(57)【要約】【課題】ノズル設計によって、ミルの効率向上、コスト低減を図る。【解決手段】流体化ベッドジェットミルの側面に、イダクタスパイクノズル装置を実装する。イダクタスパイクノズル装置は、第１壁２０４による第１円筒部内に第２壁３０４による第２円筒部３０２を設けた構造とする。第１円筒部と第２円筒部３０２に挟まれた第１中空部２１０は第１流体ストリーム２１５用の環状流路、第２円筒部３０２内の第２中空部３１０は第２流体ストリーム２１７用の流路となる。二次送給導管３４０からは粒子１３ｅを第２中空部３１０内に導入する。ノズル放出端にはカウルリップ２０６、スパイク部３１２等を設け、内向きのスロートとして、エアロスパイク２２４を発生させる。高速の合成ストリーム２２０はノズル軸３１１に集まるよう流れ、ジェットの幅を広げる。合成ストリーム２２０による粒子受容及び搬送確率が増大する。【選択図】図６
2004050179.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
　高速流体のストリームを放出すべく流体化ベッドジェットミルの側壁に実装され、上記ストリームが素材の粒子を受け取り、搬送して流体化ベッドジェットミルのグラインディングチャンバ内に導き、当該グラインディングチャンバ内で粒子対粒子衝突を起こさせるイダクタスパイクノズル装置であって、
　（ａ）第１円筒部であって、（ｉ）流体の第１低速ストリームを受け取るための第１端、（ｉｉ）上記側壁に実装されたときグラインディングチャンバの中心軸方向を向き、流体の第１低速ストリームを流体の第１高速ストリームとして放出するための第２端、及び（ｉｉｉ）上記第２端においてカウルリップを有し第１中空部を規定する第１壁を、有する第１円筒部と、
　（ｂ）上記第１中空部内に実装され第２壁を有する第２円筒部であって、当該第２壁が、（ｉ）流体の第１低速ストリーム及び流体の第１高速ストリーム用の環状流路、（ｉｉ）上記カウルリップと共に流体の第１低速ストリームを加速して第１高速ストリームを発生させるスロート領域、並びに（ｉｉｉ）流体の第２低速ストリームを受け取り放出するための第２中空部を、規定する第２円筒部と、
　を備えることを特徴とするイダクタスパイクノズル装置。
【請求項２】
　素材の粒子をグラインディングするための流体化ベッドジェットミルであって、
　（ａ）ベース、トップ及び側壁により規定され中心軸を有するグラインディングチャンバと、
　（ｂ）上記側壁を貫通して上記グラインディングチャンバに実装され、それぞれグラインド対象素材の粒子を受け取り搬送して当該グラインディングチャンバ内に導き粒子対粒子衝突を起こさせるべく、当該グラインディングチャンバ内に流体の高速ストリームを放出する複数のイダクタスパイクノズル装置と、
　を備え、上記イダクタスパイクノズル装置が請求項１記載のイダクタスパイクノズル装置であることを特徴とする流体化ベッドジェットミル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は、流体化(fluidized)ベッドジェットミルに関する。
【背景技術】
【０００２】
　流体エネルギミル或いはジェットミルは、グラインド対象粒子（フィード粒子）を圧縮エア又はスチーム等のガスストリーム又はガスジェット内で加速し、グラインドチャンバ内でのフィード粒子相互衝突又はグラインドチャンバ内の静止面に対するフィード粒子の衝突によって、フィード粒子の粒径等を縮小するためのマシンである。各種流体エネルギミルは、その特徴的な動作モードによってカテゴリー分けすることができ、また流入エアに対するフィード粒子の配置によって分類することができる。商業的に入手できるMajac Inc.製造のMajac jet pulverizerでは、グラインディングチャンバへの導入に先立って、粒子が流入ガスに混合される。Majac millでは、粒子とガスの混合物のストリーム又はジェットが２本、グラインディングチャンバ内で互いに相手の方向に向けられ、それにより粒子を粉砕させている。Majac millで採用している手法に代わる手法としては、ガスのそれとは別の発生源からグラインディングチャンバ内に粒子を導入して加速する、という手法がある。後者の例としては、Dickerson et al.に付与された米国特許たる下記特許文献１に開示されているように、環状のグラインディングチャンバに多数のガスジェット導入部を設け、ガスジェット導入部から接線方向に沿ってグラインディングチャンバ内に加圧エアを入射するものがある。
【０００３】
