高密度炭素繊維充填バルク
【課題】熱に関して優れた機能性をもつ炭素繊維を素材とした成形体を提供する。
【解決手段】複数のフィラメントによって構成される炭素繊維１００と、金属からなる中空筒状部材２００を用意し、炭素繊維１００を中空筒状部材２００に対し軸方向に揃えながら充填させる。充填後、筒状部材２００に対してダイス５０を利用したスエージング加工を施す。スエージング加工の後、熱処理を施し、炭素繊維充填バルク４００を成形する。
【解決手段】複数のフィラメントによって構成される炭素繊維１００と、金属からなる中空筒状部材２００を用意し、炭素繊維１００を中空筒状部材２００に対し軸方向に揃えながら充填させる。充填後、筒状部材２００に対してダイス５０を利用したスエージング加工を施す。スエージング加工の後、熱処理を施し、炭素繊維充填バルク４００を成形する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素繊維（ＣＦ）を筒状部材内に充填させたバルク（パイプ状成形体）に関し、特に、高密度に炭素繊維を充填させたバルクに関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素繊維は、軽くて高強度であること及び導電性、熱伝導性、吸着性などに関して優れた機能性をもっており、様々な技術分野で使用されている。例えば、引張強度のある連続炭素繊維を導体中心線に設け、それを被覆して送電線を構成することが可能である（特許文献１参照）。また、軽くて高強度である炭素繊維を長手方向に引き揃えた、薄肉太径の炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）を中空状金属パイプに挿入し、動力伝達シャフトを構成することができる（特許文献２参照）。
【０００３】
一方、炭素繊維の吸着性の高さに着目し、ガス分離用吸着槽の吸着材料として炭素繊維を使用することも可能である。例えば、窒素、酸素分離用の連続炭素繊維を吸着槽に充填し、高純度で窒素ガスを分離することができる（特許文献３参照）。
【０００４】
特許文献３では、炭素繊維を充填させる方法として、プレス圧入する方法が記載されている。そこでは、まず、所定の長さの炭素繊維を軸線方向に並べて反割型治具に充填し、治具内に繊維束を形成する。そして、治具から充填槽に向けて繊維束を軸線方向に沿ってプレス圧入することで、炭素繊維を吸着槽に充填させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３４７５４３３号公報
【特許文献２】特開２００２−２３５７２６号公報
【特許文献３】特開平６−１９０２７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来、炭素繊維を筒状部材に充填させた成形体は、機械的強度、吸着性などを考慮した成形体として構成されている。しかしながら、これらの炭素繊維充填バルクは、直接的に外力が働く電線、動力伝達シャフト、あるいは、外気を吸入させる吸着装置といった製品を前提とした構造であり、これら製品は、良好なフレキシビリティ、あるいは外気流入が必然的である。したがって、炭素繊維の充填に関しても、繊維間にある程度の隙間、空隙を設けた構成になっている。
【０００７】
一方、炭素繊維は高温（約３０００℃）で黒鉛化処理されていることから、熱伝導性、熱拡散（温度拡散）性が優れており、高温状態になる製品に炭素繊維充填バルクを使用することが考えられる。例えば、ショートアーク型放電ランプにおいては、良好なランプ始動性を確保するため電極を早期に安定点灯状態まで加熱する必要がある一方、ランプ点灯中高温になる電極（特に電極先端部）の熱放出が必要であり、熱伝導性等の優れた素材による電極が求められる。
【０００８】
しかしながら、このような製品に炭素繊維充填バルクを適用しようとしても、炭素繊維の熱伝導性、熱拡散性を充分に引き出すようなバルク製造方法が従来確立していないため、熱に関する優れた機能性をもつ炭素繊維充填バルクを成形することができない。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、炭素繊維充填バルクの製造方法であり、従来にない高密度で炭素繊維を充填させたバルクを提供する製造方法であって、充填工程と、充填された炭素繊維をさらに高密度化させる（充填率を向上させる）工程を含む。充填工程では、筒状部材に、炭素繊維を軸方向に揃えて充填する。そして、高密度化（高充填率化）工程では、炭素繊維を充填した筒状部材を引き伸ばして縮径させる。
【００１０】
本発明では、充填工程によってすでに内部が炭素繊維に埋め尽くされた筒状部材に対し、引き伸ばしという、従来のバルク成形では機能性損失の観点から採りえない加工を行うことによって、管状部材を軸方向に延伸させて細径化し、さらなる高密度な充填状態を筒状部材内部に作り出している。これにより、バルクの内部密度は炭素繊維に極限まで近付き、炭素繊維間の隙間がほとんどなくなる。
【００１１】
一般的に、熱伝導率は、熱拡散率と比熱容量と比重とを乗算することで定まる。本願発明のような高密度で圧接した状態（圧密状態）の炭素繊維充填構造によれば、炭素繊維が束状に充填されても、炭素繊維本来の熱伝導性が損なわれることなくそのままバルクにおいて良好な熱輸送能力が機能する。そればかりか、本願発明のように筒状部材の引き伸ばし−縮径によって高密度化を実現させることにより、バルク単体としての軸方向に沿った熱伝導率がより一層高められることになり、バルクの軸方向に沿った熱輸送能力が有効に活用され、熱伝導性に優れたバルクを成形することができる。
【００１２】
また、引き伸ばしによって筒状部材を縮径させるため、筒状部材内部の炭素繊維は従来の炭素繊維充填バルクと比べて、より一体的で密接な状態で収容されるとともに、軸方向に関して圧密充填の程度が均一化されており、どの断面においても充填率がほぼ等しい。
【００１３】
このように、従来にはない高密度、高充填率で炭素繊維を充填化することにより、熱伝導性、熱容量、熱拡散など熱に関する機能性が優れたバルクを成形することができる。その一方、炭素繊維としての高強度、電気伝導性といった従来の機能も十分に備えており、複雑な構造体、金属材料を組み合わせたアッセンブリーなどに組み込むことが可能である。特に、炭素繊維はタングステンなどの金属に比べて比重が小さいため、体積効率の優れた（より細径で）熱輸送能力のあるバルクを成形することが可能である。
【００１４】
このような高密度充填を実現させた炭素繊維充填バルクは、様々な製品に適用可能であり、電気伝導性ともに耐熱性、熱伝導性といった熱に関する機能性が重要となる製品に使用することが可能である。例えば、炭素繊維充填バルクは、ショートアーク型放電ランプなど放電ランプの電極本体もしくはその一部として構成することが可能である。また、炭素繊維充填バルクは、大電流を供給する電線にも利用可能であり、電力の発熱損の影響を抑えることができる。あるいは、ヒートパイプなどの熱伝導部材としても使用可能である。
【００１５】
炭素繊維充填工程においては、様々な充填方法を適用することが可能であり、筒状部材が充填工程において塑性変形させる力をできるだけ加えない程度において、筒状部材内部空間にできるだけ隙間なく炭素繊維を埋め尽くすように挿入させればよい。手作業によって炭素繊維を充填してもよく、あるいは、プレス機などの機械を使って炭素繊維を充填させてもよい。また、熱伝導率を高める、あるいは他の部材との結合等を考慮し、炭素繊維の少なくとも一方の端面が筒状部材から突出するように、充填処理を行ってもよい。
【００１６】
