特許 5949835 液冷ジャケット

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5949835

(24)【登録日】2016年6月17日

(45)【発行日】2016年7月13日

(54)【発明の名称】液冷ジャケット

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/473 20060101AFI20160630BHJP

   H05K 7/20 20060101ALI20160630BHJP

【ＦＩ】

   H01L23/46 Z

   H05K7/20 P

【請求項の数】2

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2014-115835(P2014-115835)

(22)【出願日】2014年6月4日

(62)【分割の表示】特願2013-262645(P2013-262645)の分割

【原出願日】2009年11月16日

(65)【公開番号】特開2014-168100(P2014-168100A)

(43)【公開日】2014年9月11日

【審査請求日】2014年6月4日

(31)【優先権主張番号】特願2008-313508(P2008-313508)

(32)【優先日】2008年12月9日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000004743

【氏名又は名称】日本軽金属株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100064414

【弁理士】

【氏名又は名称】磯野 道造

(72)【発明者】

【氏名】瀬尾 伸城

(72)【発明者】

【氏名】堀 久司

【審査官】 石坂 博明

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００６−２６１５５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１６６６０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−０５０６３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−３２４６４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−３０２８９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０１６５１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−０７２１４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−３２４３５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００７／００６２６７４（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２３／２９、２３／３４−２３／３６

２３／３７３−２３／４２７、２３／４４

２３／４６７−２３／４７３

Ｈ０５Ｋ ７／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

熱発生体が発生する熱を外部に輸送する熱輸送流体が流れるとともに一部が開口した凹部を有する熱可塑性樹脂製のジャケット本体に、前記凹部の開口部を封止するアルミニウム製又はアルミニウム合金製の封止体が接合されている液冷ジャケットであって、
前記封止体は、蓋板部と、前記蓋板部に形成されるとともに前記凹部に向けて延設された複数のフィンと、を備え、熱可塑性樹脂製の前記ジャケット本体との接触面に形成された凸凹の凹部分に熱可塑性樹脂が入り込んでおり、
熱可塑性樹脂製の前記ジャケット本体の前記凹部の底面と複数の前記フィンとで前記凹部内に筒状の空間が区画されており、その空間が冷却水が流れる流路として機能し、
熱可塑性樹脂製の前記ジャケット本体は、底壁と、周壁とを有しており、
前記周壁の互いに対向する一対の壁部には、前記凹部に冷却水を流通させるための貫通孔がそれぞれ形成されているとともに、
各前記フィンの両端と、前記周壁の対向する一対の壁部との間の空間が、前記フィンの延出方向と直交する方向へ広がる一対の流路ヘッダ部を構成することを特徴とする液冷ジャケット。

【請求項2】

熱発生体が発生する熱を外部に輸送する熱輸送流体が流れるとともに一部が開口した凹部を有する熱可塑性樹脂製のジャケット本体に、前記凹部の開口部を封止するアルミニウム製又はアルミニウム合金製の封止体が接合されている液冷ジャケットであって、
前記封止体は、蓋板部と、前記蓋板部に形成されるとともに前記凹部に向けて延設された複数のフィンと、を備え、熱可塑性樹脂製の前記ジャケット本体との接触面に陽極酸化皮膜が形成されており、前記陽極酸化皮膜に形成された凸凹の凹部分に熱可塑性樹脂が入り込んでおり、
熱可塑性樹脂製の前記ジャケット本体の前記凹部の底面と複数の前記フィンとで前記凹部内に筒状の空間が区画されており、その空間が冷却水が流れる流路として機能し、
熱可塑性樹脂製の前記ジャケット本体は、底壁と、周壁とを有しており、
前記周壁の互いに対向する一対の壁部には、前記凹部に冷却水を流通させるための貫通孔がそれぞれ形成されているとともに、
各前記フィンの両端と、前記周壁の対向する一対の壁部との間の空間が、前記フィンの延出方向と直交する方向へ広がる一対の流路ヘッダ部を構成することを特徴とする液冷ジャケット。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、液冷ジャケットに関する。

【背景技術】

【0002】

樹脂部材と金属部材とを接着又は機械的に固着させる技術は、自動車業界、産業機器業界等の広い分野から求められている。樹脂部材と金属部材とを比較的簡易に接合させる方法として接着材を用いることが挙げられるが、接着材では十分な強度が得られないという問題があった。そこで、特許文献１には、アルミニウム合金製の金属部材を予め金型に挿入した後、当該金型に樹脂塑性物を射出して両部材を接合する技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００７−５０６３０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

従来、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の熱発生体を冷却するために用いられる液冷ジャケットが知られている。当該液冷ジャケットは、さらなる軽量化が求められている。

【0005】

このような観点から本発明は、軽量化を図ることができる液冷ジャケットを提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

