JP7168951B2

JP7168951B2 - 混練方法

Info

Publication number: JP7168951B2
Application number: JP2018097411A
Authority: JP
Inventors: 太郎中村; 泰之山田; 宏人羽生; 祥大岩崎
Original assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA; Chuo University
Current assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA; Chuo University
Priority date: 2018-05-21
Filing date: 2018-05-21
Publication date: 2022-11-10
Anticipated expiration: 2038-05-21
Also published as: JP2019202247A; CN112135684A; US20210187455A1; WO2019225359A1

Description

本発明は、混練方法に関する。

混合物を混練する混練方法として、連続する複数のセグメントを備える混練装置を用いるものが知られている。このような混練装置において、複数のセグメントは、それぞれ、筒状の膨縮体を有している。また、複数のセグメントは、それぞれ、膨縮体が内側に膨張変形することで膨縮体の内側が実質的に閉塞した閉塞状態と、膨縮体が閉塞状態よりも外側に変形した開放状態と、の間で作動状態を切替え可能である。このような混練装置を用いた混練方法は、例えば特許文献１に記載されている。

国際公開第２０１８／０５６３７８号

しかし、特許文献１には、混合物を効果的に混練するための具体的な方法は開示されていない。

本発明の目的は、混合物を効果的に混練することができる混練方法を提案することにある。

本発明の一態様に係る混練方法は、
混練装置を用いて混合物を混練する混練方法であって、
前記混練装置は、連続する複数のセグメントを備え、
前記複数のセグメントは、それぞれ、筒状の膨縮体を有し、
前記複数のセグメントは、それぞれ、前記膨縮体が内側に膨張変形することで前記膨縮体の内側が実質的に閉塞した閉塞状態と、前記膨縮体が前記閉塞状態よりも外側に変形した開放状態と、の間で作動状態を切替え可能であり、
少なくとも、前記開放状態の前記セグメントの前記膨縮体と当該セグメントに隣接する前記閉塞状態の前記セグメントの前記膨縮体とによって形成される、実質的に封鎖され、前記膨縮体に押圧されることによって圧縮状態とされた前記混合物で満たされた圧縮空間を、前記複数のセグメントの個々の前記作動状態の組合せを変化させることによって繰り返し形成することにより、前記混合物を混練するものである。

本発明の１つの実施形態として、前記混練方法においては、前記圧縮空間を前記混合物の少なくとも一部とともに前記複数のセグメントの間で移動させることにより、前記圧縮空間を繰り返し形成する。

本発明の１つの実施形態として、前記混練方法においては、前記圧縮空間を前記混合物の少なくとも一部とともに前記複数のセグメントの間で往復させることにより、前記圧縮空間を繰り返し形成する。

本発明の１つの実施形態として、前記混練方法においては、前記圧縮空間を、前記開放状態の少なくとも１つの前記セグメントと、当該少なくとも１つのセグメントの両隣の前記閉塞状態の前記セグメントと、によって形成する。

本発明の１つの実施形態として、前記混練方法においては、前記圧縮空間を、前記開放状態の少なくとも１つの前記セグメントと、当該少なくとも１つのセグメントの一端に隣接する前記閉塞状態の前記セグメントと、当該少なくとも１つのセグメントの他端に配置された閉塞壁と、によって形成する。

本発明の１つの実施形態として、
前記混練装置は、２つのみの前記セグメントを有し、
前記２つのセグメント全体の両端には、それぞれ、前記閉塞壁が設けられている。

本発明の１つの実施形態として、前記複数のセグメントは、それぞれ、前記膨縮体の外側への作動流体の供給によって前記開放状態から前記閉塞状態へと前記作動状態が切替わる一方、前記膨縮体の外側からの前記作動流体の排出によって前記閉塞状態から前記開放状態へと前記作動状態が切替わる。

本発明の１つの実施形態として、前記複数のセグメントは、それぞれ、前記開放状態から前記閉塞状態へと前記作動状態が切替わることで前記膨縮体の軸方向に収縮する一方、前記閉塞状態から前記開放状態へと前記作動状態が切替わることで前記軸方向に伸長する。

