JP5451006B2 - 媒体攪拌型粉体処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、容器内で被処理原料を媒体とともに攪拌して処理する媒体攪拌型粉体処理装置に関する。

容器内で被処理原料を処理する粉体処理装置においては、撹拌軸から一段又は複数段に亘って径方向外向きに突出する、縦軸周りに回転自在に設けられた攪拌部材を備え、当該攪拌部材により容器内で被処理原料を媒体とともに攪拌して処理する媒体攪拌型粉体処理装置が従来から知られている。具体的には、例えば、攪拌部材により容器内で被処理原料を媒体とともに攪拌して粉砕する媒体攪拌型粉砕機等が知られている。このような媒体攪拌型粉砕機においては、攪拌部材が縦軸周りに回転することで媒体が攪拌され、遠心力を付与された媒体が、容器内壁に衝突しては他の媒体によって内壁に沿って押し上げられ、縦軸周りでの回転に加えて鉛直方向でも内壁に沿って上昇し、容器の中心部側に下降する循環が生じる。このとき発生する媒体間の粉砕力、すなわち剪断力、衝撃力、圧縮力、磨砕力等によって原料を粉砕する。

また、このような媒体攪拌型粉砕機において、粉砕された微細粉体をその粒子径によって選別する分級機を容器内に設け、当該分級機を介して製品粉体を回収するタイプの媒体攪拌型粉砕機も知られている。例えば、以下の特許文献１には、容器内に媒体と攪拌部材とを備え、粉砕原料を攪拌部材により媒体とともに攪拌して粉砕し、容器内の上部に設けられた分級機を介して製品粉体を選別し回収する媒体攪拌型粉砕機が記載されている。この媒体攪拌型粉砕機にあっては、容器の底部に流動気体の吹き出し口が設けられ、容器内で粉砕された微細粉体は容器の底部から吹き出される流動気体により上昇させられて分級機へと導かれる。これにより、粉砕された微細粉体の容器内での滞留時間を減少させ、微粉が凝集することを極力防止して粉砕効率を向上させることを可能としている。

特開２００５−２７０７８０号公報

特許文献１に記載された媒体攪拌型粉砕機では、攪拌部材の縦軸周りでの回転に伴って容器内を回転することにより遠心力を付与された媒体は、容器内を縦軸周りに回転しつつ、容器内壁に衝突しては容器内壁に沿って容器内を上昇し、その後、重力により容器の中心部側に下降し、再び容器内を上昇するという運動を繰り返す。このような媒体攪拌型粉砕機においては、攪拌速度を速めれば粉砕力を向上させることができるが、攪拌速度を速めるにしたがい、媒体が上昇から下降に転じる前後において媒体が大きく浮き上がってしまう。その結果、媒体の攪拌のために投入したエネルギーが、十分に粉砕のためのエネルギーに変換されないため、特許文献１に記載された媒体攪拌型粉砕機では、所定以上に攪拌速度を速めても、容器の内壁近傍における媒体の浮き上がりの増大により、粉砕効率、すなわち粉体の処理効率が低下してしまうという問題があった。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、粉体の処理効率を向上させることができる媒体攪拌型粉体処理装置を提供することを目的とする。

この目的を達成するための、本発明に係る媒体攪拌型粉体処理装置の特徴構成は、撹拌軸から一段又は複数段に亘って径方向外向きに突出する、縦軸周りに回転自在に設けられた攪拌部材を備え、前記攪拌部材により容器内で被処理原料を媒体とともに攪拌して処理する媒体攪拌型粉体処理装置であって、前記容器の内壁が、上部ほど中心側に変位する傾斜面を有するとともに、前記傾斜面が、最上段の前記攪拌部材の高さ位置又はそれよりも下方から上方に向けて形成されている点にある。

上記の特徴構成によれば、攪拌部材により攪拌されて遠心力を付与された媒体は、少なくとも最上段の攪拌部材の高さ位置において、容器の内壁に衝突した際に斜め下向きの力を受ける。よって、遠心力により内壁に沿って押し上げられる媒体に作用する上昇力を減少させ、容器内での媒体の過剰な浮き上がりを抑制することができる。その結果、媒体の攪拌のために投入したエネルギーを粉砕のためのエネルギーとして有効に変換することができるので、処理効率を向上させることができる。また、媒体の浮き上がりが生じると、当該高さ位置において被処理原料や処理粉体の内壁への付着も生じやすくなるが、媒体の浮き上がりを抑制することで、これを防ぐこともできる。
なお、「攪拌部材の高さ位置」とは、攪拌部材の上端部の高さに相当する位置をいう。

また、媒体の浮き上がりを抑制することで、容器の内壁近傍と容器の中心部との間で、媒体、非処理原料、処理粉体（以下「粉体・媒体」と略す）が形成する包絡面の高低差を小さくすることができるので、処理後の粉体を搬送するための気体の流速を均一化させることができる。よって、容器内に分級機を設けて当該分級機を介して処理後の粉体を回収する場合、粉体の処理から分級までの一連の処理効率を向上させることができる。

ここで、前記攪拌部材は、前記撹拌軸に対して複数段に亘って設けられ、前記攪拌軸の軸芯からの、最上段における前記攪拌部材の先端部までの長さが、その一段下の段における前記攪拌部材の先端部までの長さよりも短く設定されている構成とすると好適である。

この構成によれば、攪拌部材を一定の角速度で回転させたとき、最上段の攪拌部材の先端部における周速度を、当該最上段の一段下の段の攪拌部材の先端部における周速度よりも小さくすることができる。よって、最上段の攪拌部材の高さ位置において攪拌部材により媒体に付与する遠心力を小さくすることができる。その結果、容器内での上昇力を小さくして、媒体の浮き上がりを抑制することができる。

また、前記容器の側面に周方向に沿って設けられ、径方向内向きに気体を噴出する気体噴出口を備えた構成とすると好適である。

この構成によれば、気体噴出口から噴出される気体により、処理後の粉体を容器の上方に上昇させることができる。よって、容器内での粉体の分散効率を向上させ、処理効率を向上させることができる。

