JP6011155B2 - 循環型メディア撹拌ミル - Google Patents

Description

本発明は、循環型メディア撹拌ミルに関する。詳しくは、粒子を微細粒子に粉砕又は分散するために使用される循環型メディア撹拌ミルに備えられた分散メディア分離機構の構成に関するものである。

循環型メディア撹拌ミルは、顔料等の凝集体や一次粒子を分散メディアの衝突力やせん断力により、所望の粒子径まで大量に微粒子化できる装置である。この循環型メディア撹拌ミルは、スラリー中の顔料、セラミック、金属粒子等の原料を微細粒子に連続して粉砕または分散するのに用いられている。

循環型メディア撹拌ミルにおいて、顔料等を分散処理したスラリーと分散メディアを分離する機構としては、一定の間隔を存して固着される一対のディスクと、両ディスクを連結するブレードよりなるインペラと有するセパレーターをシャフトと同軸上に備えた機構が知られている（特許文献１）。この機構では、セパレーターをシャフトと共に回転させることで、ディスク間に入り込んだ分散メディアを回転軸の径方向外側に飛ばす一方、スラリーをシャフトの軸心に設けられた排出路を通じて排出させる。

また、未分散のスラリーを供給してから、分散後のスラリーを排出するまでの流路の途中に、分散メディアをスラリーから遠心分離するための遠心分離装置を設けることで、スラリーと分散メディアを分離させる機構が提案されている（特許文献２）。

国際公開第９６/３９２５１号 特開２００２−３０６９４０号公報

特許文献１の分離機構では、スラリーと分散メディアの分離は良好であるが、回転するシャフトの軸心にスラリーをミルから排出させる流路を形成しているため、シャフトの軸受部を軸封するメカニカルシールが必要となる。そして、スラリーと分散メディアの混合液がメカニカルシールに接触する。メカニカルシールの摺動部には隙間があるため、スラリー中の固形物がこの摺動部の隙間に入り込んで噛みこんだり、摩擦熱により固形物が摺動部に析出したりして、シール効果を損なうという問題があった。

特許文献２の分離機構では、遠心分離装置の羽根車と、この羽根車の排出開口部側に位置するローター壁との間に隙間があるために、分散メディアがその隙間に入り込み、そのまま排出開口部にスラリーと一緒に運ばれて排出される場合がある。そのため、スラリーと分散メディアの分離が十分でないという問題があった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、処理対象物と分散メディアとを良好に分離でき、しかも信頼性に優れる循環型メディア撹拌ミルを提供することを目的とする。

本発明者等は、上記課題を解決するために鋭意研究を行った結果、次の知見を得た。
（１）分散メディアのセパレーターとして、一定の間隔を存して並設される一対のディスクと、両ディスクを連結するブレードよりなるインペラを備えたセパレーターを用い、上記一対のディスクのうち、上側に配置されるディスクの上方に複数のブレードを設けることにより、ディスクの上部に回りこんだ分散メディアを複数のブレードにより形成した流れによって排出させることができる。これにより、分散メディアが原料スラリーと一緒にミル外へ排出されないようにすることができる。
（２）上側のディスクに貫通孔を形成することで、原料スラリーを、シャフトの中ではなくシャフトの周りを通過させてオーバーフローでミル外へ排出させることができる。これにより、シャフトの軸受部と原料スラリーとの接触を回避することができ、シャフトをメカニカルシールで軸封する必要が無くなる。
本発明は以上の知見に基づいて完成させるに至った。

本発明の循環型メディア撹拌ミルは、処理対象物の供給口及び排出口を有し、前記処理対象物と分散メディアとが収容されるミル本体と、前記排出口に回転可能に挿通されたシャフトと、前記シャフトに固定されたセパレーターと、を備え、前記セパレーターは、前記排出口の近傍位置において前記シャフトに固定された第１ディスクと、前記第１ディスクに対して前記シャフトの軸方向に離間配置された第２ディスクと、前記第１ディスクと前記第２ディスクとを連結する複数の第１ブレードとを有し、前記第１ディスクは、前記第１ディスクを厚さ方向に貫通する貫通孔と、前記第１ディスクの前記排出口側の面に設けられ前記第１ディスクと前記ミル本体との間に径方向外方への流れを生じさせる第２ブレードとを有し、前記排出口の周囲の前記ミル本体の内壁に、少なくとも前記第２ブレードを収容する凹部が形成されており、前記凹部を構成する内周壁部の下端部は、前記第１ディスクよりも上方に位置し、前記内周壁部において前記シャフトに対向する面は、前記貫通孔よりも外周側に位置していることを特徴とする。

