プラズマアーク溶接方法及びマイクロリアクタの製造方法
【課題】板材に別の板材を立てた状態で溶接するに際して、特に立てる板材の間隔が狭くとも溶接することができるプラズマアーク溶接方法及びマイクロリアクタの製造方法を提供する。
【解決手段】枠体７２３の一方の開口を底板７２２で蓋をするように枠体７２３に底板７２２を重ねることで、枠体７２３の各側壁及び隔壁７２４を立てた状態で底板７２２の一方の面に当接させる。そして、底板７２２に関して枠体７２３及び隔壁７２４の反対側で溶接トーチ７０１の先端を底板７２２の他方の面に向ける。そして、溶接トーチ７０１からプラズマアーク７１１を噴出させる。そして、溶接トーチ７０１の先端のプラズマアーク７１１で底板７２２の縁部に沿って枠体７２３及び隔壁７２４をなぞるよう、底板７２２、枠体７２３及び隔壁７２４に対して溶接トーチ７０１を相対的に移動させる。
【解決手段】枠体７２３の一方の開口を底板７２２で蓋をするように枠体７２３に底板７２２を重ねることで、枠体７２３の各側壁及び隔壁７２４を立てた状態で底板７２２の一方の面に当接させる。そして、底板７２２に関して枠体７２３及び隔壁７２４の反対側で溶接トーチ７０１の先端を底板７２２の他方の面に向ける。そして、溶接トーチ７０１からプラズマアーク７１１を噴出させる。そして、溶接トーチ７０１の先端のプラズマアーク７１１で底板７２２の縁部に沿って枠体７２３及び隔壁７２４をなぞるよう、底板７２２、枠体７２３及び隔壁７２４に対して溶接トーチ７０１を相対的に移動させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマアークを用いて被加工材の溶接を行うプラズマアーク溶接方法に関するとともに、プラズマアーク溶接方法を用いたリアクタの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は小型でもエネルギーの利用効率が高いために小型電子機器の電源としても注目されている。燃料電池に水素を供給すれば電気エネルギーが得られるが、水素はアルコール類等の液体燃料をマイクロリアクタによって改質することによって得られる。マイクロリアクタを小型電子機器に搭載するために、マイクロリアクタをより小型化する必要があり、例えば特許文献１に記載されているように、溝が形成された基板同士を接合することによって小型なマイクロリアクタが製造されている。
【０００３】
ところが、基板同士を接合したマイクロリアクタの場合、溝の容積を除いたマイクロリアクタ全体の体積が溝の容積に対して大きくなってしまうことがある。そのため、マイクロリアクタ自体の熱容量が大きくなってしまい、エネルギーの利用効率が低下してしまう。そこで、非常に薄くシート状の板材を微細加工技術により溶接し、マイクロリアクタを組み立てる試みがある。マイクロリアクタを組み立てるに際しては、図１４（ａ）に示すように薄板９０１に対して蝋材９０４を介して、外壁となる薄板９０２，内壁となる薄板９０３を並べて立てた状態で溶接している。なお、図１４では、薄板９０２，９０３の間が流路となる。
【特許文献１】特開２００５−１３２７１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
蝋材９０４は、矢印Ａのように、薄板９０１の内面９０１ａ側から蝋材９０４の融点以上に加熱されることによって溶融できるので薄板９０２，９０３を薄板９０１の内面９０１ａに溶接できる。さらにこの薄板９０１に溶接された薄板９０２，９０３を薄板９０７に溶接するためには、薄板９０７の内面９０７ａの溶接部に蝋材９０６を設けた後、蝋材９０６を加熱しなければならない。このとき、外壁となる薄板９０２は矢印Ｂに示すように薄板９０７の溶接部に当接した状態で薄板９０２のさらに外側から熱を加えることによって蝋材９０６を溶融することができる。しかし、内壁となる薄板９０３は、薄板９０７の溶接部に当接してしまうと、薄板９０２が立体障害となって薄板９０３と薄板９０７とを結着する蝋材９０６を加熱することが難しく、接合不良を起こす恐れがある。
そこで、本発明は、板材に別の複数の板材を立てた状態で溶接するに際して、立てる板材を容易に溶接することができるプラズマアーク溶接方法及びマイクロリアクタの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
以上の課題を解決するために、請求項１に係る発明は、プラズマアーク溶接方法において、板状の第１の被加工材の一方の面に板状の第２の被加工材を立てた状態で当接させ、前記第１の被加工材の前記一方の面の反対側の面にプラズマアークを噴出することで前記第１の被加工材に前記第２の被加工材を立てた状態で溶接することを特徴とする。
【０００６】
請求項１に係る発明によれば、例えば、第１の被加工材の一方の面側において第２の被加工材の近くに障害物等があったものとしても、第１の被加工材の他方の面にプラズマアークを噴出するので、第２の被加工材と第１の被加工材との当接部の近くに溶接トーチを挿入する必要がない。したがって第２の被加工材と第１の被加工材を当接する際に第２の被加工材及び第１の被加工材の少なくとも一方が立体障害になることなく容易に溶接できる。このようなプラズアーク溶接方法は、特に小型なマイクロリアクタの製造に好適である。
【０００７】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載のプラズマアーク溶接方法において、前記第２の被加工材が前記第１の被加工材に当接する箇所に沿うよう切り込みが前記第１の被加工材に形成され、前記切り込みに向けて前記プラズマアークを噴出することを特徴とする。
【０００８】
請求項２に係る発明によれば、第１の被加工材に切り込みを形成することによって溶接に必要なエネルギーを抑えられ、第１の被加工材や第２の被加工材の歪みを抑えることができる。
【０００９】
請求項３に係る発明は、請求項１に記載のプラズマアーク溶接方法において、前記第２の被加工材が前記第１の被加工材に当接する前記一方の面の箇所に沿うよう溝が前記第１の被加工材の前記反対側の面に形成され、前記溝に向けて前記プラズマアークを噴出することを特徴とする。
【００１０】
請求項４に係る発明は、請求項１又は３に記載のプラズマアーク溶接方法において、前記第２の被加工材が前記第１の被加工材に当接する箇所に沿うように溝が前記第１の被加工材の前記一方の面に形成され、前記第１の被加工材の前記反対側の面のうち前記溝に対応する箇所に向けて前記プラズマアークを噴出することを特徴とする。
【００１１】
請求項３、請求項４に係る発明によれば、第１の被加工材に溝を形成することによって溶接に必要なエネルギーを抑えられ、第１の被加工材や第２の被加工材の歪みを抑えることができる。
【００１２】
請求項５に係る発明は、請求項４に記載のプラズマアーク溶接方法において、前記溝に前記第２の被加工材を嵌め込んだ状態で前記プラズマアークを噴出することを特徴とする。
【００１３】
請求項５に係る発明によれば、溝に第２の被加工材を嵌め込むことによって第１の被加工材に第２の加工材を仮止めすることができる。
【００１４】
請求項６に係る発明は、請求項１から５の何れか一項に記載のプラズマアーク溶接方法を用いてマイクロリアクタを製造することを特徴とする。
【００１５】
請求項６に係る発明によれば、小型なマイクロリアクタを製造することができる。
【００１６】
請求項７に係る発明は、内面に隔壁が設けられた枠体の開口を板材で蓋をするよう前記枠体に前記板材を重ねる工程と、前記板材に関して前記枠体及び前記隔壁の反対側から前記板材にプラズマアークを噴出することで前記枠体及び前記隔壁を前記板材に溶接する工程と、を含むことを特徴とする。
【００１７】
請求項７に係る発明によれば、板材の一方の面に枠体を重ね、反対側から板材の他方の面にプラズマアークを噴出したので、板材に枠体及び隔壁を溶接することができる。ここで、枠体が小さかったり、枠体の内側に隔壁が設けられていたりしても、板材の他方の面にプラズマアークを噴出するので、板材と枠体の当接部の近くや枠体と隔壁の当接部の近くに溶接トーチを挿入する必要がない。そのため、小型なマイクロリアクタを簡単に製造することができる。
【００１８】
請求項８に係る発明は、請求項７に記載のマイクロリアクタの製造方法において、前記隔壁が前記板材に当接する箇所に沿うよう切り込みが前記板材に形成され、前記切り込みに向けて前記プラズマアークを噴出することで前記隔壁を前記板材に溶接することを特徴とする。
【００１９】
請求項８に係る発明によれば、板材に切り込みを形成することによって溶接に必要なエネルギーを抑えられ、板材、枠体及び隔壁の歪みを抑えることができる。
【００２０】
請求項９に係る発明は、請求項７に記載のマイクロリアクタの製造方法において、前記枠体及び前記隔壁が前記板材に当接する箇所に沿うよう溝が前記板材の前記枠体とは反対側の面に形成され、前記溝に向けて前記プラズマアークを噴出することで前記枠体及び前記隔壁を前記板材に溶接することを特徴とする。
【００２１】
請求項１０に係る発明は、請求項７又は９に記載のマイクロリアクタの製造方法において、前記枠体及び前記隔壁が前記板材に当接する箇所に沿うよう溝が前記板材の前記枠対側の面に形成され、前記板材の前記枠体とは反対側の面のうち前記溝に対応する箇所に向けて前記プラズマアークを噴出することで前記枠体及び前記隔壁を前記板材に溶接することを特徴とする。
【００２２】
請求項９、請求項１０に係る発明によれば、板材に溝を形成することによって溶接に必要なエネルギーを抑えられ、板材、枠体及び隔壁の歪みを抑えることができる。
【００２３】
請求項１１に係る発明は、請求項１０に記載のマイクロリアクタの製造方法において、前記溝に前記枠体及び前記隔壁を嵌め込んだ状態で前記プラズマアークを噴出することを特徴とする。
【００２４】
請求項１１に係る発明によれば、溝に枠体及び隔壁を嵌め込むことによって、枠体及び隔壁を板材に仮止めすることができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、第２の被加工材と第１の被加工材を当接する際に第２の被加工材及び第１の被加工材の少なくとも一方が立体障害になることなく容易に溶接でき、小型なマイクロリアクタを簡単に製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明を実施するための最良の形態として、マイクロプラズマアーク溶接方法を用いてマイクロリアクタを製造する方法について説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。
【００２７】
まず、溶接装置について図１を用いて説明する。図１は、溶接トーチ７０１の要部断面等を示した概略図である。
