JP4597679B2 - 水蒸気−水スプレイ・システム - Google Patents

Description

この発明は、熱及び湿分の双方を紙のウエブに与える方法及び装置に係り、特に、抄紙機において紙の製造及び品質を改善するため、水蒸気を用いて水をアトマイズするための方法及び装置に係る。

現代の紙の製造においては、抄紙機の上に、連続する繊維／水スラリーが移動するウエブとして形成される。スラリーが抄紙機の中を移動するに従い、水分が取り除かれ、紙のシートを構成する繊維が残される。

抄紙機は、幾つかのセクションを備えている。第一のセクションでは、フォドリニエール・テーブル（Fourdrinier table）の上で、重力及び真空排気の作用により水気を切る。フォドリニエール・テーブルの後にウエブが形成される。このウエブは、自己保持が可能な十分な強度を備え、第二のセクション即ちプレス・セクションの中に送り込まれる。

抄紙機の第二のセクションは、この紙のウエブをプレスして、シートから水を搾り出す。このセクションは、典型的には、プレス・ニップスを構成する一連のロールからなり、その中に紙のウエブが送り込まれる。プレスによって水を可能な限り取り除いた後、ウエブ内の残りの湿分を蒸発により取り除かなければならない。

抄紙機の第三のセクションは、通常、ドライヤーと呼ばれている。ここで、紙のウエブ内の残りの湿分が、製造される紙のグレードに対応して要求される最終レベルまで、蒸発により取り除かれる。

抄紙機の最終段階は、カレンダ（光沢機）であり、ここで、紙の表面に光沢及び滑らかさが付与される。もし、紙の表面に、通常のマシン内つや出し処理によって実現可能な光沢及び滑らかさよりも高い光沢及び滑らかさが要求される場合には、マシン外で、紙の表面に超つや出し処理（supercalendering）が更に施される。

紙の製造において、一定の品質の製品が作られ、それが維持されることが重要である。マシン横断方向（ＣＤ：cross-machine direction）の湿分のプロファイルは、紙製品における多くの重要な品質の一つである。全体としての湿分のレベルがコントロールされるのみではなく、シートの全体に渡る湿分の分布が、マシーン方向 （ＭＤ：machine direction）と呼ばれるシートの移動方向、及びＣＤ方向の双方について、コントロールされることも重要である。シートの湿分量の変動は、しばしば、湿分量と同様にあるいはそれ以上に、紙の品質に影響を与える、
抄紙機において、湿分量の変動、特にＣＤ方向の変動をもたらす多くの影響因子がある。ウェットエッジまたはドライエッジ、及び特有の湿分プロファイルは、抄紙機における共通の現象である。シートの湿分量ばかリではなく、ＣＤ方向のシートの光沢のプロファイル及び滑らかさの分布に関しても、同様の問題がある。このため、紙の製造の際に紙の品質を制御する目的で、多くのプロファイル調整システムが開発されて来た。

水蒸気シャワーは、従来のプロファイリング・システムの一つであり、それは、製造の際に、紙のウエブの上に水蒸気を選択的に供給することによって機能する。プロファイル付けの水蒸気シャワーは、紙のウエブを横断するゾーン内で可変の水蒸気の分布を供給する。水蒸気シャワーの各ゾーンを通過する水蒸気の量は、そのゾーンに配置されたアクチュエータにより調整される。

水蒸気シャワーは、水切りを促進して生産量の増大を図るため、フォドリニエール・テーブル上で広く使用されている。プレス・ニップスの前に、プレス・セクションにおいて水蒸気が加えられ、それから、ウエブの温度が上昇する。温度を上昇させること起因する湿分の除去の増大量が、水蒸気の凝縮のために追加される湿分と比べて大きいので、プレスによる水の除去の効果がより増大する。プロファイル付けの水蒸気シャワーはまた、つや出しのプロセスにおいても、紙製品の光沢及び滑らかさを改善するために使用されている。

湿分スプレイ・システムはまた、抄紙機の蒸発セクションにおいて、通常に使用されている従来のプロファイリング・システムである。この水スプレイ・システムは、紙のウエブ内の好ましくない湿分のプロファイルを打ち消すように、マシン横断方向の湿分スプレイのプロファイルを調整するように、デサインされている。これらのシステムは、ＣＤ方向に互いに隣接して並ぶそれぞれのゾーン内で、スプレイ量を独立に調整することができる一連の流量コントロール・アクチュエータから構成されている。

アクチュエータに加えて、湿分スプレイ・システムにおけるもう一つのキー・コンポーネントは、スプレイノズルである。ノズルは、水滴を微細な水滴に粉砕する部品である。これらのノズルは、典型的には、別個の空気圧力のラインを用いて液滴を作り出す。

水蒸気シャワーは、基本的に、紙の表面に高温の水蒸気を噴射することにより、ウエブに湿分及び熱を与える。水蒸気の潜熱は、紙の表面で水蒸気の凝縮が生じたときに解放され、それによって、ウエブの温度が上昇する。水蒸気の凝縮は、紙の表面の温度がある温度に到達するまで続く。ウエブ温度が高いほど、湿分の粘性が低くなり、その結果、プレス・セクションでの脱水に対する抵抗が小さくなる。マシンの運転し易さ及び効率の改善に寄与し、結果として紙の製造量を増大させるのは、この加えられた熱である。

