(57)【要約】【課題】ＣＯ２冷媒回路配管に適用できる、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。【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
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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