JP2007296553A - 薄板の電磁成形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】反りが無く均一な溝深さの高品位な成形品を超高速で得ることができる薄板の電磁成形装置を提供すること。
【解決手段】電流集中部５Ａを備えたワンターンコイル５と、該ワンターンコイル５に通電するための電源手段と、成形部２Ａを備えた金型２を備え、前記ワンターンコイル５と金型２との間に薄板３を介在させた状態で前記電源手段からワンターンコイル５に通電して電磁力を発生させ、該電磁力によって前記薄板３を前記金型２に押圧してこれを成形する薄板３の電磁成形装置１において、前記ワンターンコイル５の少なくとも電流集中部５Ａを平面状とし、該電流集中部５Ａにおける電磁力の発生領域が前記金型２の成形部２Ａと該成形部２Ａ周辺の拘束部との両域となるよう設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電磁力を利用して薄板を所望の形状に成形するための電磁成形装置に関するものである。

例えば、固体高分子型燃料電池に使用される金属セパレータは、ステンレス鋼やチタン合金等の金属薄板をプレス加工した後、プレス成形品に高耐食性のコーティング等を施すことによって得られるが、これには凹凸部分が面方向に交互に連続する断面波状の凹凸部が形成される。ここで、凹凸部の凹部はガス流路や反応後の生成水等の流路となり、凸部は電極構造体の電極板に接触する集電部となる。

ところが、燃料電池用金属セパレータの凹凸部をプレス加工によって成形すると、金属薄板には絞りや伸びによって内部に歪が発生するため、成形後の燃料電池用金属セパレータに反りや波打ちが発生する。そして、燃料電池用金属セパレータに反りや波打ちが発生すると、集電部の凸部が電極板に十分な面圧をもって接触しなかったり、面圧が不均一となり、接触抵抗が大きくなって発電電圧の低下を招いてしまう。又、セパレータを間に挟みながら複数の電極構造体（セル）を積層して燃料電池本体（セルスタック）を組み立てる作業においては、燃料電池用金属セパレータの反りや波打ちを矯正しながら組み立てる必要があるため、作業が煩雑で作業効率が悪い他、ガスシール性が低下するという問題がある。

一方、他の成形方法として、平面スパイラル形（螺旋形）コイル或はソレノイド形（円筒形）コイルに瞬時に大電流を流し、発生する衝撃的な電磁力によって薄板の成形を行う電磁成形法が知られている（例えば、特許文献１〜３参照）。

特許文献１，２には電磁成形法によって燃料電池用金属セパレータを成形した例が開示されており、この例では、シート材料を金型と導電性フレームで挟んで固定し、ソレノイド形コイルに通電して電磁力を発生させ、この電磁力を利用してシート材料を所望の形状に成形することが行われている。

又、特許文献３のＦｉｇ．２に示されたアクチュエータコイルは、このコイルによって誘起される電磁力を利用して大型のシート材料を所望の形状に成形するために使用されている。
ＰＣＴ公開ＷＯ２００５／０９７３７１号公報 ＰＣＴ公開ＷＯ２００５／０９７３７２号公報 米国特許第５，８６０，３０６号公報

しかしながら、特許文献１，２に記載された電磁成形法には以下のような問題があった。

１）ソレノイド形コイルはインダクタンスが高いため、大電流が流れにくく、発生する電磁力が小さい。

２）成形時にコイルも反発力を受けるために該コイルが損傷し易く、その耐久性が問題となる。

３）ソレノイド形コイルによって発生する磁界が一様に分布しないため、一様な電磁力が得られず、均一な成形力が得られない。

４）金型の成形部周辺の材料を導電性フレームにて拘束するための機械的手段が必要である他、導電性フレームは成形時に同時に発生する誘導電流を流すための電流経路も兼ねているため、該導電性フレームが材料と電気的に十分結合されている必要があり、設備及び管理面での配慮が必要となる。

又、特許文献３のＦｉｇ．２に示されたアクチュエータコイルを用いる電磁成形によって燃料電池用金属セパレータの成形を行った場合には以下のような問題が発生するものと考えられる。

