JP2010119974A - 粉体処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】原料粉体を粉砕することなく、粉体特性に影響されずに、大量の原料粉体を連続的に球形化処理あるいは複合化処理できる高効率な粉体処理装置および粉体処理設備を提供する。
【解決手段】高速回転する円筒状の回転子２と、回転子と同軸に配置された円筒状の固定子３とを備える本体部４と、原料粉体を気流と共に本体部４に供給する供給口６と、本体部４で処理を受けて形成された処理済み粉体を本体部４から排出する排出口７とを備え、固定子３の内壁に軸に垂直な面内で周回する円周溝１４が形成され、回転子２の外周に固定子の円周溝１４に対向する突起１６であって外縁が円周溝１４の内法を超え円周溝に嵌入して回転する突起１６の周方向に並んだ列を備える粉体処理装置、およびこの粉体処理装置を組み込んだ粉体処理設備。
【選択図】図１

Description

本発明は、粉体粒子を球形化または表面平滑化する、あるいは２種類以上の粉体を混合または複合化する粉体処理装置に関する。

最近、電子技術用材料、光学技術用材料、高分子材料、医用材料として使用される樹脂、カーボン、金属、鉱物などの微粉体において、粉体形状の改善、特に、不規則粒形の球形化により流動性や充填性等を向上させるニーズが高くなってきた。さらに、粉体物性の改善、特に、２種以上の粉体の複合化により粉体表面を改質し、機能性を向上させるニーズも高くなってきた。

このような粉体の球形化処理、さらに複合化処理に使用される粉体処理装置および粉体処理設備として、たとえば、特許文献１に開示された粉体処理装置が使用されていた。開示の粉体処理装置は、端面を塞いだ円筒状の回転子とその回転子の外側に僅少な間隙をもって嵌挿された円筒状の固定子とを備えている。回転子の外側表面および固定子の内側表面には、母線と平行な多数の突起材が周方向に連続して設けられていて、回転子の回転により、各々の突起材間に形成される間隙に多数の微少渦流を形成して、気流中に分散した不規則粒形の粉体または２種以上の粉体が相互に強力に接触することにより、球形化あるいは複合化された粉体が連続的に生産されるものである。
しかし、開示の粉体処理装置は、融点の高い粉体や黒鉛などのように塑性変形しない粉体について球形化することが難しく、また複合化できる粉体の条件が狭いという問題があった。

この課題を解決するものとして、特許文献２が、特許文献１に開示された粉体処理装置に対して、固定子の内周面に固定子の軸線に対して直交する円周溝、または軸線に対して傾いた螺旋溝を持つように改良された粉体処理装置が開示されている。
図２２は、特許文献２に開示された改良型粉体処理装置の１実施形態を示す断面図、図２３は回転子と固定子の係合状態を示す要部拡大図である。

図２２に示された粉体処理装置１０１は、粉体処理をする本体部１０４と、本体部１０４の一端に設けられ原料粉体を気流と共に供給する供給口１０６と、本体部１０４の他端に設けられ処理済み粉体を気流と共に排出する排出口１０７とを備える。本体部１０４は、固定子１０３の中で回転子１０２が高速回転する構成を有する。固定子１０３が回転子１０２と同軸に配置されて、回転子１０２との間に間隙１０５を形成するようになっている。

回転子１０２は、外周面が凹凸のない平滑な曲面で形成されたものであってもよいが、図２２に示されたように、外周面に、回転子１０２の軸線に対して平行な畝形の縦凸部１１６、または、軸線に対して０度を超え４５度以下の角度をなして傾斜する畝形の傾斜凸部が形成されたものであれば、粉体処理装置の効率がより向上する。なお、傾斜凸部は供給口１０６から排出口１０７に向かって流れる気流の移動を幇助する作用を有する。
回転子１０２は、回転軸１０９が頂板１１１の軸受１１２ｂと基台１１０の軸受１１２により支持されて、基台１１０の上で垂直姿勢を維持する。また、回転軸１０９の下端部には図外の駆動装置により駆動されるＶプーリー１１３が装着されていて、回転子１０２は回転軸１０９を中心に、例えば、通常周速１００〜１３０ｍ／ｓ、最高周速１７０ｍ／ｓなどの高速で回転する。

固定子１０３は、円筒状に金属等で作製された円筒体であって、回転子１０２の外側に間隙１０５を形成するように回転子１０２と同軸に配置されている。なお、固定子１０３は、冷却ジャケット１０８を備えてもよい。固定子１０３には、その内周面に、固定子１０３の軸線に対して直交する円周溝１１４が多段に形成されている。

図２３に示すように、固定子１０３と回転子１０２の間にできる間隙１０５は、回転子１０２の最外周面（凸部があればその先端）と固定子１０３の最内周面（円周溝１１４の先端）との間に形成される互いに重ならない不干渉空間が全周に亘って存在する。回転子１０２最外周面と固定子１０３最内周面は、距離Ｓが０．５〜５ｍｍの範囲になるように構成される。
距離Ｓが０．５ｍｍ未満の場合には、間隙１０５内での原料粉体同士の接触や、原料粉体と回転子１０２最外周面または固定子１０３最内周面との接触が著しくなり、最外周面または最内周面に焼付き現象を起こし易くなる。また、距離Ｓが５ｍｍを超える場合には、間隙１０５内に旋回流が発生し難くなり、原料粉体の球形化処理、さらに複合化処理が進み難くなる。

特許文献２の粉体処理装置１０１によれば、固定子１０３と回転子１０２の間隙１０５に気流と共に供給された原料粉体は、回転子１０２が回転することで固定子１０３の内壁面に生成する旋回流に揉まれながら、間隙１０５内を供給口１０６から排出口１０７に向けて通過する。この際、固定子１０３の内周面に円周溝１１４または螺旋溝が設けられていることにより、旋回流による遠心力で原料粉体が溝底に押し付けられる。そして、原料粉体が溝から出るためには遠心力と逆方向に移動しなければならないので、原料粉体は容易には溝から出られず、溝内に長時間滞留することとなる。

