JP5535006B2 - 誘導発熱ローラ装置 - Google Patents

Description

本発明は、誘導発熱ローラ装置、この誘導発熱ローラ装置に用いられる制御プログラム及び誘導発熱ローラ装置のローラ本体の表面温度推定方法に関するものである。

従来、例えばプラスチックフィルム、紙、布、不織布、合成繊維、金属箔等のシート材又はウェブ材、線（糸）材等の連続材の連続熱処理工程等には、回転するローラ本体の内部に誘導発熱機構を配置し、これによりローラ本体の周壁を誘導電流によって発熱させる誘導発熱ローラ装置が用いられている。

この誘導発熱ローラ装置においては、特許文献１に示すように、ローラ本体の周壁に温度センサが埋設されており、この温度センサによって周壁の温度を検出するように構成されている。そして、この温度センサの検出信号が回転トランスやスリップリング等の信号送信装置を介して温度調整装置に送信される。この温度調整装置によって、温度センサの検出温度と予め定められた設定温度とが比較されて、その比較結果である出力信号が電力調整装置に送られる。その結果、電力調整装置によって、誘導発熱機構の誘導コイルへの電力供給量が調整されて、ローラ本体の表面温度が調整される。

ここでローラ本体の表面温度を高精度に制御するためには、温度センサをローラ本体の表面温度そのものを検出するように配置することが望ましいが、以下の理由により、ローラ本体の表面から例えば数ｍｍ程度の距離を持たせて埋設する必要がある。

例えばウェブ材に模様を付けるために凹凸加工が施されるローラ本体では、凹凸加工時にローラ本体が大きな外力を受けるため、温度センサを埋設する取付孔は、ローラ本体の表面から十分な肉厚を残した位置でなければ凹凸加工時に埋没してしまう。また、複数本のローラ本体同士をニップしてウェブ材を通過させるカレンダーローラでは、ニップにより大きい圧力を受けるため、温度センサを埋設する取付孔は、ローラ表面から十分な肉厚を残した位置でなければ弾性変形してしまい、均一なカレンダー処理を行うことが難しい。さらに、ローラ本体の運転時にローラ表面が損傷を受けるような用途では、ローラ表面を研磨して損傷を除去する必要があるところ、その研磨代を付与するために、温度センサの取付孔をローラ表面から十分な肉厚を残した位置に設ける必要がある。

しかしながら、温度センサをローラ本体の表面から所定距離を持って埋設させるものであれば、温度センサにより得られた検出温度とローラ本体の表面温度との間に温度差が発生してしまう。そうすると、温度センサの検出温度が表面温度制御の基準となるため、ローラ本体の表面温度は温度差分だけ低くなってしまい、ローラ本体の表面温度を高精度に制御することが難しいという問題がある。その結果、シート材又は連続材の加工処理に不具合が生じてしまう。

ここで、温度センサの検出温度に対してローラ本体の表面温度との温度差を予測し、その予測温度差を足し合わせることにより補償することも考えられるが、シートやウェブの熱処理条件の変更によって温度差が変化するため実用的ではない。また、ローラ本体を旋削や研磨した後ではローラ本体の外径が変化することからローラ表面から温度センサまでの距離が変化し、予め予測された値によって補償することは困難である。

特開２００１−２５０６６８号公報

そこで本発明は、上記問題点を一挙に解決するためになされたものであり、温度センサをローラ表面に可及的に近づけるという発想に依ることなく、ローラ本体の表面温度を得ることができるとともに、ローラ表面から温度センサまでの肉厚を十分に確保可能にすることをその主たる所期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、周壁内に気液二相の熱媒体が封入された複数のジャケット室を有するローラ本体と、前記ローラ本体の内部において前記ローラ本体に対して静止状態に保持され、前記ローラ本体を誘導発熱させる誘導発熱機構と、前記ジャケット室内に設けられた第１の温度センサと、前記ローラ本体の周壁においてその表面及び前記ジャケット室の間に設けられた第２の温度センサと、前記第１の温度センサにより得られた第１の検出温度及び前記第２の温度センサにより得られた第２の検出温度を用いて前記ローラ本体の表面温度を推定し、当該表面温度を予め定められた設定温度とすべく前記誘導発熱機構を制御する制御機構とを具備することを特徴とする。

