JPH09506398A - 液体ファンジェットの形成装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 平坦な液体ジェットを形成するための装置（１）であって、液体供給手段（３）と、流れを分散しかつ供給された液体の乱流を制御する手段と、形成された平坦ジェット（Ｊ）の出力手段（４）とを具備している。本発明は、流れを分散しかつ供給された液体の乱流を制御する手段が、第１固定湾曲液体フローチャネル（１５）と、第１チャネル（１５）の軸に対して平行な軸を有する第２湾曲チャネル（２５）と、速度および圧力の調和的な横方向分布を得るために、また、渦のスケールおよびレベルを制御するために、湾曲フローの軸と平行な軸を有する調節された渦を形成するための手段（２６）とを備えて構成されていることを特徴としている。応用対象は、製紙用機械のヘッドボックス、あるいは、紙のコーティング装置である。

Description

【発明の詳細な説明】 液体ファンジェットの形成装置 発明の属する技術分野 本発明は、液体ファンジェットの形成装置に関するものである。さらに詳細に は、ミキシング、カウチング（couching）、コーティング、および流体中におい て懸濁状態の粒子からの、特に水中におけるファイバ含有懸濁液からのシートあ るいはボードの形態をなす材料の製造の分野におけるそのようなファンジェット の形成に関するものである。 本発明は、ファイバ含有懸濁液からシートを形成する製紙業に特に適している 。また、紙および板紙のコーティングおよびカウチングの分野において、様々に 使用することができる。 説明中においては、本発明は、特に、紙の製造に関する使用について説明され るけれども、本発明は、同様に、化学における熱交換を伴うまたは伴わない混合 体、農業食品、および、製薬産業において、あるいは、水処理において、ならび に、ポリマーあるいは溶融金属からのフィルム製造において、さらには、アスベ ストセメントの製造において使用することができる。従来の技術 紙および板紙の製造時においては、ファイバ含有懸濁液は、ヘッドボックスか ら噴出するパルプジェットへと変換される。 周知のように、ヘッドボックスは、本質的に、パルプ供給分散器に起因する速 度、圧力、濃度の不規則性を低減させた状態で、出口ノズルにおいて一様かつ均 質なジェットを保証しなければならない。パルプ供給装置にかかわらず、ヘッド ボックスは、本質的に、以下の主要な特性を保証しなければならない。 −ジェットの厚さの一様性。 −出口ノズルでの一定の速度。 −ファイバ濃度の均質性。 −可能であれば、凝集の制御。 これらの性質は、シートのｇｓｍ物質（gsm substance）が一定でありかつ均 質に維持されるために、空間中において、とりわけ幅方向（cross direction） において、また時間的に（言い換えれば、ジェットの移動方向において）安定し ていなければならない。 リップ開口が一定である場合には、シートのｇｓｍ物質のいかなる局所的変化 も、局所的な速度変化に、あるいは、凝集によって引き起こされる濃度変化のい ずれかに、さらには、これら両方が同時に起こることに起因するものである。 ジェット中の速度が変化したときには、材料の量の変化が引き起こされ、時間 的には、１〜５％のオーダーの変化、および、成形されたシートの幅全体にわた っての変化がもたらされることになる。 交差方向における速度変化は、本来的には乱流を有していない。出口ノズルの 表面状態が完全であれば、速度変化は、ランダムに発生することになる。そうで なければ、速度変化は、安定することになる。それゆえ、速度範囲の一様な分布 を得るために、出口ノズルにおける圧力を一様にするという試みがなされてきた 。しかしながら、この調整は、３メートルよりも大きなオーダーのノズル幅にわ たって得ることは困難である。 周知のように、ファイバ濃度の揺らぎは、凝集に関連しており、本質的に、ヘ ッドボックス内で生成される流体力学的乱流に依存している。この乱流は、凝集 の分解を引き起こす。したがって、小さなサイズの渦、言い換えれば、凝集の大 きさよりも小さなサイズの渦は、凝集を、個々のファイバへと分解する。これに 対して、より大きな渦は、自身の流れに沿って凝集を運搬する。したがって、こ れら２つの渦の互いに対する相互作用が存在し、これは、再凝集を引き起こす。 