TW201545607A - 感應發熱輥裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種感應發熱輥裝置，係不需要測量輥主體溫度的溫度檢測元件，並包含有：輥主體(2)；磁通產生機構(3)，由鐵心(31)和線圈(32)構成；及電源電路(5)，設置有控制交流電流或交流電壓的控制元件(4)，感應發熱輥裝置(100)將從檢測流過線圈(32)的交流電流的交流電流檢測部得到的交流電流值、從檢測向線圈(32)施加的交流電壓的交流電壓檢測部得到的交流電壓值、從檢測由輥主體(2)和磁通產生機構(3)構成的感應發熱輥的功率因數的功率因數檢測部得到的功率因數、線圈(32)的線圈電阻值、及從由鐵心(31)和輥主體(2)構成的磁路的磁通密度和勵磁電阻的關係特性得到的勵磁電阻作為參數，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，像專利文獻1記載的那樣有如下裝置：在作為被加熱體的輥主體上安裝有溫度檢測元件來直接測量溫度。
但是，由於輥主體是轉動體，所以大多數情況下難以安裝溫度檢測元件。此外，在將溫度檢測元件安裝在輥主體上的情況下，各個溫度檢測元件與輥主體的接觸狀況不同，會造成檢測溫度的誤差。此外，為了將設置在輥主體上的溫度檢測元件的信號輸入固定側的控制設備，需要旋轉變壓器等高級設備。
另外，雖然也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測輥主體溫度的方法，但是檢測精度低、或對輥主體的表面輻射率(放射率)產生影響，大多數情況下難以進行準確的溫度檢測。
[先前技術文獻]
專利文獻1：日本專利特開2001-23766號公報
因此，為了解決前述的問題，本發明的主要目的在於在感應發熱輥裝置中不需要測量輥主體溫度的溫度檢測元件。
亦即，本發明提供一種感應發熱輥裝置，係包含有：輥主體， 以轉動自如的方式被支承；磁通產生機構，設置在前述輥主體的內部，由鐵心和捲繞在前述鐵心上的線圈構成；以及電源電路，與前述線圈連接，並且設置有控制交流電流或交流電壓的控制元件，前述感應發熱輥裝置還包含有輥溫度計算部，前述輥溫度計算部將從檢測流過前述線圈的交流電流的交流電流檢測部得到的交流電流值、從檢測向前述線圈施加的交流電壓的交流電壓檢測部得到的交流電壓值、從檢測由前述輥主體和前述磁通產生機構構成的感應發熱輥的功率因數的功率因數檢測部得到的功率因數、前述線圈的線圈電阻值、以及從由前述磁通產生機構產生的磁通密度和由前述鐵心和前述輥主體構成的磁路的勵磁電阻的關係特性得到的勵磁電阻值作為參數，計算前述輥主體的溫度。另外，由前述磁通產生機構產生的磁通密度和由前述鐵心和前述輥主體構成的磁路的勵磁電阻的關係特性可以使用預先測量到的關係特性。此外，可以設置檢測線圈的線圈電阻的線圈電阻檢測部，通過該線圈電阻檢測部直接檢測線圈的線圈電阻值。如後所述，也可以設置檢測線圈溫度的線圈溫度檢測部，根據從該線圈溫度檢測部得到的線圈的溫度來計算線圈電阻值。還可以通過間歇地向線圈施加直流電壓並檢測此時流動的直流電流來計算線圈電阻值。
按照前述的感應發熱輥裝置，由於具有將線圈的電流值、線圈的電壓值、感應發熱輥的功率因數、線圈的電阻值和磁路的勵磁電阻值作為參數來計算輥主體溫度的輥溫度計算部，所以無需在輥主體設置溫度檢測元件，就能够計算輥主體的溫度。
具體地說，較佳為，前述輥溫度計算部將從前述交流電流檢測部得到的交流電流值、從前述交流電壓檢測部得到的交流電壓值、
從前述功率因數檢測部得到的功率因數、前述線圈電阻值、從前述磁通密度和前述磁路的勵磁電阻的關係特性得到的勵磁電阻值作為參數，計算前述輥主體的電阻值，並且使用前述輥主體的電阻值和前述輥主體的相對磁導率，計算前述輥主體的溫度。
更具體地說，感應發熱輥裝置包含有阻抗計算部，該阻抗計算部根據從前述電流檢測部得到的電流值、從前述電壓檢測部得到的電壓值、以及從前述功率因數檢測部得到的功率因數，計算前述感應發熱輥的阻抗(以下稱為輥阻抗)，此外，前述阻抗計算部將前述輥阻抗、前述線圈電阻值和前述勵磁電阻值作為參數，計算前述輥主體的電阻值。
在此，圖4表示由輥主體和磁通產生機構構成的感應發熱輥的等效電路。在由電源電路進行交流電壓的通電時，如果用向線圈施加的輸入交流電壓V除以流過線圈的交流電流I並乘以感應發熱輥的功率因數cos φ，則能够計算由線圈的電阻r1、勵磁電阻r0和輥主體的電阻r2構成的合成電阻rcomb。前述合成電阻rcomb由以下的計算式表示。
rcomb=(V/I)×cos φ [Ω]
rcomb=(r1r2+r1r0+r2r0)/(r2+r0) [Ω]
如果改寫為求輥主體的電阻r2的計算式，則成為如下所示的計算式。
r2=r0(r1-rcomb)/(rcomb-r1-r0) [Ω]
