JPWO2011040620A1 - 処理装置 - Google Patents

Abstract

粉粒体に強い圧縮力や剪断力を与えて複合化などの処理を行うものであって、構造が簡単であり、最適な処理条件を簡単に見つけることができる処理装置を提供する。竪型の混合槽２０と、混合槽２０の槽底を挿通して設けられる回転軸３０と、回転軸３０に設けられる複数の撹拌羽根４０と、混合槽２０に固定して設けられる複数の衝突板５０を備える。混合槽２０の直径をｄとするとき、撹拌羽根４０と衝突板５０との最短距離が０．１ｄ以下としている。

Description

本発明は、粉粒体を処理する処理装置であって、特に複合化や球形化などの高度な処理を行うことができる処理装置に関する。

粒径がミクロンオーダー又はナノオーダーの粉粒体を取り扱う処理において、アスペクト比の大きな粒子を球形化したり、粒径の大きな粒子の表面上に粒径の小さな粒子をコーティングしたり、複数種類の粒子を一体化された球状粒子に複合化したりするような、粉粒体の処理が広く要求されている。
例えば、特許文献１には、図１０に示すような処理装置が記載されている。この処理装置１１０は、横型円筒状の混合槽１２０と、一方の側壁を挿通して設けられる回転軸１３０と、回転軸１３０に設けられる複数の撹拌羽根１４０を備えている。粉粒体の処理は大きな発熱を伴うので、混合槽１２０にはジャケット１９３を設け、通水により冷却できるようになっている。
また、混合槽１２０の両側には粉粒体の投入口１９１と排出口１９２が設けられ、連続処理ができるようになっている。撹拌羽根１４０は、回転によって処理物を排出口１９２に向って送るような傾斜を備える「送り羽根」と、回転によって処理物を投入口１９１に向って戻すような傾斜を備える「戻り羽根」とが交互に組み合わされている。
処理装置１１０では、「送り羽根」と「戻り羽根」とによって交互に、処理物に繰り返し強い力を与えることができる。そして、粉粒体の複合化やコーティングなどの処理を行うことができる。粉粒体に対する作用効果は、撹拌羽根１４０の形状や配列などの構造的要素によって、大きく影響されるものと考えられる。しかしながら、構造的要素を変更することは容易でなく、処理条件を簡単には変更できず、最適処理条件を見つけることが難しいという問題がある。
特許文献２には、図１１に示すような処理装置が記載されている。この処理装置２１０は、竪型の混合槽２２０の内部に、混合槽２２０の槽底を挿通して設けられる回転軸２３０を備えている。回転軸２３０には、筒状の回転体２８１及び複数の撹拌羽根２４０が設けられている。回転体２８１には複数の開口２８２が設けられ、その内面はプレスヘッド２８３で押圧されるようになっている。また、混合槽２２０にはジャケット２９３が設けられ、通水により冷却できるようになっている。
この処理装置２１０ではバッチ処理が行われる。混合槽２２０に投入された処理物は、回転体２８１の内外を循環流動しながら処理を受ける。すなわち、処理物は、開口２８２を通して回転体２８１の内側から外側に向って流れ、回転体２８１の外側で撹拌羽根２４０によって上方へ押し流され、回転体２８１の上部で外側から内側に戻ってくる。そして、回転体２８１の内側において、プレスヘッド２８３によって処理物に強い圧縮力及び剪断力を与え、粉粒体の複合化やコーティングなどの処理を行うことができる。
しかしながら、処理装置２１０は構造が複雑であるために高価な装置となる。また、構造が複雑であるために、処理物の流れを制御することが難しく、最適処理条件を見つけることが難しいという問題がある。

