KR101759364B1 - 접촉 닙 롤 및 웨브를 니핑하기 위한 시스템 - Google Patents

접촉 닙 롤 및 웨브를 니핑하기 위한 시스템 Download PDF

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Abstract

개선된 접촉 닙 롤, 개선된 접촉 닙 롤의 조립 방법, 웨브를 니핑하기 위한 시스템, 및 웨브를 니핑하기 위한 방법이 제공된다. 개선된 접촉 닙 롤은 웨브 두께 변동에 대한 순응성을 제공할 수 있는 내측 연질 코어를 포함하는 반면, 강성 환상 링 및 경질 외측 외피가 균일한 접촉 영역을 유지할 수 있다.

Description

접촉 닙 롤 및 웨브를 니핑하기 위한 시스템{A CONTACT NIP ROLL AND A SYSTEM FOR NIPPING A WEB}
종래의 웨브(web) 처리는, 전형적으로 웨브가 닙(nip) 이후에 가속되는 길이 배향기(length orienter)에서와 같이 상이한 장력 하에 있는 웨브 라인의 부분들을 분리하기 위해, 닙 롤을 사용한다. 웨브가 길이 배향 장비를 통해 이동할 때, 웨브 연신 공정은 웨브의 폭을 가로질러 그리고 웨브 하류측(downweb)으로 둘 모두에서 웨브 두께 변동을 생성할 수 있다. 두께 변동은 전형적으로 연질 또는 경질 닙 롤을 사용함으로써 관리된다. 연질 닙 표면이 롤의 면을 따른 접촉 영역의 폭을 변화시킬 수 있다. 이러한 변동은 2개의 롤들 사이의 상대 이동을 변화시켜서, 웨브 스커핑(scuffing)을 초래할 수 있다. 유사한 방식으로, 보다 경질인 닙 표면은 결함 및/또는 더 두꺼운 웨브 두께 위치 상에서만 더 높은 닙 압력을 생성할 수 있고, 상당한 차등 웨브 응력을 야기할 수 있다. 그러한 웨브 응력은 웨브 경로를 통해 전파되어, 웨브 골 형성, 웨브 주름 형성, 및 궁극적으로 영구적인 웨브 왜곡을 초래할 수 있다.
일 태양에서, 본 발명은 축(axis)을 갖는 샤프트(shaft), 샤프트와 환상으로 접촉하는 제1 순응성 재료, 및 복수의 적층된 환상 링(annular ring)을 포함하는 개선된 접촉 닙 롤을 제공한다. 복수의 적층된 환상 링 중 각각의 환상 링은 제1 순응성 재료와 적어도 부분적으로 접촉하는 내측 에지(edge), 및 축과 동심인 외측 에지를 포함한다.
다른 태양에서, 본 발명은 축을 갖는 샤프트 상에서 환상으로 접촉하는 제1 순응성 재료를 형성하는 단계, 및 제1 순응성 재료 상에 복수의 환상 링을 적층시키는 단계를 포함하는, 개선된 접촉 닙 롤의 조립 방법을 제공한다. 복수의 환상 링 중 각각의 환상 링은 제1 순응성 재료와 적어도 부분적으로 접촉하는 내측 에지, 및 외측 에지를 포함한다. 개선된 접촉 닙 롤의 조립 방법은 적층체를 종방향으로 압축하기 위해 압력을 인가하는 단계, 적층체 상에서 압력을 유지하기 위해 샤프트에 단부 플레이트들을 고정시키는 단계, 및 외측 에지가 축과 동심이 되도록, 복수의 환상 링 각각의 외측 에지로부터 재료를 제거하는 단계를 추가로 포함한다.
또 다른 태양에서, 본 발명은 닙 롤, 및 닙 롤에 대해 평행하게 배치되어 닙 라인을 형성하는 제2 롤을 포함하는, 웨브를 니핑(nipping)하기 위한 시스템을 제공한다. 닙 롤은 축을 갖는 샤프트, 샤프트와 환상으로 접촉하는 제1 순응성 재료, 및 복수의 적층된 환상 링을 포함한다. 복수의 환상 링 중 각각의 환상 링은 제1 순응성 재료와 적어도 부분적으로 접촉하는 내측 에지, 및 축과 동심인 외측 에지를 포함한다. 제2 롤은 닙 라인에서 축으로부터 균일한 거리로 변위된 외측 표면을 포함하고, 여기서 제2 롤 및 복수의 환상 링의 외측 에지 둘 모두와 접촉하는 웨브는 닙 라인에서 복수의 적층된 환상 링 중 적어도 하나의 외측 에지를 반경방향으로 변위시킬 수 있다.
또 다른 태양에서, 본 발명은 닙 롤과 제2 롤 사이에 웨브를 배치하는 단계, 및 닙 롤과 제2 롤 사이에서 웨브를 니핑하기 위해 압력을 인가하는 단계를 포함하는, 웨브를 니핑하기 위한 방법을 제공한다. 제2 롤은 닙 롤에 대해 평행하게 배치되어 닙 라인을 형성한다. 닙 롤은 축을 갖는 샤프트, 샤프트와 환상으로 접촉하는 제1 순응성 재료, 및 복수의 적층된 환상 링을 포함한다. 복수의 환상 링 중 각각의 환상 링은 제1 순응성 재료와 적어도 부분적으로 접촉하는 내측 에지, 및 축과 동심인 외측 에지를 포함한다. 제2 롤은 닙 라인에서 축으로부터 균일한 거리로 변위된 외측 표면을 포함하고, 여기서 웨브는 닙 라인에서 닙 롤 내의 복수의 적층된 환상 링 중 적어도 하나의 외측 에지를 반경방향으로 변위시킨다.
상기 개요는 본 발명의 각각의 개시된 실시 형태 또는 모든 구현예를 기술하고자 하는 것은 아니다. 이하의 도면 및 상세한 설명은 예시적인 실시 형태를 보다 구체적으로 예시한다.
본 명세서 전반에 걸쳐, 동일한 도면 부호가 동일한 요소를 지시하는 첨부 도면을 참조한다.
