JP6147969B2 - ヒートパイプのウイック構成体の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、潜熱として熱輸送することにより冷却対象部を冷却するヒートパイプに設けられたウイック構成体およびその製造方法に関するものであり、特に、粉体を焼結して形成されたウイック構成体の製造方法に関するものである。

伝熱素子として知られているヒートパイプは、冷却対象部の熱が、ウイックに浸透した液相の作動流体に伝達されてその作動流体が気相に相変化することにより、その相変化の際の潜熱の形で熱輸送を行い、その熱輸送の結果として発熱部を冷却するように構成されている。ウイックは、液相の作動流体を浸透させて毛管力を生じさせ、また液相の作動流体の流路を形成するためのものであり、従来、液相の作動流体の浸透性が良好なウイックとして、銅粉などの粉体を焼結して形成された多孔質焼結体のウイックが開発されている。この種のウイックは、焼結後の形状とほぼ同一の形状に形成された容器もしくはキャビティに粉体を入れて、加熱することにより形成されるので、粉体同士が部分的に溶融して連結され、それら粉体同士が連結していない箇所に微小な空隙が形成される。それら微小な空隙が多数形成されることにより、液相の作動流体の浸透性および保水性が得られる。

また、液相の作動流体とウイックとが接触する面積を増大させることにより、液相の作動流体がウイックに浸透しやすくなる。そのため、特許文献１に記載された円筒状のウイックには、そのウイックの内表面に環状もしくは螺旋状あるいは円弧状の溝が形成されている。このように溝を形成することにより、液相の作動流体とウイックの内表面との接触面積が増大するとともに、ウイックの中空部に供給された液相の作動流体が、表面張力によって溝に沿って上昇するので、液相の作動流体とウイックの内表面との接触面積を更に増大させることができ、その結果、同時に、多くの液相の作動流体がウイックに浸透しやすくなる。

なお、特許文献１および特許文献２に記載された円筒状のウイックは、外周面側を流動する気相の作動流体の流動抵抗を低減させるために、外周面に溝が形成されている。また、特許文献３には、液相の作動流体が流通する流路の断面積、すなわち空孔径が相対的に大きい円筒状のウイックと、そのウイックの外周面を覆うように形成されかつ空孔径が相対的に小さいウイックとを有した液戻り管を有したループ型ヒートパイプが記載されている。

特開２０１２−３７０９７号公報 特開２００７−３１５７４０号公報 特開２００６−１２５７８３号公報

各特許文献１，２，３に記載されたウイックのように、粉体を焼結して形成されたウイックは、ウイックの外形形状に応じた型に粉体を入れて焼結する。また、ウイックの剛性や空隙の大きさを設定するために所定の圧力を粉体に作用させながら焼結することがある。例えば、円筒状のウイックを形成する場合には、ウイックの外形とほぼ同一の形状の内法を有する型に粉体を入れた後に、ウイックの中空部を形成するための円筒状のロッドを挿入してから加熱することにより、ウイックが形成される。

そのため、焼結時にロッドが熱膨張すると、ロッドの外周面と当接する粉体には、ロッドの熱膨張に起因する圧力が大きく作用するので、粉体が圧縮される。その結果、ロッドの外周面に当接した粉体同士が潰れて結合したり、粉体が均一に配列したりするため、焼結後におけるウイックの内周面側に開口する空隙の開口径が小さくなる可能性がある。これは内周面に限らず、外形を形成するための型と接触している外周面でも、同様の状態となる可能性がある。このように表面に開口した空隙の開口径が小さいと、液相の作動流体がウイックに浸透する際の流動抵抗が増大してしまい、あるいは気相の作動流体がウイックから排出される際の流動抵抗が増大しまう可能性がある。

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、作動流体がウイックに対して供給あるいは排出される際の流動抵抗を低下させることができる、ヒートパイプのウイック構成体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、外形形状を決める型部材に金属製の粉体を入れる工程と、前記型部材に粉体が入れられた状態で加熱して粉体を焼結させる工程とを備えたヒートパイプのウイック構成体の製造方法において、前記型部材は筒状の部材と、ロッドとを含み、前記焼結の工程で前記ロッドが熱膨張することにより前記粉体を圧縮し、ついで所定温度まで冷却した後、前記ロッドを取り除き、前記ロッドに接触していた内表面で前記粉体同士が前記焼結によって膜を形成するように連結している表面層の少なくとも一部を切削もしくは研削によって除去して前記表面層より粗い面を形成することを特徴とする方法である。

