DE60225688T2

DE60225688T2 - Platte mit integriertem Rohr, Bearbeitungsvorrichtung dafür, Bearbeitungsverfahren dafür, und Bearbeitungseinrichtung dafür

Info

Publication number: DE60225688T2
Application number: DE2002625688
Authority: DE
Inventors: Haretaro Mihara-shi HIDAKA; Michio Mihara-shi TSUKAMOTO
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2001-02-02
Filing date: 2002-01-31
Publication date: 2009-04-23
Anticipated expiration: 2022-02-01
Also published as: KR20050090022A; WO2002062517A2; EP1395384B2; DE60225688T3; DE60239496D1; KR100572446B1; KR100530415B1; EP1596455A1; EP1598886A2; EP1601038B1; EP1596455B1; DE60222946T2; US20050035174A1; CN1314510C; KR100590979B1; US20080011367A1; KR20030079982A; US20080011374A1; KR20050090023A; KR20050090021A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf eine integrierte Leitungsplatte zur Verwendung in einer feststehenden Einheit mit einer Rohrleitung, einer Verdrahtung etc., in einer Vorrichtung oder in einer integrierten Einheit, die transportabel ist, und im einzelnen auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung der integrierten Leitungsplatte gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 bzw. 7 (s. beispielsweise GB 885101 A für Anspruch 1 und EP-A-0 928 659 für Anspruch 7).
Stand der Technik
Eine integrierte Leitungsplatte wird als Untersystem für eine feststehende Einheit, die eine Rohrleitung, eine Verdrahtung etc. umfasst, in einer Vorrichtung oder einer transportablen integrierten Einheit verwendet, und ist hauptsächlich für die Steuerung der Zufuhr, der Austragung etc. eines Fluids, das in den obigen Einheiten eingesetzt wird, verantwortlich.
Die obigen Einheiten bestehen aus verschiedenen Instrumenten, Komponenten, Rohrleitungen, Verdrahtung usw.. Große und kleine Rohrleitungen sind überall auf komplizierte Weise vorgesehen, damit Flüssigkeiten oder Gase mit verschiedenen Eigenschaften, Temperaturen und Drücken kontinuierlich zwischen diesen Instrumenten etc. strömen. Sensoren und Steuerinstrumente zur Steuerung der Vorrichtung sind ebenfalls vorgesehen und viele notwendige Zwischenverbindungen unter ihnen verlegt. Bei Vorrichtungen, bei denen eine Verkleinerung mit Gewichtsverringerung erforderlich ist, werden insbesondere Anstrengungen unternommen, zahlreiche Instrumente, Komponenten, Rohrleitungen etc. hochdicht in engem Raum anzuordnen. Eine integrierte Rohrleitungsplatte wird als Mittel zum Aufbau einer feststehenden Einheit, die eine Rohrleitung, eine Verdrahtung etc. aufweist, in einer Vorrichtung oder einer transportierbaren integrierten Einheit angewandt.
19A und 19B zeigen ein Beispiel einer Konfigurationszeichnung einer herkömmlichen integrierten Leitungsplatte.
Wie in den 19A und 19B gezeigt ist, besteht die herkömmliche integrierte Leitungsplatte aus Platten 521, 524 mit Nuten bzw. Rillen 531 und Verbindungslöchern 534, die darin eingebracht sind, sowie aus komplizierten Kanälen wie z. B. die Nuten 531, die durch Gießen gebildet sind. Die Nuten 531 können auch durch andere Verfahren gebildet sein, wie z. B. Schneiden mit einem Endfräser, einer Fräsmaschine oder einer Bohrmaschine. In einer Oberfläche der Platte 521 in Kontakt mit der Platte 524 sind die Nuten 531 mit vorbestimmten Querschnittsflächen, die für die Geschwindigkeiten der entsprechenden Fluide geeignet sind und angemessene Richtungen und Längen aufweisen, die den Stellen der Verbindungsfläche 534 entsprechen, als Kanäle ausgebildet, welche Instrumente 525 und Komponenten 525a, die auf der Platte 524 angeordnet sind, verbinden. Somit werden die Instrumente 525 und die Komponenten 525a durch die Verbindungslöcher 534 miteinander in Verbindung gebracht. Die Nuten 531 und die Kommunikationslöcher 534 übernehmen die Funktion der Rohrleitung, durch die Fluide oder Gase strömen.
Die Platte 521 und die Platte 524, die durch das obige Verfahren bearbeitet worden sind, werden durch ein Klebemittel zusammengefügt, um die Nuten 531 abzudichten. Konkret ausgedrückt werden die Verbindungsflächen der Platten 521 und 524 mit dem Klebemittel beschichtet, und dann werden Bolzen 526 in die Gewindelöcher 528 der Platte 521 über Bolzenlöcher 527 der Platte 524 eingeschraubt. Die Platten 521 und 524 werden dadurch in einer Richtung druckbeaufschlagt, in der sie zusammengefügt werden. Ferner werden die Platten zum Bonden erhitzt, so dass die Nuten 531 versiegelt werden.
Die Instrumente 525 und Komponenten 525a, die auf der Platte 524 angeordnet sind, werden durch Schraubbolzen (nicht gezeigt) in Schraublöchern 529 der Platte 524 mittels eines Dichtungsmaterial angebracht. Diese Instrumente 525 und Komponenten 525a steuern das in die Nuten 531 fließende Fluid durch die Verbindungslöcher 534. Rohrverbinder 522 zum Zuführen und Austragen des Fluids sind an der Platte 521 angebracht, um das Fluid zu und von den Instrumenten 525 und den Komponenten 525a über die Nuten 531 und die Verbindungslöcher 534 zuzuführen und auszutragen.
Eine solche integrierte Leitungsplatte ist beispielsweise in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 1974-13651 offenbart.
Bei der oben beschriebenen herkömmlichen integrierten Leitungsplatte werden die die integrierte Leitungsplatte bildenden Platten durch einfache Gießformen in ihre Form gegossen oder durch Schneiden geformt. Somit verbleiben Abschnitte, die einen Überschuss an Gewicht ergeben und stellen Probleme hinsichtlich der Gewichtsverringerung und der Verkleinerung der integrierten Leitungsplatte. Damit die Nuten als Kanäle für Fluide funktionieren, besteht ein Bedarf an dem Schritt der Durchführung einer Oberflächenbehandlung der Nutenabschnitte, dies ist aber kein für eine Massenproduktion geeignetes Verfahren.
Ferner wird der Klebstoff zum Verbinden der Platten benutzt. Dies ergibt eine geringe Arbeitseffizienz und ist auch für eine Massenproduktion nicht sonderlich geeignet. Die Bolzen zum Befestigen der Platten verhindern die Verkleinerung der integrierten Leitungsplatte.
Die exzessive Wanddicke der Platte besteht um die Nuten mit der Funktion einer Rohrleitung. Somit ist es auch dann, wenn das durch die Nuten strömende Fluid über die Platte zu kühlen ist, schwierig, die Kühleffizienz anzuheben.
Zusätzlich zu dem obigen Problem bildet die integrierte Leitungsplatte gemäß der vorliegenden Erfindung beispielsweise ein Teil eines Brennstoffzellen-Energieerzeugungssystems. Technische Anforderungen für die integrierte Leitungsplatte sind eine Volumenproduktion und geringe Kosten wie im Fall des Brennstoffzellen- Energieerzeugungssystems. Ferner ist bei einer Verkleinerung mit Gewichtsreduktion ein gutes Ansprechverhalten bei der Steuerung erforderlich. Eine prompte Volumenproduktion und Kostenreduktion sind für das System auf dem Markt erforderlich. Es gibt nicht wenige Probleme bei der Erfüllung der mit einem zukünftigen Bedarf zusammenhängenden Anforderungen, wie z. B. die tatsächliche Volumenproduktion und Kostenminderung.
EP-A-1148565 , die Stand der Technik gemäß Art. 54(3) und (4) EPÜ ist, offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer integrierten Leitungsplatte und erwähnt die Integration einer Verbindungsplatte aus zwei Unterplatten, die miteinander verbunden sind, sagt aber hinsichtlich eines spezifischen Verbindungsverfahrens nichts aus.
FR-A-2766878 offenbart die Integration von zwei Unterplatten für eine Leitungsplatte durch Verschweißen.
GB 885101 A offenbart die Integration von zwei Unterplatten, um eine integrierte Leitungsplatte durch Schweißen zu bilden, offenbart aber keine spezifische Schweißtechnik oder Anwendung.
US-A-4458841 offenbart die Integration mehrerer Unterplatten oder Funktionsmodule zu einer Einheit durch lösbares Verbinden der Module durch komplementäre Verbinder.
EP-A-0928659 beschreibt die allgemeine Funktion einer Reibungsbewegungs-Schweißmaschine.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer integrierten Leitungsplatte bereitzustellen, welche eine Volumenproduktion und Kostenreduzierung verwirklichen kann, und eine Verkleinerung mit Gewichtsreduzierung erzielt.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Zur Lösung des oben genannten Problems stellt die Erfindung ein Verfahren bereit, wie es in Anspruch 1 definiert ist, sowie eine Vorrichtung, wie sie in Anspruch 7 definiert ist. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Gemäß dem Verfahren und der Vorrichtung der Erfindung werden die Verbindungsflächen der Platten um die gesamte Peripherie der Fluidkanalnuten herum geschweißt, wodurch die Platten verbunden werden. Somit erhöht diese Art des Schweißvorgangs im Vergleich zum Zusammenfügen der Platten durch ein Klebemittel die Strapazierfähigkeit des Plattenverbindungsabschnitts und bildet eine feste Schweißstruktur, womit der Druckwiderstand erhöht wird. Ferner werden die Koppelungsbolzen für die Platten überflüssig, so dass die gesamte integrierte Leitungsplatte kleiner dimensioniert werden kann. Ferner erleichtert das Bearbeitungsverfahren die Fließbandarbeit der Verbindungsprozedur und kann somit die Arbeitsleistung erhöhen, was zu niedrigeren Kosten führt. Ferner umgeht die Anwendung einer Reibungsbewegungsschweißung die Notwendigkeit der Bearbeitung der Nuten als Schweißnuten, womit eine weitere Kostensenkung erzielt wird.
Gemäß den Einrichtungen der Erfindung kann eine kohärente Bearbeitung der Platten, welche die integrierte Leitungsplatte bilden, einfach ausgeführt werden, womit die Effizienz der Arbeit erhöht wird und zu einer weiteren Kostensenkung beigetragen wird. Außerdem macht die Anwendung einer Reibungsbewegungsschweißung die Notwendigkeit der Bearbeitung der Nuten als Schweißnuten überflüssig, womit eine weitere Kostensenkung erzielt wird.
Gemäß dem Verfahren und der Vorrichtung einer bevorzugten Ausführungsform kann eine kohärente Bearbeitung der Platten, welche die integrierte Leitungsplatte bilden, auf einfache Weise durch Nachführsteuerung, die auf numerischer Steuerung beruht, durchgeführt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die integrierte Leitungsplatte aus Platten mit dünnen Wänden gebildet werden, die durch Pressbearbeitung oder Präzisionsgießen geformt werden, so dass eine bemerkenswerte Gewichtsreduktion der integrierten Leitungsplatte möglich wird.
