JP5782986B2 - 破砕装置及び破砕物製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、被破砕物を所望の大きさの塊に破砕するための破砕装置及びその破砕装置を用いた破砕物製造方法に関する。

被破砕物の種類に応じて、様々な破砕装置が提案されている。例えば、単結晶シリコンの製造に用いられる多結晶シリコンの破砕には、特許文献１から特許文献３に示される破砕装置が用いられている。

特許文献１には、棒状の多結晶シリコンをロールクラッシャーで破砕して塊状のシリコンを得る方法が開示されている。このロールクラッシャーは、一つのロールをハウジング内に収容したシングルロールクラッシャーであり、そのロール表面には複数の歯が形成され、これら歯とハウジングの内壁面との隙間に多結晶シリコンを挟むことによって連続的に衝撃を与えて棒状の多結晶シリコンを破砕する。

一方、特許文献２及び特許文献３には、粗く破砕された塊状の多結晶シリコンを破砕する破砕装置が提案されている。これらの装置は、二つのロールを備え、各ロールの隙間に塊状の多結晶シリコンを挟んで破砕するダブルロールクラッシャーである。

特開２００６−１２２９０２号公報 特表２００９−５３１１７２号公報 特開２００６−１９２４２３号公報

ところで、この種のロールクラッシャーにおいては、特許文献１ではロールとハウジングの内壁面との間、特許文献２及び特許文献３では両ロールの間の間隙が、得られる破砕物の最大目的寸法として設定され、被破砕物を効率的に所望の大きさに破砕することができる。
しかし、被破砕物である多結晶シリコンは硬いため、破砕歯に欠けや摩耗が生じたり、破砕歯に折れが生じたりする場合がある。この場合には、得られる破砕物の最大目的寸法を管理できなくなり、多結晶シリコン（被破砕物）を所望の大きさに破砕する際の破砕効率が低くなる。また、破砕歯の摩耗により生じた不純物が、破砕した多結晶シリコン塊（破砕物）へ混入することで、コンタミネーション汚染の原因となる等、破砕物の品質に影響を与えることとなる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、破砕歯の損耗を防止し、高品質の破砕物を得ることができるとともに、被破砕物を破砕して得られる破砕物を所望の大きさに管理できる破砕装置及びその破砕装置を用いた破砕物製造方法を提供することを目的とする。

本発明の破砕装置は、平行な軸線周りに互いに逆回転する一対のロール間に被破砕物を挟み込んで破砕する破砕装置であって、前記ロールの外周面上に、半径方向外方に突出する複数の破砕歯とこれら破砕歯を前記ロールの外周面上に固定する固定カバーとを有する破砕歯ユニットが、前記ロールの周方向に並んで複数設けられており、前記破砕歯は、その基端部が先端部よりも拡径して形成され、前記固定カバーは、前記ロールの長手方向に沿う長尺状に形成され、その厚さ方向に貫通する破砕歯固定孔が前記長手方向に並んで複数形成されるとともに、該破砕歯固定孔の両側方の側縁を外方に張り出させてなる拡幅部が形成され、前記破砕歯固定孔の間に配置される部分の側縁には前記拡幅部に対して幅を狭くする凹部が形成されており、各破砕歯ユニットは、前記破砕歯の先端部を前記破砕歯固定孔から前記ロールの半径方向外方に突出させ、前記基端部の周囲を前記ロールとの間に挟持した状態で前記ロールに固定されるとともに、隣接する破砕歯ユニットの破砕歯が、前記ロールの周方向に連続して並ばないように、隣接する一方の固定カバーに形成された前記凹部に、他方の固定カバーの前記拡幅部を係合させて、各破砕歯を千鳥状に配列した状態にして取り付けていることを特徴とする。

