JP2021118096A - 誘導発熱ローラ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ジャケット室を設けることなく、ローラ本体のシェル部の軸方向における温度分布を調整する。【解決手段】ローラ本体２と、鉄心３１及び誘導コイル３２を有する誘導発熱機構３とを備え、誘導コイル３２に商用周波数の交流電流を供給してローラ本体２を誘導発熱させる誘導発熱ローラ装置１００であって、ローラ本体２は、非磁性金属からなる円筒状のシェル部２１と、シェル部２１の両端部に設けられた一対のジャーナル部２２とを有し、誘導コイル３２は、シェル部２１の軸方向中心部Ｘから軸方向に対称に巻回されており、シェル部２１の内側周面からの距離Ｄが軸方向に沿って変化している。【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。

従来の誘導発熱ローラ装置には、特許文献１に示すように、ローラ本体に軸方向に沿って、気液二相の熱媒体が封入されたジャケット室を設けたものがある。この熱媒体の潜熱移動による均温作用によって、ローラ本体の軸方向の温度分布を均一化することができる。

しかしながら、ローラ本体の表面温度が例えば４００℃以上の高温となるような用途に使用する場合には、ジャケット室を設けてもローラ本体の温度分布を均一化することが難しい。例えば４００℃以上の高温において、潜熱移動によって均熱効果をもたらすことができる実用的な熱媒体が無いためである。

特開２００９−４３７３９号公報

そこで本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、ジャケット室を設けることなく、ローラ本体のシェル部の軸方向における温度分布を調整することをその主たる課題としたものである。

すなわち、本発明に係る誘導発熱ローラ装置は、回転自在に支持される中空のローラ本体と、前記ローラ本体の内部に前記ローラ本体の軸方向に沿って設けられ、鉄心及び当該鉄心に巻回された誘導コイルを有する誘導発熱機構とを備え、前記誘導コイルに商用周波数の交流電流を供給して前記ローラ本体を誘導発熱させる誘導発熱ローラ装置であって、前記ローラ本体は、非磁性金属からなる円筒状のシェル部と、当該シェル部の両端部に設けられた一対のジャーナル部とを有し、前記誘導コイルは、前記シェル部の軸方向中心部から軸方向に対称に巻回されており、前記シェル部の内側周面からの距離が軸方向に沿って変化していることを特徴とする。

このような誘導発熱ローラ装置によれば、誘導コイルをシェル部の軸方向中心部から軸方向に対称に巻回し、シェル部の内側周面からの距離を軸方向に沿って変化させることにより、シェル部の軸方向における発熱分布を調整することができる。その結果、ジャケット室を設けることなく、ローラ本体のシェル部の軸方向における温度分布を調整することができる。
また、本発明の誘導発熱ローラ装置では、シェル部が非磁性金属から形成されているので、空間部分との比透磁率がほぼ１．０となり、磁気回路が単純となり、シェル部における発熱分布の計算（設計）が容易となる。
さらに、本発明の誘導発熱ローラ装置は、商用周波数（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）の交流電源を用いているので、誘導電流浸透深さを深くでき、シェル部の肉厚内の温度差が小さくなる。その結果、急昇温しても熱膨脹差による熱割れの危険が低減でき、高温ロールに適したものにできる。その他、誘導電流浸透深さが深いことから、シェル部の肉厚深くまで発熱を得ることができ、シェル部の表面温度分布も発熱計算値に近い値にすることができる。

誘導コイルの具体的な実施態様としては、前記誘導コイルは、前記シェル部の内側周面からの距離が前記シェル部の軸方向中心部から軸方向端部に行くに従って徐々に小さくなるように巻回されていることが望ましい。つまり、シェル部の軸方向中心部において、誘導コイルとシェル部の内側周面との距離が最も大きくなり、シェル部の軸方向端部において、誘導コイルとシェル部の内側周面との距離が最も小さくなる。例えば、シェル部の内側周面からの距離が一次関数的に徐々に小さくなるように巻回しても良いし、二次関数的に徐々に小さくなるように巻回しても良いし、段階的に徐々に小さくなるように巻回しても良い。

また、前記鉄心は、前記シェル部の軸方向中心部から軸方向に対称に構成されており、前記誘導コイルは、前記鉄心に巻回されることにより、前記シェル部の軸方向中心部から軸方向に対称とすることが考えられる。
この構成であれば、シェル部の軸方向端部において、シェル部と鉄心との距離を小さくして磁気抵抗を小さくできるので、シェル部の軸方向端部の発熱を促進することができる。
ここで、鉄心の構成としては、断面がインボリュート形状をなす磁性鋼板を円筒状に積層して構成したインボリュート鉄心要素を用いることが考えられる。このインボリュート鉄心要素を用いる場合には、一端部を密に積層し、他端部を隙間を空けて積層した２つのインボリュート鉄心要素を用いて、それら鉄心要素の密に積層された端部同士を接続する。なお、他端部の隙間には、スペーサを介在させても良い。

