JP7516990B2 - Physical quantity estimation device, physical quantity estimation method, physical quantity estimation program, and recording medium - Google Patents
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Description
本発明は、物理量推定技術に関し、例えば、混練機で混練される混練物に関係する物理量を推定する物理量推定装置に適用して有効な技術に関する。 The present invention relates to a physical quantity estimation technology, for example, a technology that is effective when applied to a physical quantity estimation device that estimates physical quantities related to a material being mixed in a mixer.
特開2016-49739号公報(特許文献1)には、粘性を有する液体の混練状態を評価することができるシミュレーション法に関する技術が記載されている。 JP 2016-49739 A (Patent Document 1) describes technology related to a simulation method that can evaluate the kneading state of a viscous liquid.
特開平11-77666号公報(特許文献2)には、混練機における混練制御方法に関する技術が記載されている。 JP 11-77666 A (Patent Document 2) describes a technique for controlling mixing in a mixer.
加硫前のゴムや樹脂などの粘性を有する流動性材料(粘性流体)は、例えば、バンバリーミキサや混練機によって、各種添加材や配合材と混ぜ合わせられて、目的の材料(混練物)が作製される。このような混練物を作製する工程では、粘性流体と各種材料を短時間で均一に混ぜ合わせることが重要であり、粘性流体と各種材料を短時間で均一に混ぜ合わせることができるように混練機におけるロータの選定や混練条件の検討が行われている。このようなロータの選定や混練条件の検討には、混練機の試作や評価を繰り返す必要があり、多大な時間を要するとともに製造コストの上昇を招く。このことから、近年では、試作や評価を実施する前に、コンピュータを用いたシミュレーションによって、混練物の混練挙動を予測する方法が提案されている。 Viscous flowable materials (viscous fluids) such as rubber and resin before vulcanization are mixed with various additives and compounding materials, for example, by a Banbury mixer or kneading machine, to produce the desired material (kneaded product). In the process of producing such kneaded products, it is important to mix the viscous fluid and various materials uniformly in a short time, and the rotor of the kneading machine is selected and the kneading conditions are considered so that the viscous fluid and various materials can be mixed uniformly in a short time. The selection of the rotor and the consideration of the kneading conditions require repeated prototyping and evaluation of the kneading machine, which takes a lot of time and increases the manufacturing cost. For this reason, in recent years, a method has been proposed in which the kneading behavior of the kneaded product is predicted by computer-based simulation before prototyping and evaluation are carried out.
ところが、コンピュータを用いたシミュレーションによって詳細な解析を行うためには、多くの計算点や計算回数を要するため、計算コストの問題から、実際の混練時間に対応した長時間の解析が行われていないのが現状である。 However, performing detailed analysis using computer simulation requires many calculation points and a large number of calculations, and due to the calculation costs, long-term analyses corresponding to actual mixing times have not been performed at present.
特に、混練工程中における混練物の温度や粘度に代表される物理量は、混練物の混練具合を把握する上で重要であり、実際の混練時間経過後におけるこれらの物理量を推定することは、混練条件を検討する上で非常に有用である。 In particular, physical quantities such as the temperature and viscosity of the mixture during the kneading process are important in understanding the state of kneading of the mixture, and estimating these physical quantities after the actual kneading time has elapsed is extremely useful in considering the kneading conditions.
本発明の目的は、多大な計算コストをかけることなく、混練機で混練される混練物に関係する物理量を混練時間終了時まで推定できる技術を提供することにある。 The object of the present invention is to provide a technology that can estimate physical quantities related to the material being mixed in a mixer up until the end of the mixing time without incurring significant calculation costs.
一実施の形態における物理量推定装置は、混練機で混練される混練物に関係する物理量の時間発展を表す関係式であって、混練機の混練槽または混練物に関係するパラメータを含む関係式に基づいて、物理量を推定するように構成されている。ここで、物理量推定装置は、第1時刻から第2時刻までの物理量に関する実験データに基づいてパラメータの値を決定するように構成されたパラメータ決定部と、パラメータ決定部で決定されたパラメータの値を代入した関係式によって表される物理量の時間発展から、第2時刻よりも後の時刻における物理量を推定するように構成された物理量推定部とを備える。 The physical quantity estimation device in one embodiment is configured to estimate a physical quantity based on a relational expression that represents the time evolution of a physical quantity related to a material mixed in a mixer, the relational expression including parameters related to the mixer tank or the material. Here, the physical quantity estimation device includes a parameter determination unit configured to determine the value of the parameter based on experimental data related to the physical quantity from the first time to the second time, and a physical quantity estimation unit configured to estimate the physical quantity at a time after the second time from the time evolution of the physical quantity represented by the relational expression into which the parameter value determined by the parameter determination unit is substituted.
一実施の形態における物理量推定方法は、混練機で混練される混練物に関係する物理量の時間発展を表す関係式であって、混練機の混練槽または混練物に関係するパラメータを含む関係式に基づいて、物理量を推定する。ここで、物理量推定方法は、第1時刻から第2時刻までの前記物理量に関する実験データに基づいてパラメータの値を決定するパラメータ決定工程と、パラメータ決定工程で決定されたパラメータの値を代入した関係式によって表される物理量の時間発展から、第2時刻よりも後の時刻における物理量を推定する物理量推定工程とを備える。 In one embodiment, the physical quantity estimation method estimates a physical quantity based on a relational expression that represents the time evolution of a physical quantity related to a material mixed in a mixer, the relational expression including a parameter related to the mixing tank of the mixer or the material. Here, the physical quantity estimation method includes a parameter determination step of determining a parameter value based on experimental data related to the physical quantity from a first time to a second time, and a physical quantity estimation step of estimating a physical quantity at a time after the second time from the time evolution of the physical quantity represented by the relational expression into which the parameter value determined in the parameter determination step is substituted.
一実施の形態における物理量推定プログラムは、混練機で混練される混練物に関係する物理量の時間発展を表す関係式であって、混練機の混練槽または混練物に関係するパラメータを含む関係式に基づいて、物理量を推定する処理をコンピュータに実行させるためのプログラムである。ここで、物理量推定プログラムは、第1時刻から第2時刻までの物理量に関する実験データに基づいてパラメータの値を決定するパラメータ決定処理と、パラメータ決定処理で決定されたパラメータの値を代入した関係式によって表される物理量の時間発展から、第2時刻よりも後の時刻における物理量を推定する物理量推定処理とを備える。 The physical quantity estimation program in one embodiment is a program for causing a computer to execute a process of estimating a physical quantity based on a relational equation that represents the time evolution of a physical quantity related to a material mixed in a mixer and includes parameters related to the mixer tank or the material. Here, the physical quantity estimation program includes a parameter determination process that determines the value of a parameter based on experimental data related to the physical quantity from a first time to a second time, and a physical quantity estimation process that estimates a physical quantity at a time after the second time from the time evolution of the physical quantity represented by the relational equation into which the parameter value determined in the parameter determination process is substituted.
この物理量推定プログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録される。 This physical quantity estimation program is recorded on a computer-readable recording medium.
一実施の形態によれば、多大な計算コストをかけることなく、混練機で混練される混練物に関係する物理量を混練時間終了時までの長時間にわたって推定できる。この結果、一実施の形態によれば、混練機の試作前に混練条件を推定できる。 According to one embodiment, it is possible to estimate physical quantities related to the material being mixed in the mixer over a long period of time until the end of the mixing time without incurring significant calculation costs. As a result, according to one embodiment, it is possible to estimate the mixing conditions before prototyping the mixer.
実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。なお、図面をわかりやすくするために平面図であってもハッチングを付す場合がある。 In all drawings used to explain the embodiments, the same components are generally given the same reference numerals, and repeated explanations will be omitted. In addition, hatching may be used even in plan views to make the drawings easier to understand.
<改善の余地>
例えば、コンピュータを使用したシミュレーションによって、混練物の物理量を評価する手法が提案されている。この手法によれば、混練機の試作や評価する前に、シミュレーションの結果に基づいて、混練条件を推定することができる。このため、シミュレーション手法は、混練機の試作や評価に費やされる多大な時間を節約することができ、かつ、製造コストも抑制できる点で有用である。
ROOM FOR IMPROVEMENT
For example, a method has been proposed for evaluating the physical quantities of a kneaded material by simulation using a computer. According to this method, it is possible to estimate the kneading conditions based on the results of the simulation before prototyping and evaluating a kneader. Therefore, the simulation method is useful in that it can save a lot of time that would otherwise be spent on prototyping and evaluating a kneader, and also in that it can reduce manufacturing costs.
この点に関し、現在のシミュレーションでは、粒子法・有限要素法などによる混練シミュレーションが主流である。このシミュレーションは、混練物全体に計算点を設けることで、複雑な混練物の流れやばらつきを考慮して物理量を評価できる利点がある。 In regard to this point, the current mainstream simulations are mixing simulations using particle methods, finite element methods, etc. This simulation has the advantage that by setting calculation points over the entire mixture, physical quantities can be evaluated taking into account the complex flow and variation of the mixture.
しかしながら、計算点が多くなるほど計算に要するコストが高くなる。このことから、現状では、計算コストの問題から、実際の混練時間に対応した長時間の解析を行うことが困難な状況にある。すなわち、混練条件の推定には、混練時間終了時点での物理量を取得することが重要であるが、現状のシミュレーション技術では、実際の混練時間に対応した長時間の解析が困難であることから、混練条件の充分な評価を行うことができていない。つまり、現状のシミュレーション技術では、多大な計算コストをかけることなく、実際の混練時間に対応した長時間の物理量の解析を行う観点から改善の余地が存在する。 However, the more calculation points there are, the higher the cost of calculation. For this reason, it is currently difficult to perform long-term analysis corresponding to the actual kneading time due to the problem of calculation costs. That is, to estimate the kneading conditions, it is important to obtain the physical quantities at the end of the kneading time, but with current simulation technology, it is difficult to perform long-term analysis corresponding to the actual kneading time, and therefore it is not possible to fully evaluate the kneading conditions. In other words, with current simulation technology, there is room for improvement in terms of performing long-term analysis of physical quantities corresponding to the actual kneading time without incurring huge calculation costs.
そこで、本実施の形態では、現状のシミュレーション技術に存在する改善の余地に対する工夫を施している。以下では、この工夫を施した技術的思想について説明する。 Therefore, in this embodiment, we have implemented measures to address the room for improvement that exists in current simulation technology. The technical ideas behind these measures are explained below.
<実施の形態における基本思想>
本実施の形態における基本思想は、混練機で混練される混練物に関係する物理量の時間発展を表す関係式であって、混練機の混練槽または混練物に関係するパラメータを含む関係式に基づいて、物理量を推定するシミュレーション技術において、例えば、第1時刻から第2時刻までの物理量に関する実験データに基づいて、関係式に含まれるパラメータを決定する思想である。その後、基本思想では、実験データに基づいて決定したパラメータの値を代入した関係式によって表される物理量の時間発展から、第2時刻よりも後の時刻における物理量を推定する。
<Basic Concept of the Embodiment>
The basic idea of the present embodiment is to determine the parameters included in the relational equation based on experimental data related to the physical quantities from a first time to a second time in a simulation technique for estimating the physical quantities based on the relational equation, which is a relational equation expressing the time evolution of the physical quantities related to the material kneaded by the kneader and includes parameters related to the kneading tank of the kneader or the material, for example. Then, the basic idea is to estimate the physical quantities at times after the second time from the time evolution of the physical quantities represented by the relational equation into which the parameter values determined based on the experimental data are substituted.
