JP4843030B2 - 補助マニホールドからの流体流れを利用して高分子材料をメルトブローイングするための方法及び装置 - Google Patents

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、２００５年５月２３日に出願された米国仮特許出願第６０／６８３，６４３号の利益を主張する。

（発明の分野）
本発明は、不織布高分子材料を製造するメルトブローイング工程に関する。より具体的には、本発明は、メルトブローイングダイから出現する繊維に二次流れを分配するダクトと共に補助マニホールドからの流体流れを利用しながらメルトブローイングすることに関する。

有用な特性を有する不織布ウェブがメルトブローイング工程を使用して形成することができ、そのメルトブローイング工程において、フィラメントは、熱空気又は他の細化用流体を使用して繊維へと細化される間、一連の小オリフィスから押し出される。細化された繊維は、遠隔配置したコレクタ又は他の適した表面上でウェブへと形成される。

さらに最近では、繊維がオリフィスから押し出され細化された後に、ただしコレクタに衝突する前に、その繊維に流体の二次流れをどのようにして向けることができるかについて、この分野における文献で説明されている。二次流れの速度及び温度を操作することにより、繊維の特性を、従ってその繊維がコレクタに形成する不織布ウェブの特性を、有用な方式で改善することができる。

しかしながら、二次流れをこの方式で使用するには制限がある。布地の形成の速度を増加すると、ある時点で既知の技法は失敗する。細化用流体の流れと二次流体の流れは、生産速度が上昇すると、望ましくない方式で相互作用し始める。現れ始める１つの具体的な不良状態は、旋回する再循環領域がオリフィスの下流に出現することである。出現する繊維の一部は、その再循環領域に吹き込まれ、又望ましくない方向に吹き飛ばされて、無駄が生じ、生産量が減少し、設備が汚染する。不織布ウェブの不均一性を改善するための努力が絶えずなされてきた。繊維特性に対する二次流れの利点を、生産コストを減じる高い生産速度へと拡張しうる機構が、当技術分野において望まれている。

本発明の実施形態は、再循環領域を減少させ、それによって、ダイ面に付着する浮遊繊維の量を減少させる方法及び装置を提供することによって、これらの問題及び他の問題に対処する。補助マニホールドが、クエンチガスの流れとダイのオリフィスとの間に流体を分配する。マニホールドからの流体は低圧領域を減少させ、それによって、クエンチガスの再循環を減少させる。その結果、ダイ面における浮遊繊維の量も又、減少する。

一実施形態は、高分子材料を放出するための複数のフィラメントオリフィスを有するダイを有するメルトブローイング装置である。少なくとも１つのダクトが、放出された高分子材料にガスの流れを向けるように配置されている。その実施形態は、ダイ及び少なくとも１つのダクトに対して配置された少なくとも１つの補助マニホールドであって、流体が、流れとフィラメントオリフィスとの間で補助マニホールドから分配され、それによって、高分子材料を再循環領域から実質的に分離するような補助マニホールドである。実際にはしばしば十分であるが、２つのダクトが設けられ、放出されるポリマーのカーテンの両側に１つが設けられる。そのような場合、２つの補助マニホールドを有し、それぞれを、対応する再循環領域から高分子材料を分離するように配置することが好ましい。

好ましい実施形態において、補助マニホールドは、流体を、フィラメントオリフィスの位置の長さに沿って、実質的に均一な単位長さ当たりの質量流れで分配する。以下の詳細な説明においては、流体が圧縮性である場合にも、実質的に均一な質量流れを分配するマニホールドを好都合に調整する方法について説明することにする。

本発明の別の実施形態は、高分子材料を放出するための複数のフィラメントオリフィスを有するダイであって、そのダイの中の複数の空気ナイフからの空気の流れに乗せられる高分子材料の流れを放出するダイを有するメルトブローイング装置である。少なくとも１つのダクトが、放出された高分子材料へ向かう方向で且つダイから離れる方向にガスの二次流れを向けるように配置されている。又、少なくとも１つの補助マニホールドが、二次流れと高分子材料の流れとの間の位置へ、且つダイに隣接するガスの再循環領域の範囲に向かって、二次流れの質量流速未満の質量流速で補助マニホールドから流体が分配され、それによって、再循環領域をダクトと複数のオリフィスとの間で実質的に分離するように、ダイ及び少なくとも１つのダクトに対して配置されている。

