KR101148704B1

KR101148704B1 - 초전도 케이블

Info

Publication number: KR101148704B1
Application number: KR1020077012331A
Authority: KR
Inventors: 마사유키 히로세
Original assignee: 스미토모 덴키 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2004-12-02
Filing date: 2005-10-31
Publication date: 2012-05-25
Also published as: EP1818946A1; RU2340970C1; MX2007006275A; NO20072731L; CA2587656A1; CN101069247A; CN101069247B; US7840245B2; JP4843937B2; JP2006164571A; EP1818946A4; KR20070088665A; US20080090732A1; TW200629299A; WO2006059447A1

Abstract

냉각 시의 초전도 선재의 수축분을 간이한 구성으로 흡수할 수 있는 초전도 케이블을 제공한다. 본 발명의 초전도 케이블은 나선 형상으로 감겨 초전도층(도체층(13), 귀로 도체(17))을 구성하는 초전도 선재와, 초전도층의 안쪽에 마련된 응력 완화층(내측 응력 완화층(12), 절연층 겸 외측 응력 완화층(16))과, 응력 완화층보다 안쪽에 마련된 케이블 구성 부재(포머(11))를 갖는 케이블이다. 응력 완화층에 의해, 냉매에 의한 초전도 선재의 냉각에 따르는 초전도층의 직경 방향으로의 수축분을 흡수하도록 구성되어 있다.

Description

초전도 케이블{SUPERCONDUCTING CABLE}

본 발명은 초전도 케이블에 관한 것이다. 특히, 냉각에 의한 초전도 선재의 열 수축을 흡수할 수 있는 직류 초전도 케이블에 관한 것이다.

초전도 케이블로서, 도 4에 기재된 초전도 케이블이 제안되어 있다. 이 초전도 케이블(100)은 3심의 케이블 코어(10)를 단열관(20) 내에 수납한 구성이다(예컨대, 특허 문헌 1, 특허 문헌 2 참조).

케이블 코어(10)는, 중심으로부터 순서대로 포머(11), 도체층(13), 절연층(16A), 쉴드층(17A), 보호층(18)을 구비하고 있다. 도체층(13)은, 포머(11) 상에 초전도 선재를 다층의 나선 형상으로 감아 구성된다. 통상, 초전도 선재로는, 산화물 초전도 재료로 이루어지는 복수개의 필라멘트가 은 시스(銀 sheath) 등의 매트릭스 내에 배치된 테이프 형상의 것이 이용된다. 절연층(16A)은 절연지(絶緣紙)를 감아 구성된다. 쉴드층(17A)은 절연층(16A) 상에 도체층(13)과 마찬가지의 초전도 선재를 나선 형상으로 감아 구성한다. 그리고, 보호층(18)에는 절연지 등이 이용된다.

또한, 단열관(20)은 내관(21)과 외관(22)으로 이루어지는 2중관 사이에 단열재(도시하지 않음)가 배치되고, 또한 2중관 내부가 진공 처리된 구성이다. 단열관(20)의 바깥쪽에는, 방식층(23)이 형성되어 있다. 그리고, 포머(11)(중공(中空)의 경우) 안이나 내관(21)과 코어(10) 사이에 형성되는 공간에 액체 질소 등의 냉매를 충전?순환하고, 절연층(16A)에 냉매가 함침된 상태로 사용되고 있다.

특허 문헌 1 : 일본 공개 특허 공보 제2003-249130호(도 1)

특허 문헌 2 : 일본 공개 특허 공보 제2002-140944호(도 2)

(발명이 해결하고자 하는 과제)

그런데, 상기한 바와 같은 초전도 케이블에서는, 운전 시, 초전도 선재는 냉매에 의해 극저온으로 냉각되어 수축되기 때문에, 그 수축분을 흡수하는 구성이 요구된다. 그러나, 이 수축분을 흡수하는 기구로서, 간이한 구성이 견출되어 있지 않다.

3심의 케이블 코어를 갖는 구성에서는, 이들 코어를 꼬아 느슨함을 갖게 하는 등에 의해 수축분을 흡수하는 대책을 강구할 수 있지만, 단심의 초전도 케이블에서는, 그와 같은 대책을 채용할 수 없다. 그 때문에, 냉각 시의 수축에 따라 초전도 선재에 응력이 작용하는 것을 허용할지, 혹은 초전도 케이블의 단말부를 케이블의 열 수축에 따라 슬라이드시키는 등에 의해 대응하는 것이 생각된다.

그러나, 전자의 경우는, 초전도 선재에 수축에 의한 응력의 작용을 허용하기 때문에, 응력의 크기에 따라서는 초전도 선재에 큰 장력이 발생하여, 초전도 선재의 열화를 초래하거나, 케이블의 수축에 따라, 케이블의 꺽임부에서 단열관에 측압이 가해져, 단열 성능이 저하하는 경우가 있다. 또한, 후자의 경우는, 초전도 케이블의 단말을 슬라이드하기 위한 기구가 필요하게 되어, 대규모의 수축 대책으로 되는 경향이 있다. 특히, 슬라이드 기구를 이용하는 수축 대책은, 조인트를 통해 복수의 초전도 케이블이 접속된 장거리의 초전도 케이블 선로에 대해서는 부적절하다.

