JP7376877B2 - 絶縁被覆導線 - Google Patents
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Description
本開示は、絶縁被覆導線に関する。
近年、真空かつ高温下で機器を使用する機会が増加している。例えば、ホールスラスタなどの静電加速型推進機は、プラズマ中のイオンを電気的に排出することで推力を得る。静電加速型推進機について、酸化剤や推進剤の燃焼を利用する化学推進機と比べて、小型化が容易であり、高い推進効率と高い比推力が得られる。そのため、静電加速型推進機は、宇宙空間での宇宙機の軌道制御や姿勢制御に適した推進機への適用が検討されている。
このようなホールスラスタなどの宇宙機の推進機（以下、宇宙機搭載用推進機ともいう）に搭載される磁界発生コイルには、絶縁被覆導線が用いられる。宇宙機搭載用推進機の磁界発生コイルに用いられる絶縁被覆導線には、導線の外周にセラミックス絶縁層や樹脂絶縁層を備える一般的な絶縁被覆導線の適用が考えられる。
しかしながら、宇宙空間において、宇宙機搭載用推進機は、樹脂絶縁層の融解温度以上または熱分解温度以上の高温になる可能性がある。この場合、樹脂絶縁層は、炭化物に変性することで、絶縁被覆導線から剥がれたり、分解されたりする。また、宇宙空間において、宇宙機搭載用推進機は、極低温から高温までの大きな温度差を伴う温度変化を繰り返す。このような温度変化によって、セラミックス絶縁層の割れや、絶縁被覆導線からのセラミックス絶縁層の剥がれが生じる。このように、樹脂絶縁層の剥がれおよびセラミックス絶縁層の割れが生じると、これら欠陥部分を起点とする絶縁破壊が起きる。
例えば、特許文献１には、内部導体の外周にセラミックス繊維の編組体からなる絶縁被覆層を形成し、絶縁被覆層の外周に導電性細線からなる外部導体を形成してなる被覆導体が記載されている。特許文献１の被覆導体には、有機材料が含まれない。
ここで、特許文献１の被覆導体を宇宙空間で想定される環境下、すなわち真空かつ高温下に曝されても、被覆導体は上記のような樹脂絶縁層の炭化を回避できると考えられる。また、特許文献１の被覆導体において、絶縁被覆層の外周に形成される外部導体は、外部からの電気的干渉に対してシールド効果を有する。仮に特許文献１の被覆導体を宇宙機搭載用推進機の磁界発生コイル用絶縁被覆導線に用いる場合、この被覆導体では、誘導電流が流れて、磁場を発生することができない。このように、特許文献１の被覆導体を磁界発生コイル用絶縁被覆導線に適用することは困難である。
また、上記の欠陥部分を起点とする絶縁破壊を抑制するために、従来の一般的な絶縁被覆導線に対して遮熱シールドを設けることも考えられる。しかしながら、絶縁被覆導線が遮熱シールドを備えると、絶縁被覆導線のサイズが大きくなる。その結果、例えば、宇宙機搭載用推進機の小型化が困難になる。また、従来の絶縁被覆導線では、樹脂絶縁層の耐熱性の観点から、磁場を発生するために通電する電圧を増加することは難しい。
本開示の目的は、磁界発生コイルに用いられ、真空かつ高温下で優れた絶縁特性を有し、簡便に製造でき、小型化および高出力化を図ることができる、絶縁被覆導線を提供することである。
［１］ 導線と、前記導線の外周に対して接着せずに被覆し、複数の第１セラミックス素線から構成される複数の第１セラミックス繊維を互いに密着かつ接着せずに前記導線の延伸方向に対して横巻きしてなる非接着横巻絶縁部と、前記非接着横巻絶縁部の外周に対して接着せずに被覆し、複数の第２セラミックス素線から構成される複数の第２セラミックス繊維を互いに密着かつ接着せずに編組してなる非接着編組絶縁部とを備える、絶縁被覆導線。
［２］ 前記導線の電気抵抗率は、１００Ｐａの圧力下において２５℃で１×１０－５Ωｃｍ以下であり、かつ、１００Ｐａの圧力下において前記導線の融解温度または熱分解温度から１００℃低い温度で１×１０－５Ωｃｍ以下である、上記［１］に記載の絶縁被覆導線。
