浄または交換が不要（メンテナンス不要）となる別のモデルに発展させることができる。本発明によるコンパクトディスクスタック型サイクロン２０１は、分離器内に流体を案内する吸入口２０３と、流体分配チャンバ２０４からなる渦発生デバイス２０２と、トランスミッションベース２１１と、コアンダ効果の原理を利用する、層状旋回流で強制渦を発生させる渦発生デバイス２０５と、各コーンを分離してコーン間に狭い隙間２２３…ｎを形成して表面沈降領域を増大するコーン壁面上の突起を有する、上流側開口端部および下流側開口端部を有する積層平頭コーン２２１…ｎと、重相流体用の流体収集チャネル２２５と、重相流体用の蓄積チャンバ２３４と、重相流体用の吐出口２３６と、重相流体用の流体収集チャネル内に沈殿せずに残った軽相流体を小型のサイクロン流体分離器２４１内に導入するための吸入口２４０と、コーンの底部に位置する重相流体用の吐出口２４６と、汚染物質である微細粒子の蓄積チャンバ２３５と、清浄流体を小型のサイクロン流体分離器から外部に放出する吐出口２５１と、を備える。

図１１によれば、所要の分離用流体が本発明による分離器２０１に導入されると、流体をトランスミッションベース２１１を取り囲む流体分配チャンバ２０４内に放出する前にメッシュ付き通気口（ｇ）を通して分配して大きな汚染物質をスクリーニングしてトランスミッションベース２１１内に分配するために、流体は、円錐体２０９を通して分配される。

図４によれば、トランスミッションベース２１１は、トランスミッションベース１１と同様であるので、発明者等は、トランスミッション１１を説明する同じ図面を使用する。トランスミッションベース１１は、内部空洞１２を有する円錐形を有し、トランスミッションベース１１の周りに対称に配置された複数の細い垂直方向の矩形の隙間である貫通孔１３があり、貫通孔１３の横に、貫通孔の入口に側壁１６を有する貫通孔側縁部ブロック１４があり、貫通孔１３が内部空洞１２に入るところにおいて、貫通孔側縁部ブロック１４の内部空洞内の部分は、トランスミッションベースの内壁に向かって湾曲する凸状湾曲縁部表面１５であり、貫通孔の横にある縁部壁面１６の反対側の壁面は、縁部壁面１７である。縁部壁面１６と縁部壁面１７の間の隙間は、入口では広く、その後貫通孔１３のところで細くなり、貫通孔１３を流れる流体を集めやすいようになっている。貫通孔１３は、縁部壁面１６にまっすぐに沿って流れるのではなく、貫通孔の噴出軸を決定する縁部壁面１７と位置合わせされる。

図５によれば、渦発生デバイス２１１は渦発生デバイス１１と同様であるので、このデバイスについては、図５を用いて詳細に説明する。トランスミッションベースの内壁に向かって湾曲する凸状湾曲縁部表面１５は、貫通孔１３の噴出軸ａに最も近い表面として配置され、特定の圧力および／または特定の吸引力を有する流体が貫通孔１３内を流れると、その流体は、コアンダ効果によって偏向されて、破線ｂに沿ってトランスミッションベースの内壁に向かって湾曲した凸状湾曲縁部表面１５に沿って流れ、トランスミッションベース１１の内部空洞１２内の流体を破線Ａに沿って巻き込んで、破線ｂに沿ってトランスミッションベースの内壁に向かって湾曲した凸状湾曲縁部表面１５に沿って流れるように誘導し、それにより、流体をトランスミッションベースの内壁に沿うように流す。複数の貫通孔１３、凸状湾曲縁部表面１５、およびトランスミッションベース１１の内壁の周りの貫通孔の噴出軸ａは、対称に配置されている。したがって、流体は、トランスミッションベースの内壁に向かって湾曲した各凸状湾曲表面１５上を流れ、互いに中継するように流れ、それにより破線Ｂに沿ってトランスミッションベースの内壁の周縁上を流れて、渦発生チャンバ（図１１による）の一部である内部空洞１２内に渦を生じさせる。コアンダ効果により、発生する渦は、層状旋回流による強制渦である。

