JP2018075533A - 粉砕装置 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的単純な装置構成を有しながら、比較的低いエネルギーで効率よく所望の程度まで微細化が進んだ粉体を得ることができる粉砕装置を提供する。
【解決手段】 粉砕室内に外周壁に沿って旋回する旋回流を形成する粉砕装置に関し、旋回流の旋回軸周りに回転するロータを備え、このロータの外周に径方向に複数のフィンｆを立設し、旋回流の旋回方向Ｄｒｆに対してロータの回転方向Ｄｒを逆方向とする、或いは遅らせるロータ制御手段を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、内周壁を有する粉砕室と、この粉砕室に気流を噴出して前記内周壁に沿った旋回流を形成する旋回流形成手段と、旋回流に粉砕対象物を導入する粉砕対象物導入手段とを備えた粉砕装置に関する。

この種の粉砕装置としては、特許文献１に示されるミル、特許文献２に示されるジェットミル装置がある。

特許文献１のミルは、粉砕室２と、粉砕室２内に配置された回転軸３と、回転軸３に固定された回転部材４を有する回転体５と、粉砕室２の外殻を構成するケーシング６と、粉体と気体を含む固気二相流Ｋを粉砕室２に供給するための入口７（旋回流形成手段及び粉砕対象物導入手段として働く）と、粉砕室２から固気二相流Ｋを排出すための出口８と、を備えて構成されている。

この技術のケーシング６は、その内周面９ａが波形に形成された円筒形の枠体９を備え、入口７から粉砕室２に供給される固気二相流Ｋが、回転体５により加速されながら粉砕室２内で旋回し、内周面９ａに旋回する固気二相流Ｋが衝突することにより粉体が粉砕され、内周面９ａを有する枠体９が回転軸３と同軸に配置され、ケーシング６の内周面と隣接し、粉体が枠体９との衝突によりランダムな動きをして、粉体同士が衝突して、粉砕対象物の微細化が進む。

一方、特許文献２のジェットミル装置にあっては、粉砕室である空洞室１１の内周壁面にリング状にジャットノズル１３を複数埋設して旋回流形成手段を構成し、このジャットノズル１３から粉砕対象物を噴射することにより、粉砕対象物同士の衝突、さらには粉砕対象物が内周壁面に衝突することを利用して粉砕対象物の微細化を図っている。

特開２０１２−１１５７３４号公報 特開２０１４−２００７２１号公報

特許文献１に開示の技術にあっては、ケーシングの内周面を、凹凸を有する波状形とする必要が生じ、コスト高となる。さらに、粉砕が、粉砕対象物同士の衝突、粉砕対象物の内周面への衝突等、不安定な要因に依存することとなるため、比較的高いエネルギーを要し、均質な粉砕を行い難いという点に改善の余地がある。

一方、特許文献２に開示の技術では、粉砕対象物の粒子が、旋回流によって壁面に衝突し粉砕されるが、装置構成は比較的単純とはいいながら、この構成では粒子と壁面との衝突力が不足しがちである。このように衝突力が低い理由は、粒子が壁面に沿って移動しながら壁面に擦られることとなるため、例えば、粒子を壁面に垂直には衝突させて粉砕するといった効率的な粉砕を行えないためと理解される。この傾向は、粒子が小さくなる程（粉砕対象粒子の粒径が小さい場合、粉砕が進んである程度微細化された場合を含む）、気流の影響を受けて壁面と衝突し難くなるためと理解される。

この傾向に関して、後に、本発明の作用・効果を説明する段落で、特許文献２に記載の従来技術に相当する装置（図４、図５、図６）と本発明の装置（図１、図２、図３）とを比較して説明する。

本発明の主たる課題は、比較的単純な装置構成を有しながら、比較的低いエネルギーで効率よく所望の程度まで微細化が可能な粉砕装置を提供する点にある。

本発明の第１特徴構成は、内周壁を有する粉砕室と、
前記粉砕室に気流を噴出して前記内周壁に沿った旋回流を形成する旋回流形成手段と、
前記旋回流に粉砕対象物を導入する粉砕対象物導入手段とを備えた粉砕装置であって、
前記旋回流の旋回軸周りに回転するロータを粉砕室内に備え、
前記ロータの外周に径方向に立設される複数のフィンを備え、
前記旋回流の旋回方向に対して前記ロータの回転方向を逆方向とする、或いは、前記ロータの回転速度を前記旋回流の回転速度より遅くするロータ制御手段を備える点にある。

