JP5160453B2 - 微粉砕装置 - Google Patents

Description

本発明は、一端側に設けられる原料供給口と、他方側に設けられる製品排出口と、原料供給口から供給された原料を粉砕して製品排出口から排出させるための原料粉砕室とを備えた微粉砕装置に関するものである。

食品（緑茶、大豆、紅茶、海苔など）を扱う食品産業やその他の医薬・有機化学工業等の各産業分野においては、より均一化された微粉末が要求されており、種々の微粉砕装置が開発されている。

例えば、下記特許文献１に開示される微粉砕装置は、回転軸を貫通する粉砕室を有し一端に原料供給口、他端に製品排出口を設けている。回転軸には先端にブレードを備える回転子を取り付け、ブレードに対向してライナーを装着し回転子間には仕切板を設ける。粉砕室の製品排出口側には回転砥石と固定砥石を取り付け、両砥石の間隙が分級隙間を形成し、この距離を調整することで、隙間内に導入し得る微粉粒体の大きさを制限する。分級隙間を通過する微粉粒体は、摩砕面に衝突しながらより微細化され吐出側に搬送されるように構成されている。

特開２０００−４２４３８号公報

しかしながら、かかる微粉砕装置は、粉砕室内に種々の部品が必要で設けられているため構造が複雑であり、メンテナンスやコストの面で問題があった。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、その課題は、構成を簡素化してメンテナンスを行いやすくすると共にコストを抑制した微粉砕装置を提供することである。

上記課題を解決するため本発明に係る微粉砕装置は、
一端側に設けられる原料供給口と、他方側に設けられる製品排出口と、原料供給口から供給された原料を粉砕して製品排出口から排出させるための原料粉砕室とを備えた微粉砕装置であって、
原料粉砕室内の上流側に配置される少なくとも１枚の薄板で形成されるロータと、
このロータが収容される円筒空間と、
この円筒空間よりも下流側に配置され、円筒空間よりも内径が小さく設定された円筒形状を有する分級空間と、
この分級空間の下流側に配置された前記製品排出口と、を備え、前記ロータの回転により生じる気流により、原料同士もしくは原料と原料粉砕室の内壁面とを衝突させて粉砕を行うことを特徴とする。

かかる構成による微粉砕装置の作用・効果を説明する。この微粉砕装置の原料粉砕室は、上流側に薄板で形成されるロータが配置されており、これを回転させることで高速気流を発生させる。この気流により、原料同士もしくは原料と原料粉砕室の内壁面とを衝突させることで粉砕を行うものであり、いわゆる気流粉砕を主としているものである。ロータが収容される円筒空間の下流側には、分級空間が設けられており、分級空間の内径は円筒空間よりも小さく設定されている。また、この分級空間の下流側に、製品排出口が設けられている。従って、所定の粒度にまで小さくなっていない粉末は、所定の粒度になるまで粉砕が行われる。これにより、所望の粒度にまで分級された製品が取り出される。また、原料粉砕室内に配置される主な部品は、ロータのみであり、分級機能などについては分級空間の形状などにより対応することができる。すなわち、原料粉砕室の内壁面形状を工夫することで、所望の微粉砕を行うことができるようになっている。その結果、構成を簡素化してメンテナンスを行いやすくすると共にコストを抑制した微粉砕装置を提供することができる。

本発明において、前記ロータは、複数枚が回転軸方向に沿って並べて配置されるものであり、このロータの配置間隔を調整可能に構成することで、製品の粒度を調整することが好ましい。

ロータの配置間隔を変えるだけで粒度を調整することができ、粒度調整のための特別の部品も必要としない。よって、簡素な構成とすることができる。

本発明に係る分級空間は、少なくとも２つの内径が異なる分級空間部を有しており、下流側にいくほど内径が小さくなるように設定されていることが好ましい。

このように段階的に内径の異なる分級空間部を設けることで、所定の粒度にまで粉砕されていない製品が製品排出口から排出されることを確実に防止することができ、より均一な粒度の製品を得ることができる。

