JP4630219B2

JP4630219B2 - 圧下ロール

Info

Publication number: JP4630219B2
Application number: JP2006109818A
Authority: JP
Inventors: 裕一吉田; 光晴山形
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2006-04-12
Filing date: 2006-04-12
Publication date: 2011-02-09
Anticipated expiration: 2026-04-12
Also published as: JP2007283308A

Description

本発明は，表面の中央部に凹凸模様が施された上下一対の圧下ロールに関するものであり，本発明の圧下ロール間に金属板を挿入させて，金属板に凹凸模様を転写成形する技術に関するものである。

従来，金属板に凹凸模様を転写成形し，機能部材として用いられるものがあり，燃料電池用セパレータ，熱交換器用の伝熱プレート，滑り防止床用建材，外壁用建材などが挙げられる。これらの部材は所定の機能を満足するため，微細な凹凸模様をその部材に設ける必要がある。例えば，固体高分子型燃料電池用セパレータは，燃料極，固体高分子膜と共に積層構造を形成し，そのセパレータの凹凸模様は水素および空気（酸素）を固体高分子膜に供給する流路の役割をなしており，コンパクトで高い発電性能，通電性能を確保するため微細な凹凸模様にする必要がある。また，熱交換器の伝熱プレートにおいても高い伝熱性能を確保するため，冷媒ガス等の流路となる凹凸模様を微細な形状とする必要がある。このような微細な凹凸模様を成形する加工装置としては凸金型と凹金型を用いたプレス成形装置が広く知られている。しかしながら，プレス成形により微細な凹凸模様を成形する方法は，部材が大型化すると押し付け面が平面で広範囲となるため，成形荷重が増大し，大がかりな設備が必要となると共にバッチ作業であるため生産効率が劣る。

そこで，上記の問題点を考慮し，凹凸模様が表面に施された上下一対の圧下ロールを回転させ，圧下ロール間に金属板を挿入させて，金属板に凹凸模様を転写成形する加工装置が特許文献１，特許文献２で開示されている。この加工装置を用いることにより成形荷重が軽減されプレス成形装置に比べコンパクトな設備となり，連続成形であるため量産に適した加工装置を提供できる。ロール成形においては，上下ロールの回転方向およびロール軸方向の位置あわせを正確に行うことが重要であり，通常，回転方向の上下ロールの同期は図1に示すような歯車による同期駆動手段，あるいは，電気的に同期制御させる駆動手段が用いられる。しかしながら，微細な凹凸模様の成形を行う場合は，歯車の遊び量，同期制御不良，駆動ベアリングの振れ量が原因で上下圧下ロールの凹凸部の不一致が生じ，目標どおりの凹凸模様が得られず，凹凸形状のダレや，割れが発生する問題がある。

特許文献３では，缶胴外面にエンボス成形するため，凸ロールと凹ロールをそれぞれの回転軸に連係された歯車より駆動させて，各ロール間に材料を挟み込み加工する装置が開示されている。しかしながら，微細な凹凸模様の成形を行う場合は，歯車の遊び量，駆動ベアリングの振れ量が原因でロール回転方向およびロール軸方向に位置ズレが生じ，目標どおりの凹凸模様が得られず，凹凸形状のダレや，割れが生じる問題がある。

特許文献４では，周面に多数のポンチを突設した棒状の上型ロールと，周面に多数のポンチを突設した棒状の下型ロールとからなる対向ロールを回転せしめ，両ロール間で平板状の金属板をプレス成形して送り出し，凹凸金属板を成形する凹凸金属板成形機において，ロールの回転角度のズレやローラの撓み変形を低減するため，上下ロールの回転角度を検出する検出手段，これらの検出手段の検出結果に基づいて全てのロールが同期回転するように上下各駆動機構を制御せしめる同期制御手段および各対向ロールの非プレス成形部を保持する軸受け部材を具備した成形機が開示されている。しかしながら，微細な凹凸模様の成形を行う場合は，回転角度検出センサーの誤差や誤動作，駆動ベアリングの振れ量が原因でロール回転方向およびロール軸方向に位置ズレが生じ，目標どおりの凹凸模様が得られず，凹凸形状のダレや，割れが生じる問題がある。

