JP2022000347A - 繊維材からなる管を形成するための装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】繊維材からなる管を形成するための装置および方法を提供する。【解決手段】繊維材からなる管状ロッドを形成するための装置であって、連続する繊維の供給を受け、繊維が装置内を進む際に繊維を束に収集するように構成された収集装置と、繊維の経路に配置され、繊維が装置内を進む際に束の長さに沿って割れ目を形成するように構成された分割器と、分割器と位置合わせされて繊維の束の経路に配置され、繊維の束がマンドレル上を進む際に割れ目を繊維の束を通る道のように形成するように構成されたマンドレルと、マンドレルと協働してマンドレルの周囲で繊維を管状構造に形成するように構成され、配置されたダイとを含む装置。【選択図】図１

Description

本特許明細書は、繊維材からなるロッド、特に紙巻きタバコに使用するためのフィルターロッドを形成するための方法および装置に関する。

繊維材からなる管は、繊維を長尺の束に収集し、繊維の束をマンドレルの周囲で管状構造に形成し、得られた繊維をマンドレルから分離し、中央の軸方向経路を有する管状ロッドにすることによって形成することができる。しかしながら、繊維の束が連続工程でマンドレルの周囲で形成される際、時々、束が束内の繊維の密度のムラによりマンドレルと正しく位置合わせされない場合があり、その結果中央経路の軸が管の中央軸と正しく位置合わせされず、これにより管の壁厚が不均一になる、あるいは管状構造が完全に崩壊してしまう。その工程および装置は、そのために停止し、再始動させなければならず、製造の遅れおよびさらなるコストの原因になる。これは特に繊維の束が低密度の繊維の供給原料から収集される場合または管が高速で形成される場合に起こる。

１つの実施態様では繊維材からなる管状ロッドの形成方法は、繊維を長尺の束状に収集することと、繊維を分けて束の長さに沿って割れ目を形成することと、マンドレルを割れ目に挿入することと、繊維の束を管状構造になるようにマンドレルの周囲で閉じることと、繊維を管状ロッドとしてマンドレルから分離することとを含む。

別の実施態様では繊維材からなる管状ロッドを製造するための連続的な製造工程は、繊維を束状に収集することと、繊維を分けて束の長さに沿って半径方向に割れ目を形成することと、凹部の中に位置するマンドレルに亘って束を進めることと、繊維の束をマンドレルの周囲で閉じることと、束を処理して安定した管状構造を形成することと、マンドレルから束を取り外すこととを含む。

繊維の束の処理は、繊維の束の所望の円周輪郭を画定する収縮部を通過するように束を進めることおよび繊維が収縮部に入った際に繊維を硬化させる処理流体を束に導入することによる束のさらなる処理を含んでもよい。

別の実施態様では繊維材からなる管状ロッドを形成するための装置は、連続する繊維の供給を受け、繊維が装置内を進む際に繊維を束に収集するように構成された収集装置と、繊維の経路に配置され、繊維が装置内を進む際に束の長さに沿って割れ目を形成するように構成された分割器と、分割器と位置合わせされて繊維の束の経路に配置され、繊維の束がマンドレル上を進む際に割れ目を繊維の束を通る道のように形成するように構成されたマンドレルと、マンドレルと協働してマンドレルの周囲で繊維を管状構造に形成するように構成され、配置されたダイとを含む。

１つの実施態様ではダイは、それを通る中央経路を有し、マンドレルは、中央経路内に取り付けられてダイとマンドレルの間に環状の空間を画定するロッドを含む。

本発明の装置は、繊維を管状構造に硬化または固定するために構成、配置された処理装置をさらに含む。処理装置の構造は、繊維材の性質および繊維の束の最終形状を固定するために使用される技術により変わる。例えば、繊維は、熱を加えることによって軟化させることができる熱可塑性材料から形成されてもよく、繊維を互いにそれらが接触する箇所で融合させる。このような繊維では処理ステーションは、マンドレル上で支持しながら繊維に熱を加えるように構成されている。この目的のために処理ステーションは、繊維の経路を収容するように構成されたスチームチェンバーを含んでもよい。

１つの実施態様では処理ステーションは、処理流体が導入されるチェンバーを画定するハウジングを含み、ダイは、ハウジング内に配置され、チェンバーから繊維へ処理流体を送出するための１つ以上の導管が設けられている。

マンドレルの導入前に繊維束に割れ目を形成することで、管が形成しやすくなり、マンドレルと繊維の束とのずれによる不具合のリスクを軽減することができる。

割れ目は、束を別々の部分、例えば２つの個別の束に分割してもよく、またはこれとは別に割れ目は、束の一部、例えば束の周囲から束の中心へと半径方向に例えば束の厚みの２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％または８０％を延びた凹部の形状であってもよい。

ここに開示する方法および装置は、繊維材の原料、例えば繊維トウのベールからまたは連続的な製造工程または装置、例えばメルトブロー、溶融紡糸、電解紡糸法によってまたは当業者に知られている繊維を作製する他の工程によってまたは装置から直接的に供給される繊維から繊維を加工するために使用してもよい。これらの方法のいずれかまたは別の方法で製せられた絡まった繊維のウェブは、次にここに開示する方法または装置を用いて長尺の束状に収集される。

繊維トウは、例えばセルロースアセテートなどの捲縮繊維から形成される。繊維の捲縮によってその繊維から得られる繊維束の弾力性（即ち、繊維が破断せずに延伸できる度合い）を高めることになる。次にこれは、その繊維から形成された管またはロッドの弾力性に影響を与える。トウのベールにおいて、繊維は高度に捲縮される。使用前、トウを「開花」させてもよく、または捲縮を小さくする処理をし、繊維が互いに解放されるようにしてもよい。しかしながら、捲縮は繊維全体からは取り除かれない。繊維をある程度捲縮させることでトウ材料に弾力性を与え、繊維束をロッドまたは管などの所望の形状に成形しやすくなる。

