KR100458847B1 - 제지기용 헤드박스 - Google Patents

Abstract

제지기는 기계 방향으로 테이퍼진 제지 재료(紙料) 공급 매니폴드 또는 헤드박스를 구비한다. 제지 재료는 제지 재료 공급 매니폴드로부터 튜브 뱅크(tube bank)를 통하여 슬라이스로 흘러서 성형 와이어 위에 분출된다. 튜브 뱅크의 각 튜브는 형성될 종이 웹의 이동 방향에 거의 평행한 평면에서 연장한다. 튜브는 제지 재료 공급 벽을 따라 헤드박스 매니폴드의 내부와 연통한다. 복수 개의 공급 도관이 공급 벽에 연결되며, 이 도관을 통하여 화학물 및 충전물과 같은 미세분(微細粉)이 매니폴드로 방출되며, 이 매니폴드에서 미세분은 제지 재료와 함께 인접한 튜브 단부로 이동되며, 뒤이어 종이 웹을 형성하도록 제지 재료와 부가된 미세분이 슬라이스에 공급된다.

Description

제지기용 헤드박스{PAPERMAKING HEADBOX}

본 발명은 제지기용 헤드박스에 관한 것으로, 구체적으로 말하자면 헤드박스 매니폴드와 슬라이스 사이에 일정 유량이 일정한 튜브를 이용하는 헤드박스에 관한 것이다.

종이의 제조시에, 목질 섬유가 물에 분산되어 제지 재료가 만들어진다. 일반적으로, 제지 재료는 99% 이상이 물이며, 0.5% 내지 1%의 종이 섬유(paper fiber)를 함유한다. 제지 재료는 슬라이스(slice)로 알려져 있는 테이퍼형 유동 제어 채널을 통해 가동형 장망 초지기 와이어 스크린 상에 분출되어 종이 웹을 형성한다. 어떤 조건에서, 제지 재료는 소위 트윈 와이어 기구 상에서 두 개의 가동형 장망 초지기 와이어 스크린 사이에 분출된다. 성형 스크린 또는 와이어를 통하여 제지 재료로부터 물이 배출되어 종이 섬유 웹이 남겨지는 바, 이 종이 섬유 웹은 압착 및 건조되어 종이 웹을 형성하게 된다.

현대의 제지기는 1백 내지 4백 인치의 폭을 가지며, 분당 4000 피트 이상에 이르는 속도로 작동된다. 그러므로, 종이 웹으로 형성될 제지 재료를 공급하는 슬라이스와 헤드박스는 현대 제지 공정의 높은 성형 속도를 만족시키도록 많은 양의 제지 재료를 공급해야 하며, 뿐만 아니라 형성될 종이 시트가 웹의 폭을 가로질러 균일한 두께를 갖도록 제지 재료를 매우 균일하게 공급해야 한다.

제지 재료가 슬라이스를 통하여 균일하고 큰 유량으로 분출되도록, 제지 재료는 급송 기구에 의하여 매우 높은 압력으로 급송된다. 제지 재료 급송 기구에 의하여 야기된 압력 펄스를 감쇠시키도록 헤드박스에 대해 상류측에는 감쇠기(attenuator)가 배치된다. 이러한 장비로 인하여 헤드박스에 도입되는 제지 재료의 양은 비교적 일정해진다.

성형 와이어 상에 또는 와이어 사이로 제지 재료가 균일하게 흐르도록 하기 위하여, 헤드박스는 테이퍼형 구조의 매니폴드 또는 유입 헤더(inlet header)를 채용한다. 유입 헤더와 슬라이스 사이에는 튜브 뱅크로 배열되어 있는 복수 개의 분배 튜브가 있다. 통상적으로, 튜브 뱅크는 높이 방향으로는 약 6개의 튜브가 배치되어 있고, 그 폭 방향으로는 수백 개의 튜브가 배치되어 있다. 제지 재료는 테이퍼형 튜브 입구로부터 튜브 뱅크 내에 배치된 각각의 튜브를 통하여 흐른다. 슬라이스의 립(rip)으로부터 유출되는 제지 재료가 성형 와이어의 일 가장자리로부터 타 가장자리에 이르기까지 균일하도록 각 분배 튜브를 통한 제지 재료의 유량은 반드시 균일해야 한다.

이와 같이 유량을 일정하게 하기 위하여, 유입 헤더 또는 매니폴드는 기계의 횡방향으로 테이퍼져 있다. 다시 말하면, 기계 방향으로의 매니폴드의 폭은 제지 재료 유입부로부터 멀어질수록 감소한다. 가장 협소한 부분에서 유입 헤더의 단면적은 제지 재료 유입부에서의 유입 헤더의 단면적과 동일하며, 이 단면적은 헤더에서 떨어져 개방되는 튜브의 총면적의 3배보다 작다. 제지 재료의 유동이 테이퍼형 헤더의 아래로 이동함에 따라, 주요 유동의 일부는 튜브를 통해서 방향이 전환된다. 그러므로, 헤더의 단면적은 기계의 횡방향으로 갈수록 감소하여 그 면적은 헤더에 아직 도달하기 전의 튜브의 단면적의 3배와 거의 동일하게 유지된다. 이에 따라, 헤더의 단면적은 감소하여 제지 재료가 헤더의 일측으로부터 타측으로 유동함에 따라 유체 용적의 손실을 보상한다. 이러한 단면적의 변화는 기계 횡방향으로 헤더 내에 동일 압력을 유지하며, 이에 따라 튜브를 통한 기계 횡방향으로의 유동은 동일하게 유지된다.

