JP2022002191A

JP2022002191A - 電力ケーブル用導体及び中間層を有する電力ケーブル用導体の製造方法

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Publication number: JP2022002191A
Application number: JP2020107010A
Authority: JP
Inventors: 圭一山田; Keiichi Yamada
Original assignee: Yazaki Energy System Corp
Current assignee: Yazaki Energy System Corp
Priority date: 2020-06-22
Filing date: 2020-06-22
Publication date: 2022-01-06
Anticipated expiration: 2040-06-22
Also published as: JP7448428B2

Abstract

【課題】アルミニウム導線に銅被覆層が形成された電力ケーブル用導体でありながら、機械特性に優れた電力ケーブル用導体及びその製造方法を提供する。【解決手段】電力ケーブル用導体１０は、アルミニウム導線１２と、アルミニウム導線を被覆する銅被覆層１４と、アルミニウム導線と、銅被覆層との界面の全周囲にわたり、アルミニウムと銅との合金を含む中間層１６とを有する。中間層の厚さは、０μｍ超１５μｍ以下である。その製造方法はアルミニウム導線に対して銅テープを縦添えし、アルミニウム導線を銅テープで被覆する工程と、銅テープの長手方向端部の突合せ部分を溶接する工程と、突合せ部分が溶接された銅テープに被覆されたアルミニウム導線をダイスに通過させ、アルミニウム導線に対して銅テープを圧着する工程、銅テープが圧着されたアルミニウム導線を焼鈍する工程を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、電力ケーブル用導体及び中間層を有する電力ケーブル用導体の製造方法に関する。

現在、民生用の電線等に使用されている導体は、導電性及び接続性の良さから銅導体が使用されることが多い。その一方で、近年、銅導体の価格高騰又は軽量化を背景に経済性に富んだアルミニウム導体を使用した電線が普及しつつある。しかし、アルミニウム導線は酸化被膜、クリープとストレスリラクゼーション等の問題から電気接続性の経年劣化を起こしてしまうことが知られている。電気接続性が劣化すると端末処理方法によっては発熱、発火する恐れすらある。

そこで、銅導線とアルミニウム導線との両方の特性を兼ね備えた、アルミニウム導線に銅が被覆された構成の銅クラッドアルミ線なる導線も提案されている（特許文献１参照）。

特開２０１５−１０３３６６号公報

特許文献１に記載の銅クラッドアルミニウム線は、アルミニウム導線を被覆する銅クラッド（銅被覆層）の厚さは５０〜２００μｍと規定されている。ところが、アルミニウム導線と銅クラッドとの密着によって生成される合金層（中間層）の厚さによっては特に機械特性に劣り、取り扱いを限定される傾向にあった。

本発明は、このような従来技術が有する課題に鑑みてなされたものである。そして本発明の目的は、アルミニウム導線に銅被覆層が形成された電力ケーブル用導体でありながら、機械特性に優れた電力ケーブル用導体及び中間層を有する電力ケーブル用導体の製造方法を提供することにある。

本発明の第１の態様に係る電力ケーブル用導体は、アルミニウム導線と、アルミニウム導線を被覆する銅被覆層と、アルミニウム導線と、銅被覆層との界面の全周囲にわたり、アルミニウムと銅との合金を含む中間層と、を有し、中間層の厚さが０μｍ超１５μｍ以下である。

本発明の第２の態様に係る電力ケーブル用導体は、第１の態様の電力ケーブル用導体に関し、ＪＣＳ１３８９に準拠した捻回試験により捻回させたときに破断するまでの捻回回数が２００回以上であり、１００ｍｍ／分の引張速度で引張を行ったときの伸び率が２０％以上であり、かつ、破断するときの引張荷重（Ｎ）が、長手方向に垂直の断面の面積（ｍｍ^２）に１３８ＭＰａを乗じた数値以上である。

本発明の第３の態様に係る電力ケーブル用導体の製造方法は、アルミニウム導線に対して銅テープを縦添えし、アルミニウム導線を銅テープで被覆する工程と、銅テープの長手方向端部の突合せ部分を溶接する工程と、突合せ部分が溶接された銅テープに被覆されたアルミニウム導線をダイスに通過させ、アルミニウム導線に対して銅テープを圧着する工程と、銅テープが圧着されたアルミニウム導線を焼鈍する工程と、を含む。

本発明によれば、アルミニウム導線に銅被覆層が形成された電力ケーブル用導体でありながら、機械特性に優れた電力ケーブル用導体及び中間層を有する電力ケーブル用導体の製造方法を提供することができる。

