JP2020138105A - 塗工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】塗工面に塗布形成された塗膜における気泡によるピンホールの発生を抑制して、塗膜の品質を高めることができる塗工装置を提供する。【解決手段】塗工装置１０は、塗工液を給液する給液部１２と、給液された塗工液を塗工面に吐出する塗工ダイ１１と、給液部１２から塗工ダイ１１への塗工液の送出を選択的に行う切換え弁２０と、を備える。切換え弁２０は、塗工液が流れるハウジング２１と、ハウジング２１に対して摺動することにより、塗工ダイ１１へ塗工液が送出される開弁状態と、塗工ダイ１１へ塗工液が送出されない閉弁状態とを選択する、弁体付きのシャフト２２Ａ、２２Ｂを備えている。塗工装置１０は、シャフト２２Ａ、２２Ｂとハウジング２１とが摺動する部分を覆うカバー部材２６と、カバー部材２６内の空気を吸引する吸引部２７と、をさらに備える。【選択図】図２

Description

本発明は、塗工装置に係り、特に、塗工液を塗工面に選択的に送出することで、塗工部と非塗工部とを形成する塗工装置に関する。

従来、この種の塗工装置としては、塗工面に対向配置された塗工ダイと、塗工液を供給する給液源と、給液源からの塗工液の供給先を塗工ダイへの送出路と給液源への戻し路との間で選択的に切換える切換弁を備えている。切換弁はハウジングを備えており、ハウジング内で摺動するシャトルは、ハウジングの外部から摺動が制御される（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１８−８２１８号公報

しかしながら、前記構造の塗工装置は、切換弁のハウジングと、ハウジングに対して摺動するシャトルとの摺動する部分との間からハウジング内に空気が流入することがあった。この流入した空気が塗工液中に混在すると、塗工面に形成された塗膜に気泡によるピンホールが発生し、ピンホール不良となるおそれがあった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、塗工面に吐出される塗工液への空気の混在を抑制し、塗工面に塗布形成された塗膜における気泡によるピンホールの発生を抑制して、塗膜の品質を高めることができる塗工装置を提供することにある。

前記課題に鑑みて、本発明に係る塗工装置は、塗工液を給液する給液部と、給液された塗工液を塗工面に吐出する塗工ダイと、前記給液部から前記塗工ダイへの前記塗工液の送出を選択的に行う切換え弁と、を備える塗工装置であって、前記切換え弁は、前記塗工液が流れるハウジングと、前記ハウジングに対して摺動することにより、前記塗工ダイへ前記塗工液が送出される開弁状態と、前記塗工ダイへ前記塗工液が送出されない閉弁状態とを選択する、弁体付きのシャフトと、を備えており、前記塗工装置は、前記シャフトと前記ハウジングとが摺動する部分を少なくとも覆うカバー部材と、前記カバー部材内の空気を吸引する吸引部と、をさらに備えることを特徴とする。

本発明によれば、弁体付きのシャフトとハウジングとが摺動する部分をカバー部材で覆い、その内部の空気を吸引部により吸引するので、カバー部材内の空気が、シャフトとハウジングとが摺動する部分からハウジング内に入り込むことを抑えることができる。この結果、塗工液に気泡によりピンホールが発生することを抑制することができ、塗膜の品質を高めることができる。

本発明に係る塗工装置の一実施形態を用いた塗工システムの装置構成を概略的に示す模式図である。 （ａ）は図１に示す塗工装置を拡大した要部構成図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿う弁の位相を示す断面図である。 本実施形態に係る塗工装置で塗工液を塗工したときの塗膜のピンホール数を示すグラフ図である。 本発明に係る塗工装置の変形例を示す要部構成図である。 本発明に係る塗工装置のさらなる変形例を示す要部構成図である。

以下、本発明に係る塗工装置の一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る塗工装置を用いた塗工システムの装置構成を概略的に示す模式図、図２（ａ）は、図１に示す塗工装置を拡大した要部構成図、図２（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿う弁の位相を示す断面図である。

