KR100641344B1 - 초전도케이블용 저온유지장치 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초전도케이블용 저온유지장치 구조에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 열전달 방지기능과 내부의 기체를 흡착하는 기능을 동시에 수행하는 스페이서를 포함하여 구성되는 초전도케이블용 저온유지장치 구조에 관한 것이다. 본 발명에 따른 저온유지장치는 그 내부에 스페이서(50)를 구비하되, 스페이서(50)가 내부의 기체를 흡착하는 흡착기능과 다층단열필름(40)과 내측 금속쉬스(20) 사이에 공간을 형성하여 단열하는 기능을 동시에 수행하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 본 발명에 따를 경우 흡착제와 스페이서를 별도로 설치하는 번거로움을 극복하고, 기체를 보다 효율적으로 흡착하여, 고진공도를 유지할 수 있을 뿐만 아니라 종래의 제품처럼 흡착제 부착위치에 다층단열필름의 국부 압축구간이 없어지기 때문에 보다 좋은 단열성능을 나타낸다.

초전도케이블, 저온유지장치, 스페이서, 다층단열필름

Description

초전도케이블용 저온유지장치 구조{Structure of cryostat for super-conduction cable}

도 1은 본 발명에 따른 초전도케이블용 저온유지장치의 일실시예의 구조를 보이는 초전도케이블의 종단면도.

도 2는 도 1의 A-A 단면도.

도 3a는 본 발명에 따른 초전도케이블용 저온유지장치 내부 스페이서의 일실시예를 나타내는 평면도.

도 3b는 본 발명에 따른 초전도케이블용 저온유지장치 내부 스페이서의 다른 실시예를 나타내는 횡단면도.

도 4는 본 발명에 따른 초전도케이블용 저온유지장치의 다른 실시예의 구조를 보이는 초전도케이블의 횡단면도.

도 5는 본 발명에 따른 초전도케이블용 저온유지장치의 스페이서의 작용을 보이는 상태도.

도 6 종래의 초전도케이블용 저온유지장치의 구조를 보이는 초전도케이블의 종단면도.

도 7a는 종래의 초전도케이블용 저온유지장치의 다층단열필름의 일 구조를 나타내는 단면도.

도 7b는 종래의 초전도케이블용 저온유지장치의 다층단열필름의 다른 구조를 나타내는 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 케이블코어 20 : 내측 금속쉬스

30 : 외측 금속쉬스 40 : 복합필름

41 : 네트층 43 : 복사차단층

50 : 스페이서 51 : 구멍

52 : 흡착층 60 : 흡착제

본 발명은 초전도케이블용 저온유지장치 구조에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 케이블코어로 열전달을 방지기능과 내부의 기체를 흡착하는 기능을 동시에 수행하는 스페이서를 포함하여 구성되는 저온유지장치 구조에 관한 것이다.

일반적으로 초전도 현상이란 극저온 상태(-196℃)에서 도체에 흐르는 저항이 0인 특성을 말하며, 초전도케이블은 이러한 특성을 가진 도체를 사용하여 제작한 전력케이블로서, 도 6에는 초전도케이블의 통상적인 종단면도가 도시되어 있다. 이에 따르면, 초전도케이블은 초전도 도체를 포함하는 케이블코어(10)와 그 외부를 감싸며 액체 질소의 유통로를 형성하고 진공단열 역할을 수행하는 저온유지장치(Cryostat)로 구성된다.

케이블코어(10)는 통상 액체질소 유통로인 포머(미도시) 위에 초전도도체(미도시)와 전기절연체(미도시)를 테이핑하여 제조되며, 초전도도체에서 전류가 흐르게 된다.

저온유지장치는 케이블코어(10)의 바로 외측을 둘러싸는 내측 금속쉬스(20), 내측 금속쉬스(20)의 외측을 다시 둘러싸는 외측 금속쉬스(30), 내측 금속쉬스(20)와 외측 금속쉬스(30)의 사이에 테이핑되어 형성되는 다층단열필름(MLI; Multi layer insulation)(40), 다층단열필름(30) 외측에 형성되는 스페이서(50), 그리고 다층단열필름(30)의 가장 내측에 구비되는 흡착제(60)를 포함하여 구성된다.

내측 금속쉬스(20) 및 외측 금속쉬스(30)는 통상 금속 재질이며 주름져 있으고, 양 금속쉬스(20, 30) 사이는 주름형 관을 형성하며, 진공상태가 유지된다.

