粉砕乾燥方法および粉砕乾燥装置
【課題】 原料を粉砕するとともに乾燥させ、さらには粉砕後の粒子について粒子径をはじめとする各種状態を制御可能にする粉砕乾燥方法および装置を提供する。
【解決手段】 粉砕乾燥装置１０では、パルス燃焼器（パルスエンジン）１と、その排気管１ｂの出口付近に配置される原料投入管２とを設けているほか、投入された原料の粒子回りにおける上記パルス燃焼器１の排気ガスについて粒子レイノルズ数を変更可能に設定するガス調整手段を設けている。ガス調整手段としては、空気の供給管１ｃ、燃料の供給管１ｄ、２次空気の供給管１ｆおよび原料投入管２に、それぞれ供給量の調節機器（流量調整弁など）を設けている。
【解決手段】 粉砕乾燥装置１０では、パルス燃焼器（パルスエンジン）１と、その排気管１ｂの出口付近に配置される原料投入管２とを設けているほか、投入された原料の粒子回りにおける上記パルス燃焼器１の排気ガスについて粒子レイノルズ数を変更可能に設定するガス調整手段を設けている。ガス調整手段としては、空気の供給管１ｃ、燃料の供給管１ｄ、２次空気の供給管１ｆおよび原料投入管２に、それぞれ供給量の調節機器（流量調整弁など）を設けている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
請求項に係る発明は、食品や薬品、化学工業製品等を原料として、それらを粉砕するとともに脱水・乾燥するのに適した粉砕乾燥方法および粉砕乾燥装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
有機物、無機物、金属等の単体または複合体について粉末粒子を得るための一般的な粉砕機として、高速回転衝撃式、媒体式、気流式、ロール式、圧縮せん断式など種々の形式のものがある。
【０００３】
また、溶液やスラリー、またはエマルジョンの状態にある原料を粉砕すると同時に乾燥させる手段として、パルス燃焼器（パルスエンジン）を含む装置がある。図８（ａ）〜（ｃ）に示すように、パルス燃焼器１は、燃焼室１ａと排気管１ｂとを含むもので、つぎのように作動する。まず燃焼室１ａに対して空気（１次空気）および燃料をそれぞれ供給管１ｃ・１ｄより供給し、起動時にはスパークプラグ（スタータープラグ）１ｅにより燃焼室１ａ内の混合気に点火する（図８（ａ）。爆発燃焼行程）。燃焼によって燃焼ガスは圧力上昇して排気管１ｂから高速で噴出し、燃焼終了後も慣性の作用で噴出をつづける（同（ｂ）。膨張・排気行程）。燃焼ガスの噴出によって負圧になった燃焼室１ａ内に再び空気と燃料とが吸入されるとともに、排気管１ｂ内の高温の燃焼ガスも逆流して燃焼室１ａ内に入る（同（ｃ）。吸気・混合行程）。運転の継続によってパルス燃焼器１が温度上昇するとともに燃焼ガスの温度も十分に高くなると、燃焼室１ａ内において混合気は、逆流する燃焼ガスにより自己着火するようになり、パルス燃焼器１は、スパークプラグ１ｅを使用しなくとも、毎秒百数十回から数百回だけ爆発を繰り返すいわゆるパルス燃焼を継続するようになる。
【０００４】
パルス燃焼器の排気管の出口付近（つまり排気管の先端部に近い管内または管外）に原料投入口を設け、上記した溶液等の原料（被乾燥物）を同投入口より供給すれば、パルス衝撃波の作用により当該原料は粉砕されるとともに固液分離して乾燥する。パルス衝撃波とは、パルス燃焼にともなって発せられる１５０ｄＢを超える高音圧の波動であって、燃焼による熱風をともなうものである。原料は、これによって微細な粒子に分散され、同時に、表面の空気境界層が破壊されたり表面付近の水分がはぎ取られたりすることによって瞬時に乾燥させられるのである。このような装置を使えば、きわめて短時間での乾燥が実現し、したがって原料の温度上昇が少ないために焼けこげや劣化・変質が生じにくいうえ熱効率が高い、といったメリットがある。
【０００５】
パルス燃焼器とそれを含む乾燥装置等に関する上記のような特徴は、たとえば下記の特許文献１に記載がある。
【特許文献１】特公平６−３３９３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
高速回転衝撃式など先に説明した種々の形式の粉砕機は、粉砕と同時に原料を乾燥させるという機能を有しないほか、粉砕による粒子径の最小値（粉砕限界）が十分なものとはいい難い。つまり、一般的には１〜２μｍ（一次粒子）のところに粉砕限界があり、それ以上は粉砕をつづけても、粉砕されたもの自体がクッションの役目を果たすなどして微細化が不可能になる。
【０００７】
パルス燃焼器等にて音波の衝撃を加える装置を用いる場合には、原料を粉砕すると同時に乾燥させることができるものの、従来、粉砕の粒子径等については十分なものが得られなかった。粒子径を１μｍ以下にし、または粒子径をコントロールしてニーズに応じた大きさに近づけることができなかったからである。粒子径だけでなく、粉砕された粒子の他の状態（二次粒子の凝集状態やかさ密度、温度など）または乾燥状態等について、需要に合わせた自由な設定をすることは現在のところ不可能なのである。
【０００８】
請求項に係る発明は、原料を粉砕するとともに乾燥させ、さらには粉砕後の粒子について粒子径をはじめとする各種状態を制御可能にする、新しい粉砕乾燥方法および装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に記載の粉砕乾燥方法は、継続して発生する非線形波動を原料（粉砕・乾燥の対象物）に与える（たとえばパルス燃焼ガスを原料に当てる）とともに、原料の粒子の回りで当該波動に基づいて相対的に移動するガスの粒子レイノルズ数を変更可能に設定することを特徴とする。
非線形波動を発生させるためにたとえばパルス燃焼器を使用する場合、前述のように燃焼室内で混合気を自己着火させてパルス燃焼を継続させる目的で、運転開始時に燃料や空気の供給量を調節する（その際、上記ガスの粒子レイノルズ数の変更がともなう）ことがあるが、請求項にいう粒子レイノルズ数の設定は、そのような目的で行うものを意味しない。非線形波動が継続して発生するようになったのちに、その波動を原料に与えることを途切れさせずに上記ガスの粒子レイノルズ数を変更可能に設定するのが、上記請求項の方法である。なお、「粒子レイノルズ数」とは、粒子と周囲の気体の速度差に基づいて気体が及ぼす粘性力と気体の慣性力との比を表す無次元量である。
【００１０】
上記方法においてガスの粒子レイノルズ数を変更することは、原料粒子の回りに存在する非線形波動（パルス衝撃波と呼ばれるもの等）について波形や振幅・速度等を変更することにほかならない。すなわち、正弦波（線形波動。図３（ａ））に近いものとするか、非線形波動（図３（ｂ）および（ｃ）など）のうちどのようなものにするか等は、上記した粒子レイノルズ数に対応して定められる。そしてその波形が非線形のものであって急激な圧力変化を含むほど、その波動による衝撃が原料を分散し乾燥させる作用は強くなる。粉砕された粒子の回りに渦流が発生するととくに効率的な乾燥が実現されるが、そのような渦流が発生するか否かも上記粒子レイノルズ数の大きさによって決まる。
