(57)【要約】  独立して駆動される少なくとも２つの軸方向に搭載された要素が、間に処理チャンバを規定するよう、一方が他方の内部に偏心して搭載され、ある位置での要素間の最小の径方向間隙が最大の径方向間隙とはまったく正反対にある、粉砕装置である。調節可能な最小の径方向間隙に材料を通過させることにより、応力が材料に印加される。要素は、最小間隙内の材料に圧縮応力および伸長応力を印加するために同じ方向に回転されてもよく、または、この間隙内の材料にせん断応力を印加するために反対方向に回転されてもよい。応力を受けた材料に熱伝達および分配混合を提供するために、第３の要素がチャンバ内に組み込まれてもよい。
2013527021.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
材料を粉砕するための粉砕装置であって、前記装置は、
間にチャンバを規定するよう、一方が他方の内部に偏心して搭載された、少なくとも２つの軸方向に延在する部材を含み、
外側部材の内面は、その外側部材の軸を中心としており、
内側部材の外面は、その内側部材の軸を中心としており、
第１の部材および第２の部材の双方は、それらのそれぞれの軸を中心として回転可能であり、前記粉砕装置はさらに、
粉砕すべき材料を混合チャンバへと導入するための入口と、粉砕された材料を混合チャンバから除去するための出口とを含み、
所与の軸方向位置について、２つの部材間の径方向距離の変動が間隙を規定し、間隙は、間隙に入る材料に運動および応力を加えるために、周方向運動に対して交互に減少および増加し、
チャンバを通過する材料は、内側部材および外側部材の軸方向配向に対して実質的に螺旋状の軌道を描き、
チャンバ内の材料は、第１の部材および第２の部材の双方が同じ方向に回転する場合には、主として機械的に誘発された圧縮応力および流体に誘発された伸長応力を受け、第１の部材および第２の部材の双方が反対方向に回転する場合には、主として流体に誘発されたせん断応力を受ける、粉砕装置。
【請求項２】
第１の部材および第２の部材の表面は辺が平行な円筒として規定され、それにより、表面間の高応力間隙を規定する距離は、内側部材または外側部材の少なくとも一方をその軸に直交して変位させることによって調節され得る、請求項１に記載の粉砕装置。
【請求項３】
第１の部材および第２の部材の表面は円錐として規定され、それにより、表面間の高応力間隙を規定する距離は、内側部材または外側部材の少なくとも一方をその軸に沿って変位させることによって調節され得る、請求項１に記載の粉砕装置。
【請求項４】
内側部材および外側部材は、互いに独立して回転される、前述の請求項のいずれかに記載の粉砕装置。
【請求項５】
材料が高応力ゾーンから出るとすぐに材料への応力の印加から生じる熱を抽出するために、第３の部材がチャンバ内に軸方向に延在する、前述の請求項のいずれかに記載の粉砕装置。
【請求項６】
第３の部材の外面は、粒子再結合を阻止するために、材料が高応力ゾーンから出るとすぐに材料内に流動不安定性を誘発するよう構成されている、前述の請求項のいずれかに記載の粉砕装置。
【請求項７】
第３の部材の外面は、チャンバから除去された材料の各部分が他の部分と実質的に同じ応力および歪み履歴を受けたことを確実にするために、チャンバ内の材料の軸方向流を阻止するよう構成されている、前述の請求項のいずれかに記載の粉砕装置。
【請求項８】
表面同士が、一方が他方の上になって閉鎖しないことを確実にするために、局所的応力から生じる熱膨張が、局所化された熱抽出によって制御される、前述の請求項のいずれかに記載の粉砕装置。
【請求項９】
内側部材の数は１を上回る、前述の請求項のいずれかに記載の粉砕装置。
【請求項１０】
プロセス材料と接触する内側部材または外側部材の表面は、その要素の残りから取外し可能なスリーブの内部に含まれている、前述の請求項のいずれかに記載の粉砕装置。
【請求項１１】
プロセス材料と接触する外側部材の表面は、容器を形成するためにその要素の残りから取外し可能な部分の内部に含まれている、前述の請求項のいずれかに記載の粉砕装置。
【請求項１２】
混合装置を提供することを含む、混合の方法であって、前記混合装置は、
間にチャンバを規定するよう、一方が他方の内部に偏心して搭載された、少なくとも２つの軸方向に延在する部材を含み、
外側部材の内面は、その外側部材の軸を中心としており、
内側部材の外面は、その内側部材の軸を中心としており、
第１の部材および第２の部材の双方は、それらのそれぞれの軸を中心として回転可能であり、前記混合装置はさらに、
粉砕すべき材料を混合チャンバへと導入するための入口と、粉砕された材料を混合チャンバから除去するための出口とを含み、
