JP4684000B2 - 媒体攪拌型粉砕装置 - Google Patents

Description

本発明は、媒体攪拌型粉砕装置に関する。特に、本発明は、これらに限定するものではないが、鉱物、顔料、染料、化学薬品、フェライト等の磁性材料、及び、セラミックなどを、超微細粒、特にナノメートルサイズまで粉砕又は分散し、例えば塗料、印刷インク、顔料、磁気テープ用コーティング材、ゴム、接着剤、化粧品、及び塗り薬のような医薬などに調整するのに適したものとする用途に使用して効果がある媒体攪拌型粉砕装置に関する。

従来、この用途に使用されている粉砕装置は、筒型の粉砕タンク内に軸方向に、攪拌軸を回転自在に配置し、この攪拌軸に攪拌ピンなどの攪拌部材を放射状に突出するように取り付けた構造を有する。被粉砕物質はスラリー状で粉砕タンク内に導入される。スラリー入口は粉砕タンクの軸方向一端部に、スラリー出口は粉砕タンクの軸方向他端部に設けられる。粉砕タンク内には、該粉砕タンクの内面と攪拌軸との間の空間である粉砕室に、ジルコニア、シリカ、ガラスビーズ、樹脂などの粉砕媒体を充填し、スラリー入口からスラリーを粉砕室に導入しながら攪拌軸を回転駆動して攪拌部材を回転させ、スラリーを粉砕媒体の間に通すことによってスラリー内の固形物を所望のサイズに微粉砕又は微細分散させる。スラリー出口には、粉砕媒体をスラリーから分離するために、スクリーン等の分離手段が設けられる。

従来のこの種の粉砕装置では、粉砕媒体が粉砕室の一部、すなわちスラリー出口付近に集中する傾向があるため、これに伴う幾多の問題が経験された。この問題に対処するために、特許第３４０００８７号公報は、攪拌軸をスラリー出口側端部において開口する中空構造とし、該スラリー出口側端部における開口を攪拌軸の中空部への媒体循環用入口として機能させ、攪拌軸の側部に、該攪拌軸軸の中空部から粉砕室に通じるスリットを形成して媒体循環用電極口として機能させ、粉砕室内においてスラリー出口近傍に達した粉砕媒体が、攪拌軸の端部に形成された媒体循環用入口から攪拌軸の中空内部に入り、媒体循環用電極口から粉砕室に戻されるという循環運動をするようにした構造を開示している。また、特許第３２４６９７３号公報は、媒体攪拌型粉砕装置を使用した連続式の粉砕システムを開示する。

特公平２−１０６９９号公報は、このような中空構造の攪拌軸を有する粉砕装置において、攪拌軸の中空内部にスラリー取り出し用の管を固定配置し、この管のスラリー取入れ口に分離装置を設けた構造を開示する。

特許第３４０００８７号公報 特許第３２４６９７３号公報 特公平２−１０６９９号公報 国際公開ＷＯ９６／３９２５１ 粉体工学会誌第４１巻第８号（通巻４２３号）第１６ページないし第２３ページ、平成１６年８月１０日発行 粉体工学会第４０回夏季シンポジウム講演論文集、２００４年７月２９日〜３０日、第１３ページないし第１４ページ、技術講演５「微小ビーズ対応ビーズミルの凝集ナノ粒子の分散」

上記の特許文献１ないし３に開示された従来の構造は、それぞれの目的においては所期の効果を達成するものではあるが、近年のナノテクノロジーのもとでの要求には満足に対処することが困難である。具体的に述べると、スラリー内の固形物をナノメートルのサイズに微粒化し、しかもその微粒化を十分に満足できる短い時間内に達成するためには、粉砕媒体の直径を小さくすることが必要である。従来の粉砕装置において使用されるビーズの直径は、極微粉砕に用いられる極めて小さいものでも０．３ｍｍないし０．５ｍｍであるが、この大きさのビーズでは、近年のナノテクノロジーにおいて要求される超微細粒までの粉砕を満足なまでに達成することはできない。事実、ナノテクノロジーに対処する場合のビーズ直径としては、０．２ｍｍ以下のものが要求されるようになる。

