KR20080055847A - Cicumerentially variable surface temperature roller - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 일반적으로 캐스팅(casting) 롤러들에 관한 것으로써, 특히 반경 방향(radial) 가변 표면 온도를 갖는 캐스팅 롤러에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates generally to casting rollers, and more particularly to casting rollers having a radially variable surface temperature.
압출 및 엠보싱 작동들에서 용융된 물질 또는 웹 물질을 접촉하는 롤러들의 표면 온도는 중요한 공정 파라미터이다. 일반적인 롤러 디자인들은 유체 매질의 내부 순환으로 성립된 대로 단일 롤러 벌크(bulk) 온도들을 제공한다. 최대 온도는 일반적으로 물질이 롤러 표면으로부터 손쉽게 스트리핑될(stipped) 수 있는 값으로 제한된다. In extrusion and embossing operations the surface temperature of the rollers contacting the molten or web material is an important process parameter. Typical roller designs provide single roller bulk temperatures as established by the internal circulation of the fluid medium. The maximum temperature is generally limited to a value at which the material can be easily stripped from the roller surface.
이 문제를 해결하기 위한 하나의 시도는 만료된(expired) 종래 기술, 미국 특허 제2,526,318호에서 발견될 수 있고, 그것은 모호하게 두 개의 가변 온도의 영역들을 제공하는 구성을 개시하나 수행 능력들 또는 설계 기준의 상세한 설명을 제공하지 않는다. 이어지는 종래 기술, 미국 특허 제5,945,042호; 제 6,260,887호 및 제6,568,931호는 유사하게 롤러의 원주 둘레에 하나 이상의 온도 영역을 제공하기 위한 방법을 개시하나 수행 능력 또는 설계 기준의 상세한 설명을 제공하지 않는다. 종래 기술, 미국 특허 제6,554,755호는 온도 차이를 가지는 국부적인 영역을 제공하는 능력을 갖는 롤러 설계를 개시하나, 이 방법의 유일한 실시예는 쉘의 편향(deflection)에 대한 보정의 수단들을 생성하는 것이다. One attempt to solve this problem can be found in the expired prior art, US Pat. No. 2,526,318, which discloses a configuration that obscurely provides two variable temperature regions but with performance capabilities or design. It does not provide a detailed description of the criteria. Prior art, US Pat. No. 5,945,042; 6,260,887 and 6,568,931 similarly disclose methods for providing one or more temperature zones around the circumference of a roller but do not provide a detailed description of performance or design criteria. Prior art, US Pat. No. 6,554,755, discloses a roller design with the ability to provide localized areas with temperature differences, but the only embodiment of the method is to create means of correction for deflection of the shell. .
용융된 물질 또는 웹 중 어느 하나의 접촉 지점에서 더 높은 온도의 영역은 물질들과 롤러 표면 사이의 접촉을 향상시키고 롤러 표면의 복제를 향상시키기 위하여 바람직하나 이 온도는 일반적으로 너무 높아 롤러 표면으로부터 물질을 스트리핑하는(stripping) 것을 허용한다. 따라서, 더 낮은 표면 온도는 스트리핑 지점에서 요구되고, 그것은 롤러 표면 및 패턴 복제의 웨팅(wetting)을 제한한다.The higher temperature region at the point of contact of either the molten material or the web is desirable to improve the contact between the materials and the roller surface and to improve the replication of the roller surface, but this temperature is generally too high for the material from the roller surface. Allow stripping Thus, lower surface temperatures are required at the stripping point, which limits the wetting of the roller surface and pattern replication.
본 발명의 목적은 하나의 영역에서 향상된 웨팅 및 복제를 제공하고 제2 영역으로부터 물질의 균일한 스트리핑을 허용하기 위하여 충분한 온도차를 롤러의 주변 둘레의 적어도 두 개의 영역들에 제공하는 것이다. It is an object of the present invention to provide a sufficient temperature difference in at least two areas around the periphery of the roller to provide improved wetting and replication in one area and to allow uniform stripping of the material from the second area.
간략하게, 본 발명의 일 양상에 따라, 가변 온도 표면들을 갖는 캐스팅 롤러는 회전가능한 실린더형 쉘을 포함한다. 축방향으로 정렬된 가열 전기 요소들은 동일하게 이격되고 회전가능한 실린더형 쉘의 외부 표면의 내부에 존재한다. 브러시 어셈블리는 축에 대한 회전가능한 실린더형 쉘 회전의 일부 동안에 가열 요소들과 전기적으로 연결되어 있다. 고정된 코어는 회전가능한 실린더형 쉘의 내부에 존재한다. 환형 공간은 고정된 코어와 회전가능한 실린더형 쉘 사이에 존재한다. 냉각 유체는 환형 공간의 적어도 일부를 채운다. Briefly, according to one aspect of the invention, a casting roller having variable temperature surfaces comprises a rotatable cylindrical shell. The axially aligned heating electrical elements are present inside the outer surface of the equally spaced and rotatable cylindrical shell. The brush assembly is in electrical connection with the heating elements during part of the rotatable cylindrical shell rotation about the axis. The fixed core is present inside the rotatable cylindrical shell. An annular space exists between the fixed core and the rotatable cylindrical shell. The cooling fluid fills at least part of the annular space.
