(57)【要約】      （修正有）【課題】生産性がよく、毛細管力が高く、かつ、作動流体の循環性に優れたヒートパイプの焼結ウイック層の製造方法を提供する。【解決手段】金属パイプの内壁面に少なくとも平均粒径の異なる２種類の粉末の混合体で未焼結ウイック層を形成し、この未焼結ウイック層を還元性雰囲気下で加熱・焼結するヒートパイプの焼結ウイック層の製造方法にあり、これにより、生産性がよく、毛細管力が高く、かつ、作動流体の循環性に優れたヒートパイプが得られる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属パイプの内壁面に少なくとも平均粒径の異なる２種類の粉末の混合体で未焼結ウイック層を形成し、前記未焼結ウイック層を還元性雰囲気下で加熱・焼結することを特徴とするヒートパイプの焼結ウイック層の製造方法。
【請求項２】
前記少なくとも平均粒径の異なる２種類の粉末が銅粉と酸化銅粉の混合体であることを特徴とする請求項１記載のヒートパイプの焼結ウイック層の製造方法。
【請求項３】
前記還元性雰囲気が、水素雰囲気下であることを特徴とする請求項１又は２記載のヒートパイプの焼結ウイック層の製造方法。
【請求項４】
前記銅粉の平均粒径が７００〜１５μｍから選ばれると共に、前記酸化銅粉の平均粒径が４００〜５μｍから選ばれる一方、銅粉の平均粒径が酸化銅粉の平均粒径により大きいことを特徴とする請求項２又は３記載のヒートパイプの焼結ウイック層の製造方法。
【請求項５】
前記未焼結ウイック層の形成にあたって、前記金属パイプ内にパイプ内径より小径の耐熱性棒状体を挿入し、前記金属パイプとの隙間に前記混合体を詰め込むことを特徴とする請求項１、２、３又は４記載のヒートパイプの焼結ウイック層の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生産性がよく、毛細管力が高く、かつ、作動流体の循環性に優れたヒートパイプの焼結ウイック層の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ヒートパイプは、均熱用、ヒートシンク用、冷却用などとして、種々の用途に利用され、その範囲が広がっている。特にノートパソコンなどのような小型の電子機器に組み込まれる発熱部品の冷却部品としての用途が進んできている。
【０００３】
これらの分野で使用されるヒートパイプは、機器側の小型化に伴い、小型、小径のものが主流となり、一部では立体構造の配置（配線）などが採用され、高所で発生した熱を低所で放熱する構造のものも増えてきている。
【０００４】
ヒートパイプの構造としては、既に種々のものが提案されているが（引用文献１〜３）、その概略構造は、密閉されたパイプの内部に封入された作動流体（水など）を、パイプの一端（加熱部）で外部から加熱して蒸発（潜熱吸収）させると、その蒸気がパイプの他端の低温部（低圧部）に移動し、凝縮（潜熱放出）して、その周囲を冷却させる一方、凝縮された作動流体が加熱部に戻る構造のものである。この作動流体が戻る構造部分を、ウイック(ウイック層)といい、通常細線の束や、編組、溝、粉末の焼結体などにより構成されている。
【特許文献１】特開２００１−２３４２６２公報
【特許文献２】特開２００４−２１２０４０公報
【特許文献３】特開２０００−３１１９７１公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、上述したように、最近の小型の電子機器では、このヒートパイプやこれからなるヒートシンクを立体的に組み付ける場合があるため、例えば高所の熱を低所に移動させる必要がある。つまり、作動流体を高所に戻す必要があり、ウイック層には、高い毛細管力が求められている。
【０００６】
この観点からすると、ウイック層の構造体としては、細線の束や、編組、溝などより、多孔質構造を有する粉末の焼結体の方が、より高い毛細管力が期待できるため、有利である。
【０００７】
しかし、従来の焼結によるウイック層の場合、例えば焼結粉末として銅粉を用い、これを不活性ガス（窒素ガスやアルゴンガスなど）下で焼結するときには、次のような問題点があった。
（1）高温（９００〜１０５０℃）下で行う必要があるため、設備コストが嵩む他、例えば銅製ヒーパイプでは、パイプ素材の結晶粒が粗大化し易く、不均一変形を起こすなど、その後の曲げ加工や偏平加工がし難くなるなどの問題があった。
【０００８】
