JP2013525094A - 材料処理および装置 - Google Patents

Abstract

整合性のある円筒形のハウジング中を素早く回転しているローターを使う超微細粉砕のための方法と装置で、粉砕の実効性を援助するための円筒形面上の摩擦誘発表面の改良がある。

Description

この発明は、材料処理方法と、また材料の処理を成し遂げるための装置に関する。

この発明が向けられている問題は、材料が非常に小さいサイズに効率的に壊されることができるような材料の処理に関する。

我々は、粒子の小さいサイズへの粉砕を成し遂げるための円筒形キャビティ内の回転するローターを含んだ装置を以前に記載した。

その例が豪州特許AU2005204977に記載されているこの以前の装置は、粒子サイズのいくらかの縮小を提供したが、多くの場合には比較的非効率的であり、また望まれるであろう程の粒子の縮減を可能にはしなかった。

我々は、装置と方法に比較的控えめな変更をすることによって、処理の改善された効率を得ることができることを発見した。

この発明の一形態では、それは、粒子のサイズを削減する粒子処理方法であって、実質的に円筒形の部分と、実質的に円筒形の部分内に同軸状に配置された回転するローターで両者の間に同軸環状円筒形空間を規定するものをもったチェンバーと、ローターの円周の周りに等しく間隔を空けられた少なくとも２つのブレードでその各々がローターから伸びており実質的に円筒形の部分の内壁とその外側エッジとの間に分離ギャップを規定するものがあり、それぞれのブレードの間に１つ以上の渦をサポートし規定する空間があり、実質的に円筒形の部分の内壁の少なくともいくつかは摩擦誘発表面を有する装置中に、処理されるべき粒子を導入するステップ、を含む方法に存すると言うことができる。

発明の更なる形態では、それは、円筒形の部分と、円筒形の部分内に同軸状に配置された回転するローターをもったチェンバーと、ローターの円周の周りに等しく間隔を空けられた少なくとも２つのブレードでその各々がローターから伸びており円筒形の部分の内壁とその外側エッジとの間に分離ギャップを規定するものからなるい、それぞれのブレードの間に１つ以上の渦をサポートし規定する空間があり、円筒形の部分の内壁の少なくともいくつかは、摩擦誘発表面と、チェンバー中で処理されるべき粒子のための入口と、入口から間隔を空けられた処理された粒子のための出口を有する、装置に存すると言うことができる。

発明はまた、装置に導入され取り扱われることによって処理された材料に存すると言うことができる。

発明はまた、ここでの前記方法に従って粒子サイズが削減されている材料に存するということができる。

今までは、円筒形の部分上には円滑な内壁があった。

摩擦誘発表面を導入することによって、処理サイズ削減プロセスの効率がかなり増加されることが発見された。

そのような摩擦誘発表面は、全体的に円筒形のチェンバーの周縁の周りの間隔を空けられた位置にあることができ、あるいは別の場合にはそれは前記周縁の周りで連続的であることができる。

摩擦誘発表面の一例は、渦をサポートし規定する空間の少なくともいくつか中に突き出したランダムに成形された部分を含む。

この方法と装置に関連付けられた発見は、その粒子の処理が、渦に入って渦内のエネルギーのある力に晒されることと関連付けられているように見えるということである。

またそのようなアクションと関連付けられているのは、渦はより高い圧力の部分とより低い圧力の部分を含むことと、そのような渦に入る粒子は乾燥を誘起する低圧環境に晒されるという事実である。

そのような乾燥効果は、必ずしも水には制限されず、プロセスを通して導入された材料が残存する水分のかなりの削減を有することが見つけられた。

これのためのメカニズムは、真空蒸発と、恐らく再凝集だが、粒子から離されてから、それから液体蒸気を固体粒子から離して運び去る空気流中に捕捉されるものとを含む、ということが仮定される。

摩擦誘発表面の例には、ランダムに蒸着された接着する粒子状材料が含まれる。

そのような摩擦誘発材料の組み込みは、それを通してプロセスが、それら自体はそれからブレードと摩擦誘発表面の間の捕捉された空気の相対的動きによってより一貫性をもって維持され回転モードに留められるそれらの渦を有するところの、液体媒体の相対的係合を通して誘発するようにそれが見えるという程度に間接的なものを除いて、機械を通して処理された粒子上に直接働くようには見えない、ということが観察された。

