(57)【要約】  【課題】高熱伝導体であるカーボンファイバーやカーボンナノファイバーを絶縁すると共に、強度があって高温にも耐える絶縁構造を提供し、光源装置や他の装置にも応用する。  【解決手段】保持担体１０又は保持担体６ｂを絶縁性の材料、例えば二酸化シリコン（ＳｉＯ２）の粉体を焼結して形成する。例えば、図３（Ａ）のように断面を面状に配置した伝熱繊維束６ａを保持する絶縁性の保持担体１０と重ね合わせた形状にする。または、図３（Ｂ）のように、断面を面状に配置した伝熱繊維束６ａの上下を保持する絶縁性の保持担体１０とを重ね合わせた形状にする。又は、図３（Ｃ）のように、断面を面状に配置した伝熱繊維束６ａの周囲を保持担体６ｂが覆う構造にする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素繊維束からなる高熱伝導体を保持すると共に、同高熱伝導体を電気的に絶縁する保持担体を用いた高熱伝導体の絶縁構造において、
前記保持担体は、絶縁性材料の粉体を焼結して形成されてなることを特徴とする高熱伝導体の絶縁構造。
【請求項２】
板状に形成した前記保持担体と前記高熱伝導体とが積層されてなることを特徴とする請求項１記載の高熱伝導体の絶縁構造。
【請求項３】
前記高熱伝導体の両側面に前記保持担体が積層されてなることを特徴とする請求項２記載の高熱伝導体の絶縁構造。
【請求項４】
前記高熱伝導体の周囲を前記保持担体で覆うことを特徴とする請求項１記載の高熱伝導体の絶縁構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源装置などに使用される高熱伝導体の絶縁構造に係わり、より詳細には、高熱伝導体としてカーボンファイバーやカーボンナノファイバーを使用した時の絶縁構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高熱伝導体であるカーボンファイバーやカーボンナノファイバー（ピッチ系炭素繊維）を伝熱素材として用いる場合、折り曲げ強度が弱いという弱点と、導電性であるという問題点がある。従来の技術ではこれを解消するために、絶縁材料からなる保持担体と組み合わせ、その炭素繊維の両端部を吸放熱部としている。
【０００３】
ピッチ系炭素繊維束の熱伝導率の値は、束ねた繊維方向の値であり、繊維の径方向の熱伝導率は、繊維方向の値より一桁以上小さい。このため、吸放熱部には、伝熱繊維束の端面に直接接触する端部金属材料を備えている。端部金属材料の熱伝導率は、保持担体の熱伝導率より大きい。もっとも、ピッチ系炭素繊維束の各繊維の直径は、通常１０μｍ前後であり、径方向からの伝熱も十分可能である。そこで、吸放熱部には、伝熱繊維束の端面の表裏を覆う伝熱シートを設けている。この伝熱シートは例えば樹脂フィルム、放熱シリコンゴム等、保持担体より熱伝導率の大きいシート材から構成している。
【０００４】
保持担体については、絶縁性であること、伝熱繊維束を固定した状態で保持できること、という条件を満足できるものであれば、高い自由度で素材や形状を選択することができる。具体例をあげると、可撓性を有する樹脂フィルム、樹脂材料の成形品及び含浸成形品、ゴム材料等である。
【０００５】
次に図５の斜視図に示す「高熱伝導体を用いた伝熱デバイス」の具体例を説明する。
【０００６】
伝熱デバイス２０は、熱伝導率が２００Ｗ／ｍＫ以上のピッチ系炭素繊維束と、断面を面状に配置した伝熱繊維束２１を保持する絶縁性の保持担体２２とを備え、伝熱繊維束２１の長さ方向の両端部には、吸放熱部２３が形成されている。なお、保持担体２２に柔軟性が求められる場合には、例えば、伝熱繊維束２１の表裏に、ポリエステルのフィルムを同じくポリエステル系の接着剤（粘着剤）により貼り付けて構成する。
【０００７】
吸放熱部２３は、保持担体２２より熱伝導率の大きい金属材料や放熱シートによって構成する。また、伝熱繊維束２１は、各繊維の直径が例えば１０μｍ前後のピッチ系炭素繊維を数万ないし数十万本纏めた繊維束を一単位とし、これらを図に示すように適当な間隔を置いて、または面状に並べて用いる。そして、伝熱繊維束２１の一端部の吸熱部２３（伝熱フィルム２３ｂ）に発熱体２５を接着し、他端部の放熱部２３に、放熱フィン２９を設けている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００８】
