JP2020001051A - 液冷ジャケットの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のピンフィンの先端からジャケット本体までの距離を一定にでき、金属部材の表面の段差凹溝を小さくできるとともに接合表面粗さを小さくできる液冷ジャケットの製造方法を提供することを課題とする。【解決手段】封止体３の裏面側に複数のピンフィン２２を成形するとともに複数のピンフィン２２からなるピンフィン群の先端面を封止体３の中央側が凹形状となるように成形する準備工程と、ジャケット本体２に封止体３を載置することにより、第一突合せ部Ｊ１を形成するとともに第二突合せ部Ｊ２を形成する載置工程と、回転する先端側ピンＦ３を封止体３に挿入し基端側ピンＦ２の外周面を周壁部１１及び封止体３の両方に接触させつつ先端側ピンＦ３の外周面を周壁段差部１２の段差側面１２ｂに接触させた状態で、第一突合せ部Ｊ１に沿って本接合用回転ツールＦを移動させ、開口部周りに一周させて摩擦攪拌を行う本接合工程と、を含むことを特徴とする。【選択図】図１５

Description

本発明は、液冷ジャケットの製造方法に関する。

ジャケット本体と、複数のピンフィンを備えた封止体とで構成された液冷ジャケットが知られている（特許文献１）。液冷ジャケットは、内部に流体を流通させて設置された発熱体を冷却する機器である。封止体は、板状を呈する本体部と、本体部から垂下する複数のピンフィンとで構成されている。ジャケット本体と封止体とは、例えば、回転ツールを用いた摩擦攪拌接合によって接合することができる。当該接合工程では、ジャケット本体と封止体の外周面とが突き合わされて形成された突合せ部に沿って、回転ツールを一周させて、摩擦攪拌接合を行う。

当該摩擦攪拌接合に用いる回転ツールとしては、特許文献２に記載のものが知られている。特許文献２の回転ツールは、ショルダ部と、ショルダ部から垂下する攪拌ピンとを備えている。ショルダ部及び攪拌ピンの外周面には、それぞれテーパー面が形成されている。ショルダ部のテーパー面には、平面視渦巻き状の溝が形成されている。当該溝の断面形状は、半円状になっている。

特開２０１７−９８４３９号公報 特許第４２１０１４８号公報

液冷ジャケットの熱交換効率を考慮すると、複数のピンフィンの先端からジャケット本体の底部までの距離は一定になっていることが好ましい。しかし、ジャケット本体と封止体とを摩擦攪拌で接合すると、回転ツールと封止体との摩擦熱によって封止体が熱収縮によって変形するため、ピンフィンの先端の高さ位置が一定にならないという問題がある。より詳しくは、熱収縮によって封止体の中央側がジャケット本体に近接する方向に変形するため、封止体の中央側のピンフィンは外縁側のピンフィンに比べてジャケット本体までの距離が近くなってしまう。

また、特許文献２の従来技術であると、塑性流動材がテーパー面の溝の内部に入り込んでしまうため、溝が機能しなくなるという問題がある。また、当該溝に塑性流動材が入り込むと、塑性流動材が溝に付着した状態で摩擦攪拌されるため、被接合金属部材と付着物とが擦れ合って接合品質が低下するという問題がある。さらに、被接合金属部材の表面が粗くなり、バリが多くなるとともに、金属部材の表面の段差凹溝も大きくなるという問題がある。

このような観点から、本発明は、複数のピンフィンの先端からジャケット本体までの距離を一定にすることができる液冷ジャケットの製造方法を提供することを課題とする。
また、本発明は、金属部材の表面の段差凹溝を小さくすることができるとともに、接合表面粗さを小さくすることができる液冷ジャケット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、底部、前記底部の周縁から立ち上がる周壁部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基端側ピンと先端側ピンとを備えた回転ツールを用いて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、前記基端側ピンのテーパー角度は、前記先端側ピンのテーパー角度よりも大きくなっており、前記基端側ピンの外周面には階段状の段差部が形成されており、前記周壁部の内周縁に、段差底面と、当該段差底面から前記開口部に向かって立ち上がる段差側面と、を有する周壁段差部を形成し、前記封止体の裏面側に複数のピンフィンを成形するとともに、複数のピンフィンからなるピンフィン群の先端面を前記封止体の中央側が凹形状となるように成形する準備工程と、前記ジャケット本体に前記封止体を載置することにより、前記周壁段差部の段差側面と前記封止体の外周側面とを突き合わせて第一突合せ部を形成するとともに、前記周壁段差部の段差底面と前記封止体の裏面とを重ね合わせて第二突合せ部を形成する載置工程と、回転する前記回転ツールの前記先端側ピンを前記封止体に挿入し、前記基端側ピンの外周面を前記周壁部の周壁端面及び前記封止体の両方に接触させつつ、前記先端側ピンの外周面を前記周壁段差部の段差側面に接触させた状態で、前記第一突合せ部に沿って前記回転ツールを移動させ、前記開口部周りに一周させて摩擦攪拌を行う本接合工程と、を含むことを特徴とする。

