KR20000048684A - 섬유 제조용 스피너 - Google Patents

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와튼윌리엄에이.
스나이더제임스지.
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휴스톤 로버트 엘
오웬스 코닝
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Abstract

스피너 (12) 는 섬유 제조기 (10) 의 회전축의 일단에 고정하도록 되어 있으며, 상기 스피너는 축으로부터 반경방향 외부로 연장하면서 상부 면 (35), 상기 상부 면을 내부 (81) 와 외부 (83) 로 분리하는 댐 (34), 하부 면 (37) 상기 상부 면을 상기 하부 면에 연결하는 하나 이상의 제 1 유동 구멍 (36), 상기 상부 면의 내부와 외부를 연결하는 하나 이상의 제 2 유동 구멍 (94) 및 상기 반경방향 벽에 연결되어 있으면서 복수의 관통 오리피스 (20) 를 갖는 외부 주벽 (18) 을 포함한다.

Description

섬유 제조용 스피너{FIBER MANUFACTURING SPINNER}
유리 또는 다른 열가소성 재료로 된 섬유는 방음 또는 절연 재료를 포함하여 다양하게 적용가능하다. 유리 섬유 절연물을 제조하기 위한 종래의 방법은 회전식 공정으로부터 유리 섬유를 제조하는 것을 포함한다. 단일 유리 조성물 또는 복합 유리 조성물은 섬유 제조를 위해 용융되어 원심분리 스피너로 알려진 원심분리기의 외부 주벽의 오리피스를 통해 압송된다. 하나의 통상적인 스피너는 중앙 구멍, 상부 개구부 및 바닥 벽으로부터 상측으로 곡선을 이루어 상부 개구부를 형성하는 외부 주벽을 갖는 컵 형태로 되어 있다. 스피너를 회전시키는데 사용되는 구동축의 하단은 상부 개구부를 통해 하부로 연장하고 퀼을 갖는 바닥 벽의 중앙부에 고정된다. 바닥 벽의 중앙 구멍은 퀼의 외경 상으로 간단히 압입끼워맞춤하고, 이 퀼은 구동축의 하단에 장착된다.
스피너는 섬유 제조공정 동안 매우 뜨거워진다. 고온에 도달하기 때문에, 스피너 벽은 반드시 고온에 견디는 재료, 특히 고온 금속 합금으로 제조되어야 한다. 그렇지만, 이러한 고온에서는 스피너의 회전에 따라 이 스피너가 아래쪽으로 휘어 늘어지는 경향이 있다. 이러한 변형은 스피너의 크리프 수명을 현저히 단축시킬 수 있으며, 섬유 제조에 역효과를 주는 공정 변수를 유도할 수 있다. 크리프의 문제점은 스피너의 크기가 증가함에 따라 더욱 뚜렷해지는 경향이 있다.
또한, 퀼 상으로 단순히 압입끼워맞춤하기 때문에, 스피너와 퀼에 가해지는 열팽창, 회전방향 응력 및 크리프로 인해 얼마 후에 이 스피너는 퀼 주위에서 느슨해지는 경향이 있다. 끼워맞춤이 느슨해 질 때, 스피너는 중심을 벗어나서 이동함으로써 스피너의 뒤틀림과 과도한 진동의 연속적인 문제를 야기한다. 이러한 문제점은 스피너의 크기와 중앙 구멍의 직경이 증가함에 따라 더욱 뚜렷해진다.
따라서, 스피너의 크리프 수명을 감소시키고, 섬유 제조 공정 동안 바람직하지 않은 공정 변수를 야기하는 온도 유도 변형을 거의 나타내지 않는 개량된 스피너의 필요성이 존재한다.
본 발명은 열가소성 재료로부터 섬유를 제조하기 위한 장치, 특히 유리 또는 다른 미네랄 또는 폴리머와 같은 용융 열가소성 재료로부터 단일 또는 복합 성분 섬유를 원심분리하기 위한 스피너를 갖는 섬유 제조기에 관한 것이다.
도 1 본 발명의 원리에 따른 스피너를 갖는 섬유 제조기의 입면을 도시한 개략적 부분 단면도.
도 2 는 스핀들의 단부에 장착된 도 1 의 스피너의 또 다른 실시예의 입면을 도시한 단면도.
도 2a 는 스핀들의 단부에 장착된 도 1 의 스피너의 또 다른 실시예의 입면을 도시한 단면도.
도 3 은 선 3-3을 따라 취한 도 2 의 스피너의 부분 평면도.
도 4 는 선 4-4를 따라 취한 도 3 의 스피너의 입면의 단면도.
이러한 필요성은 섬유 제조기의 회전축의 일단에 고정하기 적합한 스피너와 부합되며, 이 스피너는 축으로부터 반경방향 외부로 연장하고 상부 면을 갖는 반경방향 벽, 상부 면을 내부와 외부로 분리시키는 댐, 하부면, 상부 면을 하부면에 연결시키는 하나 이상의 제 1 유동 구멍, 상부 면의 내부와 외부를 연결하는 하나 이상의 제 2 유동 구멍 및 반경방향 벽에 연결되어 있으면서 복수의 관통 구멍을 갖는 주벽을 구비한다.
