JP6118823B2 - 非導電性構造体内の電流リターン回路網の接続方法、等電位シャント接続、および等電位ボンディング - Google Patents

非導電性構造体内の電流リターン回路網の接続方法、等電位シャント接続、および等電位ボンディング Download PDF

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Description

本発明は、構造体、特に、航空機胴体、鉄道車両、建造物、または自動車内の電流リターン電気回路網の等電位ボンディング接続方法に関する。本発明は、特に、複合材料製外皮を有する新世代の航空機の電気回路網に関する。本発明は、さらに、非導電性構造体において前記方法を実行するための等電位シャントコネクタおよび該等電位シャントコネクタを有する電流リターン回路網に関する。
新世代の外皮の複合材料は、不均一な炭素繊維系材料を有する。従来は、回路網を形成する電気配線の機能は、特に、消費者機器からの電流リターン、全ての金属加工品を同じ電位に設定すること、電気設備の電磁環境適合性(EMC)保護、雷電流(間接的であるか、または誘導されたかは関係なく)放電、および静電荷帯電は、前世代のアルミニウム外皮によって果たされていた。
したがって、本発明は、構造または構造体のシェルが非導電性である場合に、電気の通過が上述の相互接続機能の少なくともいくつかのメンテナンスを必要とする任意の構造に適用できることを目的とする。
炭素系複合材料は、平均的な導電体であり、ジュール効果による発熱に対する耐性が低い。したがって、このタイプの被覆材は、上述の機能を実行するのに使用することはできない。
複合材外皮の航空機において電線を接続する機能を実行できるようにするには、従来は、金属加工品で形成された構造体を使用して電気回路網が形成されている。全体としては、図1aの航空機胴体100の断面図で示されているように、このタイプの回路網は、胴体100の構造用炭素フレーム102に沿って設置される。基本的には、フレーム102を覆う複合材料製の外側外皮101を有するこの胴体は、電気伝導性の低い材料で作られる。より詳細には、回路網は、長手方向の3つの主回路網、すなわち、
特に、荷物室用金属ブラケット111、異形ケーブル通路112、および中央金属ブラケット113を有する「上部回路網」として周知である胴体上部のリターン回路網110と、
特に、異形シートレール121および異形ケーブル通路122を備える中央部の「中央」リターン回路網120と、
特に、異形金属貨物レール131に基づく「下部回路網」として周知である下部のリターン回路網130と
の回路網によって形成される。
これらの長手方向回路網は、後述するように、構造体ロッド142およびワイヤ接続部によって接続される金属製横材141によって横方向に相互接続される。したがって、電流リターン回路網は、機能的安全性を高めるために回路網につながれる。
等電位接続部を形成するための任意の導体は、次のような基本的特性を有する。つまり、優れた電気伝導性を有する(または、すなわち、極めて低い抵抗で性能を保証する)、重量を最小限に抑えるために低密度である、必須条件としてコスト効率が高い、および他の技術的性能要件(耐用年数、環境耐性など)を満たす。アルミニウムは、これら全ての基準を全て満たす最も適した材料である。したがって、等電位接続部は、一般に、航空機向けのシリーズから選択された、大きな断面である(すなわち、「AWG10」ゲージより大きな断面である)、または約5mmより大きな断面を有する数本のアルミニウムケーブルで形成される。
図1bの正面図で示されているように、等電位接続部は、このタイプのケーブル201によって、例えば、頭上荷物室用ブラケット111を、一方は上部リターン回路網の中央ブラケット113に、他方は中央リターン回路網の金属製横材141に接合することで形成される。それぞれの頭上荷物室用ブラケット111とリターン回路ブラケット113または141との間には、少なくとも7つの等価電気抵抗が生じる。つまり、金属ブラケット111と113もしくは141との間の界面および接続端子202との間の界面の2つの抵抗、端子本体202の2つの電気抵抗、端子202とケーブル201との間の2つの界面抵抗、および大きな断面の1本のケーブル201の線形電気抵抗である。図示された例にあるように、頭上荷物室用ブラケット111がある場所には、このブラケットの導電部の抵抗が追加されなければならない。
