JP5844843B2 - 扁平型ヒートパイプの製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、コンテナの内部に封入された作動流体の潜熱によって熱を輸送するように構成されたヒートパイプに関し、特に、作動流体を蒸発部に還流させる毛細管力を発生させるためのウイックが前記コンテナの内部に設けられ、しかも全体として扁平形状に構成された扁平型ヒートパイプの製造方法に関するものである。

この種の扁平型ヒートパイプの一例が特許文献１に記載されている。その扁平型ヒートパイプは、扁平状の第１パイプの内部に、ウイックとして機能する扁平状の第２パイプを配置して構成されている。その第２パイプはメッシュあるいは編組線によって形成されている。また、特許文献２には、凹部を溝状に形成した板材が扁平状のパイプの内部に配置され、かつ、前記凹部に細線束によって構成されるウイックが保持された扁平型ヒートパイプが記載されている。さらに、特許文献３には、コイルばねなどの螺旋状の部材によって細線同士を結束して構成されるウイックが、扁平状のコンテナの内部に配置された扁平型ヒートパイプが記載されている。

特開平１１−１８３０６９号公報 特開２０００−７４５７９号公報 特開２００４−５３１８６号公報

特許文献１に記載された構成では、メッシュや編組線をウイックとして使用しているため、液相作動流体の還流路が滑らかに連続したものにはならない。そのため、液相作動流体の流動抵抗が大きくなってしまい、還流特性を向上させるには不利になる。一方、特許文献２や特許文献３に記載された構成では、前記板材やコイルばねによって細線を束ねてウイックを形成しているため、細線同士の間の隙間すなわち還流路が細線の長手方向に滑らかに連続したものになる。そのため、液相作動流体の流動抵抗が小さくなり、また、前記隙間が小さいことにより大きい毛細管力を得ることができるので、還流特性を向上させる場合に有利になる。しかしながら、特許文献２や特許文献３に記載された構成では、パイプを曲げたり潰したりすることに伴って板材やコイルばねが変形すると、細線同士の隙間が変化したり、細線の長手方向におけるいずれかの部分で細線がばらけたりする可能性がある。その結果、液相作動流体の還流が阻害されて還流特性が悪化する可能性がある。

この発明は上記の技術的課題に着目してなされたものであり、曲げなどの変形を生じさせても還流特性に優れる扁平型の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。

上記の目的を達成するために、この発明は、扁平状のコンテナの内部に加熱されて蒸発し放熱して凝縮する作動流体と、液相の作動流体を蒸発する位置に還流させる毛細管力を生じるウイックとが封入されている扁平型ヒートパイプの製造方法において、前記ウイックは、複数の細線を束ねた細線束によって形成され、前記ウイックの外周側に、編組機によって他の細線を編んでチューブ状でかつ両端部を互いに離間するように引っ張ることにより外径が小さくなる編組体を構成する第１工程と、前記ウイックをその内部に保持した前記編組体の各端部を離間するように引っ張って前記編組体の外径を小さくすることにより前記ウイックを構成している前記細線同士を密着させた状態に保持する第２工程と、その後に、前記ウイックを保持する前記編組体と前記コンテナとが接した部分のうち、いずれかの部分を焼結して固定する第３工程とを備えることを特徴とする製造方法である。

この発明の製造方法によれば、細線束からなるウイックの外周側で他の細線を、変速機によって、チューブ状に編んで編組体を形成するから、ウイックを製造する作業やウイックをコンテナの内部に保持させる作業が容易になる。編組体の内部にウイックを配置した状態でその編組体の両端部を軸線方向に引っ張って編組体の外径を小さくすることにより、ウイックを構成している細線同士がその長手方向の全長に亘って密着させることができる。つまり、編組体はウイックの長手方向の全長に亘って緊縛して細線同士を密着させる。また細線束の端部で生じるメニスカスでの実効毛細管半径が小さくなり、液相の作動流体を還流させるための大きい毛細管力を得ることができる。これに加えて細線同士の間に滑らかに連続した還流路が形成されるので、作動流体の流動抵抗が小さくなる。また、そのウイックは編組体を介してコンテナの内面に固定される。その固定は、ウイックをコンテナの内部に挿入した状態で焼結して行うため、製造性が良好である。それらの結果、熱輸送特性に優れたヒートパイプを容易に得ることができる。また、この発明の製造方法によって製造された扁平型ヒートパイプを曲げたり潰したりした場合には、編組体による緊縛力により、細線同士の間の空隙の大きさが変化することを抑制できる。つまり曲げや潰しなどの変形を与えた場合であっても、液相作動流体の還流路を確実に確保し、またその連続性を維持できる。上記の編組体は、他の細線を編んで構成されており、その他の細線同士の間の隙間や網目構造によって毛細管力が生じ、その毛細管力によってコンテナ内の液相作動流体を保持することができる。その編組体はウイックの外周面に接しているため、前記保持した液相作動流体をウイックの円周方向に分散することができる。それらの結果、還流特性が良好になってヒートパイプ全体としての熱輸送特性が向上する。

