CN105050218B

CN105050218B - 感应发热辊装置

Info

Publication number: CN105050218B
Application number: CN201510173946.2A
Authority: CN
Inventors: 外村徹; 藤本泰広; 木村昌义
Original assignee: Tokuden Co Ltd Kyoto
Current assignee: Tokuden Co Ltd Kyoto
Priority date: 2014-04-23
Filing date: 2015-04-14
Publication date: 2019-07-12
Anticipated expiration: 2035-04-14
Also published as: US10212764B2; TW201545607A; JP2015207508A; TWI682691B; US20150312970A1; EP2938159B9; EP2938159A1; KR20150122583A; EP2938159B1; KR102279700B1; CN204498402U; CN105050218A; JP6306931B2

Abstract

本发明提供感应发热辊装置，其不需要测量辊主体温度的温度检测元件，其包括：辊主体(2)；磁通产生机构(3)，由铁心(31)和线圈(32)构成；及电源电路(5)，设置有控制交流电流或交流电压的控制元件(4)，感应发热辊装置(100)将从检测流过线圈(32)的交流电流的交流电流检测部得到的交流电流值、从检测向线圈(32)施加的交流电压的交流电压检测部得到的交流电压值、从检测由辊主体(2)和磁通产生机构(3)构成的感应发热辊的功率因数的功率因数检测部得到的功率因数、线圈(32)的线圈电阻值、及从由铁心(31)和辊主体(2)构成的磁路的磁通密度和励磁电阻的关系特性得到的励磁电阻作为参数，计算辊主体(2)的温度。

Description

感应发热辊装置

技术领域

本发明涉及一种感应发热辊装置。

背景技术

在感应发热辊装置中，像专利文献1记载的那样有如下装置：在作为被加热体的辊主体上安装有温度检测元件来直接测量温度。

但是，由于辊主体是转动体，所以大多数情况下难以安装温度检测元件。此外，在将温度检测元件安装在辊主体上的情况下，各个温度检测元件与辊主体的接触状况不同，会造成检测温度的误差。此外，为了将设置在辊主体上的温度检测元件的信号输入固定侧的控制设备，需要旋转变压器等高级设备。

另外，虽然也可以考虑使用辐射式温度计等非接触式温度检测装置来检测辊主体温度的方法，但是检测精度低、或对辊主体的表面辐射率(放射率)产生影响，大多数情况下难以进行准确的温度检测。

现有技术文献

专利文献1：日本专利公开公报特开2001－23766号

发明内容

因此，为了解决所述的问题，本发明的主要目的在于在感应发热辊装置中不需要测量辊主体温度的温度检测元件。

即，本发明提供一种感应发热辊装置，其包括：辊主体，以转动自如的方式被支承；磁通产生机构，设置在所述辊主体的内部，由铁心和卷绕在所述铁心上的线圈构成；以及电源电路，与所述线圈连接，并且设置有控制交流电流或交流电压的控制元件，所述感应发热辊装置还包括辊温度计算部，所述辊温度计算部将从检测流过所述线圈的交流电流的交流电流检测部得到的交流电流值、从检测向所述线圈施加的交流电压的交流电压检测部得到的交流电压值、从检测由所述辊主体和所述磁通产生机构构成的感应发热辊的功率因数的功率因数检测部得到的功率因数、所述线圈的线圈电阻值、以及从由所述磁通产生机构产生的磁通密度和由所述铁心和所述辊主体构成的磁路的励磁电阻的关系特性得到的励磁电阻值作为参数，计算所述辊主体的外表面温度。另外，由所述磁通产生机构产生的磁通密度和由所述铁心和所述辊主体构成的磁路的励磁电阻的关系特性可以使用预先测量到的关系特性。此外，可以设置检测线圈的线圈电阻的线圈电阻检测部，通过该线圈电阻检测部直接检测线圈的线圈电阻值。如后所述，也可以设置检测线圈温度的线圈温度检测部，根据从该线圈温度检测部得到的线圈的温度来计算线圈电阻值。还可以通过间歇地向线圈施加直流电压并检测此时流动的直流电流来计算线圈电阻值。

按照所述的感应发热辊装置，由于具有将线圈的电流值、线圈的电压值、感应发热辊的功率因数、线圈的电阻值和磁路的励磁电阻值作为参数来计算辊主体温度的辊温度计算部，所以无需在辊主体设置温度检测元件，就能够计算辊主体的温度。

具体地说，优选的是，所述辊温度计算部将从所述交流电流检测部得到的交流电流值、从所述交流电压检测部得到的交流电压值、从所述功率因数检测部得到的功率因数、所述线圈电阻值、从所述磁通密度和所述磁路的励磁电阻的关系特性得到的励磁电阻值作为参数，计算所述辊主体的电阻值，并且使用所述辊主体的电阻值和所述辊主体的相对磁导率，计算所述辊主体的温度。

更具体地说，感应发热辊装置包括阻抗计算部，该阻抗计算部根据从所述电流检测部得到的电流值、从所述电压检测部得到的电压值、以及从所述功率因数检测部得到的功率因数，计算所述感应发热辊的阻抗(以下称为辊阻抗)，此外，所述阻抗计算部将所述辊阻抗、所述线圈电阻值和所述励磁电阻值作为参数，计算所述辊主体的电阻值。

