JP6372515B2 - 液冷ジャケットの製造方法及び液冷ジャケット - Google Patents

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。

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。摩擦攪拌接合とは、回転ツールを回転させつつ金属部材同士の突合せ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せ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させるものである。

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おり、ＣＰＵの冷却が重要になっている。従来、ＣＰＵ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、液冷ジャケットが注目されている。

このような液冷ジャケットの製造方法として、金属製の構成部材同士を摩擦攪拌接合によって接合する技術が特許文献１で開示されている。従来の液冷ジャケットは、上方が開放された箱状のジャケット本体と、ジャケット本体の開口部を封止する板状の封止体とで構成されている。従来の液冷ジャケットの製造方法は、ジャケット本体と封止体とを重ね合せて形成された重合部を、回転ツールを用いて摩擦攪拌接合するというものである。

特開２０１５−１３１３２３号公報

従来の液冷ジャケットの製造方法では、ジャケット本体の上に封止体を載置するだけであるため、ジャケット本体に対する封止体の位置決めが困難になるという問題がある。また、摩擦攪拌接合を行う際に、ジャケット本体に対して封止体が移動してしまうおそれがある。

そこで、本発明は、封止体の位置決めを容易に行う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。

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る周壁部及び前記底部から立ち上るとともに端面に突出部を備える支持部を有するジャケット本体と、前記突出部に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接合する液冷ジャケットの製造方法であって、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る段差側面とを有する周壁段差部を形成し、かつ、前記支持部の端面を前記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し、前記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、前記突出部に前記孔部を挿入し前記突出部の外周側面と前記孔部の孔壁とを突き合わせて第二突合せ部を形成する載置工程と、前記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接合を行う第一本接合工程と、前記第二突合せ部に沿って前記回転ツールを一周させて摩擦攪拌接合を行う第二本接合工程と、を含み、摩擦攪拌後に前記回転ツールを前記封止体から離脱させることにより前記第一本接合工程と、前記第二本接合工程とを、別工程で行うとともに、前記第二本接合工程では、塑性化領域で前記突出部の上端面が覆われるように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、支持部の突出部に封止体の孔部を挿入するため、封止体の位置決めを容易に行うことができる。また、本接合工程の際に、封止体が移動するのを防ぐことができる。また、第一突合せ部に加え、第二突合せ部（支持部と封止体）を接合することにより、液冷ジャケットの強度を高めることができる。

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。

かかる製造方法によれば、本接合工程の際の第一突合せ部及び第二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の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状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状にしておき、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、液冷ジャケット及び封止体を凸状にし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、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を冷却しながら摩擦攪拌接合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、前記冷却板は、前記冷却媒体が流れる冷却流路を有し、前記第一突合せ部に沿う平面形状となるように前記冷却流路を形成することが好ましい。

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を、前記冷却板に埋設された冷却管によって構成することが好ましい。

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る周壁部及び前記底部から立ち上り端面に突出部を備えた支持部を有するジャケット本体と、前記支持部の前記突出部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突出部の外周側面と前記孔部の孔壁とが突き合せ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とともに、前記突出部の上端面が摩擦攪拌によって形成された塑性化領域で覆われていることを特徴とする。

かかる構成によれば、支持部の突出部に封止体の孔部を挿入するため、封止体の位置決めを容易に行うことができる。また、支持部と封止体とを接合することにより、液冷ジャケットの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及び液冷ジャケットによれば、封止体の位置決めを容易に行うことができる。

本実施形態の本接合用回転ツールを示した側面図である。 本実施形態の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。 本実施形態の仮接合用回転ツールを示した側面図である。 本実施形態の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図４Ａ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の載置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二本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二本接合工程を示す図７Ａ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の第一本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８ＡのIII−III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一変形例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変形例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第二変形例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三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四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四変形例を示す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五変形例を示す斜視図である

〔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１Ａ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１Ｂ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。

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１Ｂ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が形成される。

仮接合用回転ツールＧは、図２Ａ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２Ｂ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２Ｂ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Ｗ０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とで構成されている。ジャケット本体２は、上方に開口した箱状体である。なお、以下の説明における「表面」とは「裏面」の反対側の面という意味である。

