KR100305668B1 - 멀티필라멘트 사의 냉각장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 멀티필라멘트 방사시 균일 고화의 목적으로 행해지는 냉각 장치의 개선에 관한 것으로, 본 장치는 용융방사된 멀티필라멘트사를 냉각하기 위한 장치에 있어서, 멀티필라멘트사의 진행방향으로 둘로 분리되며 벽면에 일정간격으로 직경 1~5mm의 공기유입공이 형성된 적어도 하나의 다공성 원통형 스핀튜브(21)와, 상기 스핀튜브의 외측에 스핀튜브와 일정간격으로 두고 좌우측면에 평행하게 배치되는 와류발생방지용 방풍판(22)을 구비하는 것을 특징으로 하며, 이러한 구성의 장치는 별도의 냉각풍 공급장치가 필요없이 단지 멀티필라멘트사의 주행속도에 의해 주변의 공기가 빨려들어감으로써 강제 냉각이 아닌 기류 형성에 의한 자연냉각으로 효과적인 냉각을 달성하도록 하며, 설비가 매우 간단하고 외부공기의 냉각 및 습도 유지가 불필요하기 때문에 제조비용이 현저히 절감된 원사를 제조할 수 있게 한다.
Description
본 발명은 멀티필라멘트 방사시 균일 고화의 목적으로 행해지는 냉각 장치의 개선에 관한 것이다.
일반적으로 합성섬유 용융방사는 합성수지 칩(chip)에 열을 가해 녹인 다음 이 용융수지를 스핀너렛(spinneret)을 통해 고압하에 섬유상의 멀티필라멘트로 압출하고 형성된 멀티필라멘트에 차가운 냉각풍을 강제로 불어줌으로써 모노 필라멘트들이 균일하게 냉각이 되도록 한 후 연신 및 권취하는 공정을 포함하고 있다. 이렇게 함으로써 공정 중 방사 안정성과 최종 권취된 원사의 균일성이 유지되는 것이다. 그러나 이때 외부공기를 끌어들여 섬유 다발에 균일한 속도분포를 갖도록 냉각풍을 불어주는 일은 매우 어려운 일일 뿐 아니라, 계절에 상관없이 온도와 습도를 균일하게 유지하여야 하므로 비용도 매우 많이 들게 된다.
이때 스핀너렛을 빠져나온 멀티 필라멘트가 균일 냉각이 되지 않으면 각 필라멘트마다 고화지점이 달라지게 되고 이로 인해 모노 필라멘트 사이에 굵기의 차이가 생기게 된다. 이 상태에서 고데트 롤러를 지나면서 연신이 되면 가는 필라멘트와 굵은 필라멘트 사이에 신도 및 자연 연신비 차이가 있기 때문에 저신도 모노 필라멘트에서 부분적으로 단사가 발생하고 이것이 공정상에서의 단사나, 제품상에 모우(fluff) 등의 결함으로 나타나게 된다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서는 일반적으로 방사공정상에냉각(quenching) 장치를 설치하여 강제 냉각을 통해 모노 필라멘트들을 균일하게 냉각시키는 것이 보통이다. 여기서 방사 공정에서의 냉각이란 스핀너렛을 통해 배출된 고분자 용융물을 공기나 물 등을 사용하여 균일하게 냉각, 고화시키는 것이라 할 수 있다. 이로써 모노 필라멘트간의 냉각편차를 줄여 섬유 균제도를 향상시키고, 극세사 또는 고 드라프트(Draft) 방사시 냉각에 의해 용융 점도를 증가시켜 스핀너렛 직하에서의 사절을 방지하며, 균일 냉각으로 고화 거리가 일정하게 되고 이로인해 각 필라멘트의 균일한 배향 및 결정화가 발생하여 결국 균일한 물성을 갖는 원사를 얻게 된다.