筒状部材を引き伸ばして縮径する工程では、金属などで構成される塑性の筒状部材を安定して縮径させることを考慮し、スエージング（swaging）加工を施すのが望ましい。スエージング加工によって、筒状部材が均一な肉厚で縮径し、軸方向に沿って炭素充填率が均一なバルクを成形することが可能となる。また、スエージング加工後に熱処理することで、炭素繊維の機能性を向上させることができる。
【００１７】
筒状部材については、例えばパイプなどの中空状、管状部材が適用可能であり、特に、スエージング工程のときに安定して塑性変形する金属パイプなどを適用するのがよい。炭素繊維の構成も様々な態様の炭素繊維を充填させることが可能であり、手作業で充填させる場合には、ある程度の本数（数千〜数万本）の長炭素繊維フィラメントから成るヤーンを充填させてもよい。
【００１８】
手作業、あるいは圧入プレスなどの機械加工によって充填したとき、そのときの充填率（体積率）には限度があり、スエージング工程前の充填率は、例えばおよそ７５パーセント以下である。高密度充填を実現させるためには、炭素繊維の充填率が少なくとも８５パーセント以上になるように、引き伸ばすのがよい。あるいは、充填された複数の炭素繊維の少なくとも一部においてその断面形状が弾性変形、あるいは塑性変形するように、筒状部材を引き伸ばして縮径させることによっても、同等の熱輸送能力の高いバルクを成形することができる。特に、９０パーセント以上の充填率によって、炭素繊維間の隙間を極力排した高密度炭素繊維充填構造が実現される。
【００１９】
高密度充填を実現するためには、スエージング工程において適度な縮径を行うのがよい。縮径の程度については、筒状部材の材料特性、炭素繊維の強度、サイズなどに基づいて定められる。例えば、筒状部材径を１／４〜３／４の範囲で縮径することによって、高密度充填できる。特に、筒状部材径を３／４ほど縮径することによって、９５パーセント近い充填率のバルクを成形することが可能となる。これは、断面円状炭素繊維を正方格子配列させた場合の理論密度７８.６パーセントよりも大きな密度になる。
【００２０】
ある部材間にバルクを接続させ、熱伝導機能を発揮させる場合、炭素繊維端面を全体的に接触させるのが望ましい。そのため、圧密充填された炭素繊維の少なくとも一方の端面が平滑となるように、炭素繊維を充填させるのがよい。ただし、ここでの平滑は、一般的な繊維端面において必要とされる平滑性を意味し、例えば、ＳＥＭ観察などによっても、炭素繊維それぞれの端部がその軸方向に揃えられ、炭素繊維端面が全体的に平面を規定するほどの滑らかさをもつ。切断処理は、延伸処理後であって熱処理前あるいは熱処理後に行えばよい。
【００２１】
本発明の炭素繊維充填バルクは、引き伸ばされて縮径されている筒状部材と、筒状部材内部に高密度に充填された炭素繊維とを備え、炭素繊維が、軸方向に揃って充填されている。そして、炭素繊維の少なくとも一部においてその断面形状が変形するように、炭素繊維が筒状部材内に充填されていることを特徴とする。これにより、熱に関する優れた機能性をもたせることができる。一方、同等の熱に関する機能性をもつ本発明の炭素繊維充填バルクは、炭素繊維の少なくとも一部においてその断面形状が変形するように炭素繊維が筒状部材内に充填されていることを特徴とする。この充填率は、炭素繊維充填後に引き伸ばされて縮径される筒状部材によって実現可能な充填率である。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、熱に関して優れた機能性をもつ炭素繊維を素材とした成形体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本実施形態である炭素繊維充填バルクの製造方法を示した工程図である。
【図２】炭素繊維充填バルクを組み込んだ放電ランプ用電極の模式的断面図である。
【図３】炭素繊維を充填させた金属パイプを斜め方向から撮影した写真を示した図である。
【図４】光学顕微鏡を使って金属パイプを切断したときの炭素繊維の圧密充填状態を撮影した写真を示した図である。
【図５】サンプル１の炭素繊維充填バルクを切断し、ＳＥＭ観察によって切断面における炭素繊維の高密度充填状態を撮影した写真を示した図である。
【図６】サンプル２の炭素繊維充填バルクを切断し、ＳＥＭ観察によって切断面における炭素繊維の高密度充填状態を撮影した写真を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下では、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００２５】
図１は、本実施形態である炭素繊維充填バルクの製造方法を示した工程図である。
【００２６】
図１に示すように、バルク用素材として、所定の長さに揃えられた炭素繊維１００と、中空の筒状部材２００が用意される。炭素繊維１００は、数百本〜数千本の炭素繊維フィラメントから成る炭素繊維ヤーンを単体とした繊維構造であり、複数の炭素繊維ヤーンから構成されている。
【００２７】
筒状部材２００は、タンタルあるいはモリブデンなどの金属パイプによって構成されており、ここでは、炭素繊維束１００に比べて軸方向長さが短く定められている。筒状部材２００は、溶接によってプレート状金属部材から成形される。溶接のつなぎ目２１０は、ここでは軸方向に形成されているが、螺旋状に形成することも可能である。
【００２８】
最初に行われる充填工程では、炭素繊維１００が筒状部材２００に挿入され、充填される。炭素繊維１００は、筒状部材２００の内部空間を最大限埋め尽くす量だけ用意されており、炭素繊維１００は筒状部材２００内に束となって収容される。充填方法としては、手作業によって筒状部材２００に炭素繊維１００を押し込む方法などが適用可能であり、あるいは、プレス機などを使って圧入することも可能である。
【００２９】
充填工程では、筒状部材２００が塑性変形したりすることがないように、炭素繊維束１００が筒状部材２００に挿入される。このとき、炭素繊維束１００の端面が筒状部材２００から突出するように充填されている。充填工程により、筒状部材２００の所定断面における充填率は、およそ６０〜７０パーセントにここでは達している。ただし、充填率は、筒状部材２００の内部空間断面積に対する炭素繊維１００の断面積の割合を表す。また、軸方向に沿って炭素繊維１００の充填率がほぼ均一になっているものとする。
【００３０】
炭素繊維束１００が充填された筒状部材２００は、スエージング加工機械にセッティングされる。そして、スエージング加工機械のダイス５０を通じてスエージング加工が施される。スエージング加工により、筒状部材２００は塑性変形し、軸方向に沿って伸びるとともに、周縁部が絞り込まれて縮径する。このとき、炭素繊維１００の充填率が９０パーセント以上になるように、また、充填率が軸方向に沿って均一と成るように、細径化される。ここでは、筒状部材２００の径が加工前のほぼ２／３となるように細径化されている。スエージング加工により、炭素繊維束１００の少なくとも一部もしくは全体的において、断面円形状である炭素繊維が圧接によって弾性変形する。その後、所定の長さにするため、炭素繊維束１００の端部を切断する。ここでは、ファインカッターなどの切断器具を使って切断している。
【００３１】
スエージング加工によって軸方向に延伸した筒状部材２００を製造し、切断処理を行った後、所定温度（例えば１５００℃〜２０００℃）の温度雰囲気の下、筒状部材２００に対して熱処理を数時間行う。この熱処理を経て、炭素繊維充填バルク４００が製造される。炭素繊維充填バルク４００は、炭素繊維の充填密度（かさ密度）を極度に高めた成形体であって、断面円状の炭素繊維が弾性変形するまで互いに圧接され、圧密充填されている。また、内部の炭素繊維束は高い集束性をもっている。このような高密度充填によって、バルク４００は熱伝導性、熱拡散性が優れた成形体になっており、例えば、放電ランプ用電極の伝熱体、あるいはヒートポンプなどの熱伝導部材として使用することができる。