ジャケット本体２は、底部１０と、周壁部１１と、支持部１２とを含んで構成されている。ジャケット本体２は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、チタン、チタン合金、マグネシウム、マグネシウム合金等の摩擦攪拌可能な金属で形成されている。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１１ａには、ジャケット本体２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、端面１１ａから一段下がった位置に形成されている。

支持部１２は、底部１０に立設されており、直方体を呈する。支持部１２は、壁部１１Ａから連続するとともに、壁部１１Ｂに向けて延設されている。壁部１１Ｂと支持部１２の先端部は所定の間隔をあけて離間している。支持部１２の端面１２ａと段差底面１４ａとは面一になっている。なお、支持部１２は、周壁部１１から離間して形成してもよい。

支持部１２の端面１２ａには、３つの突出部１７が間をあけて形成されている。突出部１７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。また、突出部１７の個数は特に制限されないが、本実施形態では３つになっている。

封止体３は、平面視矩形を呈する板状部材である。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の高さ寸法及び突出部１７の高さ寸法と略同等になっている。封止体３には、板厚方向に貫通する平面視円形の孔部４が３つ形成されている。孔部４は、突出部１７が挿入する部位であり、突出部１７に対応する位置に形成されている。孔部４は、突出部１７がほぼ隙間なく挿入される大きさになっている。

図４Ａ及び図４Ｂ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とが摩擦攪拌によって接合されて一体化されている。液冷ジャケット１は、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及び突出部１７の外周側面と孔部４の孔壁とが突き合わされた第二突合せ部Ｊ２が摩擦攪拌によって接合されている。摩擦攪拌を行った部位には、塑性化領域Ｗ１，Ｗ２がそれぞれ形成されている。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１５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、本接合工程と、バリ切除工程とを行う。なお、当該工程の順番は限定されるものではない。

準備工程は、ジャケット本体２及び封止体３を形成する工程である。載置工程は、ジャケット本体２に封止体３を載置する工程である。図５に示すように、載置工程では、ジャケット本体２の周壁段差部１４に封止体３を載置して、周壁段差部１４の段差側面１４ｂと、封止体３の外周側面３ｃとを突き合わせる。これにより、封止体３の周縁に沿って第一突合せ部Ｊ１が形成される。また、封止体３の孔部４の孔壁と突出部１７の外周側面とが突き合わされて第二突合せ部Ｊ２が形成される。封止体３の表面３ａと周壁部１１の端面１１ａとは面一になる。

固定工程は、ジャケット本体２及び封止体３をテーブル（図示省略）に固定する工程である。固定工程では、ジャケット本体２及び封止体３を、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する。

仮接合工程は、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。図６に示すように、仮接合工程では、仮接合用回転ツールＧを用いて第一突合せ部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Ｗ０が形成される。仮接合は連続的に行ってもよいし、図６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。

本接合工程は、回転ツールを用いてジャケット本体２と封止体３とを摩擦攪拌接合する工程である。本実施形態の本接合工程では、本接合用回転ツールＦを用いて第一突合せ部Ｊ１に対して摩擦攪拌接合を行う第一本接合工程と、第二突合せ部Ｊ２に対して摩擦攪拌接合を行う第二本接合工程とを行う。第一本接合工程と第二本接合工程はどちらを先に行ってもよいが、本実施形態では第二本接合工程を行った後、第一本接合工程を行う。

図７Ａ及び図７Ｂに示すように、第二本接合工程は、本接合用回転ツールＦを用いて第二突合せ部Ｊ２を摩擦攪拌接合する工程である。第二本接合工程では、第二突合せ部Ｊ２上に設定した開始位置ｓ１に右回転させた攪拌ピンＦ２を挿入し、第二突合せ部Ｊ２に沿って突出部１７に対して右回りで本接合用回転ツールＦを一周させる。図７Ｂ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、支持部１２の端面１２ａに達するように設定するとともに、封止体３及び支持部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を一定の高さを保った状態で相対移動させる。