このような課題を解決するために本発明は、熱発生体が発生する熱を外部に輸送する熱輸送流体が流れるとともに一部が開口した凹部を有する熱可塑性樹脂製のジャケット本体に、前記凹部の開口部を封止するアルミニウム製又はアルミニウム合金製の封止体が接合されている液冷ジャケットであって、前記封止体は、蓋板部と、前記蓋板部に形成されるとともに前記凹部に向けて延設された複数のフィンと、を備え、熱可塑性樹脂製の前記ジャケット本体との接触面に形成された凸凹の凹部分に熱可塑性樹脂が入り込んでおり、熱可塑性樹脂製の前記ジャケット本体の前記凹部の底面と複数の前記フィンとで前記凹部内に筒状の空間が区画されており、その空間が冷却水が流れる流路として機能し、熱可塑性樹脂製の前記ジャケット本体は、底壁と、周壁とを有しており、前記周壁の互いに対向する一対の壁部には、前記凹部に冷却水を流通させるための貫通孔がそれぞれ形成されているとともに、各前記フィンの両端と、前記周壁の対向する一対の壁部との間の空間が、前記フィンの延出方向と直交する方向へ広がる一対の流路ヘッダ部を構成することを特徴とする。
また、本発明は、熱発生体が発生する熱を外部に輸送する熱輸送流体が流れるとともに一部が開口した凹部を有する熱可塑性樹脂製のジャケット本体に、前記凹部の開口部を封止するアルミニウム製又はアルミニウム合金製の封止体が接合されている液冷ジャケットであって、前記封止体は、蓋板部と、前記蓋板部に形成されるとともに前記凹部に向けて延設された複数のフィンと、を備え、熱可塑性樹脂製の前記ジャケット本体との接触面に陽極酸化皮膜が形成されており、前記陽極酸化皮膜に形成された凸凹の凹部分に熱可塑性樹脂が入り込んでおり、熱可塑性樹脂製の前記ジャケット本体の前記凹部の底面と複数の前記フィンとで前記凹部内に筒状の空間が区画されており、その空間が冷却水が流れる流路として機能し、熱可塑性樹脂製の前記ジャケット本体は、底壁と、周壁とを有しており、前記周壁の互いに対向する一対の壁部には、前記凹部に冷却水を流通させるための貫通孔がそれぞれ形成されているとともに、各前記フィンの両端と、前記周壁の対向する一対の壁部との間の空間が、前記フィンの延出方向と直交する方向へ広がる一対の流路ヘッダ部を構成することを特徴とする。

【0007】

かかる構成によれば、ジャケット本体が樹脂製であるため、軽量化を図ることができる。また、ジャケット本体の壁部に形成された貫通孔により凹部に冷却水を流通させることができる。また、アルミニウム合金製である封止体の表面を凸凹に形成することで、当該凹部分に溶融した樹脂が入り込むため、接触面積が増大し、より強固に接合することができる。また、前記凹部の底面と複数の前記フィンとで区画された空間を、熱輸送流体が流れる流路とすることができる。

【発明の効果】

【0010】

本発明に係る液冷ジャケットによれば、軽量化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】第一実施形態に係る樹脂部材と金属部材の接合方法を示した斜視図である。

【図2】摩擦攪拌用回転ツールを示した図であって、（ａ）は、断面図、（ｂ）は、底面図である。

【図3】第二実施形態に係る液冷ジャケットを示した分解斜視図である。

【図4】第二実施形態に係る液冷ジャケットの封止体を下方から臨む斜視図である。

【図5】第二実施形態に係る摩擦攪拌工程を段階的に示した平面図である。

【図6】図５の（ａ）のＩ−Ｉ線断面図である。

【図7】第二実施形態に係る摩擦攪拌工程の変形例を示した断面図である。

【図8】第三実施形態に係る樹脂部材と金属部材の接合方法を示した斜視図である。

【図9】実施例を説明するための斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

［第一実施形態］
本発明の第一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。図１に示すように、本実施形態においては、板状の樹脂部材２と、板状の金属部材３とを接合して複合部材１を形成する場合を例にして説明する。

【0013】

本実施形態に係る樹脂部材と金属部材の接合方法（以下、単に「接合方法」という）は、樹脂部材２と金属部材３とを重ね合わせる重ね合わせ工程と、金属部材３に対して摩擦攪拌を行う摩擦攪拌工程とを含む。

【0014】

まず、重ね合わせ工程では、図１に示すように、樹脂部材２の上に金属部材３を載せ置き、樹脂部材２の上面の一部と金属部材３の下面の一部とを接触させる。樹脂部材２は、本実施形態では、ＰＥＴ（Polyethylene terephthalate）製の板状部材である。樹脂部材２の材質は、ＰＥＴに限定されるものではなく、熱可塑性樹脂の中から用途に応じて適宜選択すればよい。

【0015】

金属部材３は、本実施形態では、アルミニウム合金製（Ａ５０５２−Ｏ）の板状部材である。金属部材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、マグネシウム合金など摩擦攪拌可能な金属材料から用途に応じて適宜選択すればよい。以下、金属部材３を「アルミニウム合金部材３」ともいう。

