JP5853580B2

JP5853580B2 - 破砕装置及び破砕物製造方法

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Publication number: JP5853580B2
Application number: JP2011231975A
Authority: JP
Inventors: 基樹佐藤; 竜佐多田
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2011-10-21
Filing date: 2011-10-21
Publication date: 2016-02-09
Anticipated expiration: 2031-10-21
Also published as: DE102012218822A1; JP2013086075A; CN103055995B; CN103055995A; US8955780B2; US20130099031A1; CN203044068U

Description

本発明は、被破砕物を所望の大きさの塊に破砕するための破砕装置及びその破砕装置を用いた破砕物製造方法に関する。

被破砕物の種類に応じて、様々な破砕装置が提案されている。例えば、単結晶シリコンの製造に用いられる多結晶シリコンの破砕には、特許文献１から特許文献３に示される破砕装置が用いられている。

特許文献１には、棒状の多結晶シリコンをロールクラッシャーで破砕して塊状のシリコンを得る方法が開示されている。このロールクラッシャーは、一つのロールをハウジング内に収容したシングルロールクラッシャーであり、そのロール表面には複数の歯が形成され、これら歯とハウジングの内壁面との隙間に多結晶シリコンを挟むことによって連続的に衝撃を与えて棒状の多結晶シリコンを破砕する。

一方、特許文献２及び特許文献３には、粗く破砕された塊状の多結晶シリコンを破砕する破砕装置が提案されている。これらの装置は、二つのロールを備え、各ロールの隙間に塊状の多結晶シリコンを挟んで破砕するダブルロールクラッシャーである。

特開２００６−１２２９０２号公報特表２００９−５３１１７２号公報特開２００６−１９２４２３号公報

ところで、この種のロールクラッシャーにおいては、特許文献１ではロールとハウジングの内壁面との間、特許文献２及び特許文献３では両ロールの間の間隙が、得られる破砕物の最大目的寸法として設定され、被破砕物を効率的に所望の大きさに破砕することができる。
しかし、被破砕物である多結晶シリコンは硬いため、破砕歯に欠けや摩耗が生じたり、破砕歯に折れが生じたりする場合がある。この場合には、得られる破砕物の最大目的寸法を管理できなくなり、多結晶シリコン（被破砕物）を所望の大きさに破砕する際の破砕効率が低くなる。また、破砕歯の摩耗により生じた不純物が、破砕した多結晶シリコン塊（破砕物）へ混入することで、コンタミネーション汚染の原因となる等、破砕物の品質に影響を与えることとなる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、破砕歯の損耗を防止し、高品質の破砕物を得ることができる破砕装置及びその破砕装置を用いた破砕物製造方法を提供することを目的とする。

本発明の破砕装置は、平行な軸線周りに互いに逆回転する一対のロール間に被破砕物を挟み込んで破砕する破砕装置であって、前記ロールの外周面上に、半径方向外方に突出する複数の破砕歯とこれら破砕歯を前記ロールの外周面上に固定する固定カバーとを有する破砕歯ユニットが、前記ロールの周方向に並んで複数設けられており、前記破砕歯は、その基端部が先端部よりも拡径しているとともに、前記基端部に前記先端部方向から基端部方向に向けて漸次拡径する斜面部を有し、前記固定カバーは、前記ロールの長手方向に沿う長尺状に形成され、その厚さ方向に貫通し、前記破砕歯の先端部を挿入する破砕歯固定孔が前記長手方向に並んで複数形成され、前記破砕歯固定孔は、前記破砕歯の斜面部に面接触する斜面を有しており、各破砕歯ユニットは、前記破砕歯の先端部を前記破砕歯固定孔から前記ロールの半径方向外方に突出させ、前記破砕歯の斜面部を前記固定カバーの斜面と前記ロールとの間に挟持した状態で前記ロールに固定されており、前記ロールの外周面は、軸方向に沿う長尺な平坦面を周方向に連結して構成された多面体状に形成され、前記平坦面に各破砕歯の前記基端部の端面が面接触させられていることを特徴とする。

