(57)【要約】      （修正有）【課題】木材チップのディスクリファイナーに関し、リファイナープレート間の水蒸気排出効率の向上する方法の提供。【解決手段】細砕セルロース材３２０をリファイニングするためのプレートセグメントのセット３００であって、第１プレートセグメント３０２及び第２プレートセグメント３０４を含み、第１プレートセグメント及び第２プレートセグメントのそれぞれは他のセグメント上のリファイニング面に対向するように構成されたリファイニング面を有し、これらのリファイニング面のそれぞれはバーと、隣接するバー同士の間の溝とを有するリファイニングゾーンを含み、プレートセグメントのセットがリファイナーのディスクに取り付けられている間、第１プレートセグメントの溝と第２プレートセグメントの溝との間の距離３８５はリファイニングゾーンを通る円弧に沿って実質的に一定であることを特徴とするプレートセグメントのセット。【選択図】図３
2014015704.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
細砕セルロース材をリファイニングするためのプレートセグメントのセットであって、
第１プレートセグメント及び第２プレートセグメントを含み、
前記第１プレートセグメント及び第２プレートセグメントのそれぞれは、他のセグメント上のリファイニング面に対向するように構成されたリファイニング面を有し、これらのリファイニング面のそれぞれは、バーと、隣接するバー同士の間の溝とを有するリファイニングゾーンを含み、
プレートセグメントのセットがリファイナーのディスクに取り付けられている間、前記第１プレートセグメントの溝と第２プレートセグメントの溝との間の距離はリファイニングゾーンを通る円弧に沿って実質的に一定であることを特徴とするプレートセグメントのセット。
【請求項２】
それぞれのプレートセグメントが、ディスクに取り付けられるプレートを形成する複数のプレートセグメントの１つである請求項１のプレートセグメントのセット。
【請求項３】
それぞれのセグメントのバーが、共通の平面に揃えられた上部表面を有し、プレートセグメントのための共通の平面は互いに平行である請求項１のプレートセグメントのセット。
【請求項４】
溝同士の間の距離が、複数の円弧のそれぞれに沿って実質的に一定であり、円弧の１つに沿った溝同士の間の距離は、他の円弧の溝同士の間の距離と異なる請求項１のプレートセグメントのセット。
【請求項５】
プレートセグメントの少なくとも１つにおける溝が、円弧と揃えられたダムを含む請求項１のプレートセグメントのセット。
【請求項６】
プレートセグメントの１つが、他のプレートセグメントにおける円弧に沿った溝の深さの少なくとも２倍である円弧に沿った溝の深さを有する請求項１のプレートセグメントのセット。
【請求項７】
プレートセグメントにおける溝の深さが、溝の長さに沿って徐々に変化する請求項１のプレートセグメントのセット。
【請求項８】
プレートセグメントのそれぞれにおける溝が、Ｓ字型のパターンで変動する深さを有する請求項１のプレートセグメントのセット。
【請求項９】
プレートセグメントのセットであって、
第１プレートセグメント及び第２プレートセグメントを含み、
前記第１プレートセグメントは、リファイニングゾーンを含むリファイニング面を含み、前記リファイニングゾーンはバーの列と列の間の溝とを含み、該溝は第１リファイナープレートセグメントの回転軸からの第１半径に第１の深い部分及び第２半径に第１の浅い部分を含み、
前記第２プレートセグメントは、前記セットがリファイナーに取り付けられたときに第１プレートセグメントのリファイニング面に対向するように構成されたリファイニング面を含み、溝は前記第２半径に第２の深い溝部分及び前記第1半径に浅い部分を有することを特徴とするプレートセグメントのセット。
【請求項１０】
プレートセグメントがリファイナーのディスク上で組み立てられたとき、それぞれのプレートセグメントが、１つのプレートに構成された複数のプレートセグメントの１つである請求項９のリファイナープレートセグメントのセット。
【請求項１１】
それぞれのセグメントのバーが、共通の平面に揃えられた上部表面を有する請求項９のリファイナープレートセグメントのセット。
【請求項１２】
溝のそれぞれの深さが、溝の長さに沿って徐々に変化する請求項９のリファイナープレートセグメントのセット。
【請求項１３】
それぞれの溝の深さが、Ｓ字型のパターンで変動する請求項９のプレートセグメントのセット。
【請求項１４】
第１の深い部分における溝の深さが、第１の浅い部分の溝の深さの少なくとも２倍である請求項９のプレートセグメントのセット。
【請求項１５】
浅い部分が４ミリメートル以下の深さを有する請求項９のプレートセグメントのセット。
【請求項１６】
第１及び第２の浅い溝部分が、隣接するバーの上部表面と実質的に平面にあり、第１及び第２の深い溝部分が、深さにおいて少なくとも５ｍｍである請求項９のリファイナープレートセグメントのセット。
【請求項１７】
第１及び第２の深い溝部分が、第１及び第２の浅い溝部分の少なくとも２倍深い深さを有する請求項９のリファイナープレートセグメントのセット。
【請求項１８】
第１及び第２の浅い溝部分のそれぞれが、ダムを形成する請求項９のリファイナープレートセグメントのセット。
【請求項１９】
プレートセグメントの少なくとも１つのバーが、ギザギザ、鋸歯、ディンプル、クレーター又は他の不規則なものの少なくとも１つである表面を備える側壁を有する請求項９のリファイナープレートセグメントのセット。
【請求項２０】
第１の深い部分が第１の浅い部分によって分割され、第２の浅い部分が第２の深い部分によって分割されている請求項９のプレートセグメントのセット。
【請求項２１】
第１の深い部分及び第１の浅い部分が両方とも、リファイニングゾーンの外縁の半径方向内側であり、リファイニングゾーンの内縁の半径方向外側である請求項９のプレートセグメントのセット。
【請求項２２】
第１の深い部分及び第２の浅い部分が、プレートセグメントの半径方向最外側域にある請求項９のプレートセグメントのセット。
【請求項２３】
溝が、半径方向外側の方向に沿って深さが増大している請求項９のプレートセグメントのセット。
【請求項２４】
溝が、バーの上部表面に対して実質的に平行な実質的に平面である底部表面を含む請求項９のプレートセグメントのセット。
【請求項２５】
第１プレートセグメント上の溝が、プレートセグメントの回転軸に対して平行な距離によって、第２プレートセグメントの溝から隔てられ、前記距離が半径方向外側の方向に徐々に増大する請求項９のプレートセグメントのセット。
【請求項２６】
第１プレートセグメント上の溝が、プレートセグメントの回転軸に対して平行な線に沿った距離によって、第２プレートセグメント上の溝から隔てられ、前記距離が湾曲したプロファイル、Ｓ字型プロファイル、正弦曲線プロファイル及び曲線プロファイルの１つとして変動する請求項９のプレートセグメントのセット。
【請求項２７】
プレートセグメントが円錐リファイナー用に構成されている請求項９のプレートセグメントのセット。
【請求項２８】
第１の深い部分及び第１の浅い部分を合わせたものが、リファイニングゾーンの半径長さの少なくとも９０パーセントに延びている請求項９のプレートセグメントのセット。
【請求項２９】
対向するプレート及びプレートの間に形成された間隙を有するリファイナーを使用してセルロース材をリファイニングする方法であって、
セルロース材を半径方向内側の入口を通ってプレートの１つに及び間隙の中に導入する工程；
セルロース材が導入されるときに、プレートの少なくとも１つを回転軸のまわりに回転させる工程；
セルロース材が間隙を通ってリファイニングゾーンの間を移動するときにセルロース材をリファイニングする工程；
回転の間にセルロース材の流れを溝を通してチャネリングする工程を含み、
前記プレートの一方のリファイニング面上の環状のリファイニングゾーンは、他方のプレートのリファイニング面上の環状のリファイニングゾーンの間隙を挟んで対面し、それぞれのリファイニングゾーンは溝によって隔てられたバーの環状パターンを含み、
リファイニングゾーンの１つのバーが他のリファイニングゾーンのバーを横切るとき、前記リファイニングが、セルロース材を対向するリファイニングゾーンのバー同士の間を移動させることを含み、
前記プレートの１つにおける溝の浅い部分が対向するプレートにおける溝の深い部分と半径方向に揃えられていることを特徴とするセルロース材のリファイニング方法。
【請求項３０】
チャネリングの工程において、プレートの一方における溝の深い部分が対向するプレートの溝の浅い部分と半径方向に揃えられている請求項２９の方法。
【請求項３１】
溝のそれぞれの深さが溝の長さに沿って徐々に変化する請求項２９の方法。
【請求項３２】
溝の深さがＳ字型のパターンで変動する請求項２９の方法。
【請求項３３】
浅い部分が４ミリメートル以下の深さを有する請求項２９の方法。
【請求項３４】
チャネリングが、浅い部分によって形成されたダムによって流れを遅らせることを含む請求項２９の方法。
【請求項３５】
深い部分が浅い部分の深さの少なくとも２倍である請求項２９の方法。  
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にリグノセルロース材、例えば木材チップのためのディスクリファイナーに関する。特に、本発明は、リファイナーディスク又はディスパレイジャーディスク上に取り付けられるプレートセグメントの対向する面上の隣接するリファイナーバーの間の溝に関する。
【背景技術】
【０００２】
メカニカルパルプ化は、丸太、木材チップ又は他のリグノセルロース材内に存在する繊維を機械的に分離することを含む。いくつかの実施形態において、このような繊維は製紙に適している。
【０００３】
