JP4642585B2 - 粉体測定システムおよび粉体測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、粉体測定システムおよび粉体測定方法に関し、特に、乾燥粉体の特性（流動性）を表す指標を求める粉体測定システムおよび粉体測定方法に関する。

従来、収容容器に収容された粉体中を攪拌しながら移動する攪拌翼にかかる荷重を検出して、粉体の流動性を評価する粉体測定装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。この粉体測定装置は、収容容器と攪拌翼とが軸線を中心として互いに回転可能になるとともに、互いに軸線方向に移動可能になるように構成されている。そして、攪拌翼は収容容器内の粉体を押し下げる方向に駆動することにより、攪拌翼にかかる荷重を検出して粉体の流動性を評価している。

特表２０００−５０７３５４号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された粉体測定装置では、攪拌翼が容器の粉体中を下降しながら粉体層を上方に押し上げる方向に攪拌するときの攪拌翼にかかる荷重に基づいて、粘度を求める粉体測定装置は開示されていない。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、攪拌翼が収容容器の粉体により形成された粉体層を下降しながら粉体を上方に押し上げる方向に攪拌するときの攪拌翼にかかる荷重に基づいて、粘度を求める粉体測定システムおよび粉体測定方法を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段および発明の効果

上記目的を達成するために、この発明の第１の局面による粉体測定システムは、粉体を収容するための収容容器と、収容容器に空気を供給するための通気装置と、収容容器に対して相対的に上下移動可能でかつ相対的に回転可能であり、収容容器に収容された粉体により形成された粉体層を攪拌するための攪拌翼と、粉体層が攪拌翼によって攪拌されるときに、攪拌翼にかかる荷重を検出するための検出部と、攪拌翼が、粉体と空気との気固二相系の状態において、収容容器の粉体層中を下降しながら粉体を上方に押し上げる方向に攪拌するときの検出部により検出された荷重に基づいて、粉体層の特性を表す指標を粘度として求めるための制御部とを備えている。

この第１の局面による粉体測定システムでは、上記のように、検出部により検出された荷重に基づいて、粉体層の特性を表す指標を粘度として求めるための制御部を設けることによって、粉体層の流動性（挙動）を表す一つの指標である粘度を得ることができる。その結果、粉体を輸送する際の輸送方法や、粉体を大型のプラントなどで混合する際の混合方法などを設計する場合に重要となる粉体の動的な挙動を、制御部によって求められた粘度を用いて評価することができる。そして、粉体の動的な挙動を予め評価しておくことによって、粉体が用いられるプラントなどにおいてトラブルが発生した場合でも、上記評価に基づいて早急に対応することができる。また、制御部によって求められた粉体層の特性を表す指標である粘度を、固液分散系において確立されている凝集性の評価可能なモデルに適用することによって、粉体粒子の粒子間エネルギーや凝集粒子数などの新たな指標を得ることができる。また、攪拌翼が収容容器の粉体層中を下降しながら粉体を上方に押し上げる方向に攪拌することによって、攪拌翼が粉体層中を下降しながら粉体を下方に押し下げる方向に攪拌する場合と異なり、攪拌翼の下方側の粉体が攪拌翼により圧縮されることに起因して、攪拌翼にかかる荷重がその圧縮された粉体の影響を受けて大きくなるという不都合が発生するのを抑制することができるので、攪拌翼の周りの攪拌翼によって攪拌される粉体層の荷重を正確に検出することができる。その結果、その正確に検出された攪拌翼の周りの攪拌翼によって攪拌される粉体層の荷重に基づいて、粉体層の粘度を正確に求めることができる。また、収容容器と攪拌翼とは相対的に上下移動可能であり、かつ、相対的に回転可能である。このように構成すれば、収容容器に対して攪拌翼が相対的に上下方向に移動するため、攪拌翼を収容容器に収容される粉体層中で攪拌翼を上下方向に移動させることができる。また、収容容器に対して攪拌翼が相対的に回転するため、収容容器に収容される粉体層中で攪拌翼を回転させることができる。これにより、収容容器に収容される粉体層中を上下方向に移動しながら、収容容器の粉体層を攪拌することができる。その結果、上下方向の所定の高さ位置における攪拌翼にかかる粉体層の荷重を検出することができる。また、収容容器に空気を供給するための通気装置をさらに備え、制御部は、粉体と空気との気固二相系の状態において、攪拌翼が収容容器の粉体層中を下降しながら粉体を上方に押し上げる方向に攪拌するときの検出部により検出された荷重に基づいて、粉体層の特性を表す指標を粘度として求める。このように通気装置を設ければ、収容容器に収容される粉体のつまり具合を変化させることができる。これにより、粉体のつまり具合の異なる様々な条件下で、粉体層の特性を表す指標を粘度として求めることができる。

上記第１の局面による粉体測定システムにおいて、好ましくは、荷重は、攪拌翼にかかる軸トルクである。このように構成すれば、攪拌翼にかかる軸トルクに基づいて、粉体層の粘度を求めることができる。

上記第１の局面による粉体測定システムにおいて、好ましくは、制御部は、所定の荷重と粘度との関係式に基づいて、検出部により検出された荷重から粘度を求める。このように構成すれば、検出部により検出された荷重を所定の荷重と粘度との関係式に代入することによって、容易に、検出部により検出された荷重から粘度を求めることができる。したがって、制御部の記憶領域に荷重と粘度との関係式を記憶させるとともに、その関係式が記憶された制御部に検出部により検出された荷重を入力することにより、容易に、荷重から粉体層の粘度を求めることができる。

上記所定の荷重と粘度との関係式に基づいて検出部により検出された荷重から粘度を求める粉体測定システムにおいて、好ましくは、所定の荷重と粘度との関係式は、比例関係の式である。このように構成すれば、たとえば、粘度が既知であるポリグリセリンや水あめなどの物質の荷重を検出部により検出することにより導出される荷重と粘度との比例関係式を用いることによって、その比例関係式に検出部により検出された荷重を代入すれば、容易に、検出部により検出された荷重から粉体層の粘度を求めることができる。

上記所定の荷重と粘度との関係式に基づいて検出部により検出された荷重から粘度を求める粉体測定システムにおいて、好ましくは、粘度を求めるための検出部により検出された荷重は、攪拌翼が収容容器内の所定の高さ範囲に位置する間に検出された複数の荷重の平均値である。このように構成すれば、収容容器に収容される粉体層中の攪拌翼の高さ位置によって、攪拌翼にかかる荷重にばらつきがある場合でも、攪拌翼が収容容器内の所定の高さ範囲に位置する間に検出された複数の荷重の平均値を用いて、粉体層の粘度を求めることができるので、より正確に粉体層の粘度を求めることができる。

この場合、所定の高さ範囲は、収容容器の高さ方向の中央部近傍の所定の高さ範囲である。このように構成すれば、収容容器の上部近傍で検出される荷重と、下部近傍で検出される荷重とを用いずに、粘度を求めることができる。これにより、収容容器の上部近傍で検出される荷重が、収容容器の上部近傍の粉体の自由表面の影響により、小さくなる傾向がある場合でも、その小さくなる傾向がある荷重を用いずに、粘度を求めることができる。また、収容容器の下部近傍で検出される荷重が、攪拌翼により圧縮された粉体に起因して、大きくなる傾向がある場合でも、その大きくなる傾向がある荷重を用いずに、粘度を求めることができる。これらの結果、攪拌翼が収容容器の高さ方向の中央部近傍の所定の高さ範囲に位置する間に検出される安定した荷重に基づいて、容易に、より正確な粉体層の粘度を求めることができる。

上記第１の局面による粉体測定システムにおいて、好ましくは、制御部は、粉体層の特性を表す指標である粘度に基づいて、粉体の粒子間エネルギーまたは凝集粒子数を求める。このように構成すれば、粉体層の特性を表す指標である粘度を特徴付ける原因となる粉体粒子の凝集作用を、粒子間エネルギーまたは凝集粒子数を求めることにより評価することができる。

上記第１の局面による粉体測定システムにおいて、好ましくは、収容容器と、攪拌翼と、検出部とを備えた分析装置と、制御部を備えるとともに、分析装置に通信可能に接続されるコンピュータとを備え、コンピュータの制御部は、検出部から攪拌翼にかかる荷重を分析装置から受信して、受信した荷重に基づいて粉体層の特性を表す指標を粘度として求める。このように構成すれば、攪拌翼が収容容器の粉体中を下降しながら粉体を上方に押し上げる方向に攪拌するときの攪拌翼にかかる荷重に基づいて、粘度を求める粉体測定システムを、分析装置とコンピュータとにより構築することができる。

