【発明の詳細な説明】発明の名称：エネルギー効率の良い遠心粉砕機 発明の分野
本発明は、一般的に固体または液体中の固体に対する粉砕機に関し、特に、運
転のエネルギー効率を良くするために回転可能な円盤のどちらかの側に備えられ
た切断要素とハンマー要素を含む粉砕機に関する。発明の背景
ある工程では、液体中の固体を空気を取り込まずに分解する事がしばしば要求
される。これは空気が、生じた固体-液体スラリーの望ましくない酸化及び/また
は泡形成を引き起こすからである。その一例としては、大豆ミルクを製造するた
めに水の中で大豆を粉砕する工程が挙げられる。米国特許第4,915,972号（1990
年４月10日、Gupta）には、この様な粉砕工程が大豆ミルクの製造に関連して記
載されている。
液体中の固体の粉砕は高スピードの回転ハンマーミルにより行われる事が多い
。しかしながら、先行技術のハンマーミルは液体に極度の渦巻きを生成し、その
結果細かく砕かれた領域に空気が吸い込まれる。また、始動時にハンマーミルに
固体が既にあるときは非常に高い始動トルクが要求される。駆動モーターは必要
な高い始動トルクを提供するような大きさを持たねばならない。そのためこの駆
動モーターを運転するのに費用がかかり非効率的となる。さらに、このハンマー
ミルは大きさが非常に異なる固体粒子を生み出し、その結果固体をほどよく破砕
するのにタンデムに並んだ２個以上のミルが要求される事が多い。或いは、スラ
リーが同じハンマーミルに何度も再循環される必要がある。いずれの方法でも、
投資資本が増加し、エネルギー効率が低下する。米国特許第2,738,930号及び2,7
38,931号（1956年５月20日、Schneider）には、予備的に細かく砕くシステムが
複数の分散システムを伴う分散装置が開示されている。米国特許第2,519,198号
（1950年、８月15日、Richeson）には、複数の回転切断要素を持つコーヒー豆ひ
き器または細かく砕く機械が記載されている。米国特許第
3,993,791号（1976年11月23日、Breedら）には、一連の連続デカント遠心装置及
び等しい数の再スラリー部所を備えた連続麦芽汁ろ過装置が開示されている。
本発明はハンマーミルのこれらの欠点を除くものであり、穀物、スパイス、鉱
物及び他の食物性、非食物性製品の乾燥破砕のような一般目的に対する高度に費
用有効性のある破砕方法を提供する。本発明はまた、普通の、いっぱいに詰まっ
た、水に浸った、空気を含まない破砕のような、液体中の固体の破砕に好適であ
る。本発明は、ハンマーとして全体に回転する要素を使用するというより、むし
ろ衝撃を与える面の近所にのみハンマー要素を配置する事により達成される。駆
動モーターの始動及び運転に必要なトルクが非常に低減し、且つエネルギーの使
用効率が改善される。必要なモータートルク及びエネルギー効率は、粉砕領域を
２個以上の区画に分割する事によりさらに改善される。
またこのように分割する事により、砕いた粒子の大きさの分布がよくコントロ
ールされ、充分に粉砕するために多くの粉砕機を使用したり多くの工程が必要で
はなくなる。
本発明の課題
本発明の課題は、エネルギー効率がよく、均一な粒子サイズ分布が得られる遠
心粉砕機を提供する事である。
本発明の他の課題は、高い収量と高い品質の目的製品が得られる粉砕機を提供
する事である。
本発明の他の課題は、エネルギー効率がよく、空気を含めない粉砕機を提供す
る事である。
本発明のさらに別の課題は、周辺部にハンマーと切断要素を備えた回転円盤を
有する空気を含めない粉砕機を提供する事である。発明の要約
簡単に述べると、本発明は、液体中の固体を粉砕して固体-液体スラリーを得
る為のものであり、渦巻きの形成と付随する生成固体-液体スラリーへの空気の
取り込みが最小限に抑えられている、エネルギー効率の良い遠心粉砕機に関する
。こ
の粉砕機はハウジングを含み、仕切り壁がハウジングを第１室と第２室に分けて
いる。
第１室の第１回転円盤は本質的に第１室の大きさに一致し、且つ垂直中心軸の
回りに回転可能である。粉砕機はさらに、第１回転円盤の第１側の周辺部近くで
内側に取り付けられた刃物と、第１回転円盤の第２側の周辺部近くで内側に取り
付けられたハンマーとを備えている。液体中の固体を円盤の第１側に導入するた
めに、引き入れ口が第１室に連結され、固体-液体スラリーを取り出すために、
第２室に取り出し口が連結されている。第１回転円盤を駆動するために、モータ
ーが第１回転円盤に機械的に連結されている。図面の簡単な説明
図１は本発明の１実施形態による粉砕機の断面を示す。
図２から図４は本発明の幾つかの実施形態による多段階粉砕機の断面を示す。本発明の好ましい実施形態の詳細な説明
図１は本発明の１実施形態による粉砕機を模式的に示す。この粉砕機は、引き
入れ口12と取り出し口14を備えているハウジング10を含む。このハウジングは円
筒形状をしていて、仕切り壁20により２個の室16及び18に分割される。円盤プレ
ート22は第１室１６にあり、モーター２６により高速回転に適合できるように心
棒２４に取り付けられている。円盤プレート２２は、その上側に取り付けられた
２個以上の刃物要素２８と、その下側に取り付けられた２個以上のハンマー要素
３０を備えている。刃物及びハンマー要素は、円盤プレート２２の円周近くに取
り付けられている。他の実施例では、円盤プレートには、未粉砕の固体が通り抜
けない程小さい先細穴３２が少数設けられている。この穴によりプレート下方へ
の粉砕物の流れがよくなる。液体の存在下固体を細かく砕くとき、この穴は特に
役に立つ。
固体もしくは液体中の固体が引き入れ口１２を通って粉砕機に導入される。円
盤プレート２２が回転すると、固体が遠心的に仕切り壁の方向に投げ出され、固
体を小さく切り刻む回転刃物２８の軌道に入る。小さな固体片は次に下の領域に
入
り、そこで回転ハンマー３０により砕かれて、仕切り壁の穴の大きさに等しい大
きさの粒子となる。液体中サスペンド状態の細かく砕かれた固体は、取り出し口
１４から取り出される。
この実施形態では、先行技術の粉砕機に比べて必要なトルク量と渦巻き形成に
関して改善されていて、その結果エネルギー効率も改善されている。この改善は
以下の本発明の特徴から得られる。ハンマーとして１以上の垂直棒を使用する代
わりに、本発明は水平円盤に取り付けられた刃物及びハンマー要素を使用する。
粉砕室は２つの区画に分けられる。この改善は以下の様に説明する事ができる。
刃物要素の厚さがｔ１、高さがｈ１であり、ハンマー要素の厚さがｔ２、高さが
ｈ２であり、円盤プレートの直径がＤであるとき、刃物とハンマー要素により掃
かれる全容積Ｖ１は以下の等式で得られる。
Ｖ１＝πＤ（ｔ１*ｈ1＋ｔ2*ｈ2）［π＝3.14159］
先行技術のハンマーミルはハンマーとして頑丈な金属棒を用いる。ｈ1＋ｈ2をそ
の高さ、Ｄをその長さとするとき、ハンマーにより掃かれる容積Ｖ2は以下の等
式で得られる。
Ｖ２＝πＤ*Ｄ(ｈ1＋ｈ2)/4
単純化するため刃物とハンマー要素の厚さを同じとし、例えばｔ１＝ｔ2＝ｔ
、Ｖ1をＶ2で割ると、Ｖ1/Ｖ2＝4ｔ/Ｄとなる。
典型的には、Ｄ＝4のとき、ｔ＝１/8であればＶ1/Ｖ2＝1/8となる。この割合
は、円盤プレートを持たないふたつのハンマーミルの渦巻きの強さの割合とおお
まかに等しい。しかしながら、本発明の円盤プレートの存在は渦巻き形成に使用
される掃引容積を非常に削減している、即ち円盤プレートより上の掃引容積はＶ
1である。ｈ1は典型的にはｈ2の1/3であるので、
