JP2014028398A - 伝熱板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ボビンツールを用いて一対の金属板を接合して伝熱板を製造する際に、接合欠陥の発生を抑制し好適に接合することができる伝熱板の製造方法を提供する。
【解決手段】内部に複数の流路孔を備えた金属板１００Ａ，１００Ｂ同士を、回転ツールユニット２を用いて接合して伝熱板を製造する伝熱板の製造方法であって、金属板１００Ａ，１００Ｂの端面同士を付き合わせる突き合せ工程と、突き合せ部Ｎに回転させたボビンツール５のピン１３を移動させて摩擦攪拌接合を行う接合工程と、を含み、接合工程では、第一ショルダ１１と第二ショルダ１２のショルダ間の距離を、金属板１００Ａ，１００Ｂの厚さ以下に設定することを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、伝熱板の製造方法に関する。

従来、金属板の端面同士を摩擦攪拌接合するツールとしてボビンツールが知られている（特許文献１参照）。ボビンツールは、一対のショルダとこのショルダの間に形成されたピンとを備えている。一対の金属板を接合する際には、金属板を移動不能に拘束した上で、金属板の一端側から高速回転させたボビンツールを挿入し、突き合せ部に沿ってピンを移動させる。これにより、端面同士の周囲の金属が摩擦攪拌されて金属板同士が接合される。ボビンツールによれば、金属板の裏側にもショルダを備えているため、金属板の裏側に配置する裏当部材を省略することができる。

特許第２７１２８３８号公報

ボビンツールを用いた摩擦攪拌接合においては、ボビンツールのショルダ間の距離が、金属板の厚さよりも大きいと、摩擦攪拌によって塑性流動化された金属がショルダの外部に溢れやすくなるため接合欠陥が発生するおそれがある。

このような観点から、本発明は、ボビンツールを用いて一対の金属板を接合して伝熱板を製造する際に、接合欠陥の発生を抑制し容易に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。

このような課題を解決するために本発明は、内部に複数の流路孔を備えた金属板同士を、回転ツールユニットを用いて接合して伝熱板を製造する伝熱板の製造方法であって、前記回転ツールユニットは、第一ショルダと、第二ショルダと、前記第一ショルダと前記第二ショルダの間に形成されたピンとを有するボビンツールと、を有し、前記金属板の端面同士を付き合わせる突き合せ工程と、突き合せ部に回転させた前記ボビンツールのピンを移動させて摩擦攪拌接合を行う接合工程と、を含み、前記接合工程では、前記第一ショルダと前記第二ショルダのショルダ間の距離を、前記金属板の厚さ以下に設定することを特徴とする。

かかる構成によれば、ショルダ間の距離を金属板の厚さ以下に設定しているため、塑性流動化した金属をショルダで押えることができる。これにより、塑性流動化された金属がショルダの外部に溢れ出にくくなるため、接合欠陥の発生を抑制することができる。

また、前記接合工程では、前記第一ショルダ及び前記第二ショルダのうち前記金属板と接触する接触面の直径を、一方の前記金属板の端部に形成された前記流路孔から他方の金属板の端部に形成された前記流路孔までの距離よりも小さく設定することが好ましい。

かかる構成によれば、一方の金属板及び他方の金属板の端部にそれぞれ形成された流路孔が摩擦攪拌によって変形するのを防ぐことができる。

また、前記金属板は、アルミニウム合金の押出形材であることが好ましい。かかる構成によれば、金属板を容易に成形することができる。

また、本発明は、流体が流れる複数の流路孔と複数の前記流路孔の端部を連結するヘッダー流路孔とを備えた伝熱板の製造方法であって、下板部と、上板部と、前記下板部と前記上板部とを連結する複数の壁部と、前記下板部と前記上板部と一対の前記壁部とで構成される複数の流路孔と、を備えた金属板において、前記壁部の端部を切除する切除工程と、前記切除工程で切除した部分において、前記下板部と前記上板部の間に継手部材を挿入する挿入工程と、前記下板部、前記継手部材及び前記上板部を回転ツールユニットで摩擦攪拌接合するヘッダー流路孔形成工程と、を含み、前記回転ツールユニットは、第一ショルダと、第二ショルダと、前記第一ショルダと前記第二ショルダの間に形成されたピンと、を有するボビンツールを有し、ヘッダー流路孔形成工程では、前記第一ショルダと前記第二ショルダのショルダ間の距離を、前記金属板の厚さ以下に設定することを特徴とする。

かかる構成によれば、流体が流れる複数の流路孔とこれらの前記流路孔の端部を連結するヘッダー流路孔とを備えた伝熱板を容易に製造することができる。ショルダ間の距離を金属板の厚さ以下に設定しているため、塑性流動化した金属をショルダで押えることができる。これにより、塑性流動化された金属がショルダの外部に溢れ出にくくなるため、接合欠陥の発生を抑制することができる。

また、前記ヘッダー流路孔形成工程では、前記ショルダのうち前記金属板に接触する接触面の直径が、前記継手部材の幅よりも小さく設定されていることが好ましい。

かかる構成によれば、摩擦攪拌接合の際に、塑性流動化した金属がヘッダー流路孔に流入するのを防ぐことができる。

また、本発明は、流体が流れる複数の流路孔と複数の前記流路孔の端部を連結するヘッダー流路孔とを備えた伝熱板の製造方法であって、下板部と、上板部と、前記下板部と前記上板部とを連結する複数の壁部と、前記下板部と前記上板部と一対の前記壁部とで構成される複数の流路孔と、を備えた金属板において、前記壁部の端部を切除する切除工程と、前記切除工程で切除した部分において、前記下板部と前記上板部の間に継手部材を挿入する挿入工程と、前記下板部、前記継手部材及び前記上板部を回転ツールで摩擦攪拌接合するヘッダー流路孔形成工程と、を含み、前記回転ツールは、ショルダと、前記ショルダに形成された攪拌ピンとで構成され、前記ヘッダー流路孔形成工程は、前記ショルダと前記金属板を接触させつつ前記上板部と前記継手部材とを接合する上板部接合工程と、前記ショルダと前記金属板を接触させつつ前記下板部と前記継手部材とを接合する下板部接合工程とを含むことを特徴とする。

