JP7798348B2 - 材料の混合方法、および混合装置 - Google Patents

Description

本発明は、攪拌羽根を備えたミキサにより材料を混合する混合方法、およびミキサと制御装置とを備えた混合装置に関するものである。

攪拌羽根を備えたミキサは周知であり、例えば特許文献１に記載されている。特許文献１に記載のタイプのミキサは材料が投入される容器と、この容器内に設けられている回転軸と、回転軸に設けられている複数本の攪拌羽根と、を備えている。回転軸は容器の外部に設けられている電動モータと減速機とにより回転するようになっており、容器内で攪拌羽根を回転させることができる。すなわち、材料を混合することができる。

なお、特許文献１に記載のミキサのように、ミキサのタイプによっては、容器内部にチョッパが設けられている。チョッパは容器内に所定長さだけ突き出された駆動軸と、この駆動軸に設けられている複数枚の金属板とからなり、駆動軸を回転するとこれら金属板が高速に回転する。材料が高速に回転するチョッパに当たると、強い分散力が作用して効率よく混合される。

特開２００８－２２９４６１号公報

特許文献１に記載のミキサは、回転する複数枚の攪拌羽根とチョッパとによって材料を効率よく混合することができ優れている。ところで材料は、使用する目的や材料の種類によって適切な混合状態がある。混合が不十分であれば使用目的に合わないことがあるし、混合しすぎると材料の物性が変化してしまうことがあるからである。そこでミキサは、材料を適切な混合状態にするために適切に運転する必要がある。例えば、運転時間を設定してミキサを運転するようにする。設定する運転時間は、対象とする材料の種類と重量に対してミキサで混合したとき、経験的に所望の混合状態が得られるような時間とする。しかしながら、室温、湿度等の環境条件が異なっていたり、あるいは材料の性状が異なっていたりすると、混合状態が変わってしまう。つまり運転時間を設定してミキサを運転しても所望の混合状態が得られる保証はない。運転時間ではなく、攪拌羽根を回転させる電動モータのトルクの変化を検知して材料の混合状態を推測し、適切なトルクになったら混合を停止する方法もある。しかしながら、トルクの変化が必ずしも混合状態と高い相関があるとは限らず、適切な混合状態にすることが困難である。

本発明は、このような問題を解決することを目的とし、具体的には材料を所望の混合状態に混合することができる、材料の混合方法を提供することを目的としている。さらにこのような混合方法を備えた混合装置を提供することを目的としている。

本発明は、攪拌羽根を備えたミキサに材料を投入して混合する混合方法を対象とする。混合においては、攪拌羽根の回転中ミキサの振動を検出して振動加速度の変化を監視するようにする。材料の混合状態に応じて振動加速度が時間経過と共に極小値をとったり、極大値をとったりする時間方向の変化のパターンを時間パターンとし、振動加速度が予め設定されている特定の時間パターンになったとき混合を完了するように構成する。また、他の発明によると、監視する振動加速度は、振動の周波数成分のうち攪拌羽根の回転周波数の１、２、３、…、６倍のいずれか１個もしくは複数個の周波数成分についての振動加速度とする。

材料を攪拌するとき振動加速度はその経過時間によって変化し、振動加速度は、材料の混合状態の変化と相関がある。つまり振動加速度の変化を監視することにより、材料の混合状態を推測することができる。本発明は、振動加速度が予め設定されている特定の時間パターンになったとき混合を完了するように構成している。つまり振動加速度の時間方向の変化が特定のパターンになったら、混合を停止している。これによって所望の混合状態を得ることができる。他の発明は、振動の周波数成分のうち攪拌羽根の回転周波数の１、２、３、…倍のいずれか１個もしくは複数個の周波数成分についての振動加速度を監視するようにしている。このような周波数成分には、以下の説明で明らかにするが、特徴的なパターンが現れている。したがって、精度良く混合停止のタイミングを検出でき、所望の混合状態を得ることができる。

本実施の形態に係る混合装置を示す正面断面図である。 図１におけるＸ－Ｘ断面で示す、本実施の形態に係る混合装置の側面断面図である。 試験対象の材料を混合したときの混合時間と混合到達度の関係を示すグラフである。 試験対象の材料を混合したときの、Ｘ軸方向成分の振動加速度の、混合時間による変化を示すグラフである。 試験対象の材料を混合したときの所定のタイミングにおける振動加速度について周波数解析した周波数スペクトルである。 試験対象の材料を混合したときの、ミキサの回転周波数を基本波としてその６倍波の周波数成分の振動加速度についての混合時間による変化を示すグラフである。

