JPH0214845A - セラミック繊維製造の為の改良吹込ノズル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の分野〕 本発明は一般に無機繊維を製造する為の装置に関し、詳
しくは、従来技術の装置を使用して現在入手し得る無機
繊維よりも引張強度の大きい無機繊維を製造する為の改
良装置に関する。

〔従来技術の説明〕

無機繊維の製造には代表的に２つの段階、即ち無機原料
の溶融流れを釈放する段階と、溶融流れをある種の繊維
化手段にかける段階が必要とされる。無機原料の溶融流
れを繊維化する為の２つの方法が商業的に知られている
。紡績及び吹込である。紡績方法に於ては溶融流れの繊
維化は回転ディスクによって達成される。溶融流れは回
転ディスク上に直接落下されそして繊維化される。吹込
方法に於ては、溶融流れに隣合って位置決めされた吹込
ノズルから溶融流れに蒸気或は空気の如きガスが高速で
吹込まれる。吹込ノズルの機能は、米国特許第２．７４
３．１３６号に記載される如く溶融流れの運動方向を縦
方向から水平方向に変化させ、流れを徐々に繊維へと細
める液滴とすることである。溶融流れは吹込ノズルの胴
部と接触状態となり得るが、溶融流れの方向を変化させ
流れを繊維とする為には物理的接触は何ら要求されない
。

別様には２つの吹込ノズルが使用される。２つの吹込ノ
ズル、即ち一次ノズル及び二次ノズルは一次ノズル軸と
実質的に平行な開口を具備する。

一次ノズルはその内部に設けた複数のオリフィスから放
出される高速の多数の空気流れから成り立つ。二次ノズ
ルは、溶融材料を繊維化する為の非常に高い空気速度を
創出するベンチュリ形ノズルである。この場合、原料セ
ラミック材料は炉内で電気的に溶融され、溶融された材
料は連続した溶融材料流れ及び或は液滴の形態で炉から
流出される。連続した溶融材料流れ及び或は液滴は、一
次ノズルからの高速の空気流れを受けるように流動可能
とされ、該一次ノズルからの高速の空気流れは溶融材料
を二次ノズル内に引込まれる細紐状態とし、これら細紐
状態の溶融材料は二次ノズルに於てセラミック繊維を生
成する為に更に剪断され且つ冷却される。このプロセス
の為に使用される装置は、繊維化されないままの材料の
量が多く従って製品の品質が低下するという固有の欠点
を有することが分った。溶融材料が二次ノズルへの入口
表面に衡突することにより、溶融材料が所望されざる薄
片及び小球体となることが更に分った。

最後に、こうした吹込装置によって製造される繊維の長
さは所望されざるほどに短（、それを使用して製造され
る繊維材料を引張強度の低いものとする。この引張強度
は繊維から製造された材料の取扱い性に厳しく影響する
。

繊維材料製造の為に無機材料を吹込みする為の別の方法
が、米国特許第４，００１，３５７号に記載される。こ
こでは溶融流れはラバル（Ｌａｖａｌ　）ノズルに通さ
れ、気体速度が超音速となるような高圧力下で処理され
る。ノズル速度は、溶融材料が固化し繊維となるよう、
ノズル内部の流動媒体の温度が急激に降下せしめられる
ように選択される。こうした装置によって製造された繊
維は長さが非常に短く（２及び１０ｍｍの間）、この短
い繊維から製造した材料は引張強度が非常に小さ（且つ
取扱い性が悪いことが知られている。

従って、現在入手し得るよりも長く且つ直径の大きい繊
維を製造し、それによって製造される材料の引張強度を
上げると共に、溶融材料の、最終的に繊維となる割合を
増大させる為の装置の開発が所望されている。

〔発明の目的］ 本発明の目的は前述の如き従来装置の欠点を改良するこ
とにある。

［発明の概要〕 本発明は従来技術に係る前述の如き問題及びその他の問
題を、溶融材料の繊維化の為に使用される一部ノズルと
の関連に於て使用する新規構造の二次ノズルを提供する
ことにより解決する。２次ノズルの入口は独特の形状を
有し且つ寸法が小さく、溶融材料のそこへの衡突を最小
限とする。これにより二次ノズル入口における薄片及び
小球体の形成が最小限とされ、従ってそうした薄片が最
終製品に混入することに関連する問題が解決される。加
えて二次ノズルは、もっと長（且つ肉厚の繊維を製造す
る為にその内部で溶融材料を完全に固化させる為の更に
長いバレルを有する。斯くして、そうした繊維から製造
した材料は強い引張強度を有しその取扱い性が改良され
る。

