一种高速旋转梯度热管式热辊的制作方法

本实用新型属于化纤牵伸热辊技术领域，具体涉及一种高速旋转梯度热管式热辊。

背景技术：

在合成纤维热处理过程中，感应加热辊体是理想加热辊形式，为了提高辊体表面温度分布的均匀性，又采用了热管技术。

对于钢质辊体而言，感应加热辊的热源就是辊体本身，或者对于铝合金材质的辊体，其内壁会紧密联接一圈铁素体不锈钢钢套结构用于感应加热，都属直接加热方式，其温度可控性、响应性都优于其它任何一种间接加热方式的辊体。辊体内部产生磁力线的感应线圈通入交流电后就产生交变磁场，辊体圆周方向的感应电压产生电流（涡流），从而使辊体发热。感应线圈停止通电则辊体发热也同时停止。因此，始终对辊体表面的温度进行监测，将结果反馈到电源侧，组成一个简单的控制回路，这样就能精确地保持辊体温度的恒定不变。

热管式感应加热辊体筒壁内分布有热管，可以称为辊体的筒壁上的"夹层"空间。这一小空间内真空状态下封装入传热媒介，夹层中始终充满媒介的蒸气，并控制使之达到其温度对应的饱和蒸气压。辊体表面的一部分如果有热负载，则这部分辊面的温度将比其余部分的低，其附近的饱和蒸气压也随之下降。这样一来，周围的蒸气流会迅速向这里集中，通过蒸气的凝结放出气化热，使之回复到原先温度。反之，如果某一部分比其余部分的温度高，则媒介沸腾蒸发，将热量扩散开去。这种蒸发、凝结的循环在温差消除前一直持续。这实际上无需外部操作就能自动补偿调节以维持温度的平衡，并且，依靠热媒蒸气的传热，会有很高的传热效率。

但对于化纤生产工艺中高速牵伸时，情况会有很大不同。高速牵伸辊有两个特点，一是高速运行，其线速度会达到1000-6000m/min，辊体的转速会达到1000-10000rpm，这样，离心力就会很大；二是由于操作的需要，辊体与电机轴相连，这使得电机轴在轴座处的应力很大，辊体重量和长度受到限制。

首先在这样的高速旋转下，由于离心力的作用，热管中的热媒液体是分布在热管的外侧，而感应加热面在热管的内侧；又，感应加热的深度是有一定限度的，这和感应加热的频率有关，频率高，加热深度浅。为了提高加热的效率，一般都要求采用高频加热，高频加热的深度是非常有限的，一般不会超过2.5mm。因此，在高速旋转运行过程中，加热层与热媒液体层之间仍有一段距离，实际上仍要依靠辊体的传热才能实现。为增加感应加热深度，可以采用低频加热的方式，但却影响了加热效率；再而，以上这种感应加热方式，热管在辊体筒壁内是以平行于中心轴分布的，要求对辊体全长进行加热，辊体在轴向上重量基本上是均匀分布的，但对于电机轴座而言，随着辊体长度的增加，所受到的应力是平方关系增加的（杠杆原理），因此，这种方式，辊体的直径和长度就受到限制，影响工艺参数的优化设定。

针对这种情况，已有改进的方法是高速旋转热管式热辊及其传热加工方法采用斜孔式热管，其热辊一端封闭，另一端打有众多热管孔后封闭，热管孔的斜度为0.7°～1.2°，每个热管孔根部联通，整体封口；加热段的长度缩短至辊体长度的30-45%。由于斜孔的设计，在高速运行时，热媒液体会依靠离心力回流至辊体b端的加热段进行加热，加热后产生的蒸气扩散至辊体a端实现高效传热的目的，但是热管斜度与热媒液体回流速度有关，斜度小，离心力小，回流速度就慢；特别地，当离心力小到不能克服液体在热管壁的摩擦力时，回流就不能进行，即斜孔的最小斜度受热管壁对液体的摩擦系数限制。

根据计算，临界斜度的正切值等于液体在热管壁表面的摩擦系数，为了加快热媒液体的流动速度，可以增加热管斜度或增加热管内表面的光滑度这都不利于辊体设计和加工工艺。

再有，斜孔的设计对于辊面的热效果也是负相关的，即对于辊体传热段的热源是热媒蒸气扩散，但斜孔的角度使热管偏向辊体内侧；而在靠近电机的加热段，热管偏向辊体外侧，远离感应加热面，存在高频感应加热深度不够的问题，特别对于长度更大的热辊来说更是如此；而对于辊体传热段的热管至辊体外表面也会大约有最大5-8mm的距离。存在热管传热至辊面距离大的问题；而对于工艺要求的辊面温度均匀，即热管里的温度是一致的，但不同的传热距离，增加了辊面的温度不均匀性。

