JP2022164569A - コイル - Google Patents

Abstract

【課題】カーボンナノチューブ被覆線材が巻回されることによる電気抵抗の低減特性に優れたカーボンナノチューブ被覆線材のコイルを提供する。【解決手段】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の単数または複数からなるカーボンナノチューブ素線の複数が撚り合わされてなるカーボンナノチューブ線材と、該カーボンナノチューブ線材を被覆する樹脂被覆層と、を備えたカーボンナノチューブ被覆線材が、巻回されることによって形成されたコイルであり、前記樹脂被覆層の樹脂のヤング率が、０．４０ＧＰａ以上３．０ＧＰａ以下、前記樹脂被覆層の樹脂の硬度が、５０以上１００以下、巻き回しの張力が、ＣＮＴ線材の円相当直径をＤ（ｍｍ）としたとき、３０００×Ｄ２ｇｆ以上３００００×Ｄ２ｇｆ以下である、コイル。【選択図】図２

Description

本発明は、カーボンナノチューブ被覆線材が、巻回されることによって形成されたコイルに関し、特に、部材の周面に沿って巻回されることで、電気抵抗が低下するカーボンナノチューブ被覆線材のコイルに関する。

高出力の電力を通電するモータ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、金属線等の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。電動機器の出力向上や軽量化の点から、コイルには、導電性向上や軽量化が要求されることがある。また、電動機器の出力などの特性を製品寿命の間、一定に保つために、導電性の高い状態を長期間維持することが要求されることがある。

また、コイルは、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、渦電流を低減して電流損失を抑制することが提案されている（特許文献１）。

一方で、カーボンナノチューブは、様々な特性を有する素材であり、多くの分野への応用が期待されている。例えば、カーボンナノチューブは、六角形格子の網目構造を有する筒状体の単層、または略同軸で配された多層で構成される３次元網目構造体であり、軽量であると共に、導電性、熱伝導性、機械的強度等の諸特性に優れる。そこで、金属の代替として、カーボンナノチューブを使用することが検討されている。金属の代替としてカーボンナノチューブを使用するにあたり、カーボンナノチューブの導電性をさらに向上させることも要求されている。

カーボンナノチューブの導電性をさらに向上させるために、隣接したカーボンナノチューブ線材の電気的接合点に、金属等からなる導電性堆積物を形成することで電気抵抗を低減したカーボンナノチューブ材料が提案され、このようなカーボンナノチューブ材料は広汎な用途に適用できることが開示されている（特許文献２）。

しかし、コイルには導電性向上が要求されることがあるところ、特許文献２では、広汎な用途に対応するためにカーボンナノチューブ材料の電気抵抗を低減させる発明であり、カーボンナノチューブ材料をコイルの形態にすると、電気抵抗が十分に低減しないという問題があった。従って、特許文献２では、例えば、カーボンナノチューブ材料の巻線をモータのコイルとして使用すると、モータの出力が十分には向上しない場合があった。特に、従来のカーボンナノチューブ線材では、曲率半径の小さい状態で巻回されるインホイールモータ等のコイルに使用されても、カーボンナノチューブ線材の電気抵抗が十分に低減しない点で改善の必要性があった。

特開２０１７－３７８９６号公報 特表２０１５－５２３９４４号公報

上記事情に鑑み、本発明は、カーボンナノチューブ被覆線材が巻回されることによる電気抵抗の低減特性に優れたカーボンナノチューブ被覆線材のコイルを提供することを目的とする。

本発明の構成の要旨は、以下の通りである。
［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の単数または複数からなるカーボンナノチューブ素線の複数が撚り合わされてなるカーボンナノチューブ線材と、該カーボンナノチューブ線材を被覆する樹脂被覆層と、を備えたカーボンナノチューブ被覆線材が、巻回されることによって形成されたコイルであり、
前記樹脂被覆層の樹脂のヤング率が、０．４０ＧＰａ以上３．０ＧＰａ以下、
前記樹脂被覆層の樹脂の硬度が、５０以上１００以下、
巻き回しの張力が、ＣＮＴ線材の円相当直径をＤ（ｍｍ）としたとき、３０００×Ｄ^２ｇｆ以上３００００×Ｄ^２ｇｆ以下である、コイル。
［２］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の単数または複数からなるカーボンナノチューブ素線の複数が撚り合わされてなるカーボンナノチューブ線材と、該カーボンナノチューブ線材を被覆する樹脂被覆層と、を備えたカーボンナノチューブ被覆線材が、巻回されることによって形成されたコイルであり、
前記樹脂被覆層の樹脂のヤング率が、０．４０ＧＰａ以上３．０ＧＰａ以下、
前記樹脂被覆層の樹脂の硬度が、５０以上１００以下、
前記カーボンナノチューブ被覆線材の径方向の断面における、長径を短径で除したアスペクト比が、１．１５より大きく１．５０より小さい、コイル。
［３］前記カーボンナノチューブ被覆線材の径方向の断面における、長径を短径で除したアスペクト比が、１．１５より大きく１．５０より小さい［１］に記載のコイル。
［４］前記カーボンナノチューブ線材の円相当直径に対する樹脂被覆層の平均厚さの割合が、０．１０％以上１０％以下である［１］乃至［３］のいずれか１つに記載のコイル。
［５］前記カーボンナノチューブ被覆線材を巻回する部材の直径が、５．０ｍｍ以上３５ｍｍ以下である［１］乃至［４］のいずれか１つに記載のコイル。
［６］前記カーボンナノチューブ線材の撚り数が、５０Ｔ／ｍ以上６００Ｔ／ｍ以下である［１］乃至［５］のいずれか１つに記載のコイル。
［７］前記カーボンナノチューブ線材の撚り数が、５０Ｔ／ｍ以上５００Ｔ／ｍ以下である［１］乃至［６］のいずれか１つに記載のコイル。
［８］前記カーボンナノチューブ線材の円相当直径に対する樹脂被覆層の平均厚さの割合が、０．１０％以上８．０％以下である［１］乃至［７］のいずれか１つに記載のコイル。
［９］前記樹脂被覆層の樹脂の硬度が、５０以上８０以下である［１］乃至［８］のいずれか１つに記載のコイル。
［１０］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、５本以上１０００本以下である［１］乃至［９］のいずれか１つに記載のコイル。
［１１］［１］乃至［１０］のいずれか１つに記載のコイルを用いた電気モータ用コイル。

