JP2000263633A - キャスティングドラム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 使用時において発生する熱応力が小さく、重
量の増加をもたらすことがなく、且つ、製作が容易なキ
ャスティングドラムを提供する。 【解決手段】 軸１の中心部には第一冷媒経路２１が形
成されている。円筒状の胴部３には第二冷媒経路２２が
形成され、胴部３の両端の内径側にはジャケット７ａ、
７ｂが設けられている。ジャケット７ａ、７ｂと軸部１
との間は、それぞれスポーク２によって接続されてい
る。胴部３の一方の端の各スポーク２の中心部には第三
冷媒経路２３が形成され、もう一方の端の各スポーク２
の中心部には第四冷媒経路２４が形成されている。各ス
ポーク２の周囲は断熱材１２で覆われている。冷却媒体
は、第一冷媒経路２１から、第三冷媒経路２３及びジャ
ケット７ａを通って第二冷媒経路２２に入り、ドラムロ
ール面３１を内部から冷却した後、ジャケット７ｂ及び
第四冷媒経路２４を通って第一冷媒経路２１に戻る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、樹脂製のフィルム
を製造する工程において、押出機から送り出された樹脂
を冷却しながらフィルム状に成形する際に使用されるキ
ャスティングドラムの構造に係る。

【０００２】

【従来の技術】図７に、従来のキャスティングドラムの
構成の一例を示す。キャスティングドラムは、軸１、円
筒状の胴部３、及び胴部３をその両端で軸１に対して接
続する一対の円板状の側板４などから構成される。

【０００３】軸１は、その中心に空洞部（冷媒経路２
１）が設けられ、その中を冷却媒体が流れる。胴部３に
は、外周面（ドラムロール面３１）の表層下に冷却媒体
が流れる経路（冷媒経路２２）が形成されている。側板
４の外面には、強度を確保するために半径方向に複数の
リブ８が溶接されている。胴部３の両端の内径側には、
冷却媒体が通過するジャケット７ａ、７ｂが設けられて
いる。軸１と側板４、及び側板４と胴部３は、共に溶接
によって接合されている。また、側板４の外面には断熱
材１２（グラスウール）が貼り付けられており、断熱材
１２は、その外側を覆うステンレス板１３によって保持
されている。

【０００４】冷却媒体は、軸１の内部から、軸１に放射
状に設けられた孔５及びフレキシブルチューブ６を通っ
て、胴部３の一方の端に設けられたジャケット７ａに入
り、そこから胴部３の内部の冷媒経路２２へ送られ、ロ
ール面３１を内部から冷却する様になっている。その
後、冷却媒体は、胴部３の他方の端に設けられたジャケ
ット７ｂに入り、他のフレキシブルチューブ６及び孔５
を通って、軸１の内部に戻る。

【０００５】樹脂製のフィルムを製造する際、キャステ
ィングドラムは、例えば、約８０℃の雰囲気中に置か
れ、軸１の冷媒経路２１の中には約−１５℃の冷却媒体
が流れる。このため、軸１と側板４（及びリブ８）との
溶接部には、温度差に基づく部材の収縮量の差に起因し
て引張り応力が発生する。これに加えて、キャスティン
グドラムが回転するので、軸１と側板４（及びリブ８）
との溶接部に、遠心力による引張り応力が発生する。図
７に示した従来の構造を備えたキャスティングドラムで
は、この様な引張り応力によって、軸１とリブ８との溶
接部において疲労亀裂が発生しやすいという問題があ
る。

【０００６】この様な問題を解決するため、側板４の板
厚を厚くしたり、あるいは溶接長を増加すべく軸１の径
を増大するなどの対策が提案されている。しかし、この
様な対策は、いずれもキャスティングドラムの重量の増
加を招き、コストアップの要因となる。