図１に示すように、溶接トーチ７０１は、タングステン製の陰極バー７０２と、陰極バー７０２から外側に所定間隔をあけて陰極バー７０２と同軸に配置された筒状の陽極ノズル７０３と、陽極ノズル７０３から外側に所定間隔をあけて陰極バー７０２と同軸に配置された筒状の拘束ノズル７０４とを備える。陽極ノズル７０３の先端には陰極バー７０２の先端位置に対応した開口部７１２が設けられており、拘束ノズル７０４の先端には開口部７１２の位置に対応し且つ開口部７１２の周囲を囲むように開口部７１３が設けられている。陽極ノズル７０３はその先端が絞られた形状とされ、拘束ノズル７０４もその先端が絞られた形状とされ、陰極バー７０２、陽極ノズル７０３及び拘束ノズル７０４の先端が被加工材７１０に指向している。
【００２８】
陰極バー７０２と陽極ノズル７０３との間の通路７０５にはプラズマガス供給装置が接続され、プラズマガス（例えば、Ａｒ）が通路７０５に供給され、プラズマガスは後述するようにイオン化されたプラズマの状態となってから、開口部７１２からプラズマアーク７１１として放電される。プラズマアーク７１１の径は、開口部７１２の内径等によって設定することができ、溶接される枠体７２３や隔壁７２４の厚さ程度であることが好ましい。陽極ノズル７０３と拘束ノズル７０４との間の通路７０６にはシールドガス供給装置が接続され、シールドガス（例えば、ＡｒとＨ2の混合気）が通路７０６に供給され、シールドガスは、放出されたプラズマアーク７１１が大気と接することを防止するために、プラズマアーク７１１の周囲を囲みながら開口部７１３から放出される。
【００２９】
被加工材７１０と陰極バー７０２との間にメイン電源７０７が接続され、陰極バー７０２と陽極ノズル７０３との間には低電流のパイロットアーク電源７０８が接続されている。
【００３０】
この溶接トーチ７０１においては、プラズマガス供給装置によって通路７０５にプラズマガスを送り込み、パイロットアーク電源７０８を作動させると、陰極バー７０２と陽極ノズル７０３との間にパイロットアークが発生する。そして、メイン電源７０７を作動させ、陽極ノズル７０３を水冷し、同時にシールドガス供給装置によってシールドガスを通路７０６に供給すると、収束された高温・高密度なプラズマアーク７１１が陰極バー７０２と被加工材７１０との間に発生する。プラズマアーク７１１の温度は、被加工材７１０の融点よりも高く、１００００℃〜２００００℃程度になる。
【００３１】
マイクロリアクタの材料について図２を用いて説明する。図２は、マイクロリアクタの分解斜視図である。
図２に示すように、マイクロリアクタの材料として、矩形薄板状の天板７２１及び底板７２２と、上面及び下面が開口した矩形枠状の枠体７２３とを用いる。枠体７２３の内側においては、四つの側壁のうち２つの側壁の内面に薄板状の隔壁７２４が設けられ、枠体７２３の内側が隔壁７２４によって葛折り状の流路７２５に仕切られている。隔壁７２４の高さは周囲の枠体７２３の高さにほぼ等しい。天板７２１、底板７２２、枠体７２３、隔壁７２４は何れも、流路７２５内を流れる物質に対して化学反応を引き起こしにくいステンレス鋼（SUS304）等の金属材料からなる。なお、天板７２１、底板７２２が第１の被加工材であり、枠体７２３の各側壁や隔壁７２４が第２の被加工材である。
【００３２】
マイクロリアクタの製造方法について図３を用いて説明する。図３はマイクロリアクタの製造工程を順に示した断面図である。
【００３３】
まず、天板７２１及び底板７２２の両面を研磨する。次に、直方体状の金属塊に型彫り放電加工によって流路７２５を形成することで、隔壁７２４及び枠体７２３を工作する。なお、天板７２１、底板７２２、隔壁７２４、枠体７２３の各側壁の肉厚は０．１〜０．２ｍｍとすると、マイクロリアクタの熱容量が少なくなり、エネルギーの利用効率の高いマイクロリアクタを提供することができる。
【００３４】
図３（ａ）に示すように、枠体７２３の一方の開口を底板７２２で蓋をするように枠体７２３に底板７２２を重ねることで、枠体７２３の各側壁及び隔壁７２４を立てた状態で底板７２２の一方の面７２２ｄに当接させる。そして、底板７２２が図１の被加工材７１０となるように、底板７２２にメイン電源７０７を接続し、底板７２２に関して枠体７２３及び隔壁７２４の反対側で溶接トーチ７０１の先端を底板７２２の他方の面７２２ｅに向ける。そして、溶接トーチ７０１からプラズマアーク７１１を噴出させる。プラズマアーク７１１の放出方向は、底板７２２の他方の面７２２ｅに対して垂直方向に設定されている。そして、溶接トーチ７０１の先端のプラズマアーク７１１で底板７２２の縁部に沿って枠体７２３をなぞるよう、底板７２２、枠体７２３及び隔壁７２４に対して溶接トーチ７０１を相対的に移動させ、底板７２２の他方の面７２２ｅになぞられた部分は溶融される。溶融された部分はその後大気で冷却されて固化し、この際に枠体７２３を固着して、枠体７２３の各側壁を立てた状態で底板７２２に溶接する。このとき、枠体７２３において、底板７２２に当接している部分も一部溶融していてもよい。なお、底板７２２と枠体７２３との溶接箇所には、蝋材が介在されていてもよく、その場合、蝋材は底板７２２及び枠体７２３よりも融点が低い方が迅速に溶解するので底板７２２及び枠体７２３を加熱し過ぎなくて済み、底板７２２等の歪みを抑えることができる。蝋材を用いる場合は底板７２２及び枠体７２３を必ずしも溶融する必要はない。
【００３５】
次に、図３（ｂ）に示すように底板７２２に板状のジグ７３０を重ねる。ジグ７３０は、セラミック等のように融点が底板７２２の融点よりも高く、また溶融した底板７２２が張り付きにくい材料で形成されていることが好ましい。ここで、ジグ７３０には、隔壁７２４に対応した切り込み７３１が形成され、ジグ７３０を底板７２２に重ねると、ジグ７３０の切り込み７３１で露出されている底板７２２の一方の面７２２ｄの所定部分の裏面側に隔壁７２４が重なる。そして、溶接トーチ７０１から底板７２２の他方の面にプラズマアーク７１１を噴出した状態で、溶接トーチ７０１の先端のプラズマアーク７１１で切り込み７３１に沿って切り込み７３１をなぞるよう、底板７２２、枠体７２３及び隔壁７２４に対して溶接トーチ７０１を相対的に移動させる。プラズマアーク７１１の放出方向は、底板７２２の他方の面７２２ｅに対して垂直方向に設定されている。これにより、隔壁７２４を底板７２２に立てた状態で底板７２２に溶接する。このとき、隔壁７２４において、底板７２２に当接している部分も一部溶融していてもよい。このようなジグ７３０を用いることで、溶接箇所が切り込み７３１によって分かり、更にプラズマアーク７１１で加熱された溶接箇所の周囲の熱が、底板７２２に接しているジグ７３０に伝わって拡散するので、底板７２２のジグ７３０に接している部分の溶融を抑え、溶接箇所を局所的に加熱することができる。溶接箇所を局所的に加熱することで、底板７２２等の歪みを抑えることができる。なお、底板７２２と隔壁７２４との溶接箇所には、蝋材が介在されていてもよく、その場合、蝋材は底板７２２及び隔壁７２４よりも融点が低い方が迅速に溶解するので底板７２２及び隔壁７２４を加熱し過ぎなくて済み、底板７２２等の歪みを抑えることができる。蝋材を用いる場合は底板７２２及び隔壁７２４を必ずしも溶融する必要はない。
【００３６】
次に、図３（ｃ）に示すように、枠体７２３の他方の開口を枠体７２３の一方の開口を天板７２１で蓋をするように枠体７２３に天板７２１を重ね、枠体７２３の各側壁及び隔壁７２４を立てた状態で天板７２１の一方の面７２１ｄに当接させる。そして、枠体７２３に底板７２２を接合するのと同様に、溶接トーチ７０１が天板７２１の外側の面７２１ｅに向けてプラズマアーク７１１を放出する。天板７２１は、プラズマアーク７１１によって面７２１ｅと反対側の面７２１ｄまで加熱されて、枠体７２３と天板７２１との当接部が溶融されることによって天板７２１の縁部に枠体７２３に溶接する。このとき、プラズマアーク７１１の放出方向は、天板７２１の外面７２１ｅに対して垂直方向に設定されている。また枠体７２３において、天板７２１に当接している部分も一部溶融していてもよい。なお、天板７２１と枠体７２３との溶接箇所には、蝋材が介在されていてもよく、その場合、蝋材は天板７２１及び枠体７２３よりも融点が低い方が迅速に溶解するので天板７２１及び枠体７２３を加熱し過ぎなくて済み、天板７２１等の歪みを抑えることができる。蝋材を用いる場合は天板７２１及び枠体７２３を必ずしも溶融する必要はない。
このように、接合面７２１ｄと反対側の面７２１ｅにプラズマアーク７１１を放出させるので、従来、図１４に示すような斜めから加熱するのに比べて、当接部に均等に熱を加えることができ、良好に接合することができる。
そして、更にジグ７３０を配置後、溶接トーチ７０１が天板７２１の外側の面７２１ｅに向けてプラズマアーク７１１を放出することによってプラズマアーク７１１が放出された面７２１ｅと反対側の面７２１ｄにおいて隔壁７２４を天板７２１に溶接する（図３（ｄ））。このとき、プラズマアーク７１１の放出方向は、天板７２１の外面７２１ｅに対して垂直方向に設定されている。また隔壁７２４において、天板７２１に当接している部分も一部溶融していてもよい。なお、天板７２１と隔壁７２４との溶接箇所には、蝋材が介在されていてもよく、その場合、蝋材は天板７２１及び隔壁７２４よりも融点が低い方が迅速に溶解するので天板７２１及び隔壁７２４を加熱し過ぎなくて済み、天板７２１等の歪みを抑えることができる。蝋材を用いる場合は天板７２１及び隔壁７２４を必ずしも溶融する必要はない。
このように、接合面７２１ｄと反対側の面７２１ｅにプラズマアーク７１１を放出させるので、従来、図１４に示すような斜めから加熱するのに比べて、当接部に均等に熱を加えることができ、良好に接合することができる。特にマイクロリアクタのように、隔壁７２４同士の間隔や枠体７２３と隔壁７２４との間隔が狭くても容易に接合することができる。
【００３７】
以上のように天板７２１及び底板７２２を溶接する前又は後に、流路７２５を形成した内面全体（天板７２１の内面７２１ｄ、底板７２２の内面７２２ｄ、枠体７２３の内面７２３ａ及び隔壁７２４の両側面７２４ａ）に触媒を担持させ、天板７２１、底板７２２、枠体７２３の外面に電熱線をパターニングする。触媒を担持する際には、酸化アルミ等の多孔質の担持体を予め流路７２５の内面全体に形成後、担持体に触媒させる。
【００３８】
完成したマイクロリアクタにおいては、反応物が流路７２５に送り込まれて流路７２５を流動している際に、反応物が反応する。ここでの「反応」とは、「化学反応」のみならず、熱エネルギーを受けることによる気化、液化といった「状態変化」も含む意である。反応物を状態変化させる場合にマイクロリアクタを用いる場合には、流路７２５には触媒を担持させない方が良い。
【００３９】