本発明の１つの実施形態として、前記混合物は、液体と当該液体に溶解しない固体とによって構成されている。

本発明の１つの実施形態として、前記固体は、粉末である。

本発明の１つの実施形態として、前記混合物は、火薬である。

本発明に従う混練方法によれば、混合物を効果的に混練することができる。

本発明の第１実施形態に係る混練方法において用いる混練装置を示す縦断面図である。図１に示す混練装置を構成する複数のセグメントの１つを示す縦断面図である。図２Ａに示すセグメントにおける内筒及びリングを示す斜視図である。図２ＡのＡ－Ａ線に沿う横断面図である。図１に示す混練装置を構成する複数のセグメントの１つの他の例を示す縦断面図である。図３ＡのＢ－Ｂ線に沿う横断面図である。図３Ａに示すセグメントの斜視図である。本発明の第１実施形態に係る混練方法による混練の要領を説明するための縦断面図である。図４Ａの状態から、圧縮空間を混合物の一部とともに１セグメント分前進させたときの状態を示す縦断面図である。図４Ｂの状態から、圧縮空間を混合物の一部とともに１セグメント分後退させたときの状態を示す縦断面図である。本発明の第２実施形態に係る混練方法による混練の要領を説明するための縦断面図である。図５Ａの状態から、圧縮空間を混合物の一部とともに１セグメント分後退させたときの状態を示す縦断面図である。本発明の第３実施形態に係る混練方法による混練の要領を説明するための縦断面図である。図６Ａの状態から、圧縮空間を混合物の一部とともに１セグメント分後退させたときの状態を示す縦断面図である。本発明の第４実施形態に係る混練方法による混練の要領を説明するための縦断面図である。図７Ａの状態から、圧縮空間を混合物の一部とともに１セグメント分後退させたときの状態を示す縦断面図である。本発明の実施例における、ストランド燃焼試験から得られた各サンプルの燃焼速度特性を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明の様々な実施形態に係る混練方法について詳細に例示説明する。なお、説明の便宜上、図４Ａ～図７Ｂにおける左から右への移動を前進といい、その反対の移動を後退という。また、図４Ａ～図７Ｂにおける左側の端を一端といい、右側の端を他端という。なお、図４Ａ～図７Ｂにおいて、膨縮体４Ａ及びフランジ７の厚みは、図示を省略している。

まず、図１～図４Ｃを参照して、本発明の第１実施形態に係る混練方法について詳細に例示説明する。本実施形態に係る混練方法は、混練装置１Ａを用いて混合物２（図４Ａ等参照）を混練する方法である。本実施形態では、混合物２は、液体と当該液体に溶解しない固体とによって構成されている。より具体的には、固体は、粉末である。混合物２は、例えば、ロケットのコンポジット推進薬等の火薬であってもよい。コンポジット推進薬としての混合物２は、例えば、酸化剤としての粉末、金属燃料としての粉末及びバインダとしての液体によって構成することができる。また、可塑剤、硬化剤等を適宜少量添加することができる。混合物２は、セメントや、製麺用の生地等であってもよく、また、これらに限定されない。本実施形態に係る混練方法は、液体と当該液体に溶解しない固体とによって構成された固液混合物の混練に適している。また、本実施形態に係る混練方法は、用いる混練装置が静電気等の誤着火原を生じ難いため、固液混合物としての火薬の混練（捏和）に特に適している。

図１に示すように、混練装置１Ａは、連続する複数のセグメント３Ａを備えている。複数のセグメント３Ａは、それぞれ、筒状の膨縮体４Ａを有している。また、複数のセグメント３Ａは、それぞれ、膨縮体４Ａが内側に膨張変形することで膨縮体４Ａの内側が実質的に閉塞した閉塞状態と、膨縮体４Ａが閉塞状態よりも外側に変形した開放状態と、の間で作動状態を切替え可能である。膨縮体４Ａの内側が「実質的に閉塞する」とは、閉塞部を通じた混合物２の流動が防止される程度に閉塞することを意味する。また、後述する、圧縮空間Ｓが「実質的に封鎖される」とは、封鎖部を通じた混合物２の流動が防止される程度に封鎖されることを意味する。

本実施形態では、複数のセグメント３Ａは、それぞれ、膨縮体４Ａの外側への作動流体５（図２Ａ参照）の供給によって開放状態から閉塞状態へと作動状態が切替わる一方、膨縮体４Ａの外側からの作動流体５の排出によって閉塞状態から開放状態へと作動状態が切替わるように構成されている。作動流体５は、例えば、空気若しくは二酸化炭素等の気体、又は、水若しくは油等の液体であってよい。

本実施形態では、複数のセグメント３Ａは、それぞれ、図２Ａ～図２Ｃに示すような構成を有している。すなわち、本実施形態では、複数のセグメント３Ａは、それぞれ、膨縮体４Ａと、膨縮体４Ａの外側に配置される筒状の外筒６Ａと、セグメント３Ａの軸方向の両端にそれぞれ配置される円環板状のフランジ７と、膨縮体４Ａの外面に取り付けられるリング８と、によって構成されている。外筒６Ａ、フランジ７及びリング８は、本実施形態では、剛体で構成されている。なお、セグメント３Ａの軸方向とは、膨縮体４Ａの中心軸線Ｏに沿う方向（すなわち、膨縮体４Ａの軸方向）を意味する。また、膨縮体４Ａの中心軸線Ｏを含む断面を縦断面といい、膨縮体４Ａの中心軸線Ｏと直交する断面を横断面という。

膨縮体４Ａにおける軸方向の両端は、それぞれ、フランジ７の内周縁に、適切な接合手段によって気密且つ液密に固着されている。外筒６Ａにおける軸方向の両端は、それぞれ、フランジ７の外周縁に、適切な接合手段によって気密且つ液密に固着されている。したがって、膨縮体４Ａ、外筒６Ａ及び一対のフランジ７により、作動流体５のためのチャンバ９が区画されている。

チャンバ９には、混練装置１Ａが備える流体給排装置１０が接続されている。流体給排装置１０によってチャンバ９に作動流体５を供給することができる。また、流体給排装置１０によってチャンバ９から作動流体５を排出することができる。流体給排装置１０は、複数のセグメント３Ａのチャンバ９に対して個々に作動流体５の供給及び排出を制御することができる。流体給排装置１０は、複数のセグメント３Ａのうちの幾つかに対してまとめて作動流体５の供給及び排出を行ってもよい。流体給排装置１０は、例えば、エアコンプレッサ、減圧弁、ＯＮ／ＯＦＦ弁及びプロセッサ（マイコン等）等によって構成することができる。