１）アクチュエータコイルは、断面が角形の棒状で外形がＥ字状を成しているため、そのインダクタンスが低く瞬間的に大電流が流れ易い反面、コイルの導線間（行きと戻りの導線間）では、電流の流れる向きが反対になり、それぞれの導線に発生する磁界の向きも反対になるため、各導線間では磁界が干渉して磁界が弱まり、電磁力が小さくなって成形力にムラが生じ、成形品の溝形状が不均一となり、結果的に燃料電池の性能劣化を招く。因みに、従来のプレス成形では成形品の溝深さが全体的に浅いという問題が発生することはあっても、溝深さが部分的に不均一になるという問題は発生しない。

２）金型の成形溝周辺部では材料が殆ど拘束されない状態で成形されるため、溝周辺部から溝部に材料が引き込まれ、該材料に大きな成形歪が発生し、成形された燃料電池用金属セパレータに反りが発生する。

本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、反りが無く均一な溝深さの高品位な成形品を超高速で得ることができる薄板の電磁成形装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、電流集中部を備えたワンターンコイルと、該ワンターンコイルに通電するための電源手段と、成形部を備えた金型を備え、前記ワンターンコイルと金型との間に薄板を介在させた状態で前記電源手段からワンターンコイルに通電して電磁力を発生させ、該電磁力によって前記薄板を前記金型に押圧してこれを成形する薄板の電磁成形装置において、前記ワンターンコイルの少なくとも電流集中部を平面状とし、該電流集中部における電磁力の発生領域が前記金型の成形部と該成形部周辺の拘束部との両域となるよう設定したことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記ワンターンコイルをＥ字状の平板で構成し、その中央部を電流集中部とし、その両側部をリターン部としたことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、少なくとも前記ワンターンコイルの前記電流集中部に、該電流集中部を固定する固定部材を設けたことを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１〜３の何れかに記載の発明において、前記ワンターンコイルの前記電流集中部の厚さを１．０ｍｍ〜１．５ｍｍに設定したことを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１〜４の何れかに記載の発明において、前記ワンターンコイルと前記薄板との間に、該薄板よりも高い導電率を有する金属から成る平板状のドライバを介設するとともに、該ドライバとワンターンコイル及び薄板との間に電気絶縁材又はそれぞれに電気絶縁材と耐熱材とを介在させたことを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項１〜５の何れかに記載の発明において、前記金型の成形部に形成された形状に対し、該形状を形成するために前記薄板が必要とされる伸びの大きい方向と前記ワンターンコイルの前記電流集中部を流れる電流の流れ方向が一致するよう該金型の成形部に形成される形状を配置したことを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、ワンターンコイルの電流集中部は平面状を成すため、該電流集中部に均一な電磁力が発生する。又、コイルがワンターンであるため、インダクタンスが小さくなり、このためコイルに周期の短い減衰振動電流が発生し、これにより高い誘導電流が発生し、結果的に電磁力が大きくなる。この電磁力によって薄板が金型の成形部及び該成形部の周辺まで含め金型に均一に押し付けられて超高速で成形され、均一な溝深さの高品位な成形品が得られる。

又、ワンターンコイルの電流集中部は、金型の成形部とその周囲の周辺部の一部を覆い、電磁力は金型の成形部とその周囲の周辺部の一部（拘束部）の双方に亘って均一に作用し、薄板の成形部周辺の拘束部や金型の凸部に接する部分を金型に強く押し付けて拘束するため、その拘束部が金型の成形部側へと引き込まれることがなく、成形部分の薄板の伸びのみで成形されるために歪の発生が殆どなくなり、成形品に反りが殆ど発生せず、平面度の高い高品質な成形品が得られる。

請求項２記載の発明によれば、ワンターンコイルをＥ字状の平板で構成したため、当該電磁成形装置をコンパクトに構成することができる。

請求項３記載の発明によれば、少なくともワンターンコイルの電流集中部に、該電流集中部を固定する固定部材を設けたため、ワンターンコイルの電流集中部の板厚を薄くすることができ、電流集中部の電流密度を高くして該電流集中部に発生する電磁力を高めることができる。

請求項４記載の発明によれば、ワンターンコイルの電流集中部の厚さを１．０ｍｍ〜１．５ｍｍに設定したため、該電流集中部の断面積が小さくなって電流密度が高くなり、電流集中部に発生する電磁力を高めることができると同時に、実用上取り扱い易いワンターンコイルを提供することができる。

