JP2003251217A - 多段分級装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 広い粒度分布をもつ原料の微粒子群から粒度
分布の狭い複数の微粒子群を同時に分収できる高精度で
効率的な多段分級装置を提供することにある。 【解決手段】 分級範囲の異なる複数の分級ユニット２
ａ、２ｂを同一回転軸１上に縦続配設して回転させ、各
分級ユニットで準剛体回転成層流を実現して、同時に複
数の粒度範囲の分級が高精度に行なわれるようにした。
特に各段の分級ユニットの分級室５ａ，５ｂの形状をす
べて幾何学的に相似なものとして、それぞれの寸法を、
各段の分級性能と微粒子の条件、運転条件などから普遍
的なスケール則に基づいて簡単に決定できるようにし
た。なお、３ａ，３ｂはコア、４ａ，４ｂはハウジン
グ、６は微粒子分散液供給口、７ａは第１の分散媒供給
口、７ｂは第２の分散媒供給口、８は分級室間を連通す
る接続部、９は排出部である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、分散媒(流体)に懸
濁させた無機物あるいは有機物の微粒子状物質をその粒
度（粒径，形状，真密度など）の相違によって多段に高
精度で分級する多段分級装置に関するものであり、その
分級原理は、準剛体回転成層流中で微粒子状物質に作用
する遠心力及び流体抗力がその粒度の相違によって異な
ることを利用して分級する方式のものである。

【０００２】従って、本発明は、微粒子状物質をそれら
の粒度の相違によって高精度で効率よく分級することが
要求されるどのような分野にも適用可能である。特に最
近注目を浴びている分野を挙げれば、材料機能の飛躍的
向上あるいは新機能の付加に不可欠な均一・サブミクロ
ン粉体を必要とする粉体工業分野や、電子機器の均一な
スペーサや、粒度によって材質を揃える必要のある半導
体産業をはじめとする電子産業分野、血小板製剤製造の
ための血液分離や有効なある特定の成分のみを抽出する
ことが要求される医薬品分野、蛋白質成分、微生物、細
胞等の分離を要求される食品分野・バイオ分野、ヘドロ
中からの有害な有機・無機物質の分離除去や水の高次処
理(汚濁物質の分離)を要求される環境分野、ウラン濃縮
のための遠心分離が必要な原子力産業分野などがある。

【０００３】

【従来の技術】―般に、ファインセラミックス、高分子
材料、エレクトロニクス材料などの原料素材や中間素材
の多くは、微粒子の粉体からなっている。そして、この
ような材料の特牲は、主に粉体の特性によって左右され
るので、粉体の粒度の調整は重要な影響を及ぼす。した
がって、原料粉体の粒度調整には、厳しい均一牲と完全
性が求められる。この粒度調整では、従来から、乾式分
級や湿式分級などの分級装置を利用して粉体の粒度を一
定範囲に揃える方法がとられてきた。

【０００４】ところで乾式分級では、サブミクロン粒子
の分級も行われているが、粒子表面への微粒子の付着や
凝集などによる分級性能の低下が問題となる。そこで，
分級精度や確実牲を要求する場合には，湿式分級に頼ら
ざるを得ないのが現状である。この湿式分級の乾式分級
に対する利点は、粒子間および粒子・器壁間付着や凝集
力がはるかに小さいことである。これは、液体分子同士
の分子間力が大きいので、相対的に粒子間に作用する分
子間力が弱められること、および粒子・液体境界面の電
気二重層により、粒子内に電気的反発力が発生するこ
と、によると考えられている。また、粒子の付着・凝集
を防止するために，乾式分級においては粒子の体積濃度
を極めて低く抑えなければならないが、湿式分級ではか
なりの高固体濃度においても実用上可能であるという利
点がある。しかし、湿式分級では、分級ゾーンの流体制
御が難しく、分級精度に問題があった。このため、近年
は、湿式で微粒子をさらに精度よく分級するために、分
級ゾーンでの流体乱れをいかに少なくするかについての
追求が行われている。このような目的で開発された湿式
分級装置としては，例えば、特公平3-97号公報に開示の
ものが知られている。

【０００５】上記特公平3-97号公報に開示されている技
術では、断面円形状の回動体と該回動体と同軸にして回
動する内円筒との間に微粉体を含むスラリの旋回流を形
成させる。また、内円筒、該内円筒と同軸に回動する外
円筒との間に、水などの液体の旋回流を形成させ、この
旋回流とスラリの旋回流を内円筒の下方において互いに
合流させて、スプリッタにより分級するようにしてい
る。すなわち、スラリは内円筒の内部に形成される流路
を流下し、補助として加えられる水などの液体は、内円
筒と外円筒との間に形成された流路を旋回しながら流下
し、これらは内円筒と外円筒との間の下方に形成された
分級室内で合流する。分級室内では、スラリ中に含まれ
た微粉体中の粗粒のものは、微粒のものよりも粒度が大
きく、したがって重いので、スラリ旋回流による遠心力
の影響を大きく受けて周辺部に集まり、中央部に残る微
粒のものから分離される。その結果、下方のスプリッタ
において，中央部分では微粒の微粉体が，そして周辺部
においては粗粒の微粉体が、それぞれ分級されて回収さ
れる。

【０００６】この分級装置においては、回動体と内円筒
の壁面が流体と共に回転しているため、流体と壁面との
速度差が少なく、流体の乱れは少ない。しかし、スラリ
と流体との境界の乱れは避けきれず、微粒中に粗粒が混
入するなどの問題を避けることができなかった。さら
に、上方に位置する内円筒や下方に位置するスプリッタ
が分級室内に影響して、流体の乱れを引き起こすという
不具合もあった。

【０００７】そこで，本発明者らは、先に、上記分級装
置におけるこれらの問題の改良を図り、微粒産物への粗
大粒子の混入を防止して、より高精度の分級が可能な分
級装置を開発した。この本発明者らが改良した分級装置
の従来例は、特開平０８−0１０６４１号公報に開示さ
れている。次に、図１４および図１５を用いてその概要
を説明する。

