JP5809529B2 - 焼結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した作動流体の流動によって熱を輸送するヒートパイプの製造方法に関する。特に作動流体を蒸発部に還流させるウィックとして、金属粉体を焼結して構成された焼結ヒートパイプの製造方法に関する。

ヒートパイプは、パソコンのＣＰＵ等のデバイスの冷却に使用される。ヒートパイプは、非凝縮性流体を脱気して、適量の作動液が封入されている密閉された金属体である。内部に封入された作動液は、コンテナ外部から加熱されることで蒸発し（蒸発部）、冷却されることで蒸気は凝縮して作動液に戻り（凝縮部）、潜熱として熱を輸送する。潜熱として熱を輸送するため、蒸発部と凝縮部の小さな温度差でも熱輸送することが可能となる。

一般的なヒートパイプのコンテナには中空管が使用される。このコンテナは熱を内部と外部で伝える必要があるため、熱伝導率の高い素材で構成される。例えば銅、アルミニウム等の金属が使用されている。また、作動液には水やアルコール、メタノール、代替フロン、アンモニアなどが使用されている。

コンテナ内で、凝縮部で凝縮した作動液を蒸発部に還流させる。蒸発部が凝縮部より下側に位置する場合には、重力により作動液を落下させて還流するサーモサイフォン型のヒートパイプを利用できる。

しかしながら、蒸発部と凝縮部の位置関係で、蒸発部が凝縮部より上に位置したり、両者が水平に位置する場合、作動液の還流に作動液の表面張力を利用する。そのため、コンテナ内部にウィック構造体を必要とする。

ウィック構造体には、多数本の細線を束ねた線状体やメッシュなど網目体、銅粉などの粉体を焼結した焼結体が用いられる。粉体を利用したものは、高い表面張力を得られることが知られている。

粉体をコンテナ内で固定するためには、特許文献１に示されるように、コンテナ内に切り欠き部を有する芯棒などを挿入して、コンテナ内と芯棒とで形成される空間に金属粉体を充填する。金属粉体と芯棒が挿入された状態でコンテナを加熱することで、焼結によりコンテナに固定することが知られている。

特開２００９−６８７８７号公報

製造時、特許文献１では、切り欠き部を有する芯棒とコンテナで形成される空間に金属粉体が充填される。加熱して焼結金属を固定する際、芯棒と焼結金属とが固着してしまい、芯棒の引き抜きが容易でなくなるという問題がある。

焼結金属を固定の後、芯棒が容易に引き抜けなくなると、製造時に次工程へ移るのに時間を要すようになる。そのため、ヒートパイプの生産性を低下させる問題が生じる。

本発明は、ヒートパイプのウィック構造体の製造時に、焼結金属を固定した後、芯棒の引き抜きを容易にすることが可能な焼結ヒートパイプの製造方法である。

本発明者は、上述した従来の問題点を解決すべく鋭意研究を重ねた。その結果、本発明の一態様は、管形状のコンテナを用意し、長軸方向に沿って、それぞれが平坦面からなる複数の切り欠き部を有する分割可能な芯棒をコンテナに挿入する工程と、切り欠き部とコンテナの内壁によって形成される空間部に金属粉体を充填する工程と、金属粉体および芯棒が挿入された状態でコンテナを加熱して、金属粉体を焼結してウィック構造体を形成する工程と、コンテナから芯棒を分割して引き抜く工程と、コンテナに扁平加工を施す工程と、コンテナ内に作動液を封入する工程とを備え、複数の切り欠き部のそれぞれは、隣接する切り欠き部とＶ字形にされ、芯棒は、二つ以上に分割され、分割された芯棒の全ての平坦面が金属粉体と接し、分割された心棒のそれぞれにおいて金属紛体と接した面積よりも金属紛体と接していない面積が大きい焼結ヒートパイプの製造方法である。

本発明の一態様において、芯棒の切り欠き部とコンテナの内壁によって形成される空間部の数が二つあり、扁平加工が施されたコンテナの一方の平坦面にウィック構造体が２個形成されてもよい。

本発明によると、芯棒が分割されているので、金属粉体と固着していない芯棒あるいは他の芯棒と比較して引き抜き力を小さくて済む芯棒から引き抜くことができる。その結果、コンテナ内で芯棒を引き抜いた部分に空間が生じ、その空間方向に残っている芯棒に力を加えることができ、芯棒と金属粉体との固着を引き剥がしやすくなる。

