JP2017150018A - 冷却ロール及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ロールの内周面に保持できる作動流体の液量を増やして、冷却能力を向上させる。【解決手段】内部に複数の冷却管８が配設された円筒体２内に、蒸発と凝縮とを繰り返す作動流体を封入してなる冷却ロール１において、前記円筒体２の内周面に、表面粗さＲａが３０μｍ以上であって、厚みが１ｍｍ以上である金属の溶射皮膜９が形成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、冷却ロール及びその製造方法に関し、更に詳しくは、合成樹脂等の各種シートや各種フィルムの製造装置、あるいは、これら各種シートや各種フィルムを積層するラミネート装置等に使用される冷却ロール及びその製造方法に関する。

一般に、紙等の基材に対して合成樹脂フィルムを貼り合せるラミネート製造装置では、例えば、図１０に示すように、供給ロール２１から繰り出された基材２２を、プレスロール２３と冷却ロール２４との間を通過させて巻き取りロール２５に巻き取らせる一方、プレスロール２３と冷却ロール２４との間に、Ｔ−ダイ２６から溶融樹脂を流下させてフィルム層２８を形成し、冷却ロール２４にて冷却しながら基材２２に貼合わせて、ラミネート積層紙２９を製造している。

上記冷却ロール２４として、例えば、特許文献１には、多数本の冷却用の伝熱管が内部に配設された円筒体内に、作動流体（熱搬送液）を封入し、回転駆動される前記円筒体内における作動流体の蒸発と凝縮との繰り返しによって前記円筒体の表面を冷却する構成が開示されている。

特公平０４−２７２０号公報

上記特許文献１の冷却ロールでは、ロールの回転による遠心力によって、作動流体が、円筒体の内周面に張り付き、円筒体の外周のフィルム層からの熱によって作動流体が蒸発し、蒸発した作動流体は、円筒体内の多数本の冷却用の伝熱管に接触して凝縮液化し、液化した作動流体が、遠心力によって円筒体の内周面に再び張り付き蒸発するといったように、蒸発と凝縮との繰り返しによって円筒体の外周のフィルム層などの負荷を冷却するものである。

冷却ロールによって冷却すべき負荷が、例えば、リチウム電池用セパレータ等のように厚さが、０．５ｍｍ〜２ｍｍ程度の比較的厚いシートのような熱量が大きい高熱負荷である場合には、ラミネートフィルムのように厚さが、数十μｍ程度の比較的厚みの薄い負荷に比べて、冷却ロールを低速で回転させて冷却する必要がある。

冷却ロールでは、上記のようにロールの回転による遠心力によって、液化した作動流体を、円筒体の内周面に張り付かせるものであるので、冷却ロールを低速で回転させると、遠心力が不足し、液化した作動流体が円筒体の内周面に張り付かず、下方に落下してしまい、冷却能力が不足してしまう。

本発明は、上記のような点に鑑みて為されたものであって、ロールを構成する円筒体の内周面に保持できる作動流体の液量を増やして、冷却能力を向上させることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の冷却ロールは、冷却流体が流通する複数の冷却管が内部に配設された円筒体を備え、該円筒体内に、蒸発と凝縮とを繰り返す作動流体が封入される冷却ロールにおいて、前記円筒体の内周面には、金属の溶射皮膜が形成されており、前記溶射皮膜の表面粗さＲａが、３０μｍ以上であり、前記溶射皮膜の厚みが、１ｍｍ以上である。

前記金属の溶射皮膜は、Ａｌ、Ａｌ合金、ＳＵＳ、亜鉛のいずれかの溶射皮膜であるのが好ましい。

本発明の冷却ロールによれば、円筒体の内周面に、表面粗さＲａが３０μｍ以上であって、厚みが１ｍｍ以上である金属の溶射皮膜が形成されているので、回転する円筒体の内周面の溶射皮膜によって、作動流体を保持する液量を増加させることができ、これによって、円筒体の内周面から蒸発する作動流体の蒸発量を増やして冷却能力を高めることができる。

