JP2010018381A - 製紙機械用ロール - Google Patents

Abstract

【課題】皺の発生を招くことなく広幅化や高速化に対応させることができる他、操業性に優れると共に、安全性や保守性（メンテナンス性）にも優れる製紙機械用ロールを提案する。
【解決手段】炭素繊維複合材（ＣＦＲＰ）を主体としてなるロールセルと、このロールセル外側に嵌着した空気逃げ溝つき金属スリーブと、かかる金属スリーブ外周面に被覆形成した炭化物系サーメットの溶射皮膜とからなるワインダー等のロール。
【選択図】図１

Description

本発明は、製紙機械用ロールおよびフィルム製造機械用ロールに関し、とくに高速で搬送される紙（ウエブ）を空気巻き込みによる皺の発生を招くことなくワインディングするロールなどとして好適に用いられるロールに関する。

近年、製紙機械は生産性の向上を目的として広幅化および高速化が主流となっている。
即ち、製紙工程の高速化に伴い、ワインダー等に用いられるロール（ワインダーロール）は広幅化と高速化する傾向にある。その結果、ワインディング工程で巻き取られた紙は、ある程度、皺が発生するのが普通であり、所定の紙幅サイズに切断され、巻き取られる前に、皺取りの処理を行うことが不可欠となる。

ただし、高速で皺取りの処理を行ったとしても、新たな皺が発生することが多く、このような問題の生じない製紙機械の開発が求められている。この点について、皺発生の防止には、紙とロール間に巻き込まれる空気を如何に円滑に排除するかが重要であり、一般には、メーカー各社が溝付きロールを採用してこれに対処している。また、高速化に伴い、より高い強度のロールも要求されている。その中でも特に、図１に示すような巻取紙を幅方向に分割するワインダーにおけるスリッター前後のガイドロールは、非駆動ロールとして使用するために慣性モーメントを小さくする必要があり、ロール径を小さくせざるを得ないため、図２に示すような金属製の多分割型のロールが多く採用されている。

ここで、図１は、ワインディング工程におけるロール構成を示す図であり、図中の符号１は、巻取紙（原反ロール等）であり、図示しない抄紙機で抄造した広幅の紙２を巻取ったものである。３はガイドロール、４は本発明が対象としているスリッター前後のガイドロール、５、６は複数組のスリッタ、７はドラムロール、８は分割して巻取られた小巻取紙である。

図２は、上述のスリッター前後のガイドロールの多分割タイプを示す拡大図であり、図中の９はロールセル、１０は分割した個々のロールセルを連結するためのベアリング、１１は分割したロールセルのセグメントを個別に支持するために用いられるブラケットである。

図３は、前記スリッター前後のガイドロール４の表面形状の模様の一部を省略して示すものであり、図中の１２は、高速回転によるロールと紙２との間に巻き込まれる空気を抜くための螺旋に刻設された空気逃げ溝である。この溝Ａの詳細を図４に拡大して示す。この空気逃げ溝形状１３は図指例のものだけでなく、操業条件に応じて種々のタイプのものが設計される。

図２に示すような従来のスリッター前後のガイドロール４は、駆動装置を有しない金属製ロール、例えばアルミニウム製のものが一般的であるが、高速回転時の必要強度を補うため、短尺の金属製ロール複数本を内蔵ベアリング１０を介して連結することにより、単一ロールとした多分割型ロールであって、ロールの撓み量、動振れおよび動バランス量を抑えることにより、高速回転による危険回転を回避するように工夫したものである（特許文献１）。
特開２００４−１８９４１２号公報

ただし、特許文献１に記載の多分割型ロールは、多数のセグメントからなるため、どうしても操業性や安全性、保守性などの面で、１本のセルから構成されるロールと比較すると見劣りするものであった。このような課題を解決するためには、ロール径を大きくして弾性係数を大きくすることにより（撓み量を小さくすることにより）、分割数を減らす方法が考えられる。しかし、このような方法ではロールの慣性モーメントが大きくなるため、非駆動タイプではロールが特に始動時と停止時に紙の速度に追従できなくなってしまうという問題があった。

