JP2018153774A - 粉砕処理システム - Google Patents

Abstract

【課題】低温状態で乾式粉砕処理を行う粉砕処理システムであって、大型化が可能であるとともに、冷却エネルギーの低減が可能な粉砕処理システムを提供する。【解決手段】乾式粉砕機２０は、粉砕室２５の内部で回転する撹拌機３０によって処理物及び粉砕メディア６０を撹拌して粉砕処理を行う。粉砕メディア６０としてドライアイス片を使用するとともに、粉砕室２５の内部を−５６℃以下の低温に保持する冷却手段８０を備えている。冷却手段８０は、粉砕室２５について、液化不活性ガスの供給と気化した不活性ガスの排出を行い、液化不活性ガスの蒸発潜熱を利用して冷却する。または、冷却手段８０が、粉砕室２５について、不活性ガスの供給及び排出を行い、不活性ガスの顕熱を利用して冷却する。【選択図】図１

Description

本発明は、メディア撹拌型の乾式粉砕機を用いる粉砕処理システムに関し、特に、粉砕メディアとしてドライアイスを用いる粉砕処理システムに関する。

処理物を低温状態とすることによって粉砕を容易にすることは、従来から広く行われている。特許文献１には、樹脂を粉砕するローラ型の粉砕機において、処理物をペレット状のドライアイスと混合して粉砕することが記載されている。そして、液化炭酸ガスを断熱膨張させてスノー状のドライアイスを形成し、これを圧搾処理してペレット状にすることが記載されている。

大気圧におけるドライアイスの昇華温度は−７９℃であり、処理物は−７９℃に近い低温で粉砕処理を受けることになる。昇華潜熱は５７３ｋＪ／ｋｇであり、計算上１ｋｇのドライアイスで、１ｋｇの処理物の温度を１００℃程度、引き下げることができる。
しかし、ドライアイスの使用量について、重量比で処理物の１〜１０倍程度と記載されているので、実際には、装置全体における熱損失が大きく、非常に多くの液化炭酸ガスを必要とすることが理解できる。

特許文献２には、医薬品の粉砕処理において、処理物を液体窒素に懸濁させたスラリー状態とし、粉砕メディアとともに撹拌して粉砕する湿式粉砕処理方法が記載されている。この粉砕処理は、−１９６℃（大気圧における液体窒素の沸点）付近の超低温で行うことになる。撹拌熱によって液体窒素が蒸発するので、液体窒素を補充して処理を続けることが記載されている。

使用する粉砕メディアには、一般的なジルコニアなどの他にドライアイスを用いることが記載されている。そして、粉砕処理の一例として、撹拌機を備える４００ｍｌの容器に処理物１５ｇ及びドライアイス１５０ｍｌを入れた処理が記載されている。
しかしながら、窒素の蒸発潜熱は、水と比べて約１１分の１であり、非常に多くの液体窒素を必要とすることになる。

一般に処理物の温度を０℃以下に冷却することは、処理物を加熱する場合と比較して、非常に大きなエネルギーを必要とすることが知られている。このため、低温での粉砕処理は、ドライアイスや液化窒素の使用量を低く抑えることが求められる。
また、特許文献２における記載例のように、１リットル以下の小規模試験においては、通常の室内において酸欠を起こす危険もないが、規模を大きくした場合には、安全な環境を確保するための手段が必要となる。
なお、特許文献３には、供給容器及び排出容器を用いる乾式粉砕機が紹介されている。

特開２００４−２０２３０５号公報 特開２０１４−０００５７４号公報 特開２０１５−０２０１２７号公報

本発明の目的は、低温状態で乾式粉砕処理を行う粉砕処理システムであって、大型化が可能であるとともに、冷却エネルギーの低減が可能な粉砕処理システムを提供することにある。また、安定した粉砕処理が可能であるとともに、安全な作業環境を確保することができる粉砕処理システムを提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明の粉砕処理システムは、メディア撹拌型の乾式粉砕機を用いる粉砕処理システムであって、前記乾式粉砕機は、粉砕室の内部で回転する撹拌機によって処理物及び粉砕メディアを撹拌することにより粉砕処理を行い、前記粉砕メディアとしてドライアイス片を使用するとともに、前記粉砕室の内部を−５６℃以下の低温に保持する冷却手段を備えていることを特徴としている。

