JP4495282B2 - 機械式粉砕機 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、機械式粉砕機に関するものであり、特に、回転軸に支持され、外周面に所定の形状の多数個の溝が形成された円筒状のローターと、このローターの外側に、ローターの外周面と所定の間隙を隔てて固定して設置され、その内周面に所定の形状の多数個の溝が形成されたライナーとを備え、前記ローターの外周面と前記ライナーの内周面との間で被粉砕物を粉砕処理する機械式粉砕機において、ローターおよびライナーの溝の摩耗を防止し、摩耗したときには容易に交換することができるように構成した機械式粉砕機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、回転軸に支持され、外周面に所定の形状の多数個の溝が形成された円筒状のローターと、このローターの外側に、ローターの外周面と所定の間隙を隔てて固定して設置され、その内周面に所定の形状の多数個の溝が形成されたライナーとを備え、前記ローターの外周面と前記ライナーの内周面との間で被粉砕物を粉砕処理する機械式粉砕機は公知となっていた。
【０００３】
しかし、これらの機械式粉砕機のローターおよびライナーは、ローターの外周面やライナーの内周面を含めて、いずれも鉄鋼材料で形成されており、ローターの外周面およびライナーの内周面に形成された溝に焼入れ等の熱処理や硬質メッキ等の表面処理を行い、あるいは表面にコーティングやプラズマ溶射等を施して溝の表面を硬化し、粉砕処理による溝の摩耗を防止していた。
【０００４】
しかし、被粉砕物が多様化するとともに、硬質でローターの外周面およびライナーの内周面に形成された溝を摩耗させる材質の被粉砕物を粉砕処理する必要が生じてきて、溝の摩耗が問題となってきた。例えば、プリンターやコピー機のトナーを粉砕する際に、フェライト粒子を含有しない２成分トナーの場合にはほとんど溝の摩耗は生じないが、フェライト粒子を含有する１成分トナーの場合には溝の摩耗が激しく、短時間で溝の形状が変化し、場合によっては溝が消滅するほどの摩耗も生じて、その結果、粉砕処理する製品の粒度（粒径とその分布）に変化が生じ、一定の粒度の製品を安定して供給することができなかった。
【０００５】
このため、ローターの外周面およびライナーの内周面に形成される溝を、耐摩耗性のある硬質の材料で製作することが考えられた。例えば、特許第２８６３７６８号公報や特開平２−３９９３９号公報には、ロールの表面に耐摩耗性の高いブロックと耐摩耗性の低いブロックとを交互に設け、ロールを使用することによって摩耗が発生し、耐摩耗性の低いブロックが摩耗して耐摩耗性の高いブロックが残って自然に溝が形成され、この溝で被粉砕物を粉砕処理する粉砕機が開示されている。しかし、この粉砕機は、被粉砕物を単に粉砕すれば足りる程度の粉砕機であって、トナーのように、微細な粒径に粉砕することが要請され、かつその粒度（粒径とその分布）も厳しく管理する必要のあるものには適用することができなかった。
【０００６】
また、特開昭５８−２１４３４９号公報には、ローターの外周面やライナーの内周面に形成される溝を、個別の凸条を並べて配置することによって形成する方法が開示されており、この凸条を耐摩耗性が高いセラミックで形成することが示されている。しかし、トナーのように微細な粒径に粉砕するものでは、ごく小さな形状の溝を多数設ける必要があるので、この小さな形状の溝を、個別の凸条を並べて形成することで構成するのでは、ごく小さな形状の凸条を多数製作し、これを多数並べて組み付けることになり、部品点数が非常に多くなり、製作する際にも、組み付ける際にも非常に手間が掛かり、コストアップにならざるを得なかった。
【０００７】
実開昭５９−２５３６０号公報には、ロールの外周にセラミック製のセグメントを多数取り付け、このセグメントでロールの外周を覆う方法が開示されているが、この考案は、「連鋳用セラミックロール」という名称でも明らかなように、円筒状のセラミックロールを製造するものであって、本願発明のように、外周面に所定の形状の多数個の溝が形成された円筒状のローターと、このローターの外側に、ローターの外周面と所定の間隙を隔てて固定して設置され、その内周面に所定の形状の多数個の溝が形成されたライナーとを備え、前記ローターの外周面と前記ライナーの内周面との間で被粉砕物を粉砕処理する機械式粉砕機とは全く異なるものであって、セラミックロールの外周は平滑であって、被粉砕物を粉砕処理する溝等は形成されておらず、全く関係のないものである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、耐摩耗性材料を使用してローターの外周面およびライナーの内周面に形成された溝の摩耗を防止するとともに、部品の点数を減らして製作や組付けに要する工数を削減し、かつ、摩耗した際には容易に交換可能にして保守を容易にした機械式粉砕機を提供して、フェライト粒子を含有する１成分トナーのように溝の摩耗が激しい被粉砕物でも、製品の粒度（粒径とその分布）を一定にして安定した製品を供給することのできる機械式粉砕機を提供することを目的とするものである。
【０００９】
さらに、本発明は、ローターの外周面およびライナーの内周面に形成された耐摩耗性材料の溝を複数個に分割したチップに形成することによって上記目的を達成するとともに、高速回転するローターに使用する際の安全に使用できるチップの結合部の形状を示し、さらに、安全に使用できるチップの分割数を算定する基準を開示することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る機械式粉砕機は、回転軸に支持され、外周面に所定の形状の多数個の溝が形成された円筒状のローターと、このローターの外側に、ローターの外周面と所定の間隙を隔てて固定して設置され、その内周面に所定の形状の多数個の溝が形成されたライナーとを備え、前記ローターの外周面と前記ライナーの内周面との間で被粉砕物を粉砕処理する機械式粉砕機であって、前記ローターは、中心に前記回転軸を有するコアと、このコアの外周面に、円周方向に任意の個数に分割されて配置され、その外周面にそれぞれ複数個の溝が形成されたチップとで構成されており、前記コアは鉄鋼材料で製作され、そのほぼ円筒状に形成された前記外周面に、前記チップの分割数に対応する個数の滑らかな曲線で形成された逆Ｔ溝状の凹部が形成され、前記チップは耐摩耗性材料で製作され、その円弧状に形成された外周面に前記複数個の溝が、内周面に前記コアに結合する滑らかな曲線で形成された凸部が形成され、前記コアの凹部にこのチップの凸部を嵌入してチップの結合部を形成するとともに、この結合部で前記コアと前記チップとを結合して固定するものであり、前記円周方向に任意の個数に分割された前記チップは、前記ローターの回転によって前記チップに生じる遠心力が前記チップの最小幅（ｗ １ ）の位置における引張応力が所定の許容応力以下であり、かつ前記チップの凸部の形状は、底部を除いて、前記コアの逆Ｔ溝状の凹部と同一の形状となっていて、前記コアの逆Ｔ溝状の凹部と前記チップの凸部とが全面で密着するように精密に加工されており、さらに、前記チップの分割数は、加工に際して加工の容易な分割数となるように決定され、前記ローターの回転によって前記チップに生じる遠心力を、前記チップの最小幅（ｗ １ ）の位置における引張応力として、
