JP6990762B2 - 加熱ローラ及び紡糸延伸装置 - Google Patents

Description

本発明は、加熱ローラ及び当該加熱ローラを備える紡糸延伸装置に関する。

ローラの外筒部が加熱される加熱ローラとして、例えば、複数の糸が外周面に巻き掛けられ、複数の糸を加熱する加熱ローラが知られている。このような加熱ローラにおいて、ローラ表面の温度が軸方向において不均一になると、各糸の間で加熱の程度に差が生じ、糸の品質にばらつきが生じるおそれがある。この点、特許文献１に記載の加熱ローラでは、ローラ本体の外筒部に、気液二相の熱媒体が封入されたジャケット室が軸方向に延びるように設けられている。このジャケット室がヒートパイプとして機能することで、ローラ表面の温度を軸方向に均一化することができる。

特開２００３－１００４３７号公報

しかしながら、特許文献１のように、ヒートパイプ（ジャケット室）をローラ本体の外筒部に設ける構成では、外筒部の厚みを大きくせざるを得ない。その結果、外筒部の熱容量が大きくなり、ローラ表面の昇温に多くのエネルギーを要するという問題があった。そこで、本願発明者らは、ローラ本体よりも熱伝導率の高い円筒状の均熱部材を、ローラ本体の外筒部の内周面に接触させた状態で設けることを検討している。こうすれば、均熱部材がヒートパイプの役割を果たし、外筒部のヒートパイプを省略することができるので、外筒部の厚みを小さくすることができる。ところが、熱伝導率の高い均熱部材を単に外筒部の内周面に接触させるだけだと、外筒部の厚みが小さいにもかかわらず、ローラ表面を想定したよりも効率的に昇温できないという問題があった。

以上の課題に鑑みて、本発明に係る加熱ローラは、均熱部材を設けた構成において、ローラ表面を効率的に昇温することを目的とする。

本発明に係る加熱ローラの第１態様は、ローラ本体の被加熱部が加熱される加熱ローラであって、前記被加熱部の内周面と接触するように円筒状に構成され、軸方向の熱伝導率が前記被加熱部の少なくとも内周面における熱伝導率よりも高い均熱部材を備え、前記均熱部材は、径方向の熱伝導率が軸方向の熱伝導率よりも低いことを特徴とする。

本願発明者らは、鋭意検討の結果、均熱部材を設けた場合にローラ表面の温度を効率的に昇温できない理由が、ローラ本体の被加熱部から多くの熱が均熱部材を径方向内側に移動し、均熱部材の内周面から放熱されてしまうことが原因であることを見出した。そこで、本発明の第１態様では、均熱部材の径方向の熱伝導率を軸方向の熱伝導率よりも低くしている。これによって、ローラ本体の被加熱部から径方向内側へ熱が逃げにくくなり、ローラ表面の温度低下を抑えることができる。したがって、ローラ表面を効率的に昇温することができる。

本発明において、前記均熱部材は、周方向の熱伝導率が径方向の熱伝導率よりも高いとよい。

均熱部材の熱伝導性に異方性を持たせた場合に、周方向の熱伝導率が径方向の熱伝導率と同様に低いと、ローラ表面の周方向において温度分布にムラが生じやすくなる。そこで、上述のように、周方向の熱伝導率を径方向の熱伝導率よりも大きくすることで、軸方向だけでなく周方向の温度分布も効果的に均一化できるようになる。

本発明において、前記均熱部材は、複数の繊維材が、前記繊維材よりも熱伝導率の低い母材を介して径方向に積層された繊維複合材料からなるとよい。

このような繊維複合材料によれば、径方向において繊維材と繊維材との間に存在する母材が断熱の役割を有することになり、径方向の熱伝導率を低くすることができる。したがって、均熱部材の材料として好適である。

本発明において、前記繊維複合材料は、前記繊維材及び前記母材を含むシート状部材が径方向に積層された構造を有するとよい。

このように、繊維複合材料をシート状部材の積層構造とすることで、各シート状部材の間には母材からなる層ができ、径方向の熱伝導率をより効果的に低くすることができる。

本発明において、前記繊維複合材料は、前記繊維材が主に軸方向に配向されているとよい。

繊維材が主に軸方向に配向されていれば、軸方向における熱伝導率を高めることができ、ローラ表面の軸方向の温度分布をより効果的に均一化することができる。なお、「主に軸方向に配向されている」の意味は、全ての繊維材が軸方向に配向されている必要はなく、少なくとも過半数の繊維材が軸方向に配向されていればよいことを意味する。

本発明において、前記繊維複合材料は、前記繊維材が３次元的にランダム配向されているとよい。

このようにランダム配向された繊維複合材料の製造コストは、繊維材が所定の方向に配向されたものよりも一般的に安い。したがって、加熱ローラの製造コストを低減することができる。

本発明において、前記繊維複合材料からなる前記均熱部材において、径方向の各位置で得られる径方向に直交する断面における前記繊維材の充填率の最低値が、軸方向の各位置で得られる軸方向に直交する断面における前記繊維材の充填率の最低値よりも小さいとよい。

後で詳細に説明するが、このような構成であれば、径方向の熱伝導率を軸方向の熱伝導率よりも低くすることができるので、均熱部材の材料として好適である。

本発明において、前記繊維複合材料からなる前記均熱部材において、径方向の各位置で得られる径方向に直交する断面における前記繊維材の充填率の最低値が、周方向の各位置で得られる周方向に直交する断面における前記繊維材の充填率の最低値よりも小さいとよい。