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基端側ピンと先端側ピンとを備えた回転ツールを用いて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、前記基端側ピンのテーパー角度は、前記先端側ピンのテーパー角度よりも大きくなっており、前記基端側ピンの外周面には階段状の段差部が形成されており、前記封止体の裏面に複数のピンフィンを成形するとともに、複数のピンフィンからなるピンフィン群の先端面を前記封止体の中央側が凹形状となるように成形する準備工程と、前記ジャケット本体に前記封止体を載置することにより、前記周壁部の周壁端面と前記封止体の裏面とを重ね合わせて第三突合せ部を形成する載置工程と、回転する前記回転ツールの前記先端側ピンを前記封止体に挿入し、前記基端側ピンの外周面を前記封止体に接触させつつ、前記先端側ピンを前記周壁部の周壁端面に接触させた状態で、前記第三突合せ部に沿って前記回転ツールを移動させ前記開口部の周りに一周させて摩擦攪拌を行う本接合工程と、を含むことを特徴とする。

かかる製造方法によれば、摩擦攪拌を行う前に、ピンフィン群の先端面を中央側が凹形状となるように成形しておくことにより、本接合工程後の熱収縮によって封止体が変形し、ピンフィンの先端からジャケット本体までの距離を一定にすることができる。また、かかる製造方法によれば、テーパー角度の大きい基端側ピンの外周面で周壁部の周壁端面及び封止体の両方又は封止体のみを押えることができるため、接合表面の段差凹溝を小さくすることができるとともに、段差凹溝の脇に形成される膨出部を無くすか若しくは小さくすることができる。階段状の段差部は浅く、かつ、出口が広いため、基端側ピンで周壁部の周壁端面及び封止体の両方又は封止体のみを押えても基端側ピンの外周面に塑性流動材が付着し難い。このため、接合表面粗さを小さくすることができるとともに、接合品質を好適に安定させることができる。また、先端側ピンを備えることにより深い位置まで容易に挿入することができる。

また、前記ジャケット本体を第一アルミニウム合金で形成し、前記封止体を第二アルミニウム合金で形成し、前記第一アルミニウム合金は前記第二アルミニウム合金よりも硬度が高い材種であることが好ましい。

かかる製造方法によれば、ジャケット本体の硬度を高めることで強度の高い液冷ジャケットを形成することができる。

また、前記準備工程において、前記封止体の表面側を凸形状となるように成形することが好ましい。

かかる製造方法によれば、本接合工程後の封止体の熱収縮によって封止体の表面を平坦にすることができる。

また、前記本接合工程において、前記先端側ピンを前記周壁段差部の段差底面に接触させた状態で、前記第一突合せ部に沿って前記回転ツールを移動させて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、第二突合せ部の接合強度を高めることができる。

また、前記先端側ピンの先端側には平坦面が形成されるとともに、前記平坦面に突出する突起部を備え、前記本接合工程において、前記先端側ピンの前記平坦面を前記封止体のみに接触させつつ、前記先端側ピンの前記突起部を前記周壁部の周壁端面に接触させた状態で、前記第三突合せ部に沿って前記回転ツールを移動させて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、突起部で巻き上げられた塑性流動材を平坦面で押さえることができるため、第三突合せ部の酸化皮膜を確実に分断することができる。これにより、第三突合せ部の接合強度を高めることができる。

本発明に係る液冷ジャケットの製造方法によれば、複数のピンフィンの先端からジャケット本体までの距離を一定にすることができる。
また、本発明に係る液冷ジャケットの製造方法によれば、金属部材の表面の段差凹溝を小さくすることができるとともに、接合表面粗さを小さくすることができる。

本発明の実施形態に係る接合方法に用いる本接合用回転ツールを示す側面図である。 本接合用回転ツールの拡大断面図である。 本接合用回転ツールの第一変形例を示す断面図である。 本接合用回転ツールの第二変形例を示す断面図である。 本接合用回転ツールの第三変形例を示す断面図である。 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を示す断面図である。 第一実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法の切削工程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板状フィン形成工程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板状フィン形成工程後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ピンフィン形成工程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ピンフィン形成工程後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凹部形成工程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凹部形成工程を示す側面図である。 第一実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法の本接合工程を示す断面図である。 第一実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法の本接合工程後を示す断面図である。 従来の回転ツールを示す概念図である。 従来の回転ツールを示す概念図である。 第二実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法の載置工程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の本接合工程後を示す断面図である。 第三実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法の載置工程を示す断面図である。 第三実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法の本接合工程を示す断面図である。

本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら説明する。まずは、本実施形態に係る接合方法で用いる本接合用回転ツール（回転ツール）Ｆについて説明する。本接合用回転ツールＦは、摩擦攪拌接合に用いられるツールである。図１に示すように、本接合用回転ツールＦは、例えば工具鋼で形成されており、基軸部Ｆ１と、基端側ピンＦ２と、先端側ピンＦ３とで主に構成されている。基軸部Ｆ１は、円柱状を呈し、摩擦攪拌装置の主軸に接続される部位である。

基端側ピンＦ２は、基軸部Ｆ１に連続し、先端に向けて先細りになっている。基端側ピンＦ２は、円錐台形状を呈する。基端側ピンＦ２のテーパー角度Ａは適宜設定すればよいが、例えば、１３５〜１６０°になっている。テーパー角度Ａが１３５°未満であるか、又は、１６０°を超えると摩擦攪拌後の接合表面粗さが大きくなる。テーパー角度Ａは、後記する先端側ピンＦ３のテーパー角度Ｂよりも大きくなっている。図２に示すように、基端側ピンＦ２の外周面には、階段状の段差部Ｆ２１が高さ方向の全体に亘って形成されている。段差部Ｆ２１は、右回り又は左回りで螺旋状に形成されている。つまり、段差部Ｆ２１は、平面視して螺旋状であり、側面視すると階段状になっている。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、段差部Ｆ２１は基端側から先端側に向けて左回りに設定している。

