KR101620124B1 - 연선 복합 케이블과 그 제조 및 사용 방법 - Google Patents

Abstract

연선 복합 케이블은 중심 세로축을 정의하는 단일 와이어(2), 단일 와이어 둘레에 제1 꼬임 방향으로 중심 세로축에 대해 정의된 제1 꼬임 각도로 나선형으로 연선 가공되고 제1 꼬임 길이를 가지는 제1 복수의 복합 와이어(4), 및 제1 복수의 복합 와이어 둘레에 제1 꼬임 방향으로 중심 세로축에 대해 정의된 제2 꼬임 각도로 나선형으로 연선 가공되고 제2 꼬임 길이를 가지는 제2 복수의 복합 와이어(6)를 포함하며, 제1 꼬임 각도와 제2 꼬임 각도 사이의 상대 차가 약 4˚ 이하이다. 연선 복합 케이블이 복합 와이어 둘레에 연선 가공된 복수의 연성 와이어를 포함하는 가공 송전 케이블 등의 최종 물품에 나중에 포함되는 중간 물품으로서 사용될 수 있다. 연선 복합 케이블을 제조 및 사용하는 방법도 기술되어 있다.

Description

연선 복합 케이블과 그 제조 및 사용 방법{STRANDED COMPOSITE CABLE AND METHOD OF MAKING AND USING}

본 명세서는 일반적으로 연선 케이블(stranded cable)과 그 제조 및 사용 방법에 관한 것이다. 본 명세서는 추가로 나선형 연선 복합 와이어(helically stranded composite wire)를 포함하는 연선 케이블과 그 제조 및 사용 방법에 관한 것이다. 이러한 나선형 연선 복합 케이블은 송전 케이블(electrical power transmission cable) 및 기타 응용에서 유용하다.

케이블 연선 가공은 개개의 와이어가 전형적으로 나선형 배열로 결합되어 완성된 케이블을 생산하는 공정이다. 예를 들어, 미국 특허 제 5,171,942호 및 제5,554,826호를 참조하기 바란다. 얻어진 연선 케이블 또는 와이어 로프는 동등한 단면적의 중실 로드(solid rod)로부터 얻을 수 있는 것보다 훨씬 더 큰 유연성을 제공한다. 연선 구성이 유익한 이유는 또한 나선형 연선 케이블이 취급, 설치 및 사용 중에 구부려질 때 그의 전체적인 둥근 단면 형상을 유지하기 때문이다. 이러한 나선형 연선 케이블은 호이스트 케이블(hoist cable), 항공기 케이블 및 송전 케이블 등의 다양한 응용에서 사용된다.

나선형 연선 케이블은 전형적으로 강철, 알루미늄 또는 구리 등의 연성 금속으로 제조된다. 절연 피복이 없는 가공 송전 케이블 등의 어떤 경우에, 나선형 연선 와이어 코어는 와이어 도체층으로 둘러싸여 있다. 나선형 연선 와이어 코어는 제1 재료(예를 들어, 강철 등)로 이루어진 연성 금속 와이어를 포함할 수 있고, 전력 전도 외부층은 다른 재료(예를 들어, 알루미늄 등)로 이루어진 연성 금속 와이어를 포함할 수 있다. 어떤 경우에, 나선형 연선 와이어 코어는 대직경 송전 케이블의 제조에 투입 재료로서 사용되는 사전 연선 가공된 케이블(pre-stranded cable)일 수 있다. 나선형 연선 케이블은 일반적으로 겨우 7개의 개별 와이어에서 50개 이상의 와이어를 포함하는 보다 통상적인 구성까지를 포함할 수 있다.

도 1a는 미국 특허 제 5,554,826호에 기술된 예시적인 나선형 연선 송전 케이블을 나타낸 것이다. 예시된 나선형 연선 송전 케이블(20)은 중심 연성 금속 도체 와이어(1), 제1 꼬임 방향(lay direction)(시계 방향으로 도시됨, 오른쪽 꼬임 방향에 대응함)으로 중심 연성 금속 도체 와이어(1) 둘레에 연선 가공된 연성 금속 도체 와이어(3)의 제1 층(13)(6개의 와이어가 도시됨), 제1 꼬임 방향과 반대인 제2 꼬임 방향(반시계 방향으로 도시됨, 왼쪽 꼬임 방향에 대응함)으로 제1 층(13) 둘레에 연선 가공된 연성 금속 도체 와이어(5)의 제2 층(15), 및 제2 꼬임 방향과 반대인 제3 꼬임 방향(시계 방향으로 도시됨, 오른쪽 꼬임 방향에 대응함)으로 제2 층(15) 둘레에 연선 가공된 연성 금속 도체 와이어(7)의 제3 층(17)을 포함한다.

