二相流体分離装置および方法
【課題】本発明は、二相流体の各相の比重差の大きさに関わらず、所望の粒子径の粒子成分を自在に分離することができる新規な二相流体分離装置および方法を提供することを目的とする。
【解決手段】排出流路に連通する開口部であって、長辺を有する少なくとも１つの開口部を二相流体に臨ませた上で、二相流体と開口部との間に、該開口部の長辺に対峙する方向における相対速度を生じさせることによって、当該相対速度に相関した粒子径の粒子を分離する。本発明においては、相対速度の発生方法として、開口部を二相流体中で循環移動させる方法、または、開口部に対して二相流体を循環移動させる方法を採用することができる。
【解決手段】排出流路に連通する開口部であって、長辺を有する少なくとも１つの開口部を二相流体に臨ませた上で、二相流体と開口部との間に、該開口部の長辺に対峙する方向における相対速度を生じさせることによって、当該相対速度に相関した粒子径の粒子を分離する。本発明においては、相対速度の発生方法として、開口部を二相流体中で循環移動させる方法、または、開口部に対して二相流体を循環移動させる方法を採用することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二相流体分離装置に関し、より詳細には、二相流体から所望の粒子径の粒子成分を自在に分離することができる二相流体分離装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、二相流体（気液・固液・固気）の各相を分離する装置の多くは、フィルタ膜に対して二相流体を透過させ、流体中の液相あるいは固相のみを当該フィルタ膜で捕捉するものであったが、このようなフィルタ膜方式においては、フィルタの目詰まりに起因して分離効率が経時的に低下することが避けられず、フィルタの清掃・交換に伴う保守コストが過大になるという問題があった。
【０００３】
この点につき、特開２００５−２８２４２号公報（特許文献１）は、二相流体内の比重（密度）の違いに基づいて、遠心力の作用を利用して固液を分離するフィルタ装置を開示する。しかしながら、この方式は、各相の比重に大きな差がない二相流体の分離に適用することができないという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２８２４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記従来技術における課題に鑑みてなされたものであり、本発明は、二相流体の各相の比重差の大きさに関わらず、所望の粒子径の粒子成分を自在に分離することができる新規な二相流体分離装置および方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は、二相流体の各相の比重差の大きさに関わらず、所望の粒子径の粒子成分を自在に分離することができる新規な二相流体分離装置および方法につき鋭意検討した結果、流体の排出側に連通するスリット状の開口部と分離対象となる二相流体との間に、該開口部の長辺に対峙する方向における相対速度を生じさせた場合に、当該相対速度に相関した粒径の粒子成分が分離される現象を見出し、本発明に至ったのである。以下、本発明の二相流体分離方法の原理について、図１を参照して説明する。
【０００７】
図１は、主流路Ｍおよび分岐流路Ｄからなる２次元流路を示す。図１に示す２次元流路においては、粒子径ｄの粒子成分を含む二相流体が主流路Ｍを左から右方向へ流下しており、主流路Ｍに対して幅ｈを有するスリット状の分岐流路Ｄが形成され、当該スリット開口の長手方向が二相流体の流下方向に直交しているものとする。この２次元流路において、主流路Ｍを流れる二相流体の流速をU、その粒子成分の体積濃度をα0、分岐流路Ｄを流れる二相流体の流速をu、その粒子成分の体積濃度をαとする。
【０００８】
図１に示す２次元流路において、主流路Ｍの壁面からの離間距離が一定距離以内の場所を流れる二相流体の層は分岐流路Ｄに流れこみ、それを超える場所を流れる二相流体の層は分岐流路Ｄに流れ込むことなくこれを通過する。ここで、分岐流路Ｄに流れ込む限界流線の上流における主流路Ｍの壁面からの離間距離をＨとする。
【０００９】
さらに、限界流線以内の層を流れる二相流体に含まれる粒子成分のうち、主流路Ｍの壁面からの離間距離が一定距離以内の場所を流れる粒子は、流体に追随して分岐流路Ｄに流れこみ、それを超える場所を流れる粒子は、分岐流路Ｄに流れ込む流体に追随しきれずに分岐流路Ｄを通過する。ここで、分岐流路Ｄに流れ込む限界粒子軌跡の上流における主流路Ｍの壁面からの離間距離をＹとする。
【００１０】
ここで、主流路Ｍの壁面からの離間距離がｄ／２（粒子半径に相当）より小さい場所を流れる二相流体の層には粒子が含まれていないものとすることができるので、分岐流路Ｄに流入する二相流体のうち、粒子成分を含む流体は、上流における主流路Ｍの壁面からの離間距離ｙが、d／2≦ｙ≦Yを満たす場所を流れる流体に限られる。したがって分岐流路Ｄに対して単位時間に流入する粒子体積は、
{ α０（Ｙ−ｄ／２）Ｕ }
となり、分岐流路Ｄの流量をq＝ＵＨ＝ｕｈとすれば、分岐流路Ｄから流出する粒子の体積濃度αは、下記理論式で表すことができる。ここにqは奥行き単位幅当たりの流量で、m2/Sの単位をもつ。
【００１１】
【数１】
【００１２】
ここで、上記理論式（１）において、｛ｄ／Ｈ＝ｄＵ／q＝ｄＵ／（ｈｕ）＝ζ｝とおいて整理すると、分岐流路Ｄを流下する二相流体の体積濃度αと主流路Ｍを流れる二相流体の体積濃度α0の比（α／α0）を表す理論式として下記式（２）が導出される。
【００１３】
【数２】
【００１４】
ここで、上記理論式（1）より｛Ｙ／ｄ｝の値が0.5以下のとき、体積濃度比（α／α0）が０になる。粒子が流れに追随する場合はＹ＝Ｈとなり、｛Ｈ／ｄ＝1／ζ｝の値が0.5以下のとき、すなわちζの値が2以上のとき体積濃度比（α／α0）が０になる。つまり、上記理論式（１）、（２）によれば、これらの条件を満足するとき、分岐流路Ｄの体積濃度αを０にすること、すなわち、粒子径ｄ以上の粒子成分を含まない流体のみを分岐流路Ｄ側に送出することができることが予想される。
【００１５】
なお、上記理論式（1）（２）における｛Ｙ/ｄ｝ならびに｛Ｙ/Ｈ｝はともに、分離対象系の比重＝粒子密度／流体密度、レイノルズ数＝流体密度×粒子直径×流速／流体粘度、ζ(＝ｄＵ／ｑ)の値、によって変化し、これらの値が大きくなるほど、｛Ｙ/ｄ｝ならびに｛Ｙ/Ｈ｝は、小さな値を取る性質がある。なお、｛Ｙ/ｄ｝ならびに｛Ｙ/Ｈ｝の値を求めるにあたっては、粒子と流体の相対速度によって粒子に加わる抗力、流体中で加速度運動する粒子に加わる付加質量、粒子が存在しない流れ場の圧力分布によって粒子が受ける力等を考慮に入れた、粒子の運動方程式を使用したシミュレーション計算によって求めることができる。
【００１６】
たとえば、２次元流路中の二相流体において、仮に、粒子密度と流体密度の比が１を大きく超えない場合、また、粒子密度が流体密度よりかなり大きな場合であっても、レイノルズ数が小さい場合には、二相流体中の全ての粒子成分は、流体に追随する形で分岐流路Ｄに流れ込むため、Ｙ＝Ｈ、すなわち、｛Ｙ／Ｈ＝１｝となり、下記理論式（２）から、｛ζ≧２｝を満たす条件において、｛Ｕ≧２ｑ／ｄ}を満たす流速を与えれば、直径ｄよりも大きな粒子成分を含まない流体のみを分岐流路Ｄ側に送出することができることになる。
【００１７】
一方で、液滴を含む気体のように粒子の密度と流体の密度の比が１を大きく超えてかつレイノルズ数が１を大きく超えるような二相流体の場合には、図２に示すようなシミュレーション結果を使用して｛Ｙ／ｄ｝とＵの関係を求める。図２は、直径30μの水滴を含む空気（気液流体）において、単位幅あたりの空気流量qが0.125ｍ2/ｓの場合についてシミュレーションした結果である。図２に示されるシミュレーション結果が得られた場合、Ｕ(主流路Ｍを流れる二相流体の流速)の値を、｛Ｙ／ｄ｝の値が0.5となる値（図２の場合、Ｕ＝42ｍ/ｓ）よりも大きく設定すれば、直径ｄよりも大きな粒子成分を含まない流体のみを分岐流路Ｄ側に送出することができることになる。
【００１８】
本発明者は、上記理論式（２）の妥当性を検証すべく、図３（ａ）に概念的に示す２次元流路モデルを使用して予備実験を行なった。なお、本予備実験においては、固相としてポリスチレン粒子を、流体として当該ポリスチレンと同じ比重に調整した食塩水を使用し、主流路Ｍ（アスペクト比：H/B＝1.66・0.6)について、所定条件（Ｕ,ｕ,ｈ,ｄ）の下、分岐流路Ｄを流下する二相流体のポリスチレン粒子体積濃度αならびに主流路Ｍを流れる二相流体のポリスチレン粒子体積濃度α0を測定し、ζ(＝ｄＵ／ｑ)と体積濃度比（α／α0）の関係を算出した。本実験においては、上記条件（粒子密度／流体密度＝１、すなわち、Ｙ／Ｈ＝１）を上記理論式（２）に代入し、ζ＝２のときに、α／α0＝０となる理論直線（実線）を設定したが、実験結果は、図３（ｂ）に示すように、理論直線（実線）とよく一致した。
【００１９】
本発明者は、上述した実証結果に基づいて、新規な二相流体の分離方法について検討を重ねた。その結果、上記理論式（２）のζ(＝ｄＵ／ｑ)における、｛Ｕ｝を、分岐流路Ｄのスリット開口と主流路Ｍ内に貯留される二相流体との間の相対速度として付与する構成に想到し、当該構成に基づく実証実験を実施した結果、二相流体中から所望に粒子成分を分離することに成功し、本発明に至ったのである。
【発明の効果】
【００２０】
上述したように、本発明によれば、二相流体の各相の比重差の大きさに関わらず、所望の粒子径の粒子成分を自在に分離することができる新規な二相流体分離装置および方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明を説明するための２次元流路を示す概念図。
【図２】気液流体についてのシミュレーション結果を示す図。
【図３】２次元流路モデルの予備実験の結果を示す図。
【図４】本発明の第一形式の第１の実施形態の二相流体分離装置を示す図。
【図５】本発明の第一形式の第１の実施形態に適用可能な回転容器の形態を示す図。
【図６】本発明の第一形式の第１の実施形態に適用可能な回転容器の形態を示す図。
【図７】本発明の第一形式の第２の実施形態の二相流体分離装置を示す図。
【図８】本発明の第一形式の第３の実施形態の二相流体分離装置を示す図。
【図９】本発明の第二形式の実施形態の二相流体分離装置を示す図。
【図１０】貯留容器を開放容器または管として構成した二相流体分離装置を示す図。
【図１１】実施例１の固液分離装置モデルを示す図。
【図１２】排出液の質量流量（ｇ/ｓ）と回転容器の回転数（ｒｐｍ）の関係を示す図。
【図１３】単位時間当たりに排出される排出液に含まれるポリスチレン粒子の質量（ｇ/ｓ）と回転容器の回転数（ｒｐｍ）の関係を示す図。
