JP6015638B2 - 伝熱板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、伝熱板の製造方法に関する。

一対の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。摩擦攪拌接合は、回転させた回転ツールを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するものである。なお、回転ツールは、円柱状を呈するショルダの下端面に攪拌ピン（プローブ）を突設してなるものが一般的である。

例えば、特許文献１には、ベース部材と蓋板とを摩擦攪拌により接合して伝熱板を形成する発明が記載されている。図１７の（ａ）に示すように、ベース部材１０１は、蓋溝１０２と、蓋溝１０２の底面に形成された凹溝１０３とを有している。蓋板１１０は、凹溝１０３を覆うように蓋溝１０２に配置される。特許文献１に係る発明では、蓋溝１０２と蓋板１１０との突合部に沿って回転する回転ツールＧを移動させて摩擦攪拌接合を行う。回転ツールＧは、ショルダＧ１と、ショルダＧ１の下端面に形成された攪拌ピンＧ２とを備えている。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。

上記のように摩擦攪拌接合を行うと、熱収縮によってベース部材１０１の表面１０１Ａが凹状となるように反ってしまう。そのため、特許文献１に係る発明では、図１７の（ｂ）に示すように、ベース部材１０１の裏面１０１Ｂに対して回転ツールＧによって摩擦攪拌を行う技術が開示されている。このような工程を行うと、裏面１０１Ｂにも熱収縮が発生するため、伝熱板の平坦性を高めることができる。

特開２００９−１９５９４０号公報

図１７の（ａ）に示すように、特許文献１に係る発明では、ショルダＧ１の下端面をベース部材１０１の表面１０１Ａに押し込んで摩擦攪拌接合を行う。ショルダＧ１を押し込むと、塑性流動化した金属が回転ツールＧの周囲から溢れ出るのを防ぐことができる。しかし、ショルダＧ１の下端面によってベース部材１０１に大きな押圧力が作用するため、凹溝１０３に塑性流動材が流入する可能性がある。一方、凹溝１０３に塑性流動材が流入しないように摩擦攪拌の位置を設定すると、伝熱板の設計の自由度が制限されるという問題がある。

また、図１７の（ｂ）に示すように、裏面１０１Ｂに対して、例えば、Ｅ１方向に回転ツールＧを移動させる際には、ベース部材１０１が裏面１０１Ｂに凸状となるように反っているため、ショルダＧ１の下端面のうち進行方向前側が裏面１０１Ｂに当接する。また、Ｅ２方向に回転ツールを移動させる際には、ショルダＧ１の下端面のうち進行方向後側が裏面１０１Ｂに当接する。これにより、回転ツールＧの操作性が低下するという問題がある。

そこで、本発明は、平坦な伝熱板を製造することができるとともに、回転ツールの操作性が良好であり、かつ、設計の自由度が高い伝熱板の製造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に、本発明は、ベース部材及び蓋板の表面側に引張応力を作用させて、当該表面側が凸となるように前記ベース部材及び前記蓋板を変形させる変形工程と、前記ベース部材の表面に開口する凹溝の周囲に形成された蓋溝に、前記蓋板を挿入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攪拌ピンを備え、摩擦攪拌装置の回転軸に連結された回転ツールを相対移動させて摩擦攪拌を行う本接合工程と、を含み、前記攪拌ピンの周面に螺旋溝が刻設されており、前記回転ツールを右回転させる場合は、前記螺旋溝を前記攪拌ピンの基端側から先端側に向けて左回りに刻設し、前記回転ツールを左回転させる場合は、前記螺旋溝を前記攪拌ピンの基端側から先端側に向けて右回りに刻設するとともに、前記ベース部材及び前記蓋板の少なくともいずれか一方の変形量を計測し、前記本接合工程において、回転した前記攪拌ピンを前記突合部に挿入し、前記摩擦攪拌装置及び前記回転ツールのうち、前記回転ツールの前記攪拌ピンのみを前記ベース部材及び前記蓋板に接触させて摩擦熱を発生させた状態で、前記攪拌ピンの挿入深さを前記変形量に合せて調節しながら摩擦攪拌を行うことを特徴とする。

また、本発明は、ベース部材及び蓋板の表面側に引張応力を作用させて、当該表面側が凸となるように前記ベース部材及び前記蓋板を変形させる変形工程と、前記ベース部材の表面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、前記蓋溝に蓋板を挿入する蓋板挿入工程と、前記蓋溝の側壁と前記蓋板の側面との突合部に沿って攪拌ピンを備え、摩擦攪拌装置の回転軸に連結された回転ツールを相対移動させて摩擦攪拌を行う本接合工程と、を含み、前記攪拌ピンの周面に螺旋溝が刻設されており、前記回転ツールを右回転させる場合は、前記螺旋溝を前記攪拌ピンの基端側から先端側に向けて左回りに刻設し、前記回転ツールを左回転させる場合は、前記螺旋溝を前記攪拌ピンの基端側から先端側に向けて右回りに刻設するとともに、前記ベース部材及び前記蓋板の少なくともいずれか一方の変形量を計測し、前記本接合工程において、回転した前記攪拌ピンを前記突合部に挿入し、前記摩擦攪拌装置及び前記回転ツールのうち、前記回転ツールの前記攪拌ピンのみを前記ベース部材及び前記蓋板に接触させて摩擦熱を発生させた状態で、前記攪拌ピンの挿入深さを前記変形量に合せて調節しながら摩擦攪拌を行うことを特徴とする。

