JP5511314B2 - 攪拌翼の操作条件検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、撹拌槽内の流体を撹拌翼で撹拌する際における攪拌翼の操作条件を検出するための方法に関するものである。

撹拌槽では、この撹拌槽内の流体（均一系液体、液体中に気体、不均一な液体・個体を含む場合など）を攪拌翼で撹拌することで当該流体を混合している。このような攪拌槽に対する制御技術としては、例えば特開２００５−５２６８７号公報に開示されたものが知られている。

特開２００５−５２６８７号公報

ところで、この種の攪拌槽を用いた混合は、実際の工業分野では大容量の攪拌槽を用いて行われるが、その場合、混合する流体の種類に応じて所望の流動状態を得るために攪拌翼の回転速度やトルクなどの操作条件を適正なものとする必要がある。このような適正な条件を予め決定するために、一般的には、小規模なスケール、つまり実験用の小容量の攪拌槽を用いて当該流体を攪拌する作業を行い、その際に得られた結果に基づいて行われる。

ところで、上記の実験用の攪拌槽（実験機）は、その槽および攪拌翼は汎用的な形状のものが一般的に使用される。一方、実際の工業分野で使用される攪拌機（実用機）では、その槽や攪拌翼の形状が対象とする流体や操作目的に応じた特殊な形状、例えば経験的に決められた形状である場合が殆どである。このため、実験機で得た結果をそのままスケールアップしただけでは、実用機のための適正な操作条件を得ることが困難である。

一般にスケールアップは操作目的に応じて攪拌レイノルズ数、単位液質量当りの動力、翼先端速度などを基準に行われる。このうち、撹拌レイノルズ数と翼先端速度は、流体の物性ならびに翼形状から求めることができるが、単位液質量当りの動力は、攪拌翼の形態（形状）に依存する。そして、実用機に使用される攪拌翼が一般的な形状であればその翼の動力曲線や動力相関式が既知であるために単位液質量当りの動力を求めることが容易であるものの、特殊な形状である場合には当該攪拌翼の動力曲線や動力相関式を求めるためにトルクを実測する必要があり、そのための計測を繰り返し行うため、計測に時間がかかり、この値を求めるためには極めて作業能率が悪かった。
ところがスケールアップにおいては、単位液質量当りの動力は特に重要であり、例えば複数の液体を混合する攪拌や液中に個体粒子を浮遊させる撹拌等においてはスケールアップの成否に大きな影響を与える。

以上に鑑み、本発明は、所要の流体を実験機において攪拌するだけで当該流体を実用機において、高効率に攪拌する際の必要なデータを得ることができる方法を提供することを課題とする。

本発明は、撹拌槽内の流体を撹拌翼で撹拌する際の攪拌翼の操作条件を検出するための方法であって、前記攪拌槽の攪拌に要する所望の単位液質量当りの動力（Ｐｖ-set）を設定するステップ、前記攪拌翼による攪拌により生じる実際の単位液質量当りの動力（Ｐｖ-real）を求めるステップ、前記実際の単位液質量当りの動力（Ｐｖ-real）が前記所望の単位液質量当りの動力（Ｐｖ-set）に一致するまで前記攪拌翼の回転数を上げるステップ、前記実際の単位液質量当りの動力（Ｐｖ-real）が前記所望の単位液質量当りの動力（Ｐｖ-set）に一致した時の少なくとの前記攪拌翼の回転数から最適な操作条件を求めるステップを有してなることを特徴とする。
また、前記実際の単位液質量当りの動力（Ｐｖ-real）が、前記攪拌翼の回転速度Ｎ（Ｓ^−１）とトルクＴ（Ｎｍ）、前記攪拌槽内の流体の体積Ｖ（ｍ^３）、前記流体の密度ρ（ｋｇ／ｍ^３）とから求められることを特徴とする。さらに、前記実際の単位液質量当りの動力（Ｐｖ-real）がＰｖ＝２πＮＴ／１０００ρＶ（但し、Ｎ：攪拌翼の回転速度（Ｓ^−１）、Ｔ：攪拌翼のトルク（Ｎｍ）、ρ：流体の密度（ｋｇ／ｍ^３）、Ｖ：攪拌槽内の流体の体積（ｍ^３））により求められることを特徴とする。
なお、上記の「単位液質量当りの動力」は、「槽内平均動力」とも称される。

