JP6822376B2

JP6822376B2 - 減圧混練機

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Publication number: JP6822376B2
Application number: JP2017207103A
Authority: JP
Inventors: 山田　亮; 亮山田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-10-26
Filing date: 2017-10-26
Publication date: 2021-01-27
Anticipated expiration: 2037-10-26
Also published as: US20190126342A1; US10987725B2; CN109701431A; CN109701431B; JP2019076941A

Description

本発明は、減圧混練機に関する。

混練機内部を減圧しながら、鋳物砂と水とを混練する減圧（真空）混練機が知られている。
また、減圧混練機において、減圧ポンプにより吸引した水蒸気を冷却して水とし、注水タンクに供給して水を再利用する手法が知られている（例えば特許文献１）。

特許文献２には、混練機内に水を投入する際に、鋳物砂の温度を測定し、当該温度に基づき第２の補正水分を算出して投入する水量を決める、特定の混練調整方法が開示されている。

特開２０００−４２６８６号公報特開２００１−１５００９２号公報

前述の水を再利用する減圧混練機においては、減圧ポンプにより吸引した空気や水蒸気には鋳物砂が含まれているため、注水タンクには当該鋳物砂が混入する。注水タンク内の鋳物砂を考慮せずに注水量を算出して混練機内に供給した場合、実際に供給される水の量は、算出量よりも少ないことがある。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、得られる混練砂の水分含有率を安定化できる減圧混練機を提供することを目的とする。

本発明に係る減圧混練機の一実施形態は、
鋳物砂と水を混練する混練機本体と、
前記混練機本体内部を減圧する減圧ポンプと、
前記減圧ポンプによって吸引された水蒸気を凝縮する凝縮機と、
前記凝縮機で凝縮した水を溜めるタンクと、
前記タンクから前記混練機本体に供給する水の量を算出する供給量算出装置と、を備え、
前記タンクが、水位計と、重量計とを備え、
前記供給量算出装置が、前記水位計及び前記重量計の測定値に基づいて前記タンク内に含まれる鋳物砂の量を推定し、当該鋳物砂の量を参照してタンクから供給する水の量を補正する。

本発明の減圧混練機の一実施形態は、
前記供給量算出装置が、前記鋳物砂の比重、及び前記水の比重の情報を記憶し、
前記水位計及び前記重量計の測定値、並びに、前記鋳物砂の比重、及び前記水の比重に基づいて、前記タンク内の水、又は、鋳物砂の重量を推定する。

本発明の減圧混練機の一実施形態は、
前記タンクが、撹拌手段を備え、
前記タンクから前記混練機本体に水を供給する前に撹拌を行う。

本発明によれば、得られる混練砂の水分含有率を安定化できる減圧混練機を提供することができる。

図１は、本発明の減圧混練機の一例を示す概略図である。図２は、減圧混練機の使用方法の一例を示すフローチャートである。図３は、タンクから供給する水の量の補正方法の一例を示すフローチャートである。図４は、本実施形態の減圧混練機を使用して、タンクから供給する水の量を補正した場合において、得られる混練砂の水分含有率を示すグラフである。図５は、タンクから供給する水の量を補正しなかった場合において、得られる混練砂の水分含有率を示すグラフである。

まず、図１を参照して、本実施形態に係る減圧混練機を説明する。図１は、減圧混練機の一実施形態を示す概略図である。
図１の例に示される本実施形態の減圧混練機１００は、鋳物砂と水との混合物１２を混練する混練機本体１と、前記混練機本体内部を減圧する減圧ポンプ２と、前記減圧ポンプによって吸引された水蒸気を凝縮する凝縮機３と、前記凝縮機で凝縮した水１４を溜めるタンク４と、前記タンク４から前記混練機本体１に供給する水の量を算出する供給量算出装置５とを備え、前記タンク４が、タンク内の水１３の水位を測定するための水位計６と、タンク内の水１３の重量を測定するための重量計７とを備えている。

混練機本体１は、減圧可能な容器内に混練機８と、混練機本体内の鋳物砂の水分を測定するための水分センサー９を備えている。混練機本体１は、タンク４とタンク内の水１３が供給可能な状態で接続されている。また、混練機本体１は、通常、鋳物砂タンク１０を備えている。また、図示はしないが、混練機本体１の容器は、通常、混練後の鋳物砂（混練砂）を取り出すための密閉可能な取り出し口が設けられている。
鋳物砂タンク１０を備える場合、当該鋳物砂タンク１０には、使用済みの混練砂を回収した回収砂を収容して再利用することができる。回収砂は、通常、水分を含んでいる。