本明細書中、「樹脂の硬度」とは、ロックウェル硬度（Ｒスケール：ＲＨＲ）を意味する。

本発明のコイルの態様によれば、樹脂被覆層の樹脂のヤング率が０．４０ＧＰａ以上３．０ＧＰａ以下、樹脂被覆層の樹脂の硬度が５０以上１００以下、且つ巻き回しの張力がＣＮＴ線材の円相当直径をＤ（ｍｍ）としたとき、３０００×Ｄ^２ｇｆ以上３００００×Ｄ^２ｇｆ以下であることにより、カーボンナノチューブ被覆線材が巻回されることによる電気抵抗の低減特性に優れたカーボンナノチューブ被覆線材のコイルを得ることができる。

また、本発明のコイルの態様によれば、樹脂被覆層の樹脂のヤング率が０．４０ＧＰａ以上３．０ＧＰａ以下、樹脂被覆層の樹脂の硬度が５０以上１００以下、且つカーボンナ
ノチューブ被覆線材の径方向の断面における長径を短径で除したアスペクト比が、１．１５より大きく１．５０より小さいことにより、カーボンナノチューブ被覆線材が巻回されることによる電気抵抗の低減特性に優れたカーボンナノチューブ被覆線材のコイルを得ることができる。

本発明のコイルの態様によれば、カーボンナノチューブ被覆線材を巻回する部材の直径が、５．０ｍｍ以上３５ｍｍ以下であることにより、カーボンナノチューブ被覆線材が巻回されることによって、カーボンナノチューブ被覆線材の電気抵抗がさらに確実に低減する。

本発明のコイルの態様によれば、カーボンナノチューブ線材の撚り数が、５０Ｔ／ｍ以上６００Ｔ／ｍ以下であることにより、カーボンナノチューブ被覆線材が巻回されることによって、カーボンナノチューブ被覆線材の電気抵抗がさらに確実に低減する。

本発明のコイルの態様によれば、カーボンナノチューブ線材の撚り数が、５０Ｔ／ｍ以上５００Ｔ／ｍ以下であることにより、カーボンナノチューブ被覆線材が巻回されることによる電気抵抗の低減特性がさらに向上する。

本発明のコイルの態様によれば、カーボンナノチューブ線材の円相当直径に対する樹脂被覆層の平均厚さの割合が０．１０％以上８．０％以下であることにより、カーボンナノチューブ被覆線材が巻回されることによる電気抵抗の低減特性がさらに向上する。

本発明のコイルの態様によれば、樹脂被覆層の樹脂の硬度が５０以上８０以下であることにより、カーボンナノチューブ被覆線材が巻回されることによる電気抵抗の低減特性がさらに向上する。

本発明のコイルの態様によれば、カーボンナノチューブ線材を構成するカーボンナノチューブ素線の本数が５本以上１０００本以下であることにより、カーボンナノチューブ被覆線材が巻回されることによって、カーボンナノチューブ被覆線材の電気抵抗がさらに確実に低減する。

本発明のコイルとして使用されるカーボンナノチューブ被覆線材の、巻回される前の状態を説明する径方向の断面図である。 カーボンナノチューブ被覆線材が巻回されることによって形成された本発明のコイルを説明する径方向の断面図である。

以下に、本発明の実施形態に係る、カーボンナノチューブ被覆線材が巻回されることによって形成されたコイルについて、図面を用いながら説明する。なお、図１は、本発明のコイルに使用されるカーボンナノチューブ被覆線材の、巻回される前の状態を説明する径方向の断面図である。図２は、カーボンナノチューブ被覆線材が巻回されることによって形成された本発明のコイルを説明する径方向の断面図である。

図１、２に示すように、本発明の実施形態に係るカーボンナノチューブ被覆電線（以下、「ＣＮＴ被覆電線」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の外周面に樹脂被覆層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樹脂被覆層２１が被覆されている。ＣＮＴ被覆電線１では、ＣＮＴ線材１０の外周面全体が、樹脂被覆層２１によって被覆されている。また、ＣＮＴ線材１０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。）１２を撚り合わせた撚り線となっている。

撚り線の形態となっているＣＮＴ線材１０においては、撚り線を構成するＣＮＴ素線１２は、長手方向に高い導電性を示し、ＣＮＴ素線１２間は、ＣＮＴ素線１２の長手方向の導電性と比較して導電性が低い。ＣＮＴ線材１０では、ＣＮＴ素線１２は、隣接する他のＣＮＴ素線１２と樹脂被覆層２１を介さずに接触している。ＣＮＴ線材１０を撚り線の形態とすることで、ＣＮＴ線材１０が太線化されている。

