作る人 （つくるんちゅ）日記

新年最初の工作は、ヒートパイプ。

これ、外観は普通の銅パイプながら、高速で熱の輸送を行える特殊な構造で、身近なところではパソコンのCPUを冷やすパーツ等に使われています。

⇒　写真：コアi5ノートPCのヒートパイプ。


仕組み自体はカンタンで、内部では次のようなサイクルが繰り返されています。
（前提として、片側に熱が加わり、反対側は放熱器が有ります）

　１，一方に熱を加えると、中の液体が帰化して熱を奪います。
　２，放熱器側に移動した気体は、冷やされて液体に戻ります。
　３，液体は内壁のメッシュなどに染みこんで、周囲に広がります。
　４，やがて液体は熱源に接して、「１」のサイクルに戻ります。


さて、原理がわかると、自分で作ってみたくなります。
今回は、パワーLEDの冷却用に、すこし工夫してみました。

以下、オリジナルのヒートパイプの作り方です。

材料集め・下処理

▲左：銅パイプは、大判カッターでコロコロすると切れます。　／　右：8mm径の銅パイプと、銅板。

必要な素材は、テレビのアンテナケーブルと、銅パイプ。そしてフロンガス。
今回は他に、一番細い（3mm）真鍮パイプと、銅板、ネジ・銅釘を用意しました。

まずはコロコロ転がしながら、カッターを当て、パイプを必要な長さにカット。

　※参考記事：アルミ板の切り方

次に、焼きなまし。
金属の中では柔らかい部類の銅でも、そのままでは「硬くて脆い」ので、下処理を施します。
家庭用ガスコンロで、赤く発色する程度まで炙って、水に浸けて冷却。

これだけで、例えば1ミリ厚の銅板でも、指で曲げられるくらい柔らかくなります。
（後から表面の変色等は磨いておきます）

ウィックの準備

中の液体が移動しやすくするための仕組み、「ウィック」を用意します。
市販のヒートパイプだと、多孔性の酸化物などを使いますが、手作り品の場合はテレビのアンテナケーブルの「メッシュ」が適材のようです。

⇐写真：アンテナケーブルから、メッシュの配線を取り出します。

中にキズを付けないよう、アンテナケーブルに軽くカッターで切れ目を入れたら、芯線を引っ張ると、スルッと剥けて来ます。

取り出したメッシュは、丸い箸などを差し込んで形状を整えておきます。

ヒートパイプの組み立て

▲左：割り箸を差し込んだウィックを、銅パイプに挿入していきます。　／　右：今回は、銅板にもウィックを取り付け。カッターで返しを付けて抜けなくしてます。

まずは、ウィックを丸棒に巻きつけて差し込み、棒を抜いた後に押し込んで壁面にできるだけ密着させます。
はみ出した不要部分は、ハサミでカット。

今回のヒートパイプ制作の目的は、パワーLEDの放熱用なので、先端にはLEDマウント用の銅板（1mm厚）を取り付けました。

この部分を冷やすのがテーマなので、銅板自体にもウィックを取り付けてます。

パイプを潰してカシメる際、うまく銅板が組み合わさるよう、削って形状を整え、ウィックを付けて差し込んで、バイスで圧着。

各種パーツのロー付け

ヒートパイプは、中に揮発性の液体を閉じ込めるので、この工程が成否を決めます。

今回は全て電子工作用の100均ハンダを使用してロー付けしました。
後で書きますが、構造部分と封入部分、それぞれハンダを使い分けても良いかもしれません。（溶ける温度が違う種類が有ります）

ちなみに、ステンレス用のフラックスが有れば、銅とステンレス、真鍮などの異種金属でも簡単にロー付けできます。

コツは、くっつける金属どうしを密着させて、スキマが無い状態を作ること。
そしてハンダではなく、金属部分を火で炙って、高温になった母材にローが触れて溶けるような感じで施工すること。

