JP6769427B2 - 液冷ジャケットの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、液冷ジャケットの製造方法に関する。

液冷ジャケットの製造方法として、金属製のジャケット本体に同じく金属製の封止体を重ね合わせ、封止体の表面側から摩擦攪拌接合する方法がある。摩擦攪拌接合に用いられる回転ツールとして、ショルダ部と、ショルダ部から垂下する攪拌ピンとを備えたものが知られている。当該回転ツールは、ショルダ部の下端面を金属部材に押し込んだ状態で摩擦攪拌接合を行うというものである。ショルダ部を金属部材に押し込むことにより塑性流動材を押えてバリの発生を抑制することができる。しかし、接合の高さ位置が変化すると欠陥が発生しやすく、凹溝が大きくなるとともにバリが多く発生するという問題がある。

一方、攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて二つの金属部材を接合する摩擦攪拌接合方法であって、金属部材同士の突合部に回転した攪拌ピンを挿入し、攪拌ピンのみを金属部材に接触させた状態で摩擦攪拌接合を行う本接合工程を含むことを特徴とする摩擦攪拌接合方法が知られている（特許文献１）。当該従来技術によれば、攪拌ピンの外周面には螺旋溝が刻設されており、攪拌ピンのみを被接合部材に接触させつつ基端部を露出させた状態で摩擦攪拌接合を行うため、接合の高さ位置が変化しても欠陥の発生を抑制することができるとともに、摩擦攪拌装置への負荷も軽減することができる。しかし、ショルダ部で塑性流動材を押えないため、金属部材の表面の凹溝が大きくなるとともに、接合表面粗さが大きくなるという問題がある。また、凹溝の脇に膨出部（接合前に比べて金属部材の表面が膨らむ部位）が形成されるという問題がある。

他方、特許文献２には、ショルダ部と、ショルダ部から垂下する攪拌ピンとを備えた回転ツールが記載されている。ショルダ部及び攪拌ピンの外周面にはそれぞれテーパー面が形成されている。ショルダ部のテーパー面には、平面視渦巻き状の溝が形成されている。当該溝の断面形状は半円状になっている。テーパー面を設けることにより、金属部材の厚さや接合の高さ位置が変化しても安定して接合することができる。また、当該溝に塑性流動材が入り込むことにより、塑性流動材の流れを制御して好適な塑性化領域を形成できるというものである。

特開２０１３−３９６１３号公報 特許第４２１０１４８号公報

しかし、特許文献２の従来技術であると、塑性流動材がテーパー面の溝の内部に入り込んでしまうため、溝が機能しなくなるという問題がある。また、当該溝に塑性流動材が入り込むと、塑性流動材が溝に付着した状態で摩擦攪拌されるため、被接合金属部材と付着物とが擦れ合って接合品質が低下するという問題がある。さらに、接合表面が粗くなり、バリが多くなるとともに、接合表面に形成される凹溝も大きくなるという問題がある。

このような観点から、本発明は、接合表面に形成される凹溝を小さくすることができるとともに、接合表面粗さを小さくすることができる液冷ジャケットの製造方法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、底部と当該底部の周縁に立設される枠状の周壁部とを有するジャケット本体と、前記ジャケット本体の凹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で形成される中空部に熱輸送流体が流れる液冷ジャケットの製造方法であって、前記周壁部の端面に前記封止体を載置して前記端面と前記封止体の裏面とを重ね合わせて第一重合部を形成する重合工程と、前記第一重合部に前記封止体の表面から、基端側ピンと先端側ピンとを備えた回転ツールを挿入し、前記基端側ピンと前記先端側ピンとを前記封止体に接触させた状態で前記第一重合部に沿って前記回転ツールを移動させつつ前記凹部周りに一周させて摩擦攪拌により本接合を行う本接合工程と、を含み、前記回転ツールは、前記先端側ピンの先端部に前記回転ツールの回転軸に垂直な平坦面と、当該平坦面から突出する突起部と、を備え、前記基端側ピンのテーパー角度は、前記先端側ピンのテーパー角度よりも大きくなっており、前記基端側ピンの外周面には階段状の段差部が形成されており、前記本接合工程では、前記封止体に前記基端側ピンを接触させた状態で、前記平坦面を前記封止体のみに接触させるとともに、前記突起部の先端を前記第一重合部よりも深く挿入して前記第一重合部を接合することを特徴とする。

かかる液冷ジャケットの製造方法によれば、テーパー角度の大きい基端側ピンの外周面で封止体を押えることができるため、接合表面に形成される凹溝を小さくすることができるとともに、凹溝の脇に形成される膨出部を無くすか若しくは小さくすることができる。階段状の段差部は浅く、かつ、出口が広いため、基端側ピンで封止体を押えても基端側ピンの外周面に塑性流動材が付着し難い。このため、接合表面粗さを小さくすることができるとともに、接合品質を好適に安定させることができる。また、先端側ピンを備えることにより深い位置まで容易に挿入することができる。

また、かかる液冷ジャケットの製造方法によれば、回転ツールの先端側ピンが平坦面を有することにより、突起部の周辺に巻き上げられる塑性流動材を平坦面で押え込むことができる。これにより、突起部周りをより確実に摩擦攪拌することができるとともに第一重合部の酸化被膜を確実に分断することができる。

