JP2019189363A

JP2019189363A - 粉体供給方法

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Publication number: JP2019189363A
Application number: JP2018079803A
Authority: JP
Inventors: 広平松延; Kohei Matsunobe; 丈典池田; Takenori Ikeda
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-04-18
Filing date: 2018-04-18
Publication date: 2019-10-31
Anticipated expiration: 2038-04-18
Also published as: JP7070015B2

Abstract

【課題】ホッパから粉体を供給する供給方法であって、粉体に接触する部材を設けることなくブリッジの発生を抑制する技術を提供すること。【解決手段】ホッパ部１０に粉体を投入し、ホッパ部１０の内部に粉体がある状態で、ホッパ部１０を、開口１２の内部を通る回転軸１１を中心として回転させる。そして、ホッパ部１０の回転方向を反転させて、正回転と逆回転とを交互に繰り返す。これにより、ホッパ部１０の下部の開口１２から粉体を供給する。【選択図】図１

Description

本発明は、ホッパに投入された粉体をホッパから供給する方法に関する。

従来から、ホッパに粉体を投入し、ホッパの下部に設けられた開口から粉体を供給する粉体供給方法がある。このような粉体供給方法では、例えば、粉体の種類によっては、ホッパ内で粉体同士が付着してブリッジとなり、粉体が開口に落ちなくなる場合がある。ブリッジが発生すると、粉体の供給量のばらつきが大きくなることから、従来より、ブリッジを抑制する技術が提案されている。例えば、特許文献１には、ホッパ内に回転する攪拌部材を設け、攪拌部材によって粉体を攪拌してブリッジを抑制する粉体の供給技術が開示されている。

特開２０１３−１３９３３３号公報

しかしながら、ホッパ内に攪拌部材を設けると、粉体と攪拌部材とが接触することによる問題点があった。例えば、攪拌部材とホッパの内壁面との間で、粉体の圧密化が発生する可能性がある。圧密化が発生すると、ホッパから供給される粉体の重量がばらつき、計量精度が悪化する。また、粉体に直接接触する攪拌部材を設けた場合、攪拌部材に由来する異物が、粉体に混入する可能性がある。

本発明は、前記した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは、ホッパから粉体を供給する供給方法であって、粉体に接触する部材を設けることなくブリッジの発生を抑制する技術を提供することにある。

この課題の解決を目的としてなされた本発明の一態様における粉体供給方法は、ホッパから粉体を供給する粉体供給方法であって、前記ホッパに前記粉体を投入し、前記ホッパの下部の開口から前記粉体を供給し、前記ホッパの内部に前記粉体がある状態で、前記開口の内部を通る回転軸を中心として前記ホッパを回転させ、前記ホッパの正回転と逆回転とを交互に繰り返す、ものである。

上述の一態様における粉体供給方法によれば、ホッパの正回転と逆回転とを交互に繰り返すので、回転方向の反転時には、ホッパの内部の粉体に慣性力が働く。慣性力によって、粉体がホッパから離れて動くことで、ブリッジの発生が抑制される。ホッパの回転は、ホッパの外部から行うことができるため、ホッパの内部に粉体に接触する部材を設ける必要はない。

本発明によれば、ホッパから粉体を供給する供給方法であって、粉体に接触する部材を設けることなくブリッジの発生を抑制する技術が実現される。

本形態の粉体供給装置を示す概略構成図である。粉体供給装置の接続部を示す概略斜視図である。粉体供給装置の接続部を示す概略断面図である。粉体の移動方向の例を示す説明図である。粉体に圧密化が発生した場合の例を示す説明図である。粉体にブリッジが発生した場合の例を示す説明図である。回転方向の反転タイミングの例を示す説明図である。実施例と比較例との実験結果を示す説明図である。

以下、本形態の粉体供給方法について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。本形態は、ホッパから粉体を供給する供給方法である。

本形態で用いる粉体供給装置１は、その概略構成を図１に示すように、ホッパ部１０と、スクリュー部２０と、接続部３０と、ホッパ駆動部４０と、スクリュー駆動部５０と、制御部６０と、を備える。なお、本形態の粉体供給装置１では、ホッパ部１０の上方には、例えば、図示しない蓋部材や投入装置などが接続され、ホッパ部１０内へ継続的に粉体が投入される。