【００３２】
図２は、炭素繊維充填バルクを組み込んだ放電ランプ用電極の模式的断面図である。
【００３３】
陽極３０は、ショートアーク型放電ランプ１０に用いられる放電用電極であり、電極支持棒４０によって鉛直方向に保持されている。陽極３０は、電極本体３２中心部に筒状空間３３を有し、筒状空間３３には炭素繊維充填バルク３６が収容されている。
【００３４】
筒状内部空間３３のサイズに合わせた柱状の電極蓋３９は、電極本体３２と結合して内部空間３３を密封する。電極支持棒４０は電極蓋３９に連結固定されており、電極蓋３９を介して電極３０を保持している。
【００３５】
電極本体３２、電極蓋３９、電極支持棒４０は、タングステン（Ｗ）によって構成される。一方、陽極３０内部で電極軸に沿って延在する炭素繊維充填バルク３６は、炭素繊維３８をタンタル金属からなる中空パイプ３７内に高密度充填した伝熱体として構成されており、上述した製造方法に従って成形されている。
【００３６】
高い集束性をもつ炭素繊維３８の端面は、中空パイプ３７両端から突出しており、両端面とも平滑である。すなわち、炭素繊維フィラメント各々端部が軸方向に沿って揃うことにより、炭素繊維端面全体が歪なく平面を規定するように滑らかであり、一部炭素繊維フィラメントが突出あるいは長さ不足となる状態が実質的に生じていない。また、炭素繊維３８の一方の端面は、電極蓋３９と筒状空間３３の底面と密着し、電極先端部３２Ｓと繋がっている。したがって、放電中に電極先端部３２Ｓが受ける陰極（図示せず）からの電子との衝突によって生じる熱は、熱伝導性、熱応答性の優れた高密度充填炭素繊維３８によって電極支持棒側へ輸送される。
【００３７】
これにより、電極先端部３２Ｓが局所的に過熱することなく、陽極３０の温度が全体的に均一化される。その結果、電極先端部３２Ｓの溶融、蒸発によって失透し、発光効率が低下するのを防ぎ、電極消耗を抑えることができる。また、好適な導電性をもつため、入力電力が大きくなって電流量が増大しても、放電に影響しない。
【００３８】
このように本実施形態によれば、複数のヤーンによって構成される炭素繊維１００と、金属からなる中空筒状部材２００を用意し、炭素繊維１００を中空筒状部材２００に対し軸方向に揃えながら充填させる。充填後、筒状部材２００に対してダイス５０を利用したスエージング加工を施す。スエージング加工の後、切断して熱処理を施し、炭素繊維充填バルク４００を成形する。
【００３９】
炭素繊維を充填させた後に引き伸ばし、すなわち縮径を行うことにより、引き伸ばし前の段階では比較的多くの炭素繊維間で隙間があったものが、炭素繊維が弾性変形するほど実質的に隙間なく炭素繊維が圧密状態で充填される。その結果、炭素繊維自体の熱伝導性、熱拡散性を損なうことなく、バルク内部の軸方向長さ全体に沿って優れた熱伝導性、熱拡散性をもつことになる。また、バルク断面いずれの部分においてもその熱伝導性、拡散性が等しく、熱輸送能力の均一性が保たれる。特に、充填率を９０パーセント以上にすることにより、隙間がなくなるように炭素繊維同士が弾性変形しながら互いに密接し、よりすぐれた熱伝導性をもつことができる。
【００４０】
なお、上記炭素繊維の充填方法、スエージング加工には限定されない。引き伸ばして縮径させるのには、軸方向に沿って略均一に縮径させる他の塑性加工であってもよい。また、充填工程においては、筒状部材を塑性変形させるような力を加えない程度で、炭素繊維を筒内部空間にできる限り圧密充填させればよい。さらに、炭素繊維はヤーン単位のフィラメント状炭素繊維に限定されず、任意の断面形状であって複数の炭素繊維を束状に充填させた構造であればよい。炭素繊維端面の平滑化については、少なくとも一方の端面において行うようにしてもよい。また、炭素繊維端面を平滑化させなくてもよい。
【００４１】
以下では、図３〜６を用いて、本発明の実施例について説明する。
【実施例】
【００４２】
本実施例では、実施形態と同様の製造方法によって高密度充填炭素繊維充填バルクを製造し、充填率、熱伝導率、比重を測定し、参考となる金属と比較した。また、熱処理前と熱処理後において、上記物理量をそれぞれ測定した。ここでは、炭素繊維の種類に応じて、２つの高密度炭素繊維充填バルク（以下、サンプル１、サンプル２という）を製造した。
【００４３】
筒状部材については、金属材料としてタンタル（Ｔａ）板材をサンプル１、２のために用意し、タンタル板材を丸めて溶接することで金属パイプを成形した。このとき、つなぎ目が軸方向に沿うように溶接した。サンプル１、２のために用意された金属パイプは、直径３０ｍｍ、長さ２００ｍｍ、肉厚１．０ｍｍとなるように成形された。
【００４４】
炭素繊維（ＣＦ）については、サンプル１用にＧＲＡＮＯＣ（登録商標）ＸＮ−９０−６０Ｓ（日本グラファイトファイバー（株）製）が使用され、炭素繊維フィラメント６０００本からなるヤーン状繊維を多数用意した。このヤーン状炭素繊維の熱伝導率は５００Ｗ／ｍ・Ｋ、炭素繊維密度は２．１９ｇ／ｃｍ３ある。サンプル２では、ダイアリード（登録商標）Ｋ１３Ｄ２Ｕ（三菱樹脂（株）製）が使用され、炭素繊維フィラメント２０００本からなるヤーン状繊維を多数用意した。熱伝導率は８００Ｗ／ｍ・Ｋ、炭素繊維密度は２．２１ｇ／ｃｍ３である。
【００４５】
まず、充填工程では、手作業によって炭素繊維ヤーンを軸方向に揃えながら金属パイプに挿入した。パイプ内部を、サンプル１については約５３０本、サンプル２については約１３２０本の炭素繊維ヤーンで埋め尽くした。いずれにおいても、炭素繊維ヤーンの端面がパイプから突出するように充填処理されている。
【００４６】
図３は、サンプル１の炭素繊維ヤーンを充填させた金属パイプを斜め方向から撮影した写真を示した図である。図４は、光学顕微鏡を使って金属パイプを炭素繊維軸方向に切断したときのサンプル１の炭素繊維が軸方向に揃った状態を撮影した写真を示した図である。図３、４から明らかなように、炭素繊維は金属パイプ内部に充填されており、軸方向に沿って揃えられている。サンプル２においても、同様に炭素繊維が充填されている。
【００４７】
次に、炭素繊維が充填されたサンプル１、２用の金属パイプに対し、スエージング加工を施した。ここでは、円周状に配置した複数のハンマーダイス対を用いて金属パイプを引き抜き、外径２０ｍｍに縮径させた。そして、スエージング加工処理後、炭素繊維ヤーンの両端面を切断した。サンプル１については、旋盤を用いて炭素繊維を切断し、サンプル２については、炭素繊維端面平滑化のため、ファインカッターを用いて炭素繊維を切断した。
【００４８】
成形されたサンプル１の炭素繊維充填バルクにおける炭素繊維の体積は３５．３５４ｃｍ３となり、炭素繊維密度は２．００１ｇ／ｃｍ３、充填率は９１．８パーセントとなった。一方、成形されたサンプル２の炭素繊維充填バルクにおける炭素繊維の体積は３５．３５４ｃｍ３となり、炭素繊維密度は２．０６４ｇ／ｃｍ３、充填率は９３．４パーセントとなった。以下の表１に示す。なお、ここでは炭素繊維切断面における炭素繊維密度および充填率を測定しているが、パイプ内部における炭素繊維の高集束性により、任意の炭素繊維断面における充填状態も炭素繊維切断面と実質的に等しいものとみなせる。
【００４９】
【表１】
【００５０】
このように炭素繊維が高密度充填されたバルクに対し、熱伝導率を測定した。熱伝導率測定では、炭素繊維切断面の中心部に対し、フラッシュ法、具体的にはナノフラッシュ（Nano Flash）法により熱伝導率を測定するとともに、比重を求めた。熱伝導率は、熱拡散率×密度×比熱容量の式に基づいて算出した。また、比重はアルキメデス法で求めた。
【００５１】