かかる製造方法によれば、予めベース部材及び蓋板の表面側に引張応力が作用するように変形させた後に本接合工程を行うため、本接合工程によって発生する熱収縮によって伝熱板を平坦にすることができる。また、回転ツールのうちの攪拌ピンのみがベース部材及び蓋板に接触するので、ベース部材及び蓋板の表面が凸状に反っていたとしても、従来の製造方法のようにショルダがベース部材及び蓋板に当たらないため回転ツールの操作性が良好となる。

また、従来の製造方法のようにショルダがベース部材及び蓋板と接触しないため、ベース部材及び蓋板に対する押圧力が小さくなるとともに、従来の製造方法と比べて塑性化領域の幅が小さくなる。これにより、従来の製造方法よりも回転ツールを凹溝に近づけることが可能となり、伝熱板の設計の自由度が向上する。また、従来の製造方法に比べて接合するベース部材及び蓋板と回転ツールとの摩擦を軽減することができ、摩擦攪拌装置にかかる負荷を小さくすることができる。これにより、突合部の深い位置まで容易に摩擦攪拌接合することができる。また、伝熱板に対する攪拌ピンの深さ位置を一定に保つことができる。

また、前記本接合工程の前に、前記突合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、本接合工程の際の突合部の目開きを防止することができる。

また、前記仮接合工程では、前記回転ツールの攪拌ピンのみを前記突合部に挿入して仮接合することが好ましい。かかる製造方法によれば、本接合工程と仮接合工程とで同じ回転ツールを用いることができるため、製造サイクルの短縮化を図ることができる。

また、前記変形工程では、平坦面を備えた架台の四隅に配置されたスペーサーの上に仮接合された前記ベース部材及び前記蓋板を、前記ベース部材の裏面側が上を向くように配置して、ポンチを前記ベース部材の中央に降下させて、前記ベース部材及び前記蓋板を変形させることが好ましい。

また、本発明は、ベース部材及び蓋板の表面側に引張応力を作用させて、当該表面側が凸となるように前記ベース部材及び前記蓋板を変形させる変形工程と、前記ベース部材の表面に開口する凹溝又は凹部を覆うように、前記ベース部材の表面に前記蓋板を重ね合わせる閉塞工程と、前記ベース部材と前記蓋板との重合部を仮接合する仮接合工程と、前記蓋板の表面から攪拌ピンを備え、摩擦攪拌装置の回転軸に連結された回転ツールを挿入し、前記ベース部材の表面と前記蓋板の裏面との重合部に沿って前記回転ツールを相対移動させる本接合工程と、を含み、前記攪拌ピンの周面に螺旋溝が刻設されており、前記回転ツールを右回転させる場合は、前記螺旋溝を前記攪拌ピンの基端側から先端側に向けて左回りに刻設し、前記回転ツールを左回転させる場合は、前記螺旋溝を前記攪拌ピンの基端側から先端側に向けて右回りに刻設するとともに、前記ベース部材及び前記蓋板の少なくともいずれか一方の変形量を計測し、前記本接合工程では、前記摩擦攪拌装置及び前記回転ツールのうち、前記回転ツールの前記攪拌ピンのみを前記ベース部材と前記蓋板の両方、又は、前記蓋板のみに接触させて摩擦熱を発生させた状態で、前記攪拌ピンの挿入深さを前記変形量に合せて調節しながら前記重合部の摩擦攪拌を行うことを特徴とする。

かかる製造方法によれば、予めベース部材及び蓋板の表面側に引張応力が作用するように変形させた後に本接合工程を行うため、本接合工程によって発生する熱収縮によって伝熱板を平坦にすることができる。また、回転ツールのうちの攪拌ピンのみが蓋板に接触するので、ベース部材の表面が凸状に反っていたとしても、従来の製造方法のようにショルダが蓋板に当たらないため回転ツールの操作性が良好となる。

また、従来の製造方法のようにショルダが蓋板と接触しないため、蓋板に対する押圧力が小さくなるとともに、従来の製造方法と比べて塑性化領域の幅が小さくなる。これにより、従来の製造方法よりも回転ツールを凹溝又は凹部に近づけることが可能となり、伝熱板の設計の自由度が向上する。また、従来の製造方法に比べて接合するベース部材及び蓋板と回転ツールとの摩擦を軽減することができ、摩擦攪拌装置にかかる負荷を小さくすることができる。これにより、突合部の深い位置まで容易に摩擦攪拌接合することができる。また、伝熱板に対する攪拌ピンの深さ位置を一定に保つことができる。

また、前記変形工程では、平坦面を備えた架台の四隅に配置されたスペーサーの上に仮接合された前記ベース部材及び前記蓋板を、前記ベース部材の裏面側が上を向くように配置して、ポンチを前記ベース部材の中央に降下させて、前記ベース部材及び前記蓋板を変形させることが好ましい。

また、前記本接合工程の終了後、前記回転ツールの摩擦攪拌によって生じたバリを切除するバリ切除工程を含むことが好ましい。かかる製造方法によれば、伝熱板の表面を平坦にすることができる。