組立ラインにおいて部品を組み立てるサイクルの最終的な時間を低減するために、端子を可動部と固定部とを有する単極コネクタと置き換えることができる。場合によっては、スタッドまたは端子片を使用して2つの端子を重ねることによって2本のケーブルが直接互いに接続される。
装置がリターン回路網用のブラケットを形成する金属部品から離れた位置にある場合、これらの装置の電流リターン回路網への接続は、特に線間電圧の降下を制御する必要があるので、これらの装置のできる限り近くで行われる。このような接続部は、通常、同時に伝達される荷重の強度に応じて、剛性または可撓性の中間金属ブラケットによって形成される。したがって、これらの接続部は、さらに寄生抵抗を引き起こす。これらのブラケットに取り付けられるのは、上部リターン回路網110ならびに中間リターン回路網120に接合されるケーブルの各部分および当該装置にボンディングされる端子である。この中間ブラケットは、回路網全体に、すなわち、リターン回路網間および各リターン回路網と前記装置との間にさらなる等価電気抵抗を引き起こす。
中間ブラケットの代替形態として、スタッドもしくは端子片を使用したトリプル接合が可能である。それぞれのスタッドもしくは端子片は、端子間で2つの等価界面電気抵抗を生じる。
上述の解決策は、等電位ボンディングを妨げるという主な欠点があり、その結果、信頼性、重量およびコストについての利益が低減する。
端末および単極コネクタ以外に、大きな断面のケーブルの電気相互接続はさらに、延長リード線を使用する。
しかし、この接続形態は、現在では、等電位接続部を形成するのに使用されているが、元来、単に大きな断面のアルミニウム合金製ケーブルの終端接続部を形成するように設計されたものであった。この方法により、大きな断面の数本のケーブルの端部間を相互接続して、上述した電流リターン回路網の種々の部分間で等電位接続部を形成することができる。
ここで、特に、複合材料製航空機胴体において現在必要となるのは、複数の部分(すなわち、上部、中央、および下部)において形成される電流リターン回路網の構造体が等電位配線接続部を介してシャント接続されることである。等価抵抗の点では不利である中間部分に関して上述した接続手段で示されているように、周知の解決策は、電気的に、さらに重量、コストおよび信頼性の点において有効である等電位接続部を形成することができない。したがって、接続部のケーブルのゲージが大きくなると、
接続形態のケーブルの重量および結合する中間ブラケットの重量の増加、
材料コスト費用の増加、
引き回しコストの上方修正
をもたらす。
本発明の目的は、相互接続を容易にすると同時に性能を維持することによって、周知のコネクタ手段の欠点を克服することである。特に、安全性の理由から、本発明の目的は、例えば、およそ数ミリオームの領域において全等価抵抗を有する低抵抗率の点で電気的に有効であるリターン回路網の部分間の等電位接続部を形成することである。さらに、本発明は、多数のケーブルが全体として電流リターン回路網の予想される信頼性を損なうということにも関わらず、航空機の耐用年数にわたって規定の相互接続機能を維持する。
本発明によって採用される方法は、大きな断面のアルミニウムケーブルに等電位ボンディング機能を付与するものであり、このボンディングは、直接的接触により、物理的に接続可能な数の装置に電気的に接続される。
より詳細には、本発明は、非導電性構造体内の電流リターン回路網の等電位ボンディング接続方法に関する。この回路網は、互いに離間した位置にある主電流リターン回路網を備え、主電流リターン回路網がまとまって1つの電流リターン回路網を形成するように等電位接続部が主回路網を接合する。接続部は、主回路網間の等電位接続部を一体的に形成する大きな断面のアルミニウムケーブルによって形成される。装置は、ケーブルを妨げずに等電位接続部に沿って連続して配置され、電気的かつ機械的に密着して取り付けることで作成される直接中間接続部によって、出来るだけ近くの位置で電気的に接続される。それぞれの相互接続部は、窓部剥離によって形成された中央接触領域を囲む2つの封止領域を有する。有利には、この電流リターン回路網の全体的な電気性能は、中間相互接続部の数に関係なく、抵抗率に関して最適な状態で維持される。
