KR101471796B1

KR101471796B1 - 액냉 재킷

Info

Publication number: KR101471796B1
Application number: KR1020137017163A
Authority: KR
Inventors: 노부시로 세오; 히사시 호리
Original assignee: 니폰게이긴조쿠가부시키가이샤
Priority date: 2008-12-09
Filing date: 2009-12-08
Publication date: 2014-12-10
Also published as: KR101465406B1; TWI552856B; KR20110102412A; CN102239027B; JP2010158885A; CN104308357A; CN104308357B; KR20130085060A; TWI609166B; WO2010067796A1; KR101302349B1; TW201437601A; TW201029826A; JP5531573B2; KR20140034326A; CN102239027A

Abstract

충분한 접합 강도를 갖는 동시에 간이하게 접합할 수 있는 액냉 재킷을 제공한다. 수지 부재(2)와 금속 부재(3)를 겹치게 한 후, 회전시킨 마찰 교반용 툴(G)을 금속 부재(3)측으로부터 압박하고, 마찰열에 의해서 양쪽 부재를 접합하는 것을 특징으로 한다. 이러한 접합 방법에 따르면, 마찰열에 의해 수지가 용융된 후, 온도 저하에 수반하여 수지 부재(2)가 금속 부재(3)에 용착하기 때문에 간이하면서 강고하게 접합할 수 있다.

Description

액냉 재킷{LIQUID-COOLED JACKET}

본 발명은, 수지 부재와 금속 부재를 구비한 액냉 재킷에 관한 것이다.

수지 부재와 금속 부재를 접착 또는 기계적으로 고착시키는 기술은, 자동차업계, 산업 기기 업계 등의 넓은 분야로부터 요구되고 있다. 수지 부재와 금속 부재를 비교적 간이하게 접합시키는 방법으로서 접착재를 사용하는 것을 들 수 있지만, 접착재에서는 충분한 강도가 얻어지지 않는다고 하는 문제가 있었다. 따라서, 특허 문헌 1에는, 알루미늄 합금제의 금속 부재를 미리 금형에 삽입한 후, 당해 금형에 수지 소성물을 사출하여 양쪽 부재를 접합하는 기술이 개시되어 있다.

일본특허공개제2007-50630호공보

그러나, 이러한 종래의 접합 방법에 따르면 금형의 성형, 이형 등에 시간이 걸려 접합 작업이 번잡하게 된다고 하는 문제가 있었다. 또한, 종래의 접합 방법에서는, 사출 성형을 행하면서, 수지와 금속 부재를 접합시키기 위해, 기존의 수지 부재에 대해서는 접합을 행할 수 없다고 하는 문제가 있었다. 즉, 종래의 접합 방법은, 설계의 자유도가 부족한 것이었다.

이와 같은 관점에서 본 발명은, 충분한 접합 강도를 갖는 동시에 간이하게 접합할 수 있는 수지 부재와 금속 부재의 접합 방법 및 액냉 재킷의 제조 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.

이와 같은 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 수지 부재와 금속 부재를 겹친 후, 회전하는 회전 툴로 상기 금속 부재측으로부터 압박하고, 마찰열로 상기 수지 부재를 용융시켜 상기 수지 부재와 상기 금속 부재를 접합하는 것을 특징으로 한다.

이러한 접합 방법에 따르면, 금속 부재에 발생한 마찰열에 의해 수지 부재의 표면이 용융되고, 다시 경화할 때에 금속 부재와 용착하여 강고하게 접합된다. 즉, 회전한 회전 툴을 압박하는 것만으로, 양쪽 부재를 비교적 용이하게 접합할 수 있다. 또한, 이 접합 방법에 따르면, 기존의 수지 부재 및 금속 부재를 접합할 수 있는 동시에, 원하는 개소에 대하여 회전 툴을 압박하는 것만으로, 설계의 자유도를 높일 수 있다.

또한, 상기 회전 툴은, 마찰 교반용 회전 툴로서, 상기 마찰 교반용 회전 툴의 단부면을 상기 금속 부재에 압박하는 것이 바람직하다. 이러한 접합 방법에 따르면, 금속 부재를 밸런스 좋게 압박할 수 있기 때문에, 접합 정밀도를 높일 수 있다.

또한, 상기 금속 부재는, 알루미늄제 또는 알루미늄 합금제로서, 상기 마찰 교반용 회전 툴의 숄더부의 외경을, 상기 금속 부재의 두께의 2∼5배로 설정하는 것이 바람직하다. 이러한 접합 방법에 따르면, 양쪽 부재의 접합 강도를 높일 수 있다. 숄더부의 외경이 금속 부재의 두께의 2배보다도 작으면, 접합 강도가 약하다. 한편, 숄더부의 외경이 금속 부재의 두께의 5배보다도 크면, 마찰 교반 장치에 과부하가 작용하기 때문에 바람직하지 않다.

또한, 상기 금속 부재는, 알루미늄제 또는 알루미늄 합금제로서, 상기 마찰 교반용 회전 툴의 압입량을, 상기 금속 부재의 두께의 5％∼20％로 설정하는 것이 바람직하다. 이러한 접합 방법에 따르면, 양쪽 부재의 접합 강도를 높일 수 있다. 마찰 교반용 회전 툴의 압입량이 금속 부재의 두께의 5％보다도 작으면, 접합 강도가 약하다. 한편, 마찰 교반용 회전 툴의 압입량이 금속 부재의 두께의 20％보다도 크면, 마찰 교반 장치에 과부하가 작용하기 때문에 바람직하지 않다.

또한, 상기 회전 툴은, 마찰 접합용 회전 툴로서, 마찰 접합용 회전 툴의 주위면을 상기 금속 부재에 압박하는 것이 바람직하다. 이러한 접합 방법에 따르면, 회전하는 마찰 접합용 회전 툴과 금속 부재와의 마찰열에 의해서, 수지 부재와 금속 부재를 접합할 수 있다.

또한, 상기 금속 부재는, 알루미늄제 또는 알루미늄 합금제로서, 접합하기 전에, 상기 금속 부재에 에칭 처리 또는 양극 산화 처리를 행하여 표면을 울퉁불퉁하게 형성하는 것이 바람직하다. 이러한 접합 방법에 따르면, 용융된 수지가 금속 부재의 표면에 형성된 오목 부분에 들어가, 보다 강고하게 접합할 수 있다.