本構成によれば、粉砕室内に複数のフィンを備えたロータが備えられ、このロータが、ロータ制御手段の働きにより、旋回流の旋回方向に対して逆転若しくは同方向に回転する場合であっても旋回流に対して遅れた状態で回転される。結果、粉砕室内で、旋回流形成手段により所定の旋回方向に形成される旋回流を、ロータに備えられるフィンはおしとどめる方向に働き、旋回流を粉砕室の内周壁へ向かう方向に導く。このロータの働きは、先に特許文献１で開示される流れの加速とは逆方向とされる。

上記構成に関して、本発明の発明者らが行った検討について説明する。
図１〜図３は、後述するように、本発明に係る粉砕装置に対応する図面であり、図４〜図６は、この粉砕装置に対して、本発明の一つの特徴である、図１等に示されている複数のフィンｆを備えたロータＲ（旋回流ＲＦの旋回方向Ｄｒｆに対して逆転又は遅れて回転するロータ）を備えない装置を示している。

これらの図において、図１及び図４は粉砕装置の概略全体図を示している。
図２及び図５は、旋回流形成手段から噴射され、粉砕室の内周壁Ｗ近傍における流れを示し、図において矢印は各位置での流速ベクトルである。さらに、図３及び図６は、原料供給用ジェットノズルＮｇｚから噴出される粉砕対象物の粒子ｐの軌跡を示している。

比較対象とした装置は、粉砕室１０を備え、この粉砕室１０に旋回流形成手段及び粉砕対象物導入手段として働く原料供給用ジェットノズルＮｇｚを複数、周方向に均等に備えている。

図６との比較において、図３に示す本発明に示すロータＲを備えた粉砕装置では、粉砕対象物の粒子ｐが有効に粉砕室の内周壁Ｗに向けられ、粉砕を有効且つ効率的に行えることが判る。さらに、粉砕対象物の粒子ｐと壁Ｗとの衝突確率が高くなるため、効率的に充分粉砕でき、分散の小さい均質な微細化物を得ることができる。

本発明の第２特徴構成は、前記ロータの回転に伴って、前記複数のフィン先端と前記粉砕室の内周壁との間に前記旋回流が流れる環状旋回空間が形成されるとともに、ロータ回転方向に並ぶ一対のフィン先端と当該一対のフィン先端間を内径側で接続するロータ外周壁部位によりフィン間よどみ部が形成され、前記旋回流に前記内周壁に向かう流れが付与される点にある。

本構成によれば、複数のフィン先端（ロータ最先端部位）と粉砕室の内周壁との間に旋回流が流れる環状旋回空間を形成するが、ロータ回転方向に並ぶ一対のフィン先端とこれら一対の先端間を内径側（小径側）で接続するロータ外周壁部位を設けることで、ロータの外周面は連続した面（閉塞面）となる。結果、フィン間よどみ部が実質的な止水域として形成され、粉砕室の内周壁に沿った旋回流を大きく乱すことなく、内周壁側へ押付けることが可能となる。

本発明の第３特徴構成は、前記ロータの外周に、前記フィンが周方向で均等に立設されている点にある。

本構成によれば、フィンを周方向で均等配置することで、旋回流形成手段からの噴流と、この噴流を粉砕室内周壁側へ押付けるロータ外周面に形成されたフィンの働きを周方向に均一として周方向で斑のない粉砕を実現できる。

本発明の第４特徴構成は、前記フィンが、前記旋回流の旋回方向下手側に向かうに従って径方向高さが高くなる上手側フィン部と、当該上手側フィン部における最大外径部からロータ最小外径部まで縮径する下手側フィン段差部とを備える点にある。

本構成によれば、フィンにおいて、旋回流の流れ方向に関して、その下手に向かうに従って高さが順次高くなる上手側フィン部（換言すると、上手側程、小径側に深く切込んでいる）と、この最大外径部からロータ最小外径部まで縮径する下手側フィン段差部（換言すると、最大外径部から最小外径部まで段差を有して内径側に落ちている）を設けることで、この上手側フィン部の外側にフィン間よどみ部を形成し、上手側フィン部を利用して、このフィン部にほぼ直交する方向に、流れを抑えることが可能となる。
結果、効率的な粉砕対象物の粉砕を実現できる。

本発明の第５特徴構成は、前記下手側フィン段差部のロータ最小外径部に連続して前記上手側フィン部が形成されている点にある。

本構成によれば、実質的にロータの径方向に形成する下手側フィン段差部の最小外径部から上手側フィン部を最大外径部まで拡径しながら連続形成することで、実質、連続する二以上の部位でフィンを形成でき、比較的簡単な構成で、本発明の目的を達成できるフィンを備えたロータを実現できる。

