JP3959059B2 - 通電ロール装置 - Google Patents

Description

本発明は、通電ロール軸に複数の通電ブラシを押しつけて通電を行う通電ロール装置に関する。

通電ロール軸に複数の通電ブラシを押しつけて通電を行う通電ロール装置は、従来から、鋼板の加熱設備やメッキ設備、リフロー設備等において用いられている。
この通電ロール装置においては、通電ロールとブラシとの間の抵抗を小さくして通電性能を確保するために、ブラシと接触するロール軸の外面にコレクターリングと呼ばれる銅製のリングを焼き嵌めする方法が採用されている。
しかし、通電ロール軸の抵抗の影響により、軸部分が発熱し、焼き嵌めした銅製のリングが外れてしまうという問題点や、機械磨耗によりブラシや通電ロール軸部分の寿命が短くなり、取り替え頻度が多いという問題点があった。

また、特許第３３０８８４４号公報には、通電ロール軸の外周面に銅の硬質メッキ層を設けることによって、コレクターリングとロール軸との接触不良に起因する電刷子（ブラシ）、リード線の焼損トラブル、ロール本体補修作業時のコレクターリング取り外し、取り付け、スリ合わせ調整の作業を解消するとともに、摺動集電部材（ブラシ）の寿命を延長する方法が提案されている。
しかし、この従来技術のように硬質銅メッキを採用してもその硬度は、Hv=200程度が限界であり、大電流通電用の銅系の通電ブラシを採用する場合には、通電条件にもよるが数ヶ月で取替えが必要なレベルまで磨耗するのが実態であった。
このように従来の方法では、ロール軸部の通電面の金属として銅を用いている以上、ブラシおよび通電ロール軸における定常的な磨耗により寿命が短いという問題点は解消されていなかった。
特許第３３０８８４４号公報

そこで、本発明は、前述のような従来技術の問題点を解決し、通電ロール軸に複数の通電ブラシを押しつけて通電を行う通電ロール装置において、特定のブラシの電流集中によるブラシの異常損耗を防止するとともに、ブラシ寿命および通電ロール軸の寿命を延長することができる通電ロール装置を提供することを課題とする。

本発明は、前述の課題を解決するため、通電ブラシと接触する通電ロール軸の外面に、通電ロール軸より表面硬度および電気抵抗が高い薄膜を形成することにより、特定のブラシへの電流集中によるブラシの異常損耗を防止するとともに、ブラシ寿命および通電ロール軸の寿命を延長することができる通電ロール装置を提供するものであり、その要旨とするところは、特許請求の範囲に記載した通りの下記内容である。

（１）通電ロール軸に複数の通電ブラシを押しつけて通電を行う通電ロール装置において、前記通電ブラシと接触する通電ロール軸の外面に、該通電ロール軸より表面硬度および電気抵抗が高い薄膜を形成することを特徴とする通電ロール装置。
（２）前記薄膜を、Ｎｉ：５〜１５質量％を含有し、残部がタングステンカーバイト（ＷＣ）および不可避的不純物からなる溶射皮膜とすることを特徴とする（１）に記載の通電ロール装置。

本発明によれば、通電ブラシと接触する通電ロール軸の外面に、電気抵抗が高い薄膜を形成することにより、特定のブラシへの電流集中によるブラシの異常損耗を防止するとともに、ブラシ寿命および通電ロール軸の寿命を延長することができる通電ロール装置を提供することができ、具体的には以下のような産業上有用な著しい効果を奏する。
１）通電ロール軸の表面にロール軸よりも電気抵抗の高い薄膜を溶射することにより、積極的にロール軸部分に電流を流してブラシ電流を均一化して、特定のブラシへの電流集中によるブラシの異常損耗を防止することができる。
２）薄膜の材質として耐磨耗性に優れたタングステンカーバイト（ＷＣ）という硬質の溶射材（Hv1100）を選定することにより磨耗寿命を著しく向上させ、ブラシおよびロール軸の交換頻度を従来の数ヶ月から数年単位まで低減させることができる。
３）薄膜に耐酸化性を有するNiを５〜１５質量％添加することにより、経年変化による薄膜の安定性を向上させることができる。

