(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１壁部材と、
第２壁部材と、を備え、
前記第１壁部材と前記第２壁部材とによって画された空間を、被分級体及び気体を含む混合体の流路とし、
混合体の流路の出口の下流側に設定された選別エリアへ前記混合体を出す分級機であって、
前記第２壁部材は拡開管状に形成され、
前記第１壁部材は前記第２壁部材の中空部に配され、 
前記被分級体が２０μｍ以下のトナーであり、 
前記第１壁部材と第２壁部材の間隔は、前記第１壁部材の上流端から前記第１壁部材の下流端まで、前記流路の出口に近づくに従って漸減し、
前記流路の断面積は、前記第１壁部材の上流端から前記第１壁部材の下流端まで、前記流路の出口に近づくに従って漸増するものであり、  
前記出口の周縁部を形成する前記第１壁部材に設けられ、前記出口から流出した前記混合体に対し前記被分級体の分散を行うためのコアンダ部材を備え、
前記流路の出口の間隔は７ｍｍ以下であり、 
前記選別エリアにおける前記被分級体の移動速度は、８０ｍ/ｓ〜１００ｍ/ｓであることを特徴とする分級機。
【請求項２】
前記第１壁部材と前記第２壁部材とのうち少なくとも一方の表面に、乱流発生構造が形成されたことを特徴とする請求項１記載の分級機。
【請求項３】
前記第１壁部材は、円錐体状に形成されることを特徴とする請求項１または２記載の分級機。
【請求項４】
請求項１ないし３記載のうちいずれか１項の分級機を用いて、前記トナーを分級することを特徴とする分級方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分級機に関する。
【背景技術】
【０００２】
大きさの異なる粉体（被分級体）を気体で搬送しながら、その大きさごとに分ける分級機が知られている。例えば、特許文献１、２に記載の気流分級機は、粉体と気体を含む混合体の流路を形成する流路形成部材と、流路の出口に配され流路形成部材から連なるコアンダブロックと、コアンダブロックによって分散された粉体を選り分けるスプリッタと、を備える。
【０００３】
このような気流分級機の流路に対して混合体を流すと、流路の出口からは、所定の速度で混合体が流出する。出口から流出した混合体は、選別エリアに到達する。選別エリアでは、コアンダブロックの湾曲面によって、粉体の大きさに応じた慣性力・遠心力が混合体にはたらく。この結果、比較的小さな粉体は、コアンダブロックの湾曲面に沿うようにして、比較的大きな粉体は、コアンダブロックの湾曲面から離れるようにして、分散する。このように、従来の分級機は、コアンダブロックの湾曲面の作用（以下、コアンダ効果）を利用して分級処理を行う。
【０００４】
また、特許文献３に記載の機械的遠心力型風力分級機では、回転状態の羽付きロータに起因する遠心力と求心力の作用を利用して、分級を行うものである。遠心力より求心力を強く受ける微粉は気流と共にロータ内部を通る。一方、求心力より遠心力を強く受ける粗粉はロータにより外側に放出される。この構成により、それまでの分級機では行えなかった微粉の分級を行うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特公昭５５−６４３３号公報
【特許文献２】特公平３−４４８２７号公報
【特許文献３】特開平１１−１１４５００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、プリンターや複写機などに用いられるトナーは、この分級処理を経て製造される。市場からの高解像度の要求に応えるべく、トナーの大きさは、できるだけ小さいほうが良い。このため、前述のとおり、比較的微細なトナーを製造する場合には、機械的遠心力型風力分級機が採用されている。
【０００７】
しかしながら、機械的遠心力型風力分級機においては、羽付きロータへの衝突による熱溶着が問題となる。トナーが微細になればなるほど、熱溶着が起こりやすくなる。こうした背景から、機械的遠心力型風力分級機であっても、微細なトナー（被分級体）の分級には向いていない。
【０００８】
