JP5515189B2 - 粉砕装置 - Google Patents
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Description
円筒状の内面を備えたケーシングと、
前記ケーシングの軸心周りで回転駆動され、外周に凹凸部が形成されたロータと、
前記ケーシングの軸心方向の一端に設けた供給口から他端に設けた排出口に向かう粉体搬送用の気流を形成する気流形成手段と、
前記ロータの内部に形成された冷媒流路に冷媒を流す冷媒供給手段とを備え、
前記凹凸部は、前記ロータの周方向に沿って延出された環状の切り欠き部によって軸心方向に分割されている点にある。
また、一般的に、被処理粉体が排出口に向かって移動しながら進行する粉砕過程のために、被処理粉体、ロータの凹凸部を含む表面付近及びケーシングの内面は、軸心に沿って排出口に近い位置ほど温度が高くなるが、本構成であれば、軸心方向の中間位置で冷却気体を追加導入できるため、排出口付近での温度を低くすることができる。
更に、本構成であれば、供給口と開口とを含む複数の気体導入口の間で、導入する気体の比率を適宜変更することによって、軸心方向における温度分布を、対象とする被処理粉体の特性、粉砕装置の規模、作業環境などに応じて最適化することが可能となる。
〔第1実施形態〕
図1に示す粉砕装置1は、例えば平均粒径が数十μm〜数mm前後の粒子を数μm程度の微細な粉末に粉砕するための装置であり、特にトナーや粉体塗料のように摩擦熱で溶融し易い樹脂を主成分とする材料を被処理対象としている。
粉砕装置1は概して円筒状の内面を備えたケーシング2を有する。ケーシング2は、複数の脚部2Sに支持された外筒部2aと、外筒部2aの内側に同心状に配置されたライナー2bと、ライナー2bによって囲まれた空間を両端で閉じる一対の側壁部2c,2dとを有する。外筒部2aとライナー2bの間は後述する冷媒やエアを流すための空間を構成している。
分級機24で回収された粉体を粉砕装置1に戻して再粉砕し、バグフィルタ25で回収されたものを製品とすることも可能であり、或いは、バグフィルタ25で回収された粉体をさらに別の分級機によって微細な粉体を除去したものを製品とすることもできる。
ロータ10は、モータMによって回転駆動されるシャフト10Sと、シャフト10Sに外嵌された複数の環状のロータピースとを有する。ロータピースとしては、軸心Xと交差する両端面が概して単純な平面で構成された第1ロータピース10PAと、軸心Xと交差する一方の面から外径の小さな小径円柱部12がモータM側に突出形成された第2ロータピース10PBとの2種類の形態が用意されている。
粉砕装置1は、供給口3とは別の、軸心Xに沿った中間位置(中段)においてライナー2bの内部にエアを導入する中段気体導入手段を備えている。中段気体導入手段は、外筒部2aとライナー2bの間の空間を、軸心Xに沿った切り欠き部11に相当する位置において円周状に仕切ることで形成した1つの環状の気体流路16aと、この気体流路16aと連通するように外筒部2aの上下に設けた2つの気体供給函17とを有し、気体流路16aは、ライナー2bの一部を円周状に切り欠いた環状スリット18(開口の一例)によってライナー2bの内部と連通されている。
外筒部2aとライナー2bの間の空間のうち、1つの環状の気体流路16aを除く部位は、ライナー2bを冷水などの冷媒によって冷却するための第2の冷媒流路20を形成している。気体流路16aが単一の環状を呈しているのに対して、冷媒流路20は水平に延出された隔壁(図示省略)によって、周方向に並ぶ2領域または4領域に分割されている。冷媒流路20には、冷媒流路15と共通のポンプPおよび熱交換器14を含む冷媒回路23によって冷媒が循環される。
図3の例では個々のブロックは周方向に沿って隣接並置される4つの小ブロックに区分することができ、個々の小ブロックは、函状のケーシング片21と、ケーシング片21の径方向内側に設けられた開口部21Aを閉鎖するライナー片23とで構成されている。
ライナー片23は、ライナー片23の4つのコーナー部を含む6箇所に形成された貫通孔23H、及び、ケーシング片21の貫通孔21Hを介して、ボルトとナットなどでケーシング片21に固定される。固定に際して、ボルトとナットを締め付けていくと、弾性シール22がライナー片22の滑らかな外周面に押付けられることで、ケーシング片21の内部空間が密封される。
第2の冷媒流路20はケーシング片21とライナー片23とで囲まれた空間Sによって構成されているため、冷媒はライナー片23の外周面と直に接触することで、ライナー2bの凹凸部2Gの付近に対しても高い冷却効果が得られる。
ケーシング片21とライナー片23とで囲まれた空間Sの中で、冷媒が入力ポート2Paから出力ポート2Pbへと最短距離でショートカットする現象を防止する手段として、図4に例示するように、ケーシング片21の内周面に複数のフィン状の邪魔板21Sを設けてもよい。