本発明の第６特徴構成は、前記上手側フィン部の外径形状が円弧もしくはサイクロイドである点にある。

本構成によれば、フィン先端近傍の流れを十分に旋回流に沿う方向に導くことが可能となり、好ましい。さらに、フィンの加工も容易である。

本発明の第７特徴構成は、前記ロータの少なくとも軸方向一方端側に、前記旋回流が流出する旋回流出口が設けられるとともに、
前記旋回流形成手段が軸方向他方端側に設けられ、軸方向における前記内周壁に沿った前記旋回流の旋回回数が複数回とされる点にある。

本構成によれば、ロータの少なくとも軸方向一方端側に、旋回流出口を設けることで、軸方向一方側で粉砕済みの微細化物を良好に取り出せる。さらに、ロータの軸方向他端側を自由に使用することが可能となり、例えば、この部位を、ロータの回転を所望の回転状態とするロータ制御手段の配置位置とできる。

また、旋回流形成手段を軸方向他方端側に設け、軸方向における内周壁に沿った旋回流の旋回回数を複数回とすることで、粉砕対象物を確実に粉砕することができる。

本発明に係る粉砕装置の概略を示す図 粉砕室の内周壁近傍及びロータに設けられたフィン近傍の流れを示す図 本発明に係る粉砕装置の粉砕対象粒子の軌跡を示す図 図１に対応する従来構成の粉砕室の概略を示す図 図４に示す粉砕室の内周壁近傍の流れを示す図 図４に示す粉砕装置の粉砕対象粒子の軌跡を示す図

本発明の粉砕装置の一実施形態を、図１、図２及び図３に基づいて説明する。
先にも示したように、図１は、本発明に係る粉砕装置１００の概略構成を示す図であり、（ａ）がその縦断面図、（ｂ）が粉砕室１０内に設けられるロータＲを主とする横断面図である。図２は、同粉砕室１０の内周壁Ｗ近傍及びロータＲの外周に設けられたフィンｆ近傍の流れを示す図であり、図３は、粉砕室１０内での粉砕対象物Ｘの粒子ｐの軌跡を示す図である。

図１に示すように、粉砕装置１００は、粉砕室１０を主体として構成され、粉砕室１０内に旋回流ＲＦを形成するとともに室内に粉砕対象物Ｘを供給する原料供給用ジェットノズルＮｇｚが、周方向に均等に設けられている。

原料供給用ジェットノズルＮｇｚの流入側には、このノズルＮｇｚに供給される高圧ガスＧにより吸引搬送される形態で、粉砕対象物Ｘ及び微細化不足物Ｘｂを供給する粉砕対象物供給機構１１(具体的にはホッパー)が接続されている。図示するように、粉砕対象物供給機構１１には、原料である粉砕対象物Ｘが供給される。

一方、粉砕室１０からの粉砕物の送出は粉砕室１０の上部で行うように構成され、下流側に粉体分級機構１２を備え、この粉体分級機構１２により、粉砕処理済みの微細化物Ｘａと、粉砕不足の微細化不足物Ｘｂとが分級・分離され、前者Ｘａが外部に取り出されるとともに、後者Ｘｂが前記粉砕対象物供給機構１１に戻される構成が採用されている。

粉砕室１０には、原料供給用ジェットノズルＮｇｚが設けられるが、このノズルＮｇｚから、バイオ材料、合成樹脂、有機材料、金属等の粒状体である粉砕対象物Ｘ及び微細化不足物Ｘｂを含む気流が噴出投入されるとともに、噴出される気流により粉砕室１０内に旋回流ＲＦが生成される。結果、この粉砕室１０において粉砕対象物Ｘ及び微細化不足物Ｘｂを粉砕することができる。

図示する例では、粉砕室１０には、周方向６箇所に均等に原料供給用ジェットノズルＮｇｚが設けられている。
この原料供給用ジェットノズルＮｇｚは、本発明における旋回流形成手段として働くとともに、粉砕対象物供給機構１１とともに粉砕対象物導入手段としても働く。

本発明に係る粉砕装置１００にあっても、粉砕対象物Ｘが粉砕室１０の壁面Ｗに衝突することによって粉砕微細化されるとともに、粉砕対象物Ｘ同士の衝突によっても粉砕微細化される。ただし、以下に説明するように、その独特の構成により粉砕効率が格段に高くなっている。

以下、本発明独特の粉砕室１０の構成に関してさらに詳しく説明する。
図１からも判明するように、粉砕室１０には、旋回流ＲＦの旋回軸周りに回転するロータＲを備え、このロータＲの外周には径方向に複数のフィンｆが立設されている。