本発明の別の態様は、
高分子材料をダイの複数のフィラメントオリフィスから放出するステップと、
放出された前記高分子材料にガスの流れを向けるステップと、
流体を補助マニホールドから分配するステップであって、流体は、流れとフィラメントオリフィスとの間で分配されて、高分子材料を再循環の領域から実質的に分離するステップと、を含むメルトブローイングの方法である。

本発明の実施形態は、結果として生じる不織布の特性を最適化するように、制御した二次流れを用いてダイから出現する高分子繊維を処理するメルトブローイング装置を提供し、且つそのメルトブローイング装置は高い生産速度においてもこの処理を行うことができる。適した補助マニホールドの製造を計画する技法についてもまた論じる。

ここで図１を参照すると、大きな再循環領域を生じうる従来技術の通常のメルトブローイング装置の横断面図が示されている。メルトブローイングダイ２２を含むメルトブローイング装置２０が、代表的な横断面図に示されている。メルトブローイングダイ２２は、伸張されたポリマーフィラメントの流れ２４を、「Ｄ」方向に移動する収集ベルト２６に向かって放出するために使用されていることが示されている。通常の慣例に従って、メルトブローイングダイ２２は、空洞２８及び３０を設けられているが、その空洞２８及び３０は、流れ２４が１本の押出オリフィス３２から押し出された直後に加熱ガスの２本の流れを流れ２４に向けるためのものである。加熱ガスは、空洞２８及び３０から脱して噴出し、押出オリフィス３２から脱したフィラメントを伸張し薄くし、その結果、フィラメントは、望ましい布地３４を収集ベルト２６の上に形成するように適切な寸法及び散布度を有する。この実施例にはベルトが描かれているが、メルトブローイングの当業者には、フィラメントを布として引き取る目的で回転ドラムを使用できることが理解されよう。

メルトブローイング装置２０は更に、一対のダクト４０及び４２を、方向「Ｄ」に対して１つは流れ２４の上流側に、もう１つは下流側に備えている。二次流れが、ダクト４０及び４２からフィラメント流れ２４に対して放出され、従って、フィラメントは、収集ベルト２６に衝突するとき、布３４において望まれる特性を有している。

上述の説明は概して、ブレイスター（Breister）らへの米国特許第６，８６１，０２５号の開示に従うものであり、収集ベルト２６を低速及び中速としたメルトブローン布の製造に対しては適切である。しかしながら、工程が、例えば布の生産量が１つの穴につき１時間当たり約３５ｇを超えた後、より激しく且つより高速になると、出現するフィラメントの一部に付与される偏心挙動という形で問題が生じる。より高い押出速度では、収集ベルト２６の上の規則正しいフィラメントの堆積が崩壊し、一部のフィラメントは、ダイ２２の表面上に又ダクト４０及び４２に集積し始める。この観察から示唆されることとして、対となった再循環の領域は、盛り上がった渦の形を取り、おおよそＡ及びＢと記した位置に形成されていた。

従って、布３４の望ましい特性を維持しながら線速度を増加できることが望まれ、さらに置かれた再循環領域Ａ及びＢの崩壊は、図１の２次元表現に対して垂直な方向に細長いガス分配マニホールドによる解決策として、おそらく受け入れられるであろう。

最初の幾何学的表現は、図２に従って構成したものである。収集ベルト（図１の２６）は動作しており、ある流体運動をすべりのない条件によって生成するという既知の複雑な事情は無視して、問題は対称的であると単純に仮定した。空洞（図１の２８）、ダクト（図１の４２）及び収集ベルト（図１の２６）の既存の幾何学的形状は、仮想的に、それぞれ幾何学的表現２８ｖ、４２ｖ、及び２６ｖとして表されている。境界条件は、収集ベルト２６が高い線速度で操作されるときの、不十分ではあるが最良の動作条件をもたらす既知のガス圧力として設定する。幾何学的表現において、それらの圧力は、線５０、５２、及び５４に沿って均一に存在すると仮定する。

