WO2019116534A1 - フィルム製造装置 - Google Patents

Abstract

フィルム製造装置１は、筐体２であって、筐体２の内部と外部とを連通する開口２ａを備えた筐体２と、筐体２の内部に配置され、開口２ａを通じて筐体２の内部と外部との間を所定の方向ＭＤに搬送されるフィルムＦの表面に向けて加熱空気を吹き付ける第１の空気噴射部１０と、筐体２の外部で開口２ａに隣接して配置され、搬送されるフィルムＦの表面に向けて所定の方向ＭＤと交差する方向に空気をカーテン状に吹き付ける第２の空気噴射部２０と、を有している。

Description

フィルム製造装置

　本発明は、フィルム製造装置に関する。

　二軸延伸ポリプロピレンフィルムや二軸延伸ポリエステルフィルムなどに代表される二軸延伸フィルムの製造は、一般に、次のように行われる。まず、押出機によって固体原料が溶融可塑化され、溶融状態の樹脂材が、薄く幅広いシート状でＴダイから吐出される。そして、吐出された樹脂材は、成形ロールによって冷却固化された後、縦延伸装置と横延伸装置によってそれぞれの方向にフィルム状に延伸される。

　上述した横延伸装置は、フィルムの熱処理を行う熱処理装置（テンターオーブン）を有している。フィルムは、テンターオーブンの内部を通過する際に、ダクトに設けられた噴射口から吹き出す熱風によって加熱される。このとき、フィルムは、幅方向の両端部がクリップで把持され、対向するクリップの間隔が広げられることで幅方向に延伸される。

　テンターオーブンは、フィルムの搬送方向に沿って配置された複数の温調ゾーンに区切られている。複数の温調ゾーンは、それぞれ異なる温度に調整され、各温調ゾーンでは、例えば、予熱、加熱、保温、冷却がそれぞれ行われる。各温調ゾーンには、複数の上述したダクトがフィルムを挟んで上下にそれぞれ配置されている。ダクトから吹き出された熱風は、フィルムに吹き付けられた後、主にダクト間の隙間を流れ、テンターオーブン内部の吸引口から回収される。そして、回収された空気は、ラジエータなどの熱交換器によって再加熱され、ブロワやファンなどによってダクトに送り込まれて再利用される。

　テンターオーブンの各温調ゾーンを規定する筐体は、内部に断熱材が埋め込まれた分厚い壁材で構成されている。そのため、断熱効果が高く、内部の温度を安定した状態に保持することができる。しかしながら、最上流の温調ゾーン（入口ゾーン）と最下流の温調ゾーン（出口ゾーン）にはそれぞれ、少なくともフィルムを通過させるために、筐体の内部と外部とを連通する開口が形成されている。したがって、これらのゾーンでは、例えば、フィルムの上下のダクトと左右のクリップとで囲まれた空間の圧力が大気圧よりも高くなることで、上記開口を通じて、筐体の内部から外部へ熱風の漏れが発生する。また、熱風の漏れが発生すると、筐体内の空気の質量保存則から、筐体の内部への外気（冷風）の流入も発生する。さらに、特に入口ゾーンでは、フィルムの搬送により随伴流が生じ、それによっても外気が流入する。この随伴流は、フィルムの搬送速度が上がるにつれて増加するため、製造速度が高速の場合に顕著である。

　こうした熱風の漏れや外気の流入により、入口ゾーンおよび出口ゾーンの温度は不均一になり、製造されるフィルムの品質が低下するおそれがある。そのため、テンターオーブンでは、熱風の漏れや外気の流入を抑制するための様々な対策が行われている。例えば、特許文献１には、温調ゾーン内の特定のダクトをフィルムの表面に対して規定された高さに設定することで、随伴流による影響が他のゾーンに及ぶことを抑制する方法が記載されている。また、特許文献２には、テンターオーブンの上流側に配置された吸引装置により、テンターオーブンから漏出する熱風を吸引する方法が記載されている。