この破砕装置では、ロールを回転しながら破砕歯によって被破砕物を連続的に打撃して、効率良く破砕することができる。この場合、各破砕歯の基端部は、先端部よりも基端部の方が拡径して形成されており、固定カバーとの接触部の強度が高められている。
また、この径の太い基端部の周囲を支持する破砕歯固定孔の両側方の側縁を外方に張り出させて拡幅部を設けるとともに、隣接する一方の固定カバーの拡幅部の間に設けられる凹部に、他方の固定カバーの拡幅部を係合させて、各破砕歯を千鳥状に配列した状態にして取り付けることにより、隣接する固定カバーどうしの接触面が固定カバーの長さ方向に対して凹凸状に屈曲して形成されるので、その接触面積が増えて互いに支え合う構成となる。これにより、破砕歯に負荷がかけられた際に、変形することが防止される。
また、拡幅部は、ロールの周方向に幅広に設けられているので、破砕歯が倒れにくくなっており、破砕歯に振れ等が生じることがなく、均一な破砕物の塊を安定して製造することができる。
また、各破砕歯を千鳥状に配列した状態にして取り付けることにより、破砕歯の基端部を拡径して設けた場合においても、ロールの周方向のピッチを広げることなく、各破砕歯を配置することができ、被破砕物を破砕して得られる破砕物を、所望の大きさに管理できる。

本発明の破砕装置において、各破砕歯ユニットの固定カバーは両端部が前記ロールにねじによって固定されており、前記ロールの外周面には前記固定カバーの両端部の裏面を面接触させる平面部が形成されているとよい。
固定カバーのねじ止め部分におけるロールが円柱外面であると、固定カバーを固定しているねじに曲げ応力が作用するが、平面部により面接触した状態とすることにより、固定カバーが安定し、破損等を防止することができる。

本発明の破砕物製造方法は、前記破砕装置のいずれかを用いて破砕物を製造することを特徴とする。

本発明によれば、破砕歯の基端部を拡径して設けた場合においても、ロールの周方向のピッチを広げることなく、各破砕歯を配置することができ、ロールの回転によって破砕物を効率良く破砕することができるので、破砕歯の損耗を防止し、高品質の破砕物を得ることができるとともに、被破砕物を破砕して得られる破砕物を所望の大きさに管理することができる。

本発明に係る破砕装置の一実施形態を示す斜視図である。 図１の破砕装置におけるロール表面の斜視図である。 破砕装置に取り付けられている破砕歯ユニットの背面から見た斜視図である。 複数個並んだ状態の破砕歯ユニットの斜視図である。 破砕歯の斜視図である。 破砕歯ユニットの固定カバーの正面図である。 ロール対向部における位置関係を説明する正面図である。 破砕歯ユニットの固定カバーについて変形例を示す正面図である。 破砕歯の他の実施形態を示す斜視図である。

以下、本発明の破砕装置及び破砕物製造方法を、多結晶シリコンを破砕する多結晶シリコン破砕装置及び多結晶シリコン破砕物の製造方法に適用した実施形態について、図面を参照しながら説明する。
本実施形態の多結晶シリコンの破砕装置１は、図１に示すように、ハウジング２内に二つのロール３がその回転軸線４を水平方向に向けて平行に配置されており、両ロール３の外周面に複数の破砕歯５が半径方向外方に向けて突設されている。この場合、各ロール３の外周面は、図２に示すように、均一な円弧面ではなく、軸方向に沿う長尺な平坦面６（平面部）を周方向に連結して構成された多面体状に形成されており、各平坦面６の両端部にねじ穴７が設けられ、これら平坦面に破砕歯ユニット８が一つずつ固定されている。

破砕歯ユニット８は、図３及び図４に示すように、ロール３の平坦面６に当接する長尺状の固定カバー１１と、この固定カバー１１に取り付けられる複数個の破砕歯５とから構成されている。
破砕歯５は、超硬合金又はシリコン材により、図５に示すように、柱状部１３とその基端部で拡径する若干の厚さのつば部１４とが一体に形成された形状とされている。柱状部１３は、その側面１６の基端部分が円柱面状に形成され、先端部分が球面状の先端面に連続する円錐面状に形成されている。また、つば部１４の端面は破砕歯５の長手方向に直交する平坦面１４ａに形成される。