図5(a)は第1実施形態における凹凸部2G,10Gの断面形状を例示している。図5(a)から理解されるように、ライナー2b側の凹凸部2Gの粉砕刃2T(凸部)とロータ10側の凹凸部10Gの粉砕刃10T(凸部)とは、いずれも左右非対称の形状を備え、ロータ10の回転方向(矢印A)について、基本的に傾斜の緩やかな側が相対移動方向の前方となるように構成されている。
尚、空間体積の増大量を調整する目的で、残された粉砕刃2Tどうしの間に形成する凹部の深さは適宜変更することができ、或いは、このような凹部のない形態で実施することも可能である。さらに、凹部の断面形状を図5に示す矩形ではなく内側に開いた円弧状など実質的にコーナー部のない湾曲状としてもよい。
また、上記の特徴的な凹凸部2Gの構成を、ライナー2b側の凹凸部2Gではなく、ロータ10側の凹凸部10Gに対して適用することも可能である。
他方、図5(a)に記されたロータ10側の凹凸部10Gの各部の寸法の具体的な数値の一つの好適例は、Rc1:3.1mm、Rc2:0.6mm、Rc3:0.3mm、Rh1:2.5mm、Rp:3.4mmとなる。
上記の数値は一つの好適例に過ぎず、ピッチ比も含めた各数値は粉砕対象物の物性や、目標とする粉砕後粒径などに応じて適宜変更される。
また、ライナー2bの内面の凹凸部2Gの凸部とロータ10の外周面の凹凸部10Gの凸部との半径方向での間隙Gの他、凹凸部の数、形状、凹部の深さなどをロータピース10PA,10PB毎に変えることも可能である。
図1−3、図5(a)に示す粉砕装置を用いて実施した粉砕例の結果を図6に示す。
ここでは、同一の粉砕装置を用い、特に中段気体導入手段を用いる本発明による粉砕と、中段気体導入手段を用いない本発明による粉砕とを行い、これら2つの粉砕方法における粉砕効率などを比較した。尚、この実施例では、2つの粉砕方法における粉砕効率を比較するために、分級機24は用いず、排出口4から排出された粉体のほぼ全量をバグフィルタ25によって回収した。
図6のグラフは、各粉砕によって得られた粉砕物の平均粒径(μm)を横軸、各粉砕時にモータMによって消費された粉砕物1kg当たりの全動力累積(kWh/kg)を縦軸としたものである。
尚、粉砕物の粒径はコールターカウンター(ベックマン・コールター株式会社製)で測定し、メジアン径(D50)を平均粒径とした。
また、2つの粉砕方法とも、冷媒流路15と冷媒流路20と冷媒回路23とを用いたロータ10およびケーシング2の冷却は同条件で適用した。
いずれの粉砕方法においてもロータ10の凹凸部10G付近の回転速度は150m/sec、ロータ10の回転に用いられた動力は最大で30kWであった。
(1)最大粒径が4mmのシアントナー(被処理粉体の一例)を約120kg/hの供給速度で供給口3から供給し、排出口4から排出された被粉砕物を第1粉砕物として全量回収し、その平均粒径(1回目)を測定し、記録した。
(2)第1粉砕物の全量を約120kg/hの供給速度で供給口3から供給し、排出口4から排出された被粉砕物を第2粉砕物として全量回収し、その平均粒径(2回目)を測定、記録した。
(3)第2粉砕物の全量を約120kg/hの供給速度で供給口3から供給し、排出口4から排出された被粉砕物を第3粉砕物として全量回収し、その平均粒径(3回目)を測定、記録した。
他方、中段気体導入手段を用いない粉砕では、1回目の粉砕で得られた粉砕物の平均粒径は約9.5μm、2回目は約8.2μm、3回目は約7.0μmであった。
尚、図6のグラフの略図に示すように、中段気体導入手段を用いない粉砕では排出口4における気流の温度は40℃であったが、中段気体導入手段を用いた粉砕では同気流の温度が32℃であった。この結果にも、中段気体導入手段による冷却効果が現れている。
図7及び図8に示す本発明による粉砕装置の第2実施形態の基本的な構成は前述した第1実施形態と同様である。
第1実施形態と第2実施形態の間の違いは、この第2実施形態では、ロータ10は1つの第1ロータピース10PAと2つの第2ロータピース10PBとで構成されている。1つの第1ロータピース10PAは最もモータM寄りの位置に配置されている。2つの第2ロータピース10PBは、いずれも小径円柱部12がモータM側を向く姿勢で配置されている。
したがって、1つの第1ロータピース10PAによって形成される凹凸部10Gと、2つの第2ロータピース10PBによって形成される凹凸部10Gとの間には、2つの環状の切り欠き部11が軸心Xに沿って互いに離間して形成されることになる。
供給口3寄りに位置する上下の2つの気体供給函17a,17bは共通の一方の気体流路16aに連通し、同様に、排出口4寄りに位置する上下の2つの気体供給函17c,17dは他方の気体流路16bに連通している。
