JP4567198B2 - ゲル化点センサ - Google Patents
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Description
【０００１】
（発明の背景）
（発明の分野）
本発明は、一般に、ウェブまたはシートに用いたコーティングを監視することに関する。より詳細には、これらのコーティングの乾燥速度を監視することに関する。
【０００２】
（従来技術の説明）
シートまたはウェブの材料にコーティングすることは、いくつかの異なる産業分野で共通のプロセスである。特に製紙業では、コーティング、クレイ、ラテックス、またはＣａＣＯ3などの保管構成要素は、その下にあるウェブまたはシートの吸収性、安定性、光沢、印刷可能性、または他の特徴に影響を与える。プラスチックなどの他の産業分野では、コーティングは、製品の最も重要な部分である可能性がある（すなわち、写真用のコーティング）。
【０００３】
オンライン・セッティングでは、通常、コーティングは、多くのタイプのコーティング装置（すなわち塗布機）を使用している。通常、これらの装置は、水などの溶媒に懸濁している液体の形態のコーティングを保有して適用を容易にし、ベース・シートとの結合を向上させる。ブレードまたはナイフを使用して、ベース・シートがコーティング装置を通過して動くときに、ベース・シートに沿ってコーティングを散布する。コーティング装置には、１つまたは複数の乾燥装置（すなわち乾燥機）が続いており、これは、熱および／または動いている空気を使用して、ベース・シート上にソリッドまたは半ソリッドのコーティング層を残したまま、コーティングから溶媒を蒸発させる。
【０００４】
コーティングの乾燥速度は、ミルまたはプラントの効率のファクタであると共に、コーティングの質、最終的なシート製品の質、およびコーティング適用プロセス中に使用するエネルギー量の重要なファクタになり得る。コーティングの乾燥速度に影響するファクタは、ミルの環境、塗布機のセッティング、乾燥機のセッティング、ベース・シートの特性、並びにコーティングの量と構成要素のタイプなどを含む。さらに、コーティングを乾燥させる際に、蒸発および／またはベース・シートによって吸収される溶媒のタイプと量も、コーティングの乾燥時間に影響を与える。
【０００５】
読者がおそらく気付いているように、用いたコーティングの質は、いくつかの理由で重要である。コーティングしたシートで、目に見えるような質と均一性の変化は、明らかに回避すべきことである。さらに、目に見えない変化であっても、印刷など、用いたコーティングを他の処理のベースとして使用する場合には、重要な場合がある。最後に、コーティングは、湿気、熱、または日光など環境のファクタに対して、機械の耐久性と保護とを行っている。
【０００６】
コーティングの乾燥速度は、いくつかの方式で、コーティングの質と最終的なシートの質に影響を与える。シートが湿っているとき、乾燥機の熱は、コーティングの溶媒が、液体から蒸気に状態変化をする際に、コーティングによって吸収される。しかし、コーティングまたはコーティングの表面が乾燥した（すなわち、コーティングの溶媒がほとんど蒸発した）後は、余分の熱は、もはやコーティングの溶媒によって吸収されない。むしろ、乾燥状態にあるベース材料およびコーティングによって吸収される。これは、容易に燃焼またはクラックすることがある。一方、コーティングが非常にゆっくり乾燥する場合、コーティングは、製造ラインの構成要素またはシートの他のセクションに染みをつけるまたは張り付くことがある（すなわち、コーティングがまだ湿っている間にシートがロールされる場合）。したがって、乾燥速度を監視して、コーティング全体と最終的な製品の質を向上させ、並びに製品の浪費を防止することができる。
【０００７】
コーティングの乾燥速度を監視することは、他の利点も有する。これにより、コーティング乾燥機のセクションが終了する前にコーティングが乾燥するとき、必要でない乾燥装置の電源を切るまたは選択した乾燥装置を低温セッティングに設定することによって、浪費するエネルギー量を低減し、乾燥機の寿命を延長することができる。実際、必要でない乾燥機の電源を切ることは、シートの燃焼を防止し、またはそうでなくても乾燥機の余分な熱のためにシートが損傷するのを防止する１つの方法である。
【０００８】
現在、温度センサを使用して、多くのシート・ミルおよびシート・プラントでコーティングが乾燥するときを監視する。通常、温度センサは、塗布機に続く乾燥機またはその付近に配置され、コーティングが乾燥しているとき、シートの温度の上昇を記録する。これらの乾燥環境では温度が過酷なので、熱電対または他の堅牢な温度装置は、乾燥機内で温度を測定することが好ましい。残念ながら、熱電対は、シートが乾燥機を通過する速度と比較して、比較的遅い温度測定装置である。また、温度センサがシートの温度が上昇したことを記録した後は、過乾燥のためにすでにシートに損傷が生じている可能性があるので、コーティングの乾燥速度を監視するために温度を使用することは欠点である。
【０００９】
また、離れて配置されたＩＲ温度センサが使用されてきたが、これらのタイプのセンサは、非常に正確ではなく、読取りが、乾燥中に変化する表面の放出性に依存している。
【００１０】
乾燥速度を監視することは、コーティングの１つまたは複数の「ゲル化点」の位置を監視することによって達成することが理想的である。ゲル化点は、コーティングの溶媒が用いたコーティング層から蒸発する際に、コーティング構成要素が、ソリッド集合体の半ソリッドネットワークを形成する時を明確にする。ほとんどまたは全ての主要コーティング構成要素がこのゲル化点に達したとき、コーティングは、実質的に乾燥していると見なされる。
【００１１】
現在、シートまたはウェブの材料上にあるコーティングのゲル化点を監視する装置は存在していない。
【００１２】
（発明の概要）
本発明は、コーティングのゲル化点を使用して、シートまたはウェブの材料上にあるコーティングの乾燥速度を監視する手段および方法の必要性に対処する。本出願人のシステムでは、センサを使用して、コーティングから反射された鏡面放射と拡散放射を比較する。特定の好ましい実施形態では、鏡面放射と拡散放射の比を使用して、ゲル化点を特定する。
【００１３】
オンライン・システムでは、ゲル化点は既知なので、コーティングの乾燥速度を増大または低減することができ、コーティングの構成を変更することが可能であり、または設計者の要求に適応するように、コーティング装置または乾燥装置のセッティングを変更することが可能である。設計者は、コーティングまたは最終製品の質あるいは均一性、またはミルの効率などのファクタに基づいて、作業を選択することが可能である。
【００１４】
オフライン・システムでは、ゲル化点を使用して、異なるコーティングの配合またはベース材料の乾燥時間を比較し、乾燥装置またはコーティング装置の構成を開発し、またはコーティングの問題に対応することが可能である。
【００１５】
本出願人の方法を実施するシステムは、放射源から放射された光線をコーティング上の測定位置に向け、測定位置でコーティングを調査する第１および第２放射検出器を設けることによって達成することが可能である。一方の放射検出器は、鏡面放射を収集するように配置され、他方の放射検出器は、拡散放射のみを収集するように配置される。これら２つの値の比を使用して、測定位置に対するゲル化点の位置を決定する。またはオフライン・システムでは、監視した乾燥コーティングについて、これら２つの値の比の特徴的な曲線を作成する。
【００１６】
本発明の１つの目的は、コーティングの乾燥速度、ゲル化点、および乾燥特性を監視する比接触性の方法を提供することである。
【００１７】
本発明の他の目的は、精度と速度を向上させた、簡単で、コンパクトなコーティング状況測定センサを提供することである。
【００１８】
本発明のさらに他の目的は、コーティングのゲル化点を測定することを含む、複数シートの特性測定システムを提供することである。