또한 본 발명은, 열발생체가 발생하는 열을 외부로 수송하는 열수송 유체가 흐르는 동시에 일부가 개구된 오목부를 갖는 수지제의 재킷 본체에, 상기 오목부의 개구부를 밀봉하는 금속제의 밀봉체를 적재한 후, 회전하는 회전 툴로 상기 밀봉 체측으로부터 압박함으로써, 마찰열로 상기 재킷 본체의 일부를 용융시켜 상기 재킷 본체와 상기 밀봉체를 접합하는 것을 특징으로 한다.

이러한 액냉 재킷의 제조 방법에 따르면, 금속제의 밀봉체에 발생한 마찰열에 의해, 재킷 본체에 따른 수지가 용융되고, 다시 경화할 때에 밀봉체와 용착하여 강고하게 접합된다. 즉, 회전 툴을 압박하는 것만으로, 재킷 본체와 밀봉체를 접합할 수 있기 때문에, 용이하게 액냉 재킷을 제조할 수 있다.

또한, 상기 밀봉체의 주연부의 내측을 따라서 회전 툴을 일주시켜 상기 재킷 본체와 상기 밀봉체를 접합하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 재킷 본체의 개구부를 보다 확실하게 밀봉하는 동시에, 접합의 작업성을 높일 수 있다.

본 발명에 따른 수지 부재와 금속 부재의 접합 방법에 따르면, 수지 부재와 금속 부재를 용이하면서, 충분한 접합 강도로 접합할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 액냉 재킷의 제조 방법에 따르면, 충분한 접합 강도를 구비한 액냉 재킷을 용이하게 제조할 수 있다.

도 1은 제1 실시 형태에 따른 수지 부재와 금속 부재의 접합 방법을 도시한 사시도.
도 2는 마찰 교반용 회전 툴을 도시한 도면으로서, (a)는, 단면도, (b)는, 저면도.
도 3은 제2 실시 형태에 따른 액냉 재킷을 도시한 분해 사시도.
도 4는 제2 실시 형태에 따른 액냉 재킷의 밀봉체를 하방으로부터 향하는 사시도.
도 5는 제2 실시 형태에 따른 마찰 교반 공정을 도시한 평면도로서, (a)는, 개시 부분, (b)는, 종료 부분을 도시한 도면.
도 6은 도 5의 (a)의 I-I선 단면도.
도 7은 제2 실시 형태에 따른 마찰 교반 공정의 변형예를 도시한 단면도.
도 8은 제3 실시 형태에 따른 수지 부재와 금속 부재의 접합 방법을 도시한 사시도.
도 9는 실시예를 설명하기 위한 사시도.

<제1 실시 형태>

본 발명의 제1 실시 형태에 대해서, 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 도 1에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에 있어서는, 판 형상의 수지 부재(2)와, 판 형상의 금속 부재(3)를 접합하여 복합 부재(1)를 형성하는 경우를 예로 들어 설명한다.

본 실시 형태에 따른 수지 부재와 금속 부재의 접합 방법(이하, 간단히 「접합 방법」이라고 함)은, 수지 부재(2)와 금속 부재(3)를 겹치는 겹침 공정과, 금속 부재(3)에 대하여 마찰 교반을 행하는 마찰 교반 공정을 포함한다.

우선, 겹침 공정에서는, 도 1에 도시한 바와 같이, 수지 부재(2) 상에 금속 부재(3)를 적재하고, 수지 부재(2)의 상면의 일부와 금속 부재(3)의 하면의 일부를 접촉시킨다. 수지 부재(2)는, 본 실시 형태에서는, PET(Polyethylene terephthalate)제의 판 형상 부재이다. 수지 부재(2)의 재질은, PET에 한정되는 것이 아니라, 열가소성 수지 중으로부터 용도에 따라서 적절하게 선택하면 된다.

금속 부재(3)는, 본 실시 형태에서는, 알루미늄 합금제(A5052-O)의 판 형상부재이다. 금속 부재(3)는, 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 동합금, 티탄, 티탄합금, 마그네슘, 마그네슘 합금 등 마찰 교반 가능한 금속 재료로부터 용도에 따라서 적절하게 선택하면 된다. 이하, 금속 부재(3)를 「알루미늄 합금 부재(3)」라고도 한다.

다음으로, 마찰 교반 공정에서는, 도 2의 (a) 및 (b)에 도시한 바와 같이, 회전 툴 G(이하, 마찰 교반용 회전 툴 G라고도 함)를 사용하여, 알루미늄 합금 부재(3)의 상면측으로부터 알루미늄 합금 부재(3)에 대하여 마찰 교반을 행한다. 마찰 교반용 회전 툴 G는, 대략 원기둥 형상을 나타내는 숄더부 G1과, 숄더부 G1의 하면(단부면)으로부터 돌출된 핀부 G2를 갖는다. 마찰 교반용 회전 툴 G는, 공구 강 등 알루미늄 합금 부재(3)보다도 경질된 금속 재료로 이루어진다. 핀부 G2는, 도 2의 (b)에 도시한 바와 같이, 평면에서 보아 소용돌이 형상을 나타내는 스파이럴부 G11과, 숄더부 G1의 중앙에 형성되어 평면에서 보아 원 형상을 나타내는 원형부 G12를 갖는다. 숄더부 G1 및 핀부 G2의 형상, 크기 등은, 접합하는 대상물에 따라서 적절하게 설정하면 된다. 또한, 핀부 G2를 설치하지 않고, 숄더부 G1의 하면(단부면)이 평탄한 마찰 교반용 회전 툴을 사용하여도 된다.

마찰 교반 공정에서는, 수지 부재(2) 및 알루미늄 합금 부재(3)를 이동 불가능하게 구속한 후, 마찰 교반용 회전 툴 G의 하면(단부면)을 알루미늄 합금 부재(3)에 대향시키고, 알루미늄 합금 부재(3)의 상면의 임의의 위치에 소정의 깊이로 압입(압박)하고, 알루미늄 합금 부재(3)의 길이 방향을 따라서 마찰 교반용 회전 툴 G를 상대적으로 이동시킨다. 마찰 교반용 회전 툴 G의 회전수(회전 속도) 및 접합 속도(이송 속도)는, 특별히 제한되는 것은 아니지만, 예를 들면 회전수 1000rpm, 접합 속도 300㎜/min으로 이동시킨다.

