JP5619135B2 - 構造化金属熱シールド - Google Patents

Description

本発明は、熱シールドのための３Ｄ構造化薄板金及び自動車工業及びトラック工業において使用される熱シールドに関する。

自動車製造において、薄板金構成部材を使用する軽量構造の著しい需要が存在する。重量減少を達成する場合、より薄い薄板の使用は必須である。しかしながら、薄板の厚さが減少すると形成された部品の剛性が低下するので、形成中に深刻な問題が生じる。さらに、薄板厚さが減少するに従い、成形性も低下する。

重量を減じつつ薄板金構成部材の剛性を高めることは、鋼をアルミニウム、マグネシウム又はチタン合金に置き換えることによって、又は三次元（３Ｄ）構造化された薄板金を使用することによって、達成することができる。３Ｄ構造は、主として増大した慣性により曲げ剛性を高めることによって、構成部材の機械的特性を高める（構造がより高くなると、薄板はより剛性になる）。構造化プロセスの間に生じるひずみ硬化も、製品の剛性を高める。

３Ｄ構造化薄板金は、エンボス加工部としても知られる、薄板金の表面から突出したレリーフを備えた金属の薄板として定義される。表面をこれらのボス若しくは突出部に突出させることは、例えば、ダイ・ローラ・カットに対する圧力によって達成することができる。金属の薄板にレリーフパターンを形成する別の形式は、凹部によるものであり、この場合、小さな表面凹部は打撃又はプレスによって形成される。以下の記載において、「エンボス加工」及び「エンボス加工部」は、凹部及びエンボス加工部のプロセス及び製品の両方に対して使用される。

３Ｄ構造化薄板金は、たいていは、少なくとも一方のローラが所望の３Ｄ構造の形態の表面を有する２つのローラの間で圧延することによって、又は２つのプレスプレートの間でエンボス加工によって、又はハイドロフォーミングによって、製造することができる。圧延は連続的なプロセスであり、プレスは準連続的プロセスにおいてのみ行うことができる。これらのプロセスは通常高いひずみ硬化を生じる。

熱シールドは、従来、薄板金材料、主に鋼、合金、又はアルミニウムから形成されており、材料は、支持シート、カバーシート、及び絶縁体のためにも使用される。しかしながら、ガラス繊維、フェルト材料、特殊プラスチック、鉱物発泡材等の他の材料を、高温及び騒音に対して、特に絶縁材料として使用することができる。例えば、米国特許第５９０１４２８号明細書は、熱シールドとして使用される３Ｄ構造化薄板の例を示している。３Ｄ構造は、エンボス加工されたくぼみによって形成されたピラミッド状の点の形態であり、このように形成された薄板は、エアポケットを形成するためにスタンドオフを備えた熱シールドバリヤを形成するために、構造化薄板の積層体において使用される。米国特許出願公開第２００６／０１９４０２５号明細書は、隣接する層に形成された相補的な輪郭又はくぼみを備えた多層熱シールドの別の例を開示している。くぼみは、スタンピングダイによって形成されている。

熱シールドの有効性を高めかつシールドのために必要とされるスペースを減じるために、薄板金又は薄板の積層体は、例えば排気マニホールドの外面の形状に極めて類似するように輪郭付けされてよい。薄板金に所望の輪郭を提供するために、熱シールドの結果的に生じる外側金属層は、多数のしわを有する。これらのしわは、外観の美しさを低減させるだけでなく、製品の疲労を最初に観察することができる場所でもある。

