JP2010522132A - 回転繊維化器 - Google Patents

Abstract

溶融鉱物材料から繊維を成形する方法が提供される。前記方法は、オリフィスの最上列を有するオリフィス付周壁を有するスピナーを回転させるステップと、溶融鉱物材料をスピナーに導入して１次ガラス繊維のファンを生じさせるステップと、加熱ガスの環状燃焼流を生じさせ且つ加熱ガスの環状燃焼流を実質的に１次繊維に差し向けるステップと、環状送風機で繊細化空気の環状流を生じさせるステップと、を含み、繊細化空気の環状流は、１次繊維を２次繊維に繊細化するのに十分であり、加熱ガスの環状燃焼流と繊細化空気の環状流が、オリフィスの最上列のレベルで半径方向に間隔をあけられるように、加熱ガスの環状燃焼流と繊細化空気の環状流を差し向けるステップと、加熱ガスの環状燃焼流と繊細化空気の環状流が、オリフィスの最上列より下の位置で一緒にされるように、加熱ガスの環状燃焼流と繊細化空気の環状流を差し向けさせるステップと、を含むことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般的には、溶融ガラスからガラス繊維を成形するような溶融鉱物材料から繊維を成形することに関する。特に、本発明は、溶融鉱物材料から繊維を製造するための装置に関する。

ガラス繊維及び他の熱可塑性材料の繊維は、吸音材料及び断熱材料を含む種々の用途に有用である。断熱製品に使用されるガラス繊維を製造する一般的な方法は、回転工程からガラス繊維を製造することを含む。回転工程では、ガラス組成物を溶解して、遠心スピナーとして一般的に知られている遠心機の外周壁のオリフィスから押して繊維を製造する。１つの一般的に使用されるスピナーは、一般的にカップ形状であり、中心穴を有する底壁、上部開口及び底壁から上方に湾曲して上部開口を形成する外周側壁を有する。他の一般的に使用されるスピナーは、ガラス組成物を繊維化のために側壁に進ませるスリンガーカップを使用する。駆動シャフトが、スピナーを回転させるために使用され、典型的にはクイルを有するスピナーに固定されている。もしスピナーがより効率的に繊維を製造できるならば、有利になる。

本発明によれば、溶融鉱物材料から繊維を成形する方法が提供され、本発明方法は、オリフィスの最上列を有するオリフィス付周壁を有するスピナーを回転させるステップと、溶融鉱物材料をスピナーに導入して１次ガラス繊維のファンを作るステップと、加熱ガスの環状燃焼流を生じさせ且つ加熱ガスの環状燃焼流を実質的に１次繊維に差し向けるステップと、１次繊維を２次繊維に繊細化するのに十分である繊細化空気の環状流を環状送風機で生じさせるステップと、繊細化空気の環状流は、加熱ガスの環状燃焼流と繊細化空気の環状流が、オリフィスの最上列のレベルで半径方向に間隔をあけるように、加熱ガスの環状燃焼流と繊細化空気の環状流を差し向けさせるステップと、加熱ガスの環状燃焼流と繊細化空気の環状流が、オリフィスの最上列より下の位置で一緒にされるように、加熱ガスの環状燃焼流と繊細化空気の環状流を差し向けさせるステップと、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、また、溶融鉱物材料から繊維を成形する装置が提供される。前記装置は、環状バーナーと、関連した燃焼チャンバとを含む。燃焼チャンバは環状チャンバ出口を有する。環状バーナーは環状チャンバ出口の中を流れる加熱ガスの燃焼流を生じさせるように構成される。フレームリングが、環状チャンバ出口から下方に延びる。フレームリングは下方に延びるフレームリングリップを有する。スピナーは、回転のために取付けられる。スピナーはオリフィス付周壁を有する。オリフィス付周壁はオリフィスの最上列を有する。スピナーは１次繊維のファンを生じさせるように構成される。環状送風機が、１次繊維を２次繊維に繊細化するのに十分な繊細化空気流を生じさせるように構成される。フレームリングリップは、加熱ガスの燃焼流と繊細化空気流が、オリフィスの最上列のレベルで半径方向に間隔をあけられ、オリフィスの最上列より下の位置で一緒にされるように、加熱ガスの燃焼流と繊細化空気流を差し向けさせるように位置決めされる。

