JP2018519502A - 粉末または粒状材料試験装置 - Google Patents

Abstract

試験チャンバ（１２）と、圧縮デバイス（２０）などの粉末操作デバイスと、試験チャンバ（１２）内のまたはそれに対する軸方向運動および回転運動のために圧縮デバイス（２０）を駆動するように選択的に動作可能な駆動装置（２２）とを含み、圧縮デバイス（２０）が、好ましくは、少なくとも１回の完全な回転の略螺旋スクリューフライト（２６）を含む、試験装置が記載される。試験装置の使用方法も記載される。

Description

本発明は、試験装置、特に、圧縮または固化された粉末または粒状材料の特性を表すデータを得るために使用することが意図される試験装置に関する。特に、本発明は、このような圧縮または固化を実現するための使用に好適な試験装置およびその動作方法に関する。試験装置は、さらに、供試材料の特性に関する情報を提供するために試験を行うことが可能であり得る。

粉末または同様のものに対する試験を行うための多くのデバイスが知られている。そのような装置では、供試材料のカラムは、型または試験チャンバ内に圧縮される。次いで、型または試験チャンバが取り外され、圧縮された供試材料に荷重を加えて、材料のカラムが降伏または破損するまで、圧縮された供試材料にどの程度の荷重を加えることができるかを確認する。このような試験は、一軸耐力強度試験と呼ばれることがある。この試験によって得られるデータの精度は、部分的に試験材料の圧縮の均等性に依存することが理解されるであろう。その領域が所望よりも小さい程度に圧縮されるように材料が不均等に圧縮される場合、材料のカラムは、材料が所望のレベルに均等に圧縮される場合よりも小さい荷重の適用時に降伏または破損することがあり、結果として、試験結果は間違いまたは不正確であることがある。

これは、粉末または粒状材料に対して行われる試験の１つの例であるが、他の試験も知られており、そのうちのいくつかは、試験の一部としてまたは試験を行う前に、粉末または粒状供試材料を制御された方法で圧縮することを必要とする。一例として、粉末レオロジー試験は、たとえば、欧州特許第０７９８５４９Ｂ号明細書または国際公開第２００３／０４８７４３号パンフレットで説明される装置および方法を使用して、圧縮粉末に対して行われてもよい。

材料を圧縮する試みにおいて、圧縮荷重が多くの粉末または粒状材料に加えられる場合、材料の性質は、多くの場合、軸方向の成形または圧縮荷重の適用の結果として発生する材料の部分の制限された半径方向運動になる可能性がある。材料が型または試験チャンバ内に含まれる場合、そのような運動は制限されるが、半径方向の応力が蓄積され、材料は、型または試験チャンバの壁に対して押し付けられる。圧縮された材料と型または試験チャンバとの間の摩擦抵抗は、圧縮または成形荷重が加えられる表面から離れた、大きく減少した圧縮または成形荷重に曝される材料の部分にもたらされる可能性がある。明らかに、上記のように、先に概説された種類の試験で使用する材料を圧縮するこのような技術の使用は、試験される材料の均等でない圧縮または固化から生じる不正確さを試験結果にもたらすことがある。

米国特許出願公開第２０１３／００８６９７９号明細書は、流体に対する試験を行うための装置を説明している。この装置は、上記の装置といくつかの類似点を有する。しかしながら、流体の特性は粉末または粒状材料の特性と大きく異なるため、米国特許出願公開第２０１３／００８６９７９号明細書の装置は、本発明には非常に限定的にのみ適用されることが理解されるであろう。特に、米国特許出願公開第２０１３／００８６９７９号明細書は、そのオーガが圧縮または成形荷重を粉末または粒状供試材料に加えるのに好適であることを示唆する教示を提供していない。