【図１４】排出液に含まれるポリスチレン粒子の質量パーセント濃度（％）と回転容器の回転数（ｒｐｍ）の関係を示す図。
【図１５】実施例１の固液分離装置モデルについて、体積濃度比（α／α0）とζ(＝ｄＵ／ｑ)の関係を示す図。
【図１６】実施例２の気液分離装置モデルを示す図。
【図１７】排気の体積流量（Ｌ/ｓ）と回転板の回転数（ｒｐｍ）の関係を示す図。
【図１８】単位時間当たりに排出される排気に含まれる水滴の質量（ｍｇ/ｓ）と回転板の回転数（ｒｐｍ）の関係を示す図。
【図１９】排気中に含まれる水滴の体積濃度（ｇ/ｍ３）と回転板の回転数（ｒｐｍ）の関係を示す図。
【図２０】実施例２の気液分離装置モデルについて、体積濃度比（α／α0）とζ(＝ｄＵ／ｑ)の関係を示す図。
【図２１】本実施例３の固液分離装置モデルを示す図。
【図２２】排出液に含まれるポリスチレン粒子の質量パーセント濃度（％）と撹拌翼の回転数（ｒｐｍ）の関係を示す図。
【図２３】実施例３の固液分離装置モデルについて、体積濃度比（α／α0）とζ(＝ｄＵ／ｑ)のを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明を図面に示した実施の形態をもって説明するが、本発明は、図面に示した実施の形態に限定されるものではない。なお、以下に参照する各図においては、共通する要素について同じ符号を用い、適宜、その説明を省略するものとする。
【００２３】
本発明の二相流体分離装置の実装は、流体の排出側に連通する開口部と分離対象となる二相流体との間の相対速度を生じさせる構成によって、大きく２つの形式に分けることができる。すなわち、静止した二相流体に対して開口部側を循環移動させることによって当該二相流体との間に相対速度を生じさせる第１の形式、ならびに、静止した開口部に対して二相流体を循環移動させることによって当該開口部との間に相対速度を生じさせる第２の形式である。以下、まず、上述した第１の形式について説明する。
【００２４】
図４は、第一形式の第１の実施形態である二相流体分離装置１０を示す。図４（ａ）に示すように、二相流体分離装置１０は、分離対象の二相流体を導入するための密閉容器１１と、回転容器１２とを含んで構成されている。なお、回転容器１２は、モータなどの回転駆動手段１３に接続されており、矢印の方向に所望の速度で回転制御することができるように構成されている。
【００２５】
図４（ｂ）は、回転容器１２のみを抜き出して示す。回転容器１２は、中空の円盤状（すなわち、背の低い中空円柱状）に形成された容器１４と細長い円筒部１５とから構成されている。容器１４の一方の底面の中心部には、円筒部１５の内部空間と容器１４の内部空間が連通する形で円筒部１５が接続されており、回転容器１２は、回転対称形状を有する中空容器として構成されている。
【００２６】
回転容器１２の容器１４の底面のうち、一方の底面には、２つの開口部１６，１６が形成されており、密閉容器１１の内部空間は、開口部１６，１６を介して回転容器１２の内部と連通している。開口部１６は、幅ｈを備える細長い長方形のスリットとして形成されており、矢印Ｒが示す回転容器１２の回転方向に対して、その長辺がおおよそ垂直に対峙するように容器１４の底面に対して形成されている。回転容器１２は、密閉容器１１の内部に回転自在に配置されており、円筒部１５は、密閉容器１１の壁面を貫通する形で外部に突出し、図示しない排出流路に接続される。
【００２７】
上述した構成を備える二相流体分離装置１０を使用した二相流体を分離する処理について、以下説明する。まず、導入流路１７から密閉容器１１内に二相流体が導入される。ここでは、説明の便宜のため、二相流体は、液相または気相の流体に対して２種類の粒子Ｌおよび粒子Ｓが分散しているものとし、粒子Ｌの粒子径がｄであり、粒子Ｓの粒子径はｄより小さいものとする。なお、図４に示す例の場合、密閉容器１１内は二相流体によって完全に充填されるので、導入流路１７から密閉容器１１内に導入される二相流体の流量と、回転容器１２の円筒部１５から排出される二相流体の流量Ｑ０とは等しくなり、Ｑ０を開口部１６の面積で割ると、二相流体分離装置１０に設定される処理流量に対応した所定流速｛ｕ｝ならびに単位幅あたりの流量ｑ＝ｕｈが設定される。
【００２８】
ここで、仮に回転容器１２の回転が停止した状態であれば、導入流路１７から導入された二相流体中の粒子Ｌおよび粒子Ｓは、いずれも開口部１６，１６から回転容器１２内に流入し、円筒部１５を通って外部に流出してしまうが、本実施形態の二相流体分離装置１０においては、回転駆動手段１３によって回転容器１２を回転させ、その回転速度を制御することによって、粒子径ｄの粒子Ｌを含まない流体（すなわち、粒子Ｓのみを含む流体）を外部に送出することができる。
【００２９】
本実施形態における回転容器１２の回転速度（ｒｐｍ）は、以下の手順で求めることができる。まず、粒子が流体に追随する二相流体の場合には、限界粒子径ｄ、単位幅あたりの流量q として、｛ Ｕ≧2ｑ／ｄ }を満たす相対速度U（開口部１６の短辺方向の二相流体の流れＲの必要な流速）を算出する。一方、粒子が流体に追随しない二相流体の場合には、上述した｛ Ｙ／ｄ≦0.5 }を満たす相対速度Uを算出する。算出したこれらの相対速度Uをもとに、これを実現するために必要な回転速度（ｒｐｍ）を求める。当該回転数をもって二相流体分離装置１０の運転を制御することによって、二相流体中の粒子Ｌと粒子Ｓを分離することができる。
【００３０】
なお、本実施形態における回転容器は、図４に示した形態に限定されるものではない。図５は、本実施形態に適用可能な回転容器の他の形態について例示する。図５（ａ）に示す回転容器２０は、直方体状に形成された容器２１と細長い円筒部２２とを備え、容器２１の上面の中心部に円筒部２２が接続されてなるＴ字形状の中空容器として構成されており、容器２１の底面には、２つの開口部２３ａ、２３ｂが形成されている。
【００３１】
また、回転容器２０においては、開口部２３ａ、２３ｂに接する流体の境界層をより薄くするために、例えば、図上に破線で囲んで示すように、直方体状の容器２１に代えて中空の蒲鉾状に形成された容器２４を使用して構成することができる。蒲鉾状の容器２４の局面部分に開口部２５を形成することによって、開口部と流体の相対速度は、丁度飛行機の翼の上の速度が飛行速度よりも大きくなるのと同様に、単純に回転によって得られる相対速度よりも大きな相対速度を得ることができ、しかも先端から開口部２５までは増速流領域になるために、境界層の厚さを小さく抑えることができる。
【００３２】
さらに、図左下に破線で囲んで示すように、容器２１の底面に突き出した形で平板２６を設け、そこに開口部２３を設けることにより、開口部２３周囲に平板２６に平行で、乱れが少ない流れが形成され、その結果、開口部２３近傍の境界層の厚さを小さく抑えることができる。さらに、図右下に破線で囲んで示す容器２１の断面図に示されるように、容器２１の厚み方向に対して傾斜した貫通孔として開口部２３を形成することより、流体の主流方向に対してＵターンするような流れが生まれ、その結果、粒子が流体に追随しないような二相流体において、そのフィルタリング効果が増加する。
【００３３】
図６は、本実施形態に適用可能な回転容器の他の形態について例示する。図６に示す回転容器３０は、中空の円柱状に形成された容器３１と細長い円筒部３２とを備え、容器３１の上面の中心部に円筒部３２が接続されてなる二段円柱状の中空容器として構成されており、容器３１の外周面には、開口部３３が形成されている。
【００３４】
以上、本実施形態に適用可能な回転容器の形態について図５および図６に例示したが、本実施形態における回転容器は、上述した形態に限定されるものではなく、流体の排出側に連通する中空部を備える回転対称形状を有する中空容器であって、その壁面に少なくとも１つの開口部を備えるものであればどのような形態であってもよく、当業者であれば種々の設計変更が可能であろう。
【００３５】
次に、本発明の第一形式の第２の実施形態に基づいて説明する。図７は、発明の第２の実施形態である二相流体分離装置４０を示す。図７（ａ）に示すように、二相流体分離装置４０は、分離対象の二相流体を導入するための直方体状の密閉容器４１と、密閉容器４１の外壁面４１ａに形成された円形の開口に対して、当該外壁面と面一になるように嵌合された正円形の回転壁４２とを含んで構成されている。回転壁４２は、モータなどの回転駆動手段４３に対して密閉容器４１の外壁面４１ａに垂直な軸４４を介して接続されており、軸４４を回転軸として、矢印Ｒ方向に所望の速度で回転制御することができるように構成されている。また、図７（ｂ）に示すように、密閉容器４１の外壁面４１ａに対して、回転壁４２を覆う形で排出流路４５が形成されている。
【００３６】
回転壁４２は、正円形の円盤状に形成されており、回転壁４２を貫通する２つの開口部４６ａ、４６ｂが形成されており、密閉容器４１の内部空間は、開口部４６ａ、４６ｂを介して排出流路４５と連通している。図７に示す開口部４６ａ、４６ｂは、細長い長方形状として形成されており、矢印Ｒが示す回転壁４２の回転方向に対して、その長辺がおおよそ垂直に対峙するように回転壁４２に対して形成されている。
【００３７】
上述した構成を備える二相流体分離装置４０が二相流体を分離する原理は、第１の実施形態について上述したのと基本的には同じである。ここで、導入流路４７から密閉容器４１内に所定流量Ｑ０で導入された二相流体は、回転壁４２に形成された開口部４６ａ、４６ｂから、同じ流量Ｑ０で排出流路４５側に送出されることから、回転壁４２の回転速度（ｒｐｍ）は、以下の手順で求めることができる。
【００３８】
まず、流量Ｑ０を開口部４６ａ，４６ｂの面積で除して流速ｕを求め、排出される二相流体の単位長さ当たりの流量｛ｑ＝ｕｈ｝を算出する。ここで、密閉容器４１内に留まらせておきたい粒子Ｌの粒子径｛ｄ｝とする場合、粒子が流体に追随する二相流体の場合には、｛Ｕ≧2ｑ／ｄ }を満たす相対速度U（開口部４６の短辺方向の二相流体の流れＲの必要な流速）を算出する。一方、粒子が流体に追随しない二相流体の場合には、上述した｛ Ｙ／ｄ≦0.5 }を満たす相対速度Uを算出する。算出したこれらの相対速度Uをもとに、これを実現するために必要な回転速度（ｒｐｍ）を求める。当該回転数をもって二相流体分離装置４２の運転を制御することによって、二相流体中の粒子Ｌと粒子Ｓを分離することができる。
【００３９】
次に、図８を参照して、本発明の第一形式の第３の実施形態に基づいて説明する。図８は、発明の第３の実施形態である二相流体分離装置５０を示す。図８（ａ）に示すように、二相流体分離装置５０は、分離対象の二相流体を導入するための中空円柱状の密閉容器５１を備え、密閉容器５１の円周方向の一部は、密閉容器５１（円柱）の中心軸を回転軸として回転自在に形成された円筒状の回転壁５２によって構成されている。円筒状の回転壁５２は、ロータリー・ジョイント５３によって密閉容器５１の外壁に回転自在に接続されており、回転壁５２の外周に設けられたギア５４を介して、モータなどの回転駆動手段５５から動力を伝達され、密閉容器５１の中心軸を回転軸として、矢印Ｒ方向に所望の速度で回転制御することができるように構成されている。