本発明によれば、また、溶融鉱物材料から繊維を成形する装置が提供される。前記装置は、環状バーナーと、関連した燃焼チャンバと、を含む。燃焼チャンバは環状チャンバ出口を有する。スピナーは、回転のために取付けられる。スピナーはオリフィス付周壁を有する。オリフィス付周壁はオリフィスの最上列を有する。スピナーは１次繊維のファンを生じさせるように構成される。環状送風機は、１次繊維を２次繊維に繊細化するように構成される。環状チャンバ出口は、１．４インチ（３５．６mm）から１．６インチ（４０．６mm）の範囲の距離だけオリフィスの最上列のレベルより下である。

本発明によれば、また、溶融鉱物材料から繊維を成形する装置が提供される。前記装置は、環状バーナーと、関連した燃焼チャンバとを含む。燃焼チャンバは環状チャンバ出口を有する。フレームリングは、環状チャンバ出口に対して垂直下方に延びる。フレームリングはフレームリング底面を有する。スピナーは回転のために取付けられる。スピナーはオリフィス付周壁を有する。オリフィス付周壁はオリフィスの最上列を有する。スピナーは１次繊維のファンを生じさせるように構成される。環状送風機が、１次繊維を２次繊維に繊細化するように構成される。オリフィスの最上列は、０．０８インチ（２．０mm）から０．１０インチ（２．５mm）の範囲の距離だけフレームリングの底面より下のレベルにある。

さまざまな目的及び利益が、添付図面に照らして読むとき、本発明の以下の詳細な説明から当業者に明らかになろう。しかしながら、図面は、例示の目的のためであり、本発明の限定を定めるものと解釈されるべきではないことを明白に理解すべきである。

従来技術の回転繊維化システムの断面図である。 図１の従来技術の回転繊維化システムの一部分の断面図である。 回転繊維化システムを示す本発明の断面図である。 図３の繊維化システムの一部分の拡大断面図である。 図１の従来技術の繊維化システムによって製造されたガラス繊維の繊維直径を図３の繊維化システムからのガラス繊維と比較するグラフである。 図１の従来技術の繊維化システムによって製造された繊維のドレープ長さを図３の繊維化システムからの繊維と比較するグラフである。

図面を参照すると、鉱物材料から繊維を製造するのに使用される、全体的に参照番号１０で示された周知の繊維化システムの一例を図１に示す。繊維化システム１０は、回転可能シャフトすなわちスピンドル１４の下端に取付けられたスピナ１２を含む。スピナ１２は、いかなる適当な方法でスピンドル１４に取付けることができる。作動中、回転するスピンドル１４は、スピナ１２を回転させる。スピナ１２は、スピンドル１４から周壁１９まで延びるスピナベース１８を含む。複数のオリフィス２０が、周壁１９に位置決めされる。典型的には、スピナはおおよそ20,000〜40,000のオリフィス２０を有する。変形例として、スピナは、40,000以上のオリフィス又は20,000以下のオリフィスを有することがある。オリフィス２０は、溶融鉱物材料にスピナ１２の周壁１９から外へ遠心力を作用されるとき、１次繊維２２を形成するように構成される。

スピナ１２には溶融鉱物材料の流れ７８が供給される。溶融鉱物材料の一例は、溶融ガラスである。溶融鉱物材料の他の例は、溶融岩、スラグ及び玄武岩を含む。

送出機構８２は、溶融ガラスの流れ７８を供給するために用いられる。送出機構８２は、炉から溶融ガラスの流れ７８を供給するために適当な、例えば前炉又はチャンネルのようないかなる機構、装置又は構造であってもよい。流れ７８の溶融ガラスは、スピナ１２のチャンバ４２に降下する。作動中、回転するスピナによって生じた遠心力は、チャンバ４２内の溶融ガラスをスピナ１２の周壁１９に押しつける。溶融ガラスは、スピナ１２の周壁１９に隣接して溶融ガラスのヘッド９０を形成する。スピナが回転し続けるとき、溶融ガラスは複数のオリフィス２０に押い通され、１次繊維２２のファン２１を成形する。ここで使用される用語”ファン”は、周壁１９から出る１次繊維の量を意味するものと定義されている。

