KR20180114110A

KR20180114110A - 종이 제품의 제조를 위한 성형 롤

Info

Publication number: KR20180114110A
Application number: KR1020187026061A
Authority: KR
Inventors: 데이비드 에이. 벡
Original assignee: 쥐피씨피 아이피 홀딩스 엘엘씨
Priority date: 2016-02-08
Filing date: 2017-01-31
Publication date: 2018-10-17
Also published as: CA3013045A1; US20190032279A1; EP4249675A2; RU2018132054A3; US11802375B2; WO2017139125A1; JP2019504936A; MX2018009608A; BR112018016166A2; EP4249675A3; US20210087749A1; RU2018132054A; EP3414394B1; CN108603339A; ES2959239T3; CL2018002068A1; BR112018016166B1; FI3414394T3; RU2725390C2; JP6930987B2

Abstract

섬유 시트(fibrous sheet)를 성형(molding)하기 위한 롤(roll)이 개시된다. 상기 롤은 실린더형 쉘(shell)과 진공 박스를 포함한다. 상기 실린더형 쉘은 회전 구동되도록 구성되고, 공기가 상기 실린더형 쉘을 통과하여 이동하도록 허용하기 위해 투과성(permeable)이다. 상기 실린더형 쉘은 상기 실린더형 쉘의 외부 표면상에의 투과성의 패턴화된 표면(permeable patterned surface)을 가진다. 상기 투과성의 패턴화된 표면은 다수의 오목부들(recesses)과 다수의 돌기들(projections) 중 적어도 하나를 가진다. 상기 다수의 오목부들(recesses)과 다수의 돌기들(projections) 중 적어도 하나의 밀도는 대략 평방인치당 50보다 크다. 상기 진공 박스는 상기 실린더형 쉘의 내부에 위치하며, 상기 실린더형 쉘의 외부 표면으로부터 상기 실린더형 쉘의 내부 표면으로 공기를 끌어당기도록 구성된다. 상기 진공 박스는 상기 실린더형 쉘의 회전에 대하여 정지된다.

Description

종이 제품의 제조를 위한 성형 롤

관련 출원의 상호 참조

본 출원은 2016년 2월 8일에 제출된 미국 임시출원번호 62/292,379호에 기초하며, 이는 그 전체가 여기에 참조로 통합된다.

본 발명은 종이 타월과 화장실 휴지와 같은 종이 제품을 제조하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 종이 제품을 형성하는 동안 종이 웹(paper web)을 성형하기 위한 성형 롤(molding roll)에 관한 것이다.

일반적으로 말해서, 종이 웹을 형성하기 위해 제지 섬유의 수성 슬러리(aqueous slurry)를 포함하는 완성지료(furnish)를 형성부(forming section)에 퇴적시키고, 그 다음에 종이 제품을 형성하기 위해 상기 웹을 탈수시킴으로써 종이 제품들이 형성된다. 다양한 방법들과 기계장치들이 종이 웹의 형성과 상기 웹의 탈수를 위해 사용된다. 화장지와 타월 제품을 제조하기 위한 제지 공정에 있어서, 예를 들어, 공정 중에 물을 제거하기 위한 많은 방법이 있으며, 그 각각은 실질적인 가변성을 가진다. 그 결과로서, 종이 제품들도 마찬가지로 그 특성들에 큰 가변성을 가진다.

종이 웹을 탈수하는 하나의 방법은 본 기술 분야에 종래의 습식 가압(CWP; conventional wet pressing)으로 알려져 있다. 도 1은 CWP 제지 기계(100)의 예를 보여준다. 제지 기계(100)는 형성부(forming section)(110)를 가지며, 이는, 이 경우에, 본 기술 분야에서 크리센트 형성기(crescent former)로 지칭된다. 형성부(110)는, 형성 직물(forming fabric)(114)과 제지 펠트(papermaking felt)(116) 사이에 수성 완성지료(aqueous furnish)를 퇴적시킴으로써 처음으로 초기 웹(nascent web)(102)을 형성하는 헤드박스(headbox)(112)를 포함한다. 형성 직물(114)은 롤들(122, 124, 126, 128)에 의해 지지된다. 제지 펠트(116)는 형성 롤(forming roll)(120)에 의해 지지된다. 초기 웹(102)은 제지 펠트(116)에 의해 펠트 런(felt run)(118)을 따라서 이송되며, 펠트 런(118)은 가압 롤(132)로 연장되고, 여기서 초기 웹(102)은 가압 닙(press nip)(130)에서 양키 건조부(Yankee dryer section)(140) 상으로 퇴적된다. 초기 웹(102)은 가압 닙(130) 내에서 양키 건조부(140)로의 이송과 동시에 습식-가압된다. 그 결과, 웹(12)의 농도가 가압 닙(130) 직전에 대략 20 퍼센트 고체(percent solids)로부터 가압 닙(130) 직후에 대략 30 퍼센트 고체 내지 대략 50 퍼센트 고체 사이로 증가한다. 양키 건조부(140)는, 예를 들어, 웹(102)을 추가 건조시키기 위해 증기가 채워진 드럼(142)("양키 드럼")과 고온의 공기 건조 후드(144, 146)를 포함한다. 웹(102)은 닥터 블레이드(doctor blade)(152)에 의해 양키 드럼(142)으로부터 제거될 수 있으며, 그 다음에 페어런트 롤(parent roll)(190)을 형성하기 위해 릴(미도시) 상에 감긴다.

제지 기계(100)와 같은 CWP 제지 기계는 일반적으로 낮은 건조(drying) 비용을 가지며, 대략 분당 3천 피트로부터 분당 5천 피트 이상의 속도로 페어런트 롤(190)을 신속하게 생산할 수 있다. CWP를 사용하는 종이 제조는 높은 작업성과 가동 시간을 가진 제조 기계를 제공하는 완숙된 공정이다. 가압 닙(130)에서 웹(102)을 탈수하기 위해 사용되는 압축의 결과로서, 생산된 종이 제품은 일반적으로 대응되는 높은 섬유 비용(fiber cost)을 가진 낮은 벌크(bulk)를 가진다. 이는 롤당 높은 시트 수(sheet count)를 가진 두루마리 종이 제품, 예컨대 종이 타월 또는 화장실 휴지를 생산할 수 있지만, 그 종이 제품은 일반적으로 낮은 흡수성을 가지며 감촉이 거칠게 느낄 수 있다.

소비자들은 종종 감촉이 부드럽고 높은 흡수성을 가진 종이 제품을 원하기 때문에, 다른 제지 기계들과 방법들이 개발되었다. 통기 건조(TAD: Through-air-drying)는 높은 벌크(high bulk)를 가진 종이 제품을 생산하는 하나의 방법이다. 도 1는 TAD 제지 기계(200)의 예를 보여준다. 이 제지 기계(200)의 형성부(230)는 본 기술 분야에서 트윈-와이어(twin-wire) 형성부로서 알려져 있으며, 도 1의 크리센트 형성기와 유사한 시트를 생산한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 완성지료(furnish)는 처음으로 헤드박스(202)를 통해 제지 기계(200) 내로 공급된다. 완성지료는 헤드박스(202)에 의해, 형성 롤(208)의 앞에서, 제1 형성 직물(204)과 제2 형성 직물(206) 사이의 닙 내부로 공급된다. 제1 형성 직물(204)과 제2 형성 직물(206)은 연속된 루프들 내에서 이동하며 형성 롤(208)을 넘은 후에 분기한다. 시트를 탈수시키기 위해 그리고 시트가 제2 형성 직물(206)에 부착되어 머무르는 것을 보장하기 위해, 진공 박스와 같은 진공 요소들, 또는 포일(foil) 요소들(미도시)이 분기 영역 내에 채용될 수 있다. 제1 형성 직물(204)로부터 분리된 후에, 제2 형성 직물(206)과 웹(102)은, 흡입 박스(suction box)(214)가 웹(102)과 제2 형성 직물(206)로부터 수분을 제거하는 추가적인 탈수 영역(212)을 통과하며, 그럼으로써 웹(102)의 농도(consistency)는, 예를 들어, 대략 10 퍼센트 고체로부터 대략 28 퍼센트 고체까지 증가한다. 탈수의 향상을 위해 탈수 영역(212) 내에 뜨거운 공기가 사용될 수 있다. 그 다음에, 웹(102)은 이송 닙(218)에서 통기 건조(TAD) 직물(216)로 이송되며, 여기서 슈(shoe)(220)가 제2 형성 직물(206)에 대하여 TAD 직물(216)을 가압한다. 일부 TAD 제지 기계에 있어서, 슈(220)는 TAD 직물(216)로의 웹(102)의 이송을 보조하기 위해 진공을 적용하는 진공 슈이다. 또한, 이송 닙(218) 내에서 웹(102)을 이송할 뿐만 아니라 웹(102)을 조직화하기 위해 소위 러쉬 이송(rush transfer)이 사용될 수 있다. 러쉬 이송은 제2 형성 직물(206)이 TAD 직물(216)보다 더 빠른 속도로 이동할 때 발생한다.

종이 웹(102)을 운반하는 TAD 직물(216)은 다음으로 통기 건조기들(222, 224)의 둘레를 통과하며, 여기서 뜨거운 공기가 웹을 통과하면서 종이 웹(102)의 농도를 대략 28퍼센트 고체로부터 대략 80퍼센트 고체로 증가시킨다. 웹(102)은 그 다음에 양키 건조부(140)로 이송되며, 여기서 웹(102)은 추가적으로 건조된다. 시트는 그 다음에 닥터 블레이드(152)에 의해 양키 드럼(142)에서 제거되며, 페어런트 롤(parent roll)(미도시)을 형성하기 위해 릴(미도시)에 의해 수거된다.

건조 공정 중에 최소의 압축의 결과로서, 생산된 종이 제품은 높은 벌크와 대응되는 낮은 섬유 비용을 가진다. 불행하게도, 이 공정은 많은 물이 비싼 열 건조에 의해 제거되기 때문에 많은 비용이 들어간다. 또한, TAD에 의해 제조된 종이 제품 내의 제지 섬유들은 일반적으로 강하게 결합되지 않으며, 그 결과 종이 제품은 약할 수 있다.

TAD와 비교하여 여전히 종이 웹 내의 강도를 유지하고 낮은 건조 비용을 가지면서, CWP와 비교하여 종이 제품의 벌크와 부드러움을 증가시키기 위해 다른 방법들이 개발되었다. 이러한 방법들은 일반적으로 젖은 웹을 콤팩트하게 탈수하고 그 다음에 원하는 성질들을 달성하기 위해 웹 섬유들이 재분배되도록 웹을 벨트 크레이핑(belt creping)하는 것을 포함한다. 이 방법은 여기서 벨트 크레이핑으로 지칭되며, 예를 들어, 미국 특허 번호 7,399,378호, 7,442,278호, 7,494,563호, 7,662,257호, 및 7,789,995호(이들의 개시 내용은 그 전체가 여기에 참조로서 통합된다)에 설명되어 있다.

도 3은 벨트 크레이핑을 사용하는 제지 기계(300)의 예를 보여준다. 도 1에 도시된 CWP 제지 기계(100)와 유사하게, 벨트 크레이핑 제지 기계(300)는 위에서 형성부(110)로서 설명된 크리센트 형성기를 사용한다. 형성부(110)를 벗어난 후, 일단부에서 롤(108)에 의해 지지되는 펠트 런(118)은 슈 가압부(shoe press section)(310)로 연장된다. 여기서, 웹(102)은 백킹 롤(312)과 슈 가압 롤(314) 사이에 형성된 닙에서 제지 펠트(116)로부터 백킹 롤(backing roll)(312)로 이송된다. 슈(316)는 이송과 동시에 닙을 로딩하고 웹(102)을 탈수시키는데 사용된다.

웹(102)은 그 다음에 벨트 크레이핑 닙(320) 내에서 크레이핑 닙(320)의 작용에 의해 크레이핑 벨트(322) 상으로 이송된다. 크레이핑 닙(320)은 백킹 롤(312)과 크레이핑 벨트(322) 사이에 형성되며, 크레이핑 벨트(322)는 크레이핑 롤(326)에 의해 백킹 롤(312)에 대하여 가압된다. 크레이핑 닙(320)에서의 이송에 있어서, 웹(102)의 셀룰로즈 섬유들은 위치가 옮겨지고 지향된다. 웹(102)은 크레이핑 벨트(322)에 비하여 백킹 롤(312)의 더 매끈한 표면에 달라 붙는 경향이 있을 수 있다. 따라서, 백킹 롤(312)로부터 크레이핑 벨트(322)로의 이송을 용이하게 하기 위해, 백킹 롤(312) 상에 해제 오일들을 도포하는 것이 바람직하다. 또한, 백킹 롤(312)은 증기 가열 롤일 수 있다. 웹(102)이 크레이핑 벨트(322) 상으로 이송된 후에, 크레이핑 벨트(322) 지형 내부로 웹(102)을 당김으로써 시트 캘리퍼(sheet caliper)를 증가시키기 위해, 웹(102)에 진공을 적용하기 위해 진공 박스(324)가 사용될 수 있다.

일반적으로, 크레이핑 벨트(322)로의 이송을 용이하게 하고 시트 벌크와 부드러움을 더 향상시키기 위해, 백킹 롤(312)로부터 크레이핑 벨트(322)로 웹(102)의 러쉬 이송을 수행하는 것이 바람직하다. 러쉬 이송 중에, 크레이핑 벨트(322)는 백킹 롤(312) 상의 웹(102)보다 느린 속도로 이동한다. 다른 것들 중에, 벌크가 증가하고 크레이핑 벨트(322)로의 이송이 향상되도록 종이 웹(102)에 조직을 부여하기 위해, 러쉬 이송은 크레이핑 벨트(322) 상에 종이 웹(102)을 재분배한다.