　グラインディング中は、残りのより粗い粒子を引き続きグラインドしつつ、所要サイズに達した粒子についてはこれを取り出す必要がある。このことから、ミルは、粒子の選別方法によっても分類することができる。この選別工程は、グラインディングチャンバ内におけるガスと粒子の混合物の循環により、実現できる。例えばパンケーキミルにおいては、直径に比べて丈の低い円筒型のグラインディングチャンバの周縁部にガスを導入し、当該チャンバ内に渦状の流れを発生させる。すると、粗い粒子は周縁部に寄せられて更にグラインドされる一方、細かな粒子はチャンバの中心へと移動し、グラインディングチャンバ内又はその近傍に設けられたコレクタアウトレットに集まる。選別は、また、分離型の選別器によっても実現できる。
【０００４】
　典型的には、この種の選別器は機械的な選別器であり、回転する羽根付きの円筒型ロータによって特徴づけられる。グラインディングチャンバからのエアの流れは、所定のサイズを下回る粒子のみを、このロータの回転によって生じた遠心力に逆らいロータを通り抜けさせうる。この通過する粒子のサイズはロータのスピードによって変化する。即ち、ロータの回転が速いほど、通過する粒子は小さくなる。これら通過した粒子はミルによる生産物である。サイズオーバーの粒子は、例えば重力の作用によって、グラインディングチャンバに戻る。
【０００５】
　更に他のタイプの流体エネルギミルとしては、流体化ベッドジェットミルがある。これは、複数のガスジェット導入部がグラインディングチャンバの周縁部に実装され、グラインディングチャンバの軸芯上の一点に向けられたものである。この装置は、チャンバの頂部又は底部から連続的に導入されるフィード素材のベッドを流体化し循環させる。流体化したベッドは、ガスジェット流同士の衝突領域を取り囲んで、グラインディング領域を形成する。この領域内において、粒子同士が射突しあい破砕される。更に、グラインディングチャンバの頂部に、即ち流体化ベッドの頂部とコレクタアウトレットの入口との間には、機械式選別器を設ける。
【０００６】
　ジェットミルにおける最大の動作コストは、圧縮ガス供給用コンプレッサを運転するためのパワーにかかるコストである。ミルが特定の素材をあるサイズにまでグラインドする際の効率は、ミルのスループット、即ちガス膨張により提供されるパワーの量に対する仕上がった物質の質量により、表すことができる。グラインディング効率を向上させるための仕組みとしては、複数の固定された平面に向けて粒子を放射し、その平面との衝突によって粒子を破砕する、というものが提案されている。
【０００７】
　このアプローチの一例としては、Neuに対して付与された米国特許たる特許文献２に記載のものがある。これは、方形断面を有する複数本のインパクトバーを、ダクト内の平行ロー内にかつダクト内における流れの向きに直交するよう、ダクト内に配置する、というものである。エアのストリーム又はジェットに乗ってダクト内を通過する粒子は、インパクトバーに打ち付けられて破砕される。また、Siegelに対して付与された米国特許たる特許文献３により開示されているインパクトターゲットは、その並びに従ってそのサイズが除変する複数枚の平板型インパクトプレートを、間隔をもって配置・結合させた構成を有している。これら平面型インパクトプレートには、粒子のストリーム又はジェットが次のプレートに届くよう、中央開口が設けられている。流体粒子のストリーム又はジェットは、Majac millのグラインディングチャンバ内におけるそれと同じく、２個の相対向するストリーム又はジェットとなっており、インパクトターゲットはこれら２個のストリーム又はジェットの間に挿入配置される。
【０００８】
　流体化ジェットミルは様々な粒子のグラインドに用いうるけれども、特に適しているのは、他種材料、例えば静電潜像複製プロセスにて用いられるトナー等の素材のグラインディングである。トナー素材は、二成分ディベロッパーか一成分ディベロッパーにより形成されうる。二成分ディベロッパーは、通常、トナーの帯電及び搬送のため磁性素材により被覆された搬送素材の粗いパウダーを含む。一成分ディベロッパーは、トナー自体が充分な磁気及び帯電特性を有し搬送粒子を必要としないものである。
【０００９】
　トナーは、通常、シート状又はペレット状に溶融されコンパウンド化されており、ハンマーミルにより処理されて平均粒径４００〜８００ミクロンの粒状となる（１ミクロン＝１０-6ｍ）。これらの粒子は更に、流体化ベッドジェットミル又はグラインダー等の流体エネルギミルによってグラインドされ、平均粒径３〜３０ミクロンとなる。このようにして得られるトナーは比較的低い密度を有している。即ち、一成分トナーの場合はおよそ１．７、二成分トナーの場合はおよそ１．１の比質量となる。これらは更に、例えば摂氏７０度未満といった、低いガラス転移温度を有している。トナー粒子は、グラインディングチャンバの温度がガラス転移温度を超えると変形して固まり始める。
【００１０】
