JP2014096337A - 被覆炭素繊維線の接続構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、炭素繊維素線を束ねた炭素繊維線に効率良く通電することを課題とする。
【解決手段】 被覆炭素繊維線４の接続構造は、多数本の炭素繊維素線４１Ａの束を合成樹脂材料によって被覆した被覆炭素繊維線４Ａの端末部分の被覆４Ｂを剥離し、被覆端末部分に導電層６を巻着し、上記被覆４Ｂを剥離した炭素繊維線４Ａの端部から該炭素繊維線４Ａの内部に、中間部にワッシャー５Ａが取り付けられたピン５を挿入し、該ピン５のワッシャー５Ａによって該炭素繊維素線４Ａの束を放射状に拡散させると共に該炭素繊維素線４Ａを上記導電層６上に折り返し、該ピン５のワッシャー５Ａを該炭素繊維素線４Ａの折り返し部分の先端に密着させた状態で、一端に電線３を接続した筒状接続子１の他端に挿入し、該筒状接続子１の接続部分２Ａを圧着してなる。
【選択図】 図６

Description

本発明は、炭素繊維素線の束を合成樹脂材料によって被覆した被覆炭素繊維線を電源側の電線と接着する構造に関するものである。

炭素繊維素線を多数本束ねた炭素繊維線は、銅あるいはアルミニウム等の金属線と比べると機械的強度が高くかつ軽量であり、また耐化学薬品性にも富むことから、合成樹脂の補強繊維材料としての用途が広がっており、上記炭素繊維線で補強された合成樹脂は、最近では航空機の機体、主翼、尾翼等に使用されるようになっている。
一方、上記炭素繊維線は、半導体素子としての性質を有し、電圧を印加すると発熱するので、発熱材料としても使用される。上記炭素繊維線を発熱材料に使用した場合には、現在一般的に使用されているニクロム線系の発熱材料と比較して、遠赤外線放射効果が高いこと、昇温速度が速いこと、電力消費量がニクロム線の約半分ですむこと等の種々の利点がある。
しかし上記炭素繊維線は、直径が７〜１０μｍの極細の炭素繊維素線を３，０００（３ｋ）〜４８，０００（４８ｋ）本程度束ねて構成される半導体素子であるから、ニクロム線のような低抵抗の導体とは異なり、電源側の電線と接続するためには、電気的な接触を密にするための特別な配慮が必要である。
従来、被覆炭素繊維線と、銅やアルミニウム等の金属からなる被覆電線とを接続する方法としては、図９に示すような突合せ接続端子１（コネクタ）を使用し、被覆電線３および被覆炭素繊維線４の接続端部３Ｃ，４Ｃの被覆３Ｂ，４Ｂをそれぞれ剥離して電線３Ａおよび炭素繊維線４Ａを露わにし、上記コネクタ１の両端の筒状接続部２Ａ，２Ｂ内に夫々挿入し、図１０に示すように該コネクタ１の各接続部２Ａ，２Ｂをカシメ加工する構成が採用されている。
あるいは図１１に示すように被覆炭素繊維線４の接続端部４Ｃを内側（被覆４Ｂ側）に折り曲げ、図１２に示すように該折り曲げ部分を接続部２Ｂに電線３を接続した接続子１の接続部２Ａに挿入してカシメ加工する構成も採用されている。また更に上記被覆炭素繊維線４の接続端部４Ｃの被覆を除去し、更に図１３に示すように、上記被覆電線３の接続端部４Ｃの被覆を除去して、上記被覆を除去した被覆炭素繊維線４の接続端部４Ｃ外周に上記被覆を除去した電線３Ａの接続端部３Ｃを螺旋状に巻回する構成も提供されている。

特表２００９−５１８７９０号公報

上記従来の接続構造では、電線やニクロム線のような電気抵抗が低い導体を材料とする栓には問題なく採用出来る。しかし炭素繊維線４Ａのような半導体を材料とする線では、電流が栓とコネクタ１の接続部２Ａ、あるいは螺旋状に巻回された電線３Ａと接触する外周部分に集中し、炭素繊維線４Ａの内部に行くほど電流密度が低くなる傾向にある。そうすると、特にカーボンヒーターのような大電流が流れる場合には、炭素繊維線４Ａの外周部分に電流が集中し、この部分が設定値を超える高温になって火災等の危険が大きくなる。
更にコネクタ１を使用する場合には、該コネクタ１の筒状接続部２，２の端末部分が刃状になって、該炭素繊維線４Ａを切断してしまう場合が多々あり、その場合には通電されない炭素繊維素線が多くなって導電不良の原因となる。
更に炭素繊維を構成するフィラメント（素線）は、１本の直径が７〜１０μｍの炭化アクリル糸であり、断面（横）方向からの金属片の接触などで、破断が起るおそれもある。
本発明は、上記従来の問題を解決し、被覆炭素繊維線を電源側の電線と電気的に密接に接続して、効率の良い通電を行ない、もって上記炭素繊維線本来の特質を充分発揮出来るようにすることを課題とする。