이러한 크레이핑 작동 후에, 웹(102)은 양키 건조부(140) 내에서 낮은 강도의 가압 닙(328)에서 양키 드럼(142) 상에 퇴적된다. 도 1에 도시된 CWP 제지 기계(100)와 같이, 웹(102)은 그 다음에 양키 건조부(140) 내에서 건조되고 그 다음에 릴(미도시) 상에 감긴다. 크레이핑 벨트(322)는 웹(102)에 바람직한 벌크와 조직을 부여하지만, 크레이핑 벨트(322)는 사용하기 어려울 수 있다. 크레이핑 벨트(322)는 그 경로를 따라 이동하기 때문에, 벨트는 휘어지고 신축되며, 크레이핑 벨트(322)의 피로를 초래한다. 따라서, 크레이핑 벨트(322)는 피로 파괴에 취약하다. 또한, 크레이핑 벨트(322)는 상업적 유사성 없이 주문 설계되는 요소이다. 그들은 목표로 하는 조직을 종이 웹에 부여하도록 설계되며, 그들은 생산량이 적은 요소이고 이전의 상업적 이력이 거의 존재하지 않기 때문에 제조하기가 어려울 수 있다. 또한, 웹(102)이 백킹 롤(312)로부터 크레이핑 벨트(322)로 러쉬 이동될 때 제지 기계(300)의 속도는 크레이프 비율(crepe ratio)에 의해 늦어진다. 더 늦은 현존 웹 속도는 벨트가 없는 크레이프 시스템과 비교하여 더 느린 생산 속도로 이어진다. 또한, 이러한 크레이핑 벨트는 넓은 바닥 면적을 요구하며 이에 따라 제지 기계(300)의 크기와 복잡성이 증가한다. 더욱이, 크레이핑 벨트(322)로의 균일하고 신뢰성 있는 시트 이송은 달성되기 어려울 수 있다.

본 발명의 목적은, 크레이핑 벨트의 어려움 없이 직물 크레이핑에 필적하는 종이 품질을 달성할 수 있는 방법과 장치를 향상시키는 것이다.

일 측면에 따르면, 본 발명은 섬유 시트(fibrous sheet)를 성형(molding)하기 위한 롤(roll)에 관한 것이다. 상기 롤은 실린더형 쉘과 진공 박스를 포함한다. 상기 실린더형 쉘은 원주 방향으로 회전 구동되도록 구성되며, 공기가 상기 실린더형 쉘을 통과하여 이동하도록 허용하기 위해 투과성이다. 상기 실린더형 쉘은 내부 표면, 외부 표면, 및 상기 실린더형 쉘의 외부 표면상에 투과성의 패턴화된 표면(permeable patterned surface)을 가진다. 상기 투과성의 패턴화된 표면은 다수의 오목부들(recesses)과 다수의 돌기들(projections) 중 적어도 하나를 가진다. 상기 다수의 오목부들(recesses)과 다수의 돌기들(projections) 중 적어도 하나의 밀도는 대략 평방인치당 50보다 크다. 상기 진공 박스는 상기 실린더형 쉘의 내부에 위치하며, 상기 실린더형 쉘의 외부 표면으로부터 상기 실린더형 쉘의 내부 표면으로 공기를 끌어당기도록 구성된다. 상기 진공 박스는 상기 실린더형 쉘의 회전에 대하여 정지된다.

본 발명의 측면들은 아래의 개시 내용으로부터 명백하게 될 것이다.

도 1은 종래의 습식 가압 제지 기계의 개략도이다.
도 2는 통기-건조 제지 기계의 개략도이다.
도 3은 벨트 크레이핑을 이용한 제지 기계의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 제1 실시예의 제지 기계 구성의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 제2 실시예의 제지 기계의 구성의 개략도이다.
도 6a와 6b는 본 발명의 바람직한 제3 실시예의 제지 기계 구성의 부분 개략도들이다.
도 7a와 7b는 본 발명의 바람직한 제4 실시예의 제지 기계 구성의 부분 개략도들이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 제5 실시예의 제지 기계 구성의 부분 개략도이다.
도 9a와 9b는 본 발명의 바람직한 제6 실시예의 제지 기계 구성의 부분 개략도들이다.
도 10a와 10b는 본 발명의 바람직한 제7 실시예의 제지 기계 구성의 부분 개략도들이다.
도 11a와 11b는 본 발명의 바람직한 제8 실시예의 제지 기계 구성의 부분 개략도들이다.
도 12는 본 발명의 바람직한 실시예의 성형 롤의 사시도이다.
도 13은 도 12의 13-13 평면을 따른 도 12에 도시된 성형 롤의 단면도이다.
도 14는 14-14 선을 따른 도 13에 도시된 성형 롤의 단면도이다.
도 15a, 15b, 15c, 15d 및 15e는 도 14의 상세부 15를 보여주는 투과성 쉘의 실시예이다.
도 16은 본 발명의 바람직한 실시예의 성형 층의 예이다.
도 17은 본 발명의 바람직한 실시예의 성형 층의 예이다.
도 18은 본 발명의 바람직한 실시예의 성형 롤의 사시도이다.

본 발명은 종이 제품을 생산하기 위해 성형 롤(molding roll)을 사용하는 제지 공정과 장치에 관한 것이다. 아래에서 본 발명의 실시예들이 첨부된 도면들을 참조하면서 상세하게 설명될 것이다. 명세서와 첨부된 도면들에 걸쳐, 동일 또는 유사한 구성요소 또는 특징들을 언급하기 위해 동일한 참조 번호가 사용될 것이다.

여기서 사용되는 "종이 제품(paper product)"이라는 용어는 제지 섬유(papermaking fibers)를 포함하는 임의의 제품을 포괄한다. 이는, 예를 들어, 종이 타월, 화장실 휴지, 고급 화장지, 등으로 마케팅되는 제품들을 포함할 수 있다. 제지 섬유들은 버진 펄프(virgin pulp) 또는 재생 (이차) 셀룰로즈 섬유, 또는 적어도 51%의 셀룰로즈 섬유를 포함하는 섬유 혼합물을 포함한다. 이러한 셀룰로즈 섬유는 목재 섬유와 비목재 섬유를 포함할 수 있다. 목재 섬유는, 예를 들어, 낙엽수와 침엽수로부터 얻어진 것을 포함하며, 북방 및 남방 연질 목재 크래프트 섬유와 같은 연질 목재 섬유와, 유칼립투스, 단풍나무, 자작나무, 사시나무, 등과 같은 경질 목재 섬유를 포함한다. 본 발명의 제품을 제조하기에 적합한 섬유들의 예는 비목재 섬유, 예컨대 목화 섬유 또는 목화 파생물, 마닐라삼, 케나프(kenaf), 사바이 풀, 아마(flax), 아프리카 수염새, 짚, 황마(jute hemp), 버개스(bagasse), 유액분비 플로스 섬유(milkweed floss fiber), 및 파인애플 잎 섬유를 포함한다. 추가적인 제지 섬유들은 비-셀룰로즈 물질들, 예컨대 탄산칼슘, 이산화티타늄 무기질 필러, 등과 폴리에스터, 폴리프로필렌, 등과 같은 일반적인 인공 섬유들을 포함할 수 있으며, 이들은 완성지료에 의도적으로 첨가되거나 재생 종이를 사용할 때 완성지료 내에 포함될 수 있다.

"완성지료(furnish)" 및 유사한 용어들은 제지 섬유들, 그리고, 선택적으로, 습윤 강도 수지, 디본더(debonder), 등을 포함하는 종이 제품을 제조용 수성 조성물을 지칭한다. 다양한 완성지료가 본 발명의 실시예들에 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 완성지료는 미국 특허 번호 8,080,130호(그 개시 내용은 그 전체가 참조로서 통합된다)에 기재된 사양에 따라 사용된다. 여기서 사용되는, 제지 공정에서 최종 제품으로 건조되는 초기 섬유와 액체 혼합물(또는 지료)은 "웹(web)", "종이 웹", "셀룰로즈 시트", 및/또는 "섬유 시트"로 지칭될 것이다. 최종 제품도 셀룰로즈 시트 및/또는 섬유 시트로 지칭될 수 있다. 또한, 제지 기계 또는 공정의 특정 지점의 웹을 설명하기 위해 다른 수식어도 다양하게 사용될 수 있다. 예를 들어, 웹은 "초기 웹(nascent web)", "습한(moist) 초기 웹", "성형된 웹", 및 "건조된 웹"으로 지칭될 수도 있다.

여기서 본 발명을 설명할 때, "기계 방향(MD)"과 "교차 기계 방향(cross machine direction)(CD)"이라는 용어는 본 기술 분야에서 잘 이해되는 의미에 따라 사용될 것이다. 즉, 직물 또는 다른 구조물의 MD는 제조 공정에서 구조물이 제지 기계 상에서 이동하는 방향을 지칭하는 한편, CD는 구조물의 MD와 교차하는 방향을 지칭한다. 유사하게, 종이 제품을 참조하는 경우, 종이 제품의 MD는 제지 공정에서 제지 기계 상에서 제품이 이동하는 제품상의 방향을 지칭하고, 제품의 CD는 제품의 MD와 교차하는 방향을 지칭한다.

여기서 본 발명의 설명할 때, 제지 기계를 위한 작동 조건들과 변환 라인의 특정 예들이 사용될 것이다. 예를 들어, 제지 기계 상에서 종이 생산을 설명할 때 다양한 속도와 압력이 사용될 것이다. 본 기술 분야의 기술자는, 본 발명은 여기서 개시되는 속도와 압력을 포함하는 작동 조건들의 특정 예들에 제한되지 않는다는 것을 인식할 것이다.

Ⅰ. 지지 기계의 제1 실시예

도 4는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따라 종이 웹을 생성하기 위해 사용되는 제지 기계(400)를 보여준다. 도 4에 도시된 제지 기계(400)의 형성부(forming section)(110)는 위에서 설명되고 도 1과 3에 도시된 형성부(110)와 유사한 크리센트 형성기(crescent former)이다. 상기 크리센트 형성부(110)의 대안의 일 예는 도 2에 도시된 트윈-와이어(twin-wire) 형성부(230)를 포함한다. 이러한 구성에서, 트윈-와이어 형성부의 하류의, 이러한 제지 기계의 구성요소들의 나머지는 제지 기계(400)와 유사한 방식으로 구성되고 배치될 수 있다. 트윈-와이어 형성부를 가진 제지 기계의 예는, 예를 들어, 미국 특허 출원 공개 번호 2010/0186913호(그 개시내용은 그 전체가 참조로서 통합된다)에서 볼 수 있다. 제지 기계에 사용될 수 있는 대체 가능한 형성부의 또 다른 예들은 C-랩(wrap) 트윈 와이어 형성기, S-랩 트윈 와이어 형성기, 또는 흡입 브레스트 롤 형성기(suction breast roll former)를 포함한다. 본 기술 분야의 기술자는 이러한 또는 추가적인 대체 가능한 형성부들이 제지 기계 내에 어떻게 통합될 수 있는지를 인식할 것이다.

상기 초기 웹(102)은 그 다음에 펠트 런(felt run)(118)을 따라서 탈수부(dewatering section)(410)로 이송된다. 그러나, 몇몇의 애플리케이션들에서, 상기 형성부(110)로부터 분리된 탈수부는 요구되지 않으며, 이는, 예를 들어, 아래의 제2 실시예에서 논의될 것이다. 상기 탈수부(410)는 초기 웹(102)의 고체 함량을 증가시켜 습한 초기 웹(102)을 형성한다. 상기 습한 초기 웹(102)의 바람직한 농도는 원하는 애플리케이션에 따라 변할 수 있다. 이 실시예에서, 상기 초기 웹(102)은 탈수되어, 바람직하게는 대략 20 퍼센트 고체와 대략 70 퍼센트 고체 사이의 농도, 더 바람직하게는 대략 30 퍼센트 고체와 대략 60 퍼센트 고체 사이의 농도, 더욱더 바람직하게는 대략 40 퍼센트 고체와 대략 55 퍼센트 고체 사이의 농도를 가진 습한 초기 웹(102)을 형성한다. 상기 초기 웹(102)은 제지 펠트(papermaking felt)(116)로부터 백킹 롤(backing roll)(312)로 이송되면서 동시에 탈수된다. 도 3을 참조하면서 위에서 설명되었으며, 예를 들어, 미국 특허 번호 6,248,210호(그 개시 내용은 그 전체가 참조로 통합된다)에 개시된 바와 같이, 상기 탈수부(410)는 초기 웹(102)을 탈수시키기 위해 백킹 롤(312)에 대하여 초기 웹(102)을 가압하는 슈 가압 롤(shoe press roll)(314)을 사용한다. 본 기술 분야의 기술자는, 예를 들어, 본 출원인의 선행 특허인 미국 특허 번호 6,161, 303호와 6,416,631호에 기재된 바와 같은 롤 가압 또는 변위 가압을 포함하는 본 기술 분야에 알려진 임의의 적합한 방법을 사용하여 상기 초기 웹(102)을 탈수할 수 있다는 것을 인식할 것이다. 아래에서 더 논의되는 바와 같이, 상기 초기 웹(102)은 흡입 박스(suction box) 및/또는 열 건조(thermal drying)를 사용하여 탈수될 수 있다. 또한, 도 3을 참조하면서 위에서 논의된 바와 같이, 상기 초기 웹(102)의 성형 롤(molding roll)(420)로의 이송을 보조하기 위해 상기 백킹 롤(312)의 표면은 가열될 수 있다. 상기 백킹 롤(312)은 임의의 적합한 수단, 예를 들어, 증기 가열 롤 또는 유도 가열 롤을 사용하여 가열될 수 있으며, 유도 가열 롤은 캐나다 퀘벡의 Comaintel of Grand-Mere에 의해 제조된 것일 수 있다. 상기 백킹 롤(312)의 표면은 바람직하게는 대략 화씨 212도 내지 대략 화씨 220도 사이의 온도로 가열된다.

탈수된 후에, 상기 습한 초기 웹(102)은 백킹 롤(312)의 표면으로부터 성형 영역(molding zone) 내의 성형 롤(molding roll)(420)로 이송된다. 이 실시예에서, 상기 성형 영역은 백킹 롤(312)과 성형 롤(420) 사이에 형성된 성형 닙(molding nip)(430)이다. 상기 성형 닙(430)에서, 제지 섬유들은 성형 롤(420)의 패턴화된 표면(patterned surface)(422)에 의해 재분배되어, 가변적이고 패턴화된 섬유 방향들과 가변적이고 패턴화된 기본 중량(basic weight)을 가진 종이 웹(102)이 성형된다. 특히, 상기 패턴화된 표면(422)은 바람직하게는 다수의 오목부들(recesses)(또는 "포켓들")과, 몇몇의 경우에는, 돌출부들을 포함하며, 이들은 성형된 웹(molded web)(102) 내의 돌출부들과 오목부들에 대응된다. 상기 성형 롤(420)은 도 4에서 반시계 방향인 성형 롤 방향으로 회전한다.