なお、本接合用回転ツールＦを左回転させる場合は、段差部Ｆ２１を基端側から先端側に向けて右回りに設定することが好ましい。これにより、段差部Ｆ２１によって塑性流動材が先端側に導かれるため、被接合金属部材の外部に溢れ出る金属を低減することができる。段差部Ｆ２１は、段差底面Ｆ２１ａと、段差側面Ｆ２１ｂとで構成されている。隣り合う段差部Ｆ２１の各頂点Ｆ２１ｃ，Ｆ２１ｃの距離Ｘ１（水平方向距離）は、後記する段差角度Ｃ及び段差側面Ｆ２１ｂの高さＹ１に応じて適宜設定される。

段差側面Ｆ２１ｂの高さＹ１は適宜設定すればよいが、例えば、０．１〜０．４ｍｍで設定されている。高さＹ１が０．１ｍｍ未満であると接合表面粗さが大きくなる。一方、高さＹ１が０．４ｍｍを超えると接合表面粗さが大きくなる傾向があるとともに、有効段差部数（被接合金属部材と接触している段差部Ｆ２１の数）も減少する。

段差底面Ｆ２１ａと段差側面Ｆ２１ｂとでなす段差角度Ｃは適宜設定すればよいが、例えば、８５〜１２０°で設定されている。段差底面Ｆ２１ａは、本実施形態では水平面と平行になっている。段差底面Ｆ２１ａは、ツールの回転軸から外周方向に向かって水平面に対して−５°〜１５°内の範囲で傾斜していてもよい（マイナスは水平面に対して下方、プラスは水平面に対して上方）。距離Ｘ１、段差側面Ｆ２１ｂの高さＹ１、段差角度Ｃ及び水平面に対する段差底面Ｆ２１ａの角度は、摩擦攪拌を行う際に、塑性流動材が段差部Ｆ２１の内部に滞留して付着することなく外部に抜けるとともに、段差底面Ｆ２１ａで塑性流動材を押えて接合表面粗さを小さくすることができるように適宜設定する。

図１に示すように、先端側ピンＦ３は、基端側ピンＦ２に連続して形成されている。先端側ピンＦ３は円錐台形状を呈する。先端側ピンＦ３の先端は平坦面になっている。先端側ピンＦ３のテーパー角度Ｂは、基端側ピンＦ２のテーパー角度Ａよりも小さくなっている。図２に示すように、先端側ピンＦ３の外周面には、螺旋溝Ｆ３１が刻設されている。螺旋溝Ｆ３１は、右回り、左回りのどちらでもよいが、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、基端側から先端側に向けて左回りに刻設されている。

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Ｆ３１を基端側から先端側に向けて右回りに設定することが好ましい。これにより、螺旋溝Ｆ３１によって塑性流動材が先端側に導かれるため、被接合金属部材の外部に溢れ出る金属を低減することができる。螺旋溝Ｆ３１は、螺旋底面Ｆ３１ａと、螺旋側面Ｆ３１ｂとで構成されている。隣り合う螺旋溝Ｆ３１の頂点Ｆ３１ｃ，Ｆ３１ｃの距離（水平方向距離）を長さＸ２とする。螺旋側面Ｆ３１ｂの高さを高さＹ２とする。螺旋底面Ｆ３１ａと、螺旋側面Ｆ３１ｂとで構成される螺旋角度Ｄは例えば、４５〜９０°で形成されている。螺旋溝Ｆ３１は、被接合金属部材と接触することにより摩擦熱を上昇させるとともに、塑性流動材を先端側に導く役割を備えている。

本接合用回転ツールＦは、適宜設計変更が可能である。図３は、本発明の回転ツールの第一変形例を示す側面図である。図３に示すように、第一変形例に係る本接合用回転ツールＦＡでは、段差部Ｆ２１の段差底面Ｆ２１ａと段差側面Ｆ２１ｂとのなす段差角度Ｃが８５°になっている。段差底面Ｆ２１ａは、水平面と平行である。このように、段差底面Ｆ２１ａは水平面と平行であるとともに、段差角度Ｃは、摩擦攪拌中に段差部Ｆ２１内に塑性流動材が滞留して付着することなく外部に抜ける範囲で鋭角としてもよい。

図４は、本発明の本接合用回転ツールの第二変形例を示す側面図である。図４に示すように、第二変形例に係る本接合用回転ツールＦＢでは、段差部Ｆ２１の段差角度Ｃが１１５°になっている。段差底面Ｆ２１ａは水平面と平行になっている。このように、段差底面Ｆ２１ａは水平面と平行であるとともに、段差部Ｆ２１として機能する範囲で段差角度Ｃが鈍角となってもよい。

