JP2016087649A - 液冷ジャケットの製造方法及び液冷ジャケット - Google Patents

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【課題】熱伝導性及び耐変形性が高く、かつ、小型化を図ることができる液冷ジャケットの製造方法を提供する。【解決手段】ジャケット本体2に封止体3を載置する載置工程と、周壁段差部の段差側面と封止体3の外周側面とが突き合わされた第一突合せ部J1に沿って本接合用回転ツールFを一周させて摩擦攪拌を行う第一本接合工程と、支柱段差部の段差側面と孔部19の孔壁19aとが突き合わされた第二突合せ部J2に沿って本接合用回転ツールFを一周させて摩擦攪拌を行う第二本接合工程と、を含むことを特徴とする。【選択図】図9

Description

本発明は、液冷ジャケットの製造方法及び液冷ジャケットに関する。
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(発熱体)の発熱量が増大している。また、ハイブリッド自動車、電気自動車及び高速鉄道車輌等では、モーターのスイッチング等に発熱量の大きいパワー半導体が用いられている。発熱量の大きい電子機器を安定して作動させるためには信頼性の高い冷却装置が必要である。
従来、発熱体を冷却するために、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、水冷方式の水冷板(液冷ジャケット)が注目されている。
例えば、特許文献1には、発熱体を冷却する液冷ジャケットが記載されている。図27は、従来の液冷ジャケットを示す断面図である。図27に示すように、従来の液冷ジャケット300は、ジャケット本体310と、ジャケット本体310の凹部を覆う封止体320とで構成されている。ジャケット本体310には、ネジ溝311が形成されている。封止体320は、基板321と、基板321に対して垂直に形成された複数のフィン322とで構成されている。
ジャケット本体310と封止体320とは摩擦攪拌によって接合されている。発熱体HのフランジH1は、ネジMでネジ溝311に固定されている。
特開2010−69503号公報
図27に示した液冷ジャケット300では、発熱体Hの熱がネジM及びネジ溝311を介してジャケット本体310の壁部312に伝達し、当該壁部312に熱が留まる熱リークが発生するおそれがある。また、壁部312にネジ溝311を設けるためのスペースを確保しなければならないため、液冷ジャケット300が大型化する傾向にある。また、封止体320の中央部分はジャケット本体310に支持されていないため、耐変形性が低いという問題がある。
そこで、本発明は、熱伝導性及び耐変形性が高く、かつ、小型化を図ることができる液冷ジャケットの製造方法及び液冷ジャケットを提供することを課題とする。
前記課題を解決するために、本発明(本願第一発明)は、底部、前記底部の周縁から立ち上がる周壁部及び前記底部から立ち上がる支柱を有するジャケット本体と、前記支柱の先端が挿入される孔部を備えるとともに前記ジャケット本体の開口部を封止する封止体とで構成され、前記ジャケット本体と前記封止体とを摩擦攪拌で接合する液冷ジャケットの製造方法であって、前記支柱は、液冷ジャケットに発熱体を固定するための取付部材が挿入される部位であり、前記周壁部の内周縁に、段差底面と当該段差底面から立ち上がる段差側面とを有する周壁段差部を形成し、且つ前記支柱の支柱端面を前記周壁部の周壁端面と同一の高さ位置に形成するとともに、前記支柱の先端の外周に段差底面と当該段差底面から立ち上がる段差側面とを有する支柱段差部を形成する準備工程と、前記ジャケット本体に前記封止体を載置する載置工程と、前記周壁段差部の段差側面と前記封止体の外周側面とが突き合わされた第一突合せ部に沿って回転ツールを一周させて摩擦攪拌を行う第一本接合工程と、前記支柱段差部の段差側面と前記孔部の孔壁とが突き合わされた第二突合せ部に沿って回転ツールを一周させて摩擦攪拌を行う第二本接合工程と、を含むことを特徴とする。
また、本発明(本願第二発明)は、底部、前記底部の周縁から立ち上がる周壁部及び前記底部から立ち上がる支柱を有するジャケット本体と、前記ジャケット本体の開口部を封止する封止体とで構成され、前記ジャケット本体と前記封止体とを摩擦攪拌で接合する液冷ジャケットの製造方法であって、前記支柱は、液冷ジャケットに発熱体を固定するための取付部材が挿入される部位であり、前記周壁部の内周縁に、段差底面と当該段差底面から立ち上がる段差側面とを有する周壁段差部を形成するとともに、前記支柱の支柱端面を前記周壁段差部の段差底面と同一の高さ位置に形成する準備工程と、前記ジャケット本体に前記封止体を載置する載置工程と、前記周壁段差部の段差側面と前記封止体の外周側面とが突き合わされた第一突合せ部に沿って回転ツールを一周させて摩擦攪拌を行う第一本接合工程と、前記支柱の支柱端面と前記封止体の裏面とが重ね合わされた重合部に対して回転ツールを移動させて摩擦攪拌を行う第二本接合工程と、を含むことを特徴とする。
かかる製造方法によれば、封止体が支柱で支持されるとともに、封止体と支柱とが摩擦攪拌接合されるため液冷ジャケットの耐変形性を高めることができる。また、支柱が液冷ジャケットの中空部内に配置されるため、支柱の外面にも熱輸送流体が接触するようになる。したがって、取付部材を介して発熱体から支柱に伝達される熱を効率よく排出することができる。つまり、発熱体を液冷ジャケットに固定する取付部材を介しての熱リークを防ぐことができる。また、発熱体が固定される支柱がジャケット本体の内部に配置されるため、液冷ジャケットの小型化を図ることができる。
また、本願第一発明において、前記回転ツールは、前記封止体の厚さよりも長い攪拌ピンを備える本接合用回転ツールであり、前記第一本接合工程及び前記第二本接合工程では、前記ジャケット本体及び前記封止体に前記攪拌ピンのみを接触させた状態で摩擦攪拌を行うことが好ましい。
また、本願第二発明において、前記回転ツールは、前記封止体の厚さよりも長い攪拌ピンを備える本接合用回転ツールであり、前記第一本接合工程では、前記ジャケット本体及び前記封止体に前記攪拌ピンのみを接触させた状態で摩擦攪拌を行うとともに、前記第二本接合工程では、前記ジャケット本体及び前記封止体に前記攪拌ピンのみを接触させた状態で摩擦攪拌を行うか、又は前記封止体のみに前記攪拌ピンのみを接触させた状態で摩擦攪拌を行うことが好ましい。
かかる製造方法によれば、封止体にショルダ部を入り込ませないため、塑性化領域の幅を小さくすることができる。これにより、周壁段差部の段差底面の幅及び支柱段差部の段差底面の幅を小さくすることができるため、設計の自由度を向上させることができる。また、封止体にショルダ部を入り込ませないため、ジャケット本体及び封止体に作用する押圧力を低減することができる。これにより、各段差底面の幅を小さくしても、周壁部と封止体とで構成される内隅部及び支柱と封止体とで構成される内隅部からの金属材料の流出を防ぐことができる。また、攪拌ピンのみをジャケット本体及び封止体、若しくは封止体のみに挿入するため、回転ツールのショルダ部を押し込む場合に比べて摩擦攪拌装置にかかる負荷を軽減することができる。また、摩擦攪拌装置にかかる負荷を軽減することができるため、摩擦攪拌装置に大きな負荷がかからない状態で、突合せ部の深い位置まで接合することができるか、若しくは、深い位置にある重合部を接合することができる。
また、本願第一発明において、前記第一本接合工程及び前記第二本接合工程に先だって、前記第一突合せ部及び前記第二突合せ部の少なくともいずれかを仮接合する仮接合工程を含むことが好ましい。
また、本願第二発明において、前記第一本接合工程及に先だって、前記第一突合せ部を仮接合する仮接合工程を含むことが好ましい。
かかる製造方法によれば、仮接合を行うことで第一本接合工程、第二本接合工程の際の各突合せ部の目開きを防ぐことができる。
また、前記準備工程では、前記ジャケット本体をダイキャストで形成するとともに前記底部が表面側に凸となるように形成し、かつ、前記封止体が表面側に凸となるように形成することが好ましい。
摩擦攪拌接合の入熱によって塑性化領域に熱収縮が発生し、液冷ジャケットの封止体側が凹となるように変形するおそれがあるが、かかる製造方法によれば、ジャケット本体及び封止体を予め凸にしておき、熱収縮を利用することで液冷ジャケットを平坦にすることができる。
また、前記ジャケット本体の変形量を予め計測しておき、前記第一本接合工程及び前記第二本接合工程において、前記回転ツールの攪拌ピンの挿入深さを前記変形量に合わせて調節しながら摩擦攪拌を行うことが好ましい。
かかる製造方法によれば、ジャケット本体及び封止体を凸状に湾曲させて摩擦攪拌接合を行った場合でも、液冷ジャケットに形成される塑性化領域の長さ及び幅を一定にすることができる。
また、前記第一本接合工程及び前記第二本接合工程では、冷却媒体が流れる冷却板を前記底部の裏面側に設置し、前記冷却板で前記ジャケット本体及び前記封止体を冷却しながら摩擦攪拌を行うことが好ましい。