下記の実験式
σ＝２πｋ ０ ρｒ ２ ｔω ２ ／ｎｗ １ ＜σ ｍ
で求めることを特徴とする。
ここで、
σ：チップの最小幅の位置に生じる引張応力 (Pa)
ｋ ０ ：係数
ρ：耐摩耗材料の密度 (kg/m ３ )
ｒ：チップの重心位置までの距離 (m)
ｔ：チップの長さ (m)
ω：回転速度 (rad/s)
ｎ：チップの分割数
ｗ １ ：凸部の最小幅 (m)
σ ｍ ：許容応力 (Pa)
であり、係数ｋ ０ は、コアの凹部の形状による係数である。
【００１１】
ここで、前記チップの結合部において遠心力を負荷する当接面は、前記ローターの円周方向に対して傾斜して設けられていることが望ましく、前記チップを形成する前記耐摩耗性材料が、超硬合金またはセラミックであることが望ましい。また、前記チップは、軸方向にも複数個に分割されていることが望ましい。
【００１３】
さらに、前記ライナーの内周面に形成されたチップは、前記ローターの外周面に形成されたチップとほぼ同様の形状をしており、同様に円周方向に任意の個数に分割され、その内周面に同様の複数個の溝を有し、同様の形状をしたチップの凸部とベースの凹部からなるチップの結合部で結合して固定され、かつ同様の材質を使用することが望ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面に基づいて、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明の機械式粉砕機の１実施例を示す横型の機械式粉砕機の断面図であって、図２は、本発明の他の実施例を示す縦型の機械式粉砕機の断面図である。図１に示すように、横型の機械式粉砕機１０は、横型に配置されたケーシング１１と、このケーシング１１に回転自在に支持されたローター１２とを有しており、ケーシング１１には、粉砕する原料である被粉砕物を供給する原料供給口１３が左側上部に、粉砕された製品を排出する製品排出口１４が右側上部に設けられている。
【００１５】
ケーシング１１の中央部には、円筒状の胴部１５が設けられており、その内側の面には、ベース１６を介して、被粉砕物を粉砕するための多数個の溝が形成されたチップ１７が配置されていて、このベース１６とチップ１７によって、内周面に多数個の溝が形成された円筒状のライナー１８が構成されている。そして、ケーシング１１の両端部の中央には軸受１９、２０が設けられており、この軸受１９、２０を介してローター１２の回転軸２１が回転自在に支持されていて、この回転軸２１にコア２２が固定されている。
【００１６】
コア２２は高速回転するので、全体の重量を軽くするための逃げ部２２ａが設けられている。このコア２２は、図１に示すように、全体を１個のコア２２として形成し、その両端部から大きな逃げ部２２ａを設けてもよく、或いは、図２に示すように、軸方向に分割された複数個のコアのセグメント３１とし、それぞれのセグメント３１に逃げ部３１ａを形成して、全体として重量を軽くするように構成してもよい。
【００１７】
さらに、コア２２またはセグメント３１の外周面には、被粉砕物を粉砕するための多数個の溝が形成され、その外周面が全体として円筒状に形成されたチップ２３が固定されている。このコア２２に固定されたチップ２３の外周面とケーシング１１のベース１６に固定されたチップ１７の内周面との隙間は、所定の間隙Ｈを有している。そして、コア２２の両端面には、その外径がチップ２３の外径よりわずかに小さな円板状の側板が配置されており、被粉砕物の砕片がコア２２またはセグメント３１の逃げ部２２ａ、３１ａに進入することを防止している。また、回転軸２１の一端部（図１では右端部、図２では下端部）は、ケーシング１１の外部に突出しており、巻掛伝導機構あるいは歯車伝導機構等の伝導機構を介してモーター等の駆動源（図示しない）に連結されている。
【００１８】
ケーシング１１の左側上部に設けられた原料供給口１３と右側上部に設けられた製品排出口１４の下方には、それぞれ適宜の大きさの空間２５、２６が設けられており、この空間２５、２６で原料である被粉砕物と粉砕された製品をケーシング１１内に貯留する。そして、ローター１２が回転するとともに、製品排出口１４に設けられたブロアなどの空気吸引装置によって粉砕された製品が吸引されることによって、原料供給口１３から供給された被粉砕物は、回転するチップ２３の外周面と固定されたチップ１７の内周面に設けられた溝および間隙Ｈを通過することによって粉砕され、所定の粒度に粉砕された被粉砕品は、製品となって製品排出口１４から外部に排出される。
【００１９】
図２は、本発明の他の実施例を示す縦型の機械式粉砕機の断面図である。この縦型の機械式粉砕機３０は、図２から明らかなように、図１の横型の機械式粉砕機１０とほぼ同じ構成であって、回転軸２１が縦軸に配置されており、原料供給口１３がケーシング１１の下側に、製品排出口１４がケーシング１１の上側に配置されている点を除けば、ローター１２のコア２２が 軸方向に複数個（図では４個）のコアのセグメント３１に分割されており、それぞれのセグメント３１に逃げ部３１ａが形成されていて、全体として重量を軽くするように構成されている点のみが異なっている。
【００２０】
この相違点である分割されたセグメント３１の形状とその機能は、図１の説明のなかで既に説明しているので、ここでは、説明が重複して煩雑とならないために、図１の横型の機械式粉砕機１０と同じ機能を有する部材に図１と同じ符号を付して、図２の縦型の機械式粉砕機の説明は省略する。
本発明を適用するのに好適な機械式粉砕機の基本的な構造は以上のとおりであるが、本発明の機械式粉砕機は、図１および図２に示す構成の機械式粉砕機に限定されるものではなく、公知技術に基づいて各種の改変を適宜行ってよいことは当然である。
【００２１】
図３は、図１のＡ−Ａ断面図であって、ローター１２の断面を示し、図４は、図３の要部拡大図であって、チップ２３の結合部を示す。図３に示すように、ローター１２は、中心に回転軸２１を有するコア２２（コアのセグメント３１を含む。以下同じ）と、このコア２２の外周面に、円周方向に複数個に分割されたチップ２３とが配置されている。そして、このコア２２は、通常の部品と同様に、鉄鋼材料で製作されており、そのほぼ円筒状に形成された外周面に、チップ２３の分割数に対応する個数の逆Ｔ溝状の凹部２２ｂが形成されている。
【００２２】