図５は、本発明の本接合用回転ツールの第三変形例を示す側面図である。図５に示すように、第三変形例に係る本接合用回転ツールＦＣでは、段差底面Ｆ２１ａがツールの回転軸から外周方向に向かって水平面に対して１０°上方に傾斜している。段差側面Ｆ２１ｂは、鉛直面と平行になっている。このように、摩擦攪拌中に塑性流動材を押さえることができる範囲で、段差底面Ｆ２１ａがツールの回転軸から外周方向に向かって水平面よりも上方に傾斜するように形成されていてもよい。上記の本接合用回転ツールの第一〜第三変形例によっても、下記の実施形態と同等の効果を奏することができる。

［第一実施形態］
次に、本実施形態の液冷ジャケット１について説明する。第一実施形態に係る液冷ジャケット１は、図６に示すように、ジャケット本体２と封止体３とで構成されている。液冷ジャケット１は、内部に流体を流通させて、配置される発熱体を冷却する機器である。以下の説明における「表面」とは、「裏面」の反対側の面を意味する。

ジャケット本体２は、底部１０及び周壁部１１で主に構成されている。ジャケット本体２は、摩擦攪拌可能な金属であれば特に制限されないが、本実施形態では第一アルミニウム合金を主に含んで形成されている。第一アルミニウム合金は、例えば、ＪＩＳＨ５３０２ ＡＤＣ１２（Ａｌ-Ｓｉ-Ｃｕ系）等のアルミニウム合金鋳造材を用いている。

底部１０は、矩形を呈する板状部材である。周壁部１１は、底部１０の周縁部から矩形枠状に立ち上がる壁部である。底部１０及び周壁部１１で凹部１３が形成されている。周壁部１１の内周縁には周壁段差部１２が形成されている。周壁段差部１２は、段差底面１２ａと、段差底面１２ａから垂直に立ち上がる段差側面１２ｂとで構成されている。なお、段差側面１２ｂは、段差底面１２ａから開口部に向かって外側に広がるように傾斜してもよい。

なお、本実施形態のジャケット本体２は、周壁部１１の一部に枠状のシール部５が形成されている。ジャケット本体２は、ダイキャストで一体形成してもよいし、本実施形態のように枠状部と板状部をシール部５で接合して一体化してもよい。

封止体３は、ジャケット本体２の開口部を封止する部材である。封止体３は、矩形板状を呈する本体部２１と、複数のピンフィン２２で構成されている。封止体３は、摩擦攪拌可能な金属であれば特に制限されないが、本実施形態では第二アルミニウム合金を主に含んで形成されている。第二アルミニウム合金は、第一アルミニウム合金よりも硬度の低い材料である。第二アルミニウム合金は、例えば、ＪＩＳ Ａ１０５０，Ａ１１００，Ａ６０６３等のアルミニウム合金展伸材で形成されている。本体部２１とピンフィン２２とは別体でもよいが、本実施形態では一体形成されている。

本体部２１は、平面視矩形を呈し、周壁段差部１２に概ね隙間なく配置される形状になっている。複数のピンフィン２２は、本体部２１の裏面２１ｂから垂下している。ピンフィン２２は、一定の隙間をあけて配置されている。ピンフィン２２は、本実施形態では四角柱を呈するが、円柱等他の形状であってもよい。

図７に示すように、ジャケット本体２と封止体３とは摩擦攪拌によって接合されている。各ピンフィン２２の先端２２ａと、底部１０の表面１０ａとの距離は、一定になっている。また、封止体３の本体部２１の表面２１ａ及び周壁端面１１ａは概ね平坦になっている。

次に、本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。本実施形態に係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、本接合工程とを行う。

準備工程は、ジャケット本体２及び封止体３を準備する工程である。ジャケット本体２及び封止体３は、製造方法については特に制限されないが、ジャケット本体２は、例えば、ダイキャストで成形する。一方、封止体３は、本実施形態では、素形材から一体成形するため、切削工程と、板状フィン形成工程と、ピンフィン形成工程と、凹部形成工程と、本体部形成工程と、を行う。

切削工程は、図８に示すように、第二アルミニウム合金で形成された直方体の素形材を切削し、本体部２１及びブロック部３１を形成する工程である。切削工程では、素形材の周囲を切削して、本体部２１よりも一回り小さい直方体のブロック部３１を形成する。

板状フィン形成工程は、図９に示すように、マルチカッターＭを用いてブロック部３１を切削して、複数の板状フィン３２（図１０参照）を形成する工程である。マルチカッターＭは、部材を切削する回転工具である。マルチカッターＭは、軸部Ｍ１と、軸部Ｍ１に間をあけて並設された複数の円盤カッターＭ２とで構成されている。円盤カッターＭ２の外周縁には切削刃（図示省略）が形成されている。円盤カッターＭ２の板厚及び間隔を調節することにより、板状フィン３２の間隔及び板厚を適宜設定することができる。

板状フィン形成工程では、ブロック部３１の一方の辺部３１ａとマルチカッターＭの軸部Ｍ１とが平行となるように配置して、回転させたマルチカッターＭの円盤カッターＭ２をブロック部３１に挿入する。円盤カッターＭ２が所定の深さに達したら、辺部３１ａと対向する他方の辺部３１ｂまでマルチカッターＭを平行移動させる。軸部Ｍ１が辺部３１ｂに達したらマルチカッターＭをブロック部３１から離間する方向に相対移動させる。

