KR101615778B1

KR101615778B1 - 예혼합 화염의 연소 소음의 감쇠

Info

Publication number: KR101615778B1
Application number: KR1020107015832A
Authority: KR
Inventors: 마크 에이 스트로벨; 마이클 제이 울시; 멜빈 씨 브랜치; 도밍고 메디나; 제임스 페쭈토
Original assignee: 쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
Priority date: 2007-12-20
Filing date: 2008-12-09
Publication date: 2016-04-26
Also published as: KR20100106488A; JP2011511239A; US20090162802A1; BRPI0819491A2; US7635264B2; JP5504170B2; DE112008003467T5; WO2009085595A3; CN101946127A; WO2009085595A2; CN101946127B

Abstract

예혼합 화염으로부터 발생하는 연소 소음을 감쇠시키는 양만큼 버너 통로를 가열함으로써 버너에서 지원되는 예혼합 화염의 소음의 특성을 변경시키기 위한 방법, 시스템 및 장치의 개시가 이루어진다. 대안적으로, 감쇠는 예혼합 화염에 대한 제1 지점과 화염을 일으키는 연료/산화제 혼합물의 미연소 부분 내의 적어도 제2 지점 사이의 온도 차이를 제어함으로써 발생한다.

Description

예혼합 화염의 연소 소음의 감쇠{ATTENUATING COMBUSTION NOISE OF PREMIXED FLAMES}

본 발명은 대체로 소음의 특성을 변화시키기 위한 방법, 시스템, 및 장치에 관한 것이고, 보다 구체적으로, 예혼합 화염(premixed flame)으로부터 발생하는 연소 소음을 감쇠시킴으로써 소음의 특성을 변화시키기 위한 방법, 시스템, 및 장치에 관한 것이다.

연소-기인 진동(combustion driven oscillation)은 예혼합 화염 내에서 전형적으로 발생하는 연소 불안정성의 하나의 형태이다. 그러한 불안정성은 통상적으로 하울링(howling)과 같은 소음의 형태로 나타난다. 하울링은 일반적으로 100-1000 ㎐의 범위 내에서 그리고 최대 약 120dB의 강도로 보통 나타나는 허용 불가능한 소음으로 간주된다.

하울링은 일시적이거나 연속적일 수 있다. 전형적으로, 일시적인 하울링은 화염의 점화시에 발생하고, 상대적으로 짧은 시간(예를 들어, 수 초 또는 수 분) 후에 소멸한다. 일시적인 하울링은 허용 불가능한 것으로 간주될 수 있다. 대조적으로, 연속적인 하울링은 버너(burner)가 작동하는 한 연속될 수 있다. 연속적인 하울링은 훨씬 더 허용 불가능한 것으로 간주된다. 특히 산업형 리본(ribbon) 버너에서, 하울링을 야기하는 연소 진동의 유형을 설명하는 공지된 이론이 거의 없다.

다양한 작동 조건이 하울링의 형성에 기여할 수 있음이 공지되어 있다. 예를 들어, 임의의 특정 버너 구성이 하울링을 생성하는 연소 진동이 발생할 수 있는 작동 조건의 범위를 가질 수 있다. 이와 관련하여, 이러한 작동 조건의 범위에 영향을 미칠 수 있는 일부 중요한 변수는 화염 출력(즉, 연료 유형 및 그 유량) 및 버너-대-배킹 롤(burner-to-backing roll) 분리(즉, "버너 간극")이다. 불행히도, 연소 진동이 일부 버너에 대해 발생할 수 있는 작동 조건은 최적 버너 성능을 제공하는 작동 조건이다.

기술한 바와 같이, 화염 안정성은 연소 소음의 형성을 제어한다. 더 안정된 화염이 가청 진동을 발생시키는 경향을 덜 가질 것이다. 버너 포트로 진입하는 가연성 혼합물을 예열하는 것은 리본에 대한 부착 지점에서 화염을 안정화시키는 경향이 있다. 리본에 대한 화염의 부착시의 변동은 연소 소음의 형성을 가능케 하는 압력파를 개시시킨다. 다른 한편, 냉각 롤 표면 상에 화염을 충돌시키는 것은 압력파를 강화시키도록 역할하고, 따라서 연소 소음을 형성 및/또는 강화하는 경향을 증가시킨다. 또한, 산소-풍부 화염과 관련하여, 층류 화염 속도 및 화염 온도는 크게 증가됨으로써, 하울링의 가능성을 증가시킨다. 결과적으로, 산소-풍부 화염은 리본 버너에서 직면하게 되는 연소 불안정성의 제거를 위한 가장 어려운 조건을 제시한다.

리본 버너와 같은 버너의 작동과 관련된 허용 불가능한 소음을 제어하는 능력이 없으면, 상대적으로 유해하며 불쾌한 작업 환경이 존재할 수 있다. 공지된 접근법이 버너의 화염 안정성을 개선함으로써 연소 소음을 감쇠시키기 위해 취해졌지만, 그럼에도 공지된 기술을 개선하기 위해 계속적인 노력이 취해지고 있다.

본 발명의 예시적인 실시 형태에서, 버너의 하나 이상의 포트에서 지원되는 화염의 소음 특성을 제어하기 위한 방법이 제공된다. 본 방법은 화염 내에 또는 화염의 선단 에지(leading edge)에 인접하여 있는 제1 위치와 화염을 발생시키는 연료/산화제 혼합물의 미연소 부분 내에 있는 제2 위치 사이의 온도 차이를 제어하는 단계를 포함하며, 이에 의해 화염의 소음 특성이 상기 온도 차이를 제어함으로써 변경된다.

본 발명의 다른 예시적인 실시 형태에서, 예혼합 화염의 소음을 감쇠시키는 방법이 제공된다. 본 방법은 버너의 적어도 하나의 포트에서 지원되는 예혼합 화염의 온도 차이 - 상기 온도 차이는 예혼합 화염 내에 또는 화염의 선단 에지에 바로 인접하여 있는 제1 위치와 예혼합 화염을 발생시키는 연료/산화제 혼합물의 미연소 부분 내에 있는 제2 위치 사이에서 결정됨 - 를 제어하여 제1 위치와 제2 위치 사이의 상기 온도 차이가 감소되게 하는 단계를 포함하며, 이에 의해 하나의 포트에서 지원되는 예혼합 화염의 소음이 감쇠된다.

