JP2017124508A - 金属樹脂一体成形品及びその製造方法 - Google Patents

金属樹脂一体成形品及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】生産性を高めつつ金属プレートの品質を担保することができる金属樹脂一体成形品及びその製造方法を提供する。
【解決手段】金属樹脂一体成形品であるスタックマニホールド２は、エンドプレート３における厚さ方向の一方側にある第１面３ａに設けられた第１樹脂部１２と、エンドプレート３における厚さ方向のもう一方側にある第２面３ｂに設けられた第２樹脂部１５と、エンドプレート３を厚さ方向に貫通する貫通孔１６と、を備える。貫通孔１６は、第１面３ａに形成された第１凹部１０の底面１０ａ、及び、第２面３ｂに形成された第２凹部１３の底面１３ａで開口している。そして、第１樹脂部１２及び第２樹脂部１５は、貫通孔１６内を埋めるように設けられた中間樹脂部１７と繋がっている。
【選択図】図３

Description

本発明は、金属樹脂一体成形品及びその製造方法に関する。
金属樹脂一体成形品として、燃料電池スタックの端部に取り付けられるスタックマニホールドが知られている（特許文献１参照）。このスタックマニホールドは、燃料電池スタックに対し、燃料ガス、酸化ガス、及び冷却液といった流体を給排するためのものである。そして、燃料電池スタックは、スタックマニホールドを介して給排される燃料ガスと酸化ガスとを用いて発電を行う一方、スタックマニホールドを介して給排される冷却液によって冷却される。
スタックマニホールドは、燃料電池スタックの端部に対して、厚さ方向の一方側の面が取り付けられる金属プレート（エンドプレート）を備えている。金属プレートにおける上記厚さ方向の一方側の面には、燃料電池スタックの端部に取り付けられたとき、同燃料電池スタックに対し上述した燃料ガス、酸化ガス、及び冷却液といった流体を給排するための流路となる凹部が設けられている。また、金属プレートにおける上記厚さ方向の一方側の面（上記凹部の内壁を含む）には、金属プレートと燃料電池スタックとを絶縁するための樹脂部が設けられている。
上記スタックマニホールドを製造する際には、次のようなインサート成形が行われる。すなわち、鋳造された金属プレートを金型にセットした後、その金型内に溶融した樹脂を射出して同樹脂を固化させることにより、上記金属プレートの厚さ方向の一方側の面に上記樹脂部を形成するようにしている。なお、金型内の金属プレートにおける上記厚さ方向の一方側の面には樹脂の射出圧が作用するため、その射出圧に耐えられるよう金属プレートを厚肉にしておく必要がある。ちなみに、金属プレートを厚肉に製造できる鋳造法としては、溶融した金属を重力で鋳型内に流し込む重力鋳造法があげられる。
特開２０１５−８０８６号公報
ところで、重力鋳造法よりも生産性の高い鋳造法としては、金属プレートがセットされた鋳型内に溶融した金属を流し込む際に同金属に高圧をかける高圧ダイカスト法があり、大量生産を実現する観点から上記高圧ダイカスト法で金属プレートを製造したい要望がある。ただし、高圧ダイカスト法で厚肉の金属プレートを製造しようとすると、鋳型内に溶融した金属を流し込むとき、その金属の流し込みが鋳型内のガスを排出しきる間もなく行われるため、製造された金属プレートにボイド（中空部位）が生じる。
一方、こうしたボイドの発生を抑制するため、製造される金属プレートの厚さを薄くして溶融した金属を鋳型内に流し込むときにガスを排出しやすくすることも考えられるが、その場合には次のような問題が生じる。すなわち、インサート成形時において、金属プレートをセットした金型内に溶融した樹脂を射出したとき、樹脂の射出圧が金属プレートに対し厚さ方向に作用することにより、同金属プレートが変形して品質が低下するおそれがある。