　流体化ベッドジェットミル又はグラインダーにおいては、高速の流体例えばエアが、グラインディングチャンバの周縁部に配置された３乃至５個のエアノズル（装置）により導入され、当該チャンバの中央部にフォーカスされる。これらのノズルからの高速エアの流れは、ミルの中央へと素材を加速する。これに続いて生じる粒子同士の衝突により、サイズ縮小が実現される。この方法によるサイズ縮小は、今日におけるトナー形成に代表されるように、低温で溶融するコンパウンドのサイズ縮小において最も有効である。
【００１１】
　この種のトナー製造においては、通常、サイズ縮小は時間を食う単位工程であり、最も代表的な製造コスト増大要因である。そのため、サイズ縮小過程を研究し理解するための多大なる努力が、効率向上、ひいてはスループットレートの最大化・コスト最小化を達するために、払われている。
【００１２】
　サイズ縮小プロセスにおける効率に影響するファクターとしては、粒子対粒子衝突の確率と、衝突時における粒子の運動エネルギという、二種類のファクターがあることが、判明している。
【００１３】
【特許文献１】米国特許第３５６５３４８号明細書
【特許文献２】米国特許第４０５９２３１号明細書
【特許文献３】米国特許第４０８９４７２号明細書
【特許文献４】米国特許第５４２３４９０号明細書
【特許文献５】米国特許第５１３３５０４号明細書
【特許文献６】米国特許第５６８３０３９号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
　しかしながら、トナー粒子のグラインディング又はサイズ縮小に用いられる流体化ベッドジェットミル又はグラインダーにおいては、エネルギ利用効率が非常に低い。例えば、サイズ縮小用流体化ベッドジェットミルにより使用される全エネルギのうち実際には５％ほどしか、粒子サイズ縮小には用いられていないものと、推定される。このようにエネルギ利用効率が低いことから、ミル及び／又はノズルの設計によってプロセスにおけるエネルギ効率を高め、顕著なる動作コスト節約を達成することが、期待されている。
【００１５】
　なお、従来におけるいくつかのアプローチはノズル再設計によるものであり、流体化ベッドジェットミル又はグラインダーにおけるグラインディングエネルギ利用効率及びスループットレートを改良すべく、継続的に試行されている。ノズル設計上の改良は、粒子対粒子衝突確率の上昇と、衝突時粒子運動エネルギの増大とを目指して、行われている。
【００１６】
　従来型ノズルの第１のタイプは、単一の収束発散型(converging-diverging)開口又はノズルを有するノズル装置により、構成される。この開口又はノズルは、収束発散型外形(profile)を有し、単一のジェットストリーム又は流体ジェットを放出する。この収束発散型ノズル外形は、収束(converging)領域と、スロート(throat)領域と、スロート領域から放出端に至る直線的発散漏斗(straight diverging flare)領域とを、含む。
【００１７】
　従来型ノズル設計の他のタイプとしては、例えば特許文献４により開示されているものがある。この文献においては、四個の小さな収束発散型開口又はノズルを有するノズル装置が開示されている。各開口又はノズルは、それぞれ、小さな流体ジェットを放出することができ、合計では四個のジェットが得られる。この四個のジェットは、ノズル装置の放出端から放出される単一のジェット合成流(downstream)又はジェットを形成する。このノズルは、メインノズルを四個のより小さなフォーカスしたノズルに分割するという発想に従って動作しており、ジェット内により多くの素材をのせる機会を与えている。このように、単一の収束発散型開口にてジェットストリーム乃至ジェットを放出するノズル装置と比較して、後者のノズル設計では、四個の収束発散型ノズル又は開口による放出を行っているため、個々の流体ジェット内により多くの素材粒子を導入し搬送することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
　本発明によれば、高速流体の合成ストリームを放出できるようにするため、流体化ベッドジェットミルの側壁に貫通実装されるイダクタスパイクノズル装置が提供される。この合成ストリームは、素材粒子を受け取り、搬送し、流体化ベッドジェットミルのグラインディングチャンバ内に届け、粒子対粒子衝突を発生させる。当該イダクタスパイクノズル装置は、（ａ）カウルリップを含む第１壁を有し第１中空部を規定する第１円筒部及び（ｂ）第１中空部内に実装され第２壁を有する第２円筒部を備える。第２壁は（ｉ）その外側において、第１壁と共に第１流体ストリーム用の環状流路を規定し、更に高速ストリームを発生させるためカウルリップと共に圧縮スロート領域を規定する一方、（ｉｉ）高速流体と第１流体ストリームとの合成ストリームが形成されるよう、その内側において第２流体ストリーム用に第２中空部を規定する。このようにして、合成ストリーム内に導入された粒子の合成ストリームによる受容及び搬送確率を増大させている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