請求項５記載の発明によれば、導電率の高いドライバに発生する大きな誘導電流によって大きな電磁力を発生させることができ、ドライバは、この大きな電磁力を受けて薄板を金型に押し付けてこれを成形することができる。

ところで、ワンターンコイルの電流集中部に流れる電流が一定の場合、ワンターンコイルの電流集中部は薄く、且つ、幅が狭い方が電流密度が上がり、より大きな電磁力を発生させることができる。従って、電流集中部は電流を流す方向に対して直交する方向では幅が狭く、電流の流れる方向に対しては長く設計される。

このような電流集中部の制約の下では、金型の成形部に形成された形状に対し、該形状を形成するために薄板が必要とされる伸びの大きい方向は、金型に材料を引き込む力が他の方向よりも大きくなるので、それに対抗するため、必要とされる伸びの大きい方向と電流集中部の電流を流す方向とを一致させることによって、電流集中部の幅を広げることなく、即ち、電流集中部の電磁力を弱めることなく、成形部周辺の拘束部の面積を大きくすることができる。

従って、請求項６記載の発明によれば、金型の成形部に形成された形状に対し、該形状を形成するために薄板が必要とされる伸びの大きい方向とワンターンコイルの電流集中部を流れる電流の流れ方向とが一致するように、該金型の成形部に形成される形状を配置したため、大きな引き込み力に対しては大きな拘束力で対抗することができ、薄板の周囲の拘束部を確実に拘束して材料の移動を確実に阻止することができ、成形品に反りや波打ちが発生することがない。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１は本発明に係る電磁成形装置の断面図（図２のＡ−Ａ線断面図）、図２は同電磁成形装置の固定部材を外した状態の平面図、図３は同電磁成形装置の分解斜視図、図４は金属薄板の電磁成形時の加工状態及び加工時に金属薄板に作用する力を示す金型の成形部周辺の部分断面図、図５（ａ）〜（ｃ）は成形前、成形途中、成形完了時の成形の様子を示す部分断面図、図６は燃料電池用金属セパレータの斜視図、図７は図６のＢ−Ｂ線拡大断面図、図８（ａ），（ｂ）は金型の溝方向とコイルに流す電流の方向との関係を示す斜視図である。

本発明に係る電磁成形装置１は、電磁力を利用して薄板を成形する装置であって、図６に示す燃料電池用金属セパレータＷの成形を例にとれば、図１〜図３に示すように、ブロック状の金型２の上に被成形材としてのステンレス鋼製の薄板３、該薄板３よりも導電率が高い金属であるアルミニウムから成る平板状のドライバ４、Ｅ字状の金属平板で構成されたワンターンコイル５及び厚さが比較的厚くワンターンコイル５がドライバ４から受ける反力に耐え得る適切な強度と剛性を有する矩形平板状の固定部材６を順次積み重ねるとともに、薄板３とドライバ４との間及びドライバ４とワンターンコイル５との間にそれぞれポリイミド製の耐熱シート８、絶縁シート９を介在させている。これらの金型２、薄板３、耐熱シート８、ドライバ４、絶縁シート９、ワンターンコイル５及び固定部材６は順次積層され、ワンターンコイル５に発生する電磁力によりドライバ４に発生する反力でその積層構造が崩れないように、図示しない上下方向の拘束手段（例えば、プレス機械のラムとボルスター間）により固定されている。

ところで、上記電磁成形装置１によって成形される図６に示す燃料電池用金属セパレータＷの中央部には凹凸部ＷＡが形成され、その周囲は平坦な周辺部ＷＢで囲まれている。ここで、凹凸部ＷＡは、図７に示すように、凹部Ｗａと凸部Ｗｂが面方向に交互に連続する断面波状の波板部を構成しており、凹部Ｗａはガス流路や反応後の生成水等の流路となり、凸部Ｗｂは不図示の電極構造体の電極板に接触する集電部となる。尚、図６に示す燃料電池用金属セパレータＷは、固体高分子燃料電池に使用されるものであって、これらを間に挟みながら複数の電極構造体（セル）を積層して燃料電池本体（セルスタック）が組み立てられる。

而して、図１に示すように、前記金型２の上面の中央部には大きさ１２ｍｍ×６０ｍｍの成形部２Ａが形成され、その周囲には平坦な周辺部２Ｂが形成されている。そして、成形部２Ａには、図３及び図４に示すように、図６に示す燃料電池用金属セパレータＷの凹凸部ＷＡと同形状の連続する溝２ａが形成されている。尚、本実施の形態では、溝２ａの底部とその左右の傾斜部の幅寸法及び深さ寸法は各々０．６ｍｍに設定されている。

