JPH08270641A - 加熱ローラ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 連続走行する金属シート、紙、繊維、樹脂フ
ィルム等をロールと接触させて加熱する加熱ローラ装置
において、これまでは誘導加熱コイルを装架する中空軸
用ベアリングが短寿命で、ローラの振れ直線性が悪化す
る問題があったのを、誘導加熱コイル装架軸用ベアリン
グを省略しローラ装置としての寿命を抜本的に向上させ
る。 【構成】 ロールの胴部にセラミックファイバーなどの
断熱材層を介して金属円筒がはめ込まれており、前記金
属円筒には気液２相の熱媒体が封入された金属円筒の胴
長に亘るジャケット室が金属円筒の円周に沿って複数個
設けられており、前記金属円筒外面の円周方向の一部分
に対向して金属円筒の胴長方向に長い誘導加熱コイルが
固定されている加熱ローラ装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は連続走行する金属シー
ト、金属ストリップ、紙、繊維、樹脂フィルム等をロー
ルと接触させて、ロールにより加熱する加熱ローラ装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】金属ストリップ等の薄い板状の材料を連
続走行させながらロールにより加熱する加熱ローラ装置
については図６に示すごとく、ロール内部に円筒状の誘
導加熱コイル２４を挿入し、内部に気液２相の熱媒体を
封入したジャケット室２２を有しローラ本体を構成する
金属円筒２１をロール内部から加熱する方法がある。ま
たこの方法において加熱コイルをロールの胴長方向に複
数に分割し、それぞれのコイルの入力制御を行なうこと
により、胴長方向の入熱を制御し、材料に熱を奪われる
ロールと材料との接触部により多くの熱を与えることも
行なわれている。これによりロール自身の胴長方向での
温度バラツキは非常に小さく、ロールの温度精度面から
見ると非常に優れた加熱ローラ装置である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前記加熱ローラ装置は
ローラ内部に誘導加熱コイルを挿入するため、ローラ内
部に自身は回転しない中空軸２３があり、この軸上に加
熱コイル用鉄心３０および誘導加熱コイル２４が装着さ
れ、加熱コイルへの給電線２５はこの軸の中空部を通し
てコイルに接続される。またロール本体を構成するジャ
ケット室を有する金属円筒２１と、ベアリング２８を介
して機械本体と結合される軸部２７は取付けボルト２６
によりフランジ結合される。なお１０はベアリングボッ
クスである。このローラ本体は回転するため、回転しな
い誘導加熱コイル２４を装架した中空軸２３とローラ本
体の軸部２７とはさらにベアリング２９により結合され
る。したがって中空軸およびローラ本体を構成する軸の
水冷は工業的には不可能である。

【０００４】一方、連続運転中には金属円筒２１は誘導
加熱され、所定の高温になっており、円筒内部が密閉容
器になっているため、中空軸２３からの放熱は軸端での
放射、対流のみになる。このため加熱コイル、鉄心を含
め中空軸そのものの大部分の温度が加熱されている円筒
温度に近い温度になり、この軸を支えるベアリング部も
高温になってしまう。このためこのベアリングおよび潤
滑材は高温に耐えるものを使用しているが、寿命が短
く、短時間での定期ベアリング取替えを必要としてい
る。

【０００５】しかし時には定期取替え以前にベアリング
が焼き付きを生じて回転不能になり、ローラ本体の軸部
２７とは締結された状態になって中空軸２３も回転して
しまい、給電線２５をねじ切ってしまう事故が発生す
る。このような事故を防止するため給電線装入部から気
体を吹き込み、対流伝熱により冷却を行なうこともある
が所要ローラ温度が高くなると限界が生じ、結局ローラ
温度の上限に制約を受けてしまう。

【０００６】次にローラ本体を構成する軸部２７は金属
円筒２１とフランジ結合されており、円筒の昇温と共に
熱伝導によりフランジ部、軸部へ熱が移動する。軸部２
７の表面は大気開放状態にあり、放射、対流により熱が
奪われるため、フランジ結合された接触部を最高温度点
として徐々に温度低下し、ベアリング位置での温度上昇
は小さい。したがってベアリングの寿命という面ではな
んらの問題も発生しないが、フランジ取付け部からベア
リング部に向って温度勾配を持つため軸受部に熱応力が
発生し、軸受部に熱歪みが生じる。