알루미늄 합금 부재(3)의 상면에는, 마찰 교반용 회전 툴 G의 이동 궤적을 따라서 소성화 영역 W가 형성된다. 여기서, 「소성화 영역」이란, 마찰 교반용 회전 툴 G의 마찰열에 의해서 가열되어 실제로 소성화하고 있는 상태와, 마찰 교반용 회전 툴 G가 지나가 상온으로 되돌아간 상태의 양방을 포함하는 것으로 한다. 본 실시 형태에서는, 소성화 영역 W가 수지 부재(2)에 접촉하지 않을 정도의 압입량으로 마찰 교반을 행하고 있다. 또한, 마찰 교반에 의해서 알루미늄 합금 부재(3)의 상면에 발생한 버어는 절삭 가공에 의해 절제하는 것이 바람직하다.

이러한 접합 방법에 따르면, 수지 부재(2)와 알루미늄 합금 부재(3)와의 겹침 영역에 대하여, 알루미늄 합금 부재(3)의 상방으로부터 회전한 마찰 교반용 회전 툴 G를 압박하여 이동시킴으로써, 그 마찰열에 의해 수지 부재(2)의 표면(표층 부분)에 따른 수지가 용융되고, 온도 저하에 수반하여 다시 경화한다. 이에 의해, 수지 부재(2)가 알루미늄 합금 부재(3)의 하면에 용착하여 접합된다. 즉, 마찰 교반용 회전 툴 G를 압박하는 것만으로, 양쪽 부재를 비교적 용이하게 접합할 수 있다. 또한, 상기한 종래 방법에서는, 수지의 사출 성형과, 수지 부재와 알루미늄 합금 부재와의 접합을 동시에 행하고 있었기 때문에 기존의 부재에 대하여 접합하는 것은 불가능하였지만, 본 실시 형태에 따른 접합 방법에 따르면 기존의 수지 부재(2) 및 알루미늄 합금 부재(3)에 대해서도 접합할 수 있다.

또한, 원하는 접합 개소에 대하여 마찰 교반용 회전 툴 G를 압박하는 것만으로, 설계의 자유도를 높일 수 있다. 또한, 마찰 교반용 회전 툴 G의 단부면을 알루미늄 합금 부재(3)에 압박함으로써, 금속 부재를 밸런스 좋게 압박할 수 있기 때문에, 접합 정밀도를 높일 수 있다. 또한, 마찰 교반에 의해서 형성되는 소성화 영역 W가, 수지 부재(2)에 접촉하도록 접합하여도 되지만, 본 실시 형태와 같이 소성화 영역 W가 수지 부재(2)에 접촉하지 않을 정도로 미세하게 마찰 교반을 실시하여도 접합할 수 있다.

또한, 마찰 교반용 회전 툴 G의 숄더부 G1의 외경을, 알루미늄 합금 부재(3)의 두께의 2∼5배로 설정하는 것이 바람직하다. 또한, 마찰 교반용 회전 툴 G의 압입량(알루미늄 합금 부재(3)의 상면으로부터 숄더부 G1의 하면까지의 압입 길이)을, 알루미늄 합금 부재(3)의 두께의 5％∼20％로 설정하는 것이 바람직하다. 숄더부 G1의 외경 또는 마찰 교반용 회전 툴 G의 압입량을 이와 같이 설정함으로써, 접합 강도를 높일 수 있다. 근거에 대해서는 후기한다.

또한, 알루미늄 합금 부재(3) 중 적어도 수지 부재(2)와 접촉하는 면에, 에칭 처리 또는 알루마이트(양극 산화) 처리를 실시하여, 당해 접촉면을 울퉁불퉁하게 형성한 후에, 상기한 마찰 교반 공정을 행하는 것이 바람직하다. 이러한 접합 방법에 따르면, 알루미늄 합금 부재(3)의 오목 부분에 용융된 수지가 들어가, 수지 부재(2)와 알루미늄 합금 부재(3)와의 접촉 면적이 증가하기 때문에, 보다 강고하게 접합할 수 있다.

에칭 처리는, 예를 들면 염산 용액 중에 염화 알루미늄 육수화물을 첨가하여 조제한 에칭액에 알루미늄 합금 부재(3)를 침지시켜 행한다. 한편, 알루마이트 처리는, 희류산이나 옥살산 등을 사용하여 알루미늄 합금을 양극으로서 전기 분해함으로써, 알루미늄 합금 부재(3)의 표면을 전기 화학적으로 산화시켜 행한다.

또한, 알루미늄 합금 부재(3)의 표면을 울퉁불퉁하게 하는 표면 처리로서는, 에칭 처리나 알루마이트 처리에 한정되는 것이 아니라, 예를 들면 와이어 브러시 등으로 표면을 거칠게 깎아서 요철을 형성하여도 된다.

<제2 실시 형태>

다음으로, 본 발명의 제2 실시 형태에 대해서 설명한다. 본 실시 형태에서는, 도 3에 도시한 바와 같이, 수지제의 재킷 본체(10)와 금속제(본 실시 형태에서는 알루미늄 합금제)의 밀봉체(30)를 갖는 액냉 재킷 P를 제조하는 경우를 예로 들어 설명한다. 액냉 재킷 P는, 예를 들면, CPU(Central Processing Unit) 등의 열발생체를 냉각하기 위해 사용된다.

도 3에 도시한 바와 같이, 액냉 재킷 P는, 열발생체인 CPU(도시 생략)가 발생하는 열을 외부로 수송하는 열수송 유체인 냉각수(도시 생략)가 흐르는 동시에 일부가 개구된 오목부(11)를 갖는 재킷 본체(10)에, 오목부(11)의 개구부(12)를 밀봉하는 밀봉체(30)를 고정하여 구성되어 있다.