図１を再び参照すると、１次繊維２２は、環状バーナー２４の熱によって柔らかい繊細化可能な状態に維持される。以下でより詳細に説明されるように、環状バーナー２４は、１次繊維２２のファン２１に差し向けられた加熱ガスの燃焼流２５を提供するように構成される。環状バーナー２４は、１次繊維２２のファン２１に差し向けられる加熱ガスの燃焼流２５を提供するのに十分な例えばガスバーナーのようないかなる構造又は機構であってもよい。

図１に示すように、環状送風機２８は、複数の送風機孔５２を通って繊細化空気流３１を提供するように構成される。孔５２を通って流れる繊細化空気流３１は、１次繊維２２に接し、それによって、１次繊維２２を繊細化し２次繊維３２を成形する。例示した実施形態では、２次繊維３２は、ウール断熱材料のような製品に使用するのに適している。次いで、２次繊維３２は、ガラスウールパックのような製品への形成のために、コンベヤ（図示せず）又は他の適当な装置上に集められる。変形例として、２次繊維３２を、下流の作業（図示せず）でさらに加工されてもよい。

図１を再び参照すると、任意のクイルパン４６が、スピナ１２の底をほぼ覆うために用いられる。クイルパン４６は、スピナ１２の底を覆うのに十分ないかなる形状を有してもよい。スピナ１２及びクイルパン４６は、ハブ５４に取付けられる。ハブ５４は、スピンドル１４の下端で回転するために取り付けられる。ハブ５４は、スピンドル１４の下端で回転するのに適当ないかなる形態を有してもよい。

図２を参照すると、環状バーナー２４は、燃焼チャンバ２６と関連する。燃焼チャンバ２６は、環状チャンバ出口２７を含む。環状バーナー２４は、燃焼チャンバ２６内の燃焼が、加熱ガスの燃焼流２５を環状チャンバ出口２７を通ってＤＪ方向に生じさせるように燃焼チャンバ２６内に構成される。図２に示す環状バーナー２４は、燃焼チャンバ２６の頂部に位置決めされるが、環状バーナー２４は、燃焼流２５を環状チャンバ出口２７を通ってＤＪ方向に生じさせるのに十分な、燃焼チャンバ２６に対していかなる位置に設置されてもよいことが理解されるべきである。

図２に示すように、燃焼流２５は、ボトムセンターケーシング３４及びフレームリング３６に沿ってDJ方向に流れる。ボトムセンターケーシング３４は高さＨＢＣＣを有する。例示した実施形態では、高さＨＢＣＣはおおよそ１．５インチ（38.1mm）である。ボトムセンターケーシングは、スピナー１２と環状バーナー２４の間に配置された構造骨組みである。

フレームリング３６は、燃焼チャンバ２６を出る燃焼流２５を差し向けるように構成されている。フレームリング３６は、下方に延びるフレームリングリップ３８を含む。フレームリングリップ３８は、底面３９を有する。フレームリングリップ３８は、いくつかの目的のためにチャンバ出口２７に対して下方に延びる。第一に、フレームリングリップ３８は、フレームリング３６と送風機２８の間の通路３０にピンチ領域５０を生じさせる。ピンチ領域５０は、通路３０を通って流れる誘導空気流を絞るために構成されている。第二に、フレームリングリップ３８は、燃焼チャンバ２６から流れる燃焼流２５と通路３０から流れる誘導空気流を分離するために下方に延びる。第三に、フレームリングリップ３８は、燃焼チャンバ２６から流れる燃焼流２５を１次繊維２２のファン２１に交差する方向に差し向ける。

図２に示すように、送風機２８は、複数の孔５２を含む。送風機２８は、孔５２を通ってDB方向に繊細化空気流３１を提供するように構成されている。孔５２を通って流れる繊細化空気流３１は、１次繊維２２に接し、１次繊維２２を繊細化して２次繊維３２を成形する。