後で詳細に説明するが、このような構成であれば、径方向の熱伝導率を周方向の熱伝導率よりも低くすることができるので、均熱部材の材料として好適である。

本発明において、前記繊維複合材料からなる前記均熱部材は、複数の均熱片を周方向に並べることによって円筒状に形成されているとよい。

繊維複合材料の製造方法によっては、円筒状に成形することが困難な場合がある。しかしながら、均熱部材を複数の均熱片の集合体として構成することで、円筒状に成形することが困難な繊維複合材料であっても、均熱部材に採用することができる。

本発明において、前記繊維材は、炭素繊維であるとよい。

炭素繊維は、高い熱伝導率を有する軽量の素材である。したがって、炭素繊維を含む繊維複合材料で均熱部材を構成することにより、ローラ表面の温度分布をより均一化できるとともに、加熱ローラの軽量化を図ることができる。

本発明において、前記均熱部材の内周面に、前記被加熱部の少なくとも内周面よりも熱抵抗値の高い断熱部が設けられているとよい。

このような断熱部を設けることによって、均熱部材の内周面からの放熱をより効果的に抑えることができ、ローラ表面をさらに効率的に昇温することができる。

本発明に係る加熱ローラの第２態様は、ローラ本体の被加熱部が加熱される加熱ローラであって、前記被加熱部の内周面と接触するように円筒状に構成され、軸方向の熱伝導率が前記被加熱部の少なくとも内周面における熱伝導率よりも高い均熱部材を備え、前記均熱部材の内周面に、前記被加熱部の少なくとも内周面よりも熱抵抗値の高い断熱部が設けられていることを特徴とする。

本発明の第２態様では、均熱部材の内周面に断熱部を設けている。これによって、均熱部材の内周面からの放熱を抑え、ローラ本体の被加熱部から径方向内側へ熱が逃げにくくなるので、ローラ表面の温度低下を抑えることができる。したがって、ローラ表面を効率的に昇温することができる。

本発明において、前記断熱部は、非磁性体且つ非導電体であるとよい。

断熱部を非磁性体且つ非導電体とすれば、加熱ローラが誘導加熱式の場合に、磁束が断熱部を通過すること、及び、渦電流が断熱部を流れることが抑えられる。その結果、ローラ本体の被加熱部での発熱量を増加させることができ、ローラ表面を効率的に昇温することができる。

本発明の第１態様及び第２態様において、前記ローラ本体の内部に配置されたコイルを備え、前記コイルに通電することで、前記被加熱部が誘導加熱されるとよい。

このような誘導加熱式の加熱ローラの場合、発熱分布を細かく制御することが難しく、温度分布にムラが生じやすい。したがって、均熱部材によってローラ表面の温度分布を均一化できる本発明が特に有効である。

本発明において、前記均熱部材は、前記被加熱部よりも比透磁率が低いとよい。

こうすれば、加熱ローラが誘導加熱式の場合に、磁束が均熱部材よりもローラ本体の被加熱部を通過しやすくなる。その結果、ローラ本体の被加熱部での発熱量を増加させることができ、ローラ表面を効率的に昇温することができる。

本発明において、前記均熱部材の周方向の電気抵抗率が、前記被加熱部の電気抵抗率よりも高いとよい。

こうすれば、加熱ローラが誘導加熱式の場合に、渦電流が均熱部材よりもローラ本体の被加熱部を多く流れる。その結果、ローラ本体の被加熱部での発熱量を増加させることができ、ローラ表面を効率的に昇温することができる。

本発明に係る紡糸延伸装置は、上記何れかの加熱ローラを備える紡糸延伸装置であって、前記加熱ローラの外周面に複数の糸が軸方向に並んで巻き掛けられていることを特徴とする。

本発明に係る紡糸延伸装置によれば、ローラ表面の温度分布を均一化できるとともに、ローラ表面を効率的に昇温することが可能となる。したがって、加熱ローラに巻き掛けられた糸の品質が安定し、高品質な糸を生産することができる。

本実施形態に係る誘導加熱ローラを備える紡糸引取機を示す模式図。 本実施形態に係る誘導加熱ローラの軸方向に沿った断面図。 均熱部材を示す斜視図。 均熱片の製造工程を示す斜視図。 均熱片の変形例を示す斜視図。 周方向に直交する断面における均熱片の模式図及び炭素繊維の充填率の分布を示す図。 軸方向に直交する断面における均熱片の模式図及び炭素繊維の充填率の分布を示す図。 ローラ本体及び均熱部材の各物性値を示す表。 フィラメントワインディング法による均熱部材の製造工程を示す斜視図。 他の実施形態に係る誘導加熱ローラの軸方向に沿った断面図。 他の実施形態に係るローラ本体及び均熱部材の各物性値を示す表。

（紡糸引取機）
本発明の実施形態について説明する。図１は、本実施形態に係る誘導加熱ローラを備える紡糸引取機を示す模式図である。図１に示すように、紡糸引取機１は、紡糸装置２から連続的に紡出されたポリエステル等の溶融繊維材料が固化して形成された複数（ここでは６本）の糸Ｙを、紡糸延伸装置３で延伸した後、糸巻取装置４で巻き取る構成となっている。なお、以下では、各図に付した方向を参照しつつ説明を行う。

紡糸装置２は、ポリエステル等の溶融繊維材料を連続的に紡出することで、複数の糸Ｙを生成する。紡糸装置２から紡出された複数の糸Ｙは、油剤ガイド１０によって油剤が付与された後、案内ローラ１１を経て紡糸延伸装置３に送られる。

