JP2009099426A - 誘導発熱ローラ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】誘導コイル導線の外周に巻回された絶縁テープの摩滅や損傷を防止して長期間の使用を可能とした誘導発熱ローラ装置を提供する。
【解決手段】誘導コイル５を備えた固定側の誘導コイルホルダ１とその外周に回転自在に支持されたロールシェル２からなり、導線９の外周を絶縁テープ７で多重に巻回して保護した誘導コイル素線１０により前記誘導コイルを形成した誘導発熱ローラ装置において、前記の一重または多重に巻回された絶縁テープ７の少なくとも最外周をアルミナテープとした。アルミナテープは、アルミナ繊維を綾織りしたものが好ましい。また、誘導コイルは、鉄芯４の外周に前記誘導コイル素線１０を引張力をかけつつ直接に巻回した直巻きコイルが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、誘導コイルの外周に巻回された絶縁テープの摩滅や損傷を防止して長期間の使用を可能とした誘導発熱ローラ装置に関するものである。

従来から、制振鋼板、亜鉛めっき鋼板等の製造ラインにおいては、鋼板を所定温度に加熱しながら搬送するために、誘導発熱ローラ装置が用いられている。この誘導発熱ローラ装置は、回転自在に支持された中空のローラの内部に、鉄心と、導線の外周を絶縁テープで一重または多重に巻回して保護した誘導コイル素線を前記鉄心に巻回して誘導コイルを形成したものであり、さらに回転自在に支持された中空のローラの最外層に熱媒体を密封したジャケット室を備えたロールシェルを装備したものもある。なお、鋼板搬送用の長尺の誘導発熱ローラ装置では、前記誘導コイルはロールの長手方向に分割され複数個設置されている。

このような誘導発熱ローラ装置では、誘導コイルに交流電流を通電すると磁束が発生し、この磁束の作用により中空のローラの最外層に誘導電流が発生して中空のローラの最外層が発熱する。すると、中空のローラの最外層は加熱された状態で鋼板と接触して、鋼板を所定温度に加熱しながら搬送する。さらに中空のローラの最外層に熱媒体を密封したジャケット室を備えたロールシェルを装備したものの場合、ジャッケット室のヒートパイプ効果により長手方向の温度分布を均一化し、ロール全体が均一な温度に加熱された状態で鋼板と接触して、鋼板を所定温度に加熱しながら搬送する。
なお、前記誘導コイルを形成する誘導コイル素線は、導線の外周を絶縁テープで巻回して保護されており、この絶縁テープとしては従来からガラステープが用いられているのが普通である（特許文献１）。

しかしながら、誘導発熱ローラ装置が昇温負荷が大きかったり昇温量が大きく変動するような操業やプロセスに用いられた場合、例えば鋼板加熱の前段部位に配置された場合では、負荷が高い上にその変動も大きくて発生する電磁力も高いため焼損トラブルを生じやすく、２〜３年で交換を強いられているというのが現状であり、長期間使用しても焼損が生じない耐久性に優れた新たな誘導発熱ローラ装置の開発が要望されていた。
特開平８−３１５５８号公報

そこで、本発明者は焼損トラブルの発生原因につき検討を進めた結果、磁束密度分布は誘導コイルホルダの中央部では均一であるが、誘導コイルホルダの両側に位置する誘導コイルでは不均一となって電磁力に差が生じ、これが原因で誘導コイルの素線同士の擦れが発生して素線の外周を巻回している絶縁テープが劣化・摩滅し、この結果、導線が剥き出しになって誘導コイルの素線間が短絡して誘導コイル温度が急速に上昇して焼損に至ることを究明した。
そこで、本発明は従来の問題点を解決して、導線の外周を巻回している絶縁テープの劣化・摩滅を防止することにより、誘導コイルの素線間の短絡を防止し、焼損がなくて長期間の使用を可能とした誘導発熱ローラ装置を提供することを目的として完成したものである。

