JP5425371B2 - 冷却体を製造する方法および冷却体 - Google Patents

Description

本発明は、炭素材料からなる熱伝導率が高い冷却体、特に、Ｘ線管の回転陽極体の冷却体を製造する方法に関する。この冷却体は、回転軸に直角方向に延びておりかつ熱伝導のために冷却体に結合される燃焼リングを有する、回転軸を中心として回転可能である陽極体を具備する。更に、本発明は、炭素材料からなる熱伝導率の高い冷却体、特に、Ｘ線管の回転陽極体の冷却体に関し、この冷却体は、回転軸に直角方向に延びておりかつ熱伝導のために冷却体に結合されている燃焼リングを有する、回転軸を中心として回転可能な陽極体を具備する。

冷却体を有する回転陽極体は、特許文献１から読み取れる。燃焼リングにすなわちターゲット面に発生する高温を良好に放出するために、冷却体は、ゴブレット形の形状を有する。その目的は、冷却体の内側で延びておりかつ高い熱伝導率を有する炭素繊維を、ターゲット面および回転軸に共軸に延びておりかつ冷却剤が貫流している冷却管において、鈍的に終わらせるためである。

特許文献２は、互いに平行に延びている複数の炭素繊維が炭素マトリックスによる結合されていることによって、Ｃ複合体による熱伝導のための接続がなされてなる回転陽極体に関する。炭素繊維の熱伝導率は、４００Ｗ／ｍＫないし１０００Ｗ／ｍＫの間の範囲にあることが可能である。

プレブレグからなりかつ炭素繊維を有する回転陽極体は、特許文献３に記載されている。

プリント回路または半導体層のような特に電子部材のための冷却体は、特許文献４から公知である。冷却体は複数のナノ管を有する複合体を具備し、基材は金属である。

回転陽極体において熱を放出するために、炭素繊維材料が適切であることが明らかになった。何故ならば、これらの炭素繊維材料は、通常使用される金属体に比較して軽量だからである。それ故に、回転陽極体は、高い周波数で回転し、それによって、より大きな直径を有することが可能である。しかしながら、実際には、放熱が、高度に開発されたＸ線管、特にＣＴ装置の要求に十分には応じられないことが明らかになった。かくして、稼動の頻繁な中断を要する加熱が生じる。更に、炭素複合材料からなる回転陽極体が、冷却剤が貫流する冷却管を有し、それ故に、構成的な構造がコスト高であることは欠点である。
DE-B-103 04 936 US-A-5,943,389 特開昭61-22546 WO-A-2005/028549

本発明の課題は、冷却体を製造する方法およびかような冷却体を、知られた構造の冷却体と比較して高い熱伝導率が達成可能であるので、より良好な放熱がなされるように、改善することである。冷却液が貫流される特別な冷却通路を特に必要とすることなく、冷却体を簡単な構造にすることが意図される。

本発明では、課題は、方法に関して、冷却体を形成するために、炭素ナノ管および結合剤からなる混合物を形成し、続いて、熱処理することによって、実質的にこのことによって解決される。

既知の従来の技術とは異なり、炭素からなるナノ管（ナノチューブまたはナノ繊維ともいう）が、結合剤と混合され、次に、例えば、等方の、半等方のまたは軸方向の加圧あるいは射出成形によって、成形体が製造され、続いて、この成形体が熱処理される。

この場合、熱処理は、硬化、熱分解または炭化および黒鉛化焼成を含むことが可能である。樹脂射出法（resin transfer molding（ＲＴＭ））も用いられることができる。ＣＶＩ（Chemical Vapor Infiltration）による１度または数度の再圧縮がなされることができる。

Ｃ／Ｃ成形体の製造の際に用いられるあらゆる方法が使用可能である。

等方加圧がなされるとき、圧力は、１０００ｂａｒと２０００ｂａｒの間の範囲で、好ましくは２０００ｂａｒの範囲で用いられるほうがよい。同様なことが半等方加圧による製造に該当する。軸方向の加圧が実行されるとき、圧力は、５００ｂａｒないし７００ｂａｒの間、好ましくは７００ｂａｒの範囲にある。

本発明では、冷却体、特に回転陽極体の冷却体が、有機基材上に用いられる。この冷却体は、高い放熱をもたらす複数の炭素ナノ管を有するセラミック体として形成されている。

ナノ管（ナノチューブ）として、開放の端部を有しおよび／または開放の端部を有さないおよび／または中空空間を有しおよび／または中空空間を有しない単壁および／または多壁のナノ管を用いることができる。しかしながら、実質的に１０ｎｍと１５０ｎｍの間の範囲の直径を有するナノチューブが、すなわち、いわゆる多壁のナノチューブが用いられることが、特に提案されている。かように用いられる繊維の長さは、最大限５０μｍまでの範囲にあることが可能である。しかし、このことによって、本発明が制限されることはない。

