JP2008238067A

JP2008238067A - 撹拌機の評価方法

Info

Publication number: JP2008238067A
Application number: JP2007082982A
Authority: JP
Inventors: Akihiko Tadamasa; 明彦忠政
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2007-03-27
Filing date: 2007-03-27
Publication date: 2008-10-09

Abstract

【課題】粒子の細分化の程度に応じて適正な撹拌機を簡便に選定することができる撹拌機の評価方法を提供する。
【解決手段】粒子１を撹拌によって細分化するための撹拌機２を評価する方法に関する。撹拌機２の撹拌翼５の周囲を複数のセル４に分割する。各セル４の粒子存在確率と各セル４に存在する粒子１に作用する剪断力とを計測する。その後、剪断力が大きい順にセル４を並び替えて粒子存在確率の積算値を求める。粒子存在確率の積算値と剪断力との関係を示すプロファイルを作成する。このプロファイルに基づいて撹拌機２の良否を判定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、撹拌機の設計・選定に用いられる撹拌機の評価方法に関するものである。

従来から様々な技術分野において、粒子を含有する流体が用いられているが、このような流体は品質上均一であることが要求されるので、撹拌機を用いて流体中の粒子を細分化して均一にすることが行われている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００４−５１６５４号公報

しかしながら、従来は用途に応じてきめ細かく撹拌機の選定が行われていなかったため、不適正な撹拌機が設計・選定されてしまい、ある場合には均一な流体を得るのに長時間かかったり、また他の場合には必要以上に粒子を細分化してしまったりするなど多くの問題があった。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、粒子の細分化の程度に応じて適正な撹拌機を簡便に選定することができる撹拌機の評価方法を提供することを目的とするものである。

本発明の請求項１に係る撹拌機の評価方法は、粒子１を撹拌によって細分化するための撹拌機２を評価する方法であって、撹拌機２の撹拌翼５の周囲を複数のセル４に分割すると共に、各セル４の粒子存在確率と各セル４に存在する粒子１に作用する剪断力とを計測した後、剪断力が大きい順にセル４を並び替えて粒子存在確率の積算値を求め、粒子存在確率の積算値と剪断力との関係を示すプロファイルを作成すると共に、このプロファイルに基づいて撹拌機２の良否を判定することを特徴とするものである。

請求項２に係る発明は、請求項１において、セル４の体積が、細分化後の粒子１の体積以上であり、かつ、細分化前の粒子１の体積以下であることを特徴とするものである。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２において、粒子存在確率は、粒子循環頻度に比例することを特徴とするものである。

請求項４に係る発明は、請求項３において、粒子循環頻度は、セル４の流量に等しいと仮定することを特徴とするものである。

請求項５に係る発明は、請求項４において、セル４の流量は、セル４の平均流速とセル４の体積の積であることを特徴とするものである。

請求項６に係る発明は、請求項１乃至５のいずれか１項において、複数の撹拌機２について各々プロファイルを作成し、これらのプロファイルを用いて、粒子１を細分化するのに必要な剪断力の下限値における粒子存在確率の積算値の大小を比較し、このうち粒子存在確率の積算値の最も大きい撹拌機２が最も良いと判定することを特徴とするものである。

請求項７に係る発明は、請求項６において、粒子１を細分化するのに必要な剪断力の上限値における粒子存在確率の積算値の大小を優先的に比較し、このうち粒子存在確率の積算値の最も小さい撹拌機２が最も良いと判定することを特徴とするものである。

請求項８に係る発明は、請求項６又は７において、複数の撹拌機２について各々プロファイルを作成するにあたって、セル４の合計体積を同一に設定することを特徴とするものである。

請求項９に係る発明は、請求項８において、複数の撹拌機２について各々プロファイルを作成するにあたって、セル４の総数を同一に設定することを特徴とするものである。

請求項１０に係る発明は、請求項６乃至９のいずれか１項において、撹拌に使用される動力を一定にして複数の撹拌機２の良否を判定することを特徴とするものである。

本発明の請求項１に係る撹拌機の評価方法によれば、粒子の細分化の程度に応じて適正な撹拌機を簡便に選定することができると共に、これによって得られた知見を撹拌機の設計に利用することができるものである。

