KR101207082B1 - 금속 단부 캡을 구비한 세라믹 컨베이어 롤과 단부 캡어셈블리 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고온 용례에 사용되는 컨베이어 롤에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 이러한 컨베이어 롤을 위한 개량된 단부 캡 어셈블리에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 컨베이어 롤(1)은 a) 세라믹 스풀(2)과, b) 세라믹 스풀(2)의 각 단부(21, 22)에 마련되고, 금속 페룰(41)을 구비하며, 내주부의 일부가 세라믹 스풀의 단부(21) 상에 끼워 맞춰지도록 되어 있는 단부 캡(4), 그리고 c) 세라믹 스풀(2)의 각 단부(21, 22)와 단부 캡(4) 사이에 삽입되고, 탄성 금속으로 이루어지며, 원주 방향으로 복수 개의 파형부 배치되어 있는 공차 링(3)을 포함한다. 이러한 컨베이어 롤은 일시적인 과열 또는 폐색을 손상의 발생 없이 견딜 수 있다.

Description

금속 단부 캡을 구비한 세라믹 컨베이어 롤과 단부 캡 어셈블리{CERAMIC CONVEYOR ROLL WITH METAL END CAPS AND ITS ASSEMBLY}

본 발명은 고온 용례에 사용되는 컨베이어 롤에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 이러한 컨베이어 롤을 위한 개량된 단부 캡 어셈블리에 관한 것이다.

고온 용례에 사용되는 컨베이어 롤은 금속 단부 캡을 구비한 세라믹 스풀을 포함할 수 있다. 대개, 세라믹 스풀은 용융 실리카를 포함한다. 단부 캡은 베어링 또는 구동 휠에 대한 손쉬운 장착을 가능케 한다. 예컨대, 유리 템퍼링 용례에 있어서, 세라믹 스풀은 유리 시트를 지지하고, 단부 캡은 구동 기구에 대한 기계적 연결을 가능케 한다. 단부 캡은 스풀에 견고히 부착되고, 이를 통해 스풀은 바람직한 속도로 회전할 수 있게 된다. 편심 회전은 대개 바람직하지 못한데, 이는 편심 회전이 유리 시트에 대하여 고르지 못한 지지면을 형성할 것이기 때문이다.

세라믹 스풀과 금속 단부 캡의 열팽창이 서로 달라서, 단부 캡을 스풀에 단단히 고정하기가 곤란해지고, 편심 회전이 야기될 수 있다. 이러한 난점을 극복하기 위해 여러 방법이 제안되었다. 미국 특허 제3,867,748호에는 접착제를 사용하여 단부 캡을 스풀에 고정하는 것이 교시되어 있다. 미국 특허 제4,242,782호에는 고무 O-링을 사용하여 단부 캡을 고정하는 것이 제안되어 있다. 접착제 및 O-링은 높은 온도에서 유연해져 붙드는 힘을 잃을 수 있고, 그 결과 스풀의 편심 회전이 야기될 수 있으며 단부 캡과 스풀 사이에서 미끄러짐이 야기될 수 있다. 만약, 접착제와 O-링이 우연히 이와 같이 높은 온도에 노출된다면, 붙드는 힘을 분명히 잃게 되어, 온도가 정상값으로 되돌아가더라도 미끄러짐이 여전히 나타나게 된다. 이러한 이유로, 접착제 또는 O-링을 이용하여 단부 캡을 스풀에 고정하는 것은, 저온(250 ℃ 미만) 용례에 국한된다.