図１、２に示すように、本実施形態の塗工装置１０は、たとえば、燃料電池スタックを構成する単セルのシート材３の一面に塗工液を間欠的に塗工（塗布）し、この塗工した塗工液を乾燥し、触媒層を形成する塗工システム１に用いられる。

なお、塗工液としては、前記の触媒層を形成する触媒インクに限られるものでなく、一般的に用いられる塗料でもよいことは勿論である。塗工液が触媒インクである場合には、シート材３は、電解質膜または電解質膜に触媒層を転写するための樹脂シートである。また、以下の明細書では、塗工液が塗工された塗膜、および、それを乾燥することにより得られる触媒層のいずれも、塗工部６として表現している。

本実施形態では、塗工システム１は、巻出しロール２に巻かれた帯状のシート材３を、バックアップロール４と巻取りロール５で搬送する装置である。バックアップロール４の水平方向には、これに対向する位置に塗工装置１０（具体的には塗工ダイ１１）が配置されている。この塗工装置１０から塗工液をシート材３に向かって間欠的に吐出することで、シート材３の一面に塗工部６と非塗工部７とが形成される。シート材３に形成された塗工部６は乾燥炉８を経由してシート材３に定着されて触媒層となり、触媒層が形成されたシート材３は巻取りロール５に巻き取られる。

塗工システム１で使用される塗工装置１０は、前記した塗工液を吐出する塗工ダイ１１を備えるとともに、塗工液を給液する給液部１２として塗工液供給タンク１２ａと給液ポンプ１２ｂとを備えている。塗工装置１０は、給液部１２から塗工ダイ１１への塗工液の送出を選択的に行う切換え弁２０を備えている。切換え弁２０は、後述する塗工液の送出と、塗工液の還流を選択的に切換えることにより、塗工部６と非塗工部７とをシート材３に形成することができる。

切換え弁２０は、塗工液が流れるハウジング２１と、一対の弁体付きのシャフト２２Ａ、２２Ｂとを備えている。シャフト２２Ａ、２２Ｂは、ハウジング２１に対して摺動する（回動する）ことにより、塗工ダイ１１へ塗工液が送出される開弁状態と、塗工ダイ１１へ塗工液が送出されない閉弁状態とを選択するものである。

図２に示すように、シャフト２２Ａ、２２Ｂの先端には、弁体２３Ａ、２３Ｂが取り付けられている。切換え弁２０により、ハウジング２１の塗工液の流れが制御される。具体的には、弁体２３Ａ、２３Ｂによる弁の開弁状態と閉弁状態とは、シャフト２２Ａ、２２Ｂのそれぞれの端部に取付けられた弁体２３Ａ、２３Ｂと、この弁体２３Ａ、２３Ｂの回動を制御する弁制御モータ２４で行われる。

弁体２３Ａ、２３Ｂは、円柱状に形成されており、弁制御モータ２４でシャフト２２Ａ、２２Ｂとともに回動する。弁体２３Ａ、２３Ｂには、その円周面をシャフト２２Ａ、２２Ｂの軸方向と直交する方向に貫通する流路２３ｃ、２３ｄが形成されている。２つの弁体２３Ａ、２３Ｂの流路２３ｃ、２３ｄは、その位相が９０°ずれた状態で配置されている。

弁制御モータ２４は、２つのシャフト２２Ａ、２２Ｂを回転駆動することで、弁体２３Ａ、２３Ｂを回動させる。具体的には、弁制御モータ２４は、弁体２３Ａ、２３Ｂをそれぞれ９０°の回動範囲で駆動する。より具体的には、弁制御モータ２４は、弁体２３Ａが開弁状態であるとき、弁体２３Ｂは閉弁状態となるように、弁体２３Ａ、２３Ｂを制御し、弁体２３Ａが閉弁状態であるとき、弁体２３Ｂが開弁状態となるように弁体２３Ａ、２３Ｂを制御する。

