JPH1150158A - ロール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】単一のロールで、ロールに巻き付けた金属帯の
冷却と加熱を可能とし、かつロールプロフィールを常に
一定の適正状態に保持して、金属帯の通板を安定化させ
る。 【解決手段】胴部（１）が金属スリーブ（２）からなる
中空ロールであって、スリーブ内面に複数個の熱電素子
（４）が密着固定されており、熱電素子は単一または複
数個単位で極性および電流量の制御が可能であるロー
ル。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属帯の連続処理
ラインにおける搬送工程等に用いられるロールに係わ
り、さらに詳しくは金属帯をロールに巻き付けて冷却ま
たは加熱することができ、さらには搬送中の金属帯の蛇
行や絞り込みの発生を防止することがでるロールに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】金属帯の連続処理ラインでは、その過程
において金属帯を冷却および加熱することが多く、金属
帯を直接水冷や空冷したり、加熱炉等で加熱する等種々
の方式が採用されている。

【０００３】特に、金属帯をロールに巻き付けてその接
触により冷却または加熱を行う方式として、従来より内
部水冷方式による冷却ロールや、ジャケットロール等の
ように内部にヒータを設け加熱機能を付与した加熱ロー
ルが知られている。

【０００４】しかしながら、水冷却ロールでは、金属帯
の冷却温度を水温以下にすることはできない。また、水
量、水温を常に一定に保持するための付帯設備も必要と
なるが、これら水量、水温の変動は避けがたく極薄材の
冷却に要求される高精度な温度制御は困難であった。

【０００５】ロールに冷却と加熱の両機能を兼備させる
ことは困難であるため、加熱機能を備えたロールを用い
て金属帯を冷却することは不可能に近い。

【０００６】特公平７−５９９８号公報には、中空ロー
ルの内部に冷媒や熱媒を噴出させて、金属帯をロールに
接触させて金属帯を冷却または加熱するロールが開示さ
れている。しかし、この単一ロールによる金属帯の冷却
および加熱はロール内部の冷媒または熱媒の設定を切り
替えることが必要であり、そのため切替え時の立ち上が
りに時間を要して歩留の大幅な低下を招く。

【０００７】また、ロール本体の温度調節やロール幅方
向温度の調節についても、媒体の噴出量や設定温度を調
整する必要があり、熱応答性が悪い等の点から高精度な
温度制御は困難である。

【０００８】次に、高温の金属帯の搬送工程において
は、搬送ロールに生じるサーマルクラウン、すなわちロ
ールの幅方向における熱分布の不均一により生じるロー
ルプロフィールが通板安定性に大きな影響を及ぼす。搬
送ロールに凹クラウンが生じると金属帯の蛇行が発生
し、また搬送ロールに凸クラウンが生じると、金属帯の
座屈や絞り込み、腰おれ等が発生するため、製品品質が
劣化する。

【０００９】特開平２−３０１５２０号公報には、スリ
ーブの内面に熱伝導性の優れた金属リングを設け、スリ
ーブの軸方向の熱伝導を促進させることにより、軸方向
の温度勾配を緩和させる機能を備えた熱クラウン抑制ハ
ースロールが開示されている。しかし、このロールにお
いてもサーマルクラウンを完全には防止できず、極薄金
属帯のようにさらに厳しい通板性が要求される場合には
十分に対応できない。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、金属
帯の搬送工程等において、単一のロールで金属帯の冷却
および加熱が可能で、優れた応答性および制御性を有す
る冷却、加熱ロールを提供することであり、他の課題
は、ロールプロフィールを常に一定の適正状態に保持す
ることができ、金属帯を安定して通板させることのでき
る冷却、加熱ロールを提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、金属帯を
冷却する機能と加熱する機能とを兼備したロールを開発
すべく鋭意検討した結果、吸熱と発熱を同時に起こす熱
電素子（ペルチエ素子）に注目し、ロール内部に熱電素
子を導入することにより前記課題を解決するに至った。

【００１２】本発明の要旨は、「胴部が金属スリーブか
らなる中空ロールであって、スリーブ内面に複数個の熱
電素子が密着固定されており、熱電素子は単一または複
数個単位で極性の切替えおよび電流量の制御ができるよ
うに配線され、外部の直流電源に接続可能であることを
特徴とするロール」にある。

