JP6993135B2 - 糸冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、紡糸ビームから紡出される糸を冷却する糸冷却装置に関する。

特許文献１には、糸を生成する溶融紡糸装置が開示されている。溶融紡糸装置は、複数の糸を紡出する紡糸ビームと、紡糸ビームから紡出された複数の糸を冷却する糸冷却装置とを備える。より詳細には、糸冷却装置は、糸に空気を吹き付けることで糸を冷却する糸冷却部と、糸冷却部に空気を送り込むための流路が形成されたダクトとを有する。

上記のような糸冷却装置においては、流路の下流側部分（糸冷却部側の部分）の幅を糸冷却部の幅と同程度にするため、ダクトの途中部に、下流側に向かうにつれて流路幅が拡大する流路拡大部が設けられる。ここで、流路拡大部内に何も配置されていないと、空気は、上流側から下流側に向かってそのまま流れようとするので、空気の速度は、流路の幅方向中央部において相対的に速く、幅方向外側端部において相対的に遅くなりやすい。このように、幅方向の位置によって空気の速度が大きく異なると、糸冷却部において複数の糸が均一に冷却されず、糸品質がばらつくおそれがある。このため、流路拡大部内を流れる空気を整流し、幅方向における空気の速度ばらつきを抑える必要がある。

これに関連して、特許文献２には、拡大ダクトにおいて空気を整流する構成が開示されている。詳細には、拡大ダクト内には、上流側端部から下流側端部にかけて放射状に延びており、拡大ダクト内の流路を複数の小流路に分割する複数の仕切板が設けられている。これにより、空気を複数の小流路に均等に流れ込ませることで、下流側における整流が図られている。

特開２０１１－２５２２６０号公報 特開平８－２０１２１５号公報

特許文献２に記載の構成において、単純に仕切板を配置したのでは、仕切板の上流側端部に空気が衝突することで、気流が乱れ、効果的に整流できないおそれがある。このため、仕切板による整流効果を確実に高めるための技術が求められている。

本発明の目的は、流路拡大部内を流れる気体が仕切板の上流側端部に衝突しても気流が乱れることを抑制し、気体の速度のばらつきを抑制することである。

第１の発明の糸冷却装置は、紡糸装置から紡出された糸に気体を吹き付けることで前記糸を冷却する糸冷却部と、前記糸冷却部に供給される前記気体が流れる流路が形成されたダクトと、を備え、前記ダクトは、前記流路の上流側から下流側に向かうほど前記流路の幅が大きくなるように形成された内壁面を有する流路拡大部と、前記流路拡大部内において、流路幅方向に並べて配置され、前記上流側から前記下流側に向かって放射状に延びた複数の仕切板と、を有し、各仕切板の前記上流側の端部には、膨らみ部が形成されており、 前記膨らみ部は、前記膨らみ部の前記上流側の端部から前記下流側に向かうほど前記流路幅方向におけるサイズが大きくなっている部位を含み、互いに隣接する２つの前記仕切板に形成された２つの前記膨らみ部同士の間隔が、１２ｍｍ以上３０ｍｍ以下であることを特徴とするものである。

本発明では、流路を流れる気体が、流路拡大部によって広がりながら糸冷却部へ流れ込む。流路拡大部内では、複数の仕切板によって、流路が複数の小流路に分けられている。これにより、気体は、いずれかの小流路を通って下流側へ流れる。本発明では、各仕切板に形成された膨らみ部が、上流側端部から下流側に向かうほど流路幅方向におけるサイズが大きくなっている部位を含む。これにより、上流側から流れてくる気体の一部が膨らみ部の表面に沿って滑らかに流れやすくなる。したがって、気流が仕切板から剥離して乱れることを抑制できる。

さらに、本願発明者による鋭意検討の結果、２つの膨らみ部同士の隙間の大きさが、気体の速度ばらつきに大きく影響することが知見された。より詳細には、本願発明者は、本発明のように、２つの膨らみ部同士の間隔を１２ｍｍ以上とすることで、気体の流れが膨らみ部によって妨げられることを抑制できることを見出した。また、上記間隔を３０ｍｍ以下とすることで、仕切板同士の間隔が大きくなりすぎることを抑制し、仕切板による整流効果が発揮されにくくなることを抑制することができることを見出した。

以上のようにして、流路拡大部内を流れる気体が仕切板の上流側端部に衝突しても気流が乱れることを抑制し、気体の速度ばらつきを抑制することができる。

第２の発明の糸冷却装置は、前記第１の発明において、互いに隣接する２つの前記仕切板に形成された２つの前記膨らみ部同士の間隔が、１８ｍｍ以上３０ｍｍ以下であることを特徴とするものである。

本発明では、２つの膨らみ部同士の間隔を１８ｍｍ以上３０ｍｍ以下とすることで（すなわち、上記間隔の下限値を第１の発明よりもさらに大きくすることで）、気体の流れが膨らみ部によって妨げられることをさらに抑制でき、気体の速度ばらつきを抑制できる。

第３の発明の糸冷却装置は、前記第１又は第２の発明において、前記流路拡大部の前記内壁面と、前記内壁面に最も近接している前記仕切板の前記膨らみ部との間隔が、互いに隣接する２つの前記仕切板に形成された２つの前記膨らみ部同士の間隔の１倍以上７倍以下であることを特徴とするものである。

