JP5628228B2 - 微粒化装置 - Google Patents

Description

本発明は、ジェットミルとビーズミルとによる複合処理で原料粒子の微粒化を行う微粒化装置に関するものである。

従来から、各種原料粒子を微粒化する際、高圧ホモジナイザー（例えば、特許文献１参照。）や湿式ジェットミル、あるいはビーズミルやボールミル等で原料の粉砕、分散処理を行っていた。

湿式ジェットミルは、ウォータージェットを用いて原料を２４５ＭＰａに加圧し、口径０．１〜０．５ｍｍの微細ノズルから高速噴射させることによって、噴射の際の粒子同士または硬質体への衝突やノズル通過及び対向流により生じる剪断力、また噴流キャビテーションによる衝撃力で、主に１次粒子が集まってなる２次粒子の粉砕、分散を行う装置である（例えば、特許文献２，３，４参照。）。

さらに、原料粒子を１μｍ以下という超微細径まで微粒化するためには、上記のような湿式ジェットミルや高圧ホモジナイザー等で原料の粉砕、分散処理を行った後、ビーズミルやボールミル等を用いてさらに粉砕、分散処理を行って微粒子を製造する方法が採用されていた。

ビーズミルは、容器内に球形ビーズを投入しておき、互いに平面同士が平行な複数の円板翼が設けられている回転軸を容器内で回転させてビーズを撹拌しながら、原料粒子を含むスラリーを容器の一端側スラリー導入口から他端側スラリー排出口へ向かって流動させるものである（例えば、特許文献５参照。）。従って、容器内では、回転力により撹拌流動するスラリー中で、ビーズ間を移動する原料粒子がビーズに挟み込まれ、その圧壊力や摩擦力で粉砕される。

しかしながら、従来の湿式ジェットミルおよびビーズミルをそれぞれ別工程で用いる場合において、ビーズミルではビーズ等の媒体を原料に混合して撹拌するため、その媒体のかけら等が不純物として原料液に混入してしまう可能性があった。さらに、１次粒子と２次粒子の粉砕、分散の場合では原料の状態が異なるため、原料粒子の径、硬度、表面形状等に応じて最適な装置を選択する必要があった。しかも、各装置を用いて別工程にて処理を行うのは、空間的な移動を含め、作業が繁雑で非常に時間が掛かり、冷却機構も装置毎に必要となるため、作業自体の非効率を招くとともに余分なコストを要していた。

そこで、湿式ジェットミルとビーズミルとを複合化させた装置が考えられている。これは、原料タンクに対する直列循環回路上に各装置を設置することにより、実質的に双方の処理がほぼ同時期に行われるものであり、別工程の場合のような煩雑さがなく、冷却機構も単一化でき、効率的でより均一な原料粒子の微粒化が可能となったものである（引用文献６参照。）。また、超微粒化への処理も、全てビーズミルによる圧壊力に頼る必要がなくなるため、単独使用の場合よりも必要な圧壊力を抑えることができる分、ビーズ由来の不純物の混合も大幅に低減できる。

特開２００３−１１３３９０号公報 特許第３１５１７０６号公報 特許第３６８６５２８号公報 特開２０００−３３２４９号公報 特開２０００−８３６２２号公報 特開２０１１−１１５７２９号公報

しかしながら、単に既存の装置同士を連結した場合、全体の装置構成が大型化し、装置内に比較的大きなデッドボリュームが存在してしまう。特に、ビーズミルの容器内でビーズの存在に局所偏りが生じ、粉砕された原料の均一な粒度分布を得ることは困難であった。しかも、連続的な処理を行う際には、装置を長時間運転させる必要があり、容器と駆動系との間で回転軸や軸受け周辺をシールする液体シール部に破損が生じると、該破損したシール部へスラリーが流入し、不純物の混入を招く恐れもあった。

ジェットミルとビーズミルの複合化による微粒化装置においては、短時間に高精度の微粒化処理が行えるとともに、均一な粒度分布を有する処理能力が求められている。また、より効率的な微粒化処理を実現する上で、必要構成部分の長寿命化も望まれている。