결과적으로, 기계 횡방향으로 모든 튜브를 통과하는 제지 재료의 유량은 거의 일정하게 유지된다. 그러나, 실제의 밀도는 기계 횡방향으로의 두께 또는 평량(basis weight)에 있어서의 어떤 변동을 방지할 정도로 충분하게 균일하지는 않았다. 이에 따라, 어떤 종이 성형 헤드박스에 있어서는, 종이 웹을 가로질러 균일한 종이 중량을 유지하려는 노력으로 슬라이스 개구의 깊이를 변경하기 위하여 슬라이스의 립 상의 액츄에이터가 사용되었다. 리챠드 이. 허거트(Richard E. Hergert)에 허여되고 벨로이트 테크놀러지 사에 양도되었으며, 본 명세서에 원용된 미국 특허 제5,196,091호에 개시된 바와 같이 최근에 개발된 한 시스템에 있어서는, 기계 횡방향으로 제지 재료의 희석을 제어하기 위하여 튜브 입구에 인접한 헤드박스 헤더 또는 매니폴드에 희석수(diluting water)를 분출하는 것을 이용하였다. 그에 따라, 이러한 희석 제어는 종이 웹의 중량 또는 두께를 제어하도록 작용한다. 사실, 이러한 기술로 인하여 보다 균일한 특성을 가지는 종이 웹을 형성할 수 있게 되었다.

종이를 형성하는 제지 재료는 종이 섬유와, 종이 웹의 형성을 향상시키거나 용이하게 하도록 구성된 다양한 첨가물을 함유한다. 이러한 첨가물로는 미세분(微細粉)이 있다. 때때로, 다른 첨가물로는 종이 웹 내에 미세분을 유지하는 것을 지원하는 장쇄 중합체(long chain polymers)와 같은 것이 포함된다. 제지 재료와 조합되는 다른 재료로는 특정 등급의 박엽지에 사용하는 연화제를 포함한다. 추가로, 섬유간의 결합을 용이하게 하는 전분과 같은 첨가물이 공급될 수도 있다. 종이 형성을 위한 현재의 공정에 있어서, 이러한 미세분과 첨가물은 헤드박스 유입 헤더 훨씬 전에서 첨가되어 제지 재료와 균일하게 혼합된다.

이로 인하여, 특정 종이 웹의 형성을 위하여 미세분 및/또는 충전물을 첨가하는 것이 종종 필요하지만, 한편으로는 종이 형성 제지 재료에 미세분을 분산하는 현재의 방법은 그다지 효과적이지 않을 수 있다.

미세분과 충전물은 어떠한 특정층 또는 위치에 그러한 미세분을 도포하는 것을 제한하지 않고 종이 웹의 z 방향 또는 두께 방향을 통하여 이상적으로 분배된다. 이것은 단일 헤드박스와 단일 슬라이스를 채용하는 현재의 방법으로는 불가능하다. 여러 상이한 종류의 제지 재료가 동시에 분출되어 다층 웹을 형성할 수 있도록 헤더가 여러 섹션으로 분리되어 있는 헤드박스를 채용하여 다층 웹(multi-ply web)을 형성하는 것은 공지되어 있다. 그러나, 이러한 장치는 미세분, 화학적 첨가물 또는 충전물의 양이 변화함에 따라 균일한 섬유 성분을 가지는 것이 아니라 상이한 섬유 성분을 가지는 웹을 제공하도록 구성된다. 또한, 이러한 장치는 전술한 제지 재료 희석 방법이 둘 또는 그 이상의 헤더에 동시에 적용되는 경우에는 항상 바람직한 것은 아니다.

본 발명은 종이 웹의 z 방향으로 미세분의 양 및 화학적 첨가물과 충전재 첨가물의 농도를 변경시키는 장치를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 헤드박스 장치의 단면도.

도 2는 도 1의 헤드박스 장치를 부분적으로 절결하여 확대한 사시도.

도 3은 도 1의 선 3-3을 따라 취한 헤드박스 장치의 단면도.

도 4는 도 1의 장치의 튜브중 하나를 확대한 사시도.

도 5는 도 6의 선 5-5를 따라 취한 테이퍼형 튜브의 개략도.

도 6은 도 1의 선 6-6을 따라 취한 헤드박스 장치의 단면도.

도 7은 본 발명에 따라 제지 재료에 미세분(fines)을 첨가하는 방법을 도시한 도 5와 유사한 개략도.

도 8은 도 7의 선 8-8을 따라 취한 단면도.