또한, 단부 캡을 스풀에 고정하는 데 금속제 커넥터도 사용되었다. 미국 특허 제5,316,129호 또는 미국 특허 제4,404,011호에는 나선형으로 감은 코일을 스풀과 단부 캡 사이에 사용하는 것이 기술되어 있다. 이러한 코일은, 단부 캡과 스풀의 열팽창 계수가 본질적으로 다름에도 불구하고 단부 캡과 스풀이 연속적으로 접촉할 수 있게 하는 만곡부와 직선부를 포함한다. 상기 특허 문헌에 있어서 편평한 면을 갖는 스프링 코일은 비교적 얇고 비교적 긴 부분에 뒤이어 존재한다. 이러한 조건 하에서는, 코일 요소의 유연성이 크게 나타났다. 따라서, 단부 캡을 스풀에 고정하기에 충분한 토크를 확보하려면, 코일에 매우 큰 예응력(pre-stress)을 가할 필요가 있다. 온도가 우연히 상승하면 (일시적으로 과열되면), 상기 토크와 이러한 토크의 확보의 결과인 단부 캡의 스풀에 대한 고정이 유실된다. 또한, 시스템이 냉각될 때, 상기 토크가 회복되지 않는다. 미국 특허 제5,906,567호와 미국 특허 제5,370,596호에는 단부 캡을 스풀에 고정하는 곡선형 바이메탈 심(shim)이 기술되어 있다. 이러한 바이메탈 심의 곡률은 온도에 따라 변화하므로, 스풀과 단부 캡 사이에 있어서 고정적인 부착이 유지된다. 그러나, 코일 스프링 또는 바이메탈 시스템의 조립 및 수리는 곤란할 수 있다. 또한, 이러한 금속제 커넥터는 특정 온도 범위(대개 400 ℃ 이상)에 특히 적합하다. 이러한 온도 범위 밖에서는, 편심 회전이 나타날 수 있다.

기계적 패스너를 사용하여 단부 캡을 스풀에 고정할 수 있다. 미국 특허 제4,751,776호에는 환형 배치된 나사부를 구비하는 단부 캡이 도시되어 있는데, 상기 나사부는 스풀의 단부 상에 있는 페룰에 나사 결합되는 것이다. 단부 캡을 스풀에 고정하기 위해 상기 나사부를 조이지만, 열팽창과 수축으로 인해 상기 나사부가 헐거워질 수 있고, 그 결과 편심 회전과 미끄러짐이 야기될 수 있다. 이러한 경우에, 상기 나사부는 스풀의 표면에 심각한 손상을 입힐 것이다. 또한, 동축 회전을 보장하기 위해 스풀의 면에 기계 가공되어 있는 편평한 표면에 대해서도 상기 나사부가 키이(key)로 고정된다. 이러한 슬리브 및 잠금 키이의 조립 및 수리에는 많은 시간이 소요된다. FR 2 550 172호에는 스풀과 단부 캡 사이에서 금속제 칼라를 구비하는 단부 캡이 기술되어 있다. 키이가 스풀의 편평한 표면에 끼워 맞춰진 상태에서 단부 캡은 적소에 잠긴다. 칼라의 열팽창은 단부 캡의 열팽창보다 큰데, 이는 단부 캡과 스풀 사이의 열팽창 차이를 보상하기 위해 의도된 것이다. 미국 특허 제5,146,675호에는, 금속판을 스풀 상의 편평부에 대하여 밀어붙이도록 조여질 수 있는 나사부가 개시되어 있는데, 상기 금속판은 스풀을 단부 캡의 내측면에 대하여 압박하는 것이다. 단부 캡은 접근 개구를 구비하는데, 이 접근 개구를 통해 나사부, 금속판 및 단부 캡을 함께 용접할 수 있게 되며, 그 결과 나사부의 후퇴가 방지된다. 사실상, 단부 캡과 스풀은 단일 축, 즉 나사부를 가로질러 연결된다. 단일의 접촉 축을 가로지르는 열의 순환이 편심 회전을 야기할 수 있고, 스풀에 대한 금속판의 이동을 야기할 수 있다. 심지어 상기 이동으로 인해, 금속판이 편평부의 에지에 접촉하여 스풀에 균열을 일으킬 수 있다.

종래의 컨베이어 롤에서 종종 나타나는 다른 문제점은 걸림이다. 예컨대, 이송되는 물품이 막히거나 기계적으로 붙잡힌 경우에는, 구동 기구가 계속 작동되어 단부 캡에 비틀림 모멘트가 전해질 것이다. 이러한 조건 하에서, 세라믹 스풀 또는 고정 수단은 파괴될 것이다. 컨베이어 롤이 급격하게 가속되거나 감속되면, 결국에는 동일한 결과가 나타난다.

