JP2012106263A - 固形物成形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】かさ比重の小さいものも圧縮して固形化することができ、植物由来のバイオマス燃料を製造できる固形物成形装置を提供すること。
【解決手段】
固形物成形装置１は、材料供給室３を備えた本体ケーシング２と、材料供給室３に連通する貫通孔５１を備えた円筒スリーブ５０を内装するシリンダ４０と、本体ケーシング２とシリンダ４０との間に装着された第１及び第２フォーマ２０、３０と、本体ケーシング２の材料供給室３及び円筒スリーブ５０の貫通孔５１内で回転可能に支持された回転体１０とを備える。回転体１０は、材料供給室３内に供給された材料を擂り潰して圧縮するとともに前方側に送る擂潰圧縮スクリュー１１と、擂潰圧縮スクリュー１１によって送られてきた材料をさらに圧縮して前方側に送る搬送圧縮スクリュー１２とを有する。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えばオガ粉等の粉状に粉砕された材料から、円筒状の固形物を成形する固形物成形装置に関する。

近年、重油等の枯渇性資源を代替し得る資源として、植物等の生物体（バイオマス）を構成する有機物から作られるバイオマス燃料が注目されている。このバイオマス燃料の１つに、木屑、間伐材、建設廃材等から作られる固形化燃料が知られるが、これに関連して、例えば実開昭５６−１５９１２９号公報には、粉状に粉砕された植物性材料から円筒状の固形燃料を成形する固形化燃料製造装置が開示されている。この従来の固形化燃料製造装置は、材料供給室内に供給されるオガ粉や木粉等の材料を、送り羽根を備えた回転体により強圧的に送り出し、フォーマを通過させることにより円筒状に固形化させるように構成されている。

実開昭５６−１５９１２９号公報

ところで、近年では、環境問題への取り組みが進むにつれ、固形燃料の材料として用いられる対象が広がり、かさ比重の比較的小さい刈草や籾殻等も用いられ始めている。しかしながら、上記従来の製造装置では、回転体とフォーマとの間における材料の圧縮効果が小さく、かさ比重が小さいもの（例えば０．０１〜０．１の範囲にあるもの）を固形化することが難しかった。

そこで、本発明の課題は、かさ比重の小さいものも圧縮して固形化することができ、植物由来のバイオマス燃料を製造することができる固形物成形装置を提供することにある。

上記課題を達成するため、本発明の固形物成形装置は、材料供給室内に投入された材料を圧縮し、この材料供給室に連通する円筒スリーブ内に押し出して円筒状の固形物を成形する固形物成形装置において、
上記材料供給室の材料排出側に取り付けられ、先端に向かうにつれて縮径する貫通孔を有する第１フォーマと、
上記第１フォーマの貫通孔の内周面に先端部が近接した状態で上記材料供給室内に回転可能に支持され、先端側に向かって縮径する軸部と、上記材料供給室の材料を排出側に送るための送り羽根とを有する第１搬送部材と、
上記第１フォーマの先端側に隣接して取り付けられ、先端に向かうにつれて縮径する貫通孔を有する第２フォーマと、
上記第２フォーマの貫通孔を挿通するように上記第１搬送部材の先端側に取り付けられ、上記第２フォーマの貫通孔の内周面に対向する位置に送り羽根が設けられた第２搬送部材とを備えることを特徴としている。

上記構成によれば、材料供給室の材料が、第１フォーマと第１搬送部材の間で擂り潰されるとともに圧縮され、先端側に送られる。この材料が、第２搬送部材と第２フォーマとの間で更に圧縮されて円筒スリーブに送られる。したがって、この固形物成形装置は、かさ比重の小さい材料を効果的に圧縮でき、かさ比重の高い固形物を成形することができる。

一実施形態の固形物成形装置は、上記第１搬送部材は、上記軸部の少なくとも先端側が、軸方向断面において略放物線状の輪郭をなすように形成されている。

上記実施形態によれば、第１搬送部材が第１フォーマとの間を通して材料を先端側に送るにつれて、軸部の軸方向断面の輪郭が直線状をなす場合よりも、高い圧縮力を作用させることができる。この第１搬送部材の軸部の基端側を、軸方向断面において、先端部よりも縮径する割合の小さい輪郭に形成することにより、材料供給室の材料を送り羽根が十分に捉えて先端側に送ることができる。したがって、第１搬送部材と第１フォーマにより、効果的に高い圧縮効果を得ることができる。

