JP2009195940A - 伝熱板の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】摩擦攪拌によって平坦性の高い伝熱板を製造することができる伝熱板の製造方法を提供することを課題とする。
【解決手段】ベース部材2の表面側に開口する凹溝の周囲に形成された蓋溝に、蓋板を配置する蓋溝閉塞工程と、前記蓋溝の側壁と前記蓋板の側面との突合部に沿って接合用回転ツールを移動させて摩擦攪拌を行う接合工程と、ベース部材2の裏面Zb側に矯正用回転ツールGを移動させて摩擦攪拌を行う矯正工程と、を含むことを特徴とする。
【選択図】図8
Description
かかる伝熱板の製造方法は、例えば、特許文献1に記載された方法が知られている。図22は、特許文献1に係る伝熱板の製造方法によって形成された伝熱板を示した断面図である。特許文献1に係る伝熱板100は、表面に開口する断面視矩形の蓋溝106と、蓋溝106の底面に開口する凹溝108を有するベース部材102と、凹溝108に挿入される熱媒体用管116と、蓋溝106に挿入される蓋板110と、を備えている。伝熱板100は、蓋溝106における両側壁と蓋板110の両側面とが突き合わされたそれぞれの突合部J,Jに沿って摩擦攪拌接合を行って形成されている。これにより、伝熱板100の突合部J,Jには、塑性化領域W,Wがそれぞれ形成されている。
このような観点から、本発明は、平坦性の高い伝熱板を製造することができる伝熱板の製造方法を提供することを課題とする。
本発明の最良の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。まず、本実施形態に係る製造方法によって製造された伝熱板1について説明する。本実施形態においては、伝熱板1をヒートプレートとして用いる場合を例にして説明する。
熱媒体用管20には、本実施形態においては、マイクロヒーターを挿通するが、他にも例えば、冷却水、冷却ガス、高温液、あるいは高温ガスなどの熱媒体を循環させて、熱媒体の熱をベース部材2及び蓋板10に、あるいは、ベース部材2及び蓋板10の熱を熱媒体に伝達させてもよい。
本実施形態に係る伝熱板1の製造方法は、(1)溝形成工程、(2)熱媒体用管挿入工程、(3)蓋溝閉塞工程、(4)接合工程、(5)矯正工程、(6)焼鈍工程を含むものである。
溝形成工程では、図3の(a)に示すように、ベース部材2の表面Zaに、所定の幅及び深さで蓋溝6及び凹溝8を形成する。溝形成工程は、例えば、公知のエンドミル等を用いて、切削加工により行う。
熱媒体用管挿入工程では、図3の(b)に示すように、溝形成工程で形成された凹溝8に熱媒体用管20を挿入する。
蓋溝閉塞工程では、図3の(c)に示すように、蓋溝6に蓋板10を配置して、蓋溝6を閉塞する。ここで、蓋溝6と蓋板10との突き合わせ面において、蓋溝6と蓋板10の内縁とで突き合わされた部分を突合部J1とし、蓋溝6と蓋板10の外縁とで突き合わされた部分を突合部J2とする。
接合工程では、突合部J1,J2に沿って、接合用回転ツールFを用いて摩擦攪拌を行う。接合工程は、本実施形態では、突合部J1を摩擦攪拌する第一接合工程と、突合部J2を摩擦攪拌する第二接合工程とを含む。
接合用回転ツールFは、図4の(a)に示すように、工具鋼などベース部材2よりも硬質の金属材料からなり、円柱状を呈するショルダ部F1と、このショルダ部F1の下端面F11に突設された攪拌ピン(プローブ)F2とを備えて構成されている。接合用回転ツールFの寸法・形状は、ベース部材2の材質や厚さ等に応じて設定すればよいが、少なくとも、後記する矯正工程で用いる矯正用回転ツールG(図4の(b)参照)よりも大型にする。
