JP2017124521A - 冷却ロール - Google Patents

Abstract

【課題】ローラ表面における軸方向の温度差を低減して、高品質のフィルムを生成する。【解決手段】内側筒体と、前記内側筒体を覆う外側筒体と、を有し、樹脂材料を冷却するための冷却ロールである。冷却ロールは、内側筒体の外周面に螺旋状に形成される溝状流路と、内側筒体の外周面と外側筒体の内周面との間に形成される隙間と、溝状流路と隙間とによって形成される空間に冷却媒体を導入する導入路と、空間から冷却媒体を導出する導出路と、外側筒体の内部において、外側筒体の軸方向に沿って配置されるとともに外側筒体の周方向に並んで配置される複数のヒートパイプと、を備える。複数のヒートパイプのそれぞれは、外側筒体の外周側より内周側に近い位置に配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、冷却ロールに関する。

長尺状のフィルムを成形する過程では、Ｔダイから押し出された溶融状態の樹脂を、冷却ロールによって冷却して固化させることがなされている。従来の冷却ロールは、例えば、特許文献１に記載されているように、ロール芯軸とロール芯軸を覆う金属パイプとを備え、ロール芯軸の外周面に螺旋状の溝状流路を形成し、ロール芯軸の外周面と金属パイプの内周面との間に隙間を形成した構造を有している（特許文献１の段落［００２９］および図２を参照）。導入流路から導入された冷却媒体が、溝状流路と隙間とによって形成される空間を通って、導出口より外部へ排出されることで、冷却ロールの外周の温度が制御される。

特許第４９０４３７２号公報 特開２０１２−２４０３３１号公報 特開２００８−２９０３１０号公報

前記先行技術の冷却ロールでは、導出流路付近のローラ表面温度が、導入流路付近のローラ表面温度に比べて高くなり、軸方向に温度差が生じる。このため、生成されるフィルムにシワなどが発生し、製品としての品質を低下させる問題が発生した。このために、ローラ表面における軸方向の温度差を低減して、高品質のフィルムを生成することのできる技術が望まれていた。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

本発明の一形態は、内側筒体と、前記内側筒体を覆う外側筒体と、を有し、樹脂材料を冷却するための冷却ロールである。この冷却ロールは、前記内側筒体の外周面に螺旋状に形成される溝状流路と、前記内側筒体の外周面と前記外側筒体の内周面との間に形成される隙間と、前記溝状流路と前記隙間とによって形成される空間に冷却媒体を導入する導入路と、前記空間から前記冷却媒体を導出する導出路と、前記外側筒体の内部において、前記外側筒体の軸方向に沿って配置されるとともに前記外側筒体の周方向に並んで配置される複数のヒートパイプと、を備える。前記複数のヒートパイプのそれぞれは、前記外側筒体の外周側より内周側に近い位置に配置されている。

上記形態の冷却ロールでは、ヒートパイプが軸方向に沿って配置されているため、冷却媒体の上流側と下流側との温度差を低減できる。また、ヒートパイプが外側筒体の外周側より内周側に近い位置に配置されていることから、ヒートパイプは、そうでない構成に比べて冷却媒体に近い位置となるため、冷却媒体によって伝達される熱量をより均一化できる。さらに、ヒートパイプは冷却ロールによって搬送されるフィルムから遠ざかった位置となるため、フィルムからの熱伝導によって変化する冷却媒体の軸方向Ｚの温度差をより吸収でき、上流側と下流側との温度差をより低減できる。したがって、冷却ロールを用いて製造されるフィルムの品質を向上することが可能となる。

本発明の一実施形態としての冷却ロールを示す説明図である。 冷却ロールが使用される高分子電解質積層フィルム製造装置の一部分を示す説明図である。 冷却媒体の軸方向Ｚの温度差を示すグラフである。 従来例１としての冷却ロールを示す説明図である。 従来例２としての冷却ロールを示す説明図である。 参考例としての冷却ロールを示す説明図である。

