JP2010262831A - 誘導発熱ローラ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却流体を流通させる機構を設けることなく、処理物の奪熱運転可能、ローラ本体の表面温度の低温側への設定変更にかかる時間を短縮可能、又は磁束発生機構を構成する鉄心又は誘導コイルを冷却可能にし、その冷却過程における余剰熱を電気エネルギーとして回収して省エネルギーを可能にする。
【解決手段】中空のローラ本体２と、ローラ本体２の中空内部にロ−ラ本体２の軸方向に沿って配置された鉄心３１及びこの鉄心３１に巻回された誘導コイル３２からなる磁束発生機構３と、ローラ本体２又は磁束発生機構３にその吸熱面８１ａが接触するように設けられる熱電変換素子８１と、を具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、誘導発熱ローラ装置に関するものである。

例えばプラスチックフィルム、紙、布、不織布、合成繊維、金属箔等のシート材又はウェブ材、線（糸）材等の連続熱処理工程において、表面温度がコントロールされたローラが用いられている。そして、このローラの表面温度を一定の温度にコントロールしたり変更したりする装置として誘導発熱ローラ装置が用いられている。

従来の誘導発熱ローラ装置は、特許文献１に示すように、回転するローラ本体の軸心に沿って、鉄心及び誘導コイルからなる磁束発生機構を有し、誘導コイルに電流を流すことによって、ローラ本体の側周壁に誘導電流が励起され、その電流によるジュール加熱によってローラ本体が加熱される構成である。

しかしながら、この誘導発熱ローラ装置では、磁束発生機構を用いたローラ本体の加熱のみであり、処理物の奪熱又はローラ本体の冷却を必要とする場合は、自然放冷又は冷却流体を流通する機構を設ける必要がある。自然放冷では当然に所望温度に冷却するまでに時間がかかってしまう。また、冷却流体を流通する機構をもうける構成であれば、配管が必要となり、ローラ本体の構造が複雑になってしまうだけでなく、冷却流体の漏れの恐れがある。

また、誘導発熱ローラ装置を高温で使用する場合又は高ワット密度で使用する場合には、磁束発生機構が、誘導コイルの電線に電流が流れることにより生じるジュール発熱（銅損）や、鉄心の鉄損による温度上昇により高温となってしまい、誘導コイルの絶縁性能が低下する、又は、鉄心の温度がキューリーポイントに近づくことに伴い鉄心の透磁率が１に近づき鉄心としての性能が低下するという問題がある。このようなことから、磁束発生機構の冷却が必要となる場合がある。このため従来は特許文献２に示すように、誘導コイル内に冷却流体を流通させる構成のものがあるが、このようなものでは、誘導コイルの構成が複雑になってしまうだけでなく、冷却流体の漏れの恐れがあるという問題がある。

特開２００２−３１９４７７号公報 特開２００２−４３０５０号公報

そこで本発明は、上記問題点を一挙に解決するためになされたものであり、冷却流体を流通させる機構を設けることなく、処理物の奪熱運転可能、ローラ本体の表面温度の低温側への設定変更にかかる時間を短縮可能、又は磁束発生機構を構成する鉄心又は誘導コイルを冷却可能にし、その冷却過程における余剰熱を電気エネルギーとして回収して省エネルギーを可能にすることをその主たる所期課題とするものである。

すなわち本発明に係る誘導発熱ローラ装置は、中空のローラ本体と、前記ローラ本体の中空内部に前記ロ−ラ本体の軸方向に沿って配置された鉄心及びこの鉄心に巻回された誘導コイルからなる磁束発生機構と、前記ローラ本体又は前記磁束発生機構にその吸熱面が接触するように設けられる熱電変換素子と、を具備することを特徴とする。