前記第１又は第２の発明において、さらに、流路拡大部の内壁面と、内壁面に最も近接する膨らみ部との間隔と、２つの膨らみ部同士の間隔との関係も、気体の速度ばらつきに大きく影響することが、本願発明者により知見された。前者の間隔が相対的に大き過ぎると、流路拡大部の内壁面と仕切り板との間（すなわち、流路拡大部内の流路幅方向端部）に気体が流れ込み過ぎて、気体の速度ばらつきが大きくなる。逆に、前者の間隔が相対的に小さ過ぎると、仕切板間（すなわち、流路拡大部内の流路幅方向中央部）に気体が流れ込み過ぎる。本発明では、前者の間隔を後者の間隔の１倍以上７倍以下とすることで、流路拡大部内の流路幅方向端部における気体の速度と、流路幅方向中央部における気体の速度のバランスを向上させることができ、気体の速度ばらつきを抑制できる。

第４の発明の糸冷却装置は、前記第３の発明において、前記流路拡大部の前記内壁面と、前記内壁面に最も近接している前記仕切板の前記膨らみ部との間隔が、互いに隣接する２つの前記仕切板に形成された２つの前記膨らみ部同士の間隔の１．５倍以上５．５倍以下であることを特徴とするものである。

本発明では、流路拡大部の内壁面と、内壁面に最も近接する膨らみ部との間隔を、２つの膨らみ部同士の間隔の１．５倍以上５．５倍以下とすることで、流路幅方向における気体の速度のバランスをさらに向上させることができる。

第５の発明の糸冷却装置は、前記第１～第４のいずれかの発明において、前記流路幅方向と直交する流路長さ方向において、各仕切板の長さは、前記内壁面の長さの２６％以上であることを特徴とするものである。

仕切板が短すぎると、流路拡大部内において、流路幅方向外側へ気体を十分に広げることができないおそれがある。本発明では、流路長さ方向において、各仕切板の長さを内壁面の長さの２６％以上とすることで、仕切板によって流路幅方向外側へ気体を十分に導き、流路幅方向端部まで気体を均等に広げることができる。

第６の発明の糸冷却装置は、前記第１～第５のいずれかの発明において、前記複数の仕切板の前記膨らみ部は、前記流路幅方向に沿って一列に並べられていることを特徴とするものである。

複数の膨らみ部が、例えば、弧状或いは千鳥状等に配置されると、２つの膨らみ部間の間隔が広がりやすいため、上記間隔を所定の大きさ以下にするために必要な仕切板の数が増えるおそれがある。本発明では、複数の膨らみ部が流路幅方向に沿って一列に、すなわち直線状に並べられている。これにより、２つの膨らみ部間の間隔を広がりにくくすることができるため、必要な仕切板の枚数が増大することを抑制することができる。また、流路拡大部の製造時に、例えば、複数の膨らみ部を弧状、或いは千鳥状等に配置する場合、膨らみ部同士の間隔を一つ一つ考慮していると、配置に手間がかかるおそれもある。本発明では、このような手間を少なくすることもできる。

第７の発明の糸冷却装置は、前記第１～第６のいずれかの発明において、前記膨らみ部の断面形状は円状であり、前記膨らみ部の直径が４ｍｍ以上２０ｍｍ以下であることを特徴とするものである。

本発明では、膨らみ部の断面形状が円状であるため、上流側から流れてくる気体を滑らかに下流側へ移動させることができる。但し、膨らみ部の径が小さいと、仕切板に接触した気体を滑らかに移動させる効果が弱まるおそれがある。また、膨らみ部の径を大きくすると、膨らみ部同士の間隔を所定の範囲に収めるためには、仕切板同士の間隔を大きくする必要が生じる。そうすると、膨らみ部のすぐ下流側において流路の幅が急激に大きくなり、気流が不安定化するおそれがある。したがって、膨らみ部の径は、４ｍｍ以上２０ｍｍ以下であることが好ましい。

本実施形態に係る溶融紡糸装置の断面図である。 図１のII-II断面図である。 （ａ）は図１の流路拡大部のIII-III断面図、（ｂ）は（ａ）の仕切板の膨らみ部の拡大図である。 流路拡大部の上流側端部の拡大図である。 全ての実施例及び比較例の条件と、流体解析によって得られた空気の速度ばらつきのデータを示す図である。 一部の実施例及び比較例の条件と、流体解析によって得られた空気の速度ばらつきのデータを示す図である。 一部の実施例及び比較例の条件と、流体解析によって得られた空気の速度ばらつきのデータを示す図である。 一部の実施例及び比較例の条件と、流体解析によって得られた空気の速度ばらつきのデータを示す図である。 膨らみ部の有無依存性に関する解析結果（流路拡大部内の速度分布）を示す図である。 膨らみ部同士の間隔依存性に関する解析結果を示す図である。 膨らみ部同士の間隔依存性に関する解析結果を示す図である。 膨らみ部同士の間隔依存性に関する解析結果を示す図である。 膨らみ部に関する２種類の間隔同士の比率依存性に関する解析結果を示す図である。 膨らみ部に関する２種類の間隔同士の比率依存性に関する解析結果を示す図である。 膨らみ部に関する２種類の間隔同士の比率依存性に関する解析結果を示す図である。 仕切板の長さ依存性に関する解析結果を示す図である。 膨らみ部の直径依存性に関する解析結果を示す図である。 変形例に係る流路拡大部を示す説明図である。