ナノメートルサイズの粉砕を行うには、粉砕された粒子が再度凝集して大きな粒径になるのを防止する必要がある。この目的で、ポリカルボン酸ナトリウム塩のような分散剤を添加することが試みられている。しかし、従来の方法では、所望の粉砕効果を達成するためには多量の分散剤を添加することが必要になり、分散剤による悪影響が心配される。さらに、従来の方法においては、粒子を所望の程度まで微細化するためには多大の時間を要し、消費電力が大きく、不経済であり、かつ、スラリー温度が高くなって、粉砕媒体や攪拌部材の磨耗を早めるという問題がある。

従来の粉砕装置において分離装置として使用されている構造には、ギャップ又はスリット構造のものと、スクリーン構造のものがある。このうち、ギャップ又はスリット構造では、上述した微細な直径のビーズをスラリーから分離することは極めて困難である。スクリーン構造の分離装置は、スクリーンの目を細かくすることにより微細直径のビーズを分離することは可能であるが、スラリーの粘度が高い場合や、粉砕又は分散が進行することにより粘度上昇を生じるスラリーの場合には、上述のように微小なサイズの粉砕媒体は、スクリーン付近に集中するようになり、異常発熱や異常磨耗、スクリーンの目詰まりなどの問題が生じる。

また、熱により性状が変化するスラリーの場合には、粉砕装置内でスラリーの温度上昇を低く抑えるためにスラリーの流入量を多くして粉砕装置内の滞留時間を低く抑制することが必要になるが、この場合にも、上述の問題が生じる。

非特許文献１及び２には、遠心力を利用して粉砕媒体とスラリーとの分離を行うことにより、０．０３ｍｍサイズのビーズを使用できるようにした媒体攪拌型粉砕装置が開示されている。そして、これらの文献においては、このように微小サイズの粉砕媒体を使用して、攪拌部材の回転速度を特定の範囲にすることにより、粉砕又は分散された粒子の再凝集を防止して、微細な粉砕効果が達成できたことが報告されている。これらの文献では、この装置で０．０３ｍｍサイズのビーズを使用して粉砕を行う場合、ロータ周速すなわち攪拌部材周速１０ｍ／ｓにおいて最良の粉砕効果を達成できると述べている。

これら非特許文献１及び２においては、遠心力の作用を利用して粉砕媒体とスラリーとの分離を行うための遠心分離装置を攪拌部材とともに回転駆動し、粉砕媒体を遠心力によりスクリーン面から離す作用を得て、０．０３ｍｍといった極めて小さいサイズの粉砕媒体でも、スラリーから分離できるものと理解される。特許文献４は、これら非特許文献１及び２において言及された粉砕装置についての特許出願である。特許文献４に記載されているように、この粉砕装置における遠心分離装置は、一対のディスクと該ディスクの間に配置された複数のブレードから構成される。

しかし、これら非特許文献１及び２、並びに特許文献４に開示された遠心分離装置は、粉砕媒体とスラリーとの分離を主体にしているため、粉砕効率を無視したものとならざるを得ない。また、この粉砕装置では、粉砕媒体が容器のスラリー出口付近に密集することは避けられない。したがって、この形式の装置は、実験室段階では或る程度の効果が得られるとしても、長時間にわたる連続運転が必要になる実用機では、実用性が乏しい。

