JP4944020B2 - ケーブルおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
熱膨張係数を有する長手方向のコアと、
合せてコアの熱膨張係数より大きい熱膨張係数を有する複数のワイヤであって、複数のワイヤが、アルミニウムワイヤ、銅ワイヤ、アルミニウム合金ワイヤ、または銅合金ワイヤの少なくとも1つを含み、ワイヤが、コアの周りに撚り合される、複数のワイヤとを
含むケーブルであって、
ケーブルが0MPa未満(いくつかの実施形態において、−5MPa、−10MPa、−15MPa、−20MPa、−25MPa、−30MPa、−35MPa、−40MPa、−45MPaまで、またはさらには−50MPaまで、いくつかの実施形態において、0未満から−50MPa、0から−40MPa、0から−30MPa、0から−25MPa、0から−20MPa、またはさらには、0から−10MPaの範囲内)の応力パラメータを有する、ケーブルを提供する。いくつかの実施形態において、複数のワイヤは、少なくとも90MPa、またはさらには少なくとも100MPaの引張破断強度を有する(ASTM B557/B557M(1999)に従って計算された。
複数のワイヤを長手方向のコアの周りに撚り合せる工程であって、複数のワイヤが、アルミニウムワイヤ、銅ワイヤ、アルミニウム合金ワイヤ、または銅合金ワイヤの少なくとも1つを含み、コア、予備的な撚り合されたケーブルを提供する工程と、
予備的な撚り合されたケーブルを閉じダイ(closing die)にかけて、ケーブルを提供する工程であって、閉じダイが内径を有し、ケーブルが外径を有し、ダイ内径がケーブル外径の1.00から1.02倍の範囲内である工程とを含む方法を提供する。
ある長さの導体を、長さ30〜300メートルに選択し、従来のエポキシ取付物で終端させ、層が、製造されたままの状態と同じ相対位置を実質的に維持することを確実にする。外側ワイヤは、エポキシ取付物を通して、他方の側から延在させ、次に、従来のターミナルコネクタを使用するAC電源への接続を考慮するように再構成する。エポキシ取付物を、張力を保持するためのターンバックルに接続されたアルミニウムスペルターソケット内に注ぐ。1つの側で、ロードセルをターンバックルに接続し、次に、両端で、ターンバックルをプリングアイに取付ける。アイを、張力下のときのシステムの端部撓みを最小にするのに十分大きい、大きいコンクリート柱に接続した。テストのため、張力を、導体定格破断強度の10から30パーセント範囲内の値に引く。温度は、導体の長さに沿った3つの位置で(総(プリングアイからプリングアイ)スパンの距離の1/4、1/2、および3/4で)、9の熱電対を使用して測定する。各位置において、3つの熱電対を、導体内の3つの異なった半径方向の位置、すなわち、外側ワイヤストランド間、内側ワイヤストランド間、および外側コアワイヤに隣接して(すなわち、接触する)位置決めする。弛み値は、導体の長さに沿った3つの位置で(スパンの距離の1/4、1/2、および3/4で)、プルワイヤポテンショメータ(カリフォルニア州パームデールのスペースエージ・コントロール・インコーポレイテッド(SpaceAge Control, Inc, Palmdale, CA)から入手可能)を使用して測定する。これらは、3つの位置の垂直移動を測定するように位置決めする。AC電流を導体に与えて、温度を所望の値に上昇させる。導体の温度は、室温(約20℃(68°F))から約240℃(464°F)に60〜120℃/分(140〜248°F/分)の範囲内の速度で上昇させる。熱電対のすべての最も高い温度を対照として用いる。
弛み1/2=導体のスパンの距離の1/2で測定された弛み
弛み1/4=導体のスパンの距離の1/4で測定された弛み
弛み3/4=導体のスパンの距離の3/4で測定された弛み
