粉末リング層
粉末リング層は、円筒形の混合室内で、中央に配置された混合ツールによって粉末が激しく加速されたときに形成されます。混合ツールは高い周速度で回転します。粉末粒子は慣性によって、ほぼ円形の軌道に強制されます。
粒子は遠心加速度を受ける。その値はおおよそ
az = ω2·r
- ωは角速度
- rは回転直径の半分
質量 m を持つ粒子に作用する結果としての遠心力 F は
Fz = m·ω2·r
これにより、粉末は混合シリンダーの内壁に押し付けられる。定常状態では、環状の密に充填された領域が形成される。これを粉末リング層と呼ぶ。この層では、遠心力、重力、および壁面摩擦力の間に平衡が保たれている。
粒子と壁面との間の接触力は、強いせん断応力を生じさせる。壁面摩擦力は、遠心力によって決定される法線力とともに増加する。簡略化すると
FR = μ·FN
- μは摩擦係数
- FNは法線力
ωとrが大きくなるほど、法線力は大きくなり、その結果、リング層におけるせん断応力も高くなる。混合ツールによる加速度と壁面での減速との絶え間ない相互作用により、粒子間に激しい相対運動が生じる。凝集塊は解砕される。同時に、一次粒子の非常に激しい混合が行われる。
少量の結合剤が添加されると、メカニズムが変化する。衝突する粒子は接触点で付着し合う。所定の大きさの凝集塊が形成される。この場合、リング層は凝集ゾーンとして機能する。
凝集体の均一性は、混合室の形状に大きく依存する。非常に円形に近い円筒は、壁の半径がほぼ一定である。この場合、混合ツールと壁との距離は概ね一定に保たれる。これは「高い等距離性」と呼ばれる。 等距離性が高いと、リング層内のせん断応力および法線応力の分布帯が狭くなる。すべての粒子が同様の応力サイクルを経る。これにより、生成される凝集体の粒度分布が狭くなる。
粉末リング層内のダイナミクスは、無次元指標を用いて理想化して記述することができる。重要なパラメータの一つがフルード数 Frである。回転容器の場合、これはしばしば次のように定義される：
Fr=ω2⋅r/g
ここで、gは重力加速度、ωは角速度、rは特徴半径である。フルード数は、遠心加速度と重力の比を表す。遠心力が支配的である場合（Fr≫1）、リング層は壁面に強く押し付けられる。値が小さい場合（Fr<1）、重力の影響が増し、粉末は部分的に流出したり、転がり層や滑り層として循環したりする。