【００４０】
回転壁５２には、貫通する２つの開口部５５ａ、５５ｂが形成されており、密閉容器５１の内部空間は、開口部５５ａ、５５ｂを介して密閉容器５１の外部と連通している。図８に示す開口部５５ａ、５５ｂは、細長い長方形状として形成されており、矢印Ｒが示す回転壁５２の回転方向に対して、その長手辺がおおよそ垂直に対峙するように回転壁５２に対して形成されている。また、図８（ｂ）に示すように、密閉容器５１の外周壁面に対して、回転壁５２を覆う形で排出流路５６が形成されており、密閉容器５１の内部空間は、開口部５５ａ、５５ｂを介して排出流路５６と連通している。なお、図８に示す二相流体分離装置５０が二相流体を分離する原理は、第２の実施形態について上述したのと基本的には同じであるので説明を省略する。
【００４１】
以上、本発明の第１の形式を第１実施形態〜第３実施形態をもって説明してきたが、本発明における回転容器ならびに回転壁に形成される開口部は、アスペクト比の大きい、長方形、平行四辺形、扇形等のスリット開口として形成することが好ましく、その長辺が回転容器の回転方向に対しておおよそ垂直に対峙するように形成されていることが好ましい。なお、開口部の形状およびその数については、各装置の実装に応じて適切な態様を適宜採用することができる。さらに加えて、本発明の第一形式においては、回転容器または回転壁の回転によって周りの流体に渦を生じさせないようにするため、各開口部の近傍の適切な位置に、邪魔板のような整流手段を設置することができる。
【００４２】
以上、図４〜６を参照して、本発明の二相流体分離装置の実装のうち、静止した二相流体に対して開口部側を循環移動させることによって当該二相流体との間に相対速度を生じさせる第１の形式について説明しきたが、次に、静止した開口部に対して二相流体を循環移動させることによって当該開口部との間に相対速度を生じさせる第２の形式について、図９を参照して以下説明する。
【００４３】
図９は、本発明の第二形式の実施形態である二相流体分離装置６０を示す。図９(ａ）に示すように、二相流体分離装置６０は、分離対象の二相流体を導入するための中空円柱状の密閉容器６１と、密閉容器６１内に導入した二相流体を回転撹拌するための回転撹拌翼６２とを含んで構成されている。密閉容器６１の底面６１ｂには、長方形状の貫通孔である開口部６３が形成されており、開口部６３に連通する形で排出流路６４が底面６１ｂに接続されている。なお、開口部６３は、上述した第１の形式について説明したのと同様に適宜適切な態様を採用することができる。
【００４４】
回転撹拌翼６２は、その回転方向が長方形状の開口部６３の長辺に対しておおよそ垂直に対峙するように図示しない回転駆動手段によって回転駆動される。その結果、長方形状の開口部６３の長辺に対しておおよそ垂直に対峙するような二相流体の流れＲが形成され、二相流体と開口部６３との間に相対速度が生じる。
【００４５】
上述した構成を備える二相流体分離装置６０が二相流体を分離する原理は、相対速度を発生させるための構成を除き、第一形式の第１の実施形態について上述したのと基本的には同じである。すなわち、導入流路６５から密閉容器６１内に所定流量Ｑ０で導入された二相流体は、底面６１ｂに形成された開口部６３から、同じ流量Ｑ０で排出流路６４から排出される。この流量Ｑ０を排出流路６４の面積で除して流速uを求め、排出される二相流体の単位長さ当たりの流量｛ｑ＝ｕｈ｝を算出する。
【００４６】
ここで、密閉容器６１内に留まらせておきたい粒子Ｌの粒子径｛ｄ｝とする場合、粒子が流体に追随する二相流体の場合には、｛Ｕ≧2ｑ／ｄ }を満たす相対速度U（開口部６３の短辺方向の二相流体の流れＲの必要な流速）を算出する。一方、粒子が流体に追随しない二相流体の場合には、上述した｛ Ｙ／ｄ≦0.5 }を満たす相対速度Uを算出する。算出したこれらの相対速度Uをもとに、これを実現するために必要な回転速度（ｒｐｍ）を求める。当該回転数をもって二相流体分離装置４２の運転を制御することによって、二相流体中の粒子Ｌと粒子Ｓを分離することができる。本実施形態においては、開口部６３およびこれに連通する排出流路６４を、図９(ｂ）に示すように、密閉容器６１の外周面６１ａに形成してもよい。
【００４７】
なお、上述した第一形式、第二形式の実施形態においては、二相流体が貯留される容器を密閉容器として説明したが、本発明は、二相流体を貯留するための容器を開放容器として構成することもできる。図１０（ａ）は、図４に例示した構成について、二相流体の貯留容器を開放容器１１-２として構成した二相流体分離装置１０-２を示す。二相流体分離装置１０-２においては、二相流体の排出側に流量制御弁１８を設けるなどして、排出される流体の単位長さ当たりの流量｛ｑ｝を制御するとともに、その流量｛ｑ｝と限界粒子径に適した回転数を選んで運転することが好ましい。
【００４８】
さらに、図１０（ｂ）は、図４に例示した構成について、二相流体の貯留容器を閉塞端を持たない管１１-３として構成した二相流体分離装置１０-３を示す。二相流体分離装置１０-３においては、二相流体の排出側に流量制御弁１８を設けることに加え、管１１-３の流下方向後方に流量制御弁１９を設けて運用するもので、流量制御弁１９の下流には高濃度の大粒子を含んだ二相流体が排出される。なお、上述した応用展開は、図４に例示した構成の変形に限らず、上述した形式1および形式２の他の全ての実施形態についても同様に可能である。
【００４９】
本発明の二相流体分離装置は、気液・固液・固気の全ての二相流体に適用することが可能であり、また、一つの装置で種々のプロセスを実施することができる。例えば、所定径以上の粒子をターゲットにして、これを容器内で濃縮することはもちろんのこと、粒子成分を含まない流体のみを容器内に導入して運転し続けることによって、複数の粒径分布を持つ二相流体から、所定径未満の粒子成分のみを容器内から排除する（取り出す）といったプロセスを実施することもできる。
【００５０】
さらに、本発明の二相流体分離装置は、二相流体の各相の比重差が小さい場合であっても確実に粒子を分離することができ、また、回転数制御によって、フィルタリングの限界粒子径を容易に変更することができる。さらに加えて、本発明の二相流体分離装置は、従来の遠心フィルタ装置において不可避であったターゲット粒子（比重の大きい粒子）に対する大きな重力の印加が発生しないため、壊れやすい粒子成分を分離するような用途に有効である。
【実施例】
【００５１】
以下、本発明の二相流体分離装置について、実施例を用いてより具体的に説明を行なうが、本発明は、後述する実施例に限定されるものではない。
【００５２】
（実施例１）
本発明を適用した固液分離装置モデルを作製し、下記の手順で評価実験を行った。図１１は、作製した固液分離装置モデル１００を示す。本実施例の固液分離装置モデル１００は、容器１０１（幅40cm、奥行き23cm、高さ27cm）と、支持体１０２に回転自在に支持された回転容器１２０と、回転容器１２０の内部に連通するように接続された排水管１０３とを含んで構成した。
【００５３】
回転容器１２０は、直方体の上面に円筒を接続したＴ字形状の容器として構成し、直方体部分の底面に２つの開口部１２１ａ，１２１ｂを形成した。なお、開口部１２１ａ，１２１ｂの形状は、いずれも、回転中心ｃを中心とする半径Ｒ１＝55ｍｍ（中心角θ＝5.7°）の扇形状から、同じく回転中心ｃを中心とする半径Ｒ２＝40ｍｍ（中心角5.7°）の扇形状を取り去った残りの形状とした。また、回転容器１２０の円筒部の上端と排水管１０３とをロータリー・ジョイント１０４で接続した。さらに、支持体１０２に配置したモータ１０５の回転をプーリー１０６、連結ベルト１０７、プーリー１０８を介して回転容器１２０の円筒部に伝達し、回転容器１２０を回転駆動するように構成した。
【００５４】
容器１０１には分離対象となる固液二相流体１０９を貯留した。なお、本実施例においては、液相と固相の比重が等しい固液二相流体を供試流体とした。具体的には、直径2.1mm、比重1.044のポリスチレン球形粒子を、同じく比重1.044に調整した食塩水に分散させたものを供試流体とした。
【００５５】
回転容器１２０の直方体部が固液二相流体１０９に浸漬するように配置した。また、排水管１０３の端部が固液二相流体１０９の水面よりも下になるように固定し、サイフォンの原理で回転容器１２０内の流体が自然に排水管１０３側に吸い上げられ、排出されるようにした。
【００５６】
上述した固液分離装置モデル１００において、回転容器１２０の回転数（ｒｐｍ）の条件を変化させ、排水管１０３から排出される供試流体に含まれるポリスチレン粒子の質量を計測した。
【００５７】
図１２は、排水管１０３から排出される排出液の質量流量（ｇ/ｓ）と回転容器１２０の回転数（ｒｐｍ）の関係を示す。図１２に示されるように、回転容器１２０の回転数が増加するにつれて水の抵抗が増すため、排出液の質量流量（ｇ/ｓ）が減少した。
【００５８】
図１３は、単位時間当たりに排出される排出液に含まれるポリスチレン粒子の質量（ｇ/ｓ）と回転容器１２０の回転数（ｒｐｍ）の関係を示す。なお、ポリスチレン粒子の質量については、排出液をふるいにかけポリスチレン粒子を捕捉して、水分をふき取り、乾燥した後に質量を計測した。図１３に示すように、回転容器１２０の回転数が増加するに従って、排出液に含まれるポリスチレン粒子の質量（ｇ/ｓ）は減少した。
【００５９】
ここで、図１２に示した排出液の質量流量（ｇ/ｓ）のデータと図１３に示した排出液に含まれるポリスチレン粒子の質量（ｇ/ｓ）のデータを総合して、排出液に含まれるポリスチレン粒子の質量パーセント濃度（％）を導出した。図１４は、排出液に含まれるポリスチレン粒子の質量パーセント濃度（％）と回転容器１２０の回転数（ｒｐｍ）の関係を示す。図１４に示すように、回転容器１２０の回転数の増加に応じて、排出液に含まれるポリスチレン粒子の質量パーセント濃度（％）はほぼ直線的に減少した。
【００６０】
上述した実験結果を受けて、本実施例の固液分離装置モデル１００の挙動が本発明者の上記理論式（２）に合致するか否かについて検証した。
【００６１】