また、前記容器内の上部に分級機を備え、前記攪拌軸の上端面と前記分級機の下端面との間に介挿部材を備えた構成とすると好適である。

この構成によれば、処理後の粉体を分級機へ搬送するための気体を、介挿部材の周囲で略一定の速度を保ったまま上昇させることができる。よって、処理後の粉体を効率良く分級機へ搬送することができるので、粉体の処理から分級までの一連の処理効率を向上させることができる。

次に、本発明に係る媒体攪拌型粉体処理装置の実施形態について図面を参照して説明する。本実施形態においては、本発明に係る媒体攪拌型粉体処理装置を、攪拌部材５により容器２内で粉砕原料を媒体６とともに攪拌して粉砕する媒体攪拌型粉砕機１に適用した場合を例として説明する。図１は、本実施形態に係る媒体攪拌型粉砕機１を示す模式図である。図２は、容器２の内壁近傍における媒体６に作用する力を説明するための説明図であり、図３は、容器２内での包絡面２４の状態を示す模式図である。

本実施形態に係る媒体攪拌型粉砕機は、図１に示すように、容器２内に、攪拌部材５と媒体６と底板７と分級機としての分級ロータ１０とを備えている。また、容器２の側面に設けられた気体噴出口１３と、容器２の外周に設けられたジャケット１６と気体流入口１７と、を備えている。容器２の上部には原料供給口８が設けられ、原料供給口８に連設されたスクリューフィーダ９から原料が投入される。容器２は、その内壁に上部ほど中心側に変位する傾斜面２１を有して構成されている。

本実施形態においては、攪拌部材５が、略円柱状の攪拌軸４から複数段に亘って径方向外向きに複数突出している。すなわち、攪拌部材５は、容器２内で縦軸（回転軸芯Ｚ）周りに回転自在に設けられており、縦軸（回転軸芯Ｚ）周りに回転することにより、被処理原料としての粉砕原料を媒体６とともに攪拌して粉砕する。ここで、本実施形態においては、一の段における回転軸芯Ｚから攪拌部材５の先端部までの長さ（以下では、「攪拌径」と称する場合がある）が、その一段下の段における攪拌部材５よりもそれぞれ短くなるように設定されている。つまり、攪拌部材５は、上段に配置されたものほど、攪拌径が順次短くなるように設定されている。そして、本実施形態においては、各段における攪拌部材５の先端部と、後述する容器２の内壁（具体的には傾斜面２１）との間のクリアランスＣが一定とされている。クリアランスＣは、媒体６が攪拌部材５と容器２の内壁との間に挟み込まれることのないように、媒体６の直径に対して４倍以上又は１／３以下とするのが好ましい。なお「クリアランスＣが一定」とは、各段におけるクリアランスＣが略等しいことを意味し、厳密に等しいことを要求される概念ではない。よって、磨耗等によりクリアランスＣが変動したとしても、ばらつきの程度が媒体６の直径に対して、例えば１／３以下程度であれば、ここでいう「クリアランスＣが一定」に含まれる。なお、図示の例では、攪拌部材５をそれぞれ同じ高さに２本ずつ５段に設け、各段順次９０度変位させた千鳥配列とされている。攪拌軸４は駆動モーター（図示は省略する）の出力部に連結され、その駆動に基づいて攪拌部材５が回転する。

媒体６の材質は粉砕すべき原料の種類に応じて選択され、例えば、ステンレス等の金属製のものやセラミックス製のものが適宜使用される。媒体６どうしの間に発生する衝撃力を大きくするためには、密度の大きな材質のものを用いるのが好ましい。また媒体６の大きさは取り出すべき微細粉体の粒径に応じて選択される。ただし一般的には、直径が小さくなると媒体６どうしの間に発生する衝撃力が小さくなり、逆に直径が大きくなると接触点が少なくなって衝突の機会が減り粉砕しにくくなるため、直径２〜６ｍｍの媒体６を使用するのが好ましい。なお、媒体６が、使用に伴い経時摩耗により少しずつ直径が小さくなっていくことを考慮すれば、直径の初期設定値は、５〜６ｍｍ程度としておくのが最適である。

底板７は、容器２内の底部に配置され、中心部から内壁に至る領域をカバーする円盤状の部材である。底板７は容器２内を粉体処理室Ｐ及び気体室Ｇの２つの領域に分けるもので、粉体処理室Ｐの底面を形成している。粉体処理室Ｐは、容器２内における底板７から分級ロータ１０に亘る空間であり、攪拌部材５により粉砕原料を媒体６とともに攪拌して粉砕を行うための空間である。また、気体室Ｇは、流動気体供給路１５ａから供給される流動気体を一時的に貯留する空間である。ここで、流動気体として、通常は空気を用いる。ただし、原料が酸素に対して不安定な物質である場合等には、窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスを用いても良い。また、流動気体を冷却、加熱しても良く、加湿ガスを用いても良い。或いは、フィルタ等を通してから導入させても良い。底板７には気体が通過可能な透孔７ａが設けられている。底板７としては、多孔板、例えばスリット状の透孔がある板、パンチングメタル、多孔質板等を用いることができる。そして、底板７に設けられた透孔７ａを通過して気体室Ｇから粉体処理室Ｐへと流動気体が吹き出され、粉体処理室Ｐで粉砕された微細粉体は、流動気体により上昇させられて分級ロータ１０へと導かれる。ここで、気体室Ｇから粉体処理室Ｐへの流動気体の流入を多く確保するためには、透孔７ａはできるだけ多く、かつ大きくして透孔７ａの総面積が大きくなるようにするのが好ましい。しかし、少なくとも粉体処理室Ｐの内部の媒体６が落下しない程度の大きさに止めておく。