本発明の目的は、上記問題点に鑑み、湿式ジェットミルとビーズミルとの複合化において、粒度分布の不均一を解消するとともに、微粒化処理の作業効率を向上させることのできる微粒化装置を提供することにある。また本発明は、装置の小型化を図ると同時にデッドボリュームを低減し、ビーズミルの構成部分の長寿命化だけでなく不純物の低減も目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明に係る微粒化装置は、原料粒子を含むスラリーを収容する原料タンクと、該原料タンクに対して直列循環回路で接続され、スラリー中で回転力を与えられたビーズによって原料粒子を挟み込んで粉砕するビーズミルと、前記原料タンクに対して直列循環回路で接続され、加圧された高圧スラリーをノズル装置によって高速噴射するジェットミルと、を備えている微粒化装置において、
前記ジェットミルは、前記高圧スラリーを高速噴射する１つ以上のノズル装置と、該ノズル装置からスラリーが噴射される微粒化空間を形成するチャンバと、を有し、
前記ビーズミルは、前記ビーズが投入されると共に一端側導入口から他端側排出口へスラリーが流動する容器と、容器内でビーズおよびスラリーを撹拌するための複数の略円盤状回転翼が互いに間隔を持って設けられている回転軸と、該回転軸を回転させる駆動装置とを有し、前記容器は、円筒形状を有し、該円筒の中心軸上に配置された前記回転軸と共に鉛直方向に対して予め定められた角度で傾斜していると共に、圧縮応力の付与及び鏡面仕上げが施された内壁面を有するものであり、
前記容器内のビーズは、互いに直径の異なる２種のビーズが混合されていることを特徴とするものである。

請求項２に記載の発明に係る微粒化装置は、請求項１に記載の微粒化装置において、前記２種のビーズは、それぞれ直径０．５ｍｍと直径１．０ｍｍのものである。

請求項３に記載の発明に係る微粒化装置は、請求項１又は２に記載の微粒化装置において、前記ビーズミルの回転軸は、表面を覆うセラミック被覆部材が設けられているものである。

請求項４に記載の発明に係る微粒化装置は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の微粒化装置において、前記ビーズミルの駆動装置は、自己冷却機構を備えているものである。

請求項５に記載の発明に係る微粒化装置は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の微粒化装置において、前記ジェットミルのノズル装置は、同軸上に連結された２つ以上のオリフィスノズルを備えているものである。

請求項６に記載の発明に係る微粒化装置は、請求項５に記載の微粒化装置において、前記ジェットミルのノズル装置は、前記２つ以上連結されたオリフィスノズルのそれぞれ下流端に拡径部を有するものである。

請求項７に記載の発明に係る微粒化装置は、請求項１〜６のいずれか１項に記載の微粒化装置において、前記ジェットミルは、互いに対向して配置された一対のノズル装置を備え、各ノズル装置から高速噴射されたジェット同士を衝突させることを特徴とするものである。

請求項８に記載の発明に係る微粒化装置は、請求項１〜６のいずれか１項に記載の微粒化装置において、前記ジェットミルは、前記チャンバ内に配置されるとともにノズル装置から高速噴射されたジェットを衝突させる硬質体を備えていることを特徴とするものである。

本発明の微粒化装置は、ビーズミルの容器を回転軸と共に鉛直方向に対して傾斜状態とすることによって精度の高い攪拌を可能にし、粉砕された原料の均一な粒度分布を得ることができるため、全体として微粒化性能の向上を図ることができる。また、本発明の微粒化装置では、ビーズミルの小型化とデッドボリュームの低減により、微粒化処理効率をさらに高めることができる。さらに、本発明の微粒化装置において、ジェットミルのノズル装置を１つのオリフィスノズルのみで構成したものに限らず、同軸上に更にオリフィスノズルを連結してオリフィスノズルを２つ以上に増やしてなるノズル装置の採用を可能とすることで、剪断力を向上させ、装置全体の微粒化性能の更なる向上を図ることが可能となる。

本発明の一実施例による微粒化装置の回路構成全体を示す説明図である。 図１の微粒化装置のジェットミルのノズル装置に備えられた３連オリフィスノズルを示す部分模式図である。 図１の微粒化装置のビーズミルの概略構成図である。 実験２−ａ（ビーズ直径0.5mm）における複合処理により微粒化した原料粒子のメジアン径を個別装置の単独処理の場合と比較して処理回数毎に示す線図である。 実験２−ｂ（ビーズ直径1.0mm）における複合処理により微粒化した原料粒子のメジアン径を個別装置の単独処理の場合と比較して各処理回数毎に示す線図である。 実験２−ｃにおける直径の異なるビーズを使用した複合処理により微粒化した原料粒子のメジアン径を比較して各処理回数毎に示す線図である。 実験２−ｄにおける複合処理により微粒化した原料粒子のメジアン径を処理回数毎に示す線図である。 実験２−ｅにおける複合処理により微粒化した原料粒子のメジアン径を処理回数毎に示す線図である。 図１の微粒化装置のジェットミルと異なるジェット同士が衝突する型の一対のノズル装置部分を示す概略構成図である。 図１の微粒化装置のジェットミルと異なる硬質体衝突タイプのノズル装置部分を示す概略構成図である。 本発明による、図１とは異なる回路構成の微粒化装置を例示する説明図である。