Ｖ1'＝πＤ*ｔ*ｈ1;或いはＶ1'/Ｖ2＝ｔ/Ｄとなり、ここで考えられている典
型的な寸法のものに対し、1/32の値となる。従って、本発明の粉砕機は非常に小
さい渦巻きを持ち、結果として極端に吸引力が小さく空気が入り込まない。この
様な小さい渦巻きがそれでも問題となるときは、粉砕機の引き入れ口に渦巻きク
ロスを挿入する事によりさらに小さくする事ができる。
ｓを粉砕機により掃かれる固体-液体の比重とし、ｒを軸から要素の厚さｄｒ
ま
での距離とすると、トルクの割合(本発明のＴ1及び先行技術のハンマーミルのＴ
2)は以下の式により容易に決定する事ができる。
Ｔ1＝Ｋ*質量*距離2＝｛2πＲ(ｈ1＋ｈ2)ｔ*ｓ｝Ｒ2 ［Ｒ＝Ｄ/2］
Ｔ2＝Ｋ*整数(０からＲ)[{2πｒ(ｈ1＋ｈ2)dr*ｓ}r2]
＝2π(ｈ1＋ｈ2)ｓ*Ｒ4/4
Ｔ1/Ｔ２＝8ｔ/Ｄ＝1/4(上述のようにｔ＝1/8"、Ｄ＝4"のとき)。ここでＫは比
例定数である。
これは必要トルク量が顕著に低下している事を示す。上述の解析は図１から定
性的に把握できる。軸方向の回転が行われると、ハンマー及び刃物要素が掃く領
域は、明らかに、点線32により示されるように要素を結ぶことにより形成される
長方形が掃く領域の一部分である。仕切り壁内の空間に固体がいっぱい入ってい
るとき、先行技術の配置の方が本発明の配置に比べて回転するときかなり大きな
トルクがかかる。稼動トルクが低下すると、エネルギー効率が改善する事は容易
に理解できる。
図2-4には、さらに本発明の３個の実施形態が模式的に示されている。
図２の粉砕機は、モーターの駆動軸50に取り付けられ、固定された円筒状の仕
切り52に囲まれた単一のかき混ぜ羽根を持つ。かき混ぜ羽根は、軸と同心の円盤
54及び56により分割された多くの破砕段階を有する。刃物やハンマーのような破
砕要素は、対称的に円盤に取り付けられている。破砕の第１段階で豆の様な固体
がある大きさに押し砕かれまたは切り刻まれるにつれて、円盤と仕切りの間の開
口部を通り抜けて次の段階に進みさらに細かく砕かれ切り刻まれる。粉砕機の最
終段階を囲む仕切り壁には打ち抜き穴があり、この穴を通り細かく砕かれた固体
が粉砕機から出て行く。粉砕機の仕切りのあらゆる個所に打ち抜き穴を設けても
よいが、その様にする事は以下の２つの理由から望ましくない：ａ）粉砕の初期
段階で水が仕切りの外に流出できないならば段階間のスラリーの流れが上昇する
；ｂ）材料に打ち抜き穴を開けるには費用がかかる、即ち打ち抜き穴が少ない程
仕切りが安くできる。ある適用例では、粉砕機中液体とスラリーが局所的に循環
できるように仕切りの上部にも穴がある事が望まれるかもしれない。別の実施形
態では、ある大きさ以上の固体が通り抜けないような小さい穴が円盤に開け
られている。
図３と４は、優れた粉砕性能を持つように段階的に円盤が大きくなっている多
段階粉砕機を示す。
本発明の粉砕機によると、先行技術のものと比べて粉砕物の粒子の大きさの分
布がより均一となり、しかも目的とする細かさに固体を粉砕するのに必要なエネ
ルギーとトルク量が削減される。その粉砕要素は長持ちし、且つ経済的に製作で
きる。また本発明の粉砕機によると高収量で高品質の目的生産物が得られる。穀
物、スパイス、鉱物、及び他の食物、非食物製品の乾燥粉砕にも適用可能であり
、普通の、いっぱいに詰まった、水に浸った、且つ空気を含まない破砕に好適で
ある。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION entitled: Field of the Invention The energy efficient centrifugal pulverizer invention relates generally to a pulverizer to the solid, solid or liquid, in particular, in order to improve the energy efficiency of the operation The invention relates to a mill comprising a cutting element and a hammer element provided on either side of a rotatable disk. BACKGROUND OF THE INVENTION Certain processes often require that solids in a liquid be decomposed without taking in air. This is because air causes unwanted oxidation and / or foam formation of the resulting solid-liquid slurry. One example is the step of grinding soybeans in water to produce soymilk. U.S. Pat. No. 4,915,972 (Gupta, April 10, 1990) describes such a milling process in connection with the production of soy milk. Grinding of solids in liquids is often performed by a high-speed rotary hammer mill. However, prior art hammer mills create extreme swirls in the liquid, so that air is sucked into the comminuted areas. Also, if the hammer mill already has solids at startup, a very high starting torque is required. The drive motor must be sized to provide the required high starting torque. This makes the drive motor expensive and inefficient to operate. Further, the hammer mill produces solid particles of very different sizes, so that more than one mill in tandem is often required to crush the solids reasonably well. Alternatively, the slurry needs to be recycled to the same hammer mill many times. Either method increases investment capital and reduces energy efficiency. U.S. Pat. Nos. 2,738,930 and 2,738,931 (May 20, 1956, Schneider) disclose a dispersing apparatus in which the pre-grinding system involves a plurality of dispersing systems. U.S. Pat. No. 2,519,198 (Richeson, August 