도 9는 도 8의 선 9-9를 따라 취한 단면도.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

10: 헤드박스

12: 와이어 스크린

16: 제지 재료 공급 매니폴드

21: 제지 재료 공급 벽

24: 튜브

30: 슬라이스

39: 개구

본 발명은 웹을 형성하기 위하여 성형 와이어 상에 제지 재료를 분출하는 방법 및 헤드박스 장치에 관한 것이다. 이 헤드박스 장치는 가압 제지 재료 공급원에 연결되는 하우징을 구비한다. 하우징은 기계 방향으로 테이퍼형 제지 재료 공급 매니폴드 또는 헤더를 형성한다. 복수의 튜브로 구성된 튜브 뱅크는 제지 재료를 제지 재료 공급 매니폴드로부터 슬라이스로 흐르게 하여 제지 재료를 성형 와이어 상에 분출할 수 있다. 튜브 뱅크의 각 튜브는 형성될 종이 웹의 이동 방향과 거의 평행한 평면으로 연장한다. 각 튜브에서 제지 재료는 헤드박스 매니폴드로부터 슬라이스로 거의 일정한 유동으로 전진하기 때문에, 슬라이스로부터 성형 와이어로의 제지 재료의 유동은 기계의 횡방향으로 거의 균일하다.

튜브 뱅크를 구성하는 튜브는 제지 재료 공급 벽 또는 표면을 따라 헤드박스 매니폴드의 내부와 연통한다. 제지 재료를 슬라이스로 전달하는 튜브와 유사한 방식으로 복수 개의 공급 도관이 충만한 공급벽(plenum supply wall)에 연결되어 있다. 공급 도관은 튜브의 배수 개구 사이에서 개방되어 있다. 공급 튜브는 미세분 및/또는 화학물과 충전물을 매니폴드에 공급하며, 여기서 미세분 및/또는 화학물과 충전물은 제지 재료와 함께 인접한 튜브 단부로 배출되며, 이 단부에서 제지 재료와 부가된 미세분 또는 화학물을 슬라이스로 이송하여 종이 웹을 형성한다. 통상적으로, 공급 도관은 기계 횡방향으로 미세분과 화학물을 균일한 유동으로 공급하도록 배열된다. 또한 튜브는, 미세분 또는 화학물을 기계의 횡방향 축선을 따른 어떤 위치에 바람직하게 공급하거나, z 방향으로 성형 웹 내에서 소정 높이에서 미세분 또는 첨가물을 바람직하게 공급하는 방식으로 미세분 및 다른 충전 물질 및/또는 화학물을 튜브 뱅크에 공급하도록 배치되어 있다.

전형적인 튜브 뱅크는 상하로 적층되어 위치된 6개의 튜브와 기계 횡방향으로 연장하는 수백 개의 튜브로 구성되며, 각각의 튜브는 대략 장방형의 개구를 형성하도록 변형된 제지 재료 출구를 갖는다. 이에 따라, 수백 개의 튜브가 6열로 형성된 배열에 있어서, 미세분과 제지 재료 첨가물 또는 화학물이 공급 도관에 의하여 첨가되며, 이 공급 도관은 튜브 뱅크의 전체 기계 횡방향을 따라 연장하며, 6층의 튜브 중 어느 하나 이상에 인접하게 배치된다. 미세분 또는 제지 재료 첨가물이 형성될 종이 웹의 표면에 작용하는 것이 바람직한 경우, 공급 도관은 종이의 상층 또는 하층을 형성하는 튜브의 열에 인접하며, 반면에 미세분 또는 제지 재료 첨가물이 종이 웹의 내부 성질에 영향을 끼쳐야 하는 경우, 공급 도관은 종이 웹의 z 방향을 형성하는 6개의 튜브의 중간 근처에 배치된다.

본 발명의 특징은 제지 재료의 분출을 제어하여 z 방향의 성분을 변화시킬 수 있는 종이 웹 형성용 헤드박스를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 특징은 종이 웹의 z 방향으로 국부적으로 응집되고 기계의 횡방향으로 균일한 미세분 및 다른 첨가물을 동시에 공급하면서 평량 프로파일(basis weight profile)을 제어하는 헤드박스를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 특징은 제지 재료가 종이 웹으로 형성되기 전에 제지 재료가 과도한 유체 동역학적 전단을 받지 않도록 제지 재료에 미세분 및 첨가물을 분출하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 추가의 특징은 웹의 두께 전체에 걸쳐 어떤 위치에 또는 그 두께를 따라 균일하게 미세분 또는 섬유 결합 첨가물을 갖는 종이 웹의 형성을 용이하게 하는 헤드박스를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 특징은, 미세분과 충전물로 형성되는 종이 웹을 용이하게 생산하는 헤드박스와 그 형성 방법을 제공하는 것이며, 여기서 미세분 또는 충전물은 종이 웹의 전 두께에 걸쳐 분산된다.

본 발명의 다른 목적과 특징 및 장점은 첨부 도면을 참조로한 이하의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.

