JP2017000912A - 粉砕機及び粉砕方法 - Google Patents

Abstract

【課題】冷凍粉砕装置の分級性能を向上させること。【解決手段】第１の回転軸５に支持され外側面に粉砕刃９，１２を有する粉砕ロータ６と、粉砕ロータ６との間に隙間Ｓを置いて固定配置されるライナ１３とを備える粉砕部２と、冷却気体を導入する導入口１０と、原料を投入する原料投入口４と、粉砕した原料を分級する分級部２０と、を備える冷凍粉砕装置１において、分級部２０が、第２の回転軸２２に支持され外周部に複数の分級羽根２５を有する分級ロータ２３を備えることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、冷却気体の存在下において原料を粉砕し所定の粒子径を有する微粉を得るための冷凍粉砕装置及び冷凍粉砕方法に関する。

従来の冷凍粉砕装置としては、例えば以下の特許文献１及び特許文献２に記載されるものが知られている。これらの特許文献に記載される冷凍粉砕装置では、冷却気体と共に原料が装置内に投入され、回転軸に支持され外側面に複数の凹凸より成る粉砕刃を有するリング状の粉砕ロータと、固定配置されるライナとの間を原料が通過する際、これら両部材の間で衝突が繰り返されて粉砕されるように構成されている。

特公昭５３−１５７５０号公報 特公昭５７−６００６０号公報

従来の冷凍粉砕装置では、原料粉砕後、所定の粒子径を有する微粉を得るための手段として、所定の孔径を有するスクリーン網や開度の調整が可能なスリット部材等を用いて分級することが一般的に行われている。しかしながら、その分級性能は必ずしも十分であるとは言えず、改善の余地が残されている。

本発明の目的は、冷凍粉砕装置の分級性能を向上させることにある。

本発明の冷凍粉砕装置に係る第１特徴構成は、第１の回転軸に支持され外側面に粉砕刃を有する粉砕ロータと、該粉砕ロータとの間に隙間を置いて固定配置されるライナとを備える粉砕部と、冷却気体を導入する導入口と、原料を投入する原料投入口と、粉砕した原料を分級する分級部と、を備える冷凍粉砕装置において、前記分級部が、第２の回転軸に支持され外周部に複数の分級羽根を有する分級ロータを備える点にある。

〔作用及び効果〕
本構成では、冷却気体の存在下において分級ロータによる分級が行われる。
分級ロータを通して所定の粒子径を有する微粉を冷却気体と共に吸引し、回転する分級ロータにより付与される遠心力との釣り合いにより分級が行われる。回転速度を高めるほど、また、冷却気体の流量を少なくするほど、より小さな粒子径を微粉が得られる。
対して、従来のスクリーン網やスリット方式の分級では、微粉を得るために孔径や開度を小さくする必要があるが、小さすぎると粒子が通過できる面積が減少して粉砕能力の低下や閉塞などの問題が発生する。また、得られる粒子径も数十μｍ程度であり、回転式の分級ロータには遠く及ばない。
冷却気体の存在下では、気体の粘性抵抗力が下がり、気体の体積も小さくなるため、冷却気体による吸引力が低くなり、より小さな粒子径を有する微粉が得られる。

第２特徴構成は、前記粉砕ロータ及び前記分級ロータが、チタン合金により構成されている点にある。

〔作用及び効果〕
粉砕ロータ及び分級ロータは、装置内で高速回転するため、強い遠心力が作用する。従って粉砕ロータ及び分級ロータの構成素材としては、軽量で強度の高いものが望ましい。チタン合金は、高耐力且つ低密度であり、しかも低温脆性破壊が生じ難い素材であるため、本構成であれば、より低温下で、且つより高い回転速度で、粉砕と分級を行うことができる。

第３特徴構成は、前記粉砕部が、オイル循環機構を備える点にある。

〔作用及び効果〕
本構成によれば、オイル循環機構によって粉砕部の駆動部の内部温度が適温に保たれるため、冷却気体で冷却されることに起因する粉砕ロータの回転不良が防止される。