15, 1950) describes a coffee bean grinder or grinder with a plurality of rotating cutting elements. U.S. Pat. No. 3,993,791 (November 23, 1976, Breed et al.) Discloses a continuous wort filtration device with a series of continuous decanting centrifuges and an equal number of reslurries. The present invention eliminates these disadvantages of hammer mills and provides a highly cost effective crushing method for general purposes such as dry crushing of grains, spices, minerals and other food and non-food products. I do. The present invention is also suitable for breaking solids in liquids, such as ordinary, full, submerged, airless crushing. The present invention is accomplished by placing the hammer element only in the vicinity of the impacting surface, rather than using a fully rotating element as a hammer. The torque required for starting and running the drive motor is greatly reduced, and the energy use efficiency is improved. The required motor torque and energy efficiency are further improved by dividing the grinding zone into two or more compartments. In addition, by such a division, the size distribution of the crushed particles is well controlled, so that many pulverizers and many steps are not required for sufficient pulverization. It is an object of the present invention to provide a centrifugal mill with good energy efficiency and a uniform particle size distribution. Another object of the present invention is to provide a pulverizer capable of obtaining a target product of high yield and high quality. It is another object of the present invention to provide a pulverizer that is energy efficient and does not contain air. It is yet another object of the present invention to provide an air-free crusher having a rotating disk with a hammer and a cutting element at the periphery. SUMMARY OF THE INVENTION Briefly stated, the present invention is for grinding solids in a liquid to obtain a solid-liquid slurry, with minimal formation of swirls and associated air entrapment in the resulting solid-liquid slurry. Energy efficient centrifugal crusher that is kept to a minimum. The crusher includes a housing, and a partition divides the housing into a first chamber and a second chamber. The first rotating disk of the first chamber essentially corresponds to the size of the first chamber and is rotatable about a vertical central axis. The crusher further comprises a cutting tool internally mounted near a periphery of the first rotating disk on a first side, and a hammer mounted internally near a periphery on a second side of the first rotating disk. . An inlet is connected to the first chamber for introducing solids in the liquid to the first side of the disk, and an outlet is connected to the second chamber for removing the solid-liquid slurry. A motor is mechanically coupled to the first rotating disk to drive the first rotating disk. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 shows a cross section of a crusher according to one embodiment of the present invention. 2 to 4 show cross sections of a multi-stage crusher according to some embodiments of the present invention. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT OF THE INVENTION FIG. 1 schematically shows a crusher according to one embodiment of the present invention. The crusher includes a housing 10 having an inlet 12 and an outlet 14. The housing has a cylindrical shape and is divided by a partition wall 20 into two chambers 16 and 18. The disk plate 22 is in the first chamber 16 and is mounted on the mandrel 24 so that it can be adapted for high speed rotation by a motor 26. The disk plate 22 has two or more blade elements 28 mounted on its upper side and two or more hammer elements 30 mounted on its lower side. The blade and hammer element are mounted near the circumference of the disk plate 22. In another embodiment, the disc plate is provided with a small number of tapered holes 32 that are too small for unmilled solids to pass through. These holes improve the flow of the crushed material below the plate. This hole is particularly useful when breaking up solids in the presence of a liquid. Solids or solids in a liquid are introduced into the mill through the inlet 12. When the disk plate 22 rotates, the solid is thrown centrifugally in the direction of the partition wall, and enters the trajectory of the rotary cutter 28 that cuts the solid into small pieces. The small solid pieces then enter the lower area where they are broken by the rotating hammer 30 into particles of a size equal to the size of the hole in the partition wall. The finely crushed solid suspended in the liquid is taken out from the outlet 14. In this embodiment, the required amount of torque and swirl formation are improved compared to prior art mills, resulting in improved energy efficiency. This improvement results from the following features of the invention. Instead of using one or more vertical bars as a hammer, the present invention uses a knife and hammer element mounted on a horizontal disk. The grinding chamber is divided into two compartments. This improvement can be explained as follows. When the thickness of the blade element is t1, the height is h1, the thickness of the hammer element is t2, the height is h2, and the diameter of the disk plate is D, the total volume V1 swept by the blade and the hammer element. Is obtained by the following equation: V1 = πD (t1 * h1 + t2 * h2) [π = 3.14159] Prior art hammer mills use sturdy metal bars as hammers. When h1 + h2 is its height and D is its length, the volume V2 swept by the hammer is given by the following equation. V2 = πD * D (h1 + h2) / 4 For simplicity, the thickness of the blade and that of the hammer element are set to be the same. For example, when t1 = t2 = t, and V1 is divided by V2, V1 / V2 = 4t / D. Typically, when D = 4, if t = 1/8, V1 / V2 = 1/8. This ratio is roughly equal to the ratio of the vortex strength of the two hammer mills without the disk plate. However, the presence of the disk plate of the present invention greatly reduces the sweep volume used for swirling, i.e., the sweep volume above the disk plate is V1. Since h1 is typically 1/3 of h2, V1 '=. pi.D * t * h1; or V1' / V2 = t / D, and for the typical dimensions considered here, It will be 1/32. Therefore, the pulverizer of the present invention has a very small swirl, and as a result, the suction power is extremely small and air does not enter. If such small swirls are still a problem, they can be further reduced by inserting a swirl cloth into the inlet of the