かかる構成によれば、流体が流れる複数の流路孔とこれらの前記流路孔の端部を連結するヘッダー流路孔とを備えた伝熱板を容易に製造することができる。また、ショルダによって塑性流動化された金属がショルダの外部に溢れ出にくくなるため、接合欠陥の発生を抑制することができる。

また、前記ヘッダー流路孔形成工程では、前記ショルダのうち前記金属板に接触する接触面の直径が、前記継手部材の幅よりも小さく設定されていることが好ましい。

かかる構成によれば、摩擦攪拌接合の際に、塑性流動化した金属がヘッダー流路孔に流入するのを防ぐことができる。

本発明に係る伝熱板の製造方法によれば、接合欠陥の発生を抑制し、好適に接合することができる。また、複数の流路孔とこの流路孔の端部を連結するヘッダー流路孔とを備えた伝熱板を製造する際に、接合欠陥の発生を抑制し容易に製造することができる。

第一実施形態に係る伝熱板の製造方法を示した斜視図である。 （ａ）は金属板同士を突き合せる前を示す斜視図、（ｂ）は金属板同士を突き合せた後を示す側面図である。 ボビンツールを示す側面図である。 （ａ）は接合工程における側断面であり、（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ断面図である。 被接合金属板を示す図であって、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のII−II断面図である。 第二実施形態に係る伝熱板を示す一部破断斜視図である。 第二実施形態に係る伝熱板の製造方法を示す側断面図であって、（ａ）は切除工程を示し、（ｂ）は挿入工程を示す。 第二実施形態に係る伝熱板の製造方法を示す側断面図であって、（ａ）はヘッダー流路孔形成工程を示し、（ｂ）は完成時を示す。 第二実施形態の変形例を示す図であって、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は断面図である。 第三実施形態に係るボビンツールを示す側面図である。 第三実施形態に係る接合工程を示す側断面図である。 （ａ）は伝熱板の製造方法の第一変形例を示し、（ｂ）は伝熱板の製造方法の第二変形例を示す。 実施例１に係る伝熱板の製造方法を示す図であって、（ａ）は接合前、（ｂ）は接合中を示す。 実施例１に係る伝熱板の製造方法において、各条件の接合部の断面図を示す。

［第一実施形態］
本発明の第一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。図１に示すように、本実施形態に係る伝熱板の製造方法では、突き合わされた一対の金属板１００Ａ，１００Ｂの突き合せ部Ｎを摩擦攪拌接合する。本実施形態では、摩擦攪拌装置１の先端に取り付けられたボビンツール５を用いて接合する。まずは、接合する一対の金属板１００Ａ，１００Ｂの説明をする。説明における上下前後左右は図１の矢印に従う。

＜金属板＞
図２の（ａ）に示すように、本実施形態では金属板１００Ａと金属板１００Ｂとを接合する場合を例示する。金属板１００Ａは、アルミニウム合金製の押出形材である。金属板１００Ａは、下板部１０１と、上板部１０２と、壁部１０３と、流路孔１０４とで構成されている。

流路孔１０４は、下板部１０１、上板部１０２及び一対の壁部１０３で囲まれた空間である。流路孔１０４は、例えば、液体や気体などの流体が流れる部位である。流路孔１０４は、左右方向に複数個形成されている。流路孔１０４は、本実施形態では断面視矩形を呈するが、他の形状であってもよい。また、本実施形態では流路孔１０４は、前後方向に貫通しているが、端部が閉塞していてもよい。

金属板１００Ｂは、金属板１００Ａと同等の構成であるため、金属板１００Ａと同等の符号を付して説明を省略する。

図２の（ｂ）に示すように、金属板１００Ａと金属板１００Ｂとを突き合わせる際には、金属板１００Ａの端面１０５と金属板１００Ｂの端面１０５とを突き合わせる。金属板１００Ａの上面及び下面と金属板１００Ｂの上面及び下面はそれぞれ面一になる。

なお、本実施形態では金属板１００Ａ，１００Ｂをアルミニウム合金の形材としているが、摩擦攪拌可能な他の材料でもよいし、その成形方法も制限されない。

＜摩擦攪拌装置＞
図１に示すように、摩擦攪拌装置１は、チャック部１ａと、チャック部１ａの内部に固定される回転ツールユニット２とで主に構成されている。

ボビンツール５は、図３に示すように、例えば工具鋼で形成されておりスライド軸４に連結されている。ボビンツール５は、チャック部１ａ、ホルダー３及びスライド軸４と一体的に正逆回転する。ボビンツール５は、第一ショルダ１１と、第一ショルダ１１の下方に間をあけて配設された第二ショルダ１２と、第一ショルダ１１と第二ショルダ１２とを連結するピン１３とを有する。

第一ショルダ１１は、円柱状の本体部１１ａと、本体部１１ａの下部に形成されたテーパー部１１ｂとを備えている。テーパー部１１ｂは下方に向かうにつれて縮径している。テーパー部１１ｂの下端には金属板１００Ａ，１００Ｂと接触する接触面１１ｃが形成されている。

第二ショルダ１２は、円柱状の本体部１２ａと、本体部１２ａの上部に形成されたテーパー部１２ｂとを備えている。テーパー部１２ｂは上方に向かうにつれて縮径している。テーパー部１２ｂの上端には金属板１００Ａ，１００Ｂと接触する接触面１２ｃが形成されている。