次に、本発明の実施の形態について、図１～図１７を参照しながら説明する。

（溶融紡糸装置の概略構成）
まず、溶融紡糸装置１の構成について、図１及び図２を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る溶融紡糸装置の断面図である。図２は、図１のＩＩ－ＩＩ断面図である。なお、図１及び図２に示す上下方向、前後方向、及び、左右方向を、本実施形態の溶融紡糸装置１の上下方向、前後方向、及び、左右方向とそれぞれ定義して、以下の説明を進める。溶融紡糸装置１は、紡糸ビーム２（本発明の紡糸装置）、糸冷却装置３、油剤ガイド４等を備える。

紡糸ビーム２は、溶融ポリマーからなる複数の糸Ｙを紡出するためのものである。紡糸ビーム２は、複数のパックハウジング１１を備える。複数のパックハウジング１１には、複数の紡糸パック１２がそれぞれ装着される。複数のパックハウジング１１（複数の紡糸パック１２）は、左右方向に沿って千鳥状に２列に配列されている。各紡糸パック１２には、図示しない配管等から溶融ポリマーが供給される。各紡糸パック１２の下端部には、複数のノズル（不図示）が形成された紡糸口金１３が配置されている。紡糸パック１２は、供給された溶融ポリマーを紡糸口金１３の複数のノズルからそれぞれ紡出する。複数のノズルから紡出されたポリマーは、次述の糸冷却装置３で冷却されて複数のフィラメントｆとなる。つまり、１つの紡糸口金１３から、複数のフィラメントｆで構成された１本のマルチフィラメント糸である糸Ｙが紡出される。

糸冷却装置３は、複数の紡糸パック１２から紡出された溶融ポリマーを冷却して固化させるためのものである。糸冷却装置３は、紡糸ビーム２の下方に配置されている。図１及び図２に示すように、糸冷却装置３は、箱体２０と、箱体２０内に収容された複数の冷却筒２１（本発明の糸冷却部）と、複数の仕切筒２２等を有する。

図１に示すように、箱体２０の内部空間は、整流板２３によって上下に仕切られている。整流板２３は、パンチングメタルなどの整流機能を有する材料で形成された部材であり、水平に配置されている。箱体２０の上部空間（整流板２３よりも上側の空間）の、紡糸パック１２の直下の位置には、冷却筒２１が配置されている。図２に示すように、複数の冷却筒２１は、複数の紡糸パック１２の配列に対応して、左右方向に沿って千鳥状に配列されている。冷却筒２１の壁は、整流板２３と同様、パンチングメタル等の整流機能を有する材料で形成されている。箱体２０の下部空間（整流板２３よりも下側の空間）の、複数の冷却筒２１の直下の位置には、複数の仕切筒２２が配置されている。仕切筒２２の壁は、冷却筒２１とは異なり、空気を透過させない材料で形成されている。糸Ｙは、紡糸パック１２の直下の冷却筒２１の内部空間と仕切筒２２の内部空間を順に通過する。

箱体２０の下部の後側部分には、ダクト２５が接続されている（図１参照）。ダクト２５は、圧空源（図示省略）に接続されている。圧空源によって、糸Ｙを冷却するための空気がダクト２５内に送られる。空気は、ダクト２５内を通って箱体２０の下部空間内に供給される。ダクト２５の詳細については、後述する。

箱体２０の下部空間に流入した冷却用の空気は、水平に配置された整流板２３を通過して上向きに整流され、箱体２０の上部空間へ流れる。箱体２０の上部空間に流入した空気は、冷却筒２１の壁を通過する際に整流されて、冷却筒２１内へ流れ込む。これにより、冷却筒２１内において、冷却筒２１の外側全周から糸Ｙに空気が吹き付けられ、糸Ｙが冷却される。なお、仕切筒２２の壁は空気を透過させないため、箱体２０の下部空間から仕切筒２２内へ直接空気が流れ込むことはない。

油剤ガイド４は、糸Ｙに油剤を付与するためのものである。油剤ガイド４は、冷却筒２１及び仕切筒２２の下方の位置に配置される。油剤ガイド４には、冷却筒２１で冷却された糸Ｙが接触する。その際に、油剤ガイド４は糸Ｙに対して油剤を吐出して、糸Ｙに油剤を付与する。油剤ガイド４によって油剤が付与された糸Ｙは、油剤ガイド４の下方に配置された引取ローラ（不図示）によって引き取られる。さらに、糸Ｙは巻取装置（不図示）へ送られ、巻取装置においてボビン（不図示）に巻き取られる。

（ダクトの構成）
次に、糸冷却装置３のダクト２５の構成について、図１、図３及び図４を用いて説明する。図３（ａ）は、図１のＩＩＩ－ＩＩＩ断面図である。図３（ｂ）は、後述する仕切板２９の膨らみ部３１の拡大図である。図４は、後述する流路拡大部２８の下側（上流側）端部の拡大図である。なお、以下では、流路拡大部２８の説明において、上下方向を流路拡大部２８の長さ方向（以下、流路長さ方向と称する）とする。上側を下流側とし、下側を上流側とする。また、左右方向を流路拡大部２８の幅方向（以下、流路幅方向と称する）とする。

ダクト２５は、上下方向に延びる鉛直流路部分２６と、前後方向に延びる水平流路部分２７とを有する。鉛直流路部分２６の下端（上流端）は、圧空源と接続されている。水平流路部分２７は、鉛直流路部分２６の上端から水平に延びて、箱体２０の下部の後側壁部に接続されている。圧空源から送られた空気は、ダクト２５の鉛直流路部分２６と水平流路部分２７を経て、箱体２０へ流れる。

