JP2014208886A

JP2014208886A - 線状導体及びその製造方法

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Publication number: JP2014208886A
Application number: JP2014049975A
Authority: JP
Inventors: 芦田　哲哉; Tetsuya Ashida; 哲哉芦田; 広吉田; Hiroshi Yoshida; 幸治橋本; Koji Hashimoto
Original assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Priority date: 2013-03-27
Filing date: 2014-03-13
Publication date: 2014-11-06
Also published as: WO2014156026A1

Abstract

【課題】可及的にコストを抑制して、線状導体の低損失化を図る。
【解決手段】横断面が円形に形成され、純度９９．９９９質量％以上の銅電線からなる線状導体１０であって、銅電線の横断面における平均結晶粒径は、銅電線の直径の１／２０以上である。
【選択図】図１

Description

本発明は、線状導体及びその製造方法に関し、特に、電線やケーブルに用いる低電気抵抗の線状導体及びその製造方法に関するものである。

近年のエネルギー問題に伴って、電線やケーブルでは、低損失化が要望されている。

例えば、特許文献１には、銀が１ｐｐｍ以下であり、イオウが０．５ｐｐｍ以下であり、残部が実質的に銅からなり、かつ残留抵抗比が４０００以上である高純度銅よりなる、超電導（超伝導）用の銅材が開示されている。

また、特許文献２には、純度９９．９９９９質量％以上である高純度アルミニウムの圧延材からなり、その圧延材の表面に表面研磨処理が施されていることにより、極低温において低い電気抵抗率を発現しうる、高純度アルミニウム材が開示されている。

特公平７−１０７１８１号公報特開２０１０−１５９４４６号公報

ところで、超伝導材料を導体に用いた超伝導ケーブルでは、必須条件である極低温環境を維持することができなくなると、導体の電気抵抗が急激に高くなってしまうので、超伝導材料からなる導線の周囲に無酸素銅などからなる安定化材や磁気遮蔽材が設けられている。そのため、超伝導ケーブルでは、多数の加工工数が必要であるので、製造及び加工のコストが高くなってしまう。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、可及的にコストを抑制して、線状導体の低損失化を図ることにある。

上記目的を達成するために、本発明は、高純度の銅電線に所定の条件の熱処理を施して銅電線の横断面における平均結晶粒径が銅電線の直径の１／２０以上になるようにしたものである。

具体的に本発明に係る線状導体は、横断面が円形に形成され純度９９．９９９質量％以上の銅電線からなる線状導体であって、上記銅電線の横断面における平均結晶粒径は、該銅電線の直径の１／２０以上である。

上記の構成によれば、純度９９．９９９質量％以上の銅電線の横断面における平均結晶粒径が銅電線の直径の１／２０以上であるので、銅電線における結晶欠陥が減少して、１０００以上の高い残留抵抗比（Residual Resistivity Ratio、以下、「ＲＲＲ」とも称する）を有する線状導体が得られる。これにより、例えば、製造及び加工が比較的に困難なニオブチタンなどの超伝導材料を用いることなく、製造及び加工が比較的に容易な銅電線を用いて低損失化された線状導体が得られるので、可及的にコストを抑制して、線状導体の低損失化が図られる。なお、残留抵抗比は、温度２９３Ｋ（常温２０℃）及び４．２Ｋでの電気抵抗の比である。

上記銅電線の純度は、９９．９９９９質量％以上であってもよい。

上記銅電線の純度は、９９．９９９９８質量％以上であってもよい。

上記の構成によれば、銅電線の純度がいっそう高くなるので、いっそう高いＲＲＲを有する線状導体が得られる。

上記銅電線の横断面における平均結晶粒径は、上記銅電線の直径の１／１０以上であってもよい。

上記の構成によれば、銅電線の横断面における平均結晶粒径が銅電線の直径の１／１０以上であるので、銅電線における結晶欠陥がいっそう減少して、いっそう高いＲＲＲを有する線状導体が得られる。