また、この発明では、上述したように、編組体によって各細線を密着した状態に保持できるため、ウイックをカーボンファイバーの細線束によって構成することができる。この場合、作動流体に対するいわゆる濡れ性が良好になる。そのため、液相作動流体の流動抵抗が低減してすなわち還流が滑らかになって還流特性が向上する。上記のウイックは、編組体を構成している他の細線よりも細い細線によって構成されておりかつ密に接触されているため、ウイックの毛細管力は、編組体の毛細管力よりも大きい。そのため、編組体からウイックに供給された液相作動流体は、その大きい毛細管力によって蒸発する位置に確実に還流される。さらに、上記の編組体がコンテナに固定される。その固定は焼結によって行うため、その作業が容易であることにより製造性を向上できる。また、そのコンテナを変形させた場合には、編組体がコンテナの幅方向に移動してその編組体に沿った蒸気流路を塞ぐことを抑制できる。さらに、上記のカーボンファイバーなどのように、焼結によってコンテナに直接固定できない細線を用いて構成されるウイックであっても、編組体を介してコンテナ内に固定できる。

この発明に係る製造方法によって製造される扁平型ヒートパイプの一例を示す図であって、（ａ）は軸線方向に直交する断面図であり、（ｂ）は軸線方向に沿う断面図である。 この発明における編組体の一例を示す図である。 この発明におけるウイックの外周側に編組体を形成している状態を示す図である。 この発明の製造方法による扁平型ヒートパイプの製造過程を示す図であって、（ａ）は中間品である丸形ヒートパイプの軸線方向に直交する断面図であり、（ｂ）は中間品である丸形ヒートパイプの軸線方向に沿う断面図である。

つぎにこの発明を具体的に説明する。図１は、この発明に係る製造方法によって製造される扁平型ヒートパイプの一例を示す図であって、（ａ）は軸線方向に直交する断面図であり、（ｂ）は軸線方向に沿う断面図である。扁平型ヒートパイプ１の基本的な構成は、従来知られている通りであり、その構成を簡単に説明すると、図１の（ｂ）に示すように、扁平型ヒートパイプ１は気密状態に密閉された所定長さのコンテナ２の内部に、空気などの非凝縮ガスを脱気した状態で作動流体が封入されて構成されている。そのコンテナ２は、ここに示す例では、扁平状に形成されている。上記のコンテナ２は、要は、気密性のある中空の容器であり、またその内部と外部との間で熱を伝達する必要があるので、熱伝導性を有する素材で構成されていることが好ましく、例えば銅管を使用することが好ましい。作動流体としては、水やアルコール、アンモニア、代替フロンなどの目的とする温度範囲で蒸発および凝縮する凝縮性の流体が使用される。なお、コンテナ２の内面に、作動流体の流路となり、また毛管現象を生じる幅の狭い溝を形成してもよい。

上記構成の扁平型ヒートパイプ１では、コンテナ２の一部に熱を加え、かつ他の一部を冷却すると、作動流体が加熱されて蒸発し、その蒸気が温度および圧力の低い箇所に向けて流動し、その後、放熱して凝縮する。上記の加熱部分が扁平型ヒートパイプ１の蒸発部となり、冷却部分が扁平型ヒートパイプ１の凝縮部となっている。ここに示す例では、図１の（ｂ）での左側のコンテナ２の端部が蒸発部３とされ、これとは反対側の端部が凝縮部４とされている。また、上記のコンテナ２の内部に、作動流体の流路となり、また毛細管力を発生するウイック５が設けられており、そのウイック５を介して凝縮した作動流体が凝縮部４から蒸発部３に還流される。

上記のウイック５は、図１の（ａ）に示すように、多数の細線６を束ねた細線束によって構成されている。それらの細線６は撚られておらず、チューブ状の編組体７の内部に密着した状態で保持されている。各細線６同士の間の隙間が作動流体の還流路８となっている。また各細線６は、カーボンファイバーやガラスファイバーなど、コンテナ２の内部に封入される作動流体との濡れ性が優れているものであることが好ましい。なお、ウイック５を構成している細線６は、以下に説明する編組体７を構成している他の細線と同じ太さもしくは他の細線よりも細い。そのため、ウイック５は、編組体７の毛細管力よりも大きい毛細管力を生じ、もしくは、編組体７で生じる毛細管力と同じ大きさの毛細管力を生じる。また、ウイック５の断面積と編組体７の断面積とを合わせた面積のうち、５０％以上がウイック５の断面積となるように、編組体７内にウイック５が配置されている。こうすることにより、液相作動流体の還流を主としてウイック５によって行うように構成されている。

