Capillary dewatering method and apparatus

【発明の詳細な説明】 毛管脱水法及び装置発明の背景 １． 発明の分野本発明は、一般的には、製紙工程におけるペーパーウェブの脱水に関し、更に詳細には、製紙工程中に圧搾されていないウエットウェブからそのウェブ全体を実質的に圧縮せずに水を除去する毛管力の使用に関する。 ２． 従来技術の簡単な説明 Herveyの米国特許第3,262,840号は、多孔性ポリアミドボデイを用いて紙及び織物のような繊維状物品から液体を除去する方法及び装置に関する。 その多孔性ポリアミドボデイは、例えば、焼結した弾力のある多孔性ナイロンロールである。 この方法では、ウエットペーパーファイバーウェブを各々が少なくとも１の多孔性ナイロンロールを含む一連の加圧間隙に通過させる。 ウエットペーパーファイバーウェブから間隙ロールで加えられる圧力、多孔性ロールにおけるある程度の毛管作用及び真空の援助の組合わせにより、液体が、多孔性ナイロンロールに移されることは明らかである。 しかしながら、液体の移動は、ウェブが間隙と対向ロール間を通過する比較的短い時間に起こらなけれならないので、この方法には大巾な制限がある。 Herveyには、多孔性ナイロンロールに取り込まれた水を、 次にロールの中のチャンバを加圧することにより細孔から吹き出すか、或いはロールに外部から真空を与えることにより細孔から吸引することが開示されている。 このようにして、水を細孔から吹き出させることは又、細孔を清浄する傾向を生じる。 Chuangらの米国特許第4,556,450号には、ウェブからそのウェブを圧縮せずに毛管力の使用により液体を除去する方法及び装置が開示されている。 ウェブは、 毛管サイズの細孔を含むカバーを有する回転シリンダの周辺セグメント上を通過する。 回転シリンダの内容積は、固定部分とシールによって互いに分離されている少なくとも２個、ないしは６個程度のチャンバに分割されている。 チャンバの少なくとも１つは、その内部に真空が誘起されてシートからの水の毛管流量を増加させる。 他のチャンバには、シートが除去された後にカバーの外へ細孔から水を排出するのに正圧が与えられる。 おそらく、細孔はこの水の排出によって清浄される。 シートから取られた水は全て細孔の内部又はその真下に保持され、シリンダの回転ごとに毛管カバーから排出される。 Pallの米国特許第3,327,866号に教示された焼結ダブルダッチ綾織りを含むいくつかのカバー材料が述べられている。 Lampinenの米国特許第4,357,758号は、液体で飽和された微多孔性吸引面を、 乾燥されるウェブに対して減圧下で液体と水圧接触させることによって、ペーパーウェブのような物体を乾燥する方法及び装置が教示されている。 その微多孔性液体吸引面は回転ドラムの外部に位置し、水はドラムと明らかに回転するポンプの使用によってドラムから吸引される。 Lampinenには、細孔を清浄するための備えは何もしていないと考えられる。 従来の技術は、ウェブ全体を圧縮せずにウェブに含まれる水と毛管膜の細孔内の水間の水圧接触を行わせるために、毛管膜に対してウェブを軽くナックル押圧することを教示していない。 これにより、毛管膜の使用によって多量の及び迅速な脱水が促進される。 更に、ナックル表面により毛管膜に対してウェブを軽く押圧することは、分割されていない毛管脱水ロールを、毛管膜の平均流量細孔直径の有効毛管漏出圧に近いがこれを超えない単一圧力に全行程にわたり維持することとの組み合わせでは教示されていない。 更に、従来の技術には、毛管脱水ロールの外部から内部まで毛管膜を洗浄及び清浄し、もって、細孔内に捕捉された微粒子をドラム内部に流すことも開示されていない。 これは、ドラムが分割されていず、かつ単一真空圧に維持され、更に毛管細孔が実質的にまっすぐな曲がっていない通路孔であるために可能である。 発明の要約従って、本発明の目的は、製紙工程において連続的多孔性ウエットウェブに含まれた液体の一部を毛管力を用いて該ウェブ全体を実質的に圧縮せずに除去する方法及び装置を提供することである。 更に、本発明の目的は、外部からの高圧水噴霧を使用してドラムの表面を清浄共に、毛管細孔内に捕捉された微粒子不純物をドラムに流すことにより清浄できる回転毛管脱水ドラム上の毛管脱水面を提供することである。 また本発明の他の目的は、製紙工程において連続する多孔性ウエットウェブに含まれた液体の一部を除去する方法及び装置であって、オープンナックルファブリックで毛管脱水膜に対して連続多孔性ウエットウェブを軽く押圧することにより、連続する多孔性ウエットウェブと毛管脱水膜の毛管細孔内の水との間の水界面が形成される方法及び装置を提供することである。 また更に本発明の目的は、製紙工程において連続的多孔性ウエットウェブから引き出された水を膜の毛管細孔の平均流量細孔直径の有効毛管漏出圧に近いがこれを超えない単一真空圧に維持された分割されていない毛管脱水ロールの使用によって毛管膜の毛管細孔から除去する方法及び装置を提供することである。 簡単に述べると、本発明の前述の目的及び他の多くの目的、特徴及び利点は、 本明細書に示される詳細な説明、請求の範囲及び図面を読み取ることにより容易に明らかになるであろう。 これらの目的、特徴及び利点は、複合構造を有する毛管脱水膜を含む毛管脱水ロールの使用によって達成される。 毛管脱水膜は、少なくとも２層、ないし４層程度からなる。 上層は、ウエットウェブが配置される毛管表面である。 毛管膜の細孔の平均流量細孔直径は、約１０ミクロン以下でなければならない。 この毛管上層の裏側には、１又はそれ以上の支持層がある。 毛管膜を支持及び安定化するほかに、これらの比較的開放した層は、その中を通って穴のあいたロールの内部に水が容易に流れ得るようにする。 これにより、毛管真空を上方の毛管膜の下に一様に分布させることが可能になる。 後続の層が後ほど大きくなる開口を有するという事実は、上方の毛管層を通るか又は該層に入る不純物を脱水ロールの中心に流し続けるようにすることを可能にする。 毛管脱水ロールは、分割されていないロールであり、下記の毛管吸引員圧Ｃ _p に近い一定の真空に維持される。

