TW201534181A - 感應發熱輥裝置 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種感應發熱輥裝置，在該感應發熱輥裝置中不需要使用測量輥主體的溫度的溫度檢測元件，該感應發熱輥裝置包括：阻抗計算部(61)，計算卷線(32)的阻抗；關係資料存儲部(63)，存儲表示卷線(32)的阻抗和輥主體(2)的溫度的關係的關係資料；以及輥溫度計算部(64)，根據從阻抗計算部(61)得到的阻抗和存儲在關係資料存儲部(63)中的關係資料，計算輥主體(2)的溫度。

Description

感應發熱輥裝置

本發明係關於一種感應發熱輥裝置。

在感應發熱輥裝置中，如專利文獻1所示，在作為被加熱體的輥主體上安裝有溫度檢測元件，直接測量溫度。

可是，由於輥主體是轉動件，所以難以安裝溫度檢測元件的情況較多。此外，在溫度檢測元件安裝在輥主體上的情況下，個別溫度檢測元件和輥主體的接觸狀況不同，所以有時檢測溫度會有誤差。此外，為了把設置在輥主體上的溫度檢測元件輸入固定側的控制設備，需要旋轉變壓器等高端設備。

另外，可以考慮使用輻射式溫度計等非接觸式溫度檢測裝置來檢查輥主體的溫度，但是由於檢測精度低或受輥主體的表面輻射率(放射率)的影響，有時難以準確地檢測溫度。

專利文獻1：日本專利公開公報特開2001-23766號。

為了解決上述問題，本發明的主要課題在於在感應發熱輥裝置中不使用測量輥主體的溫度的溫度檢測元件。

即，本發明提供一種感應發熱輥裝置，其包括：輥主體，被支撐成轉動自如；磁通產生機構，設置在該輥主體的內部，由鐵心和捲繞在該鐵心上的卷線構成；以及電源電路，與該卷線連接，並且設置有控制交流電流或交流電壓的控制元件，該感應發熱輥裝置的特徵在於還包括：阻抗計算部，根據從交流電流檢測部得到的交流電流值和從交流電壓檢測部得到的交流電壓值，計算該卷線的阻抗，該交流電流檢測部檢測流過該卷線的交流電流，該交流電壓檢測部檢測向該卷線施加的交流電壓；關係資料存儲部，存儲有表示該卷線的阻抗和該輥主體的溫度的關係的關係資料；以及輥溫度計算部，根據從該阻抗計算部得到的阻抗和存儲在該關係資料存儲部中的關係資料，計算該輥主體的溫度。

按照這種結構，由於該感應發熱輥裝置具有根據從阻抗計算部得到的阻抗和表示卷線的阻抗和輥主體的溫度的關係的關係資料計算輥主體的溫度的輥溫度計算部，所以不需要在輥主體上設置溫度檢測元件，可以通過計算卷線的阻抗來計算輥主體的溫度。

從阻抗計算部得到的阻抗與作為發熱部的輥主體的內表面溫度之間具有固定的變化特性。

對驗證後的輥主體(內徑Φ×表面長度L)施加額定電壓時的阻抗和輥主體的內表面溫度的關係為以下的近似式。

θ_i=k_nZⁿ+k_n-1Z^n-1+k_n-2Z^n-2+,‧‧‧,+k₂Z²+k₁Z+k₀

其中，θ_i是輥主體的內表面温度(℃)，Z是阻抗(=E/I)，k_n(n=1,2,‧‧‧,n)和k₀是根據實測值確定的係數。

此外，穩定時的輥主體的內表面溫度和輥主體的表面溫度之間具有規定的關係。因此，當該輥主體的內表面溫度和表面溫度的溫度差為θ(℃)時，較佳的是，該輥溫度計算部利用根據以下公式得到的溫度差θ，對根據該阻抗和該關係資料得到的該輥主體的溫度進行修正。

θ=kP/[2π/{ln(d₂/d₁)/λ}]

其中，d₁是輥主體的內徑(m)，d₂是輥主體的外徑(m)，λ是輥主體的平均温度的熱導率(W/m．℃)，P是熱流速(W/m)，在此是用輥主體的內表面的發熱量(W)除以發熱內表面長度(m)(與卷線寬相等)的值。此外，k是根據實測值計算出的修正係數。

另外，熱導率λ隨輥主體的材質和溫度而變化，圖4例如表示溫度和碳素鋼的熱導率的特性。此外，在數十~數百kHz的高頻率時，輥主體的電流滲透度為數μm，但是在50~1000Hz的中頻率時，能得到數mm~數十mm的電流滲透度。例如碳素鋼在60Hz．500℃時電流滲透度為10mm左右。即，由於在中頻率感壓加熱中電流滲透度深，所以發熱部溫度(內表面溫度)和表面溫度的差比高頻率時小。

測量某一條件下的發熱密度且到達溫度的溫度上升，得出輥主體的表面溫度和阻抗的關係近似式，並根據該近似式從阻抗得出輥主體的表面溫度。如果發熱密度變化，則壁厚t的溫度差θ變化，此外，如果輥主體的到達表面溫度變化，則平均溫度變化，因此熱導率也變化。如果通過換算式進行計算，則能夠得到輥主體的表面溫度，從而能夠計算出由阻抗產生的輥主體的表面溫度。