なお、図４に示すように、溶接の前に、ワイヤー放電等によって隔壁７２４に沿う切り込み７２２ａを底板７２２に形成し、図５に示すように底板７２２を溶接する際には、隔壁７２４に切り込み７２２ａを重ね合わせ、枠体７２３に底板７２２の周縁を重ね合わせ、溶接トーチ７０１が底板７２２の外側の面７２２ｅに向けてプラズマアーク７１１を放出する。底板７２２、枠体７２３及び隔壁７２４は直接プラズマアーク７１１が接触して加熱されて、枠体７２３と底板７２２との当接部及び隔壁７２４と底板７２２との当接部が溶融されることによって底板７２２の縁部に枠体７２３に溶接し、底板７２２の切り込み７２２ａの周縁に隔壁７２４に溶接する。なお、底板７２２と枠体７２３との溶接箇所及び底板７２２と隔壁７２４との溶接箇所には、蝋材が介在されていてもよく、その場合、蝋材は底板７２２、枠体７２３及び隔壁７２４よりも融点が低い方が迅速に溶解するので底板７２２、枠体７２３及び隔壁７２４を加熱し過ぎなくて済み、底板７２２、枠体７２３及び隔壁７２４の歪みを抑えることができる。蝋材を用いる場合は底板７２２、枠体７２３、及び隔壁７２４を必ずしも溶融する必要はない。溶接トーチ７０１の先端のプラズマアーク７１１で切り込み７２２ａに沿って切り込み７２２ａをなぞるよう、底板７２２、枠体７２３及び隔壁７２４に対して溶接トーチ７０１を相対的に移動させることとしても良い。プラズマアーク７１１の放出方向は、底板７２２に対して垂直方向に設定されている。
【００４０】
同様に、溶接の前に隔壁７２４に沿う切り込み７２１ａを天板７２１に形成し、天板７２１を溶接する際には隔壁７２４に切り込み７２１ａを重ね合わせ、枠体７２３に天板７２１の周縁を重ね合わせて、溶接トーチ７０１が天板７２１の外側の面７２１ｅに向けてプラズマアーク７１１を放出する。天板７２１、枠体７２３及び隔壁７２４は直接プラズマアーク７１１が接触して加熱されて、枠体７２３と天板７２１との当接部及び隔壁７２４と天板７２１との当接部が溶融されることによって天板７２１の縁部に枠体７２３に溶接し、天板７２１の切り込み７２１ａの周縁に隔壁７２４に溶接する。なお、天板７２１と枠体７２３との溶接箇所及び天板７２１と隔壁７２４との溶接箇所には、蝋材が介在されていてもよく、その場合、蝋材は天板７２１、枠体７２３及び隔壁７２４よりも融点が低い方が迅速に溶解するので天板７２１、枠体７２３及び隔壁７２４を加熱し過ぎなくて済み、天板７２１、枠体７２３及び隔壁７２４の歪みを抑えることができる。蝋材を用いる場合は天板７２１、枠体７２３、及び隔壁７２４を必ずしも溶融する必要はない。溶接トーチ７０１の先端のプラズマアーク７１１で切り込み７２１ａに沿って切り込み７２１ａをなぞるよう、天板７２１、底板７２２、枠体７２３及び隔壁７２４に対して溶接トーチ７０１を相対的に移動させることとしても良い。プラズマアーク７１１の放出方向は、天板７２１に対して垂直方向に設定されている。ここで、天板７２１、底板７２２は、隔壁７２４に当接するため、切り込み７２１ａ，７２２ａの幅は、隔壁７２４の肉厚よりも小さいことが望ましい。
【００４１】
以上のように、天板７２１、底板７２２に切り込み７２１ａ，７２２ａを形成することによって、溶接に必要なエネルギーを抑えられ、天板７２１、底板７２２の歪みを抑えることができる。
【００４２】
また、図６に示すように、溶接の前に、切削又はエッチング等によって枠体７２３及び隔壁７２４に沿う溝７２２ｂを底板７２２の接合面の反対面である外面７２２ｅに形成し、同様に、溶接の前に枠体７２３及び隔壁７２４に沿う溝７２１ｂを天板７２１の接合面の反対面である外面７２１ｅに形成してある。そして図７に示すように底板７２２を溶接する際には、溝７２２ｂに枠体７２３及び隔壁７２４を重ね合わせて、溶接トーチ７０１が底板７２２の外側の面７２２ｅの溝７２２ｂに向けてプラズマアーク７１１を放出する。底板７２２、枠体７２３及び隔壁７２４はプラズマアーク７１１によって加熱されて、枠体７２３と底板７２２との当接部及び隔壁７２４と底板７２２との当接部が溶融されることによって底板７２２の縁部に枠体７２３に溶接し、底板７２２の溝７２２ｂに対向する内面７２２ｄに隔壁７２４に溶接する。なお、底板７２２と枠体７２３との溶接箇所及び底板７２２と隔壁７２４との溶接箇所には、蝋材が介在されていてもよく、その場合、蝋材は底板７２２、枠体７２３及び隔壁７２４よりも融点が低い方が迅速に溶解するので底板７２２、枠体７２３及び隔壁７２４を加熱し過ぎなくて済み、底板７２２、枠体７２３及び隔壁７２４の歪みを抑えることができる。蝋材を用いる場合は底板７２２、枠体７２３、及び隔壁７２４を必ずしも溶融する必要はない。溶接トーチ７０１の先端のプラズマアーク７１１で溝７２２ｂに沿って溝７２２ｂをなぞるよう、底板７２２、枠体７２３及び隔壁７２４に対して溶接トーチ７０１を相対的に移動させることとしても良い。プラズマアーク７１１の放出方向は、底板７２２に対して垂直方向に設定されている。
【００４３】
同様に、天板７２１を溶接する際には枠体７２３及び隔壁７２４に溝７２１ｂを重ね合わせて、溶接トーチ７０１が天板７２１の外側の面７２１ｅの溝７２１ｂに向けてプラズマアーク７１１を放出する。天板７２１、枠体７２３及び隔壁７２４はプラズマアーク７１１によって加熱されて、枠体７２３と天板７２１との当接部及び隔壁７２４と天板７２１との当接部が溶融されることによって天板７２１の縁部に枠体７２３に溶接し、天板７２１の溝７２１ｂに対向する内面７２１ｄに隔壁７２４に溶接する。なお、天板７２１と枠体７２３との溶接箇所及び天板７２１と隔壁７２４との溶接箇所には、蝋材が介在されていてもよく、その場合、蝋材は天板７２１、枠体７２３及び隔壁７２４よりも融点が低い方が迅速に溶解するので天板７２１、枠体７２３及び隔壁７２４を加熱し過ぎなくて済み、天板７２１、枠体７２３及び隔壁７２４の歪みを抑えることができる。蝋材を用いる場合は天板７２１、枠体７２３、及び隔壁７２４を必ずしも溶融する必要はない。溶接トーチ７０１の先端のプラズマアーク７１１で溝７２１ｂに沿って溝７２１ｂをなぞるよう、天板７２１、底板７２２、枠体７２３及び隔壁７２４に対して溶接トーチ７０１を相対的に移動させることとしても良い。プラズマアーク７１１の放出方向は、天板７２１に対して垂直方向に設定されている。
【００４４】
以上のように、天板７２１、底板７２２は溝７２１ｂ，７２２ｂが薄くなり、プラズマアーク７１１によってより熱が伝搬しやすい構造となっており、溶接に必要なエネルギーを抑えられ、速やかに接合できるとともに切り込みのある場合に比べて機械的強度があるので、天板７２１、底板７２２の歪みを抑えることができる。
【００４５】
また、図８に示すように、溶接の前に、枠体７２３及び隔壁７２４に沿う溝７２２ｃを底板７２２の接合面７２２ｄに形成し、枠体７２３及び隔壁７２４に沿った溝７２１ｃを天板７２１の接合面７２１ｄに形成しておく。溝７２２ｃの幅は、隔壁７２４や枠体７２３の幅と同等かやや広く設定されており、図９に示すように底板７２２を溶接する際には溝７２２ｃに枠体７２３及び隔壁７２４を嵌め込んで、溶接トーチ７０１が底板７２２の溝７２２ｃの反対側に位置する面７２２ｅに向けてプラズマアーク７１１を放出する。底板７２２、枠体７２３及び隔壁７２４はプラズマアーク７１１によって加熱されて、枠体７２３と底板７２２との当接部及び隔壁７２４と底板７２２との当接部が溶融されることによって底板７２２の縁部に枠体７２３に溶接し、底板７２２の溝７２２ｃで隔壁７２４に溶接する。なお、底板７２２と枠体７２３との溶接箇所及び底板７２２と隔壁７２４との溶接箇所には、蝋材が介在されていてもよく、その場合、蝋材は底板７２２、枠体７２３及び隔壁７２４よりも融点が低い方が迅速に溶解するので底板７２２、枠体７２３及び隔壁７２４を加熱し過ぎなくて済み、底板７２２、枠体７２３及び隔壁７２４の歪みを抑えることができる。蝋材を用いる場合は底板７２２、枠体７２３、及び隔壁７２４を必ずしも溶融する必要はない。溶接トーチ７０１の先端のプラズマアーク７１１で溝７２２ｃに沿って溝７２２ｃをなぞるよう、底板７２２、枠体７２３及び隔壁７２４に対して溶接トーチ７０１を相対的に移動させることとしても良い。
【００４６】
溝７２１ｃの幅は、隔壁７２４や枠体７２３の幅と同等かやや広く設定されており、天板７２１を溶接する際には枠体７２３及び隔壁７２４に溝７２１ｃに嵌め込んで、溶接トーチ７０１が天板７２１の溝７２１ｃの反対側に位置する面７２１ｅに向けてプラズマアーク７１１を放出する。天板７２１、枠体７２３及び隔壁７２４はプラズマアーク７１１によって加熱されて、枠体７２３と天板７２１との当接部及び隔壁７２４と天板７２１との当接部が溶融されることによって天板７２１の縁部に枠体７２３に溶接し、天板７２１の溝７２１ｃで隔壁７２４に溶接する。なお、天板７２１と枠体７２３との溶接箇所及び天板７２１と隔壁７２４との溶接箇所には、蝋材が介在されていてもよく、その場合、蝋材は天板７２１、枠体７２３及び隔壁７２４よりも融点が低い方が迅速に溶解するので天板７２１、枠体７２３及び隔壁７２４を加熱し過ぎなくて済み、天板７２１、枠体７２３及び隔壁７２４の歪みを抑えることができる。蝋材を用いる場合は天板７２１、枠体７２３、及び隔壁７２４を必ずしも溶融する必要はない。
【００４７】
溶接トーチ７０１の先端のプラズマアーク７１１で溝７２１ｃに沿って溝７２１ｃをなぞるよう、天板７２１、底板７２２、枠体７２３及び隔壁７２４に対して溶接トーチ７０１を相対的に移動させることとしても良い。
【００４８】
以上のように、天板７２１、底板７２２に溝７２１ｃ，７２２ｃを形成することで、枠体７２３及び隔壁７２４を天板７２１や底板７２２の溝７２２ｃに嵌め込んで仮止めした状態で溶接を行うことができるので位置ズレを防止できる。更に溶接に必要なエネルギーを抑えられ、天板７２１、底板７２２の歪みを抑えることができる。
【００４９】
また、図１０に示すように、溶接の前に、底板７２２の接合面７２２ｄの反対面７２２ｅに枠体７２３及び隔壁７２４に沿う溝７２２ｂを形成し、底板７２２の接合面７２２ｄに、溝７２２ｂの位置に対向するように枠体７２３及び隔壁７２４に沿う溝７２２ｃを形成しておき、さらに、天板７２１の接合面７２１ｄの反対面７２１ｅに枠体７２３及び隔壁７２４に沿う溝７２１ｂを形成し、天板７２１の接合面７２１ｄに、溝７２１ｂの位置に対向するように枠体７２３及び隔壁７２４に沿う溝７２１ｃを形成しても良い。溝７２２ｃの幅及び溝７２１ｃの幅は、隔壁７２４や枠体７２３の幅と同等かやや広く設定されている。溝７２２ｂ、溝７２１ｂの幅は隔壁７２４や枠体７２３の肉厚よりも狭くても良い。そして、図１１に示すように底板７２２を溶接する際には溝７２２ｃに枠体７２３及び隔壁７２４を嵌め込んで、溶接トーチ７０１が底板７２２の溝７２２ｃの反対側に位置する溝７２２ｂに向けてプラズマアーク７１１を放出する。底板７２２、枠体７２３及び隔壁７２４はプラズマアーク７１１によって加熱されて、枠体７２３と底板７２２との当接部及び隔壁７２４と底板７２２との当接部が溶融されることによって底板７２２の縁部に枠体７２３に溶接し、底板７２２の溝７２２ｃで隔壁７２４に溶接する。なお、底板７２２と枠体７２３との溶接箇所及び底板７２２と隔壁７２４との溶接箇所には、蝋材が介在されていてもよく、その場合、蝋材は底板７２２、枠体７２３及び隔壁７２４よりも融点が低い方が迅速に溶解するので底板７２２、枠体７２３及び隔壁７２４を加熱し過ぎなくて済み、底板７２２、枠体７２３及び隔壁７２４の歪みを抑えることができる。蝋材を用いる場合は底板７２２、枠体７２３、及び隔壁７２４を必ずしも溶融する必要はない。溶接トーチ７０１の先端のプラズマアーク７１１で溝７２２ｂに沿って溝７２２ｂをなぞるよう、底板７２２、枠体７２３及び隔壁７２４に対して溶接トーチ７０１を相対的に移動させる。