図６によれば、凸状湾曲表面１５が渦発生チャンバの内壁の周面に接触する点で動的エネルギーは最大になり、したがって、渦の速度は、渦の最外周である凸状湾曲縁部表面１５で最高になる。それは、図６に円周として示す、図５の破線Ｂに沿った流れである。渦の速度は、動的エネルギーが減少するにつれて渦が渦の中心に近づくにつれて次第に低下する。このような渦は、強制渦である。遠心力は、渦の速度に正比例して変化するので、強制渦によって生じる遠心加速度の勾配プロフィルにおいて、遠心力は、最も外側の周縁部で最高となり、渦の中心に近づくにつれて次第に低下する。図６の概略図に示すように、流体粒子が遠心力下にあるとき、重相流体は、より大きな遠心力を受け、遠心分離されて外側周縁部を循環する。軽相流体は、より小さな遠心力を受けて、内側周縁部を循環する。本発明による渦発生デバイスによって発生される渦の結果は、層状旋回流である。粒子は、発生した遠心加速度勾配プロフィルに対応する、その比重または大きさに応じた複数の分配層に分離されるので、容易に分離される。

図１１によれば、円錐形渦発生チャンバ２０５に隣接して、軸方向に積層された、上流側開口端部および下流側開口端部を有する複数の平頭コーン２２１がある。各コーンは、各コーンを分離してコーン２１０の間に細い隙間を形成して表面沈降領域を増大させる突起を有する。旋回する流体が、積層されたコーンのうちの最初のコーン２２１に到達すると、旋回流の外周は重相流体からなり、旋回流は、コーンの内壁２０９に沿うように旋回し、コーン２１０間の隙間を通って下方に旋回し、旋回しながらコーンの底部吐出口に向かう。旋回流は、旋回して重相流体用の流体収集チャンバ２２５に入る。これは、積層コーンの底部吐出口にある隙間であり、これは、積層コーンの底部吐出口と、積層コーンを覆う円錐形内部構造２３１との間の空間である。渦の内周を旋回する軽相流体は、旋回し続けてさらにコーンの内壁表面２０９の次の部分に向かい、コーンの上流側開口端部２２４に向かい続けることになるが、重相流体（全ての旋回する流体と比較して）は、最初のコーンの内壁を旋回して通過するときに、次のコーンの内壁２２２に向かって押し出されることになる。上述のプロセスは、積層コーンの数に応じて数回繰り返される。分離は、全ての層の表面沈降領域の円錐形壁面で行われる。重相流体は、コーン間の細い隙間を通して、重相流体用の流体収集チャンバ２２５中に分離される。渦は、別の表面沈降領域である円錐形内部構造２３１の壁面に沿うように旋回し続け、沈殿して、円錐形内部構造の吐出口２３２を通って降下し、重相流体用の流体蓄積チャンバ２３４に蓄積され、この重相流体用の流体収集チャンバ２３４は、汚染物質である微細粒子用の蓄積チャンバ２３５との分離壁２３８と、必要に応じて大きな粒子を分離器から取り除くために開閉される弁２３７を有することがある重相流体用の吐出口２３６とを有する。沈降しない流体は、上方に重相流体用の流体収集チャンバ２２５より上まで旋回する。積層コーンを覆う円錐形内部構造２３１の内壁２３０の上側部分には、流体を小型のサイクロン分離器２４１内に分配する流体分配チャンバ２４２内に流体を導入するための吸入口２４０がある。

図１６および図１１によれば、いくつかの小型のサイクロン流体分離器２４１が、円錐形内部構造２３１の外壁の上側部分の周りに対称に取り付けられ、外部構造２３３と円錐形内部構造２３１との間の空間には、その空間をサイクロンの上側部分と下側部分に分離する仕切壁２４９がある。小型のサイクロン流体分離器２４１は、仕切壁２４９に取り付けられる。各サイクロンの渦ファインダ管２４５は、そのサイクロンの上方上側空間に通じる吐出口２４８を有する。サイクロンの底部吐出口２４６は、分離された微細汚染粒子用の蓄積チャンバであるサイクロン下方の空間に開いている。