本発明において、分級空間は、円筒空間に隣接して、円筒空間から離れるに従い内径が徐々に小さくなるようなテーパ空間部を備えたことが好ましい。

このように構成することで、ロータの位置で粉砕された原料を分級空間の方向に送り出しやすくなる。

本発明において、前記分級空間の外部に配置され、分級空間の上流側から分級空間の先端側をバイパスさせるバイパス経路と、分級空間の内部に配置され、分級空間の前記先端側から前記分級空間の上流側へとつながる内部経路と、を設け、粉砕された原料のうち、バイパス経路側に排出された粗粉を前記内部経路を経由して、再び、分級空間内へ戻すように構成することが好ましい。

この構成によると、所定の粒度まで粉砕されていない粗粉は、バイパス経路と内部経路を経由して、再び分級空間の上流側に戻ってくる。所定の粒度にまで粉砕された微粉のみが、製品排出口から排出されるので、より均一な粒度の製品を得ることができる。なお、分級空間の上流側は、分級空間の先端側よりも上流に位置していればよい。

本発明において、前記分級空間の外部に、複数のバイパス経路接続用の接続部を設け、原料のグレードに応じて選択可能に構成したことが好ましい。

この構成によると、原料のグレードに応じて適切なバイパス経路を設定することができる。グレードとしては、例えば、原料の比重があげられる。相対的に比重が大きいものは、下流側に配置された接続部を利用してバイパス経路を構成する。これにより、より効率よく粉砕処理を行うことができる。

微粉砕装置の外観を示す斜視図 微粉砕装置の内部構成を示す断面図 ロータの形状を示す平面図 微粉砕装置内における原料の動きを示す図 粉砕実験の結果を示す図（ビタミンＢ２） 粉砕実験の結果を示す図（ビタミンＣ） 粉砕実験の結果を示す図（米粉） 粉砕実験の結果を示す図（茶） 第２実施形態に係る微粉砕装置の内部構成を示す断面図 第２実施形態に係る微粉砕装置の外観を示す斜視図 粉砕実験の結果を示す図（抹茶） 粉砕実験の結果を示す図（米）

符号の説明

Ａ 微粉砕装置
Ｂ 原料供給装置
Ｃ 分級空間
Ｓ１ 円筒空間
Ｓ２ テーパ空間部
Ｓ３ 第１分級空間部
Ｓ４ 第２分級空間部
Ｐ バイパス経路
Ｑ 内部経路
１ 土台
２ ホッパー
３ 原料粉砕室
４ 製品排出口
７ モータ
８ ロータ
８ａ 孔部
８ｂ 刃部
１０，１１，１２，１３ 内壁面
１５ 第１接続部
１６ 第２設定部
１７ 先端接続部

本発明に係る微粉砕装置の好適な実施形態を図面を用いて説明する。図１は、微粉砕装置の外観を示す斜視図であり、図２は微粉砕装置の内部構成を示す断面図である。

＜第１実施形態の構成＞
まず、第１実施形態に係る微粉砕装置Ａの構成について説明する。微粉砕装置Ａは、略Ｌ字形の土台１の底部にコロ１ａが設けられている。また、原料を供給する原料供給装置Ｂからの原料が供給されるホッパー２（原料供給口）と、ホッパー２から投入された原料を微粉末に粉砕する原料粉砕室３と粉砕された原料を製品として排出する製品排出口４とを備えている。製品排出口４から排出された製品は、ブロア２１により吸引されて、チューブ５を通ってサイクロン集塵装置２０により集積される。

なお、サイクロン装置内の負圧を解消し微粉末を集積しやすくするため、正圧用のコンプレッサー又はリングブロアーを接続してもよい。このコンプレッサーやリングブロアーは、粉砕された微粉末の除熱作用を行うことができる。