본 발명의 다른 예시적인 실시 형태에서, 예혼합 화염의 연소 소음을 감쇠시키는 방법이 제공된다. 본 방법은 버너 본체 내의 하나 이상의 통로들 각각에 의해 형성된 버너 포트로부터 예혼합 화염을 발생시키는 단계; 및 예혼합 화염의 연소 소음이 감쇠되게 할 정도로 통로들 중 선택된 통로를 가열하는 단계를 포함한다.

본 발명의 다른 예시적인 실시 형태에서, 버너 본체 내의 하나 이상의 통로들 각각에 의해 형성된 하나 이상의 버너 포트로부터 예혼합 화염의 불쾌한 소음의 존재를 조정하는 방법이 제공된다. 본 방법은 예혼합 화염의 소음 수준을 결정하는 단계; 소음 수준과 관련된 하나 이상의 통로들 중 선택된 통로의 온도를 결정하는 단계; 및 예혼합 화염의 연소 소음 수준이 감쇠되게 할 정도로 하나 이상의 통로들의 온도를 조절하는 단계를 포함한다.

본 발명의 다른 예시적인 실시 형태에서, 화염의 소음 특성을 제어하기 위한 장치가 제공된다. 이 장치는 화염이 지원되는 포트로 연료/산화제 혼합물이 관통 유동하게 하는 적어도 하나의 통로를 갖는 버너 본체를 포함한다. 버너 본체는 화염의 소음 특성을 변경시키기 위해 연료의 연소 부분에 대해 혼합물의 미연소 부분의 온도를 변화시켜서 미연소 부분과 연소 부분 사이의 온도 차이를 변화시키는 적어도 하나의 요소를 포함한다.

본 발명의 다른 예시적인 실시 형태에서, 화염의 소음 특성을 제어하기 위한 장치가 제공된다. 이 장치는, 화염이 지원되는 포트로 연료/산화제 혼합물이 관통 유동하게 하는 적어도 하나의 통로를 갖는 버너 본체를 포함하고, 버너 본체는 화염의 소음 특성을 변경시키기 위해 연료의 연소 부분에 대해 혼합물의 미연소 부분의 온도를 증가시켜서 미연소 부분과 연소 부분 사이의 온도 차이를 감소시키는 적어도 하나의 요소를 포함한다.

본 발명의 다른 예시적인 실시 형태에서, 예혼합 화염의 연소 소음을 감쇠시키기 위한 장치가 제공된다. 이 장치는, 예혼합 화염이 지원되는 포트로 이어지고 연료/산화제 혼합물이 관통 유동하게 하는 적어도 하나의 통로를 갖는 버너 본체를 포함하고, 버너 본체는 적어도 예혼합 화염에 의해 발생되는 수동적(passive) 열이 예혼합 화염의 연소 소음을 감쇠시킬 정도로 적어도 하나의 통로를 가열하도록 상기 하나의 통로의 소정 길이부를 형성하는 부분 및 열전도성을 갖는 재료로 구성된 적어도 하나의 요소를 포함한다.

본 발명의 다른 예시적인 실시 형태에서, 예혼합 화염의 연소 소음을 감쇠시키기 위한 장치가 제공된다. 이 장치는, 예혼합 화염이 지원되는 포트로 이어지고 연료/산화제 혼합물이 관통 유동하게 하는 적어도 하나의 통로를 갖는 버너 본체를 포함하고, 버너 본체는 예혼합 화염의 연소 소음이 감쇠되게 할 정도로 하나의 통로를 능동적으로 가열하도록 작동가능한 적어도 하나의 요소를 포함한다.

본 발명의 다른 예시적인 실시 형태에서, 필름을 화염 천공하기 위한 장치가 제공된다. 이 장치는, 프레임; 천공될 필름을 지지하기 위해 프레임에 부착된 지지 표면; 지지 표면에 대향하여 프레임에 부착된 버너 - 버너는 연료/산화제 혼합물의 연소에 의해 발생되는 예혼합 화염을 지원함 - ; 버너에 연결된 버너 파이프; 및 버너 파이프에 결합된 연료/산화제 혼합물의 공급원을 포함하며, 버너는 예혼합 화염이 지원되는 포트로 이어지고 연료/산화제 혼합물이 관통 유동하게 하는 적어도 하나의 통로를 갖는 버너 본체를 포함하고, 버너 본체는 적어도 예혼합 화염에 의해 발생되는 수동적 열이 예혼합 화염의 연소 소음을 감쇠시킬 정도로 적어도 하나의 통로를 가열하도록 상기 하나의 통로의 소정 길이부를 형성하는 부분 및 열전도성을 갖는 재료로 구성된 적어도 하나의 요소를 포함한다.

본 발명의 다른 예시적인 실시 형태에서, 포트들의 행(row)을 형성하는 복수의 실질적으로 평행하고 주름진 리본을 포함하는 가스 리본 버너가 제공되는데, 여기서 개선점은 리본들이 약 1.5 ㎝ 이상의 범위의 깊이를 갖는 포트들의 행을 형성하는 것을 포함한다.

본 발명의 다른 예시적인 실시 형태에서, 장치에 결합된 리본 버너 - 리본 버너는 예혼합 화염이 지원되는 포트를 향해 연료/산화제 혼합물이 관통 유동하게 하는 적어도 하나의 통로를 포함함 - 에 의해 제공되는 적어도 예혼합 화염에 의해 발생되는 열에 의해 물품 상에서 기능을 수행하도록 장치 내의 물품에 열을 가하는 공정에서의 개선점이 제공되는데, 여기서 개선점은 예혼합 화염의 연소 소음이 감쇠될 정도로 상기 하나의 통로를 가열하는 것을 포함한다.