また，本発明者らは，特許文献５において，周辺に平坦部を有し，周辺を除く部分はガス流路となる凸部及び凹部を有する固体高分子型燃料電池用セパレータ製造装置において，前記セパレータの凸部及び凹部の形状と相似形の凹凸加工を施した加工表面の前方であって対向する位置に凹凸部を少なくとも１組有する上下一対の圧下ロールを有する固体高分子型燃料電池用セパレータ製造装置を開示した。本装置は，セパレータの凸部及び凹部の形状と相似形の凹凸加工を施した加工表面を保護することを目的として，作業ミス等が原因となるロール回転方向の位置ズレやロール軸方向の位置ズレや型かじりによる上下圧下ロールの破損を成形加工開始前に回避できるという効果を奏する発明である。しかしながら，凹凸部は凹凸加工を施した加工表面の前方にのみ配置するため，成形加工中に発生する歯車の遊び量，駆動ベアリングの振れ量が原因でロール回転方向およびロール軸方向に位置ズレが生じると，ロール回転方向の位置ずれを解消できず，目標どおりのセパレータの凸部及び凹部の形状が得らなくなり，凹凸形状のダレや，割れが生じる問題が残る。

特開２００２−１９０３０５号公報特開昭６２−４５４３８号公報特開２０００−３４３１５３号公報特開２００５−２５４２７７号公報特開２００４−１３９８６１号公報

前記のごとく，中央部に凹凸模様が表面に施された上下一対の圧下ロールを回転させ，圧下ロール間に金属板を挿入させて，金属板に凹凸模様を転写成形する加工装置において，従来の技術では，成形中にロール回転方向およびロール軸方向の位置ズレが生じた場合，上下凹凸部の不一致から目標どおりの凹凸模様が得られず，凹凸模様の凹凸形状のだれ，割れが生じる問題がある。

本発明は，成形中に発生するロール回転方向およびロール軸方向の位置ズレによる凹凸模様の凹凸形状のだれ，割れを防止し，目標の凹凸模様を安定して得ることのできる成形加工装置用の圧下ロールを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため，本発明の要旨とするところは，
（１）周辺に平坦部を有し，周辺を除く部分は凹凸模様１１が施された上下一対の圧下ロールにおいて，上下の圧下ロールの両端部にそれぞれ全周にわたり凹凸部１２を設け，前記凹凸模様１１の軸線方向及び軸線に直角方向における凹部と凸部の隙間３１は，前記凹凸部１２の前記軸線方向及び軸線に直角方向における凹部と凸部の隙間３２より大きく，前記凹凸部のロール回転方向のピッチ（ｐ）が前記凹凸模様のロール回転方向のピッチ（Ｐ）の整数倍であることを特徴とする圧下ロール。

（２）さらに，前記凹凸模様１１の上下圧下ロール間における凹部と凸部の隙間３５は，前記凹凸部１２の上下圧下ロール間における凹部と凸部の隙間３６より小さいことを特徴とする（１）記載の圧下ロール。

（３）さらに，凹凸部１２の凸部の高さｈが凹凸模様１１の凸部の高さ（Ｈ）より大きいことを特徴とする（１）記載の圧下ロール。

（４）さらに，凹凸部１２のロール回転方向のピッチ（ｐ）が凹凸模様１１のロール回転方向のピッチ（Ｐ）と同一であることを特徴とする（１）記載の圧下ロール。

本発明により，金属板に微細な凹凸模様が施された機能部材の高精度な成形加工を行うに際し，成形中に発生するロール回転方向およびロール軸方向の位置ズレによる凹凸模様の凹凸形状のだれ，割れを防止でき，その機能部材を低コストで効率よく量産出来る技術として極めて有効なものである。

