JP2022127326A - 誘導発熱ローラ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被加熱物がローラ本体から奪う負荷熱量に関わらず、ローラ本体の軸方向における所望の位置における熱膨張量を調整する。【解決手段】中空円筒状のローラ本体と、ローラ本体の内部に軸方向に沿って設けられた複数の誘導コイルと、複数の誘導コイルそれぞれに供給する電力を個別に制御する電源回路と、ローラ本体に冷媒を供給してローラ本体を冷却する冷却機構とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、誘導発熱ローラ装置に関するものである。

例えばシート状の被加熱物の圧延プロセス等においては、一対の誘導発熱ローラ装置が用いられており、各誘導発熱ローラ装置のローラ本体は、荷重により撓んでしまう。このローラ本体の撓みによって、シート状の被加熱物の均一な圧延加工を行うことが難しい。

この対策として、特許文献１に示すように、ローラ本体の中空内に軸方向に沿って複数の誘導コイルを設け、それら複数の誘導コイルを個別に電圧制御するものが考えられている。この誘導発熱ローラ装置は、複数の誘導コイルを個別に電圧制御することにより、ローラ本体の各誘導コイルに対向する部分の間で発熱差を与えて、所定の部位のみを局所的に熱膨張させて、ローラ本体の直径プロファイルを調整するものである。これにより、シート状の被加熱物の厚さ分布を均一にすることができる。

しかしながら、この誘導発熱ローラ装置では、複数の誘導コイル全体として、シート状の被加熱物がローラ本体から奪う負荷熱量に見合った出力しかしていない。そのため、シート状の被加熱物の厚さ分布を均一にするための出力を複数の誘導コイルに与えることができない場合がある。例えば、低負荷熱量のシート材の加工時においては、複数の誘導コイル全体の出力が小さくなり、厚さ分布を均一にするための誘導コイル間の出力差を得ることができず、厚さ分布のばらつきを解消することができない。

実開昭６２－１７８４９４号公報

そこで本発明は、上記問題点を解決すべくなされたものであり、被加熱物がローラ本体から奪う負荷熱量に関わらず、ローラ本体の軸方向における所望の位置における熱膨張量を調整することをその主たる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、中空円筒状のローラ本体と、前記ローラ本体の中空内に軸方向に沿って設けられた複数の誘導コイルと、前記複数の誘導コイルそれぞれに供給する電力を個別に制御する電源回路と、前記ローラ本体に冷媒を供給して前記ローラ本体を冷却する冷却機構とを備えることを特徴とする。

このようなものであれば、電源回路により複数の誘導コイルそれぞれに供給する電力を個別に制御することで、ローラ本体の軸方向における所望の位置における熱膨張量を調整することができる。そして、本発明では、冷却機構によりローラ本体を冷却しているので、被加熱物がローラ本体から奪う負荷熱量が小さい場合であって、必要な負荷熱量を冷却機構により補うことができ、被加熱物がローラ本体から奪う負荷熱量に関わらず、ローラ本体の軸方向における所望の位置における熱膨張量を調整することができる。

誘導発熱ローラ装置の具体的な実施の態様としては、シート状の被加熱物を熱処理するものであり、前記電源回路は、前記ローラ本体の温度が所定の温度になるとともに、前記被加熱物が所定の厚さ分布となるように、前記複数の誘導コイルそれぞれに供給する電力を個別に制御することが望ましい。

ローラ本体の軸方向における所望の位置における熱膨張量を負荷熱量に応じて効率よく調整するためには、負荷熱量に応じて前記冷却機構による冷媒の供給量を制御する冷却機構制御部をさらに備えることが望ましい。

本発明では、複数の誘導コイルの電力を個別に制御しているため、ローラ本体の内面では発熱量差による温度差が生じる。また、ローラ本体の外面では被加熱物の奪熱量差による温度差が生じる。
これらの温度差を解消してローラ本体の外面の温度を均一にするためには、前記ローラ本体の側周壁に気液二相の熱媒体が封入されるジャケット室が形成されていることが望ましい。

