(57)【要約】【課題】ヘッドボックス（種箱等）内へ気体巻込防止体を挿入取付し、気体の巻き込みを防止し、低液位化・小容量化・メンテナンス性向上等を図ることにある。この課題を達成することによって多品種少量生産に適合させることができ、液出口管の計測用流量計の気泡による指示振れを無くし次工程安定操業に貢献できる。【解決手段】所定のヘッドを保持した液の出口の上方に圧力損失少になる間隔を空けて液出口内周線から上方約４５°の位置に渦流抑制体付き天板を液出口を覆う様に挿入据付することによって達成できる。【選択図】　　図１
2004115992.tif 000002
【特許請求の範囲】
液状流体を所定のヘッドで流す為のヘッドボックスにおいて所定のヘッドの液状流体を流出する出口部を流路を確保して覆う気体巻込防止用天板に渦流抑制体を装備した気体巻込防止体をヘッドボックス本体の構造部から隙間を空けて据え付けたことを特徴とする気体巻込防止装置付きヘッドボックス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【略号】
液　：液状体（水や液、固形物を分散した懸濁液、スラリー等を意味する流体）。
流体：流れ性質がある液状体。
ヘッドボックス：所定の液位に保持できる機能を有する液位一定槽、液位を段階的に可変し任意の液位を保持できる機能を有する液位一定槽、パルププラントで使われている種箱、液の上部に気層を有し、気層の圧力を調整できる密閉タンクにヘッドボックス機能を装備した液位一定槽もヘッドボックスに含める。
【０００２】
【発明の属する技術分野】
本発明は、幅広い産業分野で用いられているヘッドボックスを有するプラントに適する。特に気体巻込現象を回避する為に高液位のヘッドボックスを用いているプラントや流路中に袋小路や狭窄部を作ることを嫌うパルプ、食品、薬品等のプラントに適する。
【０００３】
【従来の技術】
従来からのヘッドボックス図９は液位Ｈが低い場合、出口管から流下する液の流れで自然発生する渦によって流体の上を覆っている気体（大気解放の場合いは大気）をヘッドボックスの底に引き込む。その様相は渦潮が気体流を呑み込んでいる様に見える。この巻込気体流１９がそのまま、或いは気泡粒となって下流の流量計の指示をふらつかせ、系全体を不安定にする傾向があった。流量計は送液１４の流量を用途に応じて調整する為の調節弁を制御するのに必要。
【０００４】
この為、従来からのヘッドボックスでは必要以上に液位Ｈを高くし、かつ大容量のヘッドボックスを用い気体の巻き込みを防止する傾向があった。しかし、この高液位大容量の設備は、即ち多量液体を用いなければならない為、多種少量の液体を扱わなければならなくなった現在には適さない場合が多くなってきた。パルプの種箱や食品、医薬品等のサニタリープラントでは洗浄し易すく必要最少量の液体で製造できる配管系の容量が小さいプラントが望まれる様になってきた。
【０００５】
従来からのヘッドボックスの構造を図９を用いて説明する。　従来からの構造は導入槽１５ｂ、溢流槽１５ａ、受槽１５ｃ　の３槽から構成されているか導入槽１５ｂを省略して供給管１７を直接縦形出口管６ａと並行に溢流槽１５ａの底から導入する２槽タイプが多かった。　この場合溢流槽１５ａの左側の壁は導入槽１５ｂの左側の壁の高さにする必要がある。
【０００６】
ここでは３槽構成のヘッドボックスを代表例として説明する。ヘッドボックスの原理は送液１４の液位を供給液１２、送液１４、溢流液１３の流量条件から液面４ａの液位Ｈを自動バランスさせるものである。
【０００７】
即ち、供給液１２の流量をＱ１２、送液１４の使用流量をＱ１４、溢流液１３の流量をＱ１３とすると次の条件を満足させる必要がある。
【数１】
Ｑ１２−Ｑ１４＝Ｑ１３　；　Ｑ１２＞＞Ｑ１４
供給液１２は送液１４を流下した状態で導入槽１５ｂ、上流堰１６ｂを介して溢流槽１５ａの堰１６ａから受槽１５ｃに溢流し溢流管１８を流下し供給液を供給するタンクへ戻る構成である。この構成で送液１４の使用量が変化しても液面４ａはほぼ保たれる。