特開２００５−２７０９５５号公報 特開２００５−１５９１０号公報

本発明の課題は、粉粒体の処理物に強い圧縮力や剪断力を与えることにより、複合化やコーティングなどの高度な処理を行う処理装置であって、構造が簡単で、処理物の流れを制御することが容易であり、最適な処理条件を容易に見つけることができる処理装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の請求項１に係る処理装置は、竪型の混合槽と、前記混合槽の槽底を挿通して設けられる回転軸と、前記回転軸に設けられる複数の撹拌羽根と、前記混合槽に固定して設けられる複数の衝突板とを備える粉粒体の処理装置であって、前記混合槽の直径をｄとするとき、前記撹拌羽根と前記衝突板との最短距離が０．１ｄ以下である手段を採用している。
また、本発明の請求項２に係る処理装置は、請求項１に記載の処理装置において、前記衝突板の大きさは、前記混合槽の直径をｄとするとき、幅が０．０５ｄ〜０．２５ｄであり、高さが０．０５ｄ〜０．２ｄである手段を採用している。また、本発明の請求項３に係る処理装置は、請求項１又は２に記載の処理装置において、前記混合槽が円筒状であって槽底隅部が丸く滑らかに形成され、前記混合槽の直径をｄとするとき、その曲率半径が０．０５ｄ以上である手段を採用している。
また、本発明の請求項４に係る処理装置は、請求項１乃至３の何れかに記載の処理装置において、前記撹拌羽根が、略円錐状に形成されたボス部の傾斜面に配列されている手段を採用している。また、本発明の請求項５に係る処理装置は、請求項４に記載の処理装置において、前記撹拌羽根の上部がリング状上板で連結され、該リング状上板と前記傾斜面との間を、内側から外側に向かって粉粒体が流動する手段を採用している。
また、本発明の請求項６に係る処理装置は、請求項４又は５に記載の処理装置において、前記回転軸が、前記撹拌羽根よりも上部に位置する補助羽根を備えている手段を採用している。さらに、本発明の請求項７に係る処理装置は、請求項１乃至３の何れかに記載の処理装置において、前記回転軸が、前記撹拌羽根の内側に位置する傾斜羽根を備えている手段を採用している。

上記のような構成としたことにより、本発明の処理装置は、構造が簡単であるとともに処理物に強い圧縮力や剪断力を与えることが可能であり、粉粒体の複合化やコーティングなどの高度な処理を行うことができる。そして、処理物の流れを制御することが容易であり、最適な処理条件を簡単に見つけることができる。

図１は本発明の処理装置の一例を示し、（１）は概略縦断面図、（２）は概略横断面図である。
図２は図１の処理装置を詳細に示し、（１）は概略縦断面図、（２）は（１）のＡ部詳細図である。
図３は本発明の処理装置の他の例を示し、（１）は概略縦断面図、（２）は（１）のＢ部詳細図、（３）は（２）におけるＸ−Ｘ矢視断面図である。
図４は本発明の処理装置のさらに他の例を示し、（１）は概略縦断面図、（２）は（１）のＣ部詳細図である。
図５は本発明の処理装置のさらに他の例を示し、（１）は概略縦断面図、（２）は概略横断面図である。
図６は本発明の処理装置のさらに他の例を示し、（１）は概略縦断面図、（２）は（１）のＹ−Ｙ矢視図である。
図７は本発明の処理装置のさらに他の例を示し、（１）は概略縦断面図、（２）は概略横断面図である。
図８は本発明の処理装置で得られた製品のサンプル写真である。
図９は従来の処理装置で得られた製品のサンプル写真である。
図１０は従来の処理装置の一例を示す概略断面図である。
図１１は従来の処理装置の他の例を示す概略断面図である。

