KR100608478B1 - 초전도 케이블 제조 방법 - Google Patents

Abstract

초전도 케이블은 코어들(2)의 스트랜드 시에 복수의 코어(2)에 스페이서(12)를 제공하고, 스트랜드 코어들(2)이 단열 파이프에 수납되기 전에 상기 스페이서(12)를 제거하며, 상기 스트랜드들이 슬랙(slack) 상태로 유지되면서 상기 코어들을 상기 단열 파이프 내에 수납함으로써 제조된다. 상기 스페이서들을 일시적으로 내삽(interposition)시킴으로써, 코어들이 단열 파이프에서 냉각될 때 발생하게 될 열적 수축을 관리하도록 충분한 슬랙을 갖는 3개의 코어를 용이하게 제조할 수 있다.

초전도 케이블, 코어, 스트랜드, 스페이서, 단열 파이프, 슬랙

Description

초전도 케이블 제조 방법{Method of manufacturing superconducting cable}

도 1은 본 발명에 따른 초전도 케이블의 횡단면도.

도 2는 본 발명에 다른 초전도 케이블을 제조하기 위한 방법에 있어서 포함된 코어들을 스트랜드하는 방법을 도시하는 설명도.

도 3은 본 발명에 따른 방법 하에서, 스페이서들이 코어들 사이에 샌드위치되는 3개의 코어를 도시하는 측면도.

도 4는 내부 파이프에 코어들을 수납하는 방법을 도시하는 설명도.

도 5는 스페이서를 삽입한 3개의 코어를 도시한 횡단면도.

도 6은 스페이서 두께와 설계 슬랙 사이의 관계, 및 스페이서 두께와 스페이서를 갖는 3개의 코어에 외접하는 포락원(enveloping circle)의 직경 사이의 관계를 도시하는 그래프.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1: 단열 파이프 2: 코어

3: 외부 파이프 4: 내부 파이프

5: 형성자 6: 초전도체

7: 전기 절연층 8: 차폐층

12: 스페이서

본 발명은 초전도 케이블을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 케이블 코어를 냉각시킬 수 있는 수축을 용이하게 할 수 있는 초전도 케이블을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.

수납된 후, 초전도 케이블은 케이블에 있는 액상 질소와 같은 냉매에 의해 냉각된다. 상기 케이블의 최외각층은 주위 온도에 놓이게 되며, 반면 상기 케이블의 내측은 약 -200℃로 남게 된다. 따라서, 상기 케이블의 내측과 외측간의 온도차는 200℃ 이상이 된다. 상기 냉각 케이블을 구성하는 금속은 약 0.3% 수축된다; 특히, 상기 케이블은 100m당 약 30㎝ 열적 수축된다. 상기 초전도 케이블의 도체는 복수의 케이블 코어를 스트랜드(strand)함으로써 형성된다. 상기 케이블의 양 단부들은 상호 연결부 또는 단자 연결부에 고정된다. 따라서, 만약 스트랜드 케이블 코어가 수축될 경우, 상기 스트랜드는 훨씬 단단하게 결속된다. 결과적으로, 상기 케이블은 절곡부에서 인장 응력 및 측압을 받게 되며, 따라서 상기 초전도체에 손상을 입히게 되고, 그의 성능은 기계적 응력에 의해 크게 저하된다. 그 때문에, 열적 수축을 관리하는 매커니즘이 필요하게 되었다.

출원중인 일본 특개평 9-134620호에 개시된 바와 같은 기술은 열적 수축을 처리하기 위한 기술로서 공지되어 있다. 특히, 큰 열적 수축비를 갖는 개재물이 3개의 케이블 코어의 중앙에 제공되며, 상기 3개의 케이블은 그들 사이에 삽입되는 개재물과 함께 스트랜드된다. 상기 3개의 케이블 코어들의 스트랜드들은 개재물의 열적 수축에 의해 직경이 변하며, 따라서 열적 수축을 관리한다.

상술된 기술은 케이블 코어외에 큰 열적 수축비를 갖는 개재물의 사용을 필요로 하며, 따라서, 부품수의 증가를 초래한다.

본 발명의 목적은 케이블 코어에 다른 부재들을 합체시키는 일 없이 열적 수축을 관리할 수 있는 초전도 케이블을 제조하기 위한 방법을 제공하는 것이다.