図５は柔軟構造に形成した伝熱デバイス２０を説明したが、逆に強度的に優れた構造としては図６の斜視図に示す伝熱デバイス９０の構造がある。この伝熱デバイス９０は、伝熱繊維束２１の周囲を金属、例えば銅やアルミの外皮９１で覆ったものである。この場合、金属の外皮９１によって、高い強度が得られると共に、高温、例えば数百度以上の環境でも使用することができる。また、伝熱デバイス９０の外皮９１を金属でなく、合成樹脂で形成する場合がある。この場合は伝熱デバイス９０を安価に形成できると共に、絶縁性に優れており、数キロボルト以上の電圧にも耐えることができる。
【０００９】
ところで、投射型プロジェクタなどに用いられる光源装置は、離れた映写面に比較的大きな画面で映写するため、非常に明るい光が求められる。このため、高圧水銀ランプやキセノンランプなどの高圧放電灯が使用されている。ところが、このような光源は明るい光を発生する一方、例えばランプの中心付近では９００℃以上の高温になるという特性がある。また、高圧放電灯を駆動する電圧は５キロボルト〜２０キロボルトという高電圧を使用している。また、このような光源装置の冷却として、空冷ファンを用いる構造が一般的であるが、騒音や光漏れの問題があるため、この構造に代わり、自然空冷式の光源装置が提案されている。
【００１０】
図４はこの自然空冷式の光源装置を示す断面図であり、光源装置は石英ガラス管で構成された超高圧水銀ランプからなる発光管１１０と、ガラス製のリフレクタ１１２Ａとを有している。発光管１１０の封止部１１４のうち、リフレクタ１１２Ａの首状部１２１Ａ側の第１封止部１１４Ａの外面には、熱伝導に優れた金属、例えば銅やアルミからなる円筒状の熱伝導部２１４Ａが、例えばシリカ・アルミナ系又は窒化アルミニウム系の接着剤で取り付けられている。
【００１１】
この熱伝導部２１４Ａは、第１封止部１１４Ａの外面に沿って取り付けられており、その一方の端部は、発光部１１３近傍まで延びている。また、熱伝導部２１４Ａの他方の端部には放熱フィン１１５Ａが取り付けられている。つまり、発光管１１０から発生する熱を第１封止部１１４Ａの外周に配置された熱伝導部２１４Ａを介して放熱フィン１１５Ａへ熱伝導させて放熱する構造になっている。
【００１２】
一方、封止部１１４は円筒状であり、内部にモリブデン等の金属箔が密封されており、これにより、発光部１１３が封止されることとなる。封止部１１４内の金属箔の一端は、電極に接続されており、他端は、封止部１１４から外部へ延びるリード線１１５に接続されている。
【００１３】
発光部１１３には、前述した一対の電極と、他に発光物質としての水銀、点灯始動ガスとしてのアルゴン、キセノン等の希ガス及び少量のハロゲンが封入されている。一対の電極間に電圧を印加すると、発光管１１０の発光部１１３内でアーク放電が起こり、蒸発した水銀が励起されて光を発する。これにより、発光管１１０が点灯する。
【００１４】
また、発光管１１０の第２封止部１１４Ｂには、スタート点灯時のトリガー線１１６が巻き付けられている。このトリガー線１１６は、スタート点灯時において一対の電極間での放電を誘発させるものである（例えば、特許文献２参照。）。
【００１５】
このように、投射型プロジェクタなどに用いられる自然空冷の光源装置は、非常に高温となる発光管１１０を冷却するため、放熱特性に優れた金属製の大きな放熱フィンが必要であるが、放熱フィン１１５Ａを単純に大きくしても、末端のフィンまで十分な伝熱ができない場合があった。このため、熱伝導部２１４Ａから少し離した場所に大きな放熱フィンを複数配置し、図５や図６で説明した伝熱デバイスを用いて、熱伝導部２１４Ａと放熱フィンとを接続する必要がある。
【００１６】
また、発光管１１０のリード線１１５には前述したように高電圧が印加されるため、金属からなる放熱フィン１１５Ａや熱伝導部２１４Ａと、リード線１１５との間でショートを起さないように絶縁に配慮した構造にしなければならない。
【００１７】
