JP2010512992A - ジェットミル微粉化装置で使用される改良ジェット - Google Patents

Abstract

本発明は、微粉化ジェットミルで使用され又は既存ジェットミルに改修して設けられるのに適した改良ジェットノズルを与える。改良ジェットノズルにはコアンダ効果誘導要素が組み込まれ、微粉化ジェットミルによって生成される渦内への被粉砕粒子の取り込みが向上する。ジェットミルがジェット生成に蒸気を使用する場合、改良ノズルを使用することにより、ジェットミルの効率が向上してエネルギーコストが低減される。

Description

本発明は、ジェットミル微粉化装置で使用される改良ジェットに関する。

破砕可能材料の粒子サイズをミクロン範囲にまで低減させるべく、ジェットミル微粉化装置が一般的に使用される。典型的なジェットミル微粉化装置は、圧縮された空気、ガス、又は蒸気のような流体をノズルを介して微粉化装置中に噴射して生成された渦の中に破砕可能材料を供給する。渦は破砕可能材料を取り込んで高速になるまで加速する。微粉化装置内で粒子が次々に衝突することで、ますます小さな粒子が生成される。最終的に、所望サイズの粒子が微粉化装置の中心へ移動し、渦ファインダを通って出る。

微粉化装置の効率は、噴射ガスにより生成されたジェット流内に破砕可能材料を適切に取り込む能力によって決まる。何年にもわたり業界では、ノズル設計の変更、及び微粉化装置内に組み込まれる再循環装置によって粒子の取り込みを向上させる試みがなされてきた。かかる努力は限定的な成功は収めたが、摩耗及びメンテナンス増大を招く複雑な設計に依存することがしばしばである。

微粉化装置の効率を向上させる１つの試みは、現在では標準の中細ノズルの開発及び使用をもたらした。中細ノズルは一般に、通常は超音速を実現する極めて高速のガス流を作り出す。しかし、ガス流はノズル内で膨張するので、作り出されたジェット内に粒子を取り込むことは難しい。したがって、破砕可能材料は一般的に、超音速の利益が得られない。

二酸化チタン粒子を顔料サイズまで粉砕する場合には通常、高圧蒸気が使用されて微粉化ジェットが作り出される。蒸気発生に関するエネルギーコストを考慮すると、取り込み効率の向上は、ＴｉＯ_２顔料製造工程時の著しいコスト削減をもたらし得る。例えば、ＴｉＯ_２微粉化工程時に使用される蒸気量は典型的にはかなりの量に及び、顔料１トン当たり約０．５トンから２トン以上の間で変化するのが一般的である。

蒸気ジェットミルに関する著しいエネルギーコストを考慮すると、粉砕される粒子の取り込みを向上させる改良ジェットノズルを与えることが望まれている。かかる改良は、微粉化装置を著しく設計変更することなく与えられるのが好ましい。さらに、微粉化装置の改良動作を可能にする変更が、既存ユニットの容易な改修で済むのであれば一層有利である。本発明は、本明細書に記載されるように、微粉化装置ジェットノズルの改良により上記要望の各々に対処する。

米国特許第４，４８４，７１０号明細書 米国特許出願公開第２００６／０１５１６４１号明細書

本発明は、微粉化ジェットミルで使用される改良ジェットノズルを与える。本発明のノズルは、ガスジェットを形成するのに適した、第１開口端から第２開口端まで延びる通路を有するノズル本体を含む。通路内には、コアンダ効果誘導要素が配置される。コアンダ効果誘導要素は、通路の出口（第２端）から外方へ延びるのが好ましい。

他実施例において、本発明は、微粉化ジェットミルで使用される改良ジェットノズルを与える。ジェットノズルは、ガスジェット生成用通路を与えるノズルの長手方向を通るコンジットを備えるノズル本体を有する。ガスジェットを生成するノズルの出口ポイントは、スロット状の設計を有することが好ましい。コアンダ効果誘導要素は、通路内に配置される。通路の出口ポイントから外方に延びるのが好ましい。コアンダ効果誘導要素は、通路のスロット状出口に対応する構成を有するのが好ましい。すなわち、通路のスロット状出口とコアンダ効果誘導要素とが、蒸気ジェットを形成するのに適した実質的に一定のギャップを画定する。