圧縮の均等性を高めることができる試験装置を提供することが本発明の目的である。本発明は、この試験装置を使用して試験を行う方法にも関する。

本発明により、試験チャンバと、粉末操作デバイスと、試験チャンバに対する軸方向運動および回転運動のために粉末操作デバイスを駆動するように選択的に動作可能な駆動装置とを含む試験装置が提供され、粉末操作デバイスは、略螺旋スクリューフライトを含む。

好ましくは、略螺旋スクリューフライトは、少なくとも３６０°の角度範囲のものである。結果として、粉末操作デバイスの運動は、供試材料の制御された圧縮を実現できることが理解されるであろう。圧縮は、試験チャンバの全断面積上で略均等に行うことができる。

使用時、供試材料を圧縮する場合、供試材料は試験チャンバに導入される。粉末操作デバイス（以下、便宜上、圧縮デバイスと呼ばれる）は、試験チャンバ内に前進され、試験チャンバ内に軸方向に前進されながら正回転のために駆動される。圧縮デバイスが所定の位置に到達すると、その回転は止まってもよい。その継続的な軸方向運動は、圧縮デバイスの直前の材料を圧縮するのに役立つ。その後、圧縮デバイスは、逆方向に回転運動されながら所定の距離だけ後退され得る。後退後、デバイスが回転していない間に圧縮デバイスを前進させる圧縮プロセスが繰り返されてもよい。このプロセスを複数回にわたり繰り返すことにより、試験チャンバ内の材料を段階的に良好な均等度で圧縮できることが理解されるであろう。

有用な代替的な態様において、圧縮デバイスは、正回転もされながら供試材料中に軸方向に前進され得る。所定の位置に到達すると、圧縮デバイスの回転が継続している間に圧縮デバイスを後退させることができ、圧縮デバイスの後退の速度は、その回転速度に対して制御されて、材料が所望の程度まで圧縮されることを保証する。

圧縮デバイスは、好都合には、スクリューフライトを保持する軸を含む。好適には、一回転の略螺旋スクリューフライトが設けられる。しかしながら、スクリューフライトがこれより大きいまたは小さい角度範囲のものであり、たとえばいくつかの回転を含む装置が可能である。

圧縮デバイスは、好ましくは、金属、たとえば鋼またはアルミニウム構造のものである。圧縮デバイスが良好な強度を有する点で、このような装置は有利である。しかしながら、本発明が使用される用途および使用が意図される試験材料に応じて、他の材料が使用されてもよい。一例として、いくつかの用途において、圧縮デバイスは好適なプラスチック材料でもよい。

本発明は、粉末または粒状材料に対して試験を行う試験装置の使用方法にも関する。１つの装置において、方法は、粉末操作デバイスを所定の位置に移動させるステップと、粉末操作デバイスの前方の材料を圧縮するために、回転に対してデバイスを保持しながら、粉末操作デバイスを前進させるステップと、粉末操作デバイスのスクリューフライトを圧縮された材料から離間させるために、粉末操作デバイスを回転させながら、粉末操作デバイスを後退させるステップと、回転に対してデバイスを保持しながら、粉末操作デバイスを前進させるステップを繰り返すステップとを含む。このようにして、圧縮された材料のカラムが作り上げられてもよく、カラムは略均等な圧縮レベルを有する。

別の手法において、粉末操作デバイスは、供試材料中に前進され、かつその後、回転されながらそれから引き抜かれ、粉末操作デバイスの後退の速度は、その回転速度に対して制御されて、供試材料における所望の略均等な圧縮レベルを実現する。

さらに別の動作モードにおいて、粉末操作デバイスは供試材料中に前進され、かつその後、試験チャンバからある量の材料を取り除くために、回転に対して保持されながらそれから引き抜かれる。

本発明は、一例として添付図面を参照してさらに説明される。

本発明の実施形態による試験装置の概略図である。 図１の試験装置の一部を図示する図である。

添付図面を参照すると、略円筒形態の試験チャンバ１２を含む試験装置１０が図示されている。図示された装置において、試験チャンバ１２は、下端内にテーブル１６が配置される、中空の管状部材１４の形態をとり、固定機構１８は、管状部材１４をテーブル１６に解放可能に固定するように設けられる。テーブル１６は管状部材１４の端部を閉じ、そうして、使用時に試験材料を配置できる容器を画定する。しかしながら、これは、試験チャンバ１２のさまざまな可能な設計のうちの単に１つの設計を表すにすぎないことが理解されるであろう。