본 발명은 롤러 직경, 쉘 두께 및 구성 물질들의 효과를 연구하기 위하여 유한 요소 해석에 기초한 예상된 수행 능력들 및 상세한 설계 기준을 제공한다. The present invention provides the expected performance and detailed design criteria based on finite element analysis to study the effects of roller diameter, shell thickness and construction materials.
본 발명 및 그것의 목적들 및 장점들은 하기의 개시된 바람직한 실시예의 상세한 설명에서 좀 더 명확하게 될 것이다. The invention and its objects and advantages will become more apparent in the detailed description of the preferred embodiments disclosed below.
본 발명은 특히 본 발명에 따른 장치의 부품을 형성하는 요소들, 또는 본 발명에 따른 장치와 더 직접적으로 협력하는 요소들에 관한 것이다. 명확하게 도시되거나 설명되지 않은 요소들은 당업계에서 당업자에게 잘 알려진 다양한 형태들을 구현할 수 있는 것이 이해될 것이다. The invention relates in particular to elements which form part of the device according to the invention, or elements which cooperate more directly with the device according to the invention. It will be understood that elements that are not explicitly shown or described may implement various forms well known to those skilled in the art.
도 1은 본 발명에 따른 캐스팅 롤러의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a casting roller according to the present invention.
도 2는 본 발명에 따른 캐스팅 롤러의 다른 실시예의, 부분적인 영역에서의, 사시도이다. 2 is a perspective view, in partial area, of another embodiment of a casting roller according to the invention.
도 3a는 본 실시예에 따른 캐스팅 롤러의 또 다른 실시예의 단면도이다.3A is a sectional view of another embodiment of a casting roller according to the present embodiment.
도 3b는 도 3a에 도시된 실시예의, 부분적인 영역에서의, 사시도이다.FIG. 3B is a perspective view, in partial area, of the embodiment shown in FIG. 3A.
도 3c는 도 3a에 도시된 실시예의 쉘 및 지지 슈의 확대된 단면도이다.3C is an enlarged cross-sectional view of the shell and support shoe of the embodiment shown in FIG. 3A.
도 4는 본 발명에 따른 다양한 롤러 설계 구성의 계산된 냉각 효율들을 도시하는 챠트이다.4 is a chart showing the calculated cooling efficiencies of various roller design configurations according to the present invention.
도 5는 본 발명에 따른 다양한 롤러 설계 구성의 계산된 재가열 효율들을 도시하는 챠트이다. 5 is a chart showing the calculated reheating efficiencies of various roller design configurations according to the present invention.
도 6은 롤러의 표면상 패턴의 단면도이다.6 is a cross-sectional view of the pattern on the surface of the roller.
도 7은 패턴 복제를 도시하는 온도 대 압력의 차트이다.7 is a chart of temperature versus pressure showing pattern replication.
도 8은 최대 온도에서의 계산된 쉘 변형을 도시하는 차트이다.8 is a chart showing the calculated shell deformation at maximum temperature.
도 9는 니프 압력(nip pressure)이 가해지고 내부 압력 구배에 의해 지지된 쉘에 대하여 계산된 쉘 변형을 도시하는 차트이다.FIG. 9 is a chart showing shell deformation calculated for a shell applied with nip pressure and supported by an internal pressure gradient.
도 10은 제2 롤러를 가지고 니프(nip)를 형성하는 축 컴플라이언트 압력 롤러의 단면도이다.10 is a cross-sectional view of the axial compliant pressure roller having a second roller to form a nip.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
10: 축 컴플라이언트 압력 롤러(axially compliant pressuer roller)10: axially compliant pressuer roller
11: 점성 유체의 수렴 영역(converging region of viscous fluid)11: converging region of viscous fluid
12: 외부 쉘(outer shell)12: outer shell
14: 가열 요소들(heating elements)14: heating elements
15: 피봇(pivot)15: pivot
16: 브러시 어셈블리(brush assembly)16: brush assembly
17: 조정 핀(adjusting pin)17: adjusting pin
18: 가열 영역(heating zone)18: heating zone
20: 내부 표면(internal surface)20: internal surface