さらに、本発明は、微粉化ジェットミルで使用される改良ジェットノズルを与える。改良ノズルは、ガスジェット生成用ノズル本体の長手方向を通る通路を備えるノズル本体を含む。ノズルの出口ポイントは、２つの長い方の実質的に内向きの双曲線側部と、２つの対向する実質的に丸い端部とによって画定されるスロット状設計を有する。コアンダ効果誘導要素は、通路内に取り外し可能に配置される。通路の出口ポイントから外方に延びるのが好ましい。取り外し可能なコアンダ効果誘導要素は、通路のスロット状出口に対応する構成を有するのが好ましい。すなわち、通路のスロット状出口とコアンダ効果誘導要素とが、ジェットを形成するガス蒸気流が通る実質的に一定のギャップを画定する。コアンダ効果誘導要素をノズル内の所定位置に固定するべく他の手段が用いられてよいが、好ましい実施例は、中空の止めねじを利用する。中空の止めねじは、そのねじの長手方向に延びる通路を有する。ねじは、コアンダ効果誘導要素をノズル内に配置した後に、ジェットノズルの第１端に挿入される。これにより、コアンダ効果誘導要素がノズル内の所定位置に固定される。

典型的な微粉化ジェットミルを示す。 改良ジェットノズルの好ましい実施例の斜視図である。改良ジェットノズルは、ジェットノズル内に配置されたコアンダ効果誘導要素を含む。 図２の改良ジェットノズルの分解図である。 ジェットノズルの出口ポイントを超えるコアンダ効果の拡大を示すことにより、ガスジェットの速度を表す。 従来技術のノズルを使用した場合に、粒子がガスジェット周りに偏向されることを示す。 本発明のジェットノズルを使用した場合に、粒子の取り込みが向上することを示す。

１９１９年、ノズルから現れる自由噴流（ｆｒｅｅ ｊｅｔ）が近傍表面に付着する現象が、アンリ・コアンダにより最初に観測された。コアンダ効果として知られるこの現象は、自由に流れるガス流と壁との間に低圧が生じることに起因する。コアンダ効果は、液体及びガス流体の双方で観測可能である。

本発明は、コアンダ効果を利用して、薄層超音速領域３１をジェットノズル１０から外方に延長する。図４に示されるように、本発明は、超音速領域３１を、ノズル１０の出口ポイント２６から少なくとも１インチ（２５．４ｍｍ）外方に延長する。二酸化チタン微粉化工程に使用される場合、本発明は、現在入手可能なフルコーンジェットノズルと同等の有効粉砕領域を与える。本発明のノズルは、これと同等の粉砕領域を与える一方で必要な蒸気を半減する。よって、本発明は、上述の産業界の要望を満たす。

図１から図３、特に図２及び図３を参照して、本発明の好ましい実施例を説明する。図１は、改修により本発明の改良ジェットノズル１０が設けられる典型的な微粉化装置ジェットミル５を示す。

本発明の改良ジェットノズル１０は図２及び図３に詳細に示される。図３を参照すると、ノズル１０はノズル本体１４を含む。ノズル本体１４は、その中を通る通路１８を有する。通路１８は、第１開口端２２及び第２開口端２６を有する。第２開口端２６は、本明細書では出口ポイント２６又はジェット形成出口２６とも称する。通路１８内には、コアンダ効果誘導要素３０が配置される。コアンダ効果誘導要素３０、出口ポイント２６から外方に延びるのが好ましい。コアンダ効果誘導要素３０は、コアンダ効果の発生を確保するのに十分な距離だけ出口ポイント２６から外方へ延びる。典型的には、この距離は約２．５ｍｍ（０．１インチ）から約３８．１ｍｍ（１．５インチ）である。

図２に示されるように、コアンダ効果誘導要素３０は、出口ポイント２６の構成に適合する構成を有するのが好ましい。結局、好ましい実施例においては、コアンダ効果誘導要素３０は、止めねじ３４のような保持具によって通路１８内に、好ましくは取り外し可能に固定される。また、止めねじ３４は、ねじ３４を通って延びるコンジット又は通路３８を有する。したがって、微粉化装置５内に取り付けられると、所望のジェットを形成するのに適した圧力の圧縮ガス又は蒸気が最初にノズル１０に入る。ねじ３４を通ってノズル本体１４内に入り出口ポイント２６から出る。上述のように、通路１８内の所定位置に要素３０を取り外し可能に固定するべく他のオプションが利用可能である。これには、通路１８内への要素３０のスナップリング取り付け、インデクス付き摩擦ばめ、又はタック溶接を使用することが含まれる。

