(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
遠心分級ローターを攪拌軸１に対し同芯二重構造となるように取り付け、外側に位置する分級ローター２と内側に位置する分級ローター３とにスリット2a、3aをそれぞれ形成するとともに、外側に位置する分級ローター２の底部2bを開口したことを特徴とするサンドミルにおける分散媒体分離装置。
【請求項２】
外側に位置する分級ローター２を逆截頭円錐形としたことを特徴とする請求項１記載のサンドミルにおける分散媒体分離装置。
【請求項３】
外側に位置する分級ローター２のスリット2aと内側に位置する分級ローター３のスリット3aは、いずれも格子状に多数形成されている請求項１記載のサンドミルにおける分散媒体分離装置。
【請求項４】
外側に位置する分級ローター２の底部2bに形成されている開口部2cの縦断面形状は、下側から上側に行くに従って徐々に外側に向かうような形状となっている請求項１記載のサンドミルにおける分散媒体分離装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微小分散媒体（いわゆるビーズ）を使用するサンドミル（連続式の湿式分散機）において、分散媒体を被処理液から分離する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のサンドミルにおいては、分散媒体を被処理液から分離するための分散媒体分離装置（いわゆるビーズセパレータ）として、媒体よりすきまの小さいスクリーンやギャップセパレータと称する回転スリットが使用されている。
そして、サンドミルの分散能力を高めるのに、小径（微小）のビーズが有効なことは近年よく知られる様になって来た。小径（微小）のビーズを使えば処理能力が上がるだけでなく、分散限界もより小さくなる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、小径（微小）のビーズを使うためにはスクリーンや回転スリットのすきまをビーズ径の１／２〜１／４程度にする必要があり、すきまを通過する際のスラリーの圧力損失やビーズによる目づまりで、必要な処理量を確保することが困難となる。現実問題として、使用可能なビーズ径は０．３ｍｍが限界となっている。
上記問題点を解決するために、ローターの遠心力を利用してビーズを被処理液から分離することが試みられている（例えば、特開平８−２２９４１９号公報参照）。
この先行技術においては、ミル容器上部を拡張してセパレーターの径が大きくなるように工夫されている。それは、ローターの遠心力を大きくし、しかも、セパレーターの開口面積を大きくするためであると思われる。
【０００４】
遠心分離の理論からすると、この改良は有効であると言えるが、ミル容器が構造的に複雑になり、例えば、耐摩耗材（超硬セラミックスなど）で容器を製作しようとした場合、ミル容器に割れやひずみが生じやすく、また、成型のための型が高価になってコスト面で支障を来すこともある。
超硬セラミックスでミル容器を製作する場合を例に挙げて説明すると、超硬セラミックスは焼結品であるから、ミル容器の構造が複雑になればなるほど、加熱炉に入れて焼結する際乾燥収縮時における収縮率の差等でミル容器に割れやひずみが生じやすい。
従って、ミル容器はできるだけ簡単な構造であることが望ましい。一方、焼結品である超硬セラミックスでミル容器を製作するに当っては、加圧成型のためのプレス用ゴム型を使用することが多いが、大きさ、個数に応じて型の加工方法も異なるため、成型のための型が高価になり勝ちであり、いずれにしてもミル容器の構造は簡単な方がよい。
