JP2014092330A - フィン付きヒートパイプの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】パイプ中間体を立たせたままでロウ付けの熱処理を行うことのできるヒートパイプの製造方法を提供する。
【解決手段】パイプ本体３の外周面にフィン５をロウ付けにより接合する際に、パイプ本体３に対して複数のフィンを機械的に拘束する拘束治具１０を取り付けてロウ付け熱処理を行う。拘束治具１０は、軸線方向に沿って複数取り付けられるが、各々の拘束治具１０は、第１治具１１と第２治具１５からなり、第１治具１１は、内周面に第１テーパ面１２が形成されたリング状をなし、第２治具１５は、外周面に第１テーパ面１２に適合される第２テーパ面１６が形成されたリング状をなし、周方向の一部が切り欠かれている。拘束治具１０がフィン５を拘束する際には、第１テーパ面１２と第２テーパ面１６が接するように、第２治具を第１治具に嵌合させる。
【選択図】図３

Description

本発明は、周囲に放射状に配置されたフィンを備えるヒートパイプの製造方法に関する。

一般的に、ヒートパイプは、熱伝導性が高い材質からなるパイプ中に揮発性の液体（作動液）を、吸熱側に液相、放熱側に蒸気相が溜まる姿勢にして封入したものとして知られている。パイプ内の液相側を加熱し、もう一方を冷却することで、作動液の蒸発（潜熱の吸収）と作動液の凝縮（潜熱の放出）の間でサイクルが発生し熱を移動するものである（特許文献１）。
このヒートパイプは、熱伝導性が優れることが求められるため、例えば特許文献２に開示されるフィン付のヒートパイプを用いることが好ましい。このフィン付ヒートパイプは、フィンの幅（パイプ表面からの突出高さ）が大きい場合には、押出し法によって作製することができないため、ヒートパイプの外周面に軸線方向に沿って延びる帯状（または平板状）のフィンを複数枚接合して作製される。接合されたフィンは、ヒートパイプの軸心を基準にして放射状に配置される。また、フィンは、パイプおよびフィンの材質に応じて、ロウ付け、溶接などの方法によって接合される。

実用新案登録第１８２７４９５号公報 実開昭５８−７７２７８号公報

フィンをロウ付けによりパイプに接合するには、パイプとフィンの間に例えば箔状のロウ材を介在させ、かつパイプに対してフィンが移動できないように拘束してから、ロウ材を加熱炉にて加熱・溶融させる必要がある。
一方で、より多くのフィン付ヒートパイプを効率よく作製するためには、フィンが拘束されたパイプ（以下、パイプ中間体）をできるだけ多く加熱炉に投入する必要がある。この場合、加熱炉内にパイプ中間体を寝かせて置くことは、膨大な面積を占有するために、現実的ではない。寝かせたパイプ中間体を積み重ねれば、専有面積を小さくきるが、下の方に置かれたパイプ中間体は、それよりも上に置かれるパイプ中間体から荷重を受けるため、接合を適切に行えなくなるおそれがある。
本発明は、このような課題に基づいてなされたもので、パイプ中間体を立たせたままでロウ付けの熱処理を行うことのできるヒートパイプの製造方法を提供することを目的とする。

かかる目的のもとなされた、本発明は、パイプ本体の外周面に、パイプ本体の軸線方向に沿って延びるフィンをロウ付けにより接合する際に、パイプ本体に対して複数のフィンを機械的に拘束する拘束治具を取り付けるヒートパイプの製造方法に関する。
本発明において、拘束治具は、軸線方向に沿って複数取り付けられる。
各々の前記拘束治具は、第１治具と第２治具からなり、第１治具は、内周面に第１テーパ面が形成されたリング状をなし、第２治具は、外周面に第１テーパ面に適合される第２テーパ面が形成されたリング状をなし、周方向の一部が切り欠かれている。
拘束治具が複数の前記フィンを拘束する際には、第１テーパ面と第２テーパ面が接するように、第２治具を第１治具に嵌合させる。
本発明のヒートパイプの製造方法によると、複数の拘束治具でパイプ本体に対してフィンを拘束するので、パイプ本体とフィンとからなるパイプ中間体を、加熱炉の中に立たせた状態でロウ付けのための熱処理を行うことができる。また、複数の拘束治具で拘束するので、ロウ付け熱処理時にロウ材がパイプ本体とフィンの間から漏洩するのを防止できる。
また、本発明のヒートパイプの製造方法によると、拘束治具が第１テーパ面と第２テーパ面が接するように第２治具を第１治具に嵌合させるものであって、第２治具を軸線方向に移動させるだけで、拘束治具によりフィンを拘束できるので、拘束の作業が容易である。

