誘導加熱ロール
【課題】低コストで容易にロール本体表面の長手方向における温度ムラの発生を抑制可能な誘導加熱ロールを提供する。
【解決手段】本発明の誘導加熱ロールは、少なくとも外殻部が金属層で構成されるロール本体と、ロール本体の外側に配置され、磁心２１と前記磁心２１を巻回するコイル線２２からなる高周波コイル２０を用いて前記ロール本体を誘導加熱する誘導加熱装置とを備える。金属層は、磁束をつらぬく位置に配置されている。ロール本体の内部には密閉された空間が形成され、この密閉された空間内に熱媒体が封入されており、ロール本体表面の長手方向における温度ムラの発生を抑制する。
【解決手段】本発明の誘導加熱ロールは、少なくとも外殻部が金属層で構成されるロール本体と、ロール本体の外側に配置され、磁心２１と前記磁心２１を巻回するコイル線２２からなる高周波コイル２０を用いて前記ロール本体を誘導加熱する誘導加熱装置とを備える。金属層は、磁束をつらぬく位置に配置されている。ロール本体の内部には密閉された空間が形成され、この密閉された空間内に熱媒体が封入されており、ロール本体表面の長手方向における温度ムラの発生を抑制する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波電磁誘導加熱ロールに関する。
【背景技術】
【０００２】
カレンダー機、エンボス機、ラミネータ機などに使用される加熱ロールは、商用波数（５０Ｈｚ，６０Ｈｚ）を使用した低周波誘導加熱方式、電気抵抗加熱式、熱媒循環式、蒸気加熱式が一般的によく知られている。このうち、使用方法が簡単で温度特性が良いことから低周波誘導加熱方式が好まれるが（例えば特許文献１）、装置価格が高いという問題があり、メーカーの数も限られ、それほど広くは使用されていないのが実情である。
【０００３】
また、従来の低周波誘導加熱方式は、ロール本体の内部に誘導コイルを設置するため、ロール外径を小さくすることが困難であり、誘導コイルの冷却も困難であった。この問題を改善するために、高周波コイルをロール本体の外側に配置し、外部からロール本体に対して高周波磁束を当て、ロール本体を加熱する提案がなされている（特許文献２）。
【０００４】
また、ロール本体の長手方向における長さが長い場合には、ロール本体表面の中央部と両端部とで温度差が生じやすい。ロール本体表面に温度ムラが生じると、ロール本体の外周面に接触する被加工製品（紙、フィルムなど）を充分に加熱することができず、被加工製品に品質のばらつきが生じる原因となる。この問題を改善するため、図１３に示すように、複数のヒートパイプ１０１をロール本体１００の外側表面近くに埋め込むことにより、ロール本体表面の長手方向における温度分布の均等化を図るという提案がなされている（特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−３６９６４号公報
【特許文献２】特公平１−１８８５３号公報
【特許文献３】特開２００４−２９２８６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献２に記載の提案では、高周波コイルがロール本体からの輻射熱によって過熱され易いという問題と、ロール本体の長手方向における表面温度を一定に保つことができないという問題があった。
【０００７】
また、特許文献３に記載の提案では、図１３のようにヒートパイプ１０１をロール本体１００に埋め込むために、例えば、ＢＴＡ（Boring and Trepanning Association）加工という加工技術を用いてロール本体１００に深穴を設ける必要がある。この加工には特殊な工具が必要とされ、コストがかかるという問題があった。
【０００８】
本発明は、前記従来の問題を解決するため、高周波コイルがロール本体からの輻射熱により過熱するのを防止することができ、かつ低コストで容易にロール本体表面の長手方向における温度ムラの発生を抑制可能な誘導加熱ロールを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の誘導加熱ロールは、少なくとも外殻部が金属層で構成されるロール本体と、前記ロール本体の外側に配置され、磁心と前記磁心を巻回するコイル線からなる高周波コイルを用いて前記ロール本体を誘導加熱する誘導加熱装置とを含み、前記金属層は、磁束をつらぬく位置に配置されている誘導加熱ロールであって、前記誘導加熱装置は、前記高周波コイルを冷却するための冷却装置を有し、前記ロール本体の内部には密閉された空間が形成され、前記密閉された空間内に熱媒体が封入されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の誘導加熱ロールによれば、少なくとも外殻部が金属層で構成されるロール本体と、前記ロール本体の外側に配置され、磁心と前記磁心を巻回するコイル線からなる高周波コイルを用いて前記ロール本体を誘導加熱する誘導加熱装置とを含み、前記金属層は、磁束をつらぬく位置に配置されており、前記ロール本体の内部には密閉された空間が形成され、前記密閉された空間内に熱媒体が封入されていることにより、低コストで容易にロール本体表面の長手方向における温度ムラの発生を抑制可能な誘導加熱ロールを実現できる。また、前記誘導加熱装置は、前記高周波コイルを冷却するための冷却装置を有しているため、ロール本体からの輻射熱による高周波コイルの過熱を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の誘導加熱ロールの一例を示す図である。図１Ａは正面図、図１Ｂは左側面図である。
【図２】本発明の誘導加熱ロールにおける誘導加熱装置の一例を示す図である。図２Ａは平面図、図２Ｂは正面図、図２Ｃは右側面図である。
【図３】図２ＢにおけるＩ−Ｉ断面図である。
【図４】図２ＡにおけるＩＩ−ＩＩ拡大断面図である。
【図５】本発明の誘導加熱ロールにおけるロール本体を長手方向に沿って切断したときの断面図である。
【図６】本発明の誘導加熱ロールにおけるロール本体を長手方向に沿って切断したときの他の断面図である。
【図７】本発明の誘導加熱ロールの他の例を示す図である。図７Ａは正面図、図７Ｂは左側面図である。
【図８】本発明の誘導加熱ロールにおけるロール本体を長手方向と直交する方向に切断したときの断面図である。
【図９】本発明の誘導加熱ロールにおけるロール本体を長手方向と直交する方向に切断したときの他の断面図である。
【図１０】本発明の誘導加熱ロールにおけるロール本体を長手方向と直交する方向に切断したときの他の断面図である。
【図１１】本発明の誘導加熱ロールにおけるロール本体を長手方向と直交する方向に切断したときの他の断面図である。
【図１２】本発明の誘導加熱ロールにおけるロール本体の内部に設けられた内筒体の外観の一例を示す一部拡大正面図である。
【図１３】従来のロール本体の一部切欠正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の誘導加熱ロールは、少なくとも外殻部が金属層で構成されるロール本体と、上記ロール本体の外側に配置され、磁心と上記磁心を巻回するコイル線からなる高周波コイルを用いて上記ロール本体を誘導加熱する誘導加熱装置とを含み、上記金属層は、磁束をつらぬく位置に配置されている誘導加熱ロールであって、上記誘導加熱装置は、上記高周波コイルを冷却する冷却装置を有し、上記ロール本体の内部には密閉された空間が形成され、上記密閉された空間内に熱媒体が封入されていることを特徴とする。
【００１３】
上記ロール本体の内部に密閉された空間を設け、この空間内に熱媒体が封入されることにより、低コストで容易にロール本体表面の長手方向における温度ムラの発生を抑制可能な誘導加熱ロールを実現できる。また、上記誘導加熱装置が上記高周波コイルを冷却する冷却装置を有することにより、ロール本体からの輻射熱による高周波コイルの過熱を防止できる。
【００１４】
上記ロール本体は、上記外殻部を形成する外筒体と、上記外筒体内に同軸的に配置され、上記外筒体との間で上記密閉された空間を形成する内筒体とを備えたジャケット構造となっていることが好ましい。これにより、熱媒体による熱伝達の効率を高め、ロール本体表面の長手方向における温度ムラ発生の抑制効果を高めることができる。
【００１５】