また、前記ジャケット本体の底部及び前記封止体の裏面のいずれか一方に、いずれか他方に当接する支持部が形成されていることが好ましい。

かかる液冷ジャケットの製造方法によれば、支持部によって液冷ジャケットの強度を高めることができる。

また、前記ジャケット本体は、前記底部から立ち上がり前記封止体の裏面に当接する支持部を有し、前記本接合工程では、前記第一重合部に対する摩擦攪拌接合に加えて、前記封止体の裏面と前記支持部の端面とが重ね合わされた第二重合部に対しても摩擦攪拌接合を行うことが好ましい。

かかる液冷ジャケットの製造方法によれば、第二重合部に対しても摩擦攪拌接合を行うことで、ジャケット本体と封止体との接合強度をより高めることができる。

また、前記本接合工程では、前記先端側ピンの前記平坦面を前記封止体のみに接触させるとともに、前記先端側ピンの前記突起部の先端を前記第二重合部よりも深く挿入して前記第二重合部を接合することが好ましい。

かかる液冷ジャケットの製造方法によれば、突起部に沿って摩擦攪拌されて突起部に巻き上げられた塑性流動材は平坦面で押えられる。これにより、突起部周りをより確実に摩擦攪拌することができるとともに第二重合部の酸化被膜が確実に分断される。よって、第二重合部の接合強度を高めることができる。

また、かかる液冷ジャケットの製造方法によれば、突起部のみを第二重合部よりも深く挿入するように設定することで、平坦面を第二重合部よりも深く挿入する場合に比べて摩擦攪拌による塑性化領域の幅を小さくすることができる。これにより、塑性流動材がジャケット本体の凹部へ流出するのを防ぐことができる。

また、前記支持部は、前記周壁部から連続して形成されており、前記本接合工程では、前記第一重合部及び前記第二重合部に対する摩擦攪拌接合を連続して行うことが好ましい。

かかる液冷ジャケットの製造方法によれば、第一重合部及び第二重合部を連続して摩擦攪拌接合を行うことができるため、耐変形性の高い液冷ジャケットを製造することができるとともに、製造サイクルを向上させることができる。

また、前記支持部は、前記周壁部の壁部の一方から連続するとともに、当該一方の壁部と対向する他方の壁部とは離間して形成されており、前記本接合工程では、前記封止体の表面のうち前記支持部に対応する位置に前記回転ツールを挿入し、前記第一重合部及び前記第二重合部に対して摩擦攪拌接合を連続して行うとともに、前記第一重合部に形成された塑性化領域の外側で前記封止体から前記回転ツールを引き抜くことが好ましい。

かかる液冷ジャケットの製造方法によれば、第一重合部及び第二重合部を連続して摩擦攪拌接合を行うことができるため、耐変形性の高い液冷ジャケットを製造することができるとともに、製造サイクルを向上させることができる。また、回転ツールを塑性化領域の内側に移動させると、周壁部と封止体とで構成される第一重合部及び第二重合部からの金属材料が流出するおそれがあるが、塑性化領域の外側に回転ツールを移動させて回転ツール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、前記ジャケット本体は、前記底部から立ち上がり前記封止体の裏面に当接する支持部を有し、前記支持部の端面に突出部を形成し、前記封止体には、前記突出部が挿入される孔部を設け、前記重合工程では、前記孔部に前記突出部を挿入して、前記孔部の孔壁と前記突出部の側面とが突き合わされた突合部を形成するとともに、前記封止体の裏面と前記支持部の端面とが重ね合わされた第二重合部を形成し、前記本接合工程では、前記第一重合部に対する摩擦攪拌接合に加えて、前記突合部に前記封止体の表面から、前記回転ツールを挿入し、前記基端側ピンと前記先端側ピンとを前記ジャケット本体及び前記封止体に接触させた状態で、前記封止体の裏面と前記支持部の端面とが重ね合わされた前記第二重合部、前記封止体の前記孔部の孔壁と前記支持部の前記突出部の側面とが突き合わされた前記突合部に対しても摩擦攪拌接合を行うことが好ましい。

かかる液冷ジャケットの製造方法によれば、重合工程では、封止体の孔部に支持部の端面に形成した突出部を挿入することにより、封止体を支持部に固定し位置決めを容易にすることができる。また、本接合工程では、孔部の孔壁と突出部の側面とが突き合わされた突合部に対しても摩擦攪拌接合を行うことができるので、ジャケット本体と封止体との接合強度をより高めることができる。

また、前記本接合工程では、前記突合部の摩擦攪拌接合に関しては、前記平坦面を前記ジャケット本体及び前記封止体の両方に接触させるとともに、前記突起部の先端を前記第二重合部よりも深く挿入して前記第二重合部及び前記突合部を接合することが好ましい。

かかる液冷ジャケットの製造方法によれば、突起部に巻き上げられた塑性流動材は平坦面で押えられる。これにより、第二重合部及び突合部の酸化被膜が確実に分断されるため接合強度をより高めることができる。

また、前記封止体の表面に残存する前記回転ツールの引抜き跡に溶接金属を埋めて補修する補修工程を行うことが好ましい。

かかる液冷ジャケットの製造方法によれば、回転ツールの引抜跡が無くなり液冷ジャケットの表面を平坦に仕上げることができる。

また、前記本接合工程では、前記ジャケット本体の底部に冷却板を設け、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。

かかる液冷ジャケットの製造方法によれば、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、前記冷却板の冷却媒体が流れる冷却流路は、少なくとも前記回転ツールの移動軌跡に沿う平面形状を備えて形成されていることが好ましい。