図３（ａ）に示すように、ダクト２５の鉛直流路部分２６の下流側端部には、流路拡大部２８が形成されている。流路拡大部２８は、下流側に向かうほど、流路幅が扇状に広がっている。流路拡大部２８の流路幅方向両端部には、２つの側壁３０が流路幅方向において対称に形成されており、流路長さ方向に対してそれぞれ斜めに延びている。２つの側壁３０は、流路拡大部２８の内部空間を形成する内壁面３０ａをそれぞれ有する。つまり、図３（ａ）において、２つの内壁面３０ａ及び２本の二点鎖線に囲まれた領域が、流路拡大部２８の内部空間である。流路長さ方向における内壁面３０ａの長さを、長さＸ１とする。流路拡大部２８の下流側端部には、水平流路部分２７が接続されている。つまり、流路拡大部２８によってダクト２５の流路幅が広げられており、その先の水平流路部分２７は、流路幅が広がった状態で箱体２０に向かって延びている。

流路拡大部２８内には、複数（図３（ａ）においては５枚）の仕切板２９が流路幅方向に並べて配置されている。複数の仕切板２９は、流路拡大部２８内の空気が流路幅方向に均等に広がるように、空気を整流するためのものである。複数の仕切板２９は、流路幅の狭い上流側の入口部２８ａから、流路幅の広い下流側の出口部２８ｂへ向けて放射状に配置されている。各仕切板２９の長さは、略等しい。複数の仕切板２９は、略均一な角度間隔θ１で配置されている。つまり、流路拡大部２８内の流路幅方向の中央部に配置された仕切版２９は、流路長さ方向に沿って配置されており、流路幅方向外側に配置された仕切板２９は、流路長さ方向に対して傾きを有している。また、内壁面３０ａに最も近接する仕切板２９は、内壁面３０ａに対して角度間隔θ２で配置されている。本実施形態では、角度間隔θ１と角度間隔θ２は略等しくされている。

ここで、流路長さ方向においては、流路幅方向端部に配置された（すなわち、流路長さ方向に対して最も大きな傾きを有する）仕切板２９の長さが最も小さい。流路長さ方向における長さが最も小さい仕切板２９の、流路長さ方向における長さを、長さＸ２とする。なお、他の仕切板２９の流路長さ方向における長さは、Ｘ２よりも大きい。

このように構成された流路拡大部２８において、空気は、入口部２８ａから流路拡大部２８内に流入し（図３（ａ）の矢印１０１参照）、複数の仕切板２９によって形成された複数の小流路３３に流れ込む（図３（ａ）の矢印１０２参照）。空気は小流路３３に沿って流れることで流路幅方向に広がり、さらに、流路幅の広い出口部２８ｂへ向かって流れる（図３（ａ）の矢印１０３参照）。

ここで、仕切板２９の配置や構成によっては、空気を効果的に整流できず、出口部２８ｂの近傍において、流路幅方向における速度のばらつきが大きくなるおそれがある。速度のばらつきが大きい状態で空気が箱体２０に流入すると、箱体２０内の複数の冷却筒２１の間で空気の速度が不均一になり、空気による糸の冷却の性能に差が生じ、糸品質がばらつくおそれがある。そこで、仕切板２９による整流効果を確実に高め、空気の速度のばらつきを抑制するために、本実施形態では以下の構成が採用されている。

図３（ａ）、（ｂ）に示すように、各仕切板２９の上流側端部には、膨らみ部３１が設けられている。膨らみ部３１は、例えば、流路長さ方向に直交し、且つ、流路幅方向に直交する仕切板２９の高さ方向（紙面垂直方向。以下、単に高さ方向とする）に延びる丸棒３２が、仕切板２９の上流側端部に取り付けられることにより形成される（図３（ｂ）参照）。膨らみ部３１の高さ方向に直交する断面の形状は、円状である。つまり、膨らみ部３１の流路幅方向におけるサイズは、膨らみ部３１の上流側端部から途中部にかけて、下流側に向かうほど大きくなっている。言い換えると、膨らみ部３１の上流側部分３１ａ（図３（ｂ）に示す、二点鎖線及び太線の半円に囲まれた部分）において、上流側端部から下流側に向かうほど、膨らみ部３１の流路幅方向におけるサイズが大きくなっている。さらに言い換えると、膨らみ部３１は、上流側端部から下流側に向かうほど流路幅方向におけるサイズが大きくなっている部位を含む。

複数の膨らみ部３１は、流路幅方向に沿って一列に、すなわち直線状に並べられている。図４に示すように、互いに隣接する仕切板２９にそれぞれ設けられた２つの膨らみ部３１同士の間隔を、間隔Ｗ１とする。具体的には、間隔Ｗ１は、２つの膨らみ部３１同士の最小間隔（本実施形態では、２つの膨らみ部３１の流路幅方向端部間の距離）である。また、内壁面３０ａと、内壁面３０ａに最も近接する仕切板２９の膨らみ部３１との間隔を、間隔Ｗ２とする。具体的には、間隔Ｗ２は、内壁面３０ａと、内壁面３０ａに最も近接する仕切板２９の膨らみ部３１の流路幅方向における端との、流路幅方向における間隔である。