図１５は、本実施例の固液分離装置モデル１００について得られた実験データにおける、体積濃度比（α／α0）と｛ζ＝Ｕｄ／ｕｈ｝の関係を示す。なお、本実施例においては、｛ζ＝Ｕ・ｄ／（ｕ・ｈ）｝における各項について、Ｕ：回転容器１２０の回転による相対速度、ｄ：ポリスチレン粒子の直径、u ：排水管１０３内の流速、ｈ：開口部１２１の幅とした。ここで、Ｓ：開口部１２１の面積、ｒ：任意の点の半径、N：回転容器１２０の回転数、ｎ：開口部１２１の数、Q０：排水管１０３から流出する流量とした場合、Ｕ＝２π・ｒ・Ｎ、Ｓ＝（Ｒ１２−Ｒ２２）・θ・ｎ、ｈ＝ｒ・θ、ｕ＝Q０／Ｓ、となるため、ζを式｛ζ＝Ud/(uh)＝２πＮ・ｎ・ｄ（Ｒ１２−Ｒ２２）／Q０｝により求めた。実験結果は、図１５の●のプロットが示すように、破線で示す理論直線によく一致する結果となった。
【００６２】
さらに、回転容器１２０の直方体状の容器を、図５(ａ）の破線で囲んで示した中空の蒲鉾状容器に代えた上で、上述したのと同様の条件で実験を行ない、同様に、体積濃度比（α／α0）と｛ζ＝Ｕｄ／ｕｈ｝の関係を求めた。図１５の△のプロットがその結果を示す。図１５に示されるように、蒲鉾状容器の局面部に開口部を設けた回転容器１２０を使用した実験結果は、破線で示す理論値により近づく結果となった。
【００６３】
（実施例２）
次に、本発明を適用した気液分離装置モデルを作製し、下記の手順で評価実験を行った。図１６（ａ）は、作製した気液分離装置モデル２００を示す。本実施例の気液分離装置モデル２００は、密閉容器２０１（幅50cm、奥行き30cm、高さ30cm）に対して、吸気口２０２と排気口２０３とを形成して作製した。吸気口２０２には、ファン２０４を設け外気を密閉容器２０１内に導入した。一方、排気口２０３には、開口部が形成された回転板２２０を回転自在に嵌合し、これをモータ２０５によって回転駆動させた。さらに、排気口２０３を直方体容器２０６（幅40ｃｍ、奥行き25ｃｍ、高さ25ｃｍ）で覆い、直方体容器２０６の天井を貫通する形で内径54ｍｍのパイプを取り付け、これを排気管２０７とした。排気流量については、排気管２０７の側面から熱線流速計を挿入して、パイプ内の流速を計測して求めた。なお、本実験においては、農業用噴霧器２０８（BH-590:パナソニック製／発生ミスト粒径50〜100μm）を使用して密閉容器２０１内でミストを発生させることによって、ミストを含んだ空気を吸気口２０２から導入した場合と同等の状態を再現した。
【００６４】
図１６（ｂ）は、回転板２２０の上面図を示す。本実施例においては、回転板２２０に２つの開口部２２１ａ，２２１ｂを形成した。なお、開口部２２１ａ，２２１ｂの形状は、いずれも、回転中心ｃを中心とする半径Ｒ１＝１００ｍｍ（中心角θ＝１０°）の扇形状から、同じく回転中心ｃを中心とする半径Ｒ２＝６０ｍｍ（中心角１０°）の扇形状を取り去った残りの形状とした。
【００６５】
上述した気液分離装置モデル２００において、回転板２２０の回転数（ｒｐｍ）の条件を変化させ、排気管２０７から排出される空気に含まれる水滴の質量を計測した。排気に含まれる水滴量については、以下の手順で計測した。排気管２０７の出口にガーゼを取り付け、これより先に水滴が流出しないようにした上で、のちにこのガーゼを回収した。さらに、直方体容器２０６の内壁に付着した水分を脱脂綿で完全にふき取り、回収したガーゼと脱脂綿の質量を計測し、質量の増分を排気に含まれる水滴量とした。
【００６６】
図１７は、排気管２０７から排出される排気の体積流量（Ｌ/ｓ）と回転板２２０の回転数（ｒｐｍ）の関係を示す。図１７に示されるように、回転板２２０の回転数が増加するにつれて空気抵抗が増すため、排気の体積流量（Ｌ/ｓ）が減少した。
【００６７】
図１８は、単位時間当たりに排出される排気に含まれる水滴の質量（ｍｇ/ｓ）と回転板２２０の回転数（ｒｐｍ）の関係を示す。図１８に示すように、回転板２２０の回転数が増加するに従って、排気中の水滴の質量（ｍｇ/ｓ）は減少した。
【００６８】
ここで、図１７に示した排気の体積流量（Ｌ/ｓ）のデータと図１８に示した排気中の水滴の質量（ｍｇ/ｓ）のデータを総合して、排気中に含まれる水滴の体積濃度（ｇ/ｍ３）を導出した。図１９は、排気中に含まれる水滴の体積濃度（ｇ/ｍ３）と回転板２２０の回転数（ｒｐｍ）の関係を示す。図１９に示すように、回転板２２０の回転数の増加に応じて、排気中に含まれる水滴の体積濃度（ｇ/ｍ３）は減少した。
【００６９】
図２０は、本実施例の気液分離装置モデル２００について得られた実験データにおける、体積濃度比（α／α0）と回転板２２０の回転数（ｒｐｍ）の関係を示す。なお、図中の▲および■のプロットは、使用したナショナル製噴霧器BH-590の主噴霧粒子径が50μ〜100μであることから、50μ粒子（▲）および100μの粒子（■）について、各回転数における体積濃度比（α／α0）を、上記理論式（２）に基づいたシミュレーション計算によって求めたものであり、図中の×は、実験点を示す。図20に示されるように、実験結果とシミュレーション結果はよく一致した。
【００７０】
次に、先に図９を参照して説明した第二形式に基づいて固液分離装置モデルを作製し、下記の手順で評価実験を行った。図21は、作製した固液分離装置モデル３００を示す。本実施例の固液分離装置モデル３００は、容器３０１（幅40cm、奥行き30cm、高さ30cm）と、容器３０１内に配置された板状の撹拌翼３０２（幅14ｃｍ、高さ10ｃｍ、厚さ5mm）とを含んで構成した。
【００７１】
容器３０１の底面には２つの開口部３０３ａ，３０３ｂを形成し、これを覆う形で排水流路３０４を形成した。なお、開口部３０３ａ，３０３ｂの形状は、いずれも、撹拌翼３０２の回転軸との交点ｃを中心とする半径Ｒ１＝55ｍｍ（中心角θ＝5.7°）の扇形状から、同じく回転中心ｃを中心とする半径Ｒ２＝40ｍｍ（中心角5.7°）の扇形状を取り去った残りの形状とした。
【００７２】
なお、本実施例においては、実施例１について使用したのと同じ、ポリスチレン球形粒子−食塩水分散液を供試流体として容器３０１に貯留した。上述した固液分離装置モデル３００において、撹拌翼３０２の回転数（ｒｐｍ）の条件を変化させ、排水流路３０４を流出する供試流体に含まれるポリスチレン粒子の質量を計測した。
【００７３】
固液分離装置モデル３００について、実施例１と同様の手順で排水流路３０４を流出する排出液に含まれるポリスチレン粒子の質量パーセント濃度（％）を算出した。図22は、排出液に含まれるポリスチレン粒子の質量パーセント濃度（％）と撹拌翼３０２の回転数（ｒｐｍ）の関係を示す。図22に示すように、撹拌翼３０２の回転数の増加に応じて、排出液に含まれるポリスチレン粒子の質量パーセント濃度（％）は、減少した。なお、各プロット（○、△、□）は、再現性を確かめるために同様の実験を３回試行したことを示す。
【００７４】
上述した実験結果を受けて、本実施例の固液分離装置モデル３００の挙動が本発明者の上記理論式（２）に合致するか否かについて検証した。
【００７５】
図２３は、本実施例の固液分離装置モデル３００について得られた実験データにおける、体積濃度比（α／α0）と｛ζ＝Ｕｄ／ｕｈ｝の関係を示す。なお、ζの値については、実施例１と同様の考え方によって求めた。実験結果は、図２３の各プロットが示すように、理論実線によく一致する結果となった。
【符号の説明】
【００７６】
１０…二相流体分離装置、１１…密閉容器、１２…回転容器、１３…回転駆動手段、１４…容器、１５…円筒部、１６…開口部、１７…導入流路、１８，１９…流量制御弁、２０…回転容器、２１…容器、２２…円筒部、２３…開口部、２４…蒲鉾状の容器、２５…開口部、２６…平板、３０…回転容器、３１…容器、３２…円筒部、３３…開口部、４０…二相流体分離装置、４１…密閉容器、４２…回転壁、４３…回転駆動手段、４４…軸、４５…排出流路、４６…開口部、４７…導入流路、５０…二相流体分離装置、５１…密閉容器、５２…回転壁、５３…ロータリー・ジョイント、５４…ギア、５５…回転駆動手段、５６…排出流路、６０…二相流体分離装置、６１…密閉容器、６２…回転撹拌翼、６３…開口部、６４…排出流路、６５…導入流路、１００…固液分離装置モデル、１０１…容器、１０２…支持体、１０３…排水管、１０４…ロータリー・ジョイント、１０５…モータ、１０６…プーリー、１０７…連結ベルト、１０８…プーリー、１０９…固液二相流体、１２０…回転容器、１２１…開口部、２００…気液分離装置モデル、２０１…密閉容器、２０２…吸気口、２０３…排気口、２０４…ファン、２０５…モータ、２０６…直方体容器、２０７…排気管、２０８…農業用噴霧器、２２０…回転板、２２１…開口部、３００…固液分離装置モデル、３０１…容器、３０２…撹拌翼、３０３…開口部、３０４…排水流路、
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二相流体分離装置に関し、より詳細には、二相流体から所望の粒子径の粒子成分を自在に分離することができる二相流体分離装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、二相流体（気液・固液・固気）の各相を分離する装置の多くは、フィルタ膜に対して二相流体を透過させ、流体中の液相あるいは固相のみを当該フィルタ膜で捕捉するものであったが、このようなフィルタ膜方式においては、フィルタの目詰まりに起因して分離効率が経時的に低下することが避けられず、フィルタの清掃・交換に伴う保守コストが過大になるという問題があった。
【０００３】
この点につき、特開２００５−２８２４２号公報（特許文献１）は、二相流体内の比重（密度）の違いに基づいて、遠心力の作用を利用して固液を分離するフィルタ装置を開示する。しかしながら、この方式は、各相の比重に大きな差がない二相流体の分離に適用することができないという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２８２４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記従来技術における課題に鑑みてなされたものであり、本発明は、二相流体の各相の比重差の大きさに関わらず、所望の粒子径の粒子成分を自在に分離することができる新規な二相流体分離装置および方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は、二相流体の各相の比重差の大きさに関わらず、所望の粒子径の粒子成分を自在に分離することができる新規な二相流体分離装置および方法につき鋭意検討した結果、流体の排出側に連通するスリット状の開口部と分離対象となる二相流体との間に、該開口部の長辺に対峙する方向における相対速度を生じさせた場合に、当該相対速度に相関した粒径の粒子成分が分離される現象を見出し、本発明に至ったのである。以下、本発明の二相流体分離方法の原理について、図１を参照して説明する。
【０００７】