特に、かようなナノ管からなる混合物は樹脂で製造される。炭素繊維ナノ管の容積割合は、２０容積％と７０容積％の間、好ましくは５０容積％と６５容積％の間にある。この場合、この混合物に充填剤、例えば、伝導性の良い黒鉛またはカーボンが混合される。混合物には、＜１．０ｎｍ、特に＜２．５ｎｍの直径を有する炭素ナノチューブが、所望の程度に混合されることができる。

ナノチューブの使用によって、熱伝導率の高い成形体が生じる。熱伝導率は６００Ｗ／ｍＫであるか、それより大きい。

この場合、直径の小さいナノチューブの場合に存する極端に高い表面を防ぐために、１００ｎｍと１５０ｎｍの間の直径範囲にある多壁のナノチューブが用いられることは好ましい。しかし、ナノチューブの表面が高ければ高いほど、表面に複数の物質が付着する危険性が増す。これらの物質は、結果として、成形体の熱伝導率が全体的に望ましくないほどに低下するほどの良好でない伝導率を示す。

熱処理に関して、再圧縮、特に、パイロカーボン（ＰｙＣ）を用いたＣＶＩ法で気相含浸が行なわれることを参照されたい。他の適切な含浸剤も同様に可能である。但し、これらの含浸剤が炭素に変換される場合に限る。

炭化および黒鉛化のような熱処理工程は、７００℃と１２００℃の間、または２４００℃と３５００℃の間の温度範囲でなされるほうがよい。炭化が９００℃と１１５０℃の間で、黒鉛化が２６００℃と３３００℃の間でなされることは好ましい。

成形体が十分な安定性を有するとき、或る実施の形態では、方法に関して、熱処理された冷却体を、場合によっては必要な再加工後に、内側および／または外側に外装することが提案されている。この場合、外装として、特に炭素繊維強化炭素（ＣＦＣ）からなる支持リングを用いることができる。

明細書の最初の部分に記載されたタイプの冷却体は、冷却体が、複数の炭素ナノ管を含む成形体からなり、またはこれらの炭素ナノ管を含むことを特徴とする。炭素ナノ管は、特に、開放の端部を有しおよび／または開放の端部を有しないおよび／または中空空間を有しおよび／または中空空間を有しない単壁および／または多壁のナノ管である。成形体におけるナノ管の容積割合Ｖは、２０容積％ないし７０容積％であり、特に５０容積％と６５容積％の範囲にある。

更に、成形体は、黒鉛またはカーボンのような熱伝導性の充填剤を含むことができる。

ナノ管が、平均的に１００ｎｍと１５０ｎｍの間にある直径を有するが、中空空間を有しないナノ管であることが好ましい。熱伝導率を高めるために、直径の小さいナノ管を混合することができる。

このことは別に、成形体に含まれるナノ管の直径の範囲は、本発明を逸脱することなく、最大限５００ｎｍであることが可能である。

ナノ管の二頂混合物（bimodale Mischung）、すなわち第１のおよび第２のナノ管も、同様に可能である。第１のナノ管は、第２のナノ管が平均的に有する直径とは著しく異なる直径を平均的に有する。

更に、本発明は、成形体が、炭素繊維材料からなる支持リングにより内側および／または外側で区画されていることができる環状ディスクとして、形成されていることを提案する。

他の形状も考えられるが、このことによって、本発明が限定されることはない。

成形体は、等方の、半等方のまたは軸方向の加圧によって製造されていることができる。成形体を射出成形品として形成する可能性もある。

しかしまた、成形体を、未加工段階におけるまたは炭素材料としてのブランクから機械加工によって、製造することができる。

未加工段階におけるブランクを、以下のように、製造することができる。炭素ナノ管、結合剤および充填剤から配合された混合物を、熱間圧縮法によって、約１５０℃の温度で、約７００ｂａｒで、加熱可能な鍛造型の中で最終的な輪郭に近く圧縮する。

軸方向の加圧は、同様に、約１５０℃に予め加熱された鍛造型の中でなされることができ、約３０分の保持時間が好ましい。鍛造型が所望の温度になったときに、混合物自体を鍛造型に入れる。

軸方向の加圧法によるブランクの製造の際に、配合された混合物を低温の鍛造型に入れて、次に、所定の温度／圧力／時間サイクルの下で圧縮を実行して未加工物体を製造する可能性がある。

等方加圧の際には、低温等方方法が選択される。環状の回転陽極体のナノ冷却体を、シリンダ状の管の形態で（半等方で）製造すること好ましい。その目的は、加工コストを減らすためである。続いて、半等方で加圧された本体を、最終硬化まで、温度／時間サイクルに委ねる。