一実施形態の固形物成形装置は、上記第１搬送部材は、螺旋状の上記送り羽根が、同一軸周りに複数個設置されたものである。

上記実施形態によれば、例えば刈草や籾殻等のかさ比重の比較的少ない材料を、効果的に圧縮して、かさ比重を増大させることができる。

一実施形態の固形物成形装置は、上記材料供給室内に投入された材料のかさ比重が０．０２以上０．２３以下であり、上記円筒スリーブから排出される固形物のかさ比重が０．８５以上１．１５以下である。

上記実施形態によれば、第１搬送部材及び第２搬送部材の回転に伴い、第１搬送部材と第１フォーマとによって材料を効果的に擂り潰して圧縮し、さらに、第２搬送部材と第２フォーマとによって材料を効果的に成型する。これにより、材料供給室内に投入されてかさ比重が０．０２以上０．２３以下の材料を処理して、かさ比重が０．８５以上１．１５以下の固形物を、円筒スリーブから排出することができる。

本発明の実施形態に係る固形物成形装置の縦断面図である。 シリンダと、第１及び第２フォーマと、本体ケーシング２とを分解して示した分解断面図である。 回転体と駆動軸を取り出して分解して示した分解断面図である。

以下、本発明の実施形態に係る固形物成形装置について、添付図を参照しながら詳細に説明する。なお、実施形態の固形物成形装置に関して、「先端側」及び「前方側」は、ケーシング２から見て円筒スリーブ５０内を材料が搬送される方向をいう一方、「基端側」及び「後方側」は、ケーシング２から見て芯棒６に沿ってプーリ９に向かう方向をいう。

図１は、実施形態の固形物成形装置１の縦断面図であり、図２は、固形物成形装置１のシリンダと、第１及び第２フォーマと、本体ケーシング２とを分解して示した分解断面図である。図３は、回転体と駆動軸を取り出して分解して示した分解断面図である。

この固形物成形装置１は、粉状に粉砕された植物性材料から円筒状の固形燃料を製造する装置であり、その基本構成として、材料供給室３を備えた本体ケーシング２と、材料供給室３に連通する貫通孔５１を備えた円筒スリーブ５０を内装するシリンダ４０と、本体ケーシング２とシリンダ４０との間に装着された第１及び第２フォーマ２０、３０と、本体ケーシング２の材料供給室３及び円筒スリーブ５０の貫通孔５１内で回転可能に支持された回転体１０とを備える。

本体ケーシング２内には、前方側に、上部の開口から材料供給が投入される材料供給室３を有する一方、後方側に、材料搬送用の回転体１０に連結される駆動軸５を支持する軸受機構を有する。軸受機構は、ラジアルベアリング７と、ラジアル及びスラストベアリング８を有している。駆動軸５は、先端側が、材料供給室３内に突出して回転体１０に連結される一方、基端側が、本体ケーシング２から後方側に突出してプーリ９に連結されている。上記駆動軸５は、外部モータ等の動力源（不図示）より動力伝達ベルト（不図示）を介してプーリ９に動力が伝えられて、回転駆動させられる。この駆動軸５の回転に伴い、材料搬送用の回転体１０が回転駆動させられる。

回転体１０は、材料供給室３内に供給された材料を擂り潰して圧縮するとともに前方側に送る第１搬送部材としての擂潰圧縮スクリュー１１と、擂潰圧縮スクリュー１１の先端側に取り付けられ、擂潰圧縮スクリュー１１によって送られてきた材料をさらに圧縮して前方側に送る第２搬送部材としての搬送圧縮スクリュー１２とを有している。擂潰圧縮スクリュー１１と搬送圧縮スクリュー１２は、軸部１１ａ，１２ａと、各軸部１１ａ，１２ａの外周面に設けられた螺旋状の送り羽根１１ｂ，１２ｂとで大略構成されている。

