KR20230173707A - 냉각 구조, 배터리 유닛, 및 냉각 구조의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 양태에 관한 냉각 구조는, 홈부, 및 홈부의 주위에 마련된 둑부를 갖는 프레스 성형 부재와, 프레스 성형 부재의 홈부를 덮는 위치에 겹쳐진 평판이며, 평탄한 냉각면을 구성하는 유로 상부 덮개와, 유로 상부 덮개와 둑부의 서로 대향하는 면끼리를 접합하여, 냉각액이 유통 가능한 유로를 형성하는 레이저 용접부를 구비하고, 프레스 성형 부재 및 유로 상부 덮개는, 모재 강판과, Al계 도금을 갖는 도금 강판이고, 유로는, 제1 방향을 따라서 연장되는 복수의 부분 유로가 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 배열되는 병렬 유로부를 갖고, 병렬 유로부에 있어서, 인접하는 부분 유로끼리의 간격이 20㎜ 이하이다.
Description
본 발명은 냉각 구조, 배터리 유닛, 및 냉각 구조의 제조 방법에 관한 것이다.
본원은, 2021년 5월 20일에, 일본에 출원된 특허 출원 제2021-085188호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
이산화탄소 배출량의 삭감을 위해, 자동차의 EV(Electric Vehicle)화가 진행되고 있다. EV의 배터리 박스에서는 온도 상승에 의한 전지의 열화를 방지하기 위해, 냉각 구조를 마련할 필요가 있다. 지금까지 냉각 구조는 공냉식이 주류였지만, 근년에는 배터리의 대용량화에 수반하여, 냉각능이 높은 수냉식이 채용되는 예가 증가되고 있다(예를 들어 특허문헌 1, 2 및 3). 수냉식의 배터리 팩에서는, 배터리 팩의 외측에 냉각액이 흐르는 수냉 매체용 유로가 형성된다.
수냉식의 배터리 팩의 외벽 부분 및 냉각 구조는, 냉각액에 대한 내식성이 높은 알루미늄으로 구성되는 경우가 많다. 그러나, 알루미늄에는 비용면의 문제가 있다. 또한, 알루미늄은 연질이므로, 알루미늄판으로 구성되는 냉각 구조에 있어서는, 외벽 강도를 확보한 채 외벽을 얇게 하여, 그 중량을 삭감하는 것이 어렵다. 이들 부재의 재료를 강판으로 한 경우, 수냉식의 배터리 팩을 저렴하게 제공하는 것, 및 그 중량을 삭감하는 것이 가능해진다.
여기서, 수냉 매체용 유로에는 유기 성분을 포함한 LLC(롱라이프 쿨런트) 수용액이 냉각액으로서 흐른다. 그 때문에, 수냉 매체용 유로를 구성하는 부재에는, 냉각액에 대한 높은 내식성이 요구된다. 또한, 배터리 팩 및 냉각 구조는 자동차의 저면부에 배치되므로, 외부 환경에 노출된다. 따라서, 배터리 팩 및 냉각 구조를 구성하는 부재에는 자동차의 서스펜션 부품과 같은 내식성이 요구된다. 이하, 냉각액에 대한 내식성을 냉각액 내식성, 또는 내면 내식성이라고 칭하고, 외부 환경에 대한 내식성을 외면 내식성이라고 칭한다. 또한, 단순히 「내식성」이라고 기재되어 있는 경우는, 냉각액 내식성, 및 외면 내식성의 양쪽을 가리킨다.
강판의 내식성을 높이기 위한 수단 중 하나로서, 도금이 있다. 예를 들어 Al계 도금 등의 도금을 강판의 표면에 형성함으로써, 냉각액 내식성, 및 외면 내식성의 양쪽을 높일 수 있다.
한편, 당연하게도, 냉각 구조에는 높은 냉각 효율이 요구된다. 덧붙여, 냉각 효율 유지, LLC 누출을 억제하기 위해, 유로의 액밀성도 필요해진다. 그러나, 도금 강판을 사용하여 유로를 형성한 냉각 구조는 지금까지 거의 예가 없으며, 따라서, 도금 강판을 접합하는 방법에 대한 검토는 이루어져 있지 않다. 도금 강판을 견고하게 접합하기 위한 수단으로서 통상 사용되는 것은 스폿 용접이지만, 스폿 용접은 점 접합이므로, 유로의 액밀성을 확보하는 것이 어렵다. 실러를 사용하여 스폿 용접부의 액밀성을 확보하는 것이 가능하지만, 실러는 LLC에 의해 열화될 우려가 있다. 따라서 냉각 구조의 제조에 있어서는, 내식성을 유지한 채, 유로의 액밀성을 확보 가능한 접합 방법도 필요해진다.
특허문헌 3의 기술에서는, 알루미늄계 도금 강판을 경납땜함으로써 냉각기를 제조하고 있다. 그러나, 특허문헌 3의 기술은 오로지 소형의 장치에 적용하는 것이 상정되어 있어, 다양한 사이즈의 냉각기에 대응하는 것은 어렵다. 또한, 특허문헌 3에 있어서는 외장 부재의 변형을 방지하는 것이 과제로 되어 있어, 외장 부재의 접합 수단을 변경하는 것은 어렵다.
이상의 사정을 감안하여 본 발명은, 높은 냉각 효율을 갖고, 유로의 액밀성이 우수하고, 더 높은 냉각액 내식성 및 외면 내식성을 갖는 냉각 구조, 배터리 유닛, 및 냉각 구조의 제조 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.
본 발명의 요지는 이하와 같다.
(1) 본 발명의 일 양태에 관한 냉각 구조는, 홈부, 및 상기 홈부의 주위에 마련된 둑부를 갖는 프레스 성형 부재와, 상기 프레스 성형 부재의 상기 홈부를 덮는 위치에 겹쳐진 평판이며, 평탄한 냉각면을 구성하는 유로 상부 덮개와, 상기 유로 상부 덮개와 상기 둑부의 서로 대향하는 면끼리를 접합하여, 냉각액이 유통 가능한 유로를 형성하는 레이저 용접부를 구비하고, 상기 프레스 성형 부재 및 상기 유로 상부 덮개는, 모재 강판과, Al계 도금을 갖는 도금 강판이고, 상기 유로는, 제1 방향을 따라서 연장되는 복수의 부분 유로가 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 배열되는 병렬 유로부를 갖고, 상기 병렬 유로부의 일부 또는 전부에 있어서, 인접하는 상기 부분 유로끼리의 간격이 20㎜ 이하이다.
(2) 상기 (1)에 기재된 냉각 구조에서는, 상기 병렬 유로부에 있어서, 인접하는 상기 부분 유로끼리의 간격이 0.8 내지 15㎜여도 된다.
(3) 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 냉각 구조에서는, 상기 부분 유로의 폭이 6 내지 60㎜여도 된다.
(4) 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 냉각 구조에서는, 상기 부분 유로의 폭이 6 내지 20㎜여도 된다.
(5) 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 한 항에 기재된 냉각 구조에서는, 상기 Al계 도금에 Si가 포함되어 있어도 된다.
(6) 상기 (5)에 기재된 냉각 구조에서는, 상기 Al계 도금의 Si 함유량이 2.0 내지 15질량％여도 된다.
(7) 상기 (1) 내지 (6) 중 어느 한 항에 기재된 냉각 구조에서는, 상기 도금 강판이, 표면에, Zr계 성분, Ti계 성분 또는 Si계 성분을 50질량％ 이상의 비율로 포함하는 화성 처리 피막을 가져도 된다.
(8) 상기 (1) 내지 (7) 중 어느 한 항에 기재된 냉각 구조에서는, 상기 둑부의 단면 형상이 대략 원호이고, 상기 유로 상부 덮개와, 상기 둑부의 접촉부에 있어서의, 상기 둑부의 곡률 반경이 15㎜ 이하여도 된다.
(9) 상기 (1) 내지 (8) 중 어느 한 항에 기재된 냉각 구조에서는, 상기 Al계 도금의 막 두께가 10.0㎛ 이상이고, 상기 레이저 용접부의 근방에 있어서의, 상기 프레스 성형 부재와 상기 유로 상부 덮개의 간격이 0.3㎜ 이하이고, 상기 유로 상부 덮개에 있어서의 상기 레이저 용접부의 표면의 비드 폭, 및 상기 프레스 성형 부재에 있어서의 상기 레이저 용접부의 표면의 비드 폭 중 굵은 쪽이, 0.8 내지 1.5㎜여도 된다.
(10) 상기 (1) 내지 (9) 중 어느 한 항에 기재된 냉각 구조에서는, 상기 프레스 성형 부재 및 상기 유로 상부 덮개를 구성하는 상기 도금 강판의 판 두께가 0.3 내지 1.2㎜여도 된다.
(11) 상기 (1) 내지 (10) 중 어느 한 항에 기재된 냉각 구조에서는, 상기 레이저 용접부가, 모든 상기 유로를 포위하는 유로 외연 용접부를 갖고, 상기 레이저 용접부의 시단 및 종단이, 상기 유로 외연 용접부로부터 제외되어 있어도 된다.
(12) 상기 (1) 내지 (11) 중 어느 한 항에 기재된 냉각 구조에서는, 상기 냉각 구조로부터, 상기 레이저 용접부의 시단부 및 종단부가 제외되어 있어도 된다.
(13) 상기 (1) 내지 (12) 중 어느 한 항에 기재된 냉각 구조에서는, 상기 프레스 성형 부재 및 상기 유로 상부 덮개 사이에 있어서, 상기 레이저 용접부의 표면의 일부 또는 전부가 상기 Al계 도금에 의해 덮여 있어도 된다.
(14) 상기 (1) 내지 (13) 중 어느 한 항에 기재된 냉각 구조에서는, 상기 프레스 성형 부재 및 상기 유로 상부 덮개 사이에 있어서, 상기 레이저 용접부의 표면의 30％ 이상이 상기 Al계 도금에 의해 덮여 있어도 된다.
(15) 상기 (1) 내지 (14) 중 어느 한 항에 기재된 냉각 구조에서는, 상기 유로 상부 덮개에 있어서의, 상기 레이저 용접부의 비드 높이가 0.3㎜ 이하여도 된다.
(16) 본 발명의 다른 형태에 관한 배터리 유닛은, 전지 셀과, 상기 전지 셀이 수납된 배터리 팩과, 상기 (1) 내지 (15) 중 어느 한 항에 기재된 냉각 구조를 구비하고, 상기 냉각 구조의 상기 유로 상부 덮개가 상기 배터리 팩에 접합되어 있다.
(17) 본 발명의 다른 형태에 관한 배터리 유닛은, 전지 셀과, 상기 전지 셀이 수납된 배터리 팩과, 상기 (1) 내지 (15) 중 어느 한 항에 기재된 냉각 구조를 구비하고, 상기 냉각 구조의 상기 유로 상부 덮개가 상기 배터리 팩이다.
(18) 본 발명의 다른 형태에 관한 냉각 구조의 제조 방법은, 강판을 프레스 성형하여, 홈부, 및 상기 홈부의 주위에 마련된 둑부를 갖는 프레스 성형 부재를 얻는 공정과, 평판인 유로 상부 덮개를, 상기 프레스 성형 부재의 상기 홈부를 덮는 위치에 겹치고, 상기 유로 상부 덮개와 상기 프레스 성형 부재의 상기 둑부를 레이저 용접하여, 냉각액이 유통 가능한 유로를 형성하는 레이저 용접부를 얻는 공정을 구비하고, 상기 프레스 성형 부재 및 상기 유로 상부 덮개는, 모재 강판과, Al계 도금을 갖는 도금 강판이고, 상기 유로는, 제1 방향을 따라서 연장되는 복수의 부분 유로가 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 배열되는 병렬 유로부를 갖고, 상기 병렬 유로부에 있어서, 인접하는 상기 부분 유로끼리의 간격이 20㎜ 이하이다.
