JP2005524932A - 可撓性高圧ケーブル - Google Patents

Abstract

医療もしくは工業用途のＸ線源、イオン加速器、または、医療、工業もしくは科学設備の同様のアイテムなどの高電圧作動を必要とする機械もしくは設備アイテムに、高圧電源から高電圧を導く可撓性ケーブルに関する。このケーブルは、少なくとも１つの心線導体を備えたケーブル心線と、架橋された超低密度ポリエチレン材料を備え、ケーブル心線を取り囲む少なくとも１つの内部絶縁層と、内部絶縁層を取り囲む導電性シールドと、外部絶縁外装とを有する。一実施形態によれば、超低密度ポリエチレン材料はさらに、架橋を容易にするためのシラン材料を含む。別の構成によれば、超低密度ポリエチレン材料は3未満の誘電率、好ましくは2.3未満の誘電率を有する。

Description

本出願は、2002年5月3日出願の米国特許仮出願第60/377,909号の優先権を主張するものであり、この出願の全内容は参照により本明細書に引用したものとする。

医療、工業および科学設備の多くのアイテムは、外部の高圧電源からの高電圧の伝達を必要とする。これら高電圧を伝送するために、この用途に対する特別な高圧ケーブル（例えば、約4000V/mmよりも大きい内部電界により特徴付けられる）が開発されてきた。一般に、高圧ケーブルは優れた絶縁特性を示すことが望ましい。また多くの場合、高圧ケーブルは十分な可撓性を有することにより、曲げに耐え、高圧電源と設備アイテム間の経路内で向きを変え、さらに運用中においてケーブルの屈曲を可能にする、ことが望ましい。

従来から、可撓性高圧ケーブルは、エチレン−プロピレン・ゴム（ＥＰＲ）またはエチレン−プロピレン−ジエン・ポリマ（ＥＰＤＭＲ）などのゴム弾性材料で製作されている内部絶縁材料を使用してきた。これら材料は、ケーブルに優れた可撓性を提供する。しかし、これらゴム絶縁体の欠点の１つは、製造するのが難しく、コストがかかることである。これらゴム絶縁体を製造するには、一般に、専用の設備および高コストのゴム製造設備を必要とする。代わりの材料として、紙およびオイルならびにプラスチックおよびオイル積層などがあるが、これらもまた、製造に問題を生じ易く、コストもかかる。

代替の低コストの方法は、従来の熱可塑性プラスチック処理技術および設備を利用して、熱可塑性プラスチック合成材料から絶縁材料を製造する。しかし、この方法の１つの欠点は、従来の熱可塑性プラスチック絶縁材料はゴム絶縁体に比較して極めて剛性が高いことである。したがって、従来の熱可塑性プラスチック絶縁体は、可撓性高圧ケーブルに適していない。

本発明は、医療もしくは工業用途のＸ線源、イオン加速器、または、医療、工業もしくは科学設備の同様のアイテムなどの高電圧作動を必要とする機械または設備アイテムに、高圧電源から高電圧を導く可撓性ケーブルに関する。このケーブルは、少なくとも１つの心線導体を備えたケーブル心線と、架橋された超低密度ポリエチレン材料を備え、ケーブル心線を取り囲む少なくとも１つの内部絶縁層と、内部絶縁層を取り囲む導電性シールドと、外部絶縁外装とを有する。一実施形態によれば、超低密度ポリエチレン材料はさらに、架橋を容易にするためのシラン材料を含む。別の構成によれば、超低密度ポリエチレン材料は3未満の誘電率、好ましくは2.3未満の誘電率を有する。

本発明の高圧ケーブルは、内部絶縁体としてポリエチレンなどの熱可塑性プラスチック材料を使用する公知の高圧ケーブルに比べて、大幅に改良された可撓性を示す。同時に、本発明の絶縁材料は一般に、低い比誘電率（例えば、3未満、好ましくは約2.3未満）を有し、これは高圧ケーブルに使用される従来のゴム絶縁体（通常、約3の比誘電率を有する）と比較して好ましい。

