JP3163501B2 - 製紙機械用ヘッドボックス装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔技術分野〕 本発明はスライスを通じて形成用ワイヤ上へ製紙用紙
料の均一な流れを生じさせる製紙機械用ヘッドボックス
装置に関する。

〔背景技術〕

紙は連続シート内に沈積している個々の繊維で形成さ
れる。そのシートは典型的には、99％以上の水中に分散
している１％以下の木の繊維を有する製紙用紙料で形成
される。そのような繊維と水は、連続紙ウェブを形成す
るため製紙機械のフォーマ部にある１個のワイヤスクリ
ーン、又はいくつかのスクリーン上に載置される。製紙
用紙料ははじめにヘッドボックスへ供給され、そのヘッ
ドボックスは紙料を１個又はそれ以上のスクリーンの幅
にわたって分配する。そのスクリーンの上で紙ウェブが
形成されるようになっている。

ヘッドボックスは長くて狭い収斂ノズル、即ちスライ
スを通して紙料を排出し、そのスライスは、放射方向へ
移動するワイヤスクリーン上へ、又は２個のスクリーン
間へ紙料を噴出させる。繊維はワイヤ表面に保持され、
その時、水の大部分は１個又は複数のスクリーンを通っ
て引き抜かれる。そのフォーマは、単一ワイヤの水平型
フォーマ（長網型）、或いは二本ワイヤ型（ツインワイ
ヤ型）フォーマである。

かくして形成された紙ウェブはプレスされ、乾燥さ
れ、そしてリールに巻かれる。その製紙機械で形成され
た紙リールはそれから、より小型のロールにするため
に、或いは印刷用の紙のセットにするために更に処理さ
れる。個々の用紙はまた、用紙が供給される印刷プレス
や、写真機やレーザプリンタに使用されるように製造さ
れる。

紙は、プレス工程及び乾燥工程中、一緒に接合される
個々の紙繊維で製造されるので、紙の中の繊維の配向が
その紙の物理的特性をコントロールする。特に、繊維の
配向はその紙の強さや寸法の安定さに影響する。繊維の
配向の均一性が不十分であるように紙は、加熱又は加湿
すると、しわが一段とでき易くなり、また通常よりずっ
と波状にちぢれ易くなる。紙を加熱又は加湿すると、そ
の紙は収縮したり、膨張したりする。それは寸法の変化
が不均一であることによるものであり、そのことが紙に
しわを生じさせるのである。紙の不均一は、ワイヤ上に
紙料の流れが不均一に流れることによる、繊維の直線的
しまやその他の欠陥によって生じる。

印刷プレスや変換装置や製紙機械は速度が速くなって
いる。このことは、それらが紙の不均一な寸法の変化に
よって生じるものと同様に、紙ウェブの小さな不安定さ
にも一段と敏感になっていることを意味する。そのよう
な不安定さはウェブの破断や印刷の品質の問題を生じさ
せる。新聞や雑誌や本の印刷業界は、次第にカラーを使
用するようになり、その結果、紙ウェブと水や他の液体
が一層多く接触することになり、そこで、それらの水や
他の液体は乾燥により除去されるが、その際、応力を伴
い、それが紙の寸法の不安定さをもたらし、紙にしわを
生じさせる。同時に、湿気が増すので、紙の強度を損な
い、破断し易くする。

さらに、消費者はカラー印刷を期待するようになった
ばかりでなく、印刷の品質をもより高度なものを期待す
るようになった。紙のわずかなしわが印刷されない部分
を作ってしまう。光沢紙が使用されるところでは、波状
のちぢれやしわが不均一の反射を生じさせ、これが消費
者離れをひき起す。

湿気や熱に当る時、紙シートは紙ウェブが波状のちぢ
れを生じるという事実は、かくして大きな関心事となっ
ている。紙に像を形成するほとんどの工程で加熱した
り、加湿したりする。シートの形で紙がフォトコピア、
レーザプリンタ、或いは印刷機を通って処理される時、
シートがゆがんで機械にひっかかると、生産時間を大き
く損失する。連続ウェブの形をなす紙がしわを生じる
時、紙は破断し易い。印刷機の中や、ワインダにおい
て、或いはコータ上でウェブが破断すると、多量の紙の
損失と共に、多くの停止時間をも生じさせる。