ピン１３は、円柱状を呈し、第一ショルダ１１と第二ショルダ１２とを連結している。第二ショルダ１２を貫通したピン１３は、第二ショルダ１２の下端においてナットで締結されている。ピン１３の外周面には、上部螺旋溝１３ａと下部螺旋溝１３ｂとが刻設されている。上部螺旋溝１３ａ及び下部螺旋溝１３ｂの溝の向きはそれぞれ反対方向に巻回されるように刻設されている。

上部螺旋溝１３ａは、第一ショルダ１１の下端からピン１３の高さ方向の中間位置まで刻設されている。本実施形態ではボビンツール５を右回転させるため、上部螺旋溝１３ａは右ネジで形成されている。つまり、上部螺旋溝１３ａは、上から下に向けて右回りに巻回されるように刻設されている。

一方、下部螺旋溝１３ｂは、第二ショルダ１２の上端からピン１３の高さ方向の中間位置まで刻設されている。本実施形態ではボビンツール５を右回転させるため、下部螺旋溝１３ｂは左ネジで形成されている。つまり、下部螺旋溝１３ｂは、上から下に向けて左回りに巻回されるように刻設されている。

上部螺旋溝１３ａ及び下部螺旋溝１３ｂをこのように形成することで、摩擦攪拌されて塑性流動化した金属が、金属板１００Ａ（１００Ｂ）の高さの中央部分から上端方向又は下端方向に向って若干移動するようになっている。なお、これら上下方向への金属の移動は、ボビンツール５のピン１３の回転による周方向での金属の移動に比べて微量に止まるものである。

螺旋溝の巻回方向や刻設する割合については、接合する金属板の化粧面とボビンツール５との位置関係や、ボビンツールの回転方向等に応じて適宜設定すればよい。本実施形態では、ピン１３に対して右ネジと左ネジの両方の螺旋溝を刻設しているが、例えば、ピン１３に対して全て右ネジの螺旋溝を刻設してもよいし、全て左ネジの螺旋溝を刻設してもよい。また、本実施形態では、第一ショルダ１１側を右ネジ、第二ショルダ１２側を左ネジにしているが、第一ショルダ１１側を左ネジ、第二ショルダ１２側を右ネジにしてもよい。

図３に示すように、ボビンツール５のショルダ間距離Ｚ（ピン１３の長さ）は、金属板１００Ａの厚さＴと同等か、それよりも小さくなっていることが好ましい。例えば、本実施形態では、ショルダ間距離Ｚは、金属板１００Ａ（１００Ｂ）の厚さＴよりも０．２ｍｍ小さくなっている。

本実施形態では、本体部１１ａの外径は、本体部１２ａの外径よりも大きくなっている。また、接触面１１ｃの直径と、接触面１２ｃの直径は同一になっている。接触面１１ｃ，１２ｃの直径は、図２に示す流路孔間距離Ｌ１よりも小さく設定されている。流路孔間距離Ｌ１は、突き合せ部Ｎにおいて、金属板１００Ａの端部に形成された流路孔１０４と、金属板１００Ｂの端部に形成された流路孔１０４との距離である。ピン１３の外径は、接触面１１ｃの直径よりも小さくなっている。

第一ショルダ１１及び第二ショルダ１２の形状は前記した形状に限定されるものではなく、他の形状であってもよい。例えば、第一ショルダと第二ショルダを同等の形状で構成してもよい。また、第一ショルダと第二ショルダとを円柱状（ショルダの外径と接触面の直径が同一）にしてもよい。また、第二ショルダ１２の本体部１２ａの円周方向に溝を設け、第二ショルダ１２で発生した熱が放出されやすくなるように形成してもよい。

なお、突き合わせた際に、突き合せ部Ｎ（図２の（ｂ）参照）の端面１０５，１０５の隙間を０．７５ｍｍ以下に設定できる場合、金属板１００Ａ，１００Ｂの厚さＴとショルダ間距離Ｚとを同等、つまり、Ｔ−Ｚ＝０と設定しても接合状態を良好にすることができる。

また、突き合わせた際に、突き合せ部Ｎの端面１０５，１０５の隙間を１．００ｍｍ以下に設定できる場合、金属板１００Ａ，１００Ｂの厚さＴとショルダ間距離Ｚとを、０．２ｍｍ≦Ｔ−Ｚ≦０．８ｍｍとなるように設定することが好ましい。

また、突き合わせた際に、突き合せ部Ｎの端面１０５，１０５の隙間を１．００より大きく、１．７５ｍｍ以下に設定できる場合、金属板１００Ａ，１００Ｂの厚さＴとショルダ間距離Ｚとを、０．４ｍｍ≦Ｔ−Ｚ≦０．８ｍｍとなるように設定することが好ましい。

また、ボビンツール５は、第一ショルダ１１及び第二ショルダ１２の接触面１１ｃ（１２ｃ）の直径を二乗した値をピン１３の外径を二乗した値で除した値が２．０より大きくなるように設定することが好ましい。かかるボビンツール５によれば、バリとして排出される材料の量を第一ショルダ１１及び第二ショルダ１２によって抑制できるため、接合欠陥の発生を低減することができる。

また、ボビンツール５は、ピン１３の外径を二乗した値を、第一ショルダ１１の接触面１１ｃの直径を二乗した値からピン１３の外径を二乗した値を引いた値で除した値が０．２よりも大きくなるように設定されていることが好ましい。かかるボビンツール５によれば、接合時にツール軸方向に発生する材料抵抗に対するピンの抗張力を十分に確保できるため、ピン１３の破損を防ぐことができる。

また、ボビンツール５は、ピン１３の外径を二乗した値をピン１３の外径とショルダ間距離との積で除した値が１．２よりも大きくなるように設定することが好ましい。かかるボビンツール５によれば、接合時にツール進行方向とは逆向きに流れる材料抵抗に対するピンの抗折力を十分に確保できるため、ピン１３の破損を防ぐことができる。