상기 성형 롤(420)의 사용은 제지 공정에 실질적인 이익을 부여한다. 상기 성형 롤(420)로 웹(102)을 습식 성형하면, 도 2에 도시된 TAD 공정의 비효율성과 비용 없이, 도 1에 도시된 CWP에 의해 제조된 종이 제품보다 바람직한 시트 특성, 예컨대 벌크(bulk) 및 흡수성이 향상된다. 또한, 상기 성형 롤(420)을 사용하면, 웹(102)을 성형하기 위해 도 3에 도시된 크레이핑 벨트(322)와 같은 벨트를 사용하는 공정과 비교하여, 상기 제지 기계(400)와 공정의 복잡성이 크게 감소한다. 벨트는 제조하기가 어렵고 패턴화된 표면을 가진 벨트를 만들기 위해 사용될 수 있는 재료에 있어서 제한된다. 벨트는 다수의 롤과 많은 가동 부품들의 사용을 요구하며, 이는 벨트 런(belt run)을 복잡하고, 작동이 어려우며, 많은 수의 고장 지점들이 발생되도록 한다. 또한, 벨트 런은 제지 기계와 공장 내부에 바닥 면적을 포함하는 큰 체적을 요구한다. 그 결과, 이러한 벨트 런은 이미 비싼 자본 설비의 비용을 증가시킬 수 있다. 한편, 상기 성형 롤(420)은 비교적 덜 복잡하고 최소의 부피와 바닥 면적을 요구한다. 기존의 CWP 기계(도 1 참조)는 성형 롤(420)과 백킹 롤(312)의 추가에 의해 쉽게 습식 성형 제지 공정으로 변환될 수 있다. 상기 패턴화된 표면(422)은 성형 롤(420)에 또는 성형 롤의 부분에 있기 때문에, 벨트에 요구되는 휨과 신축을 견디기 위한 설계가 필요 없다.

제1 실시예에서, 습한 초기 웹(102)은 러쉬 이송(rush transfer)에 의해 백킹 롤(312)로부터 성형 롤(420)로 이송될 수 있다. 러쉬 이송 중에, 상기 성형 롤(420)은 웹(102)과 백킹 롤(312)보다 느린 속도로 이동한다. 이러한 점에서, 상기 웹(102)은 속도 차이에 의해 크레이핑 되며, 크레이핑의 정도는 보통 크레이핑 비율(creping ratio)로 지칭된다. 이 실시예에서, 크레이핑 비율은 수학식 1에 따라 계산될 수 있다.

크레이핑 비율(%) = (S₁/S₂ - 1) × 100% (수학식 1)

여기서, S₁은 백킹 롤(312)의 속도이고, S₂는 성형 롤(420)의 속도이다. 바람직하게는, 상기 웹(102)은 대략 5% 내지 대략 60%의 비율로 크레이핑 된다. 그러나, 100%에 접근하거나 또는 100%를 초과하는, 높은 정도의 크레이핑이 채용될 수 있다. 크레이핑 비율은 보통 시트 내의 벌크의 정도에 비례하지만, 제지 기계의 처리량, 따라서 제지 기계(400)의 생산량에 반비례한다. 이 실시예에서, 상기 백킹 롤(312) 상에서 종이 웹(102)의 속도는 바람직하게는 대략 분당 천 피트에서 대략 분당 6천5백 피트까지 일 수 있다. 상기 백킹 롤(312) 상에서 종이 웹(102)의 속도는 공정이 허용하는 한 빠른 것이 더욱 바람직하며, 일반적으로 건조부(drying section)(440)에 의해 제한된다. 더 높은 벌크 제품을 위해, 더 느린 제지 기계 속도가 수용될 수 있으며 더 높은 크레이핑 비율이 사용된다.

상기 성형 닙(430)은 시트 이송을 위해 그리고 시트의 특성을 제어하기 위해 하중이 걸릴 수 있다. 러쉬 이송 또는 다른 방법, 예컨대 아래에서 제3 실시예에서 논의되는 진공 이송이 사용될 때, 성형 닙(430)에서 작은 압축이 작용하거나 또는 압축이 작용하지 않을 수 있다. 성형 닙(430)에 하중이 걸릴 때, 백킹 롤(312)은 바람직하게는 성형 롤(420)에 대략 직선 인치당 20 파운드("PLI")로부터 대략 300 PLI까지, 더 바람직하게는, 대략 40 PLI로터 대략 150 PLI까지의 하중을 가한다. 그러나, 높은 강도, 낮은 벌크의 시트를 위해, 본 기술 분야의 기술자는, 상업적 기계에서, 오직 채용된 특정 기계에 의해 제한되는, 최대 압력은 가능한 한 높을 수 있다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 현실성이 있는 경우, 그리고, 러쉬 이송이 사용될 때, 백킹 롤(312)과 성형 롤(420) 사이의 속도 차이가 유지될 수 있고 시트 특성 요구가 맞춰질 수 있다면, 150 PLI를 초과하여, 500 PLI 또는 그 이상의 압력도 사용될 수 있다.

성형된 후, 성형된 웹(102)은 건조부(drying section)(440)로 이송되며, 여기서 상기 웹(102)은 대략 95 퍼센트 고체의 농도로 더 건조된다. 상기 건조부(440)는 주로 양키 건조부(140)를 포함한다. 위에서 논의된 바와 같이, 양키 건조부(140)는, 예를 들어, 상기 웹(102)을 건조하는데 사용되는 증기가 채워진 드럼("양키 드럼")(142)을 포함한다. 또한, 웹(102)이 양키 드럼(142) 상에서 운반되는 동안, 웹(102)을 더 건조시키기 위해, 습한 단부 후드(wet end hood)(144)와 건조 단부 후드(146)로부터의 고온의 공기가 웹(102)으로 향한다. 상기 웹(102)은 이송 닙(450)에서 성형 롤(420)로부터 양키 드럼(142)으로 이송된다. 이 실시예의 제지 기계(400)가 성형 롤(420)로부터 건조부(440)로 직접 이송을 보여주고 있다고 할지라도, 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 다른 중간 공정이 성형 롤(420)과 건조부(440) 사이에 배치될 수 있다.

이 실시예에서, 이송 닙(450)도 압력 닙이다. 여기서, 하중은 양키 드럼(142)과 성형 롤(420) 사이에 발생되며 바람직하게는 대략 50 PLI로부터 대략 350 PLI까지의 선하중(line loading)을 가진다. 그 다음에, 상기 웹(102)은 성형 롤(420)의 표면으로부터 양키 드럼의 표면으로 이송된다.

대략 25 퍼센트로부터 대략 70 퍼센트의 농도에서, 때때로, 성형 롤(420)로부터 웹(102)을 완전히 제거하기에 충분할 정도로 단단하게 웹(102)을 양키 드럼(142)의 표면에 부착시키기 힘들다. 상기 웹(102)과 양키 드럼(142)의 표면 사이의 접착력을 증가시키고 닥터 블레이드(doctor blade)(52)에서의 크레이핑을 향상시키기 위해, 양키 드럼(142)의 표면에 접착제가 도포될 수 있다. 접착제는 상기 시스템의 고속 작동과 높은 제트 속도의 분사 공기 건조를 허용하며, 또한 추후에 양키 드럼(142)으로부터 웹(102)의 벗김을 허용한다. 이러한 접착제의 예는 폴리(비닐 알콜)/폴리아미드 접착제 조성물이다. 이 접착제의 예시적인 도포량(application rate)은 대략 시트의 평방미터당 40밀리그램보다 적은 도포율이다. 그러나, 본 기술 분야의 기술자는 양키 드럼(142)으로의 웹(102)의 이송을 쉽게 하기 위해 매우 다양한 대체 가능한 접착제와 접착제의 양이 사용될 수 있다는 것을 인식할 것이다.

상기 웹(102)은 닥터 블레이드(doctor blade)(152)의 도움으로 양키 드럼(142)으로부터 제거된다. 양키 건조부(140)으로부터 제거된 후에, 페어런트 롤(parent roll)(190)을 형성하기 위해 릴(rell)(미도시)에 의해 감긴다. 본 기술 분야의 기술자는 상기 제지 기계(400), 특히 양키 드럼(142)의 하류에서, 릴(미도시) 이전에 다른 작업이 수행될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 이러한 작업들은, 예를 들어, 광내기(calendering)와 그림 그리기(drawing)를 포함할 수 있다.

사용함에 따라, 상기 성형 롤(420)의 패턴화된 표면(422)은 세정을 요구할 수 있다. 제지 섬유들과 다른 물질들은 패턴화된 표면(422) 상에, 특히, 포켓들 내에 유지될 수 있다. 작업 중 임의의 시간에, 패턴화된 표면(422)의 오직 일부분이 종이 웹(102)과 접촉하여 종이 웹(102)을 성형한다. 도 4에 도시된 롤들의 배치 형태에서, 성형 롤(420)의 원주의 대략 반이 종이 웹(102)과 접촉하며 다른 반(이하에서 자유 표면)은 접촉하지 않는다. 패턴화된 표면(422)을 세정하기 위해 성형 롤(420)의 자유 표면 맞은편에 세정부(cleaning section)(460)가 배치될 수 있다. 본 기술 분야에 알려진 임의의 적합한 세정 방법과 장치가 사용될 수 있다. 도 4에 도시된 상기 세정부(460)는 니들 젯(needle jet), 예컨대 메사추세츠주 웨스트퍼드의 Kadant에 의해 만들어진 JN 스프레이 노즐이다. 노즐(462)은 세정 매체, 예컨대 물 및/또는 세정용액의 고압 스트림이 성형 롤(420)의 회전 방향에 반대되는 방향으로 패턴화된 표면(422)으로 지향되도록 하는데 사용된다. 세정 매체가 흐르는 방향은 바람직하게는 세정 매체가 패턴화된 표면(422)을 타격하는 지점에서 패턴화된 표면(422)에 대한 접선과 동일한 지점에서 패턴화된 표면(422)에 대해 직각 사이이다. 그 결과, 세정 매체는 패턴화된 표면(422)상에 축적된 임의의 입자성 물질을 뜯어내어 제거한다. 상기 노즐(462)과 스트림은 세정 매체와 입자성 물질을 수집하기 위해 인클로저(464) 내에 위치한다. 세정 매체와 입자성 물질의 수집을 보조하기 위해 인클로저(464)는 진공하에 있을 수 있다.

Ⅱ. 제지 기계의 제2 실시예

도 5는 본 발명의 바람직한 제2 실시예를 보여준다. 성형 롤(420)에서 성형될 때, 습한 초기 웹(102)의 농도가 낮을수록 성형은 벌크 및 흡수성과 같은 바람직한 시트 특성들에 대해 더 큰 영향을 미친다는 것은 발견되었다. 따라서 일반적으로, 시트 벌크와 흡수성을 증가시키기 위해 초기 웹(102)을 최소로 탈수하는 것이 유리하며, 몇몇의 경우에, 형성 중에 일어나는 탈수는 성형을 위해 충분할 수 있다. 상기 웹(102)이 최소로 탈수된 때, 습한 초기 웹(102)은 바람직하게는 대략 15 퍼센트 고체로부터 대략 30% 퍼센트 고체 사이의 농도를 가진다. 이러한 낮은 농도를 가지면, 탈수/건조 중 많은 부분이 성형 다음에 일어날 것이다. 바람직하게는, 성형 중 웹(102)에 부여된 조직을 가능한 한 많이 보존하기 위해 비압축 건조 공정이 사용될 것이다. 하나의 적합한 비압축 건조 공정은 TAD의 사용이다. 다양한 실시예들 중에서, 습한 초기 웹(102)은 대략 10 퍼센트 고체로부터 대략 70 퍼센트 고체까지 연장된 농도 범위에 걸쳐 성형될 수 있다.

TAD 건조부(540)를 사용하는 제2 실시예의 예시적인 제지 기계(500)는 도 5에 도시되어 있다. 웹(102)을 형성하고 탈수시키기 위해 임의의 적합한 형성부(510)가 사용될 수 있지만, 이 실시예에서, 트윈 와이어 형성부(510)는 위에서 도 2와 관련하여 논의된 것과 유사하다. 그 다음에, 상기 웹(102)은 이송 닙(514)에서 제2 형성 직물(206)으로부터 이송 직물(512)로 이송되며, 이송 닙(514)에서 슈(shoe)(516)는 제2 형성 직물(206)에 대하여 이송 직물(512)을 가압한다. 상기 슈(516)는 이송 직물(512)로의 웹(102)의 이송을 보조하기 위해 진공을 적용하는 진공 슈일 수 있다. 그 다음에, 젖은 웹(102)은 성형 영역(molding zone)과 만난다. 이 실시예에서, 상기 성형 영역은 롤(532), 이송 직물(512), 및 성형 롤(520)에 의해 형성된 성형 닙(530)이다. 이 실시예에서, 성형 롤(520)과 성형 닙(530)은 위에서 도 4와 관련하여 논의된 성형 롤(420) 및 성형 닙(430)과 유사하게 구성되고 작동된다. 예를 들어, 상기 웹(102)은 위에서 논의된 바와 같이 이송 직물(512)로부터 성형 롤(520)로 러쉬 이송될 수 있으며, 시트 이송과 시트 특성을 제어하기 위해 롤(32)은 성형 롤(520)로 하중이 걸릴 수 있다. 속도 차이가 사용될 때, 크레이핑 비율은 수학식 2를 사용하여 계산되며, 이는 수학식 1과 유사하다.

크레이핑 비율(%) = (S₃/S₄ - 1) × 100% (수학식 2)

여기서, S₃은 이송 직물(512)의 속도이고, S₄는 성형 롤(520)의 속도이다. 마찬가지로, 상기 성형 롤(520)은 투과성(permeable) 패턴화된 표면(522)을 가지며, 이는 성형 롤(420)의 패턴화된 표면(422)과 유사하며, 바람직하게는 다수의 오목부들(recesses)(또는 "포켓들")과, 몇몇의 경우에는, 돌출부들을 포함하며, 이들은 성형된 웹(molded web)(102) 내에 대응되는 돌출부들과 오목부들을 형성한다.

선택적으로, 상기 초기 웹(102)은 별도의 진공 탈수 영역(212)으로 최소로 탈수될 수 있으며, 이 영역에서 흡입 박스(suction box)(214)는 웹(102)으로부터 수분을 제거하여 시트가 성형 닙(530)에 도달하기 전에 대략 10퍼센트 고체로부터 대략 35퍼센트 고체까지의 바람직한 농도를 달성한다. 또한, 탈수 영역(212)에서 탈수를 향상시키기 위해 고온의 공기가 사용될 수 있다.