本発明において、第２治具は、複数のフィンを拘束するときに、第１治具が嵌合される拘束部と、拘束部と一体的に形成され、複数のフィンを拘束するときを除いて、第１治具が保持される退避部と、を備え、拘束部は、その外周面に第２テーパ面が形成され、退避部は、拘束部に嵌合されている第１治具を取り外すときに力が加えられる操作片を備えることが好ましい。
詳しくは後述する第２実施形態において説明するが、第１治具と第２治具を一体的に取り扱うことができるとともに、拘束を解く作業が容易である。

本発明において、第１治具は、バイプ本体及びフィンを構成する材料よりも線膨張係数の小さい材料から構成されることが好ましい。ロウ付け熱処理時に、拘束が緩むのを防止するのに有効である。

本発明において、第２治具は、その内周側にフィンが挿入されることでフィンを保持する保持溝が形成されていることが好ましい。この保持溝にフィンを挿入、保持しておいて、これをパイプ本体に組み付けることができるので、拘束治具によりパイプ中間体を拘束する作業が簡便になる。

本発明において、複数の拘束治具を、パイプ本体の軸方向に沿って、支持梁で連結することが好ましい。支持梁で連結しておけば、複数の拘束治具を一度の操作でパイプ中間体に取り付けることができるので、パイプ中間体を拘束する作業が簡便になる。

本発明によれば、パイプ本体とフィンとからなるパイプ中間体を、加熱炉の中に立たせた状態でロウ付けのための熱処理を行うことができる。また、複数の拘束治具で拘束するので、ロウ付け熱処理時にロウ材がパイプ本体とフィンの間から漏洩するのを防止できる。さらに、第２治具を軸線方向に移動させるだけで、拘束治具によりフィンを拘束できるので、拘束の作業が容易である。

本実施の形態が適用されるヒートパイプを示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図である。 第１実施形態による拘束治具が装着されたヒートパイプを示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図である。 第１実施形態による拘束治具を示し、（ａ）は第１治具と第２治具を組み付けた状態を示し、（ｂ）は第１治具と第２治具を分離した状態を示す。 第１実施形態による拘束治具の平面図であり、（ａ）は第１治具を示し、（ｂ）は第２治具を示す。 第２実施形態による拘束治具を示し、（ａ）は第１治具と第２治具を組み付けた状態を示し、（ｂ）は第１治具と第２治具を分離した状態を示す。 第２実施形態による拘束治具の平面図を示し、（ａ）は第１治具を示し、（ｂ）は第２治具を示す。 第２実施形態による拘束治具を用いてヒートパイプを拘束し、また、拘束を解除する手順を示す図である。 本実施形態の変形例を示す図である。 連結梁で第２実施形態による拘束治具を連結した例を示し、（ａ）は拘束治具をヒートパイプに装着する前の状態を示し、（ｂ）は拘束治具をヒートパイプに装着した状態を示している。

以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
〔第１実施形態〕
はじめに、本実施形態が適用されるヒートパイプ１の構成について説明する。
ヒートパイプ１は、パイプ本体３とフィン５から構成され、例えば、揮発性の液体（作動液）を、吸熱側に液相、放熱側に蒸気相が溜まる姿勢にして封入されて使用される。ただし、本実施形態は、作動液が封入される前のフィン付のヒートパイプ１を、ロウ付けにより接合して製造する方法を提供する。

パイプ本体３は、両端が開口する中空円筒状の部材であり、耐食性に優れる例えばJIS SUS304などのステンレス鋼から構成される。ヒートパイプ１の用途にもよるが、パイプ本体３は、開口径が２００ｍｍ、長さが２０００ｍｍの長尺なものもある。
フィン５は、パイプ本体３の長さと同等の長さを有する帯状の部材からなり、熱伝導性に優れる例えば銅又は銅合金から構成される。この実施形態では、８枚のフィン５がパイプ本体３の周囲に放射状に接合されている。フィン５は、パイプ本体３との間に介在されるロウ材により接合される。そのために、パイプ本体３とフィン５の間にロウ材を介在させ、かつフィン５をパイプ本体３に対して拘束したままで、加熱炉に投入して、ロウ材を加熱溶融した後に、冷却凝固させる。