容器２の上部側面に、原料供給口８が設けられている。原料供給口８には原料供給手段としてのスクリューフィーダ９が連設され、スクリューフィーダ９により粉砕原料が容器２内へ供給される。このようなスクリューフィーダ９は、原料が固体、特に粉状の場合であって、原料を一定速度で連続的に投入する場合に好ましい。スクリューフィーダに代えて、ダブルダンパーやロータリーバルブ等を用いても良い。また、スクリューフィーダ等の原料供給手段を原料供給口８に直接取り付けずに、空気輸送管を介して原料を供給することもできる。なお、図示していないが、媒体攪拌型粉砕機１をロードセル等の重量計測手段により重量管理すれば、連続処理を行ったときでも機内滞留量が一定となるように、原料の供給量を調節することができる。

本実施形態においては、容器２内は底板７を挟んで気体室Ｇと粉体処理室Ｐに区画され、底板７の上面近傍には気体噴出口１３、容器２内の上方には回転軸（図示は省略する）周りに回転する分級ロータ１０が設けられている。気体室Ｇからは底板７に設けられた透孔７ａを通過して流動気体が粉体処理室Ｐへ流入する。気体噴出口１３からは噴出流体が粉砕処理室Ｐへ噴出される。粉体処理室Ｐ内の空間は媒体６が攪拌される攪拌領域Ｒと、その上部に位置する分級領域Ｑにより構成される。粉体処理室Ｐ内において、攪拌領域Ｒで攪拌部材５により媒体６とともに攪拌され粉砕された微細粉体は、これを搬送するための搬送気体により分級領域Ｑに上昇させられる。ここで、「搬送気体」とは、流動気体及び噴出気体のいずれか一方又は双方をいう。容器２内部の中央上部には縦軸周りに回転する分級ロータ１０が設けられており、上昇した微細粉体は分級ロータ１０で分級され、製品粉体として回収される。本実施形態における分級機は、複数の分級羽根１０ａを放射状に設けた分級ロータ１０が回転することにより発生する径方向の遠心力と、分級ロータ１０内への気体の流入とのバランスにより微細粉体を分級するものである。分級ロータ１０の回転数は回収する製品粉体の粒子径に応じて設定される。

容器２は、その内壁に上部ほど中心側に変位する傾斜面２１を有する。本実施形態においては、傾斜面２１は底板７の位置から形成されており、全ての攪拌部材５の高さ位置における容器２の内壁が傾斜面２１とされている。また、本実施形態においては、傾斜面２１は傾きが一定とされ、容器全体としては先端を切り落とした円錐状の形状とされている。このときの傾斜角度については、鉛直方向に対して３度以上３５度以下であることが好ましく、６度以上３５度以下であればより好ましい。６度以上２５度以下であればよりいっそう好ましく、最適な傾斜角度は１１度である。

ここで、粉体処理室Ｐ内での媒体６の挙動について説明する。攪拌部材５が縦軸（回転軸芯Ｚ）周りに回転することにより、媒体６には遠心力Ｆ（図２を参照）が作用する。遠心力Ｆを付与された媒体６は、容器２の内壁に衝突しては他の媒体６に押し上げられて容器２の内壁に沿って容器２内を上昇する。その後、重力により容器２の中心部側に下降して、再び容器２内を上昇するという運動を繰り返す（図１の二点破線矢印を参照）。このとき、容器２の内壁に上部ほど中心側に変位する傾斜面２１が形成されているので、図２に示すように、媒体６が容器２の内壁に衝突した際には、媒体６は傾斜面２１から遠心力Ｆの傾斜面２１に垂直な成分と反対方向（斜め下向き）の抗力Ｎを受けることになる。その結果、媒体６は抗力Ｎの鉛直下向きの鉛直成分Ｎｙを受けて、当該内壁近傍で他の媒体６に押し上げられる上昇力が減少させられ、容器２内での媒体６の過剰な浮き上がりが抑制される。特に、本実施形態においては、底板７より上部のすべての位置で媒体６の上昇力が減少させられ、媒体６の浮き上がりが抑制される。

また、本実施形態においては、上述のとおり、攪拌部材５は、上段に配置されたものほど回転軸芯Ｚからその先端部までの長さ（攪拌径）が順次短く設定されている。そのため、攪拌軸４が一定の角速度で回転したとき、それぞれの攪拌部材５の先端部における周速度は、上段に配置されたものほど小さくなる。よって、媒体６の攪拌領域Ｒにおいては、上部ほど攪拌部材５により媒体６に付与される遠心力Ｆ（図２を参照）が小さくなる。よって、この点からも容器２内での媒体６の浮き上がりが抑制される。

このように、容器２の内壁近傍における媒体６の浮き上がりを抑制することにより、媒体６の攪拌のために投入したエネルギーを粉砕のためのエネルギーとして有効に変換することができるので、容器２を直胴に形成した従来型の媒体攪拌型粉砕機と比較して粉砕効率を向上させることができる。

ところで、媒体６と原料粉体とが撹拌部材５によって撹拌される攪拌領域Ｒにおいて、同領域内を通過する搬送気体は、粉体・媒体による通気抵抗の少ない部位から抜けやすい。そのため、包絡面２４の高低差が大きくなると、包絡面２４が低くなる容器２の中心部から搬送気体が抜けやすく、逆に包絡面２４が高くなる容器２の内壁近傍からは搬送気体が抜けにくくなり、攪拌領域Ｒにおける搬送気体の通気が場所により不均一となってしまう。その結果、微細粉体を均一に分級領域Ｑへ搬送することが困難となってしまい、例えば、所望の粒子径よりも大きな粉体が搬送される一方、所望の粒子径になっているにもかかわらず搬送されない粉体が生じるなどして、粉砕から分級までの一連の処理効率が低下してしまう。この点、本実施形態に係る媒体攪拌型粉砕機１によれば、媒体６の過剰な浮き上がりを抑制することにより、粉体・媒体が形成する包絡面２４の高低差を小さくすることができる（図３を参照、二点破線は容器２を直胴に形成した場合の状態を示す）ので、容器２の内壁近傍からと容器２の中心部からとの間における搬送気体の抜けやすさの差を小さくすることができる。その結果、攪拌領域Ｒにおける搬送気体の通気をより均一化することが可能となり、搬送気体により微細粉体をより均一に分級領域Ｑへ搬送することが可能となる。よって、従来型の媒体攪拌型粉砕機に比べて、粉砕から分級までの一連の処理効率を向上させることができる。