<도 1a>
도 1a는 웨브 라인의 개략 사시도.
<도 1b>
도 1b는 닙 지점의 개략 단면도.
<도 1c>
도 1c는 닙 지점의 개략 단면도.
<도 2>
도 2는 닙의 개략 단면도.
<도 3a 내지 도 3c>
도 3a 내지 도 3c는 개선된 접촉 닙 롤의 일부분의 개략 사시도.
<도 4a>
도 4a는 환상 링의 개략 사시도.
<도 4b 내지 도 4d>
도 4b 내지 도 4d는 환상 링의 개략 평면도.
<도 5a 내지 도 5e>
도 5a 내지 도 5e는 개선된 접촉 닙 롤의 개략 제조 사시도.
<도 6>
도 6은 측정된 접촉 폭 대 웨브 두께의 그래프.
도면은 반드시 축척대로 도시된 것은 아니다. 도면에 사용된 유사한 도면 부호는 유사한 구성요소를 지칭한다. 그러나, 주어진 도면에서 구성요소를 지칭하기 위한 도면 부호의 사용은 동일한 도면 부호로 표시된 다른 도면의 구성요소를 제한하고자 하는 것이 아님을 이해할 것이다.
본 출원은 개선된 접촉 닙 롤을 기술하는데, 개선된 접촉 닙 롤은 닙에서의 접촉 롤과 상기 개선된 접촉 닙 롤 사이에서 개선된 접촉 영역을 제공할 수 있다. 개선된 접촉 닙 롤은 보상하는 순응성 닙 표면을 제공함으로써 웨브 두께 변동의 관리와 관련된 난제를 극복할 수 있다. 개선된 접촉 닙 롤은 웨브 두께 변동에 대한 순응성을 제공할 수 있는 내측 연질 코어를 포함하는 반면, 강성 환상 링 및 경질 외측 외피가 균일한 접촉 영역을 유지할 수 있다.
개선된 접촉 영역은 두께의 임의의 변동 또는 웨브 재료 내에 존재하는 임의의 결함에 관계없이 본질적으로 균일할 수 있다. 하나의 특정 실시 형태에서, 개선된 접촉 닙 롤 설계는 금속 샤프트, 예를 들어, 알루미늄 또는 강철과 같은 내측 샤프트를 포함한다. 내측 샤프트는 제1 순응성 재료, 예를 들어 경도가 약 20인 연질 우레탄 재료로 덮인다. 복수의 환상 링, 예를 들어, 대략 4.76 ㎜(3/16 인치) 폭의 적층된 알루미늄 링들이 제1 순응성 재료, 및 제2 순응성 재료, 예를 들어, 경도가 약 80 내지 90인 경질 우레탄 외피 상에 배치된다. 개선된 접촉 닙 롤은 가요성 및 순응성일 수 있어서, 닙 내의 2개의 롤들 사이의 압력이 롤들의 닙 라인을 따라 대체로 동일하게 유지되게 한다.
종래의 길이 배향 기계는 웨브 왜곡에 의한 문제점을 극복하기 위해 다중 "S" 랩(wrap) 구성으로 몇몇 롤들을 사용할 수 있다. 이러한 종래의 접근법 대신에, 개선된 접촉 닙 롤은 웨브를 더 효율적으로 운반하여, 배향 기계 내에서 필요한 롤의 개수를 감소시킨다. 더 적은 롤은 더 적은 롤을 구매할 필요성, 더 적은 유지 보수, 및 크게 개선된 웨브 형성을 포함한 비용 절감을 제공할 수 있다. 게다가, 후 연신(post stretch) 및 코팅 작업이 "범퍼 롤(bumper roll)"(즉, 롤 직경 및 이에 따른 마찰을 증가시키기 위해 웨브 에지 아래에서 외측 단부들 상에 테이핑된 롤)을 더 이상 필요로 하지 않을 수 있는데, 이는 개선된 접촉 닙 롤이 웨브 응력 차이를 제거할 수 있기 때문이다. 개선된 접촉 닙 롤은 롤 처리 수율(roll throughput yield, RTY) 및 최종 제품 품질을 개선할 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 태양에 따른, 닙(120) 주변의 웨브 라인(100)의 개략 사시도이다. 하나의 특정 실시 형태에서, 닙(120)은 상이한 장력, 예를 들어 제1 장력(T1) 및 제2 장력(T2) (여기서, T2 > T1)을 갖는 웨브(110)의 영역들을 분리하기 위해 사용될 수 있다 . 웨브 장력의 차이는, 예를 들어, 웨브 길이 배향기(LO)로부터 발생할 수 있다. 웨브 LO는 인장 방향을 따라 웨브(110)를 연신시키도록 제2 장력(T2)을 제공한다. 닙(120)은 제2 장력(T2)을 겪는 웨브(110)를 닙(120)의 타측의 웨브(110)로부터 분리하는데, 여기서 웨브는 예를 들어 압출기(도시되지 않음)로부터 더 낮은 제1 장력(T1)에서 닙(120) 내로 공급된다. 닙(120)은 제1 닙 롤(130), 제2 닙 롤(140), 및 닙 라인(150)을 포함한다. 제1 및 제2 닙 롤(130, 140)들은 닙 라인(150)을 따라 함께 가압되어서, 웨브(110) 상에서 닙 압력("P")을 생성하여 닙 라인(150)을 통한 미끄러짐을 방지함으로써, 장력 차이를 허용한다. 웨브(110)의 균일성은 닙 라인(150)을 따른 닙 압력(P)의 균일성에 의해 영향을 받을 수 있다.