好適な実施形態によれば、
各接続部は、ねじ留め、リベット打ち、はんだ付け、溶接、圧着、および焼き嵌めの中から選択される剛性接続技術によって取り付けられ、
電気的接触を改善し、酸化を防ぐために、各相互接続部が取り付けられる前にシース剥離部上に導電体が適用され、
あるいは、金属表面加工が施され、
各接続部は、相互接続部を取り付けるための領域からずれた電気的取り付け領域を有する。
本発明はさらに、非導電性構造体内の主電流リターン回路網を等電位ボンディングする大きな断面のアルミニウム合金製ケーブルとこの構造体内の電気装置との間のインライン等電位シャントコネクタに関する。このシャントコネクタは、剛性接続手段によってケーブルに取り付けるための実質的に円筒状の金属スリーブと、装置用ブラケットに取り付けられるようにスリーブを延長するアタッチメント手段とを備える。取り付けスリーブは、シール部を収容し、中央領域内に形成された窓部内で予め剥離されたケーブルと電気的に接触する中央領域を囲む2つの端部から成る。
特定の実施形態によれば、
剛性接続の前に等電位ボンディングケーブルに対する角度位置を調節するためにスリーブの少なくとも一方の端部に沿って切欠部が設けられ、
剛性接続手段は、パンチおよびダイによる圧着であり、
スリーブの端部は、アルミニウム端子用のタイプの工具を使用して、ケーブルの絶縁シースに圧着され、
スリーブは、耐食性保護金属被膜で被覆された内壁を有し、
あるいは、ケーブルの剥離コアは、導電性グリースの層で被覆され、
圧着時に生じたグリースの過剰分をシール部とケーブルとの間に閉じ込めずに受け取ることができるように、スリーブとケーブルとの間およびケーブルの剥離窓部とスリーブの端部の少なくとも1つのシール部との間に凹部が形成され、
あるいは、スリーブの端部がケーブルの剥離窓部とスリーブの内表面との間の電気的圧着領域と連通できるように、一定量の導電性グリースを注入するためにスリーブを通るチャネルが形成され、その後、切欠部によってスリーブを配向した後に、圧着によってこのチャネルを封止することができ、
電気的圧着領域は、スリーブの中央領域でアタッチメント手段から軸方向にずらされる。
本発明はさらに、装置と、非導電性構造体内で本発明の接続方法を実行することができるように電流リターン回路網の主回路網間を接続する働きをする大きな断面の少なくとも1つのアルミニウム合金製ケーブルとの間の該等電位シャントコネクタを備えた電流リターン回路網に関する。ケーブルは、任意の周知の手段、例えば、端子、単極コネクタ、端子片などによって、主回路網用ブラケットに接続される。
本発明を実行するための他の態様および異なる特徴は、添付図面を参照した以下の詳細な説明を読めば明らかになるであろう。
航空機胴体および電流リターン回路網の断面図である。 (上述した)先行技術の主回路網間の等電位接続部の図である。 本発明の主回路網と装置ブラケットとの間の接続部の形態の等電位ボンディング接続部の一例の正面図である。 3つの装置が図2の接続部に結合される場所の等価電気抵抗を示した図である。 本発明の接続部のシャントコネクタの一例の正面図である。 本発明の接続部のシャントコネクタの一例の平面図である。 本発明の接続部のシャントコネクタの一例の断面図である。 本発明の接続部のシャントコネクタの一例の長手方向断面図である。 過剰な導電性グリースを受け取るための凹部を備えたシャントコネクタの一例の長手方向断面図である。 導電性グリースを注入するためのオリフィスを備えたシャントコネクタの一例の長手方向断面図である。 導電性グリースを注入するためのオリフィスを備えたシャントコネクタの一例の平面図である。 軸方向にずらされた電気的圧着領域とアタッチメント手段とを備えたシャントコネクタの一例の断面図である。
同じ参照符号または共通の語根を有するが、異なる図面において使用される参照符号は、同じ要素または技術的に同等の要素を指す。用語「上部」「中央」および「下部」は、標準的な使用形態または取り付け形態における相対的な位置を指す。用語「長手方向」は、一方向に延在する要素を示し、「横方向」は、この方向に直角な面内に延在する要素を限定する。