상기 본 발명의 목적은, 코어들이 슬랙 상태로 단열 파이프에 수납될 수 있도록, 케이블 코어들 사이에 스페이서를 일시적으로 제공함으로써 성취된다.

본 발명은, 코어들의 스트랜드 시에 복수의 코어에 스페이서들을 제공하는 단계; 및

삭제

스트랜드 코어들이 단열 파이프에 수납되기 전에 상기 스페이서들을 제거하며, 상기 스트랜드들이 슬랙 상태로 보유되는 동안, 상기 코어들을 상기 단열 파이프 내에 수납하는 단계를 포함하는 초전도 케이블을 제조하기 위한 방법을 제공한다.

예를 들어 3개의 코어들과 같은 복수의 코어 스트랜드 될 때, 상기 스페이서들은 코어들 사이에 내삽된다. 상기 코어들은 상기 스페이서들의 두께에 대응하는 간격으로 스트랜드된다. 이런 스트랜드 코어들은 단열 파이프에 수납(house)되는 경우, 상기 스페이서들은 제거되며, 상기 코어들은 스페이서들의 두께에 대응하는 슬랙이 유지되면서 파이프에 수납된다. 이 때, 만약 상기 스페이서들의 두께가 최적화될 경우, 상기 케이블이 단열 파이프에서 냉각될 때 발생하는 열적 수축을 관리하도록 충분한 슬랙을 갖는 3개의 코어가 용이하게 제조될 수 있다.

상기 스페이서의 제거는 상기 코어들을 단열 파이프 내에 수납하는 처리 바로 전에 수행되는 것이 바람직하다. 일반적으로, 단열 파이프는 진공 단열층이 외부 파이프와 내부 파이프 사이에 형성되는 구조를 가지며, 스트랜드 코어들은 내부 파이프에 수납된다. 내부 파이프가 스테인레스강으로 형성될 때, 스테인레스강판은 상기 코어들의 스트랜드의 외주면을 커버한다. 금속판들 사이의 접합부들은 용접기에 의해 순차적으로 용접된다. 스페이서들은 케이블 코어들이 용접기 안으로 도입되기 전에 제거된다. 내부 파이프가 구리나 또는 알루미늄으로 제조될 때, 일부의 경우, 금속은 압출기에 의해 케이블 코어의 외주면으로 압출된다. 이 경우, 스페이서들은 케이블이 압출기 안으로 도입되기 전에 제거된다.

스페이서들의 제거는 스트랜드 코어들 사이의 홈으로부터 스페이서들을 인출함으로써 용이하게 수행된다. 예를 들어, 코어들이 용접기나 또는 압출기 안으로 도입되기 바로 전에, 스페이서들은 라인의 측방으로 인출되거나 권취된다.

스페이서의 재질은 가요성을 가지며 두께 방향의 강도를 갖는 재질로 제조되는 것이 바람직하다. 특히, 스페이서 물질은 플루오로수지계 재질, 비닐계 재질, 고무계 재질, 페이퍼계 재질, 및 펠트계 재질을 포함한다.

상기 스페이서의 적합한 기하학(geometry)은 연장된 테이프 형상이다. 특히, 스페이서의 두께는 다음과 같은 조건을 충족시키는 것이 바람직하다.

(1) 필요한 슬랙의 양(A0) ≤ 설계 슬랙의 양(A1),

여기서, 필요한 슬랙의 양(A0)은 코어의 열적 수축율[{(수축 후 코어의 1 피치 길이/수축 전 코어의 1 피치 길이)-1} * 100]로 표시되며, 상기 설계 슬랙의 양(A1)은 [{(L1/L2)-1} * 100] 으로 표시되고, 여기서, L1은 상기 스페이서들을 갖는 코어들의 1 피치 길이를 나타내고, L2는 스페이서들을 갖지 않는 코어들의 1 피치 길이를 나타낸다;

(2) 포락원(enveloping circle)의 직경 ≤ 단열 파이프의 내경(inner diameter; B),

여기서, 상기 포락원의 직경은 스페이서들을 갖는 스트랜드 코어들에 외접하는 원의 직경에 대응한다.