【００５０】
そして、天板７２１を溶接する際には枠体７２３及び隔壁７２４に溝７２２ｃに嵌め込んで、溶接トーチ７０１が天板７２１の溝７２１ｃの反対側に位置する溝７２１ｂに向けてプラズマアーク７１１を放出する。天板７２１、枠体７２３及び隔壁７２４はプラズマアーク７１１によって加熱されて、枠体７２３と天板７２１との当接部及び隔壁７２４と天板７２１との当接部が溶融されることによって天板７２１の縁部に枠体７２３に溶接し、天板７２１の溝７２１ｃで隔壁７２４に溶接する。なお、天板７２１と枠体７２３との溶接箇所及び天板７２１と隔壁７２４との溶接箇所には、蝋材が介在されていてもよく、その場合、蝋材は天板７２１、枠体７２３及び隔壁７２４よりも融点が低い方が迅速に溶解するので天板７２１、枠体７２３及び隔壁７２４を加熱し過ぎなくて済み、天板７２１、枠体７２３及び隔壁７２４の歪みを抑えることができる。蝋材を用いる場合は天板７２１、枠体７２３、及び隔壁７２４を必ずしも溶融する必要はない。溶接トーチ７０１の先端のプラズマアーク７１１で溝７２１ｂに沿って溝７２１ｂをなぞるよう、天板７２１、底板７２２、枠体７２３及び隔壁７２４に対して溶接トーチ７０１を相対的に移動させる。
【００５１】
以上のように、天板７２１、底板７２２に溝７２１ｂ，７２２ｂや溝７２１ｃ，７２２ｃを形成することで、溶接に必要なエネルギーを抑えられ、天板７２１、底板７２２の歪みを抑えることができる。
【００５２】
また、上述の説明では枠体７２３及び隔壁７２４を型彫り放電加工によって作成したが、溶接トーチ７０１を用いたマイクロプラズマ溶接方法によって枠体７２３及び隔壁７２４を組み立てても良い。つまり、四つの薄板を矩形枠状に組むに際してそれぞれの角部をマイクロプラズマアーク溶接方法によって溶接することで枠体７２３を作成し、更に枠体７２３の四つの側壁のうち２つの側壁の内面に隔壁７２４をマイクロプラズマアーク溶接方法によって溶接する。
【００５３】
〔応用例〕
上述のマイクロプラズマアーク溶接方法は、図１２、図１３に示されたマイクロリアクタモジュール１の製造方法に用いることができる。
【００５４】
ここで、マイクロリアクタモジュール１について簡単に説明する。このマイクロリアクタモジュール１は、ベースプレート１０２、下部枠１０４、中部枠１０６、燃焼器プレート１０８、上部枠１１０、蓋プレート１１２を積層してなる高温反応部４と、ベースプレート２８、下部枠３０、中部枠３２、上部枠３４及び蓋プレート３６を積層した低温反応部６と、高温反応部４と低温反応部６との間に架設された連結管８と、低温反応部６の下面に連結した多管材１０と、多管材１０の周りにおいて積層された燃焼器プレート１２と、低温反応部６の下面にパターニングされた電熱線１７０と、低温反応部６から連結管８、高温反応部４にかけての下面にパターニングされた電熱線１７２と、低温反応部６の下面から燃焼器プレート１２の外面にかけてパターニングされた電熱線１７４とを備える。
【００５５】
燃焼器プレート１２が接合されて接合面に流路が形成されているが、気体燃料と空気の混合気が多管材１０を通って燃焼器プレート１２の流路に流れ込み、その流路において触媒燃焼が起こる。また、多管材１０に液体燃料と水の混合液が供給されるが、燃焼器プレート１２における燃焼熱や電熱線１７４によって混合液が気化する。気化した燃料と水の混合気はベースプレート２８の流路、連結管８を通って高温反応部４の下部の内側に送られる。高温反応部４の下部はベースプレート１０２、下部枠１０４、中部枠１０６を積層したものであるが、これらの積層体の内側に流路が形成され、その流路を混合気が流れて水素等が触媒反応により生成される。この触媒反応には熱が必要だが、電熱線１７２や燃焼器プレート１０８から熱エネルギーが供給される。ここで、燃焼器プレート１０８が上部枠１１０と接合することでその接合面に燃焼室が形成され、気体燃料と空気の混合気が多管材１０、ベースプレート２８の流路、連結管８を通って燃焼室に供給され、燃焼室において触媒燃焼が起こる。
【００５６】
ベースプレート１０２、下部枠１０４、中部枠１０６の積層体から混合気が更に上部枠１１０の内側に送られる。上部枠１１０の内側には複数の隔壁１０９が設けられ、上部枠１１０の上側開口が蓋プレート１１２によって閉塞されることによって上部枠１１０の内側に流路が形成される。上部枠１１０の内側に送られた混合気は上部枠１１０の内側の流路を流れて水素等が触媒反応により生成される。そして、水素等を含む混合気が連結管８を通って低温反応部６の内側に送られる。
【００５７】
低温反応部６はベースプレート２８、下部枠３０、中部枠３２、上部枠３４、蓋プレート３６を積層したものであるが、これらの積層体の内側に流路が形成され、その流路を混合気が流れて混合気中の一酸化炭素が選択的に酸化される。一酸化炭素の選択酸化反応は室温よりも高い温度で起こるので、低温反応部６が電熱線１７０や燃焼器プレート１２によって加熱される。低温反応部６で一酸化炭素を除去した水素リッチガスが多管材１０を通って燃料電池の燃料極に供給される。燃料電池では酸素極に空気が供給され、酸素と水素の電気化学反応により電気エネルギーが生成される。
【００５８】
高温反応部４、低温反応部６、連結管８は断熱パッケージ内に収容されているが、断熱パッケージ内が真空圧とされているので、断熱効果が高くなっている。また、断熱パッケージ内にはゲッター材１８８が設けられ、リード線１９２，１９４、配線１９０を通じてゲッター材１８８のヒータに電圧を印加すると、ゲッター材１８８が活性化して、断熱パッケージ内の真空度が高まる。リード線１９２，１９４のほかにも何本かリード線が設けられているが、リード線１７６，１７８は電熱線１７０に接続され、リード線１８０，１８２は電熱線１７２に接続され、リード線１８４，１８６は電熱線１７４に接続されている。
【００５９】
このマイクロリアクタモジュール１を製造するために上述のようなマイクロプラズマアーク溶接方法を用いるが、特に蓋プレート１１２を上部枠１１０に接合する時や蓋プレート３６を上部枠３４に接合する時に上述のマイクロプラズマアーク溶接方法を用いる。
【００６０】
ここで、蓋プレート３６，１１２が上述の天板７２１又は底板７２２に対応し、上部枠３４，１１０が上述の枠体７２３に対応し、隔壁３３，１０９が隔壁７２４に対応する。つまり、上部枠３４の開口を蓋プレート３６で覆い、蓋プレート３６の上から溶接トーチ７０１の先端のプラズマアーク７１１で上部枠３４及び隔壁３３をなぞることで、蓋プレート３６を上部枠３４に接合することができ、上部枠１１０の開口を蓋プレート１１２で覆い、蓋プレート１１２の上から溶接トーチ７０１の先端のプラズマアーク７１１で上部枠１１０及び隔壁１０９をなぞることで、蓋プレート１１２を上部枠１１０に接合することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】溶接装置の概略図である。
【図２】マイクロリアクタの分解斜視図である。
【図３】図２のマイクロリアクタの製造工程を順に示した断面図である。
【図４】マイクロリアクタの分解斜視図である。
【図５】図４のマイクロリアクタの製造方法を示した断面図である。
【図６】マイクロリアクタの分解斜視図である。
【図７】図６のマイクロリアクタの製造方法を示した断面図である。
【図８】マイクロリアクタの分解斜視図である。
【図９】図８のマイクロリアクタの製造方法を示した断面図である。
【図１０】マイクロリアクタの分解斜視図である。
【図１１】図１０のマイクロリアクタの製造方法を示した断面図である。
【図１２】斜め下から示したマイクロリアクタモジュールの斜視図である。
【図１３】マイクロリアクタモジュールの分解斜視図である。
【図１４】従来の溶接方法を示した図面である。
【符号の説明】
【００６２】
１ マイクロリアクタモジュール
３３、１０９ 隔壁
３４、１１０ 上部枠
３６、１１２ 蓋プレート
７０１ 溶接トーチ
７１１ プラズマアーク
７２１ 天板
７２２ 底板
７２３ 枠体
７２４ 隔壁
７２１ａ、７２２ａ 切り込み
７２１ｂ、７２２ｂ 溝
７２１ｃ、７２２ｃ 溝
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマアークを用いて被加工材の溶接を行うプラズマアーク溶接方法に関するとともに、プラズマアーク溶接方法を用いたリアクタの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は小型でもエネルギーの利用効率が高いために小型電子機器の電源としても注目されている。燃料電池に水素を供給すれば電気エネルギーが得られるが、水素はアルコール類等の液体燃料をマイクロリアクタによって改質することによって得られる。マイクロリアクタを小型電子機器に搭載するために、マイクロリアクタをより小型化する必要があり、例えば特許文献１に記載されているように、溝が形成された基板同士を接合することによって小型なマイクロリアクタが製造されている。
【０００３】
ところが、基板同士を接合したマイクロリアクタの場合、溝の容積を除いたマイクロリアクタ全体の体積が溝の容積に対して大きくなってしまうことがある。そのため、マイクロリアクタ自体の熱容量が大きくなってしまい、エネルギーの利用効率が低下してしまう。そこで、非常に薄くシート状の板材を微細加工技術により溶接し、マイクロリアクタを組み立てる試みがある。マイクロリアクタを組み立てるに際しては、図１４（ａ）に示すように薄板９０１に対して蝋材９０４を介して、外壁となる薄板９０２，内壁となる薄板９０３を並べて立てた状態で溶接している。なお、図１４では、薄板９０２，９０３の間が流路となる。
【特許文献１】特開２００５−１３２７１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
蝋材９０４は、矢印Ａのように、薄板９０１の内面９０１ａ側から蝋材９０４の融点以上に加熱されることによって溶融できるので薄板９０２，９０３を薄板９０１の内面９０１ａに溶接できる。さらにこの薄板９０１に溶接された薄板９０２，９０３を薄板９０７に溶接するためには、薄板９０７の内面９０７ａの溶接部に蝋材９０６を設けた後、蝋材９０６を加熱しなければならない。このとき、外壁となる薄板９０２は矢印Ｂに示すように薄板９０７の溶接部に当接した状態で薄板９０２のさらに外側から熱を加えることによって蝋材９０６を溶融することができる。しかし、内壁となる薄板９０３は、薄板９０７の溶接部に当接してしまうと、薄板９０２が立体障害となって薄板９０３と薄板９０７とを結着する蝋材９０６を加熱することが難しく、接合不良を起こす恐れがある。
そこで、本発明は、板材に別の複数の板材を立てた状態で溶接するに際して、立てる板材を容易に溶接することができるプラズマアーク溶接方法及びマイクロリアクタの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