なお、こうした問題は、スタックマニホールド以外の金属樹脂一体成形品においても概ね共通したものとなっている。
本発明の目的は、生産性を高めつつ金属プレートの品質を担保することができる金属樹脂一体成形品及びその製造方法を提供することにある。
以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
上記課題を解決する金属樹脂一体成形品は、金属プレートにおける厚さ方向の一方側にある第１面に設けられた第１樹脂部と、金属プレートにおける厚さ方向のもう一方側にある第２面に設けられた第２樹脂部と、を備える。また、上記金属樹脂一体成形品は、金属プレートを厚さ方向に貫通して上記第１面及び上記第２面にて開口する貫通孔と、上記貫通孔内を埋めるように設けられて上記第１樹脂部及び上記第２樹脂部に繋がる中間樹脂部と、を備える。
上記構成の金属樹脂一体成形品を製造する際には、高圧ダイカスト法で製造された金属プレートが金型内にセットされ、その後に金型内に溶融した樹脂が射出される。このとき、金属プレートにおける厚さ方向の一方側にある第１面に対し上記樹脂の射出圧が作用する。しかし、上述したように射出される樹脂は、金属プレートの第１面側から貫通孔を介して、同金属プレートにおける厚さ方向のもう一方側にある第２面側に流出する。このように樹脂が第１面側から貫通孔を介して第２面側に流出することにより、金属プレートに作用する上記樹脂の射出圧が大きくなることは抑制される。このため、生産性の高い高圧ダイカスト法によって金属プレートを薄肉に形成したとしても、上記樹脂の射出圧が作用したときに金属プレートが変形することは抑制されるようになる。従って、金属樹脂一体成形品の生産性を高めつつ金属プレートの品質を担保することができる。
上記課題を解決する金属樹脂一体成形品の製造方法では、高圧ダイカスト法で形成された金属プレートを金型にセットした後、その金型内に溶融した樹脂を射出して同樹脂を固化させることにより、金属プレートの厚さ方向の一方側の面に樹脂部を形成する。上記金属プレートには同金属プレートを厚さ方向に貫通する貫通孔を形成しておき、金型内に上記樹脂を射出したとき、その樹脂を金属プレートの厚さ方向の一方側の面から上記貫通孔を通って同厚さ方向のもう一方側の面に流出させるようにする。
上記方法によれば、金型内に上記樹脂を射出したとき、その樹脂が金属プレートの第１面側から貫通孔を介して第２面側に流出することにより、同金属プレートに作用する上記樹脂の射出圧が大きくなることは抑制される。このため、生産性の高い高圧ダイカスト法によって金属プレートを薄肉に形成したとしても、上記樹脂の射出圧が作用したときに金属プレートが変形することは抑制されるようになる。従って、金属樹脂一体成形品の生産性を高めつつ、金属プレートの品質を担保することができる。
本発明によれば、金属樹脂一体成形品の生産性を高めつつ、金属プレートの品質を担保することができる。
燃料電池スタックに対するスタックマニホールドの取付態様を示す略図。 スタックマニホールドを示す平面図。 図２のスタックマニホールドを矢印Ｊ−Ｊ方向から見た状態を示す断面図。 図２のスタックマニホールドを矢印Ｋ−Ｋ方向から見た状態を示す断面図。 図２のスタックマニホールドを矢印Ｔ−Ｔ方向から見た状態を示す断面図。 図２のスタックマニホールドを矢印Ｈ−Ｈ方向から見た状態を示す断面図。 インサート成形用の金型内にエンドプレートをセットした状態を示す断面図。 インサート成形用の金型内にエンドプレートをセットした状態を示す断面図。
