JPH10211468A - 球状粒体の製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 液状化した原液を液滴にして落下させること
により製造するようにした球状粒体の製造装置に関し、
落下途中の酸化，急冷，液滴同士の合一等を防止するよ
うにして、均一かつ良質な球状粒体の量産が可能なる製
造装置とする。 【解決手段】 溶融などによって液状化された原液が、
セル室３の底面に穿設されたノズル１６より流出する際
に、振動発信器５からの加振により均一な液滴２２に切
断されて落下し、セル室３の下方に密着して配設された
ガス室７の内部に充満する酸化防止雰囲気中を通り、酸
素に触れることなく液体容器１０に満たされた熱媒体液
１１の中へと進入する。熱媒体液１１には高温から低温
に移行する温度勾配がついており、液滴２２は急冷する
ことなくゆっくりと落下して球状粒体に固まる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、金属，各種樹脂
などの溶融原液から均一な球状粒体を量産するための製
造装置に関し、詳しくは、液状化した原液を液滴にして
落下させ冷却させることにより球状粒体を製造するよう
にした装置における液滴の冷却過程の改善に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】金属や各種樹脂などからなる球状粒体を
製造する方法はいくつかあって、たとえば半田ボールを
量産する場合の従来技術には、鋳型に流し込んで成形す
る方法のほか、半田線材を機械的に切断したあとに熱勾
配を付けた高温熱媒体油の上部高温部にて溶融し下部低
温部にて硬化させる方法があり、さらにスプレードライ
ヤー法、転動造粒法、アトマイズ法等も採用されている
ものと思われる。これらの製造方法は従来より広く知ら
れた技術であるので、実際の製造に当っては、詳細は製
造会社のノウハウとして蓄積されており、公にされてい
ない部分が多い。このような状況にあって、本発明者ら
は、前記の如き従来技術とは全く異なる着想でもって均
一かつ高精度に球状粒体を量産する方法を創出し、その
基本的な考え方について、すでに一部の雑誌に発表して
いる（「バウンダリー」１９９４年４月号）。

【０００３】この雑誌での記載内容の概略を以下に紹介
する。まず、原料の溶液の入ったタンクから溶液がポン
プアップされてセル室に注入される。セル室は円筒形を
しており、その底面は円板によって塞がれている。この
円板には貫通穴が穿設されてノズルを形成し、セル室に
送られた溶液がこのノズルから押し出される。その際、
ノズルの下から流出する溶液の形は次の三つのいずれか
となる。その一つは流速の低いときで、ぽたぽたと落ち
る液滴となり、一つは流速の高いときで、流出口の周囲
に飛散する液滴となる。もう一つはその中間にある場合
で、溶液は層流領域にあり、ノズルからの流出直後は柱
状をなす安定した流れとなる。これを液柱と呼ぶ。この
状態を作り出す流速は、溶液の表面張力、ノズルの直
径、溶液の密度の関数として表わされることが分かって
おり、層流になる条件を選択することはさほど困難なこ
とではない。液柱となった溶液もその先では自然に切断
され、液滴となって落下する。

【０００４】もし液柱の先端で起きる切断が同じタイミ
ングで起きるならば均一な液滴ができるのであるが、自
然にまかせた場合、普通は不規則となる。これを均一に
切断するためにセルの中に振動発信器を組み入れて液体
を強制的に揺するようにする。セルの中の振動発信器の
表面がぶるぶる震えるので、溶液自体もある周期で震え
るようになって溶液は同じタイミングで均一に切れるよ
うになる。ダボラ（Ｄａｂｏｒａ）は、レイリー（Ｒａ
ｙｌｅｉｇｈ）の研究になる非粘性流体における最大不
安定周波数と呼ばれる振動数でもって加振することによ
り、均一な液滴を作り出すことに成功している。

【０００５】本発明者らは、流出液が均一に切れる振動
数を算出することに成功している。その計算式の詳細は
ここでは省略するが、液柱の速度とノズルの直径の関数
として表わされ、計算によれば、粒体の直径が１ｍｍか
ら３０μｍ程度の小さな粒体であれば、振動数はだいた
い１０Ｈｚから１００ｋＨｚとなる。低い振動数の領域
は通常の音波の領域であり、小さな粒体を作る場合の振
動数は超音波の領域である。

【０００６】前記の如き方法により溶融金属などの溶液
を均一な液滴として落下させることができるようになっ
たので、液滴は自然に冷却されて均一な球状粒体として
形成されるはずである。しかしながら実際には、ノズル
から吹き出た液滴は確かに粒の揃った液滴であることが
確認できたが、床上にて得られた粒は不揃いであった。
これは落下途中の空気抵抗により粒体の落下速度に変化
が生じ、相互に近づいた粒体同士の合一が起きるためで
ある。これを防止するために、ノズルの先端に電極を置
いて液柱に印加する方法をとった。これは静電誘導でも
って帯電させるもので、均一な大きさに切断され帯電さ
れた液滴は、液滴同士の距離が接近すると静電反発では
じかれ、合一することなく落下していく。落下途中に空
冷や乾燥によって固まって、均一な球状粒体ができあが
るのである。