ここで、前記冷却手段は、前記粉砕室について、液化不活性ガスの供給と気化した不活性ガスの排出を行い、前記液化不活性ガスの蒸発潜熱を利用して冷却する構成とすることができる。
また、前記冷却手段は、前記粉砕室について、不活性ガスの供給と排出を行い、前記不活性ガスの顕熱を利用して冷却する構成とすることができる。また、前記不活性ガスが、前記撹拌機のシール部材に使用される構成とすることができる。

また、前記冷却手段が、前記粉砕室から排出される前記不活性ガスを冷却するための熱交換器を備えている構成とすることができる。
そして、前記熱交換器が、不活性ガスを凝縮して液化不活性ガスとする構成とすることができる。

本発明の粉砕処理システムは、上記の構成によって、低温状態での乾式粉砕処理を行うことが可能であり、大型化が可能であるとともに冷却エネルギーを低減することが可能である。そして、安定した粉砕処理が可能であるとともに、安全な作業環境を確保することができる。
また、粉砕処理が完了した後、粉砕室内を昇温することによりドライアイスを気化して粉砕された製品を得ることができる。

したがって、本発明の粉砕処理システムは、大容量の実用規模で経済的に実施することが可能であり、樹脂、医薬品、セラミック、及び金属・合金などの分野で幅広く使用することができる。

本発明の粉砕処理システムの一例を示す概略構成図である。 本発明の粉砕処理システムの他の例を示す概略構成図である。

図１は、本発明の一例である粉砕処理システム１０を示す概略構成図である。
粉砕処理システム１０は、樹脂、医薬品、セラミック、金属・合金などの分野において有効な粉砕処理を行うシステムであり、メディア撹拌型の乾式粉砕機２０を用いて、低温状態で処理物を粉砕処理するシステムである。

乾式粉砕機２０は、粉砕容器２１の内部全体が粉砕室２５となっており、撹拌機３０を回転して処理物及び粉砕メディア６０を撹拌することにより粉砕処理を行う。
撹拌機３０は、回転軸３１に複数の撹拌部材３２を備えて構成されている。粉砕室２５は気密性を備えるものであり、回転軸３１はシール部材３６によって軸封されている。

粉砕処理システム１０は、乾式粉砕機２０で使用する粉砕メディア６０として、ドライアイス片、すなわち固体二酸化炭素の粒子を用いることを特徴としている。
そして、粉砕室２５の内部は、ドライアイスが液化することのない三重点以下の温度とするために−５６℃以下の温度とする。これによって乾式での粉砕処理が保証される。
また、実際的には、大気圧に近い圧力での処理が好ましいために、大気圧における昇華温度以下の温度とする意味で、−７８℃以下の温度とすることが好ましい。

粉砕室２５を−５６℃以下の温度とする冷却手段８０として、粉砕室２５に液化不活性ガスを供給するライン９１と、粉砕室２５で気化した不活性ガスを排出するライン９２を備えている。すなわち、液化不活性ガスの蒸発潜熱を利用して、粉砕室２５の低温状態を保持することにしている。

本明細書において「液化不活性ガス」とは、長周期表における第１８族に属する元素及び窒素であるとする。具体的には、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン及びキセノンである。

粉砕処理システム１０は、ライン９２により粉砕室２５から排出される不活性ガスを、熱交換器５０によって冷却凝縮し、液化不活性ガスとしてライン９１で粉砕室２５に供給するようにしている。すなわち、粉砕室２５と熱交換器５０の間を、ライン９１、９２によって不活性ガスが循環するようになっている。

熱交換器５０では、ライン９２からの不活性ガスを冷却凝縮するための冷却媒体としてより沸点の低い液化不活性ガスを使用する。
すなわち、冷凍サイクルを備える冷凍設備７０を設けて、熱交換器５０に対して、より沸点の低い液化不活性ガスを供給するライン９５と、気化した不活性ガスを冷凍設備７０に戻すライン９６が設けられている。そして、より沸点の低い液化不活性ガスが、ライン９５、９６によって循環する。
例えば、ライン９１、９２にはアルゴンを循環させ、ライン９５、９６にはネオンを循環させることができる。

