KR100478420B1 - 제지의 와인딩을 위한 장치 및 방법 - Google Patents

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토미 롤프 칼손
랜달 제임스 르밸리
로날드 프레드릭 그롭
필립 심 린
브라이언 더글러스 클러버트
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Abstract

전체 롤을 통하여 대표 위치로부터 얻어진 해당 시트 특성을 비교할 때, 시트 기초 중량의 보다 큰 균일성, 기계 방향 신축 및 용적을 초래하는, 티슈 웹(15)을 주 롤(25)에 와인딩하는 장치 및 그 방법이 기술된다. 본 발명의 장치 및 방법은 릴 스풀(26)과 대면하여 티슈 웹(15)이 두개의 지지 롤(21,22)들 사이의 지지되지 않은 거리를 교차하는 이송 벨트 같은 가요성 부재(18)와 맞물리는 것을 포함한다. 주 롤이 지지되지 않는 거리내의 지점에서 시트/이송벨트에 대하여 강제됨에 따라 웹은 이송벨트(18)로부터 주 롤(25)까지 이송된다. 결과적으로 이송벨트(18)의 편향이 검출되고, 응답으로 릴 스풀 위치가 소정 수준의 편향을 제어하기 위해 변화된다. 따라서, 티슈 웹(15)이 그 상부에 와인딩됨에 따라 소정의 광(light) 닙 압력은 롤에 가해질 수 있으며 큰 용적의 티슈의 큰 주 롤은 풀려질 때 소정의 특성으로 제조될 수 있다.

Description

제지의 와인딩을 위한 장치 및 방법 {APPARATUS AND METHOD FOR WINDING PAPER}
본 발명은 제지에 관한 것이고, 좀더 자세하게는 제지 기계상에서 제조되는 티슈(tissue)의 와인딩(winding)을 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
화장용 티슈, 목욕용 티슈, 종이 타월(towel) 등과 같은 여러 유형의 티슈 제품의 제조에서, 티슈 기계에서 추출되는 건조 티슈 웹(web) 또는 시트(sheet)는 처음에 주 롤(parent roll)로 와인딩되고 다른 공정을 위해 일시적으로 축적된다. 그 후 어느 시점에서는, 주 롤은 와인딩되지 않고 시트는 최종 제품의 형태로 변한다.
티슈 웹을 대형 주 롤로 와인딩할 경우, 최종 제품이 화장용 티슈 시트의 박스(box) 형태, 목욕용 티슈의 롤 형태, 엠보싱(embossing)된 종이 타월의 롤 형태 등으로 되든 안되든, 롤은 롤의 주요 결함을 방지하고 최종 제품으로 롤의 효율적인 변환이 이루어지도록 하는 방식으로 와인딩되는 것이 매우 중요하다. 이상적으로, 주 롤은 매끄러운 원통형 주표면 및 2개의 매끄럽고, 평평하며, 평행한 단부 표면을 지니는, 본질적으로는 원통형을 구비한다. 원통형 주표면 및 단부 표면은 리플(ripple), 범프(bump), 기복, 편심, 주름 등이 없어야 한다, 또는, 바꾸어 말하면, 롤은 "치수상으로 정확"해야 한다. 마찬가지로, 롤의 형태는 롤의 형태가 축적이나 정기적인 조작중에 그것의 원통형 형상으로부터 벗어나지 않도록, 안정되어야 한다, 또는, 바꾸어 말하면, 롤은 "치수상으로 안정"되어야 한다. 롤이 고속 변환에 대해 부적절하게 된다면 결함이 전체 롤을 강제로 스크레이프(scrape)되도록 할 수 있다.
많은 결함들은 부적절한 와인딩에 의해, 특히 대형의 용이하게-압축가능하고 부드러운 티슈 웹을 와인딩하는 경우, 발생될 수 있다. 다수의 상기 결함들은 W. J. Gilmore, "Report on Roll Defect Terminology - TAPPI CA1228", Proc. 1973 Finishing Conference, Tappi, Atlanta, GA, 1973, pp. 5-19에 의한 논문의 사진에 게시된다. 롤의 코어(core) 부근의 불충분한 웹 응력은 James K. Good, "The Science of Winding Rolls", Products of Papermaking, Trans. of the Tenth Fundamental Research Symposium at Oxford, Sept. 1993, Ed. C. F. Baker, Vol. 2, Pira International, Leatherhead, England, 1993, pp. 855-881에 의해 기술된 바와 같이, 통상 "스타링(starring)"이라 호칭되는, 성형 패턴(starred pattern)으로 좌굴(buckling)되도록, 롤의 외측 영역을 롤 내측으로 압축할 수 있다. 더우기, 스타링은 통상 코어 및 웹의 인접층 사이에 충분한 마찰력을 공급하는 코어 주위 웹 장력의 해제를 발생시킨다. 이러한 마찰력의 손실은, 롤을 사용불가능하게 하도록, (코어 주위의 소수의 층 및 최외단부 영역 주위의 소수의 층을 제외한) 롤의 대부분이 롤 축에 대해 일면에 매세이(masse)로 이동하는, 코어 "편차(slipping)" 또는 "텔레스코핑(telescoping)"을 발생시킬 수 있다.
T. Svanqvist, "Designing a Reel for Soft Tissue", 1991 Tissue Making Seminar, Karlstad, Sweden에 의해 기술된 바와 같이, 중심-보조형 구동장치를 지니는 유형의 현행 상용으로 사용가능한 하드 닙 드럼 릴(hard nip drum reel)은, 닙 압력을 감소시키고 코어축에 대해 중심-보조형 구동장치의 조절을 통해 입력되는 웹 장력 제어에 주로 의존함으로써, 상기 와인딩 문제점들을 회피하는 동시에, g 당 약 8 내지 10 cm3 까지의 용적을 가지는 압축가능한 티슈 웹의 롤을 와인딩하는데에 성공적으로 사용되어 왔다. 그러나 g 당 9 cm3 이상의 용적 및, 예를들면, 3 in의 샘플폭(sample width) 당 약 10 kg 이하의 MD 최대 기울기에 의해, 특징지워지는, 고수준의 연성(softness)을 가지는 티슈 시트를 와인딩하는데에 상기 방법을 사용하는 경우, 이러한 문제점들이 재발한다. 이러한 와인딩의 문제점들은, 특히 고속에서, 약 70 in 에서 약 150 in 이상의 직경을 가지는 대형 롤의 와인딩을 시도하는 경우 두드러진다.