【００１１】
したがって、この請求項の方法では、上記のとおり粒子レイノルズ数を変更可能に設定することにより、原料に与える非線形波動として、原料の種類や要求される粒子の状態に合った適切なものを原料に与えることができる。それにより、前述のように粉砕と乾燥とを同時に行うほか、粉砕後の粒子の状態や乾燥の程度等を意図的に変更し、または最適化することが可能になる。
【００１２】
請求項２に記載した粉砕乾燥方法はとくに、上記の粒子レイノルズ数（つまり原料の粒子回りのガスの粒子レイノルズ数）を変更可能に設定するために、燃料供給量、１次空気量（燃焼用空気の量）、２次空気量（燃焼ガス中または燃焼ガスの回りに吹き付ける空気の量）、原料投入量、または原料投入態様を操作することを特徴とする。
ここにいう原料投入態様には、たとえば原料をノズルより噴射して投入する場合の噴射圧力や、原料とともに噴射する空気等の圧力や量、それらによって決まる噴射時の原料粒子径（一次粒子径）などを含む。
【００１３】
上記の粒子レイノルズ数は燃料供給量、１次空気量、２次空気量、原料投入量または原料投入態様を変更することにより変更することができる。そしてこれらの量を変更することはとくに困難な操作をともなうものではない。そのため、この請求項の方法では、粒子レイノルズ数を意図的に変更することが容易であり、したがって粉砕後の粒子状態や乾燥の程度を的確に設定することが可能になる。
【００１４】
請求項３に記載の粉砕乾燥方法はとくに、上記の粒子レイノルズ数、投入原料の一次粒子径、またはさらに原料の粒子回りのガスの温度を変更可能に設定することにより、原料の乾燥後の粒子径を変更可能に設定することを特徴とする。
【００１５】
原料の粒子回りのガスの粒子レイノルズ数等を変更すると、上記したように粉砕後の原料粒子の状態を変更でき、粒子径についても変更することが可能である。発明者らの調査によれば、粉砕後の粒子の半径ａとガスの粒子レイノルズ数Re、乾燥時間τ、粒子とガスとの温度差ΔＴとの間には、
ａ2＝Ｃ×τ・Re1/2ΔＴ
の関係（Ｃは定数）があることが判明した。これらによると、粒子レイノルズ数や投入原料の一次粒子径、ガスの温度を変更することによって粒子径を変更することができる。
こうして粉砕後の粒子径を意図的に変更できると、用途に応じた最適な微粒子を生産することが可能になり、この発明が、種々の分野における産業の発達に寄与するものと期待される。たとえば、無機コンデンサ材料等として粉体を使用するＩＴ市場や、ＵＶキュア等のための粉体を求める香粧品市場等において、粒子径制御に関する技術は実用化を強く待ち望まれている。
【００１６】
請求項４に記載した粉砕乾燥装置は、パルス燃焼器（すなわちパルスエンジン）と、その排気管の出口付近（出口より上流側または下流側）に配置される原料投入口とに加え、継続して発生する非線形波動を原料に与えるため、投入された原料の粒子回りにおける上記パルス燃焼器の排気ガスについて粒子レイノルズ数を変更可能に設定するガス調整手段を設けたことを特徴とする。
【００１７】
この請求項の粉砕乾燥装置によれば、請求項１に記載の粉砕乾燥方法を実施することができる。パルス燃焼器が非線形波動を継続して発生できるので上記の原料投入口から原料を投入するとその原料に非線形波動を与えることができるうえ、上記のガス調整手段を操作すれば、原料の粒子の回りで上記波動に基づいて移動するガスの粒子レイノルズ数を変更可能に設定することが可能だからである。
したがって、この請求項の装置では、原料の種類や要求される粒子の状態に合った適切な非線形波動を原料に与えることができ、それにより、粉砕と乾燥とを同時に行うほか、粉砕後の粒子の状態や乾燥の程度等を意図的に変更し、または最適化することが可能である。
【００１８】
請求項５に記載の粉砕乾燥装置はさらに、パルス燃焼器に対し、燃焼室以降の部分に非線形波動の検知器（図４のような波形を観察できるものなど）を付設したことを特徴とする。
【００１９】
このように非線形波動の検知器を設けると、適宜に選択して波動を与えることにより、原料粒子回りのガスの粒子レイノルズ数を適宜に変更することができる。つまり、この請求項の装置によると、原料に与える非線形波動として、原料の種類や要求される粒子の状態に合った適切なものを原料に与えることができ、もって粉砕後の粒子の状態や乾燥の程度等を意図的に変更し、または最適化することが可能になる。
【００２０】
請求項６に記載の粉砕乾燥装置は、さらに、上記の原料投入口を、パルス燃焼器の出口に接続された定在波生成空間（たとえば、共鳴室を兼ねる粉砕乾燥室）内に設けたことを特徴とする。
【００２１】
定在波生成空間内に原料投入口を設けているので、この装置では、非線形波動を受けて粉砕された粒子が非線形波動の定在波に比較的長時間さらされる。そのために原料は、波動による分散および乾燥の作用を強く受けて、とくに効率的に粉砕され乾燥させられることになる。粒子の周囲に渦流が発生する場合にも、それによる作用はとくに顕著になる。
【００２２】
請求項７に記載の粉砕乾燥装置は、とくに、上記のガス調整手段として、燃料供給量、１次空気量、２次空気量、原料投入量または原料投入態様（前記）を操作するための機器を設けたことを特徴とする。
【００２３】
この装置によると請求項２に記載した粉砕乾燥方法を実施でき、粒子レイノルズ数を容易にコントロールして、粉砕後の粒子状態や乾燥の程度を適切にすることができる。燃料供給量や１次空気量、２次空気量、原料投入量、原料投入態様を操作するための機器としては、市販の一般的な製品（制御バルブやポンプ等）を使用できるため、コスト面の利点もある。
【００２４】
請求項８に記載の粉砕乾燥装置は、原料の種類とその乾燥後の設定粒子径とに関する入力を受けて上記のガス調整手段を操作する制御機器を、さらに組み込んだことを特徴とする。
【００２５】
この装置では、粉砕後の原料の粒子径を任意に変更でき、しかもそれをきわめて容易に行うことができる。原料の粒子回りのガスの粒子レイノルズ数等を変更すると粉砕後の原料粒子について粒子径を含む粒子状態を変更できること、また、組み込まれた上記の制御機器を使用すると、原料の種類とその乾燥後の設定粒子径とを事前に入力しておくことにより、当該制御機器がガス調整手段を操作して自動的に粒子レイノルズ数等の制御を行うこと、がその理由である。
【発明の効果】
【００２６】
請求項１に記載した粉砕乾燥方法および請求項４・５・６に記載の粉砕乾燥装置によれば、原料の粉砕と乾燥とを同時に行えるほか、原料の種類や要求される粒子の状態に合わせて粉砕後の粒子の状態等を意図的に変更し、適切にすることができる。
【００２７】
請求項２に係る粉砕乾燥方法および請求項７の粉砕乾燥装置では、粒子レイノルズ数を変更することが容易であり、粉砕後の粒子状態や乾燥の程度を的確に設定することができる。
【００２８】
請求項３に係る粉砕乾燥方法なら、粉砕後の粒子径を意図的に変更し、粉粒体を扱う種々の分野においてメリットを享受できる。