この発明によれば、型部材に入れられた粉体が焼結されてウイック構成体が形成される。また、ウイック構成体は、前記粉体の焼結によって得られた焼結体における型部材と焼結時に接触していた表面層の少なくとも一部が除去され、前記表面層より粗い面が形成されている。そのため、焼結時にウイック構成体の外形形状を決めるための型部材に接触して粉体が潰れて形成された面が除去され、粗い面となっていることにより、粉体同士の間に形成された空隙の開口部を潰れた粉体が閉じてしまったり狭めてしまったりする層がなくなっている。その結果、ウイック構成体の内面に開口した空隙から作動流体を供給あるいは排出させる際の流動抵抗を低下させることができ、ひいては作動流体の浸透あるいは排出の性能を向上させることができる。

この発明に係る製造方法によって製造されるウイック構成体の一例を説明するための断面図である。

つぎに、この発明に係る製造方法によって製造されるウイック構成体（以下、単にウイックと記すことがある。）の構造について説明する。図１に示すウイック１は、銅粉などの粉体を焼結して形成された多孔質材の焼結金属製ウイックであって、ループ型ヒートパイプにおける蒸発器に使用することができる。図１に示すウイック１は、一方に開口した円筒状のものであって、開口部側の外径が大きく形成されている。この外径が大きく形成された部分（以下、シール部２と記す。）は、ウイック１の開口部側に設けられた水やアルコールなどの液相の作動流体が貯留される液溜め部と、シール部２を隔てて液溜め部とは反対側に設けられた気相の作動流体が流動する蒸発部とを区画する機能を有している。すなわち、蒸発器の外観を成すコンテナの内面に、シール部２の外面が接触するように構成され、あるいは焼結して一体化されている。

また、比較的外径が小さく形成された蒸発部３は、コンテナの内面と接触することにより、冷却対象部からコンテナを介して熱が伝達されるように形成されるとともに、コンテナの内面あるいはウイック１の外面に軸線方向に沿って溝４が形成されている。この溝４は、ウイック１に熱が伝達されてウイック１の内部に浸透した液相の作動流体が加熱されて蒸発した作動流体が流動するために形成されている。なお、ウイック１に溝４が形成されている状態を図１に示している。

そして、ウイック１の中空部５は、シール部２から蒸発部３に亘って形成されており、気相の作動流体の熱が凝縮部で放熱されて液相に相変化して、再度、液溜め部あるいは中空部５に供給される。そのため、液溜め部あるいは中空部５に供給された液相の作動流体とウイック１の内面とが接触している箇所から、液相の作動流体がウイック１に浸透する。なお、ウイック１は、上述したように多孔質材であるので、毛管圧力によって液相の作動流体を吸引することができ、常時、液相の作動流体を保水した状態あるいは液相の作動流体が湿潤した状態となっている。

上述したように形成されたウイック１が蒸発器に設けられたループ型ヒートパイプは、ウイック１に浸透した液相の作動流体が加熱されて、気相の作動流体に相変化する際の潜熱によって冷却対象部を冷却するとともに、蒸発器および凝縮器を各相の作動流体が流動する管を介して接続することによって、作動流体が相変化しながら循環することができるように構成されている。なお、上記毛管圧力や作動流体が気化することによって生じる圧力などの力により作動流体が循環することができるので、液相の作動流体が重力に反した方向、すなわち鉛直方向における上方に向けて流動するように構成された、いわゆるトップヒートモードのループ型ヒートパイプに使用することができる。

図１に示すウイック１は、液相の作動流体が浸透しやすいように、中空部５の内面に凹凸部６が形成され、またその内面における一部の表面が切削もしくは研磨されて形成されている。言い換えると、中空部５の内面の表面粗さが粗くなるように形成されている。具体的には、円筒状の焼結体を形成した後に、ドリルやリーマなどの切削機あるいはグラインダーなどの研磨機（研削機）によって内側の表面層を除去して凹凸部６が形成されている。

