銅線：種類、用途、導電性、配線に使用される理由

とは何ですか 銅線 ?

銅線は、引き伸ばされた銅金属から作られた単一または複数のより線の電気導体であり、マイクロエレクトロニクスから高電圧送電に至るまで、回路、システム、および設備で電流を運ぶために使用されます。 「CU ワイヤ」という用語は、銅を意味するラテン語に由来しています。 クプラム — そして化学記号 Cu は、世界中の配線ラベル、ケーブル データシート、導体仕様に記載されています。ケーブルに「CU」とマークが付いている場合、一部の高電圧送電や建物の配線用途で使用されるアルミニウム (AL) 導体とは異なり、導体材料が銅であることを示します。

銅線は、継続的に使用されている最も古い工業用材料の 1 つです。引き伸ばされた銅線の証拠は古代エジプトとローマにまで遡りますが、工業用の伸線プロセス、つまり銅の棒を徐々に小さなダイスに引き抜いて直径を減らし、長さを長くするプロセスは、19 世紀に電信網と電力網の拡大とともに洗練されました。今日、 銅は依然として世界的に電気配線の主要な導体材料である , 世界中で生産される銅の約 65% が電気・電子産業で消費されています。

銅は電気伝導体ですか?そしてなぜそれほど効果があるのでしょうか?

銅は、すべての天然金属の中で最も優れた電気伝導体の 1 つです。その導電性はその原子構造から生じます。各銅原子は、その最外殻に結合が緩く、移動性の高い単一の価電子を持っています。銅の格子内では、これらの自由電子は印加された電場に応じて容易に移動し、その流れに対する抵抗が最小限の電流を構成します。

実用的な観点から測定すると、 20°C における純銅の電気伝導率は約 58.0 × 10⁶ ジーメンス/メートル (S/m) です。 これは、他のすべての導体材料のベンチマークとなる基準規格である 100% IACS (国際焼きなまし銅規格) です。銀は、より高い導電性 (約 106% IACS) を持つ唯一の一般的な金属ですが、そのコストにより、ほとんどの配線用途では実用的ではありません。アルミニウムは約 61% IACS、金は 73% IACS、鉄は約 17% IACS です。

銅線の抵抗率

抵抗率は導電率の逆数であり、材料が単位長さおよび単位断面積あたりの電流の流れにどれだけ強く抵抗するかを測定します。 20℃における純銅の抵抗率は、 1.72 × 10⁻⁸ オームメーター (Ω・m) 、または約 1.72 マイクロオームセンチメートル。実際のワイヤの計算では、これは、断面積 1 mm² の銅導体の抵抗が長さ 1 メートルあたり約 17.2 ミリオームであることを意味します。

抵抗率は温度とともに増加します。銅の抵抗の温度係数は 1℃あたり約 0.00393 です。これは、導体温度が 1℃上昇するごとに抵抗が約 0.4% 増加することを意味します。この関係が、配線規格の電流定格が定義された周囲温度で指定されている理由であり、重い負荷を運ぶ導体のサイズが抵抗加熱を制限するために十分な大きさに設定されている理由です。

不純物は導電率を大幅に低下させます。銅にリン、鉄、シリコンが 0.1% 含まれているだけでも、導電率は 15 ～ 30% 低下します。このため、最大の導電率が重要な用途では、電気グレードの銅線が最低純度 99.9% (電解タフピッチ、ETP 銅) または 99.99% (無酸素高導電率、OFHC 銅) に指定されています。

銅が電気配線に使用される理由

電気配線における銅の優位性は、導電性だけによるものではありません。銅は、電気的、機械的、実用的といった複数の有利な特性の組み合わせにより、ほぼすべての配線用途で推奨される導体材料となっています。

• 高い導電性 — 実用的な金属の中で銀に次ぐ金属であり、アルミニウムや他の代替金属と比較して、所定の通電容量に対して導体断面積を小さくすることができます。
• 優れた延性 — 銅は破損することなく 0.02 mm の細いワイヤに引き抜くことができ、破断点まで加工硬化することなく繰り返し曲げたり、コイル状に巻いたり、導管に通したりすることができます。
• 耐食性 — 銅は安定した付着性の酸化物層 (緑青) を形成し、端子の接触抵抗を大幅に増加させることなくさらなる腐食を抑制します。対照的に、アルミニウムは絶縁酸化物層を形成し、時間の経過とともに接合部や端子で接続抵抗の問題を引き起こします。
• 機械的強度 — 銅線は、焼きなましされた状態で 200 ～ 250 MPa、硬伸線グレードで最大 400 MPa の引張強度を備えており、アルミニウムに求められるより重い導体断面を必要とせずに、取り付け応力、振動、機械的負荷に耐えます。
• はんだ付け性と結線の互換性 — 銅は、はんだ合金、圧着端子、ネジクランプ、機械的コネクタに確実に接着します。あらゆる電気終端方式との互換性により、独自の多用途性を実現します。
• 熱安定性 — 銅は、極低温用途から絶縁タイプに応じて 75°C、90°C、または 105°C での連続使用に至るまで、幅広い温度範囲にわたって機械的および電気的特性を維持します。