　以下、本発明に関しその好適な実施形態により説明するが、これは、本発明を当該実施形態に限定する趣旨ではない。むしろ、特許請求の範囲に記載した発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、すべての代替物、変形物及び等価物が本発明に包含されるものと解釈されるべきである。
【００２０】
　図１〜図１０すべてを概観するに、一次送給路１５を介しソース１９から供給される素材の粒子１３をグラインドするため、流体化ベッドジェットミル１０が設けられている。流体化ベッドジェットミル１０は、ベース１６、トップ１７及び側壁１４を有しており、これらにより、中心軸１８を有するグラインディングチャンバ１２が形成されている。流体化ベッドジェットミル１０は、更に、グラインディングチャンバ１２の側壁１４を貫通するよう実装された複数のイダクタスパイクノズル装置２００を有している。各イダクタスパイクノズル装置２００は、流体２１４の高速合成ストリーム又はジェット２２０をグラインディングチャンバ１２の中心軸１８に向けて放出し、当該中心軸１８においてグラインド対象粒子１３同士が衝突するよう当該粒子を搬送する。
【００２１】
　図１に示すように、流体化ベッドジェットミル１０は、側壁（周縁壁）１４，ベース１６、トップ１７、中心軸１８及び複数のソース（イダクタスパイクノズル装置）２００を有するグラインディングチャンバ１２を備えている。ソース２００は、粒子１３をのせるための高速合成流体ストリーム又はジェット２２０を発する。図示されているように、各ソース２００は、側壁１４を貫通しグラインディングチャンバ１２内に延びるよう実装されており、またこれら複数のソース２００は中心軸１８について回転対称となるよう規則的に並べられている。更に、ソース（ノズル）２００の向きは、それぞれ、高速流体ストリーム又はジェット２２０がそのイダクタスパイクノズル装置２００の縦軸と一致する軸に沿う方向を向くよう、定められている。チャンバ１２に実装する際、ノズル装置２００の縦軸はグラインディングチャンバ１２の中心軸に対してほぼ垂直に、即ちそれを横切るように設定される。この中心軸１８は、従って複数本の流体ストリーム又はジェット２２０の交点となり、粒子対粒子衝突及び破壊が生じる点となる。
【００２２】
　流体化ベッドジェットミル１０は、グラインド対象素材粒子１３のソース１９を有している。粒子１３は、ソース１９からグラインディングチャンバ１２内に一次送給路１５を介して導入される一方、二次送給導管３４０を介して各イダクタスパイクノズル装置２００のイダクタ３０２内に導入される（図１及び図４〜図６参照）。
【００２３】
　更に、流体化ベッドジェットミル１０は、当該ミル１０のトップ１７に向けて実装された粒子選別放出装置２０を備えている。運転時には、ミル１０は、素材の粒子１３を一次供給路１５及び二次送給導管３４０から継続的に導入して流体化及び循環させる。粒子破壊又はグラインディング領域は合成ストリーム２２０の衝突部を取り巻くよう配置され、そこでは粒子同士が互いに射突しあい破砕される。大きめの粒子は降下するか或いは選別装置２０によりはじき出され、合成ストリーム２２０により再び搬送される。その一方で、許容できる程度に小さなサイズまで砕かれた粒子は、選別装置２０により吸い上げられ粒子コレクタアウトレット２３へと運ばれる。
【００２４】
　図２、図３及び図７に、従来におけるノズル装置２４の斜視外観、断面及び粒子搬送状況を示す。従来のノズル装置２４は、第１端３１，第２端３３及び単一のノズル開口３０を有する円筒部２８を備えている。ノズル開口３０は、図３の断面に示されているように、収束発散型外形（プロファイル）を有している。この収束発散型外形ノズル開口３０は、三個の基礎的構成領域、即ち収束領域４０，狭まったスロート領域４２及び発散領域４４を含んでいる。使用乃至運転時には、流体乃至加圧流体がノズル開口３０全体を通過する。即ち、収束領域４０を抜けてスロート領域４２へ、更に最終的には発散領域４４へと通り抜けていく。ノズル開口３０を規定する壁４６は、スロート領域４２から、比較的大きな放射角４８にて、急峻に広がっている（図３参照）。仮に、流体化ベッドジェットミル１０内に実装して使用するとした場合、従来のノズル装置２４は単一の流体ストリーム５０を放出し、この流体ストリーム５０は、共通のノズルストリーム軸５０ａの周りに広がる（図７参照）。図２に示した従来のノズル装置２４における単一流体ストリーム５０による粒子搬送状況を、概略的なシミュレーション図である図７により示す。図示されているように、この場合には、主としてジェット又はストリーム５０の周辺を取り巻く様な形態で、粒子（例えば図中の１３ａ）の搬送が行われる。