図２Ｂに示すように、リング８は、膨縮体４Ａが挿入される星形状の開口８ａを有している。膨縮体４Ａは、ゴム又はエラストマー等の弾性体により、円筒状に形成されている。膨縮体４Ａがリング８の星形状の開口８ａに挿入されることにより、膨縮体４Ａは、リング８の開口８ａの周縁部に接触する部分において、星形状の横断面形状となる。これにより、膨縮体４Ａは、チャンバ９に作動流体５が供給されたときに、図２Ｃに二点鎖線で示すように、横断面において４方向から内側に安定して膨張変形することができる。このように、膨縮体４Ａは、少なくとも、混合物２が膨縮体４Ａの内側に入っていないときに、開放状態から閉塞状態に作動状態を切替え可能である。リング８の開口８ａの形状は、星形状に限られず、例えば三角形状等の非円形状であってもよい。この場合も、膨縮体４Ａは、チャンバ９に作動流体５が供給されたときに、横断面において開口８ａの形状に応じた方向から内側に安定して膨張変形することができる。しかし、リング８を設けない構成としてもよい。この場合、膨縮体４Ａは、円筒状以外の筒状に形成されていてもよいし、円筒状に形成されていてもよい。膨縮体４Ａを円筒状に形成する場合には、膨縮体４Ａが内側に膨張変形する際の横断面形状を安定させるために、例えば、軸方向に延在する溝を周方向の複数位置に設けてもよい。この場合にも、膨縮体４Ａは、少なくとも、混合物２が膨縮体４Ａの内側に入っていないときに、開放状態から閉塞状態に作動状態を切替え可能となる。

複数のセグメント３Ａは、隣接するセグメント３Ａのフランジ７同士が、適切な接合手段によって気密且つ液密に固着されている。したがって、複数のセグメント３Ａ全体の膨縮体４Ａの内側には、全てのセグメント３Ａが開放状態のときに、複数のセグメント３Ａ全体の長手方向に亘って延在する内側空間が形成される。本実施形態では、内側空間は、複数のセグメント３Ａ全体における長手方向の両端で外部に開放されている。したがって、内側空間の一端から混合物２を導入し、混合物２を内側空間の他端に向けて移動させながら混練し、内側空間の他端から混練後の混合物２を取出すことができる。このように、本実施形態の混練装置１Ａによれば、混合物２の混練と搬送とを同時に実現することができる。

セグメント３Ａの構成は、図２Ａ～図２Ｃに示したものに限られず、例えば、図３Ａ～図３Ｃに示すようなものであってもよい。図３Ａ～図３Ｃに示すセグメント３Ｂは、膨縮体４Ｂと、膨縮体４Ｂの外側に配置される筒状の外筒６Ｂと、によって構成されている。外筒６Ｂは、本実施形態では、剛体で構成されている。膨縮体４Ｂにおける軸方向の両端は、外筒６Ｂに、適切な接合手段によって気密且つ液密に固着されている。外筒６Ｂの内面には、全周に亘って連続する周溝１１が設けられている。周溝１１には、流体給排装置１０が接続されている。流体給排装置１０により、周溝１１を介して、膨縮体４Ｂの外面と外筒６Ｂの内面との間に作動流体５を供給することができる。また、流体給排装置１０により、周溝１１を介して、膨縮体４Ｂの外面と外筒６Ｂの内面との間から作動流体５を排出することができる。流体給排装置１０は、複数のセグメント３Ｂに対して個々に作動流体５の供給及び排出を制御することができる。流体給排装置１０は、複数のセグメント３Ｂのうちの幾つかに対してまとめて作動流体５の供給及び排出を行ってもよい。なお、周溝１１を設けないで、膨縮体４Ｂの外面と外筒６Ｂの内面との間に対して直接、作動流体５の供給及び排出を行うようにしてもよい。

外筒６Ｂは、軸方向に亘って星形状の横断面形状となっている。膨縮体４Ｂは、ゴム又はエラストマー等の弾性体により、円筒状に形成されている。膨縮体４Ｂの外面が星形状の外筒６Ｂの内面に固着又は接触することにより、膨縮体４Ｂは、軸方向に亘って星形状の横断面形状となる。これにより、膨縮体４Ｂは、周溝１１に作動流体５が供給されたときに、図３Ｂに二点鎖線で示すように、横断面において４方向から内側に膨張変形することができる。外筒６Ｂの横断面形状は、星形状に限られず、例えば三角形状等の非円形状であってもよいし、円形状であってもよい。また、膨縮体４Ｂは、円筒状以外の筒状に形成されていてもよい。

複数のセグメント３Ｂは、隣接するセグメント３Ｂの外筒６Ｂ同士及び膨縮体４Ｂ同士が、適切な接合手段によって気密且つ液密に固着されている。したがって、複数のセグメント３Ｂ全体の膨縮体４Ｂの内側には、全てのセグメント３Ｂが開放状態のときに、複数のセグメント３Ｂ全体の長手方向に亘って延在する内側空間が形成される。なお、隣接するセグメント３Ｂの外筒６Ｂ同士及び／又は膨縮体４Ｂ同士は、一体に形成されていてもよい。