式中、σは水−空気−固体界面張力であり、θは水−空気−固体接触角であり、ｒは毛管細孔の半径である。 毛管細孔と脱水されるシートの毛管の双方における接触角がゼロ（完全に湿潤性）である場合には、空気−水界面における水のメニスカスの湾曲の半径はｒにほぼ等しい。 これは、毛管膜内及び脱水されるシート内の両方について言えることである。 そのような平衡状態が一旦得られると、脱水シートは毛管媒体から離される。 毛管脱水ロールの内部に接続される真空源は、毛管吸引力Ｃ

_pの近似状態を形成し、もって、毛管細孔を通る水の流れを促進し、毛管膜の下側にある水を連続的に除去する。 ウェブが毛管膜の表面を離れる点とウェブが毛管膜の表面に対して軽く押圧される点との間に毛管脱水ロールの表面を洗浄する清浄シャワが設けられる。 清浄シャワは、更に、毛管細孔に滞留していた微粒子をロールの中心に送るように働き、ここで該微粒子は水と共に運び出される。 実質的にまっすぐな曲がっていない通路孔は、この外側から内側への清浄方法に役立つ。 本発明の毛管脱水ロールは、種々の形式の製紙工程において、その工程のエネルギー効率を改善するために用いることができる。 その１つの方法は、ヘッドボックスから成形用ファブリックにファーニッシュを供給して初期のペーパーウェブを形成することである。 次に、その初期のペーパーウェブは、ウェブが約６〜 約３２％乾燥の範囲内となるように、成形用ファブリック上に支持されたまま真空脱水される。 多重真空ボックスは、３２％の乾燥を達成する必要があると思われる。 次に、ウェブは成形用ファブリックからオープンナックルトランスファファブリックに真空移送され、ウェブは、該トランスファファブリックに支持されたまま本発明の毛管脱水ロールの毛管膜表面に対して軽く押圧される。 また、真空脱水の一部又は全部は、ウェブがトランスファファブリック上にある間に行われる。 ウェブは、毛管脱水ロールによって約３３〜約４３％乾燥の範囲まで脱水される。 追加の乾燥は、多重毛管脱水ロールを順次配置することにより達成される。 次いで、ウェブの乾燥は、スルードライヤ、ヤンキードライヤ、ガス燃料高温表面ドライヤ、スチーム加熱カンドライヤ等の使用を含む種々の手段により完了される。

図面の簡単な説明図１は、本発明の好適実施態様に従って構成された毛管脱水システムの一部の線図である。 ランドティッシュの手すき紙のクールターポロメータ（Coulter Porometer）による孔サイズの分布曲線である。 図３Ａ、３Ｂ及び３Ｃは、本発明の好適実施態様の制御された毛管脱水法のグラフである。 図４は、本発明の好適実施態様の毛管脱水複合構造の断片的断面図である。 図５Ａ及び５Ｂは、理想的及び現実的細孔構造を示す図である。 図６は、本発明のヌクレポア５マイクロメートル毛管膜のクールターポロメータによる流量差分布のグラフである。 図７は、本発明の好適実施態様の好適毛管真空ロール穴パターンの図である。 図８は、毛管脱水ロール上における入口乾燥レベルの影響のグラフである。 図９は、毛管脱水ロール、通気ドライヤ及びクレープドライヤを備えた本発明のウェブ抄紙機の概略図である。 図１０は、毛管脱水ロール及びクレープドライヤを備え、通気ドライヤのない本発明のウェブ抄紙機の概略図である。 図１１は、毛管脱水ロール、高温表面ドライヤ及びクレープドライヤを備えた本発明のウェブ抄紙機の概略図である。 図１２は、通気ドライヤ及びクレープドライヤを備えた従来のウェブ抄紙機の概略図である。