在前述輥主體的電阻r2的計算式中，可以根據與由磁通產生機構產生的磁通密度的關係求出勵磁電阻r0。前述關係由磁通產生機 構的鐵心的材質和厚度等形狀與輥主體的材質的組合決定。圖7中表示當磁通產生機構的鐵心是厚度為0.23mm的取向矽鋼板、且輥主體的材質為碳鋼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特性。
如果將從輸入交流電壓V減去由線圈的電抗l1和線圈的電阻r1造成的電壓下降部分的矢量計算的電壓設為Vm，則能够通過以下的計算式計算磁通密度Bm。
l1=[1.975×D×N2×κ{d+(a+σ)/3}/π Lh]×10-9 [H]
在此，D是磁通產生機構和輥主體的電流透入部的平均直徑[mm]，N是線圈的圈數，a是線圈厚度[mm]，Lh是線圈寬度[mm]，d是線圈和輥主體之間的距離[mm]。
此外，σ是輥主體的電流透入深度[mm]，如果將輥主體的材質的電阻率設為ρ[μ Ω．cm]、將輥主體的相對磁導率設為μ s、將頻率設為f[Hz]，則由σ={5.03√(ρ/μ s×f)}×10[mm]表示。
κ是羅柯夫斯基係數，由κ={1-(a+σ+d)/π Lh}表示。
Vm=√{(cos φ×V-I×r1)2+(sin φ×V-2 πf×l1×I)2} [V]
Bm=Vm×108/(4.44×f×N×Sm) [G]
在此，Sm是鐵心的磁路截面面積[cm2]。
在前述計算式中，由於相對磁導率μ s表示每種材質與磁通密度的固有的變化特性，所以能够根據按照每種材質事先測量到的變化特性求出。當輥主體的材質例如為碳鋼S45C時，磁通密度和相對磁導率的關係如圖5所示。
在前述計算式的計算階段中，由於磁通密度Bm未確定，所以將輸入交流電壓V代入求磁通密度Bm的計算式，根據前述磁通密度Bm和圖5的關係求出相對磁導率μ s並計算電流透入深度σ。進而，使用前述計算結果，再次計算磁通密度Bm，並且根據圖5的關係並利用相對磁導率μ s再次計算電流透入深度σ。通過以前述方式反復進行計算，分別使各個值收斂，從而得到確定的磁通密度Bm。
根據前述磁通密度Bm、圖7所示的磁通密度Bm和勵磁電阻r0的關係，求出勵磁電阻r0。
在前述輥主體的電阻r2的計算式中，線圈的電阻r1由構成線圈的電線的材質、長度、截面面積和線圈的溫度決定，如果電線的材質例如是銅，則可以利用以下的計算式計算。
r1=kL/100Sc [Ω]
k=2.1(234.5+θC)/309.5
在此，L是電線的長度[m]，SC是電線的截面面積[mm2]，θC是線圈的溫度[℃]。
具體地說，可以在線圈內埋入設置溫度檢測器(溫度檢測部)，根據該溫度檢測器檢測到的線圈的溫度來計算電阻值。此外，如後前述，通過向線圈施加短時間的直流電壓並檢測在施加該直流電壓時流動的直流電流，可以直接檢測線圈的電阻值。
此外，較佳為，前述感應發熱輥裝置還包含有：直流電壓施加部，控制直流電源，間歇地向前述線圈施加直流電壓；以及電阻值計算部，根據由前述直流電壓施加部施加的直流電壓和施加前述直 流電壓時流過前述線圈的直流電流，計算前述線圈電阻值，前述輥溫度計算部使用從前述電阻值計算部得到的線圈電阻值，計算前述輥主體的溫度。具體地說，較佳為，前述輥溫度計算部根據通過前述阻抗計算部得到的輥阻抗、通過前述電阻值計算部得到的線圈電阻值、以及前述磁路的勵磁電阻值，計算前述輥主體的溫度。
由於如果通過通電使作為初級線圈的線圈的溫度變化，則圖4所示的單相的感應發熱輥(單相輥)的等效電路的r1發生變化，所以電路阻抗也變化，亦即，rcomb也變化。因此，需要進行輥主體的電阻r2的再次計算。但是，由於前述變化與輥主體的發熱部溫度的變化沒有關係，所以需要修正前述變化部分。
線圈的電阻率和溫度具有與絕對溫度大體成比例的關係，按照前述材質表示固有的變化特性。由於如果電線的材質例如為銅，則成為以下的計算式的關係，所以只要知道線圈的溫度，就能够計算線圈的電阻值r1。
r1=kL/100S[Ω]
k=2.1(234.5+θC)/309.5
在此，L是電線長度[m]，S是電線截面面積[mm2]，θC是線圈溫度[℃]。
在此，由於如果將輥主體的內徑設為Φ[cm]、將電流透入深度設為σ[cm]、將電流透入深度的內表面部的截面面積設為Si[cm2]、將輥主體的發熱內表面長度(與線圈寬度相等)設為lS[cm]，則r2是從線圈側觀察到的一次換算值，所以如果將r2作為從輥主體側觀察到的二次換算值、將使單位為μ Ω的值作為R2，則R2由以下的 計算式表示。
R2=(r2/N2)×106 [μ Ω]
R2=ρ π(Φ+σ)/Si
Si=σ lS
因此，R2 σ lS=ρ π(Φ+σ)
在此，如果將相對磁導率設為μ s、將頻率設為f，則電流透入深度σ成為以下的計算式。
σ=5.03√(ρ/μ s×f) [cm]
如果將該σ代入前述的計算式，則5.03√(ρ/μ s×f)R2lS=ρ π Φ+5.03 ρ π √(ρ/μ s×f)