図３および図４に示すように、このコア２２に形成された逆Ｔ溝状の凹部２２ｂは、コア２２とチップ２３とを結合する結合部（以下、チップの結合部という）となるものであって、通常のＴ溝の角部における応力の集中を可能な限り除くために、角部が全て可能な限り大きな円弧で描かれた滑らかな曲線で形成されており、特に、ローター１２の回転によってチップ２３に生じる遠心力を負荷する当接面となる肩部２２ｃは、ローター１２の円周方向に対して傾斜して設けられており、実施例では、ほぼ４５°の傾斜となるように形成されている。
【００２３】
チップ２３は、超硬合金またはセラミックのような耐摩耗性材料で製作されており、その全体として円筒状に形成された円弧状の外周面には、それぞれ所定の形状に形成された複数個の溝２３ａが形成されており、内周面には、コア２２に結合する滑らかな曲線で形成された凸部２３ｂが形成されている。チップ２３の凸部２３ｂの形状は、底部を除いて、コア２２の逆Ｔ溝状の凹部２２ｂと同一の形状となっており、コア２２の逆Ｔ溝状の凹部２２ｂとチップ２３の凸部２３ｂとが全面で密着するように精密に加工することが必要である。そして、このように精密に加工したコア２２の凹部２２ｂにチップ２３の凸部２３ｂを嵌入し、相互に密着するように固定してチップの結合部を形成し、この結合部でコア２２とチップ２３とを一体に結合して固定する。
【００２４】
また、このチップ２３は、図には示されていないが、ローター１２の軸方向にも複数個に分割されている。例えば、図２に示すように、コアがセグメント３１に分割されたローター１２において、チップ２３もセグメント３１と同じ長さとし、あるいは、図１に示す単一のコア２２において、チップ２３を複数個（４〜５個）の同じ長さに分割することができる。このように、チップ２３を軸方向にも複数個に分割することによって、チップ２３の溝２３ａが部分的に摩耗したり破損したときには、そのチップのみを交換することによって容易に補修することができる。
【００２５】
なお、図示しないが、ライナー１８の内周面に形成されたチップ１７も、ローター１２の外周面に形成されたチップ２３と同様の耐摩耗性材料で製作されており、複数個に分割して内周面を円弧状に形成し、内周面にチップ２３の溝２３ａと同様の複数個の溝を形成するとともに、外周面にチップ２３の凸部２３ｂと同様の凸部を有する形状となっている。そして、ベース１６も、内周面にコア２２の凹部２２ｂと同様の形状の凹部を形成して、このチップ１７の凸部とベース１６の凹部とからなるチップの結合部で結合して固定されている。このように構成することによって、ライナー１８のチップ１７もローター１２のチップ２３と同様の耐摩耗性を有し、同様に容易に補修することができるものとなる。
【００２６】
以上に述べた本発明の機械式粉砕装置において、被粉砕物を微細な粉体に粉砕するときには、ローター１２は、非常な高速（例えば、１３，０００ｍｉｎ-1）で回転することが必要であり、ローター１２の回転によってチップ２３に加えられる遠心力は非常に大きなものとなる。そして、チップ２３やチップ１７の表面に形成される溝も小さなものとなり、チップ２３とチップ１７との間隙Ｈも狭いものとなる。
【００２７】
一方、超硬合金またはセラミックのような耐摩耗性材料は、衝撃的な引張応力や曲げ応力に弱いことは知られており、仮に、チップ２３の一部が破損して飛散したときには、ローター１２が高速で回転しているために大きな衝撃力でチップ２３やチップ１７に衝突することになり、小さな破片が飛散した場合でも、順次破壊が拡大して大きなダメージを粉砕機に与えることになり、場合によっては、周囲の人や機械にも影響を与えることが考えられる。
【００２８】
このため、チップ２３は、ローター１２の高速回転による遠心力に対して十分な強度を必要とし、上記のように、ローター１２を、コア２２とチップ２３とから構成することに想到したとしても、適正なチップ２３の分割数を算定することができなければ、安全なローター１２を得ることができず、分割数を任意に定めて試行錯誤的に分割数を決定することは非常に危険な行為となる。このため、以下に、高速回転するローターに分割したチップを使用する際に、安全に使用することができるチップの分割数を算定する基準を示す実験式を開示する。
【００２９】
図４に示すチップ２３において、ローター１２の回転によって軸方向の単位厚さ当たりのチップ２３に加えられる遠心力は、
Ｆ＝２πρｒ2 ｔω2 ／ｎ ・・・（１）
となる。ここで、
Ｆ：チップ１個にかかる遠心力 (N/m)
ρ：耐摩耗材料の密度 (kg/m3)
ｒ：チップの重心位置までの距離 (m)
ｔ：チップの長さ (m)
ｎ：チップの分割数
ω：回転速度 (rad/s)
である。従って、チップ２３の最小幅ｗ1 の位置における引張応力σは次の式で求められる。
σ＝２πｋ0 ρｒ2 ｔω2 ／ｎｗ1 ＜σm
ここで、
σ：チップの最小幅の位置に生じる引張応力 (Pa)
ｋ0 ：係数
ｗ1 ：凸部の最小幅 (m)
σm ：許容応力 (Pa)
であり、係数ｋ0 は、コア２２の凹部２２ｂの形状による応力集中などによる係数である。
【００３０】
実際のローター１２として超硬合金を使用し、各部の寸法を次のようにしたときには、
ρ＝１３．９×１０3 kg/m3
ｒ＝１２１ mm ＝０．１２１ m
ｔ＝８ mm ＝０．００８ m
ω＝１３，０００min -1＝２π・１３，０００／６０ rad/s
ｗ1 ＝５ mm ＝０．００５ m
を代入すると、
σ＝３，７９２ｋ0 ×１０6 ／ｎ
を得ることができる。
【００３１】
従って、分割数ｎとして、加工に適した任意の分割数を選択して、ｎ＝１２，１８，２４，３０としたときの計算上の応力σは、
【表１】
となる。
【００３２】
一方、分割数ｎを、ｎ＝１２，１８，２４，３０として、有限要素法による構造解析で求めた応力σmax は、
【表２】
であった。
【００３３】
この計算上の応力σと有限要素法による構造解析で求めた応力σmax とを比較して平均化すると、係数ｋ0 は、
ｋ0 ＝１．６２１
となり、
σ＝１．６２１×２πρｒ2 ｔω2 ／ｎｗ1 ＜σm ・・・（２）
＝１０．１８５ρｒ2 ｔω2 ／ｎｗ1 ＜σm
上記の実際のローター１２の寸法を代入すると、
σ＝６，１４６．８×１０6 ／ｎ＜σm
となる。
【００３４】
この計算式に従って実際のローター１２の寸法における計算上の応力σを計算すると、
【表３】
となる。
【００３５】
ここで、許容応力σm を３００ＭPa（メガパスカル）とすると、チップ２３の分割数は、ｎ＝２４以上とすべきことが計算上で求められる。
【００３６】
図５は、上記の実験式において、実際のローター１２の寸法を採用したときの計算上の応力σと分割数ｎの関係を示すグラフである。このグラフにおいて、有限要素法による構造解析で求めた応力σmax を２重の点で示し、（２）式で計算される応力を曲線で示している。
