JP4431869B2

JP4431869B2 - 鉄製パイプと軽金属製パイプとの接合構造

Info

Publication number: JP4431869B2
Application number: JP2004135884A
Authority: JP
Inventors: 敏幸片山; 好夫中野; 孝司八木; 正道松井
Original assignee: Nichirin Co Ltd
Current assignee: Nichirin Co Ltd
Priority date: 2004-04-30
Filing date: 2004-04-30
Publication date: 2010-03-17
Anticipated expiration: 2024-04-30
Also published as: JP2005315381A

Description

本発明は、鉄製パイプと軽金属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振動吸収管の接合構造に関する。

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。

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。

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１２０〜１４０℃に対し１４０〜１８０℃を要するとともに、吐出圧力もＨＦＣ１３４ａ冷媒の１.７〜１.８ＭＰaに対し１３〜１５ＭＰａを要する。

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耐ガス透過性を有し、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。

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（またはアルミニウム合金）製を用いることが必要とされている。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。

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）。

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。
特開２００２−１９５４７４号公報特開平７−３１０１６１号公報

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しかも比較的容易に製作し得る、ステンレス鋼などの鉄製パイプとアルミニウムなどの軽金属製パイプとの異種金属管接合構造を提供することを目的とする。

本発明はこのような課題の解決のために完成されたものであって、その要旨とする特徴は以下の通りである。

（１）ＣＯ _２冷媒の冷媒回路に用いられる鉄製パイプと軽金属製パイプとの接合構造において、
前記鉄製パイプの接合端部の基部側外面が平坦部で先端側外面に凹凸部を有するとともに、該鉄製パイプの外側に前記接合端部を覆うソケットが設けられおり、該ソケットに前記軽金属製パイプの接合端部が挿入され、該ソケットの内面と前記軽金属製パイプの接合端部の外面の隙間、及び前記鉄製パイプの接合端部の外面と前記軽金属製パイプの接合端部の内面の隙間に、ガラス転移点が１４０℃以上の熱硬化性樹脂が介在した状態で前記鉄製パイプ及び軽金属製パイプの両接合端部を加締めにより接合してなることを特徴とする鉄製パイプと軽金属製パイプとの接合構造（請求項１）。

（２）前記熱硬化性樹脂が、前記ソケットの内面と前記軽金属製パイプの接合端部の外面の隙間の領域に介在し、且つ前記鉄製パイプの接合端部の外面と前記軽金属製パイプの接合端部の内面の隙間の、前記鉄製パイプの接合端部の基部側外面が平坦部となった領域に介在したものであることを特徴とする前記（１）に記載の鉄製パイプと軽金属製パイプとの接合構造（請求項２）。

（３）前記熱硬化性樹脂がエポキシ樹脂であることを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の鉄製パイプと軽金属製パイプとの接合構造（請求項３）。

（４）前記鉄製パイプがステンレス製パイプであり、前記軽金属製パイプがアルミニウム製パイプであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の鉄製パイプと軽金属製パイプとの接合構造（請求項４）。

（５）前記鉄製パイプ及び軽金属製パイプの両接合端部の加締めによる接合が両接合端部の長さ方向において３箇所で加締めたものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の鉄製パイプと軽金属製パイプとの接合構造（請求項５）。

本発明により、強度および気密性に優れた、鉄製パイプとアルミニウム製パイプとの異種金属管接合構造を比較的容易な手法によって提供することができる。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る。

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。

図１は本発明に係る典型的な実施形態であり、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、ステンレス鋼製パイプ（以下、ステンレスパイプと略称することがある）と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ことがある）との好ましい接合構造を示したものである。そして、図２及び図３は接合前の単体の構造を示したもので、図２はステンレスパイプ側、図３はアルミパイプ側を示している。

そこで、図１の最終的な接合構造にいたる製作を含めて図２及び図３をもとに本発明の内容を説明して行く。先ず、図２のように、ステンレスパイプ側は、中央が蛇腹状に形成されたステンレス製のベローズ５と、このベローズ５の両端部にロウ付けまたは溶接により固定された同じくステンレス製のニップルすなわちステンレスパイプ１とから構成され振動吸収管Ｅに接続されている。なお、図ではアルミパイプと接合する片側のニップルのみを示し、他は省略している。