しかしながら、図５の柔軟性のある伝熱デバイスでは、高電圧に対応できるが、高温には対応できず、また、大きな放熱フィンを配置した場合に、伝熱デバイス自身では放熱フィンを支えることができず、他の支持構造が必要であった。
【００１８】
また、図６の伝熱デバイスでは、金属で外皮を形成すれば放熱フィンを支える強度を確保でき、また、高温でも使用することができるが、外皮が金属なので発光管のリード線の絶縁構造が問題となる。一方、外皮を合成樹脂で形成すれば、放熱フィンを支える強度を確保でき、また、発光管のリード線の絶縁についても問題ないが、高温では樹脂が溶解してしまうと言う問題がある。このため、高温に耐えると共に、強度を備えて絶縁性の高い高熱伝導体の絶縁構造が、光源装置のみならず、他の用途に使用できる物として望まれていた。
【特許文献１】特開２００１−１５９６２号公報（第２−３頁、図５）
【特許文献２】特開２００４−３０１９４５号公報（第７−８頁、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
本発明は以上述べた問題点を解決し、高熱伝導体であるカーボンファイバーやカーボンナノファイバーを絶縁すると共に、強度があって高温にも耐える絶縁構造を提供し、光源装置や他の装置にも応用することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明は上述の課題を解決するため、炭素繊維束からなる高熱伝導体を保持すると共に、同高熱伝導体を電気的に絶縁する保持担体を用いた高熱伝導体の絶縁構造において、前記保持担体は、絶縁性材料の粉体を焼結して形成されている。
【００２１】
また、板状に形成した前記保持担体と前記高熱伝導体とが積層されている。
【００２２】
もしくは、前記高熱伝導体の両側面に前記保持担体が積層されている。
【００２３】
もしくは、前記高熱伝導体の周囲を前記保持担体で覆う。
【発明の効果】
【００２４】
以上の手段を用いることにより、本発明による高熱伝導体の絶縁構造によれば、
請求項１に係わる発明は、保持担体が絶縁性材料の粉体を焼結して形成されていることにより、高熱伝導体であるカーボンファイバーやカーボンナノファイバーを絶縁すると共に、強度があって高温にも耐える絶縁構造にできる。このため、この構造は光源装置や高温で高電圧の機器に応用できる。
【００２５】
請求項２に係わる発明は、板状に形成した保持担体と高熱伝導体とが積層されて固定されているため、絶縁体である保持担体を必要な個所のみに配置できるので、安価な構造にすることができる。
【００２６】
請求項３に係わる発明は、高熱伝導体の両側面に前記保持担体が積層されて固定されているため、強度的に弱い高熱伝導体をさらに強固に保持することができる。
【００２７】
請求項４に係わる発明は、高熱伝導体の周囲を前記保持担体で覆うことにより、絶縁性を向上させ、又、強度をよりいっそう向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面に基づいた実施例として詳細に説明する。
【実施例１】
【００２９】
図１は高圧放電灯からなる光源装置１を上から見た断面図であり、図２はこの光源装置１を斜め後方から見た斜視図である（手前のヒートシンクは説明を容易にするためカットしてある。）。なお、図１において、リフレクタ２で反射した光の進行方向を前方（図１での左方向）と呼称し、逆方向を後方（図１での右方向）と呼称する。次に図１と図２とを用いて光源装置１を説明する。
【００３０】
この光源装置１は、お碗型のリフレクタ２の内部空間に、球状のガラス管からなる発光部３ａの左右に円筒状の封止部３ｂ、３ｃを備えた発光管３が配置されており、この発光管３の一方の封止部３ｂが、お碗型のリフレクタ２の底部を挿通し、リフレクタ２背面に突出している。
【００３１】
なお、発光管３の内部には放電発光のための電極が備えられており、この電極へ接続されたリード線３ｄが封止部３ｂ、また、リード線３ｅが封止部３ｃのそれぞれの端部から１本ずつ発光管３の外部に引き出されている。なお、リード線３ｅはリフレクタ２の側面に設けられた端子部２ａに接続されており、この端子部２ａを介して一方の電極がリード線１ａによって光源装置１の外部に導出されている。このリード線１ａとリード線３ｄとは電源１ｂに接続されている。