一方、特許文献１，２に開示された気流分級機において、機械的遠心力型風力分級機のような熱溶着の問題は起こりにくい。しかし、さらなる分級性能の向上のためには、スリット出口（流路の出口）の幅を細くする必要がある。しかしながら、スリット出口の幅を細くする（例えば、１ｍｍ以下）と、粉体の凝集が起こりやすくなってしまう。この結果、高い分級性能を発揮することができない。粉体の凝集が起こりやすくなる原因としては、スリット出口の断面積が、混合体をつくるためのエジェクターノズルの出口の断面積よりも小さくなることに原因がある。かかる問題の解決のために、スリット出口の断面積を大きくしようとすると、気流分級機の全体の長大化につながるため、現実的ではない。したがって、特許文献１，２に開示された気流分級機においては、微細な被分級体（例えば、５μｍ以下）の分級には向いていない。
【０００９】
本発明は、斯かる実情に鑑み、熱溶着の問題を可能な限り抑えながらも、微細な被分級体の分級を可能にする分級機を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、第１壁部材と、第２壁部材と、を備え、前記第１壁部材と前記第２壁部材とによって画された空間を、被分級体及び気体を含む混合体の流路とし、混合体の流路の出口の下流側に設定された選別エリアへ前記混合体を出す分級機であって、前記第２壁部材は拡開管状に形成され、前記第１壁部材は前記第２壁部材の中空部に配され、前記被分級体が２０μｍ以下のトナーであり、前記第１壁部材と第２壁部材の間隔は、前記第１壁部材の上流端から前記第１壁部材の下流端まで、前記流路の出口に近づくに従って漸減し、前記流路の断面積は、前記第１壁部材の上流端から前記第１壁部材の下流端まで、前記流路の出口に近づくに従って漸増するものであり、前記出口の周縁部を形成する前記第１壁部材に設けられ、前記出口から流出した前記混合体に対し前記被分級体の分散を行うためのコアンダ部材を備え、前記流路の出口の間隔は７ｍｍ以下であり、前記選別エリアにおける前記被分級体の移動速度は、８０ｍ/ｓ〜１００ｍ/ｓであることを特徴とする。
【００１１】
前記第１壁部材と前記第２壁部材とのうち少なくとも一方の表面に、乱流発生構造が形成されたことが好ましい。
【００１２】
前記第１壁部材は、円錐体状に形成されることが好ましい。
【００１３】
本発明の分級方法は、上記の分級機を用いて、前記トナーを分級することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、熱溶着の問題を可能な限り抑えながらも、微細な被分級体の分級を可能にする分級機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】分級機の概要を示す部分断面図である。
【図２】拡開管の端面及び選別エリア近傍の概要を示す拡大図である。
【図３】分級機の概要を示す部分断面図である。
【図４】（Ａ）は、分級機の概要を示すＩＩＩａ−ＩＩＩａ線断面図である。（Ｂ）は、分級機の概要を示すＩＩＩｂ−ＩＩＩｂ線断面図である。（Ｃ）は、分級機の概要を示すＩＩＩｃ−ＩＩＩｃ線断面図である。
【図５】拡開流路を流れる被分級体を模式的にあらわした円錐体の平面図である。
【図６】（Ａ）分級機の概要を示すＩＩＩａ−ＩＩＩａ線断面図である。（Ｂ）分級機の概要を示すＩＩＩａ−ＩＩＩａ線断面図である。
【図７】分級機の概要を示すＩＩＩａ−ＩＩＩａ線断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１に示すように、分級機２は、被分級体Ｐと気体Ｇを含む混合体に対して分級を行うものであり、被分級体と気体から混合体をつくるエジェクタ１０と、エジェクタ１０の出口側に配されるディフューザ２０と、ディフューザ２０の出口側に配されるコアンダブロック３０と、コアンダブロック３０の下流側に配されるスプリッタ４０と、スプリッタ４０の下流端部に設けられた微粉ダクト５０と、ディフューザ２０、コアンダブロック３０、スプリッタ４０及び微粉ダクト５０を収容するケース６０と、ケース６０へ分級用のキャリアガスＣＧを供給するキャリアガス供給機構７０と、各部を制御するコントローラ（図示しない）を備える。
【００１７】
エジェクタ１０は、エジェクタ流路１０Ｒを形成する第１管１１と、エジェクタ流路１０Ｒに出口が開口する第２管１２と、エジェクタ流路１０Ｒの中にて気体Ｇを搬送する搬送機構１３と、第２管１２へ被分級体Ｐを供給するための被分級体供給機構と、を備える。
【００１８】
