JP2011161381A - 自生粉砕機及び粉砕処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高度な粉砕処理を広範囲に行うことが可能であり、比較的小型で処理量が大きく、処理動力の小さい粉砕機を提供する。また、三次粒子を二次粒子とする粉砕処理において、二次粒子を破壊しない粉砕処理方法を提供する。
【解決手段】竪型円筒状の容器２０内に、容器２０の底部を挿通して設けられる底部回転軸４０及び底部回転軸４０に設けられる撹拌部材４１を備える粉砕部３０と、容器２０の頂部を挿通して設けられる頂部回転軸６０及び頂部回転軸６０に設けられる分級ローター６１を備える分級部５０を形成し、粉砕部３０に処理物及び処理ガスを供給し、粉砕部３０において処理ガスの流動下で処理物を撹拌して自生粉砕する。この自生粉砕機１０を使用することにより、三次粒子を二次粒子とすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、平均粒径が１００μｍ以下の微粉を得ることができる乾式粉砕機に関し、特に、微粉の性状を狭い範囲に特定することができる粉砕機に関する。

粉粒体を微粉砕する粉砕機として、処理物をメディア（粉砕媒体）と共に撹拌して粉砕するメディア撹拌型粉砕機が多く使用されている。メディア撹拌型粉砕機は、メディアが処理物に強い粉砕衝撃を与えるが、この衝撃が必要以上に強い場合があり、また、この強さを調整することが困難である。したがって、ソフトな粉砕を行うことができない。

また、メディア撹拌型粉砕機は、処理物とメディアとの混合が不十分となることがあり、粉砕処理が不均一に行われて、粒度分布の幅が広くなることが多い。さらに、メディア撹拌型粉砕機は、製品中にメディアの摩耗による不純物が混入するという問題があり、製品の純度が重要となる場合には大きな問題となる。

製品の平均粒径を１００μｍ以下とする乾式粉砕処理において、最近では非常に高度な処理を要求されるようになっている。すなわち、目標とする製品の粒子の状態、平均粒径、及び粒度分布の幅を非常に狭い範囲に限定する粉砕処理であり、本明細書では以下「高度粉砕処理」と称することにする。

例えば、一次粒子が凝集した二次粒子からなる処理物を解砕して一次粒子とする粉砕処理において、一次粒子をさらに細かく粉砕することは避けたいという場合がある。また、二次粒子が凝集した三次粒子からなる処理物を解砕して二次粒子とする粉砕処理において、二次粒子をさらに解砕して一次粒子とすることは避けたいという場合がある。

このような高度粉砕処理を行うためには、メディア撹拌型粉砕機よりもソフトな粉砕処理が可能な粉砕機が必要となる。その一例として、高圧の気流を衝突させて粉砕するジェットミル（気流式粉砕機）が用いられている。特許文献１には図２に示すような気流式粉砕機が記載されている。

この気流式粉砕機１１０は、竪型円筒状の容器１２０内の下部に、複数の粉砕ノズル１３１を備える粉砕部１３０を形成している。処理物の供給口１２１から粉砕部１３０に投入された処理物は、粉砕ノズル１３１から導入される高圧の処理ガスによって加速され、粒子が相互に衝突を繰り返すことにより粉砕される。通常、粉砕ノズル１３１は、噴出される処理ガスが粉砕部１３０の中心付近で互いに衝突するように配置されている。

容器１２０の上部には分級部１５０が形成され、所定の粒径以下に粉砕された処理物を処理ガスと共に排出することができる。すなわち、容器１２０の頂部を挿通して頂部回転軸１６０が設けられ、頂部回転軸１６０には分級ローター１６１が設けられている。また、分級ローター１６１の下部に対向して捕集器１６５が設けられ排出口１２５に連通している。粉砕部１３０から分級部１５０に上昇した処理ガスは、図に矢印で示すように、分級ローター１６１の外側から内側に向って流れ、捕集器１６５を経由して排出口１２５から排出される。

