JP4937502B2 - 遊星ボールミル - Google Patents

Description

本発明は、粉砕媒体ボールと粉砕物を入れたミルポットを公転させながら自転させることにより粉砕物を粉砕する遊星ボールミルに関する。

従来より、自転、公転の惑星（遊星）運動で自転回転のミルポット（粉砕容器）に発生する公転遠心加速度と自転遠心加速度をミルポット内の粉砕物と粉砕媒体ボールに与えることにより粉砕物と粉砕媒体ボールが激しく衝突して起こる圧縮、剪断で粉砕物を粉砕する遊星ボールミルが知られている。

図６に、例えば特許文献１に記載されている遊星ボールミルの一般的な構造を示す。この遊星ボールミル２００は、モータ２０１の駆動力が伝動チェーン２０２によって主軸（公転回転軸）２０３へ伝えられ、主軸２０３から放射方向へ延伸している上下それぞれの公転回転アーム２０４、２０５の先端にミルポット２０６が自転軸２０７を介してそれぞれの公転回転アーム２０４，２０５に上下で回転自在に装着され、主軸２０３と同一軸線上に回転しないように固定された太陽スプロケット２０９と自転軸２０７に固定された遊星スプロケット２１０とを伝動チェーン２１１で連結した構造である。モータ２０１を回転させると、ミルポット２０６が主軸２０３の周りを公転しながら自転軸２０７の回転で自転するものである。

遊星ボールミルは、高速の公転遠心加速度と自転遠心加速度の相乗作用で、極めて優れた粉砕速度を有するという特徴がある。
特許第２９０４３９９号

しかしながら、従来の遊星ボールミルには次のような問題点があった。まず、図６に示したような遊星ボールミルは、ミルポットに自転を生じさせる機構にスプロケットと伝動チェーンを用いているため、装置が大がかりである。そのため、粉砕速度が極めて速い遊星ボールミルを実験用にも使用できるような小型化、低価格化が要望されている。

また、従来の遊星ボールミルは、図６に示したように、自転軸２０７が垂直方向で公転回転軸２０３と平行に配置されている構造となっている。図７に示すように、自転軸が垂直方向であると、ミルポット２０６の中における乾式粉砕の初期では、粗い粉砕物と粉砕媒体ボールＢとは流動しながら衝突するため粉砕が進むが、粉砕が進行して粒径が小さくなると、公転遠心力の強い場所（底部側面）から微細粒子、細粒子、少し粗い粒子、粉砕媒体ボールＢの順に粒径が小さい順に堆積が始まり、粉砕媒体ボールＢは次第に堆積表面だけを回転する圧縮運動だけを行うようになり、流動運動による粉砕が止まってしまう。そのため、粉砕時間を延ばしても微粒子にはならず、微粒子を得るには適当でないと共に、粉砕効率が悪いという問題がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、小型化、低価格化が可能であると共に、粉砕効率に優れた遊星ボールミルを提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するため、駆動力によって回転する公転軸を中心として回転する公転回転アームと、垂直から前記公転軸側へ所定の傾斜角度で傾斜した自転軸を介して前記公転回転アームに自転自在に支持されているミルポットと、前記公転軸の周りの全周に亘って前記公転回転アームの上方に固定して配置され、前記公転回転アームの回転に伴って公転する前記ミルポットの外周面が公転遠心力で押しつけられることによって接触して前記ミルポットに自転を生じさせる外周ポット受けとを有し、前記ミルポットの内底が凹んだ球面状の形状であり、前記ミルポットの自転回転数が前記公転アームの公転回転数より大きく、かつ前記ミルポット内の粉砕媒体ボールと粉砕物に対して、前記公転アームの回転運動による公転遠心加速度及び前記公転遠心加速度と前記傾斜角度で傾斜する前記ミルポットの自転運動による自転遠心加速度を与えることにより、前記ミルポットの傾斜した内面を高速スピンしながら駆け上がる運動を生じさせることを特徴とする遊星ボールミルを提供する。