다른 예시적인 실시 형태에서, 물품 상에서 수행되는 기능은 가열, 처리, 건조, 천공, 엠보싱, 세척, 어닐링(annealing), 밀봉, 라미네이팅, 멸균, 신징(singeing), 베이킹(baking), 증발, 브랜딩(branding), 재료의 표면의 개질, 및 이들의 임의의 조합으로 이루어진 군으로부터이다.

본 발명의 다른 예시적인 실시 형태에서, 적어도 예혼합 화염에 의해 발생되는 열에 의해 물품 상에서 기능을 수행하기 위한 가열 챔버를 포함하는 장치; 및 예혼합 화염이 지원되는 포트를 향해 연료/산화제 혼합물이 관통 유동하게 하는 적어도 하나의 통로를 포함하고 가열 장치에 결합된 리본 버너를 포함하는 시스템에서의 개선점이 제공되는데, 여기서 개선점은 예혼합 화염의 연소 소음이 감쇠될 정도로 통로를 가열하기 위한 열을 발생시키는 요소를 리본 버너 내에서 포함한다.

하울링은 최대 120 dB의 강도를 갖는 100-1000 ㎐ 소음으로서 나타나는 자립식(self-sustaining) 연소 불안정성 또는 진동을 의미하는 용어이다.

개방 화염은 수납체(enclosure)가 아닌 주변 조건에 있는 화염에 관한 용어이다.

예혼합 화염은 연소 이전에 밀접하게 또는 완전하게 혼합된 연료/산화제 혼합물의 연소로부터 기인하는 화염을 의미한다.

화염 출력은 단위 시간당 연소된 연료의 체적과 연료의 열함량의 곱이다.

버너 간극은 화염 처리기, 천공기, 또는 다른 화염 장치 내에서의 버너 면-대-배킹 롤 분리 간극이다.

화염 당량비는 실제 산화제: 연료 비로 나눈 화학양론적 산화제-연료 비를 의미하는데, 여기서 화학양론적 비는 완전 연소를 위해 필요한 산화제 대 연료의 정확한 비이다.

<도 1>
도 1은 본 발명의 태양을 포함하는 화염 천공 장치의 측면도.
<도 2>
도 2는 명확함을 위해 아이들러 롤(idler roll)들 중 2개 및 모터가 제거되고, 배킹 롤이 가상선으로 도시되어 있는, 도 1의 화염 천공 장치의 정면도.
<도 3>
도 3은 도 2에 도시된 화염 천공 장치의 버너의 리본의 확대도.
<도 4>
도 4는 장치 내의 필름 경로를 따라 필름을 포함하는 도 1의 장치의 측면도.
<도 5>
도 5는 본 발명에 따른 소음을 감소시키는 데 사용하기 위한 리본 버너의 개략도.

도 1 내지 도 5는 본 발명의 방법, 시스템, 및 장치가 구현될 수 있는 화염 천공 장치(10)를 도시한다. 본 발명이 화염 천공 장치(10)의 맥락으로 한정되지 않아야 한다는 것이 이해될 것이다. 오히려, 본 발명은 광범위하게는, 하기의 설명에서 명백해지는 바와 같이, 예혼합 화염의 연소 소음의 감쇠를 포함한, 연소 소음의 제어를 포함한다. 예혼합 화염의 연소 소음의 제어는, 제한없이, 플라스틱을 포함한 물품의 표면의 개질, 가열, 처리, 건조, 천공, 엠보싱, 세척, 어닐링, 밀봉, 라미네이팅, 멸균, 신징, 베이킹, 증발, 브랜딩, 및 이들의 임의의 조합과 같은 많은 상황에서 유익할 수 있다.

화염 천공 장치(10)는 플라스틱 필름의 길이방향 또는 기계방향(MD), 및 횡단방향 또는 횡방향(TD) 둘 모두에서 동등한 인열 특성을 제공하기 위해 (도시되지 않은) 헤링본 패턴(herringbone pattern)으로 배열된 천공부를 형성하도록 작동가능하다. 도 1 내지 도 5에 도시된 화염 천공 장치(10)의 그러한 태양만이 본 명세서에서 설명된다. 화염 천공 장치(10)의 더 완전한 설명을 위해, 본 출원의 발명자들 중 일부에게 허여되고 본 명세서에 전체적으로 참고로 포함된 미국 특허 제7,037,100호를 참조한다. 본 발명과 상호작용하는, 최종 언급된 특허의 그러한 태양이 본 명세서에서 설명되는 것이 이해될 것이다. 도 5에는, 연소로부터 발생하는 소음을 감소 또는 제거하는 본 발명에 따른 방법, 시스템, 및 장치의 예시가 있다.

도 1 내지 도 5는 본 발명의 태양을 실시하는 화염 천공 필름을 제조하기 위한 하나의 바람직한 장치의 도면들이다. 도 1은 화염 천공 장치(10)의 측면도를 도시한다. 도 2는 배킹 롤(14)이 가상선으로 도시되고, 명확함을 위해 아이들러 롤러(55, 38) 및 모터(16)가 제거된, 화염 천공 장치의 정면도를 도시한다.

도 1 및 도 2는 화염 천공 장치(10)가 프레임(12)을 포함하는 것을 도시한다. 프레임(12)은 상부 부분(12a) 및 하부 부분(12b)을 포함한다. 화염 천공 장치(10)는 외측 필름 지지 표면(15)을 갖는 배킹 장치 또는 롤(14)을 포함한다. 필름 지지 표면(15)은 전형적으로 가상선으로 도시된 하강부(lowered portion, 90)들의 패턴을 포함한다. 이들 하강부(90) 및 하강부(90)들 사이의 필름 지지 표면(15)의 부분은 집합적으로 배킹 롤(14)의 필름 지지 표면(15)을 구성한다. 하강부(90)들은 필름 지지 표면(15) 내의 만입부들의 패턴을 형성한다. 하강부(90)는 필름 지지 표면(15)을 따른 복수의 함몰부 또는 리세스부 또는 복수의 만입부일 수 있다. 이들 하강부(90)는 전형적으로 필름 지지 표면(15) 내로 에칭된다. 대안적으로, 하강부(90)들의 패턴은 필름 지지 표면(15) 내로 드릴링, 융제, 또는 각인될 수 있다.