これはまた、あらゆる摩擦誘発表面上でこれまでに行われた実験では非常に僅かな磨耗しか顕示されなかった、という事実によっても指し示されている。

この発明のより良い理解のために、それはここで図面の援助をもって記載される実施形態を参照して記載される。

図１は、第１の実施形態による装置の部分的に切り取られた斜視図である。 図２は、図１と同じ機械を通した断面の側面図である。 図３は、第１の実施形態による機械の頂部が取り除かれた上からの図である。 図４は、第２の実施形態による機械の断面と部分的切り取りをもった斜視図。 図５は、機械の頂部が取り除かれた上からの図であり、この機械は第２の実施形態によるものである。 図６は、第２の実施形態による外向きに伸びたブレードに対する摩擦誘発セグメントの配置を描いている、部分的に切り取られ断面である拡大された上からの図である。 図７は、第１の実施形態による壁の配置と外向きに伸びたブレードの相対的位置付けの上から見た時の断面および部分的切り取りである。 図８は、ブレードが円滑な内壁との関係で参照される従来技術の例を描く。

ここで図面、特に第１の実施形態を描写している図面を詳細に参照すると、それに対してローター３が同軸状に回転する壁によって規定された円筒形の部分を含んだチェンバー１がある。ローター３はシャフト４によって支持され、それは５において典型的に示された軸受によって支持される。これはロックナット６によってその位置に保持される。

ローター３は、シャフト４に取り付けられた手段によって回転可能に配置され、それは図面中には示されていないが、この場合には、処理されている材料に適切となるように選択された、概ね１２０００ｒｐｍから２００００ｒｐｍの範囲にある回転速度で例として２５０ｍｍ直径のローターを駆動すべく、滑車とベルトの適当なセットを通して接続された電気モーターを含む。関係する速度は、ローターの円周において生成された相対的速度であるように見え、２００ｋｍ／ｈｒから１２００ｋｍ／ｈｒが有用であることが見つけられた。

チェンバー１は更に、上方プレート７と更なるプレート８を有することによって規定され、それらはそれらと円筒形壁２の間にチェンバー１を規定する。

ローター３は、円筒形の外側寸法のものであり、複数の外向きに伸びているブレード９を含み、それらは各場合においてローターの頂部からローターの底部１１まで伸びている細長い長方形の寸法のものであり、各場合においてローター３の直径の周りに同じ距離で分離されるべく位置付けされている。

これらのブレード９は、１２において典型的に示される複数の螺子によってしっかり取り付けられる。（これらのブレードは、連動スロット中にフィットされることによって代替的な配置にしっかり取り付けられる。）
外側壁２は外側ジャケット１３を有し、それを通して水がジャケット１３の中及び外に１６および１７におけるような管によって向き付けされるところの水冷却（またはもし適切であれば加熱）空間１４を規定するようになっている。

同様のやり方で、更なる壁１８と入口および出口管１９および２０によって、プレート７についても水冷却（または加熱）が成し遂げられる。

処理されるべき材料は、この場合には装置の中心にありシャフト４の軸と同軸状の入口１を通して直立させられる。

一旦処理された材料のための出口は、この場合にはフード付き出口２０を通して収集されることによって向き付けされ、プレート８の周りにシャフト４の軸から共通の直径における間隔を空けられた位置に位置する複数のそのようなフード付き出口がある。

処理スペース２２を越えた空気と処理されている粒子状材料の通路上にある程度の制約を提供すべく配置された、処理ギャップ２２の下に位置するチョーク２１がある。

このチョーク２１は、空気流と粒子のいくらかの穏やかな摩擦またはチョーキングを提供するがこれをある程度に制限すべく垂直軸方向に傾斜された上方面を含む。

ここまでに記載された機械は、ローターの外側円周エリアとその間の円筒の内壁の間のエリアで、その入口中に供給されその出口において収集された粒子を処理してその崩壊を成し遂げることをその目的として有する。

ローター３の速度、つまり回転速度と、ローターとローターから突き出しているブレードの直径と、ブレードの深さと、これらのブレードの分離の度合いは、非常に小さいサイズへの材料の効率的な崩壊を成し遂げるように選ばれている。