第１管１１や第２管１２は直線状に形成される。搬送機構１３としては、所定の速度で気体Ｇを搬送できるものであれば、特に限定されず、例えば、ケース６０やスプリッタ４０の下流側に設けられた吸気ポンプ１３Ｐ等を用いることができる。また、図１には、重力を用いて第１管１１へ供給する被分級体供給機構を示す。すなわち、垂直方向に配された第２管１２が被分級体供給機構として機能する。これによって、第２管１２に供給された被分級体Ｐは、重力によって、第１管１１へ供給される。なお、被分級体供給機構としては、粉砕機Ｍによってつくられた被分級体Ｐを第２管１２に向けて送る送気ポンプを用いてもよい。
【００１９】
被分級体Ｐとは、特に限定されないが、プリンターや複写機に用いられるトナーの他、工業用、食品用や薬用の粉（例えば、炭酸カルシウム）などがある。
【００２０】
気体Ｇとしては空気を用いる。なお、被分級体Ｐが反応しやすいものの場合には、アルゴンなどの不活性ガスを用いてもよい。
【００２１】
ディフューザ２０は、エジェクタ流路１０Ｒの出口と連接し、下流側に向かって拡開した形状（例えば、ラッパ状）を有する拡開管２１と、拡開管２１の内部空間に配される円錐体２２と、を備える。拡開管２１と円錐体２２とによって画された空間は、混合体の流路、すなわち拡開流路２０Ｒとなる。拡開流路２０Ｒの入口側は、エジェクタ流路１０Ｒの出口側に対して滑らかに接続している。
【００２２】
拡開管２１と円錐体２２とは、エジェクタ流路１０Ｒを通る軸ＡＸを中心に、回転対称となっていることが好ましい。また、拡開管２１と円錐体２２とは、共通の回転対称軸を有することが好ましい。
【００２３】
図２に示すように、拡開流路２０Ｒの幅、すなわち拡開管２１の内周面２１Ｎと円錐体２２の外周面２２Ｇとの間隔ΔＲは、下流に向かうにしたがって狭くなる。図３〜４に示すように、拡開流路２０Ｒの断面積Ｓａ〜Ｓｃは、下流に向かうにしたがって大きくなる（Ｓａ＜Ｓｂ＜Ｓｃ）。
【００２４】
図１に戻って、コアンダブロック３０は、拡開流路２０Ｒの出口の周縁に設けられるものであり、より詳しく言えば、円錐体２２の底面側（下流側）において、拡開管２１よりも下流側に突出するように設けられる。コアンダブロック３０と円錐体２２は、滑らかに連なっている。図中に示すコアンダブロック３０は、球体の一部を切り欠いたような形状であり、その切り欠き面は、円錐体２２の底面の半径とほぼ等しいものとなっている。また、図中に示すコアンダブロック３０は、軸ＡＸを中心に、回転対称となっていることが好ましい。なお、コアンダブロック３０と円錐体２２とは一体形成としてもよい。
【００２５】
コアンダブロック３０は、コアンダ効果を奏するためのコアンダ面３０Ｃを有する。このコアンダ効果によって、混合体が拡開流路２０Ｒから流出した際、コアンダ面３０Ｃに沿って混合体が流れる（図２の矢線Ｘ）。コアンダ面３０Ｃは、所定の曲率半径を有する。コアンダ面３０Ｃの曲率半径は、例えば、２０ｍｍ以下であって、１５ｍｍ以下であることが好ましく、１０ｍｍ以下であることがより好ましい。なお、コアンダ面３０Ｃの曲率半径は、下流に向かうにしたがって、漸減してもよい。
【００２６】
図２に示すように、拡開流路２０Ｒの出口における拡開管２１と円錐体２２とは、できるだけ接近していたほうが良い。より具体的には、拡開流路２０Ｒから混合体が流出した際、混合体に含まれる被分級体Ｐの分散が向上する程度に、拡開管２１と円錐体２２とが接近していることが好ましい。拡開流路２０Ｒの出口におけるΔＲは、被分級体のサイズが小さくなるにしたがって、小さくなることが好ましい。例えば、被分級体Ｐのサイズが、２０μｍ以下の場合には、ΔＲは７ｍｍ以下であることが好ましい。そして、被分級体Ｐのサイズが、４μｍ以下である場合には、ΔＲは３ｍｍ以下であり、ΔＲは２ｍｍ以下であることが好ましい。
【００２７】
スプリッタ４０は、コアンダブロック３０によって、質量比に応じて分散された微細な被分級体を微粉ダクト５０へ案内するためのものである。本実施形態の場合、ケース６０において、コアンダブロック３０の径方向内側となる位置に、スプリッタ４０が配置される。スプリッタ４０の配置の詳細は、選り分けたい被分級体の大きさに応じて、適宜設定すればよい。
【００２８】
ケース６０は、ディフューザ２０、コアンダブロック３０、スプリッタ４０及び微粉ダクト５０を収容する。このため、ケース６０の内壁面と、各部材２０、３０、４０、５０との間には、流路が形成される。そして、この流路と拡開流路２０Ｒとの合流地点の下流側に、選別エリアＫが設定される。さらに、ケース６０は、選別エリアＫにおいてコアンダブロック３０によって分級された粗大な被分級体を粗粉ダクト（図示しない）へ案内する。