〔実施例の説明〕

図面を参照して本発明を説明する。図示された具体例は
本発明の好ましい具体例の説明の為に例示されるもので
ありこれに限定されるものではない。第１図は溶融材料
の繊維化の為に使用される従来装置１０の断面図である
。装置１０は一部ノズル１２及び二次ノズル１４を含ん
でいる。一次ノズル１２はその出口端部に複数のオリフ
ィス１６を具備し、各オリフィス１６はそこからの高速
の空気流れを放出可能としている。代表的にオリフィス
１６は１〜５ｍｌ１１の直径を有する。二次ノズル１４
は入口ディスク１８、ノズルハウジング２０及びノズル
バレル２２を具備する。入口ディスク１８の外側周囲の
一部分には溝２４が形成される。該溝２４はノズルハウ
ジング２０の壁２６に形成された相補的な溝と係合する
。同様に、ノズルバレル２２の外側表面の一部には／ｌ
Ｉ！２８が形成され、該溝２８はノズルハウジング２０
の壁２６と反対側に配設された壁３０に設けられた相補
的な溝と係合する。ノズルハウジング２０の壁２６と３
０との相補的な溝は各々、入口ディスク１８及びノズル
バレル２２が整列しそれらの軸が一致するよう位置決め
されていることを銘記されたい。このようにして、入口
ディスク１８は繊維化された材料をノズルバレル２２内
部の孔３２へと差し向ける。ノズルバレル２２への入口
３４の内径は代表的に約１−３．１７ｃｍ　（１−１，
２５ｉｎｌ　（寸法ａ）であり、ノズルバレル２２から
の出口３６の内径は一般に約３．８１−５．０８ｃｍ（
１，５−２ｉｎ）である。この結果、孔３２はノズルハ
ウジング２０から外側へとテーパ付けされる。ノズルバ
レル２２全体の長さは通常概略３３．２ｃｍ（１３ｉｎ
）　（寸法Ｃ）でありこれによりその内部での繊維の引
伸が可能となる。繊維化用媒体を二次ノズル１４内に導
入する為の孔３８がノズルハウジング２０に設けられる
。

第２図を参照されたい。入口ディスク１８は該入口ディ
スク１８の面４４からその環状端部４６にかけての連続
した周囲表面４２によって画定される貫通孔４０を具備
することを理解されよう。

貫通孔４０への入口の直径は一般に概略５．０８ｃｍ　
（２ｉｎ）　（寸法ｄ）であり、一方、貫通孔４０から
の出口の直径は、ノズルバレル２２への入口３４の内径
と適合するよう、代表的に約１〜３．１７ｃｍ（１〜１
゜２５ｉｎ）　　（寸法ｅ）である。貫通孔４０を画定
する連続周囲表面４２は、概略２．２２ｃｍ（７／８ｉ
ｎ）　　（寸法で）という比較的小さい曲率（軸方向断
面で）を有する。連続周囲表面４２によって画定される
貫通孔４０は入口ディスク１８の面４４がらその環状端
部４６にかけて、その軸方向の全長に渡る軸方向の横断
方向寸法が減少される。入口ディスク１８の環状端部４
６はノズルバレル２２への入口３４と隣接し、その間の
環状の間隙４８は僅かである。ノズルバレル２２の孔３
２の外側に差し向けられたテーバによって、繊維化され
た材料のそこを貫いての通過が可能とされる。

作動に際し、繊維化するべき材料の連続した溶融流れ及
び或は液滴は一部ノズル１２及び二次ノズル１４間を縦
方向に流動可能とされ、一次ノズル１２内部のオリフィ
ス１６からの高速の複数の空気流れの放出が妨害される
。これら高速の空気流れは溶融材料の流れ及び或は？＆
滴を、二次ノズル１４に引き込まれる細紐状態とし、こ
れら細紐は二次ノズル１４内部で、ノズルハウジング２
０にその孔３８を介して導入された繊維化用媒体と接触
されそして細長いセラミック繊維を製造する為に強く剪
断され且つ冷却される。二次ノズル１４の入口ディスク
１８に溶融流れ及び或は液滴が衡突することによって、
溶融材料が薄片及び或は小球体の形態で入口ディスク１
８上で固化することが分った。加えて、こうした従来装
置１０を使用すると繊維化されないで残留する溶融流れ
及び或は液滴の割合が著しく多く、したがって製造され
た製品の品質が低下することも分った。また、この従来
装置１０によって製造した繊維の長さは所望されざるほ
どに短（、それから作成した繊維材料の、取扱い性に厳
しく影響する引張強度が低下さ２れることも分った。こ
の装置によって製造した繊維は平均長さが約１０ｃｍ（
約４ｉｎ）であり、繊維の平均直径は約１．４ミ９０ン
である。