【0016】

次に、摩擦攪拌工程では、図２の（ａ）及び（ｂ）に示すように、回転ツールＧ（以下、摩擦攪拌用回転ツールＧともいう）を用いて、アルミニウム合金部材３の上面側からアルミニウム合金部材３に対して摩擦攪拌を行う。摩擦攪拌用回転ツールＧは、略円柱状を呈するショルダー部Ｇ１と、ショルダー部Ｇ１の下面（端面）から突出したピン部Ｇ２とを有する。摩擦攪拌用回転ツールＧは、工具鋼などアルミニウム合金部材３よりも硬質の金属材料からなる。ピン部Ｇ２は、図２の（ｂ）に示すように、平面視渦巻き状を呈する渦巻き部Ｇ１１と、ショルダー部Ｇ１の中央に形成され平面視円形状を呈する円形部Ｇ１２とを有する。ショルダー部Ｇ１及びピン部Ｇ２の形状、大きさ等は、接合する対象物に応じて適宜設定すればよい。また、ピン部Ｇ２を設けずに、ショルダー部Ｇ１の下面（端面）が平坦な摩擦攪拌用回転ツールを用いてもよい。

【0017】

摩擦攪拌工程では、樹脂部材２及びアルミニウム合金部材３を移動不能に拘束した後、摩擦攪拌用回転ツールＧの下面（端面）をアルミニウム合金部材３に対向させ、アルミニウム合金部材３の上面の任意の位置に所定の深さで押し込み（押圧し）、アルミニウム合金部材３の長手方向に沿って摩擦攪拌用回転ツールＧを相対的に移動させる。摩擦攪拌用回転ツールＧの回転速度及び進行速度は、特に制限されるものではないが、例えば、回転速度１０００ｒｐｍ、進行速度３００ｍｍ／ｍｉｎで移動させる。

【0018】

アルミニウム合金部材３の上面には、摩擦攪拌用回転ツールＧの移動軌跡に沿って塑性化領域Ｗが形成される。ここで、「塑性化領域」とは、摩擦攪拌用回転ツールＧの摩擦熱によって加熱されて現に塑性化している状態と、摩擦攪拌用回転ツールＧが通り過ぎて常温に戻った状態の両方を含むこととする。本実施形態では、塑性化領域Ｗが樹脂部材２に接触しない程度の押込み量で摩擦攪拌を行っている。なお、摩擦攪拌によってアルミニウム合金部材３の上面に発生したバリは切削加工により切除することが好ましい。

【0019】

かかる接合方法によれば、樹脂部材２とアルミニウム合金部材３との重ね代に対して、アルミニウム合金部材３の上方から回転した摩擦攪拌用回転ツールＧを押圧して移動させることにより、その摩擦熱で樹脂部材２の表面（表層部分）に係る樹脂が溶融し、温度低下に伴って再び硬化する。これにより、樹脂部材２がアルミニウム合金部材３の下面に溶着して接合される。つまり、摩擦攪拌用回転ツールＧを押圧するだけで、両部材を比較的用容易に接合することができる。また、前記した従来方法では、樹脂の射出成形と、樹脂部材とアルミニウム合金部材との接合を同時に行っていたため既存の部材に対して接合することは不可能であったが、本実施形態に係る接合方法によれば既存の樹脂部材２及びアルミニウム合金部材３に対して接合することができる。

【0020】

また、所望の接合箇所に対して摩擦攪拌用回転ツールＧを押圧するだけなので、設計の自由度を高めることができる。また、摩擦攪拌用回転ツールＧの端面をアルミニウム合金部材３に押圧することで、金属部材をバランスよく押圧することができるため、接合精度を高めることができる。また、摩擦攪拌によって形成される塑性化領域Ｗが、樹脂部材２に接触するように接合してもよいが、本実施形態のように塑性化領域Ｗが樹脂部材２に接触しない程度に浅めに摩擦攪拌を行っても接合することができる。

【0021】

なお、摩擦攪拌用回転ツールＧのショルダー部Ｇ１の外径を、アルミニウム合金部材３の厚みの２〜５倍に設定することが好ましい。また、摩擦攪拌用回転ツールＧの押込み量（アルミニウム合金部材３の上面からショルダー部Ｇ１の下面までの押込み長さ）を、アルミニウム合金部材３の厚みの５％〜２０％に設定することが好ましい。ショルダー部Ｇ１の外径又は摩擦攪拌用回転ツールＧの押込み量をこのように設定することで、接合強度を高めることができる。根拠については後記する。

【0022】

また、アルミニウム合金部材３のうち少なくとも樹脂部材２と接触する面に、エッチング処理又はアルマイト（陽極酸化）処理を施して、当該接触面を凸凹に形成した後に、前記した摩擦攪拌工程を行うことが好ましい。かかる接合方法によれば、アルミニウム合金部材３の凹部分に溶融した樹脂が入り込み、樹脂部材２とアルミニウム合金部材３との接触面積が増加するため、より強固に接合することができる。

【0023】

エッチング処理は、例えば、塩酸溶液中に塩化アルミニウム六水和物を添加して調製したエッチング液にアルミニウム合金部材３を浸漬させて行う。一方、アルマイト処理は、希硫酸やシュウ酸などを用いてアルミニウム合金を陽極として電気分解することにより、アルミニウム合金部材３の表面を電気化学的に酸化させて行う。

【0024】

なお、アルミニウム合金部材３の表面を凸凹にする表面処理としては、エッチング処理やアルマイト処理に限定されるものではなく、例えばワイヤーブラシ等で表面を粗く削って凸凹を形成してもよい。

