JP2021176631A - 粉末製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】粒径の揃った粉末を得ることができる粉末製造装置を提供すること。【解決手段】粉末製造装置１０は、燃焼炎を生成するバーナー２２と、燃焼炎が流入され、燃焼炎が周方向に流れる円環状の燃焼室１６と、燃焼室１６の中心部に設けられ、燃焼炎が噴出する円環状のフレームジェット噴射口１３と、フレームジェット噴射口１３の中心部に設けられ、原料を流下させる供給路１４ａが形成されたセンターコーン１４と、噴射口１３の内部に設けられ、燃焼室１６から流入した燃焼炎を、噴射口１３の中心軸に向けて噴出させる複数の整流板３８と、を有する。【選択図】図８

Description

本発明は、原料に燃焼炎を噴射して粉砕することで粉末を得る粉末製造装置に関する。

従来、原料に燃焼炎を噴射して粉砕し、粉末を得る粉末製造装置がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１６−２０４７１８号公報

粉末製造装置は、例えば、燃焼炎を、流下する原料の周囲に噴射して破砕し、微細な粉末を生成することができるが、粒径の揃った粉末を得るには改善の余地があった。

本発明は、粒径の揃った粉末を得ることができる粉末製造装置を提供することを目的としている。

請求項１に記載の粉末製造装置は、燃焼炎を生成する燃焼炎発生装置と、前記燃焼炎が流入され、前記燃焼炎が周方向に流れる円環状の燃焼室と、前記燃焼室の中心部に設けられ、前記燃焼炎が噴出する円環状の噴射口と、前記噴射口の中心部に設けられ、原料を流下させる供給路が形成された供給路形成部材と、前記噴射口の内部に設けられ、前記燃焼室から流入した前記燃焼炎を、前記噴射口の中心軸に向けて噴出させる複数の整流板と、を有し、前記整流板と前記整流板との間に形成され前記燃焼炎が通過する燃焼炎通過路の幅方向中心線が、前記噴射口の中心軸に向けられている。

請求項１に記載の粉末製造装置では、燃焼炎発生装置で生成された燃焼炎が円環状の燃焼室の流入し、燃焼室の内部で燃焼炎が周方向に流れる。燃焼室の内部を流れる燃焼炎は、燃焼室の中心部に設けられた噴射口を介して外部へ噴出される。

ここで、噴射口の内部には、燃焼室から流入した燃焼炎を、噴射口の中心軸の延長線上に向けて噴出させる複数の整流板が設けられている。このため、燃焼炎が、整流板と整流板との間を通過し、噴射口の中心軸に向けて噴出する。

そして、各整流板の間を通過した各燃焼炎が噴射口の中心軸上で衝突するので、該中心軸上に供給路を介して金属等の原料を流下させると、流下された原料に対して各整流板の間を通過した各燃焼炎が噴射口を介して衝突し、原料は加熱されると共に粉砕される。

整流板と整流板との間に形成された燃焼炎通過路の幅方向中心線が、噴射口の中心軸に向けられているため、燃焼炎通過路を通過した燃焼炎を、噴射口の中心軸に向けて確実に噴射させることができる。整流板と整流板との間を通過した燃焼炎は、噴射口の中心軸に向けて集中するように噴出させることができるので、該中心軸に沿って流下する原料を、粒径の揃った粉末となるように効率的に粉砕することができる。

本発明の粉末製造装置によれば、原料に当たる燃焼炎の旋回を抑制できるので、粒径の揃った粉末を得ることができる、という優れた効果を有する。

参考例に係る粉末製造装置を示す中心軸に沿った縦断面図である。 参考例に係る粉末製造装置を示す水平方向断面図である。 整流板の配置を示す燃焼室の平面図である。 他の参考例に係る粉末製造装置の整流板の配置を示す燃焼室の平面図である。 さらに他の参考例に係る粉末製造装置の整流板の配置を示す燃焼室の平面図である。 ４つのバーナーを備えた他の参考例に係る粉末製造装置を示す水平方向断面図である。 ６つのバーナーを備えた他の参考例に係る粉末製造装置を示す水平方向断面図である。 （Ａ）は、実施形態に係る粉末製造装置の整流板の配置を示す燃焼室の断面図であり、（Ｂ）は図８（Ａ）に示す粉末製造装置の８（Ｂ）−８（Ｂ）線断面図である。

