(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B1)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2025-04-07
(45)【発行日】2025-04-15
(54)【発明の名称】電力ケーブル
(51)【国際特許分類】
H01B 7/42 20060101AFI20250408BHJP
【FI】
H01B7/42 C
(21)【出願番号】P 2025008837
(22)【出願日】2025-01-22
【審査請求日】2025-02-05
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】323004813
【氏名又は名称】株式会社TOTOKU
(74)【代理人】
【識別番号】110001726
【氏名又は名称】弁理士法人綿貫国際特許・商標事務所
(72)【発明者】
【氏名】中山 毅安
(72)【発明者】
【氏名】山崎 哲
(72)【発明者】
【氏名】今村 博人
(72)【発明者】
【氏名】仲條 裕一
【審査官】遠藤 尊志
(56)【参考文献】
【文献】中国特許出願公開第114582548(CN,A)
【文献】特開2022-41490(JP,A)
【文献】特開2015-100188(JP,A)
【文献】特開2018-125118(JP,A)
【文献】実開昭55-21546(JP,U)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01B 7/42
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
撚線と前記撚線を絶縁被覆する外被部を備え、前記外被部は、内環状部と前記内環状部から放射状に延びる3つ以上のリブ部と前記リブ部の外端に連結する外環状部とからなり、前記内環状部と前記リブ部と前記外環状部とによって囲まれた流路が前記リブ部と同数で形成されており、
前記撚線は、金属線の外周に絶縁層が形成された素線の集合体であり、空隙部が形成されており、前記空隙部は、前記撚線の外側に形成された外側空隙部と前記撚線の内側に形成された内側空隙部とからなり、
前記流路および前記空隙部に冷媒を流すことで通電時の温度上昇を抑える構成であること
を特徴とする電力ケーブル。
【請求項2】
前記空隙部の空隙率は27~35%であること
を特徴とする請求項1に記載の電力ケーブル。
【請求項3】
前記撚線はロープ撚りされていること
を特徴とする請求項2に記載の電力ケーブル。
【請求項4】
電動車両における給電部からバッテリへの給電ラインを構成すること
を特徴とする請求項1~3のいずれか一項に記載の電力ケーブル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、給電用の電力ケーブルに関する。
【背景技術】
【0002】
従来、冷却管を設けた給電ケーブルが提案されている(特許文献1:特開2018-18748号公報)。また、中空コア体に形成された空隙部に冷媒を流す同軸ケーブルが提案されている(特許文献2:特開2015-100188号公報)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開2018-18748号公報
【文献】特開2015-100188号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
特許文献1に記載の給電ケーブルは冷却管が電力線の中心に設けられているため、通電時の導体発熱の冷却に必要な断面積を十分に確保することができない。また、横断面が非軸対称形状なので、特許文献2のような軸対称形状の同軸ケーブルに比べて可撓性に乏しい。
【0005】