紡糸延伸装置３は、複数の糸Ｙを加熱延伸する装置であり、紡糸装置２の下方に配置されている。紡糸延伸装置３は、保温箱１２の内部に収容された複数（ここでは５つ）のゴデットローラ２１～２５を有している。各ゴデットローラ２１～２５は、モータによって回転駆動されるとともに、コイルへの通電によって誘導加熱される誘導加熱ローラであり、複数の糸Ｙが巻き掛けられている。保温箱１２の右側面部の下部には、複数の糸Ｙを保温箱１２の内部に導入するための導入口１２ａが形成され、保温箱１２の右側面部の上部には、複数の糸Ｙを保温箱１２の外部に導出するための導出口１２ｂが形成されている。複数の糸Ｙは、下側のゴデットローラ２１から順番に、各ゴデットローラ２１～２５に対して３６０度未満の巻き掛け角で巻き掛けられている。

下側３つのゴデットローラ２１～２３は、複数の糸Ｙを延伸する前に予熱するための予熱ローラであり、これらのローラ表面温度は、糸Ｙのガラス転移点以上の温度（例えば９０～１００℃程度）に設定されている。一方、上側２つのゴデットローラ２４、２５は、延伸された複数の糸Ｙを熱セットするための調質ローラであり、これらのローラ表面温度は、下側３つのゴデットローラ２１～２３のローラ表面温度よりも高い温度（例えば１５０～２００℃程度）に設定されている。また、上側２つのゴデットローラ２４、２５の糸送り速度は、下側３つのゴデットローラ２１～２３よりも速くなっている。

導入口１２ａを介して保温箱１２に導入された複数の糸Ｙは、まず、ゴデットローラ２１～２３によって送られる間に延伸可能な温度まで予熱される。予熱された複数の糸Ｙは、ゴデットローラ２３とゴデットローラ２４との間の糸送り速度の差によって延伸される。さらに、複数の糸Ｙは、ゴデットローラ２４、２５によって送られる間にさらに高温に加熱されて、延伸された状態が熱セットされる。このようにして延伸された複数の糸Ｙは、導出口１２ｂを介して保温箱１２の外に導出される。

紡糸延伸装置３で延伸された複数の糸Ｙは、案内ローラ１３を経て糸巻取装置４に送られる。糸巻取装置４は、複数の糸Ｙを巻き取る装置であり、紡糸延伸装置３の下方に配置されている。糸巻取装置４は、ボビンホルダ１４やコンタクトローラ１５等を備えている。ボビンホルダ１４は、前後方向に延びる円筒形状を有し、図示しないモータによって回転駆動される。ボビンホルダ１４には、その軸方向に複数のボビンＢが並んだ状態で装着される。糸巻取装置４は、ボビンホルダ１４を回転させることによって、複数のボビンＢに複数の糸Ｙを同時に巻き取り、複数のパッケージＰを生産する。コンタクトローラ１５は、複数のパッケージＰの表面に接触して所定の接圧を付与し、パッケージＰの形状を整える。

（誘導加熱ローラ）
図２は、本実施形態に係る誘導加熱ローラ３０の軸方向に沿った断面図である。図２では、誘導加熱ローラ３０が連結されるモータ５０については、出力軸５１及びハウジング５２の一部のみを図示している。図２に示す誘導加熱ローラ３０は、図１におけるゴデットローラ２１～２５の全てに適用される。

誘導加熱ローラ３０は、軸方向（前後方向）に沿った円筒状のローラ本体３１と、ローラ本体３１の内部に配置されたコイル３２とを有する。コイル３２に高周波電流を供給することで、コイル３２の周りに変動磁界が発生する。このとき、電磁誘導によってローラ本体３１の外筒部３３を周方向に流れる渦電流が生じ、そのジュール熱によって外筒部３３が加熱される。なお、渦電流は、表皮効果により外筒部３３の主に内周面近傍に発生する。

ローラ本体３１は、磁性体であり、導体でもある炭素鋼からなる。ローラ本体３１は、コイル３２の径方向外側に位置する円筒状の外筒部３３と、コイル３２の径方向内側に位置する円筒状の軸心部３４と、外筒部３３の前端部と軸心部３４の前端部とをつなぐ円板状の端面部３５と、が一体形成されたものである。ただし、外筒部３３及び端面部３５が磁性体且つ導体であるならば、外筒部３３及び端面部３５が異なる材料であってもよい。また、外筒部３３及び端面部３５が同じ材料で構成されている場合であっても、外筒部３３及び端面部３５を異なる部材としてもよい。ローラ本体３１の後端側は開口しており、この開口からモータ５０の出力軸５１がローラ本体３１内に挿入される。なお、軸心部３４は、円筒状に限らず、例えば円錐台のように傾斜を有する形状でもよい。

ローラ本体３１の内部には、外筒部３３の内周面に接触するように配置された円筒状の均熱部材３６が設けられている。均熱部材３６の外径は外筒部３３の内径と略同じであり、均熱部材３６の外周面が全面にわたって外筒部３３の内周面に接触している。ローラ表面に複数の糸Ｙが巻き掛けられている軸方向の領域を巻掛領域Ｒとすると、均熱部材３６は軸方向において巻掛領域Ｒを含む範囲にわたって設けられている。

均熱部材３６は、ローラ本体３１の後端側の開口から挿入可能である。均熱部材３６の軸方向の長さは、概ねローラ本体３１の外筒部３３と同じ長さとされている。均熱部材３６の前端部は、ローラ本体３１の端面部３５に当接している。均熱部材３６の後端部は、環状の固定部材３７によって外筒部３３の後端部に固定されている。均熱部材３６については、後で詳細に説明する。

ローラ本体３１の軸心部３４には、軸方向に沿って延設された軸取付孔３４ａが形成されている。軸取付孔３４ａには、不図示の固定手段によって、モータ５０の出力軸５１が固定されている。これによって、ローラ本体３１がモータ５０に片持ち支持され、ローラ本体３１が出力軸５１と一体回転可能となっている。

