JP5692893B2 - 誘導発熱ローラ装置 - Google Patents

Description

本発明は、誘導発熱ローラ装置に関するものである。

従来の誘導発熱ローラ装置は、特許文献１に示すように、ローラ本体の中空内部に鉄心及び誘導コイルからなる磁束発生機構を配置して、ローラ本体を誘導加熱するとともに、当該ローラ本体の側周壁内（肉厚内）に温度センサを配置している。そして、温度センサの温度検出信号に基づいて誘導コイルに流す電流を制御して、ローラ本体の表面温度を所定の温度に制御している。このとき、温度検出信号は、ローラ本体の端部に連結されたジャーナルに配置した回転トランスを介して、ローラ本体の外部（固定側）に配置した温度調整機構に送られる。また、回転側に配置した温度センサ等への電力は、固定側に配置した交流電源から回転トランスを介して供給するように構成している。

しかしながら、温度検出信号を、回転トランスを介して温度調整機構に送信する構成では、検出精度の高い温度センサを用いても、回転トランスの信号伝達精度などにより信号が劣化してしまい、ローラ本体の表面温度を高精度に調整することが難しく、ローラ本体の表面温度の変動を例えば±０．１℃以内に収めることが難しいという問題があった。

このようなことから、回転トランスによる伝達精度の問題を解決すべく、特許文献２に示すように、ローラ本体の側周壁内に設置された信号変換送信機構で温度検出信号をデジタル信号に変換し、ローラ本体の外部に設置された温度調整機構に無線送信するものが考えられている。具体的には無線送信するための信号変換送信機構をローラ本体の端部に連結されたジャーナルに配置することにより構成している。

そして、信号変換送信機構に電力供給を行う電源部として、特許文献２に示すように、ロール本体の回転を利用して発電する発電機や太陽電池を用いたものがある。この発電機や太陽電池は、ロール本体の両端に連結されたジャーナルに設けられている。

しかしながら、発電機方式の場合、回転エネルギを電気エネルギに変換する機構であり、ジャーナルの回転により回転する歯車、当該歯車に接続された回転軸を支持する軸受又は交流発電機の場合はスリップリング（回転側のリングや固定側のブラシ）、直流発電機の場合には整流子を備えており、それらの摩耗等に伴い、交換やメンテナンスが必要となるという問題がある。

また、太陽電池を電源部として用いた場合には、太陽電池パネル（受光部）もジャーナルの回転に伴い回転することになるので、太陽電池パネルが陰にならないように別途光源を設ける必要がある。

一方、信号変換送信機構の電源部として、特許文献３に示すように、磁束発生機構の誘導コイルと電磁結合して発電する発電コイルを用いたものがある。

しかしながら、磁束発生機構の誘導コイルに供給される電圧が交流電圧であるため、当該誘導コイルにより生じる磁束が交番磁束となり、発電コイルにより発生する電圧が交流電圧となってしまう。そうすると、信号変換送信機構に直流電圧を供給するためにはＡＣ−ＤＣコンバータが必要になってしまう。この場合、ジャーナルに信号変換送信機構を設ける上にＡＣ−ＤＣコンバータを設けることは構造上難しいという問題がある。

特開２００３−１７８８６２号公報 特開２００８−２６２７９７号公報 特開２００８−２９８８１６号公報

そこで本発明は、上記問題点を一挙に解決するためになされたものであり、ローラ本体周辺の信号ケーブルや電源ケーブルを無くして配線を簡素化するとともに、電源部の構成を可及的に簡単化することをその主たる所期課題とするものである。

すなわち本発明に係る誘導発熱ローラ装置は、円筒状のローラ本体と、前記ローラ本体の両端部に設けられており、フランジ形状をなすジャーナルと、前記ローラ本体の中空内にその軸方向に沿って配置された鉄心及びこの鉄心に巻回された誘導コイルからなる磁束発生機構と、前記誘導コイルに供給する電力を制御することにより前記ローラ本体の温度を調整する温度調整機構と、前記ローラ本体の側周壁内に挿入して設けられており、ローラ本体表面の温度を検出する温度センサと、前記ローラ本体に設けられており、前記温度センサの検出信号をデジタル信号に変換して前記温度制御機構に無線送信する信号変換送信機構とを備え、前記信号変換送信機構に電力を供給する電源部が、加熱面がローラ本体側に接触して設けられ、冷却面が外気側に面して設けられて、ローラ本体側の温度と外気温との温度差を利用して発電する熱電変換素子を用いて構成されており、前記熱電変換素子が、前記ジャーナルのフランジ部外端面に設けられていることを特徴とする。