仕上げた紙における寸法上の変化の問題は、紙のコス
トを抑えるために基本重量の低い紙を使用する傾向があ
るために一層深刻となる。軽量級の紙はプレスによる破
断やつまりを生じ易い。軽い紙はまた、印刷、特に、カ
ラー像により移転される所定量の湿気によって、より高
いパーセンテージの湿気が紙に与えられることを意味す
る。現代の装置の生産性の向上は、ひっかかった紙を除
去するために、或いは破断したウェブを再度紙通しする
ためにちょっとした停止時間でさえ、生産性の損失に関
して重要な経済的結果を生じることを意味する。さら
に、紙は、取り扱い易くしたり、積荷し易くしたり、コ
ンパクトに輸送し易くするためには、平坦に置かなけれ
ばならない。

製紙機械のヘッドボックスとスライスは、繊維が配列
され紙ウェブを形成するに当っての均一性に貢献するよ
り平坦でより寸法が安定した紙を求める紙の消費者の期
待に応えるには、ヘッドボックスの設計の改善が不可欠
である。

紙料の入口ヘッダとスライス間隙、即ち開口との間で
ヘッドボックスに生じる乱流の規模や流れをコントロー
ルする手段は種々知られている。１つの従来の型のヘッ
ドボックスは、ノズルへ、そしてスライス開口から形成
ワイヤへ紙料のより均一の流れを確実にするために、小
規模な乱流発生器や圧力降下特性を使用した平行管のバ
ンクを使用している。

バイスシューン氏他の米国特許No.4,898,643に、ヘッ
ドボックスが示されており、このヘッドボックスは、制
御装置に接続される中間スペースで分離された２連の連
続された管バンクを使用する。第２組の拡散管は、ノズ
ルへ向って収斂すると思われる拡散管システムによっ
て、中間スペースをスライスに接続させる。バイスシュ
ーン氏他は、ヘッドボックスと、収斂するスライスとの
間を伸長する管の連続バンクは開示していない。

ここで必要なことは、一段と均等な繊維マットを形成
用ワイヤへ送るヘッドボックスを提供することである。

〔発明の開示〕

本発明の製紙機械用ヘッドボックス装置は、積層した
管の列をマシン方向へ配置した多数の管を持つ管バンク
を使用する。それらの管はヘッドボックスのヘッダ又は
マニフォルドの外壁から、底壁へ向って収斂する上壁を
備えたノズルの入口まで伸長する。ノズルの収斂壁は２
つの放射方向へ伸長する面を構成し、これらの面はクロ
スマシン方向へ伸長する想像上の中心線の位置で収斂す
る。管の個々の列は各々、その中心線を通って伸長する
放射方向の面に沿って位置する。各管バンクによって規
定される放射方向の面は、好ましくは、両ノズル壁間で
均等に間隔をおいて位置する。管の噴出端をなすヘッダ
の出口壁は、両ノズル壁間を伸長する円筒形面を形成
し、クロスマシン方向へヘッドボックスの幅だけ伸長す
る。かくして、各管からの紙料の流路は前記した中心線
に対して直角をなし、全ての管の列と前記中心線との間
の距離は同一となる。かくして、管のバンクにある各管
の出口からノズルの排出開口までの紙料の流れは同一距
離を移行し、方向は変化しないが、ノズルの収斂により
加速される。チャンネル間に伸長する羽根が位置づけら
れているので、各々の流れはそれがノズルへ向って移動
する時、流れの境界の状態がほとんど同じになる。