繊維を分離する通常の方法は、メカニカル（又はセミケミカル）リファイナーを使用することを含み、このリファイナーは、しばしば静止ディスク（例えばステーター）に対面する１つの回転ディスク（例えばローター）からなり、回転ディスクは１分間あたり約９００〜２３００回転（ＲＰＭ）のスピードで回転するが、このリファイナーにおいて、静止ディスクの中心に木材が供給される。ある場合において、両ディスクは反対方向に回転し、他の場合において、フラットディスク表面の次に円錐状部分がある。ディスクは、典型的には、並んで配置されて、ディスクに取り付けられた多数の交換可能なセグメント（プレートセグメント）を備え、これらのプレートセグメントは、バーと溝との配列を有する。溝は、プレートセグメント内縁の中心からプレートセグメント外縁への木材の進行を妨げるためのダムを一般に有する。対向するディスクのバーが交差するにつれて、交差するバーがリグノセルロース材に圧縮力及び剪断力を与える。圧縮力及び剪断力は、木材のより大きい断片の個々の繊維への分離、繊維の解繊、及びある程度の繊維の切断を引き起こすが、繊維の切断は望ましくない。
【０００４】
リファイナープレート又はプレートセグメント（用語「プレート」及び「プレートセグメント」は、以後、互換使用される）の典型的なデザインにおいて、対面する両ディスクは、対向するプレート又はプレートセグメント上で実質的に類似する或る溝の深さを有することを特徴とする。ディスクの中心からの距離に応じた溝の深さのプロファイル（ｐｒｏｆｉｌｅ）は、一般に、フラット及び平面であり、リファイニングバーの頂部に対して実質的に平行であるか又は深さ（すなわち、リファイニングバーの頂部から溝の底部までの距離）がプレートの外縁に向って徐々に減少するように平行からわずかに逸脱した状態になっている。
【０００５】
図１は、従来の相補的なリファイナープレートセグメント１０２及び１０４のセット１００の横断面図を示す。リファイニングされていないリグノセルロース材１２０、例えば木材チップ材料が従来のリファイナープレートの内縁１０８の近くに供給される。リファイニングされたリグノセルロース材１２２は、従来のリファイナープレートの外縁１０６の近くで排出する。このように、リグノセルロース材は図１に示すように右から左に移動する。図１に示すように移動する間に、リグノセルロース材は、最内側リファイニングゾーン又はブレーカーバーゾーン１０１においてダム１３０、１３２、１３４、１３６、１３８及び１４０に最初に遭遇する。従来のリファイナープレートセグメント１０２及び１０４は、一連の交互のバー１５０、１５２と溝（図示せず）とを有する。従来のそれぞれのリファイナープレートセグメント１０２、１０４のバー１５０、１５２の頂部は互いに対面している。図示されているように、従来のリファイナープレートセグメント１０２のバー１５０は、従来のリファイナープレートセグメント１０４のバー１５２に対向している。
【０００６】
バー１５０とバー１５２との間に、バー同士の頂部の間の距離１６４を有する間隙１５７がある。間隙１５７は、一般に均一である。逆に、対向する溝の底部同士の間の間隙１６２は、溝内のダム１５４、１５６によって変動する。
【０００７】
従来のそれぞれのリファイナープレートセグメント１０２、１０４の上にダム１５４、１５６が存在する。これらのダム１５４、１５６は、それぞれの表面１５８、１６０によって規定される溝を通って進む材料を従来の対向するリファイナープレートセグメント１０２、１０４の間隙１５７に押しやる。
図示されているように、対向する溝の底部は距離１６２を有する。例えば１６６によって示されているように、溝の底部とそれぞれのダムの頂部との間の距離は、図１の横断面図で示される半径に沿って変動する。ダムの数、形状、距離、及び溝の底部からそれぞれのダムの頂部までの高さは、供給材料の求められる保持時間に基いて、既存技術のリファイナープレートデザインごとに変動する。
【０００８】
それぞれのディスクの相対的な回転によって引き起こされる遠心力のため、多くのリファイナープレートデザインは溝内にダムを使用し、ダムがこれら溝内での材料の自由な流れを制限する。これらのダムは、リファイニングされていない材料が機械的に処理されることなくディスクから流出することを防止するものと信じられている。
【０００９】
メカニカルパルプ化は有意な量のエネルギーを使用することがあり、摩擦エネルギーの浪費によって多量の熱を生じることがある。この熱は、プロセスからの水を水蒸気に変換し、多くの場合、かなりの量の水蒸気が製造される。製造された水蒸気はディスクの間に形成された間隙を経由してリファイナーから排出させなければならない。この水蒸気を比較的容易に排出させることに失敗すると、リファイナーの機械的な振動ならびにプロセスの不安定化を引き起こすと信じられている。多くの場合において、水蒸気の排出が不十分であると、リグノセルロース材に与えられるエネルギーの量に制限をも引き起こすことになるが、これは、それぞれのディスクを接近して保持して、所望の仕事を達成するためにリファイナーが適用する力に限界があるからである。水蒸気も、回転しないディスクにおいて、溝をリグノセルロース材とともに進むが、従来のステーターリファイナープレートも、未処理繊維が機械的に処理されずにリファイニング間隙から排出することを防止するためにダムを含む。
【００１０】
バーと溝との様々なパターンを有するリファイナープレートが当業者に知られている。例えば、ドイチャーズ氏（Ｄｅｕｃｈａｒｓ）への米国特許５，３８３，６１７号；ギングラス氏（Ｇｉｎｇｒａｓ）への米国特許５，８９３，５２５号；ドイチャーズ氏への米国特許６，０３２，８８８号；ギングラス氏への米国特許６，４０２，０７１号；ギングラス氏への米国特許６，６０７，１５３号；ギングラス氏への米国特許６，６１６，０７８号；ルオラ氏（Ｒｕｏｌａ）らへのＰＣＴ公報ＷＯ／２０１０／１１２６６７号を参照されたい。
【００１１】
従来のバー、溝及びダムの配置は、（例えば、前段落で特定された特許に示されるように）材料を溝から対向するディスクの間に形成された間隙に押しやるのに効果的であるが、この配置は水蒸気の流れを制限する。従来のリファイナープレートを備えたリファイナーを通る水蒸気の流路は乱流であり（例えば層流でなく）、リファイナーの不安定化を引き起こすと信じられている。さらに、ダム同士及びダム同士の間の短い空間による溝の深さの非常に急激な変化は、水蒸気の流れが溝の深さの非常に小さい割合（パーセンテージ）に制限される結果となることが多く、このようにして、水蒸気の排出効率が制限される。
【発明の開示】
【００１２】
対向するディスクの間の間隙内にすべての繊維を行き渡らせて、未処理繊維が生ずるのを防止することを可能としつつ、溝において、より層状の水蒸気流を形成することによって水蒸気流を改善することを特徴とするリファイナープレート又は対向するリファイナープレート（例えば、対向するローターリファイナープレート及びステーターリファイナープレート）のリファイナープレートの組合せの開発が探求されている。
【００１３】
ある面において、リグノセルロース材をリファイニングするためのリファイナープレートセグメントがあり、このリファイナープレートセグメントは複数の隣接するバーと溝とを有し、このうち少なくとも２つの隣接する溝は、リファイナープレートセグメントの内縁とリファイナープレートセグメントの外縁とを結ぶ半径線によって規定される実質的に半径方向に沿って、実質的に同一のパターンを有する。この実質的に同一の半径パターンは少なくともアンジュレーションを有する滑らかな遷移を含む。
【００１４】
リファイナープレートセグメントの新規なセットが、リグノセルロース材をリファイニングするために着想され、発明された。このリファイナープレートセグメントは、第１リファイナープレートセグメント及び第２リファイナープレートセグメントを含み、第１リファイナープレートセグメント及び第2リファイナープレートセグメントのそれぞれは複数の隣接するバーと溝とを有し、稼働の間、リファイナープレートのセットは、第１又は第２リファイナープレートセグメントの内縁と第１又は第２リファイナープレートセグメントの外縁とを結ぶ半径線によって規定される実質的に半径距離において、第１プレートセグメントの溝表面と第２プレートセグメントの溝表面との間に実質的に一定の距離を有するように構成されている。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、リファイナープレートセグメントのセットの従来の配置の横断面図である。
【００１６】
【図２】図２は、複数のリファイナープレートセグメントの実施形態を示すものである。
【００１７】
【図３】図３は、リファイナープレートセグメントのセットの実施形態を示す横断面図であり、図２に示される線３−３に沿ったものである。
【００１８】
【図４】図４は、ある実施形態に従ったリファイナープレートセグメントのセットの実施形態を示すものである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
対向するプレートの間の相対的な溝の深さにおいて、変化が最小であるか又は急激な変化がなく、対向するプレート上の滑らかな溝の深さのプロファイルを特徴とするリファイナープレート（又はリファイナープレートセグメント）が発明された。滑らかな溝の深さのプロファイルは、対向するプレートの間の間隙の長さに沿った、例えば間隙の寸法の１０〜２０パーセント以内の実質的に均一な間隙によって実現される。滑らかな間隙の深さは、溝内の利用可能な領域全体にわたる水蒸気流を促進し、高度の乱流及び振動を引き起こす可能性がほとんどない。滑らかな間隙のプロファイルは、それぞれのディスクの全周において一定であり、対向するディスク上のプロファイルは互いに相補的（例えば対向的）である。
【００２０】
このような例示的な実施形態において、１つのディスク上の深い溝の領域は、対向ディスクの浅い溝の領域に対面又は対向する。このように、溝の深さのプロファイルは互いに相補的である。このような組合せは、対向するディスクの間に形成された間隙内のあらゆる半径ポイント（ｒａｄｉａｌ  ｐｏｉｎｔ）において滑らかな水蒸気流を促進する。
【００２１】
溝の最も深い部分の溝の深さは、最も浅いポイント又は領域の溝の深さの３倍又はそれ以上（例えば４、５、６、７又は８倍）である。他の実施形態において、溝の最も深い部分の溝の深さは、最も浅いポイントの溝の深さの２．０倍より大きいか又は２．５倍より大きい。最も浅い領域において、溝の深さはわずか１〜４ｍｍ以下であり、例えば２又は３ｍｍ以下である。
【００２２】