본 발명은 상기한 사정을 감안해서 이루어진 것으로, 그 주목적은 냉각 시의 초전도 선재의 수축분을 간이한 구성으로 흡수할 수 있는 초전도 케이블을 제공하는 것에 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 냉각 시의 초전도 선재의 수축분을 간이한 구성으로 흡수할 수 있는 직류 초전도 케이블을 제공하는 것에 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은, 냉각 시의 초전도 선재의 수축분을 간이한 구성으로써 흡수할 수 있고, 또한 초전도 선재의 사용량도 확실히 감소시킬 수 있는 초전도 케이블을 제공하는 것에 있다.

(과제를 해결하기 위한 수단)

본 발명은 케이블 코어 자체에 초전도층의 열 수축 기구를 갖게 하는 것으로 상기의 목적을 달성한다.

본 발명의 초전도 케이블은 나선 형상으로 감겨 초전도층을 구성하는 초전도 선재와, 초전도층의 안쪽에 마련된 응력 완화층을 갖고, 상기 응력 완화층에 의해, 냉매에 의한 초전도 선재의 냉각에 따른 초전도층의 직경 방향으로의 수축분을 흡수하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.

초전도층의 안쪽에 응력 완화층을 마련함으로써, 냉각에 의해 초전도 선재가 수축되었을 때, 이 수축에 따르는 초전도층의 축경량(縮徑量)(나선 형상으로 감긴 초전도 선재의 직경이 냉각에 의해 작아지는 양)에 상당하는 분량의 적어도 일부를 응력 완화층으로 흡수함으로써, 초전도 선재에 과도한 장력이 작용하는 것을 회피할 수 있다.

이하, 본 발명의 초전도 케이블의 구성 요건을 자세히 설명한다.

본 발명의 초전도 케이블은, 대표적으로는, 케이블 코어와, 케이블 코어를 수납하는 단열관으로 구성된다. 그 중, 케이블 코어는 응력 완화층, 도체층, 절연층을 갖는 것을 기본 구성으로 한다. 통상은 케이블 코어에 케이블 구성 부재로 되는 포머도 마련된다. 그 외에, 외부 도체층(쉴드층), 압권층(壓卷層), 쿠션층을 마련하여도 좋다.

포머는 도체층을 소정 형상으로 유지하는 것으로, 파이프 형상의 것이나 나선형으로 성형한 띠형상체 또는 꼬음선 구조의 것을 이용할 수 있다. 그 재질로는, 구리나 알루미늄 등의 비자성의 금속 재료가 바람직하다. 그 외에, 각종 플라스틱 재료도 이용할 수 있다. 포머를 파이프 형상으로 한 경우, 굴곡성을 고려하여 콜게이트관으로 하는 것이 바람직하다. 파이프 형상의 포머라면, 포머 내를 냉매의 유로로 할 수 있다.

응력 완화층은 초전도층의 열 수축분을 흡수하기 위한 층이다. 초전도층은 초전도 선재를 나선 형상으로 감아 형성한 층으로, 후술하는 바와 같이, 도체층이나 외부 도체층(쉴드층)이 포함된다. 이 초전도층은, 케이블 운전 시에, 냉매에 의해 극저온으로 냉각되어 열 수축한다. 초전도 선재의 열 수축에 따라, 직경 방향으로의 수축도 발생하기 때문에, 초전도층의 안쪽에 마련된 응력 완화층이 초전도 선재의 열 수축에 대응하여 수축하면, 초전도 선재에 과도한 장력이 작용하는 것을 억제할 수 있다.

응력 완화층은 냉매에 의해 극저온 하에 놓여졌을 때, 이 초전도층의 축경분의 적어도 일부를 흡수할 수 있는 수축량을 가진 것으로 하면 좋다. 즉, 응력 완화층과, 응력 완화층보다 안쪽에 마련된 케이블 구성 부재에 의해, 냉각에 따르는 초전도층의 직경 방향으로의 수축분을 흡수하도록 구성하여도 좋고, 응력 완화층에 의해서만, 냉각에 따르는 초전도층의 직경 방향으로의 수축분을 흡수하도록 구성하여도 좋다.

전자의 경우, 응력 완화층과 케이블 구성 부재 쌍방의 수축에 의해 초전도층의 수축을 흡수하기 때문에, 응력 완화층 자체를 얇게 할 수 있다. 응력 완화층보다 안쪽에 마련된 케이블 구성 부재의 대표예로는 포머를 들 수 있다. 후자의 경우, 초전도층의 축경분을 모두 응력 완화층으로 흡수하기 때문에, 응력 완화층보다 안쪽의 구성 부재, 예컨대, 포머의 재질이나 구조를 자유롭게 선택할 수 있다.