넓은 적용 온도 범위 내에 있어서 세라믹 스풀을 중앙에 확정적으로 고정시키는 단부 캡에 대한 요구가 계속 있어 왔다. 단부 캡은 일시적인 과열을 견딜 수 있어야 하고, 온도가 정상 범위로 되돌아갈 때 편심 회전을 야기하는 일 없이 붙드는 힘을 회복할 수 있어야 한다. 또한, 단부 캡은 설치하기 쉬어야 한다. 또한, 컨베이어 롤은 라인의 일시적인 걸림 또는 붙잡힘을 견딜 수 있어야 할 뿐만 아니라 급격한 가속이나 감속을 견딜 수 있어야 한다.

전술한 목적 및 그 밖의 목적은 청구항 1에 따른 컨베이어 롤에 의해 충족된다. 실제로, 단부 캡과 세라믹 스풀의 단부["롤 넥(roll neck)"이라고도 함] 사이에 삽입되는 공차 링은, 스풀을 단부 캡에 확고하게 고정할 것이고, 매우 효율적인 토크 전달을 보장할 것이며, 스풀의 편심 회전을 방지할 것이다. 또한, 일시적인 과열이 일어나면, 단부 캡과 공차 링은 열에 의해 팽창할 것이지만 세라믹 스풀의 치수 변화는 미미할 것이다. 그 결과, 공차 링의 체결력이 줄어들 것이고, 스풀은 단부 캡에서 미끄러지기 시작할 것이다. 온도가 정상 범위로 되돌아가면, 단부 캡과 공차 링은 본래의 "정상" 치수를 되찾을 것이고, 붙드는 힘이 완전히 회복될 것이다. 이러한 일시적인 과열 동안에, 스풀은 공차 링 덕분에 단부 캡과 동축으로 유지될 것이라는 점이 중요하다.

공차 링은 미국 특허 제3,061,386호에 공지되어 있다. 이러한 공차 링은 탄성 금속으로 제조되는 것으로서 기술되어 있으며, 소정의 높이와 피치를 가지면서 원주 방향으로 배치되는 복수 개의 파형부를 구비하는데, 이 파형부의 높이와 피치는 모두 링의 직경보다 현저히 작다. 대개 피치는 직경의 10% 미만이고, 바람직하게는 직경의 8% 미만이다. 대개, 높이는 직경의 5% 미만이고, 바람직하게는 직경의 3% 미만이다. 미국 특허 제3,142,887호에는 이러한 공차 링의 제조 방법이 나타나 있다. 이러한 구성은 매우 독특하고, 편평한 면을 가진 코일을 나선형으로 감는 것과 대비될 수 있다. 이러한 독특한 구성으로 인하여, 공차 링의 유연성은 매우 크게 나타난다. 이러한 공차링의 다양한 변형례(가변 높이, 피치, 정렬되거나 오프셋된 복수 열의 파형부 등)가 당업계에 알려져 있으며 다양한 회사에서 시판되고 있다. 원칙상, 이들 유형의 공차 링 모두를 사용할 수 있다. 단부 캡의 내측 둘레보다 길이가 짧은 개방형 공차 링을 구비하는 것이 바람직한데, 이는 공차 링을 구비하는 단부 캡에 롤 넥이 도입될 때, 스풀 또는 단부 캡의 제조 중에 발생할 수 있는 작은 치수 편차에 대해 공차 링이 순응할 수 있어야 하기 때문이다. 제1 개방형 공차 링에 대해 평행한 제2 개방형 공차 링을 구비하고, 다만 단부 캡에 있어서 스풀의 동축성을 향상시키기 위해 이들 공차 링의 개구부가 오프셋되어 있는 것이 유익할 수 있다. 또한, 강성을 향상시키기 위해 비교적 제한된 피치[2개의 파(波)의 "산" 사이 거리가 20 ㎜ 미만)를 갖는 것이 매우 유익하다.

안쪽으로 배향된 파형부를 구비하는 것이 바람직한데, 이는 미끄러짐이 일어날 때 이러한 미끄러짐이 "공차 링-단부 캡 결합"에 대해서만 일어날 것이고 스풀의 표면에 손상을 입히지 않을 것이기 때문이다.