［３］ 前記非接着横巻絶縁部と前記非接着編組絶縁部との合成電気抵抗率は、２５℃で１×１０３Ωｃｍ以上である、上記［１］または［２］に記載の絶縁被覆導線。
［４］ １００Ｐａ以下の真空中における交流絶縁破壊電圧が４００Ｖ以上である、上記［１］～［３］のいずれか１つに記載の絶縁被覆導線。
［５］ 前記非接着横巻絶縁部および前記非接着編組絶縁部は、４００℃以上で熱分解されない、上記［１］～［４］のいずれか１つに記載の絶縁被覆導線。
［２］ 前記導線の電気抵抗率は、１００Ｐａの圧力下において２５℃で１×１０－５Ωｃｍ以下であり、かつ、１００Ｐａの圧力下において前記導線の融解温度または熱分解温度から１００℃低い温度で１×１０－５Ωｃｍ以下である、上記［１］に記載の絶縁被覆導線。
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［５］ 前記非接着横巻絶縁部および前記非接着編組絶縁部は、４００℃以上で熱分解されない、上記［１］～［４］のいずれか１つに記載の絶縁被覆導線。
本開示によれば、磁界発生コイルに用いられ、真空かつ高温下で優れた絶縁特性を有し、簡便に製造でき、小型化および高出力化を図ることができる、絶縁被覆導線を提供することができる。
以下、実施形態に基づき詳細に説明する。
本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、導線の外周を覆う２種類の絶縁部の編み構造、これら絶縁部の非接着での被覆状態、ならびに有機材料の不使用に着目して、磁界発生コイルに用いられる絶縁被覆導線について、真空かつ高温下で優れた絶縁特性を有し、製造の簡便化、小型化および高出力化の向上を図った。
実施形態の絶縁被覆導線１は、導線１０と、導線１０の外周１０ａに対して接着せずに被覆し、複数の第１セラミックス素線２２から構成される複数の第１セラミックス繊維２１を互いに密着かつ接着剤などで接着せずに導線１０の延伸方向に対して横巻きしてなる非接着横巻絶縁部２０と、非接着横巻絶縁部２０の外周２０ａに対して接着剤などで接着せずに被覆し、複数の第２セラミックス素線３２から構成される複数の第２セラミックス繊維３１を互いに密着かつ接着せずに編組してなる非接着編組絶縁部３０とを備える。
図１は、実施形態の絶縁被覆導線の一例を示す斜視図である。図２は、図１の領域ａの拡大図である。図３は、図１の領域ｂの拡大図である。図４は、絶縁被覆導線の一例を示す縦断面図である。なお、図１および４では、便宜上、非接着横巻絶縁部２０および非接着編組絶縁部３０を皮剥ぎして露出した絶縁被覆導線１の端部を示す。
図１～４に示すように、実施形態の絶縁被覆導線１は、導線１０と非接着横巻絶縁部２０と非接着編組絶縁部３０とを備える。
絶縁被覆導線１を構成する導線１０は、絶縁被覆導線１の中心軸に沿って延びる。導線１０は、少なくとも１つ以上の素線から構成される。例えば、導線１０は、図１に示すように１本の素線からなるもの、複数の素線を撚り合わせた撚線、複数の素線を撚らずに束ねた束線などが挙げられる。導線１０は、圧縮されていてもよい。絶縁被覆導線１の長手方向に垂直な横断面における、導線１０の断面形状は、円形でもよいし、平型でもよい。導線１０は、絶縁被覆導線１の内部導線である。
絶縁被覆導線１について、真空かつ高温下で優れた絶縁特性を有し、省スペースおよび省電力で高出力化を図る観点から、導線１０を構成する材料は、低電気抵抗率および高融解温度または高昇華温度の金属材料であることが好ましく、銅および黄銅のような銅合金を含む銅系材料、アルミニウムおよびアルミニウム合金を含むアルミニウム系材料、モリブデンおよびモリブデン合金を含むモリブデン系材料、タングステンおよびタングステン合金を含むタングステン系材料、カーボンナノチューブであることが好ましい。
導線１０の電気抵抗率は、１００Ｐａの圧力下において２５℃で１×１０－５Ωｃｍ以下であり、かつ、１００Ｐａの圧力下において導線１０の融解温度または熱分解温度から１００℃低い温度で１×１０－５Ωｃｍ以下であることが好ましい。導線１０の電気抵抗率が上記範囲内であると、絶縁被覆導線１は、真空かつ高温下で優れた絶縁特性を有すると共に、省スペースおよび省電力で高出力化を図ることができる。