本発明の冷却ロールの製造方法は、冷却流体が流通する複数の冷却管が内部に配設された円筒体を備え、該円筒体内に、蒸発と凝縮とを繰り返す作動流体が封入される冷却ロールの製造方法において、前記円筒体の内周面に、厚みが１ｍｍ以上であって、表面粗さが３０μｍ以上の金属皮膜を、溶射加工によって形成する。

本発明の冷却ロールの製造方法によれば、円筒体の内周面に、表面粗さＲａが３０μｍ以上であって、厚みが１ｍｍ以上である金属の溶射皮膜が形成されるので、回転する円筒体の内周面の溶射皮膜によって、作動流体を保持する液量を増加させることができ、これによって、円筒体の内周面から蒸発する作動流体の蒸発量を増やして冷却能力を高めることができる。

前記溶射は、ワイヤー溶射であるのが好ましい。

本発明によれば、円筒体の内周面には、表面粗さＲａが３０μｍ以上であって、厚みが１ｍｍ以上である金属の溶射皮膜が形成されているので、回転する円筒体の内周面の溶射皮膜によって、作動流体を保持する液量を増加させることができ、冷却能力を高めることができる。

本発明の一実施形態に係る冷却ロールの概略縦断面図である。 図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 図２の部分拡大断面図である。 ロールの冷却熱量、製品の送り速さ、保液量等を算出する条件を説明するための概略構成図である。 ロールの冷却熱量と保液量との関係を示す図である。 溶射皮膜の表面粗さと試験液１の増加重量（保液量）との関係を示す図である。 溶射皮膜の表面粗さと試験液２の増加重量（保液量）との関係を示す図である。 溶射皮膜の表面粗さと試験液３の増加重量（保液量）との関係を示す図である。 溶射皮膜の断面写真である。 ラミネート積層紙の製造装置の概略図である。

以下、本発明の実施形態を、図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る冷却ロールの概略縦断面図であり、図２は、図１のＡ−Ａ線に沿う断面図であり、図３は、図２の部分拡大断面図である。

これらの図を参照して、この実施形態の冷却ロール１は、例えば、上記図１０のラミネート製造装置やリチウム電池用セパレータ等のシート製造装置等に使用される冷却ロールである。この冷却ロール１は、比較的薄い板厚の円筒体２と、この円筒体２を支持する中空の支持軸３とを備えている。円筒体２の両端部には、円筒体２の内部を密封する端板１７，１８が固着されており、更に、端板１７，１８より円筒体２の内方には、内部を密封する別の面板４，５が固着されている。

上記支持軸３が、両端板１７，１８及び両面板４，５の中心を気密状態で貫通し、該支持軸３の両端部３ａ，３ｂが、円筒体２の外方に突出している。

円筒体２の一端側は、内方の面板４と外方の端板１７とによって、冷却水の入口室６が区画され、中空の支持軸３の一端３ａから供給される冷却水が、支持軸３の周方向に沿って形成された複数の孔を介して矢符で示されるように、入口室６内に導入される。

円筒体２の他端側は、内方の面板５と外方の端板１８とによって、冷却水の出口室７が区画され、この出口室７は、中空の支持軸３の他端３ｂと連通し、支持軸３の周方向に沿って形成された複数の孔を介して矢符で示されるように、冷却水が排出される。

両面板４，５間には、円筒体２の軸線方向（図１の左右方向）に延びて入口室６及び出口室７にそれぞれ連通する冷却管８の複数本が、円周方向に沿って並設されている。

このように支持軸３の一端３ａから入口室６内に導入された冷却水が、各冷却管８に分配され、各冷却管８内を流れた冷却水が、出口室７から支持軸３の他端３ｂを介して排出されるように構成されている。

