JP3175233B2 - 分級装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、分級装置に係り、特に
分級可能な粒径を低下させることに関する。

【０００２】

【従来の技術】乾式分級機の一種である、慣性力利用分
級機には、特開平１−３０７４８２号公報に開示されて
いるものがあり、図４に示すように、供給ノズル（４
１）から旋回壁（４２）に固気混合流（ａ）を噴出する
一方、補助気流供給路（４３）により、補助気流（ｂ）
が供給ノズル（４１）の両側に供給されている。供給ノ
ズル（４１）から噴出された固気混合流（ａ）は旋回壁
（４２）に沿って旋回して、コアンダ効果によって固体
粒子が分級され、細粒子は細粒子排出管（４４）に、粗
粒子は粗粒子排出管（４５）にそれぞれ流入する。一
方、上記旋回壁（４２）の側壁に近い流れは補助気流
（ｂ）によって流速の低下が抑えられ、固体粒子に与え
られる慣性力の低下が抑制されている。

【０００３】また、特開昭５９−２９０６７号公報に開
示されている慣性力利用分級機は、図５に示すように、
カーブ部（５１）と、このカーブ部（５１）に連接して
スリット部（５２）を有するノズル部（５３）とを備
え、固気混合流（ａ）とこの固気混合流（ａ）の前後か
ら噴出する清浄ガス（ｃ）の３流をカーブ部（５１）に
供給し、カーブ部（５１）を流通する３流の一部をスリ
ット部（５２）から分流して、このスリット部（５２）
からの噴出流（ｄ）により細粒子を分離し、これによ
り、固体粒子を慣性分級している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記２
種の慣性力利用分級機は、慣性分級の因子である、固体
粒子の慣性力、気体の運動方向変化の程度が十分でなか
った。とくに、前者の分級機では旋回壁（４２）に沿っ
た気体の運動方向の変化の程度では微細な粒子を分級す
ることは不可能であり、また、後者の分級機は最小０．
５μｍのセラミック粉を分級するものであり、より微細
な分級は不可能である。さらに、上記２種の慣性力利用
分級機は、慣性分級に必要な慣性力も気流の変化の程度
も低いために、微粒子中に粗粒子が混入し、分級精度が
低いという問題があった。

【０００５】本発明は、かかる点に鑑みてなされたもの
であって、微細な粒子の分級を可能することを目的とし
ている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明が講じた手段は、超音速気流発生手段と固体
粒子回収手段とにより、超音速の固気混合流の流れの場
に定在衝撃波を形成し、微細な粒子を慣性分級するもの
である。

【０００７】具体的には、本発明が講じた手段は、図１
に示すように、分級装置として、気体中に固体粒子が混
入する固気混合流（ｇ）を超音速状態で出口（１３ａ）
より噴出させる超音速気流発生手段（１）と、該超音速
気流発生手段（１）の出口（１３ａ）に連続する固体粒
子回収手段（２）とを備えた分級装置を対象としてい
る。そして、上記固体粒子回収手段（２）の内部には、
粗粒子回収部材（２１）が収納されて、上記固体粒子の
うちの細粒子を回収するための細粒子回収通路（２５）
が粗粒子回収部材（２１）の外側に形成される一方、上
記粗粒子回収部材（２１）には、該粗粒子回収部材（２
１）の端面（２１ａ）に開口して上記固体粒子のうち粗
粒子を回収するための粗粒子回収通路（２３）が少なく
とも１つ形成され、上記粗粒子回収通路（２３）が開口
する粗粒子回収部材（２１）の端面（２１ａ）を上記超
音速気流発生手段（１）の出口（１３ａ）に対峙させ
て、該端面（２１ａ）の前方に定在衝撃波（２６）が生
じるように構成されるものである。

【０００８】

【作用】上記の構成により、本発明によれば、超音速気
流発生手段（１）に供給される固気混合流（ｇ）のうち
気体は出口（１３ａ）で超音速になり、これにともなっ
て気流中の固体粒子の流速も非常に大きくなり、微細な
粒子の分級が可能な程度の非常に大きな慣性力が得られ
ることになる。

【０００９】そして、この出口（１３ａ）に対向する位
置に配設された粗粒子回収部材（２１）により、該出口
（１３ａ）と端面（２１ａ）との間に定在衝撃波（２
６）が形成されている。

【００１０】この定在衝撃波（２６）により、気流は外
方へ変化すると共に、固体粒子のうち細粒子は気流にの
って流通する一方、固体粒子のうち粗粒子はそのまま直
進し、固体粒子が慣性分級される。つまり、定在衝撃波
（２６）を境にして固気混合流（ｇ）は大きく減速する
一方、気流の方向が鋭くかつ大きく曲げられる。このた
め、粒径が小さいために慣性力の差が極めて小さく分級
することが困難な微細な粒子の分級が可能になる。

