JP2010140951A - 液冷ジャケットの製造方法および摩擦攪拌接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】摩擦攪拌接合の接合部の密閉性能を向上させる。
【解決手段】ジャケット本体１０の凹部１１の開口周縁部１２ａに、封止体３０の厚さ寸法Ｔ１と同じ寸法Ｈ１だけ下がった段差底面からなる支持面１５ａを形成し、支持面１５ａに封止体３０を載置してジャケット本体１０の段差側面１５ｂと封止体３０の外周面３０ｂを突き合わせ、段差側面１５ｂと封止体３０の外周面３０ｂとの突合部４０よりも内側寄りの位置で、回転ツール５０のピン先端が支持面１５ａを突き抜けるとともに、回転ツール５０のフロー側５０ａに突合部４０が位置するように、回転ツール５０を回転、移動させながら突合部４０に沿って一周させて塑性化領域４１を形成して、封止体３０をジャケット本体１０に固定する。
【選択図】図３

Description

本発明は、ジャケット本体の凹部の開口部に封止体を摩擦攪拌接合によって固定して構成される液冷ジャケットの製造方法および摩擦攪拌接合方法に関する。

金属部材同士を接合する方法として、摩擦攪拌接合（ＦＳＷ＝Friction Stir Welding）が知られている。摩擦攪拌接合とは、回転ツールを回転させつつ金属部材同士の突合部に沿って移動させ、回転ツールと金属部材との摩擦熱により突合部の金属を塑性流動させることで、金属部材同士を固相接合させるものである。

ところで、近年、パーソナルコンピュータに代表される電子機器は、その性能が向上するにつれて、搭載されるＣＰＵ（熱発生体）の発熱量が増大し、ＣＰＵの冷却が益々重要になっている。従来、ＣＰＵを冷却するために、空冷ファン方式のヒートシンクが使用されてきたが、ファン騒音や、空冷方式での冷却限界といった問題がクローズアップされるようになり、次世代冷却方式として、液冷ジャケットが注目されている。

このような液冷ジャケットにおいて、構成部材同士を摩擦攪拌接合によって接合した技術が特許文献１で開示されている。この液冷ジャケットは、たとえば、金属製フィンを収容するフィン収容室を有するジャケット本体と、フィン収容室を封止する封止体とを備えており、フィン収容室を取り囲むジャケット本体の周壁と封止体の外周面との突合部に沿って回転ツールを一周させて、摩擦攪拌接合することで液冷ジャケットを製造するように構成されている。封止体は、ジャケット本体と比較して薄く形成されており、ジャケット本体に形成された段差の底面からなる支持面に載置されている。そして、回転ツールは、その中心が突合部上に位置するように突合部に沿って移動して、ジャケット本体と封止体とを接合するようになっている。

ところで、前記のように、薄肉の封止体をジャケット本体の支持面に載置して、その突合部を摩擦攪拌接合する場合、回転ツールのシアー側（被接合部に対する回転ツールの外周の相対速さが、回転ツールの外周における接線速度の大きさに移動速度の大きさを加算した値となる側）が、厚肉のジャケット本体になるように、回転ツールの移動方向および回転方向が決定される技術が開示されていた（特許文献２参照）。このようにすることで、メタル流動量が多く空洞欠陥の発生の虞があるシアー側は、厚肉で且つ突合部から離れたジャケット本体側となり、固定強度を高めることができる。
特開２００６−３２４６４７号公報（図１９） 特開２０００−２４６４６７号公報

しかしながら、特許文献１のように、突合部上に回転ツールの中心が位置するように移動させた場合、ジャケット本体の段差側面と封止体の外周面との突合部を中心として塑性化領域が形成される。したがって、支持面と封止体の下面との接合面における塑性化領域は少なかった。すなわち、支持面と封止体の下面との接合面においては、塑性化領域の割合を増やす余地はまだ残されていた。

なお、特許文献１に記載された液冷ジャケットの製造方法（摩擦攪拌接合方法）で製造された液冷ジャケットでも、接合部の密閉性能上問題はないが、近年では、さらなる信頼性の向上のために、ジャケット本体と封止体との接合面における塑性化領域の割合を増加させて、ジャケット本体と封止体との接合部の密閉性能を向上させることが要求されている。

そこで、本発明は、ジャケット本体と封止体との接合部の密閉性能を向上させることができる液冷ジャケットの製造方法および摩擦攪拌接合方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための手段として、本発明は、熱発生体が発生する熱を外部に輸送する熱輸送流体が流れるとともに一部が開口した凹部を有するジャケット本体に、前記凹部の開口部を封止する封止体を摩擦攪拌接合によって固定して構成される液冷ジャケットの製造方法において、前記ジャケット本体の前記凹部の開口周縁部に、前記封止体の厚さ寸法と同じ寸法だけ下がった段差底面からなる支持面を形成し、当該支持面に前記封止体を載置して前記ジャケット本体の段差側面と前記封止体の外周面を突き合わせ、前記ジャケット本体の前記段差側面と前記封止体の外周面との突合部よりも内側寄りの位置で、回転ツールのピン先端が前記支持面を突き抜けるとともに、前記回転ツールのフロー側に前記突合部が位置するように、前記回転ツールを回転、移動させながら前記突合部に沿って一周させて塑性化領域を形成して、前記封止体を前記ジャケット本体に固定することを特徴とする液冷ジャケットの製造方法である。

