KR101165714B1 - 초전도 케이블 조립체 및 조립방법 - Google Patents

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Abstract

저온용기 혹은 하우징, 해당 저온용기 내에 길이방향으로 배치된 HTS 전선 다발 및 상기 HTS 전선 다발과 상기 저온용기 사이에 배치된 복수개의 지지부재를 포함하는 HTS 케이블 조립체가 제공된다. 상기 지지부재는 축방향 및 방사상 방향의 양쪽 모두에 있어서 탄성을 지니는 세장형의 관형상 부재이다. 상기 지지부재는 상기 저온용기의 내부면에 대해서 이간 관계로 상기 HTS 전선 다발을 유지하여 지지하는 배열로 상기 저온용기의 내부면과 상기 HTS 전선 다발 사이에 배치되어 있다. 또한, 상기 복수개의 지지부재는 상기 HTS 전선 다발과 상기 저온용기 사이의 상대적인 움직임을 실질적으로 방지하도록 구성되어 있다.

Description

초전도 케이블 조립체 및 조립방법{SUPERCONDUCTING CABLE ASSEMBLY AND METHOD OF ASSEMBLY}
관련출원에 대한 교차 참조
본 출원은 미국 특허 출원 번호 제12/057,804호(출원일: 2008년 3월 28일)의 이득을 주장하며, 해당 기초 출원의 내용은 그의 전문이 본 명세서에 포함된다.
발명의 기술분야
본 발명은 가요성 전기 도체, 특히 가요성 저온용기(cryostat) 내의 초전도 전선 다발(superconducting wire bundle)에 관한 것이다.
상당한 손실 없이 다량의 전류를 전송하는 경량의 도체가 많은 용도를 지닌다. 예를 들어, 알루미늄 제조 공법 등과 같은 전기 제련 용도에서, 다량의 전류가 요구된다. 경량 고전류 도체를 요하는 기타 용도는 해양 선박이다. 전형적으로 강자성 재료로 형성되고 따라서 상당한 자계를 지니는 해양 선박에는, 해당 선박의 자계를 저감시키는 역할을 하는 자기소거 케이블(degaussing cable)이라 불리는 전자기 권선의 복합 시스템이 설비되어 있다. 이것에 의해 해양 선박이 해당 선박의 커다란 자계에 의해 기동되는 기뢰 등의 자기 감수성 병기 혹은 기기를 회피할 수 있게 된다.
전술한 예시적인 용도에서 고전류 요건을 수용하기 위하여, 전형적으로 구리 혹은 알루미늄으로 만들어진 대직경 전선 혹은 배선이 일반적으로 이용된다. 그러나, 이것은 바람직하지 않게 무겁고 부피가 큰 비가요성 케이블을 초래한다. 최근, 대직경의 종래의 전선 케이블을, 고온 초전도체(HTS: high temperature superconductor) 재료로 이루어진 도체로 교체하도록 제안되고 있다. 여기서 이용되는 바와 같이, 고온 초전도체(HTS) 재료란 20K 이상의 온도(예컨대, 임계 온도 Tc ≥ 20 K)에서 초전도 거동을 유지할 수 있는 재료를 의미한다. HTS 케이블은 공계류중인 미국 특허 출원 제11/880,567호에 개시되어 있고, 이 특허 출원의 내용은 참조로 본 명세서에 포함된다. 따라서, HTS 케이블은 보다 큰 가요성, 저감된 중량 및 높은 전류 반송 용량(current carrying capacity)을 부여함으로써, 종래의 전선 케이블에 비해서 상당한 이점을 지닌다.
이러한 HTS 케이블은 일반적으로 가요성 저온용기를 포함하며, 해당 용기 내에는 복수개의 초전도 도체가 배치되어 있다. 예를 들어, 도체는 초박형 전선(flat wire)(테이프)들로서 제공될 수 있고, 복수개의 초박형 전선은 HTS 초박형 전선의 적층체를 형성하도록 층형상으로 배열된다. HTS 초박형 전선의 2개 이상의 적층체는 적층체 초구조(stack superstructure)를 형성하도록 함께 배열될 수 있다. 해당 적층체 초구조는 외부의 절연 외피를 지니는 도체를 제공함으로써 소망의 형태로 유지되며, 이에 의해 HTS 전선 다발(케이블)이 형성된다. 하나 이상의 HTS 전선 다발은 저온용기 내에 배치되고, 해당 저온 용기는 상기 HTS 전선이 초전도성을 발휘할 수 있는 온도에서 개별의 HTS 전선을 유지하도록 구성되어 있다.
그러나, 저온용기 내에 HTS 전선 다발의 조립을 용이하게 하고 또한 HTS 전선 다발의 길이를 따라 냉각제 유로를 형성하기 위하여, 저온용기의 내경은 내부에 배치된 HTS 전선 다발의 외부 치수보다 대체로 다소 크다. 이것은, 사용 시, HTS 전선 다발이 시간 경과에 따라 다발 절연의 열화를 초래하는 진동을 받기 쉬우므로 문제가 있을 수 있다. 몇몇 경우에, 이러한 열화는 바람직하지 않은 도체-대-도체 혹은 도체-대-저온용기 단락을 초래한다. 게다가, 국소화된 절연 마모가 또한 케이블 유지 부재의 개소에 상당하는 개소에 HTS 케이블의 길이를 따라 군데군데 일어난다.
세장형의 저온용기(elongate cryostat), 해당 저온용기 내에 길이방향으로 배치된 HTS 전선 다발 및 상기 HTS 전선 다발과 상기 저온용기 사이에 배치된 복수개의 지지부재를 포함하는 HTS 케이블 조립체가 제공된다. 상기 지지부재는 축방향 및 방사상 방향의 양쪽 모두에 있어서 탄성을 지니는 세장형의 관형상 부재이다. 상기 지지부재는 상기 저온용기의 내부면에 대해서 이간 관계(spaced-apart relationship)로 상기 HTS 전선 다발을 유지하여 지지하는 배열로 상기 저온용기의 내부면과 상기 HTS 전선 다발 사이에 배치되어 있다. 또한, 상기 복수개의 지지부재는 상기 HTS 전선 다발과 상기 저온용기 사이의 상대적인 움직임을 실질적으로 방지하도록 구성되어 있다.