図１は、本発明の一実施形態としての冷却ロールを示す説明図である。図２は、冷却ロールが使用される高分子電解質積層フィルム製造装置の一部分を示す説明図である。

図２に示すように、高分子電解質積層フィルム製造装置１００は、押出装置１１０と、冷却ロール１２０と、各種ロール１３０と、を備える。押出装置１１０は、ホッパー１１２と、シリンダ１１４と、Ｔダイ１１６とを備える。シリンダ１１４の一方の端部側にホッパー１１２が設けられ、シリンダ１１４の他方の端部側にＴダイ１１６が接続されている。シリンダ１１４の中には、螺旋状の溝のあるスクリュー（図示せず）が挿入されている。ホッパー１１２に投入された原料であるフッ素系高分子電解質は、加熱されたシリンダ１１４内で溶融し、スクリューの回転により混錬されて、Ｔダイ１１６へ送られる。

フッ素系高分子電解質としては、デュポン社製ナフィオン（登録商標）ペレットを用いた。Ｔダイ１１６は、直線状のリップを有し、シリンダ１１４から送られてきたフッ素系高分子電解質をリップから押し出してフィルム状に成形する。Ｔダイ１１６から押し出された直後のフッ素系高分子電解質の温度は、例えば１９０℃である。このフッ素系高分子電解質が、［発明の概要］の欄に記載した本発明の一形態における「樹脂材料」に相当する。

この成形されたフィルム状のフッ素系高分子電解質は、冷却ロール１２０によって冷却され、適当な温度に調整される。その後、各種ロール１３０によって搬送されながら、後工程で各種の処理が施され、燃料電池用の高分子電解質積層フィルムが生成される。

図１（ａ）は冷却ロール１２０の全体の断面図である。図１（ａ）に示すように、冷却ロール１２０は、外側筒体２０の内側に内側筒体１０が嵌入された二重管ロール３０を備える。内側筒体１０および外側筒体２０は、共に、円筒形状であり、一般鋼製またはステンレス鋼製である。外側筒体２０は、内側筒体１０を覆っている。二重管ロール３０の表面、すなわち、外側筒体２０の表面に、Ｔダイ１１６（図２）から押し出されたフィルム状のフッ素系高分子電解質がセットされる。

内側筒体１０は、二重管ロール３０の軸方向Ｚの両側にフランジ部１０ａ，１０ｂを有する形状である。フランジ部１０ａ，１０ｂの径は外側筒体２０の内径と同一であり、フランジ部１０ａ，１０ｂが外側筒体２０の内周面と嵌合している。以下、軸方向Ｚの一方側を−Ｚ方向、軸方向Ｚの他方側を＋Ｚ方向と呼ぶ。

内側筒体１０におけるフランジ部１０ａ，１０ｂを除いた中央部分１０ｃの径は、フランジ部１０ａ，１０ｂの径よりも小さいことから、中央部分１０ｃの外周面と外側筒体２０の内周面との間には隙間１０ｄが形成される。また、内側筒体１０の外周面には、螺旋状に連続する溝状流路１０ｅが形成されている。隙間１０ｄと溝状流路１０ｅとによって形成される空間は、冷却媒体が流れる流路として機能する。

二重管ロール３０の内側における−Ｚ方向側の端部には、閉塞部材４１が接合されている。二重管ロール３０の内側における＋Ｚ方向側の端部には、閉塞部材４３が接合されている。閉塞部材４１，４３によって、二重管ロール３０の内側の両端が閉塞される。

二重管ロール３０と閉塞部材４１の−Ｚ方向側の端部には、フランジ付きシャフト５１が設けられている。閉塞部材４１とフランジ付きシャフト５１とは、一体の円筒形の部材（素形材）から削り出すことによって、一体の部材として形成することができる。また、閉塞部材４１とフランジ付きシャフト５１とは、それぞれ別の部材として形成して、溶接などにより接合することもできる。フランジ付きシャフト５１と閉塞部材４１との内部には、外部から冷却媒体を導入する導入路６１が形成されている。導入路６１は、隙間１０ｄの−Ｚ方向側の端部に連通している。

二重管ロール３０と閉塞部材４３の＋Ｚ方向側の端部には、フランジ付きシャフト５３が設けられている。閉塞部材４３とフランジ付きシャフト５３とは、一体の円筒形の部材（素形材）から削り出すことによって、一体の部材として形成することができる。また、閉塞部材４３とフランジ付きシャフト５３とは、それぞれ別の部材として形成して、溶接などにより接合することもできる。フランジ付きシャフト５３と閉塞部材４３との内部には、冷却媒体を導出する導出路６３が形成されている。導出路６３は、隙間１０ｄの＋Ｚ方向側の端部に連通している。こうして、導入路６１から、隙間１０ｄと溝状流路１０ｅとによって形成される空間を介して、導出路６３に至る冷却媒体の流路が構成される。

