(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒートパイプコンテナの内面に沿わせて金属ファイバーウイックを設けたヒートパイプの製造方法において、
前記ヒートパイプコンテナの内面に沿わせて、多数本の金属ファイバーを挿入するとともに、そのヒートパイプコンテナの中心部に、前記金属ファイバーが挿入された円筒状の部分の内径より外径が大きく形成され、先端側がテーパー状に形成された円筒状のプラグを挿入して、前記金属ファイバーを前記ヒートパイプコンテナの内面に押圧しつつ、前記プラグをヒートパイプコンテナおよび金属ファイバーに対して軸線方向に相対的に移動させ、そのプラグにより前記金属ファイバーをヒートパイプコンテナの内面に押圧している箇所の外周側から加熱して、金属ファイバーをヒートパイプコンテナの内面に連続的に焼結することを特徴とするヒートパイプの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ウイックとして多数本の金属製ファイバーを使用したヒートパイプの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、作動流体の潜熱として、熱の輸送を行うヒートパイプが広く知られている。この種のヒートパイプは密閉容器の内部から脱気した後、水などの凝縮性の流体を封入し、外部からの入熱によってその作動流体を蒸発させるとともに、その蒸気が低温・低圧の凝縮部に流動した後、放熱して凝縮することにより、作動流体の潜熱として熱を輸送するように構成した熱伝導素子である。したがって、ヒートパイプは、作動流体の潜熱として熱を輸送するために、熱伝導性がもっとも高いとされている銅による熱輸送量の数十倍ないし百数十倍の輸送能力を備えている。
【０００３】
この種のヒートパイプでは、蒸発した作動流体が低温・低圧側の凝縮部に流動することにより熱を輸送するが、その熱の輸送の後、凝縮した作動流体を蒸発部（入熱部）に還流させる必要があり、従来一般には、その還流のための作用をウイックによって生じる毛細管圧力を利用しておこなっている。このウイックは基本的には、毛細管圧力を生じさせることを主たる機能とするものであるから、実効毛細管半径が可及的に小さくなることが好ましく、また、そのウイックを構成している素材は、作動流体との濡れ性に優れていることが望ましい。
【０００４】
ヒートパイプにおけるウイックの最も一般的な構造は、パイプの内面に形成した細溝であり、エッチングあるいは切削などにより、パイプの内面にその軸線方向に沿って形成されている。この種のグルーブタイプのウイックであれば各細溝の開口端側にメニスカスが生じることにより、実効毛細管半径を小さくし、作動流体に還流のための毛細管圧力を生じさせることができる。併せて、細溝が液相作動流体の流路を形成する。したがって、液相作動流体が還流する際の流路抵抗を小さくした状態で、液相作動流体を還流させるポンプ作用を生じることができる。
【０００５】
しかしながら、グルーブタイプのウイックにおいては、そのグルーブの溝幅を加工技術上の制約によって、所定限界以下に細くすることができないため、毛細管圧力を向上させるにも限界があった。そこで従来カーボンファイバーやグラスファイバーなどの極細線を束ねるとともに、その極細線束をパイプの内面に沿わせて配置することにより、細溝に代わるウイックを形成したヒートパイプが知られている。この種の極細線ウイック（ファイバーウイック）を使用したヒートパイプでは、実効毛細管半径を更に小さくし毛細管作用を更に高めることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の極細線を使用したヒートパイプでは、極細線をパイプの内面に密着状態に配置する必要があるために、螺旋状の板バネを中心側に配置し、その螺旋状の板バネによって極細線をヒートパイプコンテナの内面に押し付けて密着させることが行われている。しかしながら、ヒートパイプは常時直線状態で使用されるわけではない上に、マイクロヒートパイプと称される小型のヒートパイプにおいては、内径が極めて小さくなるから、極細線ウイックをパイプの内面に整列状態で密着させることが困難であった。
【０００７】
そのため、従来のファイバーウイックを使用したヒートパイプにあっては、ファイバーがパイプの内面から離れてしまい、両者の間の熱伝達が阻害される。その結果、ヒートパイプに対する入熱部（蒸発部）における熱抵抗あるいは、凝縮部（放熱部）におけるヒートパイプから外部への熱伝達特性が損なわれ、結局、熱輸送能力が阻害される不都合があった。
【０００８】