仕切板２９に膨らみ部３１がない場合、流路拡大部２８に空気が流れ込んだときに、空気が仕切板２９の上流側端部に衝突し、仕切板２９から剥離して空気の流れが乱れやすくなる。この点、本実施形態では、各仕切板２９の上流側端部に膨らみ部３１が設けられており、膨らみ部３１の上流側部分３１ａにおいて、下流側に向かうほど流路幅方向におけるサイズが大きくなっている。これにより、上流側から流れてくる空気の一部が、膨らみ部３１の表面に沿って滑らかに流れやすくなる。

さらに、本願発明者は、仕切板２９及び膨らみ部３１に関する以下の配置や構成の条件が、整流効果に大きく影響することに着目した。すなわち、以下に説明する流体解析により、（１）膨らみ部３１同士の間隔Ｗ１、（２）間隔Ｗ１に対する、内壁面３０ａと膨らみ部３１との間隔Ｗ２の比率（Ｗ２／Ｗ１）、（３）内壁面３０ａの流路長さ方向における長さに対する、仕切板２９の流路長さ方向における長さの比率（Ｘ２／Ｘ１）、（４）膨らみ部３１の断面の直径、を適切な範囲に規定することで、整流効果を向上させることができることを見出すに至った。

（解析条件）
本願発明者が行った流体解析について説明する。まず、全解析モデルの共通の条件は、以下のとおりである。すなわち、気体の種類を空気とした。角度間隔θ１及び角度間隔θ２（図３（ａ）参照）をともに８°とした。仕切板２９の厚みを１ｍｍとした。入口部２８ａへの空気の流入量を１１．０ｍ³/ｍｉｎとした。仕切板の数は、一部の実施例を除き５枚とした。

次に、解析条件の詳細及び解析結果について、図５～図１７を用いて説明する。図５～図８は、解析条件の詳細と解析結果を示すテーブルである。図９～図１７は、各実施例及び比較例の解析結果（流路拡大部２８の、図３（ａ）に対応する断面における空気の速度分布）を示す図である。なお、図５には、全ての実施例（実施例１～１１）及び比較例（比較例１～６）の解析条件及び解析結果を示しており、図６～図８には、条件振りの種類毎に分類した実施例及び比較例を示している。図６～図８においては、条件を変更したパラメータを太枠で囲んでいる。また、図９～図１７の速度分布の図において、黒が濃い箇所では空気の速度が小さく、黒が薄い箇所では空気の速度が大きいことを示している。

図５～図８には、具体的な条件として、膨らみ部３１の直径、間隔Ｗ１の値、間隔Ｗ２の値、Ｗ２／Ｗ１の値、Ｘ２／Ｘ１の値を記載している。なお、一部の実施例（実施例７）において仕切板２９の数を変更しているため、仕切板２９の数も記載している。図５～図８には、解析結果として、流路拡大部２８の下流側端部における空気の速度ばらつき（速度の標準偏差。以下、単に標準偏差とする）、流路拡大部２８内における渦の発生の有無、及び、判定（ＯＫ或いはＮＧ）を記載している。

標準偏差は、流路拡大部２８の下流側端部の断面（流路長さ方向に直交する断面）における空気の速度分布のデータから算出した。この標準偏差が小さいほど、空気の速度ばらつきが小さいことを示している。渦の発生の有無は、図９～図１７に示す速度分布図の目視確認により判断した（図９～図１７の、白い曲線で囲まれた部分において、渦が発生しているものとした）。渦が発生すると、エネルギー損失が大きくなる。また、渦は、空気の速度ばらつきの増大の原因にもなりうる。また、判定の基準としては、標準偏差が０．８５以下であり、且つ、流路拡大部２８内における空気の渦の発生（すなわち、気流の乱れ）が少ないものをＯＫとし、それ以外のものをＮＧとした。以下、条件振りの種類別の解析結果について説明する。

（膨らみ部の有無依存性）
まず、図６（ａ）に示すように、仕切板２９の上流側端部に膨らみ部３１が形成されている場合といない場合とで、標準偏差及び渦の発生の有無について比較を行った。膨らみ部３１が形成されている条件（実施例１）、及び膨らみ部３１が形成されていない条件（比較例１）のいずれにおいても、渦は発生していない（図９参照）。但し、比較例１における標準偏差は０．８９と大きく、かなりの速度のばらつきが見られた。一方、実施例における標準偏差は、０．７５と小さく、良好な結果となった。この解析結果は、上述したように、上流側から流れてくる空気の一部が、膨らみ部３１の表面に沿って滑らかに流れやすくなることで、空気の流れの乱れが抑制され、空気の速度ばらつきが抑制されることを示すものとなっている。

（Ｗ１依存性）
また、図６（ｂ）に示すように、空気の速度ばらつき等の間隔Ｗ１依存性に関する流体解析を行った。すなわち、間隔Ｗ１の条件を６ｍｍ～４４ｍｍの範囲で変更し、標準偏差及び渦の有無について比較を行った（実施例１～６、比較例２～５）。なお、膨らみ部３１の直径についても条件振りをした（φ８ｍｍ及びφ１６ｍｍ）。また、図６（ｂ）においては、間隔Ｗ１の小さい順に実施例及び比較例を並べている。