前記第１ディスクの周方向に沿って複数の前記第２ブレードが一定間隔に配置されている構成としてもよい。

前記凹部が前記排出口を取り囲むリング状の凹溝である構成としてもよい。

前記凹溝の外周壁部が、前記凹溝の内周壁部よりも高く形成されている構成としてもよい。

前記第２ブレードと前記凹部の内壁面との間隔が０．１ｍｍ以上５ｍｍ以下である構成としてもよい。

本発明の循環型メディア撹拌ミルは、第１ディスクと第２ディスクとの間を複数の第１ブレードで連結したセパレーターを備えており、第１ブレードの回転によって分散メディアと分離された処理対象物を、第１ディスクに設けられた貫通孔を通じて排出口へ流入させ、ミル本体の外側へ排出する。そして、第１ディスクの排出口側の面に第２ブレードが形成されていることで、セパレーターの外側から第１ディスクとミル本体内壁との隙間に分散メディアが入り込むのを防止する。
以上により、シャフトの軸受部をメカニカルシールで軸封することなく、シャフトの軸受部が設けられた排出口に対して処理対象物のみを流出させることができる。よって、処理対象物と分散メディアとを良好に分離することができるとともに、分散メディアに起因するシャフト軸受部の不具合の発生を抑え、優れた信頼性を得ることができる。

実施形態に係る循環型メディア撹拌ミルを示す図。 第１ディスクの上面図。 第１ディスクを上面側から見た斜視図。 第１ディスクの下面図。 第１ディスクの下面側から見た斜視図。 循環型メディア撹拌ミルの要部を拡大して示す断面図。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この形態は発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り本発明を限定するものではない。
なお、本実施形態では、水平面に沿ってＸ軸及びＹ軸を設定するとともに、鉛直方向に沿って上向きにＺ軸を設定する。

図１は、本実施形態に係る循環型メディア撹拌ミルを示す図である。
循環型メディア攪拌ミル１００は、図１に示すように、原料スラリー（処理対象物）が貯留される原料タンク１０１及びポンプ１０２と接続され、原料スラリーの循環サイクルを形成する。
本実施形態において用いられる原料スラリーは、粒状や粉状の粉砕対象物を分散媒（水、有機溶媒等）に分散させた液状体である。また循環型メディア攪拌ミル１００で用いられる分散メディアは、ジルコニアビーズ、ガラスビーズ、チタニアビーズ、金属ビーズ等の所定硬度を有する粒状体である。

循環型メディア攪拌ミル１００は、分散メディアが充填される円筒状のミル本体４と、ミル本体４の内部に配置されたピン５及びセパレーター１７と、ミル本体４の頂壁部に設けられた軸封装置１６と、軸封装置１６に軸支されるとともにセパレーター１７及びピン５に接続されたシャフト１５と、を備えている。

ミル本体４は、縦型の容器であり、筒状部４ａと、筒状部４ａの下側開口部を閉塞する円盤状の底壁部４ｂと、筒状部４ａの上側開口部に設けられたライナー９と、ライナー９上に被着されて筒状部４ａの上側開口部を閉塞する円盤状の頂壁部４ｃと、を有する。

底壁部４ｂには、底壁部４ｂを貫通して形成されるとともにポンプ１０２の出力端に接続された供給口３が設けられている。頂壁部４ｃの中央部にはシャフト１５が挿通される開口部４ｄが設けられている。頂壁部４ｃの内側に設けられたライナー９は、シャフト１５が挿通される開口部を有するリング状の部材である。