ホッパ部１０は、図１に示すように、鉛直方向に配置された漏斗状の容器であり、上方ほど開口面積が大きい中空円錐台形状である。ホッパ部１０は、接続部３０を介して、スクリュー部２０に連通している。そして、ホッパ部１０は、スクリュー部２０に対して、回転軸１１を中心として回転可能な構成を有している。回転軸１１は、ホッパ部１０の中心軸である。ホッパ部１０は、ホッパ駆動部４０によって正逆いずれの方向へも回転駆動される。つまり、ホッパ駆動部４０は、ホッパ部１０を正方向へも逆方向へも回転させることができる。

スクリュー部２０は、図１に示すように、水平方向に配置された円筒状の排出筒２１と、排出筒２１内に配置されたスクリュー２２と、排出筒２１とホッパ部１０とを連通する連結管２３と、を備える。スクリュー２２は、スクリュー駆動部５０によって一方向に回転駆動されることで、スクリュー羽根の間の粉体を一端側に押し出す。排出筒２１の一端側には開口２１１が設けられており、スクリュー２２によって押し出された粉体が、開口２１１から排出される。排出筒２１内が粉体で適切に満たされていれば、スクリュー羽根の大きさやピッチとスクリューの回転速度とによって、スクリュー部２０からの粉体の排出量を制御できる。

接続部３０は、図１に示すように、ホッパ部１０の下部とスクリュー部２０の連結管２３とを互いに回転可能に接続する。ホッパ駆動部４０は、スクリュー部２０の排出筒２１や連結管２３を固定した状態で、ホッパ部１０のみを回転させる。スクリュー駆動部５０は、スクリュー部２０のスクリュー２２を所定の回転速度で回転させる。そして、制御部６０は、ホッパ駆動部４０とスクリュー駆動部５０とを制御する。

接続部３０は、図２と図３とに示すように、ホッパ部１０の下部の開口１２とスクリュー部２０の連結管２３とを接続する。図３は、図２の径方向の断面図である。図３に示すように、接続部３０は、円環状のベアリング３１と、固定ねじ３２と、保持部３３と、を備える。ベアリング３１は、ボール３１１と、内輪３１２と、外輪３１３とを備え、ボール３１１によって内輪３１２と外輪３１３とを互いに回転可能に保持する。ベアリング３１の内輪３１２は、固定ねじ３２によって、ホッパ部１０に固定されている。ベアリング３１の外輪３１３は、保持部３３を介して、スクリュー部２０の連結管２３に固定されている。

本形態では、図１に示した回転軸１１は開口１２の中心を通る。ホッパ部１０の開口１２は、連結管２３と同径であり、連結管２３の開口を形成する端面に対して摺動する。従って、開口１２と連結管２３とは、隙間や段差が無く接続し、ホッパ部１０を回転させても常時連通している。なお、ホッパ駆動部４０は、図２と図３とに示す範囲よりも上方の位置で、ホッパ部１０を回転駆動する。

本形態の粉体供給装置１による供給対象の粉体は、例えば、リチウムイオン二次電池の電極製造に用いられる導電材であり、かさ密度０．１ｇ／ｃｍ³以下の超軽量の粉体である。リチウムイオン二次電池の電極の製造時には、導電材として、例えば、アセチレンブラック粉末等の導電性の高い炭素材料の粉末を、電極活物質に加えることがある。安定した性能の電極を連続して製造するためには、安定した供給量で、導電材を供給し続けることが望ましい。

なお、本明細書では、「かさ密度」は、ゆるめかさ密度を意味する。ゆるめかさ密度は、自由落下させた粉体を容器に静かに充填してすり切ることで所定の体積とし、得られた粉体の重量を計測することで求められる。アセチレンブラック粉末等のかさ密度が小さい粉体では、粉体同士が付着し易く、ブリッジが発生しやすい。

本形態の粉体供給装置１は、例えば、図４に矢印で示すように、粉体Ｐを供給する。粉体Ｐは、上方からホッパ部１０内に投入され、重力によってホッパ部１０内を下方へ移動し、さらに接続部３０を介してスクリュー部２０に落下する。スクリュー部２０は、スクリュー２２の回転により、スクリュー羽根の間の所定の空間に含まれる粉体Ｐを開口２１１から供給する。粉体Ｐの圧密化やブリッジの発生がなく、スクリュー部２０内が適切に粉体Ｐで満ちていれば、単位時間当たりの粉体Ｐの供給量は、スクリュー２２の回転速度に応じた所定の重量となる。