ここで、摩擦攪拌接合を行うと、摩擦熱によって金属板１００Ａ，１００Ｂの温度が上昇し、金属板１００Ａ，１００Ｂが上方又は下方に反ってしまう場合がある。本実施形態に係る摩擦攪拌装置１は、スライド軸４がホルダー３に対して移動可能に形成されているため、金属板１００Ａ，１００Ｂが例えば上方に反った際に、その反りに追従してボビンツール５が所定の距離だけ上方に移動するように構成されている。一方、金属板１００Ａ，１００Ｂが下方に反った際には、その反りに追従してボビンツール５が所定の距離だけ下方に移動するように構成されている。これにより、摩擦攪拌接合中における金属板に対するボビンツール５の位置ズレを抑制できるようになっている。

次に、第一実施形態に係る伝熱板の製造方法について説明する。第一実施形態の伝熱板の製造方法では、ボビンツール５を右回転させて接合を行う。具体的には、この伝熱板の製造方法では、金属板１００Ａ，１００Ｂ同士を突き合わせる突き合せ工程と、突き合せ部Ｎに回転させたボビンツール５を挿入する接合工程と、を行う。ここでは、表面Ｓａを化粧面として設定する。

突き合せ工程では、図２に示すように、金属板１００Ａの端面１０５と、金属板１００Ｂの端面１０５とを面接触させる。金属板１００Ａ及び金属板１００Ｂの上下面は、それぞれ面一にする。なお、突き合わせた後は、金属板１００Ａ，１００Ｂが離間しないように、突き合せ部Ｎに沿って溶接などで仮付けを行ってもよい。金属板１００Ａと金属板１００Ｂとを突き合わせたら、治具等で両者を移動不能に拘束する。

接合工程では、まず、突き合せ部Ｎの外部において、ピン１３の中心１３ｃが、突き合せ部Ｎの高さ方向の中心Ｎｃと重なるように位置させる。そして、図４の（ａ）に示すように、右回転させたボビンツール５を突き合せ部Ｎに沿って移動させる。ボビンツール５が突き合せ部Ｎに挿入されると、図４の（ｂ）に示すように、高速回転するピン１３によってピン１３の周囲の金属が摩擦攪拌され金属板１００Ａ，１００Ｂ同士が一体化される。ボビンツール５の移動軌跡には、塑性化領域Ｗが形成される。以上の工程により、図５に示すように、金属板１００Ａ，１００Ｂが接合された被接合金属板１１０が形成される。

以上説明した本実施形態に係る伝熱板の製造方法によれば、図４の（ｂ）に示すように、ショルダ間の距離Ｚを、金属板１００Ａ，１００Ｂの厚さＴ以下に設定しているため塑性流動化した金属を第一ショルダ１１及び第二ショルダ１２で確実に押えることができる。これにより、塑性流動化された金属が第一ショルダ１１及び第二ショルダ１２の外部に溢れ出にくくなるため、接合欠陥の発生を抑制することができる。また、ボビンツール５が取り付けられたスライド軸４が、ホルダー３に対して軸方向に移動するため、金属板１００Ａ，１００Ｂの変形に追従してボビンツール５も軸方向に移動する。これにより、金属板１００Ａ，１００Ｂの変形による接合位置の位置ずれを防ぐことができるため、接合欠陥の発生を抑制することができる。

また、図４の（ｂ）に示すように、第一ショルダ１１の接触面１１ｃ及び第二ショルダ１２の接触面１２ｃの直径を、流路孔間距離Ｌ１よりも小さく設定しているため、図５の（ｂ）に示すように、流路孔１０４，１０４の変形を防ぐとともに、流路孔１０４内に塑性流動化した金属が流入するのを防ぐことができる。

また、金属板１００Ａ，１００Ｂはアルミニウム合金の押出形材であるため、各部材を容易に成形することができる。

また、伝熱板の製造方法によれば、摩擦攪拌されて流動化された金属は、ピン１３の右ネジの上部螺旋溝１３ａと、左ネジの下部螺旋溝１３ｂに導かれて金属板１００Ａ，１００Ｂの中心Ｎｃから表面Ｓａ側及び裏面Ｓｂ側にそれぞれ移動する。右ネジの上部螺旋溝１３ａはショルダ間距離Ｚの（ピン１３の長さの）２５％以上の割合で形成されているため、この螺旋溝による金属の移動によってボビンツール５が金属板１００Ａ，１００Ｂに対してスライド軸４側（上方）に押され、表面（化粧面）Ｓａに深く入り込むのを防ぐことができる。これにより、図５の（ｂ）に示すように、化粧面に凹溝Ｖが発生するのを防ぐか、又は、凹溝Ｖが形成されたとしてもその凹溝Ｖの深さを小さくすることができる。凹溝Ｖの発生を防ぐか又は凹溝Ｖを小さくすることで、表面（化粧面）Ｓａを平滑にする仕上げ処理が容易になる。

また、第一実施形態では、上部螺旋溝１３ａと下部螺旋溝１３ｂの割合が５０：５０であるため、図４の（ａ）に示すように、上側と下側で移動する金属量を均等にすることができる。これにより、ピン１３の中心１３ｃと突き合せ部Ｎの中心Ｎｃとの位置ずれをより防ぐことができる。また、上部螺旋溝１３ａ及び下部螺旋溝１３ｂが刻設されているため、摩擦攪拌の攪拌効率を高めることができる。

接合工程を行う際には、金属板１００Ａ，１００Ｂの表面（化粧面）Ｓａに対して、例えば冷却された気体や液体等を供給可能な冷却装置によって、冷却しながら行うことが好ましい。これにより、金属板１００Ａ，１００Ｂの変形を抑制して接合精度を向上させることができる。なお、金属板１００Ａ，１００Ｂの裏面Ｓｂ側を冷却しながら接合を行ってもよい。

