JP5570022B2 - 複合トロリ線 - Google Patents

Description

本発明は、電気鉄道施設等に利用される複合電線に関し、特に主線の内部に芯線として高強度連続長繊維体を埋入させた複合電線に関する。

電気鉄道において、車両に電気を導くためのトロリ線や、これを支持するための吊架線や補助吊架線、またトロリ線への電気を補給しつつこれを支持するためのき電吊架線など、多くの電線が電気鉄道施設に使用されている。これら電線はいずれも長手方向に沿って所定間隔で空中に吊架支持されており、支持機構を簡素化するために架空線の機械的強度を高めることが必要とされている。これに対して電線の材料自体を変更することがしばしば検討され得るが、電線の所与の機能を確保した上で材料を変更しなければならない。例えば、トロリ線やき電吊架線であれば、高い導電性を確保しつつ、機械的強度の高い材料を選択しなければならず、制約も多い。

そこで、電線の材料自体を大幅に変更することなく、主線に高い機械的強度を有する芯線を与えて複合電線とし、電線の導電性などの所定の特性を変更することなく、全体の機械的強度を高める方法も広く採用されている。

例えば、特許文献１では、銅合金線と硬銅線とを撚り合わせた複合電線としてのき電吊架線が開示されている。銅合金線による高い導電性と耐腐食性を損なうことなく、硬銅線によりき電吊架線に高い機械的強度を与えている。また銅合金線と硬銅線では同種の金属同士を接触させているので、撚り合わせによる隙間などに水が侵入しても電位差を原因とする腐食が生じず、よって高い機械的強度を維持できるとも述べている。

更に、例えば、特許文献２では、硬銅線による芯線の周囲をＣｕ−Ｃｒ−Ｚｒ系析出強化型合金で包囲した複合電線としてのトロリ線を開示している。やはりここでも硬銅線によって電線の機械的強度を高めている。

ところで、近年、一般的な金属線よりも高い機械的強度を有する高分子材料からなる長繊維が開発され、かかる長繊維を金属材料からなる主線の内部に芯線として与えた高い機械的強度を有する複合電線も提案されている。

例えば、特許文献３では、高い機械的強度（引張強度）を有する高分子材料からなる長繊維束の周囲を導電性金属材料で包囲して互いを機械的に密着させた複合電線としてのトロリ線が開示されている。導電性金属材料からなる円筒管内に前記したような高分子材料の長繊維を挿入してこれをスエージング加工してトロリ線を得ている。ここで高分子材料からなる複数の長繊維は束ねてその周囲をメッキし、表面に導電性金属材料と実質的に同様の金属材料からなる金属層を形成することで、導電性金属材料と高分子材料との接合強度をより高めることができて、高い機械的強度をトロリ線に与え得ると述べている。

特開平０９−１９０７１８号公報 特開２００１−３２２４６０号公報 特開２００８−２３５２５９号公報

上記したような高分子材料からなる長繊維を芯線として多く、すなわち断面積比率でより多く与えることで電線に高い機械的強度を与え得る。その一方で、高分子材料は一般的に導電性が低く、トロリ線やき電吊架線のような電力輸送用の架空線では線径を太くしなければならない。また、特許文献３にも開示されているように、主線と芯線との接合強度が低いと、芯線の高い機械的強度が主線に効率よく反映されない。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、高い機械的強度を有する高分子材料を芯線に用いて電線に効率よく高い機械的強度を付与でき、結果として、高い機械的強度を有する複合電線の提供である。

本発明による複合電線は、金属材料からなる線状体の長手方向軸に沿って高強度連続長繊維体を埋入させた複合電線であって、前記高強度連続長繊維体の複数を分散配置させたことを特徴とする。

かかる発明によれば、高強度連続長繊維体の複数が金属材料からなる線状体に分散配置されているので、高強度連続長繊維体と金属材料からなる線状体との接触面積が広く、高強度連続長繊維体の高い機械的強度を線状体に効率よく与え、よって、複合電線は高い機械的強度を有するのである。

上記した発明において、前記高強度連続長繊維体は、前記線状体の長手方向中心軸近傍に分散配置させたことを特徴としてもよい。かかる発明によれば、外部から傷を受けても中心軸近傍の高強度連続長繊維体に影響が与えられないのである。