또한, 이러한 필요성은 회전축 및 이 회전축의 일단에 고정된 스피너를 포함한 섬유 제조장치와 부합되며, 스피너는 용융 열가소성 재료로부터 섬유를 원심분리하기 위한 복수의 관통 구멍을 갖는 주벽, 이 주벽과 축 사이에 있는 상부 개구부와 바닥 개구부, 상부 개구부와 바닥 개구부 사이에 위치되면서 주벽과 축 사이에서 반경방향 외부로 연장하는 반경방향 벽을 포함한다. 반경방향 벽은 상부 면, 이 상부 면을 내부와 외부로 분리하기 위하여 위치된 댐, 하부 면, 댐 앞에 반경방향으로 위치해 있으면서 반경방향 벽을 통해 형성되어 상부 면을 하부 면에 연결하는 하나 이상의 제 1 유동 구멍 및 댐을 통해 형성되어 상부 면의 내부와 외부를 연결하는 하나 이상의 제 2 유동 구멍을 포함한다. 본 발명의 장치는 상부 면의 내부 위쪽으로 위치된 용융 열가소성 재료의 공급원을 더 포함하고, 이에 따라 회전축이 회전할 때 상부 면의 내부에 대해 용융 열가소성을 공급함으로써 용융 열가소성 재료는 제 1 유동 구멍과 제 2 유동 구멍을 통해 상부면을 가로질러 반경방향 벽의 아래와 위쪽 모두에 있는 오리피스를 향해 상부면을 가로질러 방사상 외부로 유동하게 된다.
본 발명의 목적, 특성 및 장점은 하기의 상세항 설명, 첨부된 청구항 및 도면을 참조하여 더욱 명확해질 것이다.
본 발명이 특정 실시예에 대해 하기에 기술되고 있더라도, 본 발명의 정신에 어긋남 없이 종래 기술에 숙련된 사람들에게는 다양한 적용, 재구성 및 대안이 가능하다는 사실을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 오직 하기에 첨부된 청구항에 의해서 제한된다.
지금부터, 도 1, 도 2 및 도 2a에 대해 언급하면, 섬유 제조장치 또는 섬유 제조기 (10) 는 회전가능한 중공축 또는 스핀들 (14) 에 고정된 원심분리기 또는 스피너 (12) 를 포함한다. 스피너 (12) 는 종래 기술에서 처럼 회전 스핀들 (14) 에 의해 회전하게 된다. 스피너 (12) 는 스핀들 (14) 로부터 반경방향 외부로 연장하면서 외주를 갖는 반경방향 벽 (16) 을 포함한다. 주벽 (18) 은 반경방향 벽 (16) 의 외주를 중심으로 위치하면서 용융 열가소성 재료, 예컨대 유리 섬유 (22) 를 원심분리하기 위한 복수의 오리피스 (20) 를 갖는다. 도 1, 도 2 및 도 2a 는 스피너 (12) 의 세 개의 추가적 실시예를 보여주고 있다. 이러한 스피너 (12) 가 실질상 동일하거나 또는 거의 동일한 많은 구성요소를 포함하기 때문에, 이러한 구성요소들은 동일한 도면부호로 지정되며, 하기에 반복 설명되지는 않는다.
스피너 (12) 의 회전 (도 1 에 원형 화살표 (∝) 로 표시된 것 처럼) 은 1차 섬유 (22) 를 형성시키기 위하여 스피너 주벽 (18) 의 오리피스 (20) 를 통해 용융 유리를 원심 분리한다. 1차 섬유 (22) 는 환상 버너 (24) 의 열에 의해 연질의 묽은 상태로 유지된다. 복수의 내부 버너 (26) 가 스핀들 (14) 을 중심으로 원주방향으로 위치되어, 스피너 (12) 의 내부를 가열하는데 사용됨으로써 용융 열가소성 재료가 섬유로 만들어지기 전에 응고되거나 또는 유리질이 제거되는 것을 방지한다. 통로 (30) 를 통해 공기를 유입시키는데 사용하는 환상 송풍기 (28) 가 위치되어 1차 섬유 (22) 를 잡아당겨 이 1차 섬유를 모직 절연물 재료와 같은 제품용으로 적절한 제 2 섬유 (32) 로 더욱 가늘게 한다. 제 2 섬유 (32) 는, 예컨대 유리섬유 팩 (glass wool pack) 과 같은 제품의 성형을 위해 컨베이어 (도시되지 않음) 상에 수집된다.
스피너 (12) 는 반경방향 벽 (16) 의 상부 면 (35) 으로부터 위쪽으로 연장하면서 스핀들 (14) 의 회전축을 향해 후방으로 기울어진 일체로 성형된 원형 댐 (34) 을 갖는다. 복수의 원주방향으로 이격된 제 1 유동 구멍 (36) 은 반경방향 벽 (16) 을 통해 형성되어 있으면서 그 상부 면 (35) 과 하부 면 (37) 을 연결한다. 각각의 제 1 유동 구멍 (36) 은 벽 (16) 에 대해 예각으로 된 댐 (34) 의 내부 바로 위에 반경방향 벽 (16) 을 통해 형성되어 있다. 댐 (34) 은 반경방향 벽 (16) 에 대해 동일한 예각으로 형성되어 있다. 복수의 가스 배출 구멍 (38) 이 반경방향 벽 (16) 을 통해 형성되어 뜨거운 배기 가스가 내부 버너 (26) 로부터 반경방향 벽 (16) 을 통과하도록 경로를 제공한다. 이러한 뜨거운 가스가 버너 (26) 로부터 상부 환상 립 (43) 에 의해 형성된 상부 개구부 (39) 를 통과해서 반경방향 벽 (16) 의 위쪽에 형성된 스피너 (12) 의 상부 챔버 (40) 내로 유동한다. 이때, 뜨거운 가스가 배기 구멍 (38) 을 통과해서 반경방향 벽 (16) 의 아래쪽에 형성된 하부 챔버 (42) 로, 그리고 하부 환상 립 (45) 에 의해 형성된 바닥 개구부 (41) 를 통과해서 유동한다. 스피너 (12) 는 그 상부와 바닥이 적어도 부분적으로 개방되어 있어, 섬유를 원심분리하는 동안 반경방향으로 균형을 이룬다.