図２に示すように、土台１の上に駆動本体部６が設けられており、その内部にはモータ７が設置されている。モータ７の回転軸７ａは水平な状態に設定され、この回転軸７ａの先端側には３枚のロータ８が取り付けられている。この３枚のロータ８の配置間隔は調整することができ、これにより、粉砕原料の特性に適した粉砕や粒度の調整を行うことができる。ロータ８は、円筒形状を有する円筒空間Ｓ１に収容されており、円筒空間Ｓ１の内壁面１０と、ロータ８の外周面との隙間はわずかな大きさになるように設定されている。

図３は、ロータ８の形状を示す平面図である。ロータ８は、中心部に回転軸７ａと連結する孔部８ａが形成されている。孔部８ａには、結合用のキー溝が２箇所形成される。また、ロータ８は、小径の円板の周囲から幅細の刃部８ｂが放射状に８箇所突出している。これらの刃部８ｂは、円周方向に沿って等ピッチで配置されている。なお、刃部８ｂの枚数などについては、適宜設定できるものである。

３枚のロータ８は、その刃部８ｂが同位相になるように構成してもよいし、位相をずらしながら結合してもよい。位相をずらせた方がより粒度を細かくすることができる。

ロータ８と内壁面１０の隙間寸法は、あまり狭すぎると発熱の原因となり、原料そのものが大きい場合にトラブル発生の原因となる。逆にあまり広すぎると粉砕効率が大幅に低下するという問題があるので、目標とする粒度に応じた適切な寸法が設定される。

この円筒空間Ｓ１の下流側に隣接して分級空間Ｃが配置され、テーパ空間部Ｓ２、第１分級空間部Ｓ３，第２分級空間部Ｓ４の順番に、円筒空間Ｓ１と同芯に配置される。テーパ空間部Ｓ２は、下流側に行くほど内径が小さくなるようなテーパ状の内壁面１１を有している。

第１分級空間部Ｓ３は、円筒空間Ｓ１よりも内径の小さな円筒形を有している。第１分級空間部Ｓ３の内壁面１２と、円筒空間Ｓ１の内壁面１０とが連続的につながるようにテーパ空間部Ｓ２の内壁面１１のテーパ面が形成される。第２分級空間部Ｓ４は、第１分級空間部Ｓ３よりも内径の小さな円筒形状を有している。この第２分級空間部Ｓ４の先端部に製品排出口４が設けられており、製品排出口４の内径は第２分級空間部Ｓ４の内径よりも小さくなっている。製品排出口４及び各分級空間部Ｓ３，Ｓ４と同芯になるように配置されている。ただし、製品排出口４は、必ずしも各分級空間部Ｓ３，Ｓ４と同芯に配置しなくてもよい。

以上のように、分級空間Ｃは下流側にいくほど内径が小さくなるように設定されており、所定の粒度にまで粉砕された製品のみが製品排出口４から排出可能に構成されている。

＜動作＞
次に、本発明に係る微粉砕装置Ａの動作について説明する。図４は、ホッパー２から投入された原料が製品排出口４から排出されるまでの原料の動きを示す図である。製品排出口４に接続されたブロアにより吸引動作を行うと共に、ロータ８を高速回転させる。ロータ８の高速回転に伴い負圧が発生し、モータ７側に引かれようとする力と、ブロア２１による吸引力とがせめぎ合う形になるが、ブロア２１の吸引力の方が大きくなるように設定されている。

これにより、投入された原料は、高速気流により原料同士の衝突と原料と内壁面１０との衝突を繰り返すことで、徐々に粉砕されていく。原料は、ロータ８と内壁面１０の間の隙間、及び、ロータ８とロータ８の間を通って下流側へと流れていく。

ロータ８の下流側の分級空間Ｃにおいても、高速気流により渦流が発生し、この渦流により生じる遠心力により、粉砕が不十分な原料は、内壁面１１，１２，１３の方向に吹き飛ばされ、十分に粉砕された原料のみが中央の製品排出口４から排出される。内壁面１２と内壁面１３は、段差面となっており、粉砕不十分な原料が製品排出口４から不用意に排出されていかないようにしている。これにより、所望の粒度にまで粉砕された原料のみが製品として取り出されることになり、均一な微粉末を得ることができる。

