JPH07183073A - 回転体の集電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 金属箔製造用電解装置及び金属箔表面処理装
置の電流容量に比例する回転体の集電装置の大型化を抑
えるための高電流集電手段と、摺動環と集電ブラシの摺
接面の摩耗速度を軽減して寿命を長くする手段を有する
集電装置を提供する。 【構成】 回転する電極体の回転軸６に給電子として取
付けられる銅又は黄銅製の摺動環８と、該摺動環８に摺
接して集電する銀黒鉛質又は銅黒鉛質合金製の集電ブラ
シ15とからなり、集電ブラシ15に空気圧又は油圧による
摺接圧力の調整手段を設け、かつ電極体の回転軸６及び
摺動環８に冷却水通路を設けて摺接面を冷却することを
特徴とする回転体の集電装置である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電解金属箔製造工程に
おける電解装置の回転陰極及び金属箔表面処理装置の集
電ロールにおいて回転する摺動環の集電装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】回転する摺動環の集電装置の例を図によ
って説明すると、図５は金属箔製造用電解槽の側面縦断
面図である。図６(a)は金属箔表面処理槽の側面横断面
図、(b)は側面縦断面図である。図中符号１は電解槽，
２は陽極，３は回転陰極ドラム，3aは集電ロール，４は
電解液，５は金属箔，６は回転軸,７は軸受，８は銅又
は黄銅製の摺動環である。

【０００３】電流は外部直流電源から導電ブスバーを介
して陽極２に供給され、図５においては電解液４，陰極
ドラム３，回転軸６，摺動環８を経由し、図６において
は電解液４，金属箔５，集電ロール3a，摺動環８を経由
し、集電ブラシを介して陰極側ブスバーに排出される。

【０００４】摺動環からの電流を集電して陰極側ブスバ
ーに排出する方法には、例えば特公昭58-24507号に記載
されている水銀接点(水銀溜)を使用する方法(我が国で
は採用されていない)の他に、黒鉛質、低融点金属、銅
クロム合金、金属黒鉛合金などの集電ブラシを摺動接触
させる方法が一般に採用されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の摺動環とカーボ
ンブラシ又はコンタクトリングと低融点金属との組み合
わせは、摩耗して脱落又は飛散するカーボン粉又は金属
ヒュームが、製品の金属箔を汚染し品質を低下させる恐
れがあるなどの問題がある。それに加えて、金属箔製造
技術の進歩により生産効率が高まり、回転陰極ドラムの
大型化、表面処理のスピード化が促進されて、電流容量
が従来の１ないし２万アンペアから３万アンペア(以下
Ａmpと略記す)に増え、更に増加しつつある。

【０００６】このため、従来の回転体の集電装置では電
流容量に比例して大型化させる必要があるため、集電装
置の占める容積の増加と共に、集電ブラシ又は摺動環の
交換修理などの施工が難しくなったため、小型化と耐久
性を高める要望が強まってきた。

【０００７】これらの問題の改善を目的とした特公平2-
22511号には、回転体の軸端に着脱自在に装着された集
電子と、この集電子に当接する電気伝導性、熱伝導性及
び対摺動性に勝れた合金より形成された給電側接触子を
有し、給電側導電部材に着脱自在に装着された給電子
と、上記集電子に給電子の接触子を常に所定の圧力で押
圧するための給電子押圧手段と、上記給電子の内部に配
設されたジャケット内に冷却水を循環させて給電子を冷
却する手段とより構成された回転体の終電装置が記載さ
れている。

【０００８】これは確かに優れた提案であるが、提案中
の銀タングステン又は銅タングステン製接触子はその硬
度がこれと接触する銅製摺動環よりかなり高いため、集
電子の耐摩耗性が大きい半面、摺動環の機械的摩耗によ
る表面寿命の低減と、摺接面の肌荒れが原因で発生する
火花放電による電気的摩耗を避けるためには、接触圧力
を最適に調整しても接触電圧降下50ｍＶ以下に維持する
には摺接面電流密度を900Ａmp/cm²以下に制限する必要
があり、より大きな電流容量増加の要望に対しては必ず
しも満足し得ない点が問題として残されている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、増大する
金属箔製造用電解装置及び金属箔表面処理装置の電流容
量に比例する集電装置の大型化を抑えるための高電流集
電手段と、摺動環と集電ブラシの摺接面の摩耗速度を軽
減して寿命を長くする手段を追求した結果、次の手段を
組み合わせることが極めて有効であることを認め、本発
明を完成した。