今日使用される公知の３Ｄ構造パターンのほとんどは、一つの形が反復されることによって形成されている。米国特許第６９６６４０２号明細書は、球形、ピラミッド形、円錐形、又は台形から成るグループから選択された幾何学的形状で形成された複数のくぼみを備えたパターンを開示しており、くぼみは、行及び列のオフセット、均一な行及び列、又はランダム化されたパターンで分配されている。欧州特許第０４３９０４６号明細書は、菱形の交差斜線パターンの形式の３Ｄパターンを開示しており、これは、薄板が必要に応じて引き伸ばされたり圧縮されたりすることを許容する。しわ形成又はくぼみ形成、例えば波形の形状のような複数のひだ又はうねの使用も開示されている。米国特許第６８２１６０７号明細書は、ドレープ形成された又は折り畳まれたタイプの構造を有するノブの使用を開示しており、これは、個々のノブのための圧縮抵抗を高めかつ薄板材料全体の曲げ強さを高める。

全てのこれらのパターンは共通して、エンボス加工部を形成するためであり、材料は、全体パターンにおける独立した特徴として配置されるくぼみの周囲で引き伸ばされる。この引き伸ばしにより、材料は、平坦な薄板金の中立面から離れるように移動させられ、曲げ剛性を付加する。くぼみが互いに十分に近く配置されていると、くぼみの間の材料は、平坦な薄板金の中立面と比較して部分的に変位させられる。エンボス加工部の側面は重なり始める。しかしながら、くぼみの先端は常に最も高い変位箇所を形成する。使用される共通のエンボス加工パターン及び選択されたくぼみ形態により、曲げ剛性は平面の一方向又は二方向で最適化されるが、ただし、例えば望ましくない曲げライン、例えば薄板金が極めて曲がりやすいライン、を形成することによって、同じ平面における他の方向を犠牲にする。

従って、本発明の課題は、３Ｄ構造化薄板金の曲げ剛性が全ての方向でより等しくなるように薄板の平面の複数の方向で高められた曲げ剛性を備えた３構造化薄板金を得ることである。

この課題は請求項１の３Ｄ構造を有する薄板金によって達成された。特に、複数の凹部又はエンボス加工部を備える、自動車熱シールドにおいて使用するための、三次元（３Ｄ）構造化薄板金において、全てのエンボス加工部が、中立面ｎとして規定された平坦な薄板材料の表面に対して垂直な同じ方向に向かって、実質的にこの中立面から同じ距離ｈだけ突出しており、複数のエンボス加工部が相俟って規則的な網状構造を形成しており、実質的にそれぞれのエンボス加工部が、接合部を形成するように少なくとも２つの他のエンボス加工部と交差していることを特徴とする、三次元（３Ｄ）構造薄板金によって達成される。

規則的な網状構造は、薄板金の表面の上方に突出した網状構造を形成するために互いに結合されたエンボス加工部の規則的に反復するパターンとして定義される。

このように形成された３Ｄ構造化薄板金は、薄板の平面の多数の方向で高められた曲げ特性を有する。これは、スタッドを形成することによって、形成された網状構造及びエンボス加工部の交差によるものである。これらのスタッドは、可能な曲げラインの曲げ剛性を付加的に高める。従って、金属のより薄い薄板を使用することが可能であり、これは最終製品における材料重量及びコストを減じる。

本発明によるパターンを備えた３Ｄ構造化薄板は、単層熱シールド及び多層熱シールドにおいて使用することができる。熱シールド自体は、例えば自動車のモータ、排気部又は床下部等の熱源の形状に従うように形成することができる。この場合、３Ｄ構造化薄板金はもはや平坦ではなく湾曲されており、この場合、中立面はもはや平面ではなく、湾曲した面をたどっている。

図１は、本発明による３Ｄ構造の例の概略図を提供する。この図は、本発明によるパターンの全体的なパラメータを、一般的に、示された特定の網状構造に限定することなく、説明及び定義するために使用される。

エンボス加工部２は、好適には、細長い形状の形態を有しており、この場合、領域４は、薄板金の中立面ｎの表面に対して実質的に平行に、中立面ｎから最大距離ｈだけ突出させられている。このように形成されたエンボス加工部１は、網状構造の背骨を形成する、高さｈを備えた中空のトンネル（図２ｂ及び図３ｂ参照）のようになっている。トンネルのアーチの形態は、好適には、丸み付けられているか若しくは長円形に形成されている。

