JP6679684B2

JP6679684B2 - 粉体液体分散装置

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Publication number: JP6679684B2
Application number: JP2018179659A
Authority: JP
Inventors: 杉山　大介; 大介杉山
Original assignee: 杉山重工株式会社
Priority date: 2018-09-26
Filing date: 2018-09-26
Publication date: 2020-04-15
Anticipated expiration: 2038-09-26
Also published as: JP2020049409A

Description

本発明は、粉体または液体を分散させる際に使用して好適な粉体液体分散装置に関する。

セラミックスや化学などの製造分野では、「分散工程」というプロセスが多く存在する。この分散工程の分散とは、粉体の基本粒子が凝集しているものを撹拌などの操作によって基本粒子にまでバラバラに解すことを意味し、気中（乾式）または液中（湿式）で行われる。
例えば、セラミックス製品の分野では、その出発原料の大部分が天然鉱物（多くは粘土鉱物）であり、これを他の物質と混合する前段階で湿式にて分散させる。ちなみに粘土鉱物の基本粒子径は１００μｍ〜０．５μｍと言われており、この粒度まで分散した後、他の物質と配合しなければ均一なセラミックス製品を作製することはできない。

そして、この分散工程は、従来、ボールミル（例えば特開２００９−１５４０９６号公報）や撹拌式メディアミル（例えば特開２０１３−５６３０７号公報）などの装置で水を用いて行われていた。ボールミルや撹拌式メディアミルの分散原理は次の通りである。

図１２（ａ）、（ｂ）に示すように、ボールミル７０で分散を行う場合は、ボールミル容積の約２０〜３０％のメディア７１を投入口７２から装入する。ここで、メディア７１は、アルミナ、ジルコニアなどの素材で形成された直径５〜２０ｍｍ程の球状体である。ボールミル７０には、これらメディア７１を装入した状態で、ボールミル容積の約５０％程度の水と水の２０％程度の原料鉱物塊を投入口７２から投入する。

つぎに、投入口７２の蓋７３を閉じてボールミル７０を、図１３（ａ）、（ｂ）に示すように回転させる。この回転により、メディア７１同士がぶつかり合い、衝突接点に存在した原料鉱物塊が解砕されて分散される。通常、この操作はバッチ式で行われ数十時間連続運転した後、ボールミル７０の回転を停止して解砕分散された液を投入口７２から取り出す。

他方、撹拌式メディアミル８０は、図１４に示すように、円筒形のケーシング８１の中心位置に撹拌軸８２と撹拌バー８３が設けられており、この撹拌軸８２がギヤードモーター８４で回転するように構成されている。このケーシング８１の中に前述したボールミル７０にて説明したメディア７１、水、原料鉱物塊を投入して撹拌する。撹拌バー８３でメディア７１を撹拌するとメディア７１同士が衝突し原料鉱物塊が圧壊、分散される。この撹拌式メディアミルには連続式とバッチ式がある。

しかしながら、これら従来の分散装置は、メディアの衝突によって分散を行うものであり、このメディアの衝突による分散作用には大きな欠陥が存在する。それは、メディア自体の摩耗によるコンタミネーション（微量汚染物質）の製品への混入である。分散効果の向上のため、質量の大きいメディア（例えばタングステン等の金属製メディア）を使用すれば、メディア自体の摩耗は少なくなり分散効果は上がるが、わずかでもこの金属製メディアが摩耗し製品に混入した場合、特に電子部品などの製造工程では、イオンレベルの金属痕跡の混入も禁止されているため致命的な障害となる。

特開２００９−１５４０９６号公報特開２０１３−５６３０７号公報

そこで、本発明の課題は、メディアを使用せず、製品にコンタミネーション（微量汚染物質）が混入することがなく、電子部品などの製造工程においても好適に使用することができる粉体液体分散装置を提供することにある。

上記課題を解決するものは、ローター軸に設けられたセラミックス製または合金製のローターと、該ローターの周囲に設けられたセラミックス製または合金製のステーターと、前記ローターと前記ステーターにて区画された分散室と、該分散室内に被分散物を供給するための供給口と、前記分散室内の被分散物を排出するための排出口とを有し、前記分散室は前記ローター軸の軸心方向に沿って複数設けられ、複数の前記分散室は、上流側の前記排出口と下流側次段の前記供給口とが連結されて上流側の前記分散室と下流側次段の前記分散室は連通し、前記ステーターの内面のうち、前記供給口と前記排出口との間に位置した部位には、前記ローターの外面との間に、前記排出口側の領域を前記供給口側の領域に比して高圧領域とする微小なギャップを形成するための凸起部が設けられ、前記排出口側の高圧領域に存在する被分散物の一部が前記微小なギャップを通過して前記供給口側の低圧領域に戻るように構成されていることを特徴とする粉体液体分散装置である（請求項１）。

