(57)【要約】【課題】    粉体の流動等の挙動について数値計算によるシミュレーションを行うときの粉体流動特性を効率よく適切に設定し、信頼性の高いシミュレーションを可能とする。【解決手段】    堆積する実際の粉体２の層内に一部が貫入された作動体３を所定の速度で移動する実験を行い、移動中に粉体から作動体に作用する抵抗力、移動中及び移動後における粉体層の表面形状を測定する。一方、シミュレーションを行う手法によって、粉体流動特性の指標を推定し、上記実験と同じ動作について数値演算を行う。そして、計算値を実験における測定値とを対比し、粉体流動特性の指標を修正しながら数値演算を繰り返し、上記実験値と測定値がほぼ一致する指標を求める。この指標を用いて、さまざまな粉体の挙動、粉体を用いた機構等のシミュレーションを行う。実験において粉体層内の攪乱状態を測定し、これが数値計算と一致するように指標を定めてもよい。【選択図】    図１
2006266770.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
堆積する粉体層内に一部が貫入された作動体を所定の速度で移動し、
前記粉体から前記作動体に作用する抵抗力を測定し、
前記作動体の移動時における粉体層の表面形状の変化を時間を追って測定し、
前記粉体の特性を示す指標を推定して作成した数値演算用の仮想モデルによって、前記作動体の動作と同じ動作をする仮想作動体に作用する仮想粉体の抵抗力及び仮想作動体の移動時における仮想粉体層の表面形状の変化を、数値演算によって算出し、
前記数値演算の結果を前記測定値と比較して、これらがほぼ一致するまで、前記粉体の特性の指標を変更して、数値演算を行うことを特徴とする粉体流動特性の推定方法。
【請求項２】
前記作動体の移動、該作動体に作用する抵抗力の測定及び粉体層の変化する表面形状の測定は、前記作動体の移動速度を変えて複数回行い、
前記数値演算は、前記複数回の測定に対応して複数の場合について同じ仮想モデルで行い、
それぞれの場合について数値演算の結果が測定値とほぼ一致するまで粉体の特性の指標を変更して数値演算を行うことを特徴とする請求項１に記載の粉体流動特性の推定方法。
【請求項３】
前記作動体の移動、該作動体に作用する抵抗力の測定及び粉体層の変化する表面形状の測定は、前記作動体の粉体層への貫入深さを変えて複数回行い、
前記数値演算は、前記複数回の測定に対応して複数の場合について同じ仮想モデルで行い、
それぞれの場合について数値演算の結果が測定値とほぼ一致するまで粉体の特性の指標を変更して数値演算を行うことを特徴とする請求項１に記載の粉体流動特性の推定方法。
【請求項４】
堆積する粉体層内に一部が貫入された作動体を所定の速度で移動し、
前記粉体から前記作動体に作用する抵抗力を測定し、
前記作動体の移動中又は移動後の少なくとも一方において、該作動体の移動による粉体層の攪乱状態を測定し、
前記作動体が移動した後、該作動体によって攪乱された粉体層の表面形状を測定し、
前記粉体の特性を示す指標を推定して作成した数値演算用の仮想モデルによって、前記作動体の動作と同じ動作をする仮想作動体に作用する仮想粉体の抵抗力、仮想作動体の移動中又は移動後における粉体層の攪乱状態及び仮想作動体の移動後における仮想粉体層の表面形状を、数値演算によって算出し、
前記数値演算の結果を前記測定値と比較して、これらがほぼ一致するまで、前記粉体の特性の指標を変更して、数値演算を行うことを特徴とする粉体流動特性の推定方法。
【請求項５】
前記作動体の移動、該作動体に作用する抵抗力の測定、粉体層の攪乱状態の測定及び粉体層の表面形状の測定は、前記作動体の移動速度を変えて複数回行い、
前記数値演算は、前記複数回の測定に対応して複数の場合について同じ仮想モデルで行い、
それぞれの場合について数値演算の結果が測定値とほぼ一致するまで粉体の特性の指標を変更して数値演算を行うことを特徴とする請求項４に記載の粉体流動特性の推定方法。
【請求項６】
前記作動体の移動、該作動体に作用する抵抗力の測定、粉体層の攪乱状態の測定及び粉体層の表面形状の測定は、前記作動体の粉体層への貫入深さを変えて複数回行い、
前記数値演算は、前記複数回の測定に対応して複数の場合について同じ仮想モデルで行い、
それぞれの場合について数値演算の結果が測定値とほぼ一致するまで粉体の特性の指標を変更して数値演算を行うことを特徴とする請求項４に記載の粉体流動特性の推定方法。
【請求項７】
粉体を収容する粉体貯留槽と、
前記粉体貯留槽内に収容された粉体層に一部が貫入された状態で支持される作動体と、
前記作動体を支持するとともに、該作動体を所定の速度で水平に移動させる走行架台と、
前記作動体の移動時に、該作動体に作用する抵抗力を測定する抵抗力測定装置と、
前記作動体が移動するときの粉体層の表面形状を時間を追って測定する形状測定装置とを有することを特徴とする粉体流動特性試験装置。
【請求項８】
粉体を収容する粉体貯留槽と、
前記粉体貯留槽内に収容された粉体層に一部が貫入された状態で支持される作動体と、
前記作動体を支持するとともに、該作動体を所定の速度で水平に移動させる走行架台と、
前記作動体の移動時に、該作動体に作用する抵抗力を測定する抵抗力測定装置と、
前記作動対の移動による粉体層の攪乱状態を測定する層分布測定装置と、
前記作動体が移動した後の粉体の表面形状を測定する形状測定装置とを有することを特徴とする粉体流動特性試験装置。
【請求項９】