かかる製造方法によれば、摩擦熱を低く抑えることができるため、熱収縮による液冷ジャケットの変形を小さくすることができる。
また、前記冷却板の表面と前記底部の裏面とを面接触させることが好ましい。かかる製造方法によれば、冷却効率を高めることができる。
また、前記冷却板は、前記冷却媒体が流れる冷却流路を有し、前記冷却流路は、前記第一本接合工程における前記回転ツールの移動軌跡に沿う平面形状を備えることが好ましい。
かかる製造方法によれば、摩擦攪拌される部分を集中的に冷却できるため、冷却効率をより高めることができる。
また、前記冷却媒体が流れる冷却流路は、前記冷却板に埋設された冷却管によって構成されていることが好ましい。かかる製造方法によれば、冷却媒体の管理を容易に行うことができる。
また、前記第一本接合工程及び前記第二本接合工程では、前記ジャケット本体と前記封止体とで構成される中空部に冷却媒体を流し、前記ジャケット本体及び前記封止体を冷却しながら摩擦攪拌を行うことが好ましい。
かかる製造方法によれば、摩擦熱を低く抑えることができるため、熱収縮による液冷ジャケットの変形を小さくすることができる。また、冷却板等を用いずに、ジャケット本体自体を利用して冷却することができる。
また、本発明は、底部、前記底部の周縁から立ち上がる周壁部及び前記底部から立ち上がる支柱を有するジャケット本体と、前記支柱の先端が挿入される孔部を備えるとともに前記ジャケット本体の開口部を封止する封止体と、を有し、前記支柱は、液冷ジャケットに発熱体を固定するための取付部材が挿入される部位であり、前記周壁部は内周縁に周壁段差部を有するとともに、前記支柱は先端に支柱段差部を有し、前記周壁段差部の段差側面と前記封止体の外周側面とが突き合わされた第一突合せ部及び前記支柱段差部の段差側面と前記孔部の孔壁とが突き合わされた第二突合せ部がそれぞれ摩擦攪拌接合されていることを特徴とする。
また、本発明は、底部、前記底部の周縁から立ち上がる周壁部及び前記底部から立ち上がる支柱を有するジャケット本体と、前記ジャケット本体の開口部を封止する封止体と、を有し、前記支柱は、液冷ジャケットに発熱体を固定するための取付部材が挿入される部位であり、前記周壁部は内周縁に周壁段差部を有し、前記周壁段差部の段差側面と前記封止体の外周側面とが突き合わされた第一突合せ部及び前記支柱の支柱端面と前記封止体の裏面とが重ね合わされた重合部がそれぞれ摩擦攪拌接合されていることを特徴とする。
かかる構成によれば、封止体が支柱で支持されるとともに、封止体と支柱とが摩擦攪拌接合されるため液冷ジャケットの耐変形性を高めることができる。また、支柱が液冷ジャケットの中空部内に配置されるため、支柱の外面にも熱輸送流体が接触するようになる。したがって、取付部材を介して発熱体から支柱に伝達される熱を効率よく排出することができる。つまり、発熱体を液冷ジャケットに固定する取付部材を介しての熱リークを防ぐことができる。また、発熱体が装着される支柱がジャケット本体の内部に配置されるため、液冷ジャケットの小型化を図ることができる。
本発明に係る液冷ジャケットの製造方法によれば、熱伝導性及び耐変形性を高めるとともに小型化を図ることができる。
(a)は本実施形態の本接合用回転ツールを示した側面図であり、(b)は本接合用回転ツールの接合形態を示した模式断面図である。 (a)は本実施形態の仮接合用回転ツールを示した側面図であり、(b)は仮接合用回転ツールの接合形態を示した模式断面図である。 本発明の第一実施形態に係る液冷ジャケットの斜視図である。 本発明の第一実施形態に係る液冷ジャケットを示す分解斜視図である。 図3のI−I断面図である。 第一実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法を示す断面図であって、(a)は載置工程前を示し、(b)は載置工程後を示す。 第一実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法の仮接合工程を示す平面図である。 第一実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法の第一本接合工程を示す図であって、(a)は平面図であり、(b)は(a)の断面図である。 第一実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法の第二本接合工程を示す図であって、(a)は平面図であり、(b)は(a)のII−II断面図である。 第一実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法示す断面図であって、(a)は穿設工程を示し、(b)は装着工程を示す。 第一実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法の第一変形例を示す斜視図である。 第一実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法の第二変形例を示す図であって、(a)はテーブルを示す斜視図であり、(b)はジャケット本体及び封止体をテーブルに固定した状態を示す斜視図である。 第一実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法の第三変形例を示す分解斜視図である。 第一実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法の第三変形例のジャケット本体及び封止体をテーブルに固定する状態を示す斜視図である。 第二実施形態に係る液冷ジャケットを示す分解斜視図である。 第二実施形態に係る液冷ジャケットを示す断面図である。 第二実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法を示す断面図であって、(a)は載置工程前を示し、(b)は載置工程後を示す。 第二実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法の仮接合工程を示す平面図である。 第二実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法の第一本接合工程を示す図であって、(a)は平面図であり、(b)は(a)の断面図である。 第二実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法の第二本接合工程を示す図であって、(a)は平面図であり、(b)は(a)のIII−III断面図である。 第二実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法を示す断面図であって、(a)は穿設工程を示し、(b)は装着工程を示す。 第三実施形態に係る液冷ジャケットを示す分解斜視図である。 第三実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法の載置工程を示す図であって、(a)は平面図であり、(b)は断面図である。 第三実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法の第一本接合工程を示す図であって、(a)は平面図であり、(b)は(a)の断面図である。 第三実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法の第二本接合工程を示す図であって、(a)は平面図であり、(b)は(a)のIV−IV断面図である。 第三実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法を示す断面図であって、(a)は穿設工程を示し、(b)は装着工程を示す。 従来の液冷ジャケットを示す断面図である。
〔第一実施形態〕
本発明の第一実施形態に係る液冷ジャケット及び液冷ジャケットの製造方法について、図面を参照して詳細に説明する。まずは、本実施形態で用いる本接合用回転ツール及び仮接合用回転ツールについて説明する。
図1の(a)に示すように、本接合用回転ツールFは、連結部F1と、攪拌ピンF2とで構成されている。本接合用回転ツールFは、例えば工具鋼で形成されている。連結部F1は、図1の(b)に示す摩擦攪拌装置の回転軸Dに連結される部位である。連結部F1は円柱状を呈し、ボルトが締結されるネジ孔B,Bが形成されている。
攪拌ピンF2は、連結部F1から垂下しており、連結部F1と同軸になっている。攪拌ピンF2は連結部F1から離間するにつれて先細りになっている。攪拌ピンF2の長さは、後記する封止体3の板厚よりも大きくなっている。攪拌ピンF2の外周面には螺旋溝F3が刻設されている。本実施形態では、本接合用回転ツールFを右回転させるため、螺旋溝F3は、基端から先端に向かうにつれて左回りに形成されている。言い換えると、螺旋溝F3は、螺旋溝F3を基端から先端に向けてなぞると上から見て左回りに形成されている。