本発明の目的は、高速運転時にも紙の皺発生を招くことなく、多分割型ロールの分割数を極力減らすことができ、操業性に優れると共に安全性や保守性（メンテナンス性）にも優れる製紙機械用ロールを提案することにある。
この目的を達成するために、本発明では、ロールセルの材質として軽量で高弾性率のものを用いて、慣性モーメントの問題と撓みによる特に高速回転時の問題を解決すると共に、皺防止のためロール表面に空気抜きの溝を設けつつ、グリッピング性（紙がロール表面を滑りにくいこと）やロールの耐摩耗性も向上したロールを製作することにした。

この点に関し、発明者らはさらに研究を重ねた。その結果、現状の巻取紙を分割するワインダーのスペースを有効に活用できると共に、非駆動の小径で紙の広幅化や高速化にも対応できる少数分割型の製紙機械用ロール、即ち、小数分割型で操業性に優れたワインダー用ロール、例えばワインダーのスリッター前後に配置されるガイドロールの開発に成功した。
なお、本発明における製紙機械用ロールの「製紙」は、セルロースパルプからなる紙の製造のみでなく、合成紙やフィルムの製造も含む意味の語句として用いている。

即ち、本発明は、少なくとも炭素繊維複合材製ロールセルと、このロールセル外側に嵌着した金属スリーブとを備えてなり、この金属スリーブ外周面に空気逃げ溝が形成され、さらにその上に溶射皮膜が被覆形成されてなる製紙機械用ロールである。

本発明においては、前記炭素繊維複合材のヤング率が２２０ＧＰａ以上であること、前記溶射皮膜は、炭化物系サーメット、硼化物系サーメット、酸化物系サーメット等を溶射してなることがより好ましい。

また、本発明の上記ロールは、非駆動ロールとして用いられること、ワインダーに配設して用いられること、２分割程度の少数分割型ロールもしくは分割なしの１本型ロールからなることがより好ましい。

上記のように構成される本発明に係る製紙機械用ロールは、以下のような効果が期待できる。
（１）ロールセルに、炭素繊維複合材を用いることで、軽量化により慣性モーメントの低減を図るとともに、ヤング率（弾性係数）の向上によって撓みを小さく抑えることにより、高速回転に伴う危険速度も回避しやすくした。これにより、特別な駆動装置を設けることなく、多分割型ロールの分割数を小さくすることができる。また、可能であれば、分割なしの１本ロールとすることが好ましい。
（２）ロールセル外側に金属スリーブを嵌め合わせ、空気抜きの溝加工を施すことにより、皺の発生を防止できる。
（３）ロール表面に溶射皮膜（炭化物系サーメット等）を設けたので、通紙性、グリッピング性、耐摩耗性を向上させることができ、操業トラブルを防止し、ロール寿命を向上させることができるようになる。
（４）既存のワインダーによく適合させることができるようになる。

図５は、本発明に適合する構成を有する製紙機械用のワインダーロールの例として、巻取紙を幅方向に分割するワインダーのスリッター前後のガイドロールに適用した例を示すものである。このスリッター前後のガイドロール４は、２本繋ぎ構造の少数分割型ロールであり、ロール本体（芯部）すなわちロールセル１４が、高弾性材料である炭素繊維複合材（ＣＦＲＰ）により製作されているものである。

このロールセル１４の外側には、外周面に螺旋状もしくは同心円状の空気逃げ溝を形成してなる金属スリーブ１５が、外嵌めすることにより嵌着されている。なお、この金属スリーブ１５の材質は、好ましくははステンレス鋼やアルミニウム等が採用されるが、特にその材質に制限はない。

そして、溝加工が施された上記金属スリーブ１５の外周面には、紙とのグリッピング性の向上および紙の摺動による摩耗の抑制を目的として、硬質溶射材料を溶射して形成された溶射皮膜１６が被覆されている。