【０００８】図１４において、１は回転軸（ロータ）、
３は回転軸１に固着されているコア、４は同様に回転軸
１に固着されてコア３を囲んでいるハウジング、５はコ
ア３の外周面とハウジング４の内周面の間に形成されて
いる分級室、６は微粒子分散液（原料スラリ）供給口、
７は分散媒（水）供給口、９は排出部、１０は排出口で
ある。図示の例では、ハウジング４の内周面はほぼ球面
をなし、コア３の外周面は両端が球面で中間が円筒面を
なしている。

【０００９】コア３とハウジング４は回転軸１と一体に
高速回転しており、微粒子分散液（原料スラリ）と分散
媒（水）は、それぞれ上部の供給口６と７から分級室５
へ注入され、分級室５内で回転による遠心力を受けなが
ら、下方の排出部９へ貫流する。これにより、図１５に
模式的に示されるように、分級室５内には、エクマン
層、剪断層（スチュワートソン層）、内部領域、剛体回
転領域を含む安定した準剛体回転成層流が生成される。
剛体回転領域は、ハウジング４の内周面と一体に回転す
る流れ領域である。注入された微粒子分散液は、遠心力
を受けながらコア３側のエクマン層を貫流する。分級は
主にエクマン層と剪断層（スチュワートソン層）で起こ
ると考えられる。エクマン層内の粒度の大きい（重い）
微粒子は、遠心力により剪断層（スチュワートソン層）
を越えて剛体回転領域へ飛ばされ、ハウジング４の内周
面へ付着することで捕集される。剛体回転領域へ飛ばさ
れた粒度の大きい（重い）微粒子は、剪断層（スチュワ
ートソン層）を越えて戻ることはできない。一方、エク
マン層内の粒度の小さな（軽い）微粒子は、遠心力によ
って剪断層（スチュワートソン層）を越えることができ
ず、分散媒とともに排出部９から排出され、微粒産物と
して回収される。この図１４に示す分級装置では、生成
される準剛体回転成層流に流れの乱れが生じないため、
高い分級精度を得ることができる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】原料素材として通常用
いられている微粒子粉体には、広い粒度分布をもつもの
があり、種々の粒度範囲について分級を要求される場合
が少なくない。しかし、従来の分級装置のほとんどは、
原料の微粒子粉体から微粒産物と粗粒産物の２群を分収
するだけの単段分級装置であり、広い粒度分布をもつ原
料の微粒子粉体から粒度分布の狭い複数群の微粒子産物
を得るには、分級範囲の異なる単段分級装置を複数台縦
続させて運転するしかなく、極めて非効率的であった。

【００１１】本発明の課題は，広い粒度分布をもつ微粒
子群から粒度分布の狭い複数の微粒子群を同時に得る高
精度で効率的な多段分級装置を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明による多段分級装
置は、上述した特開平０８−１０６４１号公報に開示さ
れている分級装置を単位の分級ユニットとして用いるも
ので、分級範囲の異なる複数の分級ユニットを同一回転
軸上に縦続配設して回転させ、各分級ユニットで準剛体
回転成層流を実現して、同時に複数の粒度範囲の分級が
高精度に行なわれるようにしたものである。特に各段の
分級ユニットの分級室の形状をすべて相似なものとし
て、それぞれの寸法を、各段の分級性能と微粒子の条
件、運転条件などから普遍的なスケール則に基づいて簡
単に決定できるようにした。

【００１３】図１は、本発明による多段分級装置を２段
の場合について例示的に示す基本構成図である。なお，
この２段の場合には，原料の微粒子粉体から粗粒産物，
中粒産物，細粒産物の３群を分収することができる．図
中、１は回転軸、２ａは第１（１段目）の分級ユニッ
ト、２ｂは第２（２段目）の分級ユニット、３ａ，３ｂ
はコア、４ａ，４ｂはハウジング、５ａ，５ｂは分級
室、６は微粒子分散液供給口、７ａは第１の分散媒供給
口、７ｂは第２の分散媒供給口、８は接続部、９は排出
部、１０は排出口である。

【００１４】第１の分級ユニット２ａと第２の分級ユニ
ット２ｂの基本的機能は、図１４で説明したところの、
特開平０８−１０６４１号公報に開示されている従来例
の分級装置のものと同じである。第１の分級ユニット２
ａと第２の分級ユニット２ｂは、幾何学的にほぼ相似な
形状をしており、回転軸１上に隣接して取り付けられ
て、回転軸１と一体に高速回転される。

【００１５】第１の分級ユニット２ａは、コア３ａとハ
ウジング４ａの間に分級室５ａをもつ。分級室５ａに
は、上部の微粒子分散液供給口６と第１の分散媒供給口
７ａから、それぞれ微粒子分散液と分散媒が供給され、
分級室５ａ内には準剛体回転成層流が生成される。微粒
子分散液は、分級室５ａ内のとりわけコア３ａに沿った
エクマン層に流れを乱さないように注入され、一定粒度
範囲の粗粒は遠心力によってハウジング４ａの内面壁へ
飛ばされて分級され、１段目での微粒産物は下方へ貫流
され接続部８へ排出される。なお、分級室５ａにおける
分級の粗粒産物は、ハウジング４ａの内面壁に付着させ
ることにより捕集される。

【００１６】第１の分級ユニット２ａから排出された１
段目の微粒産物は、接続部８を経て第２の分級ユニット
２ｂへ供給される。このとき、接続部８の途中に設けら
れている第２の分散媒供給口７ｂから分散媒が追加され
る。第２の分級ユニット２ｂも、第１の分級ユニット２
ａと同様に、コア３ｂとハウジング４ｂの間に分級室５
ｂをもつ。接続部８から分級室５ｂへ供給される１段目
の微粒産物と追加の分散媒により、分級室５ｂ内に準剛
体回転成層流が生成される。接続部８から供給される１
段目の微粒産物は、流れに乱れが生じないように、コア
３ｂに沿ったエクマン層に注入され分級される。２段目
の微粒産物（２段分級における細粒産物となる）は、分
級室５ｂ下部の排出部９から排出口１０へ排出される。
また２段目の粗粒産物（２段分級における中粒産物とな
る）は、ハウジング４ｂの内面壁に付着させて捕集され
る。