前記ローターの外面には凹凸部が形成されていることが好ましい（請求項２）。前記前記ステーターの内面には凹凸部が形成されていることが好ましい（請求項３）。前記排出口付近にはサンプリング抽出用バルブが設けられていることが好ましい（請求項４）。

請求項１に記載した粉体液体分散装置によれば、メディアを使用せず、製品にコンタミネーション（微量汚染物質）が混入することがなく、電子部品などの製造工程においても好適に使用することができる。また、排出口側の高圧領域に存在する被分散物の一部が微小なギャップを通過して供給口側の低圧領域に戻る際に分散作用が促進されるため被分散物をより効率的に分散できる。
請求項２に記載した粉体液体分散装置によれば、上記請求項１の効果に加え、ローターの外面に設けられた凹凸部に被分散物が衝突することで被分散物をより効率的に分散できる。
請求項３に記載した粉体液体分散装置によれば、上記請求項１の効果に加え、ステーターの内面に設けられた凹凸部に被分散物が衝突することで被分散物をより効率的に分散できる。
請求項４に記載した粉体液体分散装置によれば、上記請求項１の効果に加え、サンプリング抽出用バルブから抽出した被分散物を分析してローター軸の回転数を変更することで、分散作用の進行具合を調整することができる。

本発明の粉体液体分散装置の一実施例の正面図である。図１に示した粉体液体分散装置における投入側の拡大一部縦断面図である。図１のＡ−Ａ線一部断面図である。図３のケーシング内付近の部分拡大図である。図１に示した粉体液体分散装置の拡大一部縦断面図である。図１に示した粉体液体分散装置における排出側の拡大一部縦断面図である。図１に示した粉体液体分散装置におけるローター軸付近の拡大断面図である。図１に示した粉体液体分散装置の作用を説明するための説明図である。図１に示した粉体液体分散装置におけるローターの斜視拡大図である。図１に示した粉体液体分散装置におけるステーターの上半分の斜視拡大図である。図１に示した粉体液体分散装置におけるステーターの下半分の斜視拡大図である。従来の分散装置（ボールミル）を説明するための説明図である。従来の分散装置（ボールミル）を説明するための説明図である。従来の分散装置（撹拌式メディアミル）を説明するための説明図である。

本発明では、ローター軸２に設けられたセラミックス製または合金製のローター３と、ローター３の周囲に設けられたセラミックス製または合金製のステーター４と、ローター３とステーター４にて区画された分散室５と、分散室５内に被分散物を供給するための供給口６と、分散室５内の被分散物を排出するための排出口７とを有し、分散室５はローター軸２の軸心方向に沿って複数設けられ、複数の分散室５は、上流側の排出口７と下流側次段の供給口６とが連結されて上流側の分散室５と下流側次段の分散室５が連通していることで、メディアを使用せず、製品にコンタミネーション（微量汚染物質）が混入することがなく、電子部品などの製造工程においても好適に使用することができる粉体液体分散装置１を実現した。

本発明の粉体液体分散装置を図１ないし図１１に示した一実施例を用いて説明する。
この実施例の粉体液体分散装置１は、ローター軸２に設けられたセラミックス製または合金製のローター３（第１ローター３ａ，第２ローター３ｂ，第３ローター３ｃ，第４ローター３ｄ，第５ローター３ｅ）と、ローター３（第１ローター３ａ，第２ローター３ｂ，第３ローター３ｃ，第４ローター３ｄ，第５ローター３ｅ）の周囲にそれぞれ設けられたセラミックス製または合金製のステーター４（第１ステーター４ａ，第２ステーター４ｂ，第３ステーター４ｃ，第４ステーター４ｄ，第５ステーター４ｅ）と、ローター３（第１ローター３ａ，第２ローター３ｂ，第３ローター３ｃ，第４ローター３ｄ，第５ローター３ｅ）とステーター４（第１ステーター４ａ，第２ステーター４ｂ，第３ステーター４ｃ，第４ステーター４ｄ，第５ステーター４ｅ）にてそれぞれ区画された分散室５（第１分散室５ａ，第２分散室５ｂ，第３分散室５ｃ，第４分散室５ｄ，第５分散室５ｅ）と、分散室５内に被分散物を供給するための供給口６と、分散室５内の被分散物を排出するための排出口７とを有し、分散室５（第１分散室５ａ，第２分散室５ｂ，第３分散室５ｃ，第４分散室５ｄ，第５分散室５ｅ）はローター軸２の軸心方向に沿って複数設けられ、複数の分散室５（第１分散室５ａ，第２分散室５ｂ，第３分散室５ｃ，第４分散室５ｄ，第５分散室５ｅ）は、上流側の排出口７と下流側次段の供給口６とが連結されて、流側の分散室５と下流側次段の分散室５は連通している。以下、各構成について順次詳述する。