도 1은 종래의 일반적인 냉각 장치를 설치한 방사공정의 예를 보인 것으로 냉매로는 보통 공기를 사용한다. 방사장치의 스핀너렛(10)을 통해 압출방사된 용융폴리머는 냉각장치(20)로부터 방출되는 공기에 의해 냉각된다. 도면참조부호 30은 오일링 가이드를 나타낸 것이다. 이러한 냉각장치는 외부공기를 끌어들여 원하는 온도와 습도로 맞추는 장치가 필요하고 또한 이를 균일하게 공급할 수 있도록 하는 하니컴(honeycomb) 장치가 추가로 필요하다. 이러한 냉각장치는 일반사의 제사시에는 뛰어난 균제도를 보여주지만, 냉각풍이 한쪽에서만 불어오기 때문에 멀티 필라멘트의 경우에는 반대편과의 냉각속도 차이가 발생하는 문제가 있다. 여기에 대해 양면 냉각(both side quenching) 방식 및 원통형 냉각(circular quenching) 방식 등이 제시되었으나, 작업성 및 경비 절감 문제는 여전히 해결되지 않고 있다.
당분야의 특허문헌상의 기술로서 일본 특공소56-96908호에는 냉각 장치의 경비 절감을 위해 별도의 냉각 공기 공급 장치 없이도 간단한 설비의 부착으로 균일냉각을 이룰 수 있는 장치가 제시되어 있다. 이 기술에 의하면 스핀너렛을 나온 섬유 다발은 정류장치를 양면, 4면 또는 타원형으로 설치한 방사통을 지나면서 섬유 주행에 의해 형성된 기류를 따라 흡입되는 외부 공기를 통해 냉각된다.
그러나 이 방법에 의하면 냉각풍의 제조비용 및 설비비는 절약되지만 태섬도사 및 하이 멀티 세섬사의 경우에는 냉각 능력이 떨어지게 되어 적용이 불가능하게 되고, 방속이 낮으면 공기 흡입량이 줄어들어 역시 냉각효율이 감소하여 적용이 불가능하다. 따라서 이 설비는 일부 품종에 제한되어 사용되는 문제가 있다. 또한 냉각 효율 향상을 위해서는 4면 또는 원통형으로 정류판을 설치해야 하는데 이에 따라 작업성 불량의 문제가 따른다.
따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 선행기술의 제반 문제점을 감안하여 품종에 제한되지 않고 우수한 냉각효율로 냉각할 수 있고, 작업성이 우수하고, 냉각풍 사용비용을 줄일 수 있는 용융방사장치를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
용융방사시 냉각풍을 사용하여 냉각을 해야 하는 이유는 스핀너렛 방출 후 열평형식을 보면 알 수 있다. 고분자 용융물은 스핀너렛을 빠져나오면 공기중을 지나게 되므로 대류(convection) 및 복사(radiation)에 의해서 열손실을 갖게 된다(수학식 1 참조).
식중, R은 필라멘트 반경, h는 열전달 계수, T는 필라멘트 온도, Tair는 냉각풍 온도, Δt는 경과시간, σ는 스테판-볼쯔만(Stefan-Boltzmann) 상수, ε는 방출계수, ρ는 필라멘트 밀도, Cp는 필라멘트 열용량이다.
수학식 1에서 좌변의 첫번째 항은 대류에 의한 열손실, 둘째 항은 복사에 의한 열손실이고, 우변은 총 열손실이 된다.
그러나 방사공정처럼 속도가 충분히 높아지면 복사에 의한 열손실은 무시할 만큼 작아지고 결국 열손실의 대부분은 대류에 의해 발생한다. 따라서 방사공정시의 열평형은 수학식 2와 같이 필라멘트와 공기의 온도차에 의한 열대류로 표현된다.
식중, z는 방사진행 방향의 축, D는 필라멘트 직경, W는 토출량이다.
이 식에서 보면 필라멘트와 공기의 온도차 외에도 토출량, 열용량 등도 큰 영향을 미치는데, 품종이 정해지면 이들은 결정이 되어버리므로 결국 공정변수로작용할 수 있는 것은 열전달 계수(h)이다.