因此，亟需开发一种新的高速旋转梯度热管式热辊，以解决上述问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种高速旋转梯度热管式热辊。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种高速旋转梯度热管式热辊，其包括：高速永磁电机、电机轴、感应发热机构、辊体和温度控制单元；其中所述辊体上固定连接有有不锈钢连接锥套，所述电机轴通过不锈钢连接锥套与辊体相连，所述感应发热机构固定在连接座上，所述感应发热机构设置在辊体一端内孔中，所述辊体内开设有若干环布在辊体四周且沿辊体轴向设置的梯度热管孔；所述辊体上设置有加热段和传热段，所述加热段、传热段分别与梯度热管孔上低斜度段、高斜度段对应，即所述高速永磁电机驱动电机轴转动，以带动辊体转动，并由温度控制单元控制感应发热机构对辊体上加热段感应加热，并通过梯度热管孔内的热媒蒸气沿低斜度段向高斜度段导热，以使辊体加热段和传热段升温。

进一步，所述梯度热管孔采用至少两级梯度，且低斜度段斜度为0°-0.5°，高斜度段为0.5°-2.5°。

进一步，同一梯度热管孔中低斜度段、高斜度段的热管内径尺寸一致且光滑联通。

进一步，所述感应发热机构包括：高频感应线圈组件；所述高频感应线圈组件接入高频电流以产生交变磁场对辊体加热。

进一步，各梯度热管孔的一端靠近高速永磁电机，各梯度热管孔远离高速永磁电机的一端在辊体内联通，且通过堵环将各梯度热管孔与辊体封口。

进一步，所述高速旋转梯度热管式热辊还包括：超温保护器；所述超温保护器安装在连接座上，且超温保护器的探头与辊体端面非接触；所述超温保护器适于检测辊体端面温度数据，并根据辊体端面温度数据控制高频感应线圈组件断开及报警。

进一步，所述高速旋转梯度热管式热辊还包括：旋转变压器；所述旋转变压器安装在高速永磁电机的基座上，所述旋转变压器与高速永磁电机电性相连；所述旋转变压器适于调节高速永磁电机转速精度。

本实用新型的有益效果是，本实用新型通过在辊体四周且沿辊体轴向设置若干梯度热管孔，能够适用钢材质、铝合金材质辊体，能够减小整个热辊的质量，可以适当增加辊体的长度或者减小对轴承的应力，使辊体传热效率更高，达到辊面温度更好的均匀性。

本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型的高速旋转梯度热管式热辊的结构图；

图2是本实用新型的梯度热管孔的结构图；

图3是本实用新型的辊体的内部剖视图。

图中：

高速永磁电机1、电机轴2、不锈钢连接锥套201、感应发热机构3、连接座301、辊体4、梯度热管孔5、低斜度段501、高斜度段502、铁素体不锈钢钢套6、堵环7、温度控制单元8、超温保护器9、旋转变压器10、堵塞11。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1

图1是本实用新型的高速旋转梯度热管式热辊的结构图。

在本实施例中，如图1所示，本实施例提供了一种高速旋转梯度热管式热辊，其包括：高速永磁电机1、电机轴2、感应发热机构3、辊体4和温度控制单元8；其中所述辊体4上固定连接有不锈钢连接锥套201，所述电机轴2通过不锈钢连接锥套201与辊体4相连，所述感应发热机构3固定在连接座301上，所述感应发热机构3设置在辊体4一端内孔中，所述辊体4内开设有若干环布在辊体4四周且沿辊体4轴向设置的梯度热管孔5；所述辊体4上设置有加热段和传热段，所述加热段、传热段分别与梯度热管孔5上低斜度段501、高斜度段502对应，即所述高速永磁电机1驱动电机轴2转动，以带动辊体4转动，并由温度控制单元8控制感应发热机构3对辊体4上加热段感应加热，并通过梯度热管孔5内的热媒蒸气沿低斜度段501向高斜度段502导热，以使辊体4加热段和传热段升温。

在本实施例中，温度控制单元8可以采用但不限于是温度变送器；所述温度变送器安装在高速永磁电机的基座上，且温度变送器与感应发热机构电性相连，所述温度变送器适于配合温度控制单元实现感应发热机构电流频率调节。

在本实施例中，辊体4可以采用但不限于钢材质、铝合金材质。

在本实施例中，本实施例通过在辊体4四周且沿辊体4轴向设置若干梯度热管孔5，能够适用钢材质、铝合金材质辊体4，能够减小了整个热辊的质量，可以适当增加辊体4的长度或者减小对轴承的应力，使辊体4传热效率更高，达到辊面温度更好的均匀性。