このステンレスパイプ１の接合側に位置する接合端部１ａの外面は基部側の平坦部１ａ１と先端側の凹凸部１ａ２からなっている。凹凸部１ａ２は先端側に対して下向きの傾斜部と垂直部とを交互に繰り返した断面鋸歯状を有している。またステンレスパイプ１にはこの接合端部１ａの外面を覆うようにしてステンレス製のソケット３がロウ付けまたは溶接（例えばレーザ溶接）又は加締めにより一体に固着されている。

このソケット４内の基部側の奥部にはガラス転移点（Ｔｇ）が１４０℃以上を有する熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂４が注射器状の注入器によって適量が注入されている。

一方、アルミパイプ側は図２のようにアルミパイプ２の接合側に位置する接合端部２ａを有し、この接合端部２ａは前記ステンレス側のソケット３の内部に装入すべく、少し拡径（拡管）されたものとなっている。

これらステンレスパイプ１とアルミパイプ２とを接合するに当たっては、ステンレスパイプ１のソケット３内にアルミパイプ２を挿入し、ソケット３内の奥部にアルミパイプ２の接合端部２ａの先端が当接するまで押し込み、両パイプの接合端部同志を緩く嵌合させる。

次に、この状態で締結機を用いて、ソケット３の外周面を３箇所（３段）で加締めを行い、両接合端部１ａ、２ａを圧着して接合する。

図１がこのような加締めを行った後のステンレスパイプ１とアルミパイプ２との接合構造である。３ｋ１〜３ｋ３はソケット３の外周面に形成された３箇所（３段）の加締め部を示している。これにより軟らかいアルミの接合端部２ａは、硬いステンレスの接合端部１ａの外面及びソケット３の内面の形状に合わせて塑性変形を起こして密着する。

また、同時にこの加締めにより、ソケット３内の奥部に注入されたエポキシ樹脂４はソケット３の内面とアルミパイプ２接合端部２ａの間の隙間の全域に流動、浸透するとともにステンレスパイプ１の接合端部１ａの外面の平坦部１ａ１とアルミパイプ２の接合端部２ａの内面の間の隙間にも流動、浸透する。

そして、加締めを終えた後に、この接合部を１４０〜１８０℃で加熱処理して各隙間に浸透したエポキシ樹脂を硬化させて、ステンレス−アルミ間の接着強度の高い樹脂膜を形成し、最終的に本発明のステンレスパイプ１とアルミパイプ２との接合構造（継ぎ手）が完成することになる。

このようにして得られた本発明の接合構造は、ステンレスのソケットがステンレスパイプ（ニップル）に加締められて固定されるとともに、３段の加締めによってアルミパイプの接合部内面をステンレスパイプの接合部外面に、その外面に形成された鋸歯状の凹凸部を介して食い込ませた強固な一体構造となっている。更に、両パイプの接合部の内外面がガラス転移点が１４０℃以上の熱硬化性樹脂（エポキシ樹脂）により接着固定されているため、パイプの軸方向荷重及び捩れトルクに対しても優れた強度を保持し、また高温の引っ張りに対してもこの接合部が破断することは無い。

しかも、両パイプの接合部の隙間及びソケットとアルミパイプの接合部の隙間に均一に浸透、充填、接着された０.００１〜０.５ｍｍの薄い硬化樹脂膜の介在により非常に高い気密性（シール性）が得られる。

本発明においてガラス転移点が１４０℃以上の熱硬化性樹脂（接着剤）をソケットの内面とアルミパイプの接合端部の外面の隙間、及びステンレスパイプの接合端部の外面とアルミパイプの接合端部の内面の隙間に介在させることが重要であり、必須である。なお、熱硬化性樹脂は前記各隙間の全領域に介在させる必要は必ずしもなく、その一部でも良い。

かかる熱硬化性樹脂（膜）をステンレス−アルミ間に介在させることで上記の如く特に高温（１４０℃以上）での強度と気密性に優れた接合構造が得られるからでる。この場合に、上記実施形態のように、ソケットの内面とアルミパイプの接合端部の外面の隙間の全域に、またステンレスパイプの接合端部の外面とアルミパイプの接合端部の内面の隙間にはステンレスパイプの接合端部の外面が平坦部を形成した領域に、上記熱硬化性樹脂を介在させることが特に好ましい。

