JP2014042922A - 加熱ロール及びロールプレス機、ロールプレス方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
加熱ロールに発生する凸クラウンを小さくすることが可能な加熱ロール及びロールプレス機、ロールプレス方法を提供する。
【解決手段】
加熱ロール１，２の端面に対向してヒーター２０を設ける。望ましくは、ヒーターをロール端面から離間させて設置する。また、望ましくは、加熱板（均温化板）２３をヒーターの加熱面に設置する。また、望ましくは、ロールとヒーター（加熱板を設ける場合は加熱板）の隙間に空気が流れにくく、ロールとヒーター（加熱板を設ける場合は加熱板）の隙間の空気が滞留するように、環状のカバー２２を設置する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、加熱ロール及びロールプレス機、ロールプレス方法に関する。

ロールプレス機は、連続シート状の二次電池用電極材料等の圧縮加工に使用されている。また、二次電池用電極材等の成形用のロールプレス機では、温間プレス加工が行われる。温間プレス加工には、ドリルドロールなどの加熱ロールが用いられている。

加熱ロールにはロール自身の加熱により熱膨脹が起こる。そして、加熱ロールには、外気との接触面からの放熱によりロール内部に温度分布が発生する。その温度分布は、ロール端面部の温度が低くなるように形成されている。ロール幅方向（ロール軸方向）の温度分布に基づく温度差により、加熱ロールの熱膨張量は、ロール幅方向に差が発生し、中央部が大きく、両端部が小さくなる。このことから、加熱ロールには、凸クラウン形状の熱変形が起きる（サーマルクラウンの発生）。

このようなサーマルクラウンに対応するものとして、例えば、特許文献１に記載の技術がある。特許文献１には、ロールの軸方向の両端面を断熱材で覆い両端面からの放熱を抑制し、ロール内部における軸方向の温度分布が均一になるようにすることによりサーマルクラウン発生量を低減することが記載されている。

特開２００５−２８８５３５号公報

特許文献１に記載のようにロール端面に断熱材を施すことにより、断熱材がない場合よりも放熱量を少なくすることはできるが、放熱をゼロにすることは難しい。

一方、二次電池用電極材料等の圧縮加工においては、材料の圧縮加工後の要求厚み精度は、例えば、±２μm程度と厳しく、近年さらに高精度化が望まれている(±1〜２μｍ)。そのため、高精度な圧縮加工を行うためには、加熱ロールに発生する凸クラウンを可能な限り小さくすることが重要となる。

本発明の目的は、加熱ロールに発生する凸クラウンを小さくすることが可能な加熱ロール及びロールプレス機、ロールプレス方法を提供することにある。

本発明は、加熱ロールの端面にヒーターを設けたことを特徴とする。

本発明によれば、ロール端面の温度低下を積極的に抑制することができ、加熱ロールに発生する凸クラウンを効果的に小さくすることができる。その結果、加熱ロールにおけるロールの熱変形によるロール精度変化を抑制し、高精度な圧縮加工を行うことが可能となる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の一実施例である加熱ロールの断面図。 本発明の他の一実施例である加熱ロールの断面図。 本発明の加熱ロールが用いられるロールプレス機の正面図。 本発明の加熱ロールが用いられる他のロールプレス機の正面図。 本発明のロールプレス機が用いられるロールプレス設備のライン全体図。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。

図１は本発明の一実施例である加熱ロールの断面図を示す。プレス加工は、後述の図３や図４に示すように、上下一対のロールを用いて行われる。本発明の加熱ロールは何れか一方又は双方に用いられる（基本的には双方に用いられる。）。

二次電池用電極材等の圧縮成形に用いられるロールは、円筒度、真円度、振れ精度が重要であり、それぞれ1〜4μm程度の精度を有するよう構成されている。また、高線圧での圧縮加工にも用いられることから、高剛性が必要であり、そのため、ロールの構造としては中実ロールが採用されている。そして、温間プレス加工に用いるため、ロールには昇温機構が用いられる。図１では昇温機構の図示を省略しているが、例えば、特許文献１に記載のように、ロール内部に油等の熱媒体を流す熱媒体流路がロール内部に形成されている。このような加熱ロールはドリルドロールと呼ばれている。

