JP7190879B2 - 冷却装置、構造物、溶接方法 - Google Patents
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Description
例えば、特許文献1に記載された液冷式冷却装置は、冷却液流通体の流入部の一端面にアルミニウム製入口ヘッダをろう付し、同じく流出部の一端面にアルミニウム製出口ヘッダをろう付し、冷却液流通体の他端面にアルミニウム製中間ヘッダをろう付することにより構成されている。
また、アルミニウム材料を用いて成形された部材を接合するための方法として、特許文献2には、レーザ溶接を行うことが提案されている。
本発明は、信頼性の高い溶接部を有する冷却装置等を提供することを目的とする。
ここで、前記一方のアルミニウム材の材料が非熱処理合金であり、他方のアルミニウム材の材料が熱処理合金であっても良い。
また、前記一方のアルミニウム材の材料が3000系であり、前記他方のアルミニウム材の材料が6000系であっても良い。
また、前記一方のアルミニウム材は加工硬化後であり、前記他方のアルミニウム材は時効硬化後であっても良い。
また、前記一方のアルミニウム材の硬さが35(HV)以上であり、他方のアルミニウム材の硬さが42(HV)以上であっても良い。
また、前記一方のアルミニウム材は板材であり、他方のアルミニウム材は押出材であっても良い。
また、他の観点から捉えると、本発明は、液体が流通する流通路を内部に有する本体と、前記本体に対してレーザ溶接にて接合される被接合部材と、を備え、前記本体がアルミニウムの熱処理合金であり、前記被接合部材がアルミニウムの非熱処理合金であり、前記レーザ溶接の溶融部の硬さが、前記被接合部材の硬さよりも硬いことを特徴とする冷却装置である。
また、他の観点から捉えると、本発明は、性質の異なる2つのアルミニウム材を重ね合わせた状態でレーザ溶接することにより接合して構成される冷却装置であって、レーザ光を照射しない方のアルミニウム材における溶融部の深さが、前記2つのアルミニウム材の接合界面における当該溶融部の幅以上であることを特徴とする冷却装置である。
ここで、前記溶融部の幅が前記レーザ光を照射する方のアルミニウム材の板厚の45%以上の大きさであり、熱影響部の幅が当該溶融部の幅より小さくても良い。
また、前記レーザ光を照射しない方のアルミニウム材は、液体が流通する流通路を内部に有する部材であり、前記溶融部は、前記流通路まで至っていなくても良い。
また、他の観点から捉えると、本発明は、性質の異なる2つのアルミニウム材を重ね合わせた状態でレーザ溶接することにより接合して構成される冷却装置であって、前記レーザ溶接による溶融部の幅がレーザ光を照射する方のアルミニウム材の板厚の45%以上の大きさであり、熱影響部の幅が当該溶融部の幅より小さいことを特徴とする冷却装置である。
また、他の観点から捉えると、本発明は、液体が流通する流通路を内部に有する本体と、前記本体に重ね合わせられた状態でレーザ光が照射されることで、当該本体に対してレーザ溶接にて接合される被接合部材と、を備え、前記レーザ溶接による溶融部は、前記本体の前記流通路まで至っていないことを特徴とする冷却装置である。
また、他の観点から捉えると、本発明は、性質の異なる2つのアルミニウム材をレーザ溶接にて接合して構成される構造物であって、前記レーザ溶接による溶融部の硬さが、前記2つのアルミニウム材の内の一方のアルミニウム材の硬さよりも硬いことを特徴とする構造物である。
また、他の観点から捉えると、本発明は、硬さが異なる2つのアルミニウム材を重ね合わせてレーザ溶接する溶接方法であって、前記2つのアルミニウム材の内、硬さが低い方のアルミニウム材に対してレーザ光を照射することを特徴とする溶接方法である。
また、他の観点から捉えると、本発明は、熱伝導率が異なる2つのアルミニウム材を重ね合わせてレーザ溶接する溶接方法であって、前記2つのアルミニウム材の内、熱伝導率が低い方のアルミニウム材に対してレーザ光を照射することを特徴とする溶接方法である。
図1は、実施の形態に係る液冷式冷却装置1の斜視図である。
図2は、液冷式冷却装置1を構成する部品を分解した図である。
図3は、図1のIII-III部の断面図である。
図4は、図1のIV-IV部の断面図である。