케이블 연선 가공 공정 동안에, 연성 금속 와이어는 금속 재료의 항복 응력을 초과하지만 극한 응력 또는 파괴 응력 미만인 응력을 받는다. 이 응력은 금속 와이어를 소성 변형시키는 동작을 하는데, 그 이유는 금속 와이어가 비교적 작은 반경의 이전의 와이어 층 또는 중심 와이어 주위에 나선형으로 감겨져 있기 때문이다. 복합 재료이고 따라서 새로운 형상으로 쉽게 소성 변형될 수 없는 재료로 이루어진 유용한 와이어 물품이 최근에 소개되었다. 이들 재료의 통상적인 일례는 금속에 비해 개선된 기계적 특성으로 인해 매력적이지만 응력 변형 응답에서 주로 탄성적인 섬유 강화 복합 재료를 포함한다. 섬유 강화 중합체 와이어를 포함하는 복합 케이블이 공지되어 있고, 세라믹 섬유 강화 금속 와이어를 포함하는 복합 케이블도 본 기술 분야에 공지되어 있으며, 예를 들어, 미국 특허 제6,559,385호 및 제7,093,416호와, 공개된 PCT 출원 WO 97/00976를 참조하기 바란다.

연선 복합 케이블(예를 들어, 중합체 매트릭스 복합 와이어 또는 금속 매트릭스 복합 와이어를 포함하는 케이블)의 한가지 용도는 절연 피복이 없는 송전 케이블에서의 강화 부재로서이다. 알루미늄 매트릭스 복합 와이어를 포함하는 송전 케이블이 공지되어 있지만, 일부 응용에서는, 계속하여 개선된 특성을 가질 것이 요망되고 있다. 당업계는 계속하여 개선된 연선 복합 케이블과 연선 복합 케이블을 제조 및 사용하는 개선된 방법을 강구하고 있다.

일부 응용에서, 연선 복합 케이블의 구성 및 그 제조 방법을 추가적으로 개선하는 것이 바람직하다. 특정 응용에서, 나선형 연선 복합 케이블의 물리적 특성(예를 들어, 케이블의 파괴까지의 연신율 및 인장 강도)을 개선하는 것이 바람직하다. 어떤 특정의 응용에서, 또한 연선 복합 와이어를 송전 케이블 등의 차후의 물품에 포함시키기 전에 연선 복합 와이어의 나선형 배열을 유지하는 편리한 수단을 제공하는 것이 바람직하다. 나선형 배열을 유지하는 이러한 수단이 소성 변형가능한 연성 금속 와이어를 갖는 또는 나선형으로 배열된 후에 경화될 수 있는 와이어를 갖는 종래의 코어에서는 필요하지 않았다.

본 발명의 특정 실시 형태는 연선 복합 케이블 및 복합 와이어 층을 공통의 꼬임 방향으로 나선형으로 연선 가공하는 방법에 관한 것이며, 이 방법에 의해 각각의 복합 와이어 층 간에 교번적인 꼬임 방향을 사용하여 나선형으로 연선 가공된 복합 케이블과 비교할 때 복합 케이블의 인장 강도가 놀랄정도로 증가한다. 공통의 꼬임 방향을 사용하여 연선 가공될 때 종래의 연성 (예를 들어, 금속 또는 기타 비복합) 와이어에서는 이러한 놀랄 정도의 인장 강도의 증가가 관찰되지 않았다. 게다가, 종래의 연성 와이어 케이블의 연선 와이어 층에서는 전형적으로 공통의 꼬임 방향을 사용할 동기가 낮은데, 그 이유는 연성 와이어가 용이하게 소성 변형될 수 있고 이러한 케이블이 일반적으로 짧은 꼬임 길이를 사용하며 그에 따라 케이블 무결성을 유지하는 데 교번하는 꼬임 방향이 바람직할 수 있기 때문이다.

따라서, 일 태양에서, 본 개시 내용은 개선된 연선 복합 케이블을 제공한다. 예시적인 실시 형태에서, 연선 복합 케이블은 중심 세로축을 정의하는 단일 와이어, 단일 복합 와이어 둘레에 제1 꼬임 방향으로 중심 세로축에 대해 정의된 제1 꼬임 각도로 연선 가공되고 제1 꼬임 길이를 가지는 제1 복수의 복합 와이어, 및 제1 복수의 복합 와이어 둘레에 제1 꼬임 방향으로 중심 세로축에 대해 정의된 제2 꼬임 각도로 연선 가공되고 제2 꼬임 길이를 가지는 제2 복수의 복합 와이어를 포함하며, 제1 꼬임 각도와 제2 꼬임 각도 사이의 상대 차가 약 4˚ 이하이다.

예시적인 일 실시 형태에서, 연선 케이블은 제2 복수의 복합 와이어 둘레에 제1 꼬임 방향으로 중심 세로축에 대해 정의된 제3 꼬임 각도로 연선 가공되고 제3 꼬임 길이를 가지는 제3 복수의 복합 와이어를 추가로 포함하며, 제2 꼬임 각도와 제3 꼬임 각도 사이의 상대 차가 약 4˚ 이하이다. 예시적인 다른 실시 형태에서, 연선 케이블은 제3 복수의 복합 와이어 둘레에 제1 꼬임 방향으로 중심 세로축에 대해 정의된 제4 꼬임 각도로 연선 가공되고 제4 꼬임 길이를 가지는 제4 복수의 복합 와이어를 추가로 포함하며, 제3 꼬임 각도와 제4 꼬임 각도 사이의 상대 차가 약 4˚ 이하이다.

예시적인 추가의 실시 형태에서, 연선 케이블은 제4 복수의 복합 와이어 둘레에 제1 꼬임 방향으로 공통의 세로축에 대해 정의된 꼬임 각도로 연선 가공된 부가의 복합 와이어를 추가로 포함할 수 있고, 복합 와이어가 특성 꼬임 길이를 가지며, 제4 꼬임 각도와 임의의 차후의 꼬임 각도 사이의 상대 차가 약 4˚ 이하이다.