電動車両への給電時間を短くするためには導体に流す電力量を大きくする必要がある。一方で、電力量を大きくすると導体発熱が大きくなり、導体発熱が過大になると外被が溶融して絶縁性能を維持できなくなるという課題がある。例えば、突入電流などの過度電流に起因して導体発熱が一時的に上昇し、中空コア体の耐熱温度を超えることがある。
【0006】
本発明は、上記事情に鑑みてなされ、突入電流などの過度電流に起因する導体発熱に耐えられる耐熱構造にしつつ、導体発熱を速やかに冷却可能な冷却構造を有する電力ケーブルを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明に係る電力ケーブルは、撚線と前記撚線を絶縁被覆する外被部を備え、前記外被部は、内環状部と前記内環状部から放射状に延びる3つ以上のリブ部と前記リブ部の外端に連結する外環状部とからなり、前記内環状部と前記リブ部と前記外環状部とによって囲まれた流路が前記リブ部と同数で形成されており、前記撚線は、金属線の外周に絶縁層が形成された素線の集合体であり、空隙部が形成されており、前記空隙部は、前記撚線の外側に形成された外側空隙部と前記撚線の内側に形成された内側空隙部とからなり、前記流路および前記空隙部に冷媒を流すことで通電時の温度上昇を抑える構成であることを特徴とする。
【0008】
本構成によれば、冷却のための流路を外被部に設けるとともに、冷却のための空隙部を内環状部の内側に設けたので、通電時の導体発熱の冷却に必要な断面積を十分に確保できるとともに、冷媒が撚線に接触し吸熱する直接冷却ができる。よって冷却効率が格段に向上する。
【0009】
前記空隙部の空隙率は27~35%であることが好ましい。前記空隙率は、前記内環状部の内側横断面積に対する前記空隙部の横断面積の百分率で示される。前記撚線と前記内環状部とで形成される外側空隙断面積と、前記撚線の内側に形成される内側空隙断面積とが合算された空隙断面積を用いて空隙率を算出できる。前記空隙率を27%以上にすることで前記撚線を十分に冷却できる。前記空隙率を35%以下にすることで前記撚線に通電する電力を十分に確保できる。
【0010】
前記撚線はロープ撚りであることが好ましい。ロープ撚りによって、優れた形状安定性が得られる。また、前記空隙部が螺旋状に形成されるので、冷媒を流す空隙部の表面積および体積を十分に確保できる。
【0011】
本構成によれば、優れた可撓性を有しつつ、通電電流が300A以上の給電方式、通電電力が3000VAの給電方式、CHAdeMO、SAEなどの既知の充電規格に容易に対応できる。一例として、本発明に係る電力ケーブルは、電動車両における給電部からバッテリへの給電ラインを構成する。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、突入電流などの過度電流に起因する導体発熱を速やかに冷却可能な冷却構造を有する電力ケーブルが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【
図1】
図1は、本実施形態に係る電力ケーブルの例を模式的に示す横断面図である。
【
図2】
図2は、
図1の電力ケーブルの例を模式的に示す概略の構造図である。
【
図3】
図3Aは、撚線の最終が3本撚りのときの空隙部の配置を模式的に示す図である。
図3Bは、撚線の最終が4本撚りのときの空隙部の配置を模式的に示す図である。
図3Cは、撚線の最終が5本撚りのときの空隙部の配置を模式的に示す図である。
図3Dは、撚線の最終が6本撚りのときの空隙部の配置を模式的に示す図である。
【
図4】
図4は、本実施形態に係る電力ケーブルの適用例を模式的に示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳しく説明する。本実施形態に係る電力ケーブル1は、一例として
図4に示すように、電動車両51における給電部51aからバッテリ51bへの給電ラインを構成する。電力ケーブル1は、ケーブル両端にそれぞれ外部との接続用コネクタが取付けられる。そして、コネクタを介して冷媒がケーブル内を流動する。なお、実施形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
