JP2016160449A

JP2016160449A - 断熱ローラ

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Publication number: JP2016160449A
Application number: JP2015037868A
Authority: JP
Inventors: 俊作松本; Shunsaku Matsumoto; 中馬　康晴; Yasuharu Chuma; 康晴中馬; 康之松尾; Yasuyuki Matsuo
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2015-02-27
Filing date: 2015-02-27
Publication date: 2016-09-05
Anticipated expiration: 2035-02-27
Also published as: JP6320321B2

Abstract

【課題】高温炉で使用される断熱ローラに関し、熱応力の発生を抑制する。【解決手段】高温炉内で使用される断熱ローラ１であって、内部を冷却媒体が流通する円筒状の内管２と、内管２に外嵌されて内管２の軸方向に配置された複数の第一円盤７と、内管２に外嵌されて内管２の軸方向に配置され、第一円盤７よりも高温炉内での使用時の熱膨張量が大きい複数の第二円盤８と、内管２と同軸を有し、第一円盤７及び第二円盤８の外周を覆う円筒状の外管３と、第二円盤８の外周面８ａと外管３の内周面３ｂとの間に設けられ、高温炉内での使用時に外周面８ａと内周面３ｂとの接触が開始するように予め設定された初期クリアランス９と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、高温炉内で使用される断熱ローラに関する。

従来、熱処理炉のような高温炉内で使用される断熱ローラとして、ローラ内部に冷却水を通過させて、熱伝導を利用してローラの外面を冷却するようにしたものが提案されている。例えば特許文献１に記載の断熱ローラは、冷却水を通過させるように形成された金属軸の外周に、複数個の無機質材ディスクが軸方向に積層されて構成されている。この断熱ローラは、金属軸の一端に固定フランジが溶接され、他端に移動フランジが移動自在に設けられている。また、これら両フランジ間には耐熱金属管が嵌装配置され、この金属管の一端を固定し、他端を移動フランジに対して相対移動可能に設けることで、高温時における熱的伸縮変化を吸収できるとされている。

特許第４１０１９０８号公報

ところで、冷却水を流通させる軸の外周に、複数の円盤状の部材（以下、単に円盤という）を嵌合して軸方向に積層した断熱ロールにおいて、異なる材質の円盤を組み合わせたものが知られている。例えば、熱伝導率の異なる材質でできた二種類の円盤を組み合わせることで、断熱ロールの表面温度のばらつきを抑えるようにしたものが存在する。しかしながら、異なる材質の円盤を組み合わせた場合は、熱伝導率が異なるため部材温度が異なり、また、線膨張係数（熱膨張率）も異なることから、これらの異なる材質の円盤の間で、高温炉内での使用時の熱膨張量に差が生じる。

上記の特許文献１の断熱ロールでは、軸方向への熱的伸縮変化は吸収されるものの、径方向への熱膨張に関しては考慮されていないため、断熱ロールの使用時に径方向へ大きく膨張した円盤の外周面が、その外側に配置される外管の内周面と接触することで、円盤と外管との間に大きな摩擦力が発生するおそれがある。このように円盤と外管との間の摩擦力が大きくなると、熱ひずみが拘束されて熱応力が発生し、断熱ローラが損傷する可能性がある。

本件は、このような課題に鑑み案出されたもので、高温炉内で使用される断熱ローラに関し、熱応力の発生を抑制することを目的の一つとする。なお、この目的に限らず、後述する発明を実施するための形態に示す各構成により導かれる作用効果であって、従来の技術によっては得られない作用効果を奏することも本件の他の目的として位置づけることができる。

（１）ここで開示する断熱ローラは、高温炉内で使用される断熱ローラであって、内部を冷却媒体が流通する円筒状の内管を備える。また、この断熱ローラは、前記内管に外嵌されて前記内管の軸方向に配置された複数の第一円盤と、前記内管に外嵌されて前記内管の軸方向に配置され、前記第一円盤よりも前記高温炉内での使用時の熱膨張量が大きい複数の第二円盤と、前記内管と同軸を有し、前記第一円盤及び前記第二円盤の外周を覆う円筒状の外管と、を備える。さらに、前記断熱ローラは、前記第二円盤の外周面と前記外管の内周面との間に設けられ、前記使用時に前記外周面と前記内周面との接触が開始するように予め設定された初期クリアランスを備える。

（２）前記内管及び前記第二円盤は、何れも寸法公差がマイナス側に設定され、前記外管は、寸法公差がプラス側に設定されることが好ましい。
（３）前記第一円盤は、断熱材料で成形されるとともに、前記第二円盤よりも前記内管の軸方向に占める割合が大きくなるように配置されることが好ましい。
（４）前記第一円盤は、前記内管の軸方向に間隔をあけて所定数毎に配置され、前記第二円盤は、隣接する前記第一円盤の間において、所定数毎に配置されることが好ましい。

