JPH0910621A - 超−高エネルギー極低温衝撃システム - Google Patents

超−高エネルギー極低温衝撃システム

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JPH0910621A
JPH0910621A JP8186967A JP18696796A JPH0910621A JP H0910621 A JPH0910621 A JP H0910621A JP 8186967 A JP8186967 A JP 8186967A JP 18696796 A JP18696796 A JP 18696796A JP H0910621 A JPH0910621 A JP H0910621A
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high energy
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ultra
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JP8186967A
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Frederic Neal Steigman
フレデリック・ニール・ステイグマン
Rudolph H Kohler
ルドルフ・ヒューゴー・コーラー
Robert B Davies
ロバート・ブルース・デイビス
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Praxair Technology Inc
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 改質された気体雰囲気下で摩砕ステーション
が運転されてなる超−高エネルギー衝撃システムを提供
すること。 【解決手段】 冷却ステーション3で被摩砕材料が約−
40°Fから約−450°F(約−40℃から約−26
8℃)の範囲内の極低温温度、好ましくは−320°F
(約−196℃)に冷却されて材料の脆性と破壊しやす
さとが増大され、摩砕ステーション4が、例えば連続運
転される真空ポンプにより維持される真空のような減圧
雰囲気下で運転される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、平削り作業が低い
温度で且つ改質された気体雰囲気下で実施されてなる超
−高エネルギー極低温衝撃システム及び超−高エネルギ
ー極低温衝撃方法に関する。詳しくは、本発明は、平削
り作業が変性の気体雰囲気下に極低温で実施されてなる
超−高エネルギー極低温衝撃システム及び超−高エネル
ギー極低温衝撃方法に関する。
【0002】
【従来の技術】埋め立て処分場の不足で、今までは埋め
立て処分場に廃棄していた物質をリサイクルすることが
次第に望まれるようになって来た。例えば、ゴムタイヤ
や多くのプラスチック製品は今やリサイクルされ、多い
に再利用されている。そうした再利用には、回収したゴ
ム或はプラスチックを摩砕し、摩砕したゴム或はプラス
チック片を道路舗装用の材料と混合することが含まれ
る。実際、現在の米国の州法は、州道には摩砕したタイ
ヤゴムを使用することを要求している。極低温摩砕を含
む従来の摩砕作業では、ローターを使用して材料をその
微小クラック或は断層部に沿って破砕するために必要な
速度エネルギー或は衝撃エネルギーを提供させている。
例えば、ゴムタイヤ粒子は典型的な極低温ハンマーミル
内で摩砕され、その全てが30U.S.メッシュ未満で
あり且つその40%が80U.S.メッシュ未満である
摩砕ゴム片となる。粒子寸法をもっと小さくするには、
通常、ミル内でのローター速度を増大させ、ゴム粒子に
与える衝撃エネルギーを大きくする必要があるが、従
来、材料寸法を30U.S.メッシュよりも小さくしよ
うとするとスループット(即ちミルを通る材料の毎時ポ
ンド量)が低下し、タイヤゴムの温度を極低温水準にま
で下げるための冷媒消費量は著しく増大する。
【0003】加えて、そうしたメッシュ寸法では、粒子
に破壊部位を提供し、比較的小さい衝撃速度(毎秒約4
00フィート(“約400FPS”(毎秒約120m)