この基本思想において、実験データに基づいて決定したパラメータの値を代入した関係式によって表される物理量の時間発展から推定される物理量は、混練物全体でみたときの平均的な値となる。すなわち、基本思想によるシミュレーション技術では、上述した現状のシミュレーション技術のように、混練物の流れや物理量のばらつきを評価することができない一方、平均的な物理量だけを計算することから、多大な計算コストをかけることなく、混練条件を評価する際の重要な要素となる混練終了時の物理量を推定することができる。つまり、基本思想では、計算コストをかけずに、現状のシミュレーション技術では実現困難であった混練終了時の物理量を推定できる点で大きな技術的意義を有する。 In this basic concept, the physical quantities estimated from the time evolution of the physical quantities represented by the relational expressions into which parameter values determined based on experimental data are substituted are average values when viewed from the entire kneaded material. In other words, the simulation technology based on this basic concept cannot evaluate the flow of the kneaded material or the variations in the physical quantities, as in the current simulation technology described above. However, since it calculates only average physical quantities, it is possible to estimate the physical quantities at the end of kneading, which are an important factor in evaluating the kneading conditions, without incurring significant calculation costs. In other words, the basic concept has great technical significance in that it can estimate the physical quantities at the end of kneading, which is difficult to achieve with current simulation technology, without incurring calculation costs.
以下では、この基本思想を具現化した本実施の形態における具現化態様を説明する。 The following describes how this basic concept is embodied in this embodiment.
本実施の形態では、混練機で混練される混練物に関係する物理量を推定するシミュレーション技術を例に挙げて、上述した基本思想を説明する。特に、混練物の温度を推定する例について説明するが、本実施の形態における基本思想は、混練機で混練される混練物に関係する物理量だけでなく、様々な幅広い対象物についての物理量を推定するシミュレーション技術にも適用することができる。 In this embodiment, the above-mentioned basic concept is explained using an example of a simulation technique for estimating physical quantities related to a material kneaded in a kneading machine. In particular, an example of estimating the temperature of the material is explained, but the basic concept of this embodiment can be applied not only to physical quantities related to a material kneaded in a kneading machine, but also to simulation techniques for estimating physical quantities for a wide variety of objects.
<混練機の構成>
まず、混練物の温度を推定するシミュレーション技術の具体的な内容を説明する前に、混練機の模式的な構成について簡単に説明する。
<Configuration of the kneader>
First, before describing the specific contents of the simulation technique for estimating the temperature of the kneaded material, a schematic configuration of the kneader will be briefly described.
図1は、混練機の模式的な構成を示す図である。 Figure 1 shows a schematic diagram of a kneading machine.
図1において、混練機1は、空洞部10aを有する混練槽10を有する。そして、混練槽10の空洞部10aには、2つの回転可能なロータ11aとロータ11bとが設けられている。さらに、空洞部10aには、混練物12が入れられている。この空洞部10aは、上蓋13で密閉されるようになっている。密閉された空洞部10aに入れられた混練物12は、2つの回転するロータ11aとロータ11bによって混練される。このようにして、混練機1では、混練物12を混練することができる。混練機1で混練された混練物12は、例えば、ケーブルを被覆する絶縁材料(被覆材料)として使用される。
In FIG. 1, the kneader 1 has a
例えば、ケーブルを被覆する絶縁材料としての混練物12は、エチレン-酢酸ビニル共重合体(EVA)と、マレイン酸変性ポリマと、水酸化マグネシウムからなる充填剤と、トリメチロールプロパントアクリルレート(TMPT)からなる架橋助剤から構成される。すなわち、混練機1では、エチレン-酢酸ビニル共重合体とマレイン酸ポリマと充填剤と架橋助剤とが混練されて混練物12が形成される。
For example, the kneaded
この混練物12を短時間で均一に混練することが絶縁材料の特性を実現するために重要である。このことから、混練物12を混練する混練機1での混練条件を評価する必要性が生じる。そして、例えば、混練物12の温度は、混練物12の練り具合を把握する上で重要な物理量であり、混練時間全体にわたって混練物12の温度を推定することは、混練条件を評価する上で非常に重要である。そこで、以下では、混練時間全体にわたって混練物12の温度を推定するシミュレーション技術の具体的内容について説明する。
It is important to knead this kneaded
<シミュレーション技術の具体的内容>
<<混練物の温度の時間発展を表す関係式>>
まず、本実施の形態では、混練機で混練される混練物の温度の時間発展を表す関係式であって、混練機の混練槽または混練物に関係するパラメータを含む関係式に基づいて、混練物の温度を推定するために、関係式として、以下に示す数式(1)を採用する。
<Specific details of simulation technology>
<<Relationship formula showing the time evolution of the temperature of the kneaded material>>
First, in this embodiment, in order to estimate the temperature of the kneaded material based on a relational equation that represents the time evolution of the temperature of the kneaded material being kneaded in a kneader and that includes parameters related to the kneading tank of the kneader or the kneaded material, the following formula (1) is adopted as the relational equation.
ここで、数式(1)に含まれるパラメータは、以下の通りである。 Here, the parameters included in formula (1) are as follows:
ρ:混練物の密度[kg/m3]
Cp:混練物の比熱[J/kg/℃]
h:混練物と混練槽との間の熱伝達係数[W/m2/℃]
S:混練物と混練槽との接触面積[m2]
V:混練物の体積[m3]
T:混練物の温度[℃]
Tw:混練槽壁面の温度[℃]
t:時刻[s]
η:混練物の粘度[Pa・s]
dγ/dt:混練槽内のせん断速度[1/s]
ρ: density of the kneaded product [kg/m 3 ]
C p : specific heat of the kneaded material [J/kg/°C]
h: heat transfer coefficient between the kneaded material and the kneading tank [W/m 2 /°C]
S: contact area between the kneaded material and the kneading tank [m 2 ]
V: Volume of the kneaded product [m 3 ]
T: Temperature of the kneaded material [°C]
Tw : Temperature of the wall of the kneading tank [°C]
t: time [s]
η: Viscosity of the kneaded product [Pa s]
dγ/dt: shear rate in the kneading tank [1/s]
数式(1)は、粘性流体からなる混練物のエネルギー保存式であり、定性的に以下に示す内容を有する関係式である。すなわち、数式(1)の左辺は、混練物に加わる熱量の時間変化を示している。一方、数式(1)の右辺第1項は、混練物の温度と混練槽の温度との差に基づいて混練物に流入あるいは混練物から流出する熱量を示している。例えば、数式(1)の右辺第1項は、混練物の温度が混練槽の温度よりも低い場合、混練物の温度と混練槽の温度との温度差に比例する熱量が混練槽から混練物に流入することを示している。一方、混練物の温度が混練槽の温度よりも高い場合、混練物の温度と混練槽の温度との温度差に比例する熱量が混練物から混練槽に向かって流出することを示している。さらに、混練物の温度と混練槽の温度が等しい場合、数式(1)の右辺第1項は、「0」となるため、混練物と混練槽との間における熱量の流入あるいは流出はないことになる。 Equation (1) is the energy conservation equation for a kneaded material made of a viscous fluid, and is a relational equation that qualitatively has the following content. That is, the left side of equation (1) indicates the change in the amount of heat applied to the kneaded material over time. On the other hand, the first term on the right side of equation (1) indicates the amount of heat flowing into or out of the kneaded material based on the difference between the temperature of the kneaded material and the temperature of the kneading tank. For example, the first term on the right side of equation (1) indicates that when the temperature of the kneaded material is lower than the temperature of the kneading tank, an amount of heat proportional to the temperature difference between the temperature of the kneaded material and the temperature of the kneading tank flows from the kneading tank into the kneaded material. On the other hand, when the temperature of the kneaded material is higher than the temperature of the kneading tank, an amount of heat proportional to the temperature difference between the temperature of the kneaded material and the temperature of the kneading tank flows out from the kneaded material to the kneading tank. Furthermore, when the temperature of the kneaded material and the temperature of the kneading tank are equal, the first term on the right side of equation (1) is "0", so there is no flow of heat between the kneaded material and the kneading tank.
続いて、数式(1)の右辺第2項は、ロータの回転によって混練物に供給される熱量を示している。つまり、数式(1)の右辺第2項は、ロータの回転による混練によって、ロータの回転エネルギーの一部が混練物に加わる熱エネルギーとなることを示している。 Next, the second term on the right side of formula (1) indicates the amount of heat supplied to the kneaded material by the rotation of the rotor. In other words, the second term on the right side of formula (1) indicates that part of the rotational energy of the rotor becomes heat energy added to the kneaded material as a result of kneading by the rotation of the rotor.
以上のことから、数式(1)は、混練物に加わる熱量の時間変化(左辺)は、混練物の温度と混練槽の温度との差に基づく熱量の移動(右辺第1項)と、ロータの回転エネルギーに基づいて混練物に供給される熱エネルギー(右辺第2項)との和に等しいということを表している関係式である。この数式(1)は、混練物の温度に関する微分方程式であることから、混練物の温度の時間発展を表していることがわかる。 From the above, formula (1) is a relational equation that expresses that the change over time in the amount of heat applied to the kneaded material (left side) is equal to the sum of the transfer of heat based on the difference between the temperature of the kneaded material and the temperature of the kneading tank (first term on the right side) and the thermal energy supplied to the kneaded material based on the rotational energy of the rotor (second term on the right side). Since formula (1) is a differential equation related to the temperature of the kneaded material, it can be seen that it expresses the evolution of the temperature of the kneaded material over time.
<<粘度とせん断速度との関係の算出>>
次に、数式(1)に含まれる粘度(η)は、一般的に温度(T)とせん断速度(dγ/dt)に依存する。このことから、この粘度を温度およびせん断速度の関係式として表すことを考える。ここで、粘度は、一般的に、温度とせん断速度を変数として、以下の数式(2)で示される関係があることが知られている。
<<Calculation of the relationship between viscosity and shear rate>>
Next, the viscosity (η) included in the formula (1) generally depends on the temperature (T) and the shear rate (dγ/dt). For this reason, it is considered to express this viscosity as a relational expression between temperature and shear rate. Here, it is known that the viscosity generally has a relationship shown in the following formula (2) with temperature and shear rate as variables.
ここで、数式(2)に含まれる「a」、「b」、「n」は、フィッティング係数である。 Here, "a", "b", and "n" in formula (2) are fitting coefficients.
以下では、このフィッティング係数を算出するために、本実施の形態では、まず、混練物の粘度を測定する。具体的に、複数の温度において、せん断速度と粘度との関係をプロットデータとして取得する。その後、取得したプロットデータに対して、数式(2)で示される関係式でフィッティングすることにより、数式(2)に含まれる3つのフィッティング係数を算出する。これにより、混練物の材料に固有の粘度特性を求めることができる。 In the following, in order to calculate the fitting coefficients, in this embodiment, first, the viscosity of the kneaded product is measured. Specifically, the relationship between shear rate and viscosity at multiple temperatures is obtained as plot data. After that, the three fitting coefficients included in formula (2) are calculated by fitting the obtained plot data with the relational expression shown in formula (2). This makes it possible to determine the viscosity characteristics specific to the material of the kneaded product.
<<数式(2)の数式(1)への代入>>
続いて、数式(2)に含まれる3つのフィッティング係数を算出した後、3つのフィッティング係数を決定した数式(2)で示される粘度を数式(1)に代入する。これにより、以下に示す数式(3)が得られる。
<<Substituting Formula (2) into Formula (1)>>
Next, the three fitting coefficients included in the formula (2) are calculated, and the viscosity indicated by the formula (2) in which the three fitting coefficients have been determined is substituted into the formula (1). This results in the following formula (3).
