積層造形による高効率傾斜型の設計と評価

Dec 05, 2023

Scientific Reports volume 12、記事番号: 19477 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

積層造形設計（DfAM）に基づいた新しいミリスケールミキサー（傾斜翼混合ユニット、TWMユニット）を開発しています。 提案された傾斜翼ミキサーは、基本的に、流体を効果的に混合するために流体を分割して結合する 3 つの個別の翼を持つように設計されています。 構造はシンプルで製作が容易です。3 つの翼間の角度と傾斜ユニット間の接続角度の 2 つの主要な設計パラメータは、数値流体力学 (CFD) 解析を使用して最適化されています。 CFD解析により、TWMユニットのさまざまな組み合わせの解析から最適に組み合わせた混合モジュールを取得し、非常に効果的な混合比を実現します。 3つの組み合わせユニットの混合比はほぼ100%に達し、それは実験と解析によって検証されています。 私たちは、提案されたミリスケールミキサーは、環境を汚染する可能性のある化学物質の使用を最小限に抑えるために、さまざまな化学薬品の連続ミキサーや反応器に利用できると信じています。

流体の混合は、化学工学 1、2、食品工学 3、エレクトロニクス、鉱業 4 などにおいて重要なプロセスです。 これまで、多様なミキサー設計による混合比の効率を向上させるために多くの研究が行われてきました3,4。 さまざまな産業分野の高度化や環境問題が叫ばれる中、化学品の混合プロセスには低公害性や安全性だけでなく高性能も求められています2,3,4,5,6,7。 たとえば、PPO (ポリフェニレンオキシド) は、電気的性能が高く、誘電損失が低く、幅広い周波数での誘電性能の変化が小さいという特徴を備えた、第 5 世代 (5G) 通信アンテナの重要な材料の 1 つです。 しかし、製造コストの安さから化学プラントで一般的に採用されているバッチ式混合機を用いて PPO を混合すると、爆発の危険性があり、高い混合収率を得ることが困難である8。 バッチ式ミキサーの限界を解決するために、バッチ式ミキサーの特性と比較して、高い混合性能、安全性、制御の容易さ、拡張性、低汚染物質発生量を備えた連続式ミキサーに関する多くの研究が報告されている9,10。 。

連続ミキサーには、レイノルズ数 (Re)、流体の種類、流体の流量などのいくつかのプロセス条件があります。 混合条件に基づいて、さまざまな連続混合機が提案されています。 カオス ミキサー 11、三重周期最小曲面 (TPMS) ミキサー 12、水平および垂直ウィービング (HVW) ミキサー 13、および Kenics 14。 特に、格子構造ベースミキサー（LSM）は、その長さに比べて混合効率が高いため、注目を集めています。 通常、複雑に交差するバーまたはロッド (通常は 10 本以上) で構成され、流体が格子構造を通過するときに混合します。 したがって、LSM の設計形状と構造は混合性能に影響を与えます。 LSM の概念設計は、1960 年代にスルザーによって最初に提案されました。この設計では、ミキサー内のいくつかのバーがベーカーの分割と再結合を実行して流体の混合を実行します15。 LSMは、バーの数と寸法を変更して混合比を制御することにより、数十から数千の流体流量の幅広いReを有するように設計できます。

LSM の最初の開発以来、混合比を高めて適用範囲を広げることが多くの研究者の主な焦点でした。 アリモンドら。 Fradette らは、Kenics タイプのミキサー 16 を使用してパッシブミキサーの分野で混合解析を実行しました。 は、格子ベースのミキサーの流れ解析を実施しました17。 Pianko-Oprych et al. Li らは、二相流の混合解析を実行し、数値流体力学 (CFD) を使用してミキサー構造の効果を示しました18。 LSM の応用範囲を広げるために、非ニュートン液体の流れ解析を研究しました 19,20。 ローリンら。 Zalc らは、CFD 解析 21 を使用していくつかのミキサーの性能を比較しました。 速度分布によるLSMの混合原理を解明した22。 Heniche et al.23 と Liu et al.24 は、単位構造の形状に応じた LSM の混合比を研究しました。 ガーネムら。 らはこれまでの研究をまとめ、LSM25の形状特性、混合原理、応用分野などをまとめた。 ヒルシュバーグら。 Shahbazi らは、LSM26 の圧力上昇を軽減するために形状変更を実行しました。 彼らは、遺伝的アルゴリズムを使用して LSM の形状を最適化することを試みました27。