【００１９】
本発明のさらに他の目的は、異なるタイプのコーティング、その乾燥速度、および乾燥特性に関する実験室での研究（すなわちオフライン）用のシステムを提供することである。
【００２０】
本出願人のシステムに関する他の利点は、後続する以下の詳細な記述を読むことにより明らかになるであろう。
【００２１】
（詳細な説明）
図１は、本出願人の発明によるゲル化点センサの１つの実施形態を示す。この図では、この場合はレーザ・ダイオードである放射源１からの放射が、光ファイバ・ケーブル２を介して、調査するコーティング３の表面近くの位置に導かれる。この光源は、任意の数またはタイプの広帯域源または狭帯域源とすることが可能である。例えば、正規の光バルブおよびＬＥＤは、両方とも、示した光源に対する適切な代替放射源である。レンズなど放射光線を方向付ける手段、または光操作装置４と認識された手段は、放射を光線に収束またはコリメートし、その光線をコーティング３上の測定位置１１に投影する。
【００２２】
コーティングは、紙、プラスチック、ガラス、金属、布または他の材料などの基材の上にある。調査するコーティングのタイプは、湿った状態から乾燥状態に変化するときに、光の反射特性の変化を示す任意のタイプのコーティングとすることが可能である。例えば、測定する表面は、ラテックス、クレイ、炭化カルシウム、シリコン、またはプラスチックの複合物でコーティングした紙またはマイラとすることが可能である。以下の記述に基づいて、紙または他のタイプの基材の上にある他のタイプのコーティングが、本出願人の発明に適していることが、当業者にはわかるであろう。
【００２３】
第１放射検出器５および第２放射検出器６は、それぞれ光ファイバ・ケーブル７および８を介して、測定位置１１でコーティング３からそれぞれ反射された拡散放射および鏡面放射を調査する。レンズまたは光フィルタなど、光操作装置９および１０は、コーティングから反射された放射を収集し、その後、光ファイバ・ケーブル７および８内へ通過させる。
【００２４】
光操作装置９は、コーティング３からの拡散放射（すなわち鏡面放射でない）のみを受信するように配置されており、光操作装置１０は、コーティング３からの主要な鏡面放射を受信するように配置されている。光操作装置を配置する最も簡単な方法は、コーティング表面の法線に対して放射源を第１角度の方向に傾け、コーティング表面の法線に対して光操作装置１０を第１角度と同じだけ反対側に傾けることである。光操作装置９は、この角度以外の任意の位置に配置して、拡散放射のみを受信することが可能である。
【００２５】
例えば、１つの実行可能な角度の設定は、光操作装置９を紙の表面に対して垂直に配置し、光操作装置１０と光操作装置４を、コーティング表面の法線に対して約３０°および−３０°の角度に配置することである。しかし、約５°という低い角度、並びにはるかにより高い角度を使用することが可能である。
【００２６】
通常、光操作装置４、９、および１０は、光ファイバ・ケーブル内にまたはそれの外に、放射を収束させるレンズを含む。これらの装置は、フィルタ、スプリッタなど、読者の設計または応用に必要な、より複雑な構成要素を含むことが可能である。図１のゲル化点を示し、光操作装置４、９、および１０を使用して記述したが、これらの構成要素は、ある条件では削除することができる。しかし、これらを備えないあらゆるシステムは、依然として、コーティング表面に投影された放射を収束またはコリメートしなければならない。さらに、そのようなあらゆるシステムは、拡散放射のみが放射検出器５に到達し、主として反射放出が放射検出器６に到達するようにしなければならない。
【００２７】
放射検出器５および６は、赤外放射を監視することが可能であるボロメータ、ＩＲセル、フォトセル、または他のタイプの検出器を備えることが可能である。フィルタを放射検出器に組み込み、測定する放射の特定の周波数を分離することが可能である。放射検出器は、同一タイプまたは異なるタイプとすることが可能であり、または、放射源１から受信した放射スペクトルの同一または異なる部分あるいは一部を調査することが可能である。
【００２８】
光ファイバ・ケーブルを使用して本出願人の発明を実施することは、シート付近の余分な熱がセンサの構成要素を容易に損傷することがある場合に好ましい。しかし、他の手段を使用して、コーティングから反射した拡散放射と鏡面放射を通すことが可能である。例えば、抄紙機で塗布機に続いている乾燥装置では、紙付近の温度は、何百度である可能性がある。したがって、光ファイバ・ケーブルを使用して、シートから離れた、より冷却した位置に放射検出器を配置することが可能である。熱が問題でない場合は、測定位置に対して放射検出器を局在させる代わりに、光ファイバ・ケーブルを削除することが可能である。例えば、いくつかの場合では、ゲル化点センサを抄紙機のコーティング乾燥機の直前に配置することが可能であり、その場所で、その乾燥機または複数の乾燥機内の第２ゲル化点センサに対する基準として機能することができる。この基準ゲル化点センサは、乾燥機の内側の高温条件に影響されない。したがって、光ファイバ・ケーブルを削除することができ、放射検出器の構成要素を、コーティング表面に対して局在して配置することができる。当然、本出願人は、他の放射検出器の設計（より堅牢なセンサまたはビルトイン冷却手段）が、抄紙機の乾燥装置内など、過酷な環境で動作することができるセンサの使用を可能にする可能性があることを企図している。これらの場合、過酷な条件が存在する場合でも、光ファイバ・ケーブルを削除することができる。
【００２９】
あらゆる事象において、図１のゲル化点センサを操作する際に、放射源１は、光ファイバ・ケーブル２と光操作装置４を介して、コーティングに対して放射光線を投影する。放射検出器５と６は、それぞれ光ファイバ・ケーブル７と８および光操作装置９と１０を介して、コーティングから反射された放射を調査する。放射検出器５は、コーティングからの拡散放射を調査して、拡散放射の値または信号を生成し、放射検出器６は、鏡面放射を調査して、鏡面放射の値または信号を生成する。
【００３０】
コンピュータまたはマイクロ制御装置など、計算装置または計算手段は、放射検出器５および６からの放射検出器の信号または値を受信して比較する。鏡面放射値と拡散放射値の比較は、２つの検出器からの値の比を生成することによって容易にすることができる。次いで、この比から、ゲル化点またはコーティングの乾燥特性に関する情報を抽出することができる。
【００３１】
放射検出器からの鏡面放射値と拡散放射値の比は、以下のように表すことが可能である。
Ｒ＝Ｓ1／Ｓ2 （１−１）
上式で、
Ｓ1＝拡散放射値、および
Ｓ2＝鏡面放射値
である。比Ｒと呼ぶことが可能であり、ゲル化点センサ出力またはゲル化点センサ出力値と呼ぶことにする。
【００３２】
調査しているコーティングのゲル化点より前は、コーティングは高度に反射性で、拡散放射はほとんどまたは全く発生しない。したがって、放射検出器５によって生成された値Ｓ1はゼロに近く、放射検出器６によって生成された値Ｓ2は、著しくゼロより大きい。したがって、ゲル化点より前での鏡面放射値に対する拡散放射値の比は、ほぼゼロである。
【００３３】
ゲル化点より後では、鏡面放射値と拡散放射値は互いに接近し、以前鏡面的に反射した放射のより多くの部分が、今度は拡散している。この新しく拡散された放射の部分は、放射検出機５に到達することになる。したがって、鏡面放射に対する拡散放射の比Ｒは、１に近くなる。
【００３４】
機能的に、スケーリングまたは他の処理、センサ出力の差、あるいは他のファクタは、コンピュータまたはマイクロ制御装置において、外見上の比に影響を与える可能性がある。これらのファクタは、所望であれば、較正中に削除することが可能である。例えば、鏡面センサと拡散センサの電圧出力を異なるようにスケールすることが可能である。または、互いに電圧をオフセットさせることが可能である。これに適応するために、ゲル化点センサを使用する前に、基準として１つまたは複数の標準較正タイルを使用して、センサの出力を正規化することが可能である。代替として、より容易な操作のために、センサ出力Ｒを異なる範囲、すなわちゼロから１にスケールすることが可能である。
