KR102279700B1 - 유도 발열 롤러 장치 - Google Patents

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야스히로 후지모토
마사요시 기무라
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토쿠덴 가부시기가이샤
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Abstract

본 발명은, 롤 본체의 온도를 측정하는 온도 검출 소자를 불필요하게 하는 것이며, 롤 본체(2)와, 철심(31) 및 권선(32)으로 이루어지는 자속 발생 기구(3)와, 교류 전류 또는 교류 전압을 제어하는 제어 소자(4)가 마련된 전원 회로(5)를 구비한 유도 발열 롤러 장치(100)로서, 권선(32)을 흐르는 교류 전류를 검출하는 교류 전류 검출부로부터 얻어지는 교류 전류값과, 권선(32)에 인가되는 교류 전압을 검출하는 교류 전압 검출부로부터 얻어지는 교류 전압값과, 롤 본체(2) 및 자속 발생 기구(3)로 이루어지는 유도 발열 롤러의 역률을 검출하는 역률 검출부로부터 얻어지는 역률과, 권선(32)의 권선 저항값과, 철심(31) 및 롤 본체(2)로 구성되는 자기 회로의 자속 밀도 및 여자 저항의 관계 특성으로부터 얻어지는 여자 저항을 파라미터로 하여, 롤 본체(2)의 온도를 산출하도록 구성되어 있다.

Description

유도 발열 롤러 장치{Induction Heated Roll Apparatus}
본 발명은, 유도(誘導) 발열 롤러 장치에 관한 것이다.
유도 발열 롤러 장치에 있어서, 특허 문헌 1에 나타내는 바와 같이, 피(被)가열체인 롤 본체에 온도 검출 소자를 장착하여 직접 온도를 측정하는 것이 있다.
그런데, 롤 본체는 회전체이기 때문에, 온도 검출 소자의 장착이 곤란한 경우가 많다. 또, 온도 검출 소자를 롤 본체에 장착하는 경우에는, 개별로 온도 검출 소자와 롤 본체와의 접촉 상황이 달라, 검출 온도의 오차가 생기는 경우가 있다. 또, 롤 본체에 마련한 온도 검출 소자의 신호를 고정측의 제어 기기에 입력하기 위해서는, 회전 트랜스 등의 고도한 기기가 필요하게 된다.
또, 복사식 온도계 등의 비접촉식 온도 검출 수단을 이용하여 롤 본체의 온도를 검출하는 방법도 생각되어지나, 검출 정밀도가 낮거나, 롤 본체의 표면 복사율(방사율)에 영향을 받거나 하여, 정확한 온도 검출이 곤란한 경우가 많다.
특허 문헌 1 : 일본특허공개 제2001-23766호 공보
그래서 본 발명은, 상기 문제점을 해결하기 위해서 이루어진 것이며, 유도 발열 롤러 장치에 있어서, 롤 본체의 온도를 측정하는 온도 검출 소자를 불필요하게 하는 것을 그 주된 과제로 하는 것이다.
즉 본 발명에 관한 유도(誘導) 발열 롤러 장치는, 회전 가능하게 지지된 롤 본체와, 상기 롤 본체의 내부에 마련되며, 철심 및 당해 철심에 감겨진 권선으로 이루어지는 자속(磁束) 발생 기구와, 상기 권선에 접속됨과 아울러, 교류 전류 또는 교류 전압을 제어하는 제어 소자가 마련된 전원 회로를 구비하고, 상기 롤 본체의 온도를 측정하는 온도 검출 소자를 가지지 않는 유도(誘導) 발열 롤러 장치로서, 상기 자속 발생 기구에 의해서 생기는 자속 밀도와 상기 철심 및 상기 롤 본체로 구성되는 자기(磁氣) 회로의 여자(勵磁) 저항과의 관계 특성을 나타내는 자속 밀도-여자 저항 관계 데이터를 격납하는 롤 온도 산출용 데이터 격납부와, 상기 권선을 흐르는 교류 전류를 검출하는 전류 검출부로부터 얻어지는 전류값, 상기 권선에 인가되는 교류 전압을 검출하는 전압 검출부로부터 얻어지는 전압값, 및, 상기 롤 본체 및 상기 자속 발생 기구로 이루어지는 유도 발열 롤러의 역률(力率)을 검출하는 역률 검출부로부터 얻어지는 역률, 상기 권선의 권선 저항값과, 상기 자속 발생 기구에 의해 생기는 자속 밀도 및 상기 자속 밀도-여자 저항 관계 데이터로부터 얻어지는 여자 저항값을 파라미터로 하여, 상기 롤 본체의 온도를 산출하는 롤 온도 산출부를 구비하는 것을 특징으로 한다. 또, 상기 자속 발생 기구에 의해 생기는 자속 밀도와 상기 철심 및 상기 롤 본체로 구성되는 자기 회로의 여자 저항과의 관계 특성은, 미리 측정한 것을 이용할 수 있다. 또, 권선의 권선 저항값은, 권선의 권선 저항을 검출하는 권선 저항 검출부를 마련하여, 당해 권선 저항 검출부에 의해 직접적으로 검출하도록 해도 좋고, 후술하는 바와 같이, 권선의 온도를 검출하는 권선 온도 검출부를 마련하여, 당해 권선 온도 검출부로부터 얻어지는 권선의 온도로부터 권선 저항값을 산출해도 괜찮으며, 권선에 간헐적으로 직류 전압을 인가하여, 그 때에 흐르는 직류 전류를 검출하는 것에 의해, 권선 저항값을 산출하도록 해도 괜찮다.
이러한 것이면, 권선의 전류값과, 권선의 전압값과, 유도 발열 롤러의 역률과, 권선의 저항값과, 자기 회로의 여자 저항값을 파라미터로 하여 롤 본체의 온도를 산출하는 롤 온도 산출부를 가지므로, 롤 본체에 온도 검출 소자를 마련하지 않고, 롤 본체의 온도를 산출할 수 있다.
구체적으로는, 상기 롤 온도 산출부가, 상기 전류 검출부로부터 얻어지는 전류값과, 상기 전압 검출부로부터 얻어지는 전압값과, 상기 역률 검출부로부터 얻어지는 역률과, 상기 권선 저항값과, 상기 자속 밀도 및 상기 자기 회로의 자기 저항의 관계 특성으로부터 얻어지는 여자 저항값을 파라미터로 하여 상기 롤 본체의 저항값을 산출하며, 상기 롤 본체의 저항값과 상기 롤 본체의 비투자율(比透磁率)을 이용하여, 상기 롤 본체의 온도를 산출하는 것이 바람직하다.
보다 구체적으로는, 유도 발열 롤러 장치가, 상기 전류 검출부로부터 얻어지는 전류값과, 상기 전압 검출부로부터 얻어지는 전압값과, 상기 역률 검출부로부터 얻어지는 역률에 의해 상기 유도 발열 롤러의 임피던스(이하, '롤 임피던스'라고 함)를 산출하는 임피던스 산출부를 구비하고 있으며, 또 상기 임피던스 산출부가, 상기 롤 임피던스와 상기 권선 저항값과 상기 여자 저항값을 파라미터로 하여, 상기 롤 본체의 저항값을 산출하는 것이다.