以下に，本発明の詳細について説明する。
本発明者らは，上下一対からなる圧下ロールの両端部の全周にそれぞれ凹凸部を設け，ロールの中央部に施された凹凸模様の軸線方向及び軸線に直角方向における凹部と凸部の隙間を，ロールの両端部に設けられた凹凸部の軸線方向及び軸線に直角方向における凹部と凸部の隙間より大きくした場合，ロール回転方向およびロール軸方向の位置ズレが生じても，ロールの両端部の凹凸部が噛み合って，上下ロールの位置ズレに起因する上下の凹凸模様の不一致を回避し，凹凸模様の凹凸形状のだれ，割れを防止できることを発見した。そこで，種々の圧下ロールを試作し，圧下ロールの両端部に形成された凹凸部の凹凸形状について検討した結果，目標の凹凸模様を安定して成形できる圧下ロールを発明した。

本発明に係る圧下ロールにより成形加工した機能部材例を図２，図３に示す。図２は固体高分子型燃料電池用セパレータの形状例であり，凹凸の繰返し断面形状を有する凹凸模様１１が形成され，そのセパレータの凹凸模様１１は水素又は空気（酸素）の流路である。また，図３は熱交換器の伝熱プレートの形状例であり，セパレータと同様に凹凸の繰返し断面形状を有する凹凸模様１１が形成され，伝熱プレートの凹凸模様１１は冷媒ガスや温水等の流路である。

図４は，これらの機能部材を連続的に製造するロール回転式加工装置のうち，上下一対の圧下ロール４１の一例を示す。上下一対の圧下ロール４１は同期駆動され，ロール中央部に凹凸模様１１があり，ロール両端部の全周に凹凸部１２が設けられている。

図５は，本発明に係る圧下ロール４１の平面図及び側面図であり，中央部に機能部材形状と相似形の凹凸模様１１と，両端部の全周に円筒状の凹凸部１２がロールの回転方向に配列されている。両端部の凹凸部１２は，金属板２１に凹凸部１２の形状が転写されることを防ぐため，機能部材成形用の金属板２１が通板される領域の外側に配置されている。圧下ロール４１は周辺にロール曲面に沿った平坦部を有しており，周辺を除く部分，即ち中央部の一部には凹凸模様１１が施されており，上下の圧下ロールの両端部に凹凸部１２が形成されている。

図６は，圧下ロール４１の中央部に施された凹凸模様１１の断面図及び拡大図である。図７は，ロール端部の全周に配列された円筒状の凹凸部１２を示し，凹部１３および凸部１４の肩部はＲ形状等に面取りされている。

図６に示す凹凸模様１１の軸線方向および軸線に直角方向における凹部１３’と凸部１４’の隙間３１（（凹部の幅−凸部の幅）÷２）は，図７に示す凹凸部１２の軸線方向および軸線に直角方向における凹部１３と凸部１４の隙間３２より大きくする必要がある。なぜならば，凹凸模様１１を金属板２１へ転写成形する際にロール回転方向およびロール軸方向の位置ズレが生じた場合，圧下ロール両端部に位置する凹凸部１２が噛み合うことにより凹凸模様１１の上下ロール間における凹部及び凸部の不一致を事前に回避し，金属板における凹凸模様１１の凹凸形状のだれ，割れを防止できるからである。尚，本発明で凹凸模様の「軸線方向」とは，凹凸模様の流路に平行な方向と定義する（図２および図３に記載の太矢印２０）。

図７に示す凹凸部１２のロール回転方向のピッチ（ｐ）は，凹凸模様１１の加工のタイミングと合致させて確実に凹凸模様１１の上下ロール間における凹部１３’及び凸部１４’の不一致を回避するため，図６に示す凹凸模様１１の凹凸のピッチ（Ｐ）と同一にするか，もしくはピッチ（Ｐ）の整数倍にすることが好ましい。