本発明の微粒化装置においては、ジェットミルとビーズミルとが、原料粒子を含むスラリーを収容する同一の原料タンクに対してそれぞれ直列循環回路で接続されたものであるため、原料粒子は、ジェットミルにおけるノズル装置からの高速噴射による剪断力や衝撃力と、ビーズミルにおけるビーズの挟み込みによる圧壊力及び摩擦力との異なる処理作用を短時間で連続して受けることができる。即ち、原料粒子には、粒子破壊に影響の強い異なる種類の応力がほぼ同時期に複合的に働き、実質的に「繰り返し応力」相当の作用を受けることになり、直列循環回路を循環しながらこの複合的処理が繰り返されることにより、単一の処理装置での繰り返し処理よりも優れた微粒化性能が得られる。

また、このようなジェットミルとビーズミルとの複合化により、個別に必要であった冷却機構を単一化でき、余分な冷却用エネルギーを省いて省力化を図ることができる。しかも、本発明においては、既存のジェットミルとビーズミルを単に連結したのではなく、ジェットミルとビーズミルそれぞれの微粒化性能を向上させながら複合化へ適応させ、複合的な微粒化性能のさらなる向上を図るものである。

即ち、まず本発明のビーズミルにおいては、ビーズが投入されると共に一端側導入口から他端側排出口へスラリーが流動する容器を円筒形状とし、容器内でビーズおよびスラリーを撹拌するための複数の略円盤状回転翼が互いに間隔を持って設けられている回転軸が容器の円筒中心軸上に配置されるものであるが、これら容器と回転軸とを共に鉛直方向に対して予め定められた角度で傾斜させている。

従って、回転軸を鉛直方向に沿って設置したビーズミルでは原料粒子が容器の下方に溜まりやすく、ビーズの存在にも局所偏りが生じやすかったが、上記のように回転軸と共に傾斜させた容器内では、原料粒子とビーズがより均一に撹拌され、ビーズの挟み込みによる圧壊力も作用し、粉砕された原料の均一な粒度分布を得ることができる。しかも、円筒状とした容器は、その口径を適宜設定することにより、容器内容積を必要最小限にまで抑えてデッドボリュームを大幅に低減できるため、装置の小型化も図ることができ、微粒化処理能力が従来よりも大幅に向上する。

なお、容器の内壁面に圧縮応力の付与及び鏡面仕上げを施すことにより、スラリーと内壁面の摩擦が低減されるため、より均一な撹拌が行われる。しかも、ビーズの壁面接触時における破砕片の発生も抑えられ、混入不純物を低減する効果が期待できる。

また、粉砕対象の原料粒子自体が比較的高い硬度を有するものである場合には、回転軸の表面が削れて屑が不純物として混入する恐れがあるが、回転軸の表面をセラミック被覆部材で覆うことにより不純物の発生を抑制できる。

さらに、回転軸を回転させる駆動装置として、自己冷却機構を備えたものとすれば、駆動装置の発熱による容器との間の液体シール部への加熱が防止できる。これにより、高温上昇によるシール部材の劣化や劣化部位からの駆動系へのスラリー流入を抑制し、シール部材の長寿命化による良好なシール状態の長期維持ができるとともに、連続的な微粒化処理工程における頻繁な部材交換も回避できる。

このような自己冷却機構を備えた駆動装置として、エアモータの採用が簡便で望ましい。エアモータは、一般的に圧縮エアの供給、排気によりロータが回転されるものであるが、膨張する排気によりモータ自体が冷却される。また、有機溶媒を使用する雰囲気中においては防爆効果も期待できる。

一方、本発明のジェットミルは、微粒化空間を形成するチャンバ内に１つ以上のノズル装置から高圧スラリーを高速噴射するものである。このジェットミル自体の微粒化性能を向上させることによって、装置全体の更なる性能向上が図れる。そこで、ノズル装置を単一のオリフィスノズルで構成したものに限らず、同軸上に連結された２つ以上のオリフィスノズルからなるノズル装置の採用を可能とするのが望ましい。これは、第１のオリフィスノズルの同軸上に第２、第３のオリフィスノズル、と連結してオリフィスノズルを増やすことによってノズル装置の微粒化性能を向上できることが判ったためである。