上記ロール本体の一端には、上記内筒体の内部空間に連通する開口部が形成され、上記ロール本体は、上記開口部から上記内筒体の内部に冷却流体を流す手段を含むことが好ましい。これにより、ロール本体自体の温度制御が可能で、ロール本体が過熱するのを防止できる。
【００１６】
上記誘導加熱装置の上記冷却装置としては、上記高周波コイルの周囲に冷却風を流す装置を用いることができ、例えば、冷却エアーパイプ等で実現される。
【００１７】
上記ロール本体の長手方向に、長さの異なる複数の誘導加熱装置を組み合わせて配置することが好ましい。これにより、ロール本体の長手方向における温度ムラの発生を抑制できる。
【００１８】
上記内筒体の外周面には、凹凸が形成されていることが好ましい。これにより、熱媒体による熱伝達効率をより高めることができる。上記凹凸が、スパイラル状で、かつ、上記内筒体の長手方向の中央部を境にスパイラル方向が逆となるように形成されている場合には、熱がロール本体の中央部から両端側へと伝達されやすくなるため、ロール本体表面の長手方向における温度ムラ発生の抑制効果をさらに高めることができる。
【００１９】
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。なお、本発明はこれに限定されるものではない。
【００２０】
（実施の形態１）
実施の形態１では、本発明の誘導加熱ロールの一例について説明する。図１Ａ〜Ｂは、本発明の誘導加熱ロールの一例を示す図であり、図１Ａは正面図、図１Ｂは左側面図である。なお、説明の都合上、図１ではロール本体と誘導加熱装置のみを示している。
【００２１】
本実施の形態１の誘導加熱ロール１は、図１に示すように、ロール本体３と、ロール本体３の外側に配置された誘導加熱装置２とを備えている。この誘導加熱ロール１は、ロール本体３を外部から加熱する方式であるため、ロール本体３の内部に高周波コイルを収納するスペースが不要となり、ロール本体３の直径を３０ｍｍまで小さくすることができる。一方、ロール本体３の直径を１５００ｍｍ以上とした場合にも、ロール本体３の内部に大径のコイルを備える必要がないため、従来の低周波加熱方式よりもコストダウンすることができる。
【００２２】
ロール本体３は、少なくとも外殻部が金属層で構成され、金属層は、磁束をつらぬく位置に配置されている。金属層としては、強磁性体、ステンレス鋼（ＳＵＳ）などを用いることができる。
【００２３】
誘導加熱装置２は、磁心と磁心を巻回するコイル線からなる高周波コイルを用いてロール本体３を誘導加熱する。誘導加熱装置２は、誘導加熱装置２の長手方向とロール本体３の長手方向とが実質的に平行になるように配置されており、ここでは、誘導加熱装置２の長さは、ロール本体３の長手方向における長さよりも長くした。これにより、ロール本体３を一端から他端まで略均一に加熱できるため、ロール本体３表面の長手方向における温度ムラの発生を抑制できる。さらに、誘導加熱装置２は、高周波コイルを冷却するための冷却装置を有する。これにより、高周波コイルが過熱するのを防止できる。
【００２４】
次に、図１に示す誘導加熱装置２の構成例について図２〜図４を用いて説明する。図２Ａ〜Ｃは、本発明の誘導加熱ロールにおける誘導加熱装置の一例を示す図である。図２Ａは平面図、図２Ｂは正面図、図２Ｃは右側面図である。図３は、図２ＢにおけるＩ−Ｉ断面図、図４は、図２ＡにおけるＩＩ−ＩＩ拡大断面図である。
【００２５】
図１の誘導加熱装置２は、図２〜図４に示すように、その内部に、高周波コイル２０と、冷却装置としての冷却エアー用パイプ３０とを備え、例えば、外部に設置された高周波電源（図示せず）から給電リード線４０を介して高周波コイル２０に高周波が給電されると、図１のロール本体３の外殻部の金属層を誘導加熱する。
【００２６】
高周波コイル２０は、図４に示すように、Ｅ型断面を有するフェライト鉄心よりなる磁心２１と、磁心２１を巻回するコイル線２２とを有する。高周波コイル２０の下面、つまり、誘導加熱装置の底板１６に対向する面には、ガラスマット２６が設けられている。高周波コイル２０の下面を含む表面には、電気絶縁樹脂層２４がモールドされている。また、磁心２１の凹部内も、電気絶縁樹脂２３がモールドされている。電機絶縁樹脂層２４には、温度を測定するための熱センサを挿入可能なセンサ用穴２５が設けられている。
【００２７】
図１の誘導加熱装置２の形状は、図２及び図３に示すように、略直方体であり、ここでは、縦１０１ｍｍ、横６８５ｍｍ、高さ５５．５ｍｍとした。各板の材質および大きさは、正面板１３および背面板１５はアルミニウム材で、縦５５ｍｍ、横６８０ｍｍ、厚さ５．０ｍｍとした。左右側板１２，１４は日光化成株式会社製の“ロスナボード”を用い、縦５５．５ｍｍ、横１０１ｍｍ、厚さ２．５ｍｍとした。天板１０はアルミニウム材で、縦１０１ｍｍ、横１５ｍｍ、厚さ２．５ｍｍとした。底板１６は日光化成株式会社製の“ロスナボード”を用い、縦９６ｍｍ、横６８０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍとした。なお、誘導加熱装置２の形状、誘導加熱装置２を構成する各板の材質および大きさはこれらに限定されない。
【００２８】
高周波コイル２０の形状は、図２Ｃに示すように、その下部の両端が長手方向にテーパ加工された略直方体であり、ここでは、縦７１ｍｍ、横６３０ｍｍ、高さ４８ｍｍとした。この高周波コイル２０は、誘導加熱装置の正面板１３、背面板１５、左右側板１２，１４、底板１６とは接しないように、５枚の天板１０にネジ部材１１を用いて固定される。このときの正面板１３および背面板１５との離間距離は２０ｍｍ、左右側板１２，１４との離間距離は２５ｍｍ、底板１６との離間距離は３ｍｍとした。なお、高周波コイル２０の形状および大きさはこれらに限定されない。
【００２９】
冷却エアー用パイプ３０は、図２および図３に示すように、誘導加熱装置の天板１０よりも下方で、かつ、高周波コイル２０の長手方向に沿うように誘導加熱装置内を挿通し、その一端がネジ部材３１により左側板１２に固定される。この冷却エアー用パイプ３０は、たとえば、外径１０〜１２ｍｍ、内径８〜１０ｍｍの円筒形状で、その長手方向の下部に冷却エアーを放出するための穴３０ａ（図４参照）を複数有する。この複数の穴３０ａから放出された冷却エアーは、矢印方向３２に流れることにより高周波コイル２０を冷却し、高周波コイル２０がロール本体からの輻射熱によって過熱するのを防止する。なお、ここでは、冷却エアー用パイプ３０の径の大きさは外径１２ｍｍ、内径１０ｍｍとしたが、これに限定されない。ただし、効率的に冷却エアーを高周波コイル２０の周囲に流すためには、冷却エアー用パイプ３０は、図４に示したように、高周波コイル２０と正面板１３の両方に接する大きさであることが好ましい。
【００３０】
次に、図１のロール本体３の内部構造について図５を用いて説明する。図５は、本発明の誘導加熱ロールにおけるロール本体を長手方向に沿って切断したときの断面図である。
【００３１】
本実施形態１のロール本体３は、図５に示すように、その内部に密閉された空間５１が形成されている。ここでは、密閉された空間５１は円柱状とした。つまり、ロール本体３の胴部は、両端が閉塞された円筒体（以下、これを外殻部５０と呼ぶ）となる。密閉された空間５１の内部容積は、ＰＶ≦０．０４となるように設定した。ここで、ＰＶとは、「圧力（ａｔｍ）×容積（ｍ3）」をいう。
【００３２】
上記密閉された空間５１内には熱媒体が封入される。熱媒体としては、水、水蒸気、オイル類など用いることができる。この熱媒体は密閉された空間５１内で循環するため、ロール本体３の内部から外側表面全体に熱が略均等に伝達され、ロール本体３の外殻部５０が所定温度に略均一に保持されることになる。これにより、従来のようなヒートパイプを用いることなく、低コストで容易にロール本体３表面の長手方向における温度ムラの発生を抑制できる。
【００３３】
次に、図１の誘導加熱装置２とロール本体３との離間距離について説明する。
【００３４】
誘導加熱装置２とロール本体３との離間距離を最適なものとするため、図２〜図４に示す構成の誘導加熱装置と鉄板（縦１００ｍｍ、横７４５ｍｍ、厚み１５ｍｍ）とを用いて加熱試験を行った。具体的には、まず誘導加熱装置２内の高周波コイル２０に対して５ｋｗの高周波電源から給電リード線４０を介して高周波を給電する。すると、高周波電圧の印加により高周波コイル２０から高周波磁界が発生し、鉄板を誘導加熱する。このときの入力電流値、容量、および出力表示を、誘導加熱装置２と鉄板との離間距離を９ｍｍ〜１５．０ｍｍの範囲内で変化させながら測定した。表１に測定結果を示した。