さらに，凹凸部１２が凹凸模様１１の凹部１３’及び凸部１４’より先行して噛み合い，凹凸模様１１の上下ロール間における凹部１３’及び凸部１４’の不一致を回避するため，図７に示す凹凸部１２の凸部１４の高さ（ｈ）は，図６に示す凹凸模様１１の凸部１４’の高さ（Ｈ）より大きくすることが好ましい。

金属板に凹凸模様を転写成形した機能部材を燃料電池用セパレータとして使用する場合，通電効率を高めるため凸部の頂上部１５を極力平坦にして燃料極との接触面積を拡大する必要がある。また，金属板に凹凸模様を転写成形した機能部材を熱交換器用伝熱プレートとして使用する場合，伝熱プレートを確実に密着させ効率よく積層するには凸部の頂上部１５を極力平坦にすることが望ましい。従って，ロール回転式加工装置により凸部の金属板を確実に圧縮成形し凸部の頂上部１５を平坦にするためには，凹凸模様１１の凸部１４’の先端が金属板を介して凹部１３’の底部に接触する以前に，ロール端部に設置した凹凸部１２が先に底突きする（凸部１４の先端が凹部１３の底部に接触する）ことを回避することが好ましく，図６に示す凹凸模様１１の上下ロール間における凹部１３’及び凸部１４’の隙間３５を，図７に示す凹凸部１２の上下ロール間における凹部１３及び凸部１４の隙間３６より小さくすることが好ましい。

しかし，図７の凹凸部１２において，凹部１３の底部は平面の他に球面状でもよく，凸部１４の先端は平面の他に球頭状でもよい。また，図７の（ｄ）に示すように凹凸部１２の断面形状は四隅が曲面形状となった角の丸い四角形断面であっても本発明の効果が得られることは言うまでもない。

実施例として，固体高分子型燃料電池セパレータをロール回転式加工装置により成形加工を行った。圧下ロールの材質は金型工具鋼ＳＫＤ１１とし，金属板２１は，板幅２５０mm，板厚０．１mmのオーステナイト系ステンレス鋼ＳＵＳ３１６のコイルを用い，連続的にステンレス鋼板をロール回転式加工装置に供給した。セパレータの形状は図２に示すように凹凸模様部領域のサイズは長さ１５０ｍｍ（Ｘ１），幅２００mm（Ｙ１）で，流路の深さは０．５ｍｍ，流路の幅は０．６ｍｍである。圧下ロールについては，直径２５０mm，胴長３００mmの上下一対の圧下ロール表面に，凹凸模様１１と，圧下ロール両端に凹凸部１２を研削加工により形成し，凹凸模様１１領域寸法は長さ（弧長）１５０ｍｍ，幅２００ｍｍで，凹凸部１２はロール回転方向全周に亘り形成されている。凹凸模様１１の軸線に直角な方向の凸部断面形状については，図６に示すように曲率半径（Ｒ）０．３mmの凸形状で，高さ（Ｈ）は０．５ｍｍ，幅（Ｗ１）０．６ｍｍであり，凹部断面形状は，幅（Ｗ２）０．９ｍｍである。凹凸模様１１の軸線方向及び軸線に直角方向における凹部１３’と凸部１４’の隙間３１（（凹部の幅Ｗ２−凸部の幅Ｗ１）÷２）は，０．１５ｍｍである。

一方，図７に示すように，圧下ロール両端部に形成された凹凸部１２の凸部１４は，高さ（ｈ）０．６ｍｍ，直径０．８ｍｍの円筒形状を成し，肩部は曲率半径（Ｒ）０．３ｍｍで面取りされ，凸部１４の先端は直径０．２ｍｍの円形上の平坦部が形成されている。凹凸部１２の凹部１３は深さ（ｄ）０．８ｍｍ，直径０．９ｍｍの円筒形状である。