なお、熱伝導率算出の際に用いられる比熱容量は、比較法に基づき計算で求めた。このとき比較する標準試料は、同じ炭素元素からなるPoco Graphiteを使用した。その結果、比熱容量は、サンプル１、２ともに０．４９Ｊ・Ｋ／ｇであった。また、熱伝導率算出に用いられる熱拡散率（温度拡散率）は、筒体切断面に赤外線を照射して赤外線の温度時間変化をサンプル１、２についてそれぞれ測定し、以下の式に基づいて算出した。
α＝０．１３８８×Ｄ２／Ｔ ・・・・・（１）
ただし、αは熱拡散率（ｍ２／ｓ）、Ｄは充填炭素繊維の断面直径（ｍｍ）を表す。また、Ｔは、温度最大値の１／２に到達するまでの時間（ｓ）を表す。
【００５２】
熱伝導率測定の結果、サンプル１については、熱伝導率３５０．２Ｗ／ｍ・Ｋとなった。一方、炭素繊維端面が平滑になっているサンプル２については、熱伝導率６７８．８Ｗ／ｍ・Ｋとなった（表１参照）。
【００５３】
次に、サンプル１、２の高密度炭素繊維充填バルクに対して熱処理を施し、熱処理後の密度、充填率、熱伝導率を測定した。熱処理工程では、１８００℃で１時間に渡る加熱を行った。その結果、サンプル１については、炭素繊維密度１．８６８ｇ／ｃｍ３、充填率８５．７パーセント、熱伝導率２９４．３Ｗ／ｍ・Ｋとなった。一方、サンプル２については、炭素繊維密度１．９９０ｇ／ｃｍ３、充填率９０．１パーセント、熱伝導率８００．８Ｗ／ｍ・Ｋとなった（表１参照）。
【００５４】
加熱前後の炭素繊維密度、熱伝導率の変化については、熱処理による収縮、ヤーン状炭素繊維ヤーンに含まれているサイジング材等の影響によるもと推定される。また、ヤーン状炭素繊維の種類の違い等により、その変化もサンプル１、２において相違する。しかしながら、熱処理後においても十分な充填率（８５パーセント以上）、熱伝導率を維持している。特に、サンプル２では、熱処理後の熱伝導率が、ヤーン状炭素繊維の熱伝導率８００Ｗ／ｍ・Ｋとほぼ等しくなった。
【００５５】
図５は、熱処理後のサンプル１の炭素繊維切断面における炭素繊維の高密度充填状態をＳＥＭ観察した写真を示す図である。ただし、ここでは炭素繊維端面の縁部分を観察している。
【００５６】
一方、図６は、熱処理後のサンプル２の炭素繊維切断面における炭素繊維の高密度充填状態をＳＥＭ観察した写真を示す図である。ただし、ここでは炭素繊維端面の縁近くの部分を観察している。
【００５７】
図６から明らかなように、サンプル２における炭素繊維フィラメントは、互いに境界なく（隙間なく）密接しながら充填されている。また、計測された充填率は、理想的充填率、すなわち、断面円状の炭素繊維が最密で配列するときの充填率９０．６５パーセントを超えている。このことは、断面円状炭素繊維が弾性変形しながら圧密充填されていることを示している。
【００５８】
さらに、図５との比較で明らかなように、サンプル２の炭素繊維端面では、炭素繊維フィラメントが軸方向に揃っており、端面が平滑となって圧密充填されている。炭素繊維切断面全体が一平面を規定するように、繊維不揃い、あるいは歪みなく平らであることがわかる。
【００５９】
一方、図５に示すサンプル１では、切断器具がサンプル２と違うため、炭素繊維端面が一部不揃いとなっているが、これは旋盤での切断加工においては、炭素繊維が引き抜かれながら切断されることに原因している。しかしながら、充填率は理想的充填率を超えており、炭素繊維が互いに弾性変形しながら隙間なく密接して充填されていることは図５からも明らかである。
【００６０】
次に、測定した熱伝導率および比重を、高熱伝導性金属と比較した。ここでは、比較対象となる高熱伝導性金属として、高熱伝導性金属の銅（Ｃｕ）、高耐熱性金属のタングステン（Ｗ）を用いている。熱伝導率及び比重を比較した結果も、表１に示している。
【００６１】
表１から明らかなように、高密度充填させた金属パイプ内部の熱伝導性は、銅やＷに比べて２倍から７倍程度優れていることが分かる。炭素繊維束は比重が銅の１／４であることを考えると、熱伝導性きわめて高いと言える。また、放電ランプの電極に使用される高融点金属の１つであるタングステン（Ｗ）の熱伝導率（１７４Ｗ／ｍ・Ｋ）よりもはるかに大きな熱伝導率をもつ。特に、炭素繊維の比重はタングステンの比重の約１／９であることを考えると、体積効率はおよそ２０倍になる。
【００６２】
以上により、本実施例の炭素繊維充填バルクが、すぐれた熱伝導性、体積効率をもつことが確かめられた。
【符号の説明】
【００６３】
１０ ショートアーク型放電ランプ
３０ 陽極
５０ ダイス
１００ 炭素繊維
２００ 筒状部材
４００ 炭素繊維充填バルク
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素繊維（ＣＦ）を筒状部材内に充填させたバルク（パイプ状成形体）に関し、特に、高密度に炭素繊維を充填させたバルクに関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素繊維は、軽くて高強度であること及び導電性、熱伝導性、吸着性などに関して優れた機能性をもっており、様々な技術分野で使用されている。例えば、引張強度のある連続炭素繊維を導体中心線に設け、それを被覆して送電線を構成することが可能である（特許文献１参照）。また、軽くて高強度である炭素繊維を長手方向に引き揃えた、薄肉太径の炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）を中空状金属パイプに挿入し、動力伝達シャフトを構成することができる（特許文献２参照）。
【０００３】
一方、炭素繊維の吸着性の高さに着目し、ガス分離用吸着槽の吸着材料として炭素繊維を使用することも可能である。例えば、窒素、酸素分離用の連続炭素繊維を吸着槽に充填し、高純度で窒素ガスを分離することができる（特許文献３参照）。
【０００４】
特許文献３では、炭素繊維を充填させる方法として、プレス圧入する方法が記載されている。そこでは、まず、所定の長さの炭素繊維を軸線方向に並べて反割型治具に充填し、治具内に繊維束を形成する。そして、治具から充填槽に向けて繊維束を軸線方向に沿ってプレス圧入することで、炭素繊維を吸着槽に充填させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３４７５４３３号公報
【特許文献２】特開２００２−２３５７２６号公報
【特許文献３】特開平６−１９０２７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来、炭素繊維を筒状部材に充填させた成形体は、機械的強度、吸着性などを考慮した成形体として構成されている。しかしながら、これらの炭素繊維充填バルクは、直接的に外力が働く電線、動力伝達シャフト、あるいは、外気を吸入させる吸着装置といった製品を前提とした構造であり、これら製品は、良好なフレキシビリティ、あるいは外気流入が必然的である。したがって、炭素繊維の充填に関しても、繊維間にある程度の隙間、空隙を設けた構成になっている。
【０００７】
一方、炭素繊維は高温（約３０００℃）で黒鉛化処理されていることから、熱伝導性、熱拡散（温度拡散）性が優れており、高温状態になる製品に炭素繊維充填バルクを使用することが考えられる。例えば、ショートアーク型放電ランプにおいては、良好なランプ始動性を確保するため電極を早期に安定点灯状態まで加熱する必要がある一方、ランプ点灯中高温になる電極（特に電極先端部）の熱放出が必要であり、熱伝導性等の優れた素材による電極が求められる。
【０００８】