この破砕装置では、ロールを回転しながら破砕歯によって被破砕物を連続的に打撃して、効率良く破砕することができる。この場合、各破砕歯の基端部は、先端部よりも拡径して形成されており、固定カバーとの接触部の強度が高められている。
また、この径の太い基端部に設けられた斜面部を固定カバーの破砕歯固定孔の斜面に接触させた状態でロールとの間に挟持し、面接触状態で固定しているため、破砕歯に加わる衝撃力をその広い接触面全体で受けることができる。これにより、破砕歯の基端部に集中する応力を分散させることができるので、破砕歯の損耗を防止することができる。

本発明の破砕装置において、前記先端部と前記基端部との間にこれらを繋ぐ柱状部が設けられるとともに、前記柱状部の側面は円錐面状に形成されており、前記斜面部が前記柱状部の側面を延長する円錐面状に設けられているとよい。
この場合、斜面部と、柱状部の側面とが連続した円錐面状に設けられることにより、斜面部と柱状部との接続部に応力が集中することが防止され、破砕歯の損耗を防止することができる。
なお、基端部の斜面部は、柱状部の側面と異なる角度の斜面に設けてもよい。この場合、破砕時に固定カバーから露出する柱状部においては、破砕に適した側面の形状を選択でき、斜面部においては破砕歯の支持に適した角度の斜面を選択することができる。

本発明の破砕装置において、前記斜面部の傾斜角度が、前記ロールの外周面の法線に対して１０°以上２５°以下に設定されているとよい。
斜面部の傾斜角度が１０°未満であると、破砕歯は固定カバーから抜け易くなる。斜面部の傾斜角度が２５°を超える場合は、柱状部と斜面部との接続部に応力が集中し、破損し易くなる。また、傾斜角度が大きくなるにつれて、破砕歯の底面（基端部の端面）が拡径して形成されることになるので、各破砕歯は、ロールの周方向のピッチを広げて配置しなければならない。そのため、被破砕物を破砕して得られる破砕物を、所望の大きさに管理することが難しくなる。

本発明の破砕装置において、各破砕歯ユニットの固定カバーは両端部が前記ロールにねじによって固定されており、前記ロールの外周面には前記固定カバーの両端部の裏面を面接触させる平面部が形成されているとよい。
固定カバーのねじ止め部分におけるロールが円柱外面であると、固定カバーを固定しているねじに曲げ応力が作用するが、平面部により面接触した状態とすることにより、固定カバーが安定し、破損等を防止することができる。

本発明の破砕物製造方法は、前記破砕装置のいずれかを用いて破砕物を製造することを特徴とする。

本発明によれば、破砕歯の基端部に斜面部を設け、その斜面部を固定カバーとロールとの間に挟持し、面接触状態で固定することにしたので、破砕歯に加わる衝撃力をその広い接触面全体で受けることができる。これにより、破砕歯の基端部に集中する応力を分散させることができるので、破砕歯の損耗を防止することができ、高品質の破砕物を得ることができる。

本発明に係る破砕装置の一実施形態を示す斜視図である。図１の破砕装置におけるロール表面の斜視図である。破砕装置に取り付けられている破砕歯ユニットの背面から見た斜視図である。複数個並んだ状態の破砕歯ユニットの斜視図である。破砕歯を説明する図であり、（ａ）が破砕歯の斜視図、（ｂ）が破砕歯ユニットの要部拡大断面図である。破砕歯ユニットの固定カバーの正面図である。ロール対向部における位置関係を説明する正面図である。破砕歯の他の例を説明する図であり、（ａ）が破砕歯の斜視図、（ｂ）が破砕歯ユニットの要部拡大断面図である。破砕歯のさらに別の例を説明する図であり、（ａ）が破砕歯の斜視図、（ｂ）が破砕歯ユニットの要部拡大断面図である。破砕歯ユニットの固定カバーについて変形例を示す正面図である。