도 7a는 종래의 초전도케이블용 저온유지장치의 다층단열필름의 일 구조를 나타내는 단면도이고, 도 7b는 종래의 초전도케이블용 저온유지장치의 다층단열필름의 다른 구조를 나타내는 단면도이다. 다층단열필름(40)은, 도 7a, 7b에 상세하게 도시된 바와 같이, 통상 네트층(41)과 복사차단층(43)이 수차례 반복되는 층을 형성한 것이다. 이에 따르면, 도 7a와 같이 다층단열필름(40)은 네트층(41)과 복사차단층(43)이 1회씩 적층되어 하나의 층을 이루면서 반복되는 층구조를 가질 수도 있고, 도 7b와 같이 네트층(41) 2회 적층 후 복사차단층(43)이 1회 적층되어 하나의 층을 이루면서 반복되는 층구조를 가질 수도 있다.

이 때, 네트층(41)은 전도열을 최소로 하기 위한 층으로, 일반적으로 폴리에스테르 등의 섬유재질로 형성되며, 복사차단층(43)은 복사열을 차단하기 위한 층으 로 보통 알루미늄으로 코팅된 필름을 사용한다.

스페이서(50)는 통상 테프론 튜브나 테프론 코어등으로 다층단열필름(40)의 외측에 나선형으로 권선되어 설치된다.

흡착제(60)는 기체나 액체 중 특정한 성분이 흡착되도록 하는 기능을 수행하는 것으로, 화학적 흡착제와 물리적 흡착제가 있다. 흡착제(60)는 통상 저온상태에서는 흡착과정이 일어나고, 고온 상태에서는 흡착의 반대 과정인 탈착이 일어나게 된다. 또한, 저온유지장치에 사용하기 위해서 흡착제(60)는 통상 활성탄등의 덩이가 티백에 포장된 형태로 다층단열필름(40)의 가장 내측에 불연속적으로 압착되는데, 다층단열필름(40)의 가장 내측에 압착되는 것은 저온 일수록 흡착제가 뛰어난 흡착능력을 발휘하기 때문이다.

종래기술에 따른 스페이서(50) 및 흡착제(60)의 작용을 보다 상세히 살펴보기로 한다. 상술한 바와 같은 종래 초전도케이블에서 스페이서(50)는 내부 유체의 하중이나 케이블의 구부림 등에 의해 다층단열필름(30)이 압축될 경우 다층단열필름(30)의 층끼리의 접촉면적이 늘어나 그 부위에서 단열성능이 떨어지므로 압축되는 부분 면적이 최소로 되도록 하는 작용을 한다.

또한, 다층단열필름(30)의 제일 안쪽에 부착된 흡착제(60)는 저온의 액체가 들어가면 온도가 떨어지면서 흡착을 활발하게 수행하여 진공도를 현저히 감소시키는 작용과 상온표면에서 기체를 방출시켜 저온유지장치의 진공도에 영향을 주게 된다.

이와 같은 구조의 스페이서(50)와 흡착제(60)로 이루어진 종래의 기술은 일 정정도 단열성능을 높이고 진공도를 높이는 효과가 있었다. 그러나, 상기 종래의 기술에 사용된 흡착제(60)는 주로 덩이 형태로서 티백내에 넣어져 포장되어야 하는 번거로움과, 티백내에 넣어짐으로 해서 간접적으로 기체와 닿게 되므로 흡착성능이 다소 떨어지고 문제점을 가지고 있었다. 아울러, 흡착제(60)를 다층단열필름(30) 내부에 고정시키려면 별도의 까다로운 부착 작업을 해야 하므로 불편한 추가 공수를 들여야 하는 문제점도 있었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 흡착제를 별도로 구비하지 않고 흡착기능을 스페이서에 통합시킴으로써 스페이서와 흡착제의 기능을 동시에 수행하는 초전도케이블용 저온유지장치 구조를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 보다 뛰어난 진공도 및 단열도를 가지는 초전도케이블용 저온유지장치 구조를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 보다 손쉽게 설치될 수 있는 초전도케이블용 저온유지장치 구조를 제공하는 것이다.