일 양상에 있어서, 초전도 케이블 조립체가 제공되며, 해당 조립체는 세장형의 저온용기; 초전도 재료로 형성되어, 상기 저온용기 내에 길이방향으로 배치된 적어도 하나의 전기 도체; 및 상기 도체와 상기 저온용기 사이에 배치된 복수개의 지지부재를 포함하되, 상기 지지부재는 상기 저온용기의 내벽에 대해서 이간 관계로 상기 적어도 하나의 도체를 유지하도록 배열되어 있다.
이 양상의 실시형태들은 이하의 특징들 중 하나 이상을 포함한다: 상기 지지부재는 상기 도체의 길이방향 길이를 따른 지지를 제공하도록 구성되어 있다. 각 지지부재는 방사상으로 또한 길이방향으로 탄성이 있는 대체로 관형상 몸체(tubular body)를 포함한다. 각 지지부재는 개구부를 지니는 관을 포함하되, 해당 개구부는 해당 관에 길이방향으로 탄성을 제공하도록 구성되어 있다. 몇몇 실시형태에서, 상기 개구부는 나선형 경로를 따라 상기 관의 일단부로부터 해당 관의 대향하는 제2단부로 뻗는 슬릿(slit)을 포함한다.
또한, 각 지지부재는 길이방향 축을 지닌 원통형 나선을 포함하며, 상기 지지부재에 의해 상기 도체에 부여되는 힘에 대응하는 지지력의 작용 라인이 상기 지지부재의 길이방향 축에 직교하는 방향에 놓인다. 상기 지지부재는 상기 길이방향 축의 방향과 해당 길이방향 축에 직교하는 방향의 양쪽 모두에 있어서 탄성을 포함한다. 각 지지부재는 상기 도체의 제1단부로부터 해당 도체의 제2단부로 뻗는 접촉 라인을 따라 상기 도체와 접촉하도록 구성되어 있다. 몇몇 실시형태에서, 상기 접촉 라인은 상기 적어도 하나의 전기 도체의 외부면에 대해서 나선형 경로로 뻗는다. 하나의 지지부재의 상기 접촉 라인은 각각의 다른 지지부재의 접촉 라인과 교차하지 않는다.
또, 상기 지지부재는 상기 저온용기의 축방향 길이를 따라 연속적으로 뻗고, 상기 도체에 대해서 실질적으로 등거리 이간되어 있다. 상기 지지부재의 등거리 이간은 전선 고정부의 규칙적인 간격으로 유지된다. 상기 지지부재는 나선형 경로를 따라 상기 저온용기 내에 길이방향으로 뻗는다. 상기 지지부재는 센서 리드부(sensor leads)가 내부에 배치되는 도관을 규정한다.
또한, 상기 도체는 초전도 재료로 형성된 복수개의 전기 도체를 포함한다. 상기 도체는 외피(overwrap)로 싸여 있고, 해당 외피는 플라스틱 슬리브(plastic sleeve)를 포함하며, 해당 플라스틱 슬리브는 나선형 경로를 따라서 해당 슬리브의 제1단부로부터 상기 슬리브의 제2단부까지 뻗어 있는 슬릿을 지니고, 상기 전기 도체는 상기 저온용기와 공축이고, 상기 지지부재는 상기 적어도 하나의 도체와 상기 저온용기 사이에 존재한다. 각 지지부재는 나선형 경로를 따라 관의 일단부로부터 해당 관의 대향하는 제2단부로 뻗는 슬릿을 구비한 해당 관을 포함하며, 상기 외피에 형성된 슬릿은 각 지지부재에 형성된 상기 슬릿의 피치에 대해서 방향이 반대인 피치를 포함한다. 상기 외피 및 상기 지지부재의 양쪽에 형성된 슬릿의 피치는 미터당 약 1턴(turn), 즉, 1회전일 수 있다.
다른 양상에 있어서, 초전도 케이블 조립체가 제공되며, 해당 조립체는 세장형 저온용기; 초전도 재료로 형성되어, 상기 저온용기 내에 길이방향으로 배치된 적어도 하나의 전기 도체; 및 상기 도체와 상기 저온용기 사이에 배치된 복수개의 지지부재를 포함하되, 각 지지부재는 방사상으로 그리고 길이방향으로 탄성이 있는 세장형의 대체로 관형상 몸체를 포함한다.
이 양상의 실시형태들은 이하의 특징들 중 하나 이상을 포함한다: 상기 지지부재는 상기 적어도 하나의 도체의 길이방향 길이를 따른 지지를 제공하도록 구성되어 있다. 상기 지지부재는 상기 저온용기의 내벽에 대해서 이간 관계로 상기 적어도 하나의 도체를 유지하도록 배열되어 있다. 각 지지부재는 개구부를 포함하되, 해당 개구부는 상기 관형상 몸체에 길이방향으로 탄성을 제공하도록 구성되어 있다. 몇몇 실시형태에서, 상기 개구부는 나선형 경로를 따라 상기 관형상 몸체의 일단부로부터 해당 관형상 몸체의 대향하는 제2단부로 뻗는 슬릿을 포함한다. 상기 지지부재는 상기 저온용기의 축방향 길이를 따라 연속적으로 뻗는다. 상기 지지부재는 상기 도체에 대해서 실질적으로 등거리 이간되어 있다. 상기 지지부재는 나선형 경로를 따라 상기 저온용기 내에 길이방향으로 뻗는다. 상기 지지부재는 센서 리드부가 내부에 배치되는 도관을 규정한다.
또 다른 양상에 있어서, 초전도 케이블 조립체를 조립하는 방법이 제공되며, 해당 조립 방법은 이하의 단계를 포함한다:
복수개의 세장형 지지부재의 각각의 길이방향 축이 하나 이상의 초전도 전기 도체의 길이방향 축과 대체로 정렬되도록 그리고 각 지지부재가 다른 지지부재에 대해서 등거리로 이간되도록, 상기 하나 이상의 도체의 주변부에 대해서 방사상으로 그리고 길이방향으로 탄성 있는 몸체를 지니는 상기 복수개의 세장형 지지부재를 위치결정시키는 단계;
각 지지부재의 외경이 비규제된 상태의 해당 지지부재의 외경에 대해서 저감되도록 상기 지지부재를 연신(stretching)시키는 연신단계; 및
상기 도체의 길이방향 축이 세장형 저온용기의 길이방향 축과 실질적으로 정렬되도록 상기 도체와 상기 지지부재들을 상기 저온용기 내에 삽입하고, 각 지지부재의 외경이 탄성적으로 확장되도록 그리고 상기 도체가 상기 저온용기의 내벽에 대해서 이간 관계에 있게끔 상기 저온용기 내에 상기 지지부재에 의해 지지되도록 상기 지지부재의 연신을 해제하는 단계.