まず、ベース部材2の表面Zaの任意の位置に開始位置SM1を設定し、接合用回転ツールFの攪拌ピンF2をベース部材2に押し込む(押圧する)。開始位置SM1は、本実施形態では、ベース部材2の外縁の近傍であり、かつ、突合部J1の近傍に設定する。接合用回転ツールFのショルダ部F1の一部がベース部材2の表面Zaに接触したら、突合部J1の始点s1に向かって接合用回転ツールFを相対移動させる。そして、図6の(a)に示すように、始点s1に達したら、接合用回転ツールFを離脱させずに、そのまま突合部J1に沿って移動させる。
なお、開始位置SM1、始点s1、終了位置EM1及び終点e1は、本実施形態の位置に限定するものではないが、ベース部材2の外縁の近傍であり、かつ、突合部J1の近傍であることが好ましい。
まず、ベース部材2の表面Zaの任意の地点hに開始位置SM2を設定し、接合用回転ツールFの攪拌ピンF2をベース部材2に押し込む(押圧する)。接合用回転ツールFのショルダ部F1の一部がベース部材2の表面Zaに接触したら、突合部J2の始点s2に向かって接合用回転ツールFを相対移動させる。そして、始点s2に達したら、接合用回転ツールFを離脱させずに、そのまま突合部J2に沿って移動させる。
なお、開始位置SM2、及び終了位置EM2は、本実施形態の位置に限定するものではないが、ベース部材2の外縁の隅部であることが好ましい。これにより、終了位置EM2に抜け穴が残存する場合は、隅部を切削加工して除去することができる。
矯正工程では、矯正用回転ツールGを用いてベース部材2の裏面Zbから摩擦攪拌を行う。矯正工程は、前記した接合工程で発生した反り(撓み)を解消するために行う工程である。矯正工程は、本実施形態では、タブ材を配置するタブ材配置工程と、ベース部材2の裏面Zbに対して摩擦攪拌を行う矯正摩擦攪拌工程と、を含む。
また、本実施形態では、矯正用回転ツールGの軌跡の長さ(裏面塑性化領域W2の長さ)は、接合用回転ツールFの軌跡の長さ(表面塑性化領域W1の長さ)よりも短くなるように形成している。即ち、矯正工程における矯正用回転ツールGの加工度が、接合工程における接合用回転ツールFの加工度よりも小さくなるように設定している。これにより、伝熱板1の平坦性を高めることができる。この理由については実施例で説明する。ここで、加工度とは、摩擦攪拌によって形成された塑性化領域の体積量を示す。
また、本実施形態では矯正工程において、タブ材を配置したが、矯正摩擦攪拌工程における摩擦攪拌のルートによっては、タブ材を設けなくてもいい。
焼鈍工程では、伝熱板1を焼鈍することにより、伝熱板1の内部応力を除去する。本実施形態では、熱媒体用管20に、例えば、マイクロヒーターを通電させて焼鈍を行う。これにより、伝熱板1の内部応力を除去することができ、伝熱板1の使用時の変形を防止することができる。
第一実施形態においては、接合工程で摩擦攪拌を行ったとしても、熱媒体用管20の周囲に空隙が形成されてしまう。そこで、図9及び図10に示す第一変形例のように、熱媒体用管20の周囲に形成された空隙部に塑性流動材を流入させて、当該空隙部を埋めてもよい。
なお、空隙部Pに塑性流動材をどの程度流動させるかは、接合用回転ツールFの大きさや押込み量、蓋溝6及び蓋板10の形状に応じて適宜設定すればよい。
次に、本発明の第二実施形態について説明する。第二実施形態の説明においては、第一実施形態と重複する点は、簡単に説明する。前記した第一実施形態においては、蓋板10の両側面に沿ってそれぞれ摩擦攪拌を行うことで、表面塑性化領域W1,W1のように、二条の塑性化領域が形成されるようにして伝熱板を形成したが、第二実施形態のように、蓋板の幅を小さく設定して、一条の塑性化領域のみが形成されるようにして伝熱板を形成してもよい。
