JP2844149B2 - 熱交換ロールおよびこれを用いた加熱、冷却ロール装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は熱交換ロールおよびこれ
を用いた冷却、加熱ロール装置に関する。さらに詳しく
は、スチールシート（原板）の表面に合成樹脂層をラミ
ネートする場合に用いるラミネートロールと当接し、ラ
ミネートロールの表面を冷却または加熱するためなどに
用いる熱交換ロールおよび一本で加熱、冷却を行いうる
加熱、冷却ロール装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般的な冷却ロールは内部を中空にし、
両端の支持軸をパイプ状にして一方から冷却水を送り込
み、他方から流出させる構成を採用している。しかしこ
の方式ものは冷却ロールの幅方向に温度差が生ずる。す
なわち冷却水の供給側で低温になり、流出側でいくらか
高温になる。かかる問題を解決する冷却ロールとして、
中空ロールを二重に構成し、外シリンダ（ジャケット）
に蒸発、凝縮を繰り返す熱媒体を封入すると共に内シリ
ンダに水などの冷却材を通すようにした二重構造の冷却
ロールが提案されている（実公昭５８−５３４５７号公
報）。一方、冷却効率を高めるため、前記内シリンダに
代えて、軸方向に延びる複数本の冷却水管を中空ロール
の内壁面に沿って配列することにより熱交換面積を増加
し、さらに中空ロールの内壁面にウイックを張設したラ
ミネート紙製造装置用および熱間圧延鋼板冷却用の冷却
ロールが提案されている（特公平４−２７２０号公
報）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前記二重構造の冷却ロ
ールは構造が簡単である半面、冷却能力が低い。他方、
多数本の水冷却管を用いた冷却ロールは構造が複雑で製
造コストが高く、しかも小径ロールには適しない。さら
に低温の対象物を冷却する場合は効率が低い。また、前
記いずれの従来の冷却ロールも、熱膨張による応力が発
生するので、温度差が大きい場合には使用できないとい
う問題がある。本発明は前記従来の冷却ロールの問題を
解消し、冷却ロールを一重構造として構造が簡単で製作
コストが低く、しかも冷却能力が高い冷却ロールを提供
することを第１の課題としている。さらに本発明は熱応
力が生じにくく、そのため温度差が大きい場合でも使用
でき、それにより冷却ロールだけでなく加熱ロールとし
ても使用しうるロール、すなわち熱交換ロールを提供す
ることを第２の課題としている。また本発明は、前記熱
交換ロールの利点を活用し、１本のロールで冷却、加熱
の両方を行うことができる加熱、冷却ロール装置を提供
することを第３の課題としている。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明の熱交換ロール
は、蒸発／凝縮を繰り返す一次熱媒体を封入した一重の
中空ロールと、前記一次熱媒体と熱交換させるため二次
熱媒体を循環させるべく前記中空ロール内に収容し、外
部と連通させた螺旋管とからなる熱交換ロールであっ
て、前記螺旋管が中空ロールと同心状に、かつ前記一次
熱媒体の凝縮液中に浸漬されて中空ロールの内壁にほぼ
密接して配置されており、前記螺旋管の密に捲回された
螺旋ループ同士の間にロールと螺旋管の熱膨張による伸
縮を許容する隙間が形成されていることを特徴とする。
この場合、螺旋管が中空ロールの内壁に接して配置され
ていると熱交換効率が向上し好ましい。また、一次熱媒
体が水等の常温常圧で液体である場合は、中空ロールに
当該液体を減圧封入するための逆止弁を外部に向かう方
向が流れ方向となるように設けるのが好ましい。螺旋管
は一条の螺旋でも良く、また中間で折り返して二条の螺
旋にしてもよい。本発明の冷却、加熱ロール装置は、前
記熱交換ロールを金属板の表面に合成樹脂層をラミネー
トするラミネートロールとして用いることを特徴とし、
回転自在に支持された前記熱交換ロールと、前記螺旋管
に冷却用二次熱媒体と加熱用二次熱媒体とを切り換え自
在に循環させるための冷熱媒体供給装置とから構成され
ることが望ましい。