在此，图4表示由辊主体和磁通产生机构构成的感应发热辊的等效电路。在由电源电路进行交流电压的通电时，如果用向线圈施加的输入交流电压V除以流过线圈的交流电流I并乘以感应发热辊的功率因数则能够计算由线圈的电阻r₁、励磁电阻r₀和辊主体的电阻r₂构成的合成电阻r_comb。所述合成电阻r_comb由以下的计算式表示。

r_comb＝(r₁r₂+r₁r₀+r₂r₀)/(r₂+r₀) [Ω]

如果改写为求辊主体的电阻r₂的计算式，则成为如下所示的计算式。

r₂＝r₀(r₁－r_comb)/(r_comb－r₁－r₀) [Ω]

在所述辊主体的电阻r₂的计算式中，可以根据与由磁通产生机构产生的磁通密度的关系求出励磁电阻r₀。所述关系由磁通产生机构的铁心的材质和厚度等形状与辊主体的材质的组合决定。图7中表示当磁通产生机构的铁心是厚度为0.23mm的取向硅钢板、且辊主体的材质为碳钢S45C的热处理材料时由磁通产生机构产生的磁通密度和励磁电阻的特性。

如果将从输入交流电压V减去由线圈的电抗l₁和线圈的电阻r₁造成的电压下降部分的矢量计算的电压设为Vm，则能够通过以下的计算式计算磁通密度Bm。

l₁＝[1.975×D×N²×κ{d+(a+σ)/3}/πLh]×10^-9 [H]

在此，D是磁通产生机构和辊主体的电流透入部的平均直径[mm]，N是线圈的圈数，a是线圈厚度[mm]，Lh是线圈宽度[mm]，d是线圈和辊主体之间的距离[mm]。

此外，σ是辊主体的电流透入深度[mm]，如果将辊主体的材质的电阻率设为ρ[μΩ·cm]、将辊主体的相对磁导率设为μs、将频率设为f[Hz]，则由σ＝{5.03√(ρ/μs×f)}×10[mm]表示。

κ是罗柯夫斯基系数(ロゴスキー係数)，由κ＝{1－(a+σ+d)/πLh}表示。

Bm＝Vm×10⁸/(4.44×f×N×Sm) [G]

在此，Sm是铁心的磁路截面面积[cm²]。

在所述计算式中，由于相对磁导率μs表示每种材质与磁通密度的固有的变化特性，所以能够根据按照每种材质事先测量到的变化特性求出。当辊主体的材质例如为碳钢S45C时，磁通密度和相对磁导率的关系如图5所示。

在所述计算式的计算阶段中，由于磁通密度Bm未确定，所以将输入交流电压V代入求磁通密度Bm的计算式，根据所述磁通密度Bm和图5的关系求出相对磁导率μs并计算电流透入深度σ。进而，使用所述计算结果，再次计算磁通密度Bm，并且根据图5的关系并利用相对磁导率μs再次计算电流透入深度σ。通过以所述方式反复进行计算，分别使各个值收敛，从而得到确定的磁通密度Bm。

根据所述磁通密度Bm、图7所示的磁通密度Bm和励磁电阻r₀的关系，求出励磁电阻r₀。

在所述辊主体的电阻r₂的计算式中，线圈的电阻r₁由构成线圈的电线的材质、长度、截面面积和线圈的温度决定，如果电线的材质例如是铜，则可以利用以下的计算式计算。

r₁＝kL/100Sc [Ω]

k＝2.1(234.5+θ_C)/309.5

在此，L是电线的长度[m]，S_C是电线的截面面积[mm²]，θ_C是线圈的温度[℃]。

具体地说，可以在线圈内埋入设置温度传感器(温度检测部)，根据该温度传感器检测到的线圈的温度来计算电阻值。此外，如后所述，通过向线圈施加短时间的直流电压并检测在施加该直流电压时流动的直流电流，可以直接检测线圈的电阻值。

此外，优选的是，所述感应发热辊装置还包括：直流电压施加部，控制直流电源，间歇地向所述线圈施加直流电压；以及电阻值计算部，根据由所述直流电压施加部施加的直流电压和施加所述直流电压时流过所述线圈的直流电流，计算所述线圈电阻值，所述辊温度计算部使用从所述电阻值计算部得到的线圈电阻值，计算所述辊主体的温度。具体地说，优选的是，所述辊温度计算部根据通过所述阻抗计算部得到的辊阻抗、通过所述电阻值计算部得到的线圈电阻值、以及所述磁路的励磁电阻值，计算所述辊主体的温度。

由于如果通过通电使作为初级线圈的线圈的温度变化，则图4所示的单相的感应发热辊(单相辊)的等效电路的r₁发生变化，所以电路阻抗也变化，即，r_comb也变化。因此，需要进行辊主体的电阻r₂的再次计算。但是，由于所述变化与辊主体的发热部温度的变化没有关系，所以需要修正所述变化部分。

线圈的电阻率和温度具有与绝对温度大体成比例的关系，按照所述材质表示固有的变化特性。由于如果电线的材质例如为铜，则成为以下的计算式的关系，所以只要知道线圈的温度，就能够计算线圈的电阻值r₁。

r₁＝kL/100S[Ω]

k＝2.1(234.5+θ_C)/309.5

在此，L是电线长度[m]，S是电线截面面积[mm²]，θ_C是线圈温度[℃]。

在此，由于如果将辊主体的内径设为Φ[cm]、将电流透入深度设为σ[cm]、将电流透入深度的内表面部的截面面积设为S_i[cm²]、将辊主体的发热内表面长度(与线圈宽度相等)设为l_S[cm]，则r₂是从线圈侧观察到的一次换算值，所以如果将r₂作为从辊主体侧观察到的二次换算值、将使单位为μΩ的值作为R₂，则R₂由以下的计算式表示。