本発明は、ミル容器上部を拡張するという、複雑な構造になる手段を採ることなく、分散媒体を被処理液から分離する能力を向上させるように工夫したものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、遠心分級ローターを攪拌軸１に対し同芯二重構造となるように取り付け、外側に位置する分級ローター２と内側に位置する分級ローター３とにスリット2a、3aをそれぞれ形成するとともに、外側に位置する分級ローター２の底部2bを開口したものである。
【０００６】
本発明による分散媒体分離装置を備えたサンドミルを用いると、攪拌軸１に取り付けられている攪拌ディスク４、４の回転による遠心力で、ミル容器Ａ内の被処理液と分散媒体とが攪拌される。このとき、被処理液より比重の重い分散媒体はミル容器Ａの内壁側に飛ばされるから、分散媒体の分布状態はミル容器Ａ中心側は粗、ミル容器Ａ内壁側は密となっている。
そして、ミル容器Ａ内の被処理液と分散媒体は２つの遠心分級ローターのうち外側に位置する分級ローター２の回転による遠心力で、その底部2bに形成されている開口部2cから吸い込まれ（図１(a) の矢印▲１▼）、外壁に形成されているスリット2a、2aからミル容器Ａ内に吐き出される（図１(a) の矢印▲２▼）。すなわち、外側に位置する分級ローター２の働きにより、被処理液と分散媒体はミル容器Ａ内の上側（出口側）から下側（入口側）に向けて流れ、すなわち、被処理液と分散媒体の対流が発生し、分散媒体がミル容器Ａ内の上方に集中するのが防止される。
【０００７】
また、外側に位置する分級ローター２の回転による遠心力により、内側に位置する分級ローター３の内部に吸い込まれた被処理液の一部（図１(a) の矢印▲３▼）は、ミル容器Ａ内におけるポンプの強制送入により遠心力に逆らって図１(a) の矢印▲４▼で示すように軸方向の溝3bを通り、図１(a) の矢印▲５▼、▲６▼、▲７▼で示すようにミル容器Ａ外部に圧送される。この時、被処理液に混入している分散媒体は、内側に位置する分級ローター３により被処理液と分離され、外側に位置する分級ローター２のスリット2a、2aからミル容器Ａの方へ戻される。
【０００８】
外側に位置する分級ローター２は、図１、特に、図１(b) に示すように、逆截頭円錐形としておくのが好ましい。この分級ローター２を逆截頭円錐形としておくと、ミル容器Ａ内の上側（出口側）から下側（入口側）に向けての被処理液及び分散媒体の対流が、より発生しやすくなる。
その根拠を図２に基いて説明すると、逆截頭円錐形の分級ローター２の回転による遠心力は、分級ローター２の上側と下側とで異なる（上側の方が下側より大きい）から、スリット2aから飛び出す液の飛出速度は分級ローター２の上側の方が下側より大きい。すなわち、図２における液の飛出速度ｖ1 とｖ2 との関係は
ｖ1 ＞ｖ2 
となる。そして、その部分における吐出量Ｖも
Ｖ1 ＞Ｖ2 
となる。従って、ミル容器  内壁付近での圧力ΔＰは
ΔＰ1 ＞ΔＰ2 
となり、液流は圧力の高いΔＰ1 部から圧力の低いΔＰ2 部の方へ、すなわち、上方から下方へと流れることになり、上下方向の対流がより生じやすくなる。
【０００９】
次に、試験例を挙げながら本発明による分散媒体分離装置をさらに具体的に説明する。
遠心力場における液体中の粒子の運動速度Ｕは、粒子の径が小さい場合、ストークスの式が適用される。
【数１】
0003745103.tif 000002
ｇ  ：重力加速度  980 cm/sec2
ρp ：粒子密度        g/cm3 
ρ  ：液体密度        g/cm3 
Ｄp ：粒子径          cm
μ  ：液粘度          g/cmsec
【００１０】
しかるに、前記数式におけるＺ、すなわち、遠心効果は、
【数２】
0003745103.tif 000003
Ｒ：回転半径  m
Ｎ：回転数    r.p.m.