ここで、「熱電変換素子の加熱面がローラ本体側に接触して設けられる」とは、ローラ本体に加熱面を直接又は熱良導体を介して接触させて設けることの他、ローラ本体に熱的に連続して設けられた別部材に直接又は熱良導体を介して接触させて設けることを含む。また、「熱電変換素子の冷却面が外気側に面して設けられる」とは、冷却面そのものが外気に接触して設けられることの他、外気に接触して設けられたヒートパイプ等の熱伝達素子に接触して設けられることを含む。

このようなものであれば、温度センサの温度検出信号を温度調整機構に無線送信することによって、少なくとも温度センサの検出信号を温度調整機構に送信するための配線を不要とすることができ、ローラ本体周辺の配線を簡素化することができる。これにより、ローラ本体の設置自由度を高めることができる。また、ローラ本体側の温度と外気温との温度差を利用して発電する熱電変換素子を用いて電源部を構成しているので、ローラ本体の熱を有効活用して電力供給することができるとともに、従来の発電機方式、太陽電池方式又は発電コイル方式に比べて構成を簡単化することができる。

熱電変換素子の加熱面及び冷却面での温度差を可及的に大きくして熱電変換素子により生じる出力電圧（起電力）を可及的に大きくするためには、前記ローラ本体の両端部に設けられたジャーナルに前記熱電変換素子が設けられており、前記熱電変換素子の加熱面がジャーナルに接触して設けられており、前記熱電変換素子の冷却面には放熱フィンが設けられていることが望ましい。これならば、ローラ本体により生じる熱により加熱面を加熱しながら、ローラ本体の回転を利用して冷却面を冷却することができ、両面の温度差を可及的に大きくすることができる。また、冷却面に放熱フィンを設けることによって、ローラ本体の回転に伴い冷却面の熱が放熱フィンによって放熱されて冷却されることから、より一層温度差を大きくすることができる。

このとき、ローラ本体の回転に伴い放熱フィンによる放熱が効率的に行われるようにするためには、前記放熱フィンが、前記ローラ本体の回転方向に沿って延びるように複数設けられていることが望ましい。

熱電変換素子の出力電圧を有効活用するとともに、熱電変換素子の出力電圧が小さい場合に信号変換送信機構に動作を行わせるためには、前記信号変換送信機構に電力を供給する電源部が、熱電変換素子の他に二次電池を備えており、前記熱電変換素子の出力電圧が、前記信号変換送信機構の駆動電圧よりも大きい場合には、その余剰電圧を前記二次電池に充電させるとともに、前記熱電変換素子の出力電圧が、前記信号変換送信機構の駆動電圧よりも小さい場合には、その不足電圧を前記二次電池から出力するように構成している。これならば、ローラ本体が冷間状態であり、熱電変換素子に加熱面及び冷却面の温度差が十分でない場合であっても、信号変換送信機構を動作させることができる。

前記ローラ本体が、その側周壁内に軸方向に沿って設けられて、気液二相の熱媒体が封入されたジャケット室を有することが望ましい。これならば、ローラ本体の軸方向の温度分布を均一にすることができ、ローラ本体の温度不均一によって熱電変換機構が設けられた部分が低温領域となってしまい、加熱面及び冷却面の温度差が十分に得られてないという不具合を解消することができる。

このように構成した本発明によれば、ローラ本体周辺の信号ケーブルや電源ケーブルを無くして配線を簡素化するとともに、電源部の構成を可及的に簡単化することができる。

本発明の一実施形態に係る誘導発熱ローラ装置の模式的構成図である。 同実施形態の信号変換送信機構及びその周辺構成を示すブロック図である。 同実施形態の熱電変換素子の具体的構成を示す部分拡大斜視図である。 熱電変換素子の放熱フィンの変形例を示す部分拡大斜視図である。 熱電変換素子の配置態様を示す図である。

以下に本発明に係る誘導発熱ローラ装置の一実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態に係る誘導発熱ローラ装置１００は、例えばプラスチックフィルム、紙、布、不織布、合成繊維、金属箔等のシート材又はウェブ材、線（糸）材等の連続熱処理工程等において用いられるものであり、図１に示すように、回転可能に設けられた中空円筒状のローラ本体２と、このローラ本体２内に収容される磁束発生機構３と、を備えている。