冷却機構の具体的な実施の態様としては、前記冷却機構は、前記ローラ本体の中空内に冷媒を供給するものであることが望ましい。
この構成であれば、ローラ本体の内面と誘導コイルとの隙間に冷媒を流すだけでよく、冷却機構の構成を簡単にすることができる。

前記冷却機構は、前記ローラ本体の側周壁において前記ジャケット室よりも内側に形成された冷媒流通路に冷媒を供給するものであることが望ましい。
この構成であれば、ローラ本体の側周壁を効率よく冷却することができる。

前記冷却機構は、前記ローラ本体の内面において前記複数の誘導コイルに対向する部分それぞれに個別に冷媒を供給するものであることが望ましい。
この構成であれば、ローラ本体の内面における所定部位の局所的な低温化が可能となり、熱膨張による変形代の軸方向における相対差（熱膨張差）を最大化することができる。

このように構成した本発明によれば、被加熱物がローラ本体から奪う負荷熱量に関わらず、ローラ本体の軸方向における所望の位置における熱膨張量を調整することができる。

本発明の一実施形態の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。 同実施形態の冷媒の流れを示す部分拡大断面図である。 同実施形態の冷却機構の作用を示す模式図である。 変形実施形態の冷媒の流れを示す部分拡大断面図である。 変形実施形態の冷媒の流れを示す部分拡大断面図である。

＜本発明の一実施形態＞
以下に本発明に係る誘導発熱ローラ装置１００の一実施形態について図面を参照して説明する。

この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、金属箔等のシート状の被加熱物の熱処理工程等において用いられるものである。例えば、誘導発熱ローラ装置１００を２つ用いてシート状の被加熱物Ｗの圧延処理を行うことができる。

本実施形態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の内部に設けられた誘導発熱機構３とを備えている。

ローラ本体２の両端部には中空の駆動軸４１を有するジャーナル４が設けられており、当該駆動軸４１は、転がり軸受等の軸受８を介して機台９に回転自在に支持されている。なお、ジャーナル４は、駆動軸４１と、ローラ本体２の軸方向端部に固定されるフランジ４２とを有している。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。また、本実施形態のローラ本体２の側周壁には、気液二相の熱媒体が減圧封入されるジャケット室２Ａが長手方向（回転軸方向）に沿って形成されている。このジャケット室２Ａは、周方向に複数且つ等間隔に形成されている。

誘導発熱機構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複数の誘導コイル３２とを備えている。

円筒状鉄心３１の両端部は、支持軸３３に支持されており、当該支持軸３３は、それぞれ駆動軸４１の内部に挿通されて、転がり軸受等の軸受１０を介して駆動軸４１に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、機台９（固定側）に対して静止状態に保持される。

また、複数の誘導コイル３２は、ローラ本体２の軸方向に沿って設けられており、複数の誘導コイル３２それぞれには外部リード線Ｌ１が接続されている。これら外部リード線Ｌ１には、商用周波数（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）の交流電圧などを印加するための電源回路５が接続されている。電源回路５は、複数の誘導コイル３２それぞれに供給する電力を個別に制御するものである。

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。また、ジャケット室２Ａにより、ローラ本体２の側周壁の回転軸方向の温度分布が均一となる。

そして、電源回路５は、ローラ本体２の温度が所定の温度になるとともに、被加熱物Ｗが所定の厚さ分布となるように、複数の誘導コイル３２それぞれに供給する電力を個別にフィードバック制御する。ここで、ローラ本体２の温度は、ローラ本体２の側周壁においてジャケット室２Ａよりも径方向外側に設けられた温度センサ（不図示）により検出される。また、被加熱物Ｗの厚さ分布は、例えばレーザ変位計などを用いた複数の厚みセンサ（不図示）により検出される。

しかして、本実施形態の誘導発熱ローラ装置１００は、ローラ本体２に冷媒を供給してローラ本体２を冷却する冷却機構６をさらに備えている。

冷却機構６は、被加熱物Ｗがローラ本体２から奪う負荷熱量に加えて、冷媒を用いてローラ本体２から負荷熱量を奪うものである。本実施形態の冷却機構６は、ローラ本体２の軸方向において所望の変形代（熱膨張差）を得るために不足した負荷熱量を奪うものである。ここで、「不足した負荷熱量」＝「所望の変形代（熱膨張差）を得るための負荷熱量」－「被加熱物がローラ本体から奪う負荷熱量」である。