以下、図面に基づき、参考例に係る粉末製造装置１０について説明する。
図１及び図２に示すように、粉末製造装置１０は、燃焼器本体１２とバーナー２２とを有している。

燃焼器本体１２は、厚みが小さい函状を成し、燃焼室１６、円形口１８、取付口２０、バーナー２２、整流板２４、及び熱交換手段２６を有している。燃焼室１６は、燃焼器本体１２の内部に形成されており、側壁１６ａで円形状に囲まれた円盤状の空間を成している。また、燃焼器本体１２の取付口２０には、ナット２１を使用してセンターコーン１４が取り付けられている。

円形口１８は、燃焼室１６の上下１対の内壁１６ｂ，１６ｃのうち、下側の内壁１６ｂの中央部を貫通して設けられている。円形口１８は、円形を成し、燃焼室１６から下方に向かって、径が徐々に小さくなるようテーパー状に形成されている。取付口２０は、燃焼室１６の上側の他方の内壁１６ｃの中央部を貫通して設けられている。取付口２０は、円形を成し、円形口１８の径より大きい径を有している。

図２に示すように、燃焼器本体１２には、２つのバーナー２２が取り付けられており、円形口１８の中心軸ＣＬｂに対して回転対称の位置に配置されている。

バーナー２２は、筒体２２Ａの一方の端部に燃料と空気とを混合して噴出する噴射装置２２Ｂを備えている。燃料としては、例えば、灯油、プロパンガス、水素等の可燃性の液体燃料またはガスが用いられる。筒体２２Ａの他方の端部からは、燃焼器本体１２に向けて燃焼炎が噴射されるようになっている。

燃焼器本体１２は、バーナー２２から噴出される燃焼炎を燃焼室１６の内部に導く燃焼路２８、及び点火プラグ３０を有している。燃焼路２８は、燃焼室１６の側壁１６ａの接線方向に沿って、燃焼器本体１２の外壁から燃焼室１６まで真っ直ぐ伸びるよう設けられている。点火プラグ３０は、バーナー２２から噴出された混合気に点火するよう、燃焼室１６の側壁１６ａに設けられている。

バーナー２２は、混合気を燃焼路２８に向かって噴射し、その混合気に点火プラグ３０で点火されると、燃焼室１６に向かって燃焼炎を噴射するように構成されている。燃焼器本体１２は、発生した燃焼炎が燃焼室１６の内部で、燃焼室１６の側壁１６ａに沿って円形口１８の周囲を回転するよう構成されている（図２中の矢印Ｃ参照）。なお、バーナー２２は、燃焼炎として還元炎を発生することができる。

図１、及び図３に示すように、燃焼室１６の内壁１６ｂの上面には、放射方向に延びる複数の整流板２４が周方向に一定の角度で等間隔に形成されている。整流板２４は、平面視形状で径方向に細長い略三角形に形成されており、上方に向けて立ち上がるように設けられている。

図３に示すように、整流板２４と整流板２４との間には、一定幅の燃焼炎通過路３２が形成されている。本参考例では、燃焼炎通過路３２の幅方向中心線ＣＬは、円形口１８の中心軸ＣＬｂと交差している。

整流板２４の長さ寸法（円形口１８の径方向に沿った方向の寸法）は、整流板２４の高さ寸法よりも長く設定されており、燃焼炎通過路３２の長さ寸法は、燃焼炎通過路３２の幅寸法、及び高さ寸法よりも長く設定されている。

図１に示すように、熱交換手段２６は、燃焼室１６の周囲に設けられた熱交換室２６ａ，２６ｂ，２６ｃと、熱交換室２６ａ，２６ｂ，２６ｃに熱交換媒体を循環させるための熱交換循環装置（図示せず）とを有している。熱交換手段２６は、熱交換循環装置により熱交換室２６ａ，２６ｂ，２６ｃに、水等の熱交換媒体を循環させることにより、燃焼室１６と熱交換媒体との間で熱交換を行い、燃焼室１６を冷却可能に構成されている。