여기서, 롤 본체 및 자속 발생 기구로 이루어지는 유도 발열 롤러의 등가(等價) 회로를 도 4에 나타낸다. 전원 회로에 의한 교류 전압의 통전시에서, 권선에 인가되는 입력 교류 전압 V를, 권선을 흐르는 교류 전류 I로 나누고, 또한, 유도 발열 롤러의 역률 cosφ를 곱하면, 권선의 저항 r1, 여자 저항 r0, 및 롤 본체의 저항 r2로 이루어지는 합성 저항 rcomb가 산출된다. 이 합성 저항 rcomb는, 이하의 식에 의해 나타내어진다.
rcomb=(V/I)×cosφ　[Ω]
rcomb=(r1r2＋r1r0＋r2r0)/(r2＋r0)　[Ω]
롤 본체의 저항 r2를 구하는 식으로 고쳐 쓰면, 이하가 된다.
r2=r0(r1-rcomb)/(rcomb-r1-r0)　[Ω]
이 롤 본체의 저항 r2의 식에서, 여자 저항 r0는, 자속 발생 기구에 의해 생기는 자속 밀도와의 관계로부터 구할 수 있다. 이 관계는, 자속 발생 기구의 철심의 재질 및 두께 등의 형상과, 롤 본체의 재질과의 조합에 의해서 정해진다. 도 7에는, 자속 발생 기구의 철심이 두께 0.23mm의 방향성 규소 강판으로서, 롤 본체의 재질이 탄소강 S45C의 열처리재인 경우의, 자속 발생 기구에 의해 생기는 자속 밀도와 여자 저항과의 특성을 나타내고 있다.
자속 밀도 Bm는, 입력 교류 전압 V로부터 권선의 리액턴스 l1 및 권선의 저항 r1에 의한 전압 강하분(分)을 빼는 벡터 산출의 전압을 Vm으로 하면, 이하의 식에 의해 산출할 수 있다.
l1=[1.975×D×N2×κ{d＋(a+σ)/3}/πLh]×10-9　[H]
여기서, D는 자속 발생 기구 및 롤 본체의 전류 침투부의 평균 직경[mm], N은 권선의 권수, a는 코일 두께[mm], Lh는 권선폭[mm], d는 권선 및 롤 본체의 사이의 거리[mm]이다.
또, σ는 롤 본체의 전류 침투 깊이[mm]이며, 롤 본체의 재질의 고유 저항을 ρ[μΩ·cm], 롤 본체의 비투자율(比透慈率)을 μs, 주파수를 f[Hz]로 하면, σ={5.03√(ρ／μs×f)}×10[mm]에 의해 나타내어진다.
κ는 로고스키(Rogowskii) 계수이며, κ={1-(a＋σ＋d)/πLh}에 의해 나타내어진다.
Vm=√{(cosφ×V-I×r1) 2＋(sinφ×V-2πf×l1×I) 2}　[V]
Bm=Vm×108/(4.44×f×N×Sm)　[G]
여기서, Sm은 철심의 자로(磁路) 단면적[cm2]이다.
상기의 식에서, 비투자율 μs는, 재질마다 자속 밀도와의 고유의 변화 특성을 나타내는 것으로, 재질마다 미리 측정한 변화 특성으로부터 구한다. 롤 본체의 재질이 예를 들면 탄소강 S45C의 경우, 자속 밀도와 비투자율과의 관계는, 도 5에 나타내는 것이 된다.
상기의 식의 계산 단계에서는, 자속 밀도 Bm이 확정되어 있지 않으므로, 입력 교류 전압 V를 자속 밀도 Bm을 구하는 식에 대입하여, 그 자속 밀도 Bm과 도 5의 관계로부터 비투자율 μs를 구하여 전류 침투도 σ를 산출한다. 게다가 이 산출 결과를 이용하여 자속 밀도 Bm을 재연산하고, 도 5의 관계로부터 비투자율 μs를 이용하여 전류 침투도 σ를 재연산한다. 이와 같이 반복 연산하는 것에 의해서, 각각의 값이 수렴해 가서, 확정된 자속 밀도 Bm이 얻어진다.
이 자속 밀도 Bm과, 도 7에 나타내어지는 자속 밀도 Bm 및 여자 저항 r0의 관계로부터 여자 저항 r0를 구한다.
상기 롤 본체의 저항 r2의 식에서, 권선의 저항 r1은, 권선을 구성하는 전선의 재질, 길이, 단면적 및 권선의 온도에 의해서 정해지며, 전선의 재질이 예를 들면 동(銅)이면, 다음 식에 의해 산출할 수 있다.
r1=kL/100Sc　[Ω]
k=2.1(234.5＋θC)/309.5
여기서, L은 전선의 길이[m]이고, SC는 전선의 단면적[mm2]이며, θC는 권선의 온도[℃]이다.
구체적으로는, 권선에 온도 센서(온도 검출부)를 매설하여, 당해 온도 센서가 검출한 권선의 온도로부터 저항값을 산출할 수 있다. 또, 후술하는 바와 같이, 권선에 단시간의 직류 전압을 인가하여 그 때에 흐르는 직류 전류를 검출하는 것에 의해, 권선의 저항값을 직접 검출할 수도 있다.
또, 직류 전원을 제어하여, 상기 권선에 간헐적으로 직류 전압을 인가하는 직류 전압 인가부와, 상기 직류 전압 인가부에 의해 인가되는 직류 전압과 당해 직류 전압을 인가했을 때에 상기 권선에 흐르는 직류 전류로부터 상기 권선의 저항값을 산출하는 저항값 산출부를 구비하며, 상기 롤 온도 산출부가, 상기 저항값 산출부로부터 얻어지는 상기 권선의 저항값을 이용하여 상기 롤 본체의 온도를 산출하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 상기 롤 온도 산출부가, 상기 임피던스 산출부에 의해 얻어진 롤 임피던스와, 상기 저항값 산출부에 의해 얻어진 권선 저항값과, 상기 자기 회로의 여자 저항값에 의해서, 상기 롤 본체의 온도를 산출하는 것이 바람직하다.
통전에 의해서 1차 코일인 권선의 온도가 변화하면, 도 4에 나타내는 단상(單相)의 유도 발열 롤러(단상 롤러)의 등가 회로에서의 r1이 변화하므로, 회로 임피던스도 변화하게 되어, 즉, rcomb도 변하게 된다. 따라서, 롤 본체의 저항 r2의 재계산이 필요하다. 그런데, 이 변화는, 롤 본체의 발열부 온도의 변화에는 관계가 없으므로, 그 변화분을 보정할 필요가 있다.
권선의 저항률과 온도는, 대략 절대 온도에 비례하는 관계가 있지만, 그 재질에 의해서 고유한 변화 특성을 나타낸다. 전선의 재질이 예를 들면 동이면, 하기 식의 관계가 되므로, 권선의 온도를 알 수 있으면 권선의 저항값 r1을 산출할 수 있다.
r1=kL/100S [Ω]
k=2.1(234.5＋θC)/309.5
여기서, L은 전선 길이[m]이고, S는 전선 단면적[mm2]이며, θC는 권선 온도[℃]이다.
여기서, 롤 본체의 내경을 Φ[cm], 전류 침투 깊이를 σ[cm], 전류 침투 깊이의 내면부 단면적을 Si[cm2], 롤 본체의 발열 내면 길이(권선폭과 동일함)을 lS[cm]라고 하면, r2는, 권선측으로부터 본 1차 환산값이므로, r2를 롤 본체측으로부터 본 2차 환산값으로 하고, 단위를 μΩ로 한 값을 R2로 하면, R2는 이하의 식으로 나타내어진다.