本発明に係る伝熱板の製造方法によれば、平坦な伝熱板を製造することができるとともに、回転ツールの操作性が良好であり、かつ、設計の自由度が高い。

（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。 （ａ）は本発明の第一実施形態に係る伝熱板を示す分解斜視図である。（ｂ）は（ａ）の要部側面図である。 第一実施形態に係る伝熱板を示す斜視図である。 第一実施形態に係る伝熱板の製造方法における仮接合工程を示す斜視図である。 第一実施形態に係る伝熱板の製造方法における変形工程を示す斜視図である。 （ａ）はテーブルを示す斜視図であり、（ｂ）は第一実施形態に係る伝熱板の製造方法における準備工程を示す斜視図である。 （ａ）は第一実施形態に係る伝熱板の製造方法における準備工程を示す側面図であり、（ｂ）は第一実施形態に係る伝熱板の製造方法における本接合工程を示す断面図である。 第一実施形態に係る第一変形例を示す斜視図である。 第一実施形態に係る第二変形例を示す斜視図であって、（ａ）は変形工程を示す図であり、（ｂ）は変形工程後を示す図である。 本発明の第二実施形態に係る伝熱板を示す分解斜視図である。 第二実施形態に係る本接合工程を示す断面図である。 本発明の第三実施形態に係る伝熱板を示す分解斜視図である。 第三実施形態に係る伝熱板の製造方法において、（ａ）は仮接合工程を示す斜視図であり、（ｂ）は準備工程を示す斜視図である。 第三実施形態に係る伝熱板の製造方法における本接合工程を示す断面図である。 （ａ）は第三実施形態に係る変形例を示す伝熱板の分解斜視図であり、（ｂ）は第三実施形態に係る変形例における本接合工程を示す断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は従来の伝熱板の製造方法に係る断面図である。

〔第一実施形態〕
本発明の第一実施形態に係る伝熱板及び伝熱板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、特許請求の範囲の「回転ツール」に相当する。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。

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。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（後記するベース部材２及び蓋板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Ｗ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Ｇ１は円柱状を呈する。ショルダ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Ｇ１から垂下しており、ショルダＧ１と同軸になっている。攪拌ピンＧ２はショルダ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Ｗ１が形成される。

次に、本実施形態の伝熱板について説明する。図３の（ａ）に示すように、本実施形態に係る伝熱板１は、ベース部材２と、蓋板３とで主に構成されている。ベース部材２は、平坦な板状部材である。ベース部材２には、凹溝１０と、蓋溝１１とが形成されている。ベース部材２の材料は摩擦攪拌可能であれば特に制限されないが、本実施形態ではアルミニウム合金である。

凹溝１０は、ベース部材２の表面２ａにおいて平面視蛇行状に形成されている。図３の（ｂ）に示すように、凹溝１０は、蓋溝１１の底面１１ａに凹設されている。本実施形態では、凹溝１０は矩形断面になっているが他の形状であってもよい。凹溝１０の開口は、ベース部材２の表面２ａ側に開放されている。凹溝１０の平面形状は用途に応じて適宜設定すればよい。

蓋溝１１は、凹溝１０よりも幅広になっており、凹溝１０の表面２ａ側において凹溝１０に連続して形成されている。蓋溝１１は、断面視矩形を呈し、表面２ａ側に開放されている。

蓋板３は、蓋溝１１に挿入される平坦な板状部材である。蓋板３は、本実施形態では、ベース部材２と略同等の材料であるアルミニウム合金で形成されている。蓋板３は、蓋溝１１に挿入されるように、蓋溝１１の中空部と略同一形状になっている。

図３，４に示すように、蓋溝１１の側壁１１ｂ，１１ｂと蓋板３の側面３ｃ，３ｃとがそれぞれ突き合わされて突合部Ｊ１，Ｊ１が形成される。突合部Ｊ１，Ｊ１は、深さ方向の全長に亘って摩擦攪拌により接合される。伝熱板１の凹溝１０と蓋板３の裏面３ｂとで囲まれた空間が流体の流路となる。

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。伝熱板の製造方法では、準備工程と、本接合工程と、バリ切除工程とを行う。

準備工程では、挿入工程と、仮接合工程と、変形工程と、固定工程とを行う。図３に示すように、挿入工程では、ベース部材２の蓋溝１１に蓋板３を挿入して、蓋溝１１の側壁１１ｂ，１１ｂと、蓋板３の側面３ｃ，３ｃとをそれぞれ突き合わせる。これにより、図５に示すように、突合部Ｊ１，Ｊ１が形成される。蓋板３の表面３ａとベース部材２の表面２ａとは面一になる。

仮接合工程では、ベース部材２と蓋板３とを仮接合する。図５に示すように、仮接合工程では、仮接合用回転ツールＧを用いて突合部Ｊ１，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Ｗ１が形成される。仮接合は連続的に行ってもよいし、図５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ベース部材２及び蓋板３の熱変形量は小さくなっている。

変形工程では、仮接合されたベース部材２及び蓋板３に対して表面２ａ，３ａ側が凸となるように変形させる。図６に示すように、本実施形態では、プレス成形型Ｍを用いて変形工程を行う。プレス成形型Ｍは、下型Ｍ１と、上型Ｍ２とで構成されている。下型Ｍ１は、ベース部材２よりも大きく形成されており、本実施形態では上面が凹状の球面になっている。上型Ｍ２は、ベース部材２よりも大きく形成されており、本実施形態では下面が凸状の球面になっている。

変形工程では、仮接合されたベース部材２及び蓋板３を下型Ｍ１に配置した後、上型Ｍ２を降下させて、ベース部材２及び蓋板３を変形させる。これにより、ベース部材２及び蓋板３の表面２ａ，３ａ側に引張応力を作用させて、表面２ａ，３ａ側が凸状となるように塑性変形させる。

図７に示すように、固定工程では、仮接合されたベース部材２及び蓋板３をテーブルＫに固定する。図７の（ａ）に示すように、テーブルＫは、上面が平坦に形成された基板Ｋ１と、基板Ｋ１の中央に配置されたスペーサＫ２と、基板Ｋ１の四隅にそれぞれ形成された４つのクランプＫ３とで構成されている。スペーサＫ２は、本実施形態では円柱状を呈する。スペーサＫ２の高さは、本接合工程の入熱量等の条件に応じて適宜設定すればよい。

