[发明专利]一种高速旋转梯度热管式热辊及其加工方法

说明书

本发明涉及一种高速旋转梯度热管式热辊及其加工方法，本高速旋转梯度热管式热辊包括：高速永磁电机、电机轴、感应发热机构、辊体和温度控制单元；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；所述高速永磁电机驱动电机轴转动，以带动辊体转动并由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；本发明通过在热辊内设置若干梯度热管孔，适用钢材质、铝合金材质辊体，能够减小整个热辊的质量，并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。

技术领域

本发明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及其加工方法。

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。