(57)【要約】【課題】流動性の悪い成形材料でも量産性に優れ、板厚精度の高い薄板の成形体を射出圧縮成形することのできる射出圧縮成形用金型およびこれを用いて製造される燃料電池用セパレータを提供する。【解決手段】射出圧縮成形用金型は、相対する面に凹凸部が設けられ、該相対する面を互いに相対することによりスプルーから供給される成形材料が充填される空洞が形成される固定側型板と可動側型板とを有する射出圧縮成形用金型において、上記空洞は、四角形板状のキャビティと、上記キャビティの一端面に底辺端面で連なり、頂点部で上記スプルーに連なる三角形板状のファンゲートと、上記キャビティの一端面に対向する他端面に連なる材料滞留部と、から構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
相対する面に凹凸部が設けられ、該相対する面を互いに相対することによりスプルーから供給される成形材料が充填される空洞が形成される固定側型板と可動側型板とを有する射出圧縮成形用金型において、
上記空洞は、
四角形板状のキャビティと、上記キャビティの一端面に底辺端面で連なり、頂点部で上記スプルーに連なる三角形板状のファンゲートと、上記キャビティの一端面に対向する他端面に連なる材料滞留部と、から構成されていることを特徴とする射出圧縮成形用金型。
【請求項２】
上記三角形板状のファンゲートの底辺端面の底辺長より、上記材料滞留部の上記キャビティ側端面の長さが短いことを特徴とする請求項１に記載する射出圧縮成形用金型。
【請求項３】
上記三角形板状のファンゲートの底辺端面の上記射出圧縮成形用金型の移動方向の上記固定側型板と上記可動側型板との相対する部分の中央部の間隙が最も小さく、上記中央部から周辺に離れるに従って上記固定側型板と上記可動側型板との相対する部分の間隙が大きくなることを特徴とする請求項１または２に記載する射出圧縮成形用金型。
【請求項４】
上記材料滞留部は、上記固定側型板と上記可動側型板との上記射出圧縮成形用金型の移動方向に直角な面に投影した線分に沿った部分の間隙が上記キャビティにおける上記固定側型板と上記可動側型板との間隙より小さいことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載する射出圧縮成形用金型。
【請求項５】
上記材料滞留部は、上記キャビティと上記材料滞留部との界面の上記射出圧縮成形用金型の移動方向に直角な面に投影した線分に沿った部分の上記固定側型板と上記可動側型板との間隙が上記材料滞留部の他の部分の上記固定側型板と上記可動側型板との間隙より小さいことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載する射出圧縮成形用金型。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載する射出圧縮成形用金型を用いて射出圧縮成形法により製造されることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、成形材料を一旦容積が大きくなったキャビティに射出した後に容積を小さくすることにより圧縮して成形品を射出圧縮成形するために用いられる射出圧縮成形用金型およびそれを用いて製造される燃料電池用セパレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池用セパレータは、高い導電性を得るために、カーボンが高い比率で配合された熱硬化性樹脂をタブレットに予備成形し、加熱された上下の金型の間に投入し、圧縮することにより作製されている。しかし、カーボンの配合比率が高い熱硬化性樹脂の材料流動性は極めて小さく、特に、圧縮するときにキャビティから排出される余剰の成形材料が金型のクリアランス部を通過すると金型壁面から大きな摩擦力が余剰の成形材料に作用し、ますます材料流動性が悪くなる。このようにして作製された燃料電池用セパレータは、本来、キャビティの外に排出されるべき余剰の成形材料がキャビティ内に残存してしまい、板厚精度などに関して所望の形状でないという問題がある。