第３図を参照されたい。ここには本発明の改良された吹
込ノズル装置５０の断面図が示され、該吹込ノズル装置
５０は一部ノズル５２及び二次ノズル５４を具備してい
る。一次ノズル５２は斯界に周知であり、従って本発明
の一部を構成しない、二次ノズル５４は入口ディスク５
６と、ノズルハウジング５８と、ノズルバレル６０とを
具備する。入口ディスク５６は、その外側周囲の一部分
に溝が形成され、該溝はノズルハウジング５８内の壁６
４に形成された相補的な溝と係合する。

同様にノズルバレル６０の外側表面の一部分には溝６６
が形成され、該溝６６はノズルハウジング５８の、壁６
４と反対側に配設された壁６８に設けられた相補的な溝
と係合する。ノズルハウジング５８の壁６４及び６８の
多溝は、入口ディスク５６とノズルバレル６０とが整列
しそれらの軸が一致するように位置決めされる。ノズル
ハウジング５８には繊維化用媒体を二次ノズル５４に導
入する為の孔７０もまた設けられる。

第３図及び４図に示されるように、入口ディスク５６は
、そこを貫く貫通孔７２が従来技術の二次ノズル１４に
おける貫通孔４０よりも実質的に大きい直径を有し、そ
して従来技術に使用されるそれよりも実質的に大きい曲
率（軸方向断面に於て）を有する連続円周表面７４によ
って画定されることから形状が独特である。例えば、貫
通孔７２の入口側の直径は、従来技術のそれが約５．０
８ｃｍ（約２ｉｎ）であるのに対し、一般に約６．３５
〜７．６２ｃｍ　（２，５−３ｉｎ）　（寸法Ｕ）であ
る。貫通孔の出口側直径は、従来技術では約２．５４−
３．１８ｃｍ（約２ｉｎ）であるのに対し、一般に約５
．０８ｃｍ　（２ｉｎ）　（寸法Ｖ）である。そして連
続円周表面の曲率（軸方向断面に於て）は、従来技術の
それが約２．２２ｃａ＋（約７７８ｉｎ）であるのに対
し、一般に６．３４ｃａ＋（寸法Ｗ）である。貫通孔７
２における直径及び連続円周表面７４の曲率における前
述の如き増大は二次ノズル５４への引込みを増大させそ
れにより溶融材料の細紐化を改善する。連続円周表面７
４によって画定される貫通孔７２は、その面７６から入
口ディスク５６の環状端部７８にかけての軸方向の全長
さに於て横断方向の直径が減少される。入口ディスク５
６の環状端部７８は、その間部分に僅かな環状の間隙８
２を設定する状態に於て、ノズルバレル６０に対する入
口８０と隣接する。従来装置における如く、ノズルバレ
ル６０内の孔８４はノズルハウジング５８から外側へと
テーパ付けされ。

繊維化された材料がそこを貫いて通過することを可能と
している。然しノズルバレル６０の軸方向長さ及びノズ
ル孔の直径は、従来装置ｌＯのノズルバレル２２の対応
寸法よりも実質的に大きい。

例えばノズルバレル６０の入口８０の内径は、従来装置
のそれが約２．５４−３．１７ｃｍ　　（１−１，２５
ｉｎ）であるのに対し１代表的には５．０４−５．７２
　ｃｍ　（２〜２．２５ｉｎ）　　（寸法Ｘ）であり、
出口８６の内径は従来装置では３．８１−５．０４ｃｍ
（１，２５−２ｉｎ）であるのに対し、７．６２−８．
２６ｃｍ（３−３，２５ｉｎ）　　（寸法ｙ）であり、
ノズルバレルの長さは、従来装置ではこれが３３．０２
ｃｍ（１３ｉｎ）であるのに対し、約４５．７２ｃｍ（
１８ｉｎ＞　　（寸法Ｚ）である。ノズルバレル内の孔
の直径及びその全体長さの前述の如き増大によって、繊
維はそこを貫通するに際してより細長くされる。

作動的には、一次ノズル５２は高い空気速度を実現する
ジェット型ノズルである。一次ノズル５２に適用される
空気圧及びそこを貫いての流量は調節される。一次ノズ
ル５２によって形成される空気ジェットの直径は、溶融
材料流れが高速の剪断層によって完全に包囲されるよう
、一次ノズル５２の出口に隣合う溶融材料流れの直径と
比較して十分に大きい。この剪断層は初期繊維を形成す
る溶融材料流れ分割を生じさせる。