도 1b는 본 발명의 일 태양에 따른, 도 1a의 단면 A-A'를 따른, 닙 지점(120)의 개략 단면도이다. 도 1b에서, 제1 닙 롤(130)은 웨브(110)의 공칭 웨브 두께("t") 및 웨브(110) 상의 높이("d")를 갖는 결함(115)만큼 제2 닙 롤(140)로부터 분리된다. 결함(115)의 존재는 닙 라인(150)을 따른 닙 압력(P)의 균일성을 감소시킬 수 있다. 도 1b에 도시된 하나의 경우에, 제1 및 제2 닙 롤(130, 140)들은, 예를 들어, 금속과 같은 비가요성 재료로부터 제조될 수 있다. 이러한 경우에, 결함(115)이 없는 웨브(110)의 영역은 닙 압력(P)이 공칭 웨브 두께("t")에서 웨브(110)의 미끄러짐을 방지하기에 충분하지 않다면, 닙 라인(150)을 지나 미끄러질 수 있다. 그러한 압력(P)은 결함이 닙 라인(150)을 통과할 때 결함(115)을 압축시켜, 웨브(110) 내에서 왜곡 또는 불균일성을 생성할 것이다.
도 1c는 본 발명의 다른 태양에 따른, 도 1a의 단면 A-A'를 따른, 닙 지점(120)의 개략 단면도이다. 도 1c에서, 제1 닙 롤(130')은 닙 라인(150)을 따른 닙 압력(P)을 부당하게 증가시키지 않으면서 결함(115)을 수용하기에 충분히 변형될 수 있는 순응성 재료로부터 제조된다. 제1 닙 롤(130')의 변형은 닙 라인(150)을 따른 접촉 폭(W)을 변화시킬 수 있다. 제1 닙 롤(130')의 변형은 또한 제1 닙 롤(130')의 제1 반경(R0)이 제2 반경(R1)으로 감소되므로, 제1 닙 롤의 표면 속도를 변화시킬 수 있다. 표면 속도의 이러한 변화는 전단력이 결함(115) 주변에서 발생되게 하여, 웨브(110) 내에서 왜곡 또는 불균일성을 생성할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 태양에 따른, 도 1a의 닙 라인(150)을 따른 닙(200)의 개략 단면도이다. 닙(200)은 제1 종축(234)을 갖는 중심 샤프트(232)를 갖는 개선된 접촉 닙 롤(230)을 포함한다. 제1 순응성 재료(236)가 샤프트(232)와 환상으로 접촉한다. 제1 순응성 재료(236)는, 예를 들어, 부틸 고무 또는 에틸렌 프로필렌 다이엔 단량체(EPDM) 고무와 같은 고무; 실리콘 고무와 같은 실리콘; 스티렌 부타디엔 스티렌(SBS) 블록 공중합체 또는 스티렌 부타디엔 에틸렌 스티렌(SEBS) 블록 공중합체와 같은 공중합체; 폴리우레탄 등을 포함한, 상대적으로 낮은 모듈러스(modulus)를 갖는 임의의 재료일 수 있다.
하나의 특정 실시 형태에서, 제1 순응성 재료(236)는 제1 순응성 재료(236) 내에 형성된 복수의 기포와 같은 복수의 공극(238)을 선택적으로 포함할 수 있다. 일부 경우에, 복수의 공극(238)은 대신에 도 3a 내지 도 3c를 참조하여 다른 부분에서 설명되는 바와 같이, 제1 순응성 재료(236) 내에 절삭, 드릴링, 레이저 에칭, 융삭되거나 달리 형성된 채널일 수 있다. 일반적으로, 복수의 공극(238)은 제1 순응성 재료(236) 상에 가해지는 압력을 수용하기 위해, 순응성 재료보다 더 쉽게 변형될 수 있다.
복수의 환상 링(260)이 표면(266)을 따라 함께 적층된다. 각각의 환상 링(260)은 제1 순응성 재료(236)와 적어도 부분적으로 접촉하는 내측 에지(262), 및 제1 종축(234)과 동심인 외측 에지(264)를 포함한다. 각각의 환상 링(260)의 대표적인 기하학적 형상이 도 4a 내지 도 4d를 참조하여 다른 부분에서 설명된다.
각각의 환상 링(260)은 제1 순응성 재료(236)의 모듈러스보다 더 큰 모듈러스를 갖는다. 하나의 특정 실시 형태에서, 각각의 환상 링(260)은 알루미늄 또는 강철과 같은 금속; 구리 또는 황동과 같은 금속 합금; 아크릴로나이트릴 부타디엔 스티렌(ABS), 폴리카르보네이트, 테플론(Teflon)(등록상표), 또는 델린(Delrin)(등록상표)과 같은 엔지니어링 플라스틱 또는 강성 플라스틱; 또는 섬유 강화 플라스틱(fiber reinforced plastic, FRP)과 같은 복합 재료 등으로부터 제조될 수 있다. 하나의 특정 실시 형태(도시되지 않음)에서, 중합체 재료와 같은 재료가, 다른 부분에서 설명되는 바와 같이, 낮은 미끄럼 마찰을 제공하도록, 표면(266)을 따라 인접한 환상 링(260)들 사이에 배치될 수 있다. 일부 경우에, 중합체 재료는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 등을 포함할 수 있다.
제1 단부 플레이트(280) 및 제2 단부 플레이트(280')가 샤프트(232)에 고정되어, 각각 제1 외측 환상 링(263) 및 제2 외측 환상 링(261)에 인접한다. 하나의 특정 실시 형태에서, 제1 및 제2 단부 플레이트(280, 280')는 각각 제1 및 제2 외측 환상 링(263, 261)과 접촉한다. 일부 경우에, 제1 및 제2 단부 플레이트(280, 280')들은 복수의 환상 링(260)을 함께 가압하는 종방향 힘(즉, 제1 종축(234)에 평행한 힘)을 제공한다. 종방향 힘의 크기는 표면(266)을 따른 환상 링(260)의 활주 운동의 임의의 원하는 용이성을 제공하도록 조절될 수 있다.