このため、風量（気流の流速）を下げなくても滞留時間が長くなり、さらに、壁面と原料粉体との接触、および、原料粉体同士の接触が多くなって、原料粉体の球形化処理が進み、処理能力が向上する。また、２種以上の原料粉体を複合化処理する場合にも同様に処理能力が向上する。さらに、粉体処理により発生する熱を気流によって冷却でき、処理温度の上昇が少なくなる。また、従来の粉体処理装置に設けられた軸線と平行な突起材により形成された間隙と異なり、間隙内に強力な渦流が発生することを抑えられて、原料粉体の粉砕が防止される。

このように、特許文献２に開示された粉体処理装置は、粉体が粉砕されることなく、大量の粉体を１回で球形化処理、さらに複合化処理できると共に、黒鉛のような塑性変形しない粉体から融点の低い粉体まで粉体の特性に影響されず球形化処理および複合化処理をすることができる。
特公平０５-３２０９４号公報 特開２００７−１３０６２７号公報

しかし、最近、これら粉体の用途が広がり生産量が増大したため、粉体形状の改善や粉体物性の改善に対する要請が高まり、粉体処理装置の一段の効率化が強く求められるようになってきた。ところが、特許文献２に記載の従来型粉体処理装置では、回転子の突起先端が固定子の溝の外で回転するため、回転子の回転で発生する旋回流が溝の外を流れて、溝内部における風速が回転子の旋回速度より低くなることから、処理効率をより以上向上させることが難しかった。

そこで、本発明の目的は、原料粉体を粉砕することなく、粉体特性に影響されずに、大量の原料粉体を連続的に球形化処理あるいは複合化処理できる高効率な粉体処理装置および粉体処理設備を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明に係る粉体処理装置は、高速回転する円筒状の回転子と、その回転子の側面を囲繞する形で回転子と同軸に配置された円筒状の固定子とを備える本体部と、本体部の一端側に設けられ原料粉体を気流と共に本体部に供給する供給口と、本体部の他端側に設けられ原料粉体が本体部における処理を受けて形成された処理済み粉体を本体部から排出させる排出口とを備えた粉体処理装置において、固定子の内壁に軸に垂直な面内で周回する円周溝が形成され、回転子の外周に固定子の円周溝に対向する突起であって外縁が円周溝の内法を超え隙間を介して円周溝に嵌入して回転する突起を周方向に複数備えたことを特徴とする。

回転子の突起は横断面長軸方向が回転子の軸に平行であるものであってもよい。また、突起の横断面長軸方向が回転子の軸に対して傾いているものであってもよい。さらに、回転子の突起は回転方向に対して前傾あるいは後傾したものであってもよい。また、突起は回転子に脱着可能に取り付けられるものであってもよい。なお、隣接する突起の間に円弧状の溝が形成された突起であってもよい。

固定子は、内壁に複数の円周溝を軸方向に設けてもよい。また、複数の円周溝に嵌入する突起の形状が供給端から排出端までの間で変化するように配置してもよい。
固定子は、軸方向に２以上に分割できて、分割した固定子を側方から回転子にあてがって設置できるようになっていることが好ましい。

上記課題を解決するため、本発明に係る粉体処理設備は、本発明に係る粉体処理装置と、供給口に供給され排出口から排出される気流を発生させる排風装置と、原料粉体を粉体処理装置の上流側に形成される気流に対して供給する原料供給装置と、排出口から排出された気流から粉体処理装置で処理された処理済み粉体を回収する回収装置とを備えることを特徴とする。原料供給装置は、２種類以上の原料粉体を混合する原料混合装置を備えるものであってもよい。

本発明に係る粉体処理装置によれば、供給口から間隙に気流と共に供給された原料粉体は、高速回転する回転子により固定子の円周溝内に発生する旋回流に流されながら、一方で供給された気流に従い間隙内を供給口から排出口に向けて通過する。この際、固定子の溝内に回転子の突起が入り込んで回転するため、溝内における粉体の移動速度が速くなり、また、軸方向の流路が長くなるため溝内における粉体の滞在時間が長くなり、従来型と比較して処理効果が向上する。なお、円周溝内には回転子の回転速度と同等の旋回流が発生するが、過剰に激しい渦流にはならないので、原料粉体は粉砕されずに球形化あるいは複合化する。

回転子の突起が、断面長軸方向が回転子の軸に平行であるものでは、固定子の円周溝内に回転速度に匹敵する旋回流を発生させることができる。また、突起の断面長軸方向を回転軸に対して傾かせると、傾きの方向により粉体の排出を促進したり抑制したり、また、円周溝内の滞留時間を延ばしたりすることができる。

さらに、回転子の突起が回転方向に対して前傾あるいは後傾したものであれば、回転子が回転している間に粉体の集まりやすい部分が異なり、円周溝における滞留時間を調整することができる。また、突起が回転子に脱着可能に取り付けられるものであれば、突起が摩耗した場合などにも容易に交換して再生することができる。なお、突起の取り付け角度を変更できるものでは、処理効果の調整も可能になる。
隣接する突起の間に円弧状の溝が形成された突起では、固定子の溝内に発生する旋回流の効果に加えて、回転子の溝内に起こる渦流の効果も加わり、処理効果が向上する。

固定子の内壁に複数の円周溝を軸方向に設けた場合は、旋回流による処理効果が蓄積して、１パスで十分な球形化処理あるいは複合化処理を行なうことができる。なお、複数の円周溝に嵌入する突起の形状が供給端から排出端までの間で変化するように配置することにより、供給部から排出部に亘り、滞留時間調整や排出促進など、それぞれの部分で適切な処理を行って処理効率を向上させることができる。
回転子の外径は固定子の内壁内径より大きいので、組立が難しい。そこで、固定子を軸方向に２以上に分割できるように構成して、分割した固定子を側方から回転子にあてがって組み立てられるようになっていることが好ましい。

