特集：粉砕技術における新たな進展

最新のビーズミルについて
日本コークス工業株式会社 石川 貴之
Takayuki ISHIKAWA

Key Words: ビーズミル、特殊冷却システム、高周速運転、樹脂製タンク

1．はじめに2．MSC ミル

近年、製品の小型化や高機能化に伴いその原料

MSC ミル（写真 1）は粉砕メディア（ビーズ）である粉体の微粒化技術が重要な要素であることを充塡した粉砕タンクにスラリー（処理物）を何は周知の通りである。特に電池・電子部品の分野

度も通して粉砕していく大流量循環式の湿式粉砕は高出力・大容量や更なるサイズダウンが求めら機である。MSC ミルの大きな特徴の一つに、粉砕れ、その原料粒子サイズもナノオーダーへとシフ

タンクの L／D が小さいことが挙げられる。L／Dトしつつある。例えば、リチウムイオン電池負極とは粉砕タンクの径（D）に対する粉砕タンクの材に従来の黒鉛電極よりも約10倍の理論容量を持長さ（L）の比であり、一般のビーズミルは L／D

つ金属 Si の利用が研究されているが、金属 Si は＝3程度が多い。L／D が大（長いストローをイメー

リチウムを吸収することで膨張し粒子にクラックジ）と L／D が小（短いストローをイメージ）を比が起きることでサイクル寿命が低下するという課

べると、L／D が小さい方が通過抵抗は小さい（短題がある。その対策として粒子径を100〜200 nm

いストローの方が弱い力でたくさん吸える）。MSC程度まで小さくする必要があるものの、化学反応

ミルは L／D＝約1／3と極端に小さく設計することを利用したビルドアップ法では少量しか生産できでスラリーの通過抵抗を減らし大流量で循環してないうえ非常に高価であり、原料を大量に使用すも粉砕タンク内の粉砕メディアの偏りを抑えるこる電池材として工業化まで至っていない。そこでとができ、マイクロビーズを均一に攪拌し微粒化

大きな粒子を粉砕し小さくしていくブレークダウを効率よく行える構造となっている。

ン法でナノ粒子化ができれば、リチウムイオン電池の更なる大容量化に寄与できる可能性がある。
ブレークダウン法でのナノ粒子化の課題は、粉砕効率の悪さである。ビーズミルによる微粒化は非常に時間がかかり、生産量を確保するために粉砕機のサイズアップや台数を複数確保するなど設備コストがかかる。この課題に対し筆者らは当社独自の粉砕室構造を有するビーズミル「MSC ミル」を用いた「粉砕ローター周速25 m／s 以上の周速運転」と「樹脂製粉砕タンクの採用」、「ダブル循環冷却システムの併用」から粉砕効率向上および設備コストダウンを提案したい。
写真 1

MSC ミルの外観

MSC ミルは従来のギャップセパレーター方式では 分 離 が 困 難 で あ っ た マ イ ク ロ ビ ー ズ（直 径52（708）（52）

粉 体 技 術0．1 mm 以下）も使用できるように、遠心分離方式を採用し、スラリーと粉砕メディアの分離を行っ3．MSC ミルでの高周速運転ている。さらに、前述した L／D 小の設計により粉ビーズミルは粉砕メディアを攪拌するローター砕メディアの偏りを防ぐと共に、粉砕ローターにの周速を上げ投入エネルギーを増やすことにより粉砕メディアの循環経路を設けることで遠心分離短時間で処理ができることは既知の通りだが、高ローター付近へのビーズの密集を防ぎ、効率良く周速での運転はスラリー温度が上昇し、通常の循粉砕メディアを分級することから、最小で直径環フローでは冷却に限界がある。MSC ミルは、そ15 µm の粉砕メディアの使用実績がある。の構造の特徴と後述する特殊冷却システムにより、MSC ミルの粉砕タンク構造を図 1に示す。スラリーは循環ポンプにより粉砕タンクの上部より機周速25 m／s 以上でもスラリー温度の昇温を抑制しつつ、高効率な粉砕が可能となった。

内に押し込まれ、粉砕ローターにより攪拌された粉砕メディア径0．1 mm 使用時における粉砕粉砕メディアの層を通過する際に粉砕される。ス

ローターの周速が重質炭酸カルシウムの微粒化にラリーは粉砕タンクの中心に向かって流れるが、粉及ぼす影響を図 3に示す。

砕ローターの内側に位置する分離ローターによる㻔㻓⢇Ꮔᙼ㻓㻑㻕㻃㼐㼐฽㐡᫤㛣

かれスラリーのみが分離ローターの内側に到達できる。スラリーは分離ローターの内側からは中空のシャフト内を通り粉砕タンクの外に流れ、ホールディングタンクで受け再びポンプで粉砕タンクに送り込むことで循環させている（図 2）。
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遠心力により粉砕メディアはローター外周へと弾㻘㻘㻃㼐㼌㼑㻕㻗㻓㻃㼐㼌㼑㻔㻔㻙㻃㼐㻒㼖㻕㻓㻃㼐㻒㼖㻕㻘㻃㼐㻒㼖㻓㻑㻕㻓㻑㻔䜽䝭䝮䞀ථཾ㻔㻔㻓㻔㻓㻓㻔㻓㻓㻓ฌ⌦᫤㛣㻃䟺㼐㼌㼑䟻
図 3⢂◃䝱䞀䝃䞀

