(57)【要約】【課題】ネックイン量が左右で等しくなるよう調整するのに適した薄膜形成装置を提供すること。【解決手段】本発明の薄膜形成装置は、Ｔダイ２１と、Ｔダイ２１から吐出された薄膜２２を巻き取るロール２３と、ロール２３の軸方向の一方の側に設置されるモータ２７と、Ｔダイ２１とロール２３との間において、両側にそれぞれ設けられたエアノズル２４ａ，ｂと、薄膜２２の耳部２５ａ，ｂの位置を継続的に検出するカメラ２５ａ，ｂと、受け取った位置の情報に基づき、薄膜２２の巻き取り中に、エアノズル２４ａ，ｂの位置を継続的に移動させる移動手段と、を備える。薄膜２２の巻き取り速度の増加中において、モータ２７に近い方の耳部２５ａに吹き付けられるエアの供給速度が、他方の耳部２５ｂに吹き付けられるエアの供給速度よりも大きい状態が継続的に保たれる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融樹脂を薄膜として吐出するＴダイと、
前記Ｔダイから吐出された薄膜を巻き取るとともに冷却するロールと、
前記ロールの軸方向の一方の側に設置されるとともに、前記ロールを回転させるモータと、
前記Ｔダイと前記ロールとの間において、巻き取り中に流れる前記薄膜の幅方向の中心を挟んで両側にそれぞれ設けられたエアノズルと、
巻き取り中にネックインする前記薄膜の両側端の内側の耳部の位置を継続的に検出するカメラと、
前記薄膜の巻き取り中において、前記エアノズルが前記耳部の位置にエアを継続的に吹き付けられるように、前記位置の情報を継続的に受け取るとともに、前記受け取った位置の情報に基づき、前記薄膜の巻き取り中に、前記エアノズルの位置を継続的に移動させる移動手段と、
を備える薄膜形成装置であって、
前記薄膜の巻き取り速度の増加中において、前記モータに近い方の耳部に吹き付けられるエアの供給速度が、他方の耳部に吹き付けられるエアの供給速度よりも大きい状態が継続的に保たれる、
薄膜形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は薄膜形成装置に関し、特に燃料電池の電解質として用いられる高分子膜の形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子膜は固体高分子形燃料電池の電解質として用いられる。係る高分子膜は他の用途の高分子膜と同様にＴダイを用いた薄膜形成装置で形成することが出来る。Ｔダイを用いた薄膜形成装置は特許文献１に開示されている。
【０００３】
図１に示す装置１９は薄膜形成装置である。装置１９はＴダイ２１及びロール２３を備える。Ｔダイ２１は溶融樹脂を高分子膜である薄膜２２として吐出する。ロール２３は吐出された薄膜２２を巻き取るとともに、冷却する。
【０００４】
図１に示す装置１９はさらにエアノズル２４ａ，ｂを備える。Ｔダイ２１とロール２３との間には冷却前の薄膜である薄膜２２が流れている。エアノズル２４ａ，ｂは係る薄膜２２にエアを吹き付ける。エアノズル２４ａ，ｂは左右に対になっている。エアノズル２４ａ，ｂは薄膜２２の流れ方向に対する両側端部、いわゆる耳部２５ａ，ｂにエアを吹き付ける。係るエアの吹き付けにより、耳部２５ａ，ｂの位置が横方向にぶれることを防止する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−１９３４４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図１に示すように、冷却される前の薄膜２２は巻き取られる際に幅方向に収縮する。したがって耳部２５ａ，ｂはＴダイからロールに向かって進む際に、薄膜２２の中心に向かって移動する。係る移動は巻き取りによって一般的に生じるものであり、上述の横方向のぶれに該当しない。係る移動を本明細書ではネックインと呼ぶものとする。
【０００７】