その結果、膨らみ部３１の直径によらず、間隔Ｗ１が１２ｍｍ以上３０ｍｍ以下の場合（実施例１～６）において、標準偏差が０．８５以下であり、且つ、渦の発生が少ない（図１０及び図１１参照）という良好な解析結果が得られた。特に、間隔Ｗ１が１８ｍｍ以上３０ｍｍ以下の場合、渦の発生が全く見られず、より良好な結果が得られた。なお、Ｗ１＝１２ｍｍの場合には、一部の実施例（実施例２、５）の解析結果において、渦が少し見られた（図１０（ｂ）、（ｃ）参照）が、標準偏差が０．８５よりも小さいことと、渦が小さくエネルギー損失も小さいと推測されることから、判定ＯＫとした。一方、間隔Ｗ１の条件が１２ｍｍ以上３０ｍｍ以下の範囲から外れると（比較例２～５）、標準偏差が大きくなり、さらに、流路拡大部２８内の流路幅方向端部における大きな渦の発生が見られた（図１０～図１２参照）。

上記結果について、本願発明者は以下のように考察した。すなわち、間隔Ｗ１が小さ過ぎると、上流側からの空気の流れが膨らみ部３１によって妨げられやすく、空気が仕切板２９間の小流路３３に流れ込みにくくなり、仕切板２９による整流効果が十分に発揮されないと考えられる。一方、間隔Ｗ１が大き過ぎると、仕切板２９同士の間隔も大きくなり過ぎるため、この場合も、仕切板２９による整流効果が十分に発揮されにくいと考えられる。そこで、流路幅方向における空気の速度ばらつきを小さくするためは、間隔Ｗ１を最適な範囲に収める（具体的には、１２ｍｍ以上３０ｍｍ以下とする）ことが必要である。つまり、間隔Ｗ１を１２ｍｍ以上とすることで、仕切板２９間への空気の流入が膨らみ部３１によって妨げられることが抑制される。また、間隔Ｗ１を３０ｍｍ以下とすることで、仕切板２９同士の間隔が大きくなりすぎることが抑制される。これにより、仕切板２９による整流効果が発揮されにくくなることが抑制され、空気の速度ばらつきが小さくなる。より好ましくは、間隔Ｗ１を１８ｍｍ以上３０ｍｍ以下とすることで、空気の速度ばらつきがさらに小さくなり、且つ、渦の発生も抑制される。

（Ｗ２／Ｗ１依存性）
また、図７に示すように、空気の速度ばらつき等のＷ２／Ｗ１依存性について流体解析を行った。すなわち、Ｗ２／Ｗ１を０．３５～１５．４の範囲で変更し、標準偏差及び渦の有無について比較を行った（実施例１～７、比較例２～５）。なお、図７においては、Ｗ２／Ｗ１の小さい順に実施例及び比較例を並べている。

その結果、間隔Ｗ２が間隔Ｗ１の１倍以上７倍以下の場合（実施例１～７）において、標準偏差が０．８５以下であり、且つ、渦の発生が少なかった（図１３～図１５参照）。さらに、間隔Ｗ２が間隔Ｗ１の１．５倍以上５．５倍以下の場合（実施例１、３、５、７）、標準偏差が０．８を下回り、より良好な結果が得られた。加えて、膨らみ部３１の直径及び間隔Ｗ１が同じであっても（実施例２及び実施例７）、Ｗ２／Ｗ１を約７から約５．５に変更することで（なお、実施例７においては、併せて仕切板の枚数を５枚から７枚に変更し、且つ、枚数変更に対応して内壁面３０ａの傾きを変更している）、標準偏差が各段に小さくなり、渦の発生もなくなる例が見られた。一方、Ｗ２／Ｗ１が１以上７以下の範囲から外れると（比較例２～５）、空気の速度ばらつきが悪化し、大きな渦の発生が見られた（図１３、図１５参照）。

上記結果について、本願発明者は以下のように考察した。すなわち、間隔Ｗ１に対して間隔Ｗ２が相対的に小さ過ぎると、内壁面３０ａと仕切り板２９との間（流路拡大部２８内の流路幅方向端部）に空気が流れ込むことが妨げられて、空気の速度の流路幅方向におけるバランスが悪化する。逆に、間隔Ｗ１に対して間隔Ｗ２が相対的に大き過ぎると、流路拡大部２８内の流路幅方向端部に空気が流れ込み過ぎて、やはり空気の速度の流路幅方向におけるバランスが悪化する。そこで、Ｗ２／Ｗ１を最適な範囲に収める（具体的には、１倍以上７倍以下とする）ことが好ましい。つまり、間隔Ｗ２を間隔Ｗ１の１倍以上とすることで、流路拡大部２８内の流路幅方向端部に空気が流れ込みにくくなることが抑制される。また、間隔Ｗ２を間隔Ｗ１の７倍以下とすることで、流路拡大部２８内の流路幅方向端部に空気が流れ込み過ぎることが抑制される。これによって、流路拡大部２８内の流路幅方向端部における空気の速度と、流路幅方向中央部における空気の速度とのバランスが向上し、空気の速度ばらつきが小さくなる。より好ましくは、間隔Ｗ２を間隔Ｗ１の１．５倍以上５．５倍以下とすることで、空気の速度ばらつきがさらに小さくなる。

なお、空気の速度ばらつきが小さく抑えられるＷ２／Ｗ１の範囲が、１から、１よりも数倍大きな値にまで及んでいる理由は、以下のように推測される。すなわち、複数の仕切板２９は、流路拡大部２８内で放射状に広がっているので、流路幅方向における最も外側に配置された仕切板２９は、流路長さ方向に対してある程度の大きさの角度（図４の角度θ３参照。本解析条件においては、θ３＝２×θ１、すなわち１６°）を有している。このため、上流側から流路幅方向外側を流れてきた空気のうち、仕切板２９に接触する空気の量が多く、空気と仕切板２９との間に生じる摩擦によって、流路幅方向端部の空気が減速しやすいと考えられる。これにより、流路幅方向端部を流れる空気の速度は、流路幅方向中央部を流れる空気の速度と比べて大きくなりにくいので、間隔Ｗ２が間隔Ｗ１よりも相当大きくても、空気の速度の流路幅方向におけるバランスが悪化しにくいと考えられる。

