JP2020009620A - 電線用耐熱コア - Google Patents

Abstract

【課題】長期間にわたって高温に晒されても引張強度を維持することができる，または引張強度の低下を抑制することができる，電線用耐熱コアを提供する。【解決手段】電線用耐熱コア10は，周囲に撚り合わされる複数本のアルミ線21，31を中心から支持するもので，７本の耐熱ＣＦＲＰケーブル11を撚り合わせることによって作られている。耐熱ＣＦＲＰケーブル11のそれぞれは，長手方向に連続する複数本の炭素繊維を束ねた繊維束と上記繊維束に含浸されるエポキシ樹脂とから構成されるＣＦＲＰケーブルと，ＣＦＲＰケーブルの表面に設けられ，空気中の酸素を上記ＣＦＲＰケーブルに触れにくくする酸素遮断層とを備えている。【選択図】図１

Description

この発明は，電線用耐熱コアに関する。

鉄塔と鉄塔との間に長距離にわたって張り渡される架空送電線には，軽量であること，引張強度が大きいこと，大電流を流すことができること等が求められる。亜鉛メッキ鋼線の単線または撚り線（鋼線コア）が中心に配置され，その周囲に複数本のアルミ線が撚り合わされた鋼心アルミ線（ＡＣＳＲ）（Aluminum Conductor Steel Reinforced ）が架空送電線として主流であるが，近年では，さらなる軽量化や引張強度の増強を図るために，鋼線コアに代えて繊維強化プラスチック製コアを採用した繊維心アルミ線（ＡＣＦＲ）（Aluminum Conductor Fiber Reinforced ）も架空送電線として用いられている。繊維強化プラスチック製コアは電線の補強材としての利用に適している。

アルミ線を流れる電流によって架空送電線は恒常的に 100℃を超える熱に晒される。架空送電線を構成するアルミ線については，アルミニウムにジルコニウム等を添加した耐熱アルミ合金を用いることで軟化温度を高め，引張強度を維持することが行われている。他方，架空送電線を構成する繊維強化プラスチック製コアについては，耐熱性に優れるビスフェノールＡ型エポキシ樹脂，多官能型エポキシ樹脂等を，繊維に含浸させるといった耐熱対策が行われている。また，特許文献１は，エポキシ樹脂とアルミニウムまたはニッケルのいずれかとの混合物を繊維強化複合材に被覆することによって耐摩耗性，耐食性を繊維強化複合材に持たせるものを記載する。

特開２００１−２８７３１２号公報

一般的に，架空送電線は，山岳地帯，着氷雪地帯，海峡や河川横断など，地形的条件または自然条件の過酷な地域に張り渡され，長期にわたって張り替えられることなく使用される。したがって，架空送電線の補強材として用いられる繊維強化プラスチック製コアについても， 100℃を超える熱に長期間にわたって晒されてもその引張強度の低下をできるだけ抑制することが求められる。

この発明は，長期間にわたって高温に晒されても所定の引張強度を維持することができる，または引張強度の低下を緩やかにすることができる，電線用耐熱コアを提供することを目的とする。

この発明による電線用耐熱コアは，周囲に撚り合わされる複数本の導電性金属線を中心から支持するものであって，長手方向に連続する複数本の繊維を束ねた繊維束と上記繊維束に含浸される樹脂とから構成される繊維強化樹脂ケーブル，および上記繊維強化樹脂ケーブルの表面に設けられ，空気中の酸素を上記繊維強化樹脂ケーブルに触れにくくする酸素遮断層を備えている。

繊維強化樹脂ケーブルを構成する繊維は，炭素繊維，ガラス繊維，ボロン繊維，アラミド繊維，ポリエチレン繊維，ＰＢＯ（poly p-phenylenebenzobisoxazole ）繊維，その他の繊維を含む。これらの繊維は非常に細く，複数本の繊維を束ねることで樹脂を含浸させることができる。

繊維強化樹脂ケーブルを構成する樹脂は，熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂のいずれであってもよい。エポキシ，飽和ポリエステル，ビニルエステル，フェノール，ポリアミド，ポリカーボネート等を用いることができる。

この発明による電線用耐熱コアは，繊維強化樹脂ケーブルの表面に酸素遮断層を設けたものである。酸素遮断層が表面に設けられているので，電線用耐熱コアを構成する繊維強化樹脂ケーブルは空気中の酸素に触れにくい。繊維強化樹脂ケーブル，より詳細には繊維強化樹脂ケーブルを構成する樹脂の酸化を防止する，または少なくとも酸化の進行を抑制する（遅らせる）ことができる。

