(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
粘土質粒子を含む異粒径混合物を鉛直方向に対してある射出角度を与えて射出するための第１手段、
前記第１手段により射出された後に重力により落下する前記異粒径混合物の一部分とその他の部分を落下領域で区別して選別するための第２手段
とを含む粘土質粒子を含む異粒径混合物の粒径選別装置において、
前記第１手段は、前記異粒径混合物を加速するための加速手段を備え、
前記加速手段は、無限帯（２）を有するベルトコンベア（１）であり、
前記無限帯（２）を駆動する駆動手段は、モータ（３）により駆動される駆動軸（４）、従動軸（５）とからなり、前記従動軸（５）は駆動軸（４）を中心に円運動しながら昇降して、前記第１手段が前記射出角度を可変するための可変手段を備え、
前記無限帯（２）の表面側に、前記加速手段として複数の加速用板（９）の一端が前記無限帯（２）の搬送方向に等間隔に並べて固定されている
ことを特徴とする粘土質粒子を含む異粒径混合物の粒径選別装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記第１手段に前記異粒径混合物を供給するための供給手段を備えることを特徴とする粘土質粒子を含む異粒径混合物の粒径選別装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記供給手段に保持されている前記異粒径混合物の湿度を測定するための測定手段を含み、前記湿度に関連させて前記射出角度を可変するための関連手段を含むことを特徴とする粘土質粒子を含む異粒径混合物の粒径選別装置。
【請求項４】
請求項１において、
前記第２手段は、落下する前記異粒径混合物を受け入れる受入手段を含み、
前記受入手段は受け入れ領域を区画するための区画手段を備える
ことを特徴とする粘土質粒子を含む異粒径混合物の粒径選別装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、粘土質粒子を含む異粒径混合物の粒径選別装置に関する。更に詳しくは、建築構造体の材料であるコンクリート用の土石の粘土質粒子の混合割合を適正にする粘土質粒子を含む異粒径混合物の粒径選別装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
建築構造物の材料であるコンクリート用土石には、７０ミクロン程度の微粒子から２．７ｍｍ直径程度の細粒子まで、一定の粒度で分布する小石混じりの土砂が用いられる。２．７ｍｍ以上の直径の粒子の分別は容易であるが、７０ミクロン以下の直径の微粒子即ち水分を吸収すれば粘土質体になる微粒子の低コストの分別は、一般には困難である。
【０００３】
低コストの粘土質部分の分別は、現在、水洗によっている。水洗方法は、粒度分布の精度を高くするための技術として本質的にすぐれている。しかし、この水洗方法は、回避されなければならい状況にある。７０ミクロン直径以下の粘土質粒子を洗い流すために使用され使用後に廃棄される大量の水は、河川を汚染し生物体系を乱す。
【０００４】
水洗方法に代わる粒径選別方法の提供が望まれている。水洗以外の方法としては、風選が知られている。風選は、軽いものの粒径選別のためには適しているが、重いものの有効な風選のためには、整流化された高速流を形成する風洞が必要であり、小さい粒子の飛散距離が長大化するであろうと予想され、特殊な用途を除いて実用性はないと考えられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような技術的背景でなされたものであり、次のような課題を解決する。
【０００６】
本発明の目的は、水洗に代わって粘土質化する粒子を含む異粒径混合物の粒度分布を適正に行うことができる粒径選別装置を提供することにある。
【０００７】
本発明の他の目的は、水洗に代わって粒度分布が適正であり粘土質化する粒子を含む異粒径混合物の粒度分布を適正化することができる粒径選別装置を提供することにある。
【０００８】
本発明の更に他の目的は、装置がシンプルであり粘土質化する粒子を含む異粒径混合物の粒度分布を適正化することができる粒径選別装置を提供することにある。
【０００９】