以下、本発明の破砕装置及び破砕物製造方法を、多結晶シリコンを破砕する多結晶シリコン破砕装置及び多結晶シリコン破砕物の製造方法に適用した実施形態について、図面を参照しながら説明する。
本実施形態の多結晶シリコンの破砕装置１は、図１に示すように、ハウジング２内に二つのロール３がその回転軸線４を水平方向に向けて平行に配置されており、両ロール３の外周面に複数の破砕歯５が半径方向外方に向けて突設されている。この場合、各ロール３の外周面は、図２に示すように、均一な円弧面ではなく、軸方向に沿う長尺な平坦面６（平面部）を周方向に連結して構成された多面体状に形成されており、各平坦面６の両端部にねじ穴７が設けられ、これら平坦面に破砕歯ユニット８が一つずつ固定されている。

破砕歯ユニット８は、図３及び図４に示すように、ロール３の平坦面６に当接する長尺状の固定カバー１１と、この固定カバー１１に取り付けられる複数個の破砕歯５とから構成されている。
破砕歯５は、超硬合金又はシリコン材により、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、その基端部１４が先端部よりも拡径して形成されている。また、破砕歯５の先端部が球面の先端面１５に設けられ、先端面１５と基端部１４とを繋ぐ柱状部１３の側面１６は、先端面１５に連続し、基端部１４にかけて拡径する円錐面状に形成されている。
基端部１４には、破砕歯５の先端部方向から基端部方向に向けて漸次拡径する斜面部１４ｂが形成されており、この斜面部１４ｂは、柱状部１３の側面１６を延長する円錐面状に設けられている。また、つば部１４の基端部分に位置する基部１４ｃの側面は、円周面状に設けられ、基部１４ｃの端面（基端部１４の端面）は破砕歯５の長手方向に直交する平坦面１４ａに形成されている。

固定カバー１１は、ロール３の平坦面６と同じ幅、同じ長さの長尺状に形成され、図６に示すように、長手方向に相互間隔をおいて複数の破砕歯固定孔２１が貫通状態に形成されるとともに、これら破砕歯固定孔２１の両側方の側縁を外方に張り出させてなる拡幅部１８が形成され、破砕歯固定孔２１の間に配置される部分の側縁には、拡幅部１８に対して幅を狭くする凹部１９が形成されている。また、固定カバー１１の両端部には、ねじ挿入孔２２が形成されている。
なお、図６に示す固定カバー１１においては、拡幅部１８の上面及び凹部１９の底面は、固定カバー１１の長手方向と平行な面に形成されており、拡幅部１８の上面端部と、凹部１９の底面端部とが緩やかな斜面で接続された形状とされている。

破砕歯固定孔２１は、図３に示すように、固定カバー１１の厚さの半分までが破砕歯５の斜面部１４ｂに対応した斜面２３ｂを有する円錐面状の嵌合孔２３とされ、残りの半分が基部１４ｃに対応した拡径孔２５とされている。そして、破砕歯５は、固定カバー１１の斜面２３ｂに斜面部１４ｂを接触させた状態において、基部１４ｃが拡径孔２５に係合した状態に保持される。
この場合、この固定カバー１１は拡径孔２５をロール３表面に向け、嵌合孔２３から破砕歯５の柱状部１３を突出させた状態として、ロール３の各平坦面６に重ねられ、基端部１４の斜面部１４ｂをロール表面との間に挟持し、破砕歯５の斜面部１４ｂと嵌合孔２３の斜面２３ｂとを面接触させた状態で、その両端部がねじ２６によりロール表面に固定される。この状態において、各破砕歯５の基端部１４の平坦面１４ａは、ロール３の外周面の各平坦面６に面接触状態とされ、固定カバー１１も、平坦な裏面１１ａがロール３の各平坦面６に面接触状態とされる。

