JP2011245362A - ジェットミル用グライディングノズル、ジェットミル用エジェクターノズル及びそれらを備えたジェットミル - Google Patents

Abstract

【課題】ジェットミルに使用されるグライディングノズル、エジェクターノズルが元圧から、容器内の圧力に対してジェット噴射する際に、それに適合する膨張に適した構成のノズルが存在していなかったため、原材料の粉化に精巧性を欠いてしまう。
【解決手段】内室を平面的に真円形としたケーシングの側壁に均等割したピッチで備えられ、先端面をジェットの拡散のためケーシングの側壁内面と沿う弧状としてあるグライディングノズル１０において、スリットの幅がスロートより出口で拡大したラバールノズルを用い、内室を平面的に真円形としたケーシングの側壁の一部に備えられ、ジェットと共に原材料をケーシング内に供給するエジェクターノズルにおいて、元圧から膨張に適するものとするため、スロート面積よりも出口面積を元圧／粉砕室圧力の比に応じて大きくし、出口形状は、円形、楕円形または長方形断面とすることとする。
【選択図】図１

Description

本発明はジェットミルに関し、そのジェットミルに具備されるグライディングノズル及び原材料を供給するエジェクターノズルに関する。

従来より、種々の原材料を粉化する装置としてジェットミルが知られている。この従来のジェットミルは、平面的に真円形とした容器（ケーシング）の側壁に円周を均等分割した位置に高圧気体（ジェット）を前記容器内に噴射するグライディングノズルと、そのグライディングノズルの間もしくは容器の上方位置に高圧気体で原材料を容器内に供給するエジェクターノズルを備えた構成となっている。

また、この従来のジェットミルは基本的に容器内に供給された原材料を高圧気体によって容器内に飛散させ、容器の内壁面との衝突によって破砕、粉砕させるものとなっている。しかし、この壁面衝突によって生成された製品はどうしても粒度のバラ付きが大きくなり、容器の内壁面の磨耗が激しく、コンタミが多くなってしまい、装置としての損耗が早く、装置寿命も短くなってしまう。

そのため、近時は前記した点に鑑みて、グライディングノズルの先端面を容器の内壁面に沿う弧状とし、高圧気流を容器の内壁面に沿うものとして旋回流を同心状に生じさせ、原材料同士を旋回流中で衝突させるジェットミルが開発された。

上記したジェットミルに用いられる従来のグライディングノズルを図９に、エジェクターノズルを図１０として示す。まず、この従来のグライディングノズル１は平行なスリット（長さ５ｍｍ、幅０．５ｍｍ）ノズルとして構成されている。このグライディングノズル１によって元圧Ｐｅ（＝１．５ＭＰａ ａｂｓ.）を大気圧Ｐａ（＝０．１ＭＰａ ａｂｓ.）下にジェット噴射すると、Ｐｅ／Ｐａ＝１５となってバレル衝撃波が生成され、その後に速度が音速以下に減速する。

一方、上記したジェットミルに用いられる従来のエジェクターノズルは直管構成とされており、スロート２ｂの径と出口２ａの径が同一となっている。この直管構成では、出口２ａにあってバレルショックを発生し、このバレルショックが不規則に発生することによって、原材料である粉体の吸い込みを不規則なものとしてしまう可能性がある。

出願人は、本願発明について先行する技術文献を調査したが、格別に本願発明と関連し、類似すると思われる文献は発見できなかった。

本発明が解決しようとする問題点は、従来、ジェットミルに使用されるグライディングノズル、エジェクターノズルが元圧から、容器（ケーシング）内の圧力（大気圧）に対してジェット噴射する際に、それに適合する膨張に適した構成のノズルが存在していなかったという点であり、そのため、ジェットミルによる原材料の粉化に精巧性を欠いてしまうという点である。

上記した問題点を解決するために、本願発明に係るジェットミル用グライディングノズルは、ジェットミルの、内室を平面的に真円形としたケーシングの側壁に均等割したピッチで備えられ、その先端面をジェットの拡散のためケーシングの側壁内面と沿う弧状としてあるグライディングノズルにおいて、元圧から膨張に適するものとするため、スリットの幅がスロートより出口で拡大したラバールノズルを用いたことを特徴とし、前記したグライディングノズルのスロート面積に対し、出口面積を元圧（高圧気体）／粉砕室圧力の比に応じて大きくすることを特徴し、前記したグライディングノズルの出口形状を円形、楕円形または長方形断面とすることを特徴としている。

また、本願発明に係るジェットミル用エジェクターノズルは、ジェットミルの、内室を平面的に真円形としたケーシングの側壁の一部に備えられ、ジェットと共に原材料をケーシング内に供給するエジェクターノズルにおいて、元圧から膨張に適するものとするため、スロート面積よりも出口面積を元圧／粉砕室圧力の比に応じて大きくし、出口形状は、円形、楕円形または長方形断面とすることを特徴とし、前記したエジェクターノズルはスロート径を２ｍｍとし、出口径を３ｍｍとしたことを特徴としている。