스피너 (12) 의 상부 및 하부 챔버 (40, 42) 는 용융 열가소성 재료가 점전적으로 유동하도록 하는 온도에서 유지되는 것이 중요하다. 따라서, 스피너 (12) 의 바로 위쪽에 있는 섬유 제조기 (10) 의 부품, 특히 베어링 하우징이 스피너 (12) 의 상부 개구부 (39) 를 실질적으로 덮도록 작동가능하게 되어 있다. 원형 플레이트 또는 방사 실드 (46) 는 스피너 (12) 의 하부 개구부 (41) 를 실질적으로 덮도록 사용된다. 이에 따라, 스피너 (12) 내부에서 바람직하게 고온이 유지될 수 있다. 복수의 원주방향으로 분리된 스페이서 (48) 가 실드 (46) 의 외주를 따라 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이러한 스페이서 (48) 는 실드 (46) 를 스피너 (12) 로부터 최소 거리로 유지한다.
복수의 갭 (50) 이 실드 (46) 의 외주 둘레로, 그리고 임의의 두 개의 인접한 스페이서 (48) 사이에 갭 (50) 이 형성되어 있다. 이러한 갭 (50) 은 배기 가스가 하부 챔버 (42) 를 통과해서 밖으로 빠져나가도록 버너 (26) 로부터의 경로를 제공하며, 스피너를 통과하는 가스의 순환과 유동을 향상시킨다. 몇몇 종래의 스피너의 주벽의 하부 코너는 냉각 문제를 수반함으로써 열가소성 재료가 급속하게 응고한다. 이 바람직하지 않은 냉각은 스피너의 하부 챔버에서의 뜨거운 가스의 불충분한 순환에 의해 야기된다는 사실이 입증되었다. 예컨대, 뜨거운 가스를 갭 (50) 을 통해 하부 챔버 (42) 밖으로 유동시킴으로써 이러한 문제는 감소될 수 있다.
또한, 버너 (26) 로부터 상부 챔버 (40) 로 들어가는 배기 가스가 스피너 (12) 와 하우징 부분 (44) 사이에 형성된 공간 (52) 을 통해 상부 챔버 (40) 를 통과해서 밖으로 유동할 수 있다. 이에 따라, 버너 (26) 로부터의 뜨거운 배기 가스가 주벽 (18) 의 상부 및 바닥부에 인접해서 순환함으로써 전체 스피너 벽 (18) 에 걸쳐서 온도 분포를 조절할 수 있다. 스피너 (12) 의 내부를 통해 균일한 온도 분포를 달성한다는 것은 열가소성 재료가 주벽 (18) 의 상부 뿐만 아니라 바닥부에서 그리고 오리피스 (20) 를 통과해서 적절히 유동하기 위하여 충분히 용융된 상태로 남아있도록 한다. 주벽 (18) 높이 위쪽의 온도 균형은 상부 및 바닥 개구부 (52, 50) 의 상대적 크기를 변화시킴으로써 조절될 수 있다. 상부 갭 (52) 에 대한 하부 갭 (50) 의 크기를 증가시킴으로써 스피너 벽 (18) 의 바닥부에서의 온도 등을 증가시킬 수 있음이 밝혀졌다. 이에 따라, 벽 (18) 에 걸친 최적 온도 분포가 달성될 수 있다. 이는 향상된 섬유 성형 조건, 높은 스피너 부식 수명 및 주벽 (18) 의 바닥부에서의 유리질 제거의 방지를 유발한다.
열 실드 (46) 는 반경방향 벽 (16) 과 주벽 (18) 으로부터 독립된 구성요소이므로, 실드 (46) 의 질량은, 비록 있다하더라도 스피너 (12) 의 반경방향 균형에 거의 영향을 미치지 않는다. 스피너 (12) 의 반경방향 벽 (16) 과 열 실드 (46) 는 허브 (54) 상에 장착된다. 스피너 (12), 하나 이상의 반경방향 벽 (16) 및 허브 (54) 가 동일한 팽창 계수를 갖는 재료로 제조되는 것이 바람직하다. 허브 (54) 는 스핀들 (14) 의 단부와의 회전을 위해 장착된다. 허브 (54) 는 스핀들 (14) 의 하단과 회전하도록 장착된다. 허브 (54) 는 하부 원형 쇼울더 (56) 를 포함하며, 이 쇼울더 상에 실드 (46) 가 놓여져 바람직하게는 볼트체결된다. 반경방향 벽 (16) 은 허브 (54) 의 상부에 형성된 정합 원형 그루브 (60) 에 착좌된 원형 플랜지 (58) 를 포함한다. 원형 클램핑 플레이트 (62) 는 허브 (54) 의 상부 상으로 그리고 반경방향 벽 (16) 위로 볼트체결됨으로써 플랜지 (58) 그루브 (60) 에 고정시킨다.