ここで、回転ツールのフロー側とは、回転ツールの移動方向の反対方向に回転ツールが回動することで、被接合部に対する回転ツールの相対速さが低速になる側を言う。具体的には、フロー側は、回転ツールが左回転するときは移動方向の左側となり、回転ツールが右回転するときは移動方向の右側となる。

前記のような方法によれば、ジャケット本体の段差側面と封止体の外周面との突合部よりも内側寄りの位置で、回転ツールをそのピン先端が前記支持面を突き抜けるように摩擦攪拌接合を行ったことによって、支持面と封止体の下面との接合面に多くの塑性化領域を形成することができ、接合面積を増加することができる。また、フロー側に突合部が位置するように、回転ツールを回転、移動させながら突合部に沿って一周させることによって、突合部に対する回転ツールの相対速さが低速になり、メタル流動量が少なくなる。これによって、突合部におけるメタル不足による空洞欠陥の発生を防止でき、突合部の接合強度の低下を防止できる。したがって、ジャケット本体と封止体との接合部の密閉性能を向上させることができる。

そして、本発明は、前記支持面の幅寸法は、前記回転ツールのショルダー径寸法よりも大きいことを特徴とする。

このような方法によれば、支持面と封止体との接合面に、より多くの塑性化領域を形成することができ、接合面積を増加することができる。

また、本発明は、前記回転ツールは、そのショルダー部が前記突合部を覆うように、前記突合部に沿って移動することを特徴とする。

このような方法によれば、突合部の全体に塑性化領域を確実に形成することができ、突合部における接合強度を高めることができる。

さらに、本発明は、前記回転ツールを前記突合部に沿って一周させた後、一周目の始端部に沿って前記回転ツールを移動させて、前記塑性化領域の一部を重複させることを特徴とする。

このような方法によれば、塑性化領域の一部が重複していることにより、ジャケット本体と封止体とを良好に接合することができる。これにより、熱輸送流体が外部に漏れにくくなり、接合部の密閉性能を向上させることができる。

また、本発明は、前記一周目の始端部に沿って前記回転ツールを移動させた後、前記回転ツールの移動方向を反転させるとともに、前記回転ツールのピンを一周目で形成された前記塑性化領域の外周側に偏移させ、前記回転ツールを前記突合部に沿って再度一周させて前記塑性化領域を再攪拌することを特徴とする。

このような方法によれば、回転ツールを一周させて塑性化領域を形成した後、回転ツールを再度一周させることによって、塑性化領域がより一層攪拌されるので、欠陥補修を自動的に行うことができ、接合部の密閉性能を向上させることができる。さらに、回転ツールの移動方向を反転させるとともに外側へ偏移させることで、回転ツールのシアー側（回転ツールの移動方向と同じ方向に回転ツールが回動することで、被接合部に対する回転ツールの相対速さが高速になる側）は、突合部から離反した外側に位置するので、突合部に空洞欠陥が発生するのを防止できる。また、シアー側は、突合部の外側寄りのジャケット本体の厚肉部に位置するので、メタル不足に陥ることはない。

さらに、本発明は、前記回転ツールで前記塑性化領域を形成する工程に先立って、前記突合部の一部を前記回転ツールよりも小型の仮接合用回転ツールを用いて仮接合することを特徴とする。

このような方法によれば、ジャケット本体と封止体とを仮接合することによって、摩擦攪拌接合（以下「本接合」と言う場合がある）の際に、封止体が移動することがなく、接合しやすくなるとともに、封止体の位置決め精度が向上する。また、仮接合用回転ツールが本接合用の回転ツールよりも小さいので、本接合用の回転ツールを、仮接合部分の上で移動させて摩擦攪拌するだけで、本接合が仕上げられる。

また、本発明は、前記突合部が矩形枠状を呈しており、前記仮接合用回転ツールで前記突合部を仮接合する工程において、前記突合部の一方の対角同士を先に仮接合した後に、他方の対角同士を仮接合することを特徴とする。

このような方法によれば、封止体をバランスよく仮接合することができ、封止体のジャケット本体に対する位置決め精度が向上する。

さらに、本発明は、前記突合部が矩形枠状を呈しており、前記仮接合用回転ツールで前記突合部を仮接合する工程において、前記突合部の一方の対辺の中間部同士を先に仮接合した後に、他方の対辺の中間部同士を仮接合することを特徴とする。

このような方法によれば、封止体をバランスよく仮接合することができ、封止体のジャケット本体に対する位置決め精度が向上する。さらに、仮接合は直線状に行われるので、加工が容易となる。