さらに、本願発明に係るジェットミルは、前記した構成のグライディングノズル及びエジェクターノズルを備えていることを特徴としている。

本願発明は上記のように構成されている。そのため、一般的なサイズを有するケーシングと、一般的なコンプレッサーから得られる元圧を使用して、ジェットをケーシング内で良好に膨張させてケーシング内の気圧と適合させることができるようになり、原材料の粉化作業を精巧なものとすることができる。また、この構成によると、高圧気体がストレートに噴射されることとなって、比較的比重の軽い原材料は特に有効となる。

本発明を実施したグライディングノズルを示す図である。 本発明を実施したエジェクターノズルを示す図である。 出口圧力（チャンバー圧力）とグライディングノズルの最適出口径の関係を示すグラフである。 エジェクターノズルの出口径と出口圧力の関係を示すグラフである。 元圧と流量及びマッハ数の関係を示すグラフである。 元圧と出口圧に面積比が及ぼす影響を示すグラフである。 Ｔａｌｃ（滑石）で実験した結果を比較して示すグラフである。 Ｃａで実験した結果を比較して示すグラフである。 従来のグライディングノズルを示す図である。 従来のエジェクターノズルを示す図である。

図として示し、実施例で説明したように構成したことで実現した。

次に、本願発明の好ましい実施の例を図１乃至図８を参照して説明する。図中１０は本実施例に係るラバールノズルを用いたグライディングノズルである。このグライディングノズル１０も従来と同様に高圧気体の流路はスリット状とされているが、スロート面積を長さ５ｍｍ、幅０．０５ｍｍとしているのに対し、出口面積を長さ５ｍｍで幅１．１ｍｍとし、幅を大きく拡大した構成としてある。尚、図中１１はこのグライディングノズル１０が具備される容器（ケーシング）を示し、その内壁に沿うよう先端を弧状のものとしてある。

図３として示すグラフは、コンプレッサーから得られる元圧１．５ＭＰａと１．１１ＭＰａの場合の各々の最適な出口幅を示しているもので、それは各々１．２ｍｍと１．０ｍｍとなっている。ジェットミルの場合、元圧は１．５ＭＰａが使用されることが多く、前記した数値の中間として１．１ｍｍが良いこととなる。この時、空気温度は約−１２０℃と大きく低下する。

また、図中１２は、本実施例に係るラバールノズルを用いたエジェクターノズルである。このエジェクターノズル１２は従来と同様にスロート１２ｂの径を２ｍｍとしてあるが、出口１２ａの径を３ｍｍとしてある。これは、図４に示すグラフに示されるように、出口圧力は元圧によって変化するが、容器１１内の圧力が大気圧であるなら７６０ｔｏｒｒであるので、これに適した出口径を選ぶということより設定された。即ち、元圧１．５ＭＰａの場合の最適出口径は３．１５ｍｍ、１．１ＭＰａの場合２．７８ｍｍであることから平均的となる３ｍｍを選択している。

前記したグライディングノズル１０及びエジェクターノズル１２はいずれも出口が拡開された構成となるので、ジェット噴射後に、従来のようなバレル衝撃波が生じることもないので、ジェットの速度は低減されることがない。即ち、超音速状態で、かつ、ストレートに容器１１内へ噴射される。勿論、出口径の拡開や、グライディングノズル１０の場合の先端形状によって、このジェットは拡散され、容器１１内には高圧気体による旋回流が生じる。特に、比重の軽い原材料を対象とする場合、その原材料は良好に容器内で浮遊することとなり、良好な粉化効果が望める。

次いで、前記した各ノズル１０、１２の数値を得るための基本的な設計方法を述べる。まず、ノズルによる流量は元圧とスロート面積によって決定される（式(１)）。ここから、導き出されるのは元圧に応じて流量が決まるということで、
流量（Ｎｍ³／ｍｉｎ）＝スロート面積×（図５ａ中の回帰式；０．１０３５×元圧＋０．０００８）−(１)
仮に、流量が出ない場合はノズルに至るまでに原因があり、例えば、配管圧損、コンプレッサーの劣化等による元圧の低下がその原因となる。

また、正常なラバール設計によれば、出口面積／スロート面積（＝面積比）によってマッハ数（速度）が決まる。図５ｂのグラフがそれを示している。ここでいう正常なラバール設計とは図６のグラフにあって、出口圧力と等しい面積比（＝出口面積／スロート面積）を持つノズルを設計することである。本願発明に関し、出口圧力とは容器１１の中の圧力であり、大気圧の場合は７６０ｔｏｒｒとなり、これに適した面積比が望ましい。

最適面積比＝（７５６．３７８８＋１９９４．７×元圧）／（１．９０９＋６０９．２８×元圧）−(２)
但し、この式(２)で元圧はＭＰａ ａｂｓ.である。この式(２)によると、元圧１．３ＭＰａ ａｂｓ.では面積比が２．２となる。即ち、スロート径２ｍｍに対して出口径３ｍｍが最適（面積比＝３²／２²）となる。
また、ノズル断面形状は面積比が保たれてさえいれば、円形、楕円形、長方形等、装置の形状制約によって、自在に変更可能である。

