JP6420780B2 - 竹の微粒化装置および微粒化方法 - Google Patents

Description

竹を粉砕し、肥料化又は竹炭による活性炭、改質などのために竹を微粒化する装置や方法に関する。

竹の肥料化や活性炭として竹を炭にする場合、細粒化する必要があり、チッパーと呼ばれる装置が使用される。目的、用途に応じその細粒化するサイズをチッパー内部のスクリーンの孔サイズで変えている。

しかし、一般木材であれば100時間以上ある通常のチッパーの刃の寿命は、竹の場合２４−３０時間であり、極めて短い。

特開２０１３−１５４５８８号公報

しかし、２４時間で交換では、ほぼ毎日刃の交換作業が必要となり、連続運転が出来ない。また、刃自体の費用もかさんでしまい費用が増大する。

これに対し本発明は、竹を微粒化する際にも刃の短寿命化を抑制できる、竹の微粒化装置および微粒化方法を提供することを目的とする。

本発明の竹の微粒化装置は、短冊状の竹を裁断するチッパーと、前記チッパーに導入される前記短冊状の竹を、内側と外側が同じ方向を向くように配置させる配置装置を備え、前記チッパーの刃が傾斜して配置される。また本発明の竹の微粒化方法は、短冊状の竹を内側と外側が同じ方向を向くように並べ、常に内側から刃が入るようにし、傾斜刃により引き切るように竹を裁断する。

竹を微粒化する際にも刃の短寿命化を抑制できる、竹の微粒化装置および微粒化方法を提供できる。

チッパーを示す。 竹の微粒化装置を示す。 竹開き装置詳細を示す。 試験刃の取り付け状況を示す。 刃磨耗試験結果（竹形状のまま）を示す。 刃磨耗試験結果（短冊 刃の初期あたり面竹内側）を示す。 刃磨耗試験結果（短冊 刃の初期あたり面竹外側）を示す。 刃打痕の一例を示す。 刃メクレとメカニズムを示す。 竹端内部及び表面に付着している泥類を示す。 乾燥竹から出た竹水を示す。 スクリーン詰まりを示す。

竹は表面が硬いため、チッパーの刃は竹の裁断に用いると短時間で磨耗し、使用出来なくなるといわれてきた。この刃の交換には費用が掛かると共に、交換するには装置を停止する必要があり、稼働率が低下する問題がある。刃の寿命が短くなる原因としては、竹表面にはシリカの多い層があり、この硬い部分に刃があたることで、刃先端の金属磨耗が進行すると一般的にはいわれている。

しかし、２４時間で交換しなければいけないとなるとほぼ毎日刃の交換作業が必要となり、連続運転が出来ず、稼働率が低くなってしまう上に、刃自体の価格も高いことで費用が増大する。

この様な課題の下、発明者は、通常のこぎりで切る際に竹と木材で大幅な違いを経験したことが無いことに着目し、通説を疑って検討を進めた。その過程で、竹表面に固い層があると云っても、磨耗は別の原因と考え、チッパーの粉砕原理と竹の持つ特性について考察を深めた。その結果、次の３段階の作用により刃の摩耗が促進されているとの結論を得た。

（i）チッパー刃が竹に当たった場合、円筒状の竹は変形する。（ii）この変形により竹は刃から逃げようとするため、刃は竹表面を滑るような動きとなる。（iii）このため刃には竹表面で摩擦力が発生し、この摩擦力が磨耗を促進する。

以下説明する本発明の実施例は、刃の摩耗を抑制するため、上記結論に基づき以下の解決策を盛り込んでいる。

（１）竹を円筒状の原型から縦方向に割り、２個以上の短冊状に加工する。（２）短冊状にした竹は最初に刃に当たる面を竹の内面側となるようにする。これにより竹表面の滑りやすい箇所は避けて、できるだけ刃が滑らないようにする。（３）更に好ましくは、刃にあたり粉砕する衝撃で短冊が移動し、刃のすべりと同様の動作とならないようダブルのローラで押さえる。１個のローラではテコの原理のような動きが発生する可能性があり、２個以上のローラをもちいればそれを回避することができる。