本発明を実施するための最良の形態について、図１乃至図３を用いて詳細に説明する。
図１は、本発明の通電ロール装置における実施形態を例示する図である。
図１において、１は通電ロール、２は通電ロール軸、３はブラシ、４は薄膜を示す。
図１において、電流は給電ブスバーからブラシ３を介して通電ロール軸３から通電ロール１に供給され、このブラシに流れる電流を均一化することにより、特定のブラシへの電流集中によるブラシの異常損耗を防止することができる。
このブラシの通電分布均一化のための方法として、従来は、前述のように通電ロール軸２に銅製のコレクターリングを嵌めたり、銅を厚メッキしたりすることにより、通電ロール軸２とブラシ３の間の電気抵抗を小さくしていた。
しかし、この方法では柔らかい銅を用いているが故に銅系のブラシを使用した際では、早い速度でブラシおよび通電ロール軸が磨耗する。

すなわち、従来の「ブラシの通電分布均一化技術」の方法の根底には、通電ロール軸２の外表面に銅、アルミ、銀等のできる限り電気抵抗の小さい材料を厚く形成しその部分に積極的に通電させることを常識として考えられていたため、どうしても金属自体の物性としての硬さを超えることができなかった。
そこで、本発明者らは、従来の技術の常識を覆し、原理原則から「ブラシの通電分布の均一化」という課題を達成するための方法を見直し、今回新たな方法論を見出し、その方法に基づく具体的な適用を実施したところ、従来と比較して、ブラシ寿命およびロール軸部分の寿命を共に飛躍的に延ばすことができることを確認することができた。
すなわち、本発明らは、通電ロール１に複数の通電ブラシ３を押しつけて通電を行っている通電ロール装置において、通電ブラシ３と接触する通電ロール軸３の外面に、従来の常識とは全く逆の発想から、電気抵抗が高い薄膜４を形成することにより、通電ロール軸２に積極的な通電を促してブラシ間の電流分布を均一化し特定のブラシへの電流集中を防止することにより、ブラシの異常磨耗現象を防止してブラシ寿命を延長させ、設備の稼働率向上やブラシ研磨粉による絶縁低下といったトラブルを防止することができることを見出した。

＜通電モデル＞
図２は、本発明の通電ロール装置におけるブラシ電流の均一化方法の効果を検証するための通電モデルを示す図である。
図２において、１は通電ロール、２は通電ロール軸、３はブラシ、４は薄膜、５は軸受け、６は鉄板を示す。
図２において、通電ロール１の軸方向に複数のブラシが設けられているが、その複数のブラシの部分だけをクローズアップした図３のような等価回路を考え、各ブラシ電流I1とI2とI3の電流分布の均一化を解決する問題を考える。
分流した各電流の関係式を求めると下記の式１および式２のように示される。
I1(R0+R1)＝I2・R0・・・（式1）
I2・R0＋（I1＋I2 ）R1= I3・R0・・・（式2）
ここに、I1:１番目のブラシを流れる電流（A）
I2:２番目のブラシを流れる電流（A）
R0:ブラシ抵抗（Ω）
R1:軸部ブラシ間抵抗（Ω）
この式１および式２からI1とI2とI3の電流の比を求めると下記の式３になる。
I1：I2：I3＝R0：（R0+R1）：（R0+3R1＋R1・R1/R0）・・・（式３）

＜ブラシの電流均一化の考え方＞
式３よりI1とI2とI3の電流分布の均一化を図るための手段は、２つ考えられ、R1を極力小さくする方法か、それともR0をR1に比べて十分大きくする方法がある。
まず、R1を極力下げる方法は、従来の方法であり、通電面に銅のコレクターリングを嵌めるコレクターリング方式、または、銅を通電ロール軸に直接メッキするコレクターリングレス方式があるが、どちらもR1と並列に低抵抗の銅の分流路を作り、等価的にR1を下げる方式である。
一方、本発明法である、通電ブラシと接触する通電ロール軸の外面に、電気抵抗が高い薄膜を形成することにより、等価的にブラシ抵抗R0を軸部ブラシ間抵抗R1に比べて十分大きくすれば、通電ロール軸の電気抵抗の影響は相対的に小さくなるので、特定ブラシへの電流の集中を防止することができる。