【０００７】この熱歪みによりローラの振れが冷間より
大きくなると共にローラ表面での軸方向の直線性（プロ
フィル）が悪化する。ローラは冷間で研磨仕上げされる
ため、冷間状態では振れ、表面の軸方向直線性共に十分
に性能を満足させることが可能だが、所定使用温度では
振れ、直線性共に冷間に比べ大幅に悪化する。これが原
因となって連続走行されている材料に疵が入ったり、し
わを作り、製品の歩留り低下をきたすことがある。

【０００８】以上のように、これまでの装置では誘導加
熱コイルを装架する中空軸用ベアリングの短寿命、所定
温度（熱間）におけるローラの振れ直線性の悪化に対応
することはできない。そこで本発明は誘導加熱コイル装
架軸用ベアリングを省略しローラ装置としての寿命を抜
本的に向上させると共に所定温度（熱間）においても冷
間でのローラの振れ、直線性をほぼ維持できる高性能加
熱ローラ装置を提供する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は前記課題を解決
するものであって、ロールの胴部に断熱材層を介して金
属円筒がはめ込まれており、前記金属円筒には気液２相
の熱媒体が封入された金属円筒の胴長に亘るジャケット
室が金属円筒の円周に沿って複数個設けられており、前
記金属円筒外面の円周方向の一部分に対向して金属円筒
の胴長方向に長い誘導加熱コイルが固定されていること
を特徴とする加熱ローラ装置である。また、断熱材層は
ロールの胴部にセラミックファイバーの不織布を積層
し、金属円筒を焼きばめすることにより形成されたもの
であること、誘導加熱コイルは金属円筒の胴長方向の複
数のゾーンに分割され、それぞれ別個に入力を調節する
電源に接続されていること、ロールは軸部に冷却水配管
を取り付け内部に冷却水路が設けられていることも特徴
とする。

【００１０】

【作用】本発明では図１に示すようにロール１の胴部１
Ａに断熱材層４を介して内部に気液２相の熱媒体を封入
したジャケット室２を有する金属円筒３がはめ込まれて
いる。このように形成されたローラの外部から誘導加熱
コイル５により金属円筒３を誘導加熱する。ローラの所
定使用温度が約１５０℃を超える場合にはロール１に冷
却水路６を設け、冷却水配管を軸部に取付けて水冷を行
なう。ロール１はロール軸部１Ｂをベアリング７によっ
て支持される。

【００１１】誘導加熱コイル５により金属円筒３が加熱
される一方でローラと接触している被加熱材料に熱が奪
われ、金属円筒の胴長方向で温度むらが発生しようとす
るが、ジャケット室２に真空封入された水等の熱媒体が
高温域では蒸発潜熱を奪い、高速で低温域に移動して凝
結し凝結潜熱を与えるいわゆるヒートパイプ作用を行な
うので、実際には極く小さな温度むらしか発生しない。
ジャケット室３は上記の作用のため金属円筒の胴長に亘
る長さが必要であり、図１のＡ−Ａ断面図である図２に
示したように細長い円筒状のジャケット室を金属円筒の
円周に沿って複数個設ければよい。

【００１２】金属円筒３が高温になると、断熱材層４を
通じて熱がロール１に移動し、さらに温度のロール軸部
１Ｂに向って移動し、大気開放状態になっているロール
エンド部１Ｃ、ロール軸部１Ｂでは、放射、対流により
熱が奪われるため、ロールエンド部からロール軸部の間
で温度勾配が発生し熱応力による歪みを生じる。この歪
みによりローラの振れが大きくなったり、ローラ表面の
直線性が悪化する。ロールエンド部１Ｃからロール軸部
１Ｂで発生する温度勾配は断熱材層４を通過する熱量に
関係しており、熱量を低減すると、温度勾配が小さく、
歪みも小さくなる。このため断熱材層は熱伝導率が３Ｗ
／ｍ・Ｋ以下となる材質が好ましく、厚さは少なくとも
１０ｍｍ以上が必要である。

