JP6057840B2 - 内部空間形成方法、内部空間形成装置及び伝熱板 - Google Patents

Description

本発明は、プレート状の冷却板やヒーターなど金属その他の対象部材の内部に空間を形成させる内部空間形成方法、内部空間形成装置及び、これらにより製造された伝熱板に関する。

各装置や設備において、熱交換、加熱、あるいは冷却すべき対象物に接触、または近接して配置される伝熱板が利用されている。この伝熱板としては、伝熱板本体と、伝熱板本体内部に形成された熱媒体が流通される流通路や、本体内部の空間内に挿通される熱媒体用管などから構成される。そして、この伝熱板は、例えば、対象物から熱を逃がす場合は、対象物から伝熱板本体、熱媒体用管を介して熱媒体用管内を流れる媒体へと熱を伝達させることで対象物の熱を逃がしている（例えば、特許文献１）。

特開２００４−３１４１１５号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術では、熱媒体用管を製造するとともに、伝熱板本体に流通路や熱媒体用管を収容する凹溝を形成させる必要があるため、部品点数や製造工程の増大により製造コストが過大となる惧れがある。また、伝熱板本体の凹溝及び熱媒体用管を別途製造させる場合には、設計の自由度が低くなる問題もある。

本発明は、このような従来の上記問題点に鑑みてなされたもので、複雑な部品の組付けや加工処理を減らすとともに、製造工程を簡略化させることができ、かつ、設計の自由度を高めることができる内部空間形成方法、内部空間形成装置、並びにこれらを利用して製造される伝熱板を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明は、回転自在の基台の回転軸上に突出され、外周面において螺旋状の溝が設けられたプローブを用い、プレート状の対象部材の内部に空間を形成させる内部空間形成方法であって、
（１）プローブを、溝に形成された螺旋の進行方向に回転しつつ、対象部材に埋入させるプローブ埋入工程と、
（２）基台を進行方向に回転させつつ、対象部材の面上に沿って移動させ、対象部材の内部において、当該プローブの移動した軌道に沿って連続した空間を形成させる空間形成工程と
を有し、前記プローブの先端部分には、前記螺旋状の溝が形成された部分の径よりも大きい径を有し、前記内部空間の形状を形成させる空間形成部が設けられ、空間形成工程では、前記プローブを進行方向に回転させた際に生じる、前記プローブの回転軸上であってプローブ先端側への推力を規制することを特徴とする。

また、他の発明は、プレート状の対象部材に内部空間を形成させる内部空間形成装置であって、円柱状の基台と、基台の回転軸上に突出され、外周面において螺旋状の溝が設けられたプローブと、プローブを、溝に形成された螺旋の進行方向に回転させつつ、プレート状の対象部材の面上に沿って移動させる駆動手段とを備え、前記プローブの先端部分には、前記螺旋状の溝が形成された部分の径よりも大きい径を有し、前記内部空間の形状を形成させる空間形成部が設けられ、駆動手段は、プローブを進行方向に回転させた際に生じる、プローブ先端側への推力を規制することを特徴とする。

ここで、螺旋の進行方向への回転とは、基台側からプローブ先端側に向かう螺旋における巻き方向と同方向に回転し、プローブが先端側に前進しようとする力が生じることを意味しており、例えば、右巻きの螺旋であれば右回転（時計回り）であり、左巻きの螺旋であれば左回転（反時計回り）である。

これらのような本発明によれば、外周面に螺旋状の溝が形成されたプローブを、螺旋の基台側からプローブ先端側に向かう巻き方向と同方向に回転させつつ、プローブを対象部材内部に埋入させるので、プローブと対象部材との摩擦熱で対象部材が撹拌されて軟化し、対象部材の素材には塑性流動が生じる。そして、この塑性流動が生じた状態において、プローブを進行方向に回転させたことにより生じるプローブ先端側への推力を規制することによって、摩擦撹拌によって軟化された対象部材の素材は、推力を規制することによって生じる牽引力によって基台側へ書き出されるようにして流動されることとなる。その結果、プローブ先端周囲の対象部材内部に、内部空間が形成される。

このように、本発明によれば、プレート状の対象部材に摩擦撹拌処理を行うのみで、対象部材に内部空間を形成させることができるため、製造工程を簡略化させて、対象部材を製造することができる。そして、上記方法及び装置により製造された伝熱板は、対象部材内に形成される空間が、完全に対象部材内で閉塞していることから、気密性・水密性に優れ、酸化や腐食等の劣化が生じにくいという利点がある。