이 양상의 실시형태들은 이하의 특징들 중 하나 이상을 포함한다: 상기 저온용기, 상기 도체 및 상기 지지부재들은, 각각 상기 연신이 해제될 경우, 상기 지지부재가 비규제된 상태에 있는 상기 지지부재의 직경보다 작은 규제된 직경까지 탄성적으로 확대되도록 하는 치수로 되어 있고, 이에 따라, 상기 지지부재는 상기 도체에 대해서 방사상으로 향하는 지지력을 작용시킨다. 상기 연신단계는 상기 지지부재들의 대향하는 단부들에 대해서 인장력을 인가함으로써 얻어진다.
본 발명을 수행하는 모드는 첨부된 도면에 도시된 본 발명의 실시형태를 참조하여 이하에 설명된다. 본 발명의 전술한 목적과 기타 목적, 그리고 특성 및 이점 등은 첨부된 도면과 관련하여 이하에 제시되는 본 발명의 실시형태의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 HTS 케이블 조립체의 단면도;
도 2는 도 1의 HTS 전선 다발의 단면도;
도 3은 HTS 초박형 전선의 분리된 3개 1벌의 적층체 초구조 배열(isolated triad stack superstructure arrangement)의 측면도;
도 3A는 도 3의 상기 3개 1벌의 적층체 초구조 배열의 단면도;
도 4는 분리된 외피의 측면도;
도 4a는 도 4의 외피의 단면도;
도 5는 분리된 HTS 전선 다발의 측면도;
도 6은 분리된 지지부재의 측면도;
도 6A는 도 6의 지지부재의 단면도;
도 7은 축방향으로 인가된 인장력 하에 도 6의 분리된 지지부재의 측면도;
도 8은 나선(L1)을 따라 그의 외부면을 따라서 뻗는 단일의 지지부재를 도시한 HTS 전선 다발의 사시도;
도 9는 나선(L2)을 따라 그의 내부면을 따라서 뻗는 단일의 지지부재를 도시한 저온용기의 내부 하우징의 사시도;
도 10은 비교차(non-intersecting) 나선형 경로를 따라 그의 외부면을 따라 뻗는 2개의 지지부재를 도시한 HTS 전선 다발의 사시도;
도 11은 선형 경로를 따라 그의 외부면을 따라서 뻗는 2개의 지지부재를 도시한 HTS 전선 다발의 사시도;
도 12는 저온용기와 HTS 전선 다발 사이에 배치된 2개의 등거리 이간된 지지부재를 구비한 HTS 케이블 조립체의 단면도;
도 13은 저온용기와 HTS 전선 다발 사이에 배치된 3개의 등거리 이간된 지지부재를 구비한 HTS 케이블 조립체의 단면도;
도 14는 저온용기와 HTS 전선 다발 사이에 배치된 4개의 등거리 이간된 지지부재를 구비한 HTS 케이블 조립체의 단면도;
도 15는 HTS 케이블 조립체의 측면 단면도;
도 15A는 도 15의 HTS 케이블 조립체의 단면도.
이제 도 1을 참조하면, 저온용기(20), 해당 저온용기(20) 내에 길이방향으로 배치된 HTS 전선 다발(70) 및 상기 HTS 전선 다발(70)과 상기 저온용기(20) 사이에 배치된 복수개의 지지부재(30)를 포함하는 초전도 케이블 조립체(10)가 도시되어 있다.
본 명세서에서 이용되는 바와 같이, 저온용기(20)란 용어는 세장형의, 공축방향으로 배열된 스테인레스강제 관형상 하우징(22), (24)의 조립체를 의미하며, 여기서 내부 하우징(22)의 내부 공간(21) 내에 저온 유체(냉각제)가 배치되고, 내부 하우징(22)과 외부 하우징(24) 사이에 중간 공간(26)이 설치되어 있다. 상기 중간 공간(26)은 해당 중간 공간(26) 내에 진공이 존재하도록 배기되어 있다. 또한, 절연층(도시 생략)이 외부 하우징(24)의 내부면(29) 상에 혹은 내부 하우징(22)의 외부면(27) 상에 설치될 수 있다. 저온용기의 길이는 HTS 전선 다발(70)의 소망의 길이에 의해 규정되며, 따라서 수 미터에서 수백 미터의 범위 내일 수 있다. 끼워맞춤부들(fittings)(도시 생략)이 저온용기의 각각의 대향 단부(23), (25)에 설치되어, 헬륨 가스나 액체 질소 등과 같은 냉각제가 내부 하우징(22)의 내부면(28)에 의해 규정된 개방 내측 공간(21) 내로 가압 하에 주입될 수 있게 한다. 저온용기(20)의 각각의 대향 단부(23), (25) 사이에 흐르는 냉각제는, HTS 전선(72), 따라서 HTS 전선 다발(70)이 초전도 특성을 발휘할 수 있는 온도에서 HTS 전선(72)을 유지하는 역할을 한다.