전형적으로, 배킹 롤(14)의 필름 지지 표면(15)은 화염 천공 장치(10) 주위의 주변 온도에 대해, 온도 제어된다. 전형적으로, 배킹 롤(14)의 필름 지지 표면(15)은 냉각수를 중공 샤프트(56)의 입구 부분(56a) 내로, 배킹 롤(14) 내로, 그리고 중공 샤프트(56)의 출구 부분(56b) 외부로 제공함으로써 냉각된다. 배킹 롤(14)은 그의 축(13)을 중심으로 회전한다. 화염 천공 장치(10)는 프레임의 하부 부분(12b)에 부착된 모터(16)를 포함한다.

화염 천공 장치(10)는 버너(36) 및 그의 관련 버너 파이핑(38)을 포함한다. 버너(36) 및 버너 파이핑(38)은 버너 지지부(35)에 의해 프레임(12)의 상부 부분(12a)에 부착된다. 버너 지지부(35)는 액추에이터(48)에 의해 피벗 점(37)을 중심으로 피벗하여, 배킹 롤(14)의 필름 지지 표면(15)에 대해 버너(36)를 이동시킬 수 있다. 지지부(35)는 아래에서 도 4 및 도 5에 대해 더 상세하게 설명되는 바와 같이, 배킹 롤(14)의 필름 지지 표면(15)에 인접하게 또는 이로부터 멀리 원하는 거리에 버너(36)를 위치시키도록 액추에이터(48)에 의해 피벗될 수 있다. 버너(36)는 버너(36)에 가스를 제공하기 위해 각각의 단부에서 가스 파이프 섹션(38)을 포함한다.

본 발명의 하나의 예시적인 실시 형태에서, 화염 천공 장치(10)는 프레임(12)의 하부 부분(12b)에 부착된 예열 롤(20)을 포함한다. 예열 롤(20)은 외측 롤 층(22)을 포함한다. 외측 롤 층(22)은 외측 표면(24)을 포함한다. 전형적으로, 예열 롤(20)은 닙(nip) 롤이며, 이는 닙 롤(20)과 배킹 롤(14) 사이에서 필름을 집도록 배킹 롤(14)에 대항하여 위치될 수 있다. 닙 롤(20)은 그의 샤프트(60)를 중심으로 자유롭게 회전하고, 롤 지지부(62)에 장착된다.

화염 천공 장치(10)는 하나의 조립체를 형성하도록 브라켓(66)에 의해 닙 롤(20)에 부착된 온도 제어식 차폐부(26)를 포함할 수 있다. 온도 제어식 차폐부(26)는 전형적으로 복수의 수냉식 파이프(28)를 포함한다. 전형적으로, 온도 제어식 차폐부(26)는 버너(36)와 닙 롤(20) 사이에 위치된다. 이러한 위치에서, 차폐부(26)는 버너(36)로부터 발생되는 열의 일부로부터 닙 롤(20)을 보호하고, 따라서 닙 롤(20)의 외측 표면(24)의 온도를 제어하는 데 사용될 수 있다. 화염 천공 장치(10)는 또한 프레임(12)의 하부 부분(12b)에 부착된 제1 아이들 롤러(54), 제2 아이들 롤러(55), 및 제3 아이들 롤러(58)를 포함한다. 각각의 아이들 롤러(54, 55, 58)는 그 자신의 샤프트를 포함하고, 아이들 롤러들은 그들의 샤프트를 중심으로 자유롭게 회전할 수 있다.

도 3은 필름(70) 상에서 천공 기능을 수행할 때 버너에서 지원되는 예혼합 화염의 화염 불안정성에 기인할 수 있는 소음을 감쇠시킬 목적으로 도 1의 장치(10) 내에서 가열 시스템을 형성하는 데 유용한 버너(36)의 일부분의 종방향 상세도를 도시한다. 도 5를 참조하여 더 상세하게 설명되는 바와 같이, 버너(36)는 미국 뉴욕주 뉴 로첼 소재의 플린 버너(Flynn Burner)로부터 구입가능한 종류와 유사한 리본 버너 헤드 조립체(500)를 포함한다. 리본 버너 헤드 조립체(500)는 도 5와 관련하여 더 완전하게 설명되는 바와 같이 본 발명의 교시와 일치되게 개선되었다. 본질적으로, 리본 버너 헤드 조립체(500)는 적합하게는 함께 접합(예를 들어, 용접)되고 플레이트(503)들 사이에 개재된 동일한 구성을 갖는 길고 연속적인 주름진 스테인레스 강 리본(502)의 적층체를 포함한다. 리본 버너 헤드 조립체(500)는 가압된 연소 공기와 기체상 연료가 공급되어지는 내부 플리넘(plenum, 504)(도 5)을 형성하는 것을 돕는 경향이 있다. 가스가 플리넘(504)으로 진입하기 전에 (도시되지 않은) 혼합기가 공기와 기체상 연료를 혼합한다. 이러한 혼합물은 복수의 포트(510a 내지 510n)(집합적으로, 510)를 빠져나간다. 포트(510)는 적층된 리본(502)에 의해 형성된 대응 통로(512a 내지 512n)(집합적으로, 512)의 일 단부에 위치된다. 분출되는 혼합물을 점화시킴으로써, 각각의 포트(510)로부터 실질적으로 균일한 강도의 예혼합 화염(520)이 방출된다. 리본 버너 헤드 조립체(500)는 다양한 크기, 예를 들어 포트의 단일 행으로부터 소위 8-포트(즉, 8행) 버너와 같은 다수의 층상 행까지로 될 수 있다. 화염 천공 장치(10)에서, 8-포트 버너가 사용될 수 있다. 리본 버너 헤드 조립체의 길이는 처리될 필름(70) 또는 물품의 폭에 따라 변할 수 있다. 본 실시 형태에서, 리본 버너 헤드 조립체(500)는 길이가 약 30 ㎝(12 인치)이다. 이러한 유형의 버너에서, 깊이는 리본 버너 헤드 조립체(500)에 대한 문자 "A"(도 5)로 나타나 있다. 깊이는 통로 내에서의 열, 그리고 이에 의한 소리의 감쇠를 제어하도록 변할 수 있다. 따라서, 통로(512)의 길이가 리본 버너 헤드 조립체 깊이에 의해 형성되는 것이 이해될 것이다. 이와 같이, 통로 길이들은 실질적으로 동일하다.