較佳的是，在該輥主體的側周壁上形成有封入有氣液兩相的熱介質的夾套室。上述夾套室通過由封入的氣液兩相的熱介質進行的熱輸送，使輥主體的溫度均勻，同時也使輥主體的表面溫度均勻。

即，通過阻抗進行的輥主體的溫度的檢測是對內表面溫度的平均溫度進行的檢測，所以因夾套室而變得均勻的輥主體的各部表面溫度與對由阻抗檢測出的溫度進行必要的修正並換算為表面溫度的值相等。

在此，較佳的是，當該輥主體的斷面面積為S、該夾套室的斷面面積的總和為S_j、該輥主體的壁厚為t時，該輥溫度計算部利用將該輥主體的內徑d₁作為d_j1=d₁+t{1-α(1-S_j/S)}、將該輥主體的外徑d₂作為d_j2=d₂-t{1-α(1-S_j/S)}而得到的溫度差θ，計算該輥主體的溫度。另外，d_j1是考慮了由夾套室產生的壁厚變薄部分後的虛擬內徑，d_j2是考慮了由夾套室產生的壁厚變薄部分後的虛擬外徑。

其中，當輥主體的與轉動軸垂直的斷面面積為S、夾套室的與該轉動軸垂直的斷面面積的總和為S_j、輥主體的壁厚為t時，以熱量方式換算的壁厚t_j為以下公式。

t_j=α×t(S-S_j)/S (α>1)

其中，α是變數，該變數表示由伴隨溫度下降產生的熱介質的壓力下降導致的夾套室的功能下降比例。α-θ的關係特性由熱介質的種類和夾套室內的不純物濃度來確定。

壁厚t和以熱量方式換算的壁厚t_j的差異如下，t-t_j=t-α×t(S-S_j)/S=t{1-α(S-S_j)/S} =t{1-α(1-S_j/S)}

因此，以熱量方式換算的輥主體的虛擬內徑d_j1和虛擬外徑d_j2如下。

d_j1=d₁+t{1-α(1-S_j/S)}

d_j2=d₂-t{1-α(1-S_j/S)}

即，由於計算上的內外徑比變小，因此溫度差θ變小，所以溫度測量誤差也變小。

較佳的是，感應發熱輥裝置還包括阻抗修正部，該阻抗修正部利用從檢測該電源電路的電源電壓的電源電壓檢測部得到的電源電壓值，對從該阻抗計算部得到的阻抗進行修正，該輥溫度計算部根據由該阻抗修正部修正後的修正阻抗和該關係資料，計算該輥主體的溫度。

一般來說，電源電壓在產品出貨時和使用者使用時會發生變化。例如，如果規格為200V，則感應發熱輥裝置需要能夠在190V~210V的範圍內正常動作。特別是在輥主體的溫度的初始升溫時施加輸入全電壓，所以需要與受電電壓值配合對阻抗值進行修正。

在此，必須根據使用者使用時的電源電壓V2對由出貨時的電源電壓V1計算出的阻抗-溫度特性(該關係資料)進行修正。

這是因為在圖5所示的單相的感應發熱輥(單相輥)的等效電路中，如果電源電壓變化，則磁回路中的磁通密度變化，因此勵磁阻抗r₀、l₀和殼型電抗器(輥主體的電抗器)l₂變化，此外由於磁通密度變化而引起殼型磁導率(輥主體的磁導率)變化，從而導致電流滲透度變化且殼型電阻(輥主體的電阻)r₂變化，由此電路阻抗也發生變化。在此，感應發熱輥是指由輥主體和磁通產生機構構成的部分。

當以近似式表示輥主體的表面溫度和阻抗的關係時，由輸入電壓變化而引起的磁通密度的變化，導致電流滲透度變化，從而產生阻抗的變化。因此，需要對近似式的讀取進行修正。

可以利用σ=5.033√(ρ/μs×f)來計算輥主體的電流滲透度σ。公式中的ρ是電阻率，μs是相對磁導率，f是頻率。在此，磁性材質的輥主體的相對磁導率隨著磁通密度而變化，表示每種金屬固有的特性。預先測量上述磁性材料的相對磁導率-磁通密度特性，並計算與輸入電壓對應的磁通密度時的電流滲透度，從而對與電流滲透度成反比的阻抗進行修正，由此讀取溫度。另外，圖7表示輥主體的材質例如為碳素鋼S45C時磁通密度和相對磁導率的關係。

此外，由於電阻率也表示每種金屬與溫度的固有的變化特性，所以伴隨溫度變化電流滲透度σ也發生變化，從而導致阻抗變化。但是，輥主體的發熱部溫度和阻抗的關係近似式是包含輥主體的發熱部溫度變化的公式，所以不需要對此進行修正。

具體地說，當該控制元件是感應電壓調整器那樣的電壓可變裝置時，通過使向作為感應線圈的卷線輸入的輸入電壓變化，使磁回路的磁通密度變化，此外，當該控制元件利用半導體對電流或電壓的相位角(通電角)進行控制時，如果因通電角變化而引起輸入電壓變化，則磁回路的磁通密度變化，而且輥主體的溫度也變化，所以輥主體的電流滲透度σ變化。