軸封装置１６は、ミル本体４の頂壁部４ｃ上に載置される流路形成部１８と、流路形成部１８の上面に設けられた軸受部材１９とを有する。流路形成部１８は、底面及び側面に開口する側断面視Ｌ形の内部流路１６ａを有しており、底面の開口部は頂壁部４ｃの開口部４ｄに接続されている。流路形成部１８の側面の開口部は原料タンク１０１の入力端に接続されている。本実施形態において、ライナー９の開口部と、頂壁部４ｃの開口部と、内部流路１６ａとにより形成される流路が、排出口１２である。

軸受部材１９は、内部流路１６ａのうちの縦穴の延長上に設けられており、シャフト１５を直立姿勢に支持するとともに、シャフト１５を取り囲むリング状のシール部材１３によりシャフト１５を封止する。軸受部材１９に挿通されたシャフト１５の下端側は、内部流路１６ａの縦穴部分を通じてミル本体４内へ延びている。一方、シャフト１５の上端側には、プーリー１５ａが設けられている。プーリー１５ａには、モーターなどの駆動部１４の駆動力を伝達する駆動ベルト２８が掛けられている。シール部材１３としては特に限定されないが、例えばグランドパッキン等を用いることができる。

ミル本体４の内部において、シャフト１５には、排出口１２側から順に、セパレーター１７と、ピン５とが取り付けられている。
セパレーター１７は、ミル本体４に備えられた遠心分離機構であり、シャフト１５のライナー９の下面近傍に位置する部位に取り付けられた円盤状の第１ディスク８と、第１ディスク８下方の同軸位置に取り付けられた円盤状の第２ディスク６と、第１ディスクと８と第２ディスク６とを連結する複数の第１ブレード７を備えている。シャフト１５は、第１ディスク８と第２ディスク６の中央を貫通しており、複数の第１ブレード７は、シャフト１５の軸回りに一定間隔で配置されている。

ここで、図２は第１ディスク８の上面図である。図３は、第１ディスク８を上面側から見た斜視図である。図４は、第１ディスク８の下面図である。図５は、第１ディスク８の下面側から見た斜視図である。図６は、循環型メディア撹拌ミルの要部を拡大して示す断面図である。

図２及び図３に示すように、第１ディスク８は、円盤状のディスク基体８ａと、ディスク基体８ａの上面から上方へ突出して形成された複数（図示では２４枚）の第２ブレード２１と、を有する。

第２ブレード２１は、第１ディスク８の周方向に沿って一定の間隔で配置されている。個々の第２ブレード２１は、尖った角を有する板状部材であり、ディスク基体８ａ上に垂直に起立する姿勢で配置されている。また第２ブレード２１は、それらの主板面が第１ディスク８の径方向に対して斜めになるように配置されており、第１ディスク８の回転によってディスク径方向の流れを発生させる。第２ブレード２１の主板面とディスク径方向との角度は、特に限定されないが、例えば水平面において１°以上９０°以下、好ましくは２０°以上８０°以下、より好ましくは３０°以上５０°以下とすることができる。

第２ブレード２１の高さ（Ｚ方向の長さ）は、第１ディスク８の上面に必要な流れを形成できる範囲で適宜調整すればよい。例えば、第１ディスク８の直径が１００ｍｍ以上かつ１３０ｍｍ以下である場合には、１０ｍｍ以上かつ２０ｍｍ以下が好ましく、１３ｍｍ以上かつ１７ｍｍ以下がより好ましい。

ディスク基体８ａの中央には、丸みを帯びた正方形状のディスク固定孔２２が形成されている。またディスク固定孔２２の周囲に沿って固定部補強用の枠体８ｂが形成されている。
ディスク固定孔２２の四辺のそれぞれに対応する位置には丸穴のボルト固定孔２３が形成されている。ディスク固定孔２２の４つの角部にそれぞれ対応する位置には、隣り合うボルト固定孔２３同士の間隔に対応する長さを有する長穴の貫通孔１０が形成されている。

貫通孔１０の形成個数や大きさは、原料スラリーを排出口１２に対して円滑に送ることができるように適宜調整して設ければよい。貫通孔１０が小さすぎる場合には、１サイクルにかかる時間が長くなり、貫通孔１０が大きすぎる場合には、第１ディスク８自体の強度が弱くなるため、これらを勘案して最適な大きさ及び個数を設定するとよい。貫通孔１０は１つでも複数個以上設けてもよい。

