JP2007317660A - 同軸ｒｆ装置熱伝導性ポリマー絶縁体および製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来技術の欠点を克服する装置を提供すること。
【解決手段】 熱伝導率が少なくとも４Ｗ／ｍＫである熱伝導性ポリマー組成の部分から形成された同軸装置の外部導体内に内部導体を支持する絶縁体。この部分は、外部導体と接触する外径と、そこを通る内部導体を支持する同軸中心ボアとによって寸法決めされる。誘電整合およびまたは材料保存目的のためにこの部分に空洞が形成されてもよい。この絶縁体は、射出成形によって費用効果的に製造され得る。
【選択図】 図１

Description

（関連出願への相互参照）
本出願は、全体が引例によってここに組み込まれている、２００６年５月２２日に出願された米国仮特許出願第６０／７４７，９３４号と、２００７年３月２２日に出願された米国実用特許出願第１１／６９０，０９１号の利益を主張する。

本発明は一般に、同軸ケーブル用インラインＲＦ（ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）装置の電力処理性能の改善に関する。本発明は、特に、これらの装置における、熱伝導性絶縁体を介する熱放散を改善するための方法と装置とに関する。

システムオーバーレイなど、電力量が増加しており、ＲＦコネクタおよびサージ装置といった同軸ＲＦ装置によって処理することが求められるが、これにより、このような装置内で発生する熱が増加する。特にインライン同軸装置の内部導体に適用されるＤＣブロックあるいはバイアスティー（Ｂｉａｓ−Ｔｅｅ）要素は、もし放散されなければ装置を損傷または破壊する可能性がある大きなレベルの熱を発生させるであろう。

熱伝導性ポリマーに、例えばセラミックフィラー材料を含むことにより、熱伝導特性が大幅に増加したポリマーが作り出される。電気部品およびまたは電気回路モジュールのための熱放散特性を改善するために、熱伝導性ポリマーを適用するヒートシンク（ｈｅａｔ ｓｉｎｋ）、エンクロージャー（ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ）およびオーバーモールディング（ｏｖｅｒｍｏｌｄｉｎｇ）が射出成形によって、費用効果的に形成されている。

したがって、従来技術の欠点を克服する装置を提供することが本発明の目的である。

本明細書に組み込まれ、そして本明細書の一部を構成する付属図面は、本発明の実施形態を図示し、また上記の本発明の概略説明および上記の実施形態の詳細説明と共に、本発明の原理を説明するために役立つ。

インライン同軸装置４０には、図９に示す如く、内部導体２５と外部導体１５とを電気的に連結させることなく、外部導体内に同軸的に内部導体の要素を配置するために絶縁体１が利用される。従来技術においては、絶縁体材料は、主として誘電値、製造の容易さ、およびコストに基づいて選択された。典型的には、絶縁体は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）またはポリエーテルイミド（ＰＥＩ）であって、これらは共に有利な誘電特性を有するが、両者とも比較的、非熱伝導性である。絶縁体１は単一の一体（ｕｎｉｔａｒｙ ｉｎｔｅｇｒａｌ）をなしてもよい。また、絶縁体１は全体が射出成形によって形成されてもよい。

本発明者は、これらの絶縁体、および、内部導体とそれを取り囲む外部導体との間に閉じ込められたあらゆる空気の空間が、内部導体のセクションとそれらの間で内部導体に連結されたあらゆる装置との周りに、絶縁された熱的ポケットを作り出すことを認識している。本発明による装置では、従来の比較的非熱伝導性の絶縁体の断熱効果が、熱伝導性ポリマー組成を利用することにより著しく低減され得る。これらの熱伝導性ポリマー組成の高い熱伝導性能は、内部導体の熱を、絶縁体を介して外部導体に伝導させて逃がすための伝導性熱伝達経路を作り出すように動作し、外部導体を取り囲んでいる周囲の大気に対する有効なヒートシンクとして動作する。装置の熱放散を改善することによって、驚くほどの電力処理性能改善が実現されている。

ＰＴＦＥの熱伝導率は１．７Ｗ／ｍＫであり、ＰＥＩの熱伝導率は約０．９Ｗ／ｍＫである。説明のため、熱伝導性ポリマー組成は、少なくとも４Ｗ／ｍＫ、より好ましくは少なくとも１０Ｗ／ｍＫという熱伝導特性を有するものとする。熱伝導性ポリマー組成は、ベースポリマーと熱伝導性フィラー材料とから形成され得る。ベースポリマーは、硫化ポリフェニレン（ＰＰＳ）、熱可塑性エラストマー（ＴＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）などであり、熱伝導性フィラー材料としては、窒化ホウ素粒子、炭素繊維またはセラミック粒子が使用され得る。一例示的熱伝導性ポリマー組成では熱伝導性ポリマー組成は、ベースポリマー３０〜６０％と第１の熱伝導性フィラー材料２５〜５０％と第２の熱伝導性フィラー材料１０〜２５％とを含む。適当な誘電特性を有する商業的に入手可能な熱伝導性ポリマー組成の一例は、１０Ｗ／ｍＫという著しく改善された熱伝導特性を有する、ロードアイランド州、ＷａｒｗｉｃｋのＣｏｏｌ Ｐｏｌｙｍｅｒｓ，Ｉｎｃ．によるＣｏｏｌＰｏｌｙ（登録商標） Ｄ５１０８である。