上記銅電線における鉄及びニッケルの総含有量は、１ｐｐｍ以下であってもよい。

上記の構成によれば、銅電線における鉄及びニッケルの総含有量が１ｐｐｍ以下であるので、例えば、磁気共鳴画像診断装置や核磁気共鳴診断装置などの磁束密度１Ｔ以上の強磁場での使用に好適な線状導体が得られる。

上記銅電線は、ポリイミド樹脂製の絶縁層で被覆されていてもよい。

上記の構成によれば、銅電線がポリイミド樹脂製の絶縁層で被覆されているので、その絶縁層の柔軟性により、極低温環境（例えば、液体窒素温度：−１９６℃）であっても、銅電線を被覆する絶縁層の割れによる破壊が抑制される。また、銅電線と絶縁層とでは、それらの材質を考慮すると、熱膨張係数が必然的に大きく異なってしまう。しかしながら、線状導体の環境温度に起因して銅電線が伸縮（膨張／収縮）しても、絶縁層がその柔軟性により銅電線の側面に密着したまま銅電線の伸縮に追従するので、常温環境と極低温環境とを繰り返すような過酷な条件下であっても、絶縁層の劣化が抑制される。

また、本発明に係る線状導体の製造方法は、横断面が円形に形成され、純度９９．９９９質量％以上の銅電線を準備する準備工程と、上記銅電線を一括して３００℃以上で１時間以上の条件で熱処理するバッチ処理、又は上記銅電線を搬送しながら５００℃以上で３０秒以上の条件で連続して熱処理する連続処理を行うことにより、上記銅電線の横断面における平均結晶粒径を該銅電線の直径の１／２０以上にする熱処理工程とを備える。

上記の方法によれば、純度９９．９９９質量％以上の銅電線に対して、一括して３００℃以上で１時間以上の条件で熱処理するバッチ処理、又は搬送しながら５００℃以上で３０秒以上の条件で連続して熱処理する連続処理を行うことにより、銅電線の横断面における平均結晶粒径を銅電線の直径の１／２０以上にするので、銅電線における結晶欠陥が減少して、１０００以上の高いＲＲＲを有する線状導体が製造される。これにより、例えば、製造及び加工が比較的に困難なニオブチタンなどの超伝導材料を用いることなく、製造及び加工が比較的に容易な銅電線を用いて低損失化された線状導体が製造されるので、可及的にコストを抑制して、線状導体の低損失化が図られる。

上記熱処理工程では、５００℃以上で１時間以上の条件でバッチ処理、又は６００℃以上で３０秒以上の条件で連続処理を行ってもよい。

上記の方法によれば、純度９９．９９９質量％以上の銅電線に対して、一括して５００℃以上で１時間以上の条件で熱処理するバッチ処理、又は搬送しながら６００℃以上で３０秒以上の条件で連続して熱処理する連続処理を行うので、銅電線の横断面における平均結晶粒径が確実に銅電線の直径の１／２０以上になる。

上記熱処理工程の後に、上記銅電線をポリイミド樹脂製の絶縁層で被覆する絶縁層形成工程を備えてもよい。

上記の方法によれば、絶縁層形成工程において、銅電線がポリイミド樹脂製の絶縁層で被覆されるので、その絶縁層の柔軟性により、極低温環境（例えば、液体窒素温度：−１９６℃）であっても、銅電線を被覆する絶縁層の割れによる破壊が抑制される。また、銅電線と絶縁層とでは、それらの材質を考慮すると、熱膨張係数が必然的に大きく異なってしまう。しかしながら、線状導体の環境温度に起因して銅電線が伸縮（膨張／収縮）しても、絶縁層がその柔軟性により銅電線の側面に密着したまま銅電線の伸縮に追従するので、常温環境と極低温環境とを繰り返すような過酷な条件下であっても、絶縁層の劣化が抑制される。

本発明によれば、高純度の銅電線に所定の条件の熱処理を施して銅電線の横断面における平均結晶粒径が銅電線の直径の１／２０以上になっているので、可及的にコストを抑制して、線状導体の低損失化を図ることができる。

