JP4325260B2

JP4325260B2 - 伝熱素子の製造方法

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Publication number: JP4325260B2
Application number: JP2003110413A
Authority: JP
Inventors: 久司堀; 慎也牧田
Original assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Current assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Priority date: 2003-04-15
Filing date: 2003-04-15
Publication date: 2009-09-02
Anticipated expiration: 2023-04-15
Also published as: JP2004314115A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば熱交換機や加熱機器あるいは冷却機器などに用いられる伝熱素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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素子は、その本体であるベース部材に例えば冷却水などの熱媒体を循環させるパイプを密着させて内蔵することが求められている。
係る伝熱素子の製造方法としては、例えばステンレス鋼からなるパイプを鋳型に内設した所定のキャビティ中に貫通させて配置し、係るキャビティ内に例えばアルミニウム合金の溶湯を鋳込んで一体化させる鋳包み方法がある。
しかしながら、上記鋳包み方法では、鋳造の後でベース部材となるアルミニウム合金が凝固する際に収縮するため、得られるベース部材と上記パイプとの間に隙間が生じる。この結果、上記パイプ中を循環する熱媒体からベース部材への熱伝達性が低下する、という問題があった。しかも、鋳型の制作費が高いため、比較的大型の伝熱素子を少量製造する際には、コスト高になる問題もあった。
【０００３】
一方、異なる伝熱素子の製造方法としては、アルミニウム合金からなるベース部材の表面に形成した溝内に、例えばステンレス鋼からなるパイプ、または周囲にステンレス鋼の箔を巻き付けたヒータを挿入し且つ上記溝の開口部を覆うようにベース部材の表面に蓋板をロウ付けする方法がある。
しかしながら、上記ロウ付けを用いる方法では、例えば上記溝にヒータを挿入した場合、その発熱によりロウ材の接合強度が低下したり、係る事態に伴って蓋板が緩んでヒータとベース部材間の熱伝達性が低下する、という問題があった。
しかも、ベース部材となるアルミニウム合金のうち、高温強度が高い２０００系あるいは５０００系の合金では、ロウ付けができない、という問題もあった。
【０００４】
【発明が解決すべき課題】
本発明は、以上に説明した従来の技術における問題点を解決し、熱媒体用のパイプまたはヒータとこれを内蔵するベース部材とが密着した熱伝達性に優れた伝熱素子の製造方法を提供する、ことを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
本発明は、上記課題を解決するため、ベース部材に形成した蓋溝の底面に開口する凹溝などに熱媒体用のパイプなどを密着可能に挿入し、且つ上記蓋溝にほぼ同一断面の蓋板を嵌合すると共に、係る蓋板とベース部材とを固相状態で一体化する摩擦攪拌接合する、ことに着想して成されたものである。
即ち、本発明による伝熱素子の製造方法(請求項１)は、ベース部材の表面に開口する断面が矩形の蓋溝の底面に設けられ、且つ少なくとも下半部が断面半円形のアール面である凹溝に、熱媒体用で断面が円形のパイプまたはヒータを挿入する挿入工程と、上記ベース部材の蓋溝に断面がほぼ同じ蓋板を嵌合する閉塞工程と、上記ベース材の蓋溝における両側壁と上記蓋板の両側面との各突き合わせ面に沿って、摩擦攪拌接合を施す接合工程と、を含み、上記ベース板の凹溝の少なくとも下半部の断面形状は、上記パイプまたはヒータの下半部の断面形状と同じか、あるいはほぼ相似形であり、上記ベース板の凹溝の深さは、上記パイプまたはヒータの外径ないし係る外径の１．２倍未満の範囲にあり、上記凹溝の幅は、上記パイプまたはヒータの外径ないし係る外径の１．１倍の範囲にある、ことを特徴とする。
【０００６】
これによれば、ベース部材および蓋板を、両者の金属材料を固相状態で一体化する摩擦攪拌接合による接合部を介して強固に接合できる。しかも、ベース部材および蓋板を加圧しつつ接合するため、当該蓋板の底面がパイプまたはヒータに接触ないし押圧し、当該パイプなどとベース部材の凹溝とを広い面接触により密着させることができる。この際、パイプまたはヒータとベース板の凹溝の内壁や蓋板との接触面積を、係るパイプの全周面またはその５０％以上にして密着させることができる。
