JP4397198B2

JP4397198B2 - 粉砕機

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Publication number: JP4397198B2
Application number: JP2003303218A
Authority: JP
Inventors: 剛石川; 勤神山
Original assignee: Nippon Coke and Engineering Co Ltd
Current assignee: Nippon Coke and Engineering Co Ltd
Priority date: 2003-08-27
Filing date: 2003-08-27
Publication date: 2010-01-13
Anticipated expiration: 2023-08-27
Also published as: JP2005066541A

Description

本発明は攪拌ロータ及び粉砕機に関し、特に、インクや塗料の分散、セラミック、金属、無機物、有機物、磁性体、顔料、医薬品等の粉砕や分散等に有効な攪拌ロータ及びメディア攪拌型湿式粉砕機に関するものである。

メディア攪拌型湿式粉砕機には種々のタイプのものがあり、例えば、両端が閉塞された筒状の粉砕容器と、粉砕容器内に設けられて粉砕容器内を内側室と外側室の２室に区画する円筒状のセパレータと、粉砕容器の内側室内に回転可能に設けられる攪拌ロータとを備えたものが一般に知られている。

そして、このような構成の粉砕機の攪拌ロータを回転させて処理物を粉砕容器の内側室内に供給すると、処理物は粉砕メディアとともに分散、攪拌され、遠心力の作用によってセパレータ側に層状に押し付けられ、同時に攪拌ロータの回転力に引きずられて回転運動も行い、強力な剪断力が加えられ、処理物の粉砕、分散が行われる。この場合、遠心力の作用する方向と処理物の流れる方向とが同じであるため、無理なく均一な処理物の粉砕、分散が行われることになる（例えば、特許文献１参照。）。

しかしながら、上記のような構成の粉砕機にあっては、動力源の運動エネルギーを処理物の粉砕のために交換する効率は、各種のエネルギー変換効率に比べると未だ低いものであったため、エネルギー交換効率の高い粉砕機の開発が要望されていた。

動力源の運動エネルギーを処理物の粉砕のために交換する効率を著しく向上させた粉砕機として、粉砕容器と、粉砕容器内に設けられて粉砕容器内を内側室と外側室の２室に区画するとともに、両室間を連通する開口部を有するセパレータと、内側室内に回転可能に設けられる攪拌ロータと、内側室内に処理物を供給するための供給口と、外側室から処理物を排出するための排出口とを備えた粉砕機において、内側室を多角形状に形成したものが提案されている。

この場合、セパレータは、内周面が多角形状に形成されるとともに、外周面が円形状に形成されるリングを複数枚重ね合わせ、隣接するリング間に内外周面間を連通する開口部を形成している。

そして、このような構成の粉砕機の攪拌ロータを回転させて処理物を供給口から粉砕容器の内側室内に供給すると、処理物は内側室内において粉砕メディアとともに攪拌されて分散、粉砕される。この場合、処理物及び粉砕メディアには攪拌ロータの回転と多角形状の内側室とによって強力な剪断力が加えられるので、前述したものに比べて粉砕効率を著しく向上させることができる（例えば、特許文献２参照。）。

しかし、世の中のニーズは、より能率アップ、よりエネルギー効率の向上への要求が強まってきているため、上記のような構成の粉砕機で能率を上げるため、粉砕機の周速をさらに高速にし、かつ粉砕メディアを増量しようとする試みが行なわれている。

しかし、攪拌ロータの周速を高速にするほど、粉砕メディアに与える力は遠心力が主体となって、粉砕メディア同士を密着させる圧力が異常に大きくなるため、粉砕メディア同士が密圧状態となり、粉砕容器の内側室内で粉砕メディアがドーナツ状のブロックとなってしまう。このため、攪拌ロータとともに粉砕メディアも回転し、処理物の内側室内における分散、粉砕能率を動力を消費する割には著しく低下させてしまう所謂ブロッキング現象を生じさせる原因となっていた。
特開平１０−２３０１８２号公報特開２００２−２８５１４号公報

本発明は、上記のような従来の粉砕機のもつ問題点を解決したものであって、エネルギー変換効率及び粉砕効率を著しく高めることができる攪拌ロータ及び粉砕機を提供することを目的とするものである。