【００２５】
　これに対して、本発明の実施形態に係るイダクタスパイクノズル装置２００においては、図４〜図６及び図８に示すように、高速ストリーム２１８といった形態を採る流体の流れが、ノズル軸３１１に対して何らかの放射距離を有する環状流路３０６から、放出される。図示されているように、各イダクタスパイクノズル装置２００は、第１端２０１、第２端２０３及び第１壁２０４を有する第１円筒部２０２を備えている。第１端２０１は、流体の低速ストリームの第１の部分２１５を受け取る端である。第２端２０３は、側壁１４に実装されたときグラインディングチャンバ１２の中心軸１８を向く端であり、低速ストリームの第１の部分２１５を高速ストリーム又はジェット２１８に変えて放出する端である（図６参照）。第１壁２０４は、第２端２０３に向いたカウルリップ２０６を有しており、縦軸２１２を有する第１中空部２１０を規定している（図５参照）。
【００２６】
　各イダクタスパイクノズル装置２００は、第１中空部２１０内に実装された第２円筒部３０２を有しており、第２円筒部３０２は第１端３０１及び第２端３０３を有している。第１端３０１は、流体の低速ストリームの第２の部分２１７を受け取る端である（図６参照）。第２端３０３は、側壁１４に実装されたときグラインディングチャンバ１２の中心軸１８を向く端であり、低速ストリームの第２の部分２１７を高速ストリーム２１９に変えて放出する端である（図６参照）。高速ストリーム２１９は高速ストリーム２１８と共にエアロスパイク２２４を形成し、合成された高速の流体ストリーム２２０を第２端２０３，３０３の下流側に形成する。
【００２７】
　イダクタスパイクノズル装置２００の設計は、可圧縮性流体に関する先進的な知識に基づくものであり、第２中空部３１０を形成する中央のイダクタ又は第２円筒部３０２と、第２円筒部３０２の第２端３１６におけるスパイク部３１２の突端３１８との、組合せによるものである。
【００２８】
　第２円筒部３０２は、更に第２壁３０４を備えている。第２壁３０４は、その外側において、低速流体ストリームの第１の部分２１５が流れる環状流路３０６を第１壁２０４と協働して形成する一方、流通流体圧縮スロート領域３０８をカウルリップ２０６と協働して形成する。流通流体圧縮スロート領域３０８が形成されていることによって、スロート領域３０８の下流側でノズル軸３１１に至る高速ストリーム２１８の内向膨張２２２が発生する。その結果、第２端２０３，３０３の下流側で合成高速ストリーム２２０が粒子１３を受け取りそれを運んでいく確率が増大する。
【００２９】
　第２円筒部３０２の第２壁３０４は、その内側において、第２中空部３１０を規定する。第２中空部３１０は、低速流体ストリーム２１４の第２の部分２１７についての更なる流路を形成する。第２円筒部３０２は、当該円筒部３０２の第２端３０３に向くスパイク部３１２を含んでいる。また、第２中空部３１０は、環状流路３０６の断面積に対しておよそ５２％の断面積を有している。図５に示すように、スパイク部３１２は、直径が小さな第２端３１６と、丸みがあって比較的直径が大きな第１端３１４とを有している。直径が小さな第２端３１６は、図４〜図６に示すように切り取られた(truncated)端であり、その突端３１８は円形かつ平坦である。ノズル軸３１１を向いた高圧且つ高速の流体ストリーム２１８の内向膨張２２２を発生させるため、スパイク部３１２は、図４〜図６に示すように、一点に向けてその直径が縮小する外形を有している。
【００３０】
　高速ストリーム２１８は、ノズル軸３１１に向けて内向きに且つ環状に膨出してゆき、それによって後述のエアロスパイク２２４を形成する。このような膨出プロセスは、環状流路３０６の外側エッジ上の点即ちカウルリップ２０６により規定された環上にて、発生する。カウルリップ２０６上のこの部位から、高速ストリーム２１８はぐるっと包囲する圧力にさらされる。従って、ストリーム２１８の流れの転回又は膨張２２２は、外部環境の影響によって制限される。その種の外部環境影響は、ストリーム２１８の外部から当該ストリーム２１８の内部への粒子の装荷或いは搬送を増やすと認めうる。それは、流体化ベッドジェットミル１０において使用した場合におけるイダクタスパイクノズル装置２００にとっての外側又は外部環境とは、粒子積み込み環境に他ならないからである。
【００３１】