조건 (1)은 코어들의 수축을 관리하기 위해 필요한 조건이다. 필요한 양의 슬랙의 완전 관리와 부분 처리 사이의 선택은 필요에 따라 설계에 의해 결정될 수 있다. 조건 (2)는 단열 파이프의 기계가공 시에 코어들이 단열 파이프의 내면과 접촉할 때 발생하는, 상기 코어들에 대한 손상을 방지하기 위해 필요한 조건이다. 공차를 고려하여, 상기 단열 파이프의 내경(B)은 최소값으로 설정되는 것이 좋다.

본 발명에 따른 제조 방법을 설명하기 전에, 먼저 본 발명의 방법에 의해 제조될 초전도 케이블의 구조에 대해 도 1을 참고로 설명한다. 상기 케이블은 단열 파이프(1)에 수납된 3개의 코어(2)를 갖는다. 상기 단열 파이프(1)는 외부 파이프(3)와 내부 파이프(4) 사이에 다층 절연체(도시되지 않음)와 같은 단열 물질을 제공하고, 상기 파이프들(3,4)간의 규정된 공간을 진공 상태로 함으로써 구성된다. 상기 케이블 코어(2)는 열적 수축의 관리가 가능하도록 충분한 슬랙을 가지고 스트랜드된다. 상기 외부 및 내부 파이프(3,4)는 주름잡힌 파이프로 형성된다. 각각의 케이블 코어들(2)은, 중심으로부터 차례로, 형성자(former; 5), 초전도체(6), 전기 절연층(7), 및 차폐층(8)을 포함한다. 보호층(도시되지 않음)이 상기 차폐층(8)의 외측에 제공될 수 있다. 본 실시예에 있어서, 형성자(5)는 중공형(hollow)이다. 각각의 형성자(5)의 내부 공간 및 내부 파이프(4)와 케이블 코어(2) 사이에 규정된 공간은 냉매 채널들로서 작용한다. 상기 초전도체(6)는, Y-계 초전도체 또는 Bi-계 초전도체와 같은 산화 초전도체가 바람직하다. 전기 절연층(7)으로 사용될 수 있는 물질은 냉매가 함침(soaked)된 페이퍼 테이프, 또는 페이퍼 테이프와 플라스틱 테이프로 구성된 복합 페이퍼를 포함하며, 상기 전기 절연층(7)은 그와 같은 페이퍼 테이프를 권취함으로써 형성된다. 액상 질소나 또는 액상 헬륨이 냉매용으로 사용될 수 있다.

3개의 코어의 스트랜드에 슬랙을 허용하기 위해, 상기 케이블은 케이블 코어 제조 후 이하 제공된 방법에 따라 제조된다.

스페이서들은 도 2에 도시된 바와 같이 상기 코어들의 스트랜드 시에 3개의 코어 사이에 삽입된다. 장방형 슬릿들(11)은 코어의 스트랜드 시에 가이드로서 작용하도록 목판(batten plate; 10)에 형성된다. 테이프형 스페이서(12)는 각각의 슬릿들(11)을 관통한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 스페이서(12)는 코어들(2) 사이에 위치되며, 따라서 상기 스트랜드들 사이의 홈들을 통해 스페이서들(12)의 측면이 노출되는 3개의 코어들이 생성된다.

상기 스페이서들을 갖는 3개의 코어들은 내부 파이프(4)에 수납된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 내부 파이프는 일반적으로 스트랜드 코어들(2)의 외주면을 금속판(20) (예를 들면, 스테인레스판)으로 커버하고, 이어서 금속판들(20)의 연결부를 용접기(21)로 용접함으로써 형성된다. 이 단계에서는, 내부 파이프는 주름진 파이프가 아니고 선형 파이프이다. 다음에, 내부 파이프(4)는 파형기(22) 안으로 도입되고, 여기서 상기 파이프(4)는 주름지게 된다. 이렇게 주름잡힌 파이프(4)는 드럼(23) 상에 권취된다. 스페이서들(12)은 스트랜드 코어들이 용접기(21) 안으로 도입되기 전에 제거된다.

스페이서들(12)은 스트랜드 코어들 사이의 규정된 홈들로부터 인출함으로써 용이하게 제거될 수 있다. 예를 들어, 스트랜드 코어들이 용접기(21) 안으로 도입되기 전에, 상기 스트랜드 코어들의 단부는 상기 코어들의 퍼짐(spreading)를 방지하기 위해 단말 처리되며, 상기 개별 스페이서들(12)은 상기 코어들로부터 인출된다. 상기 스페이서들(12)이 단순히 코어들(2) 사이에 위치되므로, 상기 스페이서들(12)은 손으로 용이하게 당겨질 수 있다. 상기 스페이서들은 도입 라인의 측방으로 인출 및 권취되는 것이 바람직하다.