本発明の遊星ボールミルは、公転している自転自在なミルポットがその遠心力で外周ポット受けに接触してミルポットの自転運動が生じる構造となっている。そのため、ミルポットに自転運動を生じさせる大がかりな伝達装置は不要である上、外周ポット受けがミルポットの遠心力を受け止める構造となっているため、ミルポットの自転軸の軸受けも簡素化でき、小型化、低価格化が可能である。

また、ミルポットの自転軸が傾斜していることと、外周ポット受けとミルポットの接触によるミルポットの自転回転数を公転回転数よりも大きくすることができるため、ミルポット内の粉砕媒体ボールと粉砕物は公転中心軸に向かって傾斜したミルポットの内面を高速スピンしながら駆け上がるトルネード（竜巻）運動の流動を起こし、流動性の良い粉砕により、粉砕効率が極めて良好である。

本発明の遊星ボールミルでは、ミルポットの内底を凹んだ球面状の形状とすることにより、公転中心軸に向かって傾斜したミルポットの内面を高速スピンしながら駆け上がるトルネード（竜巻）運動の流動を起こし易くすることができ、粉砕効率を向上させることができる。

また、本発明は、請求項１記載の遊星ボールミルにおいて、前記ミルポットの内面の側壁に窪みが形成されていることを特徴とする遊星ボールミルを提供する。
ミルポットの内面の側壁に窪みを設けることによって、窪みに粉砕媒体ボールの力を集中することができるため、粉砕効率を向上させることができる。

また、本発明は、請求項１又は２記載の遊星ボールミルにおいて、前記外周ポット受けの前記ミルポットが接触する部分が前記公転軸を中心とする公転軌道から外れた形状を有し、かつ、前記自転軸が前記公転回転アームに前記公転軸を中心とする放射方向に対して揺動自在に支持されていることを特徴とする遊星ボールミルを提供する。

この構造は、ミルポットが遠心力で公転軌道から外れた形状の外周ポット受けに常に接触した状態で首振り運動をすることになるため、トルネード運動に首振り運動が加わって流動性の良い粉砕により、粉砕効率が極めて良好である。

また、本発明は、請求項１〜４いずれかに記載の遊星ボールミルにおいて、前記ミルポットの前記外周ポット受けと接触する外周面が、自転軸を中心とする円形から外れている形状を有し、かつ、前記自転軸が前記公転回転アームに前記公転軸を中心とする放射方向に対して揺動自在に支持されていることを特徴とする遊星ボールミルを提供する。

円形から外れた形状の外周面を有するミルポットを使用すると、ミルポットが外周ポット受けとの接触により首振り運動をすることになるため、トルネード運動に首振り運動が加わって流動性の良い粉砕により、粉砕効率が極めて良好である。

また、本発明は、請求項１〜５いずれかに記載の遊星ボールミルにおいて、前記自転軸の垂直方向からの傾斜角度が、１５〜４０度の範囲であることを特徴とする遊星ボールミルを提供する。

自転軸の垂直方向からの傾斜角度を１５〜４０度の範囲とすることにより、トルネード運動を有効に生じさせることができる。

本発明の遊星ボールミルは、小型化、低価格化が可能であると共に、粉砕効率に優れる。

以下、本発明の遊星ボールミルの実施の形態について説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。

図１は、本発明の遊星ボールミルの一実施形態を示す概略構成図である。この遊星ボールミル１００は、架台１０１の上に駆動源として電動モータ１１０が配設され、電動モータ１１０の回転軸１１１は鉛直上方に突出している。回転軸１１１は軸中心の公転中心１１２を中心として回転する公転軸として機能する。回転軸１１１には公転中心１１２から放射方向の水平方向に延伸する公転回転アーム１２０のほぼ中心部が固定されている。公転回転アーム１２０の両先端部は、所定の傾斜角度で水平方向から上方に屈曲された傾斜支持部１２１に形成されている。この傾斜支持部１２１には、ミルポット１３０に固定されている自転軸１３１がベアリング１３２を介して回転（自転）自在に支持されている。ミルポット１３０は、図示しない蓋で密封された有底円筒型で、その外底面中央にミルポット１３０の中心軸と同軸の自転軸１３１が固定されている。自転軸１３１の回転（自転）中心１３３は、公転中心１１２とミルポット１３０上方で交差するように垂直方向から公転中心１１２側へ所定の傾斜角度で傾斜している。ミルポット１３０は、垂直から公転軸１１２側へ傾斜した自転軸１３１を介して公転回転アーム１２０に自転自在に支持されている。