実施の形態に係る液冷式冷却装置1は、内部に冷却液が流通する装置本体10と、装置本体10を流通する冷却液の流通方向を変更する変更部材20と、を備えている。また、液冷式冷却装置1は、装置本体10の外部から内部に冷却液を流入させる入口ジョイント30と、装置本体10の内部から外部に冷却液を流出させる出口ジョイント40と、を備えている。
装置本体10は、概形が直方体の部材である。装置本体10は、押出加工にて成形された、JIS A6063合金の押出材を用いて成形されており、押出方向が長手方向となるように成形されている。また、図1に示すように、装置本体10の長手方向及び短手方向の長さは、上下方向の長さよりも大きい。なお、JIS A6063合金の質別は、T0又はT6であることを例示することができる。また、その他の質別であっても良いが、装置本体10の硬さが、42(HV(ビッカース硬さ))以上であることが望ましい。
他方、奥側の6つの貫通孔11は、変更部材20を通過後に流入し、出口ジョイント40に至る前の冷却液が流通する流出側流路112として機能する。隣接する流出側流路112は、流出側壁112aにより仕切られている。
流入側空間121は、上壁13及び流入側壁111aが例えば切削加工にて除去されることで形成された空間であり、上壁13が貫通された貫通孔121aと、流入側壁111aが除去された下部空間121bとにより形成される。なお、図2に示した例では、流入側壁111aは、上側から下側にかけて全て除去されているが、上側の一部が除去され、下側の部分が残っていても良い。
流出側空間122は、上壁13及び流出側壁112aが例えば切削加工にて除去されることで形成された空間であり、上壁13が貫通された貫通孔122aと、流出側壁112aが除去された下部空間122bとにより形成される。なお、図2に示した例では、流出側壁112aは、上側から下側にかけて全て除去されているが、上側の一部が除去され、下側の部分が残っていても良い。
変更部材20は、装置本体10における長手方向の両端部それぞれに配置されている。
変更部材20は、概形が直方体の部材であるとともに、装置本体10側の端面から凹んだ凹部21が形成されている。凹部21により、流入側流路111と流出側流路112とが連通させられている。
変更部材20は、装置本体10側の端面と、装置本体10の長手方向の端面とが突き合わせられた状態で、突き合わせ部にレーザ溶接が施されることにより接合されている。このように、変更部材20は、本体の一例としての装置本体10に対してレーザ溶接にて接合される被接合部材の一例である。
入口ジョイント30は、円筒状であり中心線方向が上下方向となるように配置される入口パイプ31と、入口パイプ31を保持する保持部材32とを有している。
入口パイプ31における、下端側突出部312よりも下端側の部分が、保持部材32に形成された後述する貫通孔321に挿入されている。
保持部材32は、概形が板状の直方体の部材であり、中央部に円形の貫通孔321が形成されている。保持部材32は、JIS A3003合金の板材を用いて成形されている。なお、JIS A3003合金の質別は、質別H12又は質別H18であることを例示することができる。また、その他の質別であっても良いが、保持部材32の硬さが、35(HV)以上であることが望ましい。
出口ジョイント40は、入口ジョイント30と同様の部材であり、円筒状であり中心線方向が上下方向となるように配置される出口パイプ41と、出口パイプ41を保持する保持部材42とを有している。
出口パイプ41における、下端側突出部412よりも下端側の部分が、保持部材42に形成された後述する貫通孔(不図示)に挿入されている。
保持部材42は、概形が板状の直方体の部材であり、中央部に円形の貫通孔(不図示)が形成されている。保持部材42は、保持部材32と同様に、JIS A3003合金の板材を用いて成形されている。なお、JIS A3003合金の質別は、質別H12又は質別H18であることを例示することができる。また、その他の質別であっても良いが、保持部材42の硬さが、35(HV)以上であることが望ましい。
以上のように構成された液冷式冷却装置1には、装置本体10の上面であって、入口ジョイント30及び出口ジョイント40が設けられた部位よりも長手方向の外側に、この液冷式冷却装置1により冷却される被冷却物が載せられる。被冷却物は、複数の直方体状の単電池101からなる組電池100であることを例示することができる。
以上のように構成された液冷式冷却装置1は、以下のようにして製造される。