第二実施形態に係る伝熱板の製造方法は、(1)溝形成工程、(2)熱媒体用管挿入工程、(3)蓋板挿入工程、(4)接合工程、(5)矯正工程、(6)面削工程を含むものである。
溝形成工程では、図12及び図13に示すように、ベース部材2の表面Zaに所定の幅及び深さで凹溝43を形成する。溝形成工程は、例えば、公知のエンドミル等を用いて行う。
熱媒体用管挿入工程では、図12及び図13に示すように、溝形成工程で形成された凹溝43に熱媒体用管21を挿入する。
蓋板挿入工程は、図12及び図13に示すように、凹溝43に蓋板42を挿入して凹溝43を閉塞する。ここで、凹溝43と蓋板42との突き合わせ面において、凹溝43の一方の側壁43aと、蓋板42の一方の側面42aとで突き合わされた部分を突合部J3とし、凹溝43の他方の側壁43bと、蓋板42の他方の側面42bとで突き合わされた部分を突合部J4とする。
接合工程では、蓋板42(凹溝43)に沿って接合用回転ツールFを用いて摩擦攪拌を行う。接合工程は、本実施形態ではタブ材を配置するタブ材配置工程と、摩擦攪拌を行う本接合工程とを含む。
なお、本接合工程が終了したら、ベース部材2からタブ材を切除する。
矯正工程では、矯正用回転ツールGを用いてベース部材2の裏面Zbから摩擦攪拌を行う。矯正工程は、前記した接合工程で発生した反りを解消するために行う工程である。矯正工程は、本実施形態では、放射線状に摩擦攪拌を行う矯正摩擦攪拌工程と、ベース部材2の隅部に対して摩擦攪拌を行う隅部摩擦攪拌工程とを含むものである。
矯正摩擦攪拌工程の摩擦攪拌のルートを設定したら、各開始位置に矯正用回転ツールGを押し込み、各ルート(直線)に沿って矯正用回転ツールGを移動させる。図16の(b)に示すように、矯正摩擦攪拌工程によって形成された裏面塑性化領域W41〜W44は、中心地点j’に対して八方向に放射状に広がるように形成される。
面削工程では、公知のエンドミル等を用いて伝熱板41の裏面Zbを面削する。図16の(b)に示すように、伝熱板41の裏面Zbには、矯正用回転ツールGの抜き穴(図示省略)や、各回転ツールを押し込むことによって発生する溝(図示省略)、バリ等が発生する。したがって、面削工程を行うことにより、伝熱板41の裏面Zbを平滑に形成することができる。本実施形態では、図17に示すように、面削加工の厚みMaは、裏面塑性化領域W42の厚みWaよりも大きく設定する。これにより、ベース部材2の裏面Zbに形成される裏面塑性化領域W41〜W44が除去されるため、ベース部材2の性質の均一性を図ることができる。また、裏面Zbに裏面塑性化領域W42が露出しないため、意匠性等にも好適である。
また、本実施形態では、攪拌ピンG2を備えた矯正用回転ツールGを用いて矯正工程を行ったが、攪拌ピンG2を備えない矯正用回転ツールGを用いて矯正工程を行っても構わない。かかる回転ツールによれば、裏面塑性化領域の深さを浅くすることができるため、面削する厚みを小さくすることができる。これにより、面削部分が少ないためベース部材2のロスを小さくすることができ、コストを低減することができる。
例えば、矯正工程は、前記した第一実施形態及び第二実施形態の摩擦攪拌のルートに限定されずに様々なルートを設定することができる。以下に、矯正工程に係る摩擦攪拌のルートの他の形態について説明する。
例えば、図18及び図19に示す第二変形例のように、伝熱板の表面側及び裏面側に形成される塑性化領域が、略同等の形状を呈するように矯正工程に係る摩擦攪拌のルートを設定してもよい。図18は、本発明の第二変形例に係る伝熱板の表面側の一部破断平面図であって、図19は、本発明の第二変形例に係る伝熱板の裏面側の平面図である。なお、第二変形例においては、第一実施形態及び第二実施形態と重複する点は説明を省略する。
