(57)【要約】【課題】高い充填率で粒子を充填させることが可能な充填方法及び充填装置の提供。【解決手段】実施形態に係る粒子の充填方法は、粒子を収容する収容空間を有する容器に粒子を供給した後、前記容器の前記収容空間を減圧しながら前記容器を振動させる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子を収容する収容空間を有する容器に粒子を供給した後、
前記容器の前記収容空間を減圧しながら前記容器を振動させることを特徴とする粒子の充填方法。
【請求項２】
前記粒子は、粒径の異なる複数種類の粒子を含むことを特徴とする請求項１記載の粒子の充填方法。
【請求項３】
前記収容空間を減圧しながら前記容器を振動させる減圧加振処理と、前記減圧加振処理の後に前記振動を停止して前記容器を大気開放することで前記容器の内部に堆積する粒子の層を加圧する大気開放処理と、を複数回繰り返すことを特徴とする請求項２記載の粒子の充填方法。
【請求項４】
前記粒子を供給する供給処理と、前記減圧加振処理と前記大気開放処理とを繰り返して前記粒子の層を高密度化する高密度化処理と、を複数回繰り返し、複数段階に分けて前記容器内に粒子を充填することを特徴とする請求項３記載の粒子の充填方法。
【請求項５】
粒子を収容する収容空間を有する容器と、
前記容器の前記収容空間に粒子を供給する供給部と、
前記容器を振動させる加振部と、
前記容器内の収容空間を減圧する圧力調整部と、を備え、
前記容器に粒子を供給した後、前記容器の前記収容空間を減圧しながら前記容器を振動させるように構成されていることを特徴とする粒子の充填装置。
【請求項６】
前記粒子は粒径の異なる複数種類の粒子を含むことを特徴とする請求項５記載の粒子の充填装置。
【請求項７】
前記容器は開閉可能であり、
前記容器の開閉動作や前記圧力調整部を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記容器を閉じて前記収容空間を減圧することによる脱気と、前記容器を開けて大気に開放することによる加圧とを交互に複数回繰り返すことを特徴とする請求項６記載の粒子の充填装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は粒子の充填方法及び粒子の充填装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
粒子の充填方法において、充填率を高めるために容器の上部に設けられたホッパから粒子を落下投入した後、加振器によって処分容器を振動させることで容器内の粒子の付着力を緩和し、粒子同士を隙間に移動させることで密に充填する方法が提供されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２７１９５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
例えば径が小さい微細粉子は、噴流性が高く、落下投入時に空気を巻き込みやすい。このため落下投入後の容器内の粒子層の嵩密度が低い。このような粒子は巻き込んだ空気によって浮遊するため、加振しても粒子が隙間に落とし込まれにくく、高い充填効果を確保することが困難である。
【０００５】
実施形態では、高い充填率で粒子を充填させることが可能となる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態にかかる粒子の充填方法は、粒子を収容する収容空間を有する容器に粒子を供給した後、前記容器の前記収容空間を減圧しながら前記容器を振動させることを特徴とする。
【０００７】
実施形態に係る粒子の充填装置は、粒子を収容する収容空間を有する容器と、前記容器の前記収容空間に粒子を供給する供給部と、前記容器を振動させる加振部と、前記容器内の収容空間を減圧する圧力調整部と、を備え、前記容器に粒子を供給した後、前記容器の前記収容空間を減圧しながら前記容器を振動させるように構成されているたことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１実施形態に係る粒子の充填装置を示す説明図。
【図２】同実施形態に係る粒子の充填方法を示す説明図。
【図３】同粒子の充填方法における容器内の状態を示す説明図。
【図４】同粒子の充填方法における粒子の層の状態を示す説明図。
【図５】同粒子の充填方法を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
[第１実施形態]
以下、本発明の第１実施形態かかる粒子の充填装置１について、図１乃至図５を参照して説明する。各図中矢印Ｘ，Ｙ，Ｚはそれぞれ互いに直交する三方向を示す。また、各図において説明のため、適宜構成を拡大、縮小または省略して示している。
【００１０】