なお、特許文献１にも[０００５]に、刃物寿命が約４０時間と短いのも問題、との記載がある。ただしこの問題が解決する方法は明記されていない。特許文献１の段落[００４４]では、特に竹材の輪切りとチップ化を連続的に行えることで、従来のように複数の装置や機材を用いて竹材から竹チップを得る方法と比べ、大幅に省力化して効率よく竹チップを生産できるようになる、と説明されてはいるが、これがどのように刃物寿命に影響するかは記載されていない。

まず図１を用い、チッパーの例を説明する。チッパー１１は内部にチッパー刃１が高速回転し、竹材３が送りローラ２でチッパー１１内部に送られるとチッパー刃１が竹材３に当たり、竹を削ぎ取る。削ぎ取られた竹はチッパー１１内部で再度刃に当たるなどして細粒化される。チッパー１１下部にはスクリーン４があり、細粒化されスクリーン４のサイズ以下になった竹は外部に排出される。

しかし、竹は円筒状の形状で内部が空洞であることから、竹材３（変形前）の状態でチッパー刃１が当たるとほぼ真円の形状が、圧縮力を受けて楕円の断面に変形し、竹材変形後５の状態となる。また、縦方向に割られた短冊状の竹であっても、外側からチッパー１の刃をあてようとすると同様な変形が起こる。短冊状の竹にも断面は曲面で弾力があり、かつ変形代があるためである。

この変形に対し、チッパー刃１は回転軸に固定されているので竹が圧縮変形した分、刃の滑り量６として示した距離分だけ、刃の滑りが発生する。この滑りによる摩擦力により、竹を微粒化する場合のチッパー刃１の磨耗が、一般的な木材の微粒化に比べ、極めて早くなってしまっている。

この解決方法としての前処理の例を、図２を用いて説明する。図２は実施例である竹の微粒化装置を示している。

まず竹材３は、油圧シリンダー７により竹割り装置８へと送られる。

竹割り装置８は内部に何本かの刃があり（図２で示した例では８本）、竹材３が竹割り装置８を通過しようとすると刃で竹は割られて短冊上に何枚かの板となる。また竹割り装置８の中央は竹の節を取り除けるよう円筒になっている。

竹割り装置８を通過した竹は、竹開き装置９により竹の内側が上に向いた方向で並べられる。

図３は本実施例の竹開き装置の詳細図を示す。図３の上の図は、竹開き装置の全体外観を、下の３つの図は、上図にて一点鎖線で示した位置の断面図である。

竹開き装置９は、竹割り装置８で８分割に割られた竹を竹開き核１４に取り付けられた案内板１２で開く。竹開き装置９を進むに従い竹は徐々に内側を上部に向くかたちへと案内板１２と竹開き核１４により誘導される。

また上部に位置する竹を下流へと徐々に案内して行く過程では短冊状の竹が反転する可能性もある。これに対処するために反転防止版１３を取り付け、竹が回転できないよう竹開き核１４と反転防止板１３の間隔を狭くしている。

内側が上向きになった短冊状の竹は、ダブルローラ１０へと送られ、チッパー１１へと送られる。

ダブルローラ１０は回転しながら竹をチッパー１１へと送る役割と、２点で竹を支持することでチッパー刃１が竹に当たった際に衝撃で竹が移動することを防止している。竹が移動するとチッパー刃１の滑りが発生し、竹が変形しなくても刃の磨耗が発生するため、２点で支持することで移動することを防止している。

