WO2019093131A1 - 混合装置 - Google Patents
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- B29C48/25—Component parts, details or accessories; Auxiliary operations
- B29C48/36—Means for plasticising or homogenising the moulding material or forcing it through the nozzle or die
- B29C48/395—Means for plasticising or homogenising the moulding material or forcing it through the nozzle or die using screws surrounded by a cooperating barrel, e.g. single screw extruders
Definitions
- the present invention relates to a mixing device for mixing materials.
- Patent Document 1 describes that materials (rubber in the same document) are mixed (kneaded in the same document) in the presence of supercritical fluid or subcritical fluid (see paragraph 0040 of the same document). This mixing is performed mechanically by a kneading member such as a rotor or a screw (see paragraphs 0027 and 0040 of the same document).
- a kneading member such as a rotor or a screw
- a rotary blade (kneading member in the same document), such as a rotor or a screw, rotates relative to a chamber (in the same document, a rubber mixing chamber). Therefore, energy is required to rotate the rotor. Also, a power source for rotating the rotor is usually disposed outside the chamber. Therefore, there is a gap between the chamber and the member connecting the power source and the rotor. In addition, supercritical fluid or subcritical fluid is at a pressure higher than atmospheric pressure. Therefore, the lack of sealability of the chamber becomes a problem.
- an object of the present invention is to provide a kneading apparatus which can make energy for rotating a rotary blade unnecessary and can ensure sealing performance of a chamber.
- the mixing device of the present invention comprises a mixer.
- the mixer mixes materials including rubber or resin in the presence of a working fluid in a supercritical state or a subcritical state.
- the mixer comprises a chamber and a mixing wing.
- a chamber forms a flow path for the working fluid and the material.
- the mixing wing is disposed in the chamber 51 and fixed relative to the chamber.
- the energy for rotating the rotary wings can be eliminated, and the sealing performance of the chamber can be secured.
- FIG. 3 is a cross-sectional view of the mixer shown in FIG. 2 as viewed in the axial direction X.
- FIG. 5 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 3 when two mixing blades shown in FIG. 2 are provided.
- FIG. 5 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 3 when three mixing blades shown in FIG. 2 are provided.
- FIG. 2 is a flow chart of the operation of the mixing device shown in FIG. It is a block diagram equivalent to FIG. 1 which shows the mixing apparatus of 2nd Embodiment.
- FIG. 9 is a cross-sectional view taken along the line IX-IX in FIG.
- FIG. 10 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 9 when two mixing blades shown in FIG. 9 are provided.
- It is a sectional view equivalent to Drawing 2 showing a mixer of a mixing device of a 4th embodiment.
- FIG. 6th embodiment It is a block diagram equivalent to FIG. 1 which shows the mixing apparatus of 7th Embodiment.
- FIG. 1 It is a block diagram equivalent to FIG. 1 which shows the mixing apparatus of 8th Embodiment. It is a graph which shows the temperature T in the chamber shown in FIG. It is a block diagram equivalent to FIG. 1 which shows the mixing apparatus of 9th Embodiment.
- the mixing apparatus 1 of the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 6.
- the mixing apparatus 1 (kneading apparatus, stirring apparatus) is an apparatus for mixing the materials 21 using the working fluid 11.
- the above “mixing” includes kneading and stirring.
- the mixing apparatus 1 includes a manufacturing unit 10, a storage unit 20, a melting unit 30, a mixing unit 40, a separation unit 70, a discharge unit 90, and a control unit C.
- the production unit 10 (supercritical production unit, subcritical production unit) is a unit for producing the working fluid 11.
- the working fluid 11 is a fluid in a supercritical state (supercritical fluid) or a fluid in a subcritical state (subcritical fluid).
- the mixing device 1 is a supercritical mixing device or a subsupercritical mixing device.
- the temperature of the supercritical fluid is above the critical temperature (Tc)
- the pressure of the supercritical fluid is above the critical pressure (Pc).
- Supercritical fluids have the properties of liquid and gas.
- the supercritical fluid has a force (solubility) to melt the solute as in the liquid and a force (diffusivity) to diffuse the solute as in the gas.
- the properties of the subcritical fluid are similar to those of the supercritical fluid.
- the temperature T and the pressure P of the subcritical fluid satisfy, for example, any of the following conditions.
- the unit of temperature T and critical temperature Tc in each of the following examples is in degrees Celsius.
- T ⁇ Tc and P ⁇ Pc are satisfied.
- Subcritical State Example 2 T ⁇ Tc, P ⁇ Pc, and T is sufficiently higher than normal temperature, and P is sufficiently higher than normal pressure (atmospheric pressure).
- Example 3 of Subcritical State The conditions of 0.5 ⁇ T / Tc ⁇ 1.0 and 0.5 ⁇ P / Pc are satisfied.
- Example 4 of Subcritical State The conditions of 0.5 ⁇ T / Tc and 0.5 ⁇ P / Pc ⁇ 1.0 are satisfied.
- Example 5 in Subcritical State When critical temperature Tc is 0 ° C. or lower, 0.5 ⁇ P / Pc is satisfied.
- the substance that constitutes the working fluid 11 is preferably a substance that can be brought into a supercritical state or a subcritical state as easily as possible.
- the difference between the polarity of the working fluid 11 and the polarity of the material 21 is so small that the material 21 can be dissolved in the working fluid 11.
- the substance that constitutes the working fluid 11 is, for example, carbon dioxide.
- the critical temperature of carbon dioxide is 31.degree.
- the critical pressure of carbon dioxide is 7.4 MPa.
- Carbon dioxide is in a subcritical state, for example, at 31 ° C. or higher and 7.1 MPa or higher. For example, at 20 ° C., carbon dioxide is in a subcritical state if it is 15 MPa or more.
- the substance constituting the working fluid 11 may not be carbon dioxide, and may be, for example, nitrogen.
- the "supercritical state or subcritical state” may be referred to as “supercritical state or the like”.
- the working fluid 11 is in a supercritical state or the like when the material 21 dissolves in the working fluid 11 in the melting section 30 and when the materials 21 are mixed in the presence of the working fluid 11 in the mixer 50.
- the working fluid 11 in a non-supercritical state (eg, gas or liquid) is also referred to as a fluid 12.
- the working fluid 11 is preferably in a supercritical state rather than a subcritical state.
- the materials 21 are mixed more than in the subcritical state.
- the material 21 main material 21a described below
- the quality of the product rubber that has been mixed by the mixing device 1 may be evaluated by the wear rate of the product rubber (for example, V-belt or the like).
- the manufacturing unit 10 includes a cooler 15, a pump 16, and a heater 17.
- the cooler 15 (heat exchanger) cools the gaseous fluid 12 to make the fluid 12 a liquid.
- the fluid 12 is carbon dioxide
- the cooler 15 liquidizes gaseous carbon dioxide at atmospheric pressure (0.1 MPa).
- the pump 16 pumps (flows) the working fluid 11 to the mixer 50.
- the pump 16 pressurizes the fluid 12 of liquid.
- the pump 16 can be made smaller than when pressurizing the gaseous fluid 12.
- the pump 16 pressurizes the fluid 12 to, for example, 2 to 3 MPa.
- the heater 17 evaporates the fluid 12 by heating the fluid 12.
- the heater 17 pressurizes the fluid 12 by evaporating the fluid 12 in the container. As a result, the fluid 12 is in a supercritical state or a subcritical state.
- the heater 17 pressurizes the fluid 12 to, for example, 7 to 8 MPa.
- the storage unit 20 is a portion for storing the material 21.
- the storage unit 20 has an inlet for charging the material 21 into the melting unit 30.
- the material 21 includes a plurality of types of materials.
- the material 21 includes a main material 21a (main raw material) and an auxiliary material 21b (auxiliary material, additive, additive).
- the main material 21a contains a polymer material.
- the main material 21a contains rubber or resin.
- the auxiliary material 21b is, for example, a filler.
- the secondary material 21b may contain an inorganic substance or may contain an organic substance.
- the secondary material 21b may include, for example, a natural material-based material, a plant-derived material, a fiber material, cellulose nanofibers (CNF: Cellulose Nanofiber), and the like.
- the mixing apparatus 1 is a rubber mixing (kneading) apparatus, a resin mixing (kneading) apparatus, or the like.
- the melting unit 30 is a portion that dissolves the material 21 in the working fluid 11.
- the material 21 is introduced from the storage unit 20 into the melting unit 30.
- the working fluid 11 flows from the manufacturing unit 10 into the dissolving unit 30. Then, the material 21 dissolves in the working fluid 11 in the melting unit 30.
- the material 21 to be dissolved in the working fluid 11 may not be all of the material 21, but may be only a part of the material 21.
- the mixing part 40 (kneading part, stirring part) is a part to which the material 21 is mixed.
- the mixing unit 40 is provided downstream of the melting unit 30.
- the above “downstream” means the downstream of the flow of the working fluid 11 and the material 21 (also the “upstream” means above the flow of the working fluid 11 and the material 21).
- the mixing unit 40 includes a mixer 50 and an opening adjustment valve 60.
- the mixer 50 (kneader, stirrer) mixes the materials 21 in the presence of the working fluid 11 in a supercritical or subcritical state (supercritical atmosphere or subcritical atmosphere).
- the mixer 50 mixes the main material 21a and the auxiliary material 21b. Since this mixing is performed in the presence of the working fluid 11 in the supercritical state or the like, the dispersion of the submaterial 21b is promoted compared to the case where the mixing is performed in the presence of the fluid 12 not in the supercritical state or the like.
- the mixing of the secondary material 21b with the secondary material 21b is promoted.
- the mixer 50 includes a chamber 51, a mixing wing 53, a support structure 55, and a sensor 57 shown in FIG.
- the direction of the central axis of the chamber 51 is taken as the axial direction X.
- the central axis of the chamber 51 is not linear (see FIG. 12), for example, the direction of a straight line passing through the central portion of the inlet and the central portion of the outlet of the chamber 51 is taken as the axial direction X.
- the chamber 51 is a container for mixing the materials 21 as shown in FIG. Inside the chamber 51, flow paths (mixing flow paths) of the working fluid 11 and the material 21 are formed.
- the chamber 51 has a tubular shape elongated in the axial direction X.
- parts of arrows indicating the flow directions of the working fluid 11 and the material 21 are denoted by the reference numerals of the working fluid 11 and the material 21.
- the chamber 51 (in the mixer 50) has an inlet side portion and an outlet side portion.
- the inlet side portion is a portion on the upstream side of the center in the axial direction X of the chamber 51.
- the outlet side portion is a portion downstream of the center in the axial direction X of the chamber 51.
- the length in the axial direction X of each of the inlet side portion and the outlet side portion is 1/2 of the total length in the axial direction X of the chamber 51.
- the length in the axial direction X of at least one of the inlet side portion and the outlet side portion may be 1/3 or less, 1/5 or less, or 1/10 or less of the total length in the axial direction X of the chamber 51. Good.
- the mixing blade 53 (kneading blade, stirring blade) is a blade for mixing the material 21.
- the material 21 is mixed by applying a shear force to the material 21 between the mixing wing 53 and the inner surface (wall surface) of the chamber 51.
- the mixing wing 53 is disposed in the chamber 51.
- the mixing wing 53 extends in the axial direction X.
- the mixing wing 53 is fixed relative to the chamber 51.
- the mixing wing 53 is a static mixer and is a static wing.
- the mixing wing 53 is a non-rotating wing that does not rotate with respect to the chamber 51.
- the mixing wing 53 is fixed to the chamber 51 via the support structure 55.
- the mixing wing 53 includes a shaft 53 a and a wing 53 b.
- the shaft portion 53a extends in the axial direction X, and has, for example, a cylindrical shape.
- the wing portion 53 b protrudes radially outward from the shaft portion 53 a (see FIG. 3).
- the wing portion 53 b is formed in, for example, a spiral shape.
- the working fluid 11 and the material 21 flow along the mixing blade 53, and become, for example, a swirling flow. As a result, mixing of the material 21 is promoted.
- blade 53 was simplified and shown (the support structure 55 is also the same).
- the mixing blades 53 Only one (one axis) of the mixing blades 53 may be provided, or a plurality of such mixing wings (a plurality of axes, two axes, three axes, etc.) may be provided (see FIGS. 4 and 5).
- a plurality of mixing blades 53 When a plurality of mixing blades 53 are provided, the materials 21 can be mixed more than when only one mixing blade 53 is provided.
- the outer peripheral portion of the mixing blade 53 viewed from the axial direction X hereinafter “the outer peripheral portion of the mixing blade 53”
- the inner surface of the cross section of the chamber 51 viewed from the axial direction X hereinafter “the chamber 51 Cross-sectional inner surface “)” is the corresponding shape (shape to be paired).
- a gap is provided between the outer peripheral portion of the mixing blade 53 and the inner cross section of the chamber 51.
- the shape of the outer peripheral portion of the mixing blade 53 is, for example, a circular shape, an elliptical shape, or a shape close to these.
- the shape of the cross-sectional inner surface of the chamber 51 is, for example, as follows. [Example 1] When only one mixing blade 53 is provided, the cross-sectional inner surface of the chamber 51 has a shape similar to the shape of the outer peripheral portion of the mixing blade 53, for example, circular, elliptical, or near these. It is a shape etc. [Example 2] As shown in FIGS.
- the cross-sectional inner surface of the chamber 51 has a shape in which a plurality of "shapes of the outer peripheral portion of the mixing blades 53" are superimposed.
- the shape of the cross-sectional inner surface of the chamber 51 is a shape of an outer peripheral portion which is a circular shape, an elliptical shape, or a shape obtained by overlapping a plurality of shapes close to these.
- the support structure 55 is a structure which fixes and supports the mixing wing
- the support structure 55 is a member or the like that extends from the inner surface of the chamber 51 radially inward (toward the shaft 53 a).
- the sensor 57 detects the internal state of the mixer 50, as shown in FIG.
- the sensor 57 is used to detect the state of the working fluid 11 (whether it is in the supercritical state or the subcritical state).
- the sensor 57 may be used to detect the amount (presence or absence, mixing state) of the material 21 in the mixer 50.
- the sensor 57 may be used to control (adjust) the flow rate Q of the working fluid 11 and the material 21 in the mixer 50.