実施形態１に係る線状導体の斜視図である。実施形態１に係る線状導体の横断面を示す模式図の第１例である。実施形態１に係る線状導体の横断面を示す模式図の第２例である。実施形態１に係る線状導体の製造工程を示すフローチャートである。実施形態２に係る線状導体の斜視図である。実施形態２に係る線状導体の製造方法を示すフローチャートである。実施形態２に係る線状導体の製造方法を示すフローチャートの変形例である。実施形態３に係る線状導体の斜視図である。実施形態３に係る線状導体の製造工程を示すフローチャートである。実施形態４に係る線状導体の斜視図である。実施形態４に係る線状導体の製造工程を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の各実施形態に限定されるものではない。

《発明の実施形態１》
図１〜図４は、本発明に係る線状導体及びその製造方法の実施形態１を示している。ここで、図１は、本実施形態の線状導体１０の斜視図である。また、図２及び図３は、線状導体１０の横断面を示す模式図の第１例及び第２例である。

線状導体１０は、図１に示すように、横断面が円形に形成された銅電線からなっている。ここで、銅電線の純度は、９９．９９９質量％以上であり、好ましくは９９．９９９９質量％以上であり、より好ましくは、９９．９９９９８質量％以上である。また、銅電線の横断面における平均結晶粒径は、銅電線の直径の１／２０以上（例えば、１／１０程度、図２参照）であり、好ましくは、銅電線の直径の１／１０以上（例えば、１／５程度、図３参照）である。また、銅電線における鉄及びニッケルの総含有量は、１ｐｐｍ以下である。

上記構成の線状導体１０は、常温（２０℃）での電気抵抗Ｒ_293K及び４．２Ｋでの電気抵抗Ｒ_4.2Kの比率、すなわち、残留抵抗比（ＲＲＲ＝Ｒ_293K／Ｒ_4.2K）が１０００以上、好ましくは５０００以上になっている。

次に、本実施形態の線状導体１０の製造方法について説明する。ここで、図４は、線状導体１０の製造工程を示すフローチャートである。なお、本実施形態の製造方法は、準備工程及び熱処理工程を備える。

＜準備工程＞
図４に示すように、電気銅を鋳造することにより純度９９．９９９質量％以上のビレットを作製した後に、その作製されたビレットを複数のステップで伸線することにより、例えば、直径０．１ｍｍ〜３．２ｍｍ程度の銅電線を作製する。

＜熱処理工程＞
上記準備工程で作製され、ボビンに巻き取った銅電線をバッチ焼き鈍し炉の内部に搬入した後に、炉内の銅電線を３００℃以上で1時間以上（好ましくは５００℃以上で１時間以上）の条件で水素などの還元雰囲気、窒素などの不活性ガス雰囲気又は真空雰囲気で熱処理することにより、銅電線の横断面における平均結晶粒径を銅電線の直径の１／２０以上、好ましくは１／１０以上にする。

なお、本実施形態では、銅電線を一括して熱処理するバッチ処理を行う製造方法を例示したが、例えば、上記準備工程で作製された銅電線をそのまま筒状のパイプ焼き鈍し炉の内部に搬入及び搬送させることにより、炉内で銅電線を搬送しながら５００℃以上で３０秒以上（好ましくは６００℃以上で３０秒以上）の条件で水素などの還元雰囲気、又は窒素などの不活性ガス雰囲気で連続して熱処理してもよい。