図１２および図１３Ａによれば、小型のサイクロン流体分離器２４１は、倒立円錐形を有し、コアンダ効果の原理を利用して層状旋回流で強制渦を発生させる渦発生デバイス２４３と、倒立円錐形の渦発生チャンバ２４４と、重相流体用の吐出口であるサイクロンコーンの底部吐出口２４６と、下向きに渦発生チャンバ内に延びる、サイクロンの上側カバー２４９の中心に取り付けられた丸形管である渦ファインダ２４５と、渦ファインダ吸入口２４７とを備え、渦ファインダ吐出口２４８の端部には、清浄流体用の吐出口がある。図１３Ｂによれば、サイクロンコーンの底部吐出口２４６’の中心に、流れを逆に上向きに旋回させるのを支援するための円錐形尖体２５２’を有することがあり、その円周の最も広い部分は、サイクロンの底部吐出口２４６’の円周より小さく、サイクロンの底部吐出口２４６’として環状の空間を形成している。

図１４および図１５によれば、小型のサイクロン分離器の渦発生デバイスは、トランスミッションベース２４３の周りに対称に設置されたいくつかの貫通孔３１３を備えた倒立円錐形のトランスミッションベース２４３を備え、貫通孔の脇には、貫通孔側縁部ブロック３１４があり、貫通孔３１３の入口には、孔側縁部壁面３１６があり、貫通孔側縁部壁面３１６の反対側には、孔側縁部壁面３１７がある。孔側縁部壁面３１６と孔側縁部壁面３１７の間の隙間は、入口で広く、貫通孔３１３に近づくほど狭くなる。孔側縁部壁面３１６は、内部空洞内で直線状ではない。縁部壁面３１７は、貫通孔３１３と位置合わせされて、貫通孔の噴出軸ａと位置合わせされる。内部空洞内の貫通孔側縁部壁面は、トランスミッションベースの内壁に向かって湾曲した凸状湾曲縁部表面３１５となる。トランスミッションベースの内壁に向かって湾曲した凸状湾曲縁部表面３１５は、トランスミッションベースの内壁に向かって湾曲した凸状湾曲縁部表面３１５の反対側の、貫通孔の内側吐出口で反対側にある孔側縁部壁面と比較して、貫通孔の噴出軸に最も近い表面となる。

図１１によれば、流体が積層コーン２２１…ｎによる分離プロセスを通過すると、重相流体は、積層コーンの表面沈降領域および積層コーンを覆う円錐形内部構造２３１の内壁２３０に沿うように旋回し、この流体は、沈殿し、重相流体用の蓄積チャンバである底部蓄積チャンバに収集される。沈殿せずに残った流体または微細粒子で汚染された流体は、旋回して上方に向かい、流体収集チャンバ２２５の上まで流れ、次いで流体を流体分配チャンバ２４２内に向けて送る吸入口２４０に流入し、積層コーンを覆う円錐形外側構造２３１の周りに対称に設置された複数の小型のサイクロン流体分離器２４１に流れる。流体は、流体分配チャンバ２４２に導入され、次いで、小型のサイクロン流体分離器の渦発生デバイスのトランスミッションベース２４３内に分配される。

図１５によれば、流体は、コアンダ効果の原理を利用する渦発生デバイスのトランスミッションベースの貫通孔３１３を通って流れる。トランスミッションベースの内壁に向かって湾曲した凸状湾曲縁部表面３１５を、コアンダプロフィルに従って貫通孔の噴出軸ａに最も近い表面となるように配置することにより、流体は偏向されて、破線ｂに沿ってトランスミッションベースの内壁に向かって湾曲した凸状湾曲縁部表面３１５に沿うように流れ、トランスミッションベースの内部空洞３１２内の流体を巻き込んで、破線Ａに沿って内向きに流れ、破線ｂに沿ってトランスミッションベースの内壁に向かって湾曲した凸状湾曲縁部表面３１５に沿って流れるように誘導する。貫通孔１３と、トランスミッションベースの周りの外壁および内壁の両方と、凸状湾曲縁部表面３１５と、トランスミッションベースの内壁の周りの貫通孔の噴出軸ａとが、対称に配置されている。これにより、流体は、トランスミッションベースの内壁に向かって湾曲した各凸状湾曲縁部表面上を流れ、各凸状湾曲縁部表面を中継するように流れる。これにより、破線Ｂに沿って、図１１によるサイクロン分離器の渦発生チャンバ２４４の内壁の一部であるトランスミッションベースの内壁の周縁上の流れを生じさせる。「コアンダ効果」により、層状旋回流が生じる。

