JP7407700B2 - コイル用カーボンナノチューブ被覆線材、コイル用カーボンナノチューブ被覆線材を用いたコイル及びカーボンナノチューブ被覆線材コイルの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数のカーボンナノチューブで構成されるカーボンナノチューブ線材を被覆材料で被覆したコイルに用いられるカーボンナノチューブ被覆線材、前記カーボンナノチューブ被覆線材を用いたコイル及びカーボンナノチューブ被覆線材を用いたコイルの製造方法に関するものである。

高周波電流を通電するモーター等の各種の電動機器には、コイルが利用されている。コイルは、導体線を有する巻線を螺旋状に巻回することによって作製される。電動機器の小型化や出力向上の点から、隣り合うターン間の間隔を狭くして巻回することが要求されることがある。しかし、巻回される導体線間が近接配置されると、導体線に渦電流が生じて渦電流量が増大し、結果、導体線に生じる渦電流による電流損失が大きくなり、コイルの電流損失が増大してしまう。

そこで、導体線と、導体線の外周に磁性材料によって形成された磁性体層とを備えるコイル用線材により、渦電流を低減することが提案されている（特許文献１）。

一方で、電動機器の出力向上の点から、導体線の太線化と導体線の断面積率（占積率）の向上が要求される。しかし、電線材を巻線に加工するには、１本の導体線を太線化するには限界があり、また、渦電流も増大する。そこで、巻線への加工性と渦電流の低減のために、コイルを形成する導体線を複数に分割すること（特許文献２）や、中心導体と中心導体を被覆する磁性層とを備えた細い電線を撚り合わせて太線化すること（特許文献３）が提案されている。

しかし、特許文献１では、高周波電流を通電して電動機器の出力を向上させるために、複数の線材を用いた撚り線とする場合、撚り合わされた各線材間における導電性を低減する必要がある。よって、特許文献１では、撚り線を構成するそれぞれの線材に磁性体層を形成する必要がある。上記から、特許文献１では、渦電流を抑制するにあたり、導体線の断面積率（占積率）が低いため改善の余地があり、また、高周波特性にも改善の余地があるので、十分な出力特性が得られない場合があった。また、特許文献１では、撚り線を構成するそれぞれの線材に磁性体層を形成する必要があるので、製造コストがかさむという問題があった。

また、高周波電流を通電する際に、特許文献２でも、分割線間の導電性を低減するために、各分割線に絶縁層を被覆する必要があり、特許文献３でも、渦電流を抑制するために線材を撚り合わせる場合には、撚り合わされた各線材間における導電性を低減するために、各中心導体に磁性層を被覆する必要がある。従って、特許文献２、３でも、渦電流を抑制するにあたり、導体線の占積率に改善の余地があり、また、高周波特性にも改善の余地があるので、十分な出力特性が得られない場合があった。また、特許文献２、３でも、撚り線を構成するそれぞれの線材に被覆層を形成する必要があるので、製造コストがかさむという問題があった。