前記走行架台は、前記作動体の粉体層への貫入量を変更することができるように上下方向に位置を調整して該作動体を支持するものであることを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の粉体流動特性試験装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願に係る発明は、粉体の流動状態を数値演算によって解析しようとするときに用いられる粉体流動特性の指標を簡易な実験の結果を参照して推定する方法、及びこの推定方法に用いる装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、物質は気体、液体又は固体状態で存在し、粉体は固体の一つの形態である。固体は、圧縮性や流動性を有するものではないが、固体の微小粒子の集合である粉体となると、流動性や圧縮性が発現する。これは、粒子の間に空隙が存在し、粒子の移動及び粒子間の相対的な位置の変化が生じることに起因する。近年、粉体を原料とする構造材料や機能性材料の開発が盛んに行われ、粉体の変形や流動の制御が多くの技術分野で重要となっている。
【０００３】
粉体の挙動や粉体を扱うときに生じる現象の実証・確認を行うためには、実験的な手法と計算機を用いたシミュレーションによる手法とが一般に知られている。このうち実験的な手法は、実際に粉体を扱う装置等を模擬的に製作し、粉体の状態の観察及びデータの収集を行うものである。しかし、実験装置の製作等に多くの費用と時間を要するため、複雑な機構を扱うのが難しく、限界が生じる。このような実験的な手法を補うもの又は実験的な手法に代わるものとして、シミュレーション技術の重要性及び有効性が注目を浴びている。
【０００４】
粉体の挙動を解析するシミュレーション技術には大きく分けて二つの手法が知られている。一つは、個別要素法と呼ばれる手法に代表されるものであり、一つ一つの粒子の運動を運動方程式に基づいて追跡することで粉体の挙動をシミュレートするものである。粉体は極めて多くの粒子の集合体であり、上記手法では多くの演算が必要となるが、計算機の性能向上にともない、利用の可能性が増大している。もう一つの手法は、粉体粒子の集合を連続体としてマクロ的に取り扱うもので、連続体の力学モデルとして、極地圏での流氷流動解析に用いられている粘塑性レオロジーモデルがその一例として挙げられる。
【０００５】
上記シミュレーションはいずれの手法によるものとしても、数値演算を行うためのモデルを適切に設定する必要があり、この適合性を検証する必要がある。つまり、個別要素法を用いるときには、例えば、粉体粒子の粒度分布、粒子の形状指数、粉体間の付着力等が適切に設定されていなければ実際の粉体とは異なる結果を算出してしまうことになる。また、連続体として粉体の挙動をシミュレートする場合には、力学モデルつまりひずみと応力との関係、ひずみ速度と応力との関係等が適切に設定されている必要がある。
【０００６】
上記のようなモデル検証の方法としては従来から次のような方法が採用されている。
個別要素法を用いるときには、図２２に示すように漏斗６１から粉体６２ａを少しずつ落下させ、円板６３上に堆積する粉体の堆積形状が実験と数値演算とで一致するように、上記粉体の特性値を設定する。粉体が堆積したときの安息角（図２２中に符号θで示す）は、粉体粒子の粒度分布や個々の粒子の形状等によって異なるものとなり、湿度等の環境によって変化する粉体粒子間の付着力によっても変動する。したがって、上記パラメータの設定を修正しながら、漏斗６１から粉体が落下したときの堆積形状を繰り返しシミュレートし、安息角θが実験値と一致するパラメータの値を求める。このように実験値と合致するモデルによって様々なケースについてのシミュレーションを行う。
【０００７】
また、非特許文献１には、粉体を攪乱したときに粉体から受ける力を指標とする方法が記載されている。
この方法では、図２３に示すように回転軸７１に取り付けられた複数枚の羽根７２を粉体層内に貫入し、回転軸７１を回転することによって粉体７３から羽根７２に作用する抵抗力を回転軸７１に接続されたトルクセンサで測定する。そして、これと同じ状況を、有限体積法、有限要素法、差分法等の手法を用いてシミュレートし、演算に用いた力学モデルの修正及び修正モデルによる演算を繰り返して抵抗力が一致する最終的なモデルを導くものである。また、個別要素法で個々の粉体粒子の挙動を追跡し、粉体の特性パラメータを修正しながら羽根に作用する抵抗力を繰り返し演算することもできる。
【０００８】
さらに、非特許文献２には、粉体の堆積形状の時間変化を指標とする方法が記載されている。
この方法では、図２４に示すように粉体に見立てた細長い剛棒５４を容器５２内に堆積し、容器下端の排出部５３から剛棒５４を排出し、剛棒５４の堆積形状の時間変化をビデオカメラ５５で撮影する。上記安息角は定常状態における粉体の堆積形状であるが、この方法で注目するのは非定常状態における粉体の堆積形状である。そして、これと同じ状況を、個別要素法などを用いてシミュレートし、パラメータを修正しながら、堆積形状の時間変化を計算値と実験値とで対比し、これらの誤差和が最小になるよう最適パラメータ値を決定する。
【非特許文献１】Yasuo Takuya et, Modeling Electrophotographic Developer Flow with a Viscous Fluid Flow Model, IS&T, 47, 2, (2003), 155-160.
