断熱材、ジャケットおよびシールド

Nov 24, 2023

EXRAD 4/0 AWG ケーブルの直径は約 1 インチ、重量は 1 フィートあたり 0.876 ポンドです。 1,000 ボルトのケーブルは、明るいオレンジ色の照射架橋エラストマー (XLE) ジャケット、錫メッキ銅編組シールド、および 30 本の裸銅線を囲む薄い内側の XLE 絶縁体を特徴としています。 写真提供：Champlain Cable Corp.

これらのさまざまなケーブルの外被を JackStrip 8310 スリッターでスリットしました。 0.1 ～ 1 インチの OD ケーブル、最大 19.7 インチの長さに対応します。 写真提供：シュロイニガー社

ツイストペアはスパイラルケーブルシールドの一種です。 2 本の絶縁導体は、ケーブル内の他のツイストペアからの電磁干渉を最小限に抑えるために、ハーネスの全長にわたって互いに均一に撚られています。 写真提供：www.ecvv.com

すべてのハイブリッド車や電気自動車の内部には、大量のワイヤーとケーブルが使用されています。 そのすべてが不可欠ですが、サイズ、外観、または高電圧機能の理由で目立つのはごく一部だけです。

EXRAD 1,000 ボルト (UL 758 定格) バッテリー ケーブルは、3 つの理由すべてにおいて注目に値します。 Champlain Cable Corp. 製の 4/0 AWG ケーブルは、直径がほぼ 1 インチで、重量は 1 フィートあたり 0.876 ポンドです。 照射された架橋エラストマー (XLE) ジャケットの厚さはわずか 0.08 インチですが、迷走電流を遮断するのに十分な強度があります。 ジャケットの明るいオレンジ色は、EXRAD が高電圧ケーブルの EU 規格を満たしていることを意味します。

ジャケットの下には錫メッキ銅編組シールドがあります。 これにより、ケーブルの内側の薄い XLE 絶縁体 (厚さ 0.12 インチ) が 95% カバーされ、30 本の裸銅線が取り囲まれています。 さらに重要なことは、シールドは電磁パルス (EMP) 波の放射を防ぎ、データおよび信号導体を外部電磁干渉 (EMI) から保護することです。

ハーネス メーカーが扱うすべてのケーブルが EXRAD ほど太かったり複雑だったりするわけではありません。 ただし、最適なパフォーマンスを実現するには、すべてのケーブルとワイヤに適切なジャケット、シールド、絶縁が必要です。

多くの場合、ハーネスメーカーはこれらの保護材の最終選択について発言権を持ちません。 このような状況では、納入された製品が注文書に準拠していることを確認し、ワイヤやケーブルを適切に切断、剥離、または終端処理することに重点を置きます。

ただし、場合によっては、ハーネス メーカーに OEM 仕様が提供され、ワイヤまたはケーブルのサプライヤーを選択する必要がある場合があります。 ケーブルの絶縁、被覆およびシールドに使用されるさまざまな材料を十分に理解することで、メーカーはあらゆる用途に最適なワイヤまたはケーブルを選択する準備が整います。

断熱材とジャケットは通常同じ素材で作られているため、この 2 つの用語は同じ意味で使用されることがよくあります。 単語には明確な意味があるため、これは間違いです。

「絶縁とは、固体であろうと撚り線であろうと、導体と直接接触する材料を指します」とEISワイヤ＆ケーブルのエンジニアリング兼品質マネージャーであるRich Goyette氏は説明します。 「その目的は電気的、つまりワイヤー内に熱と電気を保つことです。

「ケーブル ジャケット、または外側のシースは、絶縁された導体を覆う薄い材料です。その 2 つの目的は機械的なものです。1 つはケーブルをまとめて保持すること、もう 1 つはケーブルが完成した場所に応じて、炎、油、ガス、または水から絶縁ワイヤを保護することです。」ハーネスが取り付けられています。」

ゴイエット氏によると、20世紀初頭に電線とケーブルの製造業者は、電線を布で包み、その布にラッカーを塗って難燃性と耐熱性を持たせることで電線を絶縁していました。 その後すぐに、紙テープや油性材料など、他の材料が絶縁材に使用されるようになりました。

第二次世界大戦後、製造のための火災安全基準が開発されると、ワイヤーは熱可塑性または熱硬化性材料で絶縁されるようになりました。 すべての断熱材とジャケットは引き続き、これら 2 種類の素材のいずれかで作られています。