電線に使用される銅は純粋な物質です — 具体的には、商用電気グレードで純度 99.9% 以上に精製された銅単体です。銅合金 (青銅、真鍮) は、標準的な配線用途では混合物や合金ではありませんが、適度な導電性とともに特定の強度やバネ特性が必要とされる特殊なコネクタ、接点スプリング、およびバス バーに使用されます。

さまざまな種類の銅線とケーブル

銅線は、さまざまな電気的、機械的、環境的要件に合わせて最適化された幅広い構成で製造されます。タイプ間の区別は、アプリケーションの選択、インストール コードへの準拠、および長期的なパフォーマンスにとって非常に重要です。

導体構造別

• 純銅線 — 単一の連続した銅のより線。断面あたりの最大の導電率と優れた終端安定性 (端子でのストランドの広がりなし) を提供しますが、剛性が高く、柔軟性が低くなります。最大 AWG 10 (5.26 mm²) のゲージで建物の固定配線 (家庭用分岐回路、壁内配線) に使用されます。より大きなゲージでは、単線は設置するには非現実的なほど硬くなります。
• 銅より線 — 複数の細い銅のより線を撚り合わせたもの。ソリッドワイヤよりも柔軟性が高く、繰り返しの曲げによる疲労破壊に対する優れた耐性があり、電線管や障害物の周囲での配線が容易です。パネル配線、アプライアンス コード、ポータブル ケーブル、および頻繁な移動や急な曲がりを通る配線が必要なあらゆる用途に標準的な選択肢です。
• 集合線・細撚り線 — 非常に高いストランド数 (IEC 60228 によるクラス 5 およびクラス 6) により、極めて高い柔軟性が得られます。溶接ケーブル、移動機械の引き回しケーブル、連続屈曲が行われるフレキシブルコードなどに使用されます。
• ロープレイおよび同心レイの座礁 — 撚り線導体のグループを撚り合わせて構築された大きな導体。設置中に非常に大きな断面積を扱いやすくする必要がある大電流電力ケーブル、船上配線、産業用フィーダー ケーブルに使用されます。

銅のグレードと表面処理による

• 裸銅線 — 被覆されていない銅。接地導体、バスバー、架空送電線、および銅の表面が意図的に露出される用途に使用されます。最も導電性の高い形状。表面の酸化は、接地または大電流の用途では通常は問題になりません。
• 錫メッキ銅線 — 錫の薄い層 (通常 1 ～ 3 µm) でコーティングされた銅のより線。錫コーティングは、はんだ付け性を向上させ、酸化を抑制し、湿気の多い環境や海洋環境での耐食性を提供します。錫メッキ銅は、信頼性の高いはんだ接合と長期にわたる表面完全性が要求される海洋配線、オーディオ機器、RF 信号ケーブルの標準です。
• 銀メッキ銅線 — 銀でコーティングされた銅。主に、表皮効果によって導体表面に電流が集中する高周波 RF およびマイクロ波用途で使用されます。銀メッキは酸化銅よりも高い導電性の表面層を提供し、高周波での信号の完全性を維持します。
• ニッケルメッキ銅線 — 錫の低い融点が不適切な高温環境で使用されます。航空宇宙用配線、エンジン コンパートメント ケーブル、および 150°C を超える連続使用に耐える工業炉制御配線に使用されます。
• 無酸素銅（OFC/OFHC） — 内部酸化物混入を防ぐため、鋳造中に酸素にさらさずに製造されています。高純度信号アプリケーションにおいてわずかに高い導電率と大幅に優れたパフォーマンスを提供します。ハイエンドオーディオケーブル、医療機器、半導体製造に広く仕様されています。

絶縁体とケーブルの種類別

• THHN / THWN — 熱可塑性絶縁体、耐熱性、乾燥した場所または湿った場所での電線管の設置に適しています。北米で最も一般的な建築用ワイヤーのタイプ。
• NM-B（ロメックス） — 2 つまたは 3 つの絶縁銅導体と裸銅アースを含む非金属被覆ケーブル。米国の住宅用分岐回路配線に使用されます。
• MCケーブル（メタルクラッド） — スパイラルアーマージャケット内の絶縁銅導体。硬い導管を使用しない機械的保護が必要な商業建築で使用されます。
• 同軸ケーブル — 誘電体絶縁体、編組銅シールド、および外側ジャケットで囲まれた中心銅導体。テレビ、衛星、ブロードバンド インターネット、およびアンテナ システムでの RF 信号伝送に使用されます。
• ツイストペア — 電磁干渉をキャンセルするために、絶縁された銅導体のペアを撚り合わせたもの。構造化データのケーブル配線 (Cat5e、Cat6、Cat6A) および電話配線の基礎。
• 溶接ケーブル — 厚いゴムまたは EPDM 絶縁体を備えた柔軟性の高い細いより線銅で、アーク溶接装置の高電流および極度の柔軟性の要求に耐えられるように評価されています。

銅線は何に使用されますか?

