(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一体的に回転する略球状のロータと該ロータを内部に含むハウジングとを備え，該ロータの表面と該ハウジングの内周壁面の間の隙間に，粒度の異なる粒体を含む流体を連続して供給し，上記粒体の大きさの違いによって生じる上記粒体にかかる遠心力の差異に基づいて比較的粒度の小さい粒体を含む流体を，上記隙間に連通する排出孔から流出させる分級装置において，上記ロータ及びハウジングを準剛体回転流が生じる速度で回転させ，粗粒子については上記ハウジングの内周壁面に付着させて捕集することを特徴とする分級装置。
【請求項２】
上記ロータの外周面及び上記ハウジングの内周面の各半径寸法をその軸芯方向に沿って段階的に異ならせることにより複数の分級室を構成することとした請求項１記載の分級装置。
【請求項３】
上記ロータ及び上記ハウジングをε≦１．５９Ｅ0.46（ε：ロスビー数，Ｅ：エクマン数）の条件で運転することとした請求項１又は２記載の分級装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は，湿式により微粒子を高精度に分離／分級することのできる分級装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に，ファインセラミックス，高分子材料，エレクトロニクス材料など，いわゆる新素材と呼ばれる材料の原料素材や中間素材のほとんどは粉体である。そして，この材料特性は，粉体によって制御されており，粒度調整が重要なウエイトを占める。従って，原料粉体の粒度調整には厳しい均一性と完全性が求められる。
一方，従来，乾式分級の分野ではサブミクロン粒子の分級も行われているが，粒子表面への微粒子の付着や凝集などによる分級性能の低下が問題となっている。そこで，分級精度や確実性を要求する場合には，湿式分級に頼らざる得ないのが現状である。
この湿式分級の乾式分級に対する利点は，粒子間及び粒子・器壁間付着，凝集力がはるかに小さいことである。これは，液体分子同士の分子間力が大きく，相対的に粒子間に作用する分子間力が弱められること及び粒子・液体境界面の電気二重層により，粒子内に電気的反発力が発生するためであると考えられている。また，粒子の付着・凝集を防止するために，乾式分級においては粒子の体積濃度を極めて低く抑えなければならないが，湿式分級ではかなりの高固体濃度においても実用上可能である。
そして，湿式によりさらに精度よく微粒子を分級するために，分級ゾーンでの流体乱れを少なくすることが追求されている。
このような目的で開発された湿式分級装置としては，例えば特公平３−９７号公報に開示のものが知られている。
【０００３】
上記公報に開示の技術では，断面円形状の回動体と該回動体と同軸にして回動する内円筒との間に微粉体を含むスラリの旋回流を形成させる一方，上記内円筒と，該内円筒と同軸にして回動する外円筒との間に水などの液体の旋回流を形成させ，この旋回流と上記スラリの旋回流を上記内円筒の下方において互いに合流させてスプリッタにより分級するように構成されている。
すなわち，上記スラリは，上記内円筒の内部に形成される流路を流下し，補助となる上記液体は，上記内円筒と外円筒との間に形成された流路を旋回しながら流下し，これらは上記内円筒と外円筒との間の下方に形成された分級室内で合流する。この分級室内では，スラリ中に含まれた微粉体中の粗粒のものは微粒のものと比較して，スラリ旋回流による遠心力の影響を大きく受け，粒子が粒径（厳密には粒子重さ）によって分離される。その結果，下方のスプリッタにおいて，中央部分では微粒の微粉体が，その周囲の側部においては粗粒の微粉体がそれぞれ分級されて回収される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記構成に係る分級装置においては，回動体と内円筒の壁面が流体と共に回転しているため，この流体と壁面との速度差が少なく，流体の乱れは少ない。しかし，スラリと流体との境界の乱れは避けきれずに，微粒中に粗粒が混入するなどの問題を避けることができなかった。