【非特許文献２】加納純也, 斉藤文良, 下坂厚子, 日高重助, 粒子要素法による振動場での粒子群運動とパーコレーションの二次元および三次元シミュレーションとその相違, 化学工学論文集, 23, 5, (1997), 687, 化学工業会
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記のようにして設定したモデルで粉体の様々な状態のシミュレーションを行っても、その結果は実際の粉体の挙動と一致しない場合がある。これは次にように考えることができる。
上記のような粉体の特性を示すパラメータの組み合わせや、粉体を連続体と考えたときの力学モデルは無数にあり、例えば定常状態の粉体形状である安息角θ、又は非定常状態における粉体の堆積形状、又は攪乱したときの抵抗力Ｆのいずれか一つ又は二つが実験値と一致するものはそれぞれ多数存在する。そして、これらの特性に影響する因子は、それぞれが独立したものである可能性があり、安息角θが実験値と一致するモデルであっても、そのモデルで演算された結果は、非定常状態での粉体層の形状変化、または粉体からの抵抗力等についても実際の粉体挙動と一致するとは限らない。つまり、図２５に示すように、安息角θが実験値と一致するモデル群Ａと、抵抗力が実験値と一致するモデル群Ｂと、さらに非定常状態での粉体層形状変化が実験値と一致するモデル群Cがあり、いずれもが一致するモデル群Dは一部に限られる。したがって、設定されたモデルは、粉体の定常及び非定常状態での堆積形状と、粉体から作用する抵抗力とのいずれにおいても、実際の挙動を的確に再現できるものとならないことが多い。
さらに、この他にも粉体の挙動に影響する因子が存在していることが考えられる。したがって、このような従来から知られているようなモデルでは、様々な粉体の現象についてシミュレーションを行うと、実際の粉体の挙動と一致しないことが多くなり、シミュレーションの信頼性は極めて低いものとなってしまう。
【００１０】
本願に係る発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、粉体の流動等の挙動についてシミュレーションを行うときの粉体流動特性を効率よく適切に設定し、信頼性の高いシミュレーションを可能とする方法及びこの方法に用いる装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、請求項１に係る明は、  堆積する粉体層内に一部が貫入された作動体を所定の速度で移動し、  前記粉体から前記作動体に作用する抵抗力を測定し、  前記作動体の移動時における粉体層の表面形状の変化を時間を追って測定し、  前記粉体の特性を示す指標を推定して作成した数値演算用の仮想モデルによって、前記作動体の動作と同じ動作をする仮想作動体に作用する仮想粉体の抵抗力及び仮想作動体の移動時における仮想粉体層の表面形状の変化を、数値演算によって算出し、  前記数値演算の結果を前記測定値と比較して、これらがほぼ一致するまで、前記粉体の特性の指標を変更して、数値演算を行う粉体流動特性の推定方法を提供するものである。
【００１２】
この方法では、粉体層に対して作動体が行う一つの動作に対して、粉体から作用する抵抗力と粉体層の表面形状の変化が時間を追って測定され、これらの全てが計算結果とほぼ一致するように数値計算用の粉体特性の指標が決定される。つまり、粉体の表面形状は、作動体が動作した後の定常状態における形状のみでなく、動作中の過渡状態における形状についても一致するように、粉体特性が設定される。したがって、これらの指標を用いた数値計算は、粉体の複数の事象に対して再現性を有することになり、実際の粉体の挙動に近い状態を演算によって再現することが可能となる。つまり、粉体から作動体に作用する抵抗力と粉体層の表面形状の変化とは異なる事象であるし、さらに表面形状は定常状態と非定常状態とで異なる因子が影響している可能性がある。これらを組み合わせてすべてがほぼ一致するように粉体特性の指標を設定することにより、幅広く様々な事象に対して計算値が実際の粉体の挙動と近似するものとなり、シミュレーションの信頼性が向上する。
【００１３】
上記数値演算は、例えば、粉体の個々の粒子に着目してこの挙動を数値的に演算する個別要素法でもよいし、堆積された粉体を連続体とみなし、これらを複数の要素に分割して挙動を解析する有限体積法、有限要素法、差分法等を採用することもできる。また、粉体の特性を示す指標は、個別要素法のように粉体の個々の粒子に着目する場合には、粉体の付着力、粉体の粒度分布、粉体の形状指数等である。また、粉体層を連続体とみなして解析する場合には、堆積した粉体の応力とひずみの関係、応力とひずみ速度との関係等である。これらの関係は、横軸上にひずみ又はひずみ速度の値を設定し、縦軸に応力の値を設定すると、折れ線または曲線によって近似的にモデル化することができるものであり、これらの折れ線又は曲線を適切に設定することにより、上記数値演算によって解析を行ったときに、実際に近い状態を数値的に再現することが可能となる。
【００１４】
さらに、上記作動体の粉体層内での移動及び移動時の抵抗力の測定及び粉体層の表面形状の測定は、１回のみ行うものであっても良いが、作動体の貫入深さ又は作動体の移動速度を変更して複数回行っても良い。そして、それぞれの測定値に対して数値演算の結果が一致するモデルを設定するのが望ましい。
【００１５】