図１は、主流路Ｍおよび分岐流路Ｄからなる２次元流路を示す。図１に示す２次元流路においては、粒子径ｄの粒子成分を含む二相流体が主流路Ｍを左から右方向へ流下しており、主流路Ｍに対して幅ｈを有するスリット状の分岐流路Ｄが形成され、当該スリット開口の長手方向が二相流体の流下方向に直交しているものとする。この２次元流路において、主流路Ｍを流れる二相流体の流速をU、その粒子成分の体積濃度をα0、分岐流路Ｄを流れる二相流体の流速をu、その粒子成分の体積濃度をαとする。
【０００８】
図１に示す２次元流路において、主流路Ｍの壁面からの離間距離が一定距離以内の場所を流れる二相流体の層は分岐流路Ｄに流れこみ、それを超える場所を流れる二相流体の層は分岐流路Ｄに流れ込むことなくこれを通過する。ここで、分岐流路Ｄに流れ込む限界流線の上流における主流路Ｍの壁面からの離間距離をＨとする。
【０００９】
さらに、限界流線以内の層を流れる二相流体に含まれる粒子成分のうち、主流路Ｍの壁面からの離間距離が一定距離以内の場所を流れる粒子は、流体に追随して分岐流路Ｄに流れこみ、それを超える場所を流れる粒子は、分岐流路Ｄに流れ込む流体に追随しきれずに分岐流路Ｄを通過する。ここで、分岐流路Ｄに流れ込む限界粒子軌跡の上流における主流路Ｍの壁面からの離間距離をＹとする。
【００１０】
ここで、主流路Ｍの壁面からの離間距離がｄ／２（粒子半径に相当）より小さい場所を流れる二相流体の層には粒子が含まれていないものとすることができるので、分岐流路Ｄに流入する二相流体のうち、粒子成分を含む流体は、上流における主流路Ｍの壁面からの離間距離ｙが、d／2≦ｙ≦Yを満たす場所を流れる流体に限られる。したがって分岐流路Ｄに対して単位時間に流入する粒子体積は、
{ α０（Ｙ−ｄ／２）Ｕ }
となり、分岐流路Ｄの流量をq＝ＵＨ＝ｕｈとすれば、分岐流路Ｄから流出する粒子の体積濃度αは、下記理論式で表すことができる。ここにqは奥行き単位幅当たりの流量で、m2/Sの単位をもつ。
【００１１】
【数１】
【００１２】
ここで、上記理論式（１）において、｛ｄ／Ｈ＝ｄＵ／q＝ｄＵ／（ｈｕ）＝ζ｝とおいて整理すると、分岐流路Ｄを流下する二相流体の体積濃度αと主流路Ｍを流れる二相流体の体積濃度α0の比（α／α0）を表す理論式として下記式（２）が導出される。
【００１３】
【数２】
【００１４】
ここで、上記理論式（1）より｛Ｙ／ｄ｝の値が0.5以下のとき、体積濃度比（α／α0）が０になる。粒子が流れに追随する場合はＹ＝Ｈとなり、｛Ｈ／ｄ＝1／ζ｝の値が0.5以下のとき、すなわちζの値が2以上のとき体積濃度比（α／α0）が０になる。つまり、上記理論式（１）、（２）によれば、これらの条件を満足するとき、分岐流路Ｄの体積濃度αを０にすること、すなわち、粒子径ｄ以上の粒子成分を含まない流体のみを分岐流路Ｄ側に送出することができることが予想される。
【００１５】
なお、上記理論式（1）（２）における｛Ｙ/ｄ｝ならびに｛Ｙ/Ｈ｝はともに、分離対象系の比重＝粒子密度／流体密度、レイノルズ数＝流体密度×粒子直径×流速／流体粘度、ζ(＝ｄＵ／ｑ)の値、によって変化し、これらの値が大きくなるほど、｛Ｙ/ｄ｝ならびに｛Ｙ/Ｈ｝は、小さな値を取る性質がある。なお、｛Ｙ/ｄ｝ならびに｛Ｙ/Ｈ｝の値を求めるにあたっては、粒子と流体の相対速度によって粒子に加わる抗力、流体中で加速度運動する粒子に加わる付加質量、粒子が存在しない流れ場の圧力分布によって粒子が受ける力等を考慮に入れた、粒子の運動方程式を使用したシミュレーション計算によって求めることができる。
【００１６】
たとえば、２次元流路中の二相流体において、仮に、粒子密度と流体密度の比が１を大きく超えない場合、また、粒子密度が流体密度よりかなり大きな場合であっても、レイノルズ数が小さい場合には、二相流体中の全ての粒子成分は、流体に追随する形で分岐流路Ｄに流れ込むため、Ｙ＝Ｈ、すなわち、｛Ｙ／Ｈ＝１｝となり、下記理論式（２）から、｛ζ≧２｝を満たす条件において、｛Ｕ≧２ｑ／ｄ}を満たす流速を与えれば、直径ｄよりも大きな粒子成分を含まない流体のみを分岐流路Ｄ側に送出することができることになる。
【００１７】
一方で、液滴を含む気体のように粒子の密度と流体の密度の比が１を大きく超えてかつレイノルズ数が１を大きく超えるような二相流体の場合には、図２に示すようなシミュレーション結果を使用して｛Ｙ／ｄ｝とＵの関係を求める。図２は、直径30μの水滴を含む空気（気液流体）において、単位幅あたりの空気流量qが0.125ｍ2/ｓの場合についてシミュレーションした結果である。図２に示されるシミュレーション結果が得られた場合、Ｕ(主流路Ｍを流れる二相流体の流速)の値を、｛Ｙ／ｄ｝の値が0.5となる値（図２の場合、Ｕ＝42ｍ/ｓ）よりも大きく設定すれば、直径ｄよりも大きな粒子成分を含まない流体のみを分岐流路Ｄ側に送出することができることになる。
【００１８】
本発明者は、上記理論式（２）の妥当性を検証すべく、図３（ａ）に概念的に示す２次元流路モデルを使用して予備実験を行なった。なお、本予備実験においては、固相としてポリスチレン粒子を、流体として当該ポリスチレンと同じ比重に調整した食塩水を使用し、主流路Ｍ（アスペクト比：H/B＝1.66・0.6)について、所定条件（Ｕ,ｕ,ｈ,ｄ）の下、分岐流路Ｄを流下する二相流体のポリスチレン粒子体積濃度αならびに主流路Ｍを流れる二相流体のポリスチレン粒子体積濃度α0を測定し、ζ(＝ｄＵ／ｑ)と体積濃度比（α／α0）の関係を算出した。本実験においては、上記条件（粒子密度／流体密度＝１、すなわち、Ｙ／Ｈ＝１）を上記理論式（２）に代入し、ζ＝２のときに、α／α0＝０となる理論直線（実線）を設定したが、実験結果は、図３（ｂ）に示すように、理論直線（実線）とよく一致した。
【００１９】
本発明者は、上述した実証結果に基づいて、新規な二相流体の分離方法について検討を重ねた。その結果、上記理論式（２）のζ(＝ｄＵ／ｑ)における、｛Ｕ｝を、分岐流路Ｄのスリット開口と主流路Ｍ内に貯留される二相流体との間の相対速度として付与する構成に想到し、当該構成に基づく実証実験を実施した結果、二相流体中から所望に粒子成分を分離することに成功し、本発明に至ったのである。
【発明の効果】
【００２０】
上述したように、本発明によれば、二相流体の各相の比重差の大きさに関わらず、所望の粒子径の粒子成分を自在に分離することができる新規な二相流体分離装置および方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明を説明するための２次元流路を示す概念図。
【図２】気液流体についてのシミュレーション結果を示す図。
【図３】２次元流路モデルの予備実験の結果を示す図。
【図４】本発明の第一形式の第１の実施形態の二相流体分離装置を示す図。
【図５】本発明の第一形式の第１の実施形態に適用可能な回転容器の形態を示す図。
【図６】本発明の第一形式の第１の実施形態に適用可能な回転容器の形態を示す図。
【図７】本発明の第一形式の第２の実施形態の二相流体分離装置を示す図。
【図８】本発明の第一形式の第３の実施形態の二相流体分離装置を示す図。
【図９】本発明の第二形式の実施形態の二相流体分離装置を示す図。
【図１０】貯留容器を開放容器または管として構成した二相流体分離装置を示す図。
【図１１】実施例１の固液分離装置モデルを示す図。
【図１２】排出液の質量流量（ｇ/ｓ）と回転容器の回転数（ｒｐｍ）の関係を示す図。
【図１３】単位時間当たりに排出される排出液に含まれるポリスチレン粒子の質量（ｇ/ｓ）と回転容器の回転数（ｒｐｍ）の関係を示す図。
【図１４】排出液に含まれるポリスチレン粒子の質量パーセント濃度（％）と回転容器の回転数（ｒｐｍ）の関係を示す図。
【図１５】実施例１の固液分離装置モデルについて、体積濃度比（α／α0）とζ(＝ｄＵ／ｑ)の関係を示す図。
【図１６】実施例２の気液分離装置モデルを示す図。
【図１７】排気の体積流量（Ｌ/ｓ）と回転板の回転数（ｒｐｍ）の関係を示す図。
【図１８】単位時間当たりに排出される排気に含まれる水滴の質量（ｍｇ/ｓ）と回転板の回転数（ｒｐｍ）の関係を示す図。
【図１９】排気中に含まれる水滴の体積濃度（ｇ/ｍ３）と回転板の回転数（ｒｐｍ）の関係を示す図。
【図２０】実施例２の気液分離装置モデルについて、体積濃度比（α／α0）とζ(＝ｄＵ／ｑ)の関係を示す図。
【図２１】本実施例３の固液分離装置モデルを示す図。
【図２２】排出液に含まれるポリスチレン粒子の質量パーセント濃度（％）と撹拌翼の回転数（ｒｐｍ）の関係を示す図。
【図２３】実施例３の固液分離装置モデルについて、体積濃度比（α／α0）とζ(＝ｄＵ／ｑ)のを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明を図面に示した実施の形態をもって説明するが、本発明は、図面に示した実施の形態に限定されるものではない。なお、以下に参照する各図においては、共通する要素について同じ符号を用い、適宜、その説明を省略するものとする。
【００２３】
本発明の二相流体分離装置の実装は、流体の排出側に連通する開口部と分離対象となる二相流体との間の相対速度を生じさせる構成によって、大きく２つの形式に分けることができる。すなわち、静止した二相流体に対して開口部側を循環移動させることによって当該二相流体との間に相対速度を生じさせる第１の形式、ならびに、静止した開口部に対して二相流体を循環移動させることによって当該開口部との間に相対速度を生じさせる第２の形式である。以下、まず、上述した第１の形式について説明する。
【００２４】
図４は、第一形式の第１の実施形態である二相流体分離装置１０を示す。図４（ａ）に示すように、二相流体分離装置１０は、分離対象の二相流体を導入するための密閉容器１１と、回転容器１２とを含んで構成されている。なお、回転容器１２は、モータなどの回転駆動手段１３に接続されており、矢印の方向に所望の速度で回転制御することができるように構成されている。
【００２５】
図４（ｂ）は、回転容器１２のみを抜き出して示す。回転容器１２は、中空の円盤状（すなわち、背の低い中空円柱状）に形成された容器１４と細長い円筒部１５とから構成されている。容器１４の一方の底面の中心部には、円筒部１５の内部空間と容器１４の内部空間が連通する形で円筒部１５が接続されており、回転容器１２は、回転対称形状を有する中空容器として構成されている。
【００２６】
回転容器１２の容器１４の底面のうち、一方の底面には、２つの開口部１６，１６が形成されており、密閉容器１１の内部空間は、開口部１６，１６を介して回転容器１２の内部と連通している。開口部１６は、幅ｈを備える細長い長方形のスリットとして形成されており、矢印Ｒが示す回転容器１２の回転方向に対して、その長辺がおおよそ垂直に対峙するように容器１４の底面に対して形成されている。回転容器１２は、密閉容器１１の内部に回転自在に配置されており、円筒部１５は、密閉容器１１の壁面を貫通する形で外部に突出し、図示しない排出流路に接続される。
【００２７】