【0025】

［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態について説明する。本実施形態では、図３に示すように、樹脂製のジャケット本体１０と金属製（本実施形態ではアルミニウム合金製）の封止体３０とを有する液冷ジャケットＰを製造する場合を例にして説明する。液冷ジャケットＰは、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の熱発生体を冷却するために用いられる。

【0026】

図３に示すように、液冷ジャケットＰは、熱発生体であるＣＰＵ（図示せず）が発生する熱を外部に輸送する熱輸送流体である冷却水（図示せず）が流れるとともに一部が開口した凹部１１を有するジャケット本体１０に、凹部１１の開口部１２を封止する封止体３０を固定して構成されている。

【0027】

液冷ジャケットＰは、その下方側の中央に、熱拡散シート（図示せず）を介してＣＰＵ（図示せず）が取り付けられるようになっており、ＣＰＵが取り付けられた状態で、液冷ジャケットＰ内を冷却水が流通することにより、ＣＰＵが発生する熱を受熱すると共に、内部を流通する冷却水と熱交換する。これによって、液冷ジャケットＰは、ＣＰＵから受け入れた熱を冷却水に伝達し、その結果として、ＣＰＵを効率的に冷却する。なお、熱拡散シートは、ＣＰＵの熱を、ジャケット本体１０に効率的に伝達させるためのシートであり、例えば銅などの高熱伝導性を有する金属から形成されている。

【0028】

ジャケット本体１０は、一方側（本実施形態では上側）が開口した浅底の箱体であって、その内側に凹部１１が形成されており、底壁１３と、周壁１４とを有している。本実施形態では、ジャケット本体１０は、熱可塑性樹脂により成形されている。これにより、液冷ジャケットＰは軽量化が達成されており、取り扱い容易となっている。

【0029】

ジャケット本体１０の凹部１１の開口周縁部１２ａには、周壁１４の上面から一段下がった位置に段差面１５が形成されている。周壁１４の上面から段差面１５までの距離（深さ）は、後記する封止体３０の蓋板部３１の厚さ寸法と同等である。段差面１５の上には、封止体３０の蓋板部３１の周縁が載せられる。段差面１５の幅Ｗ１は、冷却水が流れる凹部１１の容積を確保するため、なるべく小さく設定することが好ましいが、本実施形態では、摩擦攪拌用回転ツールＧのショルダー部Ｇ１の外径よりも大きく形成されている。

【0030】

周壁１４の互いに対向する一対の壁部１４ａ，１４ａには、凹部１１に冷却水を流通させるための貫通孔１６，１６がそれぞれ形成されている。貫通孔１６，１６は、本実施形態では、壁部１４ａ，１４ａの対向方向（図３中、Ｘ軸方向）に延出しており、円形断面を有し、凹部１１の深さ方向中間部に形成されている。なお、貫通孔１６の形状および位置は、これに限られるものではなく、冷却水の種類や流量に応じて適宜変更可能である。

【0031】

図３および図４に示すように、封止体３０は、ジャケット本体１０の凹部１１の開口部１２（図３参照）と同じ形状（本実施形態では正方形）の平面形状を有する板状の蓋板部３１と、蓋板部３１の下面に設けられた複数のフィン３２，３２…とを備えて構成されている。

【0032】

複数のフィン３２，３２…は、互いに平行で且つ蓋板部３１に対して直交して配置されており、蓋板部３１と一体に構成されている。これにより、蓋板部３１とフィン３２，３２…との間において、熱が良好に伝達するようになっている。図３に示すように、フィン３２，３２…は、貫通孔１６，１６が形成された周壁１４の壁部１４ａ，１４ａと直交する方向（図３中、Ｘ軸方向）に延出して配置されている。フィン３２は、凹部１１の深さ寸法と同等の高さ（深さ）寸法（図３中、Ｚ軸方向長さ）を有しており、その先端部が凹部１１の底面に当接するようになっている。これによって、封止体３０がジャケット本体１０に取り付けられた状態で、封止体３０の蓋板部３１と、隣り合うフィン３２，３２と、凹部１１の底面とで筒状の空間が区画され、その空間が、冷却水が流れる流路３３（図５の（ａ）参照）として機能することとなる。また、フィン３２，３２…は、凹部１１の一辺の長さ寸法よりも短い長さ寸法（図３中、Ｘ軸方向長さ）を有しており、その両端は、凹部１１の周壁１４の各壁部１４ａ，１４ａの内壁面とそれぞれ所定の間隔を隔てるように構成されている。これによって、封止体３０がジャケット本体１０に取り付けられた状態で、フィン３２，３２…の両端外側の、凹部１１の周壁１４の壁部１４ａとの間の空間が、貫通孔１６から、フィン３２の延出方向と直交する方向（図３中、Ｙ軸方向）へ広がる流路ヘッダ部３４（図５の（ａ）参照）を構成することとなる。

【0033】

封止体３０は、アルミニウム合金から形成されている。封止体３０は、アルミニウム合金から形成されブロックを切削加工することで形成されている。なお、封止体３０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、マグネシウム合金など摩擦攪拌可能な金属材料から用途に応じて適宜選択すればよい。