本実施形態では、このような混練装置１Ａを用いて、少なくとも、開放状態のセグメント３Ａの膨縮体４Ａと当該セグメント３Ａに隣接する閉塞状態のセグメント３Ａの膨縮体４Ａとによって（より具体的には、開放状態の少なくとも１つのセグメント３Ａと、当該少なくとも１つのセグメント３Ａの両隣の閉塞状態のセグメント３Ａと、によって）形成される、実質的に封鎖され、膨縮体４Ａに押圧されることによって圧縮状態とされた混合物２で満たされた圧縮空間Ｓ（図４Ａ参照）を、複数のセグメント３Ａの個々の作動状態の組合せを変化させることによって繰り返し形成することにより、混合物２を混練する。

すなわち、本実施形態に係る混練方法においては、このような、実質的に封鎖され、膨縮体４Ａに押圧されることによって圧縮状態とされた混合物２で満たされた圧縮空間Ｓが形成されるように、複数のセグメント３Ａ全体の長手方向に亘って延在する内側空間への混合物２の投入量（すなわち、当該内側空間の容積に対する混合物２の体積の比率）を調整することができる。混合物２を当該内側空間に投入する際は、例えば、液体成分と粉末成分とを別々に投入してもよいし、これらを任意の混練装置で予混練して得られたスラリを投入してもよいし、スラリと液体成分とを別々に投入してもよいし、スラリと粉末成分とを別々に投入してもよいし、所定成分のスラリと他の成分のスラリとを別々に投入してもよい。

また、本実施形態に係る混練方法においては、圧縮空間Ｓを混合物２の少なくとも一部とともに複数のセグメント３Ａの間で移動させることにより、圧縮空間Ｓを繰り返し形成する。すなわち、本実施形態に係る混練方法は、図４Ｂに示すように、圧縮空間Ｓを混合物２の少なくとも一部とともに複数のセグメント３Ａの間で移動させるように、複数のセグメント３Ａの個々の作動状態の組合せを変化させる工程を含んでいる。当該工程は、例えば、図４Ａ～図４Ｂに示すように、開放状態の１つのセグメント３Ａを閉塞状態にする一方、当該セグメント３Ａの他端に位置するセグメント３Ａを閉塞状態から開放状態にすることにより、行うことができる。すなわち、一方側のセグメント３Ａの圧縮空間Ｓにおける開放状態の膨縮体４Ａを内側に膨張変形させることによって混合物２を押圧し、その際、他方側のセグメント３Ａにおける膨縮体４Ａを閉塞状態から外側に変形させることにより、一方側から他方側に混合物２が押し込まれるように流動していき、他方側のセグメント３Ａに膨縮体４Ａで囲まれた空間が形成された状態で、この空間が圧縮状態の混合物２で満たされることになる。

また、本実施形態に係る混練方法は、圧縮空間Ｓを、混合物２の少なくとも一部とともに、複数のセグメント３Ａ全体における長手方向の一端から他端まで移動させるように、複数のセグメント３Ａの個々の作動状態の組合せを変化させる工程を含んでいる。

本実施形態によれば、少なくとも、開放状態のセグメント３Ａの膨縮体４Ａと当該セグメント３Ａに隣接する閉塞状態のセグメント３Ａの膨縮体４Ａとによって、実質的に封鎖され圧縮状態の混合物２で満たされた圧縮空間Ｓ（図４Ａ参照）を形成することにより、混合物２の流動による混練効果と混合物２の圧縮による混練効果とを同時に得ることができる。このように、混合物２の流動だけでなく圧縮によっても混練を行うことにより、混合物２を構成する液体を、混合物２を構成する固体（粉末）の乾いた部分に効果的に浸透させることができる。したがって、本実施形態に係る混練方法によれば、混合物２が液体に対する粉末の配合比率が高い高粉末配合率の混合物２である場合でも、混合物２の流動及び圧縮による混練により、液体が粉末粒子を包み込んだ均質な可塑性物質又はスラリに変化させることができる。また、本実施形態に係る混練方法によれば、例えばプラネタリミキサを用いた混練方法に比べ、混合物２に加わる剪断力を小さくできるため、混練に際して粉末の破壊が生じ難い。したがって、混練によって発現させるべき混合物２の性質を安定して得ることができる。

また、本実施形態に係る混練方法によれば、圧縮空間Ｓを混合物２の少なくとも一部とともに複数のセグメント３Ａの間で移動させることにより、前述した混合物２の流動による混練効果を高めることができる。

また、本実施形態に係る混練方法によれば、圧縮空間Ｓを混合物２の少なくとも一部とともに、複数のセグメント３Ａ全体における長手方向の一端から他端まで移動させることにより、混合物２の混練と搬送とを同時に実現することができる。