本発明に係る粉体処理設備によれば、原料供給装置により、供給口への処理原料の供給量が調整され、排風装置により、処理原料と共に供給口に供給される気流の流速、粉体処理装置の間隙内を流通する気流の流速（風量）および球形化された処理物と共に排出口から排出される気流の流速が調整される。また、回収装置により、球形化あるいは複合化された処理物が効率よく回収される。したがって、本発明の粉体処理設備は、連続運転が可能である。

なお、冷却装置を備えることにより、粉体処理装置内に供給される処理原料の温度が低くなり、球形化処理における処理温度が低くなり、処理原料の融着を抑えることができる。その結果、処理原料の球形化処理が進み、処理能力が向上する。特に、融点の低い処理原料において顕著となる。

また、２種類以上の原料粉体を使って複合化する場合は、予め混合された原料粉体を直接に供給してもよいが、原料供給装置に２種類以上の原料粉体を混合する原料混合装置を備えて、複数の原料源から個別に取得した原料粉体を混合して、温度調節された気流中に混入することにより粉体処理装置に供給することにより、粒径の大きい母粉体の表面に、粒径の小さい子粉体が付着して複合化が行われる。

以下、本発明に係る粉体処理装置および粉体処理設備の実施形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。本発明に係る粉体処理装置において処理対象とする粉体は、有機、無機系を問わず、トナー、黒鉛、ナイロン、酸化チタン等に代表される、平均粒径が数百μｍ以下の粉末とする。なお、粉体処理とは、例えば、平均粒径が５〜５０μｍの不規則粒形の粉体を球形化処理すること、粒子表面の凹凸を平滑化すること、または、例えば、平均粒径が５〜５０μｍの母粉体の表面に、母粉体の平均粒径に対して好ましくは１／１０以下、より好ましくは１／１００の粒径を持つ他の子粉体を付着させて粉体を複合化するなど、異なる機能を有する２種以上の粉体を複合化処理することを意味する。また、複合化処理においては、複合化した粉体の球形化処理も同時に行なわれる。

図１は本発明の１実施形態に係る粉体処理装置の構成を示す断面図、図２は回転子および固定子の係合状態を軸に平行な面で示した要部拡大断面図、図３は図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面を示す要部拡大断面図、図４は図２のＩＶ−ＩＶ断面を示す要部拡大断面図である。なお、図面に用いる参照番号は、図面が変っても、同じ機能を有する要素にはできるだけ同じ番号を使用することによって、混乱を避けるようにした。
図１に示すように、本実施形態における粉体処理装置１は、本体部４と、本体部４の一端側に設けられた供給口６と、本体部４の他端側に設けられた排出口７とを備える。

本体部４は、高速回転する円筒状の回転子２と、回転子２と同軸に配置された円筒状の固定子３とを備える。固定子３は、金属等で円筒状に作製された円筒体であって、回転子２の側面を囲繞するように配置される。固定子３の内周面は、超硬合金やセラミックなどの耐摩耗材料により形成されていることが好ましい。あるいは、硬質クロムメッキまたは超硬合金等の溶射により耐磨耗処理されていてもよい。また、固定子３は、冷却ジャケット８を備えることが好ましい。

回転子２は、回転軸９を有し、この回転軸９が頂板１１に設けられた軸受１２ｂおよび基台１０に設けられた軸受１２ａにより、基台１０の上に垂直に支持されている。また、回転軸９の下端部には図示しない駆動装置により駆動されるＶプーリー１３が装着されている。回転子２は、回転軸９を中心に、例えば、通常周速１００〜１３０ｍ／ｓ、最高周速１７０ｍ／ｓで、高速回転する。また、回転子２は、円筒状に金属等で作製された円筒体であって、その外周面を超硬合金やセラミックなどの耐摩耗材料により形成されていることが好ましい。あるいは、硬質クロムメッキまたは超硬合金等の溶射により耐磨耗処理されていてもよい。

固定子３の内壁には、回転子２の回転軸９に垂直な面内で周回する円周溝１４が多段に設けられている。また、回転子２の外周壁には、それぞれの円周溝１４に対向する位置において、複数個の突起１６が周方向に並んで外周壁を１周するように設置されている。突起１６は、図２、および図３と図４に示すように、先端が円周溝１４の内法を超えて円周溝１４に嵌入し、固定子３内壁と回転子２外周壁の間には、円周溝１４と突起１６が軸方向に重なって存在する間隙５が形成される。突起１６は、円周溝１４内の壁面とは接触しない状態で狭い隙間を保ったまま円周溝１４の中で溝に沿って回転する。したがって、円周溝１４の断面と突起１６の投影断面に大きな差がない限り、回転子２の回転により固定子２の円周溝１４の中に回転速度と同等の旋回流が生じることになる。

供給口６は、本体部４の上流側である一端に設けられ、原料粉体を気流と共に回転子２と固定子３との間に形成された間隙５に供給する。また、排出口７は、本体部４の下流側である他端に設けられ、回転子２と固定子３との間で球形化または複合化された処理済み粉体を間隙５から排出する。そして、原料粉体の供給および処理済み粉体の排出を容易なものとするために、供給口６は回転子２の回転時に吸い込む方向に気流を供給するように、また排出口７は回転子の回転時に噴き出す方向から気流を吸い出すように設けられていることが好ましい。

本実施形態の粉体処理装置の運転時には、排出口７から空気を吸い出すことにより供給口６から空気を吸い込んで粉体処理装置１内に気流を発生させる。気流の存在下で回転子２を高速回転させると、突起１６の回転により固定子３の円周溝１４内に高速の旋回流が発生する。この状態で、気流中に原料粉体を供給すると、原料粉体は気流中に分散して円周溝１４と突起１６の間隙５に達し、旋回流の効果で、気流中に分散した不規則粒形の粉体または２種以上の粉体が円周溝１４の壁面と強く接触したり、粉体同士で強力に接触することにより、球形化あるいは複合化された粉体が連続的に生産される。