かかる液冷ジャケットの製造方法によれば、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、前記冷却板の冷却媒体が流れる冷却流路は、前記冷却板に埋没された冷却管によって構成されていることが好ましい。

かかる液冷ジャケットの製造方法によれば、冷却媒体の管理を容易に行うことができる。

また、前記本接合工程では、前記ジャケット本体の内部に冷却媒体を流して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。

かかる液冷ジャケットの製造方法によれば、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、前記ジャケット本体の底部及び前記封止体の裏面の少なくともいずれか一方に、複数のフィンが設けられていることが好ましい。

かかる液冷ジャケットの製造方法によれば、冷却効率の高い液冷ジャケットを製造することができる。

本発明に係る液冷ジャケットの製造方法によれば、接合表面に形成される表面の凹溝を小さくすることができるとともに、接合表面粗さを小さくすることができる。

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。 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の重合工程を示す断面図である。 回転ツールを示す側面図である。 回転ツールの拡大断面図である。 本発明の第一実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法の本接合工程を示す平面図である。 図５のＶＩ−ＶＩ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の製造方法の本接合工程を示す平面図である。 本発明の第一実施形態に係る液冷ジャケットを示す斜視図である。 図８のＩＸ−ＩＸ断面図である。 従来の回転ツールを示す概念図である。 従来の回転ツールを示す概念図である。 第一実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法の変形例を示す斜視図である。 本発明の第二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。 本発明の第二実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法の本接合工程を示す縦断面図である。 本発明の第二実施形態に係る液冷ジャケットを示す斜視図である。 本発明の第三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］
本発明の第一実施形態は、図１に示すように、ジャケット本体２と封止体３とで形成される中空部に熱輸送流体が流れる液冷ジャケット１の製造方法である。なお、以下の説明における「表面」とは、「裏面」に対する反対側の面という意味である。

まず、ジャケット本体２と封止体３との構成について説明する。ジャケット本体２は、上方に開口した箱状体である。ジャケット本体２は、底部１０と、底部１０の周縁に立設される枠状の周壁部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、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から適宜選択される。例えば、ダイカストで鍛造したアルミニウム合金鋳造材（例えば、ＪＩＳ ＡＤＣ１２等）を用いてもよい。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で囲まれる空間には、凹部１３が形成されている。

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１１Ｂから連続するとともに、壁部１１Ａに向けて延設されている。壁部１１Ｂと対向する壁部１１Ａ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と周壁部１１の端面１１ａとは、面一になっている。

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を平面視した縦横サイズは、ジャケット本体２を平面視した縦横サイズより幾分小さい。封止体３は、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から適宜選択される。例えば、押出成形されたアルミニウム合金材（例えば、ＪＩＳ Ａ６０６３等）を用いてもよい。

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する。液冷ジャケットの製造方法では、準備工程と、重合工程と、固定工程と、仮接合工程と、本接合工程と、バリ除去工程とを行う。
準備工程は、図１に示すジャケット本体２と封止体３とを準備する工程である。

図２に示すように、重合工程は、ジャケット本体２上に封止体３を載置する工程である。すなわち、封止体３の裏面３ａを下、表面３ｂを上にして、封止体３をジャケット本体２上に載置する。これにより、封止体３の裏面３ａと周壁部１１の端面１１ａとが重ね合わされて第一重合部Ｈ１が形成される。第一重合部Ｈ１は、平面視矩形枠状を呈する。また、封止体３の裏面３ａと支持部１２の端面１２ａとが重ね合わされて第二重合部Ｈ２が形成される。第二重合部Ｈ２は、直線状となる。

固定工程は、ジャケット本体２及び封止体３をテーブル等の固定部材（図示省略）に固定する工程である。ジャケット本体２及び封止体３は、クランプ等の固定治具によってテーブル等に移動不能に拘束される。
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。仮接合工程は、端面１１ａと封止体３の側面とで構成された内隅から第一重合部Ｈ１をスポット接合することにより行うことができる。スポット接合は、摩擦攪拌接合により行ってもよいし、溶接により行ってもよい。なお、仮接合工程は、省略してもよい。

本接合工程は、図３に示す回転ツールＦＤ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。まず、本接合工程で用いる回転ツールＦＤについて説明する。図３に示すように、回転ツールＦＤは、摩擦攪拌接合に用いられるツールである。回転ツールＦＤは、例えば工具鋼で形成されている。回転ツールＦＤは、基軸部Ｆ２と、基端側ピンＦ３と、先端側ピンＦ４とで主に構成されている。先端側ピンＦ４の平坦面Ｆ５には、突出する突起部Ｆ６が形成されている。基軸部Ｆ２は、円柱状を呈し、摩擦攪拌装置の主軸に接続される部位である。先端側ピンＦ４の平坦面Ｆ５は、回転軸に対して垂直である。

基端側ピンＦ３は、基軸部Ｆ２に連続し、先端に向けて先細りになっている。基端側ピンＦ３は、円錐台形状を呈する。基端側ピンＦ３のテーパー角度Ａは適宜設定すればよいが、例えば、１３５〜１６０°になっている。テーパー角度Ａが１３５°未満であるか、又は、１６０°を超えると摩擦攪拌後の接合表面粗さが大きくなる。テーパー角度Ａは、後記する先端側ピンＦ４のテーパー角度Ｂよりも大きくなっている。図４に示すように、基端側ピンＦ３の外周面には、階段状の段差部１１０が高さ方向の全体に亘って形成されている。段差部１１０は、右回り又は左回りで螺旋状に形成されている。つまり、段差部１１０は、平面視して螺旋状であり、側面視すると階段状になっている。本実施形態では、回転ツールを右回転させるため、段差部１１０は基端側から先端側に向けて左回りに設定している。