請求項８の粉砕乾燥装置では、原料の種類とその乾燥後の設定粒子径とを事前に入力しておくことにより、制御機器およびガス調整手段の作用によって自動的に粒子レイノルズ数が制御され粒子径のコントロールがなされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
発明の一形態に関して図１〜図７を示す。図１は、パルス燃焼器１と原料投入管２とを含む粉砕乾燥装置１０につき主要部を示す概念図、図２は、パルス燃焼器１を含む乾燥塔（粉砕乾燥室）１１と他の関連機器とによって構成した粉砕乾燥装置１０の全体概要図である。図３（ａ）〜（ｃ）は粉砕乾燥室１１内に発生させ得る音波および非線形波動の波形を示す線図であり、図４は、特定の条件で図２の乾燥塔１１内に発生した非線形波動についての計測データである。図５は、図４のような波形の非線形波動が粉砕後の原料の粒子ｘに当たった際に発生する渦流を示す排気ガスの等密度線図である。図６は、図２の装置１０によって得た粒子についての粒子径分布図であり、また図７は、そのような粒子に関する電子顕微鏡写真である。
【００３０】
粉砕乾燥装置１０は、その全体を図２のように構成したものである。乾燥塔１１は、パルス燃焼器１を固定配置したエンジン室１２と、それに接続して設けた粉砕乾燥室１３とから構成している。パルス燃焼器１と粉砕乾燥室１３との接続は図１のとおりであって、パルス燃焼器１の燃焼室１ａにつづく排気管１ｂの出口部分に粉砕乾燥室１３の隔壁を連結している。排気管１ｂの出口につづくすぐ下流側に原料の投入管（投入口）２を設け、スラリー状の原料をこれより粉砕乾燥室１３内に供給することとしている。図２のように粉砕乾燥室１３はその下部を粉体貯留用のホッパーとするとともに、排気通路の下流側にサイクロン１４およびバグフィルター１５を接続したうえ、排気をファン１６にて吸引・排出している。投入口２から供給しパルス燃焼器１の作用で粉砕および乾燥させた粉体粒子は、粉砕乾燥室１３の下部に落下するほか、サイクロン１４およびバグフィルター１５で捕集され、それぞれの下部からロータリーバルブ１７を経由してスクリューコンベヤ１８内に落とされるので、同コンベヤ１８によって搬送し回収する。
【００３１】
パルス燃焼器１には、図８（前述）に示す構成および機能をもたせており、パルス燃焼を起こさせるために空気（１次空気）の供給管１ｃと燃料の供給管１ｄをそれぞれ外部から接続している。燃料としては、都市ガス・プロパン・プロピレン等の気体燃料、または灯油・軽油・重油等の液体燃料を使用できる。また図１のとおり、２次空気の供給管１ｆを排気管１ｂの周囲に接続している。２次空気は、パルス燃焼器１を冷却して、粉砕乾燥室１３を３０〜１２００℃の範囲で温度コントロールをすることと、乾燥によって原料から分離された水分を系外に運び出すこととを目的として供給する。
【００３２】
また図１のパルス燃焼器１では、空気（１次空気）の供給管１ｃ、燃料の供給管１ｄ、２次空気の供給管１ｆおよび原料投入管２について、それぞれ供給量の調節機器（流量調整弁など。図示省略）を設けている。原料投入管２については、原料とともに噴射する空気量等を同様の調節機器で調節して、原料の投入態様すなわち噴射状態を変更できるようにもしている。それぞれの供給量または原料投入態様を手動または制御機器にて調節すると、各調節機器はいわばガス調整手段として機能し、原料投入管２の付近における排気ガスの粒子レイノルズ数や温度、投入原料の一次粒子径を適宜変更することができる。これらの調節機器のいずれかを操作して上記ガスの粒子レイノルズ数を変更すれば、パルス燃焼器１によって粉砕乾燥室１３内に発生する波動を適宜に変更することができる。また、そうした波動の周波数と粉砕乾燥室１３の寸法等との関係によっては、同室１３内に定在波を生成することが可能である。
【００３３】
パルス燃焼器１における燃焼室１ａの脇（排気管１ｂに至る部分）には、波動検知器３としての圧力センサーをさらに取り付けている。この検知器３をオシロスコープ等に接続することにより、たとえば図４に示す圧力線図が表示され、非線形波動の波形等が観察される。
【００３４】
図３（ａ）〜（ｃ）は、上記の調節機器を操作することにより粉砕乾燥室１３（定在波生成空間でもある）内に発生させ得る音波および非線形波動の波形である。図３（ａ）は音波の定常流であるが、同（ｂ）はＮ波と呼ばれる非線形波動の一種であり、同（ｃ）はさらに強い衝撃性をもつ非線形波動を表している。一般に、正弦波から圧力振幅を大きくとり、速度または排気管１ｂの長さを増すと、波形は同（ｂ）・（ｃ）のように非線形のものになる。
【００３５】
図１・図２に示す粉砕乾燥装置１０では、上記の調節機器を適宜に設定することによって、たとえば図４に示すＮ波を粉砕乾燥室１３内に定在させることが可能である。投入する原料にこのＮ波のような非線形波動を当てると、衝撃作用によって１／１００秒程度以下の短い時間内に当該原料を効果的に粉砕し乾燥させることができる。それはつぎのように説明できる。
a) 図１に示したパルス燃焼器１の排気管１ｂの出口付近に原料（スラリー）を投入すると、霧吹きと同様の原理でスラリーが微分散する。
b) 微分散した粒子状の液滴は比較的長時間Ｎ波の定在波の流れ場に取り込められる。
c) 定在波の流れ場に取り込まれた液滴の周囲に渦流が発生し、液滴の回りの水分を蒸気として取り去る。図５（ａ）・（ｂ）は、数値計算モデルにより直径１０μｍの液滴の周囲に発生すると見込まれる渦流の等密度線図である。
d) 粉砕乾燥室１３ではパルス燃焼器１の発生熱により室内温度がたとえば６０℃程度に上昇しており、また前記した２次空気が水分を系外に運び出すため、粒子の脱水乾燥が促進されて粉末化が完成する。
【００３６】
図１・図２に示す粉砕乾燥装置１０を上記のように使用すれば、図６のように、他の方法（静置乾燥、噴霧乾燥）に比べて粒子径（一次粒子の凝集した二次粒子の粒子径）のばらつきが極めて小さい粉末を得ることができる。得られた粉末を顕微鏡観察すると図７のようになり、一次粒子が数十ｎｍ〜数百ｎｍ、二次粒子が数μｍ〜数百μｍであることが分かる。
【００３７】
図６に示す粒子径の分布は、ガス調整手段である前記の各調節機器を操作することにより変更し、分布のピークを他の粒子径域に移すことができる。それは、ガスの粘性摩擦が特定の粒子径に対して効果的に作用するからと考えられる。発明者らの調査によれば、粉砕後の粒子の半径ａと、その粒子回りでのガスの粒子レイノルズ数Re、乾燥時間τ、粒子とガスとの温度差ΔＴとの間には、
ａ2＝Ｃ×τ・Re1/2ΔＴ …（i）
の関係（Ｃは定数）がある。そのため、レイノルズ数やガスの温度等を変更することによって粒子径を変更できるのである。
【００３８】
なお、粉砕後の粒子半径ａなどに関する上記の式（i）は、つぎのようにして導くことができる。
パルス燃焼により、比較的高温（80℃前後）の気体をつくり、乾燥室内に定在波を形成、その中に微粒子を必要時間滞留させ効率的に乾燥させる場合を考える。その場合の支配方程式は、
