JP2004291044A - ステンレス鋼製パイプとアルミニウム合金製パイプとの接合構造および接合方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ステンレス鋼製パイプ1が、外周面1bに凹凸3を有するパイプ端部1aと、このパイプ端部1aの基部1cに一体に設けられ、このパイプ端部1aを覆うソケット部4とを備えたものであり、アルミニウム合金製パイプ2の端部2aを、200〜400℃に加熱した後に、ソケット部4とパイプ端部1aとの間の隙間5に差し込み、ソケット部4の求心方向締め付けおよび/またはパイプ端部1aの遠心方向拡張によって加締める。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ステンレス鋼製パイプとアルミニウム合金製パイプとの接合技術に関し、特に、自動車用エアコンの冷媒回路に用いられるアルミニウム合金製配管とステンレス鋼製の振動吸収管との接合技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、車体の軽量化を目的として自動車用エアコンの冷媒回路の配管にはアルミニウム合金製配管が使用されているが、コンプレッサ等で発生する振動が配管を共振させ騒音を引き起こすおそれがある。そこで、配管の共振を抑制するために、従来はゴムと樹脂とからなる複合ホースが配管の途中に組み込まれて使用されていた。
【0003】
ところで、自動車用のエアコンの冷媒として、オゾン層の破壊物質であるフロンに代えてHFC134aが多く用いられている。しかし、このHFC134aは、オゾン破壊係数は零であるが、地球温暖化係数が高く温暖化促進の原因となりつつある。このため、HFC134a代替物質として、温暖化係数の小さい、自然系冷媒であるCO2冷媒を使用することが推奨されつつある。
【0004】
ところが、CO2冷媒を使用する場合、冷媒回路配管の耐熱温度がHFC134a冷媒の120℃に対し170〜180℃を要するとともに、耐圧もHFC134a冷媒の3〜4MPaに対し15〜20MPaを要する。
【0005】
このため、従来のようなゴムと樹脂とからなる複合ホースではこのような高温高圧仕様には耐えられないため、代わってステンレス鋼製の蛇腹を有する振動吸収管が提案されている(例えば、特許文献1参照)。また、このステンレス鋼製の振動吸収管は、管壁が金属製であるため従来のゴムと樹脂とからなる複合ホースに比して格段に優れた対ガス透過性を有し、冷媒を外に漏らすことがない。したがって、このステンレス鋼製の振動吸収管はCO2冷媒のみならず、現状のHFC134a冷媒等に対しても冷媒の外気への漏洩量をゼロに近付ける目的で使用が進められている。
【0006】
ところが、この振動吸収管を冷媒回路に組み込む際には以下の問題がある。すなわち、振動吸収管の蛇腹部分は、加工性と強度の問題から現状ではステンレス鋼しか用いることができない。一方、冷媒回路配管は、車体の軽量化とコストを考慮するとステンレス鋼に変更することは困難であり、現状のアルミニウム合金を用いることが必然とされている。したがって、ステンレス鋼製の振動吸収管とアルミニウム合金製の配管とを接合する必要がある。しかしながら、これらの金属製のパイプ同士を単に機械的に嵌合させたり、螺合させたりする方法によっては、信頼性のある高強度かつ高気密性を有する接合部を得ることは非常に難しい。また、アルミニウム合金とステンレス鋼とを溶接やロウ付けで接合すると、接合部に脆い金属間化合物が生成しやすいために、この場合も信頼性のある高強度かつ高気密性を有する接合部を得ることは非常に困難である。
【0007】
なお、鉄系材料とアルミニウムとの接合方法として、鉄系材料からなる母材の表面に荒加工を施して凹凸を形成した後、アルミニウム層を仮形成し、このアルミニウム層を表面側から押圧しながら、高周波加熱することにより、Fe−Alの金属間化合物からなる拡散層を形成する方法が開示されている(特許文献2参照)。
【0008】
しかしながら、この方法は金属間化合物からなる拡散層を形成することによって母材表面の耐磨耗性や平滑度を向上させることを目的とするものであり、金属間化合物を形成する限り信頼性のある高強度かつ高気密性を有する接合部は得られない。