例えば、溝の表面の頂部は、隣接するバーと実質的に同じ高さである。このような実施態様において、隣接するバーの頂部から溝の最も深い部分（例えば谷間）までの距離は１５ｍｍ、１２ｍｍ、１０ｍｍ、８ｍｍ、６ｍｍ又はあらゆる同様な値である。すなわち、溝の深さは少なくとも５ｍｍである。
【００２３】
２つのディスクの間の間隙を形成するバーの頂部の表面は実質的に平坦であり、２つの対向するリファイナープレート又はリファイニングディスクの間で実質的に平行であり、一般に１度未満の相対角度を有し、常に５度未満（例えば２度又は３度）の相対角度を有する。溝の底部の滑らかで波状のプロファイルは、バーの頂部のプロファイルに対して実質的に平行でない。ある実施形態において、溝の底部の滑らかで波状のプロファイルは、対向するリファイナープレート又はリファイナーディスクの溝の底部の滑らかで波状のプロファイルに対して実質的に平行であり、これによって相補的である。
【００２４】
回転スピード（例えば遠心力を引き起こす）、適用される負荷（例えば水蒸気を引っ張る力（ｓｔｅａｍ  ｄｒａｇ  ｆｏｒｃｅ）を引き起こす）、及び材料、品質要求のための目標エネルギー投入量に依存して、いくつかの付加的な流れ制限部材、例えば、ダム、部分的なダムが、溝の深さが最も浅いリファイナープレートの領域に付加されてもよい。これは、繊維が、エネルギー伝達が期待される領域から外へあまりに迅速に運搬されすぎることを防止する。
【００２５】
最も浅い領域のバー上の鋸歯端は、繊維がこの領域をあまりに迅速に、十分にリファイニングされずに進むことを防止するために使用される。鋸歯は、バーの一般的な形状から突出及び／又はバーの中に陥没している。
【００２６】
このような一対のリファイナープレートの組合せはリファイナープレートを通る水蒸気の層流を促進し、水蒸気の排出を容易にし、リファイナーの機械的挙動を良好にする。同時に、この組み合わせは、全ての繊維がプレートの間の間隙で処理され続けることを保証する。
【００２７】
ある実施形態において、最小限でも、一方のディスク上に２つの浅い領域が存在し、他方のディスク上に１つの浅い領域が存在するが、適切な数の浅い領域が存在し得る。それぞれのディスク上により多くの浅い領域があり得、相補的なプロファイルはリファイナープレートの内径に延びる必要がなく、リファイナープレートの外径にも延びる必要はない。
【００２８】
ある実施形態において、相補的なプロファイルはリファイナープレートセグメントの最外側部分で使用される。なぜなら、内側部分は、相補的な溝の深さのプロファイルが提供すると信じられている保持時間の付加及び増大した仕事が要求されないからである。
【００２９】
ある実施形態において、溝の深さは、水蒸気を前方に排出するための能力を増大するためにリファイナープレートの外縁の近くで増大する。これは、隣接するリファイナーバーの頂部に対して実質的に平行である相対的に平坦な溝部分を導入することによって達成される。これは、相補的な波状の溝のプロファイルの間により大きな距離を導入することによっても達成され、これによって一方のプレート上の溝の底部から、それに対向するプレート上の溝の底部までの距離は、プレートの外縁の近くで増大する。
【００３０】
ある実施形態において、リファイナープレートデザインの組合せがあり、例えば、リファイナーにおいて一方を他方と対向させ、そこにおいてどちらか一方のディスクが回転するのに対して他方は静止していたり、又は両ディスクが相対的に反対方向に回転したりする。そして、そこにおいて溝の深さのプロファイルは２つのディスクの間で相補的であり、一方、バーの頂部同士は実質的に平坦で平行であり、それらの溝の深さのプロファイルは滑らかであるか、徐々に湾曲しているプロファイルか、又はこれらに近似するものである。対向するリファイナープレートのそれぞれの浅い溝の領域において、流れ制限部材があり、リファイニングされる材料の保持時間を制御する。
【００３１】
ある実施形態において、円錐状リファイニングゾーンがあり、１つのリファイニング要素が円錐の凸面上にバーと溝とを有し、対向する面が、この第１凸面に対面する凹面上にバーと溝とを有する。
【００３２】
リグノセルロース材を処理するために使用されるリファイナーにおいて、対向するリファイナープレートの組合せがあり得る。対向するリファイニング表面上の少なくとも一部の溝の深さのプロファイルは、互いに滑らか、波状、相補的であり、一方、対向するリファイナープレートの頂部表面を形成するバーの頂部は実質的に平坦で、実質的に平行であり、２つの対向する表面は互いに相対的に回転する。
【００３３】
相補的なプロファイルは、滑らかで波状のプロファイルに近似するものであり、相対的に平坦な領域と相対的に傾斜した領域との組み合わせを使用している。
【００３４】
例えば、これらは正弦曲線であるが、いかなる滑らかな表面（例えば、不連続でなく又は階段関数のようでない）でも使用し得る。例えば、放物曲線又はパラメトリック曲線と類似及び／又は模倣したプロファイルが使用され、又はその他のいかなる滑らかな及び／又は曲線状の表面である。このプロファイルは傾斜したアンジュレーション又は他の波様の構造を示す。
【００３５】
同様に、アンジュレーション又は波状プロファイルの頂部は、隣接するバーの頂部と同じ高さ（又は実質的に同じ高さ）であるか又は隣接するバーよりも下である。
【００３６】
ある実施形態において、例えば溝の浅い領域に１つ又はそれ以上のダムがある。このようなダムは、その場所での材料の保持時間の増大を促進する少なくとも1つの制限要素を含む。この制限部材は、ダム、部分的なダム又はバーから突出するか若しくはバーの中に陥没しているあらゆる形状の鋸歯端、又はこれらの要素の組合せである。
【００３７】
ある実施形態において、相補的なプロファイルは、リファイナープレートの外側部分、例えばブレーカーバーゾーンから半径方向外側のリファイニングゾーンで使用される。
【００３８】
ある実施形態において、相補的なプロファイルは、リファイナープレート外縁までの全ての方向にまで延びていない。すなわち、リファイナープレートセグメントの半径の一部のみが相補的なプロファイルを有する。例えば、半径の９０パーセント、８０パーセント、７０パーセント、６０パーセント、５０パーセント、４０パーセント、３０パーセント、２０パーセントが、対向するプレートの溝の深さの間に実質的に一定の距離を有する。
【００３９】
ある面において、１つの要素が、相補的な溝の深さのプロファイル領域で最小限１つの浅い領域を有し、一方、対向する相補的なリファイナープレートセグメントは、そのプロファイル領域で最小限２つの浅い領域を有するリファイナープレートセグメント（例えば、ローター又はステーター）が存在する。もちろん、それぞれのリファイナープレートセグメントは、相補的な溝の深さのプロファイル領域で、最小限２つの浅い領域を有することもできる。
【００４０】
ある実施形態において、リファイナープレートセグメントの一方が回転し、、他方は静止している。すなわち、一方のリファイナープレートセグメントはローターリファイナープレートセグメントであり、他方はステーターリファイナープレートセグメントである。その他の実施形態において、２つのローターリファイナープレートセグメントであってもよい。
【００４１】
その他の実施形態において、リファイニングゾーンの少なくとも一部は円錐ゾーンであり、相補的な溝の深さのプロファイルは、平坦部分、円錐部分、又は平坦部分と円錐部分の両方で適用される。
【００４２】
リファイナーは、２０パーセント超、及び/又は３０パーセント超のコンシステンシーで稼働する。リファイナーは、６パーセントと２０パーセントの間のコンシステンシー、又は５パーセント以下のコンシステンシーで稼働することもある。
【００４３】
図２は、８個のセパレートリファイナープレートセグメント２１１、２１２、２１３、２１４、２１５、２１６、２１７及び２１８から成る円環リファイナープレート２００を示す。他の実施形態において、３〜２４個のプレートセグメントが円環を形成することもある。図示されていないが、リファイナープレートセグメントはバーと溝とのパターンを有し、バーは実質的な半径方向（例えば、半径方向から好ましくは２５度より小さい角度、１５度より小さい角度、５度より小さい角度、又は１度より小さい角度）に延びている。バーは大きいか又は小さい供給角度を有し、この特定のバー構成はリグノセルロース材をリファイニングするために適切な構成である。図３は、図２で線Ａ−Ａに沿った横断面図を示す。図２は、透視的なリファイナープレートセグメントが、リグノセルロース材が供給される中心の開口を有するディスクを形成していること示すものである。プレートセグメントのそれぞれは内縁２０８と外縁２０６とを有し、内縁２０８と外縁２０６との間の距離は第７距離２２６によって図示されている。この実施形態において図示されているように、第１距離２２０は内縁２０８（例えば、内周）と、内部ゾーンとリファイニングゾーンとの間の遷移２１０との間の距離である。この図２の第１距離２２０は、図３の第１半径距離３７０に相当する。
【００４４】
同様に、図２及び図３のそれぞれにおいて、第２距離２２１は第２半径距離３７１に相当し、第３距離２２２は第３半径距離３７２に相当し、第４距離２２３は第４半径距離３７３に相当し、第５半径距離２２４は第５半径距離３７４に相当し、第６距離２２５は第６半径距離３７５に相当し、第７距離２２６は第７半径距離３７６に相当する。
【００４５】
図３は、リファイナープレートセグメント３０２と３０４との相補的なセット３００を示す。これらはローターとステーターであるが、ある実施形態において、これらは２つのローターでもよい。図示されているように、リファイニングされていないリグノセルロース材３２０は内縁３０８の近くで進入し、リファイニングされたリグノセルロース材３２２として外縁３０６の近くで排出される。図示されているように、流れ制限部材、つまりダム３３０、３３２、３３４、３３６、３３８及び３４０が存在する内部リファイニング域３０１がある。
【００４６】