카세(Kase)와 마쯔오(Matsuo)에 의하면 방사공정에서의 열전달 계수는 수학식 3과 같이 표현된다 [J. Applied Polymer Science, Vol. 11, pp 251~287 (1967)].
식중 A는 필라멘트의 단면적이다.
이들은 실험을 통해 냉각풍 속도(Vair)가 냉각영역 내에서 항상 일정하다면 Vair/V=0.125인 점이 존재하고 이 점을 기준으로 냉각풍 온도(Tair)가 일정할 때 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
- 스핀너렛 직하 : V << Vair이고 Vair/V > 0.125 이며로, 냉각풍 속도(Vair)에 의해 필라멘트는 냉각속도가 결정된다.
- 고화점 부근 : V >> Vair이고 Vair/V < 0.125 이며로, 필라멘트 속도(V)에 의해 필라멘트는 고화속도가 결정된다.
이 결과에 의하면 스핀너렛 직하에서는 사속이 낮기 때문에 냉각풍 속도에의한 기여가 큰 것으로 나타나 있으나, 어느 정도 냉각이 진행되면 필라멘트 자체 속도가 커짐에 의해 냉각풍의 적극적인 공급이 없이도 냉각은 잘 이루어지게 되는 것임을 알 수 있다. 따라서 냉각풍의 강제 배기에 의한 적극적인 냉각은 스핀너렛 직하 부분에서 가장 큰 효과를 발휘하게 되는 것이며, 만약 고방속에 의해 Vair/V > 0.125인 영역이 매우 짧아진다면 강제 배기 없이도 원활한 냉각이 가능하게 될 것이다.
본 발명은 이러한 점을 이용하여 고방속 용융방사시에 별도의 냉각풍 생성 및 배기장치 없이도 균일 냉각을 달성할 수 있는 장치를 연구하였으며, 그 결과 설비가 매우 간단하고 외부 공기의 냉각 및 습도 유지가 불필요한 경제적이며 냉각효율이 우수한 자연냉각방식의 냉각 방법 및 장치를 개발하게 되었다.
도 1은 종래의 일반적인 멀티필라멘트사의 용융방사 장치에서 냉각원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 구현에 의한 멀티필라멘트사 냉각장치가 설치된 용융방사장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 냉각장치와 종래 기술의 냉각장치에서 방사공정 중 풍속분포를 나타낸 비교그래프이다.
도 4a는 본 발명의 다른 구현에 따라 냉각장치에 부설되는 스핀가이드를, 도 4b는 도 4a의 스핀가이드를 도2의 스핀튜브에 장착된 상태를 각각 개략적으로 나타낸 도면이다.
*도면중 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10. 스핀너렛 20. 냉각장치
21. 스핀튜브 22. 방풍판
23. 스핀가이드
그러므로 본 발명에 의하면 용융방사된 멀티필라멘트사를 냉각하기 위한 장치에 있어서, 멀티필라멘트사의 진행방향으로 둘로 분리되며 벽면에 일정간격으로 직경 1~5mm의 공기유입공이 형성된 적어도 하나의 다공성 원통형 스핀튜브와, 상기 스핀튜브의 외측에 스핀튜브와 일정간격으로 두고 좌우측면에 평행하게 배치되는 와류발생방지용 방풍판을 구비하는 것을 특징으로 하는 멀티필라멘트사 냉각장치가 제공된다.
또한 본 발명에 의하면 상기 스핀튜브의 상부에 부착하도록 설계되며, 내부에 공간부를 갖는 이중벽 형태의 원통형상으로 되고 외부 공기급원과 연결되는 공기입구가 벽면에 형성되고, 저면에 공기분사홀이 다수개 형성되어 있는 스핀 가이드를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 멀티필라멘트사 냉각장치가 제공된다.
