JP7481249B2

JP7481249B2 - 熱処理装置

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Publication number: JP7481249B2
Application number: JP2020210754A
Authority: JP
Inventors: 晨工藤; 昌隆大所; 俊一弓場; 丈夫日浅
Original assignee: Hirano Tecseed Co Ltd
Current assignee: Hirano Tecseed Co Ltd
Priority date: 2020-12-18
Filing date: 2020-12-18
Publication date: 2024-05-10
Anticipated expiration: 2040-12-18
Also published as: JP2022097272A

Description

本発明は、ウエブを熱処理するための熱処理装置に関するものである。

フィルム、金属箔、紙、布帛などの長尺状のウエブに塗工液を塗工し、その後にこの塗工液を乾燥させたり、ウエブを熱で拡幅するために熱処理装置が用いられている。この熱処理装置は、断熱性を有する熱処理室内にウエブを水平方向に搬入し、その搬入されたウエブの上方に配された複数のノズルから熱風をウエブに吹き付け、また、ウエブの下方には複数の走行ロールが配され、これら走行ロールがウエブをスムーズに搬送する。

特開２０１３－２５４５９５号公報

しかし、上記のような熱処理装置において、ウエブの乾燥条件によっては、走行ロールの表面に結露が発生することがある。その理由としては、例えば塗工液に含まれている溶剤が、加熱によって気化し、そのときの気化熱が走行ロールの表面温度を下げて、結露が発生する。このように走行ロールの表面に結露が発生すると、走行ロールの表面に錆が発生したり、水分がウエブの下面に付着し、ウエブが不良品になるという問題点があった。

そこで本発明は上記問題点に鑑み、熱処理室内にある走行ロールの表面に結露が発生しないようにした熱処理装置を提供することを目的とする。

本発明は、断熱性を有する熱処理室と、前記熱処理室の前面に開口し、走行するウエブが搬入される入口と、前記熱処理室の後面に開口し、前記ウエブが搬出される出口と、前記熱処理室内において、前記ウエブの搬送路の上方に配され、前記ウエブに熱風を吹き出す複数のノズルと、前記搬送路の下方に前記ウエブが走行するために複数配列された走行ロールと、外部から給気した空気を冷却する冷却部と、前記冷却部により冷却された前記空気を加熱するヒータと、前記ヒータで加熱された前記空気を複数の前記ノズルに送る送風機と、前記走行ロールの表面の飽和水蒸気量を算出し、前記ノズルから吹き出された前記熱風の水蒸気量を算出し、前記熱風の水蒸気量が、前記走行ロールの表面の飽和水蒸気量より高いときは、前記冷却部による冷却能力を上げて、前記熱風の水蒸気量を下げて乾燥させる制御部と、を有することを特徴とする熱処理装置である。

本発明によれば、走行ロールの表面の飽和水蒸気量を算出し、ノズルから吹き出された熱風の水蒸気量を算出し、熱風の水蒸気量が、走行ロールの飽和水蒸気量より高いときは、走行ロールに結露が発生する可能性があるため、冷却部による冷却能力を上げて、熱風の水蒸気量を下げて熱風を乾燥させて走行ロールの表面における結露を防止する。

本発明の一実施形態を示す熱処理装置の説明図である。熱処理装置における熱処理室内の相対湿度を制御する方法を示すフローチャートである。

本発明の一実施形態のウエブＷの熱処理装置１０について、図１と図２を参照して説明する。本実施形態の熱処理装置１０によって熱処理される長尺状のウエブＷは、例えば、フィルム、金属箔、紙、布帛などである。

（１）熱処理装置１０の構造
熱処理装置１０の構造について図１を参照して説明する。熱処理装置１０は、ウエブＷの熱処理を行うために断熱性を有する熱処理室１２を有している。この熱処理室１２はほぼ直方体であり、前面にはウエブＷの出口１４が開口し、後面にはウエブＷの入口１６が開口している。

熱処理室１２内において、入口１６から出口１４に向かうウエブＷの水平な搬送路の上方には、前後方向に沿ってダクト１８が延びている。このダクト１８の下面には、ノズル２０が前後方向に所定間隔を開けて配されている。これらノズル２０は、ウエブＷの幅方向に沿って延び、下端にスリット状の熱風の吹き出し口２２が、ウエブＷの幅方向に沿って開口している。この複数のノズル２０の吹き出し口２２から搬送路を走行するウエブＷに熱風が吹き出される。