補助マニホールドを追加し、再循環領域を適切に分離するためには望ましい質量特性はいかなるものであるかを決定するのにおいて、再循環領域の存在を確かめるために、この２次元の幾何学的形状及びこれらの境界条件を市販の流れ解析パッケージに適用する。多数の商用提供物が適しているとみなされているが、ニューハンプシャー州レバノン（Lebanon）のフルーエント社（Fluent, Inc.）から市販されているＦＬＵＥＮＴソルバーを用いることができる。ｋ−ε型２方程式モデルをこの問題に対して選択し、再繰り込み群の使用を可能にする。ガスの粘性加熱を取り入れる関数もまた、可能にする。ひとたび記載した幾何学的形状及び境界条件が所定位置にあり、図２で規定される空間が有限要素にメッシュ化されると、平衡状態が達成された後のガス流動を表す流線を可視化するために、ソルバーが実行される。これらの流線を図３に示す。この図において、Ａ及びＢに再循環領域が形成されるという仮説は、閉じた流線がこれらの位置の周りに現れることによって強く裏付けられている。

この例においては、再循環領域は、図４に示すように、新たなマニホールド６２内の開口部６０から脱するガスの付加的な流れによって崩壊させることができると考えられる。幾何学的形状の残りに当てはまることであるが、ガス分与マニホールド６２は、図１の２次元の幾何学的表現に対して垂直な方向に延びるように置かれており、しかも、所与の横断面は、その垂線に沿って取った他の任意の横断面における流れを代表するものである。簡単にするため、境界条件の線６４はマニホールド６２内に定められており、この段階では、均一な圧力を、取り得る全ての横断面において線６４に沿って均一に維持できると仮定している。後に設計工程において、この単純化のための仮定を必要に応じて検証し対処することができる。

この具体的な例に対する出発点として、再循環領域を崩壊させるためにマニホールド６２から脱する質量流れは、必要とされるフィラメントの処理を所望の生産速度（１つの穴につき１時間当たり３５グラム超が求められている）で達成するためには、ダクト４２から必要とされる既知の質量流れの５０％でなければならないと仮定される。別の出発点として、境界条件の線６４に沿った圧力は、全体で０．１４ＭＰａ（２０ｐｓｉｇ）など、何らかの合理的な値に任意に設定されているが、これは単に、容易に入手できる圧縮機の静的な耐圧強度の適切な有理数であるからである。開口部６０の開始寸法は、マニホールド６２内の仮定した圧力でマニホールド６２から必要とされる仮定した質量流れから、単純なオリフィスの式によって導出される。

これらの仮説を立て、ソルバーを再度利用して新たな幾何学的形状及び境界条件を解析する。この例に対して、マニホールド６２の円周の周りの開口部６０の位置を変更して、複数回の試行を実行してもよい。その試行によって生成された流線を解析することによって示唆されることとして、最良の結果は、移動ガスのカーテンウォールを生成して、出現するフィラメントを再循環領域から孤立させるように、マニホールド６２からの噴出流を、再循環領域Ｂの中央にではなく、再循環領域の前方に向けることによって達成される。この状態を図５に示してあり、この時点で、分配方向は、マニホールド６２が、所与の入力圧力に対して以前に仮定されていた質量流量に従うように決定されていると言える。この例に対しては、第３次元における細長いマニホールドの長さにわたる流れの分布は、再循環領域を適切に分離するように均一でなければならないことが、更に仮定される。

ひとたびマニホールド６２の噴出流が向けられる最良の方向が、この具体的な例に対して決定されると、マニホールド６２からの仮定した質量流れを、その流れをもたらすエネルギーコストを節約する目的で、再循環領域の分離を依然として維持する一方で減じることができるかどうかを判断するために、ソルバーを用いた追加の一群の試行が実施される。この具体的な例に対するこれらの実験において、マニホールドからの流れがもはやフィラメントの流れ２４を再循環領域から分離することができなくなるまで、質量流れを、ダクトから脱する質量流れの３０％にまで減じることができることが明らかとなった。