本発明による複合電線は、前記高強度連続長繊維体が１本の高強度連続長繊維からなることを特徴とする。かかる発明によれば、高強度連続長繊維と金属材料からなる線状体との接触が良好に得られ、高強度連続長繊維の高い機械的強度を線状体に効率よく与え、よって、複合電線は高い機械的強度を有するのである。

本発明による複合電線は、前記高強度連続長繊維体が高強度連続長繊維を束ねた繊維束であることを特徴とする。かかる発明によれば、高強度連続長繊維を線状体により高い密度で与えることができ、より少ない本数の高強度連続長繊維で高い機械的強度を与え得る。すなわち、高強度連続長繊維の高い機械的強度を線状体に効率よく与え、よって、複合電線は高い機械的強度を有するのである。

本発明による複合電線は、前記高強度連続長繊維が低熱膨張高分子材料からなることを特徴とする。また、前記低熱膨張高分子材料は負の熱膨張係数を有することを特徴としてもよい。かかる発明によれば、高強度連続長繊維体と金属材料からなる線状体との接触面積が広いため、複合架空線に与えられる熱履歴が大きくなっても、高強度連続長繊維体と線状体との間で歪みが分散し、互いに剥離を生じづらい。すなわち、高強度連続長繊維の高い機械的強度を線状体に効率よく与え、よって、複合架空線は高い機械的強度を有し、さらに熱による伸縮を少なくできるのである。

上記した発明において、鉄道車両に電気を導くための鉄道用のトロリ線であって側面対称位置に吊下のための一対の係止溝を有し、一対の前記係止溝を結ぶ線を挟んでトロリ摺動面と反対側に前記高強度連続長繊維体の密度を高めて分散配置させたことを特徴としてもよい。かかる発明によれば、高強度連続長繊維体が分散配置されているため、集電用のパンタグラフ舟体との摺動によりトロリ摺動面が摩耗しても表面に徐々に裸出し、電気抵抗が急激に上昇することを抑制できる。しかも高強度連続長繊維体が一気に摺動摩耗して機械的強度を急激に低下させることもない。また、トロリ線は側面対称位置に吊下のための一対の係止溝を有するが、トロリ摺動面は少なくともこの一対の係止溝を結ぶ線を越えて進むことはなく、高強度連続長繊維体が表面に裸出して摺動摩耗する割合を減じることができる。すなわち、トロリ摺動面の摩耗による電気導電性の劣化及び機械的強度の低下に対する信頼性が高いのである。

上記した発明において、鉄道車両に電気を導くための鉄道用のトロリ線を吊下支持するためのき電吊架線であることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、き電吊架線として高い機械的強度を有するのである。

上記した発明において、前記線状体は導電性を有する金属材料からなることを特徴としてもよい。また、前記線状体は銅、アルミニウム、又は、これらの合金のいずれかからなることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、トロリ線又はき電吊架線として高い導電効率を得られるのである。

一方で、上記した発明において、鉄道車両に電気を導くための鉄道用のトロリ線を吊下支持するための吊架線であってもよい。また、前記線状体は鋼又は鉄系合金からなることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、吊架線として高い機械的強度を有するのである。

本発明による複合トロリ線の斜視図である。 本発明による複合トロリ線の断面図である。 本発明による複合トロリ線の断面図である。 本発明による他の複合トロリ線の断面図である。 本発明による吊架線の斜視図である。 本発明による吊架線の断面図である。

＜実施例１＞
本発明の１つの実施例による複合トロリ線について図１乃至図３を用いてその詳細を説明する。

図１及び図２に示すように、複合トロリ線１は、鉄道車両に電力を導くための長尺の複合架空線である。複合トロリ線１は、略円形状の断面を有し、断面中心部よりも上方には、外方に向けて開口する一対のＶ字溝６が左右対称に長手方向軸Ｘに沿って形成されている。Ｖ字溝６には図示しない吊架線から伸びるハンガーの留め金が係止され、これによって複合トロリ線１を吊架線から吊り下げる。また、断面下方の長手方向軸Ｘに沿った面１１がパンタグラフの舟体との摺動面となる。