なお、回転ツールを左回転させる場合は、段差部１１０を基端側から先端側に向けて右回りに設定することが好ましい。これにより、段差部１１０によって塑性流動材が先端側に導かれるため、被接合金属部材の外部に溢れ出る金属を低減することができる。段差部１１０は、段差底面１１０ａと、段差側面１１０ｂとで構成されている。隣り合う段差部１１０の各頂点１１０ｃ，１１０ｃの距離Ｘ１（水平方向距離）は、後記する段差角度Ｃ及び段差側面１１０ｂの高さＹ１に応じて適宜設定される。

段差側面１１０ｂの高さＹ１は適宜設定すればよいが、例えば、０．１〜０．４ｍｍで設定されている。高さＹ１が０．１ｍｍ未満であると接合表面粗さが大きくなる。一方、高さＹ１が０．４ｍｍを超えると接合表面粗さが大きくなる傾向があるとともに、有効段差部数（被接合金属部材と接触している段差部１１０の数）も減少する。

段差底面１１０ａと段差側面１１０ｂとでなす段差角度Ｃは適宜設定すればよいが、例えば、８５〜１２０°で設定されている。段差底面１１０ａは、本実施形態では水平面と平行になっている。段差底面１１０ａは、ツールの回転軸から外周方向に向かって水平面に対して−５°〜１５°内の範囲で傾斜していてもよい（マイナスは水平面に対して下方、プラスは水平面に対して上方）。距離Ｘ１、段差側面１１０ｂの高さＹ１、段差角度Ｃ及び水平面に対する段差底面１１０ａの角度は、摩擦攪拌を行う際に、塑性流動材が段差部１１０の内部に滞留して付着することなく外部に抜けるとともに、段差底面１１０ａで塑性流動材を押えて接合表面粗さを小さくすることができるように適宜設定する。

先端側ピンＦ４は、基端側ピンＦ３に連続して形成されている。先端側ピンＦ４は円錐台形状を呈する。先端側ピンＦ４の先端は平坦面Ｆ５になっている。平坦面Ｆ５は、回転ツールＦＤの回転軸に対して垂直である。先端側ピンＦ４のテーパー角度Ｂは、基端側ピンＦ３のテーパー角度Ａよりも小さくなっている。先端側ピンＦ４の外周面には、螺旋溝１１１が刻設されている。螺旋溝１１１は、右回り、左回りのどちらでもよいが、本実施形態では回転ツールＦＤを右回転させるため、基端側から先端側に向けて左回りに刻設されている。

なお、回転ツールを左回転させる場合は、螺旋溝１１１を基端側から先端側に向けて右回りに設定することが好ましい。これにより、螺旋溝１１１によって塑性流動材が先端側に導かれるため、被接合金属部材の外部に溢れ出る金属を低減することができる。螺旋溝１１１は、螺旋底面１１１ａと、螺旋側面１１１ｂとで構成されている。隣り合う螺旋溝１１１の頂点１１１ｃ，１１１ｃの距離（水平方向距離）を長さＸ２とする。螺旋側面１１１ｂの高さを高さＹ２とする。螺旋底面１１１ａと、螺旋側面１１１ｂとで構成される螺旋角度Ｄは例えば、４５〜９０°で形成されている。螺旋溝１１１は、被接合金属部材と接触することにより摩擦熱を上昇させるとともに、塑性流動材を先端側に導く役割を備えている。

図３に示すように、突起部Ｆ６は、平坦面Ｆ５の中央に基軸部Ｆ２と同軸で突設されている。突起部Ｆ６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。突起部Ｆ６の側面に螺旋溝を形成してもよい。

本実施形態における本接合工程は、第二重合部Ｈ２に対して摩擦攪拌接合する第二重合部接合工程と、第一重合部Ｈ１に対して摩擦攪拌接合を行う第一重合部接合工程と、を含んでいる。図５乃至図８を用いて、本接合工程について説明する。

第二重合部接合工程は、図５に示すように、封止体３の表面３ｂのうち、支持部１２の先端部（壁部１１Ａ側の先端）に対応する位置に設定された開始位置ｓ１に、右回転させた回転ツールＦＤの先端側ピンＦ４を挿入する。第二重合部接合工程では、図６に示すように、基端側ピンＦ３と先端側ピンＦ４とを封止体３に接触させた状態で摩擦攪拌接合を行う。回転ツールＦＤの挿入深さは、少なくとも基端側ピンＦ３の一部が封止体３の表面３ｂと接触するように設定する。つまり、回転ツールＦＤの基端側ピンＦ３の外周面で封止体３の表面３ｂを押えながら摩擦攪拌接合を行う。また、先端側ピンＦ４の平坦面Ｆ５を第二重合部Ｈ２（支持部１２の端面１２ａ）よりも上方に位置させるとともに、突起部Ｆ６の先端面Ｆ７を第二重合部Ｈ２（支持部１２の端面１２ａ）よりも下方に位置させるように回転ツールＦＤの挿入深さを設定する。言い換えると、先端側ピンＦ４の平坦面Ｆ５を封止体３のみに接触させるとともに、第二重合部Ｈ２が突起部Ｆ６の側面に位置するように回転ツールＦＤの挿入深さを設定する。そして、一定の高さを保った状態で回転ツールＦＤを第二重合部Ｈ２に沿って移動させる。つまり、回転ツールＦＤを支持部１２の長手方向に沿って移動させる。第二重合部接合工程によって、封止体３の裏面３ａと支持部１２の端面１２ａとが摩擦攪拌されて接合される。回転ツールＦＤの移動軌跡には、塑性化領域Ｗが形成される。