未満)で粒子を脆性破壊させる粒子の転移(dislo
cations)がしばしば不足する。斯くして、脆性
破壊のメカニズムを通して粒子寸法を更に減少させる
と、もっと高い衝撃速度を生み出すためにはローター速
度を上げる必要がある。しかし、ローターの回転速度は
ローター構成材料やローター自体の幾何学的形状或は設
計形状からくる限界により拘束される。例えば、600
FPSから800FPS(毎秒約180mから約240
m)に迫る速度では、従来のローターは破損し、ロータ
ーとの接続部に使用するベアリングやシールも破壊され
る。ローター速度が著しく上昇すると風損或は抗力も増
大し、運転効率も悪化する。詳しく言うと、風損が増大
すると摩砕のために入手し得る動力が減少する。例え
ば、ローター先端速度が約600FPS(毎秒約180
m)であるミルの運転動力の約85%から90%がこの
風損により消耗される。
【0004】そうしたミルでの運転中に生じる抗力や摩
擦は、ローター温度と、摩砕される材料の温度とが昇す
る原因ともなる。このような温度上昇は摩砕効率と、摩
砕材料の団結性に悪影響を及ぼす。一般的に、ローター
直径の大きな電動高速回転装置では、空気摩擦による非
効率性は、水素雰囲気中で運転を行うことにより約85
%から93%小さくなることが知られている。
【0005】米国特許第4,645,131号には、真
空を使用して金属粉末の抗力を減少させる粉末ミルが記
載される。この粉末ミルは、−100°F(約−73
℃)といった低温に冷却した金属粉末を20μm(62
5U.S.メッシュ)未満の寸法の粒子とするものであ
る。ここでは真空は、前記寸法の金属粉末粒子は小質量
であるが故に周囲条件下で創出される抗力により浮遊す
るので、摩砕した金属粉末の抗力を減少させ、摩砕作業
との干渉を最小化させるために使用されたと記載されて
いる。加えて、真空は金属の酸化問題に対処したもので
もある。金属酸化は大気圧条件下で発生し、粒子寸法が
減少するに従い、また粒子表面積が増大するに従い)顕
著になって行く。
【0006】感熱性材料のために開発された1つの既知
のミルとしては、ニュージャージー州のHosokaw
a Micron、Summit社の市販するVict
ory Millがある。このミルは衝撃微粉砕のため
のものであって、粗寸法の感熱性材料(例えば熱可塑性
プラスチック)を中寸法に小さくするための設計とされ
ており、また、冷媒を使用せずに(とはいえ空気冷却は
使用するが)通常の周囲条件下に使用するようにもなっ
ている。このミルのローターは摩砕される材料どうしの
摩擦を減少させる設計とされているが、音速に迫る速度
で回転するようにはなっていない。
【0007】従来、粒子寸法を特定のメッシュ寸法より
も小さくしたい場合、ミルを出る材料をほぼ所望のメッ
シュ寸法を有するスクリーン或は篩に通すことによりそ
れらのスクリーン或は篩のメッシュ寸法よりも粒子寸法
の小さい材料を得、次いで、残りの材料(即ち、スクリ
ーン或は篩を通過しなかった材料)をミルの送給材料中
に再循環させ、或は別のミルに送って更に減寸させる。
前記の如きミルへの際循環によりミルの運転は、より微
細な(即ちより小さい寸法の粒子)材料がもっと大きな
寸法の粒子材料の摩砕に干渉する傾向を有する限りに於
て非効率化する。加えて、別のミルを使用し、脆性破壊
とは異なる一次メカニズムにより粒子寸法を更に減少さ
せると摩砕材料のスループットが減少し、その結果、同
一程度の粒子減寸運転を維持するための経費(即ち電力
消費量)が増大する。粒子を減寸させるために一般に行
われる別の方法は湿式摩砕である。湿式摩砕では、水平
鋸歯付きの砥石車と水とが、摩砕運転中に創出される熱
を消散させる。しかしながら、そうした湿式摩砕技法で
は摩砕製品から水分を除去する必要があり、これが、湿
式摩砕技法の効率を明らかに減じている。従って、以上
に述べたような非効率化を生じることなく材料を摩砕
し、微細な寸法の粒子(例えば約80U.S.メッシュ
(例えば約177μmよりも小さい))とするための衝
撃システムに対する需要がある。改質された気体雰囲気
下で材料を摩砕する、風損や摩擦の小さいシステムが所
望される。高い先端速度で運転され、低い温度条件、特
には極低温条件下での被摩砕材料の脆性を増長させるよ
