JP5905764B2 - 粉砕装置および攪拌装置 - Google Patents

Description

本発明は、粉砕、解砕もしくは分散を行なう粉砕装置、および攪拌もしくは脱泡を行なう攪拌装置に使用される容器に関する。

従来、被粉砕物を粉砕、解砕または分散するため、特許文献１に示すような粉砕装置が用いられている。この粉砕装置は、液体が満たされた容器の中に、ボールやビーズなどの粉砕媒体を充填させておき、容器内部中央に配置した回転軸を備えたロータを回転し、容器内に被粉砕物を液体に混ぜたスラリーをポンプで送り込み、ロータの回転によって、粉砕媒体を運動させ、その運動エネルギーによる衝撃力や摩擦力、圧縮力、剪断力を利用して、被粉砕物を粉砕、解砕または分散するものである。

特に、湿式の媒体撹拌型の粉砕機（ビーズミル装置）は、粉砕効率が高く、かつ、サブミクロンからナノのレベルの極めて微粉砕に適している。

そして、これらの粉砕装置の容器としては、耐摩耗性の高いセラミック製や樹脂製のものが使用されている。特に、近年は、アルミナ、ジルコニア、ジルコニア強化アルミナ（ＺＴＡ）または炭化珪素などのセラミック製のものが使用されることが多い。

ところで、前述した粉砕媒体の運動エネルギーは、粉砕、解砕または分散に使用されるものはわずかであり、その殆どは熱エネルギーになってしまう。容器内の液体がこの熱エネルギーによって温度上昇をし続けると、被粉砕物が変質してしまうことがある。それ故、粉砕装置には、容器を冷却して容器内の液体の温度上昇を抑えることが要求される。

これに対し、図８に示した粉砕装置１０１は、容器（ベッセル）１０２をＯリング１０５などで被覆部材（ジャケット）１０３内に固定して、容器１０２と外周部の被覆部材１０３の間に冷却媒体を通す流路１０４を設け、容器１０２を直接冷却するようにしている。

しかしながら、このような冷却構造を備えた粉砕装置では、容器の中央部などの部分的な冷却しかできず、冷却効果が不十分であった。したがって、容器の冷却性に優れた粉砕装置が要求されている。

特開平５−２２０３７３号公報

本発明は、冷却性を高める要求に応える容器ならびにそれを用いた粉体装置および攪拌装置を提供するものである。

本発明の一態様に係る粉砕装置は、容器と、該容器を被覆する被覆部材と、前記容器と前記被覆部材との間に位置する流路とを備えた粉砕装置であって、前記容器は、セラミック焼結体からなる容器本体と、該容器本体の外周を取り囲むとともに前記容器本体の外壁に接続した、アルミニウム合金または銅合金からなる金属部材とを備え、前記金属部材は、前記流路を流れる冷却媒体に一部の領域が接することによって外部から部分的に冷却されることを特徴とする。

本発明の一態様に係る攪拌装置は、容器と、該容器を被覆する被覆部材と、前記容器と前記被覆部材との間に位置する流路とを備えた粉砕装置であって、前記容器は、セラミック焼結体からなる容器本体と、該容器本体の外周を取り囲むとともに前記容器本体の外壁に接続した、アルミニウム合金または銅合金からなる金属部材とを備え、前記金属部材は、前記流路を流れる冷却媒体に一部の領域が接することによって外部から部分的に冷却されることを特徴とする。

本発明の容器によれば、熱伝導率の高い金属部材を介して容器本体を冷却することができるため、容器内部を均一に冷却することができ、ひいては冷却性に優れた容器を得ることができる。

また、本発明の粉砕装置によれば、上記容器を備えているため、容器内部を良好に冷却することができる。

また、本発明の攪拌装置によれば、上記容器を備えているため、容器内部を良好に冷却することができる。

本発明の一実施形態に係る粉砕装置の上下方向に沿った断面図である。 本発明の一実施形態に係る容器の上下方向に沿った断面図である。 本発明の他の実施形態に係る容器の上下方向に沿った断面図である。 本発明の他の実施形態に係る容器の上下方向に沿った断面図である。 本発明の他の実施形態に係る容器の上下方向に沿った断面図である。 本発明の他の実施形態に係る容器の上下方向に沿った断面図である。 本発明の他の実施形態に係る容器の上下方向に沿った断面図である。 従来の粉砕装置の上下方向に沿った断面図である。