ここで、数式(3)に含まれるパラメータは、以下の通りである。 Here, the parameters included in formula (3) are as follows:
α1=hS/ρ/Cp/V
β(T)=a×e-bT
α2=(dγ/dt)n+1/2/ρ/Cp
α1=hS/ρ/C p /V
β(T)=a×e −bT
α2=(dγ/dt) n+1 /2/ρ/C p
この数式(3)は、混練物の温度に関する微分方程式であり、混練物の温度の時間発展を表している。この数式(3)において、未知のパラメータは、「パラメータα1」と「パラメータα2」と「混練槽壁面の温度(Tw)」である。なお、「パラメータβ(T)」は、未知のパラメータではない。なぜなら、「パラメータβ(T)」に含まれる「a」および「b」は、既に求められているフィッティング係数であるからである。 This formula (3) is a differential equation related to the temperature of the kneaded material, and represents the time evolution of the temperature of the kneaded material. In this formula (3), the unknown parameters are "parameter α1", "parameter α2", and "temperature of the wall surface of the kneading tank (T w )". Note that "parameter β(T)" is not an unknown parameter. This is because "a" and "b" included in "parameter β(T)" are fitting coefficients that have already been obtained.
<<未知のパラメータの決定>>
以下では、未知のパラメータを決定するために、実験データを使用する。
<<Determination of unknown parameters>>
In the following, experimental data is used to determine the unknown parameters.
図2は、混練物の温度と時間との関係を示す実験データである。 Figure 2 shows experimental data showing the relationship between the temperature of the kneaded material and time.
例えば、一例として、混練物を混練機(空洞部)の体積の75%だけ入れ、かつ、ロータの回転数を30[rpm]とした状態で、混練物の混練を開始した後(第1時刻)、熱電対で測定される混練物の温度が160[℃]となったところで混練処理を終了する(第2時刻)。このとき、混練槽壁面の温度Twを70[℃]としている。これにより、まず、「混練槽壁面の温度(Tw)」は、決定される。 For example, after the material is put into the kneader (hollow portion) at 75% of its volume and the rotor rotation speed is set to 30 rpm, kneading of the material is started (first time), and the kneading process is terminated when the temperature of the material measured by the thermocouple reaches 160° C. (second time). At this time, the temperature Tw of the wall surface of the kneading tank is set to 70° C. Thus, the "temperature ( Tw ) of the wall surface of the kneading tank" is first determined.
次に、数式(3)に含まれる「パラメータα1」と「パラメータα2」とを図2に示す実験データに基づいて決定する手法について説明する。 Next, we will explain the method for determining the "parameter α1" and "parameter α2" included in formula (3) based on the experimental data shown in Figure 2.
まず、数式(3)を第1時刻tiから第2時刻tfまで時間積分すると、以下に示す数式(4)が得られる。 First, by time integrating Equation (3) from the first time t i to the second time t f , the following Equation (4) is obtained.
そして、図2に示す実験データから、例えば、時刻t0(=0[s])における温度T0と、時刻t1(=100[s])における温度T1と、時刻t2(=480[s])における温度T2を求める。その後、数式(4)において、時刻ti=時刻t0における温度T0と時刻tf=t1における温度T1を代入するとともに、右辺第1項および右辺第2項の被積分関数に含まれるT(t)を定数T0に置き換える近似を行う。 2, for example, temperature T0 at time t0 (=0 [s]), temperature T1 at time t1 (=100 [s]), and temperature T2 at time t2 (=480 [s]) are obtained. Then, in formula (4), temperature T0 at time t0 (t i = temperature T0 ) and temperature T1 at time tf = temperature T1 are substituted, and approximation is performed by replacing T(t) included in the integrand functions of the first and second terms on the right -hand side with a constant T0 .
これにより、以下に示す数式(5)が得られる。 This gives us the following formula (5):
同様に、数式(4)において、時刻ti=時刻t1における温度T1と時刻tf=t2における温度T2を代入するとともに、右辺第1項および右辺第2項の被積分関数に含まれるT(t)を定数T1に置き換える近似を行う。 Similarly, in equation (4), temperature T1 at time t i = time t 1 and temperature T2 at time t f = t 2 are substituted, and an approximation is performed by replacing T(t) included in the integrand functions of the first and second terms on the right-hand side with the constant T 1 .
これにより、以下に示す数式(6)が得られる。 This gives us the formula (6) shown below.
このようにして、図2に示す実験データと数式(4)に基づいて、未知のパラメータである「パラメータα1」と「パラメータα2」に関する2本の連立方程式(数式(5)と数式(6))を得ることができる。この結果、数式(5)と数式(6)から構成される2本の連立方程式を解くことにより、2つの未知のパラメータである「パラメータα1」と「パラメータα2」とを決定することができる。 In this way, two simultaneous equations (equations (5) and (6)) relating to the unknown parameters "parameter α1" and "parameter α2" can be obtained based on the experimental data shown in Figure 2 and equation (4). As a result, by solving the two simultaneous equations composed of equations (5) and (6), the two unknown parameters "parameter α1" and "parameter α2" can be determined.
なお、本実施の形態では、数式(5)および数式(6)を導出する際に、数式(4)の右辺第1項および右辺第2項の被積分関数に含まれるT(t)を定数T0や定数T1に置き換える近似を行った。ただし、近似手法は、これに限らず、例えば、数式(5)を導出する際に、数式(4)の右辺第1項および右辺第2項の被積分関数に含まれるT(t)を定数(T0+T1)/2に置き換える近似を行うこともできる。同様に、例えば、数式(6)を導出する際に、数式(4)の右辺第1項および右辺第2項の被積分関数に含まれるT(t)を定数(T1+T2)/2に置き換える近似を行うこともできる。 In this embodiment, when formula (5) and formula (6) are derived, an approximation is performed in which T(t) included in the integrand function of the first term and the second term on the right side of formula (4) is replaced with a constant T0 or a constant T1 . However, the approximation method is not limited to this, and for example, when formula (5) is derived, an approximation can be performed in which T(t) included in the integrand function of the first term and the second term on the right side of formula (4) is replaced with a constant ( T0 + T1 )/2. Similarly, for example, when formula (6) is derived, an approximation can be performed in which T(t) included in the integrand function of the first term and the second term on the right side of formula (4) is replaced with a constant ( T1 + T2 )/2.
<<決定したパラメータの数式(3)への代入>>
以上のようして算出された「パラメータα1」と「パラメータα2」とともに、「混練槽壁面の温度(Tw)」を数式(3)に代入する。これにより、数式(3)によって、混練物の温度の時間発展が完全に規定される。したがって、数式(3)に基づいて、混練物の温度の時間依存性が決定する。これにより、時刻を指定すれば、指定した時刻における混練物の温度を推定することができる。例えば、混練終了時刻が1500[s]である場合、時刻を1500[s]に設定することにより、混練終了時刻での混練物の温度を推定することができる。このようにして、本実施の形態におけるシミュレーション技術によれば、実験データを取得していない第2時刻よりも後の時刻である混練終了時刻においても、混練物の温度を推定することができる。
<<Substitution of Determined Parameters into Equation (3)>>
The "temperature of the wall surface of the kneading tank (T w )" is substituted into the formula (3) together with the "parameter α1" and "parameter α2" calculated as described above. As a result, the time evolution of the temperature of the kneaded material is completely regulated by the formula (3). Therefore, the time dependency of the temperature of the kneaded material is determined based on the formula (3). As a result, if a time is specified, the temperature of the kneaded material at the specified time can be estimated. For example, if the kneading end time is 1500 [s], the temperature of the kneaded material at the kneading end time can be estimated by setting the time to 1500 [s]. In this way, according to the simulation technique in this embodiment, the temperature of the kneaded material can be estimated even at the kneading end time, which is a time later than the second time at which no experimental data is obtained.
なお、数式(3)の「パラメータα2」に含まれるせん断速度(dγ/dt)は、混練機の形状やロータの形状やロータの回転数などで決まるパラメータであるが、本実施の形態では、このせん断速度が含まれる「パラメータα2」を実験データに基づいて算出している。このため、ロータの回転数に代表される混練条件は、「パラメータα2」に自動的に組み込まれる。これにより、本実施の形態によれば、混練条件を適切に反映した状態で、混練物の温度を推定できる利点が得られる。 The shear rate (dγ/dt) included in "parameter α2" in formula (3) is a parameter determined by the shape of the mixer, the shape of the rotor, the rotor rotation speed, etc., but in this embodiment, "parameter α2" including this shear rate is calculated based on experimental data. Therefore, the mixing conditions represented by the rotor rotation speed are automatically incorporated into "parameter α2". As a result, this embodiment has the advantage of being able to estimate the temperature of the mix while appropriately reflecting the mixing conditions.
<<シミュレーション結果の検証>>
続いて、本実施の形態におけるシミュレーション結果の検証について説明する。
<<Verification of simulation results>>
Next, verification of the simulation results in this embodiment will be described.
図3は、図2に示す実験データを混練終了時刻(1500[s])まで取得した時間-温度曲線と、本実施の形態におけるシミュレーション結果から取得される時間-温度曲線とを比較するグラフである。図3において、実線が実験データを示している一方、破線が本実施の形態によるシミュレーション結果を示している。 Figure 3 is a graph comparing the time-temperature curve obtained from the experimental data shown in Figure 2 up to the end of kneading (1500 [s]) with the time-temperature curve obtained from the simulation results of this embodiment. In Figure 3, the solid line shows the experimental data, while the dashed line shows the simulation results of this embodiment.
図3において、実線で示す実験データにおいては、混練終了時刻での混練物の温度が188.5[℃]であるのに対し、破線で示すシミュレーション結果においては、混練終了時刻における混練物の温度が187.2[℃]となっている。この結果、本実施の形態におけるシミュレーションによれば、差1%未満の精度で、混練終了時刻における混練物の温度を推定できることが裏付けられていることがわかる。 In FIG. 3, in the experimental data shown by the solid line, the temperature of the kneaded material at the end of kneading is 188.5°C, whereas in the simulation results shown by the dashed line, the temperature of the kneaded material at the end of kneading is 187.2°C. As a result, it can be seen that the simulation in this embodiment proves that the temperature of the kneaded material at the end of kneading can be estimated with an accuracy of less than 1%.
<<さらなる工夫点>>
本実施の形態におけるシミュレーションでは、時刻t0(=0[s])における温度T0を使用して未知のパラメータを算出している。この点に関し、図3に示すように、時刻t0付近において、実験データでは、混練開始時刻の直後に混練物の温度が低下しているのに対し、本実施の形態におけるシミュレーションでは、この現象が反映されていない。
<<Further improvements>>
In the simulation of this embodiment, the unknown parameters are calculated using the temperature T0 at time t0 (=0 [s]). In this regard, as shown in Fig. 3, in the experimental data, the temperature of the kneaded material drops immediately after the kneading start time in the vicinity of time t0 , whereas this phenomenon is not reflected in the simulation of this embodiment.
これは、実際の混練機においては、高温状態の混練機の内部に樹脂が投入されたことにより、混練槽全体の温度が下がったことに起因すると考えられる。これにより、本実施の形態におけるシミュレーションでは、この現象まで反映することができず、混練開始時刻の直後において、実験データとの誤差が大きくなっていると推察される。 This is thought to be due to the fact that in an actual mixer, the temperature of the entire mixer tank drops when resin is poured into the mixer, which is already at a high temperature. As a result, the simulation in this embodiment is unable to reflect this phenomenon, and it is presumed that the error with the experimental data becomes large immediately after the start of mixing.