そこで、キャビティの全外周の外側に隣接する材料滞留部と、材料滞留部を介してキャビティと連通している材料滞留部とを設けることにより、キャビティから排出される余剰の成形材料に材料滞留部により適度な流動抵抗を与えるとともに、材料滞留部を介して排出される余剰の成形材料を材料滞留部で抵抗なく溜めることができる。こうして、セパレータの板厚精度や周辺部の充填性を向上することができる（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１７０４５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、燃料電池のように多数枚のセパレータが必要なときに、圧縮成形法では、タブレットを予備成形する手間やタブレットを金型内に投入する手間が掛かり、連続的に成形することができずに量産性に劣るという問題がある。
そこで、量産性に優れている射出成形法によりセパレータを作製するとき、金型のキャビティ内に成形材料が充填されると、射出圧力が直接キャビティ内の成形材料に加わり、成形後も残留応力が残ってしまうため、セパレータが大きく反ってしまい、水素や酸素の漏れを引き起こすという問題がある。
そのため、量産性に優れるとともに、残留応力の少ないセパレータを作製する方法として、成形材料の射出時に上下型を少し離間させておき、成形材料を射出した後から圧縮する射出圧縮成形法がある。しかし、射出圧縮成形用金型は、キャビティに成形材料を射出するため、ゲートを設けておかなければならないので、上述の圧縮成形用金型のようには材料滞留部および材料滞留部をキャビティの全外周に設けることができない。このため元来カーボンが高い比率で配合された成形材料の流動性が悪く、キャビティ内の充填バランスが悪くなり、板厚精度の高いセパレータが得られないという問題や、射出された成形材料の充填量のバラツキで成形されたセパレータの一部分が充填不足になるという問題がある。
【０００５】
この発明の目的は、流動性の悪い成形材料でも量産性に優れ、板厚精度の高い薄板の成形体を射出圧縮成形することのできる射出圧縮成形用金型およびこれを用いて製造される燃料電池用セパレータを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係わる射出圧縮成形用金型は、相対する面に凹凸部が設けられ、該相対する面を互いに相対することによりスプルーから供給される成形材料が充填される空洞が形成される固定側型板と可動側型板とを有する射出圧縮成形用金型において、上記空洞は、四角形板状のキャビティと、上記キャビティの一端面に底辺端面で連なり、頂点部で上記スプルーに連なる三角形板状のファンゲートと、上記キャビティの一端面に対向する他端面に連なる材料滞留部と、から構成されている。
【発明の効果】
【０００７】
この発明に係わる射出圧縮成形用金型の効果は、流動長の長いスプルーからキャビティの周辺部までの成形材料の流動長と、流動長の短いスプルーから材料滞留部先端までの成形材料の流動長とが材料滞留部を設けることでおおよそ同じとなり、また、成形材料の充填量のバラツキを吸収できるので、キャビティの周辺部にまで完全に樹脂が充填され、板厚精度が高い成形品を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係わる射出圧縮成形用金型の上方からの平面図である。図２は、図１のＡ−Ａ断面線での射出圧縮成形用金型の断面図である。図３は、図１のＢ−Ｂ断面線での射出圧縮成形用金型の断面図である。
【０００９】
射出圧縮成形用金型１は、図１と図２（ａ）〜図２（ｃ）に示すように、固定側型板２と可動側型板３とを有している。固定側型板２と可動側型板３との相対する面、固定側キャビティ形成面４に凹部、可動側キャビティ形成面５に凸部とが設けられている。そして、可動側型板３を固定側型板２に型締めすることにより、固定側キャビティ形成面４と可動側キャビティ形成面５の間に空洞が形成される。空洞は、３つの部分が連なるように形成されている。図２（ｃ）に示すように、１つ目の空洞は、成形体としての燃料電池用セパレータが内部に附形されるキャビティ６である。２つ目の空洞は、スプルー７からキャビティ６に成形材料が流される流路であるファンゲート８である。残りの空洞は、キャビティ６への成形材料の充填バランスを保つための材料滞留部９である。