一方、例えば、図５に示すように、ホッパ部１０内で粉体Ｐの圧密化が生じると、粉体Ｐが部分的に塊状の粉体Ｑとなる場合がある。粉体Ｑは、圧密化によって粉体Ｐよりも圧縮された状態であり、粉体Ｐよりもかさ密度が大きくなっている。スクリュー部２０内の粉体に塊状の粉体Ｑが混じっていると、単位時間当たりに供給される粉体Ｐの重量は、圧密化の無い場合より大きくなる可能性がある。

また、ブリッジが発生すると、例えば、図６に示すように、スクリュー部２０内に粉体Ｐの少ない空洞箇所ができる場合がある。空洞箇所では、スクリュー２２を回転させても粉体Ｐが供給されない。そのため、ブリッジが発生した状態で単位時間当たりに供給される粉体Ｐの重量は，ブリッジの無い場合よりも小さくなる可能性がある。

本形態の粉体供給装置１は、ホッパ駆動部４０によってホッパ部１０を回転させ、その回転方向を定期的に反転させることで、正回転と逆回転とを交互に繰り返す。具体的には、本形態の制御部６０は、例えば、図７に示すように、回転開始後、所定の回転速度で定回転期間ｔの正回転の後、回転方向を反転させ、反転期間ｒの後、定回転期間ｔの逆回転を行う。反転期間ｒは、回転方向の反転に要する期間であり、ホッパ部１０やホッパ駆動部４０の構成、定回転期間ｔにおける回転速度等に応じて決定される。本形態では、正回転と逆回転とで、回転速度や定回転期間ｔは等しく、各反転期間ｒは等しい。

そして、粉体供給装置１の制御部６０は、定回転期間ｔが送出期間Ｔより短い時間となるように、ホッパ駆動部４０を制御する。送出期間Ｔは、スクリュー部２０の連結管２３の管幅分の粉体がスクリュー２２によって送り出されるまでの期間である。連結管２３の管幅とは、連結管２３と排出筒２１の連通箇所におけるスクリュー２２の送出方向の最大開口幅であり、本形態では連結管２３の開口径であるとともにホッパ部１０の開口１２の開口径である。

送出期間Ｔは、以下のように求められる。管幅分の粉体の体積は、スクリュー２２の１回転で送られる粉体の体積をＶ（ｍ³）とし、管幅をｗ（ｍ）、スクリュー２２の１ピッチ分の長さをＬ（ｍ）とすると、（Ｖ×ｗ／Ｌ）（ｍ³）である。また、１秒間に送出される粉体の体積は、スクリュー２２の回転速度をｎ（ｒｐｍ）とすると、（Ｖ×ｎ／６０）（ｍ³）である。従って、送出期間Ｔ（ｓ）は、以下の式１で表される。
Ｔ＝（Ｖ×ｗ／Ｌ）／（Ｖ×ｎ／６０）
Ｔ＝（６０×ｗ）／（ｎ×Ｌ） … 式１
そして、制御部６０は、ｔ＜Ｔとなるように、定回転期間ｔ（ｓ）を決定する。

回転方向の反転により、ホッパ部１０内の粉体に慣性力が働き、ブリッジの発生が抑制される。定回転期間ｔ中にブリッジが発生していたとしても、反転期間ｒにはブリッジが破壊され、管幅分の粉体が、スクリュー部２０に落下する。ｔ＜Ｔとすることで、前回の反転によってスクリュー部２０に供給された粉体が管幅を通過するより前に、次回の反転が行われ、管幅分の粉体が再びスクリュー部２０に供給される。つまり、ホッパ部１０内でブリッジが発生したとしても、ブリッジによる空洞部分が管幅内にある間に次回の反転による粉体が供給されるので、空洞は粉体で満たされる。従って、スクリュー部２０からの供給量の変動は抑制される。

続いて、本形態の粉体供給装置１及び２種類の比較例の装置にて、かさ密度が約０．０５ｇ／ｃｍ³の粉体を供給させ、スクリュー部２０からの排出量を計量した実験の結果について説明する。この実験では、本形態の粉体供給装置１による実施例１と、ホッパ内にスクレーパを備える比較例１と、ホッパの外部にノッカを備える比較例２と、のそれぞれにて、同種のスクリュー部２０を用いて同種の粉体を排出させた。

実施例１では、定回転期間ｔを送出期間Ｔより小さい期間として、図７に示したように、回転方向を定期的に反転させた。つまり、実施例１の定回転期間ｔは、ｔ＜Ｔを満たす。比較例１では、ホッパの内側で、内壁面に沿って回転し粉体を攪拌するスクレーパを設け、スクレーパを定速で一方向に回転させた。比較例２では、ホッパの外壁面を叩いてホッパに振動を与えるノッカを設け、実施例１の定回転期間ｔと同じ間隔を空けて、定期的にノッカを駆動した。