回転ツールＦＤを第一重合部Ｈ１に設定された第一中間点ｓ２まで移動させたら、回転ツールＦＤを離脱させずにそのまま第一重合部接合工程に移行する。図７に示すように、第一重合部接合工程では、回転ツールＦＤを第一重合部Ｈ１に沿って移動させる。つまり、回転ツールＦＤを周壁部１１に沿って凹部１３の周りを矢印で示すように右回りに一周させる。

第一重合部接合工程では、第二重合部接合工程と同様に、基端側ピンＦ３と先端側ピンＦ４とを封止体３に接触させた状態で摩擦攪拌接合を行う。回転ツールＦＤの挿入深さも、第二重合部接合工程と同様に、少なくとも基端側ピンＦ３の一部が封止体３の表面３ｂと接触するように設定する。つまり、回転ツールＦＤの基端側ピンＦ３の外周面で封止体３の表面３ｂを押えながら摩擦攪拌接合を行う。また、先端側ピンＦ４の平坦面Ｆ５を第一重合部Ｈ１（周壁部１１の端面１１ａ）よりも上方に位置させるとともに、突起部Ｆ６の先端面Ｆ７を第一重合部Ｈ１（周壁部１１の端面１１ａ）よりも下方に位置させるように回転ツールＦＤの挿入深さを設定する。言い換えると、先端側ピンＦ４の平坦面Ｆ５を封止体３のみに接触させるとともに、第一重合部Ｈ１が突起部Ｆ６の側面に位置するように回転ツールＦＤの挿入深さを設定する。そして、一定の高さを保った状態で回転ツールＦＤを第一重合部Ｈ１に沿って移動させる。

なお、回転ツールＦＤの挿入深さは、必ずしも一定でなくてもよい。例えば、第一重合部接合工程と第二重合部接合工程とで挿入深さを変えてもよい。回転ツールＦＤは、ショルダ部を備えていないため、挿入深さの変更も容易に行うことができる。

本接合工程では、凹部１３から離れた位置にバリが発生するように接合条件を設定するのが望ましい。バリが発生する位置は、接合条件によって異なる。当該接合条件とは、回転ツールＦＤの回転速度、回転方向、移動速度（送り速度）、進行方向、基端側ピンＦ３や先端側ピンＦ４の傾斜角度（テーパー角度）、被接合金属部材（ジャケット本体２および封止体３）の材質、被接合金属部材の厚さ等の各要素とこれらの要素の組み合わせで決定される。

例えば、回転ツールＦＤの回転速度が遅い場合は、フロー側（retreating side：回転ツールＦＤの外周における接線速度から回転ツールＦＤの移動速度が減算される側）に比べてシアー側（advancing side：回転ツールＦＤの外周における接線速度に回転ツールＦＤの移動速度が加算される側）の方が、塑性流動材の温度が上昇し易くなるため、塑性化領域外のシアー側にバリが多く発生する傾向にある。一方、例えば、回転ツールＦＤの回転速度が速い場合、シアー側の方が塑性流動材の温度が上昇するものの、回転速度が速い分、塑性化領域外のフロー側にバリが多く発生する傾向がある。

本実施形態では、回転ツールＦＤの回転速度を遅く設定しているため、第一重合部Ｈ１の摩擦攪拌接合では、塑性化領域Ｗ外のシアー側である凹部１３から離れた位置にバリが多く発生する傾向にある。なお、回転ツールＦＤの接合条件は、ここで説明したものに限定されるものではなく適宜設定すればよい。
このようにして、バリが発生する側またはバリが多く発生する側が凹部１３から離れた位置となるように接合条件を設定すれば、凹部１３から離れた位置にバリを集約することができる。そのため、後記するバリ除去工程を容易に行うことができるため好ましい。

図７に示すように、回転ツールＦＤを第一重合部Ｈ１に沿って矢印で示すように一周させた後、第一中間点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、封止体３の表面３ｂにおいて、第二中間点ｓ３よりも外側に設定された終了位置ｅ１まで回転ツールＦＤを移動させたら、上方に移動させて封止体３から回転ツールＦＤを離脱させる。
回転ツールＦＤを封止体３から離脱させた後に、表面３ｂ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、表面３ｂを平坦にすることができる。

バリ除去工程は、本接合工程によって封止体３の表面３ｂに露出するバリを除去する工程である。バリ除去工程では、切削工具等を用いてバリを除去する。これにより、封止体３の表面３ｂをきれいに仕上げることができる。以上の工程により、図８、図９に示す液冷ジャケット１が形成される。

図８、図９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とを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、封止体３の裏面３ａと周壁部１１の端面１１ａとが重ね合わされた第一重合部Ｈ１及び封止体３の裏面３ａと支持部１２の端面１２ａとが重ね合わされた第二重合部Ｈ２が摩擦攪拌によって連続的に接合されている。摩擦攪拌を行った部位には、塑性化領域Ｗが形成されている。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１４が形成されている。

