CN100501297C - 热管式换热器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种热管式换热器及其制造方法，它能减轻加热扩管方式的温度管理上的负担，并提高生产率，其结果，可低成本核算地制造热管式换热器。本发明的热管式换热器(1)，其具备：具有容器内封装有预定量的工作液(2a)并可以塑性变形的密闭容器(2A)的热管(2)和具有用于与热管(2)连接的管保持部孔(3A、4A)，并通过加热扩管方式安装热管(2)的热块(3)和/或散热片(4)，其特征是，密闭容器(2A)由其横断面形状具有除正圆外的形状的轮廓的管体形成，管保持部孔(3A、4A)同样也由开口面形状具有除正圆外的形状的轮廓的开口孔形成。

Description

热管式换热器及其制造方法
技术领域
本发明涉及将传热部件配置在热管周围而构成的热管式换热器及其制造方法。
背景技术
热管式换热器中公知的有具备例如：具有在正圆筒体内密封有工作液的密封容器的热管和安装成容易地进行与该热管的热交换的传热部件(例如，散热片和/或热块)的换热器。
这样的热管式换热器，由于具有热管本身的构造比较简单和能以小的温度差进行大量的热移动之类的优点，因而，作为热扩散器被广泛地利用于各种领域。
过去，在这种热管式换热器中，作为将传热部件安装在热管周围的方法虽然采用了种种方法(压入方式，机械扩管方式、充填方式、加热扩管方式)，但加热扩管方式与其它方式相比是可以提高制造生产率和减小制造设备体积的优良方法(例如，参照专利文献1—日本特许第2541056号公报(0007段)。
所谓加热扩管方式是将具有内径比热管外径大一些的管保持孔制成传热部件(例如热块和/或散热片)，随后，在将热管(密闭容器)配置在该管保持孔中后，加热该热管，借助于容器内的工作液的蒸汽压(内压)而使热管(密闭容器)塑性变形，从而使热管与传热部件贴紧、连接的方式。下面，在本申请的说明书中，所谓“管保持孔”就是指用于使热管和传热部件(热块或散热片等)紧贴、连接的孔。
在使用加热扩管方式将传热部件安装在热管上的情况下，由于热管的外周面和管保持孔的内周面之间的间隙(空隙)越小，为连接所需要的热管的塑性变形量越小，因而可以降低加热温度。但是，当考虑热管外径及管保持孔内径所要求的加工精度(加工公差)及制造(组装)生产率时，通常将径向的设计尺寸差设定为0.5mm左右(直径之差)。
另一方面，在加热扩管方式中，当然，热管的加热温度必须设定在不超过热管的破裂温度。例如，对于铜制的热管，设管的外径为9.52mm、管壁厚为0.34mm、管的有效长度为1000mm，则以水作为工作液时的加热温度T与压力P的关系以及加热温度T与外径增大量△D的关系示于图5。如图5所表明的，热管内的工作液(水)相对加热温度T的饱和蒸汽压P1的曲线与热管(铜管)相对加热温度T的破裂压力(破坏压力)P2的曲线相交的点即为该热管的破裂温度(图5中，约为304℃)。
根据以上所述，在图5所示的例子中，当设热管的外周面与管保持孔的内周面的间隙为0.5mm时，该热管的加热温度T有必要定在将极限温度(破裂温度)降低一些的300℃附近(T≒299℃)，并在该温度保持一定时间。此时，热管的内压约为8.5MPa(约85kgf/cm2)。
上述的热管按照如下方法进行制造：预先对内周面设有沟槽及管芯(容易使工作液回流用的毛细管构造)的由正圆管构成的形成热管用的管体两端的开口部进行缩径加工等，接着，将进行了该缩径加工等的管体的一端开口部进行焊接做成热管容器后，在该热管容器内注入预定量的工作液，然后通过铆接或焊接封闭(密封)该注入口(另一端开口部)。在这样制得的热管中，在通过加热使其内压上升的情况下，正圆的热管的直管部分对内压具有最高的机械强度。与此相反，热管的两端部分由于具有铆接或焊接部位等而成为非圆形状(非球体曲面)，在结构上成为其机械强度最低的部分。