　図８に示されているように、計算機流体力学（Computational Fluid Dynamics:ＣＦＤ）シミュレーションの結果から、粒子１３ａ、１３ｂ及び１３ｅが搬送されることがわかる。粒子１３ａは周辺の粒子であり、粒子１３ｂはより深いところに運び込まれた粒子であり、粒子１３ｅは完全に運び込まれた粒子である。粒子１３ｅは、図６中の二次送給導管３４０から低速ストリームの第２の部分２１７に送給され、更にイダクタスパイクノズル装置２００からの高速ストリーム２１９にのせられた粒子を主とするものである。このように、図８は、本実施形態に係るイダクタスパイクノズル装置２００が搬送能力において従来の標準的なノズル装置２４を上回っていること、また比較的高いレベルのダウンストリーム速度及び運動エネルギを維持していることを表している。
【００３２】
　図２，図３及び図７に示した標準的な収束発散型外形ノズル装置２４に関し留意すべき点として、放射角４８として図示されている通りストリームの膨出が外向きであり、従って本実施形態に係るイダクタスパイクノズル装置２００における膨出２２２とは正反対の傾向を有することがある。実際、外向きの膨出は周囲の圧力がどうであれ継続し、流れのストリームはノズル壁から離れるまで膨張を続ける。
【００３３】
　翻って、本実施形態に係るイダクタスパイクノズル装置２００の利点のひとつは、内向膨張２２２が部分的に周囲流体により規定されていることである。これにより、ノズルが圧力比設計値（即ち絶対流体圧力／絶対周囲圧力）にて動作していないとき、膨出過程においてこれが補償される。従ってスラストロスは最小になる。エアロスパイク２２４は、ジェットエンジン推進の分野でよく知られている通り、径が縮小しつつある部材の切り取り部位で生じる。ここでは、第２円筒部又はイダクタ３０２（図５参照）の第２端３０３にてスパイク部３１２が指しているところである。その先端が突端状となっているスパイク部３１２は、突端状としていないスパイクノズルに比べて比較的軽量かやや重い程度である、というもう一つの利点を有している。
【００３４】
　図１に示した流体化ベッドジェットミル１０の運転に際しては、図４に示した二次送給導管３４０から送給される粒子と同時に、それとは別の低速流体、例えばエア２１４が第２中空部３１０内に導入される。この低速流体２１４は、低速で粒子を搬送するストリーム２１９として放出され、その先端が切り取られた径縮小部であるスパイク部３１２に流れる。先端が切り取られているため、ストリーム２１９は循環し、スパイク状の固形物と等価的なエアロスパイク２２４を形づくる。
【００３５】
　言い換えれば、動作時においては、ストリーム２１７は例えば低速流体２１４全体の１％であり、第２中空部３１０を通り、先端が切り取られたスパイク部３１２から高速ストリーム２１９として放出される。先に指摘した通り、ストリーム２１９は再循環し近似パターンを形成する。ここでいう近似パターンとは、高速ストリームを提供するのに適した全面膨出ノズル流の好適形状を近似するものである。しかしながら、これは、ノズル軸３１１に沿った合成流体ストリーム２２０が全面的に内向きに膨出することをも可能にする。従って、ストリーム２２０の前方スラストは最大になる。また、先に指摘した通り、図１及び図８に示した実施形態においては、動作圧力比の変化に対して動的補償が可能であるという更なる利点も得られる。
【００３６】
　このように、本発明の好適な実施形態においては、スパイクノズル設計、素材のイダクション、並びにエアロスパイクという発想を組み合わせ、イダクタスパイクノズル装置２００内の第２中空部３１０即ち中央イダクタを介して素材粒子を搬送及び放出している。このイダクションシステム即ちノズル装置２００は、合成高速ストリーム２２０への素材粒子の装荷量を増大させ、以て粒子対粒子衝突確率を非常に向上させる。このシステムは、従って、衝突平面内における運動エネルギを最大値まで高める。全体としては、図１に示した流体化ベッドジェットミル１０におけるグラインディング効率及びスループットレートが増大する、という効果が生じる。
【００３７】
　同じく図示されている如く、各イダクタスパイクノズル装置２００は、更に、流路３４２を含む二次送給導管３４０を有している。この流路３４２は、素材粒子１３ｅをイダクタ部又は第２円筒部３０２の第２中空部３１０へと流す。粒子１３ｅは、低速ストリームの第２の部分２１７（図６参照）により前方に送り出され、第２端３０３において粒子装荷高速ストリーム２１９内に取り込まれる。
【００３８】
　図７及び図８に、図２及び図３に示した標準的なノズル装置２４に対するイダクタスパイクノズル装置２００の能力比較のため、ＣＦＤシミュレーションの結果を示す。ＣＦＤシミュレーションは、適当な境界条件の下に離散化粒子領域において質量、運動量及びエネルギ保存則を満足するため、ＣＦＤシミュレーションの結果は現実世界における能力を表すものとして信用できる。
【００３９】