この時点までは、解決を必要とする実際的な問題に対する実現的な解決策が達成されている。即ち、それは同定された質量流れを、細長いマニホールド６２の長さに沿って２次元表現に垂直な方向に適切にもたらすことが可能であると判明している、望ましい質量流れの特性である。このことが可能になるという、以前になされた単純化のための仮説は、依然として検証されなければならない。この目標を果たすために、マニホールド６２内部及びその周辺内のガスの３次元数学表現を作成する。この表現において、マニホールド６２ｐの幾何学的形状は、本質的に反転したものであり、ガスがそれを横断して流れることのできない境界を画定している。この幾何学的表現を図６に示す。この図において、マニホールド６２の半分が、この仮想的表現６２ｐへと変換されているが、それは、状況は対照であるという単純化のための仮説がなされているからである。更に、この表現には、マニホールドの仮想的表現６２ｐから発する排出ガスの解消範囲が含まれている。スロット８０ｐからある程度までの周囲でマニホールド６２ｐの外面に隣接するガスの体積を３次元の数学表現に含める必要があることは、直感的には明らかでないことがあるが、直感は正しいものではない。この見たところは余分な体積を３次元の数学表現に含めないことにより、しばしば無効な結果が生じる。

マニホールド６２ｐの表現は、開口部６０ｐを、ブリッジ８２ｐによって分離された一連のスロット８０ｐとして設けることによって、構造強度を増加させることが必要となりうることを認識した上で、設計することができる。開口部６０ｐに対する他の幾何学的形状が、当然ながら可能であり、さらに、本発明の範囲内であるとみなされる。この説明において、外径５１ｍｍ、内径４５ｍｍ、及び長さ１８８ｃｍの円筒管（通常６０ｃｍよりもはるかに短い従来技術の試行錯誤によるマニホールドと比べて比較的長いマニホールド）を、マニホールド６２の出発点として選択したが、それは、そのような寸法は、メルトブローイング装置２０内に便利に配置可能であるという理由によるものである。この具体的な例に対する解析の出発点として、管は長さ３８ｍｍ、及び幅３．２ｍｍのスロット３８を設けられ、そのスロット３８は、目的のメルトブローイング装置のオリフィスに応じて、ブリッジによってある１つから次の１つまで３．２ｍｍだけ離間されていると仮定した。経験則では、出口の全表面積を、マニホールドの入口の全表面積以下となる程度に維持する。

次いで、マニホールド６２ｐの反転表現の外面の中の又その外面に隣接するガス体積を、六面体要素の少なくとも一部がこの図で「Ｆ」として示す分配方向に対して方向付けられるように、有限六面体要素にメッシュ化する。境界条件として、マニホールド６２ｐは、一方の端部８４から、又は両方の端部８４及び８６から充填されると仮定する。より具体的には、２次元表現において再循環領域を分離させた、例えばｋｇ／ｓｅｃ／ｍ単位の質量流れを、マニホールド６２ｐの長さで乗算する。次いで、全質量流れの半分が（全質量流れの他の半分は、マニホールドの対照な他の半分によって扱われるという仮定がなされているため）、端部８４、又は端部８４と端部８６の表面を通じてこの表現に入り込むことを境界条件として設定する。

この３次元の幾何学的形状及びこれらの境界条件を再度ＦＬＵＥＮＴソルバーに与え、そしてもう一度ｋ−ε型２方程式モデルを利用する。更に、再繰り込み群の使用、及び（この例における流体は圧縮性空気であるため）ガスの粘性加熱を考慮する機能を可能にする。次いで、様々な点における流体のベクトル及び速度の大きさを得るために、ソルバーが実行される。このベクトル場を使用して、各スロットを分配方向に通過する流体の速度の疑似カラー可視化を作成し、微分によって、細長いマニホールドの長さにわたる質量流れの実際の分布が示されるようにした。これを図７として示すが、ここで、ガスは、流れの方向「Ｆ」で一方の端部からマニホールドに入っている。この図から観察されることとして、流れは、細長いマニホールドの長さに沿って均一ではなく、従って、試験的な幾何学的形状パラメータでは、所望の質量流れの特性をもたらすことができていない。