本発明の効果を顕著にするためには、前記シェル部の加熱温度が４００℃以上であることが考えられる。また、誘導コイル及び鉄心を支持する支持軸が部分的に細くなる構成となることから、４００℃以上の高温域では支持軸を構成する金属材料の強度が低下する恐れがある。
そのため、前記誘導コイルは、冷却用流体が流れる中空導体管を有していることが望ましい。
この構成であれば、誘導コイルの温度上昇を低減することができ、支持軸の強度低下を防止することができる。

シェル部の発熱分布を均一化するためには、シェル部の軸方向中央部において、誘導コイルとシェル部との距離が従来よりも大きくなり、力率が低下してしまう。この問題を好適に解決するためには、前記誘導コイルに商用周波数の交流電流を供給する電源回路をさらに備え、前記電源回路は、前記誘導コイルに供給される交流電流を制御する可飽和リアクトルと、当該可飽和リアクトル及び前記誘導コイルの間に設けられた力率改善コンデンサとを有することが望ましい。
力率改善コンデンサは、高い周波数に対してインピーダンスが低下するために大きな電流が流れて、破損することがある。上記の構成では、可飽和リアクトルを用いているので、高調波成分の発生を抑制することができ、力率改善コンデンサの破損を防止することができる。

このように構成した本発明によれば、ジャケット室を設けることなく、ローラ本体のシェル部の軸方向における温度分布を調整することができる。

本発明の一実施形態に係る誘導発熱ローラ装置の構成を模式的に示す断面図である。 同実施形態の電源回路の詳細を示す図である。 同実施形態の発熱分布のシミュレーション結果である。 誘導コイルの巻回形状の変形例を模式的に示す断面図である。

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。

＜１．装置構成＞
本実施形態に係る誘導発熱ローラ装置１００は、例えば鋼板や金属板等の連続材の熱処理工程等において用いられるものである。この誘導発熱ローラ装置１００は、例えば４００℃以上１０００℃以下の高温域で使用されるものである。

具体的にこの誘導発熱ローラ装置１００は、図１に示すように、回転自在に支持された中空円筒状のローラ本体２と、このローラ本体２の中空内に静止状態で配置される誘導発熱機構３とを備えている。

ローラ本体２は、非磁性金属からなる円筒状をなすシェル部２１と、当該シェル部２１の両端部に設けられた一対のジャーナル部２２とを有している。ここで、非磁性金属としては、例えばオーステナイト系ステンレスやインコネル合金を用いることができる。

ジャーナル部２２は、シェル部２１の端部開口を覆うフランジ部２２１と、当該フランジ部２２１に一体形成された中空の駆動軸２２２とを有している。また、駆動軸２２２は、転がり軸受等の軸受４１、４２を介して機台５１、５２に回転自在に支持されている。そして、ローラ本体２は、例えばモータ等の回転駆動機構（不図示）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。

誘導発熱機構３は、ローラ本体２の内部にローラ本体２の軸方向に沿って設けられるものであり、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、それらを支持する支持軸３３１、３３２とを有する。支持軸３３１、３３２は、円筒状鉄心３１の両端部それぞれに設けられている。この支持軸３３１、３３２は、それぞれ駆動軸２２２の内部に挿通されており、転がり軸受等の軸受６１、６２を介して駆動軸２２２に対して回転自在に支持されている。これにより、誘導発熱機構３は、回転するローラ本体２の内部において、ローラ本体２とは別に静止状態に保持される。誘導コイル３２は、冷却用流体が流れる中空導体管から構成されている。この誘導コイル３２には、リード線Ｌ１が接続されており、このリード線Ｌ１には、誘導コイル３２に商用周波数（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）の単相交流電源Ｅから交流電流を供給する電源回路７が接続されている。

電源回路７は、図２に示すように、誘導コイル３２に供給される交流電流を制御する可飽和リアクトル７１と、当該可飽和リアクトル７１及び誘導コイル３２の間に設けられた力率改善コンデンサ７２とを有する。

可飽和リアクトル７１は、電磁誘導作用を持つ鉄心に交流と直流の２種類の巻線を巻回した構造であり、巻回された２つの巻線に流れる電流と巻回数との積はある一定の範囲では等しくなるという等アンペアターンの法則によって、Ｉ_Ｌ×Ｎ_Ｌ＝Ｉ_ＤＣ×Ｎ_ＤＣの関係が成立する。これにより、直流電流Ｉ_ＤＣを増減することによって、交流電流Ｉ_Ｌを制御することができ、誘導コイル３２の出力を制御することができる。