ここに開示する方法および装置は、メルトブローによる繊維の製造が例示される。通常のメルトブロー処理では繊維形成ポリマーが１つ以上のオリフィスから高温気体（例えば空気または場合によっては不活性ガス）の収束した流れ内に押し出される。この気体流は、オリフィスから出たポリマーを溶融したポリマーの薄い流れになるように吹きつけ、次にポリマーは固まり、直径の小さいフィラメント繊維を形成する。繊維は、気体の流れに同伴され、例えば気体と繊維の流れを収集面に案内することによって集められてもよい。トウ繊維とは対照的にメルトブローされた繊維は、基本的には線状で、捲縮されていない。従って、メルトブローされた繊維の束は、比較的低い弾力性を有し、個々の繊維は、よりちぎれやすくなる。メルトブローされた繊維の束の弾力性は、繊維をウェブ、マットまたは束に堆積することによって製せられるもつれた束のウェブ構造から主に発生する。

ウェブに、例えば空気または不活性ガス中でスチームまたは水蒸気などの加熱された処理流体によって熱を加えることで、ロッドまたは管などの所望の直線状の構造に形成するために繊維を滑らかにし、繊維を解きほぐしやすくし、より規則正しく配列された繊維のウェブを形成しやすくなる。

束になった繊維がダイを通過する際、熱を加えることによって繊維束を延伸させる。繊維がダイの成形セクションに長く留まるほど、繊維束は、より延伸する。繊維束がダイの中で延伸される度合いは、最終製品の最終的な密度、形、大きさおよび構造に影響を与える。

可塑剤を使用して、繊維束を繊維同士の接触点で接着させることに成形され形状に硬化させやすくしてもよい。可塑剤は、繊維束に例えば噴霧することによって塗布してもよい。この技術は、捲縮させた繊維トウに一般に使用されている。メルトブローされた繊維の場合可塑剤は、一般に繊維が形成されるポリマー材料に組み込まれ、ポリマーを軟化させるまたは溶融させるのに充分な熱を繊維に加えることによって繊維から放出される。

１つの実施態様では収集ステーションまたは装置は、典型的にこの分野の装置に使用される構造のものであってもよく、成形錐体として知られている。成形錐体は、例えば繊維を受ける流入口と繊維のウェブが束として取り出される流出口との間でテーパーした長手方向に延びた経路を画定する構造を含んでもよい。

分割器は、マンドレルの上流で装置を通る繊維の経路に取り付けられた壁、ピン、ブレード、すき、または他の形状のものであってもよい。分割器は、繊維の束に湾曲またはＶ字状の面または縁部を付与してもよい。１つの実施態様では分割器は、成形錐体に位置する。例えば、１つの実施態様では分割器は、流入口と流出口の間を延びた成形錐体の経路に壁を含んでもよい。

１つの実施態様では繊維のウェブを形成する装置は、繊維のウェブを受ける流入口と繊維のウェブが束として取り出される流出口とを有し、流入口と流出口の間に長手方向に延びたテーパーした構造の経路を画定する成形錐体を含み、成形錐体は経路内に位置し、流出口を横断して突出して繊維の束に長手方向に延びた割れ目を形成する分割器を有する。

本発明の装置は、成形錐体の流出口と位置合わせされて配置されたマンドレルを含み、これは成形錐体の流出口から繊維の束を受け、その周囲で中央経路が繊維の束に形成されてもよい。

本発明の装置の１つの実施態様ではマンドレルは、装置を通る繊維の束の経路の周囲に取り付けられた管状ケーシングに取り付けられる。マンドレルは、例えば繊維の束の移動方向に延び、管状ケーシングの軸に一致するまたは平行な軸に沿って管内に取り付けられたロッドを含んでもよい。このような構造の別の実施態様では分割器は、マンドレルを管状ケーシングに接続する支持体を含んでもよい。

１つの実施態様ではマンドレルは、繊維の束がマンドレル上を通過する際に繊維にスチームまたは熱い水蒸気などの処理流体を送出するように構成されてもよい。例えば、このマンドレルには処理流体を導入するための流入口とマンドレルの表面と連通する流出口を有する経路が設けられてもよい。

また本明細書は、繊維材からなる管状ロッドを形成する方法を開示し、この方法は、繊維を長尺の束に収集することと、束の繊維をマンドレルの周囲で閉じて管状構造にすることと、マンドレルから繊維を分離して管状ロッドとすることとを含み、処理流体がマンドレルを介して束内に導入される。

さらに本明細書は、繊維材からなる管状ロッドを形成するための装置を開示し、この装置はマンドレルを含み、マンドレルは、繊維の束がマンドレル上を進む際に繊維の束を通る経路を形成するように構成され、処理流体を導入するための流入口とマンドレルの表面と連通する流出口を有する経路が設けられている。

また収縮部を通る束の移動方向に対向しない方向に処理流体が導入されれば、繊維をロッドまたは管状に形成しやすくなる。例えば、導管の流出口は、ダイを通る通路内に流体を経路の軸に対して大まかに半径方向にまたは直角に放出するように配置されてもよく、または導管は、経路内に流体を経路の軸に対して鋭角で、例えばダイを通る繊維の移動方向に対して９０度を大きく超えない角度で、場合により移動方向に対して１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０または８０度で放出するように配置されてもよい。これらの構造において導管の流出口は、流体を経路の流出口の方へほぼ下流方向に導く。もし９０度を僅かに超える角度（例えば移動方向に対して９５〜１００°以下）で案内されると、流体の流れは、まだダイを通る繊維の束の移動を著しく妨害せず、まだ流体の流れの運動エネルギーは、繊維の束の圧縮および成形そしてダイ内の繊維の移動を補助する。９０°を大幅に超える、例えば１００〜１８０°の方向では、流体によって繊維に及ぼされる力のかなりの成分がマンドレル上を通る繊維の移動に著しく反し、繊維束の圧縮および成形を妨げる。