【0034】

次に、液冷ジャケットＰの製造方法について図５を用いて具体的に説明する。本実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法は、ジャケット本体１０に封止体３０を載置する載置工程と、突合部４０の内側に沿って摩擦攪拌を行う摩擦攪拌工程とを含む。

【0035】

載置工程では、図３及び図５の（ａ）に示すように、封止体３０を、フィン３２が下側になるようにして、ジャケット本体１０の凹部１１に挿入し、封止体３０の蓋板部３１を、段差面１５上に載置する。ここで、ジャケット本体１０の凹部１１の開口周縁部１２ａと、封止体３０の周縁部３０ａとが突き合わされ、突合部４０が構成される。

【0036】

摩擦攪拌工程では、この突合部４０の内側に沿って摩擦攪拌用回転ツールＧを相対移動させる。即ち、摩擦攪拌用回転ツールＧの下面（端面）を封止体３０に対向させ、所定の押込み量で押圧した後、ジャケット本体１０の段差面１５（図３参照）と、封止体３０の蓋板部３１とが重なり合う重ね代に沿って移動させる。このとき、ジャケット本体１０が移動しないように、ジャケット本体１０の周壁１４の周面に、ジャケット本体１０を四方向から囲む治具（図示せず）を予め当てておくのが好ましい。

【0037】

摩擦攪拌工程では、図５の（ａ）及び図６に示すように、摩擦攪拌用回転ツールＧの挿入位置（始端５４ａ）を、突合部４０の内側に設定する。そして、摩擦攪拌用回転ツールＧの回転中心Ｑを、段差面１５の幅方向の中心に重ねた状態で、摩擦攪拌用回転ツールＧを移動させつつ蓋板部３１を摩擦攪拌する。

【0038】

その後、摩擦攪拌用回転ツールＧの回転および移動を継続し、図５の（ｂ）に示すように、摩擦攪拌用回転ツールＧを開口部１２の周りを一周させて塑性化領域Ｗを形成する。このとき、摩擦攪拌用回転ツールＧにおける始端５４ａ（図５の（ａ）参照）と終端５４ｂ（図５の（ｂ）参照）とがオーバーラップしており、塑性化領域Ｗの一部が重複するように構成されている。

【0039】

以上のように、摩擦攪拌用回転ツールＧを突合部４０（図５の（ａ）参照）の内側に沿って一周させて摩擦攪拌を行い、ジャケット本体１０に封止体３０を固定することで、液冷ジャケットＰが形成される。

【0040】

本実施形態に係る液冷ジャケットＰの製造方法によれば、アルミニウム合金製の封止体３０に対して摩擦攪拌することにより、その摩擦熱でジャケット本体１０に係る樹脂が溶融し、再度硬化する際に封止体３０と溶着し強固に接合される。つまり、摩擦攪拌用回転ツールＧを押圧して相対的に移動させるだけで、ジャケット本体１０と封止体３０とを接合できるため、容易に液冷ジャケットＰを製造することができる。また、摩擦攪拌用回転ツールＧを封止体３０の周囲に沿って一周させることで接合強度を高めるとともに、接合の作業性を高めることができる。また、塑性化領域Ｗが段差面１５に接触しない程度の押込み量であっても接合することができる。

【0041】

なお、摩擦攪拌用回転ツールＧのショルダー部Ｇ１の外径を、封止体３０の蓋板部３１の厚みの２〜５倍に設定することが好ましい。また、摩擦攪拌用回転ツールＧの押込み量（蓋板部３１の上面からショルダー部Ｇ１の下面までの押込み長さ）を、封止体３０の蓋板部３１の厚みの５％〜２０％に設定することが好ましい。ショルダー部Ｇ１の外径又は摩擦攪拌用回転ツールＧの押込み量をこのように設定することで、接合強度を高めることができる。根拠については後記する。

【0042】

また、摩擦攪拌工程を行う前に、封止体３０の蓋板部３１のうち、少なくともジャケット本体１０の段差面１５と接触する面に前記したエッチング処理又はアルマイト処理を施してもよい。アルミニウム合金製である封止体３０の表面を凸凹に形成することで、当該凹部分に溶融した樹脂が入り込むため、接触面積が増大し、より強固に接合することができる。

【0043】

なお、本実施形態では、ジャケット本体１０に段差面１５を備え、段差面１５に封止体３０を載置する構成としたが、これに限定されるものではない。例えば、図７に示すように、ジャケット本体１０の周壁１４の上面に封止体３０の蓋板部３１を載置し、周壁１４と蓋板部３１の重ね代に沿って、封止体３０の上方から摩擦攪拌用回転ツールＧを相対移動させて摩擦攪拌工程を行ってもよい。

【0044】

［第三実施形態］
次に、本発明の第三実施形態について説明する。第一実施形態及び第二実施形態では、摩擦攪拌用回転ツールＧを用いて、摩擦攪拌工程を行って樹脂部材２と金属部材３とを接合したが、第三実施形態では、回転ツールＦを用いて、摩擦工程を行う点で第一実施形態及び第二実施形態と相違する。

【0045】

本実施形態にかかる接合方法では、樹脂部材２と金属部材３とを重ね合わせる重ね合わせ工程と、重ね合わせた部材に対して摩擦接合を行う摩擦工程とを含む。重ね合わせ行程については、第一実施形態と同等であるため説明は省略する。

