JP2012078084A - 冷却器 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却器、特に排気再循環冷却器又は給気冷却器の改善された製造方法を提供する。
【解決手段】本発明は、冷却器（１）、特に排気再循環冷却器（ＥＧＲ冷却器）又は給気冷却器に関するものであって、第１材料、好ましくは鋼鉄、ステンレス鋼、プラスチック又はセラミックスからなる第１部品（２）と、第２材料、好ましくはアルミニウムからなる第２部品（３）とを備え、該２部品（２，３）は、接合領域（４）において摩擦撹拌溶接接合によって互いに堅く接合されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷却器、特に排気再循環冷却器（exhaust gas regulation cooler、EGR cooler）又は給気冷却器に関するものである。

近年、最新の冷却器では、安定性及び該冷却器の各部品における相互の堅固な接合を確かなものにするために、各部品が溶接されている。これとは別に、各部品は別の接合方法、例えばネジ止め等でも互いに接合されている。しかしながら、これら全ての接合方法は、共通して複雑且つ高価であり、及び／又は、残留応力を生じさせる点で問題である。

そこで、本発明は、冷却器、特に排気再循環冷却器又は給気冷却器の改善された製造方法を提供することを目的とするものである。

上記目的は、独立請求項１の発明の主題によって達成される。有利な実施形態は、従属項の発明の主題である。

本発明は、冷却器それ自体が例えば排気再循環冷却器又は給気冷却器として構成され、第１材料、好ましくは鋼鉄、ステンレス鋼、セラミックス又はプラスチックからなる第１部品と、第２材料、好ましくは軽金属、より好ましくはアルミニウムからなる第２部品とを備える冷却器の場合に、上記２部品を摩擦撹拌溶接接合によって共通の接合領域で互いに接合させるという概念に基づいている。摩擦撹拌溶接において、円柱ショルダから突き出ている回転ピンが上記２部品の接合領域に大きな力で押圧されて両部品が互いに接合され、該回転ピンは継ぎ目に沿って動かされる。材料は、上記ショルダとワークピースとの間で生じる摩擦によって加熱され、上記回転ピンの回転によって掻き回されて、上記２部品が加熱成形によって互いに接合される。従って、特別に用意するものや充填材が不要である。摩擦撹拌溶接が従来の溶接方法と比較して極めて有利な点は、溶接温度が例えばアルミニウムのような軽金属の融点よりも低く、それによって融液が凝固する間の不利な微細構造変化を回避し得る点である。これにより、一般に溶融溶接が困難又は条件付きで溶融溶接可能と分類される高力アルミニウム合金が充填材無しに且つ強度損失無しで溶接され得る。更に、溶接機械に必要なのものは、ほんの少しの投資だけである。更に、摩擦撹拌溶接で製造された冷却器の利点は、高い安定性及び高い動的な溶接部の強さであり、スパッタや煙が全く発生せず、低エネルギー消費でほとんど歪みがなく、充填材が不要であって、他の溶接方法における制限が排除される点である。摩擦撹拌溶接方法は、アルミニウムと鋼鉄、特にステンレス鋼との接合だけでなく、アルミニウムとプラスチックとの接合、又は、アルミニウムとセラミックスとの接合に適している。材料の選択は、冷却器の目的の各条件や冷却器の用途及び構造に依存する。

本発明の解決手段の有利な発展において、上記第１部品は冷却器外壁又は冷却器底部として構成され、上記第２部品は、冷却材ノズル、ホルダ、中間部品又はハウジングとして構成されている。この一覧は、本発明に係る上記冷却器の全ての異なる部品が上記摩擦撹拌溶接方法によって互いに接合され、それによって、該冷却器が大規模に自動化され、高品質で、同時に、費用効果の高い方法で製造されることを示している。摩擦撹拌溶接では与える熱が最小限で済むため、冷却器に高い負荷を与え且つ冷却器の予想耐用年数を減少させてしまう溶接の間に、冷却器に過剰な残留応力が導入されるのを心配する必要が全くなくなる。また、冷却器の精密な形状には実際的な価値がない。すなわち、摩擦撹拌溶接による上記２部品の接合位置において、円滑且つ平坦に互いに接するように接合されていればよい。本発明に係る摩擦撹拌方法の利用は、車両の排気冷却器及び給気冷却器に限定されず、排気や給気の冷却に応用される冷却器にも利用される。