이론적으로 한정되도록 요구하지 않는다면, 웹이 주 롤 및 가압 롤 사이에 형성되는 닙으로 전달되는 경우, 입력되는 웹 장력외에 2가지 주 요인들이 권취 롤 내측의 최종 응력에 영향을 미친다는 것이 인지된다. 우선, 닙에서 주 롤의 일부는 주 롤의 불변형시의 반경보다 더 작은 반경으로 변형된다. 주 롤의 변형 반경으로부터 그것의 불변형 반경까지의 주 롤의 신장은 웹을 신장시켜서 닙으로 입력되는 웹의 세트(set) 장력으로부터 실질적인 내부 장력이 증가된다.
다른 요인은 때때로 "제 2 와인딩" 효과로 호칭된다. 웹의 일부는 웹이 주 롤 및 가압 롤 사이의 닙을 통해 우선 통과한 후에 롤에 추가된다. 그런 후 그것은 더 많은 층들이 외측 직경상에 추가되는 동안에 주 롤의 각 회전마다 반복적으로 닙 하부를 통과한다. 롤 표면 부근의 각 지점이 닙으로 재입력됨에 따라, 웹은 웹의 보이드(void) 체적의 공기를 층 사이에 방출되도록 하는, 닙 압력하에서 압축된다. 이것은, Erickkson et al., Deformations in Paper Rolls, pp. 55-61 and Lemke, et al., Factors involved in Winding Large Diameter Newsprint Rolls on a Two-Drum Winder, pp 79-87 Proc. of the First International Conference on Winding Technology, 1987에 의해 기술된 바와 같이, 층이 내측 층 주위에서 더 견고히 활주하도록 하기 위해 층 사이의 마찰력을 충분히 감소시킬 수 있다.
웹이 주 롤에 추가됨에 따른 각 층의 장력은 외측 층에 의해 층 하부로 가압되는 압축력을 발생시켜서, 외측 층으로부터의 압축의 누적 효과는 통상 코어 주위 영역의 웹이 가장 큰 층 상호간 압력을 갖도록 한다. 제 2 와인딩은 이 압력을 더 추가한다. 부드러운 티슈는 티슈가 변형하는 능력을 잃는 범위까지 압력의 소정의 증가를 결과적으로 흡수하도록, 가압되는 경우 항복한다고 공지되어 있다. 따라서, 누적압은 주 롤로부터 와인딩되지 않은 시트 특성의 폭넓은 변화를 발생시킬 수 있는 과도한 수준까지 급격한 비율로 상승할 수 있다.
불행하게도, 내부압 및 통상 권취 주 롤의 반경을 따라 존재하는 웹 장력 구배는, 치수의 안정성 문제점을 성공적으로 방지하는 동시에, 웹 특성의 바람직하지 않은 변화성을 발생시킬 수 있다. 소정 영역의 큰 장력은 소정의 기계 방향 신장이 와인딩중에 사라지도록 하고, 큰 내부압은 용적이 손실되게 한다. 와인딩되지 않는 경우에, 닙에서 및 닙 이후에 큰 장력에 의해 더욱 신장된 영역은 웹의 길이방향 신장 때문에 더 작은 기본 중량을 갖는다. 중요한 웹 특성의 이들 변화는 품질의 변화성 및 작업 전환의 어려움을 발생시킨다.
내부압 증가에 대한 보정은, 티. 스밴크비스트(T. Svanqvist)에 의해 기술된 상기 방법에 따라, 특정 범위까지만 수반될 수 있다. 웹 재료의 밀도 및 강도가 언급된 수준보다 훨씬 작게 감소됨에 따라, 와인딩 장치에서 마찰력 크기의 불확실성 및 롤의 와인딩 과정중에 변하는 기타 요인들은 정확한 닙 부하 제어를 매우 어렵게 한다. 이와는 달리, 와인딩 공정 제어의 손실은 상기 스타링 및 코어 편차 문제점들을 발생시킬 수 있는 장력 구배를 역전시킬 수 있다.
닙을 배제한 순수 중심 와인딩은 소정의 연한 재료에 대해 공지되어 있으나, 상기 유형의 티슈 웹에 대해서는 큰 웹 장력이 롤에서 충분한 압력을 적용시키도록 요구되고 기계 방향 신장은 감소된다. 순수 중심 와인딩에 대해서, 코어 부근의 장력은 롤의 텔레스코핑 및 기타 결함을 방지하도록 더 클것을 요구한다. 또한 순수 중심 와인딩은 속도 제한으로부터 불안해진다. 고속에서, 웹 장력은 너무 커지고 시트 플러터(flutter)는 파손 및 조잡한 릴링(reeling)을 발생시킨다.