성형 후에, 상기 웹(102)은 이송 닙(550)에서 성형 롤(520)로부터 건조부(540)으로 이송된다. 위에서 도 2와 관련하여 논의된 제지 기계(300)와 같이, 성형 롤(520)로부터 통기 건조 직물(through-air drying fabric)(216)로의 웹(102)의 이송을 보조하기 위해 이송 닙(550) 내에서 진공 슈(552)를 사용하여 진공이 적용될 수 있다. 이러한 이송은 성형 롤(520)과 TAD 직물(216) 사이의 속도 차이와 함께 또는 속도 차이 없이 일어날 수 있다. 속도 차이가 사용될 때, 크레이핑 비율은 수학식 3을 사용하여 계산되며, 이는 아래와 같이 수학식 1과 유사하다.

크레이핑 비율(%) = (S₄/S₅ - 1) × 100% (수학식 3)

여기서, S₄는 성형 롤(520)의 속도이고, S₅는 TAD 직물(216)의 속도이다. 성형 닙(530)과 이송 닙(550) 둘 다에서 러쉬 이송이 사용될 때, 전체 크레이핑 비율(각각의 닙의 크레이핑 비율을 합산함으로써 계산됨)은 바람직하게는 대략 5퍼센트 내지 대략 60퍼센트 사이이다. 그러나, 성형 닙(430)(도 4 참조)과 같이, 100퍼센트에 접근하거나 또는 100퍼센트를 초과하는 높은 정도의 크레이핑이 채용될 수 있다.

종이 웹(102)을 운반하는 상기 TAD 직물(216)은 다음으로 통기 건조기들(222, 224)의 둘레를 통과하며, 여기서 종이 웹(102)의 농도를 대략 80퍼센트 고체로 증가시키기 위해 고온의 공기가 웹을 통과하도록 강제된다. 상기 웹(102)은 그 다음에 양키 건조부(140)로 이송되고, 여기서 상기 웹(102)은 더 건조되며, 닥터 블레이드(152)에 의해 양키 건조부(140)로부터 제거된 후에, 페어런트 롤(미도시)을 형성하기 위해 릴(미도시)에 의해 감긴다.

성형 롤(520)에서 대략 10퍼센트 고체 내지 35퍼센트 고체 사이의 농도의 습한 초기 웹(102)을 습식 성형하는 것은 위에서 논의된 TAD의 관련 비용으로 고급 제품을 생산하지만, 여전히 성형 롤(520)을 사용하는 다른 이점들이 유지되며, 이러한 이점들은 증가된 벌크와 감소된 섬유 비용을 포함한다.

추가적으로, 이러한 구성은 소위 시트의 측면성(sidedness)를 제어하는 수단을 제공한다. 종이 웹(102)의 일측면이 종이 웹(102)의 일측면에서 상이한 특성들을 가지고(또는 가진 것으로 인지되고) 타측면에서는 아닐 때, 측면성이 일어날 수 있다. CWP 제지 기계(도 1 참조)를 사용하여 만들어진 종이 웹(102)에서, 예를 들어, 종이 웹(102)이 닥터 블레이드(152)에 의해 양기 드럼(142)으로부터 당겨지는 동안, 닥터 블레이드(152)는 시트를 시트의 공기 측면에서보다 시트의 양키 측면에서 더 크레이핑하기 때문에, 종이 웹(102)의 양키 측면은 공기 측면(air side)보다 더 부드러운 것으로 인지될 수 있다. 또 다른 예에서, 종이 웹(102)이 일측면에서 성형될 때, 성형 표면과 접촉하는 그 측면은 성형되지 않은 측면과 비교하여 증가된 거칠기(예컨대, 더 깊은 오목부들과 더 높은 돌출부들)를 가질 수 있다. 또한, 양키 드럼(142)과 접촉하는 성형된 종이 웹(102)의 측면은 양키 드럼(142)에 적용될 때 더 매끈하게 될 수 있다.

종이 웹(102)에 부여된 성형된 조직은 종이 웹(102)의 전체 두께를 통과하여 연속되지 않을 수도 있다는 것이 발견되었다. 따라서, 성형 닙(530) 내에서 젖은 웹(102)의 이송은 종이 웹(102)의 제1 측면(104)을 지배적으로 성형하며, 이송 닙(550) 내에서의 이송은 종이 웹(102)의 제2 측면(106)을 지배적으로 성형한다. 성형 닙(530)과 이송 닙(550) 둘 다에서 닙 파라미터들(nip parameters)을 개별적으로 제어하는 것은 측면성을 상쇄시킬 수 있다. 예를 들어, 성형 롤(520)의 패턴화된 표면(522)은, TAD 직물(216)에 의해 종이 웹(102)의 제2 측면(106)에 부여되는 것보다 (종이 웹(102)이 양키 드럼(142)에 적용되기 전에) 종이 웹(102)의 제1 측면(104)에 각각 더 깊고 더 깊은 오목부들과 돌출부들을 부여하는 포켓들과 돌기들을 가지도록 설계될 수 있다. 그 다음에, 종이 웹(102)의 제1 측면(104)이 양키 드럼(142)에 적용될 때, 양키 드럼(142)은 돌출부들의 높이를 감소시킴으로써 종이 웹(102)의 제1 측면(104)을 매끈하게 할 것이며, 그럼으로써, 종이 웹(102)이 닥터 블레이드(152)에 의해 양키 드럼(142)으로부터 벗겨질 때, 종이 웹(102)의 제1 측면(104)과 제2 측면(106)은 실질적으로 동일한 특성들을 가진다. 예를 들어, 사용자는 양 측면들이 동일한 거칠기와 부드러움을 가진 것으로 인지하거나, 또는 측정된 종이 특성들이 종이 제품을 위한 정상적인 제어 공차 내에 있다는 것을 인지할 수 있다. 측면성(sidedness)에 대항하는 것은 성형 롤(520)과 TAD 직물(216)의 패턴화된 조직을 조절하는 것에 제한되지 않는다. 또한, 측면성은 각각의 닙(530, 550)의 크레이핑 비율 및/또는 하중을 포함하는 다른 닙 파라미터들을 조절함으로써 상쇄될 수 있다.

Ⅲ. 제지 기계의 제3 실시예

도 6a와 6b는 본 발명의 바람직한 제3 실시예를 보여준다. 도 6a에 도시된 바와 같이, 제3 실시예의 제지 기계(600)는 도 4에 도시된 제1 실시예의 제지 기계(400)와 동일한 형성부(110), 탈수부(410) 및 건조부(440)를 가질 수 있다. 또는, 도 6b에 도시된 바와 같이, 제3 실시예의 제지 기계(602)는 도 5 도시된 제2 시예의 제지 기계(50)와 동일한 형성부(510)와 건조부(540)를 가질 수 있다. 여기서 이러한 부분들의 설명은 생략된다. 제1 및 제2 실시예들의 성형 롤들(420, 520)과 같이, 제3 실시예의 성형 롤(610)은 바람직하게는 다수의 오목부들("포켓들")을 가진 패턴화된 표면(612)을 가진다. 시트 이송과 시트 성형을 향상시키기 위해, 제3 실시예의 성형 롤(610)은 백킹 롤(312) 또는 이송 직물(512)로부터 성형 롤(610)로의 웹(102)의 이송을 돕기 위해 압력 차이를 이용한다. 이 실시예에서, 상기 성형 롤(610)은 성형 영역(molding zone) 내에서 도 6a에서는 백킹 롤(312)의 맞은편에 배치되고 도 6b에서는 롤(532)의 맞은편에 배치된 진공부("진공 박스")(614)를 가진다. 도 6a와 6b에 도시된 실시예들에서, 성형 영역은 성형 닙(620)이다. 상기 패턴화된 표면(612)은 투과성이며, 이에 따라 진공 박스(614)는 투과성의 패턴화된 표면(612)을 통해 유체를 끌어당김으로써 성형 닙(620) 내에 진공을 형성하는데 사용될 수 있다. 성형 닙(620) 내의 진공은 종이 웹(102)을 성형 롤(610)의 투과성 패턴화된 표면(612)상으로, 특히 투과성 패턴화된 표면(612) 내의 다수의 포켓들 내로 끌어당긴다. 따라서, 진공은 종이 웹(102)을 성형하며 종이 웹(102) 내의 제지 섬유들을 다양하고 패턴화된 섬유 방향들을 가지도록 방향을 변화시킨다.

(도 3에 도시된) 직물 크레이핑과 같은 다른 습식 성형 공정들에서, 크레이핑 벨트(322)로 이송된 다음에 진공 박스(324)에 의해 진공이 적용된다. 그러나, 이 실시예에서, 진공은 종이 웹(102)이 이송되는 동안에 적용된다. 이송 중에 진공을 적용함으로써, 이송 중 섬유들의 유동성과 진공의 끌어당김은 투과성 패턴화된 표면(612)의 포켓들 내로의 섬유의 침투 깊이를 증가시킨다. 증가된 섬유 침투는 향상된 시트 성형 규모와, 향상된 벌크와 같은 결과적인 웹 특성들에 대한 습식 성형의 더 큰 영향을 초래한다.

진공 이송의 사용은 성형 닙(620)이 감소한 닙 하중을 사용하거나 또는 닙 하중을 사용하지 않도록 한다. 따라서, 진공 이송은 더 적은 압축적인 공정이거나 심지어 압축 공정이 아닐 수 있다. 패턴화된 표면(612)의 돌기들과 웹(102) 내에 형성된 오목부들에 대응하여 배치된 제지 섬유들 사이의 압축이 감소되거나 또는 방지될 수 있다. 그 결과로서, 종이 웹(102)은, 직물 크레이핑(도 3에 도시됨) 또는 CWP(도 1에 도시됨)와 같은 압축 공정으로 만들어진 것보다 더 높은 벌크를 가질 수 있다. 성형 닙(620)에서 하중을 감소하거나 하중을 가하지 않으면, 도 3에 도시된 백킹 롤(312)과 크레이핑 벨트(322) 사이에서의 마모와 비교하여, 백킹 롤(312) 또는 이송 직물(512)과 성형 롤(610) 사이에서의 마모량이 감소될 수 있다. 크레이핑 비율(%)의 증가 및/또는 크레이핑 롤 하중의 증가는 마모를 증가시키는 경향이 있으며 이에 따라 감소된 수명으로 이어지기 때문에, 마모의 감소는 특히 러쉬 이송을 채용한 닙을 위해 중요하다.

이송 시점에 진공을 사용하는 또 다른 이점은 백킹 롤(312) 또는 이송 직물(512) 상에 이형제(release agent)의 사용의 유연성이다. 특히, 이형제는 감소되거나 또는 심지어 제거될 수 있다. 위에서 논의된 바와 같이, 종이 웹(102)은 이송 중에 두 개의 표면들 중 더 매끄러운 표면에 들러붙는 경향이 있다. 따라서, 백킹 롤(312)로부터 크레이핑 벨트(322)(도 3 참조)로의 종이 웹(102)의 이송을 보조하기 위해, 이형제는 바람직하게는 크레이핑 직물에 사용된다. 이형제는 작용을 위해 주의 깊은 제형(formulation)을 요구한다. 이형제는 또한 백킹 롤(312) 상에 적층되거나 또는 종이 웹(102) 내에 보유될 수 있다. 이형제의 사용은 효과적이지 않을 때 제지 공정에 복잡성을 추가하며, 제지 기계의 작업성을 감소시키며, 종이 웹(102) 특성을 해롭게 할 수 있다. 이 실시예에서, 이러한 문제점들 모두는 백킹 롤(312) 또는 이송 직물(512)로부터 성형 롤(610)로의 이송 지점에 진공을 사용함으로써 방지될 수 있다.

제2 실시예에서 논의된 바와 같이, 몇몇의 애플리케이션에서, 습한 초기 웹(102)이 매우 젖어 있을 때(예컨대, 대략 10퍼센트 고체로부터 대략 35퍼센트 고체의 농도에서), 습한 초기 웹(102)을 습식 크레이핑하는 것이 바람직하다. 이러한 낮은 고체 함량을 가진 웹은 이송하기가 어려울 수 있다. 본 출원인은, 이러한 매우 습한 웹은 이송 지점에서 진공을 사용하여 효과적으로 이송될 수 있다는 것을 발견하였다. 따라서, 성형 롤(610)의 또 다른 이점은 매우 젖은 습한 초기 웹(102)을 진공 박스(614)를 사용하여 습식 크레이핑하는 능력이다.

성형 닙(620)에서 진공 레벨은 백킹 롤(312) 또는 이송 직물(512)로부터 종이 웹(102)을 끌어당기기에 필요한 만큼 충분히 크다. 바람직하게는, 진공은 대략 0인치 수은으로부터 대략 25인치 수은까지이며, 보다 바람직하게는 대략 10인치 수은으로부터 대략 25인치 수은까지이다.

마찬가지로, 상기 성형 롤(6100의 진공 영역의 MD(기계 방향) 길이는 백킹 롤(312) 또는 이송 직물(512)로부터 성형 표면(612) 내로 종이 웹(102)을 끌어당기기에 충분히 길다. 이러한 MD 길이는 대략 2인치 이하로 작을 수 있다. 바람직한 길이는 성형 롤(610)의 회전 속도에 의존할 수 있다. 상기 웹(102)은 바람직하게는 제지 섬유들을 포켓 내부로 끌어당기기에 충분한 시간 동안 진공을 겪는다. 그 결과, 진공 영역의 MD 길이는 바람직하게는 성형 롤(610)의 회전 속도가 증가함에 따라 증가한다. 상기 진공 박스(614)의 MD 길이의 상한은 에너지 소비를 줄이고, 세정부(640)와 같은 다른 구성요소들을 위한 성형 롤(610) 내부의 영역을 최대화하기 위한 소망에 의해 정해진다. 바람직하게는, 진공 영역의 MD 길이는 대략 1/4인치 내지 대략 5인치, 더욱 바람직하게는 대략 1/4인치 내지 대략 2인치이다.

본 기술 분야의 기술자는 진공 영역은 단일 진공 영역으로 한정되지 않으며, 다수 영역의 진공 박스(614)가 사용될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 예를 들어, 2단계(two stage) 진공 박스(614)를 사용하는 것이 바람직할 수 있으며, 여기서 제1단계(first stage)는 백킹 롤(312) 또는 이송 직물(512)로부터 종이 웹(102)을 끌어당기기 위해 높은 레벨의 진공을 가하고, 제2단계는 투과성 패턴화된 표면(612)과 그 내부의 포켓들에 대하여 종이 웹을 끌어당김으로써 종이 웹(102)을 성형하기 위해 낮은 레벨의 진공을 가한다. 이러한 2단계 진공 박스에 있어서, 제1단계의 MD 길이와 진공 레벨은 바람직하게는 종이 웹(102)의 이송을 실행하기에 충분히 크다. 제1단계의 MD 길이는 바람직하게는 대략 1/4인치 내지 대략 5인치이며, 더욱 바람직하게는 대략 1/2인치 내지 대략 2인치이다. 마찬가지로, 진공은 바람직하게는 대략 0인치 수은 내지 대략 25인치 수은이며, 더욱 바람직하게는 대략 10인치 수은으로부터 대략 20인치 수은이다. 제2단계의 MD 길이는 바람직하게는 제1단계보다 길다. 더 긴 거리에 걸쳐 종이 웹(102)에 진공이 적용되기 때문에, 진공은 감소될 수 있으며 더 높은 벌크를 가진 종이 웹(102)을 초래한다. 제2단계의 MD 길이는 바람직하게는 대략 1/4인치 내지 대략 5인치이며, 더욱 바람직하게는 대략 1/2인치 내지 대략 2인치이다. 마찬가지로, 진공은 바람직하게는 대략 10인치 수은 내지 대략 25인치 수은이며, 더욱 바람직하게는 대략 15인치 수은 내지 대략 25인치 수은이다.

