JP4199857B2 - ヒーティングローラ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、フィルム、布地、紙等を熱処理するローラに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、カレンダローラ、ラミネータローラ、定着ローラ等の熱ローラは、金属パイプの内部にヒータを埋め込み間接的に外周のパイプを加熱する方法を採用していたが、表面温度が不均一になりやすく、フィルム等の熱加工には不向きであった。
そこで、表面の熱分布状態の均一化を向上させるため、パイプ内に液体等の熱媒を循環させる方法、および熱媒循環方法に誘導加熱方法を組み合わせた方法等がとられているが、これらの方法は付帯装置が煩雑となり、またパイプ重量も増大し、駆動系も含め極めて高価なものとなってしまった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、均一な表面温度を有し、軽量であるヒーティングローラを安価に提供するものである。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明のヒーティングローラは、高い引っ張り強度および高い弾性率を有するカーボン繊維を内在するプリプレグ材よりなる表面層と、表面層の内側に配設され電気供給部に連絡する高い電気抵抗値を有するカーボン繊維を内在するプリプレグ材よりなる発熱部とを基本的構成として備えている。
【0005】
そして、発熱部はプリプレグ材を積層し、積層するプリプレグ材は一層目のプリプレグ材に内在するカーボン繊維の並設方向に対して、カーボン繊維の並設方向を異ならせて積層するとともに、発熱部は積層するプリプレグ材間のカーボン繊維の積層角度により電気抵抗値を調整する構成を具備する。
【0006】
【発明の実施の形態】
本発明のヒーティングローラの実施の形態を図面により説明する。
実施の形態1
図1はヒーティングローラ10の平面図、図2は図1A部の断面図、図3は図1B部の断面図である。
ヒーティングローラ10は中心軸11と、中心軸11の周縁に配設するヒートパイプ13と、電気供給部30を有する。
ヒートパイプ13は中心軸11に対してベアリング12を介して回転自在に配設されている。
ヒートパイプ13は筒状のパイプ本体15とパイプ本体15を中心軸11に取り付ける取付部17とよりなる。
【0007】
ヒートパイプ13のパイプ本体15は、この実施例においては、内径寸法γを96φ、周長Wは302mmとするパイプであって、内側の第1の層に硝子クロスプリプレグよりなる絶縁第1の層151を配設する。絶縁第1の層151の上面に高抵抗値を有するカーボンプリプレグ材よりなる発熱層153を積層する。
発熱層153を構成するカーボンプリプレグ材は、高い電気抵抗値を有するカーボン繊維を均一に同一方向に併設している。
【0008】
発熱層153の上面には絶縁第2の層155を介して高強度を有するカーボンプリプレグ材を10層積層している。
【0009】
絶縁第1の層151の取付部方向両端部分には電極層20を配設している。
電極層20は金属材料よりなりなり、絶縁第1の層151に埋設され、一面を発熱層153に接触している。
各プリプレグは耐熱性の高いエポキシ、ポリイミド等の熱硬化性樹脂が含浸されており、各プリプレグをマンドレル(芯金)に積層後、ポリエステルテープ等の熱収縮性のテープを、パイプ状の積層体の外周に捲き付け、温度180℃で2時間加熱硬化を実行し、パイプ本体15を構成する。
【0010】
ここで、カーボン繊維の特性を表1に示す。
【表1】
【0011】
この表に示すように、(1)に示す高い電気抵抗値を有するカーボン繊維は(2)に示す通常のカーボン繊維に比較して固有抵抗値は約40倍以上の値となっている。
(2)に示す通常のカーボン繊維は固有抵抗値は低いけれど、高い強度(引っ張り強度、引っ張り弾性)を有しており、高い電気抵抗値を有するカーボン繊維に比較して引っ張り強度においては5倍以上、引っ張り弾性は3.5倍となっている。
【0013】
次に、これらの特性を有するカーボン繊維を同方向に並設して加熱硬化させたプリプレグ材の特性をみる。
【表2】
【0014】
高強度カーボン繊維を内在するプリプレグ材は、高抵抗値を有するカーボン繊維を内在するプリプレグ材に比較して、引っ張り弾性率は3倍程度強い。また、高抵抗値を有するカーボン繊維よりなるプリプレグ材は通常のカーボン繊維よりなるプリプレグ材に比較して4倍以上の電気抵抗値を有している。
そこで、この発明のヒーティングローラ10のパイプ本体15は、高い電気抵抗値を有するプリプレグ材を発熱層153とし、高弾性、高強度特性を有するプリプレグ材を表面層157として、補強している。
【0015】
このように構成されるパイプ本体15を取付部17に取り付ける。
取付部17は、中心軸11のベアリング12に連結され、パイプ本体15を支持する支持部171と、支持部171に載置され、電極20と電気供給部30とを電気的に連絡する金属板173と、パイプ本体15の端縁部分を被覆するカバー175を有している。
電気供給部30と金属板173はベアリング33を介して連結されており、ヒートパイプ13は中心軸11、電気供給部30に対してベアリング12,33により回転自在に構成されている。
【0016】
この構成よりなるヒーティングローラ10は、電気供給部30から電極20に電圧を掛けた場合、高い抵抗値を有する発熱層153が発熱する。
この場合の電極20間の発熱層153の電気抵抗値は次のようになる。
16.9×1000/302=56Ω (L=1000、W=302)
ここで、電気供給部30の供給電圧を100Vとすると、56Ωの抵抗値を有する発熱層153の消費電力量は、発電量約180Wとなる。
【0017】
また、この構成よりなるパイプ本体13の重量は1m当たり約990gである。また、同一剛性のパイプ(外径100φ、内径97.56φ)を鉄で製作した場合、1m当たりの重量は2.95Kgであった。