【００２９】
キャリアガス供給機構７０は、ケース６０へ分級用のキャリアガスＣＧを所定の速度で供給できるものであれば、特に限定されない。例えば、ケース６０の上流側に設けられた送気ポンプ（図示しない）等が用いられる。また、キャリアガス供給機構７０は、ケース６０に供給される前のキャリアガスＣＧ、またはケース６０内のキャリアガスＣＧを冷却するためのクーラを備えていてもよい。これにより、冷却されたキャリアガスは、選別エリア内にあるスプリッタ４０の冷却効果を高め、結果として、スプリッタ４０への熱溶着を防ぐことができる。
【００３０】
次に、分級機２の使用方法について説明する。
【００３１】
まず、コントローラの制御の下、吸気ポンプ１３Ｐの駆動により、エジェクタ流路１０Ｒには、気体Ｇが所定の速度で搬送される。粉砕機Ｍによって粉砕されてなる被分級体Ｐは、重力によって、第２管１２を介して第１管１１へ供給される。これによって、エジェクタ流路１０Ｒでは、被分級体Ｐと気体Ｇとを含む混合体がつくられる。こうしてつくられた混合体は、エジェクタ流路１０Ｒの出口から出て拡開流路２０Ｒへと流れる。
【００３２】
拡開流路２０Ｒは、出口に近づくにしたがって、ΔＲが小さくなるとともに、流路の断面積が大きくなる。このため、分級機２は、混合体を薄い層状に噴射することが可能となり、結果として、被分級体の凝集を抑えながら、高い分級性能を発揮することができる。
【００３３】
また、分級の処理量は、第２管１２の出口の幅（図１の紙面方向の長さ）と、拡開流路２０Ｒの長さ（周長）とによって決まる。そして、処理量を増大させたい場合には、第２管１２の出口の幅を増大させるとともに、拡開管２１の内径と円錐体２２の外径を増大させることで、拡開流路２０Ｒの出口におけるΔＲを維持したまま、分級の処理量を増大させることができる。さらに、拡開流路２０Ｒは、軸ＡＸに対して回転対称となっている。このため、処理量の増大化を行う際、長方形の断面を有するノズルに比べて、装置の設置スペースを有効活用できるという点でも優れている。
【００３４】
さらに加えて、拡開流路２０Ｒの断面形状は、環状となっているため、長方形の断面を有するノズルにおける側壁が存在しない。このため、より高い分級性能を発揮することができる。
【００３５】
図２に示すように、選別エリアＫでは、拡開流路２０Ｒの出口から出た混合体に含まれる気体Ｇは、コアンダ効果によって、コアンダ面３０Ｃを離れずに流れる。一方、拡開流路２０Ｒの出口から出た混合体に含まれる被分級体Ｐは、主として、流れ方向の慣性力と、遠心力の作用によって分散される。ここで、比較的微細な被分級体Ｐは、その質量が比較的小さいため、その被分級体Ｐにはたらく遠心力が比較的小さい。一方、比較的粗大の被分級体Ｐは、その質量が比較的大きいため、その被分級体Ｐにはたらく遠心力が大きい。すなわち、質量が大きくなるにしたがって（サイズが大きくなるにしたがって）、被分級体Ｐにはたらく遠心力が大きくなる。この結果、選別エリアＫにおいて、比較的粗大の被分級体Ｐは、コアンダ面３０Ｃから離れるようにして流れ、比較的微細な被分級体Ｐは、粗大な被分級体Ｐに比べて、コアンダ面３０Ｃへ沿うように流れる。この結果、拡開流路２０Ｒの出口の下流側、すなわち選別エリアＫにおいては、コアンダブロック３０から径方向へ離れるにしたがって、被分級体のサイズは大きくなる。スプリッタ４０は、コアンダブロック３０の径方向内側となる位置に配置されているため、微細な被分級体を微粉ダクト５０へ案内することができる。一方、スプリッタ４０が案内しなかった粗大な被分級体は、ケース６０の下流側に設けられた粗粉ダクト（図示しない）へ案内される。
【００３６】
ここで、選別エリアＫとは、コアンダブロック３０によるコアンダ効果によって混合体に含まれる被分級体が大きさごとに分布を持つエリアをいう。例えば、選別エリアＫは、コアンダ面３０Ｃの上流端から下流側にかけて設定される、としてもよい。
【００３７】
前述の通り混合体に含まれる被分級体Ｐの分散が向上する程度に、すなわち、被分級体Ｐにかかる遠心力が被分級体Ｐにかかる慣性力よりも相対的に大きくなる程度に、拡開管２１と円錐体２２とが接近していることが好ましい。
【００３８】