（２）また、単一の銅粉で、平均粒径がほぼ同一のもの（例えば平均粒径１００μｍ程度）を用いたときには、毛細管力が大きく、かつ、作動流体が流れ易い流路抵抗の小さい理想的なウイック層を得ることは、困難であるという問題があった。
つまり、銅粉の粒径が小さいと粒子間の隙間が小さくなり、高い毛細管力が得られるものの、隙間が狭い分だけ作動流体の流路抵抗が大きくなる(作動流体の循環性が悪くなる)からである。また、逆に、銅粉の粒径が大きいと粒子間の隙間が大きくなり、隙間が広い分だけ、作動流体の流路抵抗が小さくなるものの、高い毛細管力が得られなくなるからである。
【０００９】
このような状況下で、本発明者が鋭意検討したところ、少なくとも粒径の異なる２種類の粉末、例えば、銅粉と酸化銅粉を用いて、還元性雰囲気下で焼結ウイック層を形成した場合、毛細管力が高く、かつ、作動流体の流路抵抗が小さく、理想的なウイック層が得ることができることを見い出した。また、このときの焼結温度が、従来の焼結温度に比較して、低い温度（例えば７００〜８００℃）でもよいことが分かった。さらに、用いる銅粉と酸化銅粉においてそれらの平均粒径がどのような関係にあればよいのかも分かった。
【００１０】
本発明は、これらの点に鑑みてなされたもので、上記のような条件とすることにより、生産性がよく、毛細管力が高く、かつ、作動流体の循環性（還流性）に優れたヒートパイプの焼結ウイック層の製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１記載の本発明は、金属パイプの内壁面に少なくとも平均粒径の異なる２種類の粉末の混合体で未焼結ウイック層を形成し、前記未焼結ウイック層を還元性雰囲気下で加熱・焼結することを特徴とするヒートパイプの焼結ウイック層の製造方法にある。
【００１２】
請求項２記載の本発明は、前記少なくとも平均粒径の異なる２種類の粉末が銅粉と酸化銅粉の混合体であることを特徴とする請求項１記載のヒートパイプの焼結ウイック層の製造方法にある。
【００１３】
請求項３記載の本発明は、前記還元性雰囲気が、水素雰囲気下であることを特徴とする請求項１又は２記載のヒートパイプの焼結ウイック層の製造方法にある。
【００１４】
請求項４記載の本発明は、前記銅粉の平均粒径が７００〜１５μｍから選ばれると共に、前記酸化銅粉の平均粒径が４００〜５μｍから選ばれる一方、銅粉の平均粒径が７５０酸化銅粉の平均粒径により大きいことを特徴とする請求項２又は３記載のヒートパイプの焼結ウイック層の製造方法にある。
【００１５】
請求項５記載の本発明は、前記未焼結ウイック層の形成にあたって、前記金属パイプ内に小径の耐熱性棒状体を挿入し、前記金属パイプとの隙間に前記混合体を詰め込むことを特徴とする請求項１、２、３又は４記載のヒートパイプの焼結ウイック層の製造方法にある。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のヒートパイプの焼結ウイック層の製造方法によると、金属パイプの内壁面に少なくとも平均粒径の異なる２種類の粉末の混合体で未焼結ウイック層を形成し、この未焼結ウイック層を還元性雰囲気下で加熱・焼結するため、毛細管力が高く、かつ、作動流体の循環性に優れた、理想的なウイック層が得られる。また、このときの焼結温度が、従来の焼結温度に比較して、低温（例えば７００〜８００℃）でもよいため、設備コストの低減ができる他、パイプ素材結晶粒の粗大化が抑制できる。この結果、生産性がよく、その後の曲げ加工や偏平加工がし易くなるなど加工上の利点も得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１〜図２は、本発明に係る製造方法により得られたヒートパイプの例を示したものである。図中、１０は銅製、銅合金製などの金属パイプ、２０はこの金属パイプ１０の内面側に設けた焼結ウイック層である。図２は、図１の丸パイプを偏平加工したものである。これらのヒートパイプは、冷却装置などの熱循環装置系におけるヒートパイプ用品やヒートシンク用品として利用される。
【００１８】
このような焼結ウイック層２０を有するヒートパイプの製造方法は、特に限定されないが、例えば、図３に示すように、金属パイプ１０の中心に、パイプ内径より小径の耐熱性棒状体３０、例えばタングステン棒やセラミック棒などを挿入する。そして、この金属パイプ１０との隙間に、少なくとも平均粒径の異なる２種類の粉末の混合体４０、例えば銅粉と酸化銅粉の混合体を、未焼結ウイック層２０ａとして詰め込む。この後、焼結炉に入れて、還元性雰囲気下で焼結する。焼結後、耐熱性棒状体３０を引き抜けば、金属パイプ１０の壁面に焼結ウイック層２０の形成された、所望のヒートパイプが得られる。図２のように、偏平形状のヒートパイプを得るには、さらに、圧延により偏平加工を施せばよい。