以下、金属樹脂一体成形品であるスタックマニホールド及びその製造方法の一実施形態について、図１〜図８を参照して説明する。
図１に示すように、燃料電池スタック１の端部には、金属樹脂一体成形品であるスタックマニホールド２が取り付けられている。スタックマニホールド２は、燃料電池スタック１に対し、水素（燃料ガス）、空気（酸化ガス）、及び冷却水（冷却液）といった流体を給排するためのものである。そして、燃料電池スタック１は、スタックマニホールド２を介して給排される水素と空気とを利用して発電を行う一方、スタックマニホールド２を介して給排される冷却水によって冷却される。
図２〜図６はスタックマニホールド２の詳細な形状を示している。なお、図２は、図１のスタックマニホールド２を燃料電池スタック１と反対側（図１の左側）から見た状態を示している。また、図３〜６はそれぞれ、図２のスタックマニホールド２を矢印Ｊ−Ｊ方向から見た状態（図３）、矢印Ｋ−Ｋ方向から見た状態（図４）、矢印Ｔ−Ｔ方向から見た状態（図５）、及び矢印Ｈ−Ｈ方向から見た状態（図６）を示している。
図２に示すように、スタックマニホールド２は、アルミニウム合金等の金属からなる長方形のエンドプレート（金属プレート）３を備えている。エンドプレート３における長手方向（図２の左右方向）の一方の端部にはエンドプレート３を厚さ方向に貫通する供給通路４，５，６、及び排出通路７が形成されており、もう一方の端部にはエンドプレート３を厚さ方向に貫通する排出通路８，９が形成されている。上記供給通路４，５，６はそれぞれ、燃料電池スタック１（図１）に水素、冷却水、空気を供給するためのものである。一方、排出通路７，８，９はそれぞれ、燃料電池スタック１から冷却水、空気、水素を排出するためのものである。
スタックマニホールド２においては、エンドプレート３における厚さ方向の一方側の面（図３〜６の下面）である第１面３ａ側が、燃料電池スタック１（図１）の端部に取り付けられる。エンドプレート３の第１面３ａには、図３に示すように、同エンドプレート３の長手方向に長くなるよう第１凹部１０が形成されるとともに、図４及び図５に示すように複数の第１凹部１１が形成されている。
上記第１凹部１０（図３）は、スタックマニホールド２（エンドプレート３）が燃料電池スタック１に取り付けられたとき、同燃料電池スタック１に対し流体を給排するための流路となる凹部である。なお、この例において第１凹部１０は、排出通路７と繋がっており、燃料電池スタック１から冷却水を排出するための流路となる。一方、上記第１凹部１１（図４及び図５）は、エンドプレート３を軽量化するための徐肉部としての役割を担っている。
第１面３ａには、エンドプレート３と燃料電池スタック１とを絶縁する第１樹脂部１２が設けられている。この第１樹脂部１２は、所定の厚さをもって、第１凹部１０，１１の内壁を含めて第１面３ａ全体を覆う被膜状に形成されている。また、第１樹脂部１２は、供給通路４，５，６及び排出通路７，８，９の内壁も覆うように設けられている。
一方、エンドプレート３における厚さ方向のもう一方側、すなわち第１面３ａとは反対側の面（図３〜６の上面）である第２面３ｂには、図３に示すように第１凹部１０の延びる方向（左右方向）に沿って複数の第２凹部１３が形成されている。これら第２凹部１３の内壁にはそれぞれ、所定の厚さを有する被膜状の第２樹脂部１５が設けられている。