従って、熱伝達性に優れると共に、パイプやヒータなどからの熱エネルギによっても高い強度を維持できる接合部を有する伝熱素子を効率良く確実に製造することが可能となる。
【０００７】
尚、ベース部材および蓋板の材質は、特に限定されないが、特に高い熱伝導率で且つ加工性に優れたアルミニウム合金が推奨される。また、ベース部材および蓋板がアルミニウム合金からなる場合、前記パイプは、アルミニウム合金よりも高融点で且つ剛性の高いステンレス鋼管が望ましく、前記ヒータは、公知の電熱線の周囲にステンレス鋼の箔を巻き付けた形態が推奨される。更に、ベース部材は、蓋溝と凹溝を一体に成形できるアルミニウム合金の押出形材としても良い。
また、ベース部材および蓋板の材質は、摩擦攪拌接合が異種金属間にも適用可能であるため、両者が同種のアルミニウム合金同士からなる場合のほか、異種のアルミニウム合金の組み合わせからなる場合も含まれる。また、ベース部材および蓋板がアルミニウム合金同士からなる場合、前記摩擦攪拌接合する際の接合温度が５００℃以下の温度域であるため、予め前記ベース部材や蓋板の凹溝に挿入したヒータの特性が劣化することも防止できる。
【０００８】
更に、パイプやヒータの断面が円形で且つ蓋板の底面が平坦な場合、ベース板の凹溝の下半部は、半円形の断面となり、パイプなどの断面が六角形以上の正多角形で且つ蓋板の底面が平坦な場合、凹溝の下半部は、長方形または台形などになり、断面の下半部で凹溝の内壁と面接触する。また、パイプなどの断面が正方形の場合、これとほぼ同じ正方形を呈する断面ベース部材の凹溝に挿入することで、当該パイプの全周面で係る凹溝および蓋板における凹溝のない底面と面接触が可能となる。一方、蓋板の底面に凹溝が位置する形態では、係る蓋板の凹溝とベース板の凹溝とは、対称で且つ同じ半円形または長方形の断面となる。
【０００９】
また、ベース板の凹溝の深さがパイプなどの外径よりも小さいと、パイプなどの全断面が凹溝内に挿入できなくなる。一方、上記凹溝の深さがパイプなどの外径の１．２倍以上になると、蓋板による押さえ込みがなくなり、パイプなどと上記凹溝の内壁との間に隙間を生じる。このため、係る範囲を除外したものである。
【００１０】
加えて、ベース部材や蓋板の凹溝の幅がパイプなどの外径よりも小さいと、係る凹溝にパイプなどが挿入できなくなり、凹溝の幅がパイプなどの外径の１．１倍を越えると、パイプなどと凹溝の内壁との間に隙間を生じる。このため、係る範囲を除外したものである。尚また、以上の凹溝の深さおよび幅の範囲は、前記ベース部材や蓋板がアルミニウム合金からなり、パイプなどが高い剛性のステンレス鋼管からなる場合に特に好適である。
【００１１】
更に、前記製造方法によって得られた伝熱素子では、ベース部材と蓋板とは、両者の金属材料が固相状態で一体化される摩擦攪拌接合による接合部を介して接合されているため、蓋溝の底面に開口する凹溝に、挿入したパイプまたはヒータからの熱による上記接合部における強度の低下をなくすことができる。しかも、摩擦攪拌接合の際に後述する接合シールにより蓋板とベース部材とが加圧されているため、係る蓋板の底面に接触ないし押圧されるパイプなどは、当該ベース部材の凹溝と面接触しつつ密着する。従って、上記パイプ中などを循環する熱媒体やヒータからの熱エネルギを効率良くベース部材を介して、伝熱すべき対象物に熱伝達することが可能となる。
【００１２】
また、本発明には、前記接合工程における摩擦攪拌接合に用いる接合ツールは、ツール本体とその底面の中心部から同軸心で垂下する摩擦攪拌ピンとを含み、上記摩擦攪拌ピンの軸方向の長さは、前記突き合わせ面の深さの６０〜１００％の範囲にある、伝熱素子の製造方法(請求項２)も含まれる。
これによれば、ベース部材と蓋板との突き合わせ面付近の表面を高速回転する接合ツールのツール本体で押さえ込みつつ、係るツール本体と共に高速回転して突き合わせ面付近に進入する摩擦攪拌ピンにより、ベース部材および蓋板を形成する金属材料を摩擦熱にて固相状態で流動化させて攪拌することができる。このため、蓋板をベース部材の蓋溝内に嵌合した状態で強固に接合できる。しかも、凹溝のない蓋板の底面に接近するパイプなどを、ベース部材の凹溝内に押し込んだり、ベース部材の凹溝と蓋板の凹溝との全周面で面接触させることができる。従って、パイプなどの周面と凹溝の内壁とを面接触により確実に密着できる。
尚、摩擦攪拌ピンの軸方向の長さが突き合わせ面の深さの６０％未満になると、該突き合わせ面に沿って形成される接合部の深さが上記深さの約半分近くになり、接合強度が不足する事態になり得る。また、摩擦攪拌ピンの軸方向の長さが突き合わせ面の深さよりも長いと、流動化した金属材料が蓋溝と蓋板との間に進入して接合部の強度が不足するため、係る範囲を除外した。更に、突き合わせ面の深さは、接合ツールの軸方向に沿った押し込み量を差し引いた距離である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下において、本発明の実施に好適な形態を図面と共に説明する。