【００１７】第１の分級ユニット２ａの分級室５ａと第
２の分級ユニット２ｂの分級室５ｂの寸法は、それぞれ
の分級範囲の微粒子の粒径にほぼ依存するスケール則に
基づいて決定される。

【００１８】より一般的な多段の場合の本発明は、以下
のように構成される。 （１） 同一回転軸上に一体に回転できるように軸方向
に隣接して取り付けられた複数段の分級ユニットからな
り、各段の分級ユニットは、それぞれ回転体をなすコア
とハウジングを有して、コアの外周面とハウジングの内
周面との間に微粒子状物質を各段で粗粒と微粒に分級す
る分級室を形成し、また各段の分級ユニットの分級室は
幾何学的にほぼ相似な形状を有するとともに、順次の分
級室の回転半径は、段階的に増大あるいは減少するよう
に構成されていることを特徴とする多段分級装置の構
成。 （２） 上記複数段の分級ユニットの初段には、微粒子
状物質の分散液と分散媒の供給口が設けられ、また各隣
接する段の分級ユニット間には、分級室同士を連通する
接続部が設けられ、そして終段の分級ユニットには最細
粒産物の排出部が設けられていることを特徴とする前項
（１）に記載の多段分級装置の構成。 （３） 上記各隣接する段の分級ユニット間に設けられ
る接続部に、分散媒を供給する手段を備えていることを
特徴とする前項（２）に記載の多段分級装置の構成。 （４） 上記各段の分級ユニットにおいて、各段の粗粒
産物は、ハウジングの内周面に付着させて捕集されるこ
とを特徴とする前項（１）ないし（３）のいずれかに記
載の多段分級装置の構成。 （５） 上記各段の分級ユニットの寸法は、それぞれの
分級範囲に応じてスケール則に基づき決定されているこ
とを特徴とする前項（１）ないし（３）のいずれかに記
載の多段分級装置の構成。 （６） 上記スケール則は、各段の分級ユニットで分級
される微粒子状物質の粒度（粒径，形状，真密度など）
に基づくものであることを特徴とする前項（５）に記載
の多段分級装置の構成。 （７） 上記スケール則は、各段の分級ユニットの各々
の寸法が、上記各段の分級室に要求されている分級産物
の粒度範囲等に対して，産物の収率と粒度分布等が最も
よくなるように決定されるものであることを特徴とする
前項（５）に記載の多段分級装置の構成 。 （８） 上記スケール則は、各段の分級ユニットの代表
寸法により無次元化されるＮ%分級径（球相当径）Ｄ_PN
（Ｎ＝0〜100%）が、各段の分級ユニットの局所的な遠
心効果パラメータＣ_Eのほぼ一意的な関数Ｄ_PN≒Ｆ(Ｃ_E)
で表わされるものであることを特徴とする前項（５）に
記載の多段分級装置の構成。 （９） 上記各段の分級ユニットの内周面が球面であ
り、コアの外周面が球面の中間部を円柱面で置き換えた
円柱・球面形状をなしており、スケール則ＤＰＮ≒Ｆ
(ＣＥ)は、少なくとも、 Ｄ_P0≒0.22Ｃ_E ^-0.5、Ｄ_P50≒0.13Ｃ_E ^-0.5、Ｄ_P100≒0.0
86Ｃ_E ^-0.5 で表されることを特徴とする前項（８）に記載の多段分
級装置の構成 。 （１０） 前項（１）に記載されているように構成され
ている多段分級装置の運転において、上記回転軸は、上
記各段の分級室において分散媒の準剛体回転成層流が生
成されるように回転されることを特徴とする多段分級装
置の運転方法の構成。 （１１） 上記各段の分級ユニットの分級室内に安定的
に準剛体回転成層流を生成させる流れ条件として、およ
そＲ_S＜８Ｅ^0.5 （Ｒ_S：各段でのロスビー数，Ｅ：各段
でのエクマン数）を用いることを特徴とする前項（１
０）に記載の多段分級装置の運転方法の構成。 （１２） 上記各段の分級ユニット間の接続部に分散媒
を供給することにより、微粒子状物質を次段のコア壁面
の近傍に集中させて各段の分級室の入口付近に相似な流
れを形成することを特徴とする前項（１０）に記載の多
段分級装置の運転方法の構成。 （１３） 上記各段の分級室の入口付近において、微粒
子状物質分散液と分散媒の合計流量Ｑ^* に対する微粒子
状物質分散液の流量Ｑ_O ^* の比ｋ_O＝Ｑ_O ^* ／Ｑ^*の上限値
を０．５とすることを特徴とする前項（１２）に記載の
多段分級装置の運転方法の構成。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、図２ないし図１０を参照し
て、本発明を具体化した実施例につき説明する。なお、
以下に示す実施例は例示的なものであって、本発明の技
術的範囲を限定するものではない。

【００２０】本実施例は、多段分級装置の基礎をなすと
考えられる２段分級装置についてのものである。なお、
３段以上の多段分級装置についても、以下と同様にして
容易に本発明を実施することができる。 １.分級ユニットのスケール則の作成 まず、２段分級装置の各段の分級ユニットにおける相似
形状のハウジングとコアのスケール則を明らかにするた
め、図１４で説明した特開平０８−０１０６４１号公報
に開示の、円柱・球形状のコアをもつ単段分級装置を用
いて、種々の微粒子の条件及び運転条件に対し分級試験
を行った。なお、上記の単段分級装置のサイズに対する
相似比がそれぞれ７／10と５／10の単段分級装置も用い
て同様に分級試験を行った。使用した原料の微粒子群
は、真比重γ=ρ_P ^*／ρ^*=2.2、動力学的形状係数κ=1
(球形粒子)、メディアン径Ｄ_PM ^*＝0.8, 1.1, 1.4μmの
シリカ粒子、並びにγ=1.19、κ=1、Ｄ_PM ^*＝4.7μmのポ
リメタクリル酸メチル粒子である。ここで、ρ^*は分散
媒である流体(水)の密度、ρ_P ^*は微粒子の真密度であ
る。