輸入電壓的變化引起磁通密度的變化，因此磁回路的勵磁特性也發生變化，所以圖5的等效電路的勵磁阻抗r₀和l₀的值也發生變化。由於該勵磁特性根據輥主體和鐵心的材質表示與磁回路的磁通密度的固有關係，所以預先測量特性，對阻抗進行修正。另外，圖8表示 磁通產生機構的鐵心是厚度為0.23mm的方向性矽鋼板、輥主體的材質是碳素鋼S45C的熱處理材料時，由磁通產生機構產生的磁通密度和勵磁電阻的關係。

此外，輸入電壓的變化引起磁通密度的變化，也引起圖5的等效電路的殼型電抗器l₂的值的變化。由於殼型電抗器l₂表示與輥主體的電阻率和磁通密度相關的變化，所以預先測量特性，對阻抗進行修正。此外，電抗器l₁是由輥主體的結構確定的值，需要預先進行計算。

此外，在感應發熱輥裝置的運轉中電源電壓急劇變化時，磁回路的磁通密度急劇變化而引起電流滲透度變化，所以阻抗變化，但是輥主體的溫度變化產生大幅度的時間滯後。由於溫度的時間滯後根據輥主體結構(材質、尺寸、重量等)的不同而不同，所以需要針對輥主體的每個種類分別確定修正式。

使用驗證後的輥裝置時，修正式如下。

Z_n={1-a(E-V_in)^b}Z_on

其中，E是額定電源電壓，V_in是控制元件輸入電壓，Z_on是修正前的時間t_n的阻抗，n是表示檢測順序的數，a和b是每個輥的常數。

將根據例如以數十微秒左右劃分的時間t_n期間的有效電壓和有效電流計算出的Z_on代入上述修正式，得出修正阻抗Z_n。

接著，將根據下一劃分的時間t_(n+1)的有效電壓和有效電流計算出的Z_o(n+1)代入修正式，得出修正阻抗Z_(n+1)。由此，連續進行順序劃分的每個時間的阻抗修正。

此外，該控制元件為半導體時，電壓和電流的波形形狀因通電角而發生變化，但是由於變化成分別不同的形狀，所以通過各個阻抗的分擔電壓的變化，勵磁阻抗的電壓變化且磁通密度變化，因此勵磁阻 抗和相對磁導率也變化。此時，如果確定了控制元件、通電角、負載，則由於電壓和電流分別成為固定的形狀，所以能夠根據通電角確定修正係數。

在此，較佳的是，感應發熱輥裝置還包括阻抗修正部，該阻抗修正部利用該控制元件的通電角對從該阻抗計算部得到的阻抗進行修正，該輥溫度計算部根據由該阻抗修正部修正後的修正阻抗和該關係資料，計算該輥主體的溫度。

控制元件是晶閘管，並使用驗證後的輥主體(內徑Φ×表面長度L)時，因波形變形而產生高諧波成分變化，由此等效電路中的電抗器成分l₁和l₂的電壓變化。因此，施加在勵磁阻抗上的電壓變化，磁通密度也變化。即，根據磁通密度的變化勵磁阻抗和相對磁導率變化，因此需要對此影響進行修正。

對由晶閘管的相位角變化所產生的影響進行修正後的修正阻抗Z如下所示。

Z=a×Z_x

其中，如果C=V/V_in，則a=a_nCⁿ+a_n-1C^n-1+a_n-2C^n-2+,‧‧‧,+a₂C²+a₁C+a₀

其中，a_n是基於由各感應發熱輥裝置確定的實測值的係數，a₀是常數。

此外，Z_x是修正前的阻抗，V_in是晶閘管的受電電壓，V是晶閘管的輸出電壓。

較佳的是，該阻抗修正部利用從檢測該卷線的溫度的溫度檢測部得到的卷線溫度，對從該阻抗計算部得到的阻抗進行修正。

如果因通電而引起作為初級線圈的卷線的溫度變化，則圖5所示的單相的感應發熱輥(單相輥)的等效電路中的r₁變化，所以電路阻抗也變化，即，V/I也變化。然而，由於上述變化與輥主體的發熱部溫度的變化無關，所以需要對該變化部分進行修正。

雖然卷線的電阻率和溫度具有與絕對溫度大體成比例的關係，但是根據其材質而表示固有的變化特性。例如如果電線材質是銅，則成為以下公式的關係，所以如果將溫度感測器埋設在卷線內來檢測卷線溫度，則能夠計算r₁。

r₁=kL/100S(Ω)

k=2.1(234.5+θ_c)/309.5

其中，L是電線長度(m)，S是電線斷面面積(mm²)，θ_c是卷線溫度(℃)。

通常在感應發熱輥中，輥主體轉動，但是作為感應線圈的卷線不轉動，所以將溫度感測器埋設在卷線內並不困難。

此外，感應發熱輥裝置還可以包括：直流電壓施加部，控制直流電源，間歇性地向該卷線施加直流電壓；以及電阻值計算部，根據由該直流電壓施加部施加的直流電壓和施加該直流電壓時在該卷線內流動的直流電流，計算該卷線電阻值，該阻抗修正部利用從該電阻值計算部得到的卷線電阻值，對從該阻抗計算部得到的阻抗進行修正。