即ち、通常の微粒化処理では、噴射による単一オリフィスノズルの通過を繰り返すことによって目標の粒子径への微粒化を達成しているが、複数個のオリフィスノズルを連結したものでは、一度の噴射通過で、単一オリフィスノズルをその連結個数回分繰り返し噴射通過させた場合に相当する処理効果が得られることになる。従って、同軸上に連結された複数個のオリフィスノズルにより実質的に狭路剪断付与箇所を２つ以上備えたものとなるため、ノズル装置による高圧スラリー噴射時のオリフィス内通過の際の剪断力が、通常の単一オリフィスノズルを備えたノズル装置に比べて大幅に向上される。

さらに、各オリフィスノズルには、下流端に拡径部を形成することにより、該拡径部における流れの乱れを圧力損失として剪断力に付与することができる。このような２つ以上連結されたオリフィスノズルを備えたノズル装置では、一つのノズル装置からの高圧スラリーの高速噴射処理のみでも優れた微粒化性能は得られるが、さらに衝突による衝撃力を付与してより大きな微粒化性能を得ることもできる。

さらに衝撃力を付与する構成としては、上記のような連結オリフィスノズルをそれぞれ備えた一対のノズル装置を互いに対向して配置し、各ノズル装置から噴射されたジェット同士を衝突させる構成、あるいは、一つのノズル装置の噴射軸延長位置に硬質体を配置して、該硬質体にジェットを衝突させる構成があげられる。

なお、本発明の微粒化装置においては、ジェットミルが原料タンクに対して接続される直列循環回路とビーズミルが原料タンクに対して接続される直列循環回路とが必ずしも同一でなくても、原料タンクが同一であれば、実質的に双方の微粒化作用をほぼ同時期に受けることができるため、互いの回路関係は、設計条件等に応じて適宜選択すれば良い。

もちろんジェットミルの直列循環回路とビーズミルの直列循環回路とを同一の回路としてもよい。この場合、ジェットミルとビーズミルは一つの直列循環回路上で接続された簡便な構成となり、連続した一ライン上で双方による処理が短時間で連続して行われる。

また、原料タンクに対しては何れも直列循環回路ではあるが、一方の直列循環回路に対して他方をバイパス回路とする構成、あるいは２つの直列循環回路同士が互いに並列となる構成とする場合、ジェットミルとビーズミルとのぞれぞれで処理流量を容易に設定できる。

本発明の一実施例として、原料タンクに対する同一の直列循環回路でジェットミルとビーズミルとを一ライン上で接続して複合化した微粒化装置を図１に示す。本実施例のジェットミルでは、３連オリフィスノズルを備えたノズル装置を一つ備えたものの場合を示す。

本微粒化装置１は、主に湿式ジェットミル４とビーズミル７とが原料タンク２に対して同一の直列循環回路で接続され、一ライン上に連結されてなるものである。この回路構成においては、原料タンク２内のスラリーは、給液ポンプ３を介してジェットミル４へ送られ、ノズル装置５により高速噴射される。噴射後のスラリーは、熱交換器６により冷却された後、ビーズミル７へ導入され、処理後に原料タンク２へもどされる。

本実施例におけるジェットミル４は、ノズル装置５のオリフィスノズルとして、図２の部分拡大図に示すように、同一形状のオリフィスノズル２１を３つ同軸上に連結してなる３連オリフィスノズル２０を備えたものである。なお、各オリフィスノズル２１は、口径φが０．１〜０．５ｍｍのオリフィス部２２の下流側に拡径部２３を備えている。原料粒子は、ノズル装置５からの噴射時に、オリフィス通過時の剪断力や、粒子同士の衝突およびキャビテーションによる衝撃力の作用を受け、粉砕される。本実施例では、３連オリフィスノズルを備えたことにより、一般的な単一オリフィスノズルを通過する際に比べて特に剪断力を大きく向上させている。

また、本実施例におけるビーズミル７は、ビーズ１４が充填されている円筒形状のシリンダ容器８内に、モータ１１によって回転駆動される回転軸９、シリンダ容器８の中心軸上に挿入され、該回転軸９の軸方向に沿って互いに平面同士が平行となるように略円盤状の回転翼１０が複数個設けられている。回転軸９の回転駆動に伴って回転翼１０が回転することにより、ビーズ１４が撹拌回転されるものである。

従って、ジェットミル４で噴射処理された後、冷却されたスラリーが容器下方側の導入口１２から容器８内に導入されると、容器上方側の排出口１３へ向けて撹拌、流動される間に、回転力が付与されたビーズ１４の間に挟み込まれながら移動することになり、その際のビーズ１４による圧壊力でスラリー中の原料粒子１５は破砕、分散される。