うなシステムも所望される。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】改質された気体雰囲気
下で摩砕ステーションが運転されてなる超−高エネルギ
ー衝撃システムを提供することであり、摩砕に先立ち被
摩砕材料を、好ましくは極低温温度に冷却する超−高エ
ネルギー衝撃システムを提供することであり、材料を摩
砕に先立ち冷却し、冷却された材料を改質された気体雰
囲気下で摩砕することにより材料の粒子寸法を減寸する
ための方法を提供することである。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明は、材料の粒子寸
法を約40μmもの小ささに、好ましくは約125μm
から約250μmの範囲内の平均直径に減寸させるため
の超−高エネルギー衝撃システムに関する。本システム
は、材料を約−40°Fから約−450°F(約−40
℃から約−268℃)の範囲内の温度、好ましくは−1
10°Fから約−350°F(約−78℃から−約21
2℃)の温度範囲に冷却する冷却ステーションと、冷却
した材料の粒子寸法を減寸させるための摩砕ステーショ
ンにして、先端速度で約600FPSから約1500F
PS(毎秒約180mから約450m)の範囲内、好ま
しくは少なくとも950FPS(毎秒約285m)で回
転するローターを含み、前記冷却ステーションの下流側
と流体連通する摩砕ステーションと、この摩砕ステーシ
ョン内の気体雰囲気を改質するための雰囲気改質体とを
含んでいる。
【0010】本発明は材料を摩砕してその粒子寸法を約
40μmもの小ささ、好ましくは約125μmから約2
50μmの範囲内の平均直径に減寸させるための方法に
も関する。本方法には、材料を約−40°Fから約−4
50°F(約−40℃から約−268℃)の範囲内の温
度、好ましくは−110°Fから約−350°F(約−
78℃から約−212℃)の温度範囲に冷却すること、
冷却した材料を摩砕ステーションに移送すること、そし
て、改質された気体雰囲気下で、先端速度で約600F
PSから約1500FPS(毎秒約180mから約45
0m)の範囲内、好ましくは少なくとも950FPS
(毎秒約285m)で回転するローターを使用して材料
を摩砕することが含まれる。被摩砕材料は好ましくはゴ
ム粒子或は熱可塑性プラスチック粒子であり、冷却ステ
ーションがこれらの材料の温度を約−320°F(約−
196℃)の温度に冷却する。摩砕ステーション内の雰
囲気は水銀柱で約20インチから29.9インチ(約5
1cmから約76cm)の範囲内の低圧とされ、或は軽
質ガス、例えば水素或はヘリウムを含んでいる。
【0011】
【発明の実施の形態】本発明の超−高エネルギー衝撃シ
ステムは経済的且つ効率的な様式で材料を摩砕する。詳
しく説明すると、本発明の超−高エネルギー衝撃システ
ムは材料を摩砕してその粒子寸法を約40μmもの小さ
さ、好ましくは約125μmから約250μmの範囲内
の平均直径、もっと好ましくは約177μmの平均直径
の粒子に、低い温度で且つ改質された気体雰囲気下に於
て減寸させる。摩砕ステーションは好ましくは極低温の
温度条件(例えば、冷却された被摩砕材料により提供さ
れるような)下で、しかも減圧雰囲気下で運転される。
本システム並びにその運転を以下に詳しく説明する。
【0012】図面を参照して説明するに、被摩砕材料が
ホッパ2に配置されている。被摩砕材料として好適な材
料には、これに限定するものではないが、金属(例えば
チタン、亜鉛その他)、プラスチック(例えばポリカー
ボネート、ポリアクリレート、ポリエチレン、ポリプロ
ピレンその他の如き熱可塑性プラスチック、或はエポキ
シのような熱硬化性プラスチック)、エラストマー(例
えばゴム)、化学物質(例えば重クロム酸ナトリウム、
二酸化マンガンその他)、食品(例えばナッツ、乾燥果
物、柑橘類の表皮、チーズ、砂糖その他)、食品関連製
品(例えば薬味)、雑品(例えば動物の軟骨や臓器)そ
の他がある。特定例にはタイヤゴム、熱可塑性プラスチ
ック、熱硬化性プラスチック及び薬味が含まれる。被摩
砕材料として好ましい2つの例は、4U.S.メッシュ
よりも小さいタイヤゴム片と、1/8インチ(約0.3
cm)のポリエチレン或はポリプロピレンペレットであ
る。