在數秒以內的短時間內向卷線施加固定的直流電壓，通過用該直流電壓除以在卷線內流動的直流電流，能夠計算卷線電阻值。在此，因為直流電壓沒有感應作用，所以直流電流不會受到輥主體和鐵心的影響而僅與卷線電阻值相關。另外，因為卷線溫度不會急劇變化，所以即使採用週期性且短時間的測量值，也不會產生大的測量誤差。

此外，間歇性地施加直流電壓是指例如在從數秒到數十分鐘的固定週期內具有數秒以內的施加時間。這樣間隙性地施加直流電壓，可以使從直流成分受到的偏磁作用變小，並且還可以將對用於感應發熱的交流電路的影響抑制為最小限度。此外，感應發熱輥裝置的卷線通常熱慣性較大，並且在通常的固定負載條件下的運轉中，卷線溫度的變化不會成為太大的值。因此，以從數秒到數十分鐘為單位、較佳以從數十秒到數分鐘為單位，實施利用數秒以內的短時間的施加時間進行的溫度檢測，能夠充分地進行輥主體的溫度控制。

較佳的是，利用設置在該電源電路中的控制元件，使該交流電流或交流電壓斷開或成為最小限度的狀態下，該電阻值計算部向該卷線施加直流電壓並計算卷線電阻值。

向施加有交流電壓的卷線施加直流電壓，並且從交流電流和直流電流疊加的電流中僅檢測直流成分(直流電流)，需要複雜的檢測電路。在此，在通常的感應發熱輥裝置中包括具有控制元件的電源電路，該控制元件對用於控制輥主體的溫度的交流電流或交流電壓進行控制。因此，如果僅在直流電壓的施加時間利用控制元件使交流電流或交流電壓斷開或成為最小限度的值，則能夠抑制交流電流(交流成分)的影響，從而能夠容易進行直流電流(直流成分)的檢測。在此，以數秒以內的短時間、且以從數秒到數十分鐘的時間間隔，使交流電流或交流電壓斷開或成為最小限度的值，因此不會妨礙感應發熱作用。

作為使交流電流或交流電壓斷開或成為最小限度的值的實施方式，可以考慮在控制元件具有例如電磁接觸器等開關設備時使該開關 設備斷開的方式，或者在控制電路部具有例如晶閘管等半導體元件(電力控制元件)時使該半導體元件的通電相位角成為最小的方式。

較佳的是，該輥溫度計算部利用從功率因數檢測部得到的功率因數和功率因數關係資料對該輥主體的溫度進行修正，該功率因數檢測部檢測由該輥主體和磁通產生機構構成的感應發熱輥的功率因數，該功率因數關係資料表示該感應發熱輥的功率因數和作為基準的感應發熱輥的功率因數的關係。

一般來說，在感應發熱輥裝置中，相對一個控制裝置具有多個預備的感應發熱輥，即，相對一個控制裝置，需要使規格相同的多個預備的感應發熱輥之間具有互換性，此外也需要使輥主體和卷線的組合具有互換性。

在此，即使感應發熱輥是規格相同的輥，但是作為感應線圈的卷線的完成狀態會有稍許不同、或者輥主體材質的不均勻性和完成尺寸也會有稍許不同。此外，根據捲繞有卷線的鐵心和輥主體的退火狀況，磁導率也會不同。

根據上述不同，在圖5所示的單相的感應發熱輥(單相輥)中，等效電路中的全部阻抗(r₁、l₁、r₀、l₀、r₂、l₂)分別稍許變化。作為電路整體，全部阻抗Z變化，即，其電阻R和電抗ωL變化。

由於功率因數為cosφ=R/√{R²+(ωL)²}，所以如果R和L變化，則除了特殊點以外，功率因數也變化。此外，阻抗Z為Z=√{R²+(ωL)²}=V/I，因此如果R和L變化則V/I也變化，此外即使輸入電壓相同，但電流I和功率因數cosφ變化，所以容量P也變化。因此，根據作為基準的近似式計算出的輥主體的表面溫度會產生誤差。

因此，輥主體是磁性或磁性和非磁性的複合材質，在具有磁性的溫度以下(碳素鋼中600℃左右以下)、磁通密度在飽和磁通密度以內時，一個輥主體的功率因數具有固定而不變化的特性(參照下表1)。該表1表示頻率60Hz時的升溫電氣特性。

其中，以一個感應發熱輥為基準(以下稱為基準輥)，交流電壓為V_r，交流電流為I_r，功率因數為cosφ_r，有效容量為P_r。此外，向作為溫度檢測物件的感應發熱輥(以下稱為檢測對象輥)施加相同的交流電壓V_r時的交流電流為I_x，功率因數為cosφ_x，有效容量為P_x。