固定カバー１１は、ロール３の平坦面６と同じ幅、同じ長さの長尺状に形成され、図６に示すように、長手方向に相互間隔をおいて複数の破砕歯固定孔２１が貫通状態に形成されるとともに、これら破砕歯固定孔２１の両側方の側縁を外方に張り出させてなる拡幅部１８が形成され、破砕歯固定孔２１の間に配置される部分の側縁には、拡幅部１８に対して幅を狭くする凹部１９が形成されている。また、固定カバー１１の両端部には、ねじ挿入孔２２が形成されている。
なお、図６に示す固定カバー１１においては、拡幅部１８の上面及び凹部１９の底面は、固定カバー１１の長手方向と平行な面に形成されており、拡幅部１８の上面端部と、凹部１９の底面端部とが緩やかな斜面で接続された形状とされている。

破砕歯固定孔２１は、図３に示すように、固定カバー１１の厚さの半分までが破砕歯５の柱状部１３の側面１６に対応した断面円形の嵌合孔２３とされ、残りの半分がつば部１４に対応した拡径孔２５とされている。そして、破砕歯５は、固定カバー１１の嵌合孔２３に柱状部１３を嵌合した状態において、つば部１４が拡径孔２５に嵌合した状態に保持される。
この場合、この固定カバー１１は拡径孔２５をロール３表面に向け、嵌合孔２３から破砕歯５の柱状部１３を突出させた状態として、ロール３の各平坦面６に重ねられ、破砕歯５のつば部１４をロール表面との間に挟持した状態で、その両端部がねじ２６によりロール表面に固定される。この状態においては、各破砕歯５のつば部１４の端面１４ａがロール３の外周面の各平坦面６に面接触状態とされ、固定カバー１１も、平坦な裏面１１ａがロール３の各平坦面６に面接触状態とされる。

また、各破砕歯ユニット８は、隣接する破砕歯ユニット８の破砕歯５がロール３の周方向に連続して並ばないように、図４に示すように、破砕歯５が千鳥状に配列した状態に取り付けられる。この際、各破砕歯ユニット８は、隣接する一方の固定カバー１１に形成された凹部１９に、他方の固定カバー１１の拡幅部１８を係合させた状態にして取り付けられる。

一方、両ロール３の間では、図７に示すように、その対向部（両ロール３の破砕歯５どうしが最も近接する位置）において両ロール３の破砕歯５の先端面１５どうしが対向するように配置される。
なお、この図７においては、千鳥状に配列されている破砕歯５のうち、同一円周上に配置される一列の破砕歯５を実線で示し、他の列の破砕歯５を二点鎖線で示している。

そして、この実施形態では、破砕後の多結晶シリコンの塊の大きさとして、最大辺の長さが５ｍｍ〜６０ｍｍのものを得るようにしており、その大きさの塊を得るために各破砕歯５は、柱状部１３の直径Ｄが１０ｍｍ〜１６ｍｍ、図６に示す固定カバー１１の表面から破砕歯５の先端までの突出高さＨが１５ｍｍ〜２５ｍｍとされるとともに、隣接する破砕歯５どうしの間隔Ｌが１４ｍｍ〜３５ｍｍとされている。また、両ロール３の対向部において、破砕歯５の先端面１５どうしの対向距離Ｇが５ｍｍ〜３０ｍｍに設定される。
なお、両ロール３を収容したハウジング２は、コンタミ防止のため、ポリプロピレン等の樹脂製とされ、あるいは金属製のハウジングの内面にテトラフルオロチレンのコーティングをしたものが用いられる。