そこで、実験データとシミュレーションとの誤差を小さくする以下に示す工夫が考えられるので、この工夫点について説明する。 Therefore, the following ideas can be considered to reduce the error between the experimental data and the simulation, and these ideas will be explained below.
具体的に、この工夫点は、実験データから把握される第1時刻から第2時刻までの温度-時間曲線と、シミュレーションでの計算結果から把握される温度-時間曲線のうちの第1時刻から第2時刻までの温度-時間曲線とによって囲まれる面積の値が所定値以下になるまで、時刻t0、時刻t1、時刻t2のそれぞれの値を変更して、上述した「<<未知のパラメータの決定>>」で説明した処理を繰り返すものである。 Specifically, this ingenuity involves changing the values of times t0, t1, and t2 and repeating the process described above in "<<Determination of unknown parameters>>" until the value of the area enclosed by the temperature-time curve from the first time to the second time determined from the experimental data and the temperature-time curve from the first time to the second time determined from the calculation results of the simulation becomes equal to or less than a predetermined value.
この工夫点によれば、「<<未知のパラメータの決定>>」で説明した処理を繰り返さない構成よりも、シミュレーション結果を実験データに近づけることができるため、シミュレーション計算の精度を向上することができる。 This innovation makes it possible to bring the simulation results closer to the experimental data than a configuration that does not repeat the process described in "<<Determining unknown parameters>>", thereby improving the accuracy of the simulation calculations.
<<変形例>>
例えば、本実施の形態では、数式(3)に含まれる「パラメータα1」や「パラメータα2」を「<<未知のパラメータの決定>>」で説明した手法で算出する例について説明している。ただし、混練物の温度の時間発展を表す数式(3)を他の手法で近似することも可能である。具体的に、数式(3)は、数式(2)で表される粘度を数式(1)に代入し、時間を離散化することにより得られる以下の数式(7)で近似できる。
<<Modifications>>
For example, in this embodiment, an example is described in which the "parameter α1" and the "parameter α2" included in the formula (3) are calculated by the method described in "<<Determination of Unknown Parameters>>". However, it is also possible to approximate the formula (3) expressing the time evolution of the temperature of the kneaded material by other methods. Specifically, the formula (3) can be approximated by the following formula (7) obtained by substituting the viscosity expressed by the formula (2) into the formula (1) and discretizing time.
ここで、数式(7)に含まれるパラメータは、以下の通りである。 Here, the parameters included in equation (7) are as follows:
A=hS/ρ/Cp/V
B=1/2/ρ/Cp×a×(dγ/dt)n+1
A=hS/ρ/ Cp /V
B=1/2/ρ/C p ×a×(dγ/dt) n+1
そして、数式(7)に含まれる「パラメータA」および「パラメータB」は、図2に示す実験データに合うようにフィッティングで決定することができる。例えば、実験データへのフィッティングは、最小二乗法や回帰分析法を使用して実施することができる。 The "parameter A" and "parameter B" included in formula (7) can be determined by fitting to the experimental data shown in Figure 2. For example, fitting to the experimental data can be performed using the least squares method or regression analysis.
<実施の形態における特徴>
次に、本実施の形態における特徴点について説明する。
<Features of the embodiment>
Next, features of this embodiment will be described.
本実施の形態における特徴点は、混練機で混練される混練物の温度の時間発展を表す数式(1)に含まれるパラメータを第1時刻から第2時刻までの実験データに基づいて決定した後、パラメータを決定した数式(1)によって、第2時刻よりも後の時刻における混練物の温度を推定する点にある。 The feature of this embodiment is that the parameters included in the formula (1) that represents the time evolution of the temperature of the mixture being mixed in the mixer are determined based on experimental data from the first time to the second time, and then the temperature of the mixture at a time after the second time is estimated using the formula (1) with the determined parameters.
これにより、まず、以下に示す第1利点を得ることができる。すなわち、実験データに基づいてパラメータを決定した場合、この数式(1)に基づいて推定される混練物の温度は、混練物全体でみたときの平均的な値となる。すなわち、本実施の形態によるシミュレーション技術では、一般的な粒子法・有限要素法などによるシミュレーション技術とは異なり、要素分析を行わないことから、混練物の流れや物理量のばらつきを評価することができない。その一方で、本実施の形態における特徴点によれば、平均的な物理量だけを計算することから、多大な計算コストをかけることなく、混練条件を評価する際の重要な要素となる混練終了時の混練物の温度を推定することができる。つまり、本実施の形態における特徴点によれば、計算コストをかけずに、現状のシミュレーション技術では実現困難であった混練終了時の混練物の温度を推定できる点で大きな利点を有することになる。 This makes it possible to obtain the first advantage described below. That is, when the parameters are determined based on experimental data, the temperature of the kneaded material estimated based on this formula (1) is the average value when viewed as a whole kneaded material. That is, unlike general simulation techniques using particle methods, finite element methods, etc., the simulation technique according to this embodiment does not perform element analysis, so it is not possible to evaluate the flow of the kneaded material or the variation in physical quantities. On the other hand, according to the characteristic points of this embodiment, since only the average physical quantities are calculated, it is possible to estimate the temperature of the kneaded material at the end of kneading, which is an important factor when evaluating the kneading conditions, without incurring a large calculation cost. That is, according to the characteristic points of this embodiment, it is possible to estimate the temperature of the kneaded material at the end of kneading, which is difficult to achieve with current simulation techniques, without incurring a large calculation cost, and this has a great advantage.
続いて、本実施の形態における特徴点によってもたらされる第2利点を説明する。 Next, we will explain the second advantage brought about by the features of this embodiment.
例えば、混練物の温度の時間発展を表す数式(1)に数式(2)を代入して、混練物の温度を推定する場合、数式(1)に含まれる7つのパラメータ(「ρ」、「Cp」、「h」、「S」、「V」、「Tw」、「dγ/dt」)と数式(2)に含まれる3つのフィッティング係数(「a」、「b」、「n」)を決定しなければならない。 For example, when estimating the temperature of a kneaded material by substituting formula (2) into formula (1) which represents the time evolution of the temperature of the kneaded material, seven parameters contained in formula (1) ("ρ", "C p ", "h", "S", "V", "T w ", "dγ/dt") and three fitting coefficients contained in formula (2) ("a", "b", "n") must be determined.
この点に関し、本実施の形態では、まず、粘度とせん断速度の関係を示す数式(2)を数式(1)に代入した後、数式(1)を変形して数式(3)を得る。この数式(3)において混練物の温度を推定する場合、数式(3)の含まれる3つのパラメータ(「パラメータα1」と「パラメータα2」と「Tw」)と数式(2)に含まれる3つのフィッティング係数(「a」、「b」、「n」)を決定する必要がある。 In this regard, in the present embodiment, first, Equation (2) showing the relationship between viscosity and shear rate is substituted into Equation (1), and then Equation (1) is transformed to obtain Equation (3). When estimating the temperature of the kneaded material in Equation (3), it is necessary to determine three parameters included in Equation (3) ("parameter α1", "parameter α2", and "T w ") and three fitting coefficients included in Equation (2) ("a", "b", and "n").
ただし、「パラメータα1」は、「h」と「S」と「ρ」と「Cp」と「V」とを含み、かつ、「パラメータα2」は、「ρ」と「Cp」と「dγ/dt」とを含んでいる。このことから、単に、パラメータを決定した数式(3)に基づいて、混練物の温度を推定する場合も、基本的には、パラメータを決定した数式(1)に基づいて混練物の温度を推定する場合と同様に、7つのパラメータ(「ρ」、「Cp」、「h」、「S」、「V」、「Tw」、「dγ/dt」)と3つのフィッティング係数(「a」、「b」、「n」)を決定する必要がある。 However, the "parameter α1" includes "h", "S", "ρ", " Cp ", and "V", and the "parameter α2" includes "ρ", "Cp", and "dγ/dt". For this reason, even when estimating the temperature of the kneaded material simply based on the formula (3) in which the parameters are determined, it is basically necessary to determine seven parameters ("ρ", "Cp", "h", "S", "V", "Tw", and "dγ/dt") and three fitting coefficients ("a", "b", and "n"), similarly to the case in which the temperature of the kneaded material is estimated based on the formula (1) in which the parameters are determined.
ここで、本実施の形態における特徴点では、数式(3)に含まれるパラメータを決定する際に混練物の温度に関する実験データ(混練終了時までの実験データではなく、第1時刻から第2時刻までの部分的な実験データ)を使用する。この点が重要である。すなわち、本実施の形態では、混練物の温度に関する実験データに合うように数式(3)に含まれるパラメータを決定する。この場合、数式(3)に基づく混練物の温度の時間発展を解析するためには、物理的に意味のある7つのパラメータ(「ρ」、「Cp」、「h」、「S」、「V」、「Tw」、「dγ/dt」)のそれぞれをすべて決定する必要はなく、これらのパラメータの複合である「パラメータα1」および「パラメータα2」を混練物の温度に関する実験データから決定すれば充分である。つまり、パラメータの決定に混練物の温度に関する実験データを使用すると、数式(3)から混練物の温度を推定するためには、数式(3)に含まれる「パラメータα1」と「パラメータα2」と「Tw」だけを決定すればよい。 Here, in the feature of this embodiment, experimental data on the temperature of the kneaded material (partial experimental data from the first time to the second time, not experimental data until the end of kneading) is used when determining the parameters included in the formula (3). This point is important. That is, in this embodiment, the parameters included in the formula (3) are determined so as to match the experimental data on the temperature of the kneaded material. In this case, in order to analyze the time evolution of the temperature of the kneaded material based on the formula (3), it is not necessary to determine each of the seven physically meaningful parameters ("ρ", "Cp", "h", "S", "V", "Tw", and "dγ/dt"), and it is sufficient to determine the "parameter α1" and the "parameter α2", which are combinations of these parameters, from the experimental data on the temperature of the kneaded material. In other words, if the experimental data on the temperature of the kneaded material is used to determine the parameters, in order to estimate the temperature of the kneaded material from the formula (3), it is sufficient to determine only the "parameter α1", the "parameter α2", and the "T w " included in the formula (3).
このことから、本実施の形態における特徴点によれば、決定すべきパラメータの数を低減することができるため、すべてのパラメータを決定する作業を要することなく、数式(3)に基づいて混練物の温度を容易に推定することができる利点が得られる。 Therefore, according to the characteristic feature of this embodiment, the number of parameters to be determined can be reduced, which has the advantage that the temperature of the kneaded material can be easily estimated based on formula (3) without the need to determine all the parameters.