このグラフによれば、チップ２３の分割数はｎ＝２１以上であれば良いことが判るが、加工を容易にするためには、ｎ＝２４以上とすることが望ましい。
【００３７】
また、上記した有限要素法による構造解析で求めた応力σmax を近似する曲線を求めると、
σ＝ρ・Ｖ2 （ｋ1 ＋ｋ2 ・ｅｘｐ（−ｋ3 ・ｎ））＜σm ・・・（３）
が求められる。ここで、
σ：構造解析で求めた応力σmax を近似する曲線で示される応力 (Pa)
ρ：耐摩耗材料の密度 (kg/m3)
Ｖ：チップの周速度 (m/s)
ｎ：チップの分割数
σm ：許容応力 (Pa)
ｋ1 ，ｋ2 ，ｋ3 ：係数
である。これをρ・Ｖ2 で割って無次元化すると、
σ／（ρＶ2 ）＝ｋ1 ＋ｋ2 ・ｅｘｐ（−ｋ3 ・ｎ）＜σm ／（ρＶ2 ）
・・・（４）
となる。
【００３８】
ここで、係数ｋ1 ，ｋ2 ，ｋ3 は、
ｋ1 ＝ ０．６１５５
ｋ2 ＝１２．２４３１
ｋ3 ＝ ０．２３１４
となる。
【００３９】
実際のローターの寸法として、上記の寸法
ρ＝１３．９×１０3 kg/m3
Ｖ＝１６４．７ m/s
を採用して、安全率を見込んだ許容応力を、
σm ＝３００ＭPa
とすると、
σm ／（ρＶ2 ）＝３００×１０6 ／１３．９×１０3 ・１６４．７2
＝０．７９５６
となり、
σ／（ρＶ2 ）＝ｋ1 ＋ｋ2 ・ｅｘｐ（−ｋ3 ・ｎ）＜０．７９５６
となる。これを四捨五入して有効数字を２桁に丸めて、
ｋ1 ＝ ０．６２
ｋ2 ＝１３
ｋ3 ＝ ０．２３
とすると、
σ／（ρＶ2 ）＝０．６２＋１３ｅｘｐ（−０．２３ｎ）＜０．８
・・・（５）
となる。
【００４０】
図６は、上記の実験式で求められる構造解析で求めた応力σmax を近似する曲線を示すグラフであって、無次元数σ／（ρＶ2 ）と分割数ｎとの関係で表示されるグラフとして描かれている。このグラフにおいて、有限要素法による構造解析で求めた応力σmax を２重の点で示し、（５）式で計算される応力を曲線で示している。
このグラフによれば、チップ２３の分割数は、ｎ＝１９以上であれば良いことが判るが、加工を容易にするためには、ｎ＝２０以上とすることが望ましい。
【００４１】
また、図７は、同様に上記の実験式で求められる構造解析で求めた応力σmax を近似する曲線を示すグラフであって、係数ｋ1 ，ｋ2 ，ｋ3 を安全側になるように、有効数字を１桁または２桁に丸めて、
ｋ1 ＝ ０．７
ｋ2 ＝１３
ｋ3 ＝ ０．２３
としたときの無次元数σ／（ρＶ2 ）と分割数ｎとの関係で表示されるグラフである。
このグラフは、より安全側に（５）式を修正したものであって、チップ２３の分割数はｎ＝２２以上であれば良いことが判り、きりのよい分割数にして加工を容易にするためには、ｎ＝２４以上とすることが望ましい。
【００４２】
以上に詳細に説明した本発明の機械式粉砕装置の実施の形態は、本発明の１例を示したものであり、本発明はこれらの例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変更を行ってよいことはいうまでもない。
【００４３】
【発明の効果】
以上に詳細に説明したように、本発明の機械式粉砕装置によれば、ローターの外周面およびライナーの内周面に形成された溝を耐摩耗性材料とすることによって溝の摩耗を防止するとともに、この溝を複数個に分割したチップで形成することによって溝を形成するチップの製作や組付けに要する工数を削減し、かつ、摩耗した際には、容易に交換可能にして保守を容易にした機械式粉砕機を提供し、フェライト粒子を含有する１成分トナーのように溝の摩耗が激しい被粉砕物でも、製品の粒度（粒径とその分布）を一定にして、粒度の揃った製品を安定して供給することができる機械式粉砕機を提供することができる。
【００４４】
さらに、本発明は、この複数個に分割したチップを高速回転するローターに使用する際に、安全に使用できるチップの結合部の形状を示すとともに、チップの分割数を算定する基準を開示し、高速回転するローターに複数個に分割したチップを採用する際に、安全に使用できるチップの結合部の形状と分割数の指針を提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の機械式粉砕機の１実施例を示す横型の機械式粉砕機の断面図である。
【図２】 本発明の他の実施例を示す縦型の機械式粉砕機の断面図である。
【図３】 図１のＡ−Ａ断面図であって、ローターの断面を示す。
【図４】 図３の要部拡大図である。
【図５】 実際のローターの寸法を採用したときの計算上の引張応力σと分割数ｎの関係を示すグラフである。
【図６】 構造解析で求めた応力σmax を近似する曲線を示すグラフである。
【図７】 構造解析で求めた応力σmax をより安全側で近似する曲線を示すグラフである。
【符号の説明】
１０ 横型の機械式粉砕機
１１ ケーシング
１２ ローター
１３ 原料供給口
１４ 製品排出口
１５ 胴部
１６ ベース
１７ チップ
１８ ライナー
１９，２０ 軸受
２１ 回転軸
２２ コア
２２ａ 逃げ部
２２ｂ 凹部
２２ｃ 肩部
２３ チップ
２３ａ 溝
２３ｂ 凸部
２４ 側板
２５，２６ 空間
３０ 縦型の機械式粉砕機
３１ セグメント
３１ａ 逃げ部
Ｈ 間隙
【発明の属する技術分野】
本発明は、機械式粉砕機に関するものであり、特に、回転軸に支持され、外周面に所定の形状の多数個の溝が形成された円筒状のローターと、このローターの外側に、ローターの外周面と所定の間隙を隔てて固定して設置され、その内周面に所定の形状の多数個の溝が形成されたライナーとを備え、前記ローターの外周面と前記ライナーの内周面との間で被粉砕物を粉砕処理する機械式粉砕機において、ローターおよびライナーの溝の摩耗を防止し、摩耗したときには容易に交換することができるように構成した機械式粉砕機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、回転軸に支持され、外周面に所定の形状の多数個の溝が形成された円筒状のローターと、このローターの外側に、ローターの外周面と所定の間隙を隔てて固定して設置され、その内周面に所定の形状の多数個の溝が形成されたライナーとを備え、前記ローターの外周面と前記ライナーの内周面との間で被粉砕物を粉砕処理する機械式粉砕機は公知となっていた。
【０００３】
しかし、これらの機械式粉砕機のローターおよびライナーは、ローターの外周面やライナーの内周面を含めて、いずれも鉄鋼材料で形成されており、ローターの外周面およびライナーの内周面に形成された溝に焼入れ等の熱処理や硬質メッキ等の表面処理を行い、あるいは表面にコーティングやプラズマ溶射等を施して溝の表面を硬化し、粉砕処理による溝の摩耗を防止していた。
【０００４】