本実施例においては、図３に示すように、この容器８を回転軸９と共に鉛直方向に対して５０度傾斜した状態で設置した。この傾斜により、原料粒子１５が下方に溜まり難く、ビーズ１４の存在偏りも低減されて、均一な撹拌が行える。このため、原料粒子１５に作用する圧壊力も均一となり、粉砕された粒子の粒度分布も均一となる。なお、容器８の内壁面は、ステンレスＳＵＳ３０４を用い、ローラーバニシングツール（株式会社スギノマシン製）によるスパロール加工で、該内壁面に圧縮応力付与と鏡面仕上げを施した。これにより、スラリーやビーズの壁面との摩擦も低減されるため、より良く撹拌されると共に、ビーズの壁面接触時における破砕片の発生も抑えられ、混入不純物を低減する効果が期待できる。

また、円筒形状の容器８の内径を適宜設定することにより、容器容積を小さく抑え、デッドボリュームを極力小さくすることができた。よって本実施例のビーズミル７においては、原料内蔵量を５０ｃｃまで抑えることができた。回転翼１０には、ジルコニアセラミックを素材として用い、また、回転軸９の露呈表面もセラミック部材で覆うことにより、削り屑からなる不純物の発生を防止することができる。

さらに、回転軸９を回転させるための駆動装置としてエアモータ１１を組み込むことで、エアモータの自己冷却効果により、容器８との間の液体シール部の温度上昇を低減して従来よりもシール部材の長寿命化を図ることができると共に、容器内温度上昇も抑えることもでき、装置全体での冷却エネルギーの省力化に寄与することができる。

原料粒子１５は、上記のような原料タンク２に対する一つの直列循環回路内を循環することにより、ジェットミル４による噴射処理とビーズミル７による圧壊処理とが短時間で連続的に行われるため、これら２種類の処理作用をほぼ同時期に複合的に受けることになる。よって、上記回路の一循環が本微粒化装置１による１回分（１パス）の微粒化処理工程となり、原料タンク２に戻されたスラリーの次回の循環が第２回（２パス）目の微粒化処理工程となるため、該循環を繰り返すことによって、前記複合的な処理作用を繰り返し受けることができる。

以下に、本実施例による微粒化装置１を用いて実際の繰り返し微粒化処理を行った実験結果を示す。

実験１
まず、本微粒化装置１の３連オリフィスノズル２０を備えたノズル装置５についてのみ、その高速噴射による微粒化能力を、それぞれ一般的な単一オリフィスノズルを備えた一対のノズル装置を対向させてジェット同士を衝突させた場合と比較して評価した。評価は、粒度分布計（株式会社堀場製作所製ＬＡ−９１０Ｗ型）で原料粒子の粒度測定を行い、メジアン径で粒度分布を求めた。

具体的には、口径φ＝０．１７ｍｍの３連オリフィスノズルのノズル装置による高速噴射に対して、口径０．１２ｍｍの単一オリフィスノズルの一対ノズル装置に噴射衝突とを、流動パラフィンを原料粒子とした１０ｗｔ％スラリーを２００ＭＰａの噴射圧で行った場合と、酸化チタン（石原産業製ST01）を原料粒子とした１ｗｔ％スラリーを２２０ＭＰａの噴射圧で行った場合とで、それぞれの結果を以下の表１，表２に示した。

以上の結果から、同じ処理回数で比較すると、いずれの原料粒子の場合も、３連オリフィスノズルを用いた方が単一オリフィスノズルを用いた場合よりも粒子径が小さくなっており、オリフィスノズルの複数連結による剪断力の向上が確認できた。なお、本実施例では、３つのオリフィスノズルを連結してなる３連オリフィスノズルの場合を示したが、本発明はこれに限られるものではない。２連オリフィスノズルであっても単一のオリフィスノズルの場合より剪断力は高くなることは明らかであり、もちろん、４連以上の構成も可能である。連結数が多いほど剪断力が向上して同じ目標粒径へ達成するための必要な繰り返し循環回数も低減できると考えられるため、ノズル装置の寸法設計および実際の原料に応じた望ましい処理時間（繰り返し処理回数）に基づいて、適宜設定すれば良い。

実験２
次に、図１の微粒化装置１によるジェットミル４とビーズミル７との複合処理を繰り返し行った場合の微粒化能力を、ジェットミルのみによる微粒化処理を繰り返し行った場合およびビーズミルのみによる微粒化処理を繰り返し行った場合と比較して評価した。評価方法は前記実験１と同様である。原料として、炭酸カルシウムを原料粒子とした５ｗｔ％スラリーを用い、ジェットミル４の噴射圧力を２４５ＭＰａ、ビーズミル７のエアモータによるエア圧力を０．５ＭＰａを共通する条件として、ビーズ１４が直径０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、容器内容積に対するビーズ投入量の嵩体積割合がビーズ直径に応じた２０〜８０％、回転軸、回転翼の回転数が３０００ｒｐｍ、３７００ｒｐｍの条件を適宜選択して行った。