本実施形態では、可飽和リアクトル７１及び誘導コイル３２の間において、力率改善コンデンサ７２に直列に保護用交流リアクトル７３が設けられている。保護用交流リアクトル７３は、力率改善コンデンサ７２を保護するものである。

このような誘導発熱機構３により、誘導コイル３２に交流電流が供給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のシェル部２１を通過する。この通過によりシェル部２１に誘導電流が発生し、その誘導電流でシェル部２１はジュール発熱して、例えばシェル部２１の表面温度が４００℃以上に制御される。

そして、本実施形態の誘導発熱ローラ装置１００では、図１に示すように、誘導コイル３２が、シェル部２１の軸方向中心部Ｘから軸方向に対称に巻回されており、シェル部２１の内側周面からの距離Ｄが軸方向に沿って変化している。なお、誘導コイル３２とシェル部２１の内側周面との距離Ｄは、誘導コイル３２の巻回厚さの中心（磁気中心）からシェル部２１の内側周面までの距離である。

具体的に誘導コイル３２は、シェル部２１の内側周面からの距離Ｄがシェル部２１の軸方向中心部Ｘから軸方向端部に行くに従って徐々に小さくなるように巻回されている。言い換えれば、誘導コイル３２の巻回半径が、シェル部２１の軸方向中心部Ｘから軸方向端部に行くに従って徐々に大きくなるように巻回されている。つまり、誘導コイル３２は、シェル部２１の軸方向中心部Ｘから両側にテーパ状となるように巻回されており、シェル部２１の軸方向中心部Ｘにおいて、誘導コイル３２とシェル部２１の内側周面との距離Ｄ２が最も大きくなり、シェル部２１の軸方向端部において、誘導コイル３２とシェル部２１の内側周面との距離Ｄ１が最も小さくなる。

本実施形態では、鉄心３１は、シェル部２１の軸方向中心部Ｘから軸方向に対称に構成されている。ここで、鉄心３１の構成としては、断面がインボリュート形状をなす磁性鋼板を円筒状に積層して構成したインボリュート鉄心要素を用いることが考えられる。このインボリュート鉄心要素を用いる場合には、一端部を密に積層し、他端部を隙間を空けて積層した２つのインボリュート鉄心要素を用いて、それら鉄心要素の密に積層された端部同士を接続する。なお、他端部の隙間には、スペーサを介在させても良い。

この鉄心３１に誘導コイル３２を巻回することによって、誘導コイル３２は、シェル部２１の内側周面からの距離Ｄがシェル部２１の軸方向中心部Ｘから軸方向端部に行くに従って徐々に小さくなるように巻回される構成となる。この構成であれば、シェル部２１の軸方向端部において、シェル部２１と鉄心３１との距離を小さくして磁気抵抗を小さくできるので、シェル部２１の軸方向端部の発熱を促進することができる。

次に、誘導コイルの巻線形状を変更した場合のシェル部の発熱分布のシミュレーション結果を示す。
このシミュレーションにおけるシェル部の仕様は、直径が４５０ｍｍ、面長が１２００ｍｍ、肉厚が２５ｍｍであり、材質はオーステナイト系ステンレス３１６Ｌである。誘導コイルの巻回幅は９２０ｍｍであり、誘導コイルの軸方向端部におけるシェル部の内側周面との距離Ｄ１を１００ｍｍとし、誘導コイルの軸方向中央部におけるシェル部の内側周面との距離Ｄ３を、１５５ｍｍ、１３５ｍｍ、１２５ｍｍ、１００ｍｍ（従来構成）とした。図３に示すように、誘導コイルの巻線形状を変更することによって、シェル部の発熱分布を調整できることが分かる。

＜２．本実施形態の効果＞
このように構成した誘導発熱ローラ装置１００によれば、誘導コイル３２をシェル部２１の軸方向中心部から軸方向に対称に巻回し、シェル部２１の内側周面からの距離を軸方向に沿って変化させることにより、シェル部２１の軸方向における発熱分布を調整することができる。その結果、ジャケット室を設けることなく、ローラ本体２のシェル部２１の軸方向における温度分布を調整することができる。

また、本発明の誘導発熱ローラ装置１００では、シェル部２１が非磁性金属から形成されているので、空間部分との比透磁率がほぼ１．０となり、磁気回路が単純となり、シェル部２１における発熱分布の計算（設計）が容易となる。

さらに、本発明の誘導発熱ローラ装置１００は、商用周波数（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）の交流電源を用いているので、誘導電流浸透深さを深くでき、シェル部２１の肉厚内の温度差が小さくなる。その結果、急昇温しても熱膨脹差による熱割れの危険が低減でき、高温ロールに適したものにできる。その他、誘導電流浸透深さが深いことから、シェル部２１の肉厚深くまで発熱を得ることができ、シェル部２１の表面温度分布も発熱計算値に近い値にすることができる。