このような加熱ロールにおいて、ロール幅方向の温度分布（内部温度分布を含む）を均一に出来れば、凸クラウンの発生を防止できる。言い換えれば、熱膨脹差は、ロール径方向温度分布がロール幅方向において異なることにより生じ、ロール端面側におけるロールの径方向内部の温度が、ロール端面からの放熱により、ロールの軸方向中央部側のロールの径方向内部の温度よりも低下することにより生じるので、ロール端面からの放熱をなくすことにより凸クラウンの発生を防止できる。

理想的には、ロールの有効面（材料プレス幅）に対して、端面からの放熱による温度斑の影響がないくらい十分長いロールであれば、実質的に幅方向に温度分布が変わらない状況を作ることが可能となるが、そのような構造は実現不可能である。

現実的な方法としては、従来は、特許文献１に記載のように、ロール端面に断熱材を設置する方法が考えられているが、断熱材では、放熱量が少ないだけで、放熱をゼロにすることはできない。

そこで、本発明では、ロール端面を外部より加熱するようにして、ロール端面（ロールの径方向内部）の温度低下を積極的に抑制するようにしている。本実施例では、具体的には、ロール端面に対向してヒーター２０を設けている。ヒーター２０はロール全周に対向するように環状に設けられている。本実施例では、ヒーターをロール端面から離間させて設置し、主に輻射により加熱している。ヒーターとしては電気ヒーターが用いられるがこれに限定されるものではない。

本実施例では、ヒーターをロール端面から離間させて配置しているが、ロール端面に取り付けても良い。ロール端面にヒーターを取り付ける場合、ヒーターがロールと共に回転することになるので、配線等に工夫（摺動接点など）が必要である。ロール端面から離してヒーターを設置する場合は、そのような工夫は不要となる。

そして、本実施例では、ロール端面の加熱斑を少なくするために、環状の加熱板（均温化板）２３を介在させている。即ち、ヒーターの熱のバラツキがあると、ロール加熱斑につながるので、加熱面表面温度で、±2℃以内になるようにするのが望ましい。加熱面を±２℃程度に均温化することは、加熱板（均温化板）２３をヒーターの加熱面に設置することで比較的容易に行える。加熱板２３を介在させる場合、加熱板表面がロータ端面に対する加熱面となる。加熱面の温度を均温化するためには、加熱板はある一定厚み以上とすることが望ましい。均温化のため加熱板厚みは、例えば、φ300ｍｍ〜φ1000ｍｍ程度のロール径を想定した場合、厚みは５mm〜３０mm程度が望ましい。但し、これに限定されるものではない。また、加熱板としては、熱伝導が比較的よいアルミ等が用いられる。これにより、均温化した面から、ロール端面を加熱することが可能となる。

加熱板（均温化板）２３の設置に加えて、または、加熱板（均温化板）２３の設置に代えて、ヒーターは、ロール端面の上下方向に２分割、またはそれ以上に分割し、それぞれを温度制御するようにしても良い。上下等の面内で温度差が出ることから、面内の出力を分割調整することで、面内温度分布の均温化を行い易くする。上下の分割に代えて、または、上下の分割に加えて、ヒーターを左右方向に分割して、それぞれを温度制御するようにしても良い。

ヒーターをロール端面と離れて設置する場合は、ヒーター加熱面に多少の温度斑がある場合でも、相手のロールが回転するため、対象面内では温度が平均化されて伝わるが、ロール端面にヒーターを設置する場合は、ヒーターのロール端面への接触面の温度斑がロール端面の表面に直接伝わるので（ヒーターの熱のバラツキの影響を大きく受けるので）、加熱板を設置する、または、ヒーターを分割して温度制御することの意義が特に大きいと言える。