【００３５】
鏡面放射に対する拡散放射の比の正確な範囲は、ファクタの中でも、放射検出器のタイプ、収集した全拡散放射の量、および測定しているコーティングのタイプに依存する。例えば、乾燥光沢コーティングは、乾燥マット・コーティングより、はるかに低いゲル化点センサ出力値をもたらす。物理的なコーティングの調査、または他の方法によって、湿った状態および乾燥状態にある異なるタイプのコーティングに対する比の値を決定することが可能である。次いで、これらの所定の値を基準として使用して、オンライン測定中のゲル化点を認識することが可能である。ゲル化点が既知なので、適切な制御措置を取って、コーティングまたは最終製品の質あるいはミルの効率に影響を与えることが可能である。
【００３６】
ここで、本出願人のセンサを抄紙機のコーティング乾燥機のセクションに統合することについて説明する。図２は、乾燥装置のセクションの側面図を示す。赤外乾燥機２０、２１、および２２は、３つの空気乾燥機２３、２４、および２５の上流機械として配置されている。紙２６は、左から右へ図面を横切って動き、赤外乾燥機２０の直前で適用された、湿ったコーティングで覆われている。
【００３７】
第１ゲル化点センサ２７は、コーティングの適用の直後、および第１赤外乾燥機２０の直前に配置されている。ゲル化点センサ２７は、湿ったコーティングの鏡面放射に対する拡散放射の比について、既知の値を提供する。第２ゲル化点センサ２８は、乾燥装置に沿って、ある他の点に配置されている。この図では、センサ２８は、第１空気乾燥機２３と第２空気乾燥機２４の間に配置されている。ゲル化点センサ２８によって生成された値は、鏡面放射に対する拡散放射の比に対して、中間の読みを提供する。
【００３８】
ゲル化点センサ２７からの読みを、ゲル化点センサ２８からの読みに対する基準またはベースラインとして使用することができる。例えば、ゲル化点は、ゲル化点センサ２７からゲル化点センサ２８までのゲル化点センサ出力Ｒでのあるパーセントの増大として定義することが可能である。
【００３９】
図３のグラフは、時間ｔに対する、ゲル化点センサ２８の出力Ｓ1を示す。グラフのスパイクと一時的な減少は、様々な赤外乾燥機の電源を切ったり入れたりして、それぞれがコーティングのゲル化点に影響を与える様子を調査した時間を示す。ＩおよびＩＩと名称を付けたグラフのセクションは、単一赤外乾燥機が動作しているときのゲル化点センサ２８の出力を表す。ＩＩＩと名称を付けた急激な減少は、一時的に単一赤外乾燥機の電源を切ったことを示す。ＩＶ、Ｖ、およびＶＩと名称を付けたセクションは、２つの赤外乾燥機の電源が入っている時間を表す。ＶＩＩおよびＶＩＩＩと名称を付けた急激な減少は、２つの動作している赤外乾燥機のうち、一時的に１つの電源を切ったことを示す。ＩＸと名称を付けたセクションは、３つの赤外乾燥機に全て電源が入っている時間を表す。Ｘと名称を付けた谷は、３つの赤外乾燥機全てを同時に一時的に電源を切り、次いで電源を入れたことを表す。
【００４０】
図３のグラフのデータを使用するために、設計者は、乾燥コーティングを表す、ゲル化点センサ出力または出力範囲Ｓ1を予め選択しておかなければならない。例えば、設計者は、７ボルトまたはそれより大きい出力センサＳ1が図３の乾燥コーティングを表し、図３の７ボルトより小さいゲル化点センサ出力Ｓ1が湿ったコーティングまたはゲル化点未満のコーティングを表す、としてもよい。これは、例えば、独立した乾燥速度測定手段、オフライン・ゲル化点センサを使用することによって、または肉眼あるいは触覚で検査することによって決定してもよい。
【００４１】
図３で７ボルトを仮定することは、乾燥コーティングが、図２のゲル化点センサ２８を通過しているときを表し、グラフのセクションＶＩからセクションＩＸへの移行によって示すように、第３赤外乾燥機の電源を入れても、ゲル化点センサ２８の出力は何ら大きな変化を示さないので、コーティングを乾燥するには、３つの赤外乾燥機（および１つの空気乾燥機）のうち２つのみが必要であることがわかる。さらに、ゲル化点センサ２８からの出力は、第１空気乾燥機２３より後では７ボルトより大きいので、コーティングが第１空気乾燥機２３の直後ですでに乾燥しているときは、第２乾燥機２４と第３乾燥機２５は必要ない。
【００４２】
当然、図２に示したシステムにさらにゲル化点センサを追加した場合、より正確なゲル化点の位置を決定することが可能である。例えば、第３赤外乾燥機２２と第１空気乾燥機２３の間にゲル化点センサを配置することによって、ユーザは、ゲル化点が、第１空気乾燥機の前、または内部で生じるかを決定することができる。この決定により、例えば、ゲル化点が第１空気乾燥機の前で生じる場合、第１空気乾燥機の電源を切る、またはＩＲ乾燥機の温度の低減を促進することになる。
【００４３】
代替、または追加として、ゲル化点センサを第２空気乾燥機２４と第３空気乾燥機２５の間に配置することが可能であり、また、１つまたは複数の赤外乾燥機の電源を切るあるいは温度を調節して、より少ない赤外乾燥機の電源が入っているときに、第２および第３空気乾燥機が完全に紙を乾燥するかを決定することが可能である。さらに、本出願人のゲル化点センサの設計は簡単なので、この方式で複数のゲル化点センサを配置することにかかるコストは法外ではない。
【００４４】
当業者なら気付いているように、シート形成機械を複数のグレードまたはタイプのウェブまたはシートに使用することが可能であり、通常、各シートおよび／またはコーティングのタイプは、異なる乾燥速度を有する。したがって、各乾燥機の後にゲル化点センサを追加することによって、オンライン連続制御を使用して、異なる乾燥機の構成について、手作業の調整または実験をほとんどせずに、より多いあるいはより少ない乾燥機あるいは新しい乾燥機のセッティングの必要性を継続的に再評価することが可能である。乾燥装置に関するこの近接した監視と制御の主要な利点は、コーティングと下にある紙を損傷または品質低下することを防止することである。しかし、シートが乾燥した後は、乾燥機の操作に使用するエネルギーは必要ないので、プラントの効率と乾燥機の寿命も改善することができる。
【００４５】
例として、コーティングのセクションに続いて乾燥装置の制御を使用してきたが、ゲル化点およびゲル化点センサの出力を使用して、シート・ミルまたはシート・プラントで、他の作業を実施することが可能である。例えば、ゲル化点センサを使用して、コーティング装置のセッティング、ラインの速度、コーティングの構成、または他のファクタの数を変更することが可能である。
【００４６】
図１の本出願人の基本的なゲル化点センサを他のセンサ手段と組み合わせて、他のタイプの測定を実施することおよび／または他のシートの特性を監視することが可能である。例えば、この機能のために、スペクトルメータを用意することが可能である。図４は、スペクトロメータ４０を追加して修正した図１のゲル化点センサを示す。スペクトロメータは、同じファイバ光ケーブル４２から拡散放射を受信し、光スプリッタ４１を介して放射を拡散放射検出器４３に進める。図１のゲル化点センサに対する放射源は、特有の要件の影響を受けないが、図で４４と名称を付けた図４のゲル化点センサに対する放射源は、スペクトロメータに所望の範囲の放射周波数を提供する広帯域放射源でなければならない。図では、簡単な光バルブを広帯域源として使用している。ゲル化点センサの残りの部分は、図１と同じである。
【００４７】
スペクトロメータ４０は、ゲル化点センサ３によって測定した特性とは異なる、少なくとも第２のシートに関する特性を測定する可能性があるが、複数の他のシートに関する特性を測定する可能性がより高い。さらに、スペクトロメータについて記述してきたが、スペクトロメータの代わりに、第２ボロメータ、他のタイプの赤外検出器、音響ベースの装置、または他の構成要素など、他のタイプのセンサも可能である。