気体噴出口１３は、容器２の側面に、径方向内向きに気体を噴出可能に周方向に沿って設けられている。本実施形態においては、底板７の上面近傍に位置する容器２の側面に、スリット状の気体噴出口１３が容器２の全周に亘って設けられている。これ以外にも、例えば複数の気体噴出口１３を周方向に沿って略均等に分散配置する構成としたり、多孔質部材等を付設して容器２の全周に亘って気体噴出口１３を設ける構成としたりすることにより、複数の位置から径方向内向きに気体を略均一に噴出可能な構成としてあっても良い。噴出させる気体（噴出気体）としては、流動気体と同種の気体とすることができ、先に説明したように、空気、或いは、窒素等の不活性ガスとすることができる。また、噴出気体の温度や湿度等を制御するほか、フィルタ等を通してから導入させても良い。本実施形態では、気体供給路１５から供給される同一の気体が、流動気体供給路１５ａと噴出気体供給路１５ｂの二つの供給路に分岐された後、それぞれ底板７の透孔７ａ及び気体噴出口１３から容器２（粉体処理室Ｐ）内に噴出して流入する。気体噴出口１３からの噴出気体は、微細粉体を容器２の上方に上昇させる役割を果たす。よって、容器２内での微細粉体の分散効率を向上させ、粉砕効率を向上させることができる。また、本実施形態においては、気体噴出口１３が底板７の上面近傍に設けられているので、容器２の内壁と底板７との隅部への微細粉体の滞留や付着を防止することもできる。

容器２の外周に、気体噴出口１３を覆うように環状流路１４が設けられている。環状流路１４は、気体噴出口１３に噴出気体を供給するための噴出気体供給路１５ｂと、気体噴出口１３との間に介装されている。このような環状流路１４の内部に形成される空間は、噴出気体供給路１５ｂから供給され、気体噴出口１３を介して容器２内へ噴出される噴出気体を一時的に貯留する空間としての役割を果たす。噴出気体供給路１５ｂから供給された噴出気体は、環状流路１４の中で圧力が均等化されてから、気体噴出口１３に供給される。これにより、気体噴出口１３から略均一に噴出気体を噴出させることができる。その結果、容器２内で微細粉体を均一に分散させることができ、粉砕効率をより一層向上させることができる。

攪拌部材５の上方における容器２の側面には、容器２の側面から内向きに気体を流入させる気体流入口１７が設けられている。気体流入口１７は、例えば容器２の側面の全周から気体が上方に向けて流入するように設けられたスリット状とすることができる。また、気体が旋回しながら流入するように、容器２に対する接線方向に気体流入口１７を設ける構成や、容器２の全周に多数の羽根を接線方向に傾斜させて設ける構成としても良い。流入させる気体（流入気体）としては、流動気体や噴出気体と同種の気体とすることができ、先に説明したように、空気、或いは、窒素等の不活性ガスとすることができる。また、流入気体の温度や湿度等を調節するほか、フィルタ等を通してから導入させてもよい。気体流入口１７からの流入気体は、容器２の内壁への微細粉体の付着を防止すると同時に、分級用の分散気体としての役割も果たす。

ジャケット１６は容器２の外周に設けられており、容器２の温度を任意の温度に調節する温度調節手段として機能する。本実施形態においては、ジャケット１６内に冷却水を流入させて容器２を冷却している。媒体攪拌型粉砕機１の運転中においては、気体噴出口１３等から冷風を導入して容器２内の温度を比較的低温に維持したとしても、容器２の内壁の温度が上昇して、内壁に付着した粉砕原料が熱劣化を起こしてしまう場合がある。そこで、本実施形態のようにジャケット１６内に冷却水を流入させて冷却手段として用いれば、容器２の内壁の温度が上昇することを抑制できるので、例えば、熱劣化や変質を生じやすい原料の粉砕に有効に適用することができる。

また、本実施形態においては、攪拌軸４の上端面４ｕと分級ロータ１０の下端面１０ｄとの間に介挿部材１２が設けられている。本実施形態においては、介挿部材１２は、攪拌軸４の上端面４ｕの形状に略一致する下端面を有する略円柱状の部材であり、攪拌軸４に連結されている。攪拌軸４に連結される介挿部材１２の上端面１２ｕと分級ロータ１０の下端面１０ｄとは近接配置されている。これにより、攪拌軸４の上端面４ｕと分級ロータ１０の下端面１０ｄとの間の空間が実質的に埋められ、攪拌領域Ｒの上部に位置する分級領域Ｑは、その断面が環状の空間となっている。

ここで、このような介挿部材１２を設けない場合には、搬送気体及びこれにより粉体処理室Ｐ内を上昇した微細粉体は、開口面積が大きくなる攪拌軸４の上端面４ｕから分級ロータ１０の下端面１０ｄの高さ位置までにおける分級領域Ｑにおいて、上昇速度が低下してしまう。その結果、微細粉体を分級ロータ１０まで十分に搬送することができず、さらに一度粉砕された微細粉体どうしが搬送途中で凝集するなどして失速し、再度媒体６の攪拌領域Ｒに落下してしまう。このことが、過粉砕が生じる原因の一つとなっていた。

これに対して、本実施形態に係る媒体攪拌型粉砕機１は、攪拌軸４の上端面４ｕと分級ロータ１０の下端面１０ｄとの間に形成される空間を埋めるように介挿部材１２が設けられている。これにより、分級領域Ｑの断面は、中心部に中空部分を有する環状の空間となり、開口面積が分級領域Ｑの全域に亘って略同一となるので、搬送気体は略一定の速度を保ったまま上昇する。よって、微細粉体を効率良く分級ロータ１０へ搬送することができるので、粉砕から分級までの一連の処理効率を向上させることができる。