作動体の一回の移動及び測定に対して、粉体からの抵抗力と表面形状との演算結果が一致するモデルであっても、移動速度又は貫入深さが異なると測定値と演算結果とが一致しない場合もあり、複数回の測定値に対して全てが一致するモデルを設定することによって、実際の粉体挙動の再現性がより高いモデルとすることができる。
【００１６】
上記のような粉体流動特性の推定方法を実施するにあたり、  粉体を収容する粉体貯留槽と、  前記粉体貯留槽内に収容された粉体層に一部が貫入された状態で支持される作動体と、  前記作動体を支持するとともに、該作動体を所定の速度で水平に移動させる走行架台と、  前記作動体の移動時に、該作動体に作用する抵抗力を測定する抵抗力測定装置と、  前記作動体が移動する時の粉体層の表面形状を時間を追って測定する形状測定装置とを有する試験装置を用いるのが望ましい。
【００１７】
この装置では、作動体を粉体層内に貫入し、速度を制御して移動することができ、同時に抵抗力を正確に測定することできる。そして、作動体の移動中に粉体層の形状を時間を追って測定することができる。また、作動体の粉体層への貫入量を変更可能とすることによって、貫入深さを変えて繰り返し測定することも効率よく行うことが可能となる。
【００１８】
また、請求項４に係る発明は、  堆積する粉体層内に一部が貫入された作動体を所定の速度で移動し、  前記粉体から前記作動体に作用する抵抗力を測定し、  前記作動体の移動中又は移動後の少なくとも一方において、該作動体の移動による粉体層の攪乱状態を測定し、  前記作動体が移動した後、該作動体によって攪乱された粉体層の表面形状を測定し、  前記粉体の特性を示す指標を推定して作成した数値演算用の仮想モデルによって、前記作動体の動作と同じ動作をする仮想作動体に作用する仮想粉体の抵抗力、仮想作動体の移動中又は移動後における粉体層の攪乱状態及び仮想作動体の移動後における仮想粉体層の表面形状を、数値演算によって算出し、  前記数値演算の結果を前記測定値と比較して、これらがほぼ一致するまで、前記粉体の特性の指標を変更して、数値演算を行う粉体流動特性の推定方法を提供するものである。
【００１９】
この方法は、粉体層に対して作動体が行う一つの動作に対して、粉体から作用する抵抗力と、作動体の移動による粉体層の攪乱状態と、粉体層の表面形状とを測定するものである。つまり、抵抗力及び表面形状の他、作動体が移動したときに粉体層の表面より内部で粉体粒子が移動し、攪乱される状態を計測し、この状態がシミュレーションによる計算値とほぼ一致するように数値計算用の粉体特性の指標を決定するものである。
【００２０】
粉体の特性を示す堆積層の表面形状は、図２１に示すように粉体層と気体(特に大気)との界面であり、その表面を形成する流れは自由表面流れと呼ばれ、重要なものである。一方、気体との界面部から離れた位置での粉体層内部の流れも同様に重要なものであり、作動体の移動によって粉体層の内部で粉体が流動する状態は粉体の特性を支配する因子によって大きく影響される。そして、これら表面流れと層内の流れとに影響する因子は全く同じものではなく、独立した因子を含むと考えられる。
【００２１】
したがって、作動体を移動したときに粉体から作用する抵抗力と、粉体層の表面形状と、粉体層の内部における粉体層の攪乱状態を測定し、これらが一致するように粉体特性を設定したモデルを作成する。これにより数値計算は粉体の複数の事象に対して再現性を有することになり、実際の粉体の挙動に近い状態を演算によって再現することが可能となる。
なお、表面形状の測定は、作動体の移動が完了した後の定常状態だけでなく、移動中の過渡状態についても測定し、これらの測定値が計算値と一致するように指標を設定してもよい。
【００２２】
上記数値演算は、請求項１に係る発明で説明したのと同様に、例えば、粉体の個々の粒子に着目してこの挙動を数値的に演算する個別要素法、堆積された粉体を連続体とみなし、これらを複数の要素に分割して挙動を解析する有限体積法、有限要素法、差分法等を採用することができる。また、粉体の特性を示す指標も、同様に扱うことができる。
【００２３】
さらに、上記作動体を粉体層内で移動して行う測定は、請求項１に係る発明と同様に、１回のみ行うものであっても良いが、作動体の貫入深さ又は作動体の移動速度を変更して複数回行い、それぞれの測定値に対して数値演算の結果が一致するモデルを設定するのが望ましい。
【発明の効果】
【００２４】
以上説明したように、本願発明に係る推定方法では、複数の事象に対して実験における測定値と数値計算の結果が一致する粉体流動特性の指標を従来手法よりも高効率で得ることができ、粉体の挙動等について効率よく信頼性の高いシミュレーションが可能となる。また、本願発明に係る試験装置では、一つの動作を行う実験で粉体層の複数の挙動特性を測定することができ、この実験と対応する数値計算を行うことによって適切な粉体流動特性の指標を効率よく得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本願発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
図１は、請求項１に係る「粉体流動特性の推定方法」の実施に用いることができる粉体流動特性試験装置の側面図であり、図２は平面図である。