所与の軸方向位置について、２つの部材間の径方向距離の変動が間隙を規定し、間隙は、間隙に入る材料に運動および応力を加えるために、周方向運動に対して交互に減少および増加し、
チャンバを通過する材料は、内側部材および外側部材の軸方向配向に対して実質的に螺旋状の軌道を描き、
チャンバ内の材料は、第１の部材および第２の部材の双方が同じ方向に回転する場合には、主として機械的に誘発された圧縮応力および流体に誘発された伸長応力を受け、第１の部材および第２の部材の双方が反対方向に回転する場合には、主として流体に誘発されたせん断応力を受ける、混合装置を提供するステップを含む、方法。
【請求項１３】
第１の部材および第２の部材の双方が同じ方向に回転する場合、実質的な破砕伸長作用を確実にするために、同じ表面速度が双方の表面に印加される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
第１の部材および第２の部材の双方が同じ方向に回転する場合、減少した破砕伸長作用および増加したせん断作用を確実にするために、異なる表面速度が双方の表面に印加される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
第１の部材および第２の部材の双方が反対方向に回転する場合、実質的なせん断作用を確実にするために、２つの個々の速度の合計から高い相対速度が印加される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
処理された材料の応力および歪み履歴の変動を達成するために、第１の部材と第２の部材との間の最小限間隙が変更される、請求項１２〜１５のいずれかに記載の方法。
【請求項１７】
処理された材料の応力および歪み履歴の変動を達成するために、第１の部材およびまたは第２の部材の相対回転速度およびまたは方向が変更される、請求項１２〜１６のいずれかに記載の方法。
【請求項１８】
処理された材料の応力および歪み履歴の変動を達成するために、流量が変更される、請求項１２〜１７のいずれかに記載の方法。
【請求項１９】
処理された材料の応力および歪み履歴の変動を達成するために、温度が変更される、請求項１２〜１８のいずれかに記載の方法。
【請求項２０】
処理チャンバの体積およびまたは流れおよびまたは熱伝達特性は、第３の要素の一構成を除去し、それを代替的に構成された第３の要素と置き換えることによって変更される、請求項１２〜１９のいずれかに記載の方法。
【請求項２１】
装置は、バッチ粉砕の目的に適用される、請求項１２〜２０のいずれかに記載の方法。
【請求項２２】
装置は、連続粉砕の目的に適用される、請求項１２〜２０のいずれかに記載の方法。
【請求項２３】
１つ以上の回転モードで、かつ１つ以上の処理変数設定を用いて連続的に構成された複数の期間にわたり、単一の装置が動作される、請求項１２〜２２のいずれかに記載の方法。
【請求項２４】
単一の装置が、１つ以上の回転モードで、かつ１つ以上の処理変数設定を用いて連続的に構成された、それを通る複数の通過を用いて動作される、請求項１２〜２２のいずれかに記載の方法。
【請求項２５】
複数の装置が、それらを同時に通る単一の通過を用いて動作され、各装置は、１つ以上のモードで、かつ１つ以上の処理変数設定を用いて構成されている、請求項１２〜２２のいずれかに記載の方法。
【請求項２６】
添付図面を参照して実質的に前述されたような、粉砕装置。
【請求項２７】
添付図面を参照して実質的に前述されたような、粉砕方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は粉砕に関し、新規の粉砕装置および粉砕方法を提供する。特に、この発明は、流体媒体内の材料の小粒子の高エネルギ粉砕に関する。「粉砕」という用語が単一材料の処理を含むこと、および「硬い」材料という用語が「硬度」およびまたは「強度」の意味を有することが理解されるであろう。
【背景技術】
【０００２】
粉砕の動作は、表面に対するまたは表面間での破砕作用による、材料のばらばらの部分または粒子の粉砕を含む、ということが一般に理解されている。そのようなプロセスでは、材料部分は、それらに印加された圧縮応力、引張り応力、およびせん断応力のうちの１つ以上の結果、サイズが減少する。そのような効果を提供する粉砕装置の例は、材料が通常、平面間で破砕せん断作用を受けるディスクミル；材料が通常、曲面間で破砕せん断作用を受けるロールミル；材料が通常、表面間で圧縮荷重を受けるスタンプミル；材料が通常、表面間で破砕せん断作用を受けるボールミルまたはビーズミル；および、材料が通常、材料の表面または他の噴出口に対する衝突を通して圧縮荷重を受けるジェットインパクトミルを含む。
【０００３】