［第二実施形態］
次に本発明の第二実施形態について説明する。第二実施形態に係る伝熱板の製造方法では、回転ツールユニット２を用いてヘッダー流路孔を備えた伝熱板を製造する。まずは、伝熱板の構成について説明する。

図６に示すように、伝熱板１２０は、対象物に熱を伝達させるための金属製の板である。伝熱板１２０の材料は、摩擦攪拌可能な金属であれば制限されないが、本実施形態ではアルミニウム合金で形成されている。伝熱板１２０は、その内部の前後方向に延設された複数の流路孔１０４と、流路孔１０４の前端部を連結し左右方向に延設されたヘッダー流路孔１２１とを有する。ヘッダー流路孔１２１の前側には、摩擦攪拌接合によって形成された外壁部１２２が形成されている。

流路孔１０４は、前端側がヘッダー流路孔１２１と連通している点を除いて、第一実施形態の流路孔１０４と同等である。ヘッダー流路孔１２１は、断面視矩形を呈し、左右に連続して形成されている。ヘッダー流路孔１２１の左右端は外部と連通している。流路孔１０４及びヘッダー流路孔１２１に流体を流すことで、伝熱板１２０の全体に熱を伝達させることができる。

次に、伝熱板１２０の製造方法について説明する。第二実施形態に係る伝熱板の製造方法では、準備工程と、切除工程と、挿入工程と、ヘッダー流路孔形成工程とを行う。

準備工程では、流路孔１０４を複数備えた金属板を用意する。本実施形態では、図６に示す被接合金属板１１０を用いる。

切除工程では、図７の（ａ）に示すように、流路孔１０４の開口部分に係る壁部１０３のみを切除する。具体的には、壁部１０３の前端を、切削工具１３０を用いて切削除去する。切削工具は、高速回転する軸１３１と、軸１３１に対して垂直に取り付けられた複数枚の円板カッター１３２とで構成されている。積層された円板カッター１３２の総厚みｔ１は、壁部１０３の高さと略同等になっている。切削工具１３０の円板カッター１３２を回転させつつ被接合金属板１１０の左右方向に移動させることにより、壁部１０３の前端が切除されて切削開口１１１（図７の（ｂ）参照）が形成される。

挿入工程では図７の（ｂ）に示すように、切除工程で切除した切削開口１１１に継手部材１２３を挿入する。継手部材１２３は、断面視矩形を呈する板状部材である。継手部材１２３の長さは、被接合金属板１１０の左右方向の長さと略同等になっており、高さは壁部１０３の高さと略同等になっている。また、継手部材１２３の幅ｔ３は、切削開口１１１の幅ｔ２の２／３程度になっている。継手部材１２３は、被接合金属板１１０と同じ材料であることが好ましい。継手部材１２３を挿入したら、治具を用いて継手部材１２３と被接合金属板１１０とを移動不能に拘束する。継手部材１２３と被接合金属板１１０とを溶接によって仮接合してもよい。

ヘッダー流路孔形成工程では、図８の（ａ）に示すように、回転ツールユニット２を用いて被接合金属板１１０と継手部材１２３とを摩擦攪拌接合する。ヘッダー流路孔形成工程では、第一ショルダ１１の接触面１１ｃの直径と、第二ショルダ１２の接触面１２ｃの直径は、継手部材１２３の幅ｔ３よりも小さく設定されている。ヘッダー流路孔形成工程では、ピン１３の中心と継手部材１２３の中心とを合わせつつ、継手部材１２３の長手方向に沿って回転させたボビンツール５を移動させる。

ピン１３が回転することにより、ピン１３の周囲の金属が摩擦攪拌されて、図８の（ｂ）に示すように下板部１０１、上板部１０２及び継手部材１２３が一体化される。ボビンツール５の移動軌跡には塑性化領域Ｗ１が形成される。この塑性化領域Ｗ１で形成された部分が外壁部１２２となる。下板部１０１と、上板部１０２及び外壁部１２２とでヘッダー流路孔１２１が形成される。なお、必要に応じて外壁部１２２の上面、下面及び側面を薄く削って表面仕上げを行ってもよい。

以上説明した第二実施形態に係る伝熱板の製造方法によれば、複数の流路孔１０４と、この流路孔１０４の端部を連結するヘッダー流路孔１２１とを備えた伝熱板１２０を効率良く製造することができる。

また、ボビンツール５が取り付けられたスライド軸４が、ホルダー３に対して軸方向に移動するため、被接合金属板１１０の下板部１０１及び上板部１０２の変形に追従してボビンツール５も軸方向に移動する。これにより、下板部１０１及び上板部１０２の変形による接合位置の位置ずれを防ぐことができるため、接合欠陥の発生を抑制することができる。

第一ショルダ１１の接触面１１ｃの直径及び第二ショルダ１２の接触面１２ｃの直径を、継手部材１２３の幅ｔ３以上に設定すると、塑性流動化した金属がヘッダー流路孔１２１に流入したり、接合欠陥になったりするおそれがあるが、本実施形態では第一ショルダ１１の接触面１１ｃの直径及び第二ショルダ１２の接触面１２ｃの直径が、継手部材１２３の幅ｔ３よりも小さく設定されているため、ヘッダー流路孔１２１への金属の流入を防ぎ、好適に接合することができる。

なお、第二実施形態に係る伝熱板の製造方法は、適宜設計変更が可能である。例えば、本実施形態の準備工程では、被接合金属板１１０を用いたが、複数の流路孔１０４を備えた金属板であれば他の金属板であってもよい。例えば、金属板１００Ａのみを用意して、金属板１００Ａから伝熱板を製造してもよい。