　ノズル性能比較の基本として、いくつかの数値設定、例えば入力圧力、出力圧力、出口直径、スラスト、放出端における平均速度、並びに放出端からの無次元化距離ｘ／ｄ＝２０の設定を行った。比較の結果は、明らかに、同一質量フラックスであれば従来の漏斗型開口ノズル装置２４よりイダクタスパイクノズル装置２００の方が、比較的高いスラスト及びノズル装置放出端（２０３，３０３）平均速度が得られる、ということを示している。
【００４０】
　次に、図９及び図１０に、ノズル比較の結果として、各ノズル開口のノズル直径方向と交差する軸上での速度プロファイルの試験結果をプロットした。また、イダクタスパイクノズル装置２００の放出端２０２，２０３からの無次元化距離によるプロファイルの違い（図１０）及び従来のノズル装置２４における対応物（図９）も示した。図９及び図１０では、各ノズルの放出端からの無次元化距離を、１，５，１０，１５及び２０の５通りに亘って変えて、速度プロファイルを得ている。ここでいう無次元化距離とは、各ノズル装置の等価スロート直径ｄに対する倍率で表した距離である。ノズル装置の等価スロート直径は、全ノズル開口の総表面積に従って表した直径である。
【００４１】
　一般に、図９及び図１０に示すように、ノズル装置から放出されるジェットの速度プロファイルはノズルの放出端例えば２０３，３０３からの距離の関数で表される。速度プロファイルはＣＦＤシミュレーションにより決定した。図９及び図１０の横軸はチャンバ中心方向（縦方向）の速度であり、単位はｍ／ｓである。縦軸は、軸５０ａ，３１１と直交する方向（横方向）の距離の比である。それぞれの線は、ノズルからの無次元化距離ｘ／ｄにおけるジェット速度プロファイルを表している。ｘはノズルの放出端２０３，３０３からの距離、ｄはノズル装置の等価スロート直径である。装置の等価スロート直径は、全開口の合計表面積たる等価表面積に従って表した開口直径である。粒子を搬送し加速する周囲の流体とジェットとの混合が進むため、一般的な傾向として、ジェットのコアにおける速度はノズルからの距離が大きくなるにつれ低くなる。
【００４２】
　特に図９に示されるように、図２及び図３に示した従来のノズル装置２４における速度プロファイルは、単一の裾を有する開口プロファイルである。これらの速度プロファイルは、ノズルの縦軸５０ａに交差する方向でとったプロファイルであり、ノズルの放出端３３からジェットが下流に進んでいるときのものである。ｘ／ｄ＝１においては、ジェットは軸５０ａから横方向に約１２のところで、周囲の流体に対して急峻な速度勾配を有している（曲線ｘｄ１）。ジェットが下流へと進みｘ／ｄ＝５，１０，１５，２０になると（順に曲線ｘｄ５，ｘｄ１０，ｘｄ１５，ｘｄ２０）ジェットと周囲の流体との混合が進み、エアと粒子が共に流れによって運ばれることから、ジェットの最大速度が低くなっていき、ジェットが広がっていく傾向を示す。本願発明に比べると、粒子はジェットの周辺においてのみ搬送され、中央まで混ざることはない。
【００４３】
　同様に、図１０に示した速度プロファイルは縦軸３１１からの距離の関数として示される。符号１４４〜１５０により表されている曲線から直ちに読み取れるように、ジェットの幅が広く、従って粒子が搬送される周囲の領域が大きくなっている。符号１５３により表されている曲線は、ｘ／ｄ＝１においておよそ速度＝２７５ｍ／ｓまで下がる初期的速度ポケットが生じること、また図９における対応箇所に比べて長い下流域があることを示している。この長い速度ポケットは、イダクタスパイクノズル設計においてより高い搬送性能を得る可能性があることを示している。粒子搬送性能の比較から、イダクタスパイクノズル設計が図２及び図３に示した従来のノズルプロファイルに比べて優れた搬送可能性があることを確認できる。
【００４４】
　最後に、イダクタスパイクノズル設計における搬送可能性は向上しているけれども、ｘ／ｄ＝２０における最大流速はほぼ同じである。この特徴は、高い搬送レベルにおいて破壊のための充分な粒子運動量があることを、確かにしている。イダクタスパイクノズル設計における高い下流運動量は、前述した非線形の輪郭から直接に発生しており、充分に膨張した平行な出力流は、より高められた搬送レベルであるにもかかわらず、等価又はより高い下流運動量を発生させている。
【００４５】
　従来のノズル装置２４における速度プロファイル（図９）をイダクタスパイクノズル装置２００におけるそれ（図１０）と比べると、イダクタスパイクノズル装置２００の放出端２０３，３０３の近傍、特に無次元化距離ｘ／ｄが１０より小さい領域にて、曲線１５３上に低速領域乃至ポケットが現れていることがわかる。この低速領域乃至ポケットは、従来のノズル装置２４に比べてより多くの粒子をノズル装置の軸方向へと動かし、合成ジェット２２０の中心２２０ａにおける搬送確率を増大させ、ジェットへの積み込み量を増大させる。