図２を再び参照すると、オリフィス２０は、スピナー１２の遠心力が、溶融ガラスをオリフィス２０に押し通すときに１次繊維２２のファン２１を成形するように構成されている。オリフィス２０には、列に最上列６０が形成されることがある。第一距離D1は、オリフィスの最上列６０とフレームリング３８の底面３９との間の距離を成す。例示した実施形態では、第一距離D1は、おおよそ０．４０６インチ（10.3mm）である。

図２に示すように、第二距離D２は、オリフィスの最上列６０とチャンバ出口２７との間の距離を成す。例示した実施形態では、第二距離D２は、おおよそ１．８５６インチ（47.1mm）である。

図２を再び参照すると、第三距離D３は、オリフィスの最上列６０と送風機２８の孔５２との間の距離を成す。例示した実施形態では、距離D３は、おおよそ０．０９７インチ（2.5mm）である。

図２に示すように、燃焼流２５と繊細化空気流３１は、最初フレームリングリップ３８によって半径方向に間隔を隔てられている。例示した実施形態では、燃焼流２５及び繊細化空気流３１は、オリフィスの最上列６０の上に垂直に位置決めされた点Aで一緒にされる。

図３を参照すると、繊維化システム１０は、チャンバ出口２７に対して垂直に上方に移動されたスピナー１２及び送風機２８を含む。スピナー１２及び送風機２８をチャンバ出口２７に対して垂直に上方に移動させることにより、オリフィスの最上列６０及び１次繊維２２の生じたファン２１を、フレームリング３８により近く位置決めさせる。オリフィス６０及び１次繊維２２をチャンバ出口２７に垂直により近く位置決めした結果、繊維化工程の効率の著しい且つ予期しない改善がなされる。繊維化工程の効率の改善の１つのありうる理由は、燃焼チャンバ２６から流れる燃焼流２５が、送風機からの繊細化空気流３１と混合する前に１次繊維２２のファン２１の中を実質的に流れることである。燃焼流２５は繊細化空気流３１と混合する前に１次繊維２２のファン２１の中を実質的に移動するので、大きな熱量が１次繊維２２に伝達される。

繊維化工程の効率の改善は、いくつかのやり方でこれを明らかに示すことが可能である。第１に、同じ繊維直径を有する１次繊維を、環状バーナーでより小さいエネルギーを用いて製造することができる。環状バーナーでより小さいエネルギーを用いる結果、コスト節約になる。第２に、生じた２次繊維３２の直径を、所定レベルの環状バーナーエネルギーに関して減少させることができる。試験結果は、一定のガス流で１．２HT（１０万分の１インチ"hundred thousanths of an inch"）（０．３ミクロン".3 microns"）の繊維直径の減少、代わりに一定の繊維直径で２０％までのガス流減少を示した。最後に、環状バーナーでより小さいエネルギーを用いること及び繊維直径の減少の組合せを、実現することができる。

図３に示すように、第一距離D1’が、オリフィスの最上列６０の新しい位置とフレームリング３８の底面３９との間の距離をなす。例示した実施形態では、第一距離D1’は、おおよそ０．０９３５インチ（２．４mm）である。他の実施形態では、第一距離D1’は、０．０８インチ（２．０mm）から０．１０インチ（２．５mm）の範囲であるのがよい。

図３に示すように、第二距離D２’は、開口の最上列６０の新しい位置とチャンバ出口２７との間の距離をなす。例示した実施形態では、第二距離D２’は、おおよそ１．５４４インチ（３９．２mm）である。他の実施形態では、第二距離D２’は、１．４インチ（３５．６mm）から１．６インチ（４０．６mm）の範囲であるのがよい。

図３を再び参照すると、第三距離D３’は、開口の最上列６０の新しい位置と送風機２８の開口５２との間の距離をなす。例示した実施形態では、距離D３’は、おおよそ０．１６０インチ（４．１mm）である。

図３を再び参照すると、チャンバ出口２７に対してスピナー１２の垂直上方への移動は、ボトムセンターケーシング３４の高さHBCCの減少によって達成される。例示した実施形態では、ボトムセンターケーシング３４の高さHBCCを、おおよそ０．３１２５インチ（７．９mm）だけ減少させて、おおよそ１．２００インチ（３０．５mm）の修正高さHBCC’にした。他の実施形態では、ボトムセンターケーシング３４の高さHBCCを、０．３１２５インチ（７．９mm）よりも多い又は少ないだけ減少させてもよい。他の実施形態では、スピナー１２の垂直上方への移動を、他の方法で達成させてもよい。