【００１１】以上より、粒子の慣性力および気体の運動
方向変化の程度が飛躍的に向上することになり、分離限
界粒径が低下する。

【００１２】そして、細粒子は固気混合流中を浮遊して
細粒子回収通路（２５）に流入して回収される一方、粗
粒子は粗粒子回収通路（２３）に流入して回収されるこ
とになる。

【００１３】

【発明の効果】以上のように、請求項１に係る発明によ
れば、超音速気流発生手段（１）により固気混合流
（ｇ）に超音速の流れの場を形成すると共に、粗粒子回
収部材（２１）により定在衝撃波（２６）を形成するよ
うにしたので、分離限界粒径を飛躍的に向上させること
ができ、微細な粒子の分級を可能にすることができる。

【００１４】また、固体粒子は非常に大きな慣性力が与
えられる一方、気流は急減速および急旋回するので、細
粒子を含む気流中への粗粒子の混入が激減し、分級精度
を向上することができる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づき説明す
る。

【００１６】本発明の分級装置は、図示しないが、例え
ば、微粒子製造装置と、薄膜形成装置または成形機等の
加工装置との間に連結され、微粒子製造装置から超微粒
子の供給を受けて、該超微粒子を分級するものであっ
て、分級された所定粒径の細粒子あるいは細粒子が除か
れた所定粒径の粗粒子が加工装置によって直ちに加工さ
れる。

【００１７】図１および図２に本実施例の分級装置の概
略構造を示す。分級装置は、超音速発生手段としてのラ
バール管（１）と、ラバール管（１）に連続配置され、
定在衝撃波（２６）の発生と分級した複数の粒子群の回
収とを行う固体粒子回収手段（２）とから構成されてい
る。

【００１８】ラバール管（１）は、固気混合流（ｇ）が
供給される入口部（１１）と、内面が絞り形成されたス
ロート部（１２）と、出口（１３ａ）に向かって流路面
積が拡大する拡大部（１３）とが順に形成されている。
入口部（１１）の圧力は大気圧に設定される一方、固体
粒子回収部（２）を非容積形の真空ポンプで吸引するこ
とにより、ラバール管（１）の出口圧力は大気圧より低
圧、すなわち、真空に設定されている。そして、ラバー
ル管（１）内を流通する固気混合流（ｇ）は、入口部
（１１）で亜音速に、スロート部（１２）で音速に、出
口（１３ａ）で超音速になる。このラバール管（１）
は、図２に示すように、矩形状に形成されており、サイ
ズアップしやすくなっている。

【００１９】入口部（１１）に供給する固気混合流
（ｇ）としては、気体に空気やＨe ，Ａr 等の不活性ガ
スが、固体粒子には０．１μｍ以下の粒径の超微粒子を
含む各種粉体が用いられ、この粉体は気相法、粉砕、超
臨界圧法、液相法等を使用する各種微粒子製造装置によ
って製造される。

【００２０】上記固体粒子回収手段（２）の内部には、
ラバール管（１）の出口（１３ａ）に対向して粗粒子回
収部材（２１）が配設されている。この粗粒子回収部材
（２１）は、図１に示すように、一対の区画壁（２
２），（２２）が所定の間隔を隔てて並設されてなり、
該両区画（２２），（２２）は、粗粒子回収部材（２
１）の端面の一部を構成する上端（２２ａ），（２２
ａ）と上記出口（１３ａ）との間に一定の間隔を隔てて
設けられている。さらに、この区画壁（２２），（２
２）は、図２に示すように、固体粒子回収手段（２）内
を左右に仕切り、中央部に超微粒子のうち粗粒子が流通
する粗粒子回収通路（２３）を、左右の周辺部に超微粒
子のうち細粒子が流通する細粒子回収通路（２５）を形
成している。

【００２１】そして、粗粒子回収部材（２１）の端面
（２１ａ）には、粗粒子回収通路（２３）の流路開口
（２３ａ）が形成されることになる。また、粗粒子回収
通路（２３）は、図示しないが、真空ポンプの吸引によ
り排気され、流路開口（２３ａ）に流入する気体の流
速、および内部を流通する気体の流速は出口（１３ａ）
における気体の流速より小さく設定されている。

【００２２】このような流路開口（２３ａ）および粗粒
子回収通路（２３）内の低流速により、出口（１３ａ）
から流出した固気混合流（ｇ）が粗粒子回収通路（２
３）内に流入しにくくなっており、上端（２２ａ），
（２２ａ）と流路開口（２３ａ）とからなる粗粒子回収
部材（２１）の端面（２１ａ）の全面が固気混合流
（ｇ）に対して障害壁のように挙動し、出口（１３ａ）
と粗粒子回収部材（２１）の端面（２１ａ）との間に定
在衝撃波（２６）が形成されるようになっている。