マルチカッターＭの挿入深さは、適宜設定すればよいが、本実施形態では、円盤カッターＭ２が本体部２１に達しないように、つまり、ブロック部３１に未切削領域が形成されるように調節してもよい。以上の工程によって、図１０に示すように、本体部２１の裏面２１ｂに一定の間隔をあけて並設された複数の板状フィン３２が形成される。

ピンフィン形成工程は、図１１に示すように、マルチカッターＭを用いて板状フィン３２を切削して、複数のピンフィン２２（図１２参照）を形成する工程である。ピンフィン形成工程では、板状フィン３２の一方の辺部３２ａとマルチカッターＭの軸部Ｍ１とが平行となるように配置して、板状フィン形成工程と同じ要領で他方の辺部３２ｂまでマルチカッターＭを移動させる。以上の工程によって、図１２に示すように、本体部２１の裏面２１ｂに一定の間隔をあけて一体形成された複数のピンフィン２２が形成される。

凹部形成工程は、図１３及び図１４に示すように、複数のピンフィン２２が集まったピンフィン群の中央部が凹形状となるように形成する工程である。凹部形成工程では、例えば、フライス加工によって、ピンフィン群の中央部が凹形状となるようにピンフィン２２の先端を切削して凹部を形成する。つまり、ピンフィン群の中央部分が最も低くなり、外側にむかうにつれて徐々に高くなるように形成する。凹部の深さは、後記する接合工程を行った後の熱収縮によって、ピンフィン２２の先端２２ａから底部１０の表面１０ａまでの距離が一定になるように適宜設定する。

本体部形成工程は、本体部２１の表面２１ａが、ピンフィン２２から離間するにつれて中央部が凸形状となるように形成する。本実施形態では、本体部２１の表面２１ａの周囲を、例えば、フライス加工によって切削し、周囲よりも中央部が凸形状となるようにする。凸形状の高さは、後記する接合工程を行った後の熱収縮によって、本体部２１の表面２１ａが平坦になるように適宜設定する。以上の工程によって、本実施形態で用いる封止体３が形成される。なお、ピンフィン２２のピンフィン群の凹形状の曲率と、本体部２１の表面２１ａの凸形状の曲率は同一でもよいし、異なっていてもよい。

載置工程は、図１５に示すように、ジャケット本体２に封止体３を載置する工程である。載置工程によって、本体部２１の外周側面２１ｃと段差側面１２ｂ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、封止体３の周囲に沿って平面視矩形状に形成される。また、段差底面１２ａと、本体部２１の裏面２１ｂとが突き合わされて第二突合せ部Ｊ２が形成される。図１５に示すように、ジャケット本体２に封止体３を載置した状態では、ピンフィン２２の先端２２ａと底部１０の表面１０ａの距離は一定ではなく、ピンフィン群の中央部の当該距離は、周囲の当該距離よりも長くなっている。また、本体部２１の表面２１ａは、ジャケット本体２から離間する方向に凸状になっている。

本接合工程は、図１５及び図１６に示すように、基端側ピンＦ２と先端側ピンＦ３とを備える本接合用回転ツールＦを用いてジャケット本体２と封止体３とを接合する工程である。

本接合工程では、基端側ピンＦ２と先端側ピンＦ３とをジャケット本体２及び封止体３に接触させた状態で摩擦攪拌接合を行う。回転する本接合用回転ツールＦの先端側ピンＦ３を第一突合せ部Ｊ１に挿入しつつ、基端側ピンＦ２の外周面でジャケット本体２及び封止体３を押さえながら摩擦攪拌接合を行う。つまり、基端側ピンＦ２の外周面を周壁部１１の周壁端面１１ａ及び封止体３の両方に接触させつつ、先端側ピンＦ３の外周面を周壁段差部１２の段差側面１２ｂに接触させた状態で摩擦攪拌接合を行う。本接合工程では、本接合用回転ツールＦの先端側ピンＦ３を第一突合せ部Ｊ１に沿って移動させる。本接合用回転ツールＦの移動軌跡には塑性化領域Ｗが形成される。

基端側ピンＦ２及び先端側ピンＦ３の挿入深さは、基端側ピンＦ２の外周面がジャケット本体２及び封止体３を押さえることが可能な範囲で適宜設定すればよい。例えば、基端側ピンＦ２及び先端側ピンＦ３の挿入深さは、基端側ピンＦ２の外周面がジャケット本体２及び封止体３を押さえることが可能な範囲であり、かつ、少なくとも塑性化領域Ｗが段差底面１２ａ（第二突合せ部Ｊ２）に達するように設定してもよい。本実施形態では、基端側ピンＦ２の外周面の高さ方向の中央部から上部あたりが周壁部１１の周壁端面１１ａ及び封止体３の表面２１ａと接触するように、かつ、先端側ピンＦ３の先端が段差底面１２ａに達しないように挿入深さを設定している。そして、封止体３の周りで本接合用回転ツールＦを一周させたら、塑性化領域Ｗの始端と終端とを重複させる。