【００１０】すなわち、回転する電極体の回転軸６に給
電子として取付けられる銅又は黄銅製の摺動環８と、該
摺動環８に摺接して集電する銀黒鉛質又は銅黒鉛質合金
製の集電ブラシ15とからなり、集電ブラシ15に空気圧又
は油圧による摺接圧力の調整手段を設け、かつ電極体の
回転軸６及び摺動環８に冷却水通路を設けて摺接面を冷
却することを特徴とする回転体の集電装置である。

【００１１】更に、摺動環８に設けた切欠溝8aにより区
画された摺接面8bに接触する集電ブラシ15の摺動方向に
対する稜線15aを回転軸６に対して傾斜させ、かつ集電
ブラシ接触面の可動軸線の位置を回転軸６に対して軸直
角とすることとした。

【００１２】

【作用】集電ブラシを銀黒鉛質又は銅黒鉛質合金とした
ことにより、銀又は銅の優れた導電特性と黒鉛の優れた
潤滑特性を共有し、銅又は黄銅製摺動環の摺接面に対し
て優れた電気伝導性，熱伝導性及び摺動特性をもつ皮膜
形成作用をなす。

【００１３】集電ブラシに空気圧又は油圧による摺接圧
力の調整手段を設けたことにより、従来のコイルばね式
に較べ接触面の均圧性に優れ、かつ振動などによる微妙
な摺接界面の変化に追従して更に皮膜安定化に有効に作
用する。

【００１４】また、摺動環を通じて冷却される摺接面
は、その上に形成された皮膜の熱的変化による摺動特性
を安定させる作用をする。

【００１５】更に、摺動環の回転軸に軸直角に取付けら
れ、かつ摺動方向に対してその稜線を傾斜させた集電ブ
ラシは、力学的に慣性重量を低減して摺動特性を安定さ
せると共に、摺動面から離脱する摩耗粉あるいは外部か
らの異物をブラシと摺動環との間に巻き込んで摺動界面
を阻害することなく摺接面脇の切欠溝に誘導し系外に移
行して散乱を防止する作用をする。

【００１６】これらの総合作用により、接触電圧降下の
許容値を50mVとした場合、接触面電流密度を一般的なカ
ーボンブラシにおける50Ａmp/cm²以下から1000Ａmp/cm²
以上に増加することが可能になった。

【００１７】

【実施例】次に本発明の実施例を図面を参照して説明す
る。 実施例１ 図１は回転陰極ドラムの軸端の片側又は両側に取付けら
れる摺動環と摺動環の摺接面を冷却する機構の実施例を
示す平面断面図、図２は摺動環に接触する集電ブラシの
保持、押圧及び外部電気回路との接続構造の実施例を示
す側面図、図３は摺動環の摺接面に対面する集電ブラシ
の稜線の位置関係を示す見取図である。

【００１８】図１において符号６で示す部材は電流３万
アンペア，回転数0.2〜0.8r.p.mで運転される回転陰極
ドラムの鋼製の回転軸で直径130mmである。７は軸受、
８は内径150mm、外径180mm、長さ200mmの円筒状銅製摺
動環で回転軸６との間に10mmの隙間をもってオイルシー
ル10、銅製オイルシール抑えリング11、銅製通電リング
12、ねじ13によって電気的、機械的に回転軸６に締結さ
れ、隙間が冷却水チャンバー９を形成する。摺動環８、
抑えリング11、銅製通電リング12は組み立てた時、回転
陰極ドラム軸６と同心円となる構造であり、それぞれの
接触面には導電性コンタクトグリースが塗布され良好な
電気接触が保たれている。なお、摺動環８の摺接面は粗
さ(Ra)４μmに加工され、17mmピッチで幅４mm、深さ３m
mの溝8aが切られていて、幅13mmの摺接面が10条分割さ
れ、その摺接面に集電ブラシ15が対面接触する。