ローラ本体２の両端部には、ジャーナル４１が一体的に取り付けられている。このジャーナル４１は、中空の駆動軸４２が一体に構成されたフランジ形状をなすものである。このジャーナル４１は、ローラ本体２の端部開口を覆うように当該本体２の端部に連結されている。また、駆動軸４２は、転がり軸受等の軸受５１を介して基台５２に回転自在に支持されている。そして、ローラ本体２は、例えばモータ等により外部から与えられる駆動力によって回転されるように構成されている。

また、ローラ本体２の側周壁２１には、長手方向（軸方向）に延びる気液二相の熱媒体を封入するジャケット室２１Ａが、周方向に複数形成されている。当該複数のジャケット室２１Ａの端部は、隣接するジャケット室２１Ａの端部と連通している。このジャケット室２１Ａ内に封入した気液二相の熱媒体の潜熱移動によりローラ本体２の表面温度を均一化する。

さらに、ローラ本体２には、ローラ本体２の表面温度を検出するための例えばＰｔ１００等の測温抵抗体又は例えばＫ熱電対等の熱電対からなる温度センサＴ１が設けられている。本実施形態では、ローラ本体２においてジャケット室２１Ａとローラ本体２の外周面との間に細孔を穿ち、この細孔に温度センサＴ１を挿入することによって、温度センサＴ１がローラ本体２の側周壁内に設けられる。なお、符号Ｌ１は、温度センサＴ１の検出信号を後述する信号変換送信機構９に伝送するためのリード線である。

磁束発生機構３は、円筒形状をなす円筒状鉄心３１と、当該円筒状鉄心３１の外側周面に巻装された誘導コイル３２とから構成されている。円筒状鉄心３１の両端にはそれぞれ、支持ロッド６が取り付けられている。この支持ロッド６は、それぞれ駆動軸４２の内部に挿通されており、転がり軸受等の軸受７を介して駆動軸４２に対して回転自在に支持されている。これにより、磁束発生機構３は、ローラ本体２の内部において、宙づり状態で支持されることになる。また、磁束発生機構３は、図示しない廻り止めにより架台との間で回転が拘束されている。誘導コイル３２には、リード線Ｌ２が接続されており、このリード線Ｌ２には、交流電圧を印加するための交流電源Ｐが後述する温度調整機構８を介して接続されている。

このような磁束発生機構３により、誘導コイル３２に交流電圧が印加されると交番磁束が発生し、その交番磁束はローラ本体２の側周壁２１を通過する。この通過によりローラ本体２に誘導電流が発生し、その誘導電流でローラ本体２はジュール発熱する。ローラ本体２は、内部に設けられたジャケット室２１Ａにより、ローラ本体２の軸方向の表面温度を均一化する。

しかして、本実施形態の誘導発熱ローラ装置１００は、誘導コイル３２に供給する電力を制御することによりローラ本体２の温度を調整する温度調整機構８と、温度センサＴ１の検出信号をデジタル信号に変換して温度制御機構８に無線送信する信号変換送信機構９とを備えている。

温度調整機構８は、誘導コイル３２と交流電源Ｐとの間に介在して設けられており、交流電源Ｐから誘導コイル３２に印加される交流電圧を調整することによって、ローラ本体２の表面温度を調整するものである。具体的な構成は、図１に示すように、受信用アンテナ、受信ＩＣ、マイコン及びＤ／Ａコンバータを有する受信部８１と、当該受信部８１により変換されたアナログ信号である温度検出信号と予め設定したローラ本体２の表面温度と比較し、その偏差を算出する温度調整部８２と、当該温度調整部８２により得られた偏差に応じて誘導コイル３２に印加する電圧を制御する例えばサイリスタユニットからなる電圧調整部８３とを備えている。

信号変換送信機構９は、ジャーナル４１に固定して設けられており、温度センサＴ１がリード線Ｌ１を介して接続されるとともに、その温度検出信号をアナログ信号から例えば１６ビットのデジタル信号に変換して温度調整機構８の受信部８１に無線送信するものである。具体的な構成は、図２に示すように、温度センサＴ１により得られるアナログ信号である温度検出信号を無線伝送に最適なデジタル信号（例えば１６ビット）に変換する温度検出信号変換部９１と、変換されたデジタル信号を温度調整機構８の受信部８１に送信する、受信用アンテナ、受信ＩＣ、マイコンを有する送信部９２とを備えている。温度検出信号変換部９１と送信部９２とはリード線Ｌ４により接続されている。