上記のような課題を解決するために、本発明の請求項１に記載の粉砕機は、粉砕容器と、該粉砕容器内に設けられて、粉砕容器内を径方向に内側室と外側室に区画するとともに、両室間を連通する隙間が少なくとも１箇所に設けられる筒状のセパレータと、前記内側室内に回転可能に設けられる筒状の攪拌ロータと、前記内側室内に処理物を供給する供給口と、前記外側室から処理物を排出する排出口とを備え、前記内側室内に粉砕メディアが収容される粉砕機であって、前記攪拌ロータは、外周面に複数の突起が設けられ、前記突起の回転方向前方側の部分には、回転方向に対向する対向面が設けられ、前記突起の回転方向後方側の部分は、回転方向後方に行くに従って順次回転中心に近づく傾斜面に形成され、前記対向面には回転方向前方に開口する窪み部が設けられ、前記傾斜面には前記攪拌ロータの内外を貫通する貫通孔が設けられている手段を採用している。

本発明は、上記のように構成したことにより、例えば、攪拌ロータを粉砕機に使用した場合、攪拌ロータの回転時に、内側室内の粉砕メディアは、攪拌ロータの突起により押しのけられると同時に、突起の根元部の窪み部に抱き込まれることになる。この場合、突起の回転方向後方側の部分を傾斜面に形成することにより、粉砕メディアが効率良く押しのけられるとともに、窪み部を回転方向前方側に設けることにより、粉砕メディアが効率良く窪み部に抱き込まれることになる。また、粉砕メディアの一部は攪拌ロータの貫通孔を介して攪拌ロータの内側に流れ込むことになる。
従って、粉砕メディアの充填量を多くし、攪拌ロータを高速で回転させても、粉砕メディア間の拘束力を緩和させて、粉砕メディアの剪断、磨砕作用を回復させることができるので、そのような条件下においても所謂ブロッキング現象が生じるようなことはなく、処理物の粉砕、分散が可能となり、効率良くエネルギーを変換することができて、処理物の粉砕効率を大幅に高めることができることになる。

以下、図面に示す本発明の実施の形態について説明する。
図１及び図２には、本発明による攪拌ロータ及び粉砕機の一実施の形態が示されていて、この粉砕機１は、連続式のメディア攪拌型湿式粉砕機であって、両端が閉塞された筒状の粉砕容器２と、粉砕容器２内に回転可能に設けられるとともに、粉砕容器２内で処理物４０と粉砕メディア３５とを攪拌する攪拌部材１６と、粉砕容器２内に設けられるとともに、粉砕容器２内で処理物４０と粉砕メディア３５とを分離する筒状のセパレータ９とを備えている。

粉砕容器２は、一端が閉塞された筒状の容器本体３と、容器本体３の他端開口部に取り付けられて、そこを閉塞する円板状の蓋５とを有している。容器本体３の閉塞されている一端中央部には、容器本体３の内外を連通する筒状のボス４が一体に設けられ、このボス４の中心部に軸受６を介して回転軸２６が回転可能に挿着されている。回転軸２６の粉砕容器２内に位置する部分には、攪拌部材１６が一体に取り付けられ、回転軸２６と一体に回転可能となっている。

粉砕容器２内には、筒状のセパレータ９が粉砕容器２と軸線をほぼ一致させた状態で設けられ、このセパレータ９によって粉砕容器２内が径方向に内側室１４と外側室１５の２室に区画され、内側室１４内に粉砕メディア３５が所定量充填される。

粉砕メディア３５としては、ジルコニアビーズ、スチールビーズ、セラミックビーズ、ガラスビーズ等が挙げられる。粉砕メディア３５は、直径が０．１ｍｍ〜２ｍｍ程度のものを使用することができる。粉砕メディア３５の充填量としては、内側室１４の容積の２０〜６０％としている。粉砕メディア３５は、小径のものほど、また充填量が多いほど、微粉砕は可能であるが、用途により粉砕の程度、処理物４０の形状、性状等が異なるので、用途、処理物４０の種類に応じた最適なものを選択して使用する必要がある。さらに材質についても同様の選択が必要である。

蓋５の中央部には、内側室１４内外を連通する筒状の供給口７が一体に設けられ、この供給口７を介して内側室１４の内部に処理物４０が供給される。容器本体３の側部には、外側室１５内外を連通する筒状の排出口８が一体に設けられ、この排出口８を介してセパレータ９を通過した処理物４０が粉砕容器２外に排出される。

セパレータ９は、所定のサイズの処理物４０を分離できるものであれば良い。例えば、内側リング１０と外側リング１１と両リング１０、１１間に設けられる断面楔状の複数の棒鋼１２とによって構成することができる。棒鋼１２は、内径側が外径側より幅が大きくなるようにして、外側リング１１と内側リング１０との間に全体に渡って所定の間隔毎に設けられる。そして、このように内側リング１０と外側リング１１との間に複数の棒鋼１２を設けることによって、隣接する棒鋼１２、１２間で内径側から外径側にかけて間隔が順次大きくなる楔状の隙間１３が形成される。隙間１３は全周に渡って形成される。