どのように機械が働き得るかの分析は、それが回転経路に従うにつれて各ブレードの背後では、空気が乱流となることが引き起こされるが、ブレードの形状と分離の度合いの理由により、およびこの装置が使われた時に高い程度の脱水が成し遂げられるという発見から、各ブレードの直ぐに背後に渦が形成されていると考えられ、そのような渦の高度に真空状の中心の中に入ることあるいは恐らくそのような渦に入ることとそこから出ることの両方の衝撃が、高い程度の効率的な崩壊と脱水の両方を有するように見えるものである、ということに示唆されている。

従って、特に粒子で負荷された時に、そのような渦をより効果的に誘起し維持するために、円筒形壁２の内部側の摩擦誘発特性を増加することによってこれを達成することができるということが見つけられた。これは、一つの場合には、２３において示されているような外側壁に接着するランダムに成形され位置付けされた堅い粒子を有することによって達成される。

この実施形態ではこの表面は、円筒形壁２の内部表面の全ての周り全体に提供されている。

一つの場合には、そのような表面は、マトリクス中に保持されたシリコンカーバイン（silicon carbine）粒子からなる。

使用において、摩擦誘発表面であるが研磨表面とも呼ばれ得る表面は、処理されている材料に研磨粉砕効果を提供しないことが観察されている。

効率の向上は、それぞれのブレード９の背後に誘起されている渦を捕捉していて更に回転することを引き起こしている摩擦誘発表面によって引き起こされているように見え、高い程度の摩擦誘発では、渦自体と運ばれるであろう粒子材料の負荷はより強烈であろう。

これまでに行われた実験では、この実施形態でこのプロセスを使って材料を粉砕する時に、摩擦誘発表面２３上には極最小の研磨効果しか見られず、それは再度、より積極的でより効果的な渦巻を引き起こしているのは、処理されるべき材料と直接係合する材料ではなく、むしろ間接的な効果であるという理論を導き出す。

摩擦誘発表面または粗くした壁と対照的に円滑な壁の使用と比較すると、効果は多くの材料との関係で効率の向上を導いたし、また機械中での使用から結果として得られる粒子のサイズを削減する能力を導いたし、いくつかの場合には５ミクロン以下のサイズまで小さいものがあった。

効率の向上の程度は、異なる材料の処理で変動するが、いくつかの場合には少なくとも１００％で効率を向上させた、ということは少なくとも同じ回転速度とパワー供給について２倍の量の材料がこの摩擦誘発表面が含まれていない以前と比肩する時間で処理できるということである。

チェンバー４０と、入口４１と、シャフト４３によって支持されたローター４２と、円筒形チェンバー４５を規定している外側壁４４と、フード付き出口４７をもった複数の長方形で細長いブレード４６を含んだ第２の実施形態がある。ここでの違いは、内側４４上の摩擦誘発表面が、突き出していてランダムに間隔を空けられ成形され、マトリクス中に保持され、それにより細長い楔形状部材５０に接着している、粒子からなる外側表面４９を各々が有する別々のセグメントで作られていることである。

これらの部材５０は、それぞれのブレード４６の間の分離と同等な距離で等しく間隔を空けられている、間隔を空けられた位置において円周の周りに位置している。

すると再度、これの効果はそれぞれの平行なブレード４６の背後に渦を誘起し維持することを補助することであるが、それらはセグメントとして別々に配置されることができるので、それらはまずもし損傷されても製造し置き換えるのがより安価であるという利点をそれらは有する。形状は、先導するエッジが壁４４の内部表面に最も近い一方で一部がそれから下流方向にこれから外向きに突き出す、僅かに楔形状である。

ある程度保護された前方エッジを有することによって、これは研磨パーツをその場所に保持しているあらゆる溶接されたマトリクスまたは塗膜材料の潜在的な持ち上げ剥がしを最小化すると考えられる。

ある程度驚いたことに、そのような別々のセグメントを含むこともまた、研磨表面または摩擦誘発表面が内部円周の周り全体に配置されたもので経験されたのと同等の向上を導く。

すると再度、チョーク５１を含んだ、機械のその他の部分が含まれる。

図８では、これは最良の崩壊効果を得るための円滑な内部壁６１からの外側エッジ６０の離された距離が実際に非常に小さかった従来技術の描写であり、それはこの場合には３ｍｍであるが、勿論これは今度は摩擦誘発または研磨表面で増加されることができ、それでも多くの場合に５ミクロンのサイズまでになる細かい粒子を達成し、また適切なところで脱水されることの利点を有するということが見つけられた。