檢測物件輥和基準輥的有效容量的差為△P時，以下公式成立。

P_x=P_r+△P

cosφ_x=(P_r+△P)/{P_r/cosφ_r+△P/k}

P_r+△P=P_r‧cosφ_x/cosφ_r+△Pcosφ_x/k

△P(1-cosφ_x/k)=P_r(cosφ_x/cosφ_r-1)

△P{(k-cosφ_x)/k}=P_r{(cosφ_x-cosφ_r)/cosφ_r}

△P={(cosφ_x-cosφ_r)/cosφ_r}{k/(k-cosφ_x)}P_r={k(cosφ_x-cosφ_r)/cosφ_r(k-cosφ_x)}P_r‧‧‧式1

P_x=[{k(cosφ_x-cosφ_r)/cosφ_r(k-cosφ_x)}+1]P_r‧‧‧式2

容量比P_x/P_r=(式2)/P_r={k(cosφ_x-cosφ_r)/cosφ_r(k-cosφ_x)}+1‧‧‧式3

由於容量比由電流比和功率因數比的積構成，所以如果用式3除以功率因數比，則能夠得出電流比。

I_x/I_r=[{k(cosφ_x-cosφ_r)/cosφ_r(k-cosφ_x)}+1]/(cosφ_x/cosφ_r)=(k-cosφ_r)/(k-cosφ_x)‧‧‧式4

製作多個感應發熱輥時，測量各感應發熱輥的功率因數和容量，根據式3和式4得出係數k。

圖6是表示輥主體的表面溫度θ(℃)和交流電壓/交流電流(V/I)的關係的特性曲線圖，粗虛線是基準輥的特性曲線，粗實線是檢測物件輥的特性曲線。雖然希望得出檢測物件輥的粗實線的θ_x(℃)，但是根據存儲的基準輥的特性曲線只能得出V_r/I_x的θ_x’(℃)。

但是，由於可以認為檢測物件輥的特性曲線相對於基準輥的特性曲線沒有很大的特性變化，所以考慮檢測物件輥的特性曲線和基準輥的特性曲線的平行移動的關係來進行計算。

首先，將根據式4得出的電流I_r=I_x(k-cosφ_x)/(k-cosφ_r)代入基準輥的特性曲線，計算基準輥的V_r/I_r時的溫度θ_r。

在此，交流電流I_x且功率因數cosφ_x時，檢測物件輥的容量與基準輥的容量相比僅變化式3的倍率，所以溫度上升值也以相同的比率變化。

溫度上升值是輥主體的溫度和周圍溫度的差，基準輥的溫度上升值為△θ_r(℃)，基準輥的V/I-θ特性近似式的周圍溫度為θ_a(℃)，檢測物件輥的溫度上升值為△θ_x(℃)時，△θ_x={k(cosφ_x-cosφ_r)/cosφ_r(k-cosφ_x)+1}△θ_r‧‧‧式5

θ_x={k(cosφ_x-cosφ_r)/cosφ_r(k-cosφ_x)+1}△θ_r+θ_a‧‧‧式6

以下的表2是在檢測物件輥(輥主體的外徑190mm、內徑167mm、表面長度310mm、碳素鋼制)的內周上進行0.3mm和0.4mm厚度的銅塗覆而使阻抗大幅度變化時的實驗資料。

No.1輥：無銅塗覆

No.2輥：有銅塗覆、銅塗覆的厚度0.3mm

No.3輥：有銅塗覆、銅塗覆的厚度0.4mm

根據上述資料得出式3、式4的係數k，No.1輥和No.2輥時，k=1.24，No.1輥和No.3輥時，k=1.10，No.2輥和No.3輥時，k=0.93。

上述資料是極端的阻抗變化的狀況，由於在檢測物件輥中僅有稍許變化，所以△P與P_r相比足夠小，因此不會影響△P△P/k、即k=1。因此，式1~式6的近似式如下所示。

△P={(cosφ_x-cosφ_r)/cosφ_r(1-cosφ_x)}P_r

P_x=[{(cosφ_x-cosφ_r)/cosφ_r(1-cosφ_x)}+1]P_r

P_x/P_r={(cosφ_x-cosφ_r)/cosφ_r(1-cosφ_x)}+1

I_x/I_r=(1-cosφ_r)/(1-cosφ_x)