본 발명의 유익한 실시예에 따르면, 적어도 하나의 공차 링에는 적어도 하나의 탭이 마련되는 동시에, 세라믹 스풀의 대응 단부에는 공차 링의 탭(들)을 수용하도록 되어 있는 하나 이상의 노치(들)가 마련된다. 이러한 구성은 하나의 축 방향에 있어서 공차 링과 스풀 사이의 상대적 이동을 방지할 것이다. 특히 일시적인 과열 동안(즉, 공차 링이 스풀에 가하는 압박이 최소일 때)에 스풀이 공차 링으로부터 물러나는 것을 방지하는 것이 바람직하므로, 스풀의 단부에 가장 가까이 있는 노치의 벽과 탭의 단부가 연동하도록 배향되어 있는 탭(들)을 구비하는 것이 바람직하다. 그 결과, 스풀은 단지 그 단부를 향해 약간 이동할 수 있고 단부 캡의 바닥에 접할 수 있다. 이와 같이 유익한 탭을 구비한 공차 링이 스풀의 양측에 마련되면, 스풀의 모든 상대적 이동이 방지된다.

다른 실시예에 따르면, 공차 링에는 적어도 2개의 탭이 마련되고, 적어도 하나의 탭은 적어도 다른 탭과 정반대인 배향을 갖는다. 그 결과, 단일 공차 링에 대한 스풀의 모든 상대적 이동이 방지된다.

전술한 바와 같이, 단부 캡은 공차 링과 스풀의 일단부를 수용하는 내주부를 구비한다. 단부 캡에는 공차 링과 단부 캡 사이의 상대적 이동을 제한하는 단차부가 마련되는 것이 유익하다. 특히 바람직한 실시예에 따르면, 단부 캡에는 공차 링을 수용하도록 되어 있는 홈이 마련된다. 그 결과, 일시적인 과열이 일어나더라도, 단부 캡에 대한 공차 링의 모든 축 방향 이동이 방지된다. 일시적인 과열 동안에 단부 캡에 대한 스풀의 임의의 상대적 이동을 방지하기 위해, 공차 링 상의 탭과 단부 캡의 홈이 함께 마련되는 것이 특히 유익하다.

본 발명의 특별한 실시예에 따르면, 단부 캡과 세라믹 스풀은 모두 마크를 포함하는데, 이들 마크는 하나로 합쳐진다. 상기 두 마크는 서로에 대해 딱 맞춰져 있어, 일시적인 과열이 일어나 스풀로의 토크 전달이 중단된다면, 작업자는 단지 상기 표시들이 오프셋되어 있는가를 확인하여 상기 현상을 인지할 것이다. 그 후, 작업자는 적절한 조치를 취할 수 있다.

또한, 본 발명은 전술한 바와 같은 컨베이어 롤을 조립하는 공정에 관한 것이다. 이 조립 공정은 공차 링을 단부 캡의 페룰에 끼워 넣는 단계와, 세라믹 스풀의 각 단부를 단부 캡에 밀어 넣는 단계를 포함한다. 상기 단계의 순서가 중요한데, 만약 순서가 바뀐다면 공차 링과 스풀의 단부를 단부 캡에 삽입하는 동안에 스풀에 대한 공차 링의 위치가 바뀔 수 있다. 대개, 수백 ㎏/㎠, 예컨대 1000 ㎏/㎠의 압력을 가하는 유압 프레스를 이용하여, 세라믹 스풀의 단부를 공차 링이 마련될 수 있는 단부 캡에 밀어 넣는다.

공차 링에 하나 이상의 탭(들)이 마련되는 경우에, 상기 조립 공정은, 공차 링의 하나 이상의 탭(들)을 안쪽을 향하여 구부리는 단계와, 탭(들)이 스풀의 대응 노치(들)와 결합하도록 스풀을 정렬하는 단계를 더 포함한다.

본 발명에 따른 컨베이어 롤은, 호일 또는 시트(예컨대 유리 또는 금속) 혹은 그 위에 도포된 코팅에 대하여 임의의 유형의 열처리를 행하기 위해 호일 또는 시트를 이송하는 데 사용될 수 있다. 이러한 컨베이어 롤은 온도가 현저히 변동하는 환경에서 평평한 물품을 운반하기에 특히 적합하다.