【００２１】図２は、単段分級試験結果により明らかに
なったＮ％分級径Ｄ_PN ^*の無次元値Ｄ_PN＝Ｄ_PN ^*／a^* (a^*
はコアの円柱部の半径)、についてのスケール則を示
す。ここでＤ_PN ^*は、質量基準の部分分級効率ΔηがＮ
％となる粒径である。なお、Ｎ＝0〜100％であるが、図
２では、Ｎ＝0，50，100％の場合のＤ_PN ^*を示す。図３
は、Ｎ％分級径Ｄ_PN ^*と粒径Ｄ_P ^*の頻度分布との関係を
説明するためのグラフであり、５０％分級径Ｄ_P50 ^*につ
いての例を示す。図３のグラフにおいて、横軸は粒径
値、縦軸は粒径の頻度値であり、f₀は原料粉の粒径の頻
度分布曲線、f₀／２はその５０％値曲線、f_Fは単段分級
結果の微粒産物の粒径の頻度分布曲線を表わす。f₀／２
曲線とf_F曲線が交わる点の粒径値がＤ_P50 ^*となる。Ｄ_PM
^*はf₀頻度分布曲線のメディアン径であり、頻度分布の
面積中心を示す。

【００２２】図２において、横軸のＣ_E(＝(γ-1)／(κ
Ｅ Ｒ_S))は、微粒子に作用する流体抗力に対する遠心力
の比を特徴づける遠心効果パラメータである。ここで、
Ｅ(=ν^*／(Ω^*a^*2))はエクマン数、Ｒ_S(=Ｑ^*／[4πΩ^*a
^*2(ν^*／Ω^*) ^0.5])はロスビー数である。ただし、ν^*
は流体の動粘度、Ω^*は装置の回転角速度である。図２
から明らかなように、Ｄ_P0，Ｄ_P50，Ｄ_P100 の各分布に
はばらつきが見られるものの、それぞれ、曲線Ｄ_P0＝0.
22Ｃ_E ^-0.5、Ｄ_P50＝0.13Ｃ_E ^-0.5、Ｄ_P100＝0.086Ｃ_E
^-0.5で近似することができ、その他のＤ_PNについても同
様な近似が可能である。したがって、Ｎ％分級径は、単
段分級室寸法(a^*)や微粒子条件(γ，κ，Ｄ_PM ^*)、運転
条件(Ω^*，Ｑ^*あるいはＥ，Ｒ_S)には直接影響されず、
遠心効果パラメータの一意な関数として決まるスケール
則が成立する。なお、この関数Ｃ_Eは、本実施例の円柱
・球形状のコアとハウジングを用いる場合のものであ
り、コアとハウジングの形状が変化すれば異なってく
る。本実施例では、スケール則を求めるために三つの相
似な単段分級装置を用いたが、これは，微粒子の条件及
び運転条件の都合上、一つの装置だけでは遠心効果パラ
メータＣ_Eの広い範囲をカバーできなかったからであ
る。 ２．スケール則に基づく各段の分級室寸法と運転条件の
決定 次に、使用する微粒子の条件および要求されている産物
の粒度範囲から、上記のスケール則に基づいて各段の分
級室寸法と運転条件を決定する。ここでは、２段分級の
中粒産物が要求されているものとする。まず、使用する
原料の微粒子は上記のシリカ粒子(γ=2.2，κ=1，Ｄ_PM ^*
＝1.4μm)で、要求されている中粒産物の粒度（ここで
は粒径）範囲は0.5〜2.5μmとする。そして、各段の分
級室の代表寸法として、i (＝1，2)段目のコアの円筒部
の半径ａ_ｉ ^*をとり、運転条件としてi 段目の局所的な
遠心効果パラメータＣ_Eiの値を仮定する。ここで、遠心
効果パラメータＣ_Eiは、i 段目の局所的なエクマン数と
ロスビー数をそれぞれＥ_i＝ν^*／(Ω^*a_i ^*2)，Ｒ_Si=Ｑ_i ^*
／[4πΩ^*ａ_i ^*2(ν^*／Ω^*)^0.5]として、Ｃ_Ei＝(γ- 1)
／ (κＥ_iＲ_Si) と定義されている。なおΩ^*は回転角
速度を表わす。次に、図２におけるＣ_Eiに対するＮ％分
級径Ｄ_PNi ^*(＝Ｄ_PNi ａ_i ^*)から、i 段目の単段分級装置
としての微粒産物の部分分級効率Δη_Siの概略を求め
る。そして、これを理論的関係式Δη_M＝Δη_S1(1−Δ
η_S2)に代入して、２段分級の中粒産物の部分分級効率
Δη_M(＝ ｆ_M／ｆ_O)を求める。ここで、ｆ_M，ｆ_Oはそれ
ぞれ中粒産物と原料微粒子群の頻度分布である。

【００２３】図４は、Δη_Mがその収率(面積)と分布形
状から考えてもっともよいと思われる条件ａ₁ ^*＝43.58m
m、ａ₂ ^*＝101.70mm、Ｃ_E1=1.8×10⁷、Ｃ_E2＝2.7×10⁸で
得られた結果を示す。図中には、上記のΔη_S1、Δη_S2
から求められる２段分級の細粒産物と粗粒産物の部分分
級効率Δη_F(＝ ｆ_F／ｆ_O＝Δη_S1 Δη_S2)、Δη_C(＝
ｆ_C／ｆ_O＝1−Δη_S1)も示してある。ここで、ｆ_F、ｆ_C
は、それぞれ細粒産物と粗粒産物の頻度分布である。 ３．２段分級装置の製作 次に、上述のように決定された１，２段目の分級室の寸
法を基に製作した２段分級装置並びにそれを用いて行っ
た分級試験により得られた分級性能について述べる。

【００２４】図５は、製作した２段分級装置の側断面図
であり、図６は、図５に示す２段分級装置の要部拡大図
である。図５および図６において、１１ａ、１１ｂは２
段の分級ユニット、１２はベース、１３、１４は軸受、
１５は回転軸、１６はプーリ、１７ａ、１７ｂはコア、
１８ａ、１８ｂはハウジング、１９ａ、１９ｂは分級
室、２０は流入側スリップリング、２１は第１の供給口
(供給管)、２２ａは第２の供給口、２２ｂは分散媒の供
給円筒部、２２ｃは第３の供給口、２２ｄは第４の供給
口、２３ａは接続部（回転二重円筒部）、２３ｃは排出
部、２４は排出孔（２段分級の細粒産物の排出円筒
部）、２５は流出側スリップリング、２６は排出口であ
る。

