特許 7453046 電線、集合線およびそれを備える素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-03-11

(45)【発行日】2024-03-19

(54)【発明の名称】電線、集合線およびそれを備える素子

(51)【国際特許分類】

   H01B 7/02 20060101AFI20240312BHJP

   H01B 7/00 20060101ALI20240312BHJP

【ＦＩ】

H01B7/02 E

H01B7/00

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2020072084

(22)【出願日】2020-04-14

(65)【公開番号】P2021170432

(43)【公開日】2021-10-28

【審査請求日】2023-03-30

(73)【特許権者】

【識別番号】000004547

【氏名又は名称】日本特殊陶業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000534

【氏名又は名称】弁理士法人真明センチュリー

(72)【発明者】

【氏名】▲高▼岡 勝哉

(72)【発明者】

【氏名】黒川 満央

(72)【発明者】

【氏名】近藤 彰彦

【審査官】北嶋 賢二

(56)【参考文献】

【文献】中国特許出願公開第１０２２９０１４６（ＣＮ，Ａ）

【文献】特開平０７－２９６６４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－２２０５３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－１５１７５４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｂ ７／０２

Ｈ０１Ｂ ７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電流を通ずる炭素繊維を含む心線と、
前記心線の外周に配置され、炭化物繊維および酸化物繊維の少なくとも１種のうち体積抵抗率が１×１０^６Ω・ｃｍ以上である無機繊維と、を備え、
前記無機繊維からなる層の平均厚さは２０μｍ以上であり、
前記心線および前記無機繊維は、有機化合物の含有率が１ｗｔ％以下である電線。

【請求項2】

前記心線の断面積は、前記無機繊維の断面積の１．２倍以上である請求項１記載の電線。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の電線を複数集めた集合線。

【請求項4】

請求項３記載の集合線を巻いたコイルを備える素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は電線、集合線およびそれを使った素子に関する。

【背景技術】

【0002】

炭素繊維を用いた心線をフッ素樹脂又はポリエチレンで覆った電線が特許文献１に開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１２－２１６５２６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかし上記技術では、電線の温度が上昇し、心線を覆うフッ素樹脂やポリエチレンが分解したり軟化したりすると絶縁が低下するという問題点がある。

【0005】

本発明はこの問題点を解決するためになされたものであり、温度が上昇したときの絶縁の低下を低減できる電線、集合線およびそれを備える素子を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

この目的を達成するために本発明の電線は、電流を通ずる炭素繊維を含む心線と、心線の外周に配置され、炭化物繊維および酸化物繊維の少なくとも１種のうち体積抵抗率が１×１０^６Ω・ｃｍ以上である無機繊維と、を備え、無機繊維からなる層の平均厚さは２０μｍ以上である。本発明の集合線は、前記電線を複数集めたものである。本発明の素子は、前記集合線を巻いたコイルを備える。

【発明の効果】

【0007】

請求項１記載の電線によれば、炭化物繊維および酸化物繊維の少なくとも１種のうち体積抵抗率が１×１０^６Ω・ｃｍ以上である無機繊維からなる層の平均厚さは２０μｍ以上である。炭化物繊維や酸化物繊維が分解する温度は、フッ素樹脂やポリエチレンが分解したり軟化したりする温度より高いので、絶縁を確保しつつ電線の温度が上昇したときの絶縁の低下を低減できる。
心線および無機繊維は有機化合物の含有率が１ｗｔ％以下である。心線および無機繊維に含まれる有機化合物が熱分解して生成される導電性の炭素の量を低減できるので、電線の絶縁の低下や抵抗値の変化を低減できる。

【0008】

請求項２記載の電線によれば、心線の断面積は無機繊維の断面積の１．２倍である。これにより請求項１の効果に加え、心線の抵抗値を低減できる。

【0010】

請求項３記載の集合線によれば、前記電線が複数集まっているので、請求項１又は２の効果に加え、抵抗値をさらに低減できる。請求項４記載の素子によれば、前記集合線を巻いたコイルを備えるので、請求項３と同様の効果がある。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】一実施の形態における電線の側面図である。