樹脂（プラスチック）は高温下において容易に酸化され，その結果として物性低下が生じる。ここで電線は，電流が流れることによる発熱を避けることができず，したがって電線の補強材として電線の中心に設けられる電線用コアも長期間にわたって高温に晒され，酸化されやすい雰囲気下に長期間にわたって置かれることになる。この発明によると，上述のように，酸素遮断層によって電線用コアの酸化が防止されるまたは少なくとも抑制されるので，電線用コアが高温環境下で早期に酸化劣化し，早期にその引張強度が低下してしまうのを防止することができる。この発明による電線用耐熱コアは長期耐熱性をその特性として具備する。

一実施態様では，上記繊維強化樹脂ケーブルが，それぞれが，樹脂が含浸された複数本の繊維を有し，これらがそれぞれ束にまとめられた複数本の樹脂含浸繊維束を備えている。電線用耐熱コアを構成する繊維強化樹脂ケーブルを，複数本の樹脂含浸繊維束を束ねたものとすることによって，電線用耐熱コアに柔軟性を付与することができる。

好ましくは，上記複数本の樹脂含浸繊維束が，中心に配置された心線と，上記心線の周囲に撚り合わされた複数本の側線とを含む。柔軟性に加えて，高い引張強度や優れた耐疲労性を，電線用耐熱コアに付与することができる。

複数本の樹脂含浸繊維束を束ねることによって構成される繊維強化樹脂ケーブルを備える電線用耐熱コアについては，上記酸素遮断層は，上記繊維強化樹脂ケーブルの表面に設けてもよいし，複数本の樹脂含浸繊維束のそれぞれの表面に設けてもよい。

たとえば，上記酸素遮断層がテープ状であり，上記繊維強化樹脂ケーブルの表面に，または上記繊維強化樹脂ケーブルを構成する複数本の樹脂含浸繊維束のそれぞれの表面に，巻き付けられている。他の実施態様では，上記酸素遮断層が液状またはペースト状であり，上記繊維強化樹脂ケーブルの表面に，または上記繊維強化樹脂ケーブルを構成する複数本の樹脂含浸繊維束のそれぞれの表面に塗布されている。

一実施態様では，上記酸素遮断層が酸素透過を阻止する高分子材料によって構成されている。他の実施態様では，上記酸素遮断層が酸素を吸着除去する無機粒子によって構成されている。いずれにしても，繊維強化樹脂ケーブルの酸化を少なくとも遅らせるために酸素遮断層が用いられる。

上記無機粒子は，上記繊維強化樹脂ケーブルの表面に接着されるバインダー中にコンパウンドしてもよいし，上記繊維強化樹脂ケーブルの表面に接着されるバインダーの表面に付着させてもよい。無機粒子を繊維強化樹脂ケーブルの表面に接着するためのバインダーに，上述した酸素透過を阻止する高分子材料を用いてもよい。

電線の斜視図である。 耐熱ＣＦＲＰケーブルの拡大断面図である。 （Ａ）は一実施態様の耐熱ＣＦＲＰケーブルの斜視図を，（Ｂ）は他の実施態様の耐熱ＣＦＲＰケーブルの斜視図を，それぞれ示す。 （Ａ）および（Ｂ）は他の実施態様の耐熱ＣＦＲＰケーブルの横断面の一部を示す拡大断面図である。 （Ａ）および（Ｂ）は耐熱ＣＦＲＰケーブルおよびＣＦＲＰケーブルの劣化試験の試験結果を示すグラフである。 他の実施態様の電線用耐熱コアの拡大断面図である。

図１は電線１の斜視図であり，電線１の中心に位置する電線用耐熱コア10，および電線用耐熱コア10の周囲の導電層20のそれぞれの一部を露出して示している。図２は，図１に示す電線用耐熱コア10を構成する，後述する耐熱ＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics）（炭素繊維強化プラスチック）ケーブル11の拡大断面図である。図示の便宜上，図１と図２の縮尺を異ならせている。

電線１は，電線用耐熱コア10と，電線用耐熱コア10の周囲を包囲する導電層20，30とから構成される。電線用耐熱コア10は電線１の補強材として用いられる。電流は電線用耐熱コア10の周囲の導電層20，30を流れる。