- the sensor 57 includes a pressure gauge and a thermometer.
- the sensor 57 includes a mixer inlet pressure gauge 57p1, a mixer outlet pressure gauge 57p2, a mixer intermediate pressure gauge 57p3, a mixer inlet thermometer 57t1, a mixer outlet thermometer 57t2, and a mixer intermediate thermometer There are 57t3 and so on.
- the mixer inlet pressure gauge 57p1 detects the pressure P1 at the inlet side of the mixer 50.
- the mixer outlet pressure gauge 57p2 detects the pressure P2 at the outlet side of the mixer 50.
- the mixer intermediate pressure gauge 57p3 detects a pressure P3 of a portion (referred to as an intermediate portion) downstream of the mixer inlet pressure gauge 57p1 and upstream of the mixer outlet pressure gauge 57p2.
- the mixer middle pressure gauge 57p3 may be provided at a plurality of positions (the mixer middle thermometer 57t3 is also the same).
- the plurality of mixer intermediate pressure gauges 57p3 may be spaced apart from each other in the axial direction X (the same applies to the mixer intermediate thermometer 57t3).
- the mixer inlet thermometer 57t1 detects the temperature T1 at the inlet side of the mixer 50.
- the mixer outlet thermometer 57t2 detects the temperature T2 of the outlet side portion of the mixer 50.
- the mixer intermediate thermometer 57t3 detects a temperature T3 of a portion (middle portion) downstream of the mixer inlet thermometer 57t1 and upstream of the mixer outlet thermometer 57t2.
- the opening adjustment valve 60 is used to control (regulate) the pressure and flow rate in the mixer 50.
- the opening adjustment valve 60 adjusts the opening of the flow path through which the fluid (working fluid 11 and the material 21) discharged from the mixer 50 passes.
- the opening degree adjustment valve 60 may be provided at the outlet of the chamber 51, may be provided downstream of the chamber 51, or may be provided in a flow path leading to the outlet of the chamber 51. Only one valve 60 for adjusting the degree of opening may be provided, or a plurality of valves may be provided.
- the separation unit 70 is a portion that separates the working fluid 11 (fluid 12) from the material 21 dissolved in the working fluid 11.
- the separating unit 70 is provided downstream of the mixing unit 40, downstream of the mixing device 50, and downstream of the opening degree adjusting valve 60.
- the separation unit 70 includes a separator 71 and a pressure adjustment valve 73.
- the separator 71 separates (devolatilizes) the working fluid 11 from the material 21.
- the separator 71 separates the working fluid 11 from the material 21 by reducing the pressure of the working fluid 11 and the material 21 and vaporizing the working fluid 11 (making it a gaseous fluid 12). As a result, the separator 71 deposits the material 21.
- the separator 71 includes an opening 71a.
- the opening 71 a discharges the material 21 after the working fluid 11 has been separated.
- the opening part 71a is a lid of the separator 71 and can be opened and closed (a movable opening and closing part). When the open part 71a is in the closed state, the open part 71a is airtight.
- the open portion 71a intermittently discharges the material 21 (details will be described later).
- the opening 71 a discharges (drops) the material 21 downward.
- the pressure adjusting valve 73 adjusts the opening degree of the flow path through which the working fluid 11 (gas fluid 12) separated from the material 21 passes.
- the pressure adjusting valve 73 adjusts the pressure on the upstream side of the pressure adjusting valve 73.
- the pressure adjusting valve 73 adjusts the pressure in the separator 71.
- the pressure adjustment valve 73 may be provided at the outlet of the separator 71, may be provided downstream of the separator 71, and the flow path (devolatization flow path connected to the outlet of the separator 71) ) May be provided. Only one pressure adjustment valve 73 may be provided, or a plurality of pressure adjustment valves 73 may be provided.
- the gas fluid 12 that has passed through the pressure adjustment valve 73 preferably flows into the manufacturing unit 10 (rates), and preferably flows into, for example, the cooler 15.
- the unloading unit 90 is a portion for unloading the material 21 to the next process.
- the next step is a step subsequent to the step using the mixing device 1.
- the unloading unit 90 may include, for example, a belt conveyor.
- the apparatus of the next step may be, for example, an apparatus for producing pellets (pelletizer), and for example, an apparatus for producing sheets (such as a sheet extruder).
- the material 21 may be directly introduced from the separation unit 70 to the next process without the intervention of the unloading unit 90.
- the control unit C performs input / output of signals, calculation (determination, calculation, and the like), and control of devices.
- the detection result of the sensor 57 is input to the control unit C.
- the control unit C controls the operation of the manufacturing unit 10, the storage unit 20, the melting unit 30, the mixing unit 40, the separation unit 70, and the discharge unit 90.
- the pump 16 is driven to feed the material 21 into the melting unit 30 (step S11).
- the details of this process are as follows. Operating the pump 16 causes the working fluid 11 to flow (press fit) from the manufacturing unit 10 into the dissolving unit 30. Also, the material 21 is introduced into the melting unit 30 from the inlet of the storage unit 20. At this time, the opening adjustment valve 60 is fully closed. As the rotational speed of the pump 16 is increased, the pressures of the melting unit 30 and the mixing unit 40 are increased.
- step S21 it is determined whether the state of the working fluid 11 is a supercritical state or the like. This determination is performed by the control unit C. The point that the determination is performed by the control unit C is similar to the other determinations. Below, the case where determination is performed about the state of the working fluid 11 of the exit side part of the mixer 50 is demonstrated. A determination may be made as to the state of the working fluid 11 in portions other than the outlet portion of the mixer 50. Preferably, the determination is made in more parts. It is determined (compared) whether or not the pressure P2 is the desired pressure Pa or more, and the temperature T2 is the desired temperature Ta or more. The desired pressure Pa and the desired temperature Ta are preset in the controller C.
- the desired pressure Pa is a critical pressure
- the desired temperature Ta is a critical temperature
- the desired pressure Pa and temperature Ta are such that the working fluid 11 is in the subcritical state.
- the pressure P2 is the desired pressure Pa or more and the temperature T2 is the desired temperature Ta or more (YES)
- it is determined that the working fluid 11 is in the supercritical state or the like and the process proceeds to the next step S23.
- the pressure P2 is less than the desired pressure Pa or the temperature T2 is less than the desired temperature Ta (in the case of NO)
- the pressure and temperature of the working fluid 11 are increased until the pressure P2 is equal to or higher than the pressure Pa and the temperature T2 is equal to or higher than the temperature Ta.
- the rotational speed of the pump 16 is increased (step S22).
- the opening adjustment valve 60 is opened (step S23). At this time, it is preferable that the opening adjustment valve 60 be gradually opened from the closed state.
- the "opened state” is a state opened more than fully closed, for example, fully open, and may be, for example, a state between fully open and fully closed.
- the working fluid 11 and the material 21 flow into the separator 71 with the open portion 71 a of the separator 71 and the pressure adjustment valve 73 closed. Then, the pressure adjustment valve 73 is opened. As a result, the working fluid 11 is vaporized, and the working fluid 11 (fluid 12) is evaporated from the material 21. At this time, it is preferable that the pressure adjusting valve 73 be gradually opened. Thereby, the pressure in the separator 71 is gradually reduced. Therefore, foaming due to rapid pressure reduction can be suppressed, and noise due to foaming can be suppressed. Next, the opening 71a is opened. Then, the deposited material 21 (the material 21 after the working fluid 11 is separated) is discharged from the separator 71. Thereafter, the open part 71a is closed. Thus, the open part 71a intermittently discharges the material 21 (in a semi-batch type).
- step S31 the state of the working fluid 11 is determined again (step S31). This determination is made at the inlet side portion, the middle portion and / or the outlet side portion of the mixer 50. For example, the same determination as in step S21 is performed.
- the working fluid 11 is determined to be in the supercritical state or the like, and the process proceeds to the next step 41. If the pressure P2 is less than the desired pressure Pa or the temperature T2 is less than the desired temperature Ta (in the case of NO), it is determined that the working fluid 11 is not in the supercritical state or the like. In this case, the pressure and temperature of the working fluid 11 are increased until the pressure P2 is equal to or higher than the pressure Pa and the temperature T2 is equal to or higher than the temperature Ta (step S32 similar to step S22).
- the flow rates of the working fluid 11 and the material 21 flowing in the mixer 50 are determined (step S41). Specifically, the flow rate Q is calculated from the differential pressure ⁇ P between the pressure P1 and the pressure P2. Then, whether the flow rate Q is within a predetermined range ("predetermined range” mentioned here means a predetermined proper range (prescribed range), and the same applies to the following description). Is determined. Note that it may be determined whether the differential pressure ⁇ P is within a predetermined range without calculating the flow rate Q. A predetermined range of the flow rate Q (or a predetermined range of the differential pressure ⁇ P) is preset in the control unit C.
- the predetermined range is set such that the working fluid 11 can maintain a supercritical state or the like. Specifically, for example, it is determined whether the flow rate Q is within a range (within a predetermined range) of ⁇ 10% of the desired flow rate Qa. Alternatively, it may be determined whether or not the differential pressure ⁇ P is within ⁇ 10% of the desired differential pressure. If the flow rate Q (or the differential pressure ⁇ P) is within the predetermined range (in the case of YES), the process proceeds to the next step S43. If the flow rate Q (or the differential pressure ⁇ P) is not within the predetermined range (in the case of NO), the following control is performed. In this case, the differential pressure ⁇ P is controlled such that the differential pressure ⁇ P falls within a predetermined range.
- the control of the differential pressure ⁇ P (control of the flow rate Q) is performed by control of the opening degree of the opening degree adjusting valve 60.
- the control of the differential pressure ⁇ P is performed by controlling the rotational speed of the pump 16 instead of the control of the opening of the valve 60 for adjusting the opening, or in addition to the control of the opening of the valve 60 for adjusting the opening. It may be
- the amount of the material 21 remaining in the mixer 50 is determined (step S43). More specifically, as the mixing in the mixer 50 approaches the end, the amount of the material 21 (remaining material) remaining in the mixer 50 decreases. Then, the cross-sectional area of the flow path in the mixer 50 increases, the pressure loss in the mixer 50 decreases, and the differential pressure ⁇ P decreases. Therefore, it is determined whether the differential pressure ⁇ P is less than or equal to a desired differential pressure ⁇ Pa.
- the desired differential pressure ⁇ Pa is preset in the controller C.
- step S44 If the differential pressure ⁇ P is larger than the desired differential pressure ⁇ Pa (in the case of NO), it is determined that the amount of the material 21 in the mixer 50 is larger than a predetermined amount. In this case, the flow rate Q is adjusted as necessary (step S44 similar to step S42), and mixing is continued. In this case, for example, the process returns to step S31. If the differential pressure ⁇ P is larger than the desired differential pressure ⁇ Pa (in the case of YES), it is determined that the amount of the material 21 remaining in the mixer 50 is equal to or less than a predetermined amount. In this case, the mixing in the mixer 50 is ended (step S51). Specifically, the valve 60 for adjusting the opening degree is closed, and the pump 16 is stopped.
- the apparatus for mixing materials with rotating blades rotating with respect to the chamber has, for example, the following problems.
- a drive for rotating the rotor is provided outside the chamber.
- the driving device outside the chamber and the rotor inside the chamber are connected, for example, by the shaft portion of the rotor. Therefore, fluid leakage in the gap between the chamber and the shaft portion of the rotary blade becomes a problem (sealability becomes a problem).
- the inside of the chamber is in a high pressure state (a state of high pressure as compared to atmospheric pressure) such as a supercritical state, sealing performance becomes a problem.
- a rotor may be provided in the mixing apparatus 1 of this embodiment (refer 9th Embodiment).
- Rotational speed of pump 16 It is preferable that the rotational speed of the pump 16 be increased or decreased (increased or decreased). Control of the rotational speed of the pump 16 is preferably inverter control. As the rotational speed of the pump 16 increases and decreases, the working fluid 11 and the material 21 repeat compression and expansion (causing pressure fluctuation, causing a pumping effect). Thus, in addition to shear flow, the working fluid 11 and the material 21 can generate elongational flow. Therefore, the materials 21 can be mixed more. For example, when the material 21 contains a fiber material (for example, CNF or the like), the above-described pumping effect can break up the entangled fibers.
- a fiber material for example, CNF or the like
- the effects of the mixing device 1 shown in FIG. 1 are as follows.
- the mixing device 1 comprises a mixer 50.
- the mixer 50 mixes the material 21 containing rubber or resin in the presence of the working fluid 11 in a supercritical state or a subcritical state.
- the mixer 50 includes a chamber 51 and a mixing blade 53.
- the chamber 51 forms a flow path of the working fluid 11 and the material 21.
- the mixing wing 53 is disposed in the chamber 51 and fixed relative to the chamber 51.
- the mixing apparatus 1 includes the above [Configuration 1]. Therefore, the energy for rotating the mixing blade 53 with respect to the chamber 51 can be made unnecessary. Further, it is not necessary to provide a gap between a member for rotating the mixing wing 53 with respect to the chamber 51 and the chamber 51. Therefore, the sealability of the chamber 51 can be secured.
- the following effects may be obtained by the above [Configuration 1].
- the frictional heat between the mixing blade 53 and the material 21 can be reduced. Therefore, the temperature rise of the material 21 during mixing can be suppressed. As a result, degradation of the material 21 due to heat can be suppressed.
- the types of mixable materials 21 can be increased. Specifically, for example, materials that are less susceptible to heat than metal materials and the like (for example, plant-derived materials such as CNF and the like) can be mixed in the mixer 50.
- the mixing blade 53 is configured to rotate the dynamic fluid 11, the following effects may be obtained. Since the frictional heat between the mixing blade 53 and the material 21 can be reduced, the rotational speed at the time of kneading can be increased, and the kneading efficiency of the material 21 can be further enhanced.
- the mixing device 1 includes the separator 71.
- the separator 71 is provided downstream of the mixer 50 and separates the working fluid 11 (fluid 12) from the material 21.
- the material 21 can be deposited by the separator 71 on the downstream side of the mixer 50. Therefore, it is not necessary to perform separation (devolatilization) of the working fluid 11 from the material 21 in the mixer 50.