상용 작업에서 대부분의 티슈 기계는 건조 시트가 건조기 및 릴 사이의 거리에 대해 지지되지 않는 것을 의미하는, 건조기 및 릴 사이에서 "오픈 드로우(open draw)"로 호칭되는 것을 지닌다. 더욱 최근에는, 제조에 있어서 시트 파손을 감소시킴으로써 생산성을 향상시키기 위한 노력의 일환으로, 티슈 기계는 오픈 드로우없이 건조기로부터 릴까지 건조 시트를 운반하기 위한 지지용 섬유재를 포함하도록 설계되었다. Rugowski et al.의 "Papermaking Machine For Making Uncreped Throughdried Tissue Sheets" 라는 명칭의 미국 특허 제 5,591,309 호에 기술된 바와 같이, 상기 기계는 섬유재로부터 릴 또는 주 롤까지 시트가 전달되게 하는 릴 스풀(spool) 또는 주 롤 및 와인딩 드럼 사이의 하드 닙을 예시한다. 많은 티슈 시트에 대해, 공정의 이러한 지점에서 하드 닙의 존재는 시트가 상대적으로 밀집되어 있고 최종 품질에 손해가 발생함 없이 시트에 가해지는 압축량에 내성이 있을 수 있으므로 문제가 되지 않는다. 그러나, 소정의 최근에 개선된 티슈 시트, 특히 Farrington, Jr. et al.의 미국 특허 제 5,607,551 호에 기술된 바와 같이 부드러운, 대형의 크레이프없는(uncreped) 통기 티슈 시트에 대해, 통상적인 와인딩 방법은 적절한 웹 장력 및 완전히 실질적으로 균일한 와인딩 안된 시트를 산출하는 반경방향 압력을 지니는 주 롤을 확실히 제조할 수 없다는 것이 인지되었다.
그러므로 시트 용적, 캘리퍼(caliper), 기계 방향 신장 및/또는 기본 중량의 변화성은 최소화되는 반면에, 제조 및 작업 전환에 유리한 주 롤의 특성을 계속 유지하는 부드러운, 대형 티슈 시트를 와인딩하는 방법이 요구된다.
발명의 요약
이러한 그리고 기타 요구들은 릴 스풀에 대해 티슈 제지 웹을 구속시키기 위한 무한 가요성(flexible) 부재를 포함하는 본 발명에 따른 장치 및 방법에 의해 충족된다. 결과적으로 무한 가요성 부재는 릴 스풀과 함께 "소프트(soft) 닙"을 형성한다. 편향 센서는 가요성 부재의 편향 정도를 측정하기 위해 닙 지점에서 가요성 부재에 근접하여 장착된다. 편향 정도는 닙 지점의 압력에 관련되고, 제지 롤의 직경이 증가함에 따라 릴 스풀 및 가요성 부재를 서로 이격시켜 이동시킴으로써, 압력은 바람직한 수준에서 제어될 수 있다. 따라서, 티슈 와인딩의 한계는 크게 개선되고 와인딩되지 않은 제지 롤의 특성차는 최소화될 수 있다.
좀더 자세하게는, 부드러운, 대형 티슈 시트가 통기성이 약간 또는 전혀 없는 것이 바람직한, 가요성 이송벨트에 의해 지지되는 동안에 건조기로부터 모터 구동 릴 스풀까지 시트를 지지함으로써 최소의 시트 분화를 지니고 주 롤상에 와인딩될 수 있다는 것이 현재 인지되어 있다. 이송벨트는 2개의 지지 롤 사이의 지지되지 않거나 자유로운 거리를 가로지르고, 통상 지지 롤 사이의 중도에 관하여 지지되지 않는 거리를 따른 지점의, 이송벨트가 지지 롤과 더 이상 접촉하지 않는 지점에서 릴 또는 주 롤에 시트를 전달한다. 전달 지점에서, 릴 스풀 또는 주 롤은 이송벨트가 약간 편향되거나 굽혀지도록 시트/이송벨트에 대해 단지 약간만 진행된다.
편향 정도는 결과로서 발생하는 주 롤 전체 시트의 균일성을 개선하도록 유리하게 제어될 수 있는 중요 변수인 것이 인지되어 있다. 편향 제어는 이송벨트가 시트 전달 지점에서 편향되는 정도를 탐지하고 측정하도록 이송벨트의 하부에서 레이저를 조사하거나 기타 거리 측정 장치에 의해 이루어진다. 이송벨트가 소정의 한계 이상으로 편향되면, 이송벨트에 상대적인 릴 스풀의 위치는 릴 스풀 및 이송벨트 사이의 거리를 증가시키거나 감소시키도록 조정된다.
주 롤이 조성되는 전기간중에 작은 값으로 이러한 거리를 제어함으로써, 주 롤 및 이송벨트 표면 사이의 닙 압력은 가압 롤의 하드 닙으로부터 이루어질 수 있는 것보다 훨씬 낮은 수준까지 최소화된다. 이것은 차례로 중심 구동 시스템에 의해 발생되는 웹 장력이 롤의 층 상호간 장력 제어에서 더 큰 요인이 되도록 하는 동시에 닙 신장 및 제 2 와인딩의 효과를 제거한다. 롤의 조성중에 작은 닙 압력을 측정하고 베어링(bearing) 마찰력을 변화시키는 것과 연관된 불확실성은 완전히 제거된다.
본 발명에 따른 와인더(winder)상에서 와인딩되는 주 롤은 코어 영역에서 최고 압력이 통상적인 릴로부터 이루어지는 것보다 더 작은 값에 도달하지만, 정상 조작에 대해 요구되는 기계적 안정성을 유지하기에 충분한 내부압 분포를 갖는다. 본 발명의 방법으로부터의 주 롤은, 롤의 외측 표면에서 저압으로의 필연적인 강하에 대해 제외하고, 특정 수준까지 감소하고 난 후 본질적으로 평평한 압력 프로필(profile)을 지니는 중요 영역을 나타내는 코어 부근의 내부압을 갖는다. 결과적으로, 주 롤 전체의 시트 특성의 균일성은 본질적으로 개선된다.
도 1은 본 발명에 따른 부드러운 큰 용적의 티슈 시트를 제조하는 방법의 개략적인 공정 흐름 다이어그램(diagram),
도 2는 도 1에 도시된 방법의 와인딩부의 개략적인 다이어그램,
도 3은 이송벨트 변위의 제어에서 레이저 변위 센서의 작동을 도시하는, 와인딩부의 확대된 개략적인 다이어그램.