Im einzelnen werden die Platten mit Fluidkanalnuten durch Pressbearbeitung oder Präzisionsgießen geformt, wodurch die Wanddicken der Platten verringert werden können im Vergleich zu der herkömmlichen integrierten Leitungsplatte und eine bemerkenswerte Gewichtsreduktion erzielt wird. Somit kann eine Verkleinerung der integrierten Leitungsplatte mit Gewichtsreduktion erreicht werden. Außerdem ist die Pressbearbeitung oder das Präzisionsgießen geeignet für eine Massenherstellung, und die Bearbeitungsschritte können im Vergleich zu der herkömmlichen integrierten Leitungsplatte vereinfacht werden, wodurch zu einer bemerkenswerten Kostensenkung beigetragen wird. Folglich nimmt die Arbeitsleistung bei der Bearbeitung der integrierten Leitungsplatte zu, womit eine Serienfertigung und Kostensenkung realisiert wird.
Pressbearbeitung, Präzisionsgießen und Reibungsbewegungsschweißen sind für eine Massenproduktion geeignet, womit die Arbeitsleistung bei der Bearbeitung der integrierten Leitungsplatte verbessert wird, und eine Serienproduktion und Kostensenkung erreicht wird. Ferner wird eine Verbindung durch Schweißen angewandt. Folglich besteht kein Problem einer Leckage aufgrund einer Verschlechterung des Klebemittels, und die Verschleißfestigkeit nimmt zu, was Widerstand gegenüber hohen Temperaturen und hohen Drücken verleiht.
Dadurch, dass mehrere der ersten Platten mit den darin eingearbeiteten Nuten, die als Kanäle für Fluide dienen, so befestigt sind, dass sie einander gegenüberliegen, und dadurch, dass die Peripherien der Platten in Kontakt miteinander versiegelt sind, um eine dreidimensionale Konfiguration zu bilden, sind die Platten zu einer dreidimensionalen Konfiguration derart zusammengefügt, dass ihre Vorderseite und Rückseite integral wird. Instrumente und Komponenten werden an der Vorderseite und der Rückseite der integrierten Leitungsplatte angeordnet. Somit kann ein System mit komplizierten Leitungen kompakt gestaltet werden, eine Verkleinerung mit Gewichtsreduktion der integrierten Leitungsplatte kann realisiert werden, und es kann eine zufriedenstellende Lösung erzielt werden.
Dadurch, dass die mehreren der ersten Platten mit den darin eingearbeiteten Nuten, die als Kanäle für die Fluide dienen, so in Kontakt miteinander gebracht werden, dass sie einander gegenüberliegen, wodurch ein Zwischenraumabschnitt geschaffen wird, und der Zwischenraumabschnitt als Kanal für das Strömen eines Kältemittels verwendet wird, können die hohen Temperaturen ausgesetzten Abschnitte in geeigneter Weise gekühlt werden, ein System mit komplizierten Leitungen kann kompakt gestaltet werden, und eine Verkleinerung mit Gewichtsreduzierung der integrierten Leitungsplatte kann realisiert werden.
Im einzelnen werden bei dieser Erfindung die Platten, die einer Pressbearbeitung oder einem Präzisionsgießvorgang unterzogen werden, verwendet. Somit haben die Platten selbst kein als Wärmespeicherabschnitt wirkendes überschüssiges Volumen, und es kann ein großer Oberflächenbereich für das Kältemittel bereitgestellt werden. Folglich kann ein Hochtemperaturfluid mit hohem Wirkungsgrad gekühlt werden. Wegen solcher Vorteile ist zusätzlicher Raum für die Kühlung unnötig, und es kann ein System mit komplizierten Leitungen kompakt gestaltet werden.
Im folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1 eine Konfigurationszeichnung einer integrierten Leitungsplatte gemäß einem Beispiel, das zur Erläuterung von Merkmalen der vorliegenden Erfindung dient,
2A eine strukturelle Schnittansicht der integrierten Leitungsplatte gemäß dem Beispiel,
2B eine Schnittansicht längs einer Linie E-E von 2A,
3 eine Konfigurationszeichnung der integrierten Leitungsplatte mit auf beiden Seiten, der Vorderseite und der Rückseite angeordneten Instrumenten,
4 eine Konfigurationszeichnung der integrierten Leitungsplatte mit einer Schweißstruktur, die von der vorliegenden Erfindung nicht abgedeckt ist,
5 eine Schnittansicht längs einer Linie A-A von 4,
6 eine Konfigurationszeichnung eines dreidimensionalen Moduls,
7 eine Konfigurationszeichnung eines dreidimensionalen Moduls, das aus vier der integrierten Leitungsplatten zusammengesetzt ist,
8 eine Konfigurationszeichnung eines dreidimensionalen Moduls, das aus fünf der integrierten Leitungsplatten zusammengesetzt ist,
9A eine Schnittansicht (eine Schnittansicht längs einer Linie C1-C1 von 9B), die ein Bearbeitungsverfahren für die integrierte Leitungsplatte gemäß einem Beispiel zeigt, das zur Erläuterung von Aspekten der vorliegenden Erfindung dient,
9B eine Ansicht (Draufsicht) in einer Richtung von D1 in 9A,
9C eine Schnittansicht längs einer Linie E1-E1 von 9B,
10A eine erläuternde Darstellung eines Schweißvorgangs, der bei Nuten für Schweißnuten so durchgeführt wird, dass die Schweißnaht den gesamten Umfang jeder Nut umgibt,
10B eine erläuternde Darstellung, bei der eine Schweißlinie bzw. Schweißnaht zwischen benachbarten Nuten für Schweißnuten geteilt wird,
10C eine Schnittansicht längs einer Linie N1-N1 von 10B,
11A eine Schnittansicht (eine Schnittansicht längs einer Linie F1-F1 von 11B), die ein Herstellungsverfahren für die integrierte Leitungsplatte gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
11B eine Ansicht (Draufsicht) in einer Richtung von G1 in 11A,
11C eine Schnittansicht längs einer Linie H1-H1 von 11B,
12A eine Aufbauzeichnung (Draufsicht) einer Fertigungsstraße für die integrierte Leitungsplatte, welche das in den 9A, 9B und 9C gezeigte Bearbeitungsverfahren durchführt,
12B eine Ansicht (Seitenansicht) in einer Richtung von J1 in 12A,
13A eine Aufbauzeichnung (Draufsicht) einer Fertigungsstraße für die integrierte Leitungsplatte, welche das in 11A, 11B und 11C gezeigte Verfahren ausführt,
13B eine Ansicht (Seitenansicht) in einer Richtung von M1 in 13A,
14A eine Draufsicht auf eine Platte, die ein Beispiel einer integrierten Leitungsplatte darstellt,
14B eine Schnittansicht längs einer Linie A1-A1 in 14A,
14C eine Schnittansicht längs einer Linie A1-A1 von 14A,
15A eine Draufsicht auf die integrierte Leitungsplatte, welche ein Verbindungsverfahren für eine Ausführungsform der integrierten Leitungsplatte gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt,
15B eine Schnittansicht längs einer Linie B1-B1 von 15A,
15C eine Schnittansicht längs einer Linie C2-C2 von 15A,
16A eine Seitenansicht der integrierten Leitungsplatte, die ein Beispiel der integrierten Leitungsplatte darstellt,
16B eine Schnittansicht längs einer Linie D2-D2 von 16A,
16C eine Schnittansicht längs einer Linie D2-D2 von 16A,
16D eine Ansicht längs einer Linie E2-E2 von 16A,
17A eine Seitenansicht der integrierten Leitungsplatte, die ein Beispiel darstellt, bei dem die integrierte Leitungsplatte gemäß der vorliegenden Erfindung dreidimensional aufgebaut ist,
17B eine vergrößerte Ansicht eines F2-Abschnitts in 17A,
18 ein Systemdiagramm eines allgemeinen Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystems, und
19(A) und 19(B) Konfigurationszeichnungen einer herkömmlichen integrierten Leitungsplatte.
Beste Ausführungsform der Erfindung
Beispiele und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im folgenden detailliert unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Details der Konfiguration einer integrierten Leitungsplatte gemäß einem Beispiel zur Erläuterung von Merkmalen der vorliegenden Erfindung wird basierend auf 1 beschrieben, wobei ein Brennstoffzellen-Energieerzeugungssystem als Beispiel genommen wird.
Wie in 1 gezeigt ist, umfasst eine integrierte Leitungsplatte 1 eine Platte 2 und eine Platte 3, die durch ein geeignetes Klebemittel 4 zusammengefügt sind. Die integrierte Leitungsplatte 1 ist durch Befestigen der sie bildenden Instrumente und Komponenten eines Brennstoffzellen-Energieerzeugungssystems (durch strichpunktierte Linien in 1 angedeutet) gebildet, die auf einer Oberfläche (der oberen Oberfläche in 1) 3a der Platte 3 angeordnet sind und ein sie bildendes Instrument 5 aufweisen, durch Gewindestifte 6 und Muttern 7 integral mit den Platten 2, 3 verbunden.
In einer Verbindungsfläche (einer oberen Oberfläche in 1) der Platte 2, die mit der Platte 3 zu verbinden ist, sind Nuten 8 ausgebildet, wobei die Nuten 8 vorbestimmte Querschnittsflächen aufweisen, die für die Geschwindigkeiten entsprechender Fluide geeignet sind und geeignete Längen und Richtungen aufweisen, die für die Positionen von Rohrleitungsöffnungen der sie bildenden Instrumente und Komponenten geeignet sind, wie z. B. das auf der Oberfläche 3a der Platte 3 angeordnete Instrument 5. Die Nuten 8 haben die Funktion einer Rohrleitung, durch die Flüssigkeiten oder Gase, die für das Brennstoffzellen-Energieerzeugungssystem notwendig sind, strömen. Somit werden die Querschnittsflächen der Nuten 8 durch die Eigenschaften, Strömungsgeschwindigkeiten und Druckverluste von strömenden Fluiden bestimmt, während die Längen und Richtungen der Nuten 8 von der Anordnung der jeweiligen sie bildenden Instrumente und Komponenten bestimmt werden, wie z. B. dem auf der Platte 3 angeordneten Instrument 5.
In 1 sind die Nuten 8 in der Platte 2 vorgesehen, die Nuten 8 können aber auch in der Platte 3 vorgesehen sein. D. h. die Nuten 8 können in einer Verbindungsfläche (der unteren Oberflächen in 1) 3b der Platte 3 vorgesehen sein, die mit der Platte 2 verbunden ist. Die Instrumente und Komponenten zur Bildung des Brennstoffzellen-Energieerzeugungssystems können auf einer Oberfläche (der unteren Oberfläche in 1) 2b der Platte 2 angeordnet sein, sowie auf der Oberfläche 3a der Platte 3, obwohl ein konkretes Beispiel erst später beschrieben wird (s. 3). D. h. die Aufbauinstrumente und -komponenten können auf einer oder auf beiden Oberflächen, der Oberfläche 2b der Platte 2 und der Oberfläche 3a der Platte 3 angeordnet sein.
Die Materialien für die Platten 2, 3 sind nicht eingeschränkt, aber eine Aluminiumplatte und eine Aluminiumlegierungsplatte sind die wirksamsten Materialien für den Zweck der Gewichtsverringerung zum Transport und für eine vereinfachte Bearbeitung der Nuten 8. Gießteile sind ebenfalls wegen der hohen Wärmebeständigkeit und wegen der einfachen Ausbildung der Nuten 8 wirksam. Außerdem kann eine weitere Gewichtsverringerung durch Verwendung synthetischen Harzes oder dgl. als Material für die Platten 2, 3 erzielt werden.