センターコーン１４は、円形口１８の上流側の取付口２０から円形口１８の内側に向かって伸びるよう設けられ、燃焼室１６の内部で円形口１８に向かって徐々に外径が細くなるようテーパー状に形成されている。センターコーン１４は、先端部が、円形口１８との間に間隔をあけて円形口１８の内側に配置されている。これにより、円形口１８の縁が外側縁を成し、センターコーン１４の先端部の外壁が内側縁を成す円環状のフレームジェット噴射口１３が形成されている。なお、フレームジェット噴射口１３の中心軸は、円形口１８の中心軸ＣＬｂと同じである。

センターコーン１４は、断面円形の供給路１４ａと環状の冷却部１４ｂとを有している。供給路１４ａは、センターコーン１４の中心軸に沿って貫通して設けられ、先端の開口が供給口１４ｃを成している。供給路１４ａは、溶融金属、金属線材、金属粉末またはガラスの溶融原料を含む液体原料などの、液体状、線材状または粉末状の金属または非金属の原料Ｍを通過させて、供給口１４ｃからフレームジェット噴射口１３の内側に供給するよう構成されている。冷却部１４ｂは、バーナー２２の取付口２０付近から供給路１４ａの周囲に設けられ、冷却部１４ｂに液体または気体の冷却媒体を循環させることにより、センターコーン１４を冷却可能に構成されている。

粉末製造装置１０は、バーナー２２で生成された燃焼炎が、燃焼室１６の内部で円形口１８の周囲を回転してその流れを整えた後、円環状のフレームジェット噴射口１３からフレームジェットＦＪとなって噴射するよう構成されている。また、フレームジェット噴射口１３から噴射する円環状のフレームジェットＦＪが、ほぼ均等な速度および圧力で、供給口１４ｃから供給される金属または非金属の原料の外周に衝突するよう構成されている。なお、粉末製造装置１０は、燃焼器本体１２の燃焼室１６の内壁とセンターコーン１４の燃焼室１６の内部の外壁とに、図示しないサーマルバリアコーティングが施されている。

（作用、効果）
次に、参考例に係る粉末製造装置１０の作用、効果について説明する。
（１） バーナー２２から燃焼炎が噴射されると、燃焼炎は、燃焼路２８を介して環状の燃焼室１６の内部に流入する。
（２） 燃焼室１６の内部へ流入された燃焼炎は、図２に示すように、燃焼室１６の内部を矢印Ｃ方向に周回し、燃焼室１６の内部で周方向に均一化される。そして、燃焼室１６の内部の燃焼炎は、図３の矢印Ｄで示すように、各々の燃焼炎通過路３２を通過した後、円形口１８の中心軸ＣＬｂに向かって高温、高速のフレームジェットＦＪとして噴射され、中心軸ＣＬｂ上で衝突するようになっている。本参考例では、燃焼炎通過路３２の幅方向中心線ＣＬと、燃焼炎通過路３２から噴射されるフレームジェットＦＪの幅方向中心線ＣＬｊとが一致している。

（３） フレームジェット噴射口１３からフレームジェットＦＪを噴射した状態で、供給口１４ｃから、例えば溶融金属Ｍ（図１において、１点鎖線で図示）を中心軸ＣＬｂに沿って流下させると、供給口１４ｃから流下する溶融金属Ｍの外周に高温、高速のフレームジェットＦＪが衝突し、溶融金属Ｍは粉砕されて微細な金属粉末となる。なお、本参考例の粉末製造装置１０では、バーナー２２の燃料、及び空気の供給量を調整することで、音速よりも速い速度（一例として、マッハ３〜５）でフレームジェット噴射口１３からフレームジェットＦＪを噴射させることができる。なお、溶融金属Ｍは、例えば、センターコーン１４の上方に設けた坩堝３４から供給することができる。

本参考例では、溶融金属Ｍに、高温（溶融金属Ｍの融点よりも高い温度）のフレームジェットＦＪが衝突するので、溶融金属ＭはフレームジェットＦＪが衝突する前よりも高温となって粘度が下がるため破砕され易く、微細化し易くなる。

