JP4532551B2 - 分散装置 - Google Patents

Description

本発明は、処理すべき分散材料のための収容容器と、シャフトによって駆動可能な流動発生装置と、磨砕媒体を収容すると共に分散材料が流動発生装置によって引き起こされた流れにより通過可能な多孔ハウジング及び駆動エレメントにより駆動可能で且つ前記ハウジング内に配置されて該ハウジングに対して相対回転可能な攪拌具を有する磨砕装置とを備え、ハウジングがシャフトを取り囲み、且つハウジングがシャフトに対して上昇位置から下降位置へと変位可能であり、この下降位置において互いに作動位置関係となる第１継手要素と第２継手要素とを有する継手によってシャフトと駆動エレメントとが相互に連結可能とされている形式の分散装置に関するものである。

この形式の装置は、液相中における微細及び極微細固体成分の分散に供されている。分散プロセスにおいては、以下の三つの処理が互いに同時並行的に進行する。
１．分散処理すべき固体物質の表面を磨砕物質の液体成分によって濡らす湿潤処理
２．凝集体を小凝集体及び一次粒子にまで機械的に分離する磨砕処理
３．一次粒子、凝集体及び凝固体の再凝固（＝凝集）を防止する安定化処理

経済的な分散プロセスを実施するには処理すべき分散材料を予備分散処理に付す必要がある。この予備分散処理は回転ディスク式撹拌機（溶解機）により行うことが好ましく、その理由は、特に難分散性で追加工程において磨砕装置の使用を要するような凝集体を扱う場合には経済的理由から最適な予備分散が不可欠となるからである。予備分散が不充分な材料は磨砕装置の長時間稼働を要するだけでなく、所望の微細度を達成できないことが多い。予備分散処理の手抜かりや失敗は一般に補うことができないか、或いは他のシステムによる不釣り合いに高いレベルの複雑化と支出を覚悟した場合にのみ補うことができるだけである。これは、磨砕装置を追加工程で使用すると、特に予備分散が不充分な材料によってストレーナの篩穴が閉塞を起こし、それによってストレーナを通しての循環が更に困難となるか、或いは完全に阻害されることさえあるからである。

しかしながら、多くの場合、溶解機では予備分散処理しか行うことができず、処理すべき分散材料を或る程度の微細度までしか分散させることができない。微細分散と呼ぶ更なる処理には、攪拌ボールミル又はそれと同等の微細化磨砕装置を使用する必要がある。

特許文献１には予備分散処理と微細分散処理とで容器を別のものに変更することを無用とするために磨砕装置をハウジング形とし、このハウジングでシャフトを取り囲むと共にシャフトに対してハウジングを高さ方向に変位可能とすることが提案されている。予備分散処理工程中は磨砕装置を被分散材料よりも上方の上昇位置に配置しておき、微細分散処理工程のためには磨砕装置を下降位置に移動して分散材料中に浸漬し、それにより磨砕装置を溶解機用回転攪拌ディスクの形の流動発生装置の直上に配置する。この装置では磨砕装置の撹拌具の駆動エレメントが中空軸形状であり、この中空軸がシャフトを取り囲み、しかもハウジング形磨砕装置の移動に際してハウジングと共にシャフトに対して相対変位するようになっている。磨砕装置の上方に位置する上部機械構体においてはシャフトと中空軸との間で弧状歯のクラッチ継手が機能し、この継手は磨砕装置が下降位置にあるときのみシャフトから中空軸へトルクを伝達し、この中空軸自体はその下端部で撹拌具と相対回転不能に連結されている。
欧州特許第０８５０１０６号明細書

この公知の分散装置では、最終的に１００％回避することはできないシャフトと中空軸との間の隙間に対する分散材料の侵入を防止するには無視できないほどの複雑化とコスト高を余儀なくされる。