上記課題を解決するためになされた本発明の誘導発熱ローラ装置は、回転自在に支持された中空のローラの内部に、鉄心と、導線の外周を絶縁テープで一重または多重に巻回して保護した誘導コイル素線を前記鉄心に巻回して誘導コイルを形成した誘導発熱ローラ装置において、前記絶縁テープの少なくとも最外周をアルミナテープとしたことを特徴とするものである。

前記アルミナテープは、アルミナ繊維を綾織りしたものであることが好ましく、これを請求項２にかかる発明とする。

またアルミナテープの内側には、ガラステープあるいはアルミナテープが巻回されており、これを請求項３にかかる発明とする。

更に誘導コイルは、導線の外周を絶縁テープで一重または多重に巻回し、かつ前記絶縁テープの少なくとも最外周をアルミナテープとした誘導コイル素線を鉄芯の外周に引張力をかけつつ直接に巻回した直巻きコイルであることが好ましく、これを請求項４にかかる発明とする。

本発明は、導線の外周を一重または多重に巻回して保護する絶縁テープの少なくとも最外周をアルミナテープとしたので、従来のガラステープと比べて高温下における耐摩耗性に優れており、テープの劣化・摩滅による誘導コイルの素線間の短絡を防止することができる。

アルミナテープが、アルミナ繊維を綾織りしたものである場合は、一般的な平織りのものに比べると遊び代が大きく、擦れによる破損を発生しにくくすることができる。

アルミナテープの内側には、ガラステープあるいはアルミナテープが巻回されていて二重以上に巻回してあれば、より耐摩耗性を向上させることができる。

誘導コイルは、導線の外周を絶縁テープで一重または多重に巻回し、かつ前記絶縁テープの少なくとも最外周をアルミナテープとした誘導コイル素線を鉄芯の外周に引張力をかけつつ直接に巻回した直巻きコイルとした場合は、従来の枠巻き誘導コイルに比べて、素線および絶縁テープの緩みが発生しにくいため、アルミナテープの擦れによる破損の発生をより防止することができる。

以下に、図面を参照しつつ本発明の好ましい実施の形態を示す。
図１は、誘導発熱ローラ装置で、中空のローラの最外層に熱媒体を密封したジャケット室を備えたロールシェルを装備したものの構成の一例を示す概略断面図であり、１は固定側の誘導コイルホルダ、２はその外周にベアリング３によって回転自在に支持されたロールシェルである。誘導コイルホルダ１の外周にはそれぞれ鉄芯４を備えた複数の誘導コイル５が設けられている。なお、この実施形態では５個の誘導コイル５が配置されているが、その個数は任意である。
また、ロールシェル２には、ジャッケット室６が形成されており、その内部には熱媒体が真空状態で密封されてヒートパイプを構成している。このためロールシェル２の温度はどの部分の位置でもほぼ一定に保たれる。

また、このような誘導発熱ローラ装置では、誘導コイル５に交流電流を通電すると磁束が発生し、この磁束の作用によりロールシェル２に誘導電流が発生してロールシェル２が発熱する構造であり、前記誘導コイル５の導線の外周は絶縁テープ７で一重または多重に巻回して保護されている。
図２に、本発明の誘導コイルの構造の概略斜視図および誘導コイル素線の横断面の一例を示す。鉄芯４の外周にはＮｉメッキ銅線からなる導線９の外周を絶縁テープ７で一重または多重に巻回して保護した誘導コイル素線１０が巻回されて誘導コイル５を形成している。８は、絶縁用のマイカシート８である。尚、ここでは導線９をＮｉメッキ銅線としているが、導電効率の良いものであれば特にこれを限定しない。

従来、前記絶縁テープ７はシリコンなどのガラステープで構成され、Ｎｉメッキ銅線からなる導線９が露出しないように多重に巻回されており、これによって誘導コイル素線１０の外周面が電気的に絶縁状態に保護されている。これを本発明では一重または何重かになっている絶縁テープ７のうちの少なくとも最外周をアルミナテープとしてある。

