TWI467098B - 受加熱之鐫印滾子 - Google Patents

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Description

受加熱之鐫印滾子
本發明係關於一種可加熱空心輥，特別是鐫印滾子。
習知電熱鐫印滾子配有陶瓷加熱元件，該等陶瓷加熱元件藉由帶夾安裝在輥套上。溫度測量自內部進行，供電及測量值傳輸則藉由集電環而實現。在受調狀態下，溫度穩定，約為4K-5K，生產開始及停止時，溫度過沖幅度約為15K。
US 3 105 133係說明一種可加熱空心輥，該空心輥之輥套設計為內填共熔物的空心體。該共熔物在室溫下呈固態，在滾子之工作溫度下呈液態。該空心輥由軸向平行布置在該空心輥內腔中的棒形電加熱元件加熱。設置有用於實現溫度控制的溫度感測器，該溫度感測器設計為雙金屬開關，插在該共熔物中。
DE 40 33 986 A1係說明一種特定言之用於對幅面式材料(例如紙)進行加工的可加熱滾子，該滾子之輥身具有多個周邊通道或鑽孔，該等通道或鑽孔之較佳安裝方式係與該輥身軸向平行。該等鑽孔內布置有加熱元件，該等加熱元件在軸向上平行於輥身延伸。自加熱元件至輥身的熱能傳遞係藉由對流液體而實現。
DE 10 2005 034 060 A1係說明一種用於砑光機的加熱輥，該加熱輥由傳熱介質加熱，且具有一感應式輔助加熱裝置。藉由該輔助加熱裝置可對各種類型之材料(例如不同類型的紙質材料)進行快速匹配。透過此種組合式加熱可令熱輸入的可控性得到改良，其原因在於該感應式輔助加熱裝置具有較小熱慣性。
本發明之目的在於提供一種溫度可控性經改良之可加熱滾子。
根據本發明，該目的藉由一種特定言之用於對幅面式材料進行加工的可加熱滾子而達成，該滾子具有一空心圓柱形輥身，其中，該輥身在其內壁中具有用於容置至少一加熱元件的槽形空隙，該加熱元件與該輥身導熱接觸。
藉由布置在槽形空隙內之加熱元件與輥身之間的導熱接觸實現自加熱元件至輥身之極佳傳熱效果。無需使用用於均勻傳熱及/或用於降低加熱元件之最高溫度的對流液體。
此外，加熱元件以機械方式安裝在槽形空隙中，藉此一方面可實現加熱元件的可靠固定，另一方面無需透過安裝輔助手段即可實現加熱元件的簡單安裝。
此外，藉由自加熱元件至輥身的極佳傳熱亦可避免加熱元件過熱，從而達到延長使用壽命及提高可靠性之目的。
可設置多個沿軸向並排布置的圓環形槽。
尤佳之舉係為，該槽形空隙以螺紋軌道形式在輥身之內壁中延伸。藉此特定言之可簡化單個加熱元件在輥身內部及輥身外部的機械及/或電氣安裝難度，可令輥身得到特別均勻的加熱。如上所述，加熱元件在安裝時即已設於槽內，因而可在安裝時再將加熱元件成形為緊貼在輥身上的螺旋形加熱元件。在此情況下，即無需先將加熱元件預成形為一螺旋結構，再將其嵌入輥身並加以固定(例如將其嵌入黏接層或接合層)。藉由將加熱元件布置在螺旋軌道形式之槽形空隙內，可以簡單方式令該加熱盤管之相鄰匝之間達到恆定匝距，從而令滾子表面溫度僅具有較小之局部偏差。亦可藉由非恆定螺距針對性地在滾子表面形成溫度分布，其中，輥身之平均表面溫度隨螺距之增大(即螺紋線間距之增大)而下降，隨螺距之減小(即螺紋線間距之減小)而上升。就此而言，可在輥身邊緣區域內採用大螺距(即大螺紋線間距)，在輥身中間部分採用小螺距(即小螺紋線間距)，藉此在工作過程中在輥身上實現基本恆定的溫度分布，避免輥身邊緣區域升溫，輥身中間部分降溫。研究結果表明，藉此可避免主要出現在輥身邊緣區域內的扭曲現象，從而令鐫印效果得到改良。然若工作過程中在未採取上述措施的情況下，輥身中間部分溫度高於邊緣區域，則亦可採用相反於上述實施例之螺距設計。