装置本体10における長手方向の両端部の端面と、変更部材20における装置本体10側の端面とを突き合わせた状態で、突き合わせ部に対して、レーザ光を連続的に照射する。このようにして、装置本体10における長手方向の両端部に、変更部材20を、レーザ溶接にて接合する。
突き合わせ部にレーザ光が照射されることで、突き合わせ部と略同一位置に溶接部22(図3参照)が形成される。
重ね合わせ部にレーザ光が照射されることで、照射された位置と略同一位置に溶接部34(図3参照)が形成される。
重ね合わせ部にレーザ光が照射されることで、照射された位置と略同一位置に溶接部44(図1参照)が形成される。
図5は、重ね合わせ部におけるレーザ溶接工程を説明する斜視図である。
図5に示すように、装置本体10と入口ジョイント30の保持部材32(出口ジョイント40の保持部材42)との重ね合わせ部に向けて、レーザ装置150のレーザヘッド151からレーザ光Lを照射する。そして、レーザヘッド151を、入口パイプ31(出口パイプ41)の周囲の保持部材32(保持部材42)の端部形状に沿って移動させることで、レーザ光Lを連続的に照射する。
なお、レーザ装置150のレーザ源は特に限定されない。YAGレーザ、CO2レーザ、ファイバレーザ、ディスクレーザ、半導体レーザであることを例示することができる。また、レーザ光Lの照射方向は、重ね合わせ部の保持部材32(保持部材42)の面に対して直交する方向でも良いし、直交方向に対して傾斜した方向であっても良い。
また、装置本体10と変更部材20との突き合わせ部に向けて、レーザヘッド151からレーザ光Lを照射する。そして、レーザヘッド151を、突き合わせ部の形状に沿って移動させることで、レーザ光Lを連続的に照射する。
上述したように製造される液冷式冷却装置1において、装置本体10に用いられるアルミニウム材料と、変更部材20に用いられるアルミニウム材料とは異なる。また、装置本体10に用いられるアルミニウム材料と、入口ジョイント30の保持部材32及び出口ジョイント40の保持部材42に用いられるアルミニウム材料とは異なる。
これは、本発明者が鋭意研究したところ、性質の異なる2つのアルミニウム材がレーザ溶接にて接合されることで、レーザ溶接による溶融部の硬さが、2つのアルミニウム材の内の一方のアルミニウム材の硬さよりも硬くなることを見出したことに起因する。
図7は、溶接部の硬さを示す図である。
図6(a)及び図6(b)は、入口ジョイント30の保持部材32と装置本体10との重ね合わせ部の溶接部34の断面形状を示している。レーザ装置150のレーザヘッド151から保持部材32に対してレーザ光Lが照射され、レーザ光Lのエネルギーが熱に変換されることによって、重ね合わせ部を構成している、アルミニウム材である保持部材32と装置本体10の母材自体が溶融し、その後急速に冷却される。この急速加熱・急速冷却により溶接部34に組織変化が生じ、溶接部34は、溶けて固まった溶融部34mと、溶接熱により組織変化の生じた熱影響部34hとにより構成される。熱影響部34hは、保持部材32の熱影響部32hと、装置本体10の熱影響部10hとにより構成される。
また、本発明者が鋭意研究したところ、硬さが異なる2つのアルミニウム材を重ね合わせてレーザ溶接する場合において、硬さが低い方のアルミニウム材に対してレーザ光を照射すると、硬さが高い方のアルミニウム材に対してレーザ光を照射する場合に比べて、凝固割れが生じる可能性が小さくなることを見出した。
本実施の形態に係る液冷式冷却装置1においては、装置本体10と入口ジョイント30の保持部材32(出口ジョイント40の保持部材42)との重ね合わせ部に対して、レーザ溶接が施されているので、装置本体10における溶融部34mの深さH(図6(b)参照)が、装置本体10と保持部材32(保持部材42)の接合界面における溶融部34mの幅W(図6(b)参照)以上である。レーザ溶接は、例えばアーク溶接に比較して、エネルギー密度が極めて高く、溶融部34mのアスペクト比(深さ/幅)が大きくなり易いためである。
本実施の形態に係る液冷式冷却装置1においては、装置本体10と入口ジョイント30の保持部材32(出口ジョイント40の保持部材42)との重ね合わせ部に対して、レーザ溶接が施されることによって、溶融部34mの幅Wが、レーザ光を照射する保持部材32(保持部材42)の板厚0.9~1.2(mm)の45%以上の大きさである0.5(mm)を確保している。