このとき、黒鉛のような塑性変形しない粉体や融点の低い粉体など粉体の性状によって最適な旋回流速度が異なるが、本実施形態の粉体処理装置１では、旋回流速度は回転子２の回転速度によって容易に調整することができるので、個々の原料粉体、粉体処理内容に適合する調整方法を実験的に探索することにより、広く種々の粉体に対して球形化や複合化の粉体処理を実施することができる。
なお、気流温度を調整する装置を導入することによって、粉体の性状や処理条件に基づく要求に応えられるようにすることもできる。たとえば、トナーの処理では、融着が起こらず最良の結果が得られるように、排気口における温度が６０〜７０℃を超えないように吸気温度を管理することによりよい結果を得ることができる。

また、処理時間は対象により調整が必要になるが、本実施形態の粉体処理装置１では、気流の風量、すなわち風速により、処理領域である間隙５における滞留時間を簡単に調整できるため、広い対象に適用できる。また、突起１６の突起の高さ方向に垂直な横断面の長軸方向を回転軸に対して傾かせると、傾きの方向により間隙５における粉体の排出速度を促進したり抑制したりすることができる。

なお、円周溝１４内には回転子２の回転速度と同等の旋回流が発生するが、突起１６は円周溝１４内の壁面と狭い隙間を保ったまま円周溝１４の中で溝に沿って回転する。したがって、円周溝１４の断面と突起１６の投影断面に大きな差がない場合には、円周溝１４近傍に過剰に激しい渦流は発生しないので、原料粉体は粉砕されずに球形化あるいは複合化することができる。

粉体処理に適する間隙５は、固定子３や回転子２の径や長さ、風量や時間当たりの処理量、さらに粉体の比重など処理対象の特性などによって決まる。間隙５が狭くても空気は流通するが、圧損が大きくなって現実的でなくなる場合がある。また、風量を下げれば圧損も小さくなるが、温度上昇が大きくなり、原料濃度も上がるので、原料投入量を抑える必要が生じる。なお、粉体輸送に必要な空気の最低流速は決まっており、また、風速を不必要に速くしても配管での圧損が大きくなりすぎたり、摩耗が生じやすくなったりするなどの問題があるので、装置のサイズに従って、風量の上下限はおのずから決まる。

そこで、固定子３の内周面と回転子２の外周面との間の間隙５を小さくしたときに、固定子３の上下に隣接する円周溝１４の間に適当な間隔で繋ぎ溝を開削することにより、粉体と空気の流れを確保するようにしてもよい。

なお、図１では粉体処理装置１が回転子２の回転軸９を垂直に配置した状態について記載しているが、粉体処理装置１の姿勢は、たとえば回転軸９を水平にあるいは適宜の角度になるように配置する、上下逆さまに配置するなど、任意に選択することができる。

図５は、本実施形態に適用できる各種の回転子と固定子について係合状態を図２と同じように軸に平行な面で示した断面図である。
図５（ａ）は、固定子３の内周壁に断面が長方形の円周溝１４が設けられ、これに対して、回転子２の外周壁に寸法がわずかに小さい長方形の突起１６が周回して設けられた例を示す。最も単純な形状の組み合わせで、粉体が円周溝１４の奥に押し込められて滞留時間が長くなりがちなので、比重の大きい粉体や融着しやすい粉体は避ける必要があるが、比重の小さい粉体に適している。

図５（ｂ）は、円周溝１４と突起１６両方の下流部（気流は図中下から上に流れる）にテーパを形成して、粉体の流出を促すようにした例を示すものである。
図５（ｃ）は、（ｂ）図の突起１６の下流部を切り落とした形にしたものである。処理済み粉体の排出をさらに促進する形状になっている。
図５（ｄ）は、（ｃ）図における形状に対して下流部の輪郭に丸みを持たせることにより、下流部の面やエッジに粉体が固着したり融着したりすることを防止したものである。
図５（ｅ）は、（ｃ）図における形状に対して上流部について輪郭に丸みを持たせることにより、上流部の面やエッジにおける粉体の付着を抑制したものである。

図５（ｆ）は、（ｄ）図と（ｅ）図の形状を組み合わせて上流下流とも付着を抑制したもので、付着や融着を起こしやすい粉体に有効である。
図５（ｇ）は、円周溝１４と突起１６のいずれも輪郭に丸みを持たせたもので、下流側で円周溝１４と突起１６を徐々に乖離させている。溝における滞留時間が極めて短くなる形状になっていて、処理効果は下がるが、融着しやすい粉体でも扱えるという利点がある。
図５（ｈ）は、上流側にテーパを形成したもので、粉体を溝内に保持する効果が高く粉体密度も高くなって処理効果も向上する。比重が低く、融着しにくい原料粉体に有効である。

図６は、さらに別のタイプの回転子と固定子の係合状態を表した図面である。（ａ）図は、図２と同様の方法で回転子と固定子の係合状態を示した断面図、（ｂ）図は、（ａ）図のＢ−Ｂ断面図である。
図５に示した回転子２の突起１６は全て固定子３の円周溝１４に挿入できる部分にだけ存在するが、図６に示した突起１６は、回転軸方向に隣り合わせた突起同士をつなぐ堰堤部１７を備えて、円周溝１４の無い固定子３の内周壁の部分についても空気を押し回す機能を追加したものである。このように形成することにより、固定子３の内周壁全面において粉体処理効果が得られて処理効率が向上する。なお、円周溝１４や突起１６の形状は図５（ｃ）のものと同じものとして表示したが、他の形状を採用した場合でも円周溝１４でない壁面における処理効果が得られることはいうまでもない。

図７は、本実施形態の粉体処理装置において、円周溝１４と突起１６の形状について粉体処理効果が見られる範囲をパラメータに関わる測定部位と一緒に表記した図面である。なお、堰堤部１７の高さｗが０でなければ、図６に表した堰堤部１７が存在することになる。