예시적인 특정 실시 형태에서, 제1 꼬임 각도와 제2 꼬임 각도, 제2 꼬임 각도와 제3 꼬임 각도, 제3 꼬임 각도와 제4 꼬임 각도, 그리고 일반적으로 임의의 내부층 꼬임 각도와 인접한 외부층 꼬임 각도 사이의 상대 차가 4˚ 이하, 더욱 바람직하게는 3˚ 이하, 가장 바람직하게는 0.5˚ 이하이다. 일부 실시 형태에서, 제1 꼬임 각도가 제2 꼬임 각도와 같고, 제2 꼬임 각도가 제3 꼬임 각도와 같으며, 제3 꼬임 각도가 제4 꼬임 각도와 같고, 일반적으로, 임의의 내부층 꼬임 각도가 인접한 외부층 꼬임 각도와 같다.

추가의 실시 형태에서, 제1 꼬임 길이가 제2 꼬임 길이 이하이고, 제2 꼬임 길이가 제3 꼬임 길이 이하이며, 제4 꼬임 길이가 바로 다음의 꼬임 길이 이하이고, 및/또는 각각의 후속하는 꼬임 길이가 바로 이전의 꼬임 길이 이하인 것 중 하나 이상이다. 다른 실시 형태에서, 제1 꼬임 길이가 제2 꼬임 길이와 같고, 제2 꼬임 길이가 제3 꼬임 길이와 같으며, 제3 꼬임 길이가 제4 꼬임 길이와 같은 것 중 하나 이상이다. 일부 실시 형태에서, 본 기술 분야에 공지된 바와 같이, 평행 꼬임(parallel lay)을 사용하는 것이 바람직할 수 있다.

추가의 태양에서, 본 개시 내용은 코어 및 코어 둘레의 도체층을 포함하며 코어가 상기한 연선 복합 케이블들 중 임의의 것을 포함하는 연선 송전 케이블의 대안의 실시 형태를 제공한다. 예시적인 일부 실시 형태에서, 연선 케이블은 연선 복합 케이블 코어의 연선 복합 와이어 둘레에 연선 가공된 복수의 연성 와이어를 추가로 포함한다.

예시적인 특정 실시 형태에서, 복수의 연성 와이어가 중심 세로축 주위에 복합 케이블 코어의 복합 와이어를 둘러싸는 복수의 반경방향 층으로 연선 가공되어 있다. 예시적인 부가의 실시 형태에서, 복수의 연성 와이어의 적어도 일부분이 제1 꼬임 방향으로 중심 세로축에 대한 꼬임 각도로, 연성 와이어의 제1 꼬임 길이로 연선 가공되어 있다. 예시적인 다른 실시 형태에서, 복수의 연성 와이어의 적어도 일부분이 제2 꼬임 방향으로 중심 세로축에 대해 정의된 꼬임 각도로, 연성 와이어의 제2 꼬임 길이로 연선 가공되어 있다.

연선 케이블 및 그의 관련 실시 형태의 상기한 태양들 중 임의의 태양에서, 이하의 예시적인 실시 형태가 유리하게 이용될 수 있다. 따라서, 예시적인 일 실시 형태에서, 단일 와이어는 중심 세로축에 실질적으로 수직인 방향에서 볼 때 원형이거나 타원형인 단면 형상을 가진다. 예시적인 특정 실시 형태에서, 단일 와이어는 복합 와이어이다. 예시적인 부가의 실시 형태에서, 각각의 복합 와이어 및/또는 연성 와이어는, 중심 세로축에 실질적으로 수직인 방향에서, 원형, 타원형 및 사다리꼴 중에서 선택되는 단면을 가진다.

예시적인 추가의 실시 형태에서, 연선 케이블은 제1 복수의 복합 와이어, 제2 복수의 복합 와이어, 제3 복수의 복합 와이어, 또는 제4 복수의 복합 와이어 중 적어도 하나의 둘레에 유지 수단을 추가로 포함한다. 예시적인 일부 실시 형태에서, 유지 수단은 결합제 또는 테이프 중 적어도 하나를 포함한다. 예시적인 특정 실시 형태에서, 테이프는 제1 복수의 복합 와이어 또는 제2 복수의 복합 와이어 중 적어도 하나의 둘레에 감겨 있는 접착 테이프를 포함한다. 현재 바람직한 특정 실시 형태에서, 접착 테이프는 감압 접착제를 포함한다.

부가의 태양에서, 본 개시 내용은 상기한 태양 및 실시 형태에 기술된 연선 케이블을 제조하는 방법을 제공하며, 이 방법은 중심 세로축을 정의하는 단일 와이어 주위에 제1 복수의 복합 와이어를 연선 가공하는 단계 - 제1 복수의 복합 와이어를 연선 가공하는 단계가 제1 꼬임 방향으로 중심 세로축에 대해 정의된 제1 꼬임 각도로 수행되고, 제1 복수의 와이어가 제1 꼬임 길이를 가짐 -, 및 제1 복수의 복합 와이어 둘레에 제2 복수의 복합 와이어를 연선 가공하는 단계 - 제2 복수의 복합 와이어를 연선 가공하는 단계가 제1 꼬임 방향으로 중심 세로축에 대해 정의된 제2 꼬임 각도로 수행되고, 제2 복수의 와이어가 제2 꼬임 길이를 가짐 - 를 포함하고, 추가로 제1 꼬임 각도와 제2 꼬임 각도 사이의 상대 차가 약 4˚ 이하이다. 특정의 일 실시 형태에서, 이 방법은 복합 와이어 둘레에 복수의 연성 와이어를 연선 가공하는 단계를 추가로 포함한다.