【００３５】
【表１】
【００３６】
表１に示すように、離間距離が１１ｍｍを超えると、入力電流、容量、出力表示の各値に低下が見られた。この結果から、離間距離は、１１ｍｍ以内とするのが良いことが分かる。一方、離間距離を９ｍｍ以下にすると、磁気カップリングがとれないだけでなく、ロール本体からの輻射熱により誘導加熱装置内の高周波コイルが過熱され劣化することから、好ましくない。よって、図１の誘導加熱装置２とロール本体３の離間距離は、９〜１１ｍｍであることが好ましい。
【００３７】
このような本実施の形態１の誘導加熱ロールによれば、ロール本体３の外部に誘導加熱装置２を配置し、ロール本体３を外部から誘導加熱するとともに、ロール本体３の内部に密閉された空間５１を形成し、その密閉された空間５１内に熱媒体を封入したことにより、低コストで容易にロール本体３の長手方向における温度ムラの発生を抑制できる。また、上記誘導加熱装置２に冷却エアー用パイプ３０を設けたことにより、ロール本体３からの輻射熱による高周波コイル２０の過熱を防止することができる。
【００３８】
（実施の形態２）
実施の形態２では、本発明の誘導加熱ロールの他の例について説明する。本実施の形態２の誘導加熱ロールは、ロール本体をジャケット構造としたこと以外は、上記実施の形態１の誘導加熱ロールと同様である。以下、上記実施の形態１と異なる点についてのみ説明する。
【００３９】
図６は、本発明の誘導加熱ロールにおけるロール本体を長手方向に沿って切断したときの他の断面図である。図６において、図５と同一構成要素については同一符号を付し、その説明を省略する。
【００４０】
本実施の形態２のロール本体３ａは、図６に示すように、外殻部を形成する外筒体５０と、外筒体５０内に同軸的に配置され、外筒体５０との間で密閉された空間５２を形成する内筒体５５とを備えたジャケット構造となっている。外筒体５０の内周面と内筒体５５の外周面との間に形成された密閉された空間５２がジャケット部である。密閉された空間５２の内部容積は、ＰＶ≦０．０４となるように設定した。この密閉された空間５２には熱媒体が充填される。本実施の形態２では、ロール本体３ａがジャケット構造であるため、熱媒体の使用量を削減できるとともに、熱媒体による熱伝達の効率を高め、ロール本体３ａ表面の長手方向における温度ムラ発生の抑制効果を高めることができる。
【００４１】
ロール本体３ａの一端には、内筒体５５の内部空間５６に連通する開口部５４が形成され、ロール本体３ａに、開口部５４から内筒体５５の内部空間５６に冷却流体を流す手段（図示せず）を設けた。これにより、ロール本体３ａの温度制御が可能で、ロール本体３ａが過熱するのを防止、あるいはロール本体３ａを強制的に冷却することができる。
【００４２】
一方、ロール本体３ａの他端側では、内筒体５５の一端に形成された凸状の支持部５３が、外筒体５０の上記支持部５３に対向する位置に形成された凹部に隙間をもって挿入されることにより、内筒体５５と外筒体５０とが連結されている。これにより、加熱冷却時のロール本体３ａの外筒体５０や内筒体５５の長手方向における伸縮を吸収し、ロール本体３ａの外筒体５０と内筒体５５との連結部分においてクラックが発生するのを防止する。
【００４３】
このような本実施の形態２の誘導加熱ロールによれば、ロール本体３ａを、外筒体５０と、外筒体５０内に同軸的に配置され、外筒体５０との間で密閉された空間５２を形成する内筒体５５とを備えたジャケット構造とし、上記密閉された空間５２に熱媒体を充填したことにより、低コストで容易にロール本体３ａ表面の長手方向における温度ムラの発生を抑制できる。また、ロール本体３ａの一端に内筒体５５の内部空間５６に連通する開口部５４を形成し、ロール本体３ａに、開口部５４から内筒体５５の内部空間５６に冷却流体を流すための冷却手段を設けたことにより、ロール本体３ａの温度制御が可能で、ロール本体３ａが過熱するのを防止することができる。また、内筒体５５の一端に形成された支持部５３を介して、内筒体５５と外筒体５０とを連結したことにより、加熱冷却時の長手方向における外筒体５０や内筒体５５の熱伸縮を吸収し、クラックの発生を防止することができる。
【００４４】
（実施の形態３）
実施の形態３では、本発明の誘導加熱ロールの他の例について説明する。本実施の形態３の誘導加熱ロールは、誘導加熱装置を複数設けたこと以外は、上記実施の形態１の誘導加熱ロールと同様である。以下、上記実施の形態１と異なる点についてのみ説明する。
【００４５】
図７Ａ〜Ｂは、本発明の誘導加熱ロールの他の例を示す図であり、図７Ａは正面図、図７Ｂは左側面図である。図７Ａ〜Ｂでは、説明の都合上、ロール本体と誘導加熱装置のみを示している。図において、図１Ａ〜Ｂと同一構成要素については同一符号を付し、その説明を省略する。
【００４６】
本実施の形態３の誘導加熱ロール１ａは、図７Ａ及び図７Ｂに示すように、長さの異なる複数の誘導加熱装置２、４を組み合わせて、これらをロール本体３の長手方向に配置したものである。
【００４７】
誘導加熱装置２および誘導加熱装置４は共に図２〜４に示す構造を有するが、誘導加熱装置４の長手方向における長さは、誘導加熱装置２よりも短い。誘導加熱装置４は補助コイルとして使用され、例えば、図７Ａに示すように、ロール本体３の両端で、かつロール本体３の長手方向に沿うように、誘導加熱装置２に接近させて設置した。これにより、ロール本体３表面の両端における温度の低下を防ぎ、ロール本体３表面の長手方向の温度分布を略均一化できる。ここでは、ロール本体３の長さとほぼ同じ長さを有する誘導加熱装置２と、誘導加熱装置２よりも長さの短い２つの誘導加熱装置４を用いた場合について示したが、各誘導加熱装置の長さ、配置位置は、これに限定されるものではなく、ロール本体３表面の長手方向の温度分布を略均一化できれば良い。
【００４８】
このような本実施の形態３の誘導加熱ロールによれば、長さの異なる複数の誘導加熱装置２、４を組み合わせ、長さが短い方の誘導加熱装置４を補助コイルとしてロール本体３の両端に設けたことにより、ロール本体３の長手方向における温度ムラの発生を抑制することができる。
【００４９】
（実施の形態４）
実施の形態４では、本発明の誘導加熱ロールの他の例について説明する。本実施の形態４の誘導加熱ロールは、内筒体の外周面に凹凸が形成されていること以外は、上記実施の形態２の誘導加熱ロールと同様である。以下、上記実施の形態２と異なる点についてのみ説明する。
【００５０】
本実施の形態４のロール本体は、図６に示すようなジャケット構造をしており、さらに内筒体５５の外周面には凹凸が形成されている。
【００５１】
以下に、内筒体５５の外周面に形成される凹凸の形状を図９〜図１２を用いて説明する。なお、凹凸の形状は下記に限定されない。図９〜図１１は、本発明の誘導加熱ロールにおけるロール本体を長手方向と直交する方向（幅方向）に切断したときの拡大断面図である。図１２は、本発明の誘導加熱ロールにおけるロール本体の内部に設けられた内筒体の外観の一例を示す一部拡大正面図である。
【００５２】
図９〜図１１の場合、内筒体５５の外周面には、周方向に凹凸が形成されている。凹凸の形状は、図９では、断面が略長方形の凹部と凸部５５ａとの繰り返し連続形状、図１０では、断面が略三角形の凹部と凸部５５ａとの繰り返し連続形状、図１１では、断面が略三角形の凹部と、断面が略台形の凸部５５ａとの繰り返し連続形状である。このように内筒体５５の外周面に凹凸が形成されると、外筒体５０の内周面と内筒体５５の外周面との間の密閉された空間５２の内部容積が減少するため、密閉された空間５２に封入される熱媒体の熱伝達効率が向上し、ロール本体表面の長手方向における温度ムラ発生の抑制効果を高めることができる。
【００５３】
一方、図１２の場合、内筒体５５の外周面に、スパイラル状の凹凸が形成されている。この場合も、外筒体５０の内周面と内筒体５５の外周面との間の密閉された空間５２の内部容積が減少するため、密閉された空間５２に封入される熱媒体の熱伝達効率が向上し、ロール本体表面の長手方向における温度ムラ発生の抑制効果を高めることができる。さらに、図１２では、上記スパイラル状の凹凸は、内筒体５５の中央部を境にスパイラル方向が逆になるように形成されている。そのため、熱がロール本体の中央部側からロール本体の両端側へ伝達されやすくなり、ロール本体表面の長手方向における温度ムラ発生の抑制効果をさらに高めることができる。