【０００８】
しかし、前述の様に多種少量生産に合わせヘッドボックスの容量を小さくしようとすると図５Ａで示めした様に気体巻込現象が発生し次工程以降の制御を乱し、現象が著しいときはプラントが停止し、現象が小さい場合でも生産品の品質、歩留まり等に影響がでる。
【０００９】
生産に支障を来たす気体巻込現象について図５Ａを用いて説明する。
図５Ａ（ａ）は定常の流れ２０で操業している状態を示す。図５Ａ（ｂ）は送液１４の負荷変動や生産量増加の為に送液１４の流量Ｑ１４が増えた為に送液１４の流速が速くなり、何らかの切っ掛けで巻込気体流発生の前兆渦２２が発生する。図５Ａ（ｃ）は遂に巻込気体流発生の状態を示す渦流２２ａを示す図。
図５Ａ（ｃ）の状態になると送液１４を止めない限り渦流２１は止まらない状態になる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
（１）製造品の生産性、品質、歩留等の向上。
（２）パルプの種箱、食品や医薬品等のプロセスで使用するヘッドボックスの小容量化、低液位操業。
（３）液体中の成分（繊維や固形物）の遊離や付着の切っ掛けを作らない構造。（４）高流速操業。
（５）メンテナンス性向上。
【００１１】
【課題を解決する為の手段】
（１）製造品の生産性、品質、歩留等の向上。
ヘッドボックス下流に配置する流量計７の安定化を図り流量制御系の安定化を図る必要がある。流量計の安定化を図るには上流のヘッドボックスからの巻込気体流１９を引き込まない様にする必要がある。その為には本発明の気体巻込防止体５付きヘッドボックス１を用いることが解決の近道である。
【００１２】
では、何故本発明を用いれば巻込気体流１９の引き込みを防止できるかについて図５Ｂを用いて説明する。本発明では天板５ｂと渦抑制体５ｄを合わせ用いて水平底と天板５ｂの水平面に垂直に立つ性質の渦が縦形出口管６ａ内に入るのを天板５ｂで防ぎ、何らかの原因で天板５ｂ下面（裏面）で発生する可能性のある渦流２１を渦抑制体５ｄで防ぐ様に構成している。
【００１３】
なお、図５Ｂは従来の技術と本発明の中間技術で気体巻込防止体５のみを用い渦流抑制体５ｄを用いない場合である。従来技術より厳しい流体条件下では気体巻込現象が発生する。図５Ｂ（ａ）〜（ｃ）は気体巻込現象が発生するまでのプロセスを示す図である。
【００１４】
図５Ｂ（ａ）は定常の流れ２０で操業している状態を示す。図５Ｂ（ｂ）は従来技術の範囲を越えた過酷な流体条件下で何らかの切っ掛けで縦形出口管６ａ内に渦流２１が発生し、図５Ｂ（ｃ）で示す様に天板の周囲の１ヶ所に流れが集中し液面に繋がり巻込気体流１９が発生した状態を示す。２２ａ参照。
【００１５】
しかし、図５Ｃに示す様に渦抑制体５ｄを付加した気体巻込防止体５を用いれば図５Ｂ（ｂ）、（ｃ）で示めした渦流２１が出口管６の端部近傍では起こらない為図５Ｂの流体条件が更に過酷でも巻込気体流１９は発生しない。次に、
【００１６】
（２）ヘッドボックスの小容量化、低液位操業に付いて述べる。
例えば、図１、図６で示すヘッドボックスの縦形出口管６ａの内径φＤを本発明で決定される大きさの天板５ｂを有する気体巻込防止体５を高さｈの位置に取り付け、１．５ｍ／ｓｅｃ流速の静水を用いて実験を行ったところｈ＝０．８Ｄまで液位を下げても気体の巻き込みは見られなかった。固形物を分散した懸濁液、スラリー等では物性上から気体の巻き込みの危険性は水より少なくなる。
ｈ≧０．８Ｄで液位を波打たせても気体を巻き込まなかった為、ヘッドタンクの液面面積の縮小及び液位ｈを０．８Ｄに近づけても目標機能が発揮できることが分かりヘッドボックスの小容量化が可能になった。
【００１７】
前項で述べた本発明で決定される大きさの天板５ｂを有する気体巻込防止体５を用いれば、液体として清水、液体を包囲する気体を大気、ヘッドタンクの上部は大気解放の状態で図６に示すθを大体θ≦４５°にした時に巻込気体流１９が発生しても縦形出口管６ａ内に入らなくなる。