図７の（ｂ）に示すように、固定工程では、スペーサＫ２の上に、変形工程で変形させたベース部材２及び蓋板３を配置し、四隅をクランプＫ３で固定する。図８の（ａ）に示すように、固定工程によって、ベース部材２及び蓋板３の表面２ａ，３ａが凸となるように配置される。

図８の（ｂ）に示すように、本接合工程は、本接合用回転ツールＦを用いて突合部Ｊ１，Ｊ１に対して摩擦攪拌接合を行う工程である。本接合工程では、仮接合工程で形成された塑性化領域Ｗ１及び突合部Ｊ１をなぞるようにして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の先端が、蓋溝１１の底面１１ａに達するように本接合用回転ツールＦを挿入することが好ましい。

攪拌ピンＦ２は、蓋溝１１の深さよりも長くなっているため、攪拌ピンＦ２の先端が蓋溝１１の底面１１ａに達しても、連結部Ｆ１がベース部材２及び蓋板３に当接しない。つまり、本接合工程では、連結部Ｆ１の下端面がベース部材２及び蓋板３の表面に接触しない。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。また、本実施形態では、突合部Ｊ１と凹溝１０との距離は、本接合工程を行った際に凹溝１０に塑性流動材が流入しないように設定することが好ましい。

さらに、本接合工程の前に、テーブルＫに固定されたベース部材２の高さ方向の変形量を計測しておき、本接合工程において前記変形量に合わせて攪拌ピンＦ２の挿入深さを調節しながら摩擦攪拌を行うことが好ましい。つまり、ベース部材２及び蓋板３の表面２ａ，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、ベース部材２の塑性化領域Ｗの深さ及び幅を一定にすることができる。

なお、ベース部材２及び蓋板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Ｋからベース部材２の表面２ａ及び蓋板３の表面３ａ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、ベース部材２及び蓋板３の変形量を検知しながら本接合工程を行ってもよい。

本接合工程が終了したら、ベース部材２及び蓋板３をクランプＫ３から離脱させて静置する。本接合工程によって形成された塑性化領域Ｗが熱収縮するため、ベース部材２及び蓋板３が、表面２ａ，３ａ側に凹状となる方向に変形する。これにより、結果的にベース部材２及び蓋板３が平坦になる。

バリ切除工程は、本接合工程後にベース部材２及び蓋板３に発生したバリを除去する工程である。以上により、図４に示す伝熱板１が完成する。

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、ベース部材２及び蓋板３の表面２ａ，３ａ側に引張応力を作用させて、表面２ａ，３ａ側が凸状となるように塑性変形させた後にテーブルＫに固定し、表面２ａ，３ａ側に凸状となった状態で本接合工程を行うため、本接合工程によって発生する熱収縮によって伝熱板１を平坦にすることができる。

また、本接合用回転ツールＦのうちの攪拌ピンＦ２のみがベース部材２及び蓋板３に接触することになるので、ベース部材２及び蓋板３の表面２ａ，３ａが凸状に反っていたとしても連結部Ｆ１がベース部材２及び蓋板３に当たることがないため本接合用回転ツールＦの操作性が良好となる。

また、本接合用回転ツールＦの連結部Ｆ１がベース部材２及び蓋板３の表面２ａ，３ａと接触しないため、ベース部材２及び蓋板３に対する押圧力が小さくなるとともに、従来の製造方法と比べて塑性化領域Ｗの幅が小さくなる。これにより、従来よりも本接合用回転ツールＦを凹溝１０に近づけることが可能となり、伝熱板の設計の自由度が向上する。また、従来の製造方法に比べて接合するベース部材２及び蓋板３と本接合用回転ツールＦとの摩擦を軽減することができ、摩擦攪拌装置にかかる負荷を小さくすることができる。これにより、突合部Ｊ１の深い位置まで容易に摩擦攪拌接合することができる。また、必ずしも突合部Ｊ１の深さ方向の全体にわたって摩擦攪拌をする必要はないが、突合部Ｊ１の深さ方向全体にわたって摩擦攪拌をすることで、伝熱板１の水密性及び気密性を向上させることができる。

また、仮接合工程を行うことで、本接合工程を行う際に、ベース部材２と蓋板３との目開きを防ぐことができる。また、バリ切除工程を行うことで、伝熱板１をきれいに仕上げることができる。

なお、本接合工程を行う前に、タブ材を配置するタブ材配置工程を行ってもよい。具体的な図示は省略するが、タブ材配置工程では、ベース部材２の側面に一又は複数のタブ材を取り付ける。本接合工程では、当該タブ材にスタート位置及びエンド位置を設けて摩擦攪拌接合を行うとことができる。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ればよい。タブ材を用いることで、伝熱板１の側面をきれいに仕上げることができる。また、本接合工程の作業性を高めることができる。

また、本実施形態では、ベース部材２及び蓋板３の変形量に応じてテーブルＫに対する本接合用回転ツールＦの高さ位置を変更するようにしたが、テーブルＫに対する本接合用回転ツールＦの高さ位置を一定にして本接合工程を行ってもよい。

また、本実施形態では、仮接合工程を行った後に、変形工程を行ったがこれに限定されるものではない。挿入工程を行う前に、ベース部材２及び蓋板３に対してそれぞれ変形工程を行った後、挿入工程、仮接合工程及び固定工程の順番で行ってもよい。