액냉 재킷 P는, 그 상방측의 덮개판부(31)의 중앙에, 열확산 시트(도시 생략)를 통하여 CPU(도시 생략)가 부착되도록 되어 있고, CPU가 부착된 상태에서, 액냉 재킷 P 내를 냉각수가 유통됨으로써, CPU가 발생하는 열을 수열하는 동시에, 내부를 유통하는 냉각수와 열교환한다. 이에 의해서, 덮개판부(31)는, CPU로부터 받아들인 열을 냉각수에 전달하고, 그 결과로서, CPU를 효율적으로 냉각한다. 또한, 열확산 시트는, CPU의 열을, 덮개판부(31)에 효율적으로 전달시키기 위한 시트이며, 예를 들면 구리 등의 고열전도성을 갖는 금속으로 형성되어 있다.

재킷 본체(10)는, 한쪽측(본 실시 형태에서는 상측)이 개구된 바닥이 얕은 상자체로서, 그 내측에 오목부(11)이 형성되어 있고, 저벽(13)과, 주위벽(14)을 갖고 있다. 본 실시 형태에서는, 재킷 본체(10)는, 열가소성 수지에 의해 성형되어 있다. 이에 의해, 액냉 재킷 P는 경량화가 달성되어 있어, 취급 용이하게 되어 있다.

재킷 본체(10)의 오목부(11)의 개구 주연부(12a)에는, 주위벽(14)의 상면으로부터 한층 내려 간 위치에 단차면(15)이 형성되어 있다. 주위벽(14)의 상면으로부터 단차면(15)까지의 거리(깊이)는, 후기하는 밀봉체(30)의 덮개판부(31)의 두께 치수와 동등하다. 단차면(15) 상에는, 밀봉체(30)의 덮개판부(31)의 주연이 적재된다. 단차면(15)의 폭 W1은, 냉각수가 흐르는 오목부(11)의 용적을 확보하기 위해, 가능한 한 작게 설정하는 것이 바람직하지만, 본 실시 형태에서는, 마찰 교반용 회전 툴 G의 숄더부 G1의 외경보다도 크게 형성되어 있다.

주위벽(14)의 서로 대향하는 한 쌍의 벽부(14a, 14a)에는, 오목부(11)에 냉각수를 유통시키기 위한 관통 구멍(16, 16)이 각각 형성되어 있다. 관통 구멍(16, 16)은, 본 실시 형태에서는, 벽부(14a, 14a)의 대향 방향(도 3 중, X축 방향)으로 연장되어 있고, 원형의 단면을 갖고, 오목부(11)의 깊이 방향 중간부에 형성되어 있다. 또한, 관통 구멍(16)의 형상 및 위치는, 이것에 한정되는 것이 아니라, 냉각수의 종류나 유량에 따라서 적절하게 변경 가능하다.

도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 밀봉체(30)는, 재킷 본체(10)의 오목부(11)의 개구부(12)(도 3 참조)와 동일한 형상(본 실시 형태에서는 정방형)의 평면 형상을 갖는 판 형상의 덮개판부(31)와, 덮개판부(31)의 하면에 설치된 복수의 핀(32, 32, …)을 구비하여 구성되어 있다.

복수의 핀(32, 32, …)은, 서로 평행하고 또한 덮개판부(31)에 대하여 직교하여 배치되어 있고, 덮개판부(31)와 일체로 구성되어 있다. 이에 의해, 덮개판부(31)와 핀(32, 32, …)과의 사이에 있어서, 열이 양호하게 전달하도록 되어 있다. 도 3에 도시한 바와 같이, 핀(32, 32, …)은, 관통 구멍(16, 16)이 형성된 주위벽(14)의 벽부(14a, 14a)와 직교하는 방향(도 3 중, X축 방향)으로 연장하여 배치되어 있다. 핀(32)은, 오목부(11)의 깊이 치수와 동등한 높이(깊이) 치수(도 3 중, Z축 방향 길이)로 되어 있고, 그 선단부가 오목부(11)의 저면에 접촉하도록 되어 있다. 이에 의해서, 밀봉체(30)가 재킷 본체(10)에 부착된 상태에서, 밀봉체(30)의 덮개판부(31)와, 인접하는 핀(32, 32)과, 오목부(11)의 저면에서 통 형상의 공간이 구획되고, 그 공간이, 냉각수가 흐르는 유로(33)(도 5의 (a) 참조)로서 기능하게 된다. 또한, 핀(32, 32, …)은, 오목부(11)의 1변의 길이 치수보다도 짧은 길이 치수(도 3 중, X축 방향 길이)를 갖고 있고, 그 양단은, 오목부(11)의 주위벽(14)의 각 벽부(14a, 14a)의 내벽면과 각각 소정의 간격을 이격하도록 구성되어 있다. 이에 의해서, 밀봉체(30)가 재킷 본체(10)에 부착된 상태에서, 핀(32, 32, …)의 양단 외측의, 오목부(11)의 주위벽(14)의 벽부(14a)와의 사이의 공간이, 관통 구멍(16)으로부터, 핀(32)의 연장 방향과 직교하는 방향(도 3 중, Y축 방향)으로 넓어지는 유로 헤더부(34)(도 5의 (a) 참조)를 구성하는 것으로 된다.

밀봉체(30)는, 알루미늄 합금으로 형성되어 있다. 밀봉체(30)는, 알루미늄 합금으로 형성되어 블록을 절삭 가공함으로써 형성되어 있다. 또한, 밀봉체(30)는, 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 동합금, 티탄, 티탄 합금, 마그네슘, 마그네슘 합금 등 마찰 교반 가능한 금속 재료로부터 용도에 따라서 적절하게 선택하면 된다.

다음으로, 액냉 재킷 P의 제조 방법에 대해서 도 5를 사용하여 구체적으로 설명한다. 본 실시 형태에 따른 액냉 재킷의 제조 방법은, 재킷 본체(10)에 밀봉체(30)를 적재하는 적재 공정과, 맞댐부(40)의 내측을 따라서 마찰 교반을 행하는 마찰 교반 공정을 포함한다.

적재 공정에서는, 도 3 및 도 5의 (a)에 도시한 바와 같이, 밀봉체(30)를, 핀(32)이 하측으로 되도록 하여, 재킷 본체(10)의 오목부(11)에 삽입하고, 밀봉체(30)의 덮개판부(31)를, 단차면(15) 상에 적재한다. 여기서, 재킷 본체(10)의 오목부(11)의 개구 주연부(12a)와, 밀봉체(30)의 주연부(30a)가 맞대어져, 맞댐부(40)가 구성된다.