도 1의 도시는 크레이프없는 통기 티슈 시트 제조에 대한 통기 공정의 개략적인 흐름의 다이어그램이다. 그러나, 본 발명은 티슈 웹에 대한 크레이핑(creping) 공정에 사용될 수도 있다는 것이 인지되어야 한다. 도시된 것은 섬유재가 성형 롤(4)을 가로지를 때에 내측 성형 섬유재(3)상에 제지 섬유의 수성 부유물을 퇴적시키는 헤드박스(headbox)(1)이다. 외측 성형 섬유재(5)는 웹이 성형 롤상을 통과하고 소정의 수분을 방출하는 동안에 웹(6)을 포함하도록 작용한다. 그 후 습식 웹(6)은 내측 성형 섬유재로부터 습식 단부 운반용 섬유재(8)까지 진공식 운반용 슈(shoe)(9)의 도움으로 전달된다. 이러한 전달은 최종 티슈 시트를 신장시키는 성형 섬유재(급속 전달용)보다는 저속에서 주행하는 운반용 섬유재로 실행되는 것이 바람직하다. 그 후 습식 웹은 진공식 전달용 롤(12)의 지원으로 통기 섬유재(11)로 전달된다.
통기 섬유재(11)는 용적을 보존하면서 웹을 건조시키도록 웹을 통과하는 고온 공기를 불어주는, 통기 건조기(13)상으로 웹을 운반한다. 속도 및 건조기 용량에 따라, 연속으로 1개 이상의 통기 건조기(도시 안됨)가 존재 가능하다. 그 후 건조 티슈 시트(15)는 진공식 전달용 롤(17)의 도움으로 제 1 건조 단부 운반용 섬유재(16)로 전달된다.
전달 이후에 짧게 티슈 시트는 제 1 건조 단부 운반용 섬유재(16) 및 이송벨트(18) 사이에 시트 진로를 양의 방향으로 제어하도록 삽입된다. 이송벨트(18)의 통기율은 시트가 이송벨트에 자연스럽게 부착되도록, 제 1 건조 단부 운반용 섬유재(16)보다 더 낮다. 분리 지점에서, 시트는 진공 작용으로 인해 이송벨트를 따른다. 이송벨트(18)의 통기율은 섬유재의 ft2 당 분당 약 100 ft3 이하일 수 있고, 보다 엄밀하게는 ft2 당 분당 약 5 내지 약 50 ft3 이며, 더더욱 엄밀하게는 ft2 당 분당 약 0 내지 약 10 ft3 일 수 있다. 섬유재를 통과하는 0.5 in 물의 차동 기압을 유지하면서 섬유재를 통과하는 기류인, 통기성은 ASTM 측정법 D737에 기술된다. 추가로, 이송벨트(18)는 시트 운반을 강화시키기 위해 통기 섬유재(11)보다 더 매끄러운 것이 바람직하다. 이송벨트로서 사용하기 위한 적절한 저통기율 섬유재는, 제한없이, COFPA Mononap NP 50 건조기 펠트(felt)(ft2 당 분당 약 50 ft3의 통기율) 및 Asten 960C (불통기성)를 포함한다.
이송벨트(18)는 건조 티슈 시트를 재채집하도록 복귀되기 전에 2개의 지지 롤(21 및 22)상을 통과한다. 시트는 2개의 지지 롤(21, 22) 사이의 지점에서 주 롤(25)에 전달된다. 주 롤(25)은 릴 스풀 축에 작용하는 중심 구동 모터(27)에 의해 구동되는, 릴 스풀(26)상에서 와인딩된다.
주 롤에서 와인딩되지 않은 웹의 웹 특성 제어는 이송벨트(18) 및 조성되는 주 롤(25)의 외측 표면 사이의 속도차의 수준을 프로그래밍(programming)하는 것처럼, 와인딩중에 유입되는 웹에 소정양의 웹 장력을 부과함으로써 조성될 수 있다. 대부분의 경우에, 양의 드로우(주 롤 표면의 속도가 이송벨트의 속도를 초과하는 백분율)는 안정된 주 롤을 공급하는데 요구되는 웹 장력을 부과하기 위해 주 롤에서 요구된다. 다른 한편, 지나친 양의 드로우는 웹에서 기계 방향 신장을 수용하기 어렵게 감소시킨다. 그러므로, 양의 드로우 정도는 주 롤에 유입되는 웹 특성 및 주 롤에서 와인딩되지 않는 웹의 바람직한 특성에 의존한다. 통상, 주 롤 표면의 속도는 이송벨트의 속도보다 약 10 % 이하로 더 빠르고, 보다 엄밀하게는 약 0.5 내지 약 8 % 더 빠르며, 더더욱 엄밀하게는 약 1 내지 약 6 % 더 빠르다. 물론, 웹이 접근하는 주 롤이 이미 티슈 제조 공정에서 더 일찍 다른 수단에 의해 공급되는 충분한 장력을 갖는다면, 음 또는 0의 드로우가 바람직할 수 있다.
시트의 운반 및 와인딩은 도 2에 좀더 상세하게 도시된다. 2개의 지지 롤(21, 22) 사이의 자유 거리에서 시트(15)는 주 롤(25)에 접촉하고 전달된다. 참조 번호(26, 26' 및 26")는 연속 작동중에 릴 스풀의 3지점의 위치를 도시한다. 도시된 바와 같이, 새로운 릴 스풀(26")은 주 롤(25)이 조성됨에 따라 위치(26')로 전진할 준비가 된다. 주 롤이 최종적인 소정 직경에 도달한 경우, 새로운 릴 스풀은, 통상 제 1 지지 롤(21)에 상대적으로 근접함으로써, 지지 롤 및 릴 스풀 사이의 하드 닙을 회피하도록, 지지 롤들 사이의 자유 거리를 따르는 소정 지점에서 유입되는 시트에 대해 위치(26')로 암(arm)(27)에 의해 하강된다.