22: 유체 매질(fluid media)22: fluid media
24: 냉각된 영역(cooled region)24: cooled region
26: 고정된 코어(stationary core)26: stationary core
27: 축 홀들(axial holes)27: axial holes
28: 베어링들(bearings)28: bearings
29: 포켓들(pockets)29: pockets
30: 씰(seal)30: seal
32: 유체 매질을 위한 입구(inlet for fluid media)32: inlet for fluid media
33: 슈의 구부러진 표면(curved surface of shoe)33: curved surface of shoe
35: 니프 지점(nip point)35: nip point
37: 자기장 제너레이터(magnetic field generator)37: magnetic field generator
40: 고정된 내부 쉘(스테이터)(fixed inner shell(stator))40: fixed inner shell (stator)
41: 냉각 영역(cooling region)41: cooling region
42: 유동 통로들(flow passages)42: flow passages
43: 재가열 영역(reheating region)43: reheating region
44; 밀접하게 피팅된 배플(close fitting baffle)44; Close fitting baffle
45: 로딩 슈 영역(loading shoe region)45: loading shoe region
46: 외부 쉘(outer shell)46: outer shell
47: 더 높은 온도 유체(higher temperature fluid )47: higher temperature fluid
48: 높은 온도 유체 (3) 공급(high temperature fluid 3 supply)48:
49: 더 낮은 온도 유체(lower temperature fluid)49: lower temperature fluid
50: 높은 온도 유체 (3) 순환(high temperature fluid 3 return)50:
52: 카본 씰(carbon seal)52: carbon seal
54: 카본 베어링들(carbon bearings)54: carbon bearings
56: 높은 온도 유체 (1) 공급(high temperature fluid 1 supply)56:
58: 높은 온도 유체 (1) 순환(high temperature fluid 1 return)58:
60: 높은 온도 유체 (2) 공급(high temperature fluid 2 supply)60:
62: 높은 온도 유체 (2) 순환(high temperature fluid 2 return)62:
70: 외부 쉘(outer shell)70: outer shell
72: 로딩 슈들(loading shoes)72: loading shoes
74: 제1 축 배플(first axial baffle)74: first axial baffle
76: 제2 축 배플(second axial baffle)76: second axial baffle
78: 슈 로딩 메카니즘(shoe loading mechanism)78: shoe loading mechanism
80: 지지 브래킷(support bracket)80: support bracket
82: 구동 스프로켓(drive sprocket)82: drive sprocket
84: 제2 롤러(second roller)84: second roller
86: 물질 주입 니프(material entering nip)86: material entering nip
88: 변형 디텍터(deformation detector)88: deformation detector
90: 변형 신호(deformation signal)90: deformation signal
92: 마이크로프로세서(microprocessor)92: microprocessor
실시예1Example 1 - 유체 매질 냉각과 함께 전기적으로 가열된 쉘 Electrically heated shell with fluid medium cooling
롤러의 외부 쉘(12)은 쉘의 외부 표면 근처에서, 밀접하게 이격된 일련의 전기 가열 요소(14)들을 수용하기 위하여 기계 가공된다. 롤러에 장착된, 브러시 어셈블리(16)는 원하는 가열 영역(18)에서 단지 히터들에만 전기력을 제공하기 위하여 사용된다. 외부 쉘(12)의 내부 표면(20)은 가열 요소들로 의해 추가된 열을 제 거하고 공정 물질로부터 열을 계속 제거하기 위하여 유체 매질(12)에 노출될 것이다. 유체 매질 입구(32)는 상업적으로 이용가능한 회전하는 조인트에 의해 롤러에 부착된다. 쉘의 직경은 원하는 가열 휴지 시간(heating dwell time), 최종 냉각 온도, 라인 속도(line speed) 및 구성의 물질(material of construction)들에 기초로 한다. 도 1 및 도 10에 도시된, 냉각된 영역(24)은 외부 셀(12) 및 캐스트 물질(cast material)(86)로부터 열을 제거한다. 유체 매질(22)은 내부 표면(20) 아래의 환형 영역에서 순환된다.The
실시예2Example 2 - 상이한 온도들에서 열 유체 매질과 함께 생성된 두 개의 표면 온도 영역들을 갖는 롤러 A roller with two surface temperature regions created with the thermal fluid medium at different temperatures
도 2를 참조하여, 외부 셀(46)은 카본 베어링(54)들 상에서 고정된 내부 쉘(스테이터; stator)(40)에 대하여 회전한다. 카본 씰(52)은 유체 누설을 방지하기 위하여 베어링들에 인접하게 장착된다. 스테이터는 적어도 두 개의 분리된 유동 통로(42)들로 기계 가공된다. 스테이터(40)와 외부 쉘(46) 사이의 폐쇄 피팅 배플(close fitting baffle)(44)은 유체 스트림(stream)들 사이에서 경계(boundary)를 생성한다. 더 높은 온도 유체(47)는 스테이터(40)의 일부분을 통하여 순환된다. 외부 쉘(46)과의 접촉은 그것이 이 영역에 걸쳐서 통과하기 때문에 원하는 공정 온도까지 쉘을 가열한다. 제2 영역은 낮은 온도 유체(49)를 순환시킴으로써 더 낮은 온도에서 유지된다. 스테이터(40)는 더 높고 더 낮은 온도 영역들 사이에서의 접촉점(contact point)들을 최소화하기 위하여 설계된다. Referring to FIG. 2, the