Gemäß diesem Beispiel, das zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung dient, sind die Aufbauinstrumente und -komponenten, wie z. B. das Instrument 5 auf der Platte 3 angebracht, und die Gewindestifte 6 sind zum Festklemmen der Platten 2 und 3 vorgesehen, um ein Auslecken des durch die Nuten 8 strömenden Fluids zu verhindern. Dieses Verfahren der Befestigung ist jedoch nicht einschränkend, sondern die Befestigung der Aufbauinstrumente und Komponenten auf der Platte 3 und die Befestigung der Platten 2 und 3 kann durch Bolzen erfolgen, welche die Platten 2, 3 durchsetzen, oder durch andere Befestigungsmittel.
Die Platte 3 ist eine flache Platte mit einer Dicke einer geeigneten Größe, und Bolzenlöcher 9 zum Einführen der Gewindestifte 6 an vorbestimmten Positionen sind in der Platten-Dickenrichtung gebohrt. Durchgangslöcher 37 zum Einsetzen der Gewindestifte 6 sind in den jeweiligen Aufbauinstrumenten und -komponenten wie z. B. dem Instrument 5 ausgebildet. In der Platte 3 sind auch Verbindungslöcher 10 zum Herstellen einer Verbindung zwischen den jeweiligen Aufbauinstrumenten und -komponenten, beispielsweise dem Instrument 5 angeordnet, damit dieses auf der Oberfläche 3a angebracht wird, und damit die Nuten 8 der Platte 2 die Strömung des Fluids ermöglichen.
Um eine solche integrierte Leitungsplatte 1 zu montieren, besteht der erste Schritt darin, die Platte 2 und die Platte 3 mittels des Klebemittels 4 zu verbinden. Für gewöhnlich wird ein im Handel erhältliches Duroplast-Klebemittel als Klebemittel 4 verwendet, das Verfahren des Verbindens der Platten 2 und 3 durch Verbindungsmittel wie Verschmelzen, Hartlöten oder Schweißen ist aber ebenfalls effektiv je nach der Art des für die Brennstoffzellen verwendeten Brennstoffs oder dem Material für die Platten 2, 3.
Dann werden Gewindestifte 6 durch die Bolzenlöcher 9 der Platte 3 eingesetzt und in der Platte 2 angeordnet. Die Gewindestifte 6 werden durch die Durchgangslöcher 37 des Instruments 5 eingesetzt, und dann werden die Muttern 7 auf die Endabschnitte der Gewindestifte 6 aufgeschraubt, wodurch das Instrument 5 an der integrierten Leitungsplatte 1 befestigt wird. Die anderen Aufbauinstrumente und -komponenten werden ebenfalls der Reihe nach der gleichen Prozedur unterzogen, um die Anordnung fertig zustellen.
2A und 2B geben eine allgemeine Erläuterung der Konfiguration der integrierten Leitungsplatte basierend auf ihrer Schnittstruktur. Eine integrierte Leitungsplatte 1, wie sie in 2A und 2B gezeigt ist, wird beispielsweise durch integrales Befestigen eines A-Instruments 11, eines B-Instruments 12, einer Platte 2 und einer Platte 3 durch Gewindestifte 6 und an diesen angeschraubten Muttern 7 montiert.
Zwischen dem A-Instrument 11 und dem B-Instrument 12 kann ein Fluid über eine in der Platte 2 ausgebildete Nut 8 und in die Platte 3 eingearbeitete Verbindungslöcher 10 strömen. D. h., das A-Instrument 11 und das B-Instrument 12 sind durch die Nut 8 miteinander verbunden. Die Platte 2 und die Platte 3 werden durch das Klebemittel 4 so verklebt, dass das durch die Nut 8 strömende Fluid abgedichtet ist. Ein O-Ring 13 oder dgl. wird dazu verwendet, den Zwischenraum zwischen den Instrumenten 11, 12 und der Platte 3 abzudichten.
3 zeigt ein Beispiel, bei dem Instrumente an beiden Oberflächen einer integrierten Leitungsplatte angeordnet sind. In der in 3 gezeigten integrierten Leitungsplatte 1 sind Instrumente 105, 106 auf einer Oberfläche 3a einer Platte 3 angeordnet, und Instrumente 107, 108 sind auf einer Oberfläche 2b einer Platte 2 angeordnet. Nuten 8A, 8B, 8C, die als Kanäle für Fluide dienen, sind in einer Verbindungsfläche 2a der Platte 2 ausgebildet. Verbindungslöcher 10 zum Verbinden zwischen diesen Nuten 8A, 8B, 8C und den Instrumenten 105, 106, 107, 108 sind in der Platte 2 und der Platte 3 ausgebildet. D. h. die Instrumente 105 auf der Platte 3 und die Instrumente 107 auf der Platte 2 sind durch die Nut 8A verbunden, die Instrumente 107, 108 auf der Platte 2 sind durch die Nut 8B verbunden und das Instrument 106 auf der Platte 3 und das Instrument 108 auf der Platte 2 sind durch die Nut 8C verbunden.
Es ist auch möglich, Instrumente und Komponenten auf der Oberfläche 2b der Platte 2 anzuordnen, ohne die Instrumente und Komponenten auf der Oberfläche 3a der Platte 3 vorzusehen, obwohl diese nicht gezeigt sind.
Die 4 und 5 zeigen ein Beispiel des Schweißens einer Platte 2 und einer Platte 3, das nicht durch die vorliegende Erfindung abgedeckt ist. Wie mit durchgezogenen Linien in 4 angedeutet ist, wird der Schweißvorgang entlang Schweißlinien bzw. -nähten 30 durchgeführt, welche die Umfänge von in der Platte 2 ausgebildeten Nuten 8 umgeben, während geeignete Abstände zu den Nuten 8 eingehalten werden, und zwar durch elektromagnetisches, kraftgesteuertes Hybridschweißen oder dgl., wobei die Platten 2 und 3 anschließend unter starkem Druck festgehalten werden. Im Ergebnis werden die Platte 2 und die Platte 3 an den Positionen der Schweißnähte 30 zusammengeschweißt, wie 5 zeigt. An den Stellen der Schweißnähte 30 können die durch die Nuten 8 strömenden Fluide zuverlässig abgedichtet werden.
6 zeigt ein Beispiel eines dreidimensionalen Moduls als Anwendung der obigen integrierten Leitungsplatte. Ein dreidimensionales Modul 15, das in 6 gezeigt ist, wird in einer dreidimensionalen Konfiguration durch integrales Befestigen von zwei integrierten Leitungsplatten 1A und 1B auf folgende Weise gebildet: Durchgangsbolzen 14 werden durch Durchgangslöcher 101 eingesetzt, welche die zwei integrierten Leitungsplatten 1A und 1B (alle Platten 2 und 3) durchsetzen, und Muttern 102 werden an gegenüberliegenden Endabschnitten der Durchgangsbolzen 14 angeschraubt, wobei sich die Rückflächen der zwei integrierten Leitungsplatten 1A und 1B überlagern, d. h. mit einer Oberfläche 2b der Platte 2 in der integrierten Leitungsplatte 1A und einer Oberfläche 2b der Platte 2 in der integrierten Leitungsplatte 13, die übereinanderliegen.
In 6 sind Hilfskomponenten oder Hilfsinstrumente 26a, 26b an der unteren integrierten Leitungsplatte 1B so angeordnet, dass sie sich hinter den Instrumenten 11, 12 befinden, welche an der oberen integrierten Leitungsplatte 1A vorgesehen sind, wodurch die dreidimensionale Struktur aufgebaut ist. Dies ermöglicht eine bemerkenswerte Verkleinerung.
Falls bei der integrierten Leitungsplatte 1 die Instrumente oder Komponenten an der Oberfläche 2b der Platte 3 angeordnet sind statt an der Oberfläche 3a der Platte 3, wird selbstverständlich die Oberfläche 3a der Platte 3 zur Rückfläche der integrierten Leitungsplatte 1, und diese Oberfläche wird zu einer Verbindungsfläche, die mit der anderen integrierten Leitungsplatte 1 zu verbinden ist.
In 6 sind die beiden integrierten Leitungsplatten 1A und 1B integriert, diese Art und Weise ist jedoch nicht einschränkend. Eine beliebige Anzahl integrierter Leitungsplatten, wie z. B. drei oder vier integrierte Leitungsplatten, können integriert werden (dreidimensional gestaltet werden), wobei ihre Rückflächen bzw. Rückseiten übereinanderliegen.
In einem dreidimensionalen Modul 15A gemäß 7 ist beispielsweise eine relativ große integrierte Leitungsplatte 1a mit Instrumenten 109, 110, 111, 112, die darauf angeordnet sind, in einem oberen Abschnitt der Zeichnung angeordnet, während relativ kleine integrierte Leitungsplatten 1B, 1C, 1D mit darauf angeordneten Instrumenten 113, 114; 115, 116 und 117, 118 in einem unteren Abschnitt in der Zeichnung angeordnet sind. Diese vier integrierten Leitungsplatten 1A, 1B, 1C und 1D sind integral befestigt, wobei Rückflächen 2b der vier integrierten Leitungsplatten 1A, 1B, 1C und 1D übereinandergelegt sind, wodurch die dreidimensionale Konfiguration gebildet wird.
Im Fall eines dreidimensionalen Moduls 15B, das in 8 gezeigt ist, sind große und kleine integrierte Leitungsplatten 1A, 1B und 1C mit darauf angeordneten Instrumenten 119, 120; 121, 122; und 123, 124 in einem oberen Abschnitt in der Zeichnung angeordnet, während große und kleine integrierte Leitungsplatten 1D und 1E mit darauf angeordneten Instrumenten 125, 126 sowie 127, 128 und 129 in einem unteren Abschnitt in der Zeichnung angeordnet sind. Diese fünf integrierten Leitungsplatten 1A, 1B, 1C, 1D und 1E sind integral befestigt, wobei Rückflächen 2b der fünf integrierten Leitungsplatten 1A, 1B, 1C, 1D und 1E übereinandergelegt sind, wodurch die dreidimensionale Konfiguration gebildet ist.
Ein Bearbeitungsverfahren der integrierten Leitungsplatte 201 gemäß einem Beispiel, das zur Erläuterung von Merkmalen der Erfindung dient, wird im folgenden basierend auf den 9A, 9B und 9C beschrieben. Wie in den 9A, 9B und 9C gezeigt ist, besteht der erste Schritt, wenn eine Platte 202 und eine Platte 203 zur Integration zusammenzufügen sind, darin, die Platte 202 und die Platte 203 übereinander zu legen. In die Platte 202 ist eine Nut 208 eingearbeitet worden, um als Kanal für ein Fluid (Flüssigkeit oder Gas) zu dienen. In die Platte 203 sind Verbindungslöcher 210 als Verbindung zwischen der Fluidkanalnut 208 und eine Vorrichtung, wie z. B. ein Brennstoffzellen-Energieerzeugungssystem bildende Instrumente oder Komponenten, eingearbeitet worden. In diesem überlagerten Zustand ist eine Nut 221, die als Schweißnut dient, in die Platte 203 eingearbeitet, und erstreckt sich entlang dem gesamten Umfang der Fluidkanalnut 208. Dann wird diese Nut 221 als Schweißnut geschweißt.
