公害防止管理者の過去問｜令和6年ばいじん・粉じん特論問４問題と解説

2026年1月4日

ISEED編集部

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問題４

サイクロンに関する記述として、誤っているものはどれか。

軸流サイクロンでは旋回流を起こさせる案内羽根(ベーン)部が最も摩耗する。
渦芯での旋回運動を半自由渦という。
圧力損失は入口ガス流速の2乗に比例する。
ダスト濃度が増加するほど、圧力損失が減少する傾向がある。
一般に、入口ガス流速は7～20m/sの範囲にとられる。

問題４の解答

正解は「２」です。

問題４の解説

解答に至るまでのステップ

ステップ１　まず「サイクロン内部の渦の基本形」を原理として押さえます

サイクロン内部の旋回流は、代表的にランキン渦（Rankine vortex）として説明されます。これは、

中心（渦芯）付近：強制渦（剛体回転） … $u_\theta \propto r$
外側：自由渦 … $u_\theta \propto 1/r$

という「2つの渦が組み合わさった構造」です。この原理を基準にすると、「渦芯（中心部）」を何と呼ぶべきかが判断できます。

ステップ２　選択肢2を判定し、誤りの核を特定します（本問の山場）

2. 渦芯での旋回運動を半自由渦という。

→ 誤りです。

理由は次のとおりです。

渦芯（中心部）は上で整理したとおり、強制渦（剛体回転）です。
「半自由渦（自由渦または半自由渦）」という言い方は、装置内に形成される渦の“型”として自由渦系を含む分類として説明されることが多く、少なくとも「渦芯（中心部）の運動そのもの」を指す呼称としては不適切です。

したがって、渦芯＝半自由渦という断定は、渦構造（渦芯は強制渦）と整合しないため誤りになります。

ステップ３　残りの選択肢（1,3,4,5）を原理・根拠で順に正誤判定します

1. 軸流サイクロンでは旋回流を起こさせる案内羽根(ベーン)部が最も摩耗する。
→ 正しいです。軸流サイクロンは案内羽根（ベーン）で旋回を与えるため、粉じんを含む流れがベーン近傍を通過し、衝突・摩耗が問題になりやすい構造です。軸流サイクロン（案内羽根が関与する形式）に関する学術的整理の中でも、付着性・摩耗性粉じんに対して「摩耗」やその軽減が論点として挙げられています。

3. 圧力損失は入口ガス流速の2乗に比例する。
→ 正しいです。サイクロンの圧力損失は、基本的に動圧（ $\propto \rho u^2$ ∝ρu2）に支配されるため、入口流速の増加に対して概ね 2乗則で増えると整理されます。J-STAGE掲載のサイクロン研究でも、圧力（損失）が流量の2乗に比例する旨が述べられており、流量が一定断面なら流速に対応するため、実務上「入口流速の2乗に比例」と扱います。

4. ダスト濃度が増加するほど、圧力損失が減少する傾向がある。
→ 正しいです。粉体（固体）負荷が増えると、気相単独の旋回流れと比べて流れ場が変化し、圧力損失が低下するケースがあることが実験・研究で報告されています。例えば、固体負荷（solid loading）を増やすと圧力損失が減少する傾向が示されています。（※この現象は条件依存ですが、設問は「傾向がある」としており、一般論としては正しい範囲の記述です。）

5. 一般に、入口ガス流速は7～20m/sの範囲にとられる。
→ 正しいです。環境省の技術マニュアルでは、接線流入式サイクロンの入口ガス流速を「一般的に7～15 m/s」としています。一方、実設計・研究では入口流速20 m/s程度を採る例も見られます（大学の公開論文で入口ガス流速20 m/sで寸法決定した記述など）。したがって、「7～20 m/s」という幅は、環境省資料の一般的範囲（～15）を含みつつ、上限側の設計例（～20）も含む表現であり、“一般にとられる範囲”として不自然ではありません。