パイプ本体３とフィン５は、ロウ付けにより接合されるため、パイプ本体３の外周面であってフィン５が接合される接合面に予めロウ材を設けておくか、フィン５のパイプ本体３に対する接合面に予めロウ材を設けておく。このロウ材としては箔状のものを用い、加熱を伴うロウ付けの妨げとならない接着剤を用いてパイプ本体３またはフィン５に貼り付けておけばよい。本実施形態においてロウ材の材質は問わず、例えばJIS BAGに規定される銀ロウ材を用いるのが好ましい。銀ロウ材は、パイプ本体３を構成するステンレス鋼、および、フィン５を構成する銅または銅合金の両者に対して十分な接合強度を得ることができる。主成分により異なるが、銀ロウ材のろう付け（加熱）温度は、概ね７００〜９００℃の範囲にある。

本実施形態は、フィン５を拘束するために、図２に示すように、長手方向の３か所に拘束治具１０を装着したまま、加熱炉に立てて置くことができる。拘束治具１０は、外周側からフィン５を押圧することで、パイプ本体３に対してフィン５を拘束する。
拘束治具１０は、図３に示すように、第１治具１１と第２治具１５を組み合わせることで構成される。
図４（ａ）に示すように、第１治具１１はリング状の部材からなるが、内周は第１テーパ面１２とされている。図４（ｂ）に示すように、第２治具１５もリング状の部材からなり、外周が第２テーパ面１６とされている。第２治具１５は、また、周方向の一部に切欠き１８が形成されている、径方向の中心沿う力を受けると、縮径することができる。詳しくは後述するが。第２治具１５が縮径することにより、拘束治具１０はパイプ本体３に対してフィン５を拘束することができる。

第１治具１１と第２治具１５は、第１治具１１の内周空隙に第２治具１５が嵌合することで、拘束治具１０を構成する。したがって、第１テーパ面１２が形成される第１治具１１の内周の寸法（内径）と第２テーパ面１６が形成される第２治具１５の外周の寸法（外径）は、上記の嵌合ができるように設定される。ただし、第２治具１５が第１治具１１に嵌合されると、第２治具１５は縮径される。つまり、第２治具１５が自由状態では、第１治具１１の内径よりも第２治具１５の外径よりも大きい。そして、縮径された第２治具１５は、目的とする拘束が達成できるのに適した押圧力をフィン５に与える内径を実現する。第１治具１１の内周に第１テーパ面１２を形成し、また、第２治具１５の外周に第２テーパ面１６を形成するのは、嵌合時に第２治具１５を縮径させるためである。

ここでは第１治具１１と第２治具１５は、軸方向の寸法（厚さ）が同じ例を示したが、両者を嵌合することにより内側に配置される第２治具１５を縮径できる限り、高さは任意である。ただし、ロウ付けの熱処理が終了した後に第２治具１５を第１治具１１から抜き取ることを考慮すると、第１治具１１よりも第２治具１５を厚くすることが好ましい。この逆だと、第２治具１５が第１治具１１の中に入り込んでしまい、第２治具１５に接触すること自体が容易ではない。

パイプ中間体に拘束治具１０を装着する手順は任意であるが、例えば、パイプ本体３にフィン５を所定の接合位置に仮止めしてあるパイプ中間体に、第１治具１１と第２治具１５に分離された例えば３つの拘束治具１０をパイプ中間体の上方から挿通させる。その後、各々の拘束治具１０が配置されるべき位置において、第１治具１１と第２治具１５を嵌合させる。そうすると、パイプ中間体は、図２に示されるように。上部、中間、下部の３か所において、拘束治具１０によりフィン５をパイプ本体３に対して拘束することができる。なお、拘束する位置、拘束する数は任意であるが、ロウ付け熱処理の最中にフィン５がパイプ本体３の外表面（接合面）から浮き上がると、溶融したロウ材がパイプ本体３とフィン５の間から漏れ出してロウ付け不良を招く。

以上説明したように、本実施形態によると、パイプ本体３に対してフィン５を拘束できるため、ヒートパイプ（中間体）１を寝かせることなく縦置きにした状態でロウ付けのための熱処理を行える。したがって、本実施形態によると、加熱炉に投入し１度に熱処理できる本数が増え、１本当たりのエネルギーコストおよび加工コストの低減が図れる。また、１度に熱処理できる本数が増えるため、ヒートパイプ１の製造を短納期で行なうことができる。