R2=(r2/N2)×106　[μΩ]
R2=ρπ(φ+σ)/Si
Si=σIS
따라서,
R2σIS=ρπ(φ+σ)
여기서, 전류 침투 깊이 σ는, 비투자율을 μs, 주파수를 f로 하면, 다음의 식이 된다.
σ=5.03√(ρ/μs×f)　[cm]
이 σ를 전술의 식에 대입하면,
5.03√(ρ/μs×f)R2lS=ρπφ+5.03ρπ√(ρ/μs×f)
양변을 5.03√(ρ/μs×f)로 나누어,
R2lS=ρπφ/{5.03√(ρ/μs×f)}+ρπ
이 식을 변형하여,
R2lS-ρπ=ρπφ/{5.03√(ρ/μs×f)}
양변을 2승(乘)하여,
(R2lS)2-2R2lSρπ＋(ρπ)2
=(ρπφ)2/(5.032ρ/μs×f)
이 식을 변형하여,
(5.03R2lS)2-2×5.032R2lSρπ＋(5.03ρπ)2
=ρμs×f(πφ)2
또, 이 식을 변형하여,
(5.03π)2×ρ2-{2×5.032πR2lS＋(πφ)2μs×f}ρ＋(5.03R2lS)2=0
이 방정식을 풀면,
ρ= 「{2×5.032πR2lS＋(πφ)2μs×f}
-√[{2×5.032πR2lS＋(πφ)2μs×f}2
-4×5.034(πR2lS)2]」/{2×(5.03π)2}
고유 저항 ρ은 재질마다 온도와의 고유한 특성을 나타내지만, 예를 들면 탄소강 S45C의 고유 저항 ρ의 경우는, 롤 본체의 내면 온도 θS[℃]로 하면, 이하의 식이 된다.
ρ=14.3×(1＋2.0×10-3×θS)　[μΩㆍcm]
이 식을 변형하여,　
ρ=14.3＋2.86×10-2×θS
ρ를 소거하여,
14.3＋2.86×10-2×θS
= 「{2×5.032πR2lS＋(πφ)2μs×f}
-√[{2×5.032πR2lS＋(πφ)2μs×f}2
-4×5.034(πR2lS)2]」/{2×(5.03π)2}
θS를 구하는 식으로 고쳐 쓰면,
θS=｜「{2×5.032πR2lS＋(πφ)2μs×f}
-√[{2×5.032πR2lS＋(πφ)2μs×f}2
-4×5.034(πR2lS)2]」/{2×(5.03π)2}
-14.3｜／(2.86×10-2)　[℃]
상술한 바와 같이, 비투자율 μs는, 재질마다 자속 밀도와의 고유한 변화 특성을 나타내고, 롤 본체의 재질이 예를 들면 탄소강 S45C이면, 자속 밀도와 비투자율과의 관계는, 도 5에 나타내는 것이 된다.
정상시의 롤 본체의 내면 온도 θS와 롤 본체의 표면 온도와의 사이에는 소정의 관계가 있다.
그래서, 상기 롤 온도 산출부가, 상기 롤 본체의 온도를, 상기 롤 본체의 내면 온도 θS와 표면 온도와의 온도차를 θ[℃]로 했을 때에, 이하의 식으로부터 얻어지는 온도차 θ를 이용하여 보정하는 것이 바람직하다.
θ=kP/[2π/{1n(d2/d1)/λ}]
여기서, d1은 롤 본체의 내경[m]이고, d2는 롤 본체의 외경[m]이고, λ는 롤 본체의 평균 온도에서의 열전도율[W/mㆍ℃]이고, P는 열 유속[W/m]이며, 여기에서는 롤 본체의 내면의 발열량[W]을 발열 내면 길이[m](권선폭과 동일함)로 나눈 값이다. 또, k는 실측값으로부터 산출한 보정 계수이다.
또, 열전도율 λ는, 롤 본체의 재질 및 온도에 따라서 변화하며, 예를 들면 온도와 탄소강 S45C의 열전도율의 특성을 도 6에 나타낸다. 또, 수십 ~ 수백 kHz의 고주파에서는 롤 본체의 전류 침투도는 수 ㎛이지만, 50 ~ 1000Hz의 중주파(中周波)에서는 수mm ~ 수십mm의 전류 침투도가 얻어진다. 예를 들면 탄소강에서는, 60Hzㆍ500℃에서 전류 침투도가 10mm 정도이다. 즉, 중주파 유도 가열에서는 전류 침투도가 깊기 때문에, 발열부 온도(내면 온도)와 표면 온도와의 차이가 고주파에 비해 작게 된다.
상기 롤 본체의 측둘레벽에 기액(氣液) 2상(相)의 열(熱) 매체가 봉입(封入)되는 쟈켓실(jacket室)이 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이 쟈켓실은, 봉입된 기액 2상의 열 매체에 의한 열수송에 의해서 롤 본체의 온도를 균일하게 하는 것이며, 롤 본체의 표면 온도도 동시에 균일화한다.
즉, 임피던스 및 역률을 이용한 롤 본체의 온도의 검출은, 내면 온도의 평균 온도를 검출하는 것이기 때문에, 쟈켓실에 의해서 균일화된 롤 본체의 각 부 표면 온도는, 임피던스 및 역률을 이용하여 검출한 온도에 필요한 보정을 가하여 표면 온도로 환산한 값과 등가라고 말할 수 있다.
여기서, 상기 롤 본체의 단면적을 S로 하고, 상기 쟈켓실의 단면적의 총합을 Sj로 하며, 상기 롤 본체의 두께를 t로 했을 때에, 상기 롤 온도 산출부가, 상기 롤 본체의 내경 d1을, dj1=d1＋t{1-α(1-Sj/S)}로 하고, 상기 롤 본체의 외경 d2를, dj2=d2-t{1-α(Sj/S)}로서 얻어지는 온도차 θ를 이용하여, 상기 롤 본체의 온도를 산출하는 것이 바람직하다. 또, dj1은, 쟈켓실에 의한 두께 저하분을 고려한 가상 내경이며, dj2는, 쟈켓실에 의한 두께 저하분을 고려한 가상 외경이다.
여기서, 롤 본체의 회전축에 직교하는 단면적을 S로 하고, 쟈켓실의 상기 회전축에 직교하는 단면적의 총합을 Sj로 하며, 롤 본체의 두께를 t로 했을 때에, 열적으로 환산한 두께 tj는, 이하의 식이 된다.
tj=α×t(S-Sj)/S　(α〉1)
여기서, α는, 온도 저하에 따르는 열 매체의 압력 저하에 의한 쟈켓실의 기능 저하의 비율을 나타내는 변수이다. α-θ의 관계는, 열 매체의 종류와, 쟈켓실 내의 불순물 농도에 의해서 특성이 정해진다.
두께 t와 열적 환산 두께 tj와의 차이는,
t-tj=t-α×t(S-Sj)/S
=t{1-α(S-Sj)/S}
=t{1-α(1-Sj)/S}
따라서, 열적으로 환산한 롤 본체의 가상 내경 dj1 및 가상 외경 dj2는, 이하가 된다.
dj1=d1＋t{1-α(1-Sj/S)}
dj2=d2-t{1-α(1-Sj/S)}
즉, 계산 상의 외내경비(外內俓比)가 작게 되고, 온도차 θ가 작게 되므로, 온도 계측 오차도 작게 된다.