絶縁テープの材質については、耐摩耗性の強い絶縁物が要求される点から、表１に示す材料を選定し、ＪＩＳ Ｒ３４２０法に基づいて摩耗評価を行った。また、熱劣化特性を考慮して、誘導発熱ローラ装置の実操業（誘導発熱ローラ装置運転時のロールシェル内の推定温度である約４００℃）と同等の熱負荷を与えたうえで摩耗試験を行った。
この結果、表１に示すように、マグネシア、フォルステライト、ジルコニア、アラシドザイロン等はテープへの加工性に劣り、耐熱性と加工性を兼ね備えた絶縁物はガラスとアルミナだけであることが判明した。

そこで、ガラスクロスからなるテープとアルミナクロスからなるテープについて、諸特性を調べた結果、アルミナテープはガラステープに比べて引張強度が約２倍で、かつ耐摩耗性にも優れており、特に高温下（前記のロールシェル内の推定温度である約４００℃）におけるＭＩＴ耐折度がガラステープの約３倍と大きく耐摩耗性に優れていることを確認した。
この結果、誘導コイル保護用の絶縁テープとしてはアルミナテープが最も優れた性能を発揮し、誘導発熱ローラ装置使用時における絶縁テープの劣化・摩滅を防止して誘導コイル素線間の短絡を的確に防止できることが判った。

なお、絶縁テープの摩耗評価は、一般的な手法であるＪＩＳ Ｒ３４２０法により実施した。この方法は、サンドペーパー（８００＃）を巻き付けたＳＵＳ棒（φ２０）を水平にセットし、このＳＵＳ棒を経由して試料片に荷重２００ｇをつけて垂直にぶら下げ、この試料片を往復運動させて発生する摩耗度合を測定する方法である。また、ＭＩＴ耐折度試験は、このＪＩＳ Ｒ３４２０法に準じて行う。

誘導発熱ローラ装置の設計上、誘導コイル５の外周面とジャッケット室６の内周面との隙間に制限があるため、絶縁テープ７を巻きつけたコイル素線１０は、この隙間内に収納できる寸法でなければならない。従って、現実的には絶縁テープの厚み（絶縁テープ：０．７５ｍｍ、ガラステープ：０．３２５ｍｍ）と隙間の関係から、テープの組み合わせや何重に巻くか等の条件が決定されることとなる。
具体的には、図示のものではコイルの円周方向の寸法制約が１．５５ｍｍであったため、最外周がアルミナテープで内周が２層のガラステープの合計３層からなる場合と、最外周と内周がともにアルミナテープの合計２層からなる場合が考えられた。なお、後者の構造であれば、最外周のアルミナテープが摩耗して内部が露出した場合でも、内周のアルミナテープが優れた耐摩耗性を発揮するので耐摩耗性に優れて理想的である。

またアルミナテープは、アルミナ繊維を綾織りしたものであることが好ましい。
本発明者は、磁束密度分布の不均一から誘導コイル素線同士の擦れが発生して導線の外周を巻回している絶縁テープが劣化・摩滅することを解明したが、更に、絶縁テープが綾織りであれば一般的な平織りに比べて遊び代が大きく、擦れによる破損を発生しにくいことを見出したことによる。
図３と図４は、それぞれ綾織りと平織りを示す説明図であり、（ａ）は織布の拡大平面図、（ｂ）は経糸と緯糸の重なり状態を示す概念図である。この図から、綾織りの場合は平織りに比べて遊び代が大きく、ちぎれにくいことが判る。