ＣＮＴ素線１２は、１層または２層以上の多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。）で構成される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。）の単数から、または複数のＣＮＴ集合体が束ねられて形成されている。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集合体は線状となっており、ＣＮＴ集合体の長手方向が、ＣＮＴ線材１０及びＣＮＴ素線１２の長手方向を形成している。ＣＮＴ線材１０における複数のＣＮＴ素線１２、１２、１２・・・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１２、１２、１２・・・は、配向している。

ＣＮＴ素線１２は、１層または２層以上の多層構造を有する長尺なＣＮＴの束である。ＣＮＴの長手方向が、ＣＮＴ線材１０及びＣＮＴ素線１２の長手方向を形成している。ＣＮＴ素線１２における複数のＣＮＴ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１２における複数のＣＮＴは、配向している。ＣＮＴ素線１２の円相当直径は、例えば、１０μｍ以上１０００μｍ以下であり、このうち、ＣＮＴ集合体の円相当直径は、例えば、２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。また、ＣＮＴ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１００として使用されるＣＮＴ被覆線材１において、ＣＮＴ素線１２を構成するＣＮＴは、単層構造また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。ＣＮＴ素線１２に優れた導電性を付与するためには、ＣＮＴ素線１２を構成するＣＮＴが、２層構造であることが好ましい。２層構造のＣＮＴは、高グラファイト構造を有していることから、導電性が高いためである。一方で、ＣＮＴ素線１２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、ＣＮＴ素線１２は、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１２を構成するＣＮＴにおいて、２層構造を有するＣＮＴでは、六角形格子の網目構造を有する２つの筒状体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１２を構成するＣＮＴ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、ＣＮＴ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も大きく異なる。コイル１００に使用されるＣＮＴ被覆線材１を構成するＣＮＴ素線１２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ＣＮＴ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ＣＮＴ及びＣＮＴ素線１２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ＣＮＴ及び複数のＣＮＴ素線１２、１２、１２・・・が良好な配向性を有していることが分かる。例えば、複数のＣＮＴ及び複数のＣＮＴ素線１２、１２、１２・・・の配向性を示す小角Ｘ線散乱によるアジマスプロットにおけるアジマス角の半値幅Δθは、６０°以下が好ましく、５０°以下が特に好ましい。このように、複数のＣＮＴ及び複数のＣＮＴ素線１２、１２、１２・・・が良好な配向性を有しているので、ＣＮＴ線材１０は、ＣＮＴ及びＣＮＴ素線１２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１２が長手方向に配向性を有することで、ＣＮＴ素線１２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。従って、複数のＣＮＴ素線１２、１２、１２・・・が撚り合わされたＣＮＴ線材１０は、ＣＮＴ線材１０の長手方向の導電性に優れ、撚り合わされたＣＮＴ素線１２間の導電性は長手方向の導電性と比較して小さい。上記から、コイル１００として使用されるＣＮＴ被覆線材１では、コイル１００の形態においてＣＮＴ線材１０の導電性を向上させるためには、巻回されたＣＮＴ被覆線材１がＣＮＴ線材１０の長手方向の導電性だけではなく、撚り合わされたＣＮＴ素線１２とＣＮＴ素線１２の間の導電性も向上している必要がある。

なお、コイル１００として使用される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１２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１２は、隣接する他のＣＮＴ素線１２と直接接触した態様で撚り合わせることができる。また、ＣＮＴ線材１０では、各ＣＮＴ素線１２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。

図１に示すように、本発明では、コイル１００として使用されるＣＮＴ被覆線材１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ＣＮＴ素線１２の複数が撚り合わされてなるＣＮＴ線材１０と、ＣＮＴ線材１０を被覆する樹脂被覆層２１と、を備えている。ＣＮＴ被覆線材１は、巻回される前の径方向の断面形状は略円形となっている。また、図２に示すように、コイル１００は、上記ＣＮＴ被覆線材１が部材２００に巻回されることによって形成されている。ＣＮＴ被覆線材１は、部材２００の外周面に巻回される際に応力を受けて、略円形から楕円形状等に変形する。

本発明の第１の実施形態のコイル１００では、樹脂被覆層２１の樹脂のヤング率が０．４０ＧＰａ以上３．０ＧＰａ以下、樹脂被覆層２１の樹脂の硬度が５０以上１００以下、且つ巻き回しの張力がＣＮＴ線材１０の円相当直径をＤ（ｍｍ）としたとき、３０００×Ｄ^２ｇｆ以上３００００×Ｄ^２ｇｆ以下となっている。ＣＮＴ被覆線材１のコイル１００が上記各構成を有することにより、ＣＮＴ被覆線材１が巻回されることによるＣＮＴ被覆線材１の径方向の変形が適度な範囲に制御されて、撚り合わされたＣＮＴ素線１２が圧縮され、結果、ＣＮＴ素線１２とＣＮＴ素線１２の間の接触性が向上する。ＣＮＴ被覆線材１が巻回されることにより撚り合わされたＣＮＴ素線１２とＣＮＴ素線１２の間の接触性が向上することで、ＣＮＴ素線１２とＣＮＴ素線１２の間の電気抵抗が低減するので、電気抵抗の低減特性に優れたコイル１００を得ることができる。

このように、ＣＮＴ素線１２とＣＮＴ素線１２の間の電気抵抗が低減することで、撚り合わされたＣＮＴ素線１２間の導電性も向上するので、コイル１００の形態においてＣＮＴ線材１０の導電性が向上する。

