(57)【要約】【課題】  コンテナに内面にウイックを焼結したヒートパイプであって、強度の高いヒートパイプを提供する。【解決手段】  密閉容器１の内面に、焼結によりウイック２が設けられ、かつその密閉容器１の内部に、凝縮性の作動流体が封入されたヒートパイプであって、前記密閉容器１が、銅もしくは銅合金によって形成されるとともに前記ウイック２が内面に多孔構造に焼結された後に少なくとも外表面側の金属組織を微細化するための塑性変形加工が施された容器であり、その容器から脱気した状態で前記作動流体が封入されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
密閉容器の内面に、焼結によりウイックが設けられ、かつその密閉容器の内部に、凝縮性の作動流体が封入されたヒートパイプであって、
前記密閉容器が、銅もしくは銅合金によって形成されるとともに前記ウイックが内面に多孔構造に焼結された後に少なくとも外表面側の金属組織を微細化するための塑性変形加工が施された容器であり、その容器から脱気した状態で前記作動流体が封入されていることを特徴とするヒートパイプ。
【請求項２】
前記塑性変形加工が、前記容器の輪郭形状を拘束して引き延ばす加工と、前記容器の表面に打撃力を与える加工とのいずれかであることを特徴とする請求項１に記載のヒートパイプ。
【請求項３】
前記塑性変形加工が、前記容器を所定のダイスを通過させる引き延ばし加工と、ショットピーニングと、ショットブラストと、サンドブラストと、バニッシング加工とのいずれかであることを特徴とする請求項１または２に記載のヒートパイプ。
【請求項４】
密閉容器の内面に、ウイックが焼結により設けられ、かつその密閉容器の内部に、凝縮性の作動流体が封入されたヒートパイプの製造方法であって、
銅もしくは銅合金からなる容器の内面に前記ウイック用の素材を焼結させる工程と、
その容器に少なくとも外表面側の金属組織を微細化する塑性変形加工を施す工程と
を備えていることを特徴とするヒートパイプの製造方法。
【請求項５】
前記塑性変形加工が、前記容器の輪郭形状を拘束して引き延ばす加工と、前記容器の表面に打撃力を与える加工とのいずれかであることを特徴とする請求項４に記載のヒートパイプの製造方法。
【請求項６】
前記塑性変形加工が、前記容器を所定のダイスを通過させる引き延ばし加工と、ショットピーニングと、ショットブラストと、サンドブラストと、バニッシング加工とのいずれかであることを特徴とする請求項４または５に記載のヒートパイプの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、パイプや中空矩形容器などの密閉容器の内部に、加熱されて蒸発しかつ放熱して凝縮する作動流体を封入したヒートパイプに関し、特に毛細管圧力を生じさせるためのウイックが、容器の内面に焼結によって構成されているヒートパイプおよびそのヒートパイプを製造する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ヒートパイプは、密閉容器（コンテナ）の内部に封入した作動流体が、外部からの熱によって蒸発し、その蒸気が低温・低圧の部分に流動した後に放熱することにより、作動流体の潜熱の形で熱を輸送し、また放熱して液化した作動流体を、毛細管圧力あるいは重力によって、前記蒸発の生じた部分に還流させるように構成された熱輸送装置もしくは伝熱装置である。その毛細管圧力を生じさせる部材がウイックと称されており、実効毛細管半径が小さいことにより大きい毛細管圧力（いわゆるポンプ力）を生じるウイックとして、多孔質焼結材が知られている。
【０００３】
また、ウイックには、液相の作動流体（すなわち作動液）を、外部からの入熱によって蒸発の生じる蒸発部に対して還流させる機能と併せて、コンテナの内面に作動液を接触させて保持する機能が要求される。そのため、例えば特許文献１に記載されたヒートパイプでは、ウイックとして機能する細線をコンテナの内面に焼結によって一体化させて構成されている。