さらに，上記装置においては，上方に位置する内円筒や下方に位置するスプリッタの影響を受けて，分級室内において流体の乱れを引き起こすという不具合もあった。
そこで，本発明は，上記事情に鑑みて創案されたものであり，分級室内において流体の乱れを引き起こすことなく，微粒産物への粗大粒子の混入を完全に防止して，高精度の分級を可能とする分級装置の提供を目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために，本発明が採用する主たる手段は，その要旨とするところが，一体的に回転する略球状のロータと該ロータを内部に含むハウジングとを備え，該ロータの表面と該ハウジングの内周壁面の間の隙間に，粒度の異なる粒体を含む流体を連続して供給し，上記粒体の大きさの違いによって生じる上記粒体にかかる遠心力の差異に基づいて比較的粒度の小さい粒体を含む流体を，上記隙間に連通する排出孔から流出させる分級装置において，上記ロータ及びハウジングを準剛体回転流が生じる速度で回転させ，粗粒子については上記ハウジングの内周壁面に付着させて捕集することを特徴とする分級装置である。
【０００６】
【作用】
上記ロータ及びハウジングを例えば高速で一体的に回転させ，このロータとハウジングとの間に形成された分級室に液体及び原料スラリを供給する。これにより，上記分級室内においては，エクマン層，剪断層（ステワートソン層），内部領域及び剛体回転領域からなる安定した準剛体回転成層流が生成される。
分級は，主として剪断層で行われ，剛体回転領域へ取り込まれた粗粒子（粗粒産物）は，再び剛体回転領域の外へ出ることはなく，高精度の分級をなし得るものである。
【０００７】
【実施例】
以下添付図面を参照して，本発明を具体化した実施例につき説明し，本発明の理解に供する。尚，以下の実施例は，本発明を具体化した一例であって，本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
ここに，図１は本発明の一実施例に係る分級装置の側断面図，図２は図１における要部拡大図，図３は上記分級装置による分級結果を示すグラフ，図４は図３における分級結果に基づいて求めた部分分級効率を示すグラフ，図５は分級の数値シミュレーションを説明するための分級装置の模式図，図６は所定条件の準剛体回転成層流において球形粒子に対して求めた運動軌跡から得られた部分分級効率を示すグラフ，図７は本発明の他の実施例に係る分級装置の概略構成図である。
この実施例に係る分級装置１では，図１及び図２に示すごとく，ベース２に軸受３及び４を介して回転軸５が回転自在に支持されており，その下部には，駆動力を伝達するためのプーリ６が取り付けられている。上記回転軸５の上端部には，表面が円柱球形状をなしたロータ７と，内周面が球面形状をなしたハウジング８とが同一軸芯上で一体的に取り付けられており，このロータ７の外周面とハウジング８の内周面との間の隙間により分級室９が形成されている。
【０００８】
上記ハウジング８の上端部には流入側スリップリング１０が接続されており，この流入側スリップリング１０の軸芯位置に第１の供給口１１が設けられ，その外側に第２の供給口１２が設けられている。そして，上記第１の供給口１１から原料スラりが，上記第２の供給口１２から水がそれぞれ上記分級室９に供給される。
上記分級室９の下方軸芯位置には第１の排出孔１３が配設されており，この第１の排出孔１３は，上記回転軸５の軸芯位置に貫通された第２の排出孔１４に連通されている。そして，この第２の排出孔１４は，上記回転軸５の下端部に接続された流出側スリップリング１５に連通され，この流出側スリップリング１５に設けられた排出口１６から微粒産物が排出される。
他方，粗粒産物は，上記ハウジング８の内周壁面に付着することにより捕集される。
以下，上記分級装置１における主要部分の具体的寸法（単位はｍｍ）及び流量の関係を示す。
ｒR ＝７２．６４：ロータ７の円柱部分の半径
ＲR ＝８７．９０：ロータ７の球部分の半径
ＲH ＝９４．４９：ハウジング８の球面部分の半径
