JP2015085377A - プレスロール装置 - Google Patents

Abstract

【課題】一対のプレスロールの温度上昇およびこれによる熱膨張を抑制することが可能なプレスロール装置を提供する。
【解決手段】プレスロール装置１は、互いに対向配置された一対のプレスロール１１、１２を備え、一対のプレスロール１１、１２の間に被プレス加工材２を通してプレス加工する装置である。プレスロール装置１は、一対のプレスロール１１、１２の上流に配置された、被プレス加工材２を冷却する冷却手段２０と、被プレス加工材２の表面温度が環境温度より低く露点温度より高い温度となるように冷却手段２０による被プレス加工材２の温度を制御する温度制御手段３０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、プレスロール装置に関するものである。

リチウムイオン二次電池等の非水電解質二次電池は、ハイブリッド車（ＨＶ）、プラグインハイブリッド車（ＰＨＶ）あるいは電気自動車（ＥＶ）等の用途に利用されている。
非水電解質二次電池は、一対の電極である正極および負極と、これらの間を絶縁するセパレータと、非水電解質とを備える。

非水電解質二次電池用の電極（正極または負極）の構造としては、集電体とその上に形成された電極活物質層（正極活物質層または負極活物質層）とを含む積層構造が知られている。
正極活物質層はたとえば、リチウム含有複合酸化物等の正極活物質と炭素粉末等の導電助剤とポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等の結着剤とＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）等の分散剤とを含むペーストをアルミニウム箔等の集電体上に塗工し、乾燥し、プレス加工して、形成される。
負極活物質層はたとえば、黒鉛等の負極活物質と変性スチレン−ブタジエン共重合体ラテックス（ＳＢＲ）等の結着剤とカルボキシメチルセルロースＮａ塩（ＣＭＣ）等の増粘剤と水等の分散剤とを含むペーストを銅箔等の集電体上に塗工し、乾燥し、プレス加工して、形成される。

上記プレス加工においては、通常、互いに対向配置された一対のプレスロールを備えたプレスロール装置が用いられる。一対のプレスロールの間に被プレス加工材を通すことで、被プレス加工材を上下一対のプレスロールによって挟み、プレス加工する。
かかるプレス加工では、一対のプレスロールの離間距離によって、プレス加工後の電極活物質層の厚みが所望の値に規定される。

特開2011-181348号公報

上記プレスロール装置によるプレス加工では、被プレス加工材の材料変形により生じる熱と、一対のプレスロールと被プレス加工材との間の摩擦熱とが生じる。本明細書では、これらを合わせて「変形熱」と呼ぶ。
上記変形熱は、一対のプレスロールと被プレス加工材とに分配入熱する。
上記プレスロール装置で長時間の運転を行うと、一対のプレスロールへの入熱量によって一対のプレスロールが熱膨張し、一対のプレスロールの離間距離が次第に小さくなる。このような状態で運転を続けると、得られる電極活物質層の厚みが所望の値より小さくなる恐れがある。

特許文献１には、プレスロール（１１ａ，１１ｂ）の軸受（１４）を収納保持する軸受箱（１３）に熱媒体を流通させてロール軸受の熱を奪う冷却構造を有する二次電池用電極材のロールプレス機が開示されている（請求項１、図１）。

特許文献１に記載のロールプレス機では、ロール軸（１１ｃ）の端部を冷却している。
一般に、プレスロールの熱容量は大きく、温度上昇に対する冷却の追従性は良くない。そのため、単にロール軸（１１ｃ）の端部を冷却しても、一対のプレスロール（１１ａ，１１ｂ）への入熱を効果的に取り除くことは難しく、一対のプレスロール（１１ａ，１１ｂ）の温度上昇を抑制することは難しい。また、一対のプレスロール（１１ａ，１１ｂ）への入熱を効果的に取り除くことは難しい一方でロール軸（１１ｃ）の端部は冷却されるので、一対のプレスロール（１１ａ，１１ｂ）に温度ムラが発生し、一対のプレスロール（１１ａ，１１ｂ）に歪みが生じる恐れもある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、一対のプレスロールの温度上昇およびこれによる熱膨張を抑制することが可能なプレスロール装置を提供することを目的とするものである。