【００１９】
上記銅粉と酸化銅粉の混合体では、銅粉の平均粒径が酸化銅粉の平均粒径より大きく設定(例えば銅粉の平均粒径=約７０μｍ、酸化銅粉の平均粒径＝約３０μｍ)してあるため、径の大きい銅粉の間に径の小さい酸化銅粉が分散する形となる。この状態で焼結されると、粉粒間に形成される隙間は、径の大きい銅粉同士の場合よりは小さく、径の小さい酸化銅粉同士の場合よりは大きい隙間が形成されることになる。これらの関係を模式的に図示すると、図４（Ａ）〜（Ｂ）の如くである。
【００２０】
つまり、銅粉と酸化銅粉の平均粒径を最適に設定することにより、隙間が大き過ぎず、かつ、小さ過ぎることもない、最適の隙間を持った理想的な焼結ウイック層２０を得ることができる。隙間が大き過ぎると、毛細管力が低下し、隙間が小さ過ぎると、作動流体の流路抵抗が大きくなるからである。
【００２１】
特に、酸化銅粉の場合、具体的には、酸化銅(ＣｕＯ)、亜酸化銅(Cu2O)が主成分で、その他にCu2O3やCuO2なども含まれていることが知られている。これらの酸化物は、加熱された還元性雰囲気下では容易に銅(Cu)となる。つまり、CuO+H2→Cu+H2Oに代表される反応を起こし、生じた水は水蒸気として還元銅粉中から放出される。その結果、還元銅粉は多孔質で表面活性の高い銅となる。この還元銅粉同士が接触すると、容易に拡散し合うことから凝集性が高く、ここに銅粉や金属パイプ内面の銅壁などが存在すると、還元銅粉がバインダー（接着剤）としての役目を果たすものと推測される。これにより、後述するように、低温下でも良好な焼結が得られる。また、還元銅粉の凝集体が作動流体とも優れた濡れ性を持つことから、高い毛細管力が期待できる。
【００２２】
このように平均粒径の大きい銅粉と平均粒径の小さい酸化銅粉を用いると、その混合量を最適化することにより、粒子間に生じる隙間（空間）を適宜調整することができる。
具体的には、得ようとするヒートパイプの用途や要求特性などによっても異なるが、例えば、銅粉の平均粒径は７００〜１５μｍ、酸化銅粉の平均粒径は４００〜５μｍ程度の中から選択するものとし、これらの酸化銅粉の配合比率も、３〜８０％程度として適宜選択することができる。
【００２３】
上記焼結時の還元性雰囲気にあっては、特に限定されないが、例えば水素や一酸化炭素存在下の雰囲気下を挙げることができる。従来方法では、一般的に、窒素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガス下で行われているが、上記還元性雰囲気下で行うことにより、酸化銅粉が還元されて凝集性が高まるため、低温下でも良好な焼結が得られる。従来のアルゴンガス下では９５０〜１０００℃程度の高温で約３時間の焼結時間が必要であったが、還元性雰囲気下では、７００〜１０５０℃程度での温度で可能であわるが、後述するように、７００〜８００℃程度の温度で約２時間の焼結時間でも、良好な結果が得られた。
【００２４】
〈試験例〉
因みに、表１に示した条件で、図２に示した如き構造のヒートパイプをサンプルとして製造した。そして、得られた各サンプルの焼結ウイック層の状態（焼結状況）を調べ、同表に併記した。
【００２５】
ここで、用いた金属パイプは長さ３００ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ、外径１０ｍｍの無酸素銅丸パイプである。製造時、この銅丸パイプの中央に外径５ｍｍのタングステン棒を入れ、パイプとの隙間に、十分混合された銅粉と酸化銅粉の混合体を、表１の配合比率で詰めた。この後、各サンプルを焼結炉に入れて、表１の焼結条件で焼結させた。焼結後、タングステン棒をパイプから引き抜き、この丸パイプを、厚さ（高さ）６．０ｍｍに圧延して偏平加工した。
【００２６】
各サンプルの焼結ウイック層の状態は、偏平加工したサンプルのパイプ内を観察し、焼結ウイック層の剥離・脱落が見られた場合を「×」で表示し、一部剥離が見られた場合を「△」で表示し、異常が見られなかった場合を「○」で表示した。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