図2を参照すると、例えば、35mmの断面のアルミニウム製ケーブル1の形態で等電位ボンディング接続部が示されている。図示されている例では、このケーブル1は、図1aに示されている中央リターン回路網120と上部リターン回路網110との間の等電位接続部としての働きをする。上部回路網110および中央回路網120のケーブル1および金属ブラケット113、141はそれぞれ、端子202によって接合される。
接続部1に近く、頭上荷物室用ブラケット111に接合される装置は、ケーブルの2つの端部間の中間インライン等電位シャントコネクタ2(以降、「シャントコネクタ」とする)によって、この接続部に電気的に相互接続される。図示されている例では、シャントコネクタ2は、中央円筒状スリーブ2mと、ねじ20によってブラケット111に取り付けられるピン2pとを備える。ケーブルは妨げられないので、この結合では3つの抵抗のみが作用する。つまり、ケーブル1とシャントコネクタ2との間の界面抵抗、シャントコネクタ2本体の抵抗、およびシャントコネクタ2とブラケット111との間の界面抵抗である。
結合において作用する抵抗の数および値(典型的には、ミリオームとはるかに低い)は、極めて小さい。このボンディングの原理により、全電気抵抗に関しては、中間相互接続部の数に関係なく変化しないという最適な性能を達成することができる。したがって、図3は、等価抵抗の電気回路図に従って、シャントコネクタ2a〜2cによるブラケット111a、111b、および111cの3つの装置のケーブル1への接続を示している。ここで、
R1およびR7は、端子202と、両端でケーブル1に結合された上部ブラケット113および中間ブラケット141との間の界面抵抗を示し、
R3a〜R3cは、シャントコネクタ2a〜2cと装置用ブラケット111a〜111cとの間の界面抵抗を示し、
R2およびR6は、端子202本体の抵抗を示し、
R3およびR5は、ケーブル1と端子202との間の界面抵抗を示し、
R2a〜R2cは、シャントコネクタ2a〜2c本体の抵抗を示し、
R1a〜R1cは、ケーブル1とシャントコネクタ2a〜2cとの間の界面抵抗を示し、
R4は、妨げられることなくシャントコネクタ2a〜2c全てを完全に通過するケーブル1の抵抗を示している。
装置用ブラケット111a〜111cの接続部は、ケーブル1に沿って平行に順々に取り付けられるので、ブラケット113および141に接合されるケーブル1の両端間の接続部の全電気抵抗に変化はない。さらに、装置のいずれかと2つの主回路網110および120(図2)により形成される電流リターン回路網との間の全電気抵抗は、装置の数に関係なく、最小値で維持され変わらない。
図4a〜図4dを参照すると、本発明の接続部1上のシャントコネクタ2の一例が詳細に示されている。図4aの正面図および図4bの平面図に示されるように、シャントコネクタ2は両端が封止領域21まで延長された中央領域21を備え、これらの領域が円筒状スリーブ2m(図2参照)を形成する。さらに、中央領域21は、取り付け穴2t(図2の取り付けねじ20が貫通する)を備えた取り付けピン2pまで横方向に延長される。
面CCにおける図4cの断面図は、端部領域22の少なくとも一方に切欠部23が形成されていることを示している。これらの切欠部により、ケーブルに表示されているゲージ情報に従って、シャントコネクタ2をケーブル1に対して半径方向に角度配向を達成することができる。
図4dの断面図は、軸X’Xに沿ってケーブル1を前処理した結果を示した図である。この前処理は、領域21の中央にある圧着領域21s内の絶縁シース12を除去することによってコア11の窓部上のケーブルを剥離することである。図4dにはさらに、端部領域22に配置される円筒状シール部25が示されている。さらに、取り付けピン2pは、実質的に軸X’Xに沿って軸方向に、剥離コア11の窓部と位置合わせされることがわかる。
この場合、電気的圧着は、中央領域21に位置する電気的圧着領域21sで行われる。この圧着は、アルミニウム端子を圧着するのと同じように、パンチおよびダイをシャントコネクタの形状に合わせることによって行われる「深い圧着」タイプの圧着である。
有利には、中央圧着領域21内のシャントコネクタ2の内壁に耐食性保護金属被膜27が配置される。この保護被膜により、剥離コア11とカプラーの内壁との間の優れた電気的接触が確実に得られる。