【０００７】また、キャスティングドラムの組み立て時
に、側板４の内側においても、軸１と側板４の間、及び
側板４と胴部３との間の溶接を行うため、側板４に穴９
を設けているが、この穴９を介して溶接を行う際に、作
業性が悪いという問題もあった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、以上の様な
従来のキャスティングドラムの構造上の問題点に鑑み成
されたもので、本発明の目的は、使用時において発生す
る熱応力が小さく、重量の増加をもたらすことがなく、
且つ、製作が容易なキャスティングドラムを提供するこ
とにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明のキャスティング
ドラムは、樹脂製フィルムを成形する際に使用されるキ
ャスティングドラムにおいて、内部に冷却媒体が流れる
第一冷媒経路が形成された軸部と、この軸部を中心にし
て配置され、外周面の表層下に冷却媒体が流れる第二冷
媒経路が形成された円筒状の胴部と、胴部と軸部との間
を接続し、内部に冷却媒体が流れる第三冷媒経路が形成
された複数のスポークから構成される接続部とを備え、
前記冷却媒体が、第一冷媒経路から第三冷媒経路を介し
て第二冷媒経路へ供給されることを特徴とする。

【００１０】本発明のキャスティングドラムによれば、
胴部と軸部との間を複数のスポークで接続するととも
に、これらのスポークの内部にも冷却媒体が流れる冷媒
経路を形成したので、周囲からの入熱によるスポークの
温度上昇が抑えられ、スポークと軸部との間で温度差が
発生しにくい。その結果、スポークと軸部との間の溶接
部に発生する熱応力を小さく抑え、当該溶接部からの疲
労亀裂の発生を防止することができる。

【００１１】また、本発明のキャスティングドラムによ
れば、胴部と軸部との間をスポークによって接続したの
で、従来の円板状の側板を用いた場合と比較して、溶接
の際の作業性に優れている。

【００１２】好ましくは、胴部の両端にそれぞれ複数の
スポークから構成される接続部を設け、その内の一方の
接続部を介して、前記第二冷媒経路に冷却媒体を供給
し、もう一方の接続部を介して冷却媒体を回収する。

【００１３】その場合、本発明のキャスティングドラム
は、樹脂製フィルムを成形する際に使用されるキャステ
ィングドラムにおいて、内部に冷却媒体が流れる第一冷
媒経路が形成された軸部と、この軸部を中心にして配置
され、外周面の表層下に冷却媒体が流れる第二冷媒経路
が形成された円筒状の胴部と、胴部の一方の端において
胴部と軸部との間を接続し、内部に冷却媒体が流れる第
三冷媒経路が形成された複数のスポークから構成される
第一接続部と、胴部の他方の端において胴部と軸部との
間を接続し、内部に冷却媒体が流れる第四冷媒経路が形
成された複数のスポークから構成される第二接続部とを
備え、前記冷却媒体が、第一冷媒経路から第三冷媒経路
を介して第二冷媒経路へ供給され、次いで、第四冷媒経
路を介して第一冷媒経路へ戻ることを特徴とする。

【００１４】

【発明の実施の形態】（例１）図１に本発明に基づくキ
ャスティングドラムの一例を示す。図中、１は軸、２は
スポーク、３は胴部、２１は第一冷媒経路、２２は第二
冷媒経路、２３は第三冷媒経路、２４は第四冷媒経路を
表す。

【００１５】軸１は、その中心に空洞部（第一冷媒経路
２１）が形成され、その中を冷却媒体（不凍液）が流れ
る。円筒状の胴部３には、外周面（ドラムロール面３
１）の表層下に冷却媒体が流れる経路（第二冷媒経路２
２）が形成されている。軸１は、胴部３の中心に位置し
ている。胴部３の両端の内径側には、冷却媒体が通過す
るジャケット７ａ、７ｂが設けられている。

【００１６】ジャケット７ａ、７ｂと軸部１との間は、
胴部３の両端において、それぞれ８本のスポーク２によ
って接続されている。胴部３の一方の端の各スポーク２
の中心部には、冷却媒体が流れる第三冷媒経路２３が形
成され、もう一方の端の各スポーク２の中心部には、同
様に、冷却媒体が流れる第四冷媒経路２４が形成されて
いる。各スポーク２の周囲は断熱材１２で覆われ、断熱
材１２はその外側を包むステンレス板１３によって各ス
ポーク２の周りに保持されている。