＜作用効果について＞
ここで、一般的に、摩擦攪拌接合を行うと、熱収縮によって封止体３の中央部がジャケット本体２に近接する方向に変形する。特に、本実施形態のように、封止体３が、ジャケット本体２よりも硬度の低い材料で形成されている場合はその変形率が大きくなる。本実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法によれば、図１６に示すように、本接合工程後は、熱収縮によって封止体３の本体部２１の中央部がジャケット本体２側に近接するように変形する。これにより、ピンフィン２２の先端２２ａから底部１０の表面１０ａまでの距離が概ね一定にすることができる。つまり、封止体３のピンフィン群の中央部を予め凹形状となるように形成することにより、熱収縮を利用してピンフィン２２の先端２２ａから底部１０の表面１０ａまでの距離を概ね一定にすることができる。

また、例えば、図１７Ａに示すように、従来の回転ツール２００であると、ショルダ部で被接合金属部材２１０の表面を押えないため段差凹溝（被接合金属部材の表面と塑性化領域Ｗの表面とで構成される凹溝）が大きくなるとともに、接合表面粗さが大きくなるという問題がある。また、段差凹溝の脇に膨出部（接合前に比べて被接合金属部材の表面が膨らむ部位）が形成されるという問題がある。一方、図１７Ｂの回転ツール２０１のように、回転ツール２０１のテーパー角度βを回転ツール２００のテーパー角度αよりも大きくすると、回転ツール２００に比べて被接合金属部材２１０の表面を押えることはできるため、段差凹溝は小さくなり、膨出部も小さくなる。しかし、下向きの塑性流動が強くなるため、塑性化領域Ｗの下部にキッシングボンドが形成されやすくなる。

これに対し、本実施形態の本接合用回転ツールＦは、基端側ピンＦ２と、基端側ピンＦ２のテーパー角度Ａよりもテーパー角度が小さい先端側ピンＦ３を備えた構成になっている。これにより、第一突合せ部Ｊ１に本接合用回転ツールＦを挿入しやすくなる。また、先端側ピンＦ３のテーパー角度Ｂが小さいため、第一突合せ部Ｊ１の深い位置まで本接合用回転ツールＦを容易に挿入することができる。また、先端側ピンＦ３のテーパー角度Ｂが小さいため、回転ツール２０１に比べて下向きの塑性流動を抑えることができる。このため、塑性化領域Ｗの下部にキッシングボンドが形成されるのを防ぐことができる。一方、基端側ピンＦ２のテーパー角度Ａは大きいため、従来の回転ツールに比べ、被接合金属部材の厚さや接合の高さ位置が変化しても安定して接合することができる。

また、基端側ピンＦ２の外周面で塑性流動材を押えることができるため、接合表面に形成される段差凹溝を小さくすることができるとともに、段差凹溝の脇に形成される膨出部を無くすか若しくは小さくすることができる。また、階段状の段差部Ｆ２１は浅く、かつ、出口が広いため、塑性流動材を段差底面Ｆ２１ａで押さえつつ塑性流動材が段差部Ｆ２１の外部に抜けやすくなっている。そのため、基端側ピンＦ２で塑性流動材を押えても基端側ピンＦ２の外周面に塑性流動材が付着し難い。よって、接合表面粗さを小さくすることができるとともに、接合品質を好適に安定させることができる。

また、本接合工程の前に、封止体３の本体部２１の表面２１ａを凸形状とすることにより、熱収縮を利用して、表面２１ａを平坦にすることができる。

また、ジャケット本体２を硬度の高い材料にすることにより、液冷ジャケット１の強度を高めることができる。また、封止体３の硬度を低い材料にすることにより、成形性を高めることができる。また、本実施形態では、本体部２１と複数のピンフィン２２とを一体形成するため、熱交換効率を高めることができる。

なお、本接合工程を行う前に、溶接又は摩擦攪拌によって第一突合せ部Ｊ１に仮接合を行う仮接合工程を行ってもよい。仮接合工程によれば、本接合工程の際の第一突合せ部Ｊ１の目開きを防ぐことができる。また、本実施形態では、予め本体部２１の表面２１ａを凸形状としたが、表面２１ａが平坦の状態で本接合工程を行ってもよい。また、本実施形態では、本接合工程において、先端側ピンＦ３の先端を段差底面１２ａに接触させなかったが、先端側ピンＦ３の先端を段差底面１２ａに接触させた状態で、第二突合せ部Ｊ２を接合してもよい。本接合工程において、先端側ピンＦ３の先端を段差底面１２ａに接触させた状態で摩擦攪拌を行うことにより、第二突合せ部Ｊ２の接合強度を高めることができる。

［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。本実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法では、封止体３の製造方法が第一実施形態と異なる。本実施形態では、第一実施形態と異なる点を中心に説明する。

本実施形態に係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、本接合工程を行う。準備工程では、図１８に示すように、封止体３Ａを用意する。封止体３Ａは、板状の本体部２１と、本体部２１の裏面２１ｂから垂下する複数のピンフィン２２とで構成されている。封止体３Ａは、本実施形態ではダイキャストによって一体成形されている。封止体３の板状の本体部２１は、中央部がジャケット本体２から離間する方向に凸形状となるように湾曲している。表面２１ａから裏面２１ｂまでの距離は概ね一定になっている。また、複数のピンフィン２２からなるピンフィン群は、中央部が凹形状となるように（本体部２１に向かって凹むように）形成されている。