성형 닙(620) 내에 진공을 끌어들임으로써, 습한 초기 웹(102)은 유리하게 탈수될 수 있다. 웹(102)이 투과성 패턴화된 표면(612) 상에서 진공 영역(진공 박스(614)을 통과하여 이동하는 동안, 진공은 습한 초기 웹(102)으로부터 물을 인출한다. 본 기술 분야의 기술자는 탈수의 정도는, 진공 영역 내에서 습한 초기 웹(102)의 체류 시간, 진공의 강도, 크레이핑 닙 하중, 웹의 온도, 및 습한 초기 웹(102)의 초기 농도를 포함하는 몇몇의 고려 사항들의 함수라는 것을 인식할 것이다.

그러나, 본 기술 분야의 기술자는, 상기 성형 닙(6200은 이러한 디자인에 제한되지 않는다는 것을 인식할 것이다. 이 대신에, 예를 들어, 제1 실시예의 성형 닙(430) 또는 제2 실시예의 성형 닙(530)의 특징들이 제3 실시예의 성형 롤(610)에 포함될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 예를 들어, 진공 박스(614)를 가진 성형 롤(610)을 러쉬 이송과 결합함으로써 종이 웹(102)의 벌크를 더 증가시키는 것이 바람직할 수 있으며, 러쉬 이송은 웹(102)을 더욱 크레이핑하고, 진공은 동시에 웹을 성형한다.

제3 실시예의 성형 롤(610)은 이송 닙(630)에 송풍 박스(blow box)(616)를 가질 수 있으며, 송풍 박스에서 웹(102)은 성형 롤(610)의 투과성 패턴화된 표면(612)으로부터 양키 드럼(142) 또는 TAD 직물(216)의 표면으로 이송된다. 송풍 박스(616)가 이송 닙(630) 내에 몇몇의 이익들을 제공한다고 할지라도, 위에서 이송 닙(450)(도 4 참조) 또는 이송 닙(550)(도 5 참조)과 관련하여 논의된 바와 같이, 웹은 송풍 박스 없이 건조부(440, 540)로 이송될 수 있다. 건조부가 TAD 건조부(도 6b 참조)일 때, 웹(102)은 이송 닙(550) 내에서 송풍 박스(616), 진공 슈(552) 또는 둘 다를 사용하여 이송될 수 있다.

공기 정압이 송풍 박스(616)로부터 성형 롤(610)의 투과성의 패턴화된 표면(612)을 통과하도록 가해질 수 있다. 공기 정압은 이송 닙(630)에서 웹을 성형 롤(610)의 투과성 패턴화된 표면(612)으로부터 양키 드럼(142)(또는 TAD 직물(612)) 쪽으로 밀어붙임으로써 성형된 웹(102)의 이송을 용이하게 한다. 송풍 박스(6160 내의 압력은 건조부(440, 540)로의 시트의 양호한 이송과 일치되는 레벨로 설정되며 박스의 크기와 롤의 구조에 의존한다. 웹이 패턴화된 표면(612)으로부터 해제되도록 하기 위해 시트를 가로질러 충분한 압력 강하가 있어야 한다. 송풍 박스(616)의 MD 길이는 바람직하게는 대략 1/4인치 내지 대략 5인치이며, 더욱 바람직하게는 대략 1/2인치 내지 대략 2인치이다.

송풍 박스(616)를 사용함으로써, 성형 롤(610)과 양키 드럼(142) 또는 TAD 직물(2160 사이의 접촉 압력이 감소되거나 제거될 수 있으며, 이에 따라 접촉 지점에서 웹(102)은 더 적게 압축되고, 이에 따라 더 높은 벌크를 가진다. 또한, 송풍 박스(616)로부터의 공기 압력은 투과성 패턴화된 표면(612)에서 섬유들이 웹(102)의 나머지와 함께 양키 드럼(142) 또는 TAD 직물(216)로 이송되도록 강요하며, 이에 따라 섬유 픽킹(fiber picking)을 감소시킨다. 섬유 픽킹은 웹(102) 내에 작은 구멍들(핀 홀)을 야기할 수 있다.

송풍 박스(616)의 또 다른 이점은 패턴화된 표면(612)의 유지관리와 세정을 보조하는 것이다. 롤을 통과하는 공기 정압은 섬유와 다른 입자성 물질이 롤 상에 축적되는 것을 방지할 수 있다.

제1 및 제2 실시예의 성형 롤들(420, 520)과 같이, 세정부(cleaning section)(640)(예컨대, 도 4에 도시된 바와 같은 세정부(460))가 성형 롤(610)의 자유 표면의 맞은편에 구성될 수 있다. 위에서 언급된 니들 젯을 포함하는 본 기술 분야에 알려진 임의의 적합한 세정 방법과 장치가 사용될 수 있다. 자유 표면의 맞은편에 구성된 세정부(460)의 대안으로서, 또는 세정부(460)와 조합으로서, 성형 롤(610) 내부에서 자유 표면을 가지는 성형 롤(610)의 부분에 세정부가 구성될 수 있다. 투과성 패턴화된 표면(612)의 이점은 세정 용액 또는 세정 매체를 바깥쪽으로 지향되도록 함으로써 세정하기 위해 세정 장치가 성형 롤의 내부에 배치될 수 있다는 것이다. 이러한 세정 장치는 (세정 매체로서) 가압된 공기를 투과성 패턴화된 표면(612)을 관통하도록 강제하는 송풍 박스(미도시) 또는 에어 나이프(air knife)(미도시)를 포함할 수 있다. 또 다른 적합한 세정 장치는 샤워기(showers)(642, 644)일 수 있다. 샤워기들(642, 644)은 물 및/또는 세정 용액을 투과성 패턴화된 표면(612)을 관통하여 바깥쪽으로 분사할 수 있다. 바람직하게는, 외부에서 물 및/또는 세정 용액을 수집하기 위해 진공 박스들(646, 648)이 각각의 샤워기(642, 644)의 맞은편에 배치된다. 마찬가지로, 성형 롤(610)의 내부에 남아 있는 물 및/또는 세정 용액을 수집하기 위해 용기(649)가 샤워기들(642, 644)을 둘러싸며, 이 용기는 진공 박스일 수 있다.

Ⅳ. 제지 기계의 제4 실시예

도 7a와 7b는 본 발명의 제4 실시예를 보여준다. 위에서 논의된 바와 같이, 성형 영역 내에서, 이 실시예에서 성형 닙(710) 내에서 제지 섬유들(papermaking fibers)의 유동성을 증가시킴으로써 성형이 향상될 수 있다. 본 출원인은 제지 섬유들의 유동성을 증가시키기 위한 하나의 방법은 습한 초기 웹(102)을 가열하는 것이라는 것을 발견하였다. 제4 실시예의 제지 기계들(700, 702)은 제3 실시예의 제지 기계들(600, 602)(각각, 도 6a와 6b 참조)과 유사하지만, 습한 초기 웹(102)을 가열하기 위한 특징들을 포함한다.

이 실시예에서, 진공 박스(720)는 제1 진공 영역(722)과 제2 진공 영역(724)를 가진 이중 영역(dual zone) 진공 박스이다. 상기 제1 진공 영역(722)은 백킹 롤(312) 또는 롤(532)의 맞은편에 배치되며 습한 초기 웹(102)을 백킹 롤(312) 또는 이송 직물(512)로부터 성형 롤(610)로 이송하기 위해 사용된다. 상기 제1 진공 영역(722)은 바람직하게는 제2 진공 영역(724)보다 더 짧고, 더 큰 진공을 사용한다. 상기 제1 진공 영역(722)은 바람직하게는 대략 2인치보다 작으며 바람직하게는 대략 2인치의 수은 내지 대략 25인치의 수은 사이의 진공을 끌어당긴다.

이 실시예에서, 초기 웹(102)은 증기 샤워기(steam shower)(730)을 사용하여 성형 롤(610) 상에서 가열된다. 임의의 적합한 증기 샤워기(730)가 본 발명에서 사용될 수 있으며, 예를 들어, 워싱턴주의 시애틀의 Wells Enterprises에 의해 제조된 레이지 스팀 인젝터(Lazy Steam Injector)를 포함한다. 상기 증기 샤워기(730)는 성형 닙(710)에 근접하여 배치되며 진공 박스(720)의 제2 진공 영역(724)의 맞은편에 배치된다. 상기 증기 샤워기(730)는 증기(예를 들어, 포화된 또는 과열된 증기)를 생산한다. 상기 증기 샤워기(730)는 증기를 성형 롤(610)의 패턴화된 표면(612) 상의 습한 초기 웹(102) 쪽으로 지향시키고, 진공 박스(720)의 제2 진공 영역(724)은 웹(102)을 관통하여 증기를 끌어당기기 위해 진공을 사용하며, 이에 따라 웹(102)과 그 내부의 제지 섬유들을 가열한다. 상기 제2 진공 영역(724)은 바람직하게는 대략 2인치 내지 대략 28인치이며 바람직하게는 대략 5인치의 수은 내지 대략 25인치의 수은 사이의 진공을 끌어당긴다. 그렇지만, 상기 증기 샤워기(730)는 진공 영역 없이 적합하게 사용될 수 있다. 증기의 온도는 바람직하게는 대략 화씨 212도 내지 대략 화씨 220도이다. 예를 들어, 가열된 공기 또는 다른 가스를 포함하는 임의의 적합한 가열 유체가 증기 샤워기에 의해 방출될 수 있다.

성형 닙(710) 내에서 습한 초기 웹(102)을 가열하는 것은 증기 샤워기(730)로부터 방출되는 가열된 유체로 제한되지 않는다. 그 대신에, 습한 초기 웹(102)을 가열하기 위해 다른 기술들이 사용될 수 있으며, 이 기술들은, 예를 들어, 가열된 공기, 가열된 백킹 롤(312), 또는 성형 롤(420, 520, 610) 자체의 가열을 포함한다. 상기 성형 롤(420, 520, 610)은, 그리고 특히 제1 및 제2 실시예의 성형 롤(420, 520)은, 예를 들어, 증기 또는 유도 가열을 포함하는 임의의 적합한 수단을 사용하여 백킹 롤(312)처럼 가열될 수 있다. 예를 들어, 공기를 사용함으로써, 습한 초기 웹(102)은 제1 및 제2 실시예의 성형 롤(420, 520) 상에서 성형되는 동안 가열될 수 있고 건조될 수 있다.

Ⅴ. 제지 기계의 제5 실시예

도 8은 본 발명의 제5 실시예를 보여준다. 제5 실시예의 제지 기계(800)는 제3 실시예의 제지 기계(600)(도 6a 참조)와 유사하지만, 성형 영역(molding zone)(820)에 닥터 블레이드(810)를 포함한다. 상기 닥터 블레이드(810)는 백킹 롤(312)로부터 웹을 벗기고 성형 롤(610)로의 웹(102)의 이송을 용이하게 하는데 사용된다. 닥터 블레이드(810)에 의해 시트가 백킹 롤(312)로부터 제거된 때, 닥터 블레이드는 웹에 크레이프를 도입하며, 이는 시트 캘리퍼(caliper)와 벌크를 증가시키는 것으로 알려져 있다. 따라서, 이 실시예의 시행은 전체 공정에 추가적인 벌크를 추가하는 능력을 제공한다. 또한, 닥터 블레이드(810)에 의한 시트 이송은, 롤 접촉 없이 성형 롤(610) 내의 진공 박스(614)가 패턴화된 표면(612)으로의 시트 이송을 실행하기 때문에 백킹 롤(312)과 성형 롤(610) 사이의 접촉의 필요성을 제거한다. 시트 이송을 실행하기 위해 롤과 롤의 접촉에 대한 필요성을 제거함으로써, 특히 롤들 사이에 속도 차이가 있을 때 롤 마모가 감소한다. 상기 닥터 블레이드(810)는 성형 영역(820)에서 웹(102)을 더 크레이핑하기 위해 진동할 수 있다. 임의의 적합한 닥터 블레이드(810)가 본 발명에서 사용될 수 있으며, 예를 들어, 미국 특허 번호 6,113,470호(그 개시내용은 그 전체가 참조로 통합된다)에 개시된 닥터 블레이드를 포함한다.

Ⅵ. 제지 기계의 제6 실시예

도 9a와 9b는 본 발명의 제6 실시예를 보여준다. 제6 실시예의 제지 기계들(900, 902)은 제3 실시예의 제지 기계들(600, 602)(각각 도 6a와 6b)과 유사하다. 패턴화된 외측 표면(예컨대, 도 6a와 6b의 성형 롤(610)의 투과성 패턴화된 표면(612))을 가진 성형 롤(610) 대신에, 성형 직물(molding fabric)(910)이 사용되며, 상기 성형 직물(910)은 제3, 제4 및 제5 실시예들에서 논의된 투과성 패턴화된 표면(612)과 같이 습한 초기 웹(102)에 조직을 부여하도록 패턴화된다. 상기 성형 직물(910)은 일단부에서 성형 롤(920)에 의해 타단부에서 지지 롤(930)에 의해 지지된다. 상기 성형 롤(920)은 투과성 쉘(922)을 가진다(아래에서 더 설명될 것이다). 상기 투과성 쉘(922)은, 위에서 제3 실시예에서 논의된 바와 같이, 진공 박스(614)와 송풍 박스(616)가 사용되도록 허용한다.