응력 완화층의 배치 위치는 초전도층의 안쪽으로 한다. 예컨대, 도체층의 안쪽(포머의 바깥쪽)에 내측 응력 완화층으로서 마련하거나, 외부 도체층(쉴드층)의 안쪽에 외측 응력 완화층으로서 마련하는 것을 들 수 있다. 외부 도체층의 안쪽에 마련하는 응력 완화층은 절연층 자체를 이용하여도 좋고, 절연층에 부가하여 별도의 응력 완화층을 형성하여도 좋다. 절연층 자체를 외측 응력 완화층으로 이용하면, 절연층과는 별도로 응력 완화층을 마련할 필요가 없어, 케이블 코어의 소경화에 기여할 수 있다.

이 응력 완화층의 구성 재료로는, 크레프트지, 플라스틱 테이프 및 크레프트지와 플라스틱 테이프의 복합 테이프 중 적어도 1종을 적합하게 이용할 수 있다. 플라스틱 테이프에는, 폴리올레핀 테이프가, 특히 폴리프로필렌을 적합하게 이용할 수 있다. 통상, 크레프트지는 저렴하지만, 냉각에 의한 수축량이 적고, 크레프트지와 폴리프로필렌의 복합 테이프는 고가이지만, 냉각에 의한 수축량이 크다. 특히, 복합 테이프의 경우, 폴리프로필렌의 두께가 큰 것을 이용하면, 큰 수축량을 확보할 수 있어, 초전도 선재의 축경량이 큰 경우에도 초전도 선재에 과도한 장력이 걸리지 않는 응력 완화층을 형성할 수 있다. 그 외에, 크레프트지에서는 크레이프 크레프트지나 조습(調濕) 크레프트지가 큰 수축량을 확보할 수 있다. 그리고, 이들 재료를 단독으로 혹은 조합하여, 초전도 선재의 축경량의 적어도 일부를 흡수할 수 있는 두께의 응력 완화층을 구성하면 좋다.

도체층은 초전도 선재로 구성되는 도체 부분이다. 예컨대, 초전도 선재를 포머의 바깥쪽에 나선 형상의 다층으로 감는 것에 의해 도체층을 형성한다. 초전도 선재의 구체예로는, Bi2223계 산화물 초전도 재료로 이루어지는 복수 라인의 필라멘트가 은 시스 등의 매트릭스 중에 배치된 테이프 형상의 것을 들 수 있다. 초전도 선재의 감기는 단층이라도 다층이라도 좋다. 또한, 다층으로 감는 경우, 층간 절연층을 마련하여도 좋다. 층간 절연층은 크레프트지 등의 절연지나 PPLP(스미토모 전기 공업 주식회사제, 등록 상표) 등의 복합지를 감아 마련하는 것을 들 수 있다.

절연층은 도체층의 전압에 따른 절연 내력을 갖는 절연 재료로 구성한다. 예컨대, 크레프트지, 플라스틱 테이프 및 크레프트지와 플라스틱 테이프의 복합 테이프 중 적어도 1종을 적합하게 이용할 수 있다.

이상의 각 재료에서, 크레프트지만으로 절연층을 구성하는 구조가 가장 저렴하다. 복합 테이프와 크레프트지를 복합하여 이용하면, 복합 테이프만으로 절연층을 구성하는 경우와 비교하여 고가인 복합 테이프의 사용량을 감소시킬 수 있어, 케이블 비용을 낮출 수 있다.

특히, 크레프트지와 폴리프로필렌 필름을 적층한 복합 테이프를 이용하는 경우, 복합 테이프 전체의 두께에 대한 폴리프로필렌 필름의 두께 비율 k가 60% 이상인 복합 테이프를 이용하는 것이 바람직하다. 복합 테이프를 구성하는 크레프트지와 폴리프로필렌 필름의 각 저항률의 차이에 의해, 전계 스트레스는 내 전압 특성이 우수한 플라스틱 필름에 크게 걸린다. 그 때문에, 절연층이 차지하는 플라스틱 필름의 비율을 높이는 것에 의해 절연층의 내 전압 특성(특히 직류 내 전압 특성)을 개선하여, 절연층의 두께를 감소시키는 것이 가능해진다.

또한, 후술하는 외부 도체층을 마련한 경우, 절연층 자체를 응력 완화층으로서 이용하는 것이 바람직하다. 절연층과는 별도로 응력 완화층을 형성하여도 좋지만, 절연층 자체를 외부 도체층의 축경량을 흡수하기 위한 응력 완화층으로서 이용하는 것에 의해, 초전도 케이블 외경의 증가를 억제할 수 있다.