本実施形態の電力ケーブル用導体の端面図である。本実施形態の電力ケーブル用導体２本を圧着端子で圧着した場合の端面を示す写真である。図２に示す電力ケーブル用導体における各部位の銅被覆層の厚みを示す図である。本実施形態の電力ケーブル用導体の製造方法を説明するための概念図である。本実施形態の電力ケーブル用導体の、中間層の厚さに対する伸び率を示すグラフである。本実施形態の電力ケーブル用導体の、中間層の厚さに対する破断荷重を示すグラフである。本実施形態の電力ケーブル用導体の、中間層の厚さに対する捻回回数を示すグラフである。

以下、図面を用いて本実施形態に係る電力ケーブル用導体について詳細に説明する。なお、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率と異なる場合がある。

＜電力ケーブル用導体＞
図１は、本実施形態の電力ケーブル用導体１０の端面を示している。電力ケーブル用導体１０は、アルミニウム導線１２と、アルミニウム導線１２を被覆する銅被覆層１４と、アルミニウム導線１２と銅被覆層１４との界面の全周囲にわたり、アルミニウムと銅との合金を含む中間層１６とを有する。そして、中間層１６の厚さが０μｍ超１５μｍ以下である。

電力ケーブル用導体１０においては、上記の通り、中間層１６が所定の厚さを有する。そのため、アルミニウム導線１２と銅被覆層１４とが強固に結合している。別言すると、中間層１６は、アルミニウム導線１２と銅被覆層１４とを強固に結合するに十分な厚さを有する。ひいては、捻回、伸び及び引張の各機械強度に優れる。さらに付言すると、アルミニウム導線による軽量化及び低コストに加え、銅導体の導電性の特性とを合わせ持つ上に、機械強度にも優れる。例えば、伸び率は、電気用品に規定されている軟銅線の伸び（２０％）を満足でき、軟銅線と同じ柔らかさで施工でき、施工性の向上に寄与することができる。

電力ケーブル用導体１０は、例えば、建設電販用の電線・ケーブルに好適に使用することができるが、他の用途で使用される電線・ケーブルに用いてもよい。また、電力ケーブル用導体１０は、単線として使用してもよいし、単線を撚って撚線として使用してもよい。さらに、電力ケーブル用導体のサイズは限定されない。

電力ケーブル用導体１０において、アルミニウム導線１２は、アルミニウム製又はアルミニウム合金製の単線である。アルミニウム導線は、可撓性又は機械強度を考慮すればアルミニウム合金製が好ましい。

電力ケーブル用導体１０において、銅被覆層１４は、アルミニウム導線１２の周囲を被覆する層であり、銅又は銅合金で構成される。また、銅被覆層１４は、アルミニウム導線１２の全周囲にわたって形成される。銅被覆層を構成する銅は、より具体的には、無酸素銅、タフピッチ銅、リン酸銅又は銅合金等が挙げられる。銅被覆層１４の厚さは、機械強度及び一定の導電性を確保する観点から、１１〜２００μｍとすることが好ましく、５０〜１００μｍとすることがより好ましい。銅被覆層が１１μｍ未満であると、素地（アルミニウム）が露出することがあり、電食の恐れがある。また、コネクタ等を使用する場合は、銅被覆層の厚さは９０μｍ以上が必要である。そして、軽量化及び経済性を考慮し銅被覆層の厚さは２００μｍ以下であることが好ましい。

中間層１６は、アルミニウム導線１２と、銅被覆層１４との界面に形成され、アルミニウムと銅との合金を含む。そして、中間層１６の厚さは０μｍ超１５μｍ以下の層である。上述の通り、中間層１６は、アルミニウム導線１２と銅被覆層１４とを強固に接合し、機械特性を向上させる機能を有する。中間層の厚さが０μｍの場合、アルミニウム導線１２と銅被覆層１４との間に隙間ができるため、機械特性を満足せず、かつ、異種金属腐食により接続部が劣化する恐れがある。また、中間層１６の厚さが１５μｍを超えると、伸び・捻回特性が低下し、導体としての取り扱いが限定される。中間層の厚さは、０．１〜４．０μｍが好ましい。
なお、中間層１６の厚さは、デジタルマイクロスコープにより測定することができる。

中間層１６は、アルミニウムと銅との合金を含むが、これは、アルミニウム導線１２由来のアルミニウム又はアルミニウム合金と、銅被覆層１４由来の銅又は銅合金とが、アルミニウム導線１２と、銅被覆層１４との界面で融合していることを意味する。中間層１６の組成の一例を以下に示す。
アルミニウム：４０〜５０質量％
銅：４０〜５０質量％
マグネシウム：０〜０．５質量％
鉄：０〜０．５質量％
その他：０．１〜１．０質量％