兩邊除以5.03√(ρ/μ s×f)，R2lS=ρ π Φ/{5.03√(ρ/μ s×f)}+ρ π
將該計算式進行變形，R2ls-ρ π=ρ π Φ/{5.03√(ρ/μ s×f)}
對兩邊進行平方，(R2lS)2-2R2lS ρ π+(ρ π)2=(ρ π Φ)2/(5.032 ρ/μ s×f)
對該計算式進行變形，(5.03R2lS)2-2×5.032R2]S ρ π+(5.03 ρ π)2 =ρ μ s×f(π Φ)2
此外，對該計算式進行變形，(5.03 π)2×ρ2-{2×5.032 π R2lS+(π Φ)2 μ s×f}ρ+(5.03R2lS)2=0
如果對該方程式進行解方程，則ρ=「{2×5.032 π R2lS+(π Φ)2 μ s×f}-√[{2×5.032 π R2lS+(π Φ)2 μ s×f}2-4×0.534(π R2lS)2]」/{2×(5.03 π)2}
電阻率ρ表示每種材質與溫度的固有的特性，在例如碳鋼S45C的電阻率ρ的情況下，如果將輥主體的內表面溫度設為θS[℃]，則成為以下的計算式。
ρ=14.3×(1+2.0×10-3×θS)[μ Ω．cm]
對該計算式進行變形，ρ=14.3+2.86×10-2×θS
消去ρ，14.3+2.86×10-2×θS=「{2×5.032 π R2lS+(π Φ)2 μ s×f}-√[{2×5.032 π R2lS+(π Φ)2 μ s×f}2-4×0.534(π R2lS)2]」/{2×(5.03 π)2}
如果改寫為求θS的計算式，則θS=|「{2×5.032 π R2lS+(π Φ)2 μ s×f} -√[{2×5.032 π R2lS+(π Φ)2 μ s×f}2-4×0.534(π R2lS)2]」/{2×(5.03 π)2}-14.3|/(2.86×10-2) [℃]
如上前述，相對磁導率μ s表示每種材質與磁通密度的固有的變化特性，如果輥主體的材質例如為碳鋼S45C，則磁通密度和相對磁導率的關係如圖5所示。
在穩定時的輥主體的內表面溫度θS和輥主體的表面溫度之間具有規定的關係。
於是，較佳為，當將前述輥主體的內表面溫度θS和表面溫度的溫度差設為θ[℃]時，前述輥溫度計算部使用從以下的計算式得到的溫度差θ，修正前述輥主體的溫度。
θ=kP/[2 π/{ln(d2/d1)/λ}]
在此，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]，在此是用輥主體內表面的發熱量[W]除以發熱內表面長度[m](與線圈寬度相等)得到的值。此外，k是根據實測值計算出的修正係數。
另外，熱導率λ因輥主體的材質和温度而變化，圖6表示例如温度和碳鋼S45C的熱導率的特性。此外，在數十至數百kHz的高頻下，輥主體的電流透入深度為數μ m，但是在50~1000Hz的中頻下，得到數mm至數十mm的電流透入深度。例如在碳鋼中，在60Hz．500℃下電流透入深度為10mm左右。亦即，由於在中頻感應加熱下電流透入深度深，所以與高頻相比，發熱部温度(內表面温度)和表面温度的差變小。
較佳為，在前述輥主體的側周壁形成有封入有氣液二相的熱介質的夾套室。前述夾套室利用封入的氣液二相的熱介質的熱輸送，使輥主體的溫度均勻，輥主體的表面溫度也同時均勻化。
亦即，由於使用了阻抗和功率因數的輥主體的溫度的檢測，檢測內表面溫度的平均溫度，所以通過夾套室被均勻化了的輥主體的各部分的表面溫度可以說是與對使用阻抗和功率因數檢測出的溫度施加必要的修正並換算為表面溫度後的值等價。
在此，較佳為，當將前述輥主體的截面面積設為S、將前述夾套室的截面面積的總和設為Sj、將前述輥主體的壁厚設為t時，前述輥溫度計算部使用將前述輥主體的內徑d1作為dj1=d1+t{1-α(1-Sj/S)}、且將前述輥主體的外徑d2作為dj2=d2-t{1-α(1-Sj/S)}得到的溫度差θ，計算前述輥主體的溫度。另外，dj1是考慮了夾套室造成的壁厚下降部分的虛擬內徑，dj2是考慮了夾套室造成的壁厚下降部分的虛擬外徑。
在此，當將與輥主體的轉動軸垂直的截面面積設為S、將與夾套室的前述轉動軸垂直的截面面積的總和設為Sj、將輥主體的壁厚設為t時，以熱量的方式換算的壁厚tj成為以下的計算式。
tj=α×t(S-Sj)/S (α>1)
在此，α是變量，該變量表示伴隨溫度下降的熱介質的壓力下降造成的、夾套室的功能下降的比例。α-θ的關係由熱介質的種類和夾套室內的雜質濃度決定特性。
壁厚t和以熱量的方式換算的壁厚tj的差異如下：t-tj=t-α×t(S-Sj)/S =t{1-α(S-Sj)/S}=t{1-α(1-Sj/S)}
因此，以熱量的方式換算的輥主體的虛擬內徑dj1和虛擬外徑dj2如下。
dj1=d1+t{1-α(1-Sj/S)}
dj2=d2-t{1-α(1-Sj/S)}
亦即，由於計算上的外內徑比變小，溫度差θ變小，所以溫度測量誤差也變小。