【００１８】
この時の天板５ｂの大きさは円形である場合はφｄ、四角の場合は□ｄになる。形状は丸でも四角でも多角形でも良いが短辺がφｄの直径より大きい必要がある。説明の簡素化を図る為にφｄとして説明する。巻込気体流１９が発生しても縦形出口管６ａ内に入らなくなる角度は大略θ≦４５°〜５０°であるが、このθ≦４５°〜５０°を満足するφｄは無数にある。
【００１９】
経済的に有利なφｄは図６Ａから求まる。計算を容易化する為に天板５ｂの下面（裏面）にある渦流抑制体５ｄがない物と仮定して計算する。計算の目的は縦形出口管φＤの面積ＳＤの液体棒が変形せずに図６の天板５ｂ下面に当たったとしてヘッドボックス１の底と天板５ｂ下面の間の間隔ｈ内の液体棒の表面積をＳｈとすると
【数２】
ＳＤ＝Ｓｈ；　Ｓｈ＝π×Ｄ×ｈ；θ≒４５°
の時に面積ＳＤの流れは曲がりによる圧力損出を除外して考えれば抵抗無く天板５ｂ下面（裏面）の放射状の流れになる。従ってφｄのサイズは（数２）の条件と図の幾何学表示から求まる。実用上のｈをｈ’と表示すればｈ’≧ｈが望ましい。但し、圧力損出を問題視しない場合はこの限りではない。
【００２０】
（３）液体中の成分（繊維や固形物）の遊離や付着の切っ掛けを作らない構造。図１、図６で示す如く気体巻込防止体５がヘッドボックス本体１と全く触れること無く隙間ｓを空けて気体巻込防止体支柱５ａを用いて液の外で取り付ける様になっている。本項、後述の液内隙間ができても問題ない場合は液内取付しても気体巻込防止機能には何ら影響がでない為、液内取付をしても一向に構わない。但し、液外取付した場合は構成部品を液中ネジ止めした製品に発生し勝ちな部品と部品との間、部品とネジとの間等の隙間（細菌の温床）を作らないでヘッドボックスを作ることができる。
【００２１】
（４）高流速操業。
流体を高速で流しても気体の巻き込み現象が見られない為、高流速操業が可能になる。
【００２２】
（５）メンテナンス性向上。
気体巻込防止体５の取付は、気体巻込防止体支柱５ａを用いて液の外で取り付ける構造を有している為、支柱５ａをメンテナンス性に優れた構造、例えば油圧ピストンで引き上げるとか支柱５ａを、外に設けたポールから腕を出し支柱５ａを上部に引き上げる機構を介して取り付ければメンテナンス時に自在に気体巻込防止体５をヘッドボックスの外に持ち出せヘッドボックス本体１の内部及び気体巻込防止体５の清掃、メンテナンスを自在に行うことができメンテナンス性を抜群に向上することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
発明の実施の形態を実施例に基づき図面を参照して説明する。図１、図２、図３に示すヘッドボックス本体１は左右に導入管２と受管３、ヘッドボックスの中央部底には縦形出口管６ａを装備した構成でヘッドボックスの縦形出口管６ａの内径φＤの上部に本発明で決定される大きさの天板（上記に詳記）を有する気体巻込防止体５をヘッドボックス本体１に全く触れること無く隙間ｓを空けて気体巻込防止体支柱５ａを用いて液の外で取り付けて、液体中成分の（繊維や固形物）の遊離や付着の切っ掛けを作らない構造とした。
【００２４】
操業中の状態ではヘッドボックス本体１への供給液１２（図２、図３参照）は供給管２ｂを通って長尺ノズル口２ａを有する導入管からヘッドボックス１の内部に幅広く噴射し液面４ａの部分的な盛り上がり現象を防止し所定の液位Ｈを保持しつつ縦形出口管６ａから所定流のヘッドの送液１４を流下する。一方余剰分は堰１６ａを乗り越え溢流液４ｂとなって受樋３ａ経由受管３を通って供給液１２を送り出すタンク（図省略）に戻る。　（従来の技術）の項で述べたと同様に、供給液１２の流量をＱ１２、送液１４の使用流量をＱ１４、溢流液１３の流量をＱ１３とすると次の条件を満足する。
【数３】
Ｑ１２−Ｑ１４＝Ｑ１３　；　Ｑ１２＞＞Ｑ１４