コイル３２は、円筒状のボビン部材３９の外周面に導線が巻き回された構成を有する。ボビン部材３９は、ローラ本体３１と同様に炭素鋼からなる。図示は省略するが、ボビン部材３９は完全な円筒形状ではなく、周方向の一部分が切断されたＣ字状の断面形状を有する。このため、ボビン部材３９には渦電流が流れにくく、ボビン部材３９における発熱を抑えることができるようになっている。ボビン部材３９は、モータ５０のハウジング５２に取り付けられている。

ハウジング５２には、環状の凹部５２ａが形成されている。凹部５２ａ内には、上述の固定部材３７が、凹部５２ａの構成面に接触しないように配置されている。モータ５０の出力軸５１は、不図示の軸受を介してハウジング５２に回転可能に支持されており、モータ５０を作動させると、ローラ本体３１が出力軸５１と一体回転する。

（均熱部材）
均熱部材３６は、ローラ本体３１の外筒部３３の外周面（ローラ表面）における温度分布を均一化するために設けられている。このような目的のため、均熱部材３６は、ローラ本体３１よりも熱伝導率が高いことが求められる。しかし、単に高い熱伝導率を有する材料を用いるだけだと、均熱部材３６において径方向内側への熱移動も多く生じ、均熱部材３６の内周面からの放熱量が大きくなりやすい。そうすると、ローラ本体３１の外筒部３３から径方向内側に熱が逃げやすくなり、ローラ表面を効率的に昇温できなくなる。そこで、本実施形態では、径方向の熱伝導率が軸方向の熱伝導率よりも低い異方性材料を均熱部材３６に採用することで、上述の問題を解決している。具体的には、本実施形態の均熱部材３６は、炭素繊維と黒鉛とを含むＣ／Ｃコンポジット（炭素繊維強化炭素複合材料）からなる。

図３は、均熱部材３６を示す斜視図である。均熱部材３６は、全体としては円筒状に形成されている。しかしながら、後で説明するように、均熱部材３６を構成するＣ／Ｃコンポジットの形状は一般的に板状となり、円筒状に成形することは困難である。そこで、本実施形態では、円筒状の均熱部材３６を、小さな板状の複数の均熱片３８を周方向に敷き詰めるように並べた集合体として構成している。

均熱片３８の製造方法について説明する。図４は、均熱片３８の製造工程を示す斜視図である。Ｃ／Ｃコンポジットを製造する際には、まず、図４のａ図に示すように、複数のシート状部材４１を準備する。このシート状部材４１は、所定の方向に配向された炭素繊維４１ａと樹脂やピッチからなる母材４１ｂとを含むシート状の部材である。各シート状部材４１は、基本的に炭素繊維４１ａの配向方向が揃うように積層される。しかし、強度的に弱い方向が生じることを回避するため、一部のシート状部材４１（例えば、図４のａ図の上から３層目のシート状部材４１）は、炭素繊維４１ａの配向方向が他のものと交差するように積層される。図４のａ図では、上から３層目のシート状部材４１の炭素繊維４１ａの配向方向が他のものと直交している場合を図示しているが、直交することは必須ではない。なお、炭素繊維１本は非常に細いものなので、炭素繊維は複数の繊維を束ねた繊維束の状態で使用されるのが一般的である。また、本実施形態では、炭素繊維として、熱伝導率の高いピッチ系炭素繊維が用いられている。

次に、積層配置された複数のシート状部材４１を焼成し、母材４１ｂを炭化させることによって、図４のｂ図に示すように、薄い直方体状の板状部材４２が得られる。炭化して黒鉛となった母材４１ｂの熱伝導率は、炭素繊維４１ａの熱伝導率より小さい。ここで、板状部材４２のままだと、ローラ本体３１の外筒部３３の内周面に沿わせることができないので、図４のｃ図に示すように、板状部材４２の表面が円弧状になるように、板状部材４２の一部を切削加工する。これによって、均熱片３８が完成する。なお、図４のｃ図では、均熱片３８の外周面だけでなく内周面も円弧状とされているが、内周面を円弧状にすることは必須ではない。例えば、図５に示すように、均熱片３８の内周面を平面状のままとしておいてもよい。こうすれば、板状部材４２の切削工数を短縮できる。

均熱片３８は、シート状部材４１の積層方向が誘導加熱ローラ３０の径方向に一致し、炭素繊維４１ａの主な配向方向が誘導加熱ローラ３０の軸方向に一致するように配置される。なお、図４及び図５では、互いに隣接するシート状部材４１の境界面を便宜上記載しているが、実際には各シート状部材４１の母材４１ｂは連続しており、境界面が観察できるわけではない（図６及び図７でも同様）。

こうして製造された均熱片３８の内部構造を詳細に説明する。図６は、周方向に直交する断面における均熱片３８の模式図及び炭素繊維４１ａの充填率の分布を示す図であり、図７は、軸方向に直交する断面における均熱片３８の模式図及び炭素繊維４１ａの充填率の分布を示す図である。ここで、炭素繊維４１ａの充填率とは、ある断面において炭素繊維４１ａ（実際には繊維束）が存在している領域の割合を示すものである。以下では、炭素繊維４１ａの充填率のことを、単に充填率と言う。また、図６及び図７の断面図では、繊維束の状態の炭素繊維４１ａを模式的に図示している。