炭素材料は、以下のことを意味する。炭素ナノ管を有するコンパウンドは、粉末のような比較可能なコンステンシーを有し、従って、炭素材料の標準製造法に対応して加圧、硬化、炭化および黒鉛化されることができる。その結果、炭素材料が生じる。製造技術は、種々の形状を可能にする。これらの形状は、続いて、加工され、回転陽極体が形成されることができる。

本発明の他の詳細、利点および特徴は、複数の請求項から、これらの請求項から読み取ることができかつ単独でおよび／または組合せて用いられる複数の特徴からのみならず、図面から見て取れる実施の形態の以下の記載からも、明らかである。

図１には、特にコンピュータトモグラフのために定められた回転陽極体１０が原理的に示されている。回転陽極体１０は、実施の形態では、燃焼リング１２および冷却体１４により構成されている。この燃焼リングは、例えばタングステンからなることができる。回転陽極体１０は、図示しないシャフトで支持されており、軸すなわち回転軸１６を中心として回転可能である。

高い測定点密度を短時間で達成するために、用途に関して、回転陽極体１０を１５０Ｈｚのおよび４００Ｈｚよりも高い周波数で回転することができる。これの直径は、１５０ないし２５０ｍｍの範囲にあることができる。しかし、このことが制限として解釈されることはない。

熱を燃焼リング１２から良好に放出することによって、回転陽極体１０が長時間に亘って中断なしに用いられることができることが達成される。熱を放出するために、冷却体１４は、複数の炭素ナノ管と樹脂との混合物から製造された成形体である。この場合、炭素ナノ管としては、特に、１００ｎｍないし１５０ｎｍの直径を有し、中空空間を有しないいわゆる気相成長炭素繊維が用いられる。回転陽極体における炭素ナノ管の容積割合は、２０容積％ないし７０容積％の間の、好ましくは、５０容積％と６５容積％の間の範囲にある。

熱伝導率を高めるために、回転陽極体１０を製造するための初混合物に、より直径の小さいナノ管またはナノチューブ、特に単壁のナノ管またはナノチューブが付加されていることが可能である。熱伝導率の良い添加剤、例えばピッチまたはカーボンを混合することもできる。

かような冷却体１４は、６００Ｗ／ｍＫよりも高い熱伝導率を有する。それ故に、燃焼リング１２からの良好な放熱がなされることができる。

十分な安定性を得るために、冷却体１４は、内側にすなわち回転軸側に、高力ＣＦＣからなる支持リング２６を有する。外側にも、この支持リングに対応する支持リング２８が設けられており、支持リング２８は、冷却体１４にプレスされている。他の固定方法も同様に可能である。

実施の形態１
かような冷却体１４を製造するためには、まず、ナノ管と、硬化樹脂である結合剤とからなる混合物が製造される。結合剤としては、フェノール樹脂のような樹脂が用いられることが好ましい。他のポリマー、熱可塑性樹脂も同様に可能である。炭素ナノ管の割合が、５０容積％ないし６５容積％の範囲にあるほうがよい。かような混合物からは、射出成形によってまたは等方加圧、半等方加圧または軸方向加圧によって、回転陽極体１０の最終形態に近い成形体を製造することができる。この成形体は、Ｃ／Ｃ製造に対応して、炭化および黒鉛化される。次に、炭素あるいは炭化によって炭素に変換される物質による含浸がなされる。含浸された形態は、次に、熱処理される。熱処理された成形体の１度または数度の再圧縮がなされることが可能である。再圧縮は、ＣＶＩによってなされることができる。圧力による圧縮も可能である。

熱処理は炭化および黒鉛化工程も含む。炭化は７００℃と１２００℃の間、特に９００℃と１１５０℃の間の範囲でなされ、黒鉛化は２４００℃と３５００℃の間で、特に２６００℃と３３００℃の間でなされる（工程順序は１度または数度の再圧縮を含んでもよい）。

続いて、成形体は、切削加工によって加工されて、最終形態が形成される。最後に、加工される物体に、内側のおよび／または外側のＣＦＣリングすなわち支持リング２６，２８の形態の支持構造体を取り付けることができる。

実施の形態２
冷却体を製造するために、炭素ナノ管からなるコンパウンドと、結合剤としてのフェノール樹脂を有する気相成長炭素繊維との混合物を、例えば１５０℃の予め熱せられた鍛造型に注入し、７００ｂａｒの軸方向の圧縮圧力下で、約３０分の停止時間で加圧し、外径２０５ｍｍおよび内径１３８ｍｍの寸法および７０ｍｍの高さを有するリングをモールド成形する。続いて、このモールド成形された部材を、鍛造型から取り出し、表面のスキンの除去後に、炭化、黒鉛化し、次いで、３回の含浸／再炭化サイクルに委ねる。次に、２８００℃より高い温度で最終黒鉛化および最終加工がなされる。最終加工後に、ＣＶＤによって、冷却体をパイロカーボンで被覆する。その目的は、使用中に粒子の放出を防止するためである。冷却体は、ＣＦＣの支持リングを有することができる。但し、このことがＸ線回転陽極体の所望の回転数によって必要である場合に限る。ターンテーブル上での取着および燃焼リングの取付は、知られた技術で、特にろう付け工程によってなされる。