當前述控制元件為半導體時，根據通電角的不同，電壓和電流的波形形狀變化，但是由於電壓和電流的波形形狀分別變化為不同的形狀，所以分別使各自的阻抗的分擔電壓變化，由此勵磁阻抗的電壓變化且磁通密度變化，並且勵磁阻抗和相對磁導率也變化。此時，由於如果控制元件、通電角和負載確定了，則電壓和電流分別成為一定的形狀，所以決定了通電角的修正係數。
在此，較佳為，前述感應發熱輥裝置還包含有阻抗修正部，該阻抗修正部利用前述控制元件的通電角，修正通過前述阻抗計算部得到的阻抗，前述輥溫度計算部利用通過前述阻抗修正部修正得到的修正阻抗，計算前述輥主體的溫度。
當控制元件是閘流體(thyristor)、輥主體是驗證後的輥主體(內徑Φ×平面長度L)時，由於波形畸變造成的高次諧波成分的變化，向等效電路的電抗成分的l1和l2施加的電壓變化。因此，向勵磁阻抗施加的電壓變化，磁通密度也變化。亦即，由於根據磁通密度的不同，勵磁阻抗和相對磁導率變化，所以需要修正該影響。
對閘流體的相位角變化造成的影響進行修正得到的修正阻抗R2如下。
R2=a×RX
在此，如果設C=V/Vin，則a=anCn+an-1Cn-1+an-2Cn-2+,．．．,+a2C2+a1C+a0
其中，an是基於通過各感應發熱輥裝置確定的實測值的係數，a0是常數。
此外，RX是修正前的阻抗，Vin是閘流體的受電電壓，V是閘流體的輸出電壓。
可以在數秒以內的短時間內向線圈施加一定的直流電壓，並且用該直流電壓除以流過線圈的直流電流來計算線圈電阻值。在此，由於如果是直流電壓，則沒有感應作用，所以直流電流不受輥主體和鐵心的影響，僅與線圈電阻值有關係。另外，由於線圈溫度不會急劇變化，所以即使採用周期性且短時間的測量值，也不會產生大的測量誤差。
此外，所謂的間歇的直流電壓的施加是指以數秒到數十分鐘的例如一定的周期進行數秒以內的施加時間。如果是這種間歇的施加，則能够使從直流成分受到的偏磁作用變小，並且能够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，一般來說，感應發熱輥裝置的線圈熱慣性大，並且在通常的一定負載條件下的運轉中，線圈的溫度的變化不會成為很大的值。因此，如果以數秒到數十分鐘單位、較佳為以數十秒到數分鐘單位實施以數秒以內的短時間的施加時間進行的溫度檢測，則對於輥主體的溫度控制而言可 以說是足够的。
較佳為，前述感應發熱輥裝置還包含有電源電路，該電源電路與前述線圈連接，並且設置有控制交流電流或交流電壓的控制電路部，通過前述控制電路部，在切斷前述交流電流或交流電壓或者使前述交流電流或交流電壓成為最小限度的狀態下，前述電阻值計算部向前述線圈施加直流電壓並計算線圈電阻值。
為了向施加有交流電壓的線圈施加直流電壓，並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含有具有控制電路部的電源電路，前述控制電路部控制用於對輥主體的溫度進行控制的交流電流或交流電壓。因此，如果通過控制電路部，僅在施加直流電壓的施加時間切斷交流電流或交流電壓或者使交流電流或交流電壓成為最小限度的值，則能够抑制交流電流(交流成分)的影響，從而能够容易地進行直流電流(直流成分)的檢測。在此，切斷交流電流或交流電壓或者使交流電流或交流電壓成為最小限度的值是數秒以內的短時間，並且以從數秒到數十分鐘的時間間隔進行，由此不會對感應發熱作用產生妨礙。
作為切斷交流電流或交流電壓或者使交流電流或交流電壓成為最小限度的值的實施方式，可以考慮如下方式：在控制電路部具有例如電磁接觸器等開關設備的情況下切斷該開關設備的方式；或者在控制電路部具有例如閘流體等半導體元件(電力控制元件)的情況下使該半導體元件的通電相位角成為最小的方式。
較佳為，為了準確地計算輥主體的升溫過渡期或降溫過渡期的輥主體的表面溫度，前述輥溫度計算部計算前述輥主體的內表面溫 度，並且根據該內表面溫度計算穩定狀態的前述輥主體的表面溫度計算值，將在△T時間後前述輥主體的表面溫度到達前述表面溫度計算值作為基準，計算過渡期的前述輥主體的表面溫度。
在此，前述△T是用下計算式表示的值。
△T=k×w×c×t2/(2 λ) [h]
另外，w是輥主體的材質的比重[kg/m3]，c是輥主體的材質的比熱[kcal/kg．℃]，t是輥主體的壁厚[m]，λ是輥主體的材質的熱導率[kcal/m．h．℃]，k是根據實測值求出的修正係數。
圖8表示升溫過渡期的輥主體的溫度變化，圖9表示降溫過渡期的輥主體的溫度變化。在圖8和圖9中，實線表示輥主體的內表面溫度，虛線表示根據內表面溫度計算出的、到達穩定狀態時的表面溫度計算值，單點劃線表示過渡期的表面溫度。
過渡期的表面溫度比到達穩定狀態時的表面溫度低，升溫時，在△T時間後(Tn+△T)，表面溫度到達在前述時點Tn計算出的穩定狀態的表面溫度計算值，降溫時，在△T時間前(Tn-△T)，表面溫度是在前述時點Tn計算出的穩定狀態的表面溫度計算值。