両面板４，５で区間された円筒体２の内部は、減圧状態とされると共に、代替フロン、ナフタリン、キノリン等のように蒸発と凝縮とを繰り返す作動流体が封入されている。

かかる構成において、回転する円筒体２内に封入した作動流体は、遠心力によって円筒体２の内周面に張り付いたとき、この円筒体２の外周面に接触する高温の樹脂フィルム等の被冷却シートからの熱によって蒸発し、蒸発した作動流体は、各冷却管８への接触によって冷却され、凝縮して液化する。この液化した作動流体が、再び、遠心力によって円筒体２の内周面に戻って、被冷却シートからの熱によって蒸発するという、蒸発と凝縮とを繰り返すことによって、被冷却シートの冷却を行う。

被冷却シートが、例えば、０．５ｍｍ〜２ｍｍ程度といった比較的厚みの厚いシートのような高熱負荷の場合には、熱量が大きいために、冷却ロール１を低速、例えば、被冷却シートの送り速度が４０ｍ／ｍｉｎ以下となるように回転させて冷却する必要がある。

しかしながら、冷却ロール１では、上記のようにロールの回転による遠心力によって、液化した作動流体を、円筒体２の内周面に張り付かせるものであるために、冷却ロール１を低速で回転させると、遠心力が不足し、液化した作動流体が円筒体２の内周面に張り付かず、下方に落下してしまい、冷却能力が不足してしまう。

この実施形態では、冷却ロール１を低速回転させても、円筒体２の内周面で保持できる液化した作動流体の量、すなわち、保液量を増やして冷却能力を高めるために、次のように構成している。

すなわち、円筒体２の内周面の全面には、溶射加工によって金属の溶射皮膜９が形成されている。

溶射皮膜は、０．１ｍｍ以下の微細な粒子を含む粉末の集合体となっているため、例えば、図９の断面写真に示すように、溶射皮膜の表面形状は単純な機械加工では得られない微細な凹凸を有している。したがって、同じ粗さの機械加工面よりも表面積が大きくなり、液体の保持に有利な形状となる。

なお、図９は、Ａｌアークワイヤー溶射による膜厚３０００μｍの溶射皮膜の断面写真であり、後述の実施例７の試験片の断面写真である。

円筒体２の内周面の溶射皮膜９によって、液化した作動流体の保液量を増やして冷却能力を高めるために、本発明では、溶射皮膜９の膜厚は、１ｍｍ以上であって、その表面粗さＲａは、３０μｍ以上としている。

低速回転において、所要の保液量を確保するためには、溶射皮膜９の表面粗さＲａは、５０μｍ以上であるのが好ましい。

溶射皮膜９の材料は、溶射加工によって形成できる金属やその合金であれば、その種類は特に限定されないが、溶射材料として使用される、例えば、防錆能力があるＡｌ、Ａｌ合金、ＳＵＳ、亜鉛などが好ましく、特に、熱伝導率が高く、作動流体に熱を伝えやすいＡｌが好ましい。

溶射皮膜９を形成するための溶射加工の方法は、特に限定されないが、例えばアークワイヤー溶射を挙げることができ、この実施形態の溶射皮膜９は、アークワイヤー溶射によって形成されたＡｌの溶射皮膜である。

溶射皮膜９は、溶射加工によって形成された金属皮膜であるので、気孔を有している。

次に、冷却ロールによる冷却熱量と、冷却ロールの内周面に保持される液化した作動流体の量である保液量との関係について説明する。

図４の概略図に示すように、プレスロール１０と冷却ロール１１との間に、Ｔ−ダイ１２から溶融樹脂を流下させて、冷却ロール１１にて冷却してシート状の製品１３を製造する構成において、冷却ロール１１のロール径を７００ｍｍ、その板厚を３０ｍｍ、有効面長を３０００ｍｍ、溶融樹脂原料の温度を１６０℃、製品厚さを０．６ｍｍ、製品幅を２８００ｍｍ、製品の送り速さを４０ｍ／ｍｉｎとし、作動流体は、代替フロンであるＲ−１３４ａとした。

かかる構成の試験装置における実験データ等に基づいて、ロールの冷却熱量、保液量について、計算を行った。

すなわち、製品の送り速さ、製品幅、製品厚さ、溶融樹脂原料温度、製品温度から、要求される単位面積当たりの冷却熱量を算出し、算出したロール冷却熱量から単位面積あたりの作動流体の蒸発量を求め、それを必要最低限の保液量として算出した。