図６によれば、小型のサイクロン流体分離器２４１の渦発生デバイス２４３は、渦発生デバイス１１と同じ動作原理を有するので、図６を用いて説明する。動的エネルギーは、凸状湾曲縁部表面が渦発生チャンバの内壁の周面に接触する点で最大になる。したがって、渦の速度は、図６では渦の最外周であり、図１５では破線Ｂに沿った流れである、凸状湾曲縁部表面で最高になる。渦の速度は、動的エネルギーの減少に対応して旋回流が渦の中心に近づくにつれて次第に低下する。これは、強制渦タイプの渦である。強制渦によって生じる遠心加速度の勾配プロフィルにおいて、遠心力は、最も外側の周縁部で最高となり、渦の中心に近づくにつれて次第に低下するが、これは、遠心力下にある粒子の分布に対応する。すなわち、重相流体は、より大きな遠心力を受けて、外側周縁部に押し出され、軽相流体は、より小さな遠心力を受けて、内側周縁部を流れる。本発明による小型のサイクロン分離器の渦発生デバイスによって発生される渦は、層状旋回流である。流体粒子は、遠心加速度勾配プロフィルに対応して、その比重または大きさに応じて、すなわち大きいか小さいかに応じて、複数の分配層に分離され、分配されるので、容易に分離される。

図１１によれば、小型のサイクロン２４１であるので、渦発生チャンバ２４４の直径が小さく、その渦の速度は速く、また大きな遠心力を発生させ、渦の半径が短いことと相まって、旋回する粒子は、渦発生チャンバ２４４であるサイクロンコーンの壁面に向かって押し出されやすい。したがって、沈殿率が高く、倒立円錐形の渦発生チャンバ内を旋回する高速度の渦は、渦発生チャンバの周縁により、上流側から下流側に向かって長手方向に連続的に小さくなるので、旋回速度は、汚染流体中の微細汚染物質とも呼ばれる重相流体の吐出口である底部吐出口２４６に向かって下方に旋回するときに加速されることになる。底部吐出口２４６の断面積は、流体を渦発生チャンバ２４４内に送る小型のサイクロン分離器の渦発生デバイスのトランスミッションベースの全ての吸入口の総断面積より小さいので、底部吐出口２４６容量を超える流体流が入ってくるとそれを放出し、上向きの逆旋回流を生じる。微細汚染物質とも呼ばれる重相流体は、底部吐出口２４６で微細汚染物質用の蓄積チャンバ２３５内に分離される。分離器から微細汚染物質を除去するための弁２３９ｂを有することもある吐出口２３９ａがある。軽相流体または清浄流体は、旋回しながらサイクロンの上部に向かい、旋回しながら渦ファインダの吸入口２４７を通り、次いで旋回しながらサイクロンコーンの上側カバー２４９の中心にある渦ファインダ２４５の吐出口２４８を通る。各小形のサイクロン流体分離器からの清浄流体は、清浄流体収集チャンバ２５０で集められる。次いで、吐出口２５１を介して放出される。

図１７ａおよび図１７ｂによれば、渦ファインダの吐出口は、渦ファインダの直線状の吐出口を閉止し、側方吐出口４０４を開けて、直接流を遮断して、側方吐出口４０４を通して流れを偏向させて、分離効率を高めるために渦発生チャンバ内の渦を安定させるのを助ける、キャップシール４０１を有する丸形管を備えることがある。

発明の最良の方法
本発明の詳細な説明で言及した通りである。

Claims (17)