제2 순응성 재료(270)가 환상 링(260)들 각각의 외측 에지(264)와 접촉한다. 제2 순응성 재료(270)는, 예를 들어, 제1 순응성 재료(236)에 대해 사용되는 동일한 재료를 포함한, 상대적으로 낮은 모듈러스를 갖는 임의의 재료일 수 있다. 하나의 특정 실시 형태에서, 제2 순응성 재료(270)는 제1 순응성 재료의 모듈러스보다 더 큰 모듈러스를 가질 수 있다. 하나의 특정 실시 형태에서, 제2 순응성 재료(270)는 폴리우레탄일 수 있다. 제2 순응성 재료(270)는, 예를 들어, 4 ㎜ 미만의 두께, 3 ㎜ 미만의 두께, 2 ㎜ 미만의 두께, 1 ㎜ 미만의 두께, 또는 500 마이크로미터 미만의 두께의 얇은 코팅일 수 있다. 일반적으로, 제2 순응성 재료(270)는 개선된 접촉 닙 롤 외측 표면(275)과 접촉하는 웨브(210)의 미끄러짐을 감소시키기에 충분한 계수를 갖는 개선된 접촉 닙 롤 외측 표면(275)을 포함한다.
하나의 특정 실시 형태에서, 제2 순응성 재료(270)는 복수의 환상 링(260) 위에서 연속 코팅을 형성할 수 있다. 이러한 경우에, 제2 순응성 재료(270)는 제1 및 제2 단부 플레이트(280, 280')들에 의해 제공되는 종방향 힘의 인가 후에 복수의 환상 링(260) 상에 코팅될 수 있다. 하나의 특정 실시 형태에서, 제2 순응성 재료(270)는, 다른 부분에서 설명되는 바와 같이, 각각의 환상 링(260)의 외측 에지(264) 상에 개별적으로 코팅될 수 있다.
도 2로 돌아가면, 닙(200)은 제2 샤프트(242)를 갖는 제2 닙 롤(240), 제1 종축(234)에 대체로 평행한 제2 종축(244), 및 제2 닙 롤 외측 표면(245)을 추가로 포함한다. 결함(215)을 갖는 웨브(210)는 개선된 접촉 닙 롤 외측 표면(275)과 제2 닙 롤 외측 표면(245) 사이에서 니핑된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 결함(215)은 환상 링(260)들의 변위된 부분(267)이 제1 종축(234)에 대해 이동하게 하여, 제1 순응성 재료(236)를 압축한다. (변위된 부분(267) 외부의) 제1 및 제2 압력(P1, P2)들과, (변위된 부분(267) 내부의) 제3 압력(P3)이 제1 순응성 재료(236)에 의해 환상 링(260)들 및 제2 순응성 재료(270)를 통해 웨브(210)에 가해진다. 환상 링(260)들의 상대 이동 및 변위된 부분(267) 내에서의 제1 순응성 재료(236)의 압축은 제1, 제2, 및 제3 압력(P1, P2, P3)들의 변동을 감소시킴으로써, 결함(215) 상의 응력을 감소시킬 수 있으며, 다른 부분에서 설명되는 바와 같이, 종래 기술의 닙 롤에 야기되는 임의의 왜곡 또는 불균일성을 감소시킬 수 있다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 상이한 태양들에 따른, 제1 순응성 재료(336) 내에서 복수의 공극(338A-338C)을 갖는 개선된 접촉 닙 롤(300)의 일부분의 개략 사시도이다. 개선된 접촉 닙 롤(300)의 상기 부분은 제1 종축(334)을 갖는 샤프트(332)와 환상으로 접촉하는 제1 순응성 재료(336)를 포함한다.
도 3a에서, 복수의 반경방향 구멍(338A)이 제1 순응성 재료(336) 내에 형성된다. 하나의 특정 실시 형태에서, 복수의 반경방향 구멍(338A) 각각은, 예를 들어, 원, 타원, 정사각형, 삼각형, 임의의 무작위적인 형상, 또는 이들의 조합을 포함한 임의의 형상일 수 있는 단면을 가질 수 있다. 복수의 반경방향 구멍(338A)은 제1 순응성 재료(236) 전반에 걸쳐 균일하게 또는 불균일하게 분포될 수 있다. 복수의 반경방향 구멍(338A) 각각은, 예를 들어, 드릴링, 레이저 드릴링, 플런지 절삭, 기계 가공, 융삭, 성형(molding) 등을 포함한 임의의 공지된 기술에 의해 형성될 수 있다.
도 3b에서, 복수의 종방향 구멍(338B)이 제1 순응성 재료(336) 내에 형성된다. 하나의 특정 실시 형태에서, 복수의 종방향 구멍(338B) 각각은, 예를 들어, 원, 타원, 정사각형, 삼각형, 임의의 무작위적인 형상, 또는 이들의 조합을 포함한 임의의 형상일 수 있는 단면을 가질 수 있다. 복수의 종방향 구멍(338B)은 제1 순응성 재료(236) 전반에 걸쳐 균일하게 또는 불균일하게 분포될 수 있다. 복수의 종방향 구멍(338B) 각각은, 예를 들어, 드릴링, 레이저 드릴링, 플런지 절삭, 기계 가공, 융삭, 성형 등을 포함한 임의의 공지된 기술에 의해 형성될 수 있다.
도 3c에서, 복수의 종방향 채널(338C)이 제1 순응성 재료(336) 내에 형성된다. 하나의 특정 실시 형태에서, 복수의 종방향 채널(338C) 각각은, 예를 들어, 원, 타원, 정사각형, 삼각형, 임의의 무작위적인 형상, 또는 이들의 조합의 일부분을 포함한 임의의 형상일 수 있는 단면을 가질 수 있다. 복수의 종방향 채널(338C)은 제1 순응성 재료(236) 전반에 걸쳐 균일하게 또는 불균일하게 분포될 수 있다. 복수의 종방향 채널(338C) 각각은, 예를 들어, 드릴링, 레이저 드릴링, 플런지 절삭, 기계 가공, 융삭, 성형 등을 포함한 임의의 공지된 기술에 의해 형성될 수 있다.
도 3a 내지 도 3c에 도시된 특정 실시 형태는 제1 순응성 재료(236) 내에 생성될 수 있는 다양한 복수의 공극(238)을 총망라하고자 하는 것은 아니다. 예를 들어, 전술된 구멍 및 채널의 임의의 조합뿐만 아니라 나선, 슬롯, 절결부, 피라미드 및 원통과 같은 표면 구조물 등을 포함한 재료 내에 공극을 생성하기 위한 임의의 다른 고려되는 기술이 사용될 수 있다.