図３の横断面図は、それぞれのリファイナープレートセグメント３０２及び３０４上の２つのバー３５０と３５２との間の溝（図示せず）のプロファイルを示す。バー３５０及び３５２は、頂部３５２Ｔ及び３５０Ｔを有するものとして示されている。溝は一連のピークと谷間とを有し、これらは、内縁３０８から測定される半径距離３７０〜３７６のそれぞれに相当する。例えば、リファイナープレートセグメント３０４は、第１半径距離３７０で谷間３５９、第２半径距離３７１で図示されるピーク３６１、第３半径距離３７２で谷間３６３、第４半径距離３７３でピーク３６５、第５半径距離３７４で谷間３６７、第６半径距離３７５でピーク３６９、第７半径距離３７６で谷間３５７を有する。対応する距離において、リファイナープレートセグメント３０２は対向するピーク又は谷間を有する。例えば、谷間３６０は同じ距離でピーク３６１に相当し、ピーク３６２は同じ距離で谷間３６３に相当し、谷間３６４は同じ距離でピーク３６５に相当し、ピーク３６６は同じ距離で谷間３６７に相当し、谷間３６８は同じ距離でピーク３６９に相当する。
【００４７】
この面において、リファイナープレートセグメント３０４上のピーク３６１及びピーク３６９から延びる半径は、リファイナープレートセグメント３０２上の対応するピーク又は谷間までの一定距離を有する。この距離は、プレートセグメント３０４上のピーク３６５とプレートセグメント３０２上の谷間３６４との間の距離３８５として図示される。この距離３８５は、内縁３０８から外縁３０６まで延びるリファイナープレートセグメントの半径の約５０％にわたり実質的に一定であり続ける。実質的に一定とは、本発明の実施形態に従って完全に一定であることを意味せず、２０パーセント、１５パーセント、１０パーセント、５パーセント及び／又は１パーセントまでの逸脱を許容するものとする。さらに、相対的な最大値及び最小値は、周期的であることを必要とせず、又、繰り返し可能なパターンにあることを必要としない。加えて、当業者に公知の従来のダム構造に従ったダム３８０を含む実施形態でもよい。ダム３８０（図３において深い領域に示される）は、より深い溝領域において層流を形成するために深い領域よりもむしろ浅い領域に位置されるのが好ましい。
【００４８】
図２は、プレートセグメントの内縁又は外縁から測定された一定の半径において一定の溝の深さがある実施形態を示し、例えば、これによって、溝表面のそれぞれの頂部（例えばそれぞれのピーク）が１つ以上の同心円を形成しているけれども、隣接する溝が同じプロファイルを有する実施形態や、全ての溝が同じプロファイルを有するわけではない実施形態が存在し、例えば、これによって、１つ以上の円弧又は部分的な同心円が形成されていることを理解されたい。
【００４９】
図４は、セット４００がリファイナープレートセグメント４０２及び４０４を有する実施形態を示し、そこでリファイニングされていないリグノセルロース材４２０が内縁４０８から進入し、対向するリファイナープレートセグメント４０２、４０４の間の間隙４５７を通って移動する。リファイニングされたリグノセルロース材４２２は外縁４０６の近くで間隙４５７から排出する。この実施形態において、リファイナープレートセグメント４０２及び４０４の外側部分４０３において相補的な溝のプロファイルが存在する。リファイナープレートセグメント４０２、４０４の外側部分４０３における相補的な溝のプロファイルは、リファイナー内にリグノセルロース材を留めるための流れ制限部材を含む浅い領域を有する。流れを制限するものは、例えば、全高さのダム又は半分の高さのダムである。溝の浅い領域及び深い領域の両方にある流れ制限部材の他のタイプは、バーの側壁上の不規則な表面であり、例えば、溝の底からバーの上部表面まで部分的に又は全部に延びる鋸歯端を有する側壁、側壁におけるディンプル若しくはクレーター、又は溝を通る流れを遅らせる他の不規則な表面要素である。
【００５０】
リファイナーバーの配置は周知の配置に従うものであり、例えば、ドイチャーズ氏への米国特許５，３８３，６１７号；ギングラス氏への米国特許５，８９３，５２５号；ドイチャーズ氏への米国特許６，０３２，８８８号；ギングラス氏への米国特許６，４０２，０７１号；ギングラス氏への米国特許６，６０７，１５３号；ギングラス氏への米国特許６，６１６，０７８号の各明細書に図示されたものであり、それぞれの内容が参照として本明細書に組み込まれている。バー及び溝は、内縁又は外縁から測定された半径と実質的に一直線に並べられていない実施形態において、本明細書で述べられている溝のプロファイルは溝の長さに適用可能であると理解されるべきである。
【００５１】
ある実施形態において、本発明は細砕セルロース材をリファイニングするためのプレートセグメントのセットであって、
第１プレートセグメント及び第２プレートセグメントを含み、
前記第１プレートセグメント及び第２プレートセグメントのそれぞれは、他のセグメント上の面に対向するように構成された面を有し、これらの面のそれぞれは、バーと、隣接するバー同士の間の溝とを有するリファイニングゾーンを含み、
プレートセグメントのセットがリファイナー又はディスパーザーに取り付けられている間、前記第１プレートセグメントの溝と第２プレートセグメントの溝との間の距離はリファイニングゾーン又はディスパーザーゾーンを通る円弧に沿って実質的に一定である。それぞれのセグメントはディスクに取り付けられ、セグメントの環状配列に配置されてプレートを形成する。
【００５２】
それぞれのセグメントのバーは共通の平面に揃えられた上部表面を有する。又はプレートセグメントは円錐リファイナー用に構成される。第１プレートにおける全ての溝の深さは共通の半径によって規定される円弧に沿って一定である。溝のそれぞれの深さは溝の長さに沿って徐々に変化し、それぞれの溝の深さはＳ字型のパターンで変動する。
【００５３】
本発明は、他のリファイナープレートセグメントのセットとして具体化されることもあり、
前記リファイナープレートセグメントのセットは、第１プレートセグメント及び第２プレートセグメントを含み、
前記第１プレートセグメントはリファイニングゾーンを含む面を含み、前記リファイニングゾーンはバーの列と列の間の溝とを含み、該溝は第１リファイナープレートセグメントの回転軸からの第１半径に第１の深い部分及び第２半径に第１の浅い部分を含み、
前記第２プレートセグメントは、前記セットがリファイナー又はディスパレージャーに取り付けられたときに第１プレートセグメントの面に対向するように構成された面を含み、溝は前記第２半径に第２の深い溝部分及び前記第1半径に浅い部分を有する。
【００５４】
浅い部分は４ミリメートル以下の深さを有し、溝表面の頂部は隣接するバーの高さと実質的に同じであり、隣接するバーの頂部から溝の最も深い部分までの距離は少なくとも５ｍｍである。１つ以上の流れ制限部材、例えば、ダム若しくは部分的なダムが存在するか、溝の深さが最も浅いリファイナープレートの領域に加えられた、バーから突出しているか若しくはバーの中に陥没している形状の鋸歯端又はこれらの要素の組合せを有する。
【００５５】
溝は、一方のセグメント上に最小限２つの浅い領域を備え、他方のセグメント上に最小限１つの浅い領域を備える滑らかな溝のプロファイルを有する。対向する溝の相補的なプロファイルは、リファイナープレートの内径まで延びる必要はなく、リファイナープレートの外径まで延びる必要もない。
【００５６】
相補的なプロファイルはリファイナープレートセグメントの最外側部分で使用されることもある。溝の深さは、水蒸気を前方に排出するための能力を増大させるためにリファイナープレートの外縁の近くで増大する。溝の深さは、隣接するリファイナーバーの頂部に実質的に平行な相対的に平坦な溝部分を導入することによって増大する。溝の深さの増大は、相補的な波状の溝のプロファイル同士の間により大きい距離を導入することによって達成されることもあり、これによって一方のリファイナープレートセグメント上の溝の底から、その対向するプレート上の溝の底部までの距離は、リファイナープレートセグメントの外縁の近くで増大する。溝の深さのプロファイルは滑らかで、徐々に湾曲するプロファイル又はこれに近似するものであり、これらは正弦曲線であるプロファイル、放物曲線やパラメトリック曲線を模倣したプロファイル若しくは他の滑らかな及び／又は曲線状の表面であるプロファイル、傾斜したアンジュレーション若しくは他の波様の構造であるプロファイルを含む。
【００５７】
本発明のある実施形態はリファイナーディスクのセットであって、
リファイナープレートセグメントからそれぞれなる２つのリファイナーディスクを含み、
前記それぞれのリファイナープレートセグメントは、溝の深さにおいて最小の変化であるか又は急激な変化がない対向するディスク上の滑らかな溝の深さのプロファイルを特徴とするリファイナープレートセグメントの一方の面上にバーと溝との表面を有し、
前記滑らかな溝の深さのプロファイルは、溝の底部の滑らかな波状のプロファイルであり、実質的に平行であり、これによって対向するリファイナープレート又はリファイナーディスク上の溝の底部の滑らかな波状のプロファイルに対して相補的である。
滑らかな溝の深さのプロファイルはそれぞれのプレートセグメントにおいて一定であり、これによって溝の深さはディスク上のプレートセグメントの配列の全周及びプレートセグメントの対向する配列上のプロファイルで一定であり続ける。
【００５８】
本発明は現在最も実用的で好ましい実施形態であると考えられているものとの関係で記述されたが、本発明は開示された実施形態に限られず、逆に添付の特許請求の範囲の主旨及び範囲内に含まれる多岐にわたる修正や等価の配置も網羅するものと理解されたい。
【図１】
2014015704.tif 000003
【図２】
2014015704.tif 000004
【図３】
2014015704.tif 000005
【図４】
2014015704.tif 000006
【外国語明細書】
【TITLE OF INVENTION】
REFINER PLATE HAVING A SMOOTH, WAVE-LIKE GROOVE AND RELATED METHODS
【TECHNICAL FIELD】
【０００１】The invention generally relates to a disc refiner for lignocellulosic material such as wood chips. In particular, the invention relates to the grooves between adjacent refiner bars on opposing sides of plate segments mounted on the discs of the refiner or disparager.