上記本発明の課題を解決する手段として、本発明は多数本の炭素繊維素線の束を合成樹脂材料によって被覆した被覆炭素繊維線の端末部分の被覆を剥離し、被覆端末部分に導電層を巻着し、上記被覆を剥離した炭素繊維線の端部から該炭素繊維線の内部に、中間部にワッシャーが取り付けられたピンを挿入し、該ピンのワッシャーによって該炭素繊維素線の束を放射状に拡散させると共に該炭素繊維素線を上記導電層上に折り返し、該ピンのワッシャーを該炭素繊維素線の折り返し部分の先端に密着させた状態で、一端に電線を接続した筒状接続子の他端に挿入し、該筒状接続子の接続部分を圧着した被覆炭素繊維線の接続構造を提供するものである。
一般に上記被覆炭素繊維線を構成する炭素繊維素線は直径７〜１０μｍ、直流抵抗値が３００ｋΩ／ｍ〜５００ｋΩ／ｍであり、所定の本数の炭素繊維素線が束ねられて上記被覆炭素繊維線を構成している。
上記被覆炭素繊維線の被覆は、絶縁性熱可塑性樹脂を材料とすることが望ましい。
更に上記被覆炭素繊維線の被覆は、内側が合成樹脂材料の被覆、外側がゴムまたはエラストマーを材料とする被覆の二重被覆であり、上記導電層は外側被覆を剥離して内側被覆表面に形成されていることが望ましい。

本発明にあっては、接続部において、被覆４Ｂを剥離して露わにした炭素繊維線４Ａの端部から内部にピン５を挿入していくと、該ピン５のワッシャー５Ａによって該炭素繊維線４Ａの素線４１は放射状に拡散される。上記拡散された素線４１は、更に該ワッシャー５Ａによって被覆端末部分に巻着されている導電層５上に折り返される。該ワッシャー５Ａを該折り返し部分の先端に密着させた状態で、一端に電線３を接続した筒状の接続子１の他端に挿入し、該接続子１の接続部分２を圧着する。そうすると上記放射状に拡散し導電層５上に折り返された素線４の殆んどは内側の導電層５と外側の接続子１の接続部分２に密着する。したがって接続子１、炭素繊維線４、導電層５間に密接な電気的接触が得られ、電源から電線３を介する電流は、接続子１から素線４１に効率良く伝えられ、更に素線４１から導電層５に伝えられ、導電層５によって全体に均一化される。
したがって本発明では炭素繊維線に伝達される電流密度が均一になり、電流集中による過熱、あるいは接続子の端面による炭素繊維線の切断、炭素繊維線の引張り力による破断等の不具合が解消され、電線から炭素繊維線に効率良く電流を流すことが出来る。

ピン挿入前の説明図。 ピン挿入後の説明図。 図２におけるＡ−Ａ断面図。 接続子に挿入した状態の説明図。 接続子を介して炭素繊維線と電線とを接続した状態の説明図。 図５の状態の側断面図。 二重被覆炭素繊維線の側断面説明図。 発熱温度試験のグラフ。 従来例の接続前の説明図。 従来例の接続後の説明図。 従来の折り曲げ方式の接続前の説明図。 従来の折り曲げ方式の接続後の説明図。 従来の電線巻回方式の説明図。

本発明を図１〜図７に示す一実施例によって以下に詳細に説明する。
図１に示す被覆炭素繊維線４は、炭素繊維線４Ａと、該炭素繊維線４Ａを被覆する被覆４Ｂとからなる。上記被覆４Ｂには、例えばポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリアミド、ポリエステル、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン樹脂（ＡＢＳ）、フッ素樹脂、シリコン樹脂、シリコンゴム、あるいはこれら合成樹脂にガラス繊維、セラミック繊維等の無機繊維を補強材として混合した繊維補強樹脂（ＦＲＰ）等が材料として使用される。一般には設定発熱温度が８０℃以下の場合にはＰＶＣが被覆材料として使用され、それ以上の高温の設定発熱温度の場合には、ポリテトラフルオロエチレン、ポリクロルトリフルオロエチレン、ポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン等のフッ素樹脂、シリコンゴム、ＦＲＰ等が被覆材料として使用される。
上記炭素繊維線４Ａは多数の炭素繊維素線４１Ａ（以下、単に素線と云う）の束からなる。上記素線４１Ａは一般に直径が７〜１０μｍであり、一本の素線４１Ａの直流抵抗値は約４００ＫΩ／ｍである。上記素線４１Ａは通常３０００本（３Ｋ)，６０００本（６Ｋ）、２４０００本（２４Ｋ）、３６０００本（３６Ｋ）、４８０００本（４８Ｋ）を束ねて炭素繊維線４Ａとされる。束ね本数と直流抵抗値との関係を第１表に示す。