この発明の第２の局面による粉体測定方法は、通気装置により空気が供給される収容容器に収容される粉体により形成された粉体層を、粉体と空気との気固二相系の状態において、下降しながら粉体を上方に押し上げる方向に攪拌する攪拌翼にかかる荷重を検出するステップと、検出された攪拌翼にかかる荷重に基づいて、粉体層の特性を表す指標を粘度として求めるステップとを備えている。

この第２の局面による粉体測定方法では、上記のように、検出された攪拌翼にかかる荷重に基づいて、粉体層の特性を表す指標を粘度として求めることによって、粉体層の流動性（挙動）を表す一つの指標である粘度を得ることができる。その結果、粉体を輸送する際の輸送方法や、粉体を大型のプラントなどで混合する際の混合方法などを設計する場合に重要となる粉体層の動的な挙動を、粘度を用いて評価することができる。そして、粉体の動的な挙動を予め評価しておくことによって、粉体が用いられるプラントなどにおいてトラブルが発生した場合でも、上記評価に基づいて早急に対応することができる。また、求められた粉体の特性を表す指標である粘度を、固液分散系において確立されている凝集性の評価可能なモデルに適用することによって、粉体粒子の粒子間エネルギーや凝集粒子数などの新たな指標を得ることができる。また、攪拌翼が収容容器の粉体中を下降しながら粉体を上方に押し上げる方向に攪拌することによって、攪拌翼が粉体中を下降しながら粉体を下方に押し下げる方向に攪拌する場合と異なり、攪拌翼の下方側の粉体が攪拌翼により圧縮されることに起因して、攪拌翼にかかる荷重がその圧縮された粉体の影響を受けて大きくなるという不都合が発生するのを抑制することができるので、攪拌翼の周りの攪拌翼によって攪拌される粉体層の荷重を正確に検出することができる。その結果、その正確に検出された攪拌翼の周りの攪拌翼によって攪拌される粉体層の荷重に基づいて、粉体層の粘度を正確に求めることができる。

上記第２の局面による粉体測定方法において、好ましくは、検出された攪拌翼にかかる荷重に基づいて、粉体層の特性を表す指標を粘度として求めるステップは、所定の荷重と粘度との関係式に基づいて、攪拌翼により検出された荷重から粘度を求めるステップを含んでいる。このように構成すれば、検出された攪拌翼にかかる荷重を所定の荷重と粘度との関係式に代入することによって、容易に、検出された荷重から粉体層の粘度を求めることができる。

上記第２の局面による粉体測定方法において、好ましくは、粉体層の特性を表す指標である粘度に基づいて、粉体の粒子間エネルギーまたは凝集粒子数を求めるステップをさらに備えている。このように構成すれば、粉体層の特性を表す指標である粘度を特徴付ける原因となる粉体粒子の凝集作用を、粒子間エネルギーまたは凝集粒子数を求めることにより評価することができる。

上記粉体層の特性を表す指標である粘度に基づいて粉体の粒子間エネルギーまたは凝集粒子数を求めるステップを備える粉体測定方法において、好ましくは、粉体層の特性を表す指標である粘度に基づいて、粉体の粒子間エネルギーまたは凝集粒子数を求めるステップは、空気中の粉体が、液体中の固体粒子が分散して懸濁状態となったときの特性と実質的に同じ特性を表すものと仮定して、粘度に基づいて、空気中の粉体の粒子間エネルギーまたは凝集粒子数を求めるステップを含んでいる。このように構成すれば、気固二相系における粉体と空気とのサスペンション（懸濁物）に対しても、液体中の固体粒子が分散して懸濁状態となった固液分散系において確立されている凝集性の評価可能なモデルを用いることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の一実施形態による粉体測定システムの全体構成を示した斜視図であり、図２は、図１に示した一実施形態による粉体測定システムの模式図である。図３〜図１３は、図１に示した一実施形態による粉体測定システムの構成を説明するための図である。まず、図１〜図１３を参照して、本発明の一実施形態による粉体測定システム１の構成について説明する。

本発明の一実施形態による粉体測定システム１は、乾燥粉体層の流動性を評価するシステムであり、乾燥粉体層の流動性を表す指標として粘度を求めるシステムである。つまり、本実施形態による粉体測定システム１は、空気（気体）と乾燥粉体（固体）との気固二相系におけるサスペンション（懸濁物）の粘度を求めるシステムである。さらに、この粉体測定システム１は、乾燥粉体層の流動性を表す指標である粘度に基づいて、乾燥粉体の粒子間に働く粒子間結合エネルギーと凝集粒子数とを求める機能も有している。なお、測定用試料の乾燥粉体としては、シリカ（日本触媒製、ＫＥ−Ｐ１５０、粒子径：１．５８μｍ、比重：２．０）が用いられる。粉体測定システム１は、図１および図２に示すように、粉体測定装置１０と、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）２０と、コンプレッサー３０と、コンプレッサー３０にチューブ２を介して接続される空気流量調節部４０とにより構成されている。

粉体測定装置１０は、後述する収容容器１１に収容される空気と乾燥粉体との気固二相系におけるサスペンション（懸濁物）の軸トルク荷重Ｔ（ｍＮｍ）を求めるために設けられている。また、粉体測定装置１０には、パーソナルコンピュータ２０が有線（または無線）による通信ができるように接続されており、粉体測定装置１０により測定される軸トルク荷重Ｔや圧力（重量）、その他各種のデータを相互に通信している。この粉体測定装置１０は、乾燥粉体を収容するための収容容器１１と、攪拌部１２と、エアレータ１３と、本体部１４とを備えている。

収容容器１１は、測定用試料の乾燥粉体を収容するために設けられている。この収容容器１１は、円筒形状に形成されており、５０．０ｍｌの容量、２５．０ｍｍの内径および５０．０ｍｍの高さ有している。また、収容容器１１は、後述するエアレータ１３から送り込まれる空気を収容容器１１に収容される乾燥粉体に送り込むことが可能なように、エアレータ１３に設置されている。

ここで、本実施形態では、攪拌部１２は、図３に示すように、回転軸１２１と、回転軸１２１に取り付けられる攪拌翼１２２とを有しており、この攪拌翼１２２は、乾燥粉体が収容される収容容器１１に対して上下方向に移動可能に、かつ、図２および図３の矢印Ａ方向に回転可能に構成されている。したがって、本実施形態では、攪拌部１２の攪拌翼１２２が収容容器１１の乾燥粉体層中を下降しながら図２および図３の矢印Ａ方向に回転すると、乾燥粉体層を上方に押し上げる方向に攪拌する。具体的には、図４に示すように、攪拌翼１２２が図４の矢印Ａ方向に回転すると、攪拌翼１２２の上面１２２ａ側に位置する乾燥粉体層が、攪拌翼１２２の上面１２２ａにより、上方に押し上げられるように攪拌される。また、攪拌翼１２２は、図２および図３に示すように、Ｄ（＝２３．５ｍｍ）の大きさの直径および５．０ｍｍの高さを有しており、２５．０ｍｍの内径を有する円筒形状の収容容器１１に挿入可能に形成されている。また、攪拌翼１２２は、収容容器１１の底面からの高さＨ（図２および図４参照）の高さ範囲（底面５ｍｍ〜上部５０ｍｍ）の間を移動可能に構成されている。

エアレータ１３は、乾燥粉体が収容される収容容器１１の底部側に設けられるとともに、２本のチューブ３を介して空気流量調節部４０に接続されている。このエアレータ１３は、空気流量調節部４０により流量が調整されたコンプレッサー３０からの空気により、収容容器１１に収容される乾燥粉体の固体体積分率φ（＝（収容容器１１内の乾燥粉体の重量（ｇ）／比重（ｇ／ｍｌ））／収容容器の容量（ｍｌ））を調節するために設けられている。つまり、コンプレッサー３０から供給され、空気流量調節部４０により流量が調整された空気を、エアレータ１３を介して収容容器１１の底部から収容容器１１に収容される乾燥粉体に供給することによって、乾燥粉体の粒子間の距離を変化させて、乾燥粉体のつまり具合を示す固体体積分率φを変化させている。具体的には、エアレータ１３から収容容器１１の乾燥粉体に、０（ｌ／ｍｉｎ）、１（ｌ／ｍｉｎ）、および２（ｌ／ｍｉｎ）の流量の空気を供給することによって、乾燥粉体の固体体積分率φを、それぞれ、０．３４４、０．３０２、および０．２５７に調整することが可能となる。また、エアレータ１３は、図５に示すように、収容容器１１を設置するための設置部１３１と、コンプレッサー３０から空気流量調節部４０を介して供給される空気を導入するためのチューブ３が取り付けられる導入部１３２と、導入部１３２から導入される空気を収容容器１１に収容される乾燥粉体に送り込むための複数の導風孔１３３ａが設けられた導風部１３３とを備えている。