本実施形態に係る混練方法においては、圧縮空間Ｓを混合物２の少なくとも一部とともに複数のセグメント３Ａの間で往復させることにより、圧縮空間Ｓを繰り返し形成してもよい。すなわち、本実施形態に係る混練方法は、図４Ｃに示すように、圧縮空間Ｓを混合物２の少なくとも一部とともに複数のセグメント３Ａの間で往復させるように、複数のセグメント３Ａの個々の作動状態の組合せを変化させる工程を含んでもよい。このような工程によれば、振り子運動によって混合物２の流動を促進することができるので、混合物２の流動による混練効果を高めることができる。

次に、図５Ａ～図５Ｂを参照して、本発明の第２実施形態に係る混練方法について詳細に例示説明する。本実施形態で用いられる混練装置１Ｂは、複数のセグメント３Ａ全体における長手方向の他端に閉塞壁１２が設けられている点を除いては、第１実施形態で用いられる混練装置１Ａと同様の構成を有している。

本実施形態では、混練装置１Ｂは、図５Ａ～図５Ｂに示すように、連続する複数のセグメント３Ａを備えている。そして、複数のセグメント３Ａ全体における長手方向の他端には、円板状の閉塞壁１２が適切な接合手段によって気密且つ液密に固着されている。したがって、複数のセグメント３Ａ全体の膨縮体４Ａの内側に形成される内側空間は、長手方向の他端において閉塞壁１２によって閉塞されている。このような混練装置１Ｂによれば、内側空間の一端から混合物２を導入し、混合物２を内側空間で移動させながら混練し、内側空間の一端から混練後の混合物２を取出すことができる。セグメント３Ａの構成は、第１実施形態の場合と同様に、種々の変更が可能である。

このような混練装置１Ｂを用いる本実施形態に係る混練方法においては、図５Ａに示すように、圧縮空間Ｓを、少なくとも、開放状態のセグメント３Ａの膨縮体４Ａと当該セグメント３Ａに隣接する閉塞状態のセグメント３Ａの膨縮体４Ａとによって（より具体的には、開放状態の少なくとも１つのセグメント３Ａと、当該少なくとも１つのセグメント３Ａの一端に隣接する閉塞状態のセグメント３Ａと、当該少なくとも１つのセグメント３Ａの他端に配置された閉塞壁１２と、によって）形成する。

また、本実施形態に係る混練方法は、圧縮空間Ｓを混合物２の少なくとも一部とともに、複数のセグメント３Ａ全体における長手方向の一端から他端まで移動させた後、図５Ｂに示すように当該他端から当該一端まで移動させるように、複数のセグメント３Ａの個々の作動状態の組合せを変化させる工程を含んでいる。

本実施形態に係る混練方法によれば、第１実施形態の場合と同様に、混合物２の流動による混練効果と混合物２の圧縮による混練効果とを同時に得ることができる。

本実施形態に係る混練方法は、圧縮空間Ｓを混合物２の少なくとも一部とともに複数のセグメント３Ａ全体における長手方向の一端から他端まで移動させる際に、圧縮空間Ｓを混合物２の少なくとも一部とともに複数のセグメント３Ａの間で往復させるように、複数のセグメント３Ａの個々の作動状態の組合せを変化させる工程を含んでもよい。また、本実施形態に係る混練方法は、圧縮空間Ｓを混合物２の少なくとも一部とともに複数のセグメント３Ａ全体における長手方向の他端から一端まで移動させる際に、圧縮空間Ｓを混合物２の少なくとも一部とともに複数のセグメント３Ａの間で往復させるように、複数のセグメント３Ａの個々の作動状態の組合せを変化させる工程を含んでもよい。

次に、図６Ａ～図６Ｂを参照して、本発明の第３実施形態に係る混練方法について詳細に例示説明する。本実施形態で用いられる混練装置１Ｃは、２つのみのセグメント３Ａを有し、２つのセグメント３Ａ全体の両端に、それぞれ、閉塞壁１２が設けられている点を除いては、第２実施形態で用いられる混練装置１Ｂと同様の構成を有している。

本実施形態では、混練装置１Ｃは、図６Ａ～図６Ｂに示すように、連続する２つのみのセグメント３Ａを備えている。そして、２つのセグメント３Ａ全体における長手方向の両端には、それぞれ、円板状の閉塞壁１２が適切な接合手段によって気密且つ液密に固着されている。したがって、２つのセグメント３Ａ全体の膨縮体４Ａの内側に形成される内側空間は、長手方向の両端において閉塞壁１２によって閉塞されている。本実施形態では、２つの閉塞壁１２の一方に、開閉可能な、内側空間に導入する混合物２の導入路を設け、２つの閉塞壁１２の他方に、開閉可能な、内側空間から排出する混合物２の排出路を設けてもよい。また、このような導入路及び／又は排出路を、例えば、図２Ａに示したフランジ７に設けることができる。導入路及び排出路は、ＯＮ／ＯＦＦ弁及びプロセッサ（マイコン等）等によって開閉制御されてもよい。このような混練装置１Ｃによれば、内側空間に混合物２を導入し、混合物２を内側空間で移動させながら混練し、内側空間から混練後の混合物２を取出すことができる。セグメント３Ａの構成は、第１実施形態の場合と同様に、種々の変更が可能である。