図６において、均熱片３８の断面図の左に記載のグラフは、均熱片３８の径方向の各位置（実際には所定距離ごと）における、径方向に直交する断面における充填率を示したものである。また、均熱片３８の断面図の下に記載のグラフは、均熱片３８の軸方向の各位置（実際には所定距離ごと）における、軸方向に直交する断面における充填率を示したものである。同様に、図７において、均熱片３８の断面図の左に記載のグラフは、均熱片３８の径方向の各位置（実際には所定距離ごと）における、径方向に直交する断面における充填率を示したものである（図６のものと同じ）。また、均熱片３８の断面図の下に記載のグラフは、均熱片３８の周方向の各位置（実際には所定距離ごと）における、周方向に直交する断面における充填率を示したものである。

シート状部材４１を積層した構造を有する均熱片３８においては、互いに隣接するシート状部材４１の境界面付近は主に母材４１ｂが占めている。このため、境界面付近では充填率が極端に低くなり、径方向では充填率の変動が大きい（図６及び図７参照）。一方、炭素繊維４１ａが主に軸方向に配向されているため、軸方向では充填率の変動が小さく、比較的高い値で概ね一定となっている（図６参照）。また、炭素繊維４１ａが主に軸方向に配向されているため、周方向においては炭素繊維４１ａの間に母材４１ｂが存在している部分が多い。このため、周方向では充填率の変動が大きい（図７参照）。

ある方向における均熱片３８の熱伝導率は、その方向における充填率の変動と大きな相関がある。すなわち、ある方向において充填率が低い部分があれば、その部分の熱伝導率が低くなり、均熱片３８全体としてもその方向における熱伝導率が低下する。反対に、ある方向において充填率が比較的高い値で概ね一定であれば、その方向では炭素繊維４１ａに沿って熱伝導が生じやすく、均熱片３８の熱伝導率が高くなる。本発明者らは、このような特性を、ある方向に直交する断面における充填率の最低値Ｓ１～Ｓ３によって指標化できることを見出した。Ｓ１は軸方向に直交する断面における充填率の最低値を示し、Ｓ２は径方向に直交する断面における充填率の最低値を示し、Ｓ３は周方向に直交する断面における充填率の最低値を示す。

図６に示す例では、Ｓ２＜Ｓ１という関係が成立している。これは、均熱片３８の径方向の熱伝導率が軸方向の熱伝導率よりも低いことを意味している。同様に、図７に示す例では、Ｓ２≒Ｓ３という関係が成立している。これは、均熱片３８の径方向の熱伝導率と周方向の熱伝導率とが略同じであることを意味している。

図８は、ローラ本体３１及び均熱部材３６の各物性値を示す表である。なお、図８の各物性値は常温での数値である（図１１も同様）。上述の均熱片３８によって均熱部材３６を構成することで、均熱部材３６（軸方向配向のＣ／Ｃコンポジット）の軸方向の熱伝導率は、ローラ本体３１（外筒部３３）の熱伝導率よりも高くなっている。このため、糸Ｙの品質を安定させるうえで重要なローラ表面の軸方向における温度分布を均一化することができる。なお、均熱部材３６の軸方向の熱伝導率は、外筒部３３の少なくとも内周面における熱伝導率よりも高ければ、ローラ表面の温度分布を均一にする効果は得られる。また、均熱部材３６の径方向の熱伝導率は、軸方向の熱伝導率よりも低くなっている。このため、ローラ本体３１の外筒部３３から径方向内側への熱伝導を抑えることで、ローラ表面を効率的に昇温することが可能となっている。

さらに、Ｃ／Ｃコンポジットによって構成された均熱部材３６は、次のような点でも有利である。Ｃ／Ｃコンポジットは非磁性体であり、ローラ本体３１（外筒部３３）を構成する炭素鋼よりも比透磁率が低い。このため、磁束が均熱部材３６よりもローラ本体３１の外筒部３３を通過しやすくなり、外筒部３３での発熱量を増加させることができる。また、Ｃ／Ｃコンポジットの周方向の電気抵抗率は、ローラ本体３１（外筒部３３）の電気抵抗率よりも高い。このため、渦電流が均熱部材３６よりも外筒部３３を多く流れ、外筒部３３での発熱量を増加させることができる。したがって、ローラ表面を一層効率的に昇温させることができる。さらに、Ｃ／Ｃコンポジットは耐熱性に優れ、非常に軽量であるといった利点もあるため、誘導加熱ローラ３０に使用するのに最適である。

（効果）
以上のように、本実施形態では、均熱部材３６の径方向の熱伝導率を軸方向の熱伝導率よりも低くしている。これによって、ローラ本体３１の外筒部３３（本発明の被加熱部に相当）から径方向内側へ熱が逃げにくくなり、ローラ表面の温度低下を抑えることができる。したがって、ローラ表面を効率的に昇温することができる。

本実施形態では、均熱部材３６は、複数の繊維材４１ａが、繊維材４１ａよりも熱伝導率の低い母材４１ｂを介して径方向に積層された繊維複合材料からなる。このような繊維複合材料によれば、径方向において繊維材４１ａと繊維材４１ａとの間に存在する母材４１ｂが断熱の役割を有することになり、径方向の熱伝導率を低くすることができる。したがって、均熱部材３６の材料として好適である。

本実施形態では、上記繊維複合材料は、繊維材４１ａ及び母材４１ｂを含むシート状部材４１が径方向に積層された構造を有する。このように、繊維複合材料をシート状部材４１の積層構造とすることで、各シート状部材４１の間には母材４１ｂからなる層ができ、径方向の熱伝導率をより効果的に低くすることができる。

本実施形態では、上記繊維複合材料は、繊維材４１ａが主に軸方向に配向された構成を有する。繊維材４１ａが主に軸方向に配向されていれば、軸方向における熱伝導率を高めることができ、ローラ表面の軸方向の温度分布をより効果的に均一化することができる。なお、「主に軸方向に配向されている」の意味は、全ての繊維材４１ａが軸方向に配向されている必要はなく、少なくとも過半数の繊維材４１ａが軸方向に配向されていればよいことを意味する。