ヒーターによる加熱は、加熱板表面の温度が、例えば、ロール表面温度＋０〜５０℃程度になるように行われる。

また、ロール端面からヒーターを離間させて設置する場合、ロール端面とヒーター（加熱板を設ける場合は加熱板）との隙間は、3〜20mm程度にすることが望ましい。

また、ロール端面からヒーターを離間させて設置する場合、ロールとヒーター（加熱板を設ける場合は加熱板）の隙間に、空気の流れが出来ると、部分的な温度低下からロール端面の温度斑が発生する。これを防止するため、ロールとヒーター（加熱板を設ける場合は加熱板）の隙間に空気が流れにくく、ロールとヒーター（加熱板を設ける場合は加熱板）の隙間の空気が滞留するように、環状のカバー２２を設置することが望ましい。カバー２２の端面に対向する先端とロール端面との間隔は例えば１ｍｍ程度に設定される。また、ロータ軸とヒーター（加熱板を設ける場合は加熱板）との隙間に空気の流れができないように、また、ロータ軸の回転を阻害しないように、樹脂製のブッシュ２４を設置することが望ましい。

また、ロール端面からヒーターを離間させて設置する場合、ヒーター等のロール端面加熱装置は、主軸受箱４または図示しないハウジングなどに取り付け固定されている。

また、図２に示すように、ヒーターのロール端面に対向する面とは反対側に断熱板２５を設けることにより、ロール端面の温度低下を効果的に抑制することができ、また、ヒーターに供給するエネルギーを少なくすることができる。なお、図２に示す実施例では、ブッシュ２４を設置していないが、ブッシュ２４を設置しても良い。

上述した加熱ロールを用いることにより、ロール端面の温度低下を積極的に抑制することができ、加熱ロールに発生する凸クラウンを効果的に小さくすることができる。その結果、加熱ロールにおけるロールの熱変形によるロール精度変化を抑制し、高精度な圧縮加工を行うことが可能となる。

次に、上述の加熱ロールを用いたロールプレス機の例を説明する。

図３に示すように、ロールプレス設備におけるロールプレス機は、上ロール１、下ロール２、上ロール及び下ロールをそれぞれ軸支する主軸受を内蔵保持する主軸受箱４、下ロールの主軸受箱に対して荷重を加え、上ロール１と下ロール２の間の材料３に対するプレス荷重を発生させるプレスシリンダー５を備えている。上ロール１と下ロール２には上述の加熱ロールが用いられている。

上ロール１の主軸受箱４とプレスシリンダー５はハウジング（図示省略）により支持されている。上ロールと下ロールにはロール駆動機構(図示省略)がそれぞれ設けられている。上ロールと下ロールには熱媒体の供給機構（図示省略）がそれぞれ設けられている。また、ロールプレス機は、ベンドシリンダー７、ベンド軸受を内蔵保持するベンド軸受箱６からなるロールのたわみ補正を行うベンド機構を備えている。

このたわみ補正は、圧縮時に材料３からうける反力によるロールのたわみを補正するものである。ロールのたわみを補正しないと、材料３の両エッジ部が中央部付近より薄くなるといった、仕上げ厚みの幅方向にばらつきが発生するため、たわみを補正することで、材料の幅方向の厚みばらつきを抑え、高精度に加工を行うようにしている。

プレスシリンダー５はロールギャップの調整を行うプレス機構の主構成要素である。プレスシリンダー５は、制御盤（図示省略）からの制御指令により位置制御可能に構成されている。即ち、プレスシリンダーは、内部もしくは外部にマグネスケール等の位置検出機（図示省略）を有し、油圧系にサーボ弁を用いた位置制御可能なシステムが採用されている。

ベンドシリンダー７は、制御盤からの制御指令により加圧力が設定可能となっている。ベンドシリンダーには、圧力設定に比例制御弁（電磁弁）が採用されている。ベンド軸受箱６は主軸受箱４の両外側に設けられている。本実施例のロールのたわみ補正を行うベンド機構は、ベンド突っ張りタイプであり、上ロールのベンド軸受箱と下ロールのベンド軸受箱の間にベンドシリンダー７が設けられ、材料への加工荷重によるロールたわみと逆方向にロールへ荷重をかけてロールのたわみの補正を行っている。図中の矢印は、各シリンダーによる荷重の方向と大きさのイメージしたものである。各シリンダーは油圧を用いている。油圧シリンダーは高い荷重に対応できること、また非圧縮性の流体(作動油)を用いることで安定した加工が行える。

ベンドシリンダー７は、図４に示すように、上ロールのベンド軸受箱の上方と下ロールのベンド軸受箱の下方にそれぞれベンドシリンダー７が設けた、ベンド引張りタイプでも良い。