【００３２】
発光管３の封止部３ｂの外周面には熱伝導に優れた材質（伝熱性部材）からなる熱伝導部４が形成されており、この熱伝導部４の外周面がリフレクタ２の背面を挿通すると共に固定されている。また、リフレクタ２の背面から突出した熱伝導部４の端部付近の外周面には、熱伝導部４を介して発光管３の発熱を伝熱する柱状の伝熱デバイス６の一方の端部に固定されており、伝熱デバイス６の他方の端部は放熱部を構成するヒートシンク５に図示しないビスで固定されている。
【００３３】
伝熱デバイス６は図３（Ｃ）で示すように、絶縁性に優れた保持担体６ｂが、熱伝導性に優れたカーボンナノファイバーからなる伝熱繊維束６ａの周囲を覆う構造になっている。そして、熱伝導部４の端部付近の外周面が伝熱繊維束６ａの一方の端面に、また、ヒートシンク５の端面が伝熱繊維束６ａの他方の端面に密着しており、発光部３ａからの発熱を、封止部３ｂ、熱伝導部４、伝熱繊維束６ａ、ヒートシンク５と順に伝熱させる構造になっている。また、伝熱デバイス６から突出する封止部３ｂ端部の外周は保持担体６ｂが隙間無く覆っており、リード線３ｄと、伝熱繊維束６ａや熱伝導部４との絶縁を行なっている。
【００３４】
なお、ヒートシンク５には複数のフィン５ａが備えられており、熱伝導部４を経由する発光管３の発熱を効率よく放熱する構成になっている。さらに、このヒートシンク５と伝熱デバイス６との組合せは、図１を正面から見た場合、上下方向に対照となるように２組が配置されている。
【００３５】
この様な構成により、ヒートシンク５のフィン５ａをリフレクタ２の背面左右に配置することができるため、光源装置１の前後方向（封止部３ｂ、３ｃの軸方向）を小さくすることができる。
【００３６】
また、図１では板状のフィン５ａが光源装置１の左右（図１を正面から見た場合上下）に向かって立設されているが、これに限るものでない。さらに、隣接するフィン５ａ同士の間の空間からなるスリットは、フィン５ａの表面からの放熱により高温となった空気の通路となるため、光源装置１を使用する機器の排熱用空気通路に対応させてフィン５ａの形状や立設方向が決定されている。
【００３７】
封止部３ｂ、及び熱伝導部４は円筒形に形成されており、熱伝導部４は封止部３ｂの外周面に厚さが約２．５ミリメートルの金属層として形成されている。これは、銅の粉体を放電プラズマ焼結法を用いることにより焼結して実現している。なお、焼結法としてはこれに限るものでなく、パルス通電加圧焼結法やプラズマ活性化焼結法などを用いてもよい。
【００３８】
また、焼結を行なう場合に、銅の粉体を型に入れ、この粉体に一定の圧力を印加するが、この圧力の加減により熱伝導部４の気孔率が変化する。このため、熱伝導部４を形成する場合に、熱伝導部４の熱膨張を緩和するため、この気孔率の最適化を行なう。実際の焼結時には、この熱膨張率を考慮して銅の粉体に印可する圧力と温度とを決定している。
【００３９】
銅は熱伝導率が約４００Ｗ／ｍＫと高く、また、銅の粉体を焼結して熱伝導部４を形成するため、ガラスで形成された封止部３ｂの外周表面に微細な凹凸があったとしても、この凹凸を埋めるように熱伝導部４を形成できるため、封止部３ｂの外周面に密着して熱抵抗の小さい熱伝導部４を形成することができる。
【００４０】
さらに、高温となる発光部３ａにも密着して熱伝導部４を形成することができる。このため、発光部３ａや封止部３ｂの熱をリフレクタ２の固定部２ｂやヒートシンク５に効率的に熱伝導させることができ、結果的に発光管３の放熱を効率よく行なうことができる。
【００４１】
なお、以上の説明では、熱伝導部４を銅の粉体を焼結して形成しているが、これに限らず、銅と二酸化シリコン（ＳｉＯ２）の粉体を混合したものを焼結して形成してもよい。
【００４２】
次に図３の斜視図を用いて伝熱デバイスの構成を説明する。図３はカーボンナノファイバーからなる伝熱繊維束と、これを保持する絶縁性の保持担体との３種類の組合せを示している。なお、以下の説明では保持担体を絶縁性材料の粉体を焼結して形成しているが、この焼結の手順や方法は前述した熱伝導部４の形成方法と同じであるため、詳細な説明を省略する。