도 1 내지 도 6에 있어서, 동일 부호는 동일 부분을 지칭하며, 도 1에는 헤드박스 장치(10)가 도시되어 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 헤드박스(10)는 가압 제지 재료(紙料) 공급원(15)에 연결된 하우징(14)을 구비한다. 하우징(14)은 제지 재료 공급 매니폴드(16)의 테이퍼형 유입부를 형성하며, 이 매니폴드를 통하여 제지 재료가 튜브 뱅크(18)로 도입된다. 튜브 뱅크(18)는 서로 나란하게, 상하로 적층되어 있는 일련의 튜브(24)를 구비한다. 미세분(微細粉)을 선택된 높이에서 형성된 종이 웹 내에 도입하는 도입 수단은 이하에서 보다 자세하게 설명되는 공급 도관의 배치에 의하여 마련된다.

각각의 튜브(24)는 제지 재료 공급 매니폴드(16)로부터 슬라이스 챔버(30)로 연장한다. 이에 따라, 튜브 뱅크는 매니폴드(16)에 상류측 단부(20)를, 슬라이스 챔버(30)에 하류측 단부(22)를 구비한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 튜브 뱅크(18)의 상류측 단부(20)는 제지 재료 공급 벽 또는 표면(21)에서 헤드박스 매니폴드(16)의 내부와 연통한다. 그러므로, 각각의 튜브(24)는 제지 재료 공급 벽(21)을 관통하여, 헤드박스 매니폴드(16)의 내부와 연통하고, 그에 따라 제지 재료가 공급된다.

튜브 뱅크(18)는 일련의 튜브(24)를 구비한다. 이러한 배열은 튜브(24)로 이루어진 복수의 중첩된 열(50)을 포함하며, 이는 일반적으로 5열 내지 7열 또는, 도 1 내지 도 3에 예로서 도시된 바와 같이 6열이다. 각 열(50)은 수백 개에 이르는 튜브(24)를 구비하며, 하우징(14)의 거의 전체 길이에 걸쳐 연장한다. 하우징(14)의 길이는 헤드박스(10)를 통하여 흐르는 제지 재료에 의하여 형성되는 종이 웹의 폭과 거의 동일하다.

튜브 뱅크(18)의 하류측 단부(22)는 슬라이스 챔버(30)의 유입부 또는 상류측 단부(32)에 연결된다. 슬라이스 챔버(30)에 공급된 제지 재료는 슬라이스 챔버(30)를 통과하여, 도 1에 도시된 바와 같이 슬라이스 챔버(30)의 립(34) 또는 하류측 단부로부터 성형 와이어(12) 상에 분출된다. 튜브 뱅크(18)의 열(50)은 와이어(12) 상에 형성되는 종이 웹의 폭을 정하며, 각각의 열은 웹의 z 방향 또는 전체 두께의 일부를 정한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 튜브 뱅크(18)의 열(50) 사이에 배치되는 길고 얇은 힌지 부재인 트레일링 요소(64, trailing element)가 개개의 열(50)로부터의 유동이 서로 분리되는 것을 방지한다. 트레일링 요소(64)는 슬라이스(30)의 립(34)에 인접해서 종결된다. 이에 따라, 각각의 튜브 열(50)로부터의 유동은, 와이어(12)에 형성될 종이 웹의 z 방향으로 중첩되고 부분적으로 혼합된 층을 형성하는 섬유를 적층한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 튜브(24)의 열(50) 각각은 슬라이스(30)에 거의 연속적인 제지 재료 시트를 제공한다. 튜브(24)의 열(50)은 최상의 열(51)이 형성될 종이 웹에 있는 섬유의 최상층에 대응하는 상태로 중첩된다. 최하의 열(53)은 z 방향으로 시트의 저부에서 종이 섬유에 대응하며, 이 종이 섬유는 이동 와이어(12)에 맞닿게 형성된다.

도 5에 도시된 바와 같이, 6열의 개개의 튜브(24)는 수직으로 배열되어 있으며, 공급 벽(21)으로부터 연장한다. 그에 따라, 튜브(24)는 제지 재료 공급 매니폴드(16)로부터의 제지 재료를 수용하도록 배치된다. 수직 배열된 각각의 튜브(24)는 튜브 뱅크(18)의 상이한 중첩 열(50)로부터 연장한다. 복수 개의 공급 도관(36)이 미세분을 제지 재료 공급 매니폴드(16)로 방출한다. 단일의 공급 도관(36)이 미세분을 제지 재료 공급 벽(21)을 통하여 제지 재료 공급 매니폴드(16)로 분출한다.

도관은 매니폴드 내에서 다른 위치에 배치될 수 있지만, 도 5에는 튜브(24)의 두 열(50) 사이에서 제지 재료를 분출하는 예시적인 공급 도관(36)이 도시되어 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 복수 개의 공급 도관(36)은 미세분 공급원(38)을 튜브(24)의 열(50) 사이에 있는 개개의 튜브(24) 사이에서 복수 개의 미세분 분출 지점 또는 개구(39)에 연결한다.

예시된 미세분 분출 지점(39)은 종이 웹의 중앙 또는 웹의 z 방향의 어떤 위치에 미세분을 부가하도록 배치된다. 종이 웹의 중앙에 부가될 수 있는 미세분은 전분(starch)을 포함할 수 있다. 평량 종이(basis weight paper) 또는 라이너 보드가 트윈 와이어 성형기 사이에 형성되는 경우, 시트의 중앙은 갈라질 수 있다. 시트의 중앙은, 미세분을 선택적으로 부가함으로써, 그리고 전분과 같은 결합재를 섬유 웹의 중앙부에 부가함으로써 강화될 수 있다. 분출 지점(39)이 최상부 열(51) 또는 최하부 열(53)에 인접하게 위치되는 경우, 미세분 또는 클레이 충전물과 같은 물질은 종이의 표면 근처에 선택적으로 부가되어 표면의 품질을 향상시킬 수 있다.