このような混練装置１Ｃを用いる本実施形態に係る混練方法は、図６Ａに示すように、圧縮空間Ｓを、開放状態のセグメント３Ａと、当該開放状態のセグメント３Ａの一端に隣接する閉塞状態のセグメント３Ａと、当該開放状態のセグメント３Ａの他端に配置された閉塞壁１２と、によって形成する第１工程と、図６Ｂに示すように、圧縮空間Ｓを、開放状態のセグメント３Ａと、当該開放状態のセグメント３Ａの他端に隣接する閉塞状態のセグメント３Ａと、当該開放状態のセグメント３Ａの一端に配置された閉塞壁１２と、によって形成する第２工程と、を交互に繰り返すように、複数のセグメント３Ａの個々の作動状態の組合せを変化させる工程を含んでいる。

本実施形態に係る混練方法によれば、第１実施形態の場合と同様に、混合物２の流動による混練効果と混合物２の圧縮による混練効果とを同時に得ることができる。また、本実施形態に係る混練方法によれば、振り子運動の繰り返しによって混合物２の流動を促進することができるので、混合物２の流動による混練効果を高めることができる。

次に、図７Ａ～図７Ｂを参照して、本発明の第４実施形態に係る混練方法について詳細に例示説明する。本実施形態で用いられる混練装置１Ｄは、複数（図の例では、２つ）のセグメント３Ｃが、それぞれ、開放状態から閉塞状態へと作動状態が切替わることで軸方向に収縮する一方、閉塞状態から開放状態へと作動状態が切替わることで軸方向に伸長するように構成されている点を除いては、第３実施形態で用いられる混練装置１Ｃと同様の構成を有している。

本実施形態では、混練装置１Ｄは、図７Ａ～図７Ｂに示すように、連続する２つのみのセグメント３Ｃを備えている。そして、２つのセグメント３Ｃ全体における長手方向の両端には、それぞれ、円板状の閉塞壁１２が適切な接合手段によって気密且つ液密に固着されている。したがって、２つのセグメント３Ｃ全体の膨縮体４Ｃの内側に形成される内側空間は、長手方向の両端において閉塞壁１２によって閉塞されている。セグメント３Ｃの構成は、第１実施形態の場合と同様に、種々の変更が可能である。

そして、本実施形態では、２つのセグメント３Ｃは、それぞれ、外筒６Ｃが、それぞれ、軸方向に延在する複数の繊維コードが埋設された軸方向繊維強化型の弾性筒状体によって構成され、膨縮体４Ｃが、第１～第３実施形態の場合と同様に繊維コードが埋設されていない弾性筒状体によって構成されている。しかし、例えば、外筒６Ｃと膨縮体４Ｃの両方を軸方向繊維強化型の弾性筒状体によって構成してもよい。このような構成により、２つのセグメント３Ｃは、それぞれ、開放状態から閉塞状態へと作動状態が切替わることで軸方向に収縮する一方、閉塞状態から開放状態へと作動状態が切替わることで軸方向に伸長することができる。なお、外筒６Ｃを、このような軸方向繊維強化型の弾性筒状体に代えて、弾性筒状体の外側がスリーブ状に編み込まれた繊維コードで覆われた、いわゆるマッキベン型人工筋肉のようなスリーブ状繊維強化型の弾性筒状体によって構成してもよい。

このような混練装置１Ｄを用いる本実施形態に係る混練方法は、図７Ａに示すように、圧縮空間Ｓを、開放状態のセグメント３Ｃと、当該開放状態のセグメント３Ｃの一端に隣接する閉塞状態のセグメント３Ｃと、当該開放状態のセグメント３Ｃの他端に配置された閉塞壁１２と、によって形成する第１工程と、図７Ｂに示すように、圧縮空間Ｓを、開放状態のセグメント３Ｃと、当該開放状態のセグメント３Ｃの他端に隣接する閉塞状態のセグメント３Ｃと、当該開放状態のセグメント３Ｃの一端に配置された閉塞壁１２と、によって形成する第２工程と、を交互に繰り返すように、複数のセグメント３Ｃの個々の作動状態の組合せを変化させる工程を含んでいる。

本実施形態に係る混練方法によれば、第１実施形態の場合と同様に、混合物２の流動による混練効果と混合物２の圧縮による混練効果とを同時に得ることができる。また、本実施形態に係る混練方法によれば、振り子運動の繰り返しによって混合物２の流動を促進することができるので、混合物２の流動による混練効果を高めることができる。また、本実施形態に係る混練方法によれば、開放状態のセグメント３Ｃが閉塞状態に切替わる際に、当該セグメント３Ｃの膨縮体４Ｃが内側に膨張変形しながら軸方向に収縮するため、混合物２を軸方向に強く押し出すことができる。したがって、混合物２の流動を促進して混練効果を高めることができる。

なお、前述した第１～第３実施形態においても、本実施形態のように、複数のセグメント３Ａの全部又は一部を、それぞれ、開放状態から閉塞状態へと作動状態が切替わることで軸方向に収縮する一方、閉塞状態から開放状態へと作動状態が切替わることで軸方向に伸長するように構成してもよい。

前記の説明は、本発明の実施形態の一例を示したものにすぎず、発明の要旨を逸脱しない限り、種々の変更が可能である。

例えば、第１～第４実施形態において、閉塞壁及び／又はフランジ等に、混合物２の混練の進行に伴って粉末間の微小隙間から混合物の外側に徐々に抜け出す僅かな空気を、混練装置の外部に排出する空気排出路を設けてもよい。