【００５４】
このような本実施の形態４の誘導加熱ロールによれば、内筒体５５の外周面に凹凸を形成したことにより、密閉された空間５２に封入される熱媒体の熱伝達効率を高め、ロール本体表面の長手方向における温度ムラ発生の抑制効果を高めることができる。
【実施例】
【００５５】
以下、本発明のロール本体について実施例を挙げて具体的に説明する。ここでは、ロール本体は、図６に示すように、外筒体５０と内筒体５５とを備えたジャケット構造とした。ロール本体の外筒体５０の外径は３００ｍｍ、外筒体５０の長手方向の長さは１２００ｍｍ（ロール胴体部の長さは１１３０ｍｍ、両端部に設けられた軸部の長さは３５ｍｍ）、外筒体５０の肉厚は３０ｍｍとした。密閉された空間５２（以下、ジャケット部と呼ぶ）の内部容積は、ＰＶ≦０．０４となるように設定した。ジャケット部５２に充填される熱媒体として水蒸気を想定した。
【００５６】
（実施例１）
本実施例１では、ロール本体の内筒体５５の外周面に、図９に示すように、周方向に凹凸を設けた。凹凸の形状は、断面が略長方形の凹部と凸部５５ａとの繰り返し連続形状とした。凹部の数と凸部５５ａの数は同数とし、凹部の幅Ｗ１と凸部５５ａの幅Ｗ２とは等しくした。内筒体５５の外周面と外筒体５０の内周面との最大距離Ｌ２は１５ｍｍとし、最小距離Ｌ３は５ｍｍとした。
【００５７】
ジャケット部５２の内部容積Ｖを求めたところ、０．００８１ｍ3であった。ジャケット部５２の内部容積はＰＶ≦０．０４となるように設定されているので、Ｐの値は０．４８ＭＰａである。Ｐの値と蒸気表とから飽和蒸気温度を求めると、１５０℃であった。
【００５８】
（実施例２）
本実施例２では、ロール本体の内筒体５５の外周面に、図１０に示すように、周方向に凹凸を設けた。凹凸の形状は、断面が略三角形の凹部と凸部５５ａとの繰り返し連続形状とした。凹部の数と凸部５５ａの数は同数とした。内筒体５５の外周面と外筒体５０の内周面との最大距離Ｌ４は１５ｍｍとし、最小距離Ｌ５は５ｍｍとした。
【００５９】
ジャケット部５２の内部容積Ｖを求めたところ、０．００８１ｍ3であった。ジャケット部５２の内部容積はＰＶ≦０．０４となるように設定されているため、Ｐの値は０．４８ＭＰａである。Ｐの値と蒸気表とから飽和蒸気温度を求めると、１５０℃であった。
【００６０】
（実施例３）
本実施例３では、ロール本体の内筒体５５の外周面に、図１１に示すように、周方向に凹凸を設けた。凹凸の形状は、断面が略三角形の凹部と、断面が略台形の凸部５５ａとの繰り返し連続形状とした。凹部の数と凸部５５ａの数は同数とした。内筒体５５の外周面と外筒体５０の内周面との最大距離Ｌ６は１５ｍｍとし、最小距離Ｌ７は５ｍｍとした。凹部の形状は、高さが１０ｍｍ、底辺Ｗ３が１０ｍｍの三角形を底面とする三角柱とし、三角柱の高さは１１３０ｍｍ、三角柱の数は１６本とした。
【００６１】
ジャケット部５２の内部容積Ｖを求めたところ、０．００５ｍ3であった。ジャケット部５２の内部容積はＰＶ≦０．０４となるように設定されているため、Ｐの値は０．７９ＭＰａである。Ｐの値と蒸気表とから飽和蒸気温度を求めると、１７０℃であった。
【００６２】
（実施例４）
本実施例４では、ロール本体の内筒体５５の外周面に、図１２に示すように、スパイラル状の凹凸を設けた。このスパイラル状の凹凸は、内筒体５５の中央部を境に、スパイラル方向が逆になるように形成した。内筒体５５の外周面と外筒体（図示せず）の内周面との最大距離は１５ｍｍとし、最小距離は５ｍｍとした。凹部の形状は、高さＬ８が１０ｍｍ、底辺Ｌ９が１０ｍｍの三角形を底面とする三角柱とし、三角柱の高さは０．２２πｍｍ、三角柱の数は６０本とした。
【００６３】
ジャケット部５２の内部容積Ｖを求めたところ、０．００６ｍ3であった。ジャケット部５２の内部容積はＰＶ≦０．０４となるように設定されているため、Ｐの値は０．６５ＭＰａである。Ｐの値と蒸気表とから飽和蒸気温度を求めると、１６２℃であった。
【００６４】
（比較例１）
本比較例１のロール本体は、図６に示すジャケット構造とした。このロール本体を長手方向と直交する方向に切断したときの拡大断面図を図８に示す。本比較例１のロール本体は、内筒体５５の外周面には凹凸が形成されていない。内筒体５５の外周面と外筒体５０の内周面との距離Ｌ１は１５ｍｍとした。
【００６５】
ジャケット部の内部容積Ｖを求めたところ、０．０１２ｍ3であった。ジャケット部５２の内部容積はＰＶ≦０．０４となるように設定されているため、Ｐの値は０．３３ＭＰａである。Ｐの値と蒸気表とから飽和蒸気温度を求めると、１３７℃であった。
【００６６】
【表２】
【００６７】
以上の評価結果を表２にまとめて示す。表２に示すように、ジャケット部５２の内部容積Ｖは、実施例１及び２の場合、比較例に対して約３２．５％減少、実施例３の場合、比較例１に対して約５８％減少、実施例４の場合、比較例１に対して約５０％減少している。そして、表２に示す結果から明らかなように、ジャケット部５２の内部容積が減少すると、それに伴って圧力Ｐの値が高くなるとともに、水蒸気の飽和蒸気温度も高くなることが分かる。このことから、ジャケット部５２の内部容積が小さいほど、熱媒体の熱伝達効率を上げることができ、ロール本体表面の長手方向における温度ムラ発生の抑制効果を向上できると考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明の誘導加熱ロールは、ロール本体からの輻射熱による高周波コイルの過熱を防止でき、かつ低コストで容易にロール本体表面の長手方向における温度ムラの発生が抑制可能な高周波誘導加熱方式の加熱ロールとして、カレンダー機、エンボス機、ラミネータ機などに利用可能である。
【符号の説明】
【００６９】
１，１ａ 誘導加熱ロール
２，４ 誘導加熱装置
３，３ａ ロール本体
１０ 天板
１１ ネジ部材
１２ 左側板
１３ 正面板
１４ 右側板
１５ 背面板
１６ 底板
２０ 高周波コイル
２１ 磁心（フェライト鉄心）
２２ コイル線
２３ 電気絶縁樹脂
２４ 電気絶縁樹脂層
２５ センサ用穴
２６ ガラスマット
３０ 冷却エアー用パイプ
３０ａ 穴
３１ ネジ部材
３２ 冷却エアーの流動方向
４０ 給電リード線
５０ ロール本体の外殻部（外筒体）
５１，５２ 密閉された空間（ジャケット部）
５３ 支持部
５４ 開口部
５５ 内筒体
５５ａ 凸部
５６ 内筒体の内部空間
１００ ロール本体
１０１ ヒートパイプ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波電磁誘導加熱ロールに関する。
【背景技術】
【０００２】
カレンダー機、エンボス機、ラミネータ機などに使用される加熱ロールは、商用波数（５０Ｈｚ，６０Ｈｚ）を使用した低周波誘導加熱方式、電気抵抗加熱式、熱媒循環式、蒸気加熱式が一般的によく知られている。このうち、使用方法が簡単で温度特性が良いことから低周波誘導加熱方式が好まれるが（例えば特許文献１）、装置価格が高いという問題があり、メーカーの数も限られ、それほど広くは使用されていないのが実情である。
【０００３】
また、従来の低周波誘導加熱方式は、ロール本体の内部に誘導コイルを設置するため、ロール外径を小さくすることが困難であり、誘導コイルの冷却も困難であった。この問題を改善するために、高周波コイルをロール本体の外側に配置し、外部からロール本体に対して高周波磁束を当て、ロール本体を加熱する提案がなされている（特許文献２）。
【０００４】
また、ロール本体の長手方向における長さが長い場合には、ロール本体表面の中央部と両端部とで温度差が生じやすい。ロール本体表面に温度ムラが生じると、ロール本体の外周面に接触する被加工製品（紙、フィルムなど）を充分に加熱することができず、被加工製品に品質のばらつきが生じる原因となる。この問題を改善するため、図１３に示すように、複数のヒートパイプ１０１をロール本体１００の外側表面近くに埋め込むことにより、ロール本体表面の長手方向における温度分布の均等化を図るという提案がなされている（特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−３６９６４号公報