以上の課題を解決するために、請求項１に係る発明は、プラズマアーク溶接方法において、板状の第１の被加工材の一方の面に板状の第２の被加工材を立てた状態で当接させ、前記第１の被加工材の前記一方の面の反対側の面にプラズマアークを噴出することで前記第１の被加工材に前記第２の被加工材を立てた状態で溶接することを特徴とする。
【０００６】
請求項１に係る発明によれば、例えば、第１の被加工材の一方の面側において第２の被加工材の近くに障害物等があったものとしても、第１の被加工材の他方の面にプラズマアークを噴出するので、第２の被加工材と第１の被加工材との当接部の近くに溶接トーチを挿入する必要がない。したがって第２の被加工材と第１の被加工材を当接する際に第２の被加工材及び第１の被加工材の少なくとも一方が立体障害になることなく容易に溶接できる。このようなプラズアーク溶接方法は、特に小型なマイクロリアクタの製造に好適である。
【０００７】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載のプラズマアーク溶接方法において、前記第２の被加工材が前記第１の被加工材に当接する箇所に沿うよう切り込みが前記第１の被加工材に形成され、前記切り込みに向けて前記プラズマアークを噴出することを特徴とする。
【０００８】
請求項２に係る発明によれば、第１の被加工材に切り込みを形成することによって溶接に必要なエネルギーを抑えられ、第１の被加工材や第２の被加工材の歪みを抑えることができる。
【０００９】
請求項３に係る発明は、請求項１に記載のプラズマアーク溶接方法において、前記第２の被加工材が前記第１の被加工材に当接する前記一方の面の箇所に沿うよう溝が前記第１の被加工材の前記反対側の面に形成され、前記溝に向けて前記プラズマアークを噴出することを特徴とする。
【００１０】
請求項４に係る発明は、請求項１又は３に記載のプラズマアーク溶接方法において、前記第２の被加工材が前記第１の被加工材に当接する箇所に沿うように溝が前記第１の被加工材の前記一方の面に形成され、前記第１の被加工材の前記反対側の面のうち前記溝に対応する箇所に向けて前記プラズマアークを噴出することを特徴とする。
【００１１】
請求項３、請求項４に係る発明によれば、第１の被加工材に溝を形成することによって溶接に必要なエネルギーを抑えられ、第１の被加工材や第２の被加工材の歪みを抑えることができる。
【００１２】
請求項５に係る発明は、請求項４に記載のプラズマアーク溶接方法において、前記溝に前記第２の被加工材を嵌め込んだ状態で前記プラズマアークを噴出することを特徴とする。
【００１３】
請求項５に係る発明によれば、溝に第２の被加工材を嵌め込むことによって第１の被加工材に第２の加工材を仮止めすることができる。
【００１４】
請求項６に係る発明は、請求項１から５の何れか一項に記載のプラズマアーク溶接方法を用いてマイクロリアクタを製造することを特徴とする。
【００１５】
請求項６に係る発明によれば、小型なマイクロリアクタを製造することができる。
【００１６】
請求項７に係る発明は、内面に隔壁が設けられた枠体の開口を板材で蓋をするよう前記枠体に前記板材を重ねる工程と、前記板材に関して前記枠体及び前記隔壁の反対側から前記板材にプラズマアークを噴出することで前記枠体及び前記隔壁を前記板材に溶接する工程と、を含むことを特徴とする。
【００１７】
請求項７に係る発明によれば、板材の一方の面に枠体を重ね、反対側から板材の他方の面にプラズマアークを噴出したので、板材に枠体及び隔壁を溶接することができる。ここで、枠体が小さかったり、枠体の内側に隔壁が設けられていたりしても、板材の他方の面にプラズマアークを噴出するので、板材と枠体の当接部の近くや枠体と隔壁の当接部の近くに溶接トーチを挿入する必要がない。そのため、小型なマイクロリアクタを簡単に製造することができる。
【００１８】
請求項８に係る発明は、請求項７に記載のマイクロリアクタの製造方法において、前記隔壁が前記板材に当接する箇所に沿うよう切り込みが前記板材に形成され、前記切り込みに向けて前記プラズマアークを噴出することで前記隔壁を前記板材に溶接することを特徴とする。
【００１９】
請求項８に係る発明によれば、板材に切り込みを形成することによって溶接に必要なエネルギーを抑えられ、板材、枠体及び隔壁の歪みを抑えることができる。
【００２０】
請求項９に係る発明は、請求項７に記載のマイクロリアクタの製造方法において、前記枠体及び前記隔壁が前記板材に当接する箇所に沿うよう溝が前記板材の前記枠体とは反対側の面に形成され、前記溝に向けて前記プラズマアークを噴出することで前記枠体及び前記隔壁を前記板材に溶接することを特徴とする。
【００２１】
請求項１０に係る発明は、請求項７又は９に記載のマイクロリアクタの製造方法において、前記枠体及び前記隔壁が前記板材に当接する箇所に沿うよう溝が前記板材の前記枠対側の面に形成され、前記板材の前記枠体とは反対側の面のうち前記溝に対応する箇所に向けて前記プラズマアークを噴出することで前記枠体及び前記隔壁を前記板材に溶接することを特徴とする。
【００２２】
請求項９、請求項１０に係る発明によれば、板材に溝を形成することによって溶接に必要なエネルギーを抑えられ、板材、枠体及び隔壁の歪みを抑えることができる。
【００２３】
請求項１１に係る発明は、請求項１０に記載のマイクロリアクタの製造方法において、前記溝に前記枠体及び前記隔壁を嵌め込んだ状態で前記プラズマアークを噴出することを特徴とする。
【００２４】
請求項１１に係る発明によれば、溝に枠体及び隔壁を嵌め込むことによって、枠体及び隔壁を板材に仮止めすることができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、第２の被加工材と第１の被加工材を当接する際に第２の被加工材及び第１の被加工材の少なくとも一方が立体障害になることなく容易に溶接でき、小型なマイクロリアクタを簡単に製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明を実施するための最良の形態として、マイクロプラズマアーク溶接方法を用いてマイクロリアクタを製造する方法について説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。
【００２７】
まず、溶接装置について図１を用いて説明する。図１は、溶接トーチ７０１の要部断面等を示した概略図である。
図１に示すように、溶接トーチ７０１は、タングステン製の陰極バー７０２と、陰極バー７０２から外側に所定間隔をあけて陰極バー７０２と同軸に配置された筒状の陽極ノズル７０３と、陽極ノズル７０３から外側に所定間隔をあけて陰極バー７０２と同軸に配置された筒状の拘束ノズル７０４とを備える。陽極ノズル７０３の先端には陰極バー７０２の先端位置に対応した開口部７１２が設けられており、拘束ノズル７０４の先端には開口部７１２の位置に対応し且つ開口部７１２の周囲を囲むように開口部７１３が設けられている。陽極ノズル７０３はその先端が絞られた形状とされ、拘束ノズル７０４もその先端が絞られた形状とされ、陰極バー７０２、陽極ノズル７０３及び拘束ノズル７０４の先端が被加工材７１０に指向している。
【００２８】
陰極バー７０２と陽極ノズル７０３との間の通路７０５にはプラズマガス供給装置が接続され、プラズマガス（例えば、Ａｒ）が通路７０５に供給され、プラズマガスは後述するようにイオン化されたプラズマの状態となってから、開口部７１２からプラズマアーク７１１として放電される。プラズマアーク７１１の径は、開口部７１２の内径等によって設定することができ、溶接される枠体７２３や隔壁７２４の厚さ程度であることが好ましい。陽極ノズル７０３と拘束ノズル７０４との間の通路７０６にはシールドガス供給装置が接続され、シールドガス（例えば、ＡｒとＨ2の混合気）が通路７０６に供給され、シールドガスは、放出されたプラズマアーク７１１が大気と接することを防止するために、プラズマアーク７１１の周囲を囲みながら開口部７１３から放出される。
【００２９】
被加工材７１０と陰極バー７０２との間にメイン電源７０７が接続され、陰極バー７０２と陽極ノズル７０３との間には低電流のパイロットアーク電源７０８が接続されている。
【００３０】
この溶接トーチ７０１においては、プラズマガス供給装置によって通路７０５にプラズマガスを送り込み、パイロットアーク電源７０８を作動させると、陰極バー７０２と陽極ノズル７０３との間にパイロットアークが発生する。そして、メイン電源７０７を作動させ、陽極ノズル７０３を水冷し、同時にシールドガス供給装置によってシールドガスを通路７０６に供給すると、収束された高温・高密度なプラズマアーク７１１が陰極バー７０２と被加工材７１０との間に発生する。プラズマアーク７１１の温度は、被加工材７１０の融点よりも高く、１００００℃〜２００００℃程度になる。
【００３１】
マイクロリアクタの材料について図２を用いて説明する。図２は、マイクロリアクタの分解斜視図である。
図２に示すように、マイクロリアクタの材料として、矩形薄板状の天板７２１及び底板７２２と、上面及び下面が開口した矩形枠状の枠体７２３とを用いる。枠体７２３の内側においては、四つの側壁のうち２つの側壁の内面に薄板状の隔壁７２４が設けられ、枠体７２３の内側が隔壁７２４によって葛折り状の流路７２５に仕切られている。隔壁７２４の高さは周囲の枠体７２３の高さにほぼ等しい。天板７２１、底板７２２、枠体７２３、隔壁７２４は何れも、流路７２５内を流れる物質に対して化学反応を引き起こしにくいステンレス鋼（SUS304）等の金属材料からなる。なお、天板７２１、底板７２２が第１の被加工材であり、枠体７２３の各側壁や隔壁７２４が第２の被加工材である。
【００３２】
マイクロリアクタの製造方法について図３を用いて説明する。図３はマイクロリアクタの製造工程を順に示した断面図である。
【００３３】
まず、天板７２１及び底板７２２の両面を研磨する。次に、直方体状の金属塊に型彫り放電加工によって流路７２５を形成することで、隔壁７２４及び枠体７２３を工作する。なお、天板７２１、底板７２２、隔壁７２４、枠体７２３の各側壁の肉厚は０．１〜０．２ｍｍとすると、マイクロリアクタの熱容量が少なくなり、エネルギーの利用効率の高いマイクロリアクタを提供することができる。
【００３４】