本発明の更なる重要な特徴及び有利な点は、従属項、図面及び図面に基づく形状の関連する記載に起因する。

上記の特徴及び下記の特徴は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、各上記組合せだけでなく、他の組合せ又は単独で有効であることが分かる。

本発明の好ましい実施形態は、図示され、以下の記載に詳細に説明されている。同一の参照符号は、同一の、類似の、又は機能的に同一の構成を参照している。

本発明の実施形態に係る冷却器を示す図である。 同図（ａ）は、接合領域において摩擦撹拌溶接接合によって接合された２部品の接合領域における本発明の実施形態に係る冷却器の断面斜視図であり、同図（ｂ）は、その断面側面図である。 摩擦撹拌溶接接合を生じさせるピンの異なる位置を示す図である。 ２つの冷却器底部を備え、１つの冷却器底部において、溶接装置が設けられる空間を備える本発明の可能な実施形態に係る冷却器の断面図である。 同一の冷却器底部を備える図４相当図である。 接合領域において摩擦撹拌溶接接合によって接合された２部品の接合領域における本発明の他の実施形態に係る冷却器の断面図である。

発明の実施の形態

図１乃至図６に示すように、本発明の実施形態に係る冷却器１は、例えば排気再循環冷却器（ＥＧＲ）又は給気冷却器として構成されており、鋼鉄、特にステンレス鋼からなる第１部品２と、軽金属、特にアルミニウムからなる第２部品３とを備えている。両部品２，３は、接合領域４において摩擦撹拌溶接接合によって互いに堅く接合、つまり溶接されている。本発明の全ての実施形態に係る冷却器１はＩ字状（直線状）の冷却器であるが、Ｌ字状の冷却器又はＵ字状の冷却器で構成されてもよいのは言うまでもない。本発明の冷却器１における第１部品２は、例えば冷却器外壁５又は冷却器底部６として構成されてもよく、第２部品３は、例えば冷却材ノズル、ホルダ、中間部品、ハウジング７又はディフューザー８でもよい。図１において、ハウジング７は冷却器１上に配置され、該ハウジング７には冷却器１を通る排気の流れを制御するバルブ装置又はフラップ装置が設けられてもよい。

図２に示すように、本発明の冷却器１の断面は、接合領域４における摩擦撹拌溶接接合の生成を示しており、そのために回転ピン１０を備える溶接装置９が利用されている。回転ピン１０は溶接工程の間に接合領域４において強い力で押され、それによって材料が練られる。しかしながら、両部品２，３の溶融は全く発生せず、両部品２，３の加熱成形が起きて、アルミニウムがステンレス鋼と拡散結合する。ここで、上記回転ピン１０は接合領域４に２ｋＮ以上の力で押圧されるのが好ましく、５ｋＮ以上の力で押圧されるのがより好ましい。上記のように、第１部品２は鋼鉄、特にステンレス鋼で構成されてもよく、第２部品３は軽金属、特にダイカストのアルミニウムで構成されてもよい。耐久性の要求に応じて、他の金属の組合せを用いてもよい。

図３（ａ）に示すように、上記回転ピン１０は上方から接合領域４に押されており、図３（ｂ）に示すように、該回転ピン１０は溝中央の上に横切るように配置されている。一般に、接合領域４を固く（強化）する冷却器底部６（図２参照）そのものが補強されてもよく、又は、該接合領域４だけが補強されてもよい。冷却器底部６は、角張っていてもよく、特に長方形、凸形状、又は円断面形状であってもよい。図３（ｃ）乃至同図（ｅ）には、摩擦撹拌溶接接合を生成するための異なる回転ピンの配置が示されている。冷却器１の精密な形状には実際的な価値はない。すなわち、摩擦撹拌溶接によって生成した２部品２，３の接合位置において、図２に示すように、両部品２，３が円滑且つ平坦に互いに接するように接合されていればよい。