なお、通電ブラシと接触する通電ロール軸の外面に、通電ロール軸より表面硬度および電気抵抗が高い薄膜を形成することにより、通電ロールの消費電力は若干多くなるが、この電力コストの増加分に比べて、ブラシおよびロール軸の交換に要するメインテナンスコストの低減効果の方が大きいうえ、この電力消費によって発生する通電ロールの軸受け５の発熱は軸受け部分の冷却装置によって十分カバーできる範囲である。

また、前記通電ロール軸の外面に形成する薄膜は、Ｎｉ：５〜１５質量％を含有し、残部がタングステンカーバイト（ＷＣ）および不可避的不純物からなる溶射皮膜とすることが好ましい。
タングステンカーバイト（ＷＣ）は、電気抵抗が5.3*10^-5（Ωｍ）程度であり銅の1.67*10^-８（Ωｍ）に比べて著しく電気抵抗が大きいため前述のR0を等価的に大きくしてブラシ電流の均一化を図ることができるうえ、ビッカース硬度で１１００（Ｈｖ）程度の硬度を有しているため、通電ロール軸を磨耗しにくくすることができ、その結果、機械的磨耗によるブラシの損耗を著しく低減することができる。
従来のHv＝２００程度の銅メッキロールおよび大電流を通電するタイプのブラシである銅系ブラシの場合、ブラシとロール軸との硬度差があまりない。基本的にはロール軸の銅メッキの方が硬いが、銅系ブラシは銅とカーボンとの圧縮焼結体であり、硬さが不均一である。この圧縮焼結体の場合、部分的に非常に硬い箇所があり、ロール軸側の銅メッキを傷つけてしまうため、ロール軸部分がレコード状に磨耗し、結果としてカーボン側も機械的に磨耗する。
一方、本発明の好ましい実施形態であるHv=１１００程度のタングステンカーバイト（ＷＣ）の場合、銅系ブラシとの硬度差が大きく、圧縮焼結体が持つ不均一な硬い部分でもロール軸側は全く損傷を受けないので、製作時の鏡面状態を維持することができ、機械磨耗による損耗は発生しない。
また、Ｎｉを５〜１５質量％の範囲で含有させることによって、耐酸化性を向上させることができるので、酸化後の導電率を向上させ、経年による物性変化によって発生するスパークを防止することができる。
なお、本発明においては、通電ロール軸の外面に形成する薄膜の厚さは特に規定しないが、発明者らは種々の厚さの薄膜を用いて実験したところ、0.5ｍｍ〜１.0ｍｍの厚さの薄膜とすることで最も本発明のブラシ電流の均一化効果を発揮することができることを確認した。
発明者らは、通電ロール軸の外面にＮｉ：１０質量％を含有し、残部がタングステンカーバイト（ＷＣ）および不可避的不純物からなる0.5ｍｍ厚さの薄膜を形成したところ、ブラシ電流を均一化させることができ、ブラシおよび通電ロール軸の交換頻度を従来の数ヶ月から数年程度まで著しく低減させることが確認できた。

本発明の通電ロール装置における実施形態を例示する図である。 本発明の通電ロール装置における効果を検証するための通電モデルを示す図である。 本発明における図２の通電モデルの等価回路を示す図である。

符号の説明

１ 通電ロール
２ 通電ロール軸
３ ブラシ
４ 薄膜
５ 軸受け

Claims (2)

1. 通電ロール軸に複数の通電ブラシを押しつけて通電を行う通電ロール装置において、前記通電ブラシと接触する通電ロール軸の外面に、該通電ロール軸より表面硬度および電気抵抗が高い薄膜を形成することを特徴とする通電ロール装置。
2. 前記薄膜を、Ｎｉ：５〜１５質量％を含有し、残部がタングステンカーバイト（ＷＣ）および不可避的不純物からなる溶射皮膜とすることを特徴とする請求項１に記載の通電ロール装置。

Images