ここで、図１０に示すように、従来の回転ツール９００であると、ショルダ部で被接合金属部材９１０の表面を押えないため凹溝（被接合金属部材の表面と塑性化領域の表面とで構成される凹溝）が大きくなるとともに、接合表面粗さが大きくなるという問題がある。また、凹溝の脇に膨出部（接合前に比べて被接合金属部材の表面が膨らむ部位）が形成されるという問題がある。一方、図１１の回転ツール９０１のように、回転ツール９０１のテーパー角度βを回転ツール９００のテーパー角度αよりも大きくすると、回転ツール９００に比べて被接合金属部材９１０の表面を押えることはできるため、凹溝は小さくなり、膨出部も小さくなる。しかし、下向きの塑性流動が強くなるため、塑性化領域の下部にキッシングボンドが形成されやすくなる。

これに対し、本実施形態の回転ツールＦＤは、基端側ピンＦ３と、基端側ピンＦ３のテーパー角度Ａよりもテーパー角度が小さい先端側ピンＦ４を備えた構成になっている。これにより、封止体３に回転ツールＦＤを挿入しやすくなる。また、先端側ピンＦ４のテーパー角度Ｂが小さいため、封止体３の深い位置まで回転ツールＦＤを容易に挿入することができる。また、先端側ピンＦ４のテーパー角度Ｂが小さいため、回転ツール９０１に比べて下向きの塑性流動を抑えることができる。このため、塑性化領域Ｗの下部にキッシングボンドが形成されるのを防ぐことができる。一方、基端側ピンＦ３のテーパー角度Ａは大きいため、従来の回転ツールに比べ、被接合金属部材の厚さや接合の高さ位置が変化しても安定して接合することができる。

また、基端側ピンＦ３の外周面で塑性流動材を押えることができるため、接合表面に形成される凹溝を小さくすることができるとともに、凹溝の脇に形成される膨出部を無くすか若しくは小さくすることができる。また、階段状の段差部１１０は浅く、かつ、出口が広いため、塑性流動材を段差底面１１０ａで押さえつつ塑性流動材が段差部１１０の外部に抜けやすくなっている。そのため、基端側ピンＦ３で塑性流動材を押えても基端側ピンＦ３の外周面に塑性流動材が付着し難い。よって、接合表面粗さを小さくすることができるとともに、接合品質を好適に安定させることができる。

また、本実施形態では、回転ツールＦＤの先端側ピンＦ４が平坦面Ｆ５を有することにより、第二重合部接合工程及び第一重合部接合工程において、突起部Ｆ６の周辺に巻き上げられる塑性流動材を平坦面Ｆ５で押え込むことができる。これにより、突起部Ｆ６周りをより確実に摩擦攪拌することができるとともに、第二重合部Ｈ２及び第一重合部Ｈ１の酸化被膜を確実に分断することができる。よって、第一重合部Ｈ１及び第二重合部Ｈ２の接合強度を高めることができる。

また、突起部Ｆ６のみを第一重合部Ｈ１及び第二重合部Ｈ２よりも深く挿入するように設定することで、先端側ピンＦ４が平坦面Ｆ５を第一重合部Ｈ１及び第二重合部Ｈ２よりも深く挿入する場合に比べて摩擦攪拌による塑性化領域Ｗの幅を小さくすることができる。これにより、塑性流動材がジャケット本体２の凹部１３へ流出するのを防ぐことができる。
さらに、ジャケット本体２の底部１０に封止体３に当接する支持部１２が形成されているので、支持部１２によって液冷ジャケット１の強度を高めることができる。なお、支持部１２は封止体３の裏面３ａに設けてもよい。

なお、第二重合部Ｈ２については摩擦攪拌接合を行わなくてもよいが、本実施形態のように第二重合部Ｈ２についても摩擦攪拌接合を行うことで、ジャケット本体２と封止体３との接合強度をより高めることができる。
また、支持部１２は、周壁部１１から連続して形成されており、本接合工程では、第一重合部Ｈ１及び第二重合部Ｈ２に対する摩擦攪拌接合を連続して行うようにしている。そのため、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とともに、製造サイクルを向上させることができる。

また、第一重合部Ｈ１及び第二重合部Ｈ２に対する摩擦攪拌接合の終了後に回転ツールＦＤを塑性化領域Ｗの内側に移動させて引き抜くと、周壁部１１と封止体３とで構成される第一重合部Ｈ１及び第二重合部Ｈ２からの金属材料が内部に流出するおそれがある。しかし、本接合工程では、塑性化領域Ｗの外側に回転ツールＦＤを移動させて回転ツールＦＤを引き抜くことでかかる問題を解消することができる。
さらに、封止体３の表面３ｂに残存する回転ツールＦＤの引抜き跡に溶接金属を埋めて補修する補修工程を行えば、回転ツールＦＤの引抜跡が無くなり液冷ジャケット１の表面を平坦に仕上げることができる。

［第一実施形態の変形例］
以下に説明する第一実施形態の変形例や他の実施形態においては、第一実施形態と共通の技術事項に関しては説明を省略し、相違点を中心に説明する。また、第一実施形態と同様の部材等については、同一の符号を用い説明を省略する。
次に、第一実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法の変形例について説明する。図１２に示すように、本変形例では、冷却板を用いて仮接合工程及び本接合工程を行う点で第一実施形態と相違する。

図１２に示すように、本変形例では、前記の固定工程を行う際に、ジャケット本体２及び封止体３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、本発明における「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、本変形例では第一重合部接合工程における回転ツールＦＤ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と第一重合部Ｈ１とが略重なるように冷却管ＷＰが配設されている。

