JP2016083632A - 間欠塗工装置の弁体制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】弁体の組付け誤差の影響を排除して、良好に間欠塗工を行うことが可能な間欠塗工装置の弁体制御方法を提供する。
【解決手段】弁体４４，５４を開位置に移動させて全開の状態にして塗工液を送り出して弁装置２３の上流側の圧力を計測し、その後、弁体４４，５４を徐々に閉じて循環圧力Ｐ１が閾値α１以上及び還流圧力Ｐ２が閾値α２以上となった時点の弁体４４，５４の位置を閉仮原点とする閉仮原点設定処理と、閉仮原点設定処理を繰り返し実施し、前回の閉仮原点との差が許容値β以下となった時点の弁体４４，５４の位置を閉位置の原点である閉原点とする閉原点設定処理と、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、基材に対して塗工液を間欠的に吹き付ける間欠塗工装置の弁体制御方法に関する。

燃料と酸化剤の電気化学反応によって発電する燃料電池は、電解質膜に電極を備える。この電極は、触媒を担持したカーボン粒子等を電解質樹脂と共にバインダーに分散させた触媒ペーストを塗布することで形成される。触媒ペーストからなる塗工液は、電解質膜からなる基材に対して間欠塗工を行うことで無駄なく塗布される（例えば、特許文献１から３参照）。

特許文献１の技術では、循環バルブを閉止しつつ供給バルブを開放すると、貯留タンクから送出された塗工液は供給配管の全体にわたって流れ、塗工ノズルへと供給される。制御部は、循環バルブおよび供給バルブの開閉を制御して間欠塗工を実行させるとともに、圧力計が、塗工時には供給配管内の圧力を測定し、非塗工時には循環配管内の圧力を測定した測定結果に基づいて圧損調整部を制御する。

また、特許文献２の技術では、間欠型定容量ポンプは定容量の塗布液を吐出する定容量ポンプとしてタンクに一定圧力を付加し、吸引用弁を開、吐出用弁を閉状態にしておきピストンの上昇速度が一定速度に達したら、吐出用弁を開き、この時、吸引用弁、吐出用弁が共に開であることから定容量供給動作と定圧力の塗布液の供給が実現する。

さらに、特許文献３の技術では、塗工液をダイへ供給・吸引する可変式弁体と、余分な塗工液を還流路へ戻し、かつダイと還流路に分岐する体積調整機能も兼ねている還流用弁体を有し、これらの弁体を開位置と閉位置（弁座と密着し、液漏れが無い位置）との間を動作させることで間欠塗工する。

特開２０１４−６１４６０号公報 特開２０００−３３４３５５号公報 特開２０１１−８３７１９号公報

ところで、間欠塗工するためにはダイから吐出される塗工液である触媒インクの吐出量を制御することが重要である。そのために、間欠バルブを用いて触媒インクを吸引・吐出しているが、間欠バルブは、弁座に対して弁体の組付け後の位置を保証できないため、組付け誤差が生じているおそれがある。このように、間欠バルブに弁体の組付け誤差が生じていると、触媒インクの吸引・吐出の高精度な制御が困難となり、良好に間欠塗工できなくなるおそれがある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、弁体の組付け誤差の影響を排除して、良好に間欠塗工を行うことが可能な間欠塗工装置の弁体制御方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の間欠塗工装置の弁体制御方法は、
弁座に対して接触した閉位置と離間した開位置との間で弁体を移動させる弁装置を開閉制御し、被塗工物に対して塗工液を間欠的に吐出して塗布する間欠塗工装置の弁体制御方法であって、
前記弁体を開位置に移動させて全開の状態にして塗工液を送り出して前記弁装置の上流側の圧力を計測し、その後、前記弁体を徐々に閉じて前記圧力が閾値以上となった時点の前記弁体の位置を閉仮原点とする閉仮原点設定処理と、
前記閉仮原点設定処理を繰り返し実施し、前回の閉仮原点との差が許容値以下となった時点の前記弁体の位置を閉位置の原点である閉原点とする閉原点設定処理と、を含む。