本発明の更に他の目的は、粒度分布が適正であり水洗・風選に代わる粘土質化する粒子を含む異粒径混合物の粒度分布を適正化することができる粒径選別装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明による粘土質粒子を含む異粒径混合物の粒径選別装置は、
粘土質粒子を含む異粒径混合物を鉛直方向に対してある射出角度を与えて射出するための第１手段、
前記第１手段により射出された後に重力により落下する前記異粒径混合物の一部分とその他の部分を落下領域で区別して選別するための第２手段
とを含む粘土質粒子を含む異粒径混合物の粒径選別装置において、
前記第１手段は、前記異粒径混合物を加速するための加速手段を備え、
前記加速手段は、無限帯（２）を有するベルトコンベア（１）であり、
前記無限帯（２）を駆動する駆動手段は、モータ（３）により駆動される駆動軸（４）、従動軸（５）とからなり、前記従動軸（５）は駆動軸（４）を中心に円運動しながら昇降して、前記第１手段が前記射出角度を可変するための可変手段を備え、
前記無限帯（２）の表面側に、前記加速手段として複数の加速用板（９）の一端が前記無限帯（２）の搬送方向に等間隔に並べて固定されていることを特徴とする。
【００１１】
ベルトコンベアの前記可変手段は、その搬送角度の可変性において、すぐれている。即ち、無限帯ベルトを周回させる２つの回転軸の一方を昇降させるだけで、その搬送方向即ち射出方向を容易に連続的に変更することができるからである。
【００１２】
そのようなベルトコンベアの端部から、被選別材料が高速で射出される。射出された大小粒径の粒子は、概ね、その比重が等しい。より大きい粒子は、その表面積が大きくより大きい風圧を受けるが、その風圧抵抗による逆方向加速度は逆により小さい。大きい粒子の表面積はその径の２乗に比例するが、その質量はその径の３乗に比例するからである。風圧抵抗がなければ、全ての粒子は、同じ位置へ放物線を描いて落下する。
【００１３】
風圧抵抗があるため、同じ射出角度で打ち出される径の大きさが異なるた２粒子は、径が小さい方の飛距離が短く、径が大きい方の飛距離が長い。ある飛距離の位置から他の飛距離の位置までの特定の連続落下領域に連続的に粒度分布する１団・１群のものは、特定の粒度分布特性を示す。その粒度分布特性は、射出速度と射出角度に依存する。
【００１４】
風圧は、高速で射出される粒子と静止空気の相対的速度に依存する。風圧抵抗は、その相対的速度の１乗、２乗、ｎ乗の多項式で表されるが、速度が極端に大きくない限りは、速度の１乗に比例するとして計算すればよい近似が得られる。
【００１５】
既述の第１手段に異粒径混合物を供給するための供給手段が設けられている。供給手段に保持されている異粒径混合物の湿度を測定するための測定手段が設けられていることが好ましい。湿度は、粒度分布に大きく影響する。湿度に対応させて、射出角度、射出速度を変更することが好ましい。
【００１６】
第２手段は、落下する異粒径混合物を受け入れる受入手段を含む。受入手段は受け入れ領域を区画するための区画手段を備えることが好ましい。但し、区画手段は、粒子の飛行を阻害するものであってはならない。
【００１７】
このように、粒径が小さく質量が小さいために負の加速度が大きく水平方向の飛距離が短い小粒径物から粒径が大きく質量が大きいために負の加速度が小さく水平方向の飛距離が長い大粒径物がそれぞれの落下位置で区別される
【００１８】
【発明の実施の形態】
図に一致させて、本発明による粘土質粒子を含む異粒径混合物の粒径選別装置の実施の形態が詳細に既述される。射出装置として、ベルトコンベア１が用いられている。ベルトコンベア１は、無端状の無限帯２と駆動手段とから構成されている。駆動手段は、モータ３、駆動軸４、従動軸５とから形成されている。モータ３は、地面、工場の床などに強固に固定されている。
【００１９】
駆動軸４は、モータの出力軸に減速機構又は増速機構を介して連結されている。駆動軸４の回転中心線は、固定されている。従動軸５は、可動軸受６に回転自在に支持されている。可動軸受６は、その一部である左右両側の同軸突起体（図示せず）が、左右の円弧状の溝７に挿入されている。左右両側の溝７は、左右の支持柱８に略駆動軸４を中心とした方向に開けられて配置されている。