以上のようにして、本実施形態の線状導体１０を製造することができる。

次に、具体的に行った実験について説明する。

具体的には、下記の表１に示すように、実施例１〜９として、純度９９．９９９質量％、９９．９９９９質量％又は９９．９９９９８質量％の銅電線を用い、上述した線状導体１０の製造方法と同様に、所定の条件の熱処理を行うことにより、直径０．３２ｍｍの線状導体を作製した。また、比較例１及び２として、純度９９．９９質量％及び９９．９９９質量％の銅電線を用い、所定の条件の熱処理を行うことにより、直径０．３２ｍｍの線状導体を作製した。そして、それらの作製された各線状導体について、結晶粒径、ＲＲＲ、並びに鉄及びニッケルの総含有量を評価した。ここで、結晶粒径、すなわち、平均結晶粒径については、線状導体の横断面のミクロ組織から｛√（結晶の平均面積／π）｝×２の式に基づいて算出した。また、ＲＲＲについては、室温（２０℃＝２９３Ｋ）における電気抵抗Ｒ_293K、及び液体ヘリウム温度（４．２Ｋ）における電気抵抗Ｒ_4.2Kを四端子法により測定して、Ｒ_293K／Ｒ_4.2Kの式より算出した。また、鉄及びニッケルの総含有量については、サーモフィッシャーサイエンティフィック株式会社製のＶＧ９０００を用いて、グロー放電質量分析法により測定した。また、銅の純度は、同じくグロー放電質量分析法により、銅の含有量、又は不純物（銀、アルミニウム、ヒ素、ビスマス、クロム、鉄、マグネシウム、ナトリウム、ニッケル、硫黄、アンチモン、ケイ素などの元素）の含有量を測定することにより、算出した。

実験結果としては、比較例１では、９９．９９質量％の銅電線を５００℃で１時間（３６００秒）の条件で熱処理しても、ＲＲＲが４００程度になるものの、実施例１〜３では、より高純度の９９．９９９質量％の銅電線を用い、３００℃以上で１時間以上の条件で熱処理することにより、ＲＲＲが１５００〜４６００程度に高くなることが確認された。また、連続処理を行った実施例４では、５００℃で３０秒の条件で熱処理するだけでＲＲＲが２８００程度に高くなることが確認された。さらに、９９．９９９９質量％の銅電線を用いた実施例５では、５００℃で３０秒の条件で熱処理するだけでＲＲＲが４５００程度に高くなることが確認された。また、さらに高純度の９９．９９９９８質量％の銅電線を用いた実施例６では、５００℃で３０秒の条件で熱処理するだけでＲＲＲが５４００程度に高くなることが確認された。同じく９９．９９９９８質量％の銅電線を用いた実施例７〜９では、３００℃以上で１時間以上の条件で熱処理することにより、ＲＲＲが４８００〜９８００程度に高くなることが確認された。

また、平均結晶粒径については、比較例１及び２で、銅電線の直径の１／２２及び１／２１程度となるものの、実施例１〜９では、銅電線の直径の１／１６〜１／６程度となり、銅電線の直径の１／２０（好ましくは１／１０）以上になることが確認された。

また、鉄及びニッケルの総含有量については、比較例１及び２で、１．１及び０．３ｐｐｍになるものの、実施例１〜９では、０．０２ｐｐｍ〜０．５ｐｐｍとなり、１ｐｐｍ以下になることが確認された。

以上説明したように、本実施形態の線状導体１０及びその製造方法によれば、純度９９．９９９質量％以上の銅電線に対して、一括して３００℃以上で１時間以上の条件で熱処理するバッチ処理、又は搬送しながら５００℃以上で３０秒以上の条件で連続して熱処理する連続処理を行うことにより、銅電線の横断面における平均結晶粒径を銅電線の直径の１／２０以上にするので、銅電線における結晶欠陥が減少して、１０００以上の高いＲＲＲを有する線状導体１０を製造することができる。これにより、例えば、製造及び加工が比較的に困難なニオブチタンなどの超伝導材料を用いることなく、製造及び加工が比較的に容易な銅電線を用いて低損失化された線状導体１０を製造することができるので、可及的にコストを抑制して、線状導体１０の低損失化を図ることができる。また、導体の断面積の増大を抑制して、線状導体１０の低損失化を図ることができるので、配策スペースを小さくすることができる。

また、本実施形態の線状導体１０によれば、銅電線における鉄及びニッケルの総含有量が１ｐｐｍ以下であるので、例えば、磁気共鳴画像診断装置や核磁気共鳴診断装置などの磁束密度１Ｔ以上の強磁場での使用に好適な線状導体１０を得ることができる。

《発明の実施形態２》
図５〜図７は、本発明に係る線状導体及びその製造方法の実施形態２を示している。ここで、図５は、本実施形態の線状導体２０の斜視図である。また、図６及び図７は、線状導体２０の製造方法を示すフローチャートである。なお、以下の各実施形態において、図１〜図４と同じ部分については同じ符号を付して、その詳細な説明を省略する。