２つの結合された接合部の間の距離は、エンボス加工部２の長さＬを与える。長さ方向のエンボス加工部の形態は、丸み付けられているか、直線的であるか又は湾曲した形態であることができる。しかしながら、薄板金の表面上に全体の網状構造を形成するために、エンボス加工部は接合部において他のエンボス加工部と結合されている。

幅は、それぞれのエンボス加工部の側壁の間の最も長い距離として与えられ、この場合、側壁は、エンボス加工部のトップ領域４と、突出させられていない、中立面に残っている材料（例えばこの例においては三角形部３）との間の移動させられた材料である。

網状構造を形成するために、エンボス加工部が全て同じである必要はない。エンボス加工部の様々な異なる長さ及び／又は様々な異なる形状を備えた規則的な網状構造を形成することも可能である。接合部において集束するエンボス加工部の数が変化することができる規則的な網状構造を得ることも発明の範囲である。異なる網状構造の例は、図６及び図７に示されている。模式的な線の図は、形成された網状構造パターンの上面を示している。

好適には、いずれか２つの結合された接合部１の間の距離Ｌは一定である。しかしながら、平面の少なくとも１つの方向に引き伸ばされた網状構造が可能であり、この場合、主に引き伸ばされた方向で位置する２つの結合された接合部の間の距離Ｌ′は、引き伸ばされていない方向の２つの結合された接合部の間の距離Ｌ′′よりも長い（図４ａ及び図４ｂ参照）。

発明のこれらの特徴及びその他の特徴が、添付の図面に関連した非制限的な例として与えられた好適な形態の以下の説明から明らかになるであろう。

本発明による３Ｄ構造の模式例である。 本発明による３Ｄ構造の模式例を上方から見た図である。 図２をＤ−Ｄ′に沿って見た側面図である。 本発明による３Ｄ構造の模式例を示す僅かに傾斜した３Ｄ図である。 図３ａのＦ−Ｆ′に沿って見た側面図である。 ｙ軸の方向に引き伸ばしたパターンを備える、各接合部において交差する６つのエンボス加工部を備える網状構造の例である。 ｘ軸の方向に引き伸ばしたパターンを備える、各接合部において交差する６つのエンボス加工部を備える網状構造の例である。 シングルシェル熱シールドの模式図である。 ダブルシェル熱シールドの模式図である。 ダブルシェル熱シールドの模式図である。 ダブルシェル熱シールドの模式図である。 本発明によるその他の網状構造の模式例である。 本発明によるその他の網状構造の模式例である。 本発明によるその他の網状構造の模式例である。

図１及び図２は、本発明による３Ｄ（立体）構造化された薄板金の模式例を示している。ｘ方向及びｙ方向は、薄板金の中立面ｎにおける方向である。ｚ方向は、平坦な薄板の中立面からの材料の変位を表す。これは、エンボス加工又は凹部形成によるものであることができる。

エンボス加工部２は互いに交差し、薄板金の表面に連続的な３Ｄ網状構造を形成している。これらのエンボス加工部２は、全て同じ方向を有しており、ｚ方向での中立面からの最大距離ｈを有している。この最大距離は、中立面の表面に対して平行に位置する、エンボス加工部の背４によって与えられている。

好適には、エンボス加工部２の長さＬは、結合された接合部１が互いに対称的に散在させられるようになっている。

好適には、結合する接合部において交差したエンボス加工部の規則的なパターンが与えられており、例えば実質的にそれぞれの結合する接合部において、６つのエンボス加工部２が結合されている。しかしながら、これは、例えば、３つ、４つ、５つ、７つ、８つ又はそれ以上であることもできる。それぞれの接合部において交差する実質的に６つのエンボス加工部を使用することにより、仮想二等辺三角形部３が、全ての３つのエンボス加工部の間に形成されている。これらの三角形部３の材料は、中立面であり、これらの領域においては薄板金の３Ｄ構造化の間に実質的に材料の移動が生じないことを意味する。