この実施例の粉体液体分散装置１は、湿式分散操作により、鉱物原料塊と水などの液体が混ざったスラリーを分散するためのものである。ただし、本発明の粉体液体分散装置は、これに限定されるものではなく、粉体を乾式分散操作により分散するものも包含する。なお、本願において、「粉体」とは、有機物、無機物、金属酸化物など乾燥した粉末一般を意味する。また、「液体」とは、水、溶剤などの液体一般を意味する。

ローター軸２は、ローター３（第１ローター３ａ，第２ローター３ｂ，第３ローター３ｃ，第４ローター３ｄ，第５ローター３ｅ）を回転させるためのものであり、図１、図２、図６または図７に示すように、ケーシング８内をその長手方向に沿って貫通し、ケーシング８の長手方向の両側においてそれぞれ軸封シール９ａ，９ｂにより液密にシールされると共に、軸受部１０ａ，１０ｂに回転可能に支持されている。そして、ローター軸２はカップリング１１を介してモーター１２により回転駆動するよう構成されている。

ローター３は、その回転により、ステーター４との間で被分散物（この実施例では、鉱物原料塊と水などの液体が混ざったスラリー）を分散するためのものであり、この実施例では、図７に示すように、５つのローター（第１ローター３ａ，第２ローター３ｂ，第３ローター３ｃ，第４ローター３ｄ，第５ローター３ｅ）が、ローター軸２にその軸心方向に沿って固定されている。

この実施例のローター３（第１ローター３ａ，第２ローター３ｂ，第３ローター３ｃ，第４ローター３ｄ，第５ローター３ｅ）は、図９に示すようなシンプルで対称的な形状のセラミックス成形品にて形成されているため、コンタミネーションが被分散物に混入することがない。ただし、ローターの形成材料はセラミックスに限定されるものではなく、合金（好ましくは硬度の高い合金）でもよい。

ローター３（第１ローター３ａ，第２ローター３ｂ，第３ローター３ｃ，第４ローター３ｄ，第５ローター３ｅ）の外面（外周面）には、図９に示すように、凹凸部１３が形成されている。これにより、凹凸部１３に被分散物が衝突することで被分散物をより効率的に分散させることができるよう構成されている。

ステーター４（第１ステーター４ａ，第２ステーター４ｂ，第３ステーター４ｃ，第４ステーター４ｄ，第５ステーター４ｅ）は、図７に示すように、ローター３（第１ローター３ａ，第２ローター３ｂ，第３ローター３ｃ，第４ローター３ｄ，第５ローター３ｅ）との間に空間を構成し、分散室５（第１分散室５ａ，第２分散室５ｂ，第３分散室５ｃ，第４分散室５ｄ，第５分散室５ｅ）をそれぞれ構成するためのものである。

ステーター４（第１ステーター４ａ，第２ステーター４ｂ，第３ステーター４ｃ，第４ステーター４ｄ，第５ステーター４ｅ）は、ローター３（第１ローター３ａ，第２ローター３ｂ，第３ローター３ｃ，第４ローター３ｄ，第５ローター３ｅ）の周囲にそれぞれ設けられて、ローター３（第１ローター３ａ，第２ローター３ｂ，第３ローター３ｃ，第４ローター３ｄ，第５ローター３ｅ）をそれぞれ囲繞している。

この実施例のステーター４（第１ステーター４ａ，第２ステーター４ｂ，第３ステーター４ｃ，第４ステーター４ｄ，第５ステーター４ｅ）も、ローター３（第１ローター３ａ，第２ローター３ｂ，第３ローター３ｃ，第４ローター３ｄ，第５ローター３ｅ）と同様に、図１０または図１１に示すようなシンプルな形状のセラミックス成形品にて形成されている。このため、コンタミネーションが被分散物に混入することがない。すなわち、この実施例では、被分散物と接触する部位であるローター３とステーター４が共にセラミックス成形品にて構成されているため、コンタミネーションが被分散物に混入することがない。ただし、ステーターの形成材料はセラミックスに限定されるものではなく、合金（好ましくは硬度の高い合金）でもよい。