R₂＝(r₂/N²)×10⁶ [μΩ]

R₂＝ρπ(Φ+σ)/S_i

S_i＝σl_S

因此，

R₂σl_S＝ρπ(Φ+σ)

在此，如果将相对磁导率设为μs、将频率设为f，则电流透入深度σ成为以下的计算式。

σ＝5.03√(ρ/μs×f) [cm]

如果将该σ代入前述的计算式，则

5.03√(ρ/μs×f)R₂l_S＝ρπΦ+5.03ρπ√(ρ/μs×f)

两边除以5.03√(ρ/μs×f)，

R₂l_S＝ρπΦ/{5.03√(ρ/μs×f)}+ρπ

将该计算式进行变形，

R₂l_S－ρπ＝ρπΦ/{5.03√(ρ/μs×f)}

对两边进行平方，

(R₂l_S)²－2R₂l_Sρπ+(ρπ)²＝(ρπΦ)²/(5.03²ρ/μs×f)

对该计算式进行变形，

(5.03R₂l_S)²－2×5.03²R₂l_Sρπ+(5.03ρπ)²＝ρμs×f(πΦ)²

此外，对该计算式进行变形，

(5.03π)²×ρ²－{2×5.03²πR₂l_S+(πΦ)²μs×f}ρ+(5.03R₂l_S)²＝0

如果对该方程式进行解方程，则

ρ＝「{2×5.03²πR₂l_S+(πΦ)²μs×f}－√[{2×5.03²πR₂l_S+(πΦ)²μs×f}²－4×5.03⁴(πR₂l_S)²]」/{2×(5.03π)²}

电阻率ρ表示每种材质与温度的固有的特性，在例如碳钢S45C的电阻率ρ的情况下，如果将辊主体的内表面温度设为θ_S[℃]，则成为以下的计算式。

ρ＝14.3×(1+2.0×10^-3×θ_S) [μΩ·cm]

对该计算式进行变形，

ρ＝14.3+2.86×10^-2×θ_S

消去ρ，

14.3+2.86×10^-2×θ_S＝「{2×5.03²πR₂l_S+(πΦ)²μs×f}－√[{2×5.03²πR₂l_S+(πΦ)²μs×f}²－4×5.03⁴(πR₂l_S)²]」/{2×(5.03π)²}

如果改写为求θ_S的计算式，则

θ_S＝|「{2×5.03²πR₂l_S+(πΦ)²μs×f}－√[{2×5.03²πR₂l_S+(πΦ)²μs×f}²－4×5.03⁴(πR₂l_S)²]」/{2×(5.03π)²}－14.3|/(2.86×10^-2) [℃]

如上所述，相对磁导率μs表示每种材质与磁通密度的固有的变化特性，如果辊主体的材质例如为碳钢S45C，则磁通密度和相对磁导率的关系如图5所示。

在稳定时的辊主体的内表面温度θ_S和辊主体的表面温度之间具有规定的关系。

于是，优选的是，当将所述辊主体的内表面温度θ_S和表面温度的温度差设为θ[℃]时，所述辊温度计算部使用从以下的计算式得到的温度差θ，修正所述辊主体的温度。

θ＝kP/[2π/{ln(d₂/d₁)/λ}]

在此，d₁是辊主体的内径[m]；d₂是辊主体的外径[m]；λ是辊主体的平均温度的热导率[W/m·℃]；P是热流速[W/m]，在此是用辊主体内表面的发热量[W]除以发热内表面长度[m](与线圈宽度相等)得到的值。此外，k是根据实测值计算出的修正系数。

另外，热导率λ因辊主体的材质和温度而变化，图6表示例如温度和碳钢S45C的热导率的特性。此外，在数十～数百kHz的高频下，辊主体的电流透入深度为数μm，但是在50～1000Hz的中频下，得到数mm～数十mm的电流透入深度。例如在碳钢中，在60Hz·500℃下电流透入深度为10mm左右。即，由于在中频感应加热下电流透入深度深，所以与高频相比，发热部温度(内表面温度)和表面温度的差变小。

优选的是，在所述辊主体的侧周壁形成有封入有气液二相的热介质的夹套室。所述夹套室利用封入的气液二相的热介质的热输送，使辊主体的温度均匀，辊主体的表面温度也同时均匀化。

即，由于使用了阻抗和功率因数的辊主体的温度的检测，检测内表面温度的平均温度，所以通过夹套室被均匀化了的辊主体的各部分的表面温度可以说是与对使用阻抗和功率因数检测出的温度施加必要的修正并换算为表面温度后的值等价。

在此，优选的是，当将所述辊主体的截面面积设为S、将所述夹套室的截面面积的总和设为S_j、将所述辊主体的壁厚设为t时，所述辊温度计算部使用将所述辊主体的内径d₁作为d_j1＝d₁+t{1－α(1－S_j/S)}、且将所述辊主体的外径d₂作为d_j2＝d₂－t{1－α(1－S_j/S)}得到的温度差θ，计算所述辊主体的温度。另外，d_j1是考虑了夹套室造成的壁厚下降部分的虚拟内径，d_j2是考虑了夹套室造成的壁厚下降部分的虚拟外径。

在此，当将与辊主体的转动轴垂直的截面面积设为S、将与夹套室的所述转动轴垂直的截面面积的总和设为S_j、将辊主体的壁厚设为t时，以热量的方式换算的壁厚t_j成为以下的计算式。

t_j＝α×t(S－S_j)/S (α＞1)