好適実施態様の詳細な説明まず図１を参照すると、周辺に毛管膜複合物１２を有する本発明の毛管脱水ドラム１０が示されている。 オープンナックル支持ファブリック１４上に支持されたウエットウェブＷは、回転する毛管脱水ドラム１０の毛管膜複合物１２に対して接触する。 間隙ロール１６は、ウェブＷがオープンナックル支持ファブリック１４のナックル面積で軽く圧縮されるように毛管膜複合物１２に対してウェブＷ を軽く押圧する。 本明細書で定義される“軽い押圧”は、（間隙ロールの重量とほぼ均り合うことによる）１未満から約１５０pli(直線インチあたりの圧力ポンド)の範囲内の線圧力で押圧することである。 最も好ましくは、間隙ロール１６ は実質的に２０〜５０pliの範囲内の線圧力で毛管膜複合物１２に対してウェブＷを押圧する。 毛管膜に対するウェブの軽いナックル押圧の目的は、ウェブに含まれた水と毛管膜の細孔内の水との間の水接触をウェブ全体を圧縮せずに確実にすることである。 これにより、毛管膜の使用によって多量及び迅速な脱水が促進される。 本発明は、高い線圧力、おそらく４００pli程度で働くことができるが、その圧力で望ましくないウェブの圧縮が生じてしまう。 ウェブは、全体の圧縮を与えられることがなく、支持ファブリック１４のナックルがウェブに接触する区分位置で軽く圧縮される。 ウェブＷは、支持ファブリック１４上に支持されたまま、回転する毛管脱水ドラム１０の周辺セグメントの回りに運ばれる。 毛管脱水ドラム１０の周辺セグメントの回りを移動した後に、 ウェブＷは、トランスファファブリック１４上になお支持されたまま、毛管膜複合物１２との接触からはずされる。 毛管膜１２の表面に対して水を噴霧する清浄シャワ１８がある。 その清浄シャワ１８は、膜１２の外部を洗浄し、更に毛管細孔を捕捉された微粒子を該細孔を通して駆動し、膜複合物１２を通してドラム１ ０の中心に運ばれるようにする。 水は、毛管脱水ドラム１０の中心からサイホン２０によって除去される。 作動中は、毛管脱水ドラムは内部員圧に曝される。 言い換えると、毛管膜１２の細孔の平均流量細孔直径の有効毛管漏出圧に近い真空源によってドラムの内部に真空が作られる。 有効毛管漏出圧は、ウエット毛管膜を介する空気流量が同じ圧力（真空）のもとで乾燥膜を通過する空気流量の１０ ％を超えない圧力（真空）レベルである。 毛管ロール１０は、通常、空気流量が同じ圧力（真空）レベルで乾燥膜を通過する空気流量の３〜５％を超えない圧力（真空）で作動させられ、より小さい真空レベルで作動させることもできる。 ンドティッシュの手すき紙のクールターポロメータ孔サイズの分布曲線である。 この曲線は、最大頻度分布が約３０ミクロンの細孔直径にあることを示している。 平均流量細孔サイズの直径は、約３６ミクロンである。 これにより、その湿潤手すき紙に含まれる自由水の大部分は３０ミクロン以上の細孔サイズ範囲にあることが示される。 これは、略細孔サイズ分布曲線を示す図３ａのグラフに概念的に図示されている。 この細孔サイズ分布曲線の下の斜線の面積は、その細孔内に捕捉された自由水量を表すものである。 本発明によって制御された毛管脱水の概念は、基本的にはウエットシートを小さな毛管細孔サイズを有する乾燥毛管媒体、 例えば、８ミクロンの毛管細孔サイズ分布ピークを有する毛管媒体と接触させることによりその自由水を除去することである。 毛管媒体の概要の細孔サイズ分布曲線は、図３ａの点線として示される。 この８ミクロン毛管媒体が十分な細孔容積を有する場合には、平衡状態に達するまでシート内の大きな細孔から吸収する。 その平衡状態では、直径が８ミクロン以上の細孔のシート内に自由水は残らない。 この状態では、８ミクロン細孔サイズの毛管媒体内の水及びシート内の残留水の一部は連続層にある。 この連続層内には、下記の毛管吸引員圧Ｃ

_pがある。 上述のように、毛管とシートの双方における接触角がゼロである場合には、空気−水界面における水のメニスカスの曲率半径はｒにほぼ等しい。 従って、毛管媒体が吸収される水を保持するのに十分な容量を有するか又はシートから水を吸収するにつれて毛管媒体から水を除去する手段が設けられるならば、半径ｒが小さいほど紙から毛管媒体に吸収される水量が大きくなる。 図４を参照すると、図１の線４−４で取った例示的断面図が示されている。 この断面から、毛管脱水膜１２が実際には少なくとも２層、好ましくは４層程度からなる複合構造であることがわかる。 上層はウエットウェブＷが配置される毛管表面２２である。 平均流量細孔直径（フロリダ、ヒアリーのクールターエレクトロニクス社製のクールターポロメータによって測定される）は、良好な脱水を容易にする十分に高い毛管真空レベルを誘起するために約１０ミクロン未満でなければならない。 毛管細孔直径が小さいほど、脱水レベルは高くなり、毛管表面２ ２から離れるときのシートはより乾燥するようになる。 毛管表面層２２の裏側に、支持層２４、２６及び２８がある。 これらの支持層２４、２６、２８及び毛管膜表面２２は、穴のあいた真空ロール３０の外部の回りに巻かれる。 毛管表面膜２２を支持及び安定化するほかに、これらの比較的開放した層２４、２６、２８ は穴のあいた真空ロール３０の内部に水を簡単に流し込むことを可能にし、もって、毛管真空を毛管膜２２中に一様に分布させることを可能にする。 各々内部に続く層が前側の層より大きな細孔サイズの開口を有することにより次に続く層２４、２６、２８が開いているという事実は、上側の毛管層を通る不純物がロールの中心に及び外に流れ続けることを可能にする。 層２２、２４、２６、２８は、接着（プラスチック）又は焼結（金属）の組合わせにより複合物に形成される。 本発明で使用するのに許容しうる複合膜構造の１例（下記実施例Ａ参照）は、３種の連続する粗い支持層に焼結したダブルダッチ綾織りメッシュ膜（ニューヨーク州、ブリアルクリフマノアのTetko Inc.から入手できる）である。 第２例（下記実施例Ｂ参照）は、ポリエステル不織布に接着され、ポリエステルメッシュ織布に接着されるヌクレポア核発生軌道膜（カリフォルニア州、プリーザントンのNuclepore Corp.製）である。 複合毛管膜１２は、直径が２から１２フィート又はそれ以上の範囲とすることができる穴のあいたシリンダ３０の回りに巻くことができるように十分可撓性である。 継ぎ目は接着、突き合わせ、締めつけ、重ね合わせ及び／又は溶接される。 試験は、抄紙機方向或いは抄紙機幅方向における継ぎ目の幅が約１／８インチ未満程度であり、脱水時間が０.１５秒又はそれより長い場合には、毛管脱水ロール１０から離れるときに紙にウエットストライブが現れないことを示した。 脱水を容易にするためにシートを介して十分な拡散があると考えられる。 約１／８ インチより幅の広い継ぎ目は、ウエットマークを示す傾向があることがある。 同様に、直径が約１／４インチ以下の汚染された又は目詰まりしたスポットは、ウェブ内にウエットマークを残すことはない。