さらに、極細線同士の間に形成される僅かな隙間が、液相作動流体の還流路となるが、その極細線ウイックあるいはファイバーがヒートパイプの屈曲などにより、当初の整列した結束状態から、乱雑な結束状態、もしくは配列状態に形態を変化させてしまった場合には、それに伴って液相作動流体の還流路となるファイバー同士の間の細い空間が閉塞状態になったり、あるいは複雑に屈曲した状態となるために、液相作動流体の流路抵抗が増大し、その結果、液相作動流体の蒸発部への還流が阻害されて熱輸送能力が低下するおそれが多分にあった。
【０００９】
この発明は上記の事情に鑑みてなされたものであって、金属ファイバーをウイックとして使用した熱輸送能力に優れたヒートパイプの製造方法を提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段およびその作用】
この発明は上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、ヒートパイプコンテナの内面に沿わせて金属ファイバーウイックを設けたヒートパイプの製造方法において、前記ヒートパイプコンテナの内面に沿わせて、多数本の金属ファイバーを挿入するとともに、そのヒートパイプコンテナの中心部に、前記金属ファイバーが挿入された円筒状の部分の内径より外径が大きく形成され、先端側がテーパー状に形成された円筒状のプラグを挿入して、前記金属ファイバーを前記ヒートパイプコンテナの内面に押圧しつつ、前記プラグをヒートパイプコンテナおよび金属ファイバーに対して軸線方向に相対的に移動させ、そのプラグにより前記金属ファイバーをヒートパイプコンテナの内面に押圧している箇所の外周側から加熱して、金属ファイバーをヒートパイプコンテナの内面に連続的に焼結することを特徴とするヒートパイプの製造方法である。
【００１９】
したがって請求項１の発明では、前記ヒートパイプコンテナの内面に、前記金属ファイバーが挿入された円筒状の部分の内径より外径が大きく形成され、先端側がテーパー状に形成された円筒状のプラグを挿入することによって金属ファイバーをヒートパイプの内面に押し付けつつ、プラグが相対的に移動しながらその押圧箇所の外側から加熱して、金属ファイバーとヒートパイプコンテナとの焼結および金属ファイバー同士の焼結が生じる。その結果、焼結箇所を連続的に移動させることができるので、ヒートパイプの連続的な加工・生産が可能になり、また長尺のヒートパイプを効率よく加工・生産することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
つぎに、図面を参照して、この発明を説明する。図１は、この発明の対象とすることのできるヒートパイプの一具体例を示すものである。ここに示すヒートパイプ１のコンテナ２は銅製のパイプ材の両端部を封止して中空密閉状態にしたものである。コンテナ２の内部には多数本の銅製の極細線（ファイバー）４と、極細線４をコンテナ２の内面に押し付けるスパイラル状の押し付け金具３とが挿入されており、極細線４がコンテナ２の内面に接触させられている。前記多数本の極細線４同士は、その一部が焼結され、結束状態を維持している。また、極細線４のコンテナ２の内面に接触している部分が、コンテナ２に対して焼結され固着されている。この極細線４がヒートパイプ１のウイックを構成している。また、コンテナ２の内部には、真空脱気された状態で例えば純水やアルコール等の凝縮性流体が作動流体７として所定量封入されている。こうして構成されたヒートパイプ１の一方の端部が加熱部５とされていて、他方の端部が放熱部６とされている。加熱部５には発熱体等が接触している。
【００２１】
図２は、上記ヒートパイプ１の一部の断面図およびその一部を更に拡大して示す断面図である。前記焼結は窒素ガス雰囲気などの非酸化性雰囲気の中で、約１０００℃にてコンテナ２の内面および極細線４を加熱昇温して行われる。すなわち、図に示すように、焼結前には単に接触していた極細線４同士、およびコンテナ２の内面とここに接触している極細線４とが、互いに融合して一体化している。
【００２２】
上記のように構成されたヒートパイプ１においても、その加熱部５とされている端部に図示しない発熱体などから熱が伝達される。加熱部５に伝達された熱によって、コンテナ２の内部に封入されている作動流体が加熱されて蒸発する。その場合、ウイックとして機能する極細線４が、コンテナ２の内面に焼結されて一体化されており、またその極細線４の一部が、互いに焼結されて一体化されているので、これら一体化されたコンテナ２および極細線４の間では、熱伝導によって熱が伝わる。そして、そのコンテナ２の内面および極細線４の表面から、ここに接触している作動流体７の熱が伝達される。したがってコンテナ２の内面のみならず、これと一体の極細線４の表面が、実質上、コンテナ２から作動流体７に対する熱の伝達面となる。このようにして、コンテナ２から作動流体７に対する熱伝達面が拡大されているので、コンテナ２から作動流体７に対して熱を伝達する際の抵抗（熱抵抗）が小さくなり、ひいてはヒートパイプ１自体の熱抵抗が小さくなる。
