KR20210031988A

KR20210031988A - 접합체

Info

Publication number: KR20210031988A
Application number: KR1020217005684A
Authority: KR
Inventors: 마사루 다키모토; 도시히코 하나마치; 준이치 나카야마
Original assignee: 닛폰 하츠죠 가부시키가이샤
Priority date: 2018-10-25
Filing date: 2019-10-23
Publication date: 2021-03-23
Also published as: EP3871823A1; KR102534903B1; CN112867577B; TW202015848A; CN112867577A; WO2020085389A1; JP2020066035A; EP3871823A4; US20210324889A1; TWI717069B; JP7246161B2

Abstract

본 발명에 관한 접합체는, 열 교환을 촉진시키는 매체를 유통시키는 유로를 형성하는 벽부를 갖는 본체부와, 본체부의 유로의 형성면을 덮는 커버를 구비하고, 커버는, 본체부와 대향하는 측에 형성되고, 본체부의 유로 형성면을 덮는 피복부와, 본체부와 대향하는 측에 형성되고, 벽부의 선단부를 수용하는 홈부와, 피복부 및 홈부가 형성되어 있는 측과 반대측에 형성되고, 적어도 일부에 있어서, 본체부에 대향하는 측과 반대측의 표면으로부터, 홈부의 바닥부에 이르는 깊이까지 마찰 교반되어 이루어지고, 벽부의 선단과 접합하고 있는 교반 접합부를 갖는다.

Description

접합체

본 발명은, 마찰 교반 접합에 의해 접합되는 접합체에 관한 것이다.

종래, 산업용, 자동차용 등에 사용하는 반도체를 제조하는 반도체 제조 장치나, 액정 디스플레이를 제조하는 액정 제조 장치에 있어서는, 워크를 유지하기 위한 플레이트에 냉각 기능을 구비한 열 교환판이 사용되는 것이 알려져 있다. 열 교환판은, 금속이나 세라믹스 복합체로 이루어지고, 가온용 또는 냉각용의 매체가 이동하는 유로가 형성된 본체부가 커버로 덮여 있다 (예를 들어, 특허문헌 1 을 참조). 특허문헌 1 에서는, 커버측으로부터 툴을 도입하여, 유로의 근방에 이르는 영역을 마찰 교반함으로써 본체부와 커버를 접합하고 있다.

일본 공개특허공보 2008-254047호

그러나, 유로 근방에 이르는 영역을 교반하고 있기 때문에, 교반되어 본체부가 연화됨으로써, 유로가 변형되어 버릴 우려가 있었다.

본 발명은, 상기를 감안하여 이루어진 것으로서, 유로가 변형되는 것을 억제하면서, 본체부와 커버를 마찰 교반 접합에 의해 접합할 수 있는 접합체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 서술한 과제를 해결하여, 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 관한 접합체는, 열 교환을 촉진시키는 매체를 유통시키는 유로를 형성하는 벽부를 갖는 본체부와, 상기 본체부의 상기 유로의 형성면을 덮는 커버를 구비하고, 상기 커버는, 상기 본체부와 대향하는 측에 형성되고, 상기 본체부의 유로 형성면을 덮는 피복부와, 상기 본체부와 대향하는 측에 형성되고, 상기 벽부의 선단부를 수용하는 홈부와, 상기 피복부 및 상기 홈부가 형성되어 있는 측과 반대측에 형성되고, 적어도 일부에 있어서, 상기 본체부에 대향하는 측과 반대측의 표면으로부터, 상기 홈부의 바닥부에 이르는 깊이까지 마찰 교반되어 이루어지고, 상기 벽부의 선단과 접합하고 있는 교반 접합부를 갖는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 관한 접합체는, 상기의 발명에 있어서, 상기 벽부의 폭을 D, 상기 커버의 두께를 T₁, 상기 홈부의 깊이를 T₂ 로 했을 때에, 1 ＜ T₁/T₂ ＜ 3 의 관계를 만족하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 관한 접합체는, 상기의 발명에 있어서, 상기 교반 접합부는, 상기 커버에 있어서의 상기 본체부측과 반대측의 표면 전체에 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 유로가 변형되는 것을 억제하면서, 본체부와 커버를 마찰 교반 접합에 의해 접합할 수 있다는 효과를 발휘한다.