特開２０１７－３７８９６号公報 特開２０１３－１３８５９４号公報 特開２０１５－６５０８１号公報

本発明は、渦電流が低減し、高出力特性に優れたコイル用カーボンナノチューブ被覆線材を提供することを目的とする。

［１］複数のカーボンナノチューブで構成されるカーボンナノチューブ集合体または複数のカーボンナノチューブで構成されるカーボンナノチューブ素線の複数からなるカーボンナノチューブ線材と、前記カーボンナノチューブ線材を被覆する被覆層と、を備え、
前記カーボンナノチューブ集合体または前記カーボンナノチューブ素線が、隣接する他の前記カーボンナノチューブ集合体または前記カーボンナノチューブ素線と接触しているコイル用カーボンナノチューブ被覆線材。
［２］前記カーボンナノチューブ線材における撚り線密度が０．５ｇ／ｃｍ^３～２．５ｇ／ｃｍ^３である［１］に記載のコイル用カーボンナノチューブ線材。
［３］前記カーボンナノチューブ線材における前記カーボンナノチューブ集合体または前記カーボンナノチューブ素線の密度が１．１ｇ／ｃｍ^３～１．８ｇ／ｃｍ^３である［１］または［２］に記載のコイル用カーボンナノチューブ線材。
［４］前記カーボンナノチューブ線材における撚り線密度が１．２ｇ／ｃｍ^３～１．５ｇ／ｃｍ^３である［２］に記載のコイル用カーボンナノチューブ線材。
［５］前記カーボンナノチューブ線材における前記カーボンナノチューブ集合体または前記カーボンナノチューブ素線の密度が１．５ｇ／ｃｍ^３～１．８ｇ／ｃｍ^３である［３］に記載のコイル用カーボンナノチューブ線材。
［６］前記カーボンナノチューブ線材を構成する前記カーボンナノチューブ集合体または前記カーボンナノチューブ素線の本数が、１０本～１０００本である［１］乃至［５］のいずれか１つに記載のコイル用カーボンナノチューブ被覆線材。
［７］前記カーボンナノチューブ線材を構成する前記カーボンナノチューブ集合体または前記カーボンナノチューブ素線の本数が、３００本～６００本である［１］乃至［６］のいずれか１つに記載のコイル用カーボンナノチューブ被覆線材。
［８］前記カーボンナノチューブ線材の円相当直径が、０．０５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下である［１］１乃至［７］のいずれか１つに記載のコイル用カーボンナノチューブ被覆線材。
［９］前記カーボンナノチューブ線材の円相当直径が、０．３０ｍｍ以上１．０ｍｍ以下である［１］乃至［８］のいずれか１つに記載のコイル用カーボンナノチューブ被覆線材。
［１０］前記カーボンナノチューブ線材の撚り数が、１Ｔ／ｍ以上１０００Ｔ／ｍ以下である［１］乃至［９］のいずれか１つに記載のコイル用カーボンナノチューブ被覆線材。
［１１］前記カーボンナノチューブ線材の撚り数が、１０Ｔ／ｍ以上８００Ｔ／ｍ以下である［１］乃至［１０］のいずれか１つに記載のコイル用カーボンナノチューブ被覆線材。
［１２］［１］乃至［１１］のいずれか１つに記載のコイル用カーボンナノチューブ被覆線材の巻線を用いたコイル。
［１３］複数のカーボンナノチューブ素線からカーボンナノチューブ線材を作製する工程と、
前記カーボンナノチューブ線材を被覆材で被覆してカーボンナノチューブ被覆線材を作製する工程と、
前記カーボンナノチューブ被覆線材を巻回して巻線とする工程と、を含むカーボンナノチューブ被覆線材コイルの製造方法。
［１４］複数のカーボンナノチューブで構成されるカーボンナノチューブ集合体または複数のカーボンナノチューブで構成されるカーボンナノチューブ素線からなるカーボンナノチューブ線材を被覆材で被覆してカーボンナノチューブ被覆線材を作製する工程と、
前記カーボンナノチューブ被覆線材を巻回して巻線とする工程と、を含むカーボンナノチューブ被覆線材コイルの製造方法。
［１５］撚り合わされる前記カーボンナノチューブ集合体または前記カーボンナノチューブ素線の本数が、１０本～１０００本である［１４］に記載のカーボンナノチューブ被覆線材コイルの製造方法。
［１６］前記カーボンナノチューブ線材の円相当直径が、０．０５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下である［１３］乃至［１５］のいずれか１つに記載のカーボンナノチューブ被覆線材コイルの製造方法。
［１７］前記カーボンナノチューブ線材の撚り数が、１Ｔ／ｍ以上１０００Ｔ／ｍ以下である［１３］乃至［１６］のいずれか１つに記載のカーボンナノチューブ被覆線材コイルの製造方法。

本発明の態様によれば、渦電流が低減し、高出力特性に優れたコイル用カーボンナノチューブ被覆線材を得ることができる。

本発明の実施形態に係るコイル用カーボンナノチューブ被覆線材の説明図である。 本発明の実施形態に係るコイル用カーボンナノチューブ被覆線材に用いるカーボンナノチューブ線材の説明図である。 本発明の実施形態に係るコイル用カーボンナノチューブ被覆線材をモーターに用いた概要を示す説明図である。

以下に、本発明の実施形態に係るコイル用カーボンナノチューブ被覆線材について、図面を用いながら説明する。

図１に示すように、本発明の実施形態に係るコイル用カーボンナノチューブ被覆線材（以下、「コイル用ＣＮＴ被覆線材」ということがある。）１は、カーボンナノチューブ線材（以下、「ＣＮＴ線材」ということがある。）１０の外周面に被覆層２１が被覆された構成となっている。すなわち、ＣＮＴ線材１０の長手方向に沿って被覆層２１が被覆されている。ＣＮＴ被覆線材１では、ＣＮＴ線材１０の外周面全体が、被覆層２１によって被覆されている。また、ＣＮＴ被覆線材１では、被覆層２１はＣＮＴ線材１０の外周面と直接接した態様となっている。