しかし、被粉砕物が多様化するとともに、硬質でローターの外周面およびライナーの内周面に形成された溝を摩耗させる材質の被粉砕物を粉砕処理する必要が生じてきて、溝の摩耗が問題となってきた。例えば、プリンターやコピー機のトナーを粉砕する際に、フェライト粒子を含有しない２成分トナーの場合にはほとんど溝の摩耗は生じないが、フェライト粒子を含有する１成分トナーの場合には溝の摩耗が激しく、短時間で溝の形状が変化し、場合によっては溝が消滅するほどの摩耗も生じて、その結果、粉砕処理する製品の粒度（粒径とその分布）に変化が生じ、一定の粒度の製品を安定して供給することができなかった。
【０００５】
このため、ローターの外周面およびライナーの内周面に形成される溝を、耐摩耗性のある硬質の材料で製作することが考えられた。例えば、特許第２８６３７６８号公報や特開平２−３９９３９号公報には、ロールの表面に耐摩耗性の高いブロックと耐摩耗性の低いブロックとを交互に設け、ロールを使用することによって摩耗が発生し、耐摩耗性の低いブロックが摩耗して耐摩耗性の高いブロックが残って自然に溝が形成され、この溝で被粉砕物を粉砕処理する粉砕機が開示されている。しかし、この粉砕機は、被粉砕物を単に粉砕すれば足りる程度の粉砕機であって、トナーのように、微細な粒径に粉砕することが要請され、かつその粒度（粒径とその分布）も厳しく管理する必要のあるものには適用することができなかった。
【０００６】
また、特開昭５８−２１４３４９号公報には、ローターの外周面やライナーの内周面に形成される溝を、個別の凸条を並べて配置することによって形成する方法が開示されており、この凸条を耐摩耗性が高いセラミックで形成することが示されている。しかし、トナーのように微細な粒径に粉砕するものでは、ごく小さな形状の溝を多数設ける必要があるので、この小さな形状の溝を、個別の凸条を並べて形成することで構成するのでは、ごく小さな形状の凸条を多数製作し、これを多数並べて組み付けることになり、部品点数が非常に多くなり、製作する際にも、組み付ける際にも非常に手間が掛かり、コストアップにならざるを得なかった。
【０００７】
実開昭５９−２５３６０号公報には、ロールの外周にセラミック製のセグメントを多数取り付け、このセグメントでロールの外周を覆う方法が開示されているが、この考案は、「連鋳用セラミックロール」という名称でも明らかなように、円筒状のセラミックロールを製造するものであって、本願発明のように、外周面に所定の形状の多数個の溝が形成された円筒状のローターと、このローターの外側に、ローターの外周面と所定の間隙を隔てて固定して設置され、その内周面に所定の形状の多数個の溝が形成されたライナーとを備え、前記ローターの外周面と前記ライナーの内周面との間で被粉砕物を粉砕処理する機械式粉砕機とは全く異なるものであって、セラミックロールの外周は平滑であって、被粉砕物を粉砕処理する溝等は形成されておらず、全く関係のないものである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、耐摩耗性材料を使用してローターの外周面およびライナーの内周面に形成された溝の摩耗を防止するとともに、部品の点数を減らして製作や組付けに要する工数を削減し、かつ、摩耗した際には容易に交換可能にして保守を容易にした機械式粉砕機を提供して、フェライト粒子を含有する１成分トナーのように溝の摩耗が激しい被粉砕物でも、製品の粒度（粒径とその分布）を一定にして安定した製品を供給することのできる機械式粉砕機を提供することを目的とするものである。
【０００９】
さらに、本発明は、ローターの外周面およびライナーの内周面に形成された耐摩耗性材料の溝を複数個に分割したチップに形成することによって上記目的を達成するとともに、高速回転するローターに使用する際の安全に使用できるチップの結合部の形状を示し、さらに、安全に使用できるチップの分割数を算定する基準を開示することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る機械式粉砕機は、回転軸に支持され、外周面に所定の形状の多数個の溝が形成された円筒状のローターと、このローターの外側に、ローターの外周面と所定の間隙を隔てて固定して設置され、その内周面に所定の形状の多数個の溝が形成されたライナーとを備え、前記ローターの外周面と前記ライナーの内周面との間で被粉砕物を粉砕処理する機械式粉砕機であって、前記ローターは、中心に前記回転軸を有するコアと、このコアの外周面に、円周方向に任意の個数に分割されて配置され、その外周面にそれぞれ複数個の溝が形成されたチップとで構成されており、前記コアは鉄鋼材料で製作され、そのほぼ円筒状に形成された前記外周面に、前記チップの分割数に対応する個数の滑らかな曲線で形成された逆Ｔ溝状の凹部が形成され、前記チップは耐摩耗性材料で製作され、その円弧状に形成された外周面に前記複数個の溝が、内周面に前記コアに結合する滑らかな曲線で形成された凸部が形成され、前記コアの凹部にこのチップの凸部を嵌入してチップの結合部を形成するとともに、この結合部で前記コアと前記チップとを結合して固定するものであり、前記円周方向に任意の個数に分割された前記チップは、前記ローターの回転によって前記チップに生じる遠心力が前記チップの最小幅（ｗ １ ）の位置における引張応力が所定の許容応力以下であり、かつ前記チップの凸部の形状は、底部を除いて、前記コアの逆Ｔ溝状の凹部と同一の形状となっていて、前記コアの逆Ｔ溝状の凹部と前記チップの凸部とが全面で密着するように精密に加工されており、さらに、前記チップの分割数は、加工に際して加工の容易な分割数となるように決定され、前記ローターの回転によって前記チップに生じる遠心力を、前記チップの最小幅（ｗ １ ）の位置における引張応力として、
下記の実験式
σ＝２πｋ ０ ρｒ ２ ｔω ２ ／ｎｗ １ ＜σ ｍ
で求めることを特徴とする。
ここで、
σ：チップの最小幅の位置に生じる引張応力 (Pa)
ｋ ０ ：係数
ρ：耐摩耗材料の密度 (kg/m ３ )
ｒ：チップの重心位置までの距離 (m)
ｔ：チップの長さ (m)
ω：回転速度 (rad/s)
ｎ：チップの分割数
ｗ １ ：凸部の最小幅 (m)
σ ｍ ：許容応力 (Pa)
であり、係数ｋ ０ は、コアの凹部の形状による係数である。
【００１１】
ここで、前記チップの結合部において遠心力を負荷する当接面は、前記ローターの円周方向に対して傾斜して設けられていることが望ましく、前記チップを形成する前記耐摩耗性材料が、超硬合金またはセラミックであることが望ましい。また、前記チップは、軸方向にも複数個に分割されていることが望ましい。
【００１３】