本接合用回転ツールＦの移動軌跡には塑性化領域Ｗ２が形成される。本接合用回転ツールＦを一周させて、塑性化領域Ｗ２の始端と終端とを重複させたら、本接合用回転ツールＦを封止体３から離脱させる。なお、本実施形態では、３つの第二突合せ部Ｊ２に対して別々に摩擦攪拌接合を行うが、例えば、本接合用回転ツールＦを直線的に相対移動させて、３つの第二突合せ部Ｊ２を１パスで摩擦攪拌接合してもよい。また、本接合用回転ツールＦの先端を支持部１２の端面１２ａに接触させずに、少なくとも塑性化領域Ｗ２が端面１２ａに達するように挿入深さを設定してもよい。第二本接合工程によって、第二突合せ部Ｊ２が摩擦攪拌接合されるとともに支持部１２の端面１２ａと封止体３の裏面３ｂとの重合部も摩擦攪拌接合される。

図８Ａ及び図８Ｂに示すように、第一本接合工程は、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を開始位置ｓ２に挿入し、第一突合せ部Ｊ１に沿って相対移動させる。本実施形態では、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８Ｂ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、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を一定の高さを保った状態で第一突合せ部Ｊ１に沿って移動させる。本実施形態では、第一突合せ部Ｊ１に加えて、段差底面１４ａと封止体３の裏面３ｂとの重合部も摩擦攪拌接合される。

なお、本接合用回転ツールＦの挿入深さは、必ずしも一定でなくてもよい。また、本接合用回転ツールＦの先端を段差底面１４ａに接触させずに、少なくとも塑性化領域Ｗ１が段差底面１４ａに達するように挿入深さを設定してもよい。

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の移動方向及び回転方向を前記した設定にすることで、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８Ａ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ｓ２を通過させて、そのまま第二中間点ｓ３まで移動させる。そして、壁部１１Ａの端面１１ａに設定された終了位置ｅ１まで本接合用回転ツールＦを移動させたら、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、壁部１１Ａの端面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、端面１１ａに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。

バリ切除工程では、本接合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。以上の工程により、図４に示す液冷ジャケット１が形成される。

以上説明した液冷ジャケットの製造方法及び液冷ジャケット１によれば、載置工程において、封止体３の孔部４を、支持部１２の突出部１７に挿入するようにしたため、ジャケット本体２に対して封止体３を容易に位置決めすることができる。また、第一本接合工程又は第二本接合工程の際に、ジャケット本体２に対して封止体３が移動するのを防ぐことができる。

また、第一本接合工程及び第二本接合工程において、従来のようにジャケット本体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、段差底面１４ａの幅を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、段差底面１４ａの幅を小さくしても、封止体３と周壁部１１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、支持部１２においては、従来の回転ツールであると、支持部１２の幅をショルダ部の直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、支持部１２の幅を小さくしても、封止体３と支持部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、本実施形態に係る液冷ジャケット１は、ジャケット本体２の底部１０に立設されるとともに封止体３の裏面３ｂに接合される支持部１２が形成されているため変形しにくい。つまり、本実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法によれば、耐変形性の高い液冷ジャケット１を製造することができる。

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（壁部１１Ａ）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、本接合工程の前に仮接合工程を行うことで、第一本接合工程の際に第一突合せ部Ｊ１の目開きを防ぐことができる。なお、本実施形態では、第一突合せ部Ｊ１のみに仮接合を行ったが、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仮接合を行えばよい。

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、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、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、溶接によって行ってもよい。

〔第一変形例〕
次に、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９に示すように、第一変形例では、第一本接合工程において、本接合用回転ツールＦを封止体３の周りに二周させる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９に示すように、第一変形例の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を一周させて、開始位置ｓ２を通過したら、本接合用回転ツールＦを外側（封止体３から離間する側）に偏移させて、塑性化領域Ｗ１の外側と攪拌ピンＦ２とが重なるようにして本接合用回転ツールＦを封止体３周りにもう一周させる。図１０に示すように、二周目の摩擦攪拌接合によって、塑性化領域Ｗ１ｂが形成される。本実施形態では、二周目の本接合用回転ツールＦの回転軸が、塑性化領域Ｗ１の外端を通るように本接合用回転ツールＦのルートを設定している。

本接合用回転ツールＦを二周させた後、第二中間点ｓ３（図９参照）と終了位置ｅ１とを結ぶ線上まで本接合用回転ツールＦを移動させたら、終了位置ｅ１で本接合用回転ツールＦを周壁部１１から離脱させる。