実施例Ａ−シート脱水 バッキングファブリック #1（24） - 150×150メッシュ、ssスクエア織りベーキングファブリック #2（26） - 60×60メッシュ、ssスクエア織りベーキングファブリック #3（28） - 30×30メッシュ、ssスクエア織り毛管膜表面（22） - ダブルダッチ綾織りメッシュ種類 - ss織りメッシュ；単調な経路メッシュ数 - 325×2300 等価細孔長さ - 〜110μm Coulter MFPサイズ - 9.19μm l/d - 12.0 空気透過率（ΔP-0.5″H

₂ O） - 5 - 10cfm/ft

²

完成紙料 - 65% マツ／35% ユーカリ連量 - 14 lb／2880ft

²

ライン速度 - 500fpm 滞留時間 - 0.46sec． 間隙ロール荷重 - 27 lb／直線インチ毛管ロール真空（″H

₂ O） - 111 プレ毛管ドラム乾燥 - 24.9% ポスト毛管ドラム乾燥 - 38.2%

実施例Ｂ−シート脱水 バッキングファブリック #1（24） - ポリエステル不織布ベーキングファブリック #2（26） - ポリエステルメッシュ - Albany #5135 （30×36スクエア織り） 毛管膜表面（22） - ヌクレポア5.0μm 種類 - 核発生軌道等価細孔長さ - 10μm Coulter MFPサイズ - 5.35μm l/d - 1.9 空気透過率（ΔP-0.5″H

₂ O） - 3.5cfm/ft

²

完成紙料 - 75% NSWK／30% ユーカリ連量 - 14 lb／2880ft

²

ライン速度 - 500fpm 滞留時間 - 0.46sec．

B ₁

B ₂

間隙ロール荷重（pli） - 45 0 毛管ロール真空（″H

₂ O） - 134 134 プレ毛管ドラム乾燥 - 23.1% 23.3% ポスト毛管ドラム乾燥 - 39.7% 32.7% 本発明の毛管脱水ロール１０において、微細な毛管孔を含むがその容積又は厚さが大きくない薄い毛管膜２２が用いられる。細孔が長いほど、粘性抵抗力のためにシートからの水の吸収時間が長くなる。更に、微細な毛管孔が長くなるにつれて、微細な不純物又はコーティングの蓄積によって細孔の目詰まりの機会が大きくなり、細孔を清浄することが難しくなる。毛管膜表面２２が比較的薄く、そのためシートから吸収されるべき水量を保持する容量がないので、毛管吸引力Ｃ

_pに近似させ、かつ毛管細孔を通る水の流れを促進するために、毛管膜の裏面に真空源を接続する。これにより、シートから除去された水が毛管膜表面２２及び支持層２４、２６、２８を完全に通過でき、水をドラム３０の内部から連続的に除去することができるようになる。水を毛管膜表面２２から連続的に除去することができるので、毛管膜表面２２による追加の吸収容量が連続的に生じる。真空ドラム３０内の真空レベルは、最大シート脱水を促進するためにできるだけＣ

_pに近くなければならない。しかしながら、真空がＣ

_pより大きい場合には、毛管水の密閉が壊れ、空気が漏れ始める。これが大きな程度で起こる場合には、真空エネルギーがむだになり、毛管脱水効果を悪くする。 毛管細孔の直径が小さいほど、脱水レベルが高くなり、シートが毛管表面から離れるときのシートはより乾燥状態となる。しかしながら、細孔の直径が小さいほど、不純物又は目詰まりから細孔を保護することが難しくなる。約５ミクロンの平均流量細孔直径を有する薄い毛管膜が、試験では良好な性能であった。（平均流量細孔直径は、非円形断面の細孔を有する等価細孔の直径を意味する。） その毛管細孔サイズ膜は、高シート乾燥レベルを生じ、清浄のままである傾向があった。細孔サイズ０.８〜１０ミクロンは、３〜約１５インチのＨ

_gの真空レベルで行った。好ましい細孔直径は、約２〜約１０ミクロンの範囲にある。 好ましくは、毛管細孔はできるだけ短く、最小細孔直径より直ぐ下流で開いていなければならない（図５Ａ参照）。このようにして、流れ抵抗の減じた毛管力を生じることができる。更に、細孔の汚染を最小にする。 最小細孔直径を通過する粒子は捕捉されない傾向があり、このタイプの細孔設計は毛管脱水ロール１０ の外側から内側への清浄を容易にする。 実際には、好ましい設計はその直径に対してできるだけ短い細孔を保つようにすることである。 等価細孔直径ｄに対する実際の等価毛管細孔経路の長さｌの比は、小さくなければならない(図５Ｂ参照) 。 細孔アスペクト比（ｌ／ｄ）は、約２〜約２０の範囲でなければならない。 好ましくは、細孔アスペクト比は、１５より小さくなければならない。 まっすぐな細孔が好ましい。 経路が曲がるほど、開いている細孔を保ちかつ清浄することが難しくなる。 複雑に入り組んだ構造（例えば、発泡体、焼結金属、セラミックス）は、清浄を保つのが最も難しく好ましくない。 毛管膜２２の透過性もまた、一定の時間内に除去される水量に影響するので重要である。 透過性は、細孔サイズ、細孔アスペクト比及び細孔密度に関係し、フレージアー数（０.５″Ｈ