以下では、本実施形態に係る媒体攪拌型粉砕機１の粉砕効果について、実施例に基づいて説明する。

（実験１）
まず、底板７の位置から上部ほど中心側に変位する傾斜面２１が形成された容器（以下、円錐型容器）と、全体が直胴に形成された容器（以下、円筒型容器）とを用いて、分級回転数と回収された微細粉体の粒子径及び処理能力との関係を調べた。円錐型容器の傾斜面２１は傾きが１１度とされ、円錐型容器及び円筒型容器はいずれも底板７の直径が６００ｍｍのものを用いた。また、媒体６として直径５．０ｍｍのスチールボールを用い、重質炭酸カルシウム（比表面積換算径：１．０μｍ）を粉砕原料として、流動気体、噴出気体、流入気体の総量である処理風量１０ｍ³／ｍｉｎ、攪拌部材の回転数１２０ｒｐｍの運転条件で連続処理を行った。なお、分級ロータ１０の分級回転数は３０００ｒｐｍ及び７０００ｒｐｍとし、比表面積換算径はＢＥＴ法により測定して求めるとともに、処理能力は単位時間当たりの処理量として求めた。その結果を表１に示す。

表１によれば、円筒型容器を用いた場合には、分級回転数の違いにかかわらず略同一径の微細粉体が回収されたこと、及び、分級回転数が３０００ｒｐｍの場合には７０００ｒｐｍの場合に比べて処理能力が低くなっていることが確認された。ここで、分級原理を考慮すれば、理論的には、分級回転数が大きくなるほど比表面積換算径は小さくなるとともに処理能力は小さくなるはずである。しかし、円筒型容器を用いた場合の結果は、この理論に反するものとなっている。これは、円筒型容器では、媒体６の浮き上がりにより粉砕効率が低下し、また、媒体６等が形成する包絡面２４の高低差が大きくなることにより容器２内を上昇する搬送気体の流速が不均一となってしまうことが原因であると考えられる。

これに対して、円錐型容器を用いた場合には、分級回転数が３０００ｒｐｍの場合には７０００ｒｐｍの場合に比べて、比表面積換算径は大きく、処理能力も高いことが確認された。さらに、円錐型容器と円筒型容器との間で分級回転数が７０００ｒｐｍの場合で比較すると、略同一の比表面積換算径の微細粉体を得るのに、円錐型容器では処理能力が約１５％向上していることが確認された。これにより、粉砕から分級までの一連の処理効率が向上することが確認された。

（実験２）
次に、底板７の直径が６００ｍｍの円錐型容器を用い、傾斜面２１の傾きを鉛直方向に対して０度から３５度の間で変化させて、傾斜面２１の傾斜角度と粉砕効率との関係を調べた。なお、傾斜面２１の傾きが０度のものは、比較例としての円筒型容器に相当する。媒体６として直径３ｍｍのジルコニアボールを用い、タルク（平均粒子径：１３μｍ）を粉砕原料として、処理風量１０ｍ³／ｍｉｎ、攪拌部材の回転数１２０ｒｐｍ、分級回転数７０００ｒｐｍの運転条件で連続処理を行った。平均粒子径はレーザー回折散乱法により測定して求めるとともに、処理能力は単位時間当たりの処理量として求めた。また、粉砕効率は、処理能力を粉砕処理に要した動力の大きさで除して求めた。その結果を図４及び表２に示す。なお、表２においては、傾斜面２１の傾きが０度の場合における粉砕効率に対する各傾斜角度での粉砕効率を粉砕効率比として示している。

図４から明らかなように、円錐型容器の内壁が一定の傾斜角度を有している場合には、粉砕効率が向上することが確認された。また、表２によれば、円錐型容器の傾斜面２１の傾斜角度が３度〜３５度の範囲で、円筒型容器を用いた場合に比べて粉砕効率が約１１％以上向上していることが確認された。また、傾斜角度が６度〜３５度の範囲では、同様に粉砕効率が約２１％以上向上していることが確認された。さらに、傾斜角度が６度〜２５度の範囲では、同様に粉砕効率が約４３％以上向上し、傾斜角度が１１度では、粉砕効率が約５４％も向上した結果となり、円筒型容器を用いた場合に比べて格段に粉砕効率が向上していることが確認された。

（実験３）
次に、底板７の直径が６００ｍｍの円錐型容器を用い、攪拌軸４の上端面４ｕから分級ロータ１０の下端面１０ｄまでの空間に介挿部材１２を設けたものと、設けないものとについて、分級回転数と回収された微細粉体の平均粒子径及び処理能力との関係を調べた。ここで、介挿部材１２を設けない場合の攪拌軸４の上端面４ｕから分級ロータ１０の下端面１０ｄまでの距離Ｈは約３００ｍｍであり、介挿部材１２を設ける場合には当該距離は同様とし、分級ロータ１０の下端面１０ｄと介挿部材１２との隙間を約１０ｍｍとした。また、媒体６として直径５．０ｍｍのジルコニアボールを用い、ガラス粉（平均粒子径：３３μｍ）を粉砕原料として、処理風量１０ｍ³／ｍｉｎ、攪拌部材の回転数１３０ｒｐｍの運転条件で連続処理を行った。なお、分級ロータ１０の分級回転数は３０００ｒｐｍ及び７０００ｒｐｍとし、平均粒子径はレーザー回折散乱法により測定して求めるとともに、処理能力は単位時間当たりの処理量として求めた。その結果を表３に示す。

表３によれば、介挿部材１２を設けない場合には、分級回転数に大きな差がある割には、回収される製品粉体の平均粒子径及び処理能力にあまり差がないことが確認された。これは、搬送気体により粉体処理室Ｐ内を上昇した微細粉体が、開口面積が大きくなる攪拌軸４の上端面４ｕから分級ロータ１０の下端面１０ｄの高さ位置までの分級領域Ｑにおいて、搬送気体の上昇速度が低下してしまい、微細粉体を効率良く分級ロータ１０へ搬送することができないことが原因であると考えられる。

これに対して、介挿部材１２を設けた場合には、分級回転数が３０００ｒｐｍの場合には７０００ｒｐｍの場合に比べて、平均粒子径は大きくなり、処理能力も大きく向上することが確認された。さらに、それぞれの分級回転数において、介挿部材１２を設けた場合と設けない場合とを比較すると、明らかに前者（介挿部材１２を設けた場合）の方が処理能力が向上していることが確認された。