∂T/∂t + (U・∇)T = χ∇2T
χ = κ/ρcp, ν = μ/ρ
ここで、長さ（粒子半径）をa、時間をτ、代表速度をU0、代表温度をT0で無次元化すると、無次元方程式は
∂T/∂t + Uτ(U・∇)T / a = (τχ/a2)∇2T
水滴中では
Uτ/a 〜 10−3U/a， τκw/a2 〜 1.6×10−10/a2 for τ = 10−3 sec
ただし、T=温度、U=流体の速度、κ=熱伝達係数、ρ=密度、Cp=定圧比熱、μ=粘性係数、τ=特性時間 である。
水滴内の液体の流速Uは極めて小さいと考えられるから、水滴内では
∇2T = 0 となる。
ここでは粒子内部ではU=0、成分は水とする。粒子表面での熱エネルギーの保存は
κG・∂TG/∂r = κw・∂Tw/∂r+qv
ただし添字Gは気体、Wは水を表し、ｑｗは表面からの水の蒸発に伴う蒸発熱とする。
【００３９】
ここで以下の仮定をする。
1) 気体中の水蒸気の分圧は、飽和蒸気圧に比べて十分に小さいとする。
2) 空気の及び水の熱伝達率は80℃では
κG = 2.0×10−2 W/(m・Κ), κW = 0.67 W/(m・Κ)
程度で、κG≪κwの条件を満足しかつ∇2T = 0であるから、水粒子の内部温度は一様とする。さらに粒子内に含まれる固体成分のため、粒子半径ａは時間的に変化せず、一定の大きさを保つものとする。
3) 粒子回りの水蒸気の拡散速度は十分に大きく、粒子表面からの水蒸気の蒸発は気体からの熱伝達により支配されるものとする。即ち気体からの熱伝達が蒸発の律則過程とする。
4) 振動している気体中での水粒子の温度変化による熱エネルギーの変化は無視できる程度に小さく、気体からの粒子表面へ伝達される熱エネルギーは、全て水の蒸発に使用されるものとする。
以上の仮定から、水粒子表面での熱エネルギーのバランスは
κG・∂TG/∂r 〜 qv
となる。
【００４０】
ところで、水の蒸発熱hwは80〜100℃の温度範囲では
hw = 40 kJ/mol = 2.2×106 J/kg
であるから、半径aの水粒子が全て蒸発するために必要な熱量Qaは
Qa = (4/3)πa3ρwhw
で与えられる。
【００４１】
次に、定常振動している気体中の粒子の時間平均挙動は、適当な時間平均流速U0で定常運動する気体中の運動と近似する。気体と粒子の時間平均的相対速度をΔU、粒子表面と気体の平均温度差をΔTとすると
κG・∂T/∂r 〜 κG・ΔT/δT
となる。ここにδTは粒子表面外側の気体の温度境界層である。
空気のプラントル数Prは0.75程度であり、ほぼ1に近い値であるから、温度境界層の厚さδTは速度境界層の厚さδで近似的に評価できる。従って
δT 〜 δ 〜 Re−1/2a = (2ρGaΔU/μG)−1/2a
【００４２】
以上より、気体から単位時間に粒子表面に与えられる熱量dQ/dtは
dQ/dt = 4πa2κG・∂T /∂r
= 4πa2κG・ΔT/δT
= 4πa2κG(1/a)(2ρGaΔU/μG)1/2ΔT
= 4πaκG(2ρGaΔU/μG)1/2・ΔT
従って、半径ａの水粒子が完全に蒸発する時間をτとすると
τ・dQ/dt = Qa = (4/3)π×a3ρwhw
4πaκG(2ρGaΔU/μG)1/2・ΔT×τ = (4/3)π×a3ρwhw
これより乾燥に必要な時間τは
τ = a2ρwhw / (3κGRe1/2ΔT )
= 0.78×1011a2 / (Re1/2ΔT ) …（ii）
これより、粒子と気体の温度差の時間平均
ΔT = TG-TW
を大きくし、粒子半径ａを小さくすると乾燥時間τは小さくなる。ここで
a = 10μm，ΔT = 10K
とおくと、乾燥時間は
τ = 0.78×Re−1/2 sec
となる。前記の式（i）は、上の式（ii）から導かれる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】発明の実施の形態を示すもので、パルス燃焼器１と原料投入口２とを含む粉砕乾燥装置１０の主要部を示す概念図である。
【図２】パルス燃焼器１を含む粉砕乾燥室１１と他の関連機器とによって構成した粉砕乾燥装置１０の全体概要図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）の各図は、粉砕乾燥室１１内に発生させ得る音波および非線形波動の波形を示す線図である。
【図４】粉砕乾燥装置１０において特定の条件で発生した非線形波動につき、実測波形を示すデータである。
【図５】図４のような波形の非線形波動が粉砕後の原料の粒子ｘに当たった際に発生する渦流を示す等密度線図である。
【図６】図２の粉砕乾燥装置１０によって得た粒子について示す粒子径分布図である。
【図７】図６の粒子に関する電子顕微鏡写真である。
【図８】（ａ）〜（ｃ）の各図は、一般的なパルス燃焼器１について動作原理を説明すべく３行程を示す模式図である。
【符号の説明】
【００４４】
１ パルス燃焼器
１ａ 燃焼室
１ｂ 排気管
１ｆ ２次空気の供給管
２ 原料投入管
３ 波動検知器
１０ 粉砕乾燥装置
１３ 粉砕乾燥室（定在波生成空間）
【技術分野】
【０００１】
請求項に係る発明は、食品や薬品、化学工業製品等を原料として、それらを粉砕するとともに脱水・乾燥するのに適した粉砕乾燥方法および粉砕乾燥装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
有機物、無機物、金属等の単体または複合体について粉末粒子を得るための一般的な粉砕機として、高速回転衝撃式、媒体式、気流式、ロール式、圧縮せん断式など種々の形式のものがある。
【０００３】
また、溶液やスラリー、またはエマルジョンの状態にある原料を粉砕すると同時に乾燥させる手段として、パルス燃焼器（パルスエンジン）を含む装置がある。図８（ａ）〜（ｃ）に示すように、パルス燃焼器１は、燃焼室１ａと排気管１ｂとを含むもので、つぎのように作動する。まず燃焼室１ａに対して空気（１次空気）および燃料をそれぞれ供給管１ｃ・１ｄより供給し、起動時にはスパークプラグ（スタータープラグ）１ｅにより燃焼室１ａ内の混合気に点火する（図８（ａ）。爆発燃焼行程）。燃焼によって燃焼ガスは圧力上昇して排気管１ｂから高速で噴出し、燃焼終了後も慣性の作用で噴出をつづける（同（ｂ）。膨張・排気行程）。燃焼ガスの噴出によって負圧になった燃焼室１ａ内に再び空気と燃料とが吸入されるとともに、排気管１ｂ内の高温の燃焼ガスも逆流して燃焼室１ａ内に入る（同（ｃ）。吸気・混合行程）。運転の継続によってパルス燃焼器１が温度上昇するとともに燃焼ガスの温度も十分に高くなると、燃焼室１ａ内において混合気は、逆流する燃焼ガスにより自己着火するようになり、パルス燃焼器１は、スパークプラグ１ｅを使用しなくとも、毎秒百数十回から数百回だけ爆発を繰り返すいわゆるパルス燃焼を継続するようになる。
【０００４】