また、本発明では、摩擦撹拌用装置を対象部材の面上に沿って移動させることで、内部空間を形成させることができるため、複雑な部品を組み付けたり、複雑な製造作業を省力しつつ、設計の自由度が高めることができる。この結果、製造コストを抑えつつ、伝熱板の多様性を向上させ、高機能化・多機能化を図ることができる。

上記発明において、プローブの先端部分には、内部空間の形状を形成させる空間形成部が設けられている。これにより、内部形成部の形状としては、断面形状で略円状、略長方形状、及びプローブの先端側に尖頭部分が形成された略逆三角形状等が含まれる。この場合には、プローブの先端部分に様々な形状をなした空間形成部を設けることで、内部空間を任意の断面形状に形成させることができるので、より設計の自由度を高めることができる。

上記発明において、空間形成部は、螺旋状の溝が形成された部分の径よりも大きい径を有する。これにより、塑性流動を適切に発生させることができ、任意の形状やサイズの内部空間をより確実に形成させることができる。

以上述べたように、この発明によれば、摩擦撹拌の設備を用いて、対象部材等の対象部材に容易に内部空間を形成する際に、複雑な部品の組付けや加工処理を減らすとともに、製造工程を簡略化させることができ、かつ、設計の自由度を高めることができる。

実施形態に係る伝熱板と摩擦撹拌用装置とを示す斜視図である。 実施形態に係る摩擦撹拌用治具を示す側面図である。 実施形態に係る伝熱板内部の塑性流動の状態を示す要部断面図である。 実施形態に係る内部空間が形成される状態を示す要部断面図である。 実施形態に係る内部空間が形成された伝熱板を示す上面図である。 （ａ）は、変形例に係る摩擦撹拌用装置の形状を示す側面図であり、同図（ｂ）は、伝熱板に形成される内部空間の形状を示す側部断面図である。 （ａ）は、変形例に係る摩擦撹拌用装置の形状を示す側面図であり、同図（ｂ）は、伝熱板に形成される内部空間の形状を示す側部断面図である。 （ａ）は、変形例に係る摩擦撹拌用装置の形状を示す側面図であり、同図（ｂ）は、伝熱板に形成される内部空間の形状を示す側部断面図である。 （ａ）は、変形例に係る摩擦撹拌用装置の形状を示す側面図であり、同図（ｂ）は、伝熱板に形成される内部空間の形状を示す側部断面図である。

以下に添付図面を参照して、本発明に係る内部空間形成装置、及び内部空間形成装置を用いた伝熱板の内部空間形成方法の実施形態を詳細に説明する。

（内部空間形成装置の全体構成）
図１は、本実施形態に係る伝熱板と摩擦撹拌用装置とを示す概念図であり、図２は、摩擦撹拌用装置に備えられた摩擦撹拌用治具２０の側面図である。図１に示すように、摩擦撹拌装置は、対象部材であるプレート状の伝熱板１０の内部に空間を形成する内部空間形成装置として用いられ、摩擦撹拌用治具２０のプローブ２２を伝熱板１０の表面から内部へ押し込んで、摩擦撹拌用治具２０を伝熱板１０の表面に沿って所定の回転数および移動速度で相対的に移動させる。これにより、伝熱板１０の表面及び内部には、伝熱板１０の素材が撹拌されて流動した撹拌部１２と、伝熱板１０の内部における撹拌部１２下部に連続した流通路としての内部空間１３とが形成される。

伝熱板１０は、胴、アルミニウムや、これらの合金等、熱伝達性の高い金属材料から形成されている。この伝熱板１０は、摩擦撹拌の摩擦熱によって軟化され、材料が塑性流動することができる部材であれば特に制限されない。なお、内部に形成された流通路としての内部空間１３は、例えば冷媒を流通させたり、ヒーター等の熱源を挿通するなどの利用が可能である。

摩擦撹拌用治具２０は、耐熱、耐摩耗性が高い部材で形成され、図２に示すように、摩擦撹拌用装置の駆動部（図示せず）により回転自在に設けられた円柱状の基台２１と、この基台２１の下面において、回転軸上に突出されたプローブ２２とを備えている。本実施形態では、プローブ２２の径は、基台２１の径より小さく、大径の基台２１の先端に小径のプローブ２２を同軸ＣＬ上に設けた段付き形状となっており、基台２１のプローブ側の面は、伝熱板１０の表面を押さえるショルダー部２１ａとなっている。

プローブ２２は、全体が伝熱板１０に埋入した状態で、先端が伝熱板１０の底を突き抜けないような長さに設定され、先端側の径と、基台側の径とが等しく略円柱状となっている。

