JP2017007717A - 粉体の充填装置及び充填方法 - Google Patents

Abstract

【課題】粉体容器内の粉体の充填密度及び充填厚さを均一にすることができる粉体の充填装置及び充填方法を提供する。【解決手段】粉体の充填装置１は、粉体を貯留するホッパ２と、ホッパ２から下方に延びる粉体供給ノズル３と、粉体供給ノズル３の下方に配置された粉体容器４と、粉体供給ノズル３内に設けられ、ホッパ２内の粉体を粉体容器４に充填するためのスクリューフィーダ５と、スクリューフィーダ５を回転駆動するモータ６と、粉体容器４の重量を粉体の充填途中に計測する重量計測装置８と、重量計測装置８からの計測データに基づき、モータ６の作動を制御する制御装置１０とを備えている。粉体供給ノズル３の下端に、粉体容器４の開口部４ａの形状に合わせた押え蓋１１を固定するとともに、粉体容器４内に、粉体容器４内の粉体を拡散させる回転羽根１４ｂを有する回転体１４を設置してある。【選択図】図１

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池用の負極材料の原料である炭素粉末などの粉体を粉体容器内に充填する粉体の充填装置及び充填方法に関する。

リチウムイオン二次電池は、スマートフォンやノート型パソコンのほか近年では自動車への応用も進み、種々の分野にて利用されている。このリチウムイオン二次電池においては、その内部でリチウムイオンが電解液を介して正極〜負極間を行き来することで充放電が行われる。そして、リチウムイオン二次電池の正極材料としては、リチウム金属酸化物のようなリン酸鉄系の材料が、負極材料としては、炭素系材料が用いられているのが主流である。

ここで、これらの電極材料（正極材料及び負極材料）の品質にばらつきがある場合、安定した電池特性を有するリチウムイオン二次電池の生産ができなくなるが、電極材料の製造工程には共通して粉末状での焼成工程があることが多く、この焼成工程で焼きむらが生じると、先に述べた品質のばらつきが生じる。
例として挙げたリチウムイオン二次電池の電極材料に限らず、粉体の焼成工程における焼きむらは、品質の安定性へ悪影響を及ぼす。粉体の焼成工程においては、一般に、粉体を焼成用容器に充填し、その粉体を充填した焼成用容器を用いて焼成する。ここで、粉体の焼成用容器への充填密度や充填厚みが均一でないと、熱履歴などに差が生じ、安定した品質を確保できない。

一方、従来、トナーのような粉体をホッパ内からトナーボトル等の小型の粉体容器へ充填する粉体充填装置として、例えば、特許文献１に示すものが知られている。
特許文献１に示す粉体充填装置は、ホッパ内の粉体をホッパ下部の吐出口から所要の粉体容器に吐出し、充填する粉体充填装置であって、ホッパ内の粉体を粉体容器へ吐出、充填するための充填スクリューと、充填スクリューを回転駆動するサーボモータと、ホッパ内の粉体を撹拌する撹拌部材と、撹拌部材を回転駆動する撹拌モータと、粉体容器の重量を粉体の充填途中に計測し得る重量計測装置と、重量計測装置で得た計測データに基づき、サーボモータの作動を制御する制御手段と、粉体容器に振動を加え得る加振部材とを有している。

また、従来の粉体充填装置として、例えば、特許文献２に示すものも知られている。
特許文献２に示す粉体充填装置は、粉体吐出ノズルを備え、その粉体吐出ノズルが、ホッパ内の粉体を粉体容器へ吐出、充填するための充填スクリューと、充填スクリューの外周を覆うとともに、充填スクリューの軸方向両端に開口を有するノズル本体と、充填スクリューを回転駆動するサーボモータとを有し、ノズル本体は充填スクリューのホッパ側を広く、吐出側を狭くするとともに、吐出側にフィルタやストッパ、座金等を装着しないものである。

更に、従来の粉体充填装置として、例えば、特許文献３に示すものも知られている。
特許文献３に示す粉体充填装置は、粉体を送り出す機構が設けられた粉体を貯留するホッパのノズル下部に、半径方向リブと同心円状の複数の環状リブを有する排出口座を設けている。