プロファイル付けの水蒸気シャワーはまた、ウエブの中の湿分量を改善するために使用される。しかしながら、その結果もたらされる効果は、紙のシートの、その表面で水蒸気を凝縮させる能力のために、限定的である。先に述べたように、表面の温度が高過ぎる場合には、水蒸気は、紙の表面で凝縮せず、その代わりに、周囲環境に跳ね返され、浪費される。

水スプレイ・システムは、紙の表面に湿分を直接的に与え、湿分のプロファイルを改善する。ウエブに水を噴射する前に、温度擾乱に起因する副次的な効果を防止するため、通常、水はウエブの温度まで加熱される。水蒸気シャワー・システムと比較すると、水スプレイ・システムは、湿分の調整に関してより多くの自由度がある。しかしながら、水スプレイ・システムは、ウエブの温度上昇に対しては、限定的な効果しか及ぼさない。このため、水スプレイ・システムは、一般的に、品質の改善のために使用され、これに対して、水蒸気シャワーは、製造及び品質の双方の改善のために使用される。

本発明の装置及び方法は、水蒸気シャワー・システム及び水スプレイ・システムの双方の欠点を克服するために開発された。本発明は、水蒸気シャワーの有利な効果を、水スプレイ・システムの有利な効果に結合する。この方法は、製造及び品質の両者の改善のために、水蒸気と水スプレイの所定の混合物をウエブの上に噴射することを含む。上記の所定の混合物は、特定の用途のために注意深く計算された湿分及び熱を含み、水蒸気シャワーのみまたは水スプレイのみの場合に生じる限界がない。

この新規な装置は、水を微細な水滴に粉砕するために水蒸気を使用することが可能な、既存のアクチュエータ・ノズル・モジュールを使用することを含む。このアクチュエータは、混合物の中の湿分量をコントロールする。混合物の熱は、水蒸気の圧力及び水蒸気の過熱量を調整することによりコントロールすることが可能である。

典型的には、二つのタイプのアクチュエータを、本発明の装置において使用することができる。その一つは、制御信号をリニアな動きに変換する。このリニアな動きは、次いで、バルブ機構の開口面積を比例的に調整するために用いられる。このバルブを通過する流量は、従って、上流側の流れの圧力を一定に保つことによって、リニアな状態で制御可能であり、バルブの開口面積を変えることにより流量が決定される。

もう一つのアクチュエータのタイプは、レギュレータ・タイプと呼ばれるものである。このレギュレータ・タイプのアクチュエータは、一定の開口部に送り込まれる流れの圧力を、コントロール用リファレンス空気圧力に基づいて調整する。一定のオリフィスに送り込まれる変化する圧力が流量を決定する。

レギュレータ・タイプのアクチュエータは、小さな流れの制御が要求されるアプリケーションの場合に、特に有効である。小さなオリフィスの開口部を正確に調整することが非常に難しいことは、理解することができる。このため、小さなオリフィスの開口部を操作することなく、オリフィスに送り込まれる流れの圧力を調整する方が、遥かに容易である。レギュレータ・タイプのアクチュエータのもう一つの優位性は、必要なときに、バルブを完全に閉めることができることである。従って、レギュレータ・タイプのアクチュエータが、その優れた性能のため、本発明の新規な装置のために使用される。

紙またはその他の吸湿性材料のウエブの加湿及び加熱の方法。この方法は下記工程を有する：
（ａ）水蒸気の流れを供給し；
（ｂ）液体の流れを前記水蒸気の流れの中に供給し、それによって、前記液体の流れを前記水蒸気の流れでアトマイズし；
（ｃ）吸湿性材料のウエブを前進させて、前記アトマイズされた液体の流れを横切らせる。

アトマイジング用ノズルを使用して、紙またはその他の吸湿性材料のウエブを加湿及び加熱する方法。この方法は、下記工程を有する：
（ａ）前記ノズルの中に水蒸気の流れを形成する；
（ｂ）液体の流れを前記形成された水蒸気の流れの中に供給し、それによって、前記（the）液体の流れを前記形成された水蒸気の流れでアトマイズし；
（ｃ）吸湿性材料のウエブを前進させて、前記アトマイズされた液体の流れを横切らせる。

紙またはその他の吸湿性材料のウエブの加湿及び加熱の方法。この方法は下記工程を有する：
（ａ） 少なくとも第一及び第二のアトマイジング用ノズルをアレイ状に配置する、ここで、前記少なくとも第一及び第二のノズルは、互いに近接させて配置される；
（ｂ）前記少なくとも第一及び第二のノズルのそれぞれの中に、水蒸気の流れを形成する；
（ｃ）前記少なくとも第一及び第二のノズルそれぞれについて、前記形成された水蒸気の流れの中に液体の流れを供給し、それによって、液体の流れを前記形成された水蒸気の流れでアトマイズする；
（ｄ）吸湿性材料のウエブを前進させて、前記アトマイズされた液体の流れを横切らせる。