実験２−ａ
ジェットミルによる噴射処理のみを繰り返した場合と、ビーズミルによる圧壊処理（ビーズ直径０．５ｍｍ、ビーズ嵩体積割合６０％、回転数３０００ｒｐｍ）のみを繰り返した場合と、ジェットミルとビーズミルとの複合処理を繰り返し循環した場合とで、各処理回数後のメジアン径を比較し、その結果を図４の線図に示した。この結果から、ビーズミルのみによる処理では、ジェットミルのみによる処理よりも、原料粒子の粒度が小さくなっており、ビーズミルが１次粒子圧壊力に優れることが示された。しかし、ジェットミルとビーズミルとの複合処理ではビーズミルのみによる処理よりもさらに粒度が小さくなっており、複合化による高い微粒化性能が確認された。

実験２−ｂ
上記実験２−ａの条件に対してビーズだけ直径１ｍｍのものに変更し、ジェットミルによる噴射処理のみを繰り返した場合と、ビーズミルによる圧壊処理のみを繰り返した場合と、ジェットミルとビーズミルとの複合処理を繰り返し循環した場合とで、各処理回数後のメジアン径を比較し、その結果を図５の線図に示した。この結果から、ビーズ径が変更されても、実験２−ａの結果と同様に、ジェットミルとビーズミルとの複合処理で原料粒子の粒度が最も微粒化されており、複合化による高い微粒化性能が確認された。

実験２−ｃ
上記実験２−ａ、２−ｂで行ったジェットミルとビーズミルとの複合処理の繰り返し循環工程で、他の条件を同一として、直径０．５ｍｍのビーズを使用した場合と、１．０ｍｍのビーズを使用した場合とで、各処理回数後のメジアン径を比較し、その結果を図６の線図に示した。この結果から、ビーズミルにおいて、ビーズ嵩体積割合、回転数が同一条件であれば、使用するビーズの直径が小さい方が、原料粒子の粒度が小さくなることが判った。これは、１次粒子を粉砕する際に、ビーズ直径が小さいと圧壊力も小さくなるが、粒子との接触機会が増加して粉砕効率が高くなることを示唆している。

実験２−ｄ
ジェットミルとビーズミルとの複合処理の繰り返し循環工程において、ビーズミルの嵩体積割合および回転数が互いに異なる２つの条件設定について、各処理回数後のメジアン径を比較し、その結果を図７の線図に示した。上記２つの条件は、ビーズ直径０．５ｍｍは共通として、嵩体積割合６０％で回転数３０００ｒｐｍとした場合と、嵩体積割合８０％で回転数３７００ｒｐｍとした場合とである。この結果から、後者の嵩体積割合８０％で回転数３７００ｒｐｍとした場合の方が、前者の条件の場合より原料粒子の粒度が小さくなっていた。即ち、ビーズミルにおいて、同じ径のビーズを使用する場合、嵩体積割合を増加させると共に回転数を上昇させて動力を増加させることによって、１次粒子に対する圧壊力も増加し、原料粒子はより微粒化できることが判る。

実験２−ｅ
ジェットミルとビーズミルとの複合処理の繰り返し循環工程において、全体のビーズ投入量の嵩体積割合を全て８０％に統一すると共に回転数を３７００ｒｐｍに統一した上で、使用ビーズを直径０．５ｍｍの一種のみ（嵩体積割合８０％）とした場合と、異なる径のビーズを異なる混合割合で使用した２つの条件設定、即ち直径０．５ｍｍで嵩体積割合６０＋直径１．０ｍｍで嵩体積割合２０％とした場合と、直径０．５ｍｍで嵩体積割合４０＋直径１．０ｍｍで嵩体積割合４０％とした場合とについて、各処理回数後のメジアン径を比較し、その結果を図８の線図に示した。

この結果から、相対的に小さい直径０．５ｍｍのビーズのみを使用した場合よりも、直径１ｍｍの相対的に大きいビーズと混合使用した場合のほうが、原料粒子の粒度が小さくなっており、これは、小径ビーズによる高い粉砕効率が大径ビーズの高い衝撃力を生かすことを示している。さらに、大小ビーズの混合使用の場合、小径ビーズを大径ビーズより多く混合する方が、その逆の場合より原料粒子の粒度が小さくなっており、これは、実験２−ｃの結果と同様に、小径ビーズによる粉砕効率の高さが１次粒子を粉砕する際に効果的であることに起因する。