【０００７】以上が雑誌記載記事の概略であるが、この
製造装置の大まかな全体構成を図３に示しておく。本図
において、原料タンク１に蓄えられた溶液は、高温高精
度ポンプ４によって導管２を通じてセル室３に注入され
る。セル室３には、振動発信器５から延びるホーン６の
先端が内蔵され、セル室３の底面に穿設されたノズルか
ら、加振作用によって均一な大きさに切断された液滴２
２となって落下する。液滴２２は、セル室３の下方に配
設された電極２３により印加され、液滴同士の合一が回
避された状態で落下途中に球状粒体として固まって、回
収容器１３に貯蔵される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の如き
製造装置のノズルから落下した後の液滴の行程に関する
ものである。すなわち、上記に記載の従来の技術による
製造方法は、球状粒体の原液が高温化によって得られる
ものでないもの、例えばスラリー化にて得られる原液
に、より好適するものであって、その原液から粒揃いの
顆粒を作るような場合に、冷却よりもむしろ乾燥によっ
て固形化することを狙いとして空中に落下させるもので
ある。原液が溶融により得られるものについても、球状
粒体の品質を問わないならば同様の方法によって製造す
ることができるが、このときの問題点として、液滴が高
温であるために冷却のための落下距離を長くとらなけれ
ばならないこと、また出来上がった球状粒体の表面に酸
化被膜が生成されるなど高温に原因する変質を伴い、し
かもこの酸化被膜が粒体の真球度を悪くするとった問題
が挙げられる。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記の如き
課題に鑑みなされたもので、まず、製造しようとする球
状粒体の材料が予め溶融などによって高温下で液状化さ
れる。本製造装置は基本的にセル室と、振動発信器と、
セル室底面のノズルプレートと、ノズルプレート下方に
配設されたガス室と、このガス室の下方に配設された液
体容器とにより構成され、セル室に注入された原液が振
動発信器から発信される振動によって加振される。ノズ
ルプレートにはノズルが穿設されていて、原液がノズル
から流出する際に、加振作用でもって大きさの均一な液
滴に切断されて落下するようになる。液滴は、酸化防止
雰囲気に内部が形成されたガス室を通り、途中、酸素に
触れることなく液体容器まで落下するようにする。液体
容器には熱媒体液が満たされ、熱媒体液中に進入した液
滴が冷却され、球状粒体として固まるように構成されて
いる。

【００１０】請求項２は、前記ガス室内部の酸化防止雰
囲気を不活性ガスを充満させることによって形成するよ
うにしたものである。請求項３は、前記熱媒体液を上部
が高温であり下部が低温である温度勾配をもつ熱媒体液
としたものである。さらに請求項４は、前記熱媒体液の
上部に高温下での耐酸化性に優れる熱媒体油を配し、下
部に高粘性の熱媒体油を配した少なくとも二層からなる
熱媒体油にて液体容器内を形成するようにしたものであ
る。

【００１１】

【発明の実施の形態】高温にて溶融された原液は、振動
発信器からの加振作用を受けて大きさの均一な液滴に切
断されて落下し、液冷によって球状粒体に固まるように
なるのだが、このとき、熱媒体液までの途中空間を酸化
防止の雰囲気として酸素から遮断するのは、液滴表面に
酸化被膜が生成して変質したり、そのために形状精度を
悪くしたりするのを防止するためである。酸化防止雰囲
気は、不活性ガスを充満させることで比較的容易に作り
出すことができ、具体的にはアルゴン、ヘリウム、窒
素、水素などの各ガスが利用できる。

【００１２】ところで、空冷による製造が可能な球状粒
体は、従来の技術に記載したように、落下途中に液滴同
士が合一して大きさが不揃いとなるのを防止するため
に、落下直後に電極を配し、静電誘導でもって帯電させ
て液滴同士が反発するようにした。ところが本発明にお
いては、電極を配することなく液滴を熱媒体液中に落下
させている。これは熱媒体液のもつ作用の一つを利用し
たものであり、液滴表面に液膜が形成されて液滴同士の
合一が防止されるからある。熱媒体液のもつ作用の二つ
めは、空気中での落下よりも熱媒体液中の方が液滴の落
下速度が遅くなるので、それだけ冷却に要する距離を短
縮できることである。もちろん、熱媒体液中にあるので
酸化被膜を生じることもない。