중공형 퀼 (64) 은 허브 (54) 의 중앙부를 통해 형성되어 있으면서 세 개의 원주방향으로 이격된 로킹 핀 (66) 을 사용해서 정위치에 고정된 보어 구멍 (bore hole) 에 압입 끼워맞춤된다. 퀼 (64) 의 상단은 중공형 견인봉 (68) 의 하단 내부로 나사결합된다. 견인봉 (68) 에는 퀼 (64) 과 허브 (54) 를 따라 스핀들 (14) 의 하단에 대해 위쪽으로 플레이트 (62) 를 견인하기 위하여 스핀들 (14) 의 상단에서 스프링하중이 가해진다. 퀼 (64) 은 견인봉 (68) 을 통해 형성된 스텝형 보어를 통과해서 퀼 (64) 을 통해 형성된 또 다른 스텝형 보어내로 냉각 공기를 순환시킴으로써 부분적으로 냉각된다. 퀼 (64) 은 스핀들 (14) 과 퀼 (64) 주위로 그리고 허브 (54) 위로 위치된 환상 냉각 재킷 (70) 을 통해 순환된 물을 사용해서 더 냉각되는 것이 바람직하다. 퀼 (64) 과 냉각 재킷 (54) 은 이들 사이의 차열팽창 (differential thermal expansion) 을 최소화하기 위하여 저열 팽창 합금으로 각각 제작된다.
스피너 (12) 와 스핀들 (14) 간에 동심성 관계를 유지하는 것이 바람직하다. 원심분리 중에 스피너 (12) 가 중심을 벗어나서 이동함으로써 스피너 (12) 의 뒤틀림과 과도한 진동이 발생한다. 이는 종래의 섬유 제조기에 다양한 문제를 제기하는데, 그 이유는 사용 중에 고온이 가해지면서 반경방향 벽의 중앙 구멍에는 열팽창, 회전방향 응력 및 크리프로 인해 허브에 대해 시간외로 직경의 증가가 발생하는 경향이 있기 때문이다. 만약 이 중앙 구멍이 너무 팽창하게 된다면, 스피너는 회전축으로부터 중심을 벗어나 이동할 수 있어, 결과적으로 과도한 진동과 뒤틀림이 발생한다. 이러한 문제는 스피너의 크기와 이에 따른 중앙 구멍의 직경이 증가함에 따라 더욱 뚜렷해 진다. 따라서, 본 발명은 스피너 (12) 가 허브 (54) 와 퀼 (64) 상에 중심맞춤되도록 유지하기 위한 구조를 더 포함하는 것이 바람직하다. 예컨대, 스피너 (12) 가 중심맞춤되도록 유지하기 위한 하나의 방법은 허브 그루브 (60) 의 내면에 대해 미끄럼끼워맞춤하기 위하여 스피너 플랜지 (58) 의 외경을 사용하는 것을 포함한다. 전술한 바와 같이 퀼 (64) 과 허브 (54) 가 저열팽창 재료로 제조되고 냉각되어, 스피너 플랜지 (58) 는 이 플랜지 (58) 가 열팽창, 회전방향 응력 및/또는 크리프로 인해 성장함에 따라 그루브 (60) 의 내면에 대해 억지끼워맞춤을 형성한다.
섬유 제조기 (10) 의 작동 중에, 반경방향 벽 (16) 이 열팽창해서 균열이 일어난다. 반경방향 벽 (16) 의 이러한 미숙한 균열을 방지하기 위하여, 이 벽을 엠보스 (emboss) 가공하거나 또는 각각의 배기 구멍 (38) 을 둘러싸는 영역의 반경방향 벽 (16) 의 두께를 증가시키는 것이 바람직하다 (도 2 및 도 2a 참조). 또 다른 대안으로, 각각의 배기 구멍 (38) 의 형상을 변화시켜 응력 집중기 보다 작도록 하는 것이 바람직하다. 예컨대, 각각의 배기 구멍 (38) 은 그 형태가 원형이 아닌 타원형이 될 수 있으며, 각각의 타원형 구멍의 주 축선은 스피너 플랜지 (58) 를 중심으로 원주방향으로 곡선을 이루어 향해 있다. 다르게는, 필요하면, 각각의 배기 구멍 (38) 은 그 형태를 타원형으로 제조하고 또한 각각의 구멍 (38) 의 둘레의 영역을 엠보싱 가공함으로써 적합해질 수 있다.
도 1 및 도 2 에 예시된 스피너 (12) 에 대해 언급하면, 스피너 (12) 의 내부에는 용융 열가소성 재료의 두 개의 독립적 흐름, 예컨대 도 1 에 도시된 바와 같이 유리 (A) 를 포함한 제 1 흐름 및 유리 (B) 를 포함하는 제 2 흐름 (80) 이 제공되어 있다. 종래의 공급 장치는 용융 유리의 이러한 흐름 (78, 80) 을 공급하는데 사용될 수 있다. 이러한 용융 유리 공급 장치는 산업분야에 잘 알려져 있어 여기서는 상세하게 설명되지 않을 것이다. 단일 용융 열가소성 재료를 포함하기 위한 대안으로서, 각각의 흐름 (78, 80) 은 2개 이상의 용융 열가소성 재료 (예컨대 2개 이상의 유리) 의 혼합물을 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 각각의 흐름 (78, 80) 은 동일한 용융 열가소성 재료를 포함할 수도 있다.