特開２０１４－２０８４５６号公報 特開２０１５－４２３８８号公報

　上述したように、テンターオーブンの各温調ゾーンは断熱効果が高く、熱交換器のヒータ出力は、装置起動時に一時的に高まることを除いて、低い値でほぼ一定に保持される。しかしながら、入口ゾーンおよび出口ゾーンでは、上述した熱風の漏れや外気の流入により、他のゾーンに比べてヒータ出力が高くなり、消費エネルギーが増加してしまう。そのため、省エネルギーの観点からも、熱風の漏れや外気の流入を抑制することが求められている。

　しかしながら、特許文献１に記載の方法を用いて、随伴流による外気の流入を抑制するためには、入口ゾーンのさらに上流側に、上述したダクトを備えたゾーンを実質的に追加する必要がある。そのため、この方法は、必ずしも装置全体の省エネルギーにつながらない。また、特許文献２に記載の方法は、筐体内の温度均一性を高めるために筐体内を陽圧に保持することを前提とし、その結果として熱風の漏れが増加することに対処するものである。したがって、この方法は、熱風の漏れが増加することで消費エネルギーが増加することについては何も考慮していない。

　そこで、本発明の目的は、エネルギー効率に優れ、高品質のフィルムを製造するフィルム製造装置を提供することである。

　上述した目的を達成するために、本発明のフィルム製造装置は、筐体であって、筐体の内部と外部とを連通する開口を備えた筐体と、筐体の内部に配置され、開口を通じて筐体の内部と外部との間を所定の方向に搬送されるフィルムの表面に向けて加熱空気を吹き付ける第１の空気噴射部と、筐体の外部で開口に隣接して配置され、搬送されるフィルムの表面に向けて所定の方向と交差する方向に空気をカーテン状に吹き付ける第２の空気噴射部と、を有している。

　このようなフィルム製造装置によれば、第２の空気噴射部からフィルムに吹き付けられるカーテン状の空気により、開口を通じた筐体の内部と外部との間の空気の出入りが遮断される。その結果、簡単な構造により、筐体からの加熱空気の漏れと筐体への外気の流入とを抑制して、消費エネルギーを増加させることなく筐体内部の温度を均一に保持することができる。

　以上、本発明によれば、エネルギー効率に優れ、高品質のフィルムを製造するフィルム製造装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係るフィルム製造装置の概略斜視図である。 図１のフィルム製造装置の一部を拡大して示す概略斜視図である。 本実施形態のフィルム製造装置の内部の概略斜視図である。 本実施形態の第２の空気噴射部を構成するエアノズルの概略斜視図である。 実施例におけるシミュレーション結果を示す図であり、筐体の開口面における空気の速度分布を３次元的にプロットした図である。 実施例におけるシミュレーション結果を示す図であり、筐体の開口付近の空気の温度分布を２次元的にプロットした図である。 比較例におけるシミュレーション結果を示す図であり、筐体の開口面における空気の速度分布を３次元的にプロットした図である。 比較例におけるシミュレーション結果を示す図であり、筐体の開口付近の空気の温度分布を２次元的にプロットした図である。 実施例および比較例におけるヒータ出力の時間変化を示すグラフである。

　以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。

　図１は、本発明の一実施形態に係るフィルム製造装置（テンターオーブン）の概略斜視図であり、フィルムの搬送方向の上流側から見た図である。図２は、図１のテンターオーブンの一部を拡大して示す概略斜視図である。図２では、図面を見やすくするために、フィルムが点線で示されている。図３は、本実施形態のテンターオーブンの要部の概略斜視図であり、同じくフィルムの搬送方向の上流側から見た図である。以下、本明細書では、フィルムの搬送方向を「ＭＤ（Ｍａｃｈｉｎｅ　Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）方向」といい、これに垂直なフィルムの幅方向を「ＴＤ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ　Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）方向」という。