導線１０の線径は、下限値が、好ましくは０．２５ｍｍ以上、より好ましくは０．６０ｍｍ以上であり、上限値は、好ましくは１．００ｍｍ以下、より好ましくは０．９０ｍｍ以下である。導線１０の線径が上記範囲内であると、絶縁被覆導線１は小型化できる。そのため、小型化を図る宇宙機の推進機に搭載される磁界発生コイルに絶縁被覆導線１を好適に用いることができる。
絶縁被覆導線１を構成する非接着横巻絶縁部２０は、導線１０の外周１０ａを被覆する。非接着横巻絶縁部２０は、導線１０の外周１０ａに対して接着しない。非接着横巻絶縁部２０は、筒状であり、絶縁被覆導線１の長手方向に沿って、導線１０の外周１０ａを覆う。導線１０の外周１０ａと非接着横巻絶縁部２０の内周２０ｂとの間には、空間Ｓ１が存在する。
非接着横巻絶縁部２０は、複数の第１セラミックス繊維２１を互いに密着かつ接着せずに導線１０の延伸方向に対して横巻きしてなる。複数の第１セラミックス繊維２１は、それぞれ、複数の第１セラミックス素線２２から構成される。非接着横巻絶縁部２０において、複数の第１セラミックス繊維２１の間には、空隙Ｇ１が存在する。
非接着横巻絶縁部２０は外側から非接着編組絶縁部３０で被覆されるため、導線１０と非接着横巻絶縁部２０との接着、および複数の第１セラミックス繊維２１同士の接着が不要である。
上記のように、導線１０の外周１０ａと非接着横巻絶縁部２０の内周２０ｂとの間には、空間Ｓ１が存在し、非接着横巻絶縁部２０は、導線１０の外周１０ａに対して接着しない。接着剤を介して導線１０の外周１０ａと接着する横巻絶縁部に比べて、絶縁被覆導線１の非接着横巻絶縁部２０は、導線１０の熱膨張と非接着横巻絶縁部２０の熱膨張と接着剤の熱膨張との差に起因する、宇宙空間のような大きな温度差を伴う温度変化による非接着横巻絶縁部２０の割れを抑制できる。そのため、絶縁被覆導線１は、真空かつ高温下で優れた絶縁特性を有する。
一方で、絶縁被覆導線１を地上のような空気中で用いると、空間Ｓ１が導線１０と非接着横巻絶縁部２０との間に存在することから、従来の一般的な絶縁被覆導線に比べて、絶縁被覆導線１の絶縁特性は低い。そのため、絶縁被覆導線１を空気中で使用する場合、絶縁被覆導線１の絶縁耐圧には制約が発生する。絶縁被覆導線１について、宇宙空間のような真空中では、導線１０と非接着横巻絶縁部２０との間の空間Ｓ１は、絶縁性を発現するため、気体状の絶縁部として機能する。
また、複数の第１セラミックス繊維２１の間には、空隙Ｇ１が存在し、複数の第１セラミックス繊維２１は、互いに密着かつ接着しない。複数の第１セラミックス繊維２１同士が接着剤を介して接着する横巻絶縁部に比べて、絶縁被覆導線１の非接着横巻絶縁部２０は、第１セラミックス繊維２１の熱膨張と接着剤の熱膨張との差に起因する、大きな温度差を伴う温度変化による非接着横巻絶縁部２０の割れを抑制できる。そのため、絶縁被覆導線１は、真空かつ高温下で優れた絶縁特性を有する。
一方で、絶縁被覆導線１を空気中で用いると、空隙Ｇ１が複数の第１セラミックス繊維２１の間に存在することから、従来の一般的な絶縁被覆導線に比べて、絶縁被覆導線１の絶縁特性は低い。そのため、絶縁被覆導線１を空気中で使用する場合、絶縁被覆導線１の絶縁耐圧には制約が発生する。絶縁被覆導線１について、宇宙空間のような真空中では、複数の第１セラミックス繊維２１の間の空隙Ｇ１は、絶縁性を発現するため、気体状の絶縁部として機能する。
絶縁被覆導線１について、真空かつ高温下で優れた絶縁特性を有し、省スペースおよび省電力で高出力化を図る観点から、非接着横巻絶縁部２０を構成する材料、すなわち第１セラミックス素線２２は、高電気抵抗率および高融解温度または高昇華温度のセラミックス材料であることが好ましい。セラミックス材料は、二酸化シリコン、三酸化二アルミニウム、三酸化二ボロン、酸化カルシウム、および酸化マグネシウムの組み合わせであることがより好ましく、微量の金属酸化物を含んでもよい。非接着横巻絶縁部２０を構成する複数の第１セラミックス素線２２について、同じ種類のセラミックス材料でもよいし、異なる種類のセラミックス材料でもよい。また、昇華するセラミックス材料としては、炭化ケイ素（ＳｉＣ）セラミックスなどが考えられる。