測定された弛みおよび温度データを、弛み対温度のグラフとしてプロットする。計算された曲線を、サウスカロライナ州グリーンビルのアルコア・フジクラ・リミテッド(Alcoa Fujikura Ltd., Greenville, SC)から商品名「サグ10(SAG10)」(バージョン3.0 アップデート3.9.7)でソフトウェアプログラムで入手可能なアルコア・サグ10(Alcoa Sag10)グラフィック方法を用いて、測定されたデータに適合させる。応力パラメータは、「組込みアルミニウム応力」と呼ばれる「サグ10」の適合パラメータであり、これは、アルミニウム以外の材料が使用される(たとえば、アルミニウム合金)場合、他のパラメータに適合するように変更することができ、かつ、予測されたグラフ上のニーポイントの位置、およびまた高温ポストニーポイント領域の弛みの量を調整する。応力パラメータ理論の説明が、アルコア・サグ10ユーザズマニュアル(Users Manual)(バージョン2.0):ACSRのアルミニウムの圧縮応力の理論(Theory of Compressive Stress in Aluminum of ACSR)に提供されている。次の導体パラメータが、サグ10ソフトウェア(Sag10 Software)へのエントリに必要である;面積、直径、単位長さあたりの重量、および定格破断強度。次のラインローディング条件が、サグ10ソフトウェアへのエントリに必要である;スパン長さ、室温(20〜25℃)における初期張力。次のパラメータが、圧縮応力計算を行うために、サグ10ソフトウェアへのエントリに必要である;組込みワイヤ応力、ワイヤ面積(総面積の一部として)、導体内のワイヤ層の数、導体内のワイヤストランドの数、コアストランドの数、各ワイヤ層の撚り込み率(stranding lay ratios)。応力−歪み係数が、表(下記表1を参照のこと)として、「サグ10」ソフトウェアへの入力に必要である。
最初の5の数字A0〜A4は、初期ワイヤ曲線×面積比を表す4次多項式の係数であり、
B0〜B4は、ワイヤの最終10年クリープ曲線×面積比を表す4次多項式の係数であり、
C0〜C4は、複合コアのみの、初期曲線×面積比を表す4次多項式の係数である。
CFは、複合コアの最終モジュラスであり、
D0〜D4は、複合コアの最終10年クリープ曲線×面積比を表す4次多項式の係数であり、
α(コア)は、複合コアの熱膨張の係数である。
例示的な実施例のケーブルのワイヤを次のように準備した。ワイヤを、図6に示された装置60を使用して製造した。10,000デニールのアルファアルミナ繊維(セントポールの3Mカンパニーによって、商品名「ネクステル610」で販売された)の11(11)のトウが、供給スプール62から供給され、平行にされて円形束にされ、305cm/分(120in./分)で1100℃に加熱された長さ1.5m(5ft.)のアルミナチューブ63を通過させることによってヒートクリーニングされた。次に、繊維のヒートクリーニングされた繊維61は、真空チャンバ64内で排気され、金属アルミニウム(99.99%Al)マトリックス材料(ペンシルバニア州ピッツバーグのベック・アルミニウム・カンパニー(Beck Aluminum Co., Pittsburgh, PA)から得られた)の溶融物(溶融金属)65を収容するるつぼ67に入った。繊維は、ケータプラー70によって供給スプール62から引かれた。超音波プローブ66が、溶融物65を繊維のトウ61内に浸透させるのを助けるために、溶融物65中に繊維の近傍に位置決めされた。ワイヤ71の溶融金属は、出口ダイ68を通って、るつぼ67を出た後、冷却し凝固したが、いくらかの冷却が、ワイヤ71がるつぼ67を完全に出る前におそらく発生した。さらに、ワイヤ71の冷却は、ワイヤ71に衝突した、冷却デバイス69を通って送出された窒素気体の流れによって向上された。ワイヤ71は、スプール72上に集められた。
弛み1/2=導体のスパンの距離の1/2で測定された弛み
弛み1/4=導体のスパンの距離の1/4で測定された弛み
弛み3/4=導体のスパンの距離の3/4で測定された弛み
最初の5の数字A0〜A4は、初期アルミニウム曲線×面積比を表す4次多項式の係数であり、
B0〜B4は、アルミニウムの最終10年クリープ曲線×面積比を表す4次多項式の係数であり、
C0〜C4は、複合コアのみの、初期曲線×面積比を表す4次多項式の係数である。
CFは、複合コアの最終モジュラスであり、
D0〜D4は、複合コアの最終10年クリープ曲線×面積比を表す4次多項式の係数であり、
α(コア)は、複合コアの熱膨張の係数である。
ケーブルを、撚り合せプロセスへの次の変更を伴って、例示的な実施例1で説明されたように製造する。図7を参照すると、第2のキャプスタン86Aが繰出しリール81とキャリッジ82との間に加えられる。約−3.5MPa(−500psi)の応力パラメータを有するケーブルを製造するために、第2のキャプスタン86Aとキャリッジ82との間の張力を、キャプスタンの張力制御機構を使用して、240kg(530lb.)に設定する。