本実施の形態に係る液冷式冷却装置1においては、装置本体10と入口ジョイント30の保持部材32(出口ジョイント40の保持部材42)との重ね合わせ部に対して、レーザ溶接が施されているので、保持部材32(保持部材42)の熱影響部32hの幅及び装置本体10の熱影響部10hの幅が、溶融部34mの幅Wより小さい。より具体的には、溶融部34mの幅Wが0.5(mm)であるのに対して、装置本体10の熱影響部10hの幅が0.3(mm)、保持部材32(保持部材42)の熱影響部32hの幅が0.2(mm)である。レーザ溶接は、例えばアーク溶接に比較して、エネルギー密度が極めて高いため、熱影響部の幅を小さくすることができるので、凝固・収縮を小さくすることができる。その結果、割れ等の溶接欠陥を抑制することができる。
溶接条件は、例えばスポット径が50(μm)、不活性ガスとして窒素(N2)を使用し、焦点は材料表面に合うように設定した場合に、レーザ出力をレーザの移動速度で割ったものをエネルギーとした場合に22~26(J/mm)となるように設定した。溶接条件は、例えば、接合体である保持部材32の板厚によって好適な条件が異なるが、板厚0.9~1.2(mm)であれば上記条件が好適な条件である。
Claims (11)
- 性質の異なる2つのアルミニウム材をレーザ溶接にて接合して構成される冷却装置であって、
前記レーザ溶接による溶融部の硬さが、前記2つのアルミニウム材の内の一方のアルミニウム材の硬さよりも硬く、
前記一方のアルミニウム材の材料が非熱処理合金であり、他方のアルミニウム材の材料が熱処理合金である、ことを特徴とする冷却装置。 - 前記一方のアルミニウム材の材料が3000系であり、前記他方のアルミニウム材の材料が6000系である
請求項1に記載の冷却装置。 - 前記一方のアルミニウム材は加工硬化後であり、前記他方のアルミニウム材は時効硬化後である
請求項2に記載の冷却装置。 - 前記一方のアルミニウム材の硬さが35(HV)以上であり、他方のアルミニウム材の硬さが42(HV)以上である
請求項1から3のいずれか1項に記載の冷却装置。 - 前記一方のアルミニウム材は板材であり、他方のアルミニウム材は押出材である
請求項1から4のいずれか1項に記載の冷却装置。 - 液体が流通する流通路を内部に有する本体と、
前記本体に対してレーザ溶接にて接合される被接合部材と、
を備え、
前記本体がアルミニウムの熱処理合金であり、前記被接合部材がアルミニウムの非熱処理合金であり、
前記レーザ溶接の溶融部の硬さが、前記被接合部材の硬さよりも硬い
ことを特徴とする冷却装置。 - 性質の異なる2つのアルミニウム材を重ね合わせた状態でレーザ溶接することにより接合して構成される冷却装置であって、
細長い部材であり、液体が流通する流通路を内部に有する本体と、
前記流通路の少なくとも一部の上方に位置するように前記本体に重ね合わせた状態でレーザ光が照射されることにより当該本体に対してレーザ溶接にて接合される被接合部材と、
を備え、
前記本体における溶融部の深さが、当該本体と前記被接合部材との接合界面における当該溶融部の幅以上であり、
前記溶融部は、前記流通路まで至っていない、
ことを特徴とする冷却装置。 - 前記溶融部の幅が前記レーザ光を照射する方のアルミニウム材の板厚の45%以上の大きさであり、熱影響部の幅が当該溶融部の幅より小さい
請求項7に記載の冷却装置。 - 性質の異なる2つのアルミニウム材をレーザ溶接にて接合して構成される構造物であって、
前記レーザ溶接による溶融部の硬さが、前記2つのアルミニウム材の内の一方のアルミニウム材の硬さよりも硬く、
前記一方のアルミニウム材の材料が非熱処理合金であり、他方のアルミニウム材の材料が熱処理合金である、ことを特徴とする構造物。 - 硬さが異なる2つのアルミニウム材を重ね合わせてレーザ溶接する溶接方法であって、
前記2つのアルミニウム材の内、硬さが低い方のアルミニウム材に対してレーザ光を照射する
ことを特徴とする溶接方法。 - 熱伝導率が異なる2つのアルミニウム材を重ね合わせてレーザ溶接する溶接方法であって、
前記2つのアルミニウム材の内、熱伝導率が低い方のアルミニウム材に対してレーザ光を照射する
ことを特徴とする溶接方法。
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