【００１３】熱電素子とは、ペルチエ効果による吸熱、
発熱を起こす熱電半導体を金属電極で接合した素子対
が、通常数個から数十個直列回路となるよう接続されセ
ラミック板間に収納されたものである。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の冷却、加熱ロー
ルの１例を示す縦断面図である。

【００１５】このロールは、胴部１と軸部３とを備えた
中空ロールで、胴部１は金属スリーブ２からなり、その
スリーブ２の内面に複数個の素子４（以下、単に素子と
記す）が密着固定されている。この素子は接続ケーブル
５により図示しない一般に知られている摺動ブラシやス
リッピング等を介して直流電源に接続可能となってい
る。また、素子は各単一もしくは複数個単位で極性の切
替えおよび電流量の制御が可能に配線されている。

【００１６】金属スリーブの材質は、１）金属帯の冷却
および加熱をするために使用する場合と、２）サーマル
クラウン制御によりロールプロフィールの適正保持をお
こない、金属帯の安定搬送に使用する場合とにより材質
を異にするのがよい。

【００１７】１）の場合では、素子の吸熱や発熱により
金属スリーブを介して金属帯を冷却したり、加熱するの
で、金属スリーブは銅やアルミといった熱伝導に優れた
金属の使用が望ましい。このような金属を用いることに
より、ロール幅方向の伝熱が良好に促進されるため板幅
方向における均一な冷却、加熱が可能となる。２）のサ
ーマルクラウン制御をおこなうために使用する場合は、
ロールの幅方向において温度差を付与する必要がある。
そのため、金属スリーブには熱伝導率の低い金属、例え
ば耐久性等も考慮すればステンレス鋼等が望ましい。

【００１８】また、金属スリーブの肉厚は、熱伝導、応
答性の観点からは薄い方がよいが、ロール強度を考慮す
れば５〜２０ｍｍが望ましい。

【００１９】次に、金属スリーブ内面に密着固定する素
子について説明する。

【００２０】素子は、熱電半導体を使用したヒートポン
プの１種で、市販されているものを用いればよい。素子
には、Ｂｉ₂Ｔｅ₃、Ｂｉ₂Ｓｅ₃、Ｓｂ₂Ｔｅ₃、ＰｂＴ
ｅ、ＰｂＳｅ等が用いられており、π型の素子対が基本
単位となる。

【００２１】素子に通電すると、図１の素子４の斜線で
示すように素子の断面中央を境に半分が吸熱部となり他
方半分が発熱部となる。従って、ロールを冷却ロールと
して使用する場合には、素子の金属スリーブに接触して
いる面が吸熱側となるような極性とし、加熱ロールとし
て使用する場合は、逆の極性にする。

【００２２】素子を金属スリーブの内側に密着固定する
方法としては、素子と金属スリーブとの熱伝導を良好に
するために、シリコングリース等の薄い電気絶縁層を介
してボルト締結等により適度に密着させるとよい。

【００２３】素子には数ｍｍ角〜数十ｍｍ角の大きさが
あり、これらを金属スリーブの内面に、スリーブの周方
向と幅方向にできるだけ均一に配置するのがよい。特に
素子の大きさは限定しないが、５〜４０ｍｍ角程度の大
きさが好ましく、素子と素子の間隔は５ｍｍ程度でよ
い。

【００２４】素子は、極性の切替えや電流量の制御単位
毎に並列または直列に配線して直流電流を印加する。

【００２５】素子を単一もしくは複数個単位で極性の切
替えおよび電流量の制御可能に配線する理由は、スリー
ブを部分的に温度調整してロールプロフィルを制御する
ためである。例えば、鋼帯を冷却する場合鋼帯の幅方向
の中央部はエッジ部に比べ冷却されにくいので、ロール
中央部をエッジ部より低温にする必要がある。また、高
温の金属帯を搬送する場合にロール表面に発生する凸ヒ
ートクラウンは、ロール中央部を冷却することにより制
御することができる。