本発明の第１の実施形態のコイル１００では、上記の通り、樹脂被覆層２１の樹脂のヤング率が０．４０ＧＰａ以上３．０ＧＰａ以下となっている。樹脂被覆層２１の樹脂のヤング率が０．４０ＧＰａよりも小さい場合、巻回されたＣＮＴ線材１０を把持できず、樹脂被覆層２１内でＣＮＴ素線１２がばらけてしまう可能性がある。また、樹脂被覆層２１の樹脂のヤング率が３．０ＧＰａよりも大きい場合、巻回されたＣＮＴ線材１０を適度に押しつぶすことができず、ＣＮＴ素線１２同士の接触性を向上することができない。一方で、樹脂被覆層２１の樹脂のヤング率が０．４０ＧＰａ以上３．０ＧＰａ以下となっていることにより、ＣＮＴ被覆線材１が巻回されることにより撚り合わされたＣＮＴ素線１２が圧縮されてＣＮＴ素線１２とＣＮＴ素線１２の間の接触性が向上することに寄与する。

樹脂被覆層２１の樹脂のヤング率は０．４０ＧＰａ以上３．０ＧＰａ以下の範囲であれば、特に限定されないが、その下限値は、ＣＮＴ被覆線材１が巻回されることによるＣＮＴ被覆線材１の径方向の変形を適度に抑制して撚り合わされたＣＮＴ素線１２間の優れた接触性を確実に維持する点から、０．５０ＧＰａが好ましく、０．６０ＧＰａが特に好ましい。一方で、樹脂被覆層２１の樹脂のヤング率の上限値は、ＣＮＴ被覆線材１が巻回されることによるＣＮＴ被覆線材１の径方向の変形を適度に円滑化して撚り合わされたＣＮＴ素線１２間の接触性を確実に向上させる点から、２．５ＧＰａが好ましく、２．０ＧＰａがより好ましく、１．５ＧＰａが特に好ましい。

本発明の第１の実施形態のコイル１００では、上記の通り、樹脂被覆層２１の樹脂の硬度が５０以上１００以下となっている。樹脂被覆層２１の樹脂の硬度が５０よりも小さい場合、巻回されたＣＮＴ線材１０を把持できず、樹脂被覆層２１内でＣＮＴ素線１２がばらけてしまう可能性がある。また、樹脂被覆層２１の樹脂の硬度が１００よりも大きい場合、巻回されたＣＮＴ線材１０を適度に押しつぶすことができず、ＣＮＴ素線１２同士の接触性を向上することができない。一方で、樹脂被覆層２１の樹脂の硬度が５０以上１００以下となっていることにより、ＣＮＴ被覆線材１が巻回されることにより撚り合わされたＣＮＴ素線１２が圧縮されてＣＮＴ素線１２とＣＮＴ素線１２の間の接触性が向上することに寄与する。

樹脂被覆層２１の樹脂の硬度は５０以上１００以下の範囲であれば、特に限定されないが、その下限値は、ＣＮＴ被覆線材１が巻回されることによるＣＮＴ被覆線材１の径方向の変形を適度に抑制して撚り合わされたＣＮＴ素線１２間の優れた接触性を確実に維持する点から、５５が好ましく、６０が特に好ましい。一方で、樹脂被覆層２１の樹脂の硬度の上限値は、ＣＮＴ被覆線材１が巻回されることによるＣＮＴ被覆線材１の径方向の変形を適度に円滑化して撚り合わされたＣＮＴ素線１２間の接触性を確実に向上させて、コイル１００の電気抵抗の低減特性をさらに向上させる点から、９０が好ましく、８０が特に好ましい。

ヤング率が０．４０ＧＰａ以上３．０ＧＰａ以下であり、硬度が５０以上１００以下である樹脂としては、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、ポリエーテルケトン、スチレン・ブタジエン・アクリロニトリル重合体等の熱可塑性樹脂、ポリイミド、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂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種以上を併用してもよい。

なお、樹脂被覆層２１は、１層としてもよく、これに代えて、２層以上の多層構造としてもよい。

本発明の第１の実施形態のコイル１００では、上記の通り、巻き回しの張力がＣＮＴ線材１０の円相当直径をＤ（ｍｍ）としたとき、３０００×Ｄ^２ｇｆ以上３００００×Ｄ^２ｇｆ以下となっている。巻き回しの張力がＣＮＴ線材１０の円相当直径をＤ（ｍｍ）としたとき、３０００×Ｄ^２ｇｆ以上３００００×Ｄ^２ｇｆ以下となっていることにより、ＣＮＴ被覆線材１が巻回されることにより撚り合わされたＣＮＴ素線１２が圧縮されてＣＮＴ素線１２とＣＮＴ素線１２の間の接触性が向上することに寄与する。

巻き回しの張力はＣＮＴ線材１０の円相当直径をＤ（ｍｍ）としたとき、３０００×Ｄ^２ｇｆ以上３００００×Ｄ^２ｇｆ以下の範囲であれば、特に限定されないが、その下限値は、ＣＮＴ被覆線材１が巻回されることによるＣＮＴ被覆線材１の径方向の変形量をより適度にして撚り合わされたＣＮＴ素線１２間の接触性を確実に向上させる点から、ＣＮＴ線材１０の円相当直径をＤ（ｍｍ）としたとき、６０００×Ｄ^２ｇｆが好ましく、ＣＮＴ線材１０の円相当直径をＤ（ｍｍ）としたとき、７０００×Ｄ^２ｇｆが特に好ましい。一方で、巻き回しの張力の上限値は、コイル巻き工程における断線を防ぐ点から、ＣＮＴ線材１０の円相当直径をＤ（ｍｍ）としたとき、２７０００×Ｄ^２ｇｆが好ましく、ＣＮＴ線材１０の円相当直径をＤ（ｍｍ）としたとき、２５０００×Ｄ^２ｇｆがより好ましく、ＣＮＴ線材１０の円相当直径をＤ（ｍｍ）としたとき、２００００×Ｄ^２ｇｆが特に好ましい。

