(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子の操作機器中での粒子に作用するエネルギーの定量化方法であって、
モデル粒子の集合体を用いて、複数の異なる衝突速度ｕjで衝突実験を行いモデル粒子の破壊割合を求める工程と、
求めた前記破壊割合と衝突時に前記モデル粒子に作用するエネルギー、すなわち１／２・ｍｕj2、ただしｍはモデル粒子の質量を表す、との関係を表す強度分布曲線を求める工程と、
前記操作機器に前記モデル粒子の集合体を投入して操作機器を作動させ、操作機器によるモデル粒子の破壊割合を測定し、当該測定した破壊割合と前記強度分布曲線から求めたエネルギーの値が、前記操作機器により粒子に作用するエネルギーであると推定することを特徴とする定量化方法。
【請求項２】
粒子の操作機器中での粒子に作用するエネルギーの定量化方法であって、
モデル粒子の集合体を用いて、複数の異なる衝突速度ｕjで衝突実験を行いモデル粒子の破壊割合を求める工程と、
求めた前記破壊割合と衝突時に前記モデル粒子に作用する作用荷重、すなわち(５／４)3/5(１６／９π2)1/5(２(１−ν2)／πＹ)-2/5(Ｄｐ／２)1/5ｍ3/5ｕj6/5、ただしｍはモデル粒子の質量、νはモデル粒子材質のポアソン比、Ｙはモデル粒子材質のヤング率、Ｄｐはモデル粒子径を表す、との関係を表す強度分布曲線を求める工程と、
前記操作機器に前記モデル粒子の集合体を投入して操作機器を作動させ、操作機器によるモデル粒子の破壊割合を測定し、当該測定した破壊割合と前記強度分布曲線から求めた作用荷重の値が、前記操作機器により粒子に作用する作用荷重であると推定することを特徴とする定量化方法。
【請求項３】
前記モデル粒子は中空ガラスビーズであることを特徴とする請求項１または２に記載の定量化方法。
【請求項４】
前記破壊割合を求める工程において、破壊した中空ガラスビーズの破壊片と未破壊の中空ガラスビーズとを液体を用いて密度分離により分離することによりを特徴とする請求項３に記載の定量化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粉体を処理する各種機器において、粉体中の粒子１個に作用する機械的外力を定量的に評価するための実験的定量化方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
微小な固体(＝粒子)の集合体である粉体を撹拌・混合する機械は、食品、医薬品をはじめ多くの産業分野で用いられている。また、粉体中の粒子は一般に凝集体を形成するため、その凝集体を解砕・分散する機械も同様の分野で多く使用されている。これら機器の性能は粉体中の粒子１個に作用する機械的外力に依存するため、機器設計や性能改善には、その定量的評価が必要である。
従来、液体中に浮遊する凝集粒子を超音波で分散する操作を対象として、凝集粒子に作用する力を、耐圧強度分布を求めた中空ガラスビーズで定量化した例がある(非特許文献１参照)。
しかし、乾燥した粉体中の粒子に対して、撹拌・混合、解砕・分散操作で作用する衝撃力など機械的外力を実験的に定量化した例は無い。そのため、離散要素法など計算機シミュレーションにより粒子の挙動を計算し、推定されている。しかし、計算機シミュレーションは、あくまでモデル式に基づく推定であるので、実測することが望まれる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】S.G.Thoma, M.Ciftcioglu, D.M.Smith, “Determination of agglomerate strength distributions Part 1. CValibration via ultrasonic forces”, Powder Technology, 68, 53-61 (1991)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、乾燥した粉体中の粒子に対して、粉体操作機器中での作用エネルギーの定量化方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明は、粒子の操作機器中での粒子に作用するエネルギーの定量化方法であって、モデル粒子の集合体を用いて、複数の異なる衝突速度ｕjで衝突実験を行いモデル粒子の破壊割合を求める工程と、求めた前記破壊割合と衝突時に前記モデル粒子に作用するエネルギー、すなわち１／２・ｍｕj2、ただしｍはモデル粒子の質量を表す、との関係を表す強度分布曲線を求める工程と、前記操作機器に前記モデル粒子の集合体を投入して操作機器を作動させ、操作機器によるモデル粒子の破壊割合を測定し、当該測定した破壊割合と前記強度分布曲線から求めたエネルギーの値が、前記操作機器により粒子に作用するエネルギーであると推定することを特徴とする。