さらに本実施形態の誘導発熱ローラ装置１００は、信号変換送信機構９に電力を供給する電源部１０が、ローラ本体２の熱エネルギを直接電気エネルギに変換する熱電変換素子１０１を用いて構成されている。具体的に熱電変換素子１０１は、図３に示すように、加熱面１０１ａがローラ本体２側に接触して設けられ、冷却面１０１ｂが外気側に面して設けられて、ローラ本体２側の温度と外気温との温度差を利用して発電するゼーベック素子である。なお、熱電変換素子１０１は、定電圧回路１０２を介して、リード線Ｌ３によって信号変換送信機構９に接続されている（図２参照）。

具体的には、熱電変換素子１０１は、ローラ本体２の端部に連結されたジャーナル４１の少なくとも一方に１又は複数設けられている。このとき、熱電変換素子１０１は、信号変換送信機構９が設けられたジャーナル４１に設けることが、リード線Ｌ１の配線の簡単化の観点から望ましい（図２参照）。そして、熱電変換素子１０１は、その加熱面１０１ａがジャーナル４１のフランジ部外端面に接触して設けられており、冷却面１０１ｂには放熱フィン１０３が設けられている（図３参照）。

ここで、ジャーナル４１のフランジ部との熱伝導率を向上させるために、熱電変換素子１０１の加熱面１０１ａとフランジ部端面との間にサーモグリス等の熱良導体（不図示）を介在させている。また、熱電変換素子１０１は、ジャーナル４１のフランジ部端面において径方向外縁部に設けられていることが望ましい。これにより、熱電変換素子１０１の加熱面１０１ａをローラ本体２の表面に可及的に近づけることができ、加熱面１０１ａを加熱し易くすることができる。また、ローラ本体２の回転により、熱電変換素子１０１の移動距離を大きくして冷却面１０１ｂの冷却効率を向上させることをこともできる。

熱電変換素子１０１の冷却面１０１ｂに密着して設けられた放熱フィン１０３は、ローラ本体２の回転方向に沿って延びるように複数設けられている。この放熱フィン１０３は、例えばアルミニウムや銅等の熱伝導性に優れた材質からなるものであり、冷却面１０１ｂから外気への放熱を促進している。本実施形態では、放熱フィン１０３の加工を容易にする観点から平板状の放熱フィン１０３を回転方向に沿って設けている。また、加熱面１０１ａと同様にして、冷却面１０１ｂと放熱フィン１０３の基材との間に熱良導体（不図示）を介在させている。この放熱フィン１０３により、ローラ本体２の回転により放熱フィン１０３から外気への熱伝達（放熱）が促進されて、熱電変換素子１０１の両面１０１ａ、１０１ｂ間の温度差が大きくなり、熱起電力を大きくすることができる。

さらに、電源部１０は、熱電変換素子１０１の他に二次電池１０４を備えている。この二次電池１０４は、過充電保護回路１０５を介して熱電変換素子１０１に接続されている。

この二次電池１０４には、熱電変換素子１０１から出力された出力電圧が充電される。具体的には、熱電変換素子１０１の出力電圧が、信号変換送信機構９の駆動電圧よりも大きい場合に、その余剰電圧が二次電池１０４に充電される。また、ローラ本体２の温度が低く熱電変換素子１０１が十分に機能していない等により、熱電変換素子１０１の出力電圧が信号変換送信機構９の駆動電圧よりも小さい場合には、その不足電圧を二次電池１０４から出力する。

また、電源部１０には、二次電池充電用の外部端子（不図示）が設けられている。これにより、熱電変換素子１０１により二次電池１０４が充電されていない場合（例えば誘導発熱ローラ装置１００の起動後から一定時間の間）であっても、事前に別途電源ケーブルを外部端子に接続して、二次電池１０４に充填することができるので、二次電池１０４の充電量不足により信号変換送信機構９が動作しないという不具合を解消することができる。

＜本実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態に係る誘導発熱ローラ装置１００によれば、温度センサＴ１の温度検出信号を温度調整機構８に無線送信することによって、少なくとも温度センサＴ１の温度検出信号を温度調整機構８に送信するための配線を不要とすることができ、ローラ本体２周辺の配線を簡素化することができる。これにより、ローラ本体２の設置自由度を高めることができる。