HTS 전선 다발(70)은 다수의 HTS 전선(72)으로 형성되어 있다. 이 특정 실시형태에서, HTS 전선은 "초박형"("flat") 전선이며, 즉, HTS 전선은 전선 폭이 전선 깊이에 대해서 크게 되어 있는 대체로 직사각형 단면을 지니도록 형성되어 있다. HTS 초박형 전선의 단면적의 크기는 해당 단면적의 증가가 전선의 전류 반송 용량을 증가시키도록 전선의 전류 반송 용량과 관련된다. HTS 전선의 특정 단면적은 특별한 용도의 특정 요건에 의해 결정된다. 또, 이용되는 특별한 유형의 HTS 전선은 또한 특별한 용도의 특정 요건에 의해 결정된다. HTS 전선 다발(70)에 이용될 수 있는 고온 초전도체의 유형의 예로는, 이들로 제한되지는 않지만, 비스무트 스트론튬 칼슘 구리 산화물(BSCCO: bismuth strontium calcium copper oxide), 이트륨 바륨 구리 산화물(YBCO: yttrium barium copper oxide) 및 이붕소 마그네슘(MgB2) 등과 같은 구리 산화물 초전도체를 들 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 개별의 초박형 전선(72)에는 적층 전에 적합한 재료의 피복(76)이 제공될 수 있다. 해당 피복(76)의 재료는 도체, 반도체 혹은 절연체일 수 있다. 예를 들어, 피복(76)의 재료는 캅톤(Kapton)(등록상표)(듀퐁사(E. I. du Pont de Nemours and Company)의 등록 상표명) 폴리이미드 필름일 수 있다.
몇몇 실시형태에서는, 수개의 HTS 초박형 전선(72)이 적층체(74) 형태로 배열되어 있지만, 본 명세서에 개시된 본 발명의 개념은 적층 형태로 제한되는 것은 아니다. 도 2에 도시된 바와 같이, 개별의 HTS 초박형 전선(72)은 인접한 HTS 초박형 전선(72)이 폭 방향으로 약간 오프셋될 수 있도록 적층될 수 있다. 이 경우, 얻어지는 적층체(74)는 장사방형 등과 같은 평행사변형인 단면 형상을 지닌다. 적층체(74)는 해당 적층체(74)를 중합체, 종이, 금속박 스트림 등으로 에워싸는 등과 같이, 임의의 적절한 수단에 의해 소망의 형태로 유지된다.
예시된 실시형태에서, 각 적층체(74)는 8개의 HTS 초박형 전선(72)으로 형성되어 있다. 그러나, 본 명세서에 기재된 본 발명의 개념은 이 개수로 제한되지 않고, 각 적층체(74)가 소정 개수의 HTS 초박형 전선(72)에 의해 구성될 수 있다. 또한, 수개의 적층체(74)가 함께 조립되어 적층체 초구조(78)(도 3 및 도 3A)를 형성할 수 있다. 예시된 실시형태에서, HTS 초박형 전선(72)의 3개의 적층체(74)가 조립되어 실질적으로 육각형 형상 단면을 지니는 3개 1벌의 초구조(78)를 형성한다. 그러나, 임의의 개수의 적층체(74)가 임의의 소정의 배열로 조립되어 적층체 초구조(78)를 형성할 수도 있다. 이용되는 적층체(74)의 개수 및 적층체(74)의 특정 형태는 특별한 용도의 특정 요건에 의해 결정된다.
전술한 바와 같이 적절한 적층체 초구조(78)를 형성할 때, 전체 초구조는 HTS 케이블 축, 즉, 육각형 단면 구조의 평면에 수직인 축에 대해서 회전하여 그의 길이방향 축(도시 생략)을 따라 꼬임을 지니는 케이블을 얻을 수 있다. 상기 꼬임은 그 피치가 연속적인 나선 모드로 되도록 부여될 수 있다. 예를 들어, 나선 모드에 있어서, 상기 케이블은 해당 케이블의 길이 전체를 통해서 그의 축에 대해서 한 방향으로 꼬일 수 있다. 간단한 제조의 이점을 제공할 수 있는 적절한 접근법은 당업자에게 용이하게 명백해질 것이다.
HTS 케이블의 축을 따라 꼬임을 부여하는 것은 이하의 이점을 제공할 수 있다. 첫번째로, 꼬임은 요구되는 굽힘력의 저감으로 인해 HTS 케이블에 향상된 가요성을 부여할 수 있다. 두번째로, 꼬임은 국부적인 변형 보상으로 인한 HTS 케이블의 손상(임계 전류(Ic) 감소에 의해 측정됨)이 일어나기 전에 보다 작은 직경에 대해서 향상된 굽힘 허용범위를 부여할 수 있다. 세번째로, 꼬임은 교류 혹은 램프(ramped) 전계 모드에서 작동할 경우, 특별히 각 HTS 테이프 사이에 절연 혹은 반도체 분리층과 배합되는 경우 HTS 케이블에 대한 저감된 전력 손실을 부여할 수 있다.
소정의 실시형태에서, 적층체 및 적층체 초구조의 형상과 형태는 제조의 간단성, 고전류 밀도에 기인하는 HTS 테이프의 고도의 단면 점유성, 초구조의 저감된 유효직경 및 전체적으로 향상된 굽힘 허용범위를 얻도록 채택될 수 있다.
적층체 초구조(78)는 소정의 적절한 수단에 의해 원하는 형태로 유지된다. 몇몇 실시형태에서, 적층체 초구조(78)는 폴리테트라플루오로에틸렌(TEFLON) 외피 등과 같은 중합체 테이프 혹은 예비성형된 중합체 나선으로 이루어진 외피(80)를 상기 적층체 초구조(78)에 형성함으로써 원하는 형태로 유지된다. 본 명세서에서 이용되는 바와 같이, HTS 전선 다발(70)이란 용어는 나선형 외피(80)에 의해 둘러싸인 적층체 초구조(78)를 의미한다.
도 2의 3개 1벌의 적층체 초구조(78)는 도 3에서 분리되어 도시되어 있다. 예시의 단순화를 위하여, 각각의 적층체(74)는 축방향 꼬임 없이 길이방향으로 뻗는 것처럼 예시되어 있다. 그러나, 3개 1벌의 적층체 초구조는 전술한 축방향 꼬임이 형성되어 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
이제 도 4를 참조하면, 나선형 외피(80)가 분리되어 도시되어 있다. 몇몇 실시형태에서, 외피(80)는 해당 외피(80)의 제1단부(82)로부터 그의 대향하는 제2단부(84)로 길이방향으로 뻗고 있는 나선(86)이 형성되는 세장형 관(85)을 포함한다. 본 명세서에서 이용되는 바와 같이, 슬릿이란 용어는 재료의 두께를 통해서 뻗고 있는 개구부를 의미한다. 몇몇 실시형태에서, 외피 나선형 슬릿(86)은 각 회전부, 즉, 감김부(turn)(87)의 축방향 치수(w2)에 대해서 작은 축방향 치수(w1)를 지니므로, 해당 나선형 외피(80)의 인접한 감김부(87), (87) 사이에 공간(83)이 제공된다. 외피(80)가 도 5에 도시된 바와 같이 3개 1벌의 적층체 초구조(78)에 대해서 배치된 경우, 공간(83)은 외피(80)의 내부면(88)에 의해 규정되는 개방 내측 공간(81) 속으로 냉각 유체가 흘러들어가는 것을 허용하여, 해당 냉각 유체와 HTS 전선(72) 간의 직접 접촉을 허용한다. 또한, 상기 공간(83)은 HTS 전선 다발(70)의 가요성을 허용한다.