Die Fluidkanalnut 208 ist nicht auf eine Verbindungsfläche 202a der Platte 202 beschränkt, sondern kann in einer Verbindungsfläche 203b der Platte 203 ausgebildet sein, und die Verbindungslöcher 210 sind nicht auf die Platte 203 beschränkt, sondern können auch in der Platte 202 ausgebildet sein. Die Instrumente und Komponenten sind nicht auf eine Oberfläche 203a der Platte 203 beschränkt, sondern können auch auf einer Oberfläche 202b der Platte 202 ausgebildet sein, oder sie können auf den Oberflächen 202b, 203a der beiden Platten 202, 203 ausgebildet sein. D. h. die Instrumente und Komponenten können auf einer oder auf beiden Oberfläche(n) der integrierten Leitungsplatte 201 vorgesehen sein. Auch die Nut 221 als Schweißnut ist nicht auf die Platte 203 beschränkt, sondern die Nut 221 kann auch in der Platte 202 ausgebildet sein.
9A, 9B und 9C zeigen den Zustand im Verlauf der maschinellen Bearbeitung. In diesen Zeichnungen zeigt ein (I)-Abschnitt einen Abschnitt, in den die Nut 221 als Schweißnut eingearbeitet und geschweißt ist, wodurch die Platten 202 und 203 integriert sind. Ein (II)-Abschnitt zeigt einen Abschnitt, in dem die Nut 221 als Schweißnut eingearbeitet worden ist, und für eine Verschweißung zur Integrierung der Platten 202 und 203 geplant ist. Ein (III)-Abschnitt zeigt einen Abschnitt, in dem die Nut 221 als Schweißnut dafür geplant ist, zum Integrieren der Platten 202 und 203 bearbeitet und geschweißt zu werden. Tatsächlich ist die Form der Fluidkanalnut 208, die in der Platte 202 ausgebildet ist, kompliziert, in den 9 bis 13 ist sie aber auf vereinfachte Weise zur leichteren Erläuterung dargestellt.
Dieses Bearbeitungsverfahren wird nachstehend in näheren Einzelheiten beschrieben. Die Platte 203 mit den darin eingebrachten Verbindungslöchern 210 wird auf die Platte 202 mit der darin eingearbeiteten Fluidkanalnut 208 gelegt. Dann wird ein Schweißnut-Bearbeitungswerkzeug 222 unter Nachführung des Außenumfangs der Fluidkanalnut 208 bewegt, wie durch einen Pfeil X in 9A angegeben ist, und zwar gemäß einer numerischen Steuerung (Nachführsteuerung) basierend auf Bearbeitungsdaten (NC-Steuerungsdaten) zu der Fluidkanalnut 208. Durch diese Maßnahme wird die Nut 221 als Schweißnut in der Platte 202 ausgebildet. D. h. wenn die Umgebung der Fluidkanalnut 208 gemäß 9B zu schweißen ist, wird eine Schweißlinie bzw. Schweißnaht, die sich entlang dem gesamten Umfang der Fluidkanalnut 208 erstreckt, in einem geeigneten Abstand e von der Fluidkanalnut 208 ausgebildet, wie 9C zeigt, und zwar basierend auf den Bearbeitungsdaten, die erhalten werden, wenn die Fluidkanalnut 208 in der Platte 202 bearbeitet wird. Das Schweißnut-Bearbeitungswerkzeug 202 wird entlang dieser Schweißlinie geführt, um die Nut 221 als Schweißnut zu bearbeiten.
Nachdem die Nut 221 als Schweißnut ausgebildet ist, wird ein Schweißapparat 223 in Bewegung gesetzt, während er den Außenumfang der Fluidkanalnut 208 (entlang der Schweißlinie) nachfährt, wie durch den Pfeil X in 9A angegeben ist, um die Nut 221 als Schweißnut zu schweißen, wodurch die Platte 202 in die Platte 203 integriert wird. Hierbei wird eine Bewegungssteuerung (tracer control) der Schweißmaschine bzw. des Schweißapparats 223 (Steuerung der Schweißposition) entsprechend einer numerischen Steuerung (Nachführsteuerung) basierend auf Bearbeitungsdaten zu der Fluidkanalnut 208 (numerischen Steuerdaten) wie im Fall des Schweißnutbearbeitungswerkzeugs 222 oder basierend auf Bearbeitungsdaten zu dem Schweißnutbearbeitungswerkzeug 222 (numerische Steuerdaten) durchgeführt. Eine Schweißnutbearbeitung und ein Schweißvorgang werden kontinuierlich an einer Station ausgeführt, wie in 9A und 9B gezeigt ist. D. h. der Schweißvorgang wird anschließend an die Schweißnutbearbeitung gestartet.
Der Grund für den Beginn des Schweißvorgangs nach der Schweißnutbearbeitung (der Grund für den Start des Schweißvorgangs vor dem Abschluß der Schweißnutbearbeitung) ist folgender: Falls die Schweißnutbearbeitung abgeschlossen ist, bevor der Schweißvorgang gestartet wird, wird ein inselartiger Abschnitt, der von der Schweißnaht 221 für die von der Schweißnutbearbeitung gebildeten Schweißnut umgeben ist, frei, und dieser Abschnitt kann nicht an einer feststehenden Position gehalten werden. Das Timing für den Start des Schweißvorgangs kann unmittelbar nach dem Start der Schweißnutbearbeitung stattfinden, oder kann eine vorbestimmte Zeit nach dem Start der Schweißnutbearbeitung stattfinden. Dieses Timing kann wie gewünscht eingestellt werden.
9A, 9B und 9C zeigen den Zustand, in dem die Nut 221 als Schweißnut bis zur Oberfläche 203a der Platte 203 geschweißt worden ist. Dieser Modus ist jedoch nicht einschränkend, sondern der Schweißvorgang kann innerhalb der Schenkellänge gehalten werden, welche die Aufrechterhaltung der Verbindung der Platten 202 und 203 ermöglicht. Als Schweißverfahren für die Nut 221 als Schweißnut ist eine MIG-Schweißung (metal inert gas sealed welding) oder TIG-Schweißung (tungsten inert gas sealed welding) geeignet, es können aber auch andere Schweißverfahren eingesetzt werden.
Gemäß diesen Bearbeitungsverfahren werden Verbindungsflächen 202a, 203b der Platten 202, 203 so geschweißt, dass sie sich entlang dem gesamten Umfang der Fluidkanalnut 208 erstrecken, wodurch die Platten 202 und 203 geschweißt werden. Diese Art von Schweißvorgang verbessert im Vergleich zu der Verbindung der Platten 202, 203 durch ein Klebemittel die Verschleißfestigkeit des Plattenverbindungsabschnitts und baut eine feste Schweißstruktur auf, womit der Druckwiderstand erhöht wird. Ferner werden die Koppelungsbolzen für die Platten 202, 203 unnötig, so dass die gesamte integrierte Leitungsplatte weiter verkleinert werden kann. Außerdem erleichtert dieses Bearbeitungsverfahren die Fließbandarbeit der Verbindungsprozedur und erhöht so die Arbeitseffizienz, was zu geringeren Kosten beiträgt.
Der Schweißvorgang der Verbindungsflächen 202a, 203a der Platten 202, 203, so dass sich diese entlang dem gesamten Umfang der Fluidkanalnut 208 erstrecken, ist nicht auf den Schweißvorgang beschränkt, so dass sie sich entlang dem gesamten Umfang jeder Fluidkanalnut 208 erstrecken, wie 10A zeigt, sondern umfaßt auch das Teilen der Schweißlinie bzw. Schweißnaht 250 (geteilter Schweißnahtabschnitt 250a) zwischen benachbarten Nuten 208 als Schweißnuten, wie in den 10B und 10C gezeigt ist. In 10B sind die benachbarten Fluidkanalnuten 208 nahe aneinander mit einem schmalen Zwischenraum d. Für diese Fluidkanalnuten 208 wird daher nur eine Schweißlinie bzw. Schweißnaht 250 (der geteilte Schweißnahtabschnitt 250a) gebildet, der sich entlang dem gesamten Umfang einer der Fluidkanalnuten 208 erstreckt, und dieser geteilte Schweißnahtabschnitt 250a wird mit der Schweißnaht 250 geteilt, die sich entlang dem gesamten Umfang der anderen Fluidkanalnut 208 erstreckt. Natürlich ist die Ausbildung der Nut 221 als Schweißnut, so dass sie sich entlang dem gesamten Umfang der Fluidkanalnut 208 erstreckt, nicht auf die Ausbildung der Nut 221 als Schweißnut beschränkt, so dass sich diese entlang dem gesamten Umfang jeder Fluidkanalnut 208 erstreckt, wie 10A zeigt, sondern umfaßt auch das Teilen einer Nut 221 als Schweißnut (eines Abschnitts 221a, der die Nut als Schweißnut teilt) zwischen den benachbarten Fluidkanalnuten 208, wie in 10B und 10C gezeigt ist.
Ein Bearbeitungsverfahren gemäß der Erfindung für eine integrierte Leitungsplatte 201 wird basierend auf den 11A, 11B und 11C beschrieben. 11A, 11B und 11C zeigen ein Verfahren zum Integrieren einer Platte 202 und einer Platte 203 unter Anwendung eines Reibungsbewegungsschweißverfahrens (friction stir welding, nachstehend als FSW bezeichnet), einer Schweißtechnik, die durch Patentgazetten öffentlich bekannt gemacht wurde (die japanischen Patente 2792233 und 2712838 ).
Wie in 11A gezeigt ist, wird die Platte 203 mit darin eingebrachten Verbindungslöchern 210 auf die Platte 202 mit einer darin eingebrachten Fluidkanalnut 208 gelegt. Dann wird gemäß 11B die Umgebung der Fluidkanalnut 208 der Platte 202 geschweißt. D. h. gemäß 11 werden die Verbindungsflächen 202a, 203b der Platten 202, 203 so geschweißt, dass sie sich entlang dem gesamten Umfang der Fluidkanalnut 208 in einem geeigneten Abstand f von der Fluidkanalnut 208 erstrecken, um die Platte 202 und die Platte 203 zu verschweißen. Dieser Modus ist der gleiche wie bei den in 9A, 9B und 9C gezeigten Arbeitsverfahren, und so entfallen detaillierte Erläuterungen hierzu. Die Unterschiede zu den Bearbeitungsverfahren gemäß 9A, 9B und 9C werden nachstehend detailliert beschrieben.
Bei dem in 11A, 11B und 11C gezeigten Bearbeitungsverfahren wird keine Bearbeitung der Nut als Schweißnut durchgeführt. Zunächst wird ein Spitzenwerkzeug 225a einer FSW-Schweißmaschine 225 zum FSW-Schweißen an einen Startpunkt angebracht, an dem der Schweißvorgang startet. Seine Drehung wird gestartet, und ein Axialdruck wird darauf aufgebracht, um das Spitzenwerkzeug 225a in die Platte 203 bis zu einer Position in einer Höhenrichtung einzuführen, die für eine Integration geeignet ist. Durch Starten des Drehvorgangs des Spitzenwerkzeugs 225a wird Reibungshitze erzeugt. Ferner wird das Spitzenwerkzeug 225a bewegt, während es den Außenumfang der Fluidkanalnut 208 nachfährt, wie durch einen Pfeil Y in 11A gezeigt ist, um die Verbindungsflächen 202a, 203b der Platten 202, 203 zu verschweißen, so dass sie sich entlang dem gesamten Umfang der Fluidkanalnut 208 erstrecken. Hierbei wird eine Bewegungssteuerung der FSE-Schweißmaschine 225 (Steuerung der Schweißposition) entsprechend einer numerischen Steuerung (Nachführsteuerung) basierend auf Bearbeitungsdaten zu der Fluidkanalnut 208 (numerischen Steuerdaten) durchgeführt, wie eine Bewegungssteuerung der Schweißmaschine 223.