【0009】
【特許文献1】
特開2002−195474号公報
【特許文献2】
特開平7−310161号公報
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はかかる問題に鑑みてなされたものであって、強度および気密性に優れた、ステンレス鋼製パイプとアルミニウム合金製パイプとの接合構造および接合方法を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
請求項1に係る発明は、ステンレス鋼製パイプとアルミニウム合金製パイプとの接合構造であって、前記ステンレス鋼製パイプが、外周面に凹凸を有するパイプ端部と、このパイプ端部の基部に一体に設けられ、このパイプ端部を覆うソケット部とを備えたものであり、前記アルミニウム合金製パイプの端部が、前記ソケット部と前記パイプ端部との間の隙間に差し込まれ、前記ソケット部の求心方向締め付けおよび/または前記パイプ端部の遠心方向拡張によって加締められて前記ソケット部および前記パイプ端部に密着して接合されたものであり、常温水による耐圧試験での水漏れ開始圧力が40MPa以上であることを特徴とする、ステンレス鋼製パイプとアルミニウム合金製パイプとの接合構造である。
【0012】
請求項2に係る発明は、前記加締めの際における、前記アルミニウム合金製パイプの端部の温度が200〜400℃である、請求項1に記載のステンレス鋼製パイプとアルミニウム合金製パイプとの接合構造である。
【0013】
請求項3に係る発明は、前記ソケット部が、その内周面に凹凸を有するものである、請求項1または2に記載のステンレス鋼製パイプとアルミニウム合金製パイプとの接合構造である。
【0014】
請求項4に係る発明は、前記アルミニウム合金製パイプの材質が、3000系アルミニウム合金、5000系アルミニウム合金または6000系アルミニウム合金である、請求項1〜3のいずれか1項に記載のステンレス鋼製パイプとアルミニウム合金製パイプとの接合構造である。
【0015】
請求項5に係る発明は、ステンレス鋼製パイプとアルミニウム合金製パイプとを接合する方法であって、前記ステンレス鋼製パイプの端部であるパイプ端部の外周面に凹凸を設けるとともに、このパイプ端部の基部にこのパイプ端部を覆うソケット部を一体に設ける加工工程と、前記アルミニウム合金製パイプの端部を200〜400℃に加熱するとともに、このアルミニウム合金製パイプの端部を前記ソケット部と前記パイプ端部との間の隙間に差し込む加熱・挿入工程と、前記差し込まれた前記アルミニウム合金製パイプの端部をソケット部の求心方向締め付けおよび/または前記パイプ本体の遠心方向拡張によって加締める加締め工程とを備えたことを特徴とする、ステンレス鋼製パイプとアルミニウム合金製パイプとの接合方法である。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【0017】
〔実施形態1〕
図1に、自動車用エアコンに用いられるCO2冷媒回路配管の途中に、本発明の実施の形態に係るステンレス鋼製パイプとアルミニウム合金製パイプとの接合構造を用いた例を示す。図1(a)は接合前、(b)は接合後の構造を示す。
【0018】
前述のように、軽量化のためCO2冷媒回路配管にはアルミニウム合金製パイプ(以下、「アルミパイプ」と略称する。)2を用いる。
【0019】
動吸収管11は、中央が蛇腹状に形成されたベローズ12と、このベローズ12の両端部にロウ付けまたは溶接により固定されたニップル1とから構成されている。前述のように、CO2冷媒を用いた場合における高温高圧に耐えるべく、ベローズ12はステンレス鋼で作製される。
【0020】
したがって、脆弱な金属間化合物の生成を避けるため、ベローズ12とロウ付けまたは溶接されるニップル1にもステンレス鋼製のパイプを用いる。
【0021】