【特許文献２】特公平１−１８８５３号公報
【特許文献３】特開２００４−２９２８６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献２に記載の提案では、高周波コイルがロール本体からの輻射熱によって過熱され易いという問題と、ロール本体の長手方向における表面温度を一定に保つことができないという問題があった。
【０００７】
また、特許文献３に記載の提案では、図１３のようにヒートパイプ１０１をロール本体１００に埋め込むために、例えば、ＢＴＡ（Boring and Trepanning Association）加工という加工技術を用いてロール本体１００に深穴を設ける必要がある。この加工には特殊な工具が必要とされ、コストがかかるという問題があった。
【０００８】
本発明は、前記従来の問題を解決するため、高周波コイルがロール本体からの輻射熱により過熱するのを防止することができ、かつ低コストで容易にロール本体表面の長手方向における温度ムラの発生を抑制可能な誘導加熱ロールを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の誘導加熱ロールは、少なくとも外殻部が金属層で構成されるロール本体と、前記ロール本体の外側に配置され、磁心と前記磁心を巻回するコイル線からなる高周波コイルを用いて前記ロール本体を誘導加熱する誘導加熱装置とを含み、前記金属層は、磁束をつらぬく位置に配置されている誘導加熱ロールであって、前記誘導加熱装置は、前記高周波コイルを冷却するための冷却装置を有し、前記ロール本体の内部には密閉された空間が形成され、前記密閉された空間内に熱媒体が封入されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の誘導加熱ロールによれば、少なくとも外殻部が金属層で構成されるロール本体と、前記ロール本体の外側に配置され、磁心と前記磁心を巻回するコイル線からなる高周波コイルを用いて前記ロール本体を誘導加熱する誘導加熱装置とを含み、前記金属層は、磁束をつらぬく位置に配置されており、前記ロール本体の内部には密閉された空間が形成され、前記密閉された空間内に熱媒体が封入されていることにより、低コストで容易にロール本体表面の長手方向における温度ムラの発生を抑制可能な誘導加熱ロールを実現できる。また、前記誘導加熱装置は、前記高周波コイルを冷却するための冷却装置を有しているため、ロール本体からの輻射熱による高周波コイルの過熱を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の誘導加熱ロールの一例を示す図である。図１Ａは正面図、図１Ｂは左側面図である。
【図２】本発明の誘導加熱ロールにおける誘導加熱装置の一例を示す図である。図２Ａは平面図、図２Ｂは正面図、図２Ｃは右側面図である。
【図３】図２ＢにおけるＩ−Ｉ断面図である。
【図４】図２ＡにおけるＩＩ−ＩＩ拡大断面図である。
【図５】本発明の誘導加熱ロールにおけるロール本体を長手方向に沿って切断したときの断面図である。
【図６】本発明の誘導加熱ロールにおけるロール本体を長手方向に沿って切断したときの他の断面図である。
【図７】本発明の誘導加熱ロールの他の例を示す図である。図７Ａは正面図、図７Ｂは左側面図である。
【図８】本発明の誘導加熱ロールにおけるロール本体を長手方向と直交する方向に切断したときの断面図である。
【図９】本発明の誘導加熱ロールにおけるロール本体を長手方向と直交する方向に切断したときの他の断面図である。
【図１０】本発明の誘導加熱ロールにおけるロール本体を長手方向と直交する方向に切断したときの他の断面図である。
【図１１】本発明の誘導加熱ロールにおけるロール本体を長手方向と直交する方向に切断したときの他の断面図である。
【図１２】本発明の誘導加熱ロールにおけるロール本体の内部に設けられた内筒体の外観の一例を示す一部拡大正面図である。
【図１３】従来のロール本体の一部切欠正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の誘導加熱ロールは、少なくとも外殻部が金属層で構成されるロール本体と、上記ロール本体の外側に配置され、磁心と上記磁心を巻回するコイル線からなる高周波コイルを用いて上記ロール本体を誘導加熱する誘導加熱装置とを含み、上記金属層は、磁束をつらぬく位置に配置されている誘導加熱ロールであって、上記誘導加熱装置は、上記高周波コイルを冷却する冷却装置を有し、上記ロール本体の内部には密閉された空間が形成され、上記密閉された空間内に熱媒体が封入されていることを特徴とする。
【００１３】
上記ロール本体の内部に密閉された空間を設け、この空間内に熱媒体が封入されることにより、低コストで容易にロール本体表面の長手方向における温度ムラの発生を抑制可能な誘導加熱ロールを実現できる。また、上記誘導加熱装置が上記高周波コイルを冷却する冷却装置を有することにより、ロール本体からの輻射熱による高周波コイルの過熱を防止できる。
【００１４】
上記ロール本体は、上記外殻部を形成する外筒体と、上記外筒体内に同軸的に配置され、上記外筒体との間で上記密閉された空間を形成する内筒体とを備えたジャケット構造となっていることが好ましい。これにより、熱媒体による熱伝達の効率を高め、ロール本体表面の長手方向における温度ムラ発生の抑制効果を高めることができる。
【００１５】
上記ロール本体の一端には、上記内筒体の内部空間に連通する開口部が形成され、上記ロール本体は、上記開口部から上記内筒体の内部に冷却流体を流す手段を含むことが好ましい。これにより、ロール本体自体の温度制御が可能で、ロール本体が過熱するのを防止できる。
【００１６】
上記誘導加熱装置の上記冷却装置としては、上記高周波コイルの周囲に冷却風を流す装置を用いることができ、例えば、冷却エアーパイプ等で実現される。
【００１７】
上記ロール本体の長手方向に、長さの異なる複数の誘導加熱装置を組み合わせて配置することが好ましい。これにより、ロール本体の長手方向における温度ムラの発生を抑制できる。
【００１８】
上記内筒体の外周面には、凹凸が形成されていることが好ましい。これにより、熱媒体による熱伝達効率をより高めることができる。上記凹凸が、スパイラル状で、かつ、上記内筒体の長手方向の中央部を境にスパイラル方向が逆となるように形成されている場合には、熱がロール本体の中央部から両端側へと伝達されやすくなるため、ロール本体表面の長手方向における温度ムラ発生の抑制効果をさらに高めることができる。
【００１９】
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。なお、本発明はこれに限定されるものではない。
【００２０】
（実施の形態１）
実施の形態１では、本発明の誘導加熱ロールの一例について説明する。図１Ａ〜Ｂは、本発明の誘導加熱ロールの一例を示す図であり、図１Ａは正面図、図１Ｂは左側面図である。なお、説明の都合上、図１ではロール本体と誘導加熱装置のみを示している。
【００２１】
本実施の形態１の誘導加熱ロール１は、図１に示すように、ロール本体３と、ロール本体３の外側に配置された誘導加熱装置２とを備えている。この誘導加熱ロール１は、ロール本体３を外部から加熱する方式であるため、ロール本体３の内部に高周波コイルを収納するスペースが不要となり、ロール本体３の直径を３０ｍｍまで小さくすることができる。一方、ロール本体３の直径を１５００ｍｍ以上とした場合にも、ロール本体３の内部に大径のコイルを備える必要がないため、従来の低周波加熱方式よりもコストダウンすることができる。
【００２２】
ロール本体３は、少なくとも外殻部が金属層で構成され、金属層は、磁束をつらぬく位置に配置されている。金属層としては、強磁性体、ステンレス鋼（ＳＵＳ）などを用いることができる。
【００２３】
誘導加熱装置２は、磁心と磁心を巻回するコイル線からなる高周波コイルを用いてロール本体３を誘導加熱する。誘導加熱装置２は、誘導加熱装置２の長手方向とロール本体３の長手方向とが実質的に平行になるように配置されており、ここでは、誘導加熱装置２の長さは、ロール本体３の長手方向における長さよりも長くした。これにより、ロール本体３を一端から他端まで略均一に加熱できるため、ロール本体３表面の長手方向における温度ムラの発生を抑制できる。さらに、誘導加熱装置２は、高周波コイルを冷却するための冷却装置を有する。これにより、高周波コイルが過熱するのを防止できる。
