JP6406829B2 - 誘導発熱ローラ装置、及び誘導コイルの温度検出機構 - Google Patents

Description

本発明は、誘導発熱ローラ装置及び当該誘導発熱ローラ装置の誘導コイルの温度を検出する温度検出機構に関するものである。

誘導発熱ローラ装置は、特許文献１に示すように、回転自在に支持されたロール本体と、当該ロール本体の内部に設けられ、鉄心及び当該鉄心に巻回された誘導コイルからなる磁束発生機構とを備えており、誘導コイルは、通常、ロール本体の内部に設置されている。この誘導コイルは、通電による自己発熱及び誘導発熱するロール本体からの熱によって高温になることが多い。

そして、誘導コイルが高温となり、許容耐熱温度を超えて焼損することを防止するために、誘導コイルに温度センサを埋設して、誘導コイルの温度を監視することが一般的に行われている。

しかしながら、温度センサと誘導コイルとを電気的に絶縁するために温度センサと誘導コイルとの間に絶縁物を介在させる必要があるため、当該絶縁物によって断熱されて温度センサの検出精度が悪くなってしまうという問題がある。また、温度センサと誘導コイルとの接触具合によっても検出精度が変わってしまい、正確な温度検出が困難となってしまう。さらに、温度センサは、温度による劣化及び機械的な外力によって断線することがしばしば発生するので、その交換には誘導発熱ローラ装置の解体等の困難が伴う。

特開２００１−１５５８４７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、ロール本体の内部に温度センサを設けることなく誘導コイルの温度を検出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、回転自在に支持されたロール本体と、前記ロール本体の内部に設けられ、鉄心及び当該鉄心に巻回された誘導コイルからなる磁束発生機構とを備える誘導発熱ローラ装置であって、直流電源を制御して、前記誘導コイルに間欠的に直流電圧を印加する直流電圧印加部と、前記直流電圧印加部により印加される直流電圧と当該直流電圧を印加したときに前記誘導コイルに流れる直流電流とから前記誘導コイルの抵抗値を算出する抵抗値算出部と、前記誘導コイルの抵抗値と前記誘導コイルの温度との抵抗値−温度関係を示す関係データを格納する関係データ格納部と、前記抵抗値算出部により得られた抵抗値と前記関係データが示す抵抗値−温度関係とから前記誘導コイルの温度を算出するコイル温度算出部とを備えることを特徴とする。

また、本発明に係る誘導コイル温度検出機構は、直流電源を制御して、誘導発熱ローラ装置の誘導コイルに間欠的に直流電圧を印加する直流電圧印加部と、前記直流電圧印加部により印加される直流電圧と当該直流電圧を印加したときに前記誘導コイルに流れる直流電流とから前記誘導コイルの抵抗値を算出する抵抗値算出部と、前記誘導コイルの抵抗値と前記誘導コイルの温度との抵抗値−温度関係を示す関係データを格納する関係データ格納部と、前記抵抗値算出部により得られた抵抗値と前記関係データが示す抵抗値−温度関係とから前記誘導コイルの温度を算出するコイル温度算出部とを備えることを特徴とする。

このようなものであれば、抵抗値算出部により得られた抵抗値と、誘導コイルの抵抗値及び誘導コイルの温度の抵抗値−温度関係とから誘導コイルの温度を算出する誘導コイル温度算出部を有するので、ロール本体の内部に誘導コイルの温度を検出するための温度センサを設けることなく、誘導コイルの温度を検出することができる。

誘導コイルの抵抗率と温度とは、およそ絶対温度に比例する関係を有するが、その材質によって固有の変化特性を示す。例えば電線材質が銅であれば、下記式の関係になるので、抵抗値が分かれば誘導コイルの温度が算出できる。
ｒ＝ｋＬ／１００Ｓ［Ω］
ｋ＝２．１（２３４．５＋θ_ｃ）／３０９．５
ここで、ｒは誘導コイルの抵抗値［Ω］であり、Ｌは誘導コイルを構成する電線長［ｍ］であり、Ｓは電線断面積［ｍｍ^２］であり、θ_ｃは誘導コイルの温度［℃］である。

誘導コイルの抵抗値は、誘導コイルに数秒以内の短時間に一定の直流電圧を印加して、当該直流電圧を当該直流電圧を印加したときに誘導コイルに流れる直流電流で割れば算出できる。ここで、直流電圧であれば誘導作用は無いので、直流電流は、ロール本体及び鉄心の影響は受けず、誘導コイルの抵抗値のみとの関係となる。

また、間欠的な直流電圧の印加とは、数秒以内の印加時間を数秒から数分の例えば一定の周期で行うことである。このような間欠的な印加であれば、直流成分から受ける偏磁作用を小さくするとともに、誘導発熱させるための交流回路への影響も最小限に抑えることができる。さらに、誘導発熱ローラ装置の誘導コイルは一端的に熱慣性が大きく、且つ、通常の一定負荷条件下の運転では誘導コイルの温度の変化はさほど大きい値にはならない。したがって、数秒以内の短時間の印加時間によってなされる温度検出を、数秒から数分単位、好ましくは、数十秒から数分単位で実施されれば、ロール本体の温度制御によって十分といえる。