【００１７】軸１と各スポーク２、及び各スポーク２と
ジャケット７ａ、７ｂとの間は、共に溶接によって接合
されている。

【００１８】冷却媒体は、軸１の内部に設けられた第一
冷媒経路２１から、軸１に放射状に設けられた孔５、及
びスポーク２の内部に設けられた第三冷媒経路２３を通
って、胴部３の一方の端に設けられたジャケット７ａに
入り、そこから胴部３の表層下の第二冷媒経路２２に送
られ、ドラムロール面３１を内部から冷却する様になっ
ている。その後、冷却媒体は、胴部３の他方の端に設け
られたジャケット７ｂに入り、スポーク２の内部に設け
られた第四冷媒経路２４及び孔５を通って、軸１の内部
に戻る様になっている。

【００１９】（例２）上記の例では、胴部３と軸部１と
の間を円形断面の８本のスポーク２で接続した構造を示
したが。スポークの数、スポークの断面形状、スポーク
の内部に形成される冷媒経路２３、２４の断面形状につ
いては様々な変形が可能である。例えば、図２に示す様
に、１２本のスポーク２で接続しても良い。

【００２０】

【実施例】（構造解析結果）図１に示した本発明に基づ
くキャスティングドラム（以下、「スポーク構造ドラ
ム」と呼ぶ）に作用する応力の値を、従来のキャスティ
ングドラム（以下、「従来構造ドラム」と呼ぶ）と比較
するため、熱応力の解析、及び自重と遠心力とにより発
生する応力の解析を有限要素法を用いて実施した。解析
には、汎用有限要素法ソフト“ＡＮＳＹＳ ５．４”を
使用した。

【００２１】（その１）熱応力についての解析結果 （１−ａ）解析手法 定常熱伝導解析を行ってドラムの温度分布を求めた後、
その温度分布に基づいて構造解析を行い、熱応力の分布
を求めた。

【００２２】（１−ｂ）モデル化 ドラムは、前後対称、円周方向に周期対称とし（ドラム
円周方向４５°相当）、ドラム全体の１／１６を三次元
ソリッドでモデル化した。ドラムは、溶接構造である
が、一体物としてモデル化した。なお、従来構造ドラム
については、ドラムのフレキシブルチューブ６（図７）
をステンレスの円管としてモデル化を行った。

【００２３】両ドラムの断熱材１２（グラスウール）及
びステンレス板１３（ＳＵＳ３０４）と、従来構造ドラ
ムのフレキシブルチューブ６は、ドラム本体の応力分布
には直接寄与しないので、構造解析の際には、これらを
除いてドラム本体のみで計算を行った。

【００２４】図３及び図４に両ドラムの熱応力解析用の
モデルの概要を示す。

【００２５】（１−ｃ）温度分布の解析に用いた境界条
件 対流熱伝達を考慮し、ドラム３表面、スポーク２表面、
軸１表面、ドラム側板４表面、ドラム内側表面（二枚の
ドラム側板４で仕切られたドラムの内部）、冷媒経路壁
に、それぞれ雰囲気温度及び熱伝達率を与えた。

【００２６】ドラム３表面、スポーク２表面、軸１表
面、ドラム側板４表面、ドラム内側表面の熱伝達率は、
各種の対流の式を使用して計算した。雰囲気温度は、ス
ポーク構造ドラムの内外、及び従来構造ドラムの外側を
８０℃とした。従来構造ドラムの内側は閉じた空間とな
っており、温度が不明であったため、ドラムの内側空間
の空気をモデル化し、空気の熱伝導のみを考慮した解析
を行って空気の温度分布を求めてドラム内側の雰囲気温
度を決定した後、ドラム内側表面に、雰囲気温度及び熱
伝達率を与えて解析を行った。