ケーブルを、撚り合せプロセスへの次の変更を伴って、予測実施例1で説明されたように製造する。約−34MPa(−5000psi)の応力パラメータを有するケーブルを製造するために、第2のキャプスタン86Aとキャリッジ82との間の張力を、キャプスタンの張力制御機構を使用して、1202kg(2650lb.)に設定する。
ケーブルを、撚り合せプロセスへの次の変更を伴って、例示的な実施例1で説明されたように製造する。コアを鋼スプール上に提供し、オーブン内に8時間配置して、コア温度が、撚り合せ設備の周りの周囲空気温度より44℃高い温度に達することを確実にする(たとえば、周囲温度が24℃であった場合、コアは68℃のオーブン内の温度に達する)。次に、スプールを取外し、撚り合せ機械80の繰出しスプール81(すべての特徴が示された図7を参照のこと)上に配置し、撚り合せ作業の開始において、コアが依然として高温であることを再び確実にする(スプールが大きいので、コアは迅速に熱を放たないが、撚り合せ作業は、スプールが炉から取外された約2時間以内に行わなければならない)。さらに、ケーブル上の外側層を形成する繰出しスプール上のワイヤは、周囲温度(たとえば、24℃)でなければならない。このプロセスは、−3.5MPa(−500psi)の応力パラメータを有するケーブルを提供する。
ケーブルを、撚り合せプロセスへの次の変更を伴って、予測実施例3で説明されたように製造する。撚り合せ作業の開始におけるコアの温度は、周囲空気温度より131℃高い。したがって、24℃の周囲温度の場合、コアは155℃である。このプロセスは、−17MPa(−2500psi)の応力パラメータを有するケーブルを提供する。
ケーブルを、撚り合せプロセスへの次の変更を伴って、予測実施例3で説明されたように製造する。撚り合せ作業の開始におけるコアの温度は、周囲空気温度より239℃高い。したがって、24℃の周囲温度の場合、コアは263℃である。このプロセスは、−34MPa(−5000psi)の応力パラメータを有するケーブルを提供する。
例示的な実施例で説明されたアルコア・サグ10グラフィック方法モデルを用いて、予測実施例1および2で説明されたケーブルの弛み対温度挙動を予測する。例示的な実施例のサグ10モデルおよび方法を用いて、弛み曲線を生成した。導体パラメータは、表8〜11に示されており、サグ10ソフトウェアに入力した。圧縮応力パラメータの値は、−3.5MPa(−500psi)および−34MPa(−5000psi)であった。図9は、例示的な実施例、ならびに予測実施例1、2、3、および5の弛み対温度曲線を示す。例示的な実施例の測定されたデータは、プロットされたデータ93として示されており、例示的な実施例の計算された曲線は、線98として示されている。−3.5MPa(−500psi)の応力パラメータを用いた予測実施例1および3の計算された曲線は、線94として示されている。−34MPa(−5000psi)の応力パラメータを用いた予測実施例2および5の計算された曲線は、線96として示されている。
鋼強化ケーブルの70メートル(230フィート)サンプル(「鋼強化ACSRケーブル(Steel Reinforced ACSR Cable)(3/0 ACSR 6/1 PIGEON」が、イリノイ州ノースシカゴ、ナンバー・ワン・ケーブル・プレイスのキング・ワイヤ・インコーポレイテッド(King Wire Inc, Number One Cable Place, North Chicago, IL)から得られた)。サンプルは下記表12の仕様を有した。
比較例1のケーブルの45.7cm(18インチ)の長さを、負のアルミニウムプレストレスを得るために次の態様順序で修正した。アルミニウムワイヤを、両側の7.6cm(3インチ)から取外し、中心コアワイヤを露出したままにした。中心コアワイヤの端部の約2.5cm(1インチ)を、1cmあたり13のねじ山(1インチあたり32ねじ山)で、#10ダイを使用してねじ切りした。スペーサを加えて、ねじ切りされたセクションとサンプル上のアルミニウムワイヤとの間の間隙を充填した。1cmあたり13ねじ山(1インチあたり32ねじ山)を有する#10カップリングナットを、スペーサとぴったり合うように、ねじ切りされた鋼コアワイヤ上に締付けた。