【0015】
[電力ケーブル]
図1に示すように、本実施形態の電力ケーブル1は、撚線2と、撚線2を絶縁被覆する外被部4を備える。外被部4は、内環状部4aと、内環状部4aから放射状に延びる3つ以上のリブ部4bと、リブ部4bの外端に連結する外環状部4cとが一体構造の熱可塑性樹脂からなる。そして、内環状部4aとリブ部4bと外環状部4cとによって囲まれた流路5がリブ部4bと同数で形成されている。放熱効率と機械的強度を両立させるために、リブ部4bの数は3~9に設定される。リブ部4bの数を3以上にすることで外被部4の機械的強度を十分確保できる。リブ部4bの数を9以下にすることで冷媒を流して冷却するために必要な流路5の断面積を十分に確保することができる。より好ましくは、リブ部4bの数は5~7に設定される。つまり、流路5の数は5~7に設定されることが好ましい。
【0016】
図1の例では、電力ケーブル1は、内環状部4aから放射状に6つのリブ部4bが延びており、6箇所に流路5が形成されている。そして後述するように、電力ケーブル1は、撚線2における複合撚り構造の外周面と内環状部4aの内周面とによって形成された複数の外側空隙部6aと、撚線2の内側に形成された複数の内側空隙部6bとからなる空隙部6を有する。
【0017】
図2に示すように、本実施形態の電力ケーブル1は、流路5および空隙部6に冷媒7を流すことで通電時の温度上昇を抑える構成である。一例として、冷媒7は空気または不活性ガスである。これにより、電力ケーブル1の重量増加を防止できる。一例として、外気を冷媒7にする。そして、冷媒7を電力ケーブル1の一端側から取り込んで流動させて電力ケーブル1の他端側から機外に放出する。これにより、電力ケーブル1を簡易に冷却できる。
図2における矢印は、冷媒7の進行方向を示している。なお、上記以外の構成として、冷媒7を不活性液体または不凍液にする場合がある。
【0018】
本実施形態に係る撚線2は、銅素線またはアルミ素線を撚り合せている。一例として、撚線2は、銅または銅合金からなる金属線の外周に酸化皮膜などの絶縁皮膜が形成されている素線の集合体である。一例として、撚線2は、素線を撚った第1撚線と第1撚線を撚った第2撚線と第2撚線を撚った第3撚線とを有する複合撚り構造である。撚線2における絶縁皮膜は、はんだ付けに支障がない材質からなる。一例として、撚線2における絶縁皮膜は、ポリウレタンやポリエステルなどからなる。
【0019】
一例として、空隙部6の空隙率αは27~35%である。空隙率αは、内環状部4aの内側横断面積に対する空隙部6の横断面積の百分率で示される。撚線2の外周は内環状部4aの内側に内接するので、両者の関係から空隙率αを算出できる。
【0020】
図3Aは、撚線2の最終が3本撚りのときの空隙部6の配置を模式的に示す図である。撚線2の最終が3本撚りのときの空隙率αは35%である。
図3Bは、撚線2の最終が4本撚りのときの空隙部6の配置を模式的に示す図である。撚線2の最終が4本撚りのときの空隙率αは31%である。
図3Cは、撚線2の最終が5本撚りのときの空隙部6の配置を模式的に示す図である。撚線2の最終が5本撚りのときの空隙率αは31%である。
図3Dは、撚線2の最終が6本撚りのときの空隙部6の配置を模式的に示す図である。撚線2の最終が6本撚りのときの空隙率αは33%である。
【0021】
撚線2の最終が7本撚りのときの空隙率αは33%である。撚線2の最終が8本撚りのときの空隙率αは27%である。撚線2の最終が9本撚りのときの空隙率αは31%である。また、撚線2の最終が10本撚りのときの空隙率αは31%である。そして、撚線2の最終が11本撚りのときの空隙率αは29%である。
【0022】
図2の例では、撚線2はロープ撚りである。ロープ撚りは、撚線2において、最終となる(n+1)回目の撚り方向を、第1回目の撚り方向から第n回目までの撚り方向とは逆方向にした撚り構造である。ここで、nは2以上の自然数である。好ましくは、nは2または3である。