【００１３】また金属円筒３が高温になり、熱膨張によ
り断熱材層４との間に隙間が発生すると、金属円筒と断
熱材の間ですべりが発生すると共に金属円筒単体で振動
を発生することがある。このため断熱材にはセラミック
スファイバーの不織布を用い、胴長方向に層状に積層し
ながら、胴長方向に十分な圧縮力を与え、予圧を与えた
状態で断熱材支持金物９で固定する。こうすることで断
熱材のロール径方向に対する圧縮歪みに対し、弾性復元
量が非常に大きくとれる。さらに金属円筒は断熱材の上
に焼きばめする。こうすることで少なくともローラ使用
温度４５０℃までは金属円筒と断熱材の間に隙間が発生
することなく、断熱材と金属円筒間ですべりも発生しな
いし、金属円筒単体が振動することもない。

【００１４】以上のように断熱材を金属円筒とロールの
胴部の間に配置することにより、ロールエンド部からロ
ールの軸部で発生する熱歪みは非常に小さくなり、熱間
におけるローラの振れ、直線性ともにほとんど冷間の値
に近い値となる。しかしローラ使用温度の上昇とともに
ローラの振れ、直線性ともに少しづつ増大するので、ロ
ーラ使用温度が１５０℃を超える時はロール１を水冷
し、すべての部分をほぼ均一温度にすることで、ローラ
の振れ、直線性ともに熱間での値を冷間での値にほぼ等
しくできる。

【００１５】ローラは金属円筒３外面に対向して設けた
誘導加熱コイル５により加熱される。誘導加熱コイルは
図２に示すように、いわゆる垂直磁場加熱方式のコイル
であり、誘導加熱コイル本体１２と鉄心８により構成さ
れる。誘導加熱コイルは金属円筒の円周方向の一部分の
通板の邪魔にならない所に設ければよく、加熱温度が高
く大入力を必要とするときには、たとえば９０度ずらし
た位置に２列にするなど複列に設けてもよい。ここでい
う円筒方向の一部分というのはこのようなものも入り、
金属円筒全体を内部に収納する円筒ソレノイド型のコイ
ルではないという意味である。また金属円筒の胴長方向
については長いものが必要で、均一加熱のためのほぼそ
の胴長全体に亘る長さが好ましいが、単一の誘導加熱コ
イルでなく複数並べる方法でももちろん構わない。複数
のコイルの入力を別個に調節すれば被加熱材に奪われる
熱量の差を補償することもできる。誘導加熱により金属
円筒に投入される熱エネルギーの密度は加熱周波数に関
係しており、周波数が高くなる程熱エネルギー密度が高
くなる。

【００１６】加熱ローラ装置は、ロールにより薄い板状
の材料を連続走行させながら加熱することを目的として
おり、ローラ周辺に配置される設備はできるだけコンパ
クトでなければならない。このため、加熱周波数は１ｋ
Ｈｚ以上にする必要がある。一方、周波数が高くなるに
したがい誘導加熱コイル用鉄心、高周波電源等での損失
が徐々に増大する上、コイルの巻数の最小値が１ターン
であり、周波数が高くなって必要巻数が１回になると、
これ以上周波数を上げてもほとんどコンパクトにはなら
ない。このため加熱周波数の上限は約５０ｋＨｚ程度に
なる。

【００１７】また本方式の加熱ローラではジャケット室
がヒートパイプ作用をしており、ローラの胴長方向で２
０℃以上にもなる大きな温度差をつけることはできない
が、ローラの中央部の温度を通板材料が接していない部
分より少し高目にすることで、材料の通板位置が安定す
る。つまり連続通板中に材料が左右にふらつかない自動
調心作用を持たせることができる。このため図４に示す
ように誘導加熱コイル５Ａ、５Ｂおよび５Ｃと胴長方向
で３分割し、各々のコイルからローラに投入される単位
ローラ幅当りの電力に差をつけ、ローラ中央部の温度を
ローラ両端部の温度に比べ高くすることが可能である。

【００１８】

【実施例】先に説明した図１ないし図３は本発明の加熱
ローラ装置の実施例である。これらの図に示した装置に
おいて、金属円筒の胴長１６００ｍｍ、金属円筒の外径
４５０ｍｍ、断熱材層の厚さ３０ｍｍのもの製作した。
誘導加熱コイルは軸方向において３分割され、中央部１
０００ｍｍ、両端部２５０ｍｍとなっている。この加熱
ローラ装置において中心軸であるロールの水冷なしで、
常温から徐々にローラ温度を上げていき、各温度におけ
る金属円筒中央部での振れを計測した結果、図４の結果
を得た。次にロールに冷却水を流し、同様に各温度での
振れを計測した結果図４に示す結果を得た。