ここで、図６中の符号１７は、ロール軸部に取付けられた軸受け、１８は２分割ロールの中央部を支えるブラケットである。また、図７、図８は、図６のＢ部拡大図であり、ロールセル１４の外側に金属スリーブ１５を嵌着し、さらに金属スリーブ外周面に溶射皮膜１６を形成した状態の拡大断面図を示す。なお、溝形状は、図８に示すようにロール中央から両端に向けて２条の螺旋状溝加工を施したものなどが考えられる。

ところで、本発明において、ロール芯材（ロールセル）として用いる炭素繊維複合材（ＣＦＲＰ）は、高弾性質ピッチ系炭素繊維で成形するのが好ましく、成形後のヤング率は、好ましくは２２０ＧＰａ以上、さらに好ましくは２４０ＧＰａ以上である。また、コストの面から上限は、通常５５０ＧＰａ以下、好ましくは５００ＧＰａ以下である。これは鉄鋼系ロールのヤング率：２１０ＧＰａ程度やアルミニウム：７ＧＰａ程度のものと比較すると、かなり高いヤング率を示す高弾性質材料である。このことは、ワインダー稼働時のロール撓みを考慮すると、鋼製ロールに比較した場合、ロール径をより小さく、しかもセル厚も薄くすることができることを意味している。さらに、炭素繊維複合材製ロールセルを使用すると、１本、または通常３本以下のロールを連結するだけでよく、従来の金属製ロールセルと比べて、少ない本数のロールを連結すればよい。

例えば、ロール胴部の長さを３，５１０ｍｍ、セルの厚みを１０．５ｍｍとした場合の稼働時の全撓み量は、鋼製ロールの場合、０．１８８ｍｍであるのに対し、ＣＦＲＰロールをロール芯とした場合は０．０５７ｍｍと小さい。また、ＣＦＲＰをロール芯としたロールと鋼製ロールの慣性モーメントについて比較すると、鋼製ロールの慣性モーメントは６．５１ｋｇ・ｍ^２に対し、ＣＦＲＰ製のロ−ルのそれは１．８４ｋｇ・ｍ^２と小さい。このことは、起動、停止が瞬時であることと、無駆動ロールとして使用した場合、本発明にかかるＣＦＲＰロールでは、僅かなペーパーとの接触でもペーパーとの相対滑りが少なく、瞬時にペーパーの速度に追従させることができることを意味している。

本発明のロールは、好ましくは単体のロール長としては、１６００〜４０００ｍｍ、連結後の長さとしては、３２００〜１２０００ｍｍ、ロール径１２０〜３３０ｍｍ、セルの厚み５．０〜２５ｍｍ、単体ロールの長さと径の比（Ｌ／Ｄ）は１２〜２０の炭素繊維複合材製ロールを使用する。このため、鋼製ロールのものと比較して、撓み量および慣性モーメントの小さいロールを提供することができる。

さらに、鋼製ロールとＣＦＲＰ製ロール芯の大きな違いは、鋼製ロールは危険回転数の約１／２付近で共振点があり、この共振点付近以上での運転はできない。しかし、ＣＦＲＰを芯材とするロールの場合はこの１／２共振点における振れは小さく、しかもこの共振点を過ぎれば危険回転数近傍まで非常に安定しているので、高速回転による操業が可能になることを意味している。

また、本発明に従いＣＦＲＰを芯材とするロールを使用した場合、ロール本体が軽量になると同時に、小型化でき、しかも軸受けとして小型高性能ベアリングの採用が可能になり、これらが相俟って安定した操業が可能になる。