crusher. Assuming that s is the specific gravity of the solid-liquid swept by the crusher and r is the distance from the axis to the element thickness dr, the torque ratio (T1 of the present invention and T2 of the prior art hammer mill) is It can be easily determined by the formula. T1 = K * mass * distance 2 = {2πR (h1 + h2 ) t * s} R 2 [R = D / 2] T2 = K * integral (0 to R) [{2πr (h1 + h2) dr * s} r 2] = 2π (h1 + h2) s * R 4/4 T1 / T2 = 8t / D = 1/4 (t = 1/8 as described above ", D = 4" when). Here, K is a proportionality constant. This indicates that the required torque amount has been significantly reduced. The above analysis can be qualitatively understood from FIG. When the axial rotation is performed, the area swept by the hammer and the knife element is clearly part of the area swept by the rectangle formed by connecting the elements as indicated by the dotted line 32. When the space in the partition is full of solids, the prior art arrangement exerts a significantly higher torque when rotated as compared to the arrangement of the present invention. It can be easily understood that when the operating torque decreases, the energy efficiency improves. FIGS. 2-4 further schematically show three embodiments of the present invention. The crusher of FIG. 2 has a single stirring blade attached to the drive shaft 50 of the motor and surrounded by a fixed cylindrical partition 52. The stirring blade has a number of crushing stages divided by disks 54 and 56 concentric with the shaft. Crushing elements such as blades and hammers are symmetrically mounted on the disk. As the bean-like solid is crushed or chopped to a certain size in the first stage of crushing, it passes through the opening between the disk and the partition and proceeds to the next stage where it is further crushed and chopped. The partition surrounding the final stage of the crusher has a perforated hole through which the finely ground solids exit the crusher. Punches may be provided at any point in the crusher partition, but doing so is undesirable for two reasons: a) If water cannot escape outside the partition during the initial stages of crushing B) punching holes in the material is expensive, i.e. the fewer punching holes, the cheaper the partition. In some applications, it may be desirable to have holes also at the top of the partition to allow local circulation of liquid and slurry in the mill. In another embodiment, a small hole is drilled in the disc to prevent solids of a certain size or larger from passing through. FIGS. 3 and 4 show a multi-stage crusher in which the disk is gradually increased to have excellent crushing performance. According to the pulverizer of the present invention, the particle size distribution of the pulverized material is more uniform than that of the prior art, and the amount of energy and torque required to pulverize the solid to the desired fineness is reduced. Is done. The grinding element is long lasting and can be manufactured economically. According to the pulverizer of the present invention, a high-yield, high-quality target product can be obtained. It is also applicable to dry grinding of cereals, spices, minerals, and other food and non-food products, and is suitable for ordinary, full, submerged, and air-free crushing.