- the details of this effect are as follows. Unlike the present embodiment, in the case of mixing the materials 21 with the rotary blades rotating with respect to the chamber 51, even if the volatilization is performed in the mixer 50, the deposited materials 21 can be pushed downstream by the rotary blades. . Therefore, the deposited material 21 does not clog in the mixer 50.
- the mixing blade 53 is fixed to the chamber 51 (the above [Configuration 1]). Therefore, when the volatilization is performed in the mixer 50, the deposited material 21 may be clogged in the mixer 50. Then, since the mixing apparatus 1 includes the above [Configuration 2], there is no need to devolatilize in the mixer 50. Accordingly, clogging of the deposited material 21 in the mixer 50 can be suppressed.
- the following effects may be obtained by the above [Configuration 2].
- the working fluid 11 (fluid 12) separated by the separator 71 can be easily reused.
- the mixing device 1 includes the pressure adjusting valve 73.
- the pressure adjusting valve 73 adjusts the opening degree of the flow path through which the working fluid 11 (fluid 12) separated from the material 21 passes.
- the pressure inside the separator 71 can be adjusted. Therefore, by using the pressure adjusting valve 73, the working fluid 11 and the material 21 can be gradually (smoothly) depressurized and can be degassed gradually. Therefore, foaming due to rapid pressure reduction (volatilization in a short time) can be suppressed, and noise due to foaming can be suppressed. In addition, energy loss (wasted energy consumption) due to noise can be suppressed.
- the separator 71 includes an open portion 71a that intermittently discharges the material 21 from which the working fluid 11 is separated.
- the material 21 can be easily discharged from the separator 71 after the volatilization is properly completed.
- the mixing device 1 includes an opening adjustment valve 60 for adjusting the opening of the flow path through which the fluid (working fluid 11 and material 21) discharged from the mixer 50 passes.
- the mixer 50 includes a mixer inlet pressure gauge 57p1, a mixer inlet thermometer 57t1, a mixer outlet pressure gauge 57p2, and a mixer outlet thermometer 57t2.
- the mixer inlet pressure gauge 57p1 detects the pressure at the inlet side of the mixer 50.
- the mixer inlet thermometer 57t1 detects the temperature at the inlet side of the mixer 50.
- the mixer outlet pressure gauge 57p2 detects the pressure at the outlet side of the mixer 50.
- the mixer outlet thermometer 57t2 detects the temperature of the outlet side portion of the mixer 50.
- the pressure P1, P2 and the temperatures T1, T2 in the mixer 50 are detected at the inlet side portion and the outlet side portion of the mixer 50. Therefore, the state (whether or not it is in the supercritical state or the like) of the working fluid 11 can be determined at the inlet side portion and the outlet side portion of the mixer 50. Further, since the pressure P1 at the inlet side of the mixer 50 and the pressure P2 at the outlet side are detected by the above [Configuration 6], the differential pressure ⁇ P between the inlet side and the outlet side of the mixer 50 is It can be detected. As a result of being able to detect the differential pressure ⁇ P, the flow rate Q in the mixer 50 can be detected. Therefore, the information on the flow rate Q can be used to control the flow rate Q in the mixer 50. Further, as a result of being able to detect the differential pressure ⁇ P, the amount of the material 21 remaining in the mixer 50 can be detected.
- the mixer 50 includes a mixer intermediate pressure gauge 57p3 and a mixer intermediate thermometer 57t3.
- the mixer intermediate pressure gauge 57p3 detects the pressure in the portion (middle portion) downstream of the mixer inlet pressure gauge 57p1 and upstream of the mixer outlet pressure gauge 57p2.
- the mixer intermediate thermometer 57t3 detects the temperature of a portion (middle portion) downstream of the mixer inlet thermometer 57t1 and upstream of the mixer outlet thermometer 57t2.
- the mixing device 1 includes the pump 16 that pumps the working fluid 11 to the mixer 50.
- the rotational speed of the pump 16 is inverter controlled.
- the rotational speed of the pump 16 can be easily increased and decreased.
- the working fluid 11 and the material 21 repeat compression and expansion (causing pressure fluctuation, causing a pumping effect).
- the working fluid 11 and the material 21 can generate elongational flow. Therefore, the materials 21 can be mixed more.
- the following effects may be obtained.
- the material 21 contains a fiber material (for example, CNF or the like)
- the above-described pumping effect can break up the entangled fibers.
- the mixing apparatus 201 of the second embodiment the same reference numerals as in the first embodiment are added to the common points with the first embodiment, and the description is omitted. About the point which abbreviate
- the melting section 230 and the mixer 250 are inclined with respect to the horizontal direction.
- the mixer 250 is inclined with respect to the horizontal direction (hereinafter simply referred to as “inclined”) so that the material 21 is lowered from the upstream side to the downstream side of the working fluid 11 and the material 21.
- Chamber 51 see FIG. 2
- mixing wing 53 see FIG. 2
- the entire mixer 250 may be inclined, or only a portion of the mixer 250 may be inclined.
- the melting section 230 is inclined.
- the melting part 230 does not need to incline.
- the mixer intermediate pressure gauge 57p3 reference FIG. 1
- the mixer intermediate thermometer 57t3 (refer FIG. 1) are not provided, these may be provided.
- the effects of the mixing device 201 shown in FIG. 7 are as follows.
- composition 10 (Effect of the tenth invention) [Composition 10]
- the mixer 250 is inclined with respect to the horizontal direction so that the material 21 is lowered from the upstream side to the downstream side of the material 21.
- the material 21 easily flows from the inside of the mixer 250 to the downstream side by gravity (by its own weight).
- the details of this effect are as follows. Unlike in the present embodiment, when mixing materials with a rotating blade that rotates with respect to the chamber, the material is less likely to remain in the mixer because the blades can transport the material downstream.
- the mixing blade 53 is fixed to the chamber 51 (see the above [Configuration 1]). Therefore, the material 21 may remain in the mixer 250. Therefore, the mixing apparatus 201 includes the above [Configuration 10]. Therefore, the material 21 does not easily remain in the mixer 250.
- the material 21 easily flows from the inside of the mixer 250 to the downstream side, it is possible to suppress the power (for example, the power of the pump 16) for flowing the working fluid 11 and the material 21 to the downstream side.
- the mixer 350 includes a mixing promoting member 355.
- the mixing promoting member 355 is a member that promotes mixing of the material 21.
- the mixing promoting member 355 is fixed to the chamber 51, blocks a part of the flow path in the chamber 51, and is provided separately from the mixing wing 53.
- the mixing promoting member 355 is, for example, a plate (a mixing promoting plate).
- the thickness direction of the plate-like mixing promotion member 355 is, for example, the axial direction X of the chamber 51 or the like.
- the mixing promotion member 355 may not be plate-like, and may be block-like.
- the mixing promoting member 355 protrudes from the inner surface of the chamber 51 toward the central axis of the chamber 51.
- the mixing promotion member 355 may protrude from the upper part to the lower part of the inner surface of the chamber 51 (see FIG. 9) or may protrude from the lower part to the upper part of the inner surface of the chamber 51. As shown in FIG. 10, the mixing promoting member 355 may protrude laterally inward from the lateral outside of the inner surface of the chamber 51.
- the mixing promoting member 355 by providing the mixing promoting member 355, the working fluid 11 and the material 21 try to flow while avoiding the mixing promoting member 355.
- the flow path in the mixer 350 tends to be complicated (the flow path is likely to fluctuate, and replacement of the material 21 is promoted).
- the materials 21 are more mixed.
- the material 21 flows in the mixer 350 while spirally swirling along the mixing blade 53.
- the material 21 is biased (gathered) in the vicinity of the inner surface of the chamber 51 by centrifugal force, and easily flows along the inner surface of the chamber 51.
- the flow of the material 21 approaches the mixing promoting member 355, it flows so as to avoid the mixing promoting member 355.
- the material 21 moves to the central axis side of the chamber 51. Therefore, in the vicinity of the mixing promoting member 355, the flow direction of the material 21 changes in a complicated manner, and mixing of the material 21 is promoted.
- the mixing promoting member 355 by providing the mixing promoting member 355, a pressure loss occurs in the flow path in the mixer 350, and the pumping effect (described above) of the working fluid 11 and the material 21 occurs.
- the working fluid 11 and the material 21 can generate elongational flow. Therefore, the materials 21 can be mixed more.
- the material 21 contains a fiber material (for example, CNF or the like)
- the above-described pumping effect can break up the entangled fibers.
- the effects of the mixing device 301 shown in FIG. 8 are as follows.
- the mixer 350 includes a mixing promoting member 355.
- the mixing promoting member 355 is fixed to the chamber 51, blocks a part of the flow path in the chamber 51, and is provided separately from the mixing wing 53.
- the flow path of the material 21 can be complicated, so that the material 21 can be further mixed.
- the mixer 450 of the mixing device 401 of the fourth embodiment comprises a chamber 451.
- the cross-sectional area of the chamber 451 viewed from the axial direction X differs depending on the position in the axial direction X. For example, from the upstream side to the downstream side in the axial direction X, a portion in which the cross-sectional area of the chamber 451 gradually decreases and a portion in which the cross-sectional area of the chamber 451 gradually increases are alternately provided.
- the working fluid 11 and the material 21 repeat compression and expansion (causing a pumping effect), and repeat acceleration and deceleration.
- the working fluid 11 and the material 21 can generate elongational flow. Therefore, the materials 21 can be mixed more.
- the material 21 contains a fiber material (for example, CNF or the like), the above-described pumping effect can break up the entangled fibers.
- the effects of the mixing device 401 shown in FIG. 11 are as follows.
- the differences from the first embodiment will be described for the mixer 550 of the mixing device 501 of the fifth embodiment with reference to FIG.
- the mixer 550 of the mixing device 501 comprises a chamber 551.
- a line connecting the center of the cross section of the chamber 51 as viewed in the axial direction X is taken as a cross section center line 551a.
- the cross-sectional center line 551a has a curved or broken line shape.
- the position in the vertical direction of the cross-sectional center line 551 a and / or the position in the horizontal direction of the cross-sectional center line 551 a differs depending on the position in the axial direction X.
- the cross-sectional center line 551a meanders in the vertical direction.
- the cross-sectional center line 551a may meander in the horizontal direction.
- the cross-sectional center line 551a may meander in a direction inclined with respect to the vertical direction and the horizontal direction.
- the cross-sectional center line 551a may be helical.
- the cross-sectional center line 551a may not meander.
- the cross-sectional center line 551a has a curved shape or a broken line shape, the cross-sectional area of the chamber 551 viewed from the axial direction X may be different or may be the same (constant) depending on the position in the axial direction X.
- a line (cross-sectional center line 551a) connecting the cross-sectional center of the chamber 551 as viewed in the axial direction X of the chamber 551 is curvilinear or broken.
- the flow path of the material 21 is complicated as compared with the case where the cross-sectional center line 551a is linear. Therefore, the materials 21 can be mixed more.
- the mixing blades 653 are intermittently arranged in the axial direction X.
- the mixing blades 653 are arranged at intervals (intermittent area A) in the axial direction X.
- the flow path of the material 21 tends to be complicated (the flow path is likely to fluctuate, and replacement of the material is promoted).
- the support structure 55 (see FIG. 2 and the like) is not shown.
- the mixing promoting member 355 (see FIG. 8) may be disposed in the intermittent area A. In this case, the mixing promoting member 355 can be easily disposed in the intermittent area A.
- the effects of the mixing device 601 shown in FIG. 13 are as follows.
- the mixing blades 653 are intermittently arranged in the axial direction X of the chamber 51.
- the flow path of the material 21 can be complicated in the region (intermittent region A) in the axial direction X of the mixing blades 653. Therefore, the materials 21 can be mixed more.
- the mixer 50 of the mixing device 701 includes a heater 759.
- the heater 759 heats the inside of the chamber 51 (see FIG. 2).
- the heater 759 heats the working fluid 11 and the material 21 in the chamber 51.
- the heaters 759 are provided at three locations, but may be provided at one location, at two locations, or at four or more locations.
- the heater 759 is used to maintain the state of the working fluid 11 (such as a supercritical state).
- control for maintaining the state of the working fluid 11 is easier in temperature control than in pressure control.
- the pressure difference between the working fluid 11 in the supercritical state and the atmospheric pressure is large (for example, about 74 times or more in the case of carbon dioxide). Therefore, it is more difficult to finely adjust the pressure of the working fluid 11 than to finely adjust the temperature of the working fluid 11.
- the energy required to perform pressure control may be greater than the energy required to perform temperature control (power loss may increase). Therefore, in the present embodiment, the heater 759 is used to perform control so as to maintain the state such as the supercritical state of the working fluid 11.
- the pressure of the working fluid 11 may be controlled.
- the heater 759 is used to control the progress of the chemical reaction of the material 21 in the mixer 50 (in the chamber 51).
- the heater 759 may be used for only one of control for maintaining the state of the working fluid 11 and control of the progress of the chemical reaction of the material 21.
- the effects of the mixing device 701 shown in FIG. 14 are as follows.
- the mixer 50 includes a heater 759 that heats the inside of the chamber 51.
- the temperature in the mixer 50 (in the chamber 51) can be controlled by the heater 759 of the above [Configuration 15].
- the mixer 50 of the mixing device 801 comprises a cooler 859.
- the cooler 859 cools the working fluid 11 and the material 21 in the chamber 51.
- the cooler 859 is provided downstream of the heater 759.
- the temperature in the mixer 50 can be controlled more finely than when only the heater 759 is provided in the mixer 50.
- the temperature in the mixer 50 perform on-off control
- the cooler 859 cools the inside of the mixer 50, whereby the temperature in the mixer 50 can be controlled more finely. As a result, the energy required for temperature control in the mixer 50 can be suppressed.
- the cooler 859 cools the inside of the mixer 50, whereby the pressure of the working fluid 11 can be smoothly reduced. More specifically, it is possible to control the pressure of the working fluid 11 by means of the pressure adjusting valve 73. However, it may be difficult to minutely control the pressure of the working fluid 11 with the pressure adjusting valve 73 alone. Therefore, in addition to controlling (lowering) the pressure of the working fluid 11 with the pressure adjusting valve 73, the pressure of the working fluid 11 is also controlled (lowered) also by the cooler 859. Thereby, the state of the working fluid 11 can be smoothly changed from a supercritical state or a subcritical state to a high pressure gas, a medium pressure gas, a low pressure gas, and the like.