減圧ポンプ２は、気体を通す配管２１、２２を通じ、凝縮機３を介して混練機本体１に接続している。減圧ポンプ２により、混練機本体内部の空気及び水蒸気を吸引する。吸引された空気及び水蒸気には鋳物砂が含まれている。凝縮機３では吸引された水蒸気を凝縮して液体の水として回収する。水蒸気を凝縮する方法は特に限定されないが、一例として、水蒸気に対して冷却水４２をシャワー状に散布して冷却する方法などが挙げられる。凝縮して生じた水は冷却水４２とともに凝縮機３の下部に配置された受け皿１１などにより回収される。またこのとき、水蒸気に含まれていた鋳物砂も受け皿１１により回収される。なお、図１の例では、凝縮機３と受け皿１１は分離しているが、受け皿１１が凝縮機３の底部を形成して一体となっていてもよい。空気及び凝縮しなかった水蒸気等は、減圧ポンプ２を介して排出２３される。

回収された水１４は鋳物砂を含んだまま、ポンプなど公知の手段によって、配管２４を通じてタンク４に投入される。従って、タンク内の水１３は鋳物砂を含んでいる。
なお図示はしないが、回収された水１４の上澄みの一部を冷却水４２として用いてもよい。

タンク４は、タンク内の水１３を測定するための水位計６と、重量計７とを備えている。水位計６はタンク内の水１３の水位が測定可能であればよく、フロート式、静電容量式、超音波式、ガイドパルス式などのいずれの方式であってもよい。誤検知しにくく安定した精度が得られる点から、ガイドパルス式の水位計を用いることが好ましい。また、重量計７は、公知のものの中から適宜選択して用いることができ、例えば、ロードセルやばねを用いた吊はかりとすることができる。

タンク４はタンク内の水１３を撹拌する撹拌手段を備えていてもよい。撹拌することで、水中に沈殿している鋳物砂を均一に分散することができ、供給する水分のばらつきを抑制することができる。撹拌手段としては、タンク内の水に空気４１を供給して、気泡により撹拌することが挙げられる。また図示はしないが、公知の撹拌子を用いて撹拌してもよい。

本実施形態の減圧混練機は、タンク４から混練機本体１に供給する水の量を算出する供給量算出装置５を備えている。本実施形態においては、供給量算出装置５が、水位計６の測定値及び重量計７の測定値に基づいてタンク内の水１３に含まれる鋳物砂の量を推定し、当該鋳物砂の量を参照して前記タンク４から供給する水の量を決定するため、混練開始時の鋳物砂中の水分含有率を一定にすることができる。その結果、得られる混練砂の水分含有率のばらつきを抑制して安定化することができる。
供給量算出装置５は、水位計６、重量計７、及び水分センサー８の測定値を受け取る入力部（３１、３２、３３）と、タンクから供給する水の量を決定する演算部と、タンクから供給する水の量を制御する（３４）制御部とを備えるものであればよく、さらに、鋳物砂や水の比重の情報を記憶する記憶部を有することが好ましい。供給量算出装置５は、汎用コンピュータであってもよい。

＜減圧混練機の使用方法＞
本実施形態の減圧混練機の使用方法について図２を参照して説明する。図２は本実施形態の減圧混練機の使用方法の一例を示すフローチャートである。図２の例では、まず、鋳物砂（回収砂）を混練機本体１へ投入する（Ｓ１１）。鋳物砂は、公知のものの中から適宜選択して用いることができる。鋳物砂の具体例としては、ケイ砂や山砂などが挙げられ、必要に応じて、ベントナイト、水ガラス、合成樹脂などの粘結剤や、澱粉、石灰粉などの添加剤を含んでいてもよい。回収砂を用いる場合は、回収砂と共に、不足している添加剤を混練機本体１に投入してもよい。

次いで、混練機本体１内の鋳物砂の水分を、前記水分センサー９により測定する（Ｓ１２）。測定値は供給量算出装置５などに入力３１され、別途測定又は管理されている混練機本体１の内容物の総重量を参照して、所定の水分含有率とするために必要な水分量（不足水分量（重量：ｍ））を算出する（Ｓ１３）。ここで所定の水分含有率とは、混練後に得られる混練砂の水分含有率を目標の水分含有率とするために調整される、混練前の鋳物砂の水分含有率である。当該所定の水分含有率は、混練条件などに応じて適宜設定されるものである。所定の水分含有率の情報は、予め供給量算出装置５などに記憶されている。