모든 흐름 (78, 80) 의 유리는 스피너 반경방향 벽 (16) 의 상부 면 상으로 직접 떨어져서 스피너 주벽 (18) 을 향한 원심력으로 인해 외부로 유동한다. 용융 유리 흐름 (78) 의 유리 (A) 는 스핀들 (14) 에 더욱 밀접하게 반경방향으로 위치되고, 댐 (34) 의 반경방향 내부로 상부 면 (35) 의 내부 (81) 상에 내려 앉는다. 우선, 유리 (A) 의 빌드업 (build up) 또는 헤드 (head) 가 댐 (34) 에 대해 형성된다. 그후, 유리 (A) 가 상측으로부터 방사상 벽 (16) 의 하측으로 제 1 유동 구멍 (36) 을 통과해서 유동한다. 제 1 유동 구멍 (36) 은 유리 (A) 가 댐 (34) 을 넘어 빠져나가지 않을 정도로 그 크기와 수가 결정된다. 유리 (A) 는 도시된 바와 같이 벽 (16) 의 하측을 따라 그리고 주벽 (18) 을 향해 계속해서 유동한다. 용융 유리 흐름 (80) 의 유리 (B) 는 스핀들 (14) 로부터 더 멀리 반경방향으로 위치되며, 댐 (34) 의 외부 반경방향으로 상부 면 (35) 의 외부 (83) 상에 내려 앉는다. 그후, 유리 (B) 는 도시된 바와 같이 주벽 (18) 을 향해 즉시 유동한다. 흐름 (78, 80) 은 스핀들 (14) 의 동일한 측면 상에 상호 인접하게 위치될 수도 있지만, 도시된 바와 같이 스피너 (12) 의 반대편 측면 상에 유리 (A, B) 를 떨어뜨리도록 위치하는 것이 바람직하다.
도 3 에 가장 잘 도시된 바와 같이, 도 1 및 도 2 의 스피너 (12) 는 스피너 주벽 (18) 으로부터 반경방향 내부에 위치되면서 대개 원주방향으로 있는 수직방향 내벽 (84) 과 사용된다. 주벽 (18) 을 향해 유동함에 따라, 유리 (A, B) 는 반경방향 벽 (16) 의 아래 위로 각각 내벽 (84) 에 대해 조성된다. 상하부의 환상 립 (43, 45) 은 용융물이 내벽의 둘레로 그리고 주벽 (18) 을 넘어 유동하지 않도록 돕는다 (도 1 참조). 도 3 에 도시된 바와 같이, 스피너 주벽 (18) 과 수직방향 내벽 (84) 사이에 위치된 일련의 수직방향 배플 (86) 은 이 공간을 스피너 주벽 (18) 의 전체 높이에 걸쳐 진행하는 일련의 대개 수직방향으로 정렬된 칸막이 (88) 로 분할된다. 교번형 칸막이는 내벽 (84) 에 형성된 슬롯 (89, 90) 을 통해 (도 1 참조) 칸막이 (88) 내로 각각 유동하는 유리 (A, B) 를 포함한다. 반경방향 벽 (16), 수직 내벽 (84) 및 배플 (86) 은 유리 (A, B) 를 슬롯 (89, 90) 으로 통과시켜 엇갈리는 인접한 교번형 칸막이 (88) 내로 향하게 하는 디바이더를 공동으로 구비함으로써 모든 다른 칸막이가 유리 (A) 를 포함하는 반면에 그 나머지 칸막이는 유리 (B) 를 포함한다.
도 3 에 도시된 바와 같이, 스피너 주벽 (18) 상의 오리피스 (20) 는 수직방향 배플 (86) 의 반경방향 외부 에지에 인접 위치하면서 이 에지와 대개 정렬한다. 도 4 에 도시된 바와 같이, 일련의 통로 (92, 93) 는 용융 열가소성 재료가 통과해서 유동할 각각의 칸막이 (88) 에 위치한다. 바람직하게는, 이 통로는 배플 (86) 의 어느 한쪽 측면에 인접 위치하며, 주벽 (18) 의 외면 상의 오리피스 (20) 와 연통한다.
도시된 바와 같이, 통로 (92, 93) 는 대개 수직방향으로 정렬되며, 바람직하게는 칸막이 (88) 에 인접한 유리 성분 (A, B) 에 대해 동일한 유동 길이를 제공하도록 치수결정되는 것이 바람직하다. 이는 (A, B) 구성요소가 나란한 오리피스 (20) 를 빠져나갈 때, 각각의 섬유를 위한 거의 동일한 양의 (A, B) 유리가 있을 것이다. 만약 동일하지 않은 양의 (A, B) 유리가 바람직하다면, 통로 (92, 93) 는 합성된 이중 성분 섬유가 동일하지 않은 비율을 갖도록하는 동일하지 않은 흐름을 제공하도록 치수결정된다. 어떤 예에서는 이런 결과가 바람직할 수 있다. 또한, 각각의 칸막이의 통로는 형성된 이중 성분 섬유의 (A, B) 유리의 형상과 비율에 있어 변화를 주도록 변형될 수 있다. 형성된 통로의 수는 스피너 주벽 (18) 의 높이에 따라 좌우된다. 칸막이 (88) 내의 용융 유리의 유량 뿐만 아니라, 통로의 수와 크기는 각각의 칸막이의 통로를 덮는 용융물의 “헤드”를 조성하도록 선택된다.