以下に、本発明の一実施形態による容器を用いた粉砕装置について、図面を参照して詳細に説明する。

図１に示した本実施形態の粉砕装置１は、例えば、電子部品材料、セラミックの原料、ガラス粉末、食品、化粧品、電池材料、または塗料などの対象物を粉砕、解砕または分散させるものである。この粉砕装置１は、筒状の容器２（ベッセル）と、この容器２を被覆する筒状の被覆部材３（ジャケット）と、容器２と被覆部材３との間に位置する流路４と、容器２の上下位置を固定するＯリング５と、容器２の一方の開口を塞ぐ蓋６と、容器２の他方の開口を塞ぐ底板７と、蓋６を被覆する蓋金具８と、底板７を被覆する底板金具９とを含んでいる。

被覆部材３は、容器２を外部の衝撃から保護するものであり、ステンレスなどの金属からなる。この被覆部材３は、容器２側の面に凹部を有しており、この凹部によって被覆部材３と容器２との間に空間が形成され、流路４をなしている。この流路４は、水などの冷却媒体を循環させる箇所であり、この冷却媒体によって、容器２を冷却し、容器２内部の温度を調節することができる。

蓋６および底板７は、容器２の開口を塞ぐことによって、容器２の内部に、対象物の粉砕などを行なう粉砕室を形成するものである。この蓋６および底板７は、後述する容器本
体と同様にセラミック焼結体からなる。その外側には、ステンレスなどの金属からなる蓋金具８および底板金具９が形成される。これらの蓋金具８と底板金具９にはボルト締結用の穴が形成されており、ボルト１０などによって被覆部材３に固定されている。また、底板７および底板金具９の中央部には、後述するロータの主軸が挿入される貫通孔が形成されている。なお、必要に応じて、容器２の内部に対象物を水などの溶媒に混合したスラリーをポンプで送り込むための貫通孔やスラリーを回収するための貫通孔が、底板４、蓋６または容器２や被覆部材３に形成されていてもよい。

以上説明した粉砕装置１は、以下のように使用される。まず、容器２の内部に、対象物を水などの溶媒に混合したスラリーと、スチールボールまたはセラミックボールなどの粉砕媒体と、攪拌を行なうロータとが配置される。そして、ロータを回転させることによって、対象物と粉砕媒体とを攪拌し、粉砕媒体の運動エネルギーによる衝撃力や摩擦力、圧縮力、剪断力を利用して、対象物を粉砕、解砕または分散させる。

次に、本実施形態の容器２について、詳細に説明する。

本実施形態の容器２は、図２に示すように、筒状の容器本体１１と、容器本体１１の外周を取り囲むとともに容器本体１１の外壁に接続した金属部材１２とを含んでいる。

容器本体１１は、内部に対象物や粉砕媒体が入れられる部材であり、内部で攪拌が行なわれることから、耐摩耗性および高熱伝導率が要求されるものである。この容器本体１１は、セラミック焼結体からなる。その結果、容器本体１１の耐摩耗性が高いため、粉砕、解砕または分散を行なう際に、容器本体１１の内壁の摩耗を低減することができる。さらに、容器本体１１がセラミック焼結体からなるため、内部に入れられる対象物に対して金属コンタミなどの異物の混入を抑制することができる。

このセラミック焼結体としては、例えば、アルミナ、ジルコニア、窒化珪素、炭化珪素またはジルコニア強化アルミナ（ＺＴＡ）などを主成分とするものを用いることができる。中でも、高熱伝導率で且つ耐摩耗性が優れている点で、ジルコニア強化アルミナまたは炭化珪素を主成分とするものを用いることが望ましい。

なお、ジルコニア強化アルミナは、主成分であるアルミナ中にジルコニア粒子を分散したセラミックスのことである。このジルコニア強化アルミナは、アルミナを例えば６０質量％以上含有し、ジルコニアを３質量％以上含有している。このジルコニア強化アルミナにおけるアルミナの含有割合（質量％）、およびジルコニアの含有割合（質量％）は、例えば蛍光Ｘ線装置を用いて、ＦＰ法半定量分析を行えばよい。