そして、このようにして形成された破砕歯ユニット８において、破砕歯５の基端部１４に設けられる斜面部１４ｂの傾斜角度θは、ロール３の外周面の法線に対して１０°以上２５°以下に設定される（図５（ｂ）参照）。
斜面部１４ｂの傾斜角度が１０°未満であると、破砕歯５は固定カバー１１から抜け易くなる。また、斜面部１４ｂの傾斜角度が２５°を超える場合は、柱状部１３と斜面部１４ｂとの接続部に応力が集中し、破損し易くなる。また、斜面部１４ｂの傾斜角度が大きくなるにつれて、破砕歯５の底面（基端部の端面）が拡径して形成されることになるので、各破砕歯５は、ロール３の周方向のピッチを広げて配置しなければならない。そのため、被破砕物を破砕して得られる破砕物を、所望の大きさに管理することが難しくなる。

また、各破砕歯ユニット８は、隣接する破砕歯ユニット８の破砕歯５がロール３の周方向に連続して並ばないように、図４に示すように、破砕歯５が千鳥状に配列した状態に取り付けられる。この際、各破砕歯ユニット８は、隣接する一方の固定カバー１１に形成された凹部１９に、他方の固定カバー１１の拡幅部１８を係合させた状態にして取り付けられる。

一方、両ロール３の間では、図７に示すように、その対向部（両ロール３の破砕歯５どうしが最も近接する位置）において両ロール３の破砕歯５の先端面１５どうしが対向するように配置される。
なお、この図７においては、千鳥状に配列されている破砕歯５のうち、同一円周上に配置される一列の破砕歯５を実線で示し、他の列の破砕歯５を二点鎖線で示している。

そして、この実施形態では、破砕後の多結晶シリコンの塊の大きさとして、最大辺の長さが５ｍｍ〜６０ｍｍのものを得るようにしており、その大きさの塊を得るために各破砕歯５は、柱状部１３の直径Ｄが１６ｍｍ〜２２ｍｍ、図６に示す固定カバー１１の表面から破砕歯５の先端までの突出高さＨが１５ｍｍ〜２５ｍｍとされるとともに、隣接する破砕歯５どうしの間隔Ｌは１１ｍｍ〜３２ｍｍとされている。また、両ロール３の対向部において、破砕歯５の先端面１５どうしの対向距離Ｇは５ｍｍ〜３０ｍｍに設定される。
なお、両ロール３を収容したハウジング２は、コンタミ防止のため、ポリプロピレン等の樹脂製とされ、あるいは金属製のハウジングの内面にテトラフルオロチレンのコーティングをしたものが用いられる。

このように構成した破砕装置１を用いて多結晶シリコン破砕物を製造する場合、両ロール３を回転させた状態で、予め粗く破砕した適宜の大きさの多結晶シリコンを両ロール３間に投入すると、両ロール３の破砕歯５の間で多結晶シリコンがさらに破砕されて塊状に細分化される。
この際、各破砕歯の基端部１４は、先端部よりも拡径して形成されるとともに、斜面部１４ｂが柱状部１３の側面１６を延長する円錐面状に形成されており、固定カバー１１との接触部の強度が高められている。この径の太い基端部１４に設けられた斜面部１４ｂを破砕歯固定孔２１の斜面２３ｂに接触させた状態でロール３との間に挟持し、面接触状態で固定しているため、破砕歯５に加わる衝撃力をその広い接触面全体で受けることができる。これにより、破砕歯５の基端部１４に集中する応力を分散させることができるので、破砕歯５の損耗を防止することができる。また、斜面部１４ｂと側面１６との接続部を連続した円錐面状に設けることにより、接続部に応力が集中することが防止できる。
なお、基端部１４の斜面部１４ｂは、図８及び図９に示す変形例のように、柱状部１３の側面１６と異なる角度の斜面に設けてもよい。図８に示す破砕歯５Ａでは、基端部１４の斜面部１４ｂを柱状部１３の側面１６と異なる角度の斜面とした組合せの形状としている。また、図９に示す破砕歯５Ｂでは、柱状部１３の側面１６を円柱面状に形成している。このように破砕歯を形成した場合でも、基端部１４を先端部より拡径して形成しているので、固定カバーとの接触部の強度を充分に高めることができる。また、破砕時に固定カバーから露出する柱状部１３においては、破砕に適した側面１６の形状を選択でき、斜面部１４ｂにおいては破砕歯の支持に適した角度の斜面を選択することができる。