例１
１．５ｍｍ直径の銅ワイヤが７ｍｍの長さに切断され、含まれた摩擦誘発表面無しの機械への供給材料として使われた。

円滑な壁の水冷却された円筒が、ローターの深さより下の部分的チョークとして働く傾斜した部分をもった粉砕チェンバーの外側壁として使われた。ローターより上の重複は３ｍｍであった。ローターの直径は２００ｍｍであった。ローターの直径の周りに等しく間隔を空けられ、ローターから１７ｍｍ突き出している３つのブレードがローターの外側周縁にしっかり取り付けられた。各ブレードの形状とサイズは同じで概ね長方形であり、各々はその頂部最外側エッジにおいてと底部最外側エッジにおいて斜角を付けられている。

頂部の斜角寸法は、頂部から下方に５ｍｍ、エッジから中に斜角を付けられて９ｍｍである。

底部での斜角は、底部から上方に１２ｍｍ、外側エッジから中に５ｍｍである。

機械がこの特定のセットアップと材料について有利であることが以前に見つけられていた回転速度である１４０００ＲＰＭで回転していた時に、銅ワイヤの供給材料が供給された。これは銅材料を２００ミクロンより下で９０ミクロンの平均粒子サイズをもった小さいピースに崩壊させた。一回のパスで供給された１４７ｇｍの内、２０ｇｍは直径が２ｍｍの大きなボールのまま残り、粉砕プロセスを続行するように一旦供給が停止すると十分な材料が機械中になかったので、それらは粉砕セッションの終りにおいてチェンバー中に残された。

それはそれから、回転速度が１９０００ＲＰＭまで増加され、５０ミクロンの平均サイズでサイズが１００ミクロンまで落とされた２回目を通して供給された。

例２
第２の実行で使われた外側壁上の摩擦誘発表面材料で銅ワイヤを粉砕する第２の例
１．５ｍｍ直径の銅ワイヤが７ｍｍの長さに切断され、粉砕機械への供給材料として使われた。

円滑な壁の水冷却された円筒が、ローターの深さより主に下の４５度円錐をもった粉砕チェンバーの外側壁として使われた。ローターより上の重複は３ｍｍであった。ローターの直径は２００ｍｍであった。ローターから突き出している３つのブレードの深さは１７ｍｍで、それらのブレードは等しく間隔を空けられている。ブレードの形状は、頂部と底部において斜角を付けられており、頂部の斜角寸法は、頂部から下方に５ｍｍ、エッジから中に斜角を付けられて９ｍｍである。

底部での斜角は、底部から上方に１２ｍｍ、外側エッジから中に５ｍｍである。

機械が１４０００ＲＰＭで行っていた時に、銅ワイヤの供給材料が供給され、これは銅ワイヤを２００ミクロンより下で９０ミクロンの平均粒子サイズをもった小さいピースに壊した。１４７ｇｍの内、２０ｇｍは直径が２ｍｍの大きなボールのまま残り、粉砕プロセスを続行するように一旦供給が停止すると十分な材料が機械中になかったので、それらは粉砕セッションの終りにおいてチェンバー中に残された。

それから、円筒の外側壁のセクションが、この場合には外側円筒に追加された摩擦誘発表面を有した部分で置き換えられた。それらのランプは、７５ｍｍであるローターの深さとマッチする円筒の壁の深さ全体であり、それらは傾斜した表面チョークの頂部のレベルよりちょっと上で終了した。それらの部分の幅は２５ｍｍであり、材料の表面のピッチはローターと同じ方向に流れる３．５度である。この銅ワイヤが、１９０００ＲＰＭで２回目に通された。それは３ミクロンの平均でトップエンドが６０ミクロンまでサイズを削減した。摩擦誘発表面は、処理された材料のサイズの相当な削減に結果としてなり、それにより強化された効果と増加された効率を提供した。

例３
ゼオライト
供給材料として銅の代わりにゼオライトで同じ実験が繰り返された。

供給材料は３ｍｍのランダムに成形されたゼオライト礫であった。

円滑な壁の水冷却された円筒が、ローターの深さより主に下の傾斜した表面チョークをもった粉砕チェンバーの外側壁として使われた。ローターより上の重複は３ｍｍであった。ローターの直径は２００ｍｍであった。ローターから突き出している３つのブレードの深さは１７ｍｍで、それらのブレードは等しく間隔を空けられていた。ブレードの形状は、頂部と底部において斜角を付けられていた。