(19) 상기 (18)에 기재된 냉각 구조의 제조 방법에서는, 상기 Al계 도금의 막 두께가 10.0㎛ 이상이고, 상기 레이저 용접에 있어서, 빔 직경을 0.2 내지 0.8㎜로 하고, 단위 용접 길이당의 입열을 30 내지 120kJ/m로 하고, 또한 상기 레이저 용접부의 근방에 있어서의, 상기 프레스 성형 부재와 상기 유로 상부 덮개의 간격을 0.3㎜ 이하로 해도 된다.
본 발명에 따르면, 높은 냉각 효율을 갖고, 유로의 액밀성이 우수하고, 더 높은 냉각액 내식성 및 외면 내식성을 갖는 냉각 구조, 배터리 유닛, 및 냉각 구조의 제조 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 프레스 성형 부재의 단면 형상이 직사각형인 냉각 구조의, 부분 유로의 연장 방향에 수직인 단면도이다.
도 2a는 유로 연통부와 부분 유로가 직교하는 냉각 구조의, 프레스 성형 부재의 측에서 본 평면도이다.
도 2b는 유로 연통부가 분기 구조를 갖는 냉각 구조의, 프레스 성형 부재의 측에서 본 평면도이다.
도 3은 프레스 성형 부재의 단면 형상이 파형인 냉각 구조의, 부분 유로의 연장 방향에 수직인 단면도이다.
도 4는 부분 유로의 간격 D를 설명하기 위한, 냉각 구조의 단면 확대도이다.
도 5a는 레이저 용접부의 시단부 및 종단부와 유로 사이에 레이저 용접부의 중간부가 배치되어 있는 냉각 구조의 사시도이다.
도 5b는 레이저 용접부의 시단부 및 종단부가 제외되어 있는 냉각 구조의 사시도이다.
도 6a는 유로 외연 용접부로부터 레이저 용접부의 시단부 및 종단부가 제외되어 있는 냉각 구조의 개략도이다.
도 6b는 유로 외연 용접부로부터 레이저 용접부의 시단부 및 종단부가 제외되어 있는 냉각 구조의 개략도이다.
도 7은 프레스 성형 부재 및 유로 상부 덮개 사이에 있어서의, 레이저 용접부의 표면의 피복률의 측정 방법의 개략도이다.
도 8a는 배터리 유닛의 사시도이다.
도 8b는 배터리 팩을 유로 상부 덮개로서 사용한 배터리 유닛의 단면도이다.
도 8c는 배터리 팩과 유로 상부 덮개를 접합한 배터리 유닛의 단면도이다.
도 9는 실시예 1의 냉각 구조의 사시도이다.
도 10a는 도금의 막 두께가 10㎛인 강판으로부터 제조된 실시예 2의 냉각 구조에 있어서의, 비드 폭과 피복률의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 10b는 도금의 막 두께가 60㎛인 강판으로부터 제조된 실시예 2의 냉각 구조에 있어서의, 비드 폭과 피복률의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 11a는 실시예 3의 냉각 구조의, 레이저 용접 전의 프레스 성형 부재의 사시도이다.
도 11b는 실시예 3의 냉각 구조의, 레이저 용접 전의 유로 상부 덮개의 사시도이다.
도 11c는 실시예 3의 냉각 구조의 사시도이다.
도 2a는 유로 연통부와 부분 유로가 직교하는 냉각 구조의, 프레스 성형 부재의 측에서 본 평면도이다.
도 2b는 유로 연통부가 분기 구조를 갖는 냉각 구조의, 프레스 성형 부재의 측에서 본 평면도이다.
도 3은 프레스 성형 부재의 단면 형상이 파형인 냉각 구조의, 부분 유로의 연장 방향에 수직인 단면도이다.
도 4는 부분 유로의 간격 D를 설명하기 위한, 냉각 구조의 단면 확대도이다.
도 5a는 레이저 용접부의 시단부 및 종단부와 유로 사이에 레이저 용접부의 중간부가 배치되어 있는 냉각 구조의 사시도이다.
도 5b는 레이저 용접부의 시단부 및 종단부가 제외되어 있는 냉각 구조의 사시도이다.
도 6a는 유로 외연 용접부로부터 레이저 용접부의 시단부 및 종단부가 제외되어 있는 냉각 구조의 개략도이다.
도 6b는 유로 외연 용접부로부터 레이저 용접부의 시단부 및 종단부가 제외되어 있는 냉각 구조의 개략도이다.
도 7은 프레스 성형 부재 및 유로 상부 덮개 사이에 있어서의, 레이저 용접부의 표면의 피복률의 측정 방법의 개략도이다.
도 8a는 배터리 유닛의 사시도이다.
도 8b는 배터리 팩을 유로 상부 덮개로서 사용한 배터리 유닛의 단면도이다.
도 8c는 배터리 팩과 유로 상부 덮개를 접합한 배터리 유닛의 단면도이다.
도 9는 실시예 1의 냉각 구조의 사시도이다.
도 10a는 도금의 막 두께가 10㎛인 강판으로부터 제조된 실시예 2의 냉각 구조에 있어서의, 비드 폭과 피복률의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 10b는 도금의 막 두께가 60㎛인 강판으로부터 제조된 실시예 2의 냉각 구조에 있어서의, 비드 폭과 피복률의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 11a는 실시예 3의 냉각 구조의, 레이저 용접 전의 프레스 성형 부재의 사시도이다.
도 11b는 실시예 3의 냉각 구조의, 레이저 용접 전의 유로 상부 덮개의 사시도이다.
도 11c는 실시예 3의 냉각 구조의 사시도이다.
이하에, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 적합한 실시 형태에 대해서 상세하게 설명한다.
(1. 냉각 구조)
먼저, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 냉각 구조에 대해서 설명한다. 본 실시 형태에 관한 냉각 구조(1)는, 도 1 및 도 2a에 도시되는 바와 같이, 프레스 성형 부재(11)와, 유로 상부 덮개(12)와, 이들을 접합하는 레이저 용접부(13)를 갖는다. 레이저 용접부란, 선상의 비드(즉 용접 금속)로 구성되는 접합부를 말한다. 도 1은 이 냉각 구조(1)의 단면도이고, 도 2a는 이 냉각 구조(1)를 프레스 성형 부재(11)측으로부터 평면에서 본 도면이다.
(1.1 냉각 구조의 개요)
프레스 성형 부재(11)는 도금 강판을 프레스 성형함으로써 얻어진 부재이고, 홈부(111), 및 홈부(111)의 주위에 마련된 둑부(112)를 갖는다. 도 1에 있어서, 프레스 성형 부재(11)의 저부 및 그 주변이 홈부(111)이고, 프레스 성형 부재(11)의 정상부 및 그 주변이 둑부(112)이다. 유로 상부 덮개(12)는 평탄한 냉각면을 구성하는 부재이고, 평판 형상을 갖고, 프레스 성형 부재(11)의 홈부(111)를 덮는 위치에 겹쳐져 있다.
(1.2 프레스 성형 부재의 형상)
프레스 성형 부재(11)와 유로 상부 덮개(12)는 레이저 용접부(13)에 의해 접합되어 있다. 구체적으로는, 레이저 용접부(13)는 유로 상부 덮개(12)와 프레스 성형 부재(11)의 둑부(112)의 서로 대향하는 면끼리를 접합한다. 이에 의해, 유로 상부 덮개(12) 및 홈부(111)는 냉각액이 유통 가능한 유로(14)를 형성한다. 도 2a의 파선으로 도시되는 바와 같이, 유로(14)에는 냉각액 입구(143)로부터 도입된 LLC 등의 임의의 냉각액을, 냉각액 출구(144)로 유통시킬 수 있다. 이에 의해, 냉각면인 유로 상부 덮개(12) 및 유로 상부 덮개(12)와 접촉하는 임의의 물체를 냉각할 수 있다. 또한, 도 2a에 도시되는 유로는, 제1 방향을 따라서 연장되는 복수의 부분 유로(1411)가, 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 배열되는 병렬 유로부(141)와, 이들 부분 유로(1411)를 연통하는 유로 연통부(142)를 갖는다. 제1 방향이란, 예를 들어 냉각 구조(1)의 긴 변 방향 또는 짧은 변 방향이다. 유로(14)의 구체적인 구성에 대해서는 후술한다.
둑부(112) 및 홈부(111)의 형상은 특별히 한정되지는 않는다. 도 1에 예시되는 프레스 성형 부재(11)에서는, 둑부(112) 및 홈부(111)의 단면이 대략 직사각 형상(사다리꼴 형상)으로 되어 있다. 한편, 프레스 성형 부재(11)의 둑부(112) 및 홈부(111)의 한쪽 또는 양쪽의 단면 형상이 부분 원 형상, 또는 대략 원호상이어도 된다. 도 3에 도시되는 바와 같이, 둑부(112) 및 홈부(111)의 양쪽의 단면 형상이 부분 원 형상 또는 대략 원호상인 프레스 성형 부재(11)는 파판이라고 칭해진다.
둑부(112)의 단면 형상이 대략 원호인 경우, 유로 상부 덮개(12)와 둑부(112)의 접촉부, 즉 레이저 용접부(13)에 있어서의, 둑부(112)의 곡률 반경이 15㎜ 이하, 13㎜ 이하, 또는 10㎜ 이하여도 된다. 레이저 용접부(13)에 있어서의 둑부(112)의 곡률 반경이 작을수록, 부분 유로(1411)의 폭 W를 넓게 하여, 냉각 구조(1)의 냉각 효율이 한층 높아진다.
또한, 유로 상부 덮개(12)와 둑부(112)의 접촉부에 있어서의 둑부(112)의 곡률 반경은, 부분 유로(1411)의 연장 방향인 제1 방향과 직교하는 제2 방향에 평행하고, 또한 유로 상부 덮개(12)의 표면에 수직인, 부분 유로(1411)의 단면에 있어서 측정된다. 도 3에 도시되는 바와 같이, 이 단면에 있어서, 둑부(112)의 판 두께 방향 중앙에 있어서의, 용접 금속의 중심과, 상기 용접 금속의 중심으로부터 제2 방향을 따라서 1㎜ 이격된 2점의 합계 3점을 포함하는 원 R의 반경이, 유로 상부 덮개(12)와 둑부(112)의 접촉부에 있어서의 둑부(112)의 곡률 반경이다.
(1.3 도금 강판의 구성)
프레스 성형 부재(11) 및 유로 상부 덮개(12)는 모재 강판과, 모재 강판의 표면에 마련된 Al 도금을 갖는 도금 강판이다. Al 도금 강판의 구성은 특별히 한정되지 않지만, 적합한 구성을 예시하면 이하와 같다.