以下、本実施の形態を説明する。本実施の形態に係る材料の混合方法は、色々なタイプの混合装置によって実施でき、混合装置の種類には限定されない。しかしながら、図１に示されている、本実施の形態に係る混合装置１を対象として説明する。

＜混合装置＞
本実施の形態に係る混合装置１は、横型のミキサ２と、ミキサ２を制御する制御装置３と、から概略構成されている。ミキサ２は、材料が投入され混合される円筒状の容器５を備え、この容器５が横向きにされて筐体６に固定されている。容器５には、その上部に材料の投入部５ａが、そして下部に材料の排出部５ｂが、それぞれ設けられている。

容器５内には、円筒の中心に回転軸８が設けられている。回転軸８は水平になっており、この回転軸８には３本のアーム１０、１０、１０が設けられ、それぞれのアーム１０、１０、１０の先端に攪拌羽根１１、１１、１１が固定されている。３個の攪拌羽根１１、１１、１１は、図２に示されているように、側方から見たとき互いに１２０度の間隔を開けて配置されている。回転軸８は一方の端部８ａが容器５から外方に突き出ている。筐体６には電動モータ、減速機等からなる駆動機構１３が設けられ、突き出た回転軸８の端部８ａは駆動機構１３に接続されている。したがって、駆動機構１３を駆動すると回転軸８が回転し攪拌羽根１１、１１、１１が回転することになる。つまり容器５内の材料が混合される。駆動機構１３は制御装置３に接続され、制御装置３により制御されるようになっている。

容器５内には、２個のチョッパ１４、１４も設けられている。チョッパ１４、１４は、容器５内に所定長さだけ突き出された駆動軸１６、１６と、この駆動軸１６、１６に設けられている複数枚の金属板１７、１７、…とからなる。図１、２には駆動装置は示されていないが、駆動装置により駆動軸１６、１６を回転すると、金属板１７、１７が高速で回転する。これによって容器５内の材料に強い分散力が作用することになる。これらチョッパ１４、１４は、材料の混合時に駆動することもできるし、停止させておくこともできるようになっている。このようなチョッパ１４、１４は制御装置３によって制御されるようになっている。

＜加速度センサ＞
本実施の形態に係る材料の混合方法を実施するには、ミキサ２の振動を検出するために少なくとも１個の加速度センサが必要になる。本実施の形態に係る混合装置１には、図１、２に示されているように第１、第２の加速度センサ１９、２０が設けられている。第１の加速度センサ１９は筐体６の上部分に、そして第２の加速度センサ２０は筐体６の下部分にそれぞれ設けられている。加速度センサ１９、２０は、ミキサ２の振動を検出することができれば、その種類は問わないが、本実施の形態においては静電容量型３軸加速度センサ（Ｂｏｓｃｈ製ＢＭＸ０５５）が採用されている。第１、第２の加速度センサ１９、２０は、直交する３方向つまりｘ方向、ｙ方向、ｚ方向の振動の加速度を検出できるようになっている。第１、２の加速度センサ１９、２０は制御装置３に接続され、測定された振動加速度が制御装置３において監視されるようになっている。

ところで振動の状態を把握する指標には、振動の加速度だけでなく、振動の振幅、振動のエネルギ等もある。しかしながら振動の振幅や振動のエネルギで振動の状態を評価することは、振動加速度によって評価することと実質的に同等になっている。振動加速度は、振動のエネルギ、振動の振幅等と密接に関係があるからである。次に説明する本実施の形態に係る材料の混合方法では、振動加速度を監視することによって混合状態を推定するようにしているが、振動の振幅、振動のエネルギを監視して混合状態を推定したとしても、実質的に振動加速度を監視したこととになる。

＜本実施の形態に係る材料の混合方法＞
本実施の形態に係る材料の混合方法は制御装置３が実施するが、端的に言うとミキサ２を運転して材料を混合するとき加速度センサ１９、２０により検出される振動加速度を監視することにより材料の混合状態を推定し、これにより混合の完了を判断する方法である。振動加速度は、材料を混合するとき時間経過と共に変化する。この振動加速度の時間方向の変化のパターン、つまり時間パターンは材料の混合状態と強い相関がある。本実施の形態に係る材料の混合方法は、この相関を利用する。つまり、材料を混合するとき振動加速度が特定の時間パターンになったら所望の混合状態になったと判断して、混合を完了する。

混合の完了を判断するために必要な振動加速度の時間パターンは、材料の種類によってその形状が異なっている。つまり、ある材料を混合するときの振動加速度の時間パターンは、異なる種類の材料については利用できない。そうすると対象とする材料の種類に応じて、予め振動加速度の時間パターンと混合状態の関係を得ておく必要がある。これは対象とする材料について試験的に混合する、準備工程によって得ることができる。次に、例として実験用の材料を使って準備工程を説明する。