又、被成形材として薄板３は、導電率が小さい（電気抵抗が大きい）ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）で構成されており、その大きさは５０ｍｍ×１２０ｍｍ、厚さは０．１５ｍｍに設定されている。

前記ドライバ４は、導電率の大きなアルミニウム（Ａｌ０５０）で構成されており、その大きさは薄板３と同様に５０ｍｍ×１２０ｍｍ、厚さは０．３ｍｍに設定されている。

又、前記ワンターンコイル５は、全長約２７０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍのクロム銅板で構成されており、２本のスリット５ａによって前述のように平面視Ｅ字状に成形されている。このワンターンコイル５の中央部には幅の狭い電流集中部５Ａが形成されており、スリット５ａを隔ててその左右には幅の広いリターン部５Ｂが形成されている。ここで、ワンターンコイル５の電流集中部５Ａの長さａは金型２と薄板３及びドライバ４の長さ（＝１２０ｍｍ）よりも長い１８０ｍｍに設定されており、幅ｂは金型２の成形部２Ａの幅（＝１２ｍｍ）よりも広い２０ｍｍに設定されている。つまり、ワンターンコイル５の電流集中部５Ａは、図１に示すように、金型２の成形部２Ａとその周囲の周辺部２Ｂの一部を上方から覆う大きさを有している。

更に、前記耐熱シート８及び絶縁シート９には、電気絶縁性と耐熱性が高い厚さ０．０５ｍｍのポリイミドシートが使用されている。尚、本実施の形態では、耐熱シート８と絶縁シート９に同じ材質のものを用いたが、耐熱シート８には耐熱性の高い他のエンジニアプラスチックを用いることができる。

ところで、図２に示すように、ワンターンコイル５の電流集中部５Ａとその両側のリターン部５Ｂには電源手段としてのコンンサ１１が接続されており、このコンデンサ１１とワンターンコイル５の電流集中部５Ａとの間には放電ギャップスイッチ１２が直列に接続されている。更に、コンデンサ１１には直流高圧電源１０が並列に接続されている。尚、本実施の形態では、直流高圧電源１０としては定格電圧３０００Ｖ〜６０００Ｖのものが使用され、コンデンサ１１としては容量２００μＦのものが使用されており、コンデンサ１１は直流高圧電源１０によって予め充電されている。

次に、以上の構成を有する電磁成形装置１によって図６に示す燃料電池用金属セパレータＷを成形する方法について説明する。

図１に示すように、金型２の上に被成形材として薄板３、耐熱シート８、ドライバ４、絶縁シート９、ワンターンコイル５及び固定部材６を順次積み重ね、これらの積層構造が成形時のワンターンコイル５に発生する電磁力により崩れないように固定した状態、例えば金型２をプレス機械のボルスターに固定し、固定部材６をプレス機械のラムに固定する方法等により上下方向を固定し、放電ギャップスイッチ１２を閉じると、予め充電されていたコンデンサ１１からワンターンコイル５へと１０μｓｅｃ程度の時間で放電する。ワンターンコイル５においては、電流集中部５Ａに図２の矢印方向に電流が流れ、この電流は左右のリターン部５Ｂを逆方向に流れる。

ここで、ワンターンコイル５の電流集中部５Ａは厚さ１ｍｍの薄い平面状としたため、その断面積が小さく、コイルがワンターンであるためにインダクタンスも小さい。このため、この電流集中部５Ａを大電流が衝撃的に流れ、大きな磁界が電流集中部５Ａに瞬間的且つ均一に発生し、この磁界は薄板３とドライバ４に交差する。このとき、導電率の高いドライバ４には渦電流が発生し、この渦電流とワンターンコイル５の電流集中部５Ａに発生した磁界によりフレミングの左手の法則に従って図１の矢印方向（下向き）に電磁力が発生する。尚、ドライバ４と薄板３との間、ワンターンコイル５とドライバ４との間にはそれぞれ耐熱シート８、絶縁シート９が介在しているため、ワンターンコイル５からドライバ４への電流の短絡、ドライバ４と薄板３との溶着が絶縁シート９、耐熱シート８によってそれぞれ確実に防がれ、ドライバ４に大きな渦電流が発生し、この結果、大きな電磁力が発生する。尚、ドライバ４の材質としては、アルミニウム以外に銅、黄銅、金、銀等の導電率の高いものを用いることができる。