また、テーブルＫの基板Ｋ１とスペーサＫ２とは一体でもよい。また、本実施形態では、固定工程においてスペーサＫ２をテーブルＫの基板Ｋ１上に配置したが、変形工程によってベース部材２及び蓋板３は表面２ａ，３ａ側に凸となる曲面に形成されているので、必ずしもスペーサＫ２を使用する必要はない。つまり、テーブルＫは、基板Ｋ１の上面が平面であっても、クランプ等の治具によってベース部材２及び蓋板３を上方に凸となるように保持できる構成であればよい。

また、仮接合工程では、本実施形態では仮接合用回転ツールＧを用いたが、本接合用回転ツールＦを用いて仮接合を行ってもよい。この場合は、本接合用回転ツールＦの攪拌ピンＦ２の先端のみを突合部Ｊ１に挿入して摩擦攪拌を行う。本接合用回転ツールＦを用いて仮接合を行うと、回転ツールを交換する必要がないため製造サイクルを短縮することができる。

また、図６に示すように、本実施形態の変形工程では、ベース部材２及び蓋板３の表面２ａ，３ａが略球面となるように湾曲させた。つまり、変形工程において、ベース部材２の対向する一方の辺２ｃ，２ｃ及び対向する他方の辺２ｄ，２ｄの両方が下方に凸となるように湾曲させたが、これに限定されるものではない。例えば、下型Ｍ１として上面が凹状の円筒面を備えるもの、上型Ｍ２として下面が凸状の円筒面を備えるものを使用して、ベース部材２の対向する一方の辺２ｃ，２ｃは直線のままで、他方の辺２ｄ，２ｄが下方に凸となるように湾曲させてもよい。もしくは、他方の辺２ｄ，２ｄは直線のままで、一方の辺２ｃ，２ｃが下方に凸となるように湾曲させてもよい。

また、本接合工程後に、摩擦攪拌によって形成される溝が大きくなった場合には、当該溝に肉盛溶接を行って補修してもよい。若しくは、当該溝に蓋部材を配置して、当該蓋部材とベース部材２とを摩擦攪拌等によって接合して補修してもよい。

〔第一変形例〕
次に、第一実施形態に係る伝熱板の製造方法の第一変形例について説明する。図９に示すように、第一変形例では、変形工程が前記した実施形態と相違する。第一変形例では、前記した実施形態と相違する部分を中心に説明する。

図９に示すように、第一変形例に係る変形工程では、プレス装置Ｈを用いてベース部材２及び蓋板３を変形させる。プレス装置Ｈは、平坦面を備えた架台Ｈ１と、架台Ｈ１の四隅に配置されたスペーサＨ２と、ベース部材２の裏面２ｂの中央に配置された補助部材Ｈ３と、ポンチＨ４とで主に構成されている。

変形工程では、仮接合されたベース部材２及び蓋板３を、ベース部材２の裏面２ｂが上を向くように配置して、裏面２ｂの中央に補助部材３Ｈを配置する。そして、ポンチＨ４を下降させて、ベース部材２及び蓋板３の表面２ａ，３ａ側に引張応力を作用させて、表面２ａ，３ａ側が凸状となるように塑性変形させる。これにより、ベース部材２及び蓋板３の表面２ａ，３ａ側が凸状となるように変形する。

前記した実施形態では、プレス成形型Ｍを用いてベース部材２及び蓋板３を変形させたが、第一変形例のように、プレス装置Ｈを用いて変形させてもよい。スペーサＨ２及び補助部材Ｈ３を用いることにより、ベース部材２及び蓋板３に傷が付くのを防ぐことができる。

〔第二変形例〕
次に、第一実施形態に係る伝熱板の製造方法の第二変形例について説明する。図１０に示すように、第二変形例では、変形工程が前記した実施形態と相違する。第二変形例では、前記した実施形態と相違する部分を中心に説明する。

図１０の（ａ）に示すように、第二変形例に係る変形工程では、摩擦攪拌を行ってベース部材２及び蓋板３を変形させる。第二変形例に係る変形工程では、本接合用回転ツールＦを用いてベース部材２の裏面２ｂに対して摩擦攪拌を行う。当該摩擦攪拌では、本接合用回転ツールＦの攪拌ピンＦ２のみをベース部材２及び蓋板３に接触させた状態で、突合部Ｊ１，Ｊ１と同じ経路となるように本接合用回転ツールＦを移動させる。攪拌ピンＦ２の挿入深さは、後に行う本接合工程のときの攪拌ピンＦ２の挿入深さよりも大きくなるように設定する。

第二変形例に係る変形工程によれば、本接合用回転ツールＦの摩擦攪拌によって、２条の塑性化領域Ｗが形成される。これにより、図１０の（ｂ）に示すように、熱収縮が発生し、ベース部材２の裏面２ｂ側が凹状となり、ベース部材２及び蓋板３の表面２ａ，３ａが凸となるように変形する。固定工程及び本接合工程は、第一実施形態と同様に行う。

前記した実施形態では、プレス成形型Ｍを用いてベース部材２及び蓋板３を変形させたが、第二変形例のように、摩擦攪拌によって発生する熱収縮によって変形させてもよい。第二変形例では、変形工程と本接合工程とで同じ本接合用回転ツールＦを用いるため、作業手間を少なくすることができる。

なお、第二変形例に係る変形工程の本接合用回転ツールＦの移動軌跡は、前記した軌跡に限定されず、本接合工程における本接合用回転ツールＦの移動軌跡に応じて適宜設定すればよい。また、当該変形工程における回転ツールの種類は熱収縮が発生してベース部材２及び蓋板３が凹状に変形するように適宜設定すればよい。