開示の断熱ローラによれば、高温炉内での使用時に発生する第二円盤と外管との間の摩擦力を抑制することができる。すなわち、使用時における断熱ローラの熱ひずみの拘束を防止することができるため、熱応力の発生を抑制することができる。これにより、断熱ローラの損傷を回避することができる。

実施形態に係る断熱ローラの構成（常温時の状態）を示す模式的な軸方向断面図である。図１のＡ部拡大図である。

図面を参照して、実施形態としての断熱ローラについて説明する。以下に示す実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。本実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができるとともに、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることが可能である。

［１．構成］
図１は、本実施形態の断熱ローラ１の構成を示す模式的な軸方向断面図であり、常温（例えば20℃）での状態を示す。図２は図１のＡ部拡大図である。なお、図１では後述の円盤７，８及びナット６の断面を表すハッチを省略し、図２では全てのハッチを省略して示す。本断熱ローラ１は、例えば、熱処理炉のような高温炉内において高温の物体を搬送するときに用いられる。このため断熱ローラ１は、使用時には1000℃を超えるような高温になることもある。

図１に示すように、断熱ローラ１は、円筒状の内管２に、材質の異なる二種類の円盤７，８がそれぞれ複数外嵌されて中心軸Ｃの方向（以下、軸方向という）に積層配置されるとともに、これらの円盤７，８の外周が外管３によって覆われて構成される。中心軸Ｃは、内管２の軸心であるとともに断熱ローラ１の軸心でもある。内管２は、断熱ローラ１の回転軸を構成する部品である。内管２の内部には、図中黒矢印で示すように冷却媒体が流通する。これにより、使用時の断熱ローラ１が冷却される。

内管２の外周面２ａの一側（図中左側）には、溶接により固定された第一フランジ４が設けられる。一方、内管２の外周面２ａの他側（図中右側）には、軸方向に移動自在な第二フランジ５と、外周面２ａに形成されたねじ部に螺合されるナット６とが設けられる。ナット６は、第二フランジ５に対して軸方向への付勢力を与えるものである。第一フランジ４及び第二フランジ５の間には、中心に円形状の孔部を有する二種類の円盤７，８がそれぞれ複数個配置される。これらの円盤７，８は、ナット６によって第二フランジ５が第一フランジ４側に付勢されることで、第一フランジ４と第二フランジ５とによって軸方向に押圧される。なお、複数の円盤７，８は、それぞれが同一の材質で同一の形状に構成される。

外管３は、内管２と同軸を有し、その一端（図中左端）が第一フランジ４に対して溶接により固定され、その他端（図中右端）が第二フランジ５に対して相対移動可能に設けられる。つまり、外管３の軸方向の一方は固定端として設けられ、他方は自由端として設けられている。これにより、外管３の熱伸びの拘束が防止され、外管３の座屈やクリープ，ラチェット変形といった損傷が回避される。

本実施形態では、二種類の円盤７，８のうち、使用時の熱膨張量（熱伸び量）の小さい一方を第一円盤７と呼び、使用時の熱膨張量の大きい他方を第二円盤８と呼ぶ。なお、使用時の熱膨張量と線膨張係数（熱膨張率）とは比例関係にあることから、第二円盤８の線膨張係数α₂の方が第一円盤７の線膨張係数α₁よりも大きい（α₁＜α₂）ともいえる。第一円盤７は、例えばガラス繊維やセラミックス繊維等の無機繊維を素材とした断熱材料で形成される。一方、第二円盤８は、例えばステンレス鋼や高Ｃｒ鋼等の金属で形成される。なお、第一円盤７と第二円盤８とは熱伝導率も異なる。本実施形態の第二円盤８は、第一円盤７よりも高い熱伝導率を有する。

図２に示すように、第一円盤７は、断熱ローラ１の常温時に、その外周面７ａが外管３の内周面３ｂに接触するとともに、その内周面７ｂが内管２の外周面２ａに接触するような内径及び外径を有する。一方、第二円盤８は、断熱ローラ１の常温時に、その外周面８ａが外管３の内周面３ｂとの間に所定のクリアランス９を形成するとともに、その内周面８ｂが内管２の外周面２ａに接触するような内径及び外径を有する。

つまり、使用時の熱膨張量が大きい（大きな線膨張係数α₂を有する）第二円盤８の外周には、外管２の内側に予めクリアランス９が設けられ、第二円盤８の外周面８ａと外管２の内周面３ｂとが非接触状態とされる。以下、このクリアランス９を初期クリアランス９という。この初期クリアランス９は、断熱ローラ１の使用時（すなわち高温時）に第二円盤８の外周面８ａと外管２の内周面３ｂとの接触が開始するように予め設定される。