さらに、可動側型板３は、可動側型板３を型開閉方向に貫通するスプルー７が設けられ、スプルー７の可動側キャビティ形成面５への開口７ａは、ファンゲート８の頂点８ｂに重なるように設けられている。
そして、成形材料をキャビティ６に射出するとき、可動側型板３の可動側キャビティ形成面５の反対側の面に開口しているスプルー７の開口７ｂに図示しないノズルの先端がノズルタッチされて、成形材料が射出される。
【００１０】
また、可動側型板３は、図２（ａ）〜図２（ｃ）に示すように、固定側型板２との間で３通りの型開閉状態を取り得る。図２（ａ）は、可動側型板３が固定側型板２から大きく離間された型開き状態、図２（ｂ）は、固定側パーティング面１１と可動側パーティング
面１２との間に所定の隙間Ｇ１が形成されるように可動側型板３が固定側型板２に近接された射出状態、図２（ｃ）は、固定側パーティング面１１と可動側パーティング面１２との間に隙間がなくなるように可動側型板３を固定側型板２に当接された圧縮状態を示す。
型開き状態では、成形されたセパレータを取り出すことができる。
【００１１】
次に、射出圧縮成形用金型１の圧縮状態でのキャビティ６、ファンゲート８、材料滞留部９の内部空間の寸法について図１と図２（ｃ）を参照して説明する。
キャビティ６の形状は、断面が幅Ｗ１、奥行きＤ１の四角形であり、この四角形を底面とし、隙間Ｔ１の六面体の空洞であり、その内寸は成形する燃料電池用セパレータの設計寸法に基づいて決められる。
【００１２】
ファンゲート８の形状は、底辺８ａをＷ２、高さ８ｃをＨ１とする三角形である。そして、ファンゲート８は、図１に示すように、スプルー７からキャビティ６の一辺６ａで形成される三角形状をしており、ファンゲート８の底辺端面８ａの図３に示される射出圧縮成形金型の移動方向の固定側型板２と可動側型板３との相対する部分の間隙の中央部の隙間Ｔ２が最も小さく、中央から周辺に離れるに従って固定側型板２と可動側型板３との相対する部分の隙間Ｔ３が大きくなっている。
【００１３】
材料滞留部９の形状は、下底９ａをＷ３、上底９ｂをＷ４、高さ９ｃをＨ２とする台形であり、上底９ｂ以外の側端面は固定側型板２に設けられた凹部の壁で閉じられており、上底９ｂはキャビティ６の他端面６ｂに連なっている。また、上底９ｂに隣接し、奥行きＤ２の狭隙部１０における固定側型板２と可動側型板３との相対する部分の隙間Ｔ４が材料滞留部９の他の部分における固定側型板２と可動側型板３との相対する部分の隙間Ｔ５より小さくなっている。ここでは材料滞留部９の形状は台形としているが材料の流動状態によっては円弧状や四角形状などでもかまわない。
【００１４】
次に、上述の射出圧縮成形用金型１を用いて成形体を作製する手順を図４〜図７を参照して説明する。なお、図４は、成形材料を射出後、または図６はその後の圧縮後において可動側型板３を取り外した状態での固定側型板２内の成形材料が充填された平面図である。図５、図７は、それぞれ可動側型板３がそのままに設置されている図４、図６のＣ−Ｃ断面線またはＤ−Ｄ断面線における断面図である。
燃料電池用セパレータの成形材料の基材には、熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂が用いられるが、ここではフェノール樹脂やエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂を基材に、導電性を有する黒鉛やカーボンブラックを高配合したものを成形材料として用いている場合で説明する。
そして、成形材料は、図示しない射出圧縮成形機のホッパから加熱シリンダ内に投入され、スクリュあるいはプランジャによって移送可塑化され、ノズルから射出圧縮成形用金型１のスプルー７内に射出される。