アトマイジング用ノズルを使用して、紙またはその他の吸湿性材料のウエブを加湿及び加熱する方法。この方法は、下記工程を有する：
（ａ）前記アトマイジング用ノズルのアレイを作る；
（ｂ）前記ノズルのそれぞれの中に水蒸気の流れを形成する；
（ｃ）前記ノズルのそれぞれについて、前記形成された水蒸気の流れの中に液体の流れを供給し、それによって、液体の流れを前記形成された水蒸気の流れでアトマイズする；
（ｄ）吸湿性材料のウエブを前進させて、前記アトマイズされた液体の流れを横切らせる。

液体を水蒸気でアトマイズするための装置。この装置は下記構成を備えている：
（ａ）互いに同一の面内に配置された水蒸気放出口及び液体放出口を有するハウジング；
（ｂ）前記ハウジング内に設けられ、前記水蒸気放出口に且つ所定の軸に沿って、水蒸気の流れを作り出すための第一のノズル；
（ｃ）前記第一のノズルの中に配置され、前記液体放出口に液体のコントロールされた流れを作り出すための第二のノズル；
（ｄ）前記第一のノズルの中に且つ前記第二のノズルの外側に配置された水蒸気流れデバイダ、当該水蒸気の流れデバイダは、前記水蒸気の流れと前記コントロールされた液体の流れの間の同心性を維持する。

液体を水蒸気でアトマイズするための装置。この装置は下記構成を備えている：
（ａ）当該装置内に且つ所定の軸に沿って、水蒸気の流れを作り出すための第一のノズル；
（ｂ）前記第一のノズルの中に配置され、前記装置の中に液体のコントロールされた流れを作り出すための第二のノズル；
（ｃ）前記第一のノズルの中に且つ前記第二のノズルの外側に配置された 水蒸気流れデバイダ、当該水蒸気の流れデバイダは、前記水蒸気の流れと前記コントロールされた液体の流れの間の同心性を維持する。

ノズルの中で液体を水蒸気でアトマイズするための方法。この方法は、下記工程を有する：
（ａ）水蒸気の流れを形成する；
（ｂ）液体の流れを、前記形成された水蒸気の流れの中に供給し、それによって、当該液体の流れを前記水蒸気の流れでアトマイズする。

液体を水蒸気でアトマイズするための方法。この方法は下記工程を有する：
（ａ）水蒸気の流れを形成する；
（ｂ）液体の流れを前記形成された水蒸気の流れでアトマイズして、当該液体の微細な水滴を作り出す。

図１に、本発明のための水蒸気−水スプレイ・システム１の好ましい実施形態のセグメントを示す。システム１は、ＣＤ方向（cross-machine direction）に紙のウエブを横切るプレート６の上に取り付けられた複数のアクチュエータ・ノズル・モジュール１０からなる。共通の水チャンバ２は、水供給ユニット（図示せず）に密閉状態で接続されている。この水供給ユニットは、各アクチュエータ・ノズル・モジュール１０に、プレート６に設けられた孔（図示せず）を介して、加圧水を送り込む。水の戻りパイプ５は、使用されなかった水を、水供給ユニットの水タンク（図示せず）に戻す。共通の水蒸気チャンバ３は、水蒸気生成システム（図示せず）に密閉状態で接続されている。この水蒸気生成システムは、各アクチュエータ・ノズル・モジュール１０に、プレート６に設けられたもう一つの孔（図示せず）を介して、加圧水蒸気を送り込む。リモートで生成され、エアチューブ４を介して送られた６ＰＳＩＧから３０ＰＳＩＧまでの空圧信号は、各アクチュエータ・ノズル・モジュール１０の中を通る水の流量をコントロールする。

図２には、一体的に組み立てられたアクチュエータ・ノズル・モジュール１０の実施形態が示されている。モジュール１０は、アトマイジング用ノズル２２とレギュレータ・タイプのアクチュエータ２０から構成されている。ノズル２２は、ポート２８を備え、このポート２８は、図１のプレート６を介して、共通の水チャンバ２に密閉状態で接続されている。このポート２８は、加圧水を水チャンバ２から受け、その水をレギュレータ・タイプのアクチュエータ２０に送り込む。アクチュエータ２０は、一対のオリフィス１２及び１４及びこれらのオリフィスの下流の水ノズル２６に送り込まれる水の圧力を、０ＰＳＩＧと２４ＰＳＩＧの間の値に調整する。この供給圧力、及びオリフィス１２及び１４及び水ノズル２６のサイズは、モジュール１０を通る水の流量を完全に決定する。

二つの圧力ポート１８及び１６は、水の経路内にある。圧力ポート１８は、一対のオリフィス１２及び１４の上流に配置され、これに対して、もう一つのポート１６は、二つのオリフィス１２と１４の間に接続されている。二つの圧力ポート１６及び１８での圧力測定は、以下において説明するように、二つのオリフィス１２及び１４及び水ノズル２６の状態をモニターするために使用することができる。