図１(Ａ)は、本発明により製造される伝熱素子の１形態である伝熱素子１を示す斜視図であり、図１(Ｂ)は、係る伝熱素子１の垂直断面図である。
伝熱素子１は、図１(Ａ)，(Ｂ)に示すように、表面３および裏面４を有する厚板形状のベース部材２と、係るベース部材２の表面３に開口し且つ断面が長方形(矩形)の蓋溝６に嵌合される蓋板１０と、前記蓋溝６の底面に開口する凹溝８に挿入される熱媒体用のパイプ１６と、を備えている。上記ベース部材２は、例えばアルミニウム合金(ＪＩＳ：Ａ６０６１)からなり、図１(Ａ)に示すように、図示の前後(長手)方向に沿って蓋溝６と、その底面の中央に凹溝８とが形成されている。係る凹溝８は、その下半部が断面半円形のアール面(凹溝)７であり、且つ蓋溝６寄りの上半部の断面は、上記アール面７の直径と同じ幅の長方形である。
【００１４】
また、蓋板１０も上記同様のアルミニウム合金からなり、図１(Ａ)，(Ｂ)に示すように、ベース部材２の蓋溝６の断面とほぼ同じ長方形(矩形)断面を形成する上面１１、底面１２、および左右の各側面１３，１４を有する。
更に、パイプ１６は、例えばステンレス鋼(ＪＩＳ：ＳＵＳ３０４)からなり、図１(Ｂ)に示すように、その断面のほぼ下半分は、ベース部材２における凹溝８のアール面７とほぼ同じ相似形の半円形を呈する。因みに、係るパイプ１６は、外径が３ｍｍで且つ肉厚が０．５ｍｍのサイズであり、断面円形の中空部１８を内設している。係る中空部１８には、例えば冷却水、冷却ガス、高温液、あるいは高温ガスなど熱媒体が循環して流される。
【００１５】
後述するように、前記ベース部材２の凹溝８の深さは、パイプ１６の外径と同じ深さ乃至係る外径の１．２倍未満の深さの範囲にあると共に、係る凹溝８のアール面７を除いたほぼ上半部の幅は、パイプ１６の外径と同じ幅乃至係る外径の１．１倍以下の深さの範囲にある。従って、パイプ１６の下半部の周面は、凹溝８のアール面７と面接触している。
図１(Ａ)，(Ｂ)に示すように、ベース部材２の蓋溝６の両側壁５，５と、係る蓋溝６に嵌合した蓋板１０の両側面１３，１４との突き合わせ面に沿って、摩擦攪拌接合による接合部Ｗ１，Ｗ２が個別に形成されている。係る接合部Ｗ１，Ｗ２は、ベース部材２および蓋板１０の金属材料を、後述する接合ツールを用いて摩擦熱により固相状態で流動化しつつ攪拌して一体化させたものである。因みに、接合部Ｗ１，Ｗ２の深さは、上記突き合わせ面の深さの約８０％である。
【００１６】
以上のような伝熱素子１によれば、ベース部材２と蓋板１０とは、両者の金属材料が固相状態で一体化される摩擦攪拌接合による接合部Ｗ１，Ｗ２を介して接合されている。このため、蓋溝６の底面に開口する凹溝８に挿入したパイプ１６からの熱による接合部Ｗ１，Ｗ２の強度の低下をなくすことができる。しかも、摩擦攪拌接合の際に蓋板１０とベース部材２とが、後述する接合ツールのツール本体の底面(ショルダ)に加圧されているため、蓋板１０の底面１２に接触ないし押圧されるパイプ１６は、凹溝８のアール面７と面接触しつつ密着する。従って、上記パイプ１６中を循環する熱媒体からの熱エネルギを効率良くベース部材２を介して、その付近に位置する対象物に熱伝達することができる。
特に、凹溝８の深さおよび幅が、パイプ１６の外径と同じか、これよりも極く僅かに小さい場合には、パイプ１６と凹溝８の内壁との良好な密着が得られる。
【００１７】
次に、本発明による前記伝熱素子１の製造方法について、図２〜図３に基づき説明する。
図２(Ａ)は、表面３および裏面４を有し且つ前記同様のアルミニウム合金からなる厚板２ａの断面を示す。係る厚板２ａは、平面視で図示の前後方向が長手方向である長方形を呈する。係る厚板２ａの表面３における長手方向の中央付近に沿って、エンドミルカッタなどを用いて公知の座ぐり加工を施す。その結果、図２(Ｂ)に示すように、表面３に開口し断面が長方形で且つ左右の側壁５，５を備えた蓋溝６を有する厚板２ｂが形成される。
上記厚板２ｂの蓋溝６における底面の中央部に対し、長手方向に沿って所定の幅で座ぐり加工した後、更にその下側を切削加工により半円形断面に切除する。その結果、図２(Ｃ)に示すように、上記蓋溝６およびその底面の中央部に開口する凹溝８を長手方向に沿って有するベース部材２が形成される。係る凹溝８は、上半部の断面が長方形であり、且つ下半部が断面半円形のアール面７である。
【００１８】
尚、ベース部材２には、上記蓋溝６および凹溝８を長手方向に沿って予め一体に形成されているアルミニウム合金の押出形材を用いても良い。
図２(Ｃ)に示すように、凹溝８の深さ(最深部の深さ)Ｙは、次述する熱媒体用のパイプ１６の外径と同じ乃至その１．２倍未満の範囲にあると共に、凹溝８の幅Ｘは、パイプ１６の外径と同じ乃至その１．１倍以下の範囲にある。