また、本発明は、第一部材の凹部の開口部に板状の第二部材を摩擦攪拌接合によって固定する摩擦攪拌接合方法において、
前記第一部材の前記開口部の開口周縁部に、前記第二部材の厚さ寸法と同じ寸法だけ下がった段差底面からなる支持面を形成し、当該支持面に前記第二部材を載置して前記第一部材の段差側面と前記第二部材の外周面を突き合わせ、
前記第一部材の前記段差側面と前記第二部材の外周面との突合部よりも内側寄りの位置で、回転ツールのピン先端が前記支持面を突き抜けるとともに、前記回転ツールのフロー側に前記突合部が位置するように前記回転ツールを回転、移動させながら前記突合部に沿って一周させて塑性化領域を形成して、前記第二部材を前記第一部材に固定する
ことを特徴とする摩擦攪拌接合方法である。

このような摩擦攪拌接合方法によれば、支持面と第二部材との接合面に多くの塑性化領域を形成することができ、接合面積を増加することができる。また、突合部におけるメタル不足による空洞欠陥の発生を防止でき、突合部の接合強度を高めることができる。したがって、第一部材と第二部材との接合部の密閉性能を向上させることができる。

本発明によれば、液冷ジャケットのジャケット本体と封止体との接合部、または、第一部材の開口部と板状の第二部材との接合部の密閉性能を向上させることができるといった優れた効果を発揮する。

以下、本発明の実施形態について、図面を適宜参照して詳細に説明する。

（第１実施形態）
まず、本発明に係る液冷ジャケットの製造方法および摩擦攪拌接合方法によって形成された液冷ジャケットについて説明する。液冷ジャケットは、例えば、パーソナルコンピュータ等の電子機器に搭載される冷却システムの構成部品であって、ＣＰＵ（熱発生体）等を冷却する部品である。液冷システムは、ＣＰＵが所定位置に取り付けられる液冷ジャケットと、冷却水（熱輸送流体）が輸送する熱を外部に放出するラジエータ（放熱手段）と、冷却水を循環させるマイクロポンプ（熱輸送流体供給手段）と、温度変化による冷却水の膨張／収縮を吸収するリザーブタンクと、これらを接続するフレキシブルチューブと、熱を輸送する冷却水とを主に備えている。冷却水は、熱発生体であるＣＰＵ（図示せず）が発生する熱を外部に輸送する熱輸送流体である。冷却水としては、例えば、エチレングリコール系の不凍液が使用される。そして、マイクロポンプが作動すると、冷却水がこれら機器を循環するようになっている。

図１に示すように、液冷ジャケット１は、冷却水（図示せず）が流れるとともに一部が開口した凹部１１を有するジャケット本体１０に、凹部１１の開口部１２を封止する封止体３０を摩擦攪拌接合（図３参照）によって固定して構成されている。

液冷ジャケット１は、その下方側の中央に、熱拡散シート（図示せず）を介してＣＰＵ（図示せず）が取り付けられるようになっており、ＣＰＵが発生する熱を受熱すると共に、内部を流通する冷却水と熱交換する。これによって、液冷ジャケット１は、ＣＰＵから受け入れた熱を冷却水に伝達し、その結果として、ＣＰＵを効率的に冷却する。なお、熱拡散シートは、ＣＰＵの熱を、ジャケット本体１０に効率的に伝達させるためのシートであり、例えば、銅などの高熱伝導性を有する金属から形成されている。

ジャケット本体１０は、一方側（本実施形態では上側）が開口した浅底の箱体であって、その内側に凹部１１が形成されており、底壁１３と、周壁１４とを有している。このようなジャケット本体１０は、例えば、ダイキャスト、鋳造、鍛造などによって作製される。ジャケット本体１０は、アルミニウムまたはアルミニウム合金から形成されている。これにより、液冷ジャケット１は軽量化が達成されており、取り扱い容易となっている。

ジャケット本体１０の凹部１１の開口周縁部１２ａには、凹部１１の底面側に一段下がった段差底面からなる支持面１５ａが形成されている。図４の（ａ）に示すように、ジャケット本体１０の上面と支持面１５ａとの高低差は、封止体３０の厚さ寸法Ｔ１と同じ寸法Ｈ１に設定されている。支持面１５ａは、封止体３０を支持する面であって、支持面１５ａ上には、封止体３０の周縁部３０ａが載置される。また、支持面１５ａの幅（封止体３０の周縁部３０ａが載置される部分の幅）寸法Ｗ１は、摩擦攪拌接合に用いられる回転ツール５０のショルダー径（ショルダー部５１の直径）寸法Ｒ１よりも大きく設定されている。

図１に示すように、凹部１１の周囲の周壁１４の互いに対向する一対の壁部１４ａ，１４ａには、凹部１１に冷却水を流通させるための貫通孔１６，１６がそれぞれ形成されている。貫通孔１６，１６は、本実施形態では、壁部１４ａ，１４ａの対向方向（図１中、Ｘ軸方向）に延在しており、円形断面を有し、凹部１１の深さ方向中間部に形成されている。なお、貫通孔１６の形状、数および形成位置は、これに限られるものではなく、冷却水の種類や流量に応じて適宜変更可能である。