1. 流体吸入口と、層状旋回流を発生させる強制渦発生器と、円錐形渦発生チャンバ（５）と、上流側開口端部および下流側開口端部を有する軸方向積層コーン（２１…ｎ）であり、各コーンが互いに離間して取り付けられて、コーン間に細い隙間（１０…ｎ）を形成して表面沈降領域を増大させる、軸方向積層コーン（２１…ｎ）と、より大きい、またはより高比重の粒子を含む流体（重相流体）用の収集チャネル（２５）と、重相流体の吐出口（３６）と、より小さい、またはより低比重の粒子を含む流体（軽相流体）用の吐出口（３４）と、を備える、コンパクトディスクスタック型サイクロン分離器。
2. 流体吸入口（２０３）と、層状旋回流を発生させる強制渦発生器と、円錐形渦発生チャンバ（２０５）と、上流側開口端部および下流側開口端部を有する軸方向積層コーン（２２１…ｎ）であり、各コーンが互いに離間して取り付けられて、コーン間に細い隙間（２１０…ｎ）を形成して表面沈降領域を増大させる、軸方向積層コーン（２２１…ｎ）と、重相流体用の収集チャネル（２２５）と、重相流体用の蓄積チャンバ（２３４）と、を備えるコンパクトディスクスタック型サイクロン分離器であって、軽相流体（微細汚染物質を含む）は、軽相流体の吸入口（２４０）を介して、流体分配チャンバ（２４２）内に、またコアンダ効果の原理を利用する層状旋回流で強制渦を発生させるデバイスを備える小型のサイクロン分離器（２４１）に導入され、渦を発生させるデバイスは、内部空洞（３１２）と、前記トランスミッションベースの周りに対称に設置された複数の貫通孔（３１３）と、各貫通孔の横に位置する貫通孔側縁部ブロック（３１４）とを有する倒立円錐形のトランスミッションベース（２４３）を含み、前記トランスミッションベースの前記内部空洞内に位置する内側貫通孔側縁部壁面は、前記貫通孔の噴出軸（ａ）に最も近い表面である前記トランスミッションベースの内壁に向かって湾曲した凸状湾曲縁部表面（３１５）であり、前記貫通孔（３１３）、前記貫通孔の前記噴出軸（ａ）、前記貫通孔側縁部ブロック（３１４）、および前記トランスミッションベースの前記内壁に向かって湾曲したいくつかの凸状湾曲縁部表面（３１５）は、前記トランスミッションベースの外壁および前記内壁の両方において前記トランスミッションベース（２４３）の周囲で対称に配置され、倒立円錐形である渦を発生させるためのサイクロンコーンの内部空洞（２４４）、重相流体の流体吐出口は、サイクロンの底部吐出口（２４６）に位置し、サイクロンの渦ファインダ（２４５）、前記渦ファインダの上側吐出口（２４８）に位置する軽相流体の流体吐出口、いくつかの小型のサイクロン分離器は、円錐形内部構造（２３１）と外部構造（２３３）の間の上側空間において、前記円錐形内部構造（２３１）の上側部分の周りに対称に設置され、前記上側空間は、サイクロンコーンの上部に、前記円錐形内部構造と前記外部構造の間の前記空間を重相流体を収集するための下側チャンバ（２３５）と軽相流体を集めるための上側チャンバ（２５０）とに分割する上側仕切壁（２１９）を有し、前記小型のサイクロン分離器から出る清浄な分離された流体または前記軽相流体は、集められ、吐出口（２５１）を通して取り出される、コンパクトディスクスタック型サイクロン分離器。
3. 流体分配チャンバの外壁の接線方向吸入口（３）と、流体分配チャンバ（４）と、円錐形渦発生チャンバ（５）の一部であるトランスミッションベースの内部空洞（１２）中に流体を案内する貫通孔（１３）、貫通孔側縁部ブロック（１４）、およびトランスミッションベースの内壁に向かって湾曲した凸状湾曲縁部表面（１５）を含むトランスミッションベース（１１）と、を備え、前記表面は、前記貫通孔の噴出軸（ａ）に最も近い表面であり、前記貫通孔（１３）、前記貫通孔側縁部ブロック（１４）、および前記トランスミッションベースの前記内壁に向かって湾曲した前記凸状湾曲縁部表面（１５）は、前記外壁および前記内壁の両方において前記トランスミッションベースの周囲で対称に配置される、コアンダ効果の原理を利用する層状旋回流で強制渦を発生させるデバイスを有する請求項１に記載のコンパクトディスクスタック型サイクロン分離器。