본 개시 내용에 따른 연선 복합 케이블의 예시적인 실시 형태는 각종의 응용에서 그의 사용을 가능하게 해주고 이점을 제공하는 다양한 특징 및 특성을 가진다. 예를 들어, 예시적인 일부 실시 형태에서, 본 개시 내용에 따른 연선 복합 케이블은 다른 복합 케이블과 비교하여 제조 또는 사용 동안에 낮은 케이블 인장 변형 값에서 조기 파손 또는 파괴를 겪는 경향의 감소를 나타낼 수 있다. 그에 부가하여, 예시적인 일부 실시 형태에 따른 연선 복합 케이블은, 종래의 연성 금속 와이어 연선 케이블(stranded ductile metal wire cable)에 비해, 향상된 내부식성, 환경 내구성(예를 들어, UV 내성 및/또는 내습성), 승온에서의 강도 손실에 대한 내성, 내크립성(creep resistance)은 물론 비교적 높은 탄성 계수, 낮은 밀도, 낮은 열 팽창 계수, 높은 전기 전도성, 높은 처짐 내성, 및 높은 강도를 나타낼 수 있다.

예시적인 일부 실시 형태에서, 본 개시 내용의 실시 형태에 따른 연선 복합 케이블은 종래 기술의 복합 케이블에 비해 10% 이상의 인장 강도의 증가를 나타낼 수 있다. 본 개시 내용의 특정 실시 형태에 따른 연선 복합 케이블은 또한 케이블의 연선 가공 공정이 특정의 중요한 응용에서의 사용에 대한, 예를 들어, 가공 송전 응용에서의 사용에 대한 최소 인장 강도 요건을 만족시키는 것으로부터 수율 향상으로 인해 낮은 제조 비용으로 제조될 수 있다.

본 개시 내용의 예시적인 실시 형태의 다양한 태양 및 장점에 대해 요약하였다. 상기 요약은 본 개시 내용의 각각의 예시된 실시 형태 또는 이 예시적인 특정 실시 형태의 모든 구현을 설명하기 위한 것이 아니다. 하기의 도면 및 상세한 설명은 본 명세서에 개시된 원리를 사용하여 바람직한 특정 실시 형태를 더욱 구체적으로 예시한다.

본 개시 내용의 예시적인 실시 형태가 첨부 도면을 참조하여 추가적으로 기술되어 있다.
도 1a는 종래 기술의 나선형 연선 송전 케이블의 사시도.
도 1b는 본 개시 내용의 예시적인 실시 형태에 따른 나선형 연선 복합 케이블의 사시도.
도 2a 내지 도 2c는 각각의 케이블 층에 대한 꼬임 방향, 꼬임 각도 및 꼬임 길이를 나타내는, 본 개시 내용의 예시적인 실시 형태에 따라 꼬여진 복합 케이블 층의 개략 평면도.
도 3a 내지 도 3d는 본 개시 내용의 예시적인 실시 형태에 따른 다양한 나선형 연선 복합 케이블의 단부 단면도.
도 4a 내지 도 4e는 본 개시 내용의 예시적인 다른 실시 형태에 따른 나선형 연선 복합 와이어 둘레에 연선 가공된 복수의 연성 와이어를 포함하는 하나 이상의 층을 포함하는 다양한 나선형 연선 복합 케이블의 단부 단면도.
도 5a는 본 개시 내용의 예시적인 추가의 실시 형태에 따른 연선 복합 와이어 코어 둘레에 유지 수단을 포함하는 나선형 연선 복합 케이블의 측면도.
도 5b 내지 도 5d는 본 개시 내용의 예시적인 다른 실시 형태에 따른 연선 복합 와이어 코어 둘레에 다양한 유지 수단을 포함하는 나선형 연선 복합 케이블의 단부 단면도.
도 6은 본 개시 내용의 예시적인 부가의 실시 형태에 따른, 케이블을 제조하는 데 사용되는 예시적인 연선 가공 장치의 개략도.
도 7은 본 개시 내용의 예시적인 부가의 실시 형태에 따른, 연선 복합 와이어 코어 둘레의 유지 수단, 및 연선 복합 와이어 코어 둘레에 연성 가공된 복수의 연성 와이어를 포함하는 하나 이상의 층을 포함하는 나선형 연선 복합 케이블의 단부 단면도.
도 8은 본 개시 내용의 예시적인 나선형 연선 복합 케이블에서 내부 와이어 층과 외부 와이어 층 사이의 꼬임 각도의 상대 차의 측정된 인장 강도에 대한 효과를 나타낸 그래프.
도 9는 본 개시 내용의 예시적인 나선형 연선 복합 케이블에서 외부 와이어 층과 내부 와이어 층 사이의 꼬임 길이의 상대 차의 측정된 인장 강도에 대한 효과를 나타낸 그래프.
도 10은 본 개시 내용의 예시적인 나선형 연선 복합 케이블에서 교차 각도의 측정된 인장 강도에 대한 효과를 나타낸 그래프.
도면에서 유사한 참조 번호는 유사한 구성요소를 나타낸다. 본 명세서 내의 도면이 축척대로 되어 있지 않으며, 도면에서 복합 케이블의 구성요소가 선택된 특징부를 강조하는 크기로 되어 있다.