竹は内面に多孔質の層があり、表面に比べ柔らかいことで、チッパー刃１はスムースに竹に切り込み、すべることなく細粒化できる。

以上説明した本実施例の竹の微粒化装置は、短冊状の竹を裁断するチッパー１１と、竹を短冊状に割る竹割り装置８と、竹割り装置８で割られた竹を内側と外側が同じ方向を向くように配置させる竹開き装置９を備えている。特に竹開き装置のような、竹の内側が上を向くように配置させる配置装置を備えることで、竹を微粒化する際にも刃の短寿命化を抑制できる。さらに、チッパー１１で裁断される際の衝撃による短冊状の竹の移動を抑制する竹移動抑制装置であるダブルローラ１０を備えているため、さらに刃の短寿命化を抑制できる。

ここでいう竹の内側とは、筒状の竹の半径方向内周側を意味し、外側とは、直立に生えている竹の外面から確認できる緑色の表面側を意味する。また、内側と外側が同じ方向を向くとは、短冊状の竹が全て表なら表、全て裏なら裏になるように揃えられたうえで、チッパーに導入されることを意味する。また短冊状の竹とは、文字通り長方形の竹に限られない。筒状の竹ではなく、これを割った状態の竹という意味である。

なお上記実施例は、本発明の一例を示すものであるが、短冊状の竹を内側と外側が同じ方向を向くように並べ、常に内側から刃が入るように竹を裁断する竹の微粒化方法であれば、同様の効果が得られることはいうまでもない。より好ましくは、竹を短冊状に割り、
割られた竹を内側と外側が同じ方向を向くように並べ、竹の動きを抑えながら常に内側から刃が入るように竹を裁断するようにすれば、効率よく竹を微粒化することができる。

ところで、竹を粉砕するチッパーの摩耗は一般的に竹表面にシリカ成分が濃密にあることで、短時間で刃の摩滅が発生し数時間又は２４時間程度で研ぎ直し又は刃の交換が必要となると言われている。このことからチッパーの刃はハスイ鋼と云われる高温耐摩耗鋼が使用されているが、本当にシリカが密となっての摩滅なのか確認試験を行い確認した。

短時間で刃の摩耗が判るように炭素鋼で刃を作成した。また、現状の水平刃では竹に対してほぼ直角に刃を当てることになり、切ると云う動作ではなく押し潰す方向となっていることに着目し、刃に角度をつけて引き切る動作になるようにすれば、摩滅が抑制できるという知見に想到した。この動作を確認するため、２０度、４０度の傾斜刃を作成した。傾斜刃の角度は、刃の進行方向に垂直な直線を基準とした角度である。更に試験としては竹を何も事前加工しない状態と短冊状にして竹の内側から刃が入り状態及び外側から歯の入る状態でそれぞれ確認を実施した。図４にそれぞれの刃取り付け状況を示す。

図５、６、７に摩耗測定結果を示す。結果は刃の長さ方向に３点の幅測定と打痕数で評価した。竹そのままの形状では、竹水のある竹が入るとスクリーンが詰まる場合があるため、スクリーンは取り付けず実施した。どの条件であっても竹の打痕は竹形状と同じものは無く、細かな打痕であった。また使用していない反対側の刃面にも打痕があることもあり、この原因は竹に付着している泥類によるものと推定される。図８に、刃打痕の一例を示す。

竹を切り剪定、定尺に加工するのは竹林内であり無造作に置かれた竹の表面及び端の内部に泥が付着する。図１０に付着した泥類の一例を示す。

また、竹は弾性体であり且つ表面は滑りやすいことから短冊で且つ外側の滑りやすい面に最初に刃が当たるような試験を実施した結果、刃の先端にメクレた状態が発生した。図９に刃メクレとメカニズムを示す。これは竹は弾性体であり変形する分、刃が竹表面で横滑りを発生し、炭素鋼の柔らかい刃では変形したものと推定される。これが硬い刃の場合欠損する可能性もある。