本体部１４は、図６に示すように、粉体測定装置１０の上部に配置されており、制御部１４１と、駆動回路１４２と、上下駆動部１４３と、回転駆動部１４４と、トルク検出部１４５と、重量検出部１４６とを含んでいる。

また、制御部１４１は、駆動回路１４２を介して、上下駆動部１４３を制御することにより攪拌部１２の攪拌翼１２２の上下動作を制御するとともに、回転駆動部１４４を制御することにより攪拌翼１２２の回転動作を制御する機能を有している。また、制御部１４１は、上下駆動部１４３を駆動するための上下駆動用パルス信号をパーソナルコンピュータ２０に送信する機能も有している。この制御部１４１は、図７に示すように、ＲＯＭ１４１ａと、ＣＰＵ１４１ｂと、ＲＡＭ１４１ｃと、入出力インターフェイス１４１ｄとから構成されている。

また、ＲＯＭ１４１ａには、オペレーティングシステム、粉体測定装置１０の測定動作を制御するための制御プログラム、および、制御プログラムの実行に必要なデータ（上下駆動用パルス信号や回転駆動用パルス信号など）が格納されている。また、ＣＰＵ１４１ｂは、ＲＯＭ１４１ａに格納される制御プログラムをＲＡＭ１４１ｃにロードしたり、ＲＯＭ１４１ａから直接実行したりするために設けられている。これにより、ＣＰＵ１４１ｂが、制御プログラムを実行することにより、粉体測定装置１０の測定動作の制御を行うことが可能となる。そして、ＣＰＵ１４１ｂが処理したデータは、入出力インターフェイス１４１ｄを介して、粉体測定装置１０の各部、または、パーソナルコンピュータ２０へと送信され、ＣＰＵ１４１ｂの処理に必要なデータは、粉体測定装置１０の各部、または、パーソナルコンピュータ２０から入出力インターフェイス１４１ｄを通じて受信される。具体的には、ＣＰＵ１４１ｂは、予めＲＯＭ１４１ａに記憶された上下駆動用パルス信号を呼び出して、入出力インターフェイス１４１ｄおよび駆動回路１４２を介して、上下駆動部１４３に送信するとともに、予めＲＯＭ１４１ａに記憶された回転駆動用パルス信号を呼び出して、入出力インターフェイス１４１ｄおよび駆動回路１４２を介して、回転駆動部１４４に送信する機能を有している。さらに、ＣＰＵ１４１ｂは、上下駆動部１４３に送信した上下駆動用パルス信号と、トルク検出部１４５により検出される軸トルク荷重ＴとをＲＡＭ１４１ｃに記憶する機能も有している。

また、上下駆動部１４３は、攪拌部１２の攪拌翼１２２を上下方向に移動させるために設けられている。具体的には、上下駆動部１４３が、ＣＰＵ１４１ｂによりＲＯＭ１４１ａから呼び出された上下駆動用パルス信号を受信することにより、上下駆動部１４３に取り付けられる攪拌部１２の攪拌翼１２２が上下方向に移動する。これにより、攪拌翼１２２が収容容器１１に収容される乾燥粉体中を下降または上昇することが可能となる。

また、回転駆動部１４４は、攪拌部１２の攪拌翼１２２を回転させるために設けられている。具体的には、回転駆動部１４４が、ＣＰＵ１４１ｂによりＲＯＭ１４１ａから呼び出された回転駆動用パルス信号を受信することにより、回転駆動部１４４に取り付けられる攪拌部１２の回転軸１２１が回転する。これにより、回転軸１２１に取り付けられる攪拌翼１２２が回転するので、収容容器１１に収容される乾燥粉体を攪拌することが可能となる。また、本実施形態では、回転駆動部１４４により、攪拌部１２の攪拌翼１２２の回転速度πＮＤ（ｍｍ／ｓ）が、５（ｍｍ／ｓ）、２０（ｍｍ／ｓ）、４０（ｍｍ／ｓ）、８０（ｍｍ／ｓ）、１００（ｍｍ／ｓ）に制御される。なお、Ｎ（１／ｓ）は攪拌翼１２２の回転数である。また、本実施形態では、上下駆動部１４３が攪拌翼１２２を下降させる際に、回転駆動部１４４は、攪拌翼１２２が収容容器１１の乾燥粉体を上方に押し上げる方向（図２および図３の矢印Ａ方向）に回転するように構成されている。

また、トルク検出部１４５は、収容容器１１に収容される乾燥粉体が攪拌翼１２２によって攪拌されるときに、攪拌翼１２２にかかる軸トルク荷重Ｔを検出するために設けられている。このトルク検出部１４５によって検出される軸トルク荷重Ｔは、制御部１４１の入出力インターフェイス１４１ｄを介してＲＡＭ１４１ｃに記憶される。また、重量検出部１４６は、収容容器１１に収容される乾燥粉体が攪拌翼１２２によって攪拌されるときに、乾燥粉体に加わる垂直荷重を検出するために設けられている。したがって、この粉体測定装置１０では、攪拌部１２の攪拌翼１２２を乾燥粉体中で回転させることによって、軸トルク荷重Ｔと垂直荷重とを検出することが可能となる。

パーソナルコンピュータ２０は、粉体測定装置１０と有線または無線による通信ができるように接続されており、粉体測定装置１０のトルク検出部１４５により検出された軸トルク荷重Ｔを受信して、受信した軸トルク荷重Ｔに基づいて乾燥粉体層の特性（流動性）を表す指標を粘度η（Ｐａ・ｓ）として求める機能を有している。さらに、本実施形態によるパーソナルコンピュータ（ＰＣ）２０は、求められた粘度に基づいて、乾燥粉体の粒子間に働く粒子間結合エネルギーＦ_０（Ｊ）と凝集粒子数ｎとを求める機能も有している。パーソナルコンピュータ２０は、図１および図８に示すように、本体部２１と、表示部２２と、入力部２３とから構成されている。

本体部２１は、図８に示すように、ＲＯＭ２１１と、ＣＰＵ２１２と、ＲＡＭ２１３と、ハードディスク２１４と、読出装置２１５と、入出力インターフェイス２１６と、画像出力インターフェイス２１７とにより構成されており、それらの間はバス２１８によってデータ通信可能に接続されている。

ＲＯＭ２１１は、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭなどにより構成されている。また、ＣＰＵ２１２は、ＲＡＭ２１３にロードされた後述するハードディスク２１４の粉体分析用アプリケーションプログラム２１４ａを実行するために設けられている。これにより、ＣＰＵ２１２が、粉体分析用アプリケーションプログラム２１４ａを実行することによって、粉体測定装置１０から送信された軸トルク荷重Ｔに基づいて粘度ηを求めるとともに、その粘度ηに基づいて粒子間結合エネルギーＦ_０および凝集粒子数ｎを求めることが可能となる。また、ＣＰＵ２１２は、粉体測定装置１０の制御部１４１により送信された上下駆動用パルス信号に基づいて、攪拌部１２の攪拌翼１２２の高さＨを算出する機能も有している。また、ＲＡＭ２１３は、ＳＲＡＭまたはＤＲＡＭなどにより構成されており、ＲＯＭ２１１および後述するハードディスク２１４に記憶されているコンピュータプログラムや粉体分析用アプリケーションプログラム２１４ａの読み出しに用いられる。また、ＲＡＭ２１３は、ハードディスク２１４に記憶される粉体分析用アプリケーションプログラム２１４ａを実行する場合に、ＣＰＵ２１２の作業領域として利用される。