以下、図面に示す本発明の実施の形態について説明する。図１には本発明による処理装置の一実施形態が示され、図１（１）は縦断面図、図１（２）は横断面図である。図２は、図１の詳細説明図であり、図２（１）は縦断面図、図２（２）は（１）のＡ部詳細図である。
この処理装置１０は、竪型の混合槽２０と、混合槽２０の槽底を挿通して設けられる回転軸３０と、回転軸３０に設けられる複数の撹拌羽根４０と、混合槽２０に固定して設けられる複数の衝突板５０を備えている。混合槽２０の上部には蓋６０を備え、フランジ６１で接続されている。なお、蓋６０には処理物の投入口が設けられ、混合槽２０の槽底には製品の排出口が設けられるが、これらは図に示していない。
本発明の処理装置１０は、混合槽２０内に粉粒体の循環流を形成し、これによって混合処理を促進することを特徴としている。すなわち、撹拌羽根４０の回転によって粉粒体に慣性力を与え、粉粒体を槽底隅部付近から槽壁に沿って上方へ放出する。粉粒体は、槽壁付近で上昇し槽中心付近で下降することにより、混合槽内に循環流を形成する。
混合槽２０は円筒状に限らず、下部から上部に向って直径が漸次小さくなる形状や、球状などとすることもできる。しかし、何れの形状であっても、混合槽２０は回転軸３０が略垂直に設けられる竪型に限定される。以下、混合槽２０の内部の直径をｄとして説明する。そして、混合槽２０の直径が高さによって変化する場合には、直径ｄは最大直径を示すものとする。
混合槽２０が円筒状である場合には、槽底隅部が丸く滑らかに形成されていることが好ましい。これは、撹拌羽根４０により慣性力を受けた粉粒体が、滑らかに上方へ向かって放出されるためである。図２（２）に示すように、槽底隅部の丸みにおける曲率半径をＲとすると、Ｒは０．０５ｄ以上であることが好ましく、０．１ｄ以上であることがより好ましい。ただし、Ｒには上限があり、０．５ｄ以下である。
回転軸３０は、混合槽２０に対して、図示していないグランドシールやエアシールなどによりシールされている。また、回転軸３０は電動機などにより駆動されるが、回転数を可変として設定条件の一つとすることが好ましい。
処理装置１０では、撹拌羽根４０は、略円錐状に形成されたボス部４１の傾斜面に配置されて回転軸３０に取り付けられ、混合槽２０の槽底に近接して配置される。撹拌羽根４０は、その形状及び数について特に限定されないが、粉粒体に強い慣性力を与え、槽底隅部付近から槽壁に沿って上方へ強く放出することが望まれる。
粉粒体に与える慣性力を大きくするために、撹拌羽根４０の直径Ｉは、槽底において出来る限り大きな形状であることが好ましい。すなわち、混合槽２０が円筒状である場合には、撹拌羽根４０の直径Ｉは、０．７ｄ以上とすることが好ましく、０．８５ｄ以上とすることがより好ましい。
また、本発明の処理装置１０は、混合槽２０に固定して設けられる複数の衝突板５０を備えることを特徴としている。循環流の一部に衝突板５０を置くことにより、粉粒体に強い圧縮力及び剪断力を与え、粉粒体の複合化やコーティングなどの処理を行うことができる。処理装置１０では、衝突板５０は混合槽２０の槽壁に溶接されている。
撹拌羽根４０の近傍は、循環流の中でも慣性力が最も強い場所となる。したがって、衝突板５０は、撹拌羽根４０に近接して置くことが好ましい。図２（２）に隙間ｅ１で示すように、撹拌羽根４０と衝突板５０との最短距離は、０．１ｄ以下とすることが好ましく、０．０１ｄ以下とすることがより好ましい。
粉粒体に強い慣性力を与えるためには、撹拌羽根４０の回転速度は高速であるほど好ましいが、あまり高速であるとコーティングした粒子の剥離、或いはベースとなる母粒子の破壊を起こすことになる。したがって、撹拌羽根４０の実用的な先端速度は２０〜１５０ｍ／ｓの範囲であり、好ましく３０〜１００ｍ／ｓの範囲である。
衝突板５０は、その形状及び数については特に限定されないが、粉粒体の循環流に対して強い衝撃を与えるとともに、粉粒体の循環流を阻害しないようにする必要がある。したがって、その数は４〜１２枚程度とすることが好ましい。また、その大きさは、図２（２）に示すように、その幅Ｗが０．０５ｄ〜０．２５ｄであり、その高さＨが０．０５ｄ〜０．２ｄであることが好ましい。
図３には本発明による処理装置の他の実施形態が示され、図３（１）は縦断面図、図３（２）は（１）のＢ部詳細図、図３（３）は（２）におけるＸ−Ｘ矢視断面図である。
この処理装置１１は、衝突板５０を備えた内挿管５１が混合槽２０内に挿入されている点で処理装置１０とは相違している。内挿管５１は、その鍔部５２が混合槽２０のフランジ６１に挟み込まれている。したがって、複数の内挿管５１を用意することにより、衝突板５０の形状などを変えて処理を行うことができる。
