特集：分級・ふるい分け技術の最近の動向

サブミクロン粉体における高精度乾式分級技術
日清エンジニアリング株式会社 小澤 和三
kazumi KOZAWA

２）粒子の分散

1．はじめに

３）機内への付着

筆者が大学で授業を受けていた頃は、「３µm の４）サブミクロン粒子のハンドリング壁」といわれるように、乾式分級の限界粒子径は数 µm であると学んだ。そして入社してからは、

１）分級精度に関して、高い分級精度を保ちなこの「３µm の壁」を超える難しさを、日々業務のがら、サブミクロン領域へと微小化することが求５µm 程中で痛感させられている。文献では、０．

められる。特に電子部品に用いられる粉体は、材度の乾式分級が可能との結果も紹介されているが、料となる粉体の中位径を小さくすることはもちろ今回紹介する「エアロファインクラシファイア」

んであるが、最大粒子径も小さくしなければいけを開発する以前は、実用的なサブミクロン分級はない。１００％分級径を１µm 以下にする技術が必要困難であったと考えている。この「実用的な」とである。
２）分散、３）付着に関して、粒子が小さくなるは、生産に耐えられる処理量であり、長時間の安ほど粒子に外力を加えて分離・分散することは困定運転を満足にできることを意味している。
最近では１µm よりも小さな領域であっても乾難となり、単位質量あたりの付着力が大きくなる式分級への要求・期待が大きくなっていると感じため、粉体の凝集・付着性が増す。分級機内ではている。その理由として、湿式粉砕・湿式分級に単粒子化した状態で運動させたいので、原料粉体よっていくら微細かつ均一な大きさの粉体を得らを効率よく分散させる技術が重要となる。またサれたとしても、乾燥工程によって大きな凝集粒子ブミクロン粉体は装置壁面に付着しやすくなる。

が発生し、この凝集粒子が最終製品の品質に大き装置への内部付着がひどいと運転そのものができな影響を及ぼしていることがある。したがって、なくなる。

最終の粒子径分布調整として、乾式分級処理によ４）ハンドリングに関して、サブミクロン粉体る粒子径制御が望まれているのである。またサブは粒子径が小さい、付着性が高いだけではなく、ミクロン分級とは、５０％分級径が１µm 以下であ圧密もしやすい傾向にある。分級機に原料を供給ることを指していることが多かったものの、近年するフィーダーのトラブル、分級した微粗粉を回のお客様が期待するサブミクロン分級とは９０％分収する箇所でのトラブルもあり、システム全体で級径または１００％分級径が１µm 以下の分級であるの対応が必要となる。

ことの方が多い。
本稿では、サブミクロン領域の分級も可能にした「エアロファインクラシファイア」と本装置に3．エアロファインクラシファイアの概要
3−1 開発経緯関連した技術について紹介する。

表−1 に示すように乾式分級は、大きく４つに分類される１）。数１０〜数 µm の分級では、ローター

2．乾式によるサブミクロン分級の課題を高速で回転させて粒子に遠心力を与える遠心分サブミクロン分級を行う際の課題として、以下
１）の項目があげられる 。

タイプの分級機ターボクラシファイア（図−1）１）分級精度（微粉製品の最大粒子径の微小化）
Vol．
９，No．
１０（２０１７）級機が広く用いられており、当社でも、ローターを販売している。このような分級機でサブミクロ（855）33

表−1分類

乾式分級装置の分類

分級原理

一般的な特徴代表的な機種重力分級

粒子の落下速度、落下位置の違いにより分級（重力：空気抗力）!構造が簡単!粒子径の粗いところでの分級（２００〜２，０００µm）!あまり高粉体濃度が期待できない!精密分級に適さない

水平流型
垂直流型
ジグザグ型

慣性分級

粒子の慣性力を利用して分級（慣性力：空気抗力）!構造が簡単!比較的粒子径の粗いところでの分級（１０〜２５０µm）!高粉体濃度が可能、比較的大容量が可能!精密分級に不適