蒸気ジェットは、ノズル本体１４から出る際にコアンダ効果により引き寄せられて、コアンダ効果誘導要素３０に近接して維持される。誘導されたコアンダ効果に起因して、得られるジェットの超音速領域３１は、ノズル１０から外方に延長される。この延長は、コアンダ効果誘導要素３０を使用しない場合の同じ圧力下かつ温度条件でのジェットに当てはまるよりも長い距離に及ぶ。

図４に示すように、超音速領域３１は、出口ポイント２６を少なくとも１インチ（２５．４ｍｍ）超えて延びる。図４はさらに、得られたジェットの速度をグレースケールで示す。図示のように、超音速領域３１の下部エッジ３９であっても、著しいジェット速度を維持している。典型的には、超音速領域３１の下部エッジ３９におけるジェット速度は、約マッハ１．８から約マッハ１．９になる。対照的に、コアンダ効果誘導要素３０を有しない従来技術の装置では、ノズル１０の近傍領域でジェットが急速に散逸する。一般に、要素３０を使用しない対応領域でのジェット速度は、約マッハ１となるのが通常である。これは、約２倍の蒸気量を必要としても同等の長さよりも短い領域しか達成できない。超音速領域３１にわたる速度が改良されて、ジェット領域３５内への粒子取り込みが向上する。

超音速領域３１内への粒子取り込みの向上は、図５と図６との比較から明らかである。図５及び図６は、代表粒子軌跡線３３及び３７に対するジェット領域３５の影響を示す。図６において、粒子軌跡線３３は、４つの代表粒子軌跡３７が超音速領域３１内に引き込まれる一方で、超音速領域３１に入らない粒子軌跡３３が２つのみであることを示す。対照的に、図５は、コアンダ効果誘導要素３０がない場合のジェットの作用を示す。図５に示されるように、４つの粒子軌跡３３はジェット領域３５に入らない。ジェット領域３５によって取り込まれる粒子軌跡３７は２つのみである。したがって、コアンダ効果誘導要素３０をノズル１０内で使用することにより、図４及び図６に示されるような超音速領域３１の効率が向上する。それに対応して、所望の粉砕程度に対する蒸気の使用を低減することができる。

好ましい実施例において、出口ポイント２６は、変形スロット状構成を有する。変形スロット状構成において、対向壁４４及び４６が互いに内側に絞られて、それぞれが実質的に内向きの双曲線形状をなす。対向する短い方の端部４８及び５０は実質的に丸い構成となっている。最大限のノズル１０の効率を得るべく、コアンダ効果誘導要素３０は、出口ポイント２６の構成に適合する構成を有するのが好ましい。典型的には、適合する構成は、コアンダ効果誘導要素３０の外表面と出口ポイント２６の内表面とで画定される空気通路又はギャップ５０の幅の約１０倍から約２０倍の距離だけ、出口ポイント２６から通路１８内に延びる。したがって、ギャップ５２が幅約０．２５４ｍｍ（約０．０１インチ）であれば、適合する構成は、約２．５４ｍｍから約１０．１６ｍｍ（約０．１インチから約０．２インチ）だけ通路１８内に延びる。または、適合する構成は、端部３６からフランジ５４までのコアンダ効果誘導要素３０の全長又は所定の中間距離を特徴とする。

代替実施例において、出口ポイント２６は、図１及び図２に示されるのとは異なる構成を有する。例えば、出口ポイント２６は、丸い又は四角い端部４８、５０を有して側壁４４、４６が実質的に平行な従来のスロット状開口を有する。出口ポイント２６と併せて使用されるコアンダ効果誘導要素３０は、対応する構成を有するのが好ましい。しかし、本発明は、出口ポイント２６の構成に適合しない構成を有するコアンダ効果誘導要素３０の使用を意図する。例えば、コアンダ効果誘導要素３０が、ノズル本体１４から出る蒸気にコアンダ効果を誘導するのに適した長円、楕円等の任意の曲面を有する一方で、出口ポイント２が、長円、円、マルチスロット、及びマルチローブを含むがこれらに限られない標準のスロット開口等の構成でよい。