상기 제어 소자가 반도체의 경우에는, 통전각(通電角)에 따라서 전압 및 전류의 파형 형상이 변하지만, 그것은 각각 다른 형상으로 변하므로, 각각의 임피던스의 분담(分擔) 전압이 변함으로써, 여자 임피던스의 전압이 변화하여 자속 밀도가 변하고, 여자 임피던스 및 비투자율도 변화한다. 이 때, 제어 소자와 통전각과 부하가 정해지면, 전압 및 전류는 각각 일정한 형상이 되기 때문에, 통전각에 의한 보정 계수가 정해진다.
여기서, 상기 임피던스 산출부에 의해 얻어진 임피던스를, 상기 제어 소자의 통전각에 의해 보정하는 임피던스 보정부를 더 구비하며, 상기 롤 온도 산출부가, 상기 임피던스 보정부에 의해 보정된 보정 임피던스에 의해서, 상기 롤 본체의 온도를 산출하는 것인 것이 바람직하다.
제어 소자가 사이리스터(thyristor)이며, 검증한 롤 본체(내경 φ × 면 길이 L)의 경우는, 파형 변형에 의한 고조파 성분의 변화에 의해서, 등가 회로에서의 리액턴스 성분의 l1 및 l2에 걸리는 전압이 변화하게 된다. 따라서, 여자 임피던스에 인가되는 전압이 변화하여, 자속 밀도도 변하게 된다. 즉, 자속 밀도에 의해서 여자 임피던스 및 비투자율이 변화하기 때문에, 그 영향을 보정할 필요가 있다.
사이리스터의 위상각 변화에 의한 영향을 보정한 보정 임피던스 R2는, 하기가 된다.
R2=a×RX
여기서, C=V/Vin로 하면,
a=anCn＋an- 1Cn- 1＋an- 2Cn- 2＋,…,＋a2C2＋a1C＋a0
여기서, an는 각 유도 발열 롤러 장치에 의해 정해지는 실측값에 근거하는 계수이며, a0는 상수이다.
또, RX는 보정 전의 임피던스이고, Vin는 사이리스터의 수전(受電) 전압이며, V는 사이리스터의 출력 전압이다.
권선 저항값은, 권선에 몇 초 이내의 단시간에 일정한 직류 전압을 인가하여, 당해 직류 전압을 권선에 흐르는 직류 전류로 나누면 산출할 수 있다. 여기서, 직류 전압이면 유도 작용은 없으므로, 직류 전류는, 롤 본체 및 철심의 영향은 받지 않고, 권선 저항값만과의 관계가 된다. 또, 권선 온도는 급격하게는 변화하지 않기 때문에, 주기적 또한 단시간의 측정값을 채용해도, 큰 측정 오차가 생기지는 않는다.
또, 간헐적인 직류 전압의 인가는, 몇 초 이내의 인가 시간을 몇 초 내지 수십 분의 예를 들면 일정한 주기로 행하는 것이다. 이러한 간헐적인 인가이면, 직류 성분으로부터 받은 편자(偏慈) 작용을 작게 함과 아울러, 유도 발열시키기 위한 교류 회로에의 영향도 최소한으로 억제할 수 있다. 게다가, 유도 발열 롤러 장치의 권선은 일반적으로 열 관성이 크고, 또한, 통상의 일정 부하 조건 하의 운전에서는 권선의 온도의 변화는 그다지 큰 값으로는 되지 않는다. 따라서, 몇 초 이내의 단시간의 인가 시간에 의해서 이루어지는 온도 검출을, 몇 초 내지 수 십분 단위, 바람직하게는, 수십 초 내지 몇분 단위로 실시할 수 있으면, 롤 본체의 온도 제어에 있어서는 충분하다고 말할 수 있다.
상기 권선에 접속됨과 아울러, 교류 전류 또는 교류 전압을 제어하는 제어 회로부가 마련된 전원 회로를 더 구비하며, 상기 제어 회로부에 의해, 상기 교류 전류 또는 교류 전압을 차단 또는 최소한으로 한 상태에서, 상기 저항값 산출부가 상기 권선에 직류 전압을 인가하여 권선 저항값을 산출하는 것인 것이 바람직하다.
교류 전압이 인가되고 있는 권선에 직류 전압을 인가하여, 교류 전류와 직류 전류가 중첩한 전류로부터 직류 성분(직류 전류)만큼을 검출하려면, 복잡한 검출 회로가 필요하게 되어 버린다. 여기서, 통상의 유도 발열 롤러 장치에서는, 롤 본체의 온도를 제어하기 위한 교류 전류 또는 교류 전압을 제어하는 제어 회로부를 가지는 전원 회로를 구비하고 있다. 이 때문에, 제어 회로부에 의해, 직류 전압을 인가하는 인가 시간만, 교류 전류 또는 교류 전압을 차단 또는 최소한의 값으로 하면, 교류 전류(교류 성분)의 영향을 억제할 수 있고, 직류 전류(직류 성분)의 검출을 용이하게 행할 수 있다. 여기서, 교류 전류 또는 교류 전압의 차단 또는 최소한의 값으로 하는 것은, 몇 초 이내의 단시간으로, 몇 초 내지 수십 분의 시간 간격이어서, 유도 발열 작용의 장해는 되지 않는다.
교류 전류 또는 교류 전압의 차단 또는 최소한의 값으로 하는 실시 형태로서는, 제어 회로부가 예를 들면 전자 접촉기 등의 스위치 기기를 가지는 경우는, 당해 스위치 기기를 차단하는 형태, 또는, 제어 회로부가 예를 들면 사이리스터 등의 반도체 소자(전력 제어 소자)를 가지는 경우는, 당해 반도체 소자의 통전 위상각을 최소로 하는 형태가 생각되어진다.
롤 본체의 승온 과도기 또는 강온(降溫) 과도기에서의 롤 본체의 표면 온도를 정확하게 산출하기 위해서는, 상기 롤 온도 산출부가, 상기 롤 본체의 내면 온도를 산출함과 아울러, 당해 내주면 온도로부터 정상 상태에서의 상기 롤 본체의 표면 온도 계산값을 산출하며, ΔT 시간 후에 상기 롤 본체의 표면 온도가 상기 표면 온도 계산값에 도달하는 것을 기준으로, 과도기에서의 상기 롤 본체의 표면 온도를 산출하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 ΔT는, 이하의 식으로 나타내어지는 값이다.
ΔT=k×w×c×t2/(2λ)　[h]
또, w는 롤 본체의 재질의 비중[kg/m3]이고, c는 롤 본체의 재질의 비열[kcal/kgㆍ℃]이고, t는 롤 본체의 두께[m]이고, λ는 롤 본체의 재질의 열전도율[kcal/mㆍhㆍ℃]이며, k는 실측값으로부터 구한 보정 계수이다.
도 8에 승온 과도기의 롤 본체의 온도 변화를 나타내고 있고, 도 9에 강온 과도기의 롤 본체의 온도 변화를 나타내고 있다. 도 8 및 도 9에서, 실선은 롤 본체의 내주면 온도를 나타내고, 점선은, 내주면 온도로부터 산출한 정상 상태에 이르렀을 때의 표면 온도 계산값을 나타내며, 일점 쇄선은, 과도기의 표면 온도를 나타내고 있다.