4. 前記流体を流体分配チャンバ（１０４）中に案内して、円錐形渦発生チャンバ（１０５）の一部であるトランスミッションベースの内部空洞（１２）中に前記流体を案内する貫通孔（１３）、貫通孔側縁部ブロック（１４）、およびトランスミッションベースの内壁に向かって湾曲した凸状湾曲縁部表面（１５）を含むトランスミッションベース（１１１）中に分配する軸方向流体吸入口（１０３）を備え、前記表面は、前記貫通孔の噴出軸（ａ）に最も近い表面であり、前記貫通孔（１３）、前記貫通孔側縁部ブロック（１４’）、および前記トランスミッションベースの前記内壁に向かって湾曲した前記凸状湾曲縁部表面（１５）は、前記外壁および前記内壁の両方において前記トランスミッションベースの周囲で対称に配置される、コアンダ効果の原理を利用する層状旋回流で強制渦を発生させるデバイスを有する請求項１および２に記載のコンパクトディスクスタック型サイクロン分離器。
5. 前記渦発生チャンバの前の前記流体吸入口内に軸方向に設置された案内羽根を備え、前記複数の案内羽根は、層状旋回流で強制渦を発生させることができる方向および角度で螺旋状になっている、層状旋回流で強制渦を発生させるデバイスを有する請求項１および２に記載のコンパクトディスクスタック型サイクロン分離器。
6. 前記渦発生チャンバの前の前記流体吸入口内に軸方向に設置されたインペラを備え、前記複数のインペラのブレードは、層状旋回流で強制渦を発生させることができる方向および角度で螺旋状になっている、層状旋回流で強制渦を発生させるデバイスを有する請求項１および２に記載のコンパクトディスクスタック型サイクロン分離器。
7. 前記積層コーンの前記下流側開口端部は、前記コーンの上流側開口端部より小さく、前記積層コーンの内部に円錐形空洞チャンバが形成されて、前記流体を、前記コーン間の全ての前記細い隙間を通って下方に旋回するように分配するようになっている、
   請求項１および２に記載のコンパクトディスクスタック型サイクロン分離器。
8. 前記積層コーンのコーン壁面は、中実な壁面である、請求項１および２に記載のコンパクトディスクスタック型サイクロン分離器。
9. 前記積層コーンは、断面が三角形のウェッジワイヤであり、ワイヤの平坦側面が内側に向いてコーンの内壁（２２’）として機能するようにコーン構造に長手方向に沿って接着されたウェッジワイヤでその壁面が覆われたコアンダスクリーンコーン（２１’）であり、前記ワイヤの三角形側は、外側に向いてコーンの外壁（２３’）として機能し、前記ウェッジワイヤは、２本の隣接するウェッジワイヤ間に細い隙間を残して前記コーンの周りに取り付けられ、前記コーンの周縁の曲率により、次のウェッジワイヤの平坦側面は、直前のウェッジワイヤの平坦側面に対して立ち上がり角を有する、請求項１および２に記載のコンパクトディスクスタック型サイクロン分離器。
10. 重相流体用の蓄積チャンバの上側部分に、重相流体を前記分離器から放出する前に濾過するために外部構造（３３）の壁面上にフィルタスクリーンまたはフィルタ要素を備えた吐出口が設置される、請求項１に記載のコンパクトディスクスタック型サイクロン分離器。
11. 軽相流体用の吐出口に、直線状の吐出口を閉止して管の側面に側方吐出口を開くキャップシール４０１を備えた丸形管が設置される、請求項１および２に記載のコンパクトディスクスタック型サイクロン分離器。
12. 重相流体用の吐出口（２４６’）である小型のサイクロン分離器（２４１’）の底部吐出口の中心には、サイクロンコーンの底部吐出口（２５２’）の直径より小さい直径を有する円錐形尖体（２４６’）が、逆旋回流を補助するために設置される、請求項２に記載のコンパクトディスクスタック型サイクロン分離器。