しかしながら、このような製品に炭素繊維充填バルクを適用しようとしても、炭素繊維の熱伝導性、熱拡散性を充分に引き出すようなバルク製造方法が従来確立していないため、熱に関する優れた機能性をもつ炭素繊維充填バルクを成形することができない。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、炭素繊維充填バルクの製造方法であり、従来にない高密度で炭素繊維を充填させたバルクを提供する製造方法であって、充填工程と、充填された炭素繊維をさらに高密度化させる（充填率を向上させる）工程を含む。充填工程では、筒状部材に、炭素繊維を軸方向に揃えて充填する。そして、高密度化（高充填率化）工程では、炭素繊維を充填した筒状部材を引き伸ばして縮径させる。
【００１０】
本発明では、充填工程によってすでに内部が炭素繊維に埋め尽くされた筒状部材に対し、引き伸ばしという、従来のバルク成形では機能性損失の観点から採りえない加工を行うことによって、管状部材を軸方向に延伸させて細径化し、さらなる高密度な充填状態を筒状部材内部に作り出している。これにより、バルクの内部密度は炭素繊維に極限まで近付き、炭素繊維間の隙間がほとんどなくなる。
【００１１】
一般的に、熱伝導率は、熱拡散率と比熱容量と比重とを乗算することで定まる。本願発明のような高密度で圧接した状態（圧密状態）の炭素繊維充填構造によれば、炭素繊維が束状に充填されても、炭素繊維本来の熱伝導性が損なわれることなくそのままバルクにおいて良好な熱輸送能力が機能する。そればかりか、本願発明のように筒状部材の引き伸ばし−縮径によって高密度化を実現させることにより、バルク単体としての軸方向に沿った熱伝導率がより一層高められることになり、バルクの軸方向に沿った熱輸送能力が有効に活用され、熱伝導性に優れたバルクを成形することができる。
【００１２】
また、引き伸ばしによって筒状部材を縮径させるため、筒状部材内部の炭素繊維は従来の炭素繊維充填バルクと比べて、より一体的で密接な状態で収容されるとともに、軸方向に関して圧密充填の程度が均一化されており、どの断面においても充填率がほぼ等しい。
【００１３】
このように、従来にはない高密度、高充填率で炭素繊維を充填化することにより、熱伝導性、熱容量、熱拡散など熱に関する機能性が優れたバルクを成形することができる。その一方、炭素繊維としての高強度、電気伝導性といった従来の機能も十分に備えており、複雑な構造体、金属材料を組み合わせたアッセンブリーなどに組み込むことが可能である。特に、炭素繊維はタングステンなどの金属に比べて比重が小さいため、体積効率の優れた（より細径で）熱輸送能力のあるバルクを成形することが可能である。
【００１４】
このような高密度充填を実現させた炭素繊維充填バルクは、様々な製品に適用可能であり、電気伝導性ともに耐熱性、熱伝導性といった熱に関する機能性が重要となる製品に使用することが可能である。例えば、炭素繊維充填バルクは、ショートアーク型放電ランプなど放電ランプの電極本体もしくはその一部として構成することが可能である。また、炭素繊維充填バルクは、大電流を供給する電線にも利用可能であり、電力の発熱損の影響を抑えることができる。あるいは、ヒートパイプなどの熱伝導部材としても使用可能である。
【００１５】
炭素繊維充填工程においては、様々な充填方法を適用することが可能であり、筒状部材が充填工程において塑性変形させる力をできるだけ加えない程度において、筒状部材内部空間にできるだけ隙間なく炭素繊維を埋め尽くすように挿入させればよい。手作業によって炭素繊維を充填してもよく、あるいは、プレス機などの機械を使って炭素繊維を充填させてもよい。また、熱伝導率を高める、あるいは他の部材との結合等を考慮し、炭素繊維の少なくとも一方の端面が筒状部材から突出するように、充填処理を行ってもよい。
【００１６】
筒状部材を引き伸ばして縮径する工程では、金属などで構成される塑性の筒状部材を安定して縮径させることを考慮し、スエージング（swaging）加工を施すのが望ましい。スエージング加工によって、筒状部材が均一な肉厚で縮径し、軸方向に沿って炭素充填率が均一なバルクを成形することが可能となる。また、スエージング加工後に熱処理することで、炭素繊維の機能性を向上させることができる。
【００１７】
筒状部材については、例えばパイプなどの中空状、管状部材が適用可能であり、特に、スエージング工程のときに安定して塑性変形する金属パイプなどを適用するのがよい。炭素繊維の構成も様々な態様の炭素繊維を充填させることが可能であり、手作業で充填させる場合には、ある程度の本数（数千〜数万本）の長炭素繊維フィラメントから成るヤーンを充填させてもよい。
【００１８】
手作業、あるいは圧入プレスなどの機械加工によって充填したとき、そのときの充填率（体積率）には限度があり、スエージング工程前の充填率は、例えばおよそ７５パーセント以下である。高密度充填を実現させるためには、炭素繊維の充填率が少なくとも８５パーセント以上になるように、引き伸ばすのがよい。あるいは、充填された複数の炭素繊維の少なくとも一部においてその断面形状が弾性変形、あるいは塑性変形するように、筒状部材を引き伸ばして縮径させることによっても、同等の熱輸送能力の高いバルクを成形することができる。特に、９０パーセント以上の充填率によって、炭素繊維間の隙間を極力排した高密度炭素繊維充填構造が実現される。
【００１９】
高密度充填を実現するためには、スエージング工程において適度な縮径を行うのがよい。縮径の程度については、筒状部材の材料特性、炭素繊維の強度、サイズなどに基づいて定められる。例えば、筒状部材径を１／４〜３／４の範囲で縮径することによって、高密度充填できる。特に、筒状部材径を３／４ほど縮径することによって、９５パーセント近い充填率のバルクを成形することが可能となる。これは、断面円状炭素繊維を正方格子配列させた場合の理論密度７８.６パーセントよりも大きな密度になる。
【００２０】
ある部材間にバルクを接続させ、熱伝導機能を発揮させる場合、炭素繊維端面を全体的に接触させるのが望ましい。そのため、圧密充填された炭素繊維の少なくとも一方の端面が平滑となるように、炭素繊維を充填させるのがよい。ただし、ここでの平滑は、一般的な繊維端面において必要とされる平滑性を意味し、例えば、ＳＥＭ観察などによっても、炭素繊維それぞれの端部がその軸方向に揃えられ、炭素繊維端面が全体的に平面を規定するほどの滑らかさをもつ。切断処理は、延伸処理後であって熱処理前あるいは熱処理後に行えばよい。
【００２１】
本発明の炭素繊維充填バルクは、引き伸ばされて縮径されている筒状部材と、筒状部材内部に高密度に充填された炭素繊維とを備え、炭素繊維が、軸方向に揃って充填されている。そして、炭素繊維の少なくとも一部においてその断面形状が変形するように、炭素繊維が筒状部材内に充填されていることを特徴とする。これにより、熱に関する優れた機能性をもたせることができる。一方、同等の熱に関する機能性をもつ本発明の炭素繊維充填バルクは、炭素繊維の少なくとも一部においてその断面形状が変形するように炭素繊維が筒状部材内に充填されていることを特徴とする。この充填率は、炭素繊維充填後に引き伸ばされて縮径される筒状部材によって実現可能な充填率である。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、熱に関して優れた機能性をもつ炭素繊維を素材とした成形体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本実施形態である炭素繊維充填バルクの製造方法を示した工程図である。
【図２】炭素繊維充填バルクを組み込んだ放電ランプ用電極の模式的断面図である。
【図３】炭素繊維を充填させた金属パイプを斜め方向から撮影した写真を示した図である。
【図４】光学顕微鏡を使って金属パイプを切断したときの炭素繊維の圧密充填状態を撮影した写真を示した図である。
【図５】サンプル１の炭素繊維充填バルクを切断し、ＳＥＭ観察によって切断面における炭素繊維の高密度充填状態を撮影した写真を示した図である。