릴 스풀(26)은 1쌍의 왕복대(37)에 의해 적절하게 지지되고, 이것중 1개가 도 3에 도시된다. 주 롤(25)이 조성됨에 따라, 릴 스풀은 이송벨트(18)로부터 이격되어 이동하는 동시에 나머지 지지 롤(22)을 향해 이동한다. 릴 스풀(26)은 와인딩 공정중에 시트 특성의 변화성을 최소화하도록 요구되는 적절한 이송벨트 편향을 유지하도록 양-단부 화살표로 표시된 것과 같은 양방향으로 이동될 수 있다. 결과로서, 주 롤의 닙은 본질적으로 롤이 소정의 크기로 조성됨에 따라 자유 거리를 가로지른다. 적기에, 1개 이상의 에어 제트(air jet)(30)는 릴 스풀 내부로부터 진공 흡입에 의해 새로운 릴 스풀에 시트를 부착시키기 위해 새로운 릴 스풀(26')을 향해 후방으로 시트를 불어주도록 작용한다. 시트가 새로운 릴 스풀로 전달됨에 따라, 시트는 단속되고 주 롤(25)은 새로운 릴 스풀과 함께 와인딩 공정이 연속되도록 방출된다.
릴 스풀(26) 및 이송벨트(18)의 상대 위치 제어는 이송벨트 내측상에, 바람직하게는 도 3에 도시된 바와 같이 2개의 지지 롤(21, 22) 사이 중도의 한 지점(M)에 촛점이 집중되는 비-접촉 감지 장치(35)를 사용하여 적절하게 이루어진다. 1가지 목적은 이송벨트(18)에 의해 지지되는 시트에 대해 주 롤(25)에 의해 가압되는 압력을 최소화하고 제어할 뿐만 아니라 접촉으로 발생되는 닙 길이를 최소화하는 것이다. 하기의 레이저 변위 센서같은, 감지 장치(35)는 0.005 in 만큼 소량의 이송벨트 편향의 변화를 탐지한다. 편향(D)의 절대량이 확인될 수 있는 소정의 기준선값은 참조 번호(36)로 확인되는, 자유 거리에서 이송벨트(18) 주행의 비편향된 진로이다.
특별히 적합한 레이저 감지 장치(35)는 Nippon Automation Company, Ltd.에 의해 제조되고 Adsens Tech Inc.에 의해 공급되는, 레이저 변위 센서 Model LAS-8010이다. Nippon Automation LAS 8010 센서는 140 내지 60 ㎜의 촛점 범위를 가지고 프로그래밍이 가능한 논리 콘트롤러(controller)에 연결된다. 센서의 전방 플레이트(plate)는 이송벨트의 표면 내측으로부터 120 mm 지점에 고정될 수 있다. 레이저 센서(35)는 먼지가 레이저 렌즈상에 쌓여서 장치의 작동을 방해하는 것을 방지하도록 레이저 주위에 기류를 유지시키는 에어 퍼지 튜브(air purge tube)(38) 내부에 장착되는 것이 바람직하다. 상기 센서는 센서 및 이송벨트 사이의 최소 내지 최대 거리에 관하여 4 내지 20 ㎃의 출력을 부여하도록 설계된다. 와인더는 이송벨트 주행의 비편향된 진로(36)상에 근거한 프로그래밍 가능한 논리 콘트롤러에서 0점을 설정하도록 이송벨트(18)에 대해 부가되는 롤(25)없이 우선 작동된다.
바람직한 레이저 센서가 상기될지라도, 몇가지 기타 적합한 비-접촉 및 접촉 감지 장치가 당 업자에게 확실히 공지되어 있다. 몇가지는 Handbook of Dimensional Measurements, 3rd Ed., Industrial Press, Inc., New York, 1994에서 F.T. Farago 및 M.A. Curtis에 의해 기술된다. 상기 방법은 레이저 3각 측량과 같은 기술을 사용하는 레이저-기초 거리 또는 깊이 감지 장치; Kevin Harding, "Moire Inteferometry for Industrial Inspection", Lasers and Applications, Nov. 1993, pp. 73-78, 및 Albert J. Boehnlein, "Field Shift Moire System", 미국 특허 제 5,069,548 호, Dec. 3, 1991에 의해 예시되는, 레이저 백색광 또는 다중 파장 모아레(moire) 간섭; L. C. Lynnworth, Ultrasonic Measurements for Process Control, Academic Press, Boston, 1989에 기술된 방법, 및 특히 고체 표면에서 반사되는 초음파 신호에 대한 지연시간 측정법을 포함하는, 초음파 감지; 마이크로파 및 레이다파 반사법; 거리 측정을 위한 정전 용량법; 와전류 변환기법; Display System Optics Ⅱ, Proc. SPIE Vol. 1117, pp. 52-55(1989)의 T. Lippert, "Radial parallax binocular 3D imaging"에 의해 예시되는, 깊이 감지를 위한 단일-카메라 실체 이미징(imaging); Optics, Illumination and Image Sensing for Machine Vision Ⅳ., Proc. SPIE, Vol. 1194, pp. 276-286(1989)의 N. Alvertos, "Integration of Stereo Camera Geometries"에 의해 예시되는, 깊이 감지를 위한 다중-카메라 실체 이미징; 롤러(roller), 휠(wheel), 금속 스트립(strip), 및 위치 또는 편향이 직접적으로 측정되는 기타 장치와 같은 접촉 탐침; 기타 등등을 포함한다.