次に、図２(Ｄ)に示すように、凹溝８に前記同様のステンレス鋼からなる熱媒体用のパイプ１６を挿入する(挿入工程)。中空部１８を内設する当該パイプ１６の下半部の周面は、その全長において凹溝８の下半部を形成するアール面７と面接触する。また、係るパイプ１６の上端部は、凹溝８の開口部付近で且つ蓋溝６の底面と同じレベルか、あるいは係る底面よりも僅かに低い位置となる。
【００１９】
更に、図３(Ａ)に示すように、凹溝８にパイプ１６が挿入されたベース部材２の蓋溝６内に、前記同様のアルミニウム合金からなり、上面１１、下面１２、左右の側面１３，１４に囲まれた蓋溝６の断面とほぼ同じ長方形断面の蓋板１０を嵌合する(閉塞工程)。この際、蓋板１０の底面１２の中央付近に、パイプ１６の上端部が線接触または接近すると共に、当該蓋板１０の上面１１は、ベース部材２における左右の表面３，３と面一となる。
次いで、図３(Ｂ)，(Ｃ)に示すように、ベース部材２の蓋溝６の両側壁５，５と蓋板１０の両側面１３，１４との２列の突き合わせ面に沿って、摩擦攪拌接合を施す(接合工程)。係る接合には、図示の接合ツール２０を用いる。
【００２０】
即ち、接合ツール２０は、例えば工具鋼からなり、図３(Ｂ)，(Ｃ)に示すように、円柱形のツール本体２２と、その底面２４の中心部から同軸心で垂下する摩擦攪拌ピン２６とを含む。尚、攪拌ピン２６の周面には、その軸方向に沿って図示しない複数の小溝や径方向に沿ったネジ溝が形成されていても良い。
因みに、上記ツール本体２２の直径は６〜２０ｍｍ、摩擦攪拌ピン２６の長さは３〜１０ｍｍで且つその直径は２〜８ｍｍである。また、摩擦攪拌ツール２０の回転数は５００〜１５０００ｒｐｍ、送り速度は０．０５〜２ｍ／分であり、当該ツール２０の軸方向に加える押し込み力は１ｋＮ〜２０ｋＮ程度である。
【００２１】
図３(Ｂ)，(Ｃ)に示すように、ベース材２および蓋板１０を図示しない治具により拘束した状態で、蓋溝６における左側の側壁５と蓋板１０の側面１３との突き合わせ面に沿って、高速回転する接合ツール２０を押し込む。この際、ツール本体２２の底面２４は、ベース部材２の表面３および蓋板１０の上面１１と平行となる。尚、上記摩擦攪拌ピン２６の軸方向の長さは、図３(Ｂ)に示すように、上記突き合わせ面の深さＨ以下で且つその６０％以上の範囲とされる。
図３(Ｂ)，(Ｃ)に示すように、摩擦攪拌ツール２０における摩擦攪拌ピン２６の底面は、前記突き合わせ面のやや下方に達する。係る状態で高速回転する摩擦攪拌ピン２６により、その周囲に位置するベース部材２および蓋板１０のアルミニウム合金材料は、摩擦熱によって加熱され、半固相状態で塑性化し且つ流動化(物質移動)する。尚、摩擦攪拌ピン２６の周面に軸方向に沿った小溝や径方向に沿ったネジ溝があると、上記アルミニウム合金材料の攪拌を一層活発化できる。
【００２２】
係る摩擦攪拌ツール２０が回転しつつ通過した跡には、図３(Ｂ)，(Ｃ)に示すように、蓋溝６の側壁５と蓋板１０の側面１３との突き合わせ面に沿って、上記塑性・流動化したアルミニウム合金材料が固化した接合部Ｗ１が形成される。係る接合部Ｗ１の内部は、上記合金材料が十分に塑性流動している場合、多数の空孔である微細なトンネル欠陥などが皆無となる。尚、接合部Ｗ１の表面ｗａは、前記ツール本体２２の底面２４の周縁に倣った細かなさざ波形の凹凸を有し、且つツール本体２２の押し込み量によって、表面３などよりも僅かに凹んでいる。
引き続いて、蓋溝６における右側の側壁５と蓋板１０の側面１４との突き合わせ面に沿っても、接合ツール２０を用いて上記と同様の摩擦攪拌接合を施す。
【００２３】
その結果、図３(Ｄ)に示すように、蓋溝６の両側壁５，５と蓋板１０の両側面１３，１４との各突き合わせ面に沿って接合部Ｗ１，Ｗ２が形成され、これにより蓋板１０がベース部材２の蓋溝６内に密嵌され且つ係る蓋板１０の底面１２が予め凹溝８中に挿入され且つ下半部で面接触しているパイプ１６の上端部に当接または著しく近接した伝熱素子１が得られる。
以上のような伝熱素子１の製造方法によれば、熱伝達性に優れると共に、パイプ１６からの熱エネルギによっても高い強度を維持できる接合部Ｗ１，Ｗ２を有する伝熱素子１を効率良く確実に製造することが可能となる。尚、パイプ１６に替えて、例えば電熱線などの周囲にステンレス鋼の箔を巻き付けた断面円形のヒータをベース部材２の凹溝８に挿入しても良い。
【００２４】
図４は、異なる形態の伝熱素子１ａおよびその製造方法に関する。
先ず、前記同様のアルミニウム合金製の厚板の表面３を座ぐり加工や切削加工することにより、図４(Ａ)に示すように、表面３に開口する断面長方形(矩形)の蓋溝６と、その底面中央に開口し且つ断面が正方形の凹溝９とを有するベース部材２ｃを形成する。尚、ベース部材２ｃには、上記蓋溝６および凹溝９を長手方向に沿って予め一体に有するアルミニウム合金の押出形材を用いても良い。
次に、上記凹溝９内に、その深さと幅とに縦・横寸法がほぼ同じ正方形断面である熱媒体用のパイプ１７を挿入する(挿入工程)。係るパイプ１７は、前記同様のステンレス鋼からなり、外形と相似形断面の中空部１９を内設していると共に、上記凹溝９の底面および左右の両側壁に面接触する。