この装置は、粉体貯留槽１に収容された粉体２の層内に作動体３を貫入し、これを水平方向に移動するときに粉体２から作動体３に作用する抵抗力を測定するとともに、作動体３の移動中及び移動後について所定の時間間隔で水平に均されていた粉体層の表面形状の変化を測定するものである。
【００２６】
粉体貯留槽１は、上部が開放された矩形の容器であり、粉体２を収容して堆積させ、表面を水平に均すことができるものである。そして、作動体３は金属の円柱状の部材であり、軸線を鉛直に維持して水平に移動させる走行架台４によって支持されている。
【００２７】
走行架台４は、粉体貯留槽１の両側に平行に設置されたレール５上を走行するものであり、図１〜図３に示すように、それぞれのレール５上に支持される２つの基部４１と、この基部４１からそれぞれ立設された支柱部４２と、この支柱部４２の上端部から作動体３の進行方向（Ｘ方向）へ水平に張り出した横梁部４３と、２つの横梁部４３を作動体３の進行方向における前部で連結する連結部材４４とを有しており、連結部材４４には、その中央部分に作動体３を支持するための環状体４６が固定支持されている。
【００２８】
環状体４６は、金属製の短い円筒体であり、水平方向に環状となっており、作動体３の進行方向の前後に水平方向の貫通孔が設けられている。そして、作動体３からその進行方向（Ｘ方向）の前後に突出して設けられた張り出し部３１がそれぞれ上記貫通孔に挿通され、作動体３は環状体４６に対して前後に移動が可能で、かつ軸線を鉛直に維持した状態で支持される。
【００２９】
前方側の上記張り出し部３１ａの周囲であって、作動体３と環状体４６の内周面との間にはつる巻バネ１５が介挿され、作動体３を後方へ押しつけるようになっている。そして後方側の張り出し部３１ｂの先端は、環状体４６に固定支持されたボタン状のロードセル６に突き当てられ、作動体３に進行方向の前方から作用する力を上記ロードセル６によって測定することができるものとなっている。このロードセル６によって測定されたデータは時間を追って荷重データ記録部７に記録される。
【００３０】
一方、粉体貯留槽１の上方には複数のレーザー変位計８を保持したホルダ５１が配置されている。このレーザー変位計８は、粉体層の表面にレーザーを照射し、粉体層の表面までの距離を測定するものであり、図４に示すように、粉体貯留槽の全幅で作動体３の移動範囲の全域に所定の間隔で分布するように複数が設けられている。そして、これらのレーザー変位計８によるデータ群から移動体３の移動にともなって変化する粉体層の表面の3次元的な形状を測定することができるようになっている。測定されたデータは、形状データ記録部９に記録される。
【００３１】
上記横梁部４３を支持する支柱部４２は、図５に示すように外側部材４２ａに内側部材４２ｂが内挿されたものであり、高さ調整ダイアル４７を回転することによって横梁部４３が固着された内側部材４２ｂが上下方向に移動するようになっている。これにより、粉体貯留槽１内に水平に均して堆積された粉体層に作動体３を貫入し、作動体３の高さ方向の位置を任意に調節して固定することができるようになっている。なお、図１〜図３及び図５中の符号４８は、上記高さ調整ダイヤル４７及び内側部材４２ｂの位置を固定するクランプを示す。
【００３２】
上記作動体３とこれを支持する走行架台４とは、モータ１０によりレール５上を走行するものとなっている。このモータ１０は駆動制御装置１１によって回転速度等が制御されるものであり、駆動伝達機構１２を介して駆動軸１３を回転させる。この駆動軸１３には螺状が形成されており、走行架台４の基部の下側に突出して固着された駆動伝達凸部（図支しない）の貫通孔に螺合されている。したがって、駆動軸１３が回転することによって上記駆動伝達凸部が駆動軸１３の螺状に案内されて軸線方向（Ｘ方向）に移動するものとなっている。
【００３３】
次に、上記のような装置を用いた粉体流動特性の推定方法について説明する。
粉体貯留槽１に所定量の粉体２を収容し、表面を水平に均す。そして、図５に示すように高さ調整ダイヤル４７の操作によって作動体３を下降させ、先端部を粉体層内に貫入する。そして、貫入深さを正確に調整して固定する。なお、作動体３を予め所定の位置に固定し、その後に粉体を投入して表面を水平に均してもよい。
【００３４】
その後、モータ１０を所定の速度で駆動して走行架台４及びこれに支持された作動体３を水平方向に移動させる。これにより、作動体３の移動方向（ ＋Ｘ方向）における前方側では、図６に示すように粉体層が圧縮され、粉体層中の空隙を変化させながら押し退けられ、さらに粉体粒子が他の粉体粒子上に乗り上げるように移動して隆起する。そして、作動体３の後方では粉体が押し退けられており陥凹部が形成され、作動体の移動とともに陥凹部内に粉体が崩れ落ちる。このように粉体２を押しのけるときに、作動体３には粉体２との接触面に抵抗力が生じる。この抵抗力は、図７に示すように時間の経過とともに変動するものであり、この力はロードセル６によって検出され、時間の経過を追って荷重データ記録部７に記録される。
【００３５】
粉体層の形状は、時間の経過とともに作動体の前方側で隆起し、後方側で陥凹部を形成するように変動するものであり、この3次元形状がレーザー変位計８によって検出され、時間の経過を追って形状データ記録部９に記録される。
なお、上記のような実験における粉体は、一般に温度及び湿度によって挙動が変化するものであり、湿度センサ２１及び湿度センサ２２によって温度及び湿度の管理を行うのが望ましい。
【００３６】