処理装置１１を用いて、衝突板５０の取付け角度θについて説明する。図３（２）におけるＸ−Ｘ矢視断面を示す図３（３）は、近接して設けられる撹拌羽根４０と衝突板５０との位置関係を示している。そして、矢印で示す撹拌羽根４０の回転方向と、衝突板５０の衝突面とがなす角度をθとしている。
角度θは３０度〜９０度の範囲である。このような角度を設けることにより、粉粒体が衝突板５０に衝突したときに、その循環流には混合槽２０の底面に向かう力が与えられ、特に強い剪断力が発生する。角度θが９０度を超える場合は剪断力が小さくなり、３０度未満の場合は循環流を阻害する作用が大きくなる。最適な角度θは、粉粒体の性状によって異なり、流動性の良好な粉粒体では４５度〜７５度、流動性が悪い粉粒体では６０度〜９０度となる。
図４には本発明による処理装置のさらに他の実施形態が示され、図４（１）は縦断面図、図４（２）は（１）のＣ部詳細図である。
この処理装置１２の特徴は、衝突板５０が、支持部５５及び支持環５６などによって蓋６０に固定されていることである。図示していないが、この構造は、例えば、蓋６０に対して支持部５５を取外し可能とすることができる。したがって、複数種類の衝突板５０を用意して、条件を変えた処理を行うことができる。
処理装置１２では、衝突板５０と槽壁の間に隙間ｅ２を設けている。隙間ｅ２を設けることにより、隙間ｅ２部分も循環流路の一部となって処理物が流れることになる。衝突板５０に対して処理物が衝突する衝突面の裏側（裏面）には、デッドスペースとなって処理物が付着することがあるが、隙間ｅ２を設けることによりこの問題を解消することができる。ｅ２の値は、通常１０ｍｍ程度で十分である。
図５には本発明による処理装置のさらに他の実施形態が示され、図５（１）は縦断面図、図５（２）は横断面図である。
この処理装置１３は、処理装置１０と同様に、混合槽２０に固定して設けられる複数の衝突板５０を備えている。また、処理装置１３は、処理装置１０と同様に、撹拌羽根４０が、略円錐状に形成されたボス部４１の傾斜面に配置されているが、さらに、各撹拌羽根４０の上部がリング状上板４２で連結されている。これによって、リング状上板４２とボス部４１の傾斜面との間には処理物の流路が形成されることになり、内側から外側に向かって安定した状態で粉粒体が流動することになる。
図６には本発明による処理装置のさらに他の実施形態が示され、図６（１）は縦断面図、図６（２）は（１）のＹ−Ｙ矢視図である。
この処理装置１４は、衝突板５０が支持部５５及び支持環５６を備えている点で、処理装置１２と類似しているが、上部に鍔部５２を備えている点では、処理装置１１に類似している。また、処理装置１４は、撹拌羽根４０が、略円錐状に形成されたボス部４１の傾斜面に配置されるとともに、各撹拌羽根４０の上部がリング状上板４２で連結されている点で処理装置１３に類似しているが、さらに、回転軸３０が、撹拌羽根４０よりも上部に補助羽根４５を備えている。
補助羽根４５は、図６（２）に示すように、矢印の方向に回転すると周囲の処理物を混合槽２０の中心に引き込む作用を備えている。この結果、補助羽根４５は、処理物の循環流を促進することになり、流動性の悪い粉粒体の処理に適している。
図７には本発明による処理装置のさらに他の実施形態が示され、図７（１）は縦断面図、図７（２）は横断面図である。
この処理装置１５は、撹拌羽根４０に特徴を備え、リング状底板４３の上面に配列された撹拌羽根４０と、ボス部４１に設けられる傾斜羽根４６を備えている。ここで、傾斜羽根４６は、撹拌羽根４０の内側に位置するとともに、処理物を掻き込むように傾斜を備えている。したがって、傾斜羽根４６は、図７（２）に示すように、矢印の方向に回転すると、混合槽２０の中央部で粉粒体を上から下に掻き込んで、処理物の循環流を促進することになる。
以上のように、本願発明の処理装置は構造が簡単であり、処理物も単純な循環流を形成して処理される。したがって、処理物の流れの特徴を把握することが容易であり、これを制御することも容易である。また、処理条件の変更は、撹拌羽根の形状と回転速度、及び衝突板の形状などによるが、何れも比較的簡単に行うことが可能であり、最適な処理条件を簡単に見つけることができる。
本願発明の処理装置は非常に広い分野で利用可能と考えられる。例えば、リチウムイオン電池における電極材料として、コバルト酸リチウムにカーボンをコーティングすることが可能である。また、化粧品材料として、ナイロンに二酸化チタンをコーティングすることが可能である。また、無機ガラスの代用として使用されるＰＭＭＡの粉に顔料をコーティングすることが可能である。
また、粉体塗料として、エポキシ樹脂などの粒子表面に顔料をコーティングすることが可能である。また、電池材料として、黒鉛粒子を球形化することが可能である。また、電子印刷用として、トナー粒子の表面に超微粒子シリカや二酸化チタンをコーティングすることが可能である。

