JP6709623B2 - Powder reactor - Google Patents
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本発明は、ガイドベーンを内部に備え、媒体ボールと粉体を収納した処理容器の高速回転により、粉体を微粒子化する粉体反応装置に関する。 The present invention relates to a powder reactor in which a guide vane is provided inside and a processing container containing a medium ball and powder is rotated at a high speed to convert the powder into fine particles.
ガイドベーンを内部に備え、媒体ボールと粉体を収納した処理容器の高速回転により、粉体を微粒子化する粉体反応装置が開発されている(例えば、特許文献1および2)。
A powder reaction apparatus has been developed which has a guide vane inside and rotates a processing container containing a medium ball and powder at high speed to make the powder into fine particles (for example,
このタイプの粉体反応装置はコンバージミルと呼ばれており、コンバージミルは、図3に示されるように、円筒形状の処理容器1の内壁との間にクリアランス16をあけて空間に固定したガイドベーン3を備えている。そして、処理容器1の内部に粉体21と媒体ボール23を一緒に収納して処理容器1を高速回転させると、クリアランス16を通過した粉体21が処理容器1の内壁に遠心力により付着して粉体層22を形成し、媒体ボール23と粉体21の一部がガイドベーン3によって運動方向を変えられ、衝突部24に向かって壁の粉体層22に激突して粉体を微粒子化する。
This type of powder reactor is called a converge mill, and as shown in FIG. 3, the converge reactor is a guide fixed to a space with a
このコンバージミルにおいては、処理容器1の回転数と処理時間を変化させることにより、粒度の異なる微粉体(微粒子)を得ることができる。
In this converge mill, fine powder (fine particles) having different particle sizes can be obtained by changing the number of rotations of the
このような原理ないし作用により粉体を微粒子化するコンバージミルは、処理容器の高速回転により与えられた媒体ボールの大きな運動エネルギーを、粉体に衝突エネルギーとして集中的かつ効率的に与えることができ、また媒体ボールと処理容器内壁との接触が少ないため摩耗による不純物の発生が少ないなど、他の反応機にはない大きな特徴を有している。 The Converge Mill, which atomizes the powder by such a principle or action, can apply the large kinetic energy of the medium ball given by the high-speed rotation of the processing container to the powder in a concentrated and efficient manner as collision energy. In addition, since the contact between the medium ball and the inner wall of the processing container is small, the generation of impurities due to abrasion is small, which is a major feature not found in other reactors.
このため、コンバージミルは、微粒子を製造することのみではなく、同種または異種の材料(粉体)の混合分散などの各種の反応(例えば、メカニカルミリング法(MM法)やメカニカルアロイング法(MA法)などの)への適用が期待されている。 For this reason, the Converge Mill not only produces fine particles, but also various reactions such as mixed dispersion of the same or different materials (powder) (for example, mechanical milling method (MM method) or mechanical alloying method (MA)). It is expected to be applied to))).
ここで、MM法やMA法を行う場合には、製造中の微粒子は活性化するため、製品を不所望(目的外)に変質させる化学反応(例えば、不所望な酸化反応や窒化反応)が実質的に起こらないようにする必要がある。そのため、処理容器内に不活性ガスを封入し、または高真空にして微粒子化する必要があり、処理容器内部を気密構造にして不活性ガスの吸排気系を設けて吸排気制御を行ったり、処理容器内部を高真空になるまで排気して微粒子化を行う必要がある。 Here, when the MM method or the MA method is performed, since the fine particles during production are activated, a chemical reaction (for example, an undesired oxidation reaction or nitriding reaction) that undesirably changes the quality of the product (unintended purpose) occurs. It needs to be virtually non-existent. Therefore, it is necessary to enclose an inert gas in the processing container or to make it into a fine particle by high vacuum, and to control the intake and exhaust by providing an intake and exhaust system of the inert gas with an airtight structure inside the processing container, It is necessary to evacuate the inside of the processing container until it becomes a high vacuum and atomize it.
また微粉末を取り扱うため粉じん爆発の危険性を排除するために、容器内部の酸素濃度を低く維持することが必要である。 Also, since fine powder is handled, it is necessary to keep the oxygen concentration inside the container low in order to eliminate the risk of dust explosion.