この間欠塗工装置の弁体制御方法によれば、弁体の閉位置の原点である閉原点を高精度にかつ常に安定して同じ位置に設定することができる。これにより、弁体に組付け誤差が生じていたとしても、弁体の組付け誤差の影響を排除することができ、よって、間欠塗工を良好に行うことができる。

本発明の間欠塗工装置の弁体制御方法によれば、弁体の組付け誤差の影響を排除して、良好に間欠塗工を行うことができる。

本実施形態に係る間欠塗工装置の構成を説明する概略配管図である。 供給用バルブ部及び還流用バルブ部の弁体の動きを説明する模式図である。 弁体の動きに伴うダイからの触媒インクの吐出タイミングを示すチャート図である。 弁体の閉位置及び開位置を示す模式図である。 弁体のマイナス側への組付け誤差を説明する模式図である。 弁体のプラス側への組付け誤差を説明する模式図である。

以下、本発明に係る間欠塗工装置の弁体制御方法の実施形態について図面を参照して説明する。

まず、本実施形態に係る弁体制御方法が適用される間欠塗工装置について説明する。

図１は、本実施形態に係る間欠塗工装置の構成を説明する概略配管図である。

図１に示すように、間欠塗工装置１０は、ダイ１１を備えており、所定の搬送速度で搬送される電解質膜（被塗工物）１の表面に対して、触媒インク（塗工液）Ｉをダイ１１から間欠的に吐出させて塗布する。これにより、電解質膜１の表面には、その搬送方向に一列に配列された複数の触媒インクＩの塗布膜が連続して形成される。なお、触媒インクＩとは、燃料電池用の触媒を担持する導電性粒子（例えば白金担持カーボン）と、電解質膜１と同じまたは類似の電解質とを有機溶媒や無機溶媒によって分散させた粒体分散溶液である。

間欠塗工装置１０は、ダイ１１のほかに、タンク２１及び弁装置２３を備えている。タンク２１には、触媒インクＩが貯留されている。タンク２１の底部には、ポンプ３１及び圧力計３２を有する送出管３３が接続されている。送出管３３は、その下流側が弁装置２３に接続されている。

弁装置２３は、供給用バルブ部４１と、還流用バルブ部５１とを有している。供給用バルブ部４１は、シリンダ４２と、このシリンダ４２の内周に設けられた弁座４３と、シリンダ４２内で軸方向へ移動可能に設けられた弁体４４とを備えている。弁体４４には、ロッド４５が接続されており、このロッド４５は、例えば、サーボモータなどの駆動力源を備えた弁駆動機構４６によって進退される。そして、弁駆動機構４６によってロッド４５が進退されると、弁体４４は、弁座４３に密着した閉位置と弁座４３から離間した開位置との間を所定のリフト量Ｌだけ移動する。供給用バルブ部４１は、弁体４４が閉位置に配置されて弁座４３に密着すると、流路が閉ざされた閉状態となり、弁体４４が開位置に配置されて弁座４３から離間すると、流路が開かれた開状態となる。同様に、還流用バルブ部５１は、シリンダ５２と、このシリンダ５２の内周に設けられた弁座５３と、シリンダ５２内で軸方向へ移動可能に設けられた弁体５４とを備えている。弁体５４には、ロッド５５が接続されており、このロッド５５は、例えば、サーボモータなどの駆動力源を備えた弁駆動機構５６によって進退される。そして、弁駆動機構５６によってロッド５５が進退されると、弁体５４は、弁座５３に密着した閉位置と弁座５３から離間した開位置との間を所定のリフト量Ｌだけ移動する。還流用バルブ部５１は、弁体５４が閉位置に配置されて弁座５３に密着すると、流路が閉ざされた閉状態となり、弁体５４が開位置に配置されて弁座５３から離間すると、流路が開かれた開状態となる。

供給用バルブ部４１及び還流用バルブ部５１のシリンダ４２，５２の一端側は、連通部６１によって互いに連通されており、この連通部６１に、送出管３３が接続されている。

供給用バルブ部４１のシリンダ４２の他端側には、供給管６２の一端が接続されている。この供給管６２の他端は、ダイ１１に接続されている。また、還流用バルブ部５１のシリンダ５２の他端側には、還流管６３の一端が接続されている。この還流管６３の他端は、タンク２１に接続されている。