另外，在加热扩管方式中，当把热管(密闭容器)配置在传热部件的管保持孔中进行加热时，虽然由管内压(工作液的蒸汽压)使热管塑性变形，但这时，热管的直管部分与管保持孔的内表面紧贴而受到保护(由于相互紧贴，向该方向的塑性变形不会进行到超过这种程度)。与此相反，热管的端部仍处于暴露在大气中的状态，由于在结构上为其机械强度最低的部分，因而担心塑性变形的进行将带来破坏(破裂)。
这样，对于采用加热扩管方式的热管式换热器的制造来说，由于在理论上的破坏极限附近的温度使热管产生塑性变形从而与传热部件紧贴，因而热管的外表面和管保持孔的内表面之间的间隙以及对热管的加热温度的设定都非常重要。另外，若考虑到加热时的实际温度的误差等，实际的作业要求在极为严格(波动的允许值小)的条件下进行。
因此，希望出现能缓和对作业条件要求的热管式换热器的制造方法。
如上所述，若采用现有(专利文献1)的热管式换热器的制造方法，则是通过将具有配置在带有正圆的开口面的管保持孔中的正圆轮廓的断面形状的密闭容器(热管)进行加热，借助于由容器内的工作液的蒸汽压产生的热膨胀力使其产生塑性变形，从而将传热部件安装到热管上。因此，必须在确保热管的塑性变形量的同时，将加热温度控制在比极限温度(破裂温度)低一些的温度来进行热管的加热，因而存在温度管理上的负担加重的问题。
并且，在极限温度附近的温度加热热管，对热管的热负荷和压力负荷都很大，因此，存在残次品的发生率增高，生产率(成品率)降低之类的问题。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种热管式换热器及其制造方法，它能减轻温度管理上的负担，并提高生产率。
(1).为了达到上述目的，本发明的热管式换热器，其具备：具有容器内封装有预定量的工作液并可以塑性变形的密闭容器的热管和具有用于与上述热管连接的管保持部并通过加热扩管方式安装上述热管的传热构件，其特征是，上述热管由其横断面形状具有除正圆外的形状的轮廓的管体形成。
(2).为了达到上述目的，本发明的热管式换热器的制造方法，是制造具备：具有容器内封装有预定量的工作液并由可塑性变形的管体构成的密闭容器的热管和具有用于与上述热管连接的管保持部并通过加热扩管方式安装上述热管的传热构件的热管式换热器的制造方法，其特征是，包含将上述热管的横断面的轮廓形状做成除正圆的形状的工序。
若采用本发明，在热管式换热器的制造中，可以减轻温度管理上的负担，并提高生产率，其结果，可以提供低成本的热管式换热器。
附图说明
图1(a)和图1(b)分别是用于说明本发明的实施例1的热管式换热器所示的纵断面图和沿其A—A线的断面图。
图2(a)—图2(c)是用于说明本发明的实施例1的热管式换热器的制造方法所示的断面图。
图3是用于对实施本发明的实施例1的热管式换热器的制造方法时的加热温度进行说明所示的曲线图(加热温度T与压力P的关系以及加热温度T与外径增大量△D的关系)。
图4是用于说明本发明的实施例2的热管式换热器所示的断面图。
图5是用于对实施现有的热管式换热器的制造方法时的加热温度进行说明所示的曲线图(加热温度T与压力P的关系以及加热温度T与外径增大量△D的关系)。
具体实施方式
实施例1
图1是说明本发明的实施例1的热管式换热器的图。图1(a)是纵断面，图1(b)是沿其A—A线的断面图。此外，图1(b)以下只表示热管的轮廓。
首先，说明换热器的总体结构。
图1(a)、图1(b)中，标号1所示的热管式换热器包括：接收从热交换对象产生的热的热块(传热部件)3，与该热块3接触并传递热的热管2和将从该热管2传递的热散发到大气中的多个散热片(传热部件)4。根据换热器的用途(使用方法)，也有只将热块3或散热片4任意一方连接到热管2上的情况(未图示)。
其次，说明热管2的结构。
热管2具有容器内封装有预定量的工作液2a的密闭容器2A，密闭容器2A整体由可塑性变形的金属容器制成。在本实施例中，如图1(b)所示，密闭容器2A由具有正方形轮廓的横断面形状的管体构成。作为热管2的材料，可以使用铜或铜合金、铝或铝合金、钛或钛合金及不锈钢等金属。工作液2a可以使用水、氟碳致冷剂、氨等。此外，图1(b)以实线所示的热管2是塑性变形后的热管，塑性变形前的热管2在图1(b)中以双点划线表示。