従って、本発明の特徴は、ノズル内で紙料の流れの均
一性をより高めたヘッドボックスを提供することができ
ることである。

本発明のもうひとつの特徴は、寸法の安定性を向上さ
せた紙を製造する製紙機械用ヘッドボックスを提供する
ことである。

本発明のもうひとつの特徴は、紙繊維の繊維の配向角
をより均一にしたような紙ウェブを形成する紙料の流れ
を流出させるヘッドボックスを提供することである。

本発明のその他の目的、特徴及び効果は、添付図面に
関連して読むとき、以下の詳細な説明から明らかとなる
であろう。

〔図面の簡単な説明〕

図１は、従来のヘッドボックスのノズルの概略図であ
って、ノズルの壁にぶつかり、乱流を生じさせるような
一本の紙料噴射管からの流線を示す。

図２は、本発明のヘッドボックスの実施例を示す誇張
概略図である。

図３は、図２のヘッドボックスの簡単化した形の部分
図であって、一部切除して示す。

〔発明が解決するための最良の形態〕

ここで特に、図１〜３を参照すれば、同一符号は同一
部品を示しており、図２にヘッドボックス20を示す。図
２に示すヘッドボックスは、マシン方向へとった概略横
断面図で示す。図２のヘッドボックス20は、ウェブの幅
にわたって流入する紙料を分配する手段を構成するマニ
フォルド、即ちヘッダ22を有する。ヘッダ22は紙料24を
個々の紙料供給管26へ供給する。ヘッダ22は入口（図示
せず）と出口（図示せず）を有し、クロスマシン方向へ
伸長する。ヘッダ22は典型的には、入口から出口まで直
線的に、又は放物線状にテーパをなす。ヘッダ22によっ
て同一流の紙料24が管バンク28にある単一面に位置する
各管26へ供給される。管バンク28はヘッダ22とノズルと
の間で紙料を運ぶ手段を構成する。

ヘッダ22は出口側の壁30を有し、そこを通って紙料が
個々の管26へ流れる。図２に概略的に示す管26は、典型
的には、狭い部分32から急な移行部分36によってより幅
広部分34へ接続するように形成される。移行部分36は管
26を通って流れる紙料に小規模の乱流を生じさせる。そ
の移行部分36はまた、水圧降下を生じさせ、これによっ
て管26を通る流れ38がヘッダ22内の上流圧による撹乱か
ら保護される。各管26はまた、クロスマシン方向へ流れ
を拡げる移行部分36より下流に、収斂部分40を有し、流
れ38はそこからノズル室42へ噴射される。

ノズル室42は、収斂する紙料の流れを排出することに
よって紙ウェブを形成する手段を構成し、それはほぼ平
坦な下壁46の上方に離れて位置し、その下壁へ向って収
斂するほぼ平坦な上壁44によって形成される。ノズルの
上下壁44,46は出口48へ向って収斂し、そこで紙料24は
ジェット50となって噴射され、そのジェット50が紙料24
を製紙機械のワイヤ49上へ分配し、そのワイヤ49上で紙
ウェブ51が形成される。図面には、例示の目的で、一本
ワイヤ型製紙機械が示されているけれども、本発明のヘ
ッドボックスはまた、２本ワイヤ型製紙機械にも使用す
ることができる。管26の列の間でノズル室42内にマシン
方向とクロスマシン方向へ伸長する個々の羽根52が配置
されている。羽根52は、マシン方向に延びている。

図１は従来のヘッドボックス54の詳細を示す。従来の
管56は製紙用紙料の流れ58を紙料の入口板60に対して直
角に噴射する。流れ58はかくして、ヘッドボックスの屋
根としても知られている上部ノズル壁62に対して角度を
形成する。この流れ58はノズルの屋根にぶつかるので、
流れは屈曲流路を形成する。かくして、上部及び下部ノ
ズル壁62に隣接するところの紙料の流れに対する抵抗
は、中間部の管から放出される紙料より大となる。なぜ
なら、その流路の長さがより長くなり、角度もより大き
くなるからである。ノズル壁62と流れ58とのこのような
相互作用は、大規模な乱流を生じさせ、かくして、流れ
58のエネルギに損失を生じさせる。

壁に近い所で流れの圧力、又は速度の損失があると、
外側の流れがより高速でより高圧の中心部の流れと合流
する時、望ましくない乱流が生じる。そのような撹流に
よって繊維の向きが変化してしまい、紙ウェブがしわに
なり易く配置される。種々異なる流れのセグメントに対
して流れの状態がこのように変化すると、繊維が一直線
に平均的に整列したしまが、通常より大きくなったり小
さくなったりするので、加湿後、又は加熱後、紙は波を
うってしまう。波うち又はしわが増強すると、紙に多く
の問題が生じる。なかでも、印刷不可能な部分や、画像
の歪みを生じたり、光沢のある紙料からの反射が不均一
であったり、平均な形状特性が劣るといった問題があ
る。