その結果、表１に示すように、製品の送り速さを、低速の４０ｍ／ｍｉｎとしたときに、高熱負荷に対応する好ましい冷却ロールの冷却熱量２７．８４ｋｃａｌ／ｍ²（＝１８７０８３ｋｃａｌ／ｈ）を得るための保液量は、０．２０ｋｇ／ｍ²となる。

更に、送り速さを４０ｍ／ｍｉｎとした場合に、冷却ロールの冷却熱量を変化させたときの保液量をそれぞれ算出した。その結果を、表２及び図５に示す。

図５に示すように、冷却熱量と保液量との間には、略比例関係が成立し、保液量を増やすことによって、冷却熱量を高めることができる。

上記のように送り速さを、低速の４０ｍ／ｍｉｎと想定し、高熱負荷に対応するための冷却熱量として、２７．８４ｋｃａｌ／ｍ²（＝１８７０８３ｋｃａｌ／ｈ）を想定すると、作動流体であるＲ−１３４ａの保液量は、０．２ｋｇ／ｍ²必要となる。

すなわち、送り速さが、低速の４０ｍ／ｍｉｎである場合、高熱負荷を冷却するための好ましい冷却熱量である２７．８４ｋｃａｌ／ｍ²（＝１８７０８３ｋｃａｌ／ｈ）以上の冷却熱量を得るためには、Ｒ−１３４ａの保液量は、０．２ｋｇ／ｍ²以上となる。

なお、Ｒ−１３４ａの保液量０．２ｋｇ／ｍ²は、後述の水の場合に換算すると、Ｒ−１３４ａの液密度が１．２９５ｇ／ｃｍ³であるので、０.１５４ｋｇ／ｍ²となる。

次に、溶射皮膜の表面粗さと保液量との関係について説明する。

溶射皮膜の表面粗さや厚みと保液量との関係を把握するために、次のような試験を行った。

すなわち、厚みや表面粗さを異ならせた溶射皮膜をそれぞれ形成した複数の各試験片を、水道水等の試験液に浸漬した後、試験液から引き上げた各試験片の重量の増加重量を、溶射皮膜による保液量としてそれぞれ測定した。

具体的には、試験片の基材として、寸法が、１００ｍｍ×５０ｍｍ×厚さ６ｍｍの矩形のＳＳ４００の平板を用いた。各平板の表裏両面に、溶射パラメータを異ならせたワイヤー溶射を行って、目標の膜厚で、表面粗さを異ならせたＡｌの溶射皮膜をそれぞれ形成して複数の試験片をそれぞれ作成した。平板の側面に付着した溶射皮膜は、ナイロンバフで除去した。

前記溶射パラメータは、エアー圧力、溶射出力、ワイヤー供給速度、溶射角度、溶射距離などであり、これら溶射パラメータを調整して、表面粗さＲａの異なる溶射皮膜をそれぞれ形成した。

作成した各試験片の溶射皮膜の表面粗さＲａを、東京精密製触針式表面粗さ計サーフコム１３０Ａによって、ＪＩＳ１９９４, カットオフ値２．５ｍｍ×Ｎ５＝測定距離１２．５ｍｍで測定した。なお、サンプルＮｏ．９、１０のみカットオフ値８．０ｍｍ×Ｎ３＝測定距離２４ｍｍとした。

また、各試験片の溶射皮膜の気孔率（％）を測定した。

次に、各試験片の重量を電子天秤で測定し、各試験片を試験液中に６０秒浸漬した後、引き上げて６０秒経過後に電子天秤で再び重量を測定し、浸漬前後の重量の増加重量を保液量として算出した。なお、試験液中から試験片を引き上げた際に、試験片の下部に溜まった試験液は、試験片の１つの角部が下方になるように傾斜させて振動を与えることによって、液切りを行った。