パルス燃焼器の排気管の出口付近（つまり排気管の先端部に近い管内または管外）に原料投入口を設け、上記した溶液等の原料（被乾燥物）を同投入口より供給すれば、パルス衝撃波の作用により当該原料は粉砕されるとともに固液分離して乾燥する。パルス衝撃波とは、パルス燃焼にともなって発せられる１５０ｄＢを超える高音圧の波動であって、燃焼による熱風をともなうものである。原料は、これによって微細な粒子に分散され、同時に、表面の空気境界層が破壊されたり表面付近の水分がはぎ取られたりすることによって瞬時に乾燥させられるのである。このような装置を使えば、きわめて短時間での乾燥が実現し、したがって原料の温度上昇が少ないために焼けこげや劣化・変質が生じにくいうえ熱効率が高い、といったメリットがある。
【０００５】
パルス燃焼器とそれを含む乾燥装置等に関する上記のような特徴は、たとえば下記の特許文献１に記載がある。
【特許文献１】特公平６−３３９３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
高速回転衝撃式など先に説明した種々の形式の粉砕機は、粉砕と同時に原料を乾燥させるという機能を有しないほか、粉砕による粒子径の最小値（粉砕限界）が十分なものとはいい難い。つまり、一般的には１〜２μｍ（一次粒子）のところに粉砕限界があり、それ以上は粉砕をつづけても、粉砕されたもの自体がクッションの役目を果たすなどして微細化が不可能になる。
【０００７】
パルス燃焼器等にて音波の衝撃を加える装置を用いる場合には、原料を粉砕すると同時に乾燥させることができるものの、従来、粉砕の粒子径等については十分なものが得られなかった。粒子径を１μｍ以下にし、または粒子径をコントロールしてニーズに応じた大きさに近づけることができなかったからである。粒子径だけでなく、粉砕された粒子の他の状態（二次粒子の凝集状態やかさ密度、温度など）または乾燥状態等について、需要に合わせた自由な設定をすることは現在のところ不可能なのである。
【０００８】
請求項に係る発明は、原料を粉砕するとともに乾燥させ、さらには粉砕後の粒子について粒子径をはじめとする各種状態を制御可能にする、新しい粉砕乾燥方法および装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に記載の粉砕乾燥方法は、継続して発生する非線形波動を原料（粉砕・乾燥の対象物）に与える（たとえばパルス燃焼ガスを原料に当てる）とともに、原料の粒子の回りで当該波動に基づいて相対的に移動するガスの粒子レイノルズ数を変更可能に設定することを特徴とする。
非線形波動を発生させるためにたとえばパルス燃焼器を使用する場合、前述のように燃焼室内で混合気を自己着火させてパルス燃焼を継続させる目的で、運転開始時に燃料や空気の供給量を調節する（その際、上記ガスの粒子レイノルズ数の変更がともなう）ことがあるが、請求項にいう粒子レイノルズ数の設定は、そのような目的で行うものを意味しない。非線形波動が継続して発生するようになったのちに、その波動を原料に与えることを途切れさせずに上記ガスの粒子レイノルズ数を変更可能に設定するのが、上記請求項の方法である。なお、「粒子レイノルズ数」とは、粒子と周囲の気体の速度差に基づいて気体が及ぼす粘性力と気体の慣性力との比を表す無次元量である。
【００１０】
上記方法においてガスの粒子レイノルズ数を変更することは、原料粒子の回りに存在する非線形波動（パルス衝撃波と呼ばれるもの等）について波形や振幅・速度等を変更することにほかならない。すなわち、正弦波（線形波動。図３（ａ））に近いものとするか、非線形波動（図３（ｂ）および（ｃ）など）のうちどのようなものにするか等は、上記した粒子レイノルズ数に対応して定められる。そしてその波形が非線形のものであって急激な圧力変化を含むほど、その波動による衝撃が原料を分散し乾燥させる作用は強くなる。粉砕された粒子の回りに渦流が発生するととくに効率的な乾燥が実現されるが、そのような渦流が発生するか否かも上記粒子レイノルズ数の大きさによって決まる。
【００１１】
したがって、この請求項の方法では、上記のとおり粒子レイノルズ数を変更可能に設定することにより、原料に与える非線形波動として、原料の種類や要求される粒子の状態に合った適切なものを原料に与えることができる。それにより、前述のように粉砕と乾燥とを同時に行うほか、粉砕後の粒子の状態や乾燥の程度等を意図的に変更し、または最適化することが可能になる。
【００１２】
請求項２に記載した粉砕乾燥方法はとくに、上記の粒子レイノルズ数（つまり原料の粒子回りのガスの粒子レイノルズ数）を変更可能に設定するために、燃料供給量、１次空気量（燃焼用空気の量）、２次空気量（燃焼ガス中または燃焼ガスの回りに吹き付ける空気の量）、原料投入量、または原料投入態様を操作することを特徴とする。
ここにいう原料投入態様には、たとえば原料をノズルより噴射して投入する場合の噴射圧力や、原料とともに噴射する空気等の圧力や量、それらによって決まる噴射時の原料粒子径（一次粒子径）などを含む。
【００１３】
上記の粒子レイノルズ数は燃料供給量、１次空気量、２次空気量、原料投入量または原料投入態様を変更することにより変更することができる。そしてこれらの量を変更することはとくに困難な操作をともなうものではない。そのため、この請求項の方法では、粒子レイノルズ数を意図的に変更することが容易であり、したがって粉砕後の粒子状態や乾燥の程度を的確に設定することが可能になる。
【００１４】
請求項３に記載の粉砕乾燥方法はとくに、上記の粒子レイノルズ数、投入原料の一次粒子径、またはさらに原料の粒子回りのガスの温度を変更可能に設定することにより、原料の乾燥後の粒子径を変更可能に設定することを特徴とする。
【００１５】
原料の粒子回りのガスの粒子レイノルズ数等を変更すると、上記したように粉砕後の原料粒子の状態を変更でき、粒子径についても変更することが可能である。発明者らの調査によれば、粉砕後の粒子の半径ａとガスの粒子レイノルズ数Re、乾燥時間τ、粒子とガスとの温度差ΔＴとの間には、
ａ2＝Ｃ×τ・Re1/2ΔＴ
の関係（Ｃは定数）があることが判明した。これらによると、粒子レイノルズ数や投入原料の一次粒子径、ガスの温度を変更することによって粒子径を変更することができる。
こうして粉砕後の粒子径を意図的に変更できると、用途に応じた最適な微粒子を生産することが可能になり、この発明が、種々の分野における産業の発達に寄与するものと期待される。たとえば、無機コンデンサ材料等として粉体を使用するＩＴ市場や、ＵＶキュア等のための粉体を求める香粧品市場等において、粒子径制御に関する技術は実用化を強く待ち望まれている。
【００１６】
請求項４に記載した粉砕乾燥装置は、パルス燃焼器（すなわちパルスエンジン）と、その排気管の出口付近（出口より上流側または下流側）に配置される原料投入口とに加え、継続して発生する非線形波動を原料に与えるため、投入された原料の粒子回りにおける上記パルス燃焼器の排気ガスについて粒子レイノルズ数を変更可能に設定するガス調整手段を設けたことを特徴とする。
【００１７】