본 실시 형태에서, 리본 버너는 전형적으로 중합체 필름의 화염 천공을 위해 사용되지만, 드릴링된 포트 또는 슬롯 버너와 같은 다른 유형의 버너가 또한 사용될 수 있다. 버너는 플라스틱을 포함한 물품의 표면의 개질, 처리, 건조, 천공, 엠보싱, 세척, 어닐링, 밀봉, 라미네이팅, 멸균, 신징, 베이킹, 증발, 브랜딩, 및 이들의 임의의 조합을 포함하지만 이로 한정되지 않는 다양한 기능을 물품 상에서 수행할 수 있다.

도 4는 필름이 화염 천공 장치(10)를 통해 이동하는 경로 및 필름을 화염 천공하는 하나의 예시적인 방법을 도시한다. 필름(70)은 제1 면(72) 및 제1 면(72)에 대향한 제2 면(74)을 포함한다. 필름은 장치(10) 내로 그리고 제1 아이들 롤러(54) 둘레에서 진행한다. 배킹 롤(14)의 외측 필름 지지 표면(15)의 온도는 샤프트(56)를 통해 배킹 롤(14)을 통해 유동하는 물의 온도에 의해 제어될 수 있다. 외측 필름 지지 표면(15)의 온도는 화염으로부터 다량의 열을 발생시키는 버너(36)에 대한 근접도에 따라 변할 수 있다. 게다가, 필름 지지 표면(15)의 온도는 필름 지지 표면(15)의 재료에 의존할 것이다. 기술한 바와 같이, 본 발명의 화염 천공 공정은 미국 특허 제7,037,100호에서 더 완전하게 설명되어 있다.

예열 롤(20)과 배킹 롤(14) 사이의 위치에서, 예열 롤은 필름을 버너의 화염과 접촉시키기 전에 필름(70)의 제1 면(72)을 예열한다. 예열 롤(20)의 온도는 화염 천공 단계에서 필름 내의 주름 또는 다른 결함을 제거하는 것을 돕는다.

화염 천공 공정에서, 배킹 롤(14)은 계속 회전하여, 버너(36)와 배킹 롤(14) 사이에서 필름(70)을 이동시킨다. 이러한 특정 단계는 도 4뿐만 아니라 도 5에서 또한 도시되어 있다. 필름(70)이 버너(36)의 화염과 접촉하게 될 때, 냉각된 금속 지지 표면에 의해 직접 지지되는 필름의 부분은 천공되지 않는데, 이는 화염의 열이 필름 재료를 통과하고 금속의 우수한 열 전도성으로 인해 배킹 롤(14)의 차가운 금속에 의하여 필름으로부터 멀리 즉시 전도되기 때문이다. 그러나, 냉각된 지지 재료의 에칭된 만입부 또는 하강부(90)를 덮는 필름 재료의 그러한 부분의 후방에 공기 포켓이 포집된다. 만입부 내에 포집된 공기의 열 전도성은 주변 금속의 열 전도성보다 훨씬 낮고, 결과적으로 열이 필름으로부터 멀리 전도되지 않는다. 만입부 위에 놓인 필름의 부분은 이어서 용융되어 천공된다. 결과적으로, 필름(70) 내에 형성된 천공부는 하강부(90)의 형상에 대체로 상호 관련된다.

버너(36)가 필름을 화염 천공한 후에, 배킹 롤(14)은 필름(70)이 아이들러 롤러(55)에 의해 배킹 롤(14)의 필름 지지 표면(15)으로부터 멀리 궁극적으로 당겨질 때까지 계속 회전한다. 그곳으로부터, 화염 천공된 필름(70)은 (도시되지 않은) 다른 피동 롤러에 의해 아이들러 롤(58) 둘레에서 당겨진다.

도 5는 본 발명의 개선된 버너가 이용되는 화염 천공 장치(10)의 다른 태양을 개략적으로 도시한다. 도 5는 화염 천공 단계 동안에 배킹 롤(14)의 필름 지지 표면(15)에 대한 예혼합 화염(520)의 배치를 도시한다. 도 5에서, 버너(36)는 배킹 롤(14)에 대해 소정 거리에 있지만, 배킹 롤(14)에 더 가까이 위치될 수 있다. 버너(36)와 배킹 롤(14) 사이의 상대 거리는 미국 특허 제7,037,100호에서 전술된 바와 같이, 버너 지지부(35) 및 액추에이터(48)에 의해 조정될 수 있다. 각각의 화염은 당업계에 공지된 수단에 의해 발원부(origin)로부터 말단(tip)까지 측정될 수 있는, 버너에 의해 지원되는 발광 원뿔이다. 리본 버너(36)는 복수의 화염을 가질 수 있고, 전형적으로 모든 말단은 버너 하우징에 대해 동일한 위치에 있으며 전형적으로 길이가 균일하다. 그러나, 화염 말단은 예를 들어 불균일한 리본 구성 또는 리본 내로의 불균일한 가스 유동에 따라 변할 수 있다. 예시의 목적으로, 복수의 화염이 복수의 화염(520)으로 나타나 있다.

도 5에서, 화염(520)은 배킹 롤(14)로부터 멀리 위치되고, 따라서 배킹 롤 상의 필름(70)과 충돌하지 않으며, "비충돌 화염"으로서 정의된다. 이러한 위치에서, 화염은 본 발명이 관련된 기술 분야의 숙련자에 의해 자유 공간 내에서 쉽게 측정될 수 있다.

전형적으로, 필름(70)은 중합체 기재(substrate)이다. 중합체 기재는 화염에 의한 천공을 허용하는 임의의 형상의 것일 수 있으며, 예를 들어, 필름, 시트, 다공성 재료 및 폼(foam)을 포함할 수 있다. 전형적인 중합체 기재는 마지막으로 언급된 특허에 설명되어 있다.