タンク４には、水のみでなく鋳物砂等が含まれている。従って、タンクから供給する水の量を、前記Ｓ１３で算出した不足水分量とした場合には、混入する鋳物砂の分、実際に供給される水の量が不足する。
図５は、タンクから供給する水の量を補正しなかった場合において、得られる混練砂の水分含有率を示すグラフである。図５中、点線は混練後に得られる混練砂の目標水分含有率であり、測定値は得られた混練砂の水分含有率である。図５の例では、タンクから供給する水の量を前記Ｓ１３で算出した不足水分量としている。図５の例に示されるとおり、タンク内の鋳物砂の割合が高くなるほど、得られる混練砂の水分含有率は、目標値から外れて低くなることがわかる。このようのことから、本実施形態においては、タンクから供給する水の量を補正する（Ｓ１４）。

図３を参照して、タンクから供給する水の量を補正する方法を説明する。図３は、タンクから供給する水の量の補正方法の一例を示すフローチャートである。
まず、タンク４に備えられた水位計６と、重量計７により、タンク内の水の水位と、タンクの重量を測定する（Ｓ２１、Ｓ２２）。なお、Ｓ２１とＳ２２の順番は逆であってもよく、同時であってもよい。得られた測定値はそれぞれ供給量算出装置５に入力（３２、３３）される。供給量算出装置５では、タンクの形状及び重さを考慮して、タンク中の全内容物（水及び鋳物砂）の体積（Ｌｔ）と重量（Ｍｔ）、及び、見かけの比重（Ｘｔ＝Ｍｔ／Ｌｔ）が求められる。

次いで、これらの測定値から鋳物砂の量を推定する（Ｓ２３）。以下、当該推定方法について２つの例を挙げて具体的に説明する。

（１．鋳物砂が１成分の場合）
まず、鋳物砂が１成分の場合について説明する。ここで水の比重をＸａ、タンク内の水の重量をＭａ、タンク内の水の体積をＬａ、鋳物砂の比重をＸｂ、タンク内の鋳物砂の重量をＭｂ、タンク内の鋳物砂の体積をＬｂとそれぞれおく。このとき下記の数式（１）〜（５）が成立する。
Ｍａ＋Ｍｂ＝Ｍｔ数式（１）
Ｌａ＋Ｌｂ＝Ｌｔ数式（２）
Ｍｔ／Ｌｔ＝Ｘｔ数式（３）
Ｍａ／Ｌａ＝Ｘａ数式（４）
Ｍｂ／Ｌｂ＝Ｘｂ数式（５）
上記数式（１）〜（５）から、下記数式（６）が求められる。
Ｌａ＝（Ｍｔ−Ｌｔ・Ｘｂ）／（Ｘａ−Ｘｂ）数式（６）
なお、水の比重Ｘａは１とする。また、鋳物砂の比重Ｘｂは文献値を用いてもよく、予め測定した値を用いてもよい。即ち、Ｘａ及びＸｂは既知の定数である。したがって、数式（６）からタンク中の水の体積Ｌａが算出できる。
Ｓ１３で算出した不足水分量は、鋳物砂の重量Ｍｂ＝Ｍｔ−Ｘａ・Ｌａだけ不足している。この場合、下記数式（７）にしたがって、補正値Ｍαが求められる（Ｓ２４）。
Ｍα＝ｍ・（Ｍｂ／Ｍｔ）・Ｘｔ数式（７）
なお、数式（７）中のｍは、前記Ｓ１３で算出した不足水分量ｍであり、Ｍｂ／Ｍｔはタンク４中の鋳物砂の割合を表す。