この際、変形工程では、本接合工程における摩擦攪拌の入熱量よりも大きくなるように設定することが好ましい。図７の（ｂ）に示すように、本接合工程ではベース部材２の四隅と中央以外はテーブルＫから離間しているため、本接合工程で発生した熱がテーブルＫから外部に抜熱しづらくなっている。このため、本接合工程の際の入熱量を、変形工程の際の入熱量よりも小さく設定すれば、熱収縮のバランスがとれて伝熱板が平坦になりやすくなる。

また、具体的な図示は省略するが、変形工程では他の方法でベース部材２及び蓋板３の表面２ａ，３ａ側が凸となるように変形させてもよい。例えば、ハンマー等の工具を用いてベース部材２の裏面２ｂを叩いて変形させてもよい。また、複数の円柱管や補助部材を用いたロール変形でベース部材２及び蓋板３を変形させてもよい。

〔第二実施形態〕
次に、本発明の第二実施形態に係る伝熱板及び伝熱板の製造方法について説明する。図１１に示すように、第二実施形態に係る伝熱板１Ｂは、熱媒体用管４を用いる点で第一実施形態と相違する。伝熱板１Ｂは、ベース部材２と、蓋板３と、熱媒体用管４とで構成されている。

ベース部材２は、凹溝１０と、蓋溝１１とを備えている。凹溝１０の底面は、熱媒体用管４が面接触するように曲面になっている。また、凹溝１０の幅及び高さは、熱媒体用管４の外径と略同等になっている。熱媒体用管４は、凹溝１０に挿入される中空管である。熱媒体用管４は、内部に熱媒体が流通する部材である。

第二実施形態に係る伝熱板の製造方法では、準備工程において、凹溝１０に熱媒体用管４を挿入することを除いては、第一実施形態と略同等であるため詳細な説明は省略する。第二実施形態に係る伝熱板の製造方法によれば、熱媒体用管４を備えた伝熱板を製造することができるとともに、第一実施形態と略同等の効果を得ることができる。

なお、第二実施形態においても、挿入工程の前に変形工程を行ってベース部材２の表面２ａ側に引張応力を作用させて、表面２ａ側が凸状となるように変形させるとともに、熱媒体用管４を別途凸状に変形させておいてもよい。

また、図１２に示すように、第二実施形態に係る伝熱板の製造方法の本接合工程においては、熱媒体用管４の周囲の空隙部Ｑに塑性流動材が流入するようにしてもよい。蓋板３、熱媒体用管４及び凹溝１０とで囲まれた空隙部Ｑに塑性流動材を流入させることで、伝熱板の水密性及び気密性を向上させることができる。

〔第三実施形態〕
次に、本発明の第三実施形態に係る伝熱板の製造方法について説明する。図１３に示すように、第三実施形態に係る伝熱板の製造方法では、ベース部材２２と蓋板２３とを用いて伝熱板を製造する。

ベース部材２２は、平坦な板状部材である。ベース部材２２の表面２２ａには、凹溝３０が形成されている。凹溝３０は、上方に開放しており、平面視蛇行状を呈する。凹溝３０の平面形状は用途に応じて適宜設定すればよい。

蓋板２３は、平坦な板状部材である。蓋板２３は、本実施形態ではベース部材２２と略同等の形状になっているが、少なくとも凹溝３０の全体を塞ぐ部材であればよい。

第三実施形態に係る伝熱板の製造方法では、準備工程と、本接合工程と、バリ切除工程とを行う。準備工程では、凹溝閉塞工程と、ベース部材２２と蓋板２３とを仮接合する仮接合工程と、ベース部材２２及び蓋板２３の表面２２ａ，２３ａ側が凸となるように変形させる変形工程と、変形したベース部材２２及び蓋板２３をテーブルＫに固定する固定工程とを行う。

図１３及び図１４（ａ）に示すように、凹溝閉塞工程は、ベース部材２２の表面２２ａに蓋板２３を載置して凹溝３０の上方を覆う工程である。凹溝閉塞工程では、ベース部材２２の表面２２ａと蓋板２３の裏面２３ｂとが重ね合わされて重合部Ｊ２が形成される。

図１４の（ａ）に示すように、仮接合工程では、ベース部材２２と蓋板２３とを溶接によって仮接合する。仮接合は、ベース部材２２と蓋板２３との重合部Ｊ２に沿って断続的又は連続的に行う。溶接に代えて、仮接合用回転ツールＧを用いて重合部Ｊ２に仮接合を行ってもよい。

変形工程では、仮接合されたベース部材２２及び蓋板２３の表面２２ａ，２３ａが凸状となるように変形させる。変形させる方法は、例えば、前記したプレス成形型Ｍ又はプレス装置Ｈを用いてもよいし、摩擦攪拌の熱収縮を利用して変形させてもよい。

図１４の（ｂ）に示すように、固定工程では、変形させたベース部材２２及び蓋板２３を表面２２ａ，２３ａ側が凸となるように配置して、四隅をクランプＫ３で固定する。

図１５に示すように、本接合工程は、本接合用回転ツールＦを蓋板２３の表面２３ａから挿入し、蓋板２３上で移動させて重合部Ｊ２に対して摩擦攪拌接合を行う工程である。本接合工程では、本接合用回転ツールＦの先端が、ベース部材２２に達するように本接合用回転ツールＦを挿入することが好ましい。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。重合部Ｊ２と凹溝３０との距離は、本接合工程を行った際に、凹溝３０に塑性流動材が流入しないように設定することが好ましい。