フランジ付きシャフト５１，５３は、軸受（図示せず）によって回転可能に支持されている。一方のフランジ付きシャフト５１の一端は、モータ（図示せず）と連結されており、モータによって二重管ロール３０が回転駆動される。

さらに、外側筒体２０の内部には、複数のヒートパイプ７０が並んで配置されている。ヒートパイプ７０は、蒸発と凝縮の潜熱を利用した熱輸送素子である。具体的には、ヒートパイプ７０は、ウィックが形成された金属パイプの内部を真空に排気し、作動液体を封入したもので、本実施形態では直線状の形状を有する。作動流体としては、例えば、水やメタノールなどが用いられる。各ヒートパイプ７０は、軸方向Ｚに沿って配置されている。本実施形態では、外側筒体２０の軸方向Ｚにおける両端まで各ヒートパイプ７０は伸びている。なお、各ヒートパイプ７０は両端まで伸びている構成に換えて、両端まで達しない構成とすることもできる。

図１（ｂ）は、外側筒体２０を軸方向Ｚに直交する面で切った断面図である。図１（ｂ）に示すように、複数のヒートパイプ７０は、外側筒体２０の周方向に沿って、等間隔に配置されている。本実施形態では、隣り合うヒートパイプ７０の間隔Ｐは、ヒートパイプ７０の径φの３倍から４倍までの長さとした。すなわち、３×φ≦Ｐ≦４×φとした。

さらに、外側筒体２０において、各ヒートパイプ７０は外周側より内周側に近い位置に配置されている。すなわち、ヒートパイプ７０の中心から外周面２０ａまでの長さをｄ１とし、ヒートパイプ７０の中心から内周面２０ｂまでの長さをｄ２としたとき、ｄ１＞ｄ２となる。

以上のように構成された本実施形態の冷却ロール１２０では、ヒートパイプ７０が軸方向に沿って配置されているため、冷却媒体の上流側と下流側との温度差を低減できる。また、ヒートパイプ７０が外側筒体の外周側より内周側に近い位置に配置されていることから、そうでない構成に比べてヒートパイプ７０は冷却媒体に近い位置となるため、冷却媒体によって伝達される熱量をより均一化できる。さらに、ヒートパイプ７０は冷却ロール１２０によって搬送されるフィルムから遠ざかった位置となるため、フィルムからの熱伝導によって変化する冷却媒体の軸方向Ｚの温度差をより吸収でき、上流側と下流側との温度差をより低減できる。

図３は、冷却ロール１２０における冷却媒体の軸方向Ｚの温度差を示すグラフである。このグラフは、実験的にあるいはシミュレーションにより求めたものである。グラフから判るように、入口側と出口側における軸方向Ｚの位置の変化に対する温度Ｔの変化の割合（傾斜角）θが小さく、振れ幅（公差幅）ωも小さい。また、図中のＰＺ部分が、溝状流路１０ｅへの冷却媒体の流れに起因する温度変化であるが、この変化も極めて小さい。したがって、冷却ロール１２０を用いた高分子電解質積層フィルム製造装置１００によれば、シワの少ない高品質の高分子電解質積層フィルムを製造することができる。

次に、従来例１、従来例２、および参考例についての説明を行い、上記実施形態がいかに優れているかを説明する。

図４は、従来例１としての冷却ロール２００を示す説明図である。図４（ａ）は冷却ロール２００の全体断面図であり、図４（ｂ）は冷却ロール２００における冷却媒体の軸方向Ｚの温度差を示すグラフである。図４（ａ）に示すように、従来例１の冷却ロール２００は、筒体２２０だけを有するシンプルな構成である。冷却ロール２００は、実施形態の冷却ロール１２０（図１）と比較して、内側筒体１０とヒートパイプ７０とを備えない点で相違する。冷却ロール２００では、筒体２２０の内側の中空部２２２が冷却媒体の流路となる。

図４（ｂ）に示すように、出口付近のローラ表面温度は入口付近に比べて高くなる。従来例１では、冷却媒体は中空部２２２を流れるだけで流れ易い。このため、鉛直方向の上部と下部とで温度差が発生する。上部の温度と下部の温度についての上述した傾斜角θと公差幅ωは、実施形態の冷却ロール１２０と比較（図３と比較）して、遥かに大きい。