図７に従って、粉体処理効果が得られる範囲を示すと、固定子３の内周壁面と回転子２の外周壁との最も狭い場所における距離Ｓ、堰堤部１７があるときは固定子３の内周壁面と堰堤部１７の頂面との最も狭い場所における距離Ｓが０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下（望ましくは１ｍｍから７ｍｍ）であって、円周溝１４の奥壁面と突起１６の頂面との最も狭い場所における距離ｓが０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下（望ましくは１ｍｍから３ｍｍ）であって、堰堤部１７の高さｗが０ｍｍ以上１０ｍｍ以下（望ましくは０ｍｍから５ｍｍ）であることが条件となる。

さらに、突起１６の上流側の傾斜角θａが３０°以上９０°以下であり、下流側の傾斜角θｂが２０°以上９０°以下であり、円周溝１４の上流側傾斜角ψａが３０°以上９０°以下であり、下流側傾斜角θｂが２０°以上９０°以下であることが条件である。
また、円周溝１４の深さＤは２ｍｍ以上２０ｍｍ以下（望ましくは４ｍｍ以上１０ｍｍ以下）、円周溝１４の溝の軸線方向の長さＨは１／２Ｄ以上１０Ｄ以下（望ましくはＤ以上３Ｄ以下）、突起１６の上流側切り欠き深さＬ１は０ｍｍ以上ｗ／ｔａｎθａ以下であることが求められる。
なお、円周溝１４の平面交差部の曲率半径と、突起１６の輪郭における直線交差部の曲率半径についても制約が存在する。

上に本実施形態に適用できる各種の回転子突起と固定子円周溝の組み合わせについて説明したが、１基の粉体処理装置に設けられる円周溝の全段で同じ組み合わせである必要はないことは言うまでもなく、粉体処理工程の進行に応じて適合する組み合わせを選択することが好ましい。たとえば、温度上昇することで融着が起こるような粉体を処理する場合は、温度が低い供給部側では滞留時間が長くなる回転子突起と固定子円周溝の組み合わせを選択して粉体処理の効率を高めておき、温度が上がる排出部側では排出促進効果が高い組み合わせを選んで融着を防止しながら処理するようにすることができる。

図８から図１８は、本実施形態に適用できる回転子の突起について、いくつかの形状を例示した図面である。
図８は、回転子２の外周に設けた突起１６が四角形の平板で回転子２の外周面に垂直にかつ回転軸９に平行に配列された場合を示す。（ａ）図は突起１６を取り付けた回転子２の一部を表示した断面図、（ｂ）図は突起１６の列のみを表示した側面図である。固定子３の円周溝１４内に突起１６の速度に対応する流速を持った高速な旋回流を形成させることができる。

図９は、回転子２の外周に設けた突起１６が四角形の平板で回転子２の外周面に垂直にかつ回転方向に対して下端が上端より前に出た姿勢で配列された場合を示す。（ａ）図は突起１６を取り付けた回転子２の一部を表示した断面図、（ｂ）図は突起１６の列のみを表示した側面図である。（ｂ）図に示すように突起１６の形状が下端より上端が回転方向にみて遅れているので、間隙５中の粉体を下流（図中上方）に排出することを促進する。図９に示す突起１６は、比重の大きい粉体や融着しやすい粉体の処理を容易にする。

図１０は、図９とは逆に、突起１６が回転方向に対して上端が下端より前に出た姿勢で配列された場合を示す。（ａ）図と（ｂ）図は、図８や図９と同様の断面図と側面図である。図１０に示す突起１６は、回転方向に対して下端より上端が前に出ているので、粉体が上方に移動し難くして排出を抑制し滞留時間を増加させ、処理効果が増大する。図１０の突起１６は、また、比重が小さく流出しやすい粉体の処理を容易にする。

図１１は、本実施形態に適用できる回転子の突起について、さらに、いくつかの形状を例示した断面図である。
図１１（ａ）は、図８に示した回転軸９に平行な平板列において、突起１６の根元のコーナー部１８を滑らかにして、コーナー部１８への付着による滞留を抑制し、処理済み粉体における処理効果のばらつきを抑制するようにしたものを表す。

図１１（ｂ）は、突起根元のコーナー部をさらに滑らかにして、突起１６間の溝１９を円弧状に形成したものである。固定子３の円周溝１４内で旋回流を形成すると共に、回転子２の突起１６間の溝１９に渦流を形成するため、粉体処理効果が増進する。
図１１（ｃ）は、突起１６が図中矢示された回転方向に対して前傾しているものである。突起１６の上流側根元に粉体が溜まりやすく、溜まった粉体は動きが少ないので、全体として粉体処理作用が抑制される。
図１１（ｄ）は、突起１６が回転方向に対して後傾しているものである。粉体が円周溝１４の壁に押し付けられるので、円周溝１４における滞留時間が長くなる。したがって、比重の小さい粉体などに有効である。

図１１（ｅ）は、回転方向前方に傾斜角が大きく後方に傾斜角が小さなほぼ三角形状を持った突起１６を備えた回転子２を示す。突起１６の間にできる溝１９が奥に行くほど狭まっているので、粉体が溝１９の奥の方に行き難くなって、円周溝１４における粉体の滞留時間が増加し、処理効果が増大する。
図１１（ｆ）は、回転方向前方に傾斜角が小さく後方に傾斜角が大きな三角形状を持った突起１６を備えた回転子２を示す。図１１（ｅ）に記載された突起１６の効果に加えて気流を円周溝１４の底に押し付ける作用が働くので、円周溝１４における粉体処理効果がさらに増大する。

図１２は、回転子２の外周に設けた突起１６が半円弧形の板で回転子２の外周面に垂直にかつ突起１６の弦となる線が回転軸９に平行に配列された場合を示す。（ａ）図は突起１６を取り付けた回転子２の一部を表示した断面図、（ｂ）図は突起１６の列のみを表示した側面図である。突起１６を半円形としたことにより突起１６前面に粉体が保持されて、粉体の円周溝１４における滞留時間が長くなり、処理効果が増進される。