ところで、フレームジェットＦＪの幅方向中心線ＣＬｊが円形口１８の中心軸ＣＬｂからズレていると、フレームジェットＦＪが中心軸ＣＬｂからズレた方向に噴射され、噴射されたフレームジェットＦＪが溶融金属Ｍの周りを旋回してしまう、言い換えれば中心軸ＣＬｂを中心として旋回してしまうことがある。

溶融金属Ｍに衝突させるフレームジェットＦＪが溶融金属Ｍの周りを旋回してしまうと、フレームジェットＦＪが旋回しない場合に比較して、溶融金属Ｍの粉砕性能が低下してしまい、微細化し難くなったり、得られる金属粉末の粒径にバラツキが大きくなる等の問題が生じ易くなる。

参考例に係る粉末製造装置１０では、整流板２４の長さ寸法が整流板２４の高さ寸法よりも長く設定されていることで、燃焼炎通過路３２の長さ寸法が燃焼炎通過路３２の幅寸法、及び高さ寸法よりも長く設定されており、燃焼炎の通過する燃焼炎通過路３２の長さが十分に長くされているため、燃焼炎通過路３２の長さ寸法が燃焼炎通過路３２の高さ寸法に比較して短く設定された場合に比較して、整流板２４による燃焼炎の整流効果が高められ、燃焼炎通過路３２から噴出する燃焼炎を円形口１８の中心軸ＣＬｂに確実に向けることができる。

各々の燃焼炎通過路３２を通過した燃焼炎は、円環状のフレームジェット噴射口１３から円環状のフレームジェットＦＪとなって噴射され、円環状のフレームジェットＦＪは、円形口１８の中心軸ＣＬｂに向けて噴射される。このため、円形口１８の中心軸ＣＬｂの一端側から見て、フレームジェットＦＪは円形の供給口１４ｃから流下する溶融金属Ｍの外周面に対して直角に噴射され、フレームジェットＦＪが流下する溶融金属Ｍの周りを回転することが確実に抑制される。

このように、フレームジェットＦＪの回転が抑制されることで、フレームジェットＦＪが回転した場合に比較して溶融金属Ｍの粉砕能力を向上することができ、さらには、微細で、且つ粒径の揃った金属粉末を効率的に得ることができる。

なお、参考例に係る粉末製造装置１０は、円環状のフレームジェット噴射口１３の内側に配置された供給口１２ｃから、フレームジェット噴射口１３から噴射する円環状のフレームジェットＦＪによる負圧下で、原料を軸線上に沿って供給することができる。また、酸素を少なめにして燃料を燃焼させることで、燃焼炎を還元炎とすることができ、これによって金属粉末の酸化を抑制することも可能となる。

参考例に係る粉末製造装置１０は、ガラス粉末の製造装置、金属の溶射装置として使用することもできる。なお、粉末製造装置１０をアトマイズ装置として使用する場合、原料として金属線材を使用し、その金属線材に対して高温の円環状のフレームジェットＦＪを噴射することにより、金属線材を溶かしつつ、その溶融金属を粉砕することもできる。

こうして粉砕された溶融金属を、雰囲気中を落下または飛散するうちに静的に過冷却させてアモルファス化させることにより、球状で微細なアモルファス化した金属粉末を得ることができる。

また、フレームジェット噴射口１３の下方に、水等の液体状冷却媒体をストレート状、シャワー状、またはミスト状に噴出するノズル３６を設け、フレームジェットＦＪで粉砕された金属粉末を液体状冷却媒体で急冷するようにしてもよい。これにより、空冷するよりも効率的かつ確実にアモルファス化した金属粉末を得ることができる。

［その他の参考例］
以上、参考例について説明したが、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。

上記参考例では、図３に示すように、燃焼炎通過路３２の幅方向中心線ＣＬが、円形口１８の中心軸ＣＬｂと交差していたが、図４に示すように燃焼炎通過路３２から噴射されるフレームジェットＦＪが中心軸ＣＬｂに向かって噴射され、フレームジェットＦＪの幅方向中心線ＣＬｊが中心軸ＣＬｂと交差し、かつフレームジェットＦＪが回転しないのであれば、燃焼炎通過路３２の幅方向中心線ＣＬが、中心軸ＣＬｂと若干ずれていてもよい（言い換えれば、燃焼炎通過路３２の向きが中心軸ＣＬｂと若干ずれていてもよい）。