그 외에, 절연층의 내외주의 적어도 한쪽, 즉 도체층과 절연층 사이나, 절연층과 쉴드층 사이에 반(半)도전층을 형성하여도 좋다. 전자의 내부 반도전층, 후자의 외부 반도전층을 형성하는 것에 의해, 전기 성능의 안정에 효과적이다.

상기한 절연층의 바깥쪽에 외부 도체층을 마련하여도 좋다. 특히, 직류 초전도 케이블에 있어서, 외부 도체층은 단극 방식의 송전을 행할 때에 필요한 구성이다. 교류 초전도 케이블에서는, 초전도 선재의 교류 손실을 감소시키기 위해서도 도체층의 외주로 누설되는 자속을 차폐하기 위한 쉴드층이 필요하지만, 직류 초전도 케이블에서는, 교류 초전도 케이블의 쉴드층에 상당하는 개소에 외부 도체층을 마련하여 귀로 도체로 할 필요가 있다. 즉, 절연층의 바깥쪽에 초전도 선재로 이루어지는 외부 도체층(귀로 도체)을 마련함으로써, 도체층을 단극 송전에 있어서의 왕로(往路) 전류 유로로 하고, 외부 도체층을 귀로(歸路) 전류 유로로서 이용할 수 있다. 이 외부 도체층은 도체층과 동일한 전류 용량을 구비하는 구성으로 할 필요가 있다. 또, 초전도 케이블을, 복수의 코어가 단열관 내에 수납된 다심 일괄형(多心一括型)으로 하고, 단극 송전 방식 또는 쌍극 송전 방식을 채용하는 것도 가능하다. 후자의 경우, 본 발명 케이블에 있어서의 외부 도체층은 중성선으로서의 기능을 갖는다.

상술한 도체층이나 외부 도체층을 구성하는 초전도 선재의 코일링 피치는 코일링 직경의 4～6배인 것이 바람직하다. 코일링 직경이란, 초전도 선재가 감길 수 있는 부재의 직경, 즉 초전도 선재에 의해 구성된 층의 내경이다. 코일링 직경에 대한 코일링 피치의 비율을 상기한 바와 같이 한정하는 것에 의해, 냉각에 의해 초전도 선재가 수축되었을 때의 축경량을 작게 할 수 있는 단(短) 피치이고, 또한 초전도 선재의 사용량도 억제할 수 있는 코일링 피치로 할 수 있다.

교류 초전도 케이블에서는, 도체층이나 쉴드층은 다층으로 감긴 초전도 선재의 각 층에 있어서의 전류를 균일하게 하여(균류화) 교류 손실을 저감하기 때문에, 초전도 선재의 코일링 피치를 각 층에서 조정하고 있다. 예컨대, 초전도 선재의 감기나 코어의 굴곡 이력에 의해 초전도 선재가 열화하지 않는 범위에서, 단 피치로부터 장 피치까지가 조합되어 있다. 그 때문에, 코일링 피치의 선택에 대한 제약이 크다.

한편, 직류 초전도 케이블에서는, 균류화를 고려할 필요가 없기 때문에, 코일링 피치의 선택에 대한 제약이 적고, 비교적 자유로운 코일링 피치를 선택할 수 있어, 모든 층을 같은 피치로 감는 것도 가능하다.

초전도 선재의 코일링 피치가 작아지면, 냉각에 의해 초전도 선재가 수축했을 때의 축경량, 즉 응력 완화층으로 흡수해야 할 양도 작아지기 때문에, 응력 완화층을 형성하기 쉽게 할 수 있다. 그런데, 코일링 피치가 작아지면, 초전도 선재의 사용량이 증가하여, 비용 증가로 이어지기 때문에, 초전도 선재의 사용량의 증가를 확실하게 억제한 코일링 피치의 선택이 중요해진다. 그래서, 코일링 직경에 대한 코일링 피치의 비율을 상기한 바와 같이 한정하는 것에 의해, 냉각에 의해 초전도 선재가 수축되었을 때의 축경량을 작게 할 수 있는 단 피치로, 또한 초전도 선재의 사용량도 비교적 억제한 피치로써 초전도 케이블을 구성할 수 있다. 보다 바람직한 초전도 선재의 코일링 피치는 코일링 직경의 5배이다.

이러한 초전도 선재의 바람직한 코일링 피치는, 다음과 같이 시산(試算)하는 것으로 구할 수 있다. 우선, 초전도층을 구성하는 초전도 선재의 코일링 피치와 코일링 직경의 비율 「(피치/직경)비」와 초전도 선재의 냉각 시의 축경량의 관계를 조사한다. 다음에, 「(피치/직경)비」와 초전도 선재의 사용량의 관계를 조사한다. 그리고, 초전도 선재의 축경량을 규정값 이하로 할 수 있고, 또한 초전도 선재의 사용량을 규정값 이하로 할 수 있는 초전도 선재의 코일링 피치 및 코일링 직경을 선택한다.