대부분이 잘 알려져 있지만 어떤 설명을 필요로 할지도 모르는 특정 용어가 설명 및 특허청구범위 전체에 걸쳐 사용되고 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "와이어"가 "취성"이 있다(brittle)고 말할 때, 이는 와이어가 인장 하중 하에서 최소 소성 변형으로 파괴된다는 것을 의미한다.

와이어의 변형을 말하는 데 사용될 때 "연성"이라는 용어는 와이어가 굽힘 동안에 파괴 또는 파손 없이 실질적으로 소성 변형을 겪는다는 것을 의미한다.

"복합 와이어"라는 용어는, 서로 결합되고 취성 또는 비연성 거동을 나타내는 조성 또는 형태가 서로 다른 재료의 조합으로 형성되는 와이어를 말한다.

"금속 매트릭스 복합 와이어"라는 용어는 하나 이상의 연성 금속상(ductile metal phase)으로 이루어진 매트릭스로 결합되는 하나 이상의 강화 재료를 포함하는 복합 와이어를 말한다.

"중합체 매트릭스 복합 와이어"라는 용어도 이와 유사하게 하나 이상의 중합체상(polymeric phase)으로 이루어진 매트릭스로 결합되는 하나 이상의 강화 재료를 포함하는 복합 와이어를 말한다.

와이어의 변형을 말하는 데 사용될 때 "구부리다" 또는 "굽힘"이라는 용어는 연선 가공 동안에 와이어를 나선형으로 구부리는 것과 같은 2차원 및/또는 3차원 굽힘 변형을 포함한다. 와이어가 굽힘 변형을 갖는다고 말할 때, 이는 와이어가 인장력 및/또는 비틀림(torsional force)으로 인한 변형도 가질 수 있다는 것을 배제하지 않는다.

"유의 탄성 굽힘" 변형(significant elastic bend deformation)은 와이어가 와이어의 반경의 최대 10,000 배의 곡률 반경으로 구부려질 때 일어나는 굽힘 변형을 의미한다. 원형 단면 와이어에 적용될 때, 이 유의 탄성 굽힘 변형은 와이어의 외섬유(outer fiber)에 적어도 0.01%의 변형을 준다.

"케이블 가공" 및 "연선 가공"이라는 용어는 서로 바꾸어 사용될 수 있으며, "케이블 가공된"과 "연선 가공된"이라는 용어도 서로 바꾸어 사용될 수 있다.

"꼬임"이라는 용어는 나선형 연선 케이블의 연선 가공된 층에 있는 와이어가 나선형으로 감겨 있는 방식을 말한다.

"꼬임 방향"이라는 용어는 나선형으로 연선 가공된 층에서의 와이어 연선(wire strand)의 연선 가공 방향을 말한다. 나선형으로 연선 가공된 층의 꼬임 방향을 결정하기 위해, 케이블이 관찰자로부터 멀어지는 쪽을 가리킬 때 관찰자가 나선형으로 연선 가공된 와이어 층의 표면을 바라 본다. 와이어 연선이 관찰자로부터 멀어지는 쪽으로 진행할 때 시계 방향으로 회전하는 것으로 보이는 경우, 케이블이 "오른쪽 꼬임"을 갖는다고 말해진다. 와이어 연선이 관찰자로부터 멀어지는 쪽으로 진행할 때 반시계 방향으로 회전하는 것으로 보이는 경우, 케이블이 "왼쪽 꼬임"을 갖는다고 말해진다.

다층 나선형 연선 케이블의 중심에서 반경방향으로 위치하는 공통의 세로축을 나타내기 위해 "중심축" 및 "중심 세로축"이라는 용어가 서로 바꾸어 사용될 수 있다.

"꼬임 각도"라는 용어는 연선 와이어가 나선형 연선 케이블의 중심 세로축에 대해 형성하는 각도를 말한다.

"교차 각도"라는 용어는 나선형 연선 와이어 케이블의 인접한 와이어 층의 꼬임 각도 사이의 상대(절대) 차를 의미한다.

"꼬임 길이"라는 용어는 나선형으로 연선 가공된 층에 있는 단일 와이어가 나선형 연선 케이블의 중심 세로축을 중심으로 완전한 한바퀴 나선형 회전을 완성하는 연선 케이블의 길이를 말한다.

"세라믹"이라는 용어는 유리, 결정질 세라믹, 유리-세라믹, 그리고 그 조합을 의미한다.

"다결정"이라는 용어는 입자 크기가 입자가 존재하는 섬유의 직경 미만인 복수의 결정질 입자를 주로 가지는 재료를 의미한다.