ＣＮＴ線材１０は、複数本のカーボンナノチューブ集合体（以下、「ＣＮＴ集合体」ということがある。）１１または複数本のカーボンナノチューブ素線（以下、「ＣＮＴ素線」ということがある。）１１が撚り合わされて形成され、撚り線の形態となっている（以下、「ＣＮＴ集合体１１」と「ＣＮＴ素線１１」とを総称して「ＣＮＴ素線等１１」ということがある。）。撚り線の形態となっているコイル用ＣＮＴ被覆線材１においては、撚り線を構成するＣＮＴ素線等１１は長手方向に高い導電性を示し、他方、ＣＮＴ素線等１１間は導電性が低いため、導体が素線ごとに分割された状態に近くなるため、渦電流を抑制することができ、結果、電流損失を抑制できるコイルを得ることができる。なお、図１では、便宜上、ＣＮＴ素線等１１の本数は７本としている。

ＣＮＴ線材１０では、ＣＮＴ素線等１１は、隣接する他のＣＮＴ素線等１１と被覆層２１を介さずに接触している。すなわち、ＣＮＴ素線等１１は、隣接する他のＣＮＴ素線等１１と直接接触している。ＣＮＴ線材１０を撚り線の形態とすることで、ＣＮＴ線材１０を太線化することができる。また、後述するように、ＣＮＴ素線等１１は、長手方向の導電性に優れた線材であり、このＣＮＴ素線等１１が、隣接する他のＣＮＴ素線等１１と直接接触しているので、コイル用ＣＮＴ被覆線材１は、径方向の断面における導体の断面積率（占積率）を向上させることができる。

図２に示すように、コイル用ＣＮＴ被覆線材１に用いられるＣＮＴ素線等１１は、１層以上の層構造を有する複数のカーボンナノチューブ（以下、「ＣＮＴ」ということがある。）１１ａ，１１ａ，・・・で構成される。ここで、ＣＮＴ線材とはＣＮＴの割合が９０質量％以上のＣＮＴ線材を意味する。なお、ＣＮＴ線材におけるＣＮＴ割合の算定においては、メッキとドーパントは除く。ＣＮＴ線材１０は、複数のＣＮＴ素線等１１が、撚り合わされて束ねられた構成となっている。ＣＮＴ素線等１１の長手方向が、ＣＮＴ線材１０の長手方向を形成している。従って、ＣＮＴ素線等１１は、線状となっている。ＣＮＴ線材１０における複数のＣＮＴ素線等１１，１１，・・・は、ＣＮＴ線材１０の長手方向の中心軸に沿って所定の撚り数にて撚り合わされている。従って、ＣＮＴ線材１０における複数のＣＮＴ素線等１１，１１，・・・は、配向している。

ＣＮＴ素線等１１は、１層以上の層構造を有する長尺なＣＮＴ１１ａの束である。ＣＮＴ１１ａの長手方向が、ＣＮＴ素線等１１の長手方向を形成している。ＣＮＴ素線等１１における複数のＣＮＴ１１ａ，１１ａ、・・・は、その長軸方向がほぼ揃って配されている。従って、ＣＮＴ素線等１１における複数のＣＮＴ１１ａ，１１ａ、・・・は、配向している。ＣＮＴ素線等１１の円相当直径は、例えば、２０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であり、このうち、ＣＮＴ集合体１１の円相当直径は、例えば、２０ｎｍ以上８０ｎｍ以下であり、ＣＮＴ素線１１の円相当直径は、例えば、８０ｎｍ超１０００ｎｍ以下である。また、ＣＮＴ１１ａの最外層の幅寸法は、例えば、１．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下である。

コイル用ＣＮＴ被覆線材１において、ＣＮＴ素線等１１を構成するＣＮＴ１１ａは、単層構造又は複層構造を有する筒状体であり、それぞれ、ＳＷＮＴ（Single-walled nanotube）、ＭＷＮＴ（Multi-walled nanotube）と呼ばれる。図２では、２層構造を有するＣＮＴ１１ａのみを記載しているが、ＣＮＴ素線等１１には、３層構造以上の層構造を有するＣＮＴや単層構造の層構造を有するＣＮＴも含まれていてもよく、３層構造以上の層構造を有するＣＮＴまたは単層構造の層構造を有するＣＮＴから形成されていてもよい。

ＣＮＴ素線等１１を構成するＣＮＴ１１ａにおいて、２層構造を有するＣＮＴ１１ａでは、六角形格子の網目構造を有する２つの筒状体Ｔ１、Ｔ２が略同軸で配された３次元網目構造体となっており、ＤＷＮＴ（Double-walled nanotube）と呼ばれる。構成単位である六角形格子は、その頂点に炭素原子が配された六員環であり、他の六員環と隣接してこれらが連続的に結合している。