【0023】
一例として、複数の素線をZ撚りして第1撚線とし、複数の第1撚線をZ撚りして第2撚線とし、複数の第2撚線をS撚りして第3撚線とする。また一例として、複数の素線をZ撚りして第1撚線とし、複数の第1撚線をZ撚りして第2撚線とし、複数の第2撚線をZ撚りして第3撚線とし、複数の第3撚線をS撚りして第4撚線とする。また一例として、複数の素線をS撚りして第1撚線とし、複数の第1撚線をS撚りして第2撚線とし、複数の第2撚線をZ撚りして第3撚線とする。また一例として、複数の素線をS撚りして第1撚線とし、複数の第1撚線をS撚りして第2撚線とし、複数の第2撚線をS撚りして第3撚線とし、複数の第3撚線をZ撚りして第4撚線とする。ここで、Z撚りは左撚りと同義であり、S撚りは右撚りと同義である。
【0024】
一例として、撚線2は、銅または銅合金からなる金属線と、ポリウレタンからなる絶縁皮膜からなる素線を用いる。導体の断面積の合計値は20~120mm2である。絶縁皮膜は径方向の厚さが0.006~0.018mmである。
【0025】
一例として、素線を3~12本でS撚りして撚線2にする。一例として、素線を10~20本でS撚りして第1撚線とし、第1撚線を4~7本でS撚りして撚線2にする。一例として、素線を27本でS撚りして第1撚線とし、第1撚線を7本でS撚りして撚線2にする。一例として、素線を30本でS撚りして第1撚線とし、第1撚線を8本でS撚りして撚線2にする。一例として、素線を35本でS撚りして第1撚線とし、第1撚線を10本でS撚りして撚線2にする。一例として、素線を10~35本でS撚りして第1撚線とし、第1撚線を4~10本でS撚りして撚線2にする。
【0026】
一例として、素線を6本でZ撚りして第1撚線とし、第1撚線を4本でZ撚りして第2撚線とし、第2撚線を4本でS撚りして撚線2にする。一例として、素線を6本でZ撚りして第1撚線とし、第1撚線を4本でZ撚りして第2撚線とし、第2撚線を5本でS撚りして撚線2にする。一例として、素線を6本でZ撚りして第1撚線とし、第1撚線を5本でZ撚りして第2撚線とし、第2撚線を7本でS撚りして撚線2にする。一例として、素線を8本でZ撚りして第1撚線とし、第1撚線を5本でZ撚りして第2撚線とし、第2撚線を7本でS撚りして撚線2にする。一例として、素線を10本でZ撚りして第1撚線とし、第1撚線を5本でZ撚りして第2撚線とし、第2撚線を7本でS撚りして撚線2にする。一例として、素線を12本でZ撚りして第1撚線とし、第1撚線を6本でZ撚りして第2撚線とし、第2撚線を10本でS撚りして撚線2にする。一例として、素線を6~12本でZ撚りして第1撚線とし、第1撚線を4~6本でZ撚りして第2撚線とし、第2撚線を4~10本でS撚りして撚線2にする。
【0027】
一例として、素線を6本でZ撚りして第1撚線とし、第1撚線を4本でZ撚りして第2撚線とし、第2撚線を4本でZ撚りして第3撚線とし、第3撚線を4本でS撚りして撚線2にする。一例として、素線を7本でZ撚りして第1撚線とし、第1撚線を6本でZ撚りして第2撚線とし、第2撚線を5本でZ撚りして第3撚線とし、第3撚線を5本でS撚りして撚線2にする。一例として、素線を8本でZ撚りして第1撚線とし、第1撚線を6本でZ撚りして第2撚線とし、第2撚線を5本でZ撚りして第3撚線とし、第3撚線を7本でS撚りして撚線2にする。一例として、素線を10本でZ撚りして第1撚線とし、第1撚線を6本でZ撚りして第2撚線とし、第2撚線を5本でZ撚りして第3撚線とし、第3撚線を7本でS撚りして撚線2にする。一例として、素線を12本でZ撚りして第1撚線とし、第1撚線を6本でZ撚りして第2撚線とし、第2撚線を6本でZ撚りして第3撚線とし、第3撚線を7本でS撚りして撚線2にする。一例として、素線を12本でZ撚りして第1撚線とし、第1撚線を7本でZ撚りして第2撚線とし、第2撚線を6本でZ撚りして第3撚線とし、第3撚線を7本でS撚りして撚線2にする。一例として、素線を6~12本でZ撚りして第1撚線とし、第1撚線を4~10本でZ撚りして第2撚線とし、第2撚線を4~6本でZ撚りして第3撚線とし、第3撚線を4~10本でS撚りして撚線2にする。