〔その他の実施形態〕
（１）上記の実施形態においては、傾斜面２１が容器２内の底板７の位置から形成されており、全ての攪拌部材５の高さ位置における容器２の内壁が傾斜面２１とされる場合を例として説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されない。すなわち、傾斜面２１は、最上段の攪拌部材５の高さ位置よりも少なくとも下方から上方に向けて形成されるように構成されていれば、複数段のうちの中間部における攪拌部材５の高さ位置から形成されていても良い。例えば、図５に示すように、容器２の形状を、容器２の底面から所定の高さ位置まで、底面に直交する垂直面２２とした直胴部を有する構成とすることができる。また、図６に示すように、容器２の内壁が、上部ほど中心側に変位する傾斜面２１（これを第一の傾斜面とする）に加えて、上部ほど外側に変位する第二の傾斜面２３を底板７から最上段の攪拌部材５より下部のいずれかの高さ位置にまで至る構成としても良い。
これらの場合にあっては、傾斜面２１が容器２内の底板７の位置から形成される場合と比較して、容器２を大容量として処理能力を増大させることができるという利点がある。また、傾斜面２１が底板７の位置から形成される場合と比較して、媒体６の浮き上がり抑制効果は多少低下するものの、媒体６や粉砕原料の滞留が比較的生じやすい容器２の底部の隅部において、媒体６の循環を促進することができるという利点がある。

（２）上記の実施形態においては、傾斜面２１の傾きが一定とされる場合を例として説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されない。例えば傾斜面２１の傾きが上部ほど大きくなるように形成することも、本発明の好適な実施形態の一つである。このようにすれば、媒体粒子６が傾斜面２１から受ける抗力Ｎの鉛直下向きの鉛直成分Ｎｙ（図２を参照）が上部ほど大きくなるので、容器２内での媒体６の浮き上がりがよりいっそう抑制される。

（３）上記の実施形態においては、容器２の内壁が傾斜面２１を形成している場合を例として説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されない。例えば、容器２の形状は直胴としたままで、容器２内に傾斜面２１を構成する部材を取り付けても良い。さらに、容器２の傾斜面２１としては媒体６の浮き上がりを抑制できれば良いので、例えば、分級ロータ１０と攪拌部材５とが大きく離れている場合等は、媒体の浮き上がりを抑えられる高さ位置よりも上方には傾斜面２１を形成せず直胴としても良い。この場合、容器２の上部の直胴部の内径は、分級ロータ１０の外径の１．３倍から２倍の範囲にあることが望ましい。

（４）上記の実施形態においては、攪拌部材５が、上段に配置されたものほど、回転軸芯Ｚからその先端部までの長さ（攪拌径）が順次短くなっている場合を例として説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されない。例えば図５や図６に示すように、一部、一の段における攪拌径が、その一段下の段における攪拌径と等しくなるように設定することも、本発明の好適な実施形態の一つである。ただし、最上段の攪拌部材５の先端部における周速度を他の攪拌部材５よりも小さくするため、少なくとも最上段における攪拌径は、当該最上段よりも一段下の段における攪拌径よりも短く設定されるとともに、その他の段においては、一の段における攪拌径が、その一段下の段における攪拌径よりも短いか、又は等しくなるように設定されることが好ましい。図５や図６の例では、下から三段目までの攪拌径が等しく設定されるとともに、それ以降は上段ほど攪拌径が順次短くなるように設定されている。なお、この場合にあっては、容器２の内壁形状に沿って攪拌径を設定し、各段における攪拌部材５の先端部と容器２の内壁との間のクリアランスＣを略一定とすることが好ましい。なお、すべての段における攪拌径が等しくなるように設定したり、一の段における攪拌径がその一段下の段における攪拌径よりも、一部大きくなるように設定したりしても良い。

（５）上記の実施形態においては、攪拌部材５が、それぞれ同じ高さに２本ずつ５段に設けられ、各段順次９０度変位させた千鳥配列とされる場合を例として説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されない。すなわち、攪拌部材５の段数や各段における攪拌部材５の本数は任意に設定することができる。なお、攪拌部材５の段数が一段のみの場合には、当該一つの段が最上段となる。また、千鳥配列とする場合における変位角も任意に設定することができる。また、攪拌部材５の形状は、断面が円形や楕円形、四角形等の多角形、その他の形状であっても良く、またその先端がパドル状であっても良い。

（６）上記の実施形態においては、容器２の側面にスリット状の気体噴出口１３が容器２の全周に亘って設けられるとともに、これらの気体噴出口１３を覆うように容器２の全周に亘る環状流路１４が設けられる場合を例として説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されない。例えば容器２の側面に複数個又は複数列の気体噴出口１３を周方向に配置させるとともに、少なくともこれらの気体噴出口１３を覆うように容器２の外周の一部に設けられた環状流路を備える構成としてあっても良い。

（７）上記の実施形態においては、底板７の上面近傍に位置する容器２の側面に気体噴出口１３を設ける場合を例として説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されない。例えば、媒体６の攪拌領域Ｒの中間位置における容器２の側面に気体噴出口１３を設ける構成としても良い。この場合であっても、粉砕後の微細粉体を容器２の上方に上昇させることにより、容器２内での微細粉体の分散効率を向上させることができる。

（８）上記の実施形態においては、容器２内の上部中央に、分級機として、縦軸周りに回転する気流式の分級ロータ１０が一つ設けられる場合を例として説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されない。例えば、横軸周りに回転する一つの分級ロータ１０を用いても良い。また、図７に示すように、横軸周りに回転する複数の分級ロータ１０を併用する構成とすることも、本発明の好適な実施形態の一つである。このような構成は、上述した容器２が直胴部を有する場合の構成として適している。つまり、大容量の容器２を備えた媒体攪拌型粉砕機１を用いて大きな処理能力を得ようとする場合、比較的小型の分級ロータ１０を複数併用することで、比較的大型の分級ロータ１０を一つのみ用いる場合と比較して、分級精度を向上させることができる。なお、横軸周りに回転する一つの分級ロータ１０を用いる場合、最下部に位置する分級羽根１０ａの回転外周面が、「分級機の下端面１０ｄ」に該当する。
また、分級機としては、サイクロンや分級ロータ１０を用いないその他の分級機を用いても良い。