ハードディスク２１４は、オペレーティングシステム、後述する粉体を分析するための粉体分析用アプリケーションプログラム２１４ａ、および、粉体分析用アプリケーションプログラム２１４ａの実行に必要なデータがインストールされている。また、読出装置２１５は、フレキシブルディスクドライブ、ＣＤ−ＲＯＭドライブ、ＤＶＤ−ＲＯＭドライブなどにより構成されており、可搬型記録媒体４に記憶されたコンピュータプログラムまたはデータを読み出すことが可能である。これにより、たとえば、読出装置２１５を用いて可搬型記録媒体４から粉体分析用アプリケーションプログラム２１４ａを読み出し、その読み出された粉体分析用アプリケーションプログラム２１４ａをハードディスク２１４にインストールすることが可能である。なお、粉体分析用アプリケーションプログラム２１４ａやその他のパーソナルコンピュータ２０で用いられるコンピュータプログラムは、可搬型記録媒体４によって提供されるのみならず、本実施形態によるパーソナルコンピュータ２０と通信可能に接続された外部のＰＣなどから電気通信回線（有線、無線を問わない）を通じて提供されることも可能である。たとえば、粉体分析用アプリケーションプログラム２１４ａがインターネット上のサーバコンピュータのハードディスク内に格納されており、このサーバコンピュータに本実施形態によるパーソナルコンピュータ２０が電気通信回線を通じてアクセスするとともに粉体分析用アプリケーションプログラム２１４ａをダウンロードして、このダウンロードした粉体分析用アプリケーションプログラム２１４ａをハードディスク２１４にインストールすることも可能である。また、ハードディスク２１４には、たとえば、米マイクロソフト社が製造販売するＷｉｎｄｏｗｓ（登録商標）などのグラフィカルユーザインターフェイス環境を提供するオペレーティングシステムがインストールされている。以下の説明においては、本実施形態による粉体分析用アプリケーションプログラム２１４ａは上記したオペレーティングシステム上で動作するものとしている。

また、入出力インターフェイス２１６は、たとえば、ＵＳＢ、ＩＥＥＥ１３９４、ＲＳ−２３２Ｃなどのシリアルインターフェイスや、ＳＣＳＩ、ＩＤＥ、ＩＥＥＥ１２８４などのパラレルインターフェイス、および、Ｄ／Ａ変換器、Ａ／Ｄ変換器などからなるアナログインターフェイスなどから構成されている。この入出力インターフェイス２１６には、入力部２３が接続されている。また、入出力インターフェイス２１６は、粉体測定装置１０の制御部１４１の入出力インターフェイス１４１ｄと接続されており、粉体測定装置１０で検出された軸トルク荷重Ｔや垂直荷重などをパーソナルコンピュータ２０に入力することが可能である。また、画像出力インターフェイス２１７は、ＬＣＤ（液晶表示装置）またはＣＲＴなどにより構成される表示部２２に接続されており、ＣＰＵ２１２から与えられた画像データに応じた映像信号を表示部２２に出力するように構成されている。

入力部２３は、ユーザが入力部２３を使用することにより、パーソナルコンピュータ２０にデータを入力することが可能なように構成されている。また、表示部２２は、画像出力インターフェイス２１７から入力された映像信号に従って、画像（画面）を表示するために設けられている。具体的には、乾燥粉体層の粘度η、粒子間結合エネルギーＦ_０および凝集粒子数ｎを表示する機能を有している。

ここで、パーソナルコンピュータ２０のハードディスク２１４にインストールされる粉体分析用アプリケーションプログラム２１４ａについて詳細に説明する。この粉体分析用アプリケーションプログラム２１４ａは、粉体測定装置１０のトルク検出部１４５（図６参照）により検出された軸トルク荷重Ｔに基づいて、粘度η、粒子間結合エネルギーＦ_０および凝集粒子数ｎを算出するためのプログラムである。

この粉体分析用アプリケーションプログラム２１４ａは、下記の換算式（１）を用いて、粉体測定装置１０のトルク検出部１４５により検出された軸トルク荷重Ｔを粘度ηに換算している。なお、換算式（１）において、η（Ｐａ・ｓ）は粘度、Ｔ_１（ｍＮ・ｍ）は平均軸トルク荷重、Ｎ（１／ｓ）は攪拌翼１２２の回転数、Ｄ（＝２３．５ｍｍ）は攪拌翼１２２の直径であり、πＮＤ（ｍｍ／ｓ）は回転速度である。
η＝７７０×（Ｔ_１／πＮＤ）・・・（１）

ここで、換算式（１）で用いられる平均軸トルク荷重Ｔ_１の算出方法について詳細に説明する。まず、粉体測定装置１０のエアレータ１３を用いることにより固体体積分率が０．２５７、０．３０２、０．３４４に調節された乾燥粉体について、それぞれ、攪拌部１２の攪拌翼１２２の高さＨに対する、攪拌翼１２２にかかる軸トルク荷重Ｔを取得する。これにより、図９に示すように、攪拌翼１２２の高さＨに対する軸トルク荷重Ｔがプロットされたグラフが作成される。そして、本実施形態では、図９に示すグラフから、攪拌翼１２２の高さＨが約２０ｍｍ〜約３０ｍｍの範囲では、攪拌翼１２２にかかる軸トルク荷重Ｔの変化が少ないと判断して、この約２０ｍｍ〜約３０ｍｍの範囲に位置する間に検出された複数の軸トルク荷重Ｔの平均値である平均軸トルク荷重Ｔ_１を算出する。

次に、上記した平均軸トルク荷重Ｔ_１を粘度ηに換算する換算式（１）について詳細に説明する。まず、粘性の異なる溶液の複数のポリグリセリンおよび複数の水あめに対して、それぞれ、粘度計（トキメック株式会社製）を用いて粘度ηを求めておく。そして、粘度ηが求められたポリグリセリンおよび水あめに対して、本実施形態による粉体測定装置１０を用いて平均軸トルク荷重Ｔ_１を取得する。これにより、図１０に示すように、所定のポリグリセリンおよび水あめの平均軸トルク荷重Ｔ_１と粘度ηとの関係がプロットされたグラフが作成される。そして、ポリグリセリンおよび水あめの平均軸トルク荷重Ｔ_１と粘度ηとの関係は、図１０に示したグラフから比例関係にあると推測できるので、ポリグリセリンおよび水あめの粘度ηを平均軸トルク荷重Ｔ_１の一次式として上記の換算式（１）が算出される。

次に、乾燥粉体の平均軸トルク荷重Ｔ_１と粘度ηとが、上記の換算式（１）のように比例関係を示すことを詳細に説明する。一般的な攪拌系での動力数Ｎ_ｐ（Ｗ）は、圧力Ｐ（Ｎ／ｍ^２）、攪拌翼によって攪拌される液の密度ρ_１（ｋｇ／ｍ^３）、回転数Ｎおよび攪拌翼の直径Ｄを用いて、下記の式（２）を満たすことが知られている。
Ｎ_ｐ＝Ｐ／（ρ_１×Ｎ^３×Ｄ^５）・・・（２）
また、圧力Ｐと軸トルク荷重Ｔとの関係から、上記式（２）は、下記の式（３）のように示される。
Ｎ_ｐ∝Ｔ／（ρ_１×Ｎ^２×Ｄ^５）・・・（３）
ところで、本実施形態の攪拌翼１２２の周りの乾燥粉体の流動状態は、滑らかな流れであると観察されたので、層流であると考えられる。ここで、層流状態における動力数Ｎ_ｐがレイノルズ数Ｒｅの逆数Ｒｅ^−１と比例関係になることが知られているため、動力数Ｎ_ｐとレイノルズ数Ｒｅの逆数Ｒｅ^−１とは、下記の関係式（４）を満たす。
Ｎ_ｐ∝Ｒｅ^−１・・・（４）
また、レイノルズ数Ｒｅの逆数Ｒｅ^−１は、粘度η、攪拌翼によって攪拌される液の密度ρ_１、回転数Ｎおよび攪拌翼の直径Ｄを用いて、下記の式（５）を満たすことが知られている。
Ｒｅ^−１＝η／（ρ_１×Ｎ×Ｄ^２）・・・（５）
そして、上記式（４）に、上記式（５）を代入すると、下記の式（６）のようになる。
Ｎ_ｐ∝η／（ρ_１×Ｎ×Ｄ^２）・・・（６）
上記式（６）と式（３）とから次の式（７）が導かれる。
η／（ρ_１×Ｎ×Ｄ^２）∝Ｔ／（ρ_１×Ｎ^２×Ｄ^５）・・・（７）
この式（７）の両辺に（ρ_１×Ｎ×Ｄ^２）を掛けると、以下の式（８）が導かれる。
η∝Ｔ／Ｎ×Ｄ^３・・・（８）
したがって、上記式（８）により、粘度ηと軸トルク荷重Ｔとが比例関係にあることが理論上裏付けられる。