[加工工程]:このステンレス鋼製パイプ(ニップル、以下、「ステンレスパイプ」と略称する。)1の端部(パイプ端部)1aの外周面1bに断面鋸歯状の凹凸3を形成しておく。断面鋸歯状としたのは、アルミパイプ2を接合したときに高い内圧によっても抜けにくくするためである。そして、このパイプ端部1aを覆うようにソケット部4をパイプ端部1aの基部1dにロウ付けまたは溶接(例えばレーザ溶接)により一体に形成する。したがって、このソケット部4にもステンレス鋼を用いる。
【0022】
[加熱・挿入工程]:アルミパイプ2の端部2aをソケット部4とパイプ端部1aとの間の隙間5に差し込み、ソケット部4の外周面4aから例えば高周波加熱により200〜400℃に加熱する。
【0023】
[加締め工程]:加熱後、ソケット部4の外周面4aを求心方向に締め付けて(すなわち、縮径して)加締める。加締めの方法としては、例えば公知のスエージング接合を用いればよいが、後記実施形態3のようなローラ圧着接合を用いてもよい。加締めの方向としては、ソケット部4の外周面4aを求心方向に締め付ける(縮径する)ほか、パイプ端部1aの内周面1cを遠心方向に拡張して(すなわち、拡径して)もよい。あるいは、縮径と拡径とを組み合わせてもよい。200〜400℃の加熱により、ステンレス鋼は軟化しないが、アルミニウム合金は軟化する。このため、ソケット部4の外周面4aからの加締めにより、ソケット部4aを介してアルミパイプ2の端部2aはステンレスパイプ1のパイプ端部1aの外周面1bに形成された凹凸3に押し付けられ、塑性変形して凹凸3の凹部内に侵入し密着する。そして、冷却後にはアルミニウム合金は再度硬化し、さらにアルミ合金の種類によっては冷却の際および/または後に時効硬化するため、高強度かつ高気密性の接合構造が得られる。
【0024】
接合構造の、常温水による耐圧試験での水漏れ開始圧力を40MPa以上としたのは、試験温度(常温)と耐熱温度(170〜180℃)との相違を考慮して、耐圧(最高20MPa)の2倍以上としたものである。この水漏れ開始圧力の下限は好ましくは50MPa、より好ましくは60MPa、さらに好ましくは70MPaである。なお、接合構造の気密性の評価は、本来実際の耐熱温度で実際に使用するガスを用いて行うことが好ましいが、評価試験方法が確立していない。このため、従来の常温水による耐圧試験を援用し、水漏れ開始圧力で気密性を評価することとした。
【0025】
ここで、加熱温度を200〜400℃としたのは以下の理由による。すなわち、200℃未満ではアルミニウム合金が十分に軟化せず、凹凸3の凹部内に十分に侵入しないため、密着性が不十分となり、気密性が低下する。一方、400℃を越えるとステンレス鋼と金属間化合物であるFe−Alを生成しやすくなり、かえって強度や気密性が低下するからである。加熱温度の下限は好ましくは220℃、より好ましくは240℃であり、上限は好ましくは、350℃、より好ましくは300℃である。
【0026】
なお、上記においては、加熱はアルミパイプ2の隙間5への挿入後としたが、これに限るものではなく、隙間5への挿入前にアルミパイプ2の端部2aを加熱しておいて、挿入後に加締めを行うようにしてもよい。この場合、ステンレスパイプ1のパイプ端部1aも事前に加熱しておくと、挿入および加締めの際にアルミパイプ2が冷却されにくいためより好ましい。もちろん、挿入前と挿入後の両方で加熱してもよい。
【0027】
また、加熱の方法は、上記においては高周波加熱としたが、これに限るものではなく、均熱炉中での加熱、電磁加熱などの方法を用いてもよい。
【0028】
アルミパイプ2の材質は、特に限定されるものではないが、接合構造が使用される環境を考慮して比較的高強度である程度耐熱性を有するものが望ましく、さらに加工性や耐食性などを考慮すると、3000系アルミニウム合金、5000系アルミニウム合金または6000系アルミニウム合金のうちから適宜選択して用いることが推奨される。
【0029】
ステンレスパイプ1の材質は、ベローズ12と溶接またはロウ付けできるものであれば特に限定されるものではなく、例えばSUS304など一般的なステンレス鋼を用いればよい。
【0030】
なお、ステンレス鋼とアルミニウム合金のような異種金属を接合した場合、雨水等の存在により接合部で電気腐食が起こることが懸念される。したがって、必要に応じてステンレスパイプ1とアルミパイプ2の接合後にソケット部4の先端部4bとアルミパイプ2の外表面とを例えば樹脂等で一体に被覆するなどすればよい。