以上のようにして、粉体層内で所定形状の作動体３が移動したときの抵抗力及び表面形状が測定されると、これらを再現するように堆積された粉体及び作動体をモデル化し、計算機を用いて数値演算によるシミュレーションを行う。数値演算の手法は、従来から知られている個別要素法、有限要素法、差分法等を用いることができる。
【００３７】
数値演算は、粉体２の堆積状態、作動体３の形状及び寸法、作動体３の移動速度等を上記実験と同じ値として行う。そして、粉体２の流動特性を支配する指標、つまり粉体粒子の粒度分布、粒子の形状指数、粉体間の付着力等や、粉体を連続体と仮定したときのひずみと応力との関係、ひずみ速度と応力との関係等は、最初は粉体の種類等から推定して設定する。このようなモデルによって演算を行い、その結果得られる抵抗力及び表面形状の計算値を測定値と対比し、上記指標を修正しながら数値演算を繰り返す。そして、作動体３に作用する抵抗力の計算値が、図８に示すように測定値とほぼ一致し、作動体３の移動後における表面形状も、図９に示すようにほぼ一致する時の指標をトライアルによって抽出する。さらに図１０に示すような作動体３が移動するときの表面の立体的形状が測定値とほぼ一致するときの指標を選択し、これを最終的に推定された指標とする。
【００３８】
この指標を用いて、粉体を取り扱う様々な構造、機構、現象等について、数値演算によるシミュレーションを行うことによって、実際の現象に近い結果を得ることができ、粉体を取り扱う事象の解析を効率よく、高い信頼性で行うことが可能となる。
【００３９】
上記実施例では、作動体の移動、抵抗力の測定及び定常状態や非定常状態の表面形状の測定を１回のみ行うものであったが、粉体の流動は複雑な現象であるため、図１１に示すように作動体を移動速度ｖ１で駆動したときの測定値と演算値とが一致しても、移動速度ｖ２で駆動したときには、抵抗力の演算値が測定値と位置しないことがある。これは、図１２に示すように、移動速度ｖ１のときに抵抗力が一致するモデル群Ａ、定常状態の表面形状が一致するモデル群Ｂ及び非定常状態の表面形状が一致するモデル群Cと、移動速度ｖ２のときに抵抗力が一致するモデル群E、定常状態の表面形状が一致するモデル群F及び非定常状態の表面形状が一致するモデル群Gとが必ずしも一致しないためであり、これらの全てが一致するのは、これらの積集合Hに含まれるモデルに限られるからである。つまり、作動体を移動速度ｖ１のみではなく、移動速度ｖ２で駆動し、図１３に示すように、これらの双方で作動体に作用する抵抗力と粉体層の表面形状が一致するようにモデルの最適化を図るのが望ましい。このように複数回の実験から粉体の流動特性を推定して数値演算を行うことにより、さらに信頼性の高いシミュレーションが可能となる。
【００４０】
また、図１４に示すように、貫入深さがｈ１の場合と、ｈ２の場合とについて実験を行い、図１５に示すように、これらの双方で実験値と計算値とがほぼ一致するように力学モデル等の指標を設定することもできる。このように貫入深さが異なっても実験値と計算値とがほぼ一致する指標を用いることにより、シミュレーションについてさらに信頼性の高い結果を得ることができる。
【００４１】
次に、請求項４に係る発明の一実施形態である「粉体流動特性の推定方法」について説明する。
図１６は、この「粉体流動特性の推定方法」の実施に用いることができる粉体流動特性試験装置の側面図であり、図１７は平面図である。また、図１８はこの装置で用いられる走行架台の側面図及び平面図である。
この装置は、粉体貯留槽１０１に収容された粉体１０２の層内に作動体１０３を貫入し、これを水平方向に移動するときに粉体１０２から作動体１０３に作用する抵抗力を測定するとともに、作動体１０３が移動した後の粉体層の表面形状を測定する。そして、作動体１０３の移動中又は移動した後に、粉体層の内部で生じた粉体の流動による攪乱の状態を観察するものである。
【００４２】
粉体貯留槽１０１は、上部が開放された矩形の容器であり、粉体１０２を収容して堆積させ、表面を水平に均すことができるものである。また、粉体貯留槽１０１の側面及び底面は、粉体１０２の層分布を視覚的に検出することができるように、透明材料で構成されている。
【００４３】
走行架台１０４は、図１から図３までに示される装置と同様に、作動体１０３を支持して所定の方向（Ｘ方向）へ水平に移動することができるものとなっている。そして、作動体１０３を粉体層に貫入して移動させるものであり、この作動体１０３に作用する粉体からの抵抗力をロードセル１０６によって測定し、そのデータを荷重データ記録部１０７に時間を追って記録するものとなっている。
【００４４】
走行架台１０４の後部には、２つの支柱部１４２の頂部を互いに連結するように変位計支持部材１４５が設けられており、この変位計支持部材１４５に、レーザー変位計１０８が支持され、作動体１０３の進行方向と直角となる方向に移動が可能となっている。このレーザー変位計１０８は、粉体層の表面にレーザーを照射し、粉体層の表面までの距離を測定するものであり、変位計支持部材１４５の軸線方向に少しずつ位置を変更しながら作動体１０３の移動方法（Ｘ方向）に繰り返し走査することによって粉体層の表面の３次元的な形状を測定することができるようになっている。測定されたデータは、形状データ記録部１０９に記録される。
【００４５】