好ましい実施例において、コアンダ効果誘導要素３０は、リップ又は他の類似装置（不図示）との係合により通路１８内にコアンダ効果誘導要素３０を保持するのに適したフランジ５４を支承する。通路１８内にコアンダ効果誘導要素３０を配置した後、止めねじ３４がノズル本体１４にねじ込まれる。コアンダ効果誘導要素３０は、ノズル本体１４内に定位置を有するように示されるが、通路１８内に調整可能に固定されてもよい。これにより、動作条件の変更に対して微粉化装置５の微調整が可能となる。コアンダ効果誘導要素３０を通路１８内に調整可能に固定する方法は、当業者にとって周知である。典型的には、現行の燃料噴射エンジンによく見られるアイドル空気制御バルブに類似する態様で動作するソレノイド又はステッパモータを使用する。

図６に示される利点に加えて、本発明は、より厚い超音速領域も与える。すなわち、本発明は、微粉化装置５に入る粒子の層内に超音速ジェットをさらに延長することにより、粒子の取り込みをさらに向上させる。また、本発明を使用することにより超音速領域が安定化するので、得られたジェット内への粒子の戻り流が増える。

本開示を目的として本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明の他の実施例は、本明細書、図面、又は本明細書に開示の本発明の実施を考慮すれば当業者にとって明らかである。すなわち、上述の開示により、以下の特許請求の範囲内で多様な装置の構成が可能となる。よって、上述の明細書は、以下の特許請求の範囲により示される発明の真正の範囲及び要旨を有する本発明の単なる例示として考慮される。

Claims (11)