【００１９】またローラ温度２００℃において中央部の
加熱コイルのみ約１．５倍の電力で通電し、両端部の加
熱コイルの通電を切り、ローラの表面である金属円筒の
温度分布を測定したところ図５に示す結果を得た。均一
入熱時は金属円筒の胴長方向温度は２００±１℃になっ
ていたものが、中央部加熱コイルのみ通電した時、中央
部で２１０℃、端部で１９０℃となった。

【００２０】この結果からロール水冷なし時、常温時の
振れとほぼ同一の振れを維持できるローラ温度は約１５
０℃であり、ロール水冷を行なうとローラ温度４５０℃
までは常温時とほぼ同一の振れが維持できることが判明
した。４５０℃を超えると金属製の円筒と断熱材間に隙
間が発生し、急激に振れが増大する。したがって本発明
が適用できる最大ロール温度は約４５０℃である。

【００２１】

【発明の効果】本発明の加熱ローラ装置は所定の温度に
加熱される金属円筒の胴の部分は熱的に絶縁されている
ので中心軸のロールの部分の温度上昇が少なく、軸受部
の熱応力に起因するローラの振れが生じにくく、またベ
アリングの寿命も長くできる。したがって誘導加熱コイ
ルがローラ内部にないこととあいまって、従来の加熱ロ
ーラ装置より保守が容易であり、使用温度における寸法
精度が優れている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の加熱ローラ装置の例を示す軸に平行な
断面図

【図２】図１のＡ−Ａ断面図

【図３】本発明の装置における誘導加熱コイルの配置の
例を説明する図

【図４】本発明の加熱ローラ装置の使用温度とローラの
振れとの関係を示すグラフ

【図５】本発明の装置においてローラの軸方向位置とロ
ーラ温度との関係を示すグラフ

【図６】従来の加熱ローラ装置を示す軸に平行な断面図

【符号の説明】

１ ロール １Ａ ロールの胴部 １Ｂ ロールの軸部 １Ｃ ロールエンド部 ２ ジャケット部 ３ 金属円筒 ４ 断熱材 ５、５Ａ、５Ｂ、５Ｃ 誘導加熱コイル ６ 冷却水路 ７ ベアリング ８ 鉄心 ９ 断熱材支持金物 １０ ベアリングボックス １２ 誘導加熱コイル本体 ２１ 金属円筒 ２２ ジャケット室 ２３ 中空軸 ２４ 誘導加熱コイル ２５ 給電線 ２６ 取付けボルト ２７ 軸部 ２８、２９ ベアリング ３０ 鉄心

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 八尾 裕吾 神奈川県平塚市田村5893 高周波熱錬株式 会社湘南事業所内 (72)発明者 福山 勝 神奈川県平塚市田村5893 高周波熱錬株式 会社湘南事業所内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ロールの胴部に断熱材層を介して金属円
   筒がはめ込まれており、前記金属円筒には気液２相の熱
   媒体が封入された金属円筒の胴長に亘るジャケット室が
   金属円筒の円周に沿って複数個設けられており、前記金
   属円筒外面の円周方向の一部分に対向して金属円筒の胴
   長方向に長い誘導加熱コイルが固定されていることを特
   徴とする加熱ローラ装置。
2. 【請求項２】 断熱材層はロールの胴部にセラミックフ
   ァイバーの不織布を積層し、金属円筒を焼きばめするこ
   とにより形成されたものであることを特徴とする請求項
   １記載の加熱ローラ装置。
3. 【請求項３】 誘導加熱コイルは金属円筒の胴長方向の
   複数のゾーンに分割され、それぞれ別個に入力を調節す
   る電源に接続されていることを特徴とする請求項１また
   は２記載の加熱ローラ装置。
4. 【請求項４】 ロールは軸部に冷却水配管を取り付け内
   部に冷却水路が設けられていることを特徴とする請求項
   １、２または３に記載の加熱ローラ装置。