일단 이송벨트 편향(D)이 측정되면, 프로그래밍 가능한 논리 콘트롤러와 연관된 비례 단일 제어 루프(loop)가 일정 수준에서 해당 편향을 유지시키는 것이 바람직하다. 특히, 이러한 제어 출력은 릴 스풀(26) 및 조성되는 주 롤을 유지시키는 왕복대(37)를 위한 유압 서보(servo) 위치 제어 시스템에 대한 설정점이다. 이러한 목적을 달성하기에 적절할 수 있는 센서 입력에 대응하여 릴 스풀(26)을 위치시키기 위한 기타 기계 전기적 액츄에이터(actuator)는 고속 와인더를 형성하는 것에 당업자에 의해 설계되고 구성될 수 있다. 이송벨트 편향(D)이 설정점을 초과하는 경우, 설정점으로 다시 편향을 회복시키기 위해 섬유재로부터 이격되어 왕복대(37)가 이동하도록, 왕복대 위치 설정점이 증가된다.
이송벨트 편향 제어는 횡단 기계 방향에서 서로 이격되도록 이송벨트(18)의 각각의 에지(edge)에 각각 인접한 2개의 레이저 거리 센서(35)를 사용할 수 있다. 상기와 같이, 롤(25)의 바람직하지 않은 테이퍼링(tapering)은 최소 화될 수 있거나 양의 테이퍼(taper)가 와인딩되는 특정 롤의 와인딩 한계를 개선하도록 의도적으로 도입될 수도 있다.
특정 유압 서보 위치 시스템은 위치를 측정하는 유압 실린더의 로드(rod)상에 장착되는 템포소닉(Temposonic) 변환기를 지니는 앨런-브래들리 QB 모듈(Allen-Bradley QB module)에 의해 제어되는 무그 서보 밸브(Moog servo valve)로 구성된다. 편향 제어 루프로부터의 출력은 릴의 양측상의 2개의 개별적인 서보 위치 시스템에 입력된다. 그 후 각 시스템은 바람직하다면 릴 평행의 양측면의 유지를, 제어할 수 있다. 병행이 특정 하한 수준을 초과한다면 작동을 중지시키는 보호 시스템은 바람직할 수 있지만, 양측의 평행을 유지시키는 능동적 시스템을 구비할 필요는 없다.
이송벨트(18)가 편향되는 범위는 약 20 mm 이하, 보다 엄밀하게는 약 10 mm 이하, 보다 더 엄밀하게는 약 5 mm 이하, 보다 더 엄밀하게는 약 1 내지 10 mm의 수준으로 적절하게 유지된다. 특히, 제어 시스템은 바람직하게 약 4mm ± 2mm 수준의 닙의 실제 이송벨트 편향을 유지한다. 이런 범위내에서 이송벨트 편향을 유지시킴에 따라 큰 동력 전달 없이도 주 롤(25) 및 이송벨트(18)가 상대적인 속도 편차로 작동되도록 하는 것이 판명되었다. 이것은 지금까지는 통상적인 와인더를 사용하는 이런 시트에 대해 가능하지 않았던, 전체 주 롤(25)을 통해 와인딩 공정의 제어가 실질적으로 일정한 시트 특성을 유지하도록 할 것이다.
편향은 이송벨트(18)의 비편향 주행 경로(36)와 수직하게 측정된다. 어떤 설정된 티슈 시트에 대해서도 수용가능한 편향의 크기는 이송벨트(18)의 디자인 및 작동동안 이송벨트에 분배된 장력에 의해 부분적으로 결정된다. 장력이 감소됨에 따라, 수용가능한 편향의 크기가 증가될 수 있는데, 이는 시트의 압축이 감소되고 주 롤(25)에 전달된 동력의 양이 더 감소되기 때문이다. 다음으로, 와인딩된 시트의 가변 특성은 감소된다. 게다가, 실질적으로 일정한 수준의 이송벨트 편향(D)의 크기를 유지하는 것이 항상 바람직할 수는 없으며 편향의 크기가 롤(25)의 직경이 증가함에 따라 제어가능하게 변동될 수 있는 것은 본 발명의 범위내에 있다.
이송벨트(18)의 감지된 편향(D)은 릴 스풀 왕복대(37)의 감지된 위치와 조합하여 조성되는 주 롤(25)의 직경을 계산하는데 또한 사용될 수 있다. 롤의 직경에 대해 계산된 값은 주 롤의 직경이 증가함에 따라 주 롤(25)의 외표면과 이송벨트(18) 사이의 관련 속도 또는 동일한 드로우를 유지하기 위해 구동 모터(27)에 의해 회전될 수 있는 회전 속도를 포함하는 와인딩 공정의 다른 동작 변수의 변동시 사용될 수 있다.
레이저 센서(35)는 주 롤 위치에 관계없이 자유 거리 중간점의 이송벨트(18)의 편향을 항상 측정하기 위해 위치될 수 있고 실제 편향은 하기되는 것처럼 계산될 수 있다. 변형적으로, 레이저 센서(35)는 레이저가 항상 편향을 직접 측정하도록 주 롤 닙으로 자유 거리를 가로지를 수 있다. 부가적인 대안은 회전을 위해 레이저 센서(35)를 장치시켜 레이저 광원이 이송 벨트(18)상의 소정 집중점을 유지하기 위해 회전될 수 있다.
레이저 위치가 자유 거리의 중간점에 고정되며 편향이 그 점의 레이저(35)에 의해 측정되는 상태에서, 이것이 설치되는 동안 주 롤 닙 지점의 실제 편향은 개방 거리의 한 단부로부터 왕복대상의 다른 곳까지 가로지르는 조성 주 롤(25)의 위치에 따라 계산된다. 레이저가(35) 두 지지 롤(21,22)들 사이의 이송벨트(18)의 자유 거리의 중간에 장착되며 그 위치에서의 이송 벨트의 편향만을 측정하기 때문에, 닙에서의 실제 편향은 중간 자유 거리의 측정된 편향에 의해 근접하게 근사되며 이하 비율은: 레이저 측정점(M)으로부터 주 롤(도 3의 지지롤(22))의 닙 지점(C)에 가장 인접한 지지롤의 닙 지점까지의 거리를 주 롤의 닙 지점으로부터 동일 지지 롤의 닙 지점까지의 거리로 나눈 비율이다. 이런 계산을 위해, 지지 롤의 닙 지점은 자유 거리의 이송벨트의 비편향 주행경로(36)가 지지 롤과 접촉하는 접점이다. 주 롤의 닙 지점(C)은 주 롤(25) 외면 둘레의 이송벨트(18) 랩(wrap)의 중간점이다.