しかし、合金等の製造を工業的に実現するためには、処理容器が大型化し、かつ処理容器内部に収納する媒体ボールや粉体も大量となるため、微粒子化に伴い発生する熱量が大きくなり、処理容器内部の圧力が高くなる。このため、気密シール機構、特に、高速回転する処理容器に対する固定軸の貫通部は、高速回転する処理容器との回転に対する軸封シールであることから、処理容器の気密の確保が困難となるなどの問題があった。 However, in order to industrially manufacture alloys and the like, the processing container becomes large, and the amount of the media balls and powders stored in the processing container also becomes large, so the amount of heat generated due to atomization increases. The pressure inside the processing container becomes high. Therefore, since the airtight sealing mechanism, in particular, the penetrating portion of the fixed shaft with respect to the processing container rotating at high speed is a shaft sealing seal against rotation with the processing container rotating at high speed, it becomes difficult to ensure the airtightness of the processing container. There was a problem.
本発明は、従来技術の前記問題点に鑑みなされたものであって、微粒子製品の製造において、処理容器内部の不活性雰囲気を確保して、高い安全性の下で、不所望(目的外)の変質が実質的に無い微粒子製品を製造できる粉体反応装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems of the prior art, and in the production of a fine particle product, an inert atmosphere inside the processing container is ensured, and under high safety, it is undesired (not intended). It is an object of the present invention to provide a powder reaction apparatus capable of producing a fine particle product that is substantially free from alteration.
前記課題を解決するために、本発明の第1の態様は、中心軸線周りに回転可能な処理容器と、前記中心軸線に沿って前記処理容器の内部に挿通された固定軸と、前記固定軸に取り付けられたガイドベーンと、を備え、前記処理容器の内部に媒体ボールと粉体とを収納し、前記処理容器を回転させることにより前記粉体を微粒化するように構成された粉体反応装置であって、前記処理容器の内部に不活性ガスを導入するためのガス導入流路と、前記処理容器の内部のガスを排出するための排気流路と、をさらに備え、前記粉体を微粒子化する処理の際に、前記ガス導入流路を介して前記不活性ガスを前記処理容器の内部に導入するとともに、前記処理容器の内部のガスを排出することにより、前記処理容器の内部を常圧の不活性ガスの雰囲気とするように構成されている、ことを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problems, a first aspect of the present invention relates to a processing container rotatable around a central axis, a fixed shaft inserted into the inside of the processing container along the central axis, and the fixed shaft. And a guide vane attached to the processing container, the medium ball and the powder are stored inside the processing container, and the powder reaction is configured to atomize the powder by rotating the processing container. The apparatus further comprises a gas introduction flow path for introducing an inert gas into the processing container, and an exhaust flow path for discharging gas inside the processing container, wherein the powder is During the process of making into fine particles, while introducing the inert gas into the inside of the processing container through the gas introduction flow path, by discharging the gas inside the processing container, the inside of the processing container It is characterized in that the atmosphere is an inert gas atmosphere at normal pressure.
本発明の第2の態様は、第1の態様において、前記ガス導入流路および前記排気流路が、前記固定軸に形成されている、ことを特徴とする。 A second aspect of the present invention is characterized in that, in the first aspect, the gas introduction passage and the exhaust passage are formed in the fixed shaft.
本発明の第3の態様は、第1または第2の態様において、前記排気流路を含む排気系に酸素濃度計が設けられている、ことを特徴とする。 A third aspect of the present invention is characterized in that, in the first or second aspect, an oxygen concentration meter is provided in an exhaust system including the exhaust passage.
本発明の第4の態様は、第1乃至第3のいずれかの態様において、前記排気流路を含む排気系に集塵機が設けられている、ことを特徴とする。 A fourth aspect of the present invention is characterized in that, in any of the first to third aspects, a dust collector is provided in an exhaust system including the exhaust passage.
本発明の第5の態様は、第1乃至第4のいずれかの態様において、前記排気流路を含む排気系に排風機および/またはチムニーが設けられている、ことを特徴とする。 A fifth aspect of the present invention is characterized in that, in any of the first to fourth aspects, an exhaust system including the exhaust flow passage is provided with an exhaust fan and/or a chimney.
本発明によれば、微粒子製品の製造において、処理容器内部の不活性雰囲気を確保して、高い安全性の下で、不所望(目的外)の変質が実質的に無い微粒子製品を製造できる粉体反応装置を提供することができる。 According to the present invention, in the production of a fine particle product, a powder capable of producing a fine particle product substantially free of undesired (unintended purpose) alterations while ensuring an inert atmosphere inside the processing container under high safety. A body reaction device can be provided.