마찰 교반 공정에서는, 이 맞댐부(40)의 내측을 따라서 마찰 교반용 회전 툴 G를 상대적으로 이동시킨다. 즉, 마찰 교반용 회전 툴 G의 하면(단부면)을 밀봉체(30)에 대향시켜, 소정의 압입량으로 압박한 후, 재킷 본체(10)의 단차면(15)(도 3 참조)과, 밀봉체(30)의 덮개판부(31)가 겹쳐지는 겹침 영역을 따라서 이동시킨다. 이 때, 재킷 본체(10)가 이동하지 않도록, 재킷 본체(10)의 주위벽(14)의 주위면에, 재킷 본체(10)를 4방향으로부터 둘러싸는 지그(도시 생략)를 미리 접촉해 두는 것이 바람직하다.

마찰 교반 공정에서는, 도 5의 (a) 및 도 6에 도시한 바와 같이, 마찰 교반용 회전 툴 G의 삽입 위치(시단(54a))를, 맞댐부(40)의 내측에 설정한다. 그리고, 마찰 교반용 회전 툴 G의 회전 중심 Q를, 단차면(15)의 폭 방향의 중심에 겹친 상태에서, 마찰 교반용 회전 툴 G를 이동시키면서 덮개판부(31)를 마찰 교반한다.

그 후, 마찰 교반용 회전 툴 G의 회전 및 이동을 계속하고, 도 5의 (b)에 도시한 바와 같이, 마찰 교반용 회전 툴 G를 개구부(12)의 주위를 일주시켜 소성화 영역 W를 형성한다. 이 때, 마찰 교반용 회전 툴 G에 있어서의 시단(54a)(도 5의 (a) 참조)과 종단(54b)(도 5의 (b) 참조)이 오버랩하고 있고, 소성화 영역 W의 일부가 중복되도록 구성되어 있다.

이상과 같이, 마찰 교반용 회전 툴 G를 맞댐부(40)(도 5의 (a) 참조)의 내측을 따라서 일주시켜 마찰 교반을 행하고, 재킷 본체(10)에 밀봉체(30)를 고정함으로써 액냉 재킷 P가 형성된다.

본 실시 형태에 따른 액냉 재킷 P의 제조 방법에 따르면, 알루미늄 합금제의 밀봉체(30)에 대하여 마찰 교반함으로써, 그 마찰열에 의해 재킷 본체(10)에 따른 수지가 용융되고, 다시 경화할 때에 밀봉체(30)와 용착하여 강고하게 접합된다. 즉, 마찰 교반용 회전 툴 G를 압박하여 상대적으로 이동시키는 것만으로, 재킷 본체(10)와 밀봉체(30)를 접합할 수 있기 때문에, 용이하게 액냉 재킷 P를 제조할 수 있다. 또한, 마찰 교반용 회전 툴 G를 밀봉체(30)의 주위를 따라서 일주시킴으로써 접합 강도를 높이는 동시에, 접합의 작업성을 높일 수 있다. 또한, 소성화 영역 W가 단차면(15)에 접촉하지 않을 정도의 압입량이어도 접합할 수 있다.

또한, 마찰 교반용 회전 툴 G의 숄더부 G1의 외경을, 밀봉체(30)의 덮개판부(31)의 두께의 2∼5배로 설정하는 것이 바람직하다. 또한, 마찰 교반용 회전 툴 G의 압입량(덮개판부(31)의 상면으로부터 숄더부 G1의 하면까지의 압입 길이)을, 밀봉체(30)의 덮개판부(31)의 두께의 5％∼20％로 설정하는 것이 바람직하다. 숄더부 G1의 외경 또는 마찰 교반용 회전 툴 G의 압입량을 이와 같이 설정함으로써, 접합 강도를 높일 수 있다. 근거에 대해서는 후기한다.

또한, 마찰 교반 공정을 행하기 전에, 밀봉체(30)의 덮개판부(31) 중, 적어도 재킷 본체(10)의 단차면(15)과 접촉하는 면에 상기한 에칭 처리 또는 알루마이트 처리를 실시하여도 된다. 알루미늄 합금제인 밀봉체(30)의 표면을 울퉁불퉁하게 형성함으로써, 당해 오목 부분에 용융된 수지가 들어가기 때문에, 접촉 면적이 증대하여, 보다 강고하게 접합할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서는, 재킷 본체(10)에 단차면(15)을 구비하고, 단차면(15)에 밀봉체(30)를 적재하는 구성으로 하였지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 도 7에 도시한 바와 같이, 재킷 본체(10)의 주위벽(14)의 상면에 밀봉체(30)의 덮개판부(31)를 적재하고, 주위벽(14)과 덮개판부(31)의 겹침 영역을 따라서, 밀봉체(30)의 상방으로부터 마찰 교반용 회전 툴 G를 상대적으로 이동시켜 마찰 교반 공정을 행하여도 된다.

<제3 실시 형태>

다음으로, 본 발명의 제3 실시 형태에 대해서 설명한다. 제1 실시 형태 및 제2 실시 형태에서는, 마찰 교반용 회전 툴 G를 사용하여, 마찰 교반 공정을 행하여 수지 부재(2)와 금속 부재(3)를 접합하였지만, 제3 실시 형태에서는, 회전 툴 F를 사용하여, 마찰 공정을 행하는 점에서 제1 실시 형태 및 제2 실시 형태와 상위하다.

본 실시 형태에 따른 접합 방법에서는, 수지 부재(2)와 금속 부재(3)를 겹치는 겹침 공정과, 겹친 부재에 대하여 마찰 접합을 행하는 마찰 공정을 포함한다. 겹침 행정에 대해서는, 제1 실시 형태와 동등하기 때문에 설명은 생략한다.

마찰 공정에서는, 도 8에 도시한 바와 같이, 회전 툴 F(이하, 마찰 접합용 회전 툴 F라고도 함)를 사용하여 수지 부재(2) 및 금속 부재(3)(알루미늄 합금 부재(3))에 대하여 마찰 접합을 행한다.