この利点は、決定することが困難なパラメータが含まれている場合に特に有用である。例えば、混練物と混練槽との間の熱伝達係数を示す「h」や、混練槽内のせん断速度を示す「dγ/dt」は、決定することが困難である。この点に関し、本実施の形態における特徴点によれば、決定することが困難な「h」や「dγ/dt」を含む「パラメータα1」や「パラメータα2」を実験データに基づいて決定している。このため、実験データを使用してパラメータを決定するという本実施の形態における特徴点を採用すると、決定することが困難なパラメータが含まれる関係式の時間発展に基づいて、混練物の温度を推定することが容易となる。さらには、決定することが困難な「h」や「dγ/dt」は、実験データに合うように決定されることから、実際の「h」や「dγ/dt」を正確に反映した値が自動的に採用されることになる。このことから、本実施の形態における特徴点によれば、決定することが困難なパラメータを含む関係式に基づいて混練物の温度を推定することが容易になるだけでなく、実際の「h」や「dγ/dt」が正確に反映されることから、推定される混練物の温度の精度も向上できる。 This advantage is particularly useful when parameters that are difficult to determine are included. For example, "h", which indicates the heat transfer coefficient between the kneaded material and the kneading tank, and "dγ/dt", which indicates the shear rate in the kneading tank, are difficult to determine. In this regard, according to the feature of this embodiment, "parameter α1" and "parameter α2", which include "h" and "dγ/dt", which are difficult to determine, are determined based on experimental data. Therefore, when the feature of this embodiment, in which parameters are determined using experimental data, is adopted, it becomes easy to estimate the temperature of the kneaded material based on the time evolution of a relational expression including a parameter that is difficult to determine. Furthermore, since "h" and "dγ/dt", which are difficult to determine, are determined to match the experimental data, values that accurately reflect the actual "h" and "dγ/dt" are automatically adopted. Therefore, according to the feature of this embodiment, not only does it become easy to estimate the temperature of the kneaded material based on a relational expression including parameters that are difficult to determine, but the accuracy of the estimated temperature of the kneaded material can also be improved because the actual "h" and "dγ/dt" are accurately reflected.
このように、実験データを使用してパラメータを決定するという本実施の形態における特徴点は、決定することが困難なパラメータを含む関係式の時間発展に基づいて、混練物の温度を推定するシミュレーション技術に適用すると特に有効であることがわかる。 In this way, the feature of this embodiment in which parameters are determined using experimental data is particularly effective when applied to a simulation technique that estimates the temperature of a kneaded material based on the time evolution of a relational equation that includes parameters that are difficult to determine.
次に、本実施の形態における特徴点によってもたらされる第3利点を説明する。 Next, we will explain the third advantage brought about by the features of this embodiment.
例えば、数式(3)に含まれる「パラメータα2」には、せん断速度を示す「dγ/dt」が含まれる。この「dγ/dt」は、ロータの回転速度に依存するため、本実施の形態のように実験データに基づいて「dγ/dt」を含む「パラメータα2」を決定すると、自動的にロータの回転速度が反映される。 For example, the "parameter α2" in formula (3) includes "dγ/dt", which indicates the shear rate. This "dγ/dt" depends on the rotational speed of the rotor. Therefore, when the "parameter α2" including "dγ/dt" is determined based on experimental data as in this embodiment, the rotational speed of the rotor is automatically reflected.
したがって、ロータの回転速度が異なるときの実験データに基づいて「パラメータα2」を決定する複数のシミュレーションを実施すると、これらの複数のシミュレーションからロータの回転速度と、「dγ/dt」を含む「パラメータα2」との関係を把握することができる。例えば、ロータの回転数が30[rpm]のときの実験データに基づいて「パラメータα2」を第1値に決定して混練物の温度を推定する第1シミュレーションを実施する。そして、ロータの回転数が50[rpm]のときの実験データに基づいて「パラメータα2」を第2値に決定して混練物の温度を推定する第2シミュレーションを実施する。すると、(ロータの回転数、「パラメータα2」)というデータの組として、(30[rpm]、第1値)と(50[rpm]、第2値)というデータの組を取得することができる。 Therefore, by performing multiple simulations to determine the "parameter α2" based on experimental data when the rotor rotation speed is different, the relationship between the rotor rotation speed and the "parameter α2" including "dγ/dt" can be understood from these multiple simulations. For example, a first simulation is performed to determine the "parameter α2" as a first value based on experimental data when the rotor rotation speed is 30 [rpm] and estimate the temperature of the kneaded material. Then, a second simulation is performed to determine the "parameter α2" as a second value based on experimental data when the rotor rotation speed is 50 [rpm] and estimate the temperature of the kneaded material. Then, a data set of (30 [rpm], first value) and (50 [rpm], second value) can be obtained as a data set of (rotor rotation speed, "parameter α2").
そして、ロータの回転速度が異なるときの実験データに基づいて「パラメータα2」を決定するシミュレーションをさらに実施すると、(ロータの回転数、「パラメータα2」)という複数のデータの組を取得できる。この結果、例えば、取得された(ロータの回転数、「パラメータα2」)という複数のデータの組を線形回帰することによって、ロータの回転数と「パラメータα2」との関係を導き出すことができる。 Then, by further performing a simulation to determine "parameter α2" based on experimental data at different rotor rotation speeds, multiple sets of data (rotor rotation speed, "parameter α2") can be obtained. As a result, for example, by performing linear regression on the multiple sets of data obtained (rotor rotation speed, "parameter α2"), it is possible to derive the relationship between the rotor rotation speed and "parameter α2".
この場合、例えば、ロータの回転数が未実施の回転数である場合においても、線形回帰したロータの回転数と「パラメータα2」との関係から、「パラメータα2」の値を決定することができる。このことは、本実施の形態における特徴点によれば、ロータの回転数が異なる混練条件でのシミュレーションを繰り返すことによって、最終的に、ロータの回転数が未実施の回転数であっても「パラメータα2」の値を決定することができることを意味する。このことから、本実施の形態によれば、未実施のロータの回転数で混練物を混練した場合における混練物の温度も推定可能となるという利点を得ることができる。 In this case, for example, even when the rotor rotation speed is an untested rotation speed, the value of "parameter α2" can be determined from the linearly regressed relationship between the rotor rotation speed and "parameter α2". This means that, according to the feature of this embodiment, by repeating simulations under kneading conditions with different rotor rotation speeds, the value of "parameter α2" can ultimately be determined even when the rotor rotation speed is an untested rotation speed. Therefore, according to this embodiment, it is possible to obtain the advantage that the temperature of the kneaded material can be estimated when the kneaded material is kneaded at an untested rotor rotation speed.
<実施の形態で推定される物理量>
上述したように、本実施の形態におけるシミュレーションでは、推定する物理量として、混練物の温度を挙げている。ただし、本実施の形態における技術的思想は、混練物の温度だけでなく、混練物に関するその他の物理量を推定することもできる。
<Physical quantities estimated in the embodiment>
As described above, in the simulation of the present embodiment, the temperature of the kneaded material is listed as a physical quantity to be estimated. However, the technical idea of the present embodiment is not limited to the temperature of the kneaded material, and other physical quantities related to the kneaded material can also be estimated.
例えば、混練物の粘度(η)やせん断応力(τ)やせん断応力の時間積分(Σ)などは、混練条件を評価する上で重要であり、本実施の形態におけるシミュレーションでは、混練物の温度だけでなく、これらの物理量も推定することができる。 For example, the viscosity (η), shear stress (τ), and time integral of shear stress (Σ) of the kneaded material are important in evaluating the kneading conditions, and the simulation in this embodiment can estimate these physical quantities as well as the temperature of the kneaded material.
具体的に、混練物の粘度(η)は、数式(2)に基づいて算出することができる。 Specifically, the viscosity (η) of the kneaded product can be calculated based on formula (2).
また、せん断応力(τ)は、以下に示す数式(8)で求めることができる。 The shear stress (τ) can be calculated using the following formula (8):
ここで、本実施の形態では、「パラメータα2」を決定していることから、さらに、「ρ」と「Cp」とが分かれば、数式(8)に含まれる「dγ/dt」を求めることができる。この結果、「ρ」と「Cp」とを実測したり、文献値を使用したりする必要があるが、本実施の形態におけるシミュレーションでは、せん断応力(τ)も推定することができる。 Here, in this embodiment, since the "parameter α2" is determined, if "ρ" and "C p " are known, then "dγ/dt" included in the formula (8) can be obtained. As a result, it is necessary to actually measure "ρ" and "C p " or to use literature values, but in the simulation in this embodiment, the shear stress (τ) can also be estimated.
さらに、せん断応力の時間積分(Σ)は、以下に示す数式(9)で求めることができる。 Furthermore, the time integral of the shear stress (Σ) can be calculated using the following formula (9):
ここで、上述したように、本実施の形態におけるシミュレーションでは、せん断応力(τ)を推定することができることから、このせん断応力(τ)を時間積分することにより、せん断応力の時間積分(Σ)も推定することができる。 As described above, in the simulation of this embodiment, it is possible to estimate the shear stress (τ), and by integrating this shear stress (τ) over time, it is also possible to estimate the time integral of the shear stress (Σ).
<物理量推定装置の構成>
<<ハードウェア構成>>
以下では、まず、上述したシミュレーションを実行する本実施の形態おける物理量推定装置のハードウェア構成について説明する。
<Configuration of the physical quantity estimation device>
<<Hardware configuration>>
First, a hardware configuration of the physical quantity estimating device according to the present embodiment that executes the above-mentioned simulation will be described below.
図4は、本実施の形態における物理量推定装置100のハードウェア構成の一例を示す図である。なお、図4に示す構成は、あくまでも物理量推定装置100のハードウェア構成の一例を示すものであり、物理量推定装置100のハードウェア構成は、図4に記載されている構成に限らず、他の構成であってもよい。
Figure 4 is a diagram showing an example of the hardware configuration of the physical
図4において、本実施の形態における物理量推定装置100は、プログラムを実行するCPU(Central Processing Unit)101を備えている。このCPU101は、バス113を介して、例えば、ROM(Read Only Memory)102、RAM(Random Access Memory)103、および、ハードディスク装置112と電気的に接続されており、これらのハードウェアデバイスを制御するように構成されている。
In FIG. 4, the physical
また、CPU101は、バス113を介して入力装置や出力装置とも接続されている。入力装置の一例としては、キーボード105、マウス106、通信ボード107、および、スキャナ111などを挙げることができる。一方、出力装置の一例としては、ディスプレイ104、通信ボード107、および、プリンタ110などを挙げることができる。さらに、CPU101は、例えば、リムーバルディスク装置108やCD/DVD-ROM装置109と接続されていてもよい。
The
物理量推定装置100は、例えば、ネットワークと接続されていてもよい。例えば、物理量推定装置100がネットワークを介して他の外部機器と接続されている場合、物理量推定装置100の一部を構成する通信ボード107は、LAN(ローカルエリアネットワーク)、WAN(ワイドエリアネットワーク)やインターネットに接続されている。
The physical
RAM103は、揮発性メモリの一例であり、ROM102、リムーバルディスク装置108、CD/DVD-ROM装置109、ハードディスク装置112の記録媒体は、不揮発性メモリの一例である。これらの揮発性メモリや不揮発性メモリによって、物理量推定装置100の記憶装置が構成される。
The
ハードディスク装置112には、例えば、オペレーティングシステム(OS)201、プログラム群202、および、ファイル群203が記憶されている。プログラム群202に含まれるプログラムは、CPU101がオペレーティングシステム201を利用しながら実行する。また、RAM103には、CPU101に実行させるオペレーティングシステム201のプログラムやアプリケーションプログラムの少なくとも一部が一次的に格納されるとともに、CPU101による処理に必要な各種データが格納される。
The
ROM102には、BIOS(Basic Input Output System)プログラムが記憶され、ハードディスク装置112には、ブートプログラムが記憶されている。物理量推定装置100の起動時には、ROM102に記憶されているBIOSプログラムおよびハードディスク装置112に記憶されているブートプログラムが実行され、BIOSプログラムおよびブートプログラムにより、オペレーティングシステム201が起動される。
The
プログラム群202には、物理量推定装置100の機能を実現するプログラムが記憶されており、このプログラムは、CPU101により読み出されて実行される。また、ファイル群203には、CPU101による処理の結果を示す情報、データ、信号値、変数値やパラメータがファイルの各項目として記憶されている。
The
ファイルは、ハードディスク装置112やメモリなどの記録媒体に記憶される。ハードディスク装置112やメモリなどの記録媒体に記憶された情報、データ、信号値、変数値やパラメータは、CPU101によりメインメモリやキャッシュメモリに読み出され、抽出・検索・参照・比較・演算・処理・編集・出力・印刷・表示に代表されるCPU101の動作に使用される。例えば、上述したCPU101の動作の間、情報、データ、信号値、変数値やパラメータは、メインメモリ、レジスタ、キャッシュメモリ、バッファメモリなどに一次的に記憶される。
The files are stored in a recording medium such as the
物理量推定装置100の機能は、ROM102に記憶されたファームウェアで実現されていてもよいし、あるいは、ソフトウェアのみ、素子・デバイス・基板・配線に代表されるハードウェアのみ、ソフトウェアとハードウェアとの組み合わせ、さらには、ファームウェアとの組み合わせで実現されていてもよい。ファームウェアとソフトウェアは、プログラムとして、ハードディスク装置112、リムーバルディスク、CD-ROM、DVD-ROMなどに代表される記録媒体に記憶される。プログラムは、CPU101により読み出されて実行される。すなわち、プログラムは、コンピュータを物理量推定装置100として機能させるものである。
The functions of the physical
このように、本実施の形態における物理量推定装置100は、処理装置であるCPU101、記憶装置であるハードディスク装置112やメモリ、入力装置であるキーボード105、マウス106、通信ボード107、出力装置であるディスプレイ104、プリンタ110、通信ボード107を備えるコンピュータである。そして、物理量推定装置100の機能は、処理装置、記憶装置、入力装置、および、出力装置を利用して実現される。
In this manner, the physical
<<機能ブロック構成>>
次に、物理量推定装置100の機能ブロック構成について説明する。
<<Function block configuration>>
Next, a functional block configuration of the physical
図5は、物理量推定装置の機能を示す機能ブロック図である。 Figure 5 is a functional block diagram showing the functions of the physical quantity estimation device.