好ましくは、水蒸気が、アトマイジング用ノズル２２のチャネル７０の中にポート３０を介して送り込まれる。このポート３０は、図１のプレート６を介して、共通の水蒸気チャンバ３に密閉状態で接続されている。チャネル７０の水蒸気は、次いで、三つの流れに分割される：一つの流れは、水ノズル２６の周囲の外周のギャップ７２を通り、もう一つの流れは、ノズルの出口に隣接する平らなギャップ７６を通り、更にもう一つの流れは、二つの中心から外れたオリフィス８６を通る。これらの分割された流れは、次いで、ミキシング・チャンバ７４の中で合流し、次いで、水ノズル２６の回りの環状部７８を通って環境に噴出される。二つの中心から反対方向に外れたオリフィス８６を通る水蒸気は、ミキシング・チャンバ７４内に、混合流れの回転成分を作り出す。この回転成分は、従来の水蒸気シャワー内には存在していない。

アクチュエータ１０のバルブが完全に閉じられたとき、ノズル２２を通る水の流れは無く、アクチュエータ・モジュール１０は、水蒸気のみをウエブに供給する。

次に、図３を用いて、レギュレータ・タイプのアクチュエータ２０の好ましい実施形態について説明する。バルブステム４６が、バルブシート４８と組み合わされたピストン４４に取り付けられ、バルブステム４６は、原料水の導入口で、バルブを構成する。

本発明の水蒸気−水・スプレイ・システム１は、水蒸気のジェットの中に回転成分を付け加えたことによって、従来の水蒸気シャワーよりも優れている。回転運動によって、移動しているウエブで運ばれる空気により形成される境界層に、水蒸気が侵入することがより容易になる。水蒸気と紙の表面の間のコンタクトが改善されることにより、水蒸気処理の効率が増大する。

アクチュエータ１０のバルブが開かれると、水がバルブを通過して、水ノズル２６に送り込まれる。環状部７８を通って噴出される水蒸気のジェットは、このケースでは、（水を）アトマイズするための流体として働く。水蒸気を環境中の噴出させる前に、ミキシング・チャンバ７４内で、３系統の水蒸気の流れの組み合わせを使用することにより、プロファイル付けのアプリケーションに最も適した湿分の分布が作り出される。

三つのアトマイジング用の流れの他の効果は、その結果得られる水の液滴のサイズが、紙の再加湿向けアプリケーションに良く適していることである。見出されたところによると、三つの流れのアトマイジング用ノズルは、５０マイクロメータ程度の微細な平均サイズの液滴を作ることができる。

上記の構成に代わりに、ポート３０の上流で複数の水蒸気バルブ（図示せず）を用いて、アトマイジング用ノズル２２に送り込まれる水蒸気の流れを調整することも可能である。このような構成は、従来の水蒸気シャワーの場合と同様に、ＣＤ方向にウエブを横切る方向の、温度のプロファイル付けを可能にする。しかしながら、本発明に基づき付け加えられた水は、従来の水蒸気シャワーの場合と比べて、湿分の調整範囲を拡大する。また、蒸気の流量を調整することによって、アトマイジング用ノズルで作り出される液滴のサイズのコントロールが可能になる。良く知られているように、流体の流れをより多くアトマイズするに従い、アトマイジング用ノズルで作り出される液滴が小さくなる。

本発明の水蒸気によるアトマイジングは、空気によるアトマイジングと比較して、スプレイ・システムに対して優れた効果をもたらす。良く知られているように、重質グレードの紙は、水をアトマイズするために、より多くのアトマイジング用の流体の流量を必要とする。固定的な形状を備えたノズルの場合、アトマイジング用の流れの増大は、アトマイジング用の圧力を高くすることにより実現される。１５ＰＳＩＧよりも高い圧力まで空気を加圧することは、より多くのコストが掛かる。その理由は、１５ＰＳＩＧまで空気を加圧することができるエア・ブロアと、１５ＰＳＩＧよりも高い圧力まで空気を加圧することができるコンプレッサとの間に、大きな価格の差が有るからである。しかしながら、１５ＰＳＩＧよりも高い圧力を有する水蒸気は、どの抄紙機においても容易に入手することができる。

水をアトマイズするために水蒸気を使用することの、もう一つの効果は、水滴サイズの微細化が期待できるからである。水蒸気が有する潜熱で、アトマイズされた水が加熱され、その結果、水の粘性が下がる。粘性が低下することにより、アトマイジング・プロセスに対する抵抗が低下し、そのため、スプレイの中の液滴がより小さくなる。

図２のレギュレータ・タイプのアクチュエータ２０は、本願と同一主体が所有している米国特許第 ６，３９４，４１８号（“Bellows actuator for pressure and Flow Control”）に記載されており、その開示内容は、リファレンスとしてここに含まれる。