図３（ａ）に示すように、枠体７２３の一方の開口を底板７２２で蓋をするように枠体７２３に底板７２２を重ねることで、枠体７２３の各側壁及び隔壁７２４を立てた状態で底板７２２の一方の面７２２ｄに当接させる。そして、底板７２２が図１の被加工材７１０となるように、底板７２２にメイン電源７０７を接続し、底板７２２に関して枠体７２３及び隔壁７２４の反対側で溶接トーチ７０１の先端を底板７２２の他方の面７２２ｅに向ける。そして、溶接トーチ７０１からプラズマアーク７１１を噴出させる。プラズマアーク７１１の放出方向は、底板７２２の他方の面７２２ｅに対して垂直方向に設定されている。そして、溶接トーチ７０１の先端のプラズマアーク７１１で底板７２２の縁部に沿って枠体７２３をなぞるよう、底板７２２、枠体７２３及び隔壁７２４に対して溶接トーチ７０１を相対的に移動させ、底板７２２の他方の面７２２ｅになぞられた部分は溶融される。溶融された部分はその後大気で冷却されて固化し、この際に枠体７２３を固着して、枠体７２３の各側壁を立てた状態で底板７２２に溶接する。このとき、枠体７２３において、底板７２２に当接している部分も一部溶融していてもよい。なお、底板７２２と枠体７２３との溶接箇所には、蝋材が介在されていてもよく、その場合、蝋材は底板７２２及び枠体７２３よりも融点が低い方が迅速に溶解するので底板７２２及び枠体７２３を加熱し過ぎなくて済み、底板７２２等の歪みを抑えることができる。蝋材を用いる場合は底板７２２及び枠体７２３を必ずしも溶融する必要はない。
【００３５】
次に、図３（ｂ）に示すように底板７２２に板状のジグ７３０を重ねる。ジグ７３０は、セラミック等のように融点が底板７２２の融点よりも高く、また溶融した底板７２２が張り付きにくい材料で形成されていることが好ましい。ここで、ジグ７３０には、隔壁７２４に対応した切り込み７３１が形成され、ジグ７３０を底板７２２に重ねると、ジグ７３０の切り込み７３１で露出されている底板７２２の一方の面７２２ｄの所定部分の裏面側に隔壁７２４が重なる。そして、溶接トーチ７０１から底板７２２の他方の面にプラズマアーク７１１を噴出した状態で、溶接トーチ７０１の先端のプラズマアーク７１１で切り込み７３１に沿って切り込み７３１をなぞるよう、底板７２２、枠体７２３及び隔壁７２４に対して溶接トーチ７０１を相対的に移動させる。プラズマアーク７１１の放出方向は、底板７２２の他方の面７２２ｅに対して垂直方向に設定されている。これにより、隔壁７２４を底板７２２に立てた状態で底板７２２に溶接する。このとき、隔壁７２４において、底板７２２に当接している部分も一部溶融していてもよい。このようなジグ７３０を用いることで、溶接箇所が切り込み７３１によって分かり、更にプラズマアーク７１１で加熱された溶接箇所の周囲の熱が、底板７２２に接しているジグ７３０に伝わって拡散するので、底板７２２のジグ７３０に接している部分の溶融を抑え、溶接箇所を局所的に加熱することができる。溶接箇所を局所的に加熱することで、底板７２２等の歪みを抑えることができる。なお、底板７２２と隔壁７２４との溶接箇所には、蝋材が介在されていてもよく、その場合、蝋材は底板７２２及び隔壁７２４よりも融点が低い方が迅速に溶解するので底板７２２及び隔壁７２４を加熱し過ぎなくて済み、底板７２２等の歪みを抑えることができる。蝋材を用いる場合は底板７２２及び隔壁７２４を必ずしも溶融する必要はない。
【００３６】
次に、図３（ｃ）に示すように、枠体７２３の他方の開口を枠体７２３の一方の開口を天板７２１で蓋をするように枠体７２３に天板７２１を重ね、枠体７２３の各側壁及び隔壁７２４を立てた状態で天板７２１の一方の面７２１ｄに当接させる。そして、枠体７２３に底板７２２を接合するのと同様に、溶接トーチ７０１が天板７２１の外側の面７２１ｅに向けてプラズマアーク７１１を放出する。天板７２１は、プラズマアーク７１１によって面７２１ｅと反対側の面７２１ｄまで加熱されて、枠体７２３と天板７２１との当接部が溶融されることによって天板７２１の縁部に枠体７２３に溶接する。このとき、プラズマアーク７１１の放出方向は、天板７２１の外面７２１ｅに対して垂直方向に設定されている。また枠体７２３において、天板７２１に当接している部分も一部溶融していてもよい。なお、天板７２１と枠体７２３との溶接箇所には、蝋材が介在されていてもよく、その場合、蝋材は天板７２１及び枠体７２３よりも融点が低い方が迅速に溶解するので天板７２１及び枠体７２３を加熱し過ぎなくて済み、天板７２１等の歪みを抑えることができる。蝋材を用いる場合は天板７２１及び枠体７２３を必ずしも溶融する必要はない。
このように、接合面７２１ｄと反対側の面７２１ｅにプラズマアーク７１１を放出させるので、従来、図１４に示すような斜めから加熱するのに比べて、当接部に均等に熱を加えることができ、良好に接合することができる。
そして、更にジグ７３０を配置後、溶接トーチ７０１が天板７２１の外側の面７２１ｅに向けてプラズマアーク７１１を放出することによってプラズマアーク７１１が放出された面７２１ｅと反対側の面７２１ｄにおいて隔壁７２４を天板７２１に溶接する（図３（ｄ））。このとき、プラズマアーク７１１の放出方向は、天板７２１の外面７２１ｅに対して垂直方向に設定されている。また隔壁７２４において、天板７２１に当接している部分も一部溶融していてもよい。なお、天板７２１と隔壁７２４との溶接箇所には、蝋材が介在されていてもよく、その場合、蝋材は天板７２１及び隔壁７２４よりも融点が低い方が迅速に溶解するので天板７２１及び隔壁７２４を加熱し過ぎなくて済み、天板７２１等の歪みを抑えることができる。蝋材を用いる場合は天板７２１及び隔壁７２４を必ずしも溶融する必要はない。
このように、接合面７２１ｄと反対側の面７２１ｅにプラズマアーク７１１を放出させるので、従来、図１４に示すような斜めから加熱するのに比べて、当接部に均等に熱を加えることができ、良好に接合することができる。特にマイクロリアクタのように、隔壁７２４同士の間隔や枠体７２３と隔壁７２４との間隔が狭くても容易に接合することができる。
【００３７】
以上のように天板７２１及び底板７２２を溶接する前又は後に、流路７２５を形成した内面全体（天板７２１の内面７２１ｄ、底板７２２の内面７２２ｄ、枠体７２３の内面７２３ａ及び隔壁７２４の両側面７２４ａ）に触媒を担持させ、天板７２１、底板７２２、枠体７２３の外面に電熱線をパターニングする。触媒を担持する際には、酸化アルミ等の多孔質の担持体を予め流路７２５の内面全体に形成後、担持体に触媒させる。
【００３８】
完成したマイクロリアクタにおいては、反応物が流路７２５に送り込まれて流路７２５を流動している際に、反応物が反応する。ここでの「反応」とは、「化学反応」のみならず、熱エネルギーを受けることによる気化、液化といった「状態変化」も含む意である。反応物を状態変化させる場合にマイクロリアクタを用いる場合には、流路７２５には触媒を担持させない方が良い。
【００３９】
なお、図４に示すように、溶接の前に、ワイヤー放電等によって隔壁７２４に沿う切り込み７２２ａを底板７２２に形成し、図５に示すように底板７２２を溶接する際には、隔壁７２４に切り込み７２２ａを重ね合わせ、枠体７２３に底板７２２の周縁を重ね合わせ、溶接トーチ７０１が底板７２２の外側の面７２２ｅに向けてプラズマアーク７１１を放出する。底板７２２、枠体７２３及び隔壁７２４は直接プラズマアーク７１１が接触して加熱されて、枠体７２３と底板７２２との当接部及び隔壁７２４と底板７２２との当接部が溶融されることによって底板７２２の縁部に枠体７２３に溶接し、底板７２２の切り込み７２２ａの周縁に隔壁７２４に溶接する。なお、底板７２２と枠体７２３との溶接箇所及び底板７２２と隔壁７２４との溶接箇所には、蝋材が介在されていてもよく、その場合、蝋材は底板７２２、枠体７２３及び隔壁７２４よりも融点が低い方が迅速に溶解するので底板７２２、枠体７２３及び隔壁７２４を加熱し過ぎなくて済み、底板７２２、枠体７２３及び隔壁７２４の歪みを抑えることができる。蝋材を用いる場合は底板７２２、枠体７２３、及び隔壁７２４を必ずしも溶融する必要はない。溶接トーチ７０１の先端のプラズマアーク７１１で切り込み７２２ａに沿って切り込み７２２ａをなぞるよう、底板７２２、枠体７２３及び隔壁７２４に対して溶接トーチ７０１を相対的に移動させることとしても良い。プラズマアーク７１１の放出方向は、底板７２２に対して垂直方向に設定されている。
【００４０】
同様に、溶接の前に隔壁７２４に沿う切り込み７２１ａを天板７２１に形成し、天板７２１を溶接する際には隔壁７２４に切り込み７２１ａを重ね合わせ、枠体７２３に天板７２１の周縁を重ね合わせて、溶接トーチ７０１が天板７２１の外側の面７２１ｅに向けてプラズマアーク７１１を放出する。天板７２１、枠体７２３及び隔壁７２４は直接プラズマアーク７１１が接触して加熱されて、枠体７２３と天板７２１との当接部及び隔壁７２４と天板７２１との当接部が溶融されることによって天板７２１の縁部に枠体７２３に溶接し、天板７２１の切り込み７２１ａの周縁に隔壁７２４に溶接する。なお、天板７２１と枠体７２３との溶接箇所及び天板７２１と隔壁７２４との溶接箇所には、蝋材が介在されていてもよく、その場合、蝋材は天板７２１、枠体７２３及び隔壁７２４よりも融点が低い方が迅速に溶解するので天板７２１、枠体７２３及び隔壁７２４を加熱し過ぎなくて済み、天板７２１、枠体７２３及び隔壁７２４の歪みを抑えることができる。蝋材を用いる場合は天板７２１、枠体７２３、及び隔壁７２４を必ずしも溶融する必要はない。溶接トーチ７０１の先端のプラズマアーク７１１で切り込み７２１ａに沿って切り込み７２１ａをなぞるよう、天板７２１、底板７２２、枠体７２３及び隔壁７２４に対して溶接トーチ７０１を相対的に移動させることとしても良い。プラズマアーク７１１の放出方向は、天板７２１に対して垂直方向に設定されている。ここで、天板７２１、底板７２２は、隔壁７２４に当接するため、切り込み７２１ａ，７２２ａの幅は、隔壁７２４の肉厚よりも小さいことが望ましい。
【００４１】
以上のように、天板７２１、底板７２２に切り込み７２１ａ，７２２ａを形成することによって、溶接に必要なエネルギーを抑えられ、天板７２１、底板７２２の歪みを抑えることができる。
【００４２】
また、図６に示すように、溶接の前に、切削又はエッチング等によって枠体７２３及び隔壁７２４に沿う溝７２２ｂを底板７２２の接合面の反対面である外面７２２ｅに形成し、同様に、溶接の前に枠体７２３及び隔壁７２４に沿う溝７２１ｂを天板７２１の接合面の反対面である外面７２１ｅに形成してある。そして図７に示すように底板７２２を溶接する際には、溝７２２ｂに枠体７２３及び隔壁７２４を重ね合わせて、溶接トーチ７０１が底板７２２の外側の面７２２ｅの溝７２２ｂに向けてプラズマアーク７１１を放出する。底板７２２、枠体７２３及び隔壁７２４はプラズマアーク７１１によって加熱されて、枠体７２３と底板７２２との当接部及び隔壁７２４と底板７２２との当接部が溶融されることによって底板７２２の縁部に枠体７２３に溶接し、底板７２２の溝７２２ｂに対向する内面７２２ｄに隔壁７２４に溶接する。なお、底板７２２と枠体７２３との溶接箇所及び底板７２２と隔壁７２４との溶接箇所には、蝋材が介在されていてもよく、その場合、蝋材は底板７２２、枠体７２３及び隔壁７２４よりも融点が低い方が迅速に溶解するので底板７２２、枠体７２３及び隔壁７２４を加熱し過ぎなくて済み、底板７２２、枠体７２３及び隔壁７２４の歪みを抑えることができる。蝋材を用いる場合は底板７２２、枠体７２３、及び隔壁７２４を必ずしも溶融する必要はない。溶接トーチ７０１の先端のプラズマアーク７１１で溝７２２ｂに沿って溝７２２ｂをなぞるよう、底板７２２、枠体７２３及び隔壁７２４に対して溶接トーチ７０１を相対的に移動させることとしても良い。プラズマアーク７１１の放出方向は、底板７２２に対して垂直方向に設定されている。