粉砕中の材料の表面に直接接触させられる固体表面を使用するための代替的なアプローチは、粉砕中の材料の個々の部分を包囲し、それらと完全に面接触する母材として、流体材料を使用し、次に、流体に直接作用することによって材料部分に間接的に応力を加えることである。そのような効果を提供する粉砕装置の例は、流体母材が回転ディスクの作用を通してせん断応力を受け、そのような応力が次に流体／材料界面を通して粒子に伝達される、鋸歯ミル；および、流体母材がせん断応力、伸長応力、および衝撃応力のうちの１つ以上を受け、そのような応力が次に流体／材料界面を通して粒子に伝達される、ホモジナイザを含む。
【０００４】
多くの種類の有用な粉砕装置がこれまで何世紀にもわたって発明され開発されてきており、各々それ独自の利点および欠点を有している、ということが理解されるであろう。
【０００５】
現在、ビーズミルが、比較的硬いサブミクロン粒子を処理するために利用可能な最良の手段を提供する、ということが一般に受入れられている。そのようなミルは文献で周知である。しかしながら、ビーズミルプロセスの制限は、ビーズと粒子との間の無制御相互作用から生じ、すべての粒子が所望のサイズまで小さくなることを確実にするために長期にわたる処理時間を必要とする、プロセスの固有のランダム性；材料に対する、および互いに対するビーズの高い局所的衝撃荷重から生じるビーズ自体への損傷、ならびに処理中の材料を汚染するビーズの破片；第１に粉砕された材料と相互作用するために利用可能な接触面積を減少させ、第２に粉砕された小粒子がビーズの構造の内部に捕捉され、ひいてはさらなる粉砕活動から隔離されることをもたらす、ビーズの表面粗さを含む。
【０００６】
上述の代替的な流体母材タイプのミルはまた、比較的強い粒子を非常に小さいサイズで粉砕する際、効果がない。これは主として処理長さスケールの関数であり、その場合、初期粒子を収容するために必要とされるより大きい間隙では、流体応力は硬い材料の破壊を達成するには不十分である。
【０００７】
ビーズミル、および流体母材タイプの粉砕装置はともに、細かく分割された材料を処理する際、２つのさらなる主な制限を受ける。第１の制限は、硬い粒子をサブミクロンスケールで破壊するのに必要される非常に高いエネルギ密度が、比例して高い温度を材料に付与するということである。そのような温度上昇は、材料特性への損傷のリスクがある。第２の制限は、それらが本質的に粒子の即時再結合を防止できない、ということである。そのような再結合の傾向は、粒子のサイズが減少するにつれて増加し、一方、これが発生する時間尺度も減少する。
【０００８】
したがって、特にサブミクロンサイズ範囲での非常に小さい粒子の機械的サイズ減少が、どの公知の種類の粉砕材料によっても適切に対処されない重要な課題を提示する、ということが理解されるであろう。これは特に、材料数量を工業規模で処理しようとする際に問題である。この発明の目的は、そのようなサイズ減少を工業的に妥当な生産速度で達成可能なミルおよび方法を提供することである。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明の第１の局面によれば、材料を粉砕するための粉砕装置であって、前記装置は、間にチャンバを規定するよう、一方が他方の内部に偏心して搭載された、少なくとも２つの軸方向に延在する部材を含み、外側部材の内面は、その外側部材の軸を中心としており、内側部材の外面は、その内側部材の軸を中心としており、第１および第２の部材の双方は、それらのそれぞれの軸を中心として回転可能であり、前記粉砕装置はさらに、粉砕すべき材料を混合チャンバへと導入するための入口と、粉砕された材料を混合チャンバから除去するための出口とを含み、所与の軸方向位置について、２つの部材間の径方向距離の変動が間隙を規定し、間隙は、間隙に入る材料に運動および応力を加えるために、周方向運動に対して交互に減少および増加し、チャンバを通過する材料は、内側部材および外側部材の軸方向配向に対して実質的に螺旋状の軌道を描き、チャンバ内の材料は、第１および第２の部材の双方が同じ方向に回転する場合には、主として機械的に誘発された圧縮応力および流体に誘発された伸長応力を受け、第１および第２の部材の双方が反対方向に回転する場合には、主として流体に誘発されたせん断応力を受ける、粉砕装置が提供される。
【００１０】
この発明の第２の局面によれば、材料が高応力ゾーンから出るとすぐに材料への応力の印加から生じる熱を抽出するために、チャンバ内に軸方向に延在する部材が提供される。
【００１１】
この発明の第３の局面によれば、材料が高応力ゾーンから出るとすぐに材料の流動パターンを妨害し分離することによって破裂粒子の即時再結合を防止するために、チャンバ内に軸方向に延在する部材が提供される。
【００１２】
この発明の特定の実施例を、例示のためにのみ、添付図面を参照してここに説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】この発明の第１の実施例を通る軸方向平面断面図である。