- the cooler 859 is used to control the progress of the chemical reaction of the material 21. Specifically, for example, the following control can be performed using the cooler 859.
- FIG. 16 shows the relationship between the distance (horizontal axis) in the axial direction X from the inlet of the chamber 51 and the temperature T (vertical axis) in the chamber 51.
- Each component of the mixing device 801 will be described below with reference to FIG.
- the working fluid 11 and the material 21 flow downstream from the inlet of the chamber 51 and are heated by the heater 759. Thereby, the temperature T in the mixer 50 is raised to the temperature Tb (desired temperature) required for the chemical reaction of the material 21.
- the temperature T in the mixer 50 is lowered by the cooler 859. At this time, for example, the temperature in the mixer 50 is lowered to the temperature when the heater 759 and the cooler 859 are not provided (normal mixing temperature Tn). Thereby, deterioration of the material 21 can be suppressed.
- the cooler 859 may be provided.
- the effects of the mixing device 801 shown in FIG. 15 are as follows.
- the mixer 50 includes a cooler 859 that cools the inside of the chamber 51.
- the temperature in the chamber 51 can be controlled by the cooler 859 of the above [Configuration 16].
- the following effects may be obtained by the above [Configuration 16].
- the progress of the reaction of the material 21 can be controlled while maintaining the state such as the supercritical state of the working fluid 11.
- the working fluid 11 can be depressurized smoothly.
- the working fluid 11 fluid 12
- foaming due to sudden pressure reduction can be suppressed.
- noise due to foaming can be suppressed.
- energy loss due to noise can be suppressed.
- the ninth embodiment The difference between the mixing apparatus 901 according to the ninth embodiment and the first embodiment will be described with reference to FIG.
- the separation unit 70 of the mixing device 901 includes an auxiliary mixer 980.
- the auxiliary mixer 980 (auxiliary mixing device, auxiliary kneading device) is a device that applies a force to the material 21. More specifically, the separator 71 can separate the working fluid 11 (fluid 12) from the material 21 by reducing the pressure of the working fluid 11 and the material 21 to, for example, the atmospheric pressure (or nearly atmospheric pressure). However, the degassing by the separator 71 alone may leave the fluid 12 in a gap in the material 21 or the like. The auxiliary mixer 980 then applies a force to the material 21. The force is at least above atmospheric pressure. Thereby, the auxiliary mixer 980 separates the fluid 12 from the material 21 by filling the gaps of the material 21. The auxiliary mixer 980 applies shear to the material 21.
- the auxiliary mixer 980 can adjust the molecular weight of the material 21 and can, for example, control the quality of rubber.
- the auxiliary mixer 980 is disposed downstream of the mixer 50 and downstream of the separator 71.
- the auxiliary mixer 980 applies a force to the material 21 using, for example, a rotary wing (a wing rotating relative to the chamber) or the like.
- the effects of the mixing device 901 shown in FIG. 17 are as follows.
- the mixing device 901 includes an auxiliary mixer 980.
- the auxiliary mixer 980 is disposed downstream of the mixer 50 and applies a pressure higher than atmospheric pressure to the material 21.
- the working fluid 11 (fluid 12) can be reliably separated from the material 21.
- the quality of the material 21 can be increased.
- the mixer 250 inclined to the horizontal direction shown in FIG. 7 may be applied to the second and fourth to ninth embodiments.
- the sensor 57 shown in FIG. 1 may not be provided.
- the central axis of the mixing blade 53 shown in FIG. 12 or the like may be curved (for example, helical).
- the cross-sectional center line 551a of the chamber 51 may be curvilinear or linear.
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Abstract
混合装置は、混合器を備える。混合器は、超臨界状態または亜臨界状態の作動流体の存在下で、ゴムまたは樹脂を含む材料を混合させる。混合器は、チャンバと、混合翼と、を備える。チャンバは、作動流体および材料の流路を形成する。混合翼は、チャンバ内に配置され、チャンバに対して固定される。
Description
本発明は、材料を混合する混合装置に関する。
例えば特許文献1に、超臨界流体または亜臨界流体の存在下で、材料(同文献ではゴム)を混合(同文献では混練)することが記載されている(同文献の段落0040参照)。この混合は、ローターやスクリューなどの混練部材によって機械的に行われる(同文献の段落0027、0040参照)。
上記文献に記載の技術では、チャンバ(同文献ではゴム混練室)に対してローターやスクリューなどの回転翼(同文献では混練部材)が回転する。そのため、回転翼を回転させるためのエネルギーが必要になる。また、回転翼を回転させるための動力源は、通常、チャンバの外に配置される。そのため、動力源と回転翼とをつなぐ部材と、チャンバと、の隙間ができる。また、超臨界流体または亜臨界流体は、大気圧に比べ高い圧力である。そのため、チャンバのシール性の不足が問題となる。
そこで本発明は、回転翼を回転させるためのエネルギーを不要にでき、チャンバのシール性を確保できる、混練装置を提供することを目的とする。
本発明の混合装置は、混合器を備える。前記混合器は、超臨界状態または亜臨界状態の作動流体の存在下で、ゴムまたは樹脂を含む材料を混合させる。前記混合器は、チャンバと、混合翼と、を備える。チャンバは、前記作動流体および前記材料の流路を形成する。混合翼は、チャンバ51内に配置され、チャンバに対して固定される。
上記構成により、回転翼を回転させるためのエネルギーを不要にでき、チャンバのシール性を確保できる。
図1~図6を参照して第1実施形態の混合装置1について説明する。
混合装置1(混練装置、攪拌装置)は、作動流体11を用いて材料21を混合する装置である。上記「混合」には、混練および攪拌が含まれる。混合装置1は、製造部10と、貯蔵部20と、溶解部30と、混合部40と、分離部70と、搬出部90と、制御部Cと、を備える。
製造部10(超臨界製造部、亜臨界製造部)は、作動流体11を製造する部分である。作動流体11は、超臨界状態の流体(超臨界流体)、または、亜臨界状態の流体(亜臨界流体)である。混合装置1は、超臨界混合装置、または、亜超臨界混合装置である。超臨界流体の温度は、臨界温度(Tc)以上であり、超臨界流体の圧力は、臨界圧力(Pc)以上である。超臨界流体は、液体および気体の特性を有する。超臨界流体は、液体と同様に溶質を融解させる力(溶解性)と、気体と同様に溶質を拡散させる力(拡散性)と、を有する。亜臨界流体の特性(溶解性および拡散性)は、超臨界流体の特性とほぼ同じである。亜臨界流体の温度Tおよび圧力Pは、例えば次のいずれかの条件を満たす。以下の各例の温度Tおよび臨界温度Tcのそれぞれの単位は摂氏である。[亜臨界状態の例1]T≧Tc、かつ、P<Pc、を満たす。[亜臨界状態の例2]T<Tc、かつ、P<Pc、かつ、Tが常温よりも十分高く、かつ、Pが常圧(大気圧)よりも十分高い。[亜臨界状態の例3]0.5<T/Tc<1.0、かつ、0.5<P/Pc、を満たす。[亜臨界状態の例4]0.5<T/Tc、かつ、0.5<P/Pc<1.0、を満たす。[亜臨界状態の例5]臨界温度Tcが0℃以下の場合、0.5<P/Pcを満たす。
作動流体11を構成する物質は、できるだけ容易に、超臨界状態または亜臨界状態とすることが可能な物質であることが好ましい。作動流体11の極性と材料21の極性との差は、作動流体11に材料21が溶解できる程度に小さい。作動流体11を構成する物質は、例えば二酸化炭素である。二酸化炭素の臨界温度は、31℃である。二酸化炭素の臨界圧力は、7.4MPaである。二酸化炭素は、例えば、31℃以上、かつ7.1MPa以上であれば、亜臨界状態である。二酸化炭素は、例えば、20℃の場合、15MPa以上であれば、亜臨界状態である。なお、作動流体11を構成する物質は、二酸化炭素でなくてもよく、例えば窒素などでもよい。以下では、「超臨界状態または亜臨界状態」を、「超臨界状態など」という場合がある。作動流体11は、溶解部30において材料21が作動流体11に溶解するとき、および、混合器50において作動流体11の存在下で材料21が混合されるときには、超臨界状態などである。なお、超臨界状態などではない状態(例えば気体または液体)の作動流体11を、流体12ともいう。
作動流体11は、亜臨界状態よりも、超臨界状態であることが好ましい。作動流体11が超臨界状態の場合は、亜臨界状態の場合よりも、材料21がより混合される。例えば、材料21(下記の主材料21a)がゴムの場合、混合装置1で混合が行われた製品ゴムの品質を、製品ゴム(例えばVベルトなど)の摩耗率で評価する場合がある。この評価では、摩耗率が小さい順に(品質が高い順に)、超臨界状態の作動流体11を用いた場合、亜臨界状態の作動流体11を用いた場合、大気圧の流体12を用いた場合、となる。例えば、製造部10は、冷却器15と、ポンプ16と、加熱器17と、を備える。
冷却器15(熱交換器)は、気体の流体12を冷却することで、流体12を液体にする。流体12が二酸化炭素の場合、冷却器15は、例えば、大気圧(0.1MPa)の気体の二酸化炭素を液体にする。
ポンプ16は、作動流体11を混合器50に圧送する(流す)。ポンプ16は、液体の流体12を加圧する。ポンプ16が液体の流体12を加圧する場合は、気体の流体12を加圧する場合に比べ、ポンプ16を小さくできる。流体12が二酸化炭素の場合、ポンプ16は、流体12を、例えば2~3MPaなどに加圧する。
加熱器17(熱交換器)は、液体の流体12を加熱することで、流体12を蒸発させる。加熱器17は、容器内で流体12を蒸発させることで、流体12を加圧する。その結果、流体12は、超臨界状態または亜臨界状態になる。流体12が二酸化炭素の場合、加熱器17は、流体12を、例えば7~8MPaなどに加圧する。