本変形例の仮接合工程及び本接合工程では、ジャケット本体２及び封止体３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等を行う。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、本変形例では、平面視した場合に、冷却流路と第一重合部Ｈ１（回転ツールＦＤ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、冷却管ＷＰは、第二重合部Ｈ２に対応する位置に配設してもよい。また、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。このようにすると、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１の変形を小さくすることができる。また、ジャケット本体２の内部のみに冷却媒体を流しつつ摩擦攪拌接合を行うと、冷却板等を用いずに、ジャケット本体２自体を利用して冷却することができる。

［第二実施形態］
次に、本発明の第二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。図１３に示すように、第二実施形態が第一実施形態と相違するのは、まず、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点である。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つが支持部１２の長手方向に並んで設けられている。さらに、封止体３には、板厚方向に貫通する平面視円形の孔部３ｃが３つ形成されている。孔部３ｃは、突出部１７が挿入される部位であり、突出部１７に対応する位置に形成されている。孔部３ｃ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。
第二実施形態では、重合工程において、封止体３の各孔部３ｃに各突出部１７を挿入し、孔部３ｃの孔壁と突出部１７の側面とで形成される突合部Ｕを形成する。

そして、図１４に示すように、本接合工程では、第二重合部接合工程として、３つの突合部Ｕをそれぞれ摩擦撹拌接合により接合する。突合部Ｕは上面視で円形なので、上面視で円形を描くように各突合部Ｕに沿って回転ツールＦＤを移動させることとなる。突合部Ｕの摩擦攪拌接合に関して、回転ツールＦＤの挿入深さは、少なくとも基端側ピンＦ３の一部が封止体３の表面３ｂ及び突出部１７の表面１７ｂと接触するように設定する。つまり、回転ツールＦＤの基端側ピンＦ３の外周面で封止体３の表面３ｂ及び突出部１７の表面１７ｂを押えながら摩擦攪拌接合を行う。また、先端側ピンＦ４の平坦面Ｆ５を第二重合部Ｈ２（支持部１２の端面１２ａ）よりも上方に位置させるとともに、突起部Ｆ６の先端面Ｆ７を第二重合部Ｈ２（支持部１２の端面１２ａ）よりも下方に位置させるように回転ツールＦＤの挿入深さを設定する。言い換えると、先端側ピンＦ４の平坦面Ｆ５を封止体３及び突出部１７の両方に接触させるとともに、第二重合部Ｈ２が突起部Ｆ６の側面に位置するように回転ツールＦＤの挿入深さを設定する。以上の点から明らかなように、第一重合部接合工程と第二重合部接合工程とは連続的には行わない。

図１５は、第二実施形態の各工程を経て完成した液冷ジャケット１の斜視図である。塑性化領域Ｗは、第一重合部接合工程によって上面視で封止体３の外縁部を一周して形成される。また、第二重合部接合工程によって上面視で支持部１２上をその長手方向に沿って並ぶ３つの円形の塑性化領域Ｗも形成される。

以上説明した第二実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法によっても、第一実施形態と略同等の効果を奏することができる。
また、本実施形態によれば、本接合工程では、孔部３ｃの孔壁と突出部１７の側面とが突き合わされた突合部Ｕに対しても摩擦攪拌接合を行うことができるので、ジャケット本体２と封止体３との接合強度をより高めることができる。

［第三実施形態］
次に、本発明の第三実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法について説明する。図１６に示すように、第三実施形態では、封止体３にフィン３１が設けられている点で第一実施形態と相違する。すなわち、封止体３の裏面３ａには、複数のフィン３１が設けられている。ジャケット本体２は第一実施形態と同一構成である。

複数のフィン３１は、所定の間隔をあけて封止体３の裏面３ａから垂直に延出している。各フィン３１は、重合工程を実施した際に、支持部１２の邪魔にならず、ジャケット本体２の凹部１３内に収納されるような配置で封止体３の裏面３ａに設けられている。封止体３にフィン３１が形成されているものを用いる他には、第一実施形態の各工程は第三実施形態でも同様である。

第三実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法によれば、複数のフィン３１が形成された液冷ジャケット１を形成することができる。液冷ジャケット１は、フィン３１が形成されているため、冷却効率を高めることができる。なお、フィン３１は、ジャケット本体２の底部１０側に設けられていてもよい。

以上本発明の実施形態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。

１ 液冷ジャケット
２ ジャケット本体
３ 封止体
３ａ 裏面
１０ 底部
１１ 周壁部
１１ａ 端面
１１Ａ 他方の壁部
１１Ｂ 一方の壁部
１２ 支持部
１３ 凹部
１４ 中空部
３１ フィン
ｅ１ 終了位置（外側）
ＦＤ 回転ツール
Ｆ２ 基軸部
Ｆ３ 基端側ピン
Ｆ４ 先端側ピン
Ｆ５ 平坦面
Ｆ６ 突起部
Ｆ７ 先端面
１１０ 段差部
１１０ａ 段差底面
１１０ｂ 段差側面
１１１ 螺旋溝
Ａ テーパー角度（基端側ピンの）
Ｂ テーパー角度
Ｃ 段差角度
Ｄ 螺旋溝角度
Ｘ１ 距離（基端側ピンの）
Ｘ２ 距離
Ｙ１ 高さ（段差側面の）
Ｙ２ 高さ
Ｈ１ 第一重合部
Ｈ２ 第二重合部
Ｕ 突合部
Ｗ 塑性化領域
Ｋ テーブル（冷却板）
ＷＰ 冷却流路、冷却管