また、粉体分析用アプリケーションプログラム２１４ａは、下記の式（９）を用いて、換算式（１）に基づいて算出された粘度ηから粒子間結合エネルギーＦ_０および凝集粒子数ｎを求めている。なお、下記の式（９）において、α_１（＝０．５８）はブラウン凝集速度定数、ｋはボルツマン係数（＝１．３８×１０^−２３（Ｊ／Ｋ））、Ｋ（＝２９８（Ｋ））は絶対温度、Ｎ_０（＝１．２４×１０^１７）は単位体積あたりの粒子数、η_０，_ｍｉｎ（＝０．０４７）は仮想分散媒粘度、α_２（＝０．６）は剪断凝集速度定数、φ（＝０．２５７、０．３０２、０．３４４）は固体体積分率、ｎは凝集粒子数、γ_１は剪断速度、ｄ_０（＝１．５８μｍ）は乾燥粉体（シリカ）の粒子径、Ｆ_０（Ｊ）は粒子間結合エネルギー、Ｎ_ｂはクラスター破壊の切断鎖数、εはクラスター内ボイド率、ηは乾燥粉体の粘度である。
ｄｎ／ｄｔ＝（４・α_１・ｋ・Ｋ・Ｎ_０／３・η_０，_ｍｉｎ）＋（４・α_２・φ・ｎ・γ_１／π）−（３・π・ｄ_０ ^３・ｎ／４・Ｆ_０・Ｎ_ｂ）・（ｎ／（１−ε）−１）・η・γ_１ ^２・・・（９）
この上記式（９）は、液体中の固体粒子が分散して懸濁状態となった固液分散系における固体粒子の凝集性を評価するための式（薄井 洋基、２０００年）であり、“Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ Ｒｈｅｏｌｏｇｙ ｉｎ Ｄｅｎｓｅ Ｓｌｕｒｒｉｅｓ”、Ｈｉｒｏｍｏｔｏ Ｕｓｕｉ、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｊａｐａｎ、ｖｏｌ．３５、Ｎｏ．９、ｐｐ８１５−８２９、２００２に掲載されている。そして、固液分散系における固体粒子の凝集性を評価する式を、気体中に固体粒子が分散された気固二相系に適用するのは今回がはじめてである。

クラスターの生成には、ブラウン凝集と剪断凝集が寄与し、攪拌翼１２２により剪断される剪断流中においては、クラスターに働く流体力学的力により剪断破壊が生じる。そのため、式（９）は、ブラウン凝集項（＝（４・α_１・ｋ・Ｔ・Ｎ_０／３・η_０））、剪断凝集項（＝（４・α_２・φ・ｎ・γ_１／π））および剪断破壊項（＝（３・π・ｄ_０ ^３・ｎ／４・Ｆ_０・Ｎ_ｂ）・（ｎ／（１−ε）−１）・η・γ_１ ^２）から構成されている。そして、上記式（９）の左辺ｄｎ／ｄｔ＝０として、計算することによって、粒子間結合エネルギーＦ_０および凝集粒子数ｎが算出される。また、上記式（９）中の、クラスター内ボイド率εは、凝集粒子数ｎが十分大きいときのクラスター内ボイド率ε，_ｍａｘと、凝集粒子数ｎとを用いた下記の式（１０）より定義されている。また、下記式（１０）中の、凝集粒子数ｎが十分大きいときのクラスター内ボイド率ε，_ｍａｘは、下記式（１１）のように定義される。この下記式（１１）中の、φ，_ｍａｘは、粒子の最大充填率（最大固体体積分率）であり、本実施形態では、ガラス容器に乾燥粉体を最大に充填した場合での、乾燥粉体の重さから求めた充填率の実測値を、粒子の最大充填率（最大固体体積分率）φ，_ｍａｘ（＝０．４５３）とする。
ε＝ε，_ｍａｘ（１−ｎ^−０．４）・・・（１０）
ε，_ｍａｘ＝１−φ／φ，_ｍａｘ・・・（１１）

ここで、固液分散系における固体粒子の凝集性を評価する式（９）を、本実施形態による乾燥粉体と空気との気固二相系におけるサスペンション（懸濁物）に適用可能であることを詳細に説明する。一般的に、固液分散系における液体中で攪拌翼の剪断速度を増大させることに伴って、固液分散系における液体の粘度が低下するＳｈｅａｒ−ｔｈｉｎｉｇ現象が発生することが知られている。このＳｈｅａｒ−ｔｈｉｎｉｇ現象は、液体中を回転する攪拌翼の剪断速度γ_１（回転速度πＮＤ）が増大することによって、凝集状態にある粒子の結合が外れ、液体中の固体粒子の間に力が働かなくなることに起因して発生する。そこで、本実施形態の粉体測定システム１のエアレータ１３を用いて固体体積分率φが０．２５７、０．３０２、０．３４４に制御された乾燥粉体について、それぞれ、攪拌翼１２２の剪断速度γ_１（回転速度πＮＤ）における粘度ηを上記式（１）を用いて算出する。なお、剪断速度γ_１は、下記の式（１２）により定義され、上記式（１）の攪拌翼１２２の回転速度πＮＤと対応している。すなわち、攪拌翼１２２の回転速度πＮＤ（ｍｍ／ｓ）である５（ｍｍ／ｓ）、２０（ｍｍ／ｓ）、４０（ｍｍ／ｓ）、８０（ｍｍ／ｓ）、１００（ｍｍ／ｓ）は、それぞれ、剪断速度γ_１の０．０６８（１／ｓ）、０．２７１（１／ｓ）、０．５４２（１／ｓ）、１．０８４（１／ｓ）、１．３５５（１／ｓ）に対応する。
γ_１＝（攪拌翼１２２の回転数／攪拌翼１２２の外周長さ）＝Ｎ／πＤ・・・（１２）

これにより、図１１に示すように、攪拌翼１２２の剪断速度γ_１に対する粘度ηがプロットされたグラフが作成される。そして、図１１に示すグラフから、本実施形態による粉体測定システム１に用いられる乾燥粉体についても、攪拌翼１２２の剪断速度γ_１を増大させることに伴って、乾燥粉体の粘度ηが低下していると判断することが可能である。これにより、エアレータ１３により固体体積分率が０．２５７、０．３０２、０．３４４に制御された気固二相系におけるサスペンション（乾燥粉体と空気との懸濁物）にも、固液分散系における液体に典型的に見られるＳｈｅａｒ−ｔｈｉｎｉｇ現象が生じていると判断することが可能である。したがって、本実施形態では、乾燥粉体が、液体中の固体粒子が分散して懸濁状態となった固液分散系の液体の特性と実質的に同じ特性を表すので、粘度に基づいて、乾燥粉体の粒子間結合エネルギーまたは凝集粒子数を求める上記式（９）が適用可能である。

また、上記式（９）を用いるに際に、代入される仮想的分散媒粘度η_０，_ｍｉｎについて詳細に説明する。この仮想的分散媒粘度η_０，_ｍｉｎは、分散媒が水である場合には水の粘度（約０．８×１０^−３〜約０．９×１０^−３）が用いられ、本実施形態のように分散媒が空気である場合には空気の粘度（０）が用いられる。ここで、本実施形態では、乾燥粉体の凝集および乾燥粉体の粒子の存在による粘度への影響がない仮想的分散媒粘度η_０，_ｍｉｎ（＝０．０４７）を用いる。この仮想的分散媒粘度η_０，_ｍｉｎの導出方法を以下に詳細に説明する。

まず、エアレータ１３により固体体積分率φが０．２５７、０．３０２、０．３４４に調節された乾燥粉体中を、回転速度８０（ｍｍ／ｓ）の攪拌翼１２２を下降させることにより、固体体積分率φが０．２５７、０．３０２、０．３４４に調節された乾燥粉体のそれぞれの粘度ηを求める。これにより、図１２に示すように、固体体積分率φと粘度ηとの関係を示したグラフが作成される。この図１２に示したグラフにおいてプロットされた粘度ηに基づいて、Ｓｉｍｈａのセルモデルに適用されるＳｉｍｈａの方程式（１３）〜（１６）に沿った線を描く。このＳｉｍｈａの方程式（１３）は、希薄な分散系に対して理論的に導かれた下記に示したＥｉｎｓｔｅｉｎの式（１７）を拡張したものであり、高濃度の条件下では、濃度に対する固体体積分率φの依存性が高くなるため、その依存性を補正する式（１４）中の補正項λ（γ）を有している。なお、式（１３）〜式（１６）中、ｆ^３はセル合計の体積分率であり、γはセル半径と粒子半径との比である。
η_ｒ＝η／η_０＝１＋２．５・λ（γ）・φ・・・（１３）
λ（γ）＝４（１−γ^７）／４（１＋γ^１０）−２５・γ^３（１＋γ^４）＋４２・γ^５・・・（１４）
γ^３＝φ／ｆ（１−（φ^１／３／ｆ））^３・・・（１５）
φ，_ｍａｘ＝ｆ^３／８・・・（１６）
η_ｒ＝１＋２．５・φ・・・（１７）