실제 편향(D)이 거리(MA) 대 거리(CA)의 비율을 곱한 점(M)(자유 거리의 중간점)에서 측정된 편향이 도 3에 예시된다. 주 롤(25)이 정확하게 자유 거리의 중간에 있다면, 비율은 1이 될 것이고, 레이저는 실제 편향(D)을 측정할 것이다. 그러나, 주 롤(25)이 자유 거리의 중간점의 어느 한 측면상에 위치되는 경우, 중간점에서 레이저에 의해 측정된 이송벨트의 편향은 항상 이송점의 실제 편향 이하이다.
지지 롤(21,22) 사이의 지지되지 않는 거리의 길이는 새로운 릴 스풀(26)이 제 1 또는 상류 지지 롤(21)과 완성된 주 롤 사이에 위치되도록 하기에 충분히 긴것이 요구된다. 다른 한편, 인장의 크기가 최소화되고 편향각이 제어될 수 있도록 자유 거리는 섬유재의 편향을 방지하기에 충분히 짧을 것이 요구된다. 적절한 자유 거리의 길이는 약 1 내지 약 5 m, 보다 엄밀하게는 약 2 내지 약 3 m 일 수 있다.
본 발명에 따른 장치 및 방법의 장점은 고도로 바람직한 특성을 구비한 티슈 주 롤의 생성되게 한다. 특히, 약 70 in 이상의 직경을 가지는 큰 용적 티슈의 주 롤이 제조될 수 있는데, 롤로부터 얻어진 티슈의 용적은 약 9 g 이상 당 cm3이며, 완성된 기초 중량의 변동 계수는 약 2% 이하이고, 기계 방향 신장의 변동 계수는 약 6% 이하이다. 게다가, 주 롤로부터 얻어진 티슈 시트를 위한 시트 용적의 변동 계수는 약 3.0 이하일 수 있다.
보다 엄밀하게는, 주 롤의 직경은 약 100 내지 약 150 in 이상일 수 있다. 완성된 기초 중량의 변동 계수는 약 1% 이하일 수 있다. 기계 방향 신장의 변동 계수는 약 4% 이하, 보다 더 엄밀하게는 약 3% 이하일 수 있다. 시트 용적의 변동 계수는 약 2.0 이하일 수 있다.
본문에 사용되는 것처럼, 큰 용적의 티슈는 캘린더링(calendering) 이전에 g 당 9 cm3 이상을 가지는 티슈이다. 상기 티슈는 참조에 의해 본문에 포함된, "Soft Tissue"라는 명칭의 패링턴, 주니어 에뜨 알.의 1997년 3월 4일자 미국 특허 제 5,607,551 호에 기술된다.
보다 엄밀하게는, 본 발명을 위한 큰 용적의 티슈는 g 당 10 내지 약 35 cm3, 보다 엄밀하게는 g 당 약 15 내지 약 25 cm3의 용적치로 특징지어질 수 있다. 용적 측정법은 패링턴, 주니어 에뜨 알. 특허 명세서에 기술되어 있다.
게다가, 본 발명의 큰 용적 티슈의 부드러움은 또한 패링턴, 주니어 에뜨 알. 명세서에 기술되는 측정치인, MD 최대 기울기 및/또는 MD 강성율에 의해 결정되는 것 같은 비교적 낮은 강성으로 특징지어질 수 있다. 보다 엄밀하게는, 샘플의 3 in 당 kg으로 표현되는 MD 최대 기울기는 약 10 이하, 보다 엄밀하게는 약 5 이하, 보다 더 엄밀하게는 약 3 내지 약 6 일 수 있다. (3 in 당 kg) - 미크론0.5으로 표현되는 MD 강성율은 약 150 이하, 보다 엄밀하게는 약 100 이하, 보다 더 엄밀하게는 약 50 내지 약 100 일 수 있다.
더욱이, 본 발명의 큰 용적의 티슈는 약 10 % 이상, 보다 엄밀하게는 약 10 내지 약 30 %, 보다 더 엄밀하게는 약 15 내지 약 25 %의 기계 방향 신장을 가질 수 있다. 더욱이, 본 발명의 큰 용적의 티슈는 이들이 어떤 큰 차이의 압축없이 최종 건조물로 바람직하게 관통 건조되기 때문에 실질적으로 균일한 밀도를 적당히 가질 수 있다.
본 발명의 방법의 장점은 주 롤로부터 풀린 시트 특성에서의 결과적으로 개선된 균일성이다. 매우 큰 주 롤은 와인딩 압력의 제어로 인해 실질적인 시트 균일성을 시트상에 계속 제공하면서 와인딩될 수 있다. 본 발명의 방법의 다른 장점은 부드럽고, 큰 용적의 티슈 시트가 고속으로 주 롤로 와인딩될 수 있는 것이다. 적절한 기계 속도는 분 이상 마다 약 3,000 내지 약 6,000 ft, 보다 엄밀하게는 분 이상 마다 약 4,000 내지 약 6,000 ft, 보다 더 엄밀하게는 분 당 약 4,500 내지 약 6,000 ft 일 수 있다.
본 발명에 대한 다수의 수정 및 다른 실시예들이 전술한 설명 및 관련 도면들에 제공된 교시의 이득을 가지는, 본 발명과 관련한 당업자에게 이해될 것이다. 실예로, 본 발명에 따른 장치 및 방법은 티슈로 사용이 제한되지 않을 뿐만 아니라, 종이 보드(paperboard) 같은 다른 형태의 종이를 포함하는, 모든 유형의 웹 재료를 와인딩할시에 크게 장점이 될 수 있다. 그러므로, 본 발명은 기술된 특정 실시예로 제한되지 않지만, 그 수정 및 다른 실시예들은 첨부된 청구범위의 범위내에 포함되도록 의도되는 것이 이해되어야 한다. 게다가, 특정 용어들이 본문에 채용되는데, 이들은 제한을 위한 것이 아니라 일반적이고 기술적인 의미로써만 사용된다.