₂ ＯΔｐにおける単位表面積あたりの空気流量）によって確認される。比較的高い透過性が望ましい。即ち、３よりも大きいフレージアー数が好ましい。しかし、低い透過性部材（フレージアー数約０.８）も許容しうる方法で行った。 前述のように、まっすぐな曲がりのない経路の毛管細孔が好ましい。核発生軌道法によって製造されたまっすぐな毛管細孔（例えば、ヌクレポア又はポレチクス）は、ウエットウェブを脱水する本発明の表面膜２２として良好に役立つものである。その毛管細孔は、清浄を保ちかつ脱水することを良好にする優れた細孔アスペクト比（ｌ／ｄ）を有する。また、クールターポロメータで測定される小さな細孔サイズ範囲を有する。言い換えると、核発生軌道法によって製造された毛管細孔の細孔サイズ分布は比較的小さい。これは、流量差％に対してヌクレポア５ミクロン孔構造の細孔サイズ分布をプロットしている図６のグラフに示されている。上述のように、核発生軌道膜はNuclepore Corp.から入手することができる。核発生軌道法によって製造された膜２２の欠点は、その膜がいくぶん脆いことである。しかしながら、これらのタイプの膜は、複合膜１２の外層又は毛管層２２として圧搾されないウエットシートを脱水するのに効果的である。 毛管膜２２は、また、ニューヨーク、ブリアルクリフマノアのTetko Inc.から市販されているPeCap 7-5/2のようなポリエステルメッシュ織布（実施例Ｃ参照）を用いて巧く行われた。更に、Pallらの米国特許第3,327,866号に記載されているスチール製のダブルダッチ綾織りワイヤメッシュを、ウエットウェブを脱水する本発明の方法において許容しうる毛管層として用いた。Pallらの特許に述べられているように、これらのワイヤメッシュ織りは適切な場所の開口を閉じ表面のしわを伸ばすようにカレンダー及び焼結される。他の膜も、好ましい直径、細孔アスペクト比及び透過性の範囲に入る限り許容しうる。

実施例Ｃ−シート脱水 バッキングファブリック #1（24） - ポリエステルメッシュ - Albany #5135 （30×36スクエア織り） 毛管膜表面（22） - PeCap 7-5/25 種類 - ポリエステルモノフィラメントファブリッ ク等価細孔長さ - 65μm Coulter MFPサイズ - 6.26μm l/d - 10.4 空気透過率（ΔP-0.5″H

₂ O） - 0.9 cfm/ft

²

完成紙料 - 60% マツ／40% ユーカリ連量 - 14 lb／2880ft

²

ライン速度 - 500 fpm 滞留時間 - 0.46 sec． 間隙ロール荷重（pli） - 34 毛管ロール真空（″H

₂ O） - 186 プレ毛管ドラム乾燥 - 32.5% ポスト毛管ドラム乾燥 - 42.8% ウエットシートを予熱し、次に毛管脱水ロールの前に水の粘度を減じる方法を使用することにより、毛管脱水ロールを出るウェブの高乾燥レベルが得られた。 毛管脱水ロールに小さい細孔、高い真空レベル及び／又は長い滞留時間を使用すると共に、その方法により約５０％の毛管脱水ロールを出る乾燥レベルが得られた。毛管脱水を用いる実験では、５２％程度の乾燥レベルが達成された。２以上の毛管脱水ロール１０を連続的に使用すると、商業ベースの抄紙機の高い操作速度で実質的に長い滞留時間を得る実用的手段が提示される。各ロールは、小さな連続した平均流量細孔直径膜２２と清浄を容易にする高い毛管真空レベルを有することができる。 膜複合物、特に毛管細孔上面２２の設計は、毛管表面２２と膜複合物全体の双方を清浄に維持するのに寄与する。膜汚染は、毛管脱水装置が経験する主要な問題である。ミクロンサイズの孔は簡単に目詰まりする。上述したように、本発明では、細孔アスペクト比（ｌ／ｄ）が２０以下の小さい２から１０ミクロンの範囲の細孔直径を有する毛管細孔を用いることが好ましい。更に、細孔は実質的にまっすぐで曲がってなく、毛管膜表面２２に最低限の制限部を形成した後に、膜は流動面積が増え、高透過性を有する。ペーパーウェブが毛管脱水ロール１０を離れると、毛管表面は毛管脱水ロール１０の操作中に複合膜を清浄する外部高圧シャワ１８に断続的に曝される。高圧シャワ１８は、脱水ロール１０の中心に向かって複合物１２の外部から作用する。噴霧器のエネルギー及び運動量は、細孔に滞留する微粒子を最低限の制限部（通常膜複合物１２の外側に位置する）を通って毛管層２２の下側から外向きに押し出し、複合層２４、２６、２８の連続的に大きくなる開口を通過させる。即ち、不純物は、シャワからの水及びペーパーウェブから吸収された水と共にロールの中心に流される。毛管膜の表面上に残った小片は、毛管膜表面２２のソリッド部分により接線方向に偏向された水シャワの部分によって流される。 そのシャワが実質的に直角に膜表面２２に当たるように毛管脱水ロール１０にほぼ放射状に向けられ、清浄のために十分な圧力を有するシャワ１８の設計にあたっては、水が複合膜１２を貫通した後にまだ１／２″水圧ヘッドを有するならば、シャワは複合膜１２を清浄するのに十分なエネルギーを持つと考えられる。 言及した水圧ヘッドは、シャワ水が膜（ロール１０の外面）上に上向きに垂直に及び微細な毛管面に垂直に当たる際の複合膜１２の粗面（ロール１０の内部）上の水の柱の高さである。 ノズルサイズ、配置、空間及び圧力をいろいろに組合わせると、所望の１／２ ″最低水圧ヘッドを生成させることができる。毛管脱水ロール１０を備えた実験用抄紙機で良好に作用することが判明した噴霧マニホールドは、膜２２上の表面から２.５インチに位置した６９０psigで操作するスプレイングシステムズ社のモデルno.1506ノズルからなるものであった。この配置により、０.６５インチ水圧ヘッドで３２５×２３００メッシュのダブルダッチ綾織り複合膜を貫通した。 複合膜１２の貫通の対応する幅は、１.５インチであった。隣接のノズル間の空間が中心線から中心線まで３インチであるが、ノズルあたりの効果的な清浄幅がわずか１.５インチであるので、複合膜１２の１００％を確実にカバーするために抄紙機幅方向ではシャワを振動させた。振動数は、膜１２の特定面積が噴霧で１４秒まで当たらない最大断続時間を保つライン速度で変動させた。これにより、膜１２のどの部分も全時間の僅か０.２％で洗浄できた。０.０４％程度の低い数値も達成された。例として、毛管脱水ロール１０を含む実験用抄紙機で、抄紙機幅方向で噴霧ノズルを０.２１４インチ／秒の速度で振動させた。その実験用抄紙機は５００fpmのライン速度で操作され、その実験用抄紙機上の毛管脱水ロール１０の直径は２フィートである。 異なる膜の設計に対しては異なるシャワの組合わせが必要である。例えば、ヌクレポア５ミクロン毛管表面を、前項で述べた実験用抄紙機の毛管脱水ロール１ ０の毛管表面層２２として用いる場合には、十分な清浄を維持するためにわずかに約１００〜２００psiの圧力を必要とするだけであると考えられる。 穴のあいた真空シリンダ３０は、非腐食性材料で製造することが必要である。 ステンレススチールが好ましいが、青銅も用いられる。ホールサイズ及び分布は、例えば、毛管膜複合物１２の裏面の全面積に一様に真空を与えることができるものでなければならない。例えば、真空ロール３０は、図７に示されるように１ ／２″ずつ中心がずれた１／８″直径のホールを有することができる。場合によっては、脱水及び真空均等性を容易にするために表面に溝を切ることもできる。 真空は、固定の中心ジャーナルを介して毛管脱水ロール１０に導入される。異なるレベルの圧力又は真空で作動される多重内部チャンバは、毛管脱水ロール１ ０には設けられていない。 そのような異なる圧力又は真空で作動される多重内部チャンバは、チャンバからチャンバへの漏れ、シリンダジャーナルの摩耗及び回転シリンダにおける不つりあい荷重のような作動中の課題をかなり生じることがある。 本発明のロールへの唯一の空気の漏れは、中央ジャーナルにおける機械的シールを通るものと有効毛管漏出圧を超える状態での大きな細孔を通るものである。 この空気流量は、比較的小さく、対応する真空脱水ボックスにおける空気流量より実質的に少ない。 毛管脱水シリンダ１０の内部全体が大気に対して一様な真空レベルで維持されるために、シェルは一様な圧力差に供される。 したがって、シェルの厚さは法線応力分析法によって求められる。 分割されていない真空ロール３０では大きな不つりあい力がないので、軸受荷重は最小である。 シェルは、約２５″Ｈ