第４特徴構成は、前記分級部が、断熱空気層を備える点にある。

〔作用及び効果〕
本構成によれば、断熱空気層によって分級部の駆動部の内部温度が適温に保たれるため、冷却気体で冷却されることに起因する分級ロータの回転不良が防止される。

第５特徴構成は、前記第１の回転軸と前記第２の回転軸とが同一の回転軸である点にある。

〔作用及び効果〕
本構成によれば、装置構造がより簡素化されるため、製造コスト等において有利である。

第６特徴構成は、前記粉砕部を複数備える点にある。

〔作用及び効果〕
本構成によれば、複数の粉砕部で粉砕処理が実施されるため粉砕性能がさらに向上する。

第７特徴構成は、前記分級部を複数備える点にある。

〔作用及び効果〕
本構成によれば、複数の分級部で分級処理が実施されるため分級性能がさらに向上する。

本発明の冷凍粉砕方法に係る特徴構成は、冷却気体の存在下において、第１の回転軸に支持され外側面に粉砕刃を有する粉砕ロータと、固定配置されるライナとの間で原料を粉砕する粉砕工程と、第２の回転軸に支持され外周部に複数の分級羽根を有する分級ロータによって、前記粉砕工程で粉砕された原料を分級する分級工程と、を包含する点にある。

〔作用及び効果〕
本構成では、冷却気体の存在下において分級ロータによる分級工程が行われる。
分級ロータを通して所定の粒子径を有する微粉を冷却気体と共に吸引し、回転する分級ロータにより付与される遠心力との釣り合いにより分級が行われる。回転速度を高めるほど、また、冷却気体の流量を少なくするほど、より小さな粒子径を微粉が得られる。
対して、従来のスクリーン網やスリット方式の分級では、微粉を得るために孔径や開度を小さくする必要があるが、小さすぎると粒子が通過できる面積が減少して粉砕能力の低下や閉塞などの問題が発生する。また、得られる粒子径も数十μｍ程度であり、回転式の分級ロータには遠く及ばない。
冷却気体の存在下では、気体の粘性抵抗力が下がり、気体の体積も小さくなるため、冷却気体による吸引力が低くなり、より小さな粒子径を有する微粉が得られる。

本発明の冷凍粉砕装置の断面図である。 粉砕ロータの斜視図である。 粉砕ロータの平面図である。 粉砕ロータの縦断面図である。 リングロータ及びライナのそれぞれの一部分を拡大した平面図である（白抜きの矢印はリングロータ１１の回転方向を示す）。 リングロータ及びライナのそれぞれの一部分を拡大した平面図である（白抜きの矢印はリングロータ１１の回転方向を示す）。 分級ロータの横断面図である。 分級ロータの縦断面図である。 本発明の冷凍粉砕装置の別実施形態の断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１に示すように、本実施形態の冷凍粉砕装置１は、原料を粉砕する粉砕部２と、粉砕した原料を分級する分級部２０とを一体に備えて構成されている。

尚、図示しないが、分級部２０は、粉砕部２に対してスライド移動及び旋回可能に構成し、これにより粉砕部２の粉砕ロータ６及び分級部２０の分級ロータ２３のそれぞれを別方向に開放させ、それぞれのメンテナンスを効率良く行うことができるように構成しても良い。

（粉砕部）
図１に示すように、粉砕部２は、その外側を構成するケーシング３と、原料を投入する原料投入口４と、水平方向に延出する第１水平回転軸５と、原料を粉砕するための粉砕ロータ６及びライナ１３と、原料を循環させるためのガイドとなるガイドリング１４とを備えて構成されている。

原料投入口４は、ケーシング３の上側面において上方に開口するように設けられている。尚、本実施形態における原料投入口４は、冷却気体を導入する導入口１０としての役割も担う。