【００２５】図５および図６に示すように、ベース１２
に軸受１３および１４を介して回転軸１５が回転自在に
支持されており、その下部には駆動力を伝達するための
プーリ１６が取り付けられている。そして回転軸１５の
上端部には、各段(１，２段目)の分級ユニット１１ａ、
１１ｂが結合される。１段目の分級ユニット１１ａはコ
ア１７ａとハウジング１８ａからなり、２段目の分級ユ
ニット１１ｂはコア１７ｂとハウジング１８ｂからな
る。各段のコア１７ａ、１７ｂの外周面は球面の中間部
を円柱面で置換した円柱・球面形状をなし、それと対を
なす各段のハウジング１８ａ、１８ｂの内周面は球面形
状をなしている。各段の分級ユニット１１ａ、１１ｂの
コアとハウジングは、回転軸１５に固着されて、一体で
の高速回転を可能にされ、さらにコアの外周面とハウジ
ングの内周面との間の隙間により、それぞれ分級室１９
ａと１９ｂが形成されている。

【００２６】１段目の分級ユニット１１ａのハウジング
１８ａの上端部には、流入側スリップリング２０が接続
されており、この流入側スリップリング２０の軸芯位置
に第１の供給口(供給管)２１が設けられ、さらにその外
側に第２の供給口２２ａが、そして側面には第３の供給
口２２ｃが設けられている。そして、第１の供給口２１
からは原料微粒子群の分散液(分散媒は水)が、また第２
の供給口２２ａからは分散媒(水)が、それぞれ１段目の
分級室１９ａに供給される。１段目の分級室１９ａにお
ける分級結果の粗粒産物は、ハウジング１８ａの内周壁
面に付着させることにより捕集される。他方，粗粒産物
を除いた残りのものは、分級室１９ａの下方に設けられ
た接続部（回転二重円筒部）２３ａを通って２段目の分
級室１９ｂに供給される。これと同時に、第３の供給口
２２ｃより流入した分散媒(水)が、接続部（回転二重円
筒部）２３ａの側面に設けられた第４の供給口２２ｄか
ら、２段目の分級室１９ｂに供給され、２段目の分級が
行われる。分級室１９ｂにおける２段目の分級結果の微
粒産物（２段分級での細粒産物となる）は、分級室１９
ｂの下方軸芯位置に設けられた排出部２３ｃから排出さ
れる。この排出部２３ｃは、回転軸１５の軸芯位置に貫
通された排出孔２４に連通されている。この排出孔（細
粒産物の排出円筒部）２４は、さらに回転軸１５の下端
部に接続された流出側スリップリング２５に連通され、
この流出側スリップリング２５に設けられた排出口２６
から、細粒産物が取り出される。他方、２段目の分級結
果の粗粒産物（２段目での中粒産物となる）は、ハウジ
ング１８ｂの内周壁面に付着させることにより捕集され
る。

【００２７】図６に示す２段分級装置における主要部分
の具体的寸法および流量の関係を以下に示す（単位はｍ
ｍ）。 コア１７ａの円柱部の半径：ａ₁ ^* ＝４３．５８ コア１７ｂの円柱部の半径：ａ₂ ^*＝１０１．７０ コア１７ａの球部の半径：Ｒ_C1 ^*＝５２．７３ コア１７ｂの球部の半径：Ｒ_C2 ^* ＝１２３．０６ ハウジング１８ａの球面部分の半径：Ｒ_H1 ^* ＝５６．６
９ ハウジング１８ｂの球面部分の半径：Ｒ_H2 ^* ＝１３２．
２８ 第１の供給口（微粒子状物質の分散液の供給管）２１の
内径：ｄ_O ^*＝６ 第１の供給口（微粒子状物質の分散液の供給管）２１の
外径：＝８ 分散媒の供給円筒部２２ｂの内径：ｄ_W ^* ＝１３．１ 接続部（回転二重円筒部）２３ａの隙間幅：ａ_C1 ^* ＝６ 接続部（回転二重円筒部）２３ａの外円筒の半径：ａ₁₂
^* ＝３８ 排出孔（細粒産物の排出円筒部）２４の直径：ｄ_F ^* ＝
６ １段目と２段目のハウジングの球面部の中心間距離：ｌ
₁₂ ^* ＝１９６．７３ i (＝１，２)段目入口での分散液の流量(Ｑ_O2 ^*＝Ｑ
１^*)：Ｑ_Oi ^* i 段目での分散液と分散媒の合計流量(Ｑ₂ ^*は細粒産物
の流量)：Ｑ_i ^* i 段目入口での分散媒の流量：Ｑ_i ^*−Ｑ_Oi ^* ４．２段分級装置の運転と分級試験 上記のような２段分級装置において、分級室１９ａ，１
９ｂに原料微粒子群の分散液及び分散媒を供給するとと
もに、コア１７ａ，１７ｂおよびハウジング１８ａ，１
８ｂを一体的に角速度Ω^*で高速回転させることによ
り、上記分級室１９ａ，１９ｂ内で準剛体回転成層流を
生成させる。そして、この準剛体回転成層流内で、原料
の微粒子群を分級することにより、粗大側粒子の混入が
完全に防止された中粒産物は、２段目のハウジング１８
ｂの内周壁面に付着捕集され、また細粒産物は排出口２
６から取り出される。