【図２】図１の実施例の断面端面図である。
【図３】図１の実施例の部分断面側面図である。
【図４ａ】この発明に従った代替的なロータ形状を例示する部分断面平面図である。
【図４ｂ】この発明に従った代替的なロータ形状を例示する部分断面平面図である。
【図４ｃ】この発明に従った代替的なロータ形状を例示する部分断面平面図である。
【図５】複数のロータが組込まれたこの発明のさらに別の実施例を例示する部分断面平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１を参照すると、例示されたミルは、ステータハウジング３内のベアリング２において支持された第１のロータ１と、ステータハウジング６内のベアリング５において支持された第２のロータ４とを含む。第１のロータ１および第２のロータ４の軸は互いに平行であり、それらのそれぞれのステータハウジング３、６の面７、８に直交している。ステータハウジング３および６は、ロータ１の外端面１０がロータ４の内面１１の内側に位置し、これらの表面とステータ３の表面７との間に処理チャンバ１２が形成されるよう、締結具９によってそれらのそれぞれの面７、８を介してともに接続されている。チャンバは、ロータ１とステータハウジング３との界面を封止するシール１３、およびロータ４とステータスハウジング６との界面を封止するシール１４によって最終的に囲まれている。
【００１５】
処理材料は、外部手段（図示せず）によって通路１５内にポンプ注入され、その後、通路１６を通って処理チャンバ１２に入り、チャンバの遠端へと放出される。処理材料は、通路１５と同様にステータ３の壁を通過する通路１７（図２）を通って処理チャンバを出る。
【００１６】
熱交換器バッフル１８が処理チャンバ１２内に位置しており、ステータハウジング３の壁７に取付けられている。
【００１７】
図２を参照すると、ステータハウジング６のアセンブリに対してステータハウジング３のアセンブリをＸＸ軸の方向に沿って動かし、その後、両者の位置を締結具９によって固定することにより、ロータの面１０、１１間の径方向間隙１９が調節可能である、ということが理解されるであろう。そのような動きに対応するために、ステータハウジング６には十分なゆとり２０（図１）が設けられている。
【００１８】
ロータ１およびロータ４は双方とも、回転式アクチュエータ（図示せず）によっていずれの方向にも独立して駆動可能である。この発明の好ましい一実施例では、ロータ１の回転の駆動方向は両方向から選択可能であるが、ロータ４の回転の駆動方向は選択できない。なお、ロータのいずれか一方が全く駆動されず、いずれかがたとえばブレーキによって回転を防止されるかまたは自由に回転するようにされていてもよい。この選択肢は、この好ましい実施例ではこれ以上説明しない。
【００１９】
ロータ４の面１１の回転運動は、チャンバ１２内に含有されるプロセス材料に対して、接線方向の牽引力を及ぼす。この牽引力は、結果的に生じる面１１に対する径方向遠心力を用いて、プロセス材料に回転を付与する。通路１６を通ってチャンバ１２に入るプロセス材料はそれにより、間隙１９へと著しく方向付けられ、間隙１９を通るよう推進されてから、チャンバに戻される。この循環流は、材料がチャンバの一方の端から他方へと軸方向に通過し、その後通路１７を通って放出される際に、あらゆる材料に対して螺旋状の流動パターンを与える。
【００２０】
双方のロータが同じ方向に回転している場合（共回転）、間隙１９は、同じ方向に進む表面の間に形成される。この間隙に入る材料はしたがって、実質的に整列された高い牽引力を受ける。この作用は、引込まれた材料に高い伸長応力をかけるという効果を有しており、それにより、材料の各要素は、長さがその流れの方向に著しく伸長される。そのような伸長応力は、本質的に引張り応力条件下で、材料を破裂させるのに非常に有用である、ということが理解されるであろう。また、互いに近づく表面同士の同方向運動は、材料に対し、それらの流れおよび伸長応力に垂直な方向に直接的な機械的圧縮応力を付与し、ばらばらの粒子または粒子の集合体がそれらの表面間で機械的に破裂されるという結果を伴う、ということが理解されるであろう。間隙に入る引込まれた流体の速度は表面の速度と同様であるため、材料に直接付与されるせん断応力は、これらの状況下では比較的低い。
【００２１】
ロータが反対方向に回転している場合（反転）、間隙１９は、反対方向に進む表面の間に形成される。この間隙ゾーンにおけるせん断応力は、２つの表面の相対速度に正比例し、それらの分離距離に反比例するため、間隙を通過する材料に著しいせん断応力がかかる。これらのせん断応力は、流体媒体を通して印加されたせん断応力が破裂させるべき粒子の表面に伝達される本質的にせん断条件下において、材料を破裂させるのに非常に有用である。互いに近づく表面同士の逆方向運動は、大きい粒子または集合体が間隙ゾーンに容易に入ることを緩和し、それによりこの種の回転を、径方向間隙の長さと比べて比較的小さい粒子にとってより好適にする、ということが理解されるであろう。