이전 실시예들과 같이, 이 실시예는 세정부(940)를 포함한다. 성형 직물(910)에 의해 여유가 된 추가적인 공간 때문에, 상기 세정부(940)는 성형 롤(920)과 지지 롤(930) 사이의 직물 런 상에 배치될 수 있다. 임의의 적합한 세정 장치가 사용될 수 있다. 제3 실시예와 유사하게, 용기(945)에 의해 둘러싸인 샤워기(942)가 직물 런의 내부에 배치되어 물 및/또는 세정 용액을 성형 직물(910)을 관통하여 외부로 향하도록 할 수 있다. 진공 박스(944)가 물 및/또는 세정 용액을 수집하기 위해 샤워기(942)의 맞은편에 배치될 수 있다. 제1 및 제2 실시예들과 유사하게, 물 및/또는 세정 용액이 노즐(946)로부터 각도를 이루어 분사되도록 니들 젯이 인클로저(948) 내에 사용될 수 있다. 인클로저(948)는 분사 노즐(946)에 의해 방출된 용액을 수집하기 위해 진공하에 있을 수 있다.

Ⅶ. 제지 기계의 제7 실시예

도 10a와 10b는 본 발명의 제7 실시예를 보여준다. 도 10a에 도시된 제지 기계(1000)는 제1 실시예의 제지 기계(400)와 유사하다. 마찬가지로, 도 10b에 도시된 제지 기계(1002)는 제2 실시예의 제지 기계(500)와 유사하다. 이러한 제지 기계들(1000, 1002)에서, 하나가 아니라 두 개의 성형 롤들(1010, 1020)이 사용된다. 제1 성형 롤(1010)은 패턴화된 표면(1012)을 이용하여 종이 웹(102)의 일측면(제1 측면(104))을 조직화하는데 사용되고, 제2 성형 롤(1020)은 패턴화된 표면(1022)을 이용하여 타측면(제2 측면(106))을 조직화하는데 사용된다. 상기 웹(102)의 양측면들을 성형하는 것은 몇몇의 이점들을 가질 수 있으며; 예를 들어, 시트의 각각의 측면이 두 개의 성형 롤들(1010, 1020)에 의해 독립적으로 제어될 수 있기 때문에, 오직 단일의 겹으로 2겹 종이 제품의 이익을 달성하는 것이 가능할 수 있다. 또한, 종이 웹(102)의 각각의 측면을 개별적으로 성형하는 것은 측면성을 감소시키는데 도움을 줄 수 있다. 도 10b에 도시된 제지 기계(1002)에서, 두 개의 성형 롤(1010, 1020)은 젖은 웹(102)을 제2 형성 직물(206)로부터 제1 성형 롤(1010)로 직접 이송될 수 있도록 하고 도 5의 이송 직물(512)은 생략될 수 있도록 한다.

위에서 제2 실시예에서 논의된 바와 같이, 본 출원인은 각각의 성형 롤(1010, 1020)에 의해 종이 웹(102)에 부여된 성형된 조직은 종이 웹(102)의 전체 두께를 통해 연속되지 않을 수 있다는 것을 발견하였다. 따라서, 종이 웹(102)의 각 측면의 시트 특성들은 대응되는 성형 롤(1010, 1020)에 의해 개별적으로 제어될 수 있다. 예를 들어, 종이 웹(102)의 각각의 측면에 상이한 조직을 부여하기 위해, 각각의 성형 롤(1010, 1020)의 패턴화된 표면들(1012, 1022)은 상이한 조직 및/또는 패턴을 가질 수 있다. 각각의 성형 롤(1010, 1020)을 상이하게 조직화하는 데 이점이 있을지라도, 조직화는 그렇게 제한되지 않으며, 성형 롤들(1010, 1020)은, 특히, 패턴화된 표면들(1012, 1022)은 동일하게 조직화될 수 있다.

측면성(sidedness)은 성형된 종이 웹(102)의 각 측면의 조직을 이 실시예의 두 개의 상이한 성형 롤들(1010, 1020)을 사용하여 개별적으로 제어함으로써 상쇄될 수 있다. 예를 들어, 제1 성형 롤(1010)의 패턴화된 표면(1012)은 제2 성형 롤(1020)의 패턴화된 표면(1022)보다 더 깊은 포켓들과 더 높은 돌기들을 가질 수 있다. 이렇게 하면, 종이 웹(102)이 양키 드럼(142)에 적용되기 전에, 종이 웹(102)의 제1 측면(104)은 종이 웹(102)의 제2 측면(106)보다 더 깊고 더 높은 오목부들과 돌출부들을 가질 것이다. 그 다음에, 종이 웹(102)의 제1 측면(104)인 양키 드럼(142)에 적용될 때, 양키 드럼(142)은 돌출부들의 높이를 감소시킴으로써 종이 웹(102)의 제1 측면(104)을 매끈하게 할 것이며, 이에 의해, 종이 웹(102)이 닥터 블레이드(152)에 의해 양키 드럼(142)으로부터 벗겨질 때에는, 종이 웹(102)의 제1 및 제2 측면들(104, 106)이 실질적으로 동일한 특성들을 가진다. 예를 들어, 예를 들어, 사용자는 양 측면들이 동일한 거칠기와 부드러움을 가진 것으로 인지하거나, 또는 통상적으로 측정된 종이 특성들이 종이 제품을 위한 정상적인 제어 공차 내에 있다는 것을 인지할 수 있다.

이 실시예에서, 종이 웹(102)은 제1 성형 영역 내에서 백킹 롤(312) 또는 제2 형성 직물(206)로부터 이송되며, 이 실시예에서 제1 성형 영역은 제1 성형 닙(1030)이다. 제1 및 제2 실시예들에서 성형 닙들(430, 530)(도 4와 5 참조)의 특징들에 적용되는 동일한 고려 사항들이 이 실시예의 제1 성형 닙(1030)에 적용된다.

종이 웹(102)의 제1 측면(104)이 제1 성형 롤(1010)에 의해 성형된 후에, 종이 웹(102)은 제1 성형 롤(1010)로부터 제2 성형 영역 내의 제2 성형 롤(1020)로 이송되며, 이 실시예에서 제2 성형 영역은 제2 성형 닙(1040)이다. 종이 웹(102)은 두 개의 성형 닙(1030, 1040)에서, 예를 들어, 러쉬 이송에 의해 이송될 수 있다. 수학식 1과 2에 유사하게, 이 실시예에서 각각의 닙(1030, 1040)에서의 크레이핑 비율은 수학식 4와 5에 따라 계산될 수 있다.

크레이핑 비율 1(%) = (S₁/S₆ - 1) × 100% (수학식 4)

크레이핑 비율 2(%) = (S₆/S₇ - 1) × 100% (수학식 5)

여기서, S₁은 백킹 롤(312) 또는 제2 형성 직물(206)의 속도이고, S₆은 제1 성형 롤(1010)의 속도이며, S₇은 제2 성형 롤(1020)의 속도이다. 바람직하게는, 상기 웹(102)은 두 개의 성형 닙들(1030, 1040) 각각에서 대략 5% 내지 대략 60%의 비율로 크레이핑 된다. 그러나, 100퍼센트에 접근하거나 또는 100퍼센트를 초과하는 높은 정도의 크레이핑이 채용될 수 있다. 시트 특성들을 더 변경하기 위해 사용될 수 있는 두 개의 성형 닙을 가진 유일한 기회가 존재한다. 각각의 크레이핑 비율은 주로 성형된 시트의 측면에 영향을 미치기 때문에, 시트 측면성을 제어 또는 변화시키기 위해 두 개의 크레이핑 비율은 서로에 대하여 변할 수 있다. 제어 시스템은 시트 특성들을 모니터링하기 위해 사용될 수 있으며, 개별적인 크레이핑 비율과 두 개의 크레이핑 비율 사이의 차이를 제어하기 위해 이러한 특성 측정값을 사용할 수 있다.

종이 웹(102)은 이송 닙(transfer nip)(1050)에서 제2 성형 롤(1020)로부터 건조부(drying section)(440, 540)로 이송된다. 도 10a에 도시된 바와 같이, 건조부(440)는 양키 건조부(140)를 포함하며, 제1 실시예의 이송 닙(450)(도 4 참조)에 적용된 동일한 고려 사항들이 이 실시예의 이송 닙(1050)에 적용된다. 도 10b에 도시된 바와 같이, TAD 건조부(540)가 사용되며, 제2 실시예의 이송 닙(550)(도 5 참조)에 적용된 동일한 고려 사항들이 이 실시예의 이송 닙(1050)에 적용된다.

Ⅷ. 제지 기계의 제8 실시예

도 11a와 11b는 본 발명의 제8 실시예를 보여준다. 제8 실시예의 제지 기계들(1100, 1102)은 제7 실시예의 제지 기계들(1000, 1002)과 유사하지만, 제8 실시예의 두 개의 성형 롤들(1110, 1120)은 제1 및 제2 실시예들의 성형 롤들(420, 520) 대신에 제3 실시예의 성형 롤(610)(도 6a와 6b 참조)과 유사하게 구성된다. 제1 성형 롤(1110)은 투과성 패턴화된 표면(1112)과 진공 박스(1114)를 가진다. 습한 초기 웹(102)은, 제1 성형 영역 내에서, 제1 성형 롤(1110)의 진공 박스(1114)를 사용하는 진공 이송, 러쉬 이송(수학식 4 참조) 또는 닥터 블레이드(810)(도 8 참조)의 임의의 조합을 사용하여 백킹 롤(312) 또는 제2 형성 직물(206)로부터 이송되며, 이 실시예에서 제1 성형 영역은 제1 성형 닙(1130)이다. 제1 성형 닙(1130)은 제3 실시예의 성형 닙(620)과 유사하게 작동될 수 있다.

종이 웹(102)의 제1 측면(104)이 제1 성형 롤(1110)에서 성형된 후에, 종이 웹은 제2 성형 영역 내에서, 제2 성형 롤(1120)의 진공 박스(1124)를 사용하는 진공 이송, 제1 성형 롤(1110)의 송풍 박스(1116)를 사용하는 압력 차이, 러쉬 이송(수학식 5 참조)의 임의의 조합을 사용하여 제1 성형 롤(1110)로부터 제2 성형 롤(1120)로 이송되며, 이 실시예에서 제2 성형 영역은 제2 성형 닙(1140)이다. 그 다음에, 종이 웹(102)의 제2 측면(106)이 제2 성형 롤(1120)의 투과성 패턴화된 표면(1122)에서 성형된다. 개별적으로 또는 조합으로 사용되는 이송의 유형은 시트 특성들과 시트 측면성을 제어하기 위해 변할 수 있다. 제3 실시예에서 송풍 박스(616)와 진공 박스(614)에 적용된 고려 사항들과 파라미터들은 제1 성형 롤(1110)의 송풍 박스(1116)와 제2 성형 롤(1120)의 진공 박스(1124)에도 적용된다.

종이 웹(102)은 이송 닙(1150)에서 제2 성형 롤(1120)로부터 건조부(440, 540)로 이송된다. 도 11a에 도시된 바와 같이, 건조부(440)는 양키 건조부(140)을 포함한다. 도 11b에 도시된 바와 같이, TAD 건조부(540)가 사용된다. 제3 실시예에서 이송 닙(630)의 특징들에 적용된 동일한 고려사항들이 제2 성형 롤(1120) 내의 송풍 박스(1126)(송풍 박스(616)와 유사함)의 사용을 포함하는 이 실시예의 이송 닙(1150)에도 적용된다.

Ⅸ. 섬유 시트 특성을 제어하기 위한 공정 파라미터들의 조절

생성된 섬유 시트의 다양한 특성들(여기서 종이 특성들 또는 웹 특성들로도 지칭됨)은 본 기술 분야에 알려진 기술들에 의해 측정될 수 있다. 일부 특성들은 종이 웹(102)이 제조되는 동안 실시간으로 측정될 수 있다. 예를 들어, 종이 웹(102)의 수분 함량과 기본 중량은 양키 드럼(142) 이후에 그리고 페어런트 롤(190) 이전에 배치된 웹 특성 스캐너에 의해 측정될 수 있다. 본 기술 분야에 알려진 임의의 적합한 웹 특성 스캐너, 예컨대, 뉴져지주의 모리스타운의 Honeywell에 의해 제조된 MXProLine 스캐너가 사용될 수 있으며, 이는 베타 방사선으로 수분 함량을 측정하고 감마 방사선으로 기본 중량을 측정하기 위해 사용된다. 다른 특성들, 예를 들어, 인장강도(습식 및 건식), 두께, 및 거칠기는 오프라인에서 더욱 적합하게 측정된다. 이러한 오프라인 측정은, 제지 기계에서 제조된 그대로의 종이 웹(102)의 샘플을 취하고 제조와 병행하여 특성을 측정함으로써 수행되거나 또는 페어런트 롤(190)로부터 샘플을 취하고 페어런트 롤(190)이 제지 기계로부터 제거된 후에 특성을 측정함으로써 수행될 수 있다.

위에서 제1 내지 제8 실시예들에서 논의된 바와 같이, 생성된 섬유 시트에 영향을 주기 위해 다양한 공정 파라미터들이 조절될 수 있다. 이러한 공정 파라미터들은, 예를 들어: 성형 닙들(430, 530, 620, 710, 1030, 1040, 1130, 1140) 또는 성형 영역(820)에서 습한 초기 웹(102)의 농도; 크레이핑 비율; 성형 닙들(430, 530, 620, 710, 1030, 1040, 1130, 1140)에서의 하중; 진공 박스들(614, 720, 1114, 1124)에 의한 진공; 및 송풍 박스들(616, 1116, 1126)에 의해 생성된 공기 압력을 포함한다. 일반적으로, 생성된 섬유 시트의 각각의 종이 특성들의 측정된 값은 그 종이 특성을 위한 바람직한 범위 내에 있다. 바람직한 범위는 종이 웹(102)의 최종 제품에 따라 변할 것이다. 종이 특성의 측정된 값이 바람직한 범위 밖이면, 조작자는 종이 특성의 후속 측정에서, 측정값이 바람직한 범위 내에 있도록 본 발명의 다양한 공정 파라미터들을 조절할 수 있다. 진공 박스들(614, 720, 1114, 1124)에 의해 인출된 진공과 송풍 박스들(616, 1116, 1126)에 의해 생성된 공기 압력은, 제지 기계가 작동하는 중에 쉽게 조절될 수 있는 공정 파라미터들이다. 그 결과, 제지 공정의 실시간 또는 근 실시간 조절에 의해 일관된 섬유 시트를 제조하기 위해, 본 발명의, 특히 제3 내지 제6 및 제8 실시예들에서 설명된 제지 공정이 유리하게 사용될 수 있다.