【００４８】
本出願人の設計から光ファイバ・ケーブルを削除したゲル化点センサを図５に示す。図では、放射源５２の両側にある２つの放射検出器５０および５１が、それぞれ鏡面放射検出器および拡散放射検出器として機能する。ゲル化点センサは傾斜しており、検出器５０が主にコーティングからの鏡面放射反射を受信し、拡散放射反射のみが放射検出器５１に到達するようになっている。図５のシステムは、例えば、図２の基準ゲル化点センサ２７など、ゲル化点センサが、オフライン・ゲル化点測定に対する極度の熱の影響を受けない応用に、または、冷却システムがゲル化点センサに追加されている場合に、有用である。冷却は、ファン、冷媒、熱遮断、または他の手段などによって実施することができる。
【００４９】
また、図５のゲル化点センサは、坪量、光沢、または繊維の向きの測定など、システムの他の機能と併せて使用することが可能である。当業者なら気付いているように、多くのシートの特性を測定するには、鏡面放射ではなく、拡散放射を使用する。したがって、図５のシステムを使用してこれら他のタイプの測定を実施するために、センサ・ユニットを２つの向きの間で回転させること、または、適切に角度をつけたセンサ・ユニットの他の放射検出器を使用して、これら他のタイプの測定を実施することが可能である。
【００５０】
上述したシステムは、オンライン測定に対して価値のある使用法を有しているが、本出願人のシステムを使用して、オフライン・セッティングでの乾燥中に、効果的にコーティングを監視し、特徴付け、またはコーティングの問題に対応することも可能である。乾燥特性を監視することは、乾燥時間に関する異なるコーティングの構成の効果を決定し、これらのファクタをコーティングの質に関係付け、コーティングの質の問題に関する原因を認識し、または、単に異なるコーティングおよびベース材料用に乾燥方式を開発するために有用である。さらに、オフラインのデータを使用して、オンライン・ゲル化点センサ・システムを較正することに役立てることが可能である。
【００５１】
図６は、マイラ上の実験室の「ドローダウン」（すなわち手作業で用いたコーティング）に対する一般的な乾燥曲線を示す。図では、ｙ軸は、時間に対し１０でスケールしたセンサ出力Ｒを示す。通常、コーティングのエンジニアは、乾燥曲線の第１および第２臨界ソリッド位置に関心がある。第１臨界ソリッド位置は、その曲線が上方に曲がるところであり、図６のグラフでは６０と名称を付けている。第２臨界ソリッド位置は、曲線が再び水平へと曲がるところであり、図６のグラフでは６１と名称を付けている。
【００５２】
例えば、第１臨界ソリッド位置は、乾燥開始後、どのくらいでコーティングの溶媒が蒸発し始めるかを決定する。この点が非常に早く生じる場合、下にあるコーティングが乾燥する機会を有する前に、コーティングの表面が乾燥する可能性がある。これは、下にあるコーティングが乾燥する効率を低減するだけでなく、コーティングの表面とコーティングの内部の収縮が異なるために、クラックまたは気泡を生じる可能性がある。第２臨界ソリッド位置は、通常第１臨界ソリッド位置を基準にして調査され、乾燥曲線の傾斜を調査するために使用される。傾斜から、必要な乾燥装置に対する温度のセッティング、および数とタイプ、並びに、シートがラインを通って動くことが可能である最大乾燥速度を決定する。傾斜が非常に急である場合、乾燥が生じるときを追跡することは困難な可能性があり、過乾燥のために、シートまたはコーティングの損傷が生じる可能性がより高くなる。傾斜が非常にゆるい場合、そのコーティングを使用するオンライン・プロセスは、コーティングが乾燥することを可能にするために、望ましくない量だけ速度を遅くしなければならない可能性がある。
【００５３】
また、乾燥曲線の傾斜は、中間乾燥点、複数の溶媒の蒸発位置、または他のプロセス特性に手がかりを提供することができるので、有用である。
【００５４】
オフラインのグラフによって提供された情報により、コーティングの構成または厚さ、ラインの速度、コーティング装置の動作、加熱装置の動作、または他のプロセスのファクタを調節して、最良のコーティング製品を完成することが可能である。また、その情報を使用して、他の手段では解決することができない、コーティングに関する問題に対応することが可能である。
【００５５】
また、オフライン・システムは、乾燥時間に対する異なるベース材料またはコーティング構成の変形形態の効果を比較することにおいて有用である。例えば、図７は、紙に対するダル・コーティングのゲル化点センサ出力Ｒと、紙に対する光沢コーティングのゲル化点センサ出力の比較を示す。図では、ダル・コーティングは７０と名称を付け、光沢コーティングは７１と名称を付けている。図８のグラフでは、マイラに対する光沢コーティングのゲル化点センサ出力８０と、紙に対する同じ光沢コーティングのゲル化点センサ出力がプロットされている。図７と８の両方において、乾燥特性の明瞭な違いを認識することができる。
【００５６】
例えば、オフラインで生成したそのようなグラフを使用して、ミルの乾燥／コーティング・セクションをプログラムすることが可能であり、したがって、コーティングのタイプを代替することが可能である。新しいコーティングを選択したとき、乾燥装置は、単に図７および８に示すようなグラフを使用して予め決定した乾燥特性を選択することによって、自動的に調節することができる。
【００５７】
したがって、本明細書で開示した発明は、その精神、またその一般的な特性から逸脱せずに、すでにいくつかの形態に付いては示している他の特有の形態で実現することが可能なので、本明細書で記述した実施形態は、あらゆる点で例示的であり、限定的ではないと見なすべきである。例えば、本出願人の発明をオンライン・システムについて使用して記述したが、オフライン・ステーション、または運動するコーティング、あるいは運動しないコーティングについて使用することも可能である。本発明の範囲は、以上の記述ではなく、添付の請求項によって示されており請求項の同等物の意味および範囲内にある全ての変更は請求項に包含されることを意図している。
【図面の簡単な説明】
【図１】 光ファイバ・ケーブルを使用する本出願人の発明によるゲル化点センサの実施形態の図である。
【図２】 乾燥装置の配置と、乾燥装置内における本出願人のゲル化点センサの１つの可能な配置の概略図である。
【図３】 図２のシステムによるゲル化点センサの出力のグラフである。
【図４】 ゲル化点センサ、並びにコーティングまたは下にあるシートの選択した副次的特性を測定する第２センサ手段を含む、本出願人の発明の実施形態の図である。
【図５】 コンパクトな源と検出器を使用し、その源と検出器がコーティングの表面付近に局在している、本出願人のゲル化点センサの実施形態である。
【図６】 マイラの上の光沢コーティングに対する、ゲル化点センサの実験室データの図である。
【図７】 同じ紙質の上の光沢コーティングとダル・コーティングのゲル化点センサのデータを比較した図である。
【図８】 マイラに適用した光沢コーティングと紙に適用した同じ光沢コーティングのゲル化点センサのデータを比較した図である。
（発明の背景）
（発明の分野）
本発明は、一般に、ウェブまたはシートに用いたコーティングを監視することに関する。より詳細には、これらのコーティングの乾燥速度を監視することに関する。
【０００２】
（従来技術の説明）
シートまたはウェブの材料にコーティングすることは、いくつかの異なる産業分野で共通のプロセスである。特に製紙業では、コーティング、クレイ、ラテックス、またはＣａＣＯ3などの保管構成要素は、その下にあるウェブまたはシートの吸収性、安定性、光沢、印刷可能性、または他の特徴に影響を与える。プラスチックなどの他の産業分野では、コーティングは、製品の最も重要な部分である可能性がある（すなわち、写真用のコーティング）。
【０００３】