もちろん、粉砕刃の傾斜角や形状、寸法は被処理粉体の特性などに応じて様々に変更して実施することができる。
図7、図8、図5(b)に示す粉砕装置を用いて実施した粉砕例の結果を図9に示す。
ここでも、同じ粉砕装置を用い、特に中段気体導入手段を用いる本発明による粉砕と、中段気体導入手段を用いない本発明による粉砕とを行い、これら2つの粉砕方法における粉砕効率などを比較した。尚、この実施例では、2つの粉砕方法における粉砕効率を比較するために、分級機24は用いず、排出口4から排出された粉体のほぼ全量をバグフィルタ25によって回収した。
図9のグラフは、各粉砕によって得られた粉砕物の平均粒径(μm)を横軸、各粉砕時にモータMによって消費された粉砕物1kg当たりの全動力累積(kWh/kg)を縦軸としたものである。
尚、粉砕物の粒径はコールターカウンター(ベックマン・コールター株式会社製)で測定し、メジアン径(D50)を平均粒径とした。
また、2つの粉砕方法とも、冷媒流路15と冷媒流路20と冷媒回路23とを用いたロータ10およびケーシング2の冷却は同条件で適用した。
いずれの粉砕方法においてもロータ10の凹凸部10G付近の回転速度は150m/sec、ロータ10の回転に用いられた動力は最大で15kWであった。
(1)最大粒径が4mmのシアントナー(被処理粉体の一例)を約60kg/hの供給速度で供給口3から供給し、排出口4から排出された被粉砕物を第1粉砕物として全量回収し、その平均粒径(1回目)を測定し、記録した。
(2)第1粉砕物の全量を約60kg/hの供給速度で供給口3から供給し、排出口4から排出された被粉砕物を第2粉砕物として全量回収し、その平均粒径(2回目)を測定、記録した。
(3)第2粉砕物の全量を約60kg/hの供給速度で供給口3から供給し、排出口4から排出された被粉砕物を第3粉砕物として全量回収し、その平均粒径(3回目)を測定、記録した。
他方、中段気体導入手段を用いない粉砕では、1回目の粉砕で得られた粉砕物の平均粒径は約7.9μm、2回目は約5.8μm、3回目は約5.3μmであった。
尚、図9のグラフの略図に示すように、中段気体導入手段を用いない粉砕では排出口4における気流の温度は37℃であったが、中段気体導入手段を用いた粉砕では同気流の温度が23℃であった。この結果にも、中段気体導入手段による冷却効果が現れている。
トナーは、原料である結着樹脂、着色剤、荷電制御剤を混合し、エクスルーダーにより溶融混練した後、冷却固化させ、これを粉砕および分級して所望の粒径範囲になったものを製品とする。以上が基本的なトナーの製造過程であるが、微粉砕から分級を経て製品化される間に更なる処理工程が入ることが多い。すなわち、粉砕後の微粉または分級後の微粉は、そのまま或いは球形化および/または表面改質された後で外添されて製品となる。尚、粗粉砕と微粉砕との間のほか、球形化、表面改質、及び外添の前後に分級工程(粗粉分級または微粉分級)を入れることもある。
2 ケーシング
2a 外筒部
2b 内筒部
2G 凹凸部
3 供給口
4 排出口
10 ロータ
10G 凹凸部
10P 粉砕ロータ部
11 切り欠き部
14 熱交換器
15 冷媒流路
15R 環状流路
16 気体流路(中段気体導入手段、16a,16b)
17 気体供給函(17a,17b,17c,17d)
18 環状スリット(開口)
20 第2の冷媒流路
23 冷媒回路
25 バグフィルタ
26 ブロワー(気流形成手段)
M モータ
P ポンプ(冷媒供給手段)
X 軸心
Claims (6)
- 円筒状の内面を備えたケーシングと、
前記ケーシングの軸心周りで回転駆動され、外周に凹凸部が形成されたロータと、
前記ケーシングの軸心方向の一端に設けた供給口から他端に設けた排出口に向かう粉体搬送用の気流を形成する気流形成手段と、
前記ロータの内部に形成された冷媒流路に冷媒を流す冷媒供給手段とを備え、
前記凹凸部は、前記ロータの周方向に沿って延出された環状の切り欠き部によって軸心方向に分割されている粉砕装置。 - 前記ケーシングの前記切り欠き部と対向する箇所に、前記ケーシングの内部に気体を導入するための開口が設けられている請求項1に記載の粉砕装置。
- 前記環状の切り欠き部と前記開口が軸心方向に沿って複数組で設けられている請求項2に記載の粉砕装置。
- 前記切り欠き部が前記開口の開口幅を超える幅を有する請求項2または3に記載の粉砕装置。
- 前記冷媒流路は、前記軸心に沿って前記切り欠き部と隣接する円周状の環状流路を含み、前記切り欠き部の径方向深さは前記環状流路の内径側端部と同等とされている請求項1から4のいずれか一項に記載の粉砕装置。
- 前記ケーシングの内部に第2の冷媒流路が形成されている請求項1から5のいずれか一項に記載の粉砕装置。
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