본 발명은 케이블코어의 외측을 둘러싸는 주름형상이 적용된 내측 금속쉬스, 상기 내측 금속쉬스의 외측을 둘러싸는 외측 금속쉬스, 내측 금속쉬스와 외측 금속쉬스 사이에 권선되는 다층단열필름, 그리고 다층단열필름을 포함하여 구성되는 초전도케이블용 저온유지장치 구조에 있어서, 저온유지장치 내부의 기체를 흡착하는 흡착제를 구비하고, 다층단열필름의 내측 또는 내측으로부터 첫번째층과 두번째층 사이 또는 두번째층과 세번째층 사이에 권선되는 스페이서를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

이 때 스페이서는 내부에 흡착제를 채워넣고 표면에 구멍을 형성한 튜브형으로 구성될 수 있다.

이 때 흡착제는 활성탄인 것이 바람직하고, 활성탄의 지름은 1mm 내지 3mm이고, 구멍의 지름은 0.1mm 내지 0.7mm인 것이 바람직하다.

또한, 구멍 사이의 간격은 3mm 내지 300mm 인 것이 바람직하다.

한편, 상기 스페이서는 외부 표면에 흡착제를 부착시킨 튜브형 또는 코아형으로 구성할 수 있다.

이 때, 흡착제는 활성탄이고, 활성탄의 입자의 크기는 10㎛ 내지 1000㎛인 것이 바람직하다. 활성탄 외에 적용가능한 흡착제로는 제올라이트(zeolite)등이 사용되어 질 수 있다.

이하에서는 본 발명의 실시예를 도면을 참조하면서 보다 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명의 범주는 설명될 실시예에 국한되지 않고, 당해기술의 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있는 범주를 포함할 것이다. 도 1은 본 발명에 따른 초전도케이블용 저온유지장치의 스페이서 구조를 보이는 초전도케이블의 종단면도이고, 도 2는 도 1의 A-A 단면도이다. 이에 따르면, 초전도케이블은 케이블코어(10)와 그 외주를 감싸며 액체 질소의 유통로를 형성하고 진공 단열역할을 수행하는 저온유지장치로 구성된다.

케이블코어(10)는 통상 초전도 도체와 전기절연체를 테이핑하여 제조되며, 본 발명에서 케이블코어의 구성에 대한 제한은 없다.

저온유지장치는 케이블코어(10)의 바로 외측을 둘러싸는 내측 금속쉬스(20), 내측 금속쉬스(20)의 외측을 다시 둘러싸는 외측 금속쉬스(30), 내측 금속쉬스(20)와 외측 금속쉬스(30)의 사이에 테이핑되어 형성되는 다층단열필름(40), 다층단열필름(40)의 내측에 형성되고 흡착제가 구비되는 스페이서(50)를 포함하여 구성된다.

내측 금속쉬스(20) 및 외측 금속쉬스(30)는 통상 금속 재질이며 주름져 있고, 양 금속쉬스(20, 30) 사이는 주름형 관을 형성하며, 진공상태가 유지된다.

다층단열필름(40)은 종래기술에서 설명된 바와 같이 통상 네트층(41)과 복사차단층(43)이 수차례 반복되는 층을 형성한 것이다. 이 때, 네트층(41)은 전도열을 최소로 하기 위한 층으로, 일반적으로 폴리에스테르등의 섬유재질로 형성되며, 복사차단층(43)은 복사열을 차단하기 위한 층으로 보통 알루미늄으로 코팅된 필름을 사용한다.

스페이서(50)는 통상 테프론 튜브나 테프론 코어등으로 다층단열필름(40)의 내측에 나선형으로 권선되어 설치된다. 종래에 스페이서(50)를 다층단열필름(40)의 가장 바깥에 설치한 이유는 외측 금속쉬스(30) 안으로 넣을 경우 강도가 좋은 스페이서(50)가 가장 바깥에 위치하게 하여 보호역할을 하도록 하기 위한 것이므로, 본 발명에 따른 스페이서(50)가 다층단열필름(40)의 가장 내측에 형성된다고 하여 그 스페이서(50)로서의 기능에는 전혀 영향을 주지 않는다.

도 3a 및 도 3b는 스페이서를 보다 상세하게 도시한다. 도 3a는 본 발명에 따른 초전도케이블용 저온유지장치 내부 스페이서의 일실시예를 나타내는 평면도이고, 도 3b는 본 발명에 따른 초전도케이블용 저온유지장치 내부 스페이서의 다른 실시예를 나타내는 횡단면도이다. 이에 따르면, 도 3a에서와 같이 스페이서(50)에는 흡착제가 구비되는데, 튜브형태의 스페이서(50) 내부에 흡착제를 채운 후 곳곳에 구멍(51)을 형성시킴으로써 흡착기능을 수행하는 방식으로 구성하거나 튜브 또는 도 3b에서와 같이 코어형태의 스페이서(50) 내부에 흡착제를 부착시킴으로써 흡착기능을 수행하는 방식으로 구성하는 것이 가능하다.