도 1 은, 본 발명의 일 실시형태에 관련된 열 교환판의 구조를 나타내는 부분 단면도이다.
도 2 는, 도 1 에 나타내는 영역 R 을 확대한 단면도이다.
도 3 은, 본 발명의 일 실시형태에 관련된 열 교환판의 제조 방법을 설명하는 단면도이다.
도 4 는, 본 발명의 일 실시형태에 관련된 열 교환판의 제조 방법을 설명하는 단면도이다.
도 5 는, 마찰 교반에 의한 접합 결과를 나타내는 도면이다.
도 6 은, 마찰 교반에 의한 접합 결과를 나타내는 도면이다.
도 7 은, 마찰 교반에 의한 접합 결과를 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태를 도면과 함께 상세하게 설명한다. 또한, 이하의 실시형태에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 또, 이하의 설명에 있어서 참조하는 각 도면은, 본 발명의 내용을 이해할 수 있는 정도로 형상, 크기, 및 위치 관계를 개략적으로 나타내고 있는 것에 불과하다. 즉, 본 발명은 각 도면에서 예시된 형상, 크기, 및 위치 관계에만 한정되는 것은 아니다.

도 1 은, 본 발명의 일 실시형태에 관련된 열 교환판의 구조를 나타내는 부분 단면도이다. 도 2 는, 도 1 에 나타내는 영역 R 을 확대한 단면도이다. 도 1 에 나타내는 열 교환판 (1) 은, 원판상의 본체부 (10) 와, 본체부 (10) 의 일방의 면 (여기에서는 상면) 을 덮는 커버 (20) 를 구비한다. 열 교환판 (1) 은, 본체부 (10) 와 커버 (20) 가 마찰 교반 접합에 의해 접합된 접합체이다.

본체부 (10) 는, 알루미늄, 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 원판상을 이룬다. 본체부 (10) 에는, 열 교환을 촉진시키는 매체를 유통시키는 유로 (예를 들어, 도 1 에 나타내는 유로 (11 ∼ 13)) 가 형성되어 있다. 유로 사이에는, 본체부 (10) 의 유로 형성면에 있어서, 다른 부분보다 돌출되어 있는 벽부 (예를 들어, 도 2 에 나타내는 벽부 (14, 15)) 가 형성되어 있다. 유로 (11 ∼ 13) 는, 연통하여 하나의 유로를 형성하는 것이어도 되고, 적어도 일부가 독립적인 유로를 형성하는 것이어도 된다. 또, 매체는, 예를 들어, 물 등의 액체나 기체이다.

커버 (20) 는, 알루미늄, 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 원판상을 이룬다. 커버 (20) 는, 본체부 (10) 의 유로 형성면을 덮고 있다.

본체부 (10) 와 커버 (20) 는, 후술하는 마찰 교반에 의해 접합된다.

커버 (20) 는, 본체부 (10) 와 대향하는 측에 형성되고, 유로를 덮는 피복부 (21) 와, 마찰 교반된 후에 고화되어 이루어지는 교반 접합부 (22) 를 갖는다. 커버 (20) 에는, 본체부 (10) 와 대향하는 측 (피복부 (21) 측) 에 형성되고, 본체부 (10) 의 벽부 (예를 들어, 벽부 (14, 15)) 의 일부를 수용하는 홈부 (23) 가 형성되어 있다. 홈부 (23) 는, 수용하는 벽부를 따라 형성된다.

열 교환판 (1) 에서는, 도시되지 않은 매체 유입구로부터 매체를 도입하여 유로에 유통시키고, 도시되지 않은 매체 배출구로부터 매체를 배출한다. 열 교환판 (1) 에서는, 열원으로부터 전달된 열을, 본체부 (10) 및 커버 (20) 를 통하여 외부로 방출하거나, 또는 열원으로부터 전달된 열을 흡수한 매체가 유로로부터 배출된다.

다음으로, 열 교환판 (1) 의 제작 방법에 대해 설명한다. 도 3 및 도 4 는, 본 발명의 일 실시형태에 관련된 열 교환판의 제조 방법을 설명하는 단면도이다.

먼저, 상기 서술한 유로 (예를 들어, 유로 (11 ∼ 13)) 및 벽부 (예를 들어, 벽부 (14, 15)) 가 형성된 본체부 (10) 와, 커버 (20) 를 형성하는 커버용 모재 (200) 를 준비한다 (도 3 참조). 그리고, 본체부 (10) 에 커버용 모재 (200) 를 씌운다. 이 때, 본체부 (10) 의 벽부의 선단부가, 커버용 모재 (200) 에 형성되어 있는 홈부 (23) 에 수용된다.

여기서, 본체부 (10) 에 있어서의 벽부의 폭 (유로 사이의 거리) 을 D, 커버용 모재 (200) 의 두께를 T₁, 홈부 (23) 의 깊이를 T₂ 로 한다 (도 3 참조). 벽부의 폭 (D), 커버용 모재 (200) 의 두께 (T₁), 홈부 (23) 의 깊이 (T₂) 는, 이하의 관계를 만족하고 있다.