도 2a에 대해 언급하면, 스피너 (12) 의 추가적 실시예에서, 복수의 제 2 유동 구멍 (94) 은 댐 (34) 을 중심으로 원주방향으로 그리고 이 댐을 통해 형성되어 배열되어, 반경방향 벽 (16) 의 상부 면 (35) 의 내외부 (81, 83) 를 연결한다. 제 2 유동 구멍 (94) 를 포함하게 되어 용융물 (80) 의 외부 흐름은 제거될 수 있으며, 하나의 흐름으로부터의 용융물 (도시되지 않음) 은 단독으로 사용되어, 반경방향 벽 (16) 의 아래 위로 위치된 오리피스 (20) 를 통해 섬유를 형성할 수 있다. 스피너 (12) 의 이러한 실시예를 사용해서, 합성 섬유는 도 1 및 도 2 의 스피너를 사용해서 형성된 것과 같은 다중 성분 섬유와는 달리 단일 용융물로부터 형성된 합성 섬유 또는 용융물의 혼합물이다. 따라서, 주벽 (18) 과 관련된 부구조물 (예컨대, 수직 내벽 (84) 및 통과 슬롯 (89, 90)) 은 제거될 수 있다. 이러한 구조물 (84, 89 및 90) 의 제거는 스피너 (12) 의 전체 중량과 이와 관련된 모우멘트 힘을 감소시키며, 스피너 (12) 의 크리프 수명을 증가시킬 수 있다.
제 1 및 제 2 유동 구멍 (36, 94) 은 흐름 (78) 으로부터의 용융 열가소성 물질이 분리되어 반경방향 벽 (16) 의 아래 위로 바람직한 비율로 오리피스 (20) 를 향해 유동하도록 한다. 구멍 (36, 94) 을 통과해서 유동하는 용융물의 비율은 50/50 일 필요가 없다. 최적의 섬유 품질과 스피너 부식 수명을 획득하기 위하여, 유동 구멍 (36, 94) 을 사용해서 더 많은 용융물이 구멍 (36) 을 통해서 반경방향 벽 (16) 아래의 오리피스 (20) 쪽 보다는 구멍 (94) 을 통과해서 반경방향 벽 (16) 위의 오리피스 (20) 쪽으로 유동하도록하는 유동 구멍 (36, 94) 을 채택하는 것이 바람직하다. 이 비율은 상대적 크기를 포함한 다수의 팩터 및/또는 유동 구멍 (36, 94) 의 수와 스피너 (12) 내외부의 온도 분포에 의해 영향받을 수 있다. 제 1 및 제 2 유동 구멍 (36, 94) 이 용융물을 반경방향 벽 (16) 의 위아래로 약 60/40 내지 약 80/20 범위의 비율로 오리피스 (20) 를 향해 유동하도록하는 수와 크기로 되어 있을 때 만족스러운 결과가 획득될 수 있다.
구멍을 통과하는 용융물의 유량은 다음의 방정식에 의해 정의됨을 알 수 있다.
F=Kd4,
여기서:
F=유량
K=상수
d=구멍의 직경,
동일한 직경 (d) 을 각각 갖는 다수 (n) 의 구멍을 통과하는 유량은 다음의 방정식에 의해 정의된다.
F=Knd4.
따라서, 모든 제 1 유동 구멍 (36) 이 제 1 직경을 갖고 또한 모든 제 2 유동 구멍 (94) 이 제 2 직경을 가지면서 제 1 및 제 2 유동 구멍 (36, 94) 이 동일한 수 (n) 로 되어 있다면, 다음의 방정식이 결과적으로 생성된다.
Fu =Knd2 4= d2 4
F1Knd1 4d1
여기서,
Fu=상부 유량
F1=하부 유량
d2=제 2 직경
d1=제 1 직경.
약 60/40 및 80/20 사이의 유량비에 대한 이러한 방정식을 풀면 약 1.1 내지 약 1.4의 직경 비율이 만들어진다. 다시 말해서, 만약 제 1 유동 구멍 (36) 이 모두 제 1 직경 (d1) 을 갖는 다수 (n) 의 구멍으로 구성되며, 제 2 유동 구멍 (94) 이 모두 제 2 직경 (d2) 을 갖는 다수 (n) 의 구멍으로 구성된다면, 약 60/40 내지 80/20 범위의 유량비를 만들기 위해서는, (d2) 가 (d1) 보다 1.1 내지 1.4배 더 커야 한다. 물론, 제 2 유동 구멍 (94) 의 수를 증가시키는 것과 같은 또 다른 방법이 동일한 결과를 만드는데 사용될 수도 있다.
더 많은 용융물이 흐름 (78) 에서 벽 (16) 위쪽의 오리피스 (20) 를 향해 공급됨으로써 이러한 오리피스로부터 배출되는 섬유가 반경방향 벽 (16) 아래의 오리피스 (20) 로부터 형성된 섬유보다 더 큰 궤적 (즉, 주벽 (18) 으로부터 밖으로 더 멀리 반경방향으로 연장함) 을 갖는다는 사실이 입증되었다. 궤적의 이러한 차이는 섬유들 사이의 접촉을 감소시킴으로써 이러한 접촉으로부터 야기되는 표면 결점과 섬유 파괴를 감소시킨다는 사실이 입증되었다. 또한, 스피너 (12) 의 상부 챔버 (40) 는 종종 하부 챔버 (42) 보다 더 뜨겁다. 이 온도 차이로 인해 반경방향 벽 (16) 위쪽의 오리피스 (20) 가 벽 (16) 아래쪽의 오리피스 (20) 보다 더 빨리 부식하고 개방하게 된다 (즉, 확장한다). 벽 (16) 위쪽의 오리피스 (20) 가 더 확장됨에 따라, 더 많은 용융 재료가 유동 구멍 (94) 을 통과하도록 공급함으로써 상부 오리피스 (20) 에서의 용융물 부족을 방지할 수 있다. 이에 따라, 처리량과 스피너 (12) 의 부식 수명이 최적화될 수 있다.