図１２に示したグラフに描かれたＳｉｍｈａの方程式（１３）に沿った線から、攪拌翼１２２の回転速度８０（ｍｍ／ｓ）、固体体積分率０における粘度η_０（８０）を算出する。この固体体積分率０とは、収容容器中に空気のみ収容されている状態を示しており、攪拌翼１２２の回転速度８０（ｍｍ／ｓ）における分散媒である空気の仮想的分散媒粘度η_０（８０）が導かれる。したがって、上記式（１３）が、上記式（１４）〜上記式（１６）により、図１２に示すように描かれる。

さらに、攪拌翼１２２の回転速度８０（ｍｍ／ｓ）以外の回転速度５（ｍｍ／ｓ）、２０（ｍｍ／ｓ）、４０（ｍｍ／ｓ）、１００（ｍｍ／ｓ）についても、同様に、仮想的分散媒粘度η_０（５）、η_０（２０）、η_０（４０）、η_０（１００）を導く。これにより、図１３に示すように、攪拌翼１２２の回転速度πＮＤ（５（ｍｍ／ｓ）、１０（ｍｍ／ｓ）、２０（ｍｍ／ｓ）、４０（ｍｍ／ｓ）、１００（ｍｍ／ｓ））に対する、固体体積分率０とした場合の空気の仮想的分散媒粘度η_０がプロットされたグラフが作成される。この図１３に示したグラフにプロットされた５つの仮想的分散媒粘度η_０（η_０（５）、η_０（２０）、η_０（４０）、η_０（８０）、η_０（１００））について、近似曲線（減衰曲線）を描くことによって、下記の式（１８）が導出される。
η_０＝ａ・（πＮＤ）^ｂ＋０．０４７・・・（１８）
なお、上記式（１８）中のａおよびｂは、近似曲線を導き出す際に求められた係数であり、それぞれ、正の数および負の数である。そして、攪拌翼１２２の回転速度が遅ければ乾燥粉体の粒子間の凝集作用が大きくなり、攪拌翼１２２の回転速度が速ければ乾燥粉体の粒子間の凝集作用が小さくなると推測すると、攪拌翼１２２の回転速度が高速になるに伴って乾燥粉体の粒子間の作用が小さくなり、攪拌翼１２２の高速回転の条件下で得られる仮想的分散媒粘度η_０，_ｍｉｎ（＝０．０４７）が、乾燥粉体の凝集および乾燥粉体の粒子の存在による粘度への影響が少ない仮想的な粘度として導出される。

ここで、粒子間結合エネルギーＦ_０および凝集粒子数ｎの算出方法について詳細に説明する。まず、上記式（１１）に、最大充填率（最大固体体積分率）φ，_ｍａｘ（＝０．４５３）と、固体体積分率φ（＝０．２５７、０．３０２、０．３４４）とを代入することによって、ε，_ｍａｘを求める。そして、この求められたε，_ｍａｘと、仮定した凝集粒子数ｎ（＝２）の初期値とを、上記式（１０）に代入することにより、クラスター内ボイド率εを求める。さらに、算出されたクラスター内ボイド率εと、凝集粒子数ｎと、乾燥粉体（シリカ）の粒子径ｄ_０とを用いて、以下の式（１９）で定義されるクラスター径ｄ_ｃを算出する。
ｄ_ｃ＝ｄ_０・（ｎ／（１−ε））^１／３・・・（１９）
また、上記式（１９）により求められたクラスター径ｄ_ｃと、単位体積あたりのクラスター数Ｎ_ｃとを用いて、見かけの固体体積分率φを求める。なお、本実施形態では、クラスター内にクラスターが浮遊している溶媒が入り込み、そのクラスターが１つの粒子として振舞うため、実測された固体体積分率とは異なる、見かけの固体体積分率φを用いている。具体的には、クラスター径ｄ_ｃと、単位体積あたりのクラスター数Ｎ_ｃとにより定義される下記の式（２０）を用いて、見かけの固体体積分率φを算出する。
φ＝Ｎ_ｃ×（π・ｄ_ｃ ^３／６）・・・（２０）
なお、上記式（２０）中で用いられる単位体積あたりのクラスター数Ｎ_ｃは、単位体積あたりの粒子数Ｎ_０と、１つのクラスターに含まれる凝集粒子数ｎとにより、以下の式（２１）を満たす。
Ｎ_ｃ＝Ｎ_０／ｎ・・・（２１）

そして、上記式（２０）により求められた見かけの固体体積分率φを用いて、Ｓｉｍｈａの方程式（１３）〜（１６）から粘度ηを求める。具体的には、実測の最大充填率（最大固体体積分率）φ，_ｍａｘ（＝０．４５３）を上記式（１６）に代入することにより、セル合計の体積分率ｆ^３を算出する。そして、見かけの固体体積分率φと、算出されたセル合計の体積分率ｆ^３とを、上記式（１５）に代入することにより、セル半径と粒子半径との比γを求める。さらに、その求められたγを、上記式（１４）に代入するとともに、γが代入された補正項λ（γ）を、上記式（１３）に代入することにより、粘度ηが求められる。この計算された粘度ηと、本実施形態の粉体測定システム１により検出された軸トルク荷重Ｔから求められた粘度ηとが実質的に一致するまで、凝集粒子数ｎを増加させ、上記した計算を繰り返す。これにより、粉体測定システム１により検出された軸トルク荷重Ｔから求められた粘度ηに基づいた凝集粒子数ｎが決定される。さらに、決定された凝集粒子数ｎに基づき、上記式（９）から粒子間結合エネルギーＦ_０を求める。一旦、粒子間結合エネルギーＦ_０が求められると、その粉体が種々の条件で調整され、取り扱われる際の粉体層の流動性を事前に評価することが可能となる。すなわち、異なる粉体含有量の粉体層が異なる剪断速度条件下で取り扱われる際の、粉体層の粘度を推算することが可能である。これにより、その粉体を任意の条件で輸送、混合などの操作を行う際の粉体取り扱い機器の設計基礎データを得ることができるようになる。

図１４は、図１に示した一実施形態による粉体測定システムの粉体測定装置の制御部による乾燥粉体の測定フローを示したフローチャートである。次に、図１４を参照して、本発明の一実施形態による粉体測定システム１の粉体測定装置の制御部による乾燥粉体の測定フローについて詳細に説明する。

まず、収容容器１１に乾燥粉体を一定量入れるとともに、収容容器１１に収容される乾燥粉体に対して攪拌部１２の攪拌翼１２２を回転させることにより、乾燥粉体の状態を均一に整える。そして、必要に応じてエアレータ１３から収容容器１１に収容される乾燥粉体へ所定の空気を送ることにより、乾燥粉体を所定の固体堆積分率φとして測定開始準備が整う。

ステップＳ１において、粉体測定装置１０の制御部１４１のＣＰＵ１４１ｂは、パーソナルコンピュータ２０から送信される測定開始信号の受信を待機して、測定開始信号を受信したか否かを判断する。そして、測定開始信号を受信していないと判断した場合には、測定開始信号を受信するまで、ステップＳ１の判断が繰り返される。一方、パーソナルコンピュータ２０からの測定開始信号を受信したと判断した場合には、ステップＳ２において、攪拌部１２の攪拌翼１２２を回転させながら、収容容器１１内へ下降させる。具体的には、ＣＰＵ１４１ｂが予めＲＯＭ１４１ａに記憶された上下駆動用パルス信号を呼び出して、本体部１４の上下駆動部１４３に送るとともに、予めＲＯＭ１４１ａに記憶された回転駆動用パルス信号を呼び出して、本体部１４の回転駆動部１４４に送り、攪拌部１２の攪拌翼１２２を図２および図３の矢印Ａ方向に回転させながら、収容容器１１内へ下降させる。