_g差（最大）に設計されねばならない。 前述のように、水はシリンダ３０の内壁で又はその近傍で終わるサイホン２０ によってロール１０の内部から除去できる。水を複合膜１２の下から真空ドラムシェル３０を介して連続的に除去することが好ましい。毛管表面膜２２又は複合膜１２の下に連続的な水のフィルムは必要としない。水のフィルムは毛管脱水ロール１０が操作される高い抄紙機速度の高遠心力を生じる。これは、対応する毛管真空の増強によって相殺されなければならない。水スコップを含むこの水を除去する多数の代替的方法がある。 間隙ロール１６は、ウェブＷ内の水と膜表面２２の毛管細孔内の水との間の水圧接触を与えるものである。トランスファファブリック１４上のナックル面積において若干の水がウェブから押し出される。この水は、毛管膜表面２２の空隙容量を塞ぎ、ウェブＷから毛管膜表面２２の細孔への水運動に対する界面抵抗を減じる。更に、ウェブＷの繊維網目構造が毛管表面２２と密接に接触し、捕捉された空気はウェブＷから除去される。これらの要因は、ウェブＷの脱水を促進しなければならない。 間隙ロール１６は、オープンナックル支持ファブリック１４と毛管膜表面２２ との間に維持されるシートに極めて軽い荷重を加えるものである。間隙ロール１ ６は、比較的軟質の被覆を有することが好ましい。約１５０のＰ＆Ｊ硬度を有する軟質ゴムカバーが巧く用いられた。間隙ロール１６と毛管脱水ロール１０間の間隙に平均値約１１〜３８psiを生じる間隙ロール１６によって約１０〜４５pli の力が加えられた。約２０pli（間隙には約２０psi）以下が上述の有益な要因を促進するのに十分であると考えられる。間隙の圧力が低いほど、ウェブ全体を圧縮する機会が少なくなる。非常に幅のある軟質間隙は、ウェブＷ全体を実質的に圧縮しないことを確実にするために紙をトランスファファブリック１４のナックル面積にだけ軽く押圧させることが好ましい。間隙ロール１６を使用すると、本発明の毛管脱水ドラム１０からの乾燥が約２〜７％程度高まる（例えば、実施例Ｂ）。これは、多量の水及び本発明のシステムの主要な利点である。 典型的には、オープンナックルトランスファファブリック１４は、本来スルードライヤ法に見られるポリエステル織布である(例えば、ニューヨーク、アルバニーのAlbany Internationalで製造されたアルバニー5602)。 プラスチックワイヤ、フォーミングタイプファブリック、不織布又はある一定の差動ウエットプレス製紙用フェルトさえ含む他のタイプのトランスファファブリックが許容しうるものである。 オープンナックルトランスファファブリック１４は、空気に透過性でなければならず、毛管膜表面２２に対して押圧した場合にシートを実質的に圧縮してはならない。 典型的には、トランスファファブリック１４のナックル又はプレス面積は、ファブリック１４の表面積の約３５％未満、最も好ましくはファブリック１４の表面積の１５〜２５％の範囲でなければならない。 ウエットウェブＷと毛管膜表面２２が相互に接触している滞留時間は、毛管脱水ドラム１０の回りのラップ量、毛管脱水ドラム１０の直径及び操作速度の関数である。 滞留時間は、次式によって定義される。 t = 0.5236DA/V 式中、t = 滞留時間（sec） D = ロールの直径（ft） A = ラップ角度° V = 接線速度（fpm） 約２００〜３１５°のラップ角度が予想される。 ラップ角度が大きくなるほど、 脱水が達成されるようになる。 少なくとも０.１５秒の滞留時間が望まれ、０.３ ５秒までが好ましい。 シートは滞留時間が長くなるにつれて乾いてくるが、変化速度は０.１５秒よりも長いとかなり遅い。 ダッチ綾織り複合膜で行った試験により、滞留時間を０.４６秒から０.２４秒に短縮するにつれて約１％だけ（３９ ％が３８％に下がる）乾燥の減少が示された。 本発明の毛管脱水システムは、圧搾されていないウエットウェブの脱水能を４ ３％に近い乾燥レベルまで示した。 上質ティッシュ完成紙料の場合、本発明の毛管脱水法及び装置は約３６〜約４２％乾燥の乾燥レベルを達成した。 毛管脱水ドラム１０からの乾燥は、完成紙料、連量、リファイニングレベル、膜の細孔サイズ及び透過性、毛管真空レベル、間隙ロール及び滞留時間の関数である。 本発明の毛管脱水工程中に、ティッシュの密度及び厚さは対応する完全乾燥及びクレープティッシュウェブに同じか又はそれより良好に維持される（製品実施例１Ａ、１Ｂ、２Ａ及び２Ｂ）。 ウェブ全体の圧縮は行わず、嵩のある低密度ウェブの製造が可能であった。 製品実施例１Ａ及び２Ａは、標準の通気乾燥したクレープスコットティッシュ製品である。 製品実施例１Ｂ及び２Ｂは、本発明の方法で製造した毛管脱水した通気乾燥ティッシュ製品である。 製品実施例１Ａ及び１Ｂ用完成紙料は、マツ６５％及び３５％ユーカリの均質ブレンドとした。 製品実施例２Ａ及び２Ｂ用完成紙料は、７０％ＮＳＷＫ及び３０％ユーカリの均質ブレンドとした。