搬送路の下方において、走行ロール２４が、所定間隔を開けて入口１６から出口１４まで回転自在に配列されている。これら走行ロール２４は、走行するウエブＷの搬送速度Ｖと同じ速度で回転するように同期して駆動され、走行するウエブＷを回転しながら支持する。走行ロール２４は、金属製であり、例えば、鉄、アルミニウムの表面にクロムメッキを施したものである。

熱処理室１２外において、外気から空気を給気する給気口２６と、給気口２６から給気された空気を、ＨＥＰＡフィルタ３０に送風するブロワ２８が設けられている。「ＨＥＰＡフィルタ（High Efficiency Particulate Air Filter）３０」とは、定格風量で粒径が０．３μｍの粒子に対して９９．９７％以上の粒子捕集率を用い、初期圧力損失が２４５Ｐａ以下の性能を持つエアフィルターを意味する。

熱処理室１２外において、ＨＥＰＡフィルタ３０の空気の出口には第１接続管３２の一端が接続され、この第１接続管３２の他端には、冷却部であるラジエータ３４が接続されている。このラジエータ３４は、ＨＥＰＡフィルタ３０から送られてきた空気を冷却して、結露を生じさせ、給気された空気を乾燥させる。ラジエータ３４の出口には第２接続管３６の一端が接続され、この第２接続管３６の他端はファン（送風機）３８の入口に接続されている。ファン３８の出口には、空気を所定温度まで加熱するヒータ４０が接続されている。ヒータ４０で加熱された空気は、熱処理室１２内にあるダクト１８に送られる。ダクト１８に送られた加熱空気は、複数のノズル２０から熱風として吹き出される。

ラジエータ３４の冷却能力を制御するためにチラーユニット４２と調整弁４６が設けられている。チラーユニット４２は、水を冷却し、冷却水としてラジエータ３４に供給する。そして、ラジエータ３４を冷却した冷却水はチラーユニット４２に戻り、排水される。このチラーユニット４２とラジエータ３４との間には冷却水が流れる配水管４４が設けられ、配水管４４の途中には、冷却水の流量を調整する調整弁４６が設けられている。この調整弁４６を調整することにより、ラジエータ３４に送られる冷却水の流量を調整しラジエータ３４の冷却能力を制御する。すなわち、調整弁４６によって冷却水の流量を減らすとラジエータ３４の冷却能力が下がり、逆に冷却水の流量を増やすとラジエータ３４の冷却能力が上がる。

熱処理室１２の出口１４付近の天井面、又は、側面には排気口５６が設けられ、この排気口５６には排気管５８の一端が接続され、この排気管５８の他端には排気用ブロワ６０が設けられている。

給気口２６の近傍には、外気の相対湿度（以下、「外気湿度」という）Φoutを測定する外気湿度センサ４８が設けられている。

ＨＥＰＡフィルタ３０とラジエータ３４とを接続する第１接続管３２には、第１接続管３２内を流れる空気の温度である第１温度Ｔ１を測定する第１温度センサ５０が設けられている。

ラジエータ３４とヒータ４０のファン３８とを接続する第２接続管３６には、ラジエータ３４によって冷却された空気の温度である第２温度Ｔ２を測定する第２温度センサ５２が設けられている。

熱処理室１２内であって、最も入口１６に近い走行ロール２４には、その表面温度である第３温度Ｔ３を測定する第３温度センサ５４が設けられている。この第３温度センサ５４としては、回転している走行ロール２４とは非接触タイプの赤外線温度センサなどを用いる。なお、第３温度センサ５４が、最も入口１６に近い走行ロール２４に設けている理由は、入口１６に最も近い走行ロール２４の表面温度が最も下がり易く、走行ロール２４の表面に結露が発生し易いためである。

コンピュータなどよりなる熱処理装置１０の制御部６２には、給気用ブロワ２８、ファン３８、ヒータ４０、チラーユニット４２、調整弁４６、排気用ブロワ６０、外気湿度センサ４８、第１温度センサ５０、第２温度センサ５２、第３温度センサ５４が接続されている。