間欠塗工装置１０は、循環路６４を有している。この循環路６４は、一端がダイ１１に接続され、他端がタンク２１に接続されている。この循環路６４には、循環バルブ６５が設けられており、この循環バルブ６５によって循環路６４の流路が開閉される。この循環バルブ６５は、電解質膜１に対して触媒インクＩを間欠塗工する際には閉じられる。

上記構成の間欠塗工装置１０では、ポンプ３１が作動されると、タンク２１の触媒インクＩが送出管３３を通して弁装置２３に送り込まれる。

この状態で、還流用バルブ部５１が閉状態とされた後に供給用バルブ部４１が開状態とされると、連通部６１に送り込まれる触媒インクＩがシリンダ４２内の弁座４３と弁体４４との間を通り、シリンダ４２の他端側から供給管６２へ送り出される。これにより、ダイ１１に触媒インクＩが供給され、このダイ１１から電解質膜１へ向かって触媒インクＩが吐出される。また、還流用バルブ部５１が開状態とされた後に供給用バルブ部４１が閉状態とされると、ダイ１１から電解質膜１への触媒インクＩの吐出が停止される。そして、連通部６１に送り込まれる触媒インクＩは、シリンダ５２内の弁座５３と弁体５４との間を通り、シリンダ５２の他端側から還流管６２へ送り出されてタンク２１へ戻される。

そして、上記の間欠塗工装置１０は、供給用バルブ部４１及び還流用バルブ部５１を交互に開閉し、ダイ１１からの触媒インクＩの吐出動作及びダイ１１からの触媒インクＩの吐出停止動作を繰り返すことで、電解質膜１に対して触媒インクＩを間欠塗工する。

図２は、供給用バルブ部及び還流用バルブ部の弁体の動きを説明する模式図である。図３は、弁体の動きに伴うダイからの触媒インクの吐出タイミングを示すチャート図である。

図２に示すように、触媒インクＩの吐出動作において、弁体４４は、弁座４３に密着した閉位置（図２中ａの位置）から開位置へ向かって移動すると（図２中ｂの位置参照）、ダイ１１からの触媒インクＩの吐出量が次第に増加する（図３中ｔ１参照）。その後、弁体４４が開位置に到達すると（図２中ｃの位置）、ダイ１１からの触媒インクＩの吐出量が最大となる（図３中ｔ２参照）。この状態から、弁体４４が閉位置へ向かって移動すると（図２中ｂの位置参照）、ダイ１１からの触媒インクＩの吐出量が次第に減少し（図３中ｔ３参照）、弁体４４が閉位置に到達すると（図２中ａの位置）、触媒インクＩのダイ１１からの吐出が停止される。これにより、搬送される電解質膜１に対して触媒インクＩが部分的に塗布される。

同様に、触媒インクＩの吐出停止動作において、弁体５４は、弁座５３に密着した閉位置（図２中ａの位置）から開位置へ向かって移動すると（図２中ｂの位置参照）、タンク２１への触媒インクＩの還流量が次第に増加する。その後、弁体５４が開位置に到達すると（図２中ｃの位置）、タンク２１への触媒インクＩの還流量が最大となる。この状態から、弁体５４が閉位置へ向かって移動すると（図２中ｂの位置参照）、タンク２１への触媒インクＩの還流量が次第に減少し、弁体５４が閉位置に到達すると（図２中ａの位置）、触媒インクＩのタンク２１への還流が停止される。

図４は、弁体の閉位置及び開位置を示す模式図である。図５は、弁体の組付け誤差を説明する模式図である。図６は、弁体の組付け誤差を説明する模式図である。

間欠塗工するためには、ダイ１１から吐出される触媒インクＩの吐出量を制御することが重要である。このため、図４に示すように、弁装置２３の供給用バルブ部４１及び還流用バルブ部５１では、弁体４４，５４が弁座４３，５３に密着した閉位置と、弁体４４，５４が弁座４３，５３から所定距離離間した開位置との間で精度良く移動することが必要である。

