TRUMPF レーザが電気自動車を加熱するしくみ

新しい電気自動車を購入する場合、その車のヒーターがどのように機能するか、あるいは正常に機能するかということを考えることはないでしょう。電気自動車では、ヒーターにより快適に保たれ、ウインドウは氷結せず、曇りません。また、特定の温度を好むバッテリーの効率も向上します。 

電気モーターは、走行時に内燃機関のように無駄な廃熱を発生しません。これは、いずれにせよ、車両には適切な出力を備えた独立した補助ヒーターが必要であることを意味します。  バッテリーの電流を使用してキャリア媒体、従来の冷却水、バッテリーオイルを加熱し、それによって心地よい暖かさを供給します。それ以外のコンポーネントと同様に、ヒーターにも「小型で軽量であればあるほど良い」という原則が当てはまります。ドイツの メーカー Webasto は、これらの基準で先を行っています。 

新しい高電圧ヒーターにより、自動車用ヒーター技術の市場リーダーはさらに一歩前進しました。さまざまな車両電気システム電圧に適応し、出力を無段階に調整できるため、車両電気システムの安定化にも貢献します。3 つのレーザアプリケーションにより、この革新的な製品デザインとその優れた特性が可能になります。 

イェルン シュマーレンベルクは、ノイブランデンブルク工場の電気ヒーター製造技術責任者です。そこでは、自動車サプライヤーの製品ポートフォリオのヒーターコンポーネント（内燃機関と電気自動車の両方）の 95 %が生産されます。  これらは、Webasto が信頼性の高い高性能レーザを使用して製造し、世界中に出荷している何百万もの部品です。「電気自動車ヒーターの基本原理は、よく知られています。熱交換器は、加熱ケーブルを通して分配される液体を加熱します。冷却水と高電圧は相容れません。  そのため、当社のヒーターのハウジングは完全に密閉され、液体が漏れないことが必須です」  

Webasto は軽量のダイキャストアルミニウムハウジングを採用しています。この素材を気密溶接するには、高真空中での従来の電子ビーム溶接では時間とコストがかかりすぎます。  したがって、このレーザに精通した企業は、大気圧下でシールドガスなしで稼働するディスクレーザを使用することを優先しています。そして、これをできるだけ迅速かつ効率的に行ってください。 最も重要なのは、気孔のない溶接シームだからです。レーザがわずかな出力で失速した状態になると、溶解したベース材料に気孔ができて集まり、ハウジングから漏れが発生する可能性があります。「私たちは16 キロワットの TruDiskを使用したスレッジハンマー法に少し頼っており、気泡が形成されるまでの時間を与えません」

重要なのは、レーザが可能なだけ大きな蒸気チャネルを作り出すことです。「レーザパワーが高いため、安定した蒸気チャネルが得られています。多ければ多いほど良いというのが原則です」とシュマーレンベルク氏は述べています。現在 Webasto は、これに非常に満足していますが、この用途向けの新しい多焦点光学系の付加価値をすでに検討しています。それは、レーザ光を4つの個々のスポットに分割します。これらは四角形を形成し、有効半径が重なるように配置され、非常に大きな蒸気チャネルが作成されます。レーザ出力は有効領域全体に均等に分配されます。蒸気チャネルは常に開いたままであり、何も崩れず、プロセス細孔もありません。 

ハウジングが気密溶接されている場合、Webasto はヒーターエレメントに接触します。電気が正常に流れるためには銅が必要です。「しかし、使用される銅などの接合パートナーは反射率が高いため、レーザ溶接は非常に困難です。」 バッテリーセルと同様に、Webasto のヒーターシステムは深すぎる溶接ビードにはうまく反応せず、他の層に損傷を与える可能性があります。「従って、レーザの溶接深さを正確に制御できる必要があります。従来の赤外線レーザでは限界に達してしまいました」とシュマーレンベルク氏は語っています。

TRUMPF レーザの緑色の波長は、銅への吸収がより大きくなります。正しいパルスシーケンスにより、溶接深さが極めて高い繰り返し精度で実現可能になっています。しぶきも発生せず、しシールドガスも使用しません。TruDisk Pulse 421 は、ミリ秒範囲のパルス幅において 4 キロワットでこれを実行します。シュマーレンベルク氏は補足します。 「製造した部品は何百万個にも及びますが、まだ不良品はありません。 全体的に見て、以前よりもはるかに落ち着いて製造できるようになっています。銅溶接では一貫してグリーンのパルスレーザシステムだけに頼ることにして、それ以外は使用しなくなっています。赤外線は過去のものです。」

Webasto が銅の作業に満足したら、実際の発熱体を成型します。ここで、 特別に開発された薄膜技術が活躍します。Webasto は導体トラックを追加せず、 構造を薄い金属層に直接挿入するだけです。これにより、ヒーターは可能な限りフラットになります。「材料のストラクチャリングでは極めて高い精度で制御して、レーザ加工が深くなりすぎて下の層に入り込むことを防止することが重要になります。」 と、このためにTruMicro 超短パルスレーザを使用するシュマーレンベルク氏は説明します。「ストラクチャリングでは、きちんとした削剥と正確なエッジを求めています。不良品になるリスクが生じてしまうため、材料が溶融してはなりません。 材料が固体から一気に気体になる超短パルスレーザを使用して初めて、希望通りのフラットな製品設計が可能になるのです。」 

ヒーターがスーパーフラットの場合は、冷却水を運ぶコンポーネントのすぐ近くに設置することもできます。「冷却水が流れているコンポーネントと近い位置にあるため、熱を水に伝えるための反応時間が非常に短くなっています。この特殊な構造を採用することで、ヒーター出力をほぼ無段階で調整することが、400ボルトでも800ボルトでも可能になっています。私たちより前にそれをやった人は誰もいません」とシュマーレンベルク氏は誇らしげに言います。さらに、ヒーターは電圧ピーク時に小さなコンデンサのように機能するため、電気自動車の電気システムの安定化にも貢献します。 

人件費の高いドイツで生産活動を行っているWebastoなどの企業では、 大量のレーザを使用した高い自動化度が不可欠です。また、新しいレーザテクノロジなどによる高度な技術革新も欠かせません。それが、Webastoがグローバルプレイヤーとして名を馳せている理由です。「当社などのヨーロッパメーカーが提供している最高級の電気技術コンポーネントなしで製造されている電気自動車は世界中でほとんどないと言えるでしょう。」