なお、第二変形例によれば、ベース部材2の表面Za側に行う摩擦攪拌の軌跡の長さと、裏面Zb側に行う摩擦攪拌の軌跡の長さが略同等となるが、矯正用回転ツールGは、接合用回転ツールFよりも小さく形成されているため、矯正工程における加工度は、接合用工程における加工度に比べて小さくなる。
矯正工程に係る摩擦攪拌のルートは、前記した形態に限定されるものではなく、以下の形態でもよい。図20は、伝熱板の裏面側の平面図であって(a)は第三変形例、(b)は第四変形例、(c)は第五変形例、(d)は第六変形例、(e)は第七変形例、(f)は第八変形例を示す。
なお、本実施形態の説明においては、ベース部材2は、平面視正方形のものを例示して説明したが、他の形状であってもよい。
[実施例]
「FSW1」は、図22を参照するように、基準j’をゼロとして、小円(半径r1)の摩擦攪拌を行った後の、基準j’と各地点との高低差を示している。「裏面側変形量1」は、各地点における(FSW1−FSW前)の値を示している。「裏面側変形量1」の最下欄は、地点a〜地点hの平均値を示す。
「FSW2」は、基準j’をゼロとして、中円(半径r2)の摩擦攪拌を行った後の、基準j’と各地点との高低差を示している。「裏面側変形量2」は、各地点における(FSW2−FSW前)の値を示している。「裏面側変形量2」の最下欄は、地点a〜地点hの平均値を示す。
「FSW3」は、基準j’をゼロとして、大円(半径r3)の摩擦攪拌を行った後の、基準j’と各地点との高低差を示している。「裏面側変形量3」は、各地点における(FSW3−FSW前)の値を示している。「裏面側変形量3」の最下欄は、地点a〜地点hの平均値を示す。
2 ベース部材
6 蓋溝
8 凹溝
10 蓋板
20 熱媒体用管
F 接合用回転ツール
G 矯正用回転ツール
J 突合部
P 空隙部
W 塑性化領域
Za 表面
Zb 裏面
Claims (20)
- ベース部材の表面側に開口する凹溝の周囲に形成された蓋溝に、蓋板を配置する蓋溝閉塞工程と、
前記蓋溝の側壁と前記蓋板の側面との突合部に沿って接合用回転ツールを相対移動させて摩擦攪拌を行う接合工程と、
矯正用回転ツールを用いて前記ベース部材の裏面側から摩擦攪拌を行う矯正工程と、を含むことを特徴とする伝熱板の製造方法。 - 前記矯正工程によって形成された塑性化領域の体積量が、前記接合工程によって形成された塑性化領域の体積量よりも少ないことを特徴とする請求項1に記載の伝熱板の製造方法。
- ベース部材の表面側に開口する蓋溝の底面に形成された凹溝に、熱媒体用管を挿入する熱媒体用管挿入工程と、
前記蓋溝に蓋板を配置する蓋溝閉塞工程と、
前記蓋溝の側壁と前記蓋板の側面との突合部に沿って接合用回転ツールを相対移動させて摩擦攪拌を施す接合工程と、
矯正用回転ツールを用いて前記ベース部材の裏面側から摩擦攪拌を行う矯正工程と、を含み、
前記矯正工程によって形成された塑性化領域の体積量が、前記接合工程によって形成された塑性化領域の体積量よりも少ないことを特徴とする伝熱板の製造方法。 - 前記接合工程において、前記熱媒体用管の周囲に形成された空隙部に、摩擦熱によって流動化された塑性流動材を流入させることを特徴とする請求項3に記載の接合方法。
- ベース部材の表面側に開口する凹溝に、蓋板を挿入する蓋板挿入工程と、
前記凹溝に沿って接合用回転ツールを相対移動させて摩擦攪拌を行う接合工程と、
矯正用回転ツールを用いて前記ベース部材の裏面側から摩擦攪拌を行う矯正工程と、を含むことを特徴とする伝熱板の製造方法。 - 前記矯正工程によって形成された塑性化領域の体積量が、前記接合工程によって形成された塑性化領域の体積量よりも少ないことを特徴とする請求項5に記載の伝熱板の製造方法。