熱交換器５０は、比較的大きな容器５１の内部に、運転中は、不活性ガスのガス相及び液相が形成されている。そして、ガス相となる部分に、熱交換部５５が位置している。
乾式粉砕機２０からの不活性ガスはガス相に導入され、熱交換部５５により冷却されて凝縮する。凝縮した液体不活性ガスは液相に蓄えられる。

熱交換器５０と乾式粉砕機２０は、同じ圧力として運転することによって、設備を簡単にすることができる。その運転圧力は、系内に空気が入ることを防ぐために、大気圧よりも多少高い圧力とする。
粉砕室２５内に空気が入ると、空気中の酸素や水分によって処理物が変化する可能性があるとともに、熱交換器５０における凝縮条件が変化するので好ましくない。

そして、熱交換器５０から乾式粉砕機２０へ液体不活性ガスを供給するには、例えば、ライン９１にポンプを設けて行うことができる。また、熱交換器５０を、乾式粉砕機２０よりも高い場所に位置させて、重力を利用して供給することもできる。

粉砕室２５の内部温度を測定するとともに、ライン９１に制御弁を設けて、粉砕室２５へ供給する液化不活性ガスの流量を調節することが好ましい。これによって、粉砕室２５の内部を−５６℃以下の所定の温度に制御することができる。この温度には、大きな変動幅を持たせることができるので、簡単な操作で制御することができる。

粉砕処理システム１０は、バッチ処理を行う粉砕システムである。すなわち、一定量の処理物を粉砕室２５内に投入して粉砕処理を行い、粉砕処理が完了した後に、粉砕室２５から製品を排出するという、一連の操作を繰り返して行うシステムである。
そして、バッチ処理を繰り返し継続している間は、粉砕室２５内に空気を入れないことが重要である。

このため、処理物を投入する供給口２６及び製品を排出する排出口２７には、それぞれ開閉弁を設けることが好ましい。そして、例えば、特許文献３に記載された供給容器及び排出容器を用いることによって、粉砕室２５に空気を侵入させることなく、処理物の投入と製品の排出を行うことができる。この場合、処理物は、ドライアイス片とともに粉砕室２５内に供給されることが好ましい。また、製品は、ドライアイス片とともに粉砕室２５から排出され、その後に、ドライアイスを気化させて分離することが好ましい。

最初の粉砕処理を開始する際には、乾式粉砕機２０及び熱交換器５０の内部、及びこれらに接続する配管の全てについて、空気を不活性ガスで置換する処理を行う。また、処理物の供給や製品の排出において、空気を追い出して不活性ガスで置換する作業を行う。
このような置換を行うために、貯蔵設備７５から、不活性ガスを供給するライン９７、９８などを備えている。

図２により、本発明の他の例である粉砕処理システム１１について説明する。
粉砕処理システム１１は、粉砕処理システム１０とは乾式粉砕機２０の構造や冷却手段８０の内容が多少異なるが、同じ符号の同じ名称を用いることにする。

乾式粉砕機２０は、粉砕容器２１内に形成される粉砕室２５で、撹拌機３０を回転して処理物及び粉砕メディア６０を撹拌することにより粉砕処理を行う。撹拌機３０は、回転軸３１に複数の撹拌部材３２を備えて構成されている。
そして、回転軸３１が、粉砕容器２１の下側から粉砕室２５内に挿入されていることを特徴としている。

このような撹拌型式は、撹拌機３０の回転を高速とする場合に適しているのであるが、ガスシール形式のシール部材３６を用いる必要がある。他のグランドシールやメカニカルシールでは部品の消耗が激しくなり、ドライ状態の粉砕室２５内を清浄に保持することが難しいためである。

粉砕メディア６０としてドライアイス片を用いることは、粉砕処理システム１０の場合と同様である。また、粉砕室２５の内部を−５６℃以下の温度としてドライアイスが液化しない温度とすること、−７８℃以下の温度として大気圧に近い圧力とすることも同様である。

粉砕処理システム１１では、粉砕室２５を−５６℃以下の温度とする冷却手段８０として、粉砕室２５に不活性ガスを供給するライン９３と、不活性ガスを排出するライン９４を備えている。すなわち、不活性ガス顕熱を利用して、粉砕室２５の低温状態を保持することにしている。
ただし、粉砕処理システム１０で示した、液化不活性ガスの潜熱の利用を併用することは可能であり、本発明に含まれる。