"연속 섬유"라는 용어는 평균 섬유 직경과 비교할 때 상대적으로 무한인 길이를 가지는 섬유를 의미한다. 전형적으로, 이는 섬유가 적어도 1 ×10⁵(일부 실시 형태에서, 적어도 1 ×10⁶, 또는 심지어 적어도 1 ×10⁷)의 종횡비(즉, 섬유의 길이 대 섬유의 평균 직경의 비)를 가진다는 것을 의미한다. 전형적으로, 이러한 섬유는 적어도 약 15 ㎝ 내지 적어도 몇 미터 정도의 길이를 가지며, 심지어 대략 몇 킬로미터 이상의 길이를 가질 수 있다.

본 개시 내용은 복수의 연선 복합 와이어를 포함하는 연선 케이블을 제공한다. 복합 와이어는 취성이 있고 비연성일 수 있으며, 따라서 종래의 케이블 연선 가공 공정 동안에 와이어를 파손시키지 않고 그의 나선형 배열을 유지하도록 충분히 변형되지 않을 수 있다. 따라서, 본 개시 내용은, 특정 실시 형태에서, 인장 강도가 높은 연선 복합 케이블을 제공하며, 추가로, 일부 실시 형태에서, 연선 케이블에서의 와이어의 나선형 배열을 유지하는 수단을 제공한다. 이와 같이, 연선 케이블이 편리하게도 중간 물품으로서 또는 최종 물품으로서 제공될 수 있다. 중간 물품으로서 사용될 때, 연선 복합 케이블은 나중에 송전 케이블(예를 들어, 가공 송전 케이블) 등의 최종 물품에 포함될 수 있다.

본 명세서의 다양한 예시적인 실시 형태에 대해 이제부터 도면을 상세히 참조하여 설명할 것이다. 본 명세서의 예시적인 실시 형태는 본 명세서의 사상 및 범주를 벗어나지 않고 다양한 수정 및 변경을 가질 수 있다. 따라서, 본 개시 내용의 실시 형태가 이하의 기술된 예시적인 실시 형태로 한정되지 않고 특허청구범위 및 임의의 그 등가물에 기재된 제한에 의해 규제되어야 한다는 것을 잘 알 것이다.

따라서, 일 태양에서, 본 개시 내용은 연선 복합 케이블을 제공한다. 도면을 참조하면, 도 1b는 본 개시 내용의 예시적인 실시 형태에 따른 연선 복합 케이블(10)의 사시도를 나타낸 것이다. 도시된 바와 같이, 나선형 연선 복합 케이블(10)은 중심 세로축을 정의하는 단일 와이어(2), 단일 복합 와이어(2) 둘레에 제1 꼬임 방향(시계 방향으로 도시됨, 오른쪽 꼬임에 대응함)으로 연선 가공된 제1 복수의 복합 와이어(4)를 포함하는 제1 층(12), 및 제1 복수의 복합 와이어(4) 둘레에 제1 꼬임 방향으로 연선 가공된 제2 복수의 복합 와이어(6)를 포함하는 제2 층(14)을 포함한다.

선택적으로, 제3 복수의 복합 와이어(8)를 포함하는 제3 층(16)이 제2 복수의 복합 와이어(6) 둘레에 제1 꼬임 방향으로 연선 가공되어 복합 케이블(10')을 형성할 수 있다. 선택적으로, 제4 층(도시 생략) 또는 훨씬 더 많은 부가의 복합 와이어 층이 제2 복수의 복합 와이어(6) 둘레에 제1 꼬임 방향으로 연선 가공되어 복합 케이블(10')을 형성할 수 있다. 선택적으로, 단일 와이어(2)가 도 1b에 도시된 바와 같이 복합 와이어이지만, 다른 실시 형태에서, 단일 와이어(2)가 연성 와이어[예를 들어, 도 1a에 도시된 연성 금속 와이어(1)]일 수 있다.

본 개시 내용의 예시적인 실시 형태에서, 각각의 연속적인 복합 와이어 층이 각각의 이전의 복합 와이어 층과 동일한 꼬임 방향으로 감겨 있기만 하다면, 복합 와이어(예를 들어, 4, 6, 8)의 2개 이상의 연선가공된 층(예를 들어, 12, 14, 16)이 중심 세로축을 정의하는 단일 중심 와이어(2) 주위에 나선형으로 감겨 있을 수 있다. 게다가, 각각의 층(12, 14, 16)에 대해 도 1b에 오른쪽 꼬임이 도시되어 있지만, 각각의 층(12, 14, 16)에 대해 다른 대안으로서 왼쪽 꼬임이 사용될 수 있다는 것을 잘 알 것이다.

도 1b 및 도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 예시적인 추가의 실시 형태에서, 연선 복합 케이블은 중심 세로축(9)을 정의하는 단일 와이어(2), 단일 복합 와이어(2) 둘레에 제1 꼬임 방향으로 중심 세로축(9)에 대해 정의된 제1 꼬임 각도 α로 연선 가공되고 제1 꼬임 길이 L(도 2a)을 가지는 제1 복수의 복합 와이어(4), 및 제1 복수의 복합 와이어(4) 둘레에 제1 꼬임 방향으로 중심 세로축(9)에 대해 정의된 제2 꼬임 각도 β로 연선 가공되고 제2 꼬임 길이 L'(도 2b)를 가지는 제2 복수의 복합 와이어(6)를 포함한다.