【0013】送給材料の実質的に一定の質量流れ(例え
ば±2%)を提供することの出来る、別体の、例えば精
密型のフィーダーをホッパ2として使用することが出来
る。ホッパ2は、被摩砕材料を一時的に収納し、冷却ス
テーション3への、そして最終的には摩砕ステーション
4への供給量を制御する。この供給量は、冷却ステーシ
ョン3に入る材料の重量から判断される材料量である。
供給量はシステムを通して実質的に一定に維持され、適
正量の材料が冷却ステーション3に送り込まれ、冷却ス
テーション3で十分に冷却された後に摩砕ステーション
4に入り、効率的に減寸されるように制御される。実際
にはこの供給量は、摩砕ステーション4により引出され
る馬力を観察することにより確立され得る。
【0014】ホッパ2を出た材料は従来の送給技術(例
えば、ねじ式コベヤフィーダの如き)により冷却ステー
ション3に送られそこで冷却される。冷却ステーション
3では被摩砕材料の温度が低下されて材料の脆性と破壊
しやすさとが増大される。冷却ステーション3での被摩
砕材料の冷却温度は、この被摩砕材料の脆化或はガラス
点移転温度以下とすべきである。例えば、特定の脆性材
料(例えば多くの熱硬化性プラスチック、例えばエポキ
シ)を使用する場合は、この脆性材料の温度を空気冷
却、例えばエアチラーを使用して周囲温度よりも若干低
い温度に冷却すれば十分であろう。その他の材料(例え
ばゴム或は熱可塑性プラスチック)を使用する場合に
は、それら材料の温度を極低温水準の温度に低下させる
のが望ましくなる。
【0015】好ましいモードに於て、冷却ステーション
3は極低温冷却ステーションであり、この冷却ステーシ
ョン3で被摩砕材料は約−40°Fから約−450°F
(約−40℃から約−268℃)の範囲内の極低温温
度、好ましくは−320°F(約−196℃)に冷却さ
れる。通常、液化ガス、例えば液体窒素、液体ヘリウ
ム。液体酸素、液体アルゴン或は液体二酸化炭素がそう
した範囲内に温度を低下させる。固体二酸化炭素(ドラ
イアイスとも称する)を使用することも出来る。液化ガ
スとして好ましいのは、その温度が−320°F(約−
196℃)もの低さに達する液体窒素である。
【0016】冷却ステーション3に於て、被摩砕材料は
向流式熱交換器或は並流式熱交換器を通し、従来の極低
温摩砕運転に於て行われるように、例えば液体窒素のよ
うな冷却材或は冷媒によって直接的に冷却され得る。次
いで、冷却された材料は例えば重力によって、ガス漏れ
の無い回転フィードロック5その他好適なガスシール装
置を通して摩砕ステーション4に送られる。冷却ステー
ション3は通気孔6を有し、この通気孔6から使用済み
の冷媒(例えば空気或は気化ガス、例えば気化された窒
素ガス、気化されたヘリウムガス或は気化されたアルゴ
ンガス)がガス抜きされる。安全上、ガス抜きされたガ
スはこれを収集し、作業領域から除去すべきである。
【0017】ガス漏れの無い回転フィードロック(5及
び7)は、周囲空気から絶縁され且つ周囲雰囲気から摩
砕ステーション4をシールしそれにより、冷却された材
料が回転フィードロックに流入出来るように(そして摩
砕後は排出されるように)するが、しかし真空の損失或
は軽質ガスの逃出を防止し且つ周囲空気がそこに流入す
ることを防止する。周囲空気からの絶縁は重要である。
なぜなら、被摩砕材料が冷却ステーション3から冷媒を
摩砕ステーション4に運び込むからである。本発明で
は、改質された気体雰囲気下で摩砕を実行することか
ら、摩砕ステーション4では追加の冷媒を供給する必要
がない。被摩砕材料が摩砕ステーション4に滞留する時
間は限定的であることから、摩砕ステーション4に入る
前の材料を冷却ステーション3で効率的に冷却するのが
有益である。そして、先に言及したように、材料のそう
した前冷却は、冷媒との直接接触を介して達成すること
が可能である。この冷媒との直接接触は、仮に冷媒が、
例えばシステムの各ステーションのハウジングを通して
個別に提供される場合に生じ得る冷媒の損失を最小化す
る。
【0018】先に述べたように、システムの摩砕ステー
ション4もまた改質された気体雰囲気下で運転される。
この改質された気体雰囲気は、例えば、連続運転される
真空ポンプ(図示せず)により維持される真空のような
減圧雰囲気であるのが好ましい。真空ポンプは、摩砕ス