粉砕容器２は、軸方向に短く形成されている。すなわち、軸方向の長さをＬ、直径をＤとしたときに、長さＬと直径Ｄとの比Ｌ／Ｄが１．０以下となるように設定されている。この場合、長さＬを小さくした分だけ直径Ｄを大きくしてあるので、内側室１４の容積を十分に確保することができる。

攪拌部材１６は、本発明による一実施の形態の攪拌ロータ１７と、攪拌ロータ１７を回転駆動させる回転軸２６と、攪拌ロータ１７と回転軸２６とを一体に連結するロックナットと兼用の分散部材２５とを備えている。

攪拌ロータ１７は、一端が閉塞された筒状をなすものであって、この攪拌ロータ１７の閉塞されている一端中央部に回転軸２６の先端部が嵌合され、この状態で攪拌ロータ１７と回転軸２６とが分散部材２５によって一体に連結されている。

攪拌ロータ１７の周速は、通常、８ｍ／ｓ〜１６ｍ／ｓの範囲内に設定される。周速は、大きい方が粉砕効率は良いが、より大きな動力が必要となる。従って、最適周速は、粉砕の程度あるいは処理物４０によって異なるので、処理条件により最適な周速を選択する必要がある。処理物４０の滞留時間は、１〜３０秒／パスで処理している。滞留時間は、より短時間で処理した方が良いが、周速と同様に処理条件により、最適な滞留時間を選択する必要がある。

攪拌ロータ１７の外周面には、周方向に所定の間隔ごとに複数の突起１８が一体に設けられている。各突起１８は、攪拌ロータ１７の全長に渡って設けられるとともに、外周面１９が攪拌ロータ１７の周方向を向くように形成され、回転方向前方側の部分（外周面１９の回転方向最先端に連続する部分）が回転方向と対向する（攪拌ロータ１７の中心方向を向く面）対向面２０に形成され、回転方向後方側の部分（外周面１９の回転方向最後端に連続する部分）が回転方向後方に行くに従って順次攪拌ロータ１７の中心に近づく傾斜面２１に形成されている。

各突起１８の根元部の回転方向前方側の部分、すなわち各突起１８の対向面２０には、回転方向前方側に開口する断面半円形状の窪み部２２が対向面２０の全長に渡って設けられている。なお、窪み部２２は、断面半円形状に限らず、他の形状であっても良い。また、対向面２０の全長に渡って設けずに、一部に設けても良い。

各突起１８の傾斜面２１の回転方向後方側の部分には、攪拌ロータ１７の内外を径方向に貫通する貫通孔２３が設けられている。攪拌ロータ１７の閉塞されている一端部にも、攪拌ロータ１７の内外を軸方向に貫通する貫通孔２４が設けられている。貫通孔２３、２４を介して処理物４０及び粉砕メディア３５が攪拌ロータ１７の内外を流動する。貫通孔２３、２４の形状は特に限定されるものではなく、例えば、円形状、楕円形状等（この実施の形態においては楕円形状）とすることができる。

次に、前記に示すものの作用について説明する。
まず、駆動源（図示せず）を作動させて回転軸２６を回転させると、回転軸２６と一体に攪拌ロータ１７及び分散部材２５が回転する。そして、供給口７から処理物４０を粉砕容器２の内側室１４内に供給すると、処理物４０は分散部材２５によって粉砕メディア３５とともに径方向の外方に分散され、攪拌ロータ１７によって攪拌される。

この場合、攪拌ロータ１７の筒状の部分には、径方向内外に貫通する貫通孔２３が設けられているので、この貫通孔２３によって処理物４０及び粉砕メディア３５に強力な遠心力が作用し、処理物４０及び粉砕メディア３５は貫通孔２３から攪拌ロータ１７の外周側に流動する。

そして、攪拌ロータ１７の外周側に流動した処理物４０及び粉砕メディア３５は、攪拌ロータ１７の外周側において、攪拌ロータ１７の突起１８及びセパレータ９の内周面によって強力な剪断力が加えられ、攪拌ロータ１７の軸方向の一端方向又は他端方向に流動し、蓋５と攪拌ロータ１７との間隙を介して攪拌ロータ１７の内側に流動する。また、一部は、攪拌ロータ１７と容器本体３との間隙を通って攪拌ロータ１７の閉塞されている部分の貫通孔２４から攪拌ロータ１７の内側に流動し、このような一連の流れに沿って内側室１４の内部を循環することになる。

そして、このように処理物４０及び粉砕メディア３５が内側室１４の内部を循環することにより、両者は全体が完全な混合状態となるとともに、処理物４０は徐々に細かく粉砕されて所定の粒度に達する。