ハウジング２１は弁体２３Ａ、２３Ｂを収容しており、シャフト２２Ａ、２２Ｂはハウジング２１を貫通している。ハウジング２１のシャフト２２Ａ、２２Ｂの貫通部には、空気等の流体の流入を抑制するリング状のパッキン２５Ａ、２５Ｂが装着されている。

ハウジング２１には、シャフト２２Ａ、２２Ｂの中間位置に、ハウジング２１内に塗工液を流入させるための流入パイプ２１ａが設けられており、流入パイプ２１ａは、給液ポンプ１２ｂに接続されている。

さらに、ハウジング２１には、弁体２３Ａの流路２３ｃを通過した塗工液を塗工ダイ１１に送出する送出パイプ２１ｂと、弁体２３Ｂの流路２３ｄを通過した塗工液を塗工液供給タンク１２ａに戻す還流パイプ２１ｃが接続されている。

塗工装置１０は、パッキン２５Ａ、２５Ｂを介してシャフト２２Ａ、２２Ｂとハウジング２１とが摺動する部分（回動する部分）を覆うカバー部材２６を備えている。カバー部材２６を設けることにより、ハウジング２１とカバー部材２６との間には、空間Ｓが形成される。

なお、パッキン２５Ａ、２５Ｂが無い場合には、シャフト２２Ａ、２２Ｂとハウジング２１とが直接摺動する。したがって、本発明でいう「前記シャフトと前記ハウジングとが摺動する部分」とは、これらが直接摺動する部分と、パッキン等を介して摺動する部分とを含むものである。

カバー部材２６には、パッキン２６Ａ、２６Ｂを介してシャフト２２Ａ、２２Ｂが挿通されている。塗工装置１０は、カバー部材２６内の空気（空間Ｓ内の空気）を吸引する吸引部２７をさらに備えている。本実施形態では、吸引部２７は、カバー部材２６内の空気を吸引するポンプであるが、カバー部材２６内の圧力を減圧するものであれば、その装置構成は限定されるものではない。カバー部材２６には圧力計２８が取付けられ、カバー部材２６内の圧力を計測するようになっている。

前記の如く構成された本実施形態の塗工装置１０の動作について以下に説明する。塗工システム１は、巻出しロール２に巻かれた帯状のシート材３を巻取りロール５から巻出し、シート材３を搬送する。

一方、塗工装置１０では、吸引部２７を起動し、カバー部材２６内の空気を吸引し、これと同時に、給液ポンプ１２ｂを起動する。塗工液供給タンク１２ａの塗工液は、給液ポンプ１２ｂで圧送されて、流入パイプ２１ａからハウジング２１内に流入する。ハウジング２１に流入した塗工液は、切換え弁２０の弁体２３Ａ、２３Ｂに到達する。

ここで、図２（ｂ）に示すように、塗工時には、弁制御モータ２４により、シャフト２２Ａ、２２Ｂが回動され、切換え弁２０の弁体２３Ａが開弁状態とされ、弁体２３Ｂが閉弁状態とされる。この結果、流入パイプ２１ａからハウジング２１内に流入した塗工液は、弁体２３Ａの流路２３ｃを通過し、弁体２３Ｂの流路２３ｄを通過しない。したがって、弁体２３Ａを通過した塗工液が、送出パイプ２１ｂから塗工ダイ１１に圧送される。これにより、搬送中のシート材３の表面に塗工液が連続して塗工され、シート材３の表面に塗工部６が形成される。

塗工を中断する際には、弁制御モータ２４により、シャフト２２Ａ、２２Ｂが回動され、切換え弁２０の弁体２３Ａが閉弁状態とされ、弁体２３Ｂが開弁状態とされる。この結果、弁体２３Ａの流路２３ｃを通過していた塗工液の流れは遮断され、弁体２３Ｂの流路２３ｄに塗工液が通過する。これにより、送出パイプ２１ｂから塗工ダイ１１への塗工液の圧送は中断され、シート材３の搬送は継続しているので、非塗工部７が形成される。