在此，α是变量，该变量表示伴随温度下降的热介质的压力下降造成的、夹套室的功能下降的比例。α—θ的关系由热介质的种类和夹套室内的杂质浓度决定特性。

壁厚t和以热量的方式换算的壁厚t_j的差异如下：

t－t_j＝t－α×t(S－S_j)/S

＝t{1－α(S－S_j)/S}

＝t{1－α(1－S_j/S)}

因此，以热量的方式换算的辊主体的虚拟内径d_j1和虚拟外径d_j2如下。

d_j1＝d₁+t{1－α(1－S_j/S)}

d_j2＝d₂－t{1－α(1－S_j/S)}

即，由于计算上的外内径比变小，温度差θ变小，所以温度测量误差也变小。

当所述控制元件为半导体时，根据通电角的不同，电压和电流的波形形状变化，但是由于电压和电流的波形形状分别变化为不同的形状，所以分别使各自的阻抗的分担电压变化，由此励磁阻抗的电压变化且磁通密度变化，并且励磁阻抗和相对磁导率也变化。此时，由于如果控制元件、通电角和负载确定了，则电压和电流分别成为一定的形状，所以决定了通电角的修正系数。

在此，优选的是，所述感应发热辊装置还包括阻抗修正部，该阻抗修正部利用所述控制元件的通电角，修正通过所述阻抗计算部得到的阻抗，所述辊温度计算部利用通过所述阻抗修正部修正得到的修正阻抗，计算所述辊主体的温度。

当控制元件是晶闸管、辊主体是验证后的辊主体(内径Φ×平面长度L)时，由于波形畸变造成的高次谐波成分的变化，向等效电路的电抗成分的l₁和l₂施加的电压变化。因此，向励磁阻抗施加的电压变化，磁通密度也变化。即，由于根据磁通密度的不同，励磁阻抗和相对磁导率变化，所以需要修正该影响。

对晶闸管的相位角变化造成的影响进行修正得到的修正阻抗R₂如下。

R₂＝a×R_X

在此，如果设C＝V/V_in，则

a＝a_nCⁿ+a_n－1C^n-1+a_n－2C^n-2+,···,+a₂C²+a₁C+a₀

其中，a_n是基于通过各感应发热辊装置确定的实测值的系数，a₀是常数。

此外，R_X是修正前的阻抗，V_in是晶闸管的受电电压，V是晶闸管的输出电压。

可以在数秒以内的短时间内向线圈施加一定的直流电压，并且用该直流电压除以流过线圈的直流电流来计算线圈电阻值。在此，由于如果是直流电压，则没有感应作用，所以直流电流不受辊主体和铁心的影响，仅与线圈电阻值有关系。另外，由于线圈温度不会急剧变化，所以即使采用周期性且短时间的测量值，也不会产生大的测量误差。

此外，所谓的间歇的直流电压的施加是指以数秒到数十分钟的例如一定的周期进行数秒以内的施加时间。如果是这种间歇的施加，则能够使从直流成分受到的偏磁作用变小，并且能够将对用于感应发热的交流电路的影响抑制为最小限度。此外，一般来说，感应发热辊装置的线圈热惯性大，并且在通常的一定负载条件下的运转中，线圈的温度的变化不会成为很大的值。因此，如果以数秒到数十分钟单位、优选的是以数十秒到数分钟单位实施以数秒以内的短时间的施加时间进行的温度检测，则对于辊主体的温度控制而言可以说是足够的。

优选的是，所述感应发热辊装置还包括电源电路，该电源电路与所述线圈连接，并且设置有控制交流电流或交流电压的控制电路部，通过所述控制电路部，在切断所述交流电流或交流电压或者使所述交流电流或交流电压成为最小限度的状态下，所述电阻值计算部向所述线圈施加直流电压并计算线圈电阻值。

为了向施加有交流电压的线圈施加直流电压，并从交流电流和直流电流叠加的电流中仅检测直流成分(直流电流)，需要复杂的检测电路。在此，在通常的感应发热辊装置中包括具有控制电路部的电源电路，所述控制电路部控制用于对辊主体的温度进行控制的交流电流或交流电压。因此，如果通过控制电路部，仅在施加直流电压的施加时间切断交流电流或交流电压或者使交流电流或交流电压成为最小限度的值，则能够抑制交流电流(交流成分)的影响，从而能够容易地进行直流电流(直流成分)的检测。在此，切断交流电流或交流电压或者使交流电流或交流电压成为最小限度的值是数秒以内的短时间，并且以从数秒到数十分钟的时间间隔进行，由此不会对感应发热作用产生妨碍。

作为切断交流电流或交流电压或者使交流电流或交流电压成为最小限度的值的实施方式，可以考虑如下方式：在控制电路部具有例如电磁接触器等开关设备的情况下切断该开关设备的方式；或者在控制电路部具有例如晶闸管等半导体元件(电力控制元件)的情况下使该半导体元件的通电相位角成为最小的方式。

优选的是，为了准确地计算辊主体的升温过渡期或降温过渡期的辊主体的表面温度，所述辊温度计算部计算所述辊主体的内表面温度，并且根据该内表面温度计算稳定状态的所述辊主体的表面温度计算值，将在ΔT时间后所述辊主体的表面温度到达所述表面温度计算值作为基准，计算过渡期的所述辊主体的表面温度。