処理物は、処理ガスに同伴して粉砕部１３０から分級部１５０に運ばれ、処理ガスと共に分級ローター１６１の外側から内側に流入しようとする。ここで、分級ローター１６１の回転により処理物粒子は遠心力を受ける。このため、小さな粒子は内側に流入することができるが、大きな粒子は内側に流入することができない。したがって、微粉砕された処理物のみが処理ガスとともに捕集器１６５内を経由して排出されることになり、粒径の大きな処理物は粉砕部１３０に落下して再度粉砕されることになる。

気流式粉砕機１１０は処理物粒子が相互の衝突によって粉砕されるものであり、処理物は比較的弱い粉砕衝撃で処理される。また、導入される処理ガスの圧力を調整することにより粉砕衝撃を調整することも可能である。したがって、ソフトな粉砕処理を行うことができる。

気流式粉砕機１１０は分級部１５０を備え、小さな粒子は処理ガスと共に排出される。このため、製品粒子が必要以上に小さく粉砕されることを防ぐことができる。同時に、大きな粒子は、分級部１５０から排出されることなく粉砕部１３０に戻り、再度粉砕処理を受けることになる。このため、製品粒子の粒度分布を狭い範囲に限定することが可能である。さらに、メディアを使用しないので、製品が不純物で汚染されることがない。

しかしながら、気流式粉砕機１１０では、粉砕部１３０に導入されて粉砕処理を行う役目を備える処理ガスが、同時に、処理物を粉砕部１３０から分級部１５０に搬送する役目を備え、さらに、分級部１５０における分級処理に重要な役目を備えている。例えば、粉砕部１３０における粉砕衝撃を調節するために処理ガス量を変化させると、分級部１５０における分級すべき粒子の大きさまでも変化することになる。このため、処理可能な高度粉砕処理が非常に限定されるという問題点がある。

また、気流式粉砕機は粉砕処理できる処理物の量が少ないという欠点がある。例えば、粉砕部の容積をＶリットルとするとき、１時間に処理できる処理物の量は、０．１Ｖｋｇ以下となることが多い。或いは、処理ガス量１Ｎｍ^３で処理できる処理物の量は２０ｇ以下となることが多い。このため、設備全体が大型になるとともに、処理動力が非常に大きくなるという問題点がある。

特開２００７−３８１０９号公報

本発明の課題は、１００μｍ以下の微粉を得ることができる粉砕機であって、高度粉砕処理を実施することが可能であり、目標とする製品の粒子の状態、平均粒径、及び粒度分布の幅を非常に狭い範囲に限定することが可能な粉砕機を提供することにある。同時に、不純物の混入が少ない粉砕機であり、比較的小型で処理量が大きく、処理動力の小さい粉砕機を提供することにある。

本発明者らは、メディアを使用することなく処理物を撹拌して粉砕する自生粉砕に着目し、高度粉砕処理の可能性を調査するために種々の試験を試みた。その結果、粉砕部に処理物及び処理ガスを供給して自生粉砕を行うと、すなわち、処理ガスの流動下で処理物を撹拌して粉砕することにより、気流式粉砕機よりも大幅に拡大された粉砕機能が得られることを発見した。さらに、研究を重ねた結果、上記の課題を解決して理想的な高度粉砕処理を実施することが可能であることを確認し、本発明に到達した。

すなわち、本発明の請求項１に係る自生粉砕機は、竪型円筒状の容器内に、前記容器の底部を挿通して設けられる底部回転軸及び該底部回転軸に設けられる撹拌部材を備える粉砕部と、前記容器の頂部を挿通して設けられる頂部回転軸及び該頂部回転軸に設けられる分級ローターを備える分級部を形成し、前記粉砕部に処理物及び処理ガスを供給し、前記粉砕部において前記処理ガスの流動下で前記撹拌部材により前記処理物を撹拌して粉砕し、粉砕された前記処理物を前記処理ガスと共に前記分級部から排出する手段を採用している。