因此，需要在升溫時和降溫時分開計算表面溫度，並將時間Tn時的內表面溫度θi(n)與時間T(n-1)亦即△T時間前的內表面溫度θi(n-1)進行比較，判斷是升溫過渡期還是降溫過渡期。亦即，如果θi(n)>θi(n-1)則是升溫過渡期，如果θi(n)<θi(n-1)，則是降溫過渡期。
進行比較的時間周期根據輥主體的壁厚、保有的加熱容量，被決定為在控制上不會成為問題的值，進行比較的時間周期是數毫秒 到數十秒，較佳為數百毫秒到數秒的值。
如果將根據θi(n)>θi(n-1)亦即作為升溫過渡期的時間Tn時點的內表面溫度θi(n)計算出的、到達該時點的穩定狀態時的表面溫度作為θn，則升溫過渡期的實際表面溫度在從Tn開始經過△T時間後的T(n+1)時到達溫度θn。
在此，由於T(n+1)-Tn=△T，所以如果在僅經過了時間△T的時點表示溫度θn，則與表示該時點的表面溫度等價。
如果將根據θi(n)<θi(n-1)亦即作為降溫過渡期的時間Tn時點的內表面溫度θi(n)計算出的、到達該時點的穩定狀態時的表面溫度作為θn，則降溫過渡期的實際表面溫度在與Tn相比△T時間前的T(n-1)時到達溫度θn。即，雖然表面溫度在Tn時點成為比θn低的溫度，但是難以進行準確的溫度計算。因此，如果作為估算值，考慮溫度僅下降了θi(n-1)-θin來表示溫度，則不會成為偏差很大的值。即，表面溫度θE由以下的計算式表示。
如果感應發熱輥裝置穩定運轉，則過渡期的表面溫度總會收斂於穩定狀態的計算溫度。由於在輥主體的溫度處於升降狀態下，原則上難以考慮是為了生產產品而運轉的情況，所以能够將輥主體的表面溫度把握為估算值就足够了。
按照如上前述地構成的本發明，不在輥主體上設置溫度檢測元件，就能够計算輥主體的溫度。
2‧‧‧輥主體
2S‧‧‧夹套室
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‧‧‧温度檢測部
10‧‧‧功率因數檢測部
11‧‧‧功率檢測部
12‧‧‧直流電源
13‧‧‧直流電流檢測部
31‧‧‧鐵心
32‧‧‧線圈
61‧‧‧阻抗計算部
62‧‧‧阻抗修正部
63‧‧‧輥温度計算用數據儲存部
64‧‧‧輥温度計算部
65‧‧‧輥溫度控制部
66‧‧‧直流電壓施加部
67‧‧‧電阻值計算部
100‧‧‧感應發熱輥裝置
200‧‧‧感應發熱輥
圖1是示意性地表示本實施方式的感應發熱輥裝置結構的圖。
圖2是與圖1為相同實施方式的控制裝置的功能構成圖。
圖3是表示與圖1為相同實施方式的溫度計算流程的圖。
圖4是表示單相的感應發熱輥(單相輥)的等效電路的圖。
圖5是表示碳鋼(S45C)的磁通密度和相對磁導率的關係的特性圖。
圖6是表示碳鋼(S45C)的溫度和熱導率的關係的特性圖。
圖7是表示由碳鋼(S45C)構成的輥主體和由取向矽鋼板構成的鐵心構成的磁路的磁通密度和勵磁電阻的關係的特性圖。
圖8是表示升溫過渡期的輥主體的溫度變化特性的圖。
圖9是表示降溫過渡期的輥主體的溫度變化特性的圖。
圖10是示意性地表示變形實施方式的感應發熱輥裝置結構的圖。
圖11是與圖10為相同實施方式的控制裝置的功能構成圖。
下面，參照附圖對本發明的感應發熱輥裝置的一個實施方式進行說明。
如圖1所示，本實施方式的感應發熱輥裝置100包含有：輥主體2，以轉動自如的方式被支承；磁通產生機構3，設置在前述輥主體2的內部，由鐵心31和捲繞在該鐵心31上的線圈32構成；電源電路5，與線圈32連接，並且設置有控制交流電流或交流電壓的控制元件4。
在輥主體2的側周壁的壁內，沿周向等間隔地形成有多個夾套 室2S，在前述多個夾套室2S中封入有氣液二相的熱介質。此外，本實施方式的控制元件4利用半導體來控制交流電流或交流電壓的通電角，具體地說，控制元件4是閘流體。
此外，本實施方式的控制感應發熱輥裝置100的控制裝置6具有表面溫度計算功能，該表面溫度計算功能將流過線圈32的交流電流值、向線圈32施加的交流電壓值、由輥主體2和磁通產生機構3構成的感應發熱輥200的功率因數、線圈32的線圈電阻值、由鐵心31和輥主體2構成的磁路的勵磁電阻值作為參數，來計算輥主體2的溫度。
具體地說，控制裝置6是專用或通用的計算機，其包含有：CPU(Central Processing Unit；中央處理器)、內部儲存器、A/D(Analog-to-Digital；類比數位轉換)轉換器、D/A(digital-to-analog；數位類比轉換)轉換器以及輸入輸出接口等，前述CPU和外圍設備按照預先儲存在內部儲存器內的規定程序動作，由此如圖2所示，控制裝置6發揮作為阻抗計算部61、阻抗修正部62、輥溫度計算用數據儲存部63、輥溫度計算部64和輥溫度控制部65等的功能。
下面，參照圖2和圖3的溫度計算流程圖，對各部分進行說明。
阻抗計算部61根據從檢測流過線圈32的交流電流I的交流電流檢測部7得到的交流電流值、從檢測向線圈32施加的交流電壓V的交流電壓檢測部8得到的交流電壓值、以及從功率因數檢測部10得到的功率因數，計算感應發熱輥200的阻抗(輥阻抗)Z1(=V×cos φ/I=rcomb)(圖3的(1))。