【００２７】冷媒経路壁の熱伝達率は、管内流の対流の
式を使用して計算した。冷却水の入口流量は１９００Ｌ
／ｍｉｎとした。この際、各冷媒経路の流量は、各冷媒
経路の断面積に比例するものとして流速を計算して、熱
伝達率を求めた。また、冷却媒体（不凍液）の物性値
は、東京ファインケミカル社製「オーロラブライン」の
濃度５０％（凍結温度約−２０℃）の物性値を使用し
た。

【００２８】（１−ｄ）熱応力分布の解析 軸１及びドラム側板４の対称面を円周方向に拘束し、胴
部３の対称面を軸方向に拘束した。軸１は、ベアリング
で支持されている部分の内、軸方向荷重を受ける部分を
軸方向に拘束し、対称面はフリーとした。

【００２９】キャスティングドラムは、２０℃の雰囲気
で組み立てられたと仮定し、基準温度を２０℃とした。
よって、２０℃以下になれば収縮し、２０℃以上になれ
ば膨張することになる。

【００３０】（１−ｅ）材料定数 両ドラムとも、胴部３が低温圧力容器用炭素鋼鋼板（Ｓ
ＬＡ２３５Ｂ）で、軸１が低温圧力容器用鍛鋼品（ＳＬ
Ａ１）で作られている。スポーク構造ドラムのスポーク
２はＳＬＡ１で作られている。従来構造ドラムのドラム
側板４はＳＬＡ２３５Ｂで作られている。材料物性値に
は、炭素含有量が同等の炭素鋼の物性値を使用した。以
下に、その値を示す。

【００３１】ＳＬＡ２３５Ｂの物性値 線膨張率 ：１．１６×１０^−５ ［Ｋ^−１］ 熱伝導率 ：５９ ［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］ ヤング率 ：２１０００ ［ｋｇｆ／ｍｍ^２］ ポアソン比：０．３ ＳＬＡ１の物性値 線膨張率 ：１．１８×１０^−５ ［Ｋ^−１］ 熱伝導率 ：５１．６ ［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］ ヤング率 ：２１０００ ［ｋｇｆ／ｍｍ^２］ ポアソン比：０．３ なお、ＳＵＳ３０４の熱伝導率は、１６［Ｗ／（ｍ・
Ｋ）］とし、グラスウールの熱伝導率は、０．０３４×
１０^−６［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］とした。

【００３２】（１−ｆ）温度分布の解析結果 従来構造ドラムにおけるドラムの内側空間の雰囲気温度
を求めるために、内部の空気をモデル化して温度解析を
行った。この結果、ドラムの内部空間の温度は、ドラム
内面や軸表面の温度が低いため−１５℃〜−５℃となっ
た。これより、ドラムの内部空間の雰囲気温度を−１２
℃とした。

【００３３】このドラムの内部空間の雰囲気温度を用い
て、ドラム内面にも熱伝達率を定義し温度解析を行っ
た。この結果、ドラム本体の最高温度は、リブ８の部分
に現れ、その値は１．３℃となった。

【００３４】一方、本発明によるスポーク構造ドラムの
温度解析の結果では、ドラム本体の最高温度は、軸１の
部分に現れ、その温度は２．８℃となった。

【００３５】以上の温度解析の結果より、その外側の８
０℃の雰囲気によって、ドラム表面のステンレス板は加
熱されるが、ドラム本体は、断熱材１２の効果によって
あまり熱が伝わらないことが判明した。

【００３６】温度解析の結果、以下のことが判明した。

【００３７】（イ）両ドラムとも、冷媒経路壁の熱伝達
率が大きいため、冷媒経路の近傍では温度がほぼ−１５
℃となる。

【００３８】（ロ）両ドラムとも、断熱材１２によって
断熱されるので、ドラム本体にはあまり熱が伝わらな
い。よって、表面のステンレス板１３の温度が雰囲気温
度に近い値になる。

【００３９】（ハ）従来構造ドラムでは、リブ８が外部
に露出しているので、ドラム本体の最高温度はリブに現
れる。

【００４０】（二）スポーク構造ドラムでは、ドラム内
部の雰囲気温度を８０℃としたため、ドラム本体の最高
温度は、冷却水流路の熱伝達率が低い軸１のドラム中心
付近に現れる。