이하 본 발명을 첨부도면을 참조하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 2에는 스핀너렛 하부에 설치되는 본 발명의 일 구현에 의한 멀티필라멘트사 냉각장치(20)가 개략적으로 도시된다. 본 냉각장치(20)는 다공성 스핀튜브(21)와 방풍판(22)을 구비한다. 스핀튜브(21)는 멀티필라멘트사의 진행방향으로 둘로 분리되며 벽면에 일정간격으로 직경 1~5mm의 공기유입공들이 형성된 원통형상의 부재로서, 방사중에 그 내부로 필라멘트가 주행하게 되면 내부에 기류가 발생하여 튜브 구멍을 통해 외부의 대기가 내부로 균일하게 유입되도록 한다. 유입된 공기는 용융상태의 필라멘트를 냉각시키면서 그와 함께 기류를 형성하며 아래로 이동하게 되고, 그 자리를 새로운 공기가 계속 유입되어 필라멘트를 계속 냉각시키는 것이다. 스핀 튜브(21)는 실걸이시 작업성을 위하여 앞뒤 2개로 분리되도록 설계하는 것이 바람직하다. 즉 미리 화장판에 설치되어 있는 부분으로 필라멘트 다발을 통과시킨 후 단순히 뚜껑을 닫듯이 앞면을 닫아주면 되는 것이다. 도시되는 예에서는 냉각 장치를 2중 구조의 스핀튜브로 구성하고 있으나, 이에 제한되지 않으며 방사장치의 형태, 특히 스핀너렛의 수에 따라 적절한 수로 구성시킬 수 있는 것이다.
본 냉각장치에서 상기 스핀튜브(21)의 외측에는 스핀 튜브(21)와 일정간격으로 두고 좌우측면에 평행하게 와류발생방지용 방풍판(22)이 설치된다.
도 3은 본 발명에 따르는 스핀튜브를 사용하여 방사할 때 튜브의 길이 방향으로 튜브 외벽 면에서 측정한 풍속 분포와 일반적인 냉각 장치(하니컴, 제1도)를 사용했을 때 하니컴 벽면 및 필라멘트 부근에서의 풍속분포를 도시한 그래프이다. 상기 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 스핀튜브를 사용한 경우 스핀너렛 직하 부분의 풍속이 그리 낮지는 않은 수준이며, 강제냉각시 하니컴부에서는 높은 풍속을 보이지만 필라멘트 부근에 이르면 풍속이 많이 떨어지면서 스핀튜브 사용시와 큰 차이가 없음을 볼 수 있다.
스핀 튜브의 역할을 보다 정확히 알아보기 위해 하니컴 냉각풍에 의한 강제 냉각, 냉각풍 없이 자연 냉각, 그리고 스핀 튜브에 의한 냉각을 동일품종에 대해 같이 비교 실험하였고 그 결과를 표1에 나타내었다. 그 결과를 보면 필라멘트에 작용하는 텐션은 '스핀튜브자연 냉각 < 강제 냉각'의 순으로 자연냉각 및 스핀 튜브 사용시 텐션이 낮은 것으로 나타났다. 텐션이 낮다는 것은 공기 저항력이 작다는 것이고, 이것은 고화가 늦게 일어나기 때문이므로 스핀 튜브 사용시 냉각 효과는 강제 냉각에 비해 떨어진다는 것을 알 수 있다.
그러나 이에 비해 사의 균제도(U)와 단면 분포는 강제 냉각에 비해서는 좋지 않지만 비교적 양호한 모습을 보여주고 있는데, 이는 스핀 튜브가 모든 방향에서 균일하게 공기를 흡입할 수 있도록 도와주는 정류판 역할을 하는 것임을 알 수 있다. 따라서 스핀 튜브의 역할은 냉각 효과를 좋게 하는 것이 아니라 냉각이 전 필라멘트에 균일하게 이루어지도록 공기를 정류하는 역할을 하는 것임을 알 수 있다.