【００２５】
次いで、図４(Ｂ)に示すように、凹溝９にパイプ１７が挿入されたベース部材２ｃの蓋溝６内に、前記同様のアルミニウム合金からなり、蓋溝６の断面とほぼ同じ長方形断面の蓋板１０を嵌合する(閉塞工程)。この際、蓋板１０の底面１２の中央付近に、上記パイプ１７の上面が面接触または極く接近し、且つ当該蓋板１０の上面１１は、ベース部材２ｃの表面３，３と面一となる。
そして、蓋溝６における左右の側壁５，５と蓋板１０の側面１３，１４との一対の突き合わせ面に沿って、それぞれ前記同様の接合ツール２０を用いて前記同様の摩擦攪拌接合を個別に施す(接合工程)。
【００２６】
その結果、図４(Ｃ)に示すように、一対の突き合わせ面に沿って接合部Ｗ１，Ｗ２が形成され、これにより蓋板１０がベース部材２ｃの蓋溝６内に密嵌されると共に、係る蓋板１０の底面１２が予め凹溝９中に挿入され且つ面接触しているパイプ１７の上面に面接触または近接して対向する伝熱素子１ａが得られる。
係る伝熱素子１ａは、図４(Ｃ)に示すように、断面正方形(角形)のパイプ１７をほぼ同じか相似形断面の凹溝９に面接触により挿入され且つ係るパイプ１７の上面に蓋板１０の底面１２が面接触または近接しているため、熱伝達特性が一層向上する。また、以上の伝熱素子１ａの製造方法によれば、パイプ１７からの熱エネルギによっても、ベース部材２ｃと蓋板１０との間で高い強度を維持できる接合部Ｗ１，Ｗ２を有する伝熱素子１ａを効率良く確実に製造可能となる。
【００２７】
【実施例】
ここで、本発明による伝熱素子１の製造方法の実施例について説明する。
アルミニウム合金(ＪＩＳ：Ａ６０６１)からなり、前記図１(Ａ)，(Ｂ)および図４(Ｃ)における長手方向が３００ｍｍ、表面３と裏面４の幅が３０ｍｍ、厚みが２０ｍｍであると共に、蓋溝６は深さ５ｍｍ×幅１０ｍｍである２つのベース部材２，２ｃを用意した。ベース部材２の凹溝８は、深さ(最深部)Ｙ：３ｍｍ×幅Ｘ：３ｍｍで且つ断面の下半部は半円形の前記アール面７である。また、ベース部材２ｃの凹溝９は、深さＹ：３ｍｍ×幅Ｘ：３ｍｍの正方形断面である。
【００２８】
上記ベース部材２の凹溝８にステンレス鋼(ＪＩＳ：ＳＵＳ３０４)製で、全長：３４０ｍｍ×外径：３ｍｍ×肉厚：０．５ｍｍの熱媒体用のパイプ１６を、その両端を突出させて挿入した。一方、ベース部材２ｃの凹溝９に同じ素材で、全長：３４０ｍｍ×縦：３ｍｍ×横：３ｍｍ×肉厚：０．５ｍｍの断面正方形のパイプ１７を、その両端を突出させて挿入した。係るベース部材２，２ｃの蓋溝６に、前記と同じアルミニウム合金からなり、全長３００ｍｍ×幅９．８ｍｍ×厚み５ｍｍの蓋板１０を個別に嵌合した。係る蓋板１０を含む上記ベース部材２，２ｃを拘束した状態で、蓋溝６の両側壁５，５と蓋板１０の両側面１３，１４との一対の突き合わせ面に沿って、摩擦攪拌接合を接合を個別に行った。
【００２９】
これに用いた接合ツール２０は、工具鋼(ＳＫＤ６１)からなり、そのツール本体２２の直径が１５ｍｍで、摩擦攪拌ピン２６は、直径５ｍｍ×長さ３．８ｍｍである。係る接合ツール２０を、上記突き合わせ面に沿って、回転数：１４００ｒｐｍ、移動速度：３００ｍｍ／分、軸方向の押し込み深さ(距離)：０．２ｍｍの同じ条件で、回転しつつ移動させて接合部Ｗ１，Ｗ２を個別に形成した。
ベース部材２を用いた伝熱素子１を実施例１、ベース部材２ｃを用いた伝熱素子１ａを実施例２とした。これらを長手方向の４箇所で切断して目視し、接合部Ｗ１，Ｗ２におけるトンネル欠陥などの有無、パイプ１６と凹溝８，９および蓋板１０との隙間の有無を調べた。その結果を表１に示す。
【００３０】
【表１】

【００３１】
表１によれば、実施例１，２により得られた伝熱素子１，１ａの接合部Ｗ１，Ｗ２には、トンネル欠陥などは全く見当たらなかった。また、実施例１の凹溝８とパイプ１６との下半部間には、隙間がなく、実施例２の蓋板１０の底面１２を含む凹溝９とパイプ１７との間では、全周にて隙間のない密着性を有することが判明した。
次に、前記実施例１に用いたものと同じベース部材２を１０個用意し、表２に示すように、凹溝８の深さ(最深部)Ｙと幅Ｘを変化させ、前記と同じ熱媒体用のパイプ１６を個別に挿入した。これらの蓋溝６の両側壁５，５と蓋板１０の両側面１３，１４との各突き合わせ面に沿って、前記と同じ接合ツール２０を用い且つ前記と同じ同じ条件により摩擦攪拌接合を個別に行った。
得られた１０の伝熱素子(１)について、前記同様に切断して目視し、接合部Ｗ１，Ｗ２における欠陥などの有無や、パイプ１６と凹溝８および蓋板１０との隙間の有無を調べた。その結果も表２に示す。
【００３２】
【表２】

【００３３】
表２によれば、パイプ１６の外径よりも凹溝８の深さＹが小さい(浅い)比較例１では、蓋板１０の浮き上がりにより、接合部Ｗ１，Ｗ２にトンネル欠陥が生じ、且つパイプ１６と凹溝８のアール面との間に隙間が生じた。また、凹溝８の深さＹがパイプ１６の外径の１．２倍である比較例２では、接合ツール２０の加圧で蓋板１０の中央部が凹み且つ側面１３，１４が浮き上がったため、接合部Ｗ１，Ｗ２にアルミニウム合金材料不足による欠陥が生じ且つ上記隙間も生じた。