图2是本实用新型的梯度热管孔的结构图。

在本实施例中，如图2所示，图中箭头为传热方向，所述梯度热管孔5采用至少两级梯度，且低斜度段501斜度为0°-0.5°，优选为0°，基本呈水平布置，高斜度段502为0.5°-2.5°，优选为1.5°。

在本实施例中，同一梯度热管孔5中，低斜度段501、高斜度段502的热管内径尺寸一致且光滑联通。

在本实施例中，所述感应发热机构3包括：高频感应线圈组件；所述高频感应线圈组件接入高频电流以产生交变磁场对辊体4加热。

在本实施例中，作为辊体采用铝合金材质的一种可选实施方式，所述辊体4与感应发热机构3相对应处，内嵌有铁素体不锈钢钢套6，所述感应发热机构3通过铁素体不锈钢钢套6对辊体4加热。

当辊体采用铝合金材质时，高频感应线圈组件的感应线圈不能直接加热，因此在铝合金辊体与感应发热机构3相对应处加热段设置铁素体不锈钢钢套6用于加热；由于铝合金材质传热好，加热段可以适当小；整个热辊的重量也可以减轻。

在本实施例中，作为辊体采用钢材质的一种可选实施方式，感应发热机构3能够直接对辊体4进行加热，并且由于若干梯度热管孔5传热效率更高，能够达到辊面温度更好的均匀性，进而减小了整个热辊的质量。

在本实施例中，所述对辊体4加热段的加热方式为高频电磁加热，加热对象为液态介质，液态介质为水或萘，例如去离子水或蒸馏水当介质为水时工作温度低于200℃，介质为萘时工作温度低于350℃；且采用高频电磁加热，功率选择与辊面散热及与初次升温速率有关。

在本实施例中，梯度热管孔5封闭空腔真空度需达到100pa以下，才能灌入液态热媒，热媒液体加入量除了热媒蒸气外（蒸气量与温度、压力有关）的液态热媒充满低斜度热管管腔，低斜度段501处于0斜度，即与辊体4轴向水平，也不会影响热媒在加热段加热气化、在传热段冷凝回流的循环往复，加热段和传热段的传热尺寸都可以减小、辊体4壁厚也可以减小、从而减小了整个热辊的质量，可以适当增加辊体4的长度或者减小对轴承的应力，能够在不影响本高速旋转梯度热管式热辊使用的前提下，优化了辊体4的尺寸参数，使高速旋转热管式热辊更加合理和高效。

在本实施例中，辊体4上设置有铁素体不锈钢钢套6作为加热段，其长度为辊体4长度的20%-45%，优选为30%。

图3是本实用新型的辊体的内部剖视图。

在本实施例中，如图3所示，各梯度热管孔5的一端靠近高速永磁电机1，各梯度热管孔5远离高速永磁电机1的一端在辊体4内联通，且通过堵环7将各梯度热管孔5与辊体4封口。

在本实施例中，各梯度热管孔5靠近高速永磁电机1端打通后，通过堵塞11进行封口。

在本实施例中，各梯度热管孔5远离高速永磁电机1端离中心轴距离小；各梯度热管孔5靠近高速永磁电机1端离中心轴距离大；相邻梯度热管孔5间距为6mm-20mm，优选为12mm，所述辊体4的壁厚度为15mm-60mm，优选为35mm，梯度热管孔5直径为3mm-15mm，优选为7mm；各梯度热管孔5与辊体4的中心轴处于同一平面。

在本实施例中，所述高速旋转梯度热管式热辊还包括：超温保护器9；所述超温保护器9安装在连接座301上，且超温保护器9的探头与辊体4端面非接触；所述超温保护器9适于检测辊体4端面温度数据，并根据辊体4端面温度数据控制高频感应线圈组件断开及报警。

在本实施例中，所述高速旋转梯度热管式热辊还包括：旋转变压器10；所述旋转变压器10安装在高速永磁电机1的基座上，所述旋转变压器10与高速永磁电机1电性相连；所述旋转变压器10适于调节高速永磁电机1的转速精度。