また、本発明の請求項２に係る自生粉砕機は、請求項１に記載の自生粉砕機において、前記粉砕部の断面積をＳｍ^２とするとき、前記処理ガスの供給量が毎時１０００〜３０００ＳＮｍ^３である手段を採用している。また、本発明の請求項３に係る自生粉砕機は、請求項１又は２に記載の自生粉砕機において、前記撹拌部材が、ピン型である手段を採用している。また、本発明の請求項４に係る自生粉砕機は、請求項１乃至３の何れかに記載の自生粉砕機において、前記撹拌部材の先端周速度が、毎秒１〜５ｍである手段を採用している。

さらに、本発明の請求項５に係る粉砕処理方法は、二次粒子からなる処理物を一次粒子からなる製品とする粉砕処理、又は三次粒子からなる処理物を二次粒子からなる製品とする粉砕処理において、請求項１乃至請求項４に記載の自生粉砕機を使用する手段を採用している。

上記のような構成としたことにより、粉砕部に導入された処理物は、処理ガス中に分散された状態を形成し、この状態で撹拌部材による粉砕処理を受けることになる。すなわち、粉砕部には流動層が形成され、この流動化状態において、処理物粒子は全体的に均一な処理を受けることになる。このため、一部の粒子のみが偏った処理を受けるということはない。

流動化状態における粉砕はソフトな粉砕を実現するとともに、撹拌部材の回転数を変えることにより、粉砕衝撃の強さを幅広い範囲で自由に調整可能である。この粉砕部の調整は簡単であるとともに、分級部における調整条件とは無関係に行うことができるので、気流式粉砕機における問題点が解決され、要求される粒子の性状に正確に対応することができる。

本発明の自生粉砕機は、１００μｍ以下の微粉を得ることができる粉砕機であって、目標とする製品の粒子の状態、平均粒径、及び粒度分布の幅を非常に狭い範囲に限定することが可能である。したがって、最近要求が高まっている種々の高度粉砕処理に対して幅広く対応することが可能であり、例えば、三次粒子を二次粒子とする粉砕処理を、二次粒子をさらに破壊することなく行うことが可能である。

本発明の自生粉砕機は、気流式粉砕機と同様にメディアを使用しないので、製品が不純物で汚染されることがない。さらに、本発明の自生粉砕機は、気流式粉砕機と比較して小型であり処理動力の小さな粉砕機とすることができる。すなわち、粉砕部の容積をＶリットルとするとき、１時間に処理できる処理物の量は１．０Ｖｋｇ以上となることが多い。また、処理ガス量１Ｎｍ^３で処理できる処理物の量は２００ｇ以上となることが多い。消費動力は、処理ガスを導入する低圧ファンの動力が主となるので、高圧のコンプレッサーを使用する気流式粉砕機と比較して大幅に低減される。

本発明の自生粉砕機の一例を示す概略縦断面図である。 従来のジェットミルを示す概略縦断面図である。

図１には本発明による自生粉砕機の一実施形態が示されている。この自生粉砕機１０は、竪型円筒状の容器２０が用いられ、容器２０内の下部に粉砕部３０が形成され、容器２０内の上部に分級部５０が形成されている点で、前述の気流式粉砕機１１０に類似している。

粉砕部３０は、容器２０の底部を挿通して設けられる底部回転軸４０と、底部回転軸４０に設けられる撹拌部材４１を備えている。底部回転軸４０は、回転数が可変であるものが好ましい。また、容器２０に対する底部回転軸４０のシール方法としては、ガスを用いるガスシールを採用することが好ましく、後述の処理ガスと同種のガスを用いることが好ましい。通常は、空気又は窒素ガスを用いることが多い。

撹拌部材４１は、粉粒体の撹拌混合で通常用いられる櫂型、翼型、ピン型等を採用することができる。断面が円形等で表面が滑らかに形成されたピン型を使用すると、処理物粒子の表面を滑らかに仕上ることができる。撹拌部材４１の回転速度は、その先端周速度を毎秒１０ｍ以下とすることが好ましく、毎秒１〜５ｍとすることによって、ソフトな粉砕処理を行うことができる。また、この範囲において、製品の微粉の粒径は、先端周速度が速いほど細かくなる。