13. 流体吸入口（２４０）と、流体分配チャンバ（２４２）と、円錐形または円筒形のトランスミッションベース（２４３）と、を備え、前記円錐形または円筒形のトランスミッションベース（２４３）は、内部空洞（３１２）と、前記トランスミッションベース（２４３）の周りに対称に設置された複数の貫通孔（３１３）と、貫通孔側縁部ブロック（３１４）とを備え、前記貫通孔側縁部ブロックの前記内部空洞内の縁部表面は、前記貫通孔の噴出軸（ａ）に最も近い表面である前記トランスミッションベースの内壁に向かって湾曲した凸状湾曲縁部表面（３１５）であり、前記トランスミッションベースの前記内壁に向かって湾曲したいくつかの凸状湾曲縁部表面と、前記貫通孔とは、前記トランスミッションベースの前記内壁の周りで対称に配置され、前記トランスミッションベースの前記内壁（３１２）に隣接して、倒立円錐形の渦発生チャンバ（２４４）があり、前記コーンの端部には、全ての貫通孔の吸入口の総断面積より小さい断面積を有する重相流体の吐出口であるサイクロンコーンの底部吐出口（２４６）があり、前記コーンの反対側には、前記流体分配チャンバおよび前記渦発生チャンバを覆う上側カバー（２４９）があり、サイクロンの前記上側カバーには、軽相流体の吐出口（２４８）として機能する、両方の開口端部が前記コーンの中心に位置する円筒管である渦ファインダ（２４５）がある、コアンダ効果の原理を利用する層状旋回流で強制渦を発生させるデバイスを有するサイクロン流体分離器。
14. 請求項３に記載の前記分離器は、分離効率を高めるために、後続の渦発生チャンバの開口端部が直前の分離器（ＣＤＳＣＳ Ｉ）の軽相流体の流体吐出口に接続されるように請求項３に記載の分離器を後続の分離器に接続することによって、複数セットを互いに接続することができ、流体ポンプを使用して流体を吸入口（５０３）を通して第２の分離器（ＣＤＳＣＳ ＩＩ）内に注入して、旋回速度を前記直前の分離器の旋回より高くなるように加速し、前記直前の分離器からの旋回する流体をより高い速度に加速し、より大きな遠心力を発生させて分離効率を高め、前記第２の分離器から分離される重相流体は、吐出口（５３６）から第２の蓄積部（蓄積部ＩＩ）内に除去され、前記蓄積部内の流体は、継続的に送り返されて前記旋回を加速する、請求項３に記載のコンパクトディスクスタック型サイクロン分離器。
15. サイクロン分離器の沈殿速度を高めるデバイスであって、上流側開口端部および下流側開口端部を有する積層平頭コーン（２１）を備え、各コーンは、コーン間に細い隙間（１０）、（２３…ｎ）を形成して表面沈降領域を増大させるように配置され、前記積層コーンの内部空洞は、渦発生チャンバと前記サイクロン分離器の軽相流体用の流体吐出口との間で軸方向に接続され、前記積層コーンは、重相流体の流体収集のためのチャネル（２５）としてコーンカバーと前記積層コーンとの間に隙間を残してコーンカバー（３１）の内部に設置され、前記コーンカバーは、重相流体用の吐出口（３２）を含み、軽相流体用の流体吐出口（３４）は、最後の積層コーンの下流側開口端部に位置する、サイクロン分離器の沈殿速度を高めるデバイス。
16. 軸方向流体吸入口（２０３）を含む前記分離器は、複数使用して、後続の渦発生チャンバの上流側開口端部が直前の分離器の下流側開口端部に接続されるように直前の分離器に接続することによって互いに接続して分離効率を高めることができ、前記接続される分離器の流体吸入口は、前記直前の分離器の軽相流体の吐出口（２５１）に接続され、本請求項に記載の分離器は、分離器の下流側吐出口に設置された流体を吸引するためのインペラを使用する分離器であることが好ましい、コアンダ効果の原理を利用する層状旋回流で強制渦を発生させるデバイスを有する請求項２に記載のコンパクトディスクスタック型サイクロン分離器。
17. 前記積層コーンは、中実壁面コーンまたはコアンダスクリーンコーン２１’であり、各積層コーンの底部縁部は、積層コーン３１、２３１を覆うための内部構造によって完全に覆われ、各積層コーンの前記底部縁部には、重相流体が重相流体用の収集チャンバ３５、２３４に向かって下方に流れることを可能にし、軽相流体が積層コーン間の次の隙間に向かって上方に流れることを可能にする、重相流体用のチャネルとして機能する少なくとも１つの開口または孔があり、前記積層コーンの底部縁部の開口の総断面積は、軽相流体に対する重相流体の適切な流れ分配比により、最初のグループの積層コーンの間の隙間から重相流体用の収集チャネル２５、２２５を通った後に最後のグループの積層コーンの間の隙間を通って軽相流体吐出口３４に流れる、または小型のサイクロンの流体吸入口２４０に旋回して入る短絡流を生じることなく、積層コーン間の全ての隙間に旋回流を分配することが可能になるように決定される、請求項１、２、３、４、５、６のいずれか一項に記載のコンパクトディスクスタック型サイクロン分離器。