【0031】
〔実施形態2〕
上記実施形態1では、ステンレスパイプ1のパイプ端部1aの外周面1bに形成した凹凸3を断面鋸歯状としたが、必ずしもこの形状に限られるものではない。例えば、図2に示すような断面V字状に形成してもよい。
【0032】
〔実施形態3〕
あるいは、図3に示すように凹凸3を断面U字状に形成してもよい。なお、本実施形態では、加締めの方法として、上記実施形態1のスエージング接合に代えて公知のローラ圧着接合を用いている。
【0033】
〔実施形態4〕
また、上記実施形態1〜3では、ソケット部4の内周面4bには特に加工を施していないが、図4に示すように、この内周面4bに凹凸6を設けてもよい。これにより、加締めの際に、アルミニウム合金が塑性変形して凹凸6の凹部内にも侵入して密着するので、より高強度かつ高気密性の接合構造が得られる。
【0034】
【実施例】
〔本発明例〕
本発明の効果を確認するため、上記実施形態1の接合構造を有する継手を作製した。図1において、ベローズ12の部分は用いずに省略して、ニップル(ステンレスパイプ)1の部分のみとアルミパイプ2とを接合した。
【0035】
ニップル1としては、外径8mm、内径6mmのSUS304製直管を用い、この端部30mmの部分(パイプ端部)1aの外周面1bに、機械加工により断面鋸歯状の凹凸3を形成した。次に、ソケット部4としては、外径13mm、内径11mmのSUS304製直管を用い、ニップル1の端部(パイプ端部)1a全体を一定の隙間5を開けて覆うように、パイプ端部1aの基部1dにレーザ溶接により接合した。
【0036】
アルミパイプ2としては、外径10mm、内径7.2mmのA5052製直管を用いた。
【0037】
そして、アルミパイプ2の端部2aを隙間5の奥まで差し込んだのち、高周波加熱ヒータで、ソケット部4の外周面4aをその表面温度が約300℃になるまで加熱した。そして、加熱を中止したのち直ちにスエージング接合により、ソケット部4の外周面4aを縮径する方向に加締めを行い、継手を作製した。
【0038】
〔比較例〕
上記本発明例と同じ構造・サイズのニップル(ステンレスパイプ)1とアルミパイプ2を用い、加熱を行わずに冷間のまま上記本発明例と同様のスエージング接合により加締めを行い、継手を作製した。
【0039】
そして、上記の本発明例および比較例の継手のそれぞれについて、気密性評価のため、常温水による耐圧試験を行い、継手の接合部からの水漏れが発生する水圧を測定した。
【0040】
耐圧試験の結果、比較例では水圧25MPaで接合部から水漏れが発生したが、本発明例では水圧を80MPaまで上げても水漏れは認められなかった。
【0041】
図5に、上記耐圧試験後の本発明例と比較例の各サンプルの軸方向断面を示す。図5(b)に示すように、比較例では鋸歯状凹凸3の凹部3aに一部隙間21が存在しているのが認められる。これに対し、図5(a)に示すように、本発明例ではニップル1の外周面1bの鋸歯状凹凸3とアルミパイプ2とがほぼ完全に密着し、両者の間には目視上隙間は存在しない。
【0042】
以上より、本発明によれば、ステンレスパイプとアルミパイプとが実質的に隙間なく密着して接合され、高強度かつ高い気密性を有する接合構造が得られることが確認できた。
【0043】
【発明の効果】
本発明により、強度および気密性に優れた、ステンレス鋼製パイプとアルミニウム合金製パイプとの接合構造および接合方法を提供することが可能となった。その結果、自動車用エアコンにCO2冷媒を用いることによる地球環境への負荷の低減と、車体の軽量化とを両立させることが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態1に係るステンレス鋼製パイプとアルミニウム合金製パイプとの接合構造を示す部分縦断面図である。
【図2】本発明の実施形態2に係るステンレス鋼製パイプとアルミニウム合金製パイプとの接合構造を示す部分縦断面図である。
【図3】本発明の実施形態3に係るステンレス鋼製パイプとアルミニウム合金製パイプとの接合構造を示す部分縦断面図である。