실시예Example 3 - 내부 지지대와 두 개의 상이한 온도 영역들을 갖는 얇은 쉘 롤러 3-thin shell roller with inner support and two different temperature zones
본 실시예는 내부 쉘이 고정되고, 외부 쉘이 내부 쉘에 대하여 회전하고, 두 개의 온도 영역들이 열 매질 순환에 의해 생성된다는 점에서 상기의 실시예와 유사하다. 본 실시예는 일련의 피보팅하는(pivoting) 로딩 슈(72)들에 의해 내부적으로 지지된 얇은 외부 쉘(70)을 사용한다. 로딩 슈(72)들은 외부 쉘(70)상에 가해진 힘을 변경하고 열 및 기계적인 부하(load)로 인한 외부 쉘의 변형을 보상하기(compensate) 위하여 독립적으로 조정가능하다. 열 매질은 슈들을 포함하는 영역 내에서 순환하고, 더 높은 온도 영역 및 냉각 영역을 생성하기 위하기 위하여 제1 축 배플(baffle)(74) 및 제2 축 배플(76)에 의해 두 개의 지점들에서 배플링된다(baffled). 이러한 열 전달 매질은 또한 쉘의 내부 표면과 슈 사이의 유체역학의 윤활제(hydrodynamic lubricant)로써 작용할 수 있다.This embodiment is similar to the above embodiment in that the inner shell is fixed, the outer shell rotates with respect to the inner shell, and two temperature zones are created by the heat medium circulation. This embodiment uses a thin
얇은 외부 쉘(70)은 그것이 더 빠르게 가열하고 냉각할 수 있는 더 나은 열 응답 시스템을 제공할 수 있기 때문에 이러한 적용에서 장점이 있다. 이는 또한 동일한 라인 속도에 대한 더 작은 직경으로써 달성될 수도 있다. 더 작은 직경은, 주어진 부하에 대한 니프(nip)에서 더 높은 접촉 응력 및 패터닝된 표면을 생성하기 위하여 더 적은 일로 된다.The thin
도 3a, 도 3b 및 도10을 참조하여, 롤러는 적어도 세 개의 주 영역들로 구성된다. 본 설명에서, 외부 쉘(70)은 이들 영역들에 관하여 반시계 방향으로 회전한다. 냉각 영역(41)은 쉘(25)의 내부 표면으로 노출된 일련의 유동 통로(42)들을 생 성한다. 높은 온도 유체 (2) 공급(60)은 열을 제거하기 위하여 쉘의 내부 표면에 작용한다(impinge). 높은 온도 유체 (2) 순환은 유동 통로(42)들로부터 유체를 모으고, 롤러 밖으로의 유동을 배향한다. 폐쇄 피팅 배플(close fitting baffle)(44)은 냉각 영역 및 로드 슈 영역(45) 사이에서 유동들의 분리를 제공하기 위하여 냉각 영역(41)으로의 입구에 위치된다. 제1 축 배플(74)은 냉각 영역(41) 및 재가열 영역(43) 사이에서 유체들을 분리하기 위하여 냉각 영역(41)의 출구에 위치된다. 냉각 영역(41)과 유사한, 재가열 영역(43)은 높은 온도 유체 (1) 공급(56)이 높은 온도 유체 (1) 순환(58)을 통하여 유체 제거와 함께 쉘의 내부 표면상에 유체에 작용하는 유동 분포 영역이다. 제2 축 배플(76)은 로딩 슈 영역(45)으로부터 이 영역을 분리하기 위하여 이 영역의 출구에 장착된다. 이 영역의 목적은 니프 지점(35)에 들어가기 이전에 쉘 온도를 증가시키는 것이다. 3A, 3B and 10, the roller consists of at least three main areas. In the present description, the
로딩 슈 영역(45)은 각각의 로딩 슈(72)들을 수용하기 위하여 길이를 따라 포켓(29)들을 형성하기 위하여 기계 가공된 축 부재로 구성된다. 각각의 로딩 슈에 가해진 힘은 슈 로딩 메카니즘(78)에 의해 독립적으로 조정가능하다. 수동으로 제어된 웜 스크류 조정 메카니즘(worm screw adjusting mechamism)이 도시되어 왔으나, 본 실시로 한정되는 것이 아니다. 높은 온도 유체 (3) 공급(48)은 이 지점에서 유체역학적 윤활제에 대한 유체의 지속적인 공급을 유지하기 위하여 쉘 경계면(shell interface)로의 로딩 슈(72)의 입구에 위치된다. 높은 온도 유체 (3) 순환(50)은 롤러로부터의 제거를 위한 초과한 유체를 모은다. 이들 영역들의 각각은 고정된 내부 쉘(40)의 주변 둘레에 배열되고 상이한 열 팽창을 수용하기 위하여 중 앙 지점(central point)에서 구속된다. 고정된 내부 쉘(40)은 각각의 종단(end)상에 지지 브래킷(80)을 통하여 기계 구조물에 견고하게(rigidly) 부착된다. 외부 쉘(70)은 각각의 종단상에 장착된 베어링(28)들을 통하여 고정된 내부 쉘(40)에 대하여 회전하기 위하여 구속된다. 씰(30)은 내부 유동 챔버들로부터 유체의 누설을 방지하기 위하여 베어링(28)들에 인접한다. 구동 스프로켓(82)은 니프 힘들 및 내부 마찰력들을 극복하기 위하여 쉘을 회전하기 위하여 사용될 수 있다. The
이들 실시예들의 각각은 처리되기 위한 캐스트 물질의 물리적 특성들, 원하는 공정 조건들, 롤러의 물리적 특성들 및 원하는 제조율들에 기초한 무차원(dimensionless) 파라미터들에 의하여 개시될 수 있다. 열 전달 교과서들은 유사한 방법들을 사용하여 과도(transient) 열 전달을 개시하나, 직접적인 방법은 하나 이상 열 전달 공정에 대한 롤러 설계 기준 및 캐스트 물질들의 조합을 고려하는 설계에 대하여 가르치지는 않는다.Each of these embodiments may be disclosed by dimensionless parameters based on the physical properties of the cast material to be treated, the desired process conditions, the physical properties of the roller and the desired production rates. Heat transfer textbooks initiate transient heat transfer using similar methods, but the direct method does not teach designs that consider a combination of roller design criteria and cast materials for one or more heat transfer processes.