ここで、ネックイン量が左右で異なる場合、ネックイン量が大きい側で膜厚が大きくなる傾向があることを発明者らは見出した。またこの現象のため、膜厚をより均一にすることが難しいことを見出した。本発明はネックイン量が左右で等しくなるよう調整するのに適した薄膜形成装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の薄膜形成装置は、溶融樹脂を薄膜として吐出するＴダイと、前記Ｔダイから吐出された薄膜を巻き取るとともに冷却するロールと、前記ロールの軸方向の一方の側に設置されるとともに、前記ロールを回転させるモータと、前記Ｔダイと前記ロールとの間において、巻き取り中に流れる前記薄膜の幅方向の中心を挟んで両側にそれぞれ設けられたエアノズルと、巻き取り中にネックインする前記薄膜の両側端の内側の耳部の位置を継続的に検出するカメラと、前記薄膜の巻き取り中において、前記エアノズルが前記耳部の位置にエアを継続的に吹き付けられるように、前記位置の情報を継続的に受け取るとともに、前記受け取った位置の情報に基づき、前記薄膜の巻き取り中に、前記エアノズルの位置を継続的に移動させる移動手段と、を備える。前記薄膜の巻き取り速度の増加中において、前記モータに近い方の耳部に吹き付けられるエアの供給速度が、他方の耳部に吹き付けられるエアの供給速度よりも大きい状態が継続的に保たれる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によりネックイン量が左右で等しくなるよう調整するのに適した薄膜形成装置を提供することができる。これにより薄膜の厚みをより均一にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】薄膜形成装置の斜視図である。
【図２】薄膜形成装置の正面図である。
【図３】薄膜形成装置の右側面図である。
【図４】エアノズルの正面図である。
【図５】エアノズルの初期位置を表す模式図である。
【図６】巻き取り速度とネックイン量の相関を表すグラフである。
【図７】巻き取り速度の引き上げの流れ図である。
【図８】エアノズルの移動を表す模式図である。
【図９】参考例に係る装置を表す模式図である。
【図１０】比較例に係る成膜を表す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図２には薄膜形成装置である装置２０が示されている。装置２０はＴダイ２１、ロール２３、エアノズル２４ａ，ｂ、搬送器２６、モータ２７、及びカメラ２８ａ，ｂを備える。
【００１２】
図２に示すＴダイ２１はフッ素系樹脂を２１０℃〜２６０℃に加熱して得られた溶融樹脂を押し出す。Ｔダイ２１は溶融樹脂を高分子膜である薄膜２２として、リップ１８から吐出する。これにより、Ｔダイ２１はフッ素系樹脂を押出成膜する。
【００１３】
フッ素系樹脂の粘弾性は、温度の上昇に依存して低下する。フッ素系樹脂の流動開始点は１７０℃〜１９０℃である。上記の通り加熱された溶融樹脂の剛性率（Ｇ）は、1.00×104 (Pa)から1.00×105 (Pa)である。
【００１４】
図２に示すロール２３はモータ２７からトルクを受けて駆動する。モータ２７はロール２３の軸方向の一方の側に設置される。図中では左側に設置されている。モータ２７はロール２３を回転させる。一方、ロール２３の軸方向の他方の側は、ロール２３の操作のため、例えばフィルムの通紙及びロール２３の清掃作業がしやすいように、特別の支持部材が取り付けられていない構成となっている。
【００１５】
図３には側面から見た装置２０が示されている。いくつかの部材の記載は図中で省略されている。ロール２３は回転しながら、薄膜２２を巻き取る。巻き取りによって薄膜２２はＴダイ２１からロール２３に向かって流れる。巻き取られた薄膜２２はロール２３によって冷却され、粘弾性を回復する。係る膜は、例えば固体高分子形燃料電池の電解質膜として用いることができる。
【００１６】
図２に戻る。エアノズル２４ａ，ｂはＴダイ２１とロール２３との間に設置される。エアノズル２４ａ，ｂは、薄膜２２の幅方向の中心を挟んで、薄膜２２の両側にそれぞれ設けられている。エアノズル２４ａ，ｂは、薄膜２２の幅方向に並んでいる。
【００１７】