Ⅹ. 투과성 성형 롤의 구성

이제, 제3 내지 제6 및 제8 실시예들의 제지 기계에서 사용되는 투과성 성형 롤(610, 920, 1110, 1120)의 구성이 설명된다. 간략성을 위해, 위에서 제3 실시예의 성형 롤(610)(도 6a와 6b)을 설명하기 위해 사용된 참조 번호들이 아래에서 대응되는 특징들을 설명하기 위해 사용될 것이다. 도 12는 성형 롤(610)의 사시도이고, 도 13은 13-13 평면을 따라 취해진 도 12에 도시된 성형 롤(610)의 단면도이다. 상기 성형 롤(610)은 반경 방향과 제지 기계(600)의 MD 방향에 대응되는 원주 방향(C)(도 14 참조)을 가진 실린더 형상을 가진다. 또한, 상기 성형 롤(610)은 제지 기계(600)의 CD 방향에 대응되는 길이 방향(L)(도 13 참조)을 가진다. 상기 성형 롤(610)은 일단부, 즉 구동 단부(1210)에서 구동될 수 있다. 상기 성형 롤(610)의 타단부, 즉 회전 단부(1220)는 샤프트(1230)에 의해 지지되고 샤프트(1230) 둘레로 회전한다. 상기 구동 단부(1210)는 구동될 수 있는 구동 단부 플레이트(driven end plate)(1212)와 샤프트(1214)를 포함한다. 상기 회전 단부(1210)는 회전 단부 플레이트(1222)를 포함한다. 이 실시예에서, 구동 단부 플레이트(1212)와 회전 단부 플레이트(1222)는 철강(steel)으로 구성되며, 이는 비교적 값싼 구조 재료이다. 그렇지만, 본 기술 분야의 기술자는 상기 단부 플레이트들(1212, 1222)은 임의의 적합한 구조 재료로 구성될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 상기 회전 단부 플레이트(1222)는 베어링(1224)에 의해 샤프트(1230)에 결합된다. 이들 사이에 공동(void)(1320)을 형성하는 구동 단부 플레이트(1212)와 회전 단부 플레이트(1222) 각각의 둘레에 투과성 쉘(permeable shell)(1310)이 부착된다. 상기 투과성 패턴화된 표면(612)은 상기 투과성 쉘(1310)의 외면에 형성된다. 투과성 쉘(1310)의 상세는 아래에서 더 논의될 것이다.

진공 박스(614)와 송풍 박스(616)는 공동(1320) 내에 배치되고, 샤프트(1230)와 회전 연결부(rotary connection)(1352)에 의해 지지되며, 회전 연결부(1352)는 지지 구조체(support structure)(1354)를 통해 구동 단부 플레이트(1212)에 연결된다. 지지 구조체(1354)는 진공 및 가압된 공기가 샤프트(1230)를 통해 각각 진공 박스(614)와 송풍 박스(616)로 전달되도록 허용한다. 진공 박스(614)와 송풍 박스(616)은 정지되어 있으며, 투과성 쉘(1310)은 정지된 박스들(614, 616)의 둘레로 회전한다. 도 13에는 이 박스들이 롤에 대해 서로 반대편에 있는 것으로 도시되어 있지만, 그 박스들은 그들의 기능을 수행하기 위한 필요에 따라 롤 원주 둘레로 임의의 각도로 배치될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 진공은 박스 지지 구조체(1354)의 일부인 진공 라인(1332)의 사용을 통해 진공 박스(614) 내에 도입된다. 따라서, 진공 펌프(1334)가 진공 라인(1332)을 통해 진공 박스(614)에 진공을 적용할 수 있다. 유사하게, 송풍 박스(616) 내에 정압을 생성하기 위해 펌프 또는 송풍기(1344)가 압력 라인(1342)을 통해 공기를 공급하기 위해 사용된다.

도 14는 도 13의 14-14 선을 따라 취해진 투과성 쉘(1310)과 진공 박스(614)의 단면도를 보여준다. 상기 송풍 박스(616)는 진공 박스(614)와 실질적으로 동일한 방식으로 구성된다. 도 14에 도시된 바와 같이, 상기 진공 박스(614)는 제1 상단부(1420)와 제2 상단부(1430)을 가진 실질적으로 U-형상이다. 개방부(open portion)는 두 개의 상단부들(1420, 1430) 사이에서 연장되며 성형 롤(610)의 원주(MD) 방향(C)으로 거리(D)를 가진다. 상기 개방부의 거리(D)는 위에서 논의된 진공 영역을 형성한다. 이 실시예에서, 진공 박스(614)는 캐비티(1410) 내에 생성된 진공을 수용하고 가혹한 롤 작동을 견디기 위해 충분히 두꺼운 벽들을 가진 스테인리스 강으로 구성된다. 본 기술 분야의 기술자는 임의의 적합한 구조 재료가 진공 박스를 위해 사용될 수 있다는 것을 인식할 것이지만, 바람직하게는, 진공에 의해 웹으로부터 끌어당겨질 수 있는 습기로부터의 부식에 저항하는 구조 재료가 사용된다. 이 실시예에서, 진공 박스(614)는 성형 롤(610)의 길이(CD) 방향(L)으로 연장된 하나의 단일 캐비티(1410)를 가지는 것으로 도시되어 있다. 길이(CD) 방향(L)에 걸쳐서 균일한 진공을 도출하기 위해, 진공 박스(614)를 다수의 캐비티들(1410)로 세분하는 것이 바람직할 수 있다. 본 기술 분야의 기술자는 임의의 수의 캐비티들이 사용될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 마찬가지로, 예를 들어, 위에서 논의된 2단계 진공 박스를 형성하기 위해, 진공 박스(614)를 원주(MD) 방향(C)으로 다수의 캐비티들로 세분하는 것이 바람직할 수 있다.

진공 박스(614)의 각각의 단부(1420, 1430)와 투과성 쉘(1310)의 내측 표면 사이에 밀봉이 형성된다. 이 실시예에서, 진공 박스(614)의 제1 상단부(1420) 내에 형성된 캐비티 내에 튜브(1422)가 배치된다. 튜브(1422)를 부풀려서 밀봉 블록(1424)을 투과성 쉘(1310)의 내측 표면에 대하여 가압하기 위해 압력이 인가된다. 마찬가지로, 두 개의 튜브들(1432)이 제2 상단부(1430) 내에 형성된 캐비티들 내부에 배치되어 밀봉 블록(1434)을 투과성 쉘(1310)의 내측 표면에 대하여 가압하기 위해 사용된다. 또한, 투과성 쉘(1310)의 바닥면에 물과 같은 윤활 재료를 도포함으로써 밀봉 블록들(1424, 1434)과 투과성 쉘(1310) 사이의 마찰력과 마모를 감소시키기 위해, 내부 롤 샤워기(internal roll shower)(1440)가 진공 박스의 상류에 배치될 수 있다. 유사하게, 진공 박스(614)와 송풍 박스(616)의 CD 방향의 각 단부도 밀봉된다. 도 13에 도시된 바와 같이, 진공 박스(614)와 송풍 박스(616)의 단부들 내에 형성된 캐비티 내에 튜브(1362)가 배치되어 부풀려짐으로써 밀봉 블록(1364)을 투과성 쉘(1310)의 내측 표면에 대하여 가압한다. 폴리프로필렌 또는 폴리테트라플루오르에틸렌 함침 폴리머와 같은 임의의 적합한 마모 재료가 상기 밀봉 블록들(1364, 1424, 1434)로서 사용될 수 있다. 임의의 적합한 부풀릴 수 있는 재료, 예컨대 고무가 상기 튜브들(1362, 1422, 1432)을 위해 사용될 수 있다.

도 15a 내지 15e는 도 14의 상세부(15)를 보여주는 투과성 쉘(1310)의 실시예들이다. 도 15a, 15b 및 15c는 투과성 쉘(1310)의 2층 구조를 보여준다. 가장 내부 층은 구조 층(structural layer)(1510)이고, 외부 층은 성형 층(molding layer)(1520)이다.

상기 구조 층(1510)은 투과성 쉘(1310)에 지지를 제공한다. 이 실시예에서, 구조 층(1510)은 스테인리스 강으로 만들어지지만, 임의의 적합한 구조 재료가 사용될 수 있다. 상기 쉘의 두께는 종이 제조 중에 가해지는 힘, 예를 들어, 제3 실시예의 성형 닙(620)이 가압 닙일 때 가해지는 힘을 견디도록 설계된다. 구조 층(1510)의 두께는 피로와 다른 고장을 방지하기 위해 롤 상의 하중을 견디도록 설계된다. 예를 들어, 상기 두께는 롤의 길이, 롤의 직경, 사용된 재료, 채널들(1512)의 밀도, 및 적용된 하중에 의존할 것이다. 필요할 경우, 실제적인 롤 설계 파라미터들과 롤 크라운(roll crown)을 결정하기 위해 유한 요소 해석(finite element analysis)이 사용될 수 있다. 상기 구조 층(1510)은 다수의 채널들(1512)을 가진다. 다수의 채널들(1512)은 투과성 쉘(1310)의 외부 층을 성형 롤(610)의 내부와 연결한다. 진공 박스(614) 또는 송풍 박스(616)로부터 각각 진공이 도입되거나 압력이 가해질 때, 다수의 채널들(1512)을 통해 공기가 당겨지거나 밀리게 된다.

상기 성형 층(1520)은 위에서 논의된 바와 같이 웹(102)의 섬유들을 재분배하고 지향시키기 위해 패턴화된다. 제3 실시예에서, 예를 들어, 성형 층(1520)은 성형 롤(610)의 투과성 패턴화된 표면(162)이다. 위에서 논의된 바와 같이, 본 발명은 특히 티슈 및 타월 제품과 같은 흡수성 종이 제품을 제조하는데 적합하다. 따라서, 벌크와 흡수성에서 이익을 강화하기 위해, 상기 성형 층(1520)은 바람직하게는 웹(102)의 섬유들을 지향시키기에 적합한 미세한 크기로 패턴화된다. 상기 성형 층(1520)의 포켓들과 돌기들 각각의 밀도는 바람직하게는 대략 평방 인치당 50보다 크며, 더욱 바람직하게는 대략 평방 인치당 200보다 크다.

도 16은 성형 층(1520)으로서 사용될 수 있는 바람직한 플라스틱 직조 직물(woven fabric)의 예이다. 이 실시예에서, 직조 직물은 구조 층(1510) 둘레에서 수축된다. 상기 직물은 그 직물의 MD 너클들(knuckles)(1600, 1602, 1604, 1606, 1608, 1610,등)이 제지 기계(예컨대, 도 6a이 600)의 기계 방향을 따라서 연장되도록 장치 내에 성형 층(1520)으로서 장착된다. 상기 직물은 그 직물의 MD 너클들 사이에 크레이핑 포켓들(1620, 1622, 1624, 등)을 가지는 다층 섬유일 수 있다. 다수의 CD 너클들(1630, 1632, 1634, 등)도 제공되며, 이들은 바람직하게는 크레이핑 직물의 MD 너클들(1600, 1602, 1604, 1606, 1608, 1610)에 대해 약간 오목할 수 있다. 상기 CD 너클들(1630 1632, 1634)은 MD 너클들(1600, 1602, 1604, 1606, 1608, 1610)에 대해 대략 0.1mm 내지 대략 0.3mm의 거리만큼 약간 오목할 수 있다. 이러한 기하학적 구조는, 위에서 논의된 바와 같이, 상기 웹(102)이 백킹 롤(312) 또는 이송 직물(512)로부터 습식 성형될 때, 섬유의 독특한 분포를 생성한다. 이론에 얽매일 의도 없이, 비교적 큰 오목한 "포켓들"과 제한된 너클 길이와 CD 방향의 높이를 가진, 도시된 구조는 시트를 제조하기 위해 높은 임팩트의 크레이핑에 섬유를 재분포시키며, 이는 특히 완성지료를 재생하기에 적합하고 놀라운 캘리퍼를 제공한다. 제6 실시예에서, 성형 층(1520)은 구조 층(1510)에 부착되지 않으며 도 9a와 9b에 도시된 성형 직물(910)이다.

그러나, 상기 성형 층(1520)은 직조된 구조에 제한되지 않는다. 예를 들어, 성형 층(1520)은 널링(knurling), 레이저 드릴링, 에칭, 기계가공, 엠보싱 등에 의해 패턴화된 플라스틱 또는 금속의 층일 수 있다. 플라스틱 또는 금속의 층은 성형 롤(610)의 구조 층(1510)에 적용되기 전 또는 후에 적절하게 패턴화될 수 있다.

다시 15a를 참조하면, 다수의 채널들(1512)의 간격과 직경은 바람직하게는 성형 층(1520)의 롤 표면에 비교적 균일한 진공 또는 공기 압력을 제공하도록 설계된다. 균일한 압력을 적용하는데 보조하기 위해, 다수의 채널들(1512)로부터 연장되거나 또는 퍼져 나간 홈들(1514)이 구조 층(1510)의 외측 표면에 형성될 수 있다. 그렇지만, 다른 적합한 채널 디자인들이 흡입 또는 공기 압력이 성형 층(1520) 아래에서 확산되는 것을 보조하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 15b에 도시된 바와 같이, 각각의 채널(1512)의 상부 가장자리에 챔퍼(chamfer)(1516)가 형성될 수 있다. 또한, 채널(1512)의 기하학적 구조는 직,원형의 실린더(right, circular cylinder)로 제한되지 않는다. 대신에, 예를 들어, 도 15c에 도시된 바와 같이, 직,사다리꼴 실린더(right, trapezoidal cylinder)를 포함하는 다른 적합한 기하학적 구조가 사용될 수 있으며, 이는 다수의 채널들(152)이 레이저 드릴링에 의해 생성될 때 형성될 수 있다.

다수의 채널들(1512)은 바람직하게는 시트 이송과 성형을 실행하기 위해 투과성 쉘(1310)의 구조적 요구에 일치하는 구성과 성형 표면에 진공 또는 압력을 균일하게 적용하는 능력을 가진다. 도 15a, 15b 및 15c체 도시된 실시예들에서, 다수의 채널들(1512)은 바람직하게는 대략 62/1000인치 내지 대략 1/2인치의 평균 직경을 가진다. 평균 직경의 계산에 있어서, 홈(1514)과 챔퍼(1516)의 직경은 제외될 수 있다. 각각의 채널(1512)은 다음의 가장 가까운 채널(1512)로부터 바람직하게는 대략 64/1000인치 내지 대략 375/1000인치 이격되며, 더욱 바람직하게는 대략 125/1000인치 내지 대략 1/4인치 이격된다. 또한, 구조 층(1510)은 바람직하게는 대략 평방 인치당 50채널 내지 대략 평방 미터당 500채널 사이의 밀도를 가진다. 더 가깝게 이격된 채널들과 더 높은 채널 밀도는 더 양호하고, 더욱 균일한 공기의 분포를 달성할 수 있다.