図１３は、図１２における半円形の突起１６に代えて、１／４程度の円弧または楕円弧状の突起１６を配列した回転子２を示す図面である。図１３（ａ）図は突起１６を取り付けた回転子２の一部を表示した断面図、（ｂ）図は突起１６の列のみを表示した側面図である。図１３の突起１６を備えた回転子２は、図１０に示した回転方向に対して前傾する突起１６を備えた回転子２に対して、突起１６の気流を押す面を円滑化したものと考えてもよい。図１０の回転子２と比較すると、滞留時間がより長くなる効果がある。

図１４と図１５は、それぞれ角柱状の突起１６を備えた回転子２を示す図面である。それぞれの図面で、（ａ）図は突起１６を取り付けた回転子２の一部を表示した断面図、（ｂ）図は突起１６の列を表示した側面図である。
図１４の回転子２では、突起１６の形状が下流の排出方向に向かって広がっていて、回転に従って気流を供給側に押さえ付ける作用を持つため、粉体の滞留時間が長くなり処理効果が増進する。

図１５の回転子２では、逆に突起１６の形状が下流の排出方向に向かって狭くなっていて、回転に従って気流を排出側に送り出す作用を持つため、比重が大きい粉体を処理する場合などに効果がある。
なお、図１４と図１５に示す突起１６は肉が厚いため、硬くて接触するものを摩耗させ易い粉体を処理するのに適している。

図１６は、図６で示した回転子２と固定子３の係合に用いられる回転子２と同様の形状を持つもので、（ａ）図は突起１６を取り付けた回転子２の一部を表示した断面図、（ｂ）図は突起１６の列を表示した側面図、（ｃ）図は（ａ）図のＣ−Ｃ断面図である。回転子２には、固定子３の円周溝１４に嵌入する突起１６の他に、隣同士の突起１６の間に堰堤部１７が設けられている。堰堤部１７は円周溝１４の外の固定子３外周面に近接して回転するので、円周溝１４でない部分についても空気が押し回され、固定子３の内周壁全面において粉体処理効果が得られて処理効率が向上する。突起１６は、他の形状であっても同様に円周溝１４でない内周壁面における処理効果が得られることは言うまでもない。

図１７は、交換可能な突起１６を示す図面である。図１７の（ａ）図は突起の高さにおける回転子２の断面の一部分を表示した断面図、（ｂ）図は突起１６部分の拡大断面図、（ｃ）図、（ｄ）図、（ｅ）図はそれぞれ傾きを変化させた突起１６の平面図である。
図１７に示した突起１６は、固定具２０により回転子２表面に交換可能に固定することができる。すなわち、突起１６は回転子２の外周壁の裏側に達するボルトを備えて、外周壁の裏側でナット止めすることができる。したがって、突起１６が摩耗したり破損したりしたときには、個々に交換することができる。また、突起１６の回転軸９に対する傾きを調整することにより、処理効果の調整をすることができる。

図１８は、別の方法で交換可能にした突起１６を示す図面である。図１８の（ａ）図は突起の高さにおける回転子２の断面の一部分を表示した断面図、（ｂ）図は突起１６の列を表示した側面図である。図１７に示した突起１６は回転子２の外周壁の裏側でナット止めするので交換が容易でないが、図１８に示す突起１６は、回転子２の外周壁の表面から螺合具２１により固定する。すなわち、突起１６の後ろにネジを備え、外周壁に形成したタップ穴にこのネジをねじ込んで止めるので、突起１６は外周壁の表面から容易に交換することができる。

ただし、回転子２のタップ穴や突起のネジをいくら高精度に加工しても、ねじ込んだときに決まる固定姿勢を一定にすることができないので、突起１６の形状は姿勢によらず一定になる円柱形や円錐形あるいはこれらの組み合わせ形状であることが好ましい。突起１６の形状が円柱形である場合は、処理効果が多少低下するが、摩耗時には突起部分だけ簡単に交換することで回転子の寿命を延長させる利益は大きく、特に、比重が大きく処理効果が得られやすいが摩耗作用が大きいような粉体に対して有効である。

図１９は、２つ割り型の固定子を使った組立概念図である。固定子３は２つの部分３ａ，３ｂに分かれるようになっていて、内部に回転子２を納めた後に接合面２２で接合して一体化する。
本実施形態の粉体処理装置では、回転子２の突起１６先端が固定子３の円周溝１４に嵌入し、固定子３内壁と回転子２外周壁の間には、円周溝１４と突起１６が軸方向に重なって干渉する間隙５が形成されることになる。このように、突起１６先端の径は固定子３の内壁内径より大きいので、完成した固定子３の内部空間に後から回転子２を挿入する訳にはいかず、組立が難しい。

そこで、図に示すように、固定子３を軸方向に２つに分割できるように構成すれば、分割した固定子の２つの半割部分３ａ，３ｂをそれぞれ回転子２にあてがって、多列の突起１６が対応する多段の円周溝１４に嵌入するようにした後に、固定子の半割部分３ａ，３ｂを接合面２２で互いに合わせることにより組み立てることができる。
なお、固定子３は、いずれの分割部分も回転子２にあてがえる半円以下の大きさになっていればよいので、固定子３の分割数は２には限られない。

図２０は、本発明の第１の実施形態に係る粉体処理設備のブロック図である。第１実施形態に係る設備は、本発明の粉体処理装置を使って粉体の球形化処理を行なう粉体処理設備（球形化処理用）である。
図２０に示すように、粉体処理設備（球形化処理用）３０ａは、図１から図１９に基づいて説明した粉体処理装置１を使用するものであって、粉体処理装置１に原料供給装置３１と排風装置３２と回収装置３３と冷却装置３４を組み合わせて構成されたものである。

原料供給装置３１は、粉体処理装置１の上流側に配置され、供給ダクト３９の気流に原料粉体を定量ずつ供給し、原料粉体を気流中に分散させて粉体処理装置１の供給口６に供給するものである。原料供給装置３１は、スクリュー式またはテーブル式等の従来公知の供給装置を使用し、その種類は問わない。