図１を参照して，電線用耐熱コア10は，中心に位置する１本の長尺の耐熱ＣＦＲＰケーブル11（心線）と，その周囲に撚り合わされた６本の長尺の耐熱ＣＦＲＰケーブル11（側線）の，合計７本の耐熱ＣＦＲＰケーブル11によって構成されている。図２を参照して，耐熱ＣＦＲＰケーブル11のそれぞれは，多数本の長尺の炭素繊維（素線）13を断面円形に束ね，これにエポキシ樹脂14を含浸し，その後にエポキシ樹脂14を硬化させることによって形成されるＣＦＲＰケーブル（炭素繊維トウ，炭素繊維ストランド）12の表面に，酸素遮断層（ガスバリア層）15を被覆したものである。ＣＦＲＰケーブル12には数万本から数十万本の炭素繊維13が含まれており，電線用耐熱コア10の全体には数十万本から数百万本の炭素繊維13を含ませることができる。炭素繊維13の本数または耐熱ＣＦＲＰケーブル11の本数によって，電線用耐熱コア10の直径は任意に調整することができる。心線としての耐熱ＣＦＲＰケーブル11と，その周囲に撚り合わされる複数本の側線としての耐熱ＣＦＲＰケーブル11とによって電線用耐熱コア10を形成することによって，高い破断強度と優れた柔軟性をもち，耐疲労性にも優れた電線用耐熱コア10とすることができる。もっとも，心線と側線とに区別することなく複数本の耐熱ＣＦＲＰケーブル11を一緒に束ねたまたは撚り合わせたものを電線用耐熱コア10としてもよい。さらに，特に電線１の直径が細ければ，単線の耐熱ＣＦＲＰケーブル11をそのまま電線用耐熱コア10として用いてもよい。

酸素遮断層15は，ＣＦＲＰケーブル12，より詳細にはＣＦＲＰケーブル12に含まれるエポキシ樹脂14が酸素に触れないようにする，または触れにくくするためのものである。これはエポキシ樹脂14の酸化劣化，特に高温雰囲気下における酸化劣化を遅らせ，エポキシ樹脂14の酸化劣化に起因する耐熱ＣＦＲＰケーブル11ないし電線用耐熱コア10の引張強度の低下を抑制するためであり，詳しくは後述する。高温雰囲気下におけるＣＦＲＰケーブルの引張強度の低下を抑制することを主目的とすることから，酸素遮断層15を備えるＣＦＲＰケーブル12を，この明細書において耐熱ＣＦＲＰケーブル11と呼んでいる。

ＣＦＲＰケーブル12が酸素に極力触れないようにすることに着目すれば，酸素遮断層15としては気体透過係数の小さい高分子材料が適当である。しかしながら，気体透過係数のみならず，機械的特性（引張り特性，圧縮特性，曲げ特性，せん断特性など），成形加工性など，電線１の補強材として用いられる電線用耐熱コア10の特性を考慮した高分子材料を選択するのが好ましい。シリコン，ポリイミド，ポリカーボネート，ポリ塩化ビニル，ポリアクリロニトリル，ポリビニルアルコール，その他の高分子材料を，たとえば10μｍ〜 300μｍの層厚とした酸素遮断層15が，７本のＣＦＲＰケーブル12のそれぞれの表面全体に設けられる。

導電層20，30は，上述した電線用耐熱コア10の周囲に配列される複数本のアルミ線21，31によって形成される。図１に示す電線１は，電線用耐熱コア10を包囲する断面台形の６本のアルミ線21によって構成される導電層20と，導電層20を包囲する断面台形の10本のアルミ線31によって構成される導電層30の２層構造を持つ。アルミ線21，31は，いずれも電線１の長手方向に伸びかつ緩やかに捩じられており，電線用耐熱コア10の周囲にらせん状に巻き付けられている。電線用耐熱コア10を包囲する導電層の層数，ならびに導電層20，30の各層を構成するアルミ線21，31の本数および形状は，適宜変更することができる。たとえばアルミ線21，31の断面形状は円形であってもよい。

図３（Ａ）および（Ｂ）は酸素遮断層15の具体的構成を示している。

図３（Ａ）に示すように，たとえばポリイミドテープ17によって，酸素遮断層15を形成することができる。たとえば幅15mmのポリイミドテープ17が，端部同士をわずかに重ね合わせながら，ＣＦＲＰケーブル12にすき間なくらせん状に密着して巻き付けられる。