この請求項の粉砕乾燥装置によれば、請求項１に記載の粉砕乾燥方法を実施することができる。パルス燃焼器が非線形波動を継続して発生できるので上記の原料投入口から原料を投入するとその原料に非線形波動を与えることができるうえ、上記のガス調整手段を操作すれば、原料の粒子の回りで上記波動に基づいて移動するガスの粒子レイノルズ数を変更可能に設定することが可能だからである。
したがって、この請求項の装置では、原料の種類や要求される粒子の状態に合った適切な非線形波動を原料に与えることができ、それにより、粉砕と乾燥とを同時に行うほか、粉砕後の粒子の状態や乾燥の程度等を意図的に変更し、または最適化することが可能である。
【００１８】
請求項５に記載の粉砕乾燥装置はさらに、パルス燃焼器に対し、燃焼室以降の部分に非線形波動の検知器（図４のような波形を観察できるものなど）を付設したことを特徴とする。
【００１９】
このように非線形波動の検知器を設けると、適宜に選択して波動を与えることにより、原料粒子回りのガスの粒子レイノルズ数を適宜に変更することができる。つまり、この請求項の装置によると、原料に与える非線形波動として、原料の種類や要求される粒子の状態に合った適切なものを原料に与えることができ、もって粉砕後の粒子の状態や乾燥の程度等を意図的に変更し、または最適化することが可能になる。
【００２０】
請求項６に記載の粉砕乾燥装置は、さらに、上記の原料投入口を、パルス燃焼器の出口に接続された定在波生成空間（たとえば、共鳴室を兼ねる粉砕乾燥室）内に設けたことを特徴とする。
【００２１】
定在波生成空間内に原料投入口を設けているので、この装置では、非線形波動を受けて粉砕された粒子が非線形波動の定在波に比較的長時間さらされる。そのために原料は、波動による分散および乾燥の作用を強く受けて、とくに効率的に粉砕され乾燥させられることになる。粒子の周囲に渦流が発生する場合にも、それによる作用はとくに顕著になる。
【００２２】
請求項７に記載の粉砕乾燥装置は、とくに、上記のガス調整手段として、燃料供給量、１次空気量、２次空気量、原料投入量または原料投入態様（前記）を操作するための機器を設けたことを特徴とする。
【００２３】
この装置によると請求項２に記載した粉砕乾燥方法を実施でき、粒子レイノルズ数を容易にコントロールして、粉砕後の粒子状態や乾燥の程度を適切にすることができる。燃料供給量や１次空気量、２次空気量、原料投入量、原料投入態様を操作するための機器としては、市販の一般的な製品（制御バルブやポンプ等）を使用できるため、コスト面の利点もある。
【００２４】
請求項８に記載の粉砕乾燥装置は、原料の種類とその乾燥後の設定粒子径とに関する入力を受けて上記のガス調整手段を操作する制御機器を、さらに組み込んだことを特徴とする。
【００２５】
この装置では、粉砕後の原料の粒子径を任意に変更でき、しかもそれをきわめて容易に行うことができる。原料の粒子回りのガスの粒子レイノルズ数等を変更すると粉砕後の原料粒子について粒子径を含む粒子状態を変更できること、また、組み込まれた上記の制御機器を使用すると、原料の種類とその乾燥後の設定粒子径とを事前に入力しておくことにより、当該制御機器がガス調整手段を操作して自動的に粒子レイノルズ数等の制御を行うこと、がその理由である。
【発明の効果】
【００２６】
請求項１に記載した粉砕乾燥方法および請求項４・５・６に記載の粉砕乾燥装置によれば、原料の粉砕と乾燥とを同時に行えるほか、原料の種類や要求される粒子の状態に合わせて粉砕後の粒子の状態等を意図的に変更し、適切にすることができる。
【００２７】
請求項２に係る粉砕乾燥方法および請求項７の粉砕乾燥装置では、粒子レイノルズ数を変更することが容易であり、粉砕後の粒子状態や乾燥の程度を的確に設定することができる。
【００２８】
請求項３に係る粉砕乾燥方法なら、粉砕後の粒子径を意図的に変更し、粉粒体を扱う種々の分野においてメリットを享受できる。
請求項８の粉砕乾燥装置では、原料の種類とその乾燥後の設定粒子径とを事前に入力しておくことにより、制御機器およびガス調整手段の作用によって自動的に粒子レイノルズ数が制御され粒子径のコントロールがなされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
発明の一形態に関して図１〜図７を示す。図１は、パルス燃焼器１と原料投入管２とを含む粉砕乾燥装置１０につき主要部を示す概念図、図２は、パルス燃焼器１を含む乾燥塔（粉砕乾燥室）１１と他の関連機器とによって構成した粉砕乾燥装置１０の全体概要図である。図３（ａ）〜（ｃ）は粉砕乾燥室１１内に発生させ得る音波および非線形波動の波形を示す線図であり、図４は、特定の条件で図２の乾燥塔１１内に発生した非線形波動についての計測データである。図５は、図４のような波形の非線形波動が粉砕後の原料の粒子ｘに当たった際に発生する渦流を示す排気ガスの等密度線図である。図６は、図２の装置１０によって得た粒子についての粒子径分布図であり、また図７は、そのような粒子に関する電子顕微鏡写真である。
【００３０】
粉砕乾燥装置１０は、その全体を図２のように構成したものである。乾燥塔１１は、パルス燃焼器１を固定配置したエンジン室１２と、それに接続して設けた粉砕乾燥室１３とから構成している。パルス燃焼器１と粉砕乾燥室１３との接続は図１のとおりであって、パルス燃焼器１の燃焼室１ａにつづく排気管１ｂの出口部分に粉砕乾燥室１３の隔壁を連結している。排気管１ｂの出口につづくすぐ下流側に原料の投入管（投入口）２を設け、スラリー状の原料をこれより粉砕乾燥室１３内に供給することとしている。図２のように粉砕乾燥室１３はその下部を粉体貯留用のホッパーとするとともに、排気通路の下流側にサイクロン１４およびバグフィルター１５を接続したうえ、排気をファン１６にて吸引・排出している。投入口２から供給しパルス燃焼器１の作用で粉砕および乾燥させた粉体粒子は、粉砕乾燥室１３の下部に落下するほか、サイクロン１４およびバグフィルター１５で捕集され、それぞれの下部からロータリーバルブ１７を経由してスクリューコンベヤ１８内に落とされるので、同コンベヤ１８によって搬送し回収する。
【００３１】
パルス燃焼器１には、図８（前述）に示す構成および機能をもたせており、パルス燃焼を起こさせるために空気（１次空気）の供給管１ｃと燃料の供給管１ｄをそれぞれ外部から接続している。燃料としては、都市ガス・プロパン・プロピレン等の気体燃料、または灯油・軽油・重油等の液体燃料を使用できる。また図１のとおり、２次空気の供給管１ｆを排気管１ｂの周囲に接続している。２次空気は、パルス燃焼器１を冷却して、粉砕乾燥室１３を３０〜１２００℃の範囲で温度コントロールをすることと、乾燥によって原料から分離された水分を系外に運び出すこととを目的として供給する。
【００３２】