＜準備工程＞
実験用の材料は、炭酸カルシウム（ＳＵＰＥＲ１５００、丸尾カルシウム製）と、酸化第二鉄（トダカラー１４０ＥＤ、戸田工業製）を使用する。これら材料は混合が進行して酸化第二鉄の粒子が小径になるにしたがって明度が暗くなるので、混合状態の進行の度合いを評価するのに適している。なお、混合状態の進行の度合いは必ずしも粒子の粒径で評価する必要はなく、例えば粘度の大きさ等、他の指標によって評価してもよい。

準備工程の第１段階として、まず混合時間と混合到達度の関係を得る。炭酸カルシウム２４．０ｋｇと酸化第二鉄１．２６３ｋｇをミキサ２の容器５に投入し混合する。適当なタイミングで混合を停止して明度を明度測定器で測定し、混合状態を得る。再び混合を開始し、適当なタイミングで停止して明度を測定し、混合状態を得る。これを繰り返す。得られた結果を図３に示す。なお、グラフ３１は攪拌羽根１１、１１、１１だけでなくチョッパ１４、１４も駆動して混合したときの変化を表しており、グラフ３２はチョッパ１４、１４を停止して攪拌羽根１１、１１、１１のみを駆動して混合したときの変化を示している。

準備工程の第２段階として、混合時間と振動加速度の変化の関係を得る。第１段階で投入した量と同量の材料をミキサ２の容器５に投入し混合する。混合するとき、加速度センサ１９、２０で検出される振動加速度を記録する。図４には、混合時間と、第１の加速度センサ１９のｘ方向の成分の振動加速度の関係が示されている。本実施の形態においてｘ方向は、回転軸８と並行な方向である。グラフ３５は攪拌羽根１１、１１、１１だけでなくチョッパ１４、１４も駆動して混合したときの変化を表しており、グラフ３６はチョッパ１４、１４を停止して攪拌羽根１１、１１、１１のみを駆動して混合したときの変化を示している。

図５には、あるタイミングで測定した振動加速度について、これを周波数解析して得た周波数スペクトルが示されている。周波数スペクトルにおいて、符号４１は、攪拌羽根１１、１１、１１の回転周波数に対応する周波数成分になっている。同様に、符号４２、４３、４４、４５、４６は、攪拌羽根１１、１１、１１の回転周波数を基本波とするとき、その２倍波、３倍波、４倍波、５倍波、６倍波のそれぞれの周波数成分になっている。このようなｎ倍波の周波数成分の振動加速度も混合時間に対して特徴的な変化を示す。図６には、準備工程の第２段階を実施したときの、６倍波の周波数成分についての、混合時間と振動加速度の関係を示すグラフが示されている。グラフ５１は攪拌羽根１１、１１、１１だけでなくチョッパ１４、１４も駆動して混合したときの変化を表しており、グラフ５２はチョッパ１４、１４を停止して攪拌羽根１１、１１、１１のみを駆動して混合したときの変化を示している。

＜本運転＞
図４におけるグラフ３５、３６に示されているように、そして図６におけるグラフ５１、５２に示されているように、振動加速度は時間の経過と共に変化する。すなわち材料の混合状態が変化するにしたがって振動加速度の時間パターンが変化する。材料を混合するとき、振動加速度を監視して特定の時間パターンになったことを検出して混合を停止すれば、材料を所望の混合状態にすることができる。本運転の例を説明する。

攪拌羽根１１、１１、１１とチョッパ１４、１４とを共に駆動して材料を混合する場合は次のようにする。例えば、混合到達度９０％で混合を完了したいとする。図３のグラフ３１（攪拌羽根１１、１１、１１とチョッパ１４、１４を駆動）において、混合到達度９０％にするための混合時間は約１２００秒であると読み取れる。図４のグラフ３５（攪拌羽根１１、１１、１１とチョッパ１４、１４を駆動）を見ると、混合時間が約１２００秒の直前において符号６１で示されているように極小値を取り、その後増加に転じている。つまり極小値を取った後増加に転じる時間パターンになっている。制御装置３に、符号６１で示されている時間パターンを格納しておく。ミキサ２において攪拌羽根１１、１１、１１とチョッパ１４、１４を駆動して混合するとき、制御装置３は振動加速度のｘ方向成分を監視する。そして符号６１で示されている時間パターンを検出したときに混合を停止する。そうすると、混合到達度９０％の状態で混合を完了することができる。