次に、本発明の第２の実施形態のコイル１００について、図１、２を用いながら説明する。本発明の第２の実施形態のコイル１００では、樹脂被覆層２１の樹脂のヤング率が０．４０ＧＰａ以上３．０ＧＰａ以下、樹脂被覆層２１の樹脂の硬度が５０以上１００以下、且つＣＮＴ被覆線材１の径方向の断面における、長径Ｌ１を短径Ｌ２で除したアスペクト比（Ｌ１／Ｌ２）が、１．１５より大きく１．５０より小さくなっている。すなわち、第２の実施形態のコイル１００では、第１の実施形態のコイル１００の巻き回しの張力がＣＮＴ線材１０の円相当直径をＤ（ｍｍ）としたとき、３０００×Ｄ^２ｇｆ以上３００００×Ｄ^２ｇｆ以下であることに代えて、ＣＮＴ被覆線材１の径方向の断面におけるアスペクト比が１．１５より大きく１．５０より小さくなっている。ＣＮＴ被覆線材１の径方向の断面におけるアスペクト比は、ＣＮＴ被覆線材１が部材２００に巻回されて略円形から楕円形状等へ変形する際の変形の程度を示す指標である。

第２の実施形態のコイル１００でも、ＣＮＴ被覆線材１のコイル１００が上記各構成を有することにより、ＣＮＴ被覆線材１が巻回されることによるＣＮＴ被覆線材１の径方向の変形が適度な範囲に制御されて、撚り合わされたＣＮＴ素線１２が圧縮され、結果、ＣＮＴ素線１２とＣＮＴ素線１２の間の接触性が向上する。ＣＮＴ被覆線材１が巻回されることにより撚り合わされたＣＮＴ素線１２とＣＮＴ素線１２の間の接触性が向上することで、ＣＮＴ素線１２とＣＮＴ素線１２の間の電気抵抗が低減するので、電気抵抗の低減特性に優れたコイル１００を得ることができる。

本発明の第２の実施形態のコイル１００では、上記の通り、ＣＮＴ被覆線材１の径方向の断面におけるアスペクト比が１．１５より大きく１．５０より小さくなっていることにより、ＣＮＴ被覆線材１が巻回されることにより撚り合わされたＣＮＴ素線１２が圧縮されてＣＮＴ素線１２とＣＮＴ素線１２の間の接触性が向上することに寄与する。

ＣＮＴ被覆線材１の径方向の断面におけるアスペクト比は１．１５より大きく１．５０より小さい範囲であれば、特に限定されないが、その下限値は、撚り合わされたＣＮＴ素線１２間の接触性を確実に向上させる傾向が得られる点から、１．１７が好ましく、１．２０がより好ましく、１．２２が特に好ましい。一方で、ＣＮＴ被覆線材１の径方向の断面におけるアスペクト比の上限値は、ＣＮＴ被覆線材１の径方向の変形が適度に抑制されて撚り合わされたＣＮＴ素線１２間の優れた接触性を確実に維持する傾向が得られる点から、１．４５が好ましく、１．４０が特に好ましい。

また、第１の実施形態のコイル１００でも、第２の実施形態のコイル１００と同様に、ＣＮＴ被覆線材１の径方向の断面におけるアスペクト比が１．１５より大きく１．５０より小さくなっていてもよい。第１の実施形態のコイル１００でも、ＣＮＴ被覆線材１の径方向の断面におけるアスペクト比が１．１５より大きく１．５０より小さくなっていることにより、ＣＮＴ被覆線材１が巻回されることにより撚り合わされたＣＮＴ素線１２が圧縮されてＣＮＴ素線１２とＣＮＴ素線１２の間の接触性が向上することに寄与する。

上記各実施形態のコイル１００では、樹脂被覆層２１の平均厚さ、樹脂被覆層２１の樹脂のヤング率、樹脂被覆層２１の樹脂の硬度、巻き回しの張力或いは、樹脂被覆層２１の平均厚さ、樹脂被覆層２１の樹脂のヤング率、樹脂被覆層２１の樹脂の硬度、ＣＮＴ被覆線材１の径方向の断面におけるアスペクト比を上記規定の範囲とすることにより、弾性力のあるＣＮＴ素線１２が復元力（徐々にＣＮＴ素線１２同士の接触面積が減少し、コイル１００の断面が略真円に戻ってしまうことを指す）を発揮することを防止する効果がある。したがって、本発明は長期間に渡ってＣＮＴ素線１２同士の接触性を維持できるため、導電性に優れたコイル１００を提供することが可能である。

本発明の第１の実施形態のコイル１００及び第２の実施形態のコイル１００では、ＣＮＴ線材１０の円相当直径に対する樹脂被覆層２１の平均厚さの割合は、樹脂被覆層２１のヤング率と硬度に合わせて適宜調節されるが、０．１０％以上１０％以下であることが好ましい。ＣＮＴ線材１０の円相当直径に対する樹脂被覆層２１の平均厚さの割合が０．１０％以上１０％以下となっていることにより、ＣＮＴ被覆線材１が巻回されることにより撚り合わされたＣＮＴ素線１２が圧縮されてＣＮＴ素線１２とＣＮＴ素線１２の間の接触性が向上することに寄与する。

図１に示すように、コイル１００として使用されるＣＮＴ被覆線材１は、巻回される前の径方向の断面形状は略円形であり、コイル１００における「ＣＮＴ線材１０の円相当直径に対する樹脂被覆層２１の平均厚さの割合」の「ＣＮＴ線材１０の円相当直径」とは、巻回される前のＣＮＴ線材１０の円相当直径に対応する。