再度、塗工部６を形成する際には、塗工時には、弁制御モータ２４により、シャフト２２Ａ、２２Ｂが回動され、切換え弁２０の弁体２３Ａが開弁状態とされ、弁体２３Ｂが閉弁状態とされる。このような動作を繰り返すことにより、シート材３の表面に、塗工部６と非塗工部７とを交互に形成することができる。

このような動作により、シャフト２２Ａ、２２Ｂとハウジング２１との間から空気が流入するおそれがある。特に、パッキン２５Ａ、２５Ｂが摩耗したり、劣化したりするとこのような現象は顕著である。

しかしながら、本実施形態では、シャフト２２Ａ、２２Ｂとハウジング２１とが摺動する部分（具体的にはパッキン２５Ａ、２５Ｂ近傍）は、カバー部材２６で覆われており、カバー部材２６内の空気は吸引部２７で吸引されるので、カバー部材２６は、ハウジング２１内の塗工液の圧力よりも低い圧力に減圧される。これにより、カバー部材２６からのハウジング２１内への空気の流入は低減される。この結果、塗工ダイ１１から塗工面に吐出された塗工液に、気泡が混在することを抑えることができ、塗工部（塗膜）６にピンホールが発生することを抑えることができる。

ここで、塗工装置１０を備えた塗工システム１の効果を確認した。図３に示す試料１は、カバー部材２６を設けずに、シート材３に塗膜を形成したものである。具体的には、試料１の塗工条件は、塗布速度（シート材３の搬送速度）を１０ｍ／ｍｉｎとし、塗工液の粘度を４０ｍＰａ・ｓとし、塗工液の表面張力を４０ｍＮ／ｍとし、減圧度を０Ｐａ（すなわちカバー部材なし）である。この場合には、塗膜に形成された直径１ｍｍ以上のピンホール数は５個／ｍであった。

これに対して、本実施形態のようにカバー部材２６を設けた塗工装置１０を用いて、試料２のように、カバー部材内の減圧度を−５０Ｐａに設定し、塗膜を形成すると、塗膜に形成されたピンホール数は１個／ｍであった。また、試料３、４のように、カバー部材内の減圧度を−１００Ｐａ、−５００Ｐａに変更し、塗工装置１０で塗膜を形成すると、塗膜に形成されたピンホール数は０個／ｍであった。

このように、試料２〜４では、カバー部材内の空気を吸引部で吸引することにより、ハウジング内への空気の流入は低減され、塗膜に形成されるピンホール数を抑えることができたと考えられる。

つぎに、本発明に係る塗工装置の変形例について、図４を参照して説明する。図４は、本発明に係る塗工装置の変形例の要部構成図である。図４において、前記した実施形態の塗工装置と同等の構成については、同じ参照符号を付して、説明を省略する。

図４において、塗工装置１０Ａは、パッキン３２を介してハウジング２１に調圧部３１が配置されている。調圧部３１は、塗工ダイ１１に送出する送出パイプ２１ｂの近傍に配置されている。この調圧部３１の先端部は、塗工開始の期間と塗工終了直前の期間において、ハウジング２１内に進入し、ハウジング２１内の塗工液の液圧を増圧するものである。

通常、塗工開始の期間と塗工終了直前の期間は、弁体２３Ａの回動により、流路２３ｃの流路断面積が十分に確保されないため、送出パイプ２１ｂからの吐出圧が減少する傾向にある。しかしながら、この変形例では、この期間において、調圧部３１によりハウジング２１内の塗工液の液圧を増圧し、塗工液の塗り始めと塗り終わりの圧力を急峻に増加させることができ、より均一な厚さの塗工部（塗膜）６を形成することができる。

ここで、本実施形態では、ハウジング２１に対して、調圧部３１の先端部も摺動するため、この部分をカバー部材２６で覆うことにより、調圧部３１とハウジング２１の間から、塗工液に空気が流れ込むことを防止することができる。

つぎに、本発明に係る塗工装置のさらなる変形例について、図５を参照して説明する。図５は、本発明に係る塗工装置の変形例の要部構成図である。図５において、前記した実施形態の塗工装置と同等の構成については、同じ参照符号を付して、説明を省略する。