【００１９】回転軸６には、その中心に軸端から摺動環
取付け部位の先端までの長さに直径50mmの冷却水案内孔
14eが開けられ、かつ冷却水チャンバー９に通じる直径1
6mmの連絡孔14f,14gが案内孔14eから放射状に円周方向
各４ケ所設けられている。軸端中心には注入ノズル14
b、排出ノズル14cのついた冷却水の注排水用ロータリー
ジョイント14aがねじ接続され、注入ノズル14bを延長し
た内径13.3mm外径17.3mmの冷却水注入管14dが冷却水案
内孔14eの中心にその先端近くまで延びており、冷却チ
ャンバー９に通じる連絡孔14fと14gの中間に取付けられ
たゴムシール14hによって、冷却水案内孔14eと注入管14
dとの隙間がシールされている。

【００２０】以上の構造によって回転陰極ドラムからの
電流は、回転軸６、通電リング12、オイルシール抑えリ
ング11を経て摺動環８に導電され、冷却水はロータリー
ジョイント14aの注入ノズル14b、連絡孔14f、を経て冷
却水チャンバー９に導かれ、連絡孔14g、案内孔14e、ロ
ータリージョイント14aの排水ノズル14cを経て排出され
る。

【００２１】図２及び図３において、集電ブラシ15は一
辺の長さ18mm、他辺の長さ15mm、２辺間の角度が60°の
平行四辺形、接触面積1.95cm²、厚みが10mmの銀黒鉛質
合金製であって、銅製台座16に銀ろう付けによって固着
されており銅製集電ブラシホルダー17にテーパー嵌合し
ている。集電ブラシの形状は平行四辺形に限らず摺接面
回転方向に対する稜線が傾斜していれば梯形、菱形など
任意に選べる。また、集電ブラシは取り外し容易な銅製
台座16に固着しているのでその交換は容易である。

【００２２】集電ブラシホルダー17は一般に溶接業界に
おいて汎用されている抵抗熔接用電極（小原金属製ポイ
ントホルダー）が適用されており、冷却水注入口17a、
排水口17b及び外部電源との接続端子17cが付設されてい
て陰極側のフレキシブルブスバー24に螺合されて電気回
路を形成する。そして集電ブラシホルダー支持台取付ベ
ース18にセットされている支持台19に集電子可動用エア
ーシリンダー20、ガイドロッド摺動用低摩擦ブッシュ21
aが取付けられ、ガイドロッド21、スライドベース22を
介した集電ブラシホルダー取付ロッド23に絶縁材を介し
て集電ブラシ保持ホルダーがねじ固定されている。

【００２３】集電ブラシ15の摺接面の可動軸線は回転軸
６の中心を通りかつ回転軸線と直角に交わり、摺動環８
の切溝によって区分けされた幅13mmの摺接面8bに集電ブ
ラシの稜線15aが回転方向に対して30°の角度を保って
接触するよう集電ブラシホルダー17、スライドベース2
2、支持台19を調整して取付けられる。

【００２４】エアーシリンダー20の圧力導入口20aにエ
アーコンプレッサー、フィルターレギュレーター、精密
圧力調整バルブを経た200〜3000g/cm²の圧縮エアーが接
続されて回転陰極ドラムの運転に先立って試験された最
適圧力値に調節される。最適圧力は本発明者らが取り決
めた次の基準即ち摺接面電流密度を1000Ａmp/cm²にした
時、火花放電を生じることなく、接触電圧降下が100mV
以下で安定した状態が保たれ、かつ摺接面への摩耗が最
小限であること、に準処して800g/cm²に決められた。い
うまでもなく、この値は絶対でなく条件変化によって変
化し得るものである。