図５は上述のロールプレス機を配置したロールプレス設備のライン全体図を示す。ロールプレス機の入り側にはリチウムイオン二次電池電極材などの材料３がコイル状に巻回されたプレス前コイル８を装着する巻出機１２が設けられ、ロールプレス機本体の出側にはプレス後の材料を巻回しプレス後コイル９とする巻取機１３が設けられている。また、ロールプレス機本体の出側にはプレスされた材料３の厚みを計測する厚み計１０が設置されている。厚み計１０からの厚み測定値に基づき、制御盤１１においてプレスシリンダー位置制御とベンドシリンダー圧力制御の制御値（補正量）を求める演算を行い、制御値がロールプレス機に出力され、この制御値によってプレスシリンダーとベンドシリンダーの油圧が制御される。また、後述のように測定した３か所の厚み測定値の中央の測定値が駆動側及び操作側の測定値よりも小さい場合、かつ、ベンドシリンダー圧力が調整可能範囲の最低値付近に設定するしきい値以下にある場合、即ち、ロールにサーマルクラウン（凸クラウン）が発生し、ロール自身の形状が材料の幅方向の厚み精度に顕著な影響を与えている場合に、制御盤１１においてヒーターへの通電量（制御値）を決定し、求めた制御値に基づきヒーターの出力を制御するようになっている。

本実施例では、厚み計１０は、幅方向において、操作側(ロール駆動機構がない側)Ｔｄ、中央Ｔｃ、駆動側(ロール駆動機構がある側)Ｔｗの３点（３領域又は３箇所)で厚みを計測するように構成されている。尚、厚み計測点は、幅方向に少なくとも２点以上であれば良いが（中央と操作側若しくは駆動側）、３点の厚みを計測することが望ましい。また、計測器を三箇所に固定して厚みを計測するようにしても良いし、幅方向に計測器を移動して厚みを計測するようにしても良い。幅方向に連続的に計測する場合は、操作側、中央、駆動側の３つの領域を設定し、その範囲の測定値の平均値を制御に用いるようにしても良い。

また、厚み計１０は、ライン運転中に材料厚みを連続または断続的に計測できるものであれば、計測方式に指定は無い。例えば、厚み計の計測方式としては、ガイドロール上の材料において、レーザーセンサーにより材料の上面位置を検出し、また、ガイドロールの位置を磁気センサーで検出し、それらの位置関係から材料厚みを計測する方法や、材料の両面の位置をレーザーセンサーにより計測し、それらの位置関係から材料の厚みを計測する方法等がある。

本実施例では、サーマルクラウンは、生産ラインが定常条件になったときに最終調整される。即ち、ロールなどが十分に加熱され温度上昇がなくなった時点において調整される。

上述したように、圧縮時に材料３からうける反力によるロールのたわみが発生する。このロールのたわみはサーマルクラウンとは反対方向にロールを変形させる。高線圧での圧縮加工では、サーマルクラウンがロールたわみにより相殺され、さらにベンドシリンダーによりロールのたわみ補正が行われる。

しかし、ロールプレスの際の線圧が低線圧化（例えば、１００ｋｇ/ｃｍ以下）すると、材料からの反力が小さく、材料からの反力によるロールのたわみが小さくなる。そうすると、圧縮時に材料から受けるロールのたわみではサーマルクラウンが相殺されないことになり、サーマルクラウンによるロール自身の形状が製品厚み精度に顕著に影響を与えることになる。この凸形状のサーマルクラウンは、主軸受箱の外側にベンダー力（上下ロール間を離間させる方向の力）を付与するロールたわみ補正機構では補正することができない。

生産ラインが定常条件になったときに、図５に示す厚み計１０からの厚み測定値に基づき、材料の幅方向の厚みが凸形状になっていると判断された場合で、かつ、ベンドシリンダー圧力が調整可能範囲の最低値付近に設定するしきい値以下にある場合に、ヒーターに通電してヒーター加熱を行う。このヒーター加熱は制御盤１１を用いて自動的に行ってもよいし、測定値を目視して作業員が手動で行うようにしても良い。また、幅方向の厚み測定値（Ｔｄ，Ｔｃ，Ｔｗ）に基づき、ロールの左右の端面にそれぞれ配置されているヒーターを個別に調整するようにしても良い。即ち、例えば、Ｔｄの測定値がＴｗの測定値よりも大きい場合には、駆動側のロール端面のヒーター加熱を操作側のロール端面のヒーター加熱よりも強くするようにする。