【００２２】
共回転および反転の双方において、間隙１９内の材料に付与される応力は、ＸＸ軸に沿って間隙を小さくする設定で増加し、間隙を大きくする設定で小さくなる、ということが理解されるであろう。また、応力は、さまざまな表面の速度に比例して、および応力を受けるプロセス材料の粘度に比例して増加する、ということが理解されるであろう。
【００２３】
双方の回転条件下において、間隙１９を出た材料はチャンバ１２の拡大ゾーンに入り、そこでは、ロータ４によって付与される遠心効果が材料を表面１１の方へ押し進め、ひいてはチャンバ内でほぼ循環する流れを促す傾向がある。しかしながら、破裂粒子が安定化する際のそれらの進行中の物理的分離、ひいてはそれらの即時再凝集の防止を、分配混合作用を通して促進するためには、間隙１９における応力印加の直後に、激しく攪拌された流動場を与えることが有益である、ということが理解されるであろう。反転モードでの動作時、出口ゾーンでの流体運動は、反対方向に動く表面によって付与された牽引力によって誘発された局所的循環流を与えられて、特に激しくなる。乱流を含むことが予想できるそのような激しい運動は、再凝集を防止するのに非常に有用である。共回転モードでの動作時、この区域での流れは表面と整列された流線によって支配されており、比較的それほど激しくない。
【００２４】
図１、図２、および図３を参照すると、例示されたミルは、処理チャンバ１２内に位置する組合された熱交換器およびバッフル１８を含む。図３は断面ではないこのバッフルを示すことが理解されるであろう。バッフルは、回転面１０および１１に向かって延在するものの、それらとは接触していない、複数の平行な平面フィン状突起２１を含む。これらのフィン状突起は、中空チャンバ２３を包囲する外壁２２から延在している。水などの冷却用流体が、外部アクチュエータ（図示せず）により、ステータハウジング壁７の通路２５を通ってチャンバ２３へとポンプ注入される。冷却用流体は次に、チャンバ２３の長さを下り、内部通路２６を通って、次にステータハウジング壁７の通路２４を通って、それから出る。これは対向流熱交換器構成を形成しているが、冷却用流体流の方向を反転させることによって同方向流熱交換器構成が適用可能である、ということが理解されるであろう。
【００２５】
たとえばチャンバ１２の表面との間で熱を伝達可能な冷却チャネルを有するロータおよび／またはステータを構成することにより、追加の熱伝達能力をこの発明に従った装置に搭載できる、ということが理解されるであろう。
【００２６】
高い応力がかかった間隙ゾーン１９からの出口の直近に熱交換を設けることに加え、バッフル突起２１は、チャンバ１２内の循環流パターンを妨害するよう、また、軸方向にチャンバを下る流れを妨げるよう作用する。この後者の作用は、チャンバ内のあらゆる材料が、それがチャンバ内にある間、間隙を回避するというよりもむしろ、間隙１９を周期的に通過する、ということを確実にする。
【００２７】
上述のように、図１、図２、および図３は、この発明の好ましい一実施例を示す。
図４ａ、図４ｂ、および図４ｃを参照すると、図解は、ロータ表面のさまざまな代替的構成を示している。図４ａでは、ロータ表面２７および２８は、互いに対して、かつ双方のロータの軸に対して平行である。図４ｂでは、ロータ表面２９および３０は互いに平行であるが、表面２９はその端に向かって先細になっており、一方、表面３０はその端に向かって末広がりになっている。図４ｃでは、ロータ表面３１および３２は互いに平行であるが、表面３１はその端に向かって末広がりになっており、一方、表面３２はその端に向かって先細になっている。
【００２８】
図４ａに示す構成は、ロータ表面間の径方向間隙が軸ＸＸに沿った相対運動によって調節されることを可能にする。図４ｂおよび図４ｃに示す構成は、ロータ表面間の径方向間隙が、軸ＸＸに沿った相対運動に加え、または軸ＸＸに沿った相対運動の代わりに、軸ＹＹに沿った相対運動によって調節されることを可能にする。図４ｂおよび図４ｃに具現化された比較的小さいテーパ角は、比較的大きい軸方向運動で小さい径方向間隙調節が達成されることを可能にし、それにより精度を高める、という点で有利である。
【００２９】
図４ｂおよび図４ｃに示すようなテーパ表面の適用は、チャンバ内の軸方向流パターンに影響を与える、ということが理解されるであろう。図４ｂに示す表面はより大きいロータの外側への正味の軸方向流を促進し、一方、図４ｃに示す表面は内側への正味の軸方向流を促進する。そのような効果は、特定の処理目的を達成するために、設計段階で選択可能である。