【図2】図１のＩＩ－ＩＩ線における電線の断面図である。

【図3】集合線の断面図である。

【図4】素子の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の好ましい実施の形態について添付図面を参照して説明する。図１は一実施の形態における電線１０の側面図である。図１では電線１０の端を含む部分が図示されており、それ以外の部分の図示が省略されている。図１に示すように電線１０は、心線１１と、心線１１の外周に配置された無機繊維１３と、を備えている。

【0013】

本実施形態では、心線１１は炭素繊維の単繊維１２を束ねた繊維束である。炭素繊維の繊維束は、引き揃え線、撚り線、編組線などが採用され得る。繊維束を用いないで、心線１１は炭素繊維の単一の繊維（単繊維）でも構わない。

【0014】

心線１１を構成する炭素繊維は、実質的に炭素元素だけからなる繊維状の炭素材料である。この繊維状の炭素材料は、有機繊維を焼成して得られる炭素含有率が９０％以上の繊維である。炭素繊維には、原料となる有機繊維の違いによりポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維があるが、両方とも心線１１として用いることができる。単繊維１２の直径は例えば５～２０μｍである。

【0015】

無機繊維１３は、心線１１を絶縁する繊維であり、炭化物繊維および酸化物繊維の少なくとも１種のうち体積抵抗率が１×１０^６Ω・ｃｍ以上の繊維である。無機繊維１３の体積抵抗率は、ＪＩＳ Ｒ７６０９：２００７に準拠して求められる。無機繊維１３の形態は、炭化物繊維だけが無機繊維１３を構成するもの、酸化物繊維だけが無機繊維１３を構成するもの、炭化物繊維および酸化物繊維の両方が無機繊維１３を構成するものがある。

【0016】

無機繊維１３に含まれる炭化物繊維を構成する炭化物としては、例えばＳｉＣ，Ｓｉ－Ｎ－Ｃ，Ｓｉ－Ｔｉ－Ｃ－Ｏ等が挙げられる。無機繊維１３に含まれる酸化物繊維としては、ガラス繊維、セラミック繊維が挙げられる。ガラス繊維を構成するガラスとしては、例えばシリカガラス、シリカを主成分としアルミナやカルシア等を含むガラスが挙げられる。セラミック繊維を構成する酸化物としては、アルミナ、シリカ、ムライト、ジルコニア、チタニア等が挙げられる。無機繊維１３の種類はＸ線回折（ＸＲＤ）によって分析できる。

【0017】

無機繊維１３は、本実施形態では、炭化物繊維や酸化物繊維の単繊維を撚り合わせてヤーンとし、ヤーンを集めてストランドとしたものを心線１１の外周に配置したものである。無機繊維１３のストランドを心線１１の外周に配置する手段としては、心線１１を中心にストランドを撚り合わせるものや、心線１１を中心にストランドを編組にするものが挙げられる。ストランドを作らずに、心線１１を包むように無機繊維１３のヤーンを配置しても良い。ヤーンを作らずに、心線１１を包むように無機繊維１３の長繊維を配置しても良い。無機繊維１３の長繊維をストランドとしたものを心線１１の周りに配置しても良い。

【0018】

心線１１の周囲には、炭化物繊維や酸化物繊維（不燃性繊維）からなる無機繊維１３の他、耐熱性繊維を配置しても良い。耐熱性繊維としては、例えば芳香族ポリアミド繊維（アラミド）、ポリベンゾイミダゾール繊維等が挙げられる。さらに心線１１を覆う無機繊維１３の全体を、合成樹脂製のシース（外皮）で被覆しても良い。電線１０の構造は、電線１０の断面から、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）の波長分散型分光器（ＷＤＳ）を用いて特定できる。

【0019】

図２は図１のＩＩ－ＩＩ線における電線１０の断面図である。図２に示すように心線１１は無機繊維１３に包まれている。無機繊維１３による心線１１の被覆率は、９０％以上が好ましい。被覆率とは、電線１０を輪切りにした断面において、無機繊維１３（炭化物繊維および酸化物繊維の少なくとも１種）を心線１１の径方向から心線１１の外周へ投影したときの投影線の長さが、心線１１の外周（全周）の長さに占める割合である。本実施形態では無機繊維１３による心線１１の被覆率は１００％である。心線１１の被覆率が９０％未満であると、隣り合う無機繊維１３の間から心線１１が露出する面積が大きくなり、電線１０の絶縁が低下することがある。