本発明の実施例として、前述した第４実施形態で用いる混練装置１Ｄと同様の構成の混練装置を製作し、コンポジット推進薬の捏和を行い、捏和後のコンポジット推進薬の性能を評価した。

捏和の対象とした混合物は、ロケットのコンポジット推進薬とした。その成分は、酸化剤としてのＡＰ粉末（ammonium perchlorate、過塩素酸アンモニウム）、金属燃料としてのＡｌ粉末（aluminium、アルミニウム）、液体状バインダとしてのＨＴＰＢ（Hydroxyl Terminated Polybutadiene、末端水酸基ポリブタジエン）、液体状可塑剤としてのＤＯＡ（Dioctyl adipate、アジピン酸ジオクチル）及び液体状硬化剤としてのＩＰＤＩ（Isophorone diisocyanate、イソホロンジイソシアネート）とした。また、その配合比率（質量比）は、ＡＰ：Ａｌ：ＨＴＰＢ：ＤＯＡ：ＩＰＤＩ＝６８：１８：１２：１：１とした。ＡＰ粉末は、日本カーリット製で粒径４００μｍ、２００μｍ、５０μｍの混合物を使用した。Ａｌ粉末は、東洋アルミニウム製のＴＦＨ－Ａ０５Ｐ（メディアン径５μｍ）を使用した。ＨＴＰＢは、ＪＳＲ製のＰ－４１を使用した。Ａｌ粉末、ＨＴＰＢ、ＤＯＡ、ＩＰＤＩは、ＡＰ粉末を混合する前にプラネタリミキサで予捏和した。

製作した混練装置は、膨縮体の軸方向の長さを９０ｍｍとし、膨縮体の内径をφ６０ｍｍとした。２つのセグメントの間に予捏和スラリとＡＰ粉末の投入口を備えたアクリル樹脂製のリング状のディスク（厚さ１０ｍｍ）を挟んだ。セグメントのフランジ（厚さ１０ｍｍ）に８０℃の温水を流し、内部を加温した。混練装置には、膨縮体の外側に圧縮空気を供給口からレギュレータ・電磁弁を通じて供給した。

２つのセグメントの作動状態を同時に切替え（すなわち、作動流体を一方のセグメントに供給すると同時に他方のセグメントから排出し）、その作動間隔は２秒とした。印加圧縮空気圧は６０ｋＰａとした。そして、混練装置の内側空間の容積に対し、捏和効果に最適な混合物の投入量（仕込み量）を探るために、仕込み量をパラメータとして５００ｇから５０ｇステップで３水準設定した。設定した３つの仕込み量（５００ｇ、５５０ｇ、６００ｇ）のいずれの場合においても、まず、予捏和スラリを混練装置内に投入し、混練装置を５分間作動させて装置内部に予捏和スラリを分散させた。次にＡＰ粉末を投入し、設定した捏和時間（３０分、４０分、６０分、８０分）で装置を作動させた。得られた推進薬スラリは注型後１時間程度減圧下で脱泡を行い、常圧の６０℃雰囲気の恒温槽で１週間硬化させた。

硬化させた推進薬はＸ線非破壊検査で内部を確認した上で、ストランド燃焼試験を行った。ストランド燃焼試験では、当該硬化させた推進薬を、７ｍｍ×７ｍｍ×４０ｍｍの角柱形に切り出し、表面をエポキシ樹脂でレストリクタ処理し、窒素ガス加圧下で燃焼させた。推進薬中央部２０ｍｍの燃焼速度を画像解析から算出した。

試料仕込み量をパラメータに６０分捏和を行った推進薬サンプルの比較を行った。仕込み量５００ｇの場合、Ｘ線透過画像でボイドが複数存在していることを確認した。捏和が不十分であった可能性がある。６００ｇの場合、捏和後の混合不十分な状態が視認された。また、各仕込み量に対して９サンプルずつ、３～７ＭＰａの範囲でストランド燃焼試験を行った。表１に、仕込み量をパラメータとした、サンプル燃焼速度の圧力指数ｎ及び相関係数Ｒ²を示す。５５０ｇの場合、圧力指数ｎ及び相関係数Ｒ²に問題がないことが確認された。これらの結果から、当該装置のスケールでは仕込み量は５５０ｇが適当であり、５００ｇ及び６００ｇでは不適当であると判断される。実験で用いた装置では、仕込み量が約５４０ｇを越える時に「実質的に封鎖され、膨縮体に押圧されることによって圧縮状態とされた混合物で満たされた圧縮空間」が形成されることが計算上確認されており、これは上記の実験結果と整合している。仕込み量が５００ｇの場合には、開放状態のセグメントが閉塞状態に切替わったときに形成される閉鎖空間が混合物で満たされていないため、膨縮体と混合物との間に介在する空気により、膨縮体の押圧による混合物の圧縮効果が十分に得られなかったと推測される。また、仕込み量が６００ｇの場合には、開放状態のセグメントが閉塞状態に切替わることができず、混合物の十分な流動が得られなかったと推測される。