- ベース部材の表面側に開口する凹溝に、熱媒体用管を挿入する熱媒体用管挿入工程と、
前記凹溝に蓋板を挿入する蓋板挿入工程と、
前記凹溝に沿って接合用回転ツールを相対移動させて摩擦攪拌を行う接合工程と、
矯正用回転ツールを用いて前記ベース部材の裏面側から摩擦攪拌を行う矯正工程と、を含み、
前記矯正工程によって形成された塑性化領域の体積量が、前記接合工程によって形成された塑性化領域の体積量よりも少ないことを特徴とする伝熱板の製造方法。 - 前記接合工程において、前記接合用回転ツールの押圧力によって前記蓋板が前記熱媒体用管の上部を押圧するとともに、前記蓋板の少なくとも上部と前記ベース部材とを塑性流動化することを特徴とする請求項7に記載の伝熱板の製造方法。
- 前記矯正工程において、前記矯正用回転ツールの軌跡の形状が、前記ベース部材の中心に対して略点対称であることを特徴とする請求項1乃至請求項8のいずれか一項に記載の伝熱板の製造方法。
- 前記矯正工程において、前記矯正用回転ツールの軌跡の形状が、前記ベース部材の外縁の形状と略相似形であることを特徴とする請求項1乃至請求項9のいずれか一項に記載の伝熱板の製造方法。
- 前記矯正工程において、前記矯正用回転ツールの軌跡の形状が、前記ベース部材の表面側に形成される前記接合用回転ツールの軌跡の形状と略同一であることを特徴とする請求項1乃至請求項10のいずれか一項に記載の伝熱板の製造方法。
- 前記矯正工程において、前記矯正用回転ツールの軌跡の全長が、前記ベース部材の表面側に形成される前記接合用回転ツールの軌跡の全長と略同一であることを特徴とする請求項1乃至請求項11のいずれか一項に記載の伝熱板の製造方法。
- 前記矯正工程において、前記矯正用回転ツールの軌跡の全長が、前記ベース部材の表面側に形成される前記接合用回転ツールの軌跡の全長よりも短いことを特徴とする請求項1乃至請求項10のいずれか一項に記載の伝熱板の製造方法。
- 前記矯正工程で用いる前記矯正用回転ツールのショルダー部の外径が、前記接合工程で用いる前記接合用回転ツールのショルダー部の外径よりも小さいことを特徴とする請求項1乃至請求項13のいずれか一項に記載の伝熱板の製造方法。
- 前記矯正工程で用いる前記矯正用回転ツールのピンの長さが、前記接合工程で用いる前記接合用回転ツールのピンの長さよりも短いことを特徴とする請求項1乃至請求項14のいずれか一項に記載の伝熱板の製造方法。
- 前記ベース部材の厚みが、前記接合用回転ツールのショルダー部の外径の1.5倍以上であることを特徴とする請求項1乃至請求項15のいずれか一項に記載の伝熱板の製造方法。
- 前記ベース部材の厚みが前記接合用回転ツールのピンの長さの3倍以上であることを特徴とする請求項1乃至請求項16のいずれか一項に記載の伝熱板の製造方法。
- 前記ベース部材が平面視多角形である場合、前記矯正工程において、前記ベース部材の隅部に対して前記矯正用回転ツールにより摩擦攪拌を行う隅部摩擦攪拌工程を含むことを特徴とする請求項1乃至請求項17のいずれか一項に記載の伝熱板の製造方法。
- 前記熱媒体用管の内部にヒーターを備える場合、前記矯正工程後に前記ヒーターに通電して、前記伝熱板を焼鈍する焼鈍工程を含むことを特徴とする請求項3又は請求項7に記載の伝熱板の製造方法。
- 前記矯正工程後に、前記ベース部材の裏面側を面削加工する面削工程を含み、前記面削加工の深さは、前記矯正用回転ツールのピンの長さよりも大きいことを特徴とする請求項1乃至請求項19のいずれか一項に記載の伝熱板の製造方法。
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