第１ディスク８の下面（第２ディスク６側の面）には、図４及び図５に示すように、複数の長穴状の係合凹部２５が形成されている。係合凹部２５は、第１ディスク８と第２ディスク６とを連結する第１ブレード７の一方の端部が挿入され、固定される部位である。係合凹部２５は、第１ディスク８の周方向に沿って一定間隔で形成されている。本実施形態の場合、２４個の係合凹部２５が形成されており、セパレーター１７は、同数（２４枚）の第１ブレード７と第２ブレード２１とを備えている。なお、本実施形態では第１ブレード７と第２ブレード２１は同数（２４枚）であるが、同数でなくてもよい。

係合凹部２５は、その長さ方向が第１ディスク８の径方向に対して斜めになるように配置されている。すなわち、係合凹部２５に固定された第１ブレード７の主板面が、第１ディスク８の径方向に対して斜めになるように配置されている。係合凹部２５とディスク径方向との角度は、特に限定されないが、例えば水平面において１°以上９０°以下、好ましくは２０°以上８０°以下、より好ましくは３０°以上５０°以下とすることができる。

第２ディスク６は、第２ブレード２１及び貫通孔１０を備えない以外は、第１ディスク８と略同様の構成を備えている。すなわち、円盤状のディスク基体の中央にディスク固定孔が形成されるとともに、ディスク固定孔の周囲にボルト固定孔が形成されている構成である。第２ディスク６の上面には、図４に示した係合凹部２５と対を成す複数の係合凹部が形成されている。これら複数の係合凹部には、第１ブレード７の下端部が挿入固定される。なお、第２ディスクは強度を損なわない程度に、第１ディスク同様の貫通孔を備えてもよい。

シャフト１５の第２ディスク６よりも先端側の部分には、シャフト１５の軸方向に沿って一定間隔に配列された複数のピン５が設けられている。複数のピン５の形状や取付姿勢、配列等は特に限定されないが、例えば、棒状又は板状の部材であり、それらの長手方向がシャフト１５の軸方向に対して直交する方向となるようにシャフト１５に固定されている。

ライナー９は、第１ディスク８の上面と対向する位置に設けられており、本実施形態の場合には、第１ディスク８上の第２ブレード２１を収容する凹溝（凹部）３２を有している。図６に示すように、凹溝３２は、第２ブレード２１の内側端面と対向する内周壁部９ａと、第２ブレード２１の上面と対向する天壁部９ｂと、第２ブレード２１の外側端面と対向する外周壁部９ｃとを有する。
また本実施形態の場合、凹溝３２において、外周壁部９ｃの高さが、内周壁部９ａの高さよりも大きく形成されており、外周壁部９ｃの高さ範囲内に第２ブレード２１と第１ディスク８の両方が配置されている。

第１ディスク８と凹溝３２の壁面との間には、所定幅の間隙１１が形成される。間隙１１は、第２ブレード２１の周囲に０．１ｍｍ以上かつ５ｍｍ以下、好ましくは０．１ｍｍ以上かつ２ｍｍ以下の幅となるように形成するとよい。間隙１１を上記の値とすることにより、第１ディスク８が回転中にライナー９に接触したり、分散メディアが噛み込んだりするのを避け、かつ分散メディアが間隙１１から排出口１２に進入することを防ぐことができる。

以上の構成を備えた循環型メディア攪拌ミル１００を備えたスラリー循環システムでは、原料タンク１０１に貯留された原料スラリーをポンプ１０２により搬送し、循環型メディア攪拌ミル１００の底面部に設けられた供給口３からミル本体４内へ導入する。ミル本体４では、駆動部１４の駆動力によってシャフト１５とともにセパレーター１７及びピン５が回転駆動されており、ミル本体４内に収容された分散メディアが撹拌されている。