프레스 성형 부재(11) 및 유로 상부 덮개(12)를 구성하는 도금 강판의 판 두께는, 0.3㎜ 이상으로 해도 된다. 판 두께를 0.3㎜ 이상으로 함으로써, 프레스 성형성 및 냉각 구조(1)의 강성을 한층 향상시킬 수 있다. 프레스 성형 부재(11) 및 유로 상부 덮개(12)를 구성하는 도금 강판의 판 두께를 0.4㎜ 이상, 0.6㎜ 이상, 또는 0.8㎜ 이상으로 해도 된다. 한편, 프레스 성형 부재(11) 및 유로 상부 덮개(12)를 구성하는 도금 강판의 판 두께를, 1.2㎜ 이하로 해도 된다. 프레스 성형 부재(11)의 판 두께를 1.2㎜ 이하로 함으로써, 프레스 성형 부재(11)를 유로 상부 덮개(12)에 밀착시키는 것이 한층 용이해지고, 유로의 액밀성이 한층 향상된다. 또한, 유로 상부 덮개(12)의 판 두께를 1.2㎜ 이하로 함으로써, 냉각 구조(1)의 냉각 효율을 한층 향상시킬 수 있다. 프레스 성형 부재(11) 및 유로 상부 덮개(12)의 판 두께를 1.1㎜ 이하, 1.0㎜ 이하, 또는 0.8㎜ 이하로 해도 된다. 프레스 성형 부재(11) 및 유로 상부 덮개(12)의 판 두께가 달라도 된다. 판 두께가 얇을수록 냉각 효율이 높아지므로, 유로 상부 덮개(12)는 얇은 것이 바람직하다.
(1.4 도금 강판의 모재 강판의 구성)
프레스 성형 부재(11) 및 유로 상부 덮개(12)를 구성하는 도금 강판의 모재 강판은, 특별히 한정되지는 않는다. 예를 들어 냉각 구조(1)의 강성을 한층 높이기 위해, 유로 상부 덮개(12)의 모재 강판을, 인장 강도 980㎫ 이상의 고강도 강판으로 해도 된다. 한편, 프레스 성형성을 한층 높이기 위해, 프레스 성형 부재(11)의 모재 강판을 인장 강도 약 270㎫의 연강판, 예를 들어 SPCC로 해도 된다. 냉각 구조(1)의 형상 및 용도에 따른 다양한 형태를, 프레스 성형 부재(11) 및 유로 상부 덮개(12)를 구성하는 모재 강판에 적용할 수 있다. 모재 강판의 예로서, Ti, Nb, B 등을 첨가한 IF 강, Al-k 강, Cr 첨가강, 스테인리스강, 고장력 강, 저탄소강, 중탄소강, 고탄소강, 합금강 등을 들 수 있다.
(1.5 도금 강판의 도금 구성)
프레스 성형 부재(11), 및 유로 상부 덮개(12)를 구성하는 도금 강판의 Al계 도금은, 예를 들어 Al 함유량이 70질량％ 이상인 2성분계 또는 다성분계의 도금이다. 바람직하게는, Al계 도금은 Al 함유량이 70 내지 98질량％이고, Si 함유량이 2.0 내지 15질량％의 2성분계 또는 다성분계의 도금이다. Al계 도금의 Si 함유량은 3.0질량％ 이상, 4.0질량％ 이상, 또는 5.0질량％ 이상이어도 된다. Al계 도금의 Si 함유량은 14질량％ 이하, 12질량％ 이하, 또는 10질량％ 이하여도 된다. Si 함유량을 상기 범위 내로 함으로써, Al계 도금 강판의 가공성 및 내식성을 한층 높일 수 있다. 도금층 중의 불순물 원소로서, 미량의 Fe, Ni, Co 등이 개재되어도 된다. 또한, 필요에 따라, Mg, Sn, 미슈 메탈, Sb, Zn, Cr, W, V, Mo, 등이 Al계 도금에 포함되어도 된다.
Al계 도금 강판의 제조 방법에 대해서 특별히 제한은 없다. 예를 들어, 센지미어법 혹은 올 래디언트법 등에 의한 용융 도금, 용융 플럭스 도금, 전기 도금, 또는 증착 도금에 의해 Al계 도금을 마련할 수 있다.
Al계 도금의 막 두께도 특별히 한정되지는 않는다. 예를 들어, Al계 도금의 막 두께를 10㎛ 이상, 12㎛ 이상, 15㎛ 이상, 또는 20㎛ 이상으로 해도 된다. Al계 도금의 막 두께를 60㎛ 이하, 50㎛ 이하, 또는 40㎛ 이하로 해도 된다. Al계 도금의 막 두께가 클수록, 냉각 구조(1)의 내면 내식성을 높일 수 있다. 또한, 후술하는 바와 같이, Al계 도금의 막 두께, 레이저 용접 조건, 및 프레스 성형 부재와 유로 상부 덮개의 간격을 소정 범위 내로 함으로써, 레이저 용접부(13)의 용접 금속의 표면에 Al을 배치하는 것이 가능해진다.
(1.6 도금 강판의 화성 처리 피막의 구성)
Al계 도금 강판 등의 외면 내식성 및 냉각액 내식성을 더 높이기 위해, Al계 도금 강판 등의 표면에는, 화성 처리가 실시되어 있으면 적합하다. 화성 처리는 일반적으로 공지된 화성 처리를 사용해도 되지만 Zr계 성분, Ti계 성분 및 Si계 성분으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상을 주성분(예를 들어 질량％로서 50질량％ 이상)으로서 포함하는 화성 처리 피막이 형성되어 있는 것이 바람직하다. Zr계 성분, Ti계 성분 및 Si계 성분 중 2종 이상이 화성 처리 피막에 포함되는 경우는, 이들 성분의 합계 함유량이 50질량％ 이상이면 된다. 또한, 화성 처리 피막에는 유기 성분이 포함되어 있어도 된다. 이하, 화성 처리 피막의 「주성분」이란, 화성 처리 피막에 차지하는 비율이 50질량％ 이상인 성분을 의미한다.
화성 처리 피막의 예는 예를 들어 일본 특허 공개 제2008-115442호 공보, 일본 특허 공개 제2013-7108호 공보, 일본 특허 공개 제2004-232040호 공보, 일본 특허 제3302676호 공보, 일본 특허 제4776458호 공보, 일본 특허 제5336002호 공보 등에 예시되어 있다. 따라서, 이들 공보에 예시되어 있는 화성 처리 피막을 본 실시 형태의 화성 처리 피막으로서 적합하게 사용할 수 있다. 그래서, 여기서는 화성 처리 피막의 개요를 설명한다.
화성 처리 피막의 제1 예는, Zr계 성분을 주성분으로서 포함하는 피막의 예이며, Zr, F, P, C, O, N 및 H만으로 이루어지고, 또한 수 평균 분자량이 200 이상의 유기물을 함유하지 않는다. 화성 처리 피막의 구성 원소 중, Zr과 F의 질량비 Zr/F가 1.0 내지 10.0이 되고, Zr과 P의 질량비 Zr/P가 8.5 내지 18.0이 되고, 화성 처리 피막 중에 포함되는 Zr 함유량이 23.0질량％ 내지 48.0질량％가 되도록 성분이 조정된다. 화성 처리 피막의 각 성분의 공급원은, 탄산, 인산, 불화수소산으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 무기산 및/또는 그 암모늄염과, 지르코늄불화수소산을 제외하는 지르코늄 함유 착화합물로 이루어진다.
화성 처리 피막의 제2 예는, Zr계 성분을 주성분으로서 포함하는 피막의 예이며, (A) 티타늄 화합물 및 지르코늄 화합물 중으로부터 적어도 1종 이상과, (B) myo-이노시톨의 2 내지 6개의 결합 인산에스테르, 및 그 알칼리 금속염, 알칼리 토류 금속염, 및 암모늄염 중으로부터 적어도 1종 이상과, (C) 실리카를 함유한다. 이 화성 처리 피막에 있어서, (A)의 금속 환산량(Zr+Ti):(B):(C)의 질량비가 1:0.2 내지 1.7:0.2 내지 5이다.
티타늄 화합물로서는, 예를 들어 옥살산티타늄칼륨, 황산티타닐, 염화티타늄, 티타늄락테이트, 티타늄이소프로폭시드, 티타늄산이소프로필, 티타늄에톡시드, 티타늄2-에틸-1-헥사놀레이트, 티타늄산테트라이소프로필, 티타늄산테트라-n-부틸, 티타니아졸 등을 들 수 있다.
지르코늄 화합물로서는, 예를 들어 질산지르코닐, 아세트산지르코닐, 황산지르코닐, 탄산지르코닐암모늄, 탄산지르코늄칼륨, 탄산지르코늄나트륨, 지르코늄아세테이트 등을 들 수 있다.
myo-이노시톨의 2 내지 6개의 결합 인산에스테르란, 예를 들어 myo-이노시톨디인산에스테르, myo-이노시톨트리인산에스테르, myo-이노시톨테트라인산에스테르, myo-이노시톨펜탄인산에스테르, myo-이노시톨헥산인산에스테르이다.
실리카로서는, 예를 들어 수분산성 실리카 화합물을 들 수 있다. 수분산성 실리카 화합물은 액상 콜로이달 실리카, 기상 실리카가 있다. 액상 콜로이달 실리카로서는, 특별히 한정하는 것은 아니지만, 스노우텍스 C, 스노우텍스 O, 스노우텍스 N, 스노우텍스 S, 스노우텍스 UP, 스노우텍스 PS-M, 스노우텍스 PS-L, 스노우텍스 20, 스노우텍스 30, 스노우텍스 40(등록 상표)(모두 닛산 가가쿠 고교제), 애들라이트 AT-20N, 애들라이트 AT-20A, 애들라이트 AT-20Q(모두 아사히 덴까 고교제) 등을 들 수 있다.
기상 실리카로서는, 특별히 한정하는 것은 아니지만, 에어로실 50, 에어로실 130, 에어로실 200, 에어로실 300, 에어로실 380, 에어로실 TT600, 에어로실 MOX80, 에어로실 MOX170(모두 닛본 에어로실제) 등을 들 수 있다.
화성 처리 피막의 제3 예는, Zr계 성분을 주성분으로서 포함하는 피막의 예이며, 지르코늄 화합물과, 바나듐 화합물과, 실리카 화합물과, 인산 화합물과, 수산기, 카르보닐기, 및 카르복실기 중 적어도 하나의 관능기를 갖는 유기 화합물로 이루어지는 복합 피막이다. 이 화성 처리 피막은 Al계 도금 강판의 편면당, 지르코늄을 2 내지 1200㎎/㎡, 바나듐을 0.1 내지 300㎎/㎡, 인산 화합물을 PO4 3- 환산으로서 0.3 내지 450㎎/㎡ 함유한다. 또한, 화성 처리 피막 중의 크롬 혹은 크롬 화합물의 함유량이 크롬으로서 0.1㎎/㎡ 이하, 불소 혹은 불소 화합물의 함유량이 불소로서 0.1㎎/㎡ 이하로 되어 있다.
지르코늄 화합물로서는, 예를 들어 질산지르코닐, 아세트산지르코닐, 황산지르코닐, 탄산지르코닐암모늄, 탄산지르코늄칼륨, 탄산지르코늄나트륨, 지르코늄아세테이트 등을 들 수 있다.
바나듐 화합물로서는, 예를 들어 오산화바나듐, 메타바나듐산, 메타바나듐산암모늄, 메타바나듐산나트륨, 옥시삼염화바나듐, 삼산화바나듐, 이산화바나듐, 옥시황산바나듐, 바나듐옥시아세틸아세토네이트, 바나듐아세틸아세토네이트, 삼염화바나듐, 인바나도몰리브덴산, 황산바나듐, 이염화바나듐, 산화바나듐 등을 들 수 있다.