本発明の実施形態によれば、スロットの長さ、スロットの幅、スロットの間隔、マニホールドの直径などの、これらの試験的な幾何学的形状パラメータの解析によって、十分に望み通りの方式でマニホールドからの必要な質量流れの送り出しを記述できない場合、これらの幾何学的形状パラメータを改良し、解析を再実行することが必要である。判明したこととして、細長いマニホールドの長さにわたって均一な流れが特定の用途で望まれる場合、組み合わせた出口面積と組み合わせた入口面積との比を減じると、流れがより均一に分布する傾向がある。この例において、図７の可視化により、幅６．４ｍｍのスロットからの流れが、十分に均一でないことが示された場合、３次元モデルの幾何学的形状パラメータを幅１．５９ｍｍに調整し、そのモデルをもう一度ソルバーに入力する。これらのより幅の狭いスロットのそれぞれを分配方向に通過する流体の速度を可視化するために、ソルバーを再度実行する。これを図８として示してあり、その図８から分かることとして、速度、及び微分により質量流れの特性は、図７の場合と比べて、細長いマニホールドの長さに沿ってより一層均一な流れの分布を有している。この具体的な例に対し、流れの特性の均一性は、ガス流れの均等なカーテンウォールを生成して生産ウェブ全体にわたってフィラメントを再循環領域から分離するのに十分良好であるとみなされる。

この特定のメルトブローイングの状況に対してこの評価を検証するために、図８を作成したパラメータに従って、実物のマニホールドを金属で製作し、図４に示す２次元解析で確認された方向及び位置に従って、そのマニホールドをメルトブローイングラインに設置した。マニホールドを全体で０．１４ＭＰａ（２０ｐｓｉｇ）まで両端で加圧し、布を作った。ダイの表面及びダクトへのフィラメントの望ましくない堆積は抑制され、さらに、布の特性は悪影響を受けなかったことが観察された。

マニホールドの長さに沿った必要な程度の出力の均一性を達成するために必要となるとき、マニホールドの組み合わせた出口面積と組み合わせた入口面積との比を減じる工程に関して記す警告は適切なものである。その比を必要以上に不注意に減じると、他の問題が、特に、質量流れを動かすのに必要な圧力量に関する問題が発生する傾向がある。より高い圧力は、適した圧縮機を設けてマニホールド６２に供給することに関連して、達成するのによりコストを要し、さらに、より高い圧力では、加圧の応力に耐えるために、マニホールド６２をより高価な材料で構成することが必要となりうる。

実際に、ある状況において、目標となる質量流量、及びマニホールドの長さに沿った流れの目標となる分布を、ある者が使用を望む設備の制限内で達成するように、幾何学的形状パラメータを３次元モデル内で繰り返す際には困難であると判明することがある。このことが発生した場合、任意選択による工程を実施してもよい。望ましい設備が、必要なレベルの均一性でマニホールドの長さに沿って提供しうる最大の質量流量に留意し、２次元表現をそのレベルの質量流量で再構成する。次いで、目標となる流れの分布を維持する間の、マニホールドの質量流れの最大出力が、望ましい質量流れの輪郭に対して以前に設けられた目標、例えば、この例においては再循環領域の分離、を達成する組み合わせを求めて、マニホールドの正確な位置及び分配方向のパラメータを繰り返し、再度解析することができる。ある質量流れの特性を、マニホールドの幾何学的形状とガス供給装置とのある組み合わせに対する質量流れと流れの分布の組み合わせを伴って達成することは、ときに不可能となることが理解されよう。この方法において所望の分配に適しているとして許容される構成には、内圧に耐えるために又は据え付けられるときに支持体同士の間の距離を離間するために十分な構造強度を有することに対して、不向きとなるものもあることが更に理解されよう。流体を分配するのではなく吸い出す吸気マニホールドに対する要件が、本発明の方法による処理に適することが企図される。