図４乃至図６において、冷却器外壁５、冷却器底部６及びディフューザー８の溶接の変形例を示す。

図４から分かるように、冷却器１の左側に、溶接装置９のための空間１１が設けられ、当該左側の冷却器底部６は、冷却器１の左側にある補強された冷却器底部６'よりも相当薄い。更に、冷却器底部６は、冷却器外壁５の突起部に対して水平に載るのに用いられる湾曲した端部を有していて、両部品の接合が摩擦撹拌溶接方法によってこの位置で実行されてもよい。上記湾曲端部に起因して、冷却器底部６は冷却器底部６'に対して相対的に薄く形成されている。要求に応じて、このような薄い冷却器底部６は、冷却器１の両側に用いられていもよい。Ｕ字状の冷却器１の場合、上記１つの冷却器底部６が前述のように形成されてもよい。上記第２部品３は、冷却器外壁５として構成されている。第２部品３は、例えばアルミニウム、特に鋳造アルミニウム、ダイカスト・アルミニウム又は押出アルミニウムからなる。また、冷却器１の左側には、後者が完成した後に他の手段で冷却器１に接合されるディフューザー８又は制御バルブが配置されてもよい。

図４に類似する図を図５に示すように、冷却器１の左側には、ディフューザー８が配置され、この場合に、ディフューザー８は第１部品２に相当する。冷却器底部６は、図５に示すように冷却器１の第１部品２に相当し、該冷却器底部６は摩擦撹拌溶接方法を実行することによって補強される。ここで、冷却器外壁５はディフューザー８を囲み、該ディフューザー８は冷却器底部６を囲む。

最後に、図６に更に２つの接合の可能性を示す。冷却器１が示されていて、その右側の冷却器底部６'は補強され、左側の冷却器底部６は薄い。冷却器１を右側から見ると、ディフューザー８は冷却器外壁５外側の冷却器上部に延びていることが明らかである。冷却器１の下部には、代わりの接合が示されている。ここで、ディフューザー８は、冷却器外壁５と冷却器底部６'との間に配置されている。すなわち、ディフューザー８は、冷却器外壁５内において延びていて、冷却器外壁５によって囲まれている。ここで、冷却器外壁５及び冷却器底部６，６'は第１部品２に相当し、ディフューザー８は第２部品３に相当する。

本発明に係る冷却器１において各部品２及び３が摩擦撹拌溶接接合によって互いに接合される場合に、以下の利点がある。
−溶接温度が第１部品２及び第２部品３の融点以下である。
−高い安定性と高い動的溶接部強度が達成される。
−スパッタや煙が全く発生しない。つまり、排出物が少ない方法である。
−摩擦撹拌溶接は省エネルギーである。
−溶接ワイヤのような充填物が不要である。
−低溶接温度によって、第１部品２及び第２部品３において歪みが全くなく又は最小限であって、残留応力がほとんどない。
−摩擦撹拌溶接法は簡単に自動化できる。

Claims (7)

1. 冷却器、特に排気再循環冷却器又は給気冷却器であって、
   第１材料、好ましくは鋼鉄、ステンレス鋼、プラスチック又はセラミックスからなる第１部品（２）と、
   第２材料、好ましくはアルミニウムからなる第２部品（３）と、を備え、
   上記第１部品（２）及び第２部品（３）は、接合領域（４）において摩擦撹拌溶接接合によって互いに堅く接合されていることを特徴とする冷却器。
2. 請求項１記載の冷却器において、
   上記冷却器は、ディフューザーを備えた又は備えない、Ｉ字状の冷却器又はＬ字状の冷却器であることを特徴とする冷却器。
3. 請求項１又は２記載の冷却器において、
   上記冷却器（１）は、バルブハウジング、及び／又は、フラップハウジング（７）を備えることを特徴とする冷却器。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項記載の冷却器において、
   上記冷却器（１）は、バイパス流路を備えることを特徴とする冷却器。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項記載の冷却器において、
   上記第１部品（２）は、冷却器外壁（５）又は冷却器底部（６，６’）として構成され、
   上記第２部品（３）は、冷却材ノズル、ホルダ、中間部品又はハウジング（７）として構成されていることを特徴とする冷却器。
6. 請求項５記載の冷却器において、
   上記第１部品及び第２部品（２，３）の接合領域（４）は、上記冷却器底部（６，６’）、特に補強された冷却器底部によって固くされていることを特徴とする冷却器。
7. 請求項５又は６記載の冷却器において、
   上記冷却器底部（６，６’）は、長方形の断面又は楕円形の断面を有することを特徴とする冷却器。

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