실리카 화합물로서는, 예를 들어 수분산성 실리카 화합물을 들 수 있다. 수분산성 실리카 화합물로서는, 콜로이달 실리카, 기상 실리카가 있고, 콜로이달 실리카로서는, 특별히 한정하는 것은 아니지만, 스노우텍스 C, 스노우텍스 O, 스노우텍스 N, 스노우텍스 S, 스노우텍스 UP, 스노우텍스 PS-M, 스노우텍스 PS-L, 스노우텍스 20, 스노우텍스 30, 스노우텍스 40(모두 닛산 가가쿠 고교제), 애들라이트 AT-20N, 애들라이트 AT-20A, 애들라이트 AT-20Q(모두 아사히 덴까 고교제) 등을 들 수 있다.
기상 실리카로서는, 특별히 한정하는 것은 아니지만, 에어로실 50, 에어로실 130, 에어로실 200, 에어로실 300, 에어로실 380, 에어로실 TT600, 에어로실 MOX80, 에어로실 MOX170(모두 닛본 에어로실제) 등을 들 수 있다.
인산 화합물은, 인산 이온을 포함하고 있으면 된다. 인산 화합물로서는, 예를 들어 오르토인산(인산), 메타인산, 피로인산 및 이들 물질의 일부 혹은 전부의 수소 이온이 치환된 암모늄염, 나트륨염, 칼슘염, 칼륨염 등의 염류를 단독 혹은 혼합하여 사용할 수 있다.
수산기, 카르보닐기, 및 카르복실기 중 적어도 하나의 관능기를 갖는 유기 화합물로서는, 예를 들어 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 에틸렌글리콜 등의 알코올류, 포름알데히드, 아세트알데히드, 푸르푸랄, 아세틸아세톤, 아세토아세트산에틸, 디피발로일메탄, 3-메틸펜탄디온 등의 카르보닐 화합물, 포름산, 아세트산, 프로피온산, 타르타르산, 아스코르브산, 글루콘산, 시트르산, 말산 등의 유기산, 글루코오스, 만노오스, 갈락토오스 등의 단당류, 맥아당, 자당 등의 올리고당류, 전분, 셀룰로오스 등의 천연 다당류, 탄닌산, 부식산, 리그닌술폰산, 폴리페놀 등의 방향족 화합물, 폴리비닐알코올, 폴리에틸렌글리콜, 폴리아크릴산, 폴리아크릴아미드, 폴리에틸렌이민, 수용성 나일론 등의 합성 고분자 등을 들 수 있다.
화성 처리 피막에는, 추가 성분으로서, 폴리올레핀계 왁스, 파라핀계 왁스 중 적어도 1종으로 이루어지는 윤활성 부여 성분을 함유시켜도 된다.
화성 처리 피막의 제4 예는, Ti계 성분을 주성분으로서 포함하는 피막의 예이며, 밸브 메탈의 산화물 또는 수산화물, 및 불화물이 공존하는 피막이다. 밸브 메탈로서는, Ti, V 등을 들 수 있다. 이들 중, Ti의 4가 화합물은 안정된 화합물이며, 우수한 특성의 피막을 형성할 수 있으므로 바람직하다. Ti계 성분을 주성분으로서 포함하는 피막으로서는, 예를 들어 산화물[TiO2]이나 수산화물[Ti(OH)4] 등이 복합된 피막 등을 들 수 있다. 이 피막에 Ti의 불화물, 예를 들어 XnTiF6(X: 알칼리 금속, 알칼리 토류 금속 또는 NH4, n=1 또는 2), TiF4 등의 불화물이 공존하고 있다.
화성 처리 피막의 제5 예는, Si계 성분을 주성분으로서 포함하는 피막의 예이며, 유기 규소 화합물(실란 커플링제)을 주성분으로서 포함하는 화성 처리 피막이다. 유기 규소 화합물은, 분자 중에 아미노기를 하나 함유하는 실란 커플링제 (A)와, 분자 중에 글리시딜기를 하나 함유하는 실란 커플링제 (B)를 고형분 질량비〔(A)/(B)〕로 0.5 내지 1.7의 비율로 배합하여 얻어진다. 유기 규소 화합물은 분자 내에 식 -SiR1R2R3(식 중, R1, R2 및 R3은 서로 독립적으로, 알콕시기 또는 수산기를 나타내고, 적어도 하나는 알콕시기를 나타냄)으로 표시되는 관능기 (a)를 2개 이상과, 수산기(관능기 (a)에 포함될 수 있는 것과는 별개의 것) 및 아미노기에서 선택되는 적어도 1종의 친수성 관능기 (b)를 하나 이상 함유하고, 평균의 분자량이 1000 내지 10000이다.
화성 처리 피막의 제6 예는, Si계 성분을 주성분으로서 포함하는 피막의 예이며, 유기 규소 화합물(실란 커플링제)을 주성분으로서 포함하는 화성 처리 피막이다. 유기 규소 화합물은, 그 구조 중에 환상 실록산 구조를 갖는다. 여기서 「환상 실록산 결합」이란, Si-O-Si 결합이 연속되는 구성을 갖고, 또한 Si와 O의 결합만으로 구성되고, Si-O 반복수가 3 내지 8인 환상 구조를 가리킨다.
당해 유기 규소 화합물은, 분자 중에 아미노기를 적어도 하나 함유하는 실란 커플링제 (A)와, 분자 중에 글리시딜기를 적어도 하나 함유하는 실란 커플링제 (B)를 고형분 질량비〔(A)/(B)〕로 0.5 내지 1.7의 비율로 배합하여 얻어진다. 이렇게 하여 얻어지는 유기 규소 화합물(W)은 분자 내에 식 -SiR1R2R3(식 중, R1, R2 및 R3은 서로 독립적으로, 알콕시기 또는 수산기를 나타내고, R1, R2 및 R3 중 적어도 하나는 알콕시기를 나타냄)으로 표시되는 관능기 (a)를 2개 이상과, 수산기(단, 관능기 (a)가 수산기를 포함하는 경우는, 그 수산기와는 별개의 것) 및 아미노기로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 친수성 관능기 (b)를 하나 이상 함유하고, 평균의 분자량이 1000 내지 10000인 것이 바람직하다.
본 실시 형태의 화성 처리 피막의 예는 상기에 한정되지는 않는다.
상술한 화성 처리 피막의 형성 방법은 특별히 제한되지 않고, 상기 각 조성에 대응하는 화성 처리액(피막 처리액)을 공지된 방법으로 Al계 도금 강판에 도포하고, 베이킹 건조시키면 된다.
(1.7 유로의 구성)
다음으로, 본 실시 형태에 관한 냉각 구조(1)의 유로(14)의 구성에 대해서 설명한다.
냉각 구조(1)의 냉각 효율을 높이기 위해서는, 냉각액과, 유로 상부 덮개(12) 사이의 접촉 면적을 크게 하는 것, 즉, 유로 상부 덮개(12)에 있어서의 유로(14)에 면하고 있는 영역의 면적을 크게 하는 것이 바람직하다. 이 때문에, 유로(14)는 제1 방향을 따라서 연장되는 복수의 부분 유로(1411)가 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 배열되는, 병렬 유로부(141)를 갖는다. 제1 방향이란, 예를 들어 냉각 구조(1)의 긴 변 방향 또는 짧은 변 방향이다. 부분 유로(1411)를 평행하게 복수 배치한 병렬 유로부(141)를 마련함으로써, 냉각액과 유로 상부 덮개(12)의 접촉 면적을 증대시킬 수 있다. 그러나, 한층 우수한 냉각 효율을 확보하기 위해, 본 발명자들은 또 다른 검토를 거듭하였다.
냉각액과 유로 상부 덮개(12)의 접촉 면적을 한층 증대시키기 위한 수단으로서, 부분 유로(1411)의 폭 W를 넓게 하는 것이 생각되었다. 그러나, 부분 유로(1411)의 폭 W가 넓을수록, 레이저 용접부(13)에 부가되는 응력이 커져, 냉각 구조(1)의 수명이 저하될 우려가 있다. 또한, 부분 유로(1411)의 폭 W가 너무 넓으면, 냉각액이 부분 유로(1411)의 연장 방향, 즉 제1 방향을 따라서 안정적으로 흐르지 않게 되어, 냉각 불균일이 발생할 우려가 있다.
냉각액과 유로 상부 덮개(12)의 접촉 면적을 한층 증대시키기 위한 다른 수단은, 부분 유로(1411)의 간격 D를 좁히는 것이 있다. 이 수단에 의하면, 레이저 용접부(13)에 부가되는 응력의 증대, 및 냉각 불균일의 발생을 방지하면서, 냉각 효율을 높일 수 있다. 이상의 이유에 의해, 본 실시 형태에 관한 냉각 구조(1)에서는, 병렬 유로부(141)의 일부 또는 전부에 있어서, 인접하는 부분 유로(1411)끼리의 간격 D를, 20㎜ 이하로 한다. 부분 유로(1411)의 간격 D를, 18㎜ 이하, 16㎜ 이하, 또는 15㎜ 이하로 해도 된다. 부분 유로(1411)의 간격 D의 하한값은 특별히 한정되지 않지만, 접합 불량을 방지하는 관점에서, 간격 D를 0.8㎜ 이상, 1㎜ 이상, 3㎜ 이상, 5㎜ 이상, 또는 8㎜ 이상으로 해도 된다.
부분 유로(1411)의 간격 D는, 병렬 유로부(141)의 전부에 있어서 상술한 범위 내로 되어 있는 것이 바람직하다. 그러나, 예를 들어 부분 유로(1411)의 사이에 나사 구멍 등의 다른 구성 요소가 배치됨으로써, 병렬 유로부(141)의 일부에 있어서 부분 유로(1411)의 간격 D가 20㎜ 초과여도 된다. 환언하면, 부분 유로(1411)의 간격 D는 병렬 유로부(141)의 일부에 있어서 상술한 범위 내로 되어 있어도 된다.
부분 유로(1411)의 간격 D를 상술한 범위 내로 하는 한, 부분 유로(1411)의 폭 W는 특별히 한정되지는 않는다. 유로 형성부와 유로 상부 덮개(12)의 접촉 면적을 한층 증대시키는 관점에서는, 부분 유로(1411)의 폭 W를 6㎜ 이상, 8㎜ 이상, 또는 10㎜ 이상으로 해도 된다. 한편, 프레스 성형 부재(11)와 유로 상부 덮개(12)의 접합 강도를 한층 높이고, 또한 냉각의 균일성을 한층 높이는 관점에서, 부분 유로(1411)의 폭 W를 60㎜ 이하, 30㎜ 이하, 25㎜ 이하, 또는 20㎜ 이하로 해도 된다. 부분 유로(1411)의 높이도 특별히 한정되지 않지만, 냉각 효율을 한층 향상시키기 위해, 예를 들어 1㎜ 이상으로 해도 된다. 한편, 냉각 구조(1)의 경량화를 위해, 부분 유로(1411)의 높이를 10㎜ 이하로 해도 된다. 상술된 부분 유로(1411)의 형상을, 유로 연통부(142)를 구성하는 부분 유로에 적용해도 된다.
