JP3285360B2 - ガス状境界層の分離装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明はメインクレーム前段に記載の装置に関し、
特に紙等の材料ウェブの画面中の少なくとも１面からガ
ス状の境界層を除去するための装置に関し、前記のウェ
ブは搬送方向に搬送され、好ましくは高速で搬送される
ものとする。

空気中を搬送される材料ウェブ表面のガス状の境界層
は、それ自体として問題であると考えられている。例え
ば、紙やフィルムのロールを作るために材料ウェブをロ
ール状に巻き取る場合、前記の境界層を巻き込むと、境
界層を巻き込まなかった場合に比べて、所定長さの材料
ウェブを巻き取ったロールの直径が増加する。さらに例
えば印刷での乾燥工程において、乾燥によって材料ウェ
ブから印刷インク中の溶剤を除くことが試みられてい
る。この目的のためにいわゆる境界層ドクターが知ら
れ、表面に直角もしくは斜めに配置したエアージェット
と組合せ、このジェットで高エネルギーかつ高速で材料
ウェブに空気を吹き付け、微視的な境界層を乱流へと転
換し、乱流中の渦流が境界層の厚さよりも大きな直径を
持つようにして、第１に印刷インク中の溶剤がより速や
かに除かれるようにし、第２に巨視的な除去のために通
常の吹き付けあるいは吸引ノズルを用いることができる
ようにする。

このような乾燥システムは、特にグラビアや回転オフ
セットあるいはフレキソ印刷等の分野において知られて
いる。これらの印刷方法において、炭化水素や水とアル
コールとの混合物等からなる溶剤を除去すると、インク
は乾燥する。材料ウェブの乾燥速度は速いので境界層は
顕著に発生し、材料ウェブへの熱輸送や材料ウェブから
の溶剤の輸送を妨げる。そしてこれらの物理的な要素が
乾燥を支配する。

加熱のために高温空気を用いた乾燥システムによる熱
輸送が行われ、これによって材料ウェブの温度が増加す
る。熱輸送により溶剤を除くためのエネルギーが供給さ
れる。他方で、物質輸送は材料ウェブからの溶剤の排出
に対応する。原則として乾燥は材料ウェブ温度を100℃
以上にして行われるので、紙から蒸発し得る水が少量残
存する。

乾燥システムの効率が、熱や物質の輸送効率や材料ウ
ェブと周囲空気間の温度差を小さくすることに依存して
いることは明らかである。ここで温度差を小さくするこ
とは、乾燥システムの他の部分を同じにした場合、必要
なエネルギーを減少できることを意味する。

流体工学により、比較的小さなレイノズルナンバーで
の境界層流では、高温空気の動粘性率が高いことと合わ
さって、熱や物質の輸送効率が特に低下することが知ら
れている。

乱流での熱や物質の輸送効率は層流に比べて数倍高い
ので、上記の境界層ドクターと空力学的手法と機械的手
法とを用い、境界層を境界での乱流へと転換しようとす
ることは、乾燥システムにおいて公知である。原則とし
て特に設計された吹き付けノズルを材料ウェブの少なく
とも１面に対して設ける。大きなエネルギーを投入して
も、結果は好ましいものではない。徹底的な検討にもか
かわらず、この原因は完全には明らかではない。好まし
い結果が得られないことは、紙の場合、材料ウェブには
約２〜４μｍの表面粗さが存在し、層流から境界乱流へ
の転換にもかかわらず、表面粗さによって生じた材料ウ
ェブ表面の凹凸の間に、薄い言わば残留境界層が埋め込
まれたような状態となり、熱輸送や物質輸送が妨げられ
るためと考えることができる。