装置１０は、便宜上、以下では試験チャンバ１２に導入可能な圧縮デバイス２０と呼ばれる、試験チャンバ１２の長さに沿って軸方向に移動可能であり、その軸線の周りの回転運動のために駆動されることが可能な粉末操作デバイスをさらに含む。駆動機構２２は、軸方向運動のために圧縮デバイス２０を駆動するために、かつ回転運動のために圧縮デバイスを駆動するために設けられ、駆動機構２２は、圧縮デバイス２０の軸方向運動および回転運動の両方の速度および方向を制御することが可能である。固定された試験チャンバに対して移動可能である、軸方向および回転方向に可動な圧縮デバイスを有するように説明および図示されているが、圧縮デバイスが固定され、試験チャンバが移動可能である可能性もあることが理解されるであろう。実際、必要に応じて、圧縮デバイスおよび試験チャンバのうちの一方が回転可能であり、他方が軸方向に移動可能である可能性がある。

図２に最もよく示されているように、圧縮デバイス２０は、一端で駆動機構２２に接続され、その他端で一回転の略螺旋スクリューフライト２６を保持する細長い軸２４を含む。好都合には、圧縮デバイス２０は、たとえば鋼またはアルミニウムの形態の金属構造のものであり、結果として、使用時、供試材料に有意な成形荷重を加える際に使用可能であり、摩耗に対して比較的耐性がある。しかしながら、本発明が採用される用途に応じて、他の材料が使用されてもよいことが理解されるであろう。一例として、いくつかの装置では好適なプラスチック材料が使用されてもよい。

スクリューフライト２６は、好都合には、軸２４の端部に固定される円筒形突出部２８の外面上に形成される。一例として、突出部２８および軸２４は、相互に係合するねじ形態によって互いに連結されてもよい。しかしながら、溶接などの他の技術が採用されてもよい。あるいは、フライト２６を軸２４に直接形成し、突出部２８が存在しなくてもよい。

フライト２６の外径は、好ましくは、試験チャンバ１２の内径よりわずかに小さい。一例として、１〜２ｍｍのオーダーの隙間がその間で存在してもよく、使用時、その間の接触および摩耗のリスクを最小化する。しかしながら、その間の隙間は、本発明の範囲から逸脱することなく、これより大きくてまたは小さくてもよい。

図２に示されるように、フライト２６の一回転は、軸方向のピッチ長Ｌを有する。ピッチ長Ｌの値は、本発明が使用される用途に応じて、かつ製造を簡略化するために選択されてもよい。図示される装置において、ピッチ長Ｌは約１６ｍｍであるが、本発明はこの点について限定されないことが理解されるであろう。

試験装置１０は、試験チャンバ１２内に配置される供試材料の圧縮を実現するための多くの方法で使用されてもよい。一例として、１つの動作モードにおいて、供試材料が試験チャンバ１２に導入される。次いで、圧縮デバイス２０が、駆動装置２２の制御下で試験チャンバ１２に導入される。圧縮デバイス２０は、好都合には、試験チャンバ１２内を順方向に回転されながら軸方向に前進され、圧縮デバイス２０の回転速度は、圧縮デバイス２０がピッチ長Ｌと等しい軸方向距離だけ前進されるときにかかる時間中に一回転するような速度である。この速度で圧縮デバイス２０を前進させることにより、圧縮デバイス２０は供試材料に最小限の成形荷重のみを加え、圧縮デバイス２０のフライト２６は供試材料に効果的に「ねじ込まれる」ことが理解されるであろう。