이제, 본 발명의 개선된 리본 버너 헤드 조립체(500)를 포함하는 리본 버너(36)를 설명하기 위해 다시 도 5를 참조한다. 설명되는 바와 같이, 본 발명은 리본 버너의 하나 이상의 포트(510)들 각각에서 지원되는 하나 이상의 화염(520)의 소음 특성을 감소시키기 위한 방법을 제공한다. 하나의 예시적인 실시 형태에서, 본 발명은 실제로, 리본 버너 헤드 조립체(500)의 통로(512)를 보통 사용되는 것을 넘어 상당히 연장시킨다. 그러한 길이의 증가가 통로(512) 내에서 발생하는 가연성 혼합물의 열을 증가시키는 것으로 판단되었다. 이와 같이, 증가된 통로 열은 예혼합 화염의 연소 소음이 감쇠되는 정도를 증가시킨다. 이는 부분적으로는 향상된 화염 안정성에 기인할 수 있다. 포트 길이 또는 깊이를 증가시키는 것이 통로 내의 이러한 예열 온도를 증가시키는 것으로 보이지만, 플리넘(504) 이전에 연료/산화제 혼합물을 예열하는 것이 화염 안정성을 실질적으로 개선하지 않는 것으로 또한 판단되었다. 본 발명은 또한, 통로의 열이 소위 표준 리본 버너 헤드 조립체 내에서 전형적으로 채용되는 스테인레스강 리본의 열 전도성의 값에 비해 리본의 열 전도성의 값을 증가시킴으로써 수동적으로 증가될 수 있음을 결정짓는다. 열 전도성의 증가된 값을 갖는 이들 재료 중 예시적인 재료 또는 이들의 조합은 은, 구리, 및 금을 포함한다. 예혼합 화염의 소음을 억제 또는 감쇠시키기 위해 요구되는 열의 양은 사용되는 리본 버너 및 버너의 다른 작동 조건에 의존할 것이다. 통로의 수동적 열은 예혼합 화염으로부터의 후향 열 전도를 통해 발생할 수 있다. 수동적 열은 또한 버너의 다른 예혼합 화염의 대류 열에 의해 발생될 수 있다. 본 발명은 통로(512) 내에 또는 인접하여 위치된 가열 코일(550)과 같은 외부 제어식 가열 요소에 의한 것과 같이, 통로가 능동적으로 가열될 수 있음을 고려한다. 다른 외부 제어식 가열 접근법이 이용될 수 있다.

실시예

하기의 실험 데이터는 하기의 표 1 내지 표 4에 예시되어 있다. 이들 실시예는 통로 길이를 증가시킴으로써, 리본 버너 헤드 조립체(500)의 통로의 온도를 증가시키는 것이 화염의 소음 특성을 감소시키는 것에 대해 갖는 극적인 효과를 입증한다. 표 2 내지 표 4에서 평가되는 버너들이 리본 버너 헤드 조립체가 각각의 포트에 대해 상이한 깊이(즉, 통로의 길이)를 갖는다는 사실에서 주로 상이하다는 것이 지적된다. 표 2 내지 표 4에서 사용되는 지정 값에 대한 범례는 다음의 표 1에서와 같은데, 여기서 좌측 컬럼 내의 수치는 다양한 실험적으로 도출된 소음 수준에 대응하지만, "아웃(out)"이라는 용어는 배킹 롤 상에 충돌하기보다는 오히려 공기 중으로 연소하는 버너를 말한다.

각각의 평가에 대해 공통된 실험 조건은, 1) 30 ㎝(12 인치) 길이의 리본 버너 헤드 조립체를 12 내지 14℃로 수냉된 알루미늄 하우징 내에서 유지하였고; 2) 버너를 25℃로 유지되고 50 m/min의 등가의 선속도로 회전하는 수냉식 크롬-도금강 배킹 롤에 대항하여 연소시켰고(중합체 필름이 배킹 롤의 표면 상에 존재하지 않았음); 3) 버너 간극을 알루미늄 버너 하우징의 면으로부터 배킹 롤 표면까지 측정하였고(리본의 리세스된 표면과 배킹 롤 사이의 분리는 이러한 측정된 버너 간극보다 3 mm 더 큼); 4) 각각의 데이터 점에 대해, 화염 당량비를 0.90 내지 1.05로 변화시켰고(당량비는 버너가 하울링하는 경향에 대해 유의한 영향을 미치지 않았음); 5) 측정된 산소 농도([O₂])는 연료도 포함하는 총 가연성 혼합물 내에서가 아닌, (공기 및 추가된 산소로 이루어진) 산화제 스트림 내의 분자 0₂의 체적 (몰) 농도이다. 8-포트 리본 버너의 통상적인 최대 용량은 버너 길이에 대해 2300 W/㎝ (20,000 BTU/hr-in)라는 것을 알아야 한다.

표 2의 데이터는 종래 기술의 비교예를 나타낸다. 표 2는 1.25 ㎝ 리본 깊이를 갖는 리본 버너 헤드 조립체를 구비한 플린 8-포트 알루미늄 버너를 사용한 비교 시험 결과를 나타낸다. 이러한 데이터는 종래 기술의 비교예를 나타낸다. 이러한 종류의 버너는 전형적으로 중합체 필름을 천공하기 위한 것을 포함한 많은 응용에서 사용된다. 실험 결과는 그러한 리본 버너 헤드 조립체에서 대단히 시끄러운 하울링이 발생한("6") 몇몇 상황이 있다는 것을 나타낸다. 전형적으로, 대단히 시끄러운 하울링은 버너 면 대 롤 간극이 약 8 및 10 ㎜의 값을 갖고, 더 높은 산소 농도(예를 들어, 27%), 및 화염 출력이 약 1442 및 1731 W/㎝ (12,500 및 15,000 BTU/hr-in)의 범위에 있을 때와 같은 한 세트의 조건에 있을 때 발생하였다. 허용 불가능한 하울링("4 & 5")이 또한 산소의 높은 농도(예를 들어, 27%) 및 약 15 mm의 버너 면 대 롤 간극에서 발생하였다. 놀랍게도, 허용 가능한 버너 휘슬링("1")은 표 2에서의 유사한 시험과 비교할 때, 버너 면 대 롤 간극이 "아웃"일 때 발생하였다. 과도하게 거슬리고 불쾌하지 않은, 미미한 전형적인 하울링("3")은 화염 출력이 약 1448 W/㎝ (12,550 BTU/hr-in) 내지 약 2300 W/㎝ (20,000 BTU/hr-in)의 범위 내에 있으면서 산소의 더 높은 농도(예를 들어, 27%)에서 발생하였다.