1. 微粉化ジェットミルで使用されるジェットノズルであって、
   通路によりつながれた第１開口端及び第２開口端を有するノズル本体と、
   前記通路内に配置されて前記ノズルの前記第２開口端から外方へ延びるコアンダ効果誘導要素と
   を含むジェットノズル。
2. 微粉化ジェットミルで使用されるジェットノズルであって、
   通路によりつながれた第１開口端及び第２開口端を有するノズル本体と、
   前記通路内に配置されて前記ノズルの前記第２開口端から外方へ延びるコアンダ効果誘導要素と
   を含み、
   前記コアンダ効果誘導要素は、前記ノズルの前記第２開口端の幾何学構成に対応する幾何学構成を有するジェットノズル。
3. 微粉化ジェットミルで使用されるジェットノズルであって、
   前記ノズルを通る通路によってつながれた第１開口端及び第２開口端を有するノズル本体と、
   前記通路内に配置されて前記ノズルから前記第２開口端を介して外方へ延びるコアンダ効果誘導要素と
   を含み、
   前記第２開口端はスロット状構成を有し、
   前記コアンダ効果誘導要素は、前記第２開口端の前記スロット状構成に実質的に類似する構成を有するジェットノズル。
4. 微粉化ジェットミルで使用されるジェットノズルであって、
   前記ノズルを通る通路によってつながれた第１開口端及び第２開口端を有するノズル本体と、
   前記通路内に配置されて前記ノズルから前記第２開口端を介して外方へ延びるコアンダ効果誘導要素と
   を含み、
   前記第２開口端は、２つの長い方の実質的に内向きの双曲線側部と、対向する実質的に丸い端部とによって画定されたスロット状構成を有し、
   前記コアンダ効果誘導要素は、前記第２開口端の前記スロット状構成に実質的に類似する構成を有するジェットノズル。
5. 微粉化ジェットミルで使用されるジェットノズルであって、
   前記ノズルを通る通路によってつながれた第１開口端及び第２開口端を有するノズル本体と、
   前記通路内に配置されて前記ノズルから前記第２開口端を介して外方へ延びるコアンダ効果誘導要素と
   を含み、
   前記第２開口端は、２つの長い方の実質的に内向きの双曲線側部と、対向する実質的に丸い端部とによって画定されたスロット状構成を有し、
   前記コアンダ効果誘導要素は、前記第２開口端の前記スロット状構成に実質的に類似する構成を有して前記第２開口端から約２．５ｍｍから約３８．１ｍｍだけ外方へ延びるジェットノズル。
6. 微粉化ジェットミルで使用されるジェットノズルであって、
   前記ノズルを通る通路によってつながれた第１開口端及び第２開口端を有するノズル本体と、
   前記通路内に配置されて前記ノズルから前記第２開口端を介して外方へ延びるコアンダ効果誘導要素と
   を含み、
   前記第２開口端は、２つの長い方の実質的に内向きの双曲線側部と、対向する実質的に丸い端部とによって画定されたスロット状構成を有し、
   前記コアンダ効果誘導要素の外表面と前記スロット状開口の内表面とはギャップを画定し、
   前記コアンダ効果誘導要素は、前記第２開口端の前記スロット状構成に実質的に類似する構成を有し、
   前記コアンダ効果誘導要素の、前記第２開口端の構成に適合する部分は、前記ギャップの約１０倍から約２０倍の範囲の距離だけ前記通路内に延びるジェットノズル。
7. 微粉化ジェットミルで使用されるジェットノズルであって、
   前記ノズルを通る通路によってつながれた、内部ねじを担持する第１開口端、及びスロット状開口を有する第２開口端を有するノズル本体と、
   前記通路内に配置されて前記ノズルから前記第２開口端を介して外方へ延びるコアンダ効果誘導要素と、
   前記ノズルの第１開口端内に配置されて前記コアンダ効果誘導要素を前記通路内に固定するコアンダ効果誘導要素保持具と
   を含み、
   前記コアンダ効果誘導要素は、前記ノズル本体の前記第２開口端の前記スロット状開口の内部構成に実質的に適合する外部幾何学構成を有し、
   前記コアンダ効果誘導要素の外表面と前記スロットの内表面とは空気通路を画定するジェットノズル。
8. 微粉化ジェットミルで使用されるジェットノズルであって、
   前記ノズルを通る通路によってつながれた、内部ねじを担持する第１開口端、及びスロット状開口を有する第２開口端を有するノズル本体と、
   前記通路内に配置されて前記ノズルから前記第２開口端を介して外方へ延びるコアンダ効果誘導要素と、
   前記ノズルの第１開口端内に配置されるコアンダ効果誘導要素保持具と
   を含み、
   前記コアンダ効果誘導要素は、前記ノズルの前記第２開口端の前記スロット状開口の内部構成に実質的に適合する外部幾何学構成を有し、
   前記コアンダ効果誘導要素の外表面と前記スロットの内表面とはギャップを画定し、
   前記保持具は、当該保持具を通る通路を有して前記通路内に前記コアンダ効果誘導要素を固定するジェットノズル。
9. 微粉化ジェットミルで使用されるジェットノズルであって、
   前記ノズルを通る通路によってつながれた第１開口端及び第２開口端を有するノズル本体と、
   前記通路内に調整可能に配置されて前記ノズルから前記第２開口端を介して外方へ延びるコアンダ効果誘導要素と
   を含み、
   前記第２開口端はスロット状構成を有し、
   前記コアンダ効果誘導要素は、前記第２開口端の前記スロット状構成に実質的に類似する構成を有するジェットノズル。
10. 微粉化ジェットミルで使用されるジェットノズルであって、
    前記ノズルを通る通路によってつながれた第１開口端及び第２開口端を有するノズル本体と、
    前記通路内に配置されたコアンダ効果誘導要素と
    を含み、
    前記第２開口端はスロット状構成を有し、
    前記コアンダ効果誘導要素の外表面と前記スロット状開口の内表面とはギャップを画定し、
    前記コアンダ効果誘導要素は、前記ノズルから前記第２開口端を介して約２．５ｍｍから約３８．１ｍｍだけ外方へ延び、
    前記コアンダ効果誘導要素は、前記第２開口端の前記スロット状構成に実質的に類似する構成を有し、
    前記コアンダ効果誘導要素の、前記第２開口端の構成に適合する部分は、前記ギャップの約１０倍から約２０倍の範囲の距離だけ前記通路内に延びるジェットノズル。
11. 微粉化ジェットミルで使用されるジェットノズルであって、
    前記ノズルを通る通路によってつながれた第１開口端及び第２開口端を有するノズル本体と、
    前記通路内に配置されたコアンダ効果誘導要素と
    を含み、
    前記第２開口端は、２つの長い方の実質的に内向きの双曲線側部と、対向する実質的に丸い端部とによって画定されたスロット状構成を有し、
    前記コアンダ効果誘導要素の外表面と前記スロット状開口の内表面とはギャップを画定し、
    前記コアンダ効果誘導要素は、前記ノズルから前記第２開口端を介して約２．５ｍｍから約３８．１ｍｍだけ外方へ延び、
    前記コアンダ効果誘導要素は、前記第２開口端の前記スロット状構成に実質的に類似する構成を有し、
    前記コアンダ効果誘導要素の、前記第２開口端の構成に適合する部分は、前記ギャップの約１０倍から約２０倍の範囲の距離だけ前記通路内に延びるジェットノズル。

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