本発明について、それらの様々な実施形態に関連して示し説明してきたが、当業者であれば、形状及び細部における様々な他の変更が、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、その分野においてなされ得ることが理解されよう。

大きな再循環領域を生じうる従来技術の通常のメルトブロー装置の横断面図。 補助マニホールドを設計する際に利用されるメルトブロー装置の横断面を２次元で幾何学的に表現したもの。 流線のモデリングを補助マニホールドの設計に利用することを可能にする有限要素にメッシュ化された後の図２の幾何学的表現。 補助マニホールドを追加した後の図２の幾何学的表現。 補助マニホールドの採用によって生じる流線をモデル化することを可能にする有限要素にメッシュ化された後の図４の幾何学的表現。 図５に示すメッシュ化要素の２次元の幾何学的表現によって規定される条件を有する補助マニホールドの３次元の幾何学的表現。 結果として流れの不均一な分布及び垂直でない方向をもたらした、図６の幾何学的表現での最初の設計試行後の、補助マニホールドの第３次元に対する質量流れの方向及び分布。 結果として流れの実質的に均一な分布及び実質的に垂直な方向をもたらした、図６の幾何学的表現での続く設計試行後の、補助マニホールドの第３次元に対する質量流れの方向及び分布。 マニホールドを設計する方法の例示的実施形態を説明する流れ図。 マニホールドを設計する方法の例示的実施形態を説明する流れ図。 マニホールドを設計する方法の例示的実施形態を説明する流れ図。 マニホールドを設計する方法の例示的実施形態を説明する流れ図。

Claims (4)

1. 高分子材料を放出するための複数のフィラメントオリフィスを有するダイと、
   放出された前記高分子材料にガスの流れを向けるように配置された少なくとも１つのダクトと、
   前記ダイ及び少なくとも１つの前記ダクトに対して配置された少なくとも１つの補助マニホールドであって、流体が、前記流れと前記フィラメントオリフィスとの間で前記補助マニホールドから分配され、それによって、前記高分子材料を再循環領域から実質的に分離するような補助マニホールドと、
   を備え、前記流体は圧縮性である、メルトブローイング装置。
2. 高分子材料を放出するための複数のフィラメントオリフィスを有するダイであって、そのダイの中の複数の空気ナイフからの空気の流れに乗せられる高分子材料の流れを放出するダイと、
   放出された前記高分子材料に向かう方向で且つ前記ダイから離れる方向にガスの二次流れを向けるように配置された少なくとも１つのダクトと、
   前記ダイ及び少なくとも１つの前記ダクトに対して配置された少なくとも１つの補助マニホールドであって、流体が、前記二次流れと前記高分子材料の流れとの間の位置へ、且つ前記ダイに隣接するガスの再循環領域の範囲に向かって、前記二次流れの質量流速未満の質量流速で前記補助マニホールドから分配され、それによって、前記再循環領域を前記ダクトと前記複数のオリフィスとの間で実質的に分離するような補助マニホールドと、
   を備え、前記流体は圧縮性である、メルトブローイング装置。
3. 前記補助マニホールドは、前記流体を、前記フィラメントオリフィスの位置の長さに沿って、実質的に均一な単位長さ当たりの質量流れで分配する、請求項１または２に記載のメルトブローイング装置。
4. メルトブローイングする方法であって、
   高分子材料をダイの複数のフィラメントオリフィスから放出し、
   ガスの流れを放出された前記高分子材料に向け、
   流体を補助マニホールドから分配し、前記流体は、前記流れと前記フィラメントオリフィスとの間で分配されて、前記高分子材料を再循環の領域から実質的に分離すること、
   を含み、前記流体は圧縮性であり、任意に、前記補助マニホールドからの流体の分配が、前記フィラメントオリフィスの位置の長さに沿って、実質的に均一な単位長さ当たりの質量流れを有する流体を分配することを含む、方法。

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