更に、凹溝８の幅Ｘがパイプ１６の外径の１．１倍を越えた比較例３〜５では、蓋板１０が上記同様の撓み変形をしたため、接合部Ｗ１，Ｗ２にアルミニウム合金材料不足による欠陥が生じ且つ上記隙間も生じた。
一方、凹溝８の深さＹがパイプ１６の外径と同じかその１．２倍未満であり、凹溝８の幅Ｘがパイプ１６の外径と同じかその１．１倍以下である実施例３〜７では、接合部Ｗ１，Ｗ２にトンネル欠陥などがなく、且つ凹溝８のアール面７とパイプ１６の下半部とに隙間のない良好な密着状態となっていた。
【００３４】
更に、前記実施例１によるものと同じベース部材２、蓋板１０、および熱媒体用のパイプ１６を７組用意し、これらについて前記同様に挿入および嵌合して組立てた。
表３に示すように、前記接合ツール２０における摩擦攪拌ピン２６の軸方向の長さを変化させ、前記ツール本体２２の押し込み量(距離)を一定とし、上記７組の蓋溝６の両側壁５，５と蓋板１０の両側面１３，１４との突き合わせ面に沿って、上記押し込み量を含め前記と同じ条件により摩擦攪拌接合を個別に行った。
得られた７個の伝熱素子(１)について、前記同様に切断して目視し、接合部Ｗ１，Ｗ２における欠陥の有無、および凹溝８とパイプ１６との隙間の有無を調べた。その結果も表３に示す。
【００３５】
【表３】

【００３６】
表３によれば、摩擦攪拌ピン２６の長さが前記突き合わせ面の深さＨ(押し込み量を除いた蓋溝６の深さ)よりも長い比較例６では、塑性流動化したアルミニウム合金材料が蓋溝６と蓋板１０との間に差し込むため、ベース部材２およびパイプ１６と蓋板１０との間に隙間が生じていた。
また、摩擦攪拌ピン２６の長さが前記突き合わせ面の深さＨの６０％未満である比較例７では、上記材料の組成流動および接合ツール２０による加圧およびアルミニウム合金材料の塑性流動が不足し、接合部Ｗ１，Ｗ２の接合強度が低くなっため、パイプ１６と蓋板１０の底面１２との間に隙間が生じていた。
一方、摩擦攪拌ピン２６の長さが前記突き合わせ面の深さＨと同じかその６０％以上であった実施例８〜１２では、接合部Ｗ１，Ｗ２に欠陥がなく、且つパイプ１６と凹溝８との下半部およびパイプ１６の上端部と蓋板１０の底面１２との間には、隙間がなく良好な密着状態となっていた。
以上の実施例１〜１２によって得られた伝熱素子１により、本発明の効果が裏付けられた。
【００３７】
図５(Ａ)は、複数の前記伝熱素子１(伝熱素子１ａも含む、以下同じ)を用いた伝熱ユニットＵ１の概略を示す。係る伝熱ユニットＵ１は、図５(Ａ)に示すように、複数の伝熱素子１，１，…をそれらのベース部材２(ベース部材２ｃも含む、以下同じ)を離間して平行に配置すると共に、各ベース部材２の長手方向の両端から突出する熱媒体用のパイプ１６(パイプ１７も含む、以下同じ)に、ヘッダーパイプ２７を直角に接続している。
また、図５(Ｂ)は、複数の前記伝熱素子１を用いた異なる形態の伝熱ユニットＵ２の概略を示す。係る伝熱ユニットＵ２は、図５(Ｂ)に示すように、複数の伝熱素子１，１，…をそれらのベース部材２を隣接させて平行に配置し、各ベース部材２の長手方向の両端から突出し且つ隣接する熱媒体用のパイプ１６，１６間をほぼＵ字形の連絡パイプ２８を介して接続したものである。
以上のような伝熱ユニットＵ１，Ｕ２によれば、複数の前記伝熱素子１(１ａ)におけるパイプ１６(１７)に熱媒体を流通させることにより、これに密着したベース部材２(２ｃ)および蓋板１０を介して、これらに接触または近接する図示しない対象物を迅速に冷却または加熱することが可能となる。
【００３８】
図６(Ａ)，(Ｂ)は、前記伝熱素子１の応用形態である伝熱素子１ｂおよびその製造方法を示す。図６(Ａ)に示すように、予め、前記同様のアルミニウム合金からなり、表面３に開口する断面矩形の蓋溝６と、係る蓋溝６の底面に開口し且つ互いに平行な一対の凹溝８，８とを有するベース部材２ｄを形成する。
次に、上記ベース部材２ｄの凹溝８，８に、前記同様のパイプ１６，１６を個別に挿入し(挿入工程)した後、上記蓋溝６にこれとほぼ同じ断面の蓋板１０を嵌合する(閉塞工程)。そして、上記蓋溝６の両側壁５，５と蓋板１０の両側面１３，１４との突き合わせ面に沿って、前記接合ツール２０を用いて摩擦攪拌接合前述した条件に沿ってを施す(接合工程)。その結果、図６(Ｂ)に示すように、上記突き合わせ面に沿って接合部Ｗ１，Ｗ２が形成され、これらにより各凹溝８のアール面７にパイプ１６の下半部を面接触で密着させ、且つ各パイプ１６の上端部に蓋板１０の底面１２が当接する伝熱素子１ｂを得ることができる。
【００３９】
図６(Ｃ)，(Ｄ)は、前記伝熱素子１ａの応用形態である伝熱素子１ｃおよびその製造方法を示す。図６(Ｃ)に示すように、予め、前記同様のアルミニウム合金からなり、表面３に開口する断面矩形の蓋溝６と、係る蓋溝６の底面に開口し且つ互いに平行な一対の凹溝９，９とを有するベース部材２ｅを形成する。