本実施形態では、上記繊維複合材料からなる均熱部材３６において、径方向の各位置で得られる径方向に直交する断面における繊維材４１ａの充填率の最低値Ｓ２が、軸方向の各位置で得られる軸方向に直交する断面における繊維材４１ａの充填率の最低値Ｓ１よりも小さい。このような構成であれば、径方向の熱伝導率を軸方向の熱伝導率よりも低くすることができるので、均熱部材３６の材料として好適である。

本実施形態では、上記繊維複合材料からなる均熱部材３６は、複数の均熱片３８を周方向に並べることによって円筒状に形成されている。繊維複合材料の製造方法によっては、円筒状に成形することが困難な場合がある。しかしながら、均熱部材３６を複数の均熱片３８の集合体として構成することで、円筒状に成形することが困難な繊維複合材料であっても、均熱部材３６に採用することができる。

本実施形態では、繊維材４１ａを炭素繊維としている。炭素繊維は、高い熱伝導率を有する軽量の素材である。したがって、炭素繊維を含む繊維複合材料で均熱部材３６を構成することにより、ローラ表面の温度分布をより均一化できるとともに、加熱ローラ３０の軽量化を図ることができる。

本実施形態では、上記炭素繊維をピッチ系炭素繊維としている。炭素繊維として、ピッチを使ったピッチ系炭素繊維と、アクリル繊維を使ったＰＡＮ系炭素繊維とが知られているが、ピッチ系炭素繊維のほうが、ＰＡＮ系炭素繊維よりも高い熱伝導率を有する。このため、ピッチ系炭素繊維を用いることで、均熱部材３６の熱伝導率をより高めることができ、ローラ表面の温度分布をより効果的に均一化できる。

本実施形態では、上記繊維複合材料を、炭素繊維と黒鉛とを含むＣ／Ｃコンポジット（炭素繊維強化炭素複合材料）としている。Ｃ／Ｃコンポジットは、炭素繊維を含む繊維複合材料の中でも高い熱伝導率を有しており、耐熱性も高い。したがって、均熱部材３６にＣ／Ｃコンポジットを採用することで、ローラ表面の温度分布をより効果的に均一化できるとともに、高温にも耐え得る加熱ローラ３０を提供することができる。

本実施形態では、ローラ本体３１の内部に配置されたコイル３２を備え、コイル３２に通電することで、外筒部３３が誘導加熱される構成としている。このような誘導加熱式の加熱ローラ３０の場合、発熱分布を細かく制御することが難しく、温度分布にムラが生じやすい。したがって、均熱部材３６によってローラ表面の温度分布を均一化できる本発明が特に有効である。

本実施形態では、均熱部材３６は、外筒部３３よりも比透磁率が低い。こうすれば、加熱ローラ３０が誘導加熱式の場合に、磁束が均熱部材３６よりもローラ本体３１の外筒部３３を通過しやすくなる。その結果、ローラ本体３１の外筒部３３での発熱量を増加させることができ、ローラ表面を効率的に昇温することができる。

本実施形態では、均熱部材３６の周方向の電気抵抗率が、外筒部３３の電気抵抗率よりも高い。こうすれば、加熱ローラ３０が誘導加熱式の場合に、渦電流が均熱部材３６よりもローラ本体３１の外筒部３３を多く流れる。その結果、ローラ本体３１の外筒部３３での発熱量を増加させることができ、ローラ表面を効率的に昇温することができる。

本実施形態のように、均熱部材３６の比透磁率を外筒部３３よりも低くし、且つ、均熱部材３６の周方向の電気抵抗率を外筒部３３の電気抵抗率よりも高くすることで、ローラ本体３１の外筒部３３での発熱量を増加させる効果が一層顕著となり、ローラ表面をより効率的に昇温することができる。

本実施形態では、加熱ローラ３０の外周面に複数の糸Ｙが軸方向に並んで巻き掛けられている。本実施形態の加熱ローラ３０は、上述のように、ローラ表面の温度分布を均一化できるとともに、ローラ表面を効率的に昇温することが可能である。したがって、加熱ローラ３０に巻き掛けられた糸Ｙの品質が安定し、高品質な糸Ｙを生産することができる。

（均熱部材の変形例１）
上記実施形態では、炭素繊維４１ａが主に軸方向に配向された均熱部材３６を用いたが、炭素繊維４１ａを軸方向に配向させることは必須ではない。例えば、均熱部材３６を、炭素繊維が３次元的にランダム配向されたシート状部材を積層した構造を有するＣ／Ｃコンポジットとしてもよい。この場合でも、互いに隣接するシート状部材の境界面付近は、主に母材で占められることになるので、径方向の熱伝導率を低くすることができる。

炭素繊維をランダム配向した場合には、上述した充填率に関して、Ｓ２＜Ｓ１、Ｓ２＜Ｓ３という関係が成立する。その結果、図８に示すように、ランダム配向の場合でも、均熱部材３６の径方向の熱伝導率が、軸方向の熱伝導率より低くなっている。また、周方向の熱伝導率が、径方向の熱伝導率よりも高くなっている。このように、周方向の熱伝導率を径方向の熱伝導率よりも大きくすることで、軸方向だけでなく周方向の温度分布も効果的に均一化できるようになる。また、繊維材がランダム配向された繊維複合材料の製造コストは、繊維材が所定の方向に配向されたものよりも一般的に安い。したがって、加熱ローラ３０の製造コストを低減することができる。