또한, 본 실시 형태에 관한 냉각 구조(1)에 있어서, 유로(14), 및 이에 포함되는 부분 유로(1411)란, 냉각액이 용이하게 유통하고, 실질적인 냉각 효과를 발휘하는 공간을 의미한다. 이 때문에, 유로(14) 및 부분 유로(1411)는, 도 4에 도시되는 바와 같이, 유로 상부 덮개(12) 및 프레스 성형 부재(11) 사이의 공간이며, 유로 상부 덮개(12)에 수직인 방향을 따른 두께가 0.5㎜ 이상인 공간으로 정의된다. 부분 유로(1411)의 간격 D란, 상술한 정의에 의한 공간끼리의 간격을 말한다. 즉, 부분 유로(1411)의 간격 D란, 레이저 용접부(13), 유로 상부 덮개(12)와 프레스 성형 부재(11)가 접촉하고 있는 영역의 폭 및 유로 상부 덮개(12)와 프레스 성형 부재(11) 사이의 간극이 0.5㎜ 미만인 영역의 폭의 합계의 길이를 말한다. 또한, 도 4에서는 기재가 생략되어 있지만, 부분 유로(1411)의 폭 W란, 상술한 정의에 의한 공간의 폭을 말한다. 즉, 부분 유로(1411)의 폭 W란, 유로 상부 덮개(12)에 수직인 방향을 따른 두께가 0.5㎜ 이상인 공간의 폭을 말한다. 또한, 부분 유로(1411)의 간격 D 및 부분 유로의 폭 W는, 부분 유로(1141)의 연장 방향인 제1 방향에 수직인 제2 방향을 따라서 측정되는 값이다.
(1.8 레이저 용접부의 구성)
부분 유로(1411)의 간격 D를 상술한 범위 내로 하기 위해, 본 실시 형태에 관한 냉각 구조(1)에서는, 유로(14)를 형성하기 위한 접합부를 레이저 용접부(13)로 한다. 레이저 용접은 비드 폭을 가늘게 할 수 있다. 따라서, 부분 유로(1411)의 간격 D를 좁히기 위해 유효한 접합 수단이다. 또한, 레이저 용접은 선상의 비드를 형성하므로, 스폿 용접과 같은 점 접합 수단보다도, 유로(14)의 액밀성을 높일 수 있다.
레이저 용접부(13)의 구성은 특별히 한정되지 않고, 유로(14)의 형상에 따른 다양한 구성을 채용할 수 있다. 이하에, 레이저 용접부(13)의 바람직한 형태를 설명한다.
예를 들어, 레이저 조사측의 비드 폭, 즉 유로 상부 덮개(12)에 있어서의 레이저 용접부(13)의 표면의 비드 폭 및 프레스 성형 부재(11)에 있어서의 레이저 용접부(13)의 표면의 비드 폭 중 굵은 쪽을, 0.8 내지 1.5㎜로 해도 된다. 비드 폭을 0.8㎜ 이상으로 함으로써, 유로(14)의 액밀성을 한층 높일 수 있다. 한편, 비드 폭을 1.5㎜ 이하로 함으로써, 비드 근방에 있어서의 도금의 증발을 방지하여, 냉각 구조(1)의 내식성을 한층 높일 수 있다.
또한, 이하의 3개의 요건 모두를 충족하도록, 레이저 용접부(13)를 형성해도 된다.
(1) 레이저 용접부(13)의 비드 중 굵은 쪽의 폭을, 상술한 바와 같이 0.8 내지 1.5㎜로 하는 것
(2) 프레스 성형 부재(11) 및 유로 상부 덮개(12)를 구성하는 도금 강판이 갖는 Al계 도금의 막 두께를, 상술한 바와 같이 10.0㎛ 이상으로 하는 것
(3) 레이저 용접부(13)의 근방에 있어서의, 프레스 성형 부재(11)와 유로 상부 덮개(12)의 간격을 0.3㎜ 이하로 하는 것
상기 요건 (1) 내지 (3)을 모두 충족하도록 레이저 용접부(13)를 형성하면, 프레스 성형 부재(11) 및 유로 상부 덮개(12) 사이에 있어서, 레이저 용접부(13)의 표면의 일부 또는 전부가, Al계 도금에 의해 피복된다. 이에 의해, 냉각 구조(1)의 냉각액 내식성이 한층 향상된다.
통상적으로는, 레이저 용접에 의해 모재 강판 및 Al계 도금은 용융 응고되므로, 레이저 용접부를 구성하는 용접 금속의 표면에는 Al 도금이 존재하지 않는다. 그러나, 본 발명자들이 다양한 조건에서 Al계 도금 강판을 용접하고, 이에 의해 얻어진 용접 금속을 조사한 결과, 상기 요건 (1) 내지 (3)을 모두 충족하는 레이저 용접에 의해 얻어진 용접 금속은, 프레스 성형 부재(11)와 유로 상부 덮개(12) 사이에 있어서, 그 표면이 Al계 도금으로 덮여 있었다. 이 원인은 명백하지는 않지만, 레이저 용접의 열에 의해, 레이저 용접부의 주변에 있어서의 Al계 도금이 용융되어, 레이저 용접부(13)의 용접 금속의 표면으로 이동하기 때문이라고 추정된다.
추정되는 메커니즘을 구체적으로 설명하면 이하와 같다. 먼저, 상기 요건 (1)의 비드 폭은, 레이저 용접 시의 입열량과 강한 상관이 있다. 비드 폭이 너무 큰 경우, 레이저 용접 시의 입열이 너무 커서, 용접 금속의 주변의 광범위에서 Al계 도금이 소실되어, 용접 금속의 표면으로 용융 Al계 도금이 이동하지 않는다고 생각된다. 한편, 비드 폭이 너무 작은 경우는, 유로 상부 덮개(12)와 프레스 성형 부재(11)가 충분히 접합되어 있지 않을 우려가 있다.
상기 요건 (2)의 도금막 두께가 너무 작은 경우, 용융 Al계 도금이 부족하여, 용접 금속의 표면으로 용융 Al계 도금이 이동하지 않는다고 생각된다. 또한, 상기 요건 (3)의 도금 강판의 간격이 너무 큰 경우, 용접 금속이 너무 커져서, 용융 Al계 도금에 의한 용접 금속의 피복이 발생하지 않는다고 생각된다.
여기서, 상기 요건 (3)에 있어서의 도금 강판의 판 간격이란, 레이저 용접부(13)의 근방에 있어서 측정되는, 프레스 성형 부재와 상기 유로 상부 덮개의 간격이다. 레이저 용접부(13)의 근방이란, 레이저 용접부(13)에 포함되는 용접 금속으로부터 0.1㎜ 이내의 영역을 말한다. 용융 금속으로부터 0.1㎜ 이내의 영역에 있어서는, 프레스 성형 부재와 상기 유로 상부 덮개의 간격은 실질적으로 일정하므로, 이 영역 내의 임의의 개소에 있어서 간격을 측정할 수 있다. 또한, 대략 원호 형상의 경우도 이 범위라면, 도금 강판의 판 간격의 변화가 작고, 이 범위 내에서 측정된 값을 도금 강판의 판 간격으로 할 수 있다.
레이저 용접부(13)의 근방에 있어서의, 프레스 성형 부재(11)와 유로 상부 덮개(12)의 간격은 0.2㎜ 이하, 0.1㎜ 이하, 또는 0.05㎜ 이하인 것이 바람직하다.
레이저 용접부(13)는, 예를 들어 도 5a에 도시하는 바와 같이, 시단부(131), 종단부(132), 및 이들 사이의 중간부(133)로 구성된다. 레이저 용접부(13)의 시단부(131)란, 레이저 용접을 개시한 개소에 해당하는 부위이고, 레이저 용접부(13)의 종단부(132)란, 레이저 용접을 종료한 개소에 해당하는 부위이다. 본 실시 형태에서는, 시단부(131) 및 종단부(132)를 구별할 필요는 없다. 시단부(131) 및 종단부(132)는 그 폭 등이 중간부(133)와는 명확하게 다르므로, 시단부(131) 및 종단부(132)와, 중간부(133)는 명확하게 구별할 수 있다.
시단부(131) 및 종단부(132)보다도 중간부(133)의 쪽이, 용접 결함이 적고, 따라서 내식성 및 액밀성이 한층 우수한 경향이 있다. 따라서 유로(14)는 레이저 용접부(13)의 중간부(133)를 사용하여 구성되어 있고, 시단부(131) 및 종단부(132)로부터는 이격되어 있는 것이 바람직하다. 환언하면, 도 5a에 예시되는 바와 같이, 레이저 용접부(13)의 시단부(131) 및 종단부(132)와, 유로(14) 사이에, 레이저 용접부(13)의 중간부(133)가 배치되도록 레이저 용접이 행해지는 것이 바람직하다. 이에 의해, 시단부(131) 및 종단부(132)가 냉각액에 노출되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 도 5b에 예시되는 바와 같이, 냉각 구조(1)로부터, 레이저 용접부(13)의 시단부(131) 및 종단부(132)가 제외되어 있는 것이 한층 바람직하다. 예를 들어, 레이저 용접되기 전의 유로 상부 덮개(12) 또는 프레스 성형 부재(11)에 탭판 T를 마련하고, 탭판 T에 시단부(131) 및 종단부(132)가 형성되도록 레이저 용접을 행하고, 그 후 탭판 T를 절단 제거함으로써, 레이저 용접부(13)의 시단부(131) 및 종단부(132)를 포함하지 않는 냉각 구조(1)를 얻을 수 있다.
냉각 구조(1) 중, 액 누출이 염려되는 개소에 있어서만, 시단부(131) 및 종단부(132)를 배제하는 구성을 적용해도 된다. 예를 들어, 도 6a 및 도 6b에 도시되는 냉각 구조(1)에 있어서는, 레이저 용접부(13) 중, 프레스 성형 부재(11) 및 유로 상부 덮개(12)의 외측 테두리를 따라서 마련된 부분(부호 13A가 붙여진 농색부)에서 프레스 성형 부재(11)로부터 유로 상부 덮개(12)가 박리되면, 냉각액이 냉각 구조(1)의 외부로 누출된다. 한편, 도 6a 및 도 6b에 도시되는 냉각 구조(1)에 있어서, 유로(14)에 둘러싸인 영역에 마련된 레이저 용접부(13)에서 프레스 성형 부재(11)로부터 유로 상부 덮개(12)가 박리된다고 해도, 냉각수가 냉각 구조(1)의 외부로 누출되는 일은 없다. 따라서, 레이저 용접부(13) 중, 모든 유로(14)를 포위하는 부분(부호 13A가 붙여진 농색부)을 유로 외연 용접부(13A)로 정의한 경우, 유로 외연 용접부(13A)로부터 시단부(131) 및 종단부(132)가 제외되어 있는 것이 바람직하다. 이 경우, 가령 유로 외연 용접부(13A)를 제외하는 레이저 용접부(13)에 시단부(131) 및 종단부(132)가 포함되어 있다고 해도, 냉각수가 냉각 구조(1)의 외부로 누출되는 사태를 충분히 억제할 수 있다.
또한, 도 6a에 예시되는 냉각 구조(1)는, 도 5a와 마찬가지로, 레이저 용접부(13)의 중간부(133)만을 사용하여 유로 외연 용접부(13A)를 제조함으로써 얻어진 것이다. 이 경우, 시단부 및 종단부는 유로 외연 용접부(13A)로부터는 배제되어 있지만, 냉각 구조(1)에는 남겨진다. 한편, 도 6b에 예시되는 냉각 구조(1)는, 도 5b와 마찬가지로, 레이저 용접되기 전의 유로 상부 덮개(12) 또는 프레스 성형 부재(11)에 탭판 T를 마련하고, 탭판 T에 시단부(131) 및 종단부(132)가 형성되도록 레이저 용접을 행하고, 그 후 탭판 T를 절단 제거함으로써 얻어진 것이다. 이 경우, 유로 외연 용접부(13A)를 형성할 때에 발생한 시단부 및 종단부는, 냉각 구조(1)에 남지 않는다. 또한, 유로 상부 덮개(12) 및 프레스 성형 부재(11)에 닿지 않는 개소로부터 레이저의 조사를 개시한 후, 레이저 용접을 행하고, 빠져나가도록 유로 상부 덮개(12) 및 프레스 성형 부재(11)에 닿지 않는 개소까지 레이저를 조사하고, 그 후에 레이저 조사를 정지시킴으로써도, 유로 외연 용접부(13A)의 형성에 있어서의 시단부 및 종단부가 냉각 구조(1)에 남지 않는다.