この成形材料が射出されるとき、射出圧縮成形用金型１は射出状態（図２（ｂ））に保持されている。
そして、成形材料２０がスプルー７内に射出されると、図４と図５とに示すように、スプルー７とファンゲート８内が成形材料２０により充填され、さらに、キャビティ６の半分以上が成形材料２０により充填されている。
次に、可動側型板３を下降させると、図６と図７とに示すように、成形材料２０が型締め方向に圧縮され、キャビティ６の全部と材料滞留部９の一部が成形材料２０により充填される。
この圧縮状態で射出圧縮成形用金型１により材料は加熱されて硬化し、硬化完了後可動側型板３を型開き方向に移動させ、型開き状態にして射出圧縮成形された成形体を取り出して、１サイクルの射出圧縮成形の過程が完了する。
【００１５】
次に、射出圧縮成形の過程における成形材料２０の射出圧縮成形用金型１内での流動について説明する。
ノズルからスプルー７、ファンゲート８を経由してキャビティ６に成形材料２０が充填された段階では、図５に示すように、固定側パーティング面１１と可動側パーティング面１２との間が隙間Ｇ１だけ開いている。この段階でのキャビティ６の容積は、圧縮状態のキャビティ６の容積より大きいので、キャビティ６は成形材料２０により完全に充填されていない。ここで、図１に示すように、四角形のセパレータのキャビティ６の長辺側の一辺６ａ側にファンゲート８がある場合では、キャビティ６内へ流動して到達した成形材料２０の先端の位置２０ａ、２０ｂは、図４に示すように、スプルー７から材料滞留部９に向いたときのキャビティ６の中心部６ｃに到達した成形材料２０の先端の位置２０ａより周辺部６ｄに到達した成形材料２０の先端の位置２０ｂがスプルー７から離れている。
【００１６】
これは、ファンゲート８の頂点８ｂから底辺８ａ（いずれも図１参照）への垂線上の固定側型板２と可動側型板３との相対する部分８ｄ（図３参照）の隙間が小さく、垂線から横方向に離れるに従って隙間が大きくなっているので、キャビティ６の中心部６ｃまで流動した成形材料２０に加わった摩擦力がキャビティ６の周辺部６ｄまで流動した成形材料２０に加わった摩擦力より大きいためである。
【００１７】
次に、圧縮過程における成形材料２０の射出圧縮成形用金型１内での流動について説明する。成形材料２０が充填された射出圧縮成形用金型１の可動側型板３を固定側パーティング面１１と可動側パーティング面１２とが当接するようになるまで下降すると、図４に示すように、射出状態の射出圧縮成形用金型１内に充填された成形材料２０はキャビティ６の未充填の中心部６ｃおよび周辺部６ｄと材料滞留部９に向けて矢印のように流動される。このとき、射出状態でキャビティ６内の成形材料２０の到達した先端の位置２０ａ、２０ｂからキャビティ６の壁までの長さが、キャビティ６の壁面６ｂから材料滞留部９の上底９ｂまでの長さより短くならないように上底９ｂの位置が設定されているので、キャビティ６の未充填の周辺部６ｄが完全に成形材料で充填されても、まだ材料滞留部９を充填している突起部２５は充填の余裕量を残している。
さらに、図１に示すように、材料滞留部９の下底９ａの長さＷ３がキャビティ６の他辺６ｂのファンゲート８の端面８ａの長さより小さいので、圧縮するときキャビティ６の周辺部６ｄに成形材料が流れやすくなっている。
また、図２に示すように、材料滞留部９の隙間の長さＴ５がキャビティ６の隙間の長さＴ１より小さいので、射出時にキャビティ６に充填された成形材料２０が圧縮によりキャビティ６の周辺部６ｄへ優先的に流れていく。
【００１８】
次に、実施の形態１に係わる射出圧縮成形用金型１を用いて射出圧縮成形された成形体について、図８と図９とを参照して説明する。図８は、この発明の実施の形態１において製造された成形体の平面図である。図９は、図８のＥ−Ｅ断面線での成形体の断面図である。
【００１９】