【００２８】ここで、２段分級装置における分級の試験
条件について詳述する。流れの可視化実験により求めら
れた、安定的な準剛体回転成層流が得られるための流れ
条件は、およそＲ_Si＜８Ｅ_i ^0.5である。よって、上記２
段分級装置を用いた実験では、Ｅ₁＝１．３×１０^-5 、
Ｒ_S1＝５．０×１０^-3、Ｅ₂＝２．５×１０^-6 、Ｒ_S2＝
１．８×１０^-3に設定した。また、使用した微粒子状物
質は前述のシリカ粒子で、これと分散剤(セルナ)を分散
媒(水)にそれぞれ質量濃度１．０％で加えて原料の分散
液とした。そして、i 段目の入口部での分散液と分散媒
の合計流量Ｑｉ ^*に対する分散液の流量Ｑ_Oi ^* の比ｋ_0i
＝Ｑ_Oi ^* ／Ｑ_i ^*を、本試験ではｋ_O1＝０．３５、ｋ₀₂＝
０．４７とした。なお、ｋ_0iの値には、以下に述べるよ
うに、分級精度の観点から上限値が存在する。この上限
値は、分散液がコア近傍のエクマン層にのみ供給され、
ハウジング近傍のエクマン層には供給されないという条
件から導かれる。もしもこの上限値を超えて分散液が供
給されると、分散液がハウジング近傍のエクマン層に供
給され、その中の微細粒子が粗粒産物として捕集されや
すくなるので、高い分級精度は得られない。この上限値
は、エクマン層流れの理論解から、ｋ_Oi＝(1+Ｂ_C ²)^0.25
／[(1+Ｂ_C ²)^0.25+(1+Ｂ_H ²)^0.25]と求められる。ここ
で、Ｂ_C，Ｂ_Hは、それぞれｉ 段目の入口部の半径位置
におけるコア壁面とハウジング壁面 の傾き(回転軸に垂
直な壁面の傾きの場合Ｂ＝0)である。本実施例のコアと
ハウジングの形状の場合、およそ、Ｂ_C＝0、Ｂ_H＝0であ
るので、上限値は０．５である。得られた分級試験結果
を、図７ないし図９に示す。

【００２９】図７は，原料の微粒子群(Feed)，細粒産物
(Fine)，中粒産物(Medium)，粗粒産物(Coarse)の各ふる
い上積算分布(質量基準)Ｒ_O ，Ｒ_F，Ｒ_M ，Ｒ_Cを示す。
なお、図中の曲線は実験点の関数近似曲線を示す。ただ
し、粗粒産物(Coarse)のふるい上積算分布の曲線は、理
論的関係式Ｒ_C＝(Ｒ_O−η_FＲ_F−η_MＲ_M)／η_C に上記
のＲ_O ，Ｒ_F ，Ｒ_M の近似関数を代入して求めたもの
で、実験点との相違は実験誤差である。また、細粒産物
(Fine)、中粒産物(Medium)、粗粒産物(Coarse)の収率
は、それぞれη_F＝０．０８、η_M＝０．１６、η_C＝
０．７６である。

【００３０】図８は、図７の曲線の関数を微分して求め
た原料微粒子群(Feed)、細粒産物(Fine)、中粒産物(Med
ium)、粗粒産物(Coarse)の各頻度分布ｆ_O＝−ｄＲ_O／ｄ
Ｄ_P ^*、ｆ_F＝−η_FｄＲ_F／ｄＤ_P ^*、ｆ_M＝−η_MｄＲ_M／ｄ
Ｄ_P ^*、ｆ_C＝−η_CｄＲ_C／ｄＤ_P ^*を示す。ここで、Ｄ_P ^*
は粒径である。

【００３１】図９は、図８の頻度分布より得た原料微粒
子群、細粒産物、中粒産物、粗粒産物の各部分分級効率
Δη_F、Δη_M、Δη_Cを示す。この結果は、前述のスケ
ール則より求めた図４の結果と大体一致している。５．
接続部の流れおよび粒子運動の数値シミュレーション図
１０は、１段目と２段目の分級ユニットの間の接続部２
７の断面を示す。接続部２７の分散媒の供給口３０より
分散媒を供給することにより、コア２８とハウジング２
９の間の回転二重円筒部の隙間を流れる分散液中の粒子
を、２段目のコア壁面３１の近傍に集中させて分級性能
の高精度化をはかることができる。次に、接続部の寸法
を適切に決定するために行なった流れおよび粒子運動の
数値シミュレーション結果について述べる。この数値シ
ミュレーションに用いた接続部２７における具体的寸法
（単位はｍｍ）および流量の関係を以下に示す。 接続部の回転二重円筒部の外円筒の半径：ａ₁₂ ^* １段目の流路幅：Ｄ_h1 ^*＝０．１３ａ₁₂ ^* ２段目の流路幅：Ｄ_h2 ^*＝０．２６ａ₁₂ ^* 分散媒の供給口の流路幅：Ｄ_ha ^*＝０．０５ａ₁₂ ^* 回転二重円筒部の隙間幅：ａ_C1 ^*＝(０．０５〜０．１
６)ａ₁₂ ^* 接続部の入口及び出口半径：ａ_C2 ^*＝１．１８ａ₁₂ ^* １段目の流路と分散媒の供給口３０との距離：Ｄ_j1 ^* ＝
(０．１３〜０．７９)ａ ₁₂ ^* ２段目の流路と分散媒の供給口３０との距離：Ｄ_j2 ^* ＝
(０．２１〜０．４０)ａ₁₂ ^* ２段目入口での分散液の流量：Ｑ_O2 ^* ２段目での分散液と分散媒の合計流量：Ｑ₂ ^* なお、流れ場は、非圧縮性粘性流体の運動方程式（ナビ
ィエ・ストークス式）を直接数値積分することにより求
められ、粒子の運動軌跡は、粒子の運動方程式（バセッ
ト・ブシネスク・オゼーン式、ただしバセット項と重力
項は無視）を直接数値積分することにより求められる。

【００３２】図１１は、接続部における局所的なエクマ
ン数Ｅ₁₂＝ν^*／（Ω^*ａ₁₂ ^*2）＝７．５×１０^-6、ロス
ビー数Ｒ_S12＝Ｑ_O2 ^*／（４πΩ^*ａ₁₂ ^*3 Ｅ₁₂ ^0.5 ）＝
６．５×１０^-3、流量比ｋ_O2＝０．５の場合の準剛体回
転成層流において、 最もコア壁面の近傍に粒子を集中
できる接続部の寸法であるａ_C1 ^*＝０．１６ａ₁₂ ^*、Ｄ_j1
^* ＝０．４０ａ₁₂ ^*、Ｄ_j2 ^* ＝０．２１ａ₁₂ ^*における流
線図を示す。なお、接続部の入口および出口ならびに分
散媒の供給口付近の流れ(スチュワートソン層)は、境界
条件(一様流の流入・流出)の設定上から生じる流れであ
る。