熱可塑性プラスチックは、熱が加えられると分離する直線状の分子鎖で構成されているため、繰り返し溶融および再成形することができます。 最も一般的な熱可塑性絶縁材料には、ポリ塩化ビニル (PVC)、ポリエチレン (固体または発泡体)、ポリプロピレン、ポリウレタン、ナイロン、二フッ化ポリビニリデン (PVDF)、フッ素化エチレンプロピレン (FEP)、PTFE (テフロン)、FEP テフロン、テトラフルオロエチレン (TFE) などがあります。 ）および熱可塑性エラストマー（TPE）は、プラスチックのように加工されますが、ゴムの特性と性能を備えています。

熱硬化性材料は一度成形されますが、継続的に熱が加えられると燃えます。 硬化プロセス中に、熱硬化性樹脂のポリマー鎖が他の分子と架橋して、天然または合成ゴム材料になります。 架橋ポリエチレンを表す XLPE のように、熱硬化性材料の名前に XL (架橋を表す) が含まれる場合があるのはこのためです。 その他の一般的な熱硬化性材料には、スチレンブタジエンゴム (SBR) およびシリコーンゴムがあります。

「サイズや重量が重要ではない場合、PVC は最も人気のある断熱材です。安価で、接着力が高く、バラバラにならず、剥がしたり結線したりするのが簡単です」と Lapp Group USA の製品マネージャー、Scott Ziegler 氏は述べています。 「ポリプロピレンとポリエチレンは PVC よりもはるかに強く、あまり伸びません。ポリウレタンは非常に耐摩耗性があり、テフロンは優れた熱安定性と電気特性を提供します。」

熱硬化性材料に関しては、ゴムはケーブルのジャケットによく使用され、ハーネスが長時間高温にさらされる電線の絶縁にも使用されることがあります。 ネオプレン（合成ゴム）は非常に柔らかく、切断するのが困難です。

OEM は、断熱材とジャケットの素材を選択する際に 2 つの重要な要素に焦点を当てます。 一つ目は環境条件です。 ケーブルまたはワイヤー ハーネスが極度の熱、寒さ、湿気、化学物質、または摩耗にさらされる場合は、頑丈な断熱材が必要です。 まとめると、最も一般的な熱可塑性材料と熱硬化性材料は優れた耐摩耗性を備え、-67 ～ 392 F の温度範囲で効果を発揮します。

もう 1 つの要素は、ワイヤまたはケーブルが伝送する必要がある電流または電圧の量と速度です。 すべての材料が長時間の大電流に耐えられるわけではありません。 より高速な信号の場合は、発泡材料 (ポリエチレンなど) が推奨されます。 サプライヤーは、材料に化学物質またはガスを注入することにより、断熱材に気泡を生成します。 これらの気泡により、高速信号が妨げられることなく通過できるようになります。

絶縁体とジャケットの厚さは 0.5 ミルから数百ミルの範囲であり、指定された電圧によって決まります。 一般に、ワイヤが太いほど高い電圧がかかり、より厚い絶縁体が必要になります。

断熱材とジャケットには多くの色があります。 着色プロセスでは、一次押出段階で着色剤と樹脂コンパウンドを混合します。 着色剤は切断や剥離に悪影響を及ぼしません。 しかし、着色剤は汚染物質であるため、着色剤が多すぎると絶縁体やジャケットに弱点や電気的障害を引き起こす可能性があるとゴイエット氏は言います。

ベルデン社の産業用ケーブルの製品ラインマネージャーであるリンダ・ホワイト氏は、「ハーネスメーカーがワイヤーやケーブルを切断したり剥いたりする能力には、一貫した絶縁体と被覆が不可欠である」と述べている。 」

ベルデン社の産業用ケーブルのフィールド アプリケーション エンジニアであるフランク コディテック氏は、導体への絶縁体の付着も剥離の問題を引き起こす可能性があると述べています。 これは特にゴム絶縁体に当てはまります。

剥離を容易にするために、サプライヤーは絶縁体と導体の間に非常に薄い透明ポリエステルのセパレーター テープを配置する場合があります。 別のオプションは、導体に離型剤を塗布することです。 薬剤はすぐに乾燥し、ワイヤーに痕跡が残ります。

ケーブル シールドの歴史は 20 世紀初頭に遡り、電話回線で聞こえてくるラジオ放送を遮断することが電話ユーザーに必要でした。 この無線周波数干渉 (RFI) を排除するために、電話技術者は回線にアース線を巻き付けることを試みました。 これは固定設置では機能しましたが、ラインが曲げられると、巻き付けられたワイヤが分離し、干渉が再発しました。

最終的に、エンジニアは、RFI を低減するために、電話機のイヤホン コードの導体上に錦糸線を編組し、次に単純なワイヤのより線を編組し始めました。 このプロセスはサーブドシールドとして知られています。