　テンターオーブン１は、フィルム製造工程においてフィルムＦの熱処理を行うものであり、具体的には、ＭＤ方向（所定の方向）に搬送されるフィルムＦを加熱しながらＴＤ方向に延伸するものである。テンターオーブン１は、ＭＤ方向に沿って配置された複数の温調ゾーンに区切られている。複数の温調ゾーンは、それぞれ異なる温度に調整され、各温調ゾーンでは、例えば、予熱、加熱、保温、および冷却がそれぞれ行われる。図１から図３は、複数の温調ゾーンのうち最上流のゾーン（入口ゾーン）を示している。

　テンターオーブン１は、入口ゾーンを規定する筐体２と、筐体２の内部に配置された一対のクリップカバー３，４と、同じく筐体２の内部に配置された第１の空気噴射部１０と、筐体２の外部に配置された第２の空気噴射部２０とを有している。

　筐体２は、前面（ＭＤ方向の上流側の面）と背面（ＭＤ方向の下流側の面）とが共にＭＤ方向に垂直になるように配置されている。筐体２の前面には、筐体２の外部と内部とを連通する開口２ａが形成され、筐体２の背面には、ＭＤ方向に隣接する筐体の内部と筐体２の内部とを連通する連通口（図示せず）が形成されている。フィルムＦは、開口２ａを通じて筐体２の内部に搬送され、連通口を通じて隣接する筐体に搬送される。筐体２は、内部に断熱材が埋め込まれた分厚い壁材で構成され、高い断熱性能を有している。

　クリップカバー３，４は、フィルムＦのＴＤ方向の両端部に配置され、それぞれが、フィルムＦのＴＤ方向の両端部を把持しながらＭＤ方向に走行するクリップを収容している。クリップカバー３，４は、筐体２の開口２ａと連通口との間をＭＤ方向に延び、少なくともＭＤ方向の上流側の端部が、開口２ａを通じて筐体２の外部に露出している。

　第１の空気噴射部１０は、ＭＤ方向に沿って所定の間隔で配置された複数対のダクト１１，１２を有し、各対のダクト１１，１２は、フィルムＦを挟んで互いに対向して配置されている。各ダクト１１，１２は、フィルムＦに対向する面に、フィルムＦの表面に向けて加熱空気を噴射する噴射口１３を有している。これにより、第１の空気噴射部１０は、筐体２の内部をＭＤ方向に搬送されるフィルムＦの両面に加熱空気を吹き付けて、フィルムＦを加熱することができる。フィルムＦに吹き付けられた加熱空気は、主にダクト１１，１２間の隙間を流れ、吸引口１４から回収される。そして、回収された空気は、ラジエータなどの熱交換器（図示せず）によって再加熱され、ブロワやファンなどの送風機（図示せず）によってダクト１１，１２に送り込まれて再利用される。図示した実施形態では、各ダクト１１，１２に１つの噴射口１３がスリット状に形成されているが、複数の円形の噴射口が形成されていてもよい。

　第１の空気噴射部１０のダクト１１，１２からフィルムＦに加熱空気が吹き付けられると、その影響により、ダクト１１，１２とクリップカバー３，４とで囲まれたフィルムＦの搬送空間は、大気圧よりも高い圧力になる。そのため、開口２ａを通じて、筐体２の内部から外部へ加熱空気の漏れが発生する。また、加熱空気の漏れが発生すると、筐体２内の空気の質量保存則から、開口２ａを通じて、筐体２の内部へ外気（冷気）の流入も発生する。このような外気の流入は、フィルムＦの搬送により生じる随伴流によっても発生する。

　第２の空気噴射部２０は、このような加熱空気の漏れや外気の流入を抑制するために設けられている。具体的には、第２の空気噴射部２０は、筐体２の外部で開口２ａに隣接して配置され、搬送されるフィルムＦの表面に向けてＭＤ方向と交差する方向に空気をカーテン状に吹き付ける機能を有している。これにより、第２の空気噴射部２０は、開口２ａの前方（ＭＤ方向の上流側）にいわゆるエアカーテンを形成し、開口２ａを通じた筐体２の内部と外部との空気の出入りを遮断することができる。その結果、本実施形態によれば、大規模な設備を追加することなく、簡単な構造により、筐体２からの加熱空気の漏れや筐体２への外気の流入を抑制することができる。したがって、消費エネルギーを増加させることなく筐体２の内部の温度を均一に保持することができ、製造されるフィルムの品質の低下を抑制することができる。