該加熱元件可設計為管狀加熱元件。該加熱元件較佳可具有圓形截面，然亦可具有其他形狀之截面，例如橢圓形或矩形截面。圓形截面之所以較佳的原因在於，此種形狀之截面對加熱元件繞其縱軸之扭轉不靈敏，橢圓形或矩形截面則不符合該條件。
亦可為加熱元件選用與槽形空隙之截面相符的截面，藉此避免加熱元件表面與槽形空隙內側之間產生氣隙。
可在輥身之槽形空隙內安置導熱膏。該導熱膏係一種較佳呈膏狀的高熱導率材料，該材料所具有之稠度令其既可完全填滿加熱元件表面與槽形空隙內側之間的宏觀間隙，亦可完全填滿二者間的微觀間隙，從而令實現傳熱所需之接觸面得到顯著增大。藉由此種方式可減少加熱輥身所需之能量，可避免產生熱島形式之局部溫度偏差。
此外，可在輥身之槽形空隙內安置分離膏，該分離膏可防止加熱元件表面與槽形空隙內側發生熔接。較長時間的使用後即會產生此種熔接現象，其原因例如在於合金成分發生擴散，在此情況下，維修時即無法實現加熱元件之無損更換，或令加熱元件之無損更換難度增大。
該分離膏較佳可為一導熱膏。
此外，該加熱元件可為電熱元件。該加熱元件可有利地設計為同軸加熱元件，具有居中布置的電發熱體，該發熱體外裹絕緣層，布置在一管套內。該管套可由高熱導率金屬構成。
相鄰加熱元件的接頭可發生180°之偏移。
該加熱元件之直徑可處於2mm至5mm的範圍內。
根據另一有利設計方案，該滾子可具有多個沿縱向布置的加熱區。藉由此種方式可在該滾子之全長範圍內設定明確的溫度剖面。
該滾子可具有3至16個加熱區，較佳具有10至14個加熱區，尤佳具有12個加熱區。若所涉及之滾子具有三個加熱區，則該等加熱區可採用如下實施方式：在該滾子之外側區域內(特定言之係在其緊固點附近)設置相對較窄的加熱區，在此二外側加熱區之間設置一相對較寬之內側加熱區。
每一加熱區可設置至少一加熱元件。可由多個加熱元件構成一加熱區，此點尤適用於相對較寬之加熱區所設數量較少的情況。然事實證明，加熱區之適當寬度應小於100mm，例如約73mm。
該等加熱元件之溫度可有利地加以單獨控制。亦即，每個加熱元件均可連接在一單獨的溫度控制器上，該溫度控制器根據加熱元件的溫度對電源之電壓及/或電流強度及/或脈波任務因數進行控制。
亦可令該等加熱元件具有不同之熱功率。
每個加熱區可具有至少一溫度感測器。舉例言之，該溫度感測器可為熱電偶或電阻溫度計，然亦可使用任何一種其他類型之可提供溫度相關電輸出信號的溫度感測器。亦可將加熱元件之電阻絲用作溫度感測器，其中，可將該電阻絲之電阻的溫度相關性用作溫度測量變量。可藉由計算機輔助線性化單元將非線性溫度-電阻特性曲線線性化，該線性化單元可設計為溫度控制器的組件。亦可將該電阻絲之電阻的溫度相關性直接應用於溫度控制，其中，可有利地設置恆定的供電電壓。
每個加熱區的溫度均可加以單獨控制。亦即，每個加熱區之該加熱元件或該等加熱元件均可連接在一單獨的溫度控制器上，該溫度控制器根據加熱元件的溫度對電源之電壓及/或電流強度及/或脈波任務因數進行控制。
該空隙之螺距可為8mm至12mm，較佳可為10mm。
其他有利設計方案指向特別節能的實施方式。
該滾子之外護套上可布置鐫印環。
該滾子可有利地具有四至六個加熱區，該滾子之外護套上可布置六至八個鐫印環。可對該等鐫印環進行電加熱。其中，該等鐫印環之電加熱藉由布置在該等鐫印環中的加熱元件而實現，不受該滾子內部加熱區之電加熱的影響。該加熱元件或該等加熱元件在鐫印環上的布置可採用上述應用於該鐫印滾子的加熱元件布置方式。該等鐫印環可具有恆定寬度，亦可具有不同寬度。