また図１のパルス燃焼器１では、空気（１次空気）の供給管１ｃ、燃料の供給管１ｄ、２次空気の供給管１ｆおよび原料投入管２について、それぞれ供給量の調節機器（流量調整弁など。図示省略）を設けている。原料投入管２については、原料とともに噴射する空気量等を同様の調節機器で調節して、原料の投入態様すなわち噴射状態を変更できるようにもしている。それぞれの供給量または原料投入態様を手動または制御機器にて調節すると、各調節機器はいわばガス調整手段として機能し、原料投入管２の付近における排気ガスの粒子レイノルズ数や温度、投入原料の一次粒子径を適宜変更することができる。これらの調節機器のいずれかを操作して上記ガスの粒子レイノルズ数を変更すれば、パルス燃焼器１によって粉砕乾燥室１３内に発生する波動を適宜に変更することができる。また、そうした波動の周波数と粉砕乾燥室１３の寸法等との関係によっては、同室１３内に定在波を生成することが可能である。
【００３３】
パルス燃焼器１における燃焼室１ａの脇（排気管１ｂに至る部分）には、波動検知器３としての圧力センサーをさらに取り付けている。この検知器３をオシロスコープ等に接続することにより、たとえば図４に示す圧力線図が表示され、非線形波動の波形等が観察される。
【００３４】
図３（ａ）〜（ｃ）は、上記の調節機器を操作することにより粉砕乾燥室１３（定在波生成空間でもある）内に発生させ得る音波および非線形波動の波形である。図３（ａ）は音波の定常流であるが、同（ｂ）はＮ波と呼ばれる非線形波動の一種であり、同（ｃ）はさらに強い衝撃性をもつ非線形波動を表している。一般に、正弦波から圧力振幅を大きくとり、速度または排気管１ｂの長さを増すと、波形は同（ｂ）・（ｃ）のように非線形のものになる。
【００３５】
図１・図２に示す粉砕乾燥装置１０では、上記の調節機器を適宜に設定することによって、たとえば図４に示すＮ波を粉砕乾燥室１３内に定在させることが可能である。投入する原料にこのＮ波のような非線形波動を当てると、衝撃作用によって１／１００秒程度以下の短い時間内に当該原料を効果的に粉砕し乾燥させることができる。それはつぎのように説明できる。
a) 図１に示したパルス燃焼器１の排気管１ｂの出口付近に原料（スラリー）を投入すると、霧吹きと同様の原理でスラリーが微分散する。
b) 微分散した粒子状の液滴は比較的長時間Ｎ波の定在波の流れ場に取り込められる。
c) 定在波の流れ場に取り込まれた液滴の周囲に渦流が発生し、液滴の回りの水分を蒸気として取り去る。図５（ａ）・（ｂ）は、数値計算モデルにより直径１０μｍの液滴の周囲に発生すると見込まれる渦流の等密度線図である。
d) 粉砕乾燥室１３ではパルス燃焼器１の発生熱により室内温度がたとえば６０℃程度に上昇しており、また前記した２次空気が水分を系外に運び出すため、粒子の脱水乾燥が促進されて粉末化が完成する。
【００３６】
図１・図２に示す粉砕乾燥装置１０を上記のように使用すれば、図６のように、他の方法（静置乾燥、噴霧乾燥）に比べて粒子径（一次粒子の凝集した二次粒子の粒子径）のばらつきが極めて小さい粉末を得ることができる。得られた粉末を顕微鏡観察すると図７のようになり、一次粒子が数十ｎｍ〜数百ｎｍ、二次粒子が数μｍ〜数百μｍであることが分かる。
【００３７】
図６に示す粒子径の分布は、ガス調整手段である前記の各調節機器を操作することにより変更し、分布のピークを他の粒子径域に移すことができる。それは、ガスの粘性摩擦が特定の粒子径に対して効果的に作用するからと考えられる。発明者らの調査によれば、粉砕後の粒子の半径ａと、その粒子回りでのガスの粒子レイノルズ数Re、乾燥時間τ、粒子とガスとの温度差ΔＴとの間には、
ａ2＝Ｃ×τ・Re1/2ΔＴ …（i）
の関係（Ｃは定数）がある。そのため、レイノルズ数やガスの温度等を変更することによって粒子径を変更できるのである。
【００３８】
なお、粉砕後の粒子半径ａなどに関する上記の式（i）は、つぎのようにして導くことができる。
パルス燃焼により、比較的高温（80℃前後）の気体をつくり、乾燥室内に定在波を形成、その中に微粒子を必要時間滞留させ効率的に乾燥させる場合を考える。その場合の支配方程式は、
∂T/∂t + (U・∇)T = χ∇2T
χ = κ/ρcp, ν = μ/ρ
ここで、長さ（粒子半径）をa、時間をτ、代表速度をU0、代表温度をT0で無次元化すると、無次元方程式は
∂T/∂t + Uτ(U・∇)T / a = (τχ/a2)∇2T
水滴中では
Uτ/a 〜 10−3U/a， τκw/a2 〜 1.6×10−10/a2 for τ = 10−3 sec
ただし、T=温度、U=流体の速度、κ=熱伝達係数、ρ=密度、Cp=定圧比熱、μ=粘性係数、τ=特性時間 である。
水滴内の液体の流速Uは極めて小さいと考えられるから、水滴内では
∇2T = 0 となる。
ここでは粒子内部ではU=0、成分は水とする。粒子表面での熱エネルギーの保存は
κG・∂TG/∂r = κw・∂Tw/∂r+qv
ただし添字Gは気体、Wは水を表し、ｑｗは表面からの水の蒸発に伴う蒸発熱とする。
【００３９】
ここで以下の仮定をする。
1) 気体中の水蒸気の分圧は、飽和蒸気圧に比べて十分に小さいとする。
2) 空気の及び水の熱伝達率は80℃では
κG = 2.0×10−2 W/(m・Κ), κW = 0.67 W/(m・Κ)
程度で、κG≪κwの条件を満足しかつ∇2T = 0であるから、水粒子の内部温度は一様とする。さらに粒子内に含まれる固体成分のため、粒子半径ａは時間的に変化せず、一定の大きさを保つものとする。
3) 粒子回りの水蒸気の拡散速度は十分に大きく、粒子表面からの水蒸気の蒸発は気体からの熱伝達により支配されるものとする。即ち気体からの熱伝達が蒸発の律則過程とする。
4) 振動している気体中での水粒子の温度変化による熱エネルギーの変化は無視できる程度に小さく、気体からの粒子表面へ伝達される熱エネルギーは、全て水の蒸発に使用されるものとする。
以上の仮定から、水粒子表面での熱エネルギーのバランスは
κG・∂TG/∂r 〜 qv
となる。
【００４０】
ところで、水の蒸発熱hwは80〜100℃の温度範囲では
hw = 40 kJ/mol = 2.2×106 J/kg
であるから、半径aの水粒子が全て蒸発するために必要な熱量Qaは
Qa = (4/3)πa3ρwhw
で与えられる。
【００４１】
次に、定常振動している気体中の粒子の時間平均挙動は、適当な時間平均流速U0で定常運動する気体中の運動と近似する。気体と粒子の時間平均的相対速度をΔU、粒子表面と気体の平均温度差をΔTとすると
κG・∂T/∂r 〜 κG・ΔT/δT
となる。ここにδTは粒子表面外側の気体の温度境界層である。
空気のプラントル数Prは0.75程度であり、ほぼ1に近い値であるから、温度境界層の厚さδTは速度境界層の厚さδで近似的に評価できる。従って
δT 〜 δ 〜 Re−1/2a = (2ρGaΔU/μG)−1/2a
【００４２】
以上より、気体から単位時間に粒子表面に与えられる熱量dQ/dtは
dQ/dt = 4πa2κG・∂T /∂r
= 4πa2κG・ΔT/δT
= 4πa2κG(1/a)(2ρGaΔU/μG)1/2ΔT
= 4πaκG(2ρGaΔU/μG)1/2・ΔT