実用新案登録第３１２４２３０号公報 実用新案登録第３１２９８０５号公報 特開平１０−３１６１１０号公報

しかしながら、従来の特許文献１乃至３に示す粉体充填装置にあっては、以下の問題点があった。
即ち、特許文献１乃至３に示す粉体充填装置の場合、いずれもホッパ内の粉体を粉体容器に充填するが、粉体の粉体容器への充填密度や充填厚みが均一になるとは限らない。つまり、いずれの粉体充填装置の場合も、粉体が粉体容器内において自然落下して堆積されるだけであり、粉体の充填密度及び充填厚みにばらつきが生じることがある。このため、その粉体を充填した粉体容器を用いて焼成する場合には、熱履歴などに差が生じ、安定した品質を確保できないという問題があった。
従って、本発明はこの問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、粉体容器内の粉体の充填密度及び充填厚さを均一にすることができる粉体の充填装置及び充填方法を提供することにある。

上記問題点を解決するために、本発明の一態様に係る粉体の充填装置は、粉体を貯留するホッパと、該ホッパから下方に延びる粉体供給ノズルと、該粉体供給ノズルの下方に配置された粉体容器と、前記粉体供給ノズル内に設けられ、前記ホッパ内の粉体を前記粉体容器に充填するためのスクリューフィーダと、該スクリューフィーダを回転駆動する回転駆動源と、前記粉体容器の重量を粉体の充填途中に計測する重量計測装置と、該重量計測装置からの計測データに基づき、前記回転駆動源の作動を制御する制御装置とを備え、前記粉体供給ノズルの下端に、前記粉体容器の開口部の形状に合わせた押え蓋を固定するとともに、前記粉体容器内に、前記粉体容器内の粉体を拡散させる回転羽根を有する回転体を設置したことを要旨とする。

本発明の別の態様に係る粉体の充填方法は、粉体容器を粉体供給ノズルの下方に配置する粉体容器配置工程と、前記粉体供給ノズル内のスクリューフィーダを回転駆動源によって回転させて、ホッパ内の粉体を前記粉体容器内に充填する粉体充填工程と、前記粉体容器内に配置された回転体を回転させて回転羽根により前記粉体容器内の粉体を拡散する粉体拡散工程と、前記粉体容器内の拡散される粉体を、前記粉体供給ノズルの下端に固定された粉体容器の押え蓋により、一定の粉面高さを維持する粉面高さ維持工程と、前記容器の重量を粉体の充填途中に重量計測装置によって計測する重量計測工程と、前記重量計測装置からの計測データに基づいて、前記回転駆動源の作動を制御し、前記計測データが規定量に達したところで前記回転駆動源の回転を停止して前記スクリューフィーダの回転を停止する回転制御工程とを含むことを要旨とする。

本発明に係る粉体の充填装置及び充填方法によれば、粉体の粉体容器への充填密度及び充填厚さを均一にすることができる粉体の充填装置及び充填方法を提供できる。

本発明の実施形態に係る粉体の充填装置の概略説明図である。 図１に示す充填装置における押え蓋の粉体供給ノズルに対する取付構造を説明するための図である。 図１に示す充填装置における回転体を示し、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は底面図である。 図３に示す回転体の変形例を示し、（Ａ）は第１変形例の正面図、（Ｂ）は第１変形例の底面図、（Ｃは第２変形例の正面図、（Ｄ）は第２変形例の底面図、（Ｅ）は第３変形例の正面図、（Ｆ）は第３変形例の底面図である。

以下、本発明の実施形態について図１乃至図４を参照して説明する。
図１には、本発明の実施形態に係る粉体の充填装置が示されており、充填装置１は、粉体を貯留するホッパ２を備えている。粉体は、本実施形態では、リチウムイオン二次電池用の負極材料の原料である炭素粉末である。ホッパ２の上部は、図示しない粉体製造ラインあるいは大型容器に連結され、ホッパ２の下部には、ホッパ２から下方に延びる粉体供給ノズル３が設けられている。粉体供給ノズルは、本実施形態にあっては、上下方向に貫通する円管状に形成されている。

そして、粉体供給ノズル３の下方には、台座７を下方に有する粉体容器４が配置される。粉体容器４は、内寸３１０ｍｍの四辺を有する矩形状の箱体で、頂面が開口して開口部４ａが形成されている。
また、粉体供給ノズル３内には、ホッパ２内の粉体を粉体容器４内に充填するためのスクリューフィーダ５が配置されている。スクリューフィーダ５は、上端がホッパ２の上方にまで延び、下端が粉体供給ノズル３の下端に至るまで延びている。スクリューフィーダ５の上端には、スクリューフィーダ５を回転駆動する回転駆動源としてのモータ６が設けられている。