線状導体２０は、図５に示すように、上記実施形態１の線状導体１０を複数本（例えば、７本）撚り合わせた撚り線になっている。

上記構成の線状導体２０は、図６に示すように、上記実施形態１と同様に、伸線及び熱処理を行った後に、その熱処理された複数の単線の銅電線を撚り合わせることにより、又は図７に示すように、上記実施形態１と同様に、伸線を行った後に、その伸線された複数の単線の銅電線を撚り合わせて撚り線を作製し、さらに、その作製された撚り線を熱処理することにより、製造することができる。

以上説明したように、本実施形態の線状導体２０及びその製造方法によれば、上記実施形態１と同様に、高純度の銅電線に所定の条件の熱処理を施して銅電線の横断面における平均結晶粒径が銅電線の直径の１／２０以上になっているので、可及的にコストを抑制して、線状導体２０の低損失化を図ることができる。

《発明の実施形態３》
図８〜図９は、本発明に係る線状導体及びその製造方法の実施形態３を示している。ここで、図８は、本実施形態の線状導体３０の斜視図である。また、図９は、線状導体３０の製造方法を示すフローチャートである。

線状導体３０は、図８に示すように、上記実施形態１の線状導体１０、すなわち、銅電線１０と、銅電線１０の側面を被覆するように設けられたポリイミド樹脂製の絶縁層１１とを備えている。

絶縁層１１は、例えば、ブロック共重合ポリイミドにより構成されている、ここで、このブロック共重合ポリイミドは、例えば、ポリイミドの主鎖中にシロキサン結合を有し、分子中にアニオン性基を有している。また、このブロック共重合ポリイミドは、例えば、重量平均分子量が４５０００〜９００００であり、数平均分子量が２００００〜４００００である。なお、絶縁層１１の膜厚は、例えば、１μｍ〜５０μｍ程度である。

上記構成の線状導体３０は、図９に示すように、上記実施形態１と同様に、伸線及び熱処理を行った後に、絶縁層形成工程において、その熱処理された線状導体（銅電線）１０の側面に対する電着塗装又はディップ塗装とその後の焼き付け処理とを行って、絶縁層１１を形成することにより、製造することができる。

次に、具体的に行った実験について説明する。

実施例として、純度９９．９９９９質量％で直径１．０ｍｍの銅電線を用いて、上記実施形態１の実施例９の熱処理を行った後に、その側面にポリイミド樹脂を電着塗装することにより、厚さ１０μｍ程度のポリイミド樹脂製の絶縁層を有する線状導体を作製した。また、比較例として、純度９９．９９９９質量％で直径１．０ｍｍの銅電線を用いて、上記実施形態１の実施例９の熱処理を行った後に、その側面にエポキシ樹脂をディップ塗装することにより、厚さ１０μｍ程度のエポキシ樹脂製の絶縁層を有する線状導体を作製した。それらの作製された各線状導体を内径１ｍｍでコイル状に緊密に１０回巻き付けて試験体をそれぞれ作製し、それらの各試験体を液体窒素に１０分間浸漬した後に、常温（２０℃）に戻し、各試験体の絶縁層の表面を２０倍の拡大鏡で観察して、割れの有無を確認した。

実験結果としては、実施例では、絶縁層に割れが確認されなかったのに対し、比較例では、絶縁層に割れが確認された。

以上説明したように、本実施形態の線状導体３０及びその製造方法によれば、上記実施形態１及び２と同様に、高純度の銅電線に所定の条件の熱処理を施して銅電線の横断面における平均結晶粒径が銅電線の直径の１／２０以上になっているので、可及的にコストを抑制して、線状導体３０の低損失化を図ることができる。