排風装置３２は、粉体処理装置１の下流側に配置され、排出口７に接続された排出ダクト４０を介して空気を吸引することによって、粉体処理装置１と回収装置３３を通過する気流を生成する。
回収装置３３は、サイクロン３３ａ、バッグフィルタ３３ｂ等の従来公知の回収装置で構成され、粉体処理装置１から排出された気流から粉体処理装置１で球形化された処理済み粉体を回収する。

さらに、冷却装置３４は、供給ダクト３９に接続され、粉体処理装置１に供給される気流を冷却する。冷却装置３４は、従来公知のクーラ等を使用し、気流の冷却のみならず除湿も行なうことが好ましい。冷却温度は、処理原料によって適宜設定され、例えば、トナーの場合には、排気口における温度が６０〜７０℃を超えないように吸気温度を低温に管理する。なお、冷却装置３４は、原料供給装置３１の下流側に設けてもよい。粉体処理設備（球形化処理用）３０ａが冷却装置３４を備えることにより、処理原料の球形化処理能力（処理量）が向上し、特に、処理原料が低融点原料の場合、または、処理原料の供給量が多い場合に顕著な効果を得ることができる。

本実施形態の粉体処理設備は次の手順に従い運転することができる。
（１）粉体処理設備（球形化処理用）３０ａの排風装置３２を駆動して、供給ダクト３９内、粉体処理装置１内、排出ダクト４０を通る気流を発生させる。粉体処理温度が低いときは、冷却装置３４を稼働させて気流を冷却する。
（２）粉体処理装置１の回転子２を高速回転させ、固定子３の内周面に形成された円周溝１４内に回転子２の周速度に応じた旋回流を発生させる。
（３）粉体処理設備（球形化処理用）３０ａの原料供給装置３１を駆動して、供給ダクト３９内に原料粉体を供給する。原料粉体は、供給ダクト３９内の気流中に分散して粉体処理装置１の供給口６に供給される。

（４）供給口６から気流と共に供給された原料粉体は、円周溝１４に発生した旋回流によって円周溝１４に押し付けられながら、回転子２と固定子３の間隙５の下端から上端まで移動する。このとき、原料粉体は、円周溝１４の壁面と強く接触し、または、粉体同士が強く接触して、球形化される。球形化された処理済み粉体は、間隙５から排出口７に排出される。
（５）排出口７に排出された処理済み粉体は、排出ダクト４０内の気流により、回収装置３３であるサイクロン３３ａ、バッグフィルタ３３ｂに、順次排出され、球形化処理された粉体が回収される。

図２１は、本発明の第２の実施形態に係る粉体処理設備のブロック図である。第２実施形態に係る設備は、本発明の粉体処理装置を使って２種以上の粉体について複合化処理を行なう粉体処理設備（複合化処理用）である。
図２１に示すように、本実施形態の粉体処理設備（複合化処理用）３０ｂは、図２０に示した粉体処理設備（球形化処理用）３０ａと同じく図１から図１９に基づいて説明した粉体処理装置１を使用するものであって、原料供給装置３１が２種以上の原料粉体を供給できるように構成されていること以外に差異はない。

粉体処理装置１は、複合化し得る２種以上の粉体が供給されれば、球形化処理と全く同じ作動原理により、複合化処理を行なう。
すなわち、供給口６から気流と共に供給された母粉体と子粉体は、固定子３の円周溝１４に発生した旋回流によって、円周溝１４に押し付けられながら、間隙５の下端から上端まで移動する。このとき、母粉体と子粉体は、円周溝１４ａの壁面と強く接触、または、粉体同士が強く接触する。それにより、母粉体の表面に子粉体が付着して複合化される。複合化処理済みの粉体は、間隙５から排出口７に排出される。

また、図２１に示される粉体処理設備（複合化処理用）３０ｂでは、２種の原料粉体を供給する原料供給装置３１として、第１原料供給装置３１ａ、第２原料供給装置３１ｂを個別に備えるが、これらの原料供給装置３１ａ，３１ｂは、粉体処理設備（球形化処理用）３０ａの原料供給装置３１と同様な装置を使用するので、設備構成に関する説明を省略する。

なお、複合化処理用の原料粉体は、原料供給装置３１ａ，３１ｂによりそれぞれ直接に供給ダクト３９に供給しているが、２種以上の粉体を連続的に供給方法には、予め混合した粉体を供給する方法、混合機を備えて必要量の原料粉体を混合しながら供給する方法など、いろいろな方法が知られている。本実施形態における粉体処理設備（複合化処理用）３０ｂにも、これら公知の方法を適宜採用することができる。

これら実施形態の粉体処理設備（球形化処理用および複合化処理用）によれば、粉体処理を適宜の条件下で連続的に実施するので、処理済み粉体を効率よく生産することができる。また、粉体処理対象が変って処理条件が変更される場合にも、原料粉体供給量、気流量、回転子回転速度、冷却温度、などを調整することにより幅広く対応することができる。なお、複合化処理が３種以上の粉体を使用する場合であっても、これらを取り扱えるように原料供給装置を適合させることにより、困難無く対応することができる。

なお、図２０，２１に示した粉体処理設備は、いずれも上流から下流に一方的に流下する開回路式になっているが、排風装置３２から排出されるガスを粉体処理装置１の供給ダクト３９に供給する閉回路式であってもよい。閉回路方式であれば、搬送空気の熱を再利用するなど、エネルギーを効率的に活用することができる。

本発明の粉体処理装置および粉体処理設備は、食品や医薬原料、黒鉛やコークスなどの炭素系材料、樹脂あるいはトナーなど樹脂ベースの化成品、その他金属や鉱物系、有機と無機を問わず様々な微細粉体材料の球形化処理あるいは複合化処理に使用することができる。