このようなものであれば、ローラ本体の径方向の異なる位置に第１の温度センサ及び第２の温度センサを設けて、それらから得られる検出温度を用いてローラ本体の表面温度を推定していることから、温度センサをローラ本体の表面に近づけることなく、ローラ本体の表面温度を得ることができる。そして、このローラ本体の表面温度が設定温度となるように誘導発熱機構を制御することから、ローラ本体の表面温度を高精度に制御することができ、シート材や連続材等の加工物を高精度に加工することができる。また、第１の温度センサをローラ本体の表面に近づける必要が無いため、ローラ本体の表面の剛性を劣化させることなく、第１の温度センサの外側に十分な肉厚を残すことができる。さらに、第２の温度センサをジャケット室内に設けていることから、別途ローラ本体の周壁に第２の温度センサを設けるための取付孔を設ける必要が無く、ローラ本体の剛性の劣化を防ぐとともに、ローラ本体の加工及び構成を簡単にすることができる。

ローラ本体はジャケット室によりその表面温度が均一化されるものの、例えばシート材や連続材が接触している部分とそうでない部分とでは温度ムラが生じてしまう。このとき、第２の温度センサの設置位置によって第２の検出温度がばらついてしまい、表面温度推定が不正確になってしまう恐れがある。そのため、前記第２の温度センサが、前記ローラ本体の周方向に複数個設けられており、前記制御機構が、前記複数の第２の温度センサから得られる複数の第２の検出温度の演算値を用いて前記ローラ本体の表面温度を推定するものであることが望ましい。

互いに隣接するジャケット室が連通路により繋がっており、前記第１の温度センサが、前記複数のジャケット室のいずれか１つに設けられていることが望ましい。これならば、複数のジャケット室内の温度を均一化して第１の温度センサを１つ設けるだけで良いので、部品点数を削減できるだけでなく、温度センサの配線等を簡単にすることができ、誘導発熱ローラ装置の構成を簡単化することができる。

また、本発明に係る誘導発熱ローラ装置の表面温度推定方法は、周壁内に気液二相の熱媒体が封入された複数のジャケット室を有するローラ本体と、前記ローラ本体の内部において前記ローラ本体に対して静止状態に保持され、前記ローラ本体を誘導発熱させる誘導発熱機構とを有する誘導発熱ローラ装置において、前記ジャケット室内に第１の温度センサを設けるとともに、前記ローラ本体の周壁においてその表面及び前記ジャケット室の間に設けられた第２の温度センサを設けて、前記第１の温度センサにより得られた第１の検出温度及び前記第２の温度センサにより得られた第２の検出温度を用いて前記ローラ本体の表面温度を推定することを特徴とする。

さらに、本発明に係る誘導発熱ローラ装置の制御プログラムは、周壁内に気液二相の熱媒体が封入された複数のジャケット室を有するローラ本体と、前記ローラ本体の内部において前記ローラ本体に対して静止状態に保持され、前記ローラ本体を誘導発熱させる誘導発熱機構と、前記ジャケット室内に設けられた第１の温度センサと、前記ローラ本体の周壁においてその表面及び前記ジャケット室の間に設けられた第２の温度センサとを有する誘導発熱ローラ装置に用いられるものであり、前記第１の温度センサにより得られた第１の検出温度及び前記第２の温度センサにより得られた第２の検出温度を用いて前記ローラ本体の表面温度を推定する表面温度推定ステップと、前記表面温度推定ステップにより得られた表面温度を予め定められた設定温度とすべく前記誘導発熱機構を制御する制御ステップとをコンピュータに実行させることを特徴とする。