上述した構成を備える二相流体分離装置１０を使用した二相流体を分離する処理について、以下説明する。まず、導入流路１７から密閉容器１１内に二相流体が導入される。ここでは、説明の便宜のため、二相流体は、液相または気相の流体に対して２種類の粒子Ｌおよび粒子Ｓが分散しているものとし、粒子Ｌの粒子径がｄであり、粒子Ｓの粒子径はｄより小さいものとする。なお、図４に示す例の場合、密閉容器１１内は二相流体によって完全に充填されるので、導入流路１７から密閉容器１１内に導入される二相流体の流量と、回転容器１２の円筒部１５から排出される二相流体の流量Ｑ０とは等しくなり、Ｑ０を開口部１６の面積で割ると、二相流体分離装置１０に設定される処理流量に対応した所定流速｛ｕ｝ならびに単位幅あたりの流量ｑ＝ｕｈが設定される。
【００２８】
ここで、仮に回転容器１２の回転が停止した状態であれば、導入流路１７から導入された二相流体中の粒子Ｌおよび粒子Ｓは、いずれも開口部１６，１６から回転容器１２内に流入し、円筒部１５を通って外部に流出してしまうが、本実施形態の二相流体分離装置１０においては、回転駆動手段１３によって回転容器１２を回転させ、その回転速度を制御することによって、粒子径ｄの粒子Ｌを含まない流体（すなわち、粒子Ｓのみを含む流体）を外部に送出することができる。
【００２９】
本実施形態における回転容器１２の回転速度（ｒｐｍ）は、以下の手順で求めることができる。まず、粒子が流体に追随する二相流体の場合には、限界粒子径ｄ、単位幅あたりの流量q として、｛ Ｕ≧2ｑ／ｄ }を満たす相対速度U（開口部１６の短辺方向の二相流体の流れＲの必要な流速）を算出する。一方、粒子が流体に追随しない二相流体の場合には、上述した｛ Ｙ／ｄ≦0.5 }を満たす相対速度Uを算出する。算出したこれらの相対速度Uをもとに、これを実現するために必要な回転速度（ｒｐｍ）を求める。当該回転数をもって二相流体分離装置１０の運転を制御することによって、二相流体中の粒子Ｌと粒子Ｓを分離することができる。
【００３０】
なお、本実施形態における回転容器は、図４に示した形態に限定されるものではない。図５は、本実施形態に適用可能な回転容器の他の形態について例示する。図５（ａ）に示す回転容器２０は、直方体状に形成された容器２１と細長い円筒部２２とを備え、容器２１の上面の中心部に円筒部２２が接続されてなるＴ字形状の中空容器として構成されており、容器２１の底面には、２つの開口部２３ａ、２３ｂが形成されている。
【００３１】
また、回転容器２０においては、開口部２３ａ、２３ｂに接する流体の境界層をより薄くするために、例えば、図上に破線で囲んで示すように、直方体状の容器２１に代えて中空の蒲鉾状に形成された容器２４を使用して構成することができる。蒲鉾状の容器２４の局面部分に開口部２５を形成することによって、開口部と流体の相対速度は、丁度飛行機の翼の上の速度が飛行速度よりも大きくなるのと同様に、単純に回転によって得られる相対速度よりも大きな相対速度を得ることができ、しかも先端から開口部２５までは増速流領域になるために、境界層の厚さを小さく抑えることができる。
【００３２】
さらに、図左下に破線で囲んで示すように、容器２１の底面に突き出した形で平板２６を設け、そこに開口部２３を設けることにより、開口部２３周囲に平板２６に平行で、乱れが少ない流れが形成され、その結果、開口部２３近傍の境界層の厚さを小さく抑えることができる。さらに、図右下に破線で囲んで示す容器２１の断面図に示されるように、容器２１の厚み方向に対して傾斜した貫通孔として開口部２３を形成することより、流体の主流方向に対してＵターンするような流れが生まれ、その結果、粒子が流体に追随しないような二相流体において、そのフィルタリング効果が増加する。
【００３３】
図６は、本実施形態に適用可能な回転容器の他の形態について例示する。図６に示す回転容器３０は、中空の円柱状に形成された容器３１と細長い円筒部３２とを備え、容器３１の上面の中心部に円筒部３２が接続されてなる二段円柱状の中空容器として構成されており、容器３１の外周面には、開口部３３が形成されている。
【００３４】
以上、本実施形態に適用可能な回転容器の形態について図５および図６に例示したが、本実施形態における回転容器は、上述した形態に限定されるものではなく、流体の排出側に連通する中空部を備える回転対称形状を有する中空容器であって、その壁面に少なくとも１つの開口部を備えるものであればどのような形態であってもよく、当業者であれば種々の設計変更が可能であろう。
【００３５】
次に、本発明の第一形式の第２の実施形態に基づいて説明する。図７は、発明の第２の実施形態である二相流体分離装置４０を示す。図７（ａ）に示すように、二相流体分離装置４０は、分離対象の二相流体を導入するための直方体状の密閉容器４１と、密閉容器４１の外壁面４１ａに形成された円形の開口に対して、当該外壁面と面一になるように嵌合された正円形の回転壁４２とを含んで構成されている。回転壁４２は、モータなどの回転駆動手段４３に対して密閉容器４１の外壁面４１ａに垂直な軸４４を介して接続されており、軸４４を回転軸として、矢印Ｒ方向に所望の速度で回転制御することができるように構成されている。また、図７（ｂ）に示すように、密閉容器４１の外壁面４１ａに対して、回転壁４２を覆う形で排出流路４５が形成されている。
【００３６】
回転壁４２は、正円形の円盤状に形成されており、回転壁４２を貫通する２つの開口部４６ａ、４６ｂが形成されており、密閉容器４１の内部空間は、開口部４６ａ、４６ｂを介して排出流路４５と連通している。図７に示す開口部４６ａ、４６ｂは、細長い長方形状として形成されており、矢印Ｒが示す回転壁４２の回転方向に対して、その長辺がおおよそ垂直に対峙するように回転壁４２に対して形成されている。
【００３７】
上述した構成を備える二相流体分離装置４０が二相流体を分離する原理は、第１の実施形態について上述したのと基本的には同じである。ここで、導入流路４７から密閉容器４１内に所定流量Ｑ０で導入された二相流体は、回転壁４２に形成された開口部４６ａ、４６ｂから、同じ流量Ｑ０で排出流路４５側に送出されることから、回転壁４２の回転速度（ｒｐｍ）は、以下の手順で求めることができる。
【００３８】
まず、流量Ｑ０を開口部４６ａ，４６ｂの面積で除して流速ｕを求め、排出される二相流体の単位長さ当たりの流量｛ｑ＝ｕｈ｝を算出する。ここで、密閉容器４１内に留まらせておきたい粒子Ｌの粒子径｛ｄ｝とする場合、粒子が流体に追随する二相流体の場合には、｛Ｕ≧2ｑ／ｄ }を満たす相対速度U（開口部４６の短辺方向の二相流体の流れＲの必要な流速）を算出する。一方、粒子が流体に追随しない二相流体の場合には、上述した｛ Ｙ／ｄ≦0.5 }を満たす相対速度Uを算出する。算出したこれらの相対速度Uをもとに、これを実現するために必要な回転速度（ｒｐｍ）を求める。当該回転数をもって二相流体分離装置４２の運転を制御することによって、二相流体中の粒子Ｌと粒子Ｓを分離することができる。
【００３９】
次に、図８を参照して、本発明の第一形式の第３の実施形態に基づいて説明する。図８は、発明の第３の実施形態である二相流体分離装置５０を示す。図８（ａ）に示すように、二相流体分離装置５０は、分離対象の二相流体を導入するための中空円柱状の密閉容器５１を備え、密閉容器５１の円周方向の一部は、密閉容器５１（円柱）の中心軸を回転軸として回転自在に形成された円筒状の回転壁５２によって構成されている。円筒状の回転壁５２は、ロータリー・ジョイント５３によって密閉容器５１の外壁に回転自在に接続されており、回転壁５２の外周に設けられたギア５４を介して、モータなどの回転駆動手段５５から動力を伝達され、密閉容器５１の中心軸を回転軸として、矢印Ｒ方向に所望の速度で回転制御することができるように構成されている。
【００４０】
回転壁５２には、貫通する２つの開口部５５ａ、５５ｂが形成されており、密閉容器５１の内部空間は、開口部５５ａ、５５ｂを介して密閉容器５１の外部と連通している。図８に示す開口部５５ａ、５５ｂは、細長い長方形状として形成されており、矢印Ｒが示す回転壁５２の回転方向に対して、その長手辺がおおよそ垂直に対峙するように回転壁５２に対して形成されている。また、図８（ｂ）に示すように、密閉容器５１の外周壁面に対して、回転壁５２を覆う形で排出流路５６が形成されており、密閉容器５１の内部空間は、開口部５５ａ、５５ｂを介して排出流路５６と連通している。なお、図８に示す二相流体分離装置５０が二相流体を分離する原理は、第２の実施形態について上述したのと基本的には同じであるので説明を省略する。
【００４１】
以上、本発明の第１の形式を第１実施形態〜第３実施形態をもって説明してきたが、本発明における回転容器ならびに回転壁に形成される開口部は、アスペクト比の大きい、長方形、平行四辺形、扇形等のスリット開口として形成することが好ましく、その長辺が回転容器の回転方向に対しておおよそ垂直に対峙するように形成されていることが好ましい。なお、開口部の形状およびその数については、各装置の実装に応じて適切な態様を適宜採用することができる。さらに加えて、本発明の第一形式においては、回転容器または回転壁の回転によって周りの流体に渦を生じさせないようにするため、各開口部の近傍の適切な位置に、邪魔板のような整流手段を設置することができる。
【００４２】
以上、図４〜６を参照して、本発明の二相流体分離装置の実装のうち、静止した二相流体に対して開口部側を循環移動させることによって当該二相流体との間に相対速度を生じさせる第１の形式について説明しきたが、次に、静止した開口部に対して二相流体を循環移動させることによって当該開口部との間に相対速度を生じさせる第２の形式について、図９を参照して以下説明する。
【００４３】
図９は、本発明の第二形式の実施形態である二相流体分離装置６０を示す。図９(ａ）に示すように、二相流体分離装置６０は、分離対象の二相流体を導入するための中空円柱状の密閉容器６１と、密閉容器６１内に導入した二相流体を回転撹拌するための回転撹拌翼６２とを含んで構成されている。密閉容器６１の底面６１ｂには、長方形状の貫通孔である開口部６３が形成されており、開口部６３に連通する形で排出流路６４が底面６１ｂに接続されている。なお、開口部６３は、上述した第１の形式について説明したのと同様に適宜適切な態様を採用することができる。
【００４４】
回転撹拌翼６２は、その回転方向が長方形状の開口部６３の長辺に対しておおよそ垂直に対峙するように図示しない回転駆動手段によって回転駆動される。その結果、長方形状の開口部６３の長辺に対しておおよそ垂直に対峙するような二相流体の流れＲが形成され、二相流体と開口部６３との間に相対速度が生じる。
【００４５】
上述した構成を備える二相流体分離装置６０が二相流体を分離する原理は、相対速度を発生させるための構成を除き、第一形式の第１の実施形態について上述したのと基本的には同じである。すなわち、導入流路６５から密閉容器６１内に所定流量Ｑ０で導入された二相流体は、底面６１ｂに形成された開口部６３から、同じ流量Ｑ０で排出流路６４から排出される。この流量Ｑ０を排出流路６４の面積で除して流速uを求め、排出される二相流体の単位長さ当たりの流量｛ｑ＝ｕｈ｝を算出する。