장망식 성형부(fourdrinier forming section)에 이용되는 와이어 스크린(12)의 개구는 대부분의 종이 섬유가 그 개구를 자유롭게 통과할 수 있도록 되어 있다. 이에 따라 장망 초지기 와이어 또는 트윈 와이어 성형기의 트윈 와이어는 약간 큰 크기의 섬유 매트 상에 놓여지며, 이 매트는 제지 재료로부터의 계속적인 섬유를 유지하도록 와이어 상에 먼저 마련된다. 특정 길이의 사슬 분자 첨가물(chain molecular additives)이 와이어 상에서의 섬유의 초기 유지를 향상시킬 수 있으며, 이에 따라 성형 와이어를 통한 섬유의 과도한 손실없이 종이 웹을 보다 쉽게 배수하는 데에 큰 개방 면적을 갖는 와이어를 이용할 수 있다. 일반적으로, 이들 미세분 또는 화학물은 헤드박스 전방에서 제지 재료에 첨가된다. 이러한 미세분을 처음에 성형 와이어와 접촉하는 제지 재료의 부분에 선택적으로 분출함에 의하여, 초기 섬유를 와이어 상에 유지하는 기능이 향상되는 동시에, 필요한 화학물의 양이 감소된다. 성형 와이어에 바로 인접한 제지 재료의 부분만이 중합체를 포함할 필요가 있기 때문에 전술한 목적이 달성된다. 이로 인하여, 폐수에 있는 미세분과 화학물의 전체 농도를 감소될 뿐 아니라 화학물의 공급이 감소되어, 비용이 절감된다. 또한, 장쇄 분자가 유체 전단력에 의하여 깨질 수 있기 때문에, 헤드박스 매니폴드(16)와 슬라이스 립(34) 사이에서 비교적 제한된 양의 전단력을 유체에 가하는 것은 미세분과 화학물이 공정에 덜 필요하다는 것을 의미한다.

헤드박스(10)는 와이어(12) 상에 기계의 횡방향으로 놓여지는 섬유의 균일한 방향 및 밀도를 이루도록 구성된다. 이러한 균일성은 제지 재료 급송 기구에 의하여 야기된 압력 펄스를 감쇠시키도록 헤드박스에 대해 상류에 배치된 감쇠기(도시 생략)로 인한 것이다. 그 다음에, 제지 재료는 제지 재료 공급 매니폴드(16)로 흐른다. 매니폴드는 선형 또는 포물선 모양으로 기계의 횡방향으로 테이퍼져 있으며, 그에 따라 매니폴드 내의 압력은 기계의 횡방향으로 일정하게 유지된다.

예로서 도 4에 잘 도시되어 있는 각 튜브(24)의 역할은 제지 재료의 유동 방향을 기계의 횡방향으로부터 기계 방향으로 변환시키는 것이다. 각 튜브는 거의 원통형인 상류부(54)를 포함하며, 이 상류부는 매니폴드(16)로부터의 제지 재료를 수용한다. 상류부(54)는 확장 조인트(61)에서 평탄한 하류부(60)에 결합되고, 이 하류부는 제지 재료를 와이어(12) 상에 분출한다. 튜브(24)의 상류부(54)의 길이는 유동이 완전히 대칭으로 되도록 선택되고, 기계 방향으로 정렬된다. 그 다음에, 유동은 하류부(60)와의 결합부(61)에서 갑작스럽게 팽창된다. 갑작스런 팽창으로 인하여, 섬유 분산을 향상시키는 전단력이 발생되고, 기계 횡방향의 균일성을 위한 수두 손실(head loss)도 또한 발생된다. 튜브(24)를 통과하는 유동은 전체 압력 강하에 의존하기 때문에, 확장 조인트(61)에서 야기된 큰 압력 강하는 상류 압력 변동의 효과를 감소시키며, 이에 따라 튜브 뱅크(18)의 모든 튜브(24)를 통과하는 유동의 균일성이 증가된다.

제1 원형부(54)와 제2 원형부(60) 사이의 전이로 인하여 확장 조인트(61) 하류에서 짧은 거리 내에 균일하고 안정한 프로파일이 형성된다. 그 다음에, 유동은 거의 장방형의 출구(62)로 완만하게 전이된다. 튜브의 둘레 길이는 일정하게 유지되어, 단면적이 감소된다. 그 결과, 튜브 섹션에서의 유동은 가속되어, 유동의 안정성과 균일성은 향상된다.

확장 조인트(61) 이후의 하류부(60)의 길이는 중요한 요소이다. 적절한 길이를 선택하면, 물이 풍부하고 밀도가 낮은 층이 튜브 벽 근처에 형성되는 것이 방지된다.