【特許文献１】特開２０００−４６４８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ヒートパイプは、そのコンテナの内部の作動流体と外部の熱源や冷却部との間の熱伝達を伴って熱の輸送をおこなうから、そのコンテナ自体も熱伝導率が高いことが好ましい。また、作動流体は、低廉で容易に入手でき、さらには取り扱いの容易なものが好ましいから、一般には、水が多用される。これらの要請からヒートパイプのコンテナとして銅もしくは銅合金を使用することが多いが、上述したようにそのコンテナの内面に多孔質焼結材やウイックとしての細線を焼結によって一体化させた場合、その焼結温度が、銅の融点に近い温度になるから、コンテナの強度が低下する。これは、コンテナを構成している銅がその融点近くまで加熱されることにより、結晶が粗大化し、割れやすくなることによるものと思われる。
【０００５】
そのため、従来では、銅もしくは銅合金からなるコンテナの内面にウイックを焼結によって構成したヒートパイプは、熱輸送をおこなう箇所の形状に合わせて曲げたり、あるいは押し潰すなどの変形を施した場合、その変形荷重の掛かった箇所に亀裂が入って、ヒートパイプとしての機能が失われることがあった。
【０００６】
また、ウイックの焼結のためにコンテナをその融点近くまで加熱した後、常温まで冷却した場合、熱応力による反りや曲がりなどの変形が生じて寸法精度が低下する。そのために、ヒートパイプを他の熱関連機器に組み付ける際に形状や寸法の修正が余儀なくされ、組み付け性が悪化する不都合がある。さらに、コンテナを構成している金属の結晶が粗大化すると、その表面が荒れて凹凸が生じやすく、そのためヒートパイプを所定の対象部位に取り付けた場合に、両者の間に空隙が生じ、その結果、両者の間の熱伝達率が低下する不都合がある。
【０００７】
この発明は上記の事情を背景にしてなされたものであり、焼結によってウイックをコンテナと一体に形成したヒートパイプであって、焼結による影響を抑制したヒートパイプおよびその製造方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、密閉容器の内面に、焼結によりウイックが設けられ、かつその密閉容器の内部に、凝縮性の作動流体が封入されたヒートパイプであって、前記密閉容器が、銅もしくは銅合金によって形成されるとともに前記ウイックが内面に多孔構造に焼結された後に少なくとも外表面側の金属組織を微細化するための塑性変形加工が施された容器であり、その容器から脱気した状態で前記作動流体が封入されていることを特徴とするヒートパイプである。
【０００９】
また、請求項２の発明は、請求項１の発明における前記塑性変形加工が、前記容器の輪郭形状を拘束して引き延ばす加工と、前記容器の表面に打撃力を与える加工とのいずれかであることを特徴とするヒートパイプである。
【００１０】
さらに、請求項３の発明は、請求項１または２の発明における前記塑性変形加工が、前記容器を所定のダイスを通過させる引き延ばし加工と、ショットピーニングと、ショットブラストと、サンドブラストと、バニッシング加工とのいずれかであることを特徴とするヒートパイプである。
【００１１】
一方、請求項４の発明は、密閉容器の内面に、ウイックが焼結によって設けられ、かつその密閉容器の内部に、凝縮性の作動流体が封入されたヒートパイプの製造方法であって、銅もしくは銅合金からなる容器の内面に前記ウイック用の素材を焼結させる工程と、その容器に少なくとも外表面側の金属組織を微細化する塑性変形加工を施す工程とを備えていることを特徴とするヒートパイプの製造方法である。
【００１２】
請求項５の発明は、請求項４の発明における前記塑性変形加工が、前記容器の輪郭形状を拘束して引き延ばす加工と、前記容器の表面に打撃力を与える加工とのいずれかであることを特徴とするヒートパイプの製造方法である。
【００１３】