以下、本発明の一実施形態による粉体反応装置について、図面を参照しつつ説明する。 Hereinafter, a powder reactor according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1に示したように、本実施形態による粉体反応装置は、粉体を収納して微粒子化するための処理容器1を有する反応機15、処理容器1の内部に不活性ガスを供給するための不活性ガス供給系13、処理容器1の内部のガスを排気するための排気系14を備えている。
As shown in FIG. 1, the powder reactor according to the present embodiment supplies a
<反応機15>
反応機15は、中心軸線上の対向する両端部が封鎖された円筒形状の処理容器1、処理容器1の中心軸線上の対向する両端部の一方の端部を貫通して処理容器1の中心軸線に沿って配設された固定軸2、処理容器1の内壁とクリアランス16をあけて支持部4を介して固定軸2に取り付けられたガイドベーン3を備えている。
<
The
固定軸2は、処理容器1の外部に配設された固定軸支持部17により支持固定され、処理容器1の内部に配置された部分で支持部4を介してガイドベーン3を支持している。処理容器1は、外部に配設された電動モータ等(図示省略)によりプーリ機構等の動力伝達機構(図示省略)を介して回転軸5により高速回転される。
The
処理容器1の固定軸2が貫通する部分(貫通部)には、固定軸2と高速回転する処理容器1との摺動を円滑にするための軸受6、および処理容器1内の雰囲気を気密に維持するためのシール部19が配設されている。
A
本実施形態による粉体反応装置は、例えば複数の材料を用いてMA処理を行うことが可能であり、そのような反応を利用して、例えば合金等の製品を製造する場合には、高い安全性を確保し、かつ不所望(目的外)の変質が実質的に無い微粒子製品を回収するために、粉体の微粒子化を不活性ガスの雰囲気中で行うことが好ましい。 The powder reactor according to the present embodiment can perform MA treatment using, for example, a plurality of materials, and when using such a reaction to manufacture a product such as an alloy, high safety is achieved. In order to secure the property and to collect a fine particle product substantially free of undesired (unintended) alteration, it is preferable to make the fine particles of the powder in an atmosphere of an inert gas.
そこで、本実施形態による粉体反応装置は、不活性ガス雰囲気中で粉体の微粒子化を行えるように構成されており、以下、その構造および運転方法について説明する。 Therefore, the powder reactor according to the present embodiment is configured so that the powder can be made into fine particles in an inert gas atmosphere, and the structure and operating method thereof will be described below.
反応機15の運転開始に先立ち、まず処理容器1に具備された点検扉20を開き、媒体ボール及び原料である粉体を収納し、点検扉20を閉める。
Prior to starting the operation of the
次に、不活性ガス供給系13により処理容器1内に不活性ガス、例えば窒素ガスまたはアルゴンガスを導入して、処理容器1内を不活性ガスの雰囲気にする。なお、処理容器1の固定軸2の貫通部の構造等については、後記する。
Next, an inert gas such as nitrogen gas or argon gas is introduced into the
その後、処理容器1を回転させると、図3に示されるように、クリアランス16を通過した粉体21は処理容器1の内壁に遠心力により付着して粉体層22を形成し、媒体ボール23と粉体21の一部はガイドベーン3によって運動方向を変えられ、衝突部24に向かって、回転する処理容器1の内壁の粉体層22に激突して粉体を粉砕する。
After that, when the
なお、クリアランス16は、使用する媒体ボール径に基づいて設定される。また、処理容器1の回転数と処理時間を変化させることにより粒径の異なる微粉体(微粒子)を得ることができる。また、不活性ガス雰囲気において粉体を微粒子化および攪拌混合するので、MA処理により高い安全性の下で、不所望(目的外)の変質が実質的に無い合金等を製造することができる。
The
<処理容器1の固定軸2の貫通部の構造>
図2は、処理容器1における固定軸2の貫通部の部分拡大図であって、処理容器1の不活性ガスのガス導入流路25および排気流路26、並びに処理容器1の固定軸2の貫通部の構造を示す断面図である。
<Structure of Penetration Portion of Fixed
FIG. 2 is a partially enlarged view of a penetrating portion of the