参考までに、パルププラントで用いる種箱では縦形出口管６ａの内径φＤはφＤ＝（φ８０）、φ１００、φ１５０、（φ２００）程度の大きさでφ１００φ１５０が非常に多い。ｓは５〜１０ｍｍ程度隙間を空けても性能上問題ない。
【００２５】
縦形出口管６ａの下流側には流量計７と調節弁９が装備されていて縦形出口管６ａの流量を調節する様になっている。８は短管、１０は送液管。パルププラントでは送液管１０は抄紙機へパルプ液を送る重要な管である。
【００２６】
図２は図１のＹ視図面である。蓋フランジ１１はメンテナンスの時に開くメンテナンス用である。図３は図１のＹ視図面の変形例である。ヘッドボックスＹ視の形状を円形化（コンパクト化）して、液がボックス内を旋回しても、気体巻込防止体５の機能により、気体巻込を回避できる。
【００２７】
図４Ａは図１の気体巻込防止体５を下から見た図である。
図４Ｂ、図４Ｃは図４Ａの変形例である。図４Ａ〜図４Ｃに記載してある５ｄは渦流抑制体である。図４Ａ（Ｃ）及び図４Ｃ（Ｃ）に記載されている５ｅ部は渦流抑制体５ｄの先端部が出口管６ａ内にまで及んでいる例。
【００２８】
図７は縦形出口管６ａの位置がヘッドボックス側壁に偏っている場合の例。θとｈを確保すると天板５ｂの代わりに異形天板５ｃを使用する必要がある。前述では大略θ≦４５°であったがヘッドボックス側壁に近い方向からの流れが得られない為それ以外の方向からの流れが増速する。
従っておおよそθ’≦３０°〜４０°の値を用いた方が無難である。
【００２９】
図７Ａは図７の気体巻込防止体５を下からみた図。６ｄは６ｂの位置を示す。
【００３０】
図８は出口管６が横形出口管６ｃである例。図７と同様な理由からθの代わりにθ’を用いた方がよい例。
【００３１】
【発明の効果】
本発明を用いることによって次の効果が得られる。
（１）ヘッドボックス１の液面４ａから出口管６への気体流の巻込防止ができ、出口管６の下流に配置する流量計７と制御バルブ９を用いた流量制御が安定しプラントの操業が改善される。
【００３２】
（２）ヘッドボックス１の液面４ａから出口管６への気体流の巻込防止ができる為、ヘッドボックス１の小容量化が図れる。多種少量生産に寄与できる効果がある。
【００３３】
（３）ヘッドボックス１内に装備する気体巻込防止体５はヘッドボックスの構造体から隙間を空けてヘッドボックスの液の外で据付する為、懸濁繊維の水痩けによる繊維の固まりの発生・付着・脱離現象が起こらず、袋小路が無い為、サニタリープラントにも適する。
【００３４】
（４）メンテの際に気体巻込防止体５はコンパクトの１つの構造体として容易に外せる為メンテナンスが容易である。
【００３５】
【紙・パルプ製造に与える効果】
パルププラントに用いた場合、顕著な改善が期待できる。
近年の紙やパルプ製造は他品種少量生産、新聞紙を始めとする坪量の小さい薄紙等目的紙の量産が目立つ様になってきた。これらを歩留まり良く製造するには種箱等の出口管６から流下し抄紙機に至る系の流量の安定化が不可欠になる。
【００３６】
（１）多品種少量生産：近年紙の需要は多種多様で品種毎の生産量は比較的少ない。紙幅何ｍ、坪量幾つ、色、吸水度幾つ等々の注文を受けた時、パソコンの端末から注文を受けた仕様を入力し、プラントが仕様通り作る動作を始めるシステムが作られる様になって来たが種箱からパルプ液の中に気体流を巻き込む場合が多い為、流量計にふらつきが出てパソコンからの指示通りの仕様の紙ができず無駄紙を沢山作ることが多くなった由。本発明を用いれば気泡による流量のふらつきが改善でき大幅な歩留まりの改善が期待できる。
【００３７】
多品種少量生産対応としては、従来ヘッドボックスと同等以上の性能・処理能力が発揮でき小容量化が実現でき、清掃、メンテナンスも容易になる。
【００３８】
（２）新聞紙を始めとする坪量の小さい紙の製造：新聞紙を印刷する為の大形紙ロールは長さが勝負、紙の厚さが仮に１／２になれば紙の長さは２倍になり、輪転機への大形紙ロールの掛け替える回数が１／２になる。掛け替えの時間が少なくなれば新聞原稿の締切が遅くでき、翌日回しのニュースが本日版に載せられ、新聞の評判が上昇し売れ行きが増加する。しかし、新聞紙を薄くすると紙厚に斑ができ透光が発生する可能性が高くなる。斑を無くすには種箱からパルプ液の中に気体流を巻き込まない様にする必要がある。本発明を用いれば気泡による流量のふらつきが改善でき大幅な歩留まり改善が期待できる。