非接着横巻絶縁部２０の電気抵抗率は、２５℃で１×１０６Ωｃｍ以上であることが好ましい。非接着横巻絶縁部２０の電気抵抗率が上記範囲内であると、絶縁被覆導線１は、真空かつ高温下で優れた絶縁特性を有すると共に、省スペースおよび省電力で高出力化を図ることができる。
非接着横巻絶縁部２０は、好ましくは４００℃以上、より好ましくは６００℃以上で、長時間、例えば１時間保持しても熱分解されない。非接着横巻絶縁部２０が上記温度範囲内で熱分解されないことから、絶縁被覆導線１が高温化しても、非接着横巻絶縁部２０による絶縁状態を維持できる。そのため、絶縁被覆導線１は、真空かつ高温下で優れた絶縁特性を有すると共に、省スペースおよび省電力で高出力化を図ることができる。
筒状の非接着横巻絶縁部２０の厚さは、下限値が、好ましくは１０μｍ以上、より好ましくは２５μｍ以上であり、上限値は、好ましくは１００μｍ以下、より好ましくは５０μｍ以下である。非接着横巻絶縁部２０の厚さが上記範囲内であると、絶縁被覆導線１は、真空かつ高温下で優れた絶縁特性を有すると共に、省スペースおよび省電力で高出力化を図ることができる。
非接着横巻絶縁部２０は、接着剤を使用せずに、複数の第１セラミックス繊維２１を導線１０の外周１０ａに横巻きすることによって形成される。そのため、非接着横巻絶縁部２０を簡便に製造できる。非接着横巻絶縁部２０の層数が少ないほど、非接着横巻絶縁部２０を簡便に製造でき、非接着横巻絶縁部２０の層数が１層であると、非接着横巻絶縁部２０を最も簡便に製造できる。
絶縁被覆導線１を構成する非接着編組絶縁部３０は、非接着横巻絶縁部２０の外周２０ａを被覆する。非接着編組絶縁部３０は、非接着横巻絶縁部２０の外周２０ａに対して接着しない。非接着編組絶縁部３０は、筒状であり、絶縁被覆導線１の長手方向に沿って、非接着横巻絶縁部２０の外周２０ａを覆う。非接着横巻絶縁部２０の外周２０ａと非接着編組絶縁部３０の内周３０ｂとの間には、空間Ｓ２が存在する。
非接着編組絶縁部３０は、複数の第２セラミックス繊維３１を互いに密着かつ接着せずに導線１０の延伸方向に対して編組してなる。複数の第２セラミックス繊維３１は、それぞれ、複数の第２セラミックス素線３２から構成される。非接着編組絶縁部３０において、複数の第２セラミックス繊維３１の間には、空隙Ｇ２が存在する。
非接着編組絶縁部３０は複数の第２セラミックス繊維３１の編組によって形成される。横巻きなどの編み構造を有する絶縁部に比べて、編組構造を有する非接着編組絶縁部３０の巻き崩れは抑制できる。そのため、非接着横巻絶縁部２０と非接着編組絶縁部３０との接着、および複数の第２セラミックス繊維３１同士の接着が不要である。
上記のように、非接着横巻絶縁部２０の外周２０ａと非接着編組絶縁部３０の内周３０ｂとの間には、空間Ｓ２が存在し、非接着編組絶縁部３０は、非接着横巻絶縁部２０の外周２０ａに対して接着しない。接着剤を介して非接着横巻絶縁部２０の外周２０ａと接着する編組絶縁部に比べて、絶縁被覆導線１の非接着編組絶縁部３０は、非接着横巻絶縁部２０の熱膨張と非接着編組絶縁部３０の熱膨張と接着剤の熱膨張との差に起因する、宇宙空間のような大きな温度差を伴う温度変化による非接着編組絶縁部３０の割れを抑制できる。そのため、絶縁被覆導線１は、真空かつ高温下で優れた絶縁特性を有する。
さらに、非接着編組絶縁部３０は複数の第２セラミックス繊維３１の編組によって形成される編組構造体である。編組構造体である非接着編組絶縁部３０は、径方向の伸縮性が良好である。そのため、非接着編組絶縁部３０の熱膨張および熱収縮に起因する、大きな温度差を伴う温度変化による非接着編組絶縁部３０の割れを抑制できる。