貯蔵部20(材料貯蔵部)は、材料21を貯蔵する部分である。貯蔵部20は、溶解部30に材料21を投入する投入口を有する。材料21には、複数の種類のものが含まれる。例えば、材料21には、主材料21a(主原材料)と、副材料21b(副原材料、添加剤、添加物)と、がある。主材料21aは、高分子材料を含む。主材料21aは、ゴムまたは樹脂を含む。副材料21bは、例えばフィラーなどである。副材料21bは、無機物を含んでもよく、有機物を含んでもよい。副材料21bは、例えば、天然素材系材料を含んでもよく、植物由来材料を含んでもよく、繊維材料を含んでもよく、セルロースナノファイバー(CNF:Cellulose Nanofiber)などを含んでもよい。例えば、混合装置1は、ゴム混合(混練)装置、または樹脂混合(混練)装置などである。
溶解部30は、作動流体11に材料21を溶解させる部分である。材料21が、貯蔵部20から溶解部30に投入される。作動流体11が、製造部10から溶解部30に流入する。そして、材料21が、溶解部30で作動流体11に溶解する。なお、作動流体11に溶解する材料21は、材料21の全部でなくてもよく、材料21の一部のみでもよい。
混合部40(混練部、攪拌部)は、材料21を混合する部分である。混合部40は、溶解部30よりも下流側に設けられる。上記「下流」は、作動流体11および材料21の流れの下流を意味する(「上流」についても同様に作動流体11および材料21の流れの上を意味する)。混合部40は、混合器50と、開度調整用バルブ60と、を備える。
混合器50(混練器、攪拌器)は、超臨界状態または亜臨界状態の作動流体11の存在下(超臨界雰囲気または亜臨界雰囲気)で、材料21を混合させる。混合器50は、主材料21aと副材料21bとを混合する。超臨界状態などの作動流体11の存在下でこの混合が行われるので、超臨界状態などでない流体12の存在下で混合が行われる場合に比べ、副材料21bの分散が促進され、主材料21aと副材料21bとの混合が促進される。図2に示すように、混合器50は、チャンバ51と、混合翼53と、支持構造55と、図1に示すセンサ57と、を備える。チャンバ51の中心軸の方向を軸方向Xとする。なお、チャンバ51の中心軸が直線状でない場合は(図12参照)、例えばチャンバ51の入口の中央部と出口の中央部とを通る直線の方向を軸方向Xとする。
チャンバ51は、図2に示すように、材料21を混合させる容器である。チャンバ51の内部に、作動流体11および材料21の流路(混合流路)が形成される。チャンバ51は、軸方向Xに長い管状である。なお、図2では、作動流体11および材料21の流れの向きを示す矢印の一部に、作動流体11および材料21の符号を付した。
このチャンバ51には(混合器50には)、入口側部分と、出口側部分と、がある。入口側部分は、チャンバ51の軸方向Xにおける中央よりも上流側の部分である。出口側部分は、チャンバ51の軸方向Xにおける中央よりも下流側の部分である。その結果、入口側部分および出口側部分のそれぞれの、軸方向Xにおける長さは、チャンバ51の軸方向Xにおける全長の1/2である。なお、入口側部分および出口側部分の少なくともいずれかの軸方向Xにおける長さは、チャンバ51の軸方向Xにおける全長の1/3以下でもよく、1/5以下でもよく、1/10以下でもよい。
混合翼53(混練翼、攪拌翼)は、材料21を混合させる翼である。混合翼53とチャンバ51の内面(壁面)との間で、材料21にせん断力が加わることで、材料21が混合される。混合翼53は、チャンバ51内に配置される。混合翼53は、軸方向Xに延びる。混合翼53は、チャンバ51に対して固定される。混合翼53は、スタティックミキサであり、静的翼である。混合翼53は、チャンバ51に対して回転しない、非回転翼である。混合翼53は、支持構造55を介してチャンバ51に固定される。混合翼53がチャンバ51に固定されるので、混合翼53を回転させるための装置や部材(回転軸など)を設ける必要がない。混合翼53は、軸部53aと、翼部53bと、を備える。軸部53aは、軸方向Xに延び、例えば円柱状である。翼部53bは、軸部53aから径方向外側に突出する(図3参照)。翼部53bは、例えば螺旋状などに形成される。作動流体11および材料21は、混合翼53に沿うように流れ、例えば旋回流となる。その結果、材料21の混合が促進される。なお、図2などでは、混合翼53を簡略化して示した(支持構造55も同様)。
この混合翼53は、1本(1軸)のみ設けられてもよく、複数本(複数軸、2軸、3軸など)設けられてもよい(図4および図5参照)。混合翼53が複数本設けられる場合は、混合翼53が1本のみ設けられる場合よりも、材料21をより混合させることができる。図3に示すように、軸方向Xから見た混合翼53の外周部(以下「混合翼53の外周部」)と、軸方向Xから見たチャンバ51の断面の内面(以下「チャンバ51の断面内面」)と、が対応する形状(対になる形状)である。混合翼53の外周部と、チャンバ51の断面内面との間には、隙間が設けられる。混合翼53の外周部の形状は、例えば、円形、楕円形、またはこれらに近い形状などである。チャンバ51の断面内面の形状は、例えば次の通りである。[例1]混合翼53が1本のみ設けられる場合、チャンバ51の断面内面の形状は、混合翼53の外周部の形状と同様の形状であり、例えば、円形、楕円形、またはこれらに近い形状などである。[例2]図4および図5に示すように、混合翼53が複数本設けられる場合、チャンバ51の断面内面の形状は、複数の「混合翼53の外周部の形状」を重ね合わせた形状の、外周部分の形状である。例えば、チャンバ51の断面内面の形状は、円形、楕円形、またはこれらに近い形状を、複数重ね合わせた形状の、外周部分の形状である。
支持構造55は、図3に示すように、チャンバ51に混合翼53を固定および支持する構造である。例えば、支持構造55は、チャンバ51の内面から径方向内側(軸部53a側)に延びる部材などである。
センサ57は、図1に示すように、混合器50の内部の状態を検知する。センサ57は、作動流体11の状態(超臨界状態または亜臨界状態であるか否か)の検知に用いられる。センサ57は、混合器50内の材料21の量(有無、混合状態)の検知に用いられてもよい。センサ57は、混合器50内の、作動流体11および材料21の流量Qの制御(調整)に用いられてもよい。センサ57には、圧力計と、温度計と、がある。センサ57には、混合器入口圧力計57p1と、混合器出口圧力計57p2と、混合器中間圧力計57p3と、混合器入口温度計57t1と、混合器出口温度計57t2と、混合器中間温度計57t3と、がある。混合器入口圧力計57p1は、混合器50の入口側部分の圧力P1を検出する。混合器出口圧力計57p2は、混合器50の出口側部分の圧力P2を検出する。混合器中間圧力計57p3は、混合器入口圧力計57p1よりも下流側かつ混合器出口圧力計57p2よりも上流側の部分(中間部分とする)の圧力P3を検出する。なお、混合器中間圧力計57p3は、複数の位置に設けられてもよい(混合器中間温度計57t3も同様)。複数の混合器中間圧力計57p3は、互いに軸方向Xに間隔をあけて配置されてもよい(混合器中間温度計57t3も同様)。混合器入口温度計57t1は、混合器50の入口側部分の温度T1を検出する。混合器出口温度計57t2は、混合器50の出口側部分の温度T2を検出する。混合器中間温度計57t3は、混合器入口温度計57t1よりも下流側かつ混合器出口温度計57t2よりも上流側の部分(中間部分)の温度T3を検出する。
開度調整用バルブ60は、混合器50内の圧力および流量の制御(調整)に用いられる。開度調整用バルブ60は、混合器50から排出される流体(作動流体11および材料21)が通る流路の開度を調整する。例えば、開度調整用バルブ60は、チャンバ51の出口に設けられてもよく、チャンバ51よりも下流側に設けられてもよく、チャンバ51の出口につながる流路に設けられてもよい。開度調整用バルブ60は、1つのみ設けられてもよく、複数設けられてもよい。
分離部70は、作動流体11に溶解した材料21から、作動流体11(流体12)を分離させる部分である。分離部70は、混合部40よりも下流側に設けられ、混合器50よりも下流側に設けられ、開度調整用バルブ60よりも下流側に設けられる。分離部70は、分離器71と、圧力調整用バルブ73と、を備える。
分離器71は、材料21から作動流体11を分離(脱揮)する。分離器71は、作動流体11および材料21の圧力を下げ、作動流体11を気化させる(気体の流体12にする)ことで、材料21から作動流体11を分離する。その結果、分離器71は、材料21を析出させる。分離器71は、開放部71aを備える。開放部71aは、作動流体11が分離された後の材料21を排出する。開放部71aは、分離器71の蓋であり、開閉可能である(可動式開閉部である)。開放部71aが閉状態のとき、開放部71aは、気密性を有する。開放部71aは、間欠的に材料21を排出する(詳細は後述)。開放部71aは、材料21を下向きに排出する(落下させる)。
圧力調整用バルブ73は、材料21から分離された作動流体11(気体の流体12)が通る流路の開度を調整する。圧力調整用バルブ73は、圧力調整用バルブ73よりも上流側の圧力を調整する。圧力調整用バルブ73は、分離器71の内部の圧力を調整する。例えば、圧力調整用バルブ73は、分離器71の出口に設けられてもよく、分離器71よりも下流側に設けられてもよく、分離器71の出口につながれた流路(脱揮流路)に設けられてもよい。圧力調整用バルブ73は、1つのみ設けられてもよく、複数設けられてもよい。圧力調整用バルブ73を通過した気体の流体12は、製造部10に流入する(再利用する)ことが好ましく、例えば冷却器15に流入することが好ましい。
搬出部90は、材料21を次工程へ搬出する部分である。次工程とは、混合装置1を用いた工程の次の工程である。搬出部90は、例えばベルトコンベアを備えてもよい。次工程の装置は、例えばペレットを製造する装置(ペレタイザー)でもよく、例えばシートを製造する装置(シート押し出し機など)でもよい。なお、材料21が、搬出部90を介することなく、分離部70から次工程に直接投入されてもよい。
制御部Cは、信号の入出力、演算(判定、算出など)、機器の制御などを行う。センサ57の検出結果は、制御部Cに入力される。例えば、制御部Cは、製造部10、貯蔵部20、溶解部30、混合部40、分離部70、および搬出部90の作動を制御する。
(作動)
混合装置1の作動について、主に図6のフローチャートを参照して説明する。なお、上記の混合装置1の各構成要素については主に図1を参照して説明する。以下では、混合装置1の作動の順に沿って説明する。なお、作動の順は変更されてもよい。
混合装置1の作動について、主に図6のフローチャートを参照して説明する。なお、上記の混合装置1の各構成要素については主に図1を参照して説明する。以下では、混合装置1の作動の順に沿って説明する。なお、作動の順は変更されてもよい。
(作動流体11への材料21の溶解など)
ポンプ16が駆動され、溶解部30に材料21が投入される(ステップS11)。この工程の詳細は次の通りである。ポンプ16が駆動されることで、作動流体11が、製造部10から溶解部30に流入(圧入)される。また、材料21が、貯蔵部20の投入口から溶解部30に投入される。このとき、開度調整用バルブ60は、全閉状態とされる。ポンプ16の回転速度が上げられることで、溶解部30および混合部40の圧力が上げられる。
ポンプ16が駆動され、溶解部30に材料21が投入される(ステップS11)。この工程の詳細は次の通りである。ポンプ16が駆動されることで、作動流体11が、製造部10から溶解部30に流入(圧入)される。また、材料21が、貯蔵部20の投入口から溶解部30に投入される。このとき、開度調整用バルブ60は、全閉状態とされる。ポンプ16の回転速度が上げられることで、溶解部30および混合部40の圧力が上げられる。
(作動流体11の状態の判定)
次に、作動流体11の状態が超臨界状態などであるか否かが判定される(ステップS21)。この判定は制御部Cにより行われる。判定が制御部Cにより行われる点は、他の判定についても同様である。以下では、混合器50の出口側部分の作動流体11の状態について、判定が行われる場合について説明する。混合器50の出口側部分以外の部分での作動流体11の状態について、判定が行われてもよい。より多くの部分で判定が行われることが好ましい。圧力P2が所望の圧力Pa以上、かつ、温度T2が所望の温度Ta以上、であるか否かが判定(比較)される。所望の圧力Paおよび所望の温度Taは、制御部Cに予め設定される。作動流体11を超臨界状態とする場合は、所望の圧力Paは臨界圧力であり、所望の温度Taは臨界温度である。作動流体11を亜臨界状態とする場合は、所望の圧力Paおよび温度Taは、作動流体11が亜臨界状態となるような圧力および温度である。圧力P2が所望の圧力Pa以上、かつ、温度T2が所望の温度Ta以上の場合(YESの場合)、作動流体11は超臨界状態などであると判定され、次のステップS23に進む。圧力P2が所望の圧力Pa未満、または、温度T2が所望の温度Ta未満の場合(NOの場合)、作動流体11は超臨界状態などでないと判定される。この場合、圧力P2が圧力Pa以上、かつ、温度T2が温度Ta以上になるまで、作動流体11の圧力および温度を増加させる。具体的には、ポンプ16の回転速度を増加させる(ステップS22)。
次に、作動流体11の状態が超臨界状態などであるか否かが判定される(ステップS21)。この判定は制御部Cにより行われる。判定が制御部Cにより行われる点は、他の判定についても同様である。以下では、混合器50の出口側部分の作動流体11の状態について、判定が行われる場合について説明する。混合器50の出口側部分以外の部分での作動流体11の状態について、判定が行われてもよい。より多くの部分で判定が行われることが好ましい。圧力P2が所望の圧力Pa以上、かつ、温度T2が所望の温度Ta以上、であるか否かが判定(比較)される。所望の圧力Paおよび所望の温度Taは、制御部Cに予め設定される。作動流体11を超臨界状態とする場合は、所望の圧力Paは臨界圧力であり、所望の温度Taは臨界温度である。作動流体11を亜臨界状態とする場合は、所望の圧力Paおよび温度Taは、作動流体11が亜臨界状態となるような圧力および温度である。圧力P2が所望の圧力Pa以上、かつ、温度T2が所望の温度Ta以上の場合(YESの場合)、作動流体11は超臨界状態などであると判定され、次のステップS23に進む。圧力P2が所望の圧力Pa未満、または、温度T2が所望の温度Ta未満の場合(NOの場合)、作動流体11は超臨界状態などでないと判定される。この場合、圧力P2が圧力Pa以上、かつ、温度T2が温度Ta以上になるまで、作動流体11の圧力および温度を増加させる。具体的には、ポンプ16の回転速度を増加させる(ステップS22)。
(材料21などの流動開始)
次に、開度調整用バルブ60が開状態にされる(ステップS23)。このとき、開度調整用バルブ60は、閉状態から、徐々に開かれることが好ましい。「開状態」は、全閉よりも開かれた状態であり、例えば全開であり、例えば全開と全閉との間の状態でもよい。開度調整用バルブ60が開状態にされると、材料21は、混合器50内を下流側に流れながら混合され、混合器50から分離器71に流入する。
次に、開度調整用バルブ60が開状態にされる(ステップS23)。このとき、開度調整用バルブ60は、閉状態から、徐々に開かれることが好ましい。「開状態」は、全閉よりも開かれた状態であり、例えば全開であり、例えば全開と全閉との間の状態でもよい。開度調整用バルブ60が開状態にされると、材料21は、混合器50内を下流側に流れながら混合され、混合器50から分離器71に流入する。
(材料21の析出)