オンライン・セッティングでは、通常、コーティングは、多くのタイプのコーティング装置（すなわち塗布機）を使用している。通常、これらの装置は、水などの溶媒に懸濁している液体の形態のコーティングを保有して適用を容易にし、ベース・シートとの結合を向上させる。ブレードまたはナイフを使用して、ベース・シートがコーティング装置を通過して動くときに、ベース・シートに沿ってコーティングを散布する。コーティング装置には、１つまたは複数の乾燥装置（すなわち乾燥機）が続いており、これは、熱および／または動いている空気を使用して、ベース・シート上にソリッドまたは半ソリッドのコーティング層を残したまま、コーティングから溶媒を蒸発させる。
【０００４】
コーティングの乾燥速度は、ミルまたはプラントの効率のファクタであると共に、コーティングの質、最終的なシート製品の質、およびコーティング適用プロセス中に使用するエネルギー量の重要なファクタになり得る。コーティングの乾燥速度に影響するファクタは、ミルの環境、塗布機のセッティング、乾燥機のセッティング、ベース・シートの特性、並びにコーティングの量と構成要素のタイプなどを含む。さらに、コーティングを乾燥させる際に、蒸発および／またはベース・シートによって吸収される溶媒のタイプと量も、コーティングの乾燥時間に影響を与える。
【０００５】
読者がおそらく気付いているように、用いたコーティングの質は、いくつかの理由で重要である。コーティングしたシートで、目に見えるような質と均一性の変化は、明らかに回避すべきことである。さらに、目に見えない変化であっても、印刷など、用いたコーティングを他の処理のベースとして使用する場合には、重要な場合がある。最後に、コーティングは、湿気、熱、または日光など環境のファクタに対して、機械の耐久性と保護とを行っている。
【０００６】
コーティングの乾燥速度は、いくつかの方式で、コーティングの質と最終的なシートの質に影響を与える。シートが湿っているとき、乾燥機の熱は、コーティングの溶媒が、液体から蒸気に状態変化をする際に、コーティングによって吸収される。しかし、コーティングまたはコーティングの表面が乾燥した（すなわち、コーティングの溶媒がほとんど蒸発した）後は、余分の熱は、もはやコーティングの溶媒によって吸収されない。むしろ、乾燥状態にあるベース材料およびコーティングによって吸収される。これは、容易に燃焼またはクラックすることがある。一方、コーティングが非常にゆっくり乾燥する場合、コーティングは、製造ラインの構成要素またはシートの他のセクションに染みをつけるまたは張り付くことがある（すなわち、コーティングがまだ湿っている間にシートがロールされる場合）。したがって、乾燥速度を監視して、コーティング全体と最終的な製品の質を向上させ、並びに製品の浪費を防止することができる。
【０００７】
コーティングの乾燥速度を監視することは、他の利点も有する。これにより、コーティング乾燥機のセクションが終了する前にコーティングが乾燥するとき、必要でない乾燥装置の電源を切るまたは選択した乾燥装置を低温セッティングに設定することによって、浪費するエネルギー量を低減し、乾燥機の寿命を延長することができる。実際、必要でない乾燥機の電源を切ることは、シートの燃焼を防止し、またはそうでなくても乾燥機の余分な熱のためにシートが損傷するのを防止する１つの方法である。
【０００８】
現在、温度センサを使用して、多くのシート・ミルおよびシート・プラントでコーティングが乾燥するときを監視する。通常、温度センサは、塗布機に続く乾燥機またはその付近に配置され、コーティングが乾燥しているとき、シートの温度の上昇を記録する。これらの乾燥環境では温度が過酷なので、熱電対または他の堅牢な温度装置は、乾燥機内で温度を測定することが好ましい。残念ながら、熱電対は、シートが乾燥機を通過する速度と比較して、比較的遅い温度測定装置である。また、温度センサがシートの温度が上昇したことを記録した後は、過乾燥のためにすでにシートに損傷が生じている可能性があるので、コーティングの乾燥速度を監視するために温度を使用することは欠点である。
【０００９】
また、離れて配置されたＩＲ温度センサが使用されてきたが、これらのタイプのセンサは、非常に正確ではなく、読取りが、乾燥中に変化する表面の放出性に依存している。
【００１０】
乾燥速度を監視することは、コーティングの１つまたは複数の「ゲル化点」の位置を監視することによって達成することが理想的である。ゲル化点は、コーティングの溶媒が用いたコーティング層から蒸発する際に、コーティング構成要素が、ソリッド集合体の半ソリッドネットワークを形成する時を明確にする。ほとんどまたは全ての主要コーティング構成要素がこのゲル化点に達したとき、コーティングは、実質的に乾燥していると見なされる。
【００１１】
現在、シートまたはウェブの材料上にあるコーティングのゲル化点を監視する装置は存在していない。
【００１２】
（発明の概要）
本発明は、コーティングのゲル化点を使用して、シートまたはウェブの材料上にあるコーティングの乾燥速度を監視する手段および方法の必要性に対処する。本出願人のシステムでは、センサを使用して、コーティングから反射された鏡面放射と拡散放射を比較する。特定の好ましい実施形態では、鏡面放射と拡散放射の比を使用して、ゲル化点を特定する。
【００１３】
オンライン・システムでは、ゲル化点は既知なので、コーティングの乾燥速度を増大または低減することができ、コーティングの構成を変更することが可能であり、または設計者の要求に適応するように、コーティング装置または乾燥装置のセッティングを変更することが可能である。設計者は、コーティングまたは最終製品の質あるいは均一性、またはミルの効率などのファクタに基づいて、作業を選択することが可能である。
【００１４】
オフライン・システムでは、ゲル化点を使用して、異なるコーティングの配合またはベース材料の乾燥時間を比較し、乾燥装置またはコーティング装置の構成を開発し、またはコーティングの問題に対応することが可能である。
【００１５】
本出願人の方法を実施するシステムは、放射源から放射された光線をコーティング上の測定位置に向け、測定位置でコーティングを調査する第１および第２放射検出器を設けることによって達成することが可能である。一方の放射検出器は、鏡面放射を収集するように配置され、他方の放射検出器は、拡散放射のみを収集するように配置される。これら２つの値の比を使用して、測定位置に対するゲル化点の位置を決定する。またはオフライン・システムでは、監視した乾燥コーティングについて、これら２つの値の比の特徴的な曲線を作成する。
【００１６】
本発明の１つの目的は、コーティングの乾燥速度、ゲル化点、および乾燥特性を監視する比接触性の方法を提供することである。
【００１７】
本発明の他の目的は、精度と速度を向上させた、簡単で、コンパクトなコーティング状況測定センサを提供することである。
【００１８】
本発明のさらに他の目的は、コーティングのゲル化点を測定することを含む、複数シートの特性測定システムを提供することである。
【００１９】
本発明のさらに他の目的は、異なるタイプのコーティング、その乾燥速度、および乾燥特性に関する実験室での研究（すなわちオフライン）用のシステムを提供することである。
【００２０】
本出願人のシステムに関する他の利点は、後続する以下の詳細な記述を読むことにより明らかになるであろう。
【００２１】
（詳細な説明）
図１は、本出願人の発明によるゲル化点センサの１つの実施形態を示す。この図では、この場合はレーザ・ダイオードである放射源１からの放射が、光ファイバ・ケーブル２を介して、調査するコーティング３の表面近くの位置に導かれる。この光源は、任意の数またはタイプの広帯域源または狭帯域源とすることが可能である。例えば、正規の光バルブおよびＬＥＤは、両方とも、示した光源に対する適切な代替放射源である。レンズなど放射光線を方向付ける手段、または光操作装置４と認識された手段は、放射を光線に収束またはコリメートし、その光線をコーティング３上の測定位置１１に投影する。
【００２２】