圧縮デバイス２０は、圧縮デバイス２０のフライト２６の前縁がテーブル１６に接近するまで、たとえば、約１０ｍｍの所定の距離までテーブルから離れたところまで、こうして供試材料中に前進され続ける。圧縮デバイスの設計に応じて、圧縮デバイスの先端は、テーブル１６にこれより近くてもよい。この位置に到達すると、約１０ｍｍの圧縮されていない材料が圧縮デバイス２０のフライトの直前に存在することが理解されるであろう。この位置に到達すると、圧縮デバイス２０の回転は中断され、駆動機構２２は固定された角度位置で圧縮デバイス２０を保持し、その回転を妨げる。圧縮デバイス２０が回転または角運動に対して保持されると、駆動機構は、圧縮デバイス２０に荷重を加えて、圧縮デバイス２０が軸方向に前進するようにする。圧縮デバイス２０の軸方向運動により、デバイス２０が回転に対して保持されている間、その直前の材料を圧縮している圧縮デバイス２０が材料を圧縮または固化することが理解されるであろう。

フライト２６が少なくとも１回の完全な回転の周りで延在するため、チャンバ１２の略全断面上に配置される供試材料に圧縮、成形荷重が加えられ、成形荷重は全断面積上に略均等に加えられることが理解されるであろう。

駆動機構２２は、好都合には、圧縮デバイスの前進運動に対する抵抗を測定するために動作可能なセンサ２２ａを組み込む。一例として、ロードセルまたは同様のものがセンサ２２ａとして使用されてもよい。しかしながら、本発明は、この点について限定されないことが理解されるであろう。圧縮デバイス２０の運動の制御時にセンサ２２ａの出力を使用することにより、材料の所望のレベルへの圧縮または固化を正確に実現することができ、圧縮デバイス２０の圧縮方向への軸方向運動に対する所定の抵抗が検知されると、圧縮デバイス２０の軸方向運動が停止し、圧縮または固化の所望のレベルが実現されたことを示すことが理解されるであろう。

このような圧縮デバイス２０の前方の材料の圧縮後、圧縮デバイス２０は、所定の距離、たとえば１０ｍｍだけ後退され、同時に、圧縮デバイス２０の後退中、実質的に成形または分離荷重が供試材料に加えられないように、実質的に前記の速度で逆方向に回転される。このような後退後、圧縮されていない材料の層が圧縮デバイス２０と材料のすでに圧縮された層との間に存在し、材料の圧縮されていない層の厚さは、圧縮デバイス２０が後退した軸方向距離に略等しいことが理解されるであろう。次いで、圧縮デバイス２０は回転に対抗して保持され、同時に、上で説明された方法で材料の上記の圧縮されていない層を圧縮するために順方向に駆動される。

上記のプロセスは、略均等に圧縮された所望の高さまたは長さの材料のカラムを形成するために複数回にわたり繰り返してもよく、圧縮または固化の程度は正確に制御される。

圧縮されると、一連の試験を材料に対して行うことができる。一例として、材料を試験チャンバから取り出し、自由な耐力強度試験を材料に対して行うことができる。あるいは、試験チャンバ内に含まれた材料により、たとえば、欧州特許第０７９８５４９Ｂ号明細書で説明されている装置および方法を使用して、粉末レオロジー試験を圧縮粉末に対して行ってもよい。圧縮された材料に対して行われる試験の正確な内容は、本発明の一部をなさず、そのため、本明細書ではさらに詳細に説明しないことが理解されるであろう。