さらに、このロータＲを回転駆動する回転駆動機構Ｍが備えられている。この回転駆動機構ＭによるロータＲの回転方向Ｄｒは、旋回流ＲＦの旋回方向Ｄｒｆに対して逆方向Ｄｒとするように構成されている。この回転駆動機構Ｍはその制御機構も含めて、本発明におけるロータ制御手段として働く。

ここで、図示する例では、旋回流ＲＦを形成する原料供給用ジェットノズルＮｇｚからの高圧ガスＧの噴出速度は３００〜６００ｍ／ｓｅｃ（反時計回り）となっているのに対して、ロータＲの回転速度は、フィン先端ｆｔで５０〜３００ｍ／ｓｅｃ（時計回り）に設定している。

前記フィンｆに関して説明すると、図２から判明するように、このフィンｆは、旋回流ＲＦの旋回方向Ｄｒｆの下手側に向かうに従って径方向高さが高くなる上手側フィン部ｆｕと、当該上手側フィン部ｆｕにおける最大外径部であるフィン先端ｆｔからロータ最小外径部ｆｉまで縮径する下手側フィン段差部ｆｄとを備えて構成されている。この例では、 前記上手側フィン部ｆｕの外径形状はサイクロイドとされており、上手側フィン部ｆｕは、ロータ最小外径部ｆｉから形成され、位相が進むに従って大径となるようにしている。

これらフィンｆは、ロータＲの外周に、周方向で均等に立設されている。
この構成を採用することにより、本発明に係る粉砕装置１００では、ロータＲの回転に伴って、複数のフィンｆのフィン先端ｆｔと粉砕室１０の内周壁Ｗとの間に旋回流ＲＦが流れる環状旋回空間Ｚｒｆが形成されるとともに、ロータＲの回転方向Ｄｒに並ぶ一対のフィン先端ｆｔと当該一対のフィン先端ｆｔ間を内径側（小径側）で接続するロータ外周壁部位（上手側フィン部ｆｕ及び下手側フィン段差部ｆｄ）によりフィン間よどみ部Ｄが形成され、旋回流ＲＦに内周壁Ｗに向かう流れが付与される。

形状関係に関してさらに詳細に説明すると、粉砕室１０の内周壁Ｗには原料供給用ジェットノズルＮｇｚが設置されるが、この原料供給用ジェットノズルＮｇｚの噴出径ｄｎがｄｎ＝１〜４０ｍｍの範囲に設定されている。

また、フィン先端ｆｔと粉砕室１０の内周壁Ｗとの間の隙間ｄｇがｄｇ＝０．５〜３０ｍｍの範囲に設定されている。

この構成で、本発明で問題となる旋回流ＲＦの平均厚みｄはｄ＝０．１〜１５ｍｍ程度となる。ちなみに、粉砕室１０の内径は１００〜２０００ｍｍの範囲とした。

先にも説明したように、本発明に係る粉砕装置１００の粉砕室１０内における流れを図２に、原料供給用ジェットノズルＮｇｚから噴出される粉砕対象物Ｘの粒子ｐの軌跡を図３に示した。
図６との比較において、粉砕対象物Ｘの粒子ｐが良好に粉砕室１０の内周壁Ｗに誘導されることが判る。

さらに、本発明に係る粉砕装置１００にあっては、図１（ａ）に示すように、ロータＲの少なくとも軸方向一方端側に、旋回流ＲＦが流出する旋回流出口ＯＤが設けられ、旋回流形成手段である原料供給用ジェットノズルＮｇｚが軸方向他方端側に設けられ、軸方向における内周壁Ｗに沿った前記旋回流ＲＦの旋回回数が複数回とされる。

〔別実施形態〕
（１）上記の実施の形態においては、粉砕室１０の周部に均等に旋回流形成手段を成すジェットノズルＮｇｚを配置し、これらジェットノズルＮｇｚに吹き込まれる高圧ガスＧにより旋回流ＲＦを形成するとともに、その吸引力を利用して粉砕対象物Ｘを当該ジェットノズルＮｇｚから吹き込むようにしたが、旋回流形成用と、粉砕対象物供給用とを別体としてもよい。例えば、粉砕室１０の内周壁に沿って形成された旋回流に別のノズルから粉砕対象物Ｘを導入してもよい。このように、粉砕対象物Ｘを旋回流ＲＦに導入する手段を、本発明では粉砕対象物導入手段と呼ぶ。