このようなものであれば、誘導発熱ローラ装置に熱電変換素子を設けるとともに、その熱電変換素子の吸熱面をローラ本体又は磁束発生機構に接触するように設けているので、熱電変換素子がローラ本体又は磁束発生機構の熱を奪うことによって、ローラ本体又は磁束発生機構を冷却することができる。特に、熱電変換素子をローラ本体に設けた場合は、ローラ本体に冷却流体を流通させる機構を設けることなく、ローラ本体の表面温度の低温側への設定変更にかかる時間を短縮することができるとともに、処理物の奪熱運転を行うことができる。一方、熱電変換素子を磁束発生機構に設けた場合は、誘導コイルで発生する銅損又は鉄心で発生する鉄損による熱の冷却を行うことができ、誘導コイルの絶縁性能の低下又は鉄心の機能低下を抑制することができる。また、上記ローラ本体又は磁束発生機構の冷却を熱電変換素子を用いて行っているので、その冷却過程における余剰熱を電気エネルギーとして回収することができ、誘導発熱ローラ装置における省エネルギー化を可能にすることができる。

従来の誘導発熱ローラ装置の構成を大幅に変更することなく熱電変換素子を配置してローラ本体の冷却を行うためには、前記熱電変換素子が、前記ローラ本体の内面にその吸熱面が接触するように設けられていることが考えられる。

従来の誘導発熱ローラ装置の構成を大幅に変更することなく熱電変換素子を配置して磁束発生機構の冷却を行うためには、前記熱電変換素子が、誘導コイルの外面にその吸熱面が接触するように設けられていることが望ましい。ここで、熱電変換素子の吸着面を誘導コイルの外面に接触して設けるとは、直接接触するように設けることの他、誘導コイルの外面と熱電変換素子の吸着面との間に絶縁材を介在させて設けることを含む。

従来の誘導発熱ローラ装置の構成を大幅に変更することなく熱電変換素子を配置して磁束発生機構の鉄心の冷却を行うためには、前記熱電変換素子が、前記鉄心の内面にその吸熱面が接触するように設けられていることが望ましい。

このように構成した本発明によれば、冷却流体を流通させる機構を設けることなく、処理物の奪熱運転可能、ローラ本体の表面温度の低温側への設定変更にかかる時間を短縮可能、又は磁束発生機構を構成する鉄心又は誘導コイルを冷却可能にし、その冷却過程における余剰熱を電気エネルギーとして回収して省エネルギーを可能にすることができる。また、誘導コイルの電流密度又は鉄心の磁束密度を大きくとる設計が可能となり、使用材料の低減ができる。

本発明の一実施形態に係る誘導発熱ローラ装置の断面図である。 同実施形態における熱電変換モジュールの部分拡大断面図である。 同実施形態における電力伝達機構を示す部分拡大断面図である。 変形実施形態に係る誘導発熱ローラ装置の断面図である。

以下に本発明に係る誘導発熱ローラ装置の一実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態に係る誘導発熱ローラ装置１００は、例えばプラスチックフィルム、紙、布、不織布、合成繊維、金属箔等のシート材又はウェブ材、線（糸）材等の連続熱処理工程等において用いられるものであり、図１に示すように、回転可能に設けられた中空円筒状のローラ本体２と、このローラ本体２内に収容される磁束発生機構３と、を備えている。

ローラ本体２の両端部には、ジャーナル４１が取り付けられている。このジャーナル４１は、中空の駆動軸４２と一体に構成されており、駆動軸４２は、転がり軸受等の軸受５１を介して基台５２に回転自在に支持されている。そして、ローラ本体２は、例えばモータ等により外部から与えられる駆動力によって回転されるように構成されている。

また、ローラ本体２の側周壁２１には、長手方向（軸方向）に延びる気液二相の熱媒体を封入するジャケット室２１Ａが、周方向に複数形成され、各ジャケット室２１Ａ内の端部は環状の孔と連通している。このジャケット室２１Ａ内に封入した気液二相の熱媒体の潜熱移動によりローラ本体２の表面温度を均一化する。

さらに、ローラ本体２には、ローラ本体２の温度を検出するための例えば熱電対からなる温度センサＴ１が設けられている。本実施形態では、ローラ本体２においてジャケット室２１Ａとローラ本体２の外周面との間に細孔を穿ち、この細孔に温度センサを挿入することによって温度センサＴ１がローラ本体２に設けられる。なお、符号Ｌ１は、温度センサからの信号を外部に取り出すためのリード線である。