この変形例に係る塗工装置１０Ｂでは、切換え弁２０Ｂを構成するシャフト２２Ａ、２２Ｂは、ハウジング２１に対して、弁制御モータ２４で、直線運動する。シャフト２２Ａ、２２Ｂの先端には、弁体としてシャトル２３Ｃ、２３Ｄが取り付けられており、シャトル２３Ｃ、２３Ｄはシャフト２２Ａ、２２Ｂとともに直線運動する。

ハウジング２１には、流入パイプ２１ａ側の空間Ｒ１に対して、送出パイプ２１ｂ側の空間Ｒ２と、還流パイプ２１ｃ側の空間Ｒ３とに、それぞれ独立して仕切る仕切り壁２９Ａ、２９Ｂが設けられている。

仕切り壁２９Ａ、２９Ｂには、シャトル２２Ｃ、２２Ｄが嵌合する開口部２９ａ、２９ｂが形成されている。図５に示すように、シャトル２２Ｃが前進位置にあり、シャトル２２Ｄが後退位置にある場合には、開口部２９ａを介して、空間Ｒ１と空間Ｒ２が連通し、空間Ｒ１と空間Ｒ３とが連通しない。この状態で、空間Ｒ１から空間Ｒ２に塗工液が流れ、送出パイプ２１ｂを介して塗工ダイ１１に塗工液が供給される。

一方、シャトル２３Ｃが後退位置にあり、シャトル２３Ｄが前進位置にある場合には、開口部２９ｂを介して、空間Ｒ１と空間Ｒ３が連通し、空間Ｒ１と空間Ｒ２とが連通しない。この状態で、空間Ｒ１から空間Ｒ３に塗工液が流れ、塗工液は、還流パイプ２１ｃを介して塗工液供給タンク１２ａに戻る。

このような一連の動作を繰り返すことにより、シート材３の表面に、塗工部６と非塗工部７とを交互に形成することができる。ここで、この変形例においても、パッキンを２５Ａ、２５Ｂを介して、シャフト２２Ａ、２２Ｂとハウジング２１とが摺動する部分は、カバー部材２６で覆われ、カバー部材２６内の空気は吸引部２７で吸引される。したがって、ハウジング２１内の空気の流入は低減されるため、塗工ダイ１１から塗工面に吐出された塗工液に気泡が混在することを抑えることができる。この結果、塗工部（塗膜）６にピンホールの発生することを抑えることができる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

１：塗工システム、３：シート材、６：塗工部、７：非塗工部、１０，１０Ａ，１０Ｂ：塗工装置、１１：塗工ダイ、１２：給液部、１２ａ：塗工液供給タンク、１２ｂ：給液ポンプ、２０，２０Ａ：切換え弁、２１：ハウジング、２２Ａ，２２Ｂ：シャフト、２３Ａ，２３Ｂ：弁体、２３Ｃ，２３Ｄ：シャトル（弁体）、２４：弁制御モータ、２５Ａ，２５Ｂ：パッキン、２６：カバー部材、２６Ａ，２６Ｂ：パッキン、２７：吸引部

Claims (1)

1. 塗工液を給液する給液部と、
   給液された塗工液を塗工面に吐出する塗工ダイと、
   前記給液部から前記塗工ダイへの前記塗工液の送出を選択的に行う切換え弁と、を備える塗工装置であって、
   前記切換え弁は、前記塗工液が流れるハウジングと、
   前記ハウジングに対して摺動することにより、前記塗工ダイへ前記塗工液が送出される開弁状態と、前記塗工ダイへ前記塗工液が送出されない閉弁状態とを選択する、弁体付きのシャフトと、を備えており、
   前記塗工装置は、前記シャフトと前記ハウジングとが摺動する部分を少なくとも覆うカバー部材と、
   前記カバー部材内の空気を吸引する吸引部と、をさらに備えることを特徴とする塗工装置。

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