【００２３】定在衝撃波（２６）は、圧力波であって、
出口（１３ａ）と粗粒子回収部材（２１）の端面（２１
ａ）との間の一定位置に発生する。この定在衝撃波（２
６）によって固気混合流（ｇ）は急減速すると共に、固
気混合流（ｇ）の気体は外方へ向かって急旋回して細粒
子回収通路（２５）に流入する。これにより、慣性力が
大きい粗粒子（ｈ）はそのまま直進して粗粒子回収部材
（２１）の粗粒子回収通路（２３）内に流入する一方、
慣性力が小さい細粒子（ｉ）は気流にのって細粒子回収
通路（２５）に入り、下流側において回収される。な
お、粗粒子回収通路（２３）内に流入する固体粒子は、
図示しないが、回収されるようになっている。

【００２４】次に、上記分級装置の作動について説明す
る。

【００２５】一般に、慣性力を利用した分級装置では、
気流に浮遊する固体粒子の速度が大きいほど、障害壁と
なる粗粒子回収部材（２１）近傍で気体の運動方向の変
化が急激であるほど、分級可能な粒径は小さくなる。

【００２６】そこで、出口（１３ａ）において固気混合
流（ｇ）の気体は超音速にまで加速されることにより、
気体の加速にともなって固体粒子の流速も非常に大きく
なり、微細な粒子の分級が可能な程度の非常に大きな慣
性力が得られることになる。

【００２７】また、粗粒子回収部材（２１）の端面（２
１ａ）により、該端面（２１ａ）と出口（１３ａ）との
間に定在衝撃波（２６）が形成されている。この定在衝
撃波（２６）により、気流は外方へ変化し、固体粒子の
うち細粒子は気流にのって流通する一方、固体粒子のう
ち粗粒子はそのまま直進し、慣性分級が行われることに
なる。つまり、定在衝撃波（２６）を境にして固気混合
流（ｇ）は大きく減速する一方、気流の方向が鋭くかつ
大きく曲げられるため、粒径が小さいために慣性力の差
が極めて小さく分級することが困難な微細な粒子の分級
が可能になる。

【００２８】そこで、真空場における気流中における固
体粒子の慣性力について説明する。固体粒子の無次元慣
性力Ｓ_tkは、カニンガムの補正を考慮した次式で示され
る。

【数１】 μ：粘性係数，ｕ₀ ：代表速度，ρ_p ：固体粒子の密
度， Ｄ_p ：粒子径，Ｄ：ノズルの代表寸法

【００２９】ただし、

【数２】 である。λ_m は平均自由行程であり、平均自由行程λ_m
と粒子径Ｄ_p の比λ_m ／Ｄ_p は次の範囲となる。 ０．０５＜λ_m ／Ｄ_p ＜６７ ……（３）

【００３０】そして、空気に対して平均自由行程λ_m は
圧力ｐと次の関係にある。 λ_m ＝６．６０／ｐ ……（４）

【００３１】上記（１）式と（２）式により、固体粒子
の慣性力Ｓ_tkは平均自由行程λ_mに比例する一方、平均
自由行程λ_m は、上記（４）式から明らかなように、圧
力ｐと逆比例の関係にある。したがって、低圧では平均
自由行程λ_m が大きくなり、ひいては慣性力Ｓ_tkが大き
くなることになる。そして、ラバール管（１）の出口圧
力は入口部圧力より低圧に設定されているので、出口圧
力が低圧になるほど、この実施例では真空になるほど固
体粒子の慣性力は増大する。

【００３２】具体的に、超音速気流の場が形成されるこ
とにより、入口部圧力Ｐ₁ が大気圧（１atm ）より高
く、出口圧力Ｐ₂ が大気圧の場合には、分級限界粒径が
０．３μｍとなる一方、入口部圧力Ｐ₁ が大気圧で、出
口圧力Ｐ₂ が０．２atm の真空である場合には、出口
（１３ａ）における気流の流速はマッハ２となり、分級
限界粒径は０．０１μｍにまで低下する。

【００３３】以上より、ラバール管（１）の出口（１３
ａ）に超音速気流の場を形成するだけでなく真空場を形
成することにより、粒子の慣性力、気体の運動方向変化
の程度等の、慣性分級の諸要因が飛躍的に向上すること
になり、分級限界粒径が飛躍的に低下して超微粒子の分
級が可能になる。

【００３４】そして、慣性力が小さい細粒子（ｉ）は運
動方向が変化した気流中を浮遊して細粒子回収通路（２
５）に流入して回収される一方、慣性力が大きい粗粒子
は粗粒子回収通路（２３）に流入して回収されることに
なる。

【００３５】以上のように、本実施例によれば、ラバー
ル管（１）により固気混合流（ｇ）に超音速気流の場が
形成されると共に、粗粒子回収部材（２１）により定在
衝撃波（２６）が形成されるので、上記した慣性分級の
諸要因を飛躍的に向上することができ、分級限界粒径を
低下させることができる。