調節された高圧空気がノズルハウジング５８の孔７０を
介して二次ノズルに導入される。この高圧空気はノズル
バレル６０の入口８０と入口ディスク５６の環状端部７
８との間に形成された環状の間隙８２から放出される超
音速の剪断層を形成する。この剪断層は、それがノズル
バレル６０から放出されるまで拡張される間維持される
。ノズルバレル６０を貫く孔８４の拡開の角度は臨界的
であり、２°以下に維持される。ノズルバレル６０の入
口８０と入口ディスク５６の環状端部７８との間に形成
された環状の間隙８２の寸法は、所望される繊維化状況
を実現するべ（設定し得る。

最良の作業空気圧は、一次ノズル５２の為にはゲージ圧
で概略５．２７ｋｇ／ｃｍ２（７５ｐｓｉｇ　）であり
、二次ノズル５４の為にはゲージ圧で５．２７−６．６
８　ｋｇ／ｃｍ”（７５〜９５ｐｓｉｇ）であることが
分った。ノズルバレル６０の入口８０と入口ディスク５
６の環状端部７８との間の最適の環状の間隙８２は、先
ずノズルバレル６０を、その入口８０が入口ディスク５
６の環状端部７８と接面するまでねじ込み、そしてノズ
ルバレルを２．５〜３溝回転させ、その間部分に０、０
７６ｃｍ　（０，０３ｉｎ）の間隙を生じさせることに
よって実現される。一次ノズル５２と二次ノズル５４と
の間の最適間隔は、各ノズル間の中央を溶融材料が流れ
る状態に於て概略５．０４ｃｍ（２ｉｎ）であることが
更に分った。

二次ノズル５４内の剪断層の超音速流れが入口ディスク
５６の入口に真空を創出する。この真空は次いで溶融材
料の吸引効果を生じせしめ、それによって溶融材料を二
次ノズル５４内に引込ませる。超音速剪断層の如き空気
の吹込における空気の分散原理は周知であり、液滴の分
散の仕組みは液体溶融材料の特性に依存することが知ら
れており、従ってそれらはここでは議論されない。前述
の装置５０は、溶融材料の分数が最大限化され、ノズル
バレル６０を通過するに際して実質的に細長（された溶
融材料を細い繊維に剪断する為に一部ノズル５２及び二
次ノズル５４で使用する為の十分なエネルギーが空気か
ら提供される様式で作動される。

本発明は、従来装置に勝る多くの利益を提供する。例え
ば、本発明によって創出される繊維は従来装置によって
製造されたそれよりも長く且つ直径が大きい。繊維長さ
を測定する為の標準的方法は存在せず、通常は少量のサ
ンプルが採取され個々の繊維が観察されるまで徐々に分
離される。この方法を使用する本発明によって製造され
た繊維の測定長さは３０．４ｃｍ（１２ｉｎ）を上回っ
た。繊維の平均直径は約４．８６−５．５９　ｃｍ（１
，９−２，２１ｎ）であった。

この様な長く且つ直径の大きい繊維から製造した材料は
、その取扱い性を増長させる高い引張強度を有した。加
えて、入口ディスク５６の貫通孔７２の形状が独特のも
のであることがら、入口ディスク５６への溶融材料の衡
突は最少化され、従ってそこでの溶融材料の薄片及び或
は小球体の形成が減少されることが分った。更に、入口
ディスク５６の貫通孔７２の形状が独特のものであるこ
とが、入口ディスク５６上への溶融材料の貼付をも最小
限とし、これが二次ノズル５４の入口が堆積した溶融材
料で閉塞される危険性を低減することが分った。そして
更に、本発明の入口ディスク５Ｇの貫通孔７２独特の形
状がノズルバレル６゜の内側における繊維の衡突を最小
限化することも分った。これが結局、ノズルバレルの侵
食を低減しそしてその使用寿命を増大させる。そして叢
後に、幾つかの従来装置とは異なり、溶融材料流れは吹
込ノズルと接触状態となることはない。そうした接触状
態は吹込ノズルの使用寿命を実質的に低減する。