Claims (14)

1. 底部と当該底部の周縁に立設される枠状の周壁部とを有するジャケット本体と、前記ジャケット本体の凹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で形成される中空部に熱輸送流体が流れる液冷ジャケットの製造方法であって、
   前記周壁部の端面に前記封止体を載置して前記端面と前記封止体の裏面とを重ね合わせて第一重合部を形成する重合工程と、
   前記第一重合部に前記封止体の表面から、基端側ピンと先端側ピンとを備えた回転ツールを挿入し、前記基端側ピンと前記先端側ピンとを前記封止体に接触させた状態で前記第一重合部に沿って前記回転ツールを移動させつつ前記凹部周りに一周させて摩擦攪拌により本接合を行う本接合工程と、を含み、
   前記回転ツールは、前記先端側ピンの先端部に前記回転ツールの回転軸に垂直な平坦面と、当該平坦面から突出する突起部と、を備え、
   前記基端側ピンのテーパー角度は、前記先端側ピンのテーパー角度よりも大きくなっており、
   前記基端側ピンの外周面には階段状の段差部が形成されており、
   前記本接合工程では、前記封止体に前記基端側ピンを接触させた状態で、前記平坦面を前記封止体のみに接触させるとともに、前記突起部の先端を前記第一重合部よりも深く挿入して前記第一重合部を接合することを特徴とする液冷ジャケットの製造方法。
2. 前記ジャケット本体の底部及び前記封止体の裏面のいずれか一方に、いずれか他方に当接する支持部が形成されている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. 前記ジャケット本体は、前記底部から立ち上がり前記封止体の裏面に当接する支持部を有し、
   前記本接合工程では、前記第一重合部に対する摩擦攪拌接合に加えて、前記封止体の裏面と前記支持部の端面とが重ね合わされた第二重合部に対しても摩擦攪拌接合を行う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。
4. 前記本接合工程では、前記先端側ピンの前記平坦面を前記封止体のみに接触させるとともに、前記先端側ピンの前記突起部の先端を前記第二重合部よりも深く挿入して前記第二重合部を接合する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. 前記支持部は、前記周壁部から連続して形成されており、
   前記本接合工程では、前記第一重合部及び前記第二重合部に対する摩擦攪拌接合を連続して行うことを特徴とする請求項４に記載の液冷ジャケットの製造方法。
6. 前記支持部は、前記周壁部の壁部の一方から連続するとともに、当該一方の壁部と対向する他方の壁部とは離間して形成されており、
   前記本接合工程では、前記封止体の表面のうち前記支持部に対応する位置に前記回転ツールを挿入し、前記第一重合部及び前記第二重合部に対して摩擦攪拌接合を連続して行うとともに、前記第一重合部に形成された塑性化領域の外側で前記封止体から前記回転ツールを引き抜くことを特徴とする請求項４に記載の液冷ジャケットの製造方法。
7. 前記ジャケット本体は、前記底部から立ち上がり前記封止体の裏面に当接する支持部を有し、前記支持部の端面に突出部を形成し、
   前記封止体には、前記突出部が挿入される孔部を設け、
   前記重合工程では、前記孔部に前記突出部を挿入して、前記孔部の孔壁と前記突出部の側面とが突き合わされた突合部を形成するとともに、前記封止体の裏面と前記支持部の端面とが重ね合わされた第二重合部を形成し、
   前記本接合工程では、前記第一重合部に対する摩擦攪拌接合に加えて、前記突合部に前記封止体の表面から、前記回転ツールを挿入し、前記基端側ピンと前記先端側ピンとを前記ジャケット本体及び前記封止体に接触させた状態で、前記封止体の裏面と前記支持部の端面とが重ね合わされた前記第二重合部、前記封止体の前記孔部の孔壁と前記支持部の前記突出部の側面とが突き合わされた前記突合部に対しても摩擦攪拌接合を行う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。
8. 前記本接合工程では、前記突合部の摩擦攪拌接合に関しては、前記平坦面を前記ジャケット本体及び前記封止体の両方に接触させるとともに、前記突起部の先端を前記第二重合部よりも深く挿入して前記第二重合部及び前記突合部を接合することを特徴とする請求項７に記載の液冷ジャケットの製造方法。
9. 前記封止体の表面に残存する前記回転ツールの引抜き跡に溶接金属を埋めて補修する補修工程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. 前記本接合工程では、前記ジャケット本体の底部に冷却板を設け、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１乃至請求項９のいずれか一項に記載の液冷ジャケットの製造方法。
11. 前記冷却板の冷却媒体が流れる冷却流路は、少なくとも前記回転ツールの移動軌跡に沿う平面形状を備えて形成されていることを特徴とする請求項１０に記載の液冷ジャケットの製造方法。
12. 前記冷却板の冷却媒体が流れる冷却流路は、前記冷却板に埋没された冷却管によって構成されていることを特徴とする請求項１０又は請求項１１に記載の液冷ジャケットの製造方法。
13. 前記本接合工程では、前記ジャケット本体の内部に冷却媒体を流して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１乃至請求項１２のいずれか一項に記載の液冷ジャケットの製造方法。
14. 前記ジャケット本体の底部及び前記封止体の裏面の少なくともいずれか一方に、複数のフィンが設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項１３のいずれか一項に記載の液冷ジャケットの製造方法。

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