初期クリアランス９は、断熱ローラ１の使用時における、内管２，外管３及び第二円盤８の径方向の各熱膨張量を考慮して、その径方向長さＸ（以下、単に長さＸという）が算出される。言い換えると、断熱ローラ１は、各熱膨張量に基づいて算出された長さＸの初期クリアランス９が形成されるように、内管２，外管３及び第二円盤８の径方向の各寸法が設定される。なお、内管２及び外管３の径方向の各寸法が設定されることで、第一円盤７の径方向の寸法も設定される。

ここで、初期クリアランス９の長さＸの算出方法の一例を説明する。以下、断熱ローラ１の常温時における、中心軸Ｃから第二円盤８の肉厚（外径から内径を引いた差を２で割った長さ）の径方向中心８ｃまでの長さを、第二円盤８の中心半径ｒ₂という。同様に、中心軸Ｃから内管２の肉厚の径方向中心２ｃまでの長さを、内管２の中心半径ｒ₃といい、中心軸Ｃから外管３の肉厚の径方向中心３ｃまでの長さを、外管３の中心半径ｒ₄という。また、内管２及び外管３の線膨張係数をそれぞれα₃，α₄とする。

まず、断熱ローラ１が使用される高温炉の炉内温度，断熱ローラ１の冷却条件（冷却媒体の温度，流量，冷却時間等），冷却管である内管２の熱伝達率と、第二円盤８，内管２，外管３の各部寸法及び各熱伝導率とから、熱伝導計算を実施して、断熱ローラ１の使用時における第二円盤８，内管２，外管３の各平均温度Ｔ₂，Ｔ₃，Ｔ₄を算出する。

次に、上記の各温度Ｔ₂，Ｔ₃，Ｔ₄から常温時の温度を減算して、第二円盤８，内管２，外管３の各温度差ΔＴ₂，ΔＴ₃，ΔＴ₄を求める。そして、これらの温度差ΔＴ₂，ΔＴ₃，ΔＴ₄に、各線膨張係数α₂，α₃，α₄と各中心半径ｒ₂，ｒ₃，ｒ₄とを乗算して、使用時における第二円盤８，内管２，外管３の径方向の各熱膨張量Δｒ₂，Δｒ₃，Δｒ₄を算出する。

ここで、断熱ロール１の使用時における第二円盤８の外周面８ａと外管３の内周面３ｂとのクリアランス９′（以下、使用時クリアランス９′という）の長さをＸ′とすると、使用時クリアランス９′の長さＸ′は、以下の式（１）で表される。
Ｘ′＝Ｘ＋Δｒ₄−Δｒ₂−Δｒ₃ ・・・（１）

初期クリアランス９は、上記のように、断熱ローラ１の使用時に第二円盤８の外周面８ａと外管２の内周面３ｂとの接触が開始するように（Ｘ′＝０になるように）設定される。すなわち、初期クリアランス９の長さＸは、以下の式（２）で計算される。
Ｘ＝Δｒ₂＋Δｒ₃−Δｒ₄
＝α₂ΔＴ₂ｒ₂＋α₃ΔＴ₃ｒ₃−α₄ΔＴ₄ｒ₄ ・・・（２）

この長さＸの初期クリアランス９が形成されるように、内管２，外管３及び第二円盤８の径方向の各寸法が設定される。ただし、本実施形態の断熱ローラ１は、使用時クリアランス９′の長さＸ′が負の値にならないように、初期クリアランス９が設定される。つまり、外管３の寸法公差はプラス側に設定され、内管２及び第二円盤８の寸法公差は何れもマイナス側に設定される。これにより、断熱ローラ１の使用時に、少なくとも第二円盤８と外管３とが締まりばめにならないようにする。

なお、第一円盤７及び第二円盤８の各軸方向長さは特に限定されず、これらが同一の長さであってもよいし、異なる長さであってもよい。また、第一円盤７は、内管２の軸方向に所定の間隔をあけて所定数毎に配置され、第二円盤８は、隣接する第一円盤７，７の間において、所定数毎に配置される。これらの所定数は特に限定されず、同一の数であってもよいし、異なる数であってもよい。

ただし、本実施形態の断熱ローラ１は、図１及び図２に示すように、内管２の軸方向に占める割合が、第一円盤７の方が第二円盤８よりも大きくなるように、各軸方向長さ及び各所定数が設定される。言い換えると、第一円盤７は、第二円盤８よりも軸方向に占める割合が大きくなるように配置される。例えば、第一円盤７及び第二円盤８の各軸方向長さが同一の場合は、第一円盤７の所定数が第二円盤８の所定数よりも多くなるように設定される。また、第一円盤７の軸方向長さが第二円盤８の軸方向長さよりも長い場合は、第一円盤７の所定数と第二円盤８の所定数とが同一であってもよい。