また、この径の太い基端部１４を支持する破砕歯固定孔２１の両側方の側縁を外方に張り出させて拡幅部１８を設けるとともに、隣接する一方の固定カバー１１の拡幅部１８の間に設けられる凹部１９に、他方の固定カバー１１の拡幅部１８を係合させて、各破砕歯５を千鳥状に配列した状態にして取り付けることにより、隣接する固定カバー１１どうしの接触面が固定カバー１１の長さ方向に対して凹凸状に屈曲して形成されるので、その接触面積が増えて互いに支え合う構成となる。これにより、破砕歯５に負荷がかけられた際に、破砕歯５に損耗が生じたり、固定カバー１１が変形することが防止される。

また、破砕歯５は、その基端部１４の平坦面１４ａがロール３の平坦面６に面接触状態とされているので、破砕時の衝撃力をその接触面全体で受けることができ、強制的に安定する。したがって、破砕歯５に振れ等が生じることがなく、均一な塊を安定して製造することができる。
固定カバー１１についても同様であり、固定カバー１１の裏面１１ａがロール３の平坦面６に面接触状態とされているので、破砕歯５に加わる衝撃力により振れることがなく、固定カバー１１をロール３に固定しているねじ２６に曲げモーメント等が作用することがなく、強固な固定構造を維持して、破損等を防止することができる。

また、固定カバー１１の拡幅部１８は、ロール３の周方向に幅広に設けられているので、破砕歯５が倒れにくくなっており、破砕歯５に振れ等が生じることがなく、均一な破砕物の塊を安定して製造することができる。
また、各破砕歯５を千鳥状に配列した状態にして取り付けることにより、破砕歯５の基端部１４を拡径して設けた場合においても、ロール３の周方向のピッチを広げることなく、各破砕歯５を配置することができ、被破砕物を破砕して得られる破砕物を、所望の大きさに管理できる。

なお、各破砕歯５は、その先端面１５が球面状に形成されているので、この先端面１５と多結晶シリコンとは点接触となり、また、柱状部１３の側面１６が円錐面状に形成されているので、この側面１６と多結晶シリコンとは点接触又は線接触となる。このため、多結晶シリコンに対して破砕歯５は点接触又は線接触状態で衝撃を付加するので、多結晶シリコンを面で押しつぶすようなことが低減される。
また、この破砕装置１においては、破砕歯５を超硬合金又はシリコン材によって形成しているので、この破砕歯５から多結晶シリコンに不純物が混入することが防止される。そして、ハウジング２もポリプロピレン等の樹脂製とされ、あるいはテトラフルオロエチレンのコーティングがなされているので、破砕途中の多結晶シリコンに不純物が混入することが防止される。したがって、この破砕装置１によれば、半導体原料用の多結晶シリコンとして高品質のものを得ることができる。