마찰 접합용 회전 툴 F는, 회전축 F1과, 회전축 F1의 선단에 설치된 툴 본체 F2를 갖는다. 회전축 F1과 툴 본체 F2는, 동축으로 형성되어 있다. 회전축 F1의 기단측은, 도시하지 않은 구동 장치에 연결되어 있다. 툴 본체 F2는, 구동 장치의 구동이 회전축 F1을 통하여 전달되어 축 주위에 고속 회전한다. 툴 본체 F2는, 원판 형상을 나타내고, 공구 강 등 알루미늄 합금보다도 경질된 금속 재료로 이루어진다.

마찰 접합용 회전 툴 F의 형상, 크기 등은, 접합하는 부재에 따라서 적절하게 설정하면 되지만, 본 실시 형태에서는, 예를 들면 툴 본체 F2의 직경이 100㎜, 주위면 F3의 폭이 4㎜인 것을 채용하였다. 또한, 마찰 접합용 회전 툴 F의 압입량, 회전수, 접합 속도는, 접합하는 부재에 따라서 적절하게 설정하면 되지만, 본 실시 형태에서는, 예를 들면, 압입량을 0.2㎜, 회전수를 3000rpm, 접합 속도를 500∼1500㎜/min으로 설정하였다.

마찰 공정에서는, 수지 부재(2) 및 알루미늄 합금 부재(3)를 이동 불가능하게 구속한 후, 마찰 접합용 회전 툴 F를 회전시키면서, 툴 본체 F2의 주위면 F3을 알루미늄 합금 부재(3)의 상면에 소정의 깊이로 압입(압박)하고, 수지 부재(2)와 알루미늄 합금 부재(3)의 겹침 영역을 따라서 이동시킨다. 마찰 공정에 따르면, 마찰 접합용 회전 툴 F와 알루미늄 합금 부재(3)와의 마찰열에 의해서, 수지 부재(2)의 표면이 용융되고, 다시 경화할 때에 알루미늄 합금 부재(3)와 용착하여 강고하게 접합된다.

제3 실시 형태에 따른 접합 방법에 의해서도, 제1 실시 형태와 대략 동등한 효과를 얻을 수 있다. 또한, 마찰 공정에서는, 제1 실시 형태에 비해 작은 압박력으로 접합할 수 있기 때문에, 접합하는 부재가 얇은 경우에 적합하다.

또한, 제3 실시 형태에서는, 알루미늄 합금 부재(3) 중 적어도 수지 부재(2)와 접촉하는 면에, 에칭 처리 또는 알루마이트(양극 산화) 처리를 실시하여, 당해 접촉면을 울퉁불퉁하게 형성한 후에, 상기한 마찰 공정을 행하여도 된다. 또한, 제3 실시 형태에서는, 판 형상의 수지 부재(2)와 알루미늄 합금 부재(3)를 접합하는 경우를 예로 들어 설명하였지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 제2 실시 형태에 기재한 바와 같이, 액냉 재킷을 제조할 때에, 마찰 교반 공정 대신에, 마찰 공정을 행하여도 된다.

<실시예 1>

마찰 교반용 회전 툴 G를 사용한 실시예 1∼실시예 3과, 마찰 접합용 회전 툴 F를 사용한 실시예 4를 행하였다.

도 9는, 실시예 1∼실시예 3을 설명하기 위한 사시도이다. 실시예 1∼실시예 3에서는, 도 9에 도시한 바와 같이, 판 형상의 수지 부재(2)와, 판 형상의 알루미늄 합금 부재(3)를 겹친 후, 당해 겹침 영역에 대하여 알루미늄 합금 부재(3)의 상방으로부터 마찰 교반용 회전 툴 G를 스폿적으로 압박하고, 마찰열에 의해 접합된 복합 부재(1)의 파괴 강도를 측정하였다. 파괴 강도는, 도 9에서 도시하는 복합 부재(1)를 공지의 인장 시험기에 설치하고, 수지 부재(2)의 외측 단부 및 알루미늄 합금 부재(3)의 외측 단부를 각각이 이격하는 방향으로 인장하고, 파괴하여 측정하였다.

실시예 1∼실시예 3에 있어서의 수지 부재(2)는, PET제로서, 길이 100㎜, 폭 30㎜, 두께 3㎜로 형성되어 있다. 한편, 알루미늄 합금 부재(3)는, 길이 100㎜, 폭 30㎜, 두께 3㎜ 또는 5㎜로 형성되어 있다. 수지 부재(2)와 알루미늄 합금 부재(3)의 겹침 영역은, 30㎜이다.

실시예 1에서는, 마찰 교반용 회전 툴 G의 최적의 압입량을 유도하기 위해, 시험 1-a∼시험 1-f의 6종류의 조건 하에서, 소정의 압입량으로 접합한 경우에 있어서의 파괴 강도(인장 강도)를 측정하였다. 각 시험의 조건을, 표 1에 나타낸다.

시험 1-a∼시험 1-f에 있어서, 소정의 압입량에 있어서의 파괴 강도의 결과를 표 2에 나타낸다. 또한, 표 2, 표 4 및 표 6에 있어서의 판정란은, 「×」가 접합하지 않고, 「△」가 접합하고 있지만 인장 강도가 약하고, 「○」가 충분한 인장 강도인 것을 나타낸다.

표 2에 나타낸 바와 같이, 시험 1-a 및 시험 1-b의 결과를 보면, 압입량이 0.2㎜ 이상이면 파괴 강도가 3000N 이상이지만, 압입량이 0.05㎜ 이하이면, 압입량이 지나치게 얕아 수지 부재(2)의 표층부가 용융되지 않기 때문에 접합하지 않는다. 또한, 압입량이 0.1㎜이면 알루미늄 합금 부재(3)의 판 두께가 5㎜인 경우는 접합하지 않고, 판 두께가 3㎜이면 접합은 하지만 파괴 강도가 작은 것을 알 수 있었다. 압입량이 0.2㎜인 경우, 알루미늄 합금 부재(3)의 판 두께에 대한 비율은, 판 두께가 3㎜인 경우는 6.7％이고, 판 두께가 5㎜인 경우는 4％로 된다.