무차원 온도비, 쎄타(θ),는 다음의 파라미터들에 기초하여 형성될 수 있다; 열 전달 매질의 벌크(bulk) 온도로서 표시되는 Tinfinty . 특별한 공정 기능에 의존하는 캐스트 물질 또는 롤러 쉘의 초기 온도로서 정의되는 Tinitial. 주어진 공정 작동의 마지막에서의 원하는 온도로서 정의되는 Tend. 이러한 비율의 더 작은 값은 원하는 공정 목표들을 달성하는 데 있어서 더 높은 효율성을 나타낸다. The dimensionless temperature ratio, theta (θ), can be formed based on the following parameters; T infinty expressed as the bulk temperature of the heat transfer medium . T initial defined as the initial temperature of the cast material or roller shell depending on the particular process function. T end defined as the desired temperature at the end of a given process operation. Smaller values of this ratio indicate higher efficiency in achieving the desired process targets.
다른 무차원 파라미터는 일반적으로 공개된 문헌에서 타우(τ)로서 언급된, 무차원 시간으로, 형성될 수 있다. 이 파라미터는 두께 및 물질의 열 확산성을 사용함으로써 시간 치수를 표준화한다. Other dimensionless parameters can be formed with dimensionless time, generally referred to as tau (tau) in the published literature. This parameter normalizes the time dimension by using the thickness and heat spreadability of the material.
도 4는 무차원 온도비, 쎄타(θ),가 세로 좌표 상에 출력되고 무차원 시간은 가로 좌표 상에 출력된 차트를 도시한다. 곡선들의 패밀리(family)는 하기의 방정식에서 도시된 대로 지수 형태의 것이다. 4 shows a chart in which the dimensionless temperature ratio, theta (θ), is output on the ordinate and the dimensionless time is output on the abscissa. The family of curves is in exponential form as shown in the equation below.
이 방정식에서 도시된 계수들은 다양한 공정 시뮬레이션들의 유한 요소 결과들로 피팅되고(fitted) 캐스트 물질의 물리적 특성들, 롤러 형상 및 롤러의 물리적 특성들에 관련된다. 피팅된 곡선들의 첨자(subscript)들은 철자들 cl로 끝난다. 곡선들 상에서의 첨자들 al, steel, ag 및 cu는 구성 물질들을 나타낸다; 각각 알루미늄, 스틸, 은 및 구리. 게다가, 0625 및 125의 첨자 값들은 각각 1인치의 1/16(0.00158m) 및 1인치의 1/8(0.0031m)의 두께 값을 나타낸다. 계산법들은 350Btu/(hr·ft2·℉)(1990watt/(㎡·℃))의 열 전달 계수(h) 및 0.005ft2/hr(0.00000013㎡/s)의 열 확산계수(thermal diffusivity)를 가진 상업적으로 이용가능한 플라스틱 물질을 냉각하는 것을 기초로 한다.The coefficients shown in this equation are fitted to the finite element results of the various process simulations and relate to the physical properties of the cast material, the roller shape and the physical properties of the roller. Subscripts of the fitted curves end with the spelling cl. Subscripts al, steel, ag and cu on the curves represent the constituent materials; Aluminum, steel, silver and copper, respectively. In addition, subscript values of 0625 and 125 represent thickness values of 1/16 (0.00158 m) of one inch and 1/8 (0.0031 m) of one inch, respectively. The calculation are with 350Btu / (hr · ft 2 · ℉) Thermal diffusivity (thermal diffusivity) of (1990watt / (㎡ · ℃) ) the heat transfer coefficient (h) and 0.005ft 2 /hr(0.00000013㎡/s) of Is based on cooling commercially available plastic materials.
롤러 설계는 요구조건들의 특정한 집합에 대하여 이들 방정식들로부터 결정될 수 있다. 각각의 영역의 온도, 열 전달 매질 온도들 및 용융된(molten) 물질 온도를 기초로 한 무차원 온도 비를 정의함으로써, 도 4의 차트는 주어진 작동 조건 및 롤러 구성에 대한 공정 효율 또는 선택된 공정 효율에 대한 공정 효율 중 어느 하나를 결정하기 위하여 사용될 수 있고 작동 속도는 주어진 롤러 직경, 쉘 두께 및 구성 물질에 대하여 결정될 수 있다. 도 5는 유한 요소 계산법들로부터 얻어진 쉘 재가열에 대한 무차원 시간, 타우에 대비하여 무차원 온도비, 쎄타를 출력하는 차트를 도시한다. 첨자들은 도 4에 나타난 대로 동일한 종래 기술을 따른다. 계산법들은 350Btu/(hr·ft2·℉)(1990watt/(㎡·℃))의 내부 열 전달 계수(h) 및 3Btu/(hr·ft2·℉)(17.03watt/(㎡·℃))의 외부 열 전달 계수(h)를 기초로 한다.The roller design can be determined from these equations for a particular set of requirements. By defining the dimensionless temperature ratio based on the temperature of each zone, heat transfer medium temperatures and molten material temperature, the chart of FIG. 4 shows the process efficiency or selected process efficiency for a given operating condition and roller configuration. Can be used to determine any of the process efficiencies for and the operating speed can be determined for a given roller diameter, shell thickness, and construction material. 5 shows a chart outputting dimensionless time, dimensional temperature ratio versus tau, for shell reheating obtained from finite element calculations. Subscripts follow the same prior art as shown in FIG. 4. The calculation are 350Btu / (hr · ft 2 · ℉) (1990watt / (㎡ · ℃)) internal heat transfer coefficient (h) and 3Btu / (hr · ft 2 · ℉) of (17.03watt / (㎡ · ℃) ) Is based on the external heat transfer coefficient of h.