예시적인 부가의 실시 형태에서, 연선 케이블은 선택적으로 제2 복수의 복합 와이어(6) 둘레에 제1 꼬임 방향으로 중심 세로축(9)에 대해 정의된 제3 꼬임 각도 γ로 연선 가공되고 제3 꼬임 길이 L"(도 2c)를 가지는 제3 복수의 복합 와이어(8)를 추가로 포함하고, 제2 꼬임 각도 β와 제3 꼬임 각도 γ 사이의 상대 차가 약 4˚ 이하이다.

예시적인 추가의 실시 형태(도시 생략)에서, 연선 케이블은 제3 복수의 복합 와이어(8) 둘레에 제1 꼬임 방향으로 공통의 중심 세로축(9)에 대해 정의된 꼬임 각도(도면에 도시되지 않음)로 연선 가공된 복합 와이어의 부가의(예를 들어, 후속) 층(예를 들어, 제4, 제5 또는 기타 후속 층)을 추가로 포함할 수 있고, 각각의 층에 있는 복합 와이어는 특성 꼬임 길이(도면에 도시되지 않음)를 가지며, 제3 꼬임 각도 γ와 제4 또는 후속 꼬임 각도 사이의 상대 차가 약 4˚ 이하이다. 4개 이상의 연선 복합 와이어 층이 이용되는 실시 형태는 바람직하게는 0.5 ㎜ 이하의 직경을 가지는 복합 와이어를 사용한다.

예시적인 일부 실시 형태에서, 제1 꼬임 각도 α와 제2 꼬임 각도 β 사이의 상대(절대) 차가 약 4˚ 이하이다. 예시적인 특정 실시 형태에서, 제1 꼬임 각도 α와 제2 꼬임 각도 β 사이의 상대(절대) 차 및 제2 꼬임 각도 β와 제3 꼬임 각도 γ 사이의 상대(절대) 차 중 하나 이상이 4˚ 이하, 3˚ 이하, 2˚ 이하, 1˚ 이하, 또는 0.5˚ 이하이다. 예시적인 특정 실시 형태에서, 제1 꼬임 각도가 제2 꼬임 각도와 같고, 제2 꼬임 각도가 제3 꼬임 각도와 같으며, 및/또는 각각의 다음의 꼬임 각도가 바로 이전의 꼬임 각도와 같은 것 중 하나 이상이다.

추가의 실시 형태에서, 제1 꼬임 각도가 제2 꼬임 각도 이하이고, 제2 꼬임 각도가 제3 꼬임 각도 이하이며, 제4 꼬임 각도가 바로 이후의 꼬임 각도 이하이고, 및/또는 각각의 다음의 꼬임 각도가 바로 이전의 꼬임 각도 이하인 것 중 하나 이상이다. 다른 실시 형태에서, 제1 꼬임 길이가 제2 꼬임 길이와 같고, 제2 꼬임 길이가 제3 꼬임 길이와 같으며, 및/또는 각각의 다음의 꼬임 길이가 바로 이전의 꼬임 길이와 같은 것 중 하나 이상이다. 일부 실시 형태에서, 본 기술 분야에 공지된 바와 같이, 평행 꼬임(parallel lay)을 사용하는 것이 바람직할 수 있다.

다양한 연선 복합 케이블 실시 형태(10, 11, 10', 11')가 도 3a, 도 3b, 도 3c 및 도 3d에 단면도로 각각 도시되어 있다. 도 3a 내지 도 3d의 예시된 실시 형태들 각각에서, 복합 와이어(4, 6, 8)가 중심 세로축(도시 생략)을 정의하는 단일 와이어(도 3a 및 도 3c의 2, 도 3b 및 도 3d의 1) 주위에 복합 와이어(4, 6, 8)의 각각의 대응하는 층(도 1b에 도시된 12, 14, 16)에 대해 동일한 꼬임 방향(도시 생략)으로 연선 가공되어 있다는 것을 잘 알 것이다. 이러한 꼬임 방향은 시계 방향(도 1b에 도시된 오른쪽 꼬임) 또는 반시계 방향(왼쪽 꼬임, 도시되지 않음)일 수 있다.

도 3a 및 도 3c가 중심 세로축(도시 생략)을 정의하는 단일 중심 복합 와이어(2)를 도시하고 있지만, 그에 부가하여 단일 와이어(2)가 도 3b 및 도 3d에 도시된 연성 금속 와이어(1)일 수 있다는 것을 잘 알 것이다. 또한, 각각의 복합 와이어 층이 꼬임 길이(도 3a 내지 도 3d에 도시되지 않음)를 나타낸다는 것과 각각의 복합 와이어 층의 꼬임 길이가 서로 다르거나, 바람직하게는 동일한 꼬임 길이일 수 있다는 것을 잘 알 것이다.