分離器71の開放部71aおよび圧力調整用バルブ73が閉状態とされた状態で、作動流体11および材料21が、分離器71に流入する。そして、圧力調整用バルブ73が、開状態とされる。その結果、作動流体11が気化し、材料21から作動流体11(流体12)が脱揮される。このとき、圧力調整用バルブ73が、徐々に開かれることが好ましい。これにより、分離器71内の圧力が徐々に下がる。よって、急減圧による発泡を抑制でき、発泡による騒音を抑制できる。次に、開放部71aが開かれる。すると、析出した材料21(作動流体11が分離された後の材料21)が、分離器71から排出される。その後、開放部71aが閉状態とされる。このように、開放部71aは、間欠的に材料21を排出する(いわばセミバッチ式である)。
分離器71の開放部71aおよび圧力調整用バルブ73が閉状態とされた状態で、作動流体11および材料21が、分離器71に流入する。そして、圧力調整用バルブ73が、開状態とされる。その結果、作動流体11が気化し、材料21から作動流体11(流体12)が脱揮される。このとき、圧力調整用バルブ73が、徐々に開かれることが好ましい。これにより、分離器71内の圧力が徐々に下がる。よって、急減圧による発泡を抑制でき、発泡による騒音を抑制できる。次に、開放部71aが開かれる。すると、析出した材料21(作動流体11が分離された後の材料21)が、分離器71から排出される。その後、開放部71aが閉状態とされる。このように、開放部71aは、間欠的に材料21を排出する(いわばセミバッチ式である)。
(作動流体11の状態の判定)
上記のように、開度調整用バルブ60および圧力調整用バルブ73が開状態にされると、混合器50内の圧力が下がる。このとき、作動流体11が超臨界状態などでなくなると、混合器50内で材料21が析出し、混合器50内の流路が詰まるおそれがある。混合器50内の流路が詰まることを防ぐために、作動流体11が超臨界状態などを維持する必要がある。そこで、作動流体11の状態が、再度判定される(ステップS31)。混合器50の入口側部分、中間部分、および出口側部分の少なくともいずれかで、この判定が行われる。例えば、ステップS21と同様の判定が行われる。圧力P2が所望の圧力Pa以上、かつ、温度T2が所望の温度Ta以上の場合(YESの場合)、作動流体11は超臨界状態などであると判定され、次のステップ41に進む。圧力P2が所望の圧力Pa未満、または、温度T2が所望の温度Ta未満の場合(NOの場合)、作動流体11は超臨界状態などでないと判定される。この場合、圧力P2が圧力Pa以上、かつ、温度T2が温度Ta以上になるまで、作動流体11の圧力および温度を増加させる(ステップS22と同様のステップS32)。
上記のように、開度調整用バルブ60および圧力調整用バルブ73が開状態にされると、混合器50内の圧力が下がる。このとき、作動流体11が超臨界状態などでなくなると、混合器50内で材料21が析出し、混合器50内の流路が詰まるおそれがある。混合器50内の流路が詰まることを防ぐために、作動流体11が超臨界状態などを維持する必要がある。そこで、作動流体11の状態が、再度判定される(ステップS31)。混合器50の入口側部分、中間部分、および出口側部分の少なくともいずれかで、この判定が行われる。例えば、ステップS21と同様の判定が行われる。圧力P2が所望の圧力Pa以上、かつ、温度T2が所望の温度Ta以上の場合(YESの場合)、作動流体11は超臨界状態などであると判定され、次のステップ41に進む。圧力P2が所望の圧力Pa未満、または、温度T2が所望の温度Ta未満の場合(NOの場合)、作動流体11は超臨界状態などでないと判定される。この場合、圧力P2が圧力Pa以上、かつ、温度T2が温度Ta以上になるまで、作動流体11の圧力および温度を増加させる(ステップS22と同様のステップS32)。
(差圧ΔP、流量Qの判定)
混合器50内を流れる作動流体11および材料21の流量が判定される(ステップS41)。具体的には、圧力P1と圧力P2との差圧ΔPから、流量Qが算出される。そして、流量Qが、所定範囲内(ここでいう「所定範囲」とは、予め定めた適正な範囲(規定の範囲)を意味するもので、以下の説明においても同様である。)か否かが判定される。なお、流量Qを算出せずに、差圧ΔPが、所定範囲内か否かが判定されてもよい。流量Qの所定範囲(または差圧ΔPの所定範囲)は、制御部Cに予め設定される。この所定範囲は、作動流体11が超臨界状態などを維持できるような範囲に設定される。具体的には例えば、流量Qが、所望の流量Qaの±10%の範囲内(所定範囲内)か否かが判定される。または、差圧ΔPが、所望の差圧の±10%の範囲内か否かが判定されてもよい。流量Q(または差圧ΔP)が所定範囲内である場合(YESの場合)、次のステップS43に進む。流量Q(または差圧ΔP)が所定範囲内でない場合(NOの場合)、次の制御が行われる。この場合、差圧ΔPが所定範囲内に収まるように、差圧ΔPが制御される。その結果、流量Qが所定範囲内に収まるように、流量Qが制御される。差圧ΔPの制御(流量Qの制御)は、開度調整用バルブ60の開度の制御により行われる。なお、差圧ΔPの制御は、開度調整用バルブ60の開度の制御に代えて、または、開度調整用バルブ60の開度の制御に加えて、ポンプ16の回転速度の制御により行われてもよい。
混合器50内を流れる作動流体11および材料21の流量が判定される(ステップS41)。具体的には、圧力P1と圧力P2との差圧ΔPから、流量Qが算出される。そして、流量Qが、所定範囲内(ここでいう「所定範囲」とは、予め定めた適正な範囲(規定の範囲)を意味するもので、以下の説明においても同様である。)か否かが判定される。なお、流量Qを算出せずに、差圧ΔPが、所定範囲内か否かが判定されてもよい。流量Qの所定範囲(または差圧ΔPの所定範囲)は、制御部Cに予め設定される。この所定範囲は、作動流体11が超臨界状態などを維持できるような範囲に設定される。具体的には例えば、流量Qが、所望の流量Qaの±10%の範囲内(所定範囲内)か否かが判定される。または、差圧ΔPが、所望の差圧の±10%の範囲内か否かが判定されてもよい。流量Q(または差圧ΔP)が所定範囲内である場合(YESの場合)、次のステップS43に進む。流量Q(または差圧ΔP)が所定範囲内でない場合(NOの場合)、次の制御が行われる。この場合、差圧ΔPが所定範囲内に収まるように、差圧ΔPが制御される。その結果、流量Qが所定範囲内に収まるように、流量Qが制御される。差圧ΔPの制御(流量Qの制御)は、開度調整用バルブ60の開度の制御により行われる。なお、差圧ΔPの制御は、開度調整用バルブ60の開度の制御に代えて、または、開度調整用バルブ60の開度の制御に加えて、ポンプ16の回転速度の制御により行われてもよい。
(残存する材料21の判定)
混合器50内に残存する材料21の量が判定される(ステップS43)。さらに詳しくは、混合器50での混合が終了に近づくと、混合器50内に残存する材料21(残存材料)の量が少なくなる。すると、混合器50内の流路の断面積が増え、混合器50内での圧力損失が小さくなり、差圧ΔPが小さくなる。そこで、差圧ΔPが、所望の差圧ΔPa以下か否かが判定される。所望の差圧ΔPaは、制御部Cに予め設定される。差圧ΔPが、所望の差圧ΔPaよりも大きい場合(NOの場合)、混合器50内の材料21が所定量よりも多いと判定される。この場合、必要に応じて流量Qが調整され(ステップS42と同様のステップS44)、混合が続けられる。この場合、例えばステップS31に戻る。差圧ΔPが、所望の差圧ΔPaよりも大きい場合(YESの場合)、混合器50内に残存する材料21が所定量以下であると判定される。この場合、混合器50での混合を終了する(ステップS51)。具体的には、開度調整用バルブ60を閉状態にし、ポンプ16を停止させる。
混合器50内に残存する材料21の量が判定される(ステップS43)。さらに詳しくは、混合器50での混合が終了に近づくと、混合器50内に残存する材料21(残存材料)の量が少なくなる。すると、混合器50内の流路の断面積が増え、混合器50内での圧力損失が小さくなり、差圧ΔPが小さくなる。そこで、差圧ΔPが、所望の差圧ΔPa以下か否かが判定される。所望の差圧ΔPaは、制御部Cに予め設定される。差圧ΔPが、所望の差圧ΔPaよりも大きい場合(NOの場合)、混合器50内の材料21が所定量よりも多いと判定される。この場合、必要に応じて流量Qが調整され(ステップS42と同様のステップS44)、混合が続けられる。この場合、例えばステップS31に戻る。差圧ΔPが、所望の差圧ΔPaよりも大きい場合(YESの場合)、混合器50内に残存する材料21が所定量以下であると判定される。この場合、混合器50での混合を終了する(ステップS51)。具体的には、開度調整用バルブ60を閉状態にし、ポンプ16を停止させる。
(回転翼との比較)
超臨界流体などを用いずに、材料を混合させる装置では、例えば次の問題がある。この装置では、回転翼をチャンバに対して回転させ、材料にせん断力を加えることで材料を発熱(せん断発熱)させ、材料を溶融させ、溶融した材料を混合する。この場合、せん断発熱が材料に発生するため、材料が劣化する問題や、エネルギー効率が悪いという問題がある。例えば、材料が、分子鎖の絡まりあいで構成されているポリマー(ゴムまたは樹脂など)である場合、材料に高いせん断力が加えられることで、材料の分子鎖が切れるおそれがある。分子鎖が切れると材料の劣化につながる。一方、超臨界流体などを用いて材料を混合させる装置では、超臨界流体などに材料が溶解するので、せん断発熱で材料を溶融させる必要がない。そのため、材料が劣化する問題や、エネルギー効率が悪いという問題を回避できる。
超臨界流体などを用いずに、材料を混合させる装置では、例えば次の問題がある。この装置では、回転翼をチャンバに対して回転させ、材料にせん断力を加えることで材料を発熱(せん断発熱)させ、材料を溶融させ、溶融した材料を混合する。この場合、せん断発熱が材料に発生するため、材料が劣化する問題や、エネルギー効率が悪いという問題がある。例えば、材料が、分子鎖の絡まりあいで構成されているポリマー(ゴムまたは樹脂など)である場合、材料に高いせん断力が加えられることで、材料の分子鎖が切れるおそれがある。分子鎖が切れると材料の劣化につながる。一方、超臨界流体などを用いて材料を混合させる装置では、超臨界流体などに材料が溶解するので、せん断発熱で材料を溶融させる必要がない。そのため、材料が劣化する問題や、エネルギー効率が悪いという問題を回避できる。
超臨界流体などを用いて材料を混合させる装置であっても、チャンバに対して回転する回転翼で材料を混合させる装置では、例えば次の問題がある。この場合、回転翼を回転させるための駆動装置が、チャンバの外に設けられる。そして、チャンバ外の駆動装置とチャンバ内の回転翼とが、例えば回転翼の軸部などで接続されることが考えられる。そのため、チャンバと、回転翼の軸部と、の隙間などでの流体の漏れが問題になる(シール性が問題になる)。特に、チャンバ内は、超臨界状態などの高圧の状態(大気圧に比べて高圧の状態)であるため、シール性が問題になる。一方、本実施形態では、混合翼53がチャンバ51に固定されているので、上記のシール性の問題を回避できる。なお、本実施形態の混合装置1に、回転翼が設けられてもよい(第9実施形態参照)。
(ポンプ16の回転速度)
ポンプ16の回転速度は、上下(増減)させられることが好ましい。ポンプ16の回転速度の制御は、インバータ制御であることが好ましい。ポンプ16の回転速度が上下すると、作動流体11および材料21が、圧縮と膨張とを繰り返す(圧力変動を起こす、ポンピング効果を起こす)。よって、作動流体11および材料21に、せん断流れに加え、伸長流を生じさせることができる。よって、材料21をより混合させることができる。例えば、材料21に繊維材料(例えばCNFなど)が含まれる場合、上記のポンピング効果により、絡み合った繊維の解繊を行える。
ポンプ16の回転速度は、上下(増減)させられることが好ましい。ポンプ16の回転速度の制御は、インバータ制御であることが好ましい。ポンプ16の回転速度が上下すると、作動流体11および材料21が、圧縮と膨張とを繰り返す(圧力変動を起こす、ポンピング効果を起こす)。よって、作動流体11および材料21に、せん断流れに加え、伸長流を生じさせることができる。よって、材料21をより混合させることができる。例えば、材料21に繊維材料(例えばCNFなど)が含まれる場合、上記のポンピング効果により、絡み合った繊維の解繊を行える。
図1に示す混合装置1による効果は次の通りである。
(第1の発明の効果)
混合装置1は、混合器50を備える。混合器50は、超臨界状態または亜臨界状態の作動流体11の存在下で、ゴムまたは樹脂を含む材料21を混合させる。混合器50は、チャンバ51と、混合翼53と、を備える。チャンバ51は、作動流体11および材料21の流路を形成する。
混合装置1は、混合器50を備える。混合器50は、超臨界状態または亜臨界状態の作動流体11の存在下で、ゴムまたは樹脂を含む材料21を混合させる。混合器50は、チャンバ51と、混合翼53と、を備える。チャンバ51は、作動流体11および材料21の流路を形成する。
[構成1]混合翼53は、チャンバ51内に配置され、チャンバ51に対して固定される。
混合装置1は、上記[構成1]を備える。よって、チャンバ51に対して混合翼53を回転させるためのエネルギーを不要にできる。また、混合翼53をチャンバ51に対して回転させるための部材と、チャンバ51と、の隙間を設ける必要がない。よって、チャンバ51のシール性を確保できる。
上記[構成1]により、次の効果が得られてもよい。混合翼53がチャンバ51に対して回転する場合に比べ、混合翼53と材料21との摩擦熱を減らせる。よって、混合中の材料21の温度上昇を抑制できる。その結果、熱による材料21の劣化を抑制できる。その結果、混合可能な材料21の種類を増やせる。具体的には例えば、金属材料などに比べて熱に弱い材料(例えば植物由来材料、例えばCNFなど)でも、混合器50で混合できる。さらに、混合翼53が、動流体11を回転させるように構成されている場合は、次の効果が得られてもよい。混合翼53と材料21との摩擦熱を減らせるので、混練時の回転速度を上昇させることができ、材料21の混練効率をより高めることができる。
(第2の発明の効果)
[構成2]混合装置1は、分離器71を備える。分離器71は、混合器50よりも下流側に設けられ、材料21から作動流体11(流体12)を分離する。
[構成2]混合装置1は、分離器71を備える。分離器71は、混合器50よりも下流側に設けられ、材料21から作動流体11(流体12)を分離する。
上記[構成2]により、混合器50よりも下流側の分離器71で、材料21を析出させることができる。よって、材料21からの作動流体11の分離(脱揮)を、混合器50内で行う必要がない。
この効果の詳細は次の通りである。本実施形態と異なり、チャンバ51に対して回転する回転翼で材料21を混合する場合は、混合器50内で脱揮が行われても、析出した材料21を回転翼で下流側に押し出せる。そのため、析出した材料21が混合器50内で詰まらない。一方、本実施形態では、混合翼53がチャンバ51に対して固定される(上記[構成1])。そのため、混合器50内で脱揮を行うと、析出した材料21が混合器50内で詰まる場合がある。そこで、混合装置1は、上記[構成2]を備えるので、混合器50内で脱揮する必要がない。よって、析出した材料21が混合器50内で詰まることを抑制できる。
上記[構成2]により、次の効果が得られてもよい。分離器71で分離された作動流体11(流体12)を、再利用しやすい。
(第3の発明の効果)
[構成3]混合装置1は、圧力調整用バルブ73を備える。圧力調整用バルブ73は、材料21から分離された作動流体11(流体12)が通る流路の開度を調整する。