Die 11A, 11B und 11C zeigen den Zustand im Verlauf der maschinellen Bearbeitung. In diesen Zeichnungen zeigt ein (I)-Abschnitt einen Abschnitt, in dem die Platten 202 und 203 durch Schweißen integriert wurden. Ein (II)-Abschnitt zeigt einen Abschnitt, in dem der Schweißvorgang zur Integrierung der Platten 202 und 203 geplant ist.
Das Einführen des Spitzenwerkzeugs 225a in die Platte 203 kann durch vorheriges Einbringen eines Lochs für das Einführen des Spitzenwerkzeugs 225a an der Position des Startpunkts der FSW-Schweißung erleichtert werden. Dieses Loch ist jedoch keine Vorbedingung. Das Einführen ist nicht auf die Platte 203 beschränkt, sondern das Spitzenwerkzeug 225a kann auch in die Platte 202 eingeführt werden, und der Schweißvorgang kann an der Platte 202 durchgeführt werden.
Gemäß dem Bearbeitungsverfahren der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung werden die Verbindungsflächen 202a, 203b der Platten 202, 203 so geschweißt, dass sie sich entlang dem gesamten Umfang der Fluidkanalnut 208 erstrecken (natürlich ist der Schweißvorgang nicht auf ein Schweißen beschränkt, das sich entlang dem gesamten Umfang jeder Fluidkanalnut 208 erstreckt, sondern umfaßt auch das Teilen einer Schweißlinie bzw. Schweißnaht (geteilter Schweißnahtabschnitt) zwischen den benachbarten Nuten 208 als Schweißnuten), wodurch die Platten 202 und 203 zusammengefügt werden. Diese Art von Schweißvorgang verbessert im Vergleich zur Verbindung der Platten durch ein Klebemittel die Verschleißfestigkeit des Plattenverbindungsabschnitts und bildet eine feste Schweißstruktur, womit der Druckwiderstand erhöht wird. Ferner werden die Koppelungsbolzen für die Platten 202, 203 überflüssig, so dass die gesamte integrierte Leitungsplatte weiter verkleinert werden kann. Außerdem erleichtert dieses Bearbeitungsverfahren die Fließbandarbeit der Verbindungsprozedur und erhöht somit den Wirkungsgrad der Arbeit, was zu niedrigeren Kosten führt. Übrigens macht es die Anwendung einer FSW-Schweißung überflüssig, eine Nut als Schweißnut einzuarbeiten, und somit können noch mehr Kosten eingespart werden.
Es wird nun eine Beschreibung zu einer Fertigungsstraße zum Implementieren des Bearbeitungsverfahrens für eine integrierte Leitungsplatte gegeben, wie sie in 9A, 9B und 9C gezeigt ist. Wie in 12A und 12B gezeigt ist, umfaßt die Fertigungsstraße (die maschinelle Bearbeitungsausrichtung) für eine integrierte Leitungsplatte eine Plattenzuführvorrichtung 231, eine Nutenbearbeitungsvorrichtung 232, ein Schweißnut-Bearbeitungswerkzeug 222 und eine Schweißmaschine 223, die in einer Reihe in der Richtung eines Pfeils K1 in der Zeichnung angeordnet sind, und weist auch eine Plattenzuführvorrichtung 234 auf, die lateral von dem Schweißnutbearbeitungswerkzeug 222 in einer Richtung (Richtung eines Pfeils L1) senkrecht zu der Richtung des Pfeils K1 angeordnet ist. Das Schweißnutbearbeitungswerkzeug 222 und die Schweißmaschine 223 sind auf der gleichen Stufe vorgesehen.
Mehrere Platten 202, die an der Plattenzuführvorrichtung 231 gestapelt sind, befinden sich in einem Wartezustand. Diese Platten 202 werden der Reihe nach in der Richtung des Pfeils K1 durch die Plattenzuführvorrichtung 231 nach Wunsch zugeführt und im folgenden Schritt zu der Nutenbearbeitungsvorrichtung 232 transportiert. Die Platte 202 im Standby in der Plattenzuführvorrichtung 231 wird vorab mit einer Bearbeitungs-Bezugsfläche 235 versehen, oder einem Bearbeitungs-Bezugspunkt 236, oder der Bearbeitungs-Bezugsfläche 235 und dem Bearbeitungs-Bezugspunkt 236, die alle in die Platte 202 eingearbeitet werden.
In der Nutenbearbeitungsvorrichtung 232 wird die Fluidkanalnut 208 in die Platte 202, die von der Plattenzuführvorrichtung 231 zugeführt wurde, durch numerische Steuerung basierend auf der Bearbeitungs-Bezugsfläche 235 oder dem Bearbeitungs-Bezugspunkt 236, oder der Bearbeitungs-Bezugsfläche 235 und dem Bearbeitungs-Bezugspunkt 236 eingearbeitet. Bei der Bereitstellung der Verbindungslöcher 210 auch in der Platte 202 können die Verbindungslöcher 210 in die Platte 202 durch die Nutenbearbeitungsvorrichtung 232 eingearbeitet werden. Als Nutenbearbeitungsvorrichtung 232 wird eine Fräsvorrichtung, eine Laserschneidvorrichtung oder eine Endfräsvorrichtung benutzt. In 12A und 12B arbeitet eine Nutenbearbeitungsvorrichtung 232 die Fluidkanalnut 208 und/oder die Verbindungslöcher 210 in einem Schritt ein. Je nach dem Bearbeitungsvolumen wird aber bevorzugt, dass mehrere Nutenbearbeitungsvorrichtungen 232 bereitgestellt werden und die Fluidkanalnuten 208 und Verbindungslöcher 210 in mehreren Schritten eingearbeitet werden.
Die Platte 202 mit der/den darin eingearbeiteten Fluidkanalnut 208 und/oder den Verbindungslöchern 210 wird von der Nutenbearbeitungsvorrichtung 232 in der Richtung eines Pfeils K1 zugeführt und einer nachfolgenden Stufe zugeführt, in der das Schweißnut-Bearbeitungswerkzeug 222 und die Schweißmaschine 223 angeordnet sind. Die Platte 202, in die die Fluidkanalnut 208 und die Verbindungslöcher 210 durch die an einer anderen Stelle als der in den 12A und 12B gezeigten Fertigungsstraße vorgesehenen Nutenbearbeitungsvorrichtung eingearbeitet worden sind, kann von der Plattenzuführvorrichtung 231 der nächsten Stufe zugeführt werden, an der das Schweißnutenbearbeitungswerkzeug 222 und die Schweißmaschine 223 angeordnet sind. Auf diese Weise kann die Nutenbearbeitungsvorrichtung 232 aus der in 12A und 12B gezeigten Fertigungsstraße weggelassen werden.
Mehrere Platten 203 werden in einem Wartezustand in der Plattenzuführvorrichtung 234 gestapelt. Diese Platten 203 im Standby in der Plattenzuführvorrichtung 234 werden auch vorab mit einer Bearbeitungs-Bezugsfläche 237 oder einem Bearbeitungs-Bezugspunkt 238, oder der Bearbeitungs-Bezugsfläche 237 und dem Bearbeitungs-Bezugspunkt 238 versehen, die eingearbeitet worden sind. In die Platte 203 werden Verbindungslöcher 210 vorab eingearbeitet. Wenn die Platte 202 von der Nutenbearbeitungsvorrichtung 232 zugeführt wird (die Plattenzuführvorrichtung 231, falls die Nutenbearbeitungsvorrichtung 232 wegfällt) zu der Stufe, in der das Schweißnuten-Bearbeitungswerkzeug 222 und die Schweißmaschine 223 angeordnet sind, führt die Plattenzuführvorrichtung 234 auch die Platte 203 in der Richtung eines Pfeils L1 dieser Stufe zu.
Beim Ausbilden der Fluidkanalnut 208 in der Verbindungsfläche 203b der Platte 203 kann die Nutenbearbeitungsvorrichtung zum Ausbilden der Fluidkanalnut 208 zwischen der Stufe, an der die Plattenzuführvorrichtung 234 angeordnet ist, und der Stufe, an der das Schweißnut-Bearbeitungswerkzeug 222 und die Schweißmaschine 223 angeordnet sind, vorgesehen werden. Außerdem können auch die Verbindungslöcher 210 durch diese Nutenbearbeitungsvorrichtung gebildet werden.
Auf der Stufe, auf der das Schweißnut-Bearbeitungswerkzeug 222 und die Schweißmaschine 223 angeordnet sind, wird die aus einer Richtung zugeführte Platte 203 der aus einer anderen Richtung zugeführten Platte 202 überlagert, wobei die Bearbeitungs-Bezugsflächen 235 und 237 ausgerichtet werden, um die Positionsbeziehung zwischen den Platten 202 und 203 festzulegen. Dann wird das Verbindungsvefahren, das auf der Basis der 40A, 40B und 40C erklärt wird, durchgeführt. D. h. die Bearbeitung der Nut 221 als Schweißnut wird durch das Schweißnut-Bearbeitungswerkzeug 222 gestartet. Anschließend wird der Schweißvorgang der Nut 221 als Schweißnut durch die Schweißmaschine 223 gestartet, um die Verbindungsflächen 202a, 203b der Platten 202, 203 so zu verschweißen, dass sie sich entlang dem gesamten Umfang der Fluidkanalnut 208 erstrecken. Als Schweißnut-Bearbeitungsvorrichtung 222 wird eine Fräsvorrichtung, eine Laserschneidvorrichtung oder eine Endfräsvorrichtung benutzt. Als Schweißmaschine 223 wird eine MIG-Schweißmaschine oder eine TIG-Schweißmaschine verwendet.
Die Plattenzuführvorrichtung 231, die Nutenbearbeitungsvorrichtung 232, das Schweißnutbearbeitungswerkzeug 222, die Schweißmaschine 223 und die Plattenzuführvorrichtung 234 sind so ausgelegt, dass sie von Steuerpanels gesteuert werden, d. h. einem Plattenzuführvorrichtungs-Steuerpanel 242, einem Nutenbearbeitungsvorrichtungs-Steuerpanel 243, einem Schweißnutbearbeitungswerkzeug-Steuerpanel 244, einem Schweißmaschinen-Steuerpanel 245 und einem Plattenzufühvorrichtungs-Steuerpanel 246 gemäß Befehlen von einem zentralen Steuerpanel 241. D. h. diese Steuerpanel 242, 243, 244, 245 und 246 führen eine Bearbeitung der Platte 202 oder der Platte 203 sowie eine Nachführsteuerung für die Position durch, und zwar durch Befehle von dem zentralen Steuerpanel 241 auf der Basis der Bearbeitungs-Bezugsfläche 235 oder des Bearbeitungs-Bezugspunkts 236, oder der Bearbeitungs-Bezugsfläche 235 und des Bearbeitungs-Bezugspunkts 236, die in der Platte 202 vorgesehen sind, oder basierend auf der Bearbeitungs-Bezugsfläche 237 oder dem Bearbeitungs-Bezugspunkt 238, oder aber der Bearbeitungs-Bezugsfläche 237 und dem Bearbeitungs-Bezugspunkt 238, die in der Platte 203 vorgesehen sind.