磁束発生機構３は、円筒形状をなす円筒状鉄心３１と、当該円筒状鉄心３１の外側周面に巻装された誘導コイル３２とから構成されている。円筒状鉄心３１の両端にはそれぞれ、支持ロッド６が取り付けられている。この支持ロッド６は、それぞれ駆動軸４２の内部に挿通されており、転がり軸受等の軸受７を介して駆動軸４２に対して回転自在に支持されている。これにより、磁束発生機構３は、ローラ本体２の内部において、宙づり状態で支持されることになる。誘導コイル３２には、リード線Ｌ２が接続されており、このリード線Ｌ２には、交流電圧を印加するための交流電源（不図示）が接続されている。

このような磁束発生機構３により、誘導コイル３２に交流電圧が印加されると交番磁束が発生し、その交番磁束はローラ本体２の側周壁２１を通過する。この通過によりローラ本体２に誘導電流が発生し、その誘導電流でローラ本体２はジュール発熱する。

しかして本実施形態の誘導発熱ローラ装置１００には複数の熱電変換素子から構成される複数の熱電変換モジュール８が設けられている。

この熱電変換モジュール８は、熱エネルギーから電気エネルギーに、または電気エネルギーから熱エネルギーに変換する機器（デバイス）であり、図１に示すように、ローラ本体２の内周面にその吸熱面が内周面に接触するように設けられている。

具体的に熱電変換モジュール８は、図２に示すように、冷却対象であるローラ本体２の内周面にその吸熱面８１ａが接触して設けられたペルチェ素子８１と、当該ペルチェ素子８１の放熱面８１ｂにその加熱面８２ａが接触するように設けられ、冷却面８２ｂがローラ本体２の中空に設けられるゼーベック素子８２とからなる。

これらペルチェ素子８１及びゼーベック素子８２は、ｐ型半導体及びｎ型半導体の２種類の半導体である熱電変換部材８ａ、８ｂが用いられており、２種類の熱電変換部材８ａ、８ｂは電極部材８ｃを介して交互に、そして電気的に直列に接続されている。そして、ペルチェ素子８１は、その熱電変換部材８ａ、８ｂに電流を流すと、熱電変換部材８ａ、８ｂの一方の端部側で吸熱が生じ、他方の端部側で発熱する（ペルチェ効果）。一方、ゼーベック素子８２は、熱電変換部材８ａ、８ｂの一方を比較的高い温度にすると共に他方を相対的に低温にすると、その温度差に応じた熱起電力を発生するものである（ゼーベック効果）。本実施形態では、ゼーベック素子８２の加熱面８２ａをペルチェ素子８１の放熱面８１ｂに接触するように設けているので、ペルチェ素子８１による熱エネルギーを効率良く電気エネルギーに変換して発電することができる。

次に、誘導発熱ローラ装置１００の電力伝達機構９について図３を参照して説明する。

この電力伝達機構９は、回転トランスを用いて構成されるものであり、熱電変換モジュール８の電力需給部９１と温度センサＴ１の電力需給部９２とからなる。

熱電変換モジュール８の電力需給部９１は、駆動軸４２の一方の端部に固定された第１の支持枠１０の内面に支持された回転トランスを構成するロータコイル９１ａと、支持ロッド６の一方の端部に固定された第２の支持枠１１の外面に、前記ロータコイル９１ａに向かい合うように支持された回転トランスを構成するステータコイル９１ｂとを備えている。また、熱電変換モジュール８から延設されたリード線Ｌ３とロータコイル９１ａとの間には、ＡＣ−ＤＣ変換部９１ｃが設けられている。

なお、図３中の符号９１ｄは、ＡＣ−ＤＣ変換部９１ｃへの電力供給用のステータコイルであり、符号９１ｅは、ＡＣ−ＤＣ変換部９１ｃへの電力供給用のロータコイルである。なお、ＡＣ−ＤＣ変換部９１ｃへの電力供給用のステータコイル９１ｄは、変換器９１ｆを介してレセプタクルに接続されており、このレセプタクルに結合されるプラグＰ１を介して外部リード線Ｌ４により外部と電気的に接続される。

温度センサＴ１の電力需給部９２は、第１の支持枠１０の内面に支持された回転トランスを構成するロータコイル９２ａと、第２の支持枠１１の外面に、前記ロータコイル９２ａに向かい合うように支持された回転トランスを構成するステータコイル９２ｂとを備えている。