［２．効果］
上述の断熱ローラ１は、高温炉内での使用時に第二円盤８の外周面８ａと外管３の内周面３ｂとの接触が開始するように予め設定された初期クリアランス９を有するため、高温炉内での使用時に第二円盤８と外管３との間に発生する摩擦力を抑制することができる。すなわち、使用時における断熱ローラ１の熱ひずみの拘束を防止することができるため、熱応力の発生を抑制することができる。これにより、断熱ローラ１の損傷を回避することができる。

また、上述の断熱ローラ１は、内管２及び第二円盤８の寸法公差が何れもマイナス側に設定され、外管３の寸法公差がプラス側に設定されるため、使用時クリアランス９′が負の値となることがない。このため、断熱ローラ１の使用時における、第二円盤８と外管３との間の摩擦力の発生自体を抑制することができ、熱応力の発生をさらに抑制することができる。なお、微小な使用時クリアランス９′が存在していたとしても、内管２を通る冷却媒体による冷却効果は、第一円盤７を経由した熱伝導によって外管３へと伝わって、外管３の温度は適温に制御される。また、搬送物の荷重は第一円盤７によって負担することができる。したがって、微小な使用時クリアランス９′の存在は問題とならない。

上述の断熱ローラ１は、第一円盤７が第二円盤８よりも軸方向に占める割合が大きくなるように配置される。そのため、第一円盤７を経由した熱伝導によって外管３の温度を適温に制御することができる。また、第一円盤７によって搬送物の荷重を多く負担することができる。なお、このように配置されていれば、微小な使用時クリアランス９′が存在する場合であっても、第一円盤７を経由した熱伝導によって外管３の温度をより適温に制御することができるとともに、第一円盤７によって搬送物の荷重をより多く負担することができる。

また、上述の断熱ローラ１は、第一円盤７が軸方向に間隔をあけて所定数毎に配置され、第二円盤８が隣接する第一円盤７，７の間において所定数毎に配置されるため、断熱ローラ１の軸方向の温度分布を均一化することができ、外管３の表面温度のばらつきを抑制することができる。これにより、断熱ローラ１の外表面の温度（外管３の表面温度）を適正な温度に保持しやすくすることができる。

［３．その他］
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。
例えば、上述の初期クリアランス９の長さＸの算出方法は一例であって、上述のものに限られない。上述の方法では、断熱ローラ１の使用時における第二円盤８，内管２，外管３の各温度Ｔ₂，Ｔ₃，Ｔ₄を熱伝導計算を実施することで算出しているが、これらの温度を実測により取得してもよいし、計算と実測とを組み合わせてもよい。

また、上記実施形態では、使用時クリアランス９′の長さＸ′が負の値にならないように、外管３の寸法公差はプラス側に設定され、内管２及び第二円盤８の寸法公差は何れもマイナス側に設定されているが、各寸法公差はこれらに限られない。例えば、内管２，外管３，第二円盤８の各寸法公差を何れもマイナス側に設定して、使用時クリアランス９′の長さＸ′が僅かに正の値になることを許容するようにしてもよい。

１断熱ローラ
２内管
３外管
７第一円盤
７ａ外周面
７ｂ内周面
７ｃ径方向中心
８第二円盤
８ａ外周面
８ｂ内周面
８ｃ径方向中心
９初期クリアランス

Claims

高温炉内で使用される断熱ローラであって、
内部を冷却媒体が流通する円筒状の内管と、
前記内管に外嵌されて前記内管の軸方向に配置された複数の第一円盤と、
前記内管に外嵌されて前記内管の軸方向に配置され、前記第一円盤よりも前記高温炉内での使用時の熱膨張量が大きい複数の第二円盤と、
前記内管と同軸を有し、前記第一円盤及び前記第二円盤の外周を覆う円筒状の外管と、
前記第二円盤の外周面と前記外管の内周面との間に設けられ、前記使用時に前記外周面と前記内周面との接触が開始するように予め設定された初期クリアランスと、を備える
ことを特徴とする、断熱ローラ。
前記内管及び前記第二円盤は、何れも寸法公差がマイナス側に設定され、
前記外管は、寸法公差がプラス側に設定される
ことを特徴とする、請求項１記載の断熱ローラ。
前記第一円盤は、前記第二円盤よりも前記内管の軸方向に占める割合が大きくなるように配置される
ことを特徴とする、請求項１又は２記載の断熱ローラ。
前記第一円盤は、前記内管の軸方向に間隔をあけて所定数毎に配置され、
前記第二円盤は、隣接する前記第一円盤の間において、所定数毎に配置される
ことを特徴とする、請求項１〜３の何れか１項に記載の断熱ローラ。