図１および図２に示すように、封止体３０は、ジャケット本体１０の段差側面１５ｂ（図１参照）と同じ形状（本実施形態では正方形）の外周形状を有する板状の蓋板部３１と、蓋板部３１の下面に設けられた複数のフィン３２，３２…とを備えて構成されている。

フィン３２は、封止体３０の表面積を大きくするために設けられている。複数のフィン３２，３２…は、互いに平行で且つ蓋板部３１に対して直交して配置されており、蓋板部３１と一体に構成されている。これにより、蓋板部３１とフィン３２，３２…との間において、熱が良好に伝達するようになっている。図１に示すように、フィン３２，３２…は、貫通孔１６，１６が形成された周壁１４の壁部１４ａ，１４ａと直交する方向（図１中、Ｘ軸方向）に延在するように配置されている。フィン３２は、凹部１１の深さ寸法と同等の高さ（深さ）寸法（図１中、Ｚ軸方向長さ）を有しており、その先端部が凹部１１の底面に当接するようになっている。これによって、封止体３０がジャケット本体１０に取り付けられた状態で、封止体３０の蓋板部３１と、隣り合うフィン３２，３２と、凹部１１の底面とで筒状の空間が区画され、その空間が、冷却水が流れる流路３３（図３の（ａ）参照）として機能することとなる。また、フィン３２，３２…は、凹部１１の一辺の長さ寸法よりも短い長さ寸法（図１中、Ｘ軸方向長さ）を有しており、その両端は、周壁１４の各壁部１４ａ，１４ａの内壁面とそれぞれ所定の間隔を隔てるように構成されている。フィン３２，３２…の端部と、壁部１４ａとの間の空間は、フィン３２，３２によって形成される流路３３と、貫通孔１６とを繋ぐ流路ヘッダ部３４（図３の（ａ）参照）を構成する。

封止体３０もジャケット本体１０と同様に、アルミニウムまたはアルミニウム合金から形成されている。これにより、液冷ジャケット１は軽量化が達成されており、取り扱い容易となっている。封止体３０は、アルミニウムまたはアルミニウム合金から形成されたブロックを切削加工することで蓋板部３１とフィン３２を形成して作製されている。なお、作製方法はこれに限定されるものではなく、例えば、蓋板部３１と複数のフィン３２，３２…からなる断面形状を有する部材を、押出成形または溝加工によって形成し、そのフィン３２の両端部を取り除くことによって作製してもよい。

次に、ジャケット本体１０に、封止体３０を摩擦攪拌接合によって固定する方法について、図３および図４を参照して説明する。

まず、図３の（ａ）に示すように、封止体３０を、フィン３２が下側になるようにして、ジャケット本体１０の凹部１１に挿入して、封止体３０の周縁部３０ａを、支持面１５ａ上に載置する。すると、ジャケット本体１０の段差側面１５ｂと、封止体３０の外周面３０ｂとが突き合わされ、突合部４０が構成される。

次に、摩擦攪拌接合用の回転ツール５０を挿入位置５３に挿入した後、突合部４０の内側寄りの位置に移動させて、この突合部４０に沿って移動させる。このとき、ジャケット本体１０の周壁１４の外周面に、ジャケット本体１０を四方向から囲む治具（図示せず）を予め当てておくのが好ましい。これによれば、周壁１４の厚さが薄く、回転ツール５０のショルダー部５１（図４の（ａ）参照）の外周面と、周壁１４の外周面との距離（隙間）が、例えば、２．０ｍｍ以下であっても、回転ツール５０の押圧力によって周壁１４が外側に変形しにくくなる。なお、周壁１４の厚さが厚い場合は、前記の治具は設置しなくてもよい。

回転ツール５０は、ジャケット本体１０や封止体３０よりも硬質の金属材料からなり、図４の（ａ）に示すように、円柱状を呈するショルダー部５１と、このショルダー部５１の下端面に突設された攪拌ピン（プローブ）５２とを備えて構成されている。回転ツール５０の寸法・形状は、ジャケット本体１０および封止体３０の材質や厚さ等に応じて設定すればよい。本実施形態では、攪拌ピン５２は、下部が縮径した円錐台状を呈しており、その突出長さ寸法は、封止体３０の蓋板部３１の厚さ寸法Ｔ１以上となっている。そして、摩擦攪拌接合時には、攪拌ピン５２の先端が支持面１５ａを突き抜けるように、回転ツール５０が押し込まれる。回転ツール５０の回転速度は５００〜１５０００（ｒｐｍ）、送り速度は０．０５〜２（ｍ／分）で、突合部４０を押さえる押込み力は１〜２０（ｋＮ）程度で、ジャケット本体１０および封止体３０の材質や板厚および形状に応じて適宜選択される。

以下に、回転ツール５０の動きを具体的に説明する。まず、回転ツール５０を回転させながら挿入位置５３に挿入する。回転ツール５０の挿入位置５３は、図３の（ａ）に示すように、突合部４０から外側に外れた周壁１４の上面となっている。なお、回転ツール５０の挿入位置５３に、予め下穴（図示せず）を形成していてもよい。このようにすれば、回転ツール５０の挿入時間（押込み時間）を短縮できる。