図３Aを参照すると、燃焼流２５と誘導空気流３３は、フレームリングリップ３８によって点Aで半径方向に間隔を隔てられている。燃焼流２５と誘導空気流３３は、燃焼流２５と誘導空気流３３が、オリフィスの最上列６０のレベルの垂直に下のレベルに位置決めされる点Bで一緒にされるまで、半径方向に間隔を隔てられたままである。

図２を再び参照すると、送風機２８は、通路３０を画成するのに役立つ上部内側コーナー５６を有する。送風機２８の上部内側コーナー５６は、半径R1を有する。図３に示すように、送風機２８の上部内側コーナー５６は、半径R2を有するように修正されている。例示した実施形態では、ピンチ領域５０を望ましい絞りレベルに維持することができるように、半径R2は、半径R1よりも大きい。他の実施形態では、送風機２８の垂直移動を、他の方法で達成することができる。

上記のように、試験結果が、一定のガス流で１．２HT（１０万分の１インチ"hundred thousanths of an inch"）（０．３ミクロン".3 microns"）の繊維直径の減少を示す。図４に示すように、おおよそ１８．６HT（４．６ミクロン）（曲線９２によって示すように）の平均繊維直径は、スピナー１２及び送風機２８の移動前に実現された。スピナー１２及び送風機２８の移動後、おおよそ１７．４HT（４．４ミクロン）（曲線９３によって示すように）の平均繊維直径が実現された。

断熱バット（insulation batt）のR値は、式１を用いて繊維断熱材の厚さ（T）及び熱伝導率（ｋ）によって決定することができる。
R=T/k (1)

R値は、断熱材の熱伝導率kを減少させることによって増大する。減少させたｋ値は、典型的に、断熱材の密度を増大させることによって又は断熱材の繊維直径を減少させることによって得られる。

繊維直径の減少は一定のガス流量で起こり、ｋ値は減少すると期待されるが、ｋ値は、その全体を援用する米国特許出願公報第2007-0000286に見られる図４のｋ曲線に示される期待されるｋ値以下の熱伝導率（k）の減少によって示されるように、期待される減少よりもさらに減少されることが図４に示すデータから明らかである。熱伝導率は、ｋ点（k-point）が全体のｋ値の小数第三位の変化であるｋ点で測定される。式１（上式）に示すように、ｋ値の改善（すなわち、減少）は、全体断熱すなわちＲ値の改善を生じさせる。断熱ガラス繊維の大規模製造者は、一年に何億又は何十億ポンドの断熱材を製造するので、ｋ値の小さい改善でも材料コストの劇的な節約をもたらす。

繊維化システム１０の追加の予期しない利益は、図５のデータに示される。図５に示すように、スピナー１２と送風機２８の垂直移動前に繊維化システムから生じた繊維のドレープ長さ（曲線９５によって示すように）は、ガス流量の様々なレベルで、スピナー１２と送風機２８の垂直移動後に繊維化システムから生じた繊維のドレープ長さ（曲線９６によって示すように）よりも長かった。

本発明の作動の原理及びモードは、発明の好ましい実施形態に記述されている。しかしながら、回転繊維化器は、その範囲から外れることなく具体的に図示され且つ記述された以外で実施してもよい。

Claims (9)