【００２４】
次に、図１に示す誘導加熱装置２の構成例について図２〜図４を用いて説明する。図２Ａ〜Ｃは、本発明の誘導加熱ロールにおける誘導加熱装置の一例を示す図である。図２Ａは平面図、図２Ｂは正面図、図２Ｃは右側面図である。図３は、図２ＢにおけるＩ−Ｉ断面図、図４は、図２ＡにおけるＩＩ−ＩＩ拡大断面図である。
【００２５】
図１の誘導加熱装置２は、図２〜図４に示すように、その内部に、高周波コイル２０と、冷却装置としての冷却エアー用パイプ３０とを備え、例えば、外部に設置された高周波電源（図示せず）から給電リード線４０を介して高周波コイル２０に高周波が給電されると、図１のロール本体３の外殻部の金属層を誘導加熱する。
【００２６】
高周波コイル２０は、図４に示すように、Ｅ型断面を有するフェライト鉄心よりなる磁心２１と、磁心２１を巻回するコイル線２２とを有する。高周波コイル２０の下面、つまり、誘導加熱装置の底板１６に対向する面には、ガラスマット２６が設けられている。高周波コイル２０の下面を含む表面には、電気絶縁樹脂層２４がモールドされている。また、磁心２１の凹部内も、電気絶縁樹脂２３がモールドされている。電機絶縁樹脂層２４には、温度を測定するための熱センサを挿入可能なセンサ用穴２５が設けられている。
【００２７】
図１の誘導加熱装置２の形状は、図２及び図３に示すように、略直方体であり、ここでは、縦１０１ｍｍ、横６８５ｍｍ、高さ５５．５ｍｍとした。各板の材質および大きさは、正面板１３および背面板１５はアルミニウム材で、縦５５ｍｍ、横６８０ｍｍ、厚さ５．０ｍｍとした。左右側板１２，１４は日光化成株式会社製の“ロスナボード”を用い、縦５５．５ｍｍ、横１０１ｍｍ、厚さ２．５ｍｍとした。天板１０はアルミニウム材で、縦１０１ｍｍ、横１５ｍｍ、厚さ２．５ｍｍとした。底板１６は日光化成株式会社製の“ロスナボード”を用い、縦９６ｍｍ、横６８０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍとした。なお、誘導加熱装置２の形状、誘導加熱装置２を構成する各板の材質および大きさはこれらに限定されない。
【００２８】
高周波コイル２０の形状は、図２Ｃに示すように、その下部の両端が長手方向にテーパ加工された略直方体であり、ここでは、縦７１ｍｍ、横６３０ｍｍ、高さ４８ｍｍとした。この高周波コイル２０は、誘導加熱装置の正面板１３、背面板１５、左右側板１２，１４、底板１６とは接しないように、５枚の天板１０にネジ部材１１を用いて固定される。このときの正面板１３および背面板１５との離間距離は２０ｍｍ、左右側板１２，１４との離間距離は２５ｍｍ、底板１６との離間距離は３ｍｍとした。なお、高周波コイル２０の形状および大きさはこれらに限定されない。
【００２９】
冷却エアー用パイプ３０は、図２および図３に示すように、誘導加熱装置の天板１０よりも下方で、かつ、高周波コイル２０の長手方向に沿うように誘導加熱装置内を挿通し、その一端がネジ部材３１により左側板１２に固定される。この冷却エアー用パイプ３０は、たとえば、外径１０〜１２ｍｍ、内径８〜１０ｍｍの円筒形状で、その長手方向の下部に冷却エアーを放出するための穴３０ａ（図４参照）を複数有する。この複数の穴３０ａから放出された冷却エアーは、矢印方向３２に流れることにより高周波コイル２０を冷却し、高周波コイル２０がロール本体からの輻射熱によって過熱するのを防止する。なお、ここでは、冷却エアー用パイプ３０の径の大きさは外径１２ｍｍ、内径１０ｍｍとしたが、これに限定されない。ただし、効率的に冷却エアーを高周波コイル２０の周囲に流すためには、冷却エアー用パイプ３０は、図４に示したように、高周波コイル２０と正面板１３の両方に接する大きさであることが好ましい。
【００３０】
次に、図１のロール本体３の内部構造について図５を用いて説明する。図５は、本発明の誘導加熱ロールにおけるロール本体を長手方向に沿って切断したときの断面図である。
【００３１】
本実施形態１のロール本体３は、図５に示すように、その内部に密閉された空間５１が形成されている。ここでは、密閉された空間５１は円柱状とした。つまり、ロール本体３の胴部は、両端が閉塞された円筒体（以下、これを外殻部５０と呼ぶ）となる。密閉された空間５１の内部容積は、ＰＶ≦０．０４となるように設定した。ここで、ＰＶとは、「圧力（ａｔｍ）×容積（ｍ3）」をいう。
【００３２】
上記密閉された空間５１内には熱媒体が封入される。熱媒体としては、水、水蒸気、オイル類など用いることができる。この熱媒体は密閉された空間５１内で循環するため、ロール本体３の内部から外側表面全体に熱が略均等に伝達され、ロール本体３の外殻部５０が所定温度に略均一に保持されることになる。これにより、従来のようなヒートパイプを用いることなく、低コストで容易にロール本体３表面の長手方向における温度ムラの発生を抑制できる。
【００３３】
次に、図１の誘導加熱装置２とロール本体３との離間距離について説明する。
【００３４】
誘導加熱装置２とロール本体３との離間距離を最適なものとするため、図２〜図４に示す構成の誘導加熱装置と鉄板（縦１００ｍｍ、横７４５ｍｍ、厚み１５ｍｍ）とを用いて加熱試験を行った。具体的には、まず誘導加熱装置２内の高周波コイル２０に対して５ｋｗの高周波電源から給電リード線４０を介して高周波を給電する。すると、高周波電圧の印加により高周波コイル２０から高周波磁界が発生し、鉄板を誘導加熱する。このときの入力電流値、容量、および出力表示を、誘導加熱装置２と鉄板との離間距離を９ｍｍ〜１５．０ｍｍの範囲内で変化させながら測定した。表１に測定結果を示した。
【００３５】
【表１】
【００３６】
表１に示すように、離間距離が１１ｍｍを超えると、入力電流、容量、出力表示の各値に低下が見られた。この結果から、離間距離は、１１ｍｍ以内とするのが良いことが分かる。一方、離間距離を９ｍｍ以下にすると、磁気カップリングがとれないだけでなく、ロール本体からの輻射熱により誘導加熱装置内の高周波コイルが過熱され劣化することから、好ましくない。よって、図１の誘導加熱装置２とロール本体３の離間距離は、９〜１１ｍｍであることが好ましい。
【００３７】
このような本実施の形態１の誘導加熱ロールによれば、ロール本体３の外部に誘導加熱装置２を配置し、ロール本体３を外部から誘導加熱するとともに、ロール本体３の内部に密閉された空間５１を形成し、その密閉された空間５１内に熱媒体を封入したことにより、低コストで容易にロール本体３の長手方向における温度ムラの発生を抑制できる。また、上記誘導加熱装置２に冷却エアー用パイプ３０を設けたことにより、ロール本体３からの輻射熱による高周波コイル２０の過熱を防止することができる。
【００３８】
（実施の形態２）
実施の形態２では、本発明の誘導加熱ロールの他の例について説明する。本実施の形態２の誘導加熱ロールは、ロール本体をジャケット構造としたこと以外は、上記実施の形態１の誘導加熱ロールと同様である。以下、上記実施の形態１と異なる点についてのみ説明する。
【００３９】
図６は、本発明の誘導加熱ロールにおけるロール本体を長手方向に沿って切断したときの他の断面図である。図６において、図５と同一構成要素については同一符号を付し、その説明を省略する。
【００４０】
本実施の形態２のロール本体３ａは、図６に示すように、外殻部を形成する外筒体５０と、外筒体５０内に同軸的に配置され、外筒体５０との間で密閉された空間５２を形成する内筒体５５とを備えたジャケット構造となっている。外筒体５０の内周面と内筒体５５の外周面との間に形成された密閉された空間５２がジャケット部である。密閉された空間５２の内部容積は、ＰＶ≦０．０４となるように設定した。この密閉された空間５２には熱媒体が充填される。本実施の形態２では、ロール本体３ａがジャケット構造であるため、熱媒体の使用量を削減できるとともに、熱媒体による熱伝達の効率を高め、ロール本体３ａ表面の長手方向における温度ムラ発生の抑制効果を高めることができる。
【００４１】
ロール本体３ａの一端には、内筒体５５の内部空間５６に連通する開口部５４が形成され、ロール本体３ａに、開口部５４から内筒体５５の内部空間５６に冷却流体を流す手段（図示せず）を設けた。これにより、ロール本体３ａの温度制御が可能で、ロール本体３ａが過熱するのを防止、あるいはロール本体３ａを強制的に冷却することができる。