また、エンドプレート３における第１凹部１０と第２凹部１３との間には、エンドプレート３を厚さ方向に貫通して第１面３ａ及び第２面３ｂにて開口する貫通孔１６が形成されている。貫通孔１６は、より詳しくは、第１凹部１０の底面１０ａ及び第２凹部１３の底面１３ａにてそれぞれ開口している。なお、第２凹部１３の底面１３ａにおける貫通孔１６の開口は、上記底面１３ａのほぼ中央に位置している。ちなみに、貫通孔１６の軸線方向（図３の上下方向）の長さは、例えば２〜４ｍｍとなっている。また、貫通孔１６の内壁における同貫通孔１６の軸線方向の端部は、その軸線方向において円弧状に湾曲している。そして、貫通孔１６内には、その貫通孔１６を埋めるとともに第１樹脂部１２及び第２樹脂部１５に繋がる中間樹脂部１７が設けられている。
図４及び図５に示すように、第２面３ｂには複数の第１凹部１１に対応してそれぞれ第２凹部１４が形成されている。これら第２凹部１４の内壁にもそれぞれ、所定の厚さを有する被膜状の第２樹脂部１５が設けられている。
また、エンドプレート３における第１凹部１１と第２凹部１４との間には、エンドプレート３を厚さ方向に貫通して第１面３ａ及び第２面３ｂにて開口する貫通孔１８が形成されている。貫通孔１８は、より詳しくは、第１凹部１１の底面１１ａ及び第２凹部１４の底面１４ａにてそれぞれ開口している。なお、第２凹部１４の底面１４ａにおける貫通孔１８の開口は、上記底面１４ａのほぼ中央に位置している。ちなみに、貫通孔１８の軸線方向（図４及び図５の上下方向）の長さは、例えば２〜４ｍｍとなっている。また、貫通孔１８の内壁における同貫通孔１８の軸線方向（図４及び図５の上下方向）の端部は、その軸線方向において円弧状に湾曲している。そして、貫通孔１８内にも、その貫通孔１８を埋めるとともに第１樹脂部１２及び第２樹脂部１５に繋がる中間樹脂部１７が設けられている。
次に、スタックマニホールド２の製造方法について説明する。
スタックマニホールド２のエンドプレート３は、重力鋳造法よりも生産性の高い鋳造法である高圧ダイカスト法によって鋳造される。そして、上記エンドプレート３を用いてスタックマニホールド２を製造する際には、次のようなインサート成形が行われる。すなわち、鋳造されたエンドプレート３をインサート成形用の金型にセットした後、その金型内に溶融した樹脂を射出して同樹脂を固化させる。
図７及び図８は、インサート成形用の金型２１，２２内にエンドプレート３をセットした状態を示している。
金型２１，２２内に射出された樹脂は、図７に示すエンドプレート３の第１面３ａにおける第１凹部１０に流れ込み、その第１凹部１０の内壁（底面１０ａ）に上記樹脂の射出圧が作用する。しかし、このように射出された樹脂は、エンドプレート３の第１面３ａ側（第１凹部１０内）から貫通孔１６を介して第２面３ｂ側（第２凹部１３内）に流出する。このように樹脂が第１面３ａ側から貫通孔１６を介して第２面３ｂ側に流出することにより、エンドプレート３の第１面３ａ側に作用する上記樹脂の射出圧が大きくなることは抑制される。そして、これらの樹脂が固化することにより、第１面３ａ、貫通孔１６、及び第２面３ｂにそれぞれ、第１樹脂部１２、中間樹脂部１７、及び第２樹脂部１５が形成される（図３）。上記第１樹脂部１２は第１凹部１０の底面１０ａを含む内壁も覆い、第２樹脂部１５は第２凹部１３の底面１３ａを含む内壁を覆う。
金型２１，２２内に射出された樹脂は、図８に示すエンドプレート３の第１面３ａにおける第１凹部１１にも流れ込み、その第１凹部１１の内壁（底面１１ａ）に上記樹脂の射出圧が作用する。しかし、このように射出された樹脂は、エンドプレート３の第１面３ａ側（第１凹部１１内）から貫通孔１８を介して第２面３ｂ側（第２凹部１４内）に流出する。このように樹脂が第１面３ａ側から貫通孔１６を介して第２面３ｂ側に流出することにより、エンドプレート３の第１面３ａ側に作用する上記樹脂の射出圧が大きくなることは抑制される。そして、これらの樹脂が固化することにより、第１面３ａ、貫通孔１８、及び第２面３ｂにそれぞれ、第１樹脂部１２、中間樹脂部１７、及び第２樹脂部１５が形成される（図４及び図５）。上記第１樹脂部１２は第１凹部１１の底面１１ａを含む内壁も覆い、第２樹脂部１５は第２凹部１４の底面１４ａを含む内壁を覆う。