이제, 도 10을 참조하여, 축 컴플라이언트 압력 롤러(axially compliant pressuer roller)는 일반적으로 도면 부호 "10"에 의해 표시된다. 축 컴플라이언트 압력 롤러(10)는 일반적으로 고정된 내부 코어(26) 및 고정된 내부 코어(26)에 피보팅 가능하게 장착된 복수 개의 로딩 슈(72)들로 구성된다. 일련의 비-자성 디바이더(divider)들은 복수 개의 환형 챔버들 및 환형 챔버들 중 하나를 차지하는 각각의 로딩 슈(72)들을 생성한다.Referring now to FIG. 10, an axially compliant pressuer roller is generally indicated by
도 3a, 3b 및 3c를 참조하면, 편심되도록 장착된, 로딩 슈(72)가 도시된다. 피봇 지점(15) 및 슈 조정 핀(17)은 로딩 슈(72)에 부착된다. 비-자성, 금속성 물질은 로딩 슈(72)의 구조에서 사용되나, 본 발명은 본 실시예에 한정되지 않는다. 로딩 슈(72)의 구부러진 표면(33)은, 얇은 벽의 외부 쉘(70)의 내부 표면의 곡률보다 약간 더 작은 곡률을 가진다. 이는 이들 구성요소들 사이의 경계면에서 수렴 단면을 생성한다. 3A, 3B and 3C, a
도 10에서, 축 컴플라이언트 압력 롤러(10)는 비회전 고정된 코어(26)를 포함하고, 이것은 축 컴플라이언트 압력 롤러(10)에 대한 주 지지 구조물이다. 비-자성, 금속성 물질은 고정된 코어(26)의 구조에서 사용되나, 본 발명은 본 실시예에 한정되지 않는다. 고정된 코어(26)는 축 홀(27)들이 제공되는 실린더 형태를 가진다. 이들 홀들 중 적어도 하나는 자기장 제너레이터(generator)(37)를 수용하기 위하여 사용된다. 바람직한 실시예에서 하나의 자기장 필드 제너레이터(37)는 복수 개의 로딩 슈(72)들 각각에 관련된다. 이는 얇은 벽의 외부 쉘(70)로의 국부적 조정들을 허용한다. 대안적인 실시예에서 자기장 제너레이터(37)는 도 3c에 도시된 대로 복수 개의 로딩 슈(72)들 각각에 위치될 수 있다. In FIG. 10, the axial
축 홀(27)들은 코어 내에서 열 전달 매질의 순환에 대해 사용된다. 일련의 포켓(29)들은 로딩 슈(72)에 대한 지지대(support)들로서 작용하기 위하여 반경 방향으로 생성된다. 고정된 코어(26) 상의 시트(seat)들은 베어링(28)들 및 유체 씰(30)들의 장착을 가능하게 한다.Shaft holes 27 are used for circulation of the heat transfer medium in the core. A series of
작동에서, 로딩 슈에 관하여 얇은 벽의 쉘의 상대 속도에 의해 생성된 전단 응력의 영향을 받는 점성 유체의 유체역학(hydrodynamic) 효과는, 점성 유체(11)의 수렴 영역 내에서 압력 프로파일(profile)을 발달시킨다. 이 압력은 쉘의 얇은 벽의 쉘의 구부러진 내부 표면(25) 및 슈의 구부러진 표면(33)에 작용한다. 슈에 작용하는 압력은 압력의 중앙에서의 곡률에 수직인 힘을 유발한다. 이 힘은 로딩 슈(72)에 작용하는 스프링 프리 로딩된(pre loaded) 힘에 의해 저항된다. 회전하는 얇은 벽의 외부 쉘(70)에 작용하는 압력은 쉘상에서 내부 힘을 생성한다. 내부 유 체역학 작용 및 외부 니프 힘으로부터의 쉘 상에 작용하는 힘에서의 순 차이(net difference)는 이 영역에서 얇은 벽이 있는 쉘의 국부화된 변형을 유발할 것이다. In operation, the hydrodynamic effect of the viscous fluid, which is affected by the shear stress generated by the relative velocity of the thin-walled shell with respect to the loading shoe, is a pressure profile within the converging region of the
쉘의 구조적인 설계가 빔 벤딩 기준(beam bendig criteria) 또는 쉘 크러싱 기준(shell crushing criteria)에 의해 지시되지 않기 때문에 작은 쉘 직경의 얇은 벽의 쉘은 본 실시예와 함께 가능하다. 외부 니프 힘에 영향을 받은 쉘의 표면은 자기-유동학(magneto-rheological) 유체(미도시 됨) 및 로딩 슈(72)의 상호 작용에 의해 생성된 압력에 의해 내부적으로 직접적으로 지지되기 때문에 쉘의 벽 두께는 현저하게 더 얇아질 수 있다.Thin walled shells of small shell diameter are possible with this embodiment because the structural design of the shell is not dictated by beam bendig criteria or shell crushing criteria. The surface of the shell affected by the external nip forces is directly supported internally by the pressure generated by the interaction of the magneto-rheological fluid (not shown) and the
얇은 벽의 외부 쉘(70)은 고정된 코어(26)에 대하여 회전하기 위하여 베어링(28)들로 구속된다. 쉘의 회전은 도 10에 도시된, 니프 지점(35)에서 마찰력에 의하거나, 또는 구동 스프로켓(82)에 의해 도시된 대로 외부 구동 메카니즘과 함께 부여될 수 있다. 쉘의 구부러진 내부 표면(25)을 따라, 주어진 수렴 경계면, 상대 속도 및 유체 점도에 대하여, 균일한 압력이 발달된다. 로딩 슈(72)들, 자기-유동학 유체 및 축 가변 자기장 제너레이터(37)와 결합된 환형 챔버들은 유체의 점도를 변경함으로써 가변 유체역학적 압력 힘들에 영향받을 수 있다. 얇은 벽의 쉘을 따르는 축 가변 압력을 가하는 능력은 다른 선행 기술에 의해 가능한 것보다 훨씬 더 높은 주파수에서 작은 크기의 국부화된 변형 변경들을 유발한다.The thin walled