図２に示すように、本発明のヘッドボックス20は、各
管26がカーブした出口壁64まで伸び各管の噴射面をなす
同出口壁64に対して直角に紙料の流れを放出するよう
に、各列の管26をそれに隣接する列の管に対して角度を
つけることによって好ましくない乱流を減退させる。か
くして、各管26は、ノズルの上壁44とノズルの下壁46か
ら伸長する面の交点により形成される想像上のクロスマ
シン方向の中心線66に対して放射方向へ伸長する。中心
線66はノズルの出口48と平行をなして位置する。カーブ
した出口壁64は円筒形シェルの１つのセクタを構成し、
それはクロスマシン方向へ伸長し、Ｚ方向へカーブす
る。Ｚ方向はクロスマシン方向と、マシン方向（即ち主
流方向）に対して直角をなす。カーブした出口壁64の曲
率もまた、想像上の中心線66に基づいて決められ、同出
口壁64の中心軸は前記中心線66で構成されている。

セルローズ繊維は、線状に固まる性質を有するが、こ
れは望ましくないことである。なぜなら、これは紙料で
形成される紙の均等性に影響するからである。紙料を希
釈すると、紙繊維が固まる傾向は減退するけれども、そ
の固まりが形成されないようにするために希釈するとす
れば、紙ウェブを形成するための紙料の量は実際的では
ないほどの量を必要とすることになる。かくして、その
ような固まりの形成は、紙料の流れの中に剪断力を生じ
させるような小規模の乱流を使ってコントロールされな
ければならない。その剪断力が固まりを破壊するので、
固まりの形成を防ぐ。しかしながら、乱流が大きくなる
と、不均等な水力学的力を生じさせ、それが紙の繊維を
集中させ、紙料の流れの中に長い固まりを形成する。そ
のような集中の規模が大となると、繊維の一直線のしま
が生じる。これは加熱又は加湿時に形成紙にしわを生じ
させるもととなる。

図２に示すように、管26の各々は、紙料の流れ、即ち
ジェット47を中心線66へ向ける。ノズル室42は羽根52に
よって事実上等しい区分68に分割される。各区分68はク
ロスマシン方向へ伸長する狭い収斂する楔形区分を構成
し、各楔形区分は他の全ての区分68において事実上同一
幅と同一寸法を有する。区分68がこのように均一である
ので、各管26からの紙料の流れは、同じ距離を流れると
共に収斂する楔形区分内を流れる際に方向を変えること
なく加速され、ほとんど同じ流れの状態を呈する。従っ
て、個々のジェット47がのど部70内で合流する時、剪断
が減退するということによりジェット50の均等性が向上
し、かくして、ワイヤ49上に形成される紙ウェブ51が一
層均等となることを意味する。羽根52はノズル室42の各
区分68の側壁の抗力がほぼ等しくなり流れの境界の状態
がほとんど同じになる点で効果的である。羽根52はま
た、付加的に小規模の乱流を生じさせるために従来の方
法で形造られる。

本発明のヘッドボックスにより紙の繊維の配向の均一
性が増すと、基本的重量が軽く、より光沢があり、両面
印刷ができるような紙へと一層傾くことになり、その重
要性も高まる。紙の消費者が波形ちぢれの少ない、より
高度の印刷を要求し、その読み易さを一層要求する時、
そのような均一性が特に要求される。

本発明のヘッドボックスとノズルは、紙料の流れが収
斂する性質を強調するために奥行きを縮めた形で図示し
ている。ノズルの収斂角も誇張して示しており、列をな
す管を構成する個々の管が、クロスマシン方向へ伸長す
る一本の線66へ向けられる。線66はノズルの上壁と下壁
の内面によって構成される面の交点で規定される。ノズ
ルと管バンクの実際の長さ対高さの割合は、従来のヘッ
ドボックス及びノズル配置の割合に実質的に等しい。

そのような装置の例が、ハーガート氏のU.S.P.No.5,1
96,091の図１に示されており、その明細書の内容をここ
に参考として引用する。

管バンクはこれまで別々の管で成るものとして図示か
つ説明してきたけれども、それらは、入口板と噴射面と
の間にあけた穴の形で構成することもできる。管を使用
する場合、入口板に角度をもった穴があけられ、個々の
管はんヘッダの入口板に溶接又はろうずけされる。

典型的な管バンクは３〜７列の管で構成される。それ
らの管はマシン方向へ向けられ、それらの列はクロスマ
シン方向へ伸長し、個々の列はほぼＺ方向へ重ねて配置
される。