【００４３】
図３（Ｃ）は図１及び図２で使用している形状であり、断面を面状に配置した伝熱繊維束６ａの周囲を保持担体６ｂが覆い、伝熱デバイスを柱状に形成した構造となっている。保持担体６ｂは絶縁性の材料、例えば二酸化シリコン（ＳｉＯ２）の粉体を焼結して形成しており、伝熱繊維束６ａの繊維方向の周囲を完全に覆っている。二酸化シリコンは非常に高温に耐えることができ、また、絶縁性も非常に高く、さらに、焼結によって強度も高くなっている。
【００４４】
このため、図１や図２のような構造でも、ヒートシンク５を強固に保持することができ、また、高電圧が印加されたリード線３ｄが保持担体６ｂに、また、リード線１ａがヒートシンク５や保持担体６ｂにそれぞれ接触しても、内部の伝熱繊維束６ａに対して絶縁性を維持することができる。さらに、非常に高温となる発光部３ａの発熱が伝熱繊維束６ａを介して伝熱されたとしても、十分に耐えることができる。
【００４５】
図３（Ａ）は伝熱デバイスの別の構造を示しており、断面を面状に配置して固めた伝熱繊維束６ａと絶縁性の保持担体１０とを重ね合わせて固定した形状になっている。この保持担体１０も前述のように二酸化シリコンの粉体を焼結して形成している。この形状は保持担体を絶縁性が必要な面だけに形成できるため、伝熱デバイスを図３（Ｂ）や図３（Ｃ）よりも安価に形成でき、また、伝熱繊維束６ａの強度を補強する構造になっている。
【００４６】
図３（Ｂ）は伝熱デバイスのさらに別の構造を示しており、断面を面状に配置して固めた伝熱繊維束６ａの上下に、絶縁性の保持担体１０を重ね合わせて固定した形状になっている。この保持担体１０も前述のように二酸化シリコンの粉体を焼結して形成している。この形状は、図３（Ａ）よりも伝熱繊維束６ａをさらに強固に補強できる。
【００４７】
なお、以上説明した実施例では、熱伝導部や保持担体を放電プラズマ焼結法を用いた焼結により形成しているが、これに限るものでなく、他の焼結法や他の成型法により形成しても、同様の効果を得ることができる。また、熱伝導部や保持担体の製造時において粉体を型に入れてから焼結するため、この型の形状を変更することにより、円柱や柱状など任意の形状にすることができるので光源装置に限らず、伝熱デバイスを搭載する様々な製品への適用が容易である。さらに、焼結の結果、保持担体を強固に形成できるので、比較的低強度である伝熱繊維束を保護することができる。
【００４８】
また、熱伝導部を銅により形成しているが、これに限るものでなく、熱伝導性に優れた他の金属、例えばアルミニウム、金、ニッケルなどやこれらを含む合金を用いてもよい。
【００４９】
また、保持担体を二酸化シリコンを使用した例で説明しているが、絶縁性と耐熱性を備えた他の材料、例えばセラミックなどを用いても同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明による高熱伝導体の絶縁構造を使用した光源装置の実施例を示す断面図である。
【図２】本発明による高熱伝導体の絶縁構造を使用した光源装置の実施例を示す斜視図である。
【図３】本発明による高熱伝導体の絶縁構造を説明する３種類の伝熱デバイスの斜視図である。
【図４】光源装置の一例を示す断面図である。
【図５】従来の高熱伝導体の絶縁構造を示す斜視図である。
【図６】従来の他の高熱伝導体の絶縁構造を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００５１】
１  光源装置
１ａ  リード線
１ｂ  電源
２  リフレクタ
２ａ  端子部
２ｂ  固定部
３  発光管
３ａ  発光部
３ｂ  封止部
３ｃ  封止部
３ｄ  リード線
３ｅ  リード線
４  熱伝導部
５  ヒートシンク
５ａ  放熱フィン
６  伝熱デバイス
６ａ  伝熱繊維束
６ｂ  保持担体
１０  保持担体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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