同軸絶縁体として利用される熱伝導性ポリマー組成について、考慮すべきことの一つは、結果として得られる絶縁体の誘電定数を、この絶縁体と共に使用されるように設計された同軸線の誘電定数に等しくすることである。例えば、標準的ＰＴＦＥは、典型的には１メガヘルツで測定されて約２という誘電定数を有するのに対し、ＣｏｏｌＰｏｌｙ（登録商標） Ｄ５１０８は３．７という誘電定数を有する。本発明では、熱伝導性ポリマー組成の誘電定数の好適値は１メガヘルツで測定されて４未満であってもよい。

熱伝導性ポリマー組成の増加した誘電定数特性を補償するために、絶縁体１の断面積の大きさを調整できる。例えば図１〜８に示すように、絶縁体１は、円筒形であり、外周１０の周りの同軸線の外部導体１５に接触するように寸法決めされた熱伝導性ポリマー組成の一部分の断面積の大きさを調整するために用いられる複数のポケットまたは空洞５と、内部導体２５に接触するように寸法決めされた中心ボア２０とを有するように形成されてもよい。複数の空洞５は各々サイズが等しくてもよい。例えば図７、８に示すように空洞５は、円の扇形に形成されてもよく、好適には４個の空洞５を持ち、例えば射出成形による製造時に２軸型分離を適用できるために、残った材料が均一に分散配置されたスポーク状構成を作り出すように形成されてもよい。あるいは絶縁体１は、図１〜図３に示す如く、例えば前端部３０およびまたは後端部３５に空洞５を有する円筒形に形成されてもよい。射出成形による製造時の離型特性を改善するために、ポケットおよびまたは空洞５の各々は、図４〜図６に示す如く、絶縁体１の一方の面に対してのみ開くように形成されてもよい。

本発明者は、各端部に通常の固体円筒形ＰＴＦＥ非熱伝導性絶縁体を有するＡｎｄｒｅｗ ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによるＡＢＴ−ＤＦＤＭ−ＤＢ同軸バイアスティー装置をテストした。この装置では、８８３ＭＨｚにおける５００Ｗと、１９４０ＭＨｚにおける２５０Ｗとのオーバーレイにおける数分の動作の後に熱的障害が発生した。絶縁体のみが、熱伝導性ポリマー組成絶縁体、具体的にはＣｏｏｌＰｏｌｙ（登録商標） Ｄ５１０８熱伝導性材料と交換されたとき、この装置は、更に１６０Ｗの反射負荷が加えられた、合計９１０Ｗの負荷の下で、２４４°Ｆの定常状態で動作した。

更に、本発明による熱伝導性ポリマー組成の絶縁体１によって支持された中心導体であって、同軸ＲＦ装置４０の中心導体上の容量性ブレーク４５に印加された５ワットの定常熱負荷に基づいて、ＦＥＡ熱モデル分析が実行された。図９は、赤（図９のＡ領域の最も細かいドット領域）から青（図９のＥ領域の最も粗いドット領域）への色勾配（図９のＡ領域〜Ｅ領域のドットの濃淡変化）によってＦＥＡ熱モデル分析結果を示しており、赤（Ａ領域）は最高温度領域を表す。検討を容易にするために、モデルの代表的領域とこれに対応する温度スケールとに、文字表記がされている。中心領域５０における未放散熱が蓄積されると、例えば容量性ブレーク４５の絶縁要素を融解し得るし、あるいは、前述の一般的ＰＴＦＥ絶縁体同軸装置に対する物理テストのように、装置を熱的に破壊し得る。これに対し、図９は、中心領域５０およびまたは容量性ブレーク４５が同軸ＲＦ装置４０材料の熱限界を決して超えない定常状態熱プロファイルを示している。

当業者には、改善された熱放散とそれによって得られる大きな電力容量とが所望される如何なる同軸ＲＦ装置にも、本発明による絶縁体１が適用可能であることが理解されるであろう。例えば本発明は、アンテナの同軸部分や、サージ保安器、フィルタ、バイアスティー、信号タップ、ＤＣブレーク、コネクタなどといったインライン同軸装置における支持絶縁体１として利用することができる。熱放散およびそれによる電力処理は劇的に改善されるので、装置の全体サイズは縮小でき、更に材料コストと全体的装置重量と設置空間要件も減らすことができる。