さらに、本実施形態においては、個々の破砕歯５を固定カバー１１により保持して破砕歯ユニット８を構成し、この破砕歯ユニット８をロール３の表面に固定しているので、一部の破砕歯５に欠損等が生じたとしても、その欠損が生じた破砕歯５のみを交換すればよく、その場合、破砕歯ユニット８はねじ止めによりロール３に固定されているとともに、破砕歯５は固定カバー１１の破砕歯固定孔２１に嵌合され、固定カバー１１とロール３の表面との間に挟持されているだけであり、一部の破砕歯５のみの交換作業も容易である。
なお、固定カバー１１は、強度確保のためにはステンレス鋼等により製作するのがよいが、その表面にポリプロピレンやテトラフルオロエチレン等の樹脂を被覆しておけば、多結晶シリコンと接触した場合でもコンタミを防止することができる。

その他、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、両ロールの対向部で破砕歯の先端面どうしが対向するように配置したが、一方のロールの破砕歯が他方のロールの隣接する破砕歯の間に対向するように配置してもよい。
また、上記実施形態で説明した破砕歯の対向間隔等の諸寸法は、必ずしもこれに限定されるものではない。実施形態では、固定カバーの拡幅部１８の上面は、固定カバーの長手方向と平行な面に形成したが、図１０に示す固定カバー５１の拡幅部５８のように、平面部分を設けることなく斜面のみで山状に設けてもよい。また、それに対応して凹部５９も、平面部分を設けずに斜面のみで谷状に形成してもよい。
なお、本発明の破砕装置は、多結晶シリコンの破砕に限定されるものではなく、プラスチックやガラス等の破砕にも適用可能である。

１破砕装置
２ハウジング
３ロール
４回転軸線
５，５Ａ，５Ｂ破砕歯
６平坦面
７ねじ穴
８破砕歯ユニット
１１，５１固定カバー
１３柱状部
１４基端部
１４ａ平坦面
１４ｂ斜面部
１４ｃ基部
１５先端面
１６側面
１８，５８拡幅部
１９，５９凹部
２１破砕歯固定孔
２２ねじ挿入孔
２３嵌合孔
２３ｂ斜面
２５拡径孔
２６ねじ

Claims

平行な軸線周りに互いに逆回転する一対のロール間に被破砕物を挟み込んで破砕する破砕装置であって、前記ロールの外周面上に、半径方向外方に突出する複数の破砕歯とこれら破砕歯を前記ロールの外周面上に固定する固定カバーとを有する破砕歯ユニットが、前記ロールの周方向に並んで複数設けられており、前記破砕歯は、その基端部が先端部よりも拡径しているとともに、前記基端部に前記先端部方向から基端部方向に向けて漸次拡径する斜面部を有し、前記固定カバーは、前記ロールの長手方向に沿う長尺状に形成され、その厚さ方向に貫通し、前記破砕歯の先端部を挿入する破砕歯固定孔が前記長手方向に並んで複数形成され、前記破砕歯固定孔は、前記破砕歯の斜面部に面接触する斜面を有しており、各破砕歯ユニットは、前記破砕歯の先端部を前記破砕歯固定孔から前記ロールの半径方向外方に突出させ、前記破砕歯の斜面部を前記固定カバーの斜面と前記ロールとの間に挟持した状態で前記ロールに固定されており、前記ロールの外周面は、軸方向に沿う長尺な平坦面を周方向に連結して構成された多面体状に形成され、前記平坦面に各破砕歯の前記基端部の端面が面接触させられていることを特徴とする破砕装置。
前記先端部と前記基端部との間にこれらを繋ぐ柱状部が設けられるとともに、前記柱状部の側面は円錐面状に形成されており、前記斜面部が前記柱状部の側面を延長する円錐面状に設けられていることを特徴とする請求項１記載の破砕装置。
前記斜面部の傾斜角度が、前記ロールの外周面の法線に対して１０°以上２５°以下に設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の破砕装置。
各破砕歯ユニットの固定カバーは両端部が前記ロールにねじによって固定されており、前記ロールの外周面には前記固定カバーの両端部の裏面を面接触させる平面部が形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の破砕装置。
請求項１から４のいずれか一項に記載の破砕装置を用いて破砕物を製造することを特徴とする破砕物製造方法。