この場合、機械的圧着は、電気的圧着を封止するために行われる。シール部25を囲む封止領域22は、アルミニウム端子で使用されたのと同じタイプの工具を使用してケーブル1の絶縁シース12に圧着される。したがって、同じサイズの場合、封止効率は端子に必要な封止効率に等しい。
また、有利には、例えば、金属表面による保護をせずにアルミニウムコアを有するケーブルに対して、表面処理の代わりに導電性グリースを使用することができる。さらに、このステップは、コアがアルミニウム線(例えば、銅被覆およびニッケルめっきが施された)で作られる場合に有利である。
これを行うためには、剥離コア11は、導電性のグリースの薄い層で予め被覆される。図5の長手方向断面図を参照すると、インラインシャント端子2’は、周辺凹部3を有するようにモデル化されている。カプラー2’が取り付けられる時に、グリースの過剰分は凹部3内に集められる。凹部の容積は、グリースの潜在的に可能な全体積を全体的に受け取ることができるように予め決定される。この凹部により、電気的圧着領域21s近くに配置され筐体内に挿入されたシール部25はグリース上では圧着されない。そのためには、切欠部(図4c参照)を使用してカプラーを配向した後に、圧着が行われる。
凹部の代替形態として、別の実施形態は、グリース注入チャネルを備えることにある。図6aおよび図6bの断面図および平面図を参照すると、円筒状チャネル4は、中央領域21s内のシャントコネクタ2’’を長手方向軸X’X(ケーブル1の長手方向軸と結合される)に直角に貫通する。あるいは、チャネルは傾斜軸を有してもよい。このチャネル4は、所望量のグリースを急速に注入し、ゲージ仕様に応じてシャントコネクタを配向して中央領域21sを圧着した後に、この圧着動作によって生じた材料の変位によってこのチャネルを封止するのに十分な直径を有する。この封止により圧着領域21s不貫通性を確実にする。
いくつかの工具(パンチおよびダイ)を再利用して端子を成形することができるように、シャントコネクタの取り付けピンと電気的圧着領域との間を軸方向にずらすのが有利である。図7の長手方向断面図を参照すると、カプラー2’’’のスリーブ2mは、剥離コア11の圧着領域21sと取り付けピン2pとを軸方向に重ならずに軸X’Xに沿って軸方向にずらすのに十分な長さである。
本発明は、上述の実施形態および図示されている実施形態に限定されない。特に、シャントコネクタの寸法は、ケーブルのゲージおよび絶縁シースに応じて合わせることができる。また、シャントコネクタの内壁の表面処理も、ニッケルめっき、錫めっきなどによって適切に処理することができる。さらに、適切な取り付け手段(複数の直角締結具、または仕切りによる)を使用して、シャントコネクタと構造体との全ての取り付け方法(電気的接続部および機械的接続部の両方を形成することができる)、例えば、ねじ留め、リベット打ち、はんだ付け、溶接、および焼き嵌めなどを使用することができる。
さらに、導電性部品もしくは非導電性部品は、金属表面処理に置き換えてもよいし、または側方シール部に置き換えてもよい。さらに、導電性グリースを使用する実施形態において、注入チャネルまたは捕集凹部は、任意の他の貯蔵手段または注入手段と置き換えてもよい。

Claims (15)

  1. 航空機内の電流リターン回路網の等電位ボンディング接続方法にして、この回路網は胴体に対して長手方向にあり互いに離間した位置にある主電流リターン回路網(110、120、130)を備え、前記主電流リターン回路網の少なくとも1つ(110)は横方向に離間した要素(111、112、113)によって形成され、主電流リターン回路網がまとまって1つの電流リターン回路を形成するように等電位接続部が主電流リターン回路網を接合する接続方法であって、等電位接続部は、主電流リターン回路網(110、120、130)間および横方向離間要素(111、112、113)間の等電位接続部を一体的に形成する大きな断面のアルミニウムケーブル(1)によって形成され、横方向離間要素(111、112、113)は、ケーブルを妨げずに等電位接続部に沿って連続して配置され、電気的かつ機械的に密着して取り付けることで作成される直接中間接続部(2、2’、2’’、2’’’)によって、それらの位置に出来るだけ近くで電気的に接続され、それぞれの直接中間接続部は、2つの不浸透性の領域(22)を有し、2つの不浸透性の領域(22)の間に、剥離コア(11)を囲む央領域(21)を有することを特徴とする、接続方法。