この境界層流ドクターは印刷での乾燥工程のみなら
ず、理論的には任意の用途に用いることができる。しか
しながら効率は不十分である。

この発明の目的は、境界層をより容易にかつより効率
的に除去し得る装置を提供することにある。

この目的はメインクレームの前段に対応した装置にお
いて、この発明の特徴事項を用いることによって達成さ
れる。

この発明の解決では、コロナ放電電極が用いられ、対
極からコロナ放電電極への電界でのコロナ放電電極への
強いコロナ放電が生じるという意味で、材料ウェブから
コロナ放電電極へのプラズマチャネルが形成され、この
プラズマチャネルを介して電子からなる電荷は材料ウェ
ブ表面からコロナ電極へと導かれ、コロナ電極は少なく
とも１個の、そして好ましくは複数個の、材料ウェブ表
面の一方を向いた先端を有している。このことによって
周囲雰囲気のガス分子とプラズマチャネル中の電子との
衝突が生じ、分子はイオン化される。未検証の機能仮説
として、ガス分子への電子の衝突によって与えられる運
動量は材料ウェブの表面から遠ざかる方向を向き、また
他方ではガス分子に電界から吸引力が働くため、コロナ
放電電極へ向けた物質輸送が生じる。既に述べたよう
に、この搬送方向は材料ウェブの境界層の流れ方向と平
行ではない。いわゆるイオン風の結果、境界層の層流か
ら乱流への変化が、臨海レイノズルナンバー以下でも発
生することになる。レイノズルナンバーが３×10⁶以上
では部分的な乱流境界層が自発的に形成されることが知
られている。しかしながら、この乱流境界層は層流より
も厚く、従って他から加えられた気流や境界層ドクター
等の巨視的な手段の効果をより著しくする。

さらに乱流では、材料ウェブの搬送方向やその速度と
絶対値がほぼ等しくて反対の運動方向と速度とを持つ渦
状の領域が形成され、このような疑似的な逆方向運動の
渦流中では、材料ウェブとの間の相対速度は極めて小さ
く、溶剤や水の除去が容易になる。

驚くべきことに、極性を反転してもいわゆる上記のイ
オン風は境界層を乱流へ変換し得ることが見い出され
た。コロナ放電電極の電極突端を5mm間隔で配置した場
合、材料ウェブの一方の表面を負にするように放電し、
コロナ放電電極から材料ウェブの一方の表面へと電子が
移動するようにした場合、正の高電圧に接続したコロナ
放電電極を用いる場合に比べ、コロナ放電電極を流れる
電流値がはるかに増大し、しかも層流から乱流への変化
が生じることが見い出された。このことを説明するモデ
ルは今のところ存在しない。しかしながら上記の低温の
残留境界層に静電界から力が加わり、材料ウェブの一方
の表面の凹凸内に流体のように埋め込まれているものと
想定される残留境界層が、境界層中の層流部に合流す
る、あるいは材料ウェブの一面の表面で、運動量が衝突
により少なくとも弾性的に反射されることと関係するも
のと思われる。いずれにせよ、この発明の装置を用いる
ことの目的であるガス状境界層流の乱流への転換が、極
性を反転しても同様に得られることは驚くべきことであ
る。

従ってこの発明の開示によれば、極めて簡単な構成を
用いることができ、１個のもしくは複数個のコロナ放電
電極を設けて、それらに少なくとも１個の突端を設け、
正あるいは負の高電圧電源に接続し、その一方で材料ウ
ェブの反対側に対極を設けてコロナ放電電極と組み合わ
せて、逆極性の高電圧電源に接続するか接地する。乱流
への変化はコロナ放電電極を配置した側に生じる。高電
圧電源の電圧やコロナ放電電極の個々の電極での突端の
間隔は用途に応じて決定すればよく、材料ウェブのスピ
ードや温度に基づいて定める。