＜３．本発明の変形実施形態＞
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、誘導コイル３２の巻回形状としては、前記実施形態の他に、図４に示すように、シェル部２１の軸方向中央部Ｘにおいて、巻回半径が一定の平坦部を有する形状（図４（ａ））としても良いし、巻回半径が階段状に変化する形状（図４（ｂ））としても良いし、巻回半径が周期的に変化する例えばノコギリ波又は矩形波（図４（ｃ））などの形状としても良い。

また、シェル部２１の軸方向中央部Ｘにおける発熱量を大きくして、発熱分布のピーク波形を鋭くするためには、シェル部２１の内側周面からの距離がシェル部２１の軸方向中心部から軸方向端部に行くに従って徐々に大きくなるように巻回してもよい。言い換えれば、誘導コイル３２の巻回半径が、シェル部２１の軸方向中心部から軸方向端部に行くに従って徐々に小さくなるように巻回する。

さらに、前記実施形態の構成に加えて、誘導コイル３２の巻数を軸方向で異ならせることによってもシェル部２１の発熱分布を調整するようにしてもよい。例えば、シェル部２１の軸方向中央部Ｘの巻数を少なくし、シェル部２１の軸方向の巻数を多くしても良いし、その逆であってもよい。

その上、コイルの巻回幅（軸方向の幅）や鉄心の軸方向の幅を、シェル部の有効部（負荷部）に対して長くしたり、短くしたりして、シェル部の発熱分布を調整するようにしてもよい。

また、前記実施形態では、誘導コイル３２の巻回形状を鉄心３１の形状により形成しているが、鉄心３１を円筒形状としつつ、当該鉄心３１と誘導コイル３２との間にスペーサを介在させることにより、誘導コイル３２の巻回形状を前記実施形態のようにしても良い。

また、前記実施形態の誘導コイル３２は、全体が中空導体管であったが、誘導コイル３２の一部を中実導体としても良い。この構成であれば、誘導コイル３２に冷却性能を持たせつつ、誘導コイル３２を小型化することができる。

加えて、誘導コイルを複数組設けて、電源回路により交流電流を供給する誘導コイルを選択可能に構成してもよい。例えば、電源回路により交流電流を供給する誘導コイルの組み合わせを変更することによって、誘導コイルの巻数が変更され、シェル部の発熱分布を調整することができる。

また、鉄心とシェル部との間の磁気抵抗を小さくするために、鉄心の軸方向端部にフランジ部を設けて、当該フランジ部の外側周面をシェル部の内側周面に対向させる構成としてもよい。

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
２１ ・・・シェル部
２２ ・・・ジャーナル部
３ ・・・誘導発熱機構
３１ ・・・鉄心
３２ ・・・誘導コイル
７ ・・・電源回路
７１ ・・・可飽和リアクトル
７２ ・・・力率改善コンデンサ

Claims (5)

1. 回転自在に支持される中空のローラ本体と、前記ローラ本体の内部に前記ローラ本体の軸方向に沿って設けられ、鉄心及び当該鉄心に巻回された誘導コイルを有する誘導発熱機構とを備え、前記誘導コイルに商用周波数の交流電流を供給して前記ローラ本体を誘導発熱させる誘導発熱ローラ装置であって、
   前記ローラ本体は、非磁性金属からなる円筒状のシェル部と、当該シェル部の両端部に設けられた一対のジャーナル部とを有し、
   前記誘導コイルは、前記シェル部の軸方向中心部から軸方向に対称に巻回されており、前記シェル部の内側周面からの距離が軸方向に沿って変化している、誘導発熱ローラ装置。
2. 前記誘導コイルは、前記シェル部の内側周面からの距離が前記シェル部の軸方向中心部から軸方向端部に行くに従って徐々に小さくなるように巻回されている、請求項１に記載の誘導発熱ローラ装置。
3. 前記鉄心は、前記シェル部の軸方向中心部から軸方向に対称に構成されており、
   前記誘導コイルは、前記鉄心に巻回されることにより、前記シェル部の軸方向中心部から軸方向に対称とされている、請求項１又は２に記載の誘導発熱ローラ装置。
4. 前記シェル部の加熱温度が４００℃以上であり、
   前記誘導コイルは、冷却用流体が流れる中空導体管を有している、請求項１乃至３の何れか一項に記載の誘導発熱ローラ装置。
5. 前記誘導コイルに商用周波数の交流電流を供給する電源回路をさらに備え、
   前記電源回路は、前記誘導コイルに供給される交流電流を制御する可飽和リアクトルと、当該可飽和リアクトル及び前記誘導コイルの間に設けられた力率改善コンデンサとを有する、請求項１乃至４の何れか一項に記載の誘導発熱ローラ装置。

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