과도기에서의 표면 온도는 정상 상태에 이르렀을 때의 표면 온도 보다도 낮고, 승온시에서는, ΔT 시간 후 (Tn＋ΔT)에, 그 시점 Tn에서 산출한 정상 상태의 표면 온도 계산값에 표면 온도가 도달하게 되며, 강온시에서는, ΔT 시간 전 (Tn-ΔT)에, 표면 온도가, 그 시점 Tn에서 산출한 정상 상태의 표면 온도 계산값이었던 것이 된다.
따라서, 승온시 및 강온시로 나누어 표면 온도를 산출할 필요가 있고, 시간 Tn일 때의 내면 온도 θi(n)이, 시간 T(n-1) 즉 ΔT 시간 전의 내면 온도 θi(n-1)와 비교하여, 승온 과도기나 강온 과도기인지를 판단한다. 즉, θi(n)＞θi(n-1)이면 승온 과도기이고,θi(n)＜θi(n-1)이면 강온 과도기이다.
비교하는 시간 주기는, 롤 본체의 두께나 보유하고 있는 가열 용량에 의해서, 제어에 문제가 되지 않는 값을 결정하지만, 수 밀리 초 내지 수십 초, 바람직하게는, 수 백밀리 초 내지 수 초의 값이다.
θi(n)＞θi(n-1), 즉 승온 과도기인 시간 Tn 시점의 내면 온도 θi(n)로부터 산출한, 그 시점의 정상 상태에 이르렀을 때의 표면 온도를 θn으로 하면, 승온 과도기에서의 실제의 표면 온도는, Tn 보다 ΔT 시간 경과한 T(n＋1)에서 온도 θn에 도달하게 된다.
여기서, T(n＋1)-Tn=ΔT이기 때문에, 시간 ΔT만큼 경과한 시점에서 온도 θn를 표시시키면, 그 시점에서의 표면 온도를 표시하고 있는 것과 등가가 된다.
θi(n)＜θi(n-1), 즉 강온 과도기인 시간 Tn 시점의 내면 온도 θi(n)로부터 산출한, 그 시점의 정상 상태에 이르렀을 때의 표면 온도를 θn으로 하면, 강온 과도기에서의 실제의 표면 온도는, Tn 보다 ΔT 시간 전의 T(n-1)에서 온도 θn에 도달하고 있던 것이 된다. 즉, 표면 온도는, Tn 시점에서는 θn 보다도 낮은 온도로 되어 있지만, 정확한 온도 산출은 곤란하다. 따라서, 개산값(槪算値)으로서, θi(n-1)-θi(n)만큼 온도 저하했다고 생각하여 온도 표시하면, 크게 벗어난 값은 되지 않는다. 즉, 표면 온도 θE는, 하기의 식으로 나타내어진다.
θE≒θ(n)-{θi(n-1)-θi(n)}
과도기에서의 표면 온도는, 유도 발열 롤러 장치가 정상 운전이 되면, 결국 정상 상태 계산 온도에 수렴한다. 롤 본체의 온도가 승강 상태에서, 제품 생산을 위해서 가동하는 것은 원칙으로서 생각하기 어렵기 때문에, 롤 본체의 표면 온도는 개산값으로서 파악할 수 있으면 충분하다.
이와 같이 구성한 본 발명에 의하면, 롤 본체에 온도 검출 소자를 마련하지 않고, 롤 본체의 온도를 산출할 수 있다.
도 1은 본 실시 형태에 관한 유도 발열 롤러 장치의 구성을 모식적으로 나타내는 도면.
도 2는 본 실시 형태의 제어 장치의 기능 구성도.
도 3은 본 실시 형태의 온도 산출 플로우를 나타내는 도면.
도 4는 단상(單相)의 유도 발열 롤러(단상 롤러)의 등가 회로를 나타내는 도면.
도 5는 탄소강(S45C)의 자속 밀도와 비투자율과의 관계를 나타내는 특성 그래프.
도 6은 탄소강(S45C)의 온도와 열전도율과의 관계를 나타내는 특성 그래프.
도 7은 탄소강(S45C)으로 이루어지는 롤 본체와 방향성 규소 강판으로 이루어지는 철심으로 구성되는 자기 회로의 자속 밀도와 여자 저항과의 관계를 나타내는 특성 그래프.
도 8은 승온 과도기의 롤 본체의 온도 변화 특성을 나타내는 도면.
도 9는 강온 과도기의 롤 본체의 온도 변화 특성을 나타내는 도면.
도 10은 변형 실시 형태에 관한 유도 발열 롤러 장치의 구성을 모식적으로 나타내는 도면.
도 11은 변형 실시 형태의 제어 장치의 기능 구성도.
이하에 본 발명에 관한 유도 발열 롤러 장치의 일 실시 형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
본 실시 형태에 관한 유도 발열 롤러 장치(100)는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 회전 가능하게 지지된 롤 본체(2)와, 이 롤 본체(2)의 내부에 마련되며, 철심(31) 및 당해 철심(31)에 감겨진 권선(32)으로 이루어지는 자속(磁束) 발생 기구(3)와, 권선(32)에 접속됨과 아울러, 교류 전류 또는 교류 전압을 제어하는 제어 소자(4)가 마련된 전원 회로(5)를 구비하고 있다.
롤 본체(2)의 측둘레벽의 두께 내에는, 기액(氣液) 2상(相)의 열(熱) 매체가 봉입(封入)되는 복수의 쟈켓실(jacket室, 2S)이 둘레(원주) 방향으로 등간격으로 형성되어 있다. 또, 본 실시 형태의 제어 소자(4)는, 반도체에 의해 교류 전류 또는 교류 전압의 통전각(通電角)을 제어하는 것이며, 구체적으로는 사이리스터(thyristor)이다.
그리고, 본 실시 형태의 유도 발열 롤러 장치(100)를 제어하는 제어 장치(6)는, 권선(32)을 흐르는 교류 전류값과, 권선(32)에 인가되는 교류 전압값과, 롤 본체(2) 및 자속 발생 기구(3)로 이루어지는 유도 발열 롤러(200)의 역률(力率)과, 권선(32)의 권선 저항값과, 철심(31) 및 롤 본체(2)로 구성되는 자기(磁氣) 회로의 여자(勵磁) 저항값을 파라미터로 하여, 롤 본체(2)의 온도를 산출하는 표면 온도 산출 기능을 가진다.
구체적으로 제어 장치(6)는, CPU, 내부 메모리, A/D 컨버터, D/A 컨버터, 입출력 인터페이스 등을 구비한 전용 내지 범용의 컴퓨터이며, 내부 메모리에 미리 기억시킨 소정 프로그램에 따라서 상기 CPU나 주변기기가 동작하는 것에 의해, 도 2에 나타내는 바와 같이, 임피던스 산출부(61), 임피던스 보정부(62), 롤 온도 산출용 데이터 격납부(63), 롤 온도 산출부(64), 롤 온도 제어부(65) 등으로서의 기능을 발휘한다.
이하, 각 부에 대해서, 도 2와 함께, 도 3의 온도 산출 플로우 차트를 참조하여 설명한다.
임피던스 산출부(61)는, 권선(32)을 흐르는 교류 전류 I를 검출하는 교류 전류 검출부(7)로부터 얻어지는 교류 전류값과, 권선(32)에 인가되는 교류 전압 V를 검출하는 교류 전압 검출부(8)로부터 얻어지는 교류 전압값과, 역률 검출부(10)로부터 얻어지는 역률로부터, 유도 발열 롤러(200)의 임피던스(롤 임피던스) Z1(=V×cosφ/I=rcomb)를 산출한다(도 3의 (1)).
