ドナルドソントリット、プログラムマネージャー、Kirt Boston、ドナルドソントリット、シニア地域セールスエンジニア、Bob Walters
プラズマ切断とレーザー切断は、柔軟な金属加工の基盤プロセスです。 ただし、これらの切断では非常に細かい粒子が生成され、機械や従業員にとって有害なさまざまなリスクをもたらす可能性があります。
熱切断では、フィルトレーションする必要がある粒子が生成されます。 切断中に除去された材料は、スラグ、煙、熱生成された粒子を生み出します。 通常、スラグはテーブルの床の底に落ちますが、煙と粒子は、集塵システムで生成された適切な下向きの風量が熱の上昇を抑えない限り、ワークピースの上に舞い上がります。 粒子のサイズはサブミクロンから数十ミクロンに及ぶ可能性があり、これを制御するには、適切に選択して設置したフィルトレーションシステムが必要です。
システム設計は、切断環境とプロセスパラメーターに依存します。 大きなプラズマテーブルには、小さなレーザーテーブルとは異なるエアフロー要件があります。 プラズマ切断は、レーザー切断とは異なる粒径範囲を生成します。 自動材料充填システムなどの関連機能でさえ、切断時間が増加するため、システム設計に影響します。 これらは、材料の種類と厚さ、カーフの幅の切断、部品のネスティングと同じくらい、設計要件に影響します。
本質的に、適切に設計された集塵システムは、切断作業全体を効果的なヒューム捕集システムに変換する必要があります。
安全のための設計
集塵を正しく行うことは、環境上と運用上の両方の理由から不可欠です。 近年、OSHAは多くの粉塵の許容ばく露限界を大幅に引き下げました。これには、マンガンの他に、ステンレス鋼などのクロムが豊富な金属の切断による6価クロムが含まれます。 EPAでは、2.5ミクロン以下の粒子の削減だけでなく、カドミウム、クロム、鉛、マンガン、ニッケルなど、他の金属化合物にも引き続き焦点を当てています。これらはすべて、さまざまな金属加工や仕上げ作業で生産されます。
熱切断ヒュームと汚染物質の制御に使用される空気には、高温のスパークが含まれる場合があります。 スパークが除去されない場合、集塵システム全体の潜在的な燃料に運ばれる可能性があります。 したがって、発火源を制御することは、火災による損傷や混乱を回避するために重要です。 また、フィルトレーションされた空気が生産エリアに戻される場合、二次フィルターは一次フィルターの動作性能を確認できるため、戻された空気はクリーンで安全であることが保証されます。
販売店は、異なる材料の粒子を捕集することによるリスクも考慮する必要があります。 これには、異種金属からの粒子などがあり、たとえば金属と金属酸化物はテルミット反応の可能性を示す場合があります。 燃焼リスクは、フィルターシステムのレイアウトと設計の決定に影響します。 全国防火協会（NFPA）は、可燃性金属粉塵に関連する多くのリスクを軽減するために適用できる規格を公開しています。
フード
効果的な集塵は、粒子を効率的に捕集して制御するフードから始まります。 システム性能は、フードが達成できる範囲に制限されるため、 最も高価な集塵機を購入し、高効率フィルターを取り付けても、フードが粉塵とヒュームの半分しか捕集しない場合、全体の効率は50%を超えません。
熱切断の場合の切断テーブルは捕集フードです。 フードは、汚染物質を捕集するために継続的に一定量の空気を吸引する必要があります。 そうしないと、粉塵や煙が逃げてしまいます。
表面捕集とデプス捕集
フィルター領域ではなくファイバー領域は、効果的なフィルトレーションの鍵になります。 したがって、フィルターの設計には、多数の小さなファイバーを含めて、利用可能なファイバーの表面積を大幅に増やすようします。
ファインファイバーの層で強化された基本的な従来のフィルターメディアは、熱切断から微粒子を捕捉するのに最高のフィルトレーション性能を実現します。 このファインファイバーの層は、熱的に生成された粒子を扱うときに、フィルターメディアの効率を劇的に向上させます。ファインファイバーはまた、微粒子がフィルター繊維の奥深くに埋め込まれるのを防ぎ、粒子をメディア表面に蓄積させます（図1を参照）。 これは非常に効果的な表面捕集フィルターを作ります。