〔第１表〕
束ね本数 直流抵抗値（Ω／ｍ）
３Ｋ １３３
６Ｋ ６７
１２Ｋ ３３
１８Ｋ ２２
２４Ｋ １７
３６Ｋ １１
４８Ｋ ８
なお上記直流抵抗値はメーカーによって多少変動する。

第１表に示すように、素線一本では直流抵抗値は４００ＫΩ／ｍであるが、これを束ねることによって単位長さ（ｍ）当りの直流抵抗値が低下し、電圧を印加すれば発熱体として動作するレベルになる。例えば１８Ｋの炭素繊維線４Ａでは、全長１０ｍでは抵抗値が２２０Ωとなり、両端に１００Ｖの電圧を印加すれば、Ｉ＝Ｅ／ＲからＩ＝１００Ｖ／２２０Ω≒０．４５Ａの電流が流れ、消費電力は単位時間当りＶ×Ｉ＝１００×０．４５＝４５Ｗ、Ｐ＝ＲＩ^２から毎秒２２０×（０．４５）^２＝４４．５５Ｗの発熱量となる。

上記被覆炭素繊維線４は電線３と接続するにあたって、図１に示すように接続端部４Ｃの被覆４Ｂを剥離して炭素繊維線４Ａを露わにしておく。上記露わにされた接続端部（剥離部分）の長さは通常５〜１５ｍｍ程度とする。
次いで、図２に示すように、被覆４Ｂの端末部分に銅箔、アルミニウム箔等の金属箔のテープの裏面に粘着層を形成した導電テープを巻着して導電層６を形成する。該導電層６の長さは該剥離部分の長さに等しいかまたはそれ以上に設定する。
その後、剥離部分である接続端部４Ｃの先端からピン５を挿入する。該ピン５は、図１に示すように、直径０．５〜０．９ｍｍ程度のピン５の中間部にワッシャー５Ａをハンダ付けしたものである。
該ピン５を接続端部４Ｃの先端から挿入して行くと、該ピン５のワッシャー５Ａによって炭素繊維線４Ａの素線４１Ａが、図３に示すように３６０°方向に放射状に広がる。
上記ピン５においてワッシャー５Ａは、上記のように炭素繊維線４Ａの素線４１Ａを放射状に広げる機能の他に、上記被覆炭素繊維線４へのピン５の挿入量を適度なものとするストッパーとしての機能を有している。そして上記ピン５にこれら機能を付与できるのであれば、例えば上記ワッシャー５Ａをピン５にハンダ付けすることに限らず、ワッシャー５Ａをピン５に溶接したり、接着したりしてもよく、あるいは該ワッシャー５Ａに代えて上記ピン５の中間部に曲げ加工や成形でストッパーを設けてもよい。

そして該ピン５のワッシャー５Ａが外接続端部４Ｃの奥端に達した時点で、該放射状に広がった素線４１Ａ群に、図２、図４に示すように両端に筒状の接続部２Ａ，２Ｂを有する接続子１の電源反対側の接続部２Ａを外嵌することで、該素線４１Ａ群を上記導電層５上に折り返すと共に、該接続部２Ａに対して圧着加工（カシメ）を行なう。
このようにして素線４１Ａ群は導電層５上に折り返され、該導電層５と接続子１の接続部２Ａとの間で３６０°略均等にかつ密接に圧着される。

次いで被覆電線３の接続部３Ｃの被覆３Ｂを剥離して電線３Ａを露わにし、図５に示すように上記接続子１の電線側接続部２内に挿入し、圧着加工（カシメ）を行なう。
すると、図６に示すように、接続子１を介して被覆電線３の電線３Ａと、被覆炭素繊維線４の炭素繊維線４Ａとが密接な電気的接触を確保されて接続される。また上記接続状態では、ピン５が電線３Ａと接触しており、該ピン５を介した電線３Ａと炭素繊維線４Ａとの電気的接触が確保されている。