次に、上記ベース部材２ｅの凹溝９，９に、前記同様のパイプ１７，１７を個別に挿入し(挿入工程)した後、上記蓋溝６にこれとほぼ同じ断面の蓋板１０を嵌合する(閉塞工程)。そして、上記蓋溝６の両側壁５，５と蓋板１０の両側面１３，１４との突き合わせ面に沿って、前記接合ツール２０を用いて摩擦攪拌接合前述した条件に沿ってを施す(接合工程)。その結果、図６(Ｄ)に示すように、上記突き合わせ面に沿って接合部Ｗ１，Ｗ２が個別に形成され、これらにより各凹溝９内にパイプ１６を面接触により密着させ、且つ各パイプ１７の上面に蓋板１０の底面１２が面接触する伝熱素子１ｃを得ることができる。
尚、ベース部材２ｄ，２ｅには、前記蓋溝６および凹溝８，９を長手方向に沿って一体に有するアルミニウム合金の押出形材を用いても良い。
【００４０】
図７(Ａ)，(Ｂ)は、参考形態の製造方法とこれにより得られた伝熱素子１ｄを示す。
図７(Ａ)に示すように、前記同様のアルミニウム合金からなり、表面３に開口する断面矩形の蓋溝６と、係る蓋溝６の底面に開口する断面半円形の凹溝７とを有するベース部材２ｆを予め用意する。また、断面が上記蓋溝６と同じ長方形で且つ底面１２の中央に開口する断面半円形の凹溝１５を有する蓋板１０ａを用意する。上記凹溝７と凹溝１５とは、互いに同じ断面で且つ対向している。尚、ベース部材２ｆおよび蓋板１０ａには、押出形材を用いても良い。
【００４１】
図７(Ａ)中の矢印で示すように、ベース部材２ｆの凹溝７に、パイプ１６の下半部を挿入した後、ベース部材２ｆの蓋溝６に蓋板１０ａを嵌合すると同時に、その凹溝１５内に上記パイプ１６の上半部を挿入する(挿入・閉塞工程)。
次いで、ベース部材２ｆの蓋溝６の両側壁５，５と蓋板１０ａの両側面１３，１４との突き合わせ面に沿って、前記接合ツール２０を用いて摩擦攪拌接合前述した条件に沿ってを施す(接合工程)。その結果、図７(Ｂ)に示すように、上記突き合わせ面に沿って接合部Ｗ１，Ｗ２が形成されると共に、丸パイプ１６がその全周面でベース部材２ｆの凹溝７と蓋板１０ａの凹溝１５との内周面と密着した熱伝達性に優れた伝熱素子１ｄを、得ることができる。
【００４２】
図７(Ｃ)は、前記伝熱素子１ｄの応用形態である参考形態の伝熱素子１ｅを示す。
図７(Ｃ)に示すように、ベース部材２ｇは、前記同様のアルミニウム合金からなり、表面３に開口する断面矩形の蓋溝６と、係る蓋溝６の底面に開口し且つ互いに平行な一対の凹溝７とを有し、蓋板１０ｂは、断面が上記蓋溝６と同じ長方形で且つ底面１２に開口する一対の凹溝１５を有する。上記凹溝７と凹溝１５も、互いに同じ断面で且つ対向している。尚、ベース部材２ｇおよび蓋板１０ｂにも、押出形材を用いても良い。
前記同様に、ベース部材２ｇの凹溝７，７に、パイプ１６の下半部を個別に挿入した後、ベース部材２ｇの蓋溝６に蓋板１０ｂを嵌合し、且つその凹溝１５，１５内に上記パイプ１６の上半部を個別に挿入する(挿入・閉塞工程)。
次いで、ベース部材２ｇの蓋溝６の両側壁５，５と蓋板１０ｂの両側面１３，１４との突き合わせ面に沿って、前記接合ツール２０を用いて摩擦攪拌接合前述した条件に沿ってを施す(接合工程)。その結果、図７(Ｃ)に示すように、上記突き合わせ面に沿って接合部Ｗ１，Ｗ２が形成されると共に、一対の丸パイプ１６がそれぞれの全周面でベース部材２ｇの凹溝７と蓋板１０ｂの凹溝１５との内周面と密着した熱伝達性に優れた伝熱素子１ｅを、得ることができる。
【００４３】
図８(Ａ)，(Ｂ)は、異なる参考形態の伝熱素子１ｆとその製造方法を示す。
図８(Ａ)に示すように、前記同様のアルミニウム合金からなり、表面３に開口する断面矩形の蓋溝６と、係る蓋溝６の底面に開口する断面長方形の凹溝９ａとを有するベース部材２ｈを予め用意する。また、断面が上記蓋溝６と同じ長方形で且つ底面１２の中央に開口し且つ断面長方形の凹溝１５ａを有する蓋板１０ｃを用意する。上記凹溝９ａと凹溝１５ａとは、互いに同じ断面で且つ対向している。尚、ベース部材２ｈおよび蓋板１０ｃには、押出形材を用いても良い。
【００４４】
図８(Ａ)中の矢印で示すように、ベース部材２ｈの凹溝９ａに、断面が正方形のパイプ１７の下半部を挿入した後、ベース部材２ｈの蓋溝６に蓋板１０ｃを嵌合すると同時に、その凹溝１５ａ内に上記パイプ１７の上半部を挿入する(挿入・閉塞工程)。次いで、ベース部材２ｈの蓋溝６の両側壁５，５と蓋板１０ｃの両側面１３，１４との突き合わせ面に沿って、前記接合ツール２０を用いた摩擦攪拌接合を前述した条件によって施す(接合工程)。
その結果、図８(Ｂ)に示すように、上記突き合わせ面に沿よって接合部Ｗ１，Ｗ２が形成されると共に、パイプ１７がそのほぼ全周面でベース部材２ｈの凹溝９ａと蓋板１０ａの凹溝１５との内壁面と密着した熱伝達性に優れた伝熱素子１ｆを、得ることができる。
【００４５】
図８(Ｃ)は、前記伝熱素子１ｆの応用形態である参考形態の伝熱素子１ｇを示す。