유로 상부 덮개(12)에 있어서의, 레이저 용접부(13)의 비드 높이가 0.3㎜ 이하여도 된다. 레이저 용접부(13)의 비드 높이를 0.3㎜ 이하로 함으로써, 유로 상부 덮개(12)와 냉각 대상(예를 들어 배터리 팩 또는 전지 셀) 사이의 간극을 작게 하여, 냉각 효율을 한층 높일 수 있다. 레이저 용접부(13)의 비드 높이는, 예를 들어 레이저 용접 조건의 제어를 통해 작게 해도 된다. 또한, 레이저 용접의 종료 후에 비드를 연삭함으로써, 비드 높이를 작게 해도 된다.
(1.9 기타의 구성)
도 2a에 도시되는 바와 같이, 복수의 부분 유로(1411)를 연통하는 유로 연통부(142)가 유로(14)에 더 설치되어도 된다. 또한, 유로에 냉각액을 도입하기 위한 냉각액 입구(143) 및 냉각액 출구(144)가 유로(14)에 더 설치되어도 된다. 유로(14)가 유로 연통부(142)를 갖는 경우, 유로(14)는 하나의 공간을 이루는 것이 된다. 이 경우, 냉각 구조(1)에는 냉각액 입구(143) 및 냉각액 출구(144)가 하나씩 마련되면 된다. 한편, 유로 연통부(142)가 냉각 구조(1)에 마련되지 않아도 된다. 이 경우, 복수의 부분 유로(1411) 각각에, 냉각액 입구(143) 및 냉각액 출구(144)를 마련하면 된다. 복수의 부분 유로(1411)의 일부만이 유로 연통부(142)에 의해 연통되고, 유로(14)가 2 이상의 공간을 이루어도 된다.
또한 도 2a 등에 있어서는, 2개의 유로 연통부(142) 각각이 1개의 곧은 유로이며, 유로 연통부(142)가 모든 부분 유로(1411)에 직교하도록 연통되어 있지만, 유로 연통부(142)의 형상 및 유로 연통부(142)와 부분 유로(1411)의 배치는 이에 한정되지는 않는다. 예를 들어, 유로 연통부(142)와 부분 유로(1141)가 이루는 각도는 90°에 한정되지 않고, 냉각 구조(1)의 용도에 따라서 적절히 선택할 수 있다. 또한, 유로 연통부(142)가 분기 구조를 갖고 있어도 된다. 도 2b에 도시되는 바와 같이, 2개의 유로 연통부(142) 각각이 냉각액 입구(143) 또는 냉각액 출구(144)를 기점으로 부채꼴로 분기되고, 그 분기처에 있어서 각 부분 유로(1411)와 다양한 각도를 갖고 연통되어 있어도 된다. 또한, 도 2b에 있어서, 레이저 용접부(13)는 생략되어 있다.
프레스 성형 부재(11) 및 유로 상부 덮개(12) 사이에 있어서, 레이저 용접부(13)의 표면의 30％ 이상이 Al계 도금에 의해 덮여 있어도 된다. 이에 의해, 레이저 용접부(13)의 냉각액 내식성이 향상되고, 나아가서는 냉각 구조(1)의 냉각액 내식성을 한층 높일 수 있다.
Al계 도금에 의한 레이저 용접부(13)의 피복률은, 이하의 수순으로 측정된다.
먼저, 냉각 구조(1)에 포함되는 복수의 부분 유로(1411) 중 임의의 1개를, 그 연장 방향, 즉 제1 방향에 수직으로 절단한다. 절단하는 개소는, 부분 유로(1411)의 양단의 중간점, 및 이 중간점과 부분 유로(1411)의 단부와의 중간점 2점의 합계 3점이다. 부분 유로(1411)의 양단이란, 상술한 유로 연통부(142)가 냉각 구조(1)에 포함될 때는, 부분 유로(1411)와 유로 연통부(142)가 교차하는 개소이고, 유로 연통부(142)가 냉각 구조(1)에 포함되지 않을 때는, 냉각액 입구(143) 및 냉각액 출구(144)가 마련된 개소이다.
다음에, 상술한 3군데의 절단면에 있어서의 레이저 용접부(13)의 현미경 사진을 촬영한다.
그리고, 도 7에 도시되는 바와 같이, 단면에 있어서의 레이저 용접부(13)를 구성하는 용접 금속의 표면의 길이 a를 분모로 하고, 이 용접 금속의 표면에 부착된 Al계 도금의, 용접 금속 표면을 따른 길이 b의 합계를 분자로 하여, 각 단면에 있어서의 피복률을 측정한다. 또한, 3개의 단면에 있어서의 피복률의 평균값을 산출하고, 이를 Al계 도금에 의한 레이저 용접부(13)의 피복률로 간주한다.
레이저 용접은 용접 방향을 따라서 균질한 용접 금속을 형성하는 접합 방법이다. 따라서, 상술한 수단에 의해 얻어진 값에 의하면, 냉각 구조(1) 전체에 걸친 피복률을 추정할 수 있다.
또한 도 7에 있어서, 기호 15는 모재 강판을 나타내고, 기호 16은 Al계 도금을 나타낸다.
프레스 성형 부재(11), 및 냉각 구조(1)의 냉각면을 구성하는 유로 상부 덮개(12)의 평면에서 본 형상은 특별히 한정되지는 않는다. 예를 들어 냉각 구조(1)의 용도가 EV의 배터리의 냉각인 경우, 유로 상부 덮개(12)의 평면에서 본 형상은 직사각형인 것이 바람직하다. 이 경우, 유로 상부 덮개(12)의 평면에서 본 크기는, 긴 변 방향이 1000㎜ 내지 2300㎜이고, 짧은 변 방향이 200㎜ 내지 1500㎜인 것이 바람직하다. 프레스 성형 부재(11)의 평면에서 본 크기도, 마찬가지로 긴 변 방향이 1000㎜ 내지 2300㎜이고, 짧은 변 방향이 200㎜ 내지 1500㎜인 것이 바람직하다. 프레스 성형 부재(11), 및/또는 유로 상부 덮개(12)가 대면적을 갖고, 또한 유로의 간격 D가 좁은 냉각 구조(1)를 제조할 때에는, 둑부(112)와 유로 상부 덮개(12)의 접합 불량이 문제가 되기 쉽지만, 예를 들어 후술하는 제조 방법에 의하면, 접합 불량을 용이하게 회피할 수 있다.
유로 상부 덮개(12)의 평면에서 본 긴 변 방향의 크기를, 1200㎜ 이상, 1400㎜ 이상, 또는 1600㎜ 이상으로 해도 된다. 유로 상부 덮개(12)의 평면에서 본 긴 변 방향의 크기를, 2200㎜ 이하, 2000㎜ 이하, 또는 1800㎜ 이하로 해도 된다. 유로 상부 덮개(12)의 평면에서 본 짧은 변 방향의 크기를, 250㎜ 이상, 500㎜ 이상, 또는 700㎜ 이상으로 해도 된다. 유로 상부 덮개(12)의 평면에서 본 짧은 변 방향의 크기를, 1400㎜ 이하, 1300㎜ 이하, 또는 1200㎜ 이하로 해도 된다.
프레스 성형 부재(11)의 평면에서 본 긴 변 방향의 크기를, 1200㎜ 이상, 1400㎜ 이상, 또는 1600㎜ 이상으로 해도 된다. 프레스 성형 부재(11)의 평면에서 본 긴 변 방향의 크기를, 2200㎜ 이하, 2000㎜ 이하, 또는 1800㎜ 이하로 해도 된다. 프레스 성형 부재(11)의 평면에서 본 짧은 변 방향의 크기를, 250㎜ 이상, 500㎜ 이상, 또는 700㎜ 이상으로 해도 된다. 프레스 성형 부재(11)의 평면에서 본 짧은 변 방향의 크기를, 1400㎜ 이하, 1300㎜ 이하, 또는 1200㎜ 이하로 해도 된다.
상술한 바와 같이, 냉각 구조(1)의 냉각 효율을 높이기 위해서는, 냉각액과, 유로 상부 덮개(12) 사이의 접촉 면적을 크게 하는 것이 바람직하다.
이상 설명된 바와 같이, 제1 실시 형태에 관한 냉각 구조에서는, 프레스 성형 부재(11) 및 유로 상부 덮개(12)를 Al계 도금 강판으로 함으로써, 외면 내식성 및 냉각액 내식성을 높일 수 있다. 이에 의해, 수로 부식을 억제하고, 열전도율의 저하 및 막힘의 원인이 되는 오염의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 제1 실시 형태에 관한 냉각 구조에서는, 프레스 성형 부재(11) 및 유로 상부 덮개(12)를 레이저 용접함으로써, 병렬 유로부(141)에 있어서의 부분 유로(1411)끼리의 간격 D를 20㎜ 이하로 하고, 냉각액과 유로 상부 덮개(12)가 접촉하는 면적을 크게 하여, 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.
덧붙여, 제1 실시 형태에 관한 냉각 구조에서는, 프레스 성형 부재(11) 및 유로 상부 덮개(12)를 레이저 용접함으로써, 유로(14)의 액밀성을 높일 수 있다.
(2. 배터리 유닛)
다음으로, 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 배터리 유닛에 대해서 설명한다. 본 실시 형태에 관한 배터리 유닛(2)은, 도 8a 내지 도 8c에 도시되는 바와 같이, 전지 셀(21)과, 전지 셀(21)이 수납된 배터리 팩(22)과, 제1 실시 형태에 관한 냉각 구조(1)를 갖는다.
냉각 구조(1)를 배터리 유닛(2)에 내장하는 것에 있어서는, 도 8b에 도시되는 바와 같이, 배터리 팩(22)을 냉각 구조(1)의 유로 상부 덮개(12)로서 사용할 수 있다. 환언하면, 프레스 성형 부재(11)의 둑부(112)와 배터리 팩(22)을 레이저 용접할 수 있다. 배터리 팩(22)과 냉각 구조(1)를 일체화함으로써, 배터리 유닛(2)은 전지 셀(21)을 매우 효율적으로 냉각할 수 있다.
한편, 배터리 팩(22)과 냉각 구조(1)가 분리된 구조를 채용해도 된다. 예를 들어, 유로 상부 덮개(12)와, 배터리 팩(22)을 접합함으로써, 배터리 유닛(2)을 제조해도 된다. 이 경우, 도 8c에 도시되는 바와 같이, 유로 상부 덮개(12)와 배터리 팩(22) 사이에 갭 필러(23)를 배치해도 된다. 어떠한 원인(치수 정밀도의 오차, 배터리 팩(22)에 복잡한 요철 형상이 형성되어 있는 등)에 의해, 배터리 팩(22)과 냉각 구조(1)의 유로 상부 덮개(12)를 간극 없이 접합하는 것이 어려운 경우가 있다. 그러한 경우에, 갭 필러(23)를 사용할 수 있다. 갭 필러(23)는 일반적으로, 수지에 열전도성이 높은 안료를 포함한 것이다. 갭 필러(23)를 다른 물질 사이에 삽입함으로써, 열교환 효율을 향상시킬 수 있다. 본 실시 형태에서는, 갭 필러(23)의 열전도율이 3.5W/m 이상인 것이 바람직하다. 갭 필러(23)의 예로서, 신에츠 실리콘사제의 「SDP-3540-A」를 들 수 있다. 갭 필러의 두께는 0.1㎜ 내지 8.0㎜인 것이 바람직하고, 0.5㎜ 내지 3.0㎜인 것이 더욱 바람직하다.