ここで、ロウ付け熱処理時に拘束治具１０によるパイプ中間体の拘束が緩くなるのを避けるために、第１治具１１および第２治具１５の各々を構成する材質を選定することが好ましい。つまり、ロウ付け熱処理の温度域で、拘束治具１０の外側に配置される第１治具１１の熱膨張（線膨張係数）がパイプ本体３およびフィン５よりも小さければ、拘束治具１０による拘束が緩くなることはない。また、第２治具１５の熱膨張がパイプ本体３およびフィン５と同等にすればよい。これを実現するための、いくつかの具体例を下記しておく。なお、パイプ本体３をJIS SUS304、フィン５を銅（Cu）で作成したものとし、下記する線膨張係数αは、単位が［×１０^−６／℃］であり、測定温度範囲における平均値である。
第１治具１１、第２治具１５に関して下記した合金はあくまで一例であり、第１治具１１については、ロウ付け熱処理温度域における線膨張係数αが低いＮｉ基耐熱合金（（ａ），（ｂ）はマトリックス強化型，(ｃ)はγ'析出強化型Ｎｉ基耐熱合金）、あるいは例示していないが、Ｆｅ基耐熱合金から適宜選択できる。なお、また、第２治具１５については、一例のみを記載したが、パイプ本体３と同様のオーステナイト系ステンレス鋼から適宜選択すればよい。もちろん、パイプ本体３と同じオーステナイト系ステンレス鋼から第２治具１５を形成してもよい。
第１治具１１と第２治具１５の線膨張係数が上記の関係を有していれば、ロウ付け熱処理が終了した後に、第１治具１１から第２治具１５を取り外す作業が容易になる、という効果をも発揮する。

パイプ本体３（JIS SUS304） α＝１９．１（測定温度範囲 室温−１０００Ｋ）
フィン５（銅） α＝２２．４（測定温度範囲 室温−１０００Ｋ）
JIS SUS3304；オーステナイト系ステンレス鋼
第１治具１１
(ａ)Nimonic 90 α＝１５．６（測定温度範囲 室温−８００℃）
(ｂ)Hastelloy C α＝１５．４（測定温度範囲 室温−８００℃）
(ｃ)JIS NCF 600 α＝１６．１（測定温度範囲 室温−８００℃）
Nimonic；Special Metals Corporationの登録商標
Hastelloy；Haynes International,Incの登録商標

第２治具１５
(ｄ)JIS SUS316 α＝１９．４（測定温度範囲 室温−１０００Ｋ）
JIS SUS316；オーステナイト系ステンレス鋼

〔第２実施形態〕
次に、パイプ中間体に取り付け及び取り外す際の作業性を向上させた拘束治具２０を、図５〜図８を参照しながら、第２実施形態として説明する。なお、拘束治具２０の基本構成は拘束治具１０と同様であり、拘束治具１０（第１治具１１、第２治具１５）と同じ構成要素については、拘束治具１０と同じ符号を図５〜図８に付けるとともに、以下では、相違点を中心にして説明する。

拘束治具２０は、第１治具２１と第２治具２５からなる。
第１治具２１は、第１実施形態の第１治具１１と同じ部材であり、内周側に第１テーパ面２２が形成されている。
図５に示すように、第２治具２５は、拘束部２５１と、拘束部２５１に一体的に連なる退避部２５２と、を備えている。退避部２５２は、内周、外周ともに軸方向の径が等しく形成されている。拘束部２５１は、第２治具１５（第１実施形態）と構成が同じく形成されており、外周に第２テーパ面２６が形成されている。退避部２５２は、拘束部２５１の最も径が小さい部分から軸方向（図中上方）に延長されており、拘束部２５１と内径が一致する。

拘束治具２０は、第１治具２１と第２治具２５を組み合わせてパイプ中間体を拘束するが、拘束しないときでも、第１治具２１と第２治具２５を一体として扱うことができるようにしている。つまり、図５（ｂ）に示すように、拘束を行なわないときには、第１治具２１が第２治具２５の退避部２５２の周囲に配置される。なお、図５（ｂ）は退避部２５２の上記機能を明らかにするために、第１治具２１の全体が退避部２５２の周囲に配置された状態を示しているが、拘束を行なわないときに、第１治具２１が拘束部２５１と退避部２５２に跨って配置されることもある。図５（ｂ）および図６（ｂ）に示すように、第２治具２５は、退避部２５２の先端（拘束部２５１が連なる側と逆側）に、周方向に突出する操作片２７が取り付けられている。この操作片２７の機能は後述するが、図５（ａ）に示すように、第１治具２１を第２治具２５の退避部２５２に挿入した後に、操作片２７は退避部２５２の先端に溶接、その他の方法で固定される。こうして、第１治具２１と第２治具２５は、操作片２７を取り除かない限り分離することがないので、一体として取り扱われる。