さらに、本接合工程の前に、テーブルＫに固定されたベース部材２２及び蓋板２３の高さ方向の変形量を計測しておき、本接合工程において、当該変形量に合わせて攪拌ピンＦ２の挿入深さを調節しながら摩擦攪拌を行うことが好ましい。つまり、蓋板２３の表面２３ａ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Ｗの深さ及び幅を一定にすることができる。

なお、ベース部材２２及び蓋板２３の変形量の計測については、テーブルＫから蓋板２３の表面２３ａ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、ベース部材２２及び蓋板２３の少なくともいずれか一方の変形量を検知しながら本接合工程を行ってもよい。本実施形態においては、ベース部材２２及び蓋板２３の少なくともいずれか一方を計測するだけでもよい。なお、本実施形態の場合、ベース部材２２の変形量は、伝熱板２１の裏面側から計測しておき、伝熱板２１の表面側における変形量に換算してもよい。

本接合工程が終了したら、ベース部材２２及び蓋板２３をクランプＫ３から離脱させて静置する。これにより、本接合工程によって形成された塑性化領域Ｗが熱収縮するため、ベース部材２２及び蓋板２３が、表面２２ａ，２３ａ側に凹状となる方向に変形する。これにより、結果的にベース部材２２及び蓋板２３が平坦になる。

バリ切除工程では、本接合工程後にベース部材２２及び蓋板２３に発生したバリを除去する工程である。以上により、伝熱板２１が完成する。

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、変形工程において予めベース部材２２及び蓋板２３の表面２２ａ，２３ａ側に引張応力を作用させて、塑性変形させた後にテーブルＫに固定し、表面２２ａ，２３ａ側が凸状となった状態で本接合工程を行うため、本接合工程によって発生する熱収縮によって伝熱板２１を平坦にすることができる。

また、本接合用回転ツールＦのうちの攪拌ピンＦ２のみがベース部材２２及び蓋板２３に接触することになるので、蓋板２３の表面２３ａが凸状に反っていたとしても連結部Ｆ１が蓋板２３に当たることがないため本接合用回転ツールＦの操作性が良好となる。

また、本接合用回転ツールＦの連結部Ｆ１が蓋板２３の表面２３ａと接触しないため、蓋板２３に対する押圧力が小さくなるとともに、従来の製造方法と比べて塑性化領域Ｗの幅が小さくなる。これにより、従来の製造方法よりも本接合用回転ツールＦを凹溝３０に近づけることが可能となり、伝熱板の設計の自由度が向上する。また、従来の製造方法に比べて接合するベース部材２２及び蓋板２３と本接合用回転ツールＦとの摩擦を軽減することができ、摩擦攪拌装置にかかる負荷を小さくすることができる。これにより、深い位置に重合部Ｊ２が存在する場合でも、容易に摩擦攪拌接合することができる。

また、仮接合工程を行うことで、本接合工程を行う際に、ベース部材２２と蓋板２３との目開きを防ぐことができる。また、バリ切除工程を行うことで、伝熱板２１をきれいに仕上げることができる。

〔変形例〕
次に、第三実施形態に係る伝熱板の製造方法の変形例について説明する。図１６に示すように、当該変形例では、ベース部材２２Ａの形状が第三実施形態と相違する。当該変形例のベース部材２２Ａの表面２２Ａａには凹部３１が形成されている。凹部３１は、上方に開放し、直方体を呈する中空部となっている。

変形例に係る伝熱板の製造方法では、準備工程と、本接合工程と、バリ切除工程とを行う。準備工程及びバリ切除工程は、第三実施形態と略同等であるため詳細な説明は省略する。図１６の（ｂ）に示すように、本接合工程では、蓋板２３の表面２３ａから本接合用回転ツールＦを挿入して、凹部３１の周りに沿って一周させつつ、重合部Ｊ２に対して摩擦攪拌接合を行う。これにより、伝熱板２１Ａを製造することができる。変形例によれば、第三実施形態と略同等の効果を得ることができる。

なお、本実施形態では、攪拌ピンＦ２の先端が、ベース部材２２に達する位置まで押し込むように設定したが、ベース部材２２に達しないように設定する、つまり、攪拌ピンＦ２と蓋板２３のみとが接触する位置まで押し込み、重合部Ｊ２を摩擦攪拌するように設定してもよい。このような場合は、攪拌ピンＦ２と蓋板２３との接触によって生じた摩擦熱で、ベース部材２２及び蓋板２３が塑性流動化されることにより、重合部Ｊ２が接合される。

また、本実施形態では、蓋板２３の表面２３ａから本接合用回転ツールＦを挿入したが、ベース部材２２の裏面２２Ａｂから本接合用回転ツールＦを挿入して、重合部Ｊ２を摩擦攪拌するようにしてもよい。この場合であっても、攪拌ピンＦ２は、ベース部材２２及び蓋板２３の両方と接触する位置まで押し込んでもよいし、ベース部材２２のみと接触する位置まで押し込んで、摩擦攪拌するように設定してもよい。

また、第三実施形態及びその変形例では、凹溝３０又は凹部３１がある形態を例示したが、凹溝３０又は凹部３１が無いベース部材２２Ａを用いてもよい。つまり、直方体を呈するベース部材２２Ａ及び直方体を呈する蓋板２３を接合して伝熱板を製造してもよい。

１ 伝熱板
２ ベース部材
３ 蓋板
４ 熱媒体用管
１０ 凹溝
１１ 蓋溝
Ｆ 本接合用回転ツール（回転ツール）
Ｆ１ 攪拌ピン
Ｇ 仮接合用回転ツール
Ｊ１ 突合部
Ｊ２ 重合部
Ｗ 塑性化領域