（均熱部材の変形例２）
上記実施形態では、均熱部材３６をＣ／Ｃコンポジットで構成するものとしたが、その他の繊維複合材料を用いてもよい。例えば、炭素繊維と樹脂（例えばエポキシ樹脂）との繊維複合材料であるＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）を用いてもよい。ＣＦＲＰは、Ｃ／Ｃコンポジットと比べると、耐熱性は低いが安価である。したがって、加熱ローラ３０にそれほど耐熱性が求められない場合には、均熱部材３６にＣＦＲＰを採用することで、コストを低減することができる。また、均熱部材３６を構成する炭素繊維を、ピッチ系炭素繊維の代わりに、アクリル繊維を使ったＰＡＮ系炭素繊維としてもよい。さらには、繊維材として炭素繊維以外のものを採用してもよい。

（均熱部材の変形例３）
上記実施形態では、Ｃ／Ｃコンポジットからなる均熱部材３６を、シート状部材４１を積層して製造する方法について説明したが、均熱部材３６の製造方法はこれに限定されない。例えば、上述のＣＦＲＰからなる均熱部材を製造する場合には、フィラメントワインディング法を採用することも可能である。図９は、フィラメントワインディング法による均熱部材４４の製造工程を示す斜視図である。

フィラメントワインディング法では、まず、図９のａ図に示すように、円筒状のマンドレル１００の外周面に繊維束４３を巻き付けていく。マンドレル１００は不図示の支持装置によって軸周りに回転可能に支持されており、回転しているマンドレル１００に対して繊維束４３を軸方向に移動させながら繊維束４３を巻き付ける。繊維束４３は、複数の炭素繊維から構成されており、予め液状の母材が含浸されている。

図９のｂ図に示すように、マンドレル１００の外周面全面にわたって繊維束４３を複数層巻き付ける。その後、繊維束４３を焼成し、図９のｃ図に示すように、マンドレル１００を引き抜くことによって、円筒状のＣＦＲＰからなる均熱部材４４が完成する。この均熱部材４４においては、繊維束４３が径方向に順番に重ねて巻き付けられているので、炭素繊維が母材を介して径方向に積層された構造となっており、径方向の熱伝導率を低くすることができる。このように、シート状部材を積層する方法以外であっても、径方向において繊維材と繊維材の間に母材が存在する構造となっていれば、径方向の熱伝導率を小さくできる。また、フィラメントワインディング法を採用することで、直接的に円筒状の均熱部材４４が得られるので、均熱片３８を加工する作業や組み立てる作業が不要となる。

（その他の実施形態）
（１）上記実施形態では、均熱部材３６をＣ／Ｃコンポジット等の繊維複合材料で構成するものとした。しかしながら、均熱部材３６を、例えばローラ本体３１よりも熱伝導率の高いアルミニウムや銅等の金属材料で構成し（図１１参照）、ローラ表面の軸方向及び周方向の温度分布の均一化を図ることもできる。ただし、このような等方性の金属材料を均熱部材３６に使用した場合、径方向内側への熱伝導が生じやすく、均熱部材３６の内周面からの放熱量が大きくなりやすい。

そこで、図１０に示すように、均熱部材３６の内周面に、外筒部３３の少なくとも内周面よりも熱抵抗値の高い断熱部４９を設けるとよい。この断熱部４９は、均熱部材３６の内周面に一体的に形成されてもよいし、均熱部材３６とは別の部材を均熱部材３６の内周面に接触させるように配置したものでもよい。断熱部４９を設けることによって、均熱部材３６の内周面からの放熱を抑え、ローラ表面を効率的に昇温することができる。また、均熱部材３６に一般的な等方性材料を使用することができるので、均熱部材３６を安く調達することが可能となる。また、一般的に金属材料は繊維複合材料より加工がしやすく、円筒状に成形しやすいので、円筒状の均熱部材３６が比較的簡単に製造できる。

断熱部４９は、非磁性体且つ非導電体であることが好ましい。こうすれば、磁束が断熱部４９を通過すること、及び、渦電流が断熱部４９を流れることが抑えられる。その結果、ローラ本体３１の外筒部３３での発熱量を増加させることができ、ローラ表面を効率的に昇温することができる。具体的には、断熱部４９に適した材料として、非磁性体且つ非導電体であり、軽量（例えば比重が２．０程度以下）で耐熱性（例えば耐熱温度が１８０℃程度以上）に優れた、グラスウールシートやセラミック含有塗料等の断熱塗料が挙げられる。また、必要とされる耐熱温度に応じて、フェノール発泡材等の発泡材（耐熱温度が１２０℃程度）も用いることができる。

上述の熱抵抗値とは、
熱抵抗値［（ｍ²・Ｋ）／Ｗ］＝厚さ［ｍ］／熱伝導率［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］
なる式から求めることができる。つまり、断熱部４９の種類が決まれば、その熱伝導率に応じて熱抵抗値がローラ本体３１の外筒部３３よりも高くなるように、断熱部４９の厚さを決めればよい。例えば、ローラ本体３１の外筒部３３の厚さが８ｍｍ、熱伝導率が５１．５［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］の場合は、外筒部３３の熱抵抗値は１．６×１０^-4［（ｍ²・Ｋ）／Ｗ］となる。これに対して、例えば、厚さ２ｍｍ、熱伝導率０．０５［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］のグラスウールを断熱部４９に採用すれば、断熱部４９の熱抵抗値は０．０４［（ｍ²・Ｋ）／Ｗ］となり、外筒部３３よりも十分高い熱抵抗値となる。なお、断熱部４９のさらに径方向内側に他の部材を設けてもよい。この場合には、径方向においてローラ本体３１の外筒部３３と断熱部４９との間に位置する部材が均熱部材として機能する。