ＣＮＴ素線等１１を構成するＣＮＴ１１ａの性質は、上記筒状体のカイラリティに依存する。カイラリティは、アームチェア型、ジグザグ型、及びカイラル型に大別され、アームチェア型は金属性、ジグザグ型は半導体性および半金属性、カイラル型は半導体性および半金属性の挙動を示す。従って、ＣＮＴ１１ａの導電性は、筒状体がいずれのカイラリティを有するかによって大きく異なる。コイル用カーボンナノチューブ被覆線材１のＣＮＴ線材１０を構成するＣＮＴ素線等１１では、導電性をさらに向上させる点から、金属性の挙動を示すアームチェア型のＣＮＴ１１ａの割合を増大させることが好ましい。

次に、ＣＮＴ線材１０におけるＣＮＴ１１ａ及びＣＮＴ素線等１１の配向性について説明する。小角Ｘ線散乱（ＳＡＸＳ）を用いて、ＣＮＴ線材１０についてＸ線散乱像の情報を分析すると、ＣＮＴ線材１０において、複数のＣＮＴ１１ａ，１１ａ・・・及び複数のＣＮＴ素線等１１，１１，・・・が良好な配向性を有していることが分かる。このように、複数のＣＮＴ１１ａ，１１ａ・・・及び複数のＣＮＴ素線等１１，１１，・・・が良好な配向性を有しているので、ＣＮＴ線材１０は、ＣＮＴ１１ａ及びＣＮＴ素線等１１の長手方向に沿って優れた導電性を有している。すなわち、ＣＮＴ素線等１１が長手方向に配向性を有することで、ＣＮＴ素線等１１は径方向の導電性と比較して長手方向の導電性に優れている特性を有する。複数のＣＮＴ素線等１１が撚り合わされたＣＮＴ線材１０は、その長手方向の導電性に優れ、かつ撚り合わされたＣＮＴ素線等１１間の導電性は小さい。従って、コイル用ＣＮＴ被覆線材１のＣＮＴ線材１０は、金属製の撚り線からなるコイル用線材と比較して、径方向の導電性を抑えつつ、長手方向に優れた導電性を発揮する。上記から、ＣＮＴ線材１０は、金属製の撚り線と比較して、優れた高周波特性を得ることが可能となる。

また、コイル用ＣＮＴ被覆線材１のＣＮＴ線材１０は径方向よりも長手方向に優れた導電性を発揮するので、ＣＮＴ線材１０では、それぞれのＣＮＴ素線等１１に絶縁被覆層を被覆する必要がない。よって、ＣＮＴ線材１０では、ＣＮＴ素線等１１は、隣接する他のＣＮＴ素線等１１と直接接触した態様で撚り合わせることができる。このように、ＣＮＴ線材１０では、隣接する他のＣＮＴ素線等１１と直接接触した態様で撚り合わされているので、コイル用ＣＮＴ被覆線材１は、金属製の撚り線からなるコイル用線材と比較して、導体の占積率を向上させることが可能となる。また、ＣＮＴ線材１０では、各ＣＮＴ素線等１１に絶縁被覆層を形成する必要がないので、製造コストを低減できる。

このように、撚り線の形態であるＣＮＴ線材１０は、渦電流が低減されつつ、優れた高周波特性と導体の高い占積率を得ることが可能となるので、コイル用カーボンナノチューブ被覆線材１は、渦電流を低減して電流損失を抑制しつつ、高出力特性を発揮することができる。

１本のＣＮＴ線材１０あたり、撚り合わされているＣＮＴ素線等１１の本数は、特に限定されず、例えば、数本から数千本であり、より具体的には、渦電流がより確実に低減されつつ撚り線の形成が容易である点から、２本～５０００本が好ましく、高周波特性をより向上させることで優れた高出力特性を得る点から、１０本～１０００本がより好ましく、３００本～６００本が特に好ましい。

ＣＮＴ線材１０の円相当直径は、特に限定されないが、太線化による大電流の電導と巻回の容易さの点から、０．０１ｍｍ以上５．０ｍｍ以下が好ましく、高周波特性と占積率共に向上させることで優れた高出力特性を得る点から、０．０５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下がより好ましく、０．３０ｍｍ以上１．０ｍｍ以下特に好ましい。

ＣＮＴ線材１０の撚り数は、特に限定されないが、撚り線の形成と巻回の容易さの点から、１Ｔ／ｍ以上１０００Ｔ／ｍ以下が好ましく、高周波特性と導体の占積率をより向上させることで優れた高出力特性を得る点から、１０Ｔ／ｍ以上８００Ｔ／ｍ以下がより好ましく、さらに優れた高周波特性を得る点から５０Ｔ／ｍ以上５００Ｔ／ｍ以下がさらに好ましく、優れた許容電流をさらに得る点から５０Ｔ／ｍ以上３００Ｔ／ｍ以下が特に好ましい。