게다가, 임피던스 산출부(61)는, 임피던스 rcomb와, 권선(32)의 온도를 검출하는 온도 검출부(9)로부터 얻어지는 권선 온도 θC[℃]에 의해 구한 권선 저항 r1과, 미리 측정해 둔 자속 밀도 및 자기 회로의 자기 저항의 관계 특성(도 7 참조)으로부터 구한 여자 저항 r0에 의해서, 롤 본체의 저항(롤 본체 임피던스) r2를 산출한다(도 3의 (2)). 또, 온도 검출부(9)는, 권선(32)에 매설되어 있다.
구체적으로 임피던스 산출부(61)는, 이하의 식에 의해, 권선 저항 r1을 산출하여, 롤 본체의 저항 r2를 산출한다.
r1=kL/100S [Ω]
k=2.1(234.5＋θC)/309.5
여기서, L은 전선 길이[m]이고, S는 전선 단면적[mm2]이며, θC는 권선 온도[℃]이다.
또, 임피던스 산출부(61)는, 롤 본체의 저항 r2를, 롤 본체측으로부터 본 2차 환산한 값으로 변환한다. 2차 환산하여, 단위를 μΩ로 한 롤 본체의 저항을 R2, 권선의 권수를 N으로 하면, 이하의 식으로 나타내어진다.
R2=(r2/N2)×106
임피던스 보정부(62)는, 2차 환산한 롤 본체의 저항 R2를, 제어 소자(사이리스터)(4)의 통전각(위상각(位相角))에 의해 보정한다(도 3의 (3)).
구체적으로 임피던스 보정부(62)는, 이하의 식에 의해, 임피던스 R2를 보정한다.
R2=a×RX
여기서, C=V/Vin라고 하면,
a=anCn＋an- 1Cn- 1＋an- 2Cn- 2＋,…,＋a2C2＋a1C＋a0
여기서, an는 각 유도 발열 롤러 장치에 의해 정해지는 실측값에 근거하는 계수이며, a0는 상수이다.
또, RX는, 보정 전의 임피던스이고, Vin는, 사이리스터의 수전(受電) 전압이며, V는, 사이리스터의 출력 전압이다.
롤 온도 산출용 데이터 격납부(63)는, 롤 본체(2)의 발열부 온도(내면 온도)를 산출하는데 필요한 롤 온도 산출용 데이터를 격납하고 있다. 구체적으로 롤 온도 산출용 데이터는 (a) 유도 발열 롤러에서의 자기 회로의 자속 밀도와 여자 저항과의 관계(도 7 참조)를 나타내는 자속 밀도-여자 저항 관계 데이터, (b) 재질마다 측정된 자속 밀도와 비투자율과의 관계(도 5 참조)를 나타내는 자속 밀도-비투자율 관계 데이터 등을 포함하는 데이터이다.
롤 온도 산출부(64)는, 임피던스 보정부(62)에 의해 보정된 보정 임피던스와, 상기 롤 온도 산출용 데이터 격납부(63)에 격납된 롤 온도 산출용 데이터를 이용하여, 롤 본체(2)의 내면 온도를 산출한다(도 3의 (4)).
구체적으로 롤 온도 산출부(64)는, 이하의 식을 이용하여, 롤 본체(2)의 내면 온도 θS를 산출한다.
θS=｜「{2×5.032πR2lS＋(πφ)2μs×f}
-√[{2×5.032πR2lS＋(πφ)2μs×f}2
-4×5.034(πR2lS)2]」/{2×(5.03π)2}
-14.3｜／(2.86×10-2)　[℃]
이 때, 롤 온도 산출부(64)는, 상기의 내면 온도 θS의 식에서, R2를 이하의 식에 의해 산출한다.
r2=r0(r1-rcomb)/(rcomb-r1-r0)
R2=(r2/N2)×106
여기서, 합성 저항 rcomb는, rcomb=(V/I)×cosφ에 의해 나타내어지 때문에, 교류 전압 검출부(8)에 의해 얻어진 교류 전압값과, 교류 전류 검출부(7)에 의해 얻어진 교류 전류값과, 역률 검출부(10)에 의해 얻어진 역률과, 저항 검출부에 의해 얻어진 권선 저항값 또는 온도 검출부(9)의 권선 온도로부터 구한 권선 저항값과, 자속 밀도 및 자기 회로의 여자 저항의 관계 특성으로부터 얻어지는 여자 저항값에 의해 산출된다.
여자 저항 r0는, 도 7에 나타내는 유도 발열 롤러(200)에서의 자기 회로의 자속 밀도 Bm과 여자 저항 r0와의 관계를 나타내는 자속 밀도-여자 저항 관계 데이터로부터 구해진다. 구체적으로는, 롤 본체(2)의 자속 밀도 Bm를 이하의 식에 의해 산출하여, 얻어진 자속 밀도 Bm과 자속 밀도-여자 저항 관계 데이터로부터 , 여자 저항 r0를 구한다.
Bm=Vm×108/(4.44×f×N×Sm)　[G]
여기서, Vm는, 입력 교류 전압 V로부터 권선(32)의 리액턴스 l1 및 권선(32)의 저항 r1에 의한 전압 강하분을 뺀 벡터 산출의 전압값[V]이다. f는 주파수[Hz]이고, N는 권선(32)의 권수이며, Sm는 철심의 자로(磁路) 단면적[cm2]이다.
권선(32)의 저항 r1는, 권선(32)을 구성하는 전선의 재질, 길이, 단면적 및 권선의 온도에 의해서 정해지며, 전선의 재질이 예를 들면 동이면, 다음 식에 의해 산출할 수 있다.
r1=kL/100Sc　[Ω]
k=2.1(234.5＋θC)/309.5
여기서, L은 전선의 길이[m]이고, SC는 전선의 단면적[mm2]이며, θC는 권선의 온도[℃]이다.
이들에 의해, 합성 저항 rcomb, 여자 저항 r0, 권선의 저항 r1를 구하는 것에 의해서, 롤 본체(2)의 저항 r2를 산출하고, 나아가 롤 본체측으로부터 본 2차 환산 또한 단위를 μΩ으로 한 R2를 산출할 수 있다.
또, 롤 온도 산출부(64)는, 도 5에 나타내는 비투자율과 자속 밀도와의 관계를 나타내는 비투자율-자속 밀도 관계 데이터와 상기 롤 본체(2)의 자속 밀도(사양에 의해 구해지는 값)로부터, 비투자율 μs를 구한다.
그리고, 롤 온도 산출부(64)는, 상기에 의해 구한 롤 본체(2)의 저항 R2 및 비투자율 μs를 상기의 식에 대입하여, 롤 본체(2)의 내면 온도 θS를 산출한다.
구체적으로 롤 온도 산출부(64)는, 롤 본체(2)의 내면 온도 θS와 표면 온도(외면 온도)와의 온도차를 θ[℃]로 했을 때에, 이하의 식으로부터 얻어지는 온도차 θ를 이용하여, 내면 온도 θS를 보정하여 표면 온도를 산출한다(도 3의 (5)).