도 4a는 본 발명의 일 태양에 따른 환상 링(460)의 개략 사시도이다. 도 4a에서, 환상 링(460)은 내측 에지(462) 및 외측 에지(464), 내측 에지(462)와 외측 에지(464) 사이의 제1 면(466), 및 제1 면(466)에 대향하는 제2 면(468)을 포함한다. 환상 링(460)은 환상 링(460)에 대해 사용되는 재료의 유형에 따라, 예를 들어, 스탬핑, 레이저 또는 기계 절삭, 성형, 주조 등을 포함한 임의의 적합한 기술을 사용하여 제조될 수 있다. 환상 링(460)은 내측 및 외측 에지(462, 464)들 각각과 제1 및 제2 면(466, 468)들 사이에서 코너 에지(465)를 추가로 포함한다.
하나의 특정 실시 형태에서, 코너 에지(465)들 각각은 제조 공정 동안에 형성되는 임의의 버어(burr)를 감소시키거나 제거하기 위해 비스듬히 잘라지거나 모따기될 수 있다. 일부 경우에, 표면 코팅이 제1 면(466)과 제2 면(468) 중 적어도 하나에 적용될 수 있다. 표면 코팅은, 적용된다면, 도 2의 개선된 접촉 닙 롤(230)에 대해 설명된 바와 같이, 인접한 환상 링(260)들 사이의 미끄럼 마찰을 제어하기 위해 사용될 수 있다. 일부 경우에, 표면 코팅은 PTFE, 질화붕소, 질화알루미늄, 니켈 등, 또는 이들의 조합일 수 있다.
도 4b는 본 발명의 일 태양에 따른 환상 링(460)의 개략 평면도이다. 도 4b에 도시된 요소(460-468)들 각각은 앞서 설명된, 도 4a에 도시된 동일한 번호의 요소(460-468)들에 대응한다. 예를 들어, 도 4a의 내측 에지(462)의 설명이 도 4b의 내측 에지(462)의 설명에 대응하는 등등이다. 도 4b에서, 내측 에지(462)는 내측 반경(r1 )을 갖고, 외측 에지(464)는 외측 반경(r2)을 가지는데, 이들 반경은 (도 2에 도시된 제1 종축(234)과 유사한) 종축(434)으로부터 측정된다. 외측 반경(r2)은, 다른 부분에서 설명되는 바와 같이, 종축(434)과 동심이어서, 원을 형성한다. 일부 경우에, 내측 반경(r1)이 또한 종축(434)과 동심일 수 있다. 일부 경우에, 내측 반경(r1)은, 다른 부분에서 설명되는 바와 같이, 원형 형상으로부터 변할 수 있으며, 종축(434)과 동심이 아닐 수 있다. 하나의 특정 실시 형태에서, 반경의 차이(r2-r1)는 외측 반경(r2)의 상대적으로 작은 분율인데, 예를 들어 (r2-r1)/r2는 약 0.25 미만, 약 0.20 미만, 약 0.15 미만, 약 0.10 미만, 또는 약 0.05 미만일 수 있다.
도 4c는 본 발명의 일 태양에 따른 환상 링(460)의 개략 평면도이다. 도 4c에 도시된 요소(460-468)들 각각은 앞서 설명된, 도 4a에 도시된 동일한 번호의 요소(460-468)들에 대응한다. 예를 들어, 도 4a의 내측 에지(462)의 설명이 도 4c의 내측 에지(462)의 설명에 대응하는 등등이다. 도 4c에서, 내측 에지(462)는 내측 에지(462) 상에 스플라인(462C)을 형성하는 제1 내측 에지(462A) 및 제2 내측 에지(462B)에 의해 대체된다. 도 4c에 도시된 환상 링(460)은, 예를 들어, 도 2의 제1 순응성 재료(236)와 함께 사용되어, 제1 순응성 재료(236)가 선택적인 공극(238)을 포함하지 않고서 압축되게 할 수 있다. 하나의 특정 실시 형태에서, 제1 내측 에지(462A)는 제1 순응성 재료(236)와 접촉할 수 있고, 결함으로부터 기인하는 압축은 제1 순응성 재료(236)가 스플라인(462C)들 사이의 공간 내로 "새어 나오게" 하여, 압축 압력의 일부를 완화시킬 수 있다. 도 4c에 도시된 스플라인 구성이, 예를 들어, 사인파와 같은 파형 구조; 기둥, 막대, 삼각형, 사다리꼴, 또는 피라미드와 같은 일련의 규칙적 또는 불규칙적 돌출부; 또는 제1 순응성 재료와의 내측 에지(462)의 부분적 접촉을 제공할 수 있는 임의의 다른 구조물을 포함할 수 있는, 내측 에지(462)의 많은 고려되는 변형을 대표할 뿐임을 이해하여야 한다.
도 4d는 본 발명의 일 태양에 따른 환상 링(460)의 개략 평면도이다. 도 4d에 도시된 요소(460-468)들 각각은 앞서 설명된, 도 4b에 도시된 동일한 번호의 요소(460-468)들에 대응한다. 예를 들어, 도 4b의 내측 에지(462)의 설명이 도 4d의 내측 에지(462)의 설명에 대응하는 등등이다. 하나의 특정 실시 형태에서, 도 4d는 도 2에 도시된 복수의 환상 링(260)을 조립하기 전에 외측 에지(464)와 접촉하는 제2 순응성 재료(470)를 갖는 환상 링(460)을 도시한다. 도 4d에서, 내측 에지(462)는 내측 반경(r1)을 갖고, 외측 에지(464)는 외측 반경(r2)을 갖고, 제2 순응성 재료(470)는 표면 반경(r3)을 구비한 외측 에지(475)를 가지며, 이들 모두는 (도 2에 도시된 제1 종축(234)과 유사한) 종축(434)으로부터 측정되었다. 외측 반경(r2)은, 다른 부분에서 설명되는 바와 같이, 종축(434)과 동심이어서, 원을 형성한다. 일부 경우에, 내측 반경(r1)이 또한 종축(434)과 동심일 수 있다. 일부 경우에, 내측 반경(r1)은, 다른 부분에서 설명되는 바와 같이, 원형 형상으로부터 변할 수 있으며, 종축(434)과 동심이 아닐 수 있다.