図８は、処理装置１０で処理された製品の顕微鏡写真である。処理物は、平均粒径約５μｍの架橋ＰＭＭＡ（７０％）と二酸化チタン（３０％）との混合物である。図９は、衝突板を備えない従来の処理装置で処理された製品の顕微鏡写真であり、処理物は同じである。両者の比較により、衝突板の効果が明確に示されている。すなわち、図８では、全ての粒子が球形であるとともに、その表面が滑らかに処理されている。これに対して、図９では、粒子の形状が必ずしも球形ではなく、その表面が粗い状態に止まっている。

１０、１１、１２、１３、１４、１５、１１０、２１０ 処理装置
２０、１２０、２２０ 混合槽
３０、１３０、２３０ 回転軸
４０、１４０、２４０ 撹拌羽根
４１ ボス部
４２ リング状上板
４３ リング状底板
４５ 補助羽根
４６ 傾斜羽根
５０ 衝突板
５１ 内挿管
５２ 鍔部
５５ 支持部
５６ 支持環
６０ 蓋
６１ フランジ
１９１ 投入口
１９２ 排出口
１９３、２９３ ジャケット
２８１ 回転体
２８２ 開口
２８３ プレスヘッド

Claims (7)

1. 竪型の混合槽と、前記混合槽の槽底を挿通して設けられる回転軸と、
   前記回転軸に設けられる複数の撹拌羽根と、
   前記混合槽に固定して設けられる複数の衝突板とを備える粉粒体の処理装置であって、
   前記混合槽の直径をｄとするとき、前記撹拌羽根と前記衝突板との最短距離が０．１ｄ以下であることを特徴とする処理装置。
2. 前記衝突板の大きさは、前記混合槽の直径をｄとするとき、幅が０．０５ｄ〜０．２５ｄであり、高さが０．０５ｄ〜０．２ｄであることを特徴とする請求項１に記載の処理装置。
3. 前記混合槽が円筒状であって槽底隅部が丸く滑らかに形成され、前記混合槽の直径をｄとするとき、その曲率半径が０．０５ｄ以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の処理装置。
4. 前記撹拌羽根が、略円錐状に形成されたボス部の傾斜面に配列されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の処理装置。
5. 前記撹拌羽根の上部がリング状上板で連結され、該リング状上板と前記傾斜面との間を、内側から外側に向かって粉粒体が流動することを特徴とする請求項４に記載の処置装置。
6. 前記回転軸が、前記撹拌羽根よりも上部に位置する補助羽根を備えていることを特徴とする請求項４又は５に記載の処理装置。
7. 前記回転軸が、前記撹拌羽根の内側に位置する傾斜羽根を備えていることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の処理装置。