배터리 팩(22)의 구성은 특별히 한정되지는 않는다. 예를 들어 배터리 팩(22)을 대략 직사각 형상으로 하고, 그 저면부에 냉각 구조(1)를 배치하거나, 또는 그 저면부를 냉각 구조(1)의 유로 상부 덮개(12)로 해도 된다. 또한, 내식성을 향상시키는 관점에서, 배터리 팩(22)을 구성하는 강판은 Al계 도금 강판 또는 Zn계 도금 강판인 것이 바람직하다. 단, 도 8c에 도시되는 바와 같은, 배터리 팩(22)과 냉각 구조(1)가 분리된 구조가 채용되는 경우, 배터리 팩(22)에 있어서 냉각 구조(1)가 설치되는 개소, 예를 들어 저면부에 냉각액 내식성을 갖게 하는 것은 필수는 아니다.
배터리 팩(22)의 저면부를 구성하는 Al계 도금 강판의 두께는 특별히 제한되지 않지만, 예를 들어 0.2 내지 1.2㎜ 또는 0.3 내지 1.2㎜인 것이 바람직하고, 0.4 내지 0.6㎜인 것이 더욱 바람직하다. 이 경우, 배터리 팩(22)의 저면부의 강도를 유지하면서 저면부를 얇게 형성할 수 있다. 따라서, 냉각액과 배터리 팩(22)의 내부 구조의 거리를 좁힐 수 있으므로, 배터리 팩(22)의 냉각 효율을 높일 수 있는 것 외에, 배터리 팩(22)의 냉각 응답성을 높일 수 있다.
(3. 냉각 구조의 제조 방법)
다음으로, 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 냉각 구조의 제조 방법에 대해서 설명한다. 제3 실시 형태에 관한 냉각 구조의 제조 방법은, 도금 강판을 프레스 성형하여 프레스 성형 부재(11)를 얻는 공정 S1과, 프레스 성형 부재와 유로 상부 덮개를 레이저 용접하는 공정 S2를 구비한다. 이들 공정의 상세에 대해서, 이하에 설명한다. 이 제조 방법에 의하면, 제1 실시 형태에 관한 냉각 구조를 적합하게 제조할 수 있다. 단, 이하의 기재는, 제1 실시 형태에 관한 냉각 구조의 제조 방법을 한정하는 것은 아니다.
(S1 프레스 성형)
본 실시 형태에 관한 냉각 구조의 제조 방법에서는, 먼저, 도금 강판을 프레스 성형한다. 이에 의해, 홈부(111), 및 홈부(111)의 주위에 마련된 둑부(112)를 갖는 프레스 성형 부재(11)를 얻는다. 프레스 성형에 제공되는 도금 강판은, Al계 도금을 갖는다. 도금 강판의 적합한 형태는, 상술한 바와 같다. 또한, 최종적으로 얻어지는 냉각 구조(1)에 있어서는, 유로(14)가 제1 방향을 따라서 연장되는 복수의 부분 유로(1411)가 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 배열되는 병렬 유로부(141)를 갖는 것이 되고, 병렬 유로부(141)에 있어서, 인접하는 부분 유로(1411)끼리의 간격 D가 20㎜ 이하로 된다. 이러한 유로(14)의 형상이 달성되도록, 프레스 성형에 있어서 홈부(111)를 형성할 필요가 있다.
(S2 레이저 용접)
다음에, 평판인 유로 상부 덮개(12)를 프레스 성형 부재(11)의 홈부(111)를 덮는 위치에 겹치고, 유로 상부 덮개(12)와 프레스 성형 부재(11)의 둑부(112)를 레이저 용접한다. 이에 의해, 냉각액이 유통 가능한 유로(14)를 형성하는 레이저 용접부(13)를 얻는다.
레이저 용접 조건은 특별히 한정되지 않고, 도금 강판의 판 두께 등에 따른 적합한 조건을 적절히 채용할 수 있다. 특히 적합한 레이저 용접 조건의 일례를 들면, Al계 도금의 막 두께가 10.0μ 이상이고, 레이저 용접부의 근방에 있어서의 프레스 성형 부재(11)와 유로 상부 덮개(12)의 간격이 0.3㎜ 이하인 경우, 빔 직경을 0.2 내지 0.8㎜로 하고, 단위 용접 길이당의 입열을 30 내지 120kJ/m으로 하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 용접부 주변의 Al계 도금을 용융시켜, 레이저 용접부(13)의 표면으로 이동시키고, 이에 의해, 프레스 성형 부재(11) 및 유로 상부 덮개(12) 사이에 있어서, 레이저 용접부(13)의 표면의 일부 또는 전부를 Al계 도금에 의해 덮을 수 있다. 빔 직경을 0.4 내지 0.6㎜로 하고, 단위 용접 길이당의 입열을 30 내지 60kJ/m으로 하는 것이 보다 바람직하다.
실시예
실시예에 의해 본 발명의 일 양태의 효과를 더욱 구체적으로 설명한다. 단, 실시예에서의 조건은, 본 발명의 실시 가능성 및 효과를 확인하기 위해 채용한 일 조건예에 불과하다. 본 발명은, 이 일 조건예에 한정되지는 않는다. 본 발명은, 본 발명의 요지를 일탈하지 않고, 본 발명의 목적을 달성하는 한, 다양한 조건을 채용할 수 있다.
(실시예 1 유로 간격과 조립 가부 및 냉각 구조의 성능의 관계)
Al계 도금 강판을 프레스 성형하여, 프레스 성형 부재를 제작하였다. 이 프레스 성형 부재와, Al계 도금 강판의 평판으로 구성되는 유로 상부 덮개를 레이저 용접하여, 냉각 구조를 제조하였다. 평행하게 연장되는 복수의 부분 유로의 유로 폭, 유로 간격을 표 1에 나타낸다. 또한, 표 1에 포함되지 않는 제조 조건은 이하와 같이 하였다. 부분 유로를 연통하는 유로 연통부는 제작하지 않았다.
ㆍ도금 강판의 종류: 판 두께 0.5㎜의 알루미늄 도금 연강판(Al-9％ Si 도금 강판을 사용)
ㆍ레이저 용접기: 파이버 레이저 용접기
ㆍ레이저 용접 시의 입열 조건: 45000J/m
ㆍ실시예의 냉각 구조의 형상: 도 9에 기재
ㆍ부분 유로 길이: 200㎜
ㆍ부분 유로 높이: 10㎜
또한, 도 9는 제조한 냉각 구조의 일부분의 모식도이다. 편의상, 도 9에는 부분 유로를 2개만 기재하고 있지만, 실제로는, 폭 120㎜의 배터리를 덮을 수 있는 수의 부분 유로를 냉각 구조에 마련하였다. 표에 나타내는 어느 예에 있어서도, 레이저 용접에 의해 냉각 구조를 조립할 수 있었다.
상술한 바와 같이 제작된 냉각 구조의 평가 결과를, 표 1에 함께 나타낸다. 평가 기준은 이하에 설명하는 바와 같이 하였다.
부분 유로의 유로 폭 W에 관해서는, 20㎜ 이하의 것은 랭크 「S」, 20㎜ 초과 30㎜ 이하의 것은 랭크 「A」, 30㎜ 초과의 것은 랭크 「B」라고 판정하였다. 유로 폭 W가 작을수록, 냉각액의 흐름을 안정화시켜서, 냉각 효율을 한층 향상시킬 수 있기 때문이다.
「D/2」란, 복수의 부분 유로끼리의 간격 D를 2로 나눈 값이다. 이 값은, 부분 유로와 부분 유로가 직접 접촉하지 않는 개소의 유로 폭 방향을 따른 최대 거리이고, 작을수록 바람직하다. 이 D/2가 너무 크면, 유로와 접촉하지 않는 개소의 냉각이 불충분해져, 냉각 구조로서 충분한 기능을 발휘할 수 없을 우려가 있다. D/2가 7.5㎜ 이하인 것을 랭크 「A」, 7.5㎜ 초과 10㎜ 이하인 것을 랭크 「B」, 10㎜ 초과인 것을 랭크 「C」라고 판정하였다. 랭크 A 또는 랭크 B로 평가된 시료는, 유로 간격이 충분히 좁혀진 것이라고 판정되었다.
표 1에 나타내는 모든 예는, 레이저 용접에 의해 제조 가능하였다. 따라서, 레이저 용접이면, 제작한 중에서 가장 부분 유로 폭이 좁은 10㎜인 경우라도, 높은 냉각능을 발휘할 수 있는 부분 유로를 제조 가능한 것을 알 수 있다.
(실시예 2 비드 폭과 피복률의 관계)
유로 상부 덮개에 있어서의 레이저 용접부의 비드, 및 프레스 성형 부재에 있어서의 레이저 용접부의 비드 중 굵은 쪽의 폭(이하, 단순히 「비드 폭」이라고 기재함)이 1.2㎜ 내지 2.2㎜의 범위 내로 되도록, 입열 조건을 30 내지 120kJ/m의 범위 내에서 변화시켜서, 다양한 냉각 구조를 제조하였다. 레이저 용접부의 근방에 있어서의 유로 상부 덮개와 프레스 성형 부재의 간격은 0 내지 0.2㎜의 범위 내로 하였다. 도금의 막 두께는, 10㎛ 또는 60㎛로 하였다. 또한, 레이저 용접에 있어서는, 동일 막 두께의 도금 강판을 조합하였다.
이어서, 레이저 용접부의 단면을 관찰하고, 프레스 성형 부재 및 유로 상부 덮개 사이에 있어서, 레이저 용접부의 표면이 Al계 도금에 의해 덮여 있는지 여부를 확인하였다. 또한, 레이저 용접부의 표면적에 대한, 레이저 용접부를 덮는 Al계 도금의 면적 비율(이하 「피복률」이라고 기재함)을 측정하였다. 피복률의 측정 방법은, 도 7을 도시하면서 상술한 바와 같이 하였다.
도금의 막 두께가 10㎛인 강판으로부터 제조된 냉각 구조에 있어서의, 비드 폭과 피복률의 관계를 도 10a에 도시한다. 도금의 막 두께가 60㎛인 강판으로부터 제조된 냉각 구조에 있어서의, 비드 폭과 피복률의 관계를 도 10b에 도시한다. 비드 폭이 1.5㎜ 이하인 모든 예에 있어서, 레이저 용접부의 전체 표면이 Al계 도금에 의해 피복되어 있었다. 이들 예는, 높은 내면 내식성을 갖는 것으로 생각된다. 또한, 비드 폭이 1.5㎜ 초과인 경우, 비드 폭이 넓어짐에 따라서 피복률이 작아지는 경향이 보였다.