【BACKGROUND ART】
【０００２】Mechanical pulping involves mechanically separating fibers found in logs or wood chips or other lignocellulosic material. In some embodiments, such fibers may be suitable for paper making. 
【０００３】A common method of separating the fibers involves the use of a mechanical (or semi-chemical) refiner, which often consists of one rotating disc (e.g., a rotor) facing a stationary disc (e.g., a stator), with the rotating disc turning at speeds of approximately 900 to 2300 revolutions per minute (RPM), and in which wood material is fed into the center of the stationary disc. In some cases, both discs rotate in opposite directions, and in some other cases, there is a conical section following the flat disc surface. The discs are typically equipped with a number of replaceable segments (plate segments) positioned side by side and are mounted to the disc, these plate segments having an array of bars and grooves. The grooves generally have dams to impede the progression of wood material from the center of the plate segment inner edge to the outer edge of the plate segment. As the bars from the opposing discs cross, crossing bars impart compressive and shear forces to the lignocellulosic material. The compressive and shear forces cause separation of the larger pieces of wood material into individual fibers, development of the fibers and, to some degree, cutting of the fibers. Cutting of the fibers may not be desirable.
【０００４】In the typical designs of refiner plates or plate segments (the terms plate and plate segment will be used interchangeably), both facing discs feature a certain depth of the grooves which is substantially similar on opposite plates or plate segments. The profile of the groove depths relative to the distance from the center of the disc is generally flat and planar, either substantially parallel with the top of the refining bars or at a slight deviation from parallel, such that the depth (i.e., distance from the top of the refining bar to the bottom of the groove) gradually reduces towards the periphery of the plate. 
【０００５】FIGURE 1 illustrates a cross-sectional view of a set 100 of complementary conventional refiner plate segments 102 and 104. Unrefined lignocellulosic material 120, such as wood chip material, is fed near the conventional refiner plate inner edge 108. Refined lignocellulosic material 122 exits near the conventional refiner plate outer edge 106. Thus the material moves as illustrated in FIGURE 1 from right to left. While moving as illustrated in FIGURE 1, the material first encounters dams 130, 132, 134, 136, 138, and 140 in an innermost refining zone or a breaker bar zone 101. Conventional refiner plate segments 102 and 104 have a series of alternating bars 150, 152 and grooves (not shown). The tops of the bars 150, 152 of the respective conventional refiner plate segments 102, 104 face each other. As illustrated, bar 150 of conventional refiner plate segment 102 opposes bar 152 of conventional refiner plate segment 104. 
【０００６】Between bar 150 and bar 152 there is a gap 157 having a distance 164 between the tops of the bars. Gap 157 is generally uniform. In contrast the gap 162 between the bottoms of opposing grooves varies due to dams 154and 156 in the grooves.
【０００７】There are dams 154 and 156 on the respective conventional refiner plate segments 102, 104. These dams 154 and 156 force material traveling through the grooves defined by the respective surfaces 158 and 160 into the gap 157 and opposing conventional refiner plate segments 102, 104. As illustrated, the bottom of the opposing grooves has a distance 162. The distance between the bottom of the grooves and the tops of the respective dams, e.g. as illustrated by 166, varies along the radius illustrated in the cross section of FIGURE 1. The number of dams, shape, distance, and height from the bottom of the grooves to the tops of the respective dams varies in different refiner plate designs of existing technology, based on the required retention of feed material.
【０００８】Due to the centrifugal forces caused by the relative rotation of the discs, many refiner plate designs use dams in the grooves, which restrict the free flow of material in those grooves. These dams are believed to prevent unrefined material from flowing out of the discs without being mechanically treated. 