また、本発明によれば、上記の方法をコンピュータに実行させるためのコンピュータプログラムが提供される。本発明によれば、さらに、このコンピュータプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体が提供される。

本発明では、まず、所望の単位液質量当りの槽内平均動力、即ち、動力のＰｖ値（Ｐｖ-set）を設定する。次いで、攪拌翼の回転を開始する。その際、攪拌翼の回転数（Ｎ）を徐々に上げ、また攪拌翼の回転によるトルクないし回転トルクの値（Ｔ）を測定すると共に、攪拌翼の攪拌により生じる実際の単位液質量当りの動力（Ｐｖ-real）を、攪拌翼の回転速度（Ｎ）とトルク（Ｔ）、および攪拌槽内の流体の体積（Ｖ）とから、Ｐｖ-real＝２πＮＴ／１０００Ｖの式から逐次算出する。これをＰｖ-realがＰｖ-setと等しくなるまで続け、等しくなったならば、その時の回転数を維持したまま、攪拌翼による攪拌を継続し（このとき、トルク値も一定になる）、この状態で収集したデータ（回転数）に基づいて操作条件を求める。
従来技術では、例えば攪拌翼（羽根）に応じて動力曲線を作り、いろいろ試行錯誤しながら当てはめてゆき、理想のＰｖ値（槽内平均動力）に近づける作業を行っており、非常に時間がかかる。
本発明では、まず単位液質量当りの動力Ｐｖ値（Ｐｖ-set）設定し、その後にこの設定したＰｖ値となる他の条件を求めるだけで、つまり最初にＰｖ値（槽内平均動力）を設定するだけで操作条件を求めることができる。
そして、単位液質量当りの動力Ｐｖ値を基本にし、上記のように求めた操作条件、具体的には、前記実際の単位液質量当りの動力（Ｐｖ-real）が前記所望の単位液質量当りの動力（Ｐｖ-set）に一致した時の前記攪拌翼の回転数、トルク、拡散レイノズル数などを検出することで、実用機へのスケールアップを容易に行うことができる。

は、本発明の方法を実施するための攪拌装置の一例を示した説明図である。 は、図１の攪拌装置のブロック図である。 は、図１の攪拌装置を用いて本発明の方法を実施する際のフローチャートである。 は、図１の攪拌装置を用いて本発明の方法を実施する際のフローチャートである。 は、図１の攪拌装置を用いて本発明の方法を実施した際の各種の値の変化を示したグラフである。

以下に、本発明の実施例を添付図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の方法を実施するための攪拌装置の一例を示す。この攪拌装置は、上記の実験機として使用されるもので、攪拌槽１、攪拌翼２、この攪拌翼２が先端に固定された回転軸３を有したモータを備えた駆動装置４、制御装置５、表示器６などから構成されていて、攪拌槽１の内側に被攪拌対象である所定の液体を収容してある。

図２のブロック図をさらに参照して、駆動装置４は、モータ４１、制御部４２、エンコーダ４３などで構成されており、電源７からの電力が供給されている。モータ４１は例えば遊星ギヤ付きのＡＣサーボモータが使用され、エンコーダ４３は例えばインクリメンタル型磁気エンコーダが使用される。この駆動装置４では、エンコーダ４３によりモータ４１の回転数を検知することでモータ４１の回転制御が行われる。また、制御装置５は例えばコンピュータにより構成され、所定の制御用ソフトウェアにより所要の制御処理を行うものである。表示器６は例えばＬＣＤなどの公知の形式のものが使用され、後記するモータの回転数やトルク値などの情報がリアルタイムで表示される。

次に、図３から図６を用いて、上記の装置を用いて各種データを測定するための方法を説明する。

まず、攪拌槽１内に入れる流体として純水（液密度ρ＝１０００Ｋｇ／ｍ^３、液粘度μ＝０．００１Pa・ｓ）を用いた。次いで、測定を行う装置条件や各種の物性値などを設定条件として入力する。即ち、最初に、図３に示したように、撹拌槽1ｍ^３の液体の攪拌に要する単位液質量当りの動力（Ｐｖ-set）を設定する（ステップＳ１）。