このように構成した本発明によれば、ローラ本体に径方向の異なる位置に温度センサを設けることによってローラ本体の表面温度を得ることができるとともに、ローラ表面から温度センサまでの肉厚を十分に確保可能にすることができる。

本発明の一実施形態に係る誘導発熱ローラ装置の断面図である。 同実施形態におけるＡ−Ａ線断面図である。 同実施形態における制御機器の構成を示す模式図である。 変形実施形態に係る誘導発熱ローラ装置のＡ−Ａ線断面図である。 変形実施形態における制御機器の構成を示す模式図である。 第１の温度センサ及び第２の温度センサの配置態様の変形例を示す図である。 第１の温度センサ及び第２の温度センサの配置態様の変形例を示す図である。

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。

本実施形態に係る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、金属箔等のシート材又はウェブ材、線（糸）材等の連続材の連続熱処理工程等において用いられるものである。

具体的にこのものは、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内に収容される誘導発熱機構３とを備えている。

ローラ本体２の両端部には、ジャーナル４１が一体的に取り付けられている。このジャーナル４１は、中空の駆動軸４２が一体に構成されたフランジ形状をなすものである。このジャーナル４１は、ローラ本体２の端部開口を覆うように当該本体２の端部に連結されている。また、駆動軸４２は、転がり軸受等の軸受５１を介して機台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、ローラ本体２の側周壁２１には、長手方向（軸方向）に延びる気液二相の熱媒体を封入するジャケット室２１Ａが、周方向に複数且つ等間隔に形成されている。当該複数のジャケット室２１Ａの軸方向両端部は、隣接するジャケット室２１Ａの両端部と連結路２１Ｂを介して連通している。これにより、このジャケット室２１Ａ内に封入した気液二相の熱媒体の潜熱移動によりローラ本体２の表面温度を均一化するように構成している。

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誘導コイル３２とから構成されている。円筒状鉄心３１の両端部にはそれぞれ、支持軸６が取り付けられている。この支持軸６は、それぞれ駆動軸４２の内部に挿通されており、転がり軸受等の軸受７を介して駆動軸４２に対して回転自在に支持されている。これにより、磁束発生機構３は、ローラ本体２の内部において宙づり状態で支持され、ローラ本体２に対して静止状態に保持される。誘導コイル３２には、リード線Ｌ２が接続されており、このリード線Ｌ２には、交流電圧を印加するための交流電源Ｖが電力調整装置９２を介して接続されている。

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２１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。

しかして本実施形態のローラ本体２には、ローラ本体２の表面温度を推定するためにローラ本体２の径方向において異なる位置に設けられた第１の温度センサＳ１及び第２の温度センサＳ２と、それら温度センサＳ１、Ｓ２からの検出温度に基づいてローラ本体２の表面温度を推定してその表面温度を調整するための制御機構９とを備えている。

第１の温度センサＳ１は、ジャケット室２１Ａ内の温度を検出するものであり、ローラ本体２に形成された複数のジャケット室２１Ａのいずれか１つに設けられている。具体的にこの第１の温度センサＳ１は、ジャケット室２１Ａの軸方向端部から軸方向に沿うようにジャケット室２１Ａ内に挿入して設けられている。この第１の温度センサＳ１は、例えばＰｔ１００等の測温抵抗体又は例えばＫ熱電対等の熱電対からなる温度センサであり、ジャケット室２１Ａに保護管Ｐ内に収容されて配置されている（図２拡大図参照）。なお、符号Ｌ１は、第１の温度センサＳ１の検出信号を後述する信号伝送装置８に伝送するためのリード線である。