第１水平回転軸５は、ケーシング３の内部にベアリングを介して横軸心Ｘ回りに回転可能に支持されている。第１水平回転軸５の一端に粉砕ロータ６が設けられており、他端にプーリが設けられている。図示しない駆動装置からの駆動力をプーリで受けることにより、第１水平回転軸５と粉砕ロータ６とが横軸心Ｘ回りに一体に回転する。尚、粉砕ロータ６の回転数については、適宜調節することができるように構成されていることが望ましい。

図２〜図４に示すように、粉砕ロータ６は、ロータディスク７とリングロータ１１とを備えて構成され、リングロータ１１がロータディスク７に対してボルトにより固定されている。

ロータディスク７の径方向中心部には、第１水平回転軸５が嵌め込まれる軸穴部８が形成されている。また、ロータディスク７における、リングロータ１１が固定される側の面の外端部には、周方向に沿って等間隔に複数の第１粉砕歯９が立設されている。第１粉砕歯９同士の間が、原料と冷却気体とが通過可能な通路Ｔとなる。

リングロータ１１はリング状の部材であり、その外側面の全周に亘って複数の第２粉砕歯１２が形成されている。

ロータディスク７及びリングロータ１１の構成素材としては、例えばステンレス鋼、アルミ合金、クロムモリブデン鋼、チタン合金等が挙げられる。この中でも特にチタン合金は、高耐力且つ低密度であり、しかも低温脆性破壊が生じ難い素材であるため、より低温下で、且つより高い回転速度で粉砕を行うことができて好ましい。

図１に示すように、ライナ１３は、ケーシング３の内周面であって粉砕ロータ６の第１粉砕歯９及び第２粉砕歯１２と対向する位置に設けられている。ライナ１３と、粉砕ロータ６の第１粉砕歯９及び第２粉砕歯１２との間に所定間隔の隙間Ｓが設けられている。尚、粉砕効果をより高めるために、例えば図５及び図６に示すように、水平方向に沿う複数のライナ刃１６又はライナ刃１７をライナ１３の内側面に形成しても良い。

ガイドリング１４は、保持部材１５を介してケーシング３に固定されている。

冷却気体で冷却されることに起因する粉砕ロータ６の回転不良を防止するため、粉砕部２の駆動部分は、その内部温度が適温に保たれるようにオイル循環機構を備えることが望ましい。尚、当該オイル循環機構については公知の構成を採用して良い。

（分級部）
図１に示すように、分級部２０は、その外側を構成するケーシング２１と、水平方向に延出する第２水平回転軸２２と、粉砕された原料を分級するための分級ロータ２３と、分級された微粉を吸引して外部に取り出すための排出部２６とを備えて構成されている。

第２水平回転軸２２は、ケーシング２１の内部にベアリングを介して横軸心Ｙ回りに回転可能に支持されている。第２水平回転軸２２の一端に分級ロータ２３が設けられており、他端にプーリが設けられている。図示しない駆動装置からの駆動力をプーリで受けることにより、第２水平回転軸２２と分級ロータ２３とが横軸心Ｙ回りに一体に回転する。尚、本実施形態においては、前述の横軸心Ｘと、横軸心Ｙとは相互に一致する。

図７及び図８に示すように、分級ロータ２３は、筒体であって、その径方向中心部には、第２水平回転軸２２が嵌め込まれる軸穴部２４が形成されている。また、分級ロータ２３の外周部には、複数の分級羽根２５が周方向に沿って等間隔に設けられている。

分級ロータ２３の構成素材としては、例えばステンレス鋼、アルミ合金、クロムモリブデン鋼、チタン合金等が挙げられる。この中でも特にチタン合金は、高耐力且つ低密度であり、しかも低温脆性破壊が生じ難い素材であるため、より低温下で、且つより高い回転速度で分級を行うことができて好ましい。