なお、本接合用回転ツールFを左回転させる場合は、螺旋溝F3を基端から先端に向かうにつれて右回りに形成することが好ましい。言い換えると、この場合の螺旋溝F3は、螺旋溝F3を基端から先端に向けてなぞると上から見て右回りに形成されている。螺旋溝F3をこのように設定することで、摩擦攪拌の際に塑性流動化した金属が螺旋溝F3によって攪拌ピンF2の先端側に導かれる。これにより、被接合金属部材(後記するジャケット本体2及び封止体3)の外部に溢れ出る金属の量を少なくすることができる。
図1の(b)に示すように、本接合用回転ツールFを用いて摩擦攪拌接合をする際には、被接合金属部材に回転した攪拌ピンF2のみを挿入し、被接合金属部材と連結部F1とは離間させつつ移動させる。言い換えると、攪拌ピンF2の基端部は露出させた状態で摩擦攪拌接合を行う。本接合用回転ツールFの移動軌跡には摩擦攪拌された金属が硬化することにより塑性化領域W1(又は塑性化領域W2)が形成される。
仮接合用回転ツールGは、図2の(a)に示すように、ショルダ部G1と、攪拌ピンG2とで構成されている。仮接合用回転ツールGは、例えば工具鋼で形成されている。ショルダ部G1は、図2の(b)に示すように、摩擦攪拌装置の回転軸Dに連結される部位であるとともに、塑性流動化した金属を押える部位である。ショルダ部G1は円柱状を呈する。ショルダ部G1の下端面は、流動化した金属が外部へ流出するのを防ぐために凹状になっている。
攪拌ピンG2は、ショルダ部G1から垂下しており、ショルダ部G1と同軸になっている。攪拌ピンG2はショルダ部G1から離間するにつれて先細りになっている。攪拌ピンG2の外周面には螺旋溝G3が刻設されている。
図2の(b)に示すように、仮接合用回転ツールGを用いて摩擦攪拌接合をする際には、回転した攪拌ピンG2とショルダ部G1の下端面を被接合金属部材に挿入しつつ移動させる。仮接合用回転ツールGの移動軌跡には摩擦攪拌された金属が硬化することにより塑性化領域Wが形成される。
次に、本実施形態の液冷ジャケットについて説明する。図3に示すように、本実施形態に係る液冷ジャケット1は、ジャケット本体2と、封止体3とで構成されており、直方体を呈する。ジャケット本体2と封止体3とは摩擦攪拌接合によって一体化されている。液冷ジャケット1は、内部に中空部が形成されており、当該中空部に、例えば水等の熱輸送流体が流れるようになっている。液冷ジャケット1は、中空部に熱輸送流体を流通させて、例えば、液冷ジャケット1に装着された発熱体を冷却することができる。
図4に示すように、ジャケット本体2は、上方が開口された箱状体である。ジャケット本体2は、底部10と、周壁部11と、複数の支柱12とを含んで構成されている。ジャケット本体2は、摩擦攪拌可能な金属から適宜選択すればよいが、本実施形態ではアルミニウム又はアルミニウム合金を用いている。
底部10は、平面視矩形の板状を呈する。周壁部11は、底部10の周縁に立設されており、平面視矩形枠状を呈する。周壁部11は、同じ板厚からなる壁部11A,11B,11C,11Dで構成されている。壁部11A,11Bは短辺部となっており、互いに対向している。また、壁部11C,11Dは長辺部となっており、互いに対向している。底部10及び周壁部11の内部には凹部13が形成されている。
周壁部11の端面となる周壁端面11aには、ジャケット本体2の周壁部11の内周縁に沿って周壁段差部14が形成されている。周壁段差部14は、段差底面14aと、段差底面14aから立ち上がる段差側面14bとで構成されている。段差底面14aは、周壁端面11aから一段下がった位置に形成されている。
支柱12は、底部10に立設されており、柱状を呈する。支柱12の本数は1以上であれば何本でもよいが、本実施形態では4本形成されている。支柱12の形状は、それぞれ同等になっている。支柱12は、大径部15と、大径部15の先端に突設された小径部16とで構成されている。大径部15及び小径部16は、いずれも円柱状を呈する。大径部15と小径部16との段差で支柱段差部17が形成されている。
支柱段差部17は、段差底面17aと、段差底面17aから立ち上がる段差側面17bとで構成されている。小径部16の端面には、支柱端面16aが形成されている。段差底面17aは、周壁段差部14の段差底面14aと同じ高さ位置に形成されている。また、支柱端面16aは、周壁端面11aと同じ高さ位置に形成されている。
封止体3は、ジャケット本体2の開口部を封止する平面視矩形の板状部材である。封止体3の材料は特に制限されないが、本実施形態では、ジャケット本体2と同じ材料で形成されている。封止体3は、周壁段差部14にほぼ隙間なく載置される大きさで形成されている。封止体3の板厚寸法は、段差側面14bの高さ寸法と略同等になっている。封止体3には、支柱12に対応する4つの孔部19が形成されている。孔部19は、平面視円形を呈し、小径部16が挿入される。
図5に示すように、液冷ジャケット1は、ジャケット本体2と封止体3とが摩擦攪拌で接合されて一体化されている。液冷ジャケット1は、周壁段差部14の段差側面14bと封止体3の外周側面3cとが突き合わされた第一突合せ部J1及び支柱段差部17の段差側面17bと孔部19の孔壁19aとが突き合わされた4つの第二突合せ部J2が摩擦攪拌によってそれぞれ接合されている。第一突合せ部J1には、塑性化領域W1が形成され、第二突合せ部J2には、塑性化領域W2が形成されている。液冷ジャケット1の内部には、熱を外部に輸送する熱輸送流体が流れる中空部が形成されている。
次に、第一実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法(発熱体付液冷ジャケットの製造方法)について説明する。液冷ジャケットの製造方法では、準備工程と、載置工程と、固定工程と、仮接合工程と、第一本接合工程と、第二本接合工程と、穿設工程と、バリ切除工程と、装着工程とを行う。
準備工程は、図4に示すように、ジャケット本体2及び封止体3を形成する工程である。ジャケット本体2は、例えば、ダイキャストで形成する。
載置工程は、図6の(a)及び(b)に示すように、支柱12の小径部16に封止体3の孔部19を挿通させつつジャケット本体2に封止体3を載置する工程である。封止体3の裏面3bは、周壁段差部14の段差底面14a及び支柱段差部17の段差底面17aにそれぞれ面接触する。載置工程により、周壁段差部14の段差側面14bと、封止体3の外周側面3cとが突き合わされて第一突合せ部J1が形成される。第一突合せ部J1は平面視矩形状を呈する。また、載置工程により、支柱段差部17の段差側面17bと孔部19の孔壁19aとが突き合わされて第二突合せ部J2が形成される。第二突合せ部J2は、平面視円形状を呈する。
固定工程では、ジャケット本体2及び封止体3をテーブル(図示省略)に固定する。ジャケット本体2及び封止体3は、クランプ等の固定治具によってテーブルに移動不能に拘束される。
仮接合工程は、図7に示すように、ジャケット本体2と封止体3とを仮接合する工程である。仮接合工程では、仮接合用回転ツールGを用いて突合せ部J1に対して摩擦攪拌接合を行う。仮接合用回転ツールGの移動軌跡には、塑性化領域Wが形成される。仮接合は連続的に行ってもよいし、図7に示すように断続的に行ってもよい。仮接合用回転ツールGは小型であるため、当該仮接合におけるジャケット本体2及び封止体3の熱変形は小さくなっている。
第一本接合工程は、図8の(a)及び(b)に示すように、本接合用回転ツールFを用いて第一突合せ部J1に対して摩擦攪拌接合を行う工程である。第一本接合工程では、右回転させた本接合用回転ツールFを第一突合せ部J1上の任意の開始位置s1に挿入し、本接合用回転ツールFを第一突合せ部J1に沿って右回りに移動させる。つまり、本接合用回転ツールFを封止体3の周縁に沿って右回りに一周させる。
図8の(b)に示すように、攪拌ピンF2の挿入深さは、攪拌ピンF2の先端が、周壁段差部14の段差底面14aに達するように設定するとともに、封止体3及び周壁部11に攪拌ピンF2のみが接触するように設定する。そして、本接合用回転ツールFを一定の高さ位置を保った状態で第一突合せ部J1をなぞるようにして移動させる。
本実施形態のように、本接合用回転ツールFを封止体3の周りを右回りに移動させる場合は、本接合用回転ツールを右回転させることが好ましい。一方、本接合用回転ツールFを封止体3の周りに左周りに移動させる場合は、本接合用回転ツールFを左回転させることが好ましい。
回転ツールを右回転させると進行方向左側、左回転させると進行方向右側に接合欠陥が発生する可能性があり、板厚の薄い封止体3に当該接合欠陥が形成されると水密性及び気密性が低下するおそれがある。しかし、本接合用回転ツールFの進行方向及び回転方向を前記したように設定することで、摩擦攪拌接合に伴う接合欠陥が比較的厚さの大きいジャケット本体2側に形成されるとともに、液冷ジャケット1の中空部から遠い位置に形成されるため、水密性及び気密性の低下を抑制することができる。