θ=kP/[2π/{ln(d2/d1)/λ}]
여기서, d1는 롤 본체(2)의 내경[m]이고, d2는 롤 본체(2)의 외경[m]이고, λ는 롤 본체(2)의 평균 온도에서의 열전도율[W/mㆍ℃]이고, P는 열 유속[W/m]이며, 여기에서는 롤 본체(2)의 내면의 발열량[W]을 발열 내면 길이[m](권선폭과 동일함)로 나눈 값이다. 또, k는 실측값으로부터 산출한 보정 계수이다. 또, 열 유속[W/m]을 구함에 있어서, 롤 온도 산출부(64)는, 전류 검출부(7), 전압 검출부(8)및 역률 검출부(10)의 각각의 측정값로부터 계산하여 얻어지는 전력값을 이용한다. 즉, 유도 발열 롤의 전력을 P로 하면, P=I×V×cosΦ가 되며, 이 롤 전력 P로부터 코일 전력 PC와 철손 Pf를 뺀 값이 롤 본체의 전력 PS가 된다.
여기서, 코일 전력 PC는, PC=r1×(kI)2(k는, 전선 내에 발생하는 와(渦)전류 분의 할증(割增) 상수로, 권선 및 전선의 형상에 의해서 정해지는 값이다. 검증한 롤에서는 k=1.2이었음)이고, 철손(鐵損) Pf는, Pf={(Vm/r0)2}×r0/2=Vm2/(2×r0)가 된다. 철손 Pf의 산출에 있어서, 여자 전류의 2승에 여자 저항을 곱하여 1/2로 하고 있는 것은, 자속 발생 기구의 철심에서의 철손분과 롤 본체에서의 철손분을 반반으로 하여 계산하고 있기 때문이다.
즉, 롤 본체의 전력 PS는, 이하의 식이 된다.
PS=P-PC-Pf
=I×V×cosφ-r1×(kI)2-Vm2/(2×r0)
또, 롤 온도 산출부(64)는, 롤 본체(2)에 형성된 쟈켓실(2S)에 의한 두께 저하분을 고려하여, 롤 본체(2)의 외면 온도를 산출한다.
구체적으로 롤 온도 산출부(64)는, 롤 본체(2)의 단면적을 S로 하고, 쟈켓실(2S)의 단면적의 총합을 Sj로 하고, 롤 본체(2)의 두께를 t로 했을 때에, 롤 본체(2)의 내경 d1를, 두께 저하분을 고려한 가상 내경 dj1(=d1＋t{1-α(1-Sj/S)})으로 하고, 롤 본체(2)의 외경 d2를, 두께 저하분을 고려한 가상 외경 dj2(=d2-t{1-α(1-Sj/S)})으로 하여, 상기 온도차 θ의 식으로부터 얻어지는 온도차 θ를 이용하여, 롤 본체(2)의 외면 온도를 산출한다.
이상과 같이 롤 온도 산출부(64)에 의해 얻어진 롤 본체(2)의 외면 온도에 근거하여, 롤 온도 제어부(65)가, 전원 회로의 제어 소자(4)를 제어하여, 롤 본체(2)의 외면 온도를 소정의 설정 온도가 되도록 제어한다.
이와 같이 구성한 본 실시 형태의 유도 발열 롤러 장치(100)에 의하면, 권선(32)의 교류 전류값과, 권선(32)의 교류 전압값과, 유도 발열 롤러(200)의 역률과, 권선(32)의 권선 저항값과, 철심(31) 및 롤 본체(2)로 구성되는 자기 회로의 여자 저항값을 파라미터로 하여 롤 본체(2)의 온도를 산출하는 롤 온도 산출부(64)를 가지므로, 롤 본체(2)에 온도 검출 소자를 마련하지 않고, 롤 본체(2)의 온도를 산출할 수 있다.
또, 임피던스 산출부(61)에 의해 얻어진 임피던스를, 임피던스 보정부(62)에 의해, 사이리스터(4)의 통전각을 이용하여 보정하고 있으므로, 롤 본체(2)의 온도를 정밀도 좋게 산출할 수 있다.
게다가, 롤 온도 산출부(64)가, 롤 본체(2)의 내면 온도와 표면 온도와의 온도차 θ에 의해, 표면 온도를 산출하고 있으므로, 롤 본체(2)의 표면 온도를 정밀도 좋게 산출할 수 있다. 또, 승강온시의 과도기에서의 온도 도달 시간 지연도, 롤 온도 산출부(64)가 산출하여 보정하고 있으므로, 롤 본체(2)의 표면 온도를 정밀도 좋게 산출할 수 있다.
또, 본 발명은 상기 실시 형태에 한정되는 것은 아니다.
예를 들면, 상기 실시 형태의 유도 발열 롤러는, 롤 본체의 축방향 양단부가 회전 가능하게 지지된 소위 양(兩)지지식의 유도 발열 롤러라도 좋고, 저부를 가지는 통 모양을 이루는 롤 본체의 저부에 회전축을 접속하여 회전 가능하게 지지된 소위 편(片)지지식의 유도 발열 롤러라도 괜찮다.
게다가, 상기 실시 형태에서는, 권선(32)의 온도를 검출하는 온도 검출부(9)를 권선(32)에 매설하는 구성으로 하고 있지만, 이하와 같이 구성해도 괜찮다.
즉, 도 10 및 도 11에 나타내는 바와 같이, 제어 장치(6)가, 롤 본체(2)를 유도 발열시켜 피가열물을 처리하는 가열 운전 중에서 주기적으로 유도 코일(32)의 온도를 검출하는 온도 검출 동작을 행하도록 구성해도 좋다. 보다 상세하게는, 제어 장치(6)가, 직류 전압 인가부(66), 저항값 산출부(67)로서의 기능을 발휘한다.
직류 전압 인가부(66)는, 권선(32)에 전기적으로 접속된 직류 전원(12)를 제어하여, 권선(32)에 간헐적으로 직류 전압을 인가하는 것이다. 구체적으로 직류 전압 인가부(66)는, 권선(32)에 대해서, 일정한 직류 전압을, 수 초 이내의 인가 시간을 수 초 내지 수십 분의 일정 주기로 인가하는 것이다.
여기서, 직류 전압 인가부(66)에 의해서 권선(32)에 직류 전압이 인가되는 인가 시간 내에서는, 제어 장치(6)의 롤 온도 제어부(65)가 제어 소자(4)를 제어하여, 교류 전류 또는 교류 전압을 차단 또는 최소한으로 한 상태로 하고 있다. 또, 롤 온도 제어부(65)는, 롤 본체(2)의 온도를 소정의 설정 온도로 하기 위해서, 전원 회로(5)에 마련된 제어 소자(4)를 제어하여 교류 전압 또는 교류 전류를 제어하는 것이다.
저항값 산출부(67)는, 직류 전압 인가부(66)에 의해 인가되는 직류 전압과, 권선(32)에 직류 전압을 인가했을 때에 권선(32)에 흐르는 직류 전류로부터 권선(32)의 권선 저항값을 산출하는 것이다. 구체적으로 저항값 산출부(67)는, 미리 입력된 직류 전원(12)의 직류 전압과, 권선(32) 및 직류 전원(12)으로 구성되는 직류 회로에 마련된 직류 전류 검출부(13)에 의해 얻어지는 직류 전류로부터, 권선(32)의 권선 저항값을 산출한다.
이 때, 상술한 바와 같이, 직류 전압을 인가하여 직류 전류를 검출하는 타이밍에서는, 교류 전류 또는 교류 전압을 차단 또는 최소한으로 한 상태로 하고 있으므로, 교류 전류(교류 성분)의 영향을 억제할 수 있고, 직류 전류(직류 성분)의 검출을 용이하게 행할 수 있으며, 저항값을 정밀도 좋게 산출할 수 있다.