銅線の応用範囲は、現代経済の事実上あらゆる分野に及びます。その用途は単純な電力供給をはるかに超えています。

発電、送電、配電

発電機、変圧器、モーターの銅巻線は、機械エネルギーを電気エネルギーに、またはその逆に変換します。住宅街向けに電圧を降圧する配電変圧器には、数百キログラムの銅巻線が含まれています。家庭用分岐回路配線、引き込み線ケーブル、およびメーターソケット接続は、住宅および小規模商業建築物では、ほとんどの場合銅線で行われます。

電動モーターと変圧器

スマートフォンのバイブレーターの小型モーターから産業用コンプレッサーの数メガワットのドライブに至るまで、すべての電気モーターには銅の巻線が含まれています。 1 台の電気自動車には約 2.5 ～ 4 kg の銅線が含まれています 、そしてモーター自体がそのかなりの部分を占めます。輸送機関、HVAC、産業機器全体で電化が加速するにつれて、モーター製造からの銅の需要も比例して増加します。

通信およびデータインフラストラクチャ

商業ビル内の構造化ケーブル システム (ネットワーク スイッチとワークステーション間でイーサネット データを伝送する Cat6 および Cat6A ツイストペア ネットワーク) は、ほぼ完全に銅線で構成されています。電話ネットワークは歴史的に完全に銅線ペア配線で運営されており、長距離では光ファイバーが置き換えられたにもかかわらず、構内および建物内の「ラストマイル」接続では依然として銅線ツイストペアが主流です。

電子機器製造

プリント回路基板は、銅張積層板からエッチングされた銅トレースを使用してコンポーネントを相互接続します。集積回路のボンディング ワイヤは、かつては主に金でしたが、コストと性能の理由から銅のボンディング ワイヤの使用が増えています。銅は PCB ビアのメッキ導体材料でもあり、基板層間の回路トレースを接続します。

再生可能エネルギーシステム

太陽光発電設備では、モジュールレベルの DC 相互接続およびストリング ケーブルからインバータ出力およびグリッド相互接続導体に至るまで、全体にわたって銅配線が使用されます。風力タービンの発電機やタワーを下る電力輸送ケーブルには大量の銅が含まれています。エネルギー貯蔵システムは、セルの相互接続とシステム統合に銅製バスバーとケーブル配線を使用します。

接地と雷保護

裸銅導体は、電気システムの接地、機器の接合、および避雷システムに推奨される材料です。その耐食性により、直接埋設および露出された用途において長期の接地連続性が確保され、その高い導電性により、危険な電圧上昇を起こすことなく、故障電流と落雷エネルギーが急速に消散されます。

銅線はどこで入手できますか?

銅線は、電気を使用するほぼすべての建築環境および製造製品に埋め込まれています。実際には、次の場所にあります。

• 壁や天井の内側 あらゆる住宅、商業、産業用の建物 - 分岐回路配線、照明回路、コンセント配線、引き込み線など。
• あらゆる家電製品やモーターの内部 — 洗濯機、冷蔵庫、エアコン、電気レンジ、ファン、ポンプ、コンプレッサーにはすべて銅の巻線が含まれています。
• 車両内 — 平均的な内燃機関車両には 20 ～ 45 メートルの銅配線が含まれています。電気自動車の普及率は 2 ～ 3 倍に増加します。
• 電子機器において — コンピュータ、電話、テレビ、オーディオ機器はすべて、銅製の回路基板トレース、コネクタ、内部ワイヤリング ハーネスを使用しています。
• 公共インフラにおいて — 架空配電線 (アルミニウム以外の場合)、住宅用地下配電ケーブル、変圧器巻線、および変電所機器。
• 通信インフラにおいて — 電話接続箱、DSL 回線、オフィスビル内の構造化ケーブル、従来の同軸ケーブル テレビ システム。

銅線は建築環境に遍在しているため、盗難の重大な標的にもなっています。銅の商品価値とインフラ内での銅の存在密度により、電気銅は世界中で最も一般的に回収およびリサイクルされる金属の 1 つとなっています。 リサイクルされた銅は電気的特性を 100% 保持します 世界の銅供給量の約 35 ～ 40% を占めており、銅線は現在使用されている循環型産業材料の中で最も成功しているものの 1 つとなっています。