(실시예 3 내식성 평가)
표 2에 나타내는 용접 방법, 부분 유로 간격, 강판간 거리, 도금막 두께, 및 레이저 용접 입열량을 적용하여, 다양한 냉각 구조를 제조하였다. 또한, 강판간 거리란, 레이저 용접을 하는 개소에 있어서의 유로 상부 덮개와 프레스 성형 부재의 간격을 말하고, 목적의 강판간 거리와 동일한 두께의 스페이서를, 용접을 저해하지 않는 개소에 끼워 넣음으로써 조정하였다. 단, 번호 1의 냉각 구조의 제조에 있어서는 레이저 용접이 아니라, 전극 직경 φ16㎜의 일반적인 용접 전극을 사용한 스폿 용접을 사용하였다. 스폿 용접으로 제조된 번호 1의 냉각 구조에 관해, 입열량의 기재는 생략하였다. 번호 21 이외의 예에 있어서, 용접 전의 프레스 성형 부재 및 유로 상부 덮개의 형상은 도 11a 및 도 11b와 같이 하고, 유로의 형상은 도 11c에 기재된 바와 같이 하였다. 번호 21의 예에 있어서는, 부분 유로의 단면 형상이 도 3에 도시되는 파형이 되도록 하였지만, 그 이외는 다른 예와 마찬가지의 형상을 채용하였다. 어느 예에 있어서도, 평면에서 본 유로 형상은 U자 형상이고, 종방향으로 연장되는 2개의 유로가 부분 유로에 해당한다. 유로 폭은, 모든 냉각 구조에 있어서 20㎜로 하였다. 제조한 냉각 구조의 비드 폭을 측정하고, 표 3에 기재하였다. 또한, 표 3에 기재된 비드 폭은, 유로 상부 덮개에 있어서의 레이저 용접부의 비드, 및 프레스 성형 부재에 있어서의 레이저 용접부의 비드 중 굵은 쪽의 폭이다.
또한, 냉각 구조에 펌프를 접속하고, 롱라이프 쿨런트액(LLC)을 순환시켰다. 펌프와 냉각 구조 사이에는 필터를 접속하고, 부식 생성물이 발생한 경우, 이것이 펌프 내에 침입하지 않도록 하였다. 유로 내의 압력이 1.5 기압이 되고, LLC 온도가 50℃가 되는 조건에서, LLC를 100시간 순환시켰다. 그 후, 이하의 방법으로 내면 도금 상태, 비드 폭, 및 내면 내식성을 평가하고, 표 3에 기재하였다.
내면 도금 상태는, 동일 조건에서 유로를 제작한 후 유로를 해체하고, 용접부 단면을 관찰함으로써 평가하였다. 용접부 단면의 관찰은, 부분 유로의 양단의 중간점, 및 이 중간점과 부분 유로의 단부의 중간점 2점의 합계 3점으로 실시하였다. 프레스 성형 부재 및 유로 상부 덮개 사이에 있어서, 레이저 용접부의 표면의 전체가 Al계 도금으로 덮여 있는 경우는 랭크 「A」라고 평가하고, 일부가 Al계 도금으로 덮여 있는 경우는 랭크 「B」라고 평가하고, 전혀 덮여 있지 않은 경우는 랭크 「C」라고 평가하였다. 랭크 A 또는 랭크 B로 평가된 시료는, 내면 도금 상태가 양호한 것으로 판정되었다.
내면 내식성은 LLC의 순환 중에 필터가 막혀, 순환이 속행 불가능해진 경우를 랭크 「C」라고 판정하였다. LLC가 100시간 순환할 수 있었던 유로는 해체하고, 내면의 부식 상태를 육안으로 확인하였다. 100시간의 LLC 순환은 가능했지만 유로 내면에 적녹이 발생한 경우를 랭크 「B」라고 판정하고, 녹이 발생하지 않은 경우를 랭크 「A」라고 판정하였다. 랭크 A 또는 랭크 B로 평가된 시료는, 내면 내식성이 양호한 것으로 판정되었다.
예 1에 있어서는, 스폿 용접을 행할 수 없었다. 이것은, 유로 간격 5㎜에서는, φ16㎜의 전극을 용접 예정 개소에 접촉시킬 수 없었던 것이 원인이다.
한편, 레이저 용접을 사용하여 제조된 모든 예에 있어서는, 유로 간격이 작음에도 불구하고, 접합을 실시할 수 있었다. 또한, 어느 예에 있어서도, 상술한 LLC 순환 시험 후에, LLC 내에 적녹이 확인되지 않았다. 따라서, 어느 예도 우수한 내면 내식성을 구비하고 있었다. 또한, 모든 예에 있어서, LLC 누출이 확인되지 않았다. 따라서, 어느 예도 우수한 액밀성을 갖고 있었다. 덧붙여, 모든 예에 있어서 유로 간격이 좁혀져 있었으므로, 이들을 전지 셀 등의 냉각에 제공한 경우, 높은 냉각 효율을 발휘할 수 있다. 외면 내식성에 대해서는 평가되어 있지 않지만, 내면 내식성과 마찬가지로, 외면 내식성도 높은 것이 예상된다.
1: 냉각 구조
11: 프레스 성형 부재
111: 홈부
112: 둑부
12: 유로 상부 덮개
13: 레이저 용접부
13A: 유로 외연 용접부
131: 시단부
132: 종단부
133: 중간부
14: 유로
141: 병렬 유로부
1411: 부분 유로
142: 유로 연통부
143: 냉각액 입구
144: 냉각액 출구
15: 모재 강판
16: Al계 도금
2: 배터리 유닛
21: 전지 셀
22: 배터리 팩
23: 갭 필러
R: 둑부의 곡률 반경을 나타내는 원
T: 탭판
L: 레이저
D: 유로의 간격
W: 유로의 폭
11: 프레스 성형 부재
111: 홈부
112: 둑부
12: 유로 상부 덮개
13: 레이저 용접부
13A: 유로 외연 용접부
131: 시단부
132: 종단부
133: 중간부
14: 유로
141: 병렬 유로부
1411: 부분 유로
142: 유로 연통부
143: 냉각액 입구
144: 냉각액 출구
15: 모재 강판
16: Al계 도금
2: 배터리 유닛
21: 전지 셀
22: 배터리 팩
23: 갭 필러
R: 둑부의 곡률 반경을 나타내는 원
T: 탭판
L: 레이저
D: 유로의 간격
W: 유로의 폭
Claims (19)
- 홈부, 및 상기 홈부의 주위에 마련된 둑부를 갖는 프레스 성형 부재와,
상기 프레스 성형 부재의 상기 홈부를 덮는 위치에 겹쳐진 평판이며, 평탄한 냉각면을 구성하는 유로 상부 덮개와,
상기 유로 상부 덮개와 상기 둑부의 서로 대향하는 면끼리를 접합하여, 냉각액이 유통 가능한 유로를 형성하는 레이저 용접부
를 구비하고,
상기 프레스 성형 부재 및 상기 유로 상부 덮개는, 모재 강판과, Al계 도금을 갖는 도금 강판이고,
상기 유로는, 제1 방향을 따라서 연장되는 복수의 부분 유로가 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 배열되는 병렬 유로부를 갖고,
상기 병렬 유로부의 일부 또는 전부에 있어서, 인접하는 상기 부분 유로끼리의 간격이 20㎜ 이하인
냉각 구조. - 제1항에 있어서,
상기 병렬 유로부에 있어서, 인접하는 상기 부분 유로끼리의 간격이 0.8 내지 15㎜인 것을 특징으로 하는 냉각 구조. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 부분 유로의 폭이 6 내지 60㎜인 것을 특징으로 하는 냉각 구조. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 부분 유로의 폭이 6 내지 20㎜인 것을 특징으로 하는 냉각 구조. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 Al계 도금에 Si가 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 냉각 구조. - 제5항에 있어서,
상기 Al계 도금의 Si 함유량이 2.0 내지 15질량％인 것을 특징으로 하는 냉각 구조. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 도금 강판이, 표면에, Zr계 성분, Ti계 성분 또는 Si계 성분을 50질량％ 이상의 비율로 포함하는 화성 처리 피막을 갖는 것을 특징으로 하는 냉각 구조. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 둑부의 단면 형상이 대략 원호이고,
상기 유로 상부 덮개와, 상기 둑부의 접촉부에 있어서의, 상기 둑부의 곡률 반경이 15㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 냉각 구조. - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 Al계 도금의 막 두께가 10.0㎛ 이상이고,
상기 레이저 용접부의 근방에 있어서의, 상기 프레스 성형 부재와 상기 유로 상부 덮개의 간격이 0.3㎜ 이하이고,
상기 유로 상부 덮개에 있어서의 상기 레이저 용접부의 표면의 비드 폭, 및 상기 프레스 성형 부재에 있어서의 상기 레이저 용접부의 표면의 비드 폭 중 굵은 쪽이, 0.8 내지 1.5㎜인 것을 특징으로 하는 냉각 구조. - 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 프레스 성형 부재 및 상기 유로 상부 덮개를 구성하는 상기 도금 강판의 판 두께가 0.3 내지 1.2㎜인 것을 특징으로 하는 냉각 구조. - 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 레이저 용접부가, 모든 상기 유로를 포위하는 유로 외연 용접부를 갖고,
상기 레이저 용접부의 시단 및 종단이, 상기 유로 외연 용접부로부터 제외되어 있는 것을 특징으로 하는 냉각 구조. - 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 냉각 구조로부터, 상기 레이저 용접부의 시단부 및 종단부가 제외되어 있는 것을 특징으로 하는 냉각 구조. - 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 프레스 성형 부재 및 상기 유로 상부 덮개 사이에 있어서, 상기 레이저 용접부의 표면의 일부 또는 전부가 상기 Al계 도금에 의해 덮여 있는 것을 특징으로 하는 냉각 구조. - 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 프레스 성형 부재 및 상기 유로 상부 덮개 사이에 있어서, 상기 레이저 용접부의 표면의 30％ 이상이 상기 Al계 도금에 의해 덮여 있는 것을 특징으로 하는 냉각 구조. - 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유로 상부 덮개에 있어서의, 상기 레이저 용접부의 비드 높이가 0.3㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 냉각 구조. - 전지 셀과,
상기 전지 셀이 수납된 배터리 팩과,
제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 기재된 냉각 구조
를 구비하고,
상기 냉각 구조의 상기 유로 상부 덮개가 상기 배터리 팩에 접합되어 있는 배터리 유닛. - 전지 셀과,
상기 전지 셀이 수납된 배터리 팩과,
제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 기재된 냉각 구조
를 구비하고,
상기 냉각 구조의 상기 유로 상부 덮개가 상기 배터리 팩인 배터리 유닛. - 강판을 프레스 성형하여, 홈부, 및 상기 홈부의 주위에 마련된 둑부를 갖는 프레스 성형 부재를 얻는 공정과,
평판인 유로 상부 덮개를, 상기 프레스 성형 부재의 상기 홈부를 덮는 위치에 겹치고, 상기 유로 상부 덮개와 상기 프레스 성형 부재의 상기 둑부를 레이저 용접하여, 냉각액이 유통 가능한 유로를 형성하는 레이저 용접부를 얻는 공정
을 구비하고,
상기 프레스 성형 부재 및 상기 유로 상부 덮개는, 모재 강판과, Al계 도금을 갖는 도금 강판이고,
상기 유로는, 제1 방향을 따라서 연장되는 복수의 부분 유로가 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 배열되는 병렬 유로부를 갖고,
상기 병렬 유로부에 있어서, 인접하는 상기 부분 유로끼리의 간격이 20㎜ 이하인
냉각 구조의 제조 방법. - 제18항에 있어서,
상기 Al계 도금의 막 두께가 10.0㎛ 이상이고,
상기 레이저 용접에 있어서, 빔 직경을 0.2 내지 0.8㎜로 하고, 단위 용접 길이당의 입열을 30 내지 120kJ/m로 하고, 또한
상기 레이저 용접부의 근방에 있어서의, 상기 프레스 성형 부재와 상기 유로 상부 덮개의 간격을 0.3㎜ 이하로 하는 것을 특징으로 하는 냉각 구조의 제조 방법.
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