　第２の空気噴射部２０からフィルムＦに吹き付けられる空気は、筐体２からの加熱空気の漏れや筐体２への外気の流入を抑制することができれば、必ずしも加熱されている必要はない。余計なエネルギー消費が抑えられる点で、常温の外気を吹き付けるようになっていることが好ましい。

　本実施形態では、第２の空気噴射部２０は、搬送されるフィルムＦを挟んで互いに対向して配置され、フィルムＦの両面にカーテン状の空気を噴射する一対のエアノズル２１，２２から構成されている。エアノズル２１，２２は、それぞれ筐体２の前面に固定された仕切板５，６に取り付けられている。具体的には、仕切板５，６は、開口２ａを挟んで上下に配置され、それぞれ開口２ａの一部を覆うようにフィルムＦに向かって延びる部分を有し、この部分にエアノズル２１，２２が取り付けられている。これにより、仕切板５，６は、開口２ａの一部を覆うだけでなく、エアノズル２１，２２をフィルムＦにより近接して配置することもでき、筐体２からの加熱空気の漏れや筐体２への外気の流入の抑制効果をより高めることができる。なお、仕切板５，６のフィルムＦに向かって延びる部分（開口２ａの覆う部分）の形状は、図示した平板状に限定されるものではない。例えば、筐体２から漏れた加熱空気が上方または下方に拡散することを抑制するために、仕切板５，６のフィルムＦに対向する側の先端が、フィルムＦに平行に延びるように折り曲げられていてもよい。すなわち、ＭＤ方向に沿って開口２ａから離れる方向に折り曲げられていてもよい。

　ここで、本実施形態のエアノズルの詳細な構成について説明する。第２の空気噴射部を構成する一対のエアノズルは、同一の構成を有し、フィルムＦに対して互いに対称的に配置されている。そこで、以下では、一方のエアノズルの構成のみ説明する。図４は、本実施形態のエアノズルの概略斜視図である。

　エアノズル２１は、角筒状の本体部２３と、本体部２３の稜線上に形成された噴射スリット２４と、本体部２３の側面に設けられた空気供給口２５と、本体部２３の長手方向の両端部に取り付けられた一対のブラケット２６とを有している。噴射スリット２４は、本体部２３のフィルムＦに対向する稜線上に形成され、本体部２３の径方向に空気をカーテン状に噴射することができる。空気供給口２５は、噴射スリット２４から噴射される空気を供給するために設けられている。一対のブラケット２６は、本体部２３を筐体２に固定するために設けられ、筐体２の前面に固定された仕切板５に取り付けられている。

　エアノズル２１は、噴射スリット２４がＴＤ方向に沿って延びるように、筐体２に対して位置決めされている。これにより、エアノズル２１は、開口ａの前方にＴＤ方向に沿ってカーテン状の空気を吹き付けることができ、筐体２からの加熱空気の漏れや筐体２への外気の流入を効果的に抑制することができる。

　また、エアノズル２１は、フィルムＦの表面に垂直な方向に対して、ＭＤ方向に沿って開口２ａから離れる方向に空気を吹き付けるように、筐体２に対して位置決めされている。換言すると、エアノズル２１は、フィルムＦの表面に垂直な方向に対する空気の噴射角度αがＭＤ方向の上流側に傾くように、筐体２に対して位置決めされている。これにより、エアノズル２１から噴射される空気流は、随伴流の方向（ＭＤ方向）と反対方向の成分が増加することになる。その結果、フィルムＦの表面に垂直に空気を吹き付ける場合に比べて、随伴流による筐体２への外気の流入を特に効果的に抑制することができる。なお、エアノズル２１からの空気の噴射角度αは、例えば、本体部２３がその長手方向軸を中心としてブラケット２６に回転可能に取り付けられることで、調整可能であることが好ましい。これにより、エアノズル２１は、フィルムＦの搬送速度、すなわち、随伴流による外気の流入量に応じて、フィルムＦの表面に垂直な方向に対して任意の角度で空気を噴射することができ、外気の流入をより効果的に抑制することができる。