図８(Ｃ)に示すように、ベース部材２ｊは、前記同様のアルミニウム合金からなり、表面３に開口する断面矩形の蓋溝６と、係る蓋溝６の底面に開口し且つ互いに平行な一対の凹溝９ａとを有し、蓋板１０ｄは、断面が上記蓋溝６と同じ長方形で且つ底面１２に開口する一対の凹溝１５ａを有する。上記凹溝９ａと凹溝１５ａも、互いに同じ断面で且つ対向している。尚、ベース部材２ｊおよび蓋板１０ｄにも、押出形材を用いても良い。
前記同様に、ベース部材２ｊの各凹溝９ａに、パイプ１７の下半部を個別に挿入した後、ベース部材２ｊの蓋溝６に蓋板１０ｄを嵌合し、且つその凹溝１５ａ内に上記パイプ１７の上半部を個別に挿入する(挿入・閉塞工程)。
【００４６】
次いで、ベース部材２ｊの蓋溝６の両側壁５，５と蓋板１０ｄの両側面１３，１４との突き合わせ面に沿って、前記接合ツール２０を用いて摩擦攪拌接合前述した条件に沿ってを施す(接合工程)。その結果、図８(Ｃ)に示すように、上記突き合わせ面に沿って接合部Ｗ１，Ｗ２が形成されると共に、一対の角パイプ１７がそれぞれの全周面でベース部材２ｊの凹溝９ａと蓋板１０ｂの凹溝１５ａとの内壁面と密着した熱伝達性に優れた伝熱素子１ｇを、得ることができる。
尚、上記凹溝９ａと凹溝１５ａとは、互いに同じ断面でなく、幅のみが共通して、高さ(深さ)の相違する形態にしても良い。
【００４７】
本発明は、以上に説明した各形態や実施例に限定されるものではない。
例えば、前記熱媒体用のパイプは、断面が６角形や８角形の正多角形の形態とし、蓋板が平板の形態であって、上記パイプを挿入するベース部材の凹溝の下半部の断面を当該パイプの下半部の断面とほぼ同じ台形などにしても良い。
また、前記熱媒体用のパイプは、熱伝導率の高い銅または銅合金、あるいは比較的軽量で所要の強度を有するチタン合金などからなるものであっても良い。
更に、前記ベース部材の材質は、熱伝導率の高い銅または銅合金などからなるものとしても良い。
また、前記ベース部材２などの表面３および裏面４の少なくとも一方や、前記蓋板１０の上面１１であって、前記接合ツール２０の移動に支障のない位置に、熱交換促進用の凸条やフィンなどを突設しても良い。特に、ベース部材２などに、蓋溝６、凹溝８，９を押出成形により形成するアルミニウム合金の押出形材を用いる場合には、上記凸条やフィンなどを一体に突設できるため好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】(Ａ)は本発明により得られる第１の伝熱素子における１形態の斜視図、(Ｂ)は(Ａ)中のＢ−Ｂ線に沿った矢視における断面図。
【図２】(Ａ)〜(Ｄ)は上記伝熱素子の製造工程を示す概略図。
【図３】(Ａ)，(Ｂ)，(Ｄ)は図２(Ｄ)に続く上記伝熱素子の製造工程を示す概略図、(Ｃ)は(Ｂ)中のＣ−Ｃに沿った矢視における断面図。
【図４】(Ａ)〜(Ｃ)は異なる形態の第１の伝熱素子またはその製造工程を示す概略図。
【図５】(Ａ)，(Ｂ)は上記伝熱素子を複数用いた伝熱ユニットを示す概略図。
【図６】(Ａ),(Ｂ)は図１の伝熱素子の応用形態の製造工程を示す概略図、(Ｃ),(Ｄ)は図４の伝熱素子の応用形態の製造工程を示す概略図。
【図７】(Ａ)，(Ｂ)は参考形態の伝熱素子の製造工程を示す概略図、(Ｃ)は係る伝熱素子の応用形態を示す概略図。
【図８】(Ａ)，(Ｂ)は異なる参考形態の伝熱素子の製造工程を示す概略図、(Ｃ)は上記伝熱素子の応用形態を示す概略図。
【符号の説明】
１，１ａ〜１ｃ…伝熱素子、２，２ｃ〜２ｅ…ベース部材、
３…………………表面、５…………………側壁、
６…………………蓋溝、７,８，９,９ａ…ベース部材の凹溝、
１０………………蓋板、１３，１４………側面、
１６，１７………パイプ、２０………………接合ツール、
２２………………ツール本体、２４………………ツール本体の底面、
２６………………摩擦攪拌ピン、
Ｗ１，Ｗ２………接合部、Ｘ…………………凹溝の幅、
Ｙ…………………凹溝の深さ、Ｈ…………………突き合わせ面の深さ

Claims

ベース部材の表面に開口する断面が矩形の蓋溝の底面に設けられ、且つ少なくとも下半部が断面半円形のアール面である凹溝に、熱媒体用で断面が円形のパイプまたはヒータを挿入する挿入工程と、
上記ベース部材の蓋溝に断面がほぼ同じ蓋板を嵌合する閉塞工程と、
上記ベース材の蓋溝における両側壁と上記蓋板の両側面との各突き合わせ面に沿って、摩擦攪拌接合を施す接合工程と、を含み、
上記ベース板の凹溝の少なくとも下半部の断面形状は、上記パイプまたはヒータの下半部の断面形状と同じか、あるいはほぼ相似形であり、
上記ベース板の凹溝の深さは、上記パイプまたはヒータの外径ないし係る外径の１．２倍未満の範囲にあり、
上記凹溝の幅は、上記パイプまたはヒータの外径ないし係る外径の１．１倍の範囲にある、
ことを特徴とする伝熱素子の製造方法。
前記接合工程における摩擦攪拌接合に用いる接合ツールは、ツール本体とその底面の中心部から同軸心で垂下する摩擦攪拌ピンとを含み、
上記摩擦攪拌ピンの軸方向の長さは、前記突き合わせ面の深さの６０〜１００％の範囲にある、
ことを特徴とする請求項１に記載の伝熱素子の製造方法。