[構成3]混合装置1は、圧力調整用バルブ73を備える。圧力調整用バルブ73は、材料21から分離された作動流体11(流体12)が通る流路の開度を調整する。
上記[構成3]により、分離器71の内部の圧力を調整できる。よって、圧力調整用バルブ73を用いることで、作動流体11および材料21を、徐々に(滑らかに)減圧でき、徐々に脱揮できる。よって、急減圧(短時間での脱揮)による発泡を抑制でき、発泡による騒音を抑制できる。また、騒音によるエネルギーロス(無駄なエネルギー消費)を抑制できる。
(第4の発明の効果)
[構成4]分離器71は、作動流体11が分離された材料21を、間欠的に排出する開放部71aを備える。
[構成4]分離器71は、作動流体11が分離された材料21を、間欠的に排出する開放部71aを備える。
上記[構成4]により、脱揮が適切に完了した後に、材料21を分離器71から排出しやすい。
(第5の発明の効果)
[構成5]混合装置1は、混合器50から排出される流体(作動流体11および材料21)が通る流路の開度を調整する開度調整用バルブ60を備える。
[構成5]混合装置1は、混合器50から排出される流体(作動流体11および材料21)が通る流路の開度を調整する開度調整用バルブ60を備える。
上記[構成5]により、混合器50内の、作動流体11および材料21の、流量を調整できる。
(第6の発明の効果)
[構成6]混合器50は、混合器入口圧力計57p1と、混合器入口温度計57t1と、混合器出口圧力計57p2と、混合器出口温度計57t2と、を備える。混合器入口圧力計57p1は、混合器50の入口側部分の圧力を検出する。混合器入口温度計57t1は、混合器50の入口側部分の温度を検出する。混合器出口圧力計57p2は、混合器50の出口側部分の圧力を検出する。混合器出口温度計57t2は、混合器50の出口側部分の温度を検出する。
[構成6]混合器50は、混合器入口圧力計57p1と、混合器入口温度計57t1と、混合器出口圧力計57p2と、混合器出口温度計57t2と、を備える。混合器入口圧力計57p1は、混合器50の入口側部分の圧力を検出する。混合器入口温度計57t1は、混合器50の入口側部分の温度を検出する。混合器出口圧力計57p2は、混合器50の出口側部分の圧力を検出する。混合器出口温度計57t2は、混合器50の出口側部分の温度を検出する。
上記[構成6]により、混合器50の入口側部分および出口側部分で、混合器50内の圧力P1、P2および温度T1、T2が検出される。よって、混合器50の入口側部分および出口側部分で、作動流体11の状態(超臨界状態などであるか否か)を判定できる。また、上記[構成6]により、混合器50の入口側部分の圧力P1と出口側部分の圧力P2とが検出されるので、混合器50の入口側部分と出口側部分との差圧ΔPを検出できる。差圧ΔPを検出できる結果、混合器50内の流量Qを検出できる。よって、流量Qの情報を、混合器50内の流量Qの制御に用いることができる。また、差圧ΔPを検出できる結果、混合器50内に残存する材料21の量を検出できる。
(第7の発明の効果)
[構成7]混合装置1は(制御部Cは)混合器入口圧力計57p1が検出した圧力P1と、混合器出口圧力計57p2が検出した圧力P2との差圧ΔPが所定範囲内に収まるように、差圧ΔPを制御する。
[構成7]混合装置1は(制御部Cは)混合器入口圧力計57p1が検出した圧力P1と、混合器出口圧力計57p2が検出した圧力P2との差圧ΔPが所定範囲内に収まるように、差圧ΔPを制御する。
上記[構成7]により、混合器50の入口側部分と出口側部分との差圧ΔPが所定範囲内に収まる。その結果、混合器50内の流量Qを所定範囲内に収めることができる。
(第8の発明の効果)
[構成8]混合器50は、混合器中間圧力計57p3と、混合器中間温度計57t3と、を備える。混合器中間圧力計57p3は、混合器入口圧力計57p1よりも下流側かつ混合器出口圧力計57p2よりも上流側の部分(中間部分)の圧力を検出する。混合器中間温度計57t3は、混合器入口温度計57t1よりも下流側かつ混合器出口温度計57t2よりも上流側の部分(中間部分)の温度を検出する。
[構成8]混合器50は、混合器中間圧力計57p3と、混合器中間温度計57t3と、を備える。混合器中間圧力計57p3は、混合器入口圧力計57p1よりも下流側かつ混合器出口圧力計57p2よりも上流側の部分(中間部分)の圧力を検出する。混合器中間温度計57t3は、混合器入口温度計57t1よりも下流側かつ混合器出口温度計57t2よりも上流側の部分(中間部分)の温度を検出する。
上記[構成8]により、混合器50の入口側部分、出口側部分、および中間部分で、作動流体11の状態が超臨界状態などであるか否かを判定できる。また、混合器50の入口側部分の圧力P1と中間部分の圧力P3との差圧、および、中間部分の圧力P3と出口側部分の圧力P2との差圧を検出できる。その結果、混合器50内の流量Qをより精度よく検出できる。また、混合器50内に残存する材料21の量をより精度よく検出できる。
(第9の発明の効果)
[構成9]混合装置1は、混合器50に作動流体11を圧送するポンプ16を備える。ポンプ16の回転速度は、インバータ制御される。
[構成9]混合装置1は、混合器50に作動流体11を圧送するポンプ16を備える。ポンプ16の回転速度は、インバータ制御される。
上記[構成9]により、ポンプ16の回転速度を容易に上下させることができる。ポンプ16の回転速度を上下させた場合、作動流体11および材料21が、圧縮と膨張とを繰り返す(圧力変動を起こす、ポンピング効果を起こす)。よって、作動流体11および材料21に、せん断流れに加え、伸長流を生じさせることができる。よって、材料21をより混合させることができる。その結果、次の効果が得られてもよい。例えば、材料21に繊維材料(例えばCNFなど)が含まれる場合、上記のポンピング効果により、絡み合った繊維の解繊を行える。
(第2実施形態)
図7を参照して、第2実施形態の混合装置201について、第1実施形態との相違点を説明する。なお、第2実施形態の混合装置201のうち、第1実施形態との共通点については、第1実施形態と同一の符号を付すなどして、説明を省略した。共通点の説明を省略する点については他の実施形態の説明も同様である。溶解部230および混合器250は、水平方向に対して傾斜する。
図7を参照して、第2実施形態の混合装置201について、第1実施形態との相違点を説明する。なお、第2実施形態の混合装置201のうち、第1実施形態との共通点については、第1実施形態と同一の符号を付すなどして、説明を省略した。共通点の説明を省略する点については他の実施形態の説明も同様である。溶解部230および混合器250は、水平方向に対して傾斜する。
混合器250は、作動流体11および材料21の上流側から下流側に向かって、材料21が下がるように、水平方向に対して傾斜する(以下、単に「傾斜する」という)。チャンバ51(図2参照)および混合翼53(図2参照)は、傾斜する。混合器250の全体が傾斜してもよく、混合器250の一部のみが傾斜してもよい。混合器250と同様に、溶解部230は、傾斜する。なお、混合器250が傾斜する場合に、溶解部230は傾斜しなくてもよい。また、図7に示す例では、混合器中間圧力計57p3(図1参照)および混合器中間温度計57t3(図1参照)が設けられないが、これらが設けられてもよい。
図7に示す混合装置201による効果は次の通りである。
(第10の発明の効果)
[構成10]混合器250は、材料21の上流側から下流側に向かって、材料21が下がるように、水平方向に対して傾斜する。
[構成10]混合器250は、材料21の上流側から下流側に向かって、材料21が下がるように、水平方向に対して傾斜する。
上記[構成10]により、材料21が、重力により(自重により)、混合器250内から下流側に流れやすい。この効果の詳細は次の通りである。本実施形態と異なり、チャンバに対して回転する回転翼で材料を混合する場合は、回転翼が材料を下流側に搬送できるので、材料が混合器内に残りにくい。一方、本実施形態では、混合翼53は、チャンバ51に対して固定される(上記[構成1]参照)。そのため、材料21が混合器250内に残る場合がある。そこで、混合装置201は、上記[構成10]を備える。よって、材料21が混合器250内に残りにくい。
また、材料21が混合器250内から下流側に流れやすいので、作動流体11および材料21を下流側に流すための動力(例えばポンプ16の動力)を抑制できる。
(第3実施形態)
図8~図10を参照して、第3実施形態の混合装置301の混合器350について、第1実施形態との相違点を説明する。図8に示すように、混合器350は、混合促進部材355を備える。
図8~図10を参照して、第3実施形態の混合装置301の混合器350について、第1実施形態との相違点を説明する。図8に示すように、混合器350は、混合促進部材355を備える。
混合促進部材355は、材料21の混合を促進させる部材である。混合促進部材355は、チャンバ51に対して固定され、チャンバ51内の流路の一部を塞ぎ、混合翼53とは別に設けられる。混合促進部材355は、例えば板状(混合促進板)である。この場合、板状の混合促進部材355の厚さ方向は、例えばチャンバ51の軸方向Xなどである。混合促進部材355は、板状でなくてもよく、ブロック状などでもよい。例えば、混合促進部材355は、チャンバ51の内面から、チャンバ51の中心軸側に突出する。混合促進部材355は、チャンバ51の内面の上部から下部に向かって突出してもよく(図9参照)、チャンバ51の内面の下部から上部に向かって突出してもよい。図10に示すように、混合促進部材355は、チャンバ51の内面の横方向外側から横方向内側に向かって突出してもよい。
図8に示すように、混合促進部材355が設けられることにより、作動流体11および材料21は、混合促進部材355を避けて流れようとする。その結果、混合器350内の流路が複雑になりやすい(流路が変動しやすい、材料21の入れ替えが促進される)。その結果、材料21がより混合される。具体的には例えば、材料21が混合翼53に沿うように螺旋状に旋回しながら混合器350内を流れるとする。この場合、材料21は、遠心力により、チャンバ51の内面近傍に偏り(集まり)、チャンバ51の内面に沿って流れやすい。この材料21の流れが、混合促進部材355に近づくと、混合促進部材355を避けるように流れる。すると、材料21が、チャンバ51の中心軸側に移動する。よって、混合促進部材355の近傍で、材料21の流れの向きが複雑に変わり、材料21の混合が促進される。
また、混合促進部材355が設けられることにより、混合器350内の流路に圧力損失が生じ、作動流体11および材料21のポンピング効果(上記)が生じる。よって、作動流体11および材料21に、せん断流れに加え、伸長流を生じさせることができる。よって、材料21をより混合させることができる。例えば、材料21に繊維材料(例えばCNFなど)が含まれる場合、上記のポンピング効果により、絡み合った繊維の解繊を行える。
図8に示す混合装置301による効果は次の通りである。
(第11の発明の効果)
[構成11]混合器350は、混合促進部材355を備える。混合促進部材355は、チャンバ51に対して固定され、チャンバ51内の流路の一部を塞ぎ、混合翼53とは別に設けられる。
[構成11]混合器350は、混合促進部材355を備える。混合促進部材355は、チャンバ51に対して固定され、チャンバ51内の流路の一部を塞ぎ、混合翼53とは別に設けられる。
上記[構成11]により、材料21の流路を複雑にすることができるので、材料21をより混合させることができる。
(第4実施形態)
図11を参照して、第4実施形態の混合装置401の混合器450について、第1実施形態との相違点を説明する。混合装置401の混合器450は、チャンバ451を備える。
図11を参照して、第4実施形態の混合装置401の混合器450について、第1実施形態との相違点を説明する。混合装置401の混合器450は、チャンバ451を備える。
軸方向Xから見たチャンバ451の断面積は、軸方向Xにおける位置によって異なる。例えば、軸方向Xの上流側から下流側に、チャンバ451の断面積が徐々に小さくなる部分と、徐々に大きくなる部分と、が交互に設けられる。この場合、作動流体11および材料21が、圧縮と膨張とを繰り返し(ポンピング効果を起こし)、加速と減速とを繰り返す。よって、作動流体11および材料21に、せん断流れに加え、伸長流を生じさせることができる。よって、材料21をより混合させることができる。例えば、材料21に繊維材料(例えばCNFなど)が含まれる場合、上記のポンピング効果により、絡み合った繊維の解繊を行える。
図11に示す混合装置401による効果は次の通りである。
(第12の発明の効果)
[構成12]チャンバ451の軸方向Xから見たチャンバ451の断面積は、チャンバ451の軸方向Xにおける位置によって異なる。
[構成12]チャンバ451の軸方向Xから見たチャンバ451の断面積は、チャンバ451の軸方向Xにおける位置によって異なる。
上記[構成12]により、作動流体11および材料21がチャンバ451内を流れると、材料21に作用する圧力が変化する。その結果、材料21がより混合される。
(第5実施形態)
図12を参照して、第5実施形態の混合装置501の混合器550について、第1実施形態との相違点を説明する。混合装置501の混合器550は、チャンバ551を備える。
図12を参照して、第5実施形態の混合装置501の混合器550について、第1実施形態との相違点を説明する。混合装置501の混合器550は、チャンバ551を備える。
軸方向Xから見たチャンバ51の断面中心をつないだ線を断面中心線551aとする。断面中心線551aは、曲線状または折れ線状である。断面中心線551aの上下方向における位置、および、断面中心線551aの水平方向における位置、の少なくともいずれかの位置は、軸方向Xにおける位置によって異なる。例えば、断面中心線551aは、上下方向に蛇行する。例えば、断面中心線551aは、水平方向に蛇行してもよい。断面中心線551aは、上下方向および水平方向に対して傾斜する方向に蛇行してもよい。断面中心線551aは、螺旋状でもよい。断面中心線551aは、蛇行しなくてもよい。断面中心線551aが曲線状または折れ線状のとき、軸方向Xから見たチャンバ551の断面積は、軸方向Xにおける位置によって、異なってもよく、同一(一定)でもよい。
図12に示す混合装置501による効果は次の通りである。
(第13の発明の効果)
[構成13]チャンバ551の軸方向Xから見たチャンバ551の断面中心をつないだ線(断面中心線551a)は、曲線状または折れ線状である。
(第13の発明の効果)
[構成13]チャンバ551の軸方向Xから見たチャンバ551の断面中心をつないだ線(断面中心線551a)は、曲線状または折れ線状である。
上記[構成13]により、断面中心線551aが直線状である場合に比べ、材料21の流路が複雑になる。よって、材料21をより混合させることができる。
(第6実施形態)
図13を参照して、第6実施形態の混合装置601の混合器650の混合翼653などについて、第1実施形態との相違点を説明する。
図13を参照して、第6実施形態の混合装置601の混合器650の混合翼653などについて、第1実施形態との相違点を説明する。
混合翼653は、軸方向Xに間欠的に配置される。混合翼653は、軸方向Xに間隔(間欠領域A)をあけて配置される。間欠領域Aでは、材料21の流路が複雑になりやすい(流路が変動しやすい、材料の入れ替えが促進される)。なお、図13では、支持構造55(図2などを参照)の図示を省略した。また、混合促進部材355(図8参照)が、間欠領域Aに配置されてもよい。この場合、間欠領域Aに混合促進部材355を配置しやすい。