第２の温度センサＳ２は、ローラ本体２の周壁２１における肉厚内の温度を検出するものであり、ローラ本体２の周壁２１においてジャケット室２１Ａとローラ本体２の表面との間に設けられている。具体的に第２の温度センサＳ２は、ジャケット室２１Ａよりも外側の肉厚内において、第１の温度センサＳ１が設けられたジャケット室２１Ａと径方向に沿った位置に設けられている。この第２の温度センサＳ２も前記第１の温度センサＳ１と同様、例えばＰｔ１００等の測温抵抗体又は例えばＫ熱電対等の熱電対からなる温度センサである。なお、符号Ｌ３は、第２の温度センサＳ２の検出信号を後述する信号伝送装置８に伝送するためのリード線である。

制御機構９は、第１の温度センサＳ１から得られた第１の検出温度Ｔ_１及び第２の温度センサＳ２から得られた第２の検出温度Ｔ_２を用いてローラ本体２の表面温度Ｔ_０を推定し、当該推定した表面温度Ｔ_０を予め定められた設定温度とすべく誘導発熱機構３を制御するものである。具体的に制御機構９は、温度調整装置９１及び電力調整装置９２からなる。

具体的に温度調整装置９１は、信号伝送装置（回転トランス）８により得られた第１の温度センサＳ１の検出信号及び第２の温度センサＳ２の検出信号をアナログ電圧信号に変換する信号変換器９１１、９１２と、この信号変換器９１１、９１２からアナログ電圧信号を取得して、それらを比較する信号比較器９１３と、この信号比較器９１３により得られた検出温度差（ΔＴ＝Ｔ_１−Ｔ_２）を用いて表面温度（Ｔ_０）を推定するとともに、当該表面温度（Ｔ_０）と設定温度とを比較し、表面温度（Ｔ_０）を設定温度とすべく電力調整装置９２に出力する制御信号を生成する温度調整器９１４とを有する。つまり、温度調整器９１４は、表面温度Ｔ_０と設定温度との差に応じて、例えばサイリスタを用いて構成された電力調整装置９２に誘導コイル３２へ入力すべき電力を制御するための制御信号を出力する。

ここで温度調整器９１４による表面温度Ｔ_０の推定演算は以下である。
ローラ本体２の表面に接触するウェブ等のシート材や連続材がローラ表面から熱エネルギを奪うことによって、ローラ本体２には半径方向に熱流が生じ、その熱流束の大きさ、ローラ本体２を構成している金属材料の熱伝導率に応じて径方向に温度差を生じ、その温度差は下記の式となる。

Ｔ_１−Ｔ_０＝Ｑ×Ｌｎ（Ｒ_０／Ｒ_１）／（２×π×λ×ｌ）・・・（式１）
Ｔ_２−Ｔ_１＝Ｑ×Ｌｎ（Ｒ_１／Ｒ_２）／（２×π×λ×ｌ）・・・（式２）

ここで、Ｔ_０：ローラ本体２の表面温度［Ｋ］、
Ｔ_１：第１の温度センサＳ１が埋設された位置の温度（第１の検出温度）［Ｋ］、
Ｔ_２：第２の温度センサＳ２が埋設された位置の温度（第２の検出温度）［Ｋ］、
Ｒ_０：ローラ本体２の表面の半径［ｍ］、
Ｒ_１：第１の温度センサＳ１が埋設された位置の半径［ｍ］、
Ｒ_２：第２の温度センサＳ２が埋設された位置の半径［ｍ］、
Ｑ：総熱流［ＫＷ］、
λ：熱伝導率［ＫＷ／ｍ・Ｋ］、
ｌ：熱流幅［ｍ］、である。

そして、上記の（式１）及び（式２）を整理すると、ローラ本体２の表面温度Ｔ_０は以下の式により演算される。

Ｔ_０＝Ｔ_１−（Ｔ_２−Ｔ_１）×［Ｌｎ（Ｒ_０／Ｒ_１）］／［Ｌｎ（Ｒ_１／Ｒ_２）］・・・（式３）

このことから温度調整器９４には、上記のＲ_０、Ｒ_１、Ｒ_２の値を予め入力しておく。なお、Ｒ_０は、ローラ本体２の表面の旋削、研磨、彫刻等の表面加工処理により変化することから、ローラ本体２の外径実測値から換算した値とする。