【００４３】
同様に、天板７２１を溶接する際には枠体７２３及び隔壁７２４に溝７２１ｂを重ね合わせて、溶接トーチ７０１が天板７２１の外側の面７２１ｅの溝７２１ｂに向けてプラズマアーク７１１を放出する。天板７２１、枠体７２３及び隔壁７２４はプラズマアーク７１１によって加熱されて、枠体７２３と天板７２１との当接部及び隔壁７２４と天板７２１との当接部が溶融されることによって天板７２１の縁部に枠体７２３に溶接し、天板７２１の溝７２１ｂに対向する内面７２１ｄに隔壁７２４に溶接する。なお、天板７２１と枠体７２３との溶接箇所及び天板７２１と隔壁７２４との溶接箇所には、蝋材が介在されていてもよく、その場合、蝋材は天板７２１、枠体７２３及び隔壁７２４よりも融点が低い方が迅速に溶解するので天板７２１、枠体７２３及び隔壁７２４を加熱し過ぎなくて済み、天板７２１、枠体７２３及び隔壁７２４の歪みを抑えることができる。蝋材を用いる場合は天板７２１、枠体７２３、及び隔壁７２４を必ずしも溶融する必要はない。溶接トーチ７０１の先端のプラズマアーク７１１で溝７２１ｂに沿って溝７２１ｂをなぞるよう、天板７２１、底板７２２、枠体７２３及び隔壁７２４に対して溶接トーチ７０１を相対的に移動させることとしても良い。プラズマアーク７１１の放出方向は、天板７２１に対して垂直方向に設定されている。
【００４４】
以上のように、天板７２１、底板７２２は溝７２１ｂ，７２２ｂが薄くなり、プラズマアーク７１１によってより熱が伝搬しやすい構造となっており、溶接に必要なエネルギーを抑えられ、速やかに接合できるとともに切り込みのある場合に比べて機械的強度があるので、天板７２１、底板７２２の歪みを抑えることができる。
【００４５】
また、図８に示すように、溶接の前に、枠体７２３及び隔壁７２４に沿う溝７２２ｃを底板７２２の接合面７２２ｄに形成し、枠体７２３及び隔壁７２４に沿った溝７２１ｃを天板７２１の接合面７２１ｄに形成しておく。溝７２２ｃの幅は、隔壁７２４や枠体７２３の幅と同等かやや広く設定されており、図９に示すように底板７２２を溶接する際には溝７２２ｃに枠体７２３及び隔壁７２４を嵌め込んで、溶接トーチ７０１が底板７２２の溝７２２ｃの反対側に位置する面７２２ｅに向けてプラズマアーク７１１を放出する。底板７２２、枠体７２３及び隔壁７２４はプラズマアーク７１１によって加熱されて、枠体７２３と底板７２２との当接部及び隔壁７２４と底板７２２との当接部が溶融されることによって底板７２２の縁部に枠体７２３に溶接し、底板７２２の溝７２２ｃで隔壁７２４に溶接する。なお、底板７２２と枠体７２３との溶接箇所及び底板７２２と隔壁７２４との溶接箇所には、蝋材が介在されていてもよく、その場合、蝋材は底板７２２、枠体７２３及び隔壁７２４よりも融点が低い方が迅速に溶解するので底板７２２、枠体７２３及び隔壁７２４を加熱し過ぎなくて済み、底板７２２、枠体７２３及び隔壁７２４の歪みを抑えることができる。蝋材を用いる場合は底板７２２、枠体７２３、及び隔壁７２４を必ずしも溶融する必要はない。溶接トーチ７０１の先端のプラズマアーク７１１で溝７２２ｃに沿って溝７２２ｃをなぞるよう、底板７２２、枠体７２３及び隔壁７２４に対して溶接トーチ７０１を相対的に移動させることとしても良い。
【００４６】
溝７２１ｃの幅は、隔壁７２４や枠体７２３の幅と同等かやや広く設定されており、天板７２１を溶接する際には枠体７２３及び隔壁７２４に溝７２１ｃに嵌め込んで、溶接トーチ７０１が天板７２１の溝７２１ｃの反対側に位置する面７２１ｅに向けてプラズマアーク７１１を放出する。天板７２１、枠体７２３及び隔壁７２４はプラズマアーク７１１によって加熱されて、枠体７２３と天板７２１との当接部及び隔壁７２４と天板７２１との当接部が溶融されることによって天板７２１の縁部に枠体７２３に溶接し、天板７２１の溝７２１ｃで隔壁７２４に溶接する。なお、天板７２１と枠体７２３との溶接箇所及び天板７２１と隔壁７２４との溶接箇所には、蝋材が介在されていてもよく、その場合、蝋材は天板７２１、枠体７２３及び隔壁７２４よりも融点が低い方が迅速に溶解するので天板７２１、枠体７２３及び隔壁７２４を加熱し過ぎなくて済み、天板７２１、枠体７２３及び隔壁７２４の歪みを抑えることができる。蝋材を用いる場合は天板７２１、枠体７２３、及び隔壁７２４を必ずしも溶融する必要はない。
【００４７】
溶接トーチ７０１の先端のプラズマアーク７１１で溝７２１ｃに沿って溝７２１ｃをなぞるよう、天板７２１、底板７２２、枠体７２３及び隔壁７２４に対して溶接トーチ７０１を相対的に移動させることとしても良い。
【００４８】
以上のように、天板７２１、底板７２２に溝７２１ｃ，７２２ｃを形成することで、枠体７２３及び隔壁７２４を天板７２１や底板７２２の溝７２２ｃに嵌め込んで仮止めした状態で溶接を行うことができるので位置ズレを防止できる。更に溶接に必要なエネルギーを抑えられ、天板７２１、底板７２２の歪みを抑えることができる。
【００４９】
また、図１０に示すように、溶接の前に、底板７２２の接合面７２２ｄの反対面７２２ｅに枠体７２３及び隔壁７２４に沿う溝７２２ｂを形成し、底板７２２の接合面７２２ｄに、溝７２２ｂの位置に対向するように枠体７２３及び隔壁７２４に沿う溝７２２ｃを形成しておき、さらに、天板７２１の接合面７２１ｄの反対面７２１ｅに枠体７２３及び隔壁７２４に沿う溝７２１ｂを形成し、天板７２１の接合面７２１ｄに、溝７２１ｂの位置に対向するように枠体７２３及び隔壁７２４に沿う溝７２１ｃを形成しても良い。溝７２２ｃの幅及び溝７２１ｃの幅は、隔壁７２４や枠体７２３の幅と同等かやや広く設定されている。溝７２２ｂ、溝７２１ｂの幅は隔壁７２４や枠体７２３の肉厚よりも狭くても良い。そして、図１１に示すように底板７２２を溶接する際には溝７２２ｃに枠体７２３及び隔壁７２４を嵌め込んで、溶接トーチ７０１が底板７２２の溝７２２ｃの反対側に位置する溝７２２ｂに向けてプラズマアーク７１１を放出する。底板７２２、枠体７２３及び隔壁７２４はプラズマアーク７１１によって加熱されて、枠体７２３と底板７２２との当接部及び隔壁７２４と底板７２２との当接部が溶融されることによって底板７２２の縁部に枠体７２３に溶接し、底板７２２の溝７２２ｃで隔壁７２４に溶接する。なお、底板７２２と枠体７２３との溶接箇所及び底板７２２と隔壁７２４との溶接箇所には、蝋材が介在されていてもよく、その場合、蝋材は底板７２２、枠体７２３及び隔壁７２４よりも融点が低い方が迅速に溶解するので底板７２２、枠体７２３及び隔壁７２４を加熱し過ぎなくて済み、底板７２２、枠体７２３及び隔壁７２４の歪みを抑えることができる。蝋材を用いる場合は底板７２２、枠体７２３、及び隔壁７２４を必ずしも溶融する必要はない。溶接トーチ７０１の先端のプラズマアーク７１１で溝７２２ｂに沿って溝７２２ｂをなぞるよう、底板７２２、枠体７２３及び隔壁７２４に対して溶接トーチ７０１を相対的に移動させる。
【００５０】
そして、天板７２１を溶接する際には枠体７２３及び隔壁７２４に溝７２２ｃに嵌め込んで、溶接トーチ７０１が天板７２１の溝７２１ｃの反対側に位置する溝７２１ｂに向けてプラズマアーク７１１を放出する。天板７２１、枠体７２３及び隔壁７２４はプラズマアーク７１１によって加熱されて、枠体７２３と天板７２１との当接部及び隔壁７２４と天板７２１との当接部が溶融されることによって天板７２１の縁部に枠体７２３に溶接し、天板７２１の溝７２１ｃで隔壁７２４に溶接する。なお、天板７２１と枠体７２３との溶接箇所及び天板７２１と隔壁７２４との溶接箇所には、蝋材が介在されていてもよく、その場合、蝋材は天板７２１、枠体７２３及び隔壁７２４よりも融点が低い方が迅速に溶解するので天板７２１、枠体７２３及び隔壁７２４を加熱し過ぎなくて済み、天板７２１、枠体７２３及び隔壁７２４の歪みを抑えることができる。蝋材を用いる場合は天板７２１、枠体７２３、及び隔壁７２４を必ずしも溶融する必要はない。溶接トーチ７０１の先端のプラズマアーク７１１で溝７２１ｂに沿って溝７２１ｂをなぞるよう、天板７２１、底板７２２、枠体７２３及び隔壁７２４に対して溶接トーチ７０１を相対的に移動させる。
【００５１】
以上のように、天板７２１、底板７２２に溝７２１ｂ，７２２ｂや溝７２１ｃ，７２２ｃを形成することで、溶接に必要なエネルギーを抑えられ、天板７２１、底板７２２の歪みを抑えることができる。
【００５２】
また、上述の説明では枠体７２３及び隔壁７２４を型彫り放電加工によって作成したが、溶接トーチ７０１を用いたマイクロプラズマ溶接方法によって枠体７２３及び隔壁７２４を組み立てても良い。つまり、四つの薄板を矩形枠状に組むに際してそれぞれの角部をマイクロプラズマアーク溶接方法によって溶接することで枠体７２３を作成し、更に枠体７２３の四つの側壁のうち２つの側壁の内面に隔壁７２４をマイクロプラズマアーク溶接方法によって溶接する。
【００５３】
〔応用例〕
上述のマイクロプラズマアーク溶接方法は、図１２、図１３に示されたマイクロリアクタモジュール１の製造方法に用いることができる。
【００５４】
ここで、マイクロリアクタモジュール１について簡単に説明する。このマイクロリアクタモジュール１は、ベースプレート１０２、下部枠１０４、中部枠１０６、燃焼器プレート１０８、上部枠１１０、蓋プレート１１２を積層してなる高温反応部４と、ベースプレート２８、下部枠３０、中部枠３２、上部枠３４及び蓋プレート３６を積層した低温反応部６と、高温反応部４と低温反応部６との間に架設された連結管８と、低温反応部６の下面に連結した多管材１０と、多管材１０の周りにおいて積層された燃焼器プレート１２と、低温反応部６の下面にパターニングされた電熱線１７０と、低温反応部６から連結管８、高温反応部４にかけての下面にパターニングされた電熱線１７２と、低温反応部６の下面から燃焼器プレート１２の外面にかけてパターニングされた電熱線１７４とを備える。
【００５５】
燃焼器プレート１２が接合されて接合面に流路が形成されているが、気体燃料と空気の混合気が多管材１０を通って燃焼器プレート１２の流路に流れ込み、その流路において触媒燃焼が起こる。また、多管材１０に液体燃料と水の混合液が供給されるが、燃焼器プレート１２における燃焼熱や電熱線１７４によって混合液が気化する。気化した燃料と水の混合気はベースプレート２８の流路、連結管８を通って高温反応部４の下部の内側に送られる。高温反応部４の下部はベースプレート１０２、下部枠１０４、中部枠１０６を積層したものであるが、これらの積層体の内側に流路が形成され、その流路を混合気が流れて水素等が触媒反応により生成される。この触媒反応には熱が必要だが、電熱線１７２や燃焼器プレート１０８から熱エネルギーが供給される。ここで、燃焼器プレート１０８が上部枠１１０と接合することでその接合面に燃焼室が形成され、気体燃料と空気の混合気が多管材１０、ベースプレート２８の流路、連結管８を通って燃焼室に供給され、燃焼室において触媒燃焼が起こる。
【００５６】