이런 생산 단계에 의해, 상기 3개의 코어들은 상기 스페이서들(12)의 두께에 대응하는 슬랙을 갖고 주름진 내부 파이프(4)에 수납될 수 있다. 상기 슬랙은 주름진 내부 파이프를 처리하는 공정 뿐만 아니라 케이블의 조립 후까지 유지될 수 있다.

(시산예)

실제로 어느 정도 두께의 스페이서를 설정할 것인가에 대한 시산이 수행된다. 실예로서, 스트랜드된 3개의 코어가 135 내지 136㎜의 외경을 갖는 초전도 케이블의 단열 파이프(즉, 내부 파이프)에 수납되어, 케이블이 150㎜의 내경을 갖는 파이프 라인 안에 저장될 수 있는 경우를 들 수 있다.

본 실시예는 코어 외경(D)을 39.5㎜; 주름진 내부 파이프의 내경(B)을 93㎜; 코어 스트랜드 피치를 1000㎜로 채택한다. 주름진 내부 파이프의 스트랜드 내경은 95㎜이다. 그러나, +0㎜ 내지 -2㎜의 공차를 고려하여, 93㎜의 최소 내경이 채택되었다.

(스페이서 두께의 개념)

상술된 바와 같이, 케이블 물질을 구성하는 금속은 약 0.3% 수축한다. 여기서, 필요한 슬랙의 양(A0)은 0.3%로서 설정되며, 이 때 시산은 상기 필요한 슬랙의 양(A0)의 완전 유지를 고려한다. 0.3%의 슬랙을 초전도 케이블 조립 후의 코어로 전달하기 위해, 바람직하게는 가능한 한 많은 양의 슬랙이 상기 주름진 내부 파이프의 제조 시에 코어들로 전달되어야 한다. 측정 가능한 스페이서 두께는 최대화 한다.

만약, 상기 스페이서 두께가 과도하게 크게 되면, 상기 3개의 코어의 스트랜드들의 프로파일은 케이블 코어의 제조 시 변형(defomation)되도록 적응된다. 또한 제조 상의 제약도 고려해야만 한다; 즉, 코어의 외경은 코어를 내부 파이프 안으로 충분히 수납할 수 있는 크기여야 한다; 그리고, 내부 파이프의 제조 시 내부 파이프의 용접 손실이 발생하거나 또는 코어에 충격을 가하는 위험을 제거해야만 한다.

상기 요인들을 재고한 결과를 기초로, 스페이서 두께의 시산은 코어에 대한 손상을 가하는 일 없이 상기 스트랜드 코어들을 상기 내부 파이프 안에 수압하는 방향으로 수행되며, 약 0.4%의 설계 슬랙을 얻게 된다.

(시산의 절차)

설계 슬랙(A1)의 양은 수학식 1에 의해 수학적으로 표시되며, 여기서, 스페이서들을 갖는 코어들의 1 피치의 길이는 L1으로서, 스페이서를 갖지 않는 코어들의 1 피치의 길이는 L2로서 제공된다.

스페이서의 두께는 "t"는, 0.3% ≤ A1, 스페이서들을 갖는 3개의 코어들에 외접하는 포락원의 직경 ≤ 93㎜가 되도록 결정된다.

길이 L1, L2는 다음과 같이 결정될 수 있다. 도 5는 직경 D를 갖는 케이블 코어들(2)이 스트랜드되며, 두께 "t"를 갖는 테이프형 스페이서들(12)이 상기 케이블 코어들 사이에서 위치되는 3개의 코어 스트랜드에 대한 횡단면도를 도시한다.

도면에서 분명히 알 수 있는 바와 같이, 스페이서들을 갖는 3개의 코어들에 외접하는 포락원의 중심으로부터 각각의 코어의 중심에 이르는 거리(r1)는 수학식 2에 의해 결정된다.

(도시되지 않은) 스페이서들을 갖지 않는 3개의 코어들에 외접하는 포락원의 중심으로부터 각각의 코어의 중심에 이르는 거리(r2)는 수학식 3에 의해 결정된다.