その後、回転ツール５０を、挿入位置５３から突合部４０よりも内側寄りの位置へ回転させながら移動させる。内側寄りの位置は、図４の（ａ）に示すように、攪拌ピン５２が突合部４０の突合面を超えて内側に入り、且つショルダー部５１の外側が突合部４０の突合面を超えないで外側にある位置である。すなわち、攪拌ピン５２よりも外側のショルダー部５１が、突合部４０の突合面を覆う位置でもある。

回転ツール５０が前記した突合部４０よりも内側寄りの位置まで移動したならば、図３の（ａ）に示すように、回転ツール５０の中心（軸芯）が突合部４０と一定間隔を保ちながら突合部４０に沿って平行移動するように移動方向を変えて、回転ツール５０を移動させる。このとき、図３の（ａ）および図４の（ｂ）に示すように、回転ツール５０の移動方向（図３および図４中、矢印Ｙ１参照）の反対方向に回転ツール５０が回動（図３および図４中、矢印Ｙ２参照）するフロー側５０ａに突合部４０が位置するように、回転ツール５０を回転、移動させる。具体的には、突合部４０における回転ツール５０の回転方向（自転方向）が、移動方向（公転方向）と逆方向となるようにする。すなわち、本実施形態では、図３の（ａ）に示すように、回転ツール５０を凹部１１の開口部１２に対して右回りに移動させているので、回転ツール５０を左回転させる。なお、回転ツール５０を凹部１１の開口部１２に対して左回りに移動させるときは、回転ツール５０を右回転させることとなる。このようにすることによって、突合部４０に対する回転ツール５０の外周の相対速さは、回転ツール５０の外周における接線速度の大きさから移動速度の大きさを減算した値となるので、回転ツール５０の移動方向と同じ方向に回転ツール５０が回動するシアー側５０ｂと比較して低速となる。

そして、引き続き、回転ツール５０の回転および移動を継続し、図３の（ｂ）に示すように、回転ツール５０を開口部１２の周りを一周させて塑性化領域４１を形成する。ここで、「塑性化領域」とは、回転ツール５０の摩擦熱によって加熱されて現に塑性化している状態と、回転ツール５０が通り過ぎて常温に戻った状態の両方を含むこととする。回転ツール５０を一周させたら、一周目の始端５４ａを含む始端部（始端５４ａから回転ツール５０の移動方向に所定長さ進んだ位置（終端５４ｂと同じ位置）までの部分）に沿って回転ツール５０を所定長さ移動させる。これによって、回転ツール５０の周方向移動における始端５４ａと終端５４ｂとが互いにオーバーラップしており、塑性化領域４１の一部が重複するように構成されている。

そして、回転ツール５０の周方向移動が終了したならば、回転ツール５０を塑性化領域４１（突合部４０）から外側に外れた周壁１４の上面へと移動させ、その位置で、回転ツール５０を引き抜く。このように、回転ツール５０の引抜位置５５が、突合部４０から外側に外れた位置となっているので、攪拌ピン５２（図４の（ａ）参照）の引抜跡が突合部４０に形成されることはない。これにより、ジャケット本体１０と封止体３０との接合性をさらに高めることができる。なお、周壁１４の上面の引抜跡は、溶接金属を埋める等の加工を行って補修するようにしてもよい。

以上のように、回転ツール５０を凹部１１の開口部１２の周囲で、突合部４０に沿って一周させて摩擦攪拌接合を行って塑性化領域４１を形成し、ジャケット本体１０に封止体３０を固定することで、液冷ジャケット１が形成される。

本実施形態に係る液冷ジャケット１の製造方法および摩擦攪拌接合方法によれば、突合部４０よりも内側寄りの位置で、摩擦攪拌接合を行ったことによって、図５に示すように、支持面１５ａと封止体３０の下面との接合面に多くの塑性化領域４１を形成することができる。これによって、ジャケット本体１０と封止体３０との接合面積を増加することができる。特に、回転ツール５０のピン先端が支持面１５ａを突き抜けるように、摩擦攪拌接合を行ったことによって、支持面１５ａと封止体３０の下面との接合面に確実に塑性化領域４１が形成される。

また、支持面１５ａの幅寸法Ｗ１は、回転ツール５０のショルダー径寸法Ｒ１よりも大きいので、塑性化領域４１が凹部１１内に露出することがなく、塑性化領域４１の水平方向長さの大部分を、支持面１５ａと封止体３０の下面との接合面に位置させることができる。また、塑性化領域４１が、凹部１１内に露出して凹部１１の内周壁が変形することがないので、流路の体積が減少することがなく、冷却性能の低下を防止できる。

さらに、回転ツール５０のショルダー部５１が突合部４０を覆うように、摩擦攪拌接合を行っているので、突合部４０の全体に亘って塑性化領域４１を確実に形成することができる。

以上のように、本実施形態では、塑性化領域４１は、鉛直方向に広がる突合部４０部分だけでなく、水平方向に広がる支持面１５ａと封止体３０の下面との接合面にも広く形成される。したがって、ジャケット本体１０と封止体３０との接合面積を増加することができ、ジャケット本体１０と封止体３０との接合部の密閉性能を向上させることができる。