튜브형태의 스페이서(50) 내부에 흡착제를 채운 후 곳곳에 구멍(51)을 형성시키는 방식의 경우 구멍(51)의 지름이 0.1 내지 0.7 mm인 것이 바람직 한데, 강도등을 고려한 활성탄의 지름이 통상 1mm 내지 3mm이므로 구멍(51)으로 활성탄이 새어 나오지 않도록 하기 위함이다. 또한, 구멍(51)은 3mm 내지 300mm 간격으로 형성하는 것이 바람직하다. 이 때, 스페이서(50)는 0.5 mm 내지 2mm의 튜브두께로 4mm 내지 9mm 정도의 두께를 갖도록 제작되어 활성탄 입자가 들어갈 수 있도록 구성된다.

흡착제를 부착시키는 방식의 경우 통상의 스페이서(50) 표면에 보다 고운 활성탄가루를 접착제로 부착시켜 흡착층(52)을 형성시킴으로써 흡착기능을 수행하게 하는데, 흡착층(52)의 두께를 1mm이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 스페이서(50)는 나선형으로 성기게 권선되는데 스페이서(50)를 한 선으로 형성시키지 않고, 복수의 선으로 형성시키는 것도 가능하다.

한편, 저온유지장치는 전술한 실시예에서처럼 스페이서(50)를 다층단열필름(40)의 내측에 형성하지 않고, 다층단열필름(40)의 내측으로부터 첫 번째 층과 두 번째층 사이 또는 두 번째층과 세 번째층 사이에 위치되도록 형성할 수 있다.

도 4에는 이러한 본 발명에 따른 초전도케이블용 저온유지장치의 다른 실시예의 구조를 보이는 초전도케이블의 횡단면도가 도시되어 있다. 본 발명에 따른 전술하였듯이, 스페이서(50)가 다층단열필름(40)을 이루는 층들 사이에 형성되더라도 그 스페이서(50)로서의 기능에는 전혀 영향을 주지 않기 때문에 본 실시예로서도 전술한 실시예와 동일한 효과를 기대할 수 있다. 다만, 스페이서(50)가 흡착제 역할을 수행하기 때문에, 저온을 유지하여야 하므로 내측 부근, 즉 첫 번째 층고 두 번째층 사이 또는 두 번째와 세 번째 층 사이에 위치되는 것이 바람직하다.

흡착제 중 활성탄(charcoal)은 통상 저온에서는 흡착현상이 일어나며, 상온이상에서는 탈착현상(outgassing)이 발생하는데, 탈착현상을 이용하면 흡착제의 수명을 연장시킬 수 있다. 본 발명에서 흡착제는 활성탄을 사용하는 것이 바람직하며 이 경우 흡착기능을 유지할 수 있는 온도는 0 내지 270K이고, 탈착현상이 일어나는 온도는 300K 내지 1000K이다.

다음에는 본 발명에 따른 흡착기능을 가진 저온유지장치의 적용과정 및 작용을 살펴본다. 먼저 본 발명에 따른 저온유지장치를 적용하기 위해서 저온의 액체(액체 질소, 액체 헬륨)를 저온유지장치 내부로 흘려주기 전에 300K 또는 500K의 고온에서 장기간의 시간동안 추기를 한다. 추기 과정동안에 저온유지장치의 스페이서(50)에 구비된 흡착제(활성탄)에 흡착되어 있는 기체들과 금속쉬스(20, 30), 다 층단열필름(40)에 함유되어 있는 기체를 방출케하여 초전도케이블이 사용될 때 방출될 가스의 량을 줄게 해준다.

다음으로 저온의 액체를 저온유지장치 내부로 흘려준다. 이때 저온유지장치 내부는 냉각이 되는데 이 때 통상 30m 저온유지장치에서 약 4시간 정도가 소요된다. 저온유지장치가 냉각되면 고체표면이 저온으로 떨어지면서 기체를 응축시켜 진공도가 갑자기 좋아지는 콜드트랩(Cold trap)현상이 발생한다. 저온유지장치의 내부를 충분히 냉각하고, 진공도가 진공펌프(미도시)내의 진공펌프(미도시)내 진공도만큼 좋아지면 추기를 중지한다.