また、本発明において炭素繊維複合材製ロールセル１４の外側に金属スリーブを１５外嵌めする理由は、ＣＦＲＰ製ロールセル１４の表面に、前記空気逃げ溝１２を直に加工することが難しいため、その溝加工を可能にするために採用したものである。この金属スリーブ１５をロールセル１４の外側に挿入し嵌着する方法としては、一般的な圧入法が好ましいが、その他、熱嵌め、冷し嵌め等の処理によって嵌着してもよく特に制限はない。

そして、上記金属スリーブには、その外周面に空気逃げ溝を形成する。この空気逃げ溝は、紙に接触する表面上の面長方向のある一直線において、溝の断面積の合計Ｓ[ｍｍ^２]をロール面長Ｌ[ｍｍ]で除した値Ｓ／Ｌ[ｍｍ]が、下記の式で計算される空気層厚さＨに対して同等以上２０倍以下、好ましくはＨに対して２倍以上１０倍以下、さらに好ましくは２倍以上５倍以下であることを満足させることが好ましい。もし、前記Ｓ／ＬがＨよりも小さいと空気が効率的に逃げにくくなり好ましくない。また、Ｓ／ＬがＨに対して２０倍を超えるように溝形状を設計すると必然的に溝が幅広く、深く、狭いピッチになってしまい、ロール上を搬送するウエブに傷をつける原因となり好ましくない。

このように、炭素繊維複合材製ロールセルに、外周面に空気逃げ溝を備えた金属スリーブを嵌着させることによって、ロールの撓み量が小さくなり、さらに空気を逃がしやすくなるために皺の発生を抑制し易くなる。

なお、前記空気逃げ溝は、例えば、溝の幅３．０ｍｍ、溝の深さ０．８ｍｍ、溝のピッチ１０ｍｍの半円状である。

また、かかる金属スリーブ１５の外周面に、所望の材料を溶射する理由は、一般に本発明において提案するロールは、通紙するペーパーが非常に高速で搬送されることから、グリッピング性と耐摩耗性が求められるので、このことに対応させる必要があったためである。その溶射皮膜の例としては、表面に比較的微細な凹凸を有し、硬質で耐摩耗性を有するものが望ましい。この目的に対応するものとしては、炭化物系サーメット、硼化物系サーメット、酸化物系サーメット等を高速フレーム溶射することが望ましいが、プラズマ溶射法などであってもよい。

（実施例１）
この実施例は、抄紙機で巻き取られた広幅の紙を、最終段階で製品とする処理を行うための巻取紙を分割するワインダー用のスリッター前後のガイドロールに適用した例であり、まず、このロールを模擬したテストロールを製作してその加工性および品質等について検証した。

図９に実施例のために試作したテストロールの形状を示す。このロールは、ヤング率２４０ＧＰａの炭素繊維複合材を用い、ロールセルの長さが４００ｍｍ、そして、ロールセル両端に５０ｍｍφの軸を設けたものである。そして、このロールの構造は、ＣＦＲＰ製ロールセル１４の外側に、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）スリーブ１５を嵌着すると共に、さらにその表面には、図９のＡ部に詳細を示すように、溝切り加工を施してなるものである。このロールの表面にはさらに、高速フレーム溶射によりタングステン炭化物サーメットを溶射被覆した３層構造を有している。なお、図１０には溶射後の外観、図１１には樹脂の型取りによる溶射前の溝形状観察結果、図１２には、同じく樹脂型取りによる溶射後の溝形状を観察した結果の写真を示す。これらの結果によると、溶射の前後において、溝形状は殆ど変化していないことが確められた。

また、上記テストロールの軸部にベアリングを取り付け、バランスマシーン上で高速回転によるロール性能について評価試験を行った。徐々に回転数をあげて、最高５，０００ｒｐｍの試験である。この時の動バランス、動振れを測定した結果によると、動バランスでのアンバランス量は約１ｇ、動振れは最大で０．０５ｍｍであった。