【００３３】図１２は、図１１の流れにおける粒子径Ｄ
_P ^*＝２．０μｍの上記シリカ粒子(γ=2.2，κ=1)の軌道
を示す。粒子は、２段目のコア壁面３１の近傍に集中し
ている。図５，図６に示す２段分級装置の接続部は、こ
れらの解析結果に基づいて設計されている。 ６．多段分級装置の設計処理方法 本発明による多段分級装置の各段の分級ユニットの寸法
は、スケール則を用いることにより簡単に決定できる
が、計算機を利用して、設計を自動化することができ
る。図１３にその設計処理手順のフローを示す。以下、
フローの順次のステップＳ０〜Ｓ５にしたがって、処理
手順の詳細を説明する。 Ｓ０：多段（Ｌ段とする）分級装置の各段の分級室と幾
何学的に相似な単一の分級室からなる単段分級装置を用
いて、基礎的な分級試験を行ない、データを収集してス
ケール則を作成する。無次元のＮ％分級径Ｄ_PN＝Ｄ_PN ^*
／a^* (単段分級での質量基準の微粒産物の部分分級効率
Δηs(Ｄ_PN ^*)＝Ｎ／100、Ｎ＝0〜100％)は、近似的に遠
心効果パラメータＣ_E＝(γ-1)／(κＥ Ｒ_S)のみの関数
で表されるという分級性能についての普遍的なスケール
則Ｄ_PN≒Ｆ_N(Ｃ_E)を得るため、種々の微粒子の条件(真
比重γ=ρ_P ^*／ρ^*、動力学的形状係数κ、質量基準の頻
度分布f0(Ｄ _P ^*)、あるいは粒子直径Ｄ_P ^*の範囲、メディ
アン径Ｄ_PM ^*)、分級室寸法（代表長さとしてコアの円柱
部の半径a^* ）ならびに装置の運転条件（回転角速度
Ω^*、貫流量Ｑ^*（微粒子の分散液流量Ｑ₀ ^*と分散媒流量
Ｑ^*−Ｑ₀ ^*の合計）、分散媒（流体）の動粘度ν^*あるい
はエクマン数Ｅ＝ν^*／(Ω^*a^*2)、ロスビー数ＲＳ=Ｑ^*
／[4πΩ^*ａ^*2(ν^*／Ω^*)^0.5）]のもとで分級試験を行
ない、関数Ｆ_N(Ｃ_E)を求める。ここで、ρ^*は分散媒で
ある流体(水)の密度、ρ_P ^*は微粒子の真密度である。 Ｓ１：原料として供給する多段分級対象の微粒子の真比
重γ、動力学的形状係数κ、質量基準の頻度分布f₀₁
(Ｄ_P ^*)、流体の動粘度ν^*を与える。 Ｓ２：多段分級装置の寸法、運転条件を仮設定する。寸
法、運転条件として、多段分級装置の回転角速度Ω^*、i
段目（ｉ＝１，２，‥‥，Ｌ）におけるコアの円柱部
の半径a_i ^*、貫流量Ｑ_i ^*（微粒子の分散液流量Ｑ_Oi ^*と分
散媒流量Ｑ_i ^*−Ｑ_Oi ^*の合計）、すなわちi 段目の局所
的な遠心効果パラメータＣ_Eiの値を仮定する。ここで、
Ｃ_Eiは、局所的なエクマン数とロスビー数をそれぞれＥ
_i ＝ν^*／(Ω^* _ai ^*2)、Ｒ_Si=Ｑ_i ^*／[4πΩ^*ａ_i ^*2(ν^*／Ω
^*)^0.5)として、Ｃ_Ei＝(γ- 1)／ (κＥ_iＲ_Si) と定義さ
れている。 Ｓ３：Ｓ０で得られた関数Ｆ_N(Ｃ_E)により、i 段目の単
段分級装置としての局所的な微粒産物の部分分級効率
（質量基準）Δη_si(Ｄ_PN ^*)＝Ｎ／100を求める。ここ
で、Ｄ_PN＝Ｄ_PN ^*／a^*、Ｎ＝0〜100％である。ただし、
Δη_siは、i 段目の単段分級装置の局所的な微粒産物、
粗粒産物、原料微粒子の各頻度分布を、ｆ_Fi、ｆ_Ci、ｆ
_Oiとして、Δη_Si＝ ｆ_Fi／ｆ_Oi＝（ｆ_Oi−ｆ_Ci）／ｆ
_Oiである。 Ｓ４：Ｓ３で得られたi 段目（ｉ＝１，２，‥‥，Ｌ）
の単段分級装置としての部分分級効率Δη_Siより、i 段
目のハウジング壁に付着する産物の部分分級効率Δη_i
＝ ｆ_Ci／ｆ_O1 ＝Δη_S1…Δη_s(i-1)(1−Δη_si)およ
び最終Ｌ段目から流出する産物の部分分級効率Δη_L+1
＝ｆ_FL／ｆ_O1 ＝Δη_s1…Δη_sL を求める。なお、Δη
₁, …,Δη_L+1 とΔη_s1,…,Δη_sL の関係は、ここで
は説明を省略するが理論的考察から得られる。 Ｓ５：Ｓ４で得られた部分分級効率Δη₁,…,Δη_L, Δ
η_L+1 あるいは頻度分布ｆ_C1,…,ｆ_CL,ｆ_FL が、要求さ
れている産物の条件を満足しなければ、Ｓ２で仮設定し
た多段分級装置の寸法、運転条件を変更して、Ｓ３〜Ｓ
５の処理をやり直す。

【００３４】このようにして、満足な結果が得られた段
階で処理を終了し、多段分級装置の設計値として決定す
る。

【００３５】

【発明の効果】本発明によって，準剛体回転成層流を用
いた高精度の多段分級装置が実現された結果、広い粒度
分布をもつ微粒子群から粒度範囲の狭い複数の微粒子群
を同時に得ることができるようになり、一台の装置で効
率よく微粒子を均一化することが可能となる。また、与
えられた原料微粒子の条件と要求される分級範囲に応じ
た最適の多段分級装置を設計することが容易であり、コ
ストの削減が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による多段分級装置の基本構成図であ
る。