金属部材１２は、流路４を流れる冷却媒体に一部の領域（冷却領域Ｒ）が接することによって、容器２の外部から部分的に冷却される部材である。また、金属部材１２は、容器２の外側に配されており、セラミックスよりも弾性の高い金属からなるため、容器本体１１に対して外部からの衝撃に対する緩衝材としても機能する。

この金属部材１２は、アルミニウム合金または銅合金からなる。アルミニウム合金としては、Ａ２０１４、Ａ２０１７、Ａ２１１７などのＡｌ−Ｃｕ系合金や、Ａ５０５２などのＡｌ−Ｍｇ系合金、Ａ７０７５などのＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金などを用いることができる。なお、錆などの懸念がある場合は、アルミニウム合金の表面にアルマイト処理などを施してもよい。また、銅合金としては、黄銅（真鍮）や銅ニッケル合金などを用いることができる。

ところで、前述した粉砕装置１において、容器２の内部で粉砕、解砕または分散を行な
うと、粉砕媒体の運動エネルギーは、粉砕、解砕または分散に使用されるものはわずかであり、その殆どは熱エネルギーになってしまうため、容器２内部の温度が上昇しやすい。

一方、本実施形態の容器２は、前述したように、セラミック焼結体からなる容器本体２と、容器本体１１の外周を取り囲むとともに容器本体１１の外壁に接続した、アルミニウム合金または銅合金からなる金属部材１２とを備え、金属部材１２は、流路４の冷却媒体によって冷却される冷却領域Ｒを部分的に有する。

このように、金属部材１２は、アルミニウム合金または銅合金からなるため、セラミック焼結体からなる容器本体１１と比較して、熱伝導率を高くすることができる。それ故、金属部材１０を外部から冷却すると、それが部分的な冷却であっても、金属部材１０全体が効率良く冷却されて、容器本体１１に対して優れた冷却部材として機能する。その結果、冷却媒体が容器本体１１に直接接する場合と比較して、容器本体１１全体を均一且つ効率良く冷却することができるため、容器２の内部に配された対象物を均一且つ効率良く冷却することができ、ひいては内部の冷却性に優れた容器２を得ることができる。この容器２を用いて、対象物の粉砕、解砕または分散を行なうことによって、対象物の変質を良好に抑制することができる。

この金属部材１２の熱伝導率は、例えば１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上４００Ｗ／ｍ・Ｋ以下に設定されている。また、容器本体１１の熱伝導率は、例えば３Ｗ／ｍ・Ｋ以上２００Ｗ／ｍ・Ｋ以下に設定されている。また、容器本体１１のセラミック焼結体がジルコニア強化アルミナを主成分とする場合には、容器本体１１の熱伝導率は、例えば１５Ｗ／ｍ・Ｋ以上３０Ｗ／ｍ・Ｋ以下に設定されている。また、容器本体１１のセラミック焼結体が炭化珪素を主成分とする場合には、容器本体１１の熱伝導率は、例えば６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上２００Ｗ／ｍ・Ｋ以下に設定されている。なお、セラミック焼結体として例えば炭化珪素のように熱伝導率が高いものを用いる場合は、金属部材１２として例えば銅合金のように熱伝導率が容器本体１１よりも高いものを選択して用いればよい。これらの各部材の熱伝導率は、ＪＩＳ Ｃ２１４１−１９９２に準じた測定方法により、例えばレーザフラッシュ法で測定される。

また、金属部材１２は、アルミニウム合金または銅合金からなるため、セラミック焼結体からなる容器本体１１と比較して、熱膨張率が大きい。それ故、前述したように金属部材１２が容器本体１１の外周側に配置されていると、容器２の内部の温度が上昇しても、容器本体１１の熱膨張量が金属部材１２の熱膨張量よりも小さいため、容器本体１１が外周より熱応力を受けることはなく、容器本体１１が破損しにくい。なお、容器本体１１の熱膨張率は、例えば３．５ｐｐｍ／℃以上８ｐｐｍ／℃以下に設定されており、金属部材１２の熱膨張率は、例えば１６ｐｐｍ／℃以上２３ｐｐｍ／℃以下に設定されている。この各部材の熱膨張率は、市販のＴＭＡ（Thermo-Mechanical Analysis）装置を用いて測定される。