そして、このプローブ２２には、外周面において螺旋状の溝２２ａが設けられている。具体的にプローブ２２は、円柱状のピン部材の側面にねじ切りがされた部材であり、本実施形態においてこのねじ切りされた溝２２ａの螺旋は、図２に示すように、側面から見た状態で、溝２２ａが右上から左下に向かうような右巻き（右ねじ）に形成され、右巻きに回転されることで、プローブ２２の先端側へ進行、すなわち対象部材内に埋入するように下降されるようになっている。

駆動手段（図示せず）は、基台２１及びプローブ２２を駆動させる駆動手段を備えている。この駆動手段は、基台２１及びプローブ２２を回転させつつ下降させて、プローブ２２を伝熱板１０の内部に埋入させるようになっている。すなわち、この駆動手段は、具体的に、ねじ切りされた螺旋である溝２２ａの進行方向に回転させて、伝熱板１０に埋入するように下降させる。ここで、進行方向への回転とは、基台側からプローブ先端側に向かう螺旋の巻き方向と同方向に回転することを意味しており、例えば、右巻きの螺旋であれば右回転（時計回り）であり、左巻きの螺旋であれば左回転（反時計回り）である。本実施形態において、溝２２ａは、基台側からプローブ先端側に右巻き（右ねじ）となっているため、駆動手段は、巻き方向と同方向である右回転（時計回り）にプローブ２２を回転させる。

また、駆動手段は、プローブ２２を右回転させた際、プローブ２２が回転軸ＣＬ上におけるプローブ２２側の方向に進行する力を規制する機能も備えている。具体的には、対象部材内部に埋入するように、対象部材に対して進入しようとするプローブ２２の、対象部材に対する相対的な位置を強固に保持し、プローブ２２の周囲にある対象部材の素材を軟化させ、塑性流動を発生させる。本実施形態においては、基台２１の直径が、プローブ２２の直径よりも大きいことから、プローブ２２を対象部材内に埋入させた状態では、基台２１の底面が対象部材表面に押圧され、この押圧力に対する対象部材表面からの反力によっても、プローブ２２の対象部材に対する相対的な移動（進行）が規制されている。

さらに、駆動手段は、基台２１及びプローブ２２を上下動させたり、伝熱板１０の面上１１に沿って前後左右に水平移動させるようになっている。この水平移動に際しても、摩擦撹拌用治具２０の伝熱板１０内への進行を規制するため、基台２１の伝熱板１０に対する押圧力を一定に保つように、基台２１を上方へ牽引する力も同時に作用させる。また、伝熱板１０表面の凸凹により基台２１の押圧力が変化することから、基台２１の伝熱板１０に対する押圧力を計測しつつ、その押圧力の変化に追従させて基台２１を上下させたり、基台２１の回転トルクを調整してもよい。

（内部空間形成方法）
次いで、上述した摩擦撹拌用治具２０を用いて、伝熱板１０内部に内部空間１３を形成させる方法について説明する。図３は、本実施形態に係る伝熱板１０内部の塑性流動の状態を示す要部断面図であり、図４は、本実施形態に係る内部空間１３が形成される状態を示す要部断面図である。

まず、伝熱板１０を適宜のクランプ手段により固定する。次いで、摩擦撹拌用治具２０を伝熱板１０の所定の端部に位置決めする。そして、駆動手段によって、プローブ２２を、螺旋の巻き方向（図３中のＰ１’）と同方向である右回転（図３中のＰ１）させながら、伝熱板１０に埋入させる。プローブ２２を回転させつつ、伝熱板１０に埋入させると、図３に示すように、プローブ２２の回転により、プローブ２２と伝熱板１０との摩擦熱で伝熱板１０が軟化して塑性流動が生じる。

この際、プローブ２２は螺旋の巻き方向と同方向に回転しているので、プローブ２２には、回転軸ＣＬ上であって、プローブ先端側への推力（図３中のＰ２）が生じる。しかしながら、本実施形態に係る駆動手段は、プローブ２２に加わる推力を規制するように牽引力（図３中のＰ３）を生じさせている。そのため、プローブ２２の周囲にある軟化した伝熱板１０の素材は、図３に示すように、牽引力によって基台２１側に流動されることとなり、その結果、伝熱板１０の内部において流路となる内部空間１３が形成される。