本発明の装置および方法の実施態様をここで添付図面を参照し、あくまで例示として詳しく説明する。
繊維材からなる管状ロッドを形成するための装置の実施態様の略式側面図であり、一部を縦断面にて示し、途中切断し、幅を短く示している。 図１の装置の略式平面図である。 図１および２の装置に使用される成形錐体の実施態様の分解図である。 図３の成形錐体の１つの部品を拡大して示した斜視図である。 一端から見た図３の成形錐体の上部の立面図である。 図４Ａに示した部分を下から見た平面図である。 図４Ａに示した部分を反対の端部から見た立面図である。 図１および２の装置に使用されるマンドレル集成体とダイ集成体の実施態様の上方および一端から見た拡大斜視図である。 図５Ａの集成体の長手方向縦断面図である。、 集成体が互いに離されている図５Ａおよび５Ｂに示した装置の側面図である。 マンドレル集成体の別の実施態様を支持する図１の装置の図５Ｂに類似する長手方向縦断面図である。 装置に取り付けられた図５Ｄのマンドレル集成体を上流から見た端部立面図である。 マンドレル集成体から分離された図５Ａのダイ集成体の上方および一端から見た分解斜視図である。、 図６Ａのダイ集成体の矢印６Ｂ−６Ｂの方向における縦断面である。 図１〜６Ｂの装置を介して進む連続する段階として、図１の７Ａ線に沿ってその矢印で示す下流における繊維材の束の形を示す。 図１〜６Ｂの装置を介して進む連続する段階として、図１の７Ｂ線に沿ってその矢印で示す下流における繊維材の束の形の断面図であり、繊維材の束および図４Ａ〜４Ｃより拡大して成形錐体を示している。 図１〜６Ｂの装置を介して進む連続する段階として、図１の７Ｃ線に沿ってその矢印で示す上流における繊維材の束の形の斜視図であり、束を図７Ｄ〜７Ｇとほぼ同じ縮尺であるが、図７Ａおよび７Ｂに対しては小さく示している。 図１〜６Ｂの装置を介して進む連続する段階として、図１の７Ｄ線に沿ってその矢印で示す下流における繊維材の束の形の斜視図であり、束を図７Ｃ、７Ｅ〜７Ｇとほぼ同じ縮尺であるが、図７Ａおよび７Ｂに対しては小さく示している。 図１〜６Ｂの装置を介して進む連続する段階として、図１の７Ｅ線に沿ってその矢印で示す下流における繊維材の束の形の斜視図であり、束を図７Ｃ、７Ｄ、７Ｆ、７Ｇとほぼ同じ縮尺であるが、図７Ａおよび７Ｂに対しては小さく示している。 図１〜６Ｂの装置を介して進む連続する段階として、図１の７Ｆ線に沿ってその矢印で示す下流における繊維材の束の形の斜視図であり、束を図７Ｃ、７Ｄ、７Ｅ、７Ｇとほぼ同じ縮尺であるが、図７Ａおよび７Ｂに対しては小さく示している。 図１〜６Ｂの装置を介して進む連続する段階として、図１の７Ｇ線に沿ってその矢印で示す下流における繊維材の束の形の斜視図であり、束を図７Ｃ、７Ｄ、７Ｅ、７Ｆとほぼ同じ縮尺であるが、図７Ａおよび７Ｂに対しては小さく示している。

図１および２を参照して例示する装置は、モジュラー構造であり、連続的に作動可能な繊維供給モジュール１と、繊維が連続したウェブの形体の束状に収集される繊維収集モジュール２と、繊維の束が中空管の形状のロッド５に連続的に形成される成形モジュール３とを含む。この例において製造される繊維の管は、紙巻きタバコのフィルターの製造に好適に使用される。

繊維供給モジュール
繊維供給モジュール１は、メルトブローヘッド１０を含み、その構造および作動は当業者に知られており、ここでは詳しく説明しない。他の実施態様では繊維供給モジュールは、例えば融解紡糸または電解紡糸ユニット、またはフィルタートウ材のベールから繊維の膨張したウェブを供給する供給システムを含んでもよい。

例示するメルトブロー装置では溶融したポリマー材がポリマー吸入マニホルド１２を介してメルトブローヘッド１０に供給され、噴射列１３を介してヘッドから出てくる。熱い加圧された気体、通常空気が、ポリマー吸入マニホルド１２の両側にある空気吸入マニホルド１４、１４を介してメルトブローヘッド１０内に導入され、２つの収束した高速気体流の状態でヘッドから出てくる。熱い気体の流れは、噴射列１３から出たポリマーに吹き付けられ、溶融したポリマーの薄い流れを形成し、これは２、３センチメートルの噴流内で固まり、多様な連続した小さい径の繊維１５を形成する。これによりもつれた繊維の複雑なパターンが高速気体流中に形成される。

繊維収集モジュール
繊維収集モジュール２は、メルトブローヘッド１０の垂直方向下方に配置され、ヘッドから出た空気流に同伴した繊維１５を受ける。メルトブローヘッドと繊維収集モジュールとの間の垂直距離は、分かりやすくするために図１では誇張されている。

繊維収集モジュール２は、剛性フレーム２０を含み、これは支持フレーム２０に溶接またはボルト留めされ、これに固定された金属プレートから形成された中空のケーシング２２を支持する。ケーシング２２は、図１の右側の上流端から図１の左側の下流端へと長手方向に水平に延びた主軸を有する平面においてほぼ矩形である。