又、ワンターンコイル５の電流集中部５Ａは薄い平面状を成し、これに発生する磁界はワンターンコイル５の電流集中部５Ａの領域において均一に分布する。従って、ワンターンコイル５に発生する均一な磁界とドライバ４に発生する渦電流によって発生する電磁力もワンターンコイル５の電流集中部５Ａの領域に亘って均一となる。

図９にワンターンコイル５の電流集中部５Ａの領域における電磁力の幅方向の分布を示すが、同図から明らかなように、電磁力は、金型２の成形部２Ａの領域では均一な値を示す。この結果、金型２の成形部２Ａにおいては薄板３に均一な成形力が作用し、図６に示す燃料電池用金属セパレータＷに形成された凹凸ＷＡの凹部Ｗａと凸部Ｗｂの深さ及び形状が均一となり、燃料電池に高い性能が安定して確保される。

ところで、ドライバ４に発生する渦電流（電流密度ｉ）と単位面積当たりに働く電磁力ｆは次式で与えられる。

ｒｏｔｉ＝−κ（∂Ｂ／∂ｔ） … （１）
ｆ＝ｉ×Ｂ … （２）
ここに、κ：ドライバ（Ａｌ）導電率
Ｂ：磁束密度
ｔ：時間
ここで、成形時にワンターンコイル５に流れる電流波形を図１０に示すが、最大電流値は充電エネルギーが４ｋＪのとき約２６０ｋＡであった。このとき、ワンターンコイル５とドライバ４との間に発生する最大磁束密度は約１５Ｔであり、発生する最大磁気圧力（電磁力に相当）は約６９ＭＰａであった。

而して、前述のように大きな電磁力が発生すると、ドライバ４は、この電磁力を受けて薄板３を金型２に押し付け、薄板３は、図４に示すように、薄板３の周辺の拘束部２ｂが金型２に押し付けられて成形部２Ａに引き込む力以上となり、薄板３の周辺より成形部２Ａへの材料の引き込みがなくなるため、金型２の成形部２Ａの溝２ａ上の薄板２に張り出して成形され、図６に示すような燃料電池用金属セパレータＷが得られる。この場合、薄板３とドライバ４との間及びドライバ４とワンターンコイル５との間にはそれぞれ耐熱性の高い耐熱シート８、絶縁性の高い絶縁シート９が介在しているため、ドライバ４に発生する誘導電流によるジュール熱による薄板３とドライバ４との溶着及びドライバ４とワンターンコイル５間の電流の短絡が防がれる。尚、本実施の形態では、電気絶縁材や耐熱材としてポリイミドシートを用いたが、電気絶縁性又は耐熱性が高く、且つ、塑性を有するものであれば、他の任意の材質のものを使用することができる。又、耐熱シート８、絶縁シート９に代えて、電気絶縁材や耐熱材をワンターンコイル５、ドライバ４、薄板３等の表面に表面処理や接着等の手段によって付着させても良い。又、図５（ａ）〜（ｃ）に成形前、成形途中、成形完了時の金型２、薄板３、耐熱シート８、ドライバ４及び絶縁シート９の断面をそれぞれ示す。

ここで、前述のようにワンターンコイル５の電流集中部５Ａは、長さａが金型２と薄板３及びドライバ４の長さ（＝１２０ｍｍ）よりも長い１８０ｍｍに設定され、幅ｂは金型２の成形部２Ａの幅（＝１２ｍｍ）よりも広い２０ｍｍに設定されているため、この電流集中部５Ａは、図１に示すように、金型２の成形部２Ａとその周囲の周辺部２Ｂの一部を上方から覆う。このため、図４に示すように、電磁力は金型２の成形部２Ａとその周囲の周辺部２Ｂの一部（拘束部２ｂ）の双方に亘って均一に作用し、前述のように薄板３を金型２の成形部２Ａに押し付けてこれを張り出し成形するとともに、薄板３の周辺の一部である拘束部を金型２に強く押し付けて拘束する。