Gemäß der Fertigungsstraße der vorliegenden Ausführungsform kann eine kohärente Bearbeitung der Platten 202, 203, welche die integrierte Leitungsplatte 1 bilden, auf einfache Weise durchgeführt werden, womit zu einer kostengünstigen Ausrüstung beigetragen wird.
Als nächstes wird eine Fertigungsstraße zum Implementieren des Bearbeitungsverfahrens für eine integrierte Leitungsplatte gemäß den 11A, 11B und 11C auf der Basis der 13A und 13B erläutert.
Der Unterschied der Fertigungsstraße in den 13A und 13B zu der Fertigungsstraße in den 12A und 12B besteht darin, dass eine FSW-Schweißmaschine 225 und ein FSW-Schweißmaschinen-Steuerpanel 246, die in 13A und 13B gezeigt sind, statt dem Schweißnut-Bearbeitungswerkzeug 222, der Schweißmaschine 223, dem Schweißnut-Bearbeitungswerkzeug-Steuerpanel 244 und dem Schweißmaschinen-Steuerpanel 245 gemäß 12A und 12B installiert sind. Somit wird nur dieser Unterschied beschrieben und weitere Merkmale werden nicht beschrieben.
Wie in 13A und 13B gezeigt ist, wenn die Platte 202 von der Nutenbearbeitungsvorrichtung 232 (der Plattenzuführvorrichtung 231, falls die Nutenbearbeitungsvorrichtung 232 entfällt) der FSW-Schweißmaschine 225 zugeführt wird, führt die Plattenzuführvorrichtung 234 auch die Platte 203 der FSW-Schweißmaschine 225 zu.
In der FSW-Schweißmaschine 225 wird die aus einer Richtung zugeführte Platte 203 der aus der anderen Richtung zugeführten Platte 202 überlagert, wobei die Bearbeitungs-Bezugsflächen 235 und 237 ausgerichtet sind, um die Positionsbeziehung zwischen den Platten 202 und 203 festzulegen. Dann wird das Verbindungsverfahren, das auf der Basis der 42A, 42B und 42C erläutert ist, durchgeführt. D. h. die Verbindungsflächen 202a, 203b der Platten 202, 203 werden von den Spitzenwerkzeug 225a der FSW-Schweißmaschine 225 so geschweißt, dass sie sich entlang dem gesamten Umfang der Fluidkanalnut 208 erstrecken.
Die Plattenzuführvorrichtung 231, die Nutenbearbeitungsvorrichtung 232, die FSW-Schweißmaschine 225 und die Plattenzuführvorrichtung 234 sind geeignet, von Steuerpaneln gesteuert zu werden, d. h. einem Plattenzuführvorrichtungs-Steuerpanel 242, einem Nutenbearbeitungsvorrichtungs-Steuerpanel 243, einem FSW-Schweißmaschinen-Steuerpanel 247 sowie einem Plattenzuführvorrichtungs-Steuerpanel 246 gemäß Befehlen von einem zentralen Steuerpanel 248. D. h. diese Steuerpanel 242, 243, 247 und 246 führen eine Bearbeitung der Platte 202 oder der Platte 203 sowie eine Nachführsteuerung für die Position durch Befehle von dem zentralen Steuerpanel 248 basierend auf der Bearbeitungs-Bezugsfläche 235 oder dem Bearbeitungs-Bezugspunkt 236 oder der Bearbeitungs-Bezugsfläche 235 und dem Bearbeitungs-Bezugspunkt 236, die in der Platte 202 vorgesehen sind, durch, oder aber basierend auf der Bearbeitungs-Bezugsfläche 237 oder dem Bearbeitungs-Bezugspunkt 238 oder der Bearbeitungs-Bezugsfläche 237 und dem Bearbeitungs-Bezugspunkt 238, die in der Platte 203 vorgesehen sind.
Gemäß der Fertigungsstraße der vorliegenden Ausführungsform kann eine kohärente Bearbeitung der Platten 202, 203, welche die integrierte Leitungsplatte 201 bilden, auf einfache Weise durchgeführt werden, womit zu der Kostensenkung der Anlage beigetragen wird. Ferner macht die Anwendung der FSW-Schweißmaschine 225 die Bearbeitung der Nut als Schweißnut überflüssig, und somit kann eine weitere Kostensenkung erreicht werden.
Das Bearbeitungsverfahren (Verbindungsverfahren) der vorliegenden Erfindung ist nicht notwendigerweise auf die Verbindung der zwei Platten 202 und 203 beschränkt, sondern ist auch auf die Verbindung von drei oder mehr Platten anwendbar. Um drei Platten zu verbinden, können beispielsweise die erste Platte und die zweite Platte durch das Bearbeitungsverfahren (Verbindungsverfahren) der vorliegenden Erfindung verbunden werden, und dann können die zweite Platte und die dritte Platte durch dieses verbunden werden.
Ferner kann die vorliegende Erfindung nicht nur auf die Bearbeitung der integrierten Leitungsplatte zur Verwendung in einem Brennstoffzellen-Energieerzeugungssystem angewandt werden, sondern auch auf eine Bearbeitung der integrierten Leitungsplatte zur Verwendung in verschiedenen Vorrichtungen.
14A zeigt eine Platte 302, die durch Ausbilden von Vertiefungen (nachstehend als Nuten 301 bezeichnet) von vorbestimmten Formen erzeugt wird, welche als Fluidkanäle dienen, und zwar infolge der Pressbearbeitung einer Aluminiumplatte oder einer Aluminiumlegierungsplatte.
Eine Pressbearbeitung wird durch plastisches Bearbeiten einer Metallplatte aus hochplastischem Metallmaterial unter Druck und unter Verwendung einer Gießform von beliebiger Gestalt durchgeführt. Dies ist eine Bearbeitungstechnik mit Dimensionsgenauigkeit und ausgezeichneter Massenproduktivitat. Diese Technik kann ein korrosionsbeständiges Material als einen zu bearbeitenden Gegenstand auswählen.
14B ist eine Schnittansicht längs einer Linie A1-A1 der Platte 302 in 14A.
Wie in 14B gezeigt ist, ist die Querschnittsform der Nut 301 eine rechteckige Vertiefung mit einer geeigneten Breite L2 und einer geeigneten Tiefe H2. Für eine einfache Pressbearbeitung hat eine Ecke 301a eine angemessene Rundheit R, und ein Seitenwandabschnitt 301b der Nut 301 ist in angemessener Weise geneigt.
Um die Srömungsgeschwindigkeit eines Fluids, das durch die Nut 301 strömt, auf einem vorbestimmten Wert zu halten, ist es notwendig, die Schnittfläche der Nut 301 entsprechend jeder Nut 301 zu variieren. Hierbei ist es von Vorteil hinsichtlich der Montage, die Tiefe H2 der Nut 301 konstant zu halten und ihre Breite L2, wenn nötig, zu variieren, wodurch eine vorbestimmte Querschnittsfläche sichergestellt wird.
Da eine Ecke 301c am Boden der Nut 301 eine geeignete Rundheit R aufweist, ist es möglich, den Unterschied der Strömungsgeschwindigkeit zwischen der Mitte des Fluids und der Peripherie des Fluids in Kontakt mit der Ecke 301c der Nut 301 zu minimieren, womit eine Stagnation des Fluids gemindert wird.
14C ist eine Schnittansicht längs einer Linie A1-A1 der Platte 302 in 14A, die ein anderes Beispiel darstellt. Wie in 14C gezeigt ist, ist die Querschnittsform der Nut 301 eine bogenförmige Nut, bei der der Boden der Nut einen angemessenen Radius R1 aufweist.
Die Merkmale und Funktionen dieser bogenförmigen Nut sind die gleichen wie die der rechteckigen Nut 301, wie in 14B erläutert wurde. Für eine einfache Pressbearbeitung hat eine Ecke 301d der bogenförmigen Nut eine angemessene Rundheit R, und die Querschnittsfläche der Nut 301 wird entsprechend jeder Nut 301 so variiert, dass die Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids, das durch die Nut 301 strömt, auf einem vorbestimmten Wert gehalten wird.
Da die Nut 301 eine bogenförmige Nut mit dem Radius R1 am Boden ist, ist es möglich, den Unterschied der Strömungsgeschwindigkeit zwischen der Mitte des Fluids und der Peripherie des Fluids in Kontakt mit der Nut 301 zu minimieren, womit eine Stagnation des Fluids gemindert wird.
Die 14A, 14B und 14C zeigen durch die Pressbearbeitung hergestellte Beispiele. Das Herstellungsverfahren für die Platte 302 mit den Nuten für Fluidkanäle ist jedoch nicht auf eine Pressbearbeitung beschränkt, sondern kann eine Formgebung durch Präzisionsgießen sein. Dieses Bearbeitungsverfahren kann einen Guß mit Gleichmäßigkeit des Materials und hoher Maßgenauigkeit erstellen, d. h. eine Platte mit Nuten für Fluidkanäle, durch Formen in einer Gießform und Gießen einer beliebigen Legierung oder dgl. in die Gießform. Bei dem Präzisionsgießen kann ein anderes Material als ein hochplastisches Material wie z. B. Aluminium im Gegensatz zur Pressbearbeitung als Material für die Platte gewählt werden, und wie bei der Pressbearbeitung kann auch ein korrosionsbeständiges Material gewählt werden. Ferner kann eine Platte mit komplizierter Form mittels einer Gießform gebildet werden, und ihre Oberfläche kann wie bei der Pressbearbeitung geglättet werden. Somit ist es möglich, Nuten auszubilden, ohne einen übermäßigen Widerstand (Konduktanz) in den Nuten für die Strömung von Fluiden zu verstärken. Auch gemäß diesem Verfahren können Nuten wie in den 14B und 14C ausgebildet werden.
Eine Schweißung der Platten wird durch Legen der Platte 303 mit darin eingebrachten Verbindungslöchern 311 auf die Platte 302 mit darin ausgebildeten Fluidkanalnuten 301 durchgeführt, wobei die Bearbeitungsnuten für Schweißnuten in der Platte 303 in angemessenen Abständen von den Fluidkanalnuten 301 sind, so dass sie sich entlang dem gesamten Umfängen der Fluidkanalnuten 301 erstrecken, und dann werden die Nuten als Schweißnuten durch elektromagnetisches kraftgesteuertes Hybridschweißen oder dgl. geschweißt, wobei die Platten mit starkem Druck festgehalten werden. Im Ergebnis werden die Platten geschweißt, und die durch die Fluidkanalnuten strömenden Fluide können zuverlässig an den Stellen der Nuten als Schweißnuten abgedichtet werden. Das Schweißverfahren für die Nuten als Schweißnuten kann ein MIG-Schweißen, ein TIG-Schweißen oder ein anderes Schweißverfahren sein.
15A, 15B und 15C zeigen ein weiteres Beispiel des Verbindungsverfahrens für eine integrierte Leitungsplatte gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein Verfahren zum Verbinden einer Platte 302 und einer Platte 303 durch Reibungsbewegungsschweißen, um sie zu integrieren, wird nachstehend dargestellt.