△θ_x={(cosφ_x-cosφ_r)/cosφ_r(1-cosφ_x)+1}△θ_r

θ_x={(cosφ_x-cosφ_r)/cosφ_r(1-cosφ_x)+1}△θ_r+θ_a

雖然製作個數為一個時不能根據實測來計算k，但是製作多個規格相同的感應發熱輥時，假設k=1，根據上式計算溫度，則能夠得到近似值。

按照上述結構的本發明，不需要在輥主體上設置溫度檢測元件，可以通過計算卷線的阻抗來計算輥主體的溫度。

2‧‧‧輥主體

2S‧‧‧夾套室

3‧‧‧磁通產生機構

4‧‧‧控制元件

5‧‧‧電源電路

6‧‧‧控制裝置

7‧‧‧交流電流檢測部

8‧‧‧交流電壓檢測部

9‧‧‧電源電壓檢測部

10‧‧‧溫度檢測部

11‧‧‧電力檢測部

12‧‧‧功率因數檢測部

31‧‧‧鐵心

32‧‧‧卷線

61‧‧‧阻抗計算部

62‧‧‧阻抗修正部

63‧‧‧關係資料存儲部

64‧‧‧輥溫度計算部

100‧‧‧感應發熱輥裝置

圖1是示意性表示本實施方式的感應發熱輥裝置的結構的圖。

圖2是同實施方式的控制裝置的功能構成圖。

圖3是表示同實施方式的溫度計算流程的圖。

圖4是表示碳素鋼(S45C)的溫度和熱導率的關係的特性曲線圖。

圖5是表示單相的感應發熱輥(單相輥)的等效電路的圖。

圖6是表示輥主體的表面溫度和交流電壓/交流電流的關係的特性曲線圖。

圖7是表示碳素鋼(S45C)的磁通密度和相對磁導率的關係的特性曲線圖。

圖8是表示通過由碳素鋼(S45C)構成的輥主體和由方向性矽鋼板構成的鐵心構成的磁回路的磁通密度和勵磁電阻的關係的特性曲線圖。

下面，參照附圖，對本發明的感應發熱輥裝置的一種實施方式進行說明。

如圖1所示，本實施方式的感應發熱輥裝置100包括：輥主體2，被支撐成轉動自如；磁通產生機構3，設置在上述輥主體2的內部，由鐵心31和捲繞在該鐵心31上的卷線32構成；以及電源電路5，與卷線32連接，並且設置有控制電流或電壓的控制元件4。

在輥主體2的側周壁的壁厚內，沿周向等間隔地形成有封入有氣液兩相熱介質的多個夾套室2S。此外，具體地說，本實施方式的控制元件4是晶閘管，利用半導體控制交流電流或交流電壓的通電角。

並且，控制本實施方式的感應發熱輥裝置100的控制裝置6具有表面溫度計算功能，根據卷線32的阻抗計算輥主體2的表面溫度。

具體地說，控制裝置6是具有CPU、內部記憶體、A/D轉換器、D/A轉換器、輸入輸出介面等的專用或通用的電腦，通過按照預先存儲在內部記憶體內的規定程式使該CPU或周邊設備動作，來起到如圖2中所示的阻抗計算部61、阻抗修正部62、關係資料存儲部63、輥溫度計算部64等的功能。

以下，參照圖2並參照圖3的溫度計算流程圖，對各部分進行說明。

阻抗計算部61根據從交流電流檢測部7得到的交流電流值和從交流電壓檢測部8得到的交流電壓值，計算卷線32的阻抗Z₁(=V/I)(圖3的(1))，該交流電流檢測部7檢測流過卷線32的交流電流I，該交流電壓檢測部8檢測向卷線32施加的交流電壓V。

阻抗修正部62根據產品出貨時製作關係資料的電源電壓和使用者使用的電源電壓的不同部分(兩者的電源電壓的差)，對從阻抗計算部61得到的阻抗Z₁進行修正(圖3的(2))。

此外，阻抗修正部62根據控制元件(晶閘管)4的通電角(相位角)，對阻抗Z₁進行修正(圖3的(3))。

具體地說，阻抗修正部62按照以下公式對阻抗Z₁進行修正。

Z₂=a×Z₁

其中，如果C=V/V_in，則a=a_nCⁿ+a_n-1C^n-1+a_n-2C^n-2+,‧‧‧,+a₂C²+a₁C+a₀

其中，a_n是基於由各感應發熱輥裝置確定的實測值的係數，a₀是常數。

此外，Z₁是修正前的阻抗，V_in是晶閘管的受電電壓，V是晶閘管的輸出電壓。

此外，在感應發熱輥裝置100運轉中電源電壓急劇變化時，磁回路的磁通密度也急劇變化，因此輥主體的電流滲透度變化，所以阻抗變化，但是在輥主體的溫度變化上產生較大的時間滯後。因此，本實施方式的阻抗修正部62根據從對電源電路5的電源電壓進行檢測的 電源電壓檢測部9得到的電源電壓值E，對利用上述通電角修正的Z₂進行修正(圖3的(4))。

具體地說，阻抗修正部62按照以下公式，對阻抗Z₂進行修正。

Z₃={1-a(E-V_in)^b}Z₂

其中，E是額定電源電壓，V_in是控制元件輸入電壓，Z₂是修正前的阻抗，a和b是每個輥的常數。上述修正在每個劃分的時間內連續進行。

此外，阻抗修正部62根據從對卷線32的溫度進行檢測的溫度檢測部10得到的卷線溫度θ_c(℃)，對利用上述通電角和電源電壓E修正的阻抗Z₃進行修正(圖3的(5))。另外，溫度檢測部10埋設在卷線32內。