1. 溶融鉱物材料から繊維を成形する方法であって、
   オリフィス（２０）の最上列を有するオリフィス付周壁（１９）を有するスピナー（１２）を回転させるステップと、
   溶融鉱物材料（７８）を前記スピナーに導入して１次ガラス繊維（２２）のファン（２１）を生じさせるステップと、
   加熱ガスの環状燃焼流（２５）を生じさせ且つ前記加熱ガスの環状燃焼流を実質的に前記１次繊維に差し向けるステップと、
   前記１次繊維を２次繊維（３２）に繊細化するのに十分な繊細化空気の環状流（３１）を環状送風機（２８）で生じさせるステップと、
   前記加熱ガスの環状燃焼流と繊細化空気の環状流が、オリフィスの前記最上列のレベルで半径方向に間隔をあけられるように、前記加熱ガスの環状燃焼流と繊細化空気の環状流を差し向けさせるステップと、
   前記加熱ガスの環状燃焼流と繊細化空気の環状流が、オリフィスの前記最上列より下の位置で一緒にされるように、前記加熱ガスの環状燃焼流と前記繊細化空気の環状流を差し向けさせるステップとを含むことを特徴とする、前記方法。
2. 前記加熱ガスの環状燃焼流と前記繊細化空気の環状流が、最初にフレームリング（３６）のレベルで半径方向に間隔をあけられている、請求項１に記載の方法。
3. 前記フレームリングは、底面（３９）を有するフレームリングリップ（３８）を含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記フレームリングの前記底面は、０．０８インチ（２．０mm）から０．１０インチ（２．５mm）の範囲の距離だけオリフィスの前記最上列より上である、請求項３に記載の方法。
5. ボトムセンターケーシング（３４）は、前記スピナーと燃焼チャンバ出口（２７）の間に位置決めされる、請求項１に記載の方法。
6. 前記ボトムセンターケーシングは、１．２００インチ（３０．５mm）の厚さを有する、請求項５に記載の方法。
7. 溶融鉱物材料から繊維を成形する装置であって、
   環状バーナー（２４）及び関連した燃焼チャンバ（２６）を含み、前記燃焼チャンバは環状チャンバ出口（２７）を有し、前記環状バーナーは前記環状チャンバ出口の中を流れる加熱ガスの燃焼流（２５）を生じさせるように構成され、
   前記環状チャンバ出口から下方に延び、且つ下方に延びるフレームリングリップ（３８）を有するフレームリング（３６）と、
   回転のために取付けられ、オリフィス（２０）の最上列を有するオリフィス付周壁（１９）を有するスピナー（１２）と、を含み、前記スピナーは１次繊維（２２）のファン（２１）を生じさせるように構成され、
   前記１次繊維を２次繊維（３２）に繊細化するのに十分な繊細化空気流を生じさせるように構成される環状送風機を含み、
   前記フレームリングリップは、前記加熱ガスの燃焼流と前記繊細化空気流が、オリフィスの前記最上列のレベルで半径方向に間隔をあけられ、オリフィスの前記最上列より下の位置で一緒にされるように、前記加熱ガスの燃焼流と前記繊細化空気流（３１）を差し向けさせるように位置決めされる、ことを特徴とする前記装置。
8. 溶融鉱物材料から繊維を成形する装置であって、
   環状バーナー（２４）及び関連した燃焼チャンバ（２６）を含み、前記燃焼チャンバは環状チャンバ出口（２７）を有し、
   回転のために取付けられ、オリフィス（２０）の最上列を有するオリフィス付周壁（１９）を有するスピナー（１２）を含み、前記スピナーは１次繊維（２２）のファン（２１）を生じさせるように構成され、
   前記１次繊維を２次繊維（３２）に繊細化するように構成された環状送風機を含み、
   前記環状チャンバ出口は、１．４インチ（３５．６mm）から１．６インチ（４０．６mm）の範囲の距離だけオリフィスの前記最上列のレベルより下にある、ことを特徴とする前記装置。
9. 溶融鉱物材料から繊維を成形する装置であって、
   環状バーナー（２４）及び関連した燃焼チャンバ（２６）を含み、前記燃焼チャンバは環状チャンバ出口（２７）を有し、
   前記環状チャンバ出口（２７）に対して垂直下方に延びるフレームリング（３６）を含み、前記フレームリングはフレームリング底面（３９）を有し、
   回転のために取付けられ、オリフィスの最上列を有するオリフィス付周壁（１９）を有するスピナー（１２）を含み、前記スピナーは１次繊維（２２）のファン（２１）を生じさせるように構成され、
   前記１次繊維を２次繊維（３２）に繊細化するように構成された環状送風機を含み、
   オリフィス（２０）の前記最上列は、０．０８インチ（２．０mm）から０．１０インチ（２．５mm）の範囲の距離だけ前記フレームリングの底面より下のレベルである、ことを特徴とする前記装置。

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