此外，相鄰鐫印環之間可布置定距環。藉由定距環可對鐫印環間之距離進行調節。亦可在兩個相鄰鐫印環之間布置一個以上的定距環。可設置一套在寬度上成幾何分級的定距環，以便對鐫印環間之距離進行幾乎任意的調節。其中，定距環有利地具有與鐫印環相同的厚度，在此情況下，並排布置之鐫印環及定距環在滾子外表面產生一基本規則的面，待鐫印基板規則地平放在該面上。藉此可防止基板嵌入定距環及鐫印環之間可能存在的空隙內，從而產生褶痕及/或受損。
在按本發明之建議使用鐫印環及定距環的情況下，可達到介於60%與80%之間的節能效果，具體視受加熱鐫印環與不受加熱之定距環間的面積比而定。不受加熱之定距環的面積比例愈大，節能效果即愈佳。另一優點在於可令製程得到簡化，例如進行紙質材料鐫印時，可省略後續冷卻此一步驟，抑或令應用範圍得到拓展，例如對較薄之熱塑性基板進行鐫印，並進行後續冷卻。根據一種較佳實施方式，該等定距環為此在其表面具有一絕熱塗層，該塗層由矽或類似材料構成，用於避免該區域出現自滾子內部至基板的熱輸出。在採用節能措施之情況下，短期內即可收回較高之滾子製造成本及改裝費用。
用於紙質材料及/或塑料薄膜的鐫印裝置或類似裝置可有利地藉由一或多個上述可加熱滾子而實現。
該鐫印裝置可具有用於對各加熱區進行單獨控制的控制設備，該控制設備具有多個用於連接布置在各加熱區內之溫度感測器的輸入端及多個用於單獨連接各單獨受控之加熱元件的輸出端。因此，可為n個加熱區設置n個獨立控制迴路，該等控制迴路各具有一溫度感測器、一溫度控制器及至少一加熱元件。該等溫度感測器可有利地具有電子標稱值輸入端，該控制設備可設計為由計算機控制。藉此可確定一為每個加熱區均規定標稱溫度的滾子溫度剖面。因而在上述為該滾子配備12個加熱區的較佳設計方案中，可規定一具有12個支點的溫度剖面，並在工作過程中環境條件發生變化的情況下，藉由對每個加熱區進行基於標稱值/實際值比較的溫度控制來保持該溫度剖面。如上所述，可藉由電壓控制、電流控制、脈寬控制或類似控制來實現對加熱元件的溫度控制。
圖1展示一可加熱鐫印滾子1，其輥身10設計為空心圓柱體，該輥身在其內壁上具有用於容置一或多個管狀加熱元件13的螺旋形環行槽13n。槽13n按嵌入輥身10內之內螺紋樣式設計，並構成一螺紋軌道。
輥身10在其端面具有軸承凸緣11及11'，該等軸承凸緣可旋轉地支承在球軸承12或12'中。軸承凸緣11及11'與輥身10抗扭轉相連。軸承凸緣11及11'各具有一中央通孔，用於加熱元件13及溫度感測器14的饋電線及導線可自該通孔中穿過。
加熱元件13壓入槽13n中，從而令加熱元件13與輥身10之間產生良好熱接觸。在如圖1至圖3所示之第一實施例中，槽13n的螺距約為10mm，管狀加熱元件13的外徑約為2mm至5mm。安裝加熱元件13之前，可先在槽13n內安置導熱膏。該導熱膏係一種較佳呈膏狀的高熱導率材料，該材料可將生產過程中產生於加熱元件13表面與槽13n內側之間的縫隙完全填滿，同時亦可將加熱元件13表面與槽13n內側的微觀不平整處填平。藉此可進一步改良加熱元件13與輥身10之間的熱接觸，進而令傳熱面積得到顯著增大。藉由此種方式可減少加熱輥身10所需的能量，可避免產生熱島形式之局部溫度偏差。該導熱膏亦有利地具有分離膏之特性，可防止加熱元件13表面與槽13n內側發生熔接。經較長時間的使用後即會產生此種熔接現象，其原因例如在於輥身10之合金成分及/或加熱元件13之外套材料的合金成分擴散至相鄰材料內，在此情況下，維修時即無法實現加熱元件13之無損更換，或令加熱元件13之無損更換難度增大。