（実施例２）
実施例１での結果をもとに、本発明に適合するロールを製作し、その性能を巻取紙を幅方向に分割する汎用のワインダーで検証した。ロール構造は、図５に示すものと同様のものとし、２本のロールを中央部でベアリングにて連結する２分割型ロール構造とした。分割した１本の単体ロールの形状は、１６５ｍｍφ×２７００ｍｍとし、ＣＦＲＰ製ロールセルの外側にステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）製スリーブを嵌着した後、溝加工を施し、さらにその表面にＷＣサーメットを高速フレーム溶射法により、約５０μｍの厚みの溶射皮膜を被覆形成した。

このようにして製作された各単体ロールについての性能試験を実施した。評価方法としては、これらの単体ロールをバランスマシーン上にセットし、バランスを調整しながら回転を徐々にあげて最高４８００ｒｐｍ（約２５００ｍ／ｍｉｎ）で回転させた。この時の動アンバランス量は約０．７g、最大振れは０．０４ｍｍであった。また、振動もなく非常に安定した状態での回転を維持していた。

次に、上記ロールと同様にして製作された他の単体ロールについて試験した。この単体ロール２本を、図５に示すように中央内蔵ベアリングにて連結し、三点支持（ブラケット）によりロールを１本化した。その後、ブラケットを定盤上に固定して芯出しを行った後、この連結型ロールの高速回転による性能を評価した。その結果、２本継ぎロールにおいても、単体ロールの場合と同様の回転性能を得ることが確認された。さらに、停止状態から４８００ｒｐｍまでの操業条件範囲内でロールの振動、紙の浮きおよび皺の発生がなく安定した操業が可能であることが確認できた。

本発明に係る製紙機械用ロールは、巻取紙を分割するワインダー用のロールとして好適に使用が可能である。また、巻替え用のワインダー、平判カッター、塗工機、抄紙機等においても使用可能である。同様に、フィルムの巻取ロールを分割するワインダー用のロールとして使用可能であり、さらに、フィルムの巻替え用のワインダー、平判カッター、成形機においても使用可能である。

ワインダーの構成を示す略線図。 金属製多分割型ロールの構造例を示す断面図。 空気抜き溝を形成した金属製多分割型ロールの正面図。 空気抜き溝の形状を説明するロールの部分図。 本発明に係るロールの構造例を示す断面図。 本発明に係るロールの空気抜き溝形状の詳細を示す正面図。 本発明に係るロールの断面構造を示す部分図。 本発明に係るロールの空気抜き溝形状の詳細を示す部分図。 本発明に係るテストロールの形状を示す断面図とその部分図。 本発明に係るテストロールの外観を示す写真。 本発明テストロールの溶射前溝形状の拡大写真。 本発明テストロールの溶射後溝形状の拡大写真。

符号の説明

１ 巻取紙（原反ロール等）
２ 広幅紙
３ ガイドロール
４ スリッター前記のガイドロール
５ スリッター
６ スリッター
７ ドラムロール
８ 小巻取紙
９ ロールセル
１０ ベアリング
１１ ブラケット
１２ 空気逃げ溝
１３ 空気逃げ溝
１４ 炭素繊維複合材製ロールセル
１５ 金属スリーブ
１６ 溶射皮膜
１７ 軸受け
１８ ブラケット

Claims (6)

1. 少なくとも炭素繊維複合材製ロールセルと、このロールセル外側に嵌着した金属スリーブとを備えてなり、この金属スリーブ外周面に空気逃げ溝が形成され、さらにその上に溶射皮膜が被覆形成されてなる製紙機械用ロール。
2. 前記炭素繊維複合材のヤング率が２２０ＧＰａ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の製紙機械用ロール。
3. 前記溶射皮膜は、炭化物系サーメットを溶射してなることを特徴とする請求項１または２に記載の製紙機械用ロール。
4. このロールは、非駆動ロールとして用いられるものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに１項に記載の製紙機械用ロール。
5. このロールは、ワインダーに配設されるものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに１項に記載の製紙機械用ロール。
6. このロールは、分割型ロールであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに１項に記載の製紙機械用ロール。

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