ケーシング２２に取り付けられたコンベアー２４は、繊維１５をメルトブローヘッド１０から進路２５（その枠は図１および図２に部分的に破線で示されている）の途中までそして繊維収集モジュール２を介してロッド成形モジュール３へと移動させる移送システムを供する。コンベアー２４は、ケーシング２２の上流端に固定されたベアリングに取り付けられ、ケーシングの横手方向に延びた水平軸を中心に回転するための比較的径の大きいテンションローラー２６を含む。ケーシング２２の下流端で、テンションローラー２６の軸に平行な水平軸を中心に回転するためのそれぞれテンションローラーより直径の小さい遊動ローラー２７および駆動ローラー２８がケーシング２２に固定されたベアリングに取り付けられており、遊動ローラー２７は、駆動ローラー２８の上で上流に取り付けられている。電気駆動モーター（図示せず）がケーシング２２の下流端に取り付けられていて、駆動ローラー２８をその軸を中心に図１で見て反時計方向に回転させる。

これら３つのローラー２６、２７、２８は、エンドレス構造のコンベアーベルト２９を支持し、テンションローラー２６からケーシング２２の上面に沿って遊動ローラー２７へとケーシングの長手方向に延び、次に駆動ローラー２８の方に下方へとそしてその周囲を延び、次に上部走路に平行な下方走路でテンションローラー２６へと戻る上部走路を有する。遊動ローラーとテンションローラーは、それらのベアリングで調節され、ケーシング２２の上面と正確に上部走路を位置合わせし、コンベアーベルトに充分なテンションを与えるようにしてもよい。

コンベアーベルト２９は、それを気体が通過できるように構成され、気体と同伴する繊維材が絡み合った繊維のウェブとしてその表面に堆積し、保持される。例えば、コンベアーベルト２９またはその少なくとも一部、特にベルトの長さ方向に延びる中央領域にミシン目、スロットまたは開口部を設けてもよく、または多孔性にして気体がそれを通過できるようにしつつ、その表面上で繊維１５を支持するようにしてもよい。このためにコンベアーベルトは、例えば加圧下で気体の所望の流れが得られるように充分な密度に織られた布製材であってもよい。

ケーシング２２の上面にはコンベアーベルト２９の上部走路の下に位置する開口部またはスロットが設けられており、これにより気体がコンベアーベルトを通ってケーシング２２の内部に移動できるようにし、そこから空気が真空ポンプ（図示せず）によって抜かれ、装置から放出される。スロットまたは開口部を直に囲むケーシングの上面の部分は、コンベアーベルト２９の上部走路を支持する。

繊維成形モジュール
成形モジュール３は、繊維１５の束を中空の管５に変形させるためのロッド形成装置の多くの部品を支持するための剛性フレーム４０と、そのための中央パネル４２とを含む。ロッドを形成する装置は、成形錐体５０と、マンドレル集成体６０と、ダイ集成体８０とを含む。成形錐体５０は、収集モジュール２のコンベアー２４と位置合わせされているフレーム４０に固定されている。マンドレル集成体６０とダイ集成体８０は、上部が開口した溝の形状のレール４３上に調節自在に取り付けられており、これは繊維収集モジュール２を通る繊維の直線状の経路と位置合わせされてフレーム４０に固定されている。レールに沿ったマンドレル集成体６０およびダイ集成体８０の長手方向位置は、本発明の装置の一般的な作動条件に一致することが必要とされるので互いに対しておよび成形錐体に対して調節される。

成形錐体
図３、３Ａ、４Ａ、４Ｂおよび４Ｃを参照すると成形錐体５０は、上半分および下半分のシェル５１、５２を含み、それぞれ平面においてほぼ三角形であり、平坦な外面および凹みのある内面を有する。それぞれが錐体の半分を構成するシェルは、互いにボルト５３によって固定される。これらシェルの内面同士で滑らかにテーパーした中央軸経路５５を画定し、これはほぼ矩形の上流流入口５６から円形断面の円筒状の管の形状の下流流出口５７へと延びている。管状の流出口延長部品５８（図３および３Ａ）は、流出口５７と軸方向に整列されて、半分のシェル５１、５２にボルトで固定される。

流入口５６は、平らにされたマットまたはウェブの形状の収集された繊維１５を繊維収集モジュールのコンベアー２４から直接受け取るように構成されている。テーパーした中央経路が繊維が流出口５７の方へと成形錐体を通って進む際に繊維を圧縮し、ウェブを円筒状の形に成形するように形成、配置されている。

上半分のシェル５１の内面にはリブ５９の形状の分割器が設けられており、これは中央経路５５の軸の方に半径方向内方に成形錐体を通る繊維の経路内に突出し、流入口５６から流出口５７の円筒状の管を介して長手方向に延びている。分割リブ５９は、繊維の束が成形錐体を通過する際に分割器が束の長さに沿って隙間または割れ目を形成するように成形錐体の出口の直径と比較して狭くなっている。分割器に亘って繊維束を流れやすくするためにリブの上流端５９ａは、リブ５９が半径方向に経路の軸の方に突出する程度がリブに沿って滑らかにそして分割器の全長の約１０〜２０％離れて流入口５６の内方に位置するポイントＡへと徐々に大きくなるように湾曲している。このポイントＡおよびその下流からリブは、成形錐体を通る経路の中央を僅かに越えて延びている。リブは、例えば繊維から形成された最終形状の管の所望の内径に応じて、流出口の直径の５０％よりわずかに大きい、例えば５５％、６０％または６５％以下の直径より大きい半径方向の突起を有してもよい。

流出口延長部品５８にも軸方向に延びた内部リブ５９ａが形成されており、これは上半分のシェル内のリブ５９と同じ半径方向の長さを有し、それと同じ面に位置し、これにより上半分のシェル５１の分割器５９と連続することになる。