【0046】

摩擦工程では、図８に示すように、回転ツールＦ（以下、摩擦接合用回転ツールＦともいう）を用いて樹脂部材２及び金属部材３（アルミニウム合金部材３）に対して摩擦接合を行う。

【0047】

摩擦接合用回転ツールＦは、回転軸Ｆ１と、回転軸Ｆ１の先端に設けられたツール本体Ｆ２とを有する。回転軸Ｆ１とツール本体Ｆ２は、同軸で形成されている。回転軸Ｆ１の基端側は、図示しない駆動装置に連結されている。ツール本体Ｆ２は、駆動装置の駆動が回転軸Ｆ１を介して伝達されて軸周りに高速回転する。ツール本体Ｆ２は、円板状を呈し、工具鋼等アルミニウム合金よりも硬質の金属材料からなる。

【0048】

摩擦接合用回転ツールＦの形状、大きさ等は、接合する部材に応じて適宜設定すればよいが、本実施形態では、例えば、ツール本体Ｆ２の直径が１００ｍｍ、周面Ｆ３の幅が４ｍｍのものを採用した。また、摩擦接合用回転ツールＦの押込み量、回転数、接合速度（送り速度）は、接合する部材に応じて適宜設定すればよいが、本実施形態では、例えば、押込み量を０．２ｍｍ、回転数を３０００ｒｐｍ、接合速度を５００〜１５００ｍｍ／ｍｉｎに設定した。

【0049】

摩擦工程では、樹脂部材２及びアルミニウム合金部材３を移動不能に拘束した後、摩擦接合用回転ツールＦを回転させつつ、ツール本体Ｆ２の周面Ｆ３をアルミニウム合金部材３の上面に所定の深さで押し込み（押圧し）、樹脂部材２とアルミニウム合金部材３の重ね代に沿って移動させる。摩擦接合によれば、摩擦接合用回転ツールＦとアルミニウム合金部材３との摩擦熱によって、樹脂部材２の表面が溶融し、再度硬化する際にアルミニウム合金部材３と溶着し強固に接合される。

【0050】

第三実施形態にかかる接合方法によっても、第一実施形態と略同等の効果を得ることができる。また、摩擦工程では、第一実施形態に比べて小さい押圧力で接合することができるため、接合する部材が薄い場合に適している。

【0051】

なお、第三実施形態では、アルミニウム合金部材３のうち少なくとも樹脂部材２と接触する面に、エッチング処理又はアルマイト（陽極酸化）処理を施して、当該接触面を凸凹に形成した後に、前記した摩擦工程を行ってもよい。また、第三実施形態では、板状の樹脂部材２とアルミニウム合金部材３とを接合する場合を例にして説明したが、これに限定されるものではない。例えば、第二実施形態に記載したように、液冷ジャケットを製造する際に、摩擦攪拌工程に替えて、摩擦工程を行ってもよい。

【実施例1】

【0052】

摩擦攪拌用回転ツールＧを用いた実施例１〜実施例３と、摩擦接合用回転ツールＦを用いた実施例４を行った。

【0053】

図９は、実施例１〜実施例３を説明するための斜視図である。実施例１〜実施例３では、図９に示すように、板状の樹脂部材２と、板状のアルミニウム合金部材３とを重ね合わせた後、当該重ね代に対してアルミニウム合金部材３の上方から摩擦攪拌用回転ツールＧをスポット的に押圧し、摩擦熱により接合された複合部材１の破壊強度を測定した。破壊強度は、図９で示す複合部材１を公知の引張試験機に設置し、樹脂部材２の外側端部及びアルミニウム合金部材３の外側端部をそれぞれが離間する方向に引張り、破壊して測定した。

【0054】

実施例１〜実施例３における樹脂部材２は、ＰＥＴ製であって、長さ１００ｍｍ、幅３０ｍｍ、厚さ３ｍｍで形成されている。一方、アルミニウム合金部材３は、長さ１００ｍｍ、幅３０ｍｍ、厚さ３ｍｍ又は５ｍｍで形成されている。樹脂部材２とアルミニウム合金部材３の重ね代は、３０ｍｍである。

【0055】

実施例１では、摩擦攪拌用回転ツールＧの最適な押込み量を導くために、試験１−ａ〜試験１−ｆの六種類の条件下で、所定の押込み量で接合した場合における破壊強度（引張強度）を測定した。各試験の条件を、表１に示す。

【0056】

【表1】

【0057】

試験１−ａ〜試験１−ｆにおいて、所定の押込み量における破壊強度の結果を表２に示す。なお、表２、表４及び表６における判定欄は、「×」が接合せず、「△」が接合しているが引張強度が弱い、「○」が十分な引張強度であることを示す。