ミル本体４内に導入された原料スラリーは、ピン５により分散メディアとともに撹拌されつつ、ポンプ１０２から連続供給される原料スラリーの圧力により上方へ順次移動される。セパレーター１７に達した原料スラリーは、セパレーター１７とミル本体４の内側壁部との間の領域へ進入し、さらに隣り合う第１ブレード７間の隙間からセパレーター１７の内部へ進入する。すなわち、セパレーター１７の側方から内部へ進入する。なお、第２ディスク６の板面に貫通孔が形成されている場合には、原料スラリーはセパレーター１７の側方及び下方から内部へ進入する。

セパレーター１７の内部では、セパレーター１７とともに回転する複数の第１ブレード７によりシャフト１５から径方向の外側へ向かう流れが形成されている。この流れにより、比重の重い分散メディアはセパレーター１７の径方向外方へ移動されるため、原料スラリーと分散メディアの混合物は、セパレーター１７の内部を上方へ移動するうちに原料スラリーと分散メディアとに分離される。

そして、分散メディアと分離された原料スラリーが、第１ディスク８の貫通孔１０を介して排出口１２へ排出される。排出口１２に進入した原料スラリーは、内部流路１６ａの縦穴部分を上昇した後、内部流路１６ａの横穴部分に達してオーバーフローし、原料タンク１０１に再び注ぎ込まれる。以降、上記の原料スラリーの循環が繰り返されることで、原料スラリーに含まれる粉砕対象物の粉砕が進行する。その結果、所望の粒子径を有する粒子の分散液を調製することができる。

図６に示すように、セパレーター１７内の原料スラリーは、第１ディスク８のシャフト１５近傍に設けられた貫通孔１０を介して排出口１２へ流入する。しかし、ミル本体４の内部から排出口１２に通じる流路は、セパレーター１７の内部から貫通孔１０を通る流路のみではなく、セパレーター１７の外側からライナー９の凹溝（凹部）を通る間隙１１も流路となりうる。

間隙１１に通じるセパレーター１７の外側の領域には、原料スラリーと分散メディアとが存在しており、間隙１１の幅は第１ディスク８の回転時に分散メディアが噛み込なまいように、分散メディアよりも大きく形成されている。そのため、何ら対策を施さない場合には、セパレーター１７の外側の分散メディアが、間隙１１を通じて排出口１２に入り込むおそれがあり、そうすると原料タンク１０１に分散メディアが混入して分散処理後に得られるスラリーの品質が低下したり、シール部材１３に分散メディアが噛み込んで軸封部の信頼性を低下させたりする可能性がある。

そこで本実施形態の循環型メディア攪拌ミル１００では、第１ディスク８の上面に複数の第２ブレード２１を立設した。複数の第２ブレード２１が設けられていることで、第１ディスク８を回転させたときに図６に示すように第１ディスク８の径方向外側に向かう流れｆを形成する。この流れｆは、原料スラリー、又は、原料スラリー及び分散メディアからなる混相流であり、第１ディスク８の端縁から外側へ流出してライナー９の外周壁部９ｃに衝突し、衝突後は外周壁部９ｃに沿って下方へ移動し、間隙１１からミル本体４内へ流出する。

第２ブレード２１の回転によって上記のような流れｆが形成されることにより、ミル本体４から間隙１１内への分散メディアの進入が防止される。これにより、排出口１２への分散メディアの混入を極めて少なくすることができるので、分散メディアと原料スラリーの分離効率を高めることができる。また、排出口１２内への分散メディアの流入が極めて少なくなることから、シール部材１３と分散メディアとの接触が少なくなり、シール部材１３における不具合の発生を抑え、優れた信頼性を得ることができる。
なお、オバーフローの速度を適宜調節することにより、原料スラリーと軸受部材１９の接触を抑制させることも、軸封装置の信頼性を高める点で好ましい。

また本実施形態の場合には、第２ブレード２１を収容する凹溝３２の外周壁部９ｃが内周壁部９ａよりも高く形成されており、間隙１１のミル本体４側の入口部分が、第１ディスク８の側端面と外周壁部９ｃとの間に形成されているため、ミル本体４から間隙１１に対して分散メディアが入り込みにくい構造とされている。