頂部の斜角寸法は、頂部から下方に５ｍｍ、エッジから中に斜角を付けられて９ｍｍである。

底部での斜角は、底部から上方に１２ｍｍ、外側エッジから中に５ｍｍである。

ゼオライトが、１９０００ＲＰＭで走らされ、大きなサイズは、５ミクロンの平均サイズで１０ミクロンであった。

それから、摩擦誘発表面のセクションが外側円筒に追加された試験が繰り返された。それらのセクションは、実質的に円筒形のスペース中に突き出した各々ランダムに成形された部分であり、７５ｍｍであるローターの深さとマッチする円筒の壁の深さ全体であり、それらは傾斜した表面チョークの頂部のレベルよりちょっと上で終了した。それらのセクションの幅は２５ｍｍであり、セクションの各々の先細りはローターと同じ方向に流れる３．５度であった。このゼオライトが通された。供給材料は３ミクロンのゼオライトでローター速度は１９０００ＲＰＭであり、トップサイズは７ミクロンで平均は１．５ミクロンであった。

これは再度、追加の摩擦誘発材料の利点を開示した。

Claims (11)

1. 粒子のサイズを削減するための粒子処理方法であって、実質的に円筒形の部分と、実質的に円筒形の部分内に同軸状に配置された素早く回転するローターで両者の間に実質的に同軸環状円筒形空間を規定するものをもったチェンバーと、ローターの円周の周りに等距離で間隔を空けられた２つ以上のブレードでその各々がローターから伸びており円筒形の部分の内壁と各それぞれのブレードの外側エッジまたは面との間に分離ギャップを規定するものがあり、それぞれのブレードの間に１つ以上の渦をサポートし規定する空間があり、円筒形の部分の内壁の少なくともいくつかは摩擦誘発表面を有する装置中に、処理されるべき粒子を導入するステップと、結果として得られた処理された粒子を収集するステップと、を含む方法。
2. 渦をサポートし規定する空間の少なくともいくつか中に突き出したランダムに成形された部分を更に含む、請求項１記載の粒子処理方法。
3. 実質的に円筒形のチェンバーの周縁の周りの間隔を空けられた位置に配置された摩擦誘発表面部分を更に含む、請求項１記載の粒子処理方法。
4. 摩擦誘発部分は、傾斜した先細りを少なくとも１つの位置において提供するように配置され成形されていることを更に含む、請求項３記載の粒子処理方法。
5. 処理中のローターの回転速度は、（２５０ｍｍのローター上で）１２０００から２００００回転毎分の範囲内であることを更に含む、請求項１記載の粒子処理方法。
6. 実質的に円筒形の部分と、実質的に円筒形の部分内に同軸状に配置された回転するローターをもったチェンバーと、ローターの円周の周りに等距離で間隔を空けられた２つ以上のブレードでその各々がローターから放射状に伸びており実質的に円筒形の部分の内壁とそれぞれのブレードの外側エッジとの間に分離ギャップを規定するものを含み、それぞれのブレードの間に１つ以上の渦をサポートし規定する空間があり、実質的に円筒形の部分の内壁の少なくともいくつかは、摩擦誘発表面と、チェンバー中で処理されるべき粒子のための入口と、入口から間隔を空けられた処理された粒子のための出口を有する、装置。
7. 渦をサポートし規定する空間の少なくともいくつか中に突き出したランダムに成形された部分を更に含む、請求項６記載の粒子処理装置。
8. 実質的に円筒形のチェンバーの周縁の周りの間隔を空けられた位置に配置された摩擦誘発表面部分を更に含む、請求項６記載の粒子処理装置。
9. 摩擦誘発部分は、傾斜した先細りを少なくとも１つの位置において提供するように配置され成形されていることを更に含む、請求項８記載の粒子処理装置。
10. 装置は、処理中のローターの回転速度が、（２５０ｍｍのローター上で）１２０００から２００００回転毎分の範囲内となることを可能とするように適応されていることを更に含む、請求項６から９のいずれか１つに記載の粒子処理装置。
11. 請求項６から１０のいずれか１つに記載の装置に導入され取り扱われることによって処理された材料。

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