T₂/D ＞ 1

1 ＜ T₁/T₂ ＜ 3

계속해서, 본체부 (10) 와 커버용 모재 (200) 를 마찰 교반에 의해 접합한다 (도 4 참조). 마찰 교반에서는, 교반 부재 (100) 를 사용하여 모재 (110) 의 교반 처리를 실시한다. 교반 부재 (100) 는, 선단에 프로브 (101) 를 동축 상에 갖는 숄더 (102) 를 구비한다. 프로브 (101) 및 숄더 (102) 는, 원통상을 이루고, 프로브 (101) 의 외경은 숄더 (102) 의 외경보다 작다. 숄더 (102) 는, 자체적인 중심축 (N₁₀₀) 의 둘레로 회전 가능하다 (화살표 Y1). 숄더 (102) 가 회전하면, 숄더 (102) 에 장착되어 있는 프로브 (101) 도 연동되어 회전한다.

이 때, 교반 부재 (100) 는, 커버용 모재 (200) 의 표면에 수직인 축 (N_P) (두께 방향에 대응) 에 대하여, 중심축 (N₁₀₀) 이 각도 (θ) 만큼 경사져 있는 것이 바람직하다. 이 각도 (θ) 는, 예를 들어, 3°이고, 숄더 (102) 가 교반 부재 (100) 의 진행 방향 (도 4 에 나타내는 블록 화살표) 과 반대측을 향하도록 경사져 있다.

커버용 모재 (200) 에 있어서, 홈부 (23) 가 형성되어 있는 면과 반대측의 면으로부터 홈부 (23) 의 바닥부에 도달하는 정도의 깊이 (예를 들어, 도 4 에 나타내는 파선) 가, 교반 부재 (100) 에 의해 교반된다. 예를 들어, 홈부 (23) 가 형성되어 있는 측과 반대측의 표면으로부터, 깊이 (T₁ - T₂) 까지 교반 부재 (100) 에 의해 교반된다.

마찰 교반에서는, 숄더 (102) 를 회전시키면서 커버용 모재 (200) 의 표면에 갖다댐으로써 발생한 마찰열에 의해 커버용 모재 (200) 와, 본체부 (10) 의 벽부의 선단부가 연화되고, 또한 숄더 (102) 의 회전력에 의해 맞닿음부 주변이 소성 유동되어 혼련되고, 그 후 고화됨으로써 커버용 모재 (200) 와 본체부 (10) 가 접합한다. 이로써, 피복부 (21) 및 교반 접합부 (22) 를 갖는 커버 (20) 가 형성된다. 이와 같이, 본 실시형태에서는, 커버용 모재 (200) 에 대하여, 본체부 (10) 와 접하는 측과 반대측의 표면과 그 표면에 가까운 부분이 마찰 교반 접합에 의해 접합된다.

마찰 교반을 사용함으로써, 교반 후의 금속 조직이 미세화되기 때문에, 주조재와 비교하여 경도를 높게 할 수 있다. 또, 마찰 교반은, 접합 후의 잔류 응력이나 변형이, 용융 용접한 경우의 잔류 응력이나 변형과 비교하여 작다.

마찰 교반에서는, 숄더 (102) 를, 중심축 (N₁₀₀) 의 둘레로 회전 (자전 : 도 4 의 화살표 Y1) 시키면서, 커버용 모재 (200) 의 상면 전체를 교반한다.

또한, 상기 서술한 처리에 의해 제작된 접합체는, 벽부 (예를 들어, 벽부 (14, 15)) 의 교반량 (용융량) 이 극히 미량이기 때문에, 상기 서술한 본체부 (10) 의 벽부의 폭 (D), 커버 (2) (커버용 모재 (200)) 의 두께 (T₁), 홈부 (23) 의 깊이 (T₂) 에 대하여, T₂/D ＞ 1, 1 ＜ T₁/T₂ ＜ 3 의 관계를 만족하고 있다.

여기서, 상기 서술한 T₂/D ＞ 1 의 관계를 만족하는 경우와, 만족하지 않는 경우에 있어서의 마찰 교반 접합에 대하여, 도 5 ∼ 도 7 을 참조하여 설명한다. 도 5 ∼ 도 7 은, 마찰 교반에 의한 접합 결과를 나타내는 도면이다. 도 5 ∼ 도 7 에 있어서, (a) 는, 접합체의 상면을 각각 나타내고 있고, (b) 는, A₅-A₅ 선, A₆-A₆ 선, A₇-A₇ 선에 대응하는 단면을 각각 나타내고 있다. 접합체의 도 5 및 도 6 은, T₂/D ＞ 1 의 관계를 만족하는 경우의 접합 결과를 나타내고 있다. 이에 반하여, 도 7 은, T₂/D ＞ 1 의 관계를 만족하고 있지 않은 경우의 접합 결과를 나타내고 있다. 도 5 ∼ 도 7 에서는, 유로를 따라 마찰 교반한 예를 나타내고 있다. 구체적으로, 예를 들어, 도 5 의 (a) 에서는, 교반 부재를 시계 방향으로 회전시키면서, 도면의 상측 방향으로 진행시켜 마찰 교반하였다. 이 때의 교반 부재의 진행 속도를 400 ㎜/min, 교반 부재의 회전수를 1500 rpm (회전 피치 : 0.26 ㎜/r), 상기 서술한 각도 (θ) 를 3°로 하였다. 또한, 상기의 각 조건은 접합체의 재질, 사이즈 등에 따라 적절히 변경할 수 있다.