図２に示すエアノズル２４ａは、エアノズル２４ｂ及び薄膜２２の中心よりもモータ２７に近い側に設置されている。他方のエアノズル２４ｂはエアノズル２４ａ及び薄膜２２の中心よりもモータ２７に遠い側に設置されている。
【００１８】
図４にはエアノズル２４ａの拡大図が示されている。エアノズル２４ａの一面の中央部には一列に並んだ開口２９が配置されている。図３に示すように開口２９は薄膜２２の表面に対して対向する。開口２９より吹き出すエアは薄膜２２の表面に対して直角に吹き付けられる。エアノズル２４ｂも同様である。
【００１９】
図２に戻る。薄膜２２は耳部２５ａ，ｂを有する。耳部２５ａ，ｂは薄膜２２の両側端の内側に位置する。薄膜２２が流れることで、耳部２５ａ，ｂはＴダイ２１からロール２３に向かって進む。
【００２０】
図２に示すロール２３で冷却される前の薄膜２２は流れる際に幅方向に収縮する。耳部２５ａ，ｂは薄膜２２の中心に向かって移動する。すなわち耳部２５ａ，ｂは薄膜２２が巻き取られることで流れる間にネックインする。またこれと同時に、図３に示すように薄膜２２の厚さは、薄膜２２がロール２３に向かって巻き取られることで流れる間に小さくなる。
【００２１】
図２に示す搬送器２６はエアノズル２４ａを図中の横方向に移動させる移動手段である。エアノズル２４ａは薄膜２２の側端部付近から薄膜２２の中心に向かって移動する。搬送器２６はエアノズル２４ａと組み合わせてカメラ２８ｂも移動させる。
【００２２】
図２に示す搬送器２６はエアノズル２４ａ及びカメラ２８ａの組と、エアノズル２４ｂ及びカメラ２８ｂの組とを互いに独立して移動させる。エアノズル２４ｂ及びカメラ２８ｂの移動の様式は、エアノズル２４ａ及びカメラ２８ａと同様である。搬送器２６は左右独立にエアノズルの位置を調整できる。
【００２３】
図２に示すカメラ２８ａ，ｂは、薄膜２２が流れる方向と交差する方向における、耳部２５ａ，ｂの位置をそれぞれ検出する。搬送器２６は検出結果である耳部２５ａ，ｂの位置の情報に基づき、搬送器２６はエアノズル２４ａ，ｂを移動させる。
【００２４】
図２に示すエアノズル２４ａ，ｂの移動の結果、エアノズル２４ａ，ｂが耳部２５ａ，ｂの位置にエアを吹き付けられるようになる。なおエアノズル２４ａ，ｂはそれぞれ耳部２５ａ，ｂに吹き付けられるエアの供給速度を独立に制御できる。
【００２５】
図２に示すカメラ２８ａ，ｂによる検出は、薄膜２２が巻き取られることで流れる間、継続的に行われる。また搬送器２６は耳部２５ａ，ｂの位置の情報を継続的に受け取る。また、これに依拠した搬送器２６によるエアノズル２４ａ，ｂの移動も、薄膜２２が巻き取られることで流れる間、継続的に行われる。
【００２６】
図２に示す耳部２５ａ，ｂに対して継続的にエアを吹き付けることで、耳部２５ａ，ｂは他の部位に優先して凝固する。凝固した耳部２５ａ，ｂは、エアを吹き付ける限り連続的に生成される。このため耳部２５ａ，ｂは、Ｔダイ２１とロール２３との間で、まだ凝固していない薄膜２２の中央部を支える橋桁として働く。橋桁となった耳部２５ａ，ｂは、薄膜２２が幅方向に収縮しようとする働きに対抗する。このため、ネックインの増大が抑制されるので、薄膜２２の幅の減少は抑制される。
【００２７】
［実施例］
【００２８】
本実施例において、図４に示す開口２９の数は１０個である。開口２９の大きさは直径１．０ｍｍである。開口２９の中心間隔は２．５ｍｍである。図３に示すエアノズル２４ａと薄膜２２との間には５ｍｍの間隔を設ける。
【００２９】
図２及び３に示すＴダイ２１から初期速度にて溶融樹脂を連続的に押し出す。これにより薄膜２２を形成する。図２に示すところのＴダイ２１のリップ１８の幅Ｗは６００ｍｍである。図３に示すところのリップ１８における薄膜２２の膜厚Ｔ１は５００μｍである。Ｔダイ２１の温度は２４０℃である。
【００３０】
図２及び３に示すように押し出された薄膜２２をロール２３で巻き取る。ロール２３の温度は４０℃である。目標の巻き取り速度に達した後の、ロール２３に巻き取られる薄膜２２の膜厚Ｔ２（図３）は３μｍである。
【００３１】
次に図２に示すカメラ２８ａ，ｂで耳部２５ａ，ｂの位置を検出する。検出結果に基づき、エアノズル２４ａ，ｂを初期位置に移動させる。