図３には、レギュレータ・タイプのアクチュエータ２０の実施形態が示されている。

アクチュエータ２０は、内側チャンバ３２及び外部チャンバ３４から構成され、それらは、フレキシブルな金属製ベローズ３６によって分割されている。外部チャンバ３４は、アクチュエータ・ボディ４０、ベローズ３６、エンドピース４２、及びピストン４４により形成されるスペースである。制御用空気の導入口２４は、外部チャンバ３４の中に制御用空気を送り込む。内側チャンバ３２は、水の導入口のエンドピース４２、ベローズ３６、及びピストン４４により形成されるスペースである。

原料水の導入口５０は、図２の水ポート２８に密閉状態で接続され、内側チャンバ３２の中に水を送り込む。バルブステム４６は、バルブシート４８と組み合わされたピストン４４に取り付けられ、原料水の導入口５０でバルブを形成する。スプレイ水の出口５２は、その水を、ダブルのオリフィス１２及び１４及びノズル・オリフィス２６に、図４の水の導入口６２を介して送り込む。

アクチュエータ２０の最初のセットアップは、金属製ベローズ３６を所定の量圧縮し、バルブステム４６を取り付け、バルブ・オリフィス５４が、この予め圧縮されたセッティングで閉じるようにすることを含む。これに加えて、水の導入口のエンドピース４２及びピストン４４は、相対運動の際に径方向に互いにガイドし、それとともに、ベローズ３６に対する回転防止ガイドとして機能するようにデザインされている。

このアクチュエータ２０は、ダブルのオリフィス１２及び１４及びノズル・オリフィス２６に送り込まれる圧力を、ポート２４での制御用空圧をリファレンスとして用いて、コントロールするように働く。原料水は、原料水の導入口５０に、スプレイ・ノズル２２に対する最大の要求圧力を超える圧力で送り込まれる。制御用空気は、金属製ベローズ３６に、アクチュエータ・ボディ４０を介して送り込まれる。

外部チャンバ３４内の空気圧力は、ベローズ３６の有効エリアに作用して、作動力を作り出し、その作動力は、三つの対向力で受け止められる。第一の対向力は、予め圧縮された金属製ベローズ３６のスプリング作用により形成される。第二の対向力は、バルブ・オリフィス５４の開口部の相対的に小さいエリアに作用する原料水の圧力により形成される。第三の対向力は、ベローズ３６の有効エリアに作用する内側チャンバ３２のスプレイ水の圧力により形成される。

上記の最初の二つの反力は、相当小さいかあるいは一定であり、従って、ダブルのオリフィス１２及び１４及びノズル・オリフィス２６に送り込まれる水の圧力に、制御用空圧を変えることによって、予測可能な影響を与えることを可能にする。アクチュエータ２０は、これらの力のバランスに基づいて動作する。

もし、ベローズ３６の予備圧縮の量によって決定される制御用空圧が、開始圧力の６ＰＳＩＧよりも低い場合、バルブステム４６は、バルブシート４８に接触した状態のままで残り、水がバルブ・オリフィス５４を通過しない。ダブルのオリフィス１２及び１４及びその下流側のノズル・オリフィス２６は、そこに送り込まれる水の圧力を受けない。

制御用空圧がアクチュエータ２０の開始圧力を超えたとき、バルブステム４６がピストンによって押し下げられ、水が、バルブ・オリフィス５４を通って内側チャンバ３２の中に流れ、そこから、ダブルのオリフィス１２及び１４及びノズル・オリフィス２６に流れる。ダブルのオリフィス１２及び１４及びその下流のノズル・オリフィス２６は、水をその中を通過させて流すとともに、その様な流れに対する抵抗をもたらす。このようにして、内側チャンバ３２に圧力が生ずる。

内側チャンバ３２内の圧力が増大すると、外部チャンバ３４内の制御用空圧の力と釣り合うまで、対抗力の合計値も増大する。制御力と反力の間のバランス点は、０ＰＳＩＧと２４ＰＳＩＧの間の、調整された水の圧力をもたらし、その値は、６ＰＳＩＧと３０ＰＳＩＧの間の制御空圧に比例する。調整された水の圧力及びダブルのオリフィス１２及び１４のサイズは、アクチュエータ・ノズル・モジュールを通過する流速を決定する。

このアクチュエータ・ノズル・モジュール１０がどのように動作するのかについて十分に理解するためには、アクチュエータ・ノズル・モジュール１０のメカニズムについての短い説明が必要になる。モジュール１０の中で使用されているアトマイジング用ノズル２２は、米国特許出願第 １０／００１，４０８号（２００１年１０月２２日出願；“Spraying nozzle For Rewet showers”）に記載されており（以下、’４０８号出願と記す)、その開示内容は、リファレンスとしてここに含まれる。アトマイジング用ノズル２２は、三つの空気の流れの組み合わせを用いて、水を小さな液滴に粉砕し、紙の品質の改善のアプリケーションに向いた適切な湿分のプロファイルを作り出す。