今日でも、ケーブル設計エンジニアは EMI や EMP だけでなく、RFI にも対処しなければなりません。 これらの干渉をブロックし、ケーブルのパフォーマンスを最適化するために、エンジニアはいくつかの種類のシールドを利用します。

Anixter Inc. の米国電線およびケーブル担当エンジニアリング マネージャー、エリック ウォール氏は、「電子ケーブルのシールドには、電力ケーブルとは異なる主な目的があります。電子ケーブルでは、通常、低レベル信号を広範囲にわたって保護しようとします。」ギガヘルツ範囲までの周波数範囲。電源ケーブルの場合、単一周波数電力正弦波 (60 ヘルツなど) 用のグランド プレーンを作成します。シールドは絶縁体にかかる応力を均等化し、故障電流に影響を与えます。これにより、障害が発生した場合に回路を切り離すことができます。これにより、安全性が向上し、ケーブルの寿命も延長されます。」

サーブドシールドは現在でも使用されており、その柔軟性が主な魅力です。 シールドは巻き戻して終端するのが簡単ですが、導体に巻き付けられているため、比較的誘導性が高くなります。 通常、シールドはラグまたは終端ポストに圧着されます。 オーディオアプリケーションでよく使用されます。

スパイラル シールドのもう 1 つのタイプは、ツイスト ペアです。これは 1881 年にアレクサンダー グラハム ベルによって発明され、特許を取得しました。ケーブル内の他のツイスト ペアからの干渉を最小限に抑えるために、2 つの絶縁された導体がハーネスの全長にわたって互いに均一に撚られています。

導体は単線または撚り線の場合があります。 単線導体は減衰が少なく、より長い距離に渡りますが、より線導体はコーナーの周りで曲げることができる柔軟性が非常に優れています。

ゴイエット氏によると、編組シールドはしっかりしているが柔軟性があるという。 編組シールドは、ボビン上の細線のグループで形成されます。 これらは編み機に並べて置かれ、互いに上下に織り込まれます。 編組シールドは通常、絶縁ワイヤの 95% をカバーします。

ストリップブレードは、より均一な表面を提供するために、導電性材料の固体リボンで作られています。 これは非常に高い周波数での利点であり、他のタイプのシールドと組み合わせると、非常に効果的な EMI バリアを形成します。

ハーネス メーカーは、多くの場合、終端プロセスの一環として、シールド ケーブルから編組シールドをほどいて切断する必要があります。 Schleuniger Inc. の製品管理担当副社長である Pete Doyon 氏は、彼の会社が編組シールドの編組を素早く解き、事前にプログラムされた長さに切断するためのプロトタイプ機械 (ShieldCut 8100) を開発したと述べています。 対象となるエンドユーザーには、軍事メーカーや航空宇宙メーカーが含まれます。

Schleuniger から現在入手可能なのは、JacketStrip 8310 スリッターです。 この機械は、シールドや内部導体を損傷することなく、円形ではない多心ケーブルの外側ジャケットを軸方向および放射状にスリットする回転ブレードを備えています。 0.1 ～ 1 インチの OD ケーブル、最大 19.7 インチの長さに対応します。 操作が簡単でサイクルタイムが短い半自動スリッター機です。

フォイル シールドは、絶縁ワイヤの周囲に螺旋状に巻き付けられた非常に薄い (0.0003 インチ) 金属化された柔軟なプラスチック フィルムで構成されています。 アルミニウムであるため、フィルムを圧着する必要があり、多くの場合、ケーブル内に包まれた非絶縁ドレイン ワイヤ (電流ダイバータ) と組み合わせられます。 ドレイン ワイヤはフォイルに接触し、ハーネスのソース端でアースに接続され、EMI を打ち消します。

100% のシールド効果を達成するには、ホイルの上に緩い編組を配置します。 この方法は、ケーブルが設置およびメンテナンス中にのみ曲げられる限り、うまく機能します。

過剰な EMI からさらに保護するために、金属箔でシールドされたツイストペア (STP) も利用できます。 フォイル ツイスト ペアと呼ばれる別のバリ​​エーションは、絶縁を行わず、シールドをフォイルのみに依存することを特徴としています。

最後のオプションは、しっかりとしたシールドです。 この硬質または半硬質の金属チューブは銅またはアルミニウムでできており、絶縁導体を取り囲んでいます。 EMI から 100% 保護します。 大きなケーブルには波形のようなチューブが組み込まれている場合があります。

Jim は ASSEMBLY の上級編集者で、30 年以上の編集経験があります。 ASSEMBLY に入社する前、Camillo は PM Engineer、Association for Facilities Engineering Journal、および Milling Journal の編集者を務めていました。 ジムはデポール大学で英語の学位を取得しています。