하나의 특정 실시 형태에서, 반경의 차이(r2-r1)는 외측 반경(r2)의 상대적으로 작은 분율인데, 예를 들어 (r2-r1)/r2는 약 0.25 미만, 약 0.20 미만, 약 0.15 미만, 약 0.10 미만, 또는 약 0.05 미만일 수 있다. 하나의 특정 실시 형태에서, 반경 차이(r3-r2), 즉 제2 순응성 재료(470)의 두께("h")는 반경 차이(r2-r1)의 상대적으로 작은 분율이다. 예를 들어, (r3 -r2)/(r2 -r1)은 약 0.25 미만, 약 0.20 미만, 약 0.15 미만, 약 0.10 미만, 또는 약 0.05 미만일 수 있다.
도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 일 태양에 따른, 개선된 접촉 닙 롤(530)의 개략 제조 사시도를 도시한다. 도 5a 내지 도 5e에 도시된 요소(530-580)들 각각은 앞서 설명된, 도 2에 도시된 유사한 번호의 요소(230-280)들에 대응한다. 예를 들어, 도 2의 샤프트(232)의 설명은 도 5a의 샤프트(532)의 설명에 대응한다.
도 5a는 종축(534) 및 샤프트 외측 표면(533)을 갖는 샤프트(532)를 도시한다. 도 5b는 샤프트 외측 표면(533)과 접촉하여 배치된 제1 순응성 재료 표면(537) 및 단부(539)를 갖는 제1 순응성 재료(536)를 도시한다. 제1 순응성 재료는, 예를 들어, 성형을 포함한 임의의 공지된 롤 제조 기술에 의해 샤프트 외측 표면(533)과 접촉하여 배치될 수 있고, 제1 순응성 재료 표면(537)은 연삭을 포함한 공지된 기술에 의해 종축(534)과 동심으로 만들어질 수 있다. 복수의 공극(도시되지 않음)이 다른 부분에서 설명되는 바와 같이 제1 순응성 재료(536) 내에 형성될 수 있다.
도 5c는 제1 순응성 재료(536)와 적어도 부분적으로 접촉하여 적층된, 복수의 환상 링(560)들 중 제1 외측 환상 링(561)을 도시한다. 환상 링(560)들 각각은 환상 링이 적층체 내에 위치될 때 억지 끼워맞춤부(563)가 유지되도록 크기가 결정될 수 있다. 하나의 특정 실시 형태에서, 코너 에지(565)가 적층체 내의 링들 사이의 비결합 접촉을 제공하도록 비스듬히 잘라지거나 모따기될 수 있다.
도 5d는 제1 외측 환상 링(561)에 인접한 제1 단부 플레이트(580), 복수의 적층된 환상 링(560), 및 제2 외측 환상 링(563)에 인접한 제2 단부 플레이트(580')를 도시한다. 종방향 힘(F)이 복수의 환상 링(560)을 함께 압축하도록 인가되고, 단부 플레이트들은 접촉 라인(582)을 따라 샤프트(532)에 고정된다. 샤프트(532)는, 예를 들어, 스크루, 세트 스크루, 용접, 클램프 칼라(clamp collar) 등을 포함한 임의의 기술에 의해 접촉 라인(582)을 따라 고정될 수 있다. 복수의 환상 링(560)의 외측 에지(564)가, 예를 들어, 연삭, 밀링 등을 포함한 임의의 공지된 기술에 의해 링들이 함께 압축된 후에, 종축(534)과 동심으로 만들어질 수 있다.
도 5e는 본 발명의 일 태양에 따른 개선된 접촉 닙 롤(530)을 도시한다. 도 5e에서, 제2 순응성 코팅 표면(575)을 갖는 제2 순응성 코팅(570)이 복수의 환상 링(560) 상에 배치된다. 제2 순응성 코팅은 다른 부분에서 설명되는 바와 같이, 적용될 수 있고, 임의의 공지된 기술에 의해 종축(534)과 동심으로 만들어질 수 있다.
실시예
실시예 1 - 개선된 접촉 닙 롤의 제조
8.89 ㎝(3.50 인치)의 외경 및 5.08 ㎝(2.00 인치)의 내경을 구비한 60.96 ㎝(24") 길이의 알루미늄 튜브의 각각의 단부 내로, 3.81 ㎝(1.50 인치) 직경의 샤프트를 수용할 베어링을 위한 6.670 ㎝ (2.626 인치) 직경 × 1.111 ㎝(0.4375인치) 깊이의 베어링 보어를 기계 가공하였다. 튜브의 외경을 베어링 보어의 내경과 동심이 되도록 기계 가공하였다. 7.937 ㎝(3.125 인치) 직경의 볼트 원(bolt circle) 상에서 균등하게 이격된 다량의 6개의 #10-32 탭핑된(tapped) 구멍을 튜브의 각각의 단부에 추가하였다.
제1 순응성 층을 튜브 상에 코팅하였다. 제1 순응성 재료는 튜브의 외부에, 미국 미네소타주 블레인 소재의 에스.아이. 인더스트리즈, 인크.(S.I. Industries, Inc.)에 의해 적용되는 1.91 ㎝(0.75 인치) 두께의 경도 30의 네오프렌 고무의 탄성중합체 코팅이었다. 12.7 ㎝(5 인치)의 내경 및 15.24 ㎝(6 인치)의 외경을 갖는 (도 4a 및 도 4b에 도시된 것과 유사한) 복수의 환상 링을 0.478 ㎝(0.188 인치) 두께의 알루미늄 시트로부터 레이저 절단하였다. 환상 링의 에지를, 적층된 링들 중 임의의 쌍이 서로에 대해 매끄럽게 활주할 때까지, 사포 및 디버링(deburring) 공구를 사용하여 손으로 디버링하였다. 이어서, 각각의 환상 링을 그들의 상호 윤활성을 개선하기 위해 (미국 미네소타주 미네아폴리스 소재의 트윈 시티 플레이팅(Twin City Plating)에 의해 적용되는) 테플론 함침 하드코트 양극 처리로 코팅하였다.