ところで、薄板３の成形時には、図４に示すように、薄板３は周囲の部分が金型２の成形部２Ａに向けて引き込まれようとするため、その周囲の部分が従来のように拘束されない場合には、その部分が成形部２Ａに引き込まれて成形歪が発生し、その成形歪に起因する反りや波打ちが発生するという問題があった。

然るに、本実施の形態では、前述のように薄板３の周辺の一部である拘束部が電磁力によって金型２に押し付けられて拘束されるため、その拘束部分が金型２の成形部２Ａ側へと引き込まれることがなくなり、薄板３の伸びのみで加工されるため、成形部２Ａに引き込まれることにより発生していた歪が無くなり、電磁成形によって得られた図６に示す燃料電池用金属セパレータＷには反りが殆ど発生せず、平面度の高い高品質な燃料電池用金属セパレータＷが得られる。尚、薄板３を拘束部で拘束する力は、拘束部の面積（ワンターンコイル５の電流集中部５Ａの面積）によって調整可能である。即ち、拘束力は、薄板３の拘束部の面積とその部分に発生する磁束密度の大きさで決定されるため、薄板３の拘束部の面積（つまりは、ワンターンコイル５の電流集中部５Ａの面積）を調整することによって拘束力を任意に調整することができる。尚、金型２の成形部２Ａの形状により拘束部の幅や長さや位置が影響を受けるため、材料の歩留まりを考え、最適な位置、寸法、面積となるよう成形部２Ａの形状を予め実験により求める。

又、本実施の形態では、金型２の成形部２Ａに形成された溝２ａの方向に対して電流の流れ方向が直交するようワンターンコイル５を配置したが、その理由を図８（ａ），（ｂ）に基づいて以下に説明する。

金型２の成形部２Ａに形成された形状に対し、該形状を形成するために薄板３が必要とされる伸びの大きい方向は、周辺部からの材料の引き込みも大きく、材料が引き込まれないようにより強い拘束力を必要とする。

一方、ワンタ−ンコイル５の電流集中部５Ａは薄く、且つ、幅が狭い方が電流密度が上がり、より強い電磁力を発生させることができるため、電流集中部５Ａは電流を流す方向に対して直交する方向では幅が狭く、電流の流れる方向に対しては長く設計される。このような電流集中部５Ａの制約の下では、金型２の成形部２Ａに形成された形状に対し、該形状を形成するために薄板３が必要とされる伸びの大きい方向は、成形時に、金型２に材料が引き込まれる力が他の方向よりも大きくなるため、それに対抗するため、必要とされる伸びの大きい方向と電流集中部２Ａの電流を流す方向とを一致させることにより、電流集中部２Ａの幅を広げることなく形成部２Ａの周辺の拘束部２ｂの面積を大きくすることができ、大きな拘束力（電磁力）を発生させることができる。そのため、ワンターンコイル５の電流集中部５Ａを流れる電流の流れ方向と該形状を形成するために薄板３が必要とされる伸びの大きい方向とが一致するように該金型２の成形部２Ａに形成された形状を配置する必要がある。

具体的には、図８（ａ），（ｂ）に示す形状では、両形状とも必要な材料の伸びは、溝の方向に対して直角方向の方がより必要なため、金型２の溝２ａに材料が引き込まれる力は、溝２ａの方向に対して直角方向の方が溝２ａと同方向のものよりも大きくなる。そのため、金型２の溝２ａの方向がワンターンコイル５の電流集中部５Ａと直交するように金型２を設置し、溝２ａと直角方向に電流を流すべきである。

本実施の形態では、金型２の溝２ａの方向は図８（ａ）に示すように長手方向となるため、この方向にワンターンコイル５の電流集中部５Ａの電流が流れるように金型２を配置した。又、図８（ｂ）では金型２の溝２ａと直交方向、即ち、ワンターンコイル５の電流集中部５Ａが金型２の長手方向と直交する方向となるように金型２を配置した。

しかしながら、図８（ｂ）では金型２の長手方向と直交する方向の電流が働く範囲が狭く、薄板３の周囲の拘束部を確実に確保できない。従って、図８（ｂ）に比べ図８（ａ）の方が大きな引き込み力に対しては大きな拘束力で対抗することができ、薄板３の周囲の拘束部を確実に拘束して材料の移動を確実に阻止することができ、成形によって得られた図６に示す燃料電池用金属セパレータＷに成形歪みに伴う反りや波打ちが発生することがない。