刃の摩耗は、竹形状のままで２．５ｍの竹３９本粉砕した試験で、水平刃０．３ｍｍ、２０度刃０．１３ｍｍ、４０度刃０．４５ｍｍと、２０度刃が最も少ない結果であった。

一方、短冊状にし、竹内側より刃が当たる様にした条件での試験は162-171kgのそれぞれ確認、水平刃０．２ｍｍ、２０度刃０．１５ｍｍ、４０度刃０．９ｍｍであり、この条件でも２０度刃の摩耗が最も少ないとこを確認した。

従って０度以上４０度以下の刃角度に最適点が存在し、試験結果では２０度であることがわかった。

刃角度は２０度、水平、４０度の順で摩耗が多かった。２０度刃よりも４０度刃の方が摩耗が多かったのは、４０度刃の場合、刃と刃の間口が狭まり、竹の送りスピードが同一でも竹の送りが遅くなり、刃の衝撃回数が多くなる分摩耗が多くなったと考えられる。

この結果をふまえれば、刃の傾斜度は２０度を挟んだ、例えば１０度以上３０度以下が好ましいと考えられる。より好ましくは１５度以上２５度以下とするのがよい。

また形状では刃の横滑りの無い短冊内側向きが最も摩耗が少ないことが確認された。

更に試験時竹水によるスクリーン詰まりが発生した。一般には生竹を粉砕すると詰まりやすいと聴いていたが、詰まった竹を分析した結果７２％もの水分含有量となり、生竹ではありえない（＜６０％）水分であった。

図１１に破砕試験中の竹水による水飛散写真を示すが、竹は数か月乾燥させ黄色に変色した竹であるが、図１２に示すようなスクリーン詰まりを発生した。

この竹水によるスクリーン詰りに対しても竹を事前に短冊状に加工しておけば内部の水も排出されスクリーンの詰まりは無くなる。

１ チッパー刃
２ 送りローラ
３ 竹材
４ スクリーン
５ 竹材変形後
６ 刃の滑り量
７ 油圧シリンダー
８ 竹割り装置
９ 竹開き装置
１０ ダブルローラ
１１ チッパー
１２ 案内板
１３ 反転防止版
１４ 竹開き核

Claims (9)

1. 短冊状の竹を裁断するチッパーと、
   前記チッパーに導入される前記短冊状の竹を、内側と外側が同じ方向を向くように配置させる配置装置を備え、
   前記チッパーの刃が、刃の進行方向に垂直な直線に対して傾斜して配置された竹の微粒化装置。
2. 前記チッパーで裁断される際の衝撃による前記短冊状の竹の移動を抑制する竹移動抑制装置を備えた請求項１の竹の微粒化装置。
3. 前記竹移動抑制装置は、前記短冊状の竹を前記チッパーに送り込むローラである請求項２の竹の微粒化装置。
4. 前記ローラを竹の進行方向に２本以上備えた請求項３の竹の微粒化装置。
5. 竹を短冊状に割る竹割り装置と、前記竹割り装置で割られた竹を内側が上を向くように配置させる竹開き装置と、前記竹開き装置で配置された竹を前記チッパーに送り込む２本以上のローラを備えた請求項１の竹の微粒化装置。
6. 前記チッパーは、竹を裁断するチッパー刃と、前記チッパー刃で裁断された竹のうち、所定のサイズ以下になった竹を通過させるスクリーンを備えた請求項１の竹の微粒化装置。
7. 前記チッパーの刃の傾斜角が１０度以上３０度以下である請求項１の竹の微粒化装置。
8. 短冊状の竹を内側と外側が同じ方向を向くように並べ、常に内側から刃が入るようにし、刃の進行方向に垂直な直線に対して傾斜した傾斜刃により引き切るように竹を裁断する
   竹の微粒化方法。
9. 竹を短冊状に割り、
   割られた竹を内側と外側が同じ方向を向くように並べ、
   竹の動きを抑えながら常に内側から刃が入るように竹を裁断する
   請求項８の竹の微粒化方法。

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