（９）上記の実施形態においては、介挿部材１２が攪拌軸４に連結されることにより攪拌軸４の上端面４ｕから分級ロータ１０の下端面１０ｄまでの空間が埋められる場合を例として説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されない。例えば、図５に示すように、介挿部材１２が分級ロータ１０に連結されることにより攪拌軸４の上端面４ｕから分級ロータ１０の下端面１０ｄまでの空間を埋めるように構成することも、本発明の好適な実施形態の一つである。なお、図７の例では、複数併用される分級ロータ１０は製品回収管（又は製品回収用の連結管）１１を介して一体的に構成され、当該製品回収管１１に介挿部材１２が連結されている。この場合にあっては、複数の分級ロータ１０と製品回収管１１とが全体として一つの「分級機」とされ、攪拌軸４の上端面４ｕと当該分級機に連結される介挿部材１２の下端面１２ｄとが近接配置されている。
また、介挿部材１２を攪拌軸４や分級ロータ１０に連結させず、容器２から支持部材を用いて支持する構成としても良い。また、上記の実施形態においては、介挿部材１２は上部ほど外径が小さくなる形状としているが、攪拌軸４の外径と分級ロータ１０の外径に応じて、又は搬送気体の上昇速度をより速めるため、介挿部材１２の外径を上部ほど大きくする、又は上下同径となる円筒状にするなど、適宜変更しても良い。

（１０）或いは、図８に示すように、容器２の高さを低くして、攪拌軸４の上端面４ｕと分級ロータ１０の下端面１０ｄとが近接配置されるように構成することも、本発明の好適な実施形態の一つである。このような構成を採用することによっても、微細粉体を効率良く分級ロータ１０へ搬送することができるので、粉砕から分級までの一連の処理効率を向上させることができる。

（実験４）
この場合における分級回転数と回収された製品粉体の平均粒子径及び処理能力との関係を表４に示す。なお、実験条件は上記の実験３におけるものと同様である。

表３及び表４によれば、攪拌軸４の上端面４ｕと分級ロータ１０の下端面１０ｄとを近接配置させた場合、攪拌軸４に連結される介挿部材１２の上端面１２ｕと分級ロータ１０の下端面１０ｄとが近接配置される場合と比較して、同等、或いはそれ以上の処理能力向上効果が確認された。

（１１）上記の実施形態においては、粉砕から分級まで一連の効率を向上させるため、介挿部材１２を設けることにより攪拌軸４の上端面４ｕと分級ロータ１０の下端面１０ｄとの間に形成される空間を埋める場合、及び攪拌軸４の上端面４ｕと分級ロータ１０の下端面１０ｄとの間の距離を近接させる場合を例として説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されない。例えば、単に粗大粒子を製品粉体に混入させないことのみを目的とする場合には、分級ロータ１０と攪拌軸４との距離を上述の実施形態よりも大幅に遠ざける構成としても良い。

（実験５）
攪拌軸４の上端面４ｕから分級ロータ１０の下端面１０ｄまでの距離（Ｈ）を変え、回収された製品粉体に混入した４５μｍ以上の粗大粒子の個数と処理能力との関係を調べた。底板７の直径が６００ｍｍの円錐型容器を用い、媒体６として直径５．０ｍｍのジルコニアボールを用い、ジルコンサンド（平均粒子径：２０μｍ）を粉砕原料として、処理風量１０ｍ³／ｍｉｎ、攪拌部材の回転数１３０ｒｐｍ、分級回転数３５００ｒｐｍの運転条件で連続処理を行った。処理能力は単位時間当たりの処理量として求めた。４５μｍ以上の粗大粒子（４５μｍ ｏｎ品）は、製品粉体２００ｇを４５μｍで篩い分けした後、篩上に残った粉体をレーザー顕微鏡により観察し、その個数を数えた。その結果を表５に示す。なお、本例においては、分級ロータ１０の下端面１０ｄ近傍高さ位置までは容器２を傾斜させ、それより上部は直胴とした。

表５によれば、攪拌軸４の上端面４ｕと分級ロータ１０の下端面１０ｄとの距離が大きくなるほど、粉砕から分級までの一連の処理能力は低下するものの、製品粉体に混入する粗大粒子の個数は減少することが確認された。

（１２）上記の実施形態においては、攪拌軸４の形状が略円柱状である場合を例として説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されない。すなわち、例えば攪拌軸４の形状を、上部ほど大径となる逆円錐状とすることも、本発明の好適な実施形態の一つである。このような構成を採用した場合、粉体・媒体が形成する包絡面２４の中心部に生じる凹状の空間のうちのより多くの空間を攪拌軸４により埋めることができるので、容器２の内壁近傍と容器２の中心部とにおける搬送気体の抜けやすさの差をよりいっそう小さくすることができる。よって、容器２内を上昇する搬送気体の流速を均一化することができ、粉砕から分級までの一連の処理効率をよりいっそう向上させることができる。

（１３）上記の実施形態においては、温度調節手段としてのジャケット１６内に冷却水を流入させて容器２を冷却する場合を例として説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されない。すなわち、例えばジャケット１６内に所定の温度に加熱された熱媒体を流入させて容器２を加熱することにより、粉砕と同時に微細粉体の乾燥を行なう構成とすることも、本発明の好適な実施形態の一つである。この場合の熱媒体としては、例えば温水やスチーム、オイル等を用いることができる。

（１４）上記の実施形態においては、容器２内に原料供給口８や分級ロータ１０等を設け、原料の供給から粉砕、分級までの連続処理を行なう場合を例として説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されない。すなわち、バッチ処理のみを行う媒体攪拌型粉砕機１に適用することも本発明の好適な実施形態の一つである。この場合、原料供給口８や気体噴出口１３、気体流入口１７、分級ロータ１０、さらには、底板７やガス室Ｇ等を設けない構成とすることができる。なお、底板７やガス室Ｇを設けない場合においては、粉体処理室Ｐの底面が容器２の底面として形成される。