【０００５】

【作用】本発明の熱交換ロールを冷却ロールとして使用
する場合は、中空ロール内に封入した一次媒体は中間ロ
ールの外表面からの熱を受けて蒸発したのち、螺旋管の
表面において管内を流れる冷却用の二次熱媒体により熱
が奪われて凝縮する。螺旋管は該ロールの回転につれて
液相の一次熱媒体に浸漬されるとともにこれら一次熱媒
体の凝縮により常に濡れた状態にあるから、その螺旋外
周がロール内壁にほぼ密接して配置されていることによ
り、回転する中空ロールの全内周面において一次熱媒体
の蒸発が促進され、熱交換効率を向上することができ
る。一方この熱交換により昇温した二次熱媒体は外部に
排出され、あるいは外部で放熱して再び螺旋管に戻る。
加熱ロールとして使用する場合は、上述とは逆に、一次
熱媒体は中空ロールの内表面で凝縮され、螺旋管を通し
て二次媒体から熱を受け、蒸発する。この時は中空ロー
ルの内周面はその回転につれてロール下部の液相の一次
熱媒体が供給されると共に蒸発した一次媒体が凝縮する
ことにより全内周面が濡れた状態にあるから、螺旋管が
該ロール内壁にほぼ密接していることにより、この一次
熱媒体の蒸発が促進されることとなる。また、本発明の
螺旋管の密に捲回されている構成によってこれらの熱交
換を効率よく行え、またロール表面の温度分布を均一に
することができる。本発明の熱交換ロールは二次熱媒体
を通ずるための螺旋管を用いているので、各ループを近
隣して配置することができ、また細い管を用いることが
できる。それにより熱交換する表面積を冷却ロールの表
面よりはるかに大きくすることができる。また流量が同
一であれば、螺旋パイプ方式の方が管路抵抗が少なく、
二次媒体と螺旋管内面との熱伝達を大きくすることがで
き、全体としてロールの熱伝達効率が向上する。このよ
うにして本発明の第一の課題が達成される。さらに螺旋
管は、中空ロールに固着させたり、あるいは中空ロール
内に設けたシャフト等に巻き回すことなく中空ロール内
にいわばフリーの状態で配置されているので、軸方向に
変形し易く、中空ロールの温度と螺旋管の温度の差が大
きい場合でも、熱膨張による伸縮を吸収し、大きい応力
が発生しない。したがって、冷却、加熱しようとする対
象とロールとの温度差が大きい場合でも使用可能であ
る。またそのために冷却、加熱のいずれの用途にも使用
可能である。なお螺旋管の各ループ間を積極的に隙間を
あけているので一層伸縮自在となる。以上のようにし
て、本発明の第二の課題も達成される。請求項３の熱交
換ロールでは、中空ロール内に液体、たとえば水を入れ
たのち、中空ロール全体を加熱すると蒸気が充満し、内
部の空気が逆止弁から放出される。つぎに中空ロールを
冷却すれば、逆止弁が外部からの空気の流入を阻止する
と共に上記が液体に戻るので、減圧状態になる。したが
ってきわめて簡単に中空ロールの内部を減圧状態にする
ことができる。請求項４の熱交換ロールは、一方の支軸
のみにロータリジョイントを設ければよく、そのため他
方の軸で回転駆動が可能にできる。さらに往復の二条の
螺旋管の間でも熱交換されるので、ロールの幅方向を一
層均一な温度にすることができる。請求項５又は６の冷
却、加熱ロール装置は、一本のロールで冷却ロールと加
熱ロールの両方を兼用しうるので、別個に取り付ける場
合に比べて装置のコンパクト化を図ることができる。