具體地說，阻抗修正部62按照以下公式，計算卷線32的電阻r₁並對阻抗Z₃進行修正。

r₁=kL/100S(Ω)

k=2.1(234.5+θ_c)/309.5

其中，L是電線長度(m)，S是電線斷面面積(mm²)，θ_c是卷線溫度(℃)。

關係資料存儲部63中存儲有表示卷線32的阻抗和輥主體2的溫度的關係(V/I-θ特性近似式)的關係資料。具體地說，關係資料表示卷線32的阻抗和輥主體2的內表面溫度的關係。此外，當預先得出關係資料時，如上該，根據通電角、電源電壓和卷線溫度對由電流檢測部7的交流電流值和電壓檢測部8的交流電壓值得出的阻抗進行修正來得到卷線32的阻抗(圖3的(1)~(5))。另外，利用作為基準的感應發熱輥裝置來得到上述關係資料。此外，關係資料存儲部 63可以設定在內部記憶體的規定區域內，也可以設定在設置在該控制裝置6外部的外部記憶體的規定區域內。

輥溫度計算部64利用由該阻抗修正部62修正後的修正阻抗和存儲在該關係資料存儲部63中的關係資料，計算輥主體2的內表面溫度(圖3的(6))。

具體地說，當輥主體2的內表面溫度和表面溫度(外表面溫度)的溫度差為θ(℃)時，輥溫度計算部64利用從以下公式得到的溫度差θ，對內表面溫度進行修正並計算表面溫度(圖3的(7))。

θ=kP/[2π/{ln(d₂/d₁)/λ}]

其中，d₁是輥主體的內徑(m)，d₂是輥主體的外徑(m)，λ是輥主體的平均温度的熱導率(W/m‧℃)，P是熱流速(W/m)，在此是用輥主體的內表面的發熱量(W)除以發熱內表面長度(m)(與卷線寬相等)的值。此外，k是根據實測值計算出的修正係數。另外，當計算熱流速(W/m)時，輥溫度計算部64使用從電力檢測部11得到的電力值。

此外，輥溫度計算部64考慮由形成在輥主體2上的夾套室2S產生的壁厚變薄部分，計算輥主體2的外表面溫度。

具體地說，當輥主體2的斷面面積為S、夾套室2S的斷面面積的總和為S_j、輥主體2的壁厚為t時，輥溫度計算部64將輥主體2的內徑d₁作為考慮了壁厚變薄部分的虛擬內徑d_j1(=d₁+t{1-α(1-S_j/S)})，將輥主體2的外徑d₂作為考慮了壁厚變薄部分的虛擬外徑d_j2(=d₂-t{1-α(1-S_j/S)})，並利用從上述溫度差θ的公式得到的溫度差θ，計算輥主體2的外表面溫度。

此外，輥溫度計算部64對作為溫度檢測物件的感應發熱輥(檢測對象輥)相對於作為基準的感應發熱輥(基準輥)的儀錶誤差進行修正。具體地說，輥溫度計算部64利用功率因數關係資料對輥主體2的外表面的溫度進行修正(圖3的(8))，該功率因數關係資料表示從對檢測物件輥的功率因數進行檢測的功率因數檢測部12得到的功率因數cosφ_x和基準輥的功率因數cosφ_r的關係。

更具體地說，如果基準輥的溫度上升值(輥主體的溫度和周圍溫度的差)為△θ_r(℃)、基準輥的V/I-θ特性近似式的周圍溫度為θ_a(℃)、檢測物件輥的溫度上升值為△θ_x(℃)、基準輥的功率因數為cosφ_r、檢測對象輥的功率因數為cosφ_x，則輥溫度計算部64利用根據以下公式得到的θ_x(℃)，計算檢測物件輥的輥主體的表面溫度。

θ_x=△θ_x+θ_a={(cosφ_x-cosφ_r)/cosφ_r(1-cosφ_x)+1}△θ_r+θ_a

按照以上述方式構成的本實施方式的感應發熱輥裝置100，由於具有根據從阻抗計算部61得到的阻抗和表示卷線32的阻抗和輥主體2的溫度的關係的關係資料計算輥主體2的溫度的輥溫度計算部64，所以不需要在輥主體2上設置溫度檢測元件，能夠通過計算卷線32的阻抗來計算輥主體2的溫度。

此外，由阻抗修正部62利用晶閘管4的通電角、電源電路5的電源電壓E、卷線32的溫度，對從阻抗計算部61得到的阻抗進行修正，所以能夠高精度地計算出輥主體2的溫度。

此外，由於輥溫度計算部64根據輥主體2的內表面溫度和表面溫度的溫度差θ計算表面溫度，並且對作為溫度檢測物件的感應發熱 輥裝置相對於基準輥的儀錶誤差進行修正，所以能夠高精度地計算出輥主體2的表面溫度。

另外，本發明並不限於該實施方式。

例如，在該實施方式中，阻抗修正部利用卷線32的溫度對阻抗進行修正，但是輥溫度計算部64也可以利用卷線32的溫度，對根據阻抗和關係資料計算出的輥主體的溫度進行修正。在這種情況下，修正值△t例如為m×θ_c+n(其中，m、n是根據實測值計算出的係數。)。

此外，在該實施方式中，以輥主體的內表面溫度和阻抗的規定關係的近似式為基本，對該近似式進行修正而得出輥主體的表面溫度，但是也可以以輥主體的表面溫度或輥主體的側壁的壁厚內溫度和阻抗的規定關係的近似式為基本，根據感應發熱輥裝置的各種條件及其變化對表面溫度產生的影響，對該近似式進行修正而得出輥主體的表面溫度。例如，當得出輥主體的表面溫度和阻抗的規定關係的近似式時，可以考慮利用輻射溫度計從外部測量輥主體的表面溫度。此外，對近似式進行修正時，可以考慮進行與該實施方式的圖3的(2)~(4)和(8)等同樣的修正。