また、粉体容器４の台座７の下側には、粉体容器４の重量を粉体の充填途中に計測する重量計測装置８が設けられている。重量計測装置８は、ロードセルで構成され、ロードセルのロードボタンが台座７に連結されている。
更に、充填装置１は、重量計測装置８からの計測データに基づき、回転駆動源を構成するモータ６の作動を制御する制御装置１０を備えている。制御装置１０は、重量計測装置８からの計測データが規定量に達したところで（粉体を含んだ粉体容器４の重量が規定量となる）、モータ６の回転を停止し、スクリューフィーダ５の回転を停止するよう制御する。

このような充填装置１において、図１に示すように、粉体供給ノズル３の下端には、粉体容器４の開口部４ａの形状に合わせた略矩形状の押え蓋１１が固定されている。押え蓋１１は、図１に示すように、粉体供給ノズル３の下方側において、後述する回転体１４の回転軸１４ａが挿通される貫通孔１１ｃを有するとともに、貫通孔１１ｃの周囲に複数の開口１１ｄが形成される。ここで、前述の「粉体容器４の開口部４ａの形状に合わせた」という意味は、略矩形状の押え蓋１１の外寸（四辺の外寸法）が、粉体容器４の開口部４ａの内寸よりもわずかに小さい（例えば、２ｍｍ程度小さい）ということを意味する。

そして、この押え蓋１１は、図２に示すように、粉体供給ノズル３に固定される固定板部１１ａと、固定板部１１ａの下面に固定され、粉体容器４内の粉体に接する粉接板部１１ｂとを備えている。固定板部１１ａ及び粉接板部１１ｂは、いずれも平板状の部材であり、粉接板部１１ｂは固定板部１１ａに複数の固定ねじ１４ｅによって固定される。固定板部１１ａの材質は、ステンレス鋼（ＳＵＳ）であり、粉接板部１１ｂの材資は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）である。粉接板部１１ｂの材資は、ステンレス鋼、黒鉛またはポリカーボネートであってもよい。粉接板部１１ｂの材資を、ステンレス鋼、黒鉛、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）またはポリカーボネートとすることにより、粉体の押え蓋１１への付着を効果的に抑制することができる。

押え蓋１１の粉体供給ノズル３への取付構造について説明すると、押え蓋１１の固定板部１１ａの上面には、粉体供給ノズル３の周囲を囲む形状の取付部材１２が複数の取付ねじ１３によって固定されている。取付部材１２は、固定板部１１ａへの固定部１２ａと、固定部１２ａから上方へ延びる接合部１２ｂとを備えている。そして、取付部材１２の接合部１２ｂの上端を、粉体供給ノズル３に取り付けられた取付部３ａに溶接する。これにより、押え蓋１１が粉体供給ノズル３に固定される。

また、例えば、接合部１２ｂに長孔を設け、粉体供給ノズル３に固定用の凸部を設けることにより、押え蓋１１の上下方向の位置を調整することができる。
そして、このような充填装置１において、図１に示すように、粉体容器４内には、粉体容器４内の粉体を拡散させる回転羽根１４ｂを有する回転体１４が設置されている。回転体１４は、図３（Ａ），（Ｂ）に示すように、上下方向に延びる回転軸１４ａと、回転軸１４ａの外周部から周方向に１８０°間隔で水平方向に延びる１対の回転羽根１４ｂと、回転軸１４ａの上端から上方に延びる取付軸１４ｃとを備えている。取付軸１４ｃは、回転軸１４ａよりも小径の軸で、図２に示すように、スクリューフィーダ５の回転軸５ａの下端に取り付けられ、回転羽根１４ｂはスクリューフィーダ５と同一の回転数で水平方向に回転する。回転体１４の回転軸１４ａは、図１に示すように、押え蓋１１の貫通孔１１ｃを上下方向に挿通する。

ここで、各回転羽根１４ｂは、図３（Ａ），（Ｂ）に示すように、長方形板で構成され、上下方向に延びる短辺と、水平方向に延びる長辺とを有する。短辺の長さＬ１は、粉体容器４の深さよりもわずかに（例えば、５ｍｍ）短い。また、長辺の長さＬ２は、短辺の長さＬ１の１．５倍である。各回転羽根１４ｂは、回転軸１４ａの外周部に溶接される。