擂潰圧縮スクリュー１１は、先端部が、第１フォーマ２０の内周面に対向するように配置される。この擂潰圧縮スクリュー１１は、先端側に向かうにつれて縮径する形状を有し、より具体的には、軸方向に沿った断面において、擂潰圧縮スクリュー１１の軸部１１ａが、放物線状の輪郭をなすように形成されている。

搬送圧縮スクリュー１２は、擂潰圧縮スクリュー１１よりも小さい径を有し、その先端側に、軸方向前方に向かうにつれ先細になるテーパ部１２ｃを備えている。

図１に示されるように、擂潰圧縮スクリュー１１は、材料供給室３内の先端側で第１フォーマ２０に取り囲まれるように保持される一方、搬送圧縮スクリュー１２は、シリンダ４０の基端側に配設される第２フォーマ３０の貫通孔３１内、及び、円筒スリーブ５０の貫通孔５１内に保持される。

図３からよく分かるように、搬送圧縮スクリュー１２は、擂潰圧縮スクリュー１１の先端側に形成された嵌合孔１１ｂに嵌入されている。搬送圧縮スクリュー１２は、その基端側が、嵌合孔１１ｂに連通するように擂潰圧縮スクリュー１１の基端側に形成された嵌合孔１１ｅ内に突出し、軸方向後方に向かって延びている。ここで、搬送圧縮スクリュー１２に設けられた拡径部１２ｄが、擂潰圧縮スクリュー１１に設けられた係止部１１ｃに当接することで、搬送圧縮スクリュー１２の軸方向後方への移動が規制される。

また、擂潰圧縮スクリュー１１の嵌合孔１１ｂ内に、軸方向に沿って延びるキー溝１１ｄが設けられる一方、搬送圧縮スクリュー１２の外周面にキー１２ｅが設けられており、これらキー溝１１ｄとキー１２ｅが互いに係合することにより、擂潰圧縮スクリュー１１と搬送圧縮スクリュー１２の相対回転が規制される。

更に、材料搬送用の回転体１０及び駆動軸５の連結に関して、駆動軸５は、擂潰圧縮スクリュー１１の基端側に形成された嵌合孔１１ｅに嵌入されている。擂潰圧縮スクリュー１１の嵌合孔１１ｅ内に、軸方向に沿って延びるキー溝１１ｆが設けられる一方、駆動軸５の外周面にキー５ｂが設けられており、これらキー溝１１ｆとキー５ｂが互いに係合することにより、擂潰圧縮スクリュー１１と駆動軸５の相対回転が規制される。

また、更に、搬送圧縮スクリュー１２は、その基端側が、駆動軸５の先端側に形成された嵌合孔５ａに嵌入されている。加えて、搬送圧縮スクリュー１２の基端側に形成されたネジ穴１２ｆには、駆動軸５の中心に挿通させられた芯棒６の先端部が螺入されている。この芯棒６は、その基端側で、プーリ９の後方側にナット止めされており、このナット８３を締めることで芯棒６に生じた引張り力により、搬送圧縮スクリュー１２が擂潰圧縮スクリュー１１側に引っ張られ、また、同時に、擂潰圧縮スクリュー１１が、駆動軸５側に引っ張られる。これにより、擂潰圧縮スクリュー１１、搬送圧縮スクリュー１２及び駆動軸５が、互いに堅固に固定されている。

第１フォーマ２０は、本体ケーシング２の前方側で、材料供給室３の材料排出口４に嵌入されて装着されている。第１フォーマ２０に設けられたフランジ２４が、材料排出口４に設けられた係止部４ａに当接することで、第１フォーマ２０の軸方向後方への移動が規制される。また、材料供給室３の材料排出口４内に、軸方向に沿って延びるキー溝４ｂが設けられる一方、第１フォーマ２０の外周面にキー２３が設けられており、これらキー溝４ｂとキー２３が互いに係合することにより、材料排出口４に対する第１フォーマ２０の回転が規制される。

そして、第１フォーマ２０は貫通孔２１を有し、この貫通孔２１の内周面が、擂潰圧縮スクリュー１１の先端部を含む前方部分に近接して取り囲んでいる。また、擂潰圧縮スクリュー１１と第１フォーマ２０との間で材料をスムーズに送るため、この貫通孔２１の内周面に、軸方向に沿って放射状に複数の丸凹溝２２が切られている。