一方で、絶縁被覆導線１を地上のような空気中で用いると、空間Ｓ２が非接着横巻絶縁部２０と非接着編組絶縁部３０との間に存在することから、従来の一般的な絶縁被覆導線に比べて、絶縁被覆導線１の絶縁特性は低い。そのため、絶縁被覆導線１を空気中で使用する場合、絶縁被覆導線１の絶縁耐圧には制約が発生する。絶縁被覆導線１について、宇宙空間のような真空中では、非接着横巻絶縁部２０と非接着編組絶縁部３０との間の空間Ｓ２は、絶縁性を発現するため、気体状の絶縁部として機能する。
また、複数の第２セラミックス繊維３１の間には、空隙Ｇ２が存在し、複数の第２セラミックス繊維３１は、互いに密着かつ接着しない。複数の第２セラミックス繊維３１同士が接着剤を介して接着する編組絶縁部に比べて、絶縁被覆導線１の非接着編組絶縁部３０は、第２セラミックス繊維３１の熱膨張と接着剤の熱膨張との差に起因する、大きな温度差を伴う温度変化による非接着編組絶縁部３０の割れを抑制できる。そのため、絶縁被覆導線１は、真空かつ高温下で優れた絶縁特性を有する。
一方で、絶縁被覆導線１を空気中で用いると、空隙Ｇ２が複数の第２セラミックス繊維３１の間に存在することから、従来の一般的な絶縁被覆導線に比べて、絶縁被覆導線１の絶縁特性は低い。そのため、絶縁被覆導線１を空気中で使用する場合、絶縁被覆導線１の絶縁耐圧には制約が発生する。絶縁被覆導線１について、宇宙空間のような真空中では、複数の第２セラミックス繊維３１の間の空隙Ｇ２は、絶縁性を発現するため、気体状の絶縁部として機能する。
絶縁被覆導線１について、真空かつ高温下で優れた絶縁特性を有し、省スペースおよび省電力で高出力化を図る観点から、非接着編組絶縁部３０を構成する材料、すなわち第２セラミックス素線３２は、高電気抵抗率および高融解温度または高昇華温度のセラミックス材料であることが好ましい。セラミックス材料は、二酸化シリコン、三酸化二アルミニウム、三酸化二ボロン、酸化カルシウム、および酸化マグネシウムの組み合わせであることがより好ましく、微量の金属酸化物を含んでもよい。非接着横巻絶縁部３０を構成する複数の第２セラミックス素線３２について、同じ種類のセラミックス材料でもよいし、異なる種類のセラミックス材料でもよい。
非接着編組絶縁部３０の電気抵抗率は、２５℃で１×１０６Ωｃｍ以上であることが好ましい。非接着編組絶縁部３０の電気抵抗率が上記範囲内であると、絶縁被覆導線１は、真空かつ高温下で優れた絶縁特性を有すると共に、省スペースおよび省電力で高出力化を図ることができる。
非接着編組絶縁部３０は、好ましくは４００℃以上、より好ましくは６００℃以上で、長時間、例えば１時間保持しても熱分解されない。非接着編組絶縁部３０が上記温度範囲内で熱分解されないことから、絶縁被覆導線１が高温化しても、非接着編組絶縁部３０による絶縁状態を維持できる。そのため、絶縁被覆導線１は、真空かつ高温下で優れた絶縁特性を有すると共に、省スペースおよび省電力で高出力化を図ることができる。
筒状の非接着編組絶縁部３０の厚さは、下限値が、好ましくは２５μｍ以上、より好ましくは５０μｍ以上であり、上限値は、好ましくは２００μｍ以下、より好ましくは１００μｍ以下である。非接着編組絶縁部３０の厚さが上記範囲内であると、絶縁被覆導線１は、真空かつ高温下で優れた絶縁特性を有すると共に、省スペースおよび省電力で高出力化を図ることができる。
非接着編組絶縁部３０は、接着剤を使用せずに、複数の第２セラミックス繊維３１を非接着横巻絶縁部２０の外周２０ａに編組することによって形成される。そのため、非接着編組絶縁部３０を簡便に製造できる。
また、非接着横巻絶縁部２０と非接着編組絶縁部３０との合成電気抵抗率は、２５℃で１×１０３Ωｃｍ以上であることが好ましい。上記の合成電気抵抗率が上記範囲内であると、絶縁被覆導線１は、真空かつ高温下で優れた絶縁特性を有すると共に、省スペースおよび省電力で高出力化を図ることができる。
上記のように、絶縁被覆導線１では、接着剤を使用せずに複数の第１セラミックス繊維２１の横巻きによって、非接着横巻絶縁部２０を形成し、接着剤を使用せずに複数の第２セラミックス繊維３１の編組によって、非接着編組絶縁部３０を形成する。こうして、絶縁被覆導線１を製造できる。