【００１１】
従来から使用されている一般的なミル容器（容積５ｌ）の攪拌軸１’に遠心ローター３’と攪拌ディスク４’とを取り付けたサンドミル（図６）において、例えば、
ミル容器の内径        ：Ｄ’＝ 150 mm
遠心ローター３’の外径：ｄ’＝ 126 mm
攪拌ディスク４’の外径：ｄ”＝ 126 mm
とし、羽根の周速を一般的な速度 10 m/sec で運転した場合、攪拌軸１’の回転数は 1528 r.p.m.となる。
従って、この時の遠心効果Ｚは、
【数３】
0003745103.tif 000004
【００１２】
今、密度 1.3 g/cm3の液中にガラスビーズ（密度 2.5 g/cm3）を入れて運転した場合を考えると、ガラスビーズ径 0.5 mm 、液粘度１ポイズ (poise)とした時の粒子飛出速度Ｕは、
【数４】
0003745103.tif 000005
【００１３】
遠心ローター３’の開口面積を 25 cm2 とし、ポンプにより遠心ローター３’のスリット２’へ液を強制流入させる液速度が前記飛出速度Ｕより小さいときビーズが遠心ローター３’内に入り込まないと考えると、
ミル処理量Ｑは
【数５】
0003745103.tif 000006
従って、
【数６】
0003745103.tif 000007
となる。これを l/minに換算すると、39.9 l/minとなり、単一粒子の場合におけるミル能力に必要かつ充分な分離能力があることが分かる。
【００１４】
ただし、ミル容器には普通ミル容積の80％前後のビーズを充填して運転するため、単一ビーズの時に比べるとビーズ同士の衝突などによって当然ビーズ運動量が大幅に減衰し、前記計算式よりはるかに小さい値になることは容易に推察できる。
図６に示すサンドミルを用い、以下の仕様で実際に運転テストを行った。この場合において、吐出量を順次変化させて行くと、吐出量 2.2 l/minでガラスビーズが軸方向の溝５’を経てミル容器Ａ’の出口側から流出した。
ミル容器の容積        ５ｌ
ビースの種類・大きさ  ビーズガラス、直径 0.5 mm
ビーズ充填率          ８０％（容積比）
回転数                1528  r.p.m.
被処理液              水あめ希釈液（粘度：１ポイズ、密度：1.3 g/cm3 ）
【００１５】
ミル容器内部を目視できるようにミル容器をガラス製として観察してみると、当初ミル容器内に均一に、又は、ミル容器内下部にビーズが滞留していたのが、吐出量を上げるに連れてビーズがミル容器内上部（出口側の遠心ローター３’付近）に集まり始め、吐出量が２ l/minを越えると、ミル容器内壁部のビーズは全く動かず内壁に張り付いた状態となっていた。
この事実から、ビーズが流出する原因は被処理液の圧送によってビーズが出口側に持ち上げられ、遠心ローター３’付近で過密状態となり、ビーズの運動速度が著しく阻害されることとなって充分な遠心効果を得ることができず、ビーズの方が被処理液の流速に負け、結果的に遠心ローター３’内に流入すると推察することができる。
【００１６】
このテスト結果より、ビーズが遠心ローター３’付近に集まるのを防止してやれば、処理量をさらに増やすことができることを見出した。そして、これを実現するために、図１に示すような新規なローターを開発した。すなわち、遠心分級ローターを攪拌軸１に対し同芯二重構造となるように取り付け、外側に位置する分級ローター２と内側に位置する分級ローター３とにそれぞれスリット2a、3aを形成するとともに、外側に位置する分級ローター２の底部2bを開口したものである。外側に位置する分級ローター２を逆截頭円錐形とするのが好ましい。
【００１７】
図６において３’で示す従来の遠心ローターでは、ビーズ密なるミル容器内壁近くから被処理液を取り込んでいたため、とうしてもビーズがローター３’の周囲に集まりやすく、ビーズ運動量が減衰し、充分な遠心効果を得ることが困難であったが、本発明による２つの遠心分級ローター２、３を用いれば、以下に示すような機能が発揮される。すなわち、
(1) ビーズ粗なる中心部から被処理液を取り込む。
(2) 外側に位置する分級ローター２の回転力により、この分級ローター２内に入り込んだビーズに遠心力を与え、この分級ローター２に強制的に振り出す。
(3) 外側に位置する分級ローター２の働きにより対流を起こし、ビーズがミル容器Ａ内の上方に集まるのを防止する。
(4) 内側に位置する分級ローター２の外周付近ではビーズ密集度が低いため、ビーズに分級ローター２の回転に近い運動速度を与えることができ、分離能力が上がる。
これらの相乗効果として、図６に示す従来の遠心ローターを用いた場合に比べて、大幅に分離能力を上げることができる。
【００１８】
本発明による遠心分級ローターを用い、以下の仕様で実際に運転テストを行った。この場合において、吐出量を順次変化させて行くと、吐出量 4.4 l/minでガラスビーズが出口側から流出した。
ミル容器の容積        ５ｌ
ビースの種類・大きさ  ビーズガラス、直径 0.5 mm
ビーズ充填率          ８０％（容積比）
回転数                1528  r.p.m.