図５は、従来例２としての冷却ロール３００を示す説明図である。図５（ａ）は冷却ロール３００の全体断面図であり、図５（ｂ）は冷却ロール３００における冷却媒体の軸方向Ｚの温度差を示すグラフである。図５（ａ）に示すように、従来例２の冷却ロール３００は、外側筒体３２０の内側に内側筒体３１０が嵌入された二重管ロール３３０を備える。内側筒体３１０の外周面には、螺旋状に連続する溝状流路３１０ｅが形成されている。冷却ロール３００は、実施形態の冷却ロール１２０（図１）と比較して、隙間１０ｄとヒートパイプ７０とを備えない点で相違する。

図５（ｂ）に示すように、出口付近のローラ表面温度は入口付近に比べて高くなる。従来例２では、溝状流路３１０ｅに沿って冷却媒体が流れるため、溝状流路３１０ｅ付近は冷え易いが、溝状流路３１０ｅから離れた部分は冷え難い。このため、ローラ表面（外側筒体３２０の表面）では温度部布はまばらとなり、均一にならない。図５（ｂ）に示すように、傾斜角θと公差幅ωは、実施形態の冷却ロール１２０と比較（図３と比較）して、遥かに大きい。

図６は、参考例としての冷却ロール４００を示す説明図である。図６（ａ）は冷却ロール４００の全体断面図であり、図６（ｂ）は冷却ロール４００における冷却媒体の軸方向Ｚの温度差を示すグラフである。図６（ａ）に示すように、参考例の冷却ロール４００は、従来例２の冷却ロール３００（図５）と比較して、内側筒体４１０の外周面と外側筒体４２０の内周面との間に隙間４１０ｄが形成された点が相違する。隙間４１０ｄは、内側筒体４１０の外周面に設けた溝状流路４１０ｅと連通する。参考例の冷却ロール４００は、実施形態の冷却ロール１２０（図１）と比較すると、ヒートパイプ７０を備えない点が相違し、残余の点は同一である。

図６（ｂ）に示すように、参考例の冷却ロール４００では、従来例１、従来例２（図４、図５）と比較して、公差幅ωは小さくなる。参考例では、溝状流路４１０ｅに沿って冷却媒体が流れるだけではなく、隙間４１０ｄを冷却媒体が流れるためである。ただし、溝状流路４１０ｅによる温度部布のばらつきの影響を十分に抑えることができない。このため、図６（ｂ）に示すように、溝状流路１０ｅへの冷却媒体の流れに起因する温度変化が顕著に現れる。実施形態の冷却ロール１２０によれば、この溝状流路１０ｅに起因する温度変化も十分に抑制できる（図３参照）。

本発明は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、前述した実施形態および各変形例における構成要素の中の、独立請求項で記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。

１０…内側筒体
１０ａ，１０ｂ…フランジ部
１０ｃ…中央部分
１０ｄ…隙間
１０ｅ…溝状流路
２０…外側筒体
２０ａ…外周面
２０ｂ…内周面
３０…二重管ロール
４１…閉塞部材
４３…閉塞部材
５１…シャフト
５３…シャフト
６１…導入路
６３…導出路
７０…ヒートパイプ
１００…高分子電解質積層フィルム製造装置
１１０…押出装置
１１２…ホッパー
１１４…シリンダ
１１６…Ｔダイ
１２０…冷却ロール
４００…冷却ロール
４１０…内側筒体
４１０ｄ…隙間
４１０ｅ…溝状流路
４２０…外側筒体
Ｚ…軸方向

Claims (1)

1. 内側筒体と、前記内側筒体を覆う外側筒体と、を有し、樹脂材料を冷却するための冷却ロールであって、
   前記内側筒体の外周面に螺旋状に形成される溝状流路と、
   前記内側筒体の外周面と前記外側筒体の内周面との間に形成される隙間と、
   前記溝状流路と前記隙間とによって形成される空間に冷却媒体を導入する導入路と、
   前記空間から前記冷却媒体を導出する導出路と、
   前記外側筒体の内部において、前記外側筒体の軸方向に沿って配置されるとともに前記外側筒体の周方向に並んで配置される複数のヒートパイプと、
   を備え、
   前記複数のヒートパイプのそれぞれは、前記外側筒体の外周側より内周側に近い位置に配置された、冷却ロール。

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