また誘導コイルは巻き方によって、鉄心に直に誘導コイル素線を巻き付ける直巻きコイルと、型に誘導コイル素線を巻き付けた後に型を外して鉄心をはめ込む枠巻きコイルに分けられる。本発明では図２に示すような、鉄芯４の外周に引張力をかけつつ絶縁テープ７を巻回した誘導コイル素線１０を直接に巻回した直巻きコイルを用いた場合により好ましい効果を発揮する。枠巻きコイルは型に誘導コイル素線を巻き付けた後に型を外して鉄心をはめ込むので鉄心と誘導コイル素線との間に隙間ができやすく、誘導コイル素線が緩まないように隙間にスペーサーを挿入しなければならない。これに対し直巻きコイルは、誘導コイル素線１０の締め付け力が強く、かつ誘導コイルを面で受けるので緩みが生じにくくなり誘導コイルの擦れを防止できるからである。

以上の説明からも明らかなように、本発明は導線の外周を絶縁テープで巻回して保護した誘導コイル素線により誘導コイルを形成した誘導発熱ローラ装置において、前記絶縁テープの少なくとも最外周をアルミナテープとしたので、高温下における耐摩耗性に優れ、テープの劣化・摩滅を防止して、長期間の使用を可能にするものである。

図１に示す誘導発熱ローラ装置において、導線の外周を絶縁テープで巻回して保護した誘導コイル素線の推定寿命を調査した。このロールでは、誘導コイルの外周面とジャッケット室の内周面との隙間がトータル３．１ｍｍ（片側では１．５５ｍｍ）であり、この隙間と絶縁テープの厚み（アルミナテープ：０．７５ｍｍ、ガラステープ：０．３２５ｍｍ）の関係から、テープの組み合わせや何重に巻くか等の条件が決定される。表２にその組み合わせを示す。

実施例１は、多重に巻き回された絶縁テープの最外周がアルミナテープで内周が２層のガラステープの合計３層からなる場合、実施例２は、最外周と内周がともにアルミナテープの合計２層からなる場合である。一方、比較例１として４層のガラステープからなる場合、比較例２として２層のガラステープからなる場合を示す。
従来タイプの絶縁テープは比較例２の構成であり、この場合の寿命を基準値とすると、実施例１では４倍、実施例２では６倍の推定寿命となり、基準値で約２年であることを考えると、本発明では約８〜１２年の寿命が推定され、ほとんどメンテナンスなしで誘導発熱ローラ装置の稼動ができることとなる。
なお、表１の推定寿命においてカッコ内のデータは、平織りのアルミナテープを用いた場合の数値である。

本発明の誘導発熱ローラ装置の一例を示す断面図である。 誘導コイルの構造を示す概略斜視図および素線の横断面である。 綾織りを示す説明図で、（ａ）は織布の拡大平面図、（ｂ）は経糸と緯糸の重なり状態を示す概念図である。 平織りを示す説明図で、（ａ）は織布の拡大平面図、（ｂ）は経糸と緯糸の重なり状態を示す概念図である。

符号の説明

１ 誘導コイルホルダ
２ ロールシェル
４ 鉄芯
５ 誘導コイル
６ ジャケット室
７ 絶縁テープ
８ マイカシート
９ 導線
１０ 誘導コイル素線

Claims (4)

1. 回転自在に支持された中空のローラの内部に、鉄心と、導線の外周を絶縁テープで一重または多重に巻回して保護した誘導コイル素線を前記鉄心に巻回して誘導コイルを形成した誘導発熱ローラ装置において、前記絶縁テープの少なくとも最外周をアルミナテープとしたことを特徴とする誘導発熱ローラ装置。
2. アルミナテープは、アルミナ繊維を綾織りしたものである請求項１に記載の誘導発熱ローラ装置。
3. アルミナテープの内側には、ガラステープあるいはアルミナテープが巻回されている請求項１または２に記載の誘導発熱ローラ装置。
4. 誘導コイルは、導線の外周を絶縁テープで一重または多重に巻回し、かつ前記絶縁テープの少なくとも最外周をアルミナテープとしたコイル素線を鉄芯の外周に引張力をかけつつ直接に巻回した直巻きコイルである請求項１〜３のいずれかに記載の誘導発熱ローラ装置。

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