ＣＮＴ線材１０の密度は、特に限定されず、例えば、長手方向の導電性を向上させつつ撚り線の形成が容易である点から、０．５０ｇ／ｃｍ^３以上２．５ｇ／ｃｍ^３以下が好ましく、導体の占積率をより向上させることで優れた高出力特性を得る点から、１．２ｇ／ｃｍ^３以上１．８ｇ／ｃｍ^３以下がより好ましく、さらには優れた許容電流を得る点から１．２ｇ／ｃｍ^３以上１．５ｇ／ｃｍ^３以下が特に好ましく、占積率を向上させる観点からは１．４ｇ／ｃｍ^３以上がより好ましい。また、ＣＮＴ素線等１１の密度は、特に限定されず、例えば、長手方向の導電性を向上させ且つＣＮＴ素線等１１の生産性に優れる点から、１．０ｇ／ｃｍ^３以上３．０ｇ／ｃｍ^３以下が好ましく、１．１ｇ／ｃｍ^３以上１．８ｇ／ｃｍ^３以下がより好ましく、優れた許容電流を得やすい点から１．５ｇ／ｃｍ^３～１．８ｇ／ｃｍ^３が特に好ましい。

次に、コイル用ＣＮＴ被覆線材１に用いるＣＮＴ線材１０の外面を被覆する被覆層２１について説明する。

被覆層２１としては、絶縁被覆層を挙げることができる。絶縁被覆層の材料としては、芯線として金属を用いた被覆電線の絶縁被覆層に用いる材料を使用することができ、例えば、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂を挙げることができる。熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアセタール、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリ塩化ビニル、ポリメチルメタクリレート、ポリウレタン等を挙げることができる。熱硬化性樹脂としては、例えば、ポリイミド、フェノール樹脂等を挙げることができる。これらは、単独で使用してもよく、２種以上を適宜混合して使用してもよい。

図１に示すように、被覆層２１は、一層としてもよく、これに代えて、二層以上としてもよい。また、必要に応じて、ＣＮＴ線材１０の外面と被覆層２１との間に、さらに、熱硬化性樹脂の層が設けられていてもよい。

次に、本発明の実施形態に係るコイル用カーボンナノチューブ被覆線材１の製造方法例について説明する。コイル用カーボンナノチューブ被覆線材１は、まず、ＣＮＴ１１ａを製造し、得られた複数のＣＮＴ１１ａからＣＮＴ素線等１１を製造する。次に、複数本のＣＮＴ素線等１１を撚り合わせてＣＮＴ線材１０を製造する。次に、ＣＮＴ線材１０の外周面に被覆層２１（例えば、絶縁被覆層）を被覆することで、コイル用カーボンナノチューブ被覆線材１を製造することができる。

ＣＮＴ１１ａは、例えば、浮遊触媒法（特許第5819888号公報）、基板法（特許第5590603号公報）などの方法で作製することができる。ＣＮＴ素線等１１は、例えば、乾式紡糸（特許第5819888号公報、特許第5990202号公報、特許第5350635号公報）、湿式紡糸（特許第5135620号公報、特許第5131571号公報、特許第5288359号公報）、液晶紡糸（特表2014-530964号公報）等で作製することができる。

上記のようにして得られたＣＮＴ線材１０の外周面に被覆層２１を被覆する方法は、アルミニウムや銅の芯線に絶縁被覆層を被覆する方法を使用できる。例えば、被覆層２１の原料である熱可塑性樹脂を溶融させ、ＣＮＴ線材１０の周りに押し出してＣＮＴ線材１０を被覆することで被覆層２１を形成する方法を挙げることができる。

本発明の実施形態に係るコイル用カーボンナノチューブ被覆線材１は、巻回すことで巻線にしてコイルを作製するための線材として用いる。コイル用カーボンナノチューブ被覆線材１を巻線にしたコイル５０は、例えば、モーターやトランスなどの各種電気機器に用いることができる。

ここでは、コイル用カーボンナノチューブ被覆線材１を螺旋状に巻いて巻線にしたコイル５０を用いたモーターを例にとって、図面を用いて説明する。モーターの構造は特に限定されないが、例えば、図３のモーター１００の概略に示すように、モーター１００は、中空筒状の金属製ケース５１を有し、その内周面には永久磁石５３が固着され、金属製ケース５１の閉塞部５１ａの中央には軸受け５４が取り付けられている。また、金属製ケース５１の内部には回転自在に支持された回転子５５が取り付けられている。

回転子５５は、金属製ケース５１の閉塞部５１ａの軸受け５４に一端を貫通させる回転軸５６と、回転軸５６に取り付けられて金属製ケース５１内に収容されるコイル５０と、回転軸５６の他端の近傍に取り付けられる整流子５８とを有している。コイル５０は、回転軸５６が貫通されている鉄心５９にコイル用カーボンナノチューブ被覆線材１が巻き付けられて構成されている。