図8の(a)に示すように、本接合用回転ツールFを第一突合せ部J1に沿って一周させた後、開始位置s1を通過させる。そして、本接合用回転ツールFを外側に偏移させつつ、壁部11Aの周壁端面11aに設定された終了位置e1まで本接合用回転ツールFを移動させ、終了位置e1に達したら、本接合用回転ツールFを上方に移動させて壁部11Aから本接合用回転ツールFを離脱させる。
本接合用回転ツールFを壁部11Aから離脱させた後に、壁部11Aの周壁端面11aに引抜跡が残存する場合は、当該引抜跡を補修する補修工程を行ってもよい。補修工程は、例えば、肉盛溶接を行って当該引抜跡に溶接金属を埋めて補修することができる。これにより、周壁端面11aを平坦にすることができる。
なお、本接合用回転ツールFを周壁部11から離脱させる場合は、例えば、本接合用回転ツールFを周壁部11の周壁端面11a上で移動させつつ、本接合用回転ツールFを徐々に上方に移動させて、本接合用回転ツールFの挿入深さが徐々に浅くなるようにしてもよい。このようにすることで、周壁端面11aに第一本接合工程後の引抜跡が残存しないか、もしくは引抜跡を小さくすることができる。
第二本接合工程は、図9の(a)及び(b)に示すように、本接合用回転ツールFを用いて各第二突合せ部J2に対して摩擦攪拌接合を行う工程である。第二本接合工程では、右回転させた本接合用回転ツールFを第二突合せ部J2の任意の開始位置s2に挿入し、本接合用回転ツールFを第二突合せ部J2に沿って左回りに移動させる。第二本接合工程によって、第二突合せ部J2には、塑性化領域W2が形成される。
図9の(b)に示すように、攪拌ピンF2の挿入深さは、攪拌ピンF2の先端が、支柱段差部17の段差底面17aに達するように設定するとともに、封止体3及び支柱12に攪拌ピンF2のみが接触するように設定する。そして、本接合用回転ツールFを一定の深さを保った状態で第二突合せ部J2をなぞるようにして移動させる。
第二本接合工程では、本実施形態のように本接合用回転ツールFを支柱12に対して左回りに移動させる場合は、本接合用回転ツールFを右回転することが好ましい。一方、本接合用回転ツールFを支柱12に対して右回りに移動させる場合は、本接合用回転ツールFを左回転させることが好ましい。本接合用回転ツールFの進行方向及び回転方向を前記したように設定することで、摩擦攪拌接合に伴う接合欠陥が比較的厚さの大きい支柱12側に形成されるとともに、液冷ジャケット1の中空部から遠い位置に形成されるため、水密性及び気密性の低下を抑制することができる。
図9の(a)に示すように、本接合用回転ツールFを第二突合せ部J2に沿って一周させた後、そのまま開始位置s2を通過させる。そして、第二突合せ部J2上に設定された終了位置e2まで本接合用回転ツールFを移動させ、終了位置e2に達したら、本接合用回転ツールFを上方に移動させて第二突合せ部J2から本接合用回転ツールFを離脱させる。
本接合用回転ツールFを第二突合せ部J2から離脱させた後に、第二突合せ部J2に引抜跡が残存する場合は、当該引抜跡を補修する補修工程を行ってもよい。補修工程は、例えば、肉盛溶接を行って当該引抜跡に溶接金属を埋めて補修することができる。これにより、封止体3の表面3a及び支柱12の支柱端面16aを平坦にすることができる。
なお、本接合用回転ツールFを第二突合せ部J2から離脱させる場合は、本接合用回転ツールFを支柱12の中心方向に偏移させて支柱12上で離脱させてもよい。また、本接合用回転ツールFを第二突合せ部J2から離脱させる場合は、例えば、本接合用回転ツールFを第二突合せ部J2上又は支柱端面16a上で移動させつつ、本接合用回転ツールFを徐々に上方に移動させて、本接合用回転ツールFの挿入深さが徐々に浅くなるようにしてもよい。このようにすることで、封止体3の表面3a及び支柱12の支柱端面16aに第二本接合工程後の引抜跡が残存しないか、もしくは引抜跡を小さくすることができる。
穿設工程は、図10の(a)に示すように、各支柱12に発熱体Hを装着するための固定孔Xを形成する工程である。固定孔Xは、支柱12に達するように形成する。
バリ切除工程では、第一本接合工程、第二本接合工程及び穿設工程によってジャケット本体2及び封止体3の表面に露出するバリを切除する。これにより、ジャケット本体2及び封止体3の表面をきれいに仕上げることができる。
装着工程は、図10の(b)に示すように、取付部材Mを介して発熱体Hを装着する工程である。発熱体Hを装着する場合は、発熱体HのフランジH1に形成された貫通孔と固定孔Xとを連通させつつ、ネジ等の取付部材Mで固定する。取付部材Mは、支柱12に達する位置まで挿入する。
なお、本実施形態では支柱端面16aに固定孔Xを形成し、封止体3側に発熱体Hを装着したが、底部10に支柱12に達する固定孔を形成し、底部10側に発熱体Hを装着してもよい。発熱体Hは、封止体3及び底部10の少なくともいずれか一方に装着されればよい。また、本実施形態では、固定孔Xを形成したが、固定孔Xを形成せずに取付部材Mで発熱体Hを固定してもよい。
以上説明した液冷ジャケットの製造方法によれば、封止体3が支柱12で支持されるとともに、封止体3と支柱12とが摩擦攪拌接合されるため液冷ジャケット1の耐変形性を高めることができる。また、本実施形態によれば、支柱12が液冷ジャケット1内の中空部内に配置されるため、支柱12の外周面にも熱輸送流体が接触するようになる。したがって、取付部材Mを介して発熱体Hから支柱12に伝達される熱を効率よく排出することができる。つまり、発熱体Hを液冷ジャケット1に固定する取付部材Mを介しての熱リークを防ぐことができる。また、発熱体Hが固定される支柱12がジャケット本体2の内部に配置されるため、液冷ジャケット1の小型化を図ることができる。
また、第一本接合工程及び第二本接合工程において、ジャケット本体2及び封止体3に回転ツールのショルダ部を入り込ませないため、従来よりも塑性化領域W1,W2の幅を小さくすることができるとともに、ジャケット本体2及び封止体3に作用する押圧力を低減することができる。従来の製造方法では、周壁段差部14の段差底面14aの幅を少なくとも回転ツールのショルダ部の半径よりも大きく設定する必要があった。しかし、本実施形態によれば、周壁段差部14の段差底面14aの幅及び支柱段差部17の段差底面17aの幅を小さくしても、封止体3と周壁部11又は封止体3と支柱12とで構成される内隅部からの金属材料の流出を防ぐことができるため、設計の自由度を向上させることができる。
また、本実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法によれば、攪拌ピンF2のみをジャケット本体2及び封止体3に挿入するため、回転ツールのショルダ部を押し込む場合に比べて摩擦攪拌装置にかかる負荷を軽減することができるとともに、本接合用回転ツールFの操作性も良好となる。また、摩擦攪拌装置にかかる負荷を軽減することができるため、摩擦攪拌装置に大きな負荷がかからない状態で、第一突合せ部J1及び第二突合せ部J2の深い位置を接合することができる。
また、本接合用回転ツールFを比較的厚さの小さい封止体3上で引き抜くと、引抜跡の補修が困難であったり、引き抜き作業が安定せずに封止体3に欠陥が発生したりするという問題があるが、本実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法によれば、封止体3に比べて厚さが大きい周壁部11又は支柱12で本接合用回転ツールFを引き抜くことで、かかる問題を解消することができる。
また、本実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法によれば、第一本接合工程の前に仮接合工程を行うことで、第一本接合工程及び第二本接合工程を行う際に、第一突合せ部J1及び第二突合せ部J2の各目開きを防ぐことができる。
また、本実施形態では、封止体3の表面3aに支柱12(支柱端面16a)が露出しているため、固定孔Xを穿設する穿設工程及び発熱体Hを装着する装着工程を容易に行うことができる。また、支柱12と発熱体Hとを直接接触させることができるため、冷却効率をより高めることができる。
以上、本発明の第一実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法について説明したが、本発明の趣旨に反しない範囲において適宜設計変更が可能である。例えば、本実施形態では、第一突合せ部J1、第二突合せ部J2の順番で本接合工程を行ったが、先に第二突合せ部をJ2摩擦攪拌接合してもよい。また、第一本接合工程及び第二本接合工程において、ジャケット本体2の内部に冷却媒体を流してジャケット本体2及び封止体3を冷却しながら摩擦攪拌接合を行ってもよい。これにより、摩擦熱を低く抑えることができるため、熱収縮に起因する液冷ジャケット1の変形を小さくすることができる。また、かかる方法によれば、別途冷却板、冷却手段等を用いずに、ジャケット本体2及び封止体3自体を利用して冷却することができる。
また、支柱12の平断面形状は本実施形態では円形としたが、楕円形又は他の多角形であってもよい。