＜本実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態に係る誘導発熱ローラ装置１００によれば、ローラ本体２の径方向の異なる位置に第１の温度センサＳ１及び第２の温度センサＳ２を設けて、それらから得られる検出温度を用いてローラ本体２の表面温度を推定していることから、温度センサをローラ本体２の表面に近づけることなく、ローラ本体２の表面温度を得ることができる。そして、このローラ本体２の表面温度が設定温度となるように誘導発熱機構３を制御することから、ローラ本体２の表面温度を高精度に制御することができ、シート材や連続材等の加工物を高精度に加工することができる。また、第１の温度センサＳ１もローラ本体２の表面に可及的に近づける必要が無いため、ローラ本体２の表面の剛性を劣化させることなく、また彫刻加工や研磨加工する場合にも十分な肉厚を残すことができる。さらに、第２の温度センサＳ２をジャケット室２１Ａ内に設けていることから、別途ローラ本体２の周壁２１に第２の温度センサＳ２を設けるための取付孔を設ける必要が無く、ローラ本体２の剛性の劣化を防ぐとともに、ローラ本体２の加工及び構成を簡単にすることができる。

＜その他の変形実施形態＞
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、図４に示すように、第２の温度センサＳ２をローラ本体２の周方向に複数個設け、制御機構９が、複数の第２の温度センサＳ２から得られる複数の第２の検出温度Ｔ_２の平均値を用いて前記ローラ本体２の表面温度Ｔ_０を推定するようにしても良い。図４においては４つの第２の温度センサＳ２を周方向に９０度等配した場合を示しているが、第２の温度センサＳ２の数及び配置態様はこれに限定されない。また、この場合の温度調整装置９１は、図５に示すように、各第２の温度センサＳ２ａ〜Ｓ２ｄから得られた検出信号をアナログ電圧信号に変換する信号変換器９１２ａ〜９１２ｄと、この信号変換器９１２ａ〜９１２ｄからアナログ電圧信号を取得してその平均値を演算する信号演算器９１５と、当該信号演算器９１５により得られた第２の検出温度の平均値と、第１の温度センサＳ１から得られた第１の検出温度とを比較する信号比較部９１３と、この信号比較器９１３により得られた検出温度差を用いて表面温度を推定するとともに、当該表面温度と設定温度とを比較し、表面温度を設定温度とすべく電力調整装置９２に出力する制御信号を生成する温度調整器９１４とを有する。なお、信号演算器９１５は、前記実施形態のように平均値を演算するものであっても良いし、例えば最大値又は最小値を演算する等、その他の演算値を出力するものであっても良い。

また、前記実施形態では、第１の温度センサＳ１及び第２の温度センサＳ２を径方向に沿って同一側に設けているが、図６に示すように第１の温度センサＳ１及び第２の温度センサＳ２を径方向に沿って互いに反対側に配置するようにしても良い。この場合であっても、ローラ本体２の周壁２１に生じる温度勾配は周方向に同一であるため、それら温度センサの検出温度を用いて表面温度を推定することができる。また、反対側でなくても、周方向において互いにどのように配置しても良い。

さらに、図７に示すように、第１の温度センサＳ１及び第２の温度センサＳ２からなる対Ｓｔを複数組（図７では６組）設けて、ローラ本体２の周壁２１に周方向に複数組設けることも考えられる。このように構成することで、例えばローラ本体２が１分間に例えば１回転等の低速回転用途の場合であっても、ローラ本体２を周方向に均一温度にすることが可能になる。

その上、対Ｓｔをなす第１の温度センサＳ１及び第２の温度センサＳ２の一方を、他方の故障検出用センサとして用いることもできる。例えば、両者から得られる検出温度の差が所定値以上であれば、一方が故障していると判断するように構成しても良い。