図４に、アクチュエータ・ノズルユニット１０のノズル部分２２のための実施形態が示されている。ノズル部分は、ノズルボディ５６、ダブルのオリフィスデバイス１２及び１４、水ノズルチューブ５８、流れのデバイダ８２、及び水蒸気キャップ６０から構成されている。ノズルボディ５６はまた、アクチュエータ２０を取り付るためのベースとして使用されている。ノズルボディ５６上の原料水の導入口２８は、図３のアクチュエータ２０への原料水の導入口５０に接続されている。

図３のアクチュエータ２０からのスプレイ水の出口５２は、ノズルボディ５６上の圧力調整された水の導入口６２に、一線上にそろえて位置決めされる。アクチュエータ２０からの水は、水の導入口６２に送り込まれ、ダブルのオリフィス１２及び１４を通り、最終的に水ノズル２６から噴出される。

アトマイジング用の水蒸気は、ノズルボディ５６、水チューブ５８、流れのデバイダ８２及び水蒸気キャップ６０により形成される水蒸気チャンバ７０に、アトマイジング用の水蒸気の入り口３０を介して送り込まれる。水蒸気チャネル７０内のアトマイジング用の水蒸気は、次いで、円筒形の流れのデバイダ８２を用いて、三つの異なる流れに分割される。流れのデバイダ８２の拡大図を図５に示す。円筒形の流れのデバイダ８２の中心軸に向けて穴あけされた孔９８（図５に示す）を通る流れの一つは、水チューブ５８及び流れのデバイダ８２によって形成されたチャンバ８０の中に入る。この流れは、次いで、デバイダ８２と水チューブ５８の間のギャップ７２の中に流れ、次いで、ミキシング・チャンバ７４の中に入った後、水チューブ５８の回りの第一の水蒸気の流れを作る。

流れのデバイダ８２の円筒形の外表面には、二つのフラットな表面９６（図５に参照）が加工されていて、それらは、デバイダ８２の一端に位置している。これらの二つのフラットな表面は、互いに反対側に位置している。二つの水蒸気チャネル８４が、流れのデバイダ８２上の二つのフラットな表面９６と、水蒸気キャップ６０の内周面との間に形成されている。二つの水蒸気チャネル８４は、水蒸気チャネル７０に接続されている。チャネル８４内のアトマイジング用の水蒸気は、第二の及び第三の流れのために使用される。

第二の水蒸気の流れは、流れのデバイダ８２の二つのフラットな表面９６に、中心から外れて穴あけされた二つの孔８６の中を流れ、ミキシング・チャンバ７４の中に接線方向に流れ込む。二つの中心から外れた孔８６は、反対方向に向けられ、それによって、ミキシング・チャンバ７４内で、第一の水蒸気の流れの回りに回転流れが作り出されるようにする。チャネル７０内での二つのオリフィス８６のサイズ及び水蒸気の圧力は、ミキシング・チャンバ７４内での回転の強さを決定する。この回転は、最終のジェットのスプレイパターン、特に、最終のジェットの幅を決定する。

第三の水蒸気の流れが、アトマイジング用の水蒸気によって二つの水蒸気チャネル８４の中に作り出され、水蒸気キャップ６０と水蒸気デバイダ８２の間に形成されたギャップ７６内を通る。リング８８が、ギャップ７６の幅をコントロールするために使用され、結果として、スプレイのプロファイルの形状をコントロールする。第三の流れは、ギャップ７６内を通り、コアンダ効果（Coanda effect）によって、水蒸気キャップ６０上のチャンファの付けられた表面９０の方向に曲がる。コアンダ効果とは、流れが固体の表面に付着しようとする現象を意味する。この第三の流れは、ミキシング・チャンバ７４内で、回転流れ及び第一の流れを、その中に包み込む。三つの流れの組み合わせは、環状部７８から、ノズル・オリフィス２６から噴出される水ジェットの回りに噴出される。

三つの流れのノズルのデザインに基づく幾つかの効果がある。それらの効果の一つは、アトマイジング用ノズルの効率である。第三の流れが、水蒸気キャップ６０のチャンファ（斜角面）９０で曲がったとき、これもまたコアンダ効果によって、低い圧力のエリアが水蒸気キャップ６０のチャンファ（斜角面）９０の近くに作り出される。チャンバ７４内のこの低い圧力は、第三の流れによって作り出され、第一の水蒸気の流れ及び回転する第二の流れの双方に対するを抵抗を減少させる。この抵抗の減少は、前記の’４０８号出願に開示されているアトマイジング用ノズル内で用いられる三つ空気の流れによって作り出されるものと、全く同一のスプレイパターン（水滴サイズ及び質量プロファイル）が、アトマイジング用の水蒸気の相対的に低い供給源圧力を用いて、作り出すことができることを示している。

アトマイジング用ノズルのデサインのもう一つの利点は、このデサインが、当該ノズルによって作り出される水の質量プロファイルの二つの傾斜のコントロールを可能にすることである。第三の流れは、このデザインの結果であり、回転の外側の領域に軸方向の運動量を加え、この軸方向の運動量は、プロファイルの外側のエッジの二つの傾斜を鋭くし、そのプロファイルを理想的な四角形の形状に近づける。