【0020】

無機繊維１３からなる層１４の平均厚さは２０μｍ以上である。これは電線１０の絶縁性を確保するために必要な厚さである。層１４の平均厚さは、電線１０を輪切りにした断面の画像解析によって以下のように求められる。まず、心線１１を構成する各々の単繊維１２の断面積を合計した面積Ａ、及び、各々の無機繊維１３の断面積を合計した面積Ｂをそれぞれ求める。次に、面積Ａと面積Ｂとを合わせた面積の円相当径（半径）Ｃを求める。次いで、面積Ａの円相当径（半径）Ｄを求める。円相当径Ｃから円相当径Ｄを減じた値が、層１４の平均厚さである。層１４の平均厚さは、電線１０を輪切りにした５か所の断面からそれぞれ求められる５個の値（平均厚さ）の平均値である。

【0021】

無機繊維１３からなる層１４の平均厚さが２０μｍ以上となるように心線１１の周囲に無機繊維１３を配置することにより絶縁性を確保し、さらに耐熱性および放熱性を向上させることができる。よって電線１０の温度が上昇したときの絶縁の低下を低減できる。

【0022】

心線１１を構成する各々の単繊維１２の断面積を合計した面積Ａを、各々の無機繊維１３の断面積を合計した面積Ｂで除した値は１．２以上であることが好ましい。心線１１の抵抗値を低減するためである。面積Ａを面積Ｂで除した値は、電線１０を輪切りにした５か所の断面からそれぞれ求められる５個の値の平均値である。

【0023】

心線１１及び無機繊維１３に含まれる有機化合物の含有率は１ｗｔ％以下が好ましい。有機化合物が熱分解して心線１１及び無機繊維１３の中に生成される導電性の炭素の量を低減できるので、電線１０の絶縁の低下や抵抗値の変化を低減できるからである。有機化合物としては、例えば繊維の収束性を向上させるポリマー（いわゆるサイジング剤）や、繊維を支持する母材となる熱可塑性樹脂が挙げられる。心線１１を構成する炭素繊維は、有機化合物に含まれない。

【0024】

有機化合物の含有率Ｅは、心線１１及び無機繊維１３を大気中で２００℃に加熱して３時間保持した後の質量Ｆ、及び、加熱前の質量Ｇを、含有率Ｅ＝（質量Ｇ－質量Ｆ）／質量Ｇ×１００（ｗｔ％）の式に入れて求められる。電線１０が、無機繊維１３が合成樹脂製のシース（外皮）で覆われている電線１０の場合には、シースを取り除いた後に、心線１１及び無機繊維１３の有機化合物の含有率を算出する。

【0025】

図３は集合線２０の断面図である。集合線２０は、電線１０を複数集めたものである。本実施形態では、集合線２０は３本の電線１０（３心）の撚り線である。撚り線としては、集合撚り線、複合撚り線、二重複合撚り線等が挙げられる。集合線２０は撚り線に限られない。集合線２０は、電線１０を撚らずに引き揃えたものであっても構わない。集合線２０における心線１１の数（心数）は複数であれば良く、３心に限られるものではない。抵抗値などの要求特性に応じて集合線２０の心数は適宜設定される。集合線２０の外周に、さらに無機繊維１３を配置したり合成樹脂製のシース（外皮）を配置したりすることができる。

【0026】

図４は集合線２０を使った素子３０の断面図である。本実施形態では素子３０は、モータや発電機などの回転電気機械である。素子３０は、ハウジング３１と、ハウジング３１の両端にそれぞれ配置されたブラケット３２及びエンドカバー３３と、ハウジング３１の内側に配置されたステータ３５と、軸受３７を介してブラケット３２及びエンドカバー３３に回転自在に固定された出力軸３８と、出力軸３８に固定されたロータ３９と、を備えている。ステータ３５にはコイル３６が配置されている。コイル３６は集合線２０が巻かれている。ロータ３９には永久磁石（図示せず）が配置されている。