【００４６】
ここで、密閉容器６１内に留まらせておきたい粒子Ｌの粒子径｛ｄ｝とする場合、粒子が流体に追随する二相流体の場合には、｛Ｕ≧2ｑ／ｄ }を満たす相対速度U（開口部６３の短辺方向の二相流体の流れＲの必要な流速）を算出する。一方、粒子が流体に追随しない二相流体の場合には、上述した｛ Ｙ／ｄ≦0.5 }を満たす相対速度Uを算出する。算出したこれらの相対速度Uをもとに、これを実現するために必要な回転速度（ｒｐｍ）を求める。当該回転数をもって二相流体分離装置４２の運転を制御することによって、二相流体中の粒子Ｌと粒子Ｓを分離することができる。本実施形態においては、開口部６３およびこれに連通する排出流路６４を、図９(ｂ）に示すように、密閉容器６１の外周面６１ａに形成してもよい。
【００４７】
なお、上述した第一形式、第二形式の実施形態においては、二相流体が貯留される容器を密閉容器として説明したが、本発明は、二相流体を貯留するための容器を開放容器として構成することもできる。図１０（ａ）は、図４に例示した構成について、二相流体の貯留容器を開放容器１１-２として構成した二相流体分離装置１０-２を示す。二相流体分離装置１０-２においては、二相流体の排出側に流量制御弁１８を設けるなどして、排出される流体の単位長さ当たりの流量｛ｑ｝を制御するとともに、その流量｛ｑ｝と限界粒子径に適した回転数を選んで運転することが好ましい。
【００４８】
さらに、図１０（ｂ）は、図４に例示した構成について、二相流体の貯留容器を閉塞端を持たない管１１-３として構成した二相流体分離装置１０-３を示す。二相流体分離装置１０-３においては、二相流体の排出側に流量制御弁１８を設けることに加え、管１１-３の流下方向後方に流量制御弁１９を設けて運用するもので、流量制御弁１９の下流には高濃度の大粒子を含んだ二相流体が排出される。なお、上述した応用展開は、図４に例示した構成の変形に限らず、上述した形式1および形式２の他の全ての実施形態についても同様に可能である。
【００４９】
本発明の二相流体分離装置は、気液・固液・固気の全ての二相流体に適用することが可能であり、また、一つの装置で種々のプロセスを実施することができる。例えば、所定径以上の粒子をターゲットにして、これを容器内で濃縮することはもちろんのこと、粒子成分を含まない流体のみを容器内に導入して運転し続けることによって、複数の粒径分布を持つ二相流体から、所定径未満の粒子成分のみを容器内から排除する（取り出す）といったプロセスを実施することもできる。
【００５０】
さらに、本発明の二相流体分離装置は、二相流体の各相の比重差が小さい場合であっても確実に粒子を分離することができ、また、回転数制御によって、フィルタリングの限界粒子径を容易に変更することができる。さらに加えて、本発明の二相流体分離装置は、従来の遠心フィルタ装置において不可避であったターゲット粒子（比重の大きい粒子）に対する大きな重力の印加が発生しないため、壊れやすい粒子成分を分離するような用途に有効である。
【実施例】
【００５１】
以下、本発明の二相流体分離装置について、実施例を用いてより具体的に説明を行なうが、本発明は、後述する実施例に限定されるものではない。
【００５２】
（実施例１）
本発明を適用した固液分離装置モデルを作製し、下記の手順で評価実験を行った。図１１は、作製した固液分離装置モデル１００を示す。本実施例の固液分離装置モデル１００は、容器１０１（幅40cm、奥行き23cm、高さ27cm）と、支持体１０２に回転自在に支持された回転容器１２０と、回転容器１２０の内部に連通するように接続された排水管１０３とを含んで構成した。
【００５３】
回転容器１２０は、直方体の上面に円筒を接続したＴ字形状の容器として構成し、直方体部分の底面に２つの開口部１２１ａ，１２１ｂを形成した。なお、開口部１２１ａ，１２１ｂの形状は、いずれも、回転中心ｃを中心とする半径Ｒ１＝55ｍｍ（中心角θ＝5.7°）の扇形状から、同じく回転中心ｃを中心とする半径Ｒ２＝40ｍｍ（中心角5.7°）の扇形状を取り去った残りの形状とした。また、回転容器１２０の円筒部の上端と排水管１０３とをロータリー・ジョイント１０４で接続した。さらに、支持体１０２に配置したモータ１０５の回転をプーリー１０６、連結ベルト１０７、プーリー１０８を介して回転容器１２０の円筒部に伝達し、回転容器１２０を回転駆動するように構成した。
【００５４】
容器１０１には分離対象となる固液二相流体１０９を貯留した。なお、本実施例においては、液相と固相の比重が等しい固液二相流体を供試流体とした。具体的には、直径2.1mm、比重1.044のポリスチレン球形粒子を、同じく比重1.044に調整した食塩水に分散させたものを供試流体とした。
【００５５】
回転容器１２０の直方体部が固液二相流体１０９に浸漬するように配置した。また、排水管１０３の端部が固液二相流体１０９の水面よりも下になるように固定し、サイフォンの原理で回転容器１２０内の流体が自然に排水管１０３側に吸い上げられ、排出されるようにした。
【００５６】
上述した固液分離装置モデル１００において、回転容器１２０の回転数（ｒｐｍ）の条件を変化させ、排水管１０３から排出される供試流体に含まれるポリスチレン粒子の質量を計測した。
【００５７】
図１２は、排水管１０３から排出される排出液の質量流量（ｇ/ｓ）と回転容器１２０の回転数（ｒｐｍ）の関係を示す。図１２に示されるように、回転容器１２０の回転数が増加するにつれて水の抵抗が増すため、排出液の質量流量（ｇ/ｓ）が減少した。
【００５８】
図１３は、単位時間当たりに排出される排出液に含まれるポリスチレン粒子の質量（ｇ/ｓ）と回転容器１２０の回転数（ｒｐｍ）の関係を示す。なお、ポリスチレン粒子の質量については、排出液をふるいにかけポリスチレン粒子を捕捉して、水分をふき取り、乾燥した後に質量を計測した。図１３に示すように、回転容器１２０の回転数が増加するに従って、排出液に含まれるポリスチレン粒子の質量（ｇ/ｓ）は減少した。
【００５９】
ここで、図１２に示した排出液の質量流量（ｇ/ｓ）のデータと図１３に示した排出液に含まれるポリスチレン粒子の質量（ｇ/ｓ）のデータを総合して、排出液に含まれるポリスチレン粒子の質量パーセント濃度（％）を導出した。図１４は、排出液に含まれるポリスチレン粒子の質量パーセント濃度（％）と回転容器１２０の回転数（ｒｐｍ）の関係を示す。図１４に示すように、回転容器１２０の回転数の増加に応じて、排出液に含まれるポリスチレン粒子の質量パーセント濃度（％）はほぼ直線的に減少した。
【００６０】
上述した実験結果を受けて、本実施例の固液分離装置モデル１００の挙動が本発明者の上記理論式（２）に合致するか否かについて検証した。
【００６１】
図１５は、本実施例の固液分離装置モデル１００について得られた実験データにおける、体積濃度比（α／α0）と｛ζ＝Ｕｄ／ｕｈ｝の関係を示す。なお、本実施例においては、｛ζ＝Ｕ・ｄ／（ｕ・ｈ）｝における各項について、Ｕ：回転容器１２０の回転による相対速度、ｄ：ポリスチレン粒子の直径、u ：排水管１０３内の流速、ｈ：開口部１２１の幅とした。ここで、Ｓ：開口部１２１の面積、ｒ：任意の点の半径、N：回転容器１２０の回転数、ｎ：開口部１２１の数、Q０：排水管１０３から流出する流量とした場合、Ｕ＝２π・ｒ・Ｎ、Ｓ＝（Ｒ１２−Ｒ２２）・θ・ｎ、ｈ＝ｒ・θ、ｕ＝Q０／Ｓ、となるため、ζを式｛ζ＝Ud/(uh)＝２πＮ・ｎ・ｄ（Ｒ１２−Ｒ２２）／Q０｝により求めた。実験結果は、図１５の●のプロットが示すように、破線で示す理論直線によく一致する結果となった。
【００６２】
さらに、回転容器１２０の直方体状の容器を、図５(ａ）の破線で囲んで示した中空の蒲鉾状容器に代えた上で、上述したのと同様の条件で実験を行ない、同様に、体積濃度比（α／α0）と｛ζ＝Ｕｄ／ｕｈ｝の関係を求めた。図１５の△のプロットがその結果を示す。図１５に示されるように、蒲鉾状容器の局面部に開口部を設けた回転容器１２０を使用した実験結果は、破線で示す理論値により近づく結果となった。
【００６３】
（実施例２）
次に、本発明を適用した気液分離装置モデルを作製し、下記の手順で評価実験を行った。図１６（ａ）は、作製した気液分離装置モデル２００を示す。本実施例の気液分離装置モデル２００は、密閉容器２０１（幅50cm、奥行き30cm、高さ30cm）に対して、吸気口２０２と排気口２０３とを形成して作製した。吸気口２０２には、ファン２０４を設け外気を密閉容器２０１内に導入した。一方、排気口２０３には、開口部が形成された回転板２２０を回転自在に嵌合し、これをモータ２０５によって回転駆動させた。さらに、排気口２０３を直方体容器２０６（幅40ｃｍ、奥行き25ｃｍ、高さ25ｃｍ）で覆い、直方体容器２０６の天井を貫通する形で内径54ｍｍのパイプを取り付け、これを排気管２０７とした。排気流量については、排気管２０７の側面から熱線流速計を挿入して、パイプ内の流速を計測して求めた。なお、本実験においては、農業用噴霧器２０８（BH-590:パナソニック製／発生ミスト粒径50〜100μm）を使用して密閉容器２０１内でミストを発生させることによって、ミストを含んだ空気を吸気口２０２から導入した場合と同等の状態を再現した。
【００６４】
図１６（ｂ）は、回転板２２０の上面図を示す。本実施例においては、回転板２２０に２つの開口部２２１ａ，２２１ｂを形成した。なお、開口部２２１ａ，２２１ｂの形状は、いずれも、回転中心ｃを中心とする半径Ｒ１＝１００ｍｍ（中心角θ＝１０°）の扇形状から、同じく回転中心ｃを中心とする半径Ｒ２＝６０ｍｍ（中心角１０°）の扇形状を取り去った残りの形状とした。
【００６５】
上述した気液分離装置モデル２００において、回転板２２０の回転数（ｒｐｍ）の条件を変化させ、排気管２０７から排出される空気に含まれる水滴の質量を計測した。排気に含まれる水滴量については、以下の手順で計測した。排気管２０７の出口にガーゼを取り付け、これより先に水滴が流出しないようにした上で、のちにこのガーゼを回収した。さらに、直方体容器２０６の内壁に付着した水分を脱脂綿で完全にふき取り、回収したガーゼと脱脂綿の質量を計測し、質量の増分を排気に含まれる水滴量とした。
【００６６】
図１７は、排気管２０７から排出される排気の体積流量（Ｌ/ｓ）と回転板２２０の回転数（ｒｐｍ）の関係を示す。図１７に示されるように、回転板２２０の回転数が増加するにつれて空気抵抗が増すため、排気の体積流量（Ｌ/ｓ）が減少した。
【００６７】
図１８は、単位時間当たりに排出される排気に含まれる水滴の質量（ｍｇ/ｓ）と回転板２２０の回転数（ｒｐｍ）の関係を示す。図１８に示すように、回転板２２０の回転数が増加するに従って、排気中の水滴の質量（ｍｇ/ｓ）は減少した。