【図６】サンプル２の炭素繊維充填バルクを切断し、ＳＥＭ観察によって切断面における炭素繊維の高密度充填状態を撮影した写真を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下では、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００２５】
図１は、本実施形態である炭素繊維充填バルクの製造方法を示した工程図である。
【００２６】
図１に示すように、バルク用素材として、所定の長さに揃えられた炭素繊維１００と、中空の筒状部材２００が用意される。炭素繊維１００は、数百本〜数千本の炭素繊維フィラメントから成る炭素繊維ヤーンを単体とした繊維構造であり、複数の炭素繊維ヤーンから構成されている。
【００２７】
筒状部材２００は、タンタルあるいはモリブデンなどの金属パイプによって構成されており、ここでは、炭素繊維束１００に比べて軸方向長さが短く定められている。筒状部材２００は、溶接によってプレート状金属部材から成形される。溶接のつなぎ目２１０は、ここでは軸方向に形成されているが、螺旋状に形成することも可能である。
【００２８】
最初に行われる充填工程では、炭素繊維１００が筒状部材２００に挿入され、充填される。炭素繊維１００は、筒状部材２００の内部空間を最大限埋め尽くす量だけ用意されており、炭素繊維１００は筒状部材２００内に束となって収容される。充填方法としては、手作業によって筒状部材２００に炭素繊維１００を押し込む方法などが適用可能であり、あるいは、プレス機などを使って圧入することも可能である。
【００２９】
充填工程では、筒状部材２００が塑性変形したりすることがないように、炭素繊維束１００が筒状部材２００に挿入される。このとき、炭素繊維束１００の端面が筒状部材２００から突出するように充填されている。充填工程により、筒状部材２００の所定断面における充填率は、およそ６０〜７０パーセントにここでは達している。ただし、充填率は、筒状部材２００の内部空間断面積に対する炭素繊維１００の断面積の割合を表す。また、軸方向に沿って炭素繊維１００の充填率がほぼ均一になっているものとする。
【００３０】
炭素繊維束１００が充填された筒状部材２００は、スエージング加工機械にセッティングされる。そして、スエージング加工機械のダイス５０を通じてスエージング加工が施される。スエージング加工により、筒状部材２００は塑性変形し、軸方向に沿って伸びるとともに、周縁部が絞り込まれて縮径する。このとき、炭素繊維１００の充填率が９０パーセント以上になるように、また、充填率が軸方向に沿って均一と成るように、細径化される。ここでは、筒状部材２００の径が加工前のほぼ２／３となるように細径化されている。スエージング加工により、炭素繊維束１００の少なくとも一部もしくは全体的において、断面円形状である炭素繊維が圧接によって弾性変形する。その後、所定の長さにするため、炭素繊維束１００の端部を切断する。ここでは、ファインカッターなどの切断器具を使って切断している。
【００３１】
スエージング加工によって軸方向に延伸した筒状部材２００を製造し、切断処理を行った後、所定温度（例えば１５００℃〜２０００℃）の温度雰囲気の下、筒状部材２００に対して熱処理を数時間行う。この熱処理を経て、炭素繊維充填バルク４００が製造される。炭素繊維充填バルク４００は、炭素繊維の充填密度（かさ密度）を極度に高めた成形体であって、断面円状の炭素繊維が弾性変形するまで互いに圧接され、圧密充填されている。また、内部の炭素繊維束は高い集束性をもっている。このような高密度充填によって、バルク４００は熱伝導性、熱拡散性が優れた成形体になっており、例えば、放電ランプ用電極の伝熱体、あるいはヒートポンプなどの熱伝導部材として使用することができる。
【００３２】
図２は、炭素繊維充填バルクを組み込んだ放電ランプ用電極の模式的断面図である。
【００３３】
陽極３０は、ショートアーク型放電ランプ１０に用いられる放電用電極であり、電極支持棒４０によって鉛直方向に保持されている。陽極３０は、電極本体３２中心部に筒状空間３３を有し、筒状空間３３には炭素繊維充填バルク３６が収容されている。
【００３４】
筒状内部空間３３のサイズに合わせた柱状の電極蓋３９は、電極本体３２と結合して内部空間３３を密封する。電極支持棒４０は電極蓋３９に連結固定されており、電極蓋３９を介して電極３０を保持している。
【００３５】
電極本体３２、電極蓋３９、電極支持棒４０は、タングステン（Ｗ）によって構成される。一方、陽極３０内部で電極軸に沿って延在する炭素繊維充填バルク３６は、炭素繊維３８をタンタル金属からなる中空パイプ３７内に高密度充填した伝熱体として構成されており、上述した製造方法に従って成形されている。
【００３６】
高い集束性をもつ炭素繊維３８の端面は、中空パイプ３７両端から突出しており、両端面とも平滑である。すなわち、炭素繊維フィラメント各々端部が軸方向に沿って揃うことにより、炭素繊維端面全体が歪なく平面を規定するように滑らかであり、一部炭素繊維フィラメントが突出あるいは長さ不足となる状態が実質的に生じていない。また、炭素繊維３８の一方の端面は、電極蓋３９と筒状空間３３の底面と密着し、電極先端部３２Ｓと繋がっている。したがって、放電中に電極先端部３２Ｓが受ける陰極（図示せず）からの電子との衝突によって生じる熱は、熱伝導性、熱応答性の優れた高密度充填炭素繊維３８によって電極支持棒側へ輸送される。
【００３７】
これにより、電極先端部３２Ｓが局所的に過熱することなく、陽極３０の温度が全体的に均一化される。その結果、電極先端部３２Ｓの溶融、蒸発によって失透し、発光効率が低下するのを防ぎ、電極消耗を抑えることができる。また、好適な導電性をもつため、入力電力が大きくなって電流量が増大しても、放電に影響しない。
【００３８】
このように本実施形態によれば、複数のヤーンによって構成される炭素繊維１００と、金属からなる中空筒状部材２００を用意し、炭素繊維１００を中空筒状部材２００に対し軸方向に揃えながら充填させる。充填後、筒状部材２００に対してダイス５０を利用したスエージング加工を施す。スエージング加工の後、切断して熱処理を施し、炭素繊維充填バルク４００を成形する。
【００３９】
炭素繊維を充填させた後に引き伸ばし、すなわち縮径を行うことにより、引き伸ばし前の段階では比較的多くの炭素繊維間で隙間があったものが、炭素繊維が弾性変形するほど実質的に隙間なく炭素繊維が圧密状態で充填される。その結果、炭素繊維自体の熱伝導性、熱拡散性を損なうことなく、バルク内部の軸方向長さ全体に沿って優れた熱伝導性、熱拡散性をもつことになる。また、バルク断面いずれの部分においてもその熱伝導性、拡散性が等しく、熱輸送能力の均一性が保たれる。特に、充填率を９０パーセント以上にすることにより、隙間がなくなるように炭素繊維同士が弾性変形しながら互いに密接し、よりすぐれた熱伝導性をもつことができる。
【００４０】
なお、上記炭素繊維の充填方法、スエージング加工には限定されない。引き伸ばして縮径させるのには、軸方向に沿って略均一に縮径させる他の塑性加工であってもよい。また、充填工程においては、筒状部材を塑性変形させるような力を加えない程度で、炭素繊維を筒内部空間にできる限り圧密充填させればよい。さらに、炭素繊維はヤーン単位のフィラメント状炭素繊維に限定されず、任意の断面形状であって複数の炭素繊維を束状に充填させた構造であればよい。炭素繊維端面の平滑化については、少なくとも一方の端面において行うようにしてもよい。また、炭素繊維端面を平滑化させなくてもよい。
【００４１】
以下では、図３〜６を用いて、本発明の実施例について説明する。
【実施例】
【００４２】