（Ｘ２／Ｘ１依存性）
また、図８（ａ）に示すように、流路長さ方向における内壁面３０ａの長さＸ１に対する、流路長さ方向における長さが最も短い仕切板２９の、流路長さ方向における長さＸ２の比率（Ｘ２／Ｘ１）を変更し、空気の速度ばらつき等のＸ２／Ｘ１依存性について流体解析を行った。すなわち、Ｘ２／Ｘ１を１３％～７８％の範囲で変更し、標準偏差及び渦の有無について比較を行った（実施例１、８、９、比較例６）。その結果、Ｘ２／Ｘ１が２６％以上の場合（実施例１、８、９）において、標準偏差が０．８５以下であり、且つ、渦の発生は見られなかった（図１６（ｂ）～（ｄ）参照）。特に、Ｘ２／Ｘ１の条件が最大（７８％）である実施例９において、標準偏差が最も低くなった。一方、仕切板２９が短いと（比較例６）、標準偏差の値が実施例と比べて高く、流路拡大部２８内の流路幅方向端部における渦の発生も顕著に見られた（図１６（ａ）参照）。

上記の結果となった理由は、仕切板２９が流路拡大部２８内において長ければ長いほど、空気が仕切板２９によって流路幅方向外側へ導かれやすいためであると考えられる。仕切板２９が短すぎると、流路幅方向外側へ空気が十分に広がるよりも前に、流路長さ方向において仕切板２９が配置されていない領域に空気が流れ出てしまい、空気が流路幅方向外側に十分均等に広がりにくいと考えられる。そこで、流路長さ方向において、各仕切板２９を所定以上の長さ（内壁面３０ａの長さの２６％以上）とすることが好ましい。基本的には、仕切板２９が長ければ長いほど好ましいと考えられる。したがって、より好ましくは、流路長さ方向において、各仕切板２９の長さを内壁面３０ａの長さの５０％以上とすると良く、さらに好ましくは、７５％以上とすると良い。

（膨らみ部の直径依存性）
また、図８（ｂ）に示すように、膨らみ部の直径をφ４ｍｍ～φ２０ｍｍの範囲で変更し、標準偏差及び渦の有無について比較を行った（実施例１、６、１０、１１）。その結果、いずれの条件においても、標準偏差が０．８５以下であり、且つ、渦の発生は見られなかった（図１７参照）。

膨らみ部３１が小さ過ぎると、仕切板２９に接触した空気を滑らかに移動させる効果が弱まるおそれがある。逆に、膨らみ部３１が大き過ぎると、上述したように、間隔Ｗ１をある範囲内に維持するためには、仕切板２９同士の間隔を大きくする必要が生じる。そうすると、膨らみ部３１のすぐ下流側において小流路３３の幅が急激に大きくなるため、気流が不安定化するおそれがある。そこで、膨らみ部３１の断面の直径は、４ｍｍ以上２０ｍｍ以下とすることが好ましい。

以上のように、流路拡大部２８において、各仕切板２９に形成された膨らみ部３１が、上流側端部から下流側に向かうほど流路幅方向におけるサイズが大きくなっている部位を含むため、上流側から流れてくる空気の一部が膨らみ部３１の表面に沿って滑らかに流れやすくなる。したがって、気流が仕切板２９から剥離して乱れることを抑制できる。

さらに、２つの膨らみ部３１同士の間隔Ｗ１を１２ｍｍ以上とすることで、空気の流れが膨らみ部３１によって妨げられることを抑制することができる。また、間隔Ｗ１を３０ｍｍ以下とすることで、仕切板２９同士の間隔が大きくなりすぎることを抑制し、仕切板２９による整流効果が発揮されにくくなることを抑制することができる。

以上のようにして、流路拡大部２８内を流れる空気が仕切板２９に衝突しても気流が乱れることを抑制し、空気の速度のばらつきを抑制することができる。

より好ましくは、間隔Ｗ１を１８ｍｍ以上３０ｍｍ以下とすることで（すなわち、間隔Ｗ１の下限値を大きくすることで）、空気の流れが膨らみ部によって妨げられることをさらに抑制でき、空気の速度ばらつきをさらに抑制できる。

また、流路拡大部２８の内壁面３０ａと、内壁面３０ａに最も近接している仕切板２９との流路幅方向における間隔Ｗ２を、間隔Ｗ１の１倍以上７倍以下とすることで、流路拡大部２８内の流路幅方向端部における空気の速度と、流路幅方向中央部における空気の速度のバランスを向上させることができ、空気の速度ばらつきを抑制できる。より好ましくは、間隔Ｗ２を間隔Ｗ１の１．５倍以上５．５倍以下とすることで、流路幅方向における空気の速度のバランスをさらに向上させることができる。

また、流路長さ方向において、各仕切板２９の大きさが、内壁面３０ａの大きさの２６％以上であるため、仕切板２９によって流路幅方向外側へ空気を十分に導き、流路幅方向端部まで空気を均等に広げることができる。