また、本実施形態において、容器本体１１は、金属部材１２に接しつつ、金属部材１２に嵌め合わされている。したがって、容器本体１１と金属部材１２とが直接接することから、その間に断熱材となる空気などの層が介在することを抑制できるため、容器本体１１と金属部材１２との間で効率良く熱交換することができ、ひいては金属部材１２によって容器本体１１を効率良く冷却することができる。

また、金属部材１２に容器本体１１を嵌め合わせているため、金属部材１２が容器本体１１から外れにくく、また経年劣化しにくい。また、アルコールなどの溶媒を用いる場合など、接着材が使用できない使用用途に容器２を用いることができる。

また、本実施形態において、金属部材１２の厚みは、容器本体１１の厚みと比較して、小さくできる。このように金属部材１２を薄くすることによって、容器２を軽量化することができる。また、容器本体１１がセラミック焼結体からなり、その剛性（ヤング率）が２００ＧＰａ以上４５０ＧＰａ以下と高いため、容器本体１１によって金属部材１２の形状を保持しつつ、金属部材１２を薄くすることができる。なお、容器本体１１の厚みは、例えば１ｍｍ以上１５ｍｍ以下に設定されており、金属部材１２の厚みは、例えば０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下に設定されている。

上述した容器２は、以下のようにして作製することできる。

まず、セラミック粉末を種々の成形方法を用いて成形して成形体を得る。次に、この成形体を所望の形状に切削加工した後、焼成することによって、セラミック焼結体からなる容器本体１１を得る。次に、金属に旋盤加工などを行なうことによって、金属部材１２を得る。次に、焼嵌めによって容器本体１１を金属部材１２に嵌め合わせることによって、容器本体１１と金属部材１２とを接合する。以上のようにして、容器２を作製することができる。なお、必要に応じて、容器本体１１と金属部材１２とを接合した後に、容器本体１１の内壁を研削してもよいし、あるいは、金属部材１２の外壁を切削または研削してもよい。

本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良、組合せ等が可能である。

例えば、前述した実施形態において、容器２を粉砕装置に用いた構成を例に説明したが、容器２は、耐摩耗性、金属コンタミの抑制、および冷却効果が要求される様々な装置に用いることができ、例えば、攪拌または脱泡を行なう攪拌装置に用いてもよい。

また、前述した実施形態において、容器２が筒状である構成を例に説明したが、容器２の形状として、他の形状を用いることができる。

例えば、図３および図４に示すように有底形状（コップ形状）の円筒体であってもよい。あるいは、金属部材１２は筒状体で、容器本体１１のみが有底形状であってもよい。なお、図３においては、容器本体１１の筒部２ａおよび底部２ｂが一体物である。また、図４においては、容器本体１１の筒部２ａおよび底部２ｂが別部材であり、例えばエポキシ系接着材などの接着材を用いた接着やボルトなどを用いた機械的な締結によって、筒部２ａと底部２ｂとを接合している。この場合に、筒部２ａおよび底部２ｂの材質を同じにする必要はなく、例えば摩耗の状況や冷却の効果などを考慮して、材質を変更してもよい。

また、金属部材１２の形状としては、例えば、図５に示すように、外周に窪み１３を設けても構わない。その結果、冷却媒体１２の入る空間を大きくすることができる。

また、前述した実施形態において、容器本体１１と金属部材１２とを焼嵌めによって接合した構成を例に説明したが、容器本体１１と金属部材１２との接合方法として、他の接合方法を用いることができる。

例えば、図６に示すように、接着剤を用いて容器本体１１と金属部材１２とを接合させることによって、容器本体１１と金属部材１２との間に接着剤からなる接着材層１４を介在させてもよい。この場合、容器本体１１と金属部材１２とを強固に固定することができるため、容器本体１１の内部に回転するようなロータがあっても、ロータの稼働時に、金属部材１２によって容器本体１１が固定されずに容器本体１１のみが回転してしまうこと（共回り）を抑制できる。接着材としては、エポキシ系接着材を使用してもよいし、隙間
に適した嫌気性接着材を使用してもよい。