此外，阻抗計算部61根據阻抗rcomb、線圈電阻r1、從預先測量 的磁通密度和磁路的磁阻的關係特性(參照圖7)求出的勵磁電阻r0，計算輥主體的電阻(輥主體阻抗)r2(圖3的(2))，前述線圈電阻r1是根據從檢測線圈32溫度的溫度檢測部9得到的線圈溫度θC[℃]求出的。另外，溫度檢測部9埋入設置在線圈32內。
具體地說，阻抗計算部61通過以下的計算式，計算線圈電阻r1、並計算輥主體的電阻r2。
r1=kL/100S[Ω]
k=2.1(234.5+θC)/309.5
在此，L是電線長度[m]，S是電線截面面積[mm2]，θC是線圈溫度[℃]。
此外，阻抗計算部61將輥主體的電阻r2轉換為從輥主體側觀察到的二次換算後的值。如果進行二次換算，將使單位為μ Ω的輥主體的電阻設為R2並將線圈的圈數設為N，則由如下計算式表示。
R2=(r2/N2)×106
阻抗修正部62通過控制元件(閘流體)4的通電角(相位角)對二次換算後的輥主體的電阻R2進行修正(圖3的(3))。
具體地說，阻抗修正部62通過如下的計算式修正阻抗R2。
R2=a×RX
在此，如果C=V/Vin，則
a=anCn+an-1Cn-1+an-2Cn-2+,．．．,+a2C2+a1C+a0
在此，an是基於通過各感應發熱輥裝置確定的實測值的係數，a0是常數。
此外，RX是修正前的阻抗，Vin是閘流體的受電電壓，V是閘流體的輸出電壓。
輥溫度計算用數據儲存部63儲存有計算輥主體2的發熱部溫度(內表面溫度)所需要的輥溫度計算用數據。具體地說，輥溫度計算用數據是包含(a)磁通密度-勵磁電阻關係數據和(b)磁通密度-相對磁導率的關係數據等數據，前述磁通密度-勵磁電阻關係數據表示感應發熱輥的磁路的磁通密度和勵磁電阻的關係(參照圖7)，前述磁通密度-相對磁導率關係數據表示按照每種材質測量出的磁通密度和相對磁導率的關係(參照圖5)。
輥溫度計算部64使用由阻抗修正部62修正得到的修正阻抗和儲存在前述輥溫度計算用數據儲存部63內的輥溫度計算用數據，計算輥主體2的內表面溫度(圖3的(4))。
具體地說，輥溫度計算部64利用以下的計算式，計算輥主體2的內表面溫度θS。
θS=|「{2×5.032 π R2lS+(π Φ)2 μ s×f}-√[{2×5.032 π R2lS+(π Φ)2 μ s×f}2-4×0.534(π R2lS)2]」/{2×(5.03 π)2}-14.3|/(2.86×10-2) [℃]
此时，在前述內表面温度θS的計算式中，輥温度計算部64通過以下的計算式計算R2。
r2=r0(r1-rcomb)/(rcomb-r1-r0)
R2=(r2/N2)×106
在此，由於合成電阻rcomb由rcomb=(V/I)×cos φ表示，所以根據通過交流電壓檢測部8得到的交流電壓值、通過交流電流檢測部7得到的交流電流值、通過功率因數檢測部10得到的功率因數、通過電阻檢測部得到的線圈電阻值或從溫度檢測部9的線圈溫度求出的線圈電阻值、從磁通密度和磁路的勵磁電阻的關係特性得到的勵磁電阻值，計算合成電阻rcomb。
根據圖7所示的表示感應發熱輥200的磁路的磁通密度Bm和勵磁電阻r0的關係的磁通密度-勵磁電阻關係數據求出勵磁電阻r0。具體地說，利用以下的計算式計算輥主體2的磁通密度Bm，並且根據得到的磁通密度Bm和磁通密度-勵磁電阻關係數據求出勵磁電阻r0。
Bm=Vm×108/(4.44×f×N×Sm) [G]
在此，Vm是從輸入交流電壓V減去由線圈32的電抗l1和線圈32的電阻r1造成的電壓下降部分的矢量計算的電壓值[V]。f是頻率[Hz]，N是線圈32的圈數，Sm是鐵心的磁路截面面積[cm2]。
由構成線圈32的電線的材質、長度、截面面積和線圈的溫度決定線圈32的電阻r1，如果電線的材質例如為銅，則可以利用以下的計算式計算。
r1=kL/100Sc [Ω]
k=2.1(234.5+θC)/309.5
在此，L是電線的長度[m]，SC是電線的截面面積[mm2]，θC是線圈的溫度[℃]。
由此，通過求出合成電阻rcomb、勵磁電阻r0和線圈的電阻r1，來 計算輥主體2的電阻r2，此外，能够計算從輥主體側觀察到的二次換算後且將單位設為μ Ω的R2。
此外，輥溫度計算部64根據圖5所示的表示相對磁導率和磁通密度的關係的相對磁導率-磁通密度關係數據以及前述輥主體2的磁通密度(根據規格求出的值)，求出相對磁導率μ s。
此外，輥溫度計算部64將通過前述方式求出的輥主體2的電阻R2和相對磁導率μ s代入前述計算式來計算輥主體2的內表面溫度θS。
具體地說，當將輥主體2的內表面溫度θS和表面溫度(外表面溫度)的溫度差設為θ[℃]時，輥溫度計算部64使用從以下的計算式得到的溫度差θ，修正內表面溫度θS並計算表面溫度(圖3的(5))。