その後、駆動手段によって、プローブ２２を伝熱板１０内に埋入させたまま、伝熱板１０の面上１１に沿って相対移動させると、プローブ２２の移動方向に従って、プローブ２２の移動軌跡上位置する素材は、摩擦熱により軟化されてプローブ２２の移動方向の後方上部に流動される。これにより、図４に示すように、伝熱板１０の内部において、プローブ２２の移動した軌道に沿って連続した内部空間１３の流路が形成される。また、上部に塑性流動された伝熱板１０の素材は、一部はバリとして伝熱板１０の表面に掻き出され、一部はショルダー部２１ａに押さえられて伝熱板１０の内部上方に堆積されて撹拌部１２として固定される。

なお、この内部空間１３のパターンは、プローブ２２の伝熱板１０に対する水平移動方向を変化させることによって自在に構成でき、例えば、図５示すにように、Ｕ字形状、Ｌ字形状のほか、ループ形、蛇行した形状、渦巻き形等の様々に設定可能であり、内部空間１３の間隔についても制限なく形成させることもできる。

（作用・効果）
このような本実施形態によれば、駆動手段は、プローブ２２を、溝２２ａの進行方向に回転させるとともに、プローブ２２を進行方向に回転させた際に生じる、プローブ２２の回転軸ＣＬ上であってプローブ先端側への推力を規制しているので、摩擦撹拌によって軟化された伝熱板１０の素材は、推力を規制した際に生じる牽引力によって基台側へ流動されることとなる。その結果、伝熱板の内部において内部空間１３を形成することができる。

このように本実施形態によれば、プレート状の伝熱板１０に摩擦撹拌処理を行うのみで、伝熱板１０に内部空間１３を形成させることができるので、部品点数を減らすとともに、製造工程を簡略化させて、伝熱板１０を製造することができる。

また、本実施形態では、摩擦撹拌用治具２０を伝熱板の面上１１に沿って移動させることのみで、内部空間１３を形成させることができるので、設計の自由度が高めることができる。

［変形例］
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、例えば、次に述べるような各種の変形が可能である。また、次に述べる変形の態様を、適宜に組み合わせることもできる。図６（ａ）は、変形例１に係る摩擦撹拌用装置の形状を示す側面図であり、同図（ｂ）は、伝熱板に形成される内部空間の形状を示す側部断面図である。また、図７（ａ）〜図９（ａ）は、変形例１に係る摩擦撹拌用装置の形状の一例を示す側面図であり、図７（ｂ）〜図９（ｂ）は、伝熱板に形成される内部空間の形状を示す側部断面図である。

例えば、上述した実施形態において、基台２１にはプローブ２２のみを形成させたが、本発明は、これに限定するものでなく、図７〜図９に示すようにプローブの先端部分に、内部空間１３の形状を形成させる空間形成部２４〜２７を形成させてもよい。

（１）例えば、図７（ａ）に示すように、断面が略長方形状した空間形成部２４を形成させてもよい。この空間形成部２４は、螺旋状の溝２２ａが形成された部分の径よりも大きい径となっている。このように空間形成部２４を備えるプローブ２２を進行方向に回転させつつ、伝熱板１０に埋入させることで、図７（ｂ）に示すように、断面が略長方形状となった内部空間１３ｂを形成させることができる。この場合であっても、内部空間１３ａの上部には、内部空間１３ａを覆うように、塑性流動された攪拌部１２ｂが形成される。

（２）また、図８（ａ）に示すように、断面が略半円状した空間形成部２５を形成させてもよい。この空間形成部２５は、螺旋状の溝２２ａが形成された部分の径よりも大きい径となっている。このように空間形成部２５を備えるプローブ２２を進行方向に回転させつつ、伝熱板１０に埋入させることで、図８（ｂ）に示すように、断面が略半円状となった内部空間１３ｃを形成させることができる。この場合であっても、内部空間１３ｃの上部には、内部空間１３ｃを覆うように、塑性流動された攪拌部１２ｃが形成される。

（３）また、図９（ａ）に示すように、断面が、プローブ２２の先端側に尖頭部分が形成された略逆三角形状をなした空間形成部２６を形成させてもよい。この空間形成部２６は、螺旋状の溝２２ａが形成された部分の径よりも大きい径となっている。このように空間形成部２６を備えるプローブ２２を進行方向に回転させつつ、伝熱板１０に埋入させることで、図９（ｂ）に示すように、断面が略逆三角形状となった内部空間１３ｄを形成させることができる。この場合であっても、内部空間１３ｄの上部には、内部空間１３ｄを覆うように、塑性流動された攪拌部１２ｄが形成される。