以上のように、本発明に係る電磁成形装置１によれば、反りが無く均一な溝深さの高品位な燃料電池用金属セパレータＷを超高速で得ることができる。又、ワンターンコイル５が平板状を成すために電磁成形装置１がコンパクトに構成され、超高速での成形が可能であることとも併せて、プレス金型内に当該電磁成形装置１を組み込んでプレスサイクル内での電磁成形を実現することもできる。

他方、ワンターンコイル５は、電磁力と大きさが同じで方向が逆（図１の上方向）の反力（図４参照）を受けるが、この反力は固定部材６によって受けられて衝撃が緩和される。

ここで、ワンターンコイル５の電流集中部５Ａはより強い電磁力を発生させるため、電流密度を上げる必要がある。電流密度を上げる方法としては、電流を多く流すか、又は断面積を小さくする方法があるが、設備費用との関係で電流集中部５Ａの断面積を小さくするのが良策である。

そこで、ワンターンコイル５のインダクタンスを極力小さくして該部分に大電流を瞬時に流すためには、該電流集中部５Ａの厚さを可及的に薄くして断面積を小さくすべきであるが、ワンターンコイル５の電流集中部５Ａも反力を受けるため、反力に対する強度確保するためや取り扱いの点では或る程度の厚さが必要であることから、固定部材６を設置し、薄板３からの反力を受けて動かないように強度を確保しつつ電流集中部５Ａを薄くした。電流集中部５Ａの耐久性及び取り扱い性を考慮すると、実用上、電流集中部５Ａの厚さは１．０ｍｍ〜１．５ｍｍに設定すべきである。勿論、ワンターンコイル５全体を固定部材６に埋め込んで固定しても良く、固定部材６の表面上に接着、ねじ、或いはかしめ等の固定手段によって取り付けても良く、両者を組み合わせても良い。尚、固定部材６は電気絶縁性の材料、例えば大理石等の石材、ガラスエポキシ樹脂等が用いられる。

尚、本実施の形態では、ワンターンコイル５の全体の厚さを１．０ｍｍとしたが、少なくとも電流集中部５Ａが薄くて平面的なものであれば本発明の目的は達成される。このため、図１１の斜視図及び図１２の断面図（図１１のＣ−Ｃ線断面図）に示すように、Ｅ字状のワンターンコイル５の電流集中部５Ａのみを例えば厚さ１．０ｍｍの平面的なものとし、他のリターン部５Ｂの厚さを電流集中部５Ａのそれよりも厚くしても良い。

ところで、以上の実施の形態では、ワンターンコイル５としてＥ字状の金属平板を用いたが、図１３に示すような側面視コの字状の立体的なワンターンコイル５’を用いても良い。

即ち、図１３はワンターンコイルの他の形態を示す斜視図であり、図示のワンターンコイル５’は、薄い平板状の電流集中部５Ａ’の長さ方向一端部からリターン部５Ｂ’を立ち上げ、このリターン部５Ｂ’を電流集中部５Ａ’の上方に平行に配して構成されている。そして、リターン部５Ｂ’の幅方向中央部（電流集中部５Ａ’と平面的にオーバーラップする部分）には、電流集中部５Ａ’にて発生する磁界との干渉を避けるために開口部５ｂ’が長さ方向に沿って形成されている。

尚、本実施の形態では、薄板３の材質として導電率が小さいステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）を用いたが、ドライバ４を使用しない場合には、薄板３に発生する誘導電流が小さく、大きな電磁力（成形力）を得ることができない。このため、本実施の形態では、導電率の高いアルミニウム（Ａｌ０５０）から成るドライバ４を用い、このドライバ４に発生する大きな誘導電流によって大きな電磁力を発生させ、この大きな電磁力によって薄板３を金型２に押し付けてこれを成形する構成を採用した。このため、被成形材である薄板３の材質が鉄、アルニウム、銅或はそれらの合金等の導電性が高いものである場合には、ドライバ４は不要となる。この場合、ドライバ４にジュール熱が発生するため、金型２とドライバ４との溶着を防止するための耐熱シートが必要となる。