磨砕装置が上昇位置にあるとき、予備分散処理中にシャフトに作用する分散材料の力はシャフトに数ｍｍもの不所望の偏向を与えることがある。この偏向が生じると、シャフトを担持するために磨砕装置内に配置されているラジアルベアリングにシャフトが干渉して軸受面に損傷を与える結果となる。軸受面とシャフトとの間には機能上の要件として或るギャップが設けられている必要がある。最も精密な構造を以てしても、特に大形の分散装置の場合は各部の公差が互いに加算的に影響し、これがギャップを介してシャフトと中空軸との間の隙間へ分散材料が侵入することを不可能にしている。この分散材料の侵入による不都合は、上述のように予備分散処理中の不所望なシャフトの偏向により軸受面に損傷が生じた際には更にひどくなる。加えて、この公知の中空軸を採用した構造では、下端がクラッチ継手の弧状歯状ピニオンにニードルベアリングで支承された極めて細長いベアリングフランジを必要とし、大形の分散装置の場合は細長いベアリングフランジが所要の安定性を満たさないという問題点がある。

例えばＡＴＥＸ９５（欧州共同体指令９４／９／ＥＣ）のような爆発危険対象ルームに対する新たな防爆基準は、上記中空軸とシャフトとの間の空間に関して、近々最終的に強制的な完全シールを規定することになっている。前述の問題点は、係る空間の封止にも更なる構造の複雑化と高コストを要する原因となる。

従って、本発明で課題とするところは、上述の諸問題点を少なくとも部分的に解消し、分散装置を来たるべき防爆基準に沿うように構成し、しかも分散装置の構造を単純化することにある。

本発明によれば、係る課題は、冒頭に記載した形式の分散装置において継手の第１継手要素を多孔ハウジングの下端部に配置すると共に継手の第２継手要素をシャフトの下端部の領域に配置することにより解決される。

従って、本発明によれば継手はもはや磨砕装置の上部ではなく下部で機能する。即ち、継手の第１継手要素は、多孔ハウジングの上方ではなく、該ハウジングの下端部に配置されている。これと対応する継手の第２継手要素は、流動発生装置の直上位置でシャフトの下端部に配置されている。本発明による構造により、両継手要素は磨砕装置が下降位置にあるときのみ互いに噛み合い、次いでシャフトの回転トルクを磨砕装置の撹拌具へ伝えることになる。従って容器内でシャフトを取り囲む中空軸はもはや不要である。即ち、シャフトに関して中空軸を封止するための高価でデリケートなシールパッキン手段も存在しない。このような画期的に単純化された構造は実質的に廉価にでき、回転ディスク式撹拌機（溶解機）と撹拌ボールミルを従来と同等価格で単一ユニット化することを可能とする。加えて、本発明による構造は比較的大きな累積公差がないので保守も実質的に楽である。更に、中空軸が存在しないことから、もはやベアリングフランジを細長い構造のものにしなければならないと言う必要性もない。従って、本発明に従った設計構造によれば、ベアリングフランジは比較的大形の分散装置でも所要の安定性を確保できるように相応の補強支柱を備えることが可能である。

第２継手要素は、磨砕装置を容器内で可能な限り下方の位置へ下降させることができるように流動発生装置の直上位置でシャフトの下端部に配置することが好ましい。

本発明の思想の概念においては、継手はシャフトと多孔ハウジングとの間の力伝達要素に相当する。この継手は如何なる所要構造のものとすることができる。

継手は、確実に噛み合って軸心曲がりに追従し易く、但し回転方向には堅固な軸継手、即ち軸方向の伸縮を吸収可能な補償継手の形態とすることが好ましい。磨砕装置が下降位置にあるときに第１と第２の二つの継手要素は互いに嵌り合い、トルクを伝達する。同時に装置の作動中に生じる熱によって現れるシャフトの軸方向の伸縮が補償される。この継手は例えば噛み合い継手の形態としてもよく、この場合、第１継手要素を構成する第１の爪をハウジングの下端部に配置し、対応する第２継手要素を構成する第２の爪をシャフトの下端部に配置すればよい。継手として特に弧状歯継手を用いることは特に好適であり、この場合、第２継手要素の冠状外歯列は第１継手要素の内歯列の内部で枢動及び軸方向相対変位可能なピニオンの形態とするとよい。