接着说明热块3的结构。
热块3在图1(a)中为具有在横向(宽度方向)并列而在纵向(高度方向)开口的多个(在图1(a)中只图示了一个)管保持孔3A的金属制的方块，借助于加热扩管方式与热管2连接。作为热块3的材料，可以使用导热性高的铜或铜合金、铝或铝合金等。在本实施例中，如图1(b)所示，管保持孔3A由具有正方形轮廓的开口面形状的开口孔形成。虽然没有特别地图示，但开口孔的形状(轮廓)可以是在多角形的角部具有倒角(去除角部)或曲率(所谓R)的形状。另外，形成管保持孔3A的方法虽没有特别地限定，但可以采用具有管保持孔3A的方块的挤压加工，组装分割的方块等形成方法(组合具有凹槽的方块以形成管保持孔的方法)。
最后，说明散热片4的结构。
散热片4分别在管长度方向并列地配置，并且通过加热扩管方式利用各自的安装板部件形成在热管2的周围。作为散热片4的材料，可以使用铜或铜合金、铝或铝合金等金属。在散热片4上设有用于配置热管2(密闭容器2A)的管保持孔4A。本实施例中，如图1(b)所示，管保持孔4A由具有正方形轮廓的开口面形状的开口孔形成。虽未特别地图示，但开口孔的形状(轮廓)可以是在多角形的角部具有倒角(去除角部)或曲率(所谓R)的形状。此处，在散热片4的板厚较薄，担心散热片4因加热扩管的应力而变形的情况下，最好一体地设置用于将热管2和散热片4连接到管保持孔4A的开口周边的环状的安装片4B。总之，在散热片4的机械强度足够的情况下，对此没有限制。
本实施例中，虽对分别使用单独的板部件形成散热片4的情况进行了说明，但也可以将用于保持热管2(密闭容器2A)的形成翅片用的板部件分割成二个翅片零件(第一传热构件和第二传热构件)或三个以上来形成。
下面，用图2(a)—图2(c)来说明本发明的实施例1的热管式换热器的制造方法。
首先，概括地说明热管式换热器的制造方法。
图2是说明本发明的实施例1的热管式换热器的制造方法的断面图。图2(a)是表示塑性变形前的热管轮廓的断面图。图2(b)是表示将塑性变形前的热管配置在传热构件的管保持孔中的状态的断面图。图2(c)是表示已连接在传热构件的管保持孔中的塑性变形后(加热扩管后)的热管的断面图。
本实施例的热管式换热器的制造方法，为了依次实施“热管的形成”及“热管的配置”、“热管的加热”等各工序，依次对各工序进行说明。
另外，由于利用本发明的制造方法可以得到上述的热管式换热器1，因而，对于与图1(a)及图1(b)相同的部件使用相同的标号并参照图2说明各工序。
首先，说明热管的形成。
形成具有除正圆外的形状的轮廓的断面形状(本实施例中，如图2(a)所示，为正方形)的具有封装有工作液的密闭容器2’A的热管2’。这时，既可以在使用正圆管形成热管后，对该热管进行成形加工使其成为具有除正圆形轮廓的断面形状，也可以使用具有除正圆外的形状轮廓的断面形状的管体来形成热管。其结果，只要能得到所要求的形状而不管其制作顺序(制造方法)。
其次，说明热管的配置。
如图2(b)所示，形成具有带有正方形轮廓的开口面形状的管保持孔3A或4A的热块3或散热片4(图2(b)中总共只图示3一个孔)。这时，管保持孔3A、4A的孔尺寸(开口面的纵横尺寸)最好设定为其尺寸比热管2’(密闭容器2A)的外形尺寸(一边的长度)大一些(尺寸大0.5mm左右)。随后，将热管2’配置在热块3的管保持孔3A和/或散热片4的管保持孔4A中。
接着，说明热管的加热。
通过将热管2’(密闭容器2’A)的一部分或全部在规定的温度加热预定的时间，从而使热管2’产生塑性变形。这时，当对热管2’进行加热时，由于密闭容器2’A内的工作液2a被加热，热管2’由于该工作液2A的蒸汽压产生的热膨胀力而产生塑性变形，热管2’与热块3和/或散热器4紧贴并连接。
这样一来，便可以制得热管式换热器1。
下面，对本实施例(热管式换热器的制造方法)的热管的加热温度T进行讨论。
一般，管的破坏(破裂)压力可以用(1)式所示的所谓圆周应力的公式求出。
Pc＝(2×σ×t)/D       (1)