つぎに、図１に示すウイック１の製造方法について説明する。まず、ウイック１の外形形状とほとんど同一の形状の内法の型に粉体を入れる。この型は、焼結後のウイック１の形状が、図１の形状となるように形成されていればよく、したがって、ウイック１が焼結後に冷却して収縮した寸法が、コンテナの内寸法となるように形成することが好ましい。ついで、ウイック１の中空部５を形成するためのロッドが、粉体を押圧しながら挿入される。そのため、型に入れられた粉体が、ロッドの先端および外周面を覆うように分散される。なお、コンテナにロッドを配置した状態で、粉体をコンテナの内部に入れてもよい。そして、ロッドを型に挿入した状態で加熱して粉体を焼結させる。したがって、粉体を焼結させるための熱によってロッドが熱膨張するので、粉体が型とロッドとの間で圧縮された状態で焼結される。ついで、ウイック１を所定の温度まで冷却した後、ロッドを取り除いてウイック１が形成される。

上記のように形成されたウイック１は、焼結時にロッドの外周面と接触している箇所の粉体同士が、ロッドによって圧縮されるので、そのウイック１の内周面に位置する粉体同士が潰れた状態で連結される場合がある。その場合には、ウイック１の内周面に位置する粉体同士が、ウイック１の内表面に膜を形成するように連結されている可能性が高く、粉体同士の間に形成された空隙に液相の作動流体が流入しにくくなる。そのため、その膜を剥離させるように、あるいは内表面の一部の表面層を除去するように、切削もしくは研削を行う。

なお、液相の作動流体とウイック１の内面との接触面積を増大させるために、切削機としてタップを使用して、図１に示すようにウイック１の内面に螺旋状あるいは環状の溝７を形成してもよい。その場合には、切削後のウイック１の内周面には、タップによって形成された溝７が形成されるとともに、潰れた状態で連結された粉体の膜あるいは層を除去することができる。その結果、粉体同士の間に形成された空隙が、ウイック１の内面に開口した状態となり、またウイック１の内面と液相の作動流体との接触面積が増大し、また開口部が増大させられるので、液相の作動流体がウイック１に浸透しやすくなる。ひいては、ループ型ヒートパイプの性能を向上させ、またドライアウトが生じる可能性を低下させることができる。また、上述したように型およびロッドによってウイック１の粗形材としての焼結体を一旦形成した後に、内表面の一部を除去することによって破棄される粉体の量を減少させることができる。

なお、この発明に係るウイックは、要は焼結時に圧縮される面の少なくとも一部を除去したものであればよく、したがって、螺旋状あるいは環状の溝７を形成したものでなくてもよい。また、切削の手段として、研磨装置によって焼結時に圧縮される面を研磨して除去してもよい。その場合には、切削機によって焼結時に圧縮される面を除去するよりも、破棄される粉体の量を減少させることができる。

上述した例では、液相の作動流体がウイック１に浸透しやすくするために、中空部５の内面を切削する例を挙げて説明したが、焼結時には、粉体は型の内壁面からも荷重を受けているので、中空部５と同様の理由により、ウイック１の外周面に開口する空隙の開口面積が小さくなっている場合、あるいは潰れた粉体によって空隙が閉じられている場合がある。その場合には、ウイック１に浸透した液相の作動流体が加熱されて気相に変化しても、その気相の作動流体がウイック１の外周面に排出されにくくなってしまう可能性がある。したがって、中空部５の内面と同様にウイック１の外表面を切削あるいは研磨して形成してもよい。

また、この発明では、コンテナの内部に型を挿入して粉体を焼結した後に、中空部５や外周面の溝４の表面層を切削して除去してもよく、ウイックを単体で形成してから、すなわちコンテナにウイック１を挿入する以前に、焼結および切削してから、コンテナにウイック１を取り付けてもよい。

１…ウイック、 ２…シール部、 ３…蒸発部、 ４，７…溝、 ５…中空部、 ６…凹凸部。

Claims (1)

1. 外形形状を決める型部材に金属製の粉体を入れる工程と、前記型部材に粉体が入れられた状態で加熱して粉体を焼結させる工程とを備えたヒートパイプのウイック構成体の製造方法において、
   前記型部材は筒状の部材と、ロッドとを含み、
   前記焼結の工程で前記ロッドが熱膨張することにより前記粉体を圧縮し、
   ついで所定温度まで冷却した後、前記ロッドを取り除き、
   前記ロッドに接触していた内表面で前記粉体同士が前記焼結によって膜を形成するように連結している表面層の少なくとも一部を切削もしくは研削によって除去して前記表面層より粗い面を形成する
   ことを特徴とする、ヒートパイプのウイック構成体の製造方法。

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