【００１３】熱媒体液の中に進入した液滴が、急冷が原
因となって品質変化することのないようにするために
は、上部は高温であり下部は低温となる温度勾配の付い
た熱媒体液とするとよい。上部高温部は、セル室内の液
滴温度と同等か、若干高めとなるように設定すれば、液
滴の温度変化が小さく抑制されて、変質予防に最も効果
的である。

【００１４】熱媒体液に熱媒体油を使用し、これを二層
以上の熱媒体油によって構成すれば、冷却効率を一層上
げることができる。すなわち、上部には高温における耐
酸化性に優れる熱媒体油を配するようにして油剤の劣化
を抑制し、油剤の寿命延長を図る。また、下部には低温
の高粘性熱媒体油を配するようにすれば、液滴の落下速
度を一層遅らせることができ、冷却に必要な時間を稼ぐ
ことができる。したがって、落下距離を短縮することが
できて、本製造装置全体の高さを低く設定できるように
なる。そしてこのような構成は、一般的に高温耐酸化性
の熱媒体油の比重の方が高粘性の熱媒体油の比重より小
さく、同じ液体容器中にあっても自ずから上下に分離し
て蓄えられるので、容易に得ることができる。

【００１５】

【実施例】次に、この発明の実施例について、図を参照
しながら説明する。

【００１６】図１は本球状粒体の製造装置の一実施例で
あって、その基本的な構成を摸式的に示したものであ
る。本図において、原料タンク１には、製造しようとす
る球状粒体の材料を溶融して液状化された原液が溜めら
れる。この原液が導管２を通じてセル室３に注入され
る。原液の注入方法にはガスの圧力を利用して押出す方
法などいくつかの方法がとられるが、ここでは駆動原と
して高温高精度ポンプ４を採用している。

【００１７】一方、セル室３には、超音波発信器である
振動発信器５からホーン６が延びていて、その先端が内
蔵される。セル室３の下方には、ガス室７が配設され、
ガスボンベ８から引かれた導管９を通じ、不活性ガスが
ガス室７に充満される。ガス室７の下方には液体容器１
０が配設され、熱媒体液１１がこれに満たされる。ここ
で、ガス室７は筒体をなし、筒体の上端がセル室３に密
着し、筒体の下端が熱媒体液１１に入り込ませて配設さ
れるので、ガス室７の内部には外気が浸入しない。ま
た、液体容器１０の下端は次第に細まって管状となり、
該部に組込まれたバルブ１２により閉口されている。後
述する方法に従って生成され、液体容器１０の下端に沈
殿した球状粒体は、バルブ１２を開口することによっ
て、回収容器１３に貯蔵され回収される。

【００１８】図２は、前記セル室３を拡大した断面図で
ある。セル室３は、部品となる円板やフランジ付き円筒
を組み合わせて本体１４としたものであって、各部品は
ボルト１５により一体物に締結されている。また、セル
室３の底面にはノズル１６の穿設されたノズルプレート
１７があり、液洩れ防止用のパッキン１８を介して挟持
される。なお、このノズル１６は、ノズルプレート１７
の円板面上に円を描くように配列された多くの穴からな
るものである。セル室３の中心部には、振動発信器５か
ら延びるホーン６の先端が内蔵されている。セル室３の
内部は単純な円柱状の空間となっているが、その上部で
はホーン６のフランジとの間に凹凸を形成するように
し、該凹凸部にＯリング１９を組込むことにより原液の
漏出を防止している。セル室３の本体１４を構成する各
部品の継ぎ目となる箇所もシールが必要であり、セル室
３の下部にはＯリング２０が組込まれている。

【００１９】本体１４の側面には導管２の一端が螺合
し、原料タンク１からポンプアップされた原液が、導管
２から貫通穴２１を通ってセル室３の内部まで注入され
る。注入された原液は、ノズル１６より流出することに
なるが、このときホーン６より発信される振動、好まし
くは超音波の整列矩形波パルス状の波形により加振され
て均一な大きさに切断され、液滴２２となって落下する
ようになる。原液の切断は１パルスごとになされるの
で、加振する振動数に相応した数量が生成される。たと
えば、１０ｋＨｚの振動数であれば、ノズル１６の１穴
につき１秒間に１万個の液滴２２が生成されるわけで、
これにノズル１６の穴数を掛合わせた数量が１秒間に生
成されることになる。振動数は、製造しようとする球状
粒体の粒径によって決まる。

【００２０】液滴２２は、不活性ガスの充満するガス室
７の中を通って、液体容器１０に満たされた熱媒体液１
１の中に進入するので、外気に触れることがなく、酸化
が防止されている。熱媒体液１１の中に進入した液滴２
２は、落下中に冷却されて球状粒体として固まっていく
のであるが、熱媒体液１１の中にあるので、ここでも酸
化されることはない。また、液膜によって保護されるの
で液滴同士の合一が起きることがなく、粒径が不揃いと
なることもない。