【０００９】Mechanical pulping can use significant amounts of energy and may produce large quantities of heat through dissipation of frictional energy. This heat transforms water from the process into steam; in most cases a substantial amount of steam is produced. The steam produced must evacuate from the refiner via the gap formed between the discs. Failure to evacuate this steam with relative ease is believed to cause mechanical vibration of the refiner, as well as process instability. In many instances, poor steam evacuation may also cause a limitation in the amount of energy that can be imparted to the lignocellulosic material, due to a limit of how much force the refiner can apply to hold the discs in close proximity to achieve the desired work. The steam may also travel together with the lignocellulosic material through the grooves in a non-rotating disc, and conventional stator refiner plates also include dams to prevent un-treated fibers from exiting the refining gap without mechanical treatment.
【００１０】Refiner plates with various patterns of bars and grooves are known to those skilled in the art. See, e.g., U.S. Patent Nos. 5,383,617 to Deuchars; 5,893,525 to Gingras; 6,032,888 to Deuchars; 6,402,071 to Gingras; 6,607,153 to Gingras; 6,616,078 to Gingras; and PCT Pub. No. WO/2010/112667 to Ruola et al.
【００１１】The conventional bar, groove, and dam arrangements (e.g., as noted in the patents identified in the previous paragraph) may be effective at forcing material out of the grooves into the gap formed between the opposing discs, but the arrangements may restrict steam flow. It is believed that the path of steam flow through a refiner equipped with conventional refiner plates is turbulent (e.g., non-laminar) and may cause refiner instability. In addition, the very abrupt changes in groove depths due to dams and the short spacing between dams often results in steam flow being restricted to a very small percentage of the groove depths - thus limiting the steam evacuation efficiency.
【DISCLOSURE OF INVENTION】
【００１２】It is sought to develop a refiner plate, or a refiner plate combination of opposing refiner plates (for example opposing rotor and stator refiner plates) which features improved steam flow by creating a more laminar flow of steam in the grooves, while being able to bring all fibers in the gap between the opposing discs and prevent un-treated fibers.
【００１３】In an aspect, there is a refiner plate segment for refining lignocellulosic material, the refiner plate segment having a plurality of adjacent bars and grooves, wherein at least two adjacent grooves have a substantially identical pattern along a substantially radial direction defined by a radial line connecting an inner edge of the refiner plate segment and an outer edge of the refiner plate segment, the substantially identical radial pattern comprising a smooth transition having at least undulation.
【００１４】A novel set of refiner plate segments have been conceived and invented for refining lignocellulosic material. The refiner plate segments comprise a first refiner plate segment and a second refiner plate segment, wherein the first refiner plate segment and the second refiner plate segment each have a plurality of adjacent bars and grooves, wherein, during operation, the set of refiner plates are configured to have a substantially constant distance between a groove surface of the first plate segment and a groove surface of the second plate segment at a substantially radial distance defined by a radial line connecting an inner edge of the first or second refiner plate segment and an outer edge of the first or second refiner plate segment.
【BRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS】
【００１５】FIGURE 1 is a cross-sectional view of a conventional arrangement of a set of refiner plate segments.
【００１６】FIGURE 2 is an illustrative embodiment of a plurality of refiner plate segments.
【００１７】FIGURE 3 is a cross-sectional view of an illustrative embodiment of a set of refiner plate segments and taken along line 3-3 shown in Figure 2.
【００１８】FIGURE 4 is an illustrative embodiment of a set of refiner plate segments in accordance with an embodiment.
【MODE FOR CARRYING OUT INVENTION】
【００１９】A refiner plate (or a refiner plate segment) has been conceived that features a smooth groove depth profile on opposing plates with minimal or no abrupt changes in the relative groove depths between opposing plates. A smooth groove depth profile may be embodied by a substantially uniform gap, e.g., within 10 to 20 percent of the dimension of the gap, along the length of gap between opposing plates. A smooth gap depth may facilitate steam flow throughout the available area in the grooves, with little potential for causing high turbulence and vibration. The smooth gap profile may be constant in each disc all around the circumference of the disc, and the profile on opposite discs may be complementary (e.g., opposite) to one another. 
【００２０】In such an exemplary embodiment, the deep groove areas on one disc may face or oppose the shallow groove area of the opposite disc. Thus, the groove depth profiles may be complementary to each other. Such a combination may facilitate smooth steam flow at any radial point in the gap formed between the opposing discs.
【００２１】The groove depth in the deepest parts of the grooves may be 3 or more (e.g., 4, 5, 6, 7, or 8) times the depth of the shallowest points or areas. In other embodiments, the groove depth in the deepest parts of the grooves may be greater than 2.0 times, or 2.5 times the depth of the shallowest points. In the shallowest areas, the depth may be no more than 1-4 mm, e.g., no more than 2 or 3 mm. 
【００２２】For instance, the top of a groove surface may be substantially the same height as an adjacent bar. In such an embodiment, the distance from the top of an adjacent bar to the deepest portion of a groove (e.g., a valley) may be 15 mm, 12 mm, 10 mm, 8 mm, 6 mm or any similar value. That is, the depth of a groove may be at least 5 mm.
【００２３】The top surface of the bars forming the gap between the two discs may be substantially flat and substantially parallel between the two opposing refiner plates or refining discs, generally having a relative angle of less than 1 degree and always less than 5 degrees (e.g., 2 or 3 degrees). The smooth wavy profile of the bottom of the grooves is not substantially parallel to the profile of the top of the bars. In an embodiment, the smooth wavy profile of the bottom of the grooves may be substantially parallel and thus complementary to the smooth wavy profile of the bottom of the grooves on opposite refiner plate or refiner disc.
【００２４】Depending on the rotating speeds (e.g., causing centrifugal forces), the load applied (e.g., causing steam drag force), and the target energy input for the material and quality requirements, some additional flow restrictors such as dams or partial dams may be added to the areas of the refiner plates where the groove depths are shallowest. This may prevent the fibers to be transported too quickly out of the area where energy transfer is intended. 
【００２５】Serrated edges on the bars in the shallow area may be used to prevent fibers from traveling through this area too quickly and without sufficient refining. The serrations may protrude out from the general shape of the bars and/or may be recessed into the bars.
【００２６】The combination of such a pair of refiner plates may facilitate laminar flow of the steam through the refiner plates, allowing easy evacuation of steam and good mechanical behavior of the refiner. At the same time, the combination may ensure that all fibers are being treated in the gap between the plates.
【００２７】In certain embodiments, there may be a minimum of two shallow areas on one disc and one shallow area on the other disc, although any suitable number of shallow areas may be present. There can be more shallow areas on each disc, and the complementary profile does not need to extend to either the inner diameter of the refiner plates, nor does it need to extend to the outer diameter of the refiner plates. 
【００２８】In some embodiments, the complementary profiles may be used in the outermost part of the refiner plate segments because the inner portion may not require the added retention and increased work that the complementary groove depth profile is believed to provide. 
【００２９】In some embodiments, the groove depth may increase near the outer periphery of the refiner plate to increase the capacity to vent steam forward. This may be accomplished by introducing a relatively flat groove portion that is substantially parallel to the top of the adjacent refiner bars. This may also be accomplished by introducing a larger distance between complementary wavy groove profiles, such that the distance from the bottom of a groove on one plate to the bottom of a groove on its opposing plate increases near the plate periphery.
【００３０】In some embodiments, there may be a combination of refiner plate designs, e.g., opposing one another in a refiner, and where either one disk is rotating while the other is stationary, or where both discs rotate in relatively opposite directions; and where the groove depth profiles are complementary between the two discs, while the top of the bars are substantially flat and parallel, and those groove depth profiles are smooth, gradual curved profiles or an approximation of such. There also may be flow restrictors in the shallow groove areas of each opposing refiner plate to control the retention of the material to be refined. 
【００３１】In some embodiments, there may be a conical refining zone, where one refining element has bars and grooves on the convex surface of the cone, and where the opposing surface has bars and grooves on the concave surface facing the first convex surface.
【００３２】There may be a combination of opposing refiner plates in a refiner used to process lignocellulosic material. The groove depth profiles on at least a portion the opposite refining surfaces are smooth, wavy and complementary to one another, while the bar tops forming the top surfaces of the opposite refiner plates are substantially flat and substantially parallel, and the two opposing surfaces rotate relative to one another.
【００３３】The complementary profile may be an approximation of a smooth wavy profile, using a combination of relatively flat areas and relatively sloped areas. 
【００３４】These may be sinusoidal, for instance, although any smooth surface (e.g., not discontinuous or step-function-like) may be used. For instance, profiles similar and/or mimicking to parabolic or parametric curves may be used or any other smooth and/or curvilinear surface. The profile may represent a sloping undulation or other wave-like structure. 
【００３５】Similarly, the top of the undulation or wavy profile may be even (or substantially even) with top of an adjacent bar or may be beneath an adjacent bar. 
【００３６】In some embodiments, there may be one or more dams, e.g., in a shallow area of a groove. Such a dam may contain at least one restricting feature that can facilitate increased material retention in that location. The restrictor may be a dam, a partial dam or a serrated edge of any shape that may protrude out of the bar, or be recessed into the bar, or a combination of such features.