＜作用・効果＞
本発明の微粉砕装置Ａによれば、気流式の粉砕であるため、温度上昇を極力抑えることができる。また、金属同士の衝突部がないため金属粉が混入することがなく、故障が生じにくい構造となっている。

粒度の調整は、前述のロータ８の間隔設定のほかに、ロータ８の回転数、ブロア２１の吸引風量の調整などにより行うことができ、きわめて簡単な作業で粒度の調整を行うことができる。また、ロータ８は厚さ数ｍｍ程度の薄板円盤状に形成することができ、ロータ８を軽量にすることができ、これを駆動するための動力設備も小型化することができる。

本発明に係る微粉砕装置Ａは、原料粉砕室内の構造が簡単であり、分解清掃などのメンテナンスを容易に行うことができ、装置自体のコストも抑制することができる。また、装置全体の大きさもコンパクトであり、広い設置場所を必要としない。

本発明においては、気流式の粉砕であり、機械的粉砕が困難とされている大豆などの比較的油分を多く含んだ原料でも均一に粉砕することができる。また、投入された原料は、瞬時に粉砕されて製品排出口４から排出されるため、風味を損なうなどの原料の変質を起こしにくいという利点も有している。

本発明に係る微粉砕装置Ａによれば、所望の粒度の微粉末のみが排出される構造であるから、１パスでシングルミクロンサイズ、サブミクロンサイズの粉砕が可能である。

＜実験結果＞
次に、実際に粉砕実験を行なった結果を図５〜図８に示す。図５はビタミンＢ２、図６はビタミンＣ、図７は米粉、図８は茶である。横軸は粉砕後の粒子径を示し、左側縦軸は相対粒子量（％）、右側縦軸は各粒子径の包含比率を示す。図５、図７は手動で原料を投入したため、ピークが２箇所形成されているが、図６、図８は、原料供給装置Ｂにより自動供給したものである。

ビタミンＢ２およびビタミンＣは、共に２００〜３００μｍの大きさのものを粉砕した結果である。粉砕結果において、ビタミンＢ２は、メディアン径が９．２６３μｍ、平均径が１１．２５６μｍであった。ビタミンＣは、メディアン径が１０．２１２μｍ、平均径が９．１７６μｍである。また、ビタミンは熱に弱いが、本発明の構成によれば温度上昇を抑制することができ、所望の粒度まで粉砕することができる。

図７の米粉において、メディアン径は１２．３８８μｍ、平均径は１１．５７９μｍ、図８の茶においては、メディアン径は１４．０６５μｍ、平均径は１１．９７０μｍであった。

＜第２実施形態の構成＞
次に、第２実施形態に係る微粉砕装置Ａの構成を説明する。第１実施形態と同じ機能をする部分には同じ図番を付している。第１実施形態と異なる点を中心に説明する。図９は、第２実施形態にかかる微粉砕装置の内部構成を示す断面図であり、図１０は、その外観の一部を示す斜視図である。

第１分級空間部Ｓ３の外部には第１接続部１５が設けられ、第２分級空間部Ｓ４の外部には第２接続部１６が設けられる。また、第２分級空間部Ｓ４の先端部にも先端接続部１７が設けられる。第１接続部１５と先端接続部１７の間にパイプ２２が接続されており、このパイプ２２によりバイパス経路Ｐが構成される。

図１０に示すように第１・第２接続部１５，１６は、分級空間部Ｓ３，Ｓ４の外部に接線方向に向けて形成される。分級空間部Ｓ３，Ｓ４では、粉砕された原料が回転しており、その回転方向に対応した接線方向としている。

また、分級空間Ｓの内部であって、先端接続部１７の内側に内部経路Ｑが取り付けられている。内部経路Ｑの左端部は、バイパス経路Ｐに連続しており、右端部は、開放されて分級空間Ｓにつながっている。