上記の編組体７は、図１の（ａ）に示す例では、コンテナ２の下面に焼結して固定されている。そのため、編組体７とコンテナ２の上面との間、および、編組体７とコンテナ２の幅方向での両側面との間に隙間が形成されており、それらの隙間が作動流体蒸気の流路である蒸気流路９となっている。つまり編組体７に沿って蒸気流路９が形成されている。図２は、編組体の一例を示す図であって、この図２に示すように、編組体７は、細線６よりも太い複数の他の細線を撚り合わせた撚り線１０を交差するようにかつチューブ状に編まれて構成されている。そのため、前記他の細線同士は互いに密着しており、それらの隙間に作動流体が浸透する。また編組体７の網目構造に作動流体が浸透する。前記他の細線は、上述したコンテナ２を構成している金属材料と同じ金属材料によって形成されていることが好ましい。これは、編組体７をコンテナ２に焼結して固定するためであり、コンテナ２として銅管を使用する場合には、前記他の細線として銅線を使用することが好ましい。

この発明に係る扁平型ヒートパイプ１の製造方法を、上述した編組体７の製造方法と共に説明する。先ず複数のカーボンファイバーを数百本束ね、あるいは、数百本のカーボンファイバーを束ねた細線束を用意する。そのカーボンファイバーには、編組体７を構成する銅線よりも細いものが使用される。上記のカーボンファイバーの細線束をウイック５とし、図３に示すように、編組機（図示せず）によってウイック５の外周側にチューブ状の編組体７を形成する。上記の編組機は、撚り線１０を編んで前記編組体７を形成するためのものであり、その原理的な構成は従来知られている通りである。編組機によって編まれた編組体７はリング１１によってウイック５の外周面に案内される。なお、上記の編組体７を編む工程が、この発明における第１工程に相当する。

次いで、上記構成のウイック５と編組体７との複合体を所定の長さに切断し、その後、編組体７の各端部を互いに離間させるように引っ張る。こうすることにより、編組体７は長手方向に引き伸ばされてその外径が小さくされ、その内部に挿入されたカーボンファイバー同士がその長手方向の全長に亘って密着させられる。つまり半径方向に収縮した編組体７によってウイック５が緊縛される。このカーボンファイバー同士を密着させるための工程が、この発明における第２工程に相当する。

これとは別に、脱脂などの洗浄を行った丸パイプを用意し、これを所定の長さに切断してコンテナ２とする。上述したように、編組体７を銅線によって構成した場合には、コンテナ２として銅パイプを使用する。そのコンテナ２の内部に、図４の（ａ）に示すように、編組体７によって緊縛されたウイック５が固定具１２を用いて挿入される。このとき、ウイック５は、図４の（ａ）に示すように、半円弧形状に湾曲させた状態で挿入する。こうすることにより、コンテナ２を図４での上下方向に押し潰して扁平化した場合に、ウイック５が図１の（ａ）に示すように、扁平状になる。また上記のウイック５は、固定具１２によって、図４の（ｂ）に示すように、コンテナ２の長手方向の全長に亘って配置される。さらに、コンテナ２の下面に編組体７が直線状に接触させられる。そして、このようにウイック５を挿入したコンテナ２をほぼ水平に維持したまま加熱炉（図示せず）に送って加熱する。その加熱温度は、コンテナ２および編組体７が銅製の場合、１０００℃程度であり、こうすることにより編組体７がその全長に亘ってコンテナ２の下面に焼結されて固定される。この焼結工程が、この発明における第３工程に相当する。なお、図４では、編組体７を省略している。

上記のコンテナ２を加熱炉から取り出して冷却した後、固定具１２を取り出し、またコンテナ２の一方の端部にスェージング加工を施すとともに、その端部を溶接して密閉する。いわゆるボトムスェージング加工およびボトム溶接を行う。またこれらの加工と併せて、他方の端部のスェージング加工すなわちトップスェージング加工を行う。こうすることにより実質的なコンテナ２が作製される。

トップスェージング加工を行うことによりコンテナ２の一方の端部にノズル状部分が形成されるので、これを利用して作動流体をコンテナ２の内部に注入する。その場合、コンテナ２から空気などの非凝縮性ガスを脱気する必要があり、したがって注液は、真空脱気の後に作動流体を注入する方法、余分な量の作動流体を注入した後、これを沸騰させて非凝縮性ガスを追い出す方法など、従来知られている方法で行えばよい。そして、注液のために開口していた部分を圧潰した後、溶接して密閉する。いわゆるトップ溶接を行う。