架台１０１の外周部には、電動モータ１１０を取り囲むように公転軌道に沿った円筒状の周壁１４０が設けられている。周壁１４０の上端縁にはリング状の支持板１４１が固定され、支持板１４１の内周縁は公転軌道とほぼ一致した円形である。支持板１４１の内周縁にはリング状の弾性素材で構成される外周ポット受け１４２が取り付けられている。外周ポット受け１４２は、公転軸１１１の周りの全周に亘って公転回転アーム１２０の上方に固定して配置されている。外周ポット受け１４２の内周縁は、公転回転アーム１２０の回転に伴って公転するミルポット１３０の外周面が接触する公転軌道上にあり、静止しているミルポット１３０の外周面とごくわずか離間している位置に配設されている。外周ポット受け１４２を構成する弾性素材としては、シリコンゴム、ウレタンゴム等の合成ゴムや天然ゴムを用いることができる。

このような遊星ボールミル１００の動作を説明する。電動モータ１１０を駆動させると、電動モータ１１０の回転軸１１１が、図１に示すように、回転し、回転軸１１１の回転に伴って公転回転アーム１２０が回転する。公転回転アーム１２０の回転に伴って、ミルポット１３０が公転中心１１２を中心として公転する。ミルポット１３０の公転によって、ミルポット１３０には公転中心１１２から放射方向に向かう公転加速度が生じ、公転遠心力によってミルポット１３０は遠心方向にベアリング１３２のガタの分だけ垂直方向に向かって起きあがり、外周ポット受け１４２に接触する。公転回転しているミルポット１３０が外周ポット受け１４２と接触することにより、ミルポット１３０の外周面と外周ポット受け１４２との摩擦でミルポット１３０は自転軸１３１の自転中心１３３を中心として自転する。

このようにして、ミルポット１３０は、公転中心１１２を中心として公転運動をしながら垂直方向から傾斜した自転中心１３３を中心として自転運動し、遊星運動を行うものである。本発明の遊星ボールミル１００では、自転回転数は、外周ポット受け１４２のミルポット１３０と接触する内周縁径とミルポット１３０の外周ポット受け１４２と接触する外周径の比で決定される。外周ポット受け１４２の内周縁径は、ミルポット１３０の外周径より数倍大きいため、自転回転数の方が公転回転数よりも数倍大きくなるという特徴がある。自転回転数／公転回転数の比は、例えば２〜８倍程度である。従来の遊星ボールミルでは、例えば公転回転数が２０００ｒｐｍ、自転回転数が６０ｒｐｍであり、自転回転数が公転回転数よりも遙かに少なかった。

図２は、このような遊星運動による粉砕機構を説明する概念図である。ミルポット１３０は、有底円筒状のポット本体１３５の上端開口部を蓋１３６で密封した構造となっている。本発明の遊星ボールミル１００では、ミルポット１３０の自転軸１３１は垂直方向から傾斜角度θの角度で傾斜し、更に、自転数が公転数の数倍であるという特徴がある。粉砕するときには、ミルポット１３０の中に粉砕媒体ボールＢと粉砕物Ｐを封入する。

ミルポット１３０が公転運動することによって、内部の粉砕物Ｐと粉砕媒体ボールＢは公転遠心加速度でミルポット１３０の内底面と内側面に強く押しつけられる。ミルポット１３０の自転軸１３１の傾斜角度θで、公転回転より数倍速い自転回転で自転遠心加速度が加わると、粉砕媒体ボールＢと粉砕物Ｐは公転中心１１２に向かって傾斜したミルポット１３０の内面を高速回転に伴う高速スピンしながら駆け上がり、トルネード（竜巻）運動を起こしながら、激しく衝突する。このようなトルネード運動により粉砕物Ｐと粉砕媒体ボールＢは連続対流運動を起こす。粉砕物Ｐは、粉砕媒体ボールＢの衝突や高圧縮で，剪断、粉砕、解砕、分散が起こり、微粉末となる。このような粉砕機構により、傾斜角度θを有さない遊星ボールミルと比較して流動性の良い粉砕により粉砕効率が向上する。