도 8은 니프 지점에서 롤러 표면의 반경 프로파일 상에 이 장치의 가변 내부 압력 성능(capability)의 효과를 모델링하기(model) 위하여 사용된 무한 요소 계산법들의 결과를 도시한다. 쉘의 치수들은 다음의 양들에 의하여 나타내어질 수 있 다; 대략적으로 1800lb-in(203newton·m)의 휨 강도(flexural rigidity) 및 0.025의 쉘 두께-직경비. 휨 강도는 1에서 프아송의 비의 제곱을 뺀 값과 상수 12가 곱해진 값으로, 탄성 계수와 쉘 두께의 세제곱 값을 곱한 값을 나눈 값으로 정의된다. 회전의 축에 대하여 평행한 국부화된 영역에 걸쳐서 얇은 벽의 외부 쉘(24)상에 위치된 250psi,(1.724㎫)의 평균 니프 압력은, 이 계산법들에서 사용되어 왔다. 변수(UX)는 x-방향으로의 반경 방향의 변위이고, 그것은 또한 적용된 니프 압력영역에 수직이다. 더 큰 양의(positive) 값은 롤러 쉘의 중앙을 향하여 더 이루어지는 변형을 나타낸다. FIG. 8 shows the results of infinite element calculations used to model the effect of the variable internal pressure capability of the device on the radial profile of the roller surface at the nip point. The dimensions of the shell can be represented by the following quantities; Flexural rigidity of approximately 1800 lb-in (203 newtonm) and shell thickness-diameter ratio of 0.025. Flexural strength is defined as 1 divided by the square of the Poisson's ratio multiplied by the constant 12, divided by the product of the modulus of elastic modulus and the cube of shell thickness. An average nip pressure of 250 psi, (1.724 MPa), located on a thin walled
다이아몬드 형상의 마커(marker)들을 갖는 곡선은 내부 지지 없는 니프 부하 하에서의 예상된 쉘 변형을 나타낸다. 삼각형 형상의 마커들을 갖는 곡선은 50psi(0.344㎫)의 평균 압력을 갖는 쉘의 중앙에서 작용하는 로딩 슈(72)의 구부러진 표면에 동일한 영역상에 국부화된 압력을 적용하는 것의 효과를 나타낸다. 직사각형 형상의 마커들을 갖는 곡선은 15psi부터 20psi까지(0.103㎫부터 0.137㎫까지) 범위를 가지는 쉘의 내부 표면을 따르는 압력 구배 프로파일을 적용함으로써 얻어진 반경 방향의 변형에 미치는 바람직한 효과(possitive effect)를 나타낸다. 기초적인 유체 역학 이론들을 사용함으로써, 대략적으로 30psi(0.206㎫)의 압력이 250 1/s의 평균적인 전단률을 갖는 슈의 구부러진 표면과 외부 쉘 사이에서 전단된 약 10 ㎩-s의 점도의 유체에게 주어진 이 영역에서 발달될 수 있다는 것이 계산되어 왔다. The curve with diamond shaped markers shows the expected shell deformation under nip load without internal support. The curve with triangular shaped markers shows the effect of applying localized pressure on the same area to the curved surface of the
도 10은 압출 캐스팅 웹 형성에서 사용된 일반적인 두 개의 롤러 니프의 단 면도를 도시한다. 축 컴플라이언트 압력 롤러(10)는 반경 방향으로 융융된 레진(86)들 및 제2 롤러(84)의 경계면으로 로딩된다(loaded). 레이저 삼각 측량 게이지(laser triangulation gage) 또는 에디 전류 장치(eddy current device)와 같은 비-접촉 변형 디텍터(88)를 사용함으로써, 결과적인 쉘 표면 변형이 측정될 수 있다. 이 측정 데이터는 마이크로프로세서(92)로 변형 신호(90)를 보냄에 의해 롤러의 축을 따르는 내부 부하 조건들을 제어하기 위하여 사용될 수 있고, 이것은 하나 이상의 자기장 제너레이터(37)들의 강도를 변경한다.FIG. 10 shows the stage shaving of two typical roller nips used in extrusion casting web formation. The axial
예전의 개시된 자기-유동학 유체 이외에, 이 장치는 자기-유동학적 특성들없이 다른 유체들을 수용할 수 있으나 그것은 비-뉴턴학설의 특성들(유체의 점도는 가해진 전단률에 의존한다)을 보여준다. 국부화된 압력 변화들은 슈의 구부러진 표면 및 외부 쉘 사이의 갭(gap)의 조정을 통하여 생성될 수 있다. 이 갭에서의 평균 전단률은 갭 높이에 의해 나누어진 쉘의 표면 속도에 비례한다. 비-뉴턴학설 유체들은 점도 및 전단률 사이에서의 대수(logarithmic) 관계를 보여준다. 