図３（Ｂ）に示すように，液状またはペースト状の樹脂18，たとえばシリコンオイルやシリコンゴムを，酸素遮断層15として用いることもできる。押出し機を用いることによって，または樹脂18を溜めた槽内にＣＦＲＰケーブル12を通過させることによって，ＣＦＲＰケーブル12の表面全体に樹脂18をほぼ等厚に密着して被覆することができる。

上述した図３（Ａ）および図３（Ｂ）に示す態様の酸素遮断層15は，空気中の酸素を遮断してＣＦＲＰケーブル12に酸素が極力触れないようにするものである。空気（酸素）の遮断に代えてまたは加えて，ＣＦＲＰケーブル12の表面の酸素を吸収除去し，これによってＣＦＲＰケーブル12に酸素が極力触れないようにすることも考えられる。

図４（Ａ）は，多数の無機粒子42がコンパウンドされたエポキシ樹脂14が表面に被覆されたＣＦＲＰケーブル12の一部拡大断面図を示している。無機粒子42には，酸素吸収性を有する無機粒子，たとえば鉄，マンガン，白金，アルミニウム，亜鉛，スズ，マグネシウム，クロム，珪素，セリウム，チタン，銅等の粒子を用いることができる。２つ以上の上記金属含む合金であってもよい。この実施態様では，多数の無機粒子42をＣＦＲＰケーブル12の表面に固着させるバインダーとしてエポキシ樹脂14が用いられている。無機粒子42および無機粒子42がコンパウンドされたエポキシ樹脂14が酸素遮断層15として機能する。無機粒子42には，たとえば数ｎｍ〜 200μｍ程度の比較的細かい直径（平均直径）を有するものを用いることができる。

図４（Ｂ）は，ＣＦＲＰケーブル12の表面にエポキシ樹脂14を塗布し，塗布されたエポキシ樹脂14をバインダーとして用いて，エポキシ樹脂14の表面に多数の無機粒子42を付着させたものである。エポキシ樹脂14およびエポキシ樹脂14の表面に付着した多数の無機粒子42が酸素遮断層15として機能する。

いずれにしても，酸素遮断層15によってＣＦＲＰケーブル12に酸素が触れにくくなるので，ＣＦＲＰケーブル12の酸化劣化を遅らせることができる。

図５（Ａ），（Ｂ）は電線１の電線用耐熱コア10を構成する上述した耐熱ＣＦＲＰケーブル11（被試験体）についての劣化試験の試験結果を示すグラフである。図５（Ａ）は，横軸を経過時間（単位は時間（hr）），縦軸を破断荷重（単位はｋＮ）とするグラフを，図５（Ｂ）は，横軸を経過時間，縦軸を強度保持率（単位は％）とするグラフを，それぞれ示している。強度保持率は劣化試験後の破断荷重を初期破断荷重によって除算して100 を乗算した値である。

電線１に高電流が通されたときに生じる温度は電流量によって変動するが，典型的には約120℃である。劣化試験は，より過酷な温度条件，具体的には240℃の環境下に被試験体を置き，時間経過に応じて被試験体の破断荷重および強度保持率がどのように変化するかを測定したものである。プラスチックの酸化は高温下において加速するので，この劣化試験は加速劣化試験と位置づけられる。

直径 2.6mmのＣＦＲＰケーブル12に酸素遮断層15としてポリイミドテープ17を巻き付けた耐熱ＣＦＲＰケーブル11（図３（Ａ）参照）を作成し，これを 240℃の加熱炉の中に入れ，試験開始時， 600時間経過後，1000時間経過後に，破断荷重をそれぞれ測定した。また，比較のために，酸素遮断層15を持たない直径 2.6mmのＣＦＲＰケーブル12も加熱炉に入れ，試験開始時，408時間経過後，600時間経過後， 984時間経過後に，破断荷重をそれぞれ測定した。図５（Ａ）に示すグラフにおいて，実線が耐熱ＣＦＲＰケーブル11の破断荷重を，破線が酸素遮断層15を持たないＣＦＲＰケーブル12の破断荷重を，それぞれ示している。図５（Ｂ）に示すグラフも同様であり，実線が耐熱ＣＦＲＰケーブル11の強度保持率を，破線がＣＦＲＰケーブル12の強度保持率を，それぞれ示している。