一方、電力ケーブル用導体１０は、以上の中間層１６の存在により、下記（１）〜（３）の機械特性すべてを満足することができる。
（１）ＪＣＳ１３８９に準拠した捻回試験により捻回させたときに破断するまでの捻回回数が２００回以上である。好ましくは、３３０回以上である。
（２）１００ｍｍ／分の引張速度で引張を行ったときの伸び率が２０％以上である。好ましくは、２５％以上である。
（３）破断するときの引張荷重（Ｎ）が、長手方向に垂直の断面の面積（ｍｍ^２）に１３８ＭＰａを乗じた数値以上である。好ましくは、当該断面の面積あたり１９６ＭＰａ以上である。例えば、電力ケーブル用導体の直径が２ｍｍの場合、断面積は３．１４（ｍｍ^２）であり、この数値に１３８ＭＰａを乗じると４３３（Ｎ）となる。

以上の電力ケーブル用導体１０は、後記の本実施形態の電力ケーブル用導体の製造方法により製造することができる。ただし、電力ケーブル用導体１０は、アルミニウム導線と銅被覆層とが所定の厚さを有する中間層を介して接合されていればよいため、本実施形態の製造方法以外の製造方法により製造することもできる。例えば、銅メッキ、銅パイプ、サーマルスプレー等により製造することができる。

＜中間層を有する電力ケーブル用導体の製造方法＞
本実施形態の中間層を有する電力ケーブル用導体の製造方法は、アルミニウム導線に対して銅テープを縦添えし、アルミニウム導線を銅テープで被覆する工程（以下、「工程Ａ」と呼ぶ。）を含む。また、銅テープの長手方向端部の突合せ部分を溶接する工程（以下、「工程Ｂ」と呼ぶ。）を含む。さらに、突合せ部分が溶接された銅テープに被覆されたアルミニウム導線をアルミニウム導線に対して銅テープを圧着する工程（以下、「工程Ｃ」と呼ぶ。）を含む。さらに、銅テープが圧着されたアルミニウム導線を焼鈍（アニーリング）する工程（以下、「工程Ｄ」と呼ぶ。）を含む。上記の通り、電力ケーブル用導体１０は、本実施形態の電力ケーブル用導体の製造方法により製造することができる。
以下、各工程について詳述する。

［工程Ａ］
工程Ａにおいては、アルミニウム導線に対して銅テープを縦添えし、アルミニウム導線を銅テープで被覆する。以下に、工程Ａの一例を示すが、本実施形態においては以下の工程に限定されるものではない。まず、アルミニウム導線と銅テープとを準備する。そして、アルミニウム導線と銅テープとを成形装置等に導入し、成形装置等でアルミニウム導線に銅テープを縦添えする。次いで、銅テープがアルミニウム導線を覆うように、銅テープをアルミニウム導線上にロールフォーミングにより連続的に管状に成形する。なお、後記の工程Ｂにおいて、銅テープの長手方向端部の突合せ部分を溶接するため、突合せ部分、すなわち端部近傍において銅テープ同士の突合せ部分を確保する。

工程Ａにおいて準備するアルミニウム導線の好ましい態様は、電力ケーブル用導体で説明した通りである。一方、必要とされる銅被覆層の厚さは、使用する端子やコネクタによって異なるため、銅テープも必要に応じて適切な厚さのものを選択することが好ましい。例えば、圧着、圧縮端子処理は導体表面を損傷する可能性は低く、圧着、圧縮後に線を抜くようなこともないため、銅被覆層の厚さを厚くする必要はない。

ここで、本実施形態の電力ケーブル用導体２本を、圧着端子で圧着した例について説明する。図２は、圧着端子１８により電力ケーブル用導体２本を圧着した状態を示す。図２において、図１に示した要素と同じ要素には同じ符号を付している。また、図３は、図２の中央部を模式的に示しつつ、各部位（Ａ〜Ｅ）の厚さがどこに位置するかを示している。圧着前の銅被覆層１４の厚さは１００μｍである。そして、圧着後の銅被覆層１４の厚さは、図３の部位Ａは１６０μｍ、部位Ｂは９６μｍ、部位Ｃは１００μｍ、部位Ｄは９０μｍ、部位Ｅは９０μｍである。従って、圧着により１０μｍ程度薄くなることを考慮し、銅被覆層を例えば１μｍ以上とするには銅テープの厚さは最低１１μｍ必要である。

［工程Ｂ］
工程Ｂにおいては、銅テープの長手方向端部の突合せ部分を溶接する。より具体的には、銅テープの突合せ部をプラズマ溶接等で溶接する。図４は、銅テープ２２で被覆されたアルミニウム導線２０を溶接し、その後、ダイス３２を通過させる（工程Ｃ）ときの状態を模式的に示している。図４においては、溶接用トーチ３０により、銅テープ２２の突合せ部が溶接される。