바람직한 전단 고감도 특성들(shear sensitive properties)을 갖는 유체와 함께 결합된 갭의 외부 조정(manipulation)은 각각의 챔버 내에 국부화된 압력 차이들을 생성하는 추가적인 수단들을 제공한다. In addition to the previously disclosed magnetic-fluidic fluids, the device can accommodate other fluids without magnetic-fluidic properties, but it shows the properties of non-Newtonian theories (the viscosity of the fluid depends on the shear rate applied). Localized pressure changes can be produced through adjustment of the gap between the curved surface of the shoe and the outer shell. The average shear rate in this gap is proportional to the surface velocity of the shell divided by the gap height. Non-Newtonian theorems show a logarithmic relationship between viscosity and shear rate. External manipulation of the gap coupled with the fluid having desirable shear sensitive properties provides additional means of generating localized pressure differences within each chamber.
본 발명의 중요한 장점은 패터닝된 롤러 표면을 가진 용융된 물질의 접촉 지점에서 증가된 표면 온도로 인해 더 낮은 니프 압력을 가진 패턴을 복제하는 능력이다. 이중 하나의 실시예는 전산유체역학 소프트웨어, Polyflow로 모델링되어 왔으며, 여기서, 수지 물질(resin matirial), 폴리카보네이트(polycarbonate)에 압력 경계 조건이 가해졌으며, 미세 패터닝된 형상으로의 물질의 유동이 연구되었다. 도 6은 수지 물질 및 패터닝된 형상의 2차원적 표시를 도시한다. 도 7은 주조 표면 온도가 증가함에 따라 패턴 복제에서의 향상을 도시한다. 동등한 레벨의 복제는 현저하게 더 낮은 적용된 압력으로서 주어진 온도에 대하여 획득되어질 수 있다. 10%의 패터닝된 표면 온도에서의 증가는 동등한 복제 효율에 대한 67.5%의 적용된 압력에서의 감소를 유발할 수 있다. An important advantage of the present invention is the ability to replicate patterns with lower nip pressures due to the increased surface temperature at the point of contact of the molten material with the patterned roller surface. One example has been modeled with computational fluid dynamics software, Polyflow, where pressure boundary conditions are applied to resin matirial and polycarbonate, and the flow of the material into a fine patterned shape is studied. It became. 6 shows a two-dimensional representation of a resin material and a patterned shape. 7 shows the improvement in pattern replication as the casting surface temperature increases. Equal levels of replication can be obtained for a given temperature with significantly lower applied pressure. An increase in the patterned surface temperature of 10% may cause a decrease in applied pressure of 67.5% for equivalent replication efficiency.
일 실시예에서, 유한 요소 해석은 기계적인 응력들 및 열 변형에 대한 원주 가변 가열의 효과를 결정하기 위하여 알루미늄으로 구성된, 0.125인치의 벽 두께를 가진 20" 면에 의해 6인치 직경의 쉘 상에 수행되어 왔다. 도 9는 계산된 쉘 변형의 플롯(plot)을 도시한다. 더 낮은 곡선은 최대 온도의 지점에서 외부 쉘 표면상에 균일하게 분포된 압력의 결과적인 효과를 도시한다. 상부 곡선은 표면 변형을 최소화하기 위하여 조정된 내부 보정 압력의 적용의 결과적인 효과를 도시한다. 더 큰 양의 값은 쉘의 중앙으로부터 멀어진 더 큰 변형을 나타낸다. In one embodiment, finite element analysis is performed on a 6 inch diameter shell by a 20 "face with a wall thickness of 0.125 inch, constructed of aluminum to determine the effect of circumferentially variable heating on mechanical stresses and thermal deformation. Figure 9 shows a plot of the calculated shell deformation The lower curve shows the resulting effect of the pressure uniformly distributed on the outer shell surface at the point of maximum temperature. The resulting effect of the application of the internal correction pressure adjusted to minimize surface deformation is shown, with larger positive values representing larger deformation away from the center of the shell.
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