용융물의 유동이 반경방향 벽 (16) 의 아래쪽과 위쪽 모두에 공급될 수 있기 때문에, 본 발명에 따라 도 1, 도 2 및 도 2a 중의 어느 하나의 스피너 (12) 도 반경방향으로 균형을 이룰 수 있다. 다시 말해서, 반경방향 벽 (16) 의 위쪽과 아래쪽의 주벽 (18) 의 질량은 거의 동일할 수 있다. 또한, 상부와 하부 립 (43, 44), 내벽 (84) 및 수직방향 배플 (86) 과 같이 주벽 (18) 에 연결될 수 있는 어떤 다른 구조물의 질량도 또한 반경방향 벽 (16) 의 아래쪽과 위쪽에서 거의 동일할 수 있다. 물론, 질량 동일성을 획득하기 위한 이러한 방법이 스피너 (12) 를 반경방향 벽 (16) 을 중심으로 거의 동일하게 형성하도록 한다는 사실을 알 수 있다. 완전한 질량 동일성을 획득하기 위한 또 다른 방법이 또한 효과적으로 작용할 수도 있다. 이러한 완전한 질량 동일성은 스피너 (12) 의 비반경방향 변형을 감소시키며, 10배 이상까지 스피너 크리프 수명을 증가시킬 수 있다. 또한, 이러한 스피너 크리프 수명의 증가가 비교적 저렴한 스피너 구조 변화에 의해 달성되거나 이와는 반대로 비교적 고가의 스피너 재료의 업그레이드에 의해 달성된다는 사실에 주목해야 한다.
온도 유도 비대칭 변형의 문제는 스피너의 외경이 증가함에 따라 종래 기술, 특히 약 12인치 (약 30.5cm) 이상의 외경을 갖는 스피너에 대해서 더욱 뚜렷해지게 된다. 또한, 이러한 변형은 스피너의 외부 주벽 영역에서의 질량이 증가하는 경우에 증가하게 되며, 다중 성분 섬유를 만들도록 된 외부 주벽에도 흔히 일어난다. 상기 두 예에서, 대부분에 있어서 비대칭 변형의 증가는 스피너의 외주에서 아래쪽으로 작용하는 모우멘트 힘의 결과적 증가에 기인한다. 본 발명의 원리는 이러한 유해한 변형을 감소되도록 하며, 대직경의 스피너와 다중 성분 섬유를 만들도록 구성된 스피너에 대해 적용가능하다.
본 발명의 일반적인 원리의 상기 개요와 전술한 상세한 설명으로부터, 이러한 기술에 숙련된 사람들은 본 발명에 가능한 다양한 적용을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 오직 하기의 청구항들에 의해서만 제한될 것이다.

Claims (16)

  1. 섬유 제조기 (10) 의 회전축 (14) 의 일단에 고정하기 적합한 스피너 (12) 로서, 상기 스피너 (12) 는 축 (14) 으로부터 반경방향 외부로 연장하면서 상부 면 (35), 상기 상부 면 (35) 을 내부 (81) 와 외부 (83) 로 분리하는 댐 (34), 하부 면 (37), 상기 상부 면 (35) 을 상기 하부 면 (37) 에 연결하는 하나 이상의 제 1 유동 구멍 (36) 및 상기 상부 면 (35) 의 상기 내부 (81) 와 상기 외부 (83) 를 연결하는 하나 이상의 제 2 유동 구멍 (94) 을 갖는 반경방향 벽 (16)과,
    상기 반경방향 벽 (16) 에 연결되어 있으면서 복수의 관통 오리피스 (20) 를 갖는 외부 주벽 (18) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 스피너 (12) .
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 외부 주벽 (18) 은 상부 립 (43) 및 하부 립 (45) 을 포함하며, 각각의 상기 립 (43, 45) 은 회전 축 (14) 을 향해 반경방향 후방으로 연장하며, 상기 반경방향 벽 (16) 은 상기 상부 립 (43) 과 상기 하부 립 (45) 사이에 위치되는 것을 특징으로 하는 스피너 (12).
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 주벽 (18) 은 질량을 가지며, 상기 주벽 (18) 의 질량은 상기 반경방향 벽 (16) 의 위쪽과 아래쪽에서 실질상 동일한 것을 특징으로 하는 스피너 (12).
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 스피너 (12) 는 상기 반경방향 벽 (16) 의 위쪽과 아래쪽에 각각 위치된 상부 개구부 (39) 와 하부 개구부 (41) 를 가지며, 상기 스피너 (12) 는 상기 바닥 개구부 (41) 를 실질적으로 덮도록 사용되어 배열된 실드 (46) 를 포함하는 것을 특징으로 하는 스피너 (12).
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 반경방향 벽 (16) 은 복수의 제 1 유동 구멍 (36) 및 복수의 제 2 유동 구멍 (94) 을 포함하며, 상기 복수의 제 1 및 제 2 유동 구멍 (36, 94) 은 용융 열가소성 물질의 유동을 50/50 과 다른 비율로 상기 반경방향 벽 (16) 의 위쪽과 아래쪽의 상기 오리피스를 향해 산출하기 위한 크기와 수로 되어 있는 것을 특징으로 하는 스피너 (12).