このように構成した破砕装置１を用いて多結晶シリコン破砕物を製造する場合、両ロール３を回転させた状態で、予め粗く破砕した適宜の大きさの多結晶シリコンを両ロール３間に投入すると、両ロール３の破砕歯５の間で多結晶シリコンがさらに破砕されて塊状に細分化される。
この際、各破砕歯の基端部（つば部１４）は、先端部よりも基端部の方が拡径して形成されており、固定カバー１１との接触部の強度が高められている。また、この径の太い基端部を支持する破砕歯固定孔２１の両側方の側縁を外方に張り出させて拡幅部１８を設けるとともに、隣接する一方の固定カバー１１の拡幅部１８の間に設けられる凹部１９に、他方の固定カバー１１の拡幅部１８を係合させて、各破砕歯５を千鳥状に配列した状態にして取り付けることにより、隣接する固定カバー１１どうしの接触面が固定カバー１１の長さ方向に対して凹凸状に屈曲して形成されるので、その接触面積が増えて互いに支え合う構成となる。これにより、破砕歯５に負荷がかけられた際に、破砕歯５に損耗が生じたり、固定カバー１１が変形することが防止される。

また、破砕歯５は、そのつば部１４の端面１４ａがロール３の平坦面６に面接触状態とされているので、破砕時の衝撃力をその接触面全体で受けることができ、強制的に安定する。したがって、破砕歯５に振れ等が生じることがなく、均一な塊を安定して製造することができる。
固定カバー１１についても同様であり、固定カバー１１の裏面１１ａがロール３の平坦面６に面接触状態とされているので、破砕歯５に加わる衝撃力により振れることがなく、固定カバー１１をロール３に固定しているねじ２６に曲げモーメント等が作用することがなく、強固な固定構造を維持して、破損等を防止することができる。

また、固定カバー１１の拡幅部１８は、ロール３の周方向に幅広に設けられているので、破砕歯５が倒れにくくなっており、破砕歯５に振れ等が生じることがなく、均一な破砕物の塊を安定して製造することができる。
また、各破砕歯５を千鳥状に配列した状態にして取り付けることにより、破砕歯５の基端部（つば部１４）を拡径して設けた場合においても、ロール３の周方向のピッチを広げることなく、各破砕歯５を配置することができ、被破砕物を破砕して得られる破砕物を、所望の大きさに管理できる。

なお、各破砕歯５は、その先端面１５が球面状に形成されているので、この先端面１５と多結晶シリコンとは点接触となり、また、柱状部１３の側面１６が円柱面状に形成されているので、この側面１６と多結晶シリコンとは点接触又は線接触となる。このため、多結晶シリコンに対して破砕歯５は点接触又は線接触状態で衝撃を付加するので、多結晶シリコンを面で押しつぶすようなことが低減される。
また、この破砕装置１においては、破砕歯５を超硬合金又はシリコン材によって形成しているので、この破砕歯５から多結晶シリコンに不純物が混入することが防止される。そして、ハウジング２もポリプロピレン等の樹脂製とされ、あるいはテトラフルオロエチレンのコーティングがなされているので、破砕途中の多結晶シリコンに不純物が混入することが防止される。したがって、この破砕装置１によれば、半導体原料用の多結晶シリコンとして高品質のものを得ることができる。

さらに、本実施形態においては、個々の破砕歯５を固定カバー１１により保持して破砕歯ユニット８を構成し、この破砕歯ユニット８をロール３の表面に固定しているので、一部の破砕歯５に欠損等が生じたとしても、その欠損が生じた破砕歯５のみを交換すればよく、その場合、破砕歯ユニット８はねじ止めによりロール３に固定されているとともに、破砕歯５は固定カバー１１の破砕歯固定孔２１に嵌合され、固定カバー１１とロール３の表面との間に挟持されているだけであり、一部の破砕歯５のみの交換作業も容易である。
なお、固定カバー１１は、強度確保のためにはステンレス鋼等により製作するのがよいが、その表面にポリプロピレンやテトラフルオロエチレン等の樹脂を被覆しておけば、多結晶シリコンと接触した場合でもコンタミを防止することができる。