Claims (16)

  1. 종이 재료의 웹(15)을 롤로 와인딩하는 장치에 있어서,
    회전 가능하게 장착된 릴 스풀(26);
    상기 릴 스풀(26)을 회전시키고 그 상부의 종이 재료의 웹(15)을 와인딩하여 직경이 증가하는 롤을 생성하는 구동모터(27);
    소정의 주행 경로를 따라 회전을 위해 장착되며, 상기 릴 스풀(26)에 인접 위치되어 와인딩중에 상기 릴 스풀(26)에 대면하여 웹(15)과 맞물림으로써 상기 릴 스풀(26)상에 와인딩되는 종이 재료의 양에 대한 상대적인 양에 의해 소정의 주행 경로로부터 편향되는 순환 가요성 부재(18);
    상기 가요성 부재(18)에 인접 장착되고, 상기 소정의 주행 경로로부터 상기 가요성 부재(18)의 편향된 양을 측정하기 위해 배치되는 편향 센서(35);
    상기 릴 스풀(26) 및 상기 가요성 부재(18)를 서로에 대해 위치시켜서(positioning) 상기 가요성 부재(18)의 편향 양을 변동시키는 액츄에이터; 및
    상기 센서(35) 및 상기 액츄에이터에 접속되어 롤의 직경이 증가함에 따라 상기 가요성 부재의 편향된 양을 제어하는 제어기
    를 구비한 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 편향 센서(35)가 상기 가요성 부재(18)상에 레이저광을 지향시키기 위한 레이저 광원(35) 및 상기 가요성 부재(18)로부터 반사된 레이저광을 수신하기 위해 상기 광원으로부터 이격된 수신기를 더 포함하는 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 레이저 광원(35)이 회전을 위해 장착되어 레이저 광원(35)이 상기 가요성 부재(18)상의 소정의 집중점을 유지하기 위해 회전될 수 있는 장치.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 레이저 광원(35)이 먼지가 레이저 광원(35)을 방해하는 것을 방지하기 위해 공기 정화관(38)내에 장착되는 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 가요성 부재가 다수의 지지 롤(21, 22) 둘레에서의 회전을 위해 지지되고 한 쌍의 인접 지지 롤(21,22)들 사이의 자유 거리를 포함하는 소정의 주행 경로를 한정하는 순환 가요성 벨트(18)를 포함하는 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 레이저 광원 및 상기 수신기가 상기 벨트(18)의 한 에지에 인접 위치되고 상기 벨트(18)의 대향 에지에 인접 위치된 제 2 레이저 광원 및 제 2 수신기를 더 포함하는 장치.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 벨트(18)가 0.5 in 물의 동차 공기압에서 ft2 당 분당 약 100 ft3 보다 크지 않은 통기성을 가지는 장치.
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 벨트(18)가 불통기성인 장치.
  9. 제 5 항에 있어서, 상기 벨트(18)가 상기 릴 스풀과 무관하게 구동되는 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 릴 스풀(26)이 롤의 선형 표면 속도가 상기 벨트(18)의 선형 속도보다 약 10% 빠른 것보다 더 크지 않은 속도로 회전되는 장치.
  11. 제 5 항에 있어서, 상기 벨트(18)의 편향이 약 20 mm 이하로 유지되는 장치.
  12. 제 5 항에 있어서, 상기 인접 지지 롤(21,22)들 사이의 상기 벨트(18)의 상기 자유 거리가 약 1 - 5 m 사이인 장치.
  13. 종이 재료의 웹(15)을 와인딩하여 롤을 형성하는 방법에 있어서,
    릴 스풀(26)에 대면하여 순환 가요성 부재(18)를 맞물려 상기 가요성 부재(18)가 소정의 주행 경로로부터 편향되는 단계;
    릴 스풀(26)을 회전시키는 단계;
    순환 가요성 부재(18)를 릴 스풀(26)과 회전시켜 닙을 생성시키는 단계;
    종이 재료의 웹(15)을 닙으로 진행시키고 릴 스풀(26) 둘레에 웹을 지향시켜 증가하는 직경의 롤을 형성시키는 단계;
    롤의 직경이 증가함에 따라 롤에 의한 가요성 부재(18)의 편향된 양을 감지하는 단계; 및
    상기 감지하는 단계에 응답하여 릴 스풀(26) 및 가요성 부재(18) 중 적어도 하나를 다른 것으로부터 이동시켜 가요성 부재(18)의 편향의 양을 변동시키는 단계
    를 포함하는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    롤에 대향한 가요성 부재(18)의 표면상에 레이저광을 지향시키는 단계;
    가요성 부재(18)의 표면으로부터 레이저광의 반사를 수신하는 단계; 및
    기준선 값에 대한 가요성 부재(18)의 편향을 계산하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 회전 단계가 롤의 외주면이 닙의 가요성 부재(18)의 선형 속도보다 약 10% 빠른 것보다 크지 않은 닙의 선형속도를 가지게 하는 회전속도로 릴 스풀을 회전시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  16. 제 13 항에 있어서,
    가요성 부재(18)의 소정 경로에 대한 상대적인 릴 스풀(26)의 위치를 감지하는 단계;
    릴 스풀(26)의 감지된 위치 및 가요성 부재(18)의 편향으로부터 롤의 직경을 계산하는 단계; 및
    롤의 직경이 증가함에 따라, 롤의 외주면의 선형 속도가 닙의 가요성 부재(18)의 선형속도와 소정의 관계를 유지하도록 릴 스풀(26)의 회전속도를 변동시키는 단계
    를 포함하는 방법.
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