在此，所述ΔT是用下计算式表示的值。

ΔT＝k×w×c×t²/(2λ) [h]

另外，w是辊主体的材质的比重[kg/m³]，c是辊主体的材质的比热[kcal/kg·℃]，t是辊主体的壁厚[m]，λ是辊主体的材质的热导率[kcal/m·h·℃]，k是根据实测值求出的修正系数。

图8表示升温过渡期的辊主体的温度变化，图9表示降温过渡期的辊主体的温度变化。在图8和图9中，实线表示辊主体的内表面温度，虚线表示根据内表面温度计算出的、到达稳定状态时的表面温度计算值，单点划线表示过渡期的表面温度。

过渡期的表面温度比到达稳定状态时的表面温度低，升温时，在ΔT时间后(T_n+ΔT)，表面温度到达在所述时点T_n计算出的稳定状态的表面温度计算值，降温时，在ΔT时间前(T_n－ΔT)，表面温度是在所述时点T_n计算出的稳定状态的表面温度计算值。

因此，需要在升温时和降温时分开计算表面温度，并将时间T_n时的内表面温度θ_i(n)与时间T_(n－1)亦即ΔT时间前的内表面温度θ_i(n－1)进行比较，判断是升温过渡期还是降温过渡期。即，如果θ_i(n)＞θ_i(n－1)则是升温过渡期，如果θ_i(n)＜θ_i(n－1)，则是降温过渡期。

进行比较的时间周期根据辊主体的壁厚、保有的加热容量，被决定为在控制上不会成为问题的值，进行比较的时间周期是数毫秒到数十秒，优选的是数百毫秒到数秒的值。

如果将根据θ_i(n)＞θ_i(n－1)亦即作为升温过渡期的时间Tn时点的内表面温度θ_i(n)计算出的、到达该时点的稳定状态时的表面温度作为θ_n，则升温过渡期的实际表面温度在从T_n开始经过ΔT时间后的T_(n+1)时到达温度θ_n。

在此，由于T_(n+1)－T_n＝ΔT，所以如果在仅经过了时间ΔT的时点表示温度θ_n，则与表示该时点的表面温度等价。

如果将根据θ_i(n)＜θ_i(n－1)亦即作为降温过渡期的时间T_n时点的内表面温度θ_i(n)计算出的、到达该时点的稳定状态时的表面温度作为θ_n，则降温过渡期的实际表面温度在与T_n相比ΔT时间前的T_(n－1)时到达温度θ_n。即，虽然表面温度在T_n时点成为比θ_n低的温度，但是难以进行准确的温度计算。因此，如果作为估算值，考虑温度仅下降了θ_i(n－1)－θ_in来表示温度，则不会成为偏差很大的值。即，表面温度θ_E由以下的计算式表示。

θ_E≈θ_n－{θ_i(n－1)－θ_in}

如果感应发热辊装置稳定运转，则过渡期的表面温度总会收敛于稳定状态的计算温度。由于在辊主体的温度处于升降状态下，原则上难以考虑是为了生产产品而运转的情况，所以能够将辊主体的表面温度把握为估算值就足够了。

按照如上所述地构成的本发明，不在辊主体上设置温度检测元件，就能够计算辊主体的温度。

附图说明

图1是示意性地表示本实施方式的感应发热辊装置结构的图。

图2是与图1为相同实施方式的控制装置的功能构成图。

图3是表示与图1为相同实施方式的温度计算流程的图。

图4是表示单相的感应发热辊(单相辊)的等效电路的图。

图5是表示碳钢(S45C)的磁通密度和相对磁导率的关系的特性图。

图6是表示碳钢(S45C)的温度和热导率的关系的特性图。

图7是表示由碳钢(S45C)构成的辊主体和由取向硅钢板构成的铁心构成的磁路的磁通密度和励磁电阻的关系的特性图。

图8是表示升温过渡期的辊主体的温度变化特性的图。

图9是表示降温过渡期的辊主体的温度变化特性的图。

图10是示意性地表示变形实施方式的感应发热辊装置结构的图。

图11是与图10为相同实施方式的控制装置的功能构成图。

附图标记说明

100···感应发热辊装置

200···感应发热辊

2···辊主体

2S···夹套室

3···磁通产生机构

32···线圈

4···控制元件

5···电源电路

6···控制装置

61···阻抗计算部

62···阻抗修正部

63···辊温度计算用数据存储部

64···辊温度计算部

7···交流电流检测部

8···交流电压检测部

9···温度检测部

10···功率因数检测部

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的感应发热辊装置的一个实施方式进行说明。

如图1所示，本实施方式的感应发热辊装置100包括：辊主体2，以转动自如的方式被支承；磁通产生机构3，设置在所述辊主体2的内部，由铁心31和卷绕在该铁心31上的线圈32构成；电源电路5，与线圈32连接，并且设置有控制交流电流或交流电压的控制元件4。

在辊主体2的侧周壁的壁内，沿周向等间隔地形成有多个夹套室2S，在所述多个夹套室2S中封入有气液二相的热介质。此外，本实施方式的控制元件4利用半导体来控制交流电流或交流电压的通电角，具体地说，控制元件4是晶闸管。

此外，本实施方式的控制感应发热辊装置100的控制装置6具有表面温度计算功能，该表面温度计算功能将流过线圈32的交流电流值、向线圈32施加的交流电压值、由辊主体2和磁通产生机构3构成的感应发热辊200的功率因数、线圈32的线圈电阻值、由铁心31和辊主体2构成的磁路的励磁电阻值作为参数，来计算辊主体2的温度。