図１は本実施形態に係る粒子の充填装置の構成を模式的に示す説明図である。図１に示す粒子の充填装置１は、内部に密閉可能な空間を形成する容器１１と、容器１１に粒子を供給するホッパ１２と、容器１１を振動させる加振部１３と、容器１１の内部空間の圧力を調整する圧力調整部１４と、粒子供給動作や加振動作、圧力調整動作を制御する制御部１５と、粒子の有無を検知する満砂検知センサ１６と、を備えている。
【００１１】
容器１１は、上部開口を有するケース２１と、ケース２１を開閉し内部を密閉可能な真空蓋部２２と、を備えて箱形に構成される。
【００１２】
容器１１の外部には粒子供給部としてのホッパ１２が設けられている。ホッパ１２は、砂等の粒子Ｓを貯留し、材料供給用の通路１２ｂを開閉して容器１１内に所定量の粒子Ｓを投入する。通路１２ｂの容器１１近傍の所定位置には、通路１２ｂ内の粒子Ｓの有無を検知する満砂検知センサ１６が設けられている。
【００１３】
粒子Ｓ（粉子）は、例えば砂など自然物の充填材であって、粒径が異なる複数種類の粒子Ｓ１，Ｓ２を用いる。例えば本実施形態では大小２種類の第１粒子Ｓ１、第２粒子Ｓ２を用いる。このように粒径の異なる複数種類の粒子を用いることで、加振したときに大きな粒子Ｓ１の隙間に小さな粒子Ｓ２が入りこみ、充填率が向上する。第１粒子Ｓ１として例えば平均径１ｍｍ以上の粗い粒子を用い、第２粒子Ｓ２として平均径が第１粒子Ｓ１の隙間で流動し得る平均径（例えば０．１ｍｍ以下）の粒子を用いる。
【００１４】
加振部１３は例えば容器１１の下方を支持する支持プレート３１と、支持プレート３１と装置設置面との間に設けられたばね部材３２と、支持プレート３１に振動を付与するバイブレータ３３と、を備えて構成されている。バイブレータ３３は制御部１５の制御に応じて所定のタイミングで、所定の周波数及びストロークで支持プレート３１を縦振動させる。
【００１５】
圧力調整部１４は例えば容器１１の内部を減圧する減圧機構であって、容器１１の内部に連通する通路４１、通路４１を開閉するバルブ４２ａ，４２ｂ、通路４１に接続された真空タンク４３、真空タンク４３に接続された真空ポンプ４４、及び通路４１に設けられたフィルタ４５を備えている。制御部１５の制御に応じて所定のタイミングで真空ポンプ４４を動作させることで、容器１１内を真空引きし、減圧する。
【００１６】
本実施形態においては容器１１を開閉する真空蓋部２２も圧力調整部１４の機能を担っている。すなわち、大気開放処理として、制御部１５の制御によりバルブ４２ａを閉じバルブ４２ｂを開けることで、容器１１内を大気開放する。減圧状態から瞬時に大気開放すると、差圧によって粒子Ｓの層にプレス効果が現れ、粒子Ｓがより密に充填される。
【００１７】
以下、図１乃至図５を参照して、本実施形態にかかる粒子の充填方法について説明する。制御部１５は、バルブ１２ａを開けてホッパ１２から容器１１内に連通する通路１２ｂを開放し、複数種類の粒子Ｓ１，Ｓ２を所定量容器１１の内部の収容空間１１ａに定量投入する（供給処理）。
【００１８】
なお、ホッパ１２の収容部１２ｃにおいて複数種類の粒子Ｓ１、Ｓ２を予め混ぜて貯留しておいてもよいし、投入時に順次落下させてもよい。また、ホッパ１２内の粒子Ｓの詰まりなどで定量投入が困難な場合はホッパ１２の代わりにサークルフィーダを用いてもよい。
【００１９】
粒子Ｓの投入は、後述する、減圧効果を及ぼすことが可能な体積高さまで所定量供給し、容器が満砂になるまで段階的に行う。
【００２０】
制御部１５は、図２乃至図４に示すように、１層分の所定量の粒子Ｓを供給した後、粒子Ｓの層を高密度化する高密度化処理を行う。高密度化処理として、容器１１内の収容空間１１ａを減圧しながら容器１１を振動させる減圧加振処理と、収容空間１１ａを大気に開放して加圧する大気開放処理とを、複数回繰り返して行う。
【００２１】
減圧加振処理として、容器１１内を密閉した密閉状態で圧力調整部１４の真空ポンプ３２を作動させて真空引きすることで容器１１内を大気圧より小さい所定値Ｐ１にまで減圧する。さらに制御部１５は減圧を行いながら、加振部１３を作動させることにより密閉状態の容器１１を縦に振動させる。
【００２２】
次に、制御部１５は所定のタイミングで振動を停止し、容器１１を大気開放することで、容器の内部に堆積する粒子の層を加圧する大気開放処理を行う。
【００２３】
上記処理の条件の一例として、容器１１の容積は、０．０１〜１ｍ３の範囲で何れかの値が選択される（このとき、粒子Ｓの充填量の合計は、所定量が選択されている。）。また、ここでは、粒子Ｓの充填量の合計分を一度に  また、数回に分けて投入することができる。粒子Ｓを数回に分けて投入する場合、一回当たりの粒子Ｓの投入量は、条件に応じて、所定の量に決めることができる。また、このとき、一例として、振動加速度は１．５Ｇ〜３．５Ｇの範囲で、振動周波数は１０Ｈｚ〜４０Ｈｚの範囲で選択することができる。
【００２４】