擂潰圧縮スクリュー１１と第１フォーマ２０との間には、材料を送り羽根１１ｂで送りながら擂り潰すとともに圧縮する処理室が形成される。処理室は、軸直角方向の断面がドーナツ型の形状を有し、処理室の横断面積が、基端側から先端側に向かって減少するように形成されている。

第２フォーマ３０は、シリンダ４０の基端側に装着固定されるもので、シリンダ４０の基端側に形成された嵌合孔４２に嵌入されている。ここでは、嵌合孔４２内に、軸方向に沿って延びるキー溝４２ａが設けられる一方、第２フォーマ３０の外周面にはキー３３が設けられている。これらキー溝４２ａ及びキー３３が互いに係合することにより、嵌合孔４２に対する第２フォーマ３０の回転が規制される。

第２フォーマ３０は、その先端側、すなわち、円筒スリーブ５０の材料排出側に向かうにつれ縮径する貫通孔３１を有している。また、搬送圧縮スクリュー１２と第２フォーマ３０との間で材料をスムーズに送るために、貫通孔３１の内周面には、軸方向に沿って複数の丸凹溝３２が切られている。この丸凹溝３２の数は、第１フォーマ２０の貫通孔２１における丸凹溝２２の数と同じに設定されている。

図１に示されるように、シリンダ４０がフランジ４３を介してボルト８２で本体ケーシング２に固定された状態では、 第１及び第２フォーマ２０、３０は互いに密接した状態に保持される。また、この状態では、各フォーマ２０、３０の貫通孔２１、３１の内周面に切られた丸凹溝２２、３２が、第１及び第２フォーマ２０、３０にわたって連続する。

本実施形態の固形物成形装置１は、第１フォーマ２０の貫通孔２１の内周面が、擂潰圧縮スクリュー１１の先端部を含む前方部分に近接して取り囲むように設けられるため、擂潰圧縮スクリュー１１と第１フォーマ２０との間で、材料を効果的に擂り潰して圧縮することができる。その結果、かさ比重の大きい材料に加え、かさ比重の小さい材料をも効果的に圧縮することができて、かさ比重の高い固形物を成形することができる。

加えて、本実施形態の固形物成形装置１では、擂潰圧縮スクリュー１１及び第１フォーマ２０の前方側に、搬送圧縮スクリュー１２及び第２フォーマ３０が設けられるので、擂潰圧縮スクリュー１１と第１フォーマ２０との間で圧縮された材料を、搬送圧縮スクリュー１２と第２フォーマ３０との間で更に圧縮した上で、円筒スリーブ５０内に送ることができ、材料を確実に圧縮させることができる。

また、本実施形態では、擂潰圧縮スクリュー１１の断面外形が放射線状をなすので、直線状をなす場合よりも、第１フォーマ２０との間に材料を送るにつれて高い圧縮力を作用させることができる。さらに、擂潰圧縮スクリュー１１の基端側では縮径する割合が小さいため、送り羽根１１ｂが十分な材料を捉えつつ送ることができ、その結果、擂潰圧縮スクリュー１１と第１フォーマ２０による処理効率を高めることができる。

更に、擂潰圧縮スクリュー１１の送り羽根１１ｂは、擂潰圧縮スクリュー１１の軸まわりに、複数枚（本実施形態では３枚）の送り羽根１１ｂが螺旋状に設けられている。本実施形態では、３枚の送り羽根１１ｂが設けられた擂潰圧縮スクリュー１１が用いられるが、２〜６枚の送り羽根１１ｂが設けられた擂潰圧縮スクリュー１１をが、使用される材料のかさ比重に応じて適宜選択されてもよい。例えば、かさ比重の小さい材料が使用される場合には、送り羽根１１ｂのピッチが小さい擂潰圧縮スクリュー１１を選択し、また、かさ比重が大きい材料が使用される場合には、送り羽根１１ｂのピッチが大きい擂潰圧縮スクリュー１１を選択することができる。