具体地说，控制装置6是专用或通用的计算机，其包括：CPU、内部存储器、A/D转换器、D/A转换器以及输入输出接口等，所述CPU和外围设备按照预先存储在内部存储器内的规定程序动作，由此如图2所示，控制装置6发挥作为阻抗计算部61、阻抗修正部62、辊温度计算用数据存储部63、辊温度计算部64和辊温度控制部65等的功能。

下面，参照图2和图3的温度计算流程图，对各部分进行说明。

阻抗计算部61根据从检测流过线圈32的交流电流I的交流电流检测部7得到的交流电流值、从检测向线圈32施加的交流电压V的交流电压检测部8得到的交流电压值、以及从功率因数检测部10得到的功率因数，计算感应发热辊200的阻抗(辊阻抗)(图3的(1))。

此外，阻抗计算部61根据阻抗r_comb、线圈电阻r₁、从预先测量的磁通密度和磁路的磁阻的关系特性(参照图7)求出的励磁电阻r₀，计算辊主体的电阻(辊主体阻抗)r₂(图3的(2))，所述线圈电阻r₁是根据从检测线圈32温度的温度检测部9得到的线圈温度θ_C[℃]求出的。另外，温度检测部9埋入设置在线圈32内。

具体地说，阻抗计算部61通过以下的计算式，计算线圈电阻r₁、并计算辊主体的电阻r₂。

r₁＝kL/100S[Ω]

k＝2.1(234.5+θ_C)/309.5

此外，阻抗计算部61将辊主体的电阻r₂转换为从辊主体侧观察到的二次换算后的值。如果进行二次换算，将使单位为μΩ的辊主体的电阻设为R₂并将线圈的圈数设为N，则由如下计算式表示。

R₂＝(r₂/N²)×10⁶

阻抗修正部62通过控制元件(晶闸管)4的通电角(相位角)对二次换算后的辊主体的电阻R₂进行修正(图3的(3))。

具体地说，阻抗修正部62通过如下的计算式修正阻抗R₂。

R₂＝a×R_X

在此，如果C＝V/V_in，则

a＝a_nCⁿ+a_n-1C^n-1+a_n-2C^n-2+,···,+a₂C²+a₁C+a₀

在此，a_n是基于通过各感应发热辊装置确定的实测值的系数，a₀是常数。

辊温度计算用数据存储部63存储有计算辊主体2的发热部温度(内表面温度)所需要的辊温度计算用数据。具体地说，辊温度计算用数据是包含(a)磁通密度－励磁电阻关系数据和(b)磁通密度－相对磁导率的关系数据等数据，所述磁通密度－励磁电阻关系数据表示感应发热辊的磁路的磁通密度和励磁电阻的关系(参照图7)，所述磁通密度－相对磁导率关系数据表示按照每种材质测量出的磁通密度和相对磁导率的关系(参照图5)。

辊温度计算部64使用由阻抗修正部62修正得到的修正阻抗和存储在所述辊温度计算用数据存储部63内的辊温度计算用数据，计算辊主体2的内表面温度(图3的(4))。

具体地说，辊温度计算部64利用以下的计算式，计算辊主体2的内表面温度θ_S。

此时，在所述内表面温度θ_S的计算式中，辊温度计算部64通过以下的计算式计算R₂。

r₂＝r₀(r₁－r_comb)/(r_comb－r₁－r₀)

R₂＝(r₂/N²)×10⁶

在此，由于合成电阻r_comb由表示，所以根据通过交流电压检测部8得到的交流电压值、通过交流电流检测部7得到的交流电流值、通过功率因数检测部10得到的功率因数、通过电阻检测部得到的线圈电阻值或从温度检测部9的线圈温度求出的线圈电阻值、从磁通密度和磁路的励磁电阻的关系特性得到的励磁电阻值，计算合成电阻r_comb。

根据图7所示的表示感应发热辊200的磁路的磁通密度Bm和励磁电阻r₀的关系的磁通密度－励磁电阻关系数据求出励磁电阻r₀。具体地说，利用以下的计算式计算辊主体2的磁通密度Bm，并且根据得到的磁通密度Bm和磁通密度－励磁电阻关系数据求出励磁电阻r₀。

Bm＝Vm×10⁸/(4.44×f×N×Sm) [G]

在此，Vm是从输入交流电压V减去由线圈32的电抗l₁和线圈32的电阻r₁造成的电压下降部分的矢量计算的电压值[V]。f是频率[Hz]，N是线圈32的圈数，Sm是铁心的磁路截面面积[cm²]。

由构成线圈32的电线的材质、长度、截面面积和线圈的温度决定线圈32的电阻r₁，如果电线的材质例如为铜，则可以利用以下的计算式计算。

r₁＝kL/100Sc [Ω]

k＝2.1(234.5+θ_C)/309.5

由此，通过求出合成电阻r_comb、励磁电阻r₀和线圈的电阻r₁，来计算辊主体2的电阻r₂，此外，能够计算从辊主体侧观察到的二次换算后且将单位设为μΩ的R₂。

此外，辊温度计算部64根据图5所示的表示相对磁导率和磁通密度的关系的相对磁导率－磁通密度关系数据以及所述辊主体2的磁通密度(根据规格求出的值)，求出相对磁导率μs。