【００３７】In an embodiment, the complementary profiles are used in the outer part of the refiner plates, e.g., the refining zone outwardly radially from the breaker bar zone. 
【００３８】In an embodiment, the complementary profiles do not extend all the way to the outer periphery of the refiner plates. That is, only a portion of the radius of the refiner plate segments has complementary profiles. For instance, 90 percent, 80 percent, 70 percent, 60 percent, 50 percent, 40 percent, 30 percent, 20 percent of a radius may have a substantially constant distance between groove depths of opposing plates.
【００３９】In an aspect, there may be a refiner plate segment (e.g., a rotor or a stator) that one element has a minimum of one shallow area in the complementary groove depth profile area, while the opposing, complementary refiner plate segment has a minimum of two shallow areas in that profile area. Of course, each refiner plate segment may have a minimum of two shallow areas in the complementary groove depth profile area.
【００４０】In an embodiment, one of the refiner plate segments rotates while the other is stationary. That is, one refiner plate segment is a rotor refiner plate segment and the other is a stator refiner plate segment. In another embodiment, there may be two rotor refiner plate segments. 
【００４１】In another embodiment, at least part of the refining zone is a conical zone and the complementary groove depth profile is applied in the flat portion, the conical portion, or both.
【００４２】The refiner may operate at a consistency above 20 percent and/or above 30 percent. The refiner may also operate at a consistency between 6 and 20 percent or even at a consistency of 5 percent or less.
【００４３】FIGURE 2 illustrates a circular refiner plate 200 made of eight separate refiner plate segments 211, 212, 213, 214, 215, 216, 217, and 218. In other embodiments, three to twenty-four plate segments may form a circle. Although not illustrated, the refiner plate segments may have a pattern of bars and grooves in which the bars are extended in a substantially radial direction (e.g., preferably less than 25 degrees, 15 degrees, 5 degrees, or 1 degree angle from a radial direction). The bars may have a large or small feeding angle, and the particular bar configuration may be any suitable configuration for refining lignocellulosic material. FIGURE 3 illustrates a cross-sectional view along the line A-A in FIGURE 2. FIGURE 2 illustrates that the perspective refiner plate segments form a disc having an opening in the center through which lignocellulosic material is fed. Each of the plate segments has an inner edge 208and an outer edge 206, and the distance between the inner edge 208and outer edge 206 is illustrated by the seventh distance 226. As illustrated in this embodiment, first distance 220 is the distance between the inner edge 208 (e.g., inner periphery) and the transition 210 between the inner zone and the refining zone. This first distance 220 of FIGURE 2 corresponds to first radial distance 370 of FIGURE 3.
【００４４】Similarly, second distance 221 corresponds to second radial distance 371; third distance 222 corresponds to third radial distance 372; fourth distance 223 corresponds to fourth radial distance 373; fifth distance 224 corresponds to fifth radial distance 374; sixth distance 225 corresponds to sixth radial distance 375; seventh distance 226 corresponds to seventh radial distance 376, in FIGURES 2 and 3, respectively.
【００４５】FIGURE 3 illustrates a complementary set 300 of refiner plate segments 302 and 304. These may be a rotor and a stator although they may also be two rotors in certain embodiments. As illustrated unrefined lignocellulosic material 320 enters near inner edge 308 and exits near outer edge 306 as refined lignocellulosic material 322. As illustrated, there is an inner refining region 301 in which there may be flow restrictors or dams 330, 332, 334, 336, 338, and 340.
【００４６】The cross-sectional view of FIGURE 3 shows the profile of a groove (not shown) between two bars 350 and 352 on each refiner plate segment 302 and 304. The bars 350 and 352 are shown as having tops 352Tand 350T. The grooves have a series of peaks and valleys which correspond with each of the radial distances 370 to 376 measured from the inner edge 308. For instance, refiner plate segment 304 has a valley 359 at first radial distance 370, a peak 361 illustrated at second radial distance 371, a valley 363 at third radial distance 372, a peak 365 at fourth radial distance 373, a valley 367 at fifth radial distance 374, a peak 369 at sixth radial distance 375, and a valley 357 at seventh radial distance 376. At the corresponding distance, refiner plate segment 302 may have an opposite peak or valley. For instance, valley 360 corresponds at the same distance to peak 361; peak 362 corresponds at the same distance to valley 363; valley 364corresponds at the same distance to peak 365; peak 366 corresponds at the same distance to valley 367; and valley 368 corresponds at the same distance to peak 369.
【００４７】In this aspect, the radius extending from peak 361 and peak 369 on refiner plate segments 304 has a constant distance to the corresponding peak or valley on refiner plate segments 302. This distance is illustrated as distance 385 between peak 365 on plate segment 304 and valley 364 on plate segments 302. This distance 385 remains substantially constant for approximately 50 percent of the refiner plate segment radius stretching from the inner edge 308 to the outer edge 306. Substantially constant does not mean perfectly constant in accordance with embodiments of this invention, and it allows for a deviation up to 20 percent, 15 percent, 10 percent, 5 percent, and/or 1 percent. Furthermore, the relative maximums and minimums need not be periodic or in a repeatable pattern. Additionally, there may be embodiments that include a dam 380 in accordance with conventional dam structures known to those skilled in the art. Dams 380 (shown in FIGURE 3 in a deep area) may preferably be located in the shallow areas, rather than deep areas in order to create laminar flow in the deeper groove areas.
【００４８】Although FIGURE 2 illustrates an embodiment in which there is a constant groove depth at a constant radius measured from the inner or outer edge of the plate segment, e.g., such that the tops (e.g., peaks) of the groove surfaces form one or more concentric circles, it should be understood that there may be embodiments in which adjacent grooves have the same profile and embodiments in which not all grooves have the same profile, e.g., such that one or more arcs or partial concentric circles are formed.
【００４９】FIGURE 4 illustrates an embodiment in which the set 400 has refiner plate segments 402 and 404 wherein the unrefined lignocellulosic material 420 enters from the inner edge 408 and moves through the gap 457 between the opposing refiner plate segments 402, 404. The refined lignocellulosic material 422 exits the gap 457 near the outer edge 406. In this embodiment, there exist complementary groove profiles in the outer part 403 of the refiner plate segments 402 and 404. The complementary groove profiles in the outer part 403 of the refiner plate segments 402, 404 have shallow areas containing flow restrictors 490to hold back the lignocellulosic material within the refiner. The flow restrictions may be, for example, a full height dam or a half-height dam. Other types of flow restrictors which may be in both the shallow and deep areas of the grooves are irregular surfaces on the sidewalls of the bars, such as sidewalls having a serrated edges extending partially or fully from the bottom of groove to the upper surface of the bar, dimples or craters in the sidewall, or other irregular surface features that retard flow through the grooves. 
【００５０】The arrangement of refiner bars may be in accordance with any known arrangement, such as those illustrated in U.S. Patent Nos. 5,383,617 to Deuchars; 5,893,525 to Gingras; 6,032,888 to Deuchars; 6,402,071 to Gingras; 6,607,153 to Gingras; and 6,616,078 to Gingras, the contents of each of which is incorporated herein by reference. In embodiments in which bars and grooves are not substantially aligned with a radius measured from the inner edge or periphery, it should be understood that the groove profile described herein may be applicable to the length of the groove.
【００５１】In one embodiment, the invention may be a set of plate segments for refining comminuted cellulosic material comprising: a first plate segment and a second plate segment, wherein the first plate segment and the second plate segment each have a side configured to oppose a side on the other segment, and each of said sides includes a refining zone having bars, and grooves between adjacent ones of the bar, wherein a distances between the grooves in the first plate segment and the grooves in the second plate segment are substantially constant along an arc through the refining or disperser zone and while the set is mounted to a refiner or disperser. Each segment may be mounted to a disc and arranged in an annular array of segments to form a plate. 
【００５２】The bars of each segment may have upper surfaces aligned in a common plane. Or the plate segments may be configured for a conical refiner. The depth of all grooves in the first plate may be constant along an arc defined by a common radius. The depth of each of the grooves may gradually change along the length of the groove and the depth of each groove varies in a S-shaped pattern.
【００５３】The invention may also be embodied as a set of refiner plate segments comprising: a first plate segment including a face including a refining zone comprising rows of bars and grooves between the rows and the grooves include a first deep section at a first radius from a rotational axis of the first refiner plate segment and a first shallow section at a second radius, and a second plate segment including a face configured to oppose the face of the first plate segment when the set is mounted in a refiner or disparager, wherein the grooves have a second deep groove section at the second radius and a shallow section at the first radius. 