マンドレル集成体
図５Ａおよび５Ｂを参照するとマンドレル集成体６０は、レール４３の上流部に沿ってスライド移動するように取り付けられ、レール４３の各側に取り付けられた平行なガイド４８、４８によって支持された台車６１を含み、台車は棚６２を含み、これはレール４３によって形成された溝内に受けられ、ハンドホイール６４によって横方向に延びた軸を中心に回転するようにレール４３に取り付けられたピニオンホイール６３と係合し、これによりダイ集成体８０と成形錐体５０に対して所望の位置にマンドレル集成体をレール４３に沿って長手方向に前後に移動できるようにしている。

また台車６１は、第１スライドブロック６５ａのための水平方向に延びたガイド６５を含み、ブロックは台車６１に対する横方向の移動のためにガイドに取り付けられている。水平ガイド内の第１スライドブロックの横方向位置は、締め付けボルト６６で調節し、固定してもよい。第１スライドブロック６５ａは、第２スライドブロック６７ａ用の垂直ガイド６７を支持し、第２スライドブロックは、台車６１に対する垂直方向の移動のためにガイドに取り付けられている。垂直ガイド６７内の第２スライドブロック６７ａの垂直方向位置は、締め付けボルト６８で調節し、固定してもよい。第２スライドブロック６７ａは、ブラケット６９を搬送し、これは両端が開口した軸方向に配向された管状のケーシング７１を支持する。ケーシングは、符号７３で示されているケーシング７１の中央軸に沿って延びた長尺のロッド形状のマンドレルを収容する。従って、マンドレルの長手方向、垂直方向および水平方向の位置は、成形錐体およびダイ集成体８０に対してトラックに沿った長手方向の台車の移動によっておよび第１および第２スライドブロック６５ａ、６７ａの調節によって正確に設定される。

マンドレル７３用の管状のケーシング７１は、外方断面においてほぼ方形であり、その長さに沿って面取りされた縁部を有し、内部断面においてほぼ円筒状であり、ケーシングの下流端より大きな内径の上流端にカウンターボア７５を有する。ケーシング７１は、２本のボルトによってブラケット６９に固定され、長手方向に位置合わせされ、即ちその中央軸は本発明の装置を通る繊維の束の移動方向に配置されている。

管状のマンドレル支持体７２は、ケーシング７１のカウンターボア７５内に取り付けられている。マンドレル支持体は、カウンターボア７５の内径に一致する外径を有し、内部にはマンドレル７３用のブラケットまたはキャリアが設けられている。この実施態様ではブラケットは、分割プレート７８の形体であり、これはマンドレル支持体７２の内面から半径方向内方に突出し、支持体内でその上流端から軸方向に延びている。ケーシング７１内のマンドレル支持体７２の回転位置は、プレート７８が所望の半径方向の向き、この場合には垂直に位置するように調節される。分割プレート７８の半径方向の先端は、マンドレル７３に接続され、例えば鋳造でプレートと一体に形成されてもよい。

マンドレル７３は、長尺の円筒状ロッドを含み、組み立てを簡単にするために同軸に配置された２つの部分、上方マンドレルロッド７３ａおよび下方マンドレルロッド７３ｂからなる。上方ロッド７３ａは、それが接続される分割プレートの厚さより大きい直径の均一の半径方向断面を有し、支持体７２内に下流に突出するようにプレートのそばでマンドレル支持体７２の中央軸に沿って位置する。上方マンドレルロッドの上流端は、繊維の束の移動路内にマンドレル支持体を越えて上流に突出したドーム状部分またはボスで終結している。上方マンドレルロッド７３ａの下流端には内部がねじ切りされた開口部が設けられており、これはロッドの中央軸と平行に延びている。

下方マンドレルロッド７３ｂは、その上流端に上方マンドレルロッド７３ａに対応する直径の円筒状セグメントを有し、その下流端に完成したフィルターロッド５の所望の内径に対応する小さい直径の円筒状セグメント７３ｃを有する。下方マンドレルロッドの２つの円筒状セグメントは、図示するようにテーパーした中間セグメントによって互いに滑らかに接続される。下方マンドレルロッド７３ｂの上流端は、ねじ切りされた軸方向ボルトを支持し、これは上方マンドレルロッド７３ａの下流端の開口部に収容され、これによりマンドレルの２つの部分をマンドレル支持体７２およびケーシング７１内で同軸に位置合わせした状態で固定している。下方マンドレルロッド７３ｂは、取り外し、完成した管状ロッド５の所望の寸法に応じて種々の直径の下流端を有する類似の部材と交換してもよい。

マンドレル集成体６０は、成形錐体５０の流出口から出た繊維の束を収容するように構成されている。マンドレル支持体７２の分割プレート７８は、成形錐体５０と出口延長部品５８の分割リブ５９、５９ａと半径方向に位置合わせされ、これにより繊維の束がケーシングを通過する際、分割プレート７８は、マンドレル７３の上流先端部のドーム状部分７６が繊維の束の中央で割れ目内に挿入されるので、束の長さに沿って割れ目を維持することになる。従って、分割プレート７８は、マンドレルを支持するブラケットそしてその上流で形成された繊維の割れ目を開いた状態に維持するための分割器としての二つの機能を果たす。

別のマンドレル集成体
本発明の装置に使用するための別のマンドレル集成体６０を図５Ｄおよび５Ｅを参照して以下に説明する。マンドレル集成体６０は、図５Ａ、５Ｂおよび５Ｃを参照して説明したのと類似の構造であり、図中、同様の部品は同じ参照番号で示している。