도 1을 다시 참조하면, 복수개의 지지부재(30)가 저온용기의 내부면(28)에 대해서 이간 간계로 전선 다발(70)을 유지하여 지지하는 배열로 HTS 전선 다발(70)과 저온용기(20)의 내부면(28) 사이에 배치된다. 또, 복수개의 지지부재(30)는 전선 다발(70)과 저온용기 사이의 상대적인 움직임을 실질적으로 방지하도록 구성되어 있다.
각 지지부재(30)(도 6 및 도 6A)는 방사상 및 길이방향 양쪽 모두에 탄성이 있는 세장형 관(35)을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 각 지지부재(30)에는 해당 지지부재(30)의 제1단부(32)로부터 그의 대향하는 제2단부(34)로 길이방향으로 뻗는 나선형 슬릿(36)이 형성되어 있다. 그 결과, 관(35)은 복수개의 감김부(37)를 지니는 코일 스프링의 외관을 지닌다. 또한, 관(35)은, 또한 축방향과 방사상의 양쪽 모두의 방향에서의 탄성뿐만 아니라 굽힘 시 가요성 및 탄성 등과 같은, 코일 스프링의 소정 특성을 취한다.
지지부재(30)의 나선 구조는 해당 지지부재(30)의 직경이 해당 지지부재(30)의 축방향 길이를 증가시킴으로써 감소될 수 있는 추가의 유리한 특성을 가져온다. 이러한 축방향 길어짐은 지지부재(30)의 대향하는 단부(32), (34)에 축방향 인장력(Ft)을 인가함으로써 얻어질 수 있다. 이와 같이 해서, 외부힘이 없는(도 6에 도시됨), 즉, 비규제된 상태에 있는 지지부재(30)는 대응하는 비규제된 직경(d1)과 길이(l1)를 지닌다. 지지부재(30)의 대향하는 단부(32), (34)에 축방향 인장력(Ft)을 인가할 때(도 7에 도시됨), 그의 직경은 비규제된 직경에 대해서 감소하고(d2 < d1), 그의 길이는 비규제된 길이에 대해서 증가하며(l2 > l1), 그의 단면 형상은 실질적으로 원형을 유지한다. 일반적으로, 나선형 지지부재(30)의 직경은 해당 지지부재(30)의 축방향 길이의 증가와 축방향 인장력(Ft)의 증가에 따라 감소된다. 축방향 인장력(Ft)의 해제 시, 지지부재(30)는 그의 비규제된 직경과 축방향 길이로 탄성 복원될 것이다. 또한, 축방향 인장력(Ft)의 해제 시, 지지부재(30)가 규제된 상태에 있을 경우, 예를 들어, 지지부재(30)가 비규제된 직경보다 작은 치수를 지니는 공간 내에 존재할 경우, 해당 지지부재(30)는 그의 원형 단면 형상을 실질적으로 유지하면서 이용가능한 공간을 채우도록 탄성 확장될 것이다. 즉, 이용가능한 공간의 직경과 실질적으로 동일한 외경까지 확장될 것이다. 규제된 상태에서, 지지부재(30)는 규제 구조(들)에 대해 방사상으로 향하는 힘(Fr)을 발휘한다(도 15A).
지지부재(30)의 나선 구조는, 냉각제가 해당 지지부재(30)의 내측 공간(41) 내에 길이방향으로 흐르는 것을 허용하는 또 다른 유리한 특성이 얻어진다. 또, 저온용기(20)의 내부 하우징(22)의 내측 공간(21) 내에 흐르는 냉각제는 지지부재 나선형 슬릿(36)을 통해서 자유롭게 흐를 수 있게 되고, 이에 따라, 내측 공간(21)을 통해 흐르는 냉각제 흐름이 촉진되어 유지된다.
지지부재(30)의 나선형 슬릿(36)은 외피(80)의 피치에 대해서 방향이 반대인 피치를 포함할 수 있다. 외피(80)의 피치에 대해서 방향이 반대인 피치를 지니는 지지부재(30)를 제공함으로써, 조립체의 균일한 외경이 유지된다. 또한, 지지부재(30)가 외피 슬릿(86)에 대응하는 외피(80)의 나선형 간극에 고정되게 되는 조건이 회피된다. 이 조건의 바람직하지 않은 효과는 지지부재(30)가 슬릿(86)을 효율적으로 덮어, 외피(80)의 내측 공간(81) 내로 냉각제가 들어오는 것을 방지하는 것이다.
몇몇 실시형태에서, 예를 들어, 지지부재(30) 및 외피(80)에 각각 형성된 슬릿(36), (86)의 피치는 미터당 약 1회전이지만, 각각의 슬릿의 피치는 미터당 1회전으로 제한되는 것은 아니다. 또한, 지지부재 슬릿(36)은 외피 슬릿(86)의 피치와는 다른 피치를 지닐 수 있다.