表面捕集は、フィルターをパルスクリーニングする際に効果を発揮します。 パルスクリーニングしたほとんどの集塵機には、圧縮空気マニホールドとダイヤフラムバルブが組み込まれています。 パイロットソレノイドバルブが加圧されると、ダイヤフラムバルブにより、圧縮空気が「パルス」としてマニホールドから排出され、粒子がフィルター表面から押し出されます。 効果的なパルスクリーニングにより、粉塵はフィルターメディアから取り除かれ、貯蔵コンテナに送り込まれます。
表面捕集フィルターは、容易にパルスオフされるメディアの表面で粒子を止め、フィルターの寿命を延ばし、エネルギー消費を削減します（図2を参照）。 粒子が表面で止まらない場合、フィルターではデプス捕集し、ヒュームをメディアの深部に侵入させます。 パルスクリーニングでこれらのデプス捕集された粒子を放出することは、不可能ではないにしても非常に困難です。 これにより、フィルターの寿命は短くなり、エネルギー消費が増加します。
表面捕集
デプス捕集
粉塵負荷
用途によって生成される粉塵の量、またはその粉塵負荷は、より高い粉塵負荷により集塵機のワークロードが増加するため、必要な集塵機のサイズに影響します。 一定の期間では、レーザー切断はプラズマ切断よりも粉塵の発生が少ない場合があります。 レーザー切断とプラズマ加工からのヒュームを捕集するために必要な風量は同じかもしれませんが、粉塵の負荷が異なるため、集塵機のサイズも異なる場合があります。
レーザー切断による粉塵負荷が低いほど、集塵機の作業負荷が少ないことを示唆している可能性がありますが、粒子サイズも影響します。 フィルター上の小さな粉塵粒子は一緒に固まる傾向があり、粒子間に小さな空洞スペースがあることで、粉塵層を通して空気を通すために必要な圧力が増します。 これで捕らえられない場合、集塵機はより多くのエネルギーを消費し、より頻繁なクリーニングが必要になることがあります。
熱負荷
すべての集塵システムには温度制限があり、熱負荷が増加すると別の構造が必要になる場合があります。 状況によっては、総空気温度を集塵機の動作限界内に保つために、冷気をシステムに放出する必要があります。
熱負荷とフードの設計もプロセスによって異なります。 たとえば、オキシ燃料切断の場合、粉塵負荷は比較的低いですが、かなりの熱を生成します。 この追加の熱負荷は、集塵機の構成材料、特にフィルターを選択するときに考慮する必要があります。 プラズマ切断とレーザー切断は、一般に熱負荷は低くなりますが、粉塵の負荷が大きくなります。
テーブルの設計も熱負荷に影響を与える可能性があります。 たとえば、構造的な切断ラインでは、プラズマトーチを使用してビームやプレートを切断し、切断ゾーンの下の狭いスロットからスパークと溶けた金属が排出されます。 これにより、従来のオープンエリアのダウンドラフト切断テーブルよりも高い熱負荷が発生します。
自動化要因
自動化により、集塵機のサイズに関する検討事項も変更します。 手動切断の場合、オペレーターはテーブルから部品を取り出し、新しいシートをロードします。 このダウンタイム中、集塵機は、高負荷状態でのパルスクリーニングに「追いつきます」。
自動マテリアルハンドリングにより、完成したシートが数分で切り替わるため、切断と部品の取り外しが同時に行われます。 この機能により、作業場の生産性は向上しますが、集塵機はより多くの時間を切断に割くことになり、「一休みする」時間が短くなるため、集塵機能は低下します。 このような自動化によって、粉塵やヒュームの負荷が高まることが多いので、集塵機はこれらの負荷に対応できるサイズにしてください。
圧力の安定化
切断プロセスからのヒュームと粉塵を効果的に捕集するために、ファンは空気をワークピースに通し、切断テーブルを介してワークピースを下方に引き込み、気流パターンを生成します（図3を参照）。 ファンは、空気が切断ゾーンからダクト、集塵機、フィルターメディア、ダストケーキを通過するときに、乱流と摩擦損失を克服するためのエネルギーを提供します。