코팅된 링의 내경을 정밀하게 측정하였고, 탄성중합체 코팅된 알루미늄 튜브의 외경이 환상 링의 내경보다 0.0254 ㎜(0.001 인치) 더 클 때까지 탄성중합체 코팅을 연삭하였다. 이어서, 구멍들의 그리드 패턴을 (도 3a에 도시된 것과 유사한) 탄성중합체 코팅 내로 드릴링하였다. 구멍들은 직경이 0.318 ㎝(0.125 인치)였고, 원주 방향으로 1.27 ㎝(0.50 인치) 그리고 축 방향으로 1.27 ㎝(0.50 인치) 이격되었다. 구멍들을 1.57㎝(0.62 인치)의 깊이로 드릴링하였다.
튜브의 각각의 단부에 대해 알루미늄 단부 캡을 제조하였고, 각각의 단부 캡은 코팅된 환상 링과 동일한 외경을 가졌다. 샤프트 베어링 간극을 위해 각각의 단부 캡의 중심에 구멍을 기계 가공하였다. 각각의 단부 캡 내로 간극 구멍들 기계 가공하여, 이들 구멍의 패턴이 튜브의 단부 내로 이전에 기계 가공된 #10-32 탭핑된 구멍들의 패턴과 정합하게 하였다. 하나의 단부 캡을 튜브의 일 단부에 부착하였고, 적절히 나사 형성된 스크루를 사용하여 견고하게 고정시켰다. 소량의 비눗물을 조립을 보조하도록 탄성중합체 코팅의 표면에 윤활제로서 적용하였다.
코팅된 환상 링을 탄성중합체 코팅된 튜브 상으로 가압하였다. 코팅된 환상 링의 내경과 비교하여, 탄성중합체 코팅된 튜브의 약간 더 큰 외경은 꼭 맞는 억지 끼워맞춤부를 초래하였다. 각각의 환상 링을 그 이전에 설치된 환상 링과 완전히 접촉할 때까지 코팅된 튜브 상으로 가압하였다. 적용된 환상 링들 중 최종 환상 링을 알루미늄 튜브의 단부와 동일 평면이 되도록 기계 가공하였다. 이어서, 제2 단부 캡을 튜브의 그러한 단부에 부착시켜, 적절히 나사 형성된 스크루로 고정하였다.
이어서, 조립된 롤의 외부 표면을 외경이 베어링 보어와 동심이 되도록 보장하기 위해 주의하면서, 매끄럽게 연삭하였다. (복수의 환상 링을 포함하지만 제2 순응성 재료를 갖지 않는) 얻어진 부분적으로 완성된 닙 롤은 도 5d에 도시된 개략적인 제조와 유사하였다. 이러한 부분적으로 완성된 닙 롤을 하기의 실시예 2에서 시험하였다.
이어서, 조립된 롤의 외측 표면에 0.635 ㎝(0.25 인치) 두께로 경도 80의 우레탄의 제2 순응성 탄성중합체 층을 (미국 미네소타주 블레인 소재의 에스.아이. 인더스트리즈, 인크.에 의해) 부분 롤에 적용하였다. 이어서, 우레탄 코팅 롤을, 외경이 베어링 보어와 동심이 되도록 주의하면서, 이를 매끄럽게 만들고, 제2 순응성 탄성중합체 층의 두께가 0.318 ㎝(0.125 인치) 두께로 되게 하기 위해 다시 연삭하였다. 이어서, 베어링 및 샤프트를 개선된 접촉 닙 롤에 추가하였고, 클램프 칼라를 샤프트에 추가하여 롤이 샤프트 상에서 활주하는 것을 방지하였다.
실시예 2 - 개선된 접촉 닙 롤의 시뮬레이션
시뮬레이팅된 개선된 접촉 닙 롤은 웨브 두께의 변화에 기인하는 웨브 횡단 접촉 및 압력 변동의 양을 최소화하는 것으로 입증되었다. 여러 상이한 닙 압력 및 웨브 두께를 시험하였으며, 개선된 접촉 닙 롤이 더 적은 접촉 영역 변동을 발생시키는다는 것을 보여주었다.
경도 80의 우레탄의 0.3175 ㎝(0.125 인치) 두께의 시트를 제2 순응성 재료 코팅을 시뮬레이팅하기 위해 실시예 1의 부분적으로 완성된 닙 롤 둘레에 감았다. 이러한 시뮬레이팅된 개선된 접촉 닙 롤을 고정된 베어링 하우징 내에 설치하였고, 피벗식 10.16 ㎝(4 인치) 직경의 알루미늄 닙 롤을 2개의 8.255 ㎝(3.25 인치) 보어 공압식 실린더에 의해 작동시켜 2개의 롤들 사이에 닙 힘을 인가하였다. 압력을 해제하였고, 0.762 ㎜(0.030 인치)에서 1.575 ㎜(0.062 인치)까지 변하는 두께를 갖는 캐스팅된 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)의 시트를 2개의 롤들 사이에 삽입하였다. 알루미늄 닙 롤을 공압식 실린더 내에서 344.7 ㎪(50 psi)의 공압을 사용하여 작동시켰다.
도 6은 시뮬레이팅된 개선된 접촉 닙 롤 및 종래의 닙 롤 둘 모두에 대한 측정된 접촉 폭 대 웨브 두께의 그래프를 도시한다. (미국 뉴저지주 매디슨 소재의 센서 프로덕츠, 인크.(Sensor Products, Inc)로부터 구입 가능한) P-닙 센서를 사용하여 폴리에스테르 필름이 2개의 롤들 사이에 있는 2개의 롤들의 시스템에 대한 닙 접촉의 원주 방향으로의 길이(즉, 도 6에 도시된 측정된 접촉 폭)을 측정하였다. 시스템이 일정한 공압 압력 하에 유지되는 동안, 필름을 따른 상이한 위치들(각각의 위치는 도 6에 도시된 공지된 웨브 두께를 가짐)로 센서를 이동시켰다. 이어서, 시뮬레이팅된 개선된 접촉 닙 롤 대신에 종래의 10.16 ㎝(4 인치) 직경의 닙 롤을 사용하여 절차를 반복하였다.