【0058】

【表2】

【0059】

表２に示すように、試験１−ａ及び試験１−ｂの結果をみると、押込み量が０．２ｍｍ以上であると破壊強度が３０００Ｎ以上あるが、押込み量が０．０５ｍｍ以下であると、押込み量が浅すぎて樹脂部材２の表層部が溶融しないため接合しない。また、押込み量が０．１ｍｍであるとアルミニウム合金部材３の板厚が５ｍｍの場合は接合せず、板厚が３ｍｍであると接合はするが破壊強度が小さいことがわかった。押込み量が０．２ｍｍである場合、アルミニウム合金部材３の板厚に対する割合は、板厚が３ｍｍの場合は６．７％あり、板厚が５ｍｍの場合は４％となる。
また、試験１−ｃ及び試験１−ｄ、試験１−ｅ及び試験１−ｆをみると、試験１−ａ及び試験１−ｂと略同様の結果になったことから、アルミニウム合金部材３の種類によっては、破壊強度には影響がないことがわかった。

【0060】

以上より、摩擦攪拌用回転ツールＧの押込み量を、アルミニウム合金部材３の板厚の５％よりも小さく設定したとしても、樹脂部材２とアルミニウム合金部材３とを接合することは可能であるが、十分な引張強度を得るためには、摩擦攪拌用回転ツールＧの押込み量を、アルミニウム合金部材３の板厚の５％以上に設定することが望ましい。
一方、摩擦攪拌用回転ツールＧの押込み量を大きく設定すると、摩擦攪拌により形成される塑性化領域が樹脂部材２と接触し、メタルと樹脂が混合される可能性がある。また、摩擦攪拌用回転ツールＧの押込み量を大きく設定すると、摩擦攪拌装置に過負荷が作用する。したがって、これらを考慮すると、摩擦攪拌用回転ツールＧの押込み量をアルミニウム合金部材３の板厚の２０％以下に設定することが望ましい。

【実施例2】

【0061】

実施例２では、摩擦攪拌用回転ツールＧの最適なショルダー部Ｇ１（図２参照）の外径を導くために、試験２−ａ〜試験２−ｂの二種類の条件下で、所定のショルダー部Ｇ１の外径を備えた摩擦攪拌用回転ツールＧで接合した場合における破壊強度（引張強度）を測定した。各試験の条件を表３に示す。

【0062】

【表3】

【0063】

試験２−ａ、試験２−ｂにおいて、所定のショルダー部の外径における破壊強度の結果を表４に示す。

【0064】

【表4】

【0065】

表４に示すように、試験２−ａにおいては、ショルダー部の外径がφ１０．０ｍｍよりも大きいと破壊強度が３０００Ｎ以上あるが、φ７．５ｍｍ以下であると破壊強度が著しく低下した。
一方試験２−ｂにおいては、ショルダー部の外径がφ７．５ｍｍ以上であると破壊強度が３０００Ｎ以上あるが、φ５．０ｍｍ以下であると破壊強度が著しく低下した。
以上より、摩擦攪拌用回転ツールＧのショルダー部Ｇ１の外径をアルミニウム合金部材３の板厚の２倍よりも小さく設定したとしても、樹脂部材２とアルミニウム合金部材３とを接合するこうとは可能であるが、十分な引張強度を得るためには、摩擦攪拌用回転ツールＧのショルダー部Ｇ１の外径をアルミニウム合金部材３の板厚の２倍以上にすることが望ましい。なお、ショルダー部Ｇ１の外径をアルミニウム合金部材３の板厚の５倍より大きくしても強度には変化がないため、摩擦攪拌装置への負荷を考慮すると、ショルダー部Ｇ１の外径は、アルミニウム合金部材３の板厚の５倍以下に設定することが望ましい。

【実施例3】

【0066】

実施例３では、アルミニウム合金部材３の表面を凸凹に形成した場合における破壊強度との関係について試験を行った。試験３−ａ〜試験３−ｃの三種類の条件下で、アルミニウム合金部材３の表面に対して所定の処理を行った後に接合を行った場合における破壊強度（引張強度）を測定した。各試験の条件を表５に示す。

【0067】

【表5】

【0068】

試験３−ａ〜試験３−ｃにおいて、アルミニウム合金部材３の各表面処理における破壊強度の結果を表６に示す。
表６中の、アルミニウム合金部材３に施す表面処理のうち「処理なし」は、アルミニウム合金部材３に表面処理を施していない。

【0069】

また、「エッチングＡ」では、以下に示すエッチング前処理及びエッチング本処理を行う。エッチング前処理では、まず、アルミニウム合金部材３を３０ｗｔ％硝酸溶液に常温で５分間浸漬した後に、イオン交換水で十分に水洗し、次に、５ｗｔ％水酸化ナトリウム溶液に５０℃で１分間浸漬した後に水洗し、さらに、３０ｗｔ％硝酸溶液に常温で３分間浸漬した後に水洗する。

【0070】

エッチング本処理では、エッチング前処理を行ったアルミニウム合金部材３を２５ｗｔ％塩酸溶液中に５４ｇ／Ｌの塩化アルミニウム六水和物を添加して調製したエッチング液（塩素イオン濃度：４８ｇ／Ｌ）中に６６℃で４分間浸漬した後に水洗するエッチング処理を施し、さらに、３０ｗｔ％硝酸溶液に常温で３分間浸漬した後に水洗し、１２０℃の熱風で５分間乾燥させた。