ここで、単位液質量当りの動力（Ｐｖ-set）は、具体的には、次のように設定される。まず、この動力（Ｐｖ-set）は、攪拌の操作目的（浮遊、混合、気体分散、乳化、ペースト）に応じて概略的な値が決まる。即ち、軽い粒子の浮遊や低粘度液の混合は約０．２（ｋＷ／ｍ^３）、気体分散や中密度粒子の浮遊の場合は約０．６（ｋＷ／ｍ^３）、重い粒子の浮遊や乳化の場合は約２（ｋＷ／ｍ^３）、ペーストの場合は約４（ｋＷ／ｍ^３）となる。そして、この該当する値の近傍で数点（例えば３点）ほど変化させた値を設定し、これらの値でそれぞれ実験機において実験して、最適な値を決定する。なお、その後のスケールアップ時においては、この決定された最適な値で実用機において操作される。その際、実用機における攪拌の操作目的に応じた特性値（混合時間、粒子浮遊状態など）を測定し、この測定結果に基づいて、上記決定された最適な値の前後で、実用機における最適な値が決定される。

次に、攪拌翼２ないしモータの回転軸の回転速度（回転数）Ｎ（ｒｐｍ）の変動範囲（例えば５〜６００ｒｐｍ）を設定し、回転方向Ｄ（順方向、逆方向のいずれか）を選択し、および攪拌時間Ｈ（例えば、０．１〜１２０時間の間の所要の時間）を設定する（ステップＳ２）。
次いで、攪拌槽１の底の形状（例えば丸底、平底のいずれか）を選択し、攪拌槽内のバッフル（邪魔板）の有無を選択し、攪拌翼の翼形（例えば、マックスブレンド翼(登録商標)）を装着し、またその他の情報、具体的には例えば、翼直径ｄ（ｍ）、槽直径Ｄ（ｍ）、翼高さｈ（ｍ）、流体の高さＨ（ｍ）、流体の密度ρ（ｋｇ／ｍ^３）、流体の粘度μ（Ｐａ・ｓ）などの情報を入力する。そして、槽直径（Ｄ）と流体の高さ（Ｈ）とから攪拌槽内の流体の体積Ｖ（ｍ^３）を演算する（ステップＳ３）。

上記の設定ないし入力された各種の情報は、例えば、制御装置５に接続された表示器６に表示される。この場合、運転時の生じるモータの動力Ｐ、動力数Ｎｐ、単位液質量当たりの動力Ｐｖ、攪拌レイノルズ数Ｒｅなどが演算され、これら各演算値も表示器６に表示される。

上記の設定や入力が完了したならば、次に、実施例の装置の運転を開始する。運転開始は、例えば、上記設定や入力の完了後に、作業者に運転開始の要否を問い合わせ、作業者が運転開始を指示する方法が用いられる。その他、上記設定や入力の完了後、例えば所定の時間（例えば３０秒から５分の間の適宜な時間）経過後に自動的に行う構成としても良い。

すなわち、図４を参照して、運転が開始されると、制御装置５は、モータ回転数を徐々に増大させると共に、単位液質量当たりの動力（Ｐｖ-real）を逐次算出する（ステップＳ１１，Ｓ１２）。そして、算出された動力（Ｐｖ-real）と上記で設定された単位液質量当りの動力（Ｐｖ-set）とが比較される（ステップＳ１３）。そして、動力（Ｐｖ-real）が動力（Ｐｖ-real）より小さい場合、動力（Ｐｖ-real）＜動力（Ｐｖ-set）場合には、処理は再びステップＳ１１に戻り、モータ回転数はさらに増大される。そして、ステップ１３において動力（Ｐｖ-real）が動力（Ｐｖ-set）以上の大きさになった時点、つまり動力（Ｐｖ-real）≧動力（Ｐｖ-set）の時点（Ｐｖ値到達点）で、ステップＳ１４に移行し、この時のモータの回転数が保持されると共に、操作条件が算出される（ステップＳ１５）。