図５Ｄおよび５Ｅのマンドレル集成体６０ではマンドレル７３は、束がマンドレルを通過する際に気体または液体処理流体、例えばスチームまたは水蒸気を繊維束に送出できるように変更されている。このためにケーシング７１の上流端は、その上面にスチームライン用の流入口（図示せず）が設けられている。流入口は、分割プレート７８の半径方向の穴９２と連通する中央経路を有する気密接続部９０を含む。穴９２は、半径方向下方にマンドレルの中心線へと延び、そこで貫通孔は、上方マンドレルロッド７３ａの中央軸方向経路９４と連通している。軸方向経路９４は、上方マンドレルロッド７３ａの下流端にあるねじ切りされた開口部に延びている。同様に下方マンドレルロッド７３ｂには中央軸方向経路９５が設けられており、上方マンドレルロッド７３ａの経路９４と位置合わせされている。軸方向経路９５は、軸方向に下方ロッドの上流端のねじ切りされたボルト７７を介して延び、マンドレルのテーパーした中間セグメント７４の中央で終結している。中間セグメント７４にはマンドレル７３上に支持された繊維内に処理流体を排出するためにマンドレルの中央穴をマンドレルの外面に接続する４つの流出口通気口７９が設けられている。これらの通気口はマンドレルの軸を中心に等角度間隔（９０°）で配置され、マンドレル上の繊維束の移動方向にマンドレルの中央軸に対して２０〜７０°の角度で下流端方向に傾斜している。

この実施態様ではスチームまたは処理流体は、接続部９０を介してマンドレル７３内に供給される。その後スチームは、通気口７９へと移動し、そこでスチームは、繊維束が本発明の装置内を前進し、マンドレルの表面上を通過する際に繊維束と接触する。この段階でのスチームで繊維を処理することによって繊維の可撓性および柔軟性を高め、これにより処理ユニット８０でのさらなる処理のための前処理を繊維に施すことができる。

処理ユニット
マンドレル集成体６０の下流に位置する処理ユニット８０は、スチームブロックとして当業者に知られている形状であり、図６Ａおよび６Ｂにより詳しく示されている。処理ユニットは、繊維束がその最終構造に形成される場所であるダイ８４と、ダイを加熱するための、そして成形された繊維束を硬化させるために繊維をスチームで処理するための構造部品とを含む。

処理ユニットは、中空の立方体状チェンバーを画定し、取り付けブラケット８２が設けられたハウジング８１を含み、このブラケットによってハウジングはレール４３の下流部に沿って前後にスライド移動するように取り付けられる。処理ユニットは、ボルト穴の列４４によって画定されたレールに沿ったいくつかの個別の位置のいずれか１つに係止されてもよい。取り付けブラケット８２の係止ピンは、ボルト穴と係合することができ、処理ユニットをレール４３上の選択された位置に固定することができる。

ハウジング８１の各側面にはスチームがハウジング内に導入される際に通過するスチームコネクタ（図示せず）を収容する開口部８３ａが設けられている。ハウジングの上流および下流面それぞれには円筒状のダイ８４を支持するための開口部８３ｂが設けられている。ダイ８４は、管状であり、マンドレル７３の下流セグメント７３ｃを受け、マンドレル７３と経路の円筒状壁の間に繊維の管の所望の環状の厚みに等しい環状の隙間を画定するのに充分な直径の中央の軸方向経路を有する。

ダイ８４の円筒状壁には経路８９が設けられており、ダイの中央軸方向経路を外部環境と連通させる。ダイの上流端は、ソケット８５を支持し、これは下流方向にマンドレル支持体７２からの下流流出口に等しいまたはそれより小さい直径（例えば７０％、６０％、５０％または４０％小さい）から完成した管状フィルターロッドの所望の外径に等しい直径へとテーパーしている円錐形状の内部面を有する。ダイ８４は、その下流端８６がハウジングの下流面の開口部から突出し、ソケット８５がハウジングの上流面の開口部８３ｂに密閉係合するようにハウジング８１内に設置される。ダイの下流端を受けるための中央開口部８８を有する密閉プレート８７がハウジングにボルト止めされ、Ｏリングによってそれに密閉される。

過熱スチームが開口部８３ａを介してコントロールパネル４２から制御されたバルブ（図示せず）によって供給ラインからハウジング８１のチェンバーを通過させられるように処理ユニットは、構成され、配置されてもよい。スチームは、チェンバーからダイ８４の経路８９を通過し、マンドレル７３の下流端で支持されている繊維と接触し、繊維が互いに接触点で結合する温度にまで繊維を加熱し、これにより繊維を管状構造に固定する。

繊維束は、処理ユニットの下流に位置する従来構造の引き取りローラー（図示せず）によって本発明の装置内を牽引される。例えば成形セクション５０とマンドレル集成体６０の間に位置するスタッファージェット（図示せず）を用いて、本発明の装置内の繊維の移動を補助してもよい。

装置の使用および操作並びに製造工程
繊維材からなる管状ロッドを製造するための連続した製造工程での本発明の装置の使用についてここで説明する。ここで大まかに説明する工程は、繊維を長尺の束に収集することと、繊維の束のための所望の円周輪郭を画定する収縮部を通過するように繊維を前進させることと、繊維を束に収集する収縮部の間近でそして繊維束がダイを通って経路の出口の方へ進む際に繊維の束の移動方向に逆らわない方向に繊維を硬化させる処理流体を束内に導入することとを含む。

繊維供給モジュール１ではメルトブローヘッド１０に溶融したポリマーと熱い気体が供給される。この溶融ポリマーは、噴射列１３を介して液体として出て、熱い空気によって薄い流れの中に吹き込まれ、これは固まって小径の繊維１５を形成し、気体流に同伴される。

メルトブローヘッドは、単独のポリマー材から単一成分の繊維または第１のポリマーから形成された芯とこの芯を包みこれとは別のポリマーで形成された鞘を有する２成分繊維を製するように構成されてもよい。管状フィルターロッドの製造では単一成分繊維は、例えば必要であればポリマーの特徴を変えるための他の材料、例えばトリアセチンなどの可塑剤を組み込んだポリエステル、ポリアミド、エチルビニルアセテート、ポリビニルアルコールまたはセルロースアセテートから形成されてもよい。２成分繊維は、例えばポリプロピレンの芯とセルロースアセテートの鞘を有し、任意にトリアセチン可塑剤を組み込んだ任意の組み合わせの混合可能なポリマーから形成してもよい。