図5において、物理量推定装置100は、入力部301と、パラメータ決定部302と、物理量推定部306と、出力部307と、データ記憶部308を有する。
In FIG. 5, the physical
入力部301は、例えば、混練機で混練される混練物に関係する物理量の時間発展を表す関係式であって、混練機の混練槽または混練物に関係するパラメータを含む関係式を入力するように構成されている。例えば、この関係式としては、数式(1)(数式(3))で表される混練物のエネルギー保存式を挙げることができる。また、入力部301は、数式(2)で示される粘度とせん断速度との関係式も入力するように構成されている。さらに、入力部301は、複数の温度において実測されたせん断速度と粘度とのプロットデータ(測定データ)も入力するように構成されているとともに、第1時刻から第2時刻までの時間と混練物の温度との関係を示す実験データも入力するように構成されている。また、入力部301には、混練槽壁面の温度(「Tw」)に関するデータも入力するように構成されている。そして、入力部301は、数式(4)~数式(9)で示される関係式も入力するように構成されている。
The
この入力部301に入力された数式(1)~数式(9)に示される関係式や、プロットデータ、実験データおよび混練槽壁面の温度(「Tw」)は、データ記憶部308に記憶される。なお、数式(1)~数式(9)に示される関係式や、プロットデータ、実験データおよび混練槽壁面の温度(「Tw」)は、予めデータ記憶部308に記憶されていてもよい。
The relational expressions shown in formulas (1) to (9), the plot data, the experimental data, and the temperature of the wall surface of the kneading tank ("T w ") input to the
続いて、パラメータ決定部302は、以下に示す2つの機能を実現するように構成されている。すなわち、第1機能は、データ記憶部308に記憶されているプロットデータに基づいて、数式(2)に含まれる3つのフィッティング係数(「a」、「b」、「n」)を決定する機能である。また、第2機能は、データ記憶部308に記憶されている第1時刻から第2時刻までの実験データに基づいて、数式(3)に含まれる2つのパラメータ(「パラメータα1」、「パラメータα2」)の値を決定する機能である。
The
第2機能を実現するにあたって、パラメータ決定部302は、フィッティング部303を有する。このフィッティング部303は、データ記憶部308に記憶されている実験データに基づいて、数式(2)で表される粘度を数式(1)に代入して得られる以下の数式(3)に含まれる「パラメータα1」と「パラメータα2」とをフィッティングにより決定するように構成されている。
To realize the second function, the
このフィッティング部303は、温度算出部304とパラメータ算出部305を有する。
This
温度算出部304は、データ記憶部308に記憶されている実験データから第1時刻と第2時刻との間の時刻t0、時刻t1、時刻t2のそれぞれにおける温度T0、温度T1、温度T2を求めるように構成されている(図2参照)。
The
パラメータ算出部305は、数式(3)に基づいて導出される、温度T0から温度T1に対する以下に示す数式(5)と温度T1から温度T2に対する以下に示す数式(6)からなる連立方程式を解くことにより、「パラメータα1」と「パラメータα2」を算出するように構成されている。
The
なお、パラメータ決定部302は、「<変形例>」を実現する場合には、以下に示すように構成されたフィッティング部303を有する。すなわち、「<変形例>」を実現するフィッティング部303は、データ記憶部308に記憶されている実験データに基づいて、数式(2)で表される粘度を数式(1)に代入し、時間を離散化することにより得られる数式(7)に含まれる「パラメータA」と「パラメータB」とをフィッティングにより決定するように構成されている。具体的に、このフィッティング部303は、数式(7)に含まれる「パラメータA」および「パラメータB」を最小二乗法または回帰分析法で決定するように構成されている。
When "<Modification>" is realized, the
次に、物理量推定部306は、パラメータ決定部302で決定されたパラメータの値を代入した関係式によって表される混練物の温度の時間発展から、第2時刻よりも後の時刻における混練物の温度を推定するように構成されている。例えば、物理量推定部306は、パラメータ算出部305で算出された「パラメータα1」の値と「パラメータα2」の値を代入した数式(3)によって表される温度の時間発展に基づいて、第2時刻よりも後の時刻である混練終了時刻における温度を推定するように構成されている。
Next, the physical
なお、物理量推定部306は、混練物の温度以外の物理量を推定するように構成することもできる。例えば、数式(2)に基づく混練物の粘度の推定、数式(8)に基づくせん断応力の推定や数式(9)に基づくせん断応力の時間積分の推定を行うこともできる。
The physical
そして、出力部307は、物理量推定部306で推定された物理量に関する情報を出力するように構成されている。例えば、出力部307は、物理量推定部306で推定された混練物の温度に関する情報を出力するように構成されている(図3の破線参照)。
The
<物理量推定方法(物理量推定装置の動作)>
物理量推定装置100は、上記のように構成されており、以下に、この物理量推定装置100を使用した物理量推定方法について、図面を参照しながら説明する。
<Physical quantity estimation method (operation of physical quantity estimation device)>
The physical
図6は、物理量推定方法を説明するフローチャートである。 Figure 6 is a flowchart explaining the physical quantity estimation method.
まず、数式(1)~数式(9)に示される関係式や、プロットデータ、実験データおよび混練槽壁面の温度(「Tw」)は、予めデータ記憶部308に記憶されているものとする。
First, it is assumed that the relational expressions shown in the formulas (1) to (9), the plot data, the experimental data, and the temperature of the wall surface of the kneading vessel (“T w ”) are stored in advance in the
物理量推定装置100のパラメータ決定部302は、複数の温度において実測されたせん断速度と粘度とのプロットデータ(測定データ)に基づいて、数式(2)で示される曲線でフィッティングを行うことにより(S101)、数式(2)に含まれる3つのフィッティング係数(「a」、「b」、「n」)を決定する(S102)。
The
次に、物理量推定装置100のパラメータ決定部302は、データ記憶部308に記憶されている実験データから第1時刻と第2時刻との間の時刻t0、時刻t1、時刻t2のそれぞれにおける温度T0、温度T1、温度T2を求めた後、求めた温度T0、温度T1、温度T2を使用して、数式(5)および数式(6)で示される連立方程式を算出する(S103)。その後、パラメータ決定部302は、数式(5)および数式(6)からなる連立方程式を解くことにより、パラメータ(「パラメータα1」と「パラメータα2」)を決定する(S104)。なお、パラメータ決定部302は、データ記憶部308に記憶されている実験データに基づいて、数式(7)に含まれる「パラメータA」と「パラメータB」とを例えば、最小二乗法や回帰分析法を使用することにより決定してもよい。
Next, the
続いて、物理量推定部306は、パラメータ決定部302で決定されたパラメータの値を代入した関係式によって表される混練物の温度の時間発展を決定し(S105)、決定した混練物の温度の時間発展に基づいて、指定された時刻における混練物の温度を推定する(S106)。例えば、物理量推定部306は、パラメータ算出部305で決定された「パラメータα1」の値と「パラメータα2」の値を代入した数式(3)によって表される温度の時間発展に基づいて、第2時刻よりも後の時刻である混練終了時刻における温度を推定する。
Next, the physical
その後、出力部307は、物理量推定部306で推定された物理量に関する情報を出力する(S107)。例えば、出力部307は、物理量推定部306で推定された混練物の温度に関する情報を出力する。
Thereafter, the
以上のようにして、本実施の形態における物理量推定方法が実現される。 In this manner, the physical quantity estimation method in this embodiment is realized.
以下では、「<<さらなる工夫点>>」に記載した方法を説明する。 Below, we will explain the method described in "<<Further Improvements>>".
図7は、「<<さらなる工夫点>>」に記載した方法を説明するフローチャートである。 Figure 7 is a flowchart explaining the method described in "<<Further Improvements>>".
図7において、まず、物理量推定装置100は、データ記憶部308に記憶されている混練物の温度に関する第1時刻から第2時刻までの実験データから温度-時間曲線を取得する(S201)。また、物理量推定装置100は、シミュレーションでの計算結果から把握される温度-時間曲線のうちの第1時刻から第2時刻までの温度-時間曲線も取得する(S202)。そして、物理量推定装置100は、実験データから把握される温度-時間曲線と、シミュレーションでの計算結果から把握される温度-時間曲線で囲まれる面積を算出する(S203)。続いて、物理量推定装置100は、算出した面積が所定値以下であるか否かを判断する(S204)。
In FIG. 7, first, the physical
物理量推定装置100は、面積が所定値以下であると判断すると、処理を終了する。一方、物理量推定装置100は、面積が所定値以下ではないと判断すると、時刻t0、時刻t1、時刻t2のそれぞれの値を変更して、面積が所定値以下になるまで、温度算出部304による処理とパラメータ算出部305による処理とを繰り返す。
When the physical
具体的に、温度算出部304は、時刻t0、時刻t1、時刻t2のそれぞれの値を変更して、変更した新たな時刻t0、時刻t1、時刻t2のそれぞれにおける温度T0、温度T1、温度T2を求める。そして、パラメータ算出部305は、温度算出部304で再度新しく求めた温度T0、温度T1、温度T2を使用して数式(5)と数式(6)からなる連立方程式を解くことにより、「パラメータα1」と「パラメータα2」を再決定する(S205)。
Specifically, the
次に、物理量推定部306は、再決定された「パラメータα1」と「パラメータα2」に基づいて、混練物の温度の時間発展を決定する(S206)。そして、物理量推定装置100は、この混練物の温度の時間発展に基づくシミュレーションの計算結果から再度の新しい温度-時間曲線を取得する。その後は、実験データから把握される温度-時間曲線と、シミュレーションでの再計算結果から把握される温度-時間曲線で囲まれる面積を算出する処理と、算出した面積が所定値以下であるか否かを判断する処理とが繰り返される。
Next, the physical
以上のようにして、「<<さらなる工夫点>>」に記載した方法が実現される。 In this way, the method described in "<<Further Improvements>>" is realized.