【００３０】
図５を参照すると、図解は、外側ロータ３４と組合された複数の内側ロータ３３を示している。そのような構成の利点は、外側ロータ３４に印加されている径方向の力の釣り合いを取る可能性を含む。
【００３１】
図面は水平構成を示してきたが、この発明に従った装置は任意の配向で搭載可能である、ということが理解されるであろう。たとえば、ある状況では、材料が含有される容器を構成するより大きいロータを用いて装置を垂直に搭載することにより、バッチ混合が促進されてもよい。
【００３２】
より大きいロータは、駆動シャフトの残りから分離可能な中空要素を有して構成されてもよく、それにより、比較的容易に取外される容器を提供する、ということが理解されるであろう。また、ロータ１および４は、表面１０および１１をそれぞれ含む取外し可能なスリーブを有して構成されてもよい、ということが理解されるであろう。
【００３３】
この発明に従った装置は、バッチモードで、または連続モードで動作可能である。
バッチモードでの好ましい動作方法では、材料は最初に、より大きい粒子サイズと釣り合った径方向間隙でロータが共回転駆動されることにより粉砕される。これは、より大きい粒子を比較的均質なより小さいサイズへと迅速に破裂させるために、高い圧縮力および／または破砕力、ならびに高い伸長応力をより大きい粒子に印加する。この段階の間、ロータ間の径方向間隙は、所望の粉砕度合に従って、一連の工程で減少され得る。粒子が細かく分割された状態で、間隙は、材料が挟まれてロータが反転駆動されることのないようなサイズに設定されてもよい。これは、間隙内の材料に高いせん断を印加し、それにより、粒子をより小さいサイズに減少させるであろう。この段階の間、ロータ間の径方向間隙はここでも、材料放出の準備ができるまで、所望の粉砕度合に従って、一連の工程で減少され得る。混合の各工程の期間は主として、バッチ内に含まれるあらゆる材料が間隙を通過したことを確実にする必要性によって決定付けられる。全プロセスの期間は、必要とされる間隙への漸進的変化の数に従って増加または減少し得る。全プロセスは、装置間で材料を運ぶ必要なく、単一の装置において達成可能である、ということが理解されるであろう。
【００３４】
連続モードでの好ましい動作方法では、処理される材料は、ポンプなどの何らかの外部手段によって、装置へとポンプ注入される。ロータ間の径方向間隙を一定に保った状態で、粉砕チャンバを通過する材料は、高応力の径方向間隙を最低１回通過する。１つの粒子がチャンバを通るその移行中に経験する間隙通過数は、速度、間隙およびチャンバのサイズ、長さ、ならびにポンプ流量といった変数の関数である、ということが理解されるであろう。この処理ステップは、バッチ混合について上述したのと同じラインに沿って進行し、反転動作が共回転動作に先行するであろう。材料は一連のミルを通過可能であり、各ミルは所望の間隙、回転方向、および速度を有して構成されている。また、これに代えて、材料は、間隙、速度、および方向設定を周期的に調節して連続的に、または、材料を貯蔵容器との間で通過させ、各通過間で間隙、速度、および方向設定を調節して半連続的に、単一の装置を通って再循環されてもよい。単一の装置の場合、複数の粉砕装置内での材料の損失がなく、汚染のリスクが最小限で、全プロセスが単一の装置で達成可能である、ということが理解されるであろう。複数ミル構成の場合、装置の多機能能力が、相対的に短い生産操業を構成し動作させる柔軟性および経済性を高める、ということが理解されるであろう。
【００３５】
なお、プロセスが安定した状態を保つ必要がある場合、粉砕中の材料に入力される機械的エネルギのレベルは、材料から抽出された熱エネルギのレベルと実質的に一致しなければならない。そうしなければ、機器および／または材料の熱劣化、または局所的熱膨張から生じる表面間の衝突破壊といった望ましくない結果がもたらされるであろう。したがって、熱交換の有効性はプロセスにとって重大である。これは表面工学の関数であり、それにより、表面区域および表面構成が対流熱伝達および位置付けにとって最適化され、それにより、熱交換面は、チャンバの重大区域内に、特に間隙からの出口ゾーン内に位置している。
【００３６】
この発明に従った粉砕装置は、外部機器、たとえばポンプ、容器、熱交換器、および分析機器と組合せ可能である、ということが理解されるであろう。また、プロセスは、たとえば、課せられた順序付け制御などの開ループ制御法、または感知されたプロセス条件に基づいた閉ループ制御法に応答して、間隙、速度、および方向などの処理条件を自動的に調節することにより、自動化され得る、ということが理解されるであろう。
【００３７】