噴射ガスとして空気を使用してダイヘッドは、通常はコンベアーベルト２９の上部走路から２５〜６５ｃｍ上に位置し、および２５０〜３５０℃、例えば３００〜３２０℃の空気温度、５００〜６００立方フィートまたは１４，０００〜１７，０００リットル／分の空気流速度および噴射口１つあたり０．３〜０．５ｇ／分のポリマー処理量で動作する。その結果として得られた繊維は、通常は５〜１０ミクロン、例えば約７ミクロンの直径を有し、５〜１０ｍｍ、例えば７〜９ｍｍ、約８ｍｍ（特に７．７ｍｍ）の外径、１〜６ｍｍ、例えば２〜５ｍｍの内径およびロッドの長さ１ｍｍ当たり５ｍｇ、通常８〜１２ｍｇ／ｍｍ、例えば約１０ｍｇ／ｍｍの重量を有する環状フィルターロッド５を形成するように収集される。

気体および同伴された繊維１５の流れは、コンベアー２４上に案内され、繊維は、コンベアーベルト２９の上部走路上でもつれたマット状に集まる。コンベアー２４は、図２に示すように反時計方向にベルト２９を移動させるように動作し、これにより繊維を気体流から出るように移動させ、成形モジュール３へと下流に移動させる。

収集された繊維のウェブ３０は、成形錐体５０内そしてそれを通過するように連続的に引き込まれる。図７Ａは、成形錐体５０に入る直前の繊維１５のウェブのほぼ矩形の断面形状を示している。例えば、ウェブは、幅が１５０ｍｍで厚さまたは「ロフト」が２０ｍｍであってもよい。ウェブが成形錐体内を移動する際、繊維１５は、案内され、徐々に円筒状形状に圧縮される。図１の切断線７Ｂで示す錐体５０を約半分通過した時点でのウェブの断面形状を図７Ｂに略式に示す。この時点でウェブが成形錐体内を進む際、ウェブの長手方向縁部は、成形錐体の中央軸の方へと圧縮され、繊維は複雑な曲げ操作中に横方向および垂直方向の両方に互いの方へ重なるように移動し、円形の半径方向断面の管状流出口５７に近づくと分割リブ５９の両側で下方に位置する。

成形錐体内において束内の繊維の密度は、成形錐体の軸に沿って流入口での比較的低密度から流出口５７での高密度へと次第に大きくなる。束の断面密度は、均一ではない。束の長さに沿った各ポイントで繊維密度は、半径方向に束の中央で空隙または低密度領域から束の周囲での高密度領域へと大きくなる。

繊維の束が成形錐体内を進む際、分割リブ５９が束の上方部分の繊維を分割し、束の長さに沿って割れ目３５を形成する。例示した実施態様では分割リブは、束の中心へ、それを僅かに越えて到達する割れ目を形成し、割れ目の深さを束の直径の５０〜６０％、例えば約５０％にする。

図７Ｃに例示するように繊維１５の束が成形錐体の流出口延長部品５８から出ると、その形状は、繊維の束が成形錐体に入った際のウェブの幅の約１５〜２５％、例えば約２０％の直径を有する円筒形状であり、その長さに沿って割れ目３５が形成されている。

次に束は、成形錐体から下流にマンドレル集成体６０に移動する。図７Ｄは、繊維１５の束がマンドレル集成体に入る際の繊維束の構造を下流方向に見た略図であり、束の形状は、破線で示されている。分割プレート７８は、上流で成形錐体の分割器によって繊維の束に形成された割れ目３５と位置合わせされており、繊維が分割プレートの両側を通過する際に割れ目を開いた状態に保持する。上方マンドレルロッド７３ａの先端の突起７６は、上部マンドレルロッド７３ａのために道を作るために束の中央で繊維の開口移動を開始し、ロッド７３ａは束の中央に挿入され、繊維を広げ、繊維の束に中央に位置する軸方向経路３６を形成する。

束が分割プレート７８から下流に上部マンドレルに亘ってそして下方マンドレルロッド７３ｂ上へと進むと、繊維束の割れ目は、マンドレルの周囲で閉じ始め、繊維は、図７Ｅに示すように連続した周辺層を下方マンドレル７３ｂの直径の広い部分の周囲に形成する。この時点で中央経路３６は、完成した管の所望の内径より大きな直径、例えばその内径の１０％、１５％、２０％または３０％以上大きい直径を有する。

束がマンドレル支持体７２およびケーシング７１を出て処理集成体８０の方へと下流に進む際、束は、上方マンドレルロッドの大きい直径の部分７３ｂから下方マンドレルロッドの直径の小さい部分７３ｃへと移動し、この部分は、完成した管状ロッドの所望の内径に対応する直径を有する。束がダイ８４に近づき、これに入る際、ダイ８４のテーパーしたソケット８５がマンドレルの下流セグメント７３ｃの周囲で繊維の束を圧縮し、割れ目を完全に閉じ、完成した管の所望の外径に対応する外径を有するマンドレルの周囲で管状構造体を作製する。

図５Ｄおよび５Ｅによる構造のマンドレルが使用される場合、スチームがマンドレル７３内に送られ、繊維束がマンドレル上を通過する際に繊維束にあてられ、これにより繊維を調整し下方マンドレルロッド７３ｂの周囲でそれがダイ８４に入る際に圧縮しやすくなる。