さらに、羽根、即ち伸長する部材は、各管からノズル
の出口への流れに対してほぼ等しい流動特性を与える上
で重要な効果を提供する。

本発明はここに図示かつ説明してきた部品の当該構成
や配置に制限されるものではなくて、請求項の範囲内に
含まれるような変形例をも含むものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ウェーク、セオドア・ジー アメリカ合衆国、ウィスコンシン 53545、ジェインズヴィル、イーストウ ッド、2211 (56)参考文献 特開 昭50−40806（ＪＰ，Ａ) 米国特許3652392（ＵＳ，Ａ) ＰＡＫＥＥＲ ＪＯＥ ＡＮＤ ＨＥ ＲＧＥＲＴ ＤＩＣＫ「Ｓｉｍｕｌｔａ ｎｅｏｕｓ Ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ− Ａ ｎｅｗ ｃｏｎｃｅｐｔ ｏｆ Ｈ ｅａｄｂｏｘ Ｄｅｓｉｎｇ」ＴＡＰＰ Ｉ，ＶＯＬ．51 Ｎｏ．10 1968年10 月，ｐ．425−432 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) D21F 1/02 - 1/06

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】製紙機械の幅を横切って流入繊維紙料を分
   配するヘッドと； 複数の管で構成する管バンクであって、その管は複数の
   積層列を形成し、各管はマシン方向へ伸長して前記ヘッ
   ダからの紙料の流れを受入れるように同ヘッダから出口
   壁まで伸長している管バンクとを有し； 前記ヘッダに後続し、前記管バンクにより前記ヘッダに
   直接流体連絡するノズル室であって、同ノズル室は、前
   記管バンクから前記排出壁を通して紙料を受入れ、か
   つ、前記ノズル室は下壁へ向って収斂し同下壁から間隔
   を保たれてスライス出口を形成する上壁を有し、前記管
   は前記スライス出口へ向って収斂するように前記スライ
   ス出口から伸長する線に沿って放射方向へ伸長してお
   り； 前記管の列と列との間の前記排出壁に前記ノズル室内へ
   伸長する羽根が取付られ、それらの羽根はマシン方向と
   クロスマシン方向へ伸長し、それによって、１つの管の
   列から排出される紙料をそれに隣接する管の列から排出
   される紙料から分離しており； 前記ノズルの上壁と前記ノズルの下壁とから想像上の面
   が伸長し、クロスマシン方向へ伸長する想像上の中心線
   が、前記想像上の面の交点によって構成され、各管は前
   記中心線から放射方向へ伸長する面内に位置し、各列の
   管は単一面に位置しており； かつ、前記排出壁は円筒体のセクタで構成され、前記円
   筒体のセクタの中心軸は、前記想像上の中心線によって
   構成されている； ことを特徴とする製紙機械用ヘッドボックス装置。
2. 【請求項２】紙料の流れを受入れるヘッダと； 複数列の管を有する管バンクであって、前記ヘッダはそ
   の管バンクの各管へ事実上均一の紙料の流れを供給し； ノズルの出口で下壁に収斂する上壁を有しているノズル
   と、 前記管の前記ノズルへの排出端をなす排出壁と、同排出
   壁から前記ノズル内へ伸長する複数の羽根とを有し； 同羽根は各対をなす隣接列の管と管との間に位置づけら
   れ、各管は前記ノズルの出口から放射方向へ伸長する面
   に事実上沿って伸長し、前記ノズルの上壁と前記羽根と
   前記ノズルの下壁とでノズルを複数の区分に分割し、そ
   れら全ての区分は、事実上同じ角度幅とマシン方向への
   同一長さを有し； 前記ノズルの上壁と前記ノズルの下壁から想像上の面が
   伸長し、クロスマシン方向へ伸長する想像上の中心線
   が、前記想像上の面の交点によって構成され、各管は前
   記中心線から放射方向へ伸長する面内に位置し、各列の
   前記管が単一面に位置してなり； 前記排出壁は円筒体のセクタで構成され、前記円筒体の
   セクタの軸線が前記想像上の中心線によって構成されて
   おり； これによって、或る管の列からの紙料の各流れは、ノズ
   ル内の他の管の列からの他の流れと事実上同じ流れの状
   態をなし、それによって、前記ノズルの出口から排出さ
   れる紙料内における繊維の配向の均一性を改善すること
   を特徴とする製紙機械用ヘッドボックス装置。