従来のくぼみパターンにおいては、材料が引き伸ばされており、くぼみの底部において材料の薄い層を形成しており、この薄い層が容易にき裂を生じる恐れがあるが、この従来のくぼみパターンと比較して、本発明による構造化された薄板金における材料は、網状構造のトップ部に配置されている。特にエンボス加工部が集束する接合部の中央においては、実質的にほとんどの材料を温存することができる。これは、本発明による薄板金に見られる増大した剛性及びより良好な疲労挙動の理由の１つである。図１から図３の影付きの色は、最終製品における材料分布を示しており、より暗い色はより薄い領域を示している。

接合部において交差するエンボス加工部の数に依存して、突出されていない材料の他のパターンを形成することもできる。図７に示す例においては、各接合部において交差するエンボス加工部の数は、３であり、突出されていない材料は、六角形である。その他の不規則なパターンも３Ｄ網状構造の構造化薄板金を形成し、この場合、エンボス加工部によって形成された網状構造は、開示されたような発明の範囲に該当する（図６参照）。図８は、本発明によるパターンの別の例を示しており、この場合、接合部は異なる数、この場合６又は３の交差を有している。これは、剛性及び平面の様々な異なる方向での剛性の均一性を高める。同時に、き裂が生じると、従来技術によるエンボス加工部の場合に生じるような大きなき裂に伝播することはない。

１つのくぼみ形態が突出させられ、網状構造は突出されていないか又は部分的にのみ突出させられているような従来技術と比較して、本発明による逆エンボス加工部が形成される。本発明によるこの逆パターンを用いることにより、中立面から突出した平面へ、より多くの材料が移動させられる。これは、成形による局所化されたひずみ硬化につながり、改良された核生成抵抗、及び種々異なる方向における曲げ剛性の全体的な増大を提供する。付加的に、多方向エンボス加工部によって形成された３Ｄ構造化網状構造により、薄板金における直接き裂伝播が回避される。

エンボス加工部の実際の長さ、幅、及び高さは、エンボス加工前の薄板の厚さと、達成される曲げ剛性及び引張強さとに依存している。好適には、長さＬは、エンボス加工部の幅ｗ及び高さｈよりも著しく大きい。

同じパターニングダイが使用されるならば、厚さが増すに従い、エンボス加工部の幅ｗは、これらの領域へ移動させられる材料の量が増大することにより、増大する。

熱シールドの設計は、所要の機能と、車両の各領域における構成スペースとに従って変化する。このスペースは通常、数ｍｍ、例えば２〜３ｍｍまでである。本発明による３Ｄ構造化薄板金は、例えば、シングルシェル熱シールド（図５ａ）として使用することができ、この場合、薄板金は支持シート（１）を形成する。最後に、シーリング箔を備えるこのシングルシェル熱シールドに、絶縁体を取り付けることができる。シングルシェル熱シールドは、外側輪郭を補強し、かつ製造及び自動車組立ての間の部品の取扱いを高めるために、かしめられたエッジ（図示せず）を有することができる。さらに、モータ又は排気系の部品等の保護されるべき対象の形態に従うように、材料を形成することができる。本発明によるエンボス加工された網状構造を備える３Ｄ構造化薄板金は、ダブルシェル熱シールド（図５ｂ〜図５ｄ）において使用することもできる。これらは、支持シート（１）とカバーシート（２）とから形成されており、２つのシートの間にある形態の絶縁体（４）が挟持されている。カバーシートは、絶縁体を取り付けかつ構成部材の剛性を高めるために働く。絶縁体は、エアギャップ（５）の形態であることもできる。