上述したように、インサート成形の際、金型２１，２２内に射出された樹脂は、第１面３ａ側から貫通孔１６（図７）及び貫通孔１８（図８）を介して第２面３ｂ側に流出する。これにより、エンドプレート３に作用する上記樹脂の射出圧が大きくなることは抑制され、エンドプレート３を厚肉に形成せずとも同エンドプレート３が上記射出圧に耐えられるようになる。すなわち、薄くしたエンドプレート３に対し上記射出圧が作用したとき、同エンドプレート３が変形しない程度に上記エンドプレート３に作用する射出圧が小さく抑えられるよう、同エンドプレート３における貫通孔１６，１８の数、形状、及び位置等が定められている。そして、エンドプレート３を薄くすることにより、生産性の高い鋳造法である高圧ダイカスト法を用いてエンドプレート３を製造しても、エンドプレート３にボイド（中空部位）が生じることはなくなる。
以上詳述した本実施形態によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）生産性の高い高圧ダイカスト法によってエンドプレート３を薄肉に形成したとしても、インサート成形時にエンドプレート３に作用する樹脂の射出圧を小さく抑えることができるため、上記射出圧の作用によってエンドプレート３が変形することを抑制でき、その変形に伴ってエンドプレート３の品質が低下することを抑制できる。従って、スタックマニホールド２の生産性を高めつつ、エンドプレート３の品質を担保することができる。
（２）スタックマニホールド２（エンドプレート３）が燃料電池スタック１に取り付けられたとき、第１凹部１０は燃料電池スタック１に対し流体を給排するための流路となる。この第１凹部１０の底面１０ａを含む内壁を覆うように第１樹脂部１２が設けられているため、その第１樹脂部１２によって上記流路を流れる流体とエンドプレート３とを絶縁することができる。
（３）エンドプレート３において、貫通孔１６は第２凹部１３の底面１３ａの中央にて開口しており、貫通孔１８は第２凹部１４の底面１４ａの中央にて開口している。このため、インサート成形時、溶融した樹脂が、エンドプレート３の第１面３ａ（第１凹部１０，１１）から貫通孔１６，１８を介して、第２面３ｂ側（第２凹部１３，１４）側に流出するとき、第２凹部１３，１４内において上記樹脂が均等に広がりやすくなる。
（４）貫通孔１６，１８の内壁における同貫通孔１６，１８の軸線方向の端部は、その軸線方向において円弧状に湾曲している。このため、スタックマニホールド２の製造後、貫通孔１６，１８の上記端部が第１樹脂部１２、第２樹脂部１５、及び中間樹脂部１７に当たっても、それによる樹脂部１２，１５，１７の割れが生じにくくなる。
なお、上記実施形態は、例えば以下のように変更することもできる。
・貫通孔１６，１８の内壁における同貫通孔１６，１８の軸線方向の端部は、必ずしも上記軸線方向について円弧状に湾曲させる必要はない。
・第２凹部１３の底面１３ａにおける貫通孔１６の開口位置を適宜変更してもよい。
・第２凹部１４の底面１４ａにおける貫通孔１８の開口位置を適宜変更してもよい。
・第２凹部１３，１４については必ずしも設ける必要はない。この場合、第２面３ｂにおける少なくとも貫通孔１６，１８に繋がる部分に第２樹脂部１５が設けられる。
・スタックマニホールド２が燃料電池スタック１の端部に取り付けられたとき、必ずしも第１凹部１０が燃料電池スタック１に対し給排される流体を流す流路となる必要はない。