【００２３】
上記の加熱部５では、外部からの入熱によって作動流体７が蒸発し、その内部圧力が高くなる。これに対して放熱部６となっている他方の端部では、放熱によって温度が低く、したがって内部圧力が低くなっているので、作動流体７の蒸気は、圧力差によって放熱部６に向けて流動する。作動流体７の蒸気は、放熱部６において熱を外部に奪われて、すなわち放熱して凝縮する。
【００２４】
このようにして、ヒートパイプ１の放熱部６において液化した作動流体７は、複数本の極細線４の間に形成された間隙８を通って、加熱部５側へ還流する。すなわち、加熱部５においては、作動流体７の蒸発が生じることにより、極細線４同士の間におけるメニスカスによって毛細管圧力が発生し、その毛細管圧力により、液相作動流体が加熱部５側に流動させられる。このような作動流体７の蒸発・凝縮・還流が繰り返し生じることにより、発熱体の熱が輸送されて発熱体が冷却される。
【００２５】
したがって、上記の具体例として示したヒートパイプ１においては、極細線４がウイックとして機能し、その加熱部５側で生じる毛細管圧力により液相の作動流体７を放熱部６から加熱部５に還流させることができる。また、その極細線４はコンテナ２に融合して一体化されているので、具体的には焼結されているので、その極細線４が実質的にコンテナ２の一部となって作動流体７に対して熱を伝達し、また放熱部６では作動流体蒸気からコンテナ２に対して熱を伝達することになる。すなわち、コンテナ２と作動流体７との実質的な熱交換面積が広くなって、ヒートパイプ１としての熱抵抗が低減される。さらに、極細線４同士が焼結されて結束状態とされ、かつコンテナ２の内面に焼結されて固着されているので、極細線４の間に形成される間隙８が、還流路の機能を奏し、作動流体７の流動抵抗が小さくなるので、その結果、還流性能が向上する。
【００２６】
さらに、相互に束ねられて、焼結により結束された多数本の極細線４同士の間に形成される隙間が、液相作動流体の還流路となるので、液相作動流体の還流路の多くが、結束された極細線の内周側に形成される気相作動流路から遮蔽された状態となる。そのため、還流途中の液相作動流体が、高速で流動する作動流体蒸気に直接晒される度合いが少なくなり、この点においても、液相作動流体の還流性能が向上する。したがって、ヒートパイプ１としての熱抵抗が小さいことと相俟って、加熱部５でのドライアウトを生じることなく多量の熱を輸送でき、ヒートパイプ全体としての熱輸送能力が向上する。
【００２７】
本発明者らの実験によって得られた結果を図３に示す。図３はグルーブウイックを用いた従来の一般的なヒートパイプと、ファイバーウイックをヒートパイプコンテナの内部に単に挿入した従来のヒートパイプと、この発明の対象とすることのできるヒートパイプとの特性を測定した結果を示す線図である。図３において●印は、グルーブウイックタイプのヒートパイプの測定結果を表し、また■印は、ファイバーウイックを使用した従来のヒートパイプについての測定結果を示し、▲印は、この発明の対象とすることのできるヒートパイプの測定結果を示している。
【００２８】
図３から明らかなように、グルーブウイックタイプのヒートパイプでは入熱量が特に増大しないにも係わらず、熱抵抗が急激に大きくなっており、これは入熱量で加熱部におけるドライアウトが生じることを示しており、これ以上の熱輸送を行うことができない。これに対して、ファイバーウイックタイプのヒートパイプでは、熱抵抗が特に増大することなく、入熱量を増大させることができ、グルーブウイックタイプのヒートパイプに比較して、熱輸送量を増大させることができる。さらに、金属ファイバーを焼結したウイックが使用されているヒートパイプにあっては、入熱量の増大にも係わらず熱抵抗はほぼ一定値を示し、しかもファイバーウイックタイプの従来のヒートパイプよりも熱抵抗が小さくなっており、したがって、熱輸送能力が従来のヒートパイプと比べて格段に優れていることが明らかとなった。
【００２９】
つぎに、上述したヒートパイプの製造方法の一具体例について説明する。図４は、この発明の製造方法の一具体例の製造過程を示したものである。なお、図４に示す部材で図１もしくは図２に示す部材と同一のものには、同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００３０】