本発明の低い誘電率の絶縁体は高圧ケーブルに大幅な利点を提供する。誘電率が低いほどケーブルの静電容量が小さくなることより、高圧ケーブルに関しては、低い誘電率の内部絶縁体が望ましい。小さい静電容量では、ケーブル内にほとんどエネルギーが蓄えられないことより、ケーブル、設備、または高圧電源の故障に起因する重大な被害の危険性が低下する。また静電容量が小さいことは、従来のケーブルに比べて高速でケーブル電圧（したがって、設備電圧）を完全に充電および放電できることを意味する。

さらに、本発明の超低密度ポリエチレン絶縁材料は従来のゴム絶縁材料の望ましい特性（すなわち、高い可撓性）を有するが、ゴム絶縁体とは異なり、従来の熱可塑性プラスチック処理および製造技術を用いて、容易に、かつ低コストで製造できる。

本発明の前述およびその他の目的、特徴、および利点は、添付図面に示す本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明で明らかになるであろう。図面では、同一参照符号は異なる図面においても同一部品を指す。図面は必ずしも縮尺通りでなく、本発明の原理を示すことに重点が置かれている。特に指定しない限り、すべての割合およびパーセンテージは重量比で表す。

本発明の好ましい実施形態を以下に述べる。

図１は機械１０を概略的に示しており、この機械は、高電圧作動を必要とする、医学画像用のＸ線源、イオン加速器、または医療、工業もしくは科学設備の任意の他のアイテムであってもよい。機械１０は、可撓性高圧ケーブル２０を介して高圧電源３０に電気的に接続される。一般に、高圧ケーブルは、電気的放電または故障がなく比較的大きい応力で電圧を維持できる。また図１に示すとおり、ケーブル２０は十分な可撓性を有することにより、ケーブルが高圧電源３０から機械１０への経路をたどるとき、多くの曲げおよび方向の変更が可能になる。一構成において、本発明のケーブルはケーブル直径の約３倍の最少曲げ半径を可能にする。

図２には、本発明の高圧ケーブル２０の断面が示されている。一実施形態において、ケーブルは３本の心線導体４０を有し、このうち２つは熱可塑性プラスチック・ゴム（ＴＰＲ）または他の適切な材料の絶縁層４１で被覆された導電材料（例えば、銅）である。この実施形態はさらに、絶縁されていない第３の心線導体を有する。３本の心線導体４０は一体に撚り合わされて、ケーブル心線を形成する。ただし、ケーブル心線の構成にはさまざまな変更形態が可能であり、本発明は単一の心線導体または複数の心線導体を有するケーブルを含むものとし、この場合、任意の数の導体は、ここで示すような絶縁層４１を随意に含むことができる。

ケーブル心線は、以下に詳細に述べるように、シランで硬化したポリエチレン材料の連続する３層５０，６０，７０で覆うことができる。一般に、ポリエチレン層５０および７０は半導電層であり、この層は炭素と結合した超低密度ポリエチレン材料によって、半導電性特性を示す。層６０は、炭素と結合していない超低密度ポリエチレンを備え、絶縁層として機能する。金属シールド８０は外側の半導電層７０を覆って編み組みされており、一実施形態におけるケーブルはポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）外装９０で覆われている。

次に、図２の可撓性高圧ケーブル２０を製造する方法について説明する。第１に、ワイヤの個々の素線を一体に撚り合わせて心線導体４０を形成する。次に、第１導体を覆うようにＴＰＲ（または他の適正な絶縁物）の第１層４１を押し出し、第２導体を覆うようにＴＰＲ（または他の適正な絶縁物）の第２層４１を押し出すことにより、２本の導体の全長を絶縁する。次に、これら絶縁された２本の導体および第３の導体（絶縁されていない）を一体に撚り合わせてケーブル心線を形成する。