更に複雑な構成では、継手はバレル形継手の形態であってもよい。摩擦継手の採用も基本的に可能であるが、上述の弧状歯継手は安定で廉価であるという利点を享受することができ、加えてその洗浄が極めて容易であるので保守作業の面で有利である。

シャフトを下降位置にある磨砕装置の内側に装着するためには、トルク伝達機構を構成する駆動エレメントはベアリングブロックの形態とすることが特に有利であることが確認されている。このベアリングブロックはシャフトを支承するすべり軸受又はころ軸受のいずれかを内蔵し、この場合、特に二重ころ軸受は保守が容易であり、長い寿命を有するので好適である。ベアリングブロックと撹拌具との間の摩擦ギャップを、磨砕ボールの直径の３分の１、好ましくは０．０３ｍｍ〜５ｍｍの範囲内、特に好ましくは２ｍｍ程の好適間隙寸法の僅かなギャップにしておくことにより、磨砕ボールの通過を確実に防止することができる。従って、本発明による分散装置によれば軸受部分の「噛み込み破損」は起きることがない。

処理対象の分散材料、即ち製品流は、ベアリング寿命を長くするためのアリングの冷却と乾燥防止に利用することができる。この目的で分散材料をベアリングブロックの上端部で前述のギャップに通流させ、ベアリングブロック内の各軸受内部を介してその下端部から流出させるとよい。その結果、製品流によって製品自体の局部加熱と分散装置に対するダメージが効果的に防止される。同時に、この場合の製品流は充分に多量にすることができ、それにより製品の変更に際して単純且つ迅速なクリーニングも可能となる。

ベアリングブロック内に通流させる製品流の流速を速めて冷却能力を高めるには、二重ころ軸受の場合は各ころ軸受の間にコンベアスクリューを配置することができる。

加えて、更に流速を増すには、第２継手要素の上方位置でベアリングブロックに少なくとも一つの吸引口を設け、この吸引口を通して流動発生装置により製品流が吸引されるようにするとよい。

保守作業の面で特に好ましいのは、ベアリングブロックを磨砕装置の多孔ハウジングの基部に一体化することである。例えば、係るベアリングブロックは磨砕装置の多孔ハウジング下端部における円形リングに容易に置き換えて一体化でき、多孔ハウジングと共に洗浄可能とすることができる。

シャフトは上端部に続く中間胴部及びその下部の下端部を有し、この場合、下端部は上端側の中間胴部よりも外径が若干大きくなっているとよい。これにより、磨砕装置が上昇位置にあるときはベアリングブロックとシャフトとの間に充分な隙間が形成されてベアリングブロックに損傷を与えることがなくなる。これに対して磨砕装置が下降位置に移動するとベアリングブロックがシャフト下端部の大径の外周面上に僅かな摺動間隙を介して重なることにより落ち着き、これによってベアリングブロックとシャフトとの間のほぼ完全な封止を確実に果たすことが可能となる。

既に述べたように、ベアリングブロックは下降位置においてシャフトからの回転トルクを磨砕装置の多孔ハウジング内にある撹拌具に伝達する。撹拌具は所要の分散処理に応じた設計構造形態のものでよく、例えば単なるフランジ板形状の円形リングディスク、開口付円形リングディスク、或いはスリット付円形リングディスクなどを使用することができる。また、複数のピン突起付円形リングディスクを使用することも可能である。この撹拌具は、多孔ハウジング内に同軸状に配置された少なくとも一つの円形リングディスクを有していることが好ましい。それにより、撹拌具はハウジング内に配置された多数の磨砕ボールを確実に連続運動させることができる。

本発明の好適な実施形態においては流動発生装置も分散機能を有している。この分散機能は回転ディスク式撹拌機の攪拌ディスクの形態で実現することが特に有利である。それにより、攪拌ディスクは分散装置の作動に必要な流れを発生する一方で磨砕媒体による分散処理に対する予備分散機能を果たすことになる。攪拌ディスクは、分散効果に関する特に重要な機能、即ち混合容器内の隅々へ製品流を均一に循環させる機能を果たすものである。また攪拌ディスクは、分散機能、即ち凝集体の解体及び液相内における一次粒子の湿潤化を特に経済的な様式で果たし、これは攪拌ディスクによる予備分散は磨砕装置における磨砕よりも際だって迅速に進行するからである。