従って、半径ａの水粒子が完全に蒸発する時間をτとすると
τ・dQ/dt = Qa = (4/3)π×a3ρwhw
4πaκG(2ρGaΔU/μG)1/2・ΔT×τ = (4/3)π×a3ρwhw
これより乾燥に必要な時間τは
τ = a2ρwhw / (3κGRe1/2ΔT )
= 0.78×1011a2 / (Re1/2ΔT ) …（ii）
これより、粒子と気体の温度差の時間平均
ΔT = TG-TW
を大きくし、粒子半径ａを小さくすると乾燥時間τは小さくなる。ここで
a = 10μm，ΔT = 10K
とおくと、乾燥時間は
τ = 0.78×Re−1/2 sec
となる。前記の式（i）は、上の式（ii）から導かれる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】発明の実施の形態を示すもので、パルス燃焼器１と原料投入口２とを含む粉砕乾燥装置１０の主要部を示す概念図である。
【図２】パルス燃焼器１を含む粉砕乾燥室１１と他の関連機器とによって構成した粉砕乾燥装置１０の全体概要図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）の各図は、粉砕乾燥室１１内に発生させ得る音波および非線形波動の波形を示す線図である。
【図４】粉砕乾燥装置１０において特定の条件で発生した非線形波動につき、実測波形を示すデータである。
【図５】図４のような波形の非線形波動が粉砕後の原料の粒子ｘに当たった際に発生する渦流を示す等密度線図である。
【図６】図２の粉砕乾燥装置１０によって得た粒子について示す粒子径分布図である。
【図７】図６の粒子に関する電子顕微鏡写真である。
【図８】（ａ）〜（ｃ）の各図は、一般的なパルス燃焼器１について動作原理を説明すべく３行程を示す模式図である。
【符号の説明】
【００４４】
１ パルス燃焼器
１ａ 燃焼室
１ｂ 排気管
１ｆ ２次空気の供給管
２ 原料投入管
３ 波動検知器
１０ 粉砕乾燥装置
１３ 粉砕乾燥室（定在波生成空間）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
継続して発生する非線形波動を原料に与えるとともに、原料の粒子回りで当該波動に基づいて相対的に移動するガスの粒子レイノルズ数を変更可能に設定することを特徴とする粉砕乾燥方法。
【請求項２】
上記の粒子レイノルズ数を変更可能に設定するために、燃料供給量、１次空気量、２次空気量、原料投入量または原料投入態様を操作することを特徴とする請求項１に記載の粉砕乾燥方法。
【請求項３】
上記の粒子レイノルズ数、投入原料の一次粒子径、またはさらに原料の粒子回りのガスの温度を変更可能に設定することにより、原料の乾燥後の最終粒子径を変更可能に設定することを特徴とする請求項１または２に記載の粉砕乾燥方法。
【請求項４】
パルス燃焼器と、その排気管の出口付近に配置される原料投入口とを有し、さらに、継続して発生する非線形波動を原料に与えるため、投入された原料の粒子回りにおける上記パルス燃焼器の排気ガスの粒子レイノルズ数を変更可能に設定するガス調整手段を有することを特徴とする粉砕乾燥装置。
【請求項５】
パルス燃焼器が、燃焼室以降の部分に非線形波動の検知器を備えていることを特徴とする請求項４に記載の粉砕乾燥装置。
【請求項６】
原料投入口が、パルス燃焼器の出口に接続された定在波生成空間内に設けられていることを特徴とする請求項４または５に記載の粉砕乾燥装置。
【請求項７】
上記のガス調整手段が、燃料供給量、１次空気量、２次空気量、原料投入量または原料投入態様を操作するためのものであることを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の粉砕乾燥装置。
【請求項８】
原料の種類とその乾燥後の設定粒子径とに関する入力を受けて上記のガス調整手段を操作する制御機器が、さらに組み込まれていることを特徴とする請求項４〜７のいずれかに記載の粉砕乾燥装置。
【請求項１】
継続して発生する非線形波動を原料に与えるとともに、原料の粒子回りで当該波動に基づいて相対的に移動するガスの粒子レイノルズ数を変更可能に設定することを特徴とする粉砕乾燥方法。
【請求項２】
上記の粒子レイノルズ数を変更可能に設定するために、燃料供給量、１次空気量、２次空気量、原料投入量または原料投入態様を操作することを特徴とする請求項１に記載の粉砕乾燥方法。
【請求項３】
上記の粒子レイノルズ数、投入原料の一次粒子径、またはさらに原料の粒子回りのガスの温度を変更可能に設定することにより、原料の乾燥後の最終粒子径を変更可能に設定することを特徴とする請求項１または２に記載の粉砕乾燥方法。
【請求項４】
パルス燃焼器と、その排気管の出口付近に配置される原料投入口とを有し、さらに、継続して発生する非線形波動を原料に与えるため、投入された原料の粒子回りにおける上記パルス燃焼器の排気ガスの粒子レイノルズ数を変更可能に設定するガス調整手段を有することを特徴とする粉砕乾燥装置。
【請求項５】
パルス燃焼器が、燃焼室以降の部分に非線形波動の検知器を備えていることを特徴とする請求項４に記載の粉砕乾燥装置。
【請求項６】
原料投入口が、パルス燃焼器の出口に接続された定在波生成空間内に設けられていることを特徴とする請求項４または５に記載の粉砕乾燥装置。
【請求項７】
上記のガス調整手段が、燃料供給量、１次空気量、２次空気量、原料投入量または原料投入態様を操作するためのものであることを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の粉砕乾燥装置。
【請求項８】
原料の種類とその乾燥後の設定粒子径とに関する入力を受けて上記のガス調整手段を操作する制御機器が、さらに組み込まれていることを特徴とする請求項４〜７のいずれかに記載の粉砕乾燥装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００６−９０５７１（Ｐ２００６−９０５７１Ａ）
【公開日】平成１８年４月６日（２００６．４．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２７３２６２（Ｐ２００４−２７３２６２）
【出願日】平成１６年９月２１日（２００４．９．２１）
【出願人】（５０４１３２２７２）国立大学法人京都大学 (1,269)
【出願人】（３０２０１０８８４）パルテック株式会社 (5)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年４月６日（２００６．４．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年９月２１日（２００４．９．２１）
【出願人】（５０４１３２２７２）国立大学法人京都大学 (1,269)
【出願人】（３０２０１０８８４）パルテック株式会社 (5)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]