本発明は、媒体攪拌型粉砕装置における上述した事情に対処することを目的として得られたもので、微小サイズの粉砕媒体を使用してもスラリーと粉砕媒体の分離を確実に行うことができ、粉砕媒体が粉砕室内の一部に密集することがなく、しかも構造が簡単な媒体攪拌型粉砕装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明による媒体攪拌型粉砕装置は、筒状の粉砕タンクと、この粉砕タンク内に、該粉砕タンクと同軸に、かつ、回転自在に配置されて、該粉砕タンクの内壁との間に粉砕室を形成する攪拌部材と、該攪拌部材を回転駆動する駆動手段とを備える。粉砕タンクの内部空間には粉砕媒体が充填され、該粉砕タンクには、その一端部近傍に前記粉砕室に通じるスラリー入口が形成される。攪拌部材は、スラリー入口から遠い方の一端に端部開口を有する中空構造であり、攪拌部材の中空内部空間に媒体分離部材が固定配置される。粉砕室は媒体分離部材を介してスラリー出口に通じている。攪拌部材には、端部開口から軸方向に離れた位置において、中空内部空間と粉砕室とを連通させる媒体循環用開口部が形成される。攪拌部材は、該攪拌軸部材が回転駆動されたとき粉砕室内にあるスラリー及び粉砕媒体に回転と攪拌部材の端部開口の方向に向いた軸方向の運動とを生じさせる攪拌羽根をその外周に有する。この構成により、スラリーと粉砕媒体は、粉砕室内において回転及び前記軸方向の運動をしながら攪拌部材の前記端部開口の近傍に達し、攪拌部材の端部開口から該攪拌部材の中空内部空間に入り、媒体分離部材により媒体がスラリーから分離されて、スラリーは前記スラリー出口から排出される。一方、媒体は、攪拌部材の媒体循環用開口部から粉砕室に戻される循環運動をする。

さらに、本発明においては、攪拌部材の端部開口の近傍に、粉砕媒体の回転運動を抑制する案内羽根を設けることが好ましい。

本発明のさらに別の好ましい態様においては、媒体循環用開口部は、攪拌部材の中空内部空間において端部開口から最も離れた位置に形成される。また、攪拌部材上の攪拌羽根は、螺旋の少なくとも一部の形状に形成することが好ましい。攪拌部材上の攪拌羽根は、攪拌部材の軸方向及び周方向に対して傾斜配置された板状部材とすることができる。さらに、粉砕タンクには、その内壁面に、粉砕タンクの軸方向に延びるか又は該軸方向に対して傾斜した方向に延びる案内板を形成することが好ましい。

本発明の上記した構成によれば、粉砕室内の粉砕媒体は、攪拌部材に設けられた攪拌羽根により回転と軸方向の運動を与えられ、粉砕室から攪拌部材の端部開口を通って攪拌部材の中空内部に入り、攪拌部材により与えられる回転運動に伴って生じる遠心力の作用で放射方向外向きの力を受け、攪拌部材の媒体循環用開口部から粉砕室に戻る循環運動を行う。一方、スラリーは、攪拌部材の中空内部に設けられた媒体分離部材により粉砕媒体から分離され、スラリー出口から排出される。したがって、微小サイズの粉砕媒体を使用してもスラリーと粉砕媒体の分離を確実に行うことができ、かつ、粉砕媒体が粉砕室内の一部に密集することがない。攪拌部材の端部開口の近傍に粉砕媒体の回転運動を抑制する案内羽根が設けられた実施形態では、スラリーと粉砕媒体の回転運動が案内羽根の作用により軸方向の運動に変換され、粉砕媒体は、攪拌部材の中空内部の奥深くまで到達できるようになる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

先ず、図１を参照すると、この図には本発明の一実施形態である媒体攪拌型粉砕装置が縦断面図で示されている。粉砕装置は、軸方向両端にフランジ１ａ、１ｂを有する中空円筒形のタンク１を備える。タンク１の一端のフランジ１ａには端板２が、また他端のフランジ１ｂには端板３が、それぞれ固定されている。タンク１の内部には、攪拌部材４が、該タンク１と同軸に、かつ、回転自在に配置されている。

攪拌部材４には、一端に駆動軸５が固定され、この駆動軸５は、端板２に固定取り付けされた軸受板６を貫通してタンク１の外に延び出ている。図には示していないが、駆動軸５の外端は、ベルト・プーリ機構その他の周知の構造により、電動モータ等の駆動装置に接続される。