（２）走行ロール２４の表面に結露が発生させない方法の理論的説明
まず、走行ロール２４の表面に結露が発生しない方法について理論的に説明する。

（２－１）外気について
外気温度であり第１温度Ｔ１［℃］での外気の飽和水蒸気量ａ（Ｔ１）［ｇ／ｍ^３］は、

ａ（Ｔ１）＝２１７＊ｅ（Ｔ１）／（Ｔ１＋２７３．１５）・・・（１）

となる。但し、ｅ（Ｔ１）［ｈＰａ］は空気中の飽和水蒸気圧であり、ｅ（Ｔ１）はTetens（１９３０）のパラメータ値によるAugust他の式から近似的に、

ｅ（Ｔ１）＝６．１０７８＊１０^{｛７．５＊Ｔ１／（Ｔ１＋２３７．３）｝} ・・・（２）

で算出される。外気湿度をΦout［％ＲＨ］とすると、外気の水蒸気量Ｍ（Ｔ１）は、

Ｍ（Ｔ１）＝Φout＊ａ（Ｔ１）／１００・・・（３）

となる。

（２－２）ラジエータ３４内の空気について
ラジエータ３４により冷却された空気の温度を第２温度Ｔ２［℃］とすると、第２温度Ｔ２［℃］での飽和水蒸気量ａ（Ｔ２）［ｇ／ｍ^３］は、

ａ（Ｔ２）＝２１７＊ｅ（Ｔ２）／（Ｔ２＋２７３．１５）・・・（４）

となる。但し、

ｅ（Ｔ２）＝６．１０７８＊１０^{｛７．５＊Ｔ２／（Ｔ２＋２３７．３）｝} ・・・（５）

である。

もし、Ｍ（Ｔ１）＞ａ（Ｔ２）であればラジエータ３４内で結露が発生する。そのときの結露量ΔＭは、

ΔＭ＝Ｍ（Ｔ１）－ａ（Ｔ２）・・・（６）

である。

一方、Ｍ（Ｔ１）＜＝ａ（Ｔ２）であればラジエータ３４で結露が発生していない。そのときの結露量ΔＭは、

ΔＭ＝０・・・（７）

である。

ラジエータ３４の通過後の冷却された空気中の水蒸気量Ｍ（Ｔ２）は、

Ｍ（Ｔ２）＝Ｍ（Ｔ１）－ΔＭ・・・（８）

となる。

したがって、ラジエータ３４に結露が発生している場合には、（６）式を（８）式に代入すると、

Ｍ（Ｔ２）＝ａ（Ｔ２）・・・（９）

となる。

一方、ラジエータ３４に結露が発生していない場合には、ΔＭ＝０であるため、（７）式を（８）式に代入すると、

Ｍ（Ｔ２）＝Ｍ（Ｔ１）・・・（１０）

となる。

（２－３）走行ロール２４について
走行ロール２４の測定した表面温度を第３温度Ｔ３とすると、第３温度Ｔ３［℃］での飽和水蒸気量ａ（Ｔ３）［ｇ／ｍ^３］は、

ａ（Ｔ３）＝２１７＊ｅ（Ｔ３）／（Ｔ３＋２７３．１５）・・・（１１）

となる。但し、

ｅ（Ｔ３）＝６．１０７８＊１０^{｛７．５＊Ｔ３／（Ｔ３＋２３７．３）｝} ・・・（１２）

である。

（２－４）走行ロール２４の表面の結露について
調整弁４６が閉状態でラジエータ３４に冷却水が流れていない状態（冷却ＯＦＦ）では、ラジエータ３４を通過後の空気の水蒸気量は、外気の空気の水蒸気量と同じであり、この空気がヒータ４０で加熱され、熱処理室１２内にあるダクト１８に送られても水蒸気量は変化することなく、複数のノズル２０から吹き出される熱風の水蒸気量はＭ（Ｔ１）のままである。そのため、ラジエータ３４に結露が発生しているか否かに関わらず、