그 외에, 초전도층의 바깥쪽에 압권층을 형성하여도 좋다. 초전도층의 바깥쪽에 압권층을 형성하는 것에 의해, 초전도층에 대하여 안쪽으로 조이는 작용을 기대할 수 있다. 그 조임 작용에 의해, 초전도층의 축경을 원활하게 거동시킬 수 있다. 압권층의 재질은 초전도층에 소정의 조임력을 생기게 하는 것이면 좋고, 예컨대, 금속 테이프, 특히 구리 테이프 등을 적합하게 이용할 수 있다.

이 압권층을 이용한 경우, 압권층과 초전도층 사이에 쿠션층을 개재시키는 것도 바람직하다. 압권층으로 금속 테이프를 이용한 경우, 통상, 초전도 선재도 은 등의 금속이 이용되어 있기 때문에, 압권층과 초전도층은 금속끼리의 접촉으로 되어 초전도 선재가 손상될 가능성이 있다. 그 때문에, 양 층의 사이에 쿠션층을 개재시키면, 이들 금속끼리의 직접 접촉을 피하여, 초전도 선재의 손상을 방지할 수 있다. 쿠션층의 구체적 재질로는, 절연지나 카본지를 적합하게 이용할 수 있다.

또한, 케이블 코어의 최외주에 보호층을 마련하는 것이 바람직하다. 이 보호층은 외부 도체층의 기계적 보호와 동시에, 단열관과의 절연 기능을 갖는다. 보호층의 재질로는, 크레프트지 등의 절연지나 플라스틱 테이프를 이용할 수 있다.

한편, 단열관은 냉매의 단열을 유지할 수 있는 구조이면, 어떠한 구조라도 상관없다. 예컨대, 외관과 내관으로 이루어지는 이중 구조의 2중관 사이에 단열재를 배치하고, 내관과 외관을 진공 처리하는 구성을 들 수 있다. 통상, 내관과 외관 사이에는, 금속박과 플라스틱 메시(mesh)를 적층한 슈퍼 절연층이 배치된다. 내관 내에는, 적어도 도체층이 수납되고, 또한 도체층을 냉각하는 액체 질소 등의 냉매가 충전된다.

이 냉매는 초전도 선재를 초전도 상태로 유지할 수 있는 것으로 한다. 현재, 냉매로는 액체 질소의 이용이 가장 실용적이라고 생각되고 있지만, 그 외에, 액체 헬륨, 액체 수소 등의 이용도 생각된다. 특히, 액체 질소의 경우, 폴리프로필렌을 팽윤시키지 않는 액체 절연이며, 비율 k가 높은, 즉 폴리프로필렌의 두께가 큰 복합 테이프로 절연층을 구성한 경우에도 직류 내전압 특성이나 Imp. 내압 특성에 우수한 초전도 케이블을 구성할 수 있다.

본 발명은 직류?교류 어느 쪽의 초전도 케이블에도 적용할 수 있다. 특히, 상술한 바와 같이, 초전도층에서의 초전도 선재의 코일링 피치의 제약이 적은 직류 초전도 케이블에 적용하는 것이 바람직하다. 단, 교류 케이블이더라도, 예컨대, (1) 도체층?쉴드층이 각각 단층으로 구성되는 경우나, (2) 도체층?쉴드층이 다층으로 구성되어 있지만, 피치 조정의 필요성이 적고, 열 수축 대책을 우선하려 하는 경우는, 초전도 선재의 코일링 피치로서 단 피치를 채용하는 것이 가능하다. 그 때문에, 교류 케이블이더라도, 케이블 코어 자체에 열 수축 흡수 기구를 갖게 하는 것이 가능하다.

(발명의 효과)

본 발명의 초전도 케이블에 의하면, 다음 효과를 얻을 수 있다.

(1) 초전도층의 안쪽에 응력 완화층을 마련함으로써, 냉각에 의해 초전도 선재가 수축했을 때, 이 수축에 따르는 초전도층의 축경량(diameter contraction amount)에 상당하는 양의 적어도 일부를 응력 완화층으로 흡수할 수 있다. 그 때문에, 초전도 선재에 과도한 장력이 작용하는 것을 피할 수 있어, 초전도 특성의 저하를 억제할 수 있다.

(2) 초전도층의 안쪽에 응력 완화층을 마련한다고 하는 간이한 구성에 의해, 케이블 코어 자체에 열 수축분을 흡수하는 기구를 구성할 수 있다. 그 때문에, 초전도 선재의 열 수축분을 확실히 흡수할 수 있는 구성으로 하면서, 케이블의 단말부를 슬라이드하는 등의 대규모 구성을 채용할 필요가 없다.