印刷機の乾燥機に用いた実験では、単位長さを1mとし
て単位長さ当たり約0.5mAの電流を加えた場合、材料ウ
ェブの一面から溶剤蒸気が連続的に蒸発するの確認でき
た。このことは前記の乾燥機中を材料ウェブを通過させ
た際に、材料ウェブを充分高温に加熱したにもかかわら
ず、蒸気圧の勾配では溶剤を完全に除去できず、材料ウ
ェブは完全には乾燥しなかったことを示している。残存
する溶剤はこの発明によりコロナ放電とプラズマチャネ
ルを用いて境界層を分解することによってのみ除去で
き、特に直流電源と直流電圧とを用いることによって除
去できた。材料ウェブの単位幅を1mとして単位幅当たり
約15Wの電力をコロナ放電電極に供給すればよく、これ
は加熱エネルギーを考慮に入れないこととして、吹き付
けノズルを用いる場合1m当たり50kW近くのエネルギーが
必要なことに比べて、極めて小さい。

この発明の装置が極めて効率的であることは、電極間
に加わる高電界により材料ウェブの一面の表面に各ポイ
ントから電子が入射し、材料ウェブの一方の表面に直接
的な物質輸送が生じ、しかもこれが極めて粗い表面でも
同様に生じることによるものと考えられる。境界層のみ
を分解する公知の境界層ドクターを用いる場合とは対称
的に、この発明では明らかに残留境界層を、以下で完全
乱流と呼ぶ効果により分解でき、従って高速で移動する
材料ウェブの乾燥に関して最高の熱輸送と最大の物質輸
送とが得られる。さらに、熱輸送を向上させたため、材
料ウェブを加熱するための高温空気の効率も改善され
る。乾燥機の構造も短くできる。物質輸送の効率を改善
したため、材料ウェブの昇温温度を小さくでき、紙中の
含水率を制御できる。さらに境界層ドクターを作用させ
るために必要であった周囲空気が不要になるので、周囲
空気量を減少させることができる。最後に、溶剤を除去
するために必要な装置の構造上の長さを短くでき、エネ
ルギー等を大幅に節減できる。

この発明の好適な実施例では、コロナ放電電極から対
極への線は、搬送方向と直角ないし鈍角とする。この結
果、ガス分子に加わる運動量の方向は搬送方向とは異な
り、その結果層流から乱流への境界層の変化はより容易
に起こり、かつ同時に乱流の厚さが増加し、従って渦を
巨視的に除去しあるいは吸引することが容易になる。

実施例において、コロナ放電電極と対極との最初の対
の搬送方向下流に少なくとも１つの対極とコロナ放電電
極との追加の対を配置することが好ましく、これらの電
極を材料ウェブの各面に１つずつ配置する。このよう
に、搬送方向の一面ではコロナ放電電極と対極とが直列
に配置され、材料ウェブの他面ではこれに対向して逆の
電極が配置され、材料ウェブの上面でも下面でも境界層
が分解される。コロナ放電の終端となる対極に替えて、
コロナ放電電極とは逆の極性の突端を有するコロナ放電
の起端となる対極を用いると、所定のポイントで材料ウ
ェブの上下両面で境界層を分解できる。

層流は乱流形成箇所の下流の例えば材料ウェブ全幅に
渡るガイドローラや反転ローラの部分では存在しない。
材料ウェブの搬送方向に沿った距離が増加するに連れて
境界層が再構成されて本質的に一定の厚さに達する。こ
の再構成距離を短縮するため、境界に層流が生じるのを
促進し、この発明の装置をより効率的に用いることがで
きるようにしても良い。このためには好ましくは、材料
ウェブへの乱流発生箇所の下流でその全幅に渡って、材
料ウェブの搬送方向に沿ってガスあるいはガス混合物の
層流を吹き付ける。