Wie schon erwähnt wurde, ist das Reibungsbewegungsschweißen (FSW-Verfahren) ein Schweißverfahren, das durch die japanische Patentnummer 2792233 usw. öffentlich bekannt gemacht wurde. Das FSW-Verfahren verwendet ein Material, das härter ist als ein zu verbindendes Basismaterial, als Sonde (Spitzenwerkzeug 308a in 15B), drückt die Sonde gegen das zu verbindende Basismaterial, und bewegt die Sonde periodisch in Kreisbewegungen etc. relativ zu dem Basismaterial, um Reibungswärme zu erzeugen. Im Ergebnis wird das Basismaterial geschmolzen, um einen plastischen Bereich zu bilden. Der plastische Bereich wird geschmolzen und zusammen mit einem anderen zu verbindenden Basismaterial verfestigt, wodurch die beiden Basismaterialien verschweißt werden.
Das FSW-Verfahren kann im Gegensatz zu anderen Schweißverfahren Basismaterialien verschweißen, ohne notwendigerweise eine Nut als Schweißnut beim Schweißen zu erfordern. Somit ist das FSW-Verfahren für einen effizienten maschinellen Bearbeitungsvorgang geeignet. Die mit dem FSW-Verfahren verbundene Vorrichtung erfordert keine große Eingangsenergie, ist aber in der Lage mit hoher Effizienz zu schweißen. Somit ist dieses Verfahren wirtschaftlich und kann zu einer Kostensenkung beitragen. Das Verfahren ist auch einfach zu steuern und hat eine hohe Positionsgenauigkeit, so dass es für Automatisierung und Massenproduktion geeignet ist.
Gemäß dem FSW-Verfahren, wie es in 15A und 15B gezeigt ist, wird die Platte 303 mit darin eingebrachten Verbindungslöchern 311 auf die Platte 302 mit einer darin eingearbeiteten Nut 301 gelegt. Dann wird gemäß 15C die Umgebung der Nut 301 der Platte 302 an einer Position geschweißt, die um einen geeigneten Abstand f getrennt ist, so dass sie sich entlang dem gesamten Umfang der Nut 301 erstreckt, um den Schweißvorgang durchzuführen.
Konkret ausgedrückt wird ein Spitzenwerkzeug 308a einer Schweißmaschine 308 für das FSW-Verfahren an einem Startpunkt eingestellt, an dem der Schweißvorgang startet. Beginnend an diesem Punkt wird das Spitzenwerkzeug 308a gedreht, um Reibungshitze zu erzeugen und die Platte 303 zu schmelzen. Während dieses Arbeitsgangs wird das Spitzenwerkzeug 308a unter Druck bis zu einer vorbestimmten Tiefe eingeführt. Eine Schmelzzone der Platte 303 erfährt ein Schmelzen und Verfestigen zusammen mit der Platte 302, wodurch die Platte 302 und die Platte 303 miteinander verschweißt und integriert werden.
In 15A zeigt ein durch Pfeile bei (1) dargestellter Bereich einen Abschnitt der Platte 303, der durch das FSW-Schweißen integriert wurde, und ein durch Pfeile bei (2) angegebener Bereich zeigt einen Abschnitt der Platte 303, bevor sie durch Schweißen integriert wurde. (3) zeigt einen Abschnitt der Platten 302 und 303, die infolge des FSW-Verfahrens verschmelzen und sich verfestigen.
Wie in 16C gezeigt ist und später zu beschreiben ist, kann die Verbindung durch das auf die Platte 302 angewandte FSW-Verfahren hergestellt werden.
16A, 16B, 16C und 16D zeigen ein Beispiel einer integrierten Leitungsplatte gemäß der vorliegenden Erfindung.
16A zeigt eine Seitenansicht einer integrierten Leitungsplatte 304, die eine durch FSW-Schweißen verbundene Platte 302 und 303 umfaßt. Ein Bügel eines Instruments 305 und eine Komponente 305a, die sich selbst auf der Platte 303 befindet, werden durch Gewindestifte 306 befestigt, die in die Platte 303 eingesetzt sind, und Muttern 307 über Dichtungsmaterialien 310 wie z. B. O-Ringe. Das Instrument 305 und die Komponente 305a, die an der Platte 303 befestigt sind, kommunizieren miteinander über eine Nut 301 mit einer geeigneten Querschnittsfläche durch Verbindungslöcher 311, womit sie in der Lage sind, ein Hochtemperatur-, Hochdruckfluid strömen zu lassen.
16B zeigt die Verbindung durch FSW-Schweißen an der Platte 302 ausgehend von der Platte 303, während 16C die Verbindung durch FSW-Schweißen an der Platte 303 ausgehend von der Platte 302 zeigt. Das FSW-Schweißen erfordert keine Nut als Schweißnut ausgehend von der Platte 302, wobei dieses Beispiel nicht von der vorliegenden Erfindung abgedeckt ist. Da das FSW-Schweißen keine Nut als Schweißnut erfordert, ist der Freiheitsgrad bei der Bearbeitung hoch, wie in diesen Zeichnungen dargestellt ist. 16D zeigt in einer Draufsicht, dass das Instrument 305 und die Komponente 305a durch die Nut 301 über die Verbindungslöcher 311 verbunden sind.
17A und 17B zeigen ein Beispiel einer integrierten Leitungsplatte in einer dreidimensionalen Konfiguration.
17A ist eine Seitenansicht eines Beispiels der integrierten Leitungsplatte gemäß der vorliegenden Erfindung, die zu einer dreidimensionalen Konfiguration ausgebildet ist. Zwei integrierte Leitungsplatten 304 und 304' sind aneinander in einer vertikal gegenüberliegenden Weise angebracht, und Endabschnitte der Platten 302 und 302' sind durch Bolzen 312 und Muttern 313 über Dichtungsmaterialien abgedichtet, um die dreidimensionale integrierte Leitungsplatte zu bilden. Die integrierten Leitungsplatten sind nicht nur in einer vertikal gegenüberliegenden Weise wie bei der vorliegenden Struktur dreidimensional ausgestaltet, sondern die integrierten Leitungsplatten können beispielsweise auch in einer senkrechten Beziehung angebracht sein, um die dreidimensionale integrierte Leitungsplatte zu bilden. Dadurch kann der Raum ohne Verschwendung genutzt werden, was in einer sehr kompakten Konfiguration resultiert. Ferner wird ein Kältemittel wie Luft durch einen Raum Q geschickt, der durch die Platten 302 und 302' der oberen und unteren integrierten Leitungsplatten 304 und 304' gebildet wird, wodurch ein durch eine Nut 301 strömendes Hochtemperaturfluid gekühlt werden kann. In diesem Fall haben die Platten 302, 302' keinen Überschussabschnitt, der als Wärmespeicherabschnitt wirkt, da die Platten 302, 302' durch Pressbearbeitung oder Präzisionsgießen geformt werden. Außerdem ist der Oberflächenbereich für das Kältemittel so breit, dass eine Kühlung mit hohem Wirkungsgrad stattfinden kann.
Ein Verbinden der gegenüberliegenden Platten 302 und 302' der integrierten Leitungsplatten 304 und 304' kann durch das FSW-Verfahren gemäß 17 sowie durch Anwendung der Bolzen 312 und der Muttern 313 erfolgen.
Als nächstes wird ein Brennstoffzellen-Energieerzeugungssystem als Beispiel einer Anwendung der integrierten Leitungsplatte zur Verwendung in einer feststehenden Einheit mit Leitung und Verdrahtung in eine Vorrichtung sowie eine transportable integrierte Einheit beschrieben.
18 zeigt ein Beispiel eines Systemdiagramms eines gewöhnlichen Brennstoffzellen-Energieerzeugungssystems. Wie in 18 gezeigt ist, wird ein flüssiger Brennstoff 441a wie Methanol durch einen Vergaser 442 unter Verwendung von Abwärme oder dgl. eines Reformers 449 verdampft und von einem Wärmetauscher 443 erhitzt. Dann wird der Dampf in eine Entschwefelungsvorrichtung 444 zusammen mit einem Teil eines mit Wasserstoff angereichterten Gases von einem CO-Konverter 446 eingeleitet, damit sein Schwefelgehalt entfernt wird. Ein gasförmiger Brennstoff 441b wie Erdgas umgeht andererseits den Vergaser 442 und wird direkt dem Wärmetauscher 443 zugeführt. Falls ein Brennstoff mit niedrigem Schwefelgehalt verwendet wird, kann die Entschwefelungsvorrichtung 444 entfallen.
Das Brennstoffgas, das entschwefelt worden ist, wird von einem Wärmetauscher 448 zusammen mit von einem Dampfseparator 445 erzeugtem Dampf 447 erwärmt und dann dem Reformer 449 zugeführt. In dem Reformer 449 wird das Brennstoffgas reformiet, um ein mit Wasserstoff angereichertes reformiertes Gas zu erzeugen. Das reformierte Gas von dem Reformer 449 wird durch einen Wärmetauscher 450 gekühlt, und dann wird Kohlenmonoxid in dem reformierten Gas zu Kohlendioxid im CO-Konverter 446 umgewandelt.
Das reformierte Gas aus dem CO-Konverter 446 wird weiter durch einen Wärmetauscher 451 gekühlt und dann in einen Kondensator 452 eingeleitet, in dem Dampf, der keine Reaktion erfahren hat, durch Kondensation entfernt wird. Das Kondensat, das vom Kondensator 452 getrennt wurde, wird dem Dampfseparator 445 geschickt und wieder als Dampf 447 in den Reformer 449 eingespeist. Das aus dem Kondensator 452 abgehende reformierte Gas wird von einem Wärmetauscher 453 erwärmt und dann einem Brennstoffzellenkörper 454 zugeführt, in dem Wasserstoff in dem reformierten Gas für eine Zellreaktion genutzt wird.
Luft 458, die als Oxidationsmittel zugeführt wird, wird in einem Wärmetauscher 459 erwärmt und in den Brennstoffzellenkörper 454 eingeleitet, in dem Sauerstoff in der Luft 458 bei der Zellreaktion verwendet wird.
Ein Abgas von dem Brennstoffzellenkörper 454 wird in einem Wärmetauscher 460 erwärmt und in einen Kondensator 461 verbracht, in dem bei der Kondensation gebildetes Wasser entfernt wird und aus dem System ausgetragen wird. Das resultierende Wasser wird auch dem Dampfseparator 445 zugeführt, in dem es als Dampf 447 verwendet wird. Da die Zellreaktion in dem Brennstoffzellenkörper 454 eine exotherme Reaktion ist, werden der Brennstoffzellenkörper 454 und periphere Geräte allgemein mit einer Kühlvorrichtung 462 versehen, die Wasser oder Luft als Kältemittel einsetzt.
Ein weiteres Abgas, das Wasserstoff, der nicht reagiert hat, von dem Brennstoffzellenkörper 454 enthält, durchströmt eine Aufteilmaschine 442 und wird zusammen mit Außenluft 468 als Heizbrennstoff 467 für den Reformer 449 verwendet, der eine endotherme Reaktion durchführt. Das restliche Abgas wird mit einem Brenner 473 behandelt und dann ausgetragen. Falls der Heizbrennstoff 467 zu diesem Zeitpunkt nicht ausreicht, wird ein Teil eines Auslassgases von der Entschwefelungsvorrichtung 444 als Hilfsbrennstoff 476 verwendet. Ein Verbrennungsabgas von dem Reformer 449 wird teilweise als Wärmequelle für den Vergaser 442 verwendet. Der Rest wird in einem Wärmetauscher 474 gekühlt, dann einem Kondensator 475 zugeführt und nach Lostrennung des sich ergebenden Wassers in die Atmosphäre abgeführt. Das resultierende Wasser wird zu dem Dampfseparator 445 zurückgeführt.