タイミングが合うと、すっとスキマに流れ込んで、素材同士が一体化します。

今回は、パイプの開口部を塞ぐのに、同径に削りだしたステンレスのネジを使いました。


▲左：ステンの皿ネジの外径を削り、サイズ合せ。　／　中：硬いものに押し付けて、カシメめて固定。　／　右：ロー付け後の状態。　

作動液（冷媒）の準備

ちょっと話が脱線します。

昔、僕が若くて貧乏だった20歳頃w、拾ってきた冷蔵庫を（壊れていたので）修理しようとしたことが有ります。

調べてみると冷媒が抜けていました。
で、自動車用のフロンガスを買って来て、無理やり注入。

ところが、ガスが逆流して、部屋中にマシン油とガスが散ってしまいました。
間近にいた僕は、頭から油でベトベトです（笑）。

まぁ、そんな失敗があるので、ガス注入が難しいのは知ってました。

ネットでいろいろ情報収集をすると、やはりみんな、ガス注入で苦労しているようです。（中には、明らかに無理な工法も‥）

そこで今回は、構造部分と、ガス封入の工程を、完全に分けることにしました。

写真のように、真鍮（しんちゅう）パイプを別に取り付け、そこから最後にガスを注入。
密閉しやすいよう、一番細いパイプを準備しました。

なお、真鍮は銅よりかなり熱伝導の低い素材です。
冷媒の封入時、熱により本体のロー付け部分を溶かさないよう、あえて別な素材を使った次第。
使用するロー材も、溶解温度の違うものを使った方が安心です。　（鉛フリーハンダが226℃～、低温タイプは180℃～）

使用した冷媒用ガスは、フロンHFC-152a。
断っておきますが、これは可燃性ガスです。　

危険！　ですよぉ～。
（ガスガン用エアHFC134aが不燃性）

⇐　写真：100均で買った注射針をテープと輪ゴムで縛り付けてます。

　注：今回の実験は、可燃ガスと火を使用します。溶かした金属を扱う工程もありますので、スキルのない人は絶対に真似しないで下さいね。

作動液を封入（難関！）

▲ガス注入直後。　ガスが気化して熱を奪われ、霜で真っ白になってます。

ガス缶を逆さまにして生ガスを噴出させ、100均の化粧品用注射器の針で、本体に注入。

0.1gまで測れるキッチンハカリで、１gほどガスを入れたら、すかさず金属でフタをしてロー付けで入り口を塞ぎます。 (少し漏れるので、実質0.5cc以下かな）

この工程は、７回ほど失敗しましたorz。

今回用意したガス注入用真鍮パイプの内径が、キッカリ2mmだったので、同寸のステンレス針金やVVFケーブルの銅芯線、ステンレスや真鍮の木ねじ等を使いましたが、ことごとく失敗。

他にも、パイプをペンチでカシメたりしてみましたが、これもダメ。　ガスを密閉するって、難しすぎ！！

中に加圧状態の可燃ガスが入っているので、マイクロ単位の隙間があっても、ガスが噴出してロー付けの火に着火してピーピーと小さな炎が吹き出します。

火が付かなくても、溶けたハンダがガスでブクブクと泡を吹いたり、酷い時は、詰め込んだネジが、ガス圧で吹っ飛んで行きました（怖）。

最終的に行き着いたのが、銅釘。（#14×32）
わずかに2ミリより太い直径です。


▲左：ロー付けの際は、熱が伝わらないよう、氷水に本体を漬けてます。　／　右：ロー付けの状態。

銅釘を焼き鈍してテーパーに削り出し、ガス注入後にペンチでキリキリとネジ込むと、今度は成功の予感。

シューシューというガス漏れの気配が無く、試しに耳の穴にパイプを近づけても、まったく音が聞こえません。

すかさずロー付け。
ハンダは素直に、すっと馴染みました。

完成です。

ヒートパイプの簡易実験

実際にLEDを付けての実験は、近く公開できると思いますが、まずは簡単なテスト。

片方を手で持って、先端を熱湯に突っ込んでみます。
すぐに熱が伝わってきたら、成功。

今回の自作ヒートパイプでは、5～10秒で熱くて耐えられなくなりました。


最初に、先端部をロー付けしている時には、作業が終わっても反対側を手で持っていられたのに比べると、全然違いますね。

早く客観的なデータを取ってみたい所です。

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というわけで、朝から一日を使ってヒートパイプの実験をしてみました。

こんな、工作メインの本ブログですが、本年度も、お付き合い、よろしくお願いいたします。

2014元旦　作る人。