また、図９は、第二実施形態の変形例を示す図であって、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は断面図である。この変形例では、継手部材１２４が継手の機能とタブ材の機能とを備えている点で第二実施形態と相違する。また、この変形例では、ボビンツールではなくスライド軸４に取り付けられた回転ツール１４０を用いる点で第二実施形態と相違する。

図９の（ａ）及び（ｂ）に示すように、継手部材１２４は、被挿入部１２５と、被挿入部１２５の両端に形成されたタブ部１２６，１２６とで構成されている。被挿入部１２５は、前記した継手部材１２３と同等の形状を呈する。つまり、被挿入部１２５は、被接合金属板１１０の下板部１０１と上板部１０２の間に挿入される部位である。また、被挿入部１２５は、被接合金属板１１０の左右方向の長さと略同等の長さになっている。

タブ部１２６は、被挿入部１２５の左右端に延設されている。タブ部１２６は、直方体を呈する。タブ部１２６の高さは、被接合金属板１１０の高さと略同等になっている。

回転ツール１４０は、円柱状のショルダ１４１と、ショルダ１４１の下端面（接触面）に形成された攪拌ピン１４２とで構成されている。

変形例に係る挿入工程では、図９の（ａ）に示すように、切削開口１１１に継手部材１２４を挿入する。具体的には、被挿入部１２５を下板部１０１と上板部１０２の間に挿入する。被挿入部１２５を被接合金属板１１０に挿入すると、タブ部１２６，１２６が被接合金属板１１０の端面に接触する。また、タブ部１２６の下面と下板部１０１の下面とが面一になり、タブ部１２６の上面と上板部１０２の上面とが面一になる。なお、継手部材１２４と被接合金属板１１０を溶接などで仮接合してもよい。

ヘッダー流路孔形成工程では、上板部１０２と継手部材１２４とを接合する上板部接合工程と、下板部１０１と継手部材１２４とを接合する下板部接合工程と、を含む。上板部接合工程では、タブ部１２６の上面に回転させた回転ツール１４０の攪拌ピン１４２を挿入した後、継手部材１２４の長手方向に沿って回転ツール１４０を移動させる。この際、
ショルダ１４１の下端面（接触面）と上板部１０２とを接触させつつ回転ツール１４０を移動させる。攪拌ピン１４２の回転により、攪拌ピン１４２の周囲の金属が攪拌されて、上板部１０２と継手部材１２４とが接合される。回転ツール１４０の移動軌跡には、塑性化領域Ｗ１が形成される。

上板部接合工程が終了したら、同様の方法で、下板部１０１と継手部材１２４とを接合する下板部接合工程を行う。下板部１０１側から接合する際には、攪拌ピン１４２の先端が塑性化領域Ｗ１に接触する程度の深さに設定することが好ましい。以上の工程を行うことで、塑性化領域Ｗ１と下板部１０１側に形成された塑性化領域とで外壁部が形成されるとともに、ヘッダー流路孔が形成される。ヘッダー流路孔が形成されたら、タブ部１２６，１２６は切削除去すればよい。

この変形例によれば、回転ツール１４０を用いて下板部１０１と継手部材１２４及び上板部１０２と継手部材１２４を摩擦攪拌接合することで、ヘッダー流路孔１２１を容易に形成することができる。また、継手部材１２４にタブ部１２６，１２６を備えているため、回転ツール１４０の挿入作業、離脱作業が容易になる。また、塑性化領域の端部における仕上がり面が良好となる。

なお、継手部材１２４の被挿入部１２５とタブ部１２６，１２６は一体でもよいし、別体でもよい。

［第三実施形態］
次に本発明の第三実施形態について説明する。第三実施形態に係る伝熱板の製造方法では、ボビンツールの形状及び回転方向が第一実施形態と相違する。第三実施形態の説明においては、第一実施形態と共通する点については、詳細な説明を省略する。

図１０は、第三実施形態に係るボビンツールを示す側面図である。図１０に示すように、第三実施形態に係るボビンツール５Ａの第一ショルダ１１及び第二ショルダ１２はいずれも円柱状を呈する。つまり、第一ショルダ１１の外径と接触面１１ｃの直径は同等になっており、第二ショルダ１２の外径と接触面１２ｃの直径は同等になっている。

ピン１３の外周面には、上半分に形成された左ネジの上部螺旋溝１３ａと、下半分に形成された右ネジの下部螺旋溝１３ｂとが刻設されている。つまり、上部螺旋溝１３ａは上から下に向けて左回りに巻回されるように刻設されており、下部螺旋溝１３ｂは上から下に向けて右回りに巻回されるように刻設されている。

ボビンツール５Ａのショルダ間距離（ピン１３の長さ）Ｚは、金属板１００Ａの板厚Ｔ以下になっていることが好ましい。例えば、本実施形態では、ショルダ間距離Ｚは、金属板１００Ａの板厚Ｔよりも０．４ｍｍ小さくなっている。

次に、第三実施形態のボビンツール５Ａを用いた伝熱板の製造方法について説明する。第三実施形態の伝熱板の製造方法では、図１１に示すように、ボビンツール５Ａを左回転させて接合を行う。具体的には、この伝熱板の製造方法では、金属板１００Ａ，１００Ｂを突き合わせる突き合せ工程と、突き合せ部Ｎにボビンツール５Ａを挿入する接合工程とを行う。ここでは、表面Ｓａを化粧面として設定する。突き合せ工程は、第一実施形態と同等であるため、説明を省略する。

接合工程では、突き合せ部Ｎの外部において、ピン１３の中心１３ｃが、突き合せ部Ｎの中心Ｎｃと重なるように位置させる。そして、図１１に示すように、左回転させたボビンツール５Ａを突き合せ部Ｎに沿って移動させる。ボビンツール５Ａが突き合せ部Ｎに挿入されると、高速回転するピン１３によってピン１３の周囲の金属が摩擦攪拌され金属板１００Ａ，１００Ｂ同士が一体化される。ピン１３の軌跡には塑性化領域Ｗが形成される。