各回転羽根１４ｂは、図４（Ａ），（Ｂ）に示すように、上下方向に延びる長辺と、水平方向に延びる短辺とを有する長方形板で構成してもよい。つまり、各回転羽根１４ｂにおいて、上下方向の長さＬ３を、水平方向の長さＬ４よりも長くしてもよい。
また、各回転羽根１４ｂは、図４（Ｃ），（Ｄ）に示すように、正方形板で構成してもよい。つまり、各回転羽根１４ｂにおいて、上下方向の長さＬ５を、水平方向の長さＬ６と同一にしてもよい。

更に、各回転羽根１４ｂを、図４（Ｅ），（Ｆ）に示すように、上下方向に延びる長さＬ７を有する短辺と、水平方向に延びる長さＬ８を有する長辺とを備えた長方形板で構成し、図４（Ｆ）に示すように、下方から見て一方の回転羽根１４ｂと他方の回転羽根１４ｂとを中心軸間距離ｄだけ離間するように配置してもよい。
次に、このように構成された充填装置１による粉体の粉体容器４への充填方法について図１を参照して説明する。

先ず、ホッパ２内には充填すべき粉体が貯留され、その粉体は押え蓋１１の開口１１ｄのところでブリッジング効果により粉体供給ノズル３内で保持されている。
そして、この状態で、粉体容器４を定位置（粉体供給ノズル３の下方）に配置し（粉体容器配置工程）、粉体供給ノズル３内のスクリューフィーダ５を回転駆動源６によって回転させる。すると、粉体は、スクリューフィーダ５によって下方に押圧されて開口１１ｄから下方に落下し、粉体容器４に充填される（粉体充填工程）。

また、スクリューフィーダ５の回転により粉体容器４内に配置された回転体１４が回転し、スクリューフィーダ５によって下方に押圧されて中央の開口１１ｄから下方に落下して粉体容器４に充填された粉体は、回転体１４の回転羽根１４ｂの回転によって粉体容器４の左右方向両端の方へ拡散される（粉体拡散工程）。これにより、粉体容器４内においては、左右方向両端から中央に向かって粉体で満たされていく。この際に、粉体は押え蓋１１により、粉体容器４からあふれ出ることなく一定の粉面高さ（粉体容器４の底部から粉体の上面までの高さ）が維持される（粉面高さ維持工程）。これにより、粉体容器４内の粉体の充填密度は均一となるとともに、粉体の充填厚さが均一になる。

そして、粉体を含めた粉体容器４の重量は、重量計測装置８によって随時計測されており（重量計測工程）、制御装置１０は、重量計測装置８からの計測データが規定量に達したところで（粉体を含んだ粉体容器４の重量が規定量となる）、モータ６の回転を停止し、スクリューフィーダ５の回転を停止するよう制御する（回転制御工程）。
その後、粉体を充填した粉体容器４は、後工程の焼成工程に供されることになる。

このように本実施形態に係る充填装置１においては、粉体供給ノズル３の下端に、粉体容器４の開口部４ａの形状に合わせた押え蓋１１を固定するとともに、粉体容器４内に、粉体容器４内の粉体を拡散させる回転羽根１４ｂを有する回転体１４を設置したので、粉体の粉体容器４への充填密度及び充填厚さを均一にすることができる粉体の充填装置１を提供できる。

また、回転体１４は、スクリューフィーダ５の下端に取り付けられた回転軸１４ａを備えているので、回転体１４を専用に回転させる駆動源を設ける必要がなく、スクリューフィーダ５と同一の回転数で回転させることができる。また、回転羽根１４ｂは、回転軸１４ａの外周部に周方向に１８０°間隔で１対設けられ、水平方向に回転するので、押え蓋１１の中央の開口１１ｄから下方に落下して粉体容器４に充填された粉体を粉体容器４の左右方向両端の方へ適切に拡散させることができる。

更に、押え蓋１１は、粉体容器４の開口部４ａの内寸よりもわずかに小さい外寸を有するので、粉体が粉体容器４からあふれ出るのを極力阻止することができる。
また、押え蓋１１は、粉体供給ノズル３に固定される固定板部１１ａと、固定板部１１ａに貼り付けられ、粉体容器４内の粉体に接する粉接板部１１ｂとを備え、粉接板部１１ｂの材質は、ステンレス鋼、黒鉛、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、あるいはポリカーボネートであるので、押え蓋１１を粉体供給ノズル３に固定できるとともに、押え蓋１１に粉体が付着するのを効果的に抑制することができる。