【００２５】なお、図２には摺動環８に対して左側に１
個の集電ブラシしか示していないが実際には右側にも左
右対称形に取付けられ、片側に５個ずつ計10個が並列に
取付けられている。また図１は回転陰極ドラムの軸の右
側しか示してないが、左側にも左右対称に取付けられて
いるので集電ブラシの数は総計20個である。したがって
摺接面に接触する集電ブラシの総面積は1.95cm²/個×20
個＝39cm²である。後述する実施例２の通り本発明の集
電装置は接触面積１cm²当たり1,000Ａmp以上の高電流を
流せるので本実施例の集電能力は39,000Ａmp以上にな
る。

【００２６】本実施例では同一摺接面に対する集電ブラ
シの数を１個にしているが、これは硬度特性に若干のバ
ラツキのある多数の集電ブラシが互いに干渉し合って皮
膜剥離を助長するのを極力避けるためであり、皮膜の安
定性を保つ作用をする。しかしながら、その反面空間占
有率を増加するので必要によっては摺接面１条に対して
左右両側に１個ずつ対面させて片側に10個ずつ計20個回
転軸両側に40個セットすることもできる。更にまた、電
流容量増加の必要性に応じて摺動環の長さを増やしてそ
の数を増やすこともできる。

【００２７】実施例２ 基本的に実施例１と同様の集電試験装置を組み立てた。
集電ブラシは摺動環の軸に対して左右各１個づつをそれ
ぞれ固有の接触面に対面させた。主な部分の仕様は次の
通りである。 摺動環： 材質：電気銅 硬度：Ｈｖ８２ 寸法：外径１８０ｍｍ，内径１５０ｍｍ，長さ２００ｍ
ｍ 摺接面：１条の幅１０ｍｍ両側に切欠溝あり 摺接面粗さ(Ｒａ)：１．２５μｍ (Ｒｔ)：８．５μｍ 回転速度：０．４６ｒ．ｐ．ｍ 周速：,０．２６ｍ／ｍｉｎ 集電ブラシ： 材質：銀黒鉛質合金（成分：銀９６％，黒鉛４％，エル
メットＡＧ９６） 寸法：１０ｍｍ×１０ｍｍｈ（夾角６０°）×５ｍｍｔ 摺接面積：１ｃｍ2×２個＝２ｃｍ2 硬度：Ｈｖ４５ 電気伝導度：６０％１ＡＣＳ 集電ブラシホルダー： 小原金属工業社製,抵抗熔接用電極 材質：電気銅 寸法：外径３０ｍｍ，長さ１００ｍｍ 冷却水注排水ノズル，電流接続端子付 エアーシリンダー： ＳＭＣ社製,ＣＭ２ＦＱ２０−２５Ｆ

【００２８】直流電源のプラス側ブスバーを回転軸６の
他端に取付けたコンタクトリング式給電装置（図示して
いない）に接続し、集電ブラシホルダーの電流端子17c
と直流電源マイナス側のブスバー24を結線して電気回路
を形成し、0.46r.p.mの回転速度で摺動環を回転後、集
電ブラシ接触圧を予備試験から得られた最適値800g/cm²
に調圧し冷却水を通水の上、400Ａmpで通電した。以後
摺動環の摺接面である銅表面が銀黒色の導電皮膜で覆わ
れ、接触電圧降下が最小かつ安定した時点より摺接面温
度及び摺動環と集電ブラシ間の接触電圧降下を測定する
と共に摺接面間の火花放電などの異常発生の有無を点検
しながら２時間経過毎に400Ａmp増流し、異常を認める
まで増流した。4,800Ａmpまでは異状なかったが、5,200
Ａmpに増流した時点より集電ブラシの稜線と摺動環の摺
接面との間に微細な火花発生を認めた。

【００２９】上記結果より、本集電装置における限界電
流密度は2,400Ａmp/cm²近傍にあると認め、１/２に相当
する2,400Ａmpに減流して電流値を固定し、以後1,000時
間連続運転後試験を停止して集電ブラシ及び摺動環接触
面の摩耗及び表面粗さを測定した。この間温度、電圧、
火花などの異常は全く見られなかった。なお、摺動環表
面温度は試験期間を通して30°Ｃ以下に保持された。