次に、ステップＳ３において、ＣＰＵ１４１ｂは、上下駆動部１４３へ送信した上下駆動用パルス信号と、トルク検出部１４５から受信した攪拌翼１２２にかかる軸トルク荷重Ｔとを、ＲＡＭに１４１ｃ保存する。そして、ステップＳ４において、ＣＰＵ１４１ｂは、ＲＡＭ１４１ｃに保存された上下駆動用パルス信号と軸トルク荷重Ｔとを呼び出し、パーソナルコンピュータ２０に送信する。次に、ステップＳ５において、ＣＰＵ１４１ｂは、予めＲＯＭ１４１ａに記憶された上下駆動用パルス信号が所定回数に達したときに、攪拌翼１２２を一旦停止させて、上下駆動用パルス信号を再び送り攪拌翼１２２を回転させながら収容容器１１内から上昇させる。その後、ステップＳ６において、ＣＰＵ１４１ｂは、予めＲＯＭ１４１ａに記憶された上下駆動用パルス信号が所定回数に達したときに、攪拌翼１２２の回転動作および上昇動作を停止する。次に、ステップＳ７において、ＣＰＵ１４１ｂは、測定終了信号をパーソナルコンピュータ２０に送信して測定フローを終了する。

図１５は、図１に示した一実施形態による粉体測定システムのＰＣのＣＰＵによるデータ処理フローを示したフローチャートである。図１５を参照して、本発明の一実施形態による粉体測定システム１のパーソナルコンピュータ２０のＣＰＵ２１２によるデータ処理フローについて詳細に説明する。

ステップＳ１１において、パーソナルコンピュータ２０の本体部２１のＣＰＵ２１２は、スタートキーがＯＮになっているか否かを判断する。そして、スタートキーがＯＮになっていないと判断した場合には、スタートキーがＯＮになるまで、ステップＳ１１の判断が繰り返される。一方、スタートキーがＯＮになっていると判断された場合には、ステップＳ１２において、ＣＰＵ２１２が測定開始信号を粉体測定装置１０の本体部１４へ送信する。次に、ステップＳ１３において、ＣＰＵ２１２は、粉体測定装置１０から送信された上下駆動用パルス信号と軸トルク荷重Ｔを受信し、ハードディスク２１４に保存する。次に、ステップＳ１４において、ＣＰＵ２１２は、粉体測定装置１０の本体部１４から測定終了信号を受信したか否かを判断する。そして、ＣＰＵ２１２が測定終了信号を受信していないと判断した場合には、ステップＳ１３の処理が再び行われる。

一方、本実施形態では、ＣＰＵ２１２が測定終了信号を受信したと判断した場合には、ステップＳ１５において、ＣＰＵ２１２は、ハードディスク２１４に保存された上下駆動用パルス信号と軸トルク荷重Ｔを呼び出し、受信した上下駆動用パルス信号の数に基づいて、軸トルク荷重Ｔを平均して、平均軸トルク荷重Ｔ_１を算出する。つまり、攪拌翼１２２の高さＨが、約２０ｍｍ〜約３０ｍｍの範囲に位置する間に検出された複数の軸トルク荷重Ｔの平均値である平均軸トルク荷重Ｔ_１を算出する。

次に、本実施形態では、ステップＳ１６において、ＣＰＵ２１２は、ＲＯＭ２１１に記憶された平均軸トルク荷重Ｔ_１を粘度ηに換算する上記の換算式（１）に基づいて、乾燥粉体層の粘度ηを算出する。次に、ステップＳ１７において、ＣＰＵ２１２は、乾燥粉体層の粘度ηを表示部２２に表示する。そして、ステップＳ１８において、ＣＰＵ２１２は、ステップＳ１６において算出された乾燥粉体層の粘度ηを、粒子間結合エネルギーＦ_０および凝集粒子数ｎに換算する上記の式（９）に基づいて、乾燥粉体の粒子間結合エネルギーＦ_０および凝集粒子数ｎを算出する。その後、ステップＳ１９において、ＣＰＵ２１２は、乾燥粉体の粒子間結合エネルギーＦ_０および凝集粒子数ｎを表示部２２に表示して、データ処理フローの処理を終了する。具体的には、表示部２２は、図１６に示すように、攪拌翼１２２の剪断速度γ_１に対する、粒子間結合エネルギーＦ_０と凝集粒子数ｎとを示したグラフを表示することが可能である。

本実施形態では、上記のように、粉体測定装置１０のトルク検出部１４５により検出された軸トルク荷重Ｔに基づいて、乾燥粉体層の特性を表す指標を粘度ηとして求めるためのパーソナルコンピュータ２０を設けることによって、乾燥粉体層の流動性（挙動）を表す一つの指標である粘度ηを得ることができる。その結果、乾燥粉体を輸送する際の輸送方法や、乾燥粉体を大型のプラントなどで混合する際の混合方法などを設計する場合に重要となる乾燥粉体の動的な挙動を、パーソナルコンピュータ２０によって求められた粘度ηを用いて評価することができる。そして、乾燥粉体層の動的な挙動を予め評価しておくことによって、乾燥粉体が用いられるプラントなどにおいてトラブルが発生した場合でも、上記評価に基づいて早急に対応することができる。また、パーソナルコンピュータ２０によって求められた乾燥粉体層の特性を表す指標である粘度ηを、固液分散系において確立されている凝集性の評価可能なモデル式（９）（薄井 洋基、２０００年）に代入することによって、乾燥粉体粒子の粒子間エネルギーや凝集粒子数などの新たな指標を得ることができる。

また、本実施形態では、攪拌翼１２２が収容容器１１の乾燥粉体層中を下降しながら乾燥粉体を上方に押し上げる方向に攪拌することによって、攪拌翼１２２が乾燥粉体層中を下降しながら乾燥粉体を下方に押し下げる方向に攪拌する場合と異なり、攪拌翼１２２の下方側の乾燥粉体が攪拌翼１２２により圧縮されることに起因して、攪拌翼１２２にかかる軸トルク荷重Ｔがその圧縮された乾燥粉体の影響を受けて大きくなるという不都合が発生するのを抑制することができるので、攪拌翼１２２の周りの攪拌翼１２２によって攪拌される乾燥粉体層の軸トルク荷重Ｔを正確に検出することができる。その結果、その正確に検出された攪拌翼１２２の周りの攪拌翼１２２によって攪拌される乾燥粉体層の軸トルク荷重Ｔに基づいて、乾燥粉体層の粘度ηを正確に求めることができる。

また、本実施形態では、パーソナルコンピュータ２０の本体部２１に、粘度ηが既知であるポリグリセリンや水あめを用いて取得された軸トルク荷重Ｔと粘度ηとの比例関係式（１）を記憶させることによって、トルク検出部１４５により検出された軸トルク荷重Ｔを、軸トルク荷重Ｔと粘度ηとの関係式（１）に代入することによって、容易に、トルク検出部１４５により検出された軸トルク荷重Ｔから乾燥粉体層の粘度ηを求めることができる。

また、本実施形態では、ハードディスク２１４に格納される粉体分析用アプリケーションプログラム２１４ａが用いる上記式（１）に代入される軸トルク荷重Ｔを、攪拌翼１２２が収容容器１１内の２０．０ｍｍ〜３０．０ｍｍの高さ範囲に位置する間に検出される複数の軸トルク荷重Ｔの平均値である平均軸トルク荷重Ｔ_１とすることによって、収容容器１１に収容される乾燥粉体中の攪拌翼１２２の高さ位置によって、攪拌翼１２２にかかる軸トルク荷重Ｔにばらつきがある場合でも、平均軸トルク荷重Ｔ_１を用いて、粘度ηを求めることができる。その結果、収容容器１１に収容される乾燥粉体のつまり具合のばらつきに起因して、求められる粘度ηにばらつきが生じるのを抑制することができる。具体的には、収容容器１１の上部近傍（３０ｍｍ〜５０ｍｍ）で検出される軸トルク荷重Ｔを用いずに、粘度ηを求めることができるので、収容容器１１の上部近傍で検出される軸トルク荷重Ｔが、収容容器１１の上部近傍の乾燥粉体の自由表面の影響により、その小さくなる傾向がある場合でも、小さくなる傾向がある軸トルク荷重Ｔを用いずに、粘度ηを求めることができる。また、収容容器１１の下部近傍（５ｍｍ〜２０ｍｍ）で検出される軸トルク荷重Ｔが、乾燥粉体の圧力により圧縮されることに起因して、その大きくなる傾向がある場合でも、大きくなる傾向がある軸トルク荷重Ｔを用いずに、粘度ηを求めることができる。これらの結果、攪拌翼１２２が収容容器１１の高さ方向の中央部近傍の高さ範囲（２０．０ｍｍ〜３０．０ｍｍ）に位置する間に検出される安定した軸トルク荷重Ｔに基づいて、容易に、より正確な乾燥粉体層の粘度ηを求めることができる。