本実験では、スクリュー２２の回転速度を変えて、それぞれ複数回の供給実験を行い、３０秒間に排出された粉体の重量（３０秒排出量）を計測した。実験の結果を図８に示す。図８では、スクリュー２２の回転速度（ｒｐｍ）を横軸に、３０秒排出量（ｇ）を縦軸とし、実施例１による結果を「△」、比較例１による結果を「×」、比較例２による結果を「◇」でそれぞれ示している。また、３０秒排出量の理論値をスクリュー部２０等の構成から算出し、図８中に、理論値±１％の直線を示している。理論値±１％は、電極の製造時に許容される導電材の供給量の範囲である。

図８に示すように、回転速度を上昇させても、理論値±１％の範囲内の排出量となったのは、実施例１のみであった。本形態の粉体供給装置１によれば、スクリュー２２の回転速度を速くしても、適切な供給量が確保されることが確認できた。

比較例１では、図８に示すように、回転速度の上昇につれて理論値よりも排出量が大きくなり、排出量のばらつきも大きかった。比較例１では、スクレーパとホッパ内壁との間で、粉体が圧密化されたと推定される。さらに、比較例１の排出物からは、スクレーパに由来すると推測される異物が見つかった。スクレーパは、粉体と接触することから、ブリッジを機械的に破壊できるものの、スクレーパの削れなどが発生する可能性がある。つまり、スクレーパによる攪拌では、圧密化による計量精度の悪化、および粉体への異物の混入の可能性がある。

比較例２では、図８に示すように、回転速度の上昇につれて理論値よりも排出量が小さく、特に、回転速度４００ｒｐｍ以上では理論値からの乖離が大きかった。これは、粉体のブリッジによるものと推定される。超軽量の粉体では、ホッパの振動が粉体に伝わりにくく、ノッカによる外部からの打撃ではブリッジの発生を抑制できない可能性が高い。

以上詳細に説明したように、本形態の粉体供給方法によれば、ホッパ部１０を回転させ、正回転と逆回転とを交互に繰り返すので、回転方向の反転によってホッパ部１０内の粉体に慣性力が働き、ブリッジの発生を抑制できる。さらに、ホッパ部１０内には、攪拌部材等の粉体と接触する部材は設けられていないので、異物が混入する可能性は小さい。

なお、本形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能である。例えば、本発明の供給方法にて供給する粉体は導電材に限らない。かさ密度が０．１ｇ／ｃｍ³以下の粉体を供給する場合に特に有用である。

また、本形態では、一定の周期で反転を繰り返すとしたが、次回の反転までの期間が、いずれも送出期間Ｔより短ければよく、一定間隔でなくても良い。また、定回転期間ｔや回転速度は、正回転と逆回転とで異なっていても良いし、回転方向に関わらず、一定でなくても良い。その場合でも、直前の反転期間ｒから送出期間Ｔより短いタイミングで次回の反転を行うとよい。また、ホッパ部１０を常時回転させ続ける必要はなく、停止期間があっても良い。

また、ホッパ部１０の回転を開始するタイミングは、ホッパ部１０に粉体を投入してからでも良いし、粉体の投入を開始する前でもよい。少なくともホッパ部１０に粉体があり、かつ、スクリュー部２０を動作させて粉体を供給する期間には、ホッパ部１０の正回転と逆回転とを繰り返すことが望ましい。

また、ホッパ部１０の形状は、円錐に限らず、楕円錐でも良いし、角錐でも良い。また、ホッパ部１０は、漏斗状に限らず、例えば、円筒状であっても良い。また、スクリュー２２は、１軸式でも２軸式でも良い。

また、本形態では、直立位置に配置されたホッパ部１０を図示したが、例えば、回転軸に対して傾いて配置されたホッパでも良い。また、ホッパの回転軸は、ホッパ部１０の中心軸からずれていても良い。ただし、回転軸は、開口１２の内部を通る位置であることが望ましい。

１粉体供給装置
１０ホッパ部
１１回転軸
１２開口
Ｐ粉体

Claims

ホッパから粉体を供給する粉体供給方法であって、
前記ホッパに前記粉体を投入し、
前記ホッパの下部の開口から前記粉体を供給し、
前記ホッパの内部に前記粉体がある状態で、前記開口の内部を通る回転軸を中心として前記ホッパを回転させ、
前記ホッパの正回転と逆回転とを交互に繰り返す、
ことを特徴とする粉体供給方法。