原料を粉砕すると、所定の粒度にまで粉砕された微粉と所定の粒度にまで粉砕されていない粗粉が、分級空間Ｓ内に混在する。そこで、上記のようなバイパス経路Ｐを設けると、重量の大きな粗粉は、バイパス経路Ｐ側へ移動し、内部経路Ｑを経由して再び分級空間Ｓ内に戻ってくるようにしている。これにより、粗粉が製品排出口４から排出することを防止し、確実に粉砕された微粉のみが製品排出口４から排出されるようにする。内部経路Ｑの右端部は、テーパ空間部Ｓ２もしくは第１分級空間部Ｓ３内に臨んでおり、これにより、内部空間Ｓへ戻して再度の粉砕を可能にしている。

先端接続部１７及び内部経路Ｑは、内部空間Ｓの軸中心と同芯となるように配置される。これにより、戻ってきた粗粉を効率よく再粉砕して微粉化することができる。また、製品排出口４は、先端接続部１７に隣接した周囲に配置される。ただし、製品排出口４と、先端接続部１７の配置については、これに限定されるものではない。先端接続部１７及び内部経路Ｑは、内部空間Ｓの軸中心と同芯に配置しなくてもよい。

第２接続部１６には蓋１６ａが使用されており、図９、図１０に示す態様では機能していない。バイパス経路Ｐを構成する場合には、第１接続部１５もしくは第２接続部１６のうちのいずれかを選択して使用することができる。いずれを選択するかは、原料のグレードに従うものである。例えば、相対的に比重が軽い原料の場合は、下流側に位置する第２接続部１６を使用し、相対的に比重が重い原料の場合は、上流側に位置する第１接続部１５を使用する。

図１０に示すように、補助経路２３が設けられ、主経路２４と合流点Ｄにおいて合流している。主経路２４はパイプ２２と合わせてバイパス経路Ｐとして機能する。補助経路２３には、不図示のリングブロアーが接続されており、矢印の方向にエアーを送り込んでいる。例えば、冷却エアーを送り込むことで温度の調節などを行なうことができる。なお、補助経路２３は必ずしも必要なものではなく、設けなくてもよい。

この構成によると、粗粉を確実に微粉砕して排出することができ、所望の粒度の製品を確実に得ることができる。第１接続部１５からバイパス経路Ｐへと排出された粗粉は、負圧の作用により図示の矢印方向に導かれ、確実に分級空間Ｓ内へと戻される。上記のリングブロアーを用いれば、より確実に粗粉を戻すことができる。

＜実験結果＞
次に、第２実施形態の微粉砕装置により、実際に粉砕実験を行なった結果を図１１、図１２に示す。図１１は抹茶、図１２は米の粉砕結果である。横軸は粉砕後の粒子径（μｍ）を示し、左側縦軸は頻度（％）、右側縦軸は累積頻度（％）を示す。抹茶の場合、平均粒子径は９．３１３μｍ、米の場合、平均粒子径は２２．２５μｍであり、所望のレベルまで微粉砕することができた。

＜汚泥処理＞
本発明に係る微粉砕装置は、以下詳細に説明するように、汚泥処理にも応用することができる。産業廃棄物のうち汚泥と呼ばれるものは、固形物と水分の混合廃棄物である。かかる汚泥は、無機質などからなる無機質汚泥と生物化学的廃水処理に由来する有機質汚泥から構成されている。また、人間が生活していく上で出される汚水は、一般家庭排水と企業排水に分けられ、種々の方法で処理されている。その処理過程において出される汚泥の半量が処理可能な有機物汚泥である。

現在、上記汚泥は、脱水処理後埋め立て処分などが施されている。しかし、埋立地の空き容量は年々減少する一方であり、余剰汚泥の減容化が要求されている。

汚泥菌は、その約９０％が水分で構成されており、丈夫な細胞膜で覆われているため、その破断が困難であるとされている。従って、その表面を乾燥させて、埋め立てたり、炉で焼却処分をすることが一般的である。