【００５４】The shallow section may have a depth of no greater than four millimeters and the top of a groove surface is substantially the same height as an adjacent bar and the distance from the top of an adjacent bar to the deepest portion of a groove is at least 5 mm. There may be one or more flow restrictors such as dams or partial dams or have a serrated edge of any shape protruding out of the bar, or be recessed into the bar, or a combination of such features added to the areas of the refiner plates where the groove depths are shallowest
【００５５】The grooves may have a smooth groove profile with a minimum of two shallow areas on one of the segments and a minimum of one shallow area on the other segment. The complementary profiles of the opposing grooves does not need to extend to either the inner diameter of the refiner plates, nor does it need to extend to the outer diameter of the refiner plates. 
【００５６】The complementary profiles may be used in the outermost part of the refiner plate segments. The groove depth may increase near the outer periphery of the refiner plate to increase the capacity to vent steam forward.  The groove depth may increases by introducing a relatively flat groove portion that is substantially parallel to the top of the adjacent refiner bars. The groove depth increase may be accomplished by introducing a larger distance between complementary wavy groove profiles, such that the distance from the bottom of a groove on one refiner plate segment to the bottom of a groove on its opposing plate increases near the refiner plate segment periphery. The groove depth profiles may be smooth, gradual curved profiles or an approximation of such including profiles that are sinusoidal, or mimicking parabolic or parametric curves or any other smooth and/or curvilinear surface, or a sloping undulation or other wave like structure. 
【００５７】An embodiment of the invention is a set of refiner discs comprising: two refiner discs each composed refiner plate segments, each refiner plate segment having a surface of bars and grooves on one side of the refiner plate segment featuring a smooth groove depth profile on opposing discs with minimal or no abrupt changes in groove depths, and wherein the smooth groove depth profile may be a smooth wavy profile of the bottom of the grooves and may be substantially parallel and thus complementary to the smooth wavy profile of the bottom of the grooves on opposite refiner plate or refiner disc. The smooth groove depth profile may be constant in each plate segment such that groove depth remains constant all around the circumference of an array of plate segments on a disc, and the profile on the opposite array of plate segments. 
【００５８】While the invention has been described in connection with what is presently considered to be the most practical and preferred embodiment, it is to be understood that the invention is not to be limited to the disclosed embodiment, but on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims.
1.   A set of plate segments for refining comminuted cellulosic material comprising:
a first plate segment and a second plate segment, wherein the first plate segment and the second plate segment each have a refining side configured to oppose the refining side on the other segment, and each of said refining sides includes a refining zone having bars and grooves between adjacent ones of the bars, 
wherein distance between the grooves in the first plate segment and the grooves in the second plate segment is substantially constant along an arc through the refining zone while the set is mounted to discs in a refiner.
2.   The set of plate segments as in claim 1 wherein each plate segment is one of a plurality of plate segments which form a plate mounted to the discs.
3.   The set of plate segments as in claim 1 wherein the bars of each segment have upper surfaces aligned in a common plane and the common planes for the segments are parallel to each other. 
4.   The set of plate segments as in claim 1 wherein the distance between the grooves is substantially constant along each of a plurality of arcs, and the distance between the grooves along one of the arcs differs from the distance between the grooves as another of the arcs.
5.   The set of plate segments as in claim 1 wherein the grooves in at least one of the segments includes dams aligned with the arc. 
6.   The set of plate segments as in claim 1 wherein one of the plate segments has a depth of the grooves along the arc that is at least twice the depth of the grooves along the arc in the other plate segment. 
7.   The set of plate segments as in claim 1 wherein the depth of the grooves in the segments gradually changes along a length of the groove.
8.   The set of plate segments as in claim 1 wherein the grooves in the segments each have a depth which varies in a S-shaped pattern.
9.   A set of plate segments comprising:
a first plate segment including a refining face including a refining zone comprising rows of bars and grooves between the rows and the grooves include a first deep section at a first radius from a rotational axis of the first refiner plate segment and a first shallow section at a second radius, and
a second plate segment including a refining face configured to oppose the reefing face of the first plate segment when the set is mounted in a refiner, wherein the grooves have a second deep groove section at the second radius and a shallow section at the first radius. 
10.  The set of refiner plate segments of claim 9 wherein each plate segment is one of a plurality of plate segments configured to a plate when the segments are assembled on a disc of a refiner.
11.  The set of refiner plate segments as in claim 9 wherein the bars of each segment have upper surfaces aligned in a common plane. 
12.  The set of plate segments as in claim 9 wherein the depth of each of the grooves changes gradually along the length of the groove.
13.  The set of plate segments as in claim 9 wherein the depth of each groove varies in a S-shaped pattern.
14.  The set of plate segments as in claim 9 wherein the groove depth in the first deep section is at least twice the depth of the first shallow section.
15.  The set of plate segments as in claim 9 wherein the shallow section has a depth of no greater than four millimeters. 
16.  The set of refiner plate segments of claim 9 wherein the first and second shallow groove sections are substantially in a plane with upper surfaces of the adjacent bars and the first and second deep groove sections are at least 5 mm in depth.
17.  The set of refiner plate segments of claim 9 wherein the first and second deep groove sections have a depth at least twice as deep as the first and second shallow groove sections. 
18.  The set of refiner plate segments of claim 9 wherein the first and second shallow groove sections each form a dam.
19.  The set of refiner plate segments of claim 9 wherein the bars of at least one of the segments have sidewalls with surfaces that are at least one of jagged, serrated, dimpled, cratered or otherwise irregular. 
20.  The set of plate segments of claim 9 wherein the first deep section is divided by the first shallow section and the second shallow section is divided by the second deep section.
21.  The set of plate segments of claim 9 wherein the first deep section and the first shallow section are both radially inward of an outer edge of the zone and radially outward of an inner edge of the zone.
22.  The set of plate segments of claim 9 wherein first deep section and the second shallow section are at radially outermost regions of the segments.
23.  The set of plate segments of claim 9 wherein the grooves increase in depth along radially outward direction.
24.  The set of plate segments as in claim 9 wherein the grooves include a substantially planer bottom surface substantially parallel to upper surfaces of the bars.  
25.  The set of plate segments as in claim 9 wherein the grooves on the first plate segment are separated from the grooves of the second plate segment by a distance parallel to a rotational axis of the segments, wherein the distance gradually increases in a radially outward direction. 
26.  The set of plate segments as in claim 9 wherein the grooves on the first plate segment are separated from the grooves on the second plate segment by a distance along a line parallel to a rotational axis of the segments, wherein the distance varies as one of a curved profile, a S-shaped profile, a sinusoidal profile and a curvilinear profile.  
27.  The set of plate segments as in claim 9 wherein the segments are configured for a conical refiner. 
28.  The set of plate segments as in claim 9 wherein the first deep section and the first shallow section combined extend at least ninety percent of a radial length of the zone.  
29.  A method of refining cellulosic material using a refiner having opposing plates and a gap formed between the plates, comprising: 
introducing cellulosic material through a radially inward inlet to one of the plates and into the gap, wherein an annular refining zone on a refining face of one of the plates faces across the gap an annular refining zone on a refining face of the other plate and wherein each refining zone includes an annular pattern of bars separated by grooves;
rotating at least one the plates about a rotational axis as the cellulosic material is introduced;
refining the cellulosic material as the material moves through the gap and between the refining zones, wherein the refining includes moving the cellulosic material between the bars of the opposing refining zones as the bars of one of the zones cross over the bars of the other zone, and
channeling a flow of the material through the grooves during the rotation, wherein shallow sections of grooves in one of the plates are radially aligned with deep sections of the grooves in the opposite plate.
30.  The method of claim 29 wherein in the channeling step deep sections of grooves in the one of the plates are radially aligned with shallow sections of the grooves in the opposite plate. 
31.  The method of claim 29 wherein the depth of each of the grooves changes gradually along a length of the groove.
32.  The method of claim 29 wherein the depths of the grooves vary in a S-shaped pattern.
33.  The method of claim 29 wherein the shallow sections have a depth of no greater than four millimeters.
34.  The method of claim 29 wherein the channeling includes retarding the flow by dams formed by the shallow sections.
35.  The method of claim 29 wherein the deep sections are at least twice the depth of the shallow sections.
1.ABSTRACT
A set of plate segments for refining comminuted cellulosic material including: a first plate segment and a second plate segment, wherein the first plate segment and the second plate segment each have a refining side configured to oppose the refining side on the other segment, and each of said refining sides includes a refining zone having bars and grooves between adjacent ones of the bars,  wherein distance between the grooves in the first plate segment and the grooves in the second plate segment is substantially constant along an arc through the refining zone while the set is mounted to discs in a refiner.
2.Selected drawing
Fig.2
【Fig.1】
2014015704.tif 000007
【Fig.2】
2014015704.tif 000008
【Fig.3】
2014015704.tif 000009
【Fig.4】
2014015704.tif 000010