容器２０には、処理物の供給口２１と処理ガスの供給口２２が設けられて、粉砕部３０に処理物及び処理ガスを供給することができる。処理ガスの流動下で処理物を撹拌して粉砕することにより優れた粉砕性能を得ることができる。処理ガスの供給口２２を複数個とすることにより、粉砕部３０内に偏りの少ないガス流を形成することができる。処理ガスとしては、特別な理由がない限り空気を用い、酸素を含むガスが好ましくない場合には窒素ガス等を用いることが多い。

処理ガスの供給量は処理物の性状や目標粒径によって変化させる必要があるが、その概略は粉砕部３０における上昇速度によって決定される。すなわち、粉砕部３０の断面積をＳｍ^２とするとき、処理ガスの供給量は、毎時５００ＳＮｍ^３以上とすることが好ましい。そして、毎時１０００〜３０００ＳＮｍ^３とすることがより好ましい。この範囲を採用することにより、粉砕部３０に好ましい流動化状態を形成することができる。図１に示すように、撹拌部材４１がボス部４２と羽根部４３で構成される場合には、粉砕部３０の断面積Ｓｍ^２にはボス部４２の断面積を含めないこととする。

本発明の自生粉砕機１０は、粉砕部３０内に処理物と処理ガスとを供給すると同時に撹拌部材４１を回転することにより粉砕処理を行う。撹拌部材４１の撹拌により処理ガス中に処理物が均一に分散され、流動層を形成した場合と同様な流動化状態が形成される。この流動化状態において、撹拌部材４１による自生粉砕が行われる。このため、処理物全体が均一に分散された状態で粉砕処理を受けることとなり、偏った処理を受けることがない。このため、得られる微粉の粒度分布の幅が狭くなると考えられる。

処理物の供給量は処理ガス量に比例させるが、得られる微粒子の目標粒径によっても変化することになる。例えば、目標平均粒径が２０μｍであれば処理ガス量１Ｎｍ^３で３００〜５００ｇの処理物が処理できる場合に、目標平均粒径を１０μｍに変えると、処理ガス量１Ｎｍ^３で処理できる処理物の量は１００〜３００ｇ程度となる。

粉砕部３０の高さは、直径と同程度とすることが好ましい。粉砕部３０の容積をＶリットルとするとき、１時間に処理できる処理物の量は１．０Ｖｋｇ以上となることが多い。ここで、粉砕部３０の容積Ｖリットルには、撹拌部材４１の体積を含めない値である。

分級部５０は、容器２０の頂部を挿通して設けられる頂部回転軸６０と、頂部回転軸６０に設けられる分級ローター６１を備えている。頂部回転軸６０は、回転数が可変であるものが好ましい。また、容器２０に対する頂部回転軸６０のシール方法としては、処理ガスと同種のガスを用いるガスシールを採用することが好ましい。通常は、空気又は窒素ガスを用いる。

分級ローター６１は、特許文献１に記載されているもの等、従来から知られた技術を使用することができる。通常、円板状の上部板６２、リング状の下部板６３、及び上部板６２と下部板６３の間に設けられる複数の羽根６４によって構成されている。羽根６４は、板状、翼状、ピン状等のものが使用され、処理物粒子に与える遠心力の強さや、処理物粒子による摩耗等を考慮して選定される。

分級ローター６１は、その直径及び回転速度によって選別する粒子の大きさを変えることができる。すなわち、得られる微粒子の粒径は、大きな直径で高速とするほど小さくすることになり、小さな直径で低速とするほど大きくなる。したがって、得られる微粒子の目標粒径に応じて、分級ローター６１の直径及び回転速度を設定することになる。

分級ローター６１の下部に対向して、捕集器６５が設けられている。捕集器６５は、分級ローター６１の内部と連通する空間６６が設けられ、空間６６から排出口２５に連通する流路が設けられている。そして、回転する分級ローター６１の下部と、容器２０に固定された捕集器６５との間には隙間ｅが形成されることになる。