図１８に示すように、載置工程では、段差側面１２ｂと、本体部２１の外周側面２１ｃとが突き合わされて第一突合せ部Ｊ１が形成されている。本実施形態では、封止体３Ａが湾曲形成されているため、第一突合せ部Ｊ１の段差側面１２ｂと本体部２１の外周側面２１ｃとは断面三角形状の隙間をあけて離間している。本接合工程は、第一実施形態と同じ要領で行う。

図１９に示すように、第二実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法によっても、第一実施形態と同様に、熱収縮によって封止体３が変形することにより、各ピンフィン２２の先端２２ａと底部１０の表面１０ａとの距離を一定にすることができる。

また、予め封止体３の本体部２１の表面２１ａを、ジャケット本体２から離間する方向に凸形状としているため、熱収縮によって表面２１ａを平坦にすることができる。また、封止体３はダイキャストによって容易に成形することができる。

［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。本実施形態では、図２０に示すように、ジャケット本体２と封止体３とを重ね合わせる点、本接合用回転ツールＦＡを用いる点で第一実施形態と相違する。本実施形態では、第一実施形態と相違する点を中心に説明する。

ジャケット本体２は、矩形状の底部１０と、底部１０の周縁から立ち上がる矩形枠状の周壁部１１とで構成されている。周壁部１１の周壁端面１１ａは平坦になっている。封止体３は、矩形板状の本体部２１と、本体部２１の裏面２１ｂから垂下する複数のピンフィン２２とで構成されている。封止体３は、第一実施形態と同じ工程で形成されている。

載置工程では、周壁部１１の周壁端面１１ａに封止体３の本体部２１の裏面２１ｂを載置する。周壁端面１１ａと裏面２１ｂとが重ね合わされて第三突合せ部Ｊ３が形成される。

本接合工程では、図２１に示すように、本接合用回転ツールＦＡを用いて第三突合せ部Ｊ３に対して摩擦攪拌接合を行う。本接合用回転ツールＦＡは、例えば工具鋼で形成されており、基軸部Ｆ１と、基端側ピンＦ２と、先端側ピンＦ３とで主に構成されている。基軸部Ｆ１は、円柱状を呈し、摩擦攪拌装置の主軸に接続される部位である。

基端側ピンＦ２は、基軸部Ｆ１に連続し、先端に向けて先細りになっている。基端側ピンＦ２は、円錐台形状を呈する。先端側ピンＦ３は、基端側ピンＦ２に連続して形成されている。先端側ピンＦ３は円錐台形状を呈する。先端側ピンＦ３の先端には、本接合用回転ツールＦＡの回転中心軸に対して垂直な平坦面Ｆ４が形成されている。また、先端側ピンＦ３には、平坦面Ｆ４に突出する突起部Ｆ５が形成されている。つまり、平坦面Ｆ４と突起部Ｆ５とで段差部が形成されている。突起部Ｆ５は、先端側ピンＦ３と同軸になっている。突起部Ｆ５の形状は特に制限されないが、本実施形態では円柱状を呈する。突起部Ｆ５の側面に螺旋溝を形成してもよい。

本接合工程では、基端側ピンＦ２と先端側ピンＦ３とを封止体３に接触させた状態で摩擦攪拌接合を行う。回転する本接合用回転ツールＦの先端側ピンＦ３を封止体３に挿入しつつ、基端側ピンＦ２の外周面で封止体３を押さえながら摩擦攪拌接合を行う。つまり、基端側ピンＦ２の外周面を封止体３に接触させつつ、先端側ピンＦ３を周壁部１１の周壁端面１１ａに接触させた状態で摩擦攪拌接合を行う。本接合工程では、本接合用回転ツールＦの先端側ピンＦ３を第三突合せ部Ｊ３に沿って移動させる。本接合用回転ツールＦの移動軌跡には塑性化領域Ｗが形成される。

基端側ピンＦ２及び先端側ピンＦ３の挿入深さは、基端側ピンＦ２の外周面が封止体３を押さえることが可能な範囲で適宜設定すればよい。例えば、基端側ピンＦ２及び先端側ピンＦ３の挿入深さは、基端側ピンＦ２の外周面が封止体３を押さえることが可能な範囲であり、かつ、少なくとも塑性化領域Ｗが周壁端面１１ａ（第三突合せ部Ｊ３）に達するように設定してもよい。本実施形態では、基端側ピンＦ２の外周面の高さ方向の中央部から上部あたりが封止体３の表面２１ａと接触するように、かつ、平坦面Ｆ４が封止体３に接触しつつ、突起部Ｆ５が周壁端面１１ａに接触するように挿入深さを設定している。そして、第三突合せ部Ｊ３の周りに本接合用回転ツールＦＡを一周させたら塑性化領域Ｗの始端と終端とを重複させる。

以上説明した本実施形態であっても第一実施形態と概ね同じ効果を奏することができる。また、本実施形態の本接合工程によれば、突起部Ｆ５の周りで巻き上げられた塑性流動材は平坦面Ｆ４で押さえられるため、第三突合せ部Ｊ３の酸化皮膜を確実に分断することができる。これにより、第三突合せ部Ｊ３の接合強度を高めることができる。