また、第一実施形態では仮接合用回転ツールGを用いて仮接合を行ったが、本接合用回転ツールFを用いて仮接合を行ってもよい。これにより、回転ツールを交換する手間を省略することができる。また、仮接合工程は、第一突合せ部J1及び第二突合せ部J2の少なくとも一方に行えばよい。また、仮接合工程は、溶接によって行ってもよい。
〔第一変形例〕
次に、第一実施形態の第一変形例に係る液冷ジャケットの製造方法について説明する。図11に示すように、第一変形例では、冷却板を用いて仮接合工程、第一本接合工程及び第二本接合工程を行う点で第一実施形態と相違する。第一変形例では、第一実施形態と相違する部分を中心に説明する。
図11に示すように、第一変形例では、固定工程を行う際に、ジャケット本体2をテーブルKに固定する。テーブルKは、直方体を呈する基板K1と、基板K1の四隅に形成されたクランプK3と、基板K1の内部に配設された冷却管WPによって構成されている。テーブルKは、ジャケット本体2を移動不能に拘束するとともに、特許請求の範囲の「冷却板」として機能する部材である。
冷却管WPは、基板K1の内部に埋設される管状部材である。冷却管WPの内部には、基板K1を冷却する冷却媒体が流通する。冷却管WPの配設位置、つまり、冷却媒体が流れる冷却流路の形状は特に制限されないが、第一変形例では第一本接合工程における本接合用回転ツールFの移動軌跡に沿う平面形状になっている。即ち、平面視した際に、冷却管WPと第一突合せ部J1とが略重なるように冷却管WPが配設されている。
第一変形例の仮接合工程、第一本接合工程及び第二本接合工程では、ジャケット本体2をテーブルKに固定した後、冷却管WPに冷却媒体を流しながら摩擦攪拌接合を行う。これにより、摩擦攪拌の際の摩擦熱を低く抑えることができるため、熱収縮に起因する液冷ジャケット1の変形を小さくすることができる。また、第一変形例では、平面視した場合に、冷却流路と第一突合せ部J1(仮接合用回転ツールG及び本接合用回転ツールFの移動軌跡)とが重なるようになっているため、摩擦熱が発生する部分を集中的に冷却できる。これにより、冷却効率を高めることができる。また、冷却管WPを配設して冷却媒体を流通させるため、冷却媒体の管理が容易となる。また、テーブルK(冷却板)とジャケット本体2とが面接触するため、冷却効率を高めることができる。
なお、テーブルK(冷却板)を用いてジャケット本体2及び封止体3を冷却するとともに、ジャケット本体2の内部にも冷却媒体を流しつつ摩擦攪拌接合を行ってもよい。
〔第二変形例〕
次に、第一実施形態の第二変形例に係る液冷ジャケットの製造方法について説明する。図12に示すように、第二変形例では、ジャケット本体2の表面側及び封止体3の表面3aが凸状となるように湾曲させた状態で第一本接合工程及び第二本接合工程を行う点で第一実施形態と相違する。第二変形例では、第一実施形態と相違する部分を中心に説明する。
図12に示すように、第二変形例では、テーブルKAを用いる。テーブルKAは、直方体を呈する基板KA1と、基板KA1の中央に形成されたスペーサKA2と、基板KA1の四隅に形成されたクランプKA3とで構成されている。スペーサKA2は、基板KA1と一体でも別体でもよい。
第二変形例の固定工程では、仮接合工程を行って一体化したジャケット本体2及び封止体3をクランプKA3によってテーブルKAに固定する。図12に示すように、ジャケット本体2及び封止体3をテーブルKAに固定すると、ジャケット本体2の底部10、周壁端面11a及び封止体3の表面3aが上方に凸状となるように湾曲する。より詳しくは、ジャケット本体2の壁部11Aの第一辺部21、壁部11Bの第二辺部22、壁部11Cの第三辺部23及び壁部11Dの第四辺部24が曲線となるように湾曲する。
第二変形例の第一本接合工程及び第二本接合工程では、本接合用回転ツールFを用いて摩擦攪拌接合を行う。第一本接合工程及び第二本接合工程では、ジャケット本体2及び封止体3の少なくともいずれか一方の変形量を計測しておき、攪拌ピンF2の挿入深さを前記変形量に合わせて調節しながら摩擦攪拌接合を行う。つまり、ジャケット本体2の周壁端面11a及び封止体3の表面3aの曲面に沿って本接合用回転ツールFの移動軌跡が曲線となるように移動させる。このようにすることで、塑性化領域W1,W2の深さ及び幅を一定にすることができる。
摩擦攪拌接合の入熱によって塑性化領域W1,W2に熱収縮が発生し、液冷ジャケット1の封止体3側が凹状に変形するおそれがあるが、第二変形例の第一本接合工程及び第二本接合工程によれば、周壁端面11a及び表面3aに引張応力が作用するようにジャケット本体2及び封止体3を予め凸状に固定しているため、摩擦攪拌接合後の熱収縮を利用することで液冷ジャケット1を平坦にすることができる。また、従来の回転ツールで本接合工程を行う場合、ジャケット本体2及び封止体3が凸状に反っていると回転ツールのショルダ部が、ジャケット本体2及び封止体3に接触し、操作性が悪いという問題がある。しかし、第二変形例によれば、本接合用回転ツールFには、ショルダ部が存在しないため、ジャケット本体2及び封止体3が凸状に反っている場合でも、本接合用回転ツールFの操作性が良好となる。
なお、ジャケット本体2及び封止体3の変形量の計測については、公知の高さ検知装置を用いればよい。また、例えば、テーブルKAからジャケット本体2及び封止体3の少なくともいずれか一方までの高さを検知する検知装置が装備された摩擦攪拌装置を用いて、ジャケット本体2又は封止体3の変形量を検知しながら第一本接合工程及び第二本接合工程を行ってもよい。
また、第二変形例では、第一辺部21〜第四辺部24の全てが曲線となるようにジャケット本体2及び封止体3を湾曲させたがこれに限定されるものではない。例えば、第一辺部21及び第二辺部22が直線となり、第三辺部23及び第四辺部24が曲線となるように湾曲させてもよい。また、例えば、第一辺部21及び第二辺部22が曲線となり、第三辺部23及び第四辺部24が直線となるように湾曲させてもよい。
また、第二変形例ではジャケット本体2又は封止体3の変形量に応じて攪拌ピンF2の高さ位置を変更したが、テーブルKAに対する攪拌ピンF2の高さを一定にして本接合工程を行ってもよい。
また、スペーサKA2は、ジャケット本体2及び封止体3の表面側が凸状となるように固定することができればどのような形状であってもよい。また、ジャケット本体2及び封止体3の表面側が凸状となるように固定することができればスペーサKA2は省略してもよい。また、本接合用回転ツールFは、例えば、先端にスピンドルユニット等を備えたロボットアームに取り付けられていてもよい。かかる構成によれば、本接合用回転ツールFの回転中心軸を様々な角度に容易に変更することができる。
[第三変形例]
次に、第一実施形態の第三変形例に係る液冷ジャケットの製造方法について説明する。図13に示すように、第三変形例では、準備工程において、ジャケット本体2及び封止体3を予め表面側に凸状に湾曲するように形成する点で第一実施形態と相違する。第三変形例では、第一実施形態と相違する部分を中心に説明する。
第三変形例に係る準備工程では、ジャケット本体2及び封止体3の表面側が凸状に湾曲するようにダイキャストで形成する。これにより、ジャケット本体2は、底部10、周壁部11がそれぞれ表面側に凸状となるように形成される。また、封止体3の表面3aが凸状となるように形成される。
図14に示すように、第三変形例では、固定工程を行う際に、仮接合されたジャケット本体2及び封止体3をテーブルKBに固定する。テーブルKBは、直方体を呈する基板KB1と、基板KB1の中央に配設されたスペーサKB2と、基板KB1の四隅に形成されたクランプKB3と、基板KB1の内部に埋設された冷却管WPとで構成されている。テーブルKBは、ジャケット本体2を移動不能に拘束するとともに、特許請求の範囲の「冷却板」として機能する部材である。
スペーサKB2は、上方に凸状となるように湾曲した曲面KB2aと、曲面KB2aの両端に形成され基板KB1から立ち上がる立面KB2b,KB2bとで構成されている。スペーサKB2の第一辺部Ka及び第二辺部Kbは曲線になっており、第三辺部Kc及び第四辺部Kdは直線になっている。
冷却管WPは、基板KB1の内部に埋設される管状部材である。冷却管WPの内部には、基板KB1を冷却する冷却媒体が流通する。冷却管WPの配設位置、つまり、冷却媒体が流れる冷却流路の形状は特に制限されないが、第三変形例では第一本接合工程における本接合用回転ツールFの移動軌跡に沿う平面形状になっている。即ち、平面視した際に、冷却管WPと第一突合せ部J1とが略重なるように冷却管WPが配設されている。
第三変形例の固定工程では、仮接合を行って一体化したジャケット本体2及び封止体3をクランプKB3によってテーブルKBに固定する。より詳しくは、ジャケット本体2の底部10の裏面が曲面KB2aと面接触するようにテーブルKBに固定する。ジャケット本体2をテーブルKBに固定すると、ジャケット本体2の壁部11Aの第一辺部21、壁部11Bの第二辺部22が曲線となり、壁部11Cの第三辺部23及び壁部11Dの第四辺部24が直線となるように湾曲する。