処理ガスが、処理物を伴って隙間ｅから分級ローター６１又は捕集器６５の内側に流入すると、分級されない大きな粒子が流入することになる。したがって、処理ガスの流入を防ぐ必要があり、隙間ｅをガスシールすることが好ましい。すなわち、捕集器６５は外側にジャケットを備えた構造とし、シールガスの供給口２６からジャケットを通して隙間ｅにシールガスを流すことによって処理ガスの流入を防ぎ、大きな粒子が製品の微粉に混入することを防ぐことができる。分級部５０をこのように構成することによって、自生粉砕機１０は、所望する微粉を確実に得ることができる。

粉砕処理を受けた処理物は、処理ガスに同伴して粉砕部３０から分級部５０に運ばれ、処理ガスと共に分級ローター６１の羽根６４の部分を外側から内側に流入する。ここで、分級ローター６１の回転により、処理物粒子は遠心力を受ける。小さな粒子は内部に流入することができるが、大きな粒子は内部に流入することができない。したがって、微粉砕された処理物のみが処理ガスとともに排出されることになり、粒径の大きな処理物は粉砕部３０に落下して再度粉砕されることになる。これによって、製品粒子の粒度分布を非常に狭い範囲に限定することができる。

以上のように、本発明の自生粉砕機は、処理物を流動化状態で粉砕処理するために、均一でソフトな粉砕処理を行うことが可能であり、粉砕部及び分級部の調整に制限がなく、広範囲に高度粉砕処理を行うことができる。例えば、平均粒径が２０μｍであり、全体の８０％が１０〜３０μｍの間に含まれる微粉を製品として得ることができる。また、５μｍ以下の１次粒子が集合して２０μｍ程度の２次粒子を形成し、更にこの２次粒子が集合して１ｍｍ以上の３次粒子を形成してなる処理物を、本発明の自生粉砕機で粉砕処理することにより２０μｍ程度の２次粒子からなる製品とすることができる。

１０ 自生粉砕機
２０、１２０ 容器
２１、２２、２６、１２１ 供給口
２５、１２５ 排出口
３０、１３０ 粉砕部
４０ 底部回転軸
４１ 撹拌部材
４２ ボス部
４３ 羽根部
５０、１５０ 分級部
６０、１６０ 頂部回転軸
６１、１６１ 分級ローター
６２ 上部板
６３ 下部板
６４ 羽根
６５、１６５ 捕集器
６６ 空間
１１０ 気流式粉砕機
１３１ 粉砕ノズル

Claims (5)

1. 竪型円筒状の容器内に、
   前記容器の底部を挿通して設けられる底部回転軸及び該底部回転軸に設けられる撹拌部材を備える粉砕部と、前記容器の頂部を挿通して設けられる頂部回転軸及び該頂部回転軸に設けられる分級ローターを備える分級部を形成し、
   前記粉砕部に処理物及び処理ガスを供給し、前記粉砕部において前記処理ガスの流動下で前記撹拌部材により前記処理物を撹拌して粉砕し、粉砕された前記処理物を前記処理ガスと共に前記分級部から排出することを特徴とする自生粉砕機。
2. 前記粉砕部の断面積をＳｍ^２とするとき、前記処理ガスの供給量が毎時１０００〜３０００ＳＮｍ^３であることを特徴とする請求項１に記載の自生粉砕機。
3. 前記撹拌部材が、ピン型であることを特徴とする請求項１又は２に記載の自生粉砕機。
4. 前記撹拌部材の先端周速度が、毎秒１〜５ｍであることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の自生粉砕機。
5. 二次粒子からなる処理物を一次粒子からなる製品とする粉砕処理、又は三次粒子からなる処理物を二次粒子からなる製品とする粉砕処理において、請求項１乃至請求項４に記載の自生粉砕機を使用することを特徴とする粉砕処理方法。
   

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