指摘
［工程Ｃ］
工程Ｃにおいては、突合せ部分が溶接された銅テープに被覆されたアルミニウム導線をダイスに通過させ、アルミニウム導線に対して銅テープを圧着する。銅テープに被覆されたアルミニウム導線は、伸線ダイスを通過することで銅テープはアルミニウム導線に圧着し、銅テープは銅被覆層となる。より具体的には、伸線機にダイスをセットし、銅テープに被覆されたアルミニウム導線をダイスに通過させることにより、銅テープがアルミニウム導線に圧着される。

［工程Ｄ］
工程Ｄにおいては、銅テープが圧着されたアルミニウム導線(以下、銅クラッドアルミ線)を焼鈍する。当該銅クラッドアルミ線を焼鈍させることで、アルミニウムと銅との合金を含む中間層が形成される。なお、中間層の厚さは、焼鈍方式、焼鈍温度、焼鈍時間によって変化する。そのため、中間層を所望の厚さとするには、焼鈍方式、焼鈍温度、及び焼鈍時間のそれぞれを適宜調整することが好ましい。

以上のように説明した工程Ａ〜Ｄを順次実行することにより、電力ケーブル用導体１０が得られる。

以下、本実施形態を実施例によりさらに詳細に説明するが、本実施形態は実施例に限定されるものではない。

［実施例１］
アルミニウム導線（直径：８．７ｍｍ）と、銅テープ（厚さ：０．５ｍｍ）とを準備した。次に、アルミニウム導線に対して銅テープを縦添えし、アルミニウム導線を銅テープで被覆した。さらに、銅テープの長手方向端部の突合せ部分を溶接した。その後、突合せ部分が溶接され、銅テープに被覆されたアルミニウム導線を伸線ダイス（任意の径）に通過させ、アルミニウム導線に対して銅テープを圧着した。その後、銅テープを圧着したアルミニウム導線を焼鈍させた。
以上の操作を繰り返し行い、複数の電力ケーブル用導体を得た。なお、複数の電力ケーブル用導体の作製において、焼鈍温度及び焼鈍時間を変更することで、異なる厚さを有する中間層を形成した。

得られた複数の電力ケーブル用導体（素線径２ｍｍ）に対して、中間層厚の違いによる特性比較として素線径２ｍｍの電力ケーブル用導体に対して以下の評価を行った。なお、中間層の厚さはデジタルマイクロスコープにより測定した。また、いずれの電力ケーブル用導体も、中間層はアルミニウム導線と、銅被覆層との界面の全周囲にわたり形成されていた。

［伸び率］
JIS C 3002により伸び率を測定した。測定した伸び率を図５のグラフに示した。伸び率は２０％以上であると良好と言える。

［引張荷重］
JIS C 3002により引張荷重を測定した。測定した引張荷重を図６のグラフに示した。引張荷重は４３３Ｎ以上であると良好と言える。

［捻回回数］
JCS 1389に準拠した試験方法で測定を行った。測定した捻回回数を図７のグラフに示した。捻回回数は、２００回以上であると良好と言える。

図５〜７より、厚さが０μｍ超１５μｍ以下の中間層が形成された電力ケーブル用導体においては、伸び率、破断荷重及び捻回回数のいずれの評価結果も良好であり、機械特性に優れていたことが分かる。これに対して、厚さが１５μｍ超の中間層が形成された電力ケーブル用導体においては、破断荷重の評価は問題がなかったものの、伸び率及び捻回回数については中間層の厚さが厚くなるほど劣る傾向にあった。

以上、本実施形態を実施例によって説明したが、本実施形態はこれらに限定されるものではなく、本実施形態の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。

１０電力ケーブル用導体
１２アルミニウム導線
１４銅被覆層
１６中間層

Claims

アルミニウム導線と、
前記アルミニウム導線を被覆する銅被覆層と、
前記アルミニウム導線と、前記銅被覆層との界面の全周囲にわたり、アルミニウムと銅との合金を含む中間層と、を有し、
前記中間層の厚さが０μｍ超１５μｍ以下である、電力ケーブル用導体。
ＪＣＳ１３８９に準拠した捻回試験により捻回させたときに破断するまでの捻回回数が２００回以上であり、
１００ｍｍ／分の引張速度で引張を行ったときの伸び率が２０％以上であり、かつ、
破断するときの引張荷重（Ｎ）が、長手方向に垂直の断面の面積（ｍｍ^２）に１３８ＭＰａを乗じた数値以上である、請求項１に記載の電力ケーブル用導体。
アルミニウム導線に対して銅テープを縦添えし、前記アルミニウム導線を前記銅テープで被覆する工程と、
前記銅テープの長手方向端部の突合せ部分を溶接する工程と、
前記突合せ部分が溶接された前記銅テープに被覆された前記アルミニウム導線をダイスに通過させ、前記アルミニウム導線に対して前記銅テープを圧着する工程と、
前記銅テープが圧着された前記アルミニウム導線を焼鈍する工程と、
を含む、中間層を有する電力ケーブル用導体の製造方法。