図１に示すように、排出部２６は、外部に別途設けてある図示しない捕集装置及び吸引装置に接続されており、分級された微粉と冷却気体とが吸引されるように構成されている。

尚、上述の吸引装置による吸引力、及び分級ロータ２３の回転数についてはいずれも適宜調節することができるように構成されていることが望ましい。

冷却気体で冷却されることに起因する分級ロータ２３の回転不良を防止するため、分級部２０は、その内部温度が適温に保たれるように断熱空気層２９を備えることが望ましい。本実施形態においては、図１に示すように、ピローブロック３０の外側にカバー部材３１を設けており、ピローブロック３０とカバー部材３１との間に断熱空気層２９が形成されるように構成されている。

（原料の粉砕工程）
図１に示すように、粉砕用の原料が、冷却気体と共に原料投入口４に投入されると、原料と冷却気体がロータディスク７の側面に沿って移動し、ライナ１３と、回転する粉砕ロータ６との間の隙間Ｓに供給される。

原料は、ライナ１３と回転する粉砕ロータ６との間の隙間Ｓを通過する際、粉砕ロータ６の第１粉砕歯９及び第２粉砕歯１２とライナ１３との間で反射衝突が繰り返されることにより粉砕される。

所定の粒子径を有する微粉については、後述の分級工程により分級されるが、所定の粒子径よりも大きい粗粉については、ガイドリング１４に沿って粉砕ロータ６の第１粉砕歯９同士の間の通路Ｔに案内されてそこを通過し、再び隙間Ｓに供給されて粉砕される。従って、所定の粒子径よりも大きい粗粉については、所定の粒子径を有するようになるまで、通路Ｔに案内され隙間Ｓに供給されて粉砕されるという循環処理が繰り返される。

（微粉の分級工程）
分級ロータ２３を回転させると共に、吸引装置により吸引することによって、分級ロータ２３の周りの空気を、分級羽根２５の間から分級ロータ２３の内側に引き込むことができる。これにより、粉砕工程で粉砕された原料のうち所定の粒子径を有する微粉については分級ロータ２３の内部に取り込まれる一方で、所定の粒子径よりも大きい粗粉については回転する分級羽根２５によって分級ロータ２３の内部に流入することが阻止されるため分級が行われる。

（原料）
本発明に適用可能な原料としては、例えば画像形成用のトナーが挙げられるが、これに限定されるものではない。

（冷却気体）
本発明に適用可能な冷却気体としては、例えば、液体窒素ガスが挙げられるがこれに限定されるものではない。冷却温度については、液体窒素ガスを投入する場合、粉砕部・分級部で−１００℃前後とすることが望ましい。

（冷却気体のリサイクル）
図１の排出部２６から排出された冷却気体は、分級された微粉をサイクロン等で分離した後に再冷却して、冷却気体を導入口１０に投入することで、リサイクルすることが出来る。

〔その他の実施形態〕
１．上述の実施形態においては、２つの水平回転軸を用いて粉砕ロータ６及び分級ロータ２３のそれぞれが別個独立に回転するように構成されているが、この構成に限定されるものではなく、粉砕ロータ６及び分級ロータ２３を同一の水平回転軸に設けて構成するようにしても良い。
２．上述の本実施形態における原料投入口４は、冷却気体を導入する導入口１０としての役割も担うものであるが、この構成に限らず、図９に示すように、原料投入口４と導入口１０とをそれぞれ別個に設ける構成としても良い。
３．上述の実施形態においては、水平回転軸を使用する構成が示されているが、この構成に限定されるものではない。他にも例えば、鉛直方向に延出する２つ又は同一の鉛直回転軸を使用する構成を採用したり、あるいは、２つの回転軸の軸心が互いに直交又は斜めに交わるように配置される構成などを採用しても良く、少なくとも分級部２０の性能を維持できるような構成であれば良い。
４．上述の実施形態においては、一つの粉砕部２に対して、一つの分級部２０を設ける構成が示されているが、この構成に限定されるものではない。他にも例えば、複数の粉砕部２を備える構成や、複数の分級部２０を備える構成としても良い。即ち、一つの粉砕部２に対して複数の分級部２０（複数の回転軸及び複数の分級ロータ）を設ける構成や、複数の粉砕部２（複数の回転軸及び複数の粉砕ロータ）に対して一つの分級部２０を設ける構成、あるいは、複数の粉砕部２（複数の回転軸及び複数の粉砕ロータ）に対して複数の分級部２０（複数の回転軸及び複数の分級ロータ）を設ける構成を採用して良い。