【００４２】
一方、ロール本体３ａの他端側では、内筒体５５の一端に形成された凸状の支持部５３が、外筒体５０の上記支持部５３に対向する位置に形成された凹部に隙間をもって挿入されることにより、内筒体５５と外筒体５０とが連結されている。これにより、加熱冷却時のロール本体３ａの外筒体５０や内筒体５５の長手方向における伸縮を吸収し、ロール本体３ａの外筒体５０と内筒体５５との連結部分においてクラックが発生するのを防止する。
【００４３】
このような本実施の形態２の誘導加熱ロールによれば、ロール本体３ａを、外筒体５０と、外筒体５０内に同軸的に配置され、外筒体５０との間で密閉された空間５２を形成する内筒体５５とを備えたジャケット構造とし、上記密閉された空間５２に熱媒体を充填したことにより、低コストで容易にロール本体３ａ表面の長手方向における温度ムラの発生を抑制できる。また、ロール本体３ａの一端に内筒体５５の内部空間５６に連通する開口部５４を形成し、ロール本体３ａに、開口部５４から内筒体５５の内部空間５６に冷却流体を流すための冷却手段を設けたことにより、ロール本体３ａの温度制御が可能で、ロール本体３ａが過熱するのを防止することができる。また、内筒体５５の一端に形成された支持部５３を介して、内筒体５５と外筒体５０とを連結したことにより、加熱冷却時の長手方向における外筒体５０や内筒体５５の熱伸縮を吸収し、クラックの発生を防止することができる。
【００４４】
（実施の形態３）
実施の形態３では、本発明の誘導加熱ロールの他の例について説明する。本実施の形態３の誘導加熱ロールは、誘導加熱装置を複数設けたこと以外は、上記実施の形態１の誘導加熱ロールと同様である。以下、上記実施の形態１と異なる点についてのみ説明する。
【００４５】
図７Ａ〜Ｂは、本発明の誘導加熱ロールの他の例を示す図であり、図７Ａは正面図、図７Ｂは左側面図である。図７Ａ〜Ｂでは、説明の都合上、ロール本体と誘導加熱装置のみを示している。図において、図１Ａ〜Ｂと同一構成要素については同一符号を付し、その説明を省略する。
【００４６】
本実施の形態３の誘導加熱ロール１ａは、図７Ａ及び図７Ｂに示すように、長さの異なる複数の誘導加熱装置２、４を組み合わせて、これらをロール本体３の長手方向に配置したものである。
【００４７】
誘導加熱装置２および誘導加熱装置４は共に図２〜４に示す構造を有するが、誘導加熱装置４の長手方向における長さは、誘導加熱装置２よりも短い。誘導加熱装置４は補助コイルとして使用され、例えば、図７Ａに示すように、ロール本体３の両端で、かつロール本体３の長手方向に沿うように、誘導加熱装置２に接近させて設置した。これにより、ロール本体３表面の両端における温度の低下を防ぎ、ロール本体３表面の長手方向の温度分布を略均一化できる。ここでは、ロール本体３の長さとほぼ同じ長さを有する誘導加熱装置２と、誘導加熱装置２よりも長さの短い２つの誘導加熱装置４を用いた場合について示したが、各誘導加熱装置の長さ、配置位置は、これに限定されるものではなく、ロール本体３表面の長手方向の温度分布を略均一化できれば良い。
【００４８】
このような本実施の形態３の誘導加熱ロールによれば、長さの異なる複数の誘導加熱装置２、４を組み合わせ、長さが短い方の誘導加熱装置４を補助コイルとしてロール本体３の両端に設けたことにより、ロール本体３の長手方向における温度ムラの発生を抑制することができる。
【００４９】
（実施の形態４）
実施の形態４では、本発明の誘導加熱ロールの他の例について説明する。本実施の形態４の誘導加熱ロールは、内筒体の外周面に凹凸が形成されていること以外は、上記実施の形態２の誘導加熱ロールと同様である。以下、上記実施の形態２と異なる点についてのみ説明する。
【００５０】
本実施の形態４のロール本体は、図６に示すようなジャケット構造をしており、さらに内筒体５５の外周面には凹凸が形成されている。
【００５１】
以下に、内筒体５５の外周面に形成される凹凸の形状を図９〜図１２を用いて説明する。なお、凹凸の形状は下記に限定されない。図９〜図１１は、本発明の誘導加熱ロールにおけるロール本体を長手方向と直交する方向（幅方向）に切断したときの拡大断面図である。図１２は、本発明の誘導加熱ロールにおけるロール本体の内部に設けられた内筒体の外観の一例を示す一部拡大正面図である。
【００５２】
図９〜図１１の場合、内筒体５５の外周面には、周方向に凹凸が形成されている。凹凸の形状は、図９では、断面が略長方形の凹部と凸部５５ａとの繰り返し連続形状、図１０では、断面が略三角形の凹部と凸部５５ａとの繰り返し連続形状、図１１では、断面が略三角形の凹部と、断面が略台形の凸部５５ａとの繰り返し連続形状である。このように内筒体５５の外周面に凹凸が形成されると、外筒体５０の内周面と内筒体５５の外周面との間の密閉された空間５２の内部容積が減少するため、密閉された空間５２に封入される熱媒体の熱伝達効率が向上し、ロール本体表面の長手方向における温度ムラ発生の抑制効果を高めることができる。
【００５３】
一方、図１２の場合、内筒体５５の外周面に、スパイラル状の凹凸が形成されている。この場合も、外筒体５０の内周面と内筒体５５の外周面との間の密閉された空間５２の内部容積が減少するため、密閉された空間５２に封入される熱媒体の熱伝達効率が向上し、ロール本体表面の長手方向における温度ムラ発生の抑制効果を高めることができる。さらに、図１２では、上記スパイラル状の凹凸は、内筒体５５の中央部を境にスパイラル方向が逆になるように形成されている。そのため、熱がロール本体の中央部側からロール本体の両端側へ伝達されやすくなり、ロール本体表面の長手方向における温度ムラ発生の抑制効果をさらに高めることができる。
【００５４】
このような本実施の形態４の誘導加熱ロールによれば、内筒体５５の外周面に凹凸を形成したことにより、密閉された空間５２に封入される熱媒体の熱伝達効率を高め、ロール本体表面の長手方向における温度ムラ発生の抑制効果を高めることができる。
【実施例】
【００５５】
以下、本発明のロール本体について実施例を挙げて具体的に説明する。ここでは、ロール本体は、図６に示すように、外筒体５０と内筒体５５とを備えたジャケット構造とした。ロール本体の外筒体５０の外径は３００ｍｍ、外筒体５０の長手方向の長さは１２００ｍｍ（ロール胴体部の長さは１１３０ｍｍ、両端部に設けられた軸部の長さは３５ｍｍ）、外筒体５０の肉厚は３０ｍｍとした。密閉された空間５２（以下、ジャケット部と呼ぶ）の内部容積は、ＰＶ≦０．０４となるように設定した。ジャケット部５２に充填される熱媒体として水蒸気を想定した。
【００５６】
（実施例１）
本実施例１では、ロール本体の内筒体５５の外周面に、図９に示すように、周方向に凹凸を設けた。凹凸の形状は、断面が略長方形の凹部と凸部５５ａとの繰り返し連続形状とした。凹部の数と凸部５５ａの数は同数とし、凹部の幅Ｗ１と凸部５５ａの幅Ｗ２とは等しくした。内筒体５５の外周面と外筒体５０の内周面との最大距離Ｌ２は１５ｍｍとし、最小距離Ｌ３は５ｍｍとした。
【００５７】
ジャケット部５２の内部容積Ｖを求めたところ、０．００８１ｍ3であった。ジャケット部５２の内部容積はＰＶ≦０．０４となるように設定されているので、Ｐの値は０．４８ＭＰａである。Ｐの値と蒸気表とから飽和蒸気温度を求めると、１５０℃であった。
【００５８】
（実施例２）
本実施例２では、ロール本体の内筒体５５の外周面に、図１０に示すように、周方向に凹凸を設けた。凹凸の形状は、断面が略三角形の凹部と凸部５５ａとの繰り返し連続形状とした。凹部の数と凸部５５ａの数は同数とした。内筒体５５の外周面と外筒体５０の内周面との最大距離Ｌ４は１５ｍｍとし、最小距離Ｌ５は５ｍｍとした。
【００５９】
ジャケット部５２の内部容積Ｖを求めたところ、０．００８１ｍ3であった。ジャケット部５２の内部容積はＰＶ≦０．０４となるように設定されているため、Ｐの値は０．４８ＭＰａである。Ｐの値と蒸気表とから飽和蒸気温度を求めると、１５０℃であった。
【００６０】
（実施例３）
本実施例３では、ロール本体の内筒体５５の外周面に、図１１に示すように、周方向に凹凸を設けた。凹凸の形状は、断面が略三角形の凹部と、断面が略台形の凸部５５ａとの繰り返し連続形状とした。凹部の数と凸部５５ａの数は同数とした。内筒体５５の外周面と外筒体５０の内周面との最大距離Ｌ６は１５ｍｍとし、最小距離Ｌ７は５ｍｍとした。凹部の形状は、高さが１０ｍｍ、底辺Ｗ３が１０ｍｍの三角形を底面とする三角柱とし、三角柱の高さは１１３０ｍｍ、三角柱の数は１６本とした。