ＣＮＴ線材１０の円相当直径に対する樹脂被覆層２１の平均厚さの割合は、０．１０％以上１０％以下の範囲が好ましいが、その下限値は、ＣＮＴ被覆線材１が巻回されることによるＣＮＴ被覆線材１の径方向の変形を適度に抑制して撚り合わされたＣＮＴ素線１２間の優れた接触性を確実に維持する点から、０．５％がより好ましく、１．０％がさらに好ましく、２．０％が特に好ましい。一方で、ＣＮＴ線材１０の円相当直径に対する樹脂被覆層２１の平均厚さの割合の上限値は、ＣＮＴ被覆線材１が巻回されることによるＣＮＴ被覆線材１の径方向の変形を適度に円滑化して撚り合わされたＣＮＴ素線１２間の接触性を確実に向上させて、コイル１００の電気抵抗の低減特性をさらに向上させる点から、８．０％がより好ましく、７．０％が特に好ましい。

また、ＣＮＴ線材１０の円相当直径に対する樹脂被覆層２１の平均厚さの割合は、樹脂被覆層２１のヤング率や硬度によって好ましい範囲に調節することができる。例えば、ヤング率及び硬度が小さい樹脂被覆層２１の場合は樹脂被覆層２１の平均厚さが厚くても、十分にＣＮＴ素線１２の接触性を維持することができる。また、ヤング率及び硬度が大きい樹脂被覆層２１の場合は樹脂被覆層２１の平均厚さを薄くすることで、ＣＮＴ被覆線材１に放熱性の効果が得られる。

上記各実施形態のコイル１００では、ＣＮＴ被覆線材１を巻回する部材２００の直径は、特に限定されないが、ＣＮＴ被覆線材１が部材２００に巻回されることによって、ＣＮＴ素線１２とＣＮＴ素線１２の間の接触性が向上し、ＣＮＴ被覆線材１の電気抵抗がさらに確実に低減する点から、５．０ｍｍ以上３５ｍｍ以下が好ましく、５．０ｍｍ以上３０ｍｍ以下がより好ましく、５．０ｍｍ以上２５ｍｍ以下が特に好ましい。

コイル１００が電気モータ用コイルに使用される場合には、部材２００としては、例えば、回転子の回転軸が貫通されている鉄心のスロットが挙げられる。ＣＮＴ被覆線材１が巻回されて形成されたコイル１００をモータのコイルとして使用すると、コイルが軽量化されつつ、ＣＮＴ素線１２とＣＮＴ素線１２の間の電気抵抗が低減するので、モータの出力が向上する。特に、ＣＮＴ被覆線材１が巻回されて形成されたコイル１００では、曲率半径の小さい状態で巻回されるインホイールモータのコイルに使用されても、ＣＮＴ被覆線材１の電気抵抗が十分に低減して、インホイールモータの出力が向上する。

上記各実施形態のコイル１００では、ＣＮＴ線材１０の撚り数（Ｔ／ｍ）は、特に限定されないが、その下限値は、ＣＮＴ素線１２とＣＮＴ素線１２の間の接触性が向上することに確実に寄与する点から、５０Ｔ／ｍが好ましく、７０Ｔ／ｍが特に好ましい。一方で、ＣＮＴ線材１０の撚り数（Ｔ／ｍ）の上限値は、ＣＮＴ被覆線材１が巻回されることによるＣＮＴ被覆線材１の径方向の変形を適度に円滑化して撚り合わされたＣＮＴ素線１２間の接触性を確実に向上させる点から、６００Ｔ／ｍが好ましく、５００Ｔ／ｍがより好ましく、４００Ｔ／ｍが特に好ましい。すなわち、ＣＮＴ線材１０の撚り数が５０Ｔ／ｍ以上６００Ｔ／ｍ以下であることにより、ＣＮＴ被覆線材１が巻回されることによってＣＮＴ被覆線材１の電気抵抗がさらに確実に低減し、ＣＮＴ線材１０の撚り数が５０Ｔ／ｍ以上５００Ｔ／ｍ以下であることにより、ＣＮＴ被覆線材１が巻回されることによる電気抵抗の低減特性がさらに向上する。

また、ＣＮＴ線材１０の撚り数（Ｔ／ｍ）が５０Ｔ／ｍ以上６００Ｔ／ｍ以下であることにより、撚り線の形成と巻回の容易さを得ることができる。

上記各実施形態のコイル１００では、ＣＮＴ線材１０を構成するＣＮＴ素線１２の本数は、複数本であれば、特に限定されないが、ＣＮＴ被覆線材１が巻回されることによってＣＮＴ被覆線材１の電気抵抗がさらに確実に低減しつつ、撚り線であるＣＮＴ線材１０の形成容易性を得る点から、５本以上１０００本以下が好ましく、１０本以上８００本以下がより好ましく、３００本以上６００本以下が特に好ましい。

上記各実施形態のコイル１００では、撚り線である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、０．０５ｍｍ以上３．５ｍｍ以下がより好ましく、０．３０ｍｍ以上２．０ｍｍ以下が特に好ましい。

上記各実施形態のコイル１００では、ＣＮＴ線材１０の密度は、特に限定されず、例えば、ＣＮＴ素線１２とＣＮＴ素線１２の間の接触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、１．２ｇ／ｃｍ^３以上１．８ｇ／ｃｍ^３以下が特に好ましい。また、ＣＮＴ素線１２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１２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、１．２ｇ／ｃｍ^３以上１．８ｇ／ｃｍ^３以下が特に好ましい。