加えて、前記実施形態では両持ち式の誘導発熱ローラ装置について説明したが、ジャーナルの一方のみを回転自在に２点支持する誘導発熱ローラ装置に適用することもできる。さらに、いわゆる片持ち型の誘導発熱ローラ装置に適用することもできる。

さらにその上、温度調整装置としては、ＣＰＵやメモリ、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器等を有したデジタル乃至アナログ電気回路で構成されたもので、専用のものであってもよいし、一部又は全部にパソコン等の汎用コンピュータを利用するようにしたものであってもよい。また、ＣＰＵを用いず、アナログ回路のみで前記各部としての機能を果たすように構成してもよいし、物理的に一体である必要はなく、有線乃至無線によって互いに接続された複数の機器からなるものであってもよい。

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 ・・・周壁
２１Ａ・・・ジャケット室
２１Ｂ・・・連通路
３ ・・・誘導発熱機構
Ｓ１ ・・・第１の温度センサ
Ｓ２ ・・・第２の温度センサ
９ ・・・制御機構

Claims (5)

1. 周壁内に気液二相の熱媒体が封入された複数のジャケット室を有するローラ本体と、
   前記ローラ本体の内部において前記ローラ本体に対して静止状態に保持され、前記ローラ本体を誘導発熱させる誘導発熱機構と、
   前記ジャケット室内に設けられた第１の温度センサと、
   前記ローラ本体の周壁において前記ジャケット室とローラ本体の表面との間に設けられた第２の温度センサと、
   前記第１の温度センサにより得られた第１の検出温度及び前記第２の温度センサにより得られた第２の検出温度を用いて前記ローラ本体の表面温度を推定し、当該表面温度を予め定められた設定温度とすべく前記誘導発熱機構を制御する制御機構とを具備する誘導発熱ローラ装置。
2. 前記第２の温度センサが、前記ローラ本体の周方向に複数個設けられており、
   前記制御機構が、前記複数の第２の温度センサから得られる複数の第２の検出温度の演算値を用いて前記ローラ本体の表面温度を推定するものである請求項１記載の誘導発熱ローラ装置。
3. 互いに隣接するジャケット室が連通路により繋がっており、
   前記第１の温度センサが、前記複数のジャケット室のいずれか１つに設けられている請求項１又は２記載の誘導発熱ローラ装置。
4. 周壁内に気液二相の熱媒体が封入された複数のジャケット室を有するローラ本体と、前記ローラ本体の内部において前記ローラ本体に対して静止状態に保持され、前記ローラ本体を誘導発熱させる誘導発熱機構とを有する誘導発熱ローラ装置において、
   前記ジャケット室内に第１の温度センサを設けるとともに、前記ローラ本体の周壁において前記ジャケット室とローラ本体の表面との間に第２の温度センサを設けて、前記第１の温度センサにより得られた第１の検出温度及び前記第２の温度センサにより得られた第２の検出温度を用いて前記ローラ本体の表面温度を推定する誘導発熱ローラ装置の表面温度推定方法。
5. 周壁内に気液二相の熱媒体が封入された複数のジャケット室を有するローラ本体と、前記ローラ本体の内部において前記ローラ本体に対して静止状態に保持され、前記ローラ本体を誘導発熱させる誘導発熱機構と、前記ジャケット室内に設けられた第１の温度センサと、前記ローラ本体の周壁において前記ジャケット室とローラ本体の表面との間に設けられた第２の温度センサとを有する誘導発熱ローラ装置に用いられるものであり、
   前記第１の温度センサにより得られた第１の検出温度及び前記第２の温度センサにより得られた第２の検出温度を用いて前記ローラ本体の表面温度を推定する表面温度推定ステップと、前記表面温度推定ステップにより得られた表面温度を予め定められた設定温度とすべく前記誘導発熱機構を制御する制御ステップとをコンピュータに実行させることを特徴とする誘導発熱ローラ装置の制御プログラム。