実験３
次に、本微粒化装置１による複合処理の繰り返し循環工程後におけるビーズミル部材（ＳＵＳ）およびビーズ成分由来の不純物の混入量を検出測定し、未処理の場合と比較して評価した。検出対象物は、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｚｒとし、測定には誘導結合プラズマ発光分光分析装置（島津製作所製、ICPS-7510 型）を用いた。また、ビーズミル７に関しては、容器内壁の素材をそれぞれ、ＳＵＳ３０４、ジルコニア、ＳＵＳ３０４スパロール品の３種とした場合について検討した。また、回転翼１０はジルコニア製、ビーズはジルコニア製で直径０．５ｍｍで嵩体積割合６０％、回転数を３０００ｒｐｍとし、ジェットミル４の噴射圧２４５ＭＰａを共通の条件とした。なお、スパロール品とは、容器内壁面ＳＵＳ３０４にローラーバニシングツール（株式会社スギノマシン製）によるスパロール加工で前記内壁面に圧縮応力付与と鏡面仕上げを施したものである。以上の各条件について、炭酸カルシウムを原料粒子とした５ｗｔ％スラリーを用いて前記複合処理の繰り返し循環を１００回行った後の不純部と混入量を測定した。結果を以下の表３に示す。

未処理の各種含有量を基準とすると、条件２のビーズミル容器内壁がＳＵＳ３０４の場合では、Ｆｅの混入量が増えており、条件３のビーズミル容器内壁がジルコニアの場合では、Ｆｅの混入量増加は誤差範囲であるが、Ｚｒの混入量が増えている。しかしながら、条件４のビーズミル内壁がＳＵＳ３０４のスパロール品の場合では、Ｆｅの増加は誤差範囲でありＺｒの混入量は検出限界以下であった。

以上の結果から、ビーズミル容器の内壁面に圧縮応力付与と鏡面仕上げを施すことにより、ビーズの壁面接触による破砕片の発生が抑えられ、その分、該ビーズ由来の不純物の混入を抑制する効果があった。なお、本実施例のビーズミルでは、容器内径を約３０ｍｍと従来のビーズミルと比較して大幅に小型化しており、上記実験３では、該容器内壁と回転翼外周とのクリアランスがビーズ直径の約６倍としており、これらの条件も、Ｆｅ不純物の発生増加を抑制する効果に寄与していると考えられる。

なお、上記の実験２−ａにおけるジェットミルの噴射処理のみによる場合と、実験２−ｅにおける直径０．５ｍｍビーズ１種使用（嵩体積割合８０％、回転数３７００ｒｐｍ）と、直径０．５ｍｍビーズ（嵩体積割合６０％）と直径１．０ｍｍビーズ（嵩体積割合２０％）との混合使用（回転数３７００ｒｐｍ）の２条件についての複合処理の繰り返し循環工程を行った場合、全３条件（いずれもジェットミル噴射圧２４５ＭＰａは共通）に関して、原料粒子である炭酸カルシウムの微粒化結果を、粒度分布の均一性を示す尺度の標準偏差で評価し、その結果を以下の表４に示す。

表４の結果から、直径の異なる大小ビーズを混合使用した場合が最もシャープな粒度分布が得られることが確認された。

実験４
次に、上記実験３で示した条件４のビーズミル７を備えた本微粒化装置１の複合処理における微粒化性能を、従来型のビーズミルの場合と比較して評価した。即ち、従来の回転軸が鉛直方向に沿って挿入された内容積の大きい従来型の容器に対して、内容積を小さく抑えると共に傾斜設置された本実施例のビーズミル７との相違を見た。具体的には、図３に示した傾斜角度５０度の本実施例のビーズミル７の容器８の内径を３０ｍｍとしたのに対して、内径１３４ｍｍで傾斜していない従来型容器を備えたビーズミルを用いた場合で炭酸カルシウムの複合処理を１０回繰り返した。なお、本実施例のビーズミル７では、直径０．５ｍｍビーズ（嵩体積割合６０％）と直径１．０ｍｍビーズ（嵩体積割合２０％）とを混合使用（回転数３７００ｒｐｍ）し、従来型容器のビーズミルでは直径２．０ｍｍビーズ（嵩体積割合５０％）の単種使用とし、いずれもジェットミル４の条件（噴射圧２４５ＭＰａ）は共通である。両者の処理後粒子のメジアン径を比較し、その結果を不純物含有量（測定は誘導結合プラズマ発光分光分析装置（島津製作所製、ICPS-7510 型）による）と共に以下の表５に示す。