しかし、弁装置２３は、弁座４３，５３に対して弁体４４，５４の組付け後の位置を保証できないため、組付け誤差が生じているおそれがある。具体的には、図５に示すように、閉位置の状態において、弁体４４，５４が弁座４３，５３に対して通常の閉位置よりも上流側に配置されるようにマイナス側への組付け誤差が生じていると、弁体４４，５４が開位置に所定のリフト量Ｌだけ移動した際に、弁座４３，５３から十分に離間せず、流路の開度が不十分となってしまう。また、図６に示すように、閉位置の状態において、弁体４４，５４が弁座４３，５３に対して通常の閉位置よりも下流側に配置されるようにプラス側への組付け誤差が生じていると、流路の閉鎖が不十分となったり、弁体４４，５４が開位置に所定のリフト量Ｌだけ移動した際に、弁座４３，５３から離れ過ぎて、流路が必要以上に開いてしまう。

したがって、弁体４４，５４に組み付け誤差があると、弁装置２３における触媒インクＩの正確な流量制御が困難となり、良好に間欠塗工できなくなるおそれがある。

このため、本実施形態では、間欠塗工を行うにあたり、弁体４４，５４の閉位置の原点を高精度に設定する弁体制御を行う。

次に、本実施形態に係る弁体制御方法を説明する。
（１）まず、供給用バルブ部４１、還流用バルブ部５１及び循環バルブ６５を全開にし、ポンプ３１を作動させる。すると、タンク２１の触媒インクＩが、送出管３３、連通部６１、シリンダ４２，５２、供給管６２、還流管６３及び循環路６４の全てに送り込まれてタンク２１に戻される。これにより、間欠塗工装置１０の全ての流路内は、エアが送り出されて触媒インクＩが充填された状態となる。

（２）間欠塗工装置１０の全ての流路内への触媒インクＩの充填が終了したら、供給用バルブ部４１を開状態とし、かつ還流用バルブ部５１を閉状態とし、そのときの循環圧力Ｐ１を圧力計３２で計測する。

（３）供給用バルブ部４１の弁体４４を一定速度(約１．０ｍｍ／ｓ)で閉位置へ向かって移動させて供給用バルブ部４１を徐々に閉じる。そして、循環圧力Ｐ１が予め設定した閾値α１以上となった時点における弁体４４の位置を閉仮原点Ｘ１とする（閉仮原点設定処理）。なお、閾値α１は、循環圧力Ｐ1の目標圧力に対する許容差圧である。

（４）供給用バルブ部４１の弁体４４の位置を閉仮原点Ｘ１に維持した状態で、還流用バルブ部５１を全開にし、そのときの還流圧力Ｐ２を圧力計３２で計測する。

（５）還流用バルブ部５１の弁体５４を一定速度(約１．０ｍｍ／ｓ)で閉位置へ向かって移動させて還流用バルブ部５１を徐々に閉じる。そして、還流圧力Ｐ２が予め設定した閾値α２以上となった時点における弁体５４の位置を閉仮原点Ｙ１とする（閉仮原点設定処理）。なお、閾値α２は、還流圧力Ｐ２の目標圧力に対する許容差圧である。

（６）上記（２）、（３）の処理（閉仮原点設定処理）を再度実施し、閉仮原点Ｘ２とする。
（７）上記（４）、（５）の処理（閉仮原点設定処理）を再度実施し、閉仮原点Ｙ２とする。
（８）供給用バルブ部４１における閉仮原点差［（Ｘｎ−1）−（Ｘｎ）］及び還流用バルブ部５１における閉仮原点差［（Ｙｎ−1）−（Ｙｎ）］が、それぞれ許容値β（例えば、±O.O５mm）以下になるまで、上記（６）、（７）の処理を繰り返し、その時点における弁体４４，５４の閉位置を閉原点Ｘ、Ｙとする（閉原点設定処理）。

上記の処理によって弁体４４の閉原点Ｘ及び弁体５４の閉原点Ｙを設定したら、供給用バルブ部４１及び還流用バルブ部５１の弁体４４，５４を、閉原点Ｘ，Ｙを閉位置として所定のリフト量Ｌ（例えば、０．６ｍｍ）で移動させて間欠塗工を実施する。