【００３２】
図５には移動後のエアノズルの初期位置が示されている。初期位置において、エアノズル２４ａ，ｂの側端は、薄膜２２の側端に合わせられる。次にエアノズル２４ａ，ｂから上記の供給速度でエアを供給する。エアは耳部２５ａ，ｂに吹き付けられる。
【００３３】
図５において、この後、ロール２３の回転速度を高めると、薄膜２２の巻き取り速度が高まる。巻き取り速度が高まると耳部２５ａ，ｂのネックイン量Ｎ１及びＮ２がそれぞれ大きくなる。ネックイン量はＴダイ２１のリップ１８の側端からの、耳部又は薄膜の側端の移動量を表す。
【００３４】
ロールの回転の初期速度は小さい。巻き取り速度を初期の巻き取り速度から目標の巻き取り速度に達するまで引き上げるために、ロールの回転速度を段階的に高める必要がある。しかしながら、このとき耳部の位置は一定ではないことが発明者らの研究により判明した。
【００３５】
図６のグラフは、巻き取り速度（成膜速度）とネックイン量との関係を表す。ネックイン量は巻き取り速度が増加するにつれて大きくなる。したがって巻き取り速度の増加に従い耳部の位置も変化する。巻き取り速度の増加に起因するネックイン量の増加は耳部の橋桁化によっても完全には抑制できない。このため、耳部の位置の変化に応じて、エア吹き付けの目標位置も変化させる必要がある。
【００３６】
図７には、巻き取り速度を初期速度から目標の巻き取り速度に達するまで引き上げるための各工程が示されている。ステップＳ３１では、まず巻き取り速度を初期速度よりも大きくする。ステップＳ３２では耳部の位置を検出する。ステップＳ３３では耳部の位置に変化があったかどうかを確認する。
【００３７】
図８に示すようにネックイン量Ｎ１及びＮ２は拡大する場合がある。ネックイン量が拡大すると耳部２５ａ，ｂも薄膜２２の中央に向かってさらに移動する。このように耳部の位置が変化していた場合、図７に示すステップＳ３３においてＹに進む。耳部の位置が変化していなかった場合、図７に示すステップＳ３３においてＮに進み、ステップＳ３４を省略する。
【００３８】
図７に示すステップＳ３４では、図８に示すように耳部２５ａ，ｂの位置の変化に合わせて、エアノズル２４ａ，ｂを移動させる。エアノズル２４ａ，ｂの側端をそれぞれ薄膜２２の側端に合わせるようにする。これにより、耳部２５ａ，ｂにエアが吹き付けられるようにする。
【００３９】
図７に示すステップＳ３５では、目標の巻き取り速度に達したかどうかを判断する。本実施例では、目標の巻き取り速度を毎分１５ｍとする。巻き取り速度が目標に達していなければＮに進む。再度ステップＳ３１で巻き取り速度を大きくする。
【００４０】
以下図７に示すステップを継続的に繰り返すことで、耳部の位置の検出及びエアノズルの移動がネックインの増大に合わせて継続的に行われる。このため巻き取り速度を高めつつ、耳部の位置の変化に応じて、エア吹き付け位置を変化させることができる。巻き取り速度が目標に達すると、ステップＳ３５にてＹに進む。以上により巻き取り速度の引き上げは終了する。また以降において巻き取り速度は一定に保たれるのでネックイン量は一定に保たれることからエアノズルの移動は休止される。
【００４１】
本実施例では溶融樹脂を用いる際、３．６ｋｇ／ｈの供給速度でペレットを押出機より吐出した。また巻き取り速度が目標の毎分１５ｍに達するまでに要する時間を２分とする。
【００４２】
本実施例では、図５に示すように、薄膜２２の巻き取り速度が増加する間において、耳部２５ａに吹き付けられるエアの供給速度が、他方の耳部２５ｂに吹き付けられるエアの供給速度よりも大きい状態が継続的に保たれる。言い換えれば、巻き取り速度が増加する間において、エアノズル２４ａのエアの供給速度が、エアノズル２４ｂのエアの供給速度よりも大きい状態が継続的に保たれる。
【００４３】
図５に示す薄膜２２の巻き取り速度が増加する間において、エアノズル２４ａからのエアの供給速度は毎分２．９Ｌで一定である。エアノズル２４ｂからのエアの供給速度は毎分１．６Ｌで一定である。エアの温度はいずれのエアノズルにおいても２４℃である。
【００４４】