【図4】本発明の実施形態4に係るステンレス鋼製パイプとアルミニウム合金製パイプとの接合構造を示す部分縦断面図である。
【図5】ステンレス鋼製パイプとアルミニウム合金製パイプとの接合構造を示す縦断面図であり、(a)は本発明例、(b)は比較例である。
【符号の説明】
1…ステンレス鋼製パイプ(ニップル、ステンレスパイプ)
1a…パイプ端部
1b…外周面
1c…内周面
1d…基部
2…アルミニウム合金製パイプ(アルミパイプ)
2a…端部
3…凹凸
4…ソケット部
4a…外周面
4b…内周面
4c…先端部
5…隙間
6…凹凸
11…振動吸収管
12…ベローズ
21…隙間
Claims (5)
- ステンレス鋼製パイプとアルミニウム合金製パイプとの接合構造であって、
前記ステンレス鋼製パイプが、外周面に凹凸を有するパイプ端部と、このパイプ端部の基部に一体に設けられ、このパイプ端部を覆うソケット部とを備えたものであり、
前記アルミニウム合金製パイプの端部が、前記ソケット部と前記パイプ端部との間の隙間に差し込まれ、前記ソケット部の求心方向締め付けおよび/または前記パイプ端部の遠心方向拡張によって加締められて前記ソケット部および前記パイプ端部に密着して接合されたものであり、
常温水による耐圧試験での水漏れ開始圧力が40MPa以上であることを特徴とする、ステンレス鋼製パイプとアルミニウム合金製パイプとの接合構造。 - 前記加締めの際における、前記アルミニウム合金製パイプの端部の温度が200〜400℃である、請求項1に記載のステンレス鋼製パイプとアルミニウム合金製パイプとの接合構造。
- 前記ソケット部が、その内周面に凹凸を有するものである、請求項1または2に記載のステンレス鋼製パイプとアルミニウム合金製パイプとの接合構造。
- 前記アルミニウム合金製パイプの材質が、3000系アルミニウム合金、5000系アルミニウム合金または6000系アルミニウム合金である、請求項1〜3のいずれか1項に記載のステンレス鋼製パイプとアルミニウム合金製パイプとの接合構造。
- ステンレス鋼製パイプとアルミニウム合金製パイプとを接合する方法であって、
前記ステンレス鋼製パイプの端部であるパイプ端部の外周面に凹凸を設けるとともに、このパイプ端部の基部にこのパイプ端部を覆うソケット部を一体に設ける加工工程と、
前記アルミニウム合金製パイプの端部を200〜400℃に加熱するとともに、このアルミニウム合金製パイプの端部を前記ソケット部と前記パイプ端部との間の隙間に差し込む加熱・挿入工程と、
前記差し込まれた前記アルミニウム合金製パイプの端部をソケット部の求心方向締め付けおよび/または前記パイプ本体の遠心方向拡張によって加締める加締め工程と、
を備えたことを特徴とする、ステンレス鋼製パイプとアルミニウム合金製パイプとの接合方法。
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JP2003088215A JP2004291044A (ja) | 2003-03-27 | 2003-03-27 | ステンレス鋼製パイプとアルミニウム合金製パイプとの接合構造および接合方法 |
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US8020897B2 (en) * | 2006-10-19 | 2011-09-20 | Nichirin Co., Ltd. | Joint structure of steel pipe and light metal pipe |
WO2014136438A1 (ja) * | 2013-03-07 | 2014-09-12 | 日本電気株式会社 | 配管接続構造、及び配管接続方法 |
JP2023085245A (ja) * | 2021-12-08 | 2023-06-20 | 東成エレクトロビーム株式会社 | メタルコンタクトによるシール構造 |
-
2003
- 2003-03-27 JP JP2003088215A patent/JP2004291044A/ja active Pending
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