上記実施形態では、拡開流路２０Ｒの断面形状やコアンダ面３０Ｃが軸ＡＸを中心に回転対称となっているため、混合体に含まれる被分級体Ｐは、拡開流路２０Ｒから出口から放射状に流出する。言い換えれば、被分級体Ｐは流出しながら軸ＡＸ周りに分散される（図５参照）。この結果、被分級体Ｐ同士の相互作用が小さくなるため、結果として、選別エリアＫにおける分散性能が向上する。
【００３９】
なお、コアンダ効果を引き出すために、円錐体２２の外周面２２Ｇや、拡開管２１の内周面２１Ｎに、混合体の乱流を発生する乱流発生構造を採用してもよい。乱流発生構造としては、円錐体２２の外周面２２Ｇや、拡開管２１の内周面２１Ｎに形成されたディンプルや凸凹曲面などがある。このような乱流発生構造を設けることによって、円錐体２２の外周面２２Ｇや、拡開管２１の内周面２１Ｎ近傍の混合体の流れは乱流状態となる。このため、コアンダ効果がより強く発揮され、結果として、コアンダ面３０Ｃを沿う流れの維持が確実なものとなり、ひいては、分級性能の更なる向上を得ることができる。
【００４０】
この乱流発生構造を設けることによって、拡開流路２０Ｒにおいて被分級体Ｐは乱流による分散作用を受け、凝集の発生を妨げると同時に、拡開流路２０Ｒ内での移動速度が低下しない（少なくとも維持される）、といった利点が得られる。このようにして拡開流路２０Ｒから流出した混合体は、コアンダ面３０Ｃ面に対するより強いコアンダ効果によって、コアンダ面３０Ｃに沿う偏向流れとなる。コアンダ効果が強くなれば、乱流剥離境界が拡開流路２０Ｒの出口から遠ざかり、遠心力の効果を享受できる時間をより長くすることが出来る。また、コアンダ曲面３０Ｃの曲率半径が小さい場合には、混合体の移動速度によって決まる遠心力の効果は、従来技術では達成されていないほど大きなものになる。そして、この遠心力の増大は分級性能の向上に大きく寄与する。
【００４１】
なお、選別エリアＫにおける被分級体Ｐの移動速度は、例えば、８０〜１００ｍ／秒である。また、選別エリアＫの通過時間は、構造上の差異によって変わるところもあるが、例えば1〜2／10,000秒である。このため、選別エリアＫにおける被分級体Ｐにかかる力は、重力に対し極めて大きい。このため、図１に示すように、被分級体Ｐの流通経路が水平方向となるように、分級機２を設置してもよい。
【００４２】
上記実施形態では、拡開流路２０Ｒの断面形状（図４）が環状であったが、本発明はこれに限られず、その一部が欠けた、いわゆる扇型であってもよい（図６）。扇型の拡開流路２０Ｒの中心角θ１は、図６（Ａ）のように鋭角であってもよいし、９０°、または、図６（Ｂ）のように９０°以上であってもよい。また、図６（Ａ）のように、拡開管２１や円錐体２２の形成角度θ２が小さい場合（例えば、中心角θ１が９０°以下、または１８０°以下の場合）には、コンパクトな分級機２を得ることができる。中心角θ１の大きさは、形成角度θ２に対して、側壁２１Ｗの形成が確保できる程度に小さければよい。このようなコンパクトな分級機２（図６（Ａ））は、実験用に適している。
【００４３】
上記実施形態では、拡開管２１、円錐体２２、コアンダブロック３０は、軸ＡＸを共通の回転対称軸としたが、本発明はこれに限られない。拡開管２１、円錐体２２に関して言えば、例えば、IIIa線（図３）に関する断面で、楕円でもよいし（図７）、多角形状でもよい。多角形状としては、三角形、四角形、六角形であってもよい。
【００４４】
コアンダブロック３０及び円錐体２２は、拡開管２１からつりさげる形でもよいし、スプリッタ４０や微粉ダクト５０に設けられた支持部材（図示しない）によって支持固定してもよい。
【００４５】
尚、本発明は、上記した実施の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内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【符号の説明】
【００４６】
２    分級機
１０    エジェクタ
１０Ｒ  エジェクタ流路
２０    ディフューザ
２０Ｒ  拡開流路
２１    拡開管
２２    円錐体
３０    コアンダブロック
３０Ｃ  コアンダ面
４０    スプリッタ
５０    微粉ダクト
６０    ケース
７０    キャリアガス供給機構
【図１】
0006569060.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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