さらに、前記ライナーの内周面に形成されたチップは、前記ローターの外周面に形成されたチップとほぼ同様の形状をしており、同様に円周方向に任意の個数に分割され、その内周面に同様の複数個の溝を有し、同様の形状をしたチップの凸部とベースの凹部からなるチップの結合部で結合して固定され、かつ同様の材質を使用することが望ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面に基づいて、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明の機械式粉砕機の１実施例を示す横型の機械式粉砕機の断面図であって、図２は、本発明の他の実施例を示す縦型の機械式粉砕機の断面図である。図１に示すように、横型の機械式粉砕機１０は、横型に配置されたケーシング１１と、このケーシング１１に回転自在に支持されたローター１２とを有しており、ケーシング１１には、粉砕する原料である被粉砕物を供給する原料供給口１３が左側上部に、粉砕された製品を排出する製品排出口１４が右側上部に設けられている。
【００１５】
ケーシング１１の中央部には、円筒状の胴部１５が設けられており、その内側の面には、ベース１６を介して、被粉砕物を粉砕するための多数個の溝が形成されたチップ１７が配置されていて、このベース１６とチップ１７によって、内周面に多数個の溝が形成された円筒状のライナー１８が構成されている。そして、ケーシング１１の両端部の中央には軸受１９、２０が設けられており、この軸受１９、２０を介してローター１２の回転軸２１が回転自在に支持されていて、この回転軸２１にコア２２が固定されている。
【００１６】
コア２２は高速回転するので、全体の重量を軽くするための逃げ部２２ａが設けられている。このコア２２は、図１に示すように、全体を１個のコア２２として形成し、その両端部から大きな逃げ部２２ａを設けてもよく、或いは、図２に示すように、軸方向に分割された複数個のコアのセグメント３１とし、それぞれのセグメント３１に逃げ部３１ａを形成して、全体として重量を軽くするように構成してもよい。
【００１７】
さらに、コア２２またはセグメント３１の外周面には、被粉砕物を粉砕するための多数個の溝が形成され、その外周面が全体として円筒状に形成されたチップ２３が固定されている。このコア２２に固定されたチップ２３の外周面とケーシング１１のベース１６に固定されたチップ１７の内周面との隙間は、所定の間隙Ｈを有している。そして、コア２２の両端面には、その外径がチップ２３の外径よりわずかに小さな円板状の側板が配置されており、被粉砕物の砕片がコア２２またはセグメント３１の逃げ部２２ａ、３１ａに進入することを防止している。また、回転軸２１の一端部（図１では右端部、図２では下端部）は、ケーシング１１の外部に突出しており、巻掛伝導機構あるいは歯車伝導機構等の伝導機構を介してモーター等の駆動源（図示しない）に連結されている。
【００１８】
ケーシング１１の左側上部に設けられた原料供給口１３と右側上部に設けられた製品排出口１４の下方には、それぞれ適宜の大きさの空間２５、２６が設けられており、この空間２５、２６で原料である被粉砕物と粉砕された製品をケーシング１１内に貯留する。そして、ローター１２が回転するとともに、製品排出口１４に設けられたブロアなどの空気吸引装置によって粉砕された製品が吸引されることによって、原料供給口１３から供給された被粉砕物は、回転するチップ２３の外周面と固定されたチップ１７の内周面に設けられた溝および間隙Ｈを通過することによって粉砕され、所定の粒度に粉砕された被粉砕品は、製品となって製品排出口１４から外部に排出される。
【００１９】
図２は、本発明の他の実施例を示す縦型の機械式粉砕機の断面図である。この縦型の機械式粉砕機３０は、図２から明らかなように、図１の横型の機械式粉砕機１０とほぼ同じ構成であって、回転軸２１が縦軸に配置されており、原料供給口１３がケーシング１１の下側に、製品排出口１４がケーシング１１の上側に配置されている点を除けば、ローター１２のコア２２が 軸方向に複数個（図では４個）のコアのセグメント３１に分割されており、それぞれのセグメント３１に逃げ部３１ａが形成されていて、全体として重量を軽くするように構成されている点のみが異なっている。
【００２０】
この相違点である分割されたセグメント３１の形状とその機能は、図１の説明のなかで既に説明しているので、ここでは、説明が重複して煩雑とならないために、図１の横型の機械式粉砕機１０と同じ機能を有する部材に図１と同じ符号を付して、図２の縦型の機械式粉砕機の説明は省略する。
本発明を適用するのに好適な機械式粉砕機の基本的な構造は以上のとおりであるが、本発明の機械式粉砕機は、図１および図２に示す構成の機械式粉砕機に限定されるものではなく、公知技術に基づいて各種の改変を適宜行ってよいことは当然である。
【００２１】
図３は、図１のＡ−Ａ断面図であって、ローター１２の断面を示し、図４は、図３の要部拡大図であって、チップ２３の結合部を示す。図３に示すように、ローター１２は、中心に回転軸２１を有するコア２２（コアのセグメント３１を含む。以下同じ）と、このコア２２の外周面に、円周方向に複数個に分割されたチップ２３とが配置されている。そして、このコア２２は、通常の部品と同様に、鉄鋼材料で製作されており、そのほぼ円筒状に形成された外周面に、チップ２３の分割数に対応する個数の逆Ｔ溝状の凹部２２ｂが形成されている。
【００２２】
図３および図４に示すように、このコア２２に形成された逆Ｔ溝状の凹部２２ｂは、コア２２とチップ２３とを結合する結合部（以下、チップの結合部という）となるものであって、通常のＴ溝の角部における応力の集中を可能な限り除くために、角部が全て可能な限り大きな円弧で描かれた滑らかな曲線で形成されており、特に、ローター１２の回転によってチップ２３に生じる遠心力を負荷する当接面となる肩部２２ｃは、ローター１２の円周方向に対して傾斜して設けられており、実施例では、ほぼ４５°の傾斜となるように形成されている。
【００２３】
チップ２３は、超硬合金またはセラミックのような耐摩耗性材料で製作されており、その全体として円筒状に形成された円弧状の外周面には、それぞれ所定の形状に形成された複数個の溝２３ａが形成されており、内周面には、コア２２に結合する滑らかな曲線で形成された凸部２３ｂが形成されている。チップ２３の凸部２３ｂの形状は、底部を除いて、コア２２の逆Ｔ溝状の凹部２２ｂと同一の形状となっており、コア２２の逆Ｔ溝状の凹部２２ｂとチップ２３の凸部２３ｂとが全面で密着するように精密に加工することが必要である。そして、このように精密に加工したコア２２の凹部２２ｂにチップ２３の凸部２３ｂを嵌入し、相互に密着するように固定してチップの結合部を形成し、この結合部でコア２２とチップ２３とを一体に結合して固定する。
【００２４】
また、このチップ２３は、図には示されていないが、ローター１２の軸方向にも複数個に分割されている。例えば、図２に示すように、コアがセグメント３１に分割されたローター１２において、チップ２３もセグメント３１と同じ長さとし、あるいは、図１に示す単一のコア２２において、チップ２３を複数個（４〜５個）の同じ長さに分割することができる。このように、チップ２３を軸方向にも複数個に分割することによって、チップ２３の溝２３ａが部分的に摩耗したり破損したときには、そのチップのみを交換することによって容易に補修することができる。