길이가 상이한 튜브로부터 유출되는 유동을 직접 샘플 검사하여 얻은 밀도의 측정치로 인하여, 튜브의 길이가 길수록, 밀도 프로파일은 불균일해지는 것을 알수 있다. 제지 재료 공급 매니폴드(16) 내의 균일한 압력 프로파일과 조합된 튜브(24) 내의 압력 강하는 공급 도관(36)의 분출 위치(39)가 개개의 튜브(24)를 통과하는 일정 유량에 최소의 영향을 끼치거나 또는 영향을 전혀 끼치지 않는 것을 의미한다. 또한, 분출 지점이 기계의 횡방향으로 균일하게 간격을 두고 위치되는 것이 바람직하기 때문에, 미세분에 의하여 야기된 어떤 희석 효과는 기계의 횡방향으로 균일하다. 유동이 슬라이스(30)에 의하여 형성된 노즐로 유입됨에 따라 유동의 팽창을 제한하는 보다 두꺼운 베이스 치수를 갖는 트레일링 요소(64)를 활용함으로써 슬라이스 챔버(30)에서의 유동 안정성은 향상된다. 종이의 방향성에 민감한 등급의 경우에는, 유동 경로가 매니폴드(16)로부터 튜브 뱅크(18)와 슬라이스(30)를 통하여 인라인으로 되도록 배치되는 것이 바람직하다.

도 3에 도시된 바와 같이, 밸브(88)는 미세분 공급원(38)으로부터 기계의 횡방향으로 미세분을 첨가하는 것을 조절할 수 있다. 그러나, 일반적으로 밸브는 기계의 횡방향으로 미세분을 균일하게 분출하도록 조절된다. 밸브는 미세분에 의하여 발생되는 효과의 하류 측정치에 따라서 조절될 수 있지만, 일반적으로 밸브는 시간에 걸쳐 비교적 일정하게 작동되게 유지되며, 많은 경우에 밸브(88)는 필요치 않다.

공급 도관이 단일 열의 튜브 내에 또는 두열의 튜브 근처에 있는 것으로 도시되어 있지만, 둘 또는 그 이상의 공급 도관 세트가 하나의 헤드박스에 설치될 수 있으며, 이에 따라 상이한 형태의 미세분이 종이 웹의 z 방향으로 상이한 층 또는 영역으로 분출될 수 있다.

또한, 미세분의 분출은 기계의 횡방향으로 시트의 밀도를 조절하도록 급류(white water)를 분출하는 별도의 시스템과 조합될 수 있다. 이러한 급류 분출 시스템은 허거트(Hergert)에 허여되고, 본 발명에서 참고로 인용된 미국 특허 제5,196,091호에 개시되어 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 미세분 공급원(38)과 공급 도관(36) 사이에는 제어 수단(40)이 설치될 수 있다. 한가지 전형적인 제어 수단으로는 미세분을 제어된 유량으로 정확하게 제어된 양으로 공급 도관(38)에 공급할 수 있는 계량 펌프가 있으며, 이 미세분은 분출 지점(39)을 통하여 제지 재료 공급 매니폴드(16)로 분출된다. 요동이 심한 확장 조인트(61)로 인하여, 튜브(24)를 통하여 흐르는 제지 재료를 미세분과 균일하게 혼합하는 것이 용이하다는 것을 이해해야 한다. 적당한 형태의 분출 튜브를 이용하고, 여러 분사 튜브에 대한 미세분 또는 첨가물의 유량을 개별적으로 조절함으로써, 미세분 또는 첨가물의 첨가량은 시트의 저부, 중앙 또는 상부에서 임의의 z 방향 위치에 미세분 또는 첨가물을 바람직하게 응집하도록 정확하게 제어될 수 있거나, 또는 기계의 폭을 가로질러서 첨가물의 사용량을 최적화하도록 기계의 횡방향으로 변경될 수 있다.

미세분과 첨가물이 헤드박스로 직접 분출되기 때문에, 첨가제에 가해지는 유체 전단의 크기는 최소화된다. 이로 인하여 고분자량의 중합체의 파괴가 최소화되고, 이용된 화학물의 효과를 최대로 하는 것이 보장된다. 또한, 여러 개의 작은 분출 튜브를 이용함으로써, 미세분 또는 첨가물의 보다 정확한 분배가 보장되며, 미세분 또는 첨가물의 확산이 크게 감소하는 영역에서 국부화된 혼합이 향상된다.

분출 튜브의 유동은 복수의 분출 위치에 동일 미세분 및/또는 첨가물을 제공하는 통상의 제어 공급원에 의하여 공급될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 선택적으로, 다양한 분사 튜브로의 추가적인 유량은 개별적으로 조절될 수 있으며, 그에 따라 추가적인 융통성을 제공하여 가장 효과적인 미세분 이용을 위해 기계 횡방향과 z 방향 또는 두께 방향으로의 첨가물의 첨가량을 변화시킨다. 또한, z 방향 및 기계 횡방향으로 모두 제어되는 이러한 새로운 미세분 분출 방법은, 제지 재료 공급 전체에 걸쳐서 미세분 또는 첨가물을 혼합할 필요성이 있기 때문에 현재에는 이용될 수 없는 새로운 화학물과 화학물 계의 도포에 바람직하게 이용될 수 있다. 또한, 예로서 길이가 9m인 포물선 모양으로 테이퍼형 매니폴드는 매니폴드의 직선과 포물선 곡선 사이의 최대 차이 지점에서 약 30㎜ 만큼 선형 프로파일로부터 변화되는 것을 이해해야 한다.