また、ローラ本体２側の温度と外気温との温度差を利用して発電する熱電変換素子１０１を用いて電源部１０を構成しているので、ローラ本体２の熱を有効活用して電力供給することができるとともに、従来の発電機方式、太陽電池方式又は発電コイル方式に比べて構成を簡単化することができる。

＜その他の変形実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

前記実施形態の放熱フィン１０３は、平板状をなすものであったが、図４に示すように、ローラ本体２の回転方向に沿って湾曲した湾曲板状をなすものであっても良い。これにより、ローラ本体２の回転中において放熱フィン１０３により生じる回転抵抗を可及的に小さくすることができる。また、放熱フィン１０３と外気との接触面積を大きくすることができ、放熱効率を向上させることができる。なお、放熱フィン１０３は、板状をなすものの他、棒状をなすものであっても良い。

さらに、前記実施形態においては、複数の熱電変換素子を用いた場合のその配置態様については特に言及していないが、例えば、図５に示すように、ジャーナルのフランジ部端面に周方向に等間隔に設けること（図５（Ａ）参照）や、径方向において異なる位置に設けること（図５（Ｂ）参照）等が考えられる。また、それら複数の熱電変換素子のうち、一部又は全部を直列接続しても良いし、並列接続しても良い。

その上、熱電変換素子に設けられた放熱フィンを外部から強制的に冷却する冷却機構を設けても良い。例えば、放熱フィンに冷却された空気を送風するようにしても良いし、冷却水を循環させる冷却水流通管を放熱フィン近傍に設けても良い。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００ ・・・誘導発熱ローラ装置
２ ・・・ローラ本体
２１Ａ ・・・ジャケット室
３ ・・・磁束発生機構
３１ ・・・鉄心
３２ ・・・誘導コイル
４１ ・・・ジャーナル
Ｔ１ ・・・温度センサ
８ ・・・温度調整機構
９ ・・・信号変換送信機構
１０ ・・・電源部
１０１ ・・・熱電変換素子（ゼーベック素子）
１０１ａ・・・加熱面
１０１ｂ・・・冷却面
１０３ ・・・放熱フィン
１０４ ・・・二次電池

Claims (5)

1. 円筒状のローラ本体と、
   前記ローラ本体の両端部に設けられており、フランジ形状をなすジャーナルと、
   前記ローラ本体の中空内にその軸方向に沿って配置された鉄心及びこの鉄心に巻回された誘導コイルからなる磁束発生機構と、
   前記誘導コイルに供給する電力を制御することにより前記ローラ本体の温度を調整する温度調整機構と、
   前記ローラ本体の側周壁内に挿入して設けられており、ローラ本体表面の温度を検出する温度センサと、
   前記ローラ本体に設けられており、前記温度センサの検出信号をデジタル信号に変換して前記温度制御機構に無線送信する信号変換送信機構とを備え、
   前記信号変換送信機構に電力を供給する電源部が、加熱面がローラ本体側に接触して設けられ、冷却面が外気側に面して設けられて、ローラ本体側の温度と外気温との温度差を利用して発電する熱電変換素子を用いて構成されており、
   前記熱電変換素子が、前記ジャーナルのフランジ部外端面に設けられている誘導発熱ローラ装置。
2. 前記熱電変換素子の加熱面が前記ジャーナルに接触して設けられており、前記熱電変換素子の冷却面には放熱フィンが設けられている請求項１記載の誘導発熱ローラ装置。
3. 前記放熱フィンが、前記ローラ本体の回転方向に沿って延びるように複数設けられている請求項２記載の誘導発熱ローラ装置。
4. 前記信号変換送信機構に電力を供給する電源部が、熱電変換素子の他に二次電池を備えており、
   前記熱電変換素子の出力電圧が、前記信号変換送信機構の駆動電圧よりも大きい場合には、その余剰電圧を前記二次電池に充電させるとともに、前記熱電変換素子の出力電圧が、前記信号変換送信機構の駆動電圧よりも小さい場合には、その不足電圧を前記二次電池から出力するように構成している請求項１、２又は３記載の誘導発熱ローラ装置。
5. 前記ローラ本体が、その側周壁内に軸方向に沿って設けられて、気液二相の熱媒体が封入されたジャケット室を有する請求項１、２、３又は４記載の誘導発熱ローラ装置。