(3) 케이블 코어 자체에 열 수축을 흡수하는 기구를 마련한 것에 의해, 다심 초전도 케이블은 물론, 종래, 흡수 기구를 마련하는 것이 어렵다고 생각되던 단심 초전도 케이블에 있어서도 초전도 선재의 수축분을 흡수하는 것이 가능하게 된다.

(4) 절연층 자체를 외부 도체층의 축경분을 흡수하는 응력 완화층으로 함으로써, 새롭게 외부 도체층용의 응력 완화층을 형성할 필요가 없게 되어, 케이블 직경의 증대를 억제할 수 있다.

(5) 상기 초전도 선재의 코일링 피치가, 코일링 직경의 4～6배로 됨으로써, 냉각 시의 초전도 선재의 수축분을 간이한 구성에 의해 흡수할 수 있고, 또한 초전도 선재의 사용량도 확실히 감소시킬 수 있는 초전도 케이블로 할 수 있다.

(6) 초전도층의 바깥쪽에 압권층을 마련함으로써 초전도층을 내주 쪽으로 가압하여, 초전도 선재의 열 수축에 따르는 축경을 원활하게 거동시켜, 응력 완화층에 의한 축경량의 흡수를 원활하게 행하게 한다.

도 1은 본 발명의 초전도 케이블의 횡단면도,

도 2는 「(피치/직경)비」와 초전도 선재의 냉각 시의 축경량의 관계를 나타내는 그래프,

도 3은 「(피치/직경)비」와 초전도 선재의 사용량의 관계를 나타내는 그래프,

도 4는 종래의 초전도 케이블의 횡단면도이다.

(부호의 설명)

100 : 직류 초전도 케이블 10 : 코어

11 : 포머 12 : 내측 응력 완화층

13 : 도체층 14A, 14B : 쿠션층

15A, 15B : 압권층 16 : 절연층 겸 외부 응력 완화층

16A : 절연층 17 : 귀로 도체

17A : 쉴드층 18 : 보호층

20 : 단열관 21 : 내관

22 : 외관 23 : 방식층

이하, 본 발명의 실시예를 설명한다.

(실시예 1)

[전체 구조]

도 1에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 직류 초전도 케이블(100)은 1심의 케이블 코어(10)와, 그 코어(10)를 수납하는 단열관(20)으로 구성된다.

[코어]

이 코어(10)는, 중심으로부터 순서대로, 포머(11), 내측 응력 완화층(12), 도체층(13), 쿠션층(14A), 압권층(15A), 절연층(겸 외부 응력 완화층)(16), 외부 도체층(귀로 도체(17)), 쿠션층(14B), 압권층(15B) 및 보호층(18)을 갖는다.

<포머>

포머(11)에는, 스테인레스제의 콜게이트관을 이용했다. 중공의 포머(11)를 이용한 경우, 그 내부를 냉매(여기서는 액체 질소)의 유로로 할 수 있다.

<내측 응력 완화층>

포머(11) 위에, 크레프트지와 폴리프로필렌 필름을 적층한 스미토모 전기 공업 주식회사제 복합 테이프 PPLP(등록 상표)를 감아 내측 응력 완화층(12)을 형성한다. 여기서는, 다음에 설명하는 도체층(13)의 냉각 시에 있어서의 축경량을 흡수할 수 있는 재질 및 두께를 선택했다. 보다 구체적으로는, 복합 테이프 전체의 두께에 대한 폴리프로필렌 필름의 두께의 비율 k가 60%인 PPLP를 이용했다.

<도체층>

도체층(13)에는, 두께 0.24㎜, 폭 3.8㎜의 Bi2223계 Ag-Mn 시스 테이프 선재를 이용했다. 이 테이프 선재를 내측 응력 완화층(12) 위에 다층으로 감아 도체층(13)을 구성한다. 여기서는, 4층으로 초전도 선재를 감고 있다.

<쿠션층과 압권층>

도체층(13) 위에 쿠션층(14A)을 형성하고, 또한 그 위에 압권층(15A)을 형성했다. 쿠션층(14A)은 도체층 상에 여러 층의 크레프트지를 감는 것으로 구성하고, 압권층(15A)은 구리 테이프를 감는 것으로 구성했다. 쿠션층(14A)은 도체층과 압권층(15A)에 의한 금속끼리의 접촉을 피하고, 압권층(15A)은 쿠션층(14A)을 통해 도체층(13)을 내주측으로 조여 냉각 시의 도체층(13)의 축경을 원활하게 거동시킨다.

<절연층 겸 외부 응력 완화층>

압권층(15A) 위에는 절연층(16)이 형성된다. 여기서는, 비율 k가 60%인 PPLP로 절연층(16)을 구성했다. 이 절연층(16)은 도체층(13)의 전기 절연 기능을 갖고, 또한 다음에 기술하는 외부 도체층의 냉각에 따르는 축경량을 흡수하는 외부 응력 완화층으로서의 기능도 갖는다. 절연층(16) 자체를 외부 응력 완화층으로 함으로써 별개로 외부 응력 완화층을 형성할 필요가 없어, 케이블 코어의 외경이 커지는 것을 억제할 수 있다.