ｄO ＝８ ：原料スラリの供給管（第１の供給口１１）の内径（外径は１０）
ｄW ＝１０．９ ：水の供給円筒部の内径
ｄS ＝３６ ：ロータ７とのはめあい部での回転軸５の軸径
ｄF ＝６ ：微粒産物の排出円筒部（第２の排出孔１４において３段階に変化する直径の中間部分）の半径
ＱO ：原料スラリの流量
Ｑ ：原料スラリと水の合計流量＝微粒産物の流量
Ｑ−ＱO ：水の流量
【０００９】
上記のような分級装置１において，分級室９に水及び原料スラリを供給すると共に，ロータ７及びハウジング８を一体的に高速回転させることにより，上記分級室９内で準剛体回転成層流を生成する。そして，この準剛体回転成層流内で，上記原料スラリを分級することにより，粗大粒子の混入を完全に防止された微粒産物のみが排出口１６から排出される。
ここで，上記分級装置１における分級条件について詳述する。
即ち，安定的な準剛体回転成層流が得られるためのエクマン数 Ｅ＝ν／（ΩｒR 2 ）およびロスビー数ε＝Ｑ／（４πΩｒR 3 Ｅ0.5 ）の条件は，流れの可視化実験よりε≦１．５９Ｅ0.46と求められた。従って，上記分級装置１を用いた実験では，Ｅ＝５．３７×１０-6 ，ε＝８．３０×１０-3に設定した。ここではνは水の動粘度，Ωはロータ７及びハウジング８の角速度，ｒR はロータ７の円柱部分の半径である。
そして，原料粉体としては，真比重が１．１９のポリメタクリル酸メチルの真球粒子を用い，これを分散媒の水に重量濃度０．５０％で加えて原料スラリとしたものである。なお，分散剤として液体合成洗剤を小量加えた原料スラリと水の合計流量Ｑに対する原料スラリ流量ＱO の比，Ｑ0 ／Ｑは，最大で約０．３に設定できるが，この比は小さい方が分級性能がよくなるので，本実験では，０．１１３に設定した。
【００１０】
得られた分級結果は，以下のとおりである。
ここで図３において，原料スラリ，微粒産物，粗粒産物の積算分布をそれぞれＲO ，ＲF ，ＲC で示す。なお，粗粒産物ＲC は直接測定して求めたものではなく，原料スラリＲO と微粒産物ＲF 及び微粒産物ＲF の回収率ηF ＝０．３８から求めたものである（ＲC ＝（ＲO −ηF ＲF ）／（１−ηF ））。そして，図中の実線は，実験点の多項式近似曲線を示す。
次に，図４は，図３の近似多項式を微分して求めた頻度分布より得た部分分級効率Δηを示す。これにより，５０％粒径ＤP50 （分級点）が４．３μｍ，分級の鋭さＤP25 ／ＤP75 （分級精度）が１．５２と求められた。
引き続き，図５に示す単段の分級装置１７について分級の数値シミュレーションを行った結果を以下に示す。
上記分級装置１７は，高速で一体回転する円板形状のロータ１８と円筒タンク形状のハウジング１９からなり，原料スラリは流入口２０より供給される。微粒産物は流出口２１で捕集されるが，粗粒産物はハウジング１９の円柱内周壁部分に付着することにより捕集される。
上記分級装置１７における主要部分の寸法関係を以下に示す。
ａ ：ロータ１８の半径
Ｄha＝０．３ａ ：ロータ１８の軸長
Ｒ ＝０．７ａ ：流入，流出口２０，２１の半径
Ｄh1＝Ｄh2＝０．１５ａ：ロータ１８とハウジング１９の軸方向すきま幅
Ｄ1 ＝０．３ａ ：ロータ１８とハウジング１９の半径方向すきま幅
【００１１】
尚，流れ場は，非圧縮性粘性流体の運動方程式（ナビィエ・ストークス式）を直接数値積分することにより求められ，粒子の運動軌跡は，粒子の運動方程式（バセット・ブシネスク・オゼーン式，ただしバセット項と重力項は無視）を直接数値積分することにより求められる。
図６は，エクマン数Ｅ＝ν／（Ωａ2 ）が１．６７×１０-5で，ロスビー数ε＝ＵO ／（Ωａ）が１．６７×１０-3の場合の準剛体回転成層流において，種々の無次元直径ＤP′（＝ＤP ／｛ａ（Ｅε）0.5 ｝）の球形粒子に対して求めた運動軌跡から得た部分分級効率Δηを示す。