本発明の改良ノズル形状はＫａｏｗｏｏｌ　（アルミナ
５０％及びシリカ５０％）及び塩の混合物を使用して試
験されたが、本装置をその他のアルミナ−シリカ調合物
、ガラス、金属等の如き多くの材料から繊維を製造する
の為に使用し得ることを銘記されたい。本発明は一次ノ
ズルを水平に取付けて使用されることが記載されたが、
前記ノズルは必然的なものではなく、二次ノズルだけを
縦方向で使用しても差し支え・ないこと、そして最後に
、本発明は繊維化用媒体として圧縮空気を使用すること
が記載されたが、その他ガス或は蒸気を、悪影響を生む
ことなく、繊維化材料製造の媒体として使用し得ること
をも銘記されたい。

以上本発明を具体例を参照して説明したが、本発明の内
で多くの変更を成し得ることを理解されたい。

４、　　の　　な舌口 第１図は従来の吹込ノズルアセンブリの一次及び二次ノ
ズルの断面図である。

第２図は第１図の従来の吹込ノズルアセンブリで使用さ
れる入口ディスクの部分拡大断面図である。

第３図は、本発明の改良された吹込ノズルアセンブリに
おける一次及び二次ノズルの断面図である。

第４図は第３図の本発明の吹込ノズルアセンブリで使用
される入口ディスクの部分拡大断面図である。

尚、図中主な部分の名称は以下の通りである。

５０：吹込ノズル装置 ５２ニ一次ノズル ５４：二次ノズル ５６二人ロディスク ５８：ノズルハウジング ６０：ノズルバレル ７２：貫通孔 ７４：連続円周表面 ７８：環状端部 ８２：環状の間隙 ＦＩＧ、２ ＦＩＧ、３Ａ ス ＦＩＧ、　４

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、繊維化する材料の為のノズルであって、貫通孔を具
   備する入口部材と、貫通孔を具備する細長のバレル部材
   と、前記入口部材及びバレル部材間に介在され且つ前記
   入口部材の貫通孔とバレル部材の貫通孔とを整列状態と
   するハウジング部材とを包含し、前記入口部材の貫通孔
   は繊維化するべき材料の衡突を最小限化する為の十分な
   寸法を有している前記繊維化する材料の為のノズル。 ２、入口部材の貫通孔は直径が約５．０４ｃｍである特
   許請求の範囲第１項記載の繊維化する材料の為のノズル
   。 ３、バレル部材の貫通孔は２゜より小さい拡開の角度を
   有する状態に形成される特許請求の範囲第１項記載の繊
   維化する材料の為のノズル。 ４、入口部材の貫通孔はバレル部材の貫通孔と水平方向
   に於て軸方向に整列する特許請求の範囲第１項記載の繊
   維化する材料の為のノズル。 ５、入口部材の貫通孔はバレル部材の貫通孔と縦方向に
   於て軸方向に整列する特許請求の範囲第１項記載の繊維
   化する材料の為のノズル。 ６、繊維化する材料の為のノズルであつて、貫通孔を具
   備する入口部材と、貫通孔を具備する細長のバレル部材
   と、前記入口部材及びバレル部材間に介在され且つ前記
   入口部材の貫通孔とバレル部材の貫通孔とを整列状態と
   するハウジング部材とを包含し、前記バレル部材は繊維
   化する材料がそこを貫いて通過する間に固化しそして細
   長くなることを可能とするべく十分な長さのものである
   前記繊維化する材料の為のノズル。 ７、バレル部材の長さは約４５．７ｃｍである特許請求
   の範囲第６項記載の繊維化する材料の為のノズル。 ８、高速の空気で溶融材料を分裂させる為の一次ノズル
   と、溶融材料流れを繊維化する為の二次ノズルとを具備
   する、改良繊維製造装置であって前記二次ノズルは、 直径が約６．３５〜７．６２ｃｍの貫通孔を具備する入
   口部材にして、軸方向断面の曲率が約３．８１ｃｍの連
   続円周表面によって画定される入口部材と、 約２゜より小さい外側方向の拡開角度を有する貫通孔を
   具備し長さが約４５．７２ｃｍである細長いバレル部材
   と、 前記入口部材とバレル部材との間に介在され、前記入口
   部材の貫通孔ととバレル部材の貫通孔とを軸方向に整列
   するハウジング部材にして、前記入口部材及びバレル部
   材間に約０．０７６ｃｍの環状の間隙を提供するハウジ
   ング部材と より成立つ前記改良繊維製造装置。 ９、一次ノズルは二次ノズルから約５．０４ｃｍ離間さ
   れている特許請求の範囲第８項記載の改良繊維製造装置
   。 １０、ハウジング部材中の繊維化用媒体をハウジング部
   材に導入する為の手段を具備している特許請求の範囲第
   ８項記載の改良繊維製造装置。