耐熱ＣＦＲＰケーブル11（実線）およびＣＦＲＰケーブル12（破線）のいずれについても，時間が経過するにしたがって破断荷重は低下している。しかしながら，酸素遮断層15を持たないＣＦＲＰケーブル12（破線）に比べて，酸素遮断層15を備える耐熱ＣＦＲＰケーブル11（実線）の破断荷重の減少は明らかに緩やかであり，高温環境下において，引張強度の経時的低下を遅らせる（緩やかにする）ことができている。耐熱ＣＦＲＰケーブル11を用いることで，電線用耐熱コア10が所定の引張強度に低下するまでの時間を，ＣＦＲＰケーブル12を用いる場合に比べて確実に延ばすことができる。

上述した実施例においては，７本のＣＦＲＰケーブル12のそれぞれの表面に酸素遮断層15を被覆した７本の耐熱ＣＦＲＰケーブル11によって形成された電線用耐熱コア10（図１参照）を説明したが，図６に示すように，７本のＣＦＲＰケーブル12を束ね，これに酸素遮断層15を被覆することによって電線用耐熱コア10Ａを作成してもよい。図６に示すように，酸素遮断層15によって外側の６本のＣＦＲＰケーブル12（側線）の表面が直接的に覆われ，中心に位置する１本のＣＦＲＰケーブル12（心線）についても酸素遮断層15によって間接的に覆われるので，７本のＣＦＲＰケーブル12の酸化劣化が抑制され，高温環境下における電線用耐熱コア10Ａの引張強度の経時的低下を遅らせる（緩やかにする）ことができる。なお，酸素遮断層15として液状またはペースト状の樹脂を用いることで，心線と側線との間の間隙に酸素遮断層15を入り込ませ，心線および側線の表面の大部分に酸素遮断層15を設けることもできる。

１ 電線
10，10Ａ 電線用耐熱コア
11 耐熱ＣＦＲＰケーブル
12 ＣＦＲＰケーブル（樹脂含浸繊維束）
13 炭素繊維
14 エポキシ樹脂
15 酸素遮断層
17 ポリイミドテープ
20，30 導電層
21，31 アルミ線
42 無機粒子

Claims (9)

1. 周囲に撚り合わされる複数本の導電性金属線を中心から支持する電線用耐熱コアであって，
   長手方向に連続する複数本の繊維を束ねた繊維束と上記繊維束に含浸される樹脂とから構成される繊維強化樹脂ケーブル，および
   上記繊維強化樹脂ケーブルの表面に設けられ，空気中の酸素を上記繊維強化樹脂ケーブルに触れにくくする酸素遮断層を備えている，
   電線用耐熱コア。
2. 上記繊維強化樹脂ケーブルが，
   それぞれが，樹脂が含浸された複数本の繊維を有し，これらがそれぞれ束にまとめられた複数本の樹脂含浸繊維束を備えている，
   請求項１に記載の電線用耐熱コア。
3. 上記複数本の樹脂含浸繊維束が，
   中心に配置された心線と，
   上記心線の周囲に撚り合わされた複数本の側線とを含む，
   請求項２に記載の電線用耐熱コア。
4. 上記酸素遮断層がテープ状であり，上記繊維強化樹脂ケーブルの表面に，または上記繊維強化樹脂ケーブルを構成する複数本の樹脂含浸繊維束のそれぞれの表面に，巻き付けられている，
   請求項２に記載の電線用耐熱コア。
5. 上記酸素遮断層が液状またはペースト状であり，上記繊維強化樹脂ケーブルの表面に，または上記繊維強化樹脂ケーブルを構成する複数本の樹脂含浸繊維束のそれぞれの表面に塗布されている，
   請求項２に記載の電線用耐熱コア。
6. 上記酸素遮断層が酸素透過を阻止する高分子材料によって構成されている，
   請求項１から５のいずれか一項に記載の電線用耐熱コア。
7. 上記酸素遮断層が，酸素を吸着除去する無機粒子によって構成されている，
   請求項１から５のいずれか一項に記載の電線用耐熱コア。
8. 上記無機粒子が，上記繊維強化樹脂ケーブルの表面に接着されるバインダー中にコンパウンドされている，
   請求項７に記載の電線用耐熱コア。
9. 上記無機粒子が，上記繊維強化樹脂ケーブルの表面に接着されるバインダーの表面に付着されている，
   請求項７に記載の電線用耐熱コア。

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