また、回転ツール５０のフロー側５０ａに突合部４０が位置するように、回転ツール５０の移動方向と回転方向を設定して摩擦攪拌接合を行ったことによって、突合部４０に対する回転ツール５０の相対速さが低速になり、メタル流動量が少なくなる。したがって、突合部におけるメタル不足による空洞欠陥の発生を防止でき、突合部４０の接合強度の低下を防止できる。これによって、ジャケット本体１０と封止体３０との接合部の密閉性能を向上させることができる。なお、攪拌ピン５２を挟んでフロー側５０ａの逆側に位置するシアー側５０ｂは、突合部４０から大きく離れた領域５６に位置させることができるので、空洞欠陥ができたとしても問題はない

さらに、本実施形態では、回転ツール５０の周方向移動における始端５４ａと終端５４ｂとで、塑性化領域４１の一部が重複していることにより、凹部１１の開口周縁部１２ａにおいて、塑性化領域４１が途切れる部分がない。したがって、ジャケット本体１０の周壁１４と、封止体３０とを良好に接合することができ、熱輸送流体が外部に漏れないので、接合部の密閉性能を向上させることができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法および摩擦攪拌接合方法について、図６を参照して説明する。

かかる実施形態は、図６の（ａ）に示すように、第１実施形態の回転ツール５０で塑性化領域４１を形成する工程に先立って、ジャケット本体１０と封止体３０との突合部４０の一部を回転ツール５０よりも小型の仮接合用回転ツール６０を用いて仮接合することを特徴とする。仮接合を行った後には、回転ツール５０を用いて第１実施形態と同様の本接合を行う（図６の（ｂ）参照）。

仮接合用回転ツール６０は、回転ツール５０よりも小径のショルダー部と攪拌ピン（図示せず）を備えており、形成される塑性化領域４５は、後の工程で回転ツール５０によって形成される塑性化領域４１（図６の（ｂ）参照）の幅よりも小さい幅を有することとなる。そして、塑性化領域４５は、後の工程で塑性化領域４１が形成される位置からはみ出さない位置に形成される。これによって、仮接合における塑性化領域４５は、塑性化領域４１で完全に覆われることとなるので、塑性化領域４５に残った仮接合用回転ツール６０の引抜跡および塑性化領域４５の跡が残らない。

本実施形態では、第１実施形態と同様に、突合部４０が正方形（矩形枠状）を呈しており、仮接合用回転ツール６０で突合部４０を仮接合する工程において、突合部４０の一方の対角４４ａ，４４ｂ同士を先に仮接合した後に、他方の対角４４ｃ，４４ｄ同士を仮接合するようになっている。このような順序で仮接合することで、封止体３０をバランスよくジャケット本体１０に仮接合することができ、封止体３０のジャケット本体１０に対する位置決め精度が向上するとともに、封止体３０の変形を防止できる。また、封止体３０の仮接合を行ったことによって、回転ツール５０による本接合時の封止体３０のズレを防止でき、接合部の密閉性能をより一層向上させることができる。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法および摩擦攪拌接合方法について、図７を参照して説明する。

かかる実施形態は、図７の（ａ）に示すように、第１実施形態の回転ツール５０で塑性化領域４１を形成する工程に先立って、ジャケット本体１０と封止体３０との突合部４０の一部を回転ツール５０よりも小型の仮接合用回転ツール６０を用いて仮接合することを特徴とする。ここでの仮接合は、第２実施形態が、正方形の突合部４０の角部を摩擦攪拌接合しているのに対して、各辺の中間部を摩擦攪拌接合することによって直線状に行われている。具体的には、突合部４０が正方形（矩形枠状）を呈しており、仮接合用回転ツール６０で突合部４０を仮接合する工程において、突合部４０の一方の対辺４６，４６の中間部４６ａ，４６ｂ同士を先に仮接合した後に、他方の対辺４７，４７の中間部４７ａ，４７ｂ同士を仮接合するようになっている。このとき仮接合用回転ツール６０で形成される塑性化領域４８は、それぞれ同じ長さの直線状になるようになっている。また、塑性化領域４８は、後の工程で塑性化領域４１が形成される位置からはみ出さない位置に形成される。

本実施形態では、前記のような順序で仮接合することで、封止体３０をバランスよくジャケット本体１０に仮接合することができ、封止体３０のジャケット本体１０に対する位置決め精度が向上するとともに、封止体３０の変形を防止できる。また、封止体３０の仮接合を行ったことによって、回転ツール５０による本接合時の封止体３０のズレを防止できる。さらに、本実施形態によれば、仮接合の摩擦攪拌接合が直線状であるので、仮接合用回転ツール６０を直線的に移動させるだけでよく加工が容易である。

（第４実施形態）
次に、第４実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法および摩擦攪拌接合方法について、図８および図９を参照して説明する。

かかる実施形態は、図８に示すように、回転ツール５０を、一周（塑性化領域４１の一部を重複させる部分まで含む）させた後に移動方向を反転させて、再度一周させることを特徴とし、さらに、二周目の回転ツール５０の移動軌跡を、回転ツール５０の一周目における移動で形成された塑性化領域４１よりも外側へ偏移させることを特徴とする。