본 발명을 보다 잘 설명하기 위해, 이하에서는 비제한적인 예로서 주어진 실시 방법을 첨부 도면을 참조하여 설명한다.

도 1 내지 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 컨베이어 롤의 개략적인 단면도.

도 4는 전달 토크(Nm) 대 온도(℃)의 관계를 보여주는 그래프.

이들 도면에서, 도면 부호 1은 컨베이어 롤을 전체적으로 표시하며, 이 컨베이어 롤은 2개의 단부(21 및 22)를 갖는 세라믹 스풀(2)을 포함한다. 스풀(2)의 양단부에는 페룰(41)을 포함하는 단부 캡(4)이 배치된다[도 1에는 단지 단부(21)에 마련된 단부 캡만이 도시되어 있음]. 공차 링(3)은 단부 캡(4)에 삽입된다. 도 1에서 단부 캡(4)은 일정한 내측면을 구비하는 반면에, 도 2 및 도 3에서는 각각 단부 캡에 있어서 공차 링(3)의 이동을 억제하기 위한 단차부(42) 또는 홈(43)이 마련되어 있는 단부 캡(4)을 보여준다.

세라믹 스풀(21)의 단부에 마련된 노치의 벽과 연동하는 탭(31)이 공차 링에 마련될 수 있다. 도 1 내지 도 3에서, 탭(31)은 스풀(2)의 단부(21)에 가장 가까이 있는 노치의 벽과 연동한다.

컨베이어 롤이 일시적인 과열을 견디고, 온도가 정상 범위로 되돌아갈 때 정상적인 작동 상태를 회복할 수 있는가를 증명하기 위해, 도 2에 따른 컨베이어 롤을 시험하였다.

안쪽으로 배향된 파형부를 구비하는 개방형 공차 링(3)(길이: 242 ㎜, 폭: 25 ㎜, 높이: 1.9 ㎜, 피치: 9.4, 스테인레스강)을 내경 80 ㎜의 단부 캡(4)(탄소강)에 삽입한다. 이 작업을 제2 단부 캡에 대해 반복한다. 스풀의 양단부(21 및 22)(직경 77 ㎜)를 단부 캡(4)에 밀어 넣는다. 이러한 컨베이어 롤은 실온과 200℃ 사이의 온도 범위에서 작동하도록 되어 있는 것이다. 당업자라면 일상적인 실험을 통해 상이한 온도에서 작동하는 상이한 구성(상이한 금속)을 쉽게 찾을 것이다.

도 4는 전달 토크(Nm) 대 온도(℃)의 관계를 보여준다. 토크의 값이 50 Nm 미만이고 스풀이 미끄러지기 시작하는 약 300 ℃에 이를 때까지 토크가 점진적으로 감소하는 것을 확인할 수 있다. 온도가 정상 범위로 되돌아갈 때(다운 곡선), 전달 토크는 급격히 상승하여 그 본래의 값을 되찾는다. 300℃에서부터 스풀의 미끄러짐이 중단된다. 컨베이어 롤을 분해한 이후에, 세라믹 스풀의 양단부가 완전한 상태이고, 일시적인 과열 동안에도 전혀 손상을 입지 않았음을 확인하였다. 또한, 도 4는 미국 특허 제5,316,129호에 기술된 바와 같은 시스템에 대하여, 전달 토크(Nm) 대 온도(℃)의 관계를 (점선으로) 보여주고 있다. 이러한 시스템은 비교적 길고 편평한 요소로 구성되어 있다. 이 시스템에 열이 가해지면, 이 시스템의 탄성 한계에 도달하는 온도인 약 300℃에 이를 때까지 전달 토크가 점진적으로 감소한다(곡선 A). 약 300℃인 지점에서, 전달 토크는 현격히 떨어지고 롤은 단부 캡에서 미끄러지기 시작한다. 이 시스템이 정상 범위로 되돌아갈 때(곡선 B), 시스템은 그 탄성 한계를 넘어섰기 때문에 그 본래의 토크를 온전히 회복하지 못한다. 재차 소정 온도에 이르게 되고 냉각된다면(곡선 C 및 곡선 D), 동일한 현상이 관찰되며, 그 결과 단지 몇 번의 가열/냉각 사이클 이후에, 토크가 전혀 전달되지 않게 되므로, 컨베이어 롤을 교체하여야 한다. 이러한 컨베이어 롤은 온도가 현저히 변동하는 환경에서 사용하기에 적합하지 않음이 명백하다. 이와는 달리, 본 발명의 컨베이어 롤은 전술한 까다로운 용도에 대해서도 충분히 만족스러운 결과를 얻을 수 있는 것으로 입증되었다.