請求項２に係る発明によれば、剪断力をより正確に求めることができ、適正な撹拌機の選定を厳密に行うことができるものである。

請求項３に係る発明によれば、粒子存在確率を容易に求めることができるものである。

請求項４に係る発明によれば、粒子循環頻度を容易に求めることができるものである。

請求項５に係る発明によれば、セルの流量を容易に求めることができるものである。

請求項６に係る発明によれば、細分化の効率の良い撹拌機を選定することができるものである。

請求項７に係る発明によれば、必要以上に粒子が細分化されないようにすることができるものである。

請求項８に係る発明によれば、セルの合計体積が同一であることによって、複数の撹拌機の良否を精度良く判定することができるものである。

請求項９に係る発明によれば、セルの総数が同一であることによって、複数の撹拌機の良否をさらに精度良く判定することができるものである。

請求項１０に係る発明によれば、限られた動力でどの撹拌機が最も良いか判定することができるものである。

以下、本発明の実施の形態を説明する。

本発明は、図３のように粒子１を撹拌によって細分化するための撹拌機２を評価する方法に関するものであり、この撹拌機２の評価方法によれば、例えば、フィラー等の粒子１を含有する樹脂液用の撹拌機２の性能を評価することができる。図１は本発明に係る撹拌機の評価方法の一例を示すフローチャートである。

まずステップＳ１においては、図３のように撹拌機２の撹拌翼５の周囲を仮想的に複数の微小なセル４に分割し、通し番号をつけて各セル４の位置を特定できるようにしておく。このように、セル４に分割される部分が撹拌槽３の一部すなわち撹拌翼５を包囲する部分に限定されていることによって、撹拌槽３の全体を複数のセル４に分割する場合に比べて、撹拌機２の性能評価を簡便に行うことができるものである。分割の仕方は特に限定されるものではないが、例えば、有底筒状の撹拌槽３の中心に撹拌翼５の回転軸６が設置されて形成された撹拌機２については、図３に示すようにしてその撹拌翼５の周囲を分割することができる。すなわち、回転軸６の方向を中心として等角度で放射状、等間隔で同心円状に分割し、さらに上下方向に等間隔で撹拌槽３を分割することができる。このとき、セル４の体積が、細分化後の粒子１の体積以上であり、かつ、細分化前の粒子１の体積以下となるように、撹拌槽３を分割しておくのが好ましい。このように分割しておけば、後述するステップＳ２において、剪断力をより正確に求めることができ、適正な撹拌機２の選定を厳密に行うことができるものである。なお、細分化前後の粒子１の形態としては、例えば、図４（ａ）のように少数の小径粒子１が結合したものが剪断力（矢印イ）を受けて細分化される場合や、図４（ｂ）のように多数の小径粒子１が凝集したものが剪断力（矢印イ）を受けて細分化される場合や、図４（ｃ）のように大径粒子１が剪断力（矢印イ）を受けて分割されて細分化される場合等が挙げられる。

次にステップＳ２においては、各セル４に粒子１が存在する確率（各セル４の粒子存在確率）と各セル４に存在する粒子１に作用する剪断力とを計測する。具体的には、従来から知られているＰＩＶ（Particle Image Velocimetry：粒子画像流速測定法）を使用して、各セル４の平均流速と剪断力とを求める。そして各セル４の粒子存在確率は、各セル４の平均流速から、セル４の流量及び粒子循環頻度を順に計算することによって求めることができる。まずセル４の流量は、セル４の平均流速とセル４の体積の積として、容易に求めることができる。次に粒子循環頻度は、セル４の流量に等しいと仮定することによって、容易に求めることができる。そして粒子存在確率は、粒子循環頻度に比例するとして、容易に求めることができる。下記［表１］はこれらのデータをまとめたものの具体例であるが、本発明の内容を理解しやすくするためにセル４の数は「９」に設定している。