또한, 도시하지 않지만, 이 절연층의 내주 측에는 내부 반도전층이, 외주 측에는 외부 반도전층이 형성되어 있다. 어느 쪽의 반도전층도 카본지를 감아 형성했다.

<외부 도체층(귀로 도체)>

절연층(16)의 바깥쪽에는, 외부 도체층(귀로 도체)(17)을 마련했다. 직류에서는 전류의 왕복 유로가 필요하기 때문에, 단극 송전에서는 귀로 도체(17)를 마련하여 귀로 전류의 유로로서 이용한다. 귀로 도체(17)는 도체층(13)과 마찬가지의 초전도 선재로 구성되어, 도체층(13)과 동일한 송전 용량을 갖고 있다.

<쿠션층과 압권층>

계속해서, 외부 도체층 위에 쿠션층(14B)을 형성하고, 또한 그 위에 압권층(15B)을 형성했다. 이 쿠션층(14B)과 압권층(15B)은 도체층(13)의 바깥쪽에 마련된 쿠션층(14A) 및 압권층(15A)과 마찬가지의 재료로 구성된다. 이 쿠션층(14B)은 귀로 도체(17)와 압권층(15B)에 의한 금속끼리의 접촉을 피하고, 압권층(15B)은 쿠션층(14B)을 거쳐서 귀로 도체(17)를 내주 측으로 조여 냉각 시의 귀로 도체(17)의 축경을 원활하게 거동시킨다.

<보호층>

이 귀로 도체(17)의 바깥쪽에는 절연 재료로 구성되는 보호층(18)이 마련된다. 여기서는, 크레프트지를 감음으로써 보호층(18)을 구성하고 있다. 이 보호층(18)에 의해, 귀로 도체(17)의 기계적 보호와 동시에, 단열관(내관(21))과의 절연을 취하여, 단열관(20)으로의 귀로 전류의 분류(分流)를 막을 수 있다.

[단열관]

단열관(20)은 내관(21) 및 외관(22)을 구비하는 2중관으로 이루어지고, 내외관(21, 22) 사이에 진공 단열층이 구성된다. 진공 단열층 내에는, 플라스틱 메시와 금속박을 적층한 이른바 슈퍼 절연층이 배치되어 있다. 내관(21)의 안쪽과 코어(10) 사이에 형성되는 공간은 냉매의 유로로 된다. 또한, 필요에 따라, 단열관(20)의 외주에 폴리염화비닐 등으로 방식층(23)을 형성하여도 좋다.

(시산예)

다음에, 상기한 초전도 케이블을 제작하는데 있어서, 축경량을 작게 할 수 있도록 초전도 선재의 단 피치화를 목표로 하면서, 초전도 선재의 사용량을 적게 할 수 있도록 이하의 시산을 행했다.

우선, 초전도층을 구성하는 초전도 선재의 코일링 피치와 코일링 직경의 비율 「(피치/직경)비」와 초전도 선재의 축경량의 관계를 조사하여 보았다. 여기서는, 코일링 직경을 20㎜φ, 30㎜φ, 40㎜φ의 3가지로 하여, 각 경우에 있어서의 「(피치/직경)비」와, 운전 시의 냉각에 의해 초전도 선재가 0.3% 수축한다고 한 경우의 축경량을 각 재료의 선팽창 계수를 이용하여 시산했다. 그 결과를 도 2의 그래프로 나타낸다.

이 그래프에 나타내는 바와 같이, 「(피치/직경)비」가 동일하면, 코일링 직경이 클수록 축경량은 작은 것을 알 수 있다. 또한, 같은 코일링 직경이면, 「(피치/직경)비」가 작은 쪽이 축경량도 작은 것을 알 수 있다. 이 결과로부터, 단 피치를 선택한 쪽이 흡수해야 할 축경량이 작게 되는 것을 알 수 있다.

다음에, 「(피치/직경)비」와 초전도 선재의 사용량의 관계를 조사하여 보았다. 여기서는, 초전도 선재를 감기 대상의 길이 방향을 따르게 한 경우, 즉 세로로 부여한 경우의 초전도 선재의 사용량을 1.0으로 하고, 「(피치/직경)비」를 변경한 경우에 초전도 선재의 사용량이 어떻게 변화하는가를 상대값으로 나타내었다. 그 결과를 도 3의 그래프로 나타낸다.

이 그래프에 나타내는 바와 같이, 「(피치/직경)비」가 6.0 정도까지는 초전도 선재의 사용량은 극단적으로는 많지 않았지만, 동(同) 비가 4.0 미만으로 되었을 때부터 급격히 초전도 선재의 사용량이 커지는 것을 알 수 있다.