上記実施例では被覆炭素繊維線４は単一被覆が施されていた。しかし本発明にあっては、被覆炭素繊維線４が図７に示すように、被覆４Ｂが外側被覆４１Ｂと内側被覆４２Ｂとからなる二重被覆構造を採用してもよい。この場合には外側被覆はスチレン系エラストマー、オレフィン系エラストマー、ウレタン系エラストマーのようなエラストマー、あるいはスチレン−ブタジエンゴム、アクリロニトリル−ブタジエンゴム、エチレンープロピレンゴム等のゴムが材料として使用され、内側被覆は前記単一被覆の場合と同様な樹脂材料が使用される。
上記二重被覆の場合は、被覆炭素繊維線４の接続端部４Ｃにおいて二重被覆４１Ｂ,４２Ｂを剥離して炭素繊維線４Ａを露わにし、更に被覆端から所定長さ外側被覆４１Ｂを剥離して、内側被覆４２Ｂを露出させ、該内側被覆４２Ｂの露出部分に導電テープを巻着して導電層５を形成する。

上記本発明の接続構造（図６）と、従来の接続構造（図９および図１１）、更に被覆を剥いだのみの状態の炭素繊維線の両端にワニ口クリップを介して直接的に電源を接続した比較構造について、通電実験を行なった。
実験に使用した被覆炭素繊維線４は二重被覆を施したものであり、外側被覆４１Ｂはウレタンエラストマーを材料とし、内側被覆はＰＶＣを材料としたものである。そして炭素繊維線４Ａとしては、１８，０００本の素線からなる炭素繊維線４Ａ（１８Ｋ）を使用し、線長１．０ｍ抵抗２２．５Ωのものを用いた。
設定条件としては、印加電圧：ＡＣ１８Ｖ、温度測定は各接続構造における炭素繊維線中央部を温度記録計によって測定した。
測定結果は図８に示される。図中、グラフＡは本発明の接続構造、グラフＢは図１０に示す従来の接続構造、グラフＣは図１２に示す従来の折り曲げ接続構造、グラフＤはワニ口クリップによる直接接続構造のグラフである。
図８を参照すると、本発明の接続構造では、従来の接続構造を採用したグラフＢ，Ｃに比べて発熱温度が高く（Ｂに比べて約４℃高い）、昇温速度も速いことが認められる。またワニ口クリップによる接続（グラフＤ）は、導電体では問題ないが、炭素繊維のような半導体では、採用出来ないことも立証された。

本発明の接続構造によれば、炭素繊維線に効率良く通電出来るので、炭素繊維線による床暖房、屋根や道路用の融雪用ヒーター等に適用して有用であるから、産業上利用可能である。

１ 接続子
２Ａ，２Ｂ 接続部
３ 電線
３Ａ 電線
３Ｂ 被覆
３Ｃ 接続部
４ 被覆炭素繊維線
４Ａ 炭素繊維線
４１Ａ 炭素繊維素線
４Ｂ 被覆
４Ｃ 接続端部
５ ピン
６ 導電層

Claims (4)

1. 多数本の炭素繊維素線の束を合成樹脂材料によって被覆した被覆炭素繊維線の端末部分の被覆を剥離し、被覆端末部分に導電層を巻着し、上記被覆を剥離した炭素繊維線の端部から該炭素繊維線の内部に、中間部にワッシャーが取り付けられたピンを挿入し、該ピンのワッシャーによって該炭素繊維素線の束を放射状に拡散させると共に該炭素繊維素線を上記導電層上に折り返し、該ピンのワッシャーを該炭素繊維素線の折り返し部分の先端に密着させた状態で、一端に電線を接続した筒状接続子の他端に挿入し、該筒状接続子の接続部分を圧着したことを特徴とする被覆炭素繊維線の接続構造。
2. 上記被覆炭素繊維線を構成する炭素繊維素線は直径７〜１０μｍ、直流抵抗値が３００ｋΩ／ｍ〜５００ｋΩ／ｍであり、所定の本数の炭素繊維素線が束ねられて上記被覆炭素繊維線を構成している請求項１記載の被覆炭素繊維線の接続構造。
3. 上記被覆炭素繊維線の被覆は、絶縁性熱可塑性樹脂を材料とする請求項１または２記載の被覆炭素繊維線の接続構造。
4. 上記被覆炭素繊維線の被覆は、内側が合成樹脂材料の被覆、外側がゴムまたはエラストマーを材料とする被覆の二重被覆であり、上記導電層は外側被覆を剥離して内側被覆表面に形成されている請求項１または２記載の被覆炭素繊維線の接続構造。