上の説明は、本発明の本実施形態の試験装置の１つの使用方法を説明しているが、装置を他の動作モードで使用してもよいことが理解されるであろう。一例として、上の装置において、材料の圧縮は一連の圧縮ステップで実現されているが、本発明の本実施形態の装置は、代わりに、略均等な圧縮レベルの材料の圧縮または弛緩されたカラムの形成を支援するために、略連続的な成形または弛緩荷重を材料に加えるように動作させてもよい。試験装置をこのように動作させるために、多くの圧縮される粉末が試験チャンバ１２に導入され、圧縮デバイス２０が材料中に導入されて、実質的に先に概説した方法で、テーブル１６によって閉じられた試験チャンバ１２の端部まで駆動され、材料中に「ねじ込む」ために圧縮デバイスを順方向に回転させ、同時に、圧縮デバイスがテーブル１６の方に軸方向へ移動される。圧縮デバイス２０がこの位置に到達すると、圧縮デバイス２０の後退が開始される。後退中、圧縮デバイス２０は、単に材料から「ねじり出され」、その最小限の軸方向変位を引き起こすよりはむしろ、圧縮デバイス２０の回転が実質的にオーガの方法で、スクリューフライト２６を過ぎて材料を駆動するように、それが導入されたときよりも速い回転速度で逆方向に回転し、そのため、圧縮デバイス２０が引き抜かれたとき、そのフライト２６の直下の材料が圧縮される。圧縮デバイス２０の回転速度に対する後退の速度は、発生する圧縮度を制御する。この技術により、圧縮のより高い均等度が達成されることが理解されるであろう。先に説明された装置と同様に、この場合、たとえば、圧縮デバイス２０の回転に対する抵抗に反応し、かつ実現された圧縮度の指標を提供するセンサの出力は、材料の圧縮または固化の所望のレベルが実現されることを保証するために、圧縮デバイス２０の回転および後退の速度を制御する際に使用されてもよい。一例として、センサ２２ａが剪断応力に反応する場合、圧縮デバイス２０の回転速度は、固定された速度に設定されてもよく、圧縮デバイス２０の上方への軸方向運動は、検知された剪断応力（またはトルク）が所定の範囲内にあることを保証するように調整されてもよい。検出された剪断応力があまりに大きい場合、圧縮デバイス２０が持ち上げられる速度は、検出された剪断応力を許容可能なものにするように増加し、逆も同じである。当然ながら、あるいは、軸方向運動は、それが略均一な速度で発生するような方法で制御される可能性があり、一方、回転運動の速度は、圧縮の所望のレベルを実現するために変化する。

上記の説明から、上で説明された装置は、制御された方法で供試材料の圧縮または弛緩を実現するための多くの方法で使用されてもよいことが理解されるであろう。圧縮デバイス２０が供試材料中に導入されるか、またはそこから引き抜かれるとき、その運動の軸方向速度に対する圧縮デバイス２０の回転速度を制御することにより、フライト２６自体がその材料の固化または持ち上げおよび弛緩を実現するために軸２４上で剛構造であるにもかかわらず、フライト２６の有効な「迎え角」を変えることができる。一例として、圧縮デバイス２０が下方へ移動する間に回転する場合、回転運動の速度に対する軸方向運動の速度は、有効迎え角がフライト２６の実際のねじれ角より急であるようになり、次いで、いくらかの圧縮が下向き運動の間に発生する。同様に、それがフライト２６のねじれ角より急な迎え角をもたらす場合、材料の持ち上げおよび弛緩が発生する。

上記のように、固化または弛緩は、たとえば上で言及された種類の続く試験のために材料を準備するために使用することができる。

上で説明された装置において、圧縮デバイス２０は、試験チャンバ内に配置される材料の略全断面積を固化または弛緩するために使用される。これは、必ずしも容器である必要はないことが理解されるであろう。必要に応じて、フライト２６の外径は、試験チャンバ１２の内径よりかなり小さい可能性があり、たとえば、その直径の約半分である可能性がある。そのような装置により、１つの動作モードにおいて、圧縮デバイス２０は、テーブル１６の方へ軸方向に駆動されながら順方向に回転される可能性がある。テーブル１６に隣接してもよい所望の深さに配置されると、圧縮デバイス２０の回転は終了してもよく、圧縮デバイス２０は、試験チャンバ内に配置された試材から材料の中心カラムを切り取るために軸方向に引き抜かれてもよく、試験が行われる可能性がある位置に材料の環状カラムを残す。好都合には、圧縮デバイス２０がこのように使用される場合、圧縮デバイス２０のフライト２６は複数回転の形態であり、試験チャンバ１２内の材料の略全高にわたって延在する。