高濃度の形成のために設けられたヘッドボックスは、低濃度において、有効で なければならない。実際、集中したシステムを分解する能力、および、それをフ リージェット中において維持する能力は、そこに適用されている濃度に関して完 全に均質な流れを作り出し得るものでなければならない。 この結果を得るために、凝集を分解するための多くのあるいは少しの変形を伴 って、従来の乱流の生成原理が使用される。しかしながら、従来の乱流は、完全 に凝集を分解するには、不十分であった。さらに、出口ノズルにおける流体力学 的な境界領域は、特に、ジェットにおける速度分布が含まれているものの、ヘッ ドボックスの設計にあたって考慮されていない。 本発明は、これら欠点を克服するものである。 本発明は、対象となっているタイプの装置に関して、渦のサイズが装置内の流 れの全体長さにわたって離散的な法則にしたがって調節されている特殊な乱流を 作り出し得る装置を目的としている。 本発明は、さらに詳細には、より良好な条件下において、特に、英語の用語” swirling”（渦巻）として知られている回転延伸効果の結果として、凝集の分解 を保証し得るような渦を生成することができるヘッドボックスを目的としている 。発明の概要 本発明は、液体のファンジェットを形成するための装置であって、液体を供給 する手段と、供給されたものを分散しかつ供給された液体の乱流を制御する手段 と、形成されたファンジェットの出力手段とを具備してなり、 供給されたものを分散しかつ供給された液体の乱流を制御する手段は、 −液体を流すための第１固定湾曲コンジットと、 −第１コンジットの軸に対して平行な軸を有する第２湾曲フローコンジットと 、 −速度および圧力の調和的な横方向分布をもたらすために、また、渦のスケー ルおよびレベルを制御するために、湾曲コンジットの軸と平行な軸を有する調節 された渦を形成するための手段と、 を備えて構成されていることを特徴としている。 この装置は、製紙産業におけるファイバ含有懸濁液の処理に好適である。 本発明の好ましい実施形態においては、製紙機械のヘッドボックスにおいて、 ファイバ含有懸濁液は、２つの引き続くコンジット内に導入される。この場合、 ２つの引き続くコンジットは、互いに平行な軸を有しており、好ましくは同軸で ある。これにより、流れに平行な軸を有する、したがってコンジットに対して平 行な軸を有する調節された渦が形成される。結果的に、速度および圧力の調和的 な横方向分布がもたらされ、結局、高濃度であっても、速度において調和的であ るとともに凝集が低減されたジェットが形成される。 実用上、以下のものを備えることが有利である。 −２つの湾曲コンジットの軸に平行な軸を有する少なくとも１つの回転シリン ダを備えて構成される調節された渦を形成するための手段。 −ファイバ含有懸濁液の凝集を徐々に分解するのに適したスケールおよびレベ ルの乱流を連続して作り出すために、直列に配置された２つの湾曲コンジット。 第１の外側固定フローコンジットは、大きな凝集の分解に適した大きなスケー ルの調節された渦を作り出す。 第２の内側フローコンジットは、第１のコンジットの軸と平行な軸を有しかつ 回転シリンダと関連するものであって、小さなファイバ凝集の分解に適した小さ なスケールの調節された渦を作り出す。 回転シリンダは、懸濁液の流れと同じ向きに回転する。そして、回転シリンダ の周縁速度は、圧力損失が極力小さくされている場合には、流れの速度の約３〜 ４倍速いものである。 回転シリンダは、非一様な表面状態を有している。例えば、母線がしたがうよ うな好ましくは規則的な、凹凸形状あるいは波形線である。 シリンダの母線は、径が正弦波状の溝の形状にしたがうことが有利であり、そ の波長は、ファイバの平均長さの約２〜１０倍（好ましくは、３〜５倍）である 。 通常、装置は、ただ１つの回転シリンダを備えているけれども、互いに平行な 軸を有する２つの回転シリンダを備える構成であってもよい。 他の実施形態においては、装置は、また、反射部材を備えている。反射部材は 、回転シリンダとジェット出口との間に設けられ、湾曲コンジットの供給側の流 れと出口側の流れとを分離するためのものである。 他の実施形態においては、装置は、水、溶媒、あるいは、懸濁液の導入手段を 備えている。導入手段は、ジェットの領域におけるパルプの濃度および組成を制 限するために、湾曲コンジットのうちの少なくとも１つの母線に沿って配置され ている。 