그러나, 도 15a에 도시된 실시예로 성형 층(1520)에 균일한 공기 압력을 적용하기 위해 다수의 채널들(1512)의 충분한 밀도를 달성하는 것과 여전히 충분한 구조적 지지를 제공하는 구조 층을 가지는 것은 어려울 수 있다. 이러한 염려를 완화시키기 위해, 도 15d에 도시된 바와 같이, 공기 분배 층(1530)이 중간층으로서 사용될 수 있다. 상기 공기 분배 층(1530)은 바람직하게는, 성형 층(1520) 아래에서 확산시키기 위해, 공기가 다수의 채널들(1512)을 통해 밀려나가거나 당겨지도록 허용하는 투과성 재료로 형성되며, 이에 따라 전반적으로 균일한 끌어당김 또는 압력을 생성한다. 임의의 적합한 재료가 사용될 수 있으며, 예를 들어, 다공성 소결 재료, 소결 폴리머, 및 폴리머 발포체를 포함한다. 바람직하게는, 공기 분배 층(1530)의 두께는 대략 1/10 인치 내지 대략 1인치이며, 더욱 바람직하게는 대략 1/8 인치 내지 대략 1/2 인치이다. 공기 분배 층(1530)이 사용될 때, 다수의 채널들(1512)의 밀도는 펼쳐질 수 있으며 직경은 증가될 수 있다. 도 15d에 도시된 실시예에서, 다수의 채널들(1512)은 바람직하게는 대략 2/100 인치 내지 대략 5/10 인치의 직경, 더욱 바람직하게는 대략 5/100 인치 내지 대략 1/4 인치의 직경을 가진다. 각각의 채널(1512)은 다음의 가장 가까운 채널(1512)로부터 바람직하게는 대략 5/100 인치 내지 대략 1인치 이격되고, 더욱 바람직하게는 대략 1/10 인치 내지 대략 5/10 인치 이격된다. 또한, 구조 층(1510)은 바람직하게는 대략 평방인치당 50 채널들(1512) 내지 평방인치당 대략 300 채널들(1512) 사이의 밀도를 가진다.

도 15e에 도시된 바와 같이, 별도의 성형 층(1520)은 필요하지 않을 수 있다. 대신에, 투과성 패턴화 표면(612)을 형성하기 위해 구조 층(1510)의 외측 표면(1518)이 텍스처화 또는 패턴화될 수 있다. 도 15e에 도시된 실시예에서, 상기 외측 표면(1518)은 널링(knurling)에 의해 패턴화되지만, 외측 표면(1518)을 텍스처화 또는 패턴화하기 위해 본 기술 분야에 알려진 임의의 적합한 방법, 예를 들어, 레이저 드릴링, 에칭, 엠보싱, 또는 기계가공이 사용될 수 있다. 비록 도 15e는 드릴 가공된 쉘의 상면의 패터닝을 보여주지만, 위에서 논의된 바와 같이, 공기 분배 층(1530) 또는 성형 층(1520)의 외측 표면을 널링, 레이저 드릴링, 에칭, 엠보싱, 또는 기계가공함으로써 패터닝을 적용하는 것도 가능하다.

도 17은 널링된 외측 표면(1518)의 상면을 보여주며, 도 15e에 도시된 부분은 도 17의 15E-15E 선을 따라 취해진다. 임의의 적합한 패턴이 사용될 수 있지만, 널링된 표면은 이 실시예에서 피라미드 형상의 다수의 돌기들(1710)을 가진다. 이 실시예의 피라미드-형상의 돌기들(1710)은 성형 롤(610)의 MD 방향으로 연장된 주축(major axis)과 성형 롤(610)의 CD 방향으로 연장된 부축(minor axis)을 가진다. 상기 주축은 부축보다 더 길며, 피라미드-형상의 돌기들(1710)의 베이스(1712)에 다이아몬드 형상을 부여한다. 피라미드-형상의 돌기들(1710)은 정점(1716)으로부터 베이스(1712)로 각을 이루며 하향 연장된 네 개의 측면들(1714)을 가진다. 따라서, 네 개의 상이한 피라미드-형상의 돌기들(1710)의 네 개의 꼭짓점들은 함께 오목부 또는 포켓(1720)을 형성한다. 널링된 외측 표면(1518)의 피라미드-형상의 돌기들(1710)과 포켓들(1720)은 종이 웹(102)에 역전된 오목부들과 돌출부들을 성형하고 형성하기 위해 제지 섬유들을 재분배한다.

피라미드-형상의 돌기들(1710)은 홈들(1730)에 의해 분리된다. 널링된 외측 표면(1518)의 홈들(1730)은 도 15a에 관련하여 위에서 설명된 홈들(1514)과 유사하다. 상기 홈들(1730)은 채널(1512)로부터 외측으로 퍼져나가서 채널들(1512)을 통해 밀리거나 당겨지는 공기가 널링된 외측 표면(1518)을 가로질러 분배되도록 하며 공기가 널링된 외측 표면(1518) 전체에 걸쳐 균일하게 분배되도록 돕는다.

Ⅵ. 비투과성 성형 롤의 구성

이제, 제1, 제2, 및 제7 실시예들의 제지 기계에 사용되는 비투과성 성형 롤(420, 520, 1010, 1020)의 구성이 설명될 것이다. 간결성을 위해, 위에서 제1 실시예의 성형 롤(420)을 설명하기 위해 사용된 참조 번호들이 아래에서 대응되는 특징들을 설명하기 위해 사용될 것이다. 도 18은 비투과성 성형 롤(420)의 사시도이다. 위에서 설명된 투과성 성형 롤(610)과 같이, 비투과성 성형 롤(420)은 반경 방향과 제지 기계(400)의 MD 방향에 대응되는 원주 방향을 가진 실린더 형상을 가진다. 또한, 상기 성형 롤(420)은 제지 기계(400)의 CD 방향에 대응되는 길이 방향을 가진다.

상기 비투과성 성형 롤(420)은 제1 단부(1810)와 제2 단부(1820)를 가진다. 상기 제1 단부(1810)와 제2 단부(1820) 중 하나 또는 둘 다 본 기술 분야에 알려진 임의의 적합한 수단에 의해 구동될 수 있다. 이 실시예에서, 양 단부들은 각각 단부 플레이트들(1812, 1822)에 연결된 샤프트들(1814, 1824)을 가진다. 단부 플레이트들(1812, 1822)은 쉘(미도시)의 각 단부를 지지하며, 쉘 상에 패턴화된 표면(422)이 형성된다. 상기 롤은 본 기술 분야에 알려진 임의의 적합한 구조 재료, 예를 들어, 강철(steel)로 만들어질 수 있다. 상기 쉘은 패턴화된 표면(422)을 위한 구조적 지지체를 형성하며 스테인리스 강 실린더로서 구성될 수 있으며, 이는 위에서 논의된 채널들(1512)이 없는 투과성 쉘(1310)과 유사하다. 그러나, 상기 성형 롤(420)은 이러한 구성에 제한되지 않는다. 본 기술 분야에 알려진 임의의 적합한 롤 구성이 비투과성 성형 롤(420)을 구성하기 위해 사용될 수 있다.

상기 패턴화된 표면(422)은 위에서 논의된 성형 층(1520)과 유사하게 형성될 수 있다. 예를 들어, 패턴화된 표면(422)은 비투과성 성형 롤의 쉘 둘레에서 수축된 직조 직물(예컨대, 도 14를 참조하며 위에서 논의된 직물)로 형성될 수 있다. 또 다른 예에 있어서, 쉘의 외측 표면이 텍스처화 또는 패턴화될 수 있다. 본 기술 분야에 알려진 임의의 적합한 방법, 예를 들어, 널링(도 17을 참조하며 위에서 논의된 널링), 에칭, 엠보싱, 또는 기계가공이 외측 표면을 텍스처화 또는 패턴화하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 패턴화된 표면(422)은 레이저 드릴링 또는 에칭에 의해 형성될 수 있으며, 이러한 경우에, 바람직하게는 점탄성 플라스틱(elastomeric plastic)으로 형성될 수 있으나, 임의의 적합한 재료가 사용될 수도 있다.

본 발명이 특정한 예시적인 실시예들로 설명되었지만, 이러한 개시 내용에 비추어 많은 추가적인 수정 및 변형이 본 기술 분야의 기술자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 발명이 구체적으로 기재된 바와 다르게 실시될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 본 발명의 예시적인 실시예들은 모든 측면에서 예시적인 것이고, 제한하려는 것이 아님이 고려되어야 하며, 본 발명의 범위는 상기 설명보다는 본 명세서에 의해 뒷받침되는 임의의 특허청구범위 및 이들의 균등물에 의해 결정되어야 한다.

산업상 이용가능성

본 발명은 종이 타월 및 욕실 티슈와 같은 바람직한 종이 제품을 제조하기 위해 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 종이 제조 산업에 적용될 수 있다.

Claims

섬유 시트(fibrous sheet)를 성형(molding)하기 위한 롤(roll)로서, 상기 롤은:
원주 방향으로 회전 구동되도록 구성된 실린더형 쉘(shell)로서, 상기 실린더형 쉘은 내부 표면, 외부 표면, 및 상기 실린더형 쉘의 외부 표면상에 투과성의 패턴화된 표면(permeable patterned surface)을 포함하고, 상기 실린더형 쉘은 공기가 상기 실린더형 쉘을 통하여 이동하도록 허용하기 위해 투과성이며, 상기 투과성의 패턴화된 표면은 다수의 오목부들(recesses)과 다수의 돌기들(projections) 중 적어도 하나를 가지고, 상기 다수의 오목부들(recesses)과 다수의 돌기들(projections) 중 적어도 하나의 밀도는 대략 평방인치당 50보다 큰, 실린더형 쉘; 및
상기 실린더형 쉘의 내부에 위치하며, 상기 실린더형 쉘의 외부 표면으로부터 상기 실린더형 쉘의 내부 표면으로 공기를 끌어당기도록 구성되고, 상기 실린더형 쉘의 회전에 대하여 정지된 진공 박스;를 포함하는 섬유 시트를 성형하기 위한 롤.
제1항에 있어서,
상기 진공 박스에 연결되는 진공 펌프를 더 포함하며, 상기 진공 펌프는 상기 실린더형 쉘의 외부 표면으로부터 상기 실린더형 쉘의 내부 표면으로 공기를 끌어당기기 위해 사용되는, 섬유 시트를 성형하기 위한 롤.
제1항에 있어서,
상기 실린더형 쉘의 내부에 위치하며 상기 실린더형 쉘의 내부 표면으로부터 상기 실린더형 쉘의 외부 표면으로 공기를 밀어내도록 구성된 송풍 박스(blow box)를 더 포함하며, 상기 송풍 박스는 상기 실린더형 쉘의 회전에 대하여 정지된, 섬유 시트를 성형하기 위한 롤.
제3항에 있어서,
상기 송풍 박스에 연결된 펌프를 더 포함하며, 상기 펌프는 상기 실린더형 쉘의 내부 표면으로부터 상기 실린더형 쉘의 외부 표면으로 공기를 밀어내기 위해 사용되는, 섬유 시트를 성형하기 위한 롤.
제1항에 있어서,
상기 다수의 오목부들과 다수의 돌기들 중 적어도 하나의 밀도는 대략 평방인치당 200보다 큰, 섬유 시트를 성형하기 위한 롤.
제1항에 있어서,
상기 투과성의 패턴화된 표면은, 상기 실린더형 쉘의 외부 표면의 널링(knurling), 레이저 드릴링, 에칭, 엠보싱, 및 기계가공 중 적어도 하나에 의해 형성되는, 섬유 시트를 성형하기 위한 롤.
제1항에 있어서,
상기 실린더형 쉘은 구조 층(structural layer)을 더 포함하며, 상기 구조 층은 상기 구조 층의 두께를 관통하는 다수의 채널들을 가지고, 상기 다수의 채널들은 공기가 상기 구조 층을 통과하여 이동되게 허용하도록 구성되는, 섬유 시트를 성형하기 위한 롤.
제7항에 있어서,
상기 투과성의 패턴화된 표면은 상기 구조 층의 외부 표면상에 형성된 성형 층(molding layer)인, 섬유 시트를 성형하기 위한 롤.
제8항에 있어서,
상기 성형 층은 시트 특성들을 향상시키도록 구성된 직조된 구조체(woven structure)를 포함하는, 섬유 시트를 성형하기 위한 롤.
제7항에 있어서,
상기 구조 층과 상기 성형 층 사이에 배치된 공기 분배 층(air distribution layer)을 더 포함하며, 상기 공기 분배 층은 상기 구조 층을 통하여 이동되는 공기를 상기 성형 층 아래에서 분배하기 위해 투과성인, 섬유 시트를 성형하기 위한 롤.
제10항에 있어서,
상기 공기 분배 층은 소결된 금속, 소결된 폴리머, 및 폴리머 발포체 중 적어도 하나를 포함하는, 섬유 시트를 성형하기 위한 롤.
제7항에 있어서,
상기 투과성의 패턴화된 표면은 상기 구조 층에 의해 지지되는 직물인, 섬유 시트를 성형하기 위한 롤.
제7항에 있어서,
상기 다수의 채널들 각각으로부터 연장된 다수의 홈들을 더 포함하며, 상기 다수의 홈들은 상기 구조 층을 통하여 이동되는 공기를 상기 성형 층 아래에서 분배하도록 구성되는, 섬유 시트를 성형하기 위한 롤.
제7항에 있어서,
상기 다수의 채널들 각각은 내측 단부, 외측 단부, 및 상기 외측 단부상의 챔퍼(chamfer)를 가지는, 섬유 시트를 성형하기 위한 롤.
제7항에 있어서,
상기 다수의 채널들 각각은 직,원형 실린더(right, circular cylinder)와 직,사다리꼴 실린더(right, trapezoidal cylinder) 중 적어도 하나인, 섬유 시트를 성형하기 위한 롤.
제1항에 있어서,
상기 실린더형 쉘의 내부에 위치하며, 세정 매체(cleaning medium)를 상기 실린더형 쉘의 내부 표면으로부터 상기 실린더형 쉘의 외부 표면으로 지향시키도록 구성된 세정부(cleaning section)를 더 포함하는, 섬유 시트를 성형하기 위한 롤.
제16항에 있어서,
상기 세정부는 샤워기(shower)를 포함하며, 상기 세정 매체는 물과 세정 용액 중 적어도 하나를 포함하는, 섬유 시트를 성형하기 위한 롤.