次に、仕込み量５５０ｇとして捏和時間をパラメータとした場合、捏和時間３０分の試料のみＸ線透過画像で複数のボイドが確認された。また、捏和時間８０分の場合、捏和後、既に硬化が進んでおり、スラリの流動性低下が確認された。図８にストランド燃焼試験から得られた各サンプルの燃焼速度特性を示す。なお、図８において、近似直線は、３０分及び６０分が実線で示され、４０分及び８０分が破線で示されている。各サンプルの近似直線との相関係数Ｒ²と、５ＭＰａにおける換算燃焼速度とは、表２のようになった。捏和時間４０分、６０分ともに相関係数Ｒ²及び換算燃焼速度はいずれも同等であり捏和は十分であった。

このように抽出した混練装置の使用条件（仕込み量５５０ｇ、捏和時間４０分）で推進薬を捏和し、φ８０ｍｍ固体ロケットモータ用グレインを試作した。燃焼試験を実施したところ、平均内圧５．４８ＭＰａで燃焼したことを確認した。

１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ混練装置
２混合物
３Ａ、３Ｂ、３Ｃセグメント
４Ａ、４Ｂ、４Ｃ膨縮体
５作動流体
６Ａ、６Ｂ、６Ｃ外筒
７フランジ
８リング
８ａ開口
９チャンバ
１０流体給排装置
１１周溝
１２閉塞壁
Ｏ中心軸線
Ｓ圧縮空間

Claims

混練装置を用いて混合物を混練する混練方法であって、
前記混練装置は、連続する複数のセグメントを備え、
前記複数のセグメントは、それぞれ、筒状の膨縮体を有し、
前記複数のセグメントは、それぞれ、前記膨縮体が内側に膨張変形することで前記膨縮体の内側が実質的に閉塞した閉塞状態と、前記膨縮体が前記閉塞状態よりも外側に変形した開放状態と、の間で作動状態を切替え可能であり、
少なくとも、前記開放状態の前記セグメントの前記膨縮体と当該セグメントに隣接する前記閉塞状態の前記セグメントの前記膨縮体とによって形成される、実質的に封鎖され、前記膨縮体に押圧されることによって圧縮状態とされた前記混合物で満たされた圧縮空間を、前記複数のセグメントの個々の前記作動状態の組合せを変化させることによって繰り返し形成することにより、前記混合物を混練し、
前記圧縮空間を、前記開放状態の少なくとも１つの前記セグメントと、当該少なくとも１つのセグメントの両隣の前記閉塞状態の前記セグメントと、によって形成し、その後に前記圧縮空間を前記混合物の少なくとも一部とともに前記複数のセグメントの間で移動させることにより、前記圧縮空間を、前記開放状態の少なくとも１つの前記セグメントと、当該少なくとも１つのセグメントの一端に隣接する前記閉塞状態の前記セグメントと、当該少なくとも１つのセグメントの他端に配置された閉塞壁と、によって形成する、混練方法。
前記圧縮空間を前記混合物の少なくとも一部とともに前記複数のセグメントの間で往復させることにより、前記圧縮空間を繰り返し形成する、請求項１に記載の混練方法。
前記複数のセグメントは、それぞれ、前記膨縮体の外側への作動流体の供給によって前記開放状態から前記閉塞状態へと前記作動状態が切替わる一方、前記膨縮体の外側からの前記作動流体の排出によって前記閉塞状態から前記開放状態へと前記作動状態が切替わる、請求項１又は２に記載の混練方法。
前記複数のセグメントは、それぞれ、前記開放状態から前記閉塞状態へと前記作動状態が切替わることで前記膨縮体の軸方向に収縮する一方、前記閉塞状態から前記開放状態へと前記作動状態が切替わることで前記軸方向に伸長する、請求項１～３のいずれか一項に記載の混練方法。
前記混合物は、液体と当該液体に溶解しない固体とによって構成されている、請求項１～４のいずれか一項に記載の混練方法。
前記固体は、粉末である、請求項５に記載の混練方法。
前記混合物は、火薬である、請求項１～６のいずれか一項に記載の混練方法。
混練装置を用いて混合物を混練する混練方法であって、
前記混練装置は、連続する複数のセグメントを備え、
前記複数のセグメントは、それぞれ、筒状の膨縮体を有し、
前記複数のセグメントは、それぞれ、前記膨縮体が内側に膨張変形することで前記膨縮体の内側が実質的に閉塞した閉塞状態と、前記膨縮体が前記閉塞状態よりも外側に変形した開放状態と、の間で作動状態を切替え可能であり、
少なくとも、前記開放状態の前記セグメントの前記膨縮体と当該セグメントに隣接する前記閉塞状態の前記セグメントの前記膨縮体とによって形成される、実質的に封鎖され、前記膨縮体に押圧されることによって圧縮状態とされた前記混合物で満たされた圧縮空間を、前記複数のセグメントの個々の前記作動状態の組合せを変化させることによって繰り返し形成することにより、前記混合物を混練し、
前記複数のセグメントは、それぞれ、前記開放状態から前記閉塞状態へと前記作動状態が切替わることで前記膨縮体の軸方向に収縮する一方、前記閉塞状態から前記開放状態へと前記作動状態が切替わることで前記軸方向に伸長する、混練方法。