具体的に冷却機構６は、ローラ本体２の中空内に冷媒を供給してローラ本体２の内面を冷却するものである。この冷却機構６は、例えばローラ本体２の一方のジャーナル４に形成された冷媒導入ポート（不図示）からローラ本体２の中空内に冷媒を供給し、他方のジャーナル４に形成された冷媒導出ポート（不図示）から冷媒を導出する。冷媒としては、所定温度に冷却された冷却ガスであっても良いし、液状又はミスト状の冷却液であっても良い。

この冷却機構６により供給される冷媒量は、被加熱物Ｗがローラ本体２から奪う負荷熱量に応じて、冷却機構制御部７によって制御される。つまり、冷却機構制御部７は、「被加熱物がローラ本体から奪う負荷熱量」≧「所望の変形代を得るための負荷熱量」の場合は、冷媒量をゼロとしてローラ本体２に冷媒を供給しない。一方、冷却機構制御部７は、「所望の変形代を得るための負荷熱量」＞「被加熱物がローラ本体から奪う負荷熱量」の場合は、「不足した負荷熱量」に基づく所定の冷媒量をローラ本体２に供給する。なお、冷却機構制御部７は、冷却機構６の冷媒供給路６１に設けられた流量制御機器６２を制御することによって冷媒量を制御する。ここで、被加熱物Ｗがローラ本体２から奪う負荷熱量は、ローラ本体２を所定の温度に制御するために必要な複数の誘導コイル３２の電力（ｋＷ）から求まる。

次に、冷却機構６の作用を図３を参照して説明する。なお、図３は、説明の便宜上、第１～第５の誘導コイル３２を用いた例を示している。

（１）「被加熱物がローラ本体から奪う負荷熱量」≧「所望の変形代を得るための負荷熱量」の場合
電源回路５は、ローラ本体２の温度が２００℃となるように複数の誘導コイル３２に供給する電力を制御し、その時の被加熱物Ｗがローラ本体２から奪う負荷熱量が３０ｋＷであったとする。

ここで、電源回路５は、熱処理後の被加熱物Ｗの厚さ分布が均一となるように、複数の誘導コイル３２それぞれに供給する電力を個別に制御する。熱処理後の被加熱物Ｗの厚さ分布が均一とするためには、第１、第２、第４、第５の誘導コイル３２の電力が５ｋＷであり、第３の誘導コイル３２の電力が１０ｋＷであるとする。厚さを均一にするためには、例えば第３の誘導コイルの電力と第２の誘導コイルの電力との差が５ｋＷ必要であり、所望の変形代を得るための負荷熱量は３０ｋＷとなる。

（２）「所望の変形代を得るための負荷熱量」＞「被加熱物がローラ本体から奪う負荷熱量」の場合
被加熱物がローラ本体２から奪う負荷熱量が１０ｋＷとなった場合でも、電源回路５は、ローラ本体２の温度が２００℃となるように複数の誘導コイル３２に供給する電力を制御する。

電源回路５は、熱処理後の被加熱物Ｗの厚さ分布が均一となるように、複数の誘導コイル３２それぞれに供給する電力を個別に制御するが、複数の誘導コイル３２への合計電力１０ｋＷのため、第１、第２、第４、第５の誘導コイル３２の電力が約１．６ｋＷであり、第３の誘導コイル３２の電力が約３．２ｋＷとなってしまう。そうすると、例えば第３の誘導コイル３２の電力と第２の誘導コイル３２の電力との差が約１．６ｋＷとなってしまい、厚さを均一にするために必要な５ｋＷに満たない。

この場合において、冷却機構６によりローラ本体２を冷却して、不足する負荷熱量２０ｋＷを補うことにより、電源回路５によって複数の誘導コイル３２に３０ｋＷの電力を供給されることになる。そうすると、第１、第２、第４、第５の誘導コイル３２の電力が５ｋＷとなり、第３の誘導コイル３２の電力が１０ｋＷとなるので、所望の変形代を得るための負荷熱量となる。その結果、熱処理後の被加熱物Ｗの厚さ分布が均一とすることができる。