加熱元件13由外裹電絕緣層的加熱絲構成，該加熱絲同軸布置在一管套內。加熱元件13的兩個末端部分分別被導向一加熱元件接頭16。在圖1至圖3所示的實施例中，設置有十二個加熱元件13，該等加熱元件構成十二個加熱區H。加熱元件接頭16由電連接線導引至布置在輥身10內部的電纜管道15上，並於一集電環處彼此相接。該十二個加熱元件13均可加以單獨控制。研究結果表明，藉此可避免主要出現在輥身邊緣區域內的扭曲現象，從而令鐫印效果得到改良。使用本發明之鐫印滾子時，可對加熱區H之溫度進行調節，令未用邊緣區域的溫度不高於所用加熱區的溫度。加熱區H之溫度由布置在加熱區H內的溫度感測器14測定。溫度感測器14可為熱電偶，例如NiCr-Ni型熱電偶。該等熱電偶較佳可設計為電阻溫度感測器。然亦可將護套熱電偶用作溫度感測器。溫度感測器之測量值可由集電環向外傳輸，其中，該等集電環之材料組合較佳為銠/銀石墨。
圖2及圖3詳細展示溫度感測器14、加熱元件接頭16及電纜管道15在輥身10內部之布置方式。
溫度感測器14、加熱元件接頭16及電纜管道15安裝在兩分式張緊環17上，其中，相對布置之拉伸彈簧18將張緊環17的兩半張開，令張緊環17在張力作用下抵靠在輥身10的內壁上。每一加熱區H設置一張緊環17(圖1)。
本發明之鐫印滾子1在溫度穩定性極佳之情況下於滾子表面實現7.8W/cm2 之較高比熱功率。藉此可達到以下各值：
-　開始及停止時的下沖及過沖幅度：分別為1K
-　生產時的溫度穩定性：±0.3K
圖4展示一第二實施例。鐫印滾子2採用如上述鐫印滾子1之設計方式，二者間之區別在於，鐫印滾子2僅具有六個加熱區H，輥身10之外壁上按如下方式布置有可加熱鐫印環19、定距環20及錯印環(Schmitzring)21：自鐫印滾子2之驅動端起，先布置與輥身10固定相連之錯印環21。錯印環21用於防止所謂的錯印(Schmitz)。在印刷技術中，錯印係指印刷瑕疵，例如印痕模糊或印記模糊。隨後按交替順序布置定距環20及可加熱鐫印環19，該等環均設計為可移動環。該環陣列以同樣為可移動環的其他定距環20及其他錯印環21結尾。鐫印環19間之距離由布置在該等鐫印環之間的定距環20確定。鐫印寬度或取決於鐫印膜，或取決於鐫印環19之寬度。鐫印環19較佳具有恆定寬度。
鐫印滾子2較佳具有四至六個加熱區H。其中，鐫印環19之數量可處於六至八個的範圍內。
鐫印環19之數量選擇不受加熱區數量的影響。鐫印環之較佳材料為鋼。鐫印環19之固定可藉由熱套或藉由設置於鐫印滾子表面的縱向槽配合螺釘及滑塊之緊固而實現。亦可將鐫印環及定距環設計為可套裝在鐫印滾子上的單元，例如可套裝在鐫印滾子上的管件。其中，定距環之直徑可有利地小於鐫印環之直徑，其直徑差可藉由矽層加以補償。矽層設置完畢後，可對上述管件進行精磨，以期產生光滑表面。
此外，鐫印環可具有光滑表面，抑或具有表面結構，且構成一鐫印模。
相對於如圖1至圖3所示之鐫印滾子1而言，可達到以下有利效果：
-　節能，使用六個鐫印環時，約節省80%之熱能，使用八個鐫印環時，約節省60%之熱能；
-　對紙質材料進行鐫印時，無需進行後續冷卻；
-　可對較薄之熱塑性基板進行鐫印，並進行後續冷卻。
在採用節能措施之情況下，短期內即可收回為鐫印滾子所投入之較高成本及因採用新軌距而產生之改裝費用。綜上所述，藉由按本發明之方式將加熱區布置在鐫印滾子內部，可產生以下優點：
-　可對單個區段進行更佳之溫度控制；
-　每一單個區段所需之電流更小，藉此減小所用電纜之直徑，簡化安裝；
-　可在整個鐫印滾子上實現良好的溫度分布；
-　特定言之在結合使用鐫印環之情況下，可對整個鐫印滾子(內部及外部)進行快速、均勻加熱，藉此實現快速啟動；