【００２０】
左右の支持柱は、既述の床などに強固に固定されている。既述の同軸突起体が溝７に挿入され溝７から突出する部分にはねじが切られ、そのねじにボルト（図示せず）を通して左右両側の同軸突起体を支持柱８に強固に固定する。従って、そのボルトを緩めて従動軸５を動かせば、従動軸５を昇降させ任意の昇降位置で再び従動軸５の高さ位置を固定することができる。
【００２１】
この場合、従動軸５は駆動軸４を中心に円運動しながら昇降することになる。この昇降運動の結果、無限帯２の直線運動部２Ａの運動方向の角度θ（水平面が基準）が変更される。この角度θは、連続的に可変である。無限帯２の表面側に、加速度伝達手段としての加速用板９の一端が固定されている。複数の加速用板９は、無限帯２の搬送方向に等間隔で並べられて配置されている。
【００２２】
加速用板９は、搬送方向に直交する方向即ち横方向（紙面に垂直な方向）に長く延びている。その延び幅は、概ね、無限帯２の横幅に等しい。直線運動部２Ａの両側の部位には、案内板１１が設けられている。ベルトコンベア１の前方に、分離箱１２が設けられている。分離箱１２は、水平断面上でその形状が長方形である。
【００２３】
分離箱１２の中は、前方分離壁１３と後方分離壁１４とで仕切ることが可能である。前方分離壁１３と後方分離壁１４は、それぞれに、搬送方向に直交する方向に延びる板であり、且つ、鉛直方向に向いている。前方分離壁１３と後方分離壁１４は、それぞれに、前後方向に移動自在でありそれらの前後位置が調整可能であることが好ましい。
【００２４】
前方分離壁１３と後方分離壁１４のそれぞれの上端の高さ位置が同じである必要はなく、それらの高さは設計定数である。ベルトコンベア１の上方に、原材料を供給するための供給手段１０が設けられている。供給手段１０は、ホッパーを形成するホッパー本体２０と、攪拌手段１５とから構成されている。攪拌手段１５は、ホッパー本体２０の中の空間に配置されている。
【００２５】
ホッパー本体２０は、その下方部に開口１６を有している。開口１６の直下に、ベルトコンベア１の直線運動部２Ａの始端部が位置するように配置されている。直線運動部２Ａの始端部は、駆動軸４を半周した直後の無限帯２の一部分に相当する。攪拌手段１５は、攪拌用回転軸１７と回転胴１８と攪拌羽根１９とから構成されている。回転胴１８は、攪拌用回転軸１７に固定されている。攪拌羽根１９は、回転胴１８の円筒周面上から放射方向に立ち上がる板状の羽根であり、回転胴１８に強固に固定されている。攪拌用回動軸１７は、駆動用モータ（図示せず）により回転駆動される。
【００２６】
噴霧手段２１が、供給手段１０の近くに設けられている。噴霧手段２１は、ノズル２２を備えている。ノズルは、水を霧状に砕いて噴射することができる。その噴射方向は、ホッパー本体２０の中に形成される攪拌領域の概ねの中心域に向けられている。
【００２７】
水分含有率測定手段２３が、ホッパー本体２０に固定されている。水分含有率測定手段２３としては、赤外線検出手段を用いることができる。水分含有率測定手段２３は、無限帯２から射出される原材料の水分含有率をリアルタイムで検出することができる。
【００２８】
ホッパー本体２０の下部には、定量供給装置２５が配置されている。定量供給装置２５は、攪拌手段１５により攪拌された原材料を一定量のベルトコンベア１に供給するためのものである。定量供給装置２５の構造、機能は公知でありその説明は省略する。無限帯２の直線運動部２Ａの運動方向の既述の角度θが、モータ３設定回転速度との関係で調整される。モータ３が駆動され、供給手段１０に原料が投入される。原料は、各種の粒径の小石と土砂を含む。土砂は、ある程度に乾燥している。原材料が攪拌されると、小石の表面に付着している粉体状微粒子が小石表面から剥離される。
【００２９】
水分含有率は、粘土化する微粒子（粒径が７０ミクロン以下）の塊状体の大きさに関係する。粘土化する微粒子が７０ミクロン以下の塊状体になる範囲の水分含有率になるように、積極的に水分を噴霧手段２１により供給することはむしろ好ましい。従って、水分含有率測定手段２３によりリアルタイムで水分含有率を検出して、ノズル２２からの霧状水分の添加量を制御することが好ましい。
【００３０】