本発明による分散装置においては、磨砕装置は高さ位置を調整可能に構成されており、従って磨砕装置を高さ調整手段によって分散材料中に浸漬し、そこから再び完全に引き上げることが可能である。

このようにして、予備分散と微細分散の個々の処理工程を互いに完全に分離して実行することができ、その間に分散対象の物質を容器から取り出したり、或いは撹拌具を交換したりする必要がない。予備分散処理と微細分散処理の切り換えは極めて迅速且つ経済的に行うことが可能である。

本発明を図示の実施形態を参照して詳述すれば以下の通りである。

本発明による分散装置は、閉蓋可能なほぼ円筒状の二重壁容器１０と、回転ディスク式撹拌機２０と、磨砕装置としての攪拌ボールミル３０とを備えている。洗浄装置は詳しく図示していないが、これも前記容器内に配置されている。

回転ディスク式撹拌機２０は筒状シャフト２１を備えており、このシャフトは下端部に攪拌ディスク２２を有している。攪拌ディスク２２はその外周に沿って複数のフィン２３を備え、これらのフィンはディスクの表裏面で交互に上向及び下向に曲げられている。シャフト２１は第１の外径寸法の中間胴部２４を有し、この中間胴部の下方に段部を介して太径の下端部２５が続き、該下端部の外径は中間胴部の外径よりも大である。

シャフト２１は筒状のベアリングフランジ２６によって上部機械構体６０に支持されており、この上部機械構体は箱状の底面でベアリングフランジ２６の上端部を取り囲んでいる。所要の安定性を得るために、ベアリングフランジ２６はシャフト全長の１／３以上の長さ範囲に亘って延在していることが好ましい。本実施形態では、攪拌ボールミル３０は空圧シリンダ６２によって高さ位置が調整可能であり、空圧シリンダのピストンロッド６４の先端は中間プレート６６に連結されている。中間プレート６６の下面からは攪拌ボールミル３０の上端部まで複数の中空バー３３が延在している。このような構造により、攪拌ボールミル３０の配置位置は空圧シリンダ６２によって上下に移動可能であり、加えて冷却媒体もこれら複数の中空バーによって攪拌ボールミル３０に循環可能である。空圧シリンダに代えて、例えば油圧シリンダやラック・ウォーム駆動機構などの他の位置調整手段を用いることもできる。

シャフト２１は、ベアリングフランジ２６の内面に対してころ軸受によって支承されており、この実施形態ではベアリングフランジ２６の下端部にはニードルベアリング又はローラベアリング２７が、そして上端部には二重自己調心ベアリング２８が設けられている。シャフト２１は公知の様式でベルトプーリー２９により回転駆動される。ベアリングフランジ２６の上端部外周には複数の補強リブ３２が周方向に等角度間隔で設けられている。各リブ３２は、ベアリングフランジ２６のほぼ中程から上部機械構体の底面に接する水平フランジに至るまで斜め外方へ向かって幅広となっており、その外側縁はそれぞれ連続的な傾斜面を形成している。これらの補強リブ３２は、特に予備分散工程中におけるシャフト２１の不所望の偏向や反りを防止するために公知技術によるベアリングフランジに比べて際だって高い安定性をベアリングフランジ２６にもたらすものである。

撹拌ボールミル３０は、互いに周方向に間隔を開けて配置された複数の中空バー３３によって上部機械構体６０の下側に位置する中間プレート６６に吊持され、この中間プレートは上部機械構体６０に設置された空圧シリンダ６２に支持されており、これにより空圧シリンダによって撹拌ボールミル３０の高さ位置が調整可能となっている。尚、空圧シリンダに代えて、例えば油圧シリンダやラック・ウォーム駆動機構などの他の位置調整機構を採用することも可能である。