所定の粒度に達した処理物４０は、攪拌ロータ１７の外周側に流動した際にセパレータ９によって粉砕メディア３５と分離され、セパレータ９の隙間１３内に流れ込み、そこを流れて外側室１５内に達し、外側室１５から排出口８を介して容器本体３の外部に排出されることになる。

上記のように構成したこの実施の形態による粉砕機１にあっては、容器本体３のL／D比を小さく（１．０以下）してあり、Lを小さくした分だけDを大きくしてあるので、内側室１４（粉砕領域）の容積を十分に確保することができるとともに、強い遠心力を得ることができることになる。

さらに、粉砕機１の能率をアップさせるために、粉砕メディア３５を増量し、攪拌ロータ１７の周速の高速化を図った場合には、攪拌ロータ１７の突起１８によって粉砕メディア３５を押しのけると同時に窪み部２２によって抱き込むことができ、さらに、貫通孔２３を介して粉砕メディア３５の一部を攪拌ロータ１７の内側に流し込むことができる。従って、粉砕メディア３５間の拘束力を緩和させて、粉砕メディア３５の剪断や磨砕作用を回復させることができるので、粉砕メディア３５の過密圧状態を緩和させてブロッキング現象の発生を阻止することができ、本来の処理物の粉砕、分散が可能となる。

この結果、粉砕メディア３５及び処理物４０が容器本体３の内部の一部に片寄って運転に影響を与えたり、運転が困難となったりするようなことはなく、長期的に良好な運転特性が得られることになる。

図３には、本発明による攪拌ロータ及び粉砕機を用いて構成したバッチ処理システム２７が示されている。すなわち、このバッチ処理システム２７は、前述した粉砕機１と、この粉砕機１に循環ライン２８を介して接続されるホールディングタンク２９と、循環ライン２８の途中に設けられるバルブ３０とを備えている。

このバッチ処理システム２７は、１回の粉砕では十分な粉砕ができないような場合に有効となり、特に、少量多品種の製品を生産する場合に有効となるものである。この場合、ホールディングタンク２９として移動可能なものを多数用い、それらを順次交換して使用することができる。

また、製品の切り換えにより粉砕機１の内部を洗浄する必要がある場合には、洗剤などの洗浄液やリンス液を入れたホールディングタンク２９を接続して運転することにより、粉砕機１の内部、粉砕メディア３５、循環ライン２８等を完全に洗浄することができる。

なお、前記の説明においては、本発明による攪拌ロータをメディア攪拌型湿式粉砕機に適用したが、その他の粉砕機、分散機に本発明による攪拌ロータを適用しても良いものであり、その場合にも同様の作用効果を奏するものである。

以下、本発明による粉砕機の実施例について説明する。実施例では、前述したバッチ処理システムを使用し、前述した本発明による攪拌ロータを用いてテストを実施した。実施例と比較するために従来の攪拌ロータを用いて同様の条件でテストを実施した。
処理物のサンプリングは、循環ルートのホールディングタンクの入口で行った。粒径は、日機装（株）のマイクロトラックＭＫＩＩＤＲＡを用い、レーザー回析、光散乱法により計測した。
処理条件は、以下の通りとした。
＜粉砕機（ＳＣミル）＞
・製造：三井鉱山（株）型式ＳＣ１００
・モーター容量：３．７ｋｗ、回転数：最大３６００ｒｐｍ
・粉砕容器実容量：０．３０６リットル
・セパレータ隙間：０．１ｍｍ
＜粉砕メディア＞
・材質：ジルコニア、ボール径：０．３mm、嵩比重：３．８ｇ／ｃｍ^３
＜処理物＞
・重質炭酸カルシウム２．５ｋｇと水２．５ｋｇを混合しスラリー状にしたもの
・重質炭酸カルシウムの平均粒径：５μｍ

実施例及び比較例のテスト条件を表１に示す。

事前準備として、電力動力盤に電力記録計（記録用チャート紙を備えたもの）をセットした。また、先に記載した重質炭酸カルシウムと水を重量比１：１で混合し、スラリーを作った。