また、複数の膨らみ部３１が流路幅方向に沿って一列に並べられている。すなわち、複数の膨らみ部３１が流路幅方向に沿って直線状に並べられている。これにより、例えば、複数の膨らみ部３１を弧状或いは千鳥状等に配置する場合と比べて、２つの膨らみ部３１間の間隔Ｗ１を広がりにくくすることができる。したがって、間隔Ｗ１を所定の大きさ以下にするために必要な仕切板の枚数が増大することを抑制できる。また、製造時に、間隔Ｗ１を考慮しつつ膨らみ部３１を並べる手間を少なくすることもできる。

また、膨らみ部の径が４ｍｍ以上２０ｍｍ以下であるため、仕切板２９に接触した空気を確実に滑らかに移動させるとともに、膨らみ部３１のすぐ下流側において小流路３３の幅が急激に大きくなることを抑制し、気流が不安定化することを抑制することができる。

次に、前記実施形態に変更を加えた変形例について説明する。但し、前記実施形態と同様の構成を有するものについては、同じ符号を付して適宜その説明を省略する。

（１）前記実施形態においては、複数の仕切板２９の長さが略等しいものとしたが、これには限られない。例えば、図１８に示すように、ダクト２５ａにおいて、流路拡大部２８内に配置された仕切板の長さが、互いに異なっていても良い。例えば、内壁面３０ａに最も近接した仕切板２９ａが最も長く、流路幅方向中央部に配置された仕切板２９ｂが最も短くても良い。このように、流路幅方向端部に配置された仕切板２９ａを長くすることで、空気を流路幅方向においてさらに効率よく広げることができる。

（２）前記までの実施形態においては、複数の仕切板２９が流路拡大部２８内の上流側端部（すなわち、入口部２８ａの近傍）から下流側に延びているものとしたが、これには限られない。複数の仕切板２９の上流側端部は、必ずしも、流路拡大部２８内の入口部２８ａの近傍に配置されていなくても良い。

（３）前記までの実施形態においては、膨らみ部３１の断面形状が円状であるものとしたが、これには限られない。例えば、膨らみ部の断面形状が楕円状でも良く、或いは、上流側に向けて角が突出した三角形状等でも良い。つまり、膨らみ部は、上流側の端部から下流側に向かうほど流路幅方向におけるサイズが大きくなっている部位を含んでいれば良い。

（４）前記までの実施形態においては、膨らみ部３１が流路幅方向に沿って直線状に並べられているものとしたが、これには限られない。例えば、膨らみ部３１は弧状に配置されていても良い。

（５）ダクト２５内には、空気以外の気体を送り込んでも良い。

２ 紡糸ビーム（紡糸装置）
３ 糸冷却装置
２１ 冷却筒（糸冷却部）
２５ ダクト
２８ 流路拡大部
２９ 仕切板
３０ａ 内壁面
３１ 膨らみ部
Ｗ１ 間隔
Ｗ２ 間隔
Ｘ１ 長さ
Ｘ２ 長さ
Ｙ 糸

Claims (6)

1. 紡糸装置から紡出された糸に気体を吹き付けることで前記糸を冷却する糸冷却部と、
   前記糸冷却部に供給される前記気体が流れる流路が形成されたダクトと、を備え、
   前記ダクトは、
   前記流路の上流側から下流側に向かうほど前記流路の幅が大きくなるように形成された内壁面を有する流路拡大部と、
   前記流路拡大部内において、流路幅方向に並べて配置され、前記上流側から前記下流側に向かって放射状に延びた複数の仕切板と、を有し、
   各仕切板の前記上流側の端部には、膨らみ部が形成されており、
   前記膨らみ部は、前記膨らみ部の前記上流側の端部から前記下流側に向かうほど前記流路幅方向におけるサイズが大きくなっている部位を含み、
   互いに隣接する２つの前記仕切板に形成された２つの前記膨らみ部の前記流路幅方向における端部間の、前記流路幅方向における距離が、１２ｍｍ以上３０ｍｍ以下であり、
   前記流路幅方向と直交する流路長さ方向において、各仕切板の長さは、前記内壁面の長さの２６％以上であることを特徴とする糸冷却装置。
2. 互いに隣接する２つの前記仕切板に形成された２つの前記膨らみ部の前記流路幅方向における端部間の、前記流路幅方向における距離が、１８ｍｍ以上３０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の糸冷却装置。
3. 前記流路拡大部の前記内壁面と、前記内壁面に最も近接している前記仕切板の前記膨らみ部の前記流路幅方向における端との前記流路幅方向における距離が、互いに隣接する２つの前記仕切板に形成された２つの前記膨らみ部の前記流路幅方向における端部間の、前記流路幅方向における距離の１倍以上７倍以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の糸冷却装置。
4. 前記流路拡大部の前記内壁面と、前記内壁面に最も近接している前記仕切板の前記膨らみ部の前記流路幅方向における端との前記流路幅方向における距離が、互いに隣接する２つの前記仕切板に形成された２つの前記膨らみ部の前記流路幅方向における端部間の、前記流路幅方向における距離の１．５倍以上５．５倍以下であることを特徴とする請求項３に記載の糸冷却装置。
5. 前記複数の仕切板の前記膨らみ部は、前記流路幅方向に沿って一列に並べられていることを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載の糸冷却装置。
6. 前記膨らみ部の断面形状は円状であり、前記膨らみ部の直径が４ｍｍ以上２０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１～５のいずれかに記載の糸冷却装置。
   

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