まず、ヒートパイプ１のコンテナ２の材料として、図４に示す断面が円形である銅製のパイプ材２１を用意し、このパイプ材２１を脱脂洗浄する。その洗浄方法として、例えば適宜の溶剤を使用した洗浄、あるいは超音波洗浄などの従来知られた方法が用いられる。他方、ウィックとなる極細線４として銅製の極細線を多数本用意する。そして、この極細線４を脱脂洗浄する。
【００３１】
洗浄の完了したパイプ材２１の内部に、その内面に沿わせて洗浄の完了した多数本の極細線４を環状に結束した状態で挿入する。あるいはこれと同時に、その環状に配列した極細線４の内周側に押し付け金具３１を挿入する。この押し付け金具３１は、極細線４をパイプ材２１の内周面に押し付けておくためのものであって、一例として弾性のある螺旋状金属帯が使用される。このような金属帯は、軸線方向に引っ張って外径を縮小し、その状態でパイプ材２１の中心部に挿入し、しかる後、引っ張り力を解除して弾性によって外径を増大させ、その弾性力によって極細線４がパイプ材２１の内周面に押し付ける。その状態を図４に示してある。
【００３２】
その後、図４に示すように、極細線４と押し付け金具３１とが挿入されているパイプ材２１を加熱炉９の内部に収納し、その内部温度を徐々に上昇させる。そして、非酸化雰囲気内で加熱炉９の内部温度を１０００℃程度に保持し、極細線４とパイプ材２１とを焼結させ、固着させる。
【００３３】
そして、パイプ材２１の開口端を封止してパイプ材２１を密閉し、コンテナ２を形成する。その際に、図４に示すように、開口部に注入ノズル１０の一端部を挿入し、溶接あるいはロウ付け等の手段によって固着する。なお、注入ノズル１０としては、銅製で断面が円形の小径管が採用されている。
【００３４】
つぎに、注入ノズル１０が固着されたコンテナ２を脱脂洗浄する。その後、そのコンテナ２をヒートパイプ化する。すなわち、注入ノズル１０を介して、作動流体を規定量よりも若干多めにコンテナ２の内部に注入する。これは、次工程でコンテナ２の内部から非凝縮性ガスの追い出しを行うためである。この加熱追い出し工程の一例として、ここでは図４示すように、注入ノズル１０が設けられた端部が上方となるようにコンテナ２をシリコンオイルバス内などに設置し、１２０℃程度に加熱する。すると、作動流体中に溶存などしている非凝縮性ガスが作動流体の蒸気と共に注入ノズル１０の開口端からコンテナ２の外部に放出される。すなわち、先にコンテナ２内に封入された作動流体の全量から蒸気として追い出された量を差し引いた量が、作動流体の実質的な封入量となる。
【００３５】
そして、蒸気を所定量追い出した後、注入ノズル１０の先端側をかしめるなどして仮封止する。したがって、このコンテナ２が充分に脱気されたヒートパイプ１のコンテナ２となる。なお、この加熱追い出し工程では、予め注入ノズル１０を仮締めしておいた状態でコンテナ２内部の圧力を高め、その後に仮締め部分を開放して作動流体をフラッシュさせる方法を採ることもできる。なお、この実施例では、コンテナ２の内部への作動流体の脱気封入方法として加熱追い出し法を例示したが、これに替えて真空ポンプ法やガス液化法等を採用することもできる。
【００３６】
なお、上述の例においては、コンテナ２および極細線４は銅製としたが、この材質は銅に限定されず、濡れ性向上のために酸化銅や二酸化銅を使用しても良い。
【００３７】
また、前記濡れ性向上のために、コンテナ２の内部となる範囲に、図示しないブラスト装置を利用したサンドブラスト加工や、エッチング処理あるいはサンドペーパーを利用した研削加工などの、コンテナ２の内面に粗面化を施す加工を焼結の前工程に採用することもできる。
【００３８】
また、押し付け金具３１は螺旋状金属帯としたが、これは上記に限定されず、丸線状スプリングとしても良い。要は、弾性力で極細線４をパイプ材２１の内面に押し付ける物ならば良い。
【００３９】
つぎに、この発明に係る、連続的な加工を可能とするヒートパイプの製造方法について図５を参照して説明する。図５は、この発明の製造方法の一具体例を示したものである。なお、図５に示す部材で図１と図２および図５に示す部材と同一のものには、同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００４０】
図５に示す例は、極細線４をパイプ材２１の内周面に押し付けるための部材としてプラグ１１を用いた例である。すなわち、このプラグ１１は、その最大外径が、パイプ材２１の内周面に沿って環状に配置した極細線４の内径より僅か大きく、先端側がテーパー状をなす部材であって、マンドレル１２の先端部に取り付けられている。