＜実施例１＞
本発明による攪拌ロータ及び粉砕機を使用し、次の手順に従ってテストを実施した。
（１）ホールディングタンクに先に記載した重質炭酸カルシウムと水のスラリーを５．０ｋｇ入れる。
（２）ＳＣミル内部に本発明による攪拌ロータを取り付ける。
（３）粉砕メディアとして、上記メディアを０．９３ｋｇＳＣミル内部に入れる。
（４）電力記録計を作動させる。
（５）ＳＣミルの回転数を、２６４０ｒｐｍにセットする。
（６）ＳＣミルを起動させる。
（７）スラリー流量が５リットル／ｍｉｎになるようにバルブを調整する。
（８）１０分後、２０分後、３０分後にホールディングタンク戻り口で計量カップ（粒度分析可能で計測に影響を与えない程度の量）によりサンプルを採取する。
（９）また、同時に電力記録チャート紙に採取タイミングのマークを入れる。
（１０）スラリーの粘度が上がり、ＳＣミルの運転が不安定になってきたら、ホールディングタンク戻り口で計量カップ（粒度分析可能で計測に影響を与えない程度の量）によりサンプルを採取する。
（１１）また、同時に電力記録チャート紙に採取タイミングのマークを入れ時間を記録する。
（１２）ＳＣミルを停止し、スラリーを取り除く。

＜実施例２＞
本発明による攪拌ロータ及び粉砕機を使用し、実施例１とほぼ同様の手順に従ってテストを実施した。異なる部分のみ以下に示す。
・粉砕メディアとして、上記メディアを１．０７ｋｇＳＣミル内部に入れる。
・ミルの回転数を３０００ｒｐｍにセットする。
・５分後、７分後、１０分後にホールディングタンク戻り口で計量カップ（粒度分析可能で計測に影響を与えない程度の量）によりサンプルを採取する。

＜比較例１＞
従来の攪拌ロータを使用し、実施例１とほぼ同様の手順に従ってテストを実施した。異なる部分のみ以下に示す。
・ＳＣミル内部に従来の攪拌ロータを取り付ける。
・粉砕メディアとして、上記メディアを０．７４ｋｇＳＣミル内部に入れる。

＜比較例２＞
従来の攪拌ロータを使用し、実施例１とほぼ同様の手順に従ってテストを実施した。異なる部分のみ以下に示す。
・ＳＣミル内部に従来の攪拌ロータを取り付ける。
・粉砕メディアとして、上記メディアを０．９３ｋｇＳＣミル内部に入れる。

上記の手順によりデータを取得した。その結果を表２に示す。

上記の結果から、算出した比エネルギー及びボール能率をプロットしたグラフを図４及び図５に示す。

表２において実施例１と比較例２とを比較すると、比エネルギー及びボール能率の差は殆どないが、図４より粒度分布では明らかに実施例１の方が細かくなっていることがわかる。また、実施例２で表１より粉砕メディア充填率を９２％、及び攪拌ロータの周速を１４．８m／ｓに上昇させても、ブロッキング現象は発生せず安定した粉砕ができることが実証された。さらに、表２、図４及び図５より、ボール能率及び比エネルギー値も粉砕メディア充填率や攪拌ロータ周速を上げることにより向上することがわかった。

本発明による攪拌ロータ及び粉砕機の一実施の形態を示した縦断面図である。本発明による攪拌ロータの部分拡大平面図である。本発明による攪拌ロータ及び粉砕機を用いて構成したバッチ処理システムの系統図である。本発明による粉砕機の比エネルギー特性図である。本発明による粉砕機のボール能率特性図である。

符号の説明

１粉砕機
２粉砕容器
３容器本体
４ボス
５蓋
６軸受
７供給口
８排出口
９セパレータ
１０内側リング
１１外側リング
１２棒鋼
１３隙間
１４内側室
１５外側室
１６攪拌部材
１７攪拌ロータ
１８突起
１９外周面
２０対向面
２１傾斜面
２２窪み部
２３、２４貫通孔
２５分散部材
２６回転軸
２７バッチ処理システム
２８循環ライン
２９ホールディングタンク
３０バルブ
３５粉砕メディア
４０処理物

Claims

粉砕容器と、該粉砕容器内に設けられて、粉砕容器内を径方向に内側室と外側室に区画するとともに、両室間を連通する隙間が少なくとも１箇所に設けられる筒状のセパレータと、前記内側室内に回転可能に設けられる筒状の攪拌ロータと、前記内側室内に処理物を供給する供給口と、前記外側室から処理物を排出する排出口とを備え、前記内側室内に粉砕メディアが収容される粉砕機であって、
前記攪拌ロータは、外周面に複数の突起が設けられ、
前記突起の回転方向前方側の部分には、回転方向に対向する対向面が設けられ、
前記突起の回転方向後方側の部分は、回転方向後方に行くに従って順次回転中心に近づく傾斜面に形成され、
前記対向面には回転方向前方に開口する窪み部が設けられ、
前記傾斜面には前記攪拌ロータの内外を貫通する貫通孔が設けられていることを特徴とする粉砕機。