サンプルを、ミネソタ州セントポールの3Mカンパニーから商品名「スコッチ(SCOTCH)898」で入手可能な幅2.5cm(1インチ)の繊維強化パッケージングテープできつく手で巻付けた。テープをその幅の約1/4だけ重ねた。一方のカップリングナットを万力で固定して保持し、他方のナットを、トルクレンチを使用して、0.29キログラムフォース−メートル(kilogram force−meter)(25インチ−ポンド)のトルクに締付けた。鋼の張力かけの完了時のテープ付ケーブルの直径は、13.7mm cm(0.54インチ)であることを測定した。アルミニウムワイヤは、中心コアワイヤの周りにきつく巻付けられたままであった。アルミニウムワイヤの緩みは観察されなかった。アルミニウムワイヤと中心コアワイヤとの間に間隙は観察されなかった。アルミニウムワイヤは、バードケージ化する(birdcage)ことも、中心コアワイヤから離れて広がることもなかった。
表13〜15を参照し、実施例1で説明されたようなケーブルの計算された弛み対温度特徴を、比較例1で説明されたようなケーブルの計算された弛み対温度特徴と比較した。例示的な実施例1で先に説明されたアルコア・サグ10ソフトウェアモデルを用いて、17.2MPa(2500psi)の正の応力パラメータ値を用いる比較例1のケーブルの弛み対温度挙動を定めた。同様に、アルコア・サグ10ソフトウェアモデルを用いて、−30.5(−4425psi)のアルミニウムプレストレスを有した実施例1のある長さのケーブルの弛み対温度挙動を定めた。実施例1の同じ65.5m(215ft.)のスパン長さパラメータを用いて、弛み対温度曲線を生成した。モデルケーブルの初期張力は、破断強度の20%であった。図10の線101は、比較例のケーブルの+17.2MPa(+2500psi)の値について計算された曲線を示す。図10の線103は、実施例1のケーブルの−30.5MPa(−4425psi)の値について計算された曲線を示す。
以下に、本願発明に関連する発明の実施形態について、列挙する。
実施形態1
熱膨張係数を有する長手方向のコアと、
合せて前記コアの熱膨張係数より大きい熱膨張係数を有する複数のワイヤであって、前記複数のワイヤが、アルミニウムワイヤ、銅ワイヤ、アルミニウム合金ワイヤ、または銅合金ワイヤの少なくとも1つを含み、前記複数のワイヤが、前記コアの周りに撚り合される、複数のワイヤとを
含むケーブルであって、
前記ケーブルが0MPa未満の応力パラメータを有する、ケーブル。
実施形態2
前記コアが金属を含む、実施形態1に記載のケーブル。
実施形態3
前記金属が、鋼、チタン、タングステン、または形状記憶合金の少なくとも1つである、実施形態2に記載のケーブル。
実施形態4
前記コアが結晶セラミックを含む、実施形態1に記載のケーブル。
実施形態5
前記コアが、結晶セラミックの連続繊維を含む、実施形態1に記載のケーブル。
実施形態6
前記コアが、金属マトリックス内の結晶セラミックの連続繊維を含む金属マトリックス複合体を含む、実施形態1に記載のケーブル。
実施形態7
前記コアが、金属マトリックス内の結晶セラミックの連続繊維を含む金属マトリックス複合ワイヤを含む、実施形態1に記載のケーブル。
実施形態8
前記金属マトリックスが、選択され、前記マトリックスの総重量を基準にして、少なくとも98重量パーセントのアルミニウムを含む、実施形態7に記載のケーブル。
実施形態9
前記結晶セラミックが、それぞれの繊維の総金属酸化物含量を基準にして少なくとも99重量%のAl 2 O 3 を含む多結晶アルファアルミナベースの繊維である、実施形態8に記載のケーブル。
実施形態10
前記結晶セラミックが、それぞれの繊維の総金属酸化物含量を基準にして少なくとも99重量%のAl 2 O 3 を含む多結晶アルファアルミナベースの繊維である、実施形態7に記載のケーブル。
実施形態11
前記金属マトリックス複合ワイヤが、前記それぞれの金属マトリックス複合ワイヤの総体積を基準にして、40から70体積パーセントの範囲内の前記繊維を含む、実施形態10に記載のケーブル。
実施形態12
前記ケーブルが、−50MPaまでの応力パラメータを有する、実施形態10に記載のケーブル。
実施形態13
前記ケーブルが、0未満から−50MPaの範囲内の応力パラメータを有する、実施形態10に記載のケーブル。
実施形態14