（２．鋳物砂が２成分の場合）
次に、鋳物砂が２成分（第１成分と第２成分とする）の場合について説明する。例えば鋳物砂がケイ砂とベントナイトを含む場合などである。ここで水の比重をＸａ、タンク内の水の重量をＭａ、タンク内の水の体積をＬａ、第１成分の比重をＸｂ、タンク内の第１成分の重量をＭｂ、タンク内の第１成分の体積をＬｂ、第２成分の比重をＸｃ、タンク内の第２成分の重量をＭｃ、タンク内の第２成分の体積をＬｃとそれぞれおく。このとき下記の数式（８）〜（１３）が成立する。
Ｍａ＋Ｍｂ＋Ｍｃ＝Ｍｔ数式（８）
Ｌａ＋Ｌｂ＋Ｌｃ＝Ｌｔ数式（９）
Ｍｔ／Ｌｔ＝Ｘｔ数式（１０）
Ｍａ／Ｌａ＝Ｘａ数式（１１）
Ｍｂ／Ｌｂ＝Ｘｂ数式（１２）
Ｍｃ／Ｌｃ＝Ｘｃ数式（１３）
上記数式（８）〜（１３）から、前記１成分の場合と同様にしてＬａについて解くことができる。Ｓ１３で算出した不足水分量ｍは、鋳物砂の重量Ｍｂ＋Ｍｃ＝Ｍｔ−Ｘａ・Ｌａだけ不足している。この場合、下記数式（１４）にしたがって、補正値Ｍβが求められる。
Ｍβ＝ｍ・｛（Ｍｂ＋Ｍｃ）／Ｍｔ｝・Ｘｔ数式（１４）

３成分以上の場合も同様にして、補正値を求めることができる。なお、鋳物砂が２以上の成分を有する混合物の場合であっても、各成分の組成比が一定である場合には、当該混合物の見掛けの比重を用いて、前記鋳物砂が１成分の場合の計算方法で、補正値Ｍαを求めることができる。

前記タンク４から前記混練機本体１へ、前記Ｓ１３で求めた不足水分量（ｍ）に、前記Ｓ１４で求めた水の量の補正値（Ｍα又はＭβ）を加えた量を供給する（Ｓ１５）。これにより、混練機本体１内の鋳物砂は所定の水分含有率に調整される。本実施形態においては、タンク４から混練機本体１に水を供給する前に撹拌を行うことが好ましい。撹拌することにより、タンク内に沈殿する鋳物砂を均一に分散しながら水を供給することができる。
このようにして混練機本体１内には、所定の水分含有率に調整された鋳物砂を準備することができる。次いで、適宜設定された混練条件により混練する（Ｓ１６）。このようにして水分含有率のばらつきが抑制された混練砂を得ることができる。

図４は、本実施形態の減圧混練機を使用して、タンクから供給する水の量を補正した場合において、得られる混練砂の水分含有率を示すグラフである。図４中、点線は混練後に得られる混練砂の目標水分含有率であり、測定値は得られた混練砂の水分含有率である。また、図４中、左側縦軸上の点が、タンク内に鋳物砂を有しない場合において、Ｓ１３で求めた不足水分量（ｍ）を注入した場合である。図４の例に示されるとおり、タンク内の混入物の割合が高くなった場合であっても、不足水分量（ｍ）に上記補正値で補正して注入することにより、得られる混練砂の水分含有率は、目標値付近で安定化することが可能となる。

１混練機本体
２減圧ポンプ
３凝縮機
４タンク
５供給量算出装置
６水位計
７重量計
８混練機
９水分センサー
１０鋳物砂タンク
１１受け皿
１２鋳物砂と水の混合物
１３タンク内の水
１４回収された水
２１配管
２２配管
２３排気
２４配管
３１水分測定値の入力
３２水位計測定値の入力
３３重量計測定値の入力
３４供給する水の量の制御
４１空気（撹拌手段）
４２冷却水
１００減圧混練機

Claims

鋳物砂と水を混練する混練機本体と、
前記混練機本体内部を減圧する減圧ポンプと、
前記減圧ポンプによって吸引された水蒸気を凝縮する凝縮機と、
前記凝縮機で凝縮した水を溜めるタンクと、
前記タンクから前記混練機本体に供給する水の量を算出する供給量算出装置と、を備え、
前記タンクが、水位計と、重量計とを備え、
前記供給量算出装置が、前記水位計及び前記重量計の測定値に基づいて前記タンク内に含まれる鋳物砂の量を推定し、当該鋳物砂の量を参照してタンクから供給する水の量を補正する、
減圧混練機。
前記供給量算出装置が、前記鋳物砂の比重、及び前記水の比重の情報を記憶し、
前記水位計及び前記重量計の測定値、並びに、前記鋳物砂の比重、及び前記水の比重に基づいて、前記タンク内の水、又は、鋳物砂の重量を推定する、
請求項１に記載の減圧混練機。
前記タンクが、撹拌手段を備え、
前記タンクから前記混練機本体に水を供給する前に撹拌を行う、
請求項１又は２に記載の減圧混練機。