第三変形例の第一本接合工程及び第二本接合工程では、本接合用回転ツールFを用いて第一突合せ部J1及び第二突合せ部J2に対いてそれぞれ摩擦攪拌接合を行う。第一本接合工程及び第二本接合工程では、ジャケット本体2及び封止体3の少なくともいずれか一方の変形量を計測しておき、攪拌ピンF2挿入深さを前記変形量に合わせて調節しながら摩擦攪拌接合を行う。つまり、ジャケット本体2の周壁端面11a及び封止体3の表面3aに沿って本接合用回転ツールFの移動軌跡が曲線又は直線となるように移動させる。このようにすることで、塑性化領域W1の深さ及び幅を一定にすることができる。
摩擦攪拌接合の入熱によって塑性化領域W1,W2に熱収縮が発生し、液冷ジャケット1の封止体3側が凹状に変形するおそれがあるが、第三変形例の第一本接合工程及び第二本接合工程によれば、ジャケット本体2及び封止体3を予め凸状に形成しているため、摩擦攪拌接合後の熱収縮を利用することで液冷ジャケット1を平坦にすることができる。
また、第三変形例では、ジャケット本体2の底部10の凹状となっている裏面に、スペーサKB2の曲面KB2aを面接触させている。これにより、ジャケット本体2及び封止体3をより効果的に冷却しながら摩擦攪拌接合を行うことができる。摩擦攪拌接合における摩擦熱を低く抑えることができるため、熱収縮に起因する液冷ジャケットの変形を小さくすることができる。これにより、準備工程において、ジャケット本体2及び封止体3を凸状に形成する際に、ジャケット本体2及び封止体3の曲率を小さくすることができる。
なお、ジャケット本体2及び封止体3の変形量の計測については、公知の高さ検知装置を用いればよい。また、例えば、テーブルKBからジャケット本体2及び封止体3の少なくともいずれか一方までの高さを検知する検知装置が装備された摩擦攪拌装置を用いて、ジャケット本体2又は封止体3の変形量を検知しながら本接合工程を行ってもよい。
また、第三変形例では、第一辺部21及び第二辺部22が曲線となるようにジャケット本体2及び封止体3を湾曲させたがこれに限定されるものではない。例えば、球面を具備するスペーサKB2を形成し、当該球面にジャケット本体2の底部10の裏面が面接触するようにしてもよい。この場合は、テーブルKBにジャケット本体2を固定すると、第一辺部21〜第四辺部24のすべてが曲線となる。
また、第三変形例ではジャケット本体2又は封止体3の変形量に応じて攪拌ピンF2の高さ位置を変更したが、テーブルKBに対する攪拌ピンF2の高さを一定にして本接合工程を行ってもよい。
〔第二実施形態〕
次に、本発明の第二実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法について説明する。図15に示すように、第二実施形態では、支柱12に支柱段差部が形成されていない点で第一実施形態と相違する。第二実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法では、第一実施形態と相違する点を中心に説明する。
第二実施形態に係る液冷ジャケット1Aは、ジャケット本体2Aと封止体3Aとで構成されている。ジャケット本体2Aは、上方が開放された箱状体である。ジャケット本体2Aは、底部10と、周壁部11と、複数の支柱12とを含んで構成されている。底部10は、平面視矩形を呈する。周壁部11は、同じ板厚からなる壁部11A,11B,11C,11Dで構成されている。
周壁部11の周壁端面11aには、ジャケット本体2Aの開口部の周縁に沿って周壁段差部14が形成されている。周壁段差部14は、段差底面14aと、段差底面14aから立ち上がる段差側面14bとで構成されている。段差底面14aは、周壁端面11aから一段下がった位置に形成されている。
支柱12は、底部10に立設されており、円柱状を呈する。支柱12の本数は1以上であれば何本でもよいが、本実施形態では4本形成されている。支柱12の形状はそれぞれ同等になっている。支柱12の端面である支柱端面12aは、周壁段差部14の段差底面14aと同じ高さ位置に形成されている。
封止体3Aは、平面視矩形を呈する板状部材である。封止体3Aの材料は特に制限されないが、本実施形態では、ジャケット本体2Aと同じ材料で形成されている。封止体3Aは、周壁段差部14にほぼ隙間なく載置される大きさで形成されている。封止体3Aの板厚寸法は、段差側面14bの高さ寸法と略同等になっている。
図16に示すように、液冷ジャケット1Aは、ジャケット本体2Aと封止体3Aとが摩擦攪拌によって接合されて一体化されている。液冷ジャケット1Aは、周壁段差部14の段差側面14b(図15参照)と封止体3Aの外周側面3cとが突き合わされた第一突合せ部J1及び封止体3Aの裏面3bと支柱12の支柱端面12aとが重ね合わされた4つの重合部J3とが摩擦攪拌によってそれぞれ接合されている。第一突合せ部J1には、塑性化領域W1が形成され、重合部J3には塑性化領域W2が形成されている。液冷ジャケット1Aの内部には、熱を外部に輸送する熱輸送流体が流れる中空部が形成されている。
次に、第二実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法(発熱体付液冷ジャケットの製造方法)について説明する。液冷ジャケットの製造方法では、準備工程と、載置工程と、固定工程と、仮接合工程と、第一本接合工程と、第二本接合工程と、穿設工程と、バリ切除工程と、装着工程とを行う。
準備工程は、図15に示すように、ジャケット本体2Aと、封止体3Aとを形成する工程である。ジャケット本体2Aは、例えば、ダイキャストで形成する。
載置工程は、図17の(a)及び(b)に示すように、ジャケット本体2Aに封止体3Aを載置する工程である。封止体3Aの裏面3bは、周壁段差部14の段差底面14a及び支柱12の支柱端面12aにそれぞれ面接触する。載置工程により、周壁段差部14の段差側面14bと、封止体3Aの外周側面3cとが突き合わされて第一突合せ部J1が形成される。第一突合せ部J1は平面視矩形状を呈する。また、載置工程により、封止体3Aの裏面3bと支柱12の支柱端面12aとが重ね合わされて重合部J3が形成される。重合部J3は、平面視円形状を呈する。
固定工程では、ジャケット本体2Aをテーブル(図示省略)に固定する。ジャケット本体2Aは、クランプ等の固定治具によってテーブルに移動不能に拘束される。
仮接合工程は、図18に示すように、ジャケット本体2Aと封止体3Aとを仮接合する工程である。仮接合工程は、第一実施形態と同等であるため説明を省略する。
第一本接合工程は、図19の(a)及び(b)に示すように、本接合用回転ツールFを用いて第一突合せ部J1に対して摩擦攪拌接合を行う工程である。第一本接合工程は、第一実施形態と同等であるため、説明を省略する。
第二本接合工程は、図20の(a)及び(b)に示すように、本接合用回転ツールFを用いて各重合部J3に対して摩擦攪拌接合を行う工程である。第二本接合工程では、右回転させた本接合用回転ツールFを封止体3Aの表面3aから開始位置s2に挿入し、本接合用回転ツールFを支柱12の外周縁の内側に沿って左回りに相対移動させる。
図20の(b)に示すように、攪拌ピンF2の挿入深さは、攪拌ピンF2の先端が、支柱12の支柱端面12aに達するように設定するとともに、封止体3A及び支柱12に攪拌ピンF2のみが接触するように設定する。そして、本接合用回転ツールFを一定の深さを保った状態で平面視円形に移動させる。なお、攪拌ピンF2の挿入深さは、攪拌ピンF2の先端が支柱12に達しないように、つまり、攪拌ピンF2と封止体3のみとが接触するように設定してもよい。この場合は、封止体3Aと攪拌ピンF2との摩擦熱により封止体3Aと支柱12とが塑性流動化されることにより重合部J3が接合される。
第二本接合工程では、本実施形態のように本接合用回転ツールFを支柱12に対して左回りに移動させる場合は、本接合用回転ツールFを右回転させることが好ましい。一方、本接合用回転ツールFを支柱12に対して右回りに移動させる場合は、本接合用回転ツールFを左回転することが好ましい。本接合用回転ツールFの移動方向及び回転方向を前記したように設定することで、摩擦攪拌接合に伴う接合欠陥が比較的厚さの大きい支柱12側に形成されるともに、液冷ジャケット1Aの中空部から遠い位置に形成されるため、水密性及び気密性の低下を抑制することができる。
図20の(a)に示すように、本接合用回転ツールFを重合部J3に沿って一周させた後、開始位置s2を通過させる。そして、封止体3A上に設定された終了位置e2まで本接合用回転ツールFを移動させ、終了位置e2に達したら本接合用回転ツールFを上方に移動させて封止体3Aから本接合用回転ツールFを離脱させる。
本接合用回転ツールFを重合部J3から離脱させた後に、封止体3Aに引抜跡が残存する場合は、当該引抜跡を補修する補修工程を行ってもよい。補修工程は、例えば、肉盛溶接を行って当該引抜跡に溶接金属を埋めて補修することができる。これにより、封止体3Aの表面3aを平坦にすることができる。