本発明のコイル用カーボンナノチューブ被覆線材１を用いたコイル５０は、鉄心５９に発生する渦電流を低減でき、また、優れた高周波特性と導体の占積率を得ることができるので、高出力特性に優れたモーター１００を得ることができる。

次に、本発明の実施例を説明するが、本発明の趣旨を超えない限り、下記実施例に限定されるものではない。

実施例１～２２、比較例１～２について
実施例１～２２のＣＮＴ線材の製造方法について
先ず、浮遊触媒法で作製したＣＮＴを直接紡糸する乾式紡糸方法（特許第5819888号公報）または湿式紡糸する方法（特許第5135620号公報、特許第5131571号公報、特許第5288359号公報）で、ＣＮＴ素線（単線）を得た。次に、ＣＮＴ素線を下記表１に示す撚り線の本数及び撚り数にて撚り合わせて、下記表１に示す円相当直径のＣＮＴ線材（撚り線）を得た。

ＣＮＴ線材の外面に被覆層（絶縁被覆層）を被覆する方法について
ポリプロピレン樹脂を用いて、通常の電線製造用押出成形機を用いて導体周囲に押出被覆することにより絶縁被覆層を形成し、下記表１の実施例で使用するコイル用ＣＮＴ被覆線材を作製した。

比較例１～２のコイル用線材について
下記表１に示す単線の銅線（比較例１）と、下記表１に示す撚り線の本数及び撚り数にて撚り合わせた銅リッツ線（比較例２）を用いた。なお、比較例１では、単線である銅線について、上記ポリプロピレン樹脂を用いて、通常の電線製造用押出成形機を用いて銅線周囲に押出被覆することにより絶縁被覆層を形成した。比較例２では、銅リッツ線を構成するそれぞれの銅線に、上記と同様にして絶縁被覆層を形成してから、絶縁被覆銅線を撚り合わせて、銅リッツ線を作製した。

撚り線密度の測定
カーボンナノチューブ被覆線材の長手方向に垂直な面で切断し、断面を走査型電子顕微鏡（SEM）で観察した。被覆を含まない、撚り線部分の面積をS1とし、そのうちＣＮＴ素線が占める面積をS2、空隙部分の面積をS3とした。この時、S1=S2+S3が成り立つ。後述する素線の密度をd（素線）とし、下記式から撚り線の密度d（撚り線）を算出した。
d（撚り線）=d（素線）×S2/S1

素線密度の測定
長さ２ｃｍの素線を用い、密度勾配管法直読式比重測定装置（株式会社柴山科学器械製作所製）によって密度を計測した。

上記のように作製した各コイル用線材試料について、以下の評価を行った。

（ａ）高周波特性
実施例の線材及び比較例の線材について、インピーダンスアナライザIM3570（日置電機株式会社製）にて、１Ｈｚのインピーダンス（Z１）と１ＭＨｚのインピーダンス（Z２）を測定し、以下の基準から高周波特性を評価した。
「◎」：Z２／Z１の比が２．０未満
「○」：Z２／Z１の比が２．０以上１０以下
「×」：Z２／Z１の比が１０超

（ｂ）コイルにしたときの径方向の断面に占める導体面積の割合（占積率）
実施例の線材及び比較例の線材を用いて、直径１０ｍｍの円柱状の鉄製のコアに幅１０ｍｍで５層の巻線を手巻きで一定速度で、線材間の隙間ができないように巻くことでコイルを作製した。得られたコイルを、エポキシ樹脂で全体を固めた後、コアの中心軸を通り、なす角が９０°の２つの面で、コイルを４分割し、各断面の光学顕微鏡による観察から、占積率（占積率（%）=（導体部分の断面積の和）／（コイルの断面積） × 100）を求め、４つの断面の平均値を算出することによりコイルの占積率を求めた。以下の基準から占積率を評価した。
「◎」：８０％超
「○」：５０％以上８０％以下
「×」：５０％未満

（ｃ）渦電流低減特性
（ｂ）に記載の方法で作製したコイルについて、JIS C 4034-2-1に記載の方法で、10kHz、50kHz、100kHz、500kHz、1MHzの５段階の交流で鉄損（Ｐ_ｆｅ）を測定した。横軸に周波数（ｆ）、縦軸に周波数、縦軸にＰ_ｆｅ／ｆをプロットし、傾きαを算出した。
同じ径の銅の単線で同様の測定を実施して求めた傾きα_Cuとの比α／α_Cuを算出し、以下の基準から渦電流提言特性を評価した。
「◎」：α／α_Cuが１０以上
「○」：α／α_Cuが３以上１０未満
「×」：α／α_Cuが３未満