境界層流を境界の乱流へと分解するのみならず、コロ
ナ放電電極と対極との対から見た材料ウェブの搬送方向
下流で所定距離の点に、それ自体として公知の吹き付け
あるいは吸引ノズルもしくはその双方を設け、溶剤や水
を含む乱流を除去することが好ましい。この目的のため
さらに、吹き付けや吸引ノズルの搬送方向下流に真空室
への材料ウェブの入口開口を設けて境界の層流が極めて
薄い厚さでしか存在し得ないようにし、材料ウェブの一
方の表面での溶剤や水の蒸気圧もしくは残留境界層の蒸
気圧が真空度に比べて充分大きくなるようにし、真空中
への物質輸送が生じるようにするのが好ましい。

この発明のさらに好ましい実施例や改良点はサブクレ
ームから明らかになる。

この発明の装置はロータリーオフセット，グラビア，
フレキソ印刷等の印刷機に用いる場合に特に優れた効果
があり、特にこれらの印刷機のヒーター付きの乾燥機に
用いるのが好ましい。材料ウェブが冷却ロール上を走行
する場合でも、ロールと材料ウェブ間にトラップされた
境界層は冷却の妨げとなるので、ここでもこの発明の装
置を用いることができる。また、高速材料ウェブへのガ
イドロールや反転ロールでは、ウェブが搬送方向から斜
めに浮いてしまうことが明らかである。この効果はその
間の境界層流によるものと考えるられ、これを除けば極
めて正確に材料ウェブをガイドし、反転できる。

この発明の１実施例を図面を参照して詳細に説明し、
図１はこの発明の装置の模式的断面図で、装置内に配置
され搬送される材料ウェブを切き欠き部付きで示す。

図１において、５は材料ウェブで、矢印で示した搬送
方向６に搬送され、7,8は模式的にロールを示す。これ
らのロールは搬送方向６と直角で、材料ウェブの一面10
の表面９や他面12の表面11と接している。境界層の模式
的構造を材料ウェブ５の一面９に模式的に示す。境界層
を除去するためのガイドロール７の下流の領域13でガス
状の境界層が成長して厚さを増し、この層は領域14では
ある厚さ15に達している。同じ側にコロナ放電電極16が
設けられ、少なくとも１個で好ましくは互いに平行な複
数の突端16が設けられ、この電極は直流電源として正の
高圧電源＋Ｕに接続されている。ウェブ５の反対側12に
は平板状の対極18が設けられ、同様に搬送方向６に対し
て斜めに、好ましくは直角に伸びており、全幅に渡って
材料ウェブの表面10,12に平行で負の高圧電源−Ｕに接
続されている。

このようにしてコロナ放電電極を形成して配置し電源
に接続したので、一定のコロナ放電電極Ｉが発生して、
強いコロナ放電として流れ込む。このため一面10の表面
９から電子20が電界21に沿ってコロナ放電電極17へと輸
送される。電子がコロナ放電電極17へと移動する間に、
電子20はガス分子22に衝突し、これに伴ってコロナ放電
電極17へ向けた運動量をガス分子に与え、かつガス分子
はイオン化される。イオン化により、ガス分子22は電界
21に沿ってコロナ放電電極17の突端16へ向けて移動す
る。これらの効果が重なり、層状境界流のエリア14でエ
リア23内の乱流への変化が生じる。ここでは模式的に24
で示した渦が生じ、一面10の表面９の付近のエリアでは
材料ウェブ５の搬送方向６と反対の速度をもち、表面９
のこのエリアでは境界層流のエリア14よりも相対速度が
減少し、材料ウェブ５の一面10の表面９の滑らかでない
部分からの物質輸送が明らかに生じ、材料ウェブから遠
ざかる向きの渦流24の速度成分のため、表面９から遠ざ
かるように速やかな物質輸送が行われる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−69394（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−83661（ＪＰ，Ａ) 実開 昭62−43739（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B41F 23/00 B41F 23/04 B41M 7/00 B65H 23/04