攪拌部材４は、ほぼ円筒形の外壁面を備え、この外壁面とタンク１の内壁面との間に粉砕室７が形成される。タンク１の一端のフランジ１ａには、タンク１の外側から粉砕室７に通じるスラリー入口８が形成されている。攪拌部材４は、スラリー入口８から遠い方の端部に端部開口４ａを有する中空構造である。内部にスラリー出口通路９ａを有するスラリー出口部材９が、スラリー入口８から遠い方の端版３の中央に固定され、一端がタンク１の外に延び出している。スラリー出口部材９の他端は、タンク１の内部にあり、攪拌部材４の端部開口４ａから攪拌部材４の中空内部に入り込んでいる。スラリー出口部材９のこの端部には、スクリーン１０のような粉砕媒体分離部材が固定されている。スクリーン１０は円筒形で、内部がスラリー出口部材９のスラリー出口通路９ａに連通する。

攪拌部材４の外面には、複数個の攪拌羽根１１が軸方向に間隔をもって固定配置されている。図２（ａ）（ｂ）は、攪拌部材４と攪拌羽根１１の形状を詳細に示すもので、攪拌羽根１１の各々は、螺旋の一部の形状に形成及び配置される。或いは、攪拌羽根１１は、ほぼ平らな板状部材を攪拌部材４の軸方向に対して斜めに配置するだけの構成でもよい。

攪拌部材４には、その中空内部の最奥部に、該中空内部と粉砕室７とを連通させる媒体循環用開口１２が複数個、周方向に間隔をもって形成されている。また、図３に示すように、スラリー出口部材９の外面には、攪拌部材４の端部開口４ａに近接する位置に、軸方向に対し向いた案内部材１３が固定されている。この案内部材１３は、放射方向外向きに突出する複数の案内羽根１３ａを有する。図３から分かるように、案内羽根１３ａは、軸方向に対して僅かに傾斜して配置される。

タンク１の内部には、ジルコニア、シリカ、ガラスビーズ、樹脂などの粉砕媒体１４が充填される。この粉砕装置の作動においては、攪拌部材４を連続的に回転駆動しながら、被粉砕物を含むスラリーがスラリー入口８から連続的に粉砕室７に導入される。スラリーは、粉砕室７内の粉砕媒体１４とともに攪拌部材４の攪拌羽根１１から強い攪拌作用を受け、媒体攪拌型粉砕の分野において周知の作用により、スラリー内の固形成分が粉砕ないしは分散される。スラリーと粉砕媒体１４は、攪拌羽根１１の螺旋形状又は斜め配列により、回転運動と同時に軸方向の運動も与えられ、スラリー入口８近傍の位置から端板３側の端部に向けて移動する。端板３の近傍では、スラリーと粉砕媒体１４の混合物は、方向を反転して攪拌部材４の端部開口４ａから攪拌部材４の中空内部に入る。この反転を容易に行わせるため、端版３の内面には湾曲状案内面３ａが形成されている。

スラリーと粉砕媒体１４の混合物は、攪拌部材４の端部開口４ａから該攪拌部材４の中空内部に入るときに案内羽根１３ａを通過する。案内羽根１３ａは、スラリーと粉砕媒体１４の混合物の回転運動を軸方向運動に変換する。このため、スラリー及び粉砕媒体１４は、強い運動量で攪拌部材４の中空内部に入り、該中空内部の最奥部まで達する。この位置で、粉砕媒体１４は、攪拌部材４により与えられる回転運動に基づく遠心力の作用でスラリーから分離され、媒体循環用開口１２を通って粉砕室７に戻される。スラリーは、スクリーン１０を通り、スクリーン出口通路９ａから排出される。

このように、粉砕媒体１４には、粉砕室７と攪拌部材４の中空内部との間を循環する循環運動が積極的に与えられることになる。したがって、粉砕媒体１４がタンク１のスクリーン出口付近に密集する恐れがなくなり、粉砕媒体の異常発熱や異常磨耗、スクリーンの目詰まりなどの問題を回避することができる。