図１１に示すように、アルミニウムや銅は、非磁性体であり、ローラ本体３１（外筒部３３）を構成する炭素鋼よりも比透磁率が低いため、磁束が均熱部材３６よりもローラ本体３１の外筒部３３を通過しやすくなる。その結果、ローラ本体３１の外筒部３３での発熱量を増加させることができ、ローラ表面を効率的に昇温することが可能である。

ところで、炭素鋼、アルミニウム、銅等の金属材料のように等方性材料の場合には、各物性値は方向にかかわらず１つの数値を有することになる。したがって、等方性材料の場合は、「軸方向における」、「周方向における」、「径方向における」と限定された物性値は、上記１つの数値を意味する。

（２）上記実施形態のように、均熱部材３６をＣ／Ｃコンポジット等の繊維複合材料で構成した場合に、さらに、その内周面に図１０の断熱部４９と同様の断熱部を設けてもよい。こうすれば、均熱部材３６の内周面からの放熱をより効果的に抑えることができ、ローラ表面をさらに効率的に昇温することができる。

（３）上記実施形態では、ローラ本体３１が片持ち支持されるものとした。しかしながら、ローラ本体３１が両持ち支持される構成であってもよい。

（４）上記実施形態では、１つの誘導加熱ローラ３０に、複数の糸Ｙが巻き掛けられるものとしたので、ローラ表面の軸方向の温度分布を均一化することで、複数の糸Ｙにおける品質のばらつきを低減できるという点において有益である。しかしながら、１本の糸が巻き掛けられる誘導加熱ローラに対しても、本発明を適用可能であることは言うまでもない。

（５）上記実施形態では、本発明に係る加熱ローラを誘導加熱ローラ３０に適用した場合について説明した。しかしながら、誘導加熱式でない加熱ローラに本発明を適用することも可能である。

（６）上記実施形態では、糸Ｙを加熱する加熱ローラ３０について説明した。しかしながら、加熱ローラ３０の用途は糸Ｙを加熱するものに限定されず、糸Ｙ以外のフィルムや紙等を加熱するものでもよい。

３：紡糸延伸装置
３０：誘導加熱ローラ（加熱ローラ）
３１：ローラ本体
３２：コイル
３３：外筒部（被加熱部）
３６：均熱部材
３８：均熱片
４１：シート状部材
４１ａ：炭素繊維（繊維材）
４１ｂ：母材
４９：断熱部
Ｙ：糸

Claims (14)

1. ローラ本体の被加熱部が加熱される加熱ローラであって、
   前記被加熱部の内周面と接触するように円筒状に構成され、軸方向の熱伝導率が前記被加熱部の少なくとも内周面における熱伝導率よりも高い均熱部材を備え、
   前記均熱部材は、径方向の熱伝導率が軸方向の熱伝導率よりも低く、
   前記均熱部材は、複数の繊維材が、前記繊維材よりも熱伝導率の低い母材を介して径方向に積層された繊維複合材料からなり、
   前記繊維複合材料からなる前記均熱部材は、複数の均熱片を周方向に並べることによって円筒状に形成されていることを特徴とする加熱ローラ。
2. 前記均熱部材は、周方向の熱伝導率が径方向の熱伝導率よりも高いことを特徴とする請求項１に記載の加熱ローラ。
3. 前記繊維複合材料は、前記繊維材及び前記母材を含むシート状部材が径方向に積層された構造を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の加熱ローラ。
4. 前記繊維複合材料は、前記繊維材が主に軸方向に配向されていることを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載の加熱ローラ。
5. 前記繊維複合材料は、前記繊維材が３次元的にランダム配向されていることを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載の加熱ローラ。
6. 前記繊維複合材料からなる前記均熱部材において、径方向の各位置で得られる径方向に直交する断面における前記繊維材の充填率の最低値が、軸方向の各位置で得られる軸方向に直交する断面における前記繊維材の充填率の最低値よりも小さいことを特徴とする請求項１～５の何れか１項に記載の加熱ローラ。
7. 前記繊維複合材料からなる前記均熱部材において、径方向の各位置で得られる径方向に直交する断面における前記繊維材の充填率の最低値が、周方向の各位置で得られる周方向に直交する断面における前記繊維材の充填率の最低値よりも小さいことを特徴とする請求項１～６の何れか１項に記載の加熱ローラ。
8. 前記繊維材は、炭素繊維であることを特徴とする請求項１～７の何れか１項に記載の加熱ローラ。
9. 前記均熱部材の内周面に、前記被加熱部の少なくとも内周面よりも熱抵抗値の高い断熱部が設けられていることを特徴とする請求項１～８の何れか１項に記載の加熱ローラ。
10. 前記断熱部は、非磁性体且つ非導電体であることを特徴とする請求項９に記載の加熱ローラ。
11. 前記ローラ本体の内部に配置されたコイルを備え、
    前記コイルに通電することで、前記被加熱部が誘導加熱されることを特徴とする請求項１～１０の何れか１項に記載の加熱ローラ。
12. 前記均熱部材は、前記被加熱部よりも比透磁率が低いことを特徴とする請求項１～１１の何れか１項に記載の加熱ローラ。
13. 前記均熱部材の周方向の電気抵抗率が、前記被加熱部の電気抵抗率よりも高いことを特徴とする請求項１～１２の何れか１項に記載の加熱ローラ。
14. 請求項１～１３の何れか１項に記載の加熱ローラを備える紡糸延伸装置であって、
    前記加熱ローラの外周面に複数の糸が軸方向に並んで巻き掛けられていることを特徴とする紡糸延伸装置。
    
    

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