この接着材層１４の厚みは、容器本体１１および金属部材１２の厚みよりも小さい。また、接着材層１４の厚みは、１ｍｍ以下であることが望ましく、さらには、０．５ｍｍ以下であることが望ましい。その結果、接着剤層６の厚みを小さくすることによって、接着剤層６に起因した容器本体１１と金属部材１２との間における熱伝導の損失を低減することができる。

また、他の接合方法としては、図７に示すように、金属部材１２の端部を容器本体１１の端面に対してかしめる方法を用いることができる。具体的には、以下のように行なう。

まず、容器本体１１の一端面部近傍にテーパー部１１ｃを形成する。また、金属部材１２の一端部にかしめ部１２ａを形成し、他端部につば部１２ｂを形成する。次に、容器本体１１の他端面がつば部１２ｂ上に載置されるように、容器本体１１を金属部材１２の内部に収容する。次に、圧延ローラなどを用いてかしめ部１２ａを圧延して、かしめ部１２ａをテーパー部１１ｃに収容させることによって、容器本体１１を上下方向に機械的に固定する。このようにかしめた後、必要に応じて、容器本体１１の一端面およびかしめ部１２ａの一端面をともに研削して平面状に仕上げる。以上のようにして、容器本体１１と金属部材１２とを接合させることができる。この場合、焼嵌めと同様に経年劣化しにくい。金属部材１２は、アルミニウム合金または銅合金から形成されているので、延性に富み、容易にかしめることができる。

また、前述した実施形態において、金属部材１２の外壁が平坦な形状（ストレートな形状）である構成を例に説明したが、金属部材１２の外壁にフィンなどを形成してもよい。この場合、金属部材１２の外壁の表面積を増加させて、冷却媒体による冷却効果を高めることができる。

１ 粉砕装置
２ 容器
３ 被覆部材
４ 流路
５ Ｏリング
６ 蓋
７ 底板
８ 蓋金具
９ 底板金具
１０ ボルト
１１ 容器本体
１１ａ 筒部
１１ｂ 底部
１１ｃ テーパー部
１２ 金属部材
１２ａ かしめ部
１２ｂ つば部
１３ 窪み
１４ 接着剤層

Claims (6)

1. 容器と、該容器を被覆する被覆部材と、前記容器と前記被覆部材との間に位置する流路とを備えた粉砕装置であって、
   前記容器は、セラミック焼結体からなる容器本体と、該容器本体の外周を取り囲むとともに前記容器本体の外壁に接続した、アルミニウム合金または銅合金からなる金属部材とを備え、
   前記金属部材は、前記流路を流れる冷却媒体に一部の領域が接することによって外部から部分的に冷却されることを特徴とする粉砕装置。
2. 請求項１記載の粉砕装置において、
   前記セラミック焼結体は、ジルコニア強化アルミナまたは炭化珪素を主成分とすることを特徴とする粉砕装置。
3. 請求項１記載の粉砕装置において、
   前記容器本体と前記金属部材との間に介在した接着材層をさらに備え、
   該接着材層の厚みは、１ｍｍ以下であることを特徴とする粉砕装置。
4. 請求項１記載の粉砕装置において、
   前記容器本体は、前記金属部材に接しつつ、前記金属部材に嵌め合わされていることを特徴とする粉砕装置。
5. 請求項１記載の粉砕装置において、
   前記金属部材の端部は、前記容器本体の端面に対して、かしめられていることを特徴とする粉砕装置。
6. 容器と、該容器を被覆する被覆部材と、前記容器と前記被覆部材との間に位置する流路とを備えた粉砕装置であって、
   前記容器は、セラミック焼結体からなる容器本体と、該容器本体の外周を取り囲むとともに前記容器本体の外壁に接続した、アルミニウム合金または銅合金からなる金属部材とを備え、
   前記金属部材は、前記流路を流れる冷却媒体に一部の領域が接することによって外部から部分的に冷却されることを特徴とする撹拌装置。
   

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