（ｄ）許容電流
実施例の線材５ｃｍ及び比較例の線材５ｃｍについて、ソースメータ（ケースレー社製）で電流を徐々に上げながら流していき、赤熱して断線する電流値を測定し、これを許容電流とした。得られた許容電流の値から単位断面積当たりの許容電流を算出し、下記の基準で評価した。
「◎」：３０Ａ/ｍｍ^２以上
「○」：１５Ａ/ｍｍ^２以上３０Ａ/ｍｍ^２未満
「×」：１５Ａ/ｍｍ^２未満

高周波特性と占積率と渦電流低減特性及び許容電流の結果を、下記表１に示す。なお、高周波特性と占積率のうち、少なくともいずれか一方の評価結果が「◎」または高周波特性と占積率のいずれもが「○」以上の評価結果の場合、本発明の目的とする高出力特性が得られると判断した。

表１に示すように、ＣＮＴ素線を撚り合わせて得たＣＮＴ線材を用いたコイル用ＣＮＴ被覆線材である実施例では、高周波特性と占積率のうち、少なくともいずれか一方の評価結果が「◎」または高周波特性と占積率のいずれもが「○」以上の評価結果であり、高出力特性が得られることが判明した。さらに、導体としてＣＮＴ素線の撚り線であるＣＮＴ線材を用いた実施例では、渦電流を低減できたので、電流損失を抑制できることが判明した。

特に、ＣＮＴ素線の撚り本数が１８本～４７１０本である実施例１～２１では、高周波特性が「○」以上の評価であり、より優れた高出力特性が得られることが判明した。また、ＣＮＴ線材の撚り数が１００Ｔ／ｍ～８００Ｔ／ｍであり、素線密度が１．８ｇ／ｃｍ^３である実施例２～４、８、１０～１２、１４～１６、１９、２０、２２では、導体の占積率が「◎」に向上して、より優れた高出力特性が得られることが判明した。また、素線密度が１．５ｇ／ｃｍ^３～１．８ｇ／ｃｍ^３であると、撚り数を５Ｔ／ｍ以上５００Ｔ／ｍ未満とすることで、優れた許容電流値を確実に得ることができた。さらに、ＣＮＴ素線の撚り本数が１８本～４７１０本、且つＣＮＴ線材の撚り数が５Ｔ／ｍ～８００Ｔ／ｍである実施例１～２１では、高周波特性と占積率のいずれもが「○」以上となり、さらに優れた高出力特性が得られることが判明した。

また、ＣＮＴ線材の密度が１．４ｇ／ｃｍ^３～１．７ｇ／ｃｍ^３である実施例２～４、８、１０～１２、１４～１６、１９、２０、２２では、導体の占積率を「◎」に向上させることで優れた高出力特性が得られることが判明した。また、ＣＮＴ線材の密度が１．２ｇ／ｃｍ^３～１．５ｇ／ｃｍ^３である実施例１、２、７～１０、１３、１４、１７～２２では、許容電流の評価が「◎」と、優れた許容電流値を得ることができた。

一方で、単線である銅線を用いた比較例１では、高周波特性が得られず、また、占積率が「○」評価にとどまったので、高出力特性が得られないことが判明した。さらに、導体として単線である銅線を用いた比較例１では、渦電流を十分低減できなかった。また、銅線を撚り合わせたリッツ線を用いた比較例２では、占積率が得られず、また、高周波特性が「○」評価にとどまったので、高出力特性が得られないことが判明した。さらに、比較例１、２では、許容電流値が１５Ａ/ｍｍ^２未満と、良好な許容電流が得られなかった。

１ コイル用カーボンナノチューブ被覆線材
１０ カーボンナノチューブ線材
１１ カーボンナノチューブ素線等
１１ａ カーボンナノチューブ
２１ 被覆層

Claims (15)