前記コアが、ポリマーマトリックス内の、アラミド、セラミック、ホウ素、ポリ(p−フェニレン−2,6−ベンゾビスオキサゾール)、黒鉛、炭素、チタン、タングステン、または形状記憶合金の少なくとも1つの連続繊維を含む複合体を含む、実施形態1に記載のケーブル。
実施形態15
前記コアが、ポリマーマトリックス内の連続セラミックを含む複合体を含む、実施形態1に記載のケーブル。
実施形態16
前記ワイヤおよび前記コアが、連続しており、長さが少なくとも150メートルである、実施形態1に記載のケーブル。
実施形態17
前記コアが、1mmから12mmの直径を有するワイヤを含む、実施形態1に記載のケーブル。
実施形態18
前記コアが、1mmから4mmの直径を有するワイヤを含む、実施形態1に記載のケーブル。
実施形態19
前記コアのワイヤが、10から150の撚り係数を有するように螺旋状に撚り合される、実施形態18に記載のケーブル。
実施形態20
前記ワイヤが、形状が台形である、実施形態1に記載のケーブル。
実施形態21
前記ワイヤが、10から150の撚り係数を有するように螺旋状に撚り合される、実施形態1に記載のケーブル。
実施形態22
ケーブルを製造する方法であって、
複数のワイヤを長手方向のコアの周りに撚り合せる工程であって、前記複数のワイヤが、アルミニウムワイヤ、銅ワイヤ、アルミニウム合金ワイヤ、または銅合金ワイヤの少なくとも1つを含み、前記コア、予備的な撚り合されたケーブルを提供する工程と、
前記予備的な撚り合されたケーブルを閉じダイにかけて、実施形態1に記載のケーブルを提供する工程であって、前記閉じダイが内径を有し、前記ケーブルが外径を有し、前記ダイ内径が前記ケーブル外径の1.00から1.02倍の範囲内である工程とを含む方法。
実施形態23
前記方法が周囲温度で行われ、前記撚り合せの間、前記コアが、前記周囲温度より少なくとも50℃高い温度である、実施形態22に記載の方法。
実施形態24
前記方法が周囲温度で行われ、前記撚り合せの間、前記コアが、前記周囲温度より少なくとも100℃高い温度である、実施形態22に記載の方法。
実施形態25
前記方法が周囲温度で行われ、前記撚り合せの間、前記コアが、前記周囲温度より少なくとも150℃高い温度である、実施形態22に記載の方法。
実施形態26
前記方法が周囲温度で行われ、前記撚り合せの間、前記コアが、前記周囲温度より少なくとも200℃高い温度である、実施形態22に記載の方法。
実施形態27
前記方法が周囲温度で行われ、前記撚り合せの間、前記コアが、前記周囲温度より少なくとも250℃高い温度である、実施形態22に記載の方法。
実施形態28
前記撚り合せが、少なくとも100kgのコア張力で行われる、実施形態22に記載の方法。
実施形態29
前記撚り合せが、少なくとも200kgのコア張力で行われる、実施形態22に記載の方法。
実施形態30
前記撚り合せが、少なくとも500kgのコア張力で行われる、実施形態22に記載の方法。
実施形態31
前記撚り合せが、少なくとも1000kgのコア張力で行われる、実施形態22に記載の方法。
実施形態32
前記撚り合せが、少なくとも5000kgのコア張力で行われる、実施形態22に記載の方法。
Claims (3)
- 熱膨張係数を有する長手方向のコアであって、ポリマーマトリックス複合ワイアを含むコアと、
合せて前記コアの熱膨張係数より大きい熱膨張係数を有する複数のワイヤであって、前記複数のワイヤが、アルミニウムワイヤ、銅ワイヤ、アルミニウム合金ワイヤ、または銅合金ワイヤの少なくとも1つを含み、前記複数のワイヤが、前記コアの周りに撚り合される、複数のワイヤと
を含むケーブルであって、
前記複数のワイヤが、少なくとも25℃の温度で、少なくとも100kgのコア張力で、前記コアの周りに撚り合され、また
前記ケーブルが0MPa未満の応力パラメータを有する、ケーブル。 - 前記ケーブルが、0未満から−50MPaの範囲内の応力パラメータを有する、請求項1に記載のケーブル。
- 前記コアが、アラミド、セラミック、ホウ素、ポリ(p−フェニレン−2,6−ベンゾビスオキサゾール)、黒鉛、炭素、チタン、タングステン、または形状記憶合金の少なくとも1つの連続繊維を含むポリマーマトリックス複合ワイヤを含む、請求項1に記載のケーブル。
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