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されずに種々の変更、改良を行うことができる。
例えば、回転体１４は、スクリューフィーダ５の回転軸５ａに取り付けられる必要は必ずしもなく、スクリューフィーダ５と別個独立に設け、スクリューフィーダ５のモータ６とは別個の回転駆動源によって回転するようにしてもよい。この場合、回転体１４の回転数は、スクリューフィーダ５の回転数と同一であっても異なっていてもよい。
また、押え蓋１１は、上下方向の位置が調整可能となっていてもよい。この場合、粉体容器４内に充填する粉体の充填量に応じて押え蓋１１の上下方向の位置を調整することができる。

本発明の効果を検証すべく、図１に示す充填装置１において、平均粒径が３μｍ程度の粉体１５４０ｇを、粉体容器４へ１充填厚み４５ｍｍ設定で充填した。そして、粉体容器４の四角４点と中央の１点で粉体を定容量採取した。採取したサンプルから各点の充填密度を算出し、５点の充填密度の標準偏差は０．０１以下であった。また、採取したサンプルから各点の充填厚みについては、回転体１４の位置を除き、均一であった。

１ 粉体の充填装置
２ ホッパ
３ 粉体供給ノズル
３ａ 取付部
４ 粉体容器
４ａ 開口部
５ スクリューフィーダ
５ａ 回転軸
６ モータ（回転駆動源）
７ 台座
８ 重量計測装置
１０ 制御装置
１１ 押え蓋
１１ａ 固定板部
１１ｂ 粉接板部
１１ｃ 貫通孔
１１ｄ 開口
１２ 取付部材
１２ａ 固定部
１２ｂ 接合部
１３ 取付ねじ
１４ 回転体
１４ａ 回転軸
１４ｂ 回転羽根
１４ｃ 取付軸

Claims (6)

1. 粉体を貯留するホッパと、該ホッパから下方に延びる粉体供給ノズルと、該粉体供給ノズルの下方に配置された粉体容器と、前記粉体供給ノズル内に設けられ、前記ホッパ内の粉体を前記粉体容器に充填するためのスクリューフィーダと、該スクリューフィーダを回転駆動する回転駆動源と、前記粉体容器の重量を粉体の充填途中に計測する重量計測装置と、該重量計測装置からの計測データに基づき、前記回転駆動源の作動を制御する制御装置とを備え、
   前記粉体供給ノズルの下端に、前記粉体容器の開口部の形状に合わせた押え蓋を固定するとともに、前記粉体容器内に、前記粉体容器内の粉体を拡散させる回転羽根を有する回転体を設置したことを特徴とする粉体の充填装置。
2. 前記回転体は、前記スクリューフィーダの下端に取り付けられた回転軸を備え、前記回転羽根は、前記回転軸の外周部に１枚以上接合されて水平方向に回転することを特徴とする請求項１に記載の粉体の充填装置。
3. 前記押え蓋は、前記粉体容器の開口部の内寸よりもわずかに小さい外寸を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の粉体の充填装置。
4. 前記押え蓋は、前記粉体供給ノズルに固定される固定板部と、該固定板部に固定され、前記粉体容器内の粉体に接する粉接板部とを備え、該粉接板部の材質は、ステンレス鋼、黒鉛、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）またはポリカーボネートであることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一項に記載の粉体の充填装置。
5. 前記押え蓋は、上下方向の位置が調整可能となっていることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか一項に記載の粉体の充填装置。
6. 粉体容器を粉体供給ノズルの下方に配置する粉体容器配置工程と、
   前記粉体供給ノズル内のスクリューフィーダを回転駆動源によって回転させて、ホッパ内の粉体を前記粉体容器内に充填する粉体充填工程と、
   前記粉体容器内に配置された回転体を回転させて回転羽根により前記粉体容器内の粉体を拡散する粉体拡散工程と、
   前記粉体容器内の拡散される粉体を、前記粉体供給ノズルの下端に固定された粉体容器の押え蓋により、一定の粉面高さを維持する粉面高さ維持工程と、
   前記容器の重量を粉体の充填途中に重量計測装置によって計測する重量計測工程と、
   前記重量計測装置からの計測データに基づいて、前記回転駆動源の作動を制御し、前記計測データが規定量に達したところで前記回転駆動源の回転を停止して前記スクリューフィーダの回転を停止する回転制御工程とを含むことを特徴とする粉体の充填方法。

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