【００６８】
ここで、図１７に示した排気の体積流量（Ｌ/ｓ）のデータと図１８に示した排気中の水滴の質量（ｍｇ/ｓ）のデータを総合して、排気中に含まれる水滴の体積濃度（ｇ/ｍ３）を導出した。図１９は、排気中に含まれる水滴の体積濃度（ｇ/ｍ３）と回転板２２０の回転数（ｒｐｍ）の関係を示す。図１９に示すように、回転板２２０の回転数の増加に応じて、排気中に含まれる水滴の体積濃度（ｇ/ｍ３）は減少した。
【００６９】
図２０は、本実施例の気液分離装置モデル２００について得られた実験データにおける、体積濃度比（α／α0）と回転板２２０の回転数（ｒｐｍ）の関係を示す。なお、図中の▲および■のプロットは、使用したナショナル製噴霧器BH-590の主噴霧粒子径が50μ〜100μであることから、50μ粒子（▲）および100μの粒子（■）について、各回転数における体積濃度比（α／α0）を、上記理論式（２）に基づいたシミュレーション計算によって求めたものであり、図中の×は、実験点を示す。図20に示されるように、実験結果とシミュレーション結果はよく一致した。
【００７０】
次に、先に図９を参照して説明した第二形式に基づいて固液分離装置モデルを作製し、下記の手順で評価実験を行った。図21は、作製した固液分離装置モデル３００を示す。本実施例の固液分離装置モデル３００は、容器３０１（幅40cm、奥行き30cm、高さ30cm）と、容器３０１内に配置された板状の撹拌翼３０２（幅14ｃｍ、高さ10ｃｍ、厚さ5mm）とを含んで構成した。
【００７１】
容器３０１の底面には２つの開口部３０３ａ，３０３ｂを形成し、これを覆う形で排水流路３０４を形成した。なお、開口部３０３ａ，３０３ｂの形状は、いずれも、撹拌翼３０２の回転軸との交点ｃを中心とする半径Ｒ１＝55ｍｍ（中心角θ＝5.7°）の扇形状から、同じく回転中心ｃを中心とする半径Ｒ２＝40ｍｍ（中心角5.7°）の扇形状を取り去った残りの形状とした。
【００７２】
なお、本実施例においては、実施例１について使用したのと同じ、ポリスチレン球形粒子−食塩水分散液を供試流体として容器３０１に貯留した。上述した固液分離装置モデル３００において、撹拌翼３０２の回転数（ｒｐｍ）の条件を変化させ、排水流路３０４を流出する供試流体に含まれるポリスチレン粒子の質量を計測した。
【００７３】
固液分離装置モデル３００について、実施例１と同様の手順で排水流路３０４を流出する排出液に含まれるポリスチレン粒子の質量パーセント濃度（％）を算出した。図22は、排出液に含まれるポリスチレン粒子の質量パーセント濃度（％）と撹拌翼３０２の回転数（ｒｐｍ）の関係を示す。図22に示すように、撹拌翼３０２の回転数の増加に応じて、排出液に含まれるポリスチレン粒子の質量パーセント濃度（％）は、減少した。なお、各プロット（○、△、□）は、再現性を確かめるために同様の実験を３回試行したことを示す。
【００７４】
上述した実験結果を受けて、本実施例の固液分離装置モデル３００の挙動が本発明者の上記理論式（２）に合致するか否かについて検証した。
【００７５】
図２３は、本実施例の固液分離装置モデル３００について得られた実験データにおける、体積濃度比（α／α0）と｛ζ＝Ｕｄ／ｕｈ｝の関係を示す。なお、ζの値については、実施例１と同様の考え方によって求めた。実験結果は、図２３の各プロットが示すように、理論実線によく一致する結果となった。
【符号の説明】
【００７６】
１０…二相流体分離装置、１１…密閉容器、１２…回転容器、１３…回転駆動手段、１４…容器、１５…円筒部、１６…開口部、１７…導入流路、１８，１９…流量制御弁、２０…回転容器、２１…容器、２２…円筒部、２３…開口部、２４…蒲鉾状の容器、２５…開口部、２６…平板、３０…回転容器、３１…容器、３２…円筒部、３３…開口部、４０…二相流体分離装置、４１…密閉容器、４２…回転壁、４３…回転駆動手段、４４…軸、４５…排出流路、４６…開口部、４７…導入流路、５０…二相流体分離装置、５１…密閉容器、５２…回転壁、５３…ロータリー・ジョイント、５４…ギア、５５…回転駆動手段、５６…排出流路、６０…二相流体分離装置、６１…密閉容器、６２…回転撹拌翼、６３…開口部、６４…排出流路、６５…導入流路、１００…固液分離装置モデル、１０１…容器、１０２…支持体、１０３…排水管、１０４…ロータリー・ジョイント、１０５…モータ、１０６…プーリー、１０７…連結ベルト、１０８…プーリー、１０９…固液二相流体、１２０…回転容器、１２１…開口部、２００…気液分離装置モデル、２０１…密閉容器、２０２…吸気口、２０３…排気口、２０４…ファン、２０５…モータ、２０６…直方体容器、２０７…排気管、２０８…農業用噴霧器、２２０…回転板、２２１…開口部、３００…固液分離装置モデル、３０１…容器、３０２…撹拌翼、３０３…開口部、３０４…排水流路、
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二相流体内の粒子成分を分離するための二相流体分離装置であって、
二相流体を貯留するための貯留容器と、
回転対称形状を有する中空容器であって、前記貯留容器内に回転自在に配置される回転容器と、
前記回転容器に接続される排出流路とを備え、
前記回転容器の壁面には、回転方向に対峙する長辺を有する少なくとも１つの開口部が形成され、
前記回転容器の回転速度を制御することによって、所定径以上の粒子成分を含まない流体を前記排出流路へ送出する、
二相流体分離装置。
【請求項２】
二相流体内の粒子成分を分離するための二相流体分離装置であって、
二相流体を貯留するための容器であって、該容器の一部の壁面が回転自在に構成された貯留容器と、
前記貯留容器に接続される排出流路と備え、
回転自在に構成された前記壁面には、回転方向に対峙する長辺を有する少なくとも１つの開口部が形成され、
前記排出流路は、前記開口部を介して前記貯留容器に連通するように設けられ、
回転自在に構成された前記壁面の回転速度を制御することによって、所定径以上の粒子成分を含まない流体を前記排出流路へ送出する、
二相流体分離装置。
【請求項３】
回転自在に構成された前記壁面は、前記容器の外壁面に対して垂直な軸を回転軸とする正円形の回転壁である、
請求項２に記載の二相流体分離装置。
【請求項４】
回転自在に構成された前記壁面は、中空円柱として構成される前記容器の外周壁の一部を構成し、該中空円柱の中心軸を回転軸とする円筒状の回転壁である、
請求項２に記載の二相流体分離装置。
【請求項５】
二相流体内の粒子成分を分離するための二相流体分離装置であって、
前記二相流体を貯留するための貯留容器と、
前記貯留容器内に回転自在に配置され、前記二相流体を回転撹拌するための回転撹拌翼と
前記貯留容器に接続される排出流路とを備え、
前記貯留容器の壁面には、前記回転撹拌翼の回転方向に対峙する長辺を有する少なくとも１つの開口部が形成され、
前記排出流路は、前記開口部を介して前記貯留容器に連通するように設けられ、
前記回転撹拌翼の回転速度を制御することによって、所定径以上の粒子成分を含まない流体を前記排出流路へ送出する、
二相流体分離装置。
【請求項６】
二相流体から所望の粒子径の粒子成分を分離する方法であって、
排出流路に連通する開口部であって、長辺を有する少なくとも１つの開口部を二相流体に臨ませ、
前記二相流体と前記開口部との間に、前記開口部の長辺に対峙する方向における相対速度を生じさせることによって、所定径以上の粒子成分を含まない流体を前記排出流路へ送出することを特徴とする方法。
【請求項１】
二相流体内の粒子成分を分離するための二相流体分離装置であって、
二相流体を貯留するための貯留容器と、
回転対称形状を有する中空容器であって、前記貯留容器内に回転自在に配置される回転容器と、
前記回転容器に接続される排出流路とを備え、
前記回転容器の壁面には、回転方向に対峙する長辺を有する少なくとも１つの開口部が形成され、
前記回転容器の回転速度を制御することによって、所定径以上の粒子成分を含まない流体を前記排出流路へ送出する、
二相流体分離装置。
【請求項２】
二相流体内の粒子成分を分離するための二相流体分離装置であって、
二相流体を貯留するための容器であって、該容器の一部の壁面が回転自在に構成された貯留容器と、
前記貯留容器に接続される排出流路と備え、
回転自在に構成された前記壁面には、回転方向に対峙する長辺を有する少なくとも１つの開口部が形成され、
前記排出流路は、前記開口部を介して前記貯留容器に連通するように設けられ、
回転自在に構成された前記壁面の回転速度を制御することによって、所定径以上の粒子成分を含まない流体を前記排出流路へ送出する、
二相流体分離装置。
【請求項３】
回転自在に構成された前記壁面は、前記容器の外壁面に対して垂直な軸を回転軸とする正円形の回転壁である、
請求項２に記載の二相流体分離装置。
【請求項４】
回転自在に構成された前記壁面は、中空円柱として構成される前記容器の外周壁の一部を構成し、該中空円柱の中心軸を回転軸とする円筒状の回転壁である、
請求項２に記載の二相流体分離装置。
【請求項５】
二相流体内の粒子成分を分離するための二相流体分離装置であって、
前記二相流体を貯留するための貯留容器と、
前記貯留容器内に回転自在に配置され、前記二相流体を回転撹拌するための回転撹拌翼と
前記貯留容器に接続される排出流路とを備え、
前記貯留容器の壁面には、前記回転撹拌翼の回転方向に対峙する長辺を有する少なくとも１つの開口部が形成され、
前記排出流路は、前記開口部を介して前記貯留容器に連通するように設けられ、
前記回転撹拌翼の回転速度を制御することによって、所定径以上の粒子成分を含まない流体を前記排出流路へ送出する、
二相流体分離装置。
【請求項６】
二相流体から所望の粒子径の粒子成分を分離する方法であって、
排出流路に連通する開口部であって、長辺を有する少なくとも１つの開口部を二相流体に臨ませ、
前記二相流体と前記開口部との間に、前記開口部の長辺に対峙する方向における相対速度を生じさせることによって、所定径以上の粒子成分を含まない流体を前記排出流路へ送出することを特徴とする方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【公開番号】特開２０１１−６２６４２（Ｐ２０１１−６２６４２Ａ）
【公開日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２１５６１６（Ｐ２００９−２１５６１６）
【出願日】平成２１年９月１７日（２００９．９．１７）
【出願人】（５０９２６２３４５）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月１７日（２００９．９．１７）
【出願人】（５０９２６２３４５）
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]