また、本実施形態の線状導体３０及びその製造方法によれば、銅電線１０がポリイミド樹脂製の絶縁層１１で被覆されているので、絶縁層１１の柔軟性により、極低温環境（液体窒素温度：−１９６℃）であっても、銅電線１０を被覆する絶縁層１１の割れによる破壊を抑制することができる。また、銅電線１０と絶縁層１１とでは、それらの材質を考慮すると、熱膨張係数が必然的に大きく異なってしまう。しかしながら、線状導体３０の環境温度に起因して銅電線１０が伸縮（膨張／収縮）しても、絶縁層１１がその柔軟性により銅電線１０の側面に密着したまま銅電線１０の伸縮に追従するので、常温環境と極低温環境とを繰り返すような過酷な条件下であっても、絶縁層１１の劣化を抑制することができる。

《発明の実施形態４》
図１０〜図１１は、本発明に係る線状導体及びその製造方法の実施形態４を示している。ここで、図１０は、本実施形態の線状導体４０の斜視図である。また、図１１は、線状導体４０の製造方法を示すフローチャートである。

線状導体４０は、図１０に示すように、上記実施形態３の線状導体３０を複数本（例えば、７本）撚り合わせた撚り線になっている。

上記構成の線状導体４０は、図１１に示すように、上記実施形態３と同様に、伸線、熱処理及び絶縁層形成を行った後に、その絶縁層１１が形成された複数の単線の線状導体３０を撚り合わせることにより、製造することができる。

以上説明したように、本実施形態の線状導体４０及びその製造方法によれば、上記実施形態１〜３と同様に、高純度の銅電線に所定の条件の熱処理を施して銅電線の横断面における平均結晶粒径が銅電線の直径の１／２０以上になっているので、可及的にコストを抑制して、線状導体４０の低損失化を図ることができる。

また、本実施形態の線状導体４０及びその製造方法によれば、上記実施形態３と同様に、銅電線１０がポリイミド樹脂製の絶縁層１１で被覆されているので、極低温環境であっても、絶縁層１１の割れによる破壊を抑制することができると共に、常温環境と極低温環境とを繰り返すような過酷な条件下であっても、絶縁層１１の劣化を抑制することができる。

なお、上記各実施形態では、横断面が円形に形成された丸線の線状導体を例示したが、本発明は、横断面が扁平した円形に形成された線状導体、横断面が矩形状に形成された平角線の線状導体などにも適用することができる。

以上説明したように、本発明は、可及的にコストを抑制して、線状導体の低損失化を図ることができるので、電線やケーブル及びそれらの製造方法について有用である。

１０線状導体（銅電線）
１１絶縁層
２０，３０，４０線状導体

Claims

横断面が円形に形成され、純度９９．９９９質量％以上の銅電線からなる線状導体であって、
上記銅電線の横断面における平均結晶粒径は、該銅電線の直径の１／２０以上である、線状導体。
上記銅電線の純度は、９９．９９９９質量％以上である、請求項１に記載された線状導体。
上記銅電線の純度は、９９．９９９９８質量％以上である、請求項１又は２に記載された線状導体。
上記銅電線の横断面における平均結晶粒径は、上記銅電線の直径の１／１０以上である、請求項１乃至３の何れか１つに記載された線状導体。
上記銅電線における鉄及びニッケルの総含有量は、１ｐｐｍ以下である、請求項１乃至４の何れか１つに記載された線状導体。
上記銅電線は、ポリイミド樹脂製の絶縁層で被覆されている、請求項１乃至５の何れか１つに記載された線状導体。
横断面が円形に形成され、純度９９．９９９質量％以上の銅電線を準備する準備工程と、
上記銅電線を一括して３００℃以上で１時間以上の条件で熱処理するバッチ処理、又は上記銅電線を搬送しながら５００℃以上で３０秒以上の条件で連続して熱処理する連続処理を行うことにより、上記銅電線の横断面における平均結晶粒径を該銅電線の直径の１／２０以上にする熱処理工程とを備える、線状導体の製造方法。
上記熱処理工程では、５００℃以上で１時間以上の条件でバッチ処理、又は６００℃以上で３０秒以上の条件で連続処理を行う、請求項７に記載された線状導体の製造方法。
上記熱処理工程の後に、上記銅電線をポリイミド樹脂製の絶縁層で被覆する絶縁層形成工程を備える、請求項７又は８に記載された線状導体の製造方法。