ベースプレート１０２、下部枠１０４、中部枠１０６の積層体から混合気が更に上部枠１１０の内側に送られる。上部枠１１０の内側には複数の隔壁１０９が設けられ、上部枠１１０の上側開口が蓋プレート１１２によって閉塞されることによって上部枠１１０の内側に流路が形成される。上部枠１１０の内側に送られた混合気は上部枠１１０の内側の流路を流れて水素等が触媒反応により生成される。そして、水素等を含む混合気が連結管８を通って低温反応部６の内側に送られる。
【００５７】
低温反応部６はベースプレート２８、下部枠３０、中部枠３２、上部枠３４、蓋プレート３６を積層したものであるが、これらの積層体の内側に流路が形成され、その流路を混合気が流れて混合気中の一酸化炭素が選択的に酸化される。一酸化炭素の選択酸化反応は室温よりも高い温度で起こるので、低温反応部６が電熱線１７０や燃焼器プレート１２によって加熱される。低温反応部６で一酸化炭素を除去した水素リッチガスが多管材１０を通って燃料電池の燃料極に供給される。燃料電池では酸素極に空気が供給され、酸素と水素の電気化学反応により電気エネルギーが生成される。
【００５８】
高温反応部４、低温反応部６、連結管８は断熱パッケージ内に収容されているが、断熱パッケージ内が真空圧とされているので、断熱効果が高くなっている。また、断熱パッケージ内にはゲッター材１８８が設けられ、リード線１９２，１９４、配線１９０を通じてゲッター材１８８のヒータに電圧を印加すると、ゲッター材１８８が活性化して、断熱パッケージ内の真空度が高まる。リード線１９２，１９４のほかにも何本かリード線が設けられているが、リード線１７６，１７８は電熱線１７０に接続され、リード線１８０，１８２は電熱線１７２に接続され、リード線１８４，１８６は電熱線１７４に接続されている。
【００５９】
このマイクロリアクタモジュール１を製造するために上述のようなマイクロプラズマアーク溶接方法を用いるが、特に蓋プレート１１２を上部枠１１０に接合する時や蓋プレート３６を上部枠３４に接合する時に上述のマイクロプラズマアーク溶接方法を用いる。
【００６０】
ここで、蓋プレート３６，１１２が上述の天板７２１又は底板７２２に対応し、上部枠３４，１１０が上述の枠体７２３に対応し、隔壁３３，１０９が隔壁７２４に対応する。つまり、上部枠３４の開口を蓋プレート３６で覆い、蓋プレート３６の上から溶接トーチ７０１の先端のプラズマアーク７１１で上部枠３４及び隔壁３３をなぞることで、蓋プレート３６を上部枠３４に接合することができ、上部枠１１０の開口を蓋プレート１１２で覆い、蓋プレート１１２の上から溶接トーチ７０１の先端のプラズマアーク７１１で上部枠１１０及び隔壁１０９をなぞることで、蓋プレート１１２を上部枠１１０に接合することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】溶接装置の概略図である。
【図２】マイクロリアクタの分解斜視図である。
【図３】図２のマイクロリアクタの製造工程を順に示した断面図である。
【図４】マイクロリアクタの分解斜視図である。
【図５】図４のマイクロリアクタの製造方法を示した断面図である。
【図６】マイクロリアクタの分解斜視図である。
【図７】図６のマイクロリアクタの製造方法を示した断面図である。
【図８】マイクロリアクタの分解斜視図である。
【図９】図８のマイクロリアクタの製造方法を示した断面図である。
【図１０】マイクロリアクタの分解斜視図である。
【図１１】図１０のマイクロリアクタの製造方法を示した断面図である。
【図１２】斜め下から示したマイクロリアクタモジュールの斜視図である。
【図１３】マイクロリアクタモジュールの分解斜視図である。
【図１４】従来の溶接方法を示した図面である。
【符号の説明】
【００６２】
１ マイクロリアクタモジュール
３３、１０９ 隔壁
３４、１１０ 上部枠
３６、１１２ 蓋プレート
７０１ 溶接トーチ
７１１ プラズマアーク
７２１ 天板
７２２ 底板
７２３ 枠体
７２４ 隔壁
７２１ａ、７２２ａ 切り込み
７２１ｂ、７２２ｂ 溝
７２１ｃ、７２２ｃ 溝
【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状の第１の被加工材の一方の面に板状の第２の被加工材を立てた状態で当接させ、前記第１の被加工材の前記一方の面の反対側の面にプラズマアークを噴出することで前記第１の被加工材に前記第２の被加工材を立てた状態で溶接することを特徴とするプラズマアーク溶接方法。
【請求項２】
前記第２の被加工材が前記第１の被加工材に当接する箇所に沿うよう切り込みが前記第１の被加工材に形成され、前記切り込みに向けて前記プラズマアークを噴出することを特徴とする請求項１に記載のプラズマアーク溶接方法。
【請求項３】
前記第２の被加工材が前記第１の被加工材に当接する前記一方の面の箇所に沿うよう溝が前記第１の被加工材の前記反対側の面に形成され、前記溝に向けて前記プラズマアークを噴出することを特徴とする請求項１に記載のプラズマアーク溶接方法。
【請求項４】
前記第２の被加工材が前記第１の被加工材に当接する箇所に沿うように溝が前記第１の被加工材の前記一方の面に形成され、前記第１の被加工材の前記反対側の面のうち前記溝に対応する箇所に向けて前記プラズマアークを噴出することを特徴とする請求項１又は３に記載のプラズマアーク溶接方法。
【請求項５】
前記溝に前記第２の被加工材を嵌め込んだ状態で前記プラズマアークを噴出することを特徴とする請求項４に記載のプラズマアーク溶接方法。
【請求項６】
請求項１から５の何れか一項に記載のプラズマアーク溶接方法を用いてマイクロリアクタを製造することを特徴とするマイクロリアクタの製造方法。
【請求項７】
内面に隔壁が設けられた枠体の開口を板材で蓋をするよう前記枠体に前記板材を重ねる工程と、
前記板材に関して前記枠体及び前記隔壁の反対側から前記板材にプラズマアークを噴出することで前記枠体及び前記隔壁を前記板材に溶接する工程と、を含むことを特徴とするマイクロリアクタの製造方法。
【請求項８】
前記隔壁が前記板材に当接する箇所に沿うよう切り込みが前記板材に形成され、前記切り込みに向けて前記プラズマアークを噴出することで前記隔壁を前記板材に溶接することを特徴とする請求項７に記載のマイクロリアクタの製造方法。
【請求項９】
前記枠体及び前記隔壁が前記板材に当接する箇所に沿うよう溝が前記板材の前記枠体とは反対側の面に形成され、前記溝に向けて前記プラズマアークを噴出することで前記枠体及び前記隔壁を前記板材に溶接することを特徴とする請求項７に記載のマイクロリアクタの製造方法。
【請求項１０】
前記枠体及び前記隔壁が前記板材に当接する箇所に沿うよう溝が前記板材の前記枠対側の面に形成され、前記板材の前記枠体とは反対側の面のうち前記溝に対応する箇所に向けて前記プラズマアークを噴出することで前記枠体及び前記隔壁を前記板材に溶接することを特徴とする請求項７又は９に記載のマイクロリアクタの製造方法。
【請求項１１】
前記溝に前記枠体及び前記隔壁を嵌め込んだ状態で前記プラズマアークを噴出することを特徴とする請求項１０に記載のマイクロリアクタの製造方法。
【請求項１】
板状の第１の被加工材の一方の面に板状の第２の被加工材を立てた状態で当接させ、前記第１の被加工材の前記一方の面の反対側の面にプラズマアークを噴出することで前記第１の被加工材に前記第２の被加工材を立てた状態で溶接することを特徴とするプラズマアーク溶接方法。
【請求項２】
前記第２の被加工材が前記第１の被加工材に当接する箇所に沿うよう切り込みが前記第１の被加工材に形成され、前記切り込みに向けて前記プラズマアークを噴出することを特徴とする請求項１に記載のプラズマアーク溶接方法。
【請求項３】
前記第２の被加工材が前記第１の被加工材に当接する前記一方の面の箇所に沿うよう溝が前記第１の被加工材の前記反対側の面に形成され、前記溝に向けて前記プラズマアークを噴出することを特徴とする請求項１に記載のプラズマアーク溶接方法。
【請求項４】
前記第２の被加工材が前記第１の被加工材に当接する箇所に沿うように溝が前記第１の被加工材の前記一方の面に形成され、前記第１の被加工材の前記反対側の面のうち前記溝に対応する箇所に向けて前記プラズマアークを噴出することを特徴とする請求項１又は３に記載のプラズマアーク溶接方法。
【請求項５】
前記溝に前記第２の被加工材を嵌め込んだ状態で前記プラズマアークを噴出することを特徴とする請求項４に記載のプラズマアーク溶接方法。
【請求項６】
請求項１から５の何れか一項に記載のプラズマアーク溶接方法を用いてマイクロリアクタを製造することを特徴とするマイクロリアクタの製造方法。
【請求項７】
内面に隔壁が設けられた枠体の開口を板材で蓋をするよう前記枠体に前記板材を重ねる工程と、
前記板材に関して前記枠体及び前記隔壁の反対側から前記板材にプラズマアークを噴出することで前記枠体及び前記隔壁を前記板材に溶接する工程と、を含むことを特徴とするマイクロリアクタの製造方法。
【請求項８】
前記隔壁が前記板材に当接する箇所に沿うよう切り込みが前記板材に形成され、前記切り込みに向けて前記プラズマアークを噴出することで前記隔壁を前記板材に溶接することを特徴とする請求項７に記載のマイクロリアクタの製造方法。
【請求項９】
前記枠体及び前記隔壁が前記板材に当接する箇所に沿うよう溝が前記板材の前記枠体とは反対側の面に形成され、前記溝に向けて前記プラズマアークを噴出することで前記枠体及び前記隔壁を前記板材に溶接することを特徴とする請求項７に記載のマイクロリアクタの製造方法。
【請求項１０】
前記枠体及び前記隔壁が前記板材に当接する箇所に沿うよう溝が前記板材の前記枠対側の面に形成され、前記板材の前記枠体とは反対側の面のうち前記溝に対応する箇所に向けて前記プラズマアークを噴出することで前記枠体及び前記隔壁を前記板材に溶接することを特徴とする請求項７又は９に記載のマイクロリアクタの製造方法。
【請求項１１】
前記溝に前記枠体及び前記隔壁を嵌め込んだ状態で前記プラズマアークを噴出することを特徴とする請求項１０に記載のマイクロリアクタの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２００７−２２２９３６（Ｐ２００７−２２２９３６Ａ）
【公開日】平成１９年９月６日（２００７．９．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５０２９１（Ｐ２００６−５０２９１）
【出願日】平成１８年２月２７日（２００６．２．２７）
【出願人】（０００００１４４３）カシオ計算機株式会社 (8,748)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年９月６日（２００７．９．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年２月２７日（２００６．２．２７）
【出願人】（０００００１４４３）カシオ計算機株式会社 (8,748)
【Ｆターム（参考）】
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