<物理量推定プログラム>
上述した物理量推定装置100で実施される物理量推定方法は、物理量推定処理をコンピュータに実行させる物理量推定プログラムにより実現することができる。
<Physical quantity estimation program>
The physical quantity estimation method performed by the above-described physical
例えば、図4に示すコンピュータからなる物理量推定装置100において、ハードディスク装置112に記憶されているプログラム群202の1つとして、本実施の形態における物理量推定プログラムを導入することができる。そして、この物理量推定プログラムを物理量推定装置100であるコンピュータに実行させることにより、本実施の形態における物理量推定方法を実現することができる。
For example, in the physical
物理量推定処理に関するデータを作成するための各処理をコンピュータに実行させる物理量推定プログラムは、コンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録して頒布することができる。記録媒体には、例えば、ハードディスクやフレキシブルディスクに代表される磁気記憶媒体、CD-ROMやDVD-ROMに代表される光学記憶媒体、ROMやEEPROMなどの不揮発性メモリに代表されるハードウェアデバイスなどが含まれる。 The physical quantity estimation program that causes a computer to execute each process for creating data related to the physical quantity estimation process can be recorded on a computer-readable recording medium and distributed. Recording media include, for example, magnetic storage media such as hard disks and flexible disks, optical storage media such as CD-ROMs and DVD-ROMs, and hardware devices such as non-volatile memories such as ROMs and EEPROMs.
以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。 The invention made by the inventor has been specifically described above based on the embodiment thereof, but it goes without saying that the invention is not limited to the above embodiment and can be modified in various ways without departing from the gist of the invention.
1 混練機
10 混練槽
10a 空洞部
11a ロータ
11b ロータ
12 混練物
13 上蓋
100 物理量推定装置
101 CPU
102 ROM
103 RAM
104 ディスプレイ
105 キーボード
106 マウス
107 通信ボード
108 リムーバルディスク装置
109 CD/DVD-ROM装置
110 プリンタ
111 スキャナ
112 ハードディスク装置
201 OS
202 プログラム群
203 ファイル群
301 入力部
302 パラメータ決定部
303 フィッティング部
304 温度算出部
305 パラメータ算出部
306 物理量推定部
307 出力部
308 データ記憶部
Reference Signs List 1
102 ROM
103 RAM
202
Claims (11)
第1時刻から第2時刻までの前記物理量に関する実験データに基づいて前記パラメータの値を決定するように構成されたパラメータ決定部と、
前記パラメータ決定部で決定された前記パラメータの値を代入した前記関係式によって表される前記物理量の時間発展から、前記第2時刻よりも後の時刻における前記物理量を推定するように構成された物理量推定部と、
を備え、
前記関係式は、以下に示す数式(1)で表され、
前記数式(1)中の粘度は、複数の温度において実測されたせん断速度と粘度との関係を以下の数式(2)でフィッティングすることにより得られる関係を有し、
前記パラメータ決定部は、時間と前記混練物の温度との関係を示す実験データに基づいて、前記数式(2)で表される前記粘度を前記数式(1)に代入して得られる以下の数式(3)に含まれるパラメータα1とパラメータα2とをフィッティングにより決定するように構成されたフィッティング部を有する、物理量推定装置。
ρ:混練物の密度
Cp:混練物の比熱
h:混練物と混練槽との間の熱伝達係数
S:混練物と混練槽との接触面積
V:混練物の体積
T:混練物の温度
Tw:混練槽壁面の温度
t:時刻
η:混練物の粘度
dγ/dt:混練槽内のせん断速度
a:フィッティング係数
b:フィッティング係数
n:フィッティング係数
α1=hS/ρ/Cp/V
β(T)=a×e-bT
α2=(dγ/dt)n+1/2/ρ/Cp A physical quantity estimation device configured to estimate a physical quantity based on a relational expression expressing time evolution of a physical quantity related to a material kneaded by a kneader, the relational expression including a parameter related to a kneading tank of the kneader or the material,
a parameter determination unit configured to determine a value of the parameter based on experimental data relating to the physical quantity from a first time to a second time;
a physical quantity estimation unit configured to estimate the physical quantity at a time later than the second time from a time evolution of the physical quantity represented by the relational expression into which the value of the parameter determined by the parameter determination unit is substituted;
Equipped with
The relational expression is expressed by the following mathematical expression (1):
The viscosity in the formula (1) has a relationship obtained by fitting the relationship between the shear rate and the viscosity actually measured at a plurality of temperatures to the following formula (2):
the parameter determination unit has a fitting unit configured to determine, by fitting, parameters α1 and α2 included in the following formula (3) obtained by substituting the viscosity expressed by the formula (2) into the formula (1) based on experimental data indicating a relationship between time and a temperature of the kneaded material.
ρ: density of the kneaded material C p : specific heat of the kneaded material h: heat transfer coefficient between the kneaded material and the kneading tank S: contact area between the kneaded material and the kneading tank V: volume of the kneaded material T: temperature of the kneaded material T w : temperature of the wall of the kneading tank t: time η: viscosity of the kneaded material dγ/dt: shear rate in the kneading tank
a: fitting coefficient b: fitting coefficient n: fitting coefficient
α1=hS/ρ/C p /V
β(T)=a×e −bT
α2=(dγ/dt) n+1 /2/ρ/C p
前記フィッティング部は、
前記実験データから前記第1時刻と前記第2時刻との間の時刻t0、時刻t1、時刻t2のそれぞれにおける温度T0、温度T1、温度T2を求めるように構成された温度算出部と、
前記数式(3)に基づいて導出される、前記温度T0から前記温度T1に対する以下に示す数式(5)と前記温度T1から前記温度T2に対する以下に示す数式(6)からなる連立方程式を解くことにより、前記パラメータα1と前記パラメータα2を算出するように構成されたパラメータ算出部と、
を有する、物理量推定装置。
The fitting portion is
a temperature calculation unit configured to calculate temperatures T0 , T1 , and T2 at times t0 , t1 , and t2 between the first time and the second time from the experimental data;
a parameter calculation unit configured to calculate the parameters α1 and α2 by solving simultaneous equations consisting of the following equation (5) for the temperature T0 to the temperature T1 and the following equation (6) for the temperature T1 to the temperature T2 , which are derived based on the equation (3);
A physical quantity estimation device comprising:
前記物理量推定部は、前記パラメータ算出部で算出された前記パラメータα1の値と前記パラメータα2の値を代入した前記数式(3)によって表される温度の時間発展に基づいて、前記第2時刻よりも後の時刻である混練終了時刻における温度を推定するように構成される、物理量推定装置。 3. The physical quantity estimation device according to claim 2,
the physical quantity estimation unit is configured to estimate a temperature at a kneading end time, which is a time later than the second time, based on the time evolution of temperature expressed by the formula (3) into which the value of the parameter α1 and the value of the parameter α2 calculated by the parameter calculation unit are substituted.
前記物理量推定装置は、前記実験データから把握される前記第1時刻から前記第2時刻までの温度-時間曲線と、前記物理量推定部での計算結果から把握される温度-時間曲線のうちの前記第1時刻から前記第2時刻までの温度-時間曲線とによって囲まれる面積の値が所定値以下になるまで、前記時刻t0、前記時刻t1、前記時刻t2のそれぞれの値を変更して、前記温度算出部による処理と前記物理量推定部による処理とを繰り返すように構成されている、物理量推定装置。 4. The physical quantity estimation device according to claim 3,
the physical quantity estimation device is configured to change the values of the times t 0 , t 1 , and t 2, and repeat processing by the temperature calculation unit and processing by the physical quantity estimation unit, until a value of an area surrounded by a temperature-time curve from the first time to the second time determined from the experimental data and a temperature-time curve from the first time to the second time of the temperature-time curve determined from a calculation result by the physical quantity estimation unit becomes equal to or less than a predetermined value.
第1時刻から第2時刻までの前記物理量に関する実験データに基づいて前記パラメータの値を決定するように構成されたパラメータ決定部と、
前記パラメータ決定部で決定された前記パラメータの値を代入した前記関係式によって表される前記物理量の時間発展から、前記第2時刻よりも後の時刻における前記物理量を推定するように構成された物理量推定部と、
を備え、
前記関係式は、以下に示す数式(1)で表され、
前記数式(1)中の粘度は、複数の温度において実測されたせん断速度と粘度との関係を以下の数式(2)でフィッティングすることにより得られる関係を有し、
前記パラメータ決定部は、時間と前記混練物の温度との関係を示す実験データに基づいて、前記数式(2)で表される前記粘度を前記数式(1)に代入し、時間を離散化することにより得られる以下の数式(7)に含まれるパラメータAとパラメータBとをフィッティングにより決定するように構成されたフィッティング部を有する、物理量推定装置。
ρ:混練物の密度
Cp:混練物の比熱
h:混練物と混練槽との間の熱伝達係数
S:混練物と混練槽との接触面積
V:混練物の体積
T:混練物の温度
Tw:混練槽壁面の温度
t:時刻
η:混練物の粘度
dγ/dt:混練槽内のせん断速度
a:フィッティング係数
b:フィッティング係数
n:フィッティング係数
A=hS/ρ/Cp/V
B=1/2/ρ/Cp×a×(dγ/dt)n+1 A physical quantity estimation device configured to estimate a physical quantity based on a relational expression expressing time evolution of a physical quantity related to a material kneaded by a kneader, the relational expression including a parameter related to a kneading tank of the kneader or the material,
a parameter determination unit configured to determine a value of the parameter based on experimental data relating to the physical quantity from a first time to a second time;
a physical quantity estimation unit configured to estimate the physical quantity at a time later than the second time from a time evolution of the physical quantity represented by the relational expression into which the value of the parameter determined by the parameter determination unit is substituted;
Equipped with
The relational expression is expressed by the following mathematical expression (1):
The viscosity in the formula (1) has a relationship obtained by fitting the relationship between the shear rate and the viscosity actually measured at a plurality of temperatures to the following formula (2):
the parameter determination unit has a fitting unit configured to determine, by fitting, a parameter A and a parameter B included in the following formula (7) obtained by substituting the viscosity expressed by the formula (2) into the formula (1) and discretizing time based on experimental data indicating a relationship between time and a temperature of the kneaded material:
ρ: density of the kneaded material C p : specific heat of the kneaded material h: heat transfer coefficient between the kneaded material and the kneading tank S: contact area between the kneaded material and the kneading tank V: volume of the kneaded material T: temperature of the kneaded material T w : temperature of the wall of the kneading tank t: time η: viscosity of the kneaded material dγ/dt: shear rate in the kneading tank
a: fitting coefficient b: fitting coefficient n: fitting coefficient
A=hS/ρ/ Cp /V
B=1/2/ρ/C p ×a×(dγ/dt) n+1
前記フィッティング部は、前記パラメータAおよび前記パラメータBを最小二乗法または回帰分析法で決定するように構成されている、物理量推定装置。 6. The physical quantity estimation device according to claim 5,
The physical quantity estimation device, wherein the fitting unit is configured to determine the parameter A and the parameter B by a least squares method or a regression analysis method.