また、傾斜角度θを有することにより、内部の粉砕物Ｐと粉砕媒体ボールＢはポット本体１３５の内底面側に押しつけられるため、蓋１３６の位置まで上昇することは少ない。そのため、蓋１３６から粉体Ｐが漏れ難い。

自転中心１３３の垂直方向からの傾斜角度θは、特に制限はないが、トルネード運動の生じ易さから、１５〜４０度の範囲、特に２０〜３５度の範囲とすることが好ましいことが実験で認められる。４５度の中心傾斜角度では、理由は不明であるが、トルネード運動を起こし難くなることが認められる。

本発明の遊星ボールミル１００は、固定された外周ポット受け１４２に公転しているミルポット１３０を公転遠心力で押しつける自転機構を採用している。自転機構に、スプロケットと伝動チェーンのような伝達機構を用いていないため、機構が簡素化され、小型化、低価格化が可能である。しかも、ミルポット１３０の公転遠心力を外周ポット受け１４２が受ける構造であり、ミルポット１３０にかかる公転遠心力が軸受けのベアリング１３２と外周ポット受け１４２に分散してかかるため、軸受けが軽負荷となり、軸受けなどの機構を簡素化することができ、この点でも小型化、低価格化に寄与できる。また、可動箇所が少ないため、メンテナンスでも有利である。小型化することにより、例えば、恒温槽や冷凍庫の中に配置することが可能になり、広い範囲の粉砕物に対応できるようになった。

本発明の遊星ボールミル１００の運転条件としては、例えば、ミルポットの内容積は１００〜２００ｍｌ、公転回転数は１００〜２０００ｒｐｍ、自転回転数は２００〜５０００ｒｐｍの範囲とすることができる。公転回転数が６６６ｒｐｍ、公転運動半径が１２６ｍｍ、自転回転数が２０００ｒｐｍ（自転数／公転数＝３．０）、自転容器内径が４２ｍｍの場合、公転加速度が６２Ｇ、自転加速度が１８８Ｇ、合成加速度が２５０Ｇで粉砕することができる。

本発明の遊星ボールミル１００の用途としては、例えば電子素材、セラミック、金属等の微粉砕、軟組織等の生物試料中の繊維の切断、土壌バクテリアＤＮＡの抽出前処理、食品、化粧品、医薬品分野の乳化、分散、重合トナーの製造などの乾式粉砕、湿式粉砕の両方に利用することができる。

本発明の遊星ボールミル１００は、粉砕効率を向上させるために、種々の形態とすることができる。例えば、図３（ａ）に示すミルポット１３０ｂは、ポット本体１３５ｂの内底が凹んだ球面状に形成されている。ミルポット１３０ｂの内底面を球面状に形成すると、平板状の内底面と比較して、粉砕媒体ボールＢと粉砕物Ｐが公転中心１１２に向かって傾斜したミルポット１３０ｂの内面を高速自転に伴う高速スピンしながら駆け上がるトルネード（竜巻）運動を起こし易くなる。内底面の球面状の凹みは、ミルポット１３０ｂの内径を直径とする最大球面とすることが好ましい。

また、図３（ｂ）に示すミルポット１３０ｃは、内面の側壁に窪み１３８が形成されている形状を有する。ミルポット１３０ｃの内面の側壁に窪み１３８を設けることによって、窪み１３８に粉砕媒体ボールＢの力を集中することができるため、粉砕効率を向上させることができる。窪み１３８の形状は、図３（ｂ）に示すように、中央の最大内径に向かって上方と下方から内径が徐々に大きくなる傾斜面が形成されているソロバン玉状とすることができる。ソロバン玉状の形状は一つのミルポット１３０ｃの中に複数個形成しても良い。