次に、本発明の実施形態に係るコイル１００として使用するＣＮＴ被覆線材１の製造方法例について説明する。ＣＮＴ被覆線材１は、まず、ＣＮＴを製造し、得られた複数のＣＮＴからＣＮＴ集合体を製造し、ＣＮＴ集合体からＣＮＴ素線１２を製造する。次に、複数本のＣＮＴ素線１２を撚り合わせてＣＮＴ線材１０を製造する。次に、ＣＮＴ線材１０の外周面に樹脂被覆層２１を被覆することで、コイル１００として使用するＣＮＴ被覆線材１を製造することができる。

ＣＮＴは、例えば、浮遊触媒法（特許第5819888号）、基板法（特許第5590603号）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、特許第5990202号、特許第5350635号）、湿式紡糸（特許第5135620号、特許第5131571号、特許第5288359号）、液晶紡糸（特表2014-530964号）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の外周面に樹脂被覆層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、樹脂被覆層２１の原料である樹脂を溶融させ、ＣＮＴ線材１０の周りに押し出してＣＮＴ線材１０を被覆することで樹脂被覆層２１を形成する方法を挙げることができる。

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１～１３、比較例１～１０について
実施例１～１３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）または湿式紡糸する方法（特許第5135620号、特許第5131571号、特許第5288359号）で、ＣＮＴ素線を得た。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に示す円相当直径を有するＣＮＴ線材（撚り線）を得た。

ＣＮＴ線材の外面に樹脂被覆層（絶縁被覆層）を被覆する方法について
下記表１に示すヤング率と硬度を有する樹脂である下記のポリエチレン樹脂等を用いて、通常の電線製造用押出成形機を用いてＣＮＴ線材周囲に押出被覆することにより、下記表１に示すＣＮＴ線材の円相当直径に対する樹脂被覆層の平均厚さの割合を有する樹脂被覆層を形成し、ＣＮＴ被覆線材を作製した。
＜樹脂被覆層の樹脂種＞
実施例１～４、８～１３：ポリエチレンA、東ソー株式会社製、ニポロンハード
実施例５：ポリ塩化ビニルA、三菱ケミカル株式会社製、ビニカ
実施例６：ポリエチレンB、日本ポリエチレン株式会社製、ノバテックHD
実施例７：ポリエチレンC、旭化成株式会社製、サンテック-HD
比較例１：ポリエチレンA、東ソー株式会社製、ニポロンハード
比較例２：ポリエチレンD、東ソー株式会社製、ペトロセン
比較例３：ポリ塩化ビニルB、YKアクロス株式会社製、塩化ビニル樹脂コンパウンド
比較例４：ポリエチレンE、旭化成株式会社製、サンテック-LD
比較例５：スチレン・ブタジエン・アクリロニトリル共重合体、デンカ株式会社製、デンカABS
比較例６～１０：ポリエチレンA、東ソー株式会社製、ニポロンハード

ＣＮＴ被覆線材を巻回することによって形成したコイルについて
上記のように作製したＣＮＴ被覆線材を、下記表１に示す直径を有する円筒形部材の外周面に、下記表１に示す巻き回しの張力にて巻回してコイルを得た。

ＣＮＴ被覆線材の径方向の断面におけるアスペクト比について
上記のようにして得たコイルについて、エポキシ樹脂（ストルアス社製）で樹脂埋めし、その後、ＣＮＴ線材の径方向と平行な面で一つのスロットの一つの断面を出し、マイクロスコープで観察することにより、ＣＮＴ被覆線材の径方向の各断面における長径と短径を測定し、長径を短径で除してアスペクト比を算出し、平均値を算出した。

評価項目
抵抗変化率（％）
コイルを形成する前のＣＮＴ被覆線材の抵抗（巻線前抵抗）Ｒ１をソースメータ（ケースレー社製）を用いて、１００ｍＡ通電時の電圧値を測定することで求めた。また、コイルを形成したＣＮＴ被覆線材の抵抗（巻線後抵抗）Ｒ２をソースメータ（ケースレー社製）を用いて、１００ｍＡ通電時の電圧値を測定することで求めた。Ｒ１／Ｒ２から、抵抗変化率を算出した。抵抗変化率は９５％以下を合格と評価した。

評価結果を下記表１に示す。

上記表１に示しように、樹脂被覆層の樹脂のヤング率が０．４０ＧＰａ以上３．０ＧＰａ以下、樹脂被覆層の樹脂の硬度が５０以上１００以下、且つ巻き回しの張力がＣＮＴ線材の円相当直径をＤ（ｍｍ）としたとき、３０００×Ｄ^２ｇｆ以上３００００×Ｄ^２ｇｆ以下となっている実施例１～１３では、抵抗変化率は９５％以下であり、電気抵抗の低減特性に優れたコイルを得ることができた。また、実施例１～１３では、ＣＮＴ被覆線材の径方向の断面におけるアスペクト比が１．１５超１．５０未満であった。実施例１～１３のＣＮＴ被覆線材では、巻回されることによるＣＮＴ被覆線材１の径方向の変形が適度な範囲に制御されて、撚り合わされたＣＮＴ素線が圧縮された結果、ＣＮＴ素線とＣＮＴ素線の間の接触性が向上したためと考えられる。なお、実施例１～１３のＣＮＴ被覆線材では、巻回する部材の直径が５．０ｍｍ以上３５ｍｍ以下の範囲と、曲率半径の小さいコイルとした。また、実施例１～１３のＣＮＴ被覆線材では、撚り数は１００Ｔ／ｍ以上５５０Ｔ／ｍ以下とした。