【0027】

集合線２０を巻いてコイル３６が作られているので、銅線を巻回したコイルに比べてコイル３６を軽量化できる。また、集合線２０の耐熱性および放熱性を向上できるので、コイル３６の温度が上昇したときの絶縁の低下を低減できる。さらに、銅線を用いる場合に比べ、集合線２０の耐熱性および放熱性を向上できるので、集合線２０の電気抵抗によるジュール損を低減できる。その結果、素子３０の効率を向上できる。

【実施例】

【0028】

本発明を実施例によりさらに詳しく説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。

【0029】

心線の種類および断面積、心線を構成する炭素繊維に含まれるサイジング剤（有機化合物）の量、無機繊維の種類および断面積を異ならせて、表１に示すＮｏ．１－２４のサンプルを作製した。Ｎｏ．１－１５，２１－２４は電線のサンプルであり、Ｎｏ．１６－２０は集合線のサンプルである。

【0030】

【表1】

Ｎｏ．１－２０，２２－２４は無機繊維による心線の被覆率を１００％とした。但しＮｏ．２１は心線の外周に無機繊維が配置されていなかった。Ｎｏ．２２は心線の外周に導電性の炭素繊維が配置されていた。

【0031】

表１に示す心線の断面積は、ＷＤＳ分析により特定した心線に含まれる炭素繊維の断面積（面積Ａ）を画像解析によって求めた（ｎ＝５）。無機繊維の断面積は、ＷＤＳ分析により特定した炭化物繊維または酸化物繊維の断面積（面積Ｂ）を画像解析によって求めた（ｎ＝５）。無機繊維の厚さは、無機繊維からなる層の平均厚さであり、面積Ａと面積Ｂを合わせた面積の円相当径（半径）Ｃから面積Ａの円相当径（半径）Ｄを減じた値（ｎ＝５）を平均した。

【0032】

有機化合物の含有率（ｗｔ％）は、サンプルＮｏ．１から２４の試験片（心線および無機繊維）を大気中で２００℃に加熱して３時間保持した後の質量Ｆ、及び、加熱前の質量Ｇを測定し、含有率Ｅ＝（質量Ｇ－質量Ｆ）／質量Ｇ×１００（ｗｔ％）の式によって算出した。

【0033】

心線の面積比は、炭素繊維の面積Ａを無機繊維の面積Ｂで除した値（ｎ＝５）を平均した。心数は各サンプルに含まれる電線の数である。心数が１は電線を意味し、心数が２以上は集合線を意味する。

【0034】

表１のＮｏ．１６－２０（集合線）に記されている心線の断面積、無機繊維の断面積および厚さ、有機化合物の含有率、及び、心線の面積比は、集合線を構成する個々の電線の数値（平均値）である。Ｎｏ．１から２４のサンプルについて絶縁抵抗、抵抗変化率、発熱の各特性を測定し、評価した。

【0035】

（絶縁抵抗）
ＪＩＳ Ｃ３００５：２０１４に準拠して２０～３０℃の空気中で各サンプルの心線と無機繊維との間の絶縁抵抗を測定した。絶縁抵抗が１００ｋΩ・ｍより大きいサンプルはＡ、１００ｋΩ・ｍ以下のサンプルはＢと評価した。

【0036】

Ｎｏ．２１－２４は絶縁抵抗の評価がＢであった。Ｎｏ．２１，２２は、心線の外周に体積抵抗率が１×１０^６Ω・ｃｍ以上の無機繊維が配置されていなかった。Ｎｏ．２３，２４は、体積抵抗率が１×１０^６Ω・ｃｍ以上の無機繊維からなる層の平均厚さが２０μｍ未満であった。従って絶縁抵抗の評価基準を満足するためには、体積抵抗率が１×１０^６Ω・ｃｍ以上の無機繊維からなる層の平均厚さは２０μｍ以上を必要とすることが明らかになった。