（２）上記の実施形態においては、ロータＲの外周にフィンｆを形成するに、旋回流ＲＦの旋回方向下手側に向かうに従って径方向高さが高くなる上手側フィン部ｆｕと、当該上手側フィン部ｆｕにおける最大外径部ｆｔからロータ最小外径部ｆｉまで縮径する下手側フィン段差部ｆｄとを備える構成を示したが、本発明にあっては、旋回流ＲＦを粉砕室１０の内周壁Ｗに押付けられれば良いため、フィンｆの形状は、図１（ｂ）に示す横断面視で、外径側に突出する三角形状、平板形状等、任意の形状とできる。
また、図２に示す上手側フィン部ｆｕの外周面はサイクロイドとするほか円弧としてもかまわない。
さらに、ロータＲの内径側から外径側に突出するフィンｆを形成するにおいて、図２に示すように、上手側フィン部ｆｕのサイクロイド外周面形状或いは円形形状に近似させて、旋回流Ｒｆの旋回方向に傾いた平板、或いは翼状体を立設してもよい。

（３）上記の実施形態においては、下手側フィン段差部ｆｄのロータ最小外径部ｆｉに連続して上手側フィン部ｆｕを形成しているが、ロータ最小外径部ｆｉが、ロータＲの周方向に同一径で一定位相続き、その後、上手側フィン部ｆｕが順次外径側に延びる構成を採用してもよい。

（４）上記の実施形態においては、ロータＲを旋回流ＲＦの旋回方向に対して逆転させるものとしたが、ロータ制御手段Ｍの働きにより、旋回流ＲＦの旋回方向Ｄｒｆと同方向に回転する場合も、回転速度が遅れていればフィンｆによる粉砕対象物Ｘの壁面への押付け効果を有る程度得ることができる。さらに、ロータＲを積極的に回転操作（逆方向回転・正方向回転を含む）するのみならず、ロータＲの回転を抑制する機構（ブレーキ、ストッパー等）を備えてもよい。

１０ 粉砕室
１１ 粉砕対象物導入機構（粉砕対象物導入手段）
１００ 粉砕装置
Ｄ フィン間よどみ部
Ｄｒ ロータの回転方向
Ｄｒｆ 旋回流の旋回方向
Ｍ 回転駆動機構（ロータ制御手段）
Ｎｇｚ 原料供給用ジェットノズル（旋回流形成手段・粉砕対象物導入手段）
Ｒ ロータ
ＲＦ 旋回流
Ｘ 粉砕対象物
Ｗ 内周壁
ｆ フィン
ｆｕ 上手側フィン部
ｆｄ 下手側フィン段差部
ｆｉ ロータ最小外径部
ｆｔ フィン先端
ｐ 粒子

Claims (7)

1. 内周壁を有する粉砕室と、
   前記粉砕室に気流を噴出して前記内周壁に沿った旋回流を形成する旋回流形成手段と、
   前記旋回流に粉砕対象物を導入する粉砕対象物導入手段とを備えた粉砕装置であって、
   前記旋回流の旋回軸周りに回転するロータを粉砕室内に備え、
   前記ロータの外周に径方向に立設される複数のフィンを備え、
   前記旋回流の回転方向に対して前記ロータの回転方向を逆方向とする、或いは、前記ロータの回転速度を前記旋回流の回転速度より遅くするロータ制御手段を備えた粉砕装置。
2. 前記ロータの回転に伴って、前記複数のフィン先端と前記粉砕室の内周壁との間に前記旋回流が流れる環状旋回空間が形成されるとともに、ロータ回転方向に並ぶ一対のフィン先端と当該一対のフィン先端間を内径側で接続するロータ外周壁部位によりフィン間よどみ部が形成され、前記旋回流に前記内周壁に向かう流れが付与される請求項１記載の粉砕装置。
3. 前記ロータの外周に、前記フィンが周方向で均等に立設されている請求項１又は２記載の粉砕装置。
4. 前記フィンが、前記旋回流の旋回方向下手側に向かうに従って径方向高さが高くなる上手側フィン部と、当該上手側フィン部における最大外径部からロータ最小外径部まで縮径する下手側フィン段差部とを備える請求項２又は３記載の粉砕装置。
5. 前記下手側フィン段差部のロータ最小外径部に連続して前記上手側フィン部が形成されている請求項４記載の粉砕装置。
6. 前記上手側フィン部の外径形状が円弧もしくはサイクロイドである請求項４又は５記載の粉砕装置。
7. 前記ロータの少なくとも軸方向一方端側に、前記旋回流が流出する旋回流出口が設けられるとともに、
   前記旋回流形成手段が軸方向他方端側に設けられ、軸方向における前記内周壁に沿った前記旋回流の旋回回数が複数回とされる請求項１〜６の何れか一項記載の粉砕装置。
   

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