コーティングは、紙、プラスチック、ガラス、金属、布または他の材料などの基材の上にある。調査するコーティングのタイプは、湿った状態から乾燥状態に変化するときに、光の反射特性の変化を示す任意のタイプのコーティングとすることが可能である。例えば、測定する表面は、ラテックス、クレイ、炭化カルシウム、シリコン、またはプラスチックの複合物でコーティングした紙またはマイラとすることが可能である。以下の記述に基づいて、紙または他のタイプの基材の上にある他のタイプのコーティングが、本出願人の発明に適していることが、当業者にはわかるであろう。
【００２３】
第１放射検出器５および第２放射検出器６は、それぞれ光ファイバ・ケーブル７および８を介して、測定位置１１でコーティング３からそれぞれ反射された拡散放射および鏡面放射を調査する。レンズまたは光フィルタなど、光操作装置９および１０は、コーティングから反射された放射を収集し、その後、光ファイバ・ケーブル７および８内へ通過させる。
【００２４】
光操作装置９は、コーティング３からの拡散放射（すなわち鏡面放射でない）のみを受信するように配置されており、光操作装置１０は、コーティング３からの主要な鏡面放射を受信するように配置されている。光操作装置を配置する最も簡単な方法は、コーティング表面の法線に対して放射源を第１角度の方向に傾け、コーティング表面の法線に対して光操作装置１０を第１角度と同じだけ反対側に傾けることである。光操作装置９は、この角度以外の任意の位置に配置して、拡散放射のみを受信することが可能である。
【００２５】
例えば、１つの実行可能な角度の設定は、光操作装置９を紙の表面に対して垂直に配置し、光操作装置１０と光操作装置４を、コーティング表面の法線に対して約３０°および−３０°の角度に配置することである。しかし、約５°という低い角度、並びにはるかにより高い角度を使用することが可能である。
【００２６】
通常、光操作装置４、９、および１０は、光ファイバ・ケーブル内にまたはそれの外に、放射を収束させるレンズを含む。これらの装置は、フィルタ、スプリッタなど、読者の設計または応用に必要な、より複雑な構成要素を含むことが可能である。図１のゲル化点を示し、光操作装置４、９、および１０を使用して記述したが、これらの構成要素は、ある条件では削除することができる。しかし、これらを備えないあらゆるシステムは、依然として、コーティング表面に投影された放射を収束またはコリメートしなければならない。さらに、そのようなあらゆるシステムは、拡散放射のみが放射検出器５に到達し、主として反射放出が放射検出器６に到達するようにしなければならない。
【００２７】
放射検出器５および６は、赤外放射を監視することが可能であるボロメータ、ＩＲセル、フォトセル、または他のタイプの検出器を備えることが可能である。フィルタを放射検出器に組み込み、測定する放射の特定の周波数を分離することが可能である。放射検出器は、同一タイプまたは異なるタイプとすることが可能であり、または、放射源１から受信した放射スペクトルの同一または異なる部分あるいは一部を調査することが可能である。
【００２８】
光ファイバ・ケーブルを使用して本出願人の発明を実施することは、シート付近の余分な熱がセンサの構成要素を容易に損傷することがある場合に好ましい。しかし、他の手段を使用して、コーティングから反射した拡散放射と鏡面放射を通すことが可能である。例えば、抄紙機で塗布機に続いている乾燥装置では、紙付近の温度は、何百度である可能性がある。したがって、光ファイバ・ケーブルを使用して、シートから離れた、より冷却した位置に放射検出器を配置することが可能である。熱が問題でない場合は、測定位置に対して放射検出器を局在させる代わりに、光ファイバ・ケーブルを削除することが可能である。例えば、いくつかの場合では、ゲル化点センサを抄紙機のコーティング乾燥機の直前に配置することが可能であり、その場所で、その乾燥機または複数の乾燥機内の第２ゲル化点センサに対する基準として機能することができる。この基準ゲル化点センサは、乾燥機の内側の高温条件に影響されない。したがって、光ファイバ・ケーブルを削除することができ、放射検出器の構成要素を、コーティング表面に対して局在して配置することができる。当然、本出願人は、他の放射検出器の設計（より堅牢なセンサまたはビルトイン冷却手段）が、抄紙機の乾燥装置内など、過酷な環境で動作することができるセンサの使用を可能にする可能性があることを企図している。これらの場合、過酷な条件が存在する場合でも、光ファイバ・ケーブルを削除することができる。
【００２９】
あらゆる事象において、図１のゲル化点センサを操作する際に、放射源１は、光ファイバ・ケーブル２と光操作装置４を介して、コーティングに対して放射光線を投影する。放射検出器５と６は、それぞれ光ファイバ・ケーブル７と８および光操作装置９と１０を介して、コーティングから反射された放射を調査する。放射検出器５は、コーティングからの拡散放射を調査して、拡散放射の値または信号を生成し、放射検出器６は、鏡面放射を調査して、鏡面放射の値または信号を生成する。
【００３０】
コンピュータまたはマイクロ制御装置など、計算装置または計算手段は、放射検出器５および６からの放射検出器の信号または値を受信して比較する。鏡面放射値と拡散放射値の比較は、２つの検出器からの値の比を生成することによって容易にすることができる。次いで、この比から、ゲル化点またはコーティングの乾燥特性に関する情報を抽出することができる。
【００３１】
放射検出器からの鏡面放射値と拡散放射値の比は、以下のように表すことが可能である。
Ｒ＝Ｓ1／Ｓ2 （１−１）
上式で、
Ｓ1＝拡散放射値、および
Ｓ2＝鏡面放射値
である。比Ｒと呼ぶことが可能であり、ゲル化点センサ出力またはゲル化点センサ出力値と呼ぶことにする。
【００３２】
調査しているコーティングのゲル化点より前は、コーティングは高度に反射性で、拡散放射はほとんどまたは全く発生しない。したがって、放射検出器５によって生成された値Ｓ1はゼロに近く、放射検出器６によって生成された値Ｓ2は、著しくゼロより大きい。したがって、ゲル化点より前での鏡面放射値に対する拡散放射値の比は、ほぼゼロである。
【００３３】
ゲル化点より後では、鏡面放射値と拡散放射値は互いに接近し、以前鏡面的に反射した放射のより多くの部分が、今度は拡散している。この新しく拡散された放射の部分は、放射検出機５に到達することになる。したがって、鏡面放射に対する拡散放射の比Ｒは、１に近くなる。
【００３４】
機能的に、スケーリングまたは他の処理、センサ出力の差、あるいは他のファクタは、コンピュータまたはマイクロ制御装置において、外見上の比に影響を与える可能性がある。これらのファクタは、所望であれば、較正中に削除することが可能である。例えば、鏡面センサと拡散センサの電圧出力を異なるようにスケールすることが可能である。または、互いに電圧をオフセットさせることが可能である。これに適応するために、ゲル化点センサを使用する前に、基準として１つまたは複数の標準較正タイルを使用して、センサの出力を正規化することが可能である。代替として、より容易な操作のために、センサ出力Ｒを異なる範囲、すなわちゼロから１にスケールすることが可能である。
【００３５】
鏡面放射に対する拡散放射の比の正確な範囲は、ファクタの中でも、放射検出器のタイプ、収集した全拡散放射の量、および測定しているコーティングのタイプに依存する。例えば、乾燥光沢コーティングは、乾燥マット・コーティングより、はるかに低いゲル化点センサ出力値をもたらす。物理的なコーティングの調査、または他の方法によって、湿った状態および乾燥状態にある異なるタイプのコーティングに対する比の値を決定することが可能である。次いで、これらの所定の値を基準として使用して、オンライン測定中のゲル化点を認識することが可能である。ゲル化点が既知なので、適切な制御措置を取って、コーティングまたは最終製品の質あるいはミルの効率に影響を与えることが可能である。
【００３６】