각각의 지지부재(30)는 HTS 전선 다발(70)의 축방향 길이를 따라 연속해서 뻗는다. 특히, 각 지지부재(30)는 외피(80)의 제1단부(82)로부터 제2단부(84)로 뻗는 제1접촉선(L1)을 따라 외피(80)의 외부면(89)과 실질적으로 인접하도록 구성되어 있다(도 8). 즉, 각 지지부재(30)는 슬릿 공간(33)을 제외하고 외부면(89)과 인접한다. 또한, 각 지지부재는 저온용기(20)의 제1단부(23)로부터 제2단부(25)까지 뻗는 제2접촉선(L2)을 따라 저온용기(20)의 내부 하우징(22)의 내부면(28)과 실질적으로 인접하도록 구성되어 있다(도 9). 제1접촉선(L1) 및 제2접촉선(L2)은 지지부재(30)의 외부면(42)의 대향하는 측면을 따라 뻗는다. 몇몇 실시형태에서, 제1접촉선(L1)은 외피(80)의 외부면(89)을 따라 나선형 경로로 뻗고(도 10), 제2접촉선(L2)은 저온용기(20)의 내부면(28)을 따라 나선형 경로로 뻗는다. 다른 실시형태에서, 제1접촉선(L1)은 외피(80)의 외부면(89)을 따라 선형상 경로로 뻗고(도 11), 제2접촉선(L2)은 저온용기(20)의 내부면(28)을 따라 선형상 경로로 뻗는다. 도 10 및 도 11의 양쪽 모두의 실시형태에서, 지지부재(30)의 각각의 제1 및 제2접촉선(L1), (L2)은 나머지 지지부재(30)의 대응하는 접촉선(L1), (L2)과 교차하지 않는다.
몇몇 실시형태에서, 지지부재 나선형 슬릿(36)은 지지부재의 각 감김부(37)의 축방향 치수(w4)에 대해서 작은 축방향 치수(w3)를 지니므로, 나선형 지지부재(30)의 인접하는 감김부(37) 사이에 공간(33)이 제공된다. 이들 상대적인 치수는 지지부재(30)의 외부면(42)이 제1접촉선(L1) 및 제2접촉선(L2)을 따라 실질적으로 연속적인 지지를 제공함으로써, 접촉선(L1), (L2)을 따른 접촉 부하의 분포로 인해 국소적인 마모가 회피된다.
저온용기(20)의 내부면(28)에 대해서 이간 관계로 HTS 전선 다발(70)을 유지하도록 HTS 전선 다발(70)과 저온용기(20) 사이에 복수개의 지지부재(30)가 배열된다. 몇몇 실시형태에서, 2개의 지지부재(30)가 저온용기(20) 내의 HTS 전선 다발(70)의 대향하는 측면 상에 위치결정된다(도 12). 다른 실시형태에서, 3개의 지지부재(30)가 HTS 전선 다발(70)에 대해서 실질적으로 위치결정된다(도 13). 또 다른 실시형태에서, 3개 이상의 지지부재가 제공될 수 있고, 해당 지지부재는 HTS 전선 다발에 대해서 실질적으로 배치되어 있다(도 14).
몇몇 실시형태에서, 복수개의 지지부재(30)가 저온용기(20)의 내부 하우징(22)의 내경과 HTS 전선 다발(70)의 외경 사이의 차이의 절반보다 약간 큰 비규제된 직경으로 제공된다. 그 결과, 각각의 지지부재(30)는 직경이 비규제된 직경보다 약간 작게 규제되도록 저온용기(20)의 개방 내측 공간(21) 내에 배치되고, 이에 따라, 방사상으로 향하는 지지력은 저온용기(20)의 내부면(28) 및 HTS 전선 다발(70)의 외부면에 각각의 지지부재(30)에 의해 작용된다. 각 지지부재(30)가 동일한 비규제된 직경을 지니고 각각의 지지부재(30)가 HTS 전선 다발(70)에 대해서 등거리로 배치되어 있는 경우, HTS 전선 다발(70)은 저온용기(20)와 공축으로 되도록 지지되고, 저온용기(20)에 대한 움직임으로부터 규제된다.
몇몇 실시형태에서, 지지부재(30)는 해당 지지부재(30)의 방사상 탄성으로 인해 각각의 조립체 구성 요소 간의 마찰력의 결과로서 그들의 바람직한 상대적인 위치에서 유지된다. 다른 실시형태에서, 지지부재(30)는 규칙적인 축방향 간격에서 고정물을 이용해서 그들의 바람직한 상대적인 위치에 유지된다. 이러한 고정물은 임의의 적절한 유형 혹은 재료일 수 있다. 예를 들어, 전선 고정물(39)(도 10)은, 전선 다발(70) 둘레의 지지부재의 완전한 회전당 한번 등과 같이, 규칙적인 축방향 간격에서 적용될 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 초전도 케이블 조립체(10)는 또한 사용 동안 조립체(10)의 동작을 모니터링하기 위하여 그의 축방향 길이를 따라 하나 이상의 위치에서 배치된 복수개의 센서(92)를 포함한다. 이러한 센서(92)는 예를 들어 HTS 전선(72), 적층체(74) 및/또는 전선 다발(70)의 온도, 전압 및/또는 전류, 내측 공간(21) 내의 냉각제 압력 및 발생된 자계의 하나 이상을 검출하는데 이용될 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 지지부재(30)는 조립체(10) 내에 배치된 센서(92) 및 센서 전선 리드부(94)용의 도관으로서 역할한다. 예를 들어, 센서 전선 리드부(94)는 지지부재(30)의 중공의 내측 공간(41) 내에 배치될 수 있고, 해당 내측 공간의 길이를 따라 뻗을 수 있다(도 15 및 도 15A). 몇몇 목적을 위하여, 전선 다발(70)의 축방향 길이를 따른 바람직한 위치에서, 센서(92)는 지지부재(30) 내에 형성된 슬릿(36)을 통과함으로써 내측 공간(41)으로부터 빠져나간다. 또한, 외피(80)는 외피 슬릿(86)을 포함하기 때문에, 센서(92)는 HTS 전선 다발(70)의 내부 공간(81) 내로 들어가, HTS 전선(72), 적층체(74) 및/또는 전선 다발(70)의 적절한 변수를 검출한다. 다른 목적을 위하여, 전선 다발(70)의 축방향 길이를 따른 소정의 위치에서, 센서(92)가 지지부재(30)의 내측 공간(41) 내에 유지되어, 그 위치로부터 HTS 전선(72), 적층부(74) 및/또는 전선 다발(70)의 적절한 변수를 검출한다.