この発明の実施の形態１に係わる成形体２１は、図８と図９とに示すように、成形体本体としての四角板状の燃料電池用セパレータ２２、燃料電池用セパレータ２２の一端面２２ａに底辺端面２３ａで連なる三角形板状のファンゲート部２３、ファンゲート部２３の頂点部２３ｂでファンゲート部２３の面に垂直に縦立する円柱状のスプルー部２４、燃料電池用セパレータ２２の一端面２２ａに対向する他端面２２ｂに弦端面２５ａで連なる円弧形板状の突起部２５から構成されている。
燃料電池用セパレータ２２は、成形体２１からファンゲート部２３の底辺端面２３ａでファンゲート部２３、突起部２５の弦端面２５ａで突起部２５をそれぞれ切り離すことにより得られる。
【００２０】
このような射出圧縮成形用金型１は、キャビティ６のファンゲート８が連なっている端面６ａの反対の端面６ｂに連なるように材料滞留部９が設けられているので、射出時の充填量のばらつきが吸収でき、射出圧縮成形により板厚精度の高い成型品を製造することができる。
また、キャビティ６の一端面６ｂだけに材料滞留部９が設けられ、キャビティ６の全外周端面に亘って材料滞留部９が設けられる場合と比較して、後で切り離してしまう不要部分のための材料消費が激減するので、コストの低減に対応し易い。
また、キャビティ６の一端面６ｂだけに材料滞留部９が設けられているので、燃料電池用セパレータの水素、酸素および冷却水の流路設定に何らの弊害を与えない。一方、キャビティ６の全外周端面に材料滞留部９を設けてしまうと、ゲートの位置をキャビティ６の型開閉方向に設けなければならなくなり、燃料電池用セパレータの設計自由度が大幅に低下してしまう。
【００２１】
また、ファンゲート８はスプルー７の開口７ａと重なる点を頂点８ｂとした平面形状が三角形の空洞となっているが、これはスプルー７からキャビティ６に成形材料を流動させるときの成形材料の流動の拡散性を良好にするためである。すなわち、スプルー７からファンゲート８内を成形材料が拡がりながらキャビティ６に流動していく。
また、三角形状をしているファンゲート８の底辺端面８ａの、図３に示すように、射出圧縮成形金型の移動方向の固定側型板２と可動側型板３との相対する部分の間隙の中央部の隙間Ｔ２が最も小さく、中央から周辺に離れるに従って固定側型板２と可動側型板３との相対する部分の隙間Ｔ３が大きくなっているので、キャビティ６の周辺部６ｄへの成形材料の流動量が多く拡散性が良好になり、キャビティへ６の成形材料の充填バランスの均一化を図ることができる。
【００２２】
また、材料滞留部９の隙間の長さＴ５がキャビティ６の隙間の長さＴ１より小さいので、射出時にキャビティ６に充填された成形材料２０が圧縮によりキャビティ６の周辺部６ｄへ優先的に流され、キャビティ６内を均一に成形材料２０で充填することができる。
【００２３】
また、キャビティ６と材料滞留部９との間に狭隙部１０が設けられているので、燃料電池用セパレータ２２から突起部２５の狭隙部１０に相当する部分で容易に突起部２５を切り離すことができる。
【００２４】
実施の形態２．
図１０は、この発明の実施の形態２に係わる射出圧縮成形用金型の平面図である。図１１は、図１０のＦ−Ｆ断面線における射出圧縮成形用金型の断面図である。
この発明の実施の形態２に係わる射出圧縮成形用金型１Ｂは、スプルー７を中心にして、点対称に実施の形態１に係わる射出圧縮成形用金型１を２個合体したことが異なっており、その他は同様であるので、同様な部分に同様な符号を付記して説明は省略する。
この発明の実施の形態２に係わる射出圧縮成形用金型１Ｂは、スプルー７を中心に点対称にファンゲート８Ａ、８Ｂが設けられ、それに連なってキャビティ６Ａ、６Ｂが設けられている。そして、キャビティ６Ａ、６Ｂのファンゲート８Ａ、８Ｂの反対側にそれぞれ材料滞留部９Ａ、９Ｂが設けられている。
【００２５】
実施の形態２に係わる射出圧縮成形用金型１Ｂは、実施の形態１に係わる射出圧縮成形用金型１と同様に射出状態では、固定側型板２と可動側型板３とは所定の隙間だけ開いている。このときの固定側型板２と可動側型板３との平行度は、固定側型板２と可動側型板３とをそれぞれに固定する図示しない射出成型機の固定盤と可動盤との平行度で決まる。しかし、一般的に、この平行度は成形体に求められる精度、例えば、１／１００レベルに比べて悪く、図１３に示すように、固定側型板２と可動側型板３は傾いた状態となり、２個のキャビティ６Ａ、６Ｂの容積に差が生じることになる。これにより容積の大きなキャビティ６Ａの方の流動抵抗が小さくなり、図１２にも示されるように、必然的に成形材料３０のキャビティ６Ａへの充填量も多くなる。