또한, 시험 1-c 및 시험 1-d, 시험 1-e 및 시험 1-f를 보면, 시험 1-a 및 시험 1-b와 대략 마찬가지의 결과로 된 것이므로, 알루미늄 합금 부재(3)의 종류에 따라서는, 파괴 강도에는 영향이 없는 것을 알 수 있었다.

이상으로, 마찰 교반용 회전 툴 G의 압입량을, 알루미늄 합금 부재(3)의 판 두께의 5％보다도 작게 설정하였다고 하여도, 수지 부재(2)와 알루미늄 합금 부재(3)를 접합하는 것은 가능하지만, 충분한 인장 강도를 얻기 위해서는, 마찰 교반용 회전 툴 G의 압입량을, 알루미늄 합금 부재(3)의 판 두께의 5％ 이상으로 설정하는 것이 바람직하다.

한편, 마찰 교반용 회전 툴 G의 압입량을 크게 설정하면, 마찰 교반에 의해 형성되는 소성화 영역이 수지 부재(2)와 접촉하고, 메탈과 수지가 혼합될 가능성이 있다. 또한, 마찰 교반용 회전 툴 G의 압입량을 크게 설정하면, 마찰 교반 장치에 과부하가 작용한다. 따라서, 이들을 고려하면, 마찰 교반용 회전 툴 G의 압입량을 알루미늄 합금 부재(3)의 판 두께의 20％ 이하로 설정하는 것이 바람직하다.

<실시예 2>

실시예 2에서는, 마찰 교반용 회전 툴 G의 최적의 숄더부 G1(도 2 참조)의 외경을 유도하기 위해, 시험 2-a∼시험 2-b의 2종류의 조건 하에서, 소정의 숄더부 G1의 외경을 구비한 마찰 교반용 회전 툴 G로 접합한 경우에 있어서의 파괴 강도(인장 강도)를 측정하였다. 각 시험의 조건을 표 3에 나타낸다.

시험 2-a, 시험 2-b에 있어서, 소정의 숄더부의 외경에 있어서의 파괴 강도의 결과를 표 4에 나타낸다.

표 4에 나타낸 바와 같이, 시험 2-a에 있어서는, 숄더부의 외경이 φ10.0㎜보다도 크면 파괴 강도가 3000N 이상이지만, φ7.5㎜ 이하이면 파괴 강도가 현저하게 저하하였다.

한편 시험 2-b에 있어서는, 숄더부의 외경이 φ7.5㎜ 이상이면 파괴 강도가 3000N 이상이지만, φ5.0㎜ 이하이면 파괴 강도가 현저하게 저하하였다.

이상으로, 마찰 교반용 회전 툴 G의 숄더부 G1의 외경을 알루미늄 합금 부재(3)의 판 두께의 2배보다도 작게 설정하였다고 하여도, 수지 부재(2)와 알루미늄 합금 부재(3)를 접합하는 것은 가능하지만, 충분한 인장 강도를 얻기 위해서는, 마찰 교반용 회전 툴 G의 숄더부 G1의 외경을 알루미늄 합금 부재(3)의 판 두께의 2배 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 숄더부 G1의 외경을 알루미늄 합금 부재(3)의 판 두께의 5배보다 크게 하여도 강도에는 변화가 없기 때문에, 마찰 교반 장치에의 부하를 고려하면, 숄더부 G1의 외경은, 알루미늄 합금 부재(3)의 판 두께의 5배 이하로 설정하는 것이 바람직하다.

<실시예 3>

실시예 3에서는, 알루미늄 합금 부재(3)의 표면을 울퉁불퉁하게 형성한 경우에 있어서의 파괴 강도와의 관계에 대해서 시험을 행하였다. 시험 3-a∼시험 3-c의 3종류의 조건 하에서, 알루미늄 합금 부재(3)의 표면에 대하여 소정의 처리를 행한 후에 접합을 행한 경우에 있어서의 파괴 강도(인장 강도)를 측정하였다. 각 시험의 조건을 표 5에 나타낸다.

시험 3-a∼시험 3-c에 있어서, 알루미늄 합금 부재(3)의 각 표면 처리에 있어서의 파괴 강도의 결과를 표 6에 나타낸다.

표 6 중의, 알루미늄 합금 부재(3)에 실시하는 표면 처리 중 「처리 없음」은, 알루미늄 합금 부재(3)에 표면 처리를 실시하고 있지 않다.

또한, 「에칭 A」에서는, 이하에 기재하는 에칭 전처리 및 에칭 본처리를 행한다. 에칭 전처리에서는, 우선, 알루미늄 합금 부재(3)를 30wt％ 질산 용액에 상온에서 5분간 침지한 후에, 이온 교환수로 충분히 수세하고, 다음으로, 5wt％ 수산화 나트륨 용액에 50℃에서 1분간 침지한 후에 수세하고, 또한, 30wt％ 질산 용액에 상온에서 3분간 침지한 후에 수세한다.

에칭 본처리에서는, 에칭 전처리를 행한 알루미늄 합금 부재(3)를 25wt％ 염산 용액 중에 54g/L의 염화 알루미늄 육수화물을 첨가하여 조제한 에칭액(염소 이온 농도:48g/L) 중에 66℃에서 4분간 침지한 후에 수세하는 에칭 처리를 실시하고, 또한, 30wt％ 질산 용액에 상온에서 3분간 침지한 후에 수세하고, 120℃의 열풍에 의해 5분간 건조시켰다.

또한, 「에칭 B」에서는, 상기한 에칭 전처리를 행한 후에, 이하에 기재하는 에칭 본처리를 행한다. 즉, 이 에칭 본처리에서는, 에칭 전처리를 행한 후의 알루미늄 합금 부재(3)를 50wt％ 인산 용액에 66℃에서 4분간 침지하여 수세하고, 그 후에 120℃의 열풍에 의해 5분간 건조시켰다.

또한, 「알루마이트 봉공(封孔) 없음」에서는, 이하에 나타내는 알루마이트 전처리, 알루마이트 본처리를 행한다. 알루마이트 전처리에서는, 우선, 알루미늄 합금 부재(3)를 30wt％ 질산 용액에 상온에서 5분간 침지한 후에, 이온 교환수로 충분히 수세하고, 다음으로, 5wt％ 수산화 나트륨 용액에 50℃에서 1분간 침지한 후에 수세하고, 또한, 30wt％ 질산 용액에 상온에서 3분간 침지한 후에 수세한다.