粉体貯留槽１の側方部、底方部、上方部には、槽内の粉体層の分布を記録するカメラ１５２ａ，１５２ｂ，１５２ｃが設置されている。つまり、上方に設けられたカメラ１５２ｃは、上方から見た粉体層の攪乱状態を記録するものであり、粉体貯留槽１０１の側方に設けられたカメラ１５２ａは、粉体貯留槽の透明な側面部材を透して粉体層の状態を記録するものである。さらに、粉体貯留槽１０１の下方に設けられたカメラ１５２ｂは、粉体貯留槽の透明な底面部材を透して粉体層の状態を下方から記録するものとなっている。これらのカメラ１５２は、撮像範囲と作動体１０３の移動距離に応じて複数台を配列することもできる。なお、図１６、１７は全てのカメラを記載したものではなく、カメラ１５２の一部の記載を省略している。このカメラによって測定されたデータは、層分布データ記録部１５３に記録される。
なお、この粉体流動特性試験装置の他の構成は、図１〜図３に示すものと同じ構成となっている。
【００４６】
次に、上記のような装置を用いた粉体流動特性の推定方法について説明する。
粉体貯留槽１に、マーカを入れることによって視覚的に識別することができる２種の粉体１０２ａ，１０２ｂを、図１９（ａ）又は図１９（ｂ）に示すように交互に積層して収容し、表面を水平に均す。そして、作動体１０３の先端部を粉体層内に貫入して、貫入深さを正確に調整して固定する。なお、作動体１０３を予め所定の位置に固定し、その後に粉体を投入して表面を水平に均しても良い。
【００４７】
その後、走行架台１０４及びこれに支持された作動体１０３を水平方向に移動させる。これにより、作動体１０３は粉体を押し退けるようにして移動し、そのときの抵抗力がロードセル１０６によって検出され、時間の経過を追って荷重データ記録部１０７に記録される。
【００４８】
作動体１０３が移動中、及び所定の距離を移動した後、粉体貯留槽１０1の側面部、底面部、及び表面に現れる層分布、つまり積層して収容された粉体層の攪乱状態を層分布測定装置であるカメラ１５２で撮影する。この画像は所定の時間が経過する毎に撮影されそれぞれが層分布データ記録部１５３に記録される。また粉体貯留槽１０１の壁面部付近の層状態だけでなく、任意位置での層状態を記録する場合は、作動体１０３が所定の距離を移動した後、任意位置で層を切断し、不要部分を排除してから記録する。ただし、粉体種類によっては切断処理にともない、切断面での粉体層が崩壊し、本来の層状態と異なってしまう場合がある。そのような場合には、切断処理の前に粉体１０２の層中に液体を浸潤させることで粉体間の凝集力を高め、層崩壊を防止する処置を行う。
なお、本例では、側面部、底面部、上面部、任意断面部の層分布を撮影及び記録しているが、粉体の流動性によっては上記の内の一部のみの層分布を撮影、記録するものであってもよい。
【００４９】
作動体１０３が所定の距離を移動した後は、作動体１０３の駆動を停止し、高さ調整ダイヤル１４７の回転によって作動体１０３を上昇させ、粉体層から引き抜く。そして、レーザー変位計１０８を変位計支持部材１４５の軸線方向（Ｙ方向）に少しずつ移動しながら走行架台４を、作動体１０３の走行方向（Ｘ方向）に繰り返し移動し、粉体層の表面の３次元的な形状を測定する。このように測定されたデータは、形状データ記録部１０９に記録される。
なお、本例では、作動体３を粉体層から引き抜いた後に表面形状の測定を行っているが、レーザー変位計を作動体とは別個の走行架台に支持させ、作動体を引き抜くことなく表面形状の測定を行うこともできる。
【００５０】
以上のようにして、粉体層内で所定形状の作動体１０３が移動したときの抵抗力及び表面形状、層分布の攪乱状態が測定されると、これらを再現するように、計算機を用いて数値演算によるシミュレーションを行う。数値演算の手法は、先に説明した実施の形態と同様に、従来から知られている個別要素法、有限要素法、差分法等を用いることができる。
【００５１】
数値演算は、粉体１０２の堆積状態、作動体１０３の形状及び寸法、作動体１０３の移動速度等を上記実験と同じ値として行う。そして、粉体１０２の流動特性を支配する指標を修正しながら数値演算を繰り返す。そして、作動体１０３に作用する抵抗力及び粉体層の表面形状の計算値が測定値とほぼ一致するとともに、層分布の計算値が、図２０に示すように測定値とほぼ一致するときの指標を、最終的に推定された指標とする。
【００５２】
この指標を用いて、粉体を取り扱う様々な構造、機構、現象等について、数値演算によるシミュレーションを行うことによって、実際の現象に近い結果を得ることができ、粉体を取り扱う事象の解析を効率よく、高い信頼性で行うことが可能となる。
【００５３】
また、上記実施の形態でも、図１から図３までに示す装置を用いた方法と同様に、測定を１回のみ行うものでよいが、作動体を移動速度ｖ１で駆動したときの他、移動速度ｖ２で駆動したときにも、測定値と計算値とがほぼ一致するように、粉体の特性の指標を選択するのが望ましい。さらに、作動体を粉体層に貫入する深さを代えて実験を行い、いずれの場合にも測定値と計算値とが一致するように指標を選択することも、信頼性の高いシミュレーションを可能とするものである。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】請求項１に係る「粉体流動特性の推定方法」の実施に用いることができる粉体流動特性試験装置の側面図である。
【図２】図１に示す装置の平面図である。
【図３】図１に示す装置の主要部を拡大して示す側面図及び平面図である。