그 외, 본 발명은 상기 실시 형태에 한정되지 않고, 그 취지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지의 변형이 가능한 것은 말할 필요도 없다. 또, 각 계산 과정에서 실측값와 계산값에 차이가 생기는 경우에는, 실측값으로부터 산출한 보정 계수를 이용하여 보정을 행하는 것도 말할 것도 없는 것이다.
100 - 유도 발열 롤러 장치 200 - 유도 발열 롤러
2 - 롤 본체 2S - 쟈켓실
3 - 자속 발생 기구 32 - 권선
4 - 제어 소자 5 - 전원 회로
6 - 제어 장치 61 - 임피던스 산출부
62 - 임피던스 보정부
63 - 롤 온도 산출용 데이터 격납부
64 - 온도 산출부 7 - 전류 검출부
8 - 전압 검출부 9 - 온도 검출부
10 - 역률 검출부

Claims (8)

  1. 회전 가능하게 지지된 롤 본체와, 상기 롤 본체의 내부에 마련되며, 철심 및 당해 철심에 감겨진 권선으로 이루어지는 자속(磁束) 발생 기구와, 상기 권선에 접속됨과 아울러, 교류 전류 또는 교류 전압을 제어하는 제어 소자가 마련된 전원 회로를 구비하고, 상기 롤 본체의 온도를 측정하는 온도 검출 소자를 가지지 않는 유도(誘導) 발열 롤러 장치로서,
    상기 자속 발생 기구에 의해서 생기는 자속 밀도와 상기 철심 및 상기 롤 본체로 구성되는 자기(磁氣) 회로의 여자(勵磁) 저항과의 관계 특성을 나타내는 자속 밀도-여자 저항 관계 데이터를 격납하는 롤 온도 산출용 데이터 격납부와,
    상기 권선을 흐르는 교류 전류를 검출하는 교류 전류 검출부로부터 얻어지는 교류 전류값과, 상기 권선에 인가되는 교류 전압을 검출하는 교류 전압 검출부로부터 얻어지는 교류 전압값과, 상기 롤 본체 및 상기 자속 발생 기구로 이루어지는 유도 발열 롤러의 역률(力率)을 검출하는 역률 검출부로부터 얻어지는 역률과, 상기 권선의 권선 저항값과, 상기 자속 발생 기구에 의해 생기는 자속 밀도 및 상기 자속 밀도-여자 저항 관계 데이터로부터 얻어지는 여자 저항값을 파라미터로 하여, 상기 롤 본체의 온도를 산출하는 롤 온도 산출부를 구비하는 유도 발열 롤러 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 롤 온도 산출부가, 상기 교류 전류 검출부로부터 얻어지는 교류 전류값과, 상기 교류 전압 검출부로부터 얻어지는 교류 전압값과, 상기 역률 검출부로부터 얻어지는 역률과, 상기 권선 저항값과, 상기 자속 밀도 및 상기 자기 회로의 여자 저항의 관계 특성으로부터 얻어지는 여자 저항값을 파라미터로 하여 상기 롤 본체의 저항값을 산출하며, 상기 롤 본체의 저항값과 상기 롤 본체의 비투자율(比透磁率)을 이용하여, 상기 롤 본체의 온도를 산출하는 유도 발열 롤러 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 권선의 온도를 검출하는 권선 온도 검출부와,
    상기 권선 온도 검출부로부터 얻어지는 상기 권선의 온도로부터 상기 권선 저항값을 산출하는 저항값 산출부를 구비하며,
    상기 롤 온도 산출부가, 상기 저항값 산출부로부터 얻어지는 상기 권선 저항값을 이용하여 상기 롤 본체의 온도를 산출하는 유도 발열 롤러 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    직류 전원을 제어하여, 상기 권선에 간헐적으로 직류 전압을 인가하는 직류 전압 인가부와,
    상기 직류 전압 인가부에 의해 인가되는 직류 전압과 당해 직류 전압을 인가했을 때에 상기 권선에 흐르는 직류 전류로부터 상기 권선 저항값을 산출하는 저항값 산출부를 구비하며,
    상기 롤 온도 산출부가, 상기 저항값 산출부로부터 얻어지는 권선 저항값을 이용하여 상기 롤 본체의 온도를 산출하는 유도 발열 롤러 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 롤 온도 산출부가, 상기 롤 본체의 온도를, 상기 롤 본체의 내면 온도와 표면 온도와의 온도차를 θ[℃]로 했을 때에,
    θ=kP/[2π/{ln(d2/d1)/λ}](여기서, d1는 롤 본체의 내경[m]이고, d2는 롤 본체의 외경[m]이고, λ는 롤 본체의 평균 온도에서의 열전도율[W/mㆍ℃]이고, P는 열 유속[W/m]이며, k는 보정 계수임)로부터 얻어지는 온도차 θ를 이용하여 보정하는 유도 발열 롤러 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 롤 본체의 측둘레벽에 기액(氣液) 2상(相)의 열(熱) 매체가 봉입(封入)되는 쟈켓실(jacket室)이 형성되어 있고,
    상기 롤 본체의 단면적을 S로 하고, 상기 쟈켓실의 단면적의 총합을 Sj로 하고, 상기 롤 본체의 두께를 t로 하며, 온도 저하에 따른 열 매체의 압력 저하에 의한 쟈켓실의 기능 저하의 비율을 나타내는 변수를 α로 했을 때에,
    상기 롤 온도 산출부가, 상기 롤 본체의 내경 d1을, dj1=d1＋t{1-α(1-Sj/S)}으로 하고, 상기 롤 본체의 외경 d2를, dj2=d2-t{1-α(1-Sj/S)}으로 하여 얻어지는 온도차 θ를 이용하여, 상기 롤 본체의 온도를 보정하는 유도 발열 롤러 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어 소자가, 반도체에 의해 전류 또는 전압의 통전각을 제어하는 것이고,
    상기 교류 전류 검출부로부터 얻어지는 교류 전류값, 상기 교류 전압 검출부로부터 얻어지는 교류 전압값 및 상기 역률 검출부로부터 얻어지는 역률에 의해 임피던스를 산출하는 임피던스 산출부와,
    상기 임피던스 산출부에 의해 얻어진 임피던스를, 상기 제어 소자의 통전각에 의해 보정하는 임피던스 보정부를 더 구비하며,
    상기 롤 온도 산출부가, 상기 임피던스 보정부에 의해 보정된 보정 임피던스에 의해서, 상기 롤 본체의 온도를 산출하는 유도 발열 롤러 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 롤 온도 산출부가, 상기 롤 본체의 내면 온도를 산출함과 아울러, 당해 내주면 온도로부터 정상 상태에서의 상기 롤 본체의 표면 온도 계산값을 산출하며, ΔT=k×w×c×t2/(2λ)　[h](또, w는 롤 본체의 재질의 비중[kg/m3]이고, c는 롤 본체의 재질의 비열[kcal/kgㆍ℃]이고, t는 롤 본체의 두께[m]이고, λ는 롤 본체의 재질의 열전도율[kcal/mㆍhㆍ℃]이며, k는 실측값으로부터 구한 보정 계수임)에 의해 나타내어지는 ΔT 시간 후에 상기 롤 본체의 표면 온도가 상기 표면 온도 계산값에 도달하는 것을 기준으로, 과도기에서의 상기 롤 본체의 표면 온도를 산출하는 유도 발열 롤러 장치.
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