알루마이트 본처리에서는, 알루마이트 전처리를 행한 후의 알루미늄 합금 부재(3)를 황산 농도 160g/L의 용액 속에서 액온 18℃, 피막 두께가 10㎛로 되도록 양극 산화한 후, 수세하고, 120℃의 열풍에 의해 5분간 건조시켰다.

또한, 「알루마이트 봉공 있음」에서는, 상기한 알루마이트 전처리를 행한 후에, 상기한 알루마이트 본처리를 행한다. 또한, 그 후 비등수(沸騰水) 속에서 10분간 자비(煮沸)시킨다. 이에 의해, 「알루마이트 봉공 있음」에서는, 봉공 처리가 행해져 세공이 좁혀져 있다.

또한, 「와이어 브러시」에서는, 공지된 와이어 브러시를 사용하여 알루미늄 합금 부재(3)의 표면을 거칠게 절삭하여 울퉁불퉁하게 처리하였다.

표 6에 나타낸 바와 같이, 시험 3-a 및 시험 3-b의 결과를 보면, 알루미늄 합금 부재(3)의 표면이 울퉁불퉁하게 되도록 표면 처리를 실시한 쪽이, 인장 강도가 높은 것을 알 수 있었다. 또한, 알루미늄 합금 부재(3)에 표면 처리를 실시하지 않는 경우라도, 충분한 인장 강도가 얻어지는 것을 알 수 있었다.

또한, 알루미늄 합금 부재(3)의 판 두께를 얇게 하면서, 마찰 교반용 회전 툴 G의 숄더부의 외경도 작게 한 시험 3-c의 결과를 보면, 「에칭 A」, 「에칭 B」 및 「알루마이트 봉공 없음」의 표면 처리를 실시한 경우에 높은 인장 강도가 얻어지는 것을 알 수 있었다.

<실시예 4>

실시예 4에서는, 제3 실시 형태(도 8 참조)에서 설명한 접합 방법에 있어서, 접합된 부재의 파괴 강도를 측정하였다. 파괴 강도는, 접합된 부재를 인장 시험기에 설치하고, 수지 부재(2)의 외측 단부 및 알루미늄 합금 부재(3)의 외측 단부를 각각 이격하는 방향으로 인장하고, 파괴하여 측정하였다.

실시예 4에 있어서의 수지 부재(2)는, PET제로서, 두께는 5㎜로 되어 있다. 알루미늄 합금 부재(3)는, 1100 합금이며, 두께 1㎜ 또는 2㎜로 되어 있다. 수지 부재(2)와 알루미늄 합금 부재(3)와의 겹침 영역은 30㎜이다. 접합 길이는, 60㎜∼70㎜로 설정하였다.

마찰 접합용 회전 툴 F는, 툴 본체 F2의 직경이 100㎜, 폭 4㎜의 툴 C와, 툴 본체 F2의 직경이 105㎜, 폭 10㎜의 툴 D의 2종류를 채용하였다. 툴 C에 대해서는, 회전수를 3000rpm으로 설정하고, 툴 D에 대해서는, 회전수를 2857rpm으로 설정하였다. 툴 C 및 툴 D 모두, 주속도를 942000(㎜/min)으로 설정하였다.

실시예 4에서는, 각 부재의 두께 및 회전 툴의 조합을 바꿔서 3종류(시험 4∼시험 6)의 전제 조건을 설정하고, 압입량 및 접합 속도(이송 속도)를 파라미터로서 파괴 시험을 행하였다.

시험 4의 결과를 표 7에 나타낸다.

시험 5의 결과를 표 8에 나타낸다.

표 7 및 표 8로부터, 툴 C 및 툴 D 모두 압입량이 0.2㎜에서는 접합 강도가 낮고, 압입량이 0.4㎜에서는 접합 강도가 높았다. 접합 속도가 500㎜/min에서는, 수지 부재(2)로부터 파괴되었다. 접합 속도가 1500㎜/min까지는 충분한 접합 강도를 갖지만, 2000㎜/min에서는 접합 강도가 낮았다.

한편, 알루미늄 합금 부재(3)의 판 두께의 영향을 나타내기 위해, 알루미늄 합금 부재(3)의 두께를 1㎜로 한 시험 6의 결과를 표 9에 나타낸다.

표 9에 나타낸 바와 같이, 알루미늄 합금 부재(3)의 판 두께를 1㎜로 하여도, 판 두께를 2㎜로 한 경우(표 8 참조)와 대략 동등한 결과가 얻어졌다.

1 : 복합 부재
2 : 수지 부재
3 : 금속 부재(알루미늄 합금 부재)
10 : 재킷 본체(수지 부재)
11 : 오목부
12 : 개구부
12a : 개구 주연부
14 : 주위벽
15 : 단차면
30 : 밀봉체(알루미늄 합금 부재)
30a : 주연부
31 : 덮개판부
32 : 핀
F : 회전 툴(마찰 접합용 회전 툴)
G : 회전 툴(마찰 교반용 회전 툴)
P : 액냉 재킷

Claims

열발생체가 발생하는 열을 외부로 수송하는 열수송 유체가 흐르는 동시에 일부가 개구된 오목부를 갖는 열가소성 수지제의 재킷 본체에, 상기 오목부의 개구부를 밀봉하는 금속제의 밀봉체가 접합되는 액냉 재킷이며,
상기 밀봉체는 알루미늄제 또는 알루미늄 합금제이고,
상기 밀봉체는 상기 재킷 본체와의 접촉면에 에칭처리 또는 양극 산화처리에 따라 요철이 형성되어 오목 부분에 열가소성 수지를 들어가게 하는 것을 특징으로 하는 액냉 재킷.
제1항에 있어서, 상기 밀봉체는 덮개판부와 상기 덮개판부에 형성되는 동시에 상기 오목부를 향해 연설(延設)된 복수의 핀을 구비하고,
상기 오목부의 저면과 복수의 상기 핀으로 구획된 공간이 열수송유체가 흐르는 통로로서 기능하는 것을 특징으로 하는 액냉 재킷.
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