（４）また、例えば、図６（ａ）に示すように、プローブ２２の先端側の径が基台側の径よりも大きくなるように拡がり、その径の大きい先端部分を空間形成部２７としてもよい。このようにテーパー状のプローブ２２を進行方向に回転させつつ、伝熱板１０に埋入させることで、図６（ｂ）に示すように、断面が略楕円形状した内部空間１３ａを形成させることができる。なお、この場合であっても、内部空間１３ａの上部には、内部空間１３ａを覆うように、塑性流動された攪拌部１２ａが形成される。

このように本変形例によれば、内部空間を任意の断面形状に形成させることができるので、設計の自由度をより高めることができる。また、これらの空間形成部２４〜２７は、螺旋状の溝２２ａが形成された部分の径よりも大きい径となっているので、熱媒体用管を収納するための適切なサイズの内部空間を形成させることができる。なお、これらの空間形成部２４〜２７は、プローブ２２に固定されていてもよく、また、着脱可能となっていてもよい。
（変形例２）
上述した実施形態では、１枚の伝熱板を用いて、内部空間１３を形成させたが、本発明は、これに限定するものではなく、例えば、二つの被接合材を接合させた際に、非接合材の内部に内部空間を形成させることもできる。

この場合には、二つの被接合材を突き合わせて、被接合材の表面の突合せ部分に摩擦撹拌用治具２０を押し込み、次いで、摩擦撹拌用治具２０を突合せ部分に沿って所定の回転数および移動速度で相対的に移動させて、二つの被接合材を接合するとともに、接合された被接合材内部に連続した内部空間１３を形成させてもよい。

また、上述した実施形態において、溝２２ａは、右巻きに形成させたが、例えば、溝２２ａが左上から右下に向かうような左巻き（左ねじ）に形成させてもよい。この場合、駆動手段は、上述した実施形態とは、反対方向である左回転させるようにする。

１…摩擦撹拌接合用工具１
１０…伝熱板
１２（１２ａ〜１２ｄ）…撹拌部
１３（１３ａ〜１３ｄ）…内部空間
２０…摩擦撹拌用治具
２１…基台
２１ａ…ショルダー部
２２，２３…プローブ
２２ａ，２３ａ…溝
２４〜２７…空間形成部

Claims (3)

1. 回転自在に設けられた基台の回転軸上に突出され、外周面において螺旋状の溝が設けられたプローブを用い、対象部材の内部に空間を形成させる内部空間形成方法であって、
   前記プローブを、前記溝に形成された螺旋の進行方向に回転しつつ、前記対象部材に埋入させるプローブ埋入工程と、
   前記プローブを前記進行方向に回転させつつ、前記対象部材の面上に沿って移動させ、前記対象部材の内部において、当該プローブの移動した軌道に沿って連続した空間を形成させる空間形成工程と
   を有し、
   前記プローブの先端部分には、前記螺旋状の溝が形成された部分の径よりも大きい径を有し、前記内部空間の形状を形成させる空間形成部が設けられ、
   前記空間形成工程では、前記プローブを前記進行方向に回転させた際に生じる、前記プローブ先端側への推力を規制する
   ことを特徴とする内部空間形成方法。
2. 回転自在に設けられた基台と、
   前記基台の回転軸上に突出され、外周面において螺旋状の溝が設けられたプローブと
   前記プローブを、前記溝に形成された螺旋の進行方向に回転させつつ、プレート状の対象部材の面上に沿って移動させる駆動手段とを
   備え、
   前記プローブの先端部分には、前記螺旋状の溝が形成された部分の径よりも大きい径を有し、前記内部空間の形状を形成させる空間形成部が設けられ、
   前記駆動手段は、前記プローブを前記進行方向に回転させた際に生じる、前記プローブ先端側への推力を規制する
   ことを特徴とする内部空間形成装置。
3. 回転自在に設けられた基台の回転軸上に突出され、外周面において螺旋状の溝が設けられたプローブを用い、部材の内部に空間が形成された伝熱板であって、
   前記プローブを、前記溝に形成された螺旋の進行方向に回転しつつ、前記対象部材に埋入させ、
   前記プローブを前記進行方向に回転させつつ、前記対象部材の面上に沿って移動させるとともに、前記プローブを前記進行方向に回転させた際に生じる前記プローブ先端側への推力を規制することによって、
   前記対象部材の内部に、当該プローブの移動した軌道に沿って連続した空間が形成され、
   前記空間は、前記プローブの先端部分の、前記螺旋状の溝が形成された部分の径よりも大きい径を有する空間形成部に対応した箇所に、前記空間形成部に応じた形状で形成される
   ことを特徴とする伝熱板。