【0028】
外被部4は、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのオレフィン樹脂が適用できる。架橋ポリエチレンは耐熱温度が120℃であるので、特に好ましい。外被部4は、PTFE、PFA、FEP、PCTFE、ETFE、ECTFEなどのフッ素樹脂が適用できる。これらのフッ素樹脂は、オレフィン樹脂よりも耐熱性能に優れている。
【0029】
外被部4は、一例として、内環状部4aの径方向の厚さが0.6~2.4mmであり、外環状部4cの径方向の厚さが0.6~2.4mmであり、リブ部4bの周方向の厚さが0.7~2.1mmである。この構成により、細径かつ堅牢かつ可撓性に優れた構成にできる。なお、上記構成に限られない。
【0030】
[外被部の製造方法]
外被部4は、ダイスを用いて製造する。ダイスは、中心孔と、当該中心孔を囲むようにその外縁に隣接して形成された内環状孔と、当該内環状孔の外周から放射状に延び内環状孔よりも幅広の6つ以上の所定形状孔と、当該所定形状孔の外端間を連結し内環状孔よりも幅広の外環状孔を有する。ダイスを用いて、内環状孔、所定形状孔及び外環状孔から溶融樹脂を押し出して徐冷し固化する。この押出成形によって外被部4を形成することで、撚線2の周囲に、内環状部4aと内環状部4aから放射状に延びるリブ部4bとリブ部4bの外端を連結する外環状部4cを熱可塑性樹脂で一体形成する。尚且つ、内環状部4aとリブ部4bと外環状部4cによって囲まれて長手方向に連続する流路5を形成する。さらに、撚線2における外周面と内環状部4aにおける内周面に囲まれて長手方向に連続した外側空隙部6aを形成する。本実施形態の製造方法によれば、細径かつ堅牢かつ可撓性に優れた電力ケーブル1にできる。
【0031】
[空冷試験]
続いて、上述の電力ケーブル1の冷却能力を確認するために試料を作製して、空冷試験を行った。試験規格はJIS C2805:2010である。
【0032】
(実施例)
実施例の試料における撚線2は、素線の外径が0.12mmの第2種ポリウレタン銅線を2520本撚ったロープ撚線である。撚線2は、素線を12本でZ撚りして第1撚線にして、第1撚線を6本でZ撚りして第2撚線にして、第2撚線を5本でZ撚りして第3撚線にして、第3撚線を7本でS撚りした。撚線2は、撚線2の外周面と内環状部4aの内周面とによって形成された複数の外側空隙部6aと、撚線2の内側に形成された内側空隙部6bとからなる空隙部6を有し、空隙部6の空隙率αが33%である。外被部4は架橋ポリエチレン樹脂からなる。外被部4は、内環状部4aの径方向の厚さが0.8mm、リブ部4bの周方向の厚さが1.4mm、外環状部4cの径方向の厚さが1.2mmである。外被部4は、流路5が6箇所に形成される。実施例1の電力ケーブル1は、外径が16.0mmであり、全長が3.3mである。
【0033】
第1回目の空冷試験は、試料の一端側にエアーカプラを取付けて、試料の他端側を開放し、撚線2に、直流50Aを連続通電して、資料各部の表面温度を非接触温度計によって計測した。連続通電の結果、撚線2の表面温度が154℃になるとともに、外被部4の表面温度が121℃になった。その後、冷媒7として常温の空気を、流量が毎分70リットルで試料の一端側から押し込んで流動させ、試料の他端側から外部に空気を放出させた。連続空冷して10分経過した時点の温度を非接触温度計によって計測した。その結果、撚線2の表面温度が95℃になるとともに、外被部4の表面温度が45℃になった。よって、実施例は、冷媒7を流すことで、撚線2の表面温度が59℃冷却されるとともに、外被部4の表面温度が76℃冷却されることが確認できた。
【0034】