仮に導線１０の外周１０ａを覆う非接着横巻絶縁部２０が編組絶縁部である場合、当該編組絶縁部および非接着編組絶縁部３０をそれぞれ編組する必要がある。そのため、実施形態の絶縁被覆導線１に比べて、製造プロセスが煩雑になる。一方で、実施形態の絶縁被覆導線１では、簡便なプロセスである横巻きによって非接着横巻絶縁部２０を形成した後、接着剤の不要な編組によって非接着編組絶縁部３０を形成する。そのため、絶縁被覆導線１を簡便に製造できる。
上記のように絶縁被覆導線１は磁界発生コイルに用いられるため、非接着編組絶縁部３０の外周３０ａには、金属材料からなる遮蔽部は設けられない。そのため、絶縁被覆導線１の小型化を図ることができる。
絶縁被覆導線１は、樹脂やゴムなどの有機材料を具備しない。すなわち、非接着横巻絶縁部２０の外周２０ａや内周２０ｂ、非接着編組絶縁部３０の外周３０ａや内周３０ｂには、有機材料は形成されない。また、非接着横巻絶縁部２０および非接着編組絶縁部３０は有機材料で含浸されない。絶縁被覆導線１が高温化しても、絶縁被覆導線１を構成する各部材は分解されず、割れや剥がれなどの欠陥は発生しない。そのため、絶縁被覆導線１は、真空かつ高温下で優れた絶縁特性を有すると共に、省スペースおよび省電力で高出力化を図ることができる。
また、絶縁被覆導線１の１００Ｐａ以下の真空中における交流絶縁破壊電圧が４００Ｖ以上であることが好ましい。絶縁被覆導線１の上記絶縁破壊強さが上記範囲内であると、真空かつ高温下で優れた絶縁特性を有するため、高出力の磁界発生コイルにも適用できる。絶縁被覆導線１の上記交流絶縁破壊電圧は、ＪＩＳ Ｃ ３２１６－５（２０１１）に準拠して測定する。
絶縁被覆導線１は、真空かつ高温下で優れた絶縁特性を有し、簡便に製造でき、小型化および高出力化が求められている、磁界発生コイルに用いられることが好ましい。このような磁界発生コイルとして、宇宙機の推進機に搭載される磁界発生コイルであることが好ましく、その中でも、省スペースおよび省電力で高出力化が要求される、ホールスラスタ、ＭＰＤスラスタのような大きな磁場を必要とする推進機に搭載される磁界発生コイルに好適に用いられる。
次に、実施形態の絶縁被覆導線１の使用例について説明する。
図５は、実施形態の絶縁被覆導線１の使用例の一例を示す概略図である。図５に示すように、絶縁被覆導線１は、宇宙機の推進機であるホールスラスタ４０に搭載される外部コイル５８の絶縁被覆導線および内部コイル５９の絶縁被覆導線に用いることができる。
ホールスラスタ４０は、推進ガスのプラズマを発生し、電場によってプラズマ中のイオンを排出することで推力を得る宇宙機の推進機である。ホールスラスタ４０は、環状チャネル４１と、陽極４４と、陰極４５と、推進ガスの供給路４６と、磁気回路４７と、カバー５１とを備えている。
環状チャネル４１は、軸Ｚを中心とする同心の内周壁４２および外周壁４３によって画成される、推進ガスおよびそのプラズマの流路である。内周壁４２および外周壁４３は、軸Ｚを中心とする筒状の構造を含み、軸Ｚに沿って延在している。
軸Ｚに沿った環状チャネル４１の長さは、イオンのサイクロトロン半径よりも短く、かつ、電子のサイクロトロン半径よりも長い。また、軸Ｚに沿った環状チャネル４１の長さは、径方向における環状チャネル４１の幅よりも十分に長い。また、環状チャネル４１を画成する内周壁４２および外周壁４３は、窒化ホウ素などのセラミックスによって形成される。
内周壁４２および外周壁４３は、ホールスラスタ４０の前方（環状チャネル４１の上流側）で接続し、環状チャネル４１を封じる閉鎖端４１ａを形成する。また、内周壁４２および外周壁４３は、ホールスラスタ４０の後方（環状チャネル４１の下流側）で環状チャネル４１の開口端４１ｂを形成する。開口端４１ｂは、推進ガスおよびそのプラズマの排出口として機能する。
陽極４４は、環状チャネル４１の閉鎖端４１ａに配置される。陽極４４は、環状チャネル４１を介して、陰極４５との間にイオンの加速電場を発生させる。環状チャネル４１の閉鎖端４１ａを臨む陽極４４の表面には、推進ガスの供給路４６が開口している。