【００４６】
　粒子軌跡に関しても、同様にシミュレーションを行った。粒子密度は１２００ｋｇ／ｍ3に設定した。また、１０ミクロン、３２．５ミクロン、５５ミクロン、７７．５ミクロン及び２００ミクロンというように、直径によって粒子を５個のグループに分けた。各粒子グループは、ノズルの放出平面からの距離がそれぞれ５，１０，１５及び２０ミクロンの箇所でリリースした。これらのリリースポイントは、いずれも、ジェットストリーム内への粒子の運び込みが生じる軸から３０ｍｍ離した。その結果得られた粒子軌跡を図７及び図８に示す。第２中空部即ち中央イダクタ３１０から入射された粒子はジェット２２０により容易に搬送され、ジェットの運搬容量を増大させている。このように比較的高いジェット積み込み量は、粒子対粒子衝突確率を増大させる。
【００４７】
　一見して理解できるように、本願においては、高速流体の合成ストリームを放出できるようにするため、流体化ベッドジェットミルの側壁に貫通実装されるイダクタスパイクノズル装置を提供している。この合成ストリームは、粒子対粒子衝突を発生させるため、素材粒子を受け取り、搬送し、流体化ベッドジェットミルのグラインディングチャンバ内に届ける。当該イダクタスパイクノズル装置は、（ａ）カウルリップを含む第１壁を有し第１中空部を規定する第１円筒部及び（ｂ）第１中空部内に実装され第２壁を有する第２円筒部を備える。第２壁は（ｉ）その外側において、第１壁と共に第１流体ストリーム用の環状流路を規定し、更に高速ストリームを発生させるためのカウルリップと共に圧縮スロート領域を規定する一方、（ｉｉ）高速流体と第１流体ストリームとの合成ストリームが形成されるよう、その内側において第２流体ストリーム用に第２中空部を規定する。このようにして、合成ストリーム内に導入された粒子の合成ストリームによる受容及び搬送確率を増大させている。
【００４８】
　以上、本発明に関しその好適な実施形態により説明を行ったが、本発明をこの実施形態に限定して認定するべきではなく、むしろ、特許請求の範囲の記載に従い、すべての代替物、変形物及び等価物が本発明に含まれるものと解釈されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の一実施形態に係る粒子搬送イダクタスパイクノズル装置を有する流体化ベッドジェットミルの垂直断面を示す図である。
【図２】従来におけるノズル装置、特に単一収束発散外形ノズル開口を有するノズル装置の構成を示す斜視図である。
【図３】図２に示した従来のノズル装置の断面図である。
【図４】本発明の一実施形態におけるイダクタスパイクノズル装置の斜視図である。
【図５】図４に示したノズル装置の構造を示す第１断面図である。
【図６】図４に示したノズル装置における流体の流れを示す第２断面図である。
【図７】図２に示した従来のノズル装置における単一の流体のストリーム又はジェットによる粒子搬送を示すシミュレーション図である。
【図８】本発明の一実施形態に係るイダクタスパイクノズル装置における流体のストリーム又はジェットによる粒子搬送を示すシミュレーション図である。
【図９】図２に示した従来のノズル装置における収束発散外形ノズル開口の速度プロファイルを、スロート径（ｄ）を基準として無次元化したノズル端からの距離（ｘ／ｄ）＝１，５，１０，１５及び２０においてプロットしたグラフである。
【図１０】本発明の一実施形態に係るイダクタスパイクノズル装置から得られる合成ストリームの速度プロファイルをプロットしたグラフである。
【符号の説明】
【００５０】
　１０　流体化ベッドジェットミル、１２　グラインディングチャンバ、１３，１３ａ，１３ｂ，１３ｅ　粒子、１４　側壁（周縁壁）、１５　一次送給路、１８　中心軸、１９　ソース、２０　粒子選別放出装置（選別装置）、２３　粒子コレクタアウトレット、２００　イダクタスパイクノズル装置、２０１，２０３，３０１，３０３，３１４，３１６　端、２０２，３０２　円筒部、２０４，３０４　壁、２０６　カウルリップ、２１０，３１０　中空部、２１２　縦軸、２１４　流体、２１５，２１７，２１８，２１９，２２０　ストリーム又はジェット、２２０ａ　中心、２２２　内向膨張、２２４　エアロスパイク、３０６，３４２　流路、３０８　スロート領域、３１１　ノズル軸、３１２　スパイク部、３１８　突端、３４０　二次送給導管。
【図１】
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【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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