ａ（Ｔ３）＝＞Ｍ（Ｔ１）・・・（１３）

を満足するときは、熱風の水蒸気量Ｍ（Ｔ１）が、走行ロール２４の飽和水蒸気量ａ（Ｔ３）より低く十分に乾燥しているため、外気をそのまま加熱してノズル２０から吹き出しても、走行ロール２４の表面には結露しない。

しかし、（１３）式を満足しないときは、熱風の水蒸気量Ｍ（Ｔ１）が、走行ロール２４の飽和水蒸気量ａ（Ｔ３）より高いため、湿気が多く外気をそのまま加熱してノズル２０から吹き出すと、走行ロール２４の表面には結露が発生する。そこで、このときには、調整弁４６を開状態にしてラジエータ３４に冷却水を流し（冷却ＯＮ）、通過する空気を冷却し、ラジエータ３４で結露を発生させ、通過後の空気の水蒸気量をＭ（Ｔ２）まで乾燥する。この乾燥した空気がヒータ４０で加熱され、熱処理室１２内にあるダクト１８に送られても水蒸気量は変化することなく、複数のノズル２０から吹き出される熱風の水蒸気量はＭ（Ｔ２）のままである。そして、ラジエータ３４で結露させたときは（９）式より乾燥した熱風の水蒸気量Ｍ（Ｔ２）は飽和水蒸気量ａ（Ｔ２）と等しいため、

Ｍ（Ｔ２）＝ａ（Ｔ２）＜＝ａ（Ｔ３）・・・（１４）

となり、この（１４）式を満足するときは、熱風の水蒸気量Ｍ（Ｔ２）が、走行ロール２４の飽和水蒸気量ａ（Ｔ３）より低く乾燥しているため、走行ロール２４の表面には結露しない。

一方、（１４）式を満足しないときは、乾燥した熱風の水蒸気量Ｍ（Ｔ２）でも湿気が多く、走行ロール２４の飽和水蒸気量ａ（Ｔ３）より高いため、走行ロール２４の表面には結露が発生するので、調整弁４６をより開状態にして冷却水の流量を増加させてラジエータ３４の冷却能力を上げて、第２温度Ｔ２を下げて、熱風の水蒸気量Ｍ（Ｔ２）＝ａ（Ｔ２）を低く、すなわち、より乾燥させる。第２温度Ｔ２を下げて熱風を乾燥させ続ければいつか（１４）式を満足することなり、走行ロール２４の表面には結露しなくなる。

（３）走行ロール２４の表面に結露が発生させないための制御方法
次に、上記で示した走行ロール２４の表面に結露が発生するか否かの関係式を用いて、制御部６２が、走行ロール２４の表面に結露が発生させない制御方法について図２のフローチャートを参照して説明する。

ステップＳ１において、制御部６２が、熱処理室１２内の加熱を行う。この場合には、ヒータ４０によって加熱された空気をファン３８によってダクト１８に送り、複数のノズル２０から熱風を吹き出すことにより、熱処理室１２内を所定の温度に加熱する。なお、初期状態では、調整弁４６が閉状態（冷却ＯＦＦ状態）でラジエータ３４に冷却水が流れていない。そしてステップＳ２に進む。

ステップＳ２において、ウエブＷを入口１６から所定の搬送速度Ｖで搬入し、出口１４から搬出する。そしてステップＳ３に進む。

ステップＳ３において、制御部６２が、第１温度センサ５０で第１温度Ｔ１を測定し、第２温度センサ５２で第２温度Ｔ２を測定し、第３温度センサ５４で第３温度Ｔ３を測定し、外気湿度センサ４８で外気湿度Φoutを測定する。そしてステップＳ４に進む。

ステップＳ４において、制御部６２は、ｅ（Ｔ１）、ａ（Ｔ１）、Ｍ（Ｔ１）を（１）式～（３）式によって算出し、ｅ（Ｔ２）、ａ（Ｔ２）を（４）式～（５）式によって算出し、ｅ（Ｔ３）、ａ（Ｔ３）を（１）式～（１２）式によって算出する。そしてステップＳ５に進む。

ステップＳ５において、制御部６２は、（１３）式で示すようにａ（Ｔ３）＝＞Ｍ（Ｔ１）であれば、外気をそのまま流しても、走行ロール２４の表面に結露が発生しないのでステップＳ６に進む（ｙの場合）。一方、ａ（Ｔ３）＜Ｍ（Ｔ１）であれば、外気をそのまま流すと走行ロール２４の表面に結露が発生するのでステップＳ７に進む（ｎの場合）。