도 7은 도 5와 유사하게 본 발명에 따라서 미세분을 제지 재료에 첨가하는 방법을 개략적으로 도시하고 있다.

보다 구체적으로 말하면, 도 7에 도시된 바와 같이, 제지 재료 공급 매니폴드(16)의 테이퍼형 유입부는 화살표(S)로 표시된 바와 같이 복수의 튜브(124, 125, 126 및 127)에 제지 재료를 공급한다.

분출 지점 또는 개구(139, 140 및 141)에서의 복수의 미세분은 미세분이 유동(S)으로 분출되도록 배열되며, 이에 따라 분출된 미세분은 제지 재료 유동에 분산되고 분출 지점의 하류에 각각 배치되어 있는 튜브(125, 126 및 127)로 흐른다.

도 8은 도 7의 선 8-8을 따라 취한 단면도로서, 튜브(125 내지 127)와 분출 지점(139 내지 141)을 도시한 도면이며, 도 9는 도 8의 선 9-9를 따라 취한 단면도이다.

도 9에 도시된 바와 같이. 분출 지점(141)는 튜브(127)로 흐르는 미세분을 분출하는 것으로 도시되어 있다. 도 7 내지 도 9의 배열에 도시된 바와 같이, 분출 지점(139 내지 141)은 미세분이 최종 웹의 상면 및 하면에 인접하게 분출되도록 적층된 튜브(125 내지 127)에 대하여 배열되어 있다.

본 발명은 이 명세서에서 도시되고 설명된 부품의 특정 구조 및 장치로 한정되지 않고 이하의 청구 범위의 영역 내에서 있을 수 있는 변형예를 수용한다는 것을 이해할 수 있다.

본 발명의 헤드박스에 의하여, 미세분 또는 섬유 결합 첨가물로 웹의 두께 전체에 걸쳐서 또는 그 두께를 따라 균일하게 종이 웹을 용이하게 형성할 수 있으며, 제지 재료를 제어하여 z 방향의 성분을 변화시킬수 있고, 제지 재료가 종이 웹으로 형성되기 전에 과도한 유체 동역학적 전단력을 받지 않도록 제지 재료에 미세분 및 첨가물을 분출할 수 있다.

Claims (8)

1. 소정의 폭과 두께를 가지는 종이 웹을 형성하기 위하여 성형 와이어 상에 제지 재료를 분출하는 헤드박스 장치로서, 가압 제지 재료 공급원에 연결되고 제지 재료의 유동로인 테이퍼형 유입부를 형성하는 하우징과, 상류측 단부와 하류측 단부를 갖는 튜브 뱅크를 포함하며, 상기 튜브 뱅크의 상류측 단부는 테이퍼형 유입부에 연결되어, 제지 재료가 유입부와 튜브 뱅크의 상류측 단부를 통하여 튜브 뱅크의 하류측 단부로 거의 일정한 유량으로 흐르며,

   상기 튜브 뱅크는,

   튜브의 배열을 형성하고, 종이의 폭을 실질적으로 가로질러 연장하며, 배열의 폭을 정하며, 상기 제지 재료의 유동로인 복수 개의 튜브로서, 상기 튜브의 배열은 종이 웹의 두께와 관련하여 배열의 두께를 정하는 둘 이상의 튜브 열을 포함하는 그러한 복수 개의 튜브와,

   상류측 단부와 하류측 단부를 갖는 슬라이스 챔버를 형성하는 부재로서, 상기 슬라이스 챔버의 상류측 단부는 상기 튜브 뱅크의 하류측 단부에 연결되고, 상기 슬라이스 챔버의 하류측 단부는 제지 재료가 상기 튜브 뱅크의 하류측 단부와 상기 슬라이스 챔버의 상류측 단부를 통하여 흐르도록 성형 와이어에 인접하게 배치되어, 제지 재료가 상기 슬라이스 챔버의 하류측 단부로부터 성형 와이어 상에 분출되게 하는 그러한 부재와,

   상기 튜브 뱅크의 상류측 단부에 연결되고 상기 튜브의 배열을 따라 간격을 두고 배치되는 복수 개의 공급 도관으로서, 각각의 공급 도관이 미세분 공급원에 연결되어 상기 튜브 뱅크에 의하여 형성될 종이 웹으로 연화제를 분출하는 그러한 복수 개의 공급 도관을 구비하며,

   각각의 공급 도관은 인접한 튜브 사이에서 상기 튜브 뱅크를 통하여 연장하고, 각각의 도관은 상기 복수의 튜브중 어떤 튜브의 상류 및 그 상류에 매우 인접한 위치에서 상기 제지 재료 유입부 내에 미세분을 방출하고,