このことから、最適となるラバールノズルを設計するには(２)式に元圧を代入し、最適面積比を求め、次に、必要な流量から(１)式を用いてスロート面積を求める。最後に、出口面積は、
出口面積＝最適面積比×スロート面積から求められる。

さらに、本実施例で説明したノズル（１．３ＭＰａに対応）を実機に装着し、Ｔａｌｃ（滑石）及びＣａ（カルシウム）での操業（実験）結果を説明する。まず、空運転（空吹き）で各ノズル１０、１２は共に、送風圧１．３５ＭＰａ ａｂｓ．を確保できていることを確認した。ラバールノズルは、この実験では１．３ＭＰａの元圧で最適なジェットとなるよう設計してあり、そのため、操業中はジェット戦闘機の排気音と似た特有の甲高い高周波音を発生した。この実験は直管ノズルとの比較で結果を出すこととした。

まず、Ｔａｌｃ（滑石）（真比重２．７〜２．８）では、原材料の投入後もグライディングノズル、エジェクターノズルともに送風圧は１．３５ＭＰａを確保することができた。運転時間２０分での粉体の粒度分析（ＣＩＬＡＳ分析計）の結果を図７に示す。この図７より、ラバールノズルが直管より勝っていることが判る。即ち、容器内で高速回転するほど、粉砕が進行することを明らかにしている。

次に、Ｃａ（カルシウム）（真比重１．５５、ＣａＯの場合約２）では、この実験でエジェクターノズルを１．３５ＭＰａとしても、粉体供給装置からの吹き上げのため、グライディングノズルの元圧を０．６ＭＰａ以上に上昇させることができなかったので、一旦、操業を中止し、途中でエジェクターノズルの径を大きくした。その結果グライディングノズルの元圧は０．８ＭＰａまで上昇できるようになった。この条件下での結果を図８として示す。

この図８にあって、ラバールノズルを使用した結果で二つのピークが出ているが、これはエジェクターノズルを操業途中で大口径のものに変換したため、この操業停止時にバイパスして流れた粉体があったためと推定される。尚、実験の順序はラバールノズルを使用した粉砕の後で、直管での粉砕をしており、直管でのデータは一つのピークしかできていない。このことからラバールノズル使用での二つのピークは操業停止を考慮するとつじつまが合う。即ち、ラバールノズルにおける小さいピークが無い場合は５０％粒径の結果で解るように、ラバールノズルの方が直管に比して粒度が小さく、ピークも鋭くなり、図７で示した同様の結果が得られていたものと推定される。

上記した実験の結果、ラバールノズルをグライディングノズル及びエジェクトノズルとして使用する方が直管ノズルを使用するよりも粉砕能力が勝っていることが明白となり、伴なうジェット排気音である高周波は装置が稼動していることの特長、証明ともなるが、必要ならば特定の周波数であるので防音措置も可能なものとなる。

このように、グライディングノズル、エジェクターノズルにラバールノズル、それも最適に計算設計されたラバールノズルを使用することで、バレル衝撃波の発生を抑え、超音速（高速）のジェットを容器内にストレートに噴射し、高速な回転を得ることができることとなって、粉砕能力は著しく向上し、得られる製品の精度も向上することとなる。

１０ ラバールノズルを用いたグライディングノズル
１１ 容器
１２ ラバールノズルを用いたエジェクターノズル
１２ａ 出口
１２ｂ スロート

Claims (6)

1. ジェットミルの、内室を平面的に真円形としたケーシングの側壁に均等割したピッチで備えられ、その先端面をジェットの拡散のためケーシングの側壁内面と沿う弧状としてあるグライディングノズルにおいて、元圧から膨張に適するものとするため、スリットの幅がスロートより出口で拡大したラバールノズルを用いたことを特徴とするジェットミル用グライディングノズル。
2. 前記したグライディングノズルのスロート面積に対し、出口面積を元圧（高圧気体）／粉砕室圧力の比に応じて大きくすることを特徴とする請求項１に記載のジェットミル用グライディングノズル。
3. 前記したグライディングノズルの出口形状を円形、楕円形または長方形断面とすることを特徴とする請求項２に記載のジェットミル用グライディングノズル。
4. ジェットミルの、内室を平面的に真円形としたケーシングの側壁の一部に備えられ、ジェットと共に原材料をケーシング内に供給するエジェクターノズルにおいて、元圧から膨張に適するものとするため、スロート面積よりも出口面積を元圧／粉砕室圧力の比に応じて大きくし、出口形状は、円形、楕円形または長方形断面とすることを特徴とするジェットミル用エジェクターノズル。
5. 前記したエジェクターノズルはスロート径を２ｍｍとし、出口径を３ｍｍとしたことを特徴とする請求項４に記載のジェットミル用エジェクターノズル。
6. 請求項１乃至３に記載のグライディングノズルと、請求項４乃至５に記載のエジェクターノズルを備えていることを特徴とするジェットミル。

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