ダブルシェル熱シールドは、基本的に２つの外側シートの間に絶縁体を固定するために、ほとんどいつもかしめられる（図示せず）。機能に応じて、支持体及び／又はカバーシートは、本発明による３Ｄ構造化薄板金であることができる。付加的に、本発明による構造化された薄板金の少なくとも２つの層の積層体を熱シールドとして使用することもできる。

好適には、本発明による構造化された薄板金は、必要とされるところにおいて増大した剛性の領域を得るために部分的に及び／又は局所的にのみエンボス加工され、他の領域を、所望の熱シールドの形態に曲げるようにしておく。

好適には、本発明による構造化された薄板金は、部分的及び／又は局所的にのみ、マクロパーフォレーション又はマイクロパーフォレーションが穿孔されている。穿孔された熱シールド自体は技術的に公知であり、例えば、音響的絶縁のために使用される多層熱シールドにおいて使用される。

全ての指示は、本発明による構造化された薄板金材料を製造する実際の形態を示すためではなく、形成された網状構造パターンの説明のために理解されるべきである。

本発明による３Ｄ構造化金属は、従来技術による標準的なプロセスを用いて製造することができ、特に、薄板は、たいていは、少なくとも一方のローラが所望の３Ｄ構造の形態の表面を有する２つのローラの間で圧延することによって、又は２つのプレスプレートの間でエンボス加工、いわゆるリニアエンボシングすることによって、又はハイドロフォーミングによって、製造することができる。圧延は連続的なプロセスであり、プレスは準連続的プロセスにおいてのみ行うことができる。これらのプロセスは通常高いひずみ硬化を生じる。

Claims (6)

1. 複数の凹部又はエンボス加工部を備える、自動車熱シールドにおいて使用するための、三次元（３Ｄ）構造化薄板金において、全てのエンボス加工部が、中立面ｎとして規定された平坦な薄板材料の表面に対して垂直な同じ方向に向かって、この中立面から同じ距離ｈだけ突出しており、複数のエンボス加工部が相俟って規則的な網状構造を形成しており、それぞれのエンボス加工部が、接合部を形成するように他のエンボス加工部と交差しており、前記規則的な網状構造には、それぞれ３つの集束するエンボス加工部で形成される複数の接合部と、それぞれ６つの集束するエンボス加工部で形成される複数の接合部とが設けられており、３つの集束するエンボス加工部で形成される接合部と６つの集束するエンボス加工部で形成される接合部とは、共通する一つのエンボス加工部によって互いに連結されていることを特徴とする、三次元（３Ｄ）構造化薄板金。
2. いずれか２つの結合された接合部の間の距離は一定である、請求項１記載の３Ｄ構造化薄板金。
3. 長さ方向のエンボス加工部の形態が細長くされている、請求項１又は２記載の３Ｄ構造化薄板金。
4. 長さ方向のエンボス加工部の形態が直線的である又は丸み付けられている又は湾曲されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の３Ｄ構造化薄板金。
5. 複数の凹部又はエンボス加工部を備えた３Ｄ構造化薄板金の少なくとも１つの層を有する、車両のための熱シールドにおいて、全てのエンボス加工部が、中立面ｎとして規定された平坦な薄板材料の表面に対して垂直な同じ方向に向かって、この中立面から同じ距離ｈだけ離れるように突出しており、複数のエンボス加工部が相俟って規則的な網状構造を形成しており、それぞれのエンボス加工部が、接合部を形成するように他のエンボス加工部と交差しており、前記規則的な網状構造には、それぞれ３つの集束するエンボス加工部で形成される複数の接合部と、それぞれ６つの集束するエンボス加工部で形成される複数の接合部とが設けられており、３つの集束するエンボス加工部で形成される接合部と６つの集束するエンボス加工部で形成される接合部とは、共通する一つのエンボス加工部によって互いに連結されていることを特徴とする、車両のための熱シールド。
6. ３Ｄ構造化薄板金の少なくとも１つの層が、規則的な網状構造によって部分的にのみ被覆されている、請求項５記載の熱シールド。

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