【００２６】素子の制御ブロックの分割に関しては特に
制限を設けないが、適正なサーマルクラウンを付与する
ためにも周方向では同一ブロックとし、ロール幅方向に
おいて温度勾配の急な部分が密になるよう配すればよ
い。制御ブロックが小さい程ロール幅方向の温度制御を
高精度で行うことができる。

【００２７】本発明のロールの使用可能温度域は、素子
の仕様により定まるが、通常では−２０〜１５０℃程度
の広範囲で使用できる。

【００２８】ロールを冷却ロールとして使用する場合
は、冷却能力を確保するために、素子の発熱面側に設け
たアルミ板７に冷却水を流し、発熱面からの熱および素
子内部で発熱するジュール熱を放散させるのが好まし
い。一方、加熱ロールとして使用する場合には、特にア
ルミ板７内に冷却水等を循環させる必要はないが、より
一層の加熱能力を得るには、アルミ板内に温水等を循環
させて、冷却面の温度を上昇させるのがよい。

【００２９】

【実施例】次に、具体的な実施例に基づき本発明のロー
ルの効果を説明する。

【００３０】図１に示す構造のロール胴長２００ｍｍ、
ロール直径８０ｍｍ、金属スリーブ厚さは５ｍｍのロー
ルを二つ製作した。一つのロールには、金属スリーブに
銅を、もう一方のロールにはオーステナイト系ステンレ
ス鋼を用いた。

【００３１】これらのロールに、初期クラウンとして半
径当たりで０．０５ｍｍの凸クラウンを機械加工により
付与した。

【００３２】金属スリーブ内側にシリコングリースを塗
り、Ｂｉ₂Ｔｅ₃を用いた５ｍｍ角の大きさの素子を、周
方向に１０列、ロール幅方向に１０列の合計１００個
を、締め付けトルク１．５ｋｇ／ｃｍでボルト締結して
密着固定した。また、素子の間隔は４．５ｍｍとし、通
電用のリード線を配線した。

【００３３】また、素子の一方の面は、同様にシリコン
グリースを介して厚さ１０ｍｍのアルミ板を設けて密着
し、アルミ板内には温度２５℃の冷却水を供給した。

【００３４】素子への通電電源は、サイリスタ制御方
式、リップル率１％以下である直流電源、２０Ｖ、５０
Ａとした。

【００３５】制御ブロックについては、素子をロール幅
方向に３分割とし、ロール幅方向１０個の素子をロール
幅端部両側で各３列（各６０ｍｍ）、ロール幅中央部で
４列（８０ｍｍ）とした。

【００３６】まず、金属帯を冷却または加熱するロール
として製作した厚さ５ｍｍの銅製スリーブのロールを用
い、ステンレス鋼帯の冷却、加熱をおこなった。厚さ
０．１５ｍｍ、幅１６０ｍｍのステンレス鋼帯（箔状）
をロールに９０度巻き付けたて搬送し、ステンレス鋼帯
のロールへの巻き付け前の温度を５０℃一定とした。ロ
ール内のすべての素子について極性と１素子当たりの電
流値を同じにして、表１に示すように電流値と極性を種
々変化させた。このような条件でステンレス鋼帯を加熱
または冷却し、ロール表面温度およびロール出側での鋼
帯幅中央部の温度を測定した。測定結果を表１に示す。

【００３７】なお、この実施例では、制御ブロック毎に
電流量を変えていないが、実ラインでの加熱、冷却で
は、通板材の幅方向の温度分布を均一にするためには、
素子に流す電流量はロール端部と中央部とでは異なるよ
うにするのがよい。

【００３８】

【表１】

【００３９】表１から明らかなように、単一のロールで
ありながら通電電流の極性を変えることにより、通板材
の冷却と加熱が可能であり、また、通電電流量を変化さ
せることにより−１０〜１４０℃の温度範囲で冷却、加
熱することができる。