ステップＳ６において、制御部６２は、走行ロール２４の表面に結露が発生しないので調整弁４６を閉じたままでラジエータ３４に冷却水を流さず冷却を停止する（冷却ＯＦＦ）。そして、ステップＳ１０に進む。

ステップＳ７において、制御部６２は、走行ロール２４の表面に結露が発生するので調整弁４６を開いてラジエータ３４に冷却水を流す（冷却ＯＮ）。そして、ステップＳ８に進む。

ステップＳ８において、制御部６２は、（１４）式に示すように、熱風の水蒸気量Ｍ（Ｔ２）が、走行ロール２４の飽和水蒸気量ａ（Ｔ３）より低いか否かを判断して、熱風の水蒸気量Ｍ（Ｔ２）が、走行ロール２４の飽和水蒸気量ａ（Ｔ３）より低いとき又は同じときには、熱風が十分乾燥しているので走行ロール２４の表面に結露が発生しないので、ＯＮにした冷却能力を維持してステップＳ１０に進む（ｙの場合）。熱風の水蒸気量Ｍ（Ｔ２）が、走行ロール２４の飽和水蒸気量ａ（Ｔ３）より高いときは、熱風が湿気ているため走行ロール２４の表面に結露が発生するのでステップＳ９に進む（ｎの場合）。

ステップＳ９において、制御部６２は、調整弁４６の開度をより大きくして冷却水の流量を増加させてラジエータ３４の冷却能力を上げ、これにより第２温度Ｔ２を下げて熱風の水蒸気量Ｍ（Ｔ２）すなわち、ａ（Ｔ２）を低くし乾燥させて、ステップＳ８に戻る。そして、（１４）式を満足すれば、熱風が乾燥して走行ロール２４の表面には結露しなくなるので冷却能力を維持してステップＳ１０に進む。満足しなければ、まだ熱風は湿気ているとしてステップＳ９に進んで冷却水の流量をより増加させ乾燥させる。この制御を（１４）式を満足するまで続ける。

ステップＳ１０において、制御部６２は、ウエブの搬入が停止していればこの制御を終了し、停止していなければ１分後にステップＳ３に戻り、この制御を続ける。

（４）効果
本実施形態によれば、熱処理室１２内にある走行ロール２４の表面に結露が発生し難くなり、走行ロール２４の表面に錆が発生することなく、また、水分によるウエブＷの品質問題がなくなる。

また、走行ロール２４の表面に結露が発生し易い場合には、調整弁４６を調整してラジエータ３４に送る冷却水の流量を調整し冷却能力を上げるだけで、簡単に制御できる。

また、走行ロール２４の表面の飽和水蒸気量ａ（Ｔ３）は、走行ロール２４の表面温度を測定するだけで簡単に算出できる。

また、熱風の水蒸気量Ｍ（Ｔ２）、すなわち、ａ（Ｔ２）は、外気湿度Φoutと給気された空気の第１温度Ｔ１と、ラジエータ３４により冷却された空気の第２温度Ｔ２を測定するだけで簡単に算出できる。

変更例

上記実施形態では、走行ロール２４の表面温度を測定する温度計としては、非接触タイプの赤外線温度センサを用いたが、走行ロール２４の表面に接触して共に回転する回転体から温度を測定する温度センサであってもよい。

上記実施形態では、熱風の水蒸気量が、走行ロール２４の表面の飽和水蒸気量より低いときは、ラジエータ３４による冷却を停止又は維持させたが、これに代えて冷却水の流量を減らして冷却能力を下げてもよい。

上記実施形態では、冷却部であるラジエータ３４は、冷却水による水冷であったが、空冷であってもよく、また、ラジエータ以外の冷却装置であってもよい。

上記では本発明の一実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の主旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０・・・熱処理装置、１２・・・熱処理室、１４・・・出口、１６・・・入口、１８・・・ダクト、２０・・・ノズル、２４・・・走行ロール、２６・・・給気口、３４・・・ラジエータ、３８・・・ファン、４０・・・ヒータ、４２・・・チラーユニット、４６・・・調整弁、４８・・・外気湿度センサ、５０・・・第１温度センサ、５２・・・第２温度センサ、５４・・・第３温度センサ、６２・・・制御部