適切に設計された集塵システムであれば、必要な空気量（立方フィート/分（CFM））を定期的に引き出すことができます。 空気が多すぎるとフィルターの寿命が短くなり、空気が少なすぎるとシステムの捕集効率が低下します。 フィルターが汚れると、システムの抵抗や静圧を克服するために必要なエネルギーが時間とともに変化します。
多くの場合、静圧値は水位計のインチで表示されます。これは1平方インチあたり1ポンドのほんの一部です。約27.7インチの水は約1 PSIに相当します。 新しくきれいなフィルターは、ほとんどの場合、始めは1インチ未満の非常に小さな通気抵抗ですが、フィルターに粉塵がたまると、抵抗が数インチ増します。 抵抗が一定限度を超え始めたら、フィルターを交換する必要があります。 多くの場合5～6インチですが、場合によっては、抵抗がはるかに高いレベルに達するまで、フィルターが詰まっていると見なされないことがあります。
フィルターメディアの寿命を延ばすため、最新の集塵機ではパルスクリーンフィルターを使用しています。 こうした定期的な調整により、フィルターを絶えず交換しなくてもシステムを継続的に実行できるようになります。
風量とシステム設計
集塵機は通常の動作で、フィルターが新品の場合よりも数インチ高く、抵抗が比較的均一で安定した「使用中」の状態を実現します。これはメディア表面に「フィルターケーキ」が形成されるために起こります。 メディアは、時間の経過とともに、ある程度のデプス捕集やその他のアクションにより、徐々に詰まり、抵抗も徐々に増します。 最終的には、より高いファンエネルギーで継続的な運転を試みるよりも、フィルターを交換する方が費用効果が高いことがわかります。
フィルターの有効寿命を通じて効果的な性能を確保するため、ファンは通常、フィルターの「詰まった」圧力損失、つまり最高または「末端」の圧力損失条件で必要な空気量を供給するようにサイズ設定されています。
フィルターの最適な動作寿命を実現するために、集塵機では、システムを通して過剰な空気が引き込まれないように空気量を制御する必要があります。 したがって、集塵システムは、フィルターが詰まったときのフィルターの抵抗変化を調整するために、ファンにダンパーを組み込むことがよくあります。 ダンパーを部分的に閉じることで、フィルターの抵抗が比較的小さい場合は、ファンが必要な空気量のみを確実に吸引するようにします。 ただし、ダンパーは風量を制御する唯一の方法ではありません。可変速モーターではファンの速度を変更できるため、風量を制御するだけでなくエネルギーを節約するために、性能を調整できます。
粉塵やヒュームの切断を制御するために必要な風量が大きいほど、集塵システムは大きくなります。 よって大規模な切断システムの多くは、区画化またはゾーン化されます。 このアプローチでは、切断ベッドの下のスペースにのみ風量が必要になるため、必要な風量が減少し、集塵システムの小型化につながります。
別の状況では、切断される素材に既存の開口部があり、空気をさらに引き出す必要があるため、集塵機はこの追加の容量要件を考慮して設計する必要があります。 この場合、集塵機の容量を増やすことにより、システムはすべての開口部で必要な下降流速度を維持し、粉塵を効果的に排出します。
最後に、集塵機のファンは、切断テーブルを通る十分な風量を作り、上昇するヒュームを捕集するために必要な下降流速度にできる必要があります。 ヒュームを効果的に制御するには、通常、空気速度が150～250 CFMに達する必要がありますが、テーブルの設計、サイズ、切断プロセスによっては、この要件は増える場合があります。
システム性能
熱切断中の防塵システムの性能には、さまざまな変数が影響を及ぼします。ダクト、ファン、フィルターメディアを含む適切に設計されたシステムでは、すべての変数とエレメントを考慮に入れるべきです。 システムが適切に設計されている場合は、一定の下降気流速度を維持して、さまざまなフィルター条件と稼働中の切断条件で効果的に粉塵を排出する必要があります。
要点：
熱切断向けの効果的な集塵システムの設計と統合は、ワンパターンではありません。 示されるすべての要因を考慮することで、作業場における集塵システムを確実に最大限活用することができます。