한편 저속방사 및 하이 멀티사의 경우에는 흡입되는 기류의 양이 적어서 그것만으로는 충분히 모든 필라멘트들을 균일하게 냉각시키지 못하게 된다. 따라서 사에 공급되는 냉각 공기의 양을 늘여줄 필요가 있다. 도 4a 및 도4b에 제시되는 스핀가이드(23)는 이러한 목적으로 본 냉각장치에 부설하는 강제 냉각공기 공급수단이다.
스핀가이드(23)는 스핀튜브(21)의 상부에 부착하도록 설계되며, 내부에 공간부를 갖는 이중벽 형태의 원통형상으로 되고 외부 공기급원과 연결되는 공기입구(23a)가 벽면에 형성되고, 저면에 공기분사홀(23b)이 다수개 형성되어 있다.
스핀가이드(23)에서 공기입구(23a)를 통해 내부에 들어온 공기는 공기분사홀(23b)에서 나와 스핀 튜브를 따라가면서 필라멘트 다발과 만나 균일 냉각을 시킨 후 필라멘트와 함께 튜브를 벗어나게 된다. 이때 풍속이 세면 난류 발생에 의해 필라멘트가 끊어지거나 불균일하게 되므로 잘 조절해야 한다.
본 발명에 있어서 스핀가이드(23)를 적용할 경우 방사속도는 2000m/min 에서도 양호한 효과를 보이나, 스핀가이드(23)를 적용하지 않을 경우 방사속도는 3000m/min 이상이 적당하다.
표 1의 결과를 보면 스핀가이드 사용시 냉각 능력은 스핀튜브만 사용시보다 더 좋아지면서 단면상태도 양호한 것을 알 수 있다.
| 구분 | 강제냉각 | 자연냉각 | 스핀튜브 | 스핀튜브/스핀가이드 |
| 필라멘트텐션(g) | 29.6 | 23.7 | 24.2 | 27.1 |
| U | 0.81 | 1.33 | 0.97 | 0.92 |
| 단면분포 | 양호 | 불량 | 양호 | 양호 |
상기한 바와 같은 본 발명의 특징 및 기타의 장점은 후술되는 실시예로부터 보다 명백하게 될 것이다.
[실시예1]
도 2의 장치를 사용하여 멀티필라멘트사를 제조하였다. 이때, 구금은 36홀을 사용하여 단섬도 2데니어로 원사를 제조하였고, 방사속도는 5000m/min였다. 방사결과는 표2와 같다.
[실시예2]
방사속도를 4000 m/min로 한 것 외에는 실시예1과 동일한 절차를 반복하였다. 방사결과는 표2와 같다.
[실시예3]
도 2의 스핀튜브에 도4a의 스핀가이드를 부설한 냉각장치를 사용하고, 방사속도를 2000 m/min로 한 것 외에는 실시예1과 동일한 절차를 반복하였다. 방사결과는 표2와 같다.
[실시예 4]
도 2의 스핀튜브에 도4a의 스핀가이드를 부설한 냉각장치를 사용하고, 구금은 48홀을 사용하여 단섬도 3데니어로 원사를 제조하였다. 이때, 방사속도는 5000m/min였다. 방사결과는 표2와 같다.
[비교예 1]
냉각 장치로 기존의 하니컴을 사용한 것을 제외하고는 실시예1과 동일한 절차를 반복하였다. 방사결과는 표2와 같다.
[비교예 2]
냉각 장치를 사용하지 않고 실시예 1의 절차를 반복하였다. 방사결과는 표2와 같다.
[비교예 3]
방사속도를 2000 m/min로 한 것 외에는 실시예1과 동일한 절차를 반복하였다. 방사결과는 표2와 같다.