上記参考例では、燃焼炎通過路３２の幅が一定であったが、例えば、フレームジェット噴射口１３に向けて幅が徐々に狭くなっていてもよい。
また、上記参考例では、図３、及び図４に示すように、燃焼炎通過路３２が一直線状に延びていたが、図５に示すように、燃焼室１６の内部を矢印Ｃ方向に旋回する燃焼炎が燃焼炎通過路３２に入り易いように、燃焼炎通過路３２の一部が燃焼炎の旋回する方向（矢印Ｃ方向）と反対方向に湾曲していてもよい。

上記参考例の粉末製造装置１０では、燃焼器本体に２つのバーナー２２が設けられていたが、バーナー２２の数は１つであってもよく、３つ以上であってもよい。一例として、図６には４つのバーナー２２を備えた燃焼器本体１２が示されており、図７には、４つのバーナー２２を備えた燃焼器本体１２が示されている。

［実施形態］
上記参考例の粉末製造装置１０では、燃焼室１６の内壁１６ｂの上面に、放射方向に延びる複数の整流板２４が周方向に一定の角度で等間隔に形成されていたが、図８（Ａ）、（Ｂ）に示す実施形態の粉末製造装置１０では、円形口１８の内周面に、放射方向に延びる複数の整流板３８を周方向に一定の角度で等間隔に形成されている。なお、図示を省略するが、センターコーン１４の外周面に放射方向に延びる複数の整流板を周方向に一定の角度で等間隔に形成してもよい。

本実施形態の粉末製造装置１０では、整流板３８と整流板３８との間に形成された燃焼炎通過路４０の幅方向中心線ＣＬが円形口１８の中心軸ＣＬｂに向けられて中心軸ＣＬｂと交差している。したがって、燃焼炎通過路４０を通過した燃焼炎は、フレームジェット噴射口１３の下端からフレームジェットＦＪとなって噴射され、フレームジェットＦＪは、円形口１８の中心軸ＣＬｂに向けて噴射される。このため、円形口１８の中心軸ＣＬｂの一端側から見て、フレームジェットＦＪは円形の供給口１４ｃから流下する溶融金属Ｍの外周面に対して直角に噴射され、前述した参考例に係る粉末製造装置１０と同様に、フレームジェットＦＪが流下する溶融金属Ｍの周りを回転することが確実に抑制される。

したがって、本実施形態の粉末製造装置１０においても、フレームジェットＦＪの回転が抑制されることで、フレームジェットＦＪが回転した場合に比較して溶融金属Ｍの粉砕能力を向上することができ、さらには、微細で、且つ粒径の揃った金属粉末を効率的に得ることができる。

１０ 粉末製造装置
１３ フレームジェット噴射口（噴射口）
１４ センターコーン（供給路形成部材）
１４ａ 供給路
１６ 燃焼室
２２ バーナー（燃焼炎発生装置）
３２ 燃焼炎通過路
３８ 整流板
４０ 燃焼炎通過路
Ｍ 溶融金属（原料）
ＦＪ フレームジェット
ＣＬ 幅方向中心線
ＣＬｂ 中心軸

Claims (1)

1. 燃焼炎を生成する燃焼炎発生装置と、
   前記燃焼炎が流入され、前記燃焼炎が周方向に流れる円環状の燃焼室と、
   前記燃焼室の中心部に設けられ、前記燃焼炎が噴出する円環状の噴射口と、
   前記噴射口の中心部に設けられ、原料を流下させる供給路が形成された供給路形成部材と、
   前記噴射口の内部に設けられ、前記燃焼室から流入した前記燃焼炎を、前記噴射口の中心軸に向けて噴出させる複数の整流板と、
   を有し、
   前記整流板と前記整流板との間に形成され前記燃焼炎が通過する燃焼炎通過路の幅方向中心線が、前記噴射口の中心軸に向けられている、
   粉末製造装置。

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