固定軸2の中心部に、処理容器1の内部側の端部から処理容器1の外部側の端部に直線状に貫通して不活性ガスを処理容器1内から外部へ排出させる排気流路26が配設されている。一方、排気流路26の外周側には、円周方向に適当な間隔で数カ所に不活性ガスを処理容器1内へ導入するガス導入流路25が配設されている。
An exhaust passage for linearly penetrating the center of the
不活性ガスの処理容器1へのガス導入流路25および処理容器1からの排気流路26のいずれもが、回転しない固定軸2の内部に形成されているため、ガス導入流路25および排気流路26の配管等の接続部は回転継手等の必要がなく、接続部の気密シールが簡素な構造となっている。
Since both the gas
なお、ガス導入流路25および排気流路26の配置については、前記と逆に、固定軸2の中心部に、処理容器1の外部側の端部から処理容器1の内部側の端部に直線状に貫通して不活性ガスを処理容器1の外部から内部へ導入するガス導入流路25を配設し、ガス導入流路25の外周側に、円周方向に適当な間隔で数カ所に不活性ガスの処理容器1の内部から外部へ排出する排気流路26を配設してもよい。
Regarding the arrangement of the gas
固定軸2の処理容器1の貫通部は、処理容器1の内方側にシール部19、外方側に(回転)軸受6が配設されており、内方側に配設されたシール部19により処理容器1の気密が維持される。
As for the penetrating portion of the fixed
不活性ガスは、不活性ガス供給系13から常圧またはそれに近い正圧および/または所定の流量で処理容器1内に導入され、また処理容器1は、常時大気に開放されている排気系14に接続されている。このような構成により、処理容器1は、その容積がガス導入流路25の流路断面積に比べ非常に大きく、かつ常時大気に開放されているため、不活性ガスが多少高い正圧で処理容器1内に導入されても、処理容器1内に導入された途端の不活性ガスの圧力は常圧となる。
The inert gas is introduced from the inert
このように、処理容器1内部の不活性ガスの圧力が常圧となっているため、シール部19の両側の差圧は小さく、高圧処理容器等に使用する場合のような高圧に対するシール性は必要なく、通常の常圧処理容器に使用する場合と同様なシール機構、例えばオイルシール等のシール材を使用したシール機構で足りる。
As described above, since the pressure of the inert gas inside the
なお、処理容器1の内部空間へ導入する不活性ガスの流量等の所定値は、事前に予備試験等により取得した結果に基づき設定される。
The predetermined value such as the flow rate of the inert gas introduced into the internal space of the
また、シール部19の気密性の劣化により、シール部19から処理容器1内への外気の流入を防止するために、処理容器1内のガス圧が正圧側の常圧であることが好ましい。また、処理容器1内のガス圧力は、排気系14における流動抵抗や吸引力にも依存するところ、処理容器1内の圧力を正圧側に設定することにより、排風機10の消費電力等の軽減に寄与できる可能性がある。
Further, in order to prevent the outside air from flowing into the
また、微粒子化に伴う発熱により処理容器1内の温度が上昇して不活性ガスの圧力が上昇しようとした場合には、排気系14が大気に開放されていることから、処理容器1と外部環境との差圧の増加により、排気系14によるガスの排出流量が連動して増大し、処理容器1内のガス圧の上昇が抑制される。すなわち、本実施形態の構成においては、処理容器1内の圧力を一定に制御するような複雑ないし高度のフィードバック制御系を設けることなく、簡易な構成により、処理容器1内のガス圧の上昇を抑えることができるという特徴を有している。
When the temperature inside the
このように、本実施形態の構成によって、微粒子化に伴う発熱により処理容器1内の温度が上昇しようとする場合であっても、処理容器1内のガス圧を常圧範囲内に抑制できるため、シール部19が、通常の気密シールで足りることは、内部発熱がない場合と同様である。
As described above, with the configuration of the present embodiment, the gas pressure in the
<不活性ガス供給系>
不活性ガス供給系13は不活性ガス供給源7および減圧流量計12を備え、装置の運転中、連続的に不活性ガスを処理容器1内に導入するものである。不活性ガス供給源7は、例えばアルゴンガスや窒素ガスのガスボンベ等である。減圧流量計12は、処理容器1の接続部の直前等の配管に備え、処理容器に導入する不活性ガスのガス圧を設定された圧力に調整するものである。
<Inert gas supply system>
The inert
<排気系>
排気系14は、集塵機9および排風機10をこの順序で配設し、排風機10の排出口を大気に常時開放して、運転中の処理容器1内のガス圧を常圧に維持するものである。
<Exhaust system>
The
集塵機9は処理容器1から排出する不活性ガスに随伴して流出する粉体ないし微粒子を排風機10の上流に配設した集塵機9により回収するものであり、例えばバグフィルタを備えた集塵機9を使用することができる。
The
排風機10は、排気系14における配管や集塵機9内の流動抵抗が大きく、特に、微粒化処理時の発熱による処理容器1内の圧力上昇により処理容器1と外部環境との差圧のみでは処理容器1内のガス圧を常圧に維持できる排出流量を確保できない場合に、強制的に排出流量を確保するように配設したものである。したがって、排気系14における配管や集塵機9内の流動抵抗が小さく、処理容器1と外部環境との差圧により処理容器1内のガス圧を常圧に維持できる場合には、排風機10を省略するか、または運転を休止することができる。