【0071】

また、「エッチングＢ」では、前記したエッチング前処理を行った後に、以下に示すエッチング本処理を行う。即ち、このエッチング本処理では、エッチング前処理を行った後のアルミニウム合金部材３を５０ｗｔ％リン酸溶液に６６℃で４分間浸漬して水洗し、その後に１２０℃の熱風で５分間乾燥させた。

【0072】

また、「アルマイト封孔無し」では、以下に示すアルマイト前処理、アルマイト本処理を行う。アルマイト前処理では、まず、アルミニウム合金部材３を３０ｗｔ％硝酸溶液に常温で５分間浸漬した後に、イオン交換水で十分に水洗し、次に、５ｗｔ％水酸化ナトリウム溶液に５０℃で１分間浸漬した後に水洗し、さらに、３０ｗｔ％硝酸溶液に常温で３分間浸漬した後に水洗する。

【0073】

アルマイト本処理では、アルマイト前処理を行った後のアルミニウム合金部材３を硫酸濃度１６０ｇ／Ｌの溶液中で液温１８℃、皮膜厚さが１０μｍになるよう陽極酸化した後、水洗し、１２０℃の熱風で５分間乾燥させた。

【0074】

また、「アルマイト封孔有り」では、前記したアルマイト前処理を行なった後に、前記したアルマイト本処理を行う。さらに、その後沸騰水中で１０分間煮沸させる。これにより、「アルマイト封孔有り」では、封孔処理が行われて細孔が狭められている。

【0075】

また、「ワイヤーブラシ」では、公知のワイヤーブラシを用いてアルミニウム合金部材３の表面を粗く切削して凸凹に処理した。

【0076】

【表6】

【0077】

表６に示すように、試験３−ａ及び試験３−ｂの結果を見ると、アルミニウム合金部材３の表面が凸凹になるように表面処理を施した方が、引張強度が高いことが分かった。また、アルミニウム合金部材３に表面処理を施さない場合であっても、十分な引張強度が得られることがわかった。
また、アルミニウム合金部材３の板厚を薄くしつつ、摩擦攪拌用回転ツールＧのショルダー部の外径も小さくした試験３−ｃの結果を見ると、「エッチングＡ」、「エッチングＢ」及び「アルマイト封孔無し」の表面処理を施した場合に高い引張強度が得られることが分かった。

【実施例4】

【0078】

実施例４では、第三実施形態（図８参照）で説明した接合方法において、接合された部材の破壊強度を測定した。破壊強度は、接合された部材を引張試験機に設置し、樹脂部材２の外側端部及びアルミニウム合金部材３の外側端部をそれぞれ離間する方向に引張り、破壊して測定した。

【0079】

実施例４における樹脂部材２は、ＰＥＴ製であって、厚さは５ｍｍになっている。アルミニウム合金部材３は、１１００合金であって、厚さ１ｍｍ又は２ｍｍになっている。樹脂部材２とアルミニウム合金部材３との重ね代は３０ｍｍである。

【0080】

摩擦接合用回転ツールＦは、ツール本体Ｆ２の直径が１００ｍｍ、幅４ｍｍのツールＡと、ツール本体Ｆ２の直径が１０５ｍｍ、幅１０ｍｍのツールＢの二種類を採用した。ツールＡについては、回転数を３０００ｒｐｍに設定し、ツールＢについては、回転数を２８５７ｒｐｍに設定した。ツールＡ及びツールＢともに、周速度を９４２０００（ｍｍ／ｍｉｎ）に設定した。

【0081】

実施例４では、各部材の厚さ及び回転ツールの組み合わせを変えて３種類（試験４〜試験６）の前提条件を設定し、押込み量及び接合速度（送り速度）をパラメータとして破壊試験を行った。

【0082】

試験４の結果を表７に示す。

【0083】

【表7】

【0084】

試験５の結果を表８に示す。

【0085】

【表8】

【0086】

表７及び表８より、ツールＡ及びツールＢとも押込み量が０．２ｍｍでは接合強度が低く、押込み量が０．４ｍｍでは接合強度が高かった。接合速度が５００ｍｍ／ｍｉｎでは、樹脂部材２から破壊した。接合速度が１５００ｍｍ／ｍｉｎまでは十分な接合強度を有するが、２０００ｍｍ／ｍｉｎでは接合強度が低かった。

【0087】

一方、アルミニウム合金部材３の板厚の影響を見るために、アルミニウム合金部材３の厚さを１ｍｍとした試験６の結果を表９に示す。

【0088】

【表9】

【0089】

表９に示すように、アルミニウム合金部材３の板厚を１ｍｍとしても、板厚を２ｍｍとした場合（表５参照）と略同等の結果が得られた。

【符号の説明】

【0090】

１ 複合部材
２ 樹脂部材
３ 金属部材（アルミニウム合金部材）
１０ ジャケット本体（樹脂部材）
１１ 凹部
１２ 開口部
１２ａ 開口周縁部
１４ 周壁
１５ 段差面
３０ 封止体（アルミニウム合金部材）
３０ａ 周縁部
３１ 蓋板部
３２ フィン
Ｆ 回転ツール（摩擦接合用回転ツール）
Ｇ 回転ツール（摩擦攪拌用回転ツール）
Ｐ 液冷ジャケット

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】