次に、例えば押し出しにより、３層の超低密度ポリエチレン材料５０，６０，７０を備えた絶縁構造をケーブル心線に適用する。一般に超低密度ポリエチレン材料は、主成分（すなわち、好ましくは約70％以上）として超低密度ポリエチレン材料を含む、均質混合物から製造される。この混合物はさらに、混合物の約30％以下を構成する別の樹脂も含む。一般に、超低密度ポリエチレン材料の密度は約0.90g/cm^３未満であり、好ましくは、約0.88g/cm^３未満である。この均質混合物はさらに、シラン・グラフト合成物を含み、このグラフトにより、ケーブル上への押し出し後におけるポリエチレン樹脂の架橋結合が容易になる。本発明で用いる、適正なシラン・グラフト化された超低密度ポリエチレン材料は、英国のGravesend、KentのAEI Compounds,Ltd.,から入手できる。

絶縁構造の第１半導電層５０を形成するには、熱可塑性プラスチック処理および製造の分野で公知のとおり、シラン・グラフト化された超低密度半導電性ポリエチレン材料を適当な押出成形機に導入する。次にこの半導電性ポリエチレン混合物の第１層５０を、ケーブル心線を覆って押し出す。次いでシラン・グラフト化された超低密度絶縁性ポリエチレン材料を押出成形機に導入して、第１層５０を覆ってこの材料を押し出すことにより、第２の厚肉の絶縁層６０を形成する。次に、シラン・グラフト化された超低密度半導電性ポリエチレン材料を押出成形機に導入して、絶縁層６０を覆ってこの半導電性材料を押し出すことにより、第３の肉薄の半導電層７０を形成する。

次に、押し出されたポリエチレン層を有するケーブルを高温多湿環境内に置くことにより、ポリエチレン材料を架橋する。好ましい実施形態においては、ケーブルを約60〜80℃の温水槽に浸漬する。この環境においては、シラン材料が超低密度ポリエチレン材料の架橋を促進する。好ましくは、架橋されたポリエチレン絶縁性材料のゲル含有率（架橋の度合い）は、約65〜75％である。

温水槽からケーブルを取り出した後、架橋されたポリエチレン半導電層７０の周囲に金属（例えば、銅）シールド８０を編み組みする。次に絶縁外装９０を、シールド８０の周囲に押し出す。

絶縁層に架橋された超低密度ポリエチレン材料を用いることにより、高い可撓性を有するケーブルを製造でき、一方、同時に、低い比誘電率（Ｋ）を実現できる。低い誘電率は静電容量を小さくし、したがってケーブルに蓄積されるエネルギーが減少するので、高圧ケーブルでの使用において低い誘電率の絶縁体は有利である。一般に、本発明の架橋された超低密度ポリエチレン絶縁体の比誘電率は約3未満であり、好ましくは2.3未満である。2.3の比誘電率の絶縁体を用いることにより、ゴムの同等物の絶縁体に比較して約23％小さい静電容量のケーブルが得られる。

本発明を好ましい実施形態により図示し、詳細に説明してきたが、当業者には、添付の特許請求の範囲に包含される本発明の範囲から逸脱することなく、形態または細部にさまざまな変更を加えるのが可能であることは理解されるであろう。

高圧電源と機械の間の電気接続の概略図であり、接続は本発明の可撓性高圧ケーブルを介してなされている。 本発明の高圧ケーブルの一実施形態の断面図である。

符号の説明

２０ 可撓性高圧ケーブル
４０ 心線導体
５０ 超低密度ポリエチレン絶縁層
６０ 超低密度ポリエチレン絶縁層
７０ 超低密度ポリエチレン絶縁層
８０ 導電性シールド
９０ 絶縁外装

Claims (22)