한편, 초전도케이블에 전류가 흐르는 경우 저온유지장치 내부에서는 금소쉬스 및 다층단열필름에서 가스가 발생하게 되어, 저온유지장치 내부의 진공도를 떨어뜨리는 현상이 발생하는데 본 발명에 따른 저온유지장치의 스페이서에는 이를 제거하기 위하여 별도의 티백형태의 흡착제 부착없이 튜브 형태의 스페이서(50)에 내부에 채워진 흡착제로 가스들을 제거하거나 튜브 또는 코어 형태의 스페이서(50)의 표면에 접착제로 부착시킨 흡착제로 가스들을 제거하게 된다.

도 5에는 본 발명에 따른 저온유지장치의 스페이서(50)에 기체가 흡착되는 모습을 표시한 상태가 도시되어 있는데, 이에 따르면 방출된 기체입자가 스페이서(50)에 구비되는 흡착제에 흡착되고 있다. 이때, 스페이서(50)는 연속적으로 흡착제을 구비하고 있기 때문에 보다 구석구석의 가스를 흡착할 수 있어, 종래 불연속적으로 흡착제를 구비하는 구조에 비하여 보다 효율적이다. 또한, 가스와 직접 접촉하게 되므로 흡착효율이 높아지는 효과도 있다.

한편, 본 발명을 설명하기 위해 사용된 상기 실시예들 이외에도 활성탄 이외의 흡착제에 사용 또는 튜브형상의 변경등은 본 발명의 범주에 속함은 당연할 것이다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에 따른 초전도케이블용 저온유지장치에 대한 효과는 다음과 같다. 첫째, 종래에 저온유지장치 내에 흡착제와 스페이서를 별도로 설치하는 번거로움을 극복하여, 스페이서 하나의 설치로서 흡착기능과 공간확보기능을 수행하게 할 수 있다. 둘째, 스페이서는 연속적으로 설치되므로 진공펌프로 제거되지 않거나 금속 주름관 및 다층단열필름에서 발생한 저온유지장치 내의 기체를 보다 효율적으로 흡착하여, 고진공도를 유지할 수 있을 뿐만 아니라 종래의 제품처럼 흡착제 부착위치에 다층단열필름의 국부 압축구간이 없어지기 때문에 보다 좋은 단열성능을 나타낸다. 셋째, 스페이서 설치시에도 일반적인 테이핑머신을 사용하여 간단하게 설치할 수 있다. 넷째, 본 발명에 따른 스페이서는 다층필름의 네트층 역할을 동시에 수행하므로 다층단열필름의 하나의 네트층을 생략할 수도 있다.

비록 발명이 상기에서 언급된 바람직한 실시예에 관해 설명되어졌으나, 발명의 요지와 범위를 벗어남이 없이 많은 다른 가능한 수정과 변형이 이루어질 수 있다. 따라서, 첨부된 청구범위는 발명의 진정한 범위내에 속하는 이러한 수정과 변형을 포함할 것으로 예상된다.

Claims (8)

1. 삭제
2. 삭제
3. 초전도 케이블에 있어서,

   케이블코어의 외측을 둘러싸는 주름형상이 적용된 내측 금속쉬스와;

   상기 내측 금속쉬스의 외측을 둘러싸는 외측 금속쉬스와;

   상기 내측 금속쉬스와 외측 금속쉬스 사이에 권선되며, 전도층을 차단하도록 수지섬유로 이루어진 네트층과 복사열을 차단하도록 알루미늄으로 코팅된 필름으로 이루어진 복사차단층이 수차례 반복 적층된 다층단열필름과;

   상기 다층단열필름의 네트층과 복사차단층과의 사이에 권선되는 스페이서를 구비하되, 상기 스페이서에는 내부에 활성탄을 채워넣고 표면에 구멍을 형성한 튜브형인 것을 특징으로 하는 초전도 케이블용 저온유지장치 구조.
4. 청구항 3에 있어서,

   상기 활성탄의 지름은 1mm 내지 3mm이고, 구멍의 지름은 0.1mm 내지 0.7mm인 것을 특징으로 하는 초전도케이블용 저온유지장치 구조.
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제

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