θ=kP/[2 π/{ln(d2/d1)/λ}]
在此，d1是輥主體2的內徑[m]；d2是輥主體2的外徑[m]；λ是輥主體2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2內表面的發熱量[W]除以發熱內表面長度[m](與線圈寬度相等)得到的值。此外，k是根據實測值計算出的修正係數。另外，當求熱流速[W/m]时，輥温度計算部64使用根據交流電流檢測部7、交流電壓檢測部8和功率因數檢測部10各自的測量值進行計算得到的功率值。亦即，如果將感應發熱輥的功率設為P，則P=I×V×cos φ，從前述輥功率P減去線圈功率PC和鐵損Pf得到的值為輥主體的功率PS。
在此，線圈功率PC是PC=r1×(kI)2(k是在電線內產生的渦電流 部分的增大常數，是由線圈和電線的形狀決定的值。在驗證過的輥中k=1.2)，鐵損Pf為Pf={(Vm/r0)2}×r0/2=Vm2/(2×r0)。在鐵損Pf的計算中，用勵磁電阻乘以勵磁電流的二次方再乘以1/2的原因是因為將磁通產生機構的鐵心的鐵損部分和輥主體的鐵損部分分別作為一半來進行計算。
亦即，輥主體的功率PS成為以下的計算式。
PS=P-PC-Pf=I×V×cos φ-r1×(kI)2-Vm2/(2×r0)
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造成的壁厚下降部分，來計算輥主體2的外表面溫度。
具體地說，當將輥主體2的截面面積設為S、將夾套室2S的截面面積的總和設為Sj、將輥主體2的壁厚設為t時，輥溫度計算部64將輥主體2的內徑d1作為考慮了壁厚下降部分的虛擬內徑dj1(=d1+t{1-α(1-Sj/S)})、將輥主體2的外徑d2作為考慮了壁厚下降部分的虛擬外徑dj2(=d2-t{1-α(1-Sj/S)})，並利用根據前述溫度差θ的計算式得到的溫度差θ，計算輥主體2的外表面溫度。
如上前述，基於通過輥溫度計算部64得到的輥主體2的外表面溫度，輥溫度控制部65控制電源電路的控制元件4，以使輥主體2的外表面溫度成為規定的設定溫度的方式進行控制。
這樣，按照前述結構的本實施方式的感應發熱輥裝置100，由於具有輥溫度計算部64，所以不需要在輥主體2上設置溫度檢測元件，就能够計算輥主體2的溫度，該輥溫度計算部64將線圈32的交流電流值、線圈32的交流電壓值、感應發熱輥200的功率因數、線圈 32的線圈電阻值、由鐵心31和輥主體2構成的磁路的勵磁電阻值作為參數，來計算輥主體2的溫度。
此外，由於通過阻抗修正部62並使用閘流體4的通電角來修正通過阻抗計算部61得到的阻抗，所以能够高精度地計算輥主體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來計算表面溫度，所以能够高精度地計算輥主體2的表面溫度。此外，由於即使升降溫時的過渡期的溫度到達時間延遲，輥溫度計算部64也進行計算並進行修正，所以能够高精度地計算輥主體2的表面溫度。
另外，本發明並不限於前述實施方式。
例如，前述實施方式的感應發熱輥可以是輥主體的軸向兩端部以轉動自如的方式被支承的所謂雙支承方式的感應發熱輥，也可以是在呈有底筒狀的輥主體的底部連接轉動軸從而以轉動自如的方式被支承的所謂懸臂式的感應發熱輥。
此外，在前述實施方式中，將檢測線圈32溫度的溫度檢測部9埋入設置在線圈32內，但是也可以是如下的結構。
亦即，如圖10和圖11所示，控制裝置6可以在使輥主體2感應發熱並對被加熱物進行處理的加熱運轉中周期性地進行檢測感應線圈32的溫度的溫度檢測動作。更具體地說，控制裝置6發揮作為直流電壓施加部66和電阻值計算部67的功能。
直流電壓施加部66控制與線圈32電連接的直流電源12，間歇地向線圈32施加直流電壓。具體地說，直流電壓施加部66以數秒 以內的施加時間且以數秒到數十分鐘的一定周期向線圈32施加一定的直流電壓。
在此，在由直流電壓施加部66向線圈32施加直流電壓的施加時間內，控制裝置6的輥溫度控制部65對控制元件4進行控制，使交流電流或交流電壓切斷或者使交流電流或交流電壓成為最小限度的狀態。另外，輥溫度控制部65控制設置在電源電路5上的控制元件4從而控制交流電壓或交流電流，用於使輥主體2的溫度成為規定的設定溫度。
電阻值計算部67根據由直流電壓施加部66施加的直流電壓和向線圈32施加直流電壓時流過線圈32的直流電流，計算線圈32的線圈電阻值。具體地說，電阻值計算部67根據預先輸入的直流電源12的直流電壓和通過設置在由線圈32和直流電源12構成的直流電路上的直流電流檢測部13得到的直流電流，計算線圈32的線圈電阻值。
此時，如上前述，由於在施加直流電壓並檢測直流電流的時機切斷交流電流或交流電壓或者使交流電流或交流電壓成為最小限度的狀態，所以能够抑制交流電流(交流成分)的影響，能够容易地進行直流電流(直流成分)的檢測，從而能够高精度地計算電阻值。