ここで、本出願人のセンサを抄紙機のコーティング乾燥機のセクションに統合することについて説明する。図２は、乾燥装置のセクションの側面図を示す。赤外乾燥機２０、２１、および２２は、３つの空気乾燥機２３、２４、および２５の上流機械として配置されている。紙２６は、左から右へ図面を横切って動き、赤外乾燥機２０の直前で適用された、湿ったコーティングで覆われている。
【００３７】
第１ゲル化点センサ２７は、コーティングの適用の直後、および第１赤外乾燥機２０の直前に配置されている。ゲル化点センサ２７は、湿ったコーティングの鏡面放射に対する拡散放射の比について、既知の値を提供する。第２ゲル化点センサ２８は、乾燥装置に沿って、ある他の点に配置されている。この図では、センサ２８は、第１空気乾燥機２３と第２空気乾燥機２４の間に配置されている。ゲル化点センサ２８によって生成された値は、鏡面放射に対する拡散放射の比に対して、中間の読みを提供する。
【００３８】
ゲル化点センサ２７からの読みを、ゲル化点センサ２８からの読みに対する基準またはベースラインとして使用することができる。例えば、ゲル化点は、ゲル化点センサ２７からゲル化点センサ２８までのゲル化点センサ出力Ｒでのあるパーセントの増大として定義することが可能である。
【００３９】
図３のグラフは、時間ｔに対する、ゲル化点センサ２８の出力Ｓ1を示す。グラフのスパイクと一時的な減少は、様々な赤外乾燥機の電源を切ったり入れたりして、それぞれがコーティングのゲル化点に影響を与える様子を調査した時間を示す。ＩおよびＩＩと名称を付けたグラフのセクションは、単一赤外乾燥機が動作しているときのゲル化点センサ２８の出力を表す。ＩＩＩと名称を付けた急激な減少は、一時的に単一赤外乾燥機の電源を切ったことを示す。ＩＶ、Ｖ、およびＶＩと名称を付けたセクションは、２つの赤外乾燥機の電源が入っている時間を表す。ＶＩＩおよびＶＩＩＩと名称を付けた急激な減少は、２つの動作している赤外乾燥機のうち、一時的に１つの電源を切ったことを示す。ＩＸと名称を付けたセクションは、３つの赤外乾燥機に全て電源が入っている時間を表す。Ｘと名称を付けた谷は、３つの赤外乾燥機全てを同時に一時的に電源を切り、次いで電源を入れたことを表す。
【００４０】
図３のグラフのデータを使用するために、設計者は、乾燥コーティングを表す、ゲル化点センサ出力または出力範囲Ｓ1を予め選択しておかなければならない。例えば、設計者は、７ボルトまたはそれより大きい出力センサＳ1が図３の乾燥コーティングを表し、図３の７ボルトより小さいゲル化点センサ出力Ｓ1が湿ったコーティングまたはゲル化点未満のコーティングを表す、としてもよい。これは、例えば、独立した乾燥速度測定手段、オフライン・ゲル化点センサを使用することによって、または肉眼あるいは触覚で検査することによって決定してもよい。
【００４１】
図３で７ボルトを仮定することは、乾燥コーティングが、図２のゲル化点センサ２８を通過しているときを表し、グラフのセクションＶＩからセクションＩＸへの移行によって示すように、第３赤外乾燥機の電源を入れても、ゲル化点センサ２８の出力は何ら大きな変化を示さないので、コーティングを乾燥するには、３つの赤外乾燥機（および１つの空気乾燥機）のうち２つのみが必要であることがわかる。さらに、ゲル化点センサ２８からの出力は、第１空気乾燥機２３より後では７ボルトより大きいので、コーティングが第１空気乾燥機２３の直後ですでに乾燥しているときは、第２乾燥機２４と第３乾燥機２５は必要ない。
【００４２】
当然、図２に示したシステムにさらにゲル化点センサを追加した場合、より正確なゲル化点の位置を決定することが可能である。例えば、第３赤外乾燥機２２と第１空気乾燥機２３の間にゲル化点センサを配置することによって、ユーザは、ゲル化点が、第１空気乾燥機の前、または内部で生じるかを決定することができる。この決定により、例えば、ゲル化点が第１空気乾燥機の前で生じる場合、第１空気乾燥機の電源を切る、またはＩＲ乾燥機の温度の低減を促進することになる。
【００４３】
代替、または追加として、ゲル化点センサを第２空気乾燥機２４と第３空気乾燥機２５の間に配置することが可能であり、また、１つまたは複数の赤外乾燥機の電源を切るあるいは温度を調節して、より少ない赤外乾燥機の電源が入っているときに、第２および第３空気乾燥機が完全に紙を乾燥するかを決定することが可能である。さらに、本出願人のゲル化点センサの設計は簡単なので、この方式で複数のゲル化点センサを配置することにかかるコストは法外ではない。
【００４４】
当業者なら気付いているように、シート形成機械を複数のグレードまたはタイプのウェブまたはシートに使用することが可能であり、通常、各シートおよび／またはコーティングのタイプは、異なる乾燥速度を有する。したがって、各乾燥機の後にゲル化点センサを追加することによって、オンライン連続制御を使用して、異なる乾燥機の構成について、手作業の調整または実験をほとんどせずに、より多いあるいはより少ない乾燥機あるいは新しい乾燥機のセッティングの必要性を継続的に再評価することが可能である。乾燥装置に関するこの近接した監視と制御の主要な利点は、コーティングと下にある紙を損傷または品質低下することを防止することである。しかし、シートが乾燥した後は、乾燥機の操作に使用するエネルギーは必要ないので、プラントの効率と乾燥機の寿命も改善することができる。
【００４５】
例として、コーティングのセクションに続いて乾燥装置の制御を使用してきたが、ゲル化点およびゲル化点センサの出力を使用して、シート・ミルまたはシート・プラントで、他の作業を実施することが可能である。例えば、ゲル化点センサを使用して、コーティング装置のセッティング、ラインの速度、コーティングの構成、または他のファクタの数を変更することが可能である。
【００４６】
図１の本出願人の基本的なゲル化点センサを他のセンサ手段と組み合わせて、他のタイプの測定を実施することおよび／または他のシートの特性を監視することが可能である。例えば、この機能のために、スペクトルメータを用意することが可能である。図４は、スペクトロメータ４０を追加して修正した図１のゲル化点センサを示す。スペクトロメータは、同じファイバ光ケーブル４２から拡散放射を受信し、光スプリッタ４１を介して放射を拡散放射検出器４３に進める。図１のゲル化点センサに対する放射源は、特有の要件の影響を受けないが、図で４４と名称を付けた図４のゲル化点センサに対する放射源は、スペクトロメータに所望の範囲の放射周波数を提供する広帯域放射源でなければならない。図では、簡単な光バルブを広帯域源として使用している。ゲル化点センサの残りの部分は、図１と同じである。
【００４７】
スペクトロメータ４０は、ゲル化点センサ３によって測定した特性とは異なる、少なくとも第２のシートに関する特性を測定する可能性があるが、複数の他のシートに関する特性を測定する可能性がより高い。さらに、スペクトロメータについて記述してきたが、スペクトロメータの代わりに、第２ボロメータ、他のタイプの赤外検出器、音響ベースの装置、または他の構成要素など、他のタイプのセンサも可能である。
【００４８】
本出願人の設計から光ファイバ・ケーブルを削除したゲル化点センサを図５に示す。図では、放射源５２の両側にある２つの放射検出器５０および５１が、それぞれ鏡面放射検出器および拡散放射検出器として機能する。ゲル化点センサは傾斜しており、検出器５０が主にコーティングからの鏡面放射反射を受信し、拡散放射反射のみが放射検出器５１に到達するようになっている。図５のシステムは、例えば、図２の基準ゲル化点センサ２７など、ゲル化点センサが、オフライン・ゲル化点測定に対する極度の熱の影響を受けない応用に、または、冷却システムがゲル化点センサに追加されている場合に、有用である。冷却は、ファン、冷媒、熱遮断、または他の手段などによって実施することができる。
【００４９】