又、本発明に係る電磁成形装置１によって成形される薄板３は、ステンレス等の金属板のみならず、チタン、マグネシウム等の非鉄金属板、或はポリイミドシート、その他任意の熱可塑性樹脂シートであっても良い。例えば、薄板３が熱可塑性樹脂シートである場合には、成形時に誘導電流によってドライバ４に発生するジュール熱を利用して熱可塑性樹脂シートを瞬時に加熱成形することができる。

ところで、以上は本発明に係る電磁成形装置１によって燃料電池用金属セパレータＷを成形する形態について述べたが、本発明に係る電磁成形装置１は他の任意の製品の成形に使用することができる。例えば、プレート式熱交換器の伝熱エレメントの成形も可能である。この伝熱エレメントは、ステンレスやチタン合金等の薄板を従来はプレス加工や液圧バルジ加工等することによって成形されていたが、反り、設備コスト、加工速度、組立効率等の点で問題があった。然るに、本発明に係る電磁成形装置１によれば、反りの無い高品質の伝熱エレメントの成形が可能となる。

本発明に係る電磁成形装置の断面図（図２のＡ−Ａ線断面図）である。 本発明に係る電磁成形装置の固定部材を外した状態の平面図である。 本発明に係る電磁成形装置の分解斜視図である。 金属薄板の電磁成形時の加工状態及び加工時に金属薄板に作用する力を示す金型の成形部周辺の部分断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は成形前、成形途中、成形完了時の成形の様子を示す部分断面図である。 燃料電池用金属セパレータの斜視図である。 図６のＢ−Ｂ線拡大断面図である。 （ａ），（ｂ）は金型の溝方向とコイルに流す電流の方向との関係を示す斜視図である。 電磁力の幅方向分布を示す図である。 成形時にワンターンコイル５に流れる電流波形を示す図である。 ワンターンコイルの別形態を示す斜視図である。 図１１のＣ−Ｃ線断面図である。 ワンターンコイルの別形態を示す斜視図である。

符号の説明

１ 電磁成形装置
２ 金型
２Ａ 金型の成形部
２Ｂ 金型の周辺部
２ａ 金型の溝
２ｂ 金型の拘束部
３ 薄板
４ ドライバ
５ ワンターンコイル
５Ａ ワンターンコイルの電流集中部
５Ｂ ワンターンコイルのリターン部
５ａ ワンターンコイルのスリット
６ 固定部材
８ 耐熱シート（耐熱材）
９ 絶縁シート（電気絶縁材）
１０ 直流高圧電源（電源手段）
１１ コンデンサ
１２ 放電ギャップスイッチ
Ｗ 燃料電池用金属セパレータ（成形品）

Claims (6)

1. 電流集中部を備えたワンターンコイルと、該ワンターンコイルに通電するための電源手段と、成形部を備えた金型を備え、前記ワンターンコイルと金型との間に薄板を介在させた状態で前記電源手段からワンターンコイルに通電して電磁力を発生させ、該電磁力によって前記薄板を前記金型に押圧してこれを成形する薄板の電磁成形装置において、
   前記ワンターンコイルの少なくとも電流集中部を平面状とし、該電流集中部における電磁力の発生領域が前記金型の成形部と該成形部周辺の拘束部との両域となるよう設定したことを特徴とする薄板の電磁成形装置。
2. 前記ワンターンコイルをＥ字状の平板で構成し、その中央部を電流集中部とし、その両側部をリターン部としたことを特徴とする請求項１記載の薄板の電磁成形装置。
3. 少なくとも前記ワンターンコイルの前記電流集中部に、該電流集中部を固定する固定部材を設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の薄板の電磁成形装置。
4. 前記ワンターンコイルの前記電流集中部の厚さを１．０ｍｍ〜１．５ｍｍに設定したことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の薄板の電磁成形装置。
5. 前記ワンターンコイルと前記薄板との間に、該薄板よりも高い導電率を有する金属から成る平板状のドライバを介設するとともに、該ドライバとワンターンコイル及び薄板との間に電気絶縁材又はそれぞれに電気絶縁材と耐熱材とを介在させたことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の薄板の電磁成形装置。
6. 前記金型の成形部に形成された形状に対し、該形状を形成するために前記薄板が必要とされる伸びの大きい方向と前記ワンターンコイルの前記電流集中部を流れる電流の流れ方向が一致するよう該金型の成形部に形成される形状を配置したことを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の薄板の電磁成形装置。

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