第2回目の空冷試験は、試料の一端側にエアーカプラを取付けて、試料の他端側を開放し、撚線2に、直流70Aを連続通電して、資料各部の表面温度を非接触温度計によって計測した。連続通電の結果、撚線2の表面温度が164℃になるとともに、外被部4の表面温度が131℃になった。その後、冷媒7として常温の空気を、流量が毎分70リットルで試料の一端側から押し込んで流動させ、試料の他端側から外部に空気を放出させた。連続空冷して10分経過した時点の温度を非接触温度計によって計測した。その結果、撚線2の表面温度が85℃になるとともに、外被部4の表面温度が47℃になった。よって、実施例は、冷媒7を流すことで、撚線2の表面温度が79℃冷却されるとともに、外被部4の表面温度が84℃冷却されることが確認できた。
【0035】
(参考例)
参考例の試料は、素線の外径が0.12mmの第2種ポリウレタン銅線を2520本束にして導体にした束線である。参考例の外被部は実施例と同様である。参考例のケーブル外径および全長は実施例と同様である。
【0036】
第1回目の空冷試験は、試料の一端側にエアーカプラを取付けて、試料の他端側を開放し、撚線2に、直流50Aを連続通電して、資料各部の表面温度を非接触温度計によって計測した。連続通電の結果、導体の表面温度が154℃になるとともに、外被部の表面温度が121℃になった。その後、冷媒7として常温の空気を、流量が毎分70リットルで試料の一端側から押し込んで流動させ、試料の他端側から外部に空気を放出させた。連続空冷して10分経過した時点の温度を非接触温度計によって計測した。その結果、導体の表面温度が105℃になるとともに、外被部の表面温度が49℃になった。よって、参考例は、冷媒7を流すことで、導体の表面温度が49℃冷却されるとともに、外被部の表面温度が72℃冷却されることが確認できた。
【0037】
第2回目の空冷試験は、試料の一端側にエアーカプラを取付けて、試料の他端側を開放し、撚線2に、直流70Aを連続通電して、資料各部の表面温度を非接触温度計によって計測した。連続通電の結果、導体の表面温度が164℃になるとともに、外被部の表面温度が131℃になった。その後、冷媒7として常温の空気を、流量が毎分70リットルで試料の一端側から押し込んで流動させ、試料の他端側から外部に空気を放出させた。連続空冷して10分経過した時点の温度を非接触温度計によって計測した。その結果、導体の表面温度が94℃になるとともに、外被部の表面温度が52℃になった。よって、参考例は、冷媒7を流すことで、導体の表面温度が70℃冷却されるとともに、外被部4の表面温度が79℃冷却されることが確認できた。
【0038】
上述の空冷試験の結果、実施例と参考例のいずれにおいても、流路5に冷媒7を流すことで温度上昇を抑制できることが確認できた。尚且つ、実施例は、空隙部6を有さない参考例に比べて、通電時の温度上昇をさらに抑制できることが確認できた。
【符号の説明】
【0039】
1 電力ケーブル
2 撚線
4 外被部、4a 内環状部、4b リブ部、4c 外環状部
5 流路
6 空隙部、6a 外側空隙部、6b 内側空隙部6b
7 冷媒
51 電動車両、51a 給電部、51b バッテリ
α 空隙率
【要約】
【課題】突入電流などの過度電流に起因する導体発熱を速やかに冷却可能な冷却構造を有する電力ケーブルを提供することを目的とする。
【解決手段】電力ケーブル1は、撚線2と、撚線2を絶縁被覆する外被部4を備える。外被部4は、内環状部4aと内環状部4aから放射状に延びる3つ以上のリブ部4bとリブ部4bの外端に連結する外環状部4cとからなり、内環状部4aとリブ部4bと外環状部4cとによって囲まれた流路5がリブ部4bと同数で形成されている。撚線2は、導体の外周に絶縁層が形成されている素線の集合体である。電力ケーブル1は、撚線2の外側に形成された外側空隙部6aと、撚線2の内側に形成された内側空隙部6bとからなる空隙部6を有する。電力ケーブル1は、流路5および空隙部6に冷媒7を流すことで通電時の温度上昇を抑える構成である。
【選択図】
図1