本発明による試験装置１０の１つの実施形態およびいくつかのその使用方法が上で説明されたが、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲を逸脱することなく、試験装置自体およびその使用方法の両方に対してさまざまな修正形態および変更形態がなされ得ることが理解されるであろう。

Claims (16)

1. 試験チャンバと、粉末操作デバイスと、前記試験チャンバに対する軸方向運動および回転運動のために前記粉末操作デバイスを駆動するように選択的に動作可能な駆動装置とを含み、前記粉末操作デバイスが略螺旋スクリューフライトを含む、粉末または粒状材料試験装置。
2. 前記略螺旋スクリューフライトが少なくとも３６０°の角度範囲のものである、請求項１に記載の装置。
3. 前記粉末操作デバイスが前記フライトを保持する軸を含む、請求項１または２に記載の装置。
4. 前記粉末操作デバイスが一回転の前記略螺旋フライトを含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記粉末操作デバイスが金属構造のものである、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記粉末操作デバイスの軸方向運動に対する抵抗に反応するセンサをさらに含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記粉末操作デバイスの回転運動に対する抵抗に反応するセンサをさらに含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
8. 自由な耐力強度試験の実施での使用に適合されている、請求項１〜７のいずれか一項に記載の装置。
9. 粉末レオロジー試験の実施での使用に適合されている、請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の試験装置を使用する方法であって、
    前記粉末操作デバイスを前記試験チャンバに対して所定の位置に移動させるステップと、
    前記粉末操作デバイスの前方の材料を圧縮するために、前記試験チャンバに対する回転に対して前記粉末操作デバイスを保持しながら、前記試験チャンバに対して前記粉末操作デバイスを前進させるステップと、
    前記粉末操作デバイスの前記フライトを前記圧縮された材料から離間させるために、前記試験チャンバに対して前記粉末操作デバイスを回転させながら、前記試験チャンバに対して前記粉末操作デバイスを後退させるステップと、
    前記試験チャンバに対する回転に対して前記デバイスを保持しながら、前記試験チャンバに対して前記粉末操作デバイスを前進させる前記ステップを繰り返すステップと
    を含む、方法。
11. 前記後退させるステップ中、前記粉末操作デバイスが、前記粉末操作デバイスの回転ごとに前記フライトのピッチ長と略等しい距離だけ後退されるような速度で後退される、請求項１０に記載の方法。
12. 前記前進させるステップ中、前記粉末操作デバイスの運動に対する抵抗が監視される、請求項１０に記載の方法。
13. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の試験装置を使用する方法であって、
    供試材料中に前記粉末操作デバイスを前進させるステップと、
    その後、前記材料に対して前記粉末操作デバイスを回転させながら、前記材料から前記粉末操作デバイスを引き抜くステップと
    を含み、前記粉末操作デバイスの後退の速度がその回転速度に対して制御されて、前記供試材料における所望のレベルの圧縮を実現する、方法。
14. 前記引き抜くステップ中、前記粉末操作デバイスが、前記粉末操作デバイスの回転ごとに前記フライトのピッチ長より大きい距離だけ後退されるような速度で後退される、請求項１３に記載の方法。
15. 前記引き抜くステップ中、前記粉末操作デバイスの回転に対する抵抗が監視される、請求項１３に記載の方法。
16. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の試験装置を使用する方法であって、
    前記粉末操作デバイスを回転させながら、供試材料中に前記粉末操作デバイスを前進させるステップと、
    その後、前記試験チャンバからある量の材料を取り除くために、回転に対して前記粉末操作デバイスを保持しながら、前記材料から前記粉末操作デバイスを引き抜くステップと
    を含む、方法。

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