此外，辊温度计算部64将通过所述方式求出的辊主体2的电阻R₂和相对磁导率μs代入所述计算式来计算辊主体2的内表面温度θ_S。

具体地说，当将辊主体2的内表面温度θ_S和表面温度(外表面温度)的温度差设为θ[℃]时，辊温度计算部64使用从以下的计算式得到的温度差θ，修正内表面温度θ_S并计算表面温度(图3的(5))。

θ＝kP/[2π/{ln(d₂/d₁)/λ}]

在此，d₁是辊主体2的内径[m]；d₂是辊主体2的外径[m]；λ是辊主体2的平均温度的热导率[W/m·℃]；P是热流速[W/m]，在此是用辊主体2内表面的发热量[W]除以发热内表面长度[m](与线圈宽度相等)得到的值。此外，k是根据实测值计算出的修正系数。另外，当求热流速[W/m]时，辊温度计算部64使用根据交流电流检测部7、交流电压检测部8和功率因数检测部10各自的测量值进行计算得到的功率值。即，如果将感应发热辊的功率设为P，则从所述辊功率P减去线圈功率P_C和铁损P_f得到的值为辊主体的功率P_S。

在此，线圈功率P_C是P_C＝r₁×(kI)²(k是在电线内产生的涡电流部分的增大(割り増し)常数，是由线圈和电线的形状决定的值。在验证过的辊中k＝1.2)，铁损P_f为P_f＝{(Vm/r₀)²}×r₀/2＝Vm²/(2×r₀)。在铁损P_f的计算中，用励磁电阻乘以励磁电流的二次方再乘以1/2的原因是因为将磁通产生机构的铁心的铁损部分和辊主体的铁损部分分别作为一半来进行计算。

即，辊主体的功率P_S成为以下的计算式。

此外，辊温度计算部64考虑由形成在辊主体2上的夹套室2S造成的壁厚下降部分，来计算辊主体2的外表面温度。

具体地说，当将辊主体2的截面面积设为S、将夹套室2S的截面面积的总和设为S_j、将辊主体2的壁厚设为t时，辊温度计算部64将辊主体2的内径d₁作为考虑了壁厚下降部分的虚拟内径d_j1(＝d₁+t{1－α(1－S_j/S)})、将辊主体2的外径d₂作为考虑了壁厚下降部分的虚拟外径d_j2(＝d₂－t{1－α(1－S_j/S)})，并利用根据所述温度差θ的计算式得到的温度差θ，计算辊主体2的外表面温度。

如上所述，基于通过辊温度计算部64得到的辊主体2的外表面温度，辊温度控制部65控制电源电路的控制元件4，以使辊主体2的外表面温度成为规定的设定温度的方式进行控制。

这样，按照所述结构的本实施方式的感应发热辊装置100，由于具有辊温度计算部64，所以不需要在辊主体2上设置温度检测元件，就能够计算辊主体2的温度，该辊温度计算部64将线圈32的交流电流值、线圈32的交流电压值、感应发热辊200的功率因数、线圈32的线圈电阻值、由铁心31和辊主体2构成的磁路的励磁电阻值作为参数，来计算辊主体2的温度。

此外，由于通过阻抗修正部62并使用晶闸管4的通电角来修正通过阻抗计算部61得到的阻抗，所以能够高精度地计算辊主体2的温度。

此外，由于辊温度计算部64根据辊主体2的内表面温度和表面温度的温度差θ来计算表面温度，所以能够高精度地计算辊主体2的表面温度。此外，由于即使升降温时的过渡期的温度到达时间延迟，辊温度计算部64也进行计算并进行修正，所以能够高精度地计算辊主体2的表面温度。

另外，本发明并不限于所述实施方式。

例如，所述实施方式的感应发热辊可以是辊主体的轴向两端部以转动自如的方式被支承的所谓双支承方式的感应发热辊，也可以是在呈有底筒状的辊主体的底部连接转动轴从而以转动自如的方式被支承的所谓悬臂式的感应发热辊。

此外，在所述实施方式中，将检测线圈32温度的温度检测部9埋入设置在线圈32内，但是也可以是如下的结构。

即，如图10和图11所示，控制装置6可以在使辊主体2感应发热并对被加热物进行处理的加热运转中周期性地进行检测感应线圈32的温度的温度检测动作。更具体地说，控制装置6发挥作为直流电压施加部66和电阻值计算部67的功能。

直流电压施加部66控制与线圈32电连接的直流电源12，间歇地向线圈32施加直流电压。具体地说，直流电压施加部66以数秒以内的施加时间且以数秒到数十分钟的一定周期向线圈32施加一定的直流电压。

在此，在由直流电压施加部66向线圈32施加直流电压的施加时间内，控制装置6的辊温度控制部65对控制元件4进行控制，使交流电流或交流电压切断或者使交流电流或交流电压成为最小限度的状态。另外，辊温度控制部65控制设置在电源电路5上的控制元件4从而控制交流电压或交流电流，用于使辊主体2的温度成为规定的设定温度。

电阻值计算部67根据由直流电压施加部66施加的直流电压和向线圈32施加直流电压时流过线圈32的直流电流，计算线圈32的线圈电阻值。具体地说，电阻值计算部67根据预先输入的直流电源12的直流电压和通过设置在由线圈32和直流电源12构成的直流电路上的直流电流检测部13得到的直流电流，计算线圈32的线圈电阻值。

此时，如上所述，由于在施加直流电压并检测直流电流的时机切断交流电流或交流电压或者使交流电流或交流电压成为最小限度的状态，所以能够抑制交流电流(交流成分)的影响，能够容易地进行直流电流(直流成分)的检测，从而能够高精度地计算电阻值。