[비교예 4]
도 2의 장치를 사용하여 멀티필라멘트사를 제조하였다. 이때, 구금은 48홀을 사용하여 단섬도 3데니어로 원사를 제조하였고, 방사속도는 5000m/min였다. 방사결과는 표2와 같다.
| 구분 | 단사섬도(De') | 냉각설비 | 방사속도(m/min) | 제사공정성 | U | 단면 |
| 실시예 1 | 2 | 스핀튜브 | 5000 | 양호 | 0.97 | 양호 |
| 실시예 2 | 2 | 스핀튜브 | 4000 | 양호 | 0.96 | 양호 |
| 실시예 3 | 2 | 스핀튜브/스핀가이드 | 2000 | 양호 | 1.02 | 양호 |
| 실시예 4 | 3 | 스핀튜브/스핀가이드 | 5000 | 양호 | 1.05 | 양호 |
| 비교예 1 | 2 | 강제냉각 | 5000 | 양호 | 0.81 | 양호 |
| 비교예 2 | 2 | 자연냉각 | 5000 | 불량 | 1.33 | 불량 |
| 비교예 3 | 2 | 스핀튜브 | 2000 | 보통 | 1.23 | 불량 |
| 비교예 4 | 3 | 스핀튜브 | 5000 | 불량 | 1.41 | 불량 |
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 장치는 별도의 냉각풍 공급장치가 필요없이 단지 멀티필라멘트사의 주행속도에 의해 주변의 공기가 빨려들어감으로써 강제 냉각이 아닌 기류 형성에 의한 자연냉각으로 효과적인 냉각을 달성하도록 하며, 설비가 매우 간단하고 외부공기의 냉각 및 습도 유지가 불필요하기 때문에 제조비용이 현저히 절감된 원사를 제조할 수 있게 한다.
Claims (2)
- 용융방사된 멀티필라멘트사를 냉각하기 위한 장치에 있어서, 멀티필라멘트사의 진행방향으로 둘로 분리되며 벽면에 일정간격으로 직경 1~5mm의 공기유입공이 형성된 적어도 하나의 다공성 원통형 스핀튜브(21)와, 상기 스핀튜브의 외측에 스핀튜브와 일정간격으로 두고 좌우측면에 평행하게 배치되는 와류발생방지용 방풍판(22)을 구비하는 것을 특징으로 하는 멀티필라멘트사 냉각장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 스핀튜브(21)의 상부에 부착하도록 의도되며, 내부에 공간부를 갖는 이중벽 형태의 원통형상으로 되고 외부 공기급원과 연결되는 공기입구(23a)가 벽면에 형성되고, 저면에 공기분사홀(23b)이 다수개 형성되어 있는 스핀 가이드(23)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 멀티필라멘트사 냉각장치.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1019990039033A KR100305668B1 (ko) | 1999-09-13 | 1999-09-13 | 멀티필라멘트 사의 냉각장치 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1019990039033A KR100305668B1 (ko) | 1999-09-13 | 1999-09-13 | 멀티필라멘트 사의 냉각장치 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20010027332A KR20010027332A (ko) | 2001-04-06 |
| KR100305668B1 true KR100305668B1 (ko) | 2001-09-24 |
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ID=19611246
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| KR1019990039033A KR100305668B1 (ko) | 1999-09-13 | 1999-09-13 | 멀티필라멘트 사의 냉각장치 |
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Citations (4)
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| WO1993019229A1 (de) * | 1992-03-18 | 1993-09-30 | Maschinenfabrik Rieter Ag | Verfahren und vorrichtung zur herstellung synthetischer endlosfilamente |
| KR940000623A (ko) * | 1992-06-13 | 1994-01-03 | 퓌팅 | 합성사의 방사장치 |
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| KR100211141B1 (ko) * | 1995-12-15 | 1999-07-15 | 조정래 | 균제도가 우수한 폴리에스터 극세사의 제조방법 |
-
1999
- 1999-09-13 KR KR1019990039033A patent/KR100305668B1/ko not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
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| WO1993019229A1 (de) * | 1992-03-18 | 1993-09-30 | Maschinenfabrik Rieter Ag | Verfahren und vorrichtung zur herstellung synthetischer endlosfilamente |
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