直線型曲線型
ルーバー型!細かい分級範囲（０．
５〜５０µm）!精密分級も可能エルボージェット
バリアブルインパクター

遠心分級（自由渦、半自由渦）

自由渦、半自由渦による遠心力と空気抗力のつりあいで分級（遠心力：空気抗力）!構造が比較的簡単!比較的細かいところでの分級（１〜２０µm）!サイクロンなどではあまり高粉体濃度、精密分級は望めず

サイクロン
ファントンゲレン
クラシクロン
ディスパーションセパレーター
ミクロプレックス

遠心分級
（強制渦）

強制渦による遠心力と空気抗力のつりあいで分級（遠心力：空気抗力）!比較的構造が複雑で動力もかかる!微粉領域までの分級可能、分級範囲広い（０．
５〜１００µm）!高粉体濃度、精密分級が可能

各種エアセパレーター
ミクロンセパレーター
ミクロプレックス
アキュカット
ターボクラシファイアཎᩱศ⣭䝻䞊䝍䞊
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困難であった。また旋回流は外乱に弱いため粉体⢒⢊ྲྀ䜚ฟ䛧ཱྀ
⢒⢊の影響を受けやすく、特に装置壁面の粉体の付着✵Ẽᚤ⢊䝞䝷䞁䝇䝻䞊䝍䞊

図−1が分級性能の大幅の悪化を引き起こすことなどの課題があった。
そこで「旋回流の強化、安定、制御」「付着さᕳ䛝䜿䞊䝅䞁䜾せない構造」に重点を置き、新しい分級機に開発に取り組んだ。
3−2 装置の特徴

ターボクラシファイア概略図

図−2 にエアロファインクラシファイアの概略
ン領域に対応するためには、ローターを高速で回図を示す。本装置はブロアの吸引によって大気中転させる必要がある。しかし、ローターの周速はから（メイン）空気を取り込み、装置外周部に傾すでに１００m／s と高速で運用されており、さらな斜させた複数の羽根の間に空気を通すことで、装る高速化は軸受部品の著しい寿命の低下、振動、置内部に旋回流を発生させている。また、羽根を発熱のリスク増大のため難しい。そこで当社では、挟むように上下に２次空気（圧縮空気）を噴射しサブミクロン領域に対応できる分級機として、サて遠心分級に必要な旋回流の高速化と安定化をイクロンのようなローターレスの旋回気流式の遠図った。なお上部の２次空気には「粒子の分散」心分級機に着目した。旋回流すなわち渦であればを、下部の２次空気には「再分級」の機能も持た比較的容易に高速にすることができ、風速２００〜せている。また、分級場の形状決定では、３次元３００m／s ま で は 大 き く す る こ と が で き る。し たの流体シミュレーションを活用し、空気流れが粉がって旋回流を用いた分級機は、微粉化にとても体の影響を受けにくく、分級に適した整った旋回適した特徴を持っている。しかしながらローター流を形成する構造かつ粉体の付着の少ない構造をレスであるがために、分級機内の旋回流は自由渦採用した。外周部の羽根−羽根間から取り込んだになるので、旋回流の制御や粒子径の精密制御は空気によって形成された旋回流は、中心の出口に34（856）

粉 体 技 術ᚤ⢊ཎᩱ

4．分散、付着対策

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4−1 分散向上技術

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粉体を構成する粒子の多くは、ファンデルワー䝯䜲䞁✵Ẽ

ルス力や静電気力などの粒子間付着力によって、㻞ḟ✵Ẽ

１次粒子が多数集合した凝集体で存在している。
この凝集体を気流の加速やせん断力の外力を用いて１次粒子まで気相分散することは、高精度分級⢒⢊を達成するには必要不可欠な操作である。しかし原料粉体の粒子径が１µm 以下（サブミクロン領

図−2域）になると，粒子単位質量あたりの粒子−粒子

エアロファインクラシファイア概略図

間の付着力が大きくなり，物理的な力のみの分散
進むにつれて旋回速度が大きくなり、出口近傍にが困難となる。その場合，アルコールやグリコーおいて最も大きくなる。この強旋回領域での整流ル，水などの液体を分散助剤として粉体に数％添化技術と粒子制御技術が、高精度なサブミクロン加し，粉体の分散を向上させることができる。