1. 高電圧作動を必要とする設備アイテムに高圧電源から高電圧を導く可撓性ケーブルであって、
   導電性のケーブル心線と、
   前記ケーブル心線を取り囲む絶縁層であって、架橋された超低密度ポリエチレン材料を備えた絶縁層と、
   前記絶縁層を取り囲む導電性シールドと、
   絶縁外装とを備えた可撓性ケーブル。
2. 請求項１において、前記絶縁層がさらにシラン材料を含む、可撓性ケーブル。
3. 請求項１において、前記絶縁層が約3未満の比誘電率を有する、可撓性ケーブル。
4. 請求項３において、前記絶縁層が約2.3未満の比誘電率を有する、可撓性ケーブル。
5. 請求項１において、前記超低密度ポリエチレン材料の密度が約0.90g/cm^３未満である、可撓性ケーブル。
6. 請求項５において、前記超低密度ポリエチレン材料の密度が約0.88g/cm^３未満である、可撓性ケーブル。
7. 請求項１において、前記ケーブルが、ケーブル直径の約３倍以下の最少曲げ半径を有する、可撓性ケーブル。
8. 請求項１において、前記絶縁層が少なくとも約70％の超低密度ポリエチレン材料を含む、可撓性ケーブル。
9. 請求項１において、さらに、
   前記可撓性ケーブルの端部に電気的に接続された設備アイテムを備えた、可撓性ケーブル。
10. 請求項９において、前記設備アイテムがＸ線発生器を含む、可撓性ケーブル。
11. 高電圧を設備アイテムに伝達するシステムであって、
    設備アイテムと、
    第１端部および第２端部を有する可撓性ケーブルであって、前記第１端部は前記設備アイテムに電気的に接続され、前記第２端部は高圧電源に電気的に接続されるものであり、
    導電性のケーブル心線、
    前記ケーブル心線を取り囲む絶縁層であって、架橋された超低密度ポリエチレン材料を備えた絶縁層、
    前記絶縁層を取り囲む導電性シールド、および
    絶縁外装を備えた可撓性ケーブルとを備えた高電圧伝達システム。
12. 請求項１１において、前記設備アイテムがＸ線発生器を含む、高電圧伝達システム。
13. 請求項１１において、前記設備アイテムがイオン加速器を含む、高電圧伝達システム。
14. 請求項１１において、さらに、ケーブルの前記第２端部に電気的に接続された高圧電源を備えた、高電圧伝達システム。
15. 高電圧作動を必要とする設備アイテムに高圧電源から高電圧を伝達する方法であって、
    第１端部および第２端部を有する可撓性ケーブルを設ける工程であって、前記第１端部は前記設備アイテムに電気的に接続され、前記第２端部は前記高圧電源に電気的に接続され、前記可撓性ケーブルが、導電性のケーブル心線と、前記ケーブル心線を取り囲む絶縁層であって、架橋された超低密度ポリエチレン材料を備えた絶縁層と、前記絶縁層を取り囲む導電性シールドと、外部絶縁外装とを有する、可撓性ケーブルを設ける工程と、
    前記可撓性ケーブルを介して前記設備アイテムに前記高圧電源から高電圧を導く工程とを備えた、高電圧伝達方法。
16. 導電性ケーブル心線を設け、
    前記ケーブル心線を覆って、架橋された超低密度ポリエチレン材料を備えた絶縁層を形成し、
    前記絶縁層を覆って導電性シールドを設け、
    前記導電性シールドを覆って絶縁外装を設ける、可撓性ケーブル製造方法。
17. 請求項１６おいて、さらに、前記超低密度ポリエチレン材料を架橋する、可撓性ケーブル製造方法。
18. 請求項１７おいて、さらに、シラン材料を前記超低密度ポリエチレン材料に導入して、架橋工程を促進する、可撓性ケーブル製造方法。
19. 請求項１７おいて、前記架橋は高温多湿環境で実行される、可撓性ケーブル製造方法。
20. 請求項１７おいて、さらに、前記ケーブル心線を覆って前記超低密度ポリエチレン材料を押し出し、次に、前記ケーブル心線を高温多湿環境に置くことにより、前記超低密度ポリエチレン材料の架橋を促進する、可撓性ケーブル製造方法。
21. 請求項２０おいて、前記ケーブル心線を高温多湿環境に置く工程が、ケーブル心線を約60〜80℃の温水槽に浸漬することを含む、可撓性ケーブル製造方法。
22. 請求項１６おいて、前記架橋された絶縁層のゲル含有率が約65〜75％である、可撓性ケーブル製造方法。

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