【００６１】
ジャケット部５２の内部容積Ｖを求めたところ、０．００５ｍ3であった。ジャケット部５２の内部容積はＰＶ≦０．０４となるように設定されているため、Ｐの値は０．７９ＭＰａである。Ｐの値と蒸気表とから飽和蒸気温度を求めると、１７０℃であった。
【００６２】
（実施例４）
本実施例４では、ロール本体の内筒体５５の外周面に、図１２に示すように、スパイラル状の凹凸を設けた。このスパイラル状の凹凸は、内筒体５５の中央部を境に、スパイラル方向が逆になるように形成した。内筒体５５の外周面と外筒体（図示せず）の内周面との最大距離は１５ｍｍとし、最小距離は５ｍｍとした。凹部の形状は、高さＬ８が１０ｍｍ、底辺Ｌ９が１０ｍｍの三角形を底面とする三角柱とし、三角柱の高さは０．２２πｍｍ、三角柱の数は６０本とした。
【００６３】
ジャケット部５２の内部容積Ｖを求めたところ、０．００６ｍ3であった。ジャケット部５２の内部容積はＰＶ≦０．０４となるように設定されているため、Ｐの値は０．６５ＭＰａである。Ｐの値と蒸気表とから飽和蒸気温度を求めると、１６２℃であった。
【００６４】
（比較例１）
本比較例１のロール本体は、図６に示すジャケット構造とした。このロール本体を長手方向と直交する方向に切断したときの拡大断面図を図８に示す。本比較例１のロール本体は、内筒体５５の外周面には凹凸が形成されていない。内筒体５５の外周面と外筒体５０の内周面との距離Ｌ１は１５ｍｍとした。
【００６５】
ジャケット部の内部容積Ｖを求めたところ、０．０１２ｍ3であった。ジャケット部５２の内部容積はＰＶ≦０．０４となるように設定されているため、Ｐの値は０．３３ＭＰａである。Ｐの値と蒸気表とから飽和蒸気温度を求めると、１３７℃であった。
【００６６】
【表２】
【００６７】
以上の評価結果を表２にまとめて示す。表２に示すように、ジャケット部５２の内部容積Ｖは、実施例１及び２の場合、比較例に対して約３２．５％減少、実施例３の場合、比較例１に対して約５８％減少、実施例４の場合、比較例１に対して約５０％減少している。そして、表２に示す結果から明らかなように、ジャケット部５２の内部容積が減少すると、それに伴って圧力Ｐの値が高くなるとともに、水蒸気の飽和蒸気温度も高くなることが分かる。このことから、ジャケット部５２の内部容積が小さいほど、熱媒体の熱伝達効率を上げることができ、ロール本体表面の長手方向における温度ムラ発生の抑制効果を向上できると考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明の誘導加熱ロールは、ロール本体からの輻射熱による高周波コイルの過熱を防止でき、かつ低コストで容易にロール本体表面の長手方向における温度ムラの発生が抑制可能な高周波誘導加熱方式の加熱ロールとして、カレンダー機、エンボス機、ラミネータ機などに利用可能である。
【符号の説明】
【００６９】
１，１ａ 誘導加熱ロール
２，４ 誘導加熱装置
３，３ａ ロール本体
１０ 天板
１１ ネジ部材
１２ 左側板
１３ 正面板
１４ 右側板
１５ 背面板
１６ 底板
２０ 高周波コイル
２１ 磁心（フェライト鉄心）
２２ コイル線
２３ 電気絶縁樹脂
２４ 電気絶縁樹脂層
２５ センサ用穴
２６ ガラスマット
３０ 冷却エアー用パイプ
３０ａ 穴
３１ ネジ部材
３２ 冷却エアーの流動方向
４０ 給電リード線
５０ ロール本体の外殻部（外筒体）
５１，５２ 密閉された空間（ジャケット部）
５３ 支持部
５４ 開口部
５５ 内筒体
５５ａ 凸部
５６ 内筒体の内部空間
１００ ロール本体
１０１ ヒートパイプ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも外殻部が金属層で構成されるロール本体と、
前記ロール本体の外側に配置され、磁心と前記磁心を巻回するコイル線からなる高周波コイルを用いて前記ロール本体を誘導加熱する誘導加熱装置とを含み、
前記金属層は、磁束をつらぬく位置に配置されている誘導加熱ロールであって、
前記誘導加熱装置は、前記高周波コイルを冷却する冷却装置を有し、
前記ロール本体の内部には密閉された空間が形成され、前記密閉された空間内に熱媒体が封入されていることを特徴とする誘導加熱ロール。
【請求項２】
前記ロール本体は、前記外殻部を形成する外筒体と、前記外筒体内に同軸的に配置され、前記外筒体との間で前記密閉された空間を形成する内筒体とを備えたジャケット構造となっている請求項１に記載の誘導加熱ロール。
【請求項３】
前記ロール本体の一端には、前記内筒体の内部空間に連通する開口部が形成され、
前記ロール本体は、前記開口部から前記内筒体の内部に冷却流体を流す手段を含む請求項２に記載の誘導加熱ロール。
【請求項４】
前記誘導加熱装置の前記冷却装置は、前記高周波コイルの周囲に冷却風を流す装置である請求項１に記載の誘導加熱ロール。
【請求項５】
前記ロール本体の長手方向に、長さの異なる複数の誘導加熱装置を組み合わせて配置した請求項１ないし４のいずれか１項に記載の誘導加熱ロール。
【請求項６】
前記内筒体の外周面には、凹凸が形成されている請求項２に記載の誘導加熱ロール。
【請求項７】
前記凹凸の形状は、スパイラル状である請求項６に記載の誘導加熱ロール。
【請求項８】
前記スパイラル状の凹凸は、前記内筒体の長手方向の中央部を境にスパイラル方向が逆である請求項７に記載の誘導加熱ロール。
【請求項１】
少なくとも外殻部が金属層で構成されるロール本体と、
前記ロール本体の外側に配置され、磁心と前記磁心を巻回するコイル線からなる高周波コイルを用いて前記ロール本体を誘導加熱する誘導加熱装置とを含み、
前記金属層は、磁束をつらぬく位置に配置されている誘導加熱ロールであって、
前記誘導加熱装置は、前記高周波コイルを冷却する冷却装置を有し、
前記ロール本体の内部には密閉された空間が形成され、前記密閉された空間内に熱媒体が封入されていることを特徴とする誘導加熱ロール。
【請求項２】
前記ロール本体は、前記外殻部を形成する外筒体と、前記外筒体内に同軸的に配置され、前記外筒体との間で前記密閉された空間を形成する内筒体とを備えたジャケット構造となっている請求項１に記載の誘導加熱ロール。
【請求項３】
前記ロール本体の一端には、前記内筒体の内部空間に連通する開口部が形成され、
前記ロール本体は、前記開口部から前記内筒体の内部に冷却流体を流す手段を含む請求項２に記載の誘導加熱ロール。
【請求項４】
前記誘導加熱装置の前記冷却装置は、前記高周波コイルの周囲に冷却風を流す装置である請求項１に記載の誘導加熱ロール。
【請求項５】
前記ロール本体の長手方向に、長さの異なる複数の誘導加熱装置を組み合わせて配置した請求項１ないし４のいずれか１項に記載の誘導加熱ロール。
【請求項６】
前記内筒体の外周面には、凹凸が形成されている請求項２に記載の誘導加熱ロール。
【請求項７】
前記凹凸の形状は、スパイラル状である請求項６に記載の誘導加熱ロール。
【請求項８】
前記スパイラル状の凹凸は、前記内筒体の長手方向の中央部を境にスパイラル方向が逆である請求項７に記載の誘導加熱ロール。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１１−１９８７７５（Ｐ２０１１−１９８７７５Ａ）
【公開日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４７０７７（Ｐ２０１１−１４７０７７）
【出願日】平成２３年７月１日（２０１１．７．１）
【分割の表示】特願２００９−６６５８２（Ｐ２００９−６６５８２）の分割
【原出願日】平成２１年３月１８日（２００９．３．１８）
【出願人】（３９０００４７５４）ハイデック株式会社 (4)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月１日（２０１１．７．１）
【分割の表示】特願２００９−６６５８２（Ｐ２００９−６６５８２）の分割
【原出願日】平成２１年３月１８日（２００９．３．１８）
【出願人】（３９０００４７５４）ハイデック株式会社 (4)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]