なお、大気に曝した状態では加振しないように制御する。また、目標の負圧Ｐ１に達する時間を短縮するため、粒子Ｓの層に包含されている空気の圧力と、粒子Ｓの層より上部の容器１１の内部圧力にできるだけ差圧を発生させることが望ましい。ただし、逆に真空ポンプ４４の能力（真空度）を上げると、第２粒子Ｓ２が通路４１にまで吸い込まれ、フィルタ４５が早く目詰まりする恐れがある。
【００２５】
減圧処理では、堆積する粒子の配管抵抗より大きい圧力差ΔＰを得るように設定する。関係する式としてＥｒｇｕｎの式を示す。
【数１】
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【００２６】
（ε：空隙率、ｕ：風速、Ｄｐ：容器の内径、ρ：流体密度、μ：流体粘度、Ｌ：一回の投入で堆積可能な高さ）
例えば本実施形態では（＝Ｐ０−Ｐ２）を大きく設定するため、Ｐ１＝−５ｋＰａとした。
【００２７】
高密度化処理において、図３に示すように、容器１１の振動により、容器１１内の粒子Ｓの付着力を緩和し、粒子Ｓの層が流動化し、各粒子が粒子間の隙間に入り込むように移動することで充填密度が向上する。同時に、減圧により、粒子の層に噛みこまれていた空気Ａが吸い出され、充填密度が向上する。なお、図３においては単一の粒子Ｓを用いた場合の移動と脱気の様子を模式的に示す。
【００２８】
さらに、負圧の状態から瞬時にバルブ４２ａを閉じバルブ４２ｂを開けて大気開放することで、粒子Ｓの層に包含されている空気の圧力Ｐ２と、粒子Ｓの層より上部の容器１１内部の圧力Ｐ０に、圧力差を得ることができる。この差圧により、粒子Ｓの層を加圧し、圧密効果を得ることができ、粒子Ｓの層をより密に充填できる。
【００２９】
この減圧による脱気と大気開放による加圧とを複数回繰り返すことで、粒子Ｓの層に包含された空気を抜く脱気と、粒子Ｓの層の加圧とを交互に繰り返し行い、粒子Ｓを密に充填することができる。このとき、大きさの異なる複数種類の粒子Ｓ１、Ｓ２を混合しているため、大きな第１粒子Ｓ１の接点近傍の隙間に小さな第２粒子Ｓ２が入り込みやすいため、充填率が向上できる。
【００３０】
図２及び図４に示すように、粒子Ｓを供給する供給処理と、減圧加振処理と大気開放処理とを繰り返して粒子Ｓの層を高密度化する高密度化処理と、を含む一連の充填工程を複数回繰り返し、段階的に粒子Ｓを容器内に堆積、充填させることで、高い充填率を実現できる。
【００３１】
図２及び図５に示すように、本実施形態では一例として、満砂検知センサ１６で通路１２ｂの粒子Ｓの有無を検知し、この検知結果に基づいて動作を制御する。例えば制御部１５は、一定量の粒子Ｓを充填する上記の充填工程を所定回繰り返した後（例えば本実施形態では４層目以降）の充填工程において、供給処理の際に供給速度を落とすとともに、満砂検知センサ１６によって密度の状態での満砂の山を検知する。そして、供給途中に満砂検知センサ１６がＯＮとなり通路１２ｂに粒子Ｓが存在することを検知したら、加振及び脱気処理を行い、密度が上がり、満砂検知センサ１６がＯＦＦとなるまで加振及び脱気を行う。以降の充填工程において、上記満砂検知センサ１６の検知結果に基づく供給処理、加振及び脱気処理の工程を繰り返し、脱気及び加振をしても満砂検知センサ１６が一定時間（例えば１５ｍｉｎ）ＯＦＦとならなければ充填を終了する。
【００３２】
最後に真空蓋２２を閉じて容器１１を密閉し、充填が完了する。
【００３３】
本実施形態によれば、減圧して脱気を行うことにより、振動の際に粒子Ｓの移動を促し、より高速かつ高い充填率で充填が可能である。例えば５０μｍ以下の微細粉子は、噴流性が高く、落下投入時に空気を巻き込みやすいため、落下投入直後の嵩密度が低い。このような微細粒子では空気によって浮遊するため、加振しても粒子が隙間に落とし込まれにくいが、本実施形態では、減圧による脱気を行うことで、空気の巻き込みを解消し、充填率を向上する。さらに減圧と大気開放とを繰り返すことにより大気開放時の差圧によって粒子を加圧できるので、充填率をより向上できる。
【００３４】
なお、上記第１実施形態で例示したものに限られるものではなく、装置構成や処理条件は適宜変更可能である。また、圧力値や周波数等の処理条件も適宜変更可能である。
【００３５】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００３６】
Ｓ，Ｓ１，Ｓ２…粒子、１…充填装置、１１…容器、１２…ホッパ、１２ａ…バルブ、１２ｂ…通路、１２ｃ…収容部、１３…加振部、１４…圧力調整部、１５…制御部、１６…満砂検知センサ、２１…ケース、２１ｃ…開口、２２…真空蓋部、３１…支持プレート、３２…部材、３３…バイブレータ、４１…通路、４２…バルブ、４３…真空タンク、４４…真空ポンプ、４５…フィルタ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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