本実施例では、実施形態と同様の製造方法によって高密度充填炭素繊維充填バルクを製造し、充填率、熱伝導率、比重を測定し、参考となる金属と比較した。また、熱処理前と熱処理後において、上記物理量をそれぞれ測定した。ここでは、炭素繊維の種類に応じて、２つの高密度炭素繊維充填バルク（以下、サンプル１、サンプル２という）を製造した。
【００４３】
筒状部材については、金属材料としてタンタル（Ｔａ）板材をサンプル１、２のために用意し、タンタル板材を丸めて溶接することで金属パイプを成形した。このとき、つなぎ目が軸方向に沿うように溶接した。サンプル１、２のために用意された金属パイプは、直径３０ｍｍ、長さ２００ｍｍ、肉厚１．０ｍｍとなるように成形された。
【００４４】
炭素繊維（ＣＦ）については、サンプル１用にＧＲＡＮＯＣ（登録商標）ＸＮ−９０−６０Ｓ（日本グラファイトファイバー（株）製）が使用され、炭素繊維フィラメント６０００本からなるヤーン状繊維を多数用意した。このヤーン状炭素繊維の熱伝導率は５００Ｗ／ｍ・Ｋ、炭素繊維密度は２．１９ｇ／ｃｍ３ある。サンプル２では、ダイアリード（登録商標）Ｋ１３Ｄ２Ｕ（三菱樹脂（株）製）が使用され、炭素繊維フィラメント２０００本からなるヤーン状繊維を多数用意した。熱伝導率は８００Ｗ／ｍ・Ｋ、炭素繊維密度は２．２１ｇ／ｃｍ３である。
【００４５】
まず、充填工程では、手作業によって炭素繊維ヤーンを軸方向に揃えながら金属パイプに挿入した。パイプ内部を、サンプル１については約５３０本、サンプル２については約１３２０本の炭素繊維ヤーンで埋め尽くした。いずれにおいても、炭素繊維ヤーンの端面がパイプから突出するように充填処理されている。
【００４６】
図３は、サンプル１の炭素繊維ヤーンを充填させた金属パイプを斜め方向から撮影した写真を示した図である。図４は、光学顕微鏡を使って金属パイプを炭素繊維軸方向に切断したときのサンプル１の炭素繊維が軸方向に揃った状態を撮影した写真を示した図である。図３、４から明らかなように、炭素繊維は金属パイプ内部に充填されており、軸方向に沿って揃えられている。サンプル２においても、同様に炭素繊維が充填されている。
【００４７】
次に、炭素繊維が充填されたサンプル１、２用の金属パイプに対し、スエージング加工を施した。ここでは、円周状に配置した複数のハンマーダイス対を用いて金属パイプを引き抜き、外径２０ｍｍに縮径させた。そして、スエージング加工処理後、炭素繊維ヤーンの両端面を切断した。サンプル１については、旋盤を用いて炭素繊維を切断し、サンプル２については、炭素繊維端面平滑化のため、ファインカッターを用いて炭素繊維を切断した。
【００４８】
成形されたサンプル１の炭素繊維充填バルクにおける炭素繊維の体積は３５．３５４ｃｍ３となり、炭素繊維密度は２．００１ｇ／ｃｍ３、充填率は９１．８パーセントとなった。一方、成形されたサンプル２の炭素繊維充填バルクにおける炭素繊維の体積は３５．３５４ｃｍ３となり、炭素繊維密度は２．０６４ｇ／ｃｍ３、充填率は９３．４パーセントとなった。以下の表１に示す。なお、ここでは炭素繊維切断面における炭素繊維密度および充填率を測定しているが、パイプ内部における炭素繊維の高集束性により、任意の炭素繊維断面における充填状態も炭素繊維切断面と実質的に等しいものとみなせる。
【００４９】
【表１】
【００５０】
このように炭素繊維が高密度充填されたバルクに対し、熱伝導率を測定した。熱伝導率測定では、炭素繊維切断面の中心部に対し、フラッシュ法、具体的にはナノフラッシュ（Nano Flash）法により熱伝導率を測定するとともに、比重を求めた。熱伝導率は、熱拡散率×密度×比熱容量の式に基づいて算出した。また、比重はアルキメデス法で求めた。
【００５１】
なお、熱伝導率算出の際に用いられる比熱容量は、比較法に基づき計算で求めた。このとき比較する標準試料は、同じ炭素元素からなるPoco Graphiteを使用した。その結果、比熱容量は、サンプル１、２ともに０．４９Ｊ・Ｋ／ｇであった。また、熱伝導率算出に用いられる熱拡散率（温度拡散率）は、筒体切断面に赤外線を照射して赤外線の温度時間変化をサンプル１、２についてそれぞれ測定し、以下の式に基づいて算出した。
α＝０．１３８８×Ｄ２／Ｔ ・・・・・（１）
ただし、αは熱拡散率（ｍ２／ｓ）、Ｄは充填炭素繊維の断面直径（ｍｍ）を表す。また、Ｔは、温度最大値の１／２に到達するまでの時間（ｓ）を表す。
【００５２】
熱伝導率測定の結果、サンプル１については、熱伝導率３５０．２Ｗ／ｍ・Ｋとなった。一方、炭素繊維端面が平滑になっているサンプル２については、熱伝導率６７８．８Ｗ／ｍ・Ｋとなった（表１参照）。
【００５３】
次に、サンプル１、２の高密度炭素繊維充填バルクに対して熱処理を施し、熱処理後の密度、充填率、熱伝導率を測定した。熱処理工程では、１８００℃で１時間に渡る加熱を行った。その結果、サンプル１については、炭素繊維密度１．８６８ｇ／ｃｍ３、充填率８５．７パーセント、熱伝導率２９４．３Ｗ／ｍ・Ｋとなった。一方、サンプル２については、炭素繊維密度１．９９０ｇ／ｃｍ３、充填率９０．１パーセント、熱伝導率８００．８Ｗ／ｍ・Ｋとなった（表１参照）。
【００５４】
加熱前後の炭素繊維密度、熱伝導率の変化については、熱処理による収縮、ヤーン状炭素繊維ヤーンに含まれているサイジング材等の影響によるもと推定される。また、ヤーン状炭素繊維の種類の違い等により、その変化もサンプル１、２において相違する。しかしながら、熱処理後においても十分な充填率（８５パーセント以上）、熱伝導率を維持している。特に、サンプル２では、熱処理後の熱伝導率が、ヤーン状炭素繊維の熱伝導率８００Ｗ／ｍ・Ｋとほぼ等しくなった。
【００５５】
図５は、熱処理後のサンプル１の炭素繊維切断面における炭素繊維の高密度充填状態をＳＥＭ観察した写真を示す図である。ただし、ここでは炭素繊維端面の縁部分を観察している。
【００５６】
一方、図６は、熱処理後のサンプル２の炭素繊維切断面における炭素繊維の高密度充填状態をＳＥＭ観察した写真を示す図である。ただし、ここでは炭素繊維端面の縁近くの部分を観察している。
【００５７】
図６から明らかなように、サンプル２における炭素繊維フィラメントは、互いに境界なく（隙間なく）密接しながら充填されている。また、計測された充填率は、理想的充填率、すなわち、断面円状の炭素繊維が最密で配列するときの充填率９０．６５パーセントを超えている。このことは、断面円状炭素繊維が弾性変形しながら圧密充填されていることを示している。
【００５８】
さらに、図５との比較で明らかなように、サンプル２の炭素繊維端面では、炭素繊維フィラメントが軸方向に揃っており、端面が平滑となって圧密充填されている。炭素繊維切断面全体が一平面を規定するように、繊維不揃い、あるいは歪みなく平らであることがわかる。
【００５９】
一方、図５に示すサンプル１では、切断器具がサンプル２と違うため、炭素繊維端面が一部不揃いとなっているが、これは旋盤での切断加工においては、炭素繊維が引き抜かれながら切断されることに原因している。しかしながら、充填率は理想的充填率を超えており、炭素繊維が互いに弾性変形しながら隙間なく密接して充填されていることは図５からも明らかである。
【００６０】
次に、測定した熱伝導率および比重を、高熱伝導性金属と比較した。ここでは、比較対象となる高熱伝導性金属として、高熱伝導性金属の銅（Ｃｕ）、高耐熱性金属のタングステン（Ｗ）を用いている。熱伝導率及び比重を比較した結果も、表１に示している。
【００６１】
表１から明らかなように、高密度充填させた金属パイプ内部の熱伝導性は、銅やＷに比べて２倍から７倍程度優れていることが分かる。炭素繊維束は比重が銅の１／４であることを考えると、熱伝導性きわめて高いと言える。また、放電ランプの電極に使用される高融点金属の１つであるタングステン（Ｗ）の熱伝導率（１７４Ｗ／ｍ・Ｋ）よりもはるかに大きな熱伝導率をもつ。特に、炭素繊維の比重はタングステンの比重の約１／９であることを考えると、体積効率はおよそ２０倍になる。