試験液は、水道水と、１０重量％のエタノールを加えた水道水と、２０重量％のエタノールを加えた水道水との３種類とした。

試験結果を、表３に示す。

表３に、各サンプルＮｏ．の各試験片の溶射皮膜の膜厚（ｍｍ）、気孔率（％）、表面粗さ（μｍ）を示すと共に、３種類の試験液中への浸漬後の増加重量（ｋｇ／ｍ²）を示す。なお、膜厚は、溶射皮膜形成の際の膜厚の目標値を示している。また、増加重量は、上記表１の保液量と同様に、１ｍ²当りの増加重量ｋｇとしており、保液量に対応するものである。

上記のように本発明では、溶射皮膜の膜厚は、１ｍｍ以上であって、その表面粗さＲａは、３０μｍ以上である。表３では、膜厚が０．２５ｍｍのサンプルＮｏ．１は比較例として、膜厚が１ｍｍ以上であって、表面粗さＲａが３０μｍ以上のサンプルＮｏ．２〜８は実施例１〜７としてそれぞれ示している。

比較例と実施例１とを比較すると、いずれも表面粗さＲａは略３０μｍであるが、膜厚が０．２５ｍｍの比較例に比べて、膜厚が１ｍｍの実施例１では、各試験液の増加重量、すなわち、保液量が、約１．５倍以上と大幅に増加している。したがって、保液量を増加させて冷却能力を高めるためには、溶射皮膜の膜厚は、１ｍｍ以上必要である。

実施例１〜５は、溶射皮膜の膜厚がいずれも１ｍｍであり、実施例６，７は、膜厚が３ｍｍである。これら実施例１〜７は、いずれも表面粗さＲａが、３０μｍ以上である。表３の実施例１〜５に示すように、溶射皮膜の膜厚が同じであっても、表面粗さＲａが大きくなるにつれて、いずれの試験液も増加重量、すなわち、保液量が増加していることが分かる。

このように、水道水（試験液１）、１０重量％のエタノールを加えた水道水（試験液２）、及び、２０重量％のエタノールを加えた水道水（試験液３）のいずれの試験液も保液量が増加しているので、作動流体の性状が異なっても、溶射皮膜の表面粗さＲａを大きくすることによって、作動流体の保液量を増加させることができる。

溶射皮膜の表面粗さＲａが、実施例２の３８．２μｍから実施例３の４９．８μｍになると、保液量が大幅に増加しており、特に、試験液２及び試験液３では、略２倍となっている。

このことから、溶射皮膜の表面粗さＲａは、３８．２μｍ以上、すなわち、４０μｍ以上であるのが好ましい。

図６に、試験液が水道水（試験液１）の場合の比較例及び実施例１〜７の表面粗さＲａと、浸漬前後における増加重量、すなわち、保液量との関係を示す。

図６に示されるように、溶射皮膜の表面粗さＲａが３０μｍ以上において、表面粗さＲａと保液量（増加重量）とは、略比例し、表面粗さＲａを大きくすることによって、保液量を増加させて冷却能力を高めることができることが分かる。

また、上記のように、送り速さを４０ｍ／ｍｉｎとした場合、高熱負荷を冷却するための好ましい冷却熱量である２７．８４ｋｃａｌ／ｍ²（＝１８７０８３ｋｃａｌ／ｈ）以上の冷却熱量を得るためには、作動流体Ｒ−１３４ａの保液量は、０．２ｋｇ／ｍ²以上である。

この保液量は、水に換算すると、上記のように０.１５４ｋｇ／ｍ²となる。

表３において、この保液量０.１５４ｋｇ／ｍ²に略等しい水道水の保液量（増加重量）は、実施例３の０．１５１ｋｇ／ｍ²であり、その表面粗さＲａは、４９．８μｍである。

したがって、送り速さを４０ｍ／ｍｉｎとし、高熱負荷を冷却するための好ましい冷却熱量を、２７．８４ｋｃａｌ／ｍ²（＝１８７０８３ｋｃａｌ／ｈ）以上とした場合には、溶射皮膜の表面粗さＲａは、４９．８μｍ以上、すなわち、５０μｍ以上であるのが好ましい。