本発明のプレスロール装置は、
互いに対向配置された一対のプレスロールを備え、
前記一対のプレスロールの間に被プレス加工材を通してプレス加工するプレスロール装置であって、
前記一対のプレスロールの上流に配置された、前記被プレス加工材を冷却する冷却手段と、
前記被プレス加工材の表面温度が環境温度より低く露点温度より高い温度となるように前記冷却手段を制御する温度制御手段とを備えたものである。

本発明によれば、一対のプレスロールの温度上昇およびこれによる熱膨張を抑制することが可能なプレスロール装置を提供することができる。

本発明に係る一実施形態のプレスロール装置の模式側面図である。 図１のプレスロール装置の具体例を示す模式側面図である。 図１のプレスロール装置の設計変更例を示す模式側面図である。

「プレスロール装置」
図面を参照して、本発明に係る一実施形態のプレスロール装置の構成について説明する。

図１に示すように、
本実施形態のプレスロール装置１は、
互いに対向配置された一対のプレスロール１１、１２を備え、一対のプレスロール１１、１２の間に被プレス加工材２を通してプレス加工する装置である。
被プレス加工材２は連続的に供給される帯状部材であり、図示右方から図示左方に向かう矢印は被プレス加工材２の送り方向を示している。

プレスロール装置１は、一対のプレスロール１１、１２の上流に配置された、被プレス加工材２を冷却する冷却手段２０と、冷却手段２０による被プレス加工材２の温度を制御する温度制御手段３０とを備える。

冷却手段２０としては公知のものを用いることができる。
本実施形態において、冷却手段２０は熱媒体２１を用いた冷却装置であり、被プレス加工材２の周りを流れる熱媒体２１の流路を含む。
熱媒体２１は冷却手段２０と後記温調装置３３との間を循環し、温調装置３３において調温される。

冷却手段２０としては特に制限なく、図２に示すように、内部に熱媒体２１が流れる１つまたは複数の冷却ロール２２が挙げられる。
各冷却ロール２２は被プレス加工材２に接して配置され、被プレス加工材２を搬送しながら冷却する。図では、１個の冷却ロール２２についてのみ熱媒体２１の流路が記載されているが、実際には、各冷却ロール２２内を流れる熱媒体２１が温調装置３３によって調温される。

温度制御手段３０は、
冷却手段２０により冷却された被プレス加工材２の表面温度を計測する第１の測温計３１と、
一対のプレスロール１１、１２の周囲の環境温度を計測する第２の測温計３２と、
第１の測温計３１および第２の測温計３２の測温結果に基づいて、熱媒体２１を調温する温調装置３３とを備えている。
温調装置３３としては、チラー等が挙げられる。
温調装置３３は、第１の測温計３１の計測温度である冷却後の被プレス加工材２の表面温度が、第２の測温計３２の計測温度である環境温度より低く、かつ露点温度より高い温度となるように、熱媒体２１を調温する。
たとえば環境条件が室温２２℃で湿度４０％である場合、露点は７．８℃である。この場合、温調装置３３は、冷却後の被プレス加工材２の表面温度が７．８℃超２２℃未満の温度、たとえば１５℃付近の温度になるように、熱媒体２１を調温する。
温調装置３３はたとえば、第２の測温計３２の計測温度を基準温度とし、第１の測温計３１の計測温度をモニタリングし、第１の測温計３１の計測温度と第２の測温計３２の計測温度との差分から、熱媒体２１の設定温度を決定することができる。