また、図５のゲル化点センサは、坪量、光沢、または繊維の向きの測定など、システムの他の機能と併せて使用することが可能である。当業者なら気付いているように、多くのシートの特性を測定するには、鏡面放射ではなく、拡散放射を使用する。したがって、図５のシステムを使用してこれら他のタイプの測定を実施するために、センサ・ユニットを２つの向きの間で回転させること、または、適切に角度をつけたセンサ・ユニットの他の放射検出器を使用して、これら他のタイプの測定を実施することが可能である。
【００５０】
上述したシステムは、オンライン測定に対して価値のある使用法を有しているが、本出願人のシステムを使用して、オフライン・セッティングでの乾燥中に、効果的にコーティングを監視し、特徴付け、またはコーティングの問題に対応することも可能である。乾燥特性を監視することは、乾燥時間に関する異なるコーティングの構成の効果を決定し、これらのファクタをコーティングの質に関係付け、コーティングの質の問題に関する原因を認識し、または、単に異なるコーティングおよびベース材料用に乾燥方式を開発するために有用である。さらに、オフラインのデータを使用して、オンライン・ゲル化点センサ・システムを較正することに役立てることが可能である。
【００５１】
図６は、マイラ上の実験室の「ドローダウン」（すなわち手作業で用いたコーティング）に対する一般的な乾燥曲線を示す。図では、ｙ軸は、時間に対し１０でスケールしたセンサ出力Ｒを示す。通常、コーティングのエンジニアは、乾燥曲線の第１および第２臨界ソリッド位置に関心がある。第１臨界ソリッド位置は、その曲線が上方に曲がるところであり、図６のグラフでは６０と名称を付けている。第２臨界ソリッド位置は、曲線が再び水平へと曲がるところであり、図６のグラフでは６１と名称を付けている。
【００５２】
例えば、第１臨界ソリッド位置は、乾燥開始後、どのくらいでコーティングの溶媒が蒸発し始めるかを決定する。この点が非常に早く生じる場合、下にあるコーティングが乾燥する機会を有する前に、コーティングの表面が乾燥する可能性がある。これは、下にあるコーティングが乾燥する効率を低減するだけでなく、コーティングの表面とコーティングの内部の収縮が異なるために、クラックまたは気泡を生じる可能性がある。第２臨界ソリッド位置は、通常第１臨界ソリッド位置を基準にして調査され、乾燥曲線の傾斜を調査するために使用される。傾斜から、必要な乾燥装置に対する温度のセッティング、および数とタイプ、並びに、シートがラインを通って動くことが可能である最大乾燥速度を決定する。傾斜が非常に急である場合、乾燥が生じるときを追跡することは困難な可能性があり、過乾燥のために、シートまたはコーティングの損傷が生じる可能性がより高くなる。傾斜が非常にゆるい場合、そのコーティングを使用するオンライン・プロセスは、コーティングが乾燥することを可能にするために、望ましくない量だけ速度を遅くしなければならない可能性がある。
【００５３】
また、乾燥曲線の傾斜は、中間乾燥点、複数の溶媒の蒸発位置、または他のプロセス特性に手がかりを提供することができるので、有用である。
【００５４】
オフラインのグラフによって提供された情報により、コーティングの構成または厚さ、ラインの速度、コーティング装置の動作、加熱装置の動作、または他のプロセスのファクタを調節して、最良のコーティング製品を完成することが可能である。また、その情報を使用して、他の手段では解決することができない、コーティングに関する問題に対応することが可能である。
【００５５】
また、オフライン・システムは、乾燥時間に対する異なるベース材料またはコーティング構成の変形形態の効果を比較することにおいて有用である。例えば、図７は、紙に対するダル・コーティングのゲル化点センサ出力Ｒと、紙に対する光沢コーティングのゲル化点センサ出力の比較を示す。図では、ダル・コーティングは７０と名称を付け、光沢コーティングは７１と名称を付けている。図８のグラフでは、マイラに対する光沢コーティングのゲル化点センサ出力８０と、紙に対する同じ光沢コーティングのゲル化点センサ出力がプロットされている。図７と８の両方において、乾燥特性の明瞭な違いを認識することができる。
【００５６】
例えば、オフラインで生成したそのようなグラフを使用して、ミルの乾燥／コーティング・セクションをプログラムすることが可能であり、したがって、コーティングのタイプを代替することが可能である。新しいコーティングを選択したとき、乾燥装置は、単に図７および８に示すようなグラフを使用して予め決定した乾燥特性を選択することによって、自動的に調節することができる。
【００５７】
したがって、本明細書で開示した発明は、その精神、またその一般的な特性から逸脱せずに、すでにいくつかの形態に付いては示している他の特有の形態で実現することが可能なので、本明細書で記述した実施形態は、あらゆる点で例示的であり、限定的ではないと見なすべきである。例えば、本出願人の発明をオンライン・システムについて使用して記述したが、オフライン・ステーション、または運動するコーティング、あるいは運動しないコーティングについて使用することも可能である。本発明の範囲は、以上の記述ではなく、添付の請求項によって示されており請求項の同等物の意味および範囲内にある全ての変更は請求項に包含されることを意図している。
【図面の簡単な説明】
【図１】 光ファイバ・ケーブルを使用する本出願人の発明によるゲル化点センサの実施形態の図である。
【図２】 乾燥装置の配置と、乾燥装置内における本出願人のゲル化点センサの１つの可能な配置の概略図である。
【図３】 図２のシステムによるゲル化点センサの出力のグラフである。
【図４】 ゲル化点センサ、並びにコーティングまたは下にあるシートの選択した副次的特性を測定する第２センサ手段を含む、本出願人の発明の実施形態の図である。
【図５】 コンパクトな源と検出器を使用し、その源と検出器がコーティングの表面付近に局在している、本出願人のゲル化点センサの実施形態である。
【図６】 マイラの上の光沢コーティングに対する、ゲル化点センサの実験室データの図である。
【図７】 同じ紙質の上の光沢コーティングとダル・コーティングのゲル化点センサのデータを比較した図である。
【図８】 マイラに適用した光沢コーティングと紙に適用した同じ光沢コーティングのゲル化点センサのデータを比較した図である。
Claims (6)
- ゲル化点を監視することによって、ウェブまたはシートに施されたコーティング（３）の乾燥速度を監視する方法であって、この方法は、
収束またはコリメートした放射光線を、コーティングの測定位置（１１）に投影するステップと、
コーティングから反射された放射光線によって生成された鏡面放射を調査して、鏡面放射値を生成するステップとを具備し、更にこの方法は、
コーティングから反射された放射光線によって生成された拡散放射を調査して、拡散放射値を生成するステップと、
拡散放射値対鏡面放射値の比率（Ｒ）を得るために鏡面放射値と拡散放射値を比較するステップと
コーティングの乾燥特性（時間（Ｔ）と拡散放射値対鏡面放射値の比率（Ｒ）との相関関係）に関する情報を取り出すステップとを具備し、
測定位置に対するゲル化点についての情報を抽出すること、
を特徴とする方法。 - 鏡面放射値と拡散放射値を比較し、ゲル化点の位置がコーティング上のゲル化点の測定位置の前または後ろにあるかを調査する請求項１に記載の方法。
- コーティングが、コリメートした放射光線に対して動き、
抽出したゲル化点情報を使用して、コーティングの乾燥速度を制御する請求項１に記載の方法。 - 乾燥速度が、１つまたは複数の操作乾燥装置の数またはタイプ、あるいは前記乾燥装置の条件を低減することによって制御される請求項３に記載の方法。
- コーティングが、コリメートした放射光線に対して静止しており、
抽出したゲル化点情報が、監視したコーティングの乾燥特性（時間（Ｔ）と拡散放射値対鏡面放射値の比率（Ｒ）との相関関係）を特定するために使用される請求項１に記載の方法。 - 乾燥特性を使用して、乾燥装置に対して、所定の乾燥プログラムを生成する請求項５に記載の方法。
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