なお、本接合用回転ツールFを封止体3Aから離脱させる場合は、本接合用回転ツールFを支柱12の中心方向に偏移させて封止体3A上で離脱させてもよい。また、本接合用回転ツールFを封止体3Aから離脱させる場合は、例えば、本接合用回転ツールFを封止体3A上で移動させつつ、本接合用回転ツールFを徐々に上方に移動させて、本接合用回転ツールFの挿入深さが徐々に浅くなるようにしてもよい。このようにすることで、封止体3Aに第二本接合工程後の引抜跡が残存しないか、もしくは引抜跡を小さくすることができる。
穿設工程は、図21の(a)に示すように、封止体3Aと支柱12とに連通し、発熱体Hを固定するための固定孔Xを形成する工程である。固定孔Xは、支柱12に達するように形成する。
バリ切除工程は、第一本接合工程、第二本接合工程及び穿設工程によってジャケット本体2A及び封止体3Aの表面に露出するバリを切除する。これにより、ジャケット本体2A及び封止体3Aの表面をきれいに仕上げることができる。
装着工程は、図21の(b)に示すように、取付部材Mを介して発熱体Hを装着する工程である。発熱体Hを装着する場合は、発熱体HのフランジH1に形成された貫通孔と固定孔Xとを連通させつつ、ネジ等の取付部材Mで固定する。取付部材Mは、支柱12に達する位置まで挿入する。
なお、本実施形態では封止体3A側に固定孔Xを形成し、封止体3Aに発熱体Hを固定したが、底部10に底部10及び支柱12に連通する固定孔を形成し、底部10に発熱体Hを固定してもよい。発熱体Hは、封止体3A及び底部10の少なくともいずれか一方に装着されればよい。また、本実施形態では、固定孔Xを形成したが、固定孔Xを形成せずに取付部材Mで発熱体Hを固定してもよい。
以上説明した液冷ジャケットの製造方法によっても第一実施形態と略同等の効果を奏することができる。第一実施形態では第二突合せ部J2(図8参照)が封止体3に露出していたが、第二実施形態では突合せ部が露出しない形態となっている。しかし、第二実施形態のように重合部J3を封止体3Aの上から摩擦攪拌することで、封止体3と支柱12とを接合することができる。また、第二実施形態では、封止体3Aに孔部を設けず、また支柱12に支柱段差部も形成しないため、容易に製造することができる。
また、本実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法によれば、攪拌ピンF2のみをジャケット本体2A及び封止体3A、若しくは封止体3Aのみに挿入するため、回転ツールのショルダ部を押し込む場合に比べて摩擦攪拌装置にかかる負荷を軽減することができるとともに、本接合用回転ツールFの操作性も良好となる。また、摩擦攪拌装置にかかる負荷を軽減することができるため、摩擦攪拌装置に大きな負荷がかからない状態で、第一突合せ部J1の深い位置を接合することができるとともに、深い位置にある重合部J3を接合することができる。
また、第二本接合工程では、本実施形態のように支柱12の外周縁の内側を一周以上摩擦攪拌することで、水密性及び気密性を高めることができる。なお、第二本接合工程の本接合用回転ツールFの移動ルートは、支柱12に対して本接合用回転ツールFを必ずしも一周以上させる必要はなく、塑性流動材が液冷ジャケット1Aの内部に流出しないように設定するとともに、少なくとも重合部J3の一部が摩擦攪拌接合されるように設定してもよい。
以上本発明の第二実施形態について説明したが、本発明の趣旨に反しない範囲において適宜設計変更が可能である。例えば、第二実施形態において、前記した第一変形例〜第三変形例の製造方法を採用して液冷ジャケットを製造してもよい。
〔第三実施形態〕
次に、本発明の第三実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法について説明する。図22に示すように、第三実施形態では、支柱12が周壁部11に連続して形成されている点で第二実施形態と相違する。第三実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法では、第二実施形態と相違する点を中心に説明する。
第三実施形態に係る液冷ジャケット1Cは、ジャケット本体2Cと封止体3Cとで構成されている。ジャケット本体2Cは、上方が開放された箱状体である。ジャケット本体2Cは、底部10と、周壁部11と、複数の支柱12とを含んで構成されている。
周壁部11の周壁端面11aには、ジャケット本体2Cの開口部の周縁に沿って周壁段差部14が形成されている。周壁段差部14は、段差底面14aと、段差底面14aから立ち上がる段差側面14bとで構成されている。段差底面14aは、周壁端面11aから一段下がった位置に形成されている。
支柱12は、底部10に立設されるとともに周壁部11に連続して形成されている。支柱12の本数は1以上であれば何本でもよいが、本実施形態では周壁部11の4つの角部に一つずつ、合計4本形成されている。支柱12は、平面視扇形状を呈する。支柱12の形状はそれぞれ同等になっている。支柱12の端面である支柱端面12aは、周壁段差部14の段差底面14aと面一になっている。
封止体3Cは、平面視矩形を呈する板状部材である。封止体3Cの材料は特に制限されないが、本実施形態では、ジャケット本体2Cと同じ材料で形成されている。封止体3Cは、周壁段差部14にほぼ隙間なく載置される大きさで形成されている。封止体3Cの板厚寸法は、段差側面14bの高さ寸法と略同等になっている。
次に、第三実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法(発熱体付液冷ジャケットの製造方法)について説明する。液冷ジャケットの製造方法では、準備工程と、載置工程と、固定工程と、仮接合工程と、第一本接合工程と、第二本接合工程と、穿設工程と、バリ切除工程と、装着工程とを行う。
準備工程では、図22に示すように、ジャケット本体2Cと、封止体3Cとを形成する工程である。ジャケット本体2Cは、例えば、ダイキャストで形成する。
載置工程は、図22,23に示すように、ジャケット本体2Cに封止体3Cを載置する工程である。封止体3Cの裏面3bは、周壁段差部14の段差底面14a及び支柱12の支柱端面12aにそれぞれ面接触する。載置工程により、周壁段差部14の段差側面14bと、封止体3Cの外周側面3cとが突き合わされて第一突合せ部J1が形成される。第一突合せ部J1は平面視矩形状を呈する。また、載置工程により、封止体3Cの裏面3bと支柱12の支柱端面12aとが重ね合わされて重合部J4が形成される。重合部J4は、平面視扇形状を呈する。
固定工程では、ジャケット本体2Cをテーブル(図示省略)に固定する。ジャケット本体2Cは、クランプ等の固定治具によってテーブルに移動不能に拘束される。
仮接合工程は、ジャケット本体2Cと封止体3Cとを仮接合する工程である。仮接合工程は、第一実施形態と同等であるため説明を省略する。
第一本接合工程は、図24の(a)及び(b)に示すように、本接合用回転ツールFを用いて第一突合せ部J1に対して摩擦攪拌接合を行う工程である。第一本接合工程は、第一実施形態と同等であるため、説明を省略する。
第二本接合工程は、図25の(a)及び(b)に示すように、本接合用回転ツールFを用いて各重合部J4に対して摩擦攪拌接合を行う工程である。第二本接合工程では、右回転させた本接合用回転ツールFを封止体3Cの表面3aから開始位置s3に挿入する。そして、塑性化領域W1をなぞるようにして本接合用回転ツールFを相対移動させた後、本接合用回転ツールFを支柱12の外周縁の内側に沿って左回りに相対移動させる。開始位置s3は適宜設定すればよいが、本実施形態では第一突合せ部J1上の角部近傍に設定している。攪拌ピンF2の挿入深さについては第二実施形態と同等である。本接合用回転ツールFの移動軌跡には、塑性化領域W2が形成される。
図25の(a)に示すように、本接合用回転ツールFを支柱12の外周縁に沿って1/4周させた後、再度塑性化領域W1をなぞるように本接合用回転ツールFを相対移動させて開始位置s3を通過させる。そして、終了位置e3に達したら本接合用回転ツールFを上方に移動させて封止体3Cから本接合用回転ツールFを離脱させる。本接合用回転ツールFを離脱させる際の引抜痕の処理は第二実施形態と同等である。
穿設工程は、図26の(a)に示すように、封止体3Cと支柱12とに連通し、発熱体Hを固定するための固定孔Xを形成する工程である。固定孔Xは、支柱12に達するように形成する。
バリ切除工程は、第一本接合工程、第二本接合工程及び穿設工程によってジャケット本体2C及び封止体3Cの表面に露出するバリを切除する。これにより、ジャケット本体2C及び封止体3Cの表面をきれいに仕上げることができる。
装着工程は、図26の(b)に示すように、取付部材Mを介して発熱体Hを装着する工程である。発熱体Hを装着する場合は、発熱体HのフランジH1に形成された貫通孔と固定孔Xとを連通させつつ、ネジ等の取付部材Mで固定する。取付部材Mは、支柱12に達する位置まで挿入する。