표 3은 표 2에서 사용된 것과 유사하지만, 주요 차이점이 2.50 ㎝ 리본 깊이를 갖는 리본 버너 헤드 조립체인, 플린 8-포트 알루미늄 버너에 대해 얻어진 데이터이다. 이는 통로 길이를 증가시킴으로써, 통로 내의 열을 증가시켰다. 표 2로부터의 소음 특성이 허용 불가능하거나 대단히 불쾌한 것(즉, "6")으로 간주되는 작동 조건의 그러한 범위에 대한 표 2와 표 3의 결과의 비교에서, 2.50 리본 깊이에 대한 소음 특성은 (예를 들어, "1"의 범위로) 상당히 개선되었다. 게다가, 2111 및 2300의 W/㎝ (18,300 및 20,000의 BTU/hr-in)에서 표 2의 소음 수준이 더 짧은 통로에서 (표 3과 비교하여) 상당히 높은 것이 관찰되었다. 또한, 상기 2111 및 2300의 W/㎝ (18,300 및 20,000의 BTU/hr-in) 값에서, 소음은 버너 면 대 롤 간극이 "아웃"일 때(즉, 배킹 롤 상에 화염의 충돌이 없을 때), 상당히 감쇠되었음이 주목되었다. 따라서, 더 긴 통로 내에서의 열의 증가는 예혼합 화염에 의해 발생되는 소음의 감쇠를 상당히 증가시켰다.

표 4는 표 2에서 사용된 것과 유사하지만, 주요 차이점이 3.50 ㎝ 리본 깊이인, 플린 8-포트 알루미늄 버너에 대해 수집된 데이터이다. 이러한 버너는 단일 리본 조립체가 아니고, 함께 접합된 2개의 리본 조립체들로 구성되었다. 각각의 리본 조립체는 약 1.75 ㎝의 두께를 가졌다. 포트 깊이의 증가는 1.75 ㎝ 리본 버너 헤드 조립체를 1.75 ㎝ 두께의 리본 버너 헤드 조립체에 조합함으로써 달성되었다. 표 4의 소음 값은 표 3 및 표 2의 것에 비해 상당히 우수하였다. 또한, 더 긴 통로에 의해, 버너 면 대 롤 간극이 "아웃"일 때의 소음 값은 상당히 양호했다.

리본 버너의 리본 통로의 길이가 증가함에 따라, 소음 감쇠의 정도가 더 컸다는 것이 명백하다. 개선된 결과에 대한 한 가지 설명은 더 깊은 리본의 사용에서 비롯된다. 더 긴 통로 길이는 연료/공기 가스가 리본 버너 헤드 조립체를 통과할 때 가연성 혼합물의 예열을 증가시킬 것이다. 이와 같이, 리본 버너에서 지원되는 화염의 안정성이 이에 의해 개선될 가능성이 있다. 상기 값들의 비교로부터, 더 긴 통로가 유익하다는 것을 입증하는 경향이 존재한다는 것이 명백하거나, 달리 말하자면, 결과는 더 긴/더 깊은 포트가 모든 조건에서, 그러나 특히 산소 풍부에서 더 조용한 화염으로 이어진다는 것을 의미한다. 더 긴 포트 "길이"가 가스가 리본을 통과할 때 가연성 혼합물의 예열을 증가시킬 것이고, 이에 의해 그러한 리본에서 지원되는 화염의 안정성을 향상시키는 것으로 여겨진다.

본 발명은 하나 이상의 버너 포트로부터의 예혼합 화염의 불쾌한 소음의 존재를 조정하는 방법을 제시한다. 이와 관련하여, 사용자는 예혼합 화염의 소음 수준을 결정할 수 있다. 이는 사용자 경험에 기초하여 또는 소음 수준을 측정하는 장치에 기초하여 행해질 수 있다. 사용자는 이어서 불쾌한 소음 수준과 관련된 하나 이상의 통로들 중 선택된 통로의 온도를 결정할 수 있다. 온도는 임의의 적합한 방식으로 측정될 수 있다. 본 발명은 예혼합 화염의 연소 소음 수준이 감쇠되게 할 정도로 하나 이상의 통로들의 열을 조절하는 것을 고려한다. 다른 예시적인 실시 형태에서, 열은 가열 요소(550)에 의해서와 같이 능동적으로 가해질 수 있다. 열은 예를 들어 전기 저항 가열에 의해 플리넘에 부가될 수 있다. 대안적으로, 통로는 추가의 리본 버너 헤드 조립체의 추가에 의한 것과 같이 길이가 증가될 수 있다.

본 발명이 예혼합 화염이 발산되는 포트들로 종결되는 통로들의 적어도 하나의 행을 형성하는 복수의 적층되고 주름진 리본을 포함하는 리본 버너 헤드 조립체를 갖는 버너로서, 개선점이 각각의 통로가 약 1.5 ㎝ 내지 약 4 ㎝ 또는 그 이상의 범위의 깊이를 갖도록 리본들이 포트들의 행을 형성하는 것을 포함하는 버너를 제공한다는 것이 이해될 것이다.

본 발명은 화염 천공 장치에서의 개선된 버너를 개시하지만, 본 발명이 넓게는 예혼합 화염을 지원하는 포트를 갖는 버너로부터 발생되는 예혼합 화염의 소음을 감쇠시키는 것에 관련된다는 것이 이해될 것이다.