図７Ｆは、ダイのソケット８５に入る時点での繊維の束の構造を示し、図７Ｇは、マンドレルの下流端を通過した後のダイ８４のすぐ下流での管状ロッドの構造を示している。通常ロッドの外径は、図７Ｅに示すマンドレル集成体の下流端での繊維の束の直径の１０〜２０％、例えば１５％になる。ダイから出た管状構造体は、完成品の所望の内径および外径を有する。異なる大きさおよび異なる内径および外径の組み合わせの管は異なる直径のマンドレルと異なる内径のダイを組み合わせて使用することによって製造してもよい。

束がマンドレルによって支持されながらスチームブロックを通過する際、例えば１〜３バール、通常は約１．５バールの圧力で、例えばスチームを１５０〜２００℃の範囲の温度に加熱することによって製せられた過熱スチームと束は接触する。この処理により繊維がそれらの接触点で接着し合い、これにより図７Ｇに示すように管状ロッド５の形体の接着された自立構造体を形成する。

次にロッド５は、マンドレルから過剰な水分をロッドから取り除くための例えばエアーブロックなどの別の装置および図７Ｆに示すように所望の長さの連続した管状セグメントにロッドを裁断する切断装置内を通って牽引される。

ここに開示する工程の実施態様において、重要な点は、管状構造体を周囲に形成することができる中央支持体を形成することを目的として、繊維束の中央にマンドレルを挿入することである。特に本工程が高速で実行される場合にマンドレルの使用には繊維がマンドレルの周囲で均一に配分されず、崩壊して非管状構造の非円筒状構造になってしまうリスクが生じる。しかしながら、ここに開示する実施態様では繊維束がマンドレルに亘って通過する際に繊維束に割れ目を形成することで管状構造になるように繊維を移動しやすくし、これにより管状構造体の崩壊のリスクを軽減する。

Claims (22)

1. 繊維材からなる管状ロッドを形成する方法であって、この方法は、繊維を長尺の束状に収集することと、繊維を分けて束の長さに沿って割れ目を形成することと、マンドレルを割れ目に挿入することと、繊維の束を管状構造になるようにマンドレルの周囲で閉じることと、繊維を管状ロッドとしてマンドレルから分離することとを含む方法。
2. 割れ目は束を介して部分的に延びた凹部として形成されることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 割れ目は束の周囲から半径方向に束の中央へ延びるように形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の方法。
4. 割れ目は束の厚さの５０％、６０％または７０％を延びていることを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項記載の方法。
5. 割れ目は束を２つに部分に分割することを特徴とする請求項１記載の方法。
6. 処理流体が繊維の束がマンドレル上を通過する際に繊維の束に送出されることを特徴とする請求項１乃至５いずれか１項記載の方法。
7. 処理流体はマンドレルの中から送出されることを特徴とする請求項６記載の方法。
8. 繊維が繊維材の原料から供給されることを特徴とする請求項１乃至７いずれか１項記載の方法。
9. 繊維が連続する製造工程によって供給されることを特徴とする請求項１乃至８いずれか１項記載の方法。
10. 繊維がメルトブロー処理によって製造されることを特徴とする請求項１乃至８いずれか１項記載の方法。
11. 繊維の束はこれを管状構造に固定するために処理されることを特徴とする請求項１乃至１０いずれか１項記載の方法。
12. 繊維の束を繊維の束のための所望の円周輪郭を画定する収縮部を通過するように前進させ、繊維を硬化させるための処理流体が繊維が収縮部に入る際に束内に導入されることを特徴とする請求項１１項記載の方法。
13. 繊維材からなる管状ロッドを形成するための装置であって、連続する繊維の供給を受け、繊維が装置内を進む際に繊維を束に収集するように構成された収集装置と、繊維の経路に配置され、繊維が装置内を進む際に束の長さに沿って割れ目を形成するように構成された分割器と、分割器と位置合わせされて繊維の束の経路に配置され、繊維の束がマンドレル上を進む際に割れ目を繊維の束を通る道のように形成するように構成されたマンドレルと、マンドレルと協働してマンドレルの周囲で繊維を管状構造に形成するように構成され、配置されたダイとを含む装置。
14. 前記収集装置は、繊維を受ける流入口と繊維のウェブが束として取り出される流出口とを有する成形錐体を含み、この成形錐体は、流入口と流出口の間に長手方向に延びたテーパーした構造の経路を画定することを特徴とする１３記載の装置。
15. 前記分割器は、流入口と流出口の間で延びた成形錐体の経路に突起を有することを特徴とする請求項１４記載の装置。
16. 前記マンドレルは、繊維の束を受けるように構成された端部が開口した管状のケーシングに取り付けられていることを特徴とする請求項１３乃至１５いずれか１項記載の装置。
17. 前記分割器は、マンドレルを管状ケーシングに接続する支持体を含むことを特徴とする請求項１６記載の装置。
18. 前記マンドレルは、繊維束がマンドレル上を通過する際に繊維束に処理流体を送出するための経路を含むことを特徴とする請求項１３乃至１７いずれか１項記載の装置。
19. 前記ダイは、繊維をマンドレルの周囲で所望の外形に形成するように構成され、配置されていることを特徴とする請求項１３乃至１８いずれか１項記載の装置。
20. 前記ダイは、それを通る中央経路を画定する本体を含み、前記マンドレルは、本体とマンドレルの間に管状の空間を画定するためにこの中央経路に取り付けられたロッドを含むことを特徴とする請求項１９記載の装置。
21. 繊維をマンドレル上で支持しながら硬化させる処理ステーションをさらに含むことを特徴とする請求項１３乃至２０いずれか１項記載の装置。
22. 前記処理ステーションは、処理流体が導入されるチェンバーを画定するハウジングを含み、ダイは、ハウジング内に配置され、チェンバーから繊維へ処理流体を送出するための１つ以上の導管が設けられていることを特徴とする請求項２１記載の装置。

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