ここでνは流体の動粘度，Ωはロータ１８とハウジング１９の角速度，ＵO は流入，流出口２０，２１における一様な半径方向速度成分の大きさである。また，流体に対する粒子の密度比ρp ／ρf は１．１９で，流入口２０における粒子の初期速度は，そこでの流体の速度と同じにした。さらに，流入口２０における粒子（原料スラリ）の供給位置は，図に示すａ〜ｅの５通りとした。例えば位置ｂの場合は，流入口２０の無次元軸座標ｚ′が０（ロータ壁）から０．５（すきま中央）までの範囲にのみ原料スラリを供給し，０．５から１（ハウジング壁）までの範囲には粒子を含まない流体を供給する。ここで原料スラリに含まれる粒子の粒径分布はｚ′に依存しないものとする。図から明らかなように，分級精度Ｄp25 ／Ｄp75 （＝Ｄ′p25 ／Ｄ′p75 ）は，ロータ壁付近にのみ原料スラリを供給する位置ｄの場合が最も良く，１．１０の値をとり，この場合の分級点Ｄp50 ＝（Ｄ′P50 ａ（Ｅε）0.5 ）は，３．０５ａ（Ｅε）0.5 の値をとる。
【００１２】
引き続き，図７に基づいて，本発明の他の実施例に係る分級装置２２について説明する。
即ち，上記分級装置２２は，ロータ２３の外周面及びハウジング２４の内周面の各半径寸法をその軸芯方向へ向けて段階的（本実施例では３段階）に異ならせることにより，複数の分級室２５ａ，２５ｂ，２５ｃを形成したものである。
そして，各段の分級室２５ａ，２５ｂ，２５ｃの入口におけるハウジング２４上のエクマン層には，粒子を含まない流体（水）を供給する。この流体の流量を主にコントロールすることにより，各分級室２５ａ，２５ｂ，２５ｃとも安定的な準剛体回転成層流が得られる。
本実施例に係る分級装置は上記したように構成されているため，各分級室内においては乱れの全く生じない準剛体回転成層流を生成して，これにより原料スラリの分級がなされるため，原理的にはサブミクロン領域のシャープな分級が可能となる。特に微粒産物への粗大粒子の混合を完全に防止することができる。
そして，安定的な準剛体回転成層流が得られるエクマン数とロスビー数の範囲においては，ロータおよびハウジングの回転数と水などの流体の流量を変化させることにより，その分級すべき粒径を自由にコントロールすることができる。
また，このように制御変数としては回転数と流量のみであることから，装置の自動制御化が容易に実現し得るものである。
【００１３】
【発明の効果】
本発明は，上記したように，一体的に回転する略球状のロータと該ロータを内部に含むハウジングとを備え，該ロータの表面と該ハウジングの内周壁面の間の隙間に，粒度の異なる粒体を含む流体を連続して供給し，上記粒体の大きさの違いによって生じる上記粒体にかかる遠心力の差異に基づいて比較的粒度の小さい粒体を含む流体を，上記隙間に連通する排出孔から流出させる分級装置において，上記ロータ及びハウジングを準剛体回転流が生じる速度で回転させ，粗粒子については上記ハウジングの内周壁面に付着させて捕集することを特徴とする分級装置であるから，分級室内において流体の乱れを引き起こすことなく，微粒産物への粗大粒子の混入を完全に防止して，高精度な分級を可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る分級装置の側断面図。
【図２】図１における要部拡大図。
【図３】上記分級装置による分級結果を示すグラフ。
【図４】図３における分級結果に基づいて求めた部分分級効率を示すグラフ。
【図５】分級の数値シミュレーションを説明するための分級装置の模式図。
【図６】所定条件の準剛体回転成層流において球形粒子に対して求めた運動軌跡から得られた部分分級効率を示すグラフ。
【図７】本発明の他の実施例に係る分級装置の概略構成図。
【符号の説明】
１，１７，２２…分級装置
７，１８，２３…ロータ
８，１９，２４…ハウジング
９，２５ａ，２５ｂ，２５ｃ…分級室
【図１】
0003542382.tif 000002
【図２】
0003542382.tif 000003
【図３】
0003542382.tif 000004
【図４】
0003542382.tif 000005
【図５】
0003542382.tif 000006
【図６】
0003542382.tif 000007
【図７】
0003542382.tif 000008