特に、実施例１、６、７の対比から、樹脂の硬度が５０以上９０未満であると、抵抗変化率はさらに低減した。また、実施例１、１１、１２の対比から、巻き回しの張力がＣＮＴ線材の円相当直径をＤ（ｍｍ）としたとき、１００００×Ｄ^２ｇｆ以上３００００×Ｄ^２ｇｆ以下であると、抵抗変化率はさらに低減した。また、実施例１～１３から、ＣＮＴ被覆線材の径方向の断面におけるアスペクト比が１．２２超１．５０以下にて抵抗変化率のさらなる低減傾向が見られた。

また、実施例１、２、３の対比から、撚り数は４５０Ｔ／ｍで抵抗変化率がさらに低減し、４５０Ｔ／ｍ未満では抵抗変化率の低減特性がさらに向上した。

また、実施例１と実施例４の対比から、ＣＮＴ線材の円相当直径に対する樹脂被覆層の平均厚さの割合が０．１０％以上１０％未満であると、抵抗変化率はさらに低減し、電気抵抗の低減特性がさらに向上したコイルを得ることができた。

一方で、ＣＮＴ被覆線材の径方向の断面におけるアスペクト比が１．１５である比較例１、樹脂被覆層の樹脂のヤング率が０．２ＧＰａである比較例２、樹脂被覆層の樹脂のヤング率が４．０ＧＰａである比較例３、樹脂被覆層の樹脂の硬度が３５である比較例４、樹脂被覆層の樹脂の硬度が１２０である比較例５、巻き回しの張力が２０００ｇｆであり巻き回しの張力がＣＮＴ線材の円相当直径をＤ（ｍｍ）としたとき、３０００×Ｄ^２ｇｆより小さく、ＣＮＴ被覆線材の径方向の断面におけるアスペクト比が１．１２である比較例６では、抵抗変化率は９６％以上であり、電気抵抗の低減特性に優れたコイルを得ることはできなかった。また、巻き回しの張力が３５０００ｇｆであり巻き回しの張力がＣＮＴ線材の円相当直径をＤ（ｍｍ）としたとき、３００００×Ｄ^２ｇｆより大きい比較例７は、巻線時に断線が生じ、抵抗変化率を測定することができなかった。

さらに、ＣＮＴ素線の本数が１２００本の比較例８は巻線時に断線が生じ、抵抗変化率を測定することができなかった。また、撚り数が１５Ｔ／ｍであり、ＣＮＴ被覆線材の径方向の断面におけるアスペクト比が１．５２の比較例９と、撚り数が１０００Ｔ／ｍであり、ＣＮＴ被覆線材の径方向の断面におけるアスペクト比が１．１３の比較例１０は抵抗変化率が９５％を超え、良好なコイルが得られなかった。

本発明のＣＮＴ被覆線材のコイルは、ＣＮＴ被覆線材が巻回されることによる電気抵抗の低減特性に優れているので、特に、電気モータに使用するコイルの分野で利用価値が高い。

１ 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
１２ カーボンナノチューブ素線
２１ 樹脂被覆層
１００ コイル

Claims (11)

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の単数または複数からなるカーボンナノチューブ素線の複数が撚り合わされてなるカーボンナノチューブ線材と、該カーボンナノチューブ線材を被覆する樹脂被覆層と、を備えたカーボンナノチューブ被覆線材が、巻回されることによって形成されたコイルであり、
   前記樹脂被覆層の樹脂のヤング率が、０．４０ＧＰａ以上３．０ＧＰａ以下、
   前記樹脂被覆層の樹脂の硬度が、５０以上１００以下、
   巻き回しの張力が、カーボンナノチューブ線材の円相当直径をＤ（ｍｍ）としたとき、３０００×Ｄ^２ｇｆ以上３００００×Ｄ^２ｇｆ以下である、コイル。
2. 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の単数または複数からなるカーボンナノチューブ素線の複数が撚り合わされてなるカーボンナノチューブ線材と、該カーボンナノチューブ線材を被覆する樹脂被覆層と、を備えたカーボンナノチューブ被覆線材が、巻回されることによって形成されたコイルであり、
   前記樹脂被覆層の樹脂のヤング率が、０．４０ＧＰａ以上３．０ＧＰａ以下、
   前記樹脂被覆層の樹脂の硬度が、５０以上１００以下、
   前記カーボンナノチューブ被覆線材の径方向の断面における、長径を短径で除したアスペクト比が、１．１５より大きく１．５０より小さい、コイル。
3. 前記カーボンナノチューブ被覆線材の径方向の断面における、長径を短径で除したアスペクト比が、１．１５より大きく１．５０より小さい請求項１に記載のコイル。
4. 前記カーボンナノチューブ線材の円相当直径に対する樹脂被覆層の平均厚さの割合が、０．１０％以上１０％以下である請求項１乃至３のいずれか１項に記載のコイル。
5. 前記カーボンナノチューブ被覆線材を巻回する部材の直径が、５．０ｍｍ以上３５ｍｍ以下である請求項１乃至４のいずれか１項に記載のコイル。
6. 前記カーボンナノチューブ線材の撚り数が、５０Ｔ／ｍ以上６００Ｔ／ｍ以下である請求項１乃至５のいずれか１項に記載のコイル。
7. 前記カーボンナノチューブ線材の撚り数が、５０Ｔ／ｍ以上５００Ｔ／ｍ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。
8. 前記カーボンナノチューブ線材の円相当直径に対する樹脂被覆層の平均厚さの割合が、０．１０％以上８．０％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。
9. 前記樹脂被覆層の樹脂の硬度が、５０以上８０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。
10. 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、５本以上１０００本以下である請求項１乃至９のいずれか１項に記載のコイル。
11. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のコイルを用いた電気モータ用コイル。
    

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