この伝熱板の製造方法によれば、摩擦攪拌されて流動化された金属は、ピン１３の左ネジの上部螺旋溝１３ａと、右ネジの下部螺旋溝１３ｂに導かれて金属板１００Ａ（１００Ｂ）の中心Ｎｃから表面Ｓａ側及び裏面Ｓｂ側にそれぞれ移動する。左ネジの上部螺旋溝１３ａはショルダ間距離Ｚの（ピン１３の長さの）２５％以上の割合で形成されているため、この螺旋溝による金属の移動によってボビンツール５Ａが金属板１００Ａ（１００Ｂ）に対してスライド軸４側（上方）に押され、表面（化粧面）Ｓａに深く入り込むのを防ぐことができる。これにより、表面（化粧面）Ｓａに凹溝Ｖが発生するのを防ぐか、又は、凹溝Ｖが形成されたとしてもその凹溝Ｖの深さを小さくすることができる。

また、第三実施形態では、上部螺旋溝１３ａと下部螺旋溝１３ｂの割合が５０：５０であるため、移動する金属量を均等にすることができる。これにより、ピン１３の中心１３ｃと突き合せ部Ｎの中心Ｎｃとの位置ずれをより防ぐことができる。また、上部螺旋溝１３ａ及び下部螺旋溝１３ｂが刻設されているため、摩擦攪拌の攪拌効率を高めることができる。

＜第一変形例＞
第一変形例では、図１２の（ａ）に示すように、金属板１００Ａ，１００Ｂとの厚さが異なる点で前記した実施形態と相違する。第一変形例ではボビンツール５Ｂを用いる。ボビンツール５Ｂは、円柱状の第一ショルダ１１と、円柱状の第二ショルダ１２と、ピン１３とで構成されている。ピン１３には、上半分に形成された右ネジの上部螺旋溝１３ａと、下半分に形成された左ネジの下部螺旋溝１３ｂとが刻設されている。金属板１００Ｂの厚さＴ１は、１００Ａの厚さＴ２よりも大きくなっている。第一変形例では、金属板１００Ａの高さ方向の中点と、金属板１００Ｂの高さ方向の中点とが重なるように突き合わされている。

第一変形例に係る接合工程では、ボビンツール５Ｂを右回転させて、金属板１００Ａの突き合せ部Ｎの厚さが大きい方の金属板１００Ｂを進行方向に対して左側に配置する。

摩擦攪拌においては、回転ツールを右回転させた場合、ツールの進行方向左側（シアー側：回転ツールの回転速度に回転ツールの移動速度が加算される側）からツールの進行方向右側（フロー側：回転ツールの回転速度に回転ツールの移動速度が減算される側）に塑性流動化された金属が流れる傾向があるため、仮に、金属板同士の間に隙間がある場合には、シアー側の金属でその隙間が埋められると考えられる。したがって、シアー側の金属板の厚さが小さいと、金属が不足して接合後の塑性化領域の中央部の厚さが小さくなる傾向がある。ちなみに、回転ツールを左回転させた場合、ツールの進行方向右側がシアー側、左側がフロー側となる。

第一変形例では、シアー側にあたる金属板１００Ｂの厚さＴ１を金属板１００Ａの厚さＴ２よりも大きくすることで、塑性化領域Ｗの中央部の金属の不足を解消してより好適に接合することができる。

＜第二変形例＞
第二変形例では、図１２の（ｂ）に示すように、金属板１００Ｃと金属板１００Ｄとの厚さが異なる点で前記した実施形態と相違する。また、第二変形例では、左回転させるため、前記した第三実施形態で用いたボビンツール５Ａを用いる。金属板１００Ｃの厚さＴ１は、金属板１００Ｄの厚さＴ２よりも大きくなっている。第二変形例では、金属板１００Ｃの高さ方向の中点と、金属板１００Ｄの高さ方向の中点とが重なるように突き合わされている。

第二変形例に係る接合工程では、ボビンツール５を左回転させて、金属板１００Ｃの突き合せ部Ｎの厚さが大きい方の金属板１００Ｃ（金属板）を進行方向に対して右側に配置する。

第二変形例では、第一変形例と同様の原理により、シアー側にあたる金属板１００Ｃの厚さＴ１を金属板１００Ｄの厚さＴ２よりも大きくすることで、塑性化領域Ｗの中央部の金属の不足を解消してより好適に接合することができる。

なお、以上説明した実施形態及び変形例では、ボビンツール又は回転ツールを回転ツールユニット２のスライド軸４に取り付けて、摩擦攪拌によって変形した金属板１００Ａ，１００Ｂの位置がボビンツール又は回転ツールの軸方向に変位した際に、その変位に追従してボビンツール又は回転ツールが軸方向に移動するように構成したがこれに限定するものではない。例えば、摩擦攪拌によって変形した金属板１００Ａ，１００Ｂの位置がボビンツール又は回転ツールの軸方向に変位した際に、その変位に追従してボビンツール又は回転ツールが軸方向に移動しない摩擦撹拌装置にボビンツール又は回転ツールを取り付けて摩擦攪拌接合を行ってもよい。

＜実施例１＞
次に本発明の実施例１について説明する。実施例１では、図１３の（ａ）に示すように、３枚の金属板２０１，２０２，２０３を積層した後、積層した金属板を摩擦攪拌接合する。金属板２０１，２０２，２０３の総厚みｔ４は７．０ｍｍに設定した。金属板２０１，２０３は、同じ厚みになっている。金属板２０２は金属板２０１よりも若干厚くなっている。

図１３の（ｂ）に示すように、実施例１では第一実施形態で用いたボビンツール５と同じ形態のものを用いた。第一ショルダ１１の接触面１１ｃ及び第二ショルダ１２の接触面１２ｃの直径はいずれも１０ｍｍである。ピン１３の外径は６ｍｍである。ショルダ間距離Ｚは６．８ｍｍに設定した。