また、凹溝３２の内周壁部９ａが設けられていることで、間隙１１から凹溝３２に流入した原料スラリーや分散メディアが第２ブレード２１で排出口１２側へ弾かれたときにも、内周壁部９ａによって排出口１２への流入が阻害される。そのため、間隙１１から凹溝３２へ流出された分散メディアがミル本体４側へ排出されやすくなる。

また本実施形態の循環型メディア攪拌ミル１００では、ミル本体４から内部流路１６ａへ原料スラリーを流出させた後、内部流路１６ａの横穴部分で原料スラリーをオーバーフローさせて原料タンク１０１へ排出させる。そのため、原料スラリーのミル本体４への流入速度を適宜調節することにより、内部流路１６ａの天井部に設けられている軸受部材１９に対する原料スラリーの接触自体が少なくなるので、シール部材１３には高い液体封止機能が要求されない。したがって、シール部材１３として高価なメカニカルシールではなく、グランドパッキン等を用い、コストダウンを図ることもできる。

以下実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。
上記実施形態の循環型メディア攪拌ミル１００において、ミル本体４内に０．１ｍｍのジルコニアビーズを５８体積％充填して、原料タンク１０１より平均粒径５０μｍ〜６０μｍの金属微粒子粉末にプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテートを加えた原料スラリーを供給口３より供給した。駆動部１４のモーター回転数を１６５０ｒｐｍで運転し、原料スラリーの循環粉砕を行った。

平均粒径が目標値に達した時点でミルの運転を停止し、製品スラリーを得た。得られた製品スラリーをメッシュにかけたところ、分散メディアの混入は確認されなかった。すなわち本実施形態の循環型メディア撹拌ミルを使用することで、分散メディアとスラリーを良好に分離できることが確認された。

３…供給口、４…ミル本体、６…第２ディスク、７…第１ブレード、８…第１ディスク、９ａ…内周壁部、９ｃ…外周壁部、１０…貫通孔、１２…排出口、１５…シャフト、１７…セパレーター、２１…第２ブレード、３２…凹溝（凹部）、１００…循環型メディア撹拌ミル

Claims (5)

1. 処理対象物の供給口及び排出口を有し、前記処理対象物と分散メディアとが収容されるミル本体と、前記排出口に回転可能に挿通されたシャフトと、前記シャフトに固定され前記ミル本体に収容されるセパレーターと、を備え、
   前記セパレーターは、前記排出口の近傍位置において前記シャフトに固定された第１ディスクと、前記第１ディスクに対して前記シャフトの軸方向に離間配置された第２ディスクと、前記第１ディスクと前記第２ディスクとを連結する複数の第１ブレードとを有し、
   前記第１ディスクは、前記第１ディスクを厚さ方向に貫通する貫通孔と、前記第１ディスクの前記排出口側の面に設けられ前記第１ディスクと前記ミル本体との間に径方向外方への流れを生じさせる第２ブレードとを有し、
   前記ミル本体は、前記第１ディスクの上面と対向する位置に設けられたライナーを有し、
   前記ライナーは、前記シャフトが挿通されるとともに前記排出口の一部を構成する開口部を有し、
   前記ライナーにおいて前記第１ディスクの上面と対向する位置には、少なくとも前記第２ブレードを収容する凹部が形成されており、
   前記凹部を構成する内周壁部の下端部は、前記第１ディスクよりも上方に位置し、
   前記開口部において前記シャフトに対向する面は、前記貫通孔よりも外周側に位置していることを特徴とする循環型メディア撹拌ミル。
2. 前記第１ディスクの周方向に沿って複数の前記第２ブレードが一定間隔に配置されている、請求項１に記載の循環型メディア撹拌ミル。
3. 前記凹部が前記排出口を取り囲むリング状の凹溝である、請求項１または２に記載の循環型メディア撹拌ミル。
4. 前記凹溝の外周壁部が、前記凹溝の内周壁部よりも高く形成されている、請求項３に記載の循環型メディア撹拌ミル。
5. 前記第２ブレードと前記凹部の内壁面との間隔が０．１ｍｍ以上５ｍｍ以下である、請求項１から４のいずれか１項に記載の循環型メディア撹拌ミル。

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