【００４０】また、通板性に関しては、条件１〜４の冷
却ロールでは軽度の縦筋（絞り模様）、条件６〜７では
若干の蛇行が生じたが特に搬送の支障とはならなかっ
た。

【００４１】次に、金属帯の搬送工程で通板の安定化の
ために用いるロールとして製作した厚さ５ｍｍのステン
レス製スリーブを使用したロールを用い、厚さ０．０８
ｍｍ、幅１００ｍｍのステンレス鋼帯を前記と同様に、
入側温度５０℃一定として、ロールに９０度巻き付けて
搬送した。スリーブ内面に設けた素子の制御ブロックは
ロール幅方向に３分割とし、幅方向で合計１０列の素子
を、各ロール幅端部で各３列（各６０ｍｍ）、ロール幅
中央部４列（８０ｍｍ）に分けて通電した。それぞれの
電流極性と電流値を表２に示すように変化させた。

【００４２】このような条件でステンレス鋼帯を搬送
し、蛇行および絞りの発生状況を観察すると共に、ロー
ル幅方向の温度分布を板幅中央部、板幅端部に相当する
ロール表面の温度を測定した。結果を表２に示す。

【００４３】

【表２】

【００４４】条件１は、素子に通電を行っていないため
従来の搬送工程における搬送ロールと同じ条件である。
本条件下では、ロール幅方向温度分布は板幅中央部にお
いて通板材からの熱により高温となっており、板幅端部
では、ロール幅端部での大気放散熱および軸端からの伝
熱により外気温とほぼ等しい低温となっていた。そのた
め、凸のサーマルクラウンが生じて通板材が極薄材であ
ることから絞りが発生し、また、ロール幅方向温度偏差
がそのまま通板材に転写されるため板端部が過冷となっ
て中伸びが生じた。

【００４５】これに対して、条件７ではロール幅両端部
に設けた素子ブロックを加熱しているため、温度偏差が
低減されておりサーマルクラウンの発生もなく、通板材
は平坦な形状となっていた。

【００４６】次に、条件２〜４はロールを冷却する場合
であるが、条件２ではロール両端部とロール中央部の熱
電素子ブロックに投入した電流量の差が少ないため、ロ
ール表面温度偏差を解消するには至らず、条件１と同様
にロールには凸クラウンが発生し、これによる絞りと中
伸びが発生していた。

【００４７】一方、条件３ではロール両端部とロール中
央部での素子ブロックに投入した電流量に適当量の差が
あり、ロール表面温度偏差はほぼ消滅しており、これに
より適正なロールプロフィールが保持され安定した通板
が可能となり、ロールを通過した箔は平坦であった。

【００４８】また、条件４では、ロール量端部の電子素
子ブロックに電流を流し冷却しなかったので、ロール両
端部で冷却能が不足しているため、ロール表面温度もロ
ール幅端部が高くなっており凹クラウンが発生し、通板
材の蛇行と耳波が生じた。

【００４９】条件５、６は極性を負に変えてロールの加
熱を行う場合であるが、条件５では各素子に両端部の加
熱能力が不足しているため、条件２と同様にロール表面
には凸クラウンが発生し、これにより絞りと中伸びが発
生した。

【００５０】これに対して条件６では、ロール幅端部で
の素子ブロックへの通電量を多くすることで、ロール幅
端部の加熱能力を上げているため、ロール幅方向におけ
る温度偏差が消滅し、条件３同様に適正なロールプロフ
ィールが保持され安定な通板となった。

【００５１】

【発明の効果】本発明の冷却、加熱ロールによれば、金
属帯の連続処理ライン等において、金属帯の冷却および
加熱を単一ロールで行うことが可能となる。また、冷却
または加熱工程を伴わないような単なる搬送工程におい
ても、サーマルクラウンやロール幅方向温痔分布を制御
することでロールプロフィールを常に一定の適正状態に
保持し、金属帯の通板性に関して優れた効果を発揮し、
大幅な製品品質および歩留の向上を達成することが可能
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の冷却、加熱ロールの１例を示す縦断面
図である。

【符号の簡単な説明】

１ ロール胴部 ２ 金属スリーブ ４ 熱電素子 ５ 直流電源との接続ケーブル ６ 流体供給管 ７ 放熱板

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】胴部が金属スリーブからなる中空ロールで
   あって、スリーブ内面に複数個の熱電素子が密着固定さ
   れており、熱電素子は単一または複数個単位で極性の切
   替えおよび電流量の制御ができるように配線され、外部
   の直流電源に接続可能であることを特徴とするロール。