焼結ヒートパイプのウィック構造体の形状、個数を芯棒の切り欠き部の形状、個数で変更できる。

分割された芯棒が全て金属粉体に接しているので、分割する数に反比例して引き抜き力を小さくすることができる。

本発明の実施の形態に係る焼結ヒートパイプの一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る焼結ヒートパイプの製造方法の一例を説明する模式図である。 図２（ｂ）に示した管形状のコンテナのＡ−Ａ断面を示す概略図である。 本発明の実施の形態に係る焼結ヒートパイプの製造方法における金属粉体の充填工程の他の例を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る焼結ヒートパイプの製造方法における金属粉体の充填工程の他の例を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る焼結ヒートパイプの製造方法における金属粉体の充填工程の他の例を示す断面である。

以下図面を参照して、本発明の形態について説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号が付してある。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

又、以下に示す本発明の実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

本発明の実施の形態に係る焼結ヒートパイプは、図１に示すように、コンテナ１及びウィック構造体６を備える。コンテナ１は、扁平な管形状を有する。ウィック構造体６は、コンテナ１の平坦部に設けられる。コンテナ１の両端部において、コンテナ１の内壁とウィック構造体６との間に空洞部８が形成される。

コンテナ１には熱伝導率の高い銅などの金属の管状のパイプが使用される。ウィック構造体６には銅、青銅、ステンレス等の多孔質の焼結金属が使用される。焼結金属とは金属粉体を焼結により接合したものである。球粉体または異形粉体などの金属粉体の大きさを調整することにより、焼結金属の気孔の調整が可能である。

次に、本発明の実施の形態に係る焼結ヒートパイプの製造方法を、図２及び図３を用いて説明する。

図２（ａ）に示すように、コンテナ１と芯棒２を用意する。例えば、コンテナ１として、脱脂などの洗浄を行った肉厚０．３ｍｍ、外径３．０〜６．０ｍｍの銅パイプを所定の長さに切断して使用する。芯棒２は、円形の一部を平坦にした形状の断面を有する。芯棒２は、第１及び第２分割部３ａ、３ｂに２分割可能である。第１及び第２分割部３ａ、３ｂには、それぞれ平坦な切り欠き部４ａ、４ｂが形成されている。芯棒２の長さは、コンテナ１の長さより長くする。なお、芯棒２は、ウィック構造体６と固着しにくい材料、例えば、カーボン、セラミック、ステンレスなどで製作される。

図２（ｂ）及び図３に示すように、管形状のコンテナ１に芯棒２が挿入される。芯棒２の第１及び第２分割部３ａ、３ｂの切り欠き部４ａ、４ｂとコンテナ１の内壁との間に形成される空間に金属粉体５が充填される。金属粉体５は、例えば、球粉体または異形粉体等の粒径が８０μｍ〜２５０μｍの範囲の銅粉である。金属粉体５の封入量は、切り欠き部４ａ、４ｂの大きさ、形状で調整が可能となる。

図２（ｂ）に示したように、充填した金属粉体５を芯棒２で固定した状態で、金属粉体５の溶融点前後の焼結温度で加熱して多孔質の焼結金属からなるウィック構造体６を形成する。コンテナ１及び金属粉体５が銅の場合、焼結温度は、８００℃〜１０００℃程度が選ばれる。ウィック構造体６は、コンテナ１の内壁及び切り欠き部４ａ、４ｂに接して形成される。ウィック構造体６の形成後、芯棒２の第１及び第２分割部３ａ、３ｂのうち、引き抜きの容易なほうから順に引き抜きを行う。その結果、図２（ｃ）に示すように、芯棒３が引き抜かれて、空洞部８が形成される。

芯棒２を引き抜いた後、コンテナ１の一端部にスウェージング加工を施し、一端部を密閉するボトム溶接を行う。また、コンテナ１の他端部にスウェージング加工を施し、ノズル状の注液口を設ける。

注液口を利用して、コンテナ１内部の空気などの非凝縮性ガスを脱気した後、水、メタノール、エタノール、代替フロン、あるいはアンモニアなどの作動液を注液する。非凝縮性ガスの脱気には、真空脱気法や、予め余分な量の作動液を注入しておき、コンテナ１を加熱して作動液を沸騰させて非凝縮性ガスを追い出す加熱追い出し法などが用いられる。

注液後は、開口していたノズル状の注液口を閉じ、溶接により密閉する。こうして製造された丸パイプ型のヒートパイプをその径方向に押し潰して扁平型ヒートパイプとする。その際、ヒートパイプの長軸方向を湾曲または屈曲させる必要がある場合には、丸パイプ型のヒートパイプを所定形状に湾曲または屈曲した後、径方向に押し潰して扁平化する。これら工程においてもコンテナ１内においてウィック構造体６は焼結により固定されているので、作動液の流路、蒸気流路の位置関係は長軸方向で確保される。

実施の形態においては、芯棒２は、第１及び第２分割部３ａ、３ｂに略２等分されている。芯棒２は切り欠き部４ａ、４ｂでウィック構造体６と接触している。切り欠き部４ａの面積は、切り欠き部４ｂの面積と略等しい。第１及び第２分割部３ａ、３ｂのそれぞれがウィック構造体６と接触する面積は、芯棒２の場合に比べ略半減する。したがって、第１及び第２分割部３ａ、３ｂのそれぞれを引き抜く力を小さくすることができる。

