誘導加熱炉や製鋼用アーク炉のように数千〜数万Aという大電流を扱う設備では、内部に冷却水路を持つ「水冷銅導体」が使われます。これは配電盤やキュービクルで使われる板状の銅ブスバーとは冷却の仕組みも保守の注意点も別物です。この記事では、水冷銅導体(水冷ケーブル・水冷バスバー)の構造と、通常の銅ブスバーとの違い、冷却水の水質管理や結露対策まで、設計・保守担当者が発注前に押さえておきたい点を整理します。

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誘導加熱・電気炉で水冷銅導体が必要になる理由

誘導加熱炉やアーク炉は数千〜数万Aの電流をコイルや電極に流すため、空冷の板状ブスバーでは断面積が現実的な大きさに収まらず、導体内部を水で直接冷やす構造が選ばれます。

誘導加熱は、被加熱物の周囲に配置したコイルに交流電流を流し、発生する交番磁界で被加熱物内部に渦電流を誘起して加熱する方式です。コイル自体にも電流によるジュール損が発生するため、大容量の誘導炉や誘導加熱装置では一次コイルの導体そのものを冷却する必要があります。同様に、製鋼用アーク炉や誘導溶解炉の電極・母線側でも、数万Aクラスの電流を扱う区間では発熱量が大きく、空冷だけでは導体温度を許容範囲に収められません。

この問題への対応として、導体の内部(または導体に沿わせた流路)に冷却水を通し、電流による発熱を水に直接持ち去らせる「水冷銅導体」が使われます。同じ断面積でも空冷の板状ブスバーより大きな電流を流せるため、設備をコンパクトに収めたい場面で選ばれています。

水冷銅導体の構造(水冷ケーブルと水冷バスバー)

水冷銅導体には、可動部に使う「水冷ケーブル」と、固定区間に使う「水冷バスバー(水冷銅パイプ導体)」の2タイプがあります。

水冷ケーブルは、軟銅の撚線導体の中心または周囲に冷却水路を兼ねた絶縁ホースを配置し、両端に冷却水路付きの接続端子を取り付けた可とう性のあるケーブルです。撚線なので曲げられ、誘導炉の傾動部やトランスの引出し部など、動きのある区間に使われます。一方、固定区間の母線には、中空の銅パイプそのものを導体として使い、パイプ内部に直接通水する「水冷バスバー」が使われます。構造がシンプルな分、同じ断面積なら許容電流を高く取りやすい形です。

【水冷ケーブル(可とう部)】
 撚線導体 ─┬─ 絶縁ホース(冷却水路)
          └─ 水冷端子(給水・排水)

【水冷バスバー(固定部)】
 銅パイプ(中空) ── 内部に冷却水を通水
            └─ 端部で給水管・排水管に接続
  

通常の銅ブスバー(バスバー)との違い

同じ銅導体でも、冷却方式が「水冷(内部通水)」か「空冷(表面からの自然・強制空冷)」かで、断面積の決め方も保守項目もまったく別物になります。

配電盤・受配電設備・蓄電池設備などで使われる板状の銅ブスバー(バスバー)は、表面積を広く取ることで空気中に熱を逃がす「空冷」が前提です。断面積は、許容電流・温度上昇・設置環境から板厚と幅の組み合わせで決めます(関連記事: ブスバーとは)。これに対し水冷銅導体は、冷却水が熱を持ち去ることを前提に電流密度を高く設計できる代わりに、冷却水の水質管理・配管の気密性・結露対策という、空冷のブスバーには無い保守項目が加わります。

水冷化による電流密度の向上幅は、流量・水温・導体形状によって変わるため、上の数値は傾向を示す目安です。実際の設計では冷却水量と温度上昇の計算が前提になります。

冷却水の水質管理(スケール・詰まり対策)

冷却水の水質が基準から外れると、導体内部にスケール(水垢)が付着して流路が狭まり、冷却能力が落ちて過熱事故につながります。

水冷銅導体・水冷ケーブルの冷却水路は内径が小さいため、水中のカルシウムやマグネシウムなどのミネラル分がスケールとして析出すると、流量が低下しやすくなります。一般的な冷却水の水質管理では、日本冷凍空調工業会の水質基準(JRA-GL-02)が目安として参照されており、pH(25℃)6.5〜8.2、電気伝導率(25℃)80mS/m以下といった範囲が示されています。電気伝導率が高いほど溶解塩類が多く、スケールや腐食のリスクが上がるため、定期的な水質検査と、必要に応じたイオン交換水・純水の使用が検討されます。

銅部材の表面処理やめっきの考え方は、水冷系統の接続端子でも基本は同じです。酸化防止・接触抵抗の観点は 銅ブスバーへのめっき の記事も参考にしてください。

結露対策と保守点検

冷却水は常温より低い温度で流れているため、湿度の高い時期には導体表面や配管に結露が生じやすく、気づかないまま通電すると漏電・ショートにつながります。

梅雨時や夏場の高湿度環境では、冷却水が流れている配管や水冷導体の表面温度が露点を下回り、結露水が付着することがあります。結露に気づかずに通電・稼働すると、絶縁性能の低下や、最悪の場合は漏電・ショートの原因になります。対策としては、配管・導体周りの断熱(保温材の施工)、周囲の換気による湿度コントロール、始業前の目視点検(結露・水滴の有無の確認)が基本になります。保温材が劣化すると断熱機能が落ちるため、保温材自体の点検・更新も保守計画に組み込む必要があります。

発注・選定時に確認しておきたい項目

水冷銅導体を検討する際は、電流値と冷却水条件(流量・水温・水質)をセットで整理してから相談すると、設計・見積りがスムーズに進みます。

水冷ケーブル・水冷バスバーは誘導加熱炉メーカーや電気炉メーカーが専門に扱う領域で、当社が主にお受けしているのは配電盤・受配電設備・蓄電池設備向けの板状銅ブスバー(空冷)です。ただし、水冷区間の前後に接続する板状の母線部分や、端子台周辺の銅加工部材についてはご相談いただける範囲です。発注・相談の際は、使用電流、設置環境、想定している冷却方式(水冷か空冷か)を整理しておくと検討がスムーズです。

配電盤側の板状銅ブスバーの加工の進め方は 加工技術 のページもあわせてご覧ください。

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