Claims (8)

1. ベース部材及び蓋板の表面側に引張応力を作用させて、当該表面側が凸となるように前記ベース部材及び前記蓋板を変形させる変形工程と、
   前記ベース部材の表面に開口する凹溝の周囲に形成された蓋溝に、前記蓋板を挿入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攪拌ピンを備え、摩擦攪拌装置の回転軸に連結された回転ツールを相対移動させて摩擦攪拌を行う本接合工程と、を含み、
   前記攪拌ピンの周面に螺旋溝が刻設されており、前記回転ツールを右回転させる場合は、前記螺旋溝を前記攪拌ピンの基端側から先端側に向けて左回りに刻設し、前記回転ツールを左回転させる場合は、前記螺旋溝を前記攪拌ピンの基端側から先端側に向けて右回りに刻設するとともに、
   前記ベース部材及び前記蓋板の少なくともいずれか一方の変形量を計測し、前記本接合工程において、回転した前記攪拌ピンを前記突合部に挿入し、前記摩擦攪拌装置及び前記回転ツールのうち、前記回転ツールの前記攪拌ピンのみを前記ベース部材及び前記蓋板に接触させて摩擦熱を発生させた状態で、前記攪拌ピンの挿入深さを前記変形量に合せて調節しながら摩擦攪拌を行うことを特徴とする伝熱板の製造方法。
2. ベース部材及び蓋板の表面側に引張応力を作用させて、当該表面側が凸となるように前記ベース部材及び前記蓋板を変形させる変形工程と、
   前記ベース部材の表面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、
   前記蓋溝に蓋板を挿入する蓋板挿入工程と、
   前記蓋溝の側壁と前記蓋板の側面との突合部に沿って攪拌ピンを備え、摩擦攪拌装置の回転軸に連結された回転ツールを相対移動させて摩擦攪拌を行う本接合工程と、を含み、
   前記攪拌ピンの周面に螺旋溝が刻設されており、前記回転ツールを右回転させる場合は、前記螺旋溝を前記攪拌ピンの基端側から先端側に向けて左回りに刻設し、前記回転ツールを左回転させる場合は、前記螺旋溝を前記攪拌ピンの基端側から先端側に向けて右回りに刻設するとともに、
   前記ベース部材及び前記蓋板の少なくともいずれか一方の変形量を計測し、前記本接合工程において、回転した前記攪拌ピンを前記突合部に挿入し、前記摩擦攪拌装置及び前記回転ツールのうち、前記回転ツールの前記攪拌ピンのみを前記ベース部材及び前記蓋板に接触させて摩擦熱を発生させた状態で、前記攪拌ピンの挿入深さを前記変形量に合せて調節しながら摩擦攪拌を行うことを特徴とする伝熱板の製造方法。
3. 前記本接合工程の前に、前記突合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１又は請求項２に記載の伝熱板の製造方法。
4. 前記仮接合工程では、前記回転ツールの攪拌ピンのみを前記突合部に挿入して仮接合することを特徴とする請求項３に記載の伝熱板の製造方法。
5. 前記変形工程では、平坦面を備えた架台の四隅に配置されたスペーサーの上に仮接合された前記ベース部材及び前記蓋板を、前記ベース部材の裏面側が上を向くように配置して、ポンチを前記ベース部材の中央に降下させて、前記ベース部材及び前記蓋板を変形させることを特徴とする請求項３に記載の伝熱板の製造方法。
6. ベース部材及び蓋板の表面側に引張応力を作用させて、当該表面側が凸となるように前記ベース部材及び前記蓋板を変形させる変形工程と、
   前記ベース部材の表面に開口する凹溝又は凹部を覆うように、前記ベース部材の表面に前記蓋板を重ね合わせる閉塞工程と、
   前記ベース部材と前記蓋板との重合部を仮接合する仮接合工程と、
   前記蓋板の表面から攪拌ピンを備え、摩擦攪拌装置の回転軸に連結された回転ツールを挿入し、前記ベース部材の表面と前記蓋板の裏面との重合部に沿って前記回転ツールを相対移動させる本接合工程と、を含み、
   前記攪拌ピンの周面に螺旋溝が刻設されており、前記回転ツールを右回転させる場合は、前記螺旋溝を前記攪拌ピンの基端側から先端側に向けて左回りに刻設し、前記回転ツールを左回転させる場合は、前記螺旋溝を前記攪拌ピンの基端側から先端側に向けて右回りに刻設するとともに、
   前記ベース部材及び前記蓋板の少なくともいずれか一方の変形量を計測し、前記本接合工程では、前記摩擦攪拌装置及び前記回転ツールのうち、前記回転ツールの前記攪拌ピンのみを前記ベース部材と前記蓋板の両方、又は、前記蓋板のみに接触させて摩擦熱を発生させた状態で、前記攪拌ピンの挿入深さを前記変形量に合せて調節しながら前記重合部の摩擦攪拌を行うことを特徴とする伝熱板の製造方法。
7. 前記変形工程では、平坦面を備えた架台の四隅に配置されたスペーサーの上に仮接合された前記ベース部材及び前記蓋板を、前記ベース部材の裏面側が上を向くように配置して、ポンチを前記ベース部材の中央に降下させて、前記ベース部材及び前記蓋板を変形させ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。
8. 前記本接合工程の終了後、前記回転ツールの摩擦攪拌によって生じたバリを切除するバリ切除工程を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の伝熱板の製造方法。

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