本実施例では、巻き取り速度毎分１５ｍにおけるネックイン量（Ｎ１及びＮ２）が、左右の耳部において均等であった。その値は４０ｍｍであった。また巻き取られた後の膜幅は５２０ｍｍであった。
【００４５】
［参考例］
図９には参考例に係る装置を表す。エアノズル２４ａ，ｂのエアの供給速度を一致させること以外は実施例と同様である。エアの供給速度は毎分２．３Ｌである。本比較例では、巻き取り速度毎分１５ｍにおける耳部２５ａ側のネックイン量が耳部２５ｂ側のネックイン量よりも３０ｍｍ大きかった。また巻き取られた後の膜幅は４９０ｍｍであった。
【００４６】
モータ２７に近い側では、モータ２７の発する熱により雰囲気温度がモータ２７に遠い側より１０℃以上高くなっていた。これにより、膜２２の冷却が遅れたことがネックイン量の偏りの一つの原因と考えられる。一方、上記実施例では、このような冷却の遅れは、モータ２７に近い側のエアの供給速度を大きくすることで相殺されていたと考えられる。
【００４７】
本参考例のようにネックイン量が大きくなるとその耳部近傍で膜厚が増加するので、均一な膜厚を有する膜を形成するのが難しくなる。またこのようなネックイン量の偏りを考慮せず、Ｔダイのリップの中心を基準にして耳部を切り落として薄膜の形を整える場合、薄膜の側端がこの切り落とし位置よりも内側に入る可能性がある。
【００４８】
実施例と参考例との比較より、薄膜の巻き取り速度が増加する間において、モータに近い側の耳部に吹き付けるエアの供給速度を、他方の側の耳部に吹き付けるエアの供給速度よりも高めることで、ネックイン量を薄膜の両側端の間で均等にできることが分かった。またこのようにすることで、実施例の耳部では冷却による溶融樹脂の凝固又は固化が均等に行われていたものと考えられる。
【００４９】
実施例のようにネックイン量が左右で均等である場合、均一な膜厚を有する部分を可能な限り広く得ることに資するため、固体高分子形燃料電池の電解質として用いられる高分子膜の製造に好適である。
【００５０】
［比較例］
本比較例と参考例との相違点は以下の通りである。本比較例ではエアを吹き付ける位置の調整を行わない。そのかわりに、実施例や参考例よりもゆっくりと巻き取り速度を引き上げる。また巻き取り速度を、毎分２ｍ、５ｍ、８ｍ、１０ｍ、１５ｍの順に段階的に引き上げる。またこの時、押出機からの吐出量も巻き取り速度に合わせて、０．６、１．５、２．４、３．０、３．６ｋｇ／ｈと段階的に引き上げていく。用いた溶融樹脂を作製するのに用いたペレット量は９７０ｇである。巻き取り速度が目標の毎分１５ｍに達するまでに要する時間を５０分とする。
【００５１】
図１０には比較例に係る成膜を表す。本比較例ではエアノズル２４ａを移動させないため、いずれかの時点でエアは耳部に吹き付けられなくなる。本比較例では巻き取り速度を毎分８ｍから毎分１０ｍに引き上げた際に、耳部にエアを吹き付けられなくなった。またこの時、裂け目１７が生じた。また目標の巻き取り速度の毎分１５ｍに達した後においても、巻き取られた後の膜幅が一定の値に収束しなかった。
【００５２】
実施例及び参考例と、比較例との比較より、ネックイン量の変化に対応して耳部にエアを吹き付けて溶融樹脂を凝固させることで、巻き取り速度を急速に引き上げても薄膜の側端に避け目等を生じることなく、薄膜を巻き取れることが分かった。
【００５３】
なお、本発明は上記実施形態及び実施例に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
【符号の説明】
【００５４】
１７  避け目、１８  リップ、１９，２０  装置、２１  ダイ、２２  薄膜、２３  ロール、２４ａ，ｂ  エアノズル、２５ａ，ｂ  耳部、２６  搬送器、２７  モータ、２８ａ，ｂ  カメラ、２９  開口、Ｓ３１−３５  ステップ、Ｎ１，Ｎ２  ネックイン量、Ｔ１，Ｔ２  膜厚、Ｗ  幅
【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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