攪拌用回転軸１７により攪拌される一定の大きさの塊である原料は、２．７ｍｍ以上の単一粒子、２．７ｍｍ以下で７０ミクロン以上の単一粒子、７０ミクロン以下の粘土化塊状体、７０ミクロン以下の単一微粒子に分解される。このような分解は、厳密に行われる必要はない。これら粒子に分解された混合物が、ホッパー本体２０の開口１６から無限帯２の直線運動部２Ａの始端部に落下する。このように落下した混合物は、直線運動部２Ａ上で加速用板９により加速される。その加速により獲得する速度は、無限帯２の速度Ｖである。その速度の水平成分・鉛直成分は、ｃｏｓ（θ）・Ｖ、ｓｉｎ（θ）・Ｖである。
【００３１】
前方分離壁１３、後方分離壁１４が存在しない場合の落下地点について説明する。射出点を鉛直下方に向けて分離箱１２の底面に投影した点を原点Ｏとする。適当な角度として、例えば５０度にθを設定する。射出速度即ち無限帯２の周速度をＶとする。
【００３２】
射出直後には、大小さまざまの粒子の集団がほぼ同体に飛び出すが、やがて、風圧抵抗に差が生じて、飛翔しながら大小粒径の粒子は、分散を始める。分散して前後間隔が拡大するにつれて、各粒径に固有の風圧抵抗を受けることになる。粒子の運動によって生じる空気流の速度は実質的に無視できるから、各粒子に対する相対的風速は粒子速度をＶとすると−Ｖで近似することができる。
【００３３】
２．７ｍｍ以上の粒径の単一粒子は、座標ｘ２よりも遠方の地点に落下する。７０ミクロン以下の粒径の単一粒子と粘土質粒子の集団である塊状体は、座標ｘ１よりも手前の位置に落下する。粒径が２．７ｍｍ以下で７０ミクロン以上の粒子は、座標ｘ１と座標ｘ２の間の中間点に落下する。傾向としては、大きい粒子は遠方まで飛行し小さい粒子は少ししか飛行しない。
【００３４】
このような落下地点の座標ｘ１及びｘ２は、射出速度Ｖと射出角度θに大きく依存する。射出角度が４５度以上より大きいある角度である場合に、座標ｘは指数表現項を持つ関数によって記述され、両座標間の間隔が増大し、分散精度が向上する。射出速度が大きくなればなるほど、その間隔は増大して、その分散精度が向上する。材料の湿度も分散度に影響する。
【００３５】
湿度が高くなると、粒径７０ミクロン以下の複合粒子中の微細粒子の割合が増大する。湿度を適正に維持して、複合粒子中の紛状粒子の混合割合を調整することが望ましい。水分含有率をリアルタイムで検出して水分の噴射供給流量を制御することが好ましい。水分の添加は、粉体の飛散を抑制する。
【００３６】
定性的な以上の説明は、概ね、正しく、試行錯誤により射出速度、射出角度、と座標ｘ１、ｘ２の関係を割り出せばよいく、前方分離壁１３と後方分離壁１４の高さも試行錯誤的に定めればよいが、定量的な性質はよりよい設計を可能にする。以下は、古くから知られる理論解析であるが、具体的な計算方法は設計時に有用である。
【００３７】
運動方程式は非線形微分方程式であるから、ｙ（原点を通る鉛直上方向きの座標軸）とｘとの関数関係を具体的に表現することは困難であるが、飛行距離の性質が明らかになる。単一粒子の質量をｍとする。風圧抵抗は、速度の１乗に比例するものとする。粘性係数に関係する抵抗係数をρで表す。運動方程式は、次の連立微分方程式である。そこで、ｇは重力加速度である。
md2x／dt2=-ρ(dx/dt)                      …(1)
md2y／dt2=-mg-ρ(dy/dt).                  …(2)
両辺をｍで割る。ρ／ｍをμで表す。
d2x／dt2=-μ(dx/dt).                      …(3)
d2y／dt2=-g-μ(dy/dt).                    …(4)
式（３）を積分する。
dx／dt=-μx+A.                            …(5)
式（５）の解は、次の形以外にはない。
x=BeKt+C                                  …(7)
これを代入し計算して、
BkeKt=-μ(BeKt+C)+A=-μBeKt-μC+A.        …(8)
これは恒等的に成り立つから、
k=-μ, A=μC.                             …(9)
初期条件として、ｔが零で、ｘ＝０、とすることができる。式（７）から、
C＝-B=A/μ.