　本実施形態では、第２の空気噴射部２０として一対のエアノズル２１，２２が設けられているが、エアノズルの数、すなわち、噴射スリットの本数は、これに限定されるものではない。例えば、フィルムの搬送速度が高速で、随伴流による外気の流入量が非常に多い場合には、外気の流入をより確実に抑制するために、ＭＤ方向に沿って複数対のエアノズルが配置されていてもよい。あるいは、一対のエアノズルのそれぞれに、ＭＤ方向に沿って複数の噴射スリットが形成されていてもよい。

　また、さらなる省エネルギー効果を発揮させるために、第２の空気噴射部としてのエアノズルは、本実施形態のように最上流のゾーン（入口ゾーン）だけでなく、最下流のゾーン（出口ゾーン）を規定する筐体の開口にも同様に設けられていてもよい。その場合、随伴流による影響を考慮すると、エアノズルからの空気の噴射角度は、ＭＤ方向の上流側（開口に近づく方向）に傾いていることが好ましいと考えられる。しかしながら、開口に近づく方向に空気が噴射されると、その空気自体が開口を通じて筐体内部に流入し、筐体内部の温度の均一性に悪影響を及ぼすことが懸念される。そのため、エアノズルが出口ゾーンに設置される場合、エアノズルからの空気の噴射角度は、ＭＤ方向の下流側（開口から離れる方向）に傾いていることが好ましい。

　（実施例）
　本発明の効果を確認するために、筐体２の開口２ａを通じた空気の流れと開口２ａ付近の空気の温度分布について、シミュレーションによる解析を行った。以下、その解析結果について説明する。

　シミュレーションは、図１から図４のテンターオーブン１に対して、以下の条件で行った。すなわち、フィルムＦの幅（クリップカバー３，４間の距離）を８００ｍｍとし、フィルムＦの表面に対するエアノズル２１，２２の高さを６０ｍｍ、噴射スリット２４の長さを７００ｍｍ、エアノズル２１，２２からの空気の噴射角度αを２０°とした。また、フィルムＦの搬送速度を５０ｍ／ｍｉｎとし、筐体２内の温度を１５０℃、エアノズル２１，２２から噴射される空気の温度および噴射速度をそれぞれ２０℃および５ｍ／ｓとした。

　図５および図６は、実施例におけるシミュレーション結果を示す図である。具体的には、図５は、筐体の開口面（開口のＭＤ方向の上流側の周縁によって規定される面）における空気の速度分布を３次元的にプロットした図であり、フィルムの表面に垂直な方向から見た図である。図５には、筐体の開口面が太線で示されている。図６は、筐体の開口付近の空気の温度分布を２次元的にプロットした図であり、フィルムのＴＤ方向の中心を通りＴＤ方向に垂直な面での温度分布をプロットしたものである。図６には、参考のために、空気の流れも矢印で示されている。

　なお、比較例として、図１から図４のテンターオーブン１にエアノズル２１，２２が設けられていないことを除いて、実施例と同様の条件でシミュレーションを行った。図７および図８は、比較例におけるシミュレーション結果を示す図であり、それぞれ図５および図６に対応する図である。

　図５から図８に示すシミュレーション結果から、エアノズル２１，２２の有無によって、筐体２の開口面における空気の速度分布と開口２ａ付近の空気の温度分布が大きく変化していることが分かる。すなわち、実施例（図５および図６）では、比較例（図７および図８）と比べて、開口２ａを通じた筐体２の内部と外部との間の空気の出入りが効果的に遮断されており、エアノズル２１，２２からのカーテン状の空気の噴射が非常に有効に作用していることが分かる。