この発明に従った装置および方法は、現在の従来技術に対する多くの利点を提供する。共回転装置または反転装置として動作する能力、およびこれがバッチ動作および連続動作の双方に提供する２つの異なる応力印加機構は、上述のような動作上の利点を提供する。反転作用は、所与のせん断速度を達成するために、個々の各ロータの回転速度が単一のロータ装置での場合よりも著しく低いということを確実にする。これは、駆動装置、ベアリング、シールなどに対する速度要件を減少させる上で大きな利点を有する。共回転および反転双方における独立した駆動装置の作用は、生成される応力場を最適化することに加え、ロータの粉砕面間の摩擦比を調節する上で著しい柔軟性を提供する。これは、高応力間隙ゾーンでの応力場の有効性を最大化する上で大きな利点となる。連続処理条件下で流量を変える能力は、材料がチャンバを通って移行する際の高応力間隙通過数を調整することにより、材料からの熱伝達を制御しつつ応力／歪み履歴が最適化されることを可能にする。応力印加直後ゾーンにおいて流動場を妨害する能力は、粒子が流体媒体内で安定化する際のそれらの相互分離を確実にすることにより、断片化された粒子の即時再凝集を防止する。チャンバを通る直接的な軸方向流を防止するバッフル構成の能力は、材料が均一のせん断／歪み履歴を受け、したがって最小時間内に均質性を達成する、ということを確実にする。全面に冷却を提供する能力は、粉砕プロセス中に最大レベルの機械的エネルギが印加可能であることを確実にする。一方のロータを他方のロータ内に配置することは、高い機械的エネルギから生じる局所化された熱膨張が、より大きいロータの表面をより小さいロータの表面から離れるよう膨張させる役割を果たし、それにより損傷を与える機械的衝突および干渉を回避する、ということを確実にする。排出体積が異なるバッフル熱交換器を交換することによって処理チャンバの自由体積を調節する能力は、この発明に従った粉砕装置の単品の処理特性が著しく変化することを可能にする。上述の利点のリストは包括的ではなく、例示として提供されている、ということが理解されるであろう。
【００３８】
この発明は、粉砕が必要とされるあらゆる業界にわたって用途を有する。この発明の装置が適用可能な業界の例は、精製化学製品、石油化学製品、農業用化学製品、食料、飲料、医薬品、ヘルスケア製品、パーソナルケア製品、工業用および家庭用ケア製品、包装、印刷、塗料、ポリマー、水および廃棄物処理である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ−４ｃ】
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【図５】
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【手続補正書】
【提出日】平成24年8月15日(2012.8.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
材料を粉砕するための粉砕装置であって、前記装置は、
間にチャンバを規定するよう、一方が他方の内部に偏心して搭載された、少なくとも２つの軸方向に延在する部材を含み、
外側部材の内面は、その外側部材の軸を中心としており、
内側部材の外面は、その内側部材の軸を中心としており、
内側部材および外側部材の双方は、それらのそれぞれの軸を中心として回転可能であり、前記粉砕装置はさらに、
粉砕すべき材料を混合チャンバへと導入するための入口と、粉砕された材料を混合チャンバから除去するための出口とを含み、
それにより、所与の軸方向位置について、２つの部材間の径方向距離の変動が間隙を規定し、間隙は、間隙に入る材料に運動および応力を加えるために、周方向運動に対して交互に減少および増加し、
チャンバを通過する材料は、内側部材および外側部材の軸方向配向に対して実質的に螺旋状の軌道を描くようにされ、
また、チャンバ内の材料は、内側部材および外側部材の双方が同じ方向に回転する場合には、主として機械的に誘発された圧縮応力および流体に誘発された伸長応力を受け、内側部材および外側部材の双方が反対方向に回転する場合には、主として流体に誘発されたせん断応力を受けるようになっており、
材料が高応力ゾーンから出るとすぐに材料への応力の印加から生じる熱を抽出するために、第３の部材がチャンバ内に軸方向に延在することを特徴とする、粉砕装置。
【請求項２】
内側部材および外側部材の表面は辺が平行な円筒として規定され、それにより、表面間の高応力間隙を規定する距離は、内側部材または外側部材の少なくとも一方をその軸に直交して変位させることによって調節され得る、請求項１に記載の粉砕装置。
【請求項３】
内側部材および外側部材の表面は円錐として規定され、それにより、表面間の高応力間隙を規定する距離は、内側部材または外側部材の少なくとも一方をその軸に沿って変位させることによって調節され得る、請求項１に記載の粉砕装置。