前記誘導コイルに接続されるとともに、交流電流又は交流電圧を制御する制御回路部が設けられた電源回路をさらに備え、前記制御回路部により、前記交流電流又は交流電圧を遮断又は最小限とした状態で、前記抵抗値算出部が前記誘導コイルに直流電圧を印加して前記誘導コイルの抵抗値を算出するものであることが望ましい。

交流電圧が印加されている誘導コイルに直流電圧を印加して、交流電流と直流電流とが重畳した電流から直流成分（直流電流）だけを検出するには、複雑な検出回路が必要となってしまう。ここで、通常の誘導発熱ローラ装置では、ロール本体の温度を制御するための交流電流又は交流電圧を制御する制御回路部を有する電源回路を備えている。このため、制御回路部により、直流電圧を印加する印加時間のみ、交流電流又は交流電圧を遮断又は最小限の値にすれば、交流電流（交流成分）の影響を抑えることができ、直流電流（直流成分）の検出を容易に行うことができる。ここで、交流電流又は交流電圧の遮断又は最小限の値とするのは、数秒以内の短時間であって、数秒から数分の時間間隔であり、誘導発熱作用の障害にはならない。

交流電流又は交流電圧の遮断又は最小限の値にする実施態様としては、制御回路部が例えば電磁接触器等のスイッチ機器を有する場合は、当該スイッチ機器を遮断する態様、又は、制御回路部が例えばサイリスタ等の半導体素子（電力制御素子）を有する場合は、当該半導体素子の通電位相角を最小にする態様が考えられる。

このように構成した本発明によれば、ロール本体の内部に温度センサを設けることなく、誘導コイルの温度を検出することができる。

本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図。 同実施形態の制御装置の機能構成図。

以下、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、図１に示すように、回転自在に支持されたロール本体２と、このロール本体２の内部に設けられ、鉄心３１及び当該鉄心３１に巻回された誘導コイル３２からなる磁束発生機構３と、誘導コイル３２に接続されるとともに、交流電流又は交流電圧を制御する制御回路部４が設けられた電源回路５とを備えている。

ロール本体２の側周壁の肉厚内には、気液二相の熱媒体が封入される複数のジャケット室２Ｓが周方向に等間隔に形成されている。また、本実施形態の制御回路部４は、電流又は電圧の通電角を制御する半導体素子を有するものであり、具体的にはサイリスタを有している。なお、制御回路部４としては、例えば電磁接触器等のスイッチ機器を有するものであっても良い。

そして、本実施形態の誘導発熱ローラ装置１００は、ロール本体２を誘導発熱させて被加熱物を処理する加熱運転中において周期的に誘導コイル３２の温度を検出する温度検出動作を行うものである。具体的に誘導発熱ローラ装置１００は、誘導コイル３２の温度を検出する温度検出機構を有しており、詳細には、誘導発熱ローラ１００を制御する制御装置６が、誘導コイル３２の温度を検出する温度検出機能を有する。

具体的に制御装置６は、ＣＰＵ、内部メモリ、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ、入出力インターフェイス等を備えた専用乃至汎用のコンピュータであり、内部メモリに予め記憶させた所定プログラムにしたがって前記ＣＰＵや周辺機器が動作することにより、図２に示すように、直流電圧印加部６１、抵抗値算出部６２、関係データ格納部６３、コイル温度算出部６４等としての機能を発揮する。

直流電圧印加部６１は、誘導コイル３２に電気的に接続された直流電源７を制御して、誘導コイル３２に間欠的に直流電圧を印加するものである。具体的に直流電圧印加部６１は、誘導コイル３２に対して、一定の直流電圧を、数秒以内の印加時間を数秒から数分の一定周期で印加するものである。

ここで、直流電圧印加部６１によって誘導コイル３２に直流電圧が印加される印加時間内では、制御装置６のロール温度制御部６５が制御回路部４を制御して、交流電流又は交流電圧を遮断又は最小限とした状態としている。なお、ロール温度制御部６５は、ロール本体２の温度を所定の設定温度とするために、電源回路５に設けられた制御回路部４を制御して交流電圧又は交流電流を制御するものである。

抵抗値算出部６２は、直流電圧印加部６１により印加される直流電圧と、誘導コイル３２に直流電圧を印加したときに誘導コイル３２に流れる直流電流とから誘導コイル３２の抵抗値を算出するものである。具体的に抵抗値算出部６２は、予め入力された直流電源７の直流電圧と、誘導コイル３２及び直流電源７から構成される直流回路に設けられた電流検出部８により得られる直流電流とから、誘導コイル３２の抵抗値を算出する。