ある代替形態においては、メインの懸濁液とは異なる組成（保存剤、微量成分 ）は、ジェット中において、様々な懸濁液の有効な混合体を作り出すために、上 記手段内に導入される。 他の有利な実施形態においては、少なくとも２つの本発明によるヘッドボック スが、もし適切であるならば１つあるいはそれ以上の従来のヘッドボックスを併 用して、使用される（マルチジェット式の紙あるいは板紙）。 よって、本発明による新規なヘッドボックスは、渦のサイズが調節された特殊 な乱流を生成することを目的としている。これら渦のサイズは、流れの全体長さ にわたって、離散的にあるいは連続的に変化する。したがって、ボックスの入口 側においては、第１の大きなサイズのディーン渦（Dean vortices）が、第１湾 曲コンジット内において生成される。これにより、より大きな凝集は、より小さ な凝集へと分解される。第１コンジットと同軸の第２湾曲コンジット内において は、これら凝集は、完全な分解がなされるまで、より小さいものであるより小さ く修正されたテイラー渦（smaller and smaller modified Taylor vortices）に より、再度、分解される。 ２つの平行な回転シリンダを備える形態においては、これらテイラー渦のサイ ズは、最も小さな凝集でさえもさらに分解するために、一層小さなものとされる 。 渦の強度およびサイズが、これらコンジットの全体長さにわたって制御されて いることにより、凝集／乱流相互作用は、凝集への乱流の作用の結果として完全 に変化される。 さらに、生成された渦のフリージェット中におけるライフタイムは、従来から 使用されている従来の乱流のライフタイムよりもずっと大きい。 このパラメータは、フリージェット中において重要である。というのは、緩和 、言い換えれば凝集の再発生は、もはや乱流が発生しないことにより、このパラ メータに大きく依存するからである。 本発明の実施、および、それから発生する利点は、添付図面を参照した以下の 例示としての実施形態により明らかとなるであろう。図面の簡単な説明 図１は、本発明の装置を示す図であって、製紙用ヘッドボックスにおいて使用 されている。 図２は、図１の代替し得る実施形態を示す図であって、リサイクルあるいは希 釈の様子が示されている。 図３は、本発明の他の実施形態を示す図であって、３つの装置が設けられてい る。 図４は、本発明を概略的に示す図であって、紙のカウチングに対して使用され たときの様子が示されている。発明の実施の形態 全体的に符号（１）により示されている本発明のヘッドボックスは、容器（２ ）を備えている。容器（２）には、底部において、紙あるいは板紙の製造に従来 より使用されているファイバ含有懸濁液の供給器（３）が接続されている。 容器（２）は、例えば正方形断面の平行六面体形状をなすもので、ファンジェ ット（Ｊ）が噴出する出口オリフィス（４）を有している。出口オリフィス（４ ）は、下側固定リップ（５）と、出口寸法を調節する目的のために下側固定リッ プ（５）に対して調節可能とされた上側リップ（６）とにより、公知の方法によ り形成されることが好ましい。 本発明の第１の特徴点によれば、供給管（３）は、第１空間（１０）に対して 開口している。このとき、第１空間（１０）は、鉛直直立壁（１１）と湾曲部（ １２）との間において、液体流体（Ｆ）の流れの厚さが次第に減少するよう形成 されている。 本発明の第２の特徴点によれば、液体の流れ（Ｆ）は、全体的に符号（１５） により示された第１の固定された湾曲フローコンジット中に流入している。第１ の固定された湾曲フローコンジットは、（１２）の延長において、２つの外側（ １６）および内側（１７）の湾曲同軸プレートから形成されている。このコンジ ット（１５）においては、大きなサイズのディーン渦が発生しており、大きな凝 集粒子は、小さな凝集粒子へと分解される。湾曲した領域（１６）は、（１１） と平行な壁（１８）のところまで、容器（２）の全体にわたって延在しており、 上側リップ（６）の入口（２０）に対して（１９）のところにおいて溶接されて いる。 本発明の他の特徴点によれば、装置は、また、全体的に符号（２５）により示 されている第２コンジットを備えている。第２コンジットは、ファイバ含有懸濁 液（Ｆ２）が、より小さなものであるより小さく修正されたテイラー渦により凝 集粒子が完全に分解されるように、湾曲プレート（１７）の内側表面により形成 されている。 