次に、拘束治具２０を用いてパイプ中間体を拘束するには、図７（ａ）に示すように第１治具２１を第２治具２５の退避部２５２に退避させた状態で、パイプ中間体に挿通する。なお、図７はパイプ中間体の記載を省略している。
拘束治具２０を、パイプ中間体の拘束予定位置に位置決めしたならば、第１治具２１を移動することで、図７（ｂ）に示すように、第１治具２１を第２治具２５の拘束部２５１に嵌合させる。こうして拘束治具２０で拘束されたパイプ中間体を加熱炉に投入して、ロウ付け熱処理を行う。
ロウ付けが終了し、拘束治具２０で拘束されたパイプ中間体を加熱炉から取り出した後に、拘束治具２０をヒートパイプ１から取り外す。このとき、操作片２７が機能する。つまり、図７（ｃ）に示すように、矢印で示すように操作片２７に下向きに力を加える（叩く、押すなど）ことで、第１治具２１を第２治具２５の退避部２５２に向けて位置をずらすことで、第１治具２１と第２治具２５の嵌合が解かれるので、拘束治具２０をヒートパイプ１から容易に取り外すことができる。なお、この作業を行なう際には、第１治具２１の位置を固定しておくと、第１治具２１と第２治具２５の嵌合を解く上で好ましい。また、嵌合を解いた後でも、第１治具２１は、第２治具２５の操作片２７があるため、第２治具２５から分離することがないので、この後も両者を一体で取り扱うことができるし、一方を誤って紛失することもない。

以上、本発明を第１実施形態、第２実施形態に基づいて説明したが、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することができる。
例えば、図８に示すように、拘束治具１０の第２治具１５の内周側に保持溝１７を形成しておき、この保持溝１７にフィン５を挿入、保持しておいて、これをパイプ本体３に組み付けることができる。そうすれば、拘束治具１０によりパイプ中間体を拘束する作業が簡便になる。これは、拘束治具２０についても同様である。

また、図９に示すように、複数（ここでは３つ）の拘束治具２０を、支持梁２８で連結しておけば、複数の拘束治具２０（簡略化して図示している）を一度の操作でパイプ中間体に取り付けることができるので、パイプ中間体を拘束する作業が簡便になる。

１ ヒートパイプ
３ パイプ本体
５ フィン
１０，２０ 拘束治具
１１，２１ 第１治具
１２，２２ 第１テーパ面
１５，２５ 第２治具
１６，２６ 第２テーパ面
２５１ 拘束部
２５２ 退避部
１７ 保持溝
１８ 切欠き
２７ 操作片
２８ 支持梁

Claims (5)

1. パイプ本体の外周面に、前記パイプ本体の軸線方向に沿って延びるフィンをロウ付けにより接合する際に、前記パイプ本体に対して複数の前記フィンを機械的に拘束する拘束治具を取り付けるヒートパイプの製造方法であって、
   前記拘束治具は、前記軸線方向に沿って複数取り付けられ、
   各々の前記拘束治具は、
   内周面に第１テーパ面が形成されたリング状の第１治具と、
   外周面に前記第１テーパ面に適合される第２テーパ面が形成されたリング状をなし、周方向の一部が切り欠かれた第２治具とからなり、
   前記第１テーパ面と前記テーパ面が接するように、第２治具を第１治具に嵌合させることで複数の前記フィンを拘束する、
   ことを特徴とするヒートパイプの製造方法。
2. 前記第２治具は、
   複数の前記フィンを拘束するときに、第１治具が嵌合される拘束部と、
   前記拘束部と一体的に形成され、複数の前記フィンを拘束するときを除いて、第１治具が保持される退避部と、を備え、
   前記拘束部は、その外周面に前記第２テーパ面が形成され、
   前記退避部は、前記拘束部に嵌合されている前記第１治具を取り外すときに力が加えられる操作片を備える、
   請求項１に記載のヒートパイプの製造方法。
3. 前記第１治具は、前記パイプ本体及び前記フィンを構成する材料よりも線膨張係数の小さい材料から構成される、
   請求項１または２に記載のヒートパイプの製造方法。
4. 前記第２治具は、その内周側に前記フィンが挿入されることで前記フィンを保持する保持溝が形成されている、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載のヒートパイプの製造方法。
5. 複数の前記拘束治具が、前記パイプ本体の軸方向に沿って、支持梁で連結されている、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載のヒートパイプの製造方法。

Images