以上説明した第一変形例によれば、第一本接合工程において、本接合用回転ツールＦを二周させることにより、液冷ジャケット１の水密性及び気密性を向上させることができる。前記したように、本接合用回転ツールＦを右回転させつつ封止体３に対して右回りに移動させる場合、塑性化領域Ｗ１の外側に接合欠陥が形成されるおそれがある（本接合用回転ツールＦを左回転させつつ左回りに移動させる場合も同様）。しかし、第一変形例のように、塑性化領域Ｗ１の外側を再度摩擦攪拌することにより、当該接合欠陥を補修することができる。これにより、液冷ジャケット１の水密性及び気密性を向上させることができる。

〔第二変形例〕
次に、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１１に示すように、第二変形例では、第一本接合工程において、タブ材ＴＢを用いる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１１に示すように、第二変形例の第一本接合工程では、タブ材配置工程と、引き抜き工程とを含んで行う。タブ材配置工程は、ジャケット本体２の壁部１１Ａにタブ材ＴＢを配設する工程である。タブ材ＴＢの材料は特に制限されないが、第二変形例ではジャケット本体２と同等の材料を用いている。ジャケット本体２とタブ材ＴＢとは溶接又は摩擦攪拌接合によって接合する。タブ材ＴＢの大きさは特に制限されないが、第二変形例では、タブ材ＴＢの幅寸法とジャケット本体２の幅寸法は同等になっている。タブ材ＴＢの表面と周壁部１１の端面１１ａとは面一になっている。

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、本接合用回転ツールＦを第二中間点ｓ３まで移動させたら、本接合用回転ツールＦを離脱させずにそのまま引き抜き工程に移行する。引き抜き工程は、タブ材ＴＢから本接合用回転ツールＦを離脱させる工程である。

引き抜き工程では、第二中間点ｓ３からタブ材ＴＢ内に本接合用回転ツールＦを移動させつつ、タブ材ＴＢ上で本接合用回転ツールＦを渦巻き状に移動させる。この際、引き抜き工程の終了位置ｅ２に向け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することが好ましい。終了位置ｅ２でタブ材ＴＢから本接合用回転ツールＦを離脱させたら、ジャケット本体２からタブ材ＴＢを切除する。

第二変形例によれば、タブ材ＴＢを用いることでジャケット本体２に引抜跡が残存しないため、引抜跡を補修する補修工程を省略することができる。なお、タブ材ＴＢ上での本接合用回転ツールＦの移動軌跡は渦巻き状に限定するものではなく、蛇行状、直線状に設定してもよい。また、本接合用回転ツールＦの挿入深さを徐々に浅くせずに、タブ材ＴＢ上で本接合用回転ツールＦを上方に引き抜いてもよい。

〔第三変形例〕
次に、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１２に示すように、第三変形例では、冷却板を用いて本接合工程を行う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。

図１２に示すように、第三変形例では、固定工程を行う際に、予め封止体３が仮接合されたジャケット本体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、第三変形例では、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。

〔第四変形例〕
次に、第四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１３Ａ及び図１３のＢに示すように、第四変形例では、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本接合工程を行う点で第一実施形態と相違する。第四変形例では、第一実施形態と相違する部分を中心に説明する。

図１３Ａに示すように、第四変形例では、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。

第四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１３Ｂ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、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。

第四変形例の本接合工程では、本接合用回転ツールＦを用いて本接合工程を行う。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に熱収縮が発生し、ジャケット本体２及び封止体３側が凹状に変形するおそれがあるが、第四変形例の本接合工程によれば、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、第四変形例によれば、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本接合工程を行ってもよい。

また、第四変形例では、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、第四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、本実施形態では、平らなジャケット本体２及び封止体３を固定工程の際に表面側が凸状となるように変形させたが、予めダイキャスト等により表面側が凸状となるジャケット本体２及び封止体３を成形し、当該ジャケット本体２及び封止体３をテーブルＫＡに固定してもよい。このような方法であっても、本接合工程による熱収縮を利用して液冷ジャケットを平坦にすることができる。