図５は、上記のステップに従ったモータの運転状態をグラフ化したものである。この例では、単位液質量当りの動力（Ｐｖ-set）の値を求める所望の数値に設定する。そして、攪拌翼の回転速度が約１００回転／秒となった時点で、単位液質量当りの動力（Ｐｖ-real）の値が設定された単位液質量当りの動力（Ｐｖ-real）の値に一致している（Ｐｖ値到達点）。そして、この時の回転速度を維持したまま攪拌翼の回転を最初に設定した時間継続し（この時、トルク値はほぼ一定する）、その間の一定時間Ｔの間におけるトルク値の平均値を測定すると共に、以下の式により拡散レイノズル数（Ｒｅ）が算出される。
Ｒｅ＝ｄ^２Ｎρ／μ （但し、ｄ：攪拌翼の直径（ｍ）、Ｎ：攪拌翼の回転速度（Ｓ^−１）、ρ：流体の密度（ｋｇ／ｍ^３）、μ：μ＝流体の液粘度（Ｐａ・ｓ））。

そして、上記で求めた操作条件、具体的には、上記設定された単位液質量当りの動力（Ｐｖ−ｓｅｔ）ないし実際の単位液質量当りの動力（Ｐｖ-real）における、攪拌翼の回転速度、攪拌翼のトルク、上記算出された拡散レイノズル数などに基づいて、撹拌槽の大きさ、流体の種類、または撹拌翼の大きさや形状が異なる条件において最適な攪拌を行うために最適な攪拌翼の操作条件を求めることができ、このため、実用機へのスケールアップが容易となる。

１ 攪拌層
２ 攪拌翼
３ 回転軸
４ 駆動装置
５ 制御装置
６ 表示器
７ モータ

Claims (6)

1. 撹拌槽の流体を撹拌翼で撹拌する際の前記攪拌翼の操作条件を検出するための方法であって、
   前記攪拌槽の攪拌に要する所望の単位液質量当りの動力（Ｐｖ-set）を設定するステップ、
   前記攪拌翼による攪拌により生じる実際の単位液質量当りの動力（Ｐｖ-real）を前記攪拌翼の回転速度（Ｎ）とトルク（Ｔ）、前記攪拌槽内の流体の液体積（Ｖ）、前記流体の液密度（ρ）とから求めるステップ、
   前記実際の単位液質量当りの動力（Ｐｖ-real）が前記所望の単位液質量当りの動力（Ｐｖ-set）に一致するまで前記攪拌翼の回転数を上げるステップ、
   前記実際の単位液質量当りの動力（Ｐｖ-real）が前記所望の単位液質量当りの動力（Ｐｖ-set）に一致した時の少なくとも前記攪拌翼の回転数から最適な操作条件を求めるステップ、を有してなる方法。
2. 前記実際の単位液質量当りの動力（Ｐｖ-real）が、Ｐｖ-real＝２πＮＴ／１０００ρＶ（但し、Ｎ：攪拌翼の回転速度（Ｓ^−１）、Ｔ：攪拌翼のトルク（Ｎｍ）、ρ：流体の密度（ｋｇ／ｍ^３）、Ｖ：攪拌槽内の流体の体積（ｍ^３））により求められる、ことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記操作条件が、前記実際の単位液質量当りの動力（Ｐｖ-real）が前記所望の単位液質量当りの動力（Ｐｖ-set）に一致した時の前記攪拌翼のトルク、拡散レイノズル数を含んでいる、ことを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 前記拡散レイノズル数（Ｒｅ）が、Ｒｅ＝ｄ^２Ｎρ／μ（但し、ｄ：攪拌翼の直径（ｍ）、Ｎ：攪拌翼の回転速度（Ｓ^−１）、ρ：流体の密度（ｋｇ／ｍ^３）、μ：μ＝流体の液粘度（Ｐａ・ｓ））により求められる、ことを特徴とする請求項３記載の方法。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の方法をコンピュータに実行させるためのコンピュータプログラム。
6. 請求項５に記載のコンピュータプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
   以上

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