そして、請求項６の発明は、請求項４または５の発明における前記塑性変形加工が、前記容器を所定のダイスを通過させる引き延ばし加工と、ショットピーニングと、ショットブラストと、サンドブラストと、バニッシング加工とのいずれかであることを特徴とするヒートパイプの製造方法である。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１ないし３の発明によれば、ウイックを形成するための焼結の際に容器が高温に曝され、それに伴って容器の結晶構造の変化などが要因となって強度が低下するが、ダイスを通過させる引き延ばし加工、ショットピーニング、ショットブラスト、サンドブラスト、ローラバニッシングなどの塑性変形加工が容器に施され、それに伴って結晶の微細化などによって容器の強度が向上する。そのため、脱気および作動流体の封入がなされたヒートパイプを変形させても、亀裂などの損傷を防止でき、換言すれば、設置箇所の形状に合わせるように変形させることができる。
【００１５】
特に、ショットピーニングやショットブラスト、あるいはサンドブラストなどの粉粒体によって塑性加工を行った容器を使用する場合には、粉粒体の粒径を小さくすることにより、容器の表面を平滑化することができ、その結果、容器と所定の相手部材との密着性および熱伝達率を向上させることができる。また、バニッシング加工を施した容器を使用する場合には、反りや曲がりを矯正して寸法精度を向上させることができる。
【００１６】
また、請求項４ないし６の発明によれば、ウイックを形成するための焼結に伴って強度の低下した容器を、ダイスを通過させる引き延ばし加工、ショットピーニング、ショットブラスト、サンドブラスト、ローラバニッシングなどの塑性変形加工によって強度を増大させることができ、その結果、ウイックを焼結によって容器に一体化させ、しかも変形させても亀裂などの損傷を生じることのないヒートパイプを得ることができる。
【００１７】
特に、ショットピーニングやショットブラスト、あるいはサンドブラストなどの粉粒体によって塑性加工を行う場合には、粉粒体の粒径を小さくすることにより、容器の表面を平滑化することができ、その結果、容器と所定の相手部材との密着性および熱伝達率を向上させることができる。また、ローラバニッシングを行う場合には、反りや曲がりを矯正して寸法精度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明を実施した最良の形態について説明する。先ず、この発明に係るヒートパイプについて説明すると、図１はその一例を示しており、パイプを密閉容器（コンテナ）１として構成されており、その内周面にウイック２が設けられ、さらに作動流体（図示せず）が封入されている。そのコンテナ１は、銅もしくは銅合金からなるパイプを素材としている。またウイック２は、浸透した液相の作動流体（すなわち作動液）によって毛細管圧力を生じさせるとともに、作動液の流路を形成するためのものであって、銅などの金属の微粒子をコンテナ１の内面に焼結させて多孔構造に形成され、あるいは銅などの多数本の金属細線をコンテナ１の内面に中空構造に焼結させて形成されている。
【００１９】
上記のコンテナ１は、ウイック２をその内周面に形成する際に素材の融点近くまで加熱昇温され、それに伴って強度が低下する。これは、結晶（金属組織）の粗大化などが要因であると考えられる。本発明者等の実験によれば、ウイック２を形成した後のコンテナ１の表面の面粗度が大きく悪化していることが認められた。そこで、この発明に係る上記のヒートパイプにおけるコンテナ１は、ウイック２を設けるための焼結の後に、コンテナ１の少なくとも外表面側の塑性変形加工が施されている。
【００２０】
この加工は、コンテナ１を構成している金属組織を微細化するための加工であって、その例を挙げると、ダイスを通過させる引き延ばし加工、ショットピーニング、ショットブラスト、サンドブラスト、ローラバニッシングなど、輪郭形状を拘束して引き延ばす加工や、前記容器の表面に打撃力を与える加工である。なお、この加工は、ウイック２を形成するための焼結の後におこなわれていればよく、したがって作動流体を封入する前の状態でおこなってもよく、あるいは作動流体を封入してヒートパイプとした後におこなってもよい。