凹凸部１２の軸線方向及び軸線に直角方向における凹部１３と凸部１４の隙間３２（（凹部の幅ｗ３−凸部の幅ｗ４）÷２）は，０．０５ｍｍであり，圧下ロールの凹凸模様１１における凹部１３’と凸部１４’の隙間３１が前記隙間３２より０．１ｍｍ大きくなるように設定した。

凹部１３の深さ（ｄ）については，凸部１４の高さ（ｈ）より前述のように０．２ｍｍ大きくしており，凹凸模様１１の上下圧下ロール間における凹部１３’と凸部１４’の隙間３５を，凹凸部１２の上下圧下ロール間における凹部１３と凸部１４の隙間より０．２ｍｍ小さく設定した。

上下圧下ロールの駆動については，歯車による同期駆動手段を設けると共に，圧下ロールの軸受けにＪＩＳ６級の玉軸受けを採用した。上下圧下ロールの回転方向及び軸方向を位置合わせした後，連続的にコイル状のステンレス鋼板をロール回転式加工装置に供給し，固体高分子型燃料電池セパレータを試作した。その結果，セパレータの凹凸模様部にダレ，割れは全くなく成形加工することが出来た。適正な表面処理等を施した後，図８に示す燃料電池スタック７０を構成し性能試験を行ったところ，ガス漏れや水漏れも発生せず，本発明の製造方法によるセパレータを用いて燃料電池として良好に機能することが確認された。

次の実施例として，熱交換器用伝熱プレートをロール回転式加工装置により成形加工を行った。圧下ロールの材質は金型工具鋼ＳＫＤ１１とし，金属板は，板幅２００mm，板厚０．２mmのオーステナイト系ステンレス鋼ＳＵＳ３０４のコイルを用い，連続的にステンレス鋼板をロール回転式加工装置に供給した。伝熱プレートの形状は図３に示すように凹凸模様部領域のサイズは長さ４００ｍｍ（Ｘ２），幅２００mm（Ｙ２）で，流路の深さは０．８ｍｍ，流路の幅は０．８ｍｍである。圧下ロールについては，直径３５０mm，胴長３００mmの上下一対の圧下ロール表面に，凹凸模様１１と，圧下ロール両端に凹凸部１２を研削加工により形成し，凹凸模様１１領域寸法は長さ（弧長）４００ｍｍ，幅２００ｍｍで，凹凸部１２はロール回転方向全周に亘り形成されている。

図６に示すように，凹凸模様１１の軸線に直角な方向の凸部断面形状については，曲率半径（Ｒ）０．４mmの凸形状で，高さ（Ｈ）は０．８ｍｍ，幅（Ｗ1）は０．８ｍｍであり，凹部断面形状については，幅（Ｗ２）は１．４ｍｍである。凹凸模様１１の軸線方向及び軸線に直角方向における凹部１３’と凸部１４’の隙間３１（（凹部の幅Ｗ２−凸部の幅Ｗ１）÷２）は，０．３ｍｍである。

一方，図７に示すように，圧下ロール両端部に形成された凹凸部１２の凸部１４の高さ（ｈ）は０．９ｍｍ，直径１．２ｍｍの円筒形状を成し，肩部は曲率半径（Ｒ）０．４ｍｍで面取りされ，凸部１４の先端は直径０．４ｍｍの円形上の平坦部が形成されている。凹凸部１２の凹部１３は深さ１．０ｍｍ，直径１．４ｍｍの円筒形状で肩部は曲率半径（Ｒ）０．４ｍｍで面取りされている。

凹凸部１２の軸線方向及び軸線に直角方向における凹部１３と凸部１４の隙間３２（（凹部の幅ｗ４−凸部の幅ｗ３）÷２）は，０．１ｍｍであり，凹凸模様１１の上下圧下ロール間における凹部１３と凸部１４の隙間３１が前記隙間３２より０．２ｍｍ大きくなるように設定した。