本発明の１実施形態に係る粉体処理装置の構成を示す断面図である。 本実施形態における回転子および固定子の係合状態を軸に平行な面で示した要部拡大断面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面を示す要部拡大断面図である。 図２のＩＶ−ＩＶ断面を示す要部拡大断面図である。 本実施形態に適用できる各種の回転子と固定子について係合状態を示した断面図である。 本実施形態に適用できる回転子と固定子についてさらに別の係合状態例を示した図面である。 本実施形態の粉体処理装置において円周溝と突起について粉体処理効果が見られる形状の範囲を表記した図面である。 本実施形態に適用できる回転子の突起の例を示す図面である。 本実施形態に適用できる回転子の突起の別例を示す図面である。 本実施形態に適用できる回転子の突起のさらに別の例を示す図面である。 本実施形態に適用できる回転子の突起についてさらにいくつかの形状を例示した断面図である。 本実施形態に適用する突起が半円弧形の板である場合を示す図面である。 本実施形態に適用する突起が１／４円弧形の板である場合を示す図面である。 本実施形態に適用する角柱状の突起を備えた回転子を示す図面である。 本実施形態に適用する別の角柱状の突起を備えた回転子を示す図面である。 本実施形態に適用できる別の形状を有する回転子の例を示した図面である。 本実施形態に適用する交換可能な突起の例を示す図面である。 本実施形態に適用する交換可能な突起の別例を示す図面である。 本実施形態に適用する２つ割り型の固定子を使った組立概念図である。 本発明の第１の実施形態に係る粉体処理設備のブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係る粉体処理設備のブロック図である。 従来の粉体処理装置の構成を示す断面図である。 従来の粉体処理装置における回転子と固定子の係合状態を示す要部拡大図である。

符号の説明

１ 粉体処理装置
２ 回転子
３ 固定子
３ａ，３ｂ 固定子半割部分
４ 本体部
５ 間隙
６ 供給口
７ 排出口
８ 冷却ジャケット
９ 回転軸
１０ 基台
１１ 頂板
１２ａ，１２ｂ 軸受
１３ Ｖプーリー
１４ 円周溝
１６ 突起
１７ 堰堤部
１８ コーナー部
１９ 溝
２０ 固定具
２１ 螺合具
２２ 接合面
３０ａ 粉体処理設備（球形化処理用）
３０ｂ 粉体処理設備（複合化処理用）
３１ 原料供給装置
３１ａ 第１原料供給装置
３１ｂ 第２原料供給装置
３２ 排風装置
３３ 回収装置
３３ａ サイクロン
３３ｂ バッグフィルタ
３４ 冷却装置
３９ 供給ダクト
４０ 排出ダクト
１０１ 粉体処理装置
１０２ 回転子
１０３ 固定子
１０４ 本体部
１０５ 間隙
１０６ 供給口
１０７ 排出口
１０８ 冷却ジャケット
１０９ 回転軸
１１０ 基台
１１１ 頂板
１１２ａ，１１２ｂ 軸受
１１３ Ｖプーリー
１１４ 円周溝
１１６ 縦凸部

Claims (13)

1. 高速回転する円筒状の回転子と、該回転子の側面を囲繞して該回転子と同軸に配置された円筒状の固定子とを備える本体部と、
   該本体部の一端側に設けられ原料粉体を気流と共に該本体部に供給する供給口と、
   前記本体部の他端側に設けられ前記原料粉体が該本体部を通過して処理を受けて形成された処理済み粉体を前記本体部から排出させる排出口とを備えた粉体処理装置において、
   前記固定子の内壁が、軸に垂直な面内で周回する１段以上の円周溝を備え、
   前記回転子の外周壁が、前記円周溝に対向する突起であって外縁が前記対向する円周溝の内法を超えて該円周溝に嵌入し該円周溝の内壁面との間に隙間を形成する複数の突起を周方向に配列したものである、
   粉体処理装置。
2. 前記突起は該突起の高さ方向に垂直な横断面の長軸方向が該回転子の軸に平行である、請求項1記載の粉体処理装置。
3. 前記突起は該突起の高さ方向に垂直な横断面の長軸方向が該回転子の軸に対して傾いている、請求項1記載の粉体処理装置。
4. 前記突起は回転方向に対して前傾している、請求項1から３のいずれか一項に記載の粉体処理装置。
5. 前記突起は回転方向に対して後傾している、請求項1から３のいずれか一項に記載の粉体処理装置。
6. 前記突起は前記回転子に脱着可能に取り付けられる、請求項1から５のいずれか一項に記載の粉体処理装置。
7. 前記突起は周方向に隣接する突起の間に円弧状の溝が形成されている、請求項1から３のいずれか一項に記載の粉体処理装置。
8. 前記回転子は、回転軸方向に並んだ前記突起同士を繋ぐ堰堤部を備えて、該堰堤部により前記固定子の内周壁における円周溝でない部分について空気を押し回すことができる、請求項1から５のいずれか一項に記載の粉体処理装置。
9. 前記円周溝が前記固定子の内壁に軸方向に複数段形成された、請求項1から８のいずれか一項に記載の粉体処理装置。
10. 前記複数段の円周溝に対向する前記突起の形状が前記円周溝の段によって異なる、請求項９記載の粉体処理装置。
11. 前記固定子は軸方向に２以上に分割され、前記回転子の側方から該固定子をあてがって設置できる、請求項1から１０のいずれか一項に記載の粉体処理装置。
12. 請求項１ないし請求項１１のいずれか一項に記載の粉体処理装置と、
    前記粉体処理装置の下流側に配置され、前記供給口に供給され前記排出口から排出される気流を発生させる排風装置と、
    前記原料粉体を前記粉体処理装置の上流側に形成される気流に対して供給する原料供給装置と、
    前記排風装置の上流側に配置され、前記排出口から排出された気流から前記粉体処理装置で処理された処理済み粉体を回収する回収装置と、
    を備える粉体処理設備。
13. 前記原料供給装置は、２種類以上の原料粉体を混合する原料混合装置を備える、請求項１２記載の粉体処理設備。

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