また、本発明は、粒子の操作機器中での粒子に作用するエネルギーの定量化方法であって、モデル粒子の集合体を用いて、複数の異なる衝突速度ｕjで衝突実験を行いモデル粒子の破壊割合を求める工程と、求めた前記破壊割合と衝突時に前記モデル粒子に作用する作用荷重、すなわち(５／４)3/5(１６／９π2)1/5(２(１−ν2)／πＹ)-2/5(Ｄｐ／２)1/5ｍ3/5ｕj6/5、ただしｍはモデル粒子の質量、νはモデル粒子材質のポアソン比、Ｙはモデル粒子材質のヤング率、Ｄｐはモデル粒子径を表す、との関係を表す強度分布曲線を求める工程と、前記操作機器に前記モデル粒子の集合体を投入して操作機器を作動させ、操作機器によるモデル粒子の破壊割合を測定し、当該測定した破壊割合と前記強度分布曲線から求めた作用荷重の値が、前記操作機器により粒子に作用する作用荷重であると推定することを特徴とする。
また、本発明は、上記定量化方法において、前記モデル粒子は中空ガラスビーズであることを特徴とする。
また、本発明は、上記定量化方法において、前記破壊割合を求める工程において、破壊した中空ガラスビーズの破壊片と未破壊の中空ガラスビーズとを液体を用いて密度分離により分離することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明で用いる中空ガラスビーズは既に市販されており、破壊割合を求める分離操作にも特殊な装置は用いる必要はないので、本発明の定量化法によれば、簡便に粒子に作用するエネルギー、荷重を定量化することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、破壊した中空ガラスビーズの破壊片と未破壊の中空ガラスビーズを分離する破壊割合測定操作概念図である。
【図２】図２は、本発明の定量化方法のための衝突実験装置を説明した図である。
【図３】図３は、本発明の定量化方法の一実施例で用いる衝突エネルギーで表示した強度分布曲線と、その強度分布曲線を用いて実際の機器で作用する衝突エネルギーの求め方を説明した図である。
【図４】図４は、図３において実際の機器として例示した撹拌装置の図である。
【図５】図５は、本発明の定量化方法の他の実施例で用いる作用荷重で表示した強度分布曲線と、その強度分布曲線を用いて実際の機器で作用する作用荷重の求め方を説明した図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
撹拌・混合や凝集粒子の解砕・分散など粒子に破壊力が働く操作を対象として、その操作中に粒子に作用する力またはエネルギーを定量する方法を提案するため、破壊の有無が顕著に現れる中空ガラスビーズ等のモデル粒子を用いて、操作中に粒子に作用するエネルギーの定量化を実現するものである。
すなわち、モデル粒子を用いて種々の衝突速度で衝突実験を行いモデル粒子の破壊割合と衝突時にモデル粒子に作用するエネルギー(または作用荷重)との関係を表す強度分布曲線を求めておけば、実際の粉体操作機器でモデル粒子を用いて機器操作して破壊割合を測定することにより予め得ていた強度分布曲線から当該機器の操作により粉体の粒子に作用するエネルギー(または作用荷重)が求まり定量化することができる。
なお、モデル粒子としては破壊の有無が顕著に現れかつ破壊割合が測定可能なものであれば、中空ガラスビーズ以外のものであっても採用することができる。
【実施例】
【０００９】
操作中粒子に作用するエネルギーを定量化するモデル粒子として、市販の中空ガラスビーズを用い、下記の表１に用いた中空ガラスビーズ(中空ＧＢ)の物性を示す。(「５０％粒子径ｏｒ５０％ｖｏｌ.％」は体積基準積算粒子径分布で５０％となる粒子径を表す)
【００１０】
【表１】
0006367136.tif 000002
【００１１】
中空ガラスビーズは、その強度に分布があるため、ある破壊力が作用すると、破壊されるビーズと破壊されないビーズとに分かれる。よって、モデル粒子として用いた中空ガラスビーズの強度分布を求めておけば、操作により破壊された割合(破壊割合と定義する)より、操作中に作用した力またはエネルギーの最大値が実験的に推定できる。
さらに、中空ガラスビーズの真密度は、内包された気体を含んだ密度であり、水よりも低い値を持つ。このビーズが破壊されるとガラス片となるため、破壊片と未破壊のガラスビーズとは、水を用いた密度差分離で簡単に分離することができ、図１に破壊割合測定操作概念図を示すように、破壊割合も特別な装置を用いることなく、密度差分離後の未破壊粒子の質量より求めることができる。
図１のごとく、破壊片と未破壊の中空ガラスビーズを混濁して静置すると、未破壊の中空ガラスビーズは浮力が大きいので水面に浮き、破壊片は底に沈んで分離される。次に、底部から底部に沈んだ破壊片を排出して回収し、水面に浮いた未破壊の中空ガラスビーズのみを残す。次に、水面に浮いた未破壊の中空ガラスビーズを濾紙などで濾過して回収する。最後に、回収した中空ガラスビーズを乾燥して分離作業は終了する。そして、分離後の未破壊中空ガラスビーズの質量より分離割合が求められる。
【００１２】
（衝突エネルギーによる強度分布曲線の作成）