また、図３（ｃ）に示すミルポット１３０ｄは、粉砕媒体ボールの代わりに、粉体が通過できる多数の微細孔が形成されたパンチングメタルや網の目（メッシュ）等の多孔板１３９をミルポット１３０ｄの内壁に軸方向に沿ってほぼ直径方向に固定し、ミルポット１３０ｄの中を多孔板１３９によって軸方向で２分割したような構造を有する。高速で自転する本発明の遊星ボールミル１００では、公転遠心力と自転遠心力で大きく遅れた媒体液や粉体よりも高速回転する多孔板１３９の回転速度の方が遙かに速いので、多孔板１３９を粉体が強制的に通過することになる。これを５０００回／分以上繰り返すことにより、粉砕は勿論、固形物の分散や乳化を促進させることができる。多孔板１３９は流速や粉砕に耐える強度を有するものを用いる。

粉砕媒体ボールＢによる粉砕はかなりの熱を発生し、温度上昇により、熱に弱い粉体の場合には、劣化するおそれがある。また、低温で粉砕しなければならない粉砕物も存在する。逆に加熱しながら粉砕をする場合もある。そのため、本発明の遊星ボールミル１００のミルポット１３０を冷却又は加熱する必要が生じる場合がある。

図４は、ミルポットを冷却又は加熱できる恒温装置を設けた遊星ボールミル１００ｂの一実施形態を示す概略構成図である。この恒温装置１５０は、電動モータ１１０ｂの回転軸１１１ｂに中空状のものを採用し、この回転軸１１１ｂの中空部１５１に外部からの冷却又は加熱したガスを導く導管１５２を連結し、更に回転軸１１１ｂからミルポット１３０に向かって気体を吹き付ける吹き出し口１５３を設けた構造を有する。中空回転軸１１１ｂを送風の導管とすることにより、中空回転軸１１１ｂに設けられた吹き出し口１５３はミルポット１３０と共に回転するため、常に気体をミルポット１３０に向かって吹き付けることができる。また、最短距離で冷却又は加熱したガスをミルポット１３０に当てることができる。高度に冷却する場合は、液体窒素を媒体として冷却した導管を通過した気体を用いることができる。

図５は、自転の傾斜角度θを公転中に変動させ、ミルポット１３０に首振り運動を与えるスイング機構を設けた遊星ボールミル１００ｃの一実施形態を示す概略構成図である。図５（ａ）の左側と右側は９０度の角度で交差する断面である。本発明の遊星ボールミルにおいても、乾式粉砕の初期では、粗い粉砕物と粉砕媒体ボールとは流動しながら衝突するため粉砕が進むが、粉砕が進行して粒径が小さくなると、公転遠心力の強い場所（底部側面）から微細粒子、細粒子、少し粗い粒子、ボールの順に粒径が小さい順に堆積が始まり、ボールは次第に堆積表面だけを回転する圧縮運動だけを行うようになり、流動運動による粉砕が止まり、それ以上微粒子にはならないという現象が発生するおそれがある。このような堆積を防止し、流動性を良好にして粉砕効率を向上させるために、ミルポットにスイング機構を設け、粉体と粉砕媒体ボールに角度変化を与えることが有効である。

図５（ａ）に示す遊星ボールミル１００ｃは、自転軸１３１を回転自在に支持する傾斜支持部１２１が、公転回転アーム１２０にヒンジ１２２を介して公転中心１１２を中心とする放射方向に対して揺動自在に連結されている。また、内周縁の形状が公転軌道から外れている支持板１４１ｂの内周縁に固定されている外周ポット受け１４２ｂのミルポット１３０が接触する内周縁が、公転軌道から外れた軌道の形状に形成されている。公転回転するミルポット１３０が公転遠心力でヒンジ１２２を中心として外周ポット受け１４２ｂの内周縁の軌道に沿って揺動する。外周ポット受け１４２ｂの軌道の形状は、例えば、図５（ｂ−１）に示すような楕円軌道の外周ポット受け１４２ｂとすることができる。楕円軌道の最大径と最小径の差がスイング（首振り）角度となる。例えば、図５（ａ）の右側に示す最小楕円径の箇所で傾斜角度θが４５度、図５（ａ）の左側に示す最大楕円径の箇所で傾斜角度θが１０度となるような楕円軌道では、４５度から１０度の範囲で傾斜角度θが連続的に変化するスイングを行うことになる。自転と公転の回転比は、外周ポット受け１４２ｂの内周縁の長さと接触するミルポット１３０の円周長さの比で決定される。図５（ｂ−１）で示すような外周ポット受け１４２ｂの楕円軌道では、１回の公転回転で２回スイングすることになる。