【図４】図１に示す装置で用いられるレーザー変位計の概略側面図及び平面図である。
【図５】図１に示す装置の動作を示す図である。
【図６】粉体層の表面形状の変化を示す概略図である。
【図７】粉体層に作動体を貫入して移動したときの作動体に作用する抵抗力を時間を追って示す図である。
【図８】作動体に作用する抵抗力の実験における測定値と計算値とを対比して示す図である。
【図９】作動体が移動した後における表面形状の測定値と計算値とを対比して示す図である。
【図１０】作動体が移動中の粉体層の表面形状の測定例を示す図である。
【図１１】粉体層に作動体を貫入して速度ｖ１及び速度ｖ２で移動したときの作動体に作用する抵抗力について、測定値と計算値とを対比して示す図である。
【図１２】作動体に作用する抵抗力又は粉体の表面形状の測定値と実験値とが一致するモデル群の関係を示す概念図である。
【図１３】粉体層に作動体を貫入して速度ｖ１及び速度ｖ２で移動したときの作動体に作用する抵抗力について、測定値と計算値とを対比して示す図である。
【図１４】作動体を粉体層に貫入した状態を示す概略図である。
【図１５】粉体層に作動体を深さｈ１，ｈ２で貫入して移動したときの作動体に作用する抵抗力について、測定値と計算値とを対比して示す図である。
【図１６】請求項４に係る「粉体流動特性の推定方法」の実施に用いることができる粉体流動特性試験装置の側面図である。
【図１７】図１に示す装置の平面図である。
【図１８】図１に示す装置の主要部を拡大して示す側面図及び平面図である。
【図１９】粉体層の積層状態を示す概略図である。
【図２０】積層された粉体層の攪乱状態を示す概略図である。
【図２１】粉体の流れを示す概念図である。
【図２２】従来の粉体流動特性試験装置の第１の例を示す概略断面図である。
【図２３】従来の粉体流動特性試験装置の第２の例を示す概略断面図である。
【図２４】従来の粉体流動特性試験装置の第３の例を示す概略側面図及び概略平面図である。
【図２５】作動体に作用する抵抗力又は粉体の表面形状の測定値と実験値とが一致するモデル群の関係を示す概念図である。
【符号の説明】
【００５５】
１：粉体貯留槽、    ２：粉体、    ３：作動体、    ４：走行架台、    ５：レール、    ６：ロードセル、    ７：荷重データ記録部、    ８：レーザー変位計、    ９：形状データ記録部、    １０：モータ、    １１：駆動制御装置、    １２：駆動伝達機構、    １３：駆動軸、    ２１：温度センサ、    ２２：湿度センサ、    ３１：作動体の張り出し部、    ４１：走行架台の基部、    ４２：支柱部、    ４３：横梁部、    ４４：連結部材、    ４６：環状体、    ４７：高さ調整ダイヤル、    ４８：クランプ、    ５１：ホルダ、    ５２：容器、    ５３：排出部、    ５４：剛棒、    ５５：ビデオカメラ、
６１：漏斗、    ６２：粉体、    ６３：円板、    ７１：回転軸、    ７２：羽根、    ７３：粉体、
１０１：粉体貯留槽、    １０２：粉体、    １０３：作動体、    １０４：走行架台、    １０５：レール、    １０６：ロードセル、    １０７：荷重データ記録部、    １０８：レーザー変位計、    １０９：形状データ記録部、    １１０：モータ、    １１２：駆動伝達機構、    １１３：駆動軸、    １２１：温度センサ、    １２２：湿度センサ、    １３１：作動体の張り出し部、    １４１：走行架台の基部、    １４２：支柱部、    １４３：横梁部、    １４４：連結部材、    １４５：変位計支持部材、    １４６：環状体、    １４７：高さ調整ダイヤル、    １４８：クランプ、    １５２：カメラ、    １５３：層分布データ記録部
【図１】
2006266770.tif 000003
【図２】
2006266770.tif 000004
【図３】
2006266770.tif 000005
【図４】
2006266770.tif 000006
【図５】
2006266770.tif 000007
【図６】
2006266770.tif 000008
【図７】
2006266770.tif 000009
【図８】
2006266770.tif 000010
【図９】
2006266770.tif 000011
【図１０】
2006266770.tif 000012
【図１１】
2006266770.tif 000013
【図１２】
2006266770.tif 000014
【図１３】
2006266770.tif 000015
【図１４】
2006266770.tif 000016
【図１５】
2006266770.tif 000017
【図１６】
2006266770.tif 000018
【図１７】
2006266770.tif 000019
【図１８】
2006266770.tif 000020
【図１９】
2006266770.tif 000021
【図２０】
2006266770.tif 000022
【図２１】
2006266770.tif 000023
【図２２】
2006266770.tif 000024
【図２３】
2006266770.tif 000025
【図２４】
2006266770.tif 000026
【図２５】
2006266770.tif 000027