【００４１】
極細線４を内周面に沿わせて配置したパイプ材２１の内部に、前記プラグ１１をその先端側から挿入し、プラグ１１がパイプ材２１の内部を進むように、プラグ１１とパイプ材２１とを相対的に軸線方向に移動させる。プラグ１１の最大外径が環状に配列された極細線４の内径より大きく設定されているので、プラグ１１が相対的に進行することにより、極細線４がパイプ材２１の内周面に押し付けられる。
【００４２】
このようにしてプラグ１１によって極細線４をパイプ材２１の内周面に押し付けている状態で、その押し付け箇所の外周側に配置した加熱コイル１３によって、パイプ材２１を加熱昇温する。その場合、パイプ材２１および極細線４が銅製である場合、その加熱温度は１０００℃程度とする。また、雰囲気は、パイプ材２１および極細線４の酸化を防止するために、窒素ガスなどによる非酸化雰囲気とする。
【００４３】
その結果、極細線４はパイプ材２１の内面に押し付けられた状態が加熱されるために、両者の間で焼結が生じ、パイプ材２１の内面に接触している極細線４がパイプ材２１の内面（すなわちヒートパイプコンテナの内面）に融合一体化される。また同時に、極細線４同士の少なくとも一部に焼結が生じ、極細線４がその環状の結束状態に固定される。なお、その場合、極細線４とパイプ材２１の内面との間および極細線４同士の間に、前述した図１および図２に示すように、その軸線方向に沿った間隙が残り、その部分が液相作動流体の流路となる。
【００４４】
したがって、このようなプラグを用いた方法によれば、極細線４およびパイプ材２１を連続的に走行させつつ、これらの焼結を生じさせることができるので、連続処理、または、長尺処理が可能となる。また、極細線４をパイプ材２１の内面に押し付ける押し付け金具等の必要がなくなる。その結果、固定金具をパイプ材２１に挿入する工程と、焼結後に引き抜く工程が削除され、生産効率をより高めることができる。
【００４５】
なお、この発明は上記の具体例に限定されない。したがってこの発明では、金属ファイバーは上述した銅製の極細線以外に、適宜の金属製のファイバーを使用することができる。その線径は、銅ファイバーの場合は、５０〜１００μｍ程度である。また同様にヒートパイプコンテナは銅製に限られないのであり、適宜の金属パイプが使用される。なお、その内径は、一例として数mm程度である。さらに、この発明で金属ファイバーをヒートパイプコンテナの内面に融合一体化させる方法は、焼結以外に超音波溶接や摩擦溶接などの適宜の溶接による方法、あるいはロー付けなどの接合による方法であってもよい。さらにまた、金属ファイバーやコンテナと作動流体との濡れ性を向上させるために、金属ファイバーやコンテナの内面に酸化被膜を形成してもよく、あるいはサンドブラストやエッチングなどによる粗面化処理を施してもよい。
【００４６】
【発明の効果】
以上、説明したように、請求項１の製造方法によれば、ヒートパイプコンテナの内面に金属ファイバーが挿入された円筒状の部分の内径より外径が大きく形成され、先端側がテーパー状に形成された円筒状のプラグを挿入することによって金属ファイバーをヒートパイプの内面に押し付けつつ、プラグが相対的に移動しながらその押圧箇所の外側から加熱して、金属ファイバーとヒートパイプコンテナとの焼結および金属ファイバー同士の焼結が生じる。その結果、焼結箇所を連続的に移動させることができるので、ヒートパイプの連続的な加工・生産が可能になり、また長尺のヒートパイプを効率よく加工・生産することができる。このため、ヒートパイプコンテナの内面に金属ファイバーを押し付ける金具等が不要になり、前記金具等の材料費および製造工程の削減が可能となるので、製造コストを低廉化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の対象とすることのできるヒートパイプの一具体例を示す部分断面側面図である。
【図２】  図１の一部断面図およびその一部を拡大した部分図である。
【図３】  この発明の対象とすることのできるヒートパイプと、グルーブウイックを用いた従来の一般的なヒートパイプと、ファイバーウイックをヒートパイプコンテナの内部に単に挿入した従来のヒートパイプとの特性を測定した結果を示す線図である。
【図４】  図１に示すヒートパイプの製造方法の一具体例における製造過程を示す図である。
【図５】  この発明によるヒートパイプの製造方法の具体例を説明する図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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