【００４１】（１−ｇ）熱応力解析結果 上記の温度解析によって求められたドラムの温度分布を
負荷条件として、構造解析を行い熱応力の分布を求め
た。

【００４２】その結果、従来構造ドラムでは、ドラム本
体の最高熱応力は、軸１とリブ８との溶接部付近に現
れ、その値は８．６ｋｇｆ／ｍｍ^２となった。一方、本
発明によるスポーク構造ドラムでは、ドラム本体の最高
熱応力は、スポーク２と軸１との溶接部付近に現れ、そ
の値は３．１ｋｇｆ／ｍｍ^２となった。

【００４３】熱応力解析の結果、以下のことが判明し
た。

【００４４】（イ）従来構造ドラムでは、半径方向最大
応力値は軸１とリブ８との溶接部付近に現れる。

【００４５】（ロ）スポーク構造ドラムでは、半径方向
最大応力値はスポーク２と軸１との溶接部付近に現れる
が、その値は、従来構造ドラムに比べて約６４％低い値
となる。

【００４６】（その２）自重及び遠心力により発生する
応力の解析 （２−ａ）解析手法 両ドラムを新たにモデル化し、自重及び回転の際の遠心
力により発生する応力について静的構造解析を行った。

【００４７】（２−ｂ）モデル化 ドラムは、前後、左右対称とし、ドラム全体の１／４
（ドラム円周方向について１８０°）を三次元ソリッド
でモデル化した。また、先の熱応力の解析と同様に、ド
ラムは一体物としてモデル化した。この際、ドラム本体
以外のグラスウール１２、フレキシブルチューブ６、ス
テンレス板１３は、ドラム本体の応力分布には直接寄与
しないので、構造解析の際にはこれらを除いてドラム本
体のみで計算を行った。

【００４８】図５にスポーク構造ドラムの自重及び遠心
力による構造解析のモデルを、図６に従来構造ドラムの
自重及び遠心力による構造解析のモデルを示す。

【００４９】（２−ｃ）境界条件 ドラム回転数Ｎを９．１ｒｐｍとし、これに基づいて、
Ｚ軸回りに以下に示す角速度ωを荷重条件として与え
た。

【００５０】 ω＝２π×Ｎ／６０＝０．９５３［ｒａｄ／ｓ］ また、鉛直方向（Ｙ方向）に重力加速度を定義した。

【００５１】拘束条件として、左右、前後の対称面に対
称条件拘束を与えた。また、軸１のベアリング支持され
る部分のうち、半径方向荷重を受ける部分を半径方向
に、軸方向荷重を受ける部分を軸方向に拘束した。

【００５２】（２−ｄ）材料定数 ＳＬＡ２３５Ｂ及びＳＬＡ１共に以下の値を用いた。

【００５３】 ヤング率 ：２１０００ ［ｋｇｆ／ｍｍ^２］ ポアソン比：０．３ 質量密度 ：８．０１×１０^-10 ［ｋｇｆ／ｍｍ^３］ （２−ｅ）構造解析の結果 先ず、自重のみによって発生する半径方向応力を求め
た。次いで、自重及び遠心力が作用する場合の半径方向
応力を求め、両者の比較を行った。その結果、以下のこ
とが判明した。

【００５４】（イ）両ドラムとも軸１の下側で引張応力
が、上側で圧縮応力が発生している。

【００５５】（ロ）両ドラムとも、自重及び遠心力を考
慮した解析結果では、自重のみを考慮した解析結果とほ
ぼ同様の応力分布を示した。よって、ドラムが回転する
ことによって生じる遠心力の影響は小さいと言える。

【００５６】（ハ）従来構造ドラムでは、軸１とリブ８
との溶接部付近に半径方向最大応力が発生し、その値は
１．０５ｋｇｆ／ｍｍ^２となった。

【００５７】（二）スポーク構造ドラムでは、スポーク
２と胴部３との溶接部付近に半径方向最大応力が発生
し、その値は０．８６ｋｇｆ／ｍｍ^２となった。即ち、
半径方向最大応力の値は、従来構造ドラムに比べ約１８
％低い値となった。