第1時刻から第2時刻までの前記物理量に関する実験データに基づいて前記パラメータの値を決定するパラメータ決定工程と、
前記パラメータ決定工程で決定された前記パラメータの値を代入した前記関係式によって表される前記物理量の時間発展から、前記第2時刻よりも後の時刻における前記物理量を推定する物理量推定工程と、
を備え、
前記関係式は、以下に示す数式(1)で表され、
前記数式(1)中の粘度は、複数の温度において実測されたせん断速度と粘度との関係を以下の数式(2)でフィッティングすることにより得られる関係を有し、
前記パラメータ決定工程は、時間と前記混練物の温度との関係を示す実験データに基づいて、前記数式(2)で表される前記粘度を前記数式(1)に代入して得られる以下の数式(3)に含まれるパラメータα1とパラメータα2とをフィッティングにより決定するように構成されたフィッティング工程を有する、物理量推定方法。
ρ:混練物の密度
Cp:混練物の比熱
h:混練物と混練槽との間の熱伝達係数
S:混練物と混練槽との接触面積
V:混練物の体積
T:混練物の温度
Tw:混練槽壁面の温度
t:時刻
η:混練物の粘度
dγ/dt:混練槽内のせん断速度
a:フィッティング係数
b:フィッティング係数
n:フィッティング係数
α1=hS/ρ/Cp/V
β(T)=a×e-bT
α2=(dγ/dt)n+1/2/ρ/Cp A physical quantity estimation method, comprising: estimating a physical quantity based on a relational expression expressing time evolution of a physical quantity related to a material kneaded in a kneader, the relational expression including a parameter related to a kneading tank of the kneader or the material,
a parameter determining step of determining a value of the parameter based on experimental data relating to the physical quantity from a first time to a second time;
a physical quantity estimating step of estimating the physical quantity at a time later than the second time from a time evolution of the physical quantity represented by the relational expression into which the value of the parameter determined in the parameter determining step is substituted;
Equipped with
The relational expression is expressed by the following mathematical expression (1):
The viscosity in the formula (1) has a relationship obtained by fitting the relationship between the shear rate and the viscosity actually measured at a plurality of temperatures to the following formula (2):
the parameter determination step includes a fitting step configured to determine, by fitting, parameters α1 and α2 included in the following formula (3) obtained by substituting the viscosity expressed by the formula (2) into the formula (1) based on experimental data indicating a relationship between time and a temperature of the kneaded material.
ρ: density of the kneaded material C p : specific heat of the kneaded material h: heat transfer coefficient between the kneaded material and the kneading tank S: contact area between the kneaded material and the kneading tank V: volume of the kneaded material T: temperature of the kneaded material T w : temperature of the wall of the kneading tank t: time η: viscosity of the kneaded material dγ/dt: shear rate in the kneading tank
a: fitting coefficient b: fitting coefficient n: fitting coefficient
α1=hS/ρ/C p /V
β(T)=a×e −bT
α2=(dγ/dt) n+1 /2/ρ/C p
第1時刻から第2時刻までの前記物理量に関する実験データに基づいて前記パラメータの値を決定するパラメータ決定工程と、
前記パラメータ決定工程で決定された前記パラメータの値を代入した前記関係式によって表される前記物理量の時間発展から、前記第2時刻よりも後の時刻における前記物理量を推定する物理量推定工程と、
を備え、
前記関係式は、以下に示す数式(1)で表され、
前記数式(1)中の粘度は、複数の温度において実測されたせん断速度と粘度との関係を以下の数式(2)でフィッティングすることにより得られる関係を有し、
前記パラメータ決定工程は、時間と前記混練物の温度との関係を示す実験データに基づいて、前記数式(2)で表される前記粘度を前記数式(1)に代入し、時間を離散化することにより得られる以下の数式(7)に含まれるパラメータAとパラメータBとをフィッティングにより決定するように構成されたフィッティング工程を有する、物理量推定方法。
ρ:混練物の密度
Cp:混練物の比熱
h:混練物と混練槽との間の熱伝達係数
S:混練物と混練槽との接触面積
V:混練物の体積
T:混練物の温度
Tw:混練槽壁面の温度
t:時刻
η:混練物の粘度
dγ/dt:混練槽内のせん断速度
a:フィッティング係数
b:フィッティング係数
n:フィッティング係数
A=hS/ρ/Cp/V
B=1/2/ρ/Cp×a×(dγ/dt)n+1 A physical quantity estimation method, comprising: estimating a physical quantity based on a relational expression expressing time evolution of a physical quantity related to a material kneaded in a kneader, the relational expression including a parameter related to a kneading tank of the kneader or the material,
a parameter determining step of determining a value of the parameter based on experimental data relating to the physical quantity from a first time to a second time;
a physical quantity estimating step of estimating the physical quantity at a time later than the second time from a time evolution of the physical quantity represented by the relational expression into which the value of the parameter determined in the parameter determining step is substituted;
Equipped with
The relational expression is expressed by the following mathematical expression (1):
The viscosity in the formula (1) has a relationship obtained by fitting the relationship between the shear rate and the viscosity actually measured at a plurality of temperatures to the following formula (2):
the parameter determination step is configured to determine, by fitting, a parameter A and a parameter B included in the following formula (7) obtained by substituting the viscosity expressed by the formula (2) into the formula (1) and discretizing time based on experimental data indicating a relationship between time and a temperature of the kneaded material:
ρ: density of the kneaded material C p : specific heat of the kneaded material h: heat transfer coefficient between the kneaded material and the kneading tank S: contact area between the kneaded material and the kneading tank V: volume of the kneaded material T: temperature of the kneaded material T w : temperature of the wall of the kneading tank t: time η: viscosity of the kneaded material dγ/dt: shear rate in the kneading tank
a: fitting coefficient b: fitting coefficient n: fitting coefficient
A=hS/ρ/ Cp /V
B=1/2/ρ/C p ×a×(dγ/dt) n+1
第1時刻から第2時刻までの前記物理量に関する実験データに基づいて前記パラメータの値を決定するパラメータ決定処理と、
前記パラメータ決定処理で決定された前記パラメータの値を代入した前記関係式によって表される前記物理量の時間発展から、前記第2時刻よりも後の時刻における前記物理量を推定する物理量推定処理と、
を備え、
前記関係式は、以下に示す数式(1)で表され、
前記数式(1)中の粘度は、複数の温度において実測されたせん断速度と粘度との関係を以下の数式(2)でフィッティングすることにより得られる関係を有し、
前記パラメータ決定処理は、時間と前記混練物の温度との関係を示す実験データに基づいて、前記数式(2)で表される前記粘度を前記数式(1)に代入して得られる以下の数式(3)に含まれるパラメータα1とパラメータα2とをフィッティングすることにより決定する、物理量推定プログラム。
ρ:混練物の密度
Cp:混練物の比熱
h:混練物と混練槽との間の熱伝達係数
S:混練物と混練槽との接触面積
V:混練物の体積
T:混練物の温度
Tw:混練槽壁面の温度
t:時刻
η:混練物の粘度
dγ/dt:混練槽内のせん断速度
a:フィッティング係数
b:フィッティング係数
n:フィッティング係数
α1=hS/ρ/Cp/V
β(T)=a×e-bT
α2=(dγ/dt)n+1/2/ρ/Cp A physical quantity estimation program for causing a computer to execute a process of estimating a physical quantity based on a relational expression representing time evolution of a physical quantity related to a material kneaded in a kneader, the relational expression including a parameter related to a kneading tank of the kneader or the material, the program comprising:
a parameter determination process for determining a value of the parameter based on experimental data relating to the physical quantity from a first time to a second time;
a physical quantity estimation process of estimating the physical quantity at a time later than the second time from a time evolution of the physical quantity represented by the relational expression into which the value of the parameter determined in the parameter determination process is substituted;
Equipped with
The relational expression is expressed by the following mathematical expression (1):
The viscosity in the formula (1) has a relationship obtained by fitting the relationship between the shear rate and the viscosity actually measured at a plurality of temperatures to the following formula (2),
the parameter determination process is performed by fitting parameters α1 and α2 included in the following formula (3) obtained by substituting the viscosity expressed by the formula (2) into the formula (1) based on experimental data showing the relationship between time and the temperature of the kneaded material, the parameter determination being performed by fitting the parameters α1 and α2 included in the following formula (3) obtained by substituting the viscosity expressed by the formula (2) into the formula (1).
ρ: density of the kneaded material C p : specific heat of the kneaded material h: heat transfer coefficient between the kneaded material and the kneading tank S: contact area between the kneaded material and the kneading tank V: volume of the kneaded material T: temperature of the kneaded material T w : temperature of the wall of the kneading tank t: time η: viscosity of the kneaded material dγ/dt: shear rate in the kneading tank
a: fitting coefficient b: fitting coefficient n: fitting coefficient
α1=hS/ρ/C p /V
β(T)=a×e −bT
α2=(dγ/dt) n+1 /2/ρ/C p
第1時刻から第2時刻までの前記物理量に関する実験データに基づいて前記パラメータの値を決定するパラメータ決定処理と、
前記パラメータ決定処理で決定された前記パラメータの値を代入した前記関係式によって表される前記物理量の時間発展から、前記第2時刻よりも後の時刻における前記物理量を推定する物理量推定処理と、
を備え、
前記関係式は、以下に示す数式(1)で表され、
前記数式(1)中の粘度は、複数の温度において実測されたせん断速度と粘度との関係を以下の数式(2)でフィッティングすることにより得られる関係を有し、
前記パラメータ決定処理は、時間と前記混練物の温度との関係を示す実験データに基づいて、前記数式(2)で表される前記粘度を前記数式(1)に代入し、時間を離散化することにより得られる以下の数式(7)に含まれるパラメータAとパラメータBとをフィッティングすることにより決定する、物理量推定プログラム。
ρ:混練物の密度
Cp:混練物の比熱
h:混練物と混練槽との間の熱伝達係数
S:混練物と混練槽との接触面積
V:混練物の体積
T:混練物の温度
Tw:混練槽壁面の温度
t:時刻
η:混練物の粘度
dγ/dt:混練槽内のせん断速度
a:フィッティング係数
b:フィッティング係数
n:フィッティング係数
A=hS/ρ/Cp/V
B=1/2/ρ/Cp×a×(dγ/dt)n+1 A physical quantity estimation program for causing a computer to execute a process of estimating a physical quantity based on a relational expression representing time evolution of a physical quantity related to a material kneaded in a kneader, the relational expression including a parameter related to a kneading tank of the kneader or the material, the program comprising:
a parameter determination process for determining a value of the parameter based on experimental data relating to the physical quantity from a first time to a second time;
a physical quantity estimation process of estimating the physical quantity at a time later than the second time from a time evolution of the physical quantity represented by the relational expression into which the value of the parameter determined in the parameter determination process is substituted;
Equipped with
The relational expression is expressed by the following mathematical expression (1):
The viscosity in the formula (1) has a relationship obtained by fitting the relationship between the shear rate and the viscosity actually measured at a plurality of temperatures to the following formula (2):
the parameter determination process is performed by substituting the viscosity expressed by the formula (2) into the formula (1) based on experimental data showing the relationship between time and the temperature of the kneaded material, and fitting parameters A and B included in the following formula (7) obtained by discretizing time, to determine the parameters.
ρ: density of the kneaded material C p : specific heat of the kneaded material h: heat transfer coefficient between the kneaded material and the kneading tank S: contact area between the kneaded material and the kneading tank V: volume of the kneaded material T: temperature of the kneaded material T w : temperature of the wall of the kneading tank t: time η: viscosity of the kneaded material dγ/dt: shear rate in the kneading tank
a: fitting coefficient b: fitting coefficient n: fitting coefficient
A=hS/ρ/ Cp /V
B=1/2/ρ/C p ×a×(dγ/dt) n+1
A computer-readable recording medium having the physical quantity estimation program according to claim 9 or 10 recorded thereon.
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