図７及び図８に、試験液が、１０重量％のエタノールを加えた水道水（試験液２）及び２０重量％のエタノールを加えた水道水（試験液３）の各場合における、比較例及び実施例１〜７の表面粗さＲａと、浸漬前後における増加重量（保液量）との関係をそれぞれ示す。

図７に示すように、試験液２では、溶射皮膜の表面粗さＲａが、３０μｍ以上５０μｍ以下で、保液量の増加の割合が大きく、また、図８に示すように、試験液３では、溶射皮膜の表面粗さＲａが、４０μｍ以上５０μｍ以下で、保液量の増加の割合が大きい。

いずれの試験液２，３も溶射皮膜の表面粗さＲａが、４０μｍ以上で保液量の増加の割合が大きいので、溶射皮膜の表面粗さＲａを、４０μｍ以上としてもよい。

上記のように溶射皮膜の表面粗さＲａを大きくすることによって、保液量を増加させて冷却能力を高めることができるので、溶射皮膜の表面粗さＲａは大きい程好ましく、また、表面粗さＲａを大きくするのに伴なって必要な膜厚も厚くなるので、膜厚も厚い方が好ましい。

しかしながら、溶射皮膜の膜厚や表面粗さＲａを大きくするには、溶射皮膜の形成に要する加工時間が長くなって、コストが高くなり、また、膜厚が厚くなり過ぎると剥離の虞もある。

したがって、溶射皮膜の膜厚や表面粗さＲａの上限は、コストや剥離等を考慮して適宜選択すればよいが、溶射皮膜の膜厚については、例えば、１０ｍｍ以下、表面粗さＲａについては、例えば、３００μｍ以下としてもよい。

作動流体は、上記のＲ−１３４ａ（沸点：−２６．１５℃）に限らず、他の作動流体を使用することができ、例えば、他の代替フロンであるＲ−１２３（沸点：２７．６２℃）、Ｒ−１２４（沸点：−１２．４℃）、Ｒ−２２５ｃｂ（沸点：５４℃）などが好ましく、沸点が、６０℃以下である作動流体が好ましい。また、下限としては、沸点が低すぎると作動流体を液化したときロール内が高圧となり、高い耐圧性能が要求されるため、−３０℃以上あればよい。

上記実施形態では、ロールの冷却熱量を、２７．８４ｋｃａｌ／ｍ²（＝１８７０８３ｋｃａｌ／ｈ）として説明したが、２７．８４ｋｃａｌ／ｍ²（＝１８７０８３ｋｃａｌ／ｈ）に限るものではなく、２７．８４ｋｃａｌ／ｍ²（＝１８７０８３ｋｃａｌ／ｈ）より大きくてもよく、小さくてもよい。

１ 冷却ロール
２ 円筒体
３ 支持軸
６ 入口室
７ 出口室
８ 冷却管
９ 溶射皮膜

Claims (4)

1. 冷却流体が流通する複数の冷却管が内部に配設された円筒体を備え、該円筒体内に、蒸発と凝縮とを繰り返す作動流体が封入される冷却ロールにおいて、
   前記円筒体の内周面には、金属の溶射皮膜が形成されており、
   前記溶射皮膜の表面粗さＲａが、３０μｍ以上であり、前記溶射皮膜の厚みが、１ｍｍ以上である、
   ことを特徴とする冷却ロール。
2. 前記金属の溶射皮膜が、Ａｌ、Ａｌ合金、ＳＵＳ、亜鉛のいずれかの溶射皮膜である、
   請求項１に記載の冷却ロール。
3. 冷却流体が流通する複数の冷却管が内部に配設された円筒体を備え、該円筒体内に、蒸発と凝縮とを繰り返す作動流体が封入される冷却ロールの製造方法において、
   前記円筒体の内周面に、厚みが１ｍｍ以上であって、表面粗さＲａが３０μｍ以上の金属皮膜を、溶射加工によって形成する、
   ことを特徴とする冷却ロールの製造方法。
4. 前記溶射は、ワイヤー溶射である、
   請求項３に記載の冷却ロールの製造方法。