【００２５】
なお、図示しないが、ライナー１８の内周面に形成されたチップ１７も、ローター１２の外周面に形成されたチップ２３と同様の耐摩耗性材料で製作されており、複数個に分割して内周面を円弧状に形成し、内周面にチップ２３の溝２３ａと同様の複数個の溝を形成するとともに、外周面にチップ２３の凸部２３ｂと同様の凸部を有する形状となっている。そして、ベース１６も、内周面にコア２２の凹部２２ｂと同様の形状の凹部を形成して、このチップ１７の凸部とベース１６の凹部とからなるチップの結合部で結合して固定されている。このように構成することによって、ライナー１８のチップ１７もローター１２のチップ２３と同様の耐摩耗性を有し、同様に容易に補修することができるものとなる。
【００２６】
以上に述べた本発明の機械式粉砕装置において、被粉砕物を微細な粉体に粉砕するときには、ローター１２は、非常な高速（例えば、１３，０００ｍｉｎ-1）で回転することが必要であり、ローター１２の回転によってチップ２３に加えられる遠心力は非常に大きなものとなる。そして、チップ２３やチップ１７の表面に形成される溝も小さなものとなり、チップ２３とチップ１７との間隙Ｈも狭いものとなる。
【００２７】
一方、超硬合金またはセラミックのような耐摩耗性材料は、衝撃的な引張応力や曲げ応力に弱いことは知られており、仮に、チップ２３の一部が破損して飛散したときには、ローター１２が高速で回転しているために大きな衝撃力でチップ２３やチップ１７に衝突することになり、小さな破片が飛散した場合でも、順次破壊が拡大して大きなダメージを粉砕機に与えることになり、場合によっては、周囲の人や機械にも影響を与えることが考えられる。
【００２８】
このため、チップ２３は、ローター１２の高速回転による遠心力に対して十分な強度を必要とし、上記のように、ローター１２を、コア２２とチップ２３とから構成することに想到したとしても、適正なチップ２３の分割数を算定することができなければ、安全なローター１２を得ることができず、分割数を任意に定めて試行錯誤的に分割数を決定することは非常に危険な行為となる。このため、以下に、高速回転するローターに分割したチップを使用する際に、安全に使用することができるチップの分割数を算定する基準を示す実験式を開示する。
【００２９】
図４に示すチップ２３において、ローター１２の回転によって軸方向の単位厚さ当たりのチップ２３に加えられる遠心力は、
Ｆ＝２πρｒ2 ｔω2 ／ｎ ・・・（１）
となる。ここで、
Ｆ：チップ１個にかかる遠心力 (N/m)
ρ：耐摩耗材料の密度 (kg/m3)
ｒ：チップの重心位置までの距離 (m)
ｔ：チップの長さ (m)
ｎ：チップの分割数
ω：回転速度 (rad/s)
である。従って、チップ２３の最小幅ｗ1 の位置における引張応力σは次の式で求められる。
σ＝２πｋ0 ρｒ2 ｔω2 ／ｎｗ1 ＜σm
ここで、
σ：チップの最小幅の位置に生じる引張応力 (Pa)
ｋ0 ：係数
ｗ1 ：凸部の最小幅 (m)
σm ：許容応力 (Pa)
であり、係数ｋ0 は、コア２２の凹部２２ｂの形状による応力集中などによる係数である。
【００３０】
実際のローター１２として超硬合金を使用し、各部の寸法を次のようにしたときには、
ρ＝１３．９×１０3 kg/m3
ｒ＝１２１ mm ＝０．１２１ m
ｔ＝８ mm ＝０．００８ m
ω＝１３，０００min -1＝２π・１３，０００／６０ rad/s
ｗ1 ＝５ mm ＝０．００５ m
を代入すると、
σ＝３，７９２ｋ0 ×１０6 ／ｎ
を得ることができる。
【００３１】
従って、分割数ｎとして、加工に適した任意の分割数を選択して、ｎ＝１２，１８，２４，３０としたときの計算上の応力σは、
【表１】
【００３２】
一方、分割数ｎを、ｎ＝１２，１８，２４，３０として、有限要素法による構造解析で求めた応力σmax は、
【表２】
【００３３】
この計算上の応力σと有限要素法による構造解析で求めた応力σmax とを比較して平均化すると、係数ｋ0 は、
ｋ0 ＝１．６２１
となり、
σ＝１．６２１×２πρｒ2 ｔω2 ／ｎｗ1 ＜σm ・・・（２）
＝１０．１８５ρｒ2 ｔω2 ／ｎｗ1 ＜σm
上記の実際のローター１２の寸法を代入すると、
σ＝６，１４６．８×１０6 ／ｎ＜σm
となる。
【００３４】
この計算式に従って実際のローター１２の寸法における計算上の応力σを計算すると、
【表３】
【００３５】
ここで、許容応力σm を３００ＭPa（メガパスカル）とすると、チップ２３の分割数は、ｎ＝２４以上とすべきことが計算上で求められる。
【００３６】
図５は、上記の実験式において、実際のローター１２の寸法を採用したときの計算上の応力σと分割数ｎの関係を示すグラフである。このグラフにおいて、有限要素法による構造解析で求めた応力σmax を２重の点で示し、（２）式で計算される応力を曲線で示している。
このグラフによれば、チップ２３の分割数はｎ＝２１以上であれば良いことが判るが、加工を容易にするためには、ｎ＝２４以上とすることが望ましい。
【００３７】
また、上記した有限要素法による構造解析で求めた応力σmax を近似する曲線を求めると、
σ＝ρ・Ｖ2 （ｋ1 ＋ｋ2 ・ｅｘｐ（−ｋ3 ・ｎ））＜σm ・・・（３）
が求められる。ここで、
σ：構造解析で求めた応力σmax を近似する曲線で示される応力 (Pa)
ρ：耐摩耗材料の密度 (kg/m3)
Ｖ：チップの周速度 (m/s)
ｎ：チップの分割数
σm ：許容応力 (Pa)
ｋ1 ，ｋ2 ，ｋ3 ：係数
である。これをρ・Ｖ2 で割って無次元化すると、
σ／（ρＶ2 ）＝ｋ1 ＋ｋ2 ・ｅｘｐ（−ｋ3 ・ｎ）＜σm ／（ρＶ2 ）
・・・（４）
となる。
【００３８】
ここで、係数ｋ1 ，ｋ2 ，ｋ3 は、
ｋ1 ＝ ０．６１５５
ｋ2 ＝１２．２４３１
ｋ3 ＝ ０．２３１４
となる。
【００３９】
実際のローターの寸法として、上記の寸法
ρ＝１３．９×１０3 kg/m3
Ｖ＝１６４．７ m/s
を採用して、安全率を見込んだ許容応力を、
σm ＝３００ＭPa
とすると、
σm ／（ρＶ2 ）＝３００×１０6 ／１３．９×１０3 ・１６４．７2
＝０．７９５６
となり、
σ／（ρＶ2 ）＝ｋ1 ＋ｋ2 ・ｅｘｐ（−ｋ3 ・ｎ）＜０．７９５６
となる。これを四捨五入して有効数字を２桁に丸めて、
ｋ1 ＝ ０．６２
ｋ2 ＝１３
ｋ3 ＝ ０．２３
とすると、
σ／（ρＶ2 ）＝０．６２＋１３ｅｘｐ（−０．２３ｎ）＜０．８
・・・（５）
となる。
【００４０】