【００２１】熱媒体液１１には上部が高温であり下部が
低温となるような温度勾配をつけるようにする。これは
急冷による球状粒体の変質や変形を防止するためのもの
であり、具体的には液体容器１０の上部周辺をヒータな
どにより加熱すればよい（なお、ヒータは図示されてい
ない）。また、熱媒体液１１の中を落下するので空気中
よりも落下抵抗が大きく、それだけ液滴２２は時間をか
けてゆっくりと落下するので、冷えて固まるまでの落下
距離を短かくすることができる。

【００２２】本発明者らが行った実験の一つをここに紹
介すると、表１に示す如き半田ボールの製造実験におい
て、このときのセル室内の半田溶液の温度約２４０゜Ｃ
に対し、熱媒体液１１（具体的には熱媒体油を使用）の
上部温度が若干高めの約２７０゜Ｃのものの方が半田溶
液の温度と同等な約２４０゜Ｃのものより、一個の粒体
に対する縦横寸法の計測比で表わした真球度に優れ、ま
た、半田溶液の温度と同等な約２４０゜Ｃのものの方が
上部温度が低めの約２１０゜Ｃのものより真球度に優れ
ることが分かった。なお、出来上がった粒体同士の大き
さの均一性に関しては、実験した三つの条件すべてに良
好であった。

【００２３】

【表１】 熱媒体液１１を、上部には高温における耐酸化性に優れ
る熱媒体油を配し、下部には低温の高粘性熱媒体油を配
した二層構成とすることにより、熱媒体油としての作用
をより効率的に発揮させることができる。すなわち、上
部熱媒体油は酸化による自身の劣化を抑制するので、熱
媒体油の寿命延長が図られる。下部熱媒体油は粘性によ
り液滴２２の落下速度をより一層遅らせることになる。
したがって、液滴２２が球状粒体となって固まるまでの
落下の距離を短かくすることができ、本製造装置全体の
高さを低く設計できるようになる。

【００２４】

【発明の効果】本発明になる球状粒体の製造装置によれ
ば、液滴が落下して凝固する迄の空気との接触が防止さ
れるので、球状粒体表面に酸化被膜が生成されるという
ような変質が防止できるようになる。また、温度勾配の
ついた熱媒体液中に進入して徐冷されるので、均一かつ
均質な球状粒体が量産できるようになる。熱媒体液によ
って落下速度が遅らされるので、落下距離が短かくて済
み、もって本製造装置全体の高さを低く設計できるよう
になる。熱媒体液に熱媒体油を使用し、その性質により
使い分けて層状に配置することにより、熱媒体油の寿命
延長、効率向上さらに本製造装置の一層のコンパクト化
が図られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である装置全体の構成を示す
概略図である。

【図２】図１のセル室の断面図である。

【図３】従来の一例である装置全体の構成を示す概略図
である。

【符号の説明】

１ 原料タンク ３ セル室 ４ ポンプ ５ 振動発信器 ６ ホーン ７ ガス室 ８ ガスボンベ １０ 液体容器 １１ 熱媒体液 １６ ノズル １７ ノズルプレート ２２ 液滴

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 製造しようとする球状粒体の材料が液状
   化されて注入されるようにしたセル室と、該セル室に注
   入された原液に振動を加える振動発信器とにより構成さ
   れるとともに、前記セル室の底面となるノズルプレート
   にはノズルが穿設され、前記ノズルから流出する原液が
   振動発信器による加振によって切断されて液滴として落
   下し、落下途中に固まることにより大きさの均一な球状
   粒体が量産されるようにした球状粒体の製造装置におい
   て、 ノズルプレートの下方にはガス室を配設してその内部を
   酸化防止雰囲気とし、前記ガス室の下方には液体容器を
   配設してこれに熱媒体液を満たし、ノズルから落下する
   液滴が酸素と触れることなく熱媒体液中に進入できるよ
   うに構成したことを特徴とする球状粒体の製造装置。
2. 【請求項２】 前記ガス室の内部に不活性ガスを充満さ
   せることによって酸化防止雰囲気を形成したことを特徴
   とする請求項１に記載の球状粒体の製造装置。
3. 【請求項３】 前記熱媒体液は、上部が高温であり下部
   が低温である温度勾配をもつ熱媒体液であることを特徴
   とする請求項１または請求項２に記載の球状粒体の製造
   装置。
4. 【請求項４】 前記熱媒体液は、上部に高温下での耐酸
   化性に優れる熱媒体液を配し、下部に高粘性の熱媒体液
   を配した少なくとも二層からなる熱媒体液で形成するこ
   とを特徴とする請求項１，請求項２または請求項３に記
   載の球状粒体の製造装置。