図13に示す混合装置601による効果は次の通りである。
(第14の発明の効果)
[構成14]混合翼653は、チャンバ51の軸方向Xに間欠的に配置される。
[構成14]混合翼653は、チャンバ51の軸方向Xに間欠的に配置される。
上記[構成14]により、混合翼653どうしの、軸方向Xにおける間の領域(間欠領域A)で、材料21の流路を複雑にすることができる。よって、材料21をより混合させることができる。
(第7実施形態)
図14を参照して、第7実施形態の混合装置701について、第1実施形態との相違点を説明する。混合装置701の混合器50は、ヒーター759を備える。
図14を参照して、第7実施形態の混合装置701について、第1実施形態との相違点を説明する。混合装置701の混合器50は、ヒーター759を備える。
ヒーター759は、チャンバ51(図2参照。以降も同様)内を加熱する。ヒーター759は、チャンバ51内の、作動流体11および材料21を加熱する。図14に示す例では、ヒーター759は、3か所に設けられるが、1か所に設けられてもよく、2か所に設けられてもよく、4か所以上に設けられてもよい。
ヒーター759は、作動流体11の状態(超臨界状態など)を維持するために用いられる。ここで、作動流体11の状態を維持するための制御は、圧力制御よりも、温度制御の方が容易である。さらに詳しくは、超臨界状態などの作動流体11と、大気圧と、の圧力差は大きい(例えば二酸化炭素の場合は約74倍以上など)。そのため、作動流体11の圧力を微調整することは、作動流体11の温度を微調整するよりも、困難である。また、圧力制御を行うのに要するエネルギーは、温度制御を行うのに要するエネルギーよりも大きくなる(動力ロスが大きくなる)場合がある。そこで、本実施形態では、ヒーター759を用いて、作動流体11の超臨界状態などの状態を維持するように制御する。なお、変形例として、作動流体11の状態を維持するために、作動流体11の圧力を制御してもよい。
このヒーター759は、混合器50内の(チャンバ51内の)、材料21の化学反応の進行を制御するために用いられる。なお、ヒーター759は、作動流体11の状態の維持のための制御、および、材料21の化学反応の進行の制御のうち、いずれか一方にのみ用いられてもよい。
図14に示す混合装置701による効果は次の通りである。
(第15の発明の効果)
[構成15]混合器50は、チャンバ51内を加熱するヒーター759を備える。
[構成15]混合器50は、チャンバ51内を加熱するヒーター759を備える。
上記[構成15]のヒーター759により、混合器50内(チャンバ51内)の温度を制御できる。
上記[構成15]により、次の効果が得られてもよい。混合器50内の温度を制御することで、作動流体11の超臨界状態などの状態を維持できる。また、混合器50内の温度を制御することで、材料21の反応の進行を制御できる。なお、チャンバに対して回転する回転翼で材料21を混合する場合は、通常は、回転翼と材料との摩擦熱により材料を加熱できるので、ヒーターを設ける必要がない。
(第8実施形態)
図15、図16を参照して、第8実施形態の混合装置801について、第7実施形態との相違点を説明する。混合装置801の混合器50は、クーラー859を備える。クーラー859は、チャンバ51内の、作動流体11および材料21を冷却する。クーラー859は、ヒーター759よりも下流側に設けられる。
図15、図16を参照して、第8実施形態の混合装置801について、第7実施形態との相違点を説明する。混合装置801の混合器50は、クーラー859を備える。クーラー859は、チャンバ51内の、作動流体11および材料21を冷却する。クーラー859は、ヒーター759よりも下流側に設けられる。
混合器50にクーラー859およびヒーター759が設けられる場合は、混合器50にヒーター759のみが設けられる場合に比べ、混合器50内の温度をより微小に制御できる。例えば、混合器50にヒーター759のみが設けられる場合は、例えばヒーター759のオンとオフとを切り換えることで混合器50内の温度を制御する(オンオフ制御を行う)ことが考えられる。このヒーター759のオンオフ制御に加え、クーラー859が混合器50内を冷却することで、混合器50内の温度をより微小に制御できる。その結果、混合器50内の温度制御に要するエネルギーを抑制できる。
また、クーラー859が混合器50内を冷却することで、作動流体11の圧力を滑らかに低下させることができる。さらに詳しくは、圧力調整用バルブ73により、作動流体11の圧力を制御することは可能である。しかし、圧力調整用バルブ73のみでは、作動流体11の圧力を微小に制御することは困難な場合がある。そこで、圧力調整用バルブ73で作動流体11の圧力を制御する(下げる)ことに加えて、クーラー859でも作動流体11の圧力を制御する(下げる)。これにより、作動流体11の状態を、超臨界状態または亜臨界状態から、高圧の気体、中圧の気体、低圧の気体、というように滑らかに変化させることができる。
クーラー859は、材料21の化学反応の進行を制御するために用いられる。具体的には例えば、クーラー859を用いて次のような制御ができる。図16に、チャンバ51の入口からの軸方向Xにおける距離(横軸)と、チャンバ51内の温度T(縦軸)と、の関係を示す。以下では混合装置801の各構成要素については図15を参照して説明する。作動流体11および材料21は、チャンバ51の入口から下流側に流れ、ヒーター759で加熱される。これにより、混合器50内の温度Tが、材料21の化学反応に必要な温度Tb(所望の温度)に上げられる。材料21の化学反応が適切に進行した後(反応終了後)、混合器50内の温度Tが、クーラー859で下げられる。このとき、例えば、混合器50内の温度は、ヒーター759およびクーラー859が設けられない場合の温度(通常混合温度Tn)まで下げられる。これにより、材料21の劣化を抑制できる。
なお、変形例として、ヒーター759が設けられない場合に、クーラー859が設けられてもよい。
図15に示す混合装置801による効果は次の通りである。
(第16の発明の効果)
[構成16]混合器50は、チャンバ51内を冷却するクーラー859を備える。
[構成16]混合器50は、チャンバ51内を冷却するクーラー859を備える。
上記[構成16]のクーラー859により、チャンバ51内の温度を制御できる。
上記[構成16]により、次の効果が得られてもよい。混合器50内の温度を制御することで、作動流体11の超臨界状態などの状態を維持しつつ、材料21の反応の進行を制御できる。また、作動流体11を滑らかに減圧できる。よって、作動流体11(流体12)を、超臨界状態または亜臨界状態から、気体へ、滑らかに変化させることができる。よって、急減圧による発泡を抑制できる。よって、発泡による騒音を抑制できる。また、騒音によるエネルギーロスを抑制できる。
(第9実施形態)
図17を参照して、第9実施形態の混合装置901について、第1実施形態との相違点を説明する。混合装置901の分離部70は、補助混合器980を備える。
図17を参照して、第9実施形態の混合装置901について、第1実施形態との相違点を説明する。混合装置901の分離部70は、補助混合器980を備える。
補助混合器980(補助混合装置、補助混練装置)は、材料21に力を加える装置である。さらに詳しくは、分離器71は、作動流体11および材料21の圧力を、例えば大気圧(またはほぼ大気圧)まで下げることで、材料21から作動流体11(流体12)を分離できる。しかし、分離器71による脱揮のみでは、材料21内の隙間などに、流体12が残る場合がある。そこで、補助混合器980は、材料21に力を加える。この力は、少なくとも大気圧よりも高い圧力である。これにより、補助混合器980は、材料21の隙間を埋めることで、流体12を材料21から分離させる。補助混合器980は、材料21に、せん断力を加える。この場合、補助混合器980は、材料21の分子量の調整を行うことができ、例えばゴムの品質の管理などを行える。補助混合器980は、混合器50よりも下流側に配置され、分離器71よりも下流側に配置される。補助混合器980は、例えば回転翼(チャンバに対して回転する翼)などを用いて材料21に力を加える。
図17に示す混合装置901による効果は次の通りである。
(第17の発明の効果)
[構成17]混合装置901は、補助混合器980を備える。補助混合器980は、混合器50よりも下流側に配置され、大気圧よりも高い圧力を材料21に加える。
[構成17]混合装置901は、補助混合器980を備える。補助混合器980は、混合器50よりも下流側に配置され、大気圧よりも高い圧力を材料21に加える。
上記[構成17]により、材料21から作動流体11(流体12)を確実に分離させることができる。その結果、例えば材料21の品質を高くできる。
(変形例)
上記実施形態は様々に変形されてもよい。例えば、互いに異なる実施形態の構成要素どうしが組み合わされてもよい。例えば、各構成要素の配置や形状が変更されてもよい。例えば、構成要素の数が変更されてもよく、構成要素の一部が設けられなくてもよい。
上記実施形態は様々に変形されてもよい。例えば、互いに異なる実施形態の構成要素どうしが組み合わされてもよい。例えば、各構成要素の配置や形状が変更されてもよい。例えば、構成要素の数が変更されてもよく、構成要素の一部が設けられなくてもよい。
例えば、図7に示す、水平方向に対して傾斜した混合器250を、第2、4~9実施形態に適用してもよい。例えば、図1に示すセンサ57は、設けられなくてもよい。例えば、図12などに示す混合翼53の中心軸は、曲線状(例えば螺旋状など)でもよい。混合翼53の中心軸が曲線状の場合、チャンバ51の断面中心線551aは、曲線状でも直線状でもよい。
本出願は2017年11月7日出願の日本国特許出願(特願2017-214760)に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
1、201、301、401、501、601、701、801、901 混合装置
11 作動流体
16 ポンプ
21 材料
50、250、350、450、550、650 混合器
51、451、551 チャンバ
53、553、653 混合翼
57p1 混合器入口圧力計
57p2 混合器出口圧力計
57p3 混合器中間圧力計
57t1 混合器入口温度計
57t2 混合器出口温度計
57t3 混合器中間温度計
60 開度調整用バルブ
71 分離器
71a 開放部
73 圧力調整用バルブ
355 混合促進部材
551a 断面中心線
759 ヒーター
859 クーラー
980 補助混合器
X 軸方向
11 作動流体
16 ポンプ
21 材料
50、250、350、450、550、650 混合器
51、451、551 チャンバ
53、553、653 混合翼
57p1 混合器入口圧力計
57p2 混合器出口圧力計
57p3 混合器中間圧力計
57t1 混合器入口温度計
57t2 混合器出口温度計
57t3 混合器中間温度計
60 開度調整用バルブ
71 分離器
71a 開放部
73 圧力調整用バルブ
355 混合促進部材
551a 断面中心線
759 ヒーター
859 クーラー
980 補助混合器
X 軸方向
Claims (20)
- 超臨界状態または亜臨界状態の作動流体の存在下で、ゴムまたは樹脂を含む材料を混合させる混合器を備え、
前記混合器は、
前記作動流体および前記材料の流路を形成するチャンバと、
前記チャンバ内に配置され、前記チャンバに対して固定される混合翼と、
を備える、
混合装置。 - 請求項1に記載の混合装置であって、
前記混合器は、前記材料の上流側から下流側に向かって前記材料が下がるように、水平方向に対して傾斜する、
混合装置。 - 請求項1に記載の混合装置であって、
前記混合器よりも下流側に設けられ、前記材料から前記作動流体を分離する分離器を備える、
混合装置。 - 請求項2に記載の混合装置であって、
前記混合器よりも下流側に設けられ、前記材料から前記作動流体を分離する分離器を備える、
混合装置。 - 請求項3に記載の混合装置であって、
前記材料から分離された前記作動流体が通る流路の開度を調整する圧力調整用バルブを備える、
混合装置。 - 請求項4に記載の混合装置であって、
前記材料から分離された前記作動流体が通る流路の開度を調整する圧力調整用バルブを備える、
混合装置。 - 請求項3に記載の混合装置であって、
前記分離器は、前記作動流体が分離された前記材料を間欠的に排出する開放部を備える、
混合装置。 - 請求項5に記載の混合装置であって、
前記分離器は、前記作動流体が分離された前記材料を間欠的に排出する開放部を備える、
混合装置。 - 請求項1~8のいずれか1項に記載の混合装置であって、
前記混合器から排出される前記作動流体および前記材料が通る流路の開度を調整する開度調整用バルブを備える、
混合装置。 - 請求項1~8のいずれか1項に記載の混合装置であって、
前記混合器は、
前記混合器の入口側部分の圧力を検出する混合器入口圧力計と、
前記混合器の出口側部分の圧力を検出する混合器出口圧力計と、
前記混合器の入口側部分の温度を検出する混合器入口温度計と、
前記混合器の出口側部分の温度を検出する混合器出口温度計と、
を備える、
混合装置。 - 請求項10に記載の混合装置であって、
前記混合器入口圧力計が検出した圧力と前記混合器出口圧力計が検出した圧力との差圧が規定の範囲内に収まるように、前記差圧を制御する、
混合装置。 - 請求項10に記載の混合装置であって、
前記混合器は、
前記混合器入口圧力計よりも下流側かつ前記混合器出口圧力計よりも上流側の部分の圧力を検出する混合器中間圧力計と、
前記混合器入口温度計よりも下流側かつ前記混合器出口温度計よりも上流側の部分の温度を検出する混合器中間温度計と、
を備える、
混合装置。 - 請求項1~8のいずれか1項に記載の混合装置であって、
前記混合器は、混合促進部材を備え、
前記混合促進部材は、前記チャンバに対して固定され、前記チャンバ内の流路の一部を塞ぎ、前記混合翼とは別に設けられる、
混合装置。 - 請求項1~8のいずれか1項に記載の混合装置であって、
前記チャンバの軸方向から見た前記チャンバの断面積は、前記チャンバの軸方向における位置によって異なる、
混合装置。 - 請求項1~8のいずれか1項に記載の混合装置であって、
前記チャンバの軸方向から見た前記チャンバの断面中心をつないだ線は、曲線状または折れ線状である、
混合装置。 - 請求項1~8のいずれか1項に記載の混合装置であって、
前記混合翼は、前記チャンバの軸方向に間欠的に配置される、
混合装置。 - 請求項1~8のいずれか1項に記載の混合装置であって、
前記混合器は、前記チャンバ内を加熱するヒーターを備える、
混合装置。 - 請求項1~8のいずれか1項に記載の混合装置であって、
前記混合器は、前記チャンバ内を冷却するクーラーを備える、
混合装置。 - 請求項1~8のいずれか1項に記載の混合装置であって、
前記混合器よりも下流側に配置され、大気圧よりも高い圧力を前記材料に加える補助混合器を備える、
混合装置。 - 請求項1~8のいずれか1項に記載の混合装置であって、
前記混合器に前記作動流体を圧送するポンプを備え、
前記ポンプの回転速度は、インバータ制御される、
混合装置。
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