テーション内の圧力を、水銀柱で実質的に約15インチ
から約29.9インチ(約38cmから約76cm)の
範囲内、好ましくは約20インチから約28インチ(約
51cmから約71cm)の範囲内に減圧させるべきで
ある。
【0019】或はまた、摩砕ステーション4の改質され
た気体雰囲気は軽質ガス雰囲気とすることも出来る。本
発明を実施するために好適な軽質ガスは水素或はヘリウ
ムである。軽質ガスは、先ず、摩砕ステーション4を真
空ポンプ(図示せず)を使用して曝気し、次いでこの摩
砕ステーション4に好適な供給源から軽質ガスを充填す
ることにより導入される。例えば、真空ポンプが水銀柱
で約28インチ(約71cm)の真空を吸引し、摩砕ス
テーションを曝気する。適宜の弁を使用することによ
り、真空が破れて摩砕ステーションに周囲空気が入り込
まないようにし、次いで軽質ガスを摩砕ステーションに
導入する。或はまた、摩砕ステーション4内の雰囲気空
気を、この雰囲気空気を排斥するに十分な若干の圧力
(例えば水柱での5インチ(約12.5cm)下で軽質
ガスを導入することにより排斥しても良い。しかしなが
ら、軽質ガス雰囲気中での風損の減少は、減圧雰囲気中
でのそれ程には際立ったものとならない。
【0020】摩砕ステーション4内部にはローター(図
示せず)が配置される。ローターは、これに限定するも
のではないが、ステンレス鋼、ニッケル鋼、チタン(特
に対質量強度比の大きいものが望ましい)、その他、極
低温用途に好適な既知の合金から注型、加工、溶接、ミ
ル加工或はミル形成したもので良い。ローターは、風損
を最小化する空力的幾何寸法を有するのが好ましい。ハ
ンマー或は衝撃面を支持するローターハブは円盤或はフ
ライホイール形状を有し、風損を最小化する流線形状を
有している。運転に際し、ローターは材料を破壊するに
十分な衝撃エネルギーを材料に提供するための十分な力
で材料と接触する。例えば、ローターはその先端速度が
約600FPSから1500FPS(毎秒約180mか
ら約450m)の範囲内で、好ましくは音速に迫る先端
速度(例えば約950FPS(毎秒約285m))で運
転される。
【0021】ローターは摩砕ステーション4内の材料を
粉砕或は破壊する。次いで、粉砕され或は破壊された材
料は、摩砕ステーション4内の保持用のスクリーン或は
長孔付きの排出プレート(図示せず)を通過して摩砕ス
テーションを出る。スクリーンは従来デザインのもので
良く或は用途に応じて注文形状のものとして良い。保持
用のスクリーン或は排出プレートもまた、摩砕ステーシ
ョン4内での材料の滞留時間を長くしそれにより、材料
がローターと接触して所望の粒子寸法に減寸される機会
を増大させる。減寸された材料は次いで、例えば重力下
にガス漏れの無い別の回転エアロック7を通り、大気圧
下の収集チャンバ(図示せず)に収集される。
【0022】好ましいモードに於て、タイヤゴムの粒子
(約4U.S.メッシュよりも小さい粒子寸法を有す
る)が冷却ステーションで、液体窒素を冷却材として使
用することにより約−40°F(約−40℃)以下の温
度、好ましくはもっと低い(例えば約−320°F(約
−196℃)温度に冷却される。冷却されたタイヤゴム
の粒子は摩砕ステーションに移送される。摩砕ステーシ
ョンは、雰囲気が減圧雰囲気(例えば水銀柱で28イン
チ(約71cm))に改質されている。摩砕ステーショ
ン内ではローターが先端速度が1500FPS(毎秒約
450m)もの速度で運転され、これが冷却されたタイ
ヤゴム粒子と接触することによりタイヤゴム粒子の寸法
を、平均寸法で好ましくは約125μmから約350μ
m、最も好ましくは約177μmに減寸する。以上本発
明を具体例を参照して説明したが、本発明の内で多くの
変更を成し得ることを理解されたい。
【0023】
【発明の効果】摩砕ステーションが改質された気体雰囲
気下で運転されてなる超−高エネルギー衝撃システムが
提供され、摩砕に先立ち被摩砕材料を、好ましくは極低
温温度に冷却する超−高エネルギー衝撃システムが提供
され、材料を摩砕に先立ち冷却し、冷却された材料を改
質された気体雰囲気下で摩砕することにより材料の粒子
寸法を減寸するための方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に従う超−高エネルギー衝撃システムの