【００３６】また、固体粒子は非常に大きな慣性力を持
つ一方、気流は急減速および急旋回するので、細粒子
（ｉ）を含む気流中への粗粒子（ｈ）の混入が激減し、
従来より分級精度を向上することができる。

【００３７】さらに、本実施例では、ラバール管（１）
の出口（１３ａ）に超音速気流の場を形成するだけでな
く真空場を形成するので、固体粒子がより気流に近い速
度で流動するので固体粒子の慣性力を一層増加すると共
に、気流の急減速と急旋回の効果を大きくすることがで
き、限界分離粒径をより低下することができ、０．１μ
ｍ以下の粒径の超微粒子を分級することも可能になる。
そして、さらに入口部圧力を大気圧より低下させること
により、一層粒径の小さい超微粒子の分級を行うことが
できる。

【００３８】また、真空場で分級を行うことにより、異
物の混入が少なくクリーンな分級ができ、気体はラバー
ル管（１）の出口（１３ａ）で断熱膨脹するために温度
が低下するので、固体粒子の変質を少なくすることがで
きる。また、断熱膨脹による冷熱を得ることができる一
方、動力費や運転音等を低減できる利点がある。

【００３９】また、粗粒子回収部材（２１）の粗粒子回
収通路（２３）により、両区画（２２），（２２）の上
端（２２ａ），（２２ａ）に分級された粗粒子を溜める
ことなく、外部に排出することができ、連続分級を可能
にすることができる。

【００４０】次に、図３に分級装置の他の実施例を示
す。この実施例は、ラバール管（１）が円形に形成され
る一方、固体粒子回収手段（２）が円形に形成されたも
のである。そして、粗粒子回収部材（２１）が円筒部材
で形成され、該粗粒子回収部材（２１）の内側が粗粒子
回収通路（２３）に、外側が細粒子回収通路（２５）に
形成されたものである。その他の構成並びに作用効果は
前実施例と同様である。

【００４１】また、粗粒子回収通路（２３）は、二つ以
上形成してもよい。つまり、慣性力に対応し、粗粒子回
収部材（２１）の中心部に最も粗い粒子を回収するため
の第１粗粒子回収通路を、該第１粗粒子回収通路の外側
に第２粗粒子回収通路を形成してもよく、これにより、
第２粗粒子回収通路で回収される固体粒子や細粒子回収
通路（２５）で回収される固体粒子の分級精度をさらに
向上することができる。

【００４２】また、分級装置への固気混合流（ｇ）の供
給形態としては、微粒子製造装置による連続供給に代
え、粉体の貯溜槽よりバッチ式に供給してもよい。

【００４３】また、分級装置に粗粒子（ｈ）の還流手段
を設け、粗粒子（ｈ）を回収した後、粉砕して再び分級
装置に戻すようにしてもよい。

【００４４】また、超音速気流発生装置は、ラバール管
（１）以外の装置、例えば、減圧インパクタであっても
よい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例であるラバール管を示す断面
図である。

【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。

【図３】ラバール管の他の実施例を示す断面図である。

【図４】従来例を示し、分級装置を示す要部拡大図であ
る。

【図５】他の従来例を示し、分級装置の断面図である。

【符号の説明】

１ ラバール管（超音速気流発生手段） ２ 固体粒子回収手段 １３ａ 拡大部の出口 ２１ 粗粒子回収部材 ２３ 粗粒子回収通路 ２５ 細粒子回収通路 ２６ 定在衝撃波 ｇ 固気混合流

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B07B 1/00 - 15/00

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 気体中に固体粒子が混入する固気混合流
   （ｇ）を超音速状態で出口（１３ａ）より噴出させる超
   音速気流発生手段（１）と、 該超音速気流発生手段（１）の出口（１３ａ）に連続す
   る固体粒子回収手段（２）とを備えた分級装置であっ
   て、 上記固体粒子回収手段（２）の内部には、粗粒子回収部
   材（２１）が収納されて、上記固体粒子のうちの細粒子
   を回収するための細粒子回収通路（２５）が粗粒子回収
   部材（２１）の外側に形成される一方、 上記粗粒子回収部材（２１）には、該粗粒子回収部材
   （２１）の端面（２１ａ）に開口して上記固体粒子のう
   ち粗粒子を回収するための粗粒子回収通路（２３）が少
   なくとも１つ形成され、上記粗粒子回収通路（２３）が開口する粗粒子回収部材
   （２１）の端面（２１ａ）を上記超音速気流発生手段
   （１）の出口（１３ａ）に対峙させて、該 端面（２１
   ａ）の前方に定在衝撃波（２６）が生じるように構成さ
   れていることを特徴とする分級装置。