チョッパ１４、１４は停止して攪拌羽根１１、１１、１１のみを駆動して材料を混合する場合は次のようにする。例えば、混合到達度６０％で混合を完了したいとする。図３のグラフ３３（攪拌羽根１１、１１、１１のみ駆動）において、混合到達度６０％にするための混合時間は約２００秒であると読み取れる。図６のグラフ５１（攪拌羽根１１、１１、１１のみ駆動）を見ると、混合時間が約２００秒において符号６２で示されているように極大値を取り、その後減少に転じている。つまり極大値を取った後減少に転じる時間パターンになっている。制御装置３に、符号６２で示されている時間パターンを格納しておく。制御装置３は、ミキサ２において攪拌羽根１１、１１、１１のみ駆動して混合するとき、振動加速度の６倍波の周波数成分を監視する。そして符号６２で示されている時間パターンを検出したときに混合を停止する。そうすると混合到達度６０％の状態で材料の混合を完了することができる。

本運転として２例だけ説明したが、監視する対象の時間パターンは目的とする混合到達度に合わせて自由に選択すればよい。上の説明では振動加速度のｘ方向成分と、６倍波の周波数成分について説明したが、ｙ方向、ｚ方向成分について、あるいは６倍波以外のｎ倍波の周波数成分について、振動加速度を監視してもよい。あるいは振動加速度のｘ方向成分と、ｎ倍波の周波数成分とを同時に監視して、それぞれについて特定の時間パターンになったことを検出して混合を完了するようにしてもよい。

１ 混合装置 ２ ミキサ
３ 制御装置 ５ 容器
６ 筐体 ８ 回転軸
１０ アーム １１ 攪拌羽根
１３ 駆動機構 １４ チョッパ
１６ 駆動軸 １７ 金属板
１９、２０ 加速度センサ

Claims (9)

1. 攪拌羽根を備えたミキサに材料を投入して混合する混合方法であって、
   前記攪拌羽根の回転中ミキサの振動を振動加速度として検出するようにし、
   材料の混合状態に応じて、前記振動加速度が時間経過と共に極小値をとったり、極大値をとったりする時間方向の変化のパターンを時間パターンとし、
   前記振動加速度が予め設定されている特定の時間パターンになったことを検出したら混合を完了する、材料の混合方法。
2. 監視する前記振動加速度は、前記振動の周波数成分のうち前記攪拌羽根の回転周波数の１、２、３、…、６倍のいずれか１個もしくは複数個の周波数成分についての振動加速度である、請求項１に記載の材料の混合方法。
3. 前記混合方法は、前記特定の時間パターンを設定する準備工程を備え、
   前記準備工程は、同等の材料に関して前記ミキサに投入して混合して前記材料の混合状態の変化を観測するようにし、所望の混合状態に達したときの前記振動加速度の時間パターンを検出して前記特定の時間パターンとするようにする、請求項１または２に記載の材料の混合方法。
4. 監視する前記振動加速度は、前記振動について互いに直交するｘ方向、ｙ方向、ｚ方向の３成分についてのそれぞれの振動加速度である、請求項１または２に記載の材料の混合方法。
5. 前記ミキサに前記材料を分散するチョッパを設け、前記攪拌羽根の回転と並行して前記チョッパを駆動するようにする、請求項１または２に記載の材料の混合方法。
6. 材料が投入されるミキサと、
   前記ミキサに設けられて回転するようになっている攪拌羽根と、
   前記ミキサに設けられている振動検出手段と、
   制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、前記攪拌羽根を回転させるとき、前記振動検出手段により検出される前記ミキサの振動から振動加速度を得、該振動加速度の変化を監視するようになっており、材料の混合状態に応じて前記振動加速度が時間経過と共に極小値をとったり、極大値をとったりする時間方向の変化のパターンを時間パターンとし、前記振動加速度が前記制御装置に予め設定されている特定の時間パターンになったことを検出したら前記攪拌羽根を停止する、混合装置。
7. 前記制御装置が監視する前記振動加速度は、前記振動の周波数成分のうち前記攪拌羽根の回転周波数の１、２、３、…、６倍のいずれか１個もしくは複数個の周波数成分についての振動加速度である、請求項６に記載の混合装置。
8. 前記制御装置が監視する前記振動加速度は、前記振動について互いに直交するｘ方向、ｙ方向、ｚ方向の３成分についてのそれぞれの振動加速度である、請求項６または７に記載の混合装置。
9. 前記ミキサには前記材料を分散するチョッパが設けられ、前記チョッパは前記攪拌羽根の回転と並行して前記制御装置により駆動される、請求項６または７に記載の混合装置。