アトマイジング用ノズルのデサインの、更にその他の利点は、アトマイジング用の水蒸気の流れを混合することより作り出される追加的な剪断力によりもたらされる。回転運動の中の、より大きな水滴は、そのより大きな遠心力のためにジェットの中心からより早く離れる。第三の流れの混合領域内で作り出された剪断力及び回転運動は、これらの水滴を、より一層小さな水滴に粉砕する。その結果得られるスプレイは、水滴サイズのより均一な分布を、全体プロファイルに渡って有している。

このノズルデサインの、更にその他の利点はまた、効率に関わるものである。ミキシング・チャンバ７４内で、二つの中心から外れた孔８６によって回転運度が作り出され、水蒸気キャップ６０のチャンファ（斜角面）９０によって形成される収束エリアの中で圧縮される。回転運動の中の接線速度は、圧縮の間に大幅に増大する。水蒸気キャップ６０のチャンファ９０は、チャンファ表面上での接線速度をゼロに引き下げる。チャンファ表面での摩擦力は、回転運動の強さを消失させる、ノズルの効率を下げる要因となる。回転運動とチャンファ表面の間に位置する第三の流れは、回転運動に対するクッションとして作用し、回転運動の旋回強さを維持する。

先に説明したように、水の経路 （図２及び図４参照方）内でのポート１６及び１８での圧力測定は、流れの制御オリフィス１２及び１４及び水オリフィス２６の状態をモニターするために使用される。このモニタリングについては、米国特許第６，４６０，７７５（“Flow Monitor for Rewet Showers”）に記載されており、その開示内容はリファレンスとしてここに含まれる。

このアクチュエータ・ノズルユニット１０のモニタリングは、図２の二つの圧力ポート１６及び１８での圧力測定によって実現される。図２に示すように、圧力ポート１６が、正に二つのオリフィス１２と１４の間に位置している。もう一つの圧力ポート１８は、二つのオリフィス１２及び１４の上流にあり、このモジュール１０に含まれるアクチュエータ２０からの、調整された水の圧力をモニターする。測定された上流側圧力は、アクチュエータ２０にポート２４を介して送られる制御空圧と比較される。この比較は、アクチュエータ２０の性能診断に用いられる。

二つのオリフィス１２と１４の間で測定された圧力は、上流で測定された圧力とともに、ダブルのオリフィス１２，１４及び水オリフィス２６の状態をモニタするために使用される。オリフィスのモニタリングは、ダブル・オリフィスの技術を使用して実施される。このダブル・オリフィスの技術は、流れている流体がオリフィスを通過する際、常に圧力低下が生ずると言う事実に基づいている。オリフィス１２及び１４の間のポート１６での圧力変化は、常にモニターされ、ポート１８での上流側圧力と比較される。ダブルのオリフィス１２，１４の間の圧力は、上流側圧力の一部であり、もし、流れの経路に幾何学的な変化がない場合には、流れの状態に関わらず、二つの圧力の比率は常に一定である。

もし、上記のダブル・オリフィスの内の上流側オリフィス１２が部分的に閉塞した場合、ダブル・オリフィス１２及び１４の間で測定された圧力は、正常時の値よりも小さくなる。オリフィス１２及び１４の間での圧力測定値がゼロであることは、通常運転の間に、上流側オリフィス１２が完全に閉塞したことを示している。上流側オリフィス１２に磨耗が生じた時には、ダブルのオリフィス１２及び１４の間での圧力増大が予想される。同様に、下流側オリフィス１４または水ノズル２６での閉塞は、流れをより多く妨げ、その結果として、オリフィス１２及び１４の間により高い圧力が正ずる。下流側オリフィス１４が完全に閉塞したとき、二つのオリフィス１２と１４の間の圧力は、上流の圧力に等しくなる。下流側オリフィスの磨耗は、圧力低下を引き起こす。

要するに、オリフィス１２及び１４の間の圧力低下は、上流側オリフィス１２の閉塞または下流側オリフィスの磨耗のいずれかを示している。オリフィス１２及び１４の間の圧力の増大は、上流側オリフィス１２の磨耗または下流の閉塞のいずれかを意味している。測定された圧力の変動をどちらのオリフィスが引き起こしたかは分からないが、それにより、オリフィスを交換すべき時が到達したことは分かる。ダブルのオリフィス１２及び１４は、容易に交換できるように一体の部品としてデザインすることができる。

ノズル・オリフィス２６は、ノズル２２からの水滴サイズに影響を与えるものであるが、全てのアプリケーションに対して同一である。ダブルのオリフィス１２，１４のオリフィスの径は、各個別のアプリケーションに対して、水の可能最大流量を決定する。大半のアプリケーションに対して、ノズル・オリフィス２６は、流れのオリフィスの径と比べて遥かに大きい。従って、水オリフィス２６での圧力低下は、二つのオリフィス１２，１４での圧力低下と比べてかなりに小さい。ポート１６での圧力の値が相対的に高いことは、そこでの正確な圧力測定を容易にする。これが、このモニタリング技術が、デサインの中で、一つのオリフィスの代わりに二つのオリフィス１２，１４を使用する理由である。実施の際には、二つのオリフィス１２，１４の直径は、同一であっても違っていても良い。