ピンの螺旋溝のピッチは２．０ｍｍと１．０ｍｍの二種類を用意して、それぞれ条件１〜３で摩擦攪拌接合を行った。条件１では、接合速度を４００ｍｍ／ｍｉｎ、回転速度を６００ｒｐｍに設定した。条件２では、接合速度を５００ｍｍ／ｍｉｎ、回転速度７００ｒｐｍに設定した。条件３では、接続速度を６００ｍｍ／ｍｉｎ、回転速度８００ｒｐｍに設定した。

図１４に示すように、ピッチ２．０ｍｍ、１．０ｍｍにおける条件１〜３のいずれの条件においても接合状態は良好であった。前記した第二実施形態に係る伝熱板の製造方法では、下板部１０１、上板部１０２及び継手部材１２３の三つの部材を重ね合わせた部分に摩擦攪拌接合を行ったが、実施例１の条件であれば好適に接合できることがわかった。なお、具体的な図示は省略するが、ショルダ間距離Ｚを６．６ｍｍに設定して接合した場合においても好適に接合できることが確認できた。また、具体的な図示は省略するが、第一ショルダ１１の接触面１１ｃ及び第二ショルダ１２の接触面１２ｃの直径をいずれも１１ｍｍに設定し、ピン１３の外径を７ｍｍとし、ショルダ間距離Ｚを６．８ｍｍ又は６．６ｍｍに設定した場合についても好適に接合できることが確認できた。

１ 摩擦攪拌装置
１ａ チャック部
２ 回転ツールユニット
３ ホルダー
４ スライド軸
５ ボビンツール
１１ 第一ショルダ
１２ 第二ショルダ
１３ ピン
１００Ａ金属板
１００Ｂ金属板
Ｎ 突き合せ部
Ｔ 金属板の厚さ
Ｗ 塑性化領域（接合部）
Ｚ ショルダ間距離（ピンの長さ）

Claims (7)

1. 内部に複数の流路孔を備えた金属板同士を、回転ツールユニットを用いて接合して伝熱板を製造する伝熱板の製造方法であって、
   前記回転ツールユニットは、
   第一ショルダと、第二ショルダと、前記第一ショルダと前記第二ショルダの間に形成されたピンとを有するボビンツールと、を有し、
   前記金属板の端面同士を付き合わせる突き合せ工程と、
   突き合せ部に回転させた前記ボビンツールのピンを移動させて摩擦攪拌接合を行う接合工程と、を含み、
   前記接合工程では、前記第一ショルダと前記第二ショルダのショルダ間の距離を、前記金属板の厚さ以下に設定することを特徴とする伝熱板の製造方法。
2. 前記接合工程では、前記第一ショルダ及び前記第二ショルダのうち前記金属板と接触する接触面の直径を、一方の前記金属板の端部に形成された前記流路孔から他方の金属板の端部に形成された前記流路孔までの距離よりも小さく設定することを特徴とする請求項１に記載の伝熱板の製造方法。
3. 前記金属板は、アルミニウム合金の押出形材であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の伝熱板の製造方法。
4. 流体が流れる複数の流路孔と複数の前記流路孔の端部を連結するヘッダー流路孔とを備えた伝熱板の製造方法であって、
   下板部と、上板部と、前記下板部と前記上板部とを連結する複数の壁部と、前記下板部と前記上板部と一対の前記壁部とで構成される複数の流路孔と、を備えた金属板において、
   前記壁部の端部を切除する切除工程と、
   前記切除工程で切除した部分において、前記下板部と前記上板部の間に継手部材を挿入する挿入工程と、
   前記下板部、前記継手部材及び前記上板部を回転ツールユニットで摩擦攪拌接合するヘッダー流路孔形成工程と、を含み、
   前記回転ツールユニットは、
   第一ショルダと、第二ショルダと、前記第一ショルダと前記第二ショルダの間に形成されたピンと、を有するボビンツールを有し、
   ヘッダー流路孔形成工程では、前記第一ショルダと前記第二ショルダのショルダ間の距離を、前記金属板の厚さ以下に設定することを特徴とする伝熱板の製造方法。
5. 前記ヘッダー流路孔形成工程では、前記第一ショルダ及び前記第二ショルダのうち前記金属板に接触する接触面の直径が、前記継手部材の幅よりも小さく設定されていることを特徴とする請求項４に記載の伝熱板の製造方法。
6. 流体が流れる複数の流路孔と複数の前記流路孔の端部を連結するヘッダー流路孔とを備えた伝熱板の製造方法であって、
   下板部と、上板部と、前記下板部と前記上板部とを連結する複数の壁部と、前記下板部と前記上板部と一対の前記壁部とで構成される複数の流路孔と、を備えた金属板において、
   前記壁部の端部を切除する切除工程と、
   前記切除工程で切除した部分において、前記下板部と前記上板部の間に継手部材を挿入する挿入工程と、
   前記下板部、前記継手部材及び前記上板部を回転ツールで摩擦攪拌接合するヘッダー流路孔形成工程と、を含み、
   前記回転ツールは、ショルダと、前記ショルダに形成された攪拌ピンとで構成され、
   前記ヘッダー流路孔形成工程は、前記ショルダと前記金属板を接触させつつ前記上板部と前記継手部材とを接合する上板部接合工程と、前記ショルダと前記金属板を接触させつつ前記下板部と前記継手部材とを接合する下板部接合工程とを含むことを特徴とする伝熱板の製造方法。
7. 前記ヘッダー流路孔形成工程では、前記ショルダのうち前記金属板に接触する接触面の直径が、前記継手部材の幅よりも小さく設定されていることを特徴とする請求項６に記載の伝熱板の製造方法。