【００５８】（ホ）以上の様に、自重及び遠心力により
発生する応力は、熱応力に比べて小さい。

【００５９】（その３）重量の比較 両ドラムの重量を計算した。その結果、スポーク構造ド
ラムの重量は２６．４ｔｏｎ、従来構造ドラムの重量は
３０．３ｔｏｎであった。即ち、本発明によるスポーク
構造ドラムでは、重量が従来構造ドラムと比べて約１３
％軽減されることになる。

【００６０】以上の解析結果から、本発明のスポーク構
造ドラムは、従来構造ドラムと比べて、運転中に発生す
る応力の値が小さく、従って耐久性に優れており、か
つ、軽量であることが分かる。

【００６１】

【発明の効果】本発明のキャスティングドラムによれ
ば、熱応力、自重及び遠心力による応力の値を、従来の
構造の場合と比べて減少させることができる。この結
果、キャスティングドラムの耐久性を増大することがで
きる。

【００６２】また、重量が減少するとともに、従来の構
造の場合と比べて組み立て時の溶接作業が容易になるの
で、製作コストを削減することもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に基づくキャスティングドラムの構成の
一例を示す図、（ａ）は側面図、（ｂ）は軸方向断面
図。

【図２】本発明に基づくキャスティングドラムの構成の
他の例を示す図。

【図３】本発明に基づくキャスティングドラムの熱応力
解析用のモデルを示す図。

【図４】従来のキャスティングドラムの熱応力解析用の
モデルを示す図。

【図５】本発明に基づくキャスティングドラムの自重及
び遠心力による応力解析用のモデルを示す図。

【図６】従来のキャスティングドラムの自重及び遠心力
による応力解析用のモデルを示す図。

【図７】従来のキャスティングドラムの構成を示す図、
（ａ）は側面図、（ｂ）は軸方向断面図。

【符号の説明】

１・・・軸部、 ２・・・スポーク、 ３・・・胴部、 ４・・・側板、 ５・・・孔、 ６・・・フレキシブルチューブ、 ７ａ、７ｂ・・・ジャケット、 ８・・・リブ、 ９・・・側板の穴、 １２・・・断熱材、 １３・・・ステンレス板、 ２１・・・第一冷媒経路、 ２２・・・第二冷媒経路、 ２３・・・第三冷媒経路、 ２４・・・第四冷媒経路、 ３１・・・ドラムロール面。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 樹脂製フィルムを成形する際に使用され
   るキャスティングドラムにおいて、 内部に冷却媒体が流れる第一冷媒経路が形成された軸部
   と、 この軸部を中心にして配置され、外周面の表層下に冷却
   媒体が流れる第二冷媒経路が形成された円筒状の胴部
   と、 胴部と軸部との間を接続し、内部に冷却媒体が流れる第
   三冷媒経路が形成された複数のスポークから構成される
   接続部とを備え、 前記冷却媒体が、第一冷媒経路から第三冷媒経路を介し
   て第二冷媒経路へ供給されることを特徴とするキャステ
   ィングドラム。
2. 【請求項２】 樹脂製フィルムを成形する際に使用され
   るキャスティングドラムにおいて、 内部に冷却媒体が流れる第一冷媒経路が形成された軸部
   と、 この軸部を中心にして配置され、外周面の表層下に冷却
   媒体が流れる第二冷媒経路が形成された円筒状の胴部
   と、 胴部の一方の端において胴部と軸部との間を接続し、内
   部に冷却媒体が流れる第三冷媒経路が形成された複数の
   スポークから構成される第一接続部と、 胴部の他方の端において胴部と軸部との間を接続し、内
   部に冷却媒体が流れる第四冷媒経路が形成された複数の
   スポークから構成される第二接続部とを備え、 前記冷却媒体が、第一冷媒経路から第三冷媒経路を介し
   て第二冷媒経路へ供給され、次いで、第四冷媒経路を介
   して第一冷媒経路へ戻ることを特徴とするキャスティン
   グドラム。