撹拌ボールミル３０自体は篩バスケット状の多孔ハウジング３４を備え、その内部に磨砕媒体として多数の金属製磨砕ボール（図示せず）を収容している。ハウジング３４の上端面には底部中央開口３５を有する漏斗が設けられ、この漏斗の開口３５をシャフト２１が貫通している。ハウジング３４は、一重壁構造や二重壁構造、或いはその他の好適な壁構造のものとすることができる。ハウジング３４は中央開口３５を有する環状通路を形成している。この環状通路内には円形リングディスク３６が同軸状に配置されている。

円形リングディスク３６は中心筒部を一体に有し、その上端部でリングディスク３７によってベアリングブロック３９に連結されている。ベアリングブロックは、下降位置においてシャフト２１の太径下端部２５上に調心される筒状のブッシュ４０を備えており、このブッシュの下端部には外方への拡径段部４１が設けられている。この段部４１によって二重ころ軸受４２が支持されており、二重ころ軸受の各軸受同士は外側スペーサーリング４３によって互いに間隔を維持されている。二重ころ軸受４２の各軸受間の間隔部分で外側スペーサーリング４３の径方向内側に配置されているのはコンベアスクリュー４４である。二重ころ軸受４２の上端部はリングディスク３７の下面に対して別のスペーサーリング４５によって支持されている。リングディスク３７の上面外周寄り位置に設けられた環状段部の上には、半径方向に対して傾斜した方向に弓状に延在するように周方向に配列された複数のブレードを上面に有するインペラー４６が固定されており、下降位置において外側の容器内からハウジング３４内へ流入する製品流を増加させると同時に、作動中に磨砕ボールが撹拌ボールミルの外部へ逃げ出すのを防止するようになっている。ベアリングブロック３９の下端部でブッシュ４０の段部４１の下部に設けられているのは、シャフト２１からリングディスク３６へ回転トルクを伝達するための第１継手要素を構成する弧状歯継手の内歯列４７である。ブッシュ４０の内歯列４７と段部４１との間には複数の吸引口４８が互いに周方向に間隔を開けて設けられている。径方向外側に関して、二重ころ軸受４２の各軸受は中空裁頭円錐体４９の内面に支持されており、この中空裁頭円錐体は下部の円筒部から上端部へ連続的に縮径する外面を有し、内面上部の段部で二重ころ軸受４２の上部軸受に支承されている。

この上部軸受の上面と中空裁頭円錐体４９の内面上端との間で、中空裁頭円錐体４９とスペーサーリング４５との間には約０．３ｍｍのギャップが確保されており、このギャップを処理中の製品流が通過してベアリングの冷却と乾燥を防止できるようになっている。このような構成により凝集粒や磨砕ボールの噛み込みが防止され、従って懸念される「噛み込み破損」も防止される。製品流は、コンベアスクリュー４４と吸引口４８の存在によって二重ころ軸受内を連続的に通過し、自己冷却機能を果たすことになる。

中空裁頭円錐体は周方向に複数配置されたボルト５０によって円形ディスク部５１の内側リングに固定されている。円形ディスク部５１は撹拌ボールミル３０の底部ベースを構成しており、この円形ディスク部５１の内側リングと外側リングとの間は径方向に拡がる篩底板５２となっている。製品流は微細分散処理中に篩底板５２を通過して流れ、磨砕された製品流が凝集粒から分離される。

攪拌ディスク２２の上部でシャフト下端部２５の下部に設けられているのは第２継手要素を構成する冠状の外歯列５３である。図１に示す予備分散処理位置にあった撹拌ボールミル３０を図２に示す微細分散処理位置へ下降させると、ブッシュ４０はシャフト下端部２５上へ移動して内歯列４７が外歯列５３と噛合する。これにより弧状歯の継手が連結されてシャフトの回転トルクを円形リングディスク３６へ伝達し、撹拌ボールミルによる微細分散処理が実行される。

シャフト中間胴部２４はシャフト下端部２５よりも小径に構成されているので、予備分散処理位置ではシャフト２１と撹拌ボールミル３０との間は充分なギャップが確保されており、従って予備分散処理中に予測されるシャフト２１の横振れ運動によりブッシュ４０が望ましくない損傷を受けることはない。