本発明の他の不可欠な特徴点によれば、装置は、また、シリンダ（２６）を備 えている。シリンダ（２６）は、ベルト（２８）を介してモータ（２７）により 駆動され、コンジット（１５および２５）の軸に平行な軸（２９）回りに回転す る。 処理された懸濁液（Ｆ３）は、出口コンジット（４）へと流入し、これにより 、所望のファンジェット（Ｊ）が形成されることになる。 よって、渦の強度、レベル、サイズが流れ（Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３）の全体長さに わたって制御され、これにより、凝集／乱流相互作用に代えて、凝集に対する乱 流の作用が引き起こされる。 本発明の他の特徴点によれば、回転シリンダ（２６）は、湾曲プレート（１７ ）とともに剪断を行うための限定された空間を形成するものであって、直線では なく調和的に変化する母線を有している。 この母線は、例えば、鋸刃状、銃眼を設けた形状（crenelated）、円弧状、好 ましくは正弦波状のように変化する形状にしたがうことができる。既に述べたよ うに、これら形状の波長は、例えば正弦状については、処理されるべき懸濁液の ファイバの平均長さの３〜５倍のオーダーである。 代替し得る形態においては、図示していないものの、コンジット（１５および ２５）は、流れの方向において厚さが減少することが有効である。 図２に示す改良された実施形態においては、出口オリフィス（４）には、平行 にリサイクル用または希釈用出口（３０）が設けられている。リサイクル用また は希釈用出口（３０）は、（４）のわずかに下流側に設けられており、装置内へ の供給量を増加することを可能として、よって渦強度を高め得るためのものであ る。一方、この場合には、シリンダ（２６）の回転速度を速くして、ボックスか らの出口量を一定とする。 希釈が要望される場合には、水の注入点は、回転するシリンダ（２６）の母線 のうねり（undulations）と空間的に一致する。 実用的には、シリンダ（２６）の典型的な回転速度は、ある向きにおいて、あ るいは他の向きにおいて、流れ（Ｆ）の供給速度の１〜１０倍にわたって変化す ることができる。 図３に示す例示としての実施形態においては、装置は、本発明の３つのボック ス（４３、４４、４５）から噴出する３つのジェット（４０−４２）を有してい る。この場合、本発明の３つのボックス（４３、４４、４５）内には、異なる長 さおよび／または異なる濃度のファイバを含む様々な懸濁液が導入される。参照 符号（４６、４７）は、布を示しており、参照符号（４８、４９）は、製紙機械 の２つの回転シリンダを示している。 参照符号（６０、６１、６２）は、パルプ供給部材を示しており、参照符号（ ６３、６４、６５）は、希釈部材を示している。 この構成においては、異なるタイプのおよび／または異なる種類のファイバか らなる多層構造を作製することができ、中央供給装置において高濃度の粗いファ イバの懸濁液が使用される場合に、有利である。 図４には、紙のカウチングに対して使用された実施形態を概略的に示す。 この場合、この装置は、紙シート（５７）を支持しているか、あるいは転写ロ ーラであるかのどちらかの役割を果たしているシリンダ（５６）上に、カウチン グスリップ（５５）の規制されたファンジェットを放出するコーティングヘッド を構成している。 コーティングスリップ（Ｅ）は、（２６）と同様の回転シリンダ（５３）と、 （５３）と同軸の外側プレート（５４）との間に形成された第１湾曲コンジット （５２）内に制限されるように、（５０）において供給されている。 このコンジットは、矢印（Ｒ）で示した方向に回転しているコーティングロー ラ（５６）に対する制限された空間内に対して、（５５）において開放している 。ドクター（５１）は、コンジット（５２）中のスリップの再循環を制御し、か つ制限している。 実用においては、シリンダ（５６）の正接速度は、コンジット（５２）の放出 速度の３倍のオーダーである。 本発明による装置は、特に、従来より高濃度、標準濃度、あるいは、低濃度に 対して知られているヘッドボックスに対して、多数の利点を有している。