製品実施例１Ａ及び１Ｂ

製品実施例２Ａ及び２Ｂ 本発明の毛管脱水装置の他の利点は、毛管脱水ドラム１０から出たところの乾燥度がウェブＷの入るときの乾燥度から比較的独立していることである。 一定の条件設定の場合、毛管脱水ドラム１０から出るときのウェブＷの乾燥度は、入るときのウェブＷの乾燥度が約１４％から約３０％まで変動するにつれて約１％以上には変動しない（例えば、図８）。 出るときのウェブＷの乾燥度は、入るときの乾燥度が約３０％以上に増大するにつれてわずかに増える傾向がある。 これは、いくつかの利点がある。 まず、非常に多量の水を除去することができことによって（例えば、入るときの１４％乾燥度から出るときの３８％乾燥度は、ｇｆごとに４.５１ｇｗが除去されたことと等価である）、製紙工程全体で用いられるエネルギー集中真空脱水ステーションの数を減じることができ、おそらく排除することさえできる。 第２に、毛管脱水システムは水分縞の平滑化装置として作用する。 毛管脱水ロール１０に入るときの水分の不均一性が、非常に減少又は平坦化される。 スルードライヤが次の乾燥段階で用いられる場合には、スルードライヤで良好な乾燥が得られ、スルードライヤファブリック上の縞が少ない。 更に、本発明の毛管脱水システムの利点は、連量に対する相対非感受性である。 １連あたり約１２〜約２５ポンドの連量の変化は、その後の毛管脱水ロールの乾燥度に大巾な変化を生じさせないと思われる。 試験では、１％ポイント未満の差が生じた。 この特徴は、また、連量の不均一性に付随した望ましくない作用を減じる傾向があり、一連の製品（軽量の化粧紙から重量のタオルまで）を同じ抄紙機で行うことを可能にする。 毛管脱水ロール１０は、スルードライヤ、ヤンキードライヤ、ガス燃料表面温度ドライヤ、スチーム加熱カンドライヤ又はその組合わせと組合わせて用いることができる。 例えば、図９を見ると、初期のウエットウェブＷを形成するフォーミングワイヤ５２に紙料を供給するヘッドボックス５０が示されている。 ウェブＷは、真空ボックス５４によって真空脱水される。 次に、ウェブＷが真空ピックアップ５８によって約１０〜約３２％乾燥の範囲にあるとウェブＷはナックルスルードライヤファブリック５６に移送される。 場合によっては、シートは更に脱水及び真空ボックス５９によって成形されるが、このボックスは必要としない。 ナックルスルードライヤファブリック５６はウェブＷを毛管脱水ロール１０に運び、毛管脱水ロール１０に入るにつれてウェブＷの乾燥は約１２〜約３２％の範囲にある。 間隙ロール１６は、毛管脱水ロール１０の毛管膜１２に対してウェブＷとナックルスルードライヤファブリック５６を押圧する。 毛管脱水ロールから出るときの乾燥度は、約３３〜約４３％乾燥の範囲にある。 次に、スルードライヤファブリック５６は、スルードライヤ６０を介してウェブＷを運ぶ。 次に、約６５〜約９５％の範囲の乾燥のウェブＷはヤンキードライヤ６２に移送され、プレスロール６４によって該ヤンキードライヤに押しつけられる。 次に、ウェブが約９５〜約９９％乾燥の乾燥度になったところでヤンキードライヤ６２からのウェブにクレープが付けられ、カレンダーロール６６を通して進められる。 本発明の毛管脱水ドラム１０を使用する別の製紙工程は、図１０に示される。 その工程で用いられる部品は、図９に示され記載されているものとほとんど同じである。 従って、図１０の類似の成分は、図９におけると同じ番号が付けられている。 図１０に示されている工程での唯一の差は、スルードライヤが除かれていることである。 即ち、１２〜約３２％の乾燥度でウェブＷを受け取って約３３〜 約４３％乾燥の乾燥度でウェブＷをロール１０から送り出すようになった毛管脱水ロール１０によってウェブＷはヤンキードライヤ表面に移送されるので、該ウェブＷは約３３〜約４３％乾燥度の範囲にあるだけである。 クレーピングは、９ ５〜９９％乾燥で起こる。 この方法（図１０）において毛管脱水ロールの使用で製造されたティッシュは、完全乾燥及びクレープ工程で及び毛管脱水しないで製造された匹敵しうる連量ティッシュ製品に同じか又は良好な厚さ、密度及び手触り値を有した（製品実施例３Ａ、３Ｂ、４Ａ及び４Ｂ）。 製品実施例３Ａは、全てのスルードライヤーによる工程に続いてヤンキークレープドライヤで製造した。 製品実施例３Ｂは、本発明の毛管脱水工程に続いて、通気ドライヤ、次にヤンキークレープドライヤで乾燥して製造した。 製品実施例４Ａはクレープを付けた製品であり、スルードライヤを存在させずにヤンキードライヤでのみ乾燥を完了される本発明の毛管脱水工程で製造した。 製品実施例４Ｂは、従来のフェルト圧搾及び乾燥クレープティッシュ製品である。 製品実施例３Ａ、３Ｂ、４Ａ及び４ Ｂを製造するために用いられる紙料は７０％ＮＳＷＫと３０％ユーカリの均質ブレンドとした。