表１から、銅粉のみを用い、不活性ガス下で焼結を行った場合、焼結温度が９５０〜１０００℃程度でないと、良好な焼結状態（試験ＮＯ１〜２）が得られないことが分る。また、銅粉のみで、還元性雰囲気下の場合でも、焼結温度が９００℃程度ないと、良好な焼結状態（試験ＮＯ４）が得られないことが分る。
【００２９】
これに対して、銅粉と酸化銅粉の混合体を用い、還元性雰囲気下で焼結を行った場合、焼結温度が７００〜８００℃程度で、良好な焼結状態（試験ＮＯ６〜８）が得られることが分る。
しかし、同条件でも、焼結温度が６５０℃以下の場合には、焼結温度が低過ぎて、良好な焼結状態（試験ＮＯ９〜１０）が得られないことが分る。
【００３０】
また、焼結時間においても、銅粉のみの場合、良好な焼結状態を得るには、３時間の焼結時間が必要であった（試験ＮＯ１〜２、４）。これに対して、銅粉と酸化銅粉の混合体の場合、２時間の焼結時間でよかった（試験ＮＯ６〜８）。つまり、本発明の場合良好な生産性が得られる。
【００３１】
次に、ヒートパイプの限界熱輸送量について、表２に示した条件下で測定した。測定対象のヒートパイプのサンプルとしては、上記表１の銅粉のみ（試験ＮＯ１）の焼結ウイック層を設けたもの（試験ＮＯ１１）と、上記表１の銅粉と酸化銅粉の混合体（試験ＮＯ６）の焼結ウイック層を設けたもの（試験ＮＯ１２）と、新たに、銅粉と酸化銅粉の混合体で酸化銅粉の平均粒径が異なるもので焼結ウイック層を設けたもの（試験ＮＯ１３〜１４）と、銅粉と酸化銅粉の混合体で混合比の異なるもので焼結ウイック層を設けたもの（試験ＮＯ１５〜１８）について行った。なお、新たに追加した各サンプルの試験ＮＯ１３〜１８のヒートパイプも、上記表１の場合と同様にして製造した。
【００３２】
このようにして得られたヒートパイプの長さを３００ｍｍに揃え、一端（片端部）を電縫加工して閉じ、内部に作動流体として水を入れた後、内部を減圧しつつ他端（脱気端）を溶着して閉じた。これらのヒートパイプを、図５に示すような、装置（試験装置）として組み立てた。即ち、ヒートパイプＰｈの一端に加熱源としてのヒータ（加熱部）１００を装着する一方、他端には放熱フィン２００を装着すると共に、この放熱フィン２００に送風ファン３００を対峙させ、ヒートパイプＰｈのヒータ側を水平に対して、５°ほど上向きに設置させた。
【００３３】
この状態で、パイプ内の水の温度が常に５０℃になるように保持して、ヒータ１００の発熱量と送風ファン３００の冷却量を増加させていった。このようにして試験したとき、ヒータ側の温度が急上昇してヒートパイプＰｈが動作しなくなる直前のヒータ加熱量を求め、これを限界熱輸送量とした。測定中は加熱部以外からの放熱がないように、試験装置は十分な断熱を行った。なお、表２では、サンプルの試験ＮＯ１１の限界熱輸送量を１．００としたときの比として表した。
【００３４】
【表２】
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【００３５】
表２から、従来の銅粉のみからなる焼結ウイック層を有するヒートパイプ（試験ＮＯ１１）に対して、本発明の要件を満たす銅粉と酸化銅粉の混合体の焼結ウイック層を有するヒートパイプ（試験ＮＯ１２〜１８）は、従来品と同等以上の限界熱輸送量を得られることが分かった。つまり、性能的に何ら問題のないことが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に係るヒートパイプの焼結ウイック層の製造方法により得られるヒートパイプの一例を示した縦断端面である。
【図２】本発明に係るヒートパイプの焼結ウイック層の製造方法により得られるヒートパイプの他の例を示した縦断端面である。
【図３】本発明に係るヒートパイプの焼結ウイック層の製造方法を実施するための一例を示した縦断面図である。
【図４】（Ａ）〜（Ｂ）  本発明に係るヒートパイプの焼結ウイック層の製造方法による焼結ウイック層の状態を示した概略説明図である。
【図５】ヒートパイプの限界熱輸送量を測定するための試験装置を示した概略説明図である。
【符号の説明】
【００３７】
１０・・・金属パイプ、２０・・・焼結ウイック層、２０ａ・・・未焼結ウイック層、３０・・・耐熱性棒状体、４０・・・混合体
【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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