【請求項４】
内側部材および外側部材は、互いに独立して回転される、前述の請求項のいずれかに記載の粉砕装置。
【請求項５】
第３の部材の外面は、粒子再結合を阻止するために、材料が高応力ゾーンから出るとすぐに材料内に流動不安定性を誘発するよう構成されている、前述の請求項のいずれかに記載の粉砕装置。
【請求項６】
第３の部材の外面は、チャンバから除去された材料の各部分が他の部分と実質的に同じ応力および歪み履歴を受けたことを確実にするために、チャンバ内の材料の軸方向流を阻止するよう構成されている、前述の請求項のいずれかに記載の粉砕装置。
【請求項７】
表面同士が、一方が他方の上になって閉鎖しないことを確実にするために、局所的応力から生じる熱膨張を制御する、局所化された熱抽出の手段をさらに含む、前述の請求項のいずれかに記載の粉砕装置。
【請求項８】
内側部材の数は１を上回る、前述の請求項のいずれかに記載の粉砕装置。
【請求項９】
プロセス材料と接触する内側部材または外側部材の表面は、前記部材の残りから取外し可能なスリーブの内部に含まれている、前述の請求項のいずれかに記載の粉砕装置。
【請求項１０】
プロセス材料と接触する外側部材の表面は、容器を形成するために外側部材の残りから取外し可能な部分の内部に含まれている、請求項９に記載の粉砕装置。
【請求項１１】
請求項１に記載の粉砕装置を提供することを含む、粉砕の方法であって、前記粉砕装置は、
チャンバを通過する材料が、内側部材および外側部材の軸方向配向に対して実質的に螺旋状の軌道を描くよう、および
チャンバ内の材料が、内側部材および外側部材の双方が同じ方向に回転する場合には、主として機械的に誘発された圧縮応力および流体に誘発された伸長応力を受け、内側部材および外側部材の双方が反対方向に回転する場合には、主として流体に誘発されたせん断応力を受けるよう、動作可能である、方法。
【請求項１２】
内側部材および外側部材の双方が同じ方向に回転する場合、実質的な破砕伸長作用を確実にするために、同じ表面速度が双方の表面に印加される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
内側部材および外側部材の双方が同じ方向に回転する場合、減少した破砕伸長作用および増加したせん断作用を確実にするために、異なる表面速度が双方の表面に印加される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
内側部材および外側部材の双方が反対方向に回転する場合、実質的なせん断作用を確実にするために、２つの個々の速度の合計から高い相対速度が印加される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
処理された材料の応力および歪み履歴の変動を達成するために、内側部材と外側部材との間の最小限間隙が変更される、請求項１１〜１４のいずれかに記載の方法。
【請求項１６】
処理された材料の応力および歪み履歴の変動を達成するために、内側部材およびまたは外側部材の相対回転速度およびまたは方向が変更される、請求項１１〜１５のいずれかに記載の方法。
【請求項１７】
処理された材料の応力および歪み履歴の変動を達成するために、流量が変更される、請求項１１〜１６のいずれかに記載の方法。
【請求項１８】
処理された材料の応力および歪み履歴の変動を達成するために、温度が変更される、請求項１１〜１７のいずれかに記載の方法。
【請求項１９】
処理チャンバの体積およびまたは流れおよびまたは熱伝達特性は、第３の部材の一構成を除去し、それを代替的に構成された第３の部材と置き換えることによって変更される、請求項１１〜１８のいずれかに記載の方法。
【請求項２０】
装置は、バッチ粉砕の目的に適用される、請求項１１〜１９のいずれかに記載の方法。
【請求項２１】
装置は、連続粉砕の目的に適用される、請求項１１〜１９のいずれかに記載の方法。
【請求項２２】
１つ以上の回転モードで、かつ１つ以上の処理変数設定を用いて連続的に構成された複数の期間にわたり、単一の装置が動作される、請求項１１〜２１のいずれかに記載の方法。
【請求項２３】
単一の装置が、１つ以上の回転モードで、かつ１つ以上の処理変数設定を用いて連続的に構成された、それを通る複数の通過を用いて動作される、請求項１１〜２１のいずれかに記載の方法。
【請求項２４】
複数の装置が、それらを同時に通る単一の通過を用いて動作され、各装置は、１つ以上のモードで、かつ１つ以上の処理変数設定を用いて構成されている、請求項１１〜２１のいずれかに記載の方法。
【国際調査報告】
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