複合トロリ線１は、導電主線としての導電性線状体２と、導電性線状体２の機械的強度を高めるために芯線として与えられる高強度連続長繊維体３とを含む。なお、複数の高強度連続長繊維体３を集中的に分散配置させた領域を高強度連続長繊維体配置領域４とし、後述するように、マトリクス２’は、導電性線状体２と実質的に同質である金属材料からなる。なお、高強度連続長繊維体配置領域４を中心部近傍に与えることが好ましく、これにより、外部から傷を受けても高強度連続長繊維体３に影響が与えられない。

導電性線状体２は、電力輸送用の導電性材料からなり、例えば、銅、銅系合金、アルミ又はアルミ系合金などの導電性の高い材料からなる。

高強度連続長繊維体３は、例えば、炭素繊維やアラミド繊維などの高強度繊維からなり、少なくとも導電性線状体２よりも高い引張強度を有する単体の連続長繊維若しくはこれらを束ねた繊維束である。ここでは、導電性線状体２の熱膨張を抑制するよう低い熱膨張係数を有する高分子材料であって、特に、負の熱膨張係数を有する高分子材料からなる連続長繊維を用いた。１本の連続長繊維は直径１０ミクロン程度であって、これを数本束ねて高強度連続長繊維体３とした。

なお、高強度連続長繊維体が１本の連続長繊維からなる場合は、マトリクス２’と連続長繊維との接触面積を大とすることができて、互いの接触が良好に得られる。また、高強度連続長繊維体が複数の連続長繊維からなる場合は、連続長繊維をより高密度にマトリクス２’内に与えることができる。いずれにおいても、連続長繊維の高い機械的強度を効率よく与え得るのである。

また、高強度連続長繊維体配置領域４内において、高強度連続長繊維体３は分散配置され、互いに接触していないから、マトリクス２’との接触面積を大とすることができて、マトリクス２’との強固な接着を得ることができる。さらに、マトリクス２’は導電性線状体２と実質的に同質な、電力輸送用の導電性材料、例えば、銅、銅系合金、アルミ又はアルミ系合金などの導電性の高い材料とすれば、マトリクス２’と導電性線状体２との強固な接着を得ることができる。つまり、高強度連続長繊維体３の高い機械的強度と高い導電効率を複合トロリ線１に効率よく与えることができる。

ところで、図３に示すように、複合トロリ線１を使用していると、パンタグラフの舟体との摺動面となる面１１が摩耗により上方へ向けて移動していく。面１１が高強度連続長繊維体配置領域４に達して高強度連続長繊維体３がその表面に裸出しても高強度連続長繊維体３は分散配置されているので、舟体との摺動面における電気抵抗の急激な上昇を抑制できる。また、高強度連続長繊維体３が一気に抜け落ちることもなく、複合トロリ線１の機械的強度を急激に低下させることもない。すなわち、複合トロリ線１は使用中における摺動摩耗に対して、電気的及び機械的な安定性に対する信頼性が高いのである。

上記した複合トロリ線１は、高強度連続長繊維体３をマトリクス２’からなる細管内に配置し、導電性線状体２の導電性材料とともにダイスを使って線引き成形するなどの製造方法で得られる。かかる方法によれば、高強度連続長繊維体３の間には金属材料２’が介在し、高強度連続長繊維体配置領域４のマトリクスは金属材料２’からなるのである。

以上のようにして得られる複合トロリ線１では、高強度連続長繊維体３に導電性線状体２の熱膨張を抑制するよう低い熱膨張係数を有する高分子材料を選択すると、複合トロリ線１に与えられる熱履歴が大きくなっても、複数の高強度連続長繊維体３のそれぞれがマトリクス２’で包囲されるよう独立して分散配置されていることから、高強度連続長繊維体３とマトリクス２’との間での熱膨張係数の差による歪みを分散でき、高強度連続長繊維体３とマトリクス２’との間で剥離を生じづらいのである。例えば、負の熱膨張係数を有する高分子材料をも適用することができるのである。

つまり、高強度連続長繊維体３を分散配置することで、複合トロリ線１は複合架空線として効率よく高い機械的強度を与えられるのである。

なお、ハンガーの留め金が係止されるＶ字溝６を設けなければ、トロリ線を吊架するための吊架線であるとともに、トロリ線に電力を補助的に導くための電力線でもあるき電吊架線として複合トロリ線１を用いることもできる。