【0018】
すなわち、本発明のパイプ本体は鉄製のパイプに比較して、約64%の軽量化となっている。
この構成よりなるヒートパイプ13は電気供給部30から電気が供給されたとき、金属板173を介して電極20に通電され、電気抵抗値が高い発熱層153を発熱させる。発熱層153の熱は熱伝導により表面層157を加熱する。
例えば、電気供給部30の供給電圧100Vのとき、表面層157の温度は180℃となった。
このように、この実施の形態におけるヒーティングローラ10は、高い抵抗値を有するカーボン繊維を加熱硬化させた合成樹脂素材を発熱層153に用いることにより、確実で均一な加熱が実行できると共に、軽量となり、操作がしやすい。
【0019】
実施の形態2
この実施の形態は発熱層の積層構造を変更している。
図5はこの実施の形態のヒーティングローラの構成断面図、第6図は発熱層の積層状態の説明図である。
ヒーティングローラ50は筒状のパイプ本体55とパイプ本体55を中心軸11に取り付ける取付部57とよりなるヒートパイプ53と、ヒートパイプ53に電気を供給する電気供給部300を有している。
【0020】
ヒートパイプ53はキー70を介して、中心軸11に一体的に取り付けられており、モータ等により駆動ローラとなっている。
ヒートパイプ53のパイプ本体55は、例えば、内径寸法γを96φ、周長Wを302mmとするパイプであって、発熱層は硝子クロスプリプレグよりなる内側第1の層551と、内側第1の層551と同様な素材で形成される絶縁第2層557とで挾持されている。
【0021】
発熱層は高抵抗値を有するカーボンプリプレグ材よりなる第1の発熱層553と、高抵抗値を有するカーボンプリプレグ材よりなる第2の発熱層555が積層されて形成されている。
そして、第1の発熱層553と第2の発熱層555は、カーボン繊維の並設方向を異ならせて積層している。
すなわち、第1の発熱層553はカーボン繊維の並設方向を矢印αで示すように、θ=+60°、第2の発熱層155のカーボン繊維の並設方向は矢印βで示すように、θ=−60°となるように積層する。……図6参照
【0022】
ここで、積層するカーボンプリプレグ材のカーボン繊維の並設角による電気抵抗値の変化をみる。……図7参照
このグラフによると、積層するカーボン繊維プリプレグ材の第1層と第2層のカーボン繊維の角度(θ)が大きくなると、積層体の抵抗値は大きくなっている。そして、この実施の形態で実行する角度θを60度とした場合、積層体の抵抗値は40となっている。
【0023】
さらに、第2の発熱層555の上面に絶縁第2の層557を介して高強度を有するプリプレグ材を積層して表面層559を構成し、実施の形態1と同様に熱収縮性のテープを積層パイプの外周に捲き付け、温度180℃で2時間加熱硬化してパイプ本体55を形成している。
【0024】
このヒーティングローラ50においても、絶縁第1の層551の両端部分には電極層60を配設している。そして、電極間隔Lを1000mm、電極の長さWを302mmとしたとき、電極60間の発熱層553,555の抵抗値を図7のグラフを参照して計算すると、第1の発熱層553と第2の発熱層555の積層角度θを60度としたとき、
40×1000/302=132Ω
となる。
そして、このヒーティングローラ50の電気供給部300への供給電圧を100Vとすると、金属板573を介して電極60間の発熱層の消費電力量は約76Wであった。
【0025】
この実施の形態では発熱層を高抵抗カーボン繊維プリプレグ材を2層構造とし、カーボン繊維の積層角度を60度した例を示したが、電極間の発熱層の抵抗値はカーボン繊維の積層角度を調整する、あるいは高抵抗カーボン繊維プリプレグ材の層厚を調整する、または積層数を変えることにより、任意の抵抗値を得ることができる。
さらに、ヒーテイングローラの剛性は、表面層(表層側)の高弾性、高強度のプリプレグ材の厚さを変えることにより、任意の強度、剛性が得られる。
【0026】
【発明の効果】
本発明のヒーティングローラは、発熱体として、高抵抗率を有するカーボン繊維を所定の厚み、角度に積層したものを用いることにより発熱部の簡素化及び軽量化の向上を図っている。
更に高強度、高弾性率カーボン繊維を表面補強材として配設することによりヒーティングローラの強度、剛性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るヒーティングローラの平面図。
【図2】図1A部の断面図。
【図3】図1B部の構成説明図。
【図4】発熱層の説明図。
【図5】実施の形態2のヒーティングローラの要部の構成説明図。
【図6】実施の形態2の発熱層の説明図。
【図7】発熱層の積層角による発熱層の抵抗値の変化を表すグラフ。
【符号の説明】
10、50 ヒーティングローラ
11 中心軸
12 ベアリング
13、53 ヒートパイプ
15、55 パイプ本体
151、551 絶縁第1の層
153、553、555 発熱層
155、557 絶縁第2の層
157、559 表面層
17 取付部
171 支持部
173、573 金属板
175 カバー
20、60 電極
30、300 電気供給部
70 キー
Claims (1)
- カーボン繊維を内在するプリプレグ材よりなる表面層と、該表面層の内側に配設され電気供給部に連絡する、カーボン繊維を内部に並設するプリプレグ材よりなる発熱部とを備えたヒーティングローラであって、
発熱部はプリプレグ材を積層し、積層するプリプレグ材は一層目のプリプレグ材に内在するカーボン繊維の並設方向に対して、カーボン繊維の並設方向を異ならせて積層するとともに、発熱部は積層するプリプレグ材間のカーボン繊維の積層角度により電気抵抗値を調整することを特徴とするヒーティングローラ。
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