【００３９】
参考：新聞紙の坪量は１９７５年までは総ての新聞紙一律５２ｇだったものが１９８０年には４９ｇとなり、現在では４３ｇまでになっている。今後の坪量低減には関連する総てのプロセスの見直・改善が必要になる。本発明はこれからの坪量低減等にも役立てて欲しいと期待する次第である。
【図面の簡単な説明】
【図１】：本発明の一実施例を示す図。
【図２】：
【図１】の側面図。
【図３】：
【図１】の側面図で
【図２】とは異なる変形例。
【図４Ａ】（ａ）：
【図１】の気体巻込防止体５を下からみた図。
（ｂ）：（ａ）図の側面図。
（ｃ）：（ｂ）図の変形例。
【図４Ｂ】：
【図４Ａ】（ａ）の変形例。
【図４Ｃ】（ａ）：
【図４Ａ】（ａ）の変形例。
（ｃ）：本図（ａ）の変形例。
【図５Ａ】：従来の技術のヘッドボックスで気体巻込現象が発生するまでのプロセスを示す図。
【図５Ｂ】：従来の技術と本発明の中間技術で気体巻込防止体５のみを用い渦流抑制体５ｄを用いない場合にも気体巻込現象が発生する。発生に至るまでのプロセスを示す図。
【図５Ｃ】：本発明のヘッドボックスでは気体巻込現象が発生しない状態を説明する為の図。
【図６】：
【図１】の気体巻込防止体５部の拡大図。
【図６Ａ】：
【図６】の気体巻込防止体５部の間隔ｈを決める為の計算に用いる図。
【図７】：
【図１】の変形例。
【図７Ａ】：
【図７】の気体巻込防止体５を下からみた図。
【図８】：
【図１】の変形例で横形出口管６ｃを用いた図。
【図９】：従来からのヘッドボックス。
【符号の説明】
１…ヘッドボックス本体
２…導入管
２ａ…長尺ノズル口
２ｂ…供給管
３…受管
３ａ…受樋
４ａ…液面
４ｂ…溢流液
５…気体巻込防止体
５ａ…気体巻込防止体支柱
５ｂ…天板
５ｃ…異形天板
５ｄ…渦流抑制体
５ｅ…渦流抑制体の先端部
６…出口管
６ａ…縦形出口管
６ｂ…出口部面積
６ｃ…横形出口管
６ｄ…６ｂの位置
７…流量計
８…短管
９…調節弁
１０…送液管
１１…蓋フランジ
１２…供給液
１３…溢流液
１４…送液
１５…ヘッドボックス本体
１５ａ…溢流槽
１５ｂ…導入槽
１５ｃ…受槽
１６ａ…堰
１６ｂ…上流堰
１７…供給管
１８…溢流管
１９…巻込気体流
２０…定常の流れ
２１…旋流
２２…巻込気体流発生の前兆渦
２２ａ…巻込気体流発生の状態を示す渦流
Ｄ…出口管の内寸法（管の場合は内径）
ｄ，ｄ’…図７，図８のθ、Ｄ、ｈで決まる円の直径。
Ｈ…液位
ｈ…天板までの高さ
ｈ’…実用上のｈ
ｓ…隙間
θ…巻込防止角度
θ’…安全増巻込防止角度
【図１】
2004115992.tif 000003
【図２】
2004115992.tif 000004
【図３】
2004115992.tif 000005
【図４Ａ】
2004115992.tif 000006
【図４Ｂ】
2004115992.tif 000007
【図４Ｃ】
2004115992.tif 000008
【図５Ａ】
2004115992.tif 000009
【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
2004115992.tif 000011
【図６】
2004115992.tif 000012
【図６Ａ】
2004115992.tif 000013
【図７】
2004115992.tif 000014
【図７Ａ】
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【図８】
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【図９】
2004115992.tif 000017