＜実施例２＞
本発明の他の実施例による複合トロリ線について図４を用いてその詳細を説明する。

図４に示すように、複合トロリ線２１は、実施例１と高強度連続長繊維体配置領域４内における高強度連続長繊維体３の配置を異にしている。複合トロリ線２１の長手方向の中心軸近傍に配置される高強度連続長繊維体３は、Ｖ字溝６同士を結ぶ線を挟んで、パンタグラフの舟体との摺動面となる面１１の反対側（上方側）においてその数密度を高めるように分散配置されている。

かかる複合トロリ線２１では、その使用中において、摺動面となる面１１が摺動摩耗により上方へ向けて移動する。一方、Ｖ字溝６には、吊架線から伸びるハンガーの留め金が係止されるため、この一対のＶ字溝６を結ぶ線を越えて摺動面となる面１１が上方へ進むことはない。つまり、高強度連続長繊維体３の本数を実質的に実施例１と同様の本数だけ配置しながら、摺動摩耗によって表面に裸出し、パンタグラフの舟体との摺動により擦り切れてしまう高強度連続長繊維体３の数を減じることができる。すなわち、実施例１と同様の機械的強度ながら、複合トロリ線２１の機械的強度の低下に対する信頼性を高めることができる。

＜実施例３＞
本発明の他の実施例による吊架線について図５及び図６を用いてその詳細を説明する。

図５に示すように、吊架線４１は、トロリ線を吊架し空中支持するための架空線である。吊架線４１は、複数の素線４０を撚り合わせた撚り線である。

図６に示すように、素線４０は略円形の断面を有し、例えば鋼又は鉄系合金などの金属材料からなる線状体４２と、線状体４２の機械的強度を高めるためにその長手方向中心軸近傍に芯線として与えられる高強度連続長繊維体３とを含む。ここでも、複数の高強度連続長繊維体３を集中的に分散配置させた領域を高強度連続長繊維体配置領域４とし、マトリクス４２’は線状体４２と実質的に同質である金属材料からなる。

かかる吊架線４１でも、実施例１と同様、高強度連続長繊維体３を素線４０の線状体４２に分散配置することで、これを撚り合わせた撚り線としての吊架線４１についても効率よく高い機械的強度を与え得るのである。

以上、本発明による代表的実施例を説明したが、本発明は必ずしもこれに限定されるものではなく、当業者であれば、本発明の主旨又は添付した請求項の範囲を逸脱することなく種々の代替実施例及び改変例を見出すことができるだろう。

１ 複合トロリ線
２ 導電性線状体
２’、４２’ マトリクス
３ 高強度連続長繊維体
４ 高強度連続長繊維体配置領域
６ Ｖ字溝
１１ 面
４１ 吊架線
４２ 線状体

Claims (5)

1. 導電性金属材料からなる線状体の長手方向軸に沿って芯線を埋入させた鉄道車両に電気を導くための鉄道用の複合トロリ線であって、
   前記導電性金属材料よりも低い熱膨張係数を有する高分子材料からなる単体の長繊維又はこれを束ねた繊維束からなる前記芯線の複数をそれぞれ独立させて分散配置した配置領域を前記線状体の断面の中心部に与え、
   前記断面において、前記配置領域の前記芯線の数密度をトロリ摺動面側へ向けてより低くなるようにしたことを特徴とする複合トロリ線。
2. 前記芯線を前記導電性金属材料からなる細管内に配置してダイスにより線引き成形し前記導電性金属材料で前記芯線の各々を包囲させたことを特徴とする請求項１記載の複合トロリ線。
3. 前記高分子材料は負の熱膨張係数を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の複合トロリ線。
4. 前記断面において、吊下のための一対の係止溝を側面対称位置に有し、前記トロリ摺動面は一対の前記係止溝と９０度回転させた側面位置のいずれか一方であることを特徴とする請求項１乃至３のうちの１つに記載の複合トロリ線。
5. 前記線状体は銅、アルミニウム、又は、これらの合金のいずれかからなることを特徴とする請求項１乃至４のうちの１つに記載の複合トロリ線。