몇몇 실시형태에서, 전술한 초전도 케이블 조립체(10)는 이하의 방법 단계에 따라 조립된다:
지지부재(30)는, 해당 각 지지부재(30)의 길이방향 축이 전선 다발(70)의 길이방향 축과 대체로 정렬되도록, 그리고 각 지지부재(30)가 다른 지지부재(30)에 대해서 전선 다발(70)의 원주에 대해서 등거리로 이간되도록, 전선 다발(70)의 주변에 대해서 위치결정된다.
상기 세장형 지지부재는 해당 세장형 지지부재(30)의 대향 단부(32), (34)에 대해서 축방향으로 향하는 인장력(Ft)을 인가함으로써 길이방향으로 연신됨으로써 각 지지부재(30)의 외경이 비규제된 상태에서의 지지부재(30)의 외경(d1)에 대해서 저감(예를 들어, 도 7에서 (d2))된다. 전선 다발(70)과 지지부재(30)는, 인가된 인장력(Ft)을 유지하는 한편, 해당 전선 다발(70)의 길이방향 축이 저온용기(20)의 길이방향 축과 실질적으로 정렬되도록 저온용기(20) 내에 삽입된다. 지지부재(30)의 외경의 저감은 저온용기(20) 내에 지지부재(30)와 전선 다발(70)의 삽입을 용이하게 한다.
일단 전선 다발(70)과 지지부재가 저온용기(20) 내에 배치되면, 인장력(Ft)은, 각 지지부재의 외경이 탄성적으로 확대되도록 그리고 전선 다발(70)이 저온용기(20)의 내벽에 대해서 이간 관계로 저온용기(20) 내의 지지부재(30)에 의해 지지되도록, 지지부재(30)의 대향 단부(32), (34)로부터 해제된다. 몇몇 실시형태에서, 저온용기(20), 전선 다발(70) 및 지지부재(30)들은 각각, 인장력(Ft)이 해제될 경우, 지지부재(30)의 탄성이 해당 지지부재(30)의 비규제된 직경(d1)보다 작은 규제된 직경까지 확대됨으로써, 해당 지지부재(30)는 전선 다발(70) 및 저온용기(20)에 대해 방사상으로 향하는 지지력(Fr)을 작용시킨다.
본 발명의 선택된 예시적인 실시형태가 위에서 어느 정도 상세하게 설명되어 있지만, 본 발명을 명확히 하기 위해 필요한 것으로 여겨지는 구조들만이 본 명세서에 기재되어 있는 것임을 이해할 필요가 있다. 기타 종래의 구조 및 시스템의 보조 및 부속 구성요소들의 구조도 당업자에 의해 공지되어 이해될 것으로 상정된다. 또한, 본 발명의 실시예가 위에서 설명되어 있지만, 본 발명은 전술한 실시예로 제한되지 않고, 각종 설계 변형이 특허청구범위에 기재된 바와 같이 본 발명으로부터 벗어나는 일없이 수행될 수 있다.

Claims (32)

  1. 세장형의 저온용기(elongate cryostat);
    초전도 재료로 형성되어, 상기 저온용기 내에 길이방향으로 배치된 적어도 하나의 전기 도체; 및
    상기 적어도 하나의 전기 도체와 상기 저온용기 사이에 배치된 복수개의 지지부재를 포함하되,
    상기 지지부재는 상기 저온용기의 내벽에 대해서 이간 관계(spaced-apart relationship)로 상기 적어도 하나의 전기 도체를 유지하도록 배열되고,
    각 지지부재는 개구부를 지니는 관을 포함하되, 상기 개구부는 나선형 경로를 따라 상기 관의 일단부로부터 해당 관의 대향하는 제2단부로 뻗는 슬릿(slit)을 포함하는 것인 초전도 케이블 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 지지부재는 상기 적어도 하나의 전기 도체의 길이방향 길이를 따른 지지를 제공하도록 구성된 것인 초전도 케이블 조립체.
  3. 제1항에 있어서, 각 지지부재는 방사상으로 또한 길이방향으로 탄성이 있는 관형상 몸체(tubular body)를 포함하는 것인 초전도 케이블 조립체.
  4. 제1항에 있어서, 해당 개구부는 해당 관에 길이방향으로 탄성을 제공하도록 구성된 것인 초전도 케이블 조립체.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 각 지지부재는 길이방향 축을 지닌 원통형 나선을 포함하며, 상기 지지부재에 의해 상기 적어도 하나의 전기 도체에 부여되는 힘에 대응하는 지지력의 작용 라인이 상기 지지부재의 길이방향 축에 직교하는 방향에 놓이는 것인 초전도 케이블 조립체.
  7. 제6항에 있어서, 상기 지지부재는 상기 길이방향 축의 방향과 해당 길이방향 축에 직교하는 방향의 양쪽 모두에 있어서 탄성을 구비하는 것인 초전도 케이블 조립체.
  8. 제1항에 있어서, 각 지지부재는 상기 적어도 하나의 전기 도체의 제1단부로부터 해당 적어도 하나의 전기 도체의 제2단부로 뻗는 접촉 라인을 따라 상기 적어도 하나의 전기 도체와 접촉하도록 구성된 것인 초전도 케이블 조립체.
  9. 제8항에 있어서, 상기 접촉 라인은 상기 적어도 하나의 전기 도체의 외부면에 대해서 나선형 경로로 뻗는 것인 초전도 케이블 조립체.
  10. 제8항에 있어서, 하나의 지지부재의 상기 접촉 라인은 각각의 다른 지지부재의 접촉 라인과 교차하지 않게 되는 것인 초전도 케이블 조립체.
  11. 제1항에 있어서, 상기 지지부재는 상기 저온용기의 축방향 길이를 따라 연속적으로 뻗는 것인 초전도 케이블 조립체.
  12. 제1항에 있어서, 상기 지지부재는 상기 적어도 하나의 전기 도체에 대해서 등거리 이간되어 있는 것인 초전도 케이블 조립체.
  13. 제12항에 있어서, 상기 지지부재의 등거리 이간은 전선 고정부의 규칙적인 간격으로 유지되는 것인 초전도 케이블 조립체.
  14. 제1항에 있어서, 상기 지지부재는 나선형 경로를 따라 상기 저온용기 내에 길이방향으로 뻗어 있는 것인 초전도 케이블 조립체.