本発明に用いられる熱硬化性樹脂としては、代表的にはエポキシ樹脂やポリイミド樹脂などを挙げることができる。エポキシ樹脂としては、脂環型、グリシジルエーテル型、グリシジルエステル型、およびグリシジルアミン型などを例示することができる。また、脂環型エポキシ樹脂としては、リサイクリックジエポキシアセタール、アリサイクリックジエポキシアジペート、アリサイクリックジエポキシカルボキシレート、あるいはビニルシクロヘキセンジオキシドなどを例示することができる。また、ポリイミド樹脂としてはばピロメリット酸二無水物（ＰＭＤＡ）、ビフェニルテトラカルボン酸二無水物（ＢＰＤＡ）、あるいはベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物（ＢＴＤＡ）などが挙げられる。

これら公知の熱硬化性樹脂の中でガラス転移点が１４０℃以上好ましくは１６０℃以上のものを接着剤として選択、使用すれば良いものである。

また、かかる熱硬化性樹脂の前記各隙間への充填に際しては、前記実施態様のように液状のものを注入器により予めソケット内の奥部に注しておく方法に限定されず、例えばアルミパイプの接合端部の外面及び内面、ステンレスパイプの接合端部の外面、あるいはソケットの内面に液状の樹脂を事前に塗布する方法でもかまわない。更に、これらに固体状のフイルムを被せておく方法を採用しても良い。但し、施工性の面を考慮すれば、実施態様に挙げた注入器による方法が現実的で容易であるため、この方法が特に推奨できる。

加締めの方法についても、前記実施形態では３段で行う場合を説明したが、これに限られず、平締めや２段で加締める方法であっても良い。但し、発明者らの実験によれば各隙間への樹脂の流れやステンレスパイプのへたりの問題を配慮すると、３段で行う加締めが最も優れていることから、この方法を選択することがより好ましいと言える。

（実施例）
本発明の効果を確認するため、上記実施形態に相当する接合構造を有する継手を製作した。ここでは、図１において、ベローズの部分は用いずに省略して、ニップル（ステンレスパイプ）の部分のみとアルミパイプとを接合したものを試験材とした。
ニップルとしては、外径８ｍｍ、内径５.６ｍｍ、長さ５０ｍｍのＳＵＳ３０４を用い、この接合端部を２０ｍｍとしてこのうち端側の１５ｍｍの部分の外面に、機械加工により断面鋸歯状の凹凸を形成した。次に、ソケットとしては、外径１３.５ｍｍ、内径１２ｍｍのＳＵＳ３０４のパイプを用い、ニップルの接合端部全体を一定の隙間を開けて覆うように、ニップルの基部に加締めにより固着した。

アルミパイプとしては、拡管された外径１１.６ｍｍ、内径８ｍｍの接合端部を有する長さ２０.５ｍｍのＡ３００５を用いた。

そして、ニップルをソケットの開口端を上にして立て、このソケット内の奥部（底部）にガラス転移点が１８０℃のエポキシ樹脂（商品名：スリーボンド製２２８５）を注入器により約０.０６０ｇをその円周に均一に注入、塗布した。

次に、アルミパイプをソケットの開口端より挿入してその奥部に当たるまで差し込み、ニップルの外周面に両パイプの接合端部を重ね合わせようにして緩く嵌合させた。

ついで、締結機によりソケットを３段の加締めにより外側から圧着し、ニップルすなわちステンレスパイプとアルミパイプの接合端部同志を一体的に接合した。

この後、１５０℃で３０分の熱処理を行い、各接合部の隙間に浸透、充填されたエポキシ樹脂（膜）の硬化を実施した。

このようにして製作したステンレス−アルミパイプ接合体（継手）を試験材として、冷熱サイクル後気密試験、同冷熱サイクル後耐圧試験、加圧繰返し耐久試験、ガス透過試験及びをそれぞれ行った。なお、比較のためエポキシ樹脂を用いずに同様にして製作した接合体についても同じ試験を行った。