（１５）上記の実施形態においては、本発明に係る媒体攪拌型粉体処理装置を、媒体攪拌型粉砕機１に適用する場合を例として説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されない。すなわち、例えば、特に被処理原料の粉砕処理を行わずに、乾燥処理及びそれに伴い必要に応じて被処理原料の解砕処理を行なう媒体攪拌型乾燥機に適用することも、本発明の好適な実施形態の一つである。また、容器２内で被処理原料を媒体６とともに攪拌して処理するものであれば、表面処理、球形化、扁平化、複合化、混合、造粒、その他の単位操作のための媒体攪拌型粉体処理装置にも本発明を適用することができる。

本発明に係る媒体攪拌型処理装置は、例えば、炭酸リチウム、水酸化リチウム、ニッケル酸リチウム、コバルト酸リチウム、マンガン酸リチウム、等のリチウム化合物；硝酸ナトリウム（芒硝）、水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウム、重炭酸ソーダ、亜硫酸ソーダ、亜硝酸ソーダ、硫化ソーダ、珪酸ソーダ、硝酸ソーダ、重硫酸ソーダ、チオ硫酸ソーダ、食塩、等のナトリウム化合物；硫酸マグネシウム、塩化マグネシウム、水酸化マグネシウム、酸化マグネシウム、炭酸マグネシウム、酢酸マグネシウム、硝酸マグネシウム、酸化マグネシウム、水酸化マグネシウム、等のマグネシウム化合物；水酸化アルミニウム、硫酸アルミニウム、水酸化アルミニウム、ポリ塩化アルミニウム、酸化アルミニウム、ミョウバン、塩化アルミニウム、窒化アルミニウム等のアルミニウム化合物；酸化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、ケイ酸カルシウム、ケイ酸マグネシウム、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸アルミニウム、等のケイ素化合物；塩化カリウム、水酸化カリウム、硫酸カリウム、硝酸カリウム、炭酸カリウム、等のカリウム化合物；炭酸カルシウム、塩化カルシウム、硫酸カルシウム、硝酸カルシウム、水酸化カルシウム、等のカルシウム化合物；酸化チタン、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、炭化チタン、窒化チタン、等のチタン化合物；硫酸マンガン、炭酸マンガン、酸化マンガン、等のマンガン化合物；酸化鉄、等の鉄化合物；塩化コバルト、炭酸コバルト、酸化コバルト、等のコバルト化合物；水酸化ニッケル、酸化ニッケル、等のニッケル化合物；酸化イットリウム、イットリウム鉄ガーネット、等のイットリウム化合物；水酸化ジルコニウム、酸化ジルコニウム、ジルコニアシリケート、ジルコンサンド、等のジルコニウム化合物；塩化アンチモン、酸化アンチモン、硫酸アンチモン、等のアンチモン化合物；塩化バリウム、酸化バリウム、硝酸バリウム、水酸化バリウム、炭酸バリウム、硫酸バリウム、チタン酸バリウム、等のバリウム化合物；酸化ビスマス、次炭酸ビスマス、水酸化ビスマス、等のビスマス化合物；などの無機化合物；アルニコ系、鉄・クロム・コバルト系、鉄・マンガン系、バリウム系、ストロンチウム系、サマリウム・コバルト系、ネオジウム・鉄・ボロン系、マンガン・アルミ・カーボン系、プラセオジウム系、プラチナ系などの磁石材料；その他、顔料、ガラス、金属酸化物、有機化合物、カーボン、活性炭、コークス、鉱物、タルク、電池材料、水素吸蔵合金等の処理に好適に使用できるが、これに限定されるものではない。

本発明は、上記以外にも、例えば金属、セラミックス、或いは穀類等の粉末を製造するための媒体攪拌型粉砕機等に好適に利用することができる。

本実施形態に係る媒体攪拌型粉砕機を示す模式図 容器の内壁近傍における媒体に作用する力を説明するための説明図 容器内での媒体等の包絡面の状態を示す模式図 傾斜面の傾斜角度と粉砕効率との関係を示すグラフ 別実施形態に係る媒体攪拌型粉砕機を示す模式図 別実施形態に係る媒体攪拌型粉砕機を示す模式図 別実施形態に係る媒体攪拌型粉砕機を示す模式図 別実施形態に係る媒体攪拌型粉砕機を示す模式図

符号の説明

１ 媒体攪拌型粉砕機（媒体攪拌型粉体処理装置）
２ 容器
４ 攪拌軸
５ 攪拌部材
６ 媒体
７ 底板（底面）
１０ 分級ロータ（分級機）
１２ 介挿部材
１３ 気体噴出口
１４ 環状流路
２１ 傾斜面
Ｚ 回転軸芯

Claims (4)

1. 撹拌軸から一段又は複数段に亘って径方向外向きに突出する、縦軸周りに回転自在に設けられた攪拌部材を備え、
   前記攪拌部材により容器内で被処理原料を媒体とともに攪拌して処理する媒体攪拌型粉体処理装置であって、
   前記容器の内壁が、上部ほど中心側に変位する傾斜面を有するとともに、
   前記傾斜面が、最上段の前記攪拌部材の高さ位置又はそれよりも下方から上方に向けて形成されている媒体攪拌型粉体処理装置。
2. 前記攪拌部材は、前記撹拌軸に対して複数段に亘って設けられ、
   前記攪拌軸の軸芯からの、最上段における前記攪拌部材の先端部までの長さが、その一段下の段における前記攪拌部材の先端部までの長さよりも短く設定されている請求項１に記載の媒体攪拌型粉体処理装置。
3. 前記容器の側面に周方向に沿って設けられ、径方向内向きに気体を噴出する気体噴出口を備えた請求項１又は２に記載の媒体攪拌型粉体処理装置。
4. 前記容器内の上部に分級機を備え、
   前記攪拌軸の上端面と前記分級機の下端面との間に介挿部材を備えた請求項１から３のいずれか一項に記載の媒体攪拌型粉体処理装置。

Images