具体的には、まず、図８の（ａ）に示すように、封止体３０を、ジャケット本体１０の凹部（図示せず）に挿入して、封止体３０の周縁部３０ａを、凹部の開口周縁部１２ａの支持面（図示せず）上に載置した後、回転ツール５０を、突合部４０から外側に外れた周壁１４の上面の挿入位置５３に挿入する。その後、回転ツール５０を、突合部４０の突合面よりも内側寄りの始端５４ａまで移動させ、さらにこの突合部４０に沿って移動させて、一周目の終端５４ｂまで塑性化領域４１を形成する。ここまでの工程は第１実施形態と同様である。回転ツール５０の一周目の移動は、突合部４０に対して右回りとなっており（図８の（ａ）中、矢印Ｙ１参照）、回転ツール５０の回転方向は左回転となっている（図８の（ａ）中、矢印Ｙ２参照）。

その後、図８の（ｂ）に示すように、回転ツール５０の移動方向を、一周目の終端５４ｂで折り返して、左回りに移動する（図８中、矢印Ｙ３参照）。このとき、回転ツール５０の移動軌跡を一周目の終端５４ｂから外側へ偏移させる。回転ツール５０の偏移は、移動方向（矢印Ｙ３）に向かうに連れて外側へ向かうように斜めに移動して、回転ツール５０の軸芯が、突合部４０の突合面上に位置する部分まで偏移する。その後、回転ツール５０は、塑性化領域４１に沿って（突合部４０に沿って）平行移動する。二周目の移動に入るに際して、回転ツール５０は、交換を行わず、突合部４０に挿入したままの状態で、回転方向は一周目と同様に左回転（図８の（ｂ）中、矢印Ｙ２参照）を継続させ、押込み量も変更しない。なお、回転ツール５０の回転速度や移動速度等は、ジャケット本体１０と封止体３０の形状や材質に応じて適宜変更してもよい。回転ツール５０が一周目とは逆方向に移動して同方向に回転する二周目によって、一周目で形成された塑性化領域４１をさらに攪拌する第二塑性化領域４３が形成される。

そして、図８の（ｃ）に示すように、回転ツール５０の二周目の移動が終了したならば（本実施形態では、一周目の始端５４ａと同等の位置まで移動）、回転ツール５０を第二塑性化領域４３（突合部４０）から外側に外れた周壁１４の上面へと移動させ、その位置で、回転ツール５０を引き抜く。なお、回転ツール５０を引き抜く引抜位置５５は、挿入位置５３と同じである。引抜位置５５は、突合部４０から外側に外れた位置となっているので、引抜跡が突合部４０に形成されることはなく、ジャケット本体１０と封止体３０との接合性をさらに高めることができる。なお、引抜跡は補修するようにしてもよい。

本実施形態によれば、第１実施形態で得られる作用効果の他に、以下のような作用効果を得られる。

本実施形態では、回転ツール５０を一周させて塑性化領域４１を形成した後に、この塑性化領域４１に沿って回転ツール５０をさらに一周させることによって、塑性化領域４１よりもさらに攪拌された第二塑性化領域４３が形成される。すなわち、塑性化領域４１の欠陥補修を自動的に行うことができるので、接合部の密閉性能をより一層向上させることができ、信頼性の高い液冷ジャケット１を供給することができる。

さらに、回転ツール５０の一周目と二周目における移動方向を逆方向にすることによって、塑性化領域４１，４３が一周目と二周目とで逆向きに攪拌されることになるので、効率的に攪拌される。したがって、空洞欠陥をより一層低減させることができ、接合部の密閉性能を向上させることができる。

また、回転ツール５０の二周目における移動軌跡を、回転ツール５０の一周目における移動で突合部４０の内側寄りに形成された塑性化領域４１よりも外側へ偏移させることによって、回転ツール５０の軸芯が突合部４０近傍（本実施形態では突合部４０の突合面上）に位置する。これによって、回転ツール５０のシアー側５０ｂは、突合部４０よりも外側寄りのジャケット本体１０の厚肉部分になる。したがって、シアー側５０ｂであっても、その周囲が厚肉であるため、メタル不足に陥ることはなく、空洞欠陥が発生しにくい。また、万一、空洞欠陥が発生したとしても、突合部４０から離反した領域５７（図９参照）であるので問題はない。したがって、熱輸送流体が外部に漏れにくくなり、ジャケット本体１０と封止体３０の接合部の密閉性能をより一層向上させることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の実施形態はこれに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能であり、例えば、前記実施形態では、封止体３０が平面視正方形であるが、これに限定されるものではなく、長方形、多角形、円形等の他の形状であってもよい。さらに、封止体３０に設けられているフィン３２は、蓋板部と別体であってもよく、例えば、凹部１１内に別体で収容して設けたり、ジャケット本体と一体に形成したりしもよい。