以上の結果から、本実施例によるビーズミル７は、従来型の容器のビーズミルよりも微粒化性能が高いことが確認できた。これは、本実施例のビーズミル７が、従来型よりもデッドボリュームが低減されると共に傾斜設置による撹拌効率の向上により、微粒化効率が向上したためである。このようなビーズミルの改良だけでも微粒化装置１の性能向上を図れることが判る。従って、前述のジェットミルとビーズミルとの複合化において、両者がそれぞれ改良されたことの相乗効果により、本発明の微粒化装置全体で大幅な微粒化性能の向上が実現可能となる。

なお、以上の実施例では、微粒化装置１のジェットミルとして、一つのジェット装置５からの噴射処理のみを行うものを示したが、本発明の１つ以上のオリフィスノズルを連結してなるオリフィスを備えたノズル装置は、その他、例えば、図９に示す一対のジェット装置（５ａ，５ｂ）を対向して配置し、それぞれ高速噴射されたジェット同士を衝突させるタイプや、図１０に示す、一つのジェット装置５ｃから高速噴射されたジェットをその噴射軸延長上に配置された硬質体３０に衝突させるタイプなど、ジェットミルの基本構成としては従来からあるさまざまな型に適応できるものである。

また、以上に示した微粒化装置１におけるジェットミルとビーズミルとの複合作用による微粒化性能の効果は、図１に示したジェットミルとビーズミルとを同一直列循環回路に配置した構成に限らず、例えば、図１１に示すジェットミルとビーズミルとが同一原料タンクに対してそれぞれ直列循環回路で接続されていると共に両者同士では互いに並列回路となる構成であっても同等に得られる。この回路構成の場合、ジェットミルとビーズミルそれぞれで処理された原料粒子が同一の原料タンクに戻され、そこで混合されてから再び各装置へ供給されるという循環処理が繰り返されるため、結果的に図１の回路構成の場合と同程度の微粒化性能が得られる。

１：微粒化装置
２：原料タンク
３：給液ポンプ
４：ジェットミル
５，５ａ，５ｂ，５ｃ：ノズル装置
６：熱交換器
７：ビーズミル
８：容器
９：回転軸
１０：回転翼
１１：エアモータ
１２：スラリー導入口
１３：スラリー排出口
１４：ビーズ
１５：原料粒子
２０：３連オリフィスノズル
２１：オリフィスノズル
２２：オリフィス部（口径一定）
２３：拡径部
３０：硬質体

Claims (8)

1. 原料粒子を含むスラリーを収容する原料タンクと、該原料タンクに対して直列循環回路で接続され、スラリー中で回転力を与えられたビーズによって原料粒子を挟み込んで粉砕するビーズミルと、前記原料タンクに対して直列循環回路で接続され、加圧された高圧スラリーをノズル装置によって高速噴射するジェットミルと、を備えている微粒化装置において、
   前記ジェットミルは、前記高圧スラリーを高速噴射する１つ以上のノズル装置と、該ノズル装置からスラリーが噴射される微粒化空間を形成するチャンバと、を有し、
   前記ビーズミルは、前記ビーズが投入されると共に一端側導入口から他端側排出口へスラリーが流動する容器と、容器内でビーズおよびスラリーを撹拌するための複数の略円盤状回転翼が互いに間隔を持って設けられている回転軸と、該回転軸を回転させる駆動装置とを有し、前記容器は、円筒形状を有し、該円筒の中心軸上に配置された前記回転軸と共に鉛直方向に対して予め定められた角度で傾斜していると共に、圧縮応力の付与及び鏡面仕上げが施された内壁面を有するものであり、
   前記容器内のビーズは、互いに直径の異なる２種のビーズが混合されていることを特徴とする微粒化装置。
2. 前記２種のビーズは、それぞれ直径０．５ｍｍと直径１．０ｍｍのものであることを特徴とする請求項１に記載の微粒化装置。
3. 前記ビーズミルの回転軸は、表面を覆うセラミック被覆部材が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の微粒化装置。
4. 前記ビーズミルの駆動装置は、自己冷却機構を備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の微粒化装置
5. 前記ジェットミルのノズル装置は、同軸上に連結された２つ以上のオリフィスノズルを備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の微粒化装置。
6. 前記ジェットミルのノズル装置は、前記２つ以上連結されたオリフィスノズルのそれぞれ下流端に拡径部を有することを特徴とする請求項５に記載の微粒化装置。
7. 前記ジェットミルは、互いに対向して配置された一対のノズル装置を備え、各ノズル装置から高速噴射されたジェット同士を衝突させることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の微粒化装置。
8. 前記ジェットミルは、前記チャンバ内に配置されるとともにノズル装置から高速噴射されたジェットを衝突させる硬質体を備えていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の微粒化装置。

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