その後、ステップＳ３においては、剪断力が大きい順にセル４を並び替えて粒子存在確率の積算値を求める。下記［表２］は、上記［表１］において剪断力が大きい順にセル４を並び替えた後、さらに粒子存在確率の積算値を追加したものである。

次に図５に示すように、粒子存在確率の積算値を横軸、剪断力を縦軸にとってプロットすることによって、粒子存在確率の積算値と剪断力との関係を示すプロファイル（粒子存在確率の積算値に対する剪断力プロファイル）を作成する。

そして、ステップＳ４においては、このプロファイルに基づいて撹拌機２の良否を判定するものである。例えば、図５のようなプロファイルを示す撹拌翼５によれば、その周囲の９０％程度のセル４において１０以上の剪断力が生じていることになるから、この撹拌翼５を備えて形成される撹拌機２は、粒子１を細分化するのに必要な剪断力の下限値が１０である場合には適正なものであるといえる。同様にして、粒子１を細分化するのに必要な剪断力の下限値を変更することによって、撹拌機２の良否を判定するものである。このように、粒子１の細分化の程度に応じて適正な撹拌機２を簡便に選定することができると共に、これによって得られた知見を撹拌機２の設計に利用することができるものである。なお、図５のようなプロファイルを示す撹拌翼５で良ければそれで終了となるが、そうでない場合にはステップＳ５に進み、他の撹拌機２の撹拌翼５についてステップＳ１〜ステップＳ４までの操作を繰り返し行うものである。

図２は本発明に係る撹拌機の評価方法の他の一例を示すフローチャートである。ステップＳ１０〜ステップＳ３０までの操作は、上述したステップＳ１〜ステップＳ３までの操作と同じであるが、本例においては、例えば、図６のように撹拌翼５の形状が異なる複数の撹拌機Ａ、Ｂ、Ｃ（ただし、撹拌槽３の形状は同一）について図７のように各々プロファイルを作成し、これらのプロファイルを用いて、最も優れた撹拌機２を選定するようにしたものである。本例では３つの撹拌機Ａ、Ｂ、Ｃの撹拌翼５についてプロファイルを作成しているが、他に粒子１の細分化能力を検討すべき撹拌翼５があれば、ステップＳ４０からステップＳ１０へ戻り、ステップ２０、ステップ３０を経て新たにプロファイルを作成するものである。このように、複数の撹拌機２の撹拌翼５について各々プロファイルを作成するにあたっては、セル４の合計体積及びセル４の総数を同一に設定しておくのが好ましい。これによって複数の撹拌機２の良否を精度良く判定することができるものである。また、撹拌に使用される電力等の動力が撹拌機２ごとに異なっていると、この動力の大小が撹拌翼５の細分化能力に大きな影響を及ぼしてしまうので、撹拌に使用される動力を一定にした上でプロファイルを作成し、複数の撹拌機２の良否を判定するものである。これによって限られた動力でどの撹拌機２が最も良いか判定することができるものである。

そして、ステップＳ５０においては、粒子１を細分化するのに必要な剪断力の下限値における粒子存在確率の積算値の大小を比較し、このうち粒子存在確率の積算値の最も大きい撹拌機２が最も良いと判定するものである。例えば、図８に示すように、粒子１を細分化するのに必要な剪断力の下限値が３０である場合には、撹拌機Ａについての粒子存在確率の積算値は４５％程度であり、また撹拌機Ｂについての粒子存在確率の積算値は１０％程度であり、また撹拌機Ｃについての粒子存在確率の積算値は２５％程度であるから、これらを総合して判断すると、撹拌機Ａが最も優れた細分化能力を備えているといえる。また、図９に示すように、粒子１を細分化するのに必要な剪断力の下限値が１０である場合には、撹拌機Ａについての粒子存在確率の積算値は８０％程度であり、また撹拌機Ｂについての粒子存在確率の積算値は９０％程度であり、また撹拌機Ｃについての粒子存在確率の積算値は３０％程度であるから、これらを総合して判断すると、撹拌機Ｂが最も優れた細分化能力を備えているといえる。このようにして、細分化の効率の良い撹拌機２を選定することができるものである。