前述の説明において既知の同等物を有する比率、整数、構成要素またはモジュールに参照が行われている場合には、このような同等物は個別に述べられているかのようにここに組み込まれている。

本発明は、その実施形態の説明によって例示されているが、またこれらの実施形態はかなり詳細に説明されているが、付属の請求項の範囲をこのような細部に制限すること、また如何なる仕方においても限定することは本出願人の意図ではない。当業者には、更なる利点と修正とが直ちに思い浮かぶであろう。したがって本発明はその最も広い態様において特定の細部、代表的装置、方法、および図示され説明された説明的例に限定されない。したがって出願人の概略的発明概念の趣旨または範囲から逸脱せずに、このような細部からの逸脱が行われ得る。更に請求項に記載の本発明の範囲または精神から逸脱せずに本発明に対して改良および／または修正が行われ得ることが理解されるべきである。

図１は本発明による例示的熱伝導性絶縁体の等角投影図である。 図２は線２−２に沿った図３の断面図である。 図３は図１の概略側面図である。 図４は本発明による熱伝導性絶縁体の一代替実施形態の等角投影図である。 図５は線５−５に沿った図６の断面図である。 図６は図４の側面図である。 図７は本発明による熱伝導性絶縁体の他の代替実施形態の等角投影図である。 図８は図７の等角投影端面図である。 図９は等角投影断面図で示された同軸ＲＦ装置の熱モデルであって、赤（Ａ領域）と青（Ｅ領域）との間の勾配が、高温から低温までの温度を表すように示された図である。

符号の説明

１ 絶縁体
５ 空洞
１０ 外周
１５ 外部導体
２０ 中心ボア
２５ 内部導体
３０ 前端部
３５ 後端部
４０ 同軸ＲＦ装置
４５ 容量性ブレーク
５０ 中心領域

Claims (20)

1. 同軸装置の外部導体内に内部導体を支持する絶縁体であって、
   熱伝導率が少なくとも４Ｗ／ｍＫである熱伝導性ポリマー組成の部分を備え、前記部分が前記外部導体と接触する外径と、そこを通る前記内部導体を支持する同軸中心ボアとによって寸法決めされる絶縁体。
2. 前記外部導体内に形成された複数の空洞を更に含む、請求項１に記載の絶縁体。
3. 前記複数の空洞は各々サイズが等しい、請求項２に記載の絶縁体。
4. 前記複数の空洞は４個である、請求項２に記載の絶縁体。
5. 前記複数の空洞は各々、おおよそ円の扇形である、請求項２に記載の絶縁体。
6. 前記絶縁体の前側と後側とに複数の空洞を更に含む、請求項１に記載の絶縁体。
7. 前記絶縁体の前側と後側のうちの一方に少なくとも一つの空洞を更に含む、請求項１に記載の絶縁体。
8. 前記熱伝導性ポリマー組成の誘電定数は１メガヘルツで測定されて４未満である、請求項１に記載の絶縁体。
9. 前記熱伝導率は少なくとも１０Ｗ／ｍＫである、請求項１に記載の絶縁体。
10. 前記絶縁体は円筒形である、請求項１に記載の絶縁体。
11. 前記絶縁体は単一で一体をなす、請求項１に記載の絶縁体。
12. 同軸装置の外部導体内に内部導体を支持する絶縁体を製造する方法であって、
    熱伝導率が少なくとも４Ｗ／ｍＫである熱伝導性ポリマー組成の部分を形成するステップを備え、前記部分が、前記外部導体と接触する外径と、前記内部導体と接触する同軸中心ボアとを有するように寸法決めされる、方法。
13. 前記絶縁体の全体は射出成形によって形成される、請求項１２に記載の方法。
14. 前記部分は円筒形である、請求項１２に記載の方法。
15. 前記部分に複数の空洞を形成するステップを更に含む、請求項１２に記載の方法。
16. 前記空洞は射出成形による形成時に２軸型分離を適用できるように配置される、請求項１２に記載の方法。
17. 前記空洞は前記部分の周りに均一に分散配置される、請求項１５に記載の方法。
18. 前記熱伝導性ポリマー組成の熱伝導率は、少なくとも１０Ｗ／ｍＫである、請求項１２に記載の方法。
19. 前記熱伝導性ポリマー組成の誘電定数は、１メガヘルツで測定されて４未満である、請求項１２に記載の方法。
20. 前記部分は一体型部分として形成される、請求項１２に記載の方法。

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