Claims (12)

1. 온도가 변동하는 환경에서 사용하도록 구성된 고온 용례용 컨베이어 롤(1)로서,

   a) 세라믹 스풀(2)과,

   b) 세라믹 스풀(2)의 각 단부(21, 22)에 마련되고, 금속 페룰(41)을 구비하며, 내주부의 일부가 세라믹 스풀의 단부(21) 상에 끼워 맞춰지도록 되어 있는 단부 캡(4), 그리고

   c) 세라믹 스풀(2)의 각 단부(21, 22)와 단부 캡(4) 사이에 삽입되고, 탄성 금속으로 이루어지며, 둘레 방향 길이가 단부 캡(4)의 내측 둘레보다 짧고, 원주 방향으로 복수 개의 파형부가 배치되어 있는 개방형 공차 링(3)

   을 포함하는 컨베이어 롤.
2. 제1항에 있어서, 상기 공차 링의 파형부들 사이의 피치는 20 ㎜ 미만인 것을 특징으로 하는 컨베이어 롤.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 공차 링의 파형부는 안쪽을 향하여 연장되는 것을 특징으로 하는 컨베이어 롤.
4. 제3항에 있어서, 상기 세라믹 스풀(2)의 각 단부(21, 22)와 단부 캡(4) 사이에 복수 개의 개방형 공차 링(3)이 삽입되고, 이들 공차 링의 개구부들은 서로에 대해 오프셋되어 있는 것을 특징으로 하는 컨베이어 롤.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 공차 링(3) 중 하나 이상에는 하나 이상의 탭(31)이 마련되고, 이 공차 링(3)의 탭(들)(31)을 수용하도록 되어 있는 노치(들)(211)가 세라믹 스풀(2)의 대응하는 단부(21)에 마련되는 것을 특징으로 하는 컨베이어 롤.
6. 제5항에 있어서, 상기 탭(들)(31)의 단부는 상기 스풀(2)의 단부(21)에 가장 가까이에 있는 노치(211)의 벽과 연동하는 것을 특징으로 하는 컨베이어 롤.
7. 제6항에 있어서, 상기 공차 링에는 2개 이상의 탭이 마련되고, 하나 이상의 탭은 적어도 다른 탭과 정반대인 배향을 갖는 것을 특징으로 하는 컨베이어 롤.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 단부 캡에는, 공차 링(3)을 수용하도록 되어 있는 단차부(42) 또는 홈이 마련되는 것을 특징으로 하는 컨베이어 롤.
9. 제1항 또는 제2항에 따른 컨베이어 롤의 조립 방법으로서,

   a) 단부 캡의 내측 둘레보다 짧은 둘레 방향 길이를 갖는 개방형 공차 링을 단부 캡의 페룰에 끼워 넣는 단계와,

   b) 세라믹 스풀의 각 단부를 단부 캡에 밀어 넣는 단계

   를 포함하는 컨베이어 롤의 조립 방법.
10. 제9항에 있어서,

    a') 상기 단계 a)의 이전에, 단계 a)중에, 또는 단계 a)의 이후에 공차 링의 하나 이상의 탭(들)을 안쪽을 향하여 구부리는 단계와,

    b') 상기 단계 b)중에 탭(들)이 스풀의 대응하는 노치(들)와 결합하도록 스풀을 정렬하는 단계

    를 더 포함하는 것인 컨베이어 롤의 조립 방법.
11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 온도가 변동하는 환경에서 평평한 물품을 운반하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 컨베이어 롤.
12. 삭제

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