  6. 회전축 (14) 과,
    상기 회전축 (14) 의 일단에 고정된 스피너 (12) 를 구비하며, 상기 스피너 (12) 는,
    용융 열가소성 물질로부터 섬유를 원심분리하기 위한 복수의 관통 오리피스 (20) 를 갖는 외부 주벽 (18) 과,
    상기 외부 주벽 (18) 과 상기 축 (14) 사이에 있는 상부 개구부 (39) 및 바닥 개구부 (41) 와,
    상기 상부 개구부 (39) 와 상기 바닥 개구부 (41) 사이에 위치되어 있으면서 상기 외부 주벽 (18) 과 상기 축 (14) 사이에서 반경방향 외부로 연장하는 반경방향 벽 (16) 과,
    상부 면 (35) 의 내부 (81) 의 위쪽에 위치된 용융 열가소성 물질의공급원 (78) 을 구비하며,
    상기 반경방향 벽 (16) 은 상부 면 (35), 상기 상부 면 (35) 을 내부 (81) 와 외부 (83) 로 분리하도록 위치된 댐 (34), 하부 면 (37), 상기 상부 면 (35) 을 상기 하부 면 (37) 에 연결하기 위하여 상기 댐 (34) 앞에 반경방향으로 위치되어 있으면서 상기 반경방향 벽 (16) 을 통해 형성된 하나 이상의 제 1 유동 구멍 (36) 및 상기 상부 면 (35) 의 상기 내부 (81) 와 상기 외부 (83) 를 연결하기 위하여 상기 댐 (34) 을 통해 형성된 하나 이상의 제 2 유동 구멍 (94) 을 갖고,
    상기 회전축이 회전할 때 상기 상부 면 (35) 의 상기 내부 (81) 를 향해 용융 열가소성 물질을 공급함으로써 열가소성 재료가 상기 상부 면 (35) 을 가로질러 반경방향 외부로 상기 제 1 유동 구멍 (36) 과 상기 제 2 유동 구멍 (94) 을 통과해서 상기 반경방향 벽 (16) 의 위쪽과 아래쪽 모두에 있는 상기 오리피스 (20) 를 향해 상기 상부 면 (35) 을 가로질러 반경방향 외부로 유동하는 것을 특징으로 하는 섬유 제조용 장치 (10).
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 주벽 (18) 은 상부 립 (43) 과 하부 립 (45) 을 포함하며, 각각의 립 (43, 45) 은 상기 회전축 (14) 을 향해 반경방향으로 연장하고, 상기 반경방향 벽 (16) 은 상기 상부 립 (43) 과 상기 하부 립 (45) 사이에 위치되는 것을 특징으로 하는 장치 (10).
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 주벽 (18) 은 상기 방사상 벽 (16) 의 아래쪽과 위쪽으로 대칭인 것을 특징으로 하는 장치 (10).
  9. 제 6 항에 있어서, 상기 스피너 (12) 의 상기 바닥 개구부 (41) 를 실질적으로 덮는 제거가능한 실드 (46) 를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 장치 (10).
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 축 (14) 의 일단에 장착된 허브 (54) 를 더 구비하며, 상기 허브 (54) 는 쇼울더 (56) 를 갖고, 상기 실드 (46) 는 이를 관통해서 형성된 중앙 구멍을 가지며, 상기 허브 (54) 는 상기 중앙 구멍 내부에 위치되어 있고, 상기 실드 (46) 는 상기 허브 (54) 의 상기 쇼울더 (56) 상에 착좌되는 것을 특징으로 하는 장치 (10).
  11. 제 6 항에 있어서, 상기 축 (14) 의 일단에 장착된 허브 (54) 를 더 구비하며, 상기 반경방향 벽 (16) 는 상기 허브 (54) 의 그루브 (60) 에 장착되는 것을 특징으로 하는 장치 (10).
  12. 제 6 항에 있어서, 상기 축 (14) 의 일단에 장착된 허브 (54) 를 더 구비하며, 중앙 구멍은 상기 반경방향 벽 (16) 을 통해 형성되고, 상기 허브 (54) 는 상기 중앙 구멍 내부에 위치되며, 상기 반경방향 벽 (16) 은 상기 허브 (54) 의 그루브 (60) 에 장착되어 상기 중앙 구멍이 상기 허브 (54) 로부터 이격되어 상당히 팽창하는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 장치 (10).
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 반경방향 벽 (16) 은 상기 중앙 구멍을 적어도 부분적으로 한정하는 하나 이상의 플랜지 (58) 를 포함하며, 상기 플랜지 (58) 는 상기 그루브 (60) 내로 연장하는 것을 특징으로 하는 장치 (10).
  14. 제 6 항에 있어서, 상기 공급원 (78) 은 상기 상부 개구부 (39) 를 통해 상기 반경방향 벽 (16) 의 상기 내부 (81) 상으로 용융 열가소성 물질을 공급하는 것을 특징으로 하는 장치 (10).
  15. 제 6 항에 있어서, 상기 반경방향 벽 (16) 은 복수의 제 1 유동 구멍 (36) 및 복수의 제 2 유동 구멍 (94) 을 포함하며, 상기 복수의 제 1 및 제 2 유동 구멍 (36, 94) 은 용융 열가소성 물질의 유동을 50/50 과 다른 비율로 상기 방사상 벽 (16) 의 위쪽과 아래쪽의 상기 오리피스 (20) 를 향해 산출하기 위한 크기와 수로 되어 있는 것을 특징으로 하는 장치 (10).
  16. 제 6 항에 있어서, 상기 스피너 (12) 가 약 12인치 (30.5cm) 이상의 외경을 갖는 것을 특징으로 하는 장치 (10).
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