粒子径の経時変化

ローター周速を上げるにつれ微粒化までの時間が短くなることがわかり、平均粒子径0．2 µm に到⢂◃䝃䝷䜳達するまでの時間を比較すると、ローター周速25 m／s と16 m／s とでは4．3倍以上の差がある。一㐪ᚨฦ㞫䝱䞀䝃䞀

図 1

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般的なビーズミルの周速は速くても16 m／s 前後で෫༴Ề䜼䝧䜵䝇䝌あり、仮に4台のビーズミルが必要な設備の場合、MSC ミルの高周速運転により1台で処理が可能とMSC ミルの粉砕タンク構造なる。
また、動力原単位とローター周速の関係を図 4⇕஺᥮ჾに示す。動力原単位は単位処理量当たりの消費エ
ネルギーを指し、動力原単位がより小さい方が少ないエネルギーで微粒化できることを指す。ここ䝩䞊䝹䝕䜱䞁䜾䝍䞁䜽

図 2ᚠ⎔䝫䞁䝥㻹㻿㻯䝭䝹ᖹᆒ⢏Ꮚᚄ㻌䠄㽀㼙䠅㻝㻜㻝㻢㻌㼙㻛㼟㻞㻜㻌㼙㻛㼟㻞㻡㻌㼙㻛㼟㻝

MSC ミルの標準フロー図
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図 4Vol．13，No．9（2021）

（709）
（53）

動力原単位の推移53ฎ⌮䝷䜲䞁෭༷䝷䜲䞁䝩䞊䝹䝕䜱䞁䜾䝍䞁䜽⇕஺᥮ჾᚠ⎔䝫䞁䝥ᚠ⎔䝫䞁䝥

図 5㻹㻿㻯䝭䝹

ダブル循環冷却システムのフロー図

で、周速が速い方がより小さい動力原単位で微粒保するためには循環ポンプの流量を増やす必要が化できていることから、高周速運転は省エネルギーあるが、2項で説明したとおり MSC ミルは遠心分化にも寄与するといえる。

離機構を採用する他社製のビーズミルと比べ比較的循環流量を多くできるものの、ビーズ流出防止の観点から原理的に限界がある。そこで、スラリー

4．樹脂製粉砕タンクの採用の冷却ラインとビーズミルの循環ラインとを分割

粉砕タンクは内部で砕料および粉砕メディアがすることで、それぞれの循環流量を調節できる高速攪拌されることから、部材の摩耗を抑えるたダブル循環冷却システム（※特許取得：特許第め耐摩耗性に優れるセラミック製部品で構成され6689657号）を採用することで解決を図った。

ることが多い。当社機器もセラミック製部品を多数採用しているが、セラミック製部品は非常に高ダブル循環冷却システムの運転フローを図 5に示す。

価で、かつ、落下による衝撃で割れやすいなどのここで処理ラインはミルにスラリーを流し微粒リスクがあるほか、少なからず摩耗することから化する循環ラインであり、冷却ラインはスラリー定期的な交換が必要となる。そこで、代替となるを熱交換器に通し冷却を行う循環ラインである。

部材の調査、検証を重ね、より安価な樹脂製タン

このダブル循環冷却システムの採用により、熱交クに変更することで設備コストの大幅な削減が可換器を大きくしても熱交換器内を通過するスラ能となった（※特許申請中）。耐摩耗性はセラミッリーの流速が低下せず、粗粒の沈降や内部で澱みクスに劣るものの、マイクロビーズ使用時は摩耗を回避することができるため、熱交換器内の有効の進行が遅いことも確認しており、既に多数の運な伝熱面積を確保することができる。

用実績がある。

また、熱交換器内の流速は一定ではなく材料特性や熱交換器の形状に大きく変化する。そこで、シミュレーションを活用し、熱交換器内の流速変5．スラリーの外部循環方式による冷却化を数値化することで必要流速を推測、スケール前述の高周速運転は高いエネルギーを投入するアップ時のプロセス設計にフィードバックしている。

ことから必然的に発熱量も大きくなる。また、樹脂製タンクは伝熱係数が小さく粉砕タンク外周に冷却水を流しても熱をほぼ除去できないことから、6．おわりに発生した熱の除去方法の検討が必要となった。通

最新のビーズミルについて、当社 MSC ミルを常、スラリー冷却は図 2の通り MSC ミルの出口ベースに新たな運用方法を紹介した。高周速運転側に接続した熱交換器の伝熱面積を大きくするこや樹脂製タンクの採用は処理能力の向上や設備のとで対応する。しかし、熱交換器が大きくなるとコストダウンに寄与することができ、また、ダブ

熱交換器内を通過するスラリーの流速が低下してル循環冷却システムの構築によりその併用ができしまうため、粗粒の沈降や内部で澱みが発生し、そるようになった。今後の湿式粉砕における微粒化の結果、熱交換器内の有効な伝熱面積が減少する方法のアプローチの一つとして検討いただければなどのリスクが発生する。熱交換器内の流速を確幸いである。

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粉 体 技 術参考文献

石川 貴之

1） 関根靖由： ビーズミルを用いた高効率な粉砕・分散処理 、粉体工学会誌、46、p.422 426（2011）2） 郡司進： 最新のビーズミルとインライン測定 、工業塗装、212、p.35 39（2008）

日本コークス工業㈱化工機事業部 栃木工場 粉体技術センター
プロセス開発グループ 主任技師
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TEL：0282−28−1161 FAX：0282−28−1150
E-mail ：takayuki-ishikawa@n-coke.com

3） 郡司進： マイクロビーズミル MSC ミルの特徴と応用 、プラスチックエージ、53、p.64 68（2007）

Vol．13，No．9（2021）

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