図４は、本発明の他の実施形態に使用されるタンク１の一例を示す断面図である。この実施形態においては、タンク１の内面に、軸方向に対して所定の角度、例えば角度θだけ傾斜して、タンク１と一体に、複数個の突条又はブレード状の案内板１５が、半径方向内向きに突出形成される。この案内板１５は、先の実施形態における攪拌部材４の構成と協働して、スラリー及び粉砕媒体１４に回転運動と軸方向の運動を与えるように働く。好ましい角度θは、１５°ないし４５°の範囲、一層好ましい角度範囲は、３０°±５°である。

以上、本発明を好ましい実施形態について詳細に説明したが、本発明は、図示した実施形態の細部に限定されるものではない。

本発明の一実施形態による媒体攪拌型粉砕装置の縦断面図である。 図１の実施形態に使用される攪拌部材を示すもので、（ａ）は側面図であり、（ｂ）は横断面図である。 図１の実施形態に使用される案内部材の一例を示す側面図である。 本発明の他の実施形態による粉砕装置に使用されるタンクの縦断面図である。

符号の説明

１・・・タンク
４・・・攪拌部材
４ａ・・・端部開口
７・・・粉砕室
８・・・スラリー入口
９・・・スラリー出口部材
９ａ・・・スラリー出口通路
１０・・・スクリーン
１１・・・案内羽根
１２・・・スラリー循環用開口
１３・・・案内部材

Claims (5)

1. 筒状の粉砕タンクと、
   前記粉砕タンク内に、該粉砕タンクと同軸に、かつ、回転自在に配置されて、前記粉砕タンクの内壁との間に粉砕室を形成する攪拌部材と、
   前記攪拌部材を回転駆動する駆動手段と、
   を備え、
   前記粉砕タンクの内部空間には粉砕媒体が充填され、該粉砕タンクには、その一端部近傍に前記粉砕室に通じるスラリー入口が形成されており、
   前記攪拌部材は、前記スラリー入口から遠い方の一端に端部開口を有する中空構造であり、前記攪拌部材の中空内部空間に媒体分離部材が固定配置され、前記粉砕室は前記媒体分離部材を介してスラリー出口に通じており、
   前記攪拌部材には、前記端部開口から軸方向に離れた位置において、前記中空内部空間と前記粉砕室とを連通させる媒体循環用開口部が形成されており、
   前記攪拌部材には、前記端部開口の近傍に、粉砕媒体の回転運動を抑制する案内羽根が設けられており、
   前記攪拌部材は、該攪拌軸部材が回転駆動されたとき前記粉砕室内にあるスラリー及び粉砕媒体に回転と前記端部開口の方向に向いた軸方向の運動とを生じさせる攪拌羽根をその外周に有し、スラリー及び粉砕媒体は、前記粉砕室内において回転及び前記軸方向の運動をしながら前記攪拌部材の前記端部開口の近傍に達し、前記端部開口から前記攪拌部材の中空内部空間に入り、前記媒体分離部材により媒体がスラリーから分離されて、スラリーは前記スラリー出口から排出され、媒体は前記攪拌部材の前記媒体循環用開口部から前記粉砕室に戻される循環運動をするようになった、
   ことを特徴とする媒体攪拌型粉砕装置。
2. 請求項１に記載した粉砕装置であって、前記媒体循環用開口部は、前記攪拌部材の中空内部空間において前記端部開口から最も離れた位置に形成されたことを特徴とする粉砕装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載した粉砕装置であって、前記攪拌部材上の前記攪拌羽根は、螺旋の少なくとも一部の形状に形成されたことを特徴とする粉砕装置。
4. 請求項１又は請求項２に記載した粉砕装置であって、前記攪拌部材上の前記攪拌羽根は、前記攪拌部材の軸方向及び周方向に対して傾斜配置された板状部材であることを特徴とする粉砕装置。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載した粉砕装置であって、前記粉砕タンクの内壁面には、前記粉砕タンクの軸方向に延びるか又は該軸方向に対して傾斜した方向に延びる案内板が形成されたことを特徴とする粉砕装置。

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