【００２１】
ウイック２は上記のように、多孔構造あるいは中空構造であり、例えば銅の微細粉末をコンテナ１の内面に焼結させて形成される。また他の例は、銅の細線などをコンテナ１の内面に沿わせて配置し、あるいはそれを切断した微細片をコンテナ１の内面に沿わせて配置した状態で加熱昇温してコンテナ１の内面に焼結させ、細線とコンテナ１の内面との間および細線同士の間に空間を形成して構成される。
【００２２】
作動流体は、ヒートパイプの使用温度範囲で蒸発および凝縮する流体であって、水やアルコール、アンモニアなど従来知られている流体を使用でき、上記のウイック２に対する濡れ性が良い流体が使用される。なお、この作動流体は、従来のヒートパイプと同様に、コンテナ１の内部を脱気した状態で封入されている。
【００２３】
図２は、この発明に係るヒートパイプの他の例を示しており、ここに示すヒートパイプは、中空平板状のコンテナ１１の内面に焼結によってウイック１２を設け、そのコンテナ１１の内部に、脱気した状態で作動流体（図示せず）が封入されて構成されている。そのコンテナ１１の素材、ウイック１２の素材および形成方法、作動流体の種類および封入方法は、上述した図１に示すヒートパイプと同様である。
【００２４】
図２に示すヒートパイプのコンテナ１１は、ウイック１２の焼結の後に、その強度を高くするための塑性変形加工が施されているが、図１に示すコンテナ１とは形状が異なっているので、その加工としては、上述した加工方法以外に、例えば周辺部に空間を設けた状態で上下方向に拘束し、かつ内圧を高くすることにより、上下の面方向に延び変形を生じさせる加工を採用することができる。なお、コンテナ１１の塑性変形加工のうち、サンドブラストなどの外面に衝撃力を繰り返し付与する加工方法では、少なくとも上下両面が平滑になるので、加熱もしくは冷却などの熱交換対象物と面接触させた場合に隙間が生じにくくなり、熱伝達性能が向上する。
【００２５】
つぎにこの発明の方法を説明する。図３にこの発明による製造工程を示してあり、先ず、コンテナの作成Ｓ１をおこなう。この発明に係るヒートパイプのコンテナ１，１１は、上述したように、銅もしくは銅合金製であり、したがってこれらの金属製のパイプを所定寸法に切断するとともに一端部を封止し、さらには必要に応じて適宜の洗浄をおこなう。また、箱状にプレス加工した本体部分に平板状の蓋を被せて矩形平板状の容器とする。その場合、後述するウイックの形成に必要な開口部を開けておく。さらには必要に応じて適宜の洗浄をおこなう。
【００２６】
つぎに、ウイックの焼結Ｓ２をおこなう。一例を挙げると、銅パイプの内面に沿って、銅の微粉末を所定厚さに配置する。その場合、銅パイプより小径の適宜の治具を銅パイプの内部に挿入し、その治具と銅パイプの内面との間に銅微粉末を充填する。その状態で、非酸化雰囲気において銅の融点より数十℃低い温度まで加熱昇温すると、銅の微粉末が互いに焼結するとともに銅パイプの内面に焼結される。その結果、多孔質のウイックが形成される。また、矩形平板状のコンテナを使用する場合には、その底面に銅の微粉末を所定厚さに配置し、あるいは所定厚さの銅微粉末の焼結シートを配置し、これを非酸化雰囲気で加熱昇温してコンテナの内面に焼結させる。
【００２７】
このようにしてウイックを内面に形成したコンテナに対して、塑性変形加工Ｓ３を施す。これは、ウイックの焼結の際に加熱昇温されて強度の低下したコンテナの強度を向上させるための加工であって、結晶の微細化などを生じさせる加工である。具体的には、上述したとおり、ダイスを通過させる引き延ばし加工、ショットピーニング、ショットブラスト、サンドブラスト、ローラバニッシングなどのバニッシング加工、周辺部に空間を設けた状態で上下方向に拘束しかつ内圧を高くすることにより上下の面方向に変形を生じさせる加工などである。なお、その変形量は、強度の向上を生じる範囲で良く、延びの場合、その延び率が０．２％となる程度の変形量である。