また、図５（ｂ−２）に示すように、外周面を楕円としたミルポット１３０ｅとすることによるスイング機構を採用することもできる。この場合、外周ポット受けの形状を、図５（ｂ−２）に示すような公転軌道の円形軌道としても、図５（ｂ−１）に示すような楕円軌道としても良い。外周面を楕円としたミルポット１３０ｅを用いる場合は、１公転回転のスイング数は自転数と同じになる。また、スイング傾斜角度は、楕円軌道の外周ポット受け１４２ｂとした場合は、楕円軌道の最小内径と最大内径、及びミルポット１３０ｅの楕円外周の最小外径と最大外径で決定される。

上記説明では、ミルポットの数は直径方向の公転回転アームの両端に２個であったが、公転軸から均等な放射方向であれば、３個以上とすることができる。

また、ミルポットの外周面に弾性素材で構成される滑り止め用のバンドを設けるようにしてもよい。

本発明の遊星ボールミルは、小型化、低価格化を実現し、各種の粉砕物を高速で微粉砕することができるため、特にメカノケミカルなどの新機能材料の開発に利用することができる。

本発明の遊星ボールミルの一実施形態を示す概略構成図である。 本発明の遊星ボールミルによる粉砕機構を説明する概念図である。 （ａ）は内底を球面状としたミルポットの内部の概略を示す概念図、（ｂ）は内側壁に窪みを設けたミルポットの内部の概略を示す概念図、（ｃ）は多孔板を内蔵したミルポットの横断面の概略構造を示す。 恒温装置を設けた遊星ボールミルの概略構成図である。 （ａ）はスイング機構を設けた遊星ボールミルの概略構成図であり、（ｂ−１）は外周ポット受けの形状を楕円軌道とした模式図、（ｂ−２）はミルポットの外周面を楕円とした場合を示す模式図である。 従来の遊星ボールミルの概略構成図である。 従来の遊星ボールミルによる粉砕の問題点を示す模式図である。

符号の説明

１００： 遊星ボールミル
１０１： 架台
１１０： 電動モータ
１１１： 回転軸（公転軸）
１１２： 公転中心
１２０： 公転回転アーム
１２１： 傾斜支持部
１３０： ミルポット
１３１： 自転軸
１３２： ベアリング
１３３： 自転中心
１４０： 周壁
１４１： 支持板
１４２： 外周ポット受け

Claims (3)

1. 駆動力によって回転する公転軸を中心として回転する公転回転アームと、垂直から前記公転軸側へ所定の傾斜角度で傾斜した自転軸を介して前記公転回転アームに自転自在に支持されているミルポットと、前記公転軸の周りの全周に亘って前記公転回転アームの上方に固定して配置され、前記公転回転アームの回転に伴って公転する前記ミルポットの外周面が公転遠心力で押しつけられることによって接触して前記ミルポットに自転を生じさせる外周ポット受けとを有し、
   前記ミルポットの内底が凹んだ球面状の形状であり、
   前記ミルポットの自転回転数が前記公転アームの公転回転数より大きく、かつ
   前記ミルポット内の粉砕媒体ボールと粉砕物に対して、前記公転アームの回転運動による公転遠心加速度及び前記公転遠心加速度と前記傾斜角度で傾斜する前記ミルポットの自転運動による自転遠心加速度を与えることにより、前記ミルポットの傾斜した内面を高速スピンしながら駆け上がる運動を生じさせることを特徴とする遊星ボールミル。
2. 請求項１記載の遊星ボールミルにおいて、
   前記ミルポットの内面の側壁に窪みが形成されていることを特徴とする遊星ボールミル。
3. 請求項１又は２記載の遊星ボールミルにおいて、
   前記自転軸の垂直方向からの傾斜角度が、１５〜４０度の範囲であることを特徴とする遊星ボールミル。

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