式中：Pc：破坏压力(MPa)
      σ：管的抗拉强度(N/mm2)
t：管的壁厚(mm)
D：管的外径(mm)
实际上，管在破坏之前由于扩管使管的壁厚t减小并使管的直径D增加，因而，破坏压力Pc的值比(1)式小。
例如，在铜制的热管(外径为9.52mm，壁厚为0.34mm)的情况下，300℃的破坏压力Pc虽由(1)式求得约为9.5MPa，但为了使该热管在直径上产生0.5mm的塑性变形，则需要约8.5MPa的内压，由此可知需要将内压提高到破坏压力附近。由于这样高的内压，则担心在上述机械强度低的热管端部产生破坏，就可以认为是成品率很低的主要原因。
另一方面，当把热管断面形状的轮廓作成例如正方形的情况下，各边的变形可作为“梁的弯曲”来计算，其弯曲量可由(2)式求出。
v＝{(W×L4)/24EL}×{(r/2)-(2r3/L3)+(r4/L4)}
＝5WL4/384EI              (2)
其中：v：弯曲量(mm)
      W：应力(N/mm2)
      L：边的长度(mm)
      E：杨氏模量(N/mm2)
      r：L/2(mm)
      I：断面惯性矩(mm4)
此处，对于使与上述同样的铜制热管(外径为9.52mm，壁厚为0.34mm)变形为断面形状轮廓为正方形的管体的情况，由(2)式算出边的弯曲量。当做成断面形状为具有与外径为9.52mm的周长相同的周长的正方形轮廓的热管2’时，其一边的长度则约为7.5mm。这相当于只在横断面方向对正圆管进行了塑性加工，而在纵向(长度方向)没有产生延伸的情况。为了使该热管2紧贴在热块3的管保持孔3A和/或散热片4的管保持孔4A的内周面上，将热管2’的外周面与管保持孔(3A或4A)的内周面之间的尺寸差设定为0.5mm(热管的断面为正方形的各边与管保持孔(3A或4A)的内周面之间的间隙单侧为0.25mm)。
在上述的设定条件中，为了使热管2’的外周面与管保持孔(3A或4A)的内周面紧贴，只要热管2’膨胀使其断面正方形的四边分别产生0.25mm以上的弯曲(伸长)即可(作为各边的中央在约3.5mm的位置)。这时，该弯曲(0.25mm以上的弯曲量)产生的应力W根据(2)式约为3.5MPa。
另外，为了使热管2产生将上述弯曲(伸长)作为永久应变的塑性变形，相对于初始的边长度虽然有必要延伸5％以上，但在上述的例子中，由于产生了约7％的延伸，该条件得到了充分的满足。
根据以上所述，在使用从外径为9.52mm的正圆管的铜制热管变形为多角形管的热管2’(在上述例子中，为具有正方形状轮廓的断面形状的热管)，利用加热扩管方式制造热管式换热器1的情况下，可以将加热温度T从现有的(使用了外径为9.52mm的正圆管的热管的情况)T≒300℃降低到较低的T≒240245℃。这种情况正如图3的曲线所示(热管内的饱和蒸汽压P1达到约3.5MPa的加热温度T为T≒240—245℃)。
根据以上说明的实施例1，可以得到如下所述的效果。
(1)在对具有配置在带有正方形状轮廓的开口面形状的管保持孔3A、4A中的正方形状轮廓的断面形状的密闭容器2’A(热管2’)进行加热，借助于容器内的工作液的蒸汽压产生的热膨胀力使其塑性变形，并将热块3和/或散热片4安装到热管2’上的情况下，可以在远未达到热管的极限温度(破裂温度)的240℃附近的温度对热管2’进行加热而得到热管式换热器1，可以减轻在温度管理上的负担。
(2)为了得到热管式换热器1，由于可以在比破裂温度低得多的温度附近的温度加热热管2’，因而可以减轻对热管的热负荷及压力负荷。这样，可以减小残次品的发生率，并提高生产率，其结果，可以提供低成本的热管式换热器。
实施例2
图4是说明本发明的实施例2的热管式换热器的断面图。
如图4所示，实施例2所示的热管式换热器21的特征在于，热管22的断面形状及热块23和/或散热片24的管保持孔23A、24A(图4中总共只图示了一个)的开口形状与实施例1不同。
图4中，以实线所示的热管22是塑性变形后的热管，塑性变形前的热管22’在图4中以双点划线表示。