The
なお、排出ガスの流量は、基本的に、不活性ガス供給系13から処理容器1内に導入するガス流量に相当する流量のガスを排出すれば、処理容器1内を常圧に維持することができるため、処理容器1内に導入するガス流量を少量とすることにより排出流量も少量とすることができ、排風機10を運転する場合であってもエネルギー消費が少なくて済む。
The flow rate of the exhaust gas is basically maintained at a normal pressure in the
また、排風機10の排気口27の長さ(高さ)を高くするか、または排気口27にチムニーを配設して、吸引力を増加させることにより、排風機10の消費電力等を軽減させることができる。また、排気系14に必要とされる吸引力に応じて、排風機10の代わりに適当な高さのチムニーを配設してもよい。特に、微粒子化による発熱により処理容器1内のガス温度が上昇した場合には、チムニー効果による吸引力が増加するので、処理容器1内での発熱が大きい場合には、チムニー配設による効果が向上し、チムニーは安価であるとともに消費電力などの維持費用が不要であるので好ましい。
Further, the length (height) of the
また、微粒子化終了後、処理容器1内への不活性ガス供給系13による導入ガス流量を増加するとともに、排風機10による排出ガス流量を増加して、処理容器1内で製造された微粒子を排出ガスにより強制的に集塵機9により回収することができる。
After the atomization, the flow rate of the introduced gas into the
排気系14には、さらに、集塵機9の上流に酸素濃度計8が備えられている。酸素濃度計8の上流側には、フィルタ11が設けられている。このように酸素濃度計8を設けることにより、シール部19のリーク等により処理容器1内に外気が流入したり、または排気系14に逆流が生じた場合など、処理容器1内の不活性ガスの雰囲気の異常を監視することができる。
The
そして、酸素濃度計8により検出された酸素濃度が所定の濃度に達した場合には、運転の停止その他必要な対応をとることができる。なお、異常発生を判断するための所定の酸素濃度として、例えば粉じん爆発の起こらない処理原料の爆発限界酸素濃度を基準としても良い。
When the oxygen concentration detected by the
1 処理容器
2 固定軸
3 ガイドベーン
4 支持部
5 回転軸
6 軸受
7 不活性ガス供給源
8 酸素濃度計
9 集塵機
10 排風機
11 フィルタ
12 減圧流量計
13 不活性ガス供給系
14 排気系
15 反応機
16 クリアランス
17 固定軸支持部
18a、b ボルト
19 シール部
20 点検扉
21 粉体
22 粉体層
23 媒体ボール
24 衝突部
25 ガス導入流路
26 排気流路
27 排気口
1
Claims (5)
前記処理容器の内部に不活性ガスを導入するためのガス導入流路と、
前記処理容器の内部のガスを排出するための排気流路と、をさらに備え、
前記粉体を微粒子化する処理の際に、前記ガス導入流路を介して前記不活性ガスを前記処理容器の内部に導入するとともに、前記処理容器の内部のガスを排出することにより、前記処理容器の内部を常圧の不活性ガスの雰囲気とするように構成されている、粉体反応装置。 A processing container rotatable around a central axis, a fixed shaft inserted through the inside of the processing container along the central axis, and a guide vane attached to the fixed shaft, and inside the processing container. A powder reaction apparatus which is configured to store a medium ball and powder and to atomize the powder by rotating the processing container,
A gas introduction flow path for introducing an inert gas into the inside of the processing container,
Further comprising an exhaust flow path for exhausting gas inside the processing container,
During the process of making the powder into fine particles, while introducing the inert gas into the inside of the processing container through the gas introduction flow path, and discharging the gas inside the processing container, the processing A powder reaction apparatus configured so that the inside of the container is in an atmosphere of an inert gas at normal pressure.
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