以上説明した液冷ジャケットの製造方法によっても第二実施形態と略同等の効果を奏することができる。第三実施形態のように、支柱12を周壁部11から連続するように形成してもよい。また、本実施形態では、周壁部11の各角部に支柱12を形成したが、周壁部11の角部ではない位置から連続する支柱を形成してもよい。
また、例えば、第三実施形態において、前記した第一変形例〜第三変形例の製造方法を採用して液冷ジャケットを製造してもよい。また、第三実施形態において、第一本接合工程から第二本接合工程に移行する際に、本接合用回転ツールFを離脱させずに連続して摩擦攪拌接合を行ってもよい。
以上本発明の実施形態及び変形例について説明したが、適宜設計変更が可能である。例えば、ジャケット本体及び封止体の少なくともいずれかにフィンを形成してもよい。また、第一本接合工程では、第一突合せ部J1に沿って本接合用回転ツールFを二周させてもよい。また、本実施形態では、第一本接合工程及び第二本接合工程を本接合用回転ツールFで行ったが、ショルダ部及び攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて、ショルダ部を押込みながら摩擦攪拌を行ってもよい。また、第一本接合工程と第二本接合工程で用いる回転ツールは、異なるものを用いてもよい。
1 液冷ジャケット
1A 液冷ジャケット
2 ジャケット本体
2A ジェット本体
3 封止体
3A 封止体
3a 表面
3b 裏面
3c 外周側面
10 底部
11 周壁部
11A 壁部
11B 壁部
11C 壁部
11D 壁部
11a 周壁端面
12 支柱
12a 支柱端面
13 凹部
14 周壁段差部
14a 段差底面
14b 段差側面
16a 支柱端面
17 支柱段差部
17a 段差底面
17b 段差側面
F 本接合用回転ツール(回転ツール)
F2 攪拌ピン
G 仮接合用回転ツール
J1 第一突合せ部
J2 第二突合せ部
J3 重合部
K テーブル(冷却板)
M 締結部材
W1 塑性化領域
W2 塑性化領域
WP 冷却管

Claims (15)

  1. 底部、前記底部の周縁から立ち上がる周壁部及び前記底部から立ち上がる支柱を有するジャケット本体と、前記支柱の先端が挿入される孔部を備えるとともに前記ジャケット本体の開口部を封止する封止体とで構成され、前記ジャケット本体と前記封止体とを摩擦攪拌で接合する液冷ジャケットの製造方法であって、
    前記支柱は、液冷ジャケットに発熱体を固定するための取付部材が挿入される部位であり、
    前記周壁部の内周縁に、段差底面と当該段差底面から立ち上がる段差側面とを有する周壁段差部を形成し、且つ前記支柱の支柱端面を前記周壁部の周壁端面と同一の高さ位置に形成するとともに、前記支柱の先端の外周に段差底面と当該段差底面から立ち上がる段差側面とを有する支柱段差部を形成する準備工程と、
    前記ジャケット本体に前記封止体を載置する載置工程と、
    前記周壁段差部の段差側面と前記封止体の外周側面とが突き合わされた第一突合せ部に沿って回転ツールを一周させて摩擦攪拌を行う第一本接合工程と、
    前記支柱段差部の段差側面と前記孔部の孔壁とが突き合わされた第二突合せ部に沿って回転ツールを一周させて摩擦攪拌を行う第二本接合工程と、を含むことを特徴とする液冷ジャケットの製造方法。
  2. 底部、前記底部の周縁から立ち上がる周壁部及び前記底部から立ち上がる支柱を有するジャケット本体と、前記ジャケット本体の開口部を封止する封止体とで構成され、前記ジャケット本体と前記封止体とを摩擦攪拌で接合する液冷ジャケットの製造方法であって、
    前記支柱は、液冷ジャケットに発熱体を固定するための取付部材が挿入される部位であり、
    前記周壁部の内周縁に、段差底面と当該段差底面から立ち上がる段差側面とを有する周壁段差部を形成するとともに、前記支柱の支柱端面を前記周壁段差部の段差底面と同一の高さ位置に形成する準備工程と、
    前記ジャケット本体に前記封止体を載置する載置工程と、
    前記周壁段差部の段差側面と前記封止体の外周側面とが突き合わされた第一突合せ部に沿って回転ツールを一周させて摩擦攪拌を行う第一本接合工程と、
    前記支柱の支柱端面と前記封止体の裏面とが重ね合わされた重合部に対して回転ツールを移動させて摩擦攪拌を行う第二本接合工程と、を含むことを特徴とする液冷ジャケットの製造方法。
  3. 前記回転ツールは、前記封止体の厚さよりも長い攪拌ピンを備える本接合用回転ツールであり、
    前記第一本接合工程及び前記第二本接合工程では、前記ジャケット本体及び前記封止体に前記攪拌ピンのみを接触させた状態で摩擦攪拌を行う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。
  4. 前記回転ツールは、前記封止体の厚さよりも長い攪拌ピンを備える本接合用回転ツールであり、
    前記第一本接合工程では、前記ジャケット本体及び前記封止体に前記攪拌ピンのみを接触させた状態で摩擦攪拌を行うとともに、
    前記第二本接合工程では、前記ジャケット本体及び前記封止体に前記攪拌ピンのみを接触させた状態で摩擦攪拌を行うか、又は前記封止体のみに前記攪拌ピンのみを接触させた状態で摩擦攪拌を行うことを特徴とする請求項2に記載の液冷ジャケットの製造方法。
  5. 前記第一本接合工程及び前記第二本接合工程に先だって、前記第一突合せ部及び前記第二突合せ部の少なくともいずれかを仮接合する仮接合工程を含むことを特徴とする請求項1又は請求項3に記載の液冷ジャケットの製造方法。
  6. 前記第一本接合工程及に先だって、前記第一突合せ部を仮接合する仮接合工程を含むことを特徴とする請求項2又は請求項4に記載の液冷ジャケットの製造方法。
  7. 前記準備工程では、前記ジャケット本体をダイキャストで形成するとともに前記底部が表面側に凸となるように形成し、かつ、前記封止体が表面側に凸となるように形成することを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれか一項に記載の液冷ジャケットの製造方法。
  8. 前記ジャケット本体の変形量を予め計測しておき、前記第一本接合工程及び前記第二本接合工程において、前記回転ツールの攪拌ピンの挿入深さを前記変形量に合わせて調節しながら摩擦攪拌を行うことを特徴とする請求項7に記載の液冷ジャケットの製造方法。
  9. 前記第一本接合工程及び前記第二本接合工程では、冷却媒体が流れる冷却板を前記底部の裏面側に設置し、前記冷却板で前記ジャケット本体及び前記封止体を冷却しながら摩擦攪拌を行う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液冷ジャケットの製造方法。
  10. 前記冷却板の表面と前記底部の裏面とを面接触させることを特徴とする請求項9に記載の液冷ジャケットの製造方法。
  11. 前記冷却板は、前記冷却媒体が流れる冷却流路を有し、
    前記冷却流路は、前記第一本接合工程における前記回転ツールの移動軌跡に沿う平面形状を備えることを特徴とする請求項9又は請求項10に記載の液冷ジャケットの製造方法。
  12. 前記冷却媒体が流れる冷却流路は、前記冷却板に埋設された冷却管によって構成されていることを特徴とする請求項9乃至請求項11のいずれか一項に記載の液冷ジャケットの製造方法。
  13. 前記第一本接合工程及び前記第二本接合工程では、前記ジャケット本体と前記封止体とで構成される中空部に冷却媒体を流し、前記ジャケット本体及び前記封止体を冷却しながら摩擦攪拌を行うことを特徴とする請求項1乃至請求項12のいずれか一項に記載の液冷ジャケットの製造方法。
  14. 底部、前記底部の周縁から立ち上がる周壁部及び前記底部から立ち上がる支柱を有するジャケット本体と、
    前記支柱の先端が挿入される孔部を備えるとともに前記ジャケット本体の開口部を封止する封止体と、を有し、
    前記支柱は、液冷ジャケットに発熱体を固定するための取付部材が挿入される部位であり、
    前記周壁部は内周縁に周壁段差部を有するとともに、前記支柱は先端に支柱段差部を有し、
    前記周壁段差部の段差側面と前記封止体の外周側面とが突き合わされた第一突合せ部及び前記支柱段差部の段差側面と前記孔部の孔壁とが突き合わされた第二突合せ部がそれぞれ摩擦攪拌接合されていることを特徴とする液冷ジャケット。
  15. 底部、前記底部の周縁から立ち上がる周壁部及び前記底部から立ち上がる支柱を有するジャケット本体と、
    前記ジャケット本体の開口部を封止する封止体と、を有し、
    前記支柱は、液冷ジャケットに発熱体を固定するための取付部材が挿入される部位であり、
    前記周壁部は内周縁に周壁段差部を有し、
    前記周壁段差部の段差側面と前記封止体の外周側面とが突き合わされた第一突合せ部及び前記支柱の支柱端面と前記封止体の裏面とが重ね合わされた重合部がそれぞれ摩擦攪拌接合されていることを特徴とする液冷ジャケット。
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