이상 2가지의 시산 결과로부터, 냉각 시의 초전도 선재의 수축분을 용이하게 흡수하기 쉬운 정도로 하고, 또한 초전도 선재의 사용량도 적게 하고자 하면, 「(피치/직경)비」를 4.0～6.0 정도로 하면 되는 것을 알 수 있다.

이 시산 결과를 바탕으로 설계한 본 발명의 초전도 케이블 (50kV, 10000A)의 구성 재료와 각 부의 치수를 표 1로 정리한다. 또, 도체층 및 외부 도체층에 있어 서의 초전도 선재의 코일링 피치는 코일링 직경의 5배이다. 즉, 도체층에서는 210㎜, 외부 도체층에서는 약 274㎜이다.

이 표 1의 구성에 있어서, 포머 자신도 냉각에 의해 축경된다. 그 냉각 시의 수축률이 0.3%라고 하면, 포머의 축경량은 0.09㎜로 된다. 한편, 코일링 직경 42㎜, 코일링 피치 210㎜의 조건으로 0.3%의 수축률에 의한 초전도 선재의 축경량은 0.45㎜이다. 따라서, 포머의 축경량만으로도 도체층의 축경량의 20%는 흡수할 수 있는 것을 알 수 있다. 따라서, 내측 응력 완화층의 축경량이 0.36㎜이면, 포머와 내측 응력 완화층의 합계 축경량에 의해, 도체층의 축경량의 100%를 흡수할 수 있는 것을 알 수 있다. 그리고, 축경량이 0.45㎜인 내측 응력 완화층을 형성하면, 도체층의 축경량 모두를 내측 응력 완화층만으로 흡수할 수 있는 것을 알 수 있다.

본 발명을 상세하게 또한 특정한 실시예를 참조하여 설명했지만, 본 발명의 정신과 범위를 일탈하지 않고 여러 가지 변경이나 수정을 가할 수 있는 것은 당업자에 있어서 자명하다.

또, 본 출원은 2004년 12월 2일 출원된 일본 특허 출원 제2004-350327호에 근거하는 것이고, 그 내용은 여기에 참조로서 포함되어 있다.

본 발명의 초전도 케이블은 전력 수송 수단으로서 이용할 수 있다. 특히, 단심의 직류 전력 수송 수단으로서 적합하게 이용할 수 있다.

Claims

단열관 내에 수납된 케이블 코어를 갖고, 이 케이블 코어가 포머와, 포머 바깥쪽에 초전도 선재를 나선 형상으로 감아서 형성된 도체층과, 도체층의 바깥쪽에 형성된 절연층을 구비하는 초전도 케이블로서,

상기 도체층과 포머 사이에 내측 응력 완화층을 갖고,

상기 내측 응력 완화층에 의해, 냉매에 의한 상기 초전도 선재의 냉각에 따르는 도체층의 직경 방향으로의 수축분을 흡수하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
제 1 항에 있어서,

상기 절연층 바깥쪽에 초전도 선재를 나선 형상으로 감아 형성되는 외부 도체층을 더 구비하고,

상기 외부 도체층의 안쪽에 상기 절연층과는 다른 외측 응력 완화층을 더 구비하며,

상기 외측 응력 완화층은 냉매에 의한 초전도 선재의 냉각에 따르는 외부 도체층의 직경 방향으로의 수축분을 흡수하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
제 1 항에 있어서,

상기 절연층의 바깥쪽에 초전도 선재를 나선 형상으로 감아 형성되는 외부 도체층을 더 구비하고,

상기 절연층은 냉매에 의한 초전도 선재의 냉각에 따르는 외부 도체층의 직경 방향으로의 수축분을 흡수하는 외측 응력 완화층으로서 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
삭제
제 1 항에 있어서,

상기 초전도 선재의 코일링 피치는 코일링 직경의 4～6배인 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
제 1 항에 있어서,

상기 포머는 물결 모양 튜브(corrugated tube)와 나선의 스트립형 부재(spiral stripe-like member) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
제 1 항에 있어서,

상기 내측 응력 완화층은 크레프트지, 플라스틱 테이프 및 크레프트지와 플라스틱 테이프의 복합 테이프 중 적어도 1종으로 구성되는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
제 1 항에 있어서,

상기 도체층의 바깥쪽에 압권층(hold wind layer)을 더 갖는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
제 1, 2, 3, 5, 6, 7, 8 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 초전도 케이블은 직류 초전도 케이블인 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

상기 외측 응력 완화층은 크레프트지, 플라스틱 테이프 및 크레프트지와 플라스틱 테이프의 복합 테이프 중 적어도 1종으로 구성되는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

상기 외부 도체층의 바깥쪽에 압권층(hold wind layer)을 더 갖는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
제 10 항에 있어서,

상기 초전도 케이블은 직류 초전도 케이블인 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
제 11 항에 있어서,

상기 초전도 케이블은 직류 초전도 케이블인 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.