また、本実施形態では、粉体測定装置１０のトルク検出部１４５により検出された軸トルク荷重Ｔ（平均軸トルク荷重Ｔ_１）に基づいて求められた粘度ηから粒子間結合エネルギーＦ_０および凝集粒子数ｎを求める際に用いられる式（９）で、攪拌翼１２２の高速回転の条件下で得られた仮想的分散媒粘度η_０，_ｍｉｎ（＝０．０４７）を用いることによって、乾燥粉体の凝集および乾燥粉体の粒子の存在による粘度への影響が少ない仮想的な粘度の条件下で、粒子間結合エネルギーＦ_０および凝集粒子数ｎを求めることができる。

また、本実施形態では、図１４に示したステップＳ１の測定開始信号を受信したか否かの判断を行う前の測定開始準備として、収容容器１１に収容される乾燥粉体に対して攪拌部１２の攪拌翼１２２を回転させることにより、乾燥粉体の状態を均一に整えることによって、収容容器１１に収容される乾燥粉体のつまり具合に偏りが生じるの解消することができるので、再現性の良い測定を行うことができる。

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

たとえば、上記実施形態では、乾燥粉体が収容された収容容器に対して、上下方向に移動可能で、かつ、回転可能に構成された攪拌部の攪拌翼を用いる例を示したが、本発明はこれに限らず、攪拌部の攪拌翼を固定させた状態で、乾燥粉体を収容するための収容容器を上下方向に移動可能に、かつ、回転可能に構成してもよい。

また、上記実施形態では、粉体測定装置のトルク検出部により検出された軸トルク荷重から粘度を求めるとともに、求められた粘度から乾燥粉体の粒子間結合エネルギーおよび凝集粒子数を求める例を示したが、本発明はこれに限らず、粉体測定装置のトルク検出部により検出された軸トルク荷重から求められた粘度のみによって、乾燥粉体層の流動性（挙動）を評価してもよい。

また、上記実施形態では、粉体測定装置に通信回線を通じてパーソナルコンピュータ（ＰＣ）を接続させることにより、粉体測定装置で検出された軸トルク荷重をパーソナルコンピュータに送信して、パーソナルコンピュータのＣＰＵにより受信した軸トルク荷重を粘度に換算する例を示したが、本発明はこれに限らず、粉体測定装置と別個に設けずに、粉体測定装置のみにより、軸トルク荷重を検出して粘度を求めるようにしてもよい。

本発明の一実施形態による粉体測定システムの全体構成を示した斜視図である。 図１に示した一実施形態による粉体測定システムの模式図である。 図１に示した一実施形態による粉体測定システムの攪拌部の正面図である。 図１に示した一実施形態による粉体測定システムの攪拌翼と収容容器とを示した模式図である。 図１に示した一実施形態による粉体測定システムのエアレータを示した平面図である。 図１に示した一実施形態による粉体測定システムの粉体測定装置の本体部のブロック図である。 図１に示した一実施形態による粉体測定システムの粉体測定装置の制御部のブロック図である。 図１に示した一実施形態による粉体測定システムのＰＣのブロック図である。 図１に示した一実施形態による粉体測定システムの攪拌翼の高さに対する乾燥粉体の軸トルク荷重を示したグラフである。 図１に示した一実施形態による粉体測定システムの粉体測定装置により検出された軸トルク荷重と粘度計により検出された粘度との関係を示したグラフである。 図１に示した一実施形態による粉体測定システムの粉体測定装置の攪拌翼の剪断速度に対する乾燥粉体の粘度を示したグラフである。 図１に示した一実施形態による粉体測定システムの攪拌翼の回転速度８０ｍｍ／ｓにおける乾燥粉体の固体体積分率と粘度との関係を示したグラフである。 図１に示した一実施形態による粉体測定システムの攪拌翼の回転速度と乾燥粉体の固体体積分率０とした場合の仮想的分散媒粘度との関係を示したグラフである。 図１に示した一実施形態による粉体測定システムの粉体測定装置の制御部による乾燥粉体の測定フローを示したフローチャートである。 図１に示した一実施形態による粉体測定システムのＰＣのＣＰＵによるデータ処理フローを示したフローチャートである。 図１に示した一実施形態による粉体測定システムの攪拌翼の剪断速度に対する凝集粒子数と粒子間結合エネルギーとを示したグラフである。

符号の説明

１ 粉体測定システム
１０ 粉体測定装置（分析装置）
１１ 収容容器
１３ エアレータ（通気装置）
２０ パーソナルコンピュータ（コンピュータ）
２１ 本体部（制御部）
１４５ トルク検出部（検出部）
１２２ 攪拌翼

Claims (12)

1. 粉体を収容するための収容容器と、
   前記収容容器に空気を供給するための通気装置と、
   前記収容容器に対して相対的に上下移動可能でかつ相対的に回転可能であり、前記収容容器に収容された粉体により形成された粉体層を攪拌するための攪拌翼と、
   前記粉体層が前記攪拌翼によって攪拌されるときに、前記攪拌翼にかかる荷重を検出するための検出部と、
   前記攪拌翼が、前記粉体と前記空気との気固二相系の状態において、前記収容容器の粉体層中を下降しながら前記粉体を上方に押し上げる方向に攪拌するときの前記検出部により検出された前記荷重に基づいて、前記粉体層の特性を表す指標を粘度として求めるための制御部とを備える、粉体測定システム。
2. 前記荷重は、前記攪拌翼にかかる軸トルクである、請求項１に記載の粉体測定システム。
3. 前記制御部は、所定の荷重と粘度との関係式に基づいて、前記検出部により検出された前記荷重から前記粘度を求める、請求項１または２に記載の粉体測定システム。
4. 前記所定の荷重と前記粘度との関係式は、比例関係の式である、請求項３に記載の粉体測定システム。
5. 前記粘度を求めるための前記検出部により検出された前記荷重は、前記攪拌翼が前記収容容器内の所定の高さ範囲に位置する間に検出された複数の荷重の平均値である、請求項３または４に記載の粉体測定システム。
6. 前記所定の高さ範囲は、前記収容容器の高さ方向の中央部近傍の所定の高さ範囲である、請求項５に記載の粉体測定システム。
7. 前記制御部は、前記粉体層の特性を表す指標である前記粘度に基づいて、前記粉体の粒子間エネルギーまたは凝集粒子数を求める、請求項１〜６のいずれか１項に記載の粉体測定システム。
8. 前記収容容器と、前記攪拌翼と、前記通気装置と、前記検出部とを備えた分析装置と、
   前記制御部を備えるとともに、前記分析装置に通信可能に接続されるコンピュータとを備え、
   前記コンピュータの制御部は、前記検出部から前記攪拌翼にかかる荷重を前記分析装置から受信して、受信した前記荷重に基づいて前記粉体層の特性を表す指標を粘度として求める、請求項１〜７のいずれか１項に記載の粉体測定システム。
9. 通気装置により空気が供給される収容容器に収容される粉体により形成された粉体層を、前記粉体と空気との気固二相系の状態において、下降しながら前記粉体を上方に押し上げる方向に攪拌する攪拌翼にかかる荷重を検出するステップと、
   検出された前記攪拌翼にかかる荷重に基づいて、前記粉体層の特性を表す指標を粘度として求めるステップとを備えた、粉体測定方法。
10. 前記検出された攪拌翼にかかる荷重に基づいて、前記粉体層の特性を表す指標を粘度として求めるステップは、
    所定の荷重と粘度との関係式に基づいて、前記攪拌翼により検出された前記荷重から前記粘度を求めるステップを含む、請求項９に記載の粉体測定方法。
11. 前記粉体層の特性を表す指標である前記粘度に基づいて、前記粉体の粒子間エネルギーまたは凝集粒子数を求めるステップをさらに備える、請求項９または１０に記載の粉体測定方法。
12. 前記粉体層の特性を表す指標である前記粘度に基づいて、前記粉体の粒子間エネルギーまたは凝集粒子数を求めるステップは、
    空気中の前記粉体が、液体中の固体粒子が分散して懸濁状態となったときの特性と実質的に同じ特性を表すものと仮定して、前記粘度に基づいて、前記空気中の粉体の粒子間エネルギーまたは凝集粒子数を求めるステップを含む、請求項１１に記載の粉体測定方法。

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