以上、説明したように、本実施形態に係る間欠塗工装置の弁体制御方法によれば、弁体４４，５４の閉位置の原点である閉原点を高精度にかつ常に安定して同じ位置に設定することができる。これにより、弁座４３，５３に対して弁体４４，５４がマイナス側またはプラス側にずれているような組付け誤差が弁体４４，５４に生じていたとしても、弁体４４，５４の組付け誤差の影響を排除することができ、よって、間欠塗工を良好に行うことができる。

ここで、閉仮原点を設定する際の閾値α１，α２として絶対圧を用いた場合、触媒インクＩの粘度が高いと圧損が大きくなり、弁体４４，５４を閉じなくても循環圧力Ｐ１及び還流圧力Ｐ２が閾値α１，α２より高くなってしまう。その結果、弁体４４，５４と弁座４３，５３とが閉じていない位置を閉位置と誤検出してしまう。また、触媒インクＩの粘度が低いと循環圧力Ｐ１及び還流圧力Ｐ２が上がりにくいため、弁体４４，５４と弁座４３，５３とが閉じているにも関わらず閉位置を検出できないことがある。

これに対して、本実施形態では、閉仮原点を設定する際に、差圧である閾値α1，α２を用いるので、触媒インクＩの粘度に関わらず、弁体４４，５４の閉位置の原点を精度良く検出することができる。

また、弁装置２３の内部にエアが滞留している場合、触媒インクＩが圧縮流体の挙動を示し圧力が安定しないため、弁体４４，５４の閉位置を誤検出することがある。

本実施形態では、閉仮原点の設定処理を繰り返して閉仮原点差が許容値β以下となったことで、エアが除去されたと判断することができ、また、閉原点を設定する際のエアの影響を低減できる。

表１は、以下の条件１）〜５）としたときの本発明の弁体制御方法で設定した閉原点を示している。なお、従来は、組付けされたときの閉位置を閉原点としている。したがって、従来では、供給用バルブ部４１及び還流用バルブ部５１の閉位置は、組付け時の閉位置との差がないため、０ｍｍとなっている。

（条件）
１）弁体４４，５４の閉位置を１．０ｍｍずらして組み付けて組付け誤差を再現
２）触媒インクＩの充填後に弁装置２３内にエアを吹き込んでエアの滞留を再現
３）低粘度（２０Ｐａ）の触媒インクＩを使用
４）中粘度（５０Ｐａ）の触媒インクＩを使用
５）高粘度（８０Ｐａ）の触媒インクＩを使用

なお、条件１），２）では、中粘度（５０Ｐａ）の触媒インクＩを使用した。また、条件１）〜５）では、それぞれ閾値α１を７ｋＰａ、閾値α２を１４ｋＰａ、許容値βを０．０５ｍｍとした。

表１に示すように、条件１）、３）〜５）では、閉仮原点設定処理を２回繰り返したことで、閉仮原点の差が許容値β以下となった。また、条件２）では、エアの影響によって、閉仮原点設定処理を２回繰り返しても、閉仮原点の差が許容値β以下とならず、３回繰り返したことで、閉仮原点の差が許容値β以下となった。

なお、供給用バルブ部４１の弁体４４及び還流用バルブ部５１の弁体５４のいずれも、閉位置の原点は、組付け位置からマイナス側（弁座４３，５３から離間する側）の位置に設定された。

１ 電解質膜（被塗工物）
１０ 間欠塗工装置
２３ 弁装置
４３，５３ 弁座
４４，５４ 弁体
Ｉ 触媒インク（塗工液）
α１，α２ 閾値
β 許容値

Claims (1)

1. 弁座に対して接触した閉位置と離間した開位置との間で弁体を移動させる弁装置を開閉制御し、被塗工物に対して塗工液を間欠的に吐出して塗布する間欠塗工装置の弁体制御方法であって、
   前記弁体を開位置に移動させて全開の状態にして塗工液を送り出して前記弁装置の上流側の圧力を計測し、その後、前記弁体を徐々に閉じて前記圧力が閾値以上となった時点の前記弁体の位置を閉仮原点とする閉仮原点設定処理と、
   前記閉仮原点設定処理を繰り返し実施し、前回の閉仮原点との差が許容値以下となった時点の前記弁体の位置を閉位置の原点である閉原点とする閉原点設定処理と、を含む間欠塗工装置の弁体制御方法。

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