図６は、上記の実験式で求められる構造解析で求めた応力σmax を近似する曲線を示すグラフであって、無次元数σ／（ρＶ2 ）と分割数ｎとの関係で表示されるグラフとして描かれている。このグラフにおいて、有限要素法による構造解析で求めた応力σmax を２重の点で示し、（５）式で計算される応力を曲線で示している。
このグラフによれば、チップ２３の分割数は、ｎ＝１９以上であれば良いことが判るが、加工を容易にするためには、ｎ＝２０以上とすることが望ましい。
【００４１】
また、図７は、同様に上記の実験式で求められる構造解析で求めた応力σmax を近似する曲線を示すグラフであって、係数ｋ1 ，ｋ2 ，ｋ3 を安全側になるように、有効数字を１桁または２桁に丸めて、
ｋ1 ＝ ０．７
ｋ2 ＝１３
ｋ3 ＝ ０．２３
としたときの無次元数σ／（ρＶ2 ）と分割数ｎとの関係で表示されるグラフである。
このグラフは、より安全側に（５）式を修正したものであって、チップ２３の分割数はｎ＝２２以上であれば良いことが判り、きりのよい分割数にして加工を容易にするためには、ｎ＝２４以上とすることが望ましい。
【００４２】
以上に詳細に説明した本発明の機械式粉砕装置の実施の形態は、本発明の１例を示したものであり、本発明はこれらの例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変更を行ってよいことはいうまでもない。
【００４３】
【発明の効果】
以上に詳細に説明したように、本発明の機械式粉砕装置によれば、ローターの外周面およびライナーの内周面に形成された溝を耐摩耗性材料とすることによって溝の摩耗を防止するとともに、この溝を複数個に分割したチップで形成することによって溝を形成するチップの製作や組付けに要する工数を削減し、かつ、摩耗した際には、容易に交換可能にして保守を容易にした機械式粉砕機を提供し、フェライト粒子を含有する１成分トナーのように溝の摩耗が激しい被粉砕物でも、製品の粒度（粒径とその分布）を一定にして、粒度の揃った製品を安定して供給することができる機械式粉砕機を提供することができる。
【００４４】
さらに、本発明は、この複数個に分割したチップを高速回転するローターに使用する際に、安全に使用できるチップの結合部の形状を示すとともに、チップの分割数を算定する基準を開示し、高速回転するローターに複数個に分割したチップを採用する際に、安全に使用できるチップの結合部の形状と分割数の指針を提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の機械式粉砕機の１実施例を示す横型の機械式粉砕機の断面図である。
【図２】 本発明の他の実施例を示す縦型の機械式粉砕機の断面図である。
【図３】 図１のＡ−Ａ断面図であって、ローターの断面を示す。
【図４】 図３の要部拡大図である。
【図５】 実際のローターの寸法を採用したときの計算上の引張応力σと分割数ｎの関係を示すグラフである。
【図６】 構造解析で求めた応力σmax を近似する曲線を示すグラフである。
【図７】 構造解析で求めた応力σmax をより安全側で近似する曲線を示すグラフである。
【符号の説明】
１０ 横型の機械式粉砕機
１１ ケーシング
１２ ローター
１３ 原料供給口
１４ 製品排出口
１５ 胴部
１６ ベース
１７ チップ
１８ ライナー
１９，２０ 軸受
２１ 回転軸
２２ コア
２２ａ 逃げ部
２２ｂ 凹部
２２ｃ 肩部
２３ チップ
２３ａ 溝
２３ｂ 凸部
２４ 側板
２５，２６ 空間
３０ 縦型の機械式粉砕機
３１ セグメント
３１ａ 逃げ部
Ｈ 間隙
Claims (5)
- 回転軸に支持され、外周面に所定の形状の多数個の溝が形成された円筒状のローターと、このローターの外側に、ローターの外周面と所定の間隙を隔てて固定して設置され、その内周面に所定の形状の多数個の溝が形成されたライナーとを備え、前記ローターの外周面と前記ライナーの内周面との間で被粉砕物を粉砕処理する機械式粉砕機であって、
前記ローターは、中心に前記回転軸を有するコアと、このコアの外周面に、円周方向に任意の個数に分割されて配置され、その外周面にそれぞれ複数個の溝が形成されたチップとで構成されており、
前記コアは鉄鋼材料で製作され、そのほぼ円筒状に形成された前記外周面に、前記チップの分割数に対応する個数の滑らかな曲線で形成された逆Ｔ溝状の凹部が形成され、
前記チップは耐摩耗性材料で製作され、その円弧状に形成された外周面に前記複数個の溝が、内周面に前記コアに結合する滑らかな曲線で形成された凸部が形成され、前記コアの凹部にこのチップの凸部を嵌入してチップの結合部を形成するとともに、この結合部で前記コアと前記チップとを結合して固定するものであり、
前記円周方向に任意の個数に分割された前記チップは、前記ローターの回転によって前記チップに生じる遠心力が前記チップの最小幅（ｗ １ ）の位置における引張応力が所定の許容応力以下であり、かつ前記チップの凸部の形状は、底部を除いて、前記コアの逆Ｔ溝状の凹部と同一の形状となっていて、前記コアの逆Ｔ溝状の凹部と前記チップの凸部とが全面で密着するように精密に加工されており、さらに、前記チップの分割数は、加工に際して加工の容易な分割数となるように決定され、
前記ローターの回転によって前記チップに生じる遠心力を、前記チップの最小幅（ｗ １ ）の位置における引張応力として、
下記の実験式
σ＝２πｋ ０ ρｒ ２ ｔω ２ ／ｎｗ １ ＜σ ｍ
で求めることを特徴とする機械式粉砕機。
ここで、
σ：チップの最小幅の位置に生じる引張応力 (Pa)
ｋ ０ ：係数
ρ：耐摩耗材料の密度 (kg/m ３ )
ｒ：チップの重心位置までの距離 (m)
ｔ：チップの長さ (m)
ω：回転速度 (rad/s)
ｎ：チップの分割数
ｗ １ ：凸部の最小幅 (m)
σ ｍ ：許容応力 (Pa)
であり、係数ｋ ０ は、コアの凹部の形状による係数である。 - 前記チップの結合部において遠心力を負荷する当接面は、前記ローターの円周方向に対して傾斜して設けられていることを特徴とする請求項１に記載の機械式粉砕機。
- 前記チップを形成する前記耐摩耗性材料が、超硬合金またはセラミックであることを特徴とする請求項１または２に記載の機械式粉砕機。
- 前記チップは、軸方向にも複数個に分割されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の機械式粉砕機。
- 前記ライナーの内周面に形成されたチップは、前記ローターの外周面に形成されたチップとほぼ同様の形状をしており、同様に円周方向に任意の個数に分割され、その内周面に同様の複数個の溝を有し、同様の形状をしたチップの凸部とベースの凹部からなるチップの結合部で結合して固定され、かつ同様の材質を使用することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の機械式粉砕機。
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