陰極４５は、環状チャネル４１に電子を供給し、環状チャネル４１の開口端４１ｂから排出されるプラズマを中和する。陰極４５には、陰極回路５４が接続される。
陽極４４と陰極４５との間には、加速回路５５が直列に接続する。加速回路５５は、環状チャネル４１を介した陽極４４と陰極４５との間に、ホールスラスタの前方から後方に向かうイオンの加速電場を形成する。
推進ガスの供給路４６は、環状チャネル４１の閉鎖端４１ａに連通し、環状チャネル４１内に推進ガスを供給する。推進ガスには、腐食性が少なく、電離しやすい、キセノンやクリプトンなどの希ガスが用いられる。
磁気回路４７は、外部磁極４８と、内部磁極４９と、ヨーク５０とを含む。外部磁極４８、内部磁極４９、およびヨーク５０は、鉄などの強磁性を有する材料で形成される。
外部磁極４８は、外周壁４３よりも径方向外方に配置される。外部磁極４８には、磁場を発生するための外部コイル５８が設置される。磁界発生コイルである外部コイル５８は、絶縁被覆導線１を備える。外部コイル５８には、電源などを含む励磁回路５６が接続され、外部コイル５８による磁場が制御されている。
内部磁極４９は、内周壁４２よりも径方向内方に配置される。内部磁極４９には、磁場を発生するための内部コイル５９が設置される。磁界発生コイルである内部コイル５９は、絶縁被覆導線１を備える。内部コイル５９には、電源などを含む励磁回路５７が接続され、内部コイル５９による磁場が制御されている。
ヨーク５０は、環状チャネル４１の閉鎖端４１ａ側に設けられ、外部磁極４８と内部磁極４９とに接触し、両者を磁気的に結合する。
外部磁極４８および内部磁極４９は、ホールスラスタ４０の前方側で、ヨーク５０を介して磁気的に結合している。一方、外部磁極４８および内部磁極４９は、環状チャネル４１の開口端４１ｂ近傍で、環状チャネル４１を介して互いに離間している。そのため、外部コイル５８および内部コイル５９によって磁場が発生すると、その磁場はヨーク５０を介して結合する一方、ホールスラスタ４０の後方側で環状チャネル４１に漏洩する。漏洩した磁場は、軸Ｚを中心として軸対称かつ放射状に分布し、陰極４５から放出された電子にサイクロトロン運動を生じさせる。
ホールスラスタ４０は、その後方に磁気回路４７のカバー５１を備える。カバー５１は、推進ガスのプラズマに曝される位置で、ホールスラスタ４０の後方に向けて露出している。このようなカバー５１は、環状チャネル４１の開口端４１ｂ近傍に分布するプラズマから、外部磁極４８および内部磁極４９を保護する。カバー５１は、耐熱性および導電性を有する。
カバー５１は、環状部５１ａおよび円状部５１ｂを含む。カバー５１の環状部５１ａは、環状チャネル４１の開口端４１ｂ側に位置する外部磁極４８の端面４８ａを覆う。カバー５１の環状部５１ａと外部磁極４８の端面４８ａとの間には、絶縁部材５２が設けられる。カバー５１の円状部５１ｂは、絶縁部材５３を介して、環状チャネル４１の開口端４１ｂ側に位置する内部磁極４９の端面４９ａを覆う。カバー５１は、電気的に浮遊している。
加速回路５５の正極側は陽極４４に接続し、加速回路５５の負極側は陰極４５の電子放出部材に接続している。加速回路５５は、陽極４４と陰極４５との間に所定の加速電場を形成する。加速回路５５は、励磁回路５６や励磁回路５７と電気的に接続されていない。
カバー５１が電気的に浮遊しているため、プラズマが発生している間、カバー５１の電位は、ホールスラスタ４０のコモンや磁気回路４７に対して負となる。一方、陰極４５から放出された電子は、加速電場によって環状チャネル４１内の陽極４４に進行する最中にカバー５１を横切る。カバー５１の電位がホールスラスタ４０のコモンや磁気回路４７に対して負であるため、電子はカバー５１に衝突しにくくなり、陽極４４またはプラズマ中のイオンに達する確率が高まる。