本発明では、冷却体として、セラミック体が用いられる。このセラミック体の出発基材は、炭素ナノ管および結合剤の混合物を有する有機基材である。

特にコンピュータトモグラフのために定められた回転陽極体を原理的に示す。

符号の説明

１０ 回転陽極体
１２ 燃焼リング
１４ 冷却体
１６ 軸、回転軸
２６ 支持リング、ＣＦＣリング
２８ 支持リング、ＣＦＣリング

Claims (22)

1. 燃焼リングに熱伝達が可能に接続され、前記燃焼リングとで、回転軸を中心として回転可能であるＸ線管の回転陽極体の冷却体を形成する方法において、
   複数の炭素ナノ管と結合剤との混合物をモールド成形し、続いて、熱処理することにより、冷却体を形成することを特徴とする方法。
2. 前記炭素ナノ管として、開放の端部を有しおよび／または開放の端部を有しないおよび／または中空空間を有しおよび／または中空空間を有しない単壁のおよび／または多壁の炭素ナノ管を用いることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記混合物における前記炭素ナノ管の容積割合Ｖは、２０容積％≦Ｖ≦７０容積％であることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記混合物に、黒鉛またはカーボンのような熱伝導性の充填剤を混合することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１に記載の方法。
5. 前記熱伝導性の充填剤の容積割合ＶＦは、０容積％＜ＶＦ≦４０容積％であることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記混合物のモールド成形体を形成するために、この混合物を等方に、半等方にまたは軸方向に加圧することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１に記載の方法。
7. 前記冷却体を射出成形によって成形することを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１に記載の方法。
8. 前記モールド成形された混合物を、硬化、熱分解および黒鉛化することを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１に記載の方法。
9. 前記モールド成形された混合物を、ＣＶＩ法で、１度または数度再圧縮することを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１に記載の方法。
10. 前記炭素ナノ管として、直径Ｄを有する炭素ナノ管を用い、この直径は、１００ｎｍ≦Ｄ≦１５０ｎｍであることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１に記載の方法。
11. 前記炭素ナノ管として、気相成長炭素繊維の炭素ナノ管を用いることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１に記載の方法。
12. 前記炭素ナノ管として、直径Ｄを有する炭素ナノ管を用い、この直径は、Ｄ≦５００μｍであることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１に記載の方法。
13. 前記混合物の炭素ナノ管は、直径の異なる２種類以上の炭素ナノ管からなることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１に記載の方法。
14. 前記炭素ナノ管として、長さＬを有する炭素ナノ管を用い、この長さは、実質的にＬ≦１５０μｍであることを特徴とする請求項１ないし１３のいずれか１に記載の方法。
15. 前記混合物からモールド成形されかつ熱処理された冷却体を、内側および／または外側で安定となるように補強することを特徴とする請求項１ないし１４のいずれか１に記載の方法。
16. 前記補強は、炭素繊維材料（ＣＦＣ）からなる支持リングを内側および／または外側に装着することによりなされることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 燃焼リング（１２）と、この燃焼リングに熱伝達が可能に接続された冷却体（１４）とを具備し、回転軸（１６）を中心として回転可能な、Ｘ線管の回転陽極体（１０）であって、
    前記冷却体（１４）は、複数の炭素ナノ管と結合剤との混合物をモールド成形したセラミック成形体で形成されていることを特徴とする、回転陽極体。
18. 前記炭素ナノ管は、炭素マトリックスに埋め込まれており、前記炭素ナノ管の容積割合Ｖは、２０容積％≦Ｖ≦７０容積％であることを特徴とする請求項１７に記載の回転陽極体。
19. 前記炭素ナノ管は、直径Ｄを有し、この直径は、１００ｎｍ≦Ｄ≦１５０ｎｍであることを特徴とする請求項１７又は１８に記載の回転陽極体。
20. 前記炭素ナノ管は気相成長炭素繊維の炭素ナノ管であることを特徴とする請求項１７ないし１９のいずれか１に記載の回転陽極体。
21. 前記冷却体（１４）は、長さＬを有し、この長さは、Ｌ≦１５０μｍであることを特徴とする請求項１７ないし２０のいずれか１に記載の回転陽極体。
22. 前記冷却体（１４）は、内側および外側に、支持リング（２６，２８）を有することを特徴とする請求項１７ないし２１のいずれか１に記載の回転陽極体。

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