따라서, 장치에 결합된 버너 - 버너는 예혼합 화염이 발산하는 포트를 향해 연료/산화제 혼합물이 관통 유동하게 하는 적어도 하나의 통로를 포함함 - 에 의해 제공되는 적어도 예혼합 화염에 의해 발생되는 열에 의해 물품 상에서 기능을 수행하도록 장치 내의 물품에 열을 가하는 공정이 넓게 개시되어 있는데, 여기서 개선점은 예혼합 화염의 연소 소음이 감쇠될 정도로 상기 하나의 통로를 가열하는 것을 포함한다. 기술한 바와 같이, 가열은 외부 열원에 의해, 통로의 길이를 연장시킴으로써, 또는 버너 헤드 조립체의 열 전도성을 변화시킴으로써 능동적으로 행해질 수 있다. 플라스틱을 포함한 재료의 표면의 개질, 처리, 건조, 엠보싱, 천공, 세척, 어닐링, 밀봉, 라미네이팅, 멸균, 신징, 베이킹, 증발, 브랜딩, 및 이들의 임의의 조합으로 이루어진 군으로부터인, 물품 상에서 수행되는 기능이 본 발명에 의해 고려된다.

본 발명은 또한 버너의 하나 이상의 포트에 의해 지원되는 화염의 소음 특성을 제어하기 위한 방법을 제공한다. 소음 감쇠의 효과에 대한 하나의 설명은 소음 감쇠가 제1 위치(T₁)와 제2 위치(T₂) 사이의 온도 차이(T₁ - T₂)를 제어함으로써 달성된다는 것이다. 제1 위치(T₁)는 (고온 생성물 가스의) 예혼합 화염(520)의 선단 에지(즉, 말단) 내에 또는 이를 약간 넘어서 있을 수 있다. 제1 위치(T₁)가 화염이면, 이는 화염의 온도를 측정하기 위한 간편한 지점으로 간주될 것이다. 제2 위치(T₂)는 예혼합 화염을 발생시키는 연료/산화제 혼합물의 미연소 부분 내에 있을 수 있다. 하나의 예시적인 실시 형태에서, 제2 위치(T₂)는 이상적으로는, 외측 벽(540)의 외부 및 이에 바로 인접한 것과 같은, 도 5에 도시된 화염의 기부에 바로 인접해야 한다. 대안적으로, 제2 위치는 통로 또는 플리넘 챔버(504) 내의 몇몇 위치에서 선택될 수 있다.

중요하게는, 본 발명은 화염의 소음 특성이 기술된 제1 위치와 제2 위치 사이의 온도 차이를 제어함으로써 변경된다는 것을 인식한다. 이들 지점에서의 온도의 측정은 고온에 대해 적합한 열전쌍과 같은 공지된 기술을 사용함으로써 달성될 수 있다. 더 구체적으로, 소음 감쇠는 기술된 온도 차이를 감소시킴으로써 달성되는 것으로 판단되었다. 따라서, 버너를 가열함으로써, 제2 위치에서의 온도가 증가할 것이다. 대응하여, 제1 지점과 제2 지점 사이의 온도 차이가 감소한다. 실제로, 하울링은 온도 차이를 추가로 감소시킴으로써 감소될 수 있다. 일 실시예에서, 하울링 소음은 위치 T₁에서의 온도가 약 2200°K로 측정되고, 위치 T₂에서의 온도가 500°K로 측정되었을 때 존재하였다. 하울링은 위치 T₂에서의 온도가 약 550°K로 상승되는 반면, 위치 T₁에서의 온도가 실질적으로 일정하게 유지되었을 때 감소 또는 제거되었다. 다른 온도 범위가 고려된다.

본 발명의 일 태양은 화염, 특히 예혼합 화염의 소음 특성을 제어하기 위한 방법, 시스템, 및 장치를 구현하는 것이다. 본 발명의 다른 태양은 예혼합 화염의 소음 특성을 제거 또는 감소시키기 위한 방법, 시스템, 및 장치를 구현하는 것이다. 본 발명의 다른 태양은 전술한 내용을 간단하고, 신뢰성 있고, 효율적인 방식으로 구현하기 위한 방법, 시스템, 및 장치를 구현하는 것이다. 본 발명의 또 다른 태양은 전술한 내용을 고도로 경제적인 방식으로 구현하기 위한 방법, 시스템, 및 장치를 구현하는 것이다.

본 명세서에서 설명된 태양들은 본 발명을 구현함으로써 달성될 수 있는 몇몇 태양들 중 일부의 태양일 뿐이다. 그의 전술한 설명은 본 발명이 전술한 태양을 달성하는 특정 방식으로 이용되어야만 하는 것을 암시하지 않는다. 이상의 실시 형태는 특정 순서로 달성되는 것으로 기재되었고, 작업의 그러한 순서가 본 발명의 범주 내에서 변할 수 있고 여전히 유지될 수 있음을 이해할 것이다.

Claims

버너(burner)의 하나 이상의 포트(port)에서 지원되는 예혼합 화염의 소음 특성을 제어하기 위한 방법으로서,
예혼합 화염 내에 또는 예혼합 화염의 선단 에지(leading edge)에 바로 인접하여 있는 제1 위치와 예혼합 화염을 발생시키는 연료/산화제 혼합물의 미연소 부분 내에 있는 제2 위치 사이의 온도 차이를 제어하는 단계를 포함하며, 이에 의해 예혼합 화염의 소음 특성은 상기 온도 차이를 제어함으로써 변경되는 방법.
버너 본체 내의 하나 이상의 통로들 각각에 의해 형성된 하나 이상의 버너 포트로부터 예혼합 화염의 불쾌한 소음의 존재를 조정하는 방법으로서,
예혼합 화염의 소음 수준을 결정하는 단계;
소음 수준과 관련된 하나 이상의 통로들 중 선택된 통로의 온도를 결정하는 단계; 및
예혼합 화염의 연소 소음 수준이 감쇠되게 할 정도로 하나 이상의 통로들의 온도를 조절하는 단계
를 포함하는 방법.
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