【０００６】

【実施例】つぎに図面を参照しながら本発明の熱交換ロ
ールおよび冷却、加熱ロール装置を説明する。図１は本
発明の熱交換ロールを冷却ロールＡに応用した実施例の
断面図である。この冷却ロールＡは外筒５と端部材５
ａ、５ｂとからなる耐圧性の中空ロール１を有し、端部
材５ａ、５ｂの中心にそれぞれ突設したパイプ状の支持
軸２、３により回転自在に支持することができる。さら
に中空ロール１の内部には、外筒５とほぼ近接するよう
に１本の螺旋管４が収容されている。螺旋管４の中心線
は外筒５の中心線と共通である。螺旋管４の両端４ａ、
４ｂは半径方向内向きに曲げられ、さらに中心線に沿う
ように曲げられたうえで、前記支持軸２、３に形成され
た冷却水通路６、７に連結されている。一方の冷却水通
路６は入り口側であり、ロータリジョイントを介して二
次熱媒体である水を供給するための管路に連結される。
他方の冷却水通路７は出口側であり、排出口に接続され
る。なお空気冷却などで放熱した後、再び供給管路に戻
すようにしてもよい。

【０００７】一方、中空ロール１内は密閉されて減圧さ
れており、水またはその他の液体８が蒸発と凝縮を繰り
返す一次媒体として適量だけ封入されている。以上のよ
うに構成される冷却ロールＡは、たとえば図５に示すよ
うにスチールシートからなる原板１０に合成樹脂層をラ
ミネートするためのラミネートロール１１に当接し、そ
の周上を転動させてラミネートロール１１を冷却するた
めに用いられる。なお１２は加熱ロール（誘導加熱ロー
ル）である。その場合、冷却ロールＡの表面はラミネー
トロール１１により加熱される。一方、冷却ロールＡの
回転に伴い、一次媒体である液体８が冷却ロールＡの内
表面を濡らしているので、この液体８が蒸発するときの
蒸発潜熱で外筒５の内面から冷却される。そして蒸発し
た一次熱媒体の蒸気は、冷却水が通っている螺旋管４に
より冷却され、その表面に凝縮して液体に戻る。螺旋管
４自体はその内部を流れる前述の冷却水により常時冷却
されている。

【０００８】したがってラミネートロール１１の熱は最
終的には二次熱媒体である冷却水により冷却ロールＡの
外部に搬送されることになる。このように本発明の熱交
換ロールを利用した冷却ロールＡはロールの回転と一次
熱媒体の蒸発、凝縮の繰り返しにより、相手のラミネー
トロール１１、あるいはラミネートロールとの間に通す
原板、ラミネートシートなどを冷却することができる。

【０００９】図１の実施例においては螺旋管４を外筒５
の内壁に密接させて安定させているが、隙間をあけるよ
うにしてもよい。また螺旋管４の各ループが密着してい
ても螺旋管６は軸方向に弾性変形可能であるが、隣接す
るループ同士の間に隙間があくようにするのが好まし
く、それにより二次熱媒体の蒸気または冷却水の流通を
スムーズにし、しかも螺旋管４の伸縮量を大きくする効
果がある。とくに後者は、冷却すべき対象と冷却水との
温度差が大きい場合に効果的であり、熱膨張による応力
発生を低減させる。前記実施例では螺旋管４内に二次熱
媒体として冷却水を通し、熱交換ロールを冷却ロールと
して使用している。

【００１０】これとは逆に二次熱媒体として高温水ない
し水蒸気などを通すことにより、同じ熱交換ロールを加
熱ロールとして使用しうる。その場合は減圧封入されて
いる一次熱媒体の液体８（前述の実施例では水）は、螺
旋管４の壁を通して二次熱媒体によって加熱されて蒸発
し、外筒５の内面で凝縮して外筒５に熱を与える。この
場合もロールの幅方向（軸方向）における均熱性が高
い。

【００１１】つぎに図２の熱交換ロールを説明する。こ
の熱交換ロールＢも図１の場合と同じく冷却ロールとし
て使用するそのものであるが、螺旋管４が中央４Ｃで折
り返され、二条の螺旋になっている。すなわちＵ字状に
二つ折にして２本にしたパイプを２本一緒にほぼ密に螺
旋巻きした構造になっている。このものは両端部４ａ、
４ｂが同じ側（図２では右側）にくるので、１本の支持
軸２に設けた二重のロータリジョイント（図示していな
い）に接続して外部と連通する。すなわち図２の実施例
では、入り口側端部４ａを支持軸２と同心状に連結し、
出口側端部４ｂを端部材５ａの内部に形成した通路１３
を介して支持軸２に対して半径方向に連結している。こ
のような構成をとることにより他方の支持軸３は中空に
する必要がない。そのためその支持軸３の延長部を直接
駆動軸３ａとして利用することができ、駆動システムを
簡単化できる利点がある。また螺旋管４のループは、入
り口側（低温側）と出口側（高温側）とが交互に並ぶの
で、軸方向の温度が一層均一化される利点がある。なお
図２に示す熱交換ロールも加熱ロールとして使用しう
る。