このように、生産ラインが定常条件になったときのロールクラウンの状況を把握してヒーター加熱を行うことにより、常にヒーター加熱する場合に比べて、ヒーターに供給するエネルギーやベンドシリンダーを駆動するエネルギーを必要最低限とすることが可能となる。

上述の実施例では、上ロールと下ロールに本発明の加熱ロール（ロール端面にヒータを設置）を用いているが、何れか一方に用い、他の加熱ロールを従前のもの（ロール端面にヒーターを未設置）を用いるようしても効果が得られる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加，削除，置換をすることが可能である。

例えば、上述の各実施例は、ロールを上下に配置したものであるが、一対のロール（第一ロールと第二ロール）を水平方向に配置したロールプレス装置にも本発明を同様に適用できる。なお、この変形例では、上述の各実施例における上ロールが第一ロール、下ロールが第二ロールと読み替えられる。

また、例えば、各軸受箱に荷重を付与する機構として、実施例の油圧シリンダー方式よりも操作性などが劣るが、ねじ機構を用いた荷重付与機構も適用し得る。

１…上ロール、２…下ロール、３…材料、４…主軸受箱、５…プレスシリンダー、６…ベンド軸受箱、７…ベンドシリンダー、８…プレス前コイル、９…プレス後コイル、１０…厚み計、１１…制御盤、１２…巻出機、１３…巻取機、２０…ヒーター、２２…カバー、２３…加熱板（均温化板）、２４…ブッシュ、２５…断熱板。

Claims (13)

1. 対向配置した一対のロールにより材料を圧縮加工するロールプレス機に用いられる温間プレス用の加熱ロールであって、
   前記加熱ロールの端面に対向してヒーターを設けたことを特徴とする加熱ロール。
2. 請求項１において、前記ヒーターは前記ロール端面から離間して設けられていることを特徴とする加熱ロール。
3. 請求項２において、前記ヒーターと前記ロール端面との間に形成される隙間をヒーターの外周から覆うカバーを設けたことを特徴とする加熱ロール。
4. 請求項２において、前記ヒーターと前記ロールのロール軸部との間に樹脂製のブッシュを設けたことを特徴とする加熱ロール。
5. 請求項１において、前記ヒーターの前記ロール端面側に均温化板を設けたことを特徴とする加熱ロール。
6. 請求項２において、前記ヒーターの前記ロール端面側に均温化板を設けたことを特徴とする加熱ロール。
7. 請求項１において、前記ヒーターを前記ロール端面に対向する面内において複数に分割し、個別に温度制御するようにしたことを特徴とする加熱ロール。
8. 請求項２において、前記ヒーターを前記ロール端面に対向する面内において複数に分割し、個別に温度制御するようにしたことを特徴とする加熱ロール。
9. 請求項１において、前記ヒーターの前記ロール端面側とは反対側に断熱板を設けたことを特徴とする加熱ロール。
10. 請求項２において、前記ヒーターの前記ロール端面側とは反対側に断熱板を設けたことを特徴とする加熱ロール。
11. 対向配置した一対のロールにより材料を圧縮加工するロールプレス機であって、
    前記ロールの何れか一方又は双方に請求項１〜１０の何れかに記載の加熱ロールを用いたことを特徴とするロールプレス機。
12. 請求項１１において、材料をプレス加工する際の材料からの反力によるロールたわみを小さくする方向にロール軸部へ荷重をかけてロールのたわみの補正を行うロールたわみ補正機構を備えたことを特徴とするロールプレス機。
13. 請求項１２に記載のロールプレス機を用いたロールプレス方法であって、
    プレス加工の際の材料からの反力によるロールのたわみでは前記加熱ロールに生じるサーマルクラウンが相殺されない場合に、前記ヒーターにより前記ロール端面を加熱するようにしたことを特徴とするロールプレス方法。

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