＜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、電源回路５により複数の誘導コイル３２それぞれに供給する電力を個別に制御することで、ローラ本体２の軸方向における所望の位置における熱膨張量を調整することができる。そして、本実施形態では、冷却機構６によりローラ本体２を冷却しているので、被加熱物Ｗがローラ本体２から奪う負荷熱量が小さい場合であっても、被加熱物Ｗの厚さ分布の均一化に必要な負荷熱量を冷却機構６により補うことができるので、被加熱物Ｗがローラ本体２から奪う負荷熱量に関わらず、ローラ本体２の軸方向における所望の位置における熱膨張量を調整することができる。さらに、本実施形態の誘導発熱ローラ装置１００を用いてシート状の被加熱物Ｗの圧延処理を行う場合に、ニップ圧力を均一にすることができ、高品質なシート状製品を製造することが可能となる。

＜その他の変形実施形態＞
例えば、図４に示すように、冷却機構６がローラ本体２の側周壁においてジャケット室２Ａよりも径方向内側に形成された冷媒流通路２１に冷媒を供給するものであっても良い。冷媒流通路２１は、周方向に複数且つ等間隔に形成されている。冷却機構６は、冷媒流通路２１に対して例えばローラ本体の一方のジャーナル４に形成された冷媒導入ポートから冷媒を供給し、他方のジャーナル４に形成された冷媒導出ポートから冷媒を導出する。

また、図５に示すように、冷却機構６がローラ本体２の内面において複数の誘導コイル３２に対向する部分それぞれに個別に冷媒を供給するものであることが望ましい。具体的に冷却機構６は、複数の冷媒供給口６３を有しており、複数の冷媒供給口６３それぞれから冷媒を供給する／供給しないを切り替えることができる。例えば、冷却機構６は、複数の冷媒供給口６３それぞれが形成された複数の供給管６４を有し、当該複数の供給管６４それぞれに開閉弁（不図示）を設けることが考えられる。なお、冷媒供給口６３の数は、誘導コイル３２の数と同じであっても良いし、異なっていても良い。この構成であれば、ローラ本体２の内面における所定部位の局所的な低温化が可能となり、熱膨張による変形代の軸方向における相対差（熱膨張差）を最大化することができる。

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
２Ａ ・・・ジャケット室
３２ ・・・複数の誘導コイル
５ ・・・電源回路
６ ・・・冷却機構
７ ・・・冷却機構制御部
２１ ・・・冷媒流通路

Claims (7)

1. 中空円筒状のローラ本体と、
   前記ローラ本体の中空内に軸方向に沿って設けられた複数の誘導コイルと、
   前記複数の誘導コイルそれぞれに供給する電力を個別に制御する電源回路と、
   前記ローラ本体に冷媒を供給して前記ローラ本体を冷却する冷却機構とを備える、誘導発熱ローラ装置。
2. シート状の被加熱物を熱処理するものであり、
   前記電源回路は、前記ローラ本体の温度が所定の温度になるとともに、前記被加熱物が所定の厚さ分布となるように、前記複数の誘導コイルそれぞれに供給する電力を個別に制御する、請求項１に記載の誘導発熱ローラ装置。
3. 負荷熱量に応じて前記冷却機構による冷媒の供給量を制御する冷却機構制御部をさらに備える、請求項１又は２に記載の誘導発熱ローラ装置。
4. 前記ローラ本体の側周壁に気液二相の熱媒体が封入されるジャケット室が形成されている、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. 前記冷却機構は、前記ローラ本体の中空内に冷媒を供給するものである、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。
6. 前記冷却機構は、前記ローラ本体の側周壁において前記ジャケット室よりも径方向内側に形成された冷媒流通路に冷媒を供給するものである、請求項４に記載の誘導発熱ローラ装置。
7. 前記冷却機構は、前記ローラ本体の内面において前記複数の誘導コイルに対向する部分それぞれに個別に冷媒を供給するものである、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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