なお、本実施形態では、突起部Ｆ５を周壁部１１に接触させたが、突起部Ｆ５と周壁部１１とを接触させない状態で、第三突合せ部Ｊ３を接合してもよい。この場合は、本体部２１と先端側ピンＦ３との摩擦熱によって塑性流動材が攪拌されて第三突合せ部Ｊ３が接合される。また、第一実施形態で用いた本接合用回転ツールＦを用いて第三実施形態の本接合工程を行ってもよい。この場合は、本接合用回転ツールＦの先端側ピンＦ３を封止体３のみに接触させた状態で、第三突合せ部Ｊ３を摩擦攪拌接合してもよいし、本接合用回転ツールＦの先端側ピンＦ３を封止体３及び周壁部１１の周壁端面１１ａに接触させた状態で、第三突合せ部Ｊ３を摩擦攪拌接合してもよい。また、本接合用回転ツールＦＡを用いて、第一実施形態又は第二実施形態の本接合工程を行ってもよい。

１ 液冷ジャケット
２ ジャケット本体
３ 封止体
２１ 本体部
２２ ピンフィン
Ｆ，ＦＡ 本接合用回転ツール（回転ツール）
Ｆ２ 基端側ピン
Ｆ３ 先端側ピン
Ｆ４ 平坦面
Ｆ５ 突起部
Ｊ１ 第一突合せ部
Ｊ２ 第二突合せ部
Ｊ３ 第三突合せ部
Ｗ 塑性化領域

Claims (8)

1. 底部、前記底部の周縁から立ち上がる周壁部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基端側ピンと先端側ピンとを備えた回転ツールを用いて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、
   前記基端側ピンのテーパー角度は、前記先端側ピンのテーパー角度よりも大きくなっており、
   前記基端側ピンの外周面には階段状の段差部が形成されており、
   前記周壁部の内周縁に、段差底面と、当該段差底面から前記開口部に向かって立ち上がる段差側面と、を有する周壁段差部を形成し、前記封止体の裏面側に複数のピンフィンを成形するとともに、複数のピンフィンからなるピンフィン群の先端面を前記封止体の中央側が凹形状となるように成形する準備工程と、
   前記ジャケット本体に前記封止体を載置することにより、前記周壁段差部の段差側面と前記封止体の外周側面とを突き合わせて第一突合せ部を形成するとともに、前記周壁段差部の段差底面と前記封止体の裏面とを重ね合わせて第二突合せ部を形成する載置工程と、
   回転する前記回転ツールの前記先端側ピンを前記封止体に挿入し、前記基端側ピンの外周面を前記周壁部の周壁端面及び前記封止体の両方に接触させつつ、前記先端側ピンの外周面を前記周壁段差部の段差側面に接触させた状態で、前記第一突合せ部に沿って前記回転ツールを移動させ、前記開口部周りに一周させて摩擦攪拌を行う本接合工程と、を含むことを特徴とする液冷ジャケットの製造方法。
2. 前記ジャケット本体を第一アルミニウム合金で形成し、前記封止体を第二アルミニウム合金で形成し、前記第一アルミニウム合金は前記第二アルミニウム合金よりも硬度が高い材種である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. 前記準備工程において、前記封止体の表面側を凸形状となるように成形することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の液冷ジャケットの製造方法。
4. 前記本接合工程において、前記先端側ピンを前記周壁段差部の段差底面に接触させた状態で、前記第一突合せ部に沿って前記回転ツールを移動させて摩擦攪拌を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の液冷ジャケットの製造方法。
5. 底部、前記底部の周縁から立ち上がる周壁部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基端側ピンと先端側ピンとを備えた回転ツールを用いて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、
   前記基端側ピンのテーパー角度は、前記先端側ピンのテーパー角度よりも大きくなっており、
   前記基端側ピンの外周面には階段状の段差部が形成されており、
   前記封止体の裏面に複数のピンフィンを成形するとともに、複数のピンフィンからなるピンフィン群の先端面を前記封止体の中央側が凹形状となるように成形する準備工程と、
   前記ジャケット本体に前記封止体を載置することにより、前記周壁部の周壁端面と前記封止体の裏面とを重ね合わせて第三突合せ部を形成する載置工程と、
   回転する前記回転ツールの前記先端側ピンを前記封止体に挿入し、前記基端側ピンの外周面を前記封止体に接触させつつ、前記先端側ピンを前記周壁部の周壁端面に接触させた状態で、前記第三突合せ部に沿って前記回転ツールを移動させ前記開口部の周りに一周させて摩擦攪拌を行う本接合工程と、を含むことを特徴とする液冷ジャケットの製造方法。
6. 前記ジャケット本体を第一アルミニウム合金で形成し、前記封止体を第二アルミニウム合金で形成し、前記第一アルミニウム合金は前記第二アルミニウム合金よりも硬度が高い材種であることを特徴とする請求項５に記載の液冷ジャケットの製造方法。
7. 前記準備工程において、前記封止体の表面側を凸形状となるように成形することを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の液冷ジャケットの製造方法。
8. 前記先端側ピンの先端側には平坦面が形成されるとともに、前記平坦面に突出する突起部を備え、
   前記本接合工程において、前記先端側ピンの前記平坦面を前記封止体のみに接触させつつ、前記先端側ピンの前記突起部を前記周壁部の周壁端面に接触させた状態で、前記第三突合せ部に沿って前記回転ツールを移動させて摩擦攪拌を行うことを特徴とする請求項５乃至請求項７のいずれか一項に記載の液冷ジャケットの製造方法。

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