特許 6709623 粉体反応装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6709623

(24)【登録日】2020年5月27日

(45)【発行日】2020年6月17日

(54)【発明の名称】粉体反応装置

(51)【国際特許分類】

   B02C 17/10 20060101AFI20200608BHJP

【ＦＩ】

   B02C17/10

【請求項の数】5

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2016-3834(P2016-3834)

(22)【出願日】2016年1月12日

(65)【公開番号】特開2017-124354(P2017-124354A)

(43)【公開日】2017年7月20日

【審査請求日】2019年1月11日

(73)【特許権者】

【識別番号】503245465

【氏名又は名称】株式会社アーステクニカ

(74)【代理人】

【識別番号】100105795

【弁理士】

【氏名又は名称】名塚 聡

(74)【代理人】

【識別番号】100105131

【弁理士】

【氏名又は名称】井上 満

(72)【発明者】

【氏名】石 橋 規 史

【審査官】 瀧 恭子

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００４−０００８２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−１９６９２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１３０６２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２１２０２５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ０２Ｃ １／００−７／１８、１５／００−１７／２４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

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、粉体反応装置。

【請求項2】

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、請求項１記載の粉体反応装置。

【請求項3】

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、請求項１または２に記載の粉体反応装置。

【請求項4】

前記排気流路を含む排気系に集塵機が設けられている、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の粉体反応装置。

【請求項5】

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、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の粉体反応装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【背景技術】

【0002】

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）。

【0003】

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。

【0004】

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。

【0005】

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。

【0006】

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。

【0007】

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。

【0008】

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。

【0009】

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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】特開２００４−８２３

【特許文献2】特開２００４−１３０３０５

【特許文献3】特開２００８−２１２０２５

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

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。

【課題を解決するための手段】

【0012】

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。

【0013】

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。

【0014】

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。

【0015】

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。

【0016】

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。

【発明の効果】

【0017】

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。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明の一実施形態による粉体反応装置の構成を示す図。

【図2】図１に示した粉体反応装置における不活性ガスの導入流路および排出流路、並びにシール構造を示す断面図。

【図3】コンバージミルの原理を説明するための図。

【発明を実施するための形態】

【0019】

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。

【0020】

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。

【0021】

＜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。

【0022】

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。

【0023】

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。

【0024】

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。

【0025】

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。

【0026】

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。

【0027】

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。

【0028】

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。

【0029】

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。

【0030】

＜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。

【0031】

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。

【0032】

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。

【0033】

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。

【0034】

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。

【0035】

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。

【0036】

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。

【0037】

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。

【0038】

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。

【0039】

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。

【0040】

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。

【0041】

＜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。

【0042】

＜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。

【0043】

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。

【0044】

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。

【0045】

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。

【0046】

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。

【0047】

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。

【0048】

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。

【0049】

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。

【符号の説明】

【0050】

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

【図1】

【図2】

【図3】