Claims

断熱性を有する熱処理室と、
前記熱処理室の前面に開口し、走行するウエブが搬入される入口と、
前記熱処理室の後面に開口し、前記ウエブが搬出される出口と、
前記熱処理室内において、前記ウエブの搬送路の上方に配され、前記ウエブに熱風を吹き出す複数のノズルと、
前記搬送路の下方に前記ウエブが走行するために複数配列された走行ロールと、
外部から給気した空気を冷却する冷却部と、
前記冷却部により冷却された前記空気を加熱するヒータと、
前記ヒータで加熱された前記空気を複数の前記ノズルに送る送風機と、
前記走行ロールの表面の飽和水蒸気量を算出し、前記ノズルから吹き出された前記熱風の水蒸気量を算出し、前記熱風の水蒸気量が、前記走行ロールの表面の飽和水蒸気量より高いときは、前記冷却部による冷却を開始して前記熱風の水蒸気量を下げて乾燥させる制御部と、
を有することを特徴とする熱処理装置。
前記熱処理室外の外気湿度Φoutを測定する外気湿度センサと、
給気された前記空気の第１温度Ｔ１を測定する第１温度センサと、
を有し、
前記制御部は、
前記第１温度Ｔ１から外気の第１飽和水蒸気量ａ（Ｔ１）を算出し、
前記外気湿度Φoutと前記第１飽和水蒸気量ａ（Ｔ１）から、前記外気の水蒸気量Ｍ（Ｔ１）を算出し、
前記外気の水蒸気量Ｍ（Ｔ１）が、前記走行ロールの表面の飽和水蒸気量より低いときには、前記冷却部による冷却を停止する、
請求項１に記載の熱処理装置。
前記冷却部により冷却された前記空気の第２温度Ｔ２を測定する第２温度センサを有し、
前記外気の水蒸気量Ｍ（Ｔ１）が、前記走行ロールの表面の飽和水蒸気量より高いときに前記制御部は、
前記第２温度Ｔ２から前記冷却部を通過した前記空気の第２飽和水蒸気量ａ（Ｔ２）を算出し、
前記熱風の水蒸気量を前記第２飽和水蒸気量ａ（Ｔ２）と同じであると設定し、
前記第２飽和水蒸気量ａ（Ｔ２）が、前記走行ロールの表面の飽和水蒸気量より大きいときは、前記冷却部の冷却を開始する、
請求項２に記載の熱処理装置。
前記制御部は、前記第２飽和水蒸気量ａ（Ｔ２）が、前記走行ロールの表面の飽和水蒸気量より低いときは、前記冷却部による冷却能力を維持する、
請求項３に記載の熱処理装置。
前記走行ロールの表面温度である第３温度Ｔ３を測定する第３温度センサを有し、
前記制御部は、前記第３温度Ｔ３から前記走行ロールの表面の飽和水蒸気量ａ（Ｔ３）を算出する、
請求項１乃至４に記載のいずれか一項に記載の熱処理装置。
前記冷却部は、冷却水で前記空気を冷却するラジエータである、
請求項１乃至５に記載のいずれか一項に記載の熱処理装置。
チラーユニットを有し、前記チラーユニットが、前記冷却水を前記ラジエータに供給する、
請求項６に記載の熱処理装置。
前記チラーユニットと前記ラジエータの間に調整弁を有し、
前記制御部は、前記チラーユニットから前記ラジエータに流す前記冷却水の流量を前記調整弁で制御し、
外気からの前記空気を乾燥させるときは、前記調整弁で前記冷却水の流量を増加させて、前記ラジエータ内の結露を増加させる、
請求項７に記載の熱処理装置。
前記走行ロールは、金属製であり、
前記ウエブの搬送速度と同期して回転している、
請求項１乃至８のいずれか一項に記載の熱処理装置。
前記第３温度センサは、前記熱処理室の前記入口に最も近い前記走行ロールに設けられている、
請求項５に記載の熱処理装置。