本実施形態のプレスロール装置１では、プレス加工前にあらかじめ被プレス加工材２を冷却手段２０によって冷却することで、一対のプレスロール１１、１２への入熱量を低減することができる。本実施形態のプレスロール装置１では、一対のプレスロール１１、１２への入熱量が低減されるので、一対のプレスロール１１、１２の温度上昇とこれによる熱膨張が抑制され、被プレス加工材２を寸法精度良くプレス加工することができる。

以下、本実施形態のプレスロール装置１において、一対のプレスロール１１、１２への入熱量を低減できる原理についてより詳しく説明する。

一対のプレスロール１１、１２に加圧されて被プレス加工材２が変形するときに生じる変形熱をＱ（ｔｏｔａｌ）とする。
ここで、変形熱Ｑ（ｔｏｔａｌ）は、被プレス加工材２の材料変形により生じる熱と、一対のプレスロール１１、１２と被プレス加工材２との間の摩擦熱との合計である。
被プレス加工材２の変形点（一対のプレスロール１１、１２との接触点）で生じる上記変形熱Ｑ（ｔｏｔａｌ）は、一対のプレスロール１１、１２と被プレス加工材２に分配入熱する。

一対のプレスロール１１、１２への入熱量をＱ（Ｒｏｌｌ）とし、被プレス加工材２への入熱量をＱ（Ｓｈｅｅｔ）とすると、Ｑ（ｔｏｔａｌ）は下記式（１）で表される。

被プレス加工材２の変形点の温度は、上記変形熱Ｑ（ｔｏｔａｌ）により他の部分より高温になる。
一対のプレスロール１１、１２は上記変形点以外は温度が全体的に一様であると仮定すする。同様に、被プレス加工材２についても上記変形点以外は温度が全体的に一様であると仮定する。
被プレス加工材２の変形点の温度から一対のプレスロール１１、１２の上記変形点より離れた任意の点の温度を差し引いた温度差をΔＴ（Ｒｏｌｌ）とする。
被プレス加工材２の変形点の温度から被プレス加工材２の上記変形点より離れた任意の点の温度を差し引いた温度差をΔＴ（Ｓｈｅｅｔ）とする。
一対のプレスロール１１、１２の熱抵抗をＲ（Ｒｏｌｌ）とし、被プレス加工材２の熱抵抗をＲ（Ｓｈｅｅｔ）とし、一対のプレスロール１１、１２と被プレス加工材２との接触熱抵抗をＲ（Ｒｏｌｌ／Ｓｈｅｅｔ）とする。
Ｑ（Ｒｏｌｌ）とＱ（Ｓｈｅｅｔ）はそれぞれ下記式（２）、（３）で表される。

上記式（２）、（３）から下記式（４）が求められる。

上記式（４）中、熱抵抗のパラメータであるＲ（Ｒｏｌｌ）、Ｒ（Ｒｏｌｌ／Ｓｈｅｅｔ）、およびＲ（Ｓｈｅｅｔ）は材料固有の定数である。
上記式（４）から、一対のプレスロール１１、１２への入熱量Ｑ（Ｒｏｌｌ）を小さくするには、ΔＴ（Ｓｈｅｅｔ）を大きくすればよいことが分かる。
すなわち、被プレス加工材２をあらかじめ冷却してΔＴ（Ｓｈｅｅｔ）を大きくすれば、変形熱Ｑ（ｔｏｔａｌ）のうちの被プレス加工材２への入熱量Ｑ（Ｓｈｅｅｔ）の割合が大きくなり、一対のプレスロール１１、１２への入熱量Ｑ（Ｒｏｌｌ）を小さくすることができる。
なお、ここでの原理説明は簡易モデルに基づいており、実際の条件では種々の影響を受けるため、上記計算結果とは異なる場合がある。

被プレス加工材２としては特に制限なく、集電体とその上に形成された電極活物質層（正極活物質層または負極活物質層）とを含む非水電解質二次電池用の電極（正極または負極）等が挙げられる。