在本实施例中，辊体4的温度是由高频感应线圈组件的感应线圈通电与否控制，通过超温保护器9能够实现对辊体4超温保护及报警。

实施例2

在本实施例中，所述梯度热管孔5的低斜度段501从靠近高速永磁电机1端处进钻，所述梯度热管孔5的高斜度段502从远离高速永磁电机1端处进钻，通过电子分度头控制导孔，以使低斜度段501、高斜度段502孔口相对且光滑连接，其孔口位置相差不大于0.1mm；且各孔口角度一致，偏差不大于3%；靠近高速永磁电机1端处梯度热管孔5单独封口，远离高速永磁电机1端处管口通过机加工使各梯度热管孔5的根部联通，以进行整体封口。

在本实施例中，作为辊体采用铝合金材质的一种实施方式，以用于涤纶fdy工艺的一支铝合金辊体4φ250×480mm为例，假设辊体4长度的35%作为加热段，即低斜度段501，同样将φ6×460mm孔打成与辊中心线呈1°的角度，相对于辊体4中轴线，梯度热管孔5靠近高速永磁电机1端的距离比梯度热管孔5远离高速永磁电机1端的距离大5.2mm，辊体4采用热管传热方式，其热媒液体基本都充满在加热段，加热段就不需要斜管或只要采用低斜度管，辊体4一旦高速旋转，液相介质均集中到辊体4的加热段，且由于采用铝合金辊体4，传热性好，高频感应加热线圈长度只需要原工频线圈的1/3左右，感应电磁加热系统集中加热液态介质，迅速使电磁涡流产生的热量转化为汽化潜热，最大效率发挥了热管效应；辊体4的真空热管内壁应做纯化防蚀处理，严格防止高温环境下发生介质与金属的电化学反应，生成不凝气体产生气阻（即蒸气压力和温度不一致）,影响辊面热变换，使汽液平衡温度均匀的特性失效，辊体4上还设置温度传感器81，以便将温度信号传递给温控系统，再将输出信息控制高频发生源的工作，达到温度稳定的要求；本高速旋转梯度热管式热辊以1000rpm转速旋转，设定温度为120℃，从室温开始只需4分钟时间就达到设定温度，平衡4分钟后测辊面温度，四点位量温度差±0.4℃(实际为测量误差)，辊面温度均匀是热管式传热最基本的汽液平衡热辊的特征；将上述高速旋转梯度热管式热辊继续升温至180℃，并提高转至5000rpm，更显示出热管效应中均温和热负荷较大状况下的补偿温度功能，实测辊面温度偏差不大于1.0℃。

在本实施例中，作为辊体采用钢材质的一种实施方式，以用于涤纶fdy工艺的一支钢质辊体4φ250×480mm为例，假设辊体4长度的45%作为加热段，即低斜度段501，同样将φ6×460mm孔打成与辊中心线呈1°的角度，相对于辊体4中轴线，梯度热管孔5靠近高速永磁电机1端的距离比梯度热管孔5远离高速永磁电机1端的距离只有大4.4mm，辊体4采用热管传热方式，其热媒液体基本都充满在加热段，加热段就不需要斜管或只要采用低斜度管，辊体4一旦高速旋转，液相介质均集中到辊的加热段，对钢质辊体4来说高频感应加热线圈长度只需要原工频线圈的45%左右，感应电磁加热系统集中加热液态介质，迅速使电磁涡流产生的热量转化为汽化潜热，最大效率发地挥了热管效应；辊体4的真空热管内壁应做纯化防蚀处理，严格防止高温环境下发生介质与金属的电化学反应，生成不凝气体产生气阻（即蒸气压力和温度不一致）,影响辊面热变换，使汽液平衡温度均匀的特性失效，辊体4上还设置温度传感器81，以便温度信号传递给温控系统，再将输出信息控制高频发生源的工作，达到温度稳定的要求；本高速旋转梯度热管式热辊以1000rpm转速旋转，设定温度为120℃，从室温开始只需5分钟时间就达到设定温度，平衡4分钟后测辊面温度，四点位量温度差±0.5℃(实际为测量误差)，辊面温度均匀是热管式传热最基本的汽液平衡热辊的特征；将上述高速旋转梯度热管式热辊继续升温至180℃，并提高转速至5000rpm，更显示出热管效应中均温和热负荷较大状况下的补偿温度功能，实测辊面温度偏差小于1.2℃

综上所述，本实用新型通过在辊体四周且沿辊体轴向设置若干梯度热管孔，能够适用钢材质、铝合金材质辊体，能够减小整个热辊的质量，可以适当增加辊体的长度或者减小对轴承的应力，使辊体传热效率更高，达到辊面温度更好的均匀性。

本申请中选用的各个器件（未说明具体结构的部件）均为通用标准件或本领域技术人员知晓的部件，其结构和原理都为本技术人员均可通过技术手册得知或通过常规实验方法获知。

在本实用新型实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

以上述依据本实用新型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

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