また、粒子１を細分化するのに必要な剪断力の下限値のみならず上限値も考慮に入れる必要がある場合には、この上限値における粒子存在確率の積算値の大小を優先的に比較し、このうち粒子存在確率の積算値の最も小さい撹拌機２が最も良いと判定するものである。例えば、図１０に示すように、粒子１を細分化するのに必要な剪断力の下限値が１０であり、上限値が５５である場合には、下限値のみに着目すれば図９の場合と同じであるから撹拌機Ｂが最も優れた細分化能力を備えていることになるが、この場合には優先的に上限値に着目する。そうすると、撹拌機Ｂ、Ｃについては５５以上の剪断力が生じるセル４が存在するのに対して、撹拌機Ａについては５５以上の剪断力が生じるようなセル４は存在しないから、撹拌機Ａが最も優れた細分化能力を備えているといえる。このように、粒子１を細分化するのに必要な剪断力の上限値を考慮に入れることによって、必要以上に粒子１が細分化されないようにすることができるものである。

本発明に係る撹拌機の評価方法の一例を示すフローチャートである。本発明に係る撹拌機の評価方法の他の一例を示すフローチャートである。評価対象である撹拌機の一例を示す概略斜視図である。（ａ）（ｂ）（ｃ）は細分化前後の粒子の形態を示す説明図である。粒子存在確率の積算値と剪断力との関係を示すプロファイルの一例である。評価対象である撹拌機Ａ、Ｂ、Ｃを示す概略断面図である。撹拌機Ａ、Ｂ、Ｃのプロファイルである。撹拌機Ａ、Ｂ、Ｃのプロファイルである。撹拌機Ａ、Ｂ、Ｃのプロファイルである。撹拌機Ａ、Ｂ、Ｃのプロファイルである。

符号の説明

１粒子
２撹拌機
４セル
５撹拌翼

Claims

粒子を撹拌によって細分化するための撹拌機を評価する方法であって、撹拌機の撹拌翼の周囲を複数のセルに分割すると共に、各セルの粒子存在確率と各セルに存在する粒子に作用する剪断力とを計測した後、剪断力が大きい順にセルを並び替えて粒子存在確率の積算値を求め、粒子存在確率の積算値と剪断力との関係を示すプロファイルを作成すると共に、このプロファイルに基づいて撹拌機の良否を判定することを特徴とする撹拌機の評価方法。
セルの体積が、細分化後の粒子の体積以上であり、かつ、細分化前の粒子の体積以下であることを特徴とする請求項１に記載の撹拌機の評価方法。
粒子存在確率は、粒子循環頻度に比例することを特徴とする請求項１又は２に記載の撹拌機の評価方法。
粒子循環頻度は、セルの流量に等しいと仮定することを特徴とする請求項３に記載の撹拌機の評価方法。
セルの流量は、セルの平均流速とセルの体積の積であることを特徴とする請求項４に記載の撹拌機の評価方法。
複数の撹拌機について各々プロファイルを作成し、これらのプロファイルを用いて、粒子を細分化するのに必要な剪断力の下限値における粒子存在確率の積算値の大小を比較し、このうち粒子存在確率の積算値の最も大きい撹拌機が最も良いと判定することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の撹拌機の評価方法。
粒子を細分化するのに必要な剪断力の上限値における粒子存在確率の積算値の大小を優先的に比較し、このうち粒子存在確率の積算値の最も小さい撹拌機が最も良いと判定することを特徴とする請求項６に記載の撹拌機の評価方法。
複数の撹拌機について各々プロファイルを作成するにあたって、セルの合計体積を同一に設定することを特徴とする請求項６又は７に記載の撹拌機の評価方法。
複数の撹拌機について各々プロファイルを作成するにあたって、セルの総数を同一に設定することを特徴とする請求項８に記載の撹拌機の評価方法。
撹拌に使用される動力を一定にして複数の撹拌機の良否を判定することを特徴とする請求項６乃至９のいずれか１項に記載の撹拌機の評価方法。