このとき、上述した通り、直流電圧を印加して直流電流を検出するタイミングでは、交流電流又は交流電圧を遮断又は最小限とした状態としているので、交流電流（交流成分）の影響を抑えることができ、直流電流（直流成分）の検出を容易に行うことができ、抵抗値を精度良く算出することができる。

関係データ格納部６３は、誘導コイル３２の抵抗値と誘導コイル３２の温度との抵抗値−温度関係を示す関係データを格納している。抵抗値−温度関係を示す関係式は、誘導コイル３２の電線材料が銅の場合は、以下となる。
ｒ＝ｋＬ／１００Ｓ［Ω］
ｋ＝２．１（２３４．５＋θ_ｃ）／３０９．５
ここで、ｒは誘導コイル３２の抵抗値［Ω］であり、Ｌは誘導コイル３２を構成する電線長［ｍ］であり、Ｓは電線断面積［ｍｍ^２］であり、θ_ｃは誘導コイル３２の温度［℃］である。
なお、この関係式を示す関係データは、制御装置６の内部メモリの所定領域に設定されたものであっても良いし、前記制御装置６に外付けされる外部メモリの所定領域に設定されたものであっても良い。

コイル温度算出部６４は、前記抵抗値算出部６２により算出された誘導コイル３２の抵抗値と、前記関係データ各凹部６３に格納された関係データとを用いて、誘導コイル３２の温度を算出する。

このように構成した本実施形態の誘導発熱ローラ装置１００によれば、抵抗値算出部６４により得られた抵抗値と、誘導コイル３２の抵抗値及び誘導コイル３２の温度の抵抗値−温度関係とから誘導コイル３２の温度を算出するコイル温度算出部６４を有するので、ロール本体２の内部に誘導コイル３２の温度を検出するための温度センサを設けることなく、誘導コイル３２の温度を検出することができる。

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、前記実施形態の誘導発熱ローラは、ロール本体の軸方向両端部が回転自在に支持された所謂両持ち式の誘導発熱ローラであっても良いし、有底筒状をなすロール本体の底部に回転軸を接続して回転自在に支持された所謂片持ち式の誘導発熱ローラであっても良い。

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・・・ロール本体
３・・・磁束発生機構
３１・・・鉄心
３２・・・誘導コイル
４・・・制御回路部
５・・・電源回路
５１・・・交流電源
６・・・制御装置
６１・・・直流電圧印加部
６２・・・抵抗値算出部
６３・・・関係データ格納部
６４・・・コイル温度算出部
６５・・・交流電圧印加部
７・・・直流電源

Claims (3)

1. 回転自在に支持されたロール本体と、前記ロール本体の内部に設けられ、鉄心及び当該鉄心に巻回された誘導コイルからなる磁束発生機構とを備える誘導発熱ローラ装置であって、
   直流電源を制御して、前記誘導コイルに間欠的に直流電圧を印加する直流電圧印加部と、
   前記直流電圧印加部により印加される直流電圧と当該直流電圧を印加したときに前記誘導コイルに流れる直流電流とから前記誘導コイルの抵抗値を算出する抵抗値算出部と、
   前記誘導コイルの抵抗値と前記誘導コイルの温度との抵抗値−温度関係を示す関係データを格納する関係データ格納部と、
   前記抵抗値算出部により得られた前記誘導コイルの抵抗値と前記関係データが示す抵抗値−温度関係とから前記誘導コイルの温度を算出するコイル温度算出部とを備え、
   前記コイル温度算出部により算出された前記誘導コイルの温度が、前記誘導コイルの許容耐熱温度を超えて前記誘導コイルが焼損しないように監視することを特徴とする誘導発熱ローラ装置。
2. 前記誘導コイルに接続されるとともに、交流電流又は交流電圧を制御する制御回路部が設けられた電源回路をさらに備え、
   前記制御回路部により、前記交流電流又は交流電圧を遮断又は最小限とした状態で、前記抵抗値算出部が前記誘導コイルに直流電圧を印加して前記誘導コイルの抵抗値を算出するものである請求項１記載の誘導発熱ローラ装置。
3. 直流電源を制御して、誘導発熱ローラ装置の誘導コイルに間欠的に直流電圧を印加する直流電圧印加部と、
   前記直流電圧印加部により印加される直流電圧と当該直流電圧を印加したときに前記誘導コイルに流れる直流電流とから前記誘導コイルの抵抗値を算出する抵抗値算出部と、
   前記誘導コイルの抵抗値と前記誘導コイルの温度との抵抗値−温度関係を示す関係データを格納する関係データ格納部と、
   前記抵抗値算出部により得られた前記誘導コイルの抵抗値と前記関係データが示す抵抗値−温度関係とから前記誘導コイルの温度を算出するコイル温度算出部とを備え、
   前記コイル温度算出部により算出された前記誘導コイルの温度が、前記誘導コイルの許容耐熱温度を超えて前記誘導コイルが焼損しないように監視することを特徴とする誘導コイル温度検出機構。