  15. 제1항에 있어서, 상기 지지부재는 센서 리드부(sensor leads)가 내부에 배치되는 도관을 규정하는 것인 초전도 케이블 조립체.
  16. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 전기 도체는 초전도 재료로 형성된 복수개의 전기 도체를 포함하는 것인 초전도 케이블 조립체.
  17. 제16항에 있어서, 상기 복수개의 전기 도체는 외피(overwrap)로 싸여 있고, 해당 외피는 플라스틱 슬리브(plastic sleeve)를 포함하며, 해당 플라스틱 슬리브는 나선형 경로를 따라서 해당 플라스틱 슬리브의 제1단부로부터 상기 플라스틱 슬리브의 제2단부까지 뻗어 있는 슬릿을 지니고,
    상기 복수개의 전기 도체는 상기 저온용기와 공축이며,
    상기 지지부재는 상기 적어도 하나의 전기 도체와 상기 저온용기 사이에 존재하는 것인 초전도 케이블 조립체.
  18. 제17항에 있어서, 각 지지부재는 나선형 경로를 따라 관의 일단부로부터 해당 관의 대향하는 제2단부로 뻗는 슬릿을 구비한 해당 관을 포함하며,
    상기 외피에 형성된 슬릿은 각 지지부재에 형성된 상기 슬릿의 피치에 대해서 방향이 반대인 피치를 포함하는 것인 초전도 케이블 조립체.
  19. 제18항에 있어서, 상기 외피와 상기 지지부재의 양쪽에 형성된 슬릿의 피치는 미터당 1회전(turn)인 것인 초전도 케이블 조립체.
  20. 제1항에 있어서, 상기 저온용기는 가요성인 것인 초전도 케이블 조립체.
  21. 세장형의 저온용기;
    초전도 재료로 형성되어, 상기 저온용기 내에 길이방향으로 배치된 적어도 하나의 전기 도체; 및
    상기 적어도 하나의 전기 도체와 상기 저온용기 사이에 배치된 복수개의 지지부재를 포함하되,
    각 지지부재는 방사상으로 그리고 길이방향으로 탄성이 있는 세장형의 관형상 몸체를 포함하고,
    각 지지부재는 개구부를 포함하되, 해당 개구부는 상기 관형상 몸체에 길이방향으로 탄성을 제공하도록 구성되며, 상기 개구부는 나선형 경로를 따라 상기 관형상 몸체의 일단부로부터 해당 관형상 몸체의 대향하는 제2단부로 뻗는 슬릿을 포함하는 것인 초전도 케이블 조립체.
  22. 제21항에 있어서, 상기 지지부재는 상기 적어도 하나의 전기 도체의 길이방향 길이를 따른 지지를 제공하도록 구성된 것인 초전도 케이블 조립체.
  23. 제21항에 있어서, 상기 지지부재는 상기 저온용기의 내벽에 대해서 이간 관계로 상기 적어도 하나의 전기 도체를 유지하도록 배열된 것인 초전도 케이블 조립체.
  24. 삭제
  25. 삭제
  26. 제21항에 있어서, 상기 지지부재는 상기 저온용기의 축방향 길이를 따라 연속적으로 뻗는 것인 초전도 케이블 조립체.
  27. 제21항에 있어서, 상기 지지부재는 상기 적어도 하나의 전기 도체에 대해서 등거리 이간되어 있는 것인 초전도 케이블 조립체.
  28. 제21항에 있어서, 상기 지지부재는 나선형 경로를 따라 상기 저온용기 내에 길이방향으로 뻗는 것인 초전도 케이블 조립체.
  29. 제21항에 있어서, 상기 지지부재는 센서 리드부가 내부에 배치되는 도관을 규정하는 것인 초전도 케이블 조립체.
  30. 초전도 케이블 조립체를 조립하는 방법으로서,
    초전도 재료로 형성된 적어도 하나의 전기 도체를 제공하는 단계;
    복수개의 세장형 지지부재의 각각의 길이방향 축이 상기 적어도 하나의 전기 도체의 길이방향 축과 정렬되도록 그리고 각 세장형 지지부재가 다른 세장형 지지부재에 대해서 등거리로 이간되도록, 상기 적어도 하나의 전기 도체의 주변부에 대해서 방사상으로 그리고 길이방향으로 탄성 있는 몸체를 지니는 상기 복수개의 세장형 지지부재를 위치결정시키는 단계;
    각 세장형 지지부재의 외경이 비규제된 상태의 해당 세장형 지지부재의 외경에 대해서 저감되도록 상기 세장형 지지부재를 연신(stretching)시키는 연신단계;
    상기 적어도 하나의 전기 도체의 길이방향 축이 세장형 저온용기의 길이방향 축과 정렬되도록 상기 적어도 하나의 전기 도체와 상기 세장형 지지부재들을 상기 세장형 저온용기 내에 삽입하는 단계; 및
    각 세장형 지지부재의 외경이 탄성적으로 확장되도록 그리고 상기 적어도 하나의 전기 도체가 상기 저온용기의 내벽에 대해서 이간 관계에 있게끔 상기 저온용기 내에 상기 세장형 지지부재에 의해 지지되도록 상기 세장형 지지부재의 연신을 해제하는 단계를 포함하는, 초전도 케이블 조립체의 조립방법.
  31. 제30항에 있어서, 상기 세장형 저온용기, 상기 적어도 하나의 전기 도체 및 상기 세장형 지지부재들은, 각각 상기 연신이 해제될 경우, 상기 세장형 지지부재가 비규제된 상태에 있는 상기 세장형 지지부재의 직경보다 작은 규제된 직경까지 탄성적으로 확대되도록 하는 치수로 되어 있고, 이에 따라, 상기 세장형 지지부재는 상기 적어도 하나의 전기 도체에 대해서 방사상으로 향하는 지지력을 작용시키는 것인, 초전도 케이블 조립체의 조립방법.
  32. 제30항에 있어서, 상기 연신단계는 상기 세장형 지지부재들의 대향하는 단부들에 대해서 인장력을 인가함으로써 얻어지는 것인, 초전도 케이블 조립체의 조립방법.
KR1020107023864A 2008-03-28 2009-03-26 초전도 케이블 조립체 및 조립방법 KR101165714B1 (ko)

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