この実施例のステーター４（第１ステーター４ａ，第２ステーター４ｂ，第３ステーター４ｃ，第４ステーター４ｄ，第５ステーター４ｅ）は、２つの部材（図１０に示した上半分４Ａと図１１に示した下半分４Ｂ）とから構成されており、２つの部材を合わせて環状体に構成されている。

ステーター４（第１ステーター４ａ，第２ステーター４ｂ，第３ステーター４ｃ，第４ステーター４ｄ，第５ステーター４ｅ）の内面（内周面）にも、図１０または図１１に示すように、凹凸部１４が形成されている。これにより、凹凸部１４に被分散物が衝突することで被分散物をより効率的に分散させることができるよう構成されている。

ステーター４（第１ステーター４ａ，第２ステーター４ｂ，第３ステーター４ｃ，第４ステーター４ｄ，第５ステーター４ｅ）は、図４または図１０に示すように、ステーター４の内面（内周面）のうち、供給口６と排出口７との間に位置した部位に、ローターの外面（外周面）との間に微小なギャップ（Ｇ）を形成するための凸起部１５を有している。これにより、排出口７側の高圧領域（Ｈ）に存在する被分散物の一部が微小なギャップを通過して供給口６側の低圧領域（Ｌ）に戻る際に分散作用が促進されて被分散物をより効率的に分散できるように構成される。

分散室５（第１分散室５ａ，第２分散室５ｂ，第３分散室５ｃ，第４分散室５ｄ，第５分散室５ｅ）は、被分散物を分散するための部位であり、図７に示すように、ローター３（第１ローター３ａ，第２ローター３ｂ，第３ローター３ｃ，第４ローター３ｄ，第５ローター３ｅ）とステーター４（第１ステーター４ａ，第２ステーター４ｂ，第３ステーター４ｃ，第４ステーター４ｄ，第５ステーター４ｅ）にてそれぞれ区画されて構成されている。

なお、分散室５（第１分散室５ａ，第２分散室５ｂ，第３分散室５ｃ，第４分散室５ｄ，第５分散室５ｅ）は、ローター３（第１ローター３ａ，第２ローター３ｂ，第３ローター３ｃ，第４ローター３ｄ，第５ローター３ｅ）とステーター４（第１ステーター４ａ，第２ステーター４ｂ，第３ステーター４ｃ，第４ステーター４ｄ，第５ステーター４ｅ）との間に、環状のパッキン１６が配されることで、ローター３（第１ローター３ａ，第２ローター３ｂ，第３ローター３ｃ，第４ローター３ｄ，第５ローター３ｅ）とステーター４（第１ステーター４ａ，第２ステーター４ｂ，第３ステーター４ｃ，第４ステーター４ｄ，第５ステーター４ｅ）との間から隣接する分散室５に被分散物が漏出しないように構成されている。

そして、分散室５（第１分散室５ａ，第２分散室５ｂ，第３分散室５ｃ，第４分散室５ｄ，第５分散室５ｅ）に被分散物が充填された状態でローター（第１ローター３ａ，第２ローター３ｂ，第３ローター３ｃ，第４ローター３ｄ，第５ローター３ｅ）が回転することで、スラリー流のせん断力によって発生する衝撃で分散作用が生じるように構成されている。

供給口６は、分散室５（第１分散室５ａ，第２分散室５ｂ，第３分散室５ｃ，第４分散室５ｄ，第５分散室５ｅ）内にそれぞれ被分散物を供給するためのものであり、図３または図４に示すように、ケーシング８の上方（図中右上）にケーシング８を貫通する貫通穴として設けられている。

他方、排出口７は、分散室５（第１分散室５ａ，第２分散室５ｂ，第３分散室５ｃ，第４分散室５ｄ，第５分散室５ｅ）内の被分散物を排出するためのものであり、この実施例では、図３または図４に示すように、ケーシング８の上方（図中左上）にケーシング８を貫通する貫通穴として設けられている。

そして、複数の分散室５（第１分散室５ａ，第２分散室５ｂ，第３分散室５ｃ，第４分散室５ｄ，第５分散室５ｅ：この実施例の粉体液体分散装置１では５つの分散室）は、図８に示すように、上流側の排出口７と下流側次段の供給口６とが連結されて、上流側の分散室５と下流側次段の分散室５は連通している。

このように、５つの分散室５（第１分散室５ａ，第２分散室５ｂ，第３分散室５ｃ，第４分散室５ｄ，第５分散室５ｅ）が連通していることにより、被分散物は次段の分散室に順次移行して流通するため、被分散物がより効率的に分散されるよう構成されている。