일반적으로, 상기 스트랜드된 3개의 코어들의 피치당 길이(L)는 수학식 4에 표시되며, 상기 3개의 코어들에 외접하는 포락원의 중심으로부터 각각의 코어의 중심에 이르는 거리는 "r"로 제공된다.

r1 또는 r2를 "r"로 대체함으로써, L1 및 L2는 각각 수학식 5와 수학식 6으로 표시된다.

스페이서들을 갖는 상기 3개의 코어들에 외접하는 포락원의 직경은 아래 기재된 수학식 7로 표시된다. 수학식 1, 수학식 5, 수학식 6, 및 수학식 7로부터, 0.3% ≤ A1을 만족하고, 스페이서들을 갖는 3개의 코어들에 외접하는 포락원의 직경 ≤ 93㎜로 될 수 있는 "t"가 결정된다.

(시산 결과)

시산은 상술된 절차에 따라 수행되었다. 도 6의 그래프는 스페이서 두께와 설계 슬랙의 양 사이의 관계, 및 스페이서 두께와 스페이서를 갖는 3개의 코어에 외접하는 포락원의 직경 사이의 관계를 도시한다.

3개의 코어들의 스트랜드에 대한 최대 슬랙을 확보하고, 주름진 내부 파이프의 제조 시 상기 코어들에 대한 손상을 방지하는 스페이서 두께를 살펴본 결과, 약 0.4%의 설계 슬랙이 7㎜ 두께의 스페이서를 채택함으로써 성취된다.
시산의 상기 예는 3개의 코어들의 경우를 기술하였다. 코어들의 수가 3 이상 또는 그 이하일지라도, 스페이서 두께는 동일한 개념 및 동일한 방식에 기초하여 결정된다.

상술된 바와 같이, 본 발명에 따른 초전도 케이블의 제조 방법 하에서는, 코어들은 코어들 사이에 스페이서들을 일시적으로 삽입함으로써 열적 수축을 관리하기 위한 충분한 슬랙을 갖는 단열 파이프 내에 수납될 수 있다. 따라서, 케이블 코어들을 갖는 다른 부재를 집적시키지 않고 열적 수축을 관리할 수 있는 초전도 케이블을 제조할 수 있다.

Claims (5)

1. 초전도 케이블을 제조하기 위한 방법에 있어서,

   코어들의 스트랜드 시에 복수의 코어들에 스페이서들을 제공하는 단계; 및

   상기 스트랜드 코어들(stranded cores)이 단열 파이프에 수용되기 전에 상기 스페이서들을 제거하고, 상기 스트랜드들이 슬랙 상태로 유지되면서, 상기 코어들을 상기 단열 파이프 내에 수용하는 단계를 포함하는, 초전도 케이블 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 스페이서들 각각의 두께는,

   (1) 필요한 슬랙의 양(A0) ≤ 설계 슬랙의 양(A1),

   여기서, 상기 필요한 슬랙의 양(A0)은 상기 코어의 수축율로 표시되며, 상기 설계 슬랙의 양(A1)은 [{(L1/L2)-1} * 100] 으로 표시되고, 여기서, L1은 상기 스페이서들을 갖는 코어들의 1 피치 길이를 나타내고, L2는 스페이서들을 갖지 않는 코어들의 1 피치 길이를 나타내며,

   (2) 포락원(enveloping circle)의 직경 ≤ 단열 파이프의 내경(B),

   여기서, 상기 포락원의 직경은 스페이서들을 갖는 스트랜드 코어들에 외접하는 원의 직경에 대응한다는 조건을 충족시키는, 초전도 케이블 제조 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 코어들의 스트랜드들의 외주면을 금속판으로 커버하는 단계; 및

   상기 코어들이 용접기(welder) 안으로 도입되기 전에 상기 스페이서들을 제거하고, 상기 금속판들 사이의 접합부를 용접기로 용접하는 단계를 더 포함하는, 초전도 케이블 제조 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 케이블들이 압출기(extruder) 안으로 도입되기 전에 상기 스페이서들을 제거하고, 상기 압출기에 의해 상기 코어들의 외주면으로 금속을 압출하는 단계를 더 포함하는, 초전도 케이블 제조 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 스트랜드 코어들 사이의 홈으로부터 상기 스페이서들을 인출하고, 상기 스페이서들을 권취하는 단계를 더 포함하는, 초전도 케이블 제조 방법.

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