以上の好ましい実施形態についての説明は、単に例として示したもの過ぎず、本発明の範囲を限定するものではないことを理解すべきである。当業者は、本発明の精神またはその技術範囲から逸脱することなく、開示された主題の実施形態に、何らかの追加、削除、および／または、変形を加えることが可能であろう。

本発明の水蒸気−水スプレイのための好ましい実施形態のセグメントを示す。 図１の好ましい実施形態において使用されるアクチュエータ・ノズル・モジュールを示す。 図２のアクチュエータ・ノズル・モジュールの一部であるレギュレータ・タイプのアクチュエータの実施形態を示す。 図２のアクチュエータ・ノズル・モジュールのノズル部分のための実施形態を示す。 水蒸気アトマイジング用ノズルのための、図４の流れのデバイダの拡大図を示す。

Claims (9)

1. 霧化用ノズルを使用して、紙またはその他の吸湿性材料のウエブを加湿及び加熱する方法であって、下記工程を有する方法：
   （ａ）前記ノズルの中に、回転する水蒸気流れ、一つの直進する水蒸気流れ、及びもう一つの直進する水蒸気流れの組み合わせからなる水蒸気の流れを形成し；
   （ｂ）液体の流れを前記形成された水蒸気の流れの中に供給し、それによって、前記液体の流れを前記形成された水蒸気の流れで霧化し；
   （ｃ）紙またはその他の吸湿性材料のウエブを前進させて、前記霧化された液体の流れを横切らせる。
2. 下記特徴を有する請求項１に記載の方法：
   前記形成された水蒸気の流れの中に液体の流れを供給する前記工程は、水ノズルを前記形成された水蒸気の流れの経路の中に挿入し、それによって、前記形成された水蒸気の流れで当該水ノズルの回りを取り囲むことを含む。
3. 下記特徴を有する請求項１に記載の方法：
   前記霧化用ノズルは、第一のノズルであって、当該方法は更に下記工程を有している：
   （ａ）第二のノズルを用意し、前記第一及び第二のノズルをアレイ状に、且つ互いに近接させて配置し；
   （ｂ）前記第二のノズルの中に、回転する水蒸気流れ、一つの直進する水蒸気流れ、及びもう一つの直進する水蒸気流れの組み合わせからなる水蒸気の流れを形成し；
   （ｃ）前記第二のノズルの中で形成された前記水蒸気の流れの中に液体の流れを供給し、それによって、前記第二のノズルの中で形成された水蒸気の流れで、この液体の流れを霧化する。
4. 紙またはその他の吸湿性材料のウエブを加湿及び加熱する装置であって：
   前記装置は、一またはそれ以上のノズルを備え、
   前記一またはそれ以上のノズルのそれぞれは、回転する水蒸気流れ、一つの直進する水蒸気流れ、及びもう一つの直進する水蒸気流れの組み合わせからなる水蒸気の流れで、液体の流れを霧化し、それによって、湿分及び水蒸気の双方を紙またはその他の吸湿性材料のウエブに供給する。
5. 下記特徴を有する請求項４に記載の装置：
   前記液体の流れを、前記一またはそれ以上のノズルの全てに供給するためのチャンバを、更に備えている。
6. 下記特徴を有する請求項４に記載の装置：
   水蒸気の流れを、前記一またはそれ以上のノズルの全てに供給するためのチャンバを、更に備えている。
7. 下記特徴を有する請求項４に記載の装置：
   前記一またはそれ以上のノズルのそれぞれの中の液体の流れをコントロールするために、前記一またはそれ以上のノズルのそれぞれに接続される空圧信号を、更に備えている。
8. 下記特徴を有する請求項４に記載の装置：
   前記一またはそれ以上のノズルは、
   （ａ）当該装置内に且つ所定の軸に沿って、回転する水蒸気流れ、一つの直進する水蒸気流れ、及びもう一つの直進する水蒸気流れの組み合わせからなる水蒸気の流れを作り出すための第一のノズル；
   （ｂ）前記第一のノズルの中に配置され、前記装置の中に液体のコントロールされた流れを作り出すための水ノズル；
   （ｃ）前記第一のノズルの中に且つ前記水ノズルの外側に配置された水蒸気流れデバイダ；を有し、
   当該水蒸気の流れデバイダは、前記水蒸気の流れと前記コントロールされた液体の流れの間の同心性を維持する。
9. 下記特徴を有する請求項８に記載の装置：
   （ａ）互いに同一の面内に配置された水蒸気放出口及び液体放出口を有するノズルボディを更に有し；
   （ｂ）前記第一のノズルは、このノズルボディ内に設けられ、前記水蒸気放出口に、回転する水蒸気流れ、一つの直進する水蒸気流れ、及びもう一つの直進する水蒸気流れの組み合わせからなる前記水蒸気の流れを作り出し；
   （ｃ）前記水ノズルは、前記第一のノズルの中に配置され、前記液体放出口に前記液体のコントロールされた流れを作り出す。

Images