-　藉由均勻的溫度分布提高鐫印滾子之機械穩定性；
-　可在鐫印滾子外緣進行散熱補償。
1，2．．．鐫印滾子
10．．．輥身
11，11'．．．軸承凸緣
12，12'．．．球軸承
13．．．加熱元件
13n．．．槽
13r．．．鐫印環之加熱元件
14．．．溫度感測器
15‧‧‧電纜管道
16‧‧‧加熱元件接頭
17‧‧‧張緊環
18‧‧‧拉伸彈簧
19‧‧‧鐫印環
20‧‧‧定距環
21‧‧‧錯印環
圖1為本發明鐫印滾子之第一實施例的剖視圖；
圖2為該鐫印滾子沿如圖1之切割線III-III所截取的剖視圖；
圖3為該鐫印滾子沿如圖1之切割線IV-IV所截取的剖視圖；以及
圖4為本發明鐫印滾子之第二實施例的剖視圖。
1．．．鐫印滾子
10．．．輥身
11，11'．．．軸承凸緣
12，12'．．．球軸承
13．．．加熱元件
13n．．．槽
13r．．．鐫印環之加熱元件
14．．．溫度感測器
15．．．電纜管道
16．．．加熱元件接頭
17．．．張緊環
18．．．拉伸彈簧

Claims (15)

  1. 一種可加熱滾子，特定言之係用於對幅面式材料進行加工，該滾子具有一空心圓柱形輥身，其特徵在於，該輥身(10)在其內壁中具有用於容置至少一加熱元件(13)的槽形空隙(13n)，其中，該加熱元件(13)與該輥身(10)導熱接觸，該加熱元件(13)為電熱元件，相鄰加熱元件(13)的接頭彼此位置錯開180°，該滾子(1，2)具有多個沿軸向布置的加熱區(H)，且每一加熱區(H)均設置有至少一加熱元件(13)。
  2. 如申請專利範圍第1項之可加熱滾子，其中：該槽形空隙(13n)以螺紋軌道形式在該輥身(10)之內壁中延伸。
  3. 如申請專利範圍第1或第2項之可加熱滾子，其中：該加熱元件(13)設計為管狀加熱元件。
  4. 如申請專利範圍第1或第2項之可加熱滾子，其中：該滾子具有4至16個加熱區(H)，特定言之具有10至14個加熱區(H)。
  5. 如申請專利範圍第1或第2項之可加熱滾子，其中：該等加熱元件(13)之溫度均可加以單獨控制。
  6. 如申請專利範圍第1或第2項之可加熱滾子，其中：每個加熱區(H)均具有至少一溫度感測器(14)。
  7. 如申請專利範圍第1或第2項之可加熱滾子，其中：每個加熱區(H)之溫度均可加以單獨控制。
  8. 如申請專利範圍第2項之可加熱滾子，其中： 該空隙(13n)之螺距為8mm至12mm，特定言之為10mm。
  9. 如申請專利範圍第1或第2項之可加熱滾子，其中：該加熱元件(13)之直徑處於2mm至5mm的範圍內。
  10. 如申請專利範圍第1或第2項之可加熱滾子，其中：該滾子的外護套上布置有多個鐫印環。
  11. 如申請專利範圍第10項之可加熱滾子，其中：該滾子(2)具有四至六個加熱區(H)，該滾子(2)之外護套上布置有六至八個鐫印環(19)。
  12. 如申請專利範圍第10項之可加熱滾子，其中：該等鐫印環各具有一加熱元件(13r)。
  13. 如申請專利範圍第10項之可加熱滾子，其中：相鄰鐫印環之間布置有定距環。
  14. 一種鐫印裝置，其具有如申請專利範圍第1到第13項之可加熱滾子。
  15. 如申請專利範圍第第14項之鐫印裝置，其中：設置有用於對該等加熱區(H)進行單獨控制的控制設備，該控制設備具有多個用於連接布置在該等加熱區(H)內之溫度感測器(14)的輸入端及多個用於單獨連接該等單獨受控之加熱元件(13)的輸出端。
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