また、第１の支持枠１０には信号変換器９２ｃが設けられている。そして、温度センサＴ１から延設されたリード線Ｌ１は信号変換器９２ｃに接続されており、温度センサＴ１が検出した温度に対応する電圧が温度信号に変換されて、ロータコイル９２ａに与えられる。
ステータコイル９２ｂは、変換器９２ｄを介してレセプタクルに接続されており、このレセプタクルに結合されるプラグＰ２を介して外部リード線Ｌ５により外部と電気的に接続される。

＜本実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態に係る誘導発熱ローラ装置１００によれば、誘導発熱ローラ装置１００に熱電変換モジュール８を設けるとともに、その熱電変換モジュール８の吸熱面８１ａをローラ本体２に接触するように設けているので、熱電変換モジュール８がローラ本体２の熱を奪うことによって、ローラ本体２及び処理物を冷却することができる。したがって、ローラ本体２に冷却流体を流通させる機構を設ける必要がなく、配管を不要にするとともに冷却流体も不要となり、ローラ本体２の表面温度の低温側への設定変更にかかる時間を短縮することができるとともに、処理物の奪熱運転を行うことができる。また、ローラ本体２の冷却を熱電変換モジュール８を用いて行っているので、その冷却過程における余剰熱を電気エネルギーとして回収することができ、誘導発熱ローラ装置１００における省エネルギー化を可能にすることができる。

＜その他の変形実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、前記実施形態では、熱電変換モジュールをローラ本体の内周面に設ける構成であったが、その他、磁束発生機構に設けるようにしても良い。このとき、例えば、図４に示すように、誘導コイル３２及び鉄心３１の間に設けるようにしても良いし、誘導コイル３２の外面に設けるようにしても良い。なお、誘導コイル３２の外面に設ける場合には、熱電変換モジュール８の吸熱面８１ａを絶縁材を介して誘導コイル３２の外面に接触するように設けることが考えられる。また、熱電変換モジュール８を鉄心３１の内面に設けるようにしても良い。また、熱電変換モジュールをローラ本体及び磁束発生機構の両方に設けるようにしても良い。

また、前記実施形態の電力伝達機構、特に熱電変換モジュールの電力需給部は回転トランスを用いて構成したものだったが、その他、スリップリングを用いて構成したものであっても良い。

さらに、前記実施形態では、両持ち式の誘導発熱ローラ装置について説明したが、片持ち式の誘導発熱ローラ装置に適用することもできる。

その上、熱処理ローラ装置に適用することもできる。この熱処理ローラ装置は、表面に接触する処理物を熱処理する中空円筒状の熱処理ローラと、当該熱処理ローラを回転させる回転駆動部と、を備え、前記処理ローラの内周面に熱電変換モジュールを設けることにより構成されている。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００・・・誘導発熱ローラ装置
２ ・・・ローラ本体
３ ・・・磁束発生機構
３１ ・・・鉄心
３２ ・・・誘導コイル
８ ・・・熱電変換モジュール
８１ ・・・ペルチェ素子（熱電変換素子）
８１ａ・・・吸熱面
８１ｂ・・・放熱面
８２ ・・・ゼーベック素子（熱電変換素子）
８２ａ・・・加熱面
８２ｂ・・・冷却面

Claims (4)

1. 中空のローラ本体と、
   前記ローラ本体の中空内部に前記ロ−ラ本体の軸方向に沿って配置された鉄心及びこの鉄心に巻回された誘導コイルからなる磁束発生機構と、
   前記ローラ本体又は前記磁束発生機構にその吸熱面が接触するように設けられる熱電変換素子と、を具備する誘導発熱ローラ装置。
2. 前記熱電変換素子が、前記ローラ本体の内面にその吸熱面が接触するように設けられている請求項１記載の誘導発熱ローラ装置。
3. 前記熱電変換素子が、誘導コイルの外面にその吸熱面が接触するように設けられている請求項１記載の誘導発熱ローラ装置。
4. 前記熱電変換素子が、前記鉄心の内面にその吸熱面が接触するように設けられている請求項１記載の誘導発熱ローラ装置。