热管22’通过对正圆管进行扁平加工，由具有带有长方形状(在长方形的角部或短边部分具有曲率(所谓R))轮廓的断面形状的密闭容器22A的管体形成。另外，在热块23和/或散热片24上设有具有长方形的开口面的管保持孔23A、24A。图4中，管保持孔23A、24A的开口尺寸设定为长方形的短边尺寸比塑性变形前的密闭容器22’A的断面形状的尺寸大一些(0.5mm左右)，长方形的长边尺寸设定为比塑性变形前的密闭容器22’A的断面形状的尺寸足够大(1.5倍左右)。
此外，虽然对本实施例中的密闭容器22’A的断面形状和管保持孔23A、24A的开口面形状不相似的情况进行了说明，但并不限定于此，也可以与实施例1同样为相似形。另外，无论在哪个实施例中，不管是否是相似形，虽然都希望密闭容器的断面形状与管保持孔的开口面形状是同类形状，但也可以是不同的形状。例如，在密闭容器的断面形状为正方形的情况下，管保持孔的开口面形状也可以是六角形状。
这样的热管式换热器21的制造可以与实施例1所示的场合同样地实施。即，在热块23和/或散热片24上形成具有内周尺寸比热管22’(图4中以双点划线表示)的外周尺寸大的管保持孔23A、24A，随后将热管22’的密闭容器22’A(图4中的双点划线表示)配置在该管保持孔23A、24A中之后，通过加热该密闭容器22’A所产生的热膨胀使其产生塑性变形，从而使热管22(图4中以实线表示)与热块23和散热片24紧贴并连接。
根据以上说明的实施例2，可以得到与实施例1同样的效果。
以上，虽然根据上述各实施例说明了本发明的热管式换热器，但本发明并不受上述各实施例的限定，在不超出本发明的宗旨的范围内可进行各种实施，例如，可以有如下所示的各种变形。
(1)虽然对实施例1中的密闭容器2A的断面形状及管保持孔3A、4A的开口面形状为正方形状的情况，并对实施例2中密闭容器22A的断面形状及管保持孔23A、24A的开口面形状为长方形状的情况进行了说明，但本发明不受这些限定，密闭容器的断面形状(轮廓形状)及管保持孔的开口面形状也可以做成其它的多角形或椭圆形、跑道形状等。要点在于，本发明只要由具有除正圆外的形状的轮廓的断面形状的管体形成热管(密闭容器)，由具有相同的除正圆外的形状的轮廓的开口面形状的开口孔形成保持孔即可。
(2)在塑性变形后的热管2、22的外周面和管保持孔3A、4A及管保持孔23A、24A之间(管保持孔的角部)所形成的空隙中最好充填软钎料或传热性粘结剂、传热脂。另外，也可以在热管2、22的外周面和管保持孔3A、4A及管保持孔23A、24A之间介入镀软钎料材料、镀锡材料或软金属(比热管、散热片及热块软的金属)。这样，可以降低热管2、22和热块3、23及散热片4、24之间的接触传热阻力。
(3)在实施例1及实施例2中，虽然做成管保持孔3A、4A，但作为管保持部也可以不是孔，而是狭缝形状(凹槽形状)。这样，具有容易进行热管2、22的配置等优点。

Claims (3)

1.一种热管式换热器，其具备：具有容器内封装有预定量的工作液并可以塑性变形的密闭容器的热管和具有用于与所述热管连接的管保持部并通过加热扩管方式安装所述热管的传热构件，其特征在于：
所述热管由其横断面形状为正方形的管体形成，所述管保持部的开口孔的形状为四边大致相等的方形，所述热管和所述开口孔是以四个面接触的。
2.根据权利要求1所述的热管式换热器，其特征在于：
在所述管保持部的内周面与所述热管的外周面之间夹有传热物质。
3.一种热管式换热器的制造方法，是制造具备：具有容器内封装有预定量的工作液并由可塑性变形的管体构成的密闭容器的热管和具有用于与所述热管连接的管保持部并通过加热扩管方式安装所述热管的传热构件的热管式换热器的制造方法，其特征在于：
包含将所述热管的横断面的轮廓形状做成正方形的形状的工序，将所述管保持部的开口孔的形状做成四边大致相等的方形的工序，所述热管和所述开口孔是以四个面接触的。
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