概略ダイヤグラム図である。
【符号の説明】 2 ホッパ 3 冷却ステーション 4 摩砕ステーション 6 通気孔 5、7 ガス漏れの無い回転フィードロック
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロバート・ブルース・デイビス アメリカ合衆国ニューヨーク州ナイアク、 ルート9ダブリュー837

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 材料の粒子寸法を約40μmもの小さい
    平均直径に減寸するための超−高エネルギー衝撃システ
    ムであって、 (a)材料の温度を約−40°Fから約−450°F
    (約−40℃から約−268℃)の範囲内の温度に冷却
    するための冷却ステーションと、 (b)冷却された材料の粒子寸法を減少させるための摩
    砕ステーションにして、先端速度が毎秒約600フィー
    トから約1500フィート(毎秒約180mから約45
    0m)の速度範囲内で運転されるローターを含む摩砕ス
    テーションと、 (c)摩砕ステーション内の気体雰囲気を改質するため
    の雰囲気改質体と、 を含んでなる超−高エネルギー衝撃システム。
  2. 【請求項2】 冷却ステーションが材料温度を約−32
    0°F(約−196℃)に冷却する請求項1の超−高エ
    ネルギー衝撃システム。
  3. 【請求項3】 雰囲気改質体が、摩砕ステーション内の
    圧力を、水銀柱で約20インチから約29.9インチ
    (約51cmから約76cm)の範囲内の圧力に減圧す
    る請求項1の超−高エネルギー衝撃システム。
  4. 【請求項4】 雰囲気改質体が、摩砕ステーションをし
    て軽質ガス雰囲気を有するものと為し、前記軽質ガス
    が、水素、ヘリウム及びこれらの混合物から成る群から
    選択される請求項1の超−高エネルギー衝撃システム。
  5. 【請求項5】 材料が、タイヤゴム、熱可塑性プラスチ
    ック、熱硬化性プラスチック及びそれらの組み合わせか
    らなる群から選択される請求項1の超−高エネルギー衝
    撃システム。
  6. 【請求項6】 材料の粒子寸法を約40μmもの小さい
    平均直径に減寸するための方法であって、 (a)材料の温度を約−40°Fから約−450°F
    (約−40℃から約−268℃)の範囲内の温度に冷却
    すること、 (b)先端速度が毎秒約600フィートから約1500
    フィート(毎秒約180mから約450m)の速度範囲
    内で運転されるローターを使用する改質された気体雰囲
    気中で冷却された材料を摩砕すること、 を含んでなる、材料の粒子寸法を約40μmもの小さい
    平均直径に減寸するための方法。
  7. 【請求項7】 改質された気体雰囲気が、水銀柱で約2
    0インチから約29.9インチ(約51cmから約76
    cm)の範囲内の減圧雰囲気である請求項6に記載の、
    材料の粒子寸法を約40μmもの小さい平均直径に減寸
    するための方法。
  8. 【請求項8】 改質された気体雰囲気が軽質ガス雰囲気
    である請求項6に記載の、材料の粒子寸法を約40μm
    もの小さい平均直径に減寸するための方法。
  9. 【請求項9】 軽質ガスが、水素、ヘリウム及びそれら
    の混合物から成る群から選択される請求項8に記載の、
    材料の粒子寸法を約40μmもの小さい平均直径に減寸
    するための方法。
  10. 【請求項10】 材料の粒子寸法を約40μmもの小さ
    い平均直径に減寸するための方法であって、 (a)材料の温度を約−320°F(約−196℃)に
    冷却すること、 (b)冷却された材料を、水銀柱で約28インチ(約7
    1cm)の真空下で、先端速度が少なくとも毎秒950
    フィート(約285m)で運転されるローターを使用し
    て摩砕すること、 を含む、材料の粒子寸法を約40μmもの小さい平均直
    径に減寸するための方法。
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