Claims (14)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】紙からなり、搬送方向（６）に好ましくは
   高速で搬送される材料ウェブ（５）の両面（10,12）の
   少なくとも一面から、ガス状の境界層（14）を除去する
   ための印刷機用のヒータ付乾燥機に用いる装置におい
   て、少なくとも１つの突端（16）を設けたコロナ放電電
   極（17）を少なくとも１つ設け、該電極を正または負の
   高電圧電源に接続し、かつコロナ放電電極と組み合わせ
   た少なくとも１つの対極（18）を設けて、負（−Ｕ）ま
   たは正の高電圧電源に接続もしくは接地し、かつ材料ウ
   ェブ（５）の境界層（14）を削除する側（10）にコロナ
   放電電極（17）を配置し、他側（12）に組み合わされた
   対極（18）を配置したことを特徴とする装置。
2. 【請求項２】コロナ放電電極（17）にはウェブ（５）の
   一方に多数の突端（16）を設けて、前記突端を材料ウェ
   ブの他側（12）へ向けて配置したことを特徴とする、ク
   レーム１の装置。
3. 【請求項３】コロナ放電電極（17）の突端（16）を実質
   的に互いに平行に配列したことを特徴とする、クレーム
   １または２の装置。
4. 【請求項４】コロナ放電電極（17）には複数の突端（1
   6）を設けて、これらの突端が互いに平行で同一面内に
   あり、かつ材料ウェブ（５）に非平行でかつ材料ウェブ
   の搬送方向（６）に非平行に配置したことを特徴とす
   る、クレーム１〜３のいずれかの装置。
5. 【請求項５】対極（18）とコロナ放電電極（17）とを材
   料ウェブ（５）に関して実質的にミラー対称に設けたこ
   とを特徴とする、クレーム１〜４のいずれかに記載の装
   置。
6. 【請求項６】対極（18）を平板状に構成したことを特徴
   とする、クレーム１〜５のいずれかに記載の装置。
7. 【請求項７】平板状の対極（18）の表面からの法線を搬
   送方向（６）と直角としたことを特徴とする、クレーム
   ６の装置。
8. 【請求項８】コロナ放電電極（17）と対極（18）とから
   なる最初の対（17,18）の搬送方向（６）下流に、材料
   ウェブ（５）の各面に電極が１個ずつ配置されるように
   対極とコロナ放電電極とからなる対を追加的に少なくと
   も１個設けたことを特徴とする、クレーム１〜７のいず
   れかに記載の装置。
9. 【請求項９】ロール（7,8）の下流において、材料ウェ
   ブ（５）をその全幅に渡って、ガスもしくはガス混合物
   の搬送方向に沿った層流にさらすことを特徴とする、ク
   レーム１〜８のいずれかに記載の装置。
10. 【請求項１０】ロール（7,8）の下流で、材料ウェブ
    （５）の境界層（14）を除去すべき側（10）に第１の極
    性の放電を行い、材料ウェブ（５）の同じ側（10）の搬
    送方向（６）下流に次の電極としてコロナ放電電極（1
    7）を設けて、逆極性の電源に接続したことを特徴とす
    る、クレーム１〜９のいずれかに記載の装置。
11. 【請求項１１】コロナ放電電極（17）及び対極（18）か
    らなる対（17,18）の搬送方向（６）で所定距離下流の
    材料ウェブ（５）に対して、それ自体として公知の吹き
    付け及び／または吸引ノズルを設けたことを特徴とす
    る、クレーム１〜10のいずれかに記載の装置。
12. 【請求項１２】吹き付け及び／または吸引ノズルから搬
    送方向（６）下流に、材料ウェブ（５）を真空室に送り
    込むための開口を設けたことを特徴とする、クレーム11
    の装置。
13. 【請求項１３】平板状の対極はコロナ放電の終端となる
    電極であり、かつ吹き付けノズルを兼ねることを特徴と
    する、クレーム６の装置。
14. 【請求項１４】対極に複数の突端を設けてコロナ放電の
    起端となるコロナ放電電極としたことを特徴とする、ク
    レーム１の装置。