また、前記実施形態では、液冷ジャケットの製造方法として、ジャケット本体１０と封止体３０との摩擦攪拌接合方法を説明したが、摩擦攪拌接合方法の実施形態としてはこれに限られるものではなく、他の形態の金属材（ジャケット本体１０に相当する第一部材と、封止体３０に相当する板状の第二部材）同士の接合に適用できるのは勿論である。

第１実施形態に係る液冷ジャケットの分解斜視図である。 第１実施形態に係る液冷ジャケットの封止体の斜視図である。 （ａ）、（ｂ）は、第１実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法を説明するための平面図である。 第１実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法の摩擦攪拌接合を示した図であって、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。 第１実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法により形成された塑性化領域を示した断面図である。 （ａ）、（ｂ）は、第２実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法を説明するための平面図である。 （ａ）、（ｂ）は、第３実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法を説明するための平面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、第４実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法を説明するための平面図である。 第４実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法により形成された塑性化領域を示した断面図である。

符号の説明

１ 液冷ジャケット
１０ ジャケット本体
１１ 凹部
１２ 開口部
１２ａ 開口周縁部
１５ａ 支持面（段差底面）
１５ｂ 段差側面
３０ 封止体
３０ｂ 外周面
４０ 突合部
４１ 塑性化領域
５０ 回転ツール
５０ａ フロー側
６０ 仮接合用回転ツール
Ｈ１ （ジャケット本体の上面と支持面との高低差）寸法
Ｔ１ （封止体の）厚さ寸法
Ｒ１ ショルダー径寸法
Ｗ１ （支持面の）幅寸法

Claims (9)

1. 熱発生体が発生する熱を外部に輸送する熱輸送流体が流れるとともに一部が開口した凹部を有するジャケット本体に、前記凹部の開口部を封止する封止体を摩擦攪拌接合によって固定して構成される液冷ジャケットの製造方法において、
   前記ジャケット本体の前記凹部の開口周縁部に、前記封止体の厚さ寸法と同じ寸法だけ下がった段差底面からなる支持面を形成し、当該支持面に前記封止体を載置して前記ジャケット本体の段差側面と前記封止体の外周面を突き合わせ、
   前記ジャケット本体の前記段差側面と前記封止体の外周面との突合部よりも内側寄りの位置で、回転ツールのピン先端が前記支持面を突き抜けるとともに、前記回転ツールのフロー側に前記突合部が位置するように、前記回転ツールを回転、移動させながら前記突合部に沿って一周させて塑性化領域を形成して、前記封止体を前記ジャケット本体に固定する
   ことを特徴とする液冷ジャケットの製造方法。
2. 前記支持面の幅寸法は、前記回転ツールのショルダー径寸法よりも大きい
   ことを特徴とする請求項１に記載の液冷ジャケットの製造方法。
3. 前記回転ツールは、そのショルダー部が前記突合部を覆うように、前記突合部に沿って移動する
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の液冷ジャケットの製造方法。
4. 前記回転ツールを前記突合部に沿って一周させた後、一周目の始端部に沿って前記回転ツールを移動させて、前記塑性化領域の一部を重複させる
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の液冷ジャケットの製造方法。
5. 前記一周目の始端部に沿って前記回転ツールを移動させた後、前記回転ツールの移動方向を反転させるとともに、前記回転ツールのピンを一周目で形成された前記塑性化領域の外周側に偏移させ、前記回転ツールを前記突合部に沿って再度一周させて前記塑性化領域を再攪拌する
   ことを特徴とする請求項４に記載の液冷ジャケットの製造方法。
6. 前記回転ツールで前記塑性化領域を形成する工程に先立って、前記突合部の一部を前記回転ツールよりも小型の仮接合用回転ツールを用いて仮接合する
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の液冷ジャケットの製造方法。
7. 前記突合部が矩形枠状を呈しており、
   前記仮接合用回転ツールで前記突合部を仮接合する工程において、前記突合部の一方の対角同士を先に仮接合した後に、他方の対角同士を仮接合する
   ことを特徴とする請求項６に記載の液冷ジャケットの製造方法。
8. 前記突合部が矩形枠状を呈しており、
   前記仮接合用回転ツールで前記突合部を仮接合する工程において、前記突合部の一方の対辺の中間部同士を先に仮接合した後に、他方の対辺の中間部同士を仮接合する
   ことを特徴とする請求項６に記載の液冷ジャケットの製造方法。
9. 第一部材の凹部の開口部に板状の第二部材を摩擦攪拌接合によって固定する摩擦攪拌接合方法において、
   前記第一部材の前記開口部の開口周縁部に、前記第二部材の厚さ寸法と同じ寸法だけ下がった段差底面からなる支持面を形成し、当該支持面に前記第二部材を載置して前記第一部材の段差側面と前記第二部材の外周面を突き合わせ、
   前記第一部材の前記段差側面と前記第二部材の外周面との突合部よりも内側寄りの位置で、回転ツールのピン先端が前記支持面を突き抜けるとともに、前記回転ツールのフロー側に前記突合部が位置するように前記回転ツールを回転、移動させながら前記突合部に沿って一周させて塑性化領域を形成して、前記第二部材を前記第一部材に固定する
   ことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。

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