【００１２】本発明の熱交換ロールにおいて一次熱媒体
としては前述の水のほか、フルオロカーボン類、ナフタ
リン、キノリン、アルコール類など、蒸発と凝縮とを繰
り返す熱媒体をいずれも使用しうる。しかし入手しやす
く、無害、安価であることから、通常は水を用いる。ま
た二次熱媒体も通常は水である。一次熱媒体として水な
どの常温常圧で液体の熱媒体を用いる場合、これらの熱
媒体が蒸発しやすいように中空ロール内を減圧状態とす
る。このような減圧状態を実現するためには従来と同じ
く真空ポンプを用いることもできるが減圧後の密閉が比
較的困難であるので、以下の方法によるのが特に好まし
い。

【００１３】すなわち図３に示すように端部材５ａを貫
通して内外を連通する逆止弁９を設けておく。逆止弁９
の向きは、内から外へ自由に連通し、外から内への流れ
を遮断する向きである。このようにして中空ロール１内
に水を適量入れておき、中空ロール１全体を外部から約
１００℃以上で加熱する。そうすると内部の水が水蒸気
となり、高圧になって空気と共に逆止弁９から排出され
る。そして内部がほとんど水蒸気で占められたときに加
熱をやめて冷却する。その結果水蒸気が水に戻り、減圧
状態が得られる。このような方法により、安価にかつ簡
単に減圧状態をうることができる。なおこの方法はもち
ろん水以外の熱媒体にも用いることができる。

【００１４】本発明の熱交換ロールは前述のように螺旋
管４を通す二次熱媒体により、冷却ロールとしても加熱
ロールとしても使用できる。したがってたとえば図５に
示すラミネート装置におけるラミネートロールを冷却す
るための冷却ロールＡだけでなく、加熱するための加熱
ロール１２として同じものを使用することができる。し
かし加熱と冷却は通常は同時に行われず、原板１０の処
理内容に応じていずれか一方だけである。この点に着目
し、１本の熱交換ロールを冷却ロールと加熱とに兼用さ
せたのが図４に示す冷却、加熱ロール装置１４である。
このものはたとえば図１の冷却ロールＡにおける入り口
側の冷却水通路６に対し、温水供給管路１５と冷却供給
管１６とを切り替え自在に連結したものである。なお符
号ＳＶは管路切り替えバルブである。このようにすれば
１個の熱交換ロールで加熱、冷却の両方の作用を行うこ
とができるので、ラミネート装置の構成が簡単になり、
スペースの節約、保守点検の容易化に役立つ。また加熱
ロール１２は、ライン運転準備時にラミネートロールを
加熱するのに使用するだけでなく、準備時には加熱に使
用し、ライン運転時には冷却に使用するというように切
換使用できる。つぎに具体的な実施例および比較例をあ
げて本発明の熱交換ロールの作用効果を説明する。

【００１５】図６に示す装置１７はスチールシート（厚
さ０．１３〜０．３８ｍｍ、幅１．２ｍ）の片面に、樹
脂の層（厚さ１２〜３８μｍ）をラミネートするために
用いているラミネーターであり、このラミネートロール
１８を冷却するための冷却ロールＡ１を図１に示す構成
により製作した。なお図６の１９は加熱用の誘導加熱ロ
ールである。図７に示すように、冷却ロールＡ１の構成
は、外径Ｄ：２０ｃｍ、ロール有効幅Ｌ：１．２ｍ、ロ
ール材質：ＳＴＫＭ１３Ａで、表面に硬質クロムメッキ
を施している。