Als nächstes wird umrissartig eine Steuerung in dem Brennstoffzellen-Energieerzeugungssystem beschrieben. Zunächst wird die Strömungsrate des reformierten Gases, welches dem Brennstoffzellenkörper 454 zuzuführen ist, durch Erfassen eines Laststroms zu einer Last 466 durch ein Amperemeter I gesteuert, das seine Signale an eine Steuervorrichtung 469 sendet, und durch Öffnen oder Schließen eines Strömungssteuerventils 470a oder 470b basierend auf Signalen von der Steuervorrichtung 469. Die für das Reformieren des Brennstoffgases notwendige Zufuhrmenge von Dampf 447 wird durch Erfassen der Strömungsrate des Brennstoffgases durch einen in den Strömungsmesser 477 gesteuert, und durch Öffnen oder Schließen eines Dampfströmungs-Steuerventils 471 auf der Basis von Signalen von der Steuervorrichtung 469. Die Temperatur in dem Reformer 449 wird konstant durch einen Temperatursensor T überwacht und durch Strömungssteuerventile 470a, 470b für Brennstoffe 441a, 441b gesteuert.
Wie oben beschrieben wurde, sind in dem Brennstoffzellen-Energieerzeugungssystem verschiedene Instrumente, Komponenten, Verdrahtungen und Steuerinstrumente angeordnet. Große Leitungen und kleine Leitungen sind in komplizierter Weise vorgesehen, so dass Fluide oder Gase mit verschiedenen Eigenschaften, Temperaturen und Drücken unter diesen Vorrichtungen strömen. Insbesondere bei einem transportablen, integrierten System zum Laden auf ein Fahrzeug sind Anstrengungen unternommen worden, zahlreiche Instrumente und Rohrleitungen mit hoher Dichte in einem engen Raum zur Platzeinsparung anzuordnen. Die integrierte Leitungsplatte wird als Mittel für diesen Zweck eingesetzt. Bei Brennstoffzuführeinrichtungen des Brennstoffzellen-Energieerzeugungssystems gemäß 49 ist eine Rohrleitung zur Brennstoffzufuhr die Nut 301 in der Platte 302, und die Strömungssteuerventile 470a, 470b sowie der Strömungsmesser 477 für eine Strömungsratensteuerung sind an der Platte 303 angeordnet. Diese Maßnahmen können eine integrierte Leitungsplatte zum Steuern der Strömungsrate von durch die Nut 301 strömenden Brennstoff ergeben.
In den obigen Beispielen ist das Brennstoffzellen-Energieerzeugungssystem veranschaulicht worden. Die vorliegende Erfindung kann aber nicht nur auf eine integrierte Leitungsplatte zur Verwendung in dem Brennstoffzellen-Energieerzeugungssystem eingesetzt werden, sondern auch als integrierte Leitungsplatte zur Verwendung in verschiedenen (anderen) Vorrichtungen.
Industrielle Anwendbarkeit
Diese Erfindung kann auf eine integrierte Leitungsplatte zur Verwendung in verschiedenartigen Vorrichtungen wie z. B. einem Brennstoffzellen-Energieerzeugungssystem angewandt werden.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer integrierten Rohrleitungsplatte (304; 302) mit den folgenden Schritten: Ausbilden von Rillen bzw. Nuten (208; 301), die als Kanäle für Fluide dienen, in einer ersten Platte (202; 302) durch Pressbearbeiten oder durch Präzisionsgießen oder durch maschinelles Bearbeiten, Ausbilden von Verbindungslöchern (210; 311) in einer zweiten Platte (203; 303) und Anbringen eines Instruments (305) und einer Komponente (305a), oder des Instruments (305) oder der Komponente (305a), an der zweiten Platte (203; 303) derart, dass die Verbindungslöcher (210; 311) mit dem Instrument (305) und der Komponente (305a), oder dem Instrument (305), oder der Komponente (305a), kommunizieren, und Verbinden der ersten Platte (202; 302) und der zweiten Platte (203; 303), die so vorbereitet worden sind, durch Schweißen derart, dass das Instrument (305) und die Komponente (305a), oder das Instrument (305) oder die Komponente (305a), durch die Nuten bzw. Rillen (208; 301) und die Verbindungslöcher (210; 311) verbunden ist/sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsschritt das Übereinanderlegen der ersten und zweiten Platten (202, 203; 302, 303) umfasst, und Einsetzen eines Spitzenwerkzeugs (225a; 308a) einer Rührreib-Schweißmaschine („FSW – Friction Stir Welding") in die zweite Platte (203; 303) bis zu einer vorbestimmten Tiefe, wobei die vorbestimmte Tiefe geringer ist als die Dicke der zweiten Platte (203; 303) und größer ist als eine Länge des Spitzenwerkzeugs (225a; 308a), und zur Verbindung der Platten (202, 203; 302, 303) durch Reibungshitze geeignet ist, die erzeugt wird, wenn das Spitzenwerkzeug (225a; 308a) gedreht wird, und Bewegen des Spitzenwerkzeugs (225a; 308a), während der Außenumfang der Nuten bzw. Rillen (208; 301) nachgeführt wird, um die ersten und zweiten Platten (202, 203; 302, 303) durch Schweißen von Verbindungsflächen (202a; 203b) der Platten (202, 203; 302, 303) entlang dem gesamten Umfang der Nuten bzw. Rillen (208; 301) vereinigt werden.
Bearbeitungsverfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Durchführen einer numerischen Steuerung als Nachführmittel bei der maschinellen Bearbeitung.
Bearbeitungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, ferner mit dem Schritt des vorherigen maschinellen Einbringens eines Lochs zum Einsetzen des Spitzenwerkzeugs (225a, 308a) an einer Position eines Startpunkts des Schweißvorgangs.
Bearbeitungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner mit dem folgenden Schritt: Befestigen mehrerer erster Platten (302, 302') mit den Nuten bzw. Rillen (301), welche als die Kanäle für die Fluide dienen, und die darin so eingearbeitet sind, dass sie einander gegenüberliegen, und Abdichten von Umfängen der ersten Platten (302, 302') in Kontakt miteinander, um eine dreidimensionalen Konfiguration zu bilden.
Bearbeitungsverfahren nach Anspruch 4, wobei die mehreren ersten Platten (302, 302'), in die die Nuten bzw. Rillen (301), die als die Kanäle für die Fluide dienen, eingearbeitet sind, in Kontakt miteinander gebracht werden, so dass ein Zwischenraumabschnitt geschaffen wird, der dazu vorgesehen ist, als Kanal für das Durchströmen eines Kältemittels verwendet zu werden.
Bearbeitungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Instrument (305) und die Komponente (305a) ein Brennstoffzellen-Energieerzeugungssystem bilden.
Vorrichtung zum Herstellen einer integrierten Rohrleitungsplatte, wobei die integrierte Rohrleitungsplatte eine erste und eine zweite Platte (202, 203; 302, 303) umfasst, die erste Platte (202; 302) Nuten bzw. Rillen (208; 301) hat, die als darin ausgebildete Kanäle für Fluide dienen, und die zweite Platte (203; 303) ein Instrument (305) und eine Komponente (305a), oder das Instrument (305), oder die Komponente (305a) aufweist, die daran so angebracht ist/sind, dass Verbindungslöcher (210; 311), die in der zweiten Platte (203; 303) ausgebildet sind, mit dem Instrument (305) und der Komponente (305a), oder mit dem Instrument (305), oder mit der Komponente (305a), kommunizieren, wobei die Vorrichtung umfasst: eine Plattenzuführeinrichtung zum Übereinanderlegen der ersten und zweiten Platte (202, 203; 302, 303), wobei die Plattenzuführeinrichtungen ein Plattenzuführeinrichtungs-Steuerpanel hat, eine Rührreib-Schweißmaschine („FSW – Friction Stir Welding") zum Verbinden der ersten Platte (202; 302) und der zweiten Platte (203; 303) durch Schweißen derart, dass das Instrument (305) und die Komponente (305a), oder das Instrument (305), oder die Komponente (305a) durch die Nuten bzw. Rillen (208; 301) und die Verbindungslöcher (210; 311) verbunden ist/sind, wobei die Rührreib-Schweißmaschine ein Rührreib-Schweißmaschinen-Steuerpanel aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ferner umfaßt ein zentrales Steuerpanel, das mit jedem Einrichtungs-Steuerpanel jeder Einrichtung der Vorrichtung verbunden ist, wobei das zentrale Steuerpanel die anderen Steuerpanels steuert, um die folgenden Funktionen auszuführen: Zuführen der ersten und zweiten Platten (202, 203; 302, 303) zu der Rührreib-Schweißmaschine, um sie einander zu überlagern, Rührreibschweißen der ersten Platte an die zweite Platte durch Einsetzen eines Spitzenwerkzeugs (225a; 308a) in die zweite Platte (203; 303) bis zu einer vorbestimmten Tiefe, wobei die vorbestimmte Tiefe geringer ist als die Dicke der zweiten Platte (203; 303) und größer ist als eine Länge des Spitzenwerkzeugs (225a; 308a) und zur Verbindung der Platten (202, 203; 302, 303) durch Reibungshitze geeignet ist, die erzeugt wird, wenn das Spitzenwerkzeug (225a; 308a) gedreht wird, und Bewegen des Spitzenwerkzeugs (225a; 308a), während der Außenumfang der Nuten bzw. Rillen (208; 301) nachgeführt wird, um die ersten und zweiten Platten (202, 203; 302, 303) durch Schweißen von Verbindungsflächen (202a; 203b) der Platten (202, 203; 302, 303) entlang dem gesamten Umfang der Nuten bzw. Rillen (208; 301) zu verbinden.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Plattenzuführeinrichtung so ausgelegt ist, dass sie die Platten (202, 203; 302, 303) mit den Fluidkanalnuten (208; 301) oder Verbindungslöchern (210; 311) oder den Fluidkanalnuten (208; 301) und den Verbindungslöchern (210; 311), die darin vorab ausgebildet wurden, zuführt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, mit: maschinellen Bearbeitungsmitteln zum Formen der Nuten bzw. Rillen (208; 301), die als Kanäle für Fluide dienen, in der ersten Platte (202; 302) durch Pressbearbeiten oder durch Präzisionsgießen oder durch maschinelles Bearbeiten, und Mittel zum Ausbilden der Verbindungslöcher (210; 311) in der zweiten Platte (203; 303), Mitteln zum Anbringen des Instruments (305) und der Komponente (305a) oder des Instruments (305) oder der Komponente (305a) an der zweiten Platte (303) derart, dass die Verbindungslöcher (210; 311) mit dem Instrument (305) und der Komponente (305a) oder mit dem Instrument (305), oder mit der Komponente (305a), kommunizieren.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, ferner mit: Steuermitteln zum Durchführen einer numerischen Steuerung als Nachführmittel für die maschinelle Bearbeitung.