【００３０】以上の結果の電流−接触電圧降下曲線を図
４に、また、通電期間の接触電圧降下、集電ブラシの摩
耗量、摺動環の摩耗深さ、及び表面粗さの測定値を表１
に示す。

【００３１】

【表１】

【００３２】表１から明らかなように接触面電流密度が
1000Ａmp/cm²を超える高電流、密度であるにも拘わらず
接触電圧降下は僅か50mV以下で安定した状態が保たれ
た。また、摺接面の摩耗はブラシ側のみで摺動環側は全
く摩耗せず、その表面粗さは試験前と略同じであった。
なおブラシ摩耗粉はその成分が銀96％、黒鉛４％の密度
の高い焼結合金であるため粉粒の親和性が良く、カーボ
ンブラシなどにおける飛散性摩耗粉の場合とは著しく異
なり、互いにくっつき合った状態で傾斜した集電ブラシ
の稜線を伝って極めて徐々に切欠溝の位置から下方の受
皿に落下し周囲への散乱は全く見られず、製品金属箔の
品質に影響を及ぼす恐れのないことが確認された。

【００３３】

【発明の効果】本発明は電解金属箔製造装置及び金属箔
表面処理装置などにおける低速回転電極体の銅製摺動環
からの集電方式において、摺動環の摺接面に形成される
銀黒鉛質皮膜の導電性、潤滑性を安定せしめる手段すな
わち、集電ブラシの材質、形状及び取付け位置、集電ブ
ラシ押圧方式、摺接面の冷却の組み合わせを追求した結
果として次の効果を生み出すことができた。 （１）集電ブラシの電流密度を1,000Ａmp/cm²以上に上
げることが可能となった結果として集電装置をコンパク
トにすることができた。 （２）電流密度1,000Ａmp/cm²における接触面電圧降下
を50mＶ以下にすることができるので電力費を節減可能
となった。 （３）摺動による摩耗は取り替え容易な集電ブラシ側に
生じるので時間、労力、を必要とする摺動環の修理又は
取り替えは殆ど必要なくメンテナンスが容易となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例における集電装置の摺動環及び
冷却機構を示す断面図である。

【図２】本発明実施例の摺動環に接触する集電ブラシの
保持、押圧、外部電気回路との接続構造を示す側面図で
ある。

【図３】本発明の実施例における摺動環摺接面に接触す
る集電ブラシの稜線の位置を示す見取図である。

【図４】本発明の集電装置の通電性能を示す電流−接触
電圧降下曲線である。

【図５】金属箔製造用電解装置の説明図である。

【図６】金属箔表面処理装置の説明図である。

【符号の説明】

１ 電解槽 ２ 陽極 ３ 回転陰極ドラム 3a 集電ロール ４ 電解液 ５ 金属箔 ６ 回転軸 ７ 軸受 ８ 給電子となる摺動環 14 摺動環冷却装置 15 集電ブラシ 15a 稜線 19 集電ブラシ押圧装置

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転する電極体の回転軸６に給電子とし
   て取付けられる銅又は黄銅製の摺動環８と、該摺動環８
   に摺接して集電する銀黒鉛質又は銅黒鉛質合金製の集電
   ブラシ15とからなり、集電ブラシ15に空気圧又は油圧に
   よる摺接圧力の調整手段を設け、かつ電極体の回転軸６
   及び摺動環８に冷却水通路を設けて摺接面を冷却するこ
   とを特徴とする回転体の集電装置。
2. 【請求項２】 摺動環８に設けた切欠溝8aにより区画さ
   れた摺接面8bに接触する集電ブラシ15の摺動方向に対す
   る稜線15aを回転軸６に対して傾斜させ、かつ集電ブラ
   シ接触面の可動軸線の位置を回転軸６に対して軸直角と
   することを特徴とする請求項１記載の回転体の集電装
   置。