また、第１及び第２分割部３ａ、３ｂのうち、例えば、引き抜きが容易な第１分割部３ａを引き抜く。残された第２分割部３ｂを引き抜く際に、第１分割部３ａが引き抜かれたことで生じる空間の方向に力をかけることができる。その結果、第２分割部３ｂがウィック構造体６に固着している場合でも、固着部を引き剥がすことが可能になる。更に、芯棒２の材質によっては、引き抜きの力を加えることにより、僅かではあるが一時的に撓みや歪などの変形が生じる。このような場合、第２分割部３ｂにたいして空間方向に力をかけることにより、固着部をより引き剥がしやすくなる。

上述のように、芯棒２は、平坦な切り欠き部４ａ、４ｂを有する第１及び第２分割部３ａ、３ｂに分割可能である。しかし、切り欠きの形状及び分割数は限定されない。また、切り欠き部とコンテナ１内壁で形成される空間部の数は、複数であってもよい。例えば、図４に示すように、それぞれ平坦な切り欠き部４ｃ、４ｄ、４ｅを有する第１〜第３分割部３ｃ、３ｄ、３ｅに分割可能な芯棒２を用いてもよい。金属粉体５は、第１〜第３分割部３ｃ、３ｄ、３ｅの切り欠き部４ｃ、４ｄ、４ｅのそれぞれに接して充填される。芯棒２が３分割されているので、引き抜きの力は、略１／３に小さくすることが可能である。

また、図５に示すように、第１及び第２分割部３ｆ、３ｇそれぞれの切り欠き部４ｆ、４ｇをＶ字形にした芯棒２を用いてもよい。切り欠き部４ｆ及びコンテナ１の内壁の間の空間部と、切り欠き部４ｇ及びコンテナ１の内壁の間の空間部とが、分離して形成される。金属粉体５は、切り欠き部４ｆ、４ｇのそれぞれに接して充填される。その結果、コンテナ１を扁平化したとき、ウィック構造体６は、扁平なコンテナ１の両端部に分離して２個形成される。

また、図６に示すように、第１〜第４分割部３ｈ、３ｉ、３ｊ、３ｋを有する芯棒２を用いてもよい。第１及び第２分割部３ｈ、３ｉの切り欠き部４ｈ、４ｉと、第３及び第４分割部３ｊ、３ｋの切り欠き部４ｊ、４ｋとがＶ字形になる。金属粉体５は、切り欠き部４ｈ、４ｉ、４ｊ、４ｋのそれぞれに接して充填される。芯棒が４分割されているので、引き抜きの力を略１／４に小さくすることが可能である。

このように、実施の形態によれば、芯棒２を複数の分割部に分割可能とし、全ての分割部が金属粉体５と接しているので、分割部の数に反比例して引き抜き力を小さくすることができる。また、芯棒２の切り欠き部の形状により、ウィック構造体６の形状および個数を調整することが可能となる。

以上詳述した内容は、本発明の要旨を逸脱しない範囲においてさらに別の変形例としてもよいのは言うまでもない。

１…コンテナ、２…芯棒、３ａ…第１分割部、３ｂ…第２分割部、４ａ、４ｂ…切り欠き部、５…金属粉体、６…ウィック構造体。

Claims (2)

1. 管形状のコンテナを用意し、長軸方向に沿って、それぞれが平坦面からなる複数の切り欠き部を有する分割可能な芯棒を前記コンテナに挿入する工程と、
   前記切り欠き部と前記コンテナの内壁によって形成される空間部に金属粉体を充填する工程と、
   前記金属粉体および前記芯棒が挿入された状態で前記コンテナを加熱して、前記金属粉体を焼結してウィック構造体を形成する工程と、
   前記コンテナから前記芯棒を分割して引き抜く工程と、
   前記コンテナに扁平加工を施す工程と、
   前記コンテナ内に作動液を封入する工程
   とを備え、
   前記複数の切り欠き部のそれぞれは、隣接する切り欠き部とＶ字形にされ、
   前記芯棒は、二つ以上に分割され、分割された前記芯棒の全ての前記平坦面が前記金属粉体と接し、分割された前記心棒のそれぞれにおいて前記金属紛体と接した面積よりも前記金属紛体と接していない面積が大きいことを特徴とする焼結ヒートパイプの製造方法。
2. 前記切り欠き部と前記コンテナの内壁によって形成される空間部の数が二つあり、扁平加工が施された前記コンテナの一方の平坦面に前記ウィック構造体が２個形成されることを特徴とする、請求項１に記載の焼結ヒートパイプの製造方法。

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