JP4998481B2 - 伝熱素子の製造方法 - Google Patents
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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。
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。
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た凹溝に、熱媒体用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底面が平坦な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における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、あるいは係る断面形状とほぼ相似形であり、上記パイプまたはヒータの周面と上記凹溝の両側壁と上記蓋板の底面との間には、隙間が形成されていると共に、上記凹溝の深さは、上記パイプまたはヒータの外径乃至係る外径の1.2倍未満の範囲にあり、係る凹溝の幅は、上記パイプまたはヒータの外径乃至係る外径の1.1倍の範囲にある、ことを特徴とする。
更に、ベース板の凹溝における少なくとも下半部の断面形状は、パイプまたはヒータの下半部の断面形状と同じか、あるいは係る断面形状とほぼ相似形としたので、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。その結果、パイプまたはヒータからの熱エネルギを確実にベース部材に伝達させられる。
しかも、凹溝の深さをパイプまたはヒータの外径乃至係る外径の1.2倍未満の範囲とし、且つ係る凹溝の幅をパイプまたはヒータの外径乃至係る外径の1.1倍の範囲としたので、パイプまたはヒータの少なくとも下半部の周面を、ベース板の凹溝の内壁と確実に面接触により確実に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。
加えて、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。
更に、パイプやヒータの断面が円形の場合、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の場合、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の底面と面接触が可能となる。
尚更に、ベース部材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。加えて、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。
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。
図1Aは、本発明により得られる伝熱素子の一形態である伝熱素子1を示す斜視図であり、図1Bは、係る伝熱素子1の垂直断面図である。
伝熱素子1は、図1A,図1B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1A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。
更に、パイプ16は、例えばステンレス鋼(JIS:SUS304)からなり、図1B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。
図1A,図1B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。
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。
図2A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2B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2C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。
図2C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2D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。
次いで、図3B,図3C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。
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。
図3B,図3C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。
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。
以上のような本発明による伝熱素子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。
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4A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。
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)。
係る伝熱素子1aは、図4C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。
アルミニウム合金(JIS:A6061)からなり、前記図1A,図1B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であるベース部材2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。
ベース部材2を用いた伝熱素子1を実施例1とした。これを長手方向の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。
次に、前記実施例1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。
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。
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。
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1,3〜12の伝熱素子1により、本発明の効果が裏付けられた。
また、図5B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5B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におけるパイプ16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。
図6A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を個別に挿入した(挿入工程)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)。
尚、ベース部材2dには、前記蓋溝6および凹溝8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。
図6C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)。
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。
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。
3…………………表面、 5…………………側壁、
6…………………蓋溝、 7,8……………ベース部材の凹溝、
10………………蓋板、 13,14………側面、
16………………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 (2)
- 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た凹溝に、熱媒体用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底面が平坦な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における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、あるいは係る断面形状とほぼ相似形であり、
上記パイプまたはヒータの周面と上記凹溝の両側壁と上記蓋板の底面との間には、隙間が形成されていると共に、
上記凹溝の深さは、上記パイプまたはヒータの外径乃至係る外径の1.2倍未満の範囲にあり、係る凹溝の幅は、上記パイプまたはヒータの外径乃至係る外径の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。 - 前記接合工程において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。
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