列記す れば、 −境界領域がないことにより、また、調和的な変化の強度および波長が完全に 制御されて横断面における相対圧力の調和分布が得られることにより、ヘッドボ ックス内にパルプの供給がなされるいかなる装置においても、ジェット内におい て一様な速度分布が得られること、 −ヘッドボックス内のパルプの流れの全体長さにわたって渦のサイズが調整さ れて乱流が調節されていることにより、高濃度であっても均質な懸濁液が得られ ること、 −渦の渦強度が完全に制御されていることの結果として、自由ジェット内に延 在する乱流のライフタイムが大きいこと、 である。 したがって、この装置は、紙の製造において、ヘッドボックス内において、ま た、紙のカウチングに対して有効に使用することができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)， ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，Ｃ Ｈ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ， ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，Ｍ Ｎ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＴ， ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 スカリ，ラミ サラ フランス国 54630 リシャール ムニル リュ ドゥ ナンシー シャトー ルー ジュ（番地なし) (72)発明者 コニェット，ジェラール フランス国 38330 ビビエ シュマン デ ウヴクオー ラ ポムレ ４ (72)発明者 ピエラール，ジャン−マリー フランス国 38330 ビビエ シュマン デ ティエル キャステル ノベル ９

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．液体のファンジェット（Ｊ）を形成するための装置であって、 液体を供給する手段（３）と、供給されたものを分散しかつ供給された液体の 乱流を制御する手段と、形成されたファンジェット（Ｊ）の出力手段（４）とを 具備してなり、 供給されたものを分散しかつ供給された液体の乱流を制御する前記手段は、 前記液体の流通のための第１固定湾曲コンジット（１５）と、 前記第１コンジット（１５）の軸に対して平行な軸を有する第２湾曲フローコ ンジット（２５）と、 速度および圧力の調和的な横方向分布をもたらすために、また、渦のスケール およびレベルを制御するために、前記湾曲コンジット（１５、２５）の軸と平行 な軸を有する調節された渦を形成するための手段（２６）とを備えて構成されて いることを特徴とする液体のファンジェットの形成装置。 ２．調節された渦を形成するための前記手段は、前記湾曲コンジット（１５、２ ５）の軸と平行な軸を有する少なくとも１つの回転シリンダ（２６）を備えて構 成されていることを特徴とする請求項１記載の装置。 ３．前記２つの湾曲コンジット（１５、２５）は、固定され、かつ、直列に接続 されていることを特徴とする請求項１または２記載の装置。 ４．前記回転シリンダ（２６）は、前記液体の流れ（Ｆ）の向きと同じ向きに回 転することを特徴とする請求項１、２または３記載の装置。 ５．前記回転シリンダ（２６）の周縁速度は、前記液体の流れの速度の３〜４倍 であることを特徴とする請求項２、３または４記載の装置。 ６．前記回転シリンダ（２６）の母線は、鋸刃状、銃眼を設けた形状、円弧状、 および、正弦波状からなるグループの中から選択された径方向に凹凸のある形状 にしたがうことを特徴とする請求項２記載の装置。 ７．さらに、前記回転シリンダ（２６）と前記出力手段（４）との間に設けられ た反射部材を備えることを特徴とする請求項２記載の装置。 ８．処理されるべき前記液体は、製紙用機械のファイバ含有懸濁液であることを 特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の装置。 ９．前記回転シリンダ（２６）の母線は、径方向の正弦波状形状にしたがい、前 記正弦波の波長は、前記懸濁液のファイバの平均長さの３〜５倍であることを特 徴とする請求項６または８記載の装置。 １０．請求項１ないし９のいずれかに記載の装置を具備している製紙用機械のヘ ッドボックス。 １１．請求項１ないし９のいずれかに記載の装置を具備している紙のカウチング 装置。