【００６２】
以上により、本実施例の炭素繊維充填バルクが、すぐれた熱伝導性、体積効率をもつことが確かめられた。
【符号の説明】
【００６３】
１０ ショートアーク型放電ランプ
３０ 陽極
５０ ダイス
１００ 炭素繊維
２００ 筒状部材
４００ 炭素繊維充填バルク
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状部材に、炭素繊維を軸方向に揃えて充填し、
前記炭素繊維を充填した前記筒状部材を、引き伸ばして縮径させることを特徴とする炭素繊維充填バルクの製造方法。
【請求項２】
スエージング加工によって、前記筒状部材を引き伸ばして縮径させることを特徴とする請求項１に記載の炭素繊維充填バルクの製造方法。
【請求項３】
充填された前記炭素繊維の少なくとも一部において断面形状が変形するように、前記筒状部材を引き伸ばして縮径させることを特徴とする請求項１乃至２のいずれかに記載の炭素繊維充填バルクの製造方法。
【請求項４】
前記炭素繊維の充填率が８５パーセント以上となるように、前記筒状部材を引き伸ばして縮径させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の炭素繊維充填バルクの製造方法。
【請求項５】
充填された前記炭素繊維の少なくとも一方の端面が平滑となるように、前記炭素繊維の端部を切断することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の炭素繊維充填バルクの製造方法。
【請求項６】
縮径前の充填率が、７５パーセント以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の炭素繊維充填バルクの製造方法。
【請求項７】
ヤーン状の炭素繊維を束ねて充填することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の炭素繊維充填バルクの製造方法。
【請求項８】
充填された前記炭素繊維の少なくとも一方の端面が前記筒状部材の端部から突出するように、前記炭素繊維を充填させることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の炭素繊維充填バルクの製造方法。
【請求項９】
請求項１に記載された製造方法によって製造される炭素繊維充填バルクが、放電用電極の少なくとも一部として構成されていることを特徴とする放電ランプ。
【請求項１０】
引き伸ばされて縮径されている筒状部材と、
前記筒状部材内部に充填された炭素繊維とを備え、
前記炭素繊維が、軸方向に揃って充填され、
充填された前記炭素繊維の少なくとも一部において、炭素繊維断面形状が変形していることを特徴とする炭素繊維充填バルク。
【請求項１１】
引き伸ばされて縮径されている筒状部材と、
前記筒状部材内部に充填された炭素繊維とを備え、
前記炭素繊維が、８５パーセント以上の充填率で軸方向に揃って充填されていることを特徴とする炭素繊維充填バルク。
【請求項１２】
前記炭素繊維の少なくとも一方の端面は平滑であって、前記筒状部材の端部から突出していることを特徴とする請求項１０乃至１１のいずれかに記載の炭素繊維充填バルク。
【請求項１３】
請求項１０乃至１２のいずれかに記載された炭素繊維充填バルクを、放電用電極の少なくとも一部として構成していることを特徴とする放電ランプ。
【請求項１】
筒状部材に、炭素繊維を軸方向に揃えて充填し、
前記炭素繊維を充填した前記筒状部材を、引き伸ばして縮径させることを特徴とする炭素繊維充填バルクの製造方法。
【請求項２】
スエージング加工によって、前記筒状部材を引き伸ばして縮径させることを特徴とする請求項１に記載の炭素繊維充填バルクの製造方法。
【請求項３】
充填された前記炭素繊維の少なくとも一部において断面形状が変形するように、前記筒状部材を引き伸ばして縮径させることを特徴とする請求項１乃至２のいずれかに記載の炭素繊維充填バルクの製造方法。
【請求項４】
前記炭素繊維の充填率が８５パーセント以上となるように、前記筒状部材を引き伸ばして縮径させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の炭素繊維充填バルクの製造方法。
【請求項５】
充填された前記炭素繊維の少なくとも一方の端面が平滑となるように、前記炭素繊維の端部を切断することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の炭素繊維充填バルクの製造方法。
【請求項６】
縮径前の充填率が、７５パーセント以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の炭素繊維充填バルクの製造方法。
【請求項７】
ヤーン状の炭素繊維を束ねて充填することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の炭素繊維充填バルクの製造方法。
【請求項８】
充填された前記炭素繊維の少なくとも一方の端面が前記筒状部材の端部から突出するように、前記炭素繊維を充填させることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の炭素繊維充填バルクの製造方法。
【請求項９】
請求項１に記載された製造方法によって製造される炭素繊維充填バルクが、放電用電極の少なくとも一部として構成されていることを特徴とする放電ランプ。
【請求項１０】
引き伸ばされて縮径されている筒状部材と、
前記筒状部材内部に充填された炭素繊維とを備え、
前記炭素繊維が、軸方向に揃って充填され、
充填された前記炭素繊維の少なくとも一部において、炭素繊維断面形状が変形していることを特徴とする炭素繊維充填バルク。
【請求項１１】
引き伸ばされて縮径されている筒状部材と、
前記筒状部材内部に充填された炭素繊維とを備え、
前記炭素繊維が、８５パーセント以上の充填率で軸方向に揃って充填されていることを特徴とする炭素繊維充填バルク。
【請求項１２】
前記炭素繊維の少なくとも一方の端面は平滑であって、前記筒状部材の端部から突出していることを特徴とする請求項１０乃至１１のいずれかに記載の炭素繊維充填バルク。
【請求項１３】
請求項１０乃至１２のいずれかに記載された炭素繊維充填バルクを、放電用電極の少なくとも一部として構成していることを特徴とする放電ランプ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−２１４３０３（Ｐ２０１２−２１４３０３Ａ）
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７８９２２（Ｐ２０１１−７８９２２）
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２２年度文部科学省、地域科学技術振興事業委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００１２８４９６）株式会社オーク製作所 (175)
【出願人】（５０４１８０２３９）国立大学法人信州大学 (759)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２２年度文部科学省、地域科学技術振興事業委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００１２８４９６）株式会社オーク製作所 (175)
【出願人】（５０４１８０２３９）国立大学法人信州大学 (759)
【Ｆターム（参考）】
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