344.7, 413.67, 및 620.5 ㎪(50, 60, 및 90 psi)에서의 측정된 접촉 폭 대 웨브 두께는 시뮬레이팅된 개선된 접촉 닙 롤에 대해 측정되었고, 라인(A1, A2, A3)으로서 각각 플로팅(plotting)되어 있다. 344.7, 413.67, 및 620.5 ㎪(50, 60, 및 90 psi)에서의 측정된 접촉 폭 대 웨브 두께는 종래의 닙 롤에 대해 측정되었고, 라인(B1, B2, B3)으로서 각각 플로팅되어 있다. 데이터는 두께에 따른 원주방향으로의 접촉 길이의 변동이 종래의 닙 롤에 대한 것보다 시뮬레이팅된 개선된 닙 롤에 대해 모든 압력에서 더 작음을 보여준다.
달리 언급하지 않는 한, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용되는 특징부 크기, 양 및 물리적 특성을 표현하는 모든 숫자는 "약"이라는 용어에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 그에 따라, 달리 언급하지 않는 한, 이상의 명세서 및 첨부된 특허청구범위에 기술되는 숫자 파라미터는 본 명세서에 개시된 발명 내용을 이용하는 당업자가 달성하고자 하는 원하는 특성에 따라 다를 수 있는 근사치이다.
본 명세서에 인용된 모든 참고 문헌 및 공보는 본 발명과 직접 모순되지 않는 한 본 발명에 그 전체가 참고로 본 명세서에 명백히 포함된다. 특정 실시 형태들이 본 명세서에 예시되고 기술되었지만, 당업자는 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이 다양한 대안 및/또는 등가의 구현예들이 도시되고 기술된 특정 실시 형태들을 대신할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 본 출원은 본 명세서에 논의된 특정 실시 형태의 임의의 변형 또는 수정을 포함하도록 의도된다. 따라서, 본 발명은 오직 특허청구범위 및 그의 등가물에 의해서만 제한되는 것으로 의도된다.

Claims (37)

  1. 접촉 닙 롤(contact nip roll)로서,
    축(axis)을 갖는 샤프트(shaft) - 상기 샤프트는 샤프트의 제1 단부 상의 제1 단부 플레이트, 및 샤프트의 제1 단부에 대향하는 샤프트의 제2 단부 상의 제2 단부 플레이트를 통과하고, 제1 단부 플레이트 및 제2 단부 플레이트 각각은 샤프트에 고정되고 샤프트에 직접 접촉함 - ;
    제1 영 모듈러스(Young's modulus)를 갖고, 샤프트와 환상으로 접촉하고, 제1 단부 플레이트와 제2 단부 플레이트 사이에 있는 제1 순응성 재료; 및
    샤프트의 축에 대해 수직인(normal) 표면을 따라 함께 적층되고 제1 단부 플레이트와 제2 단부 플레이트 사이에 배치되는 복수의 적층된 환상 링(annular ring) - 상기 환상 링들은 제1 순응성 재료의 영 모듈러스보다 더 큰 영 모듈러스를 가짐 -
    을 포함하고,
    각각의 환상 링은,
    제1 순응성 재료와 적어도 부분적으로 접촉하는 내측 에지(edge), 및
    축과 동심인 외측 에지를 포함하고,
    상기 복수의 적층된 환상 링은, 제1 단부 플레이트와 접촉하는 제1 외측 환상 링, 및 제2 단부 플레이트와 접촉하는 제2 외측 환상 링을 포함하고, 제1 및 제2 단부 플레이트들은, 상기 복수의 환상 링을 함께 압축하기 위해 샤프트의 축에 평행한 종방향 힘을 유지하는, 접촉 닙 롤.
  2. 웨브를 니핑하기 위한 시스템으로서,
    닙 롤, 및
    닙 롤에 대해 평행하게 배치되어 닙 라인을 형성하는 제2 롤을 포함하고,
    상기 닙 롤은,
    축을 갖는 샤프트 - 상기 샤프트는 샤프트의 제1 단부 상의 제1 단부 플레이트, 및 샤프트의 제1 단부에 대향하는 샤프트의 제2 단부 상의 제2 단부 플레이트를 통과하고, 제1 단부 플레이트 및 제2 단부 플레이트 각각은 샤프트에 고정되고 샤프트에 직접 접촉함 - ;
    제1 영 모듈러스를 갖고, 샤프트와 환상으로 접촉하고, 제1 단부 플레이트와 제2 단부 플레이트 사이에 있는 제1 순응성 재료; 및
    샤프트의 축에 대해 수직인 표면을 따라 함께 적층되고 제1 단부 플레이트와 제2 단부 플레이트 사이에 배치되는 복수의 적층된 환상 링 - 상기 환상 링들은 제1 순응성 재료의 영 모듈러스보다 더 큰 영 모듈러스를 가짐 -
    을 포함하고,
    각각의 환상 링은,
    제1 순응성 재료와 적어도 부분적으로 접촉하는 내측 에지, 및
    축과 동심인 외측 에지를 포함하고,
    상기 복수의 적층된 환상 링은, 제1 단부 플레이트와 접촉하는 제1 외측 환상 링, 및 제2 단부 플레이트와 접촉하는 제2 외측 환상 링을 포함하고, 제1 및 제2 단부 플레이트들은, 상기 복수의 환상 링을 함께 압축하기 위해 샤프트의 축에 평행한 종방향 힘을 유지하고,
    상기 제2 롤은, 닙 라인에서 축으로부터 균일한 거리로 변위된 외측 표면을 갖고, 제2 롤 및 복수의 환상 링의 외측 에지 둘 모두와 접촉하는 웨브는 닙 라인에서 복수의 적층된 환상 링 중 적어도 하나의 외측 에지를 반경방향으로 변위시킬 수 있는, 웨브를 니핑하기 위한 시스템.
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