本発明による撹拌ボールミル下端部の継手構造によれば、従来技術に見られるような中空軸を省くことができるだけでなく、同時に予備分散装置と微細分散装置を単一ユニットに一体化でき、しかもその場合の処理工程の切り換えは容器を開けることなく容器内で撹拌ボールミルを下降させることによって簡単に行うことが可能である。尚、例示した実施形態では内歯列と外歯列との噛合による継手構造を採用しているが、これに代えて例えばクラッチ板などの摩擦結合継手を用いて本発明の思想を実現することも可能であることは述べるまでもない。勿論、ベアリングブロックについても、ころ軸受の代わりにすべり軸受を使用してもよい。

本発明による分散装置を磨砕装置が上昇した予備分散処理位置にある状態で示す縦断面図である。 図１の分散装置を磨砕装置が下降した微細分散処理位置にある状態で示す縦断面図である。 図１に示す装置の磨砕装置の要部を示す拡大縦断面図である。

符号の説明

１０：容器
２０：回転ディスク式撹拌機（溶解機）
２１：シャフト
２２：攪拌ディスク
２３：フィン
２４：シャフト中間胴部
２５：シャフト下端部
２６：ベアリングフランジ
２７：ニードルベアリング
２７：ローラベアリング
２８：二重自己調心ベアリング
２９：プーリー
３０：撹拌ボールミル
３２：補強リブ
３３：中空バー
３４：ハウジング
３５：開口
３６：円形リングディスク
３７：リングディスク
３９：ベアリングブロック
４０：ブッシュ
４１：段付き部
４２：二重ころ軸受
４３：スペーサーリング
４４：コンベアスクリュー
４５：スペーサーリング
４６：インペラー
４７：内歯列
４８：吸引口
４９：中空裁頭円錐体
５０：ボルト
５１：円形ディスク部
５２：篩底板
５３：外歯列
６０：上部機械構造
６２：空圧シリンダ
６４：ピストンロッド
６６：中間プレート

Claims (10)

1. 処理すべき分散材料のための収容容器（１０）内に配置するための分散装置であって、シャフト（２１）によって駆動可能な流動発生装置（２２）と、磨砕媒体を収容すると共に分散材料が流動発生装置（２２）によって引き起こされた流れにより通過可能な多孔ハウジング（３４）及び駆動エレメントにより駆動可能で且つ前記ハウジング（３４）内に配置されて該ハウジングに対して相対回転可能な攪拌具を有する磨砕装置とを備え、ハウジング（３４）がシャフト（２１）を取り囲み、且つハウジング（３４）がシャフト（２１）に対して上昇位置から下降位置へと変位可能であり、この下降位置において互いに作動位置関係となる第１継手要素（４７）と第２継手要素（５３）とを有する継手によってシャフト（２１）と駆動エレメントとが相互に連結可能とされている形式の分散装置において、第１継手要素が多孔ハウジングの下端部に配置されていると共に第２継手要素がシャフトの下端部の領域に配置されていることを特徴とする分散装置。
2. 第２継手要素がシャフトの下端部に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の分散装置。
3. 継手が軸方向の伸縮を吸収可能な補償継手からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の分散装置。
4. 駆動エレメントがベアリングブロック（３９）を含んでいることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の分散装置。
5. ベアリングブロック（３９）が二重ころ軸受（４２）を有することを特徴とする請求項４に記載の分散装置。
6. 二重ころ軸受（４２）の各軸受の間にコンベアスクリュー（４４）が配置されていることを特徴とする請求項５に記載の分散装置。
7. ベアリングブロック（３９）が第２継手要素の上部に少なくとも一つの吸引口（４８）を有することを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の分散装置。
8. ベアリングブロック（３９）がハウジング（３４）の基部に一体化されていることを特徴とする請求項４に記載の分散装置。
9. シャフト（２１）が中間胴部（２４）と下端部（２５）とを有し、下端部（２５）が中間胴部よりも大きな外径を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の分散装置。
10. 流動発生装置が攪拌ディスク（２２）で構成されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の分散装置。

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