これら各試験の概要を下記に示し、また試験結果を表１に示す。
（１）冷熱サイクル後の気密試験：試験材を試験槽に入れ、１８０℃に加熱して1時間保持し、次に-４０℃に冷却して1時間の保持する冷熱サイクルを２０回繰り返す冷熱サイクル試験を行った後、試験材を水槽に沈め、１５ＭＰaの窒素ガスで加圧し、接合部からガ漏れが無いかどうか気泡の発生有無により確認する。
（２）冷熱サイクル後の耐圧試験：上記冷熱サイクル試験後、４０ＭＰaの水圧を負荷して、接合部からの漏れ、破裂、抜け等の異常が無いかどうか確認する。
（３）加圧繰返し耐久試験：試験材にインパルス試験機で、油温、雰囲気共に１５０℃に設定し、圧力０と２２.５ＭＰaで繰り返し回数３０〜５０回／分のパルス供給を行い、接合部からの漏れ、破裂、抜け等の異常が無いかどうか確認する。
（４）ガス透過試験：１５０℃の雰囲気下において、試験材に１５ＭＰaの炭酸ガスを封入し、６００時間後のガス透過量をその重量変化により測定する。

これらの試験結果を表１にまとめて示す。

表１の結果から、本発明（実施例）の場合はこれらの各試験において異常は全く無く、優れた接合強度と気密性を備えていることが明かである。

次に、ガラス転移点（Ｔｇ）が１２０℃、１４０℃及び１８０℃と異なる３種の熱硬化性樹脂接着剤を用い、同様にして製作した接合体を試験材を対象として、高温雰囲気下での回転トルク試験を行った。なお、本試験は恒温槽に試験材を３０分間放置した後これを取り出し、直ちに水平に固定してＳＵＳニップルをトルクレンチで回転させて、動き始めるトルクを測定するものである。

この試験結果を表２に示す。

表２から、ＲＴ（室温）では樹脂のＴｇが変化しても回転トルクは変わらないが、雰囲気温度が上がるにつれてＴｇの影響が現われ、特に１４０℃以上の高温雰囲気下ではＴｇが１４０℃以上の樹脂が１２０℃の樹脂に比較して回転トルク値が大きく、高温での回転トルクに対してもより優れた接合強度を有していることが判明する。

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。本発明の実施形態に係るステンレスパイプ側の構造を示す部分縦断面図である。本発明の実施形態３に係るアルミニウムパイプ側の構造を示す部分縦断面図である。１：ステンレスパイプ（ニップル）１ａ：ステンレスパイプの接合端部１ａ１：平坦部１ａ２：凹凸部２アルミパイプ２ａ：アルミパイプの接合端部３：ソケット３ｋ１〜３ｋ３：加締め部４：熱硬化性樹脂（エポキシ樹脂）５：ベローズＥ：振動吸収管

Claims

ＣＯ _２冷媒の冷媒回路に用いられる鉄製パイプと軽金属製パイプとの接合構造において、前記鉄製パイプの接合端部の基部側外面が平坦部で先端側外面に凹凸部を有するとともに、該鉄製パイプの外側に前記接合端部を覆うソケットが設けられおり、該ソケットに前記軽金属製パイプの接合端部が挿入され、該ソケットの内面と前記軽金属製パイプの接合端部の外面の隙間、及び前記鉄製パイプの接合端部の外面と前記軽金属製パイプの接合端部の内面の隙間に、ガラス転移点が１４０℃以上の熱硬化性樹脂が介在した状態で前記鉄製パイプ及び軽金属製パイプの両接合端部を加締めにより接合してなることを特徴とする鉄製パイプと軽金属製パイプとの接合構造。
前記熱硬化性樹脂が、前記ソケットの内面と前記軽金属製パイプの接合端部の外面の隙間の領域に介在し、且つ前記鉄製パイプの接合端部の外面と前記軽金属製パイプの接合端部の内面の隙間の、前記鉄製パイプの接合端部の基部側外面が平坦部となった領域に介在したものであることを特徴とする請求項１に記載の鉄製パイプと軽金属製パイプとの接合構造。
前記熱硬化性樹脂がエポキシ樹脂であることを特徴とする請求項１又は２に記載の鉄製パイプと軽金属製パイプとの接合構造。
前記鉄製パイプがステンレス製パイプであり、前記軽金属製パイプがアルミニウム製パイプであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の鉄製パイプと軽金属製パイプとの接続構造。
前記鉄製パイプ及び軽金属製パイプの両接合端部の加締めによる接合が両接合端部の長さ方向において３箇所で加締めたものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の鉄製パイプと軽金属製パイプとの接合構造。