式（７）は、
x=-(A/μ)(e-μt-1).                       …(10)
式（４）を積分する。
dy／dt=-gt-μy+H.                         …(11)
yは、次式でしか表すことができない。
y=Dest+Et2+Ft+G.(12)
式（１２）を式（１１）に代入する。
(sD+μD)est+(2E+g+μF)t+(F+μG-H)+μEt2=0.…(13)
これは恒等的に成り立つから、
s=-μ, F=-(2E+g)/μ, G=-(F-H)/μ, E=0.
F=-g/μ, G=-(F-H)/μ. G=(g/μ+H)/μ.      …(14)
初期条件として、時刻零で、ｙ＝０、とすることができる。
式（９）から、
0=D+G.                                    …(15)
従って、
F=-g/μ, D=-(g/μ+H)/μ.                  …(16)
式（１２）は、具体的に次式になる。
y=-{(g/μ+H)/μ}e-μt-(g/μ)t+(g/μ+H)/μ.…(17)
式（１０）と式（１７）とから、
y={(g/μ+H)/A}x-(g/μ)t.                  …(18)
ｙ＝０である場合を落下地点として選ぶと、
{(g/μ+H)/A}x=(g/μ)t.                    …(19)
両辺にμをかける。
{(g+μH)/A}x=gt.                          …(20)
μが零であれば（この段階でμを零にすることができる）。
x=At.                                     …(21)
Ａは、Ｖｃｏｓ（θ）であり、ｘ方向成分の初期速度即ちｘ方向射出速度である。これは空気抵抗がない場合の落下式に一致している。空気抵抗がない場合には、全ての物体は同一地点に落下するから、粒径分離は不可能である。
式（１７）のグラフを、図２に表す。横軸がｔで縦軸がｙである。式（１７）の定数項である第３項分だけｙを嵩上げして示している。１・１及び１・２は、μが大きい場合の式（１７）の第１項及び第２項に相当する。２・１及び２・２は、μが小さい場合の式（１７）の第１項及び第２項に相当する。
【００３８】
（１・１＋１・２）と（２・１＋２・２）をそれぞれに、３・１と３・２で表している。ρ／ｍであるμは、ｍが粒径の３乗に比例しρが粒径の２乗に比例するから、小粒径のものはμが大きく大粒径のものはμが小さい。ｙが零になる落下地点に達するまでの時間ｔは、３・１と３・２の比較からわかるように、粒径が小さいためにμが大きくなる単一粒子で長く、粒径が大きいためにμが小さくなる単一粒子で短い。式（１０）を見ると、ｔが大きくなるとeｘｐ（-μt)は急激に減少して零に近づくため、ｔがおおきくなると、ｘは１／μにより強く依存する。即ち、小径粒子の飛翔距離は短い。逆に、大径粒子の飛翔距離は長いという一般則が得られる。しかし、ｔが小さい場合はこの一般則は成り立たない。
【００３９】
従って、飛翔時間が長くなるように設計すれば、その一般則により粒径分離が可能になる。このような設計のために、射出角度、射出速度の調整が第１義的に重要であり、ｘ１とｘ２の位置決めが第２義的に重要である。更に、湿度調整は、第３義的に重要である。
【００４０】
【発明の効果】
本発明による粘土質粒子を含む異粒径混合物の粒径選別装置は、原理的に、風洞を必要とせず、また、原理的に、水を必要としない。選別されたものの１部分を連続的に採取するだけで、必要な粒度分布の材料を入手することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明による粘土質粒子を含む異粒径混合物の粒径選別装置による実施の形態を示す正面断面図である。
【図２】図２は、飛翔時間と落下距離を示すグラフである。
【符号の説明】
１…ベルトコンベア
２…無限帯
４…駆動軸
５…従動軸
６…可動軸受
７…溝
８…支持柱
９…加速用板
１２…分離箱
１３…前方分離壁
１４…後方分離壁
１５…攪拌手段
１７…攪拌用回転軸
１９…攪拌羽根
２１…噴霧手段
２３…水分含有率測定手段
【図１】
0004167744.tif 000002
【図２】
0004167744.tif 000003