（粉砕ロータ及び分級ロータの構成素材）
粉砕ロータ及び分級ロータは、装置内で高速回転するため、強い遠心力が作用する。従って粉砕ロータ及び分級ロータの構成素材としては、軽量で強度の高いものが望ましい。

ステンレス鋼、アルミ合金、チタン合金、及びクロムモリブデン鋼はいずれも粉砕ロータ及び分級ロータの構成素材として適用可能である。しかし、以下の表１に示すように、これらの金属の中でも特にチタン合金は、他の金属に比べて高耐力且つ低密度で比強度（＝耐力/密度）が高く、しかも低温脆性破壊が生じ難い素材であるため、より好ましい素材であると判断された。

（分級径計算値）
上述の実施形態に係る冷凍粉砕装置について、以下の表２に示すように各種パラメータを設定して分級径を計算した。比較例では、空気温度を常温（２０℃）に設定し、実施例１及び２では空気温度をマイナス１００℃に設定した。また実施例１では空気粘度を補正し、実施例２では空気粘度及び風量を補正して計算した。その結果、以下の表２に示されるように、理論的には分級点を３．８０μｍから２．４３μｍまで下げることが可能であることが確認された。

本発明は、トナー等の原料を粉砕・分級処理して使用する必要のある産業分野において好適に利用することができる。

１ 冷凍粉砕装置
２ 粉砕部
３ ケーシング
４ 原料投入口
５ 第１水平回転軸（第１の回転軸）
６ 粉砕ロータ
７ ロータディスク
８ 軸穴部
９ 第１粉砕歯
１０ 導入口
１１ リングロータ
１２ 第２粉砕歯
１３ ライナ
１４ ガイドリング
１５ 保持部材
１６ ライナ刃
１７ ライナ刃
２０ 分級部
２１ ケーシング
２２ 第２水平回転軸（第２の回転軸）
２３ 分級ロータ
２４ 軸穴部
２５ 分級羽根
２６ 排出部
２９ 断熱空気層
３０ ピローブロック
３１ カバー部材
Ｘ，Ｙ 横軸心
Ｓ 隙間
Ｔ 通路

Claims (8)

1. 第１の回転軸に支持され外側面に粉砕刃を有する粉砕ロータと、該粉砕ロータとの間に隙間を置いて固定配置されるライナとを備える粉砕部と、
   冷却気体を導入する導入口と、
   原料を投入する原料投入口と、
   粉砕した原料を分級する分級部と、を備える冷凍粉砕装置において、
   前記分級部が、第２の回転軸に支持され外周部に複数の分級羽根を有する分級ロータを備えることを特徴とする冷凍粉砕装置。
2. 前記粉砕ロータ及び前記分級ロータが、チタン合金により構成されていることを特徴とする請求項１に記載の冷凍粉砕装置。
3. 前記粉砕部が、オイル循環機構を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷凍粉砕装置。
4. 前記分級部が、断熱空気層を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷凍粉砕装置。
5. 前記第１の回転軸と前記第２の回転軸とが同一の回転軸であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の冷凍粉砕装置。
6. 前記粉砕部を複数備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の冷凍粉砕装置。
7. 前記分級部を複数備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の冷凍粉砕装置。
8. 冷却気体の存在下において、第１の回転軸に支持され外側面に粉砕刃を有する粉砕ロータと、固定配置されるライナとの間で原料を粉砕する粉砕工程と、
   第２の回転軸に支持され外周部に複数の分級羽根を有する分級ロータによって、前記粉砕工程で粉砕された原料を分級する分級工程と、を包含する冷凍粉砕方法。