粒子に作用するエネルギーの定量化を実現するために、まず定量化に必要となる中空ガラスビーズ自身の強度の定量化では、特に、垂直衝突により生じる引張破断に着目し、図２に示す衝突実験装置により、ビーズ強度の定量化を行った。粒子に作用したエネルギーの指標には、ビーズの衝突速度ｕjがノズル部での気流流速と等しいと仮定して求めた、衝突時の粒子運動エネルギーＥ(＝(１／２)ｍｕj2、ただしｍは中空ガラスビーズの質量)を用いる。
図２のごとく、気流中に試料として中空ガラスビーズ投入しノズルから所定の気流流速で衝突板に対して噴出させる。衝突板に衝突して破壊した中空ガラスビーズの破壊片と未破壊の中空ガラスビーズはサイクロン等によって吸引回収される。
回収した破壊片及び未破壊の中空ガラスビーズを分離して破壊割合を求め、気流流速を変えて複数回行い、その結果を縦軸に破壊割合、横軸に衝突エネルギー［Ｊ］のグラフにしたのが、中空ガラスビーズの強度分布を衝突エネルギーで表示した図３の強度分布曲線である。ここで、◆のプロットが上記表１の中空ガラスビーズ「Ｋ２０」を用いて作成した強度分布曲線であり、●のプロットが上記表１の中空ガラスビーズ「Ｋ３０」を用いて作成した強度分布曲線である。いずれの粒子も破壊割合２０％以下ではばらつきが大きくなるが、それぞれのプロット点はほぼ１本の曲線として強度分布曲線を描くことができる。
【００１３】
次に、実際の撹拌装置への本法の適用を試みた。撹拌装置には、ナノマテリアルの分散装置や、発塵性評価装置として用いられている振動撹拌装置を用いた。この撹拌装置は、図４のごとく、振動機(Vortex Shaker)によりナノマテリアルの凝集体を封入した試験管を高速振動させ、凝集体を分散し、粒子をエアロゾル化する装置である。
振動撹拌装置の振動数を５４.９Ｈｚ、および、４１.３Ｈｚとして、中空ガラスビーズを撹拌し、撹拌により破壊した中空ガラスビーズの破壊片と未破壊の中空ガラスビーズを回収して上記衝突実験後の処理と同様の方法で破壊割合を求めた。求めた破壊割合を図３中に、５４.９Ｈｚの結果を実線で示し、４１.３Ｈｚの結果を点線で示した。この図から、振動数５４.９Ｈｚの時には７〜８×１０-8［Ｊ］のエネルギーが、４１.３Ｈｚでは５〜６×１０-8［Ｊ］のエネルギーが粒子に作用していたことがわかる。また、２種類の中空ガラスビーズよりそれぞれ求めた作用エネルギーはほぼ同じ値を示していることから、本発明の中空ガラスビーズを用いた強度分布曲線よる定量化は妥当であったと考えられる。
【００１４】
（弾性衝突理論を用いて作用荷重で表示した強度分布曲線の作成）
なお、上記図３では衝突時の運動エネルギーにより評価したが、弾性衝突理論を用いると、図５に示すように、作用荷重として評価することも可能であり、縦軸に破壊割合、横軸に衝突荷重［Ｎ］のグラフに示した強度分布曲線が得られる。図３と同様に、◆のプロットが中空ガラスビーズ「Ｋ２０」を用いて作成した強度分布曲線であり、●のプロットが中空ガラスビーズ「Ｋ３０」を用いて作成した強度分布曲線であり、振動撹拌装置の振動数５４.９Ｈｚの結果を実線で、４１.３Ｈｚの結果を点線で表す。この図から、振動数５４.９Ｈｚの時には１.４７〜１.５５×１０-11［Ｎ］のエネルギーが、４１.３Ｈｚでは１.２３〜１.３９×１０-11［Ｎ］の荷重が粒子に作用していたことがわかる。このように図５の場合も、図３の場合と同様に、２種類の中空ガラスビーズよりそれぞれ求めた作用衝突荷重はほぼ同じ値を示していることから、本発明の中空ガラスビーズを用いた強度分布曲線よる定量化は妥当であったと考えられる。(弾性衝突理論による質量ｍ・衝突速度ｕjのときの作用荷重は(５／４)3/5(１６／９π2)1/5(２(１−ν2)／πＹ)-2/5(Ｄｐ／２)1/5ｍ3/5ｕj6/5、ただしνは粒子材質のポアソン比、Ｙは粒子材質のヤング率、Ｄｐは粒子径を表す、であることが知られている)
【００１５】
なお、上記の説明では、モデル粒子として中空ガラスビーズを用いて説明したが、破壊割合を測定できるモデル粒子であれば中空ガラスビーズ以外のものであってもモデル粒子として採用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００１６】
微小な固体(＝粒子)の集合体である粉体を撹拌・混合する機械は、食品、医薬品をはじめ多くの産業分野で用いられている。また、粉体中の粒子は一般に凝集体を形成するため、その凝集体を解砕・分散する機械も同様の分野で多く使用されている。これら機器の性能は粉体中の粒子１個に作用する機械的外力に依存するため、機器設計や性能改善にはその定量的評価が必要である。本発明は、その実験的定量化方法を提供するものである。
【図１】
0006367136.tif 000003
【図２】
0006367136.tif 000004
【図３】
0006367136.tif 000005
【図４】
0006367136.tif 000006
【図５】
0006367136.tif 000007