余剰汚泥の減容化にあたっては、ビーズミルやディスク式の粉砕による減容化も研究されて来ている。しかしながら、水分を含む汚泥の粉砕は困難な面が多く、実用化されていないのが現状である。すなわち、汚泥菌が有する細胞膜の性質上、押圧、加圧、打撃、摩砕による粉砕は困難である。

本発明による微粉砕装置は、通常のジョットミルによる気流粉砕技術（粉砕室内に気流を発生させて、高速渦流により粉砕対象物をケーシングに衝突させ、あるいは、粉砕物同士を衝突させ、または回転体に衝突させて粉砕する技術）という機能のみならず、高速回転するローターを中心に前後に相反する負圧状態を作り出して、その高圧気流の中で粉砕対象物を破断する、という機能も併せ持つものである。これにより、本発明による微粉砕装置により汚泥の粉砕も行うことが可能になった。

なお、粉砕室内の温度については、およそ１２０℃以上に設定することが好ましい。加熱するための熱源の構成としては、適宜のものを採用することができる。例えば、ホッパー２の位置から、原料を供給すると共に、所定温度の熱風を粉砕室内に送り込むような構成を採用することができる。また、その他のヒーターを粉砕室内に設けてもよい。

実際に汚泥を投入して実験してみたところ、１ｋｇの汚泥が１２０ｇにまで減容することができた。

＜別実施形態＞
本発明に係る微粉砕装置により粉砕される原料については、特に限定されるものではないが、緑茶、紅茶、コーヒー豆、大豆、小豆、米、海苔などの食品には特に好適である。

ロータの枚数は、例えば、１枚から１０枚まで粉砕粒度や粉砕原料に応じて使い分けをすることができる。

本実施形態では、２つの分級空間部が形成されているが、この設定個数については適宜決めることができる。この個数に応じてバイパス経路Ｐを形成するための接続部の設定個数も変更することができる。

本実施形態において、製品排出口４を分級空間部の円周方向の外部に設けてもよい。

Claims (6)

1. 一端側に設けられる原料供給口と、他方側に設けられる製品排出口と、原料供給口から供給された原料を粉砕して製品排出口から排出させるための原料粉砕室とを備えた微粉砕装置であって、
   原料粉砕室内の上流側に配置される少なくとも１枚の薄板で形成されるロータと、
   このロータが収容される円筒空間と、
   この円筒空間よりも下流側に配置され、円筒空間よりも内径が小さく設定された円筒形状を有する分級空間と、
   この分級空間の下流側に配置された前記製品排出口と、を備え、前記ロータの回転により生じる気流により、原料同士もしくは原料と原料粉砕室の内壁面とを衝突させて粉砕を行うことを特徴とする微粉砕装置。
2. 前記ロータは、複数枚が回転軸方向に沿って並べて配置されるものであり、このロータの配置間隔を調整可能に構成することで、製品の粒度を調整することを特徴とする請求項１に記載の微粉砕装置。
3. 前記分級空間は、少なくとも２つの内径が異なる分級空間部を有しており、下流側にいくほど内径が小さくなるように設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の微粉砕装置。
4. 分級空間は、前記円筒空間に隣接して、円筒空間から離れるに従い内径が徐々に小さくなるようなテーパ空間部を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の微粉砕装置。
5. 前記分級空間の外部に配置され、分級空間の上流側から分級空間の先端側をバイパスさせるバイパス経路と、
   分級空間の内部に配置され、分級空間の前記先端側から前記分級空間の上流側へとつながる内部経路と、を設け、粉砕された原料のうち、バイパス経路側に排出された粗粉を前記内部経路を経由して、再び、分級空間内へ戻すように構成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の微粉砕装置。
6. 前記分級空間の外部に、複数のバイパス経路接続用の接続部を設け、原料のグレードに応じて選択可能に構成したことを特徴とする請求項５に記載の微粉砕装置。

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