【００１６】（比較例１）従来の冷却水を直接通す冷却
ロールを比較例１として用いた。すなわちこのものは実
施例における螺旋管がないものであり、ロール外径、ロ
ール有効幅などは実施例と同じである。 （比較例２）図８（ａ）（ｂ）に示す構成のヒートパイ
プ方式ロール軸方向に複数本の水冷却管２０を備えた冷
却ロールＡ２を購入し、比較例２の冷却ロールとした。
なおロール外径、幅、使用温度、支持軸寸法などを指定
して発注したが、内部構成すなわち水冷却管２０の径、
本数、一次熱媒体の種類、量、内部圧力などは非公開で
ある。

【００１７】〈実験方法〉図６のラミネータに実施例お
よび比較例１、２の各冷却ロールをセットし、誘導加熱
ロール１９の温度２５０℃に設定し、ラミネートロール
１８に冷却ロールＡ１および誘導加熱ロール１９を圧下
し、誘導加熱ロール駆動モータＭによりラミネートロー
ル１８を回転させた（周速：６０ｍ／ｍｉｎ）。この状
態で冷却ロールＡ１に冷却水を流し、（５５ｌ／ｍｉ
ｎ、水圧２．６ｋｇ／ｃｍ２）、各ロールの表面温度
（両端からそれぞれ１５０ｍｍの位置）、冷却水温度、
誘導加熱ロールの出力および使用電流をほぼ１０分おき
に測定した。その結果を表１〜２および図９に示す。な
お誘導加熱ロール温度は、ロールシェル内熱電対の出力
により、ラミネートロールおよび冷却ロールの表面温度
は接触式温度計（理化工業（株）製ＤＰ−５００Ｃ）に
より、冷却水温度は棒状アルコール温度計により測定し
た。またラミネートロール表面温度は、冷却ロールの前
後（図６のの位置）でそれぞれ冷却水の入り口側
（海側）および出口側（山側）の４点を測定した。

【００１８】

【表１】

【００１９】

【表２】

【００２０】表２によれば、実施例では冷却ロールと当
接した直後のラミネートロールの表面温度がほとんど１
００℃以下まで冷却されており、比較例１〜２では１０
０℃以上であることがわかる。また、図９のグラフから
明らかなように、実施例では時間が経過してもラミネー
トロール表面温度の上昇が緩やかであるのに対し、比
較例１では温度の上昇が急であり、比較例２ではさらに
急であることがわかる。これらの結果から、螺旋管のヒ
ートパイプを用いた実施例の冷却効果が高いことおよび
幅方向の温度分布がよいことが理解される。

【００２１】〈熱伝達率計算〉以上の測定結果に基づ
き、各冷却ロールの評価をするため、ロール表面平均温
度を求めたうえで熱伝達率を計算した。熱伝達率は次の
式による。

【００２２】

【数１】

【００２３】各符号は以下の通りである。 α：熱伝達率（Ｋｃａｌ／ｍ2 ｈ℃） ｍ：冷却水流量（ｍ3 ／ｈ） Ｔ１：入口側水温（℃） Ｔ２：出口側水温（℃） Ｔ：ロール表面平均温度（℃） Ｄ：ロール外径（ｍ） Ｌ：ロール有効幅（ｍ） Ｃ：水の比熱量＝１（Ｋｃａｌ／ｋｇ℃） γ：水の比重量＝１０００（ｋｇ／ｍ3 ） 上記計算式によれば、実施例、比較例の熱効率はつぎの
表３のようになる。

【００２４】

【表３】

【００２５】以上の結果から、実施例の冷却ロールは比
較例１の２倍近く、比較例３の３倍近い冷却能力がある
ことがわかる。

【００２６】

【発明の効果】本発明の熱交換ロールは、ロール内にシ
ャフトを設けることなしに一重の構造としたので、構成
が比較的単純であり、製造コストが低い。しかも熱伝達
効率が高く、幅方向に温度のムラを生じにくく、対象物
と冷却水の温度差が高い場合に有効である。またそのた
め加熱ロールと冷却ロールの両方に使用しうる。また、
螺旋管のループに隙間をあけたので、一層伸縮しやすい
利点がある。請求項３の熱交換ロールは、中空ロール内
を減圧する作業がきわめて簡単である。請求項４の熱交
換ロールは、回転駆動が容易で、しかもロール幅方向の
温度差が一層少ない利点がある。請求項５，６の冷却、
加熱ロール装置は、１本のロールで冷却と加熱を行うの
で、装置のスペースが少なく、構造も簡単になる利点が
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の熱ロールの一実験例を示す断面図であ
る。