被処理液              水あめ希釈液（粘度：１ポイズ、密度：1.3 g/cm3 ）
図６に示すサンドミルを用いて同じ条件で運転テストを行った場合（上で説明済）とテスト結果を比べると、本発明の場合の方が従来の場合に比べて倍の処理量となり、処理能力が大幅に向上することが立証された。
【００１９】
一方、本発明による遠心分級ローターを用いた場合において、以下の条件、すなわち、
ミル容器の容積        ５ｌ
ビーズ充填率          ８０％（容積比）
回転数                1528  r.p.m.
被処理液              水あめ
を変えずに、ビーズの比重、ビーズの直径、液粘度を変えた場合の限界吐出量をそれぞれ測定した。その測定結果を図３、図４、図５に示す。なお、ビーズの比重を変えて限界吐出量を測定するに当っては、ビーズの直径を 0.5 mm 、液粘度を２ポイズと一定ならしめておいた。また、ビーズの直径を変えて限界吐出量を測定するに当っては、液粘度を２ポイズと一定にした条件下で、比重 2.5のガラスビーズと比重 6.1のジルコニアビーズを使用した。さらに、液粘度を変えて限界吐出量を測定するに当っては、比重がいずれも6.1 で直径が0.1 mm、0.3mm 、0.5 mmのジルコニアビーズをそれぞれ使用した。
【００２０】
このテスト結果より、直径 0.1 mm のビーズを使用した場合、ジルコニアビーズでは約１ l/min（粘度２ポイズ）の処理量が得られることが分かった。
サンドミルを使って超微分散を行う場合、ミル容器内滞留時間を長く取る（処理量を落とす）必要があり、例えば、５ｌミルで直径 0.1 mm のビーズを使用した場合、処理量が 0.2〜0.5 l/min 程度と予測されるため、上記テストデータ結果から見て充分実用化可能であることが分かる。
【００２１】
外側に位置する分級ローター２のスリット2aと内側に位置する分級ローター３のスリット3aは、いずれも格子状に多数形成されているのが好ましい。スリット2aとスリット3aとがいずれも格子状に多数形成されている場合には、ビーズと被処理液の吸い込みや吐き出しを円周方向において均等に行うことができる。
【００２２】
外側に位置する分級ローター２の底部2bに形成されている開口部2cの縦断面形状は、下側から上側に行くに従って徐々に外側に向かうような形状とするのが好ましい。開口部2cの縦断面形状をこのような形状とすると、外側に位置する分級ローター２の回転による遠心力で、ビーズと被処理液とが開口部2cからよりスムーズに吸い込まれ、それらをスリット2aからよりスムーズにミル容器Ａ内に吐き出すことができる。
【００２３】
なお、本発明による分散媒体分離装置においては、微小ビーズのみならず異径混合ビーズを使用することもできるから、従来のミルのように摩耗したビーズを定期的に選別する必要がなく、摩耗した量を追加投入するだけで連続して使用することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明の好ましい実施の形態を、図１に基いて詳細に説明する。
ミル容器Ａ内の上側（出口側）において、垂直方向に配置されている攪拌軸１に遠心分級ローターを攪拌軸１に対し同芯二重構造となるように取り付ける。前記攪拌軸１には、従来の場合と同じ板状の攪拌ディスク４、４が複数枚取り付けられている。
外側に位置する分級ローター２と内側に位置する分級ローター３とにスリット2a、3aをそれぞれ形成する。外側に位置する分級ローター２におけるスリット2aと内側に位置する分級ローター３のスリット3aは、図１(b) に示すように、いずれも格子状に多数形成されているのが好ましい。それは、ビーズと被処理液の吸い込みや吐き出しを円周方向において均等に行うことができるからである。