製品実施例３Ａ及び３Ｂ

製品実施例４Ａ及び４Ｂ ウェブを実質的に圧縮せずに水を除去する毛管脱水システムの能力は、従来の湿式圧搾抄紙機を低密度、吸収ソフトティッシュ及びタオル製品を製造することができるものに改良することを経済上有利にする。 例えば、湿式プレスフェルト作業は、図１０に示されるように成形用ファブリックとヤンキークレープドライヤとの間にあいた空間に本発明のナックルスルードライヤファブリックと毛管脱水システムを挿入することにより置き換えることができる。 次に、シートは約３ ３〜４３％乾燥のヤンキードライヤに移送され、抄紙の標準クレープ乾燥でクレープが付けられる。 上記実施例３Ａ、３Ｂ、４Ａ及び４Ｂに示されるように、得られた低密度軟質製品は、図１２に示されるスルードライヤとヤンキードライヤの組合わせで製造されたものと非常に類似している。 しかしながら、毛管脱水システムを用いる改良のコストは低く、抄紙機操作に対して中断させるほどでなく達成させることができる。 得られた抄紙機工程は、また、スルードライヤの改良より用いるエネルギーが少ないであろう。 同様に、毛管脱水装置は、ヤンキードライヤ前に乾燥が所望される場合には湿式圧搾抄紙機を改良するためにスルードライヤと組合わせて用いることもできる。 また、既存の２つのドライヤシステムの１つのスルードライヤを置き換えてエネルギーを節約しかつ操作コストを減じるように用いられる。 本発明は、図９、 １０及び１１に示されるようにクレーピングと組合わせて述べられるが、本発明はクレーピング工程を含まない製紙工程でも用いることができることは製紙業界の当業者によって認められるであろう。 本発明は、クレーピング工程を含まずにスルードライヤ、カンドライヤ、表面高温ドライヤ又はその組合わせで行われる毛管脱水の後の最終乾燥と共に用いられる。 既存の抄紙機に関して、本発明の毛管脱水ドラム１０は、真空ポンプを排除すること、スルードライヤファン電力を減少させること及びフードのガス使用を減らすことにより操作及びエネルギーコストを低減するために用いられる。 潜在的には、既存の２つのスルードライヤから１つのスルードライヤを排除させることができる。 また、双方のスルードライヤを適所に保ちながら、抄紙機の速度及び生産性を高めるために本発明の毛管脱水ドラム１０が用いられる。 本発明の毛管脱水ドラム１０を図１２に示された従来のスルードライヤ工程に加えることにより、その工程の全エネルギー使用が１７〜２５％だけ低下する。 前述のことから、本発明が装置及び方法に明らかでありかつ固有である他の利点と共に示された全ての上記目的を達成するように十分適応されたものであることは認められねばならない。 ある種の特徴及びサブコンビネーションが有用であり、かつ他の特徴及びサブコンビネーションに対して用いられることは理解されるであろう。 これは、請求の範囲内で企図され、請求の範囲内である。 本発明の多くの可能な実施態様はその範囲から逸脱することなく行われるので、本明細書に示される又は添付の図面に示される事柄全てが例示として解釈され限定する意味で解釈されるべきでないことは理解されねばならない。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，Ｕ Ｇ)，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｃ Ａ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ， ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，Ｍ Ｇ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ， ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 カウフマン ケニス アメリカ合衆国 ニュージャージー州 08054 マウント ローレル キャスタレ ット コート 772 (72)発明者 シーサー ロバート エイチ アメリカ合衆国 ペンシルバニア州 18976 ウォーリングトン メア ロード 1834