도 5 ∼ 도 7 에 나타내는 접합에서는, 벽부의 폭 (D) 가 3.6 ㎜ 인 시험편 (본체부) 을 사용하였다. 또, 도 5 는, 홈부 (23) 의 깊이 (T₂) 가 4.0 ㎜ 인 시험편 (커버용 모재) 을 사용한 예를 나타내고 있다. 도 6 은, 홈부 (23) 의 깊이 (T₂) 가 5.0 ㎜ 인 시험편 (커버용 모재) 을 사용한 예를 나타내고 있다. 도 7 은, 홈부 (23) 의 깊이 (T₂) 가 3.0 ㎜ 인 시험편 (커버용 모재) 을 사용한 예를 나타내고 있다. 도 5, 6 은 T₂/D ＞ 1 의 관계를 만족하고, 도 7 은 T₂/D ＞ 1 의 관계를 만족하고 있지 않다.

도 5 및 도 6 으로부터 알 수 있는 바와 같이, T₂/D ＞ 1 의 관계를 만족하고 있으면, 유로가 변형되지 않고 접합되기 때문에 바람직하다. 이에 반하여, 도 7 은, 영역 R₁₀₀ 에 있어서 부재의 변형, 및 표면 결함 (결함 R₁₀₁) 이 발생하였다.

상기 서술한 실시형태에서는, 커버 (20) 의 표면으로서, 그 본체부 (10) 와 접하는 측과 반대측의 표면에 가까운 부분을 마찰 교반 접합에 의해 접합하도록 하였다. 이와 같이, 본체부 (10) 에 있어서의 유로 (예를 들어, 유로 (11 ∼ 13)) 로부터 떨어진 위치를 마찰 교반함으로써, 유로가 변형되는 것을 억제하면서, 본체부와 커버를 마찰 교반 접합에 의해 접합할 수 있다.

또한, 상기 서술한 실시형태에서는, 커버용 모재 (200) 의 표면 전체를 교반하는 것으로서 설명했지만, 표면의 일부를 교반하여, 본체부 (10) 와 커버 (20) 가 접합되면 된다. 예를 들어, 커버용 모재 (200) 에 있어서, 홈부 (23) 에 대응하는 표면을 교반 부재 (100) 에 의해 교반하도록 해도 된다.

이와 같이, 본 발명은 여기에서는 기재하고 있지 않은 여러 가지 실시형태 등을 포함할 수 있는 것이고, 청구범위에 의해 특정되는 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위 내에 있어서 여러 가지의 설계 변경 등을 실시하는 것이 가능하다.

산업상 이용가능성

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 관련된 접합체는, 유로가 변형되는 것을 억제하면서, 본체부와 커버를 마찰 교반 접합에 의해 접합하는 데에 바람직하다.

1 : 열 교환판
10 : 본체부
11 ∼ 13 : 유로
14, 15 : 벽부
20 : 커버
21 : 피복부
22 : 교반 접합부
23 : 홈부
200 : 커버용 모재

Claims

열 교환을 촉진시키는 매체를 유통시키는 유로를 형성하는 벽부를 갖는 본체부와,
상기 본체부의 상기 유로의 형성면을 덮는 커버를 구비하고,
상기 커버는,
상기 본체부와 대향하는 측에 형성되고, 상기 본체부의 유로 형성면을 덮는 피복부와,
상기 본체부와 대향하는 측에 형성되고, 상기 벽부의 선단부를 수용하는 홈부와,
상기 피복부 및 상기 홈부가 형성되어 있는 측과 반대측에 형성되고, 적어도 일부에 있어서, 상기 본체부에 대향하는 측과 반대측의 표면으로부터, 상기 홈부의 바닥부에 이르는 깊이까지 마찰 교반되어 이루어지고, 상기 벽부의 선단과 접합하고 있는 교반 접합부를 갖는 것을 특징으로 하는 접합체.
제 1 항에 있어서,
상기 벽부의 폭을 D, 상기 커버의 두께를 T₁, 상기 홈부의 깊이를 T₂ 로 했을 때에, 1 ＜ T₁/T₂ ＜ 3 의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 접합체.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 교반 접합부는, 상기 커버에 있어서의 상기 본체부측과 반대측의 표면 전체에 형성되는 것을 특징으로 하는 접합체.