【図２】本発明の熱交換ロールの他の実験例を示す断面
図である。

【図３】本発明の熱交換ロールのさらに他の実施例を示
す要部断面図である。

【図４】本発明の冷却、加熱ロール装置の一実施例そ示
す概略側面図である。

【図５】本発明の熱交換ロールの使用例を示す概略側面
図である。

【図６】実施例と比較例の比較試験に用いたラミネート
の概略側面図である。

【図７】実施例の冷却ロールの概略断面図である。

【図８】図８（ａ）および図８（ｂ）はそれぞれ比較例
２の冷却ロールの縦断面図および横断面図である。

【図９】実施例および比較例１〜２の冷却ロールで冷却
したラミネートロールの表面温度の時間経過を示すグラ
フである。

【符号の説明】

Ａ 冷却ロール Ｂ 冷却ロール １ 中空ロール ２ 支持軸 ３ 支持軸 ３ａ 駆動軸 ４ 螺旋軸 ５ 外筒 ８ 液体（一次熱媒体） ９ 逆止弁 １４ 冷却、加熱ロール装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭58−61318（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−42730（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−128124（ＪＰ，Ａ) 実開 昭52−81470（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭60−108819（ＪＰ，Ｕ) 実開 平４−65365（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭49−4095（ＪＰ，Ｂ１) 特公 昭40−14242（ＪＰ，Ｂ１) 実公 昭54−24096（ＪＰ，Ｙ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F16C 13/00 F28D 15/02

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 蒸発／凝縮を繰り返す一次熱媒体を封入
   した一重の中空ロールと、前記一次熱媒体と熱交換させ
   るための二次熱媒体を循環させるべく前記中空ロール内
   に収容し、外部と連通させた螺旋管とからなる熱交換ロ
   ールであって、前記螺旋管が中空ロールと同心状に、且
   つ前記一次熱媒体の凝縮液中に浸漬されて中空ロールの
   内壁にほぼ密接して配置されており、前記螺旋管の密に
   捲回された螺旋ループ同士の間にロールと螺旋管の熱膨
   張による伸縮を許容する隙間が形成されている熱交換ロ
   ール。
2. 【請求項２】 前記螺旋管が中空ロールの内壁に接して
   配置されている請求項１記載の熱交換ロール。
3. 【請求項３】 前記一次熱媒体が常温常圧で液体であ
   り、前記中空ロールに、該液体を減圧封入するための逆
   止弁を外部に向かう方向が流れ方向となるように設けた
   請求項１記載の熱交換ロール。
4. 【請求項４】 前記中空ロールを回転自在に支持させる
   べく両端に設けた一対の支軸のうち一方が中空であり、
   前記螺旋管が中間で折り返されて二条の螺旋に形成され
   ると共に、螺旋管の両端が前記中空の支軸を通して外部
   と連通している請求項１記載の熱交換ロール。
5. 【請求項５】 前記請求項１〜４のいずれかに記載の熱
   交換ロールを用いた冷却、加熱ロール装置において、前
   記熱交換ロールを、金属板の表面に合成樹脂層をラミネ
   ートする場合に用いるラミネートロールと当接させ、ラ
   ミネートロールの表面を冷却または加熱するために用い
   ることを特徴とする冷却、加熱ロール装置。
6. 【請求項６】 請求項５の冷却、加熱ロール装置におい
   て、前記螺旋管に通す二次熱媒体を切り替えることによ
   り、前記熱交換ロールを冷却ロールまたは加熱ロールと
   して使用することを特徴とする冷却、加熱ロール装置。