  2. 中央領域(21)の中央にある電気的圧着領域(21s)における絶縁シース12が除去され、剥離コア(11)をあらわにする、請求項1に記載の接続方法。
  3. 直接中間接続部(2、2’、2’’、2’’’)が、ねじ留め、リベット打ち、はんだ付け、溶接、圧着、および焼き嵌めの中から選択される剛性接続手段によってケーブルに取り付けられる、請求項1に記載の接続方法。
  4. それぞれの直接中間接続部(2、2’、2’’、2’’’)が取り付けられる前に、導電性材料が剥離コア(11)上に適用される、請求項1に記載の接続方法。
  5. 電気的接触を改善し、酸化を防ぐために、金属表面処理(27)が、中央領域(21)における直接中間接続部(2)の内壁上と、剥離コア(11)の周囲とに施される、請求項1に記載の接続方法。
  6. それぞれの直接中間接続部が、直接中間接続部(2、2’、2’’、2’’’)の取付部(2p)からずれた電気的圧着領域(21s)を有する、請求項1に記載の接続方法。
  7. 胴体に対して長手方向にあり互いに離間した位置にある主電流リターン回路網(110、120、130)を備え、前記主電流リターン回路網の少なくとも1つ(110)は横方向に離間した要素(111、112、113)によって形成され、主電流リターン回路網がまとまって1つの電流リターン回路を形成するように等電位接続部が主電流リターン回路網を接合するような、飛行機内の電流リターン回路網であって、等電位接続部は、主電流リターン回路網(110、120、130)間および横方向離間要素(111、112、113)間の等電位接続部を一体的に形成する大きな断面のアルミニウムケーブル(1)によって形成され、横方向離間要素は、剛性接続によってケーブル(1)に取り付けるための実質的に円筒状の金属スリーブ(2m)と横方向離間要素用ブラケット(111)に取り付けられるように金属スリーブ(2m)を延長するアタッチメント手段(2p)とを備えるインライン等電位シャントコネクタ(2、2’、2’’、2’’’)によって、それらの位置に出来るだけ近くで等電位接続部のケーブル(1)に電気的に接続され、前記金属スリーブ(2m)は、それぞれシール部(25)を収容し、ケーブル(1)と電気的に接触するための中央領域(21)を囲む2つの端部(22)から成り、前記中央領域(21)は、剥離コア(11)を囲むことを特徴とする、電流リターン回路網。
  8. 中央領域(21)の中央にある電気的圧着領域(21s)における絶縁シース12が除去され、剥離コア(11)をあらわにする、請求項7に記載の電流リターン回路網。
  9. 剛性接続手段が、パンチおよびダイによる圧着である、請求項に記載の電流リターン回路網。
  10. 端部(22)が、アルミニウム端子用のタイプの工具を使用して、ケーブル(1)の絶縁シース(12)上に圧着されている、請求項に記載の電流リターン回路網。
  11. 金属スリーブ(2m)が、耐食性保護金属被膜(27)で被覆された内壁を有する、請求項に記載の電流リターン回路網。
  12. 金属スリーブ(2m)の内表面およびケーブル(1)の剥離コア(11)は、金属表面処理が施される、請求項に記載の電流リターン回路網。
  13. ケーブル(1)の剥離コア(11)が、導電性グリース層で被覆される、請求項に記載の電流リターン回路網。
  14. 圧着時に生じたグリースの過剰分をシール部(25)とケーブル(1)との間に閉じ込めずに受け取ることができるように、金属スリーブ(2m)とケーブル(1)との間およびケーブル(1)の剥離コア(11)と金属スリーブ(2m)の端部(22)の少なくとも1つのシール部(25)との間に凹部(3)が形成される、請求項13に記載の電流リターン回路網。
  15. 金属スリーブの端部がケーブル(1)の剥離コア(11)と金属スリーブ(2m)の内表面との間の電気的圧着領域(21s)と連通できるように、一定量の導電性グリースを注入するために金属スリーブ(2m)を通るチャネル(4)が形成され、その後、切欠部(23)によって金属スリーブの半径方向の角度配向を達成した後に、剛性接続によってこのチャネル(4)を封止することができる、請求項13に記載の電流リターン回路網。
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