【００２８】
さらに、ウイックの焼結が完了したコンテナの洗浄Ｓ４などの処理をおこなう。その場合、次工程での脱気・封止のためにノズル（図示せず）以外の部分を気密状態に密閉する。コンテナが銅パイプの場合は、開いている他方の端部を絞ってノズルとする。矩形中空平板体をコンテナとする場合には、ノズルの付いた板材を、コンテナの開口している部分に取り付けてその開口部を閉じる。
【００２９】
そして、最終工程として、脱気・封止Ｓ５をおこなう。これは、通常のヒートパイプを製造する場合と同様の工程であり、コンテナの内部から空気などの気体を真空引きし、あるいは最終的に必要とする量より多い作動液を注入した後、これを沸騰させることにより、コンテナの内部の空気などの気体を排気する。真空引きした場合には、その後に作動液を所定量注入し、ついでノズルの部分を閉じる。作動液を沸騰させて空気などの気体を排気した場合には、その操作を所定時間おこなった後に、ノズルの部分を閉じる。
【００３０】
図１あるいは図２に示すヒートパイプ、もしくは上記の方法で製造されたヒートパイプは、銅製もしくは銅合金製のコンテナの内面にウイックが焼結によって設けられているが、その焼結の工程の後に、その結晶の微細化などのための塑性変形加工が施されている。そのために、コンテナ１，１１の強度が高くなっており、あるいは焼結前の強度に近くなっている。したがって、そのヒートパイプを、熱輸送をおこなう箇所の形状に合わせるように曲げたり、あるいは押し潰したりしても、コンテナ１，１１に亀裂などの損傷が生じることが防止される。すなわち、この発明によれば、毛細管圧力が大きく、また作動液の流動抵抗が小さいなど、作動液の還流特性に優れた焼結タイプのウイックを備え、しかも変形に対する強度に優れたヒートパイプを得ることができる。
【００３１】
さらに、コンテナの外表面側に塑性加工を施すから、粉粒体の粒径やローラバニッシングで使用するローラの表面精度などの加工条件を適宜に設定することにより、コンテナの表面が平滑になり、また焼結後の反りや曲がりなどの変形が矯正されてコンテナの寸法精度も良好になる。そのため、冷却もしくは加熱するべき熱機器などの相手部材にヒートパイプを組み付ける場合、両者を間隙を殆ど生じさせずに面接触させて密着させることができ、その結果、ヒートパイプと相手部材との間の熱抵抗を低減し、換言すれば、熱伝達率を向上させることができる。また、寸法に狂いがないことにより、組み付け性が良好になる。
【００３２】
ここで、本出願人等がおこなった実験の結果を示す。外径８．０ｍｍの銅パイプをコンテナとして使用し、その内面に、粒径５０〜１００μｍの銅微粉末を、厚さ０．３ｍｍに焼結させてウイックを形成した。このコンテナをダイスに通過させて外径７．９ｍｍに延ばし加工した。その後、定法により水を作動流体として封入し、ヒートパイプとした。そのヒートパイプの中央部を、曲率半径１８ｍｍに曲げ、その湾曲部での亀裂の有無を検査した。検査の結果、亀裂は認められなかった。
【００３３】
比較のために、上記の延ばし加工を施していないコンテナを使用してヒートパイプを作成し、これを上記の例と同様に曲げ加工したところ、その湾曲部で亀裂が生じ、ヒートパイプとして機能しなくなってしまった。
【００３４】
この結果から、この発明によれば、変形加工に対する強度に優れたヒートパイプを得られることが明らかとなった。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】この発明のヒートパイプの一例を一部破断して示す斜視図である。
【図２】この発明のヒートパイプの他の例を一部破断して示す斜視図である。
【図３】この発明の方法を説明するための概略的な工程図である。
【符号の説明】
【００３６】
１，１１…コンテナ、  ２，１２…ウイック。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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