分級を実現しているのである。

図−5 に，金属原料に分散助剤を添加した場合と添加しない原料を、それぞれリングノズル式分散

3−3 分級例２MPa）を通過させて分散し器（圧縮空気圧力０．

図−3 にチタン酸バリウムの粗粉除去結果を示た状態を比較した結果を示すが、助剤添加によっ８µm 以上の大粒子を除す。本装置を用いると０．て分散の程度は大幅に向上していることがわかる。

去することができる。ちなみにこのようなサブミクロン粒子の粗大粒子評価では、粒子径分布の測定結果だけではなく、電子顕微鏡で粉末を撮影し、PPM オーダーで大粒子の有無を確認している。

㻝㻜μ㼙

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図−5 助剤有無による分散状態の比較（リングノズル式分散器０．
２MPa の場合）
㻝μ㼙

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図−34−2 付着低減技術

チタン酸バリウムの分級結果

エアロファインクラシファイアは、装置壁面へ

図−4 に、１００nm 銀粉の原料および分級微粉のの粉体の付着を極力抑えるために、内部形状を工SEM 写真を示す。レーザー回折・散乱法による夫しているものの、それでも短時間で付着・固着

粒子径分布の測定ができなかったため、SEM 写してしまうサブミクロン粉体は多い。付着の要因

真とガス吸着比表面積径での評価であるが、１００として「静電気力」「液架橋力」「ファンデルワーnm 領域での分級も可能になってきた。

ルス力」があるといわれているが、粉体の種類によって付着する要因はさまざまである。
当社では長年の経験によって得られた知見から、それぞれの粉体に応じた付着対策を行っている。

⢒⢊㝖ཤ 㻌

その一例を図−6 に示す。付着対策を行っていな
い場合の分級機内部の付着の様子を示すが、分級㻝㻜㻜㼚㼙㻝㻜㻜㼚㼙䠄㼍䠅ศ⣭ཎᩱ䠄䜺䝇྾╔ẚ⾲㠃✚ᚄ㻌㻝㻜㻜㼚㼙䠅䠄㼎䠅ศ⣭ᚤ⢊䠄䜺䝇྾╔ẚ⾲㠃✚ᚄ㻌㻠㻡㼚㼙䠅㻌

図−4

銀粉の分級結果

Vol．
９，No．
１０（２０１７）

機壁面に粉体がひどく付着してしまい、短時間で運転ができなくなる。一方、付着対策を実施した場合は壁面への付着は激減し、長時間の運転が可能となる。

（857）

35

ぼす影響であり、分級径、分級精度は原料粉体の形状に大きく依存することである。特に針状や鱗片状の粒子の分級精度は、球形に近い粒子に比べると劣ってしまう。大変難しい課題であると思うが、乾式分級のより一層の利用拡大に向けて、さまざまな研究機関と協力させていただきながら、䠄㼍䠅௜╔ᑐ⟇↓㻌図−6䠄㼎䠅௜╔ᑐ⟇᭷㻌さらなる微小化、高精度化に取り組んでいきたい。

付着対策有無による分級機内の付着の比較

引用文献
5．おわりに１）（一社）日本粉体工業技術協会編： 粉体分級技術マ

これまで難しいとされてきた乾式によるサブミク

ニュアル 、広信社、p．
６２、p．
１５０−１６０（１９９０）

ロン分級であるが、３次元の流体シミュレーションを活用した旋回流強化・整流技術の確立、分散向上・付着低減技術によって、高精度での分級が可能になった。今回は紹介できなかった定量供給技

こ ざわ

かず み

小澤 和三
日清エンジニアリング㈱粉体事業部 機器販売センター
センター長

術、製品回収技術、スケールアップ法なども、高精度分級を達成するための非常に重要な技術である。
一方、課題も見えてきた。それは粒子形状が及36（858）〒３５６−００４５ 埼玉県ふじみ野市鶴ヶ岡５−３−７７
TEL：０４９−２６４−３１４８ FAX：０４９−２６４−９３６７
E-mail : kozawa.kazumi@nisshin.com

粉 体 技 術