なお、５つの分散室５（第１分散室５ａ，第２分散室５ｂ，第３分散室５ｃ，第４分散室５ｄ，第５分散室５ｅ）は、図３に示すように、連通管２１により連通している。また、連通管２１の供給口６付近には圧力計２０がそれぞれ設けられ、分散室５（第１分散室５ａ，第２分散室５ｂ，第３分散室５ｃ，第４分散室５ｄ，第５分散室５ｅ）の圧力を計測できるように構成されている。さらに、連通管２１の排出口７付近にはサンプリング抽出用バルブ１９がそれぞれ設けられ、分散室５（第１分散室５ａ，第２分散室５ｂ，第３分散室５ｃ，第４分散室５ｄ，第５分散室５ｅ）の被分散物を、このサンプリング抽出用バルブ１９から抽出して分析し、ローター軸２の回転数を変更することで、分散作用の進行具合を調整することができるように構成されている。

以上のように、この実施例の粉体液体分散装置では、第１に、ローター３の回転により分散室５にスラリー流が発生し、そのせん断力によって生じる衝撃でスラリー（被分散物）に分散作用が生じる。また、ローター３の外面（外周面）には凹凸部１３が設けられ、ステーター４の内面（内周面）にも凹凸部１４が設けられることにより、スラリーをより効率的に分散できる。

第２に、分散室５（第１分散室５ａ，第２分散室５ｂ，第３分散室５ｃ，第４分散室５ｄ，第５分散室５ｅ）が連通し、ローター軸２の軸心方向に沿って連設されていることで、被分散物が次段の分散室に順次移行して流通するため、より効率的にスラリーを分散させることができる。

第３に、ステーター４（第１ステーター４ａ，第２ステーター４ｂ，第３ステーター４ｃ，第４ステーター４ｄ，第５ステーター４ｅ）は、ステーター４の内面（内周面）のうち、供給口６と排出口７との間に位置した部位に、ローターの外面（外周面）との間に微小なギャップ（Ｇ）を形成するための凸起部１５を有しているため、排出口７側の高圧領域（Ｈ）に存在する被分散物（スラリー）の一部が微小なギャップ（Ｇ）を通過して供給口６側の低圧領域（Ｌ）に戻る際に分散作用が促進されて、スラリーがより効率的に分散されるように構成されている。

１粉体液体分散装置
２ローター軸
３ローター
３ａ第１ローター
３ｂ第２ローター
３ｃ第３ローター
３ｄ第４ローター
３ｅ第５ローター
４ステーター
４ａ第１ステーター
４ｂ第２ステーター
４ｃ第３ステーター
４ｄ第４ステーター
４ｅ第５ステーター
５分散室
５ａ第１分散室
５ｂ第２分散室
５ｃ第３分散室
５ｄ第４分散室
５ｅ第５分散室
６供給口
７排出口
８ケーシング
９ａ，９ｂ軸封シール
１０ａ，１０ｂ軸受部
１１カップリング
１２モーター
１３凹凸部
１４凹凸部
１５凸起部
１６パッキン
１７供給口用穴
１８排出口用穴
１９サンプリング抽出用バルブ
２０圧力計
２１連通管

Claims

ローター軸に設けられたセラミックス製または合金製のローターと、該ローターの周囲に設けられたセラミックス製または合金製のステーターと、前記ローターと前記ステーターにて区画された分散室と、該分散室内に被分散物を供給するための供給口と、前記分散室内の被分散物を排出するための排出口とを有し、
前記分散室は前記ローター軸の軸心方向に沿って複数設けられ、複数の前記分散室は、上流側の前記排出口と下流側次段の前記供給口とが連結されて上流側の前記分散室と下流側次段の前記分散室は連通し、
前記ステーターの内面のうち、前記供給口と前記排出口との間に位置した部位には、前記ローターの外面との間に、前記排出口側の領域を前記供給口側の領域に比して高圧領域とする微小なギャップを形成するための凸起部が設けられ、
前記排出口側の高圧領域に存在する被分散物の一部が前記微小なギャップを通過して前記供給口側の低圧領域に戻るように構成されていることを特徴とする粉体液体分散装置。
前記ローターの外面には凹凸部が形成されている請求項１に記載の粉体液体分散装置。
前記前記ステーターの内面には凹凸部が形成されている請求項１または２に記載の粉体液体分散装置。
前記排出口付近にはサンプリング抽出用バルブが設けられている請求項１ないし３のいずれかに記載の粉体液体分散装置。