   상기 미세분이 최종 웹의 상면 및 하면에 인접하게 분출되도록, 상기 공급 도관은 종이 웹의 두께 방향에서 선택된 위치에 대응하는 두개의 라인을 따라 종단하는 것을 특징으로 하는 헤드박스 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 공급 도관 모두는 종이 웹의 두께 방향에서 어떤 선택된 위치에 대응하는 라인을 따라 종단되는 것을 특징으로 하는 헤드박스 장치.
3. 미세분을 제지용 제지 재료에 첨가하는 첨가 방법으로서,

   튜브 뱅크에 대해 상류측에 배치되고 기계의 횡방향으로 테이퍼져 있는 헤드박스의 매니폴드에 가압된 제지 재료를 공급하도록 분출하는 단계와,

   상기 분출 단계와 동시에, 매니폴드로부터 두개 이상의 겹층된 튜브 열로 구성된 튜브 뱅크를 통하여 제지 재료를 유동시키는 단계로서, 상기 겹층된 튜브 열은 기계의 횡방향으로 연장하며, 형성될 웹의 폭에 상응하며, 개개의 겹층된 열이 z 방향으로 형성될 웹의 부분에 상응하는 것인, 단계와,

   상기 제지 재료를 두개 이상이 겹층된 튜브 열로 분출하는 단계와 동시에, 헤드박스의 폭을 따라 미세분을 분출하는 단계

   를 포함하며,

   상기 미세분은 밀접한 간격을 둔 분출 지점으로부터 튜브 뱅크의 튜브의 상류측 단부로 분출되며, 상기 분출 지점은 형성될 종이 웹의 전체 두께 중에서 선택된 영역에 미세분을 공급하도록 배치되어, 미세분이 종이 웹의 z 방향으로 균일하게 분배되고,

   상기 미세분이 최종 웹의 상면 및 하면에 인접하게 분출되도록, 상기 공급 도관은 종이 웹의 두께 방향에서 선택된 위치에 대응하는 두개의 라인을 따라 종단하는 것을 특징으로 하는 미세분 첨가 방법.
4. 제3항에 있어서, 미세분은 중앙 열의 튜브로부터 간격을 둔 위치에서 분출되어, 미세분이 형성될 종이 웹의 중앙 근처에 응집되는 것을 특징으로 하는 미세분 첨가 방법.
5. 제3항에 있어서, 튜브 뱅크는 제지 재료가 동시에 통과하여 흐르는 3열 이상의 튜브를 포함하며, 미세분은 헤드박스에 도입되어 형성될 종이 웹의 표면 품질에 영향을 끼치며, 종이의 표면 근처에서 응집되도록 분출되는 것을 특징으로 하는 미세분 첨가 방법.
6. 제3항에 있어서, 튜브 뱅크는 제지 재료가 동시에 통과하여 흐르는 3열 이상의 튜브를 구비하며, 미세분은 섬유를 성형 와이어 상에 유지하는 것을 용이하게 하도록 구성되며, 미세분은 성형 와이어에 인접한 종이 웹의 부분에 응집되도록 헤드박스로 분출되는 것을 특징으로 하는 미세분 첨가 방법.
7. 제3항에 있어서, 상기 매니폴드는 튜브 뱅크의 상류측을 형성하는 제지 재료 공급 벽을 포함하며, 미세분은 상기 제지 재료 공급벽을 통하여 매니폴드로 분출되며, 형성될 종이 웹의 z 방향의 선택 영역에 대응하는 선택된 튜브 개구에 인접하는 것을 특징으로 하는 미세분 첨가 방법.
8. 소정의 폭과 두께를 갖는 종이 웹을 형성하기 위하여 성형 와이어 상에 제지 재료를 분출하는 헤드박스 장치로서,

   가압 제지 재료 공급원과,

   상기 가압 제지 재료 공급원에 연결되고, 제지 재료의 유동을 위한 테이퍼형 유입부를 형성하는 하우징과,

   복수 개의 튜브 열을 구비하는 튜브 뱅크와,

   상기 튜브 뱅크와 성형 와이어 사이에서 연장하는 슬라이스 챔버와,

   미세분 공급원과,

   형성된 종이 웹 내에서 z방향으로 선택된 높이에서 미세분을 도입하는 도입 수단을 구비하며,

   상기 복수 개의 튜브 열의 각 열은 정렬된 복수 개의 튜브를 구비하며, 각각의 튜브는 유입부 매니폴드로부터의 제지 재료를 수용하여, 제지 재료는 상기 매니폴드를 통하여 실질적으로 일정한 유량으로 흐르고,

   튜브로부터 방출된 유체는 슬라이스 챔버를 통하여 유동하여 성형 와이어 상에 방출되어, 종이 웹을 형성하며,

   상기 도입 수단은 미세분 공급원에 연결되며, 이 도입 수단은 미세분을 복수 개의 출구를 통하여 유입부 매니폴드로 방출하고,

   상기 미세분이 최종 웹의 상면 및 하면에 인접하게 분출되도록, 상기 공급 도관은 종이 웹의 두께 방향에서 선택된 위치에 대응하는 두개의 라인을 따라 종단하는 것을 특징으로 하는 헤드박스 장치.