シリンダ４０は、その貫通孔４１内に、材料供給室に連通する貫通孔５１を備えた円筒スリーブ５０を内装する。ここでは、円筒スリーブ５０の外周面に、軸方向に沿って延びるキー５２が設けられる一方、シリンダ４０の貫通孔４１にキー溝４１ａが設けられている。これらキー溝４１ａとキー５２が互いに係合することにより、シリンダ４０に対する円筒スリーブ５０の回転が規制されるとともに、シリンダ４０内で円筒スリーブ５０が軸方向に摺動可能となっている。

また、シリンダ４０の外側には、擂潰圧縮スクリュー１１、搬送圧縮スクリュー１２、第１及び第２フォーマ２０、３０により成形されてなる固形物を、円筒スリーブ５０を通過する間に加熱し乾燥させるために、ヒータ６０（仮想線で示す）が装備されている。

更に、シリンダ４０の先端側には、先端フランジ７０が、複数のボルト８１によってシリンダ４０に対する軸方向位置が調節可能に固定されている。先端フランジ７０は、円筒スリーブ５０の内径にほぼ等しい口径の孔７１を備え、この孔７１が固形物の排出口となる。先端フランジ７０の基端側は、内周部分が外周部分よりも突出して形成され、この突出部がシリンダ４０の内周壁に嵌合するように取り付けられている。先端フランジ７０の突出部の端面が円筒スリーブ５０の先端側の端面に当接しており、ボルト８１の螺合位置を調節して先端フランジ７０のシリンダ４０に対する軸方向位置を調節することにより、上記突出部の軸方向位置を調節して、円筒スリーブ５０のシリンダ４０に対する軸方向位置を調節するようになっている。ひいては、円筒スリーブ５０の基端側の端面に当接する第２フォーマ３０と、この第２フォーマ３０の基端側に接する第１フォーマ２０の軸方向位置が調節されるようになっている。これにより、第１フォーマ２０の磨耗によって増大した擂潰圧縮スクリュー１１と第１フォーマ２０との間の隙間を、ボルト８１の螺合位置を調節することによって、規定の間隔となるように調整することができる。本実施形態の固形物成形装置１では、従来の固形化燃料製造装置よりも大きな圧縮効果が達成されるので、磨耗が従来よりも大きくなることが予想されるが、上記ボルト８１の調節により、磨耗に応じた隙間の調整を容易に行うことができる。したがって、第１フォーマ２０の交換や修理の頻度を抑えることができる。

なお、擂潰圧縮スクリュー１１及び搬送圧縮スクリュー１２や第１及び第２フォーマ２０、３０の磨耗が限界まで進行した場合には、金属の肉盛や交換によって対処される。更に、第１フォーマ２０の先端側のフランジ２４に係止する板材を複数枚設け、この板材の数を調整することにより、第１フォーマ２０の位置を軸方向に調整可能としてもよい。その結果、擂潰圧縮スクリュー１１と第１フォーマ２０との間の間隔を調整することができる。

更に、本実施形態の固形物成形装置１では、擂潰圧縮スクリュー１１及び搬送圧縮スクリュー１２を含む回転体１０は、ナット８３を芯棒６から取り外すことにより、駆動軸５に対して着脱可能となっている。すなわち、シリンダ４が本体ケーシング２に対して取り外された状態から、ナット８３の取付け又は取外し作業のみにより、擂潰圧縮スクリュー１１及び搬送圧縮スクリュー１２の着脱が可能であり、それらの交換作業を比較的容易に実施することができる。使用される材料や擂潰圧縮スクリュー１１及び搬送圧縮スクリュー１２の種類によっては、送り羽根１１ｂ、１２ａの磨耗速度が大きく、擂潰圧縮スクリュー１１及び搬送圧縮スクリュー１２の交換頻度が高くなることがあるが、この場合においても、擂潰圧縮スクリュー１１及び搬送圧縮スクリュー１２の着脱が容易に可能であり、擂潰圧縮スクリュー１１及び搬送圧縮スクリュー１２の交換作業の手間を少なくできる。