另外，当然，本发明并不限于所述实施方式，在不脱离本发明宗旨的范围内能够进行各种变形。此外，当然，在各计算过程中，当在实测值和计算值产生差异时，使用根据实测值计算出的修正系数进行修正。

可以相互组合本发明的各个实施方式中所记载的技术特征形成新的技术方案。

Claims

1.一种感应发热辊装置，其包括：辊主体，以转动自如的方式被支承；磁通产生机构，设置在所述辊主体的内部，由铁心和卷绕在所述铁心上的线圈构成；以及电源电路，与所述线圈连接，并且设置有控制交流电流或交流电压的控制元件，

所述感应发热辊装置的特征在于，

所述感应发热辊装置还包括辊温度计算部，所述辊温度计算部将从检测流过所述线圈的交流电流的交流电流检测部得到的交流电流值、从检测向所述线圈施加的交流电压的交流电压检测部得到的交流电压值、从检测由所述辊主体和所述磁通产生机构构成的感应发热辊的功率因数的功率因数检测部得到的功率因数、所述线圈的线圈电阻值、以及从由所述磁通产生机构产生的磁通密度和由所述铁心和所述辊主体构成的磁路的励磁电阻的关系特性得到的励磁电阻值作为参数，计算所述辊主体的外表面温度。

2.根据权利要求1所述的感应发热辊装置，其特征在于，所述辊温度计算部将从所述交流电流检测部得到的交流电流值、从所述交流电压检测部得到的交流电压值、从所述功率因数检测部得到的功率因数、所述线圈电阻值、从所述磁通密度和所述磁路的励磁电阻的关系特性得到的励磁电阻值作为参数，计算所述辊主体的电阻值，并且使用所述辊主体的电阻值和所述辊主体的相对磁导率，计算所述辊主体的外表面温度。

3.根据权利要求1所述的感应发热辊装置，其特征在于，

所述感应发热辊装置还包括：

线圈温度检测部，检测所述线圈的温度；以及

电阻值计算部，根据从所述线圈温度检测部得到的所述线圈的温度，计算所述线圈电阻值，

所述辊温度计算部使用从所述电阻值计算部得到的所述线圈电阻值，计算所述辊主体的外表面温度。

4.根据权利要求1所述的感应发热辊装置，其特征在于，

所述感应发热辊装置还包括：

直流电压施加部，控制直流电源，间歇地向所述线圈施加直流电压；以及

电阻值计算部，根据由所述直流电压施加部施加的直流电压和施加所述直流电压时流过所述线圈的直流电流，计算所述线圈电阻值，

5.根据权利要求1所述的感应发热辊装置，其特征在于，所述辊温度计算部计算所述辊主体的内表面温度，而且当将所述辊主体的内表面温度和外表面温度的温度差设为θ时，使用从θ＝kP/[2π/{ln(d₂/d₁)/λ}]得到的温度差θ，根据计算出的所述辊主体的内表面温度计算所述辊主体的外表面温度，其中，d₁是所述辊主体的内径，d₂是所述辊主体的外径，λ是所述辊主体的平均温度的热导率，P是热流速，k是修正系数，所述θ的单位为℃，所述d₁的单位为m，所述d₂的单位为m，所述λ的单位为W/m·℃，所述P的单位为W/m。

6.根据权利要求5所述的感应发热辊装置，其特征在于，

在所述辊主体的侧周壁形成有夹套室，在所述夹套室中封入有气液二相的热介质，

当将所述辊主体的截面面积设为S、将所述夹套室的截面面积的总和设为S_j、将所述辊主体的壁厚设为t、将表示伴随温度下降的热介质的压力下降造成的所述夹套室的功能下降的比例的变量设为α时，所述辊温度计算部在所述温度差θ的公式中将所述辊主体的内径d₁置换为d_j1＝d₁+t{1－α(1－S_j/S)}且将所述辊主体的外径d₂置换为d_j2＝d₂－t{1－α(1－S_j/S)}时，根据所述温度差θ的公式得到的温度差θ，计算所述辊主体的外表面温度。

7.根据权利要求1所述的感应发热辊装置，其特征在于，

所述控制元件通过半导体控制电流或电压的通电角，

所述感应发热辊装置还包括：

阻抗计算部，根据从所述交流电流检测部得到的交流电流值、从所述交流电压检测部得到的交流电压值和从所述功率因数检测部得到的功率因数，计算所述辊主体的阻抗；以及

阻抗修正部，利用所述控制元件的通电角，修正通过所述阻抗计算部得到的所述辊主体的阻抗，

所述辊温度计算部利用通过所述阻抗修正部修正得到的修正阻抗，计算所述辊主体的外表面温度。

8.根据权利要求1所述的感应发热辊装置，其特征在于，所述辊温度计算部计算所述辊主体的内表面温度，并且根据所述内表面温度计算稳定状态的所述辊主体的外表面温度计算值，把在由ΔT＝k×w×c×t²/(2λ)所表示的ΔT时间后所述辊主体的外表面温度到达所述外表面温度计算值作为基准，计算过渡期的所述辊主体的外表面温度，其中，w是辊主体的材质的比重，c是辊主体的材质的比热，t是辊主体的壁厚，λ是辊主体的材质的热导率，k是从实测值求出的修正系数，所述ΔT的单位为h，所述w的单位为kg/m³，所述c的单位为kcal/kg·℃，所述t的单位为m，所述λ的单位为kcal/m·h·℃。