さらに、図８の固定カバー５１は、破砕歯ユニット８の固定カバー１１の変形例を示している。この図８に示す固定カバー５１のように、拡幅部５８は、平面部分を設けることなく斜面のみで山状に設けることができ、それに対応して、凹部５９も平面部分を設けずに斜面のみで谷状に形成することも可能である。なお、図８において共通部分には同一符号を付している。

その他、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、両ロールの対向部で破砕歯の先端面どうしが対向するように配置したが、一方のロールの破砕歯が他方のロールの隣接する破砕歯の間に対向するように配置してもよい。
また、一実施形態で説明した破砕歯の対向間隔等の諸寸法は、必ずしもこれに限定されるものではない。実施形態では、破砕歯は、その基端部につば部を設けるとともに、破砕歯の柱状部の側面を、基端部分を円柱面状にし、先端部分を球面の先端面に連続する円錐面状した組合せの形状としたが、図９に示すように、柱状部の側面を円柱面状（図９（ａ））に形成したり、基端部につば部を設けずに基端部から先端部にかけて円錐面状（図９（ｂ））に形成した形状としてもよい。また、破砕歯の基端部を円錐面状にし、先端部分円柱面状した組合せの形状としてもよい（図９（ｃ））。
なお、本発明の破砕装置は、多結晶シリコンの破砕に限定されるものではなく、プラスチックやガラス等の破砕にも適用可能である。

１ 破砕装置
２ ハウジング
３ ロール
４ 回転軸線
５ 破砕歯
６ 平坦面
７ ねじ穴
８ 破砕歯ユニット
１１，５１ 固定カバー
１３ 柱状部
１４ つば部
１５ 先端面
１６ 側面
１８，５８ 拡幅部
１９，５９ 凹部
２１ 破砕歯固定孔
２２ ねじ挿入孔
２３ 嵌合孔
２５ 拡径孔
２６ ねじ

Claims (3)

1. 平行な軸線周りに互いに逆回転する一対のロール間に被破砕物を挟み込んで破砕する破砕装置であって、前記ロールの外周面上に、半径方向外方に突出する複数の破砕歯とこれら破砕歯を前記ロールの外周面上に固定する固定カバーとを有する破砕歯ユニットが、前記ロールの周方向に並んで複数設けられており、前記破砕歯は、その基端部が先端部よりも拡径して形成され、前記固定カバーは、前記ロールの長手方向に沿う長尺状に形成され、その厚さ方向に貫通する破砕歯固定孔が前記長手方向に並んで複数形成されるとともに、該破砕歯固定孔の両側方の側縁を外方に張り出させてなる拡幅部が形成され、前記破砕歯固定孔の間に配置される部分の側縁には前記拡幅部に対して幅を狭くする凹部が形成されており、各破砕歯ユニットは、前記破砕歯の先端部を前記破砕歯固定孔から前記ロールの半径方向外方に突出させ、前記基端部の周囲を前記ロールとの間に挟持した状態で前記ロールに固定されるとともに、隣接する破砕歯ユニットの破砕歯が、前記ロールの周方向に連続して並ばないように、隣接する一方の固定カバーに形成された前記凹部に、他方の固定カバーの前記拡幅部を係合させて、各破砕歯を千鳥状に配列した状態にして取り付けていることを特徴とする破砕装置。
2. 各破砕歯ユニットの固定カバーは両端部が前記ロールにねじによって固定されており、前記ロールの外周面には前記固定カバーの両端部の裏面を面接触させる平面部が形成されていることを特徴とする請求項１記載の破砕装置。
3. 請求項１又は２に記載の破砕装置を用いて破砕物を製造することを特徴とする破砕物製造方法。

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