　さらに、実施例として、上述したシミュレーションに加えて、図１から図４のテンターオーブン１を用いて、安定成形条件下でフィルムの製造を行い、このときの熱交換器のヒータ出力（ヒータの最大出力に対する出力比）を２５分間連続して測定した。図９に、その測定結果（測定時間に対するヒータ出力）を示す。なお、図９には、比較例として、エアノズル２１，２２が設けられていないことを除いて実施例と同様の条件で測定を行った結果も示している。

　図９に示すように、実施例では、比較例と比べて、ヒータ出力が常に低い値で推移しており、その平均値は、実施例では１５．４８％であったのに対し、比較例では２１．４９％であった。したがって、実施例では、エアノズル２１，２２からのカーテン状の空気の噴射により、開口２ａを通じた筐体２の内部と外部との間の空気の出入りが遮断されることで、ヒータ出力が抑えられることが確認された。実施例と比較例のヒータ出力の差（約６％）は、電力量に換算すると数ｋＷｈ程度であるが、昼夜を問わず連続的に運転することが前提のフィルム製造装置（テンターオーブン）においては、大きな省エネルギー効果につながると考えられる。

　１　テンターオーブン
　２　筐体
　３，４　クリップカバー
　５，６　仕切板
　１０　第１の空気噴射部
　１１，１２　ダクト
　１３　噴射口
　１４　吸引口
　２０　第２の空気噴射部
　２１，２２　エアノズル
　２３　本体部
　２４　噴射スリット
　２５　空気供給口
　２６　ブラケット

Claims (9)

1. 　筐体であって、該筐体の内部と外部とを連通する開口を備えた筐体と、
   　前記筐体の内部に配置され、前記開口を通じて前記筐体の内部と外部との間を所定の方向に搬送されるフィルムの表面に向けて加熱空気を吹き付ける第１の空気噴射部と、
   　前記筐体の外部で前記開口に隣接して配置され、前記搬送されるフィルムの表面に向けて前記所定の方向と交差する方向に空気をカーテン状に吹き付ける第２の空気噴射部と、
   　を有するフィルム製造装置。
2. 　前記第２の空気噴射部が、前記搬送されるフィルムを挟んで互いに対向して配置され、前記搬送されるフィルムの両面に空気を噴射する一対の噴射スリットを有する、請求項１に記載のフィルム製造装置。
3. 　前記第２の空気噴射部が、前記所定の方向に沿って配置された複数対の噴射スリットであって、前記各対の噴射スリットが、前記搬送されるフィルムを挟んで互いに対向して配置され、前記搬送されるフィルムの両面に空気を噴射する、複数対の噴射スリットを有する、請求項１に記載のフィルム製造装置。
4. 　前記各噴射スリットが、前記所定の方向に垂直な前記フィルムの幅方向に延びている、請求項２または３に記載のフィルム製造装置。
5. 　前記第２の空気噴射部が、前記搬送されるフィルムの表面に垂直な方向に対して、前記所定の方向に沿って前記開口から離れる方向に空気を吹き付ける、請求項１から４のいずれか１項に記載のフィルム製造装置。
6. 　前記第２の空気噴射部が、前記搬送されるフィルムの表面に外気を吹き付ける、請求項１から５のいずれか１項に記載のフィルム製造装置。
7. 　前記第２の空気噴射部が、前記筐体に固定された仕切板に取り付けられている、請求項１から６のいずれか１項に記載のフィルム製造装置。
8. 　前記仕切板が、前記開口の一部を覆うように前記搬送されるフィルムに向かって延びる部分を有し、前記第２の空気噴射部が、前記仕切板の前記部分に取り付けられている、請求項７に記載のフィルム製造装置。
9. 　前記仕切板の前記部分の先端が、前記所定の方向に沿って前記開口から離れる方向に折り曲げられている、請求項８に記載のフィルム製造装置。

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