・スタックマニホールド２以外の金属樹脂一体成形品に本発明を適用してもよい。この場合、必ずしも第１面３ａに第１凹部１０，１１を設けたり第２面３ｂに第２凹部１３，１４を設けたりする必要はない。
１…燃料電池スタック、２…スタックマニホールド、３…エンドプレート、３ａ…第１面、３ｂ…第２面、４…供給通路、５…供給通路、６…供給通路、７…排出通路、８…排出通路、９…排出通路、１０…第１凹部、１０ａ…底面、１１…第１凹部、１１ａ…底面、１２…第１樹脂部、１３…第２凹部、１３ａ…底面、１４…第２凹部、１４ａ…底面、１５…第２樹脂部、１６…貫通孔、１７…中間樹脂部、１８…貫通孔、２１…金型、２２…金型。
ところで、重力鋳造法よりも生産性の高い鋳造法としては、鋳型内に溶融した金属を流し込む際に同金属に高圧をかける高圧ダイカスト法があり、大量生産を実現する観点から上記高圧ダイカスト法で金属プレートを製造したい要望がある。ただし、高圧ダイカスト法で厚肉の金属プレートを製造しようとすると、鋳型内に溶融した金属を流し込むとき、その金属の流し込みが鋳型内のガスを排出しきる間もなく行われるため、製造された金属プレートにボイド（中空部位）が生じる。

Claims (7)

  1. 金属プレートにおける厚さ方向の一方側にある第１面に設けられた第１樹脂部と、
    前記金属プレートにおける厚さ方向のもう一方側にある第２面に設けられた第２樹脂部と、
    前記金属プレートを厚さ方向に貫通して前記第１面及び前記第２面にて開口する貫通孔と、
    前記貫通孔内を埋めるように設けられて前記第１樹脂部及び前記第２樹脂部に繋がる中間樹脂部と、
    を備えることを特徴とする金属樹脂一体成形品。
  2. 前記金属プレートは、燃料電池スタックの端部に対し前記第１面側が取り付けられるエンドプレートであり、
    前記エンドプレートの前記第１面に設けられた前記第１樹脂部は、前記燃料電池スタックと前記エンドプレートとを絶縁するものである請求項１に記載の金属樹脂一体成形品。
  3. 前記エンドプレートの前記第１面には、前記燃料電池スタックに取り付けられたときに、同燃料電池スタックに対し流体を給排するための流路となる凹部が設けられており、
    前記貫通孔は、前記凹部の底面にて開口しており、
    前記第１樹脂部は、前記第１面における前記凹部の内壁にも設けられて前記流路を流れる流体と前記エンドプレートとを絶縁する請求項２に記載の金属樹脂一体成形品。
  4. 前記エンドプレートの前記第１面に設けられた凹部は第１凹部であり、前記エンドプレートの前記第２面には第２凹部が設けられており、前記貫通孔は前記第２凹部の底面にて開口しており、前記第２樹脂部は前記第２凹部の内壁に設けられている請求項３に記載の金属樹脂一体成形品。
  5. 前記貫通孔は、前記第２凹部の底面の中央にて開口している請求項４に記載の金属樹脂一体成形品。
  6. 前記貫通孔の内壁における同貫通孔の軸線方向の端部は、その軸線方向において円弧状に湾曲している請求項１〜５のいずれか一項に記載の金属樹脂一体成形品。
  7. 高圧ダイカスト法で形成された金属プレートを金型にセットした後、その金型内に溶融した樹脂を射出して同樹脂を固化させることにより、前記金属プレートの厚さ方向の一方側の面に樹脂部を形成するようにした金属樹脂一体成形品の製造方法において、
    前記金属プレートには同金属プレートを厚さ方向に貫通する貫通孔を形成しておき、前記金型内に前記樹脂を射出したとき、その樹脂が前記金属プレートの厚さ方向の一方側の面から前記貫通孔を通って同厚さ方向のもう一方側の面に流出するようにした
    ことを特徴とする金属樹脂一体成形品の製造方法。
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