【0037】

（抵抗変化率）
絶縁抵抗の評価がＡであったＮｏ．１－２０のサンプルについて、温度２３℃、相対湿度５０^＋２０ _－１０％の雰囲気の下、各サンプルの心線の一端を片方の電極に固定し、サンプルが湾曲しない状態にして心線をもう片方の電極に固定した。電極間の距離は１０～２０ｍｍとした。抵抗測定器を用いて、雰囲気温度が２３℃のときの電極間の抵抗値Ｒ１、及び、２５０℃の雰囲気に５時間放置した後の電極間の抵抗値Ｒ２を測定した。抵抗変化率Ｒ（％）をＲ＝（Ｒ２－Ｒ１）／Ｒ１×１００の式によって算出した。抵抗変化率Ｒ＜５％はＡ、５％≦Ｒ＜１０％はＢ、１０％≦Ｒ＜１５％はＣ、Ｒ≧１５％はＤと評価した。

【0038】

Ｎｏ．１２－２０は評価がＡであった。Ｎｏ．１２－２０は有機化合物の含有率が１．０ｗｔ％以下、かつ、心線の面積比が１．２以上であった。有機化合物（サイジング剤）の含有率が１．０ｗｔ％以下であると、各サンプルを２５０℃の雰囲気においたときに有機化合物が熱分解して生成される導電性の炭素の量を低減できるので、抵抗値の変化を低減できたと推察される。また、心線の面積比が１．２以上であると、心線の抵抗値を低減できるので、抵抗値の変化を低減できたと推察される。

【0039】

Ｎｏ．６－１１は評価がＢであった。Ｎｏ．６－１１は有機化合物の含有率が１．１ｗｔ％以上１．５ｗｔ％以下、かつ、心線の面積比が１．２以上であった。Ｎｏ．６－１１は有機化合物の含有率が１．０ｗｔ％を超えたので、各サンプルを２５０℃の雰囲気においたときに有機化合物が熱分解して生成される導電性の炭素により、Ｎｏ．１２－２０に比べ、抵抗値の変化が大きくなったと推察される。

【0040】

Ｎｏ．１－５は評価がＣであった。Ｎｏ．１－５は有機化合物の含有率が１．２ｗｔ％以上１．４ｗｔ％以下、かつ、心線の面積比が１．２未満であった。Ｎｏ．１－５は心線の面積比が１．２未満であったので、Ｎｏ．６－２０に比べ、心線の抵抗値が増加し、抵抗値の変化が大きくなったと推察される。なお、評価がＤのサンプルはなかった。

【0041】

（発熱）
温度２３℃、相対湿度５０^＋２０ _－１０％の雰囲気の下、各サンプルの心線の一端を片方の電極に固定し、サンプルが湾曲しない状態にして心線をもう片方の電極に固定した。電極間の距離は１０～２０ｍｍとした。電極間に５０Ａの電流を流し、１０分後の各サンプルの温度を放射温度計によって測定した。温度が１２０℃未満のサンプルはＡ、温度が１２０℃以上２００℃未満のサンプルはＢ、温度が２００℃以上のサンプルはＣと評価した。

【0042】

Ｎｏ．１６－２０は評価がＡであった。Ｎｏ．１６－２０は電線が２心以上集められた集合線であり、電極間に電線が並列に接続されているので、１心の電線に比べて抵抗値を低減することができ、発熱を低減できたと推察される。１心のＮｏ．１－１５は評価がＢであった。評価がＣのサンプルはなかった。

【0043】

以上、実施の形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。

【0044】

実施形態では、集合線２０をコア３５に巻いたコイル３６について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。集合線２０をコアに巻き付けたコイルに限らず、集合線２０を使って空芯コイルを作製することは当然可能である。

【0045】

実施形態では、円筒形のコア３５に集合線２０を巻いたコイル３６（トロイダルコイル）について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。コアの形状は適宜設定される。例えば棒状のコアに集合線２０を巻いてコイルを作製することは当然可能である。

【0046】

実施形態では、集合線２０を巻いたコイルを回転電気機械（素子３０）に適用する場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。集合線２０を他の素子に適用することは当然可能である。他の素子としては、例えばリアクトル、トランスが挙げられる。

【符号の説明】

【0047】

１０ 電線
１１ 心線
１３ 無機繊維
１４ 無機繊維からなる層
２０ 集合線
３０ 素子
３６ コイル

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】