粉砕処理システム１１は、ライン９４により粉砕室２５から排出される不活性ガスを、熱交換器５０によって単純に冷却してライン９３で供給するようにしている。すなわち、粉砕室２５と熱交換器５０の間を、ライン９３、９４によってガス状の不活性ガスが循環する。

ライン９３には、送風機６５を設けて昇圧する必要がある。そして、不活性ガスの一部又は全部を、シール部材３６から供給することになる。
顕熱による冷却は、ライン９３で供給する不活性ガスが多量となるので、処理物がガスに同伴されて流出することを避けるために、乾式粉砕機２０にフィルター６６などを設ける必要がある。

熱交換器５０では、粉砕処理システム１０で示した液化不活性ガスの潜熱の利用を併用しない限り、冷却媒体として、同一の不活性ガスを使用することが可能である。
すなわち、冷凍設備７０を設けて、熱交換部５５に液化不活性ガスをライン９５で供給するとともに、熱交換部５５で気化した不活性ガスをライン９６で冷凍設備７０に送り返すことになる。
例えば、粉砕室２５との間に、ライン９３、９４によって窒素を循環させるとともに、冷凍設備７０との間に、ライン９５、９６によって窒素を循環させることができる。

熱交換器５０は、窒素ガスの冷却を行うのみであれば単純な構造とすることができる。すなわち、液相を設ける必要はなく、気相のみでの熱交換を行うことになる。
そして、粉砕室２５の内部温度を測定するとともに、ライン９３を流れる不活性ガスについて、流量の調節や温度などの調節を行うことによって、粉砕室２５の内部を−５６℃以下の所定の温度に保持することができる。この温度には、大きな変動幅を持たせることができるので、簡単な操作で制御することができる。

粉砕処理システム１１は、粉砕処理システム１０と同様に、系内に空気が入ることを防ぐ必要があり、大気圧よりも多少高い圧力とする。
そして、バッチ処理を繰り返し継続している間は、粉砕室２５内に空気を入れないことが重要である。処理物の投入と製品の排出における注意事項は前述の通りである。

系内から、空気を追い出して不活性ガスで置換する作業を行うために、貯蔵設備７５を設けて、ライン９７、９８などにより不活性ガスを供給することも、前述の通りである。
また、製品は、ドライアイス片とともに粉砕室２５から排出され、その後に、ドライアイスを気化させて分離することが好ましい。

以上、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成は、この実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱しない程度の設計的変更は本発明に含まれる。

例えば、粉砕処理システム１０において、熱交換器５０を、気相及び液相の不活性ガスの単なる貯蔵容器とし、冷凍設備７０によって気相の不活性ガスを液体不活性ガスとすることもできる。

１０： 粉砕処理システム
１１： 粉砕処理システム
２０： 乾式粉砕機
２５： 粉砕室
３０： 撹拌機
３６： シール部材
５０： 熱交換器
６０： 粉砕メディア
８０： 冷却手段

Claims (6)

1. メディア撹拌型の乾式粉砕機を用いる粉砕処理システムであって、
   前記乾式粉砕機は、粉砕室の内部で回転する撹拌機によって処理物及び粉砕メディアを撹拌することにより粉砕処理を行い、
   前記粉砕メディアとしてドライアイス片を使用するとともに、
   前記粉砕室の内部を−５６℃以下の低温に保持する冷却手段を備えていることを特徴とする粉砕処理システム。
2. 前記冷却手段が、前記粉砕室について、液化不活性ガスの供給と気化した不活性ガスの排出を行い、前記液化不活性ガスの蒸発潜熱を利用して冷却することを特徴とする請求項１に記載の粉砕処理システム。
3. 前記冷却手段が、前記粉砕室について、不活性ガスの供給及び排出を行い、前記不活性ガスの顕熱を利用して冷却することを特徴とする請求項１に記載の粉砕処理システム。
4. 前記粉砕室に供給される前記不活性ガスが、前記撹拌機のシール部材に使用されることを特徴とする請求項３に記載の粉砕処理システム。
5. 前記冷却手段が、前記粉砕室から排出される前記不活性ガスを冷却するための熱交換器を備えていることを特徴とする請求項２乃至４の何れか１項に記載の粉砕処理システム。
6. 前記熱交換器が、不活性ガスを凝縮して液化不活性ガスとすることを特徴とする請求項５に記載の粉砕処理システム。