【００２５】
そして、外側に位置するこの分級ローター２の底部2bを開口する。この開口部2cは、図１(b) に示すように、分級ローター２の中心を通る線上に位置し、しかも、等間隔を置いて多数放射状に配置されているのが好ましい。また、各開口部2cは図１(b) に示すように平面長方形状とするのが望ましいが、この形状のみに限定されるものではなく、例えば、丸形、正方形としてもよい。
一方、この開口部2cの縦断面形状は、図１(a) 並びに図２に示すように、開口部2cの軸線Ｂが攪拌軸１と平行にならないよう、下側から上側に行くに従って徐々に外側に向かうような形状とするのが好ましい。開口部2cの縦断面形状をこのような形状とすると、外側に位置する分級ローター２の回転による遠心力で、ビーズと被処理液とが開口部2cからよりスムーズに吸い込まれ、それらを多数のスリット2a、2aからよりスムーズにミル容器Ａ内に吐き出すことができるからである。
なお、外側に位置する分級ローター２は図１に示すように逆截頭円錐形にしてあるが、その形状にするのが好ましい理由は上述したとおりである。
【００２６】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、従来の遠心ローターを用いた場合に比べて、分散媒体を被処理液から分離する能力を大幅に上げることができる効果がある。
【００２７】
請求項２記載の発明によれば、ミル容器Ａ内の上側（出口側）から下側（入口側）に向けての被処理液及び分散媒体の対流が、より発生しやすくなるので、分離能力をさらに上げることができる効果がある。
【００２８】
請求項３記載の発明によれば、分散媒体と被処理液の吸い込みや吐き出しを円周方向において均等に行うことができる効果がある。
【００２９】
請求項４記載の発明によれば、外側に位置する分級ローターの回転による遠心力で、分散媒体と被処理液とが開口部からよりスムーズに吸い込まれ、また、それらをスリットからよりスムーズにミル容器内に吐き出すことができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による分散媒体分離装置を備えたサンドミルの概略断面図である。
【図２】本発明による分散媒体分離装置に用いられている２つの分級ローターのうち、外側に位置する分級ローターの機能を説明するための概略図である。
【図３】ビーズの比重を変えた場合の限界吐出量の測定結果を示すグラフである（ただし、ビーズ径を 0.5 mm 、液粘度を２ポイズと一定にした）。
【図４】ビーズ径を変えた場合の限界吐出量の測定結果を示すグラフである（ただし、液粘度を２ポイズと一定にした。そして、比重 2.5のガラスビーズと比重 6.1のジルコニアビーズとを使用）。
【図５】液粘度を変えた場合の限界吐出量の測定結果を示すグラフである（ただし、比重 6.1、直径 0.1 mm 、0.3 mm、0.5 mmのジルコニアビーズを使用）。
【図６】遠心ローターを備えた従来のサンドミルの一例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１─攪拌軸、２─分級ローター、2a─スリット、2b─底部、2c─開口部、３─分級ローター、3a─スリット、３─溝、４─攪拌ディスク、Ａ─ミル容器。
【図１】
0003745103.tif 000008
【図２】
0003745103.tif 000009
【図３】
0003745103.tif 000010
【図４】
0003745103.tif 000011
【図５】
0003745103.tif 000012
【図６】
0003745103.tif 000013