另外，當然，本發明並不限於前述實施方式，在不脫離本發明宗旨的範圍內能够進行各種變形。此外，當然，在各計算過程中，當在實測值和計算值產生差異時，使用根據實測值計算出的修正係數進行修正。
可以相互組合本發明的各個實施方式中所記載的技術特徵形成 新的技術方案。
2‧‧‧輥主體
2S‧‧‧夹套室
3‧‧‧磁通產生機構
4‧‧‧控制元件
5‧‧‧電源電路
6‧‧‧控制裝置
31‧‧‧鐵心
32‧‧‧線圈
100‧‧‧感應發熱輥裝置
200‧‧‧感應發熱輥

Claims (8)

  1. 一種感應發熱輥裝置，係包含有：輥主體，以轉動自如的方式被支承；磁通產生機構，設置在前述輥主體的內部，由鐵心和捲繞在前述鐵心上的線圈構成；以及電源電路，與前述線圈連接，並且設置有控制交流電流或交流電壓的控制元件；前述感應發熱輥裝置還包含有輥溫度計算部，前述輥溫度計算部將從檢測流過前述線圈的交流電流的交流電流檢測部得到的交流電流值、從檢測向前述線圈施加的交流電壓的交流電壓檢測部得到的交流電壓值、從檢測由前述輥主體和前述磁通產生機構構成的感應發熱輥的功率因數的功率因數檢測部得到的功率因數、前述線圈的線圈電阻值、以及從由前述磁通產生機構產生的磁通密度和由前述鐵心和前述輥主體構成的磁路的勵磁電阻的關係特性得到的勵磁電阻值作為參數，計算前述輥主體的溫度。
  2. 如請求項1所記載之感應發熱輥裝置，其中於前述輥溫度計算部將從前述交流電流檢測部得到的交流電流值、從前述交流電壓檢測部得到的交流電壓值、從前述功率因數檢測部得到的功率因數、前述線圈電阻值、從前述磁通密度和前述磁路的勵磁電阻的關係特性得到的勵磁電阻值作為參數，計算前述輥主體的電阻值，並且使用前述輥主體的電阻值和前述輥主體的相對磁導率，計算前述輥主體的溫度。
  3. 如請求項1所記載之感應發熱輥裝置，其中於前述感應發熱 輥裝置還包含有：線圈溫度檢測部，檢測前述線圈的溫度；以及電阻值計算部，根據從前述線圈溫度檢測部得到的前述線圈的溫度，計算前述線圈電阻值；前述輥溫度計算部使用從前述電阻值計算部得到的前述線圈電阻值，計算前述輥主體的溫度。
  4. 如請求項1所記載之感應發熱輥裝置，其中於前述感應發熱輥裝置還包含有：直流電壓施加部，控制直流電源，間歇地向前述線圈施加直流電壓；以及電阻值計算部，根據由前述直流電壓施加部施加的直流電壓和施加前述直流電壓時流過前述線圈的直流電流，計算前述線圈電阻值；前述輥溫度計算部使用從前述電阻值計算部得到的前述線圈電阻值，計算前述輥主體的溫度。
  5. 如請求項1所記載之感應發熱輥裝置，其中於當將前述輥主體的內表面溫度和表面溫度的溫度差設為θ時，前述輥溫度計算部使用從θ=kP/[2 π/{ln(d2/d1)/λ}]得到的溫度差θ，修正前述輥主體的溫度，其中，d1是前述輥主體的內徑，d2是前述輥主體的外徑，λ是前述輥主體的平均溫度的熱導率，P是熱流速，k是修正係數，前述θ的單位為℃，前述d1的單位為m，前述d2的單位為m，前述λ的單位為W/m．℃，前述P的單位為W/m。
  6. 如請求項5所記載之感應發熱輥裝置，其中於在前述輥主體的側周壁形成有夾套室，在前述夾套室中封入有氣液二相的熱介 質；當將前述輥主體的截面面積設為S、將前述夾套室的截面面積的總和設為Sj、將前述輥主體的壁厚設為t、將表示伴隨溫度下降的熱介質的壓力下降造成的前述夾套室的功能下降的比例的變量設為α時，前述輥溫度計算部使用將前述輥主體的內徑d1作為dj1=d1+t{1-α(1-Sj/S)}且將前述輥主體的外徑d2作為dj2=d2-t{1-α(1-Sj/S)}時得到的溫度差θ，修正前述輥主體的溫度。
  7. 如請求項1所記載之感應發熱輥裝置，其中於前述控制元件通過半導體控制電流或電壓的通電角；前述感應發熱輥裝置還包含有：阻抗計算部，根據從前述交流電流檢測部得到的交流電流值、從前述交流電壓檢測部得到的交流電壓值和從前述功率因數檢測部得到的功率因數，計算阻抗；以及阻抗修正部，利用前述控制元件的通電角，修正通過前述阻抗計算部得到的阻抗；前述輥溫度計算部利用通過前述阻抗修正部修正得到的修正阻抗，計算前述輥主體的溫度。
  8. 如請求項1所記載之感應發熱輥裝置，其中前述輥温度計算部計算前述輥主體的內表面温度，並且根據前述內表面温度計算穩定狀態的前述輥主體的表面温度計算值，把在由△T=k×w×c×t2/(2 λ)所表示的△T時間後前述輥主體的表面温度到達前述表面温度計算值作為基準，計算過渡期的前述輥主體的表面温度，其中，w是輥主體的材質的比重，c是輥主體的材質的比熱，t是輥主體的壁厚，λ是輥主體的材質的熱導率，k是從實測值求出的修正係數， 前述△T的單位為h，前述w的單位為kg/m3，前述c的單位為kcal/kg．℃，前述t的單位為m，前述λ的單位為kcal/m．h．℃。
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