此外，該實施方式的感應發熱輥可以是輥主體的軸向兩端部被支撐成轉動自如的所謂雙支撐式的感應發熱輥，也可以是使轉動軸與有底筒狀的輥主體的底部連接並被支撐成轉動自如的所謂單支撐式的感應發熱輥。

此外，本發明並不限於該實施方式，在不脫離本發明宗旨的範圍內可以進行各種變形。此外，各計算過程中，當在實測值和計算值之間產生差異時，可以利用根據實測值計算出的修正係數進行修正。

2‧‧‧輥主體

2S‧‧‧夾套室

3‧‧‧磁通產生機構

4‧‧‧控制元件

5‧‧‧電源電路

31‧‧‧鐵心

32‧‧‧捲線

100‧‧‧感應發熱輥裝置

Claims (8)

1. 一種感應發熱輥裝置，其包括：輥主體，係被支撐成轉動自如；磁通產生機構，係設置在該輥主體的內部，由鐵心和捲繞在該鐵心上的卷線構成；以及電源電路，係與該卷線連接，並且設置有控制交流電流或交流電壓的控制元件，該感應發熱輥裝置的特徵在於還包括：阻抗計算部，係根據從交流電流檢測部得到的交流電流值和從交流電壓檢測部得到的交流電壓值，計算該卷線的阻抗，該交流電流檢測部檢測流過該卷線的交流電流，該交流電壓檢測部檢測向該卷線施加的交流電壓；關係資料存儲部，係存儲有表示該卷線的阻抗和該輥主體的溫度的關係的關係資料；以及輥溫度計算部，係根據從該阻抗計算部得到的阻抗和存儲在該關係資料存儲部中的關係資料，計算該輥主體的溫度。
2. 如請求項1之感應發熱輥裝置，其中，當該輥主體的內表面温度和表面温度的温度差為θ時，該輥温度計算部利用根據θ=kP/[2π/{ln(d₂/d₁)/λ}]得到的溫度差θ，對根據該阻抗和該關係資料得到的該輥主體的溫度進行修正，其中，θ的單位是℃，d₁ 是輥主體的內徑、單位是m，d₂是輥主體的外徑、單位是m，λ是輥主體的平均温度的熱導率、單位是W/m‧℃，P是熱流速、單位是W/m，k是修正係數。
3. 如請求項2之感應發熱輥裝置，其中，在該輥主體的側周壁上形成有封入有氣液兩相的熱介質的夾套室，當該輥主體的斷面面積為S，該夾套室的斷面面積的總和為S_j，該輥主體的壁厚為t，表示由伴隨溫度下降產生的熱介質的壓力下降導致的夾套室的功能下降比例的變數為α時，該輥溫度計算部利用將該輥主體的內徑d₁作為d_j1=d₁+t{1-α(1-S_j/S)}，將該輥主體的外徑d₂作為d_j2=d₂-t{1-α(1-S_j/S)}而得到的溫度差θ，計算該輥主體的溫度。
4. 如請求項1之感應發熱輥裝置，其中，還包括阻抗修正部，該阻抗修正部利用從檢測該電源電路的電源電壓的電源電壓檢測部得到的電源電壓值，對從該阻抗計算部得到的阻抗進行修正，該輥溫度計算部根據由該阻抗修正部修正後的修正阻抗和該關係資料，計算該輥主體的溫度。
5. 如請求項1之感應發熱輥裝置，其中，該控制元件利用半導體控制電流或電壓的通電角，該感應發熱輥裝置還包括阻抗修正部，該阻抗修正部利用該控制元件的通電角對從該阻抗計算部得到的 阻抗進行修正，及該輥溫度計算部根據由該阻抗修正部修正後的修正阻抗和該關係資料，計算該輥主體的溫度。
6. 如請求項4之感應發熱輥裝置，其中，該阻抗修正部利用從檢測該卷線的溫度的溫度檢測部得到的卷線溫度，對從該阻抗計算部得到的阻抗進行修正。
7. 如請求項4之感應發熱輥裝置，其中，還包括：直流電壓施加部，控制直流電源，間歇性地向該卷線施加直流電壓；以及電阻值計算部，根據由該直流電壓施加部施加的直流電壓和施加該直流電壓時在該卷線內流動的直流電流，計算該卷線電阻值，該阻抗修正部利用從該電阻值計算部得到的卷線電阻值，對從該阻抗計算部得到的阻抗進行修正。
8. 如請求項1之感應發熱輥裝置，其中，該輥溫度計算部利用從功率因數檢測部得到的功率因數和功率因數關係資料，對該輥主體的溫度進行修正，該功率因數檢測部檢測由該輥主體和磁通產生機構構成的感應發熱輥的功率因數，該功率因數關係資料表示該感應發熱輥的功率因數和作為基準的感應發熱輥的功率因數的關係。