こうして製造された丸パイプ型のヒートパイプをその半径方向に押し潰して扁平型ヒートパイプ１とする。その場合、直線状の扁平型ヒートパイプ１とするには、丸パイプ型のヒートパイプをそのまま押し潰して扁平化する。これに対して、湾曲もしくは屈曲した扁平型ヒートパイプ１とするには、丸パイプ型のヒートパイプを所定の形状に湾曲もしくは屈曲させ、その後に半径方向に押し潰して扁平化する。なお、このようにヒートパイプを湾曲もしくは屈曲させる場合、編組体７とコンテナ２の上面とが接触しないようにする。また、この場合に、編組体７はコンテナ２の下面に焼結して固定されているので、コンテナ２の変形に追従して編組体７が変形する。その結果、ウイック５や編組体７に沿う蒸気流路９が確保される。また各カーボンファイバーは編組体７によって互いに密着されているため、カーボンファイバー同士の間の空隙すなわち還流路もその全長に亘って確保される。

次いで、上記構成の扁平型ヒートパイプ１の作用・効果について説明する。上記の蒸発部３に入熱があってその温度が高くなると、液相作動流体が加熱されて蒸発する。作動流体蒸気は、温度および圧力の低い箇所つまり凝縮部４に向けて編組体７に沿う蒸気流路９を流動し、その凝縮部４で放熱して凝縮する。凝縮した作動流体は編組体７を構成する他の細線同士の隙間や網目構造に浸透し、かつ、それらに沿って流動する。その結果、ウイック５の円周方向に液相作動流体が分散され、すなわち、ウイック５の全周に亘って液相作動流体が供給される。このようにして液相作動流体は、編組体７を介してウイック５に浸透し、また蒸発部３側に向けて流動する。具体的には、ウイック５を構成しているカーボンファイバーは、編組体７を構成している銅線よりも細く、また密に接触させられている。そのため、ウイック５は、カーボンファイバー同士の間の隙間が小さいことにより編組体７よりも大きい毛細管力を生じる。そして作動流体が蒸発すると、カーボンファイバー同士の間の隙間に形成されているメニスカスが低下するので、それに伴う毛細管力が生じ、その毛細管力をポンプ力として液相の作動流体が凝縮部４から蒸発部３側に還流する。このように、この発明に係る扁平型ヒートパイプ１では、作動流体の還流は主としてウイック５で行われる。

また、編組体７によって各カーボンファイバーはその全長に亘って密着されているから、還流路８はカーボンファイバーの全長に亘って滑らかに連続して形成されている。そのため、液相作動流体の流動に対する抵抗が小さく、還流特性が良好になっている。そして、ウイック５は編組体７を介してコンテナ２の内面に固定されている。その固定は、焼結によって行うので、ウイック５を保持した編組体７をパイプの内部に挿入して外部から加熱すればよく、このように、その作業が容易であることにより製造性が良好になる。また、編組体７を介してウイック５を固定するので、上述したカーボンファイバーのように、濡れ性は良好であるが、焼結によっては固定することが困難な部材によって構成されたウイックもパイプ内に固定できる。これに加えて、扁平型ヒートパイプ１に曲げなどの変形を加えた場合であっても全長に亘って還流路８および蒸気流路９を確保できるので、扁平型ヒートパイプの還流特性および熱輸送特性を従来になく高くすることができる。

１…扁平型ヒートパイプ、 ２…コンテナ、 ５…ウイック、 ６…細線（カーボンファイバー）、 ７…編組体。

Claims (1)

1. 扁平状のコンテナの内部に加熱されて蒸発し放熱して凝縮する作動流体と、液相の作動流体を蒸発する位置に還流させる毛細管力を生じるウイックとが封入されている扁平型ヒートパイプの製造方法において、
   前記ウイックは、複数の細線を束ねた細線束によって形成され、
   前記ウイックの外周側に、編組機によって他の細線を編んでチューブ状でかつ両端部を互いに離間するように引っ張ることにより外径が小さくなる編組体を構成する第１工程と、
   前記ウイックをその内部に保持した前記編組体の各端部を離間するように引っ張って前記編組体の外径を小さくすることにより前記ウイックを構成している前記細線同士を密着させた状態に保持する第２工程と、その後に、
   前記ウイックを保持する前記編組体と前記コンテナとが接した部分のうち、いずれかの部分を焼結して固定する第３工程とを備える
   ことを特徴とする扁平型ヒートパイプの製造方法。

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