正極活物質層は例えば、リチウム含有複合酸化物等の正極活物質と炭素粉末等の導電助剤とポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等の結着剤とＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）等の分散媒とを含むペーストをアルミニウム箔等の集電体上に塗布し、乾燥し、プレス加工して、形成される。
負極活物質層は例えば、黒鉛等の負極活物質と変性スチレン−ブタジエン共重合体ラテックス（ＳＢＲ）等の結着剤とカルボキシメチルセルロースＮａ塩（ＣＭＣ）等の増粘剤と水等の分散媒とを含むペーストを銅箔等の集電体上に塗布し、乾燥し、プレス加工して、形成される。
本実施形態のプレスロール装置１は、正極活物質層または負極活物質層の上記プレス加工に使用できる。

（設計変更例）
上記式（４）から分かるように、一対のプレスロール１１、１２への入熱量Ｑ（Ｒｏｌｌ）を小さくするには、ΔＴ（Ｓｈｅｅｔ）を大きくするのに合わせてΔＴ（Ｒｏｌｌ）を小さくすることがより効果的である。すなわち、被プレス加工材２をあらかじめ冷却することに合わせて、一対のプレスロール１１、１２を加温することがより効果的である。
たとえば、図３に示す設計変更例のプレスロール装置３に示すように、被プレス加工材２をあらかじめ冷却する冷却手段２０とこれを制御する温度制御手段３０に合わせて、一対のプレスロール１１、１２を環境温度より高い温度に加温する加温機構５０を設けることができる。
図示例のプレスロール装置３は、熱媒体５１を用いて一対のプレスロール１１、１２を加温する加温機構５０を備えている。一対のプレスロール１１、１２の内部に熱媒体５１の流路が設けられ、熱媒体５１は一対のプレスロール１１、１２と温調装置５２との間を循環し、温調装置５２で調温される。
図では、一方のプレスロール１１についてのみ熱媒体５１の流路が記載されているが、各プレスロール１１、１２内を流れる熱媒体５１が温調装置５２によって調温される。

被プレス加工材２をあらかじめ冷却することに合わせて、一対のプレスロール１１、１２を環境温度より高い温度に加温してΔＴ（Ｒｏｌｌ）を小さくすることで、一対のプレスロール１１、１２への入熱の抑制効果を高めることができる。
一対のプレスロール１１、１２は変形点の温度より高い温度に加温してもよい。この場合、ΔＴ（Ｒｏｌｌ）は負の値となる。ただし、一対のプレスロール１１、１２の入出熱を小さくするために、一対のプレスロール１１、１２と変形点との温度差は小さい方が好ましく、温度差がないことが特に好ましい。
なお、変形点の温度は正確な実測が困難であるため、実際には変形点の温度は予測される温度（室温＋α（℃）（ここで、α＞０））でもって管理される。

以上説明したように、本実施形態によれば、一対のプレスロール１１、１２の温度上昇およびこれによる熱膨張を抑制することが可能なプレスロール装置１を提供することができる。

本発明のプレスロール装置は、非水電解質二次電池用の電極の製造等に好ましく利用できる。

１、３ プレスロール装置
２ 被プレス加工材
１１、１２ プレスロール
２０ 冷却手段
２１ 熱媒体
２２ 冷却ロール
３０ 温度制御手段
３１ 第１の測温計
３２ 第２の測温計
３３ 温調装置
５０ 加温機構
５１ 熱媒体
５２ 温調装置

Claims (1)

1. 互いに対向配置された一対のプレスロールを備え、
   前記一対のプレスロールの間に被プレス加工材を通してプレス加工するプレスロール装置であって、
   前記一対のプレスロールの上流に配置された、前記被プレス加工材を冷却する冷却手段と、
   前記被プレス加工材の表面温度が環境温度より低く露点温度より高い温度となるように、前記冷却手段による前記被プレス加工材の温度を制御する温度制御手段とを備えたプレスロール装置。

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