凹部１３の深さ（ｄ）については，凸部１４の高さ（ｈ）より前述のように０．１ｍｍ大きくしており，凹凸模様１１の上下ロール間における凹部１３’と凸部１４’の隙間３５を凹凸部１２の圧下ロールロール間における凹部１３と凸部１４の隙間３６より０．１ｍｍ小さく設定した。

上下圧下ロールの駆動については，実施例１と同様な手段で駆動し，上下圧下ロールの位相及び軸方向を位置合わせした後，連続的にコイル状のステンレス鋼板をロール回転式加工装置に供給し，伝熱プレートを試作した。その結果，伝熱プレートの凹凸模様部にダレ，割れは全くなく成形加工することが出来た。その後，図９に示すように積層し熱交換器を試作し，性能試験を行ったところ，水漏れも発生せず，所定の伝熱効率を確保することが出来た。

本発明は，例えば金属板に凹凸模様を転写成形した固体高分子型燃料電池セパレータの製造分野において有用である。

ロール回転式加工装置における圧下ロールの同期駆動手段の模式図である。（ａ）固体高分子型燃料電池セパレータの平面図である。（ｂ）上記（ａ）のＡにおける断面図である。（ａ）熱交換器用伝熱プレートの平面図である。（ｂ）上記（ａ）のＢにおける断面図である。本発明に係る圧下ロールの模式図である。（ａ）本発明に係る圧下ロールの平面図である。（ｂ）本発明に係る圧下ロールの側面図である。（ａ）本発明に係る圧下ロールに施された凹凸模様部の断面図である。（ｂ）凹凸模様の断面図の拡大図である。（ａ）ロール回転方向の全周に配列された円筒状の凸部の平面図である。（ｂ）凹凸部の断面図及びＢの断面図である。（ｃ）凹部の平面図である。（ｄ）凹凸部のＢ断面の一例である。固体高分子型燃料電池（燃料電池スタック）の模式図である。熱交換器の模式図である。

符号の説明

１１：凹凸模様
１２：凹凸部
１３，１３’：凹部
１４，１４’：凸部
１５：凸部の頂上部
２０：軸線方向
２１：金属板
３１：圧下ロールの凹凸模様１１における凹部と凸部の隙間
３２：凹凸部１２における凹部と凸部の隙間
３５：圧下ロールの凹凸模様１１における凹部と凸部の上下方向の隙間
３６：凹凸部１２における凹部と凸部の上下方向の隙間
４１：圧下ロール
５１：歯車
６１：流路の深さ
６２：流路幅
７０：固体高分子型燃料電池
７１：温水の流れ方向
７２：冷水の流れ方向

Claims

周辺に平坦部を有し，周辺を除く部分は凹凸模様１１が施された上下一対の圧下ロールにおいて，上下の圧下ロールの両端部にそれぞれ全周にわたり凹凸部１２を設け，前記凹凸模様１１の軸線方向及び軸線に直角方向における凹部と凸部の隙間３１は，前記凹凸部の軸線方向及び軸線に直角方向における凹部と凸部の隙間３２より大きく，前記凹凸部１２のロール回転方向のピッチ（ｐ）が前記凹凸模様１１のロール回転方向のピッチ（Ｐ）の整数倍であることを特徴とする圧下ロール。
さらに，前記凹凸模様１１の上下圧下ロール間における凹部と凸部の隙間３５は，前記凹凸部１２の上下圧下ロール間における凹部と凸部の隙間３６より小さいことを特徴とする請求項１記載の圧下ロール。
さらに，凹凸部１２の凸部の高さ（ｈ）が凹凸模様１１の凸部の高さ（Ｈ）より大きいことを特徴とする請求項１記載の圧下ロール。
さらに，凹凸部１２のロール回転方向のピッチ（ｐ）が凹凸模様１１のロール回転方向のピッチ（Ｐ）と同一であることを特徴とする請求項１記載の圧下ロール。