このような構成を備えるホールスラスタ４０の絶縁被覆導線１は、上記のように、磁界発生コイルである外部コイル５８および内部コイル５９に用いられる。ホールスラスタ４０の絶縁被覆導線１は、真空かつ高温下で優れた絶縁特性を有すると共に、省スペースおよび省電力で高出力化を図ることができる。
以上説明した実施形態によれば、導線の外周を覆う２種類の絶縁部の編み構造、これら絶縁部の非接着での被覆状態、ならびに有機材料の不使用に着目することによって、磁界発生コイルに用いられ、真空かつ高温下で優れた絶縁特性を有し、簡便に製造でき、小型化および高出力化した、絶縁被覆導線を得ることができる。
以上、実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本開示の概念および特許請求の範囲に含まれるあらゆる態様を含み、本開示の範囲内で種々に改変することができる。
１ 絶縁被覆導線
１０ 導線
１０ａ 導線の外周
２０ 非接着横巻絶縁部
２０ａ 非接着横巻絶縁部の外周
２０ｂ 非接着横巻絶縁部の内周
２１ 第１セラミックス繊維
２２ 第１セラミックス素線
３０ 非接着編組絶縁部
３０ａ 非接着編組絶縁部の外周
３０ｂ 非接着編組絶縁部の内周
３１ 第２セラミックス繊維
３２ 第２セラミックス素線
４０ ホールスラスタ
４１ 環状チャネル
４１ａ 閉鎖端
４１ｂ 開口端
４２ 内周壁
４３ 外周壁
４４ 陽極
４５ 陰極
４６ 供給路
４７ 磁気回路
４８ 外部磁極
４８ａ 端面
４９ 内部磁極
４９ａ 端面
５０ ヨーク
５１ カバー
５１ａ 環状部
５１ｂ 円状部
５２、５３ 絶縁部材
５４ 陰極回路
５５ 加速回路
５６ 励磁回路
５７ 励磁回路
５８ 外部コイル
５９ 内部コイル
Ｓ１、Ｓ２ 空間
Ｇ１、Ｇ２ 空隙
１０ 導線
１０ａ 導線の外周
２０ 非接着横巻絶縁部
２０ａ 非接着横巻絶縁部の外周
２０ｂ 非接着横巻絶縁部の内周
２１ 第１セラミックス繊維
２２ 第１セラミックス素線
３０ 非接着編組絶縁部
３０ａ 非接着編組絶縁部の外周
３０ｂ 非接着編組絶縁部の内周
３１ 第２セラミックス繊維
３２ 第２セラミックス素線
４０ ホールスラスタ
４１ 環状チャネル
４１ａ 閉鎖端
４１ｂ 開口端
４２ 内周壁
４３ 外周壁
４４ 陽極
４５ 陰極
４６ 供給路
４７ 磁気回路
４８ 外部磁極
４８ａ 端面
４９ 内部磁極
４９ａ 端面
５０ ヨーク
５１ カバー
５１ａ 環状部
５１ｂ 円状部
５２、５３ 絶縁部材
５４ 陰極回路
５５ 加速回路
５６ 励磁回路
５７ 励磁回路
５８ 外部コイル
５９ 内部コイル
Ｓ１、Ｓ２ 空間
Ｇ１、Ｇ２ 空隙
Claims (5)
- 導線と、
前記導線の外周に対して接着せずに被覆し、複数の第１セラミックス素線から構成される複数の第１セラミックス繊維を互いに密着かつ接着せずに前記導線の延伸方向に対して横巻きしてなる非接着横巻絶縁部と、
前記非接着横巻絶縁部の外周に対して接着せずに被覆し、複数の第２セラミックス素線から構成される複数の第２セラミックス繊維を互いに密着かつ接着せずに編組してなる非接着編組絶縁部と
を備え、
前記導線の外周と前記非接着横巻絶縁部の内周との間、および前記非接着横巻絶縁部の外周と前記非接着編組絶縁部の内周との間には、それぞれ空間が存在する、絶縁被覆導線。 - 前記導線の電気抵抗率は、１００Ｐａの圧力下において２５℃で１×１０－５Ωｃｍ以下であり、かつ、１００Ｐａの圧力下において前記導線の融解温度または熱分解温度から１００℃低い温度で１×１０－５Ωｃｍ以下である、請求項１に記載の絶縁被覆導線。
- 前記非接着横巻絶縁部と前記非接着編組絶縁部との合成電気抵抗率は、２５℃で１×１０３Ωｃｍ以上である、請求項１または２に記載の絶縁被覆導線。
- １００Ｐａ以下の真空中における交流絶縁破壊電圧が４００Ｖ以上である、請求項１～３のいずれか１項に記載の絶縁被覆導線。
- 前記非接着横巻絶縁部および前記非接着編組絶縁部は、４００℃以上で熱分解されない、請求項１～４のいずれか１項に記載の絶縁被覆導線。
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