1. コイルに用いられるカーボンナノチューブ被覆線材であり、
   複数のカーボンナノチューブで構成されるカーボンナノチューブ集合体または複数のカーボンナノチューブで構成されるカーボンナノチューブ素線の複数からなるカーボンナノチューブ線材と、前記カーボンナノチューブ線材を被覆する被覆層と、を備え、
   前記カーボンナノチューブ線材を構成する前記カーボンナノチューブ集合体または前記カーボンナノチューブ素線の本数が、１０本～１０００本であり、
   前記カーボンナノチューブ集合体及び前記カーボンナノチューブ素線が、金属性の挙動を示すアームチェア型の前記カーボンナノチューブを含み、
   前記カーボンナノチューブ集合体または前記カーボンナノチューブ素線の円相当直径が、２０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であり、
   前記カーボンナノチューブ集合体または前記カーボンナノチューブ素線が、隣接する他の前記カーボンナノチューブ集合体または前記カーボンナノチューブ素線と接触しているコイル用カーボンナノチューブ被覆線材。
2. 前記カーボンナノチューブ線材における撚り線密度が０．５ｇ／ｃｍ^３～２．５ｇ／ｃｍ^３である請求項１に記載のコイル用カーボンナノチューブ線材。
3. 前記カーボンナノチューブ線材における前記カーボンナノチューブ集合体または前記カーボンナノチューブ素線の密度が１．１ｇ／ｃｍ^３～１．８ｇ／ｃｍ^３である請求項１または２に記載のコイル用カーボンナノチューブ線材
4. 前記カーボンナノチューブ線材における撚り線密度が１．２ｇ／ｃｍ^３～１．５ｇ／ｃｍ^３である請求項２に記載のコイル用カーボンナノチューブ線材。
5. 前記カーボンナノチューブ線材における前記カーボンナノチューブ集合体または前記カーボンナノチューブ素線の密度が１．５ｇ／ｃｍ^３～１．８ｇ／ｃｍ^３である請求項３に記載のコイル用カーボンナノチューブ線材。
6. 前記カーボンナノチューブ線材を構成する前記カーボンナノチューブ集合体または前記カーボンナノチューブ素線の本数が、３００本～６００本である請求項１乃至５のいずれか１項に記載のコイル用カーボンナノチューブ被覆線材。
7. 前記カーボンナノチューブ線材の円相当直径が、０．０５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下である請求項１乃至６のいずれか１項に記載のコイル用カーボンナノチューブ被覆線材。
8. 前記カーボンナノチューブ線材の円相当直径が、０．３０ｍｍ以上１．０ｍｍ以下である請求項１乃至７のいずれか１項に記載のコイル用カーボンナノチューブ被覆線材。
9. 前記カーボンナノチューブ線材の撚り数が、１Ｔ／ｍ以上１０００Ｔ／ｍ以下である請求項１乃至８のいずれか１項に記載のコイル用カーボンナノチューブ被覆線材。
10. 前記カーボンナノチューブ線材の撚り数が、１０Ｔ／ｍ以上８００Ｔ／ｍ以下である請求項１乃至９のいずれか１項に記載のコイル用カーボンナノチューブ被覆線材。
11. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のコイル用カーボンナノチューブ被覆線材の巻線を用いたコイル。
12. 複数のカーボンナノチューブ素線からカーボンナノチューブ線材を作製する工程と、
    前記カーボンナノチューブ線材を被覆材で被覆してカーボンナノチューブ被覆線材を作製する工程と、
    前記カーボンナノチューブ被覆線材を巻回して巻線とする工程と、を含み、
    前記カーボンナノチューブ素線が、複数のカーボンナノチューブで構成され、
    前記カーボンナノチューブ線材を構成する前記カーボンナノチューブ素線の本数が、１０本～１０００本であり、
    前記カーボンナノチューブ素線が、金属性の挙動を示すアームチェア型の前記カーボンナノチューブを含み、
    前記カーボンナノチューブ素線の円相当直径が、２０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であり、
    前記カーボンナノチューブ素線が、隣接する他の前記カーボンナノチューブ素線と接触している、
    カーボンナノチューブ被覆線材コイルの製造方法。
13. 複数のカーボンナノチューブで構成されるカーボンナノチューブ集合体または複数のカーボンナノチューブで構成されるカーボンナノチューブ素線からなるカーボンナノチューブ線材を被覆材で被覆してカーボンナノチューブ被覆線材を作製する工程と、
    前記カーボンナノチューブ被覆線材を巻回して巻線とする工程と、を含み、
    前記カーボンナノチューブ線材を構成する前記カーボンナノチューブ集合体または前記カーボンナノチューブ素線の本数が、１０本～１０００本であり、
    前記カーボンナノチューブ集合体及び前記カーボンナノチューブ素線が、金属性の挙動を示すアームチェア型の前記カーボンナノチューブを含み、
    前記カーボンナノチューブ集合体または前記カーボンナノチューブ素線の円相当直径が、２０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であり、
    前記カーボンナノチューブ集合体または前記カーボンナノチューブ素線が、隣接する他の前記カーボンナノチューブ集合体または前記カーボンナノチューブ素線と接触している、
    カーボンナノチューブ被覆線材コイルの製造方法。
14. 前記カーボンナノチューブ線材の円相当直径が、０．０５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下である請求項１２または１３に記載のカーボンナノチューブ被覆線材コイルの製造方法。
15. 前記カーボンナノチューブ線材の撚り数が、１Ｔ／ｍ以上１０００Ｔ／ｍ以下である請求項１２乃至１４のいずれか１項に記載のカーボンナノチューブ被覆線材コイルの製造方法。

Images