以上のように構成された固形物成形装置１によれば、例えば、従来装置では、使用対象となる材料が、かさ比重が比較的大きいもの（例えば０．１〜０．２の範囲にある材料）に限定されたが、籾殻や刈草等の小比重のものから、オガ粉や木屑等の大比重のものまで幅広く対応することができる。例えば、籾殻や刈草等の小比重の材料は、かさ比重が０．０２〜０．１である。一方、オガ粉や木屑等の大比重の材料は、かさ比重が０．１〜０．２３である。これらの材料を処理して、かさ比重が０．８５以上１．１５以下の固形物を得ることができる。より具体的に、固形燃料の材料としては、木屑に加え、刈草、籾殻、藁、バカス（サトウキビの搾りかす）、椰子の房、大豆の殻、大豆の搾りかす、蕎麦の殻、綿花の殻、向日葵の種子の殻、ヤトロバ（南洋油桐）の殻、コーヒーの焙煎カス（チャフ）等の多様な植物バイオマスを用いることができる。なお、材料としては、植物バイオマス以外に、古紙や廃プラスチック等が用いられてもよい。また、固形物成形装置１では、植物バイオマスか否かにかかわらず、水分量が材料を圧縮して固めるのに必要な範囲（具体的には７〜２０質量％、好ましくは１５質量％）にある材料が用いられる。

また、本実施形態の固形物成形装置１によれば、特に材料が植物性材料である場合、材料を構成するセルロースとヘミセルロースの破壊組織を、同じく材料を構成するリグニンで再接着し、材料の固形化を効果的に行うことができる。すなわち、円筒スリーブ５０の通過に際しては、固形物が、シリンダ４０の外周に設けられたヒータ６０により加熱されるが、擂潰圧縮スクリュー１１と第１フォーマ２０との間における加熱前の材料の擂り潰し及び圧縮によって、ヒータ６０による加熱の作用が高まり、効果的なリグニン抽出が期待される。より詳しくは、ヒータ６０の加熱により、セルロース及びヘミセルロースとともに破壊されたリグニンを溶かし、溶けたリグニンを、円筒スリーブ５０内で成形されてなる成形物の繊維質に再度浸透させることができる。リグニンが繊維質に再度浸透してなる成形物は、円筒スリーブ５０を通過して排出された後に強制冷却又は自然冷却により冷却されると、リグニンが硬化することで強固な固形物となる。

１ 固形物成形装置
２ 本体ケーシング
３ 材料供給室
４ 材料排出口
５ 駆動軸
６ 芯棒
１０ 材料搬送用の回転体
１１ 擂潰圧縮スクリュー
１１ａ、１２ａ 軸部
１１ｂ、１２ｂ 送り羽根
１２ 搬送圧縮スクリュー
２０ 第１フォーマ
２１、３１ 貫通孔
２２、３２ 丸凹溝
３０ 第２フォーマ
４０ シリンダ
５０ 円筒スリーブ
６０ ヒータ
７０ 先端フランジ

Claims (4)

1. 材料供給室内に投入された材料を圧縮し、この材料供給室に連通する円筒スリーブ内に押し出して円筒状の固形物を成形する固形物成形装置において、
   上記材料供給室の材料排出側に取り付けられ、先端に向かうにつれて縮径する貫通孔を有する第１フォーマと、
   上記第１フォーマの貫通孔の内周面に先端部が近接した状態で上記材料供給室内に回転可能に支持され、先端側に向かって縮径する軸部と、上記材料供給室の材料を排出側に送るための送り羽根とを有する第１搬送部材と、
   上記第１フォーマの先端側に隣接して取り付けられ、先端に向かうにつれて縮径する貫通孔を有する第２フォーマと、
   上記第２フォーマの貫通孔を挿通するように上記第１搬送部材の先端側に取り付けられ、上記第２フォーマの貫通孔の内周面に対向する位置に送り羽根が設けられた第２搬送部材とを備えることを特徴とする固形物成形装置。
2. 請求項１に記載の固形物成形装置において、
   上記第１搬送部材は、上記軸部の少なくとも先端側が、軸方向断面において略放物線状の輪郭をなすように形成されていることを特徴とする固形物成形装置。
3. 請求項１又は２に記載の固形物成形装置において、
   上記第１搬送部材は、螺旋状の上記送り羽根が、同一軸周りに複数個設置されたことを特徴とする固形物成形装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１つの固形物成形装置において、
   上記材料供給室内に投入された材料のかさ比重が０．０２以上０．２３以下であり、上記円筒スリーブから排出される固形物のかさ比重が０．８５以上１．１５以下であることを特徴とする固形物成形装置。

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