【図２】円柱・球形状の単段分級装置のスケール則を示
すグラフである。

【図３】分級径と頻度分布を説明するグラフである。

【図４】図２のスケール則から求めた２段分級装置での
各産物の部分分級効率を示すグラフである。

【図５】本発明による２段分級装置の１実施例の側断面
図である。

【図６】図５に示す２段分級装置の１実施例の要部拡大
図である。

【図７】本発明による２段分級装置の１実施例の分級試
験結果としてふるい上積算分布を示すグラフである。

【図８】図７における分級試験結果に基づいて求めた頻
度分布を示すグラフである。

【図９】図８における頻度分布に基づいて求めた部分分
級効率を示すグラフである。

【図１０】数値シミュレーションを行った接続部の側断
面図である。

【図１１】最もコア壁面近傍に微粒子を集中できる接続
部寸法における流線図である。

【図１２】最もコア壁面近傍に微粒子を集中できる接続
部寸法における微粒子軌道図である。

【図１３】本発明の多段分級装置のための設計処理手順
のフロー図である。

【図１４】単段分級装置の従来例の側断面図である。

【図１５】図１４に示す単段分級装置の従来例の原理説
明図である。

【符号の説明】

１：回転軸 ２ａ：第１の分級ユニット ２ｂ：第２の分級ユニット ３ａ，３ｂ：コア ４ａ，４ｂ：ハウジング ５ａ，５ｂ：分級室 ６：微粒子分散液供給口 ７ａ：第１の分散媒供給口 ７ｂ：第２の分散媒供給口 ８：接続部 ９：排出部 １０：排出口

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 同一回転軸上に一体に回転できるように
   軸方向に隣接して取り付けられた複数段の分級ユニット
   からなり、 各段の分級ユニットは、それぞれ回転体をなすコアとハ
   ウジングを有して、コアの外周面とハウジングの内周面
   との間に微粒子状物質を各段で粗粒と微粒に分級する分
   級室を形成し、また各段の分級ユニットの分級室は幾何
   学的にほぼ相似な形状を有するとともに、順次の分級室
   の回転半径は、段階的に増大あるいは減少するように構
   成されていることを特徴とする多段分級装置。
2. 【請求項２】 上記複数段の分級ユニットの初段には、
   微粒子状物質の分散液と分散媒の供給口が設けられ、ま
   た各隣接する段の分級ユニット間には、分級室同士を連
   通する接続部が設けられ、そして終段の分級ユニットに
   は最細粒産物の排出部が設けられていることを特徴とす
   る請求項１に記載の多段分級装置。
3. 【請求項３】 上記各隣接する段の分級ユニット間に設
   けられる接続部に、分散媒を供給する手段を備えている
   ことを特徴とする請求項２に記載の多段分級装置。
4. 【請求項４】 上記各段の分級ユニットにおいて、各段
   での粗粒産物は、ハウジングの内周面に付着させて捕集
   されることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいず
   れかに記載の多段分級装置。
5. 【請求項５】 上記各段の分級ユニットの寸法は、それ
   ぞれの分級範囲に応じてスケール則に基づき決定されて
   いることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれ
   かに記載の多段分級装置。
6. 【請求項６】 上記スケール則は、各段の分級ユニット
   で分級される微粒子状物質の粒度（粒径，形状，真密度
   など）に基づくものであることを特徴とする請求項５に
   記載の多段分級装置 。
7. 【請求項７】 上記スケール則は、各段の分級ユニット
   の各々の寸法が、上記各段の分級室に要求されている分
   級産物の粒度範囲等に対して，産物の収率と粒度分布等
   が最もよくなるように決定されるものであることを特徴
   とする請求項５に記載の多段分級装置 。
8. 【請求項８】 上記スケール則は、各段の分級ユニット
   の代表寸法により無次元化されるＮ%分級径（球相当
   径）Ｄ_PN (Ｎ＝0〜100%） が、各段の分級ユニットの局
   所的な遠心効果パラメータＣ_Eのほぼ一意的な関数Ｄ_PN
   ≒Ｆ(Ｃ_E)で表わされるものであることを特徴とする請
   求項５に記載の多段分級装置 。
9. 【請求項９】 上記各段の分級ユニットのハウジングの
   内周面が球面であり、コアの外周面が球面の中間部を円
   柱面で置き換えた円柱・球面形状をなしており、スケー
   ル則Ｄ_PN≒Ｆ(Ｃ_E)は、少なくとも、 Ｄ_P0≒0.22Ｃ_E ^-0.5、Ｄ_P50≒0.13Ｃ_E ^-0.5、Ｄ_P100≒0.0
   86Ｃ_E ^-0.5 で表されることを特徴とする請求項８に記載の多段分級
   装置 。
10. 【請求項１０】 請求項１に記載の多段分級装置の運転
    において、上記回転軸は、上記各段の分級室において分
    散媒の準剛体回転成層流が生成されるように回転される
    ことを特徴とする多段分級装置の運転方法。
11. 【請求項１１】 上記各段の分級ユニットの分級室内に
    安定的に準剛体回転成層流を生成させる流れ条件とし
    て、およそＲ_S＜８Ｅ^0.5 (Ｒ_S：各段でのロスビー数，
    Ｅ：各段でのエクマン数)を用いることを特徴とする請
    求項１０に記載の多段分級装置の運転方法。
12. 【請求項１２】 上記各段の分級ユニット間の接続部に
    分散媒を供給することにより、微粒子状物質を次段のコ
    ア壁面の近傍に集中させて各段の分級室の入口付近に相
    似な流れを形成することを特徴とする請求項１０に記載
    の多段分級装置の運転方法。
13. 【請求項１３】 上記各段の分級室の入口付近におい
    て、微粒子状物質分散液と分散媒の合計流量Ｑ^* に対す
    る微粒子状物質分散液の流量Ｑ_O ^* の比ｋ_O＝Ｑ _O ^* ／Ｑ^*
    の上限値を０．５とすることを特徴とする請求項１２に
    記載の多段分級装置の運転方法。