また、本接合用回転ツールＦ及び仮接合用回転ツールＧは、例えば、先端にスピンドルユニット等の回転駆動手段を備えたアームロボットに取り付けてもよい。アームロボットに取り付けることにより、本接合用回転ツールＦ及び仮接合用回転ツールＧの回転中心軸の傾斜角度や挿入深さを容易に変更することができる。

〔第五変形例〕
次に、第五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１４に示すように、第五変形例では、冷却板を用いつつ、ジャケット本体２及び封止体３を凸状となるように湾曲させた状態で本接合工程を行う点で第一実施形態と相違する。第五変形例では、第一実施形態と相違する部分を中心に説明する。

図１４に示すように、第五変形例では、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、第五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。

第五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の表面側及び封止体３の表面３ａが上方に凸状となるように湾曲する。また、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。

第五変形例の本接合工程では、本接合用回転ツールＦを用いて第一本接合工程及び第二本接合工程を行う。第一本接合工程では、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第一突合せ部Ｊ１に摩擦攪拌接合を行う。つまり、ジャケット本体２の端面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、第五変形例の本接合工程によれば、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を平坦にすることができる。

また、第五変形例では、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、本接合工程に先だって、ジャケット本体２及び封止体３を凸状とする際に、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、第五変形例では、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、第五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。

以上本発明の実施形態及び変形例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、第一本接合工程及び第二本接合工程は、本実施形態では本接合用回転ツールＦを用いて攪拌ピンＦ２のみをジャケット本体２及び封止体３に接触させた状態で摩擦攪拌接合を行ったが、攪拌ピンとショルダ部とを備えた回転ツールを用いて、ショルダ部をジャケット本体２及び封止体３に押し込みながら摩擦攪拌接合を行ってもよい。また、封止体３に板状のフィンを複数枚並設させてもよい。

１ 液冷ジャケット
２ ジャケット本体
３ 封止体
３ａ 表面
３ｂ 裏面
３ｃ 外周側面
１０ 底部
１１ 周壁部
１１ａ 端面
１２ 支持部
１２ａ 端面
１３ 凹部
１４ 周壁段差部
１４ａ 段差底面
１４ｂ 段差側面
１７ 突出部
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
Ｋ テーブル（冷却板）
Ｗ１ 塑性化領域
ＷＰ 冷却管

Claims (10)

1. 底部、前記底部の周縁から立ち上る周壁部及び前記底部から立ち上るとともに端面に突出部を備える支持部を有するジャケット本体と、前記突出部に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接合する液冷ジャケットの製造方法であって、
   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る段差側面とを有する周壁段差部を形成し、かつ、前記支持部の端面を前記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し、前記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、前記突出部に前記孔部を挿入し前記突出部の外周側面と前記孔部の孔壁とを突き合わせて第二突合せ部を形成する載置工程と、
   前記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接合を行う第一本接合工程と、前記第二突合せ部に沿って前記回転ツールを一周させて摩擦攪拌接合を行う第二本接合工程と、を含み、
   摩擦攪拌後に前記回転ツールを前記封止体から離脱させることにより前記第一本接合工程と、前記第二本接合工程とを、別工程で行うとともに、
   前記第二本接合工程では、塑性化領域で前記突出部の上端面が覆われるように摩擦攪拌を行うことを特徴とする液冷ジャケットの製造方法。
2. 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に記載の液冷ジャケットの製造方法。
3. 前記準備工程では、前記ジャケット本体の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３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４のいずれか一項に記載の液冷ジャケットの製造方法。
6. 前記冷却板の表面と前記底部の裏面とを面接触させ、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を冷却しながら摩擦攪拌接合を行う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. 前記冷却板は、前記冷却媒体が流れる冷却流路を有し、
   前記第一突合せ部に沿う平面形状となるように前記冷却流路を形成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. 前記冷却媒体が流れる冷却流路を、前記冷却板に埋設された冷却管によって構成する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。
9. 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. 底部、前記底部の周縁から立ち上る周壁部及び前記底部から立ち上り端面に突出部を備えた支持部を有するジャケット本体と、
    前記支持部の前記突出部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突出部の外周側面と前記孔部の孔壁とが突き合せ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とともに、前記突出部の上端面が摩擦攪拌によって形成された塑性化領域で覆われていることを特徴とする液冷ジャケット。

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