【００２６】
そこで、この実施の形態２に係わる射出圧縮成形用金型１Ｂは、各キャビティ６Ａ、６Ｂの一側端面に材料滞留部９Ａ、９Ｂを設けているのは固定側型板２と可動側型板３との平行度に因る射出状態における成形材料３０の一方のキャビティ６Ａと他方のキャビティ６Ｂへの充填量の差分を、圧縮時に材料滞留部９Ａ、９Ｂへ流動させることにより、吸収するためである。つまり、この充填量の差分は、材料滞留部９Ａ、９Ｂに流動された成形材料３０の量の差分として表れ、一方のキャビティ６Ａと他方のキャビティ６Ｂとに成形材料３０を均一に充填することができる。従って、射出圧縮成形用金型１Ｂに２個のキャビティ６Ａ、６Ｂが設けられていても、板厚精度の高い成形体を製造することができる。
【００２７】
しかし、材料滞留部９Ａ、９Ｂが設けられていないと、可動側型板３を下降して成形材料３０を圧縮するとき、成形材料の充填量の多いキャビティ６Ａで成形されたセパレータの方が厚くなってしまう。
また、故意に可動側型板３と固定側型板２とのクリアランスをバリが発生する程度に大きくし、ある程度成形材料３０が圧縮された時点で、型開閉方向にクリアランスから縦バリが発生し、余分な成形材料３０をフローアウトさせることで、２個のキャビティ内の成形材料３０が等しくなるようにバランスをとることも考えられるが、縦バリが発生することにより、完成品から考えれば不要な部分に成形材料３０が浪費されてしまう。また、成形後のバリ取り作業を追加しなければならず、コストを増加させてしまう。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】この発明の実施の形態１に係わる射出圧縮成形用金型の上方からの平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面線での射出圧縮成形用金型の断面図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ断面線での射出圧縮成形用金型の断面図である。
【図４】成形材料を射出後において可動側型板を取り外した状態の固定側型板内の成形材料の平面図である。
【図５】可動側型板がそのままに設置されている図４のＣ−Ｃ断面線における断面図である。
【図６】成形材料を圧縮後において可動側型板を取り外した状態の固定側型板内の成形材料の平面図である。
【図７】可動側型板がそのままに設置されている図６のＤ−Ｄ断面線における断面図である。
【図８】この発明の実施の形態１において製造された成形体の平面図である。
【図９】図８のＥ−Ｅ断面線での成形体の断面図である。
【図１０】この発明の実施の形態２に係わる射出圧縮成形用金型の平面図である。
【図１１】図１０のＦ−Ｆ断面線における射出圧縮成形用金型の断面図である。
【図１２】成形材料を射出後において可動側型板を取り外した状態の固定側型板内の成形材料の平面図である。
【図１３】可動側型板がそのままに設置されている図１２のＧ−Ｇ断面線における断面図である。
【符号の説明】
【００２９】
１、１Ｂ  射出圧縮成形用金型、２  固定側型板、３  可動側型板、４  固定側キャビティ形成面、５  可動側キャビティ形成面、６、６Ａ、６Ｂ  キャビティ、７  スプルー、８、８Ａ、８Ｂ  ファンゲート、９、９Ａ、９Ｂ  材料滞留部、１０  狭隙部、１１  固定側パーティング面、１２  可動側パーティング面、２０、３０  成形材料、２１  成形体、２２  燃料電池用セパレータ、２３  ファンゲート部、２４  スプルー部、２５  突起部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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