게다가, 예시적인 일부 실시 형태에서, 각각의 복합 와이어가 중심 세로축에 실질적으로 수직인 방향에서 단면 형상(일반적으로, 원형, 타원형 또는 사다리꼴)을 가진다는 것을 잘 알 것이다. 예시적인 특정 실시 형태에서, 각각의 복합 와이어는 일반적으로 원형인 단면 형상을 가지며, 각각의 복합 와이어의 직경은 적어도 약 0.1 ㎜, 더욱 바람직하게는 적어도 0.5 ㎜, 더욱 더 바람직하게는 적어도 1 ㎜, 더욱 더 바람직하게는 적어도 2 ㎜, 가장 바람직하게는 적어도 3 ㎜이고, 최대 약 15 ㎜, 더욱 바람직하게는 최대 10 ㎜, 더욱 더 바람직하게는 최대 5 ㎜, 더욱 더 바람직하게는 최대 4 ㎜, 가장 바람직하게는 최대 3 ㎜ 이다. 예시적인 다른 실시 형태에서, 각각의 복합 와이어의 직경은 1 ㎜ 미만, 또는 5 ㎜ 초과일 수 있다.

전형적으로, 일반적으로 원형 단면 형상을 가지는 단일 중심 와이어의 평균 직경은 약 0.1 ㎜ 내지 약 15 ㎜의 범위에 있다. 일부 실시 형태에서, 단일 중심 와이어의 평균 직경이 바람직하게는 적어도 약 0.1 ㎜, 적어도 0.5 ㎜, 적어도 1 ㎜, 적어도 2 ㎜, 적어도 3 ㎜, 적어도 4 ㎜, 또는 심지어 최대 약 5 ㎜이다. 다른 실시 형태에서, 단일 중심 와이어의 평균 직경은 약 0.5 ㎜ 미만, 1 ㎜ 미만, 3 ㎜ 미만, 5 ㎜ 미만, 10 ㎜ 미만, 또는 15 ㎜ 미만이다.

도 3a 내지 도 3d에 도시되지 않은 예시적인 부가의 실시 형태에서, 연선 복합 케이블은 중심 세로축을 정의하는 단일 와이어 주위에 3개 초과의 연선 복합 와이어 층을 포함할 수 있다. 예시적인 특정 실시 형태에서, 각각의 복합 케이블 층에 있는 각각의 복합 와이어가 동일한 구성 및 형상을 가질 수 있지만, 본 명세서에 기술된 이점을 달성하기 위해 꼭 이럴 필요는 없다.

추가의 태양에서, 본 개시 내용은 복합 코어 및 복합 코어 둘레의 도체층을 포함하며 복합 코어가 상기한 연선 복합 케이블들 중 임의의 것을 포함하는 연선 송전 케이블의 다양한 실시 형태를 제공한다. 일부 실시 형태에서, 송전 케이블은 가공 송전 케이블로서 또는 지중 송전 케이블로서 유용할 수 있다. 예시적인 특정 실시 형태에서, 도체층은 실질적으로 복합 케이블 코어의 표면 전체와 접촉하는 금속층을 포함한다. 예시적인 다른 실시 형태에서, 도체층은 복합 케이블 코어 주위에 연선 가공된 복수의 연성 금속 도체 와이어를 포함한다.

도 4a 내지 도 4e는 연성 와이어(예를 들어, 28, 28', 28")(예를 들어, 연성 금속 도체 와이어)의 하나 이상의 부가의 층이 도 3a의 복합 케이블 코어(10) 둘레에 나선형으로 연선 가공되어 있는 연선 케이블(도 4a, 도 4b, 도 4c, 도 4d 및 도 4e에 대응하는 30, 40, 50, 60 또는 70)의 예시적인 실시 형태를 도시한 것이다. 그렇지만, 본 개시 내용이 이들 예시적인 실시 형태로 제한되지 않는다는 것과 다른 복합 케이블 코어[예를 들어, 도 3b, 도 3c 및 도 3d의 복합 케이블(각각 11, 10', 11')]를 사용하는 다른 실시 형태가 이 개시 내용의 범위 내에 속한다는 것을 잘 알 것이다.

따라서, 도 4a에 도시된 특정의 실시 형태에서, 연선 케이블(30)은 도 1b, 도 2a, 도 2b 및 도 3a에 도시된 연선 복합 케이블(10) 둘레에 연선 가공된 제1 복수의 연성 와이어(28)를 포함한다. 도 4b에 도시된 부가의 실시 형태에서, 연선 케이블(40)은 도 4a의 연선 케이블(30)의 제1 복수의 연성 와이어(28) 둘레에 연선 가공된 제2 복수의 연성 와이어(28)를 포함한다. 도 4c에 도시된 추가의 실시 형태에서, 연선 케이블(50)은 도 4b의 연선 케이블(40)의 제2 복수의 연성 와이어(28') 둘레에 연선 가공된 제3 복수의 연성 와이어(28")를 포함한다.

도 4a 내지 도 4c에 도시된 특정의 실시 형태에서, 각자의 연선 케이블(30, 40 또는 50)은 도 3a의 연선 복합 케이블(10)을 포함하는 코어를 가지며, 이 코어는 중심 세로축(9)(도 2c)을 정의하는 단일 와이어(2), 단일 복합 와이어(2) 둘레에 제1 꼬임 방향으로 연선 가공된 제1 복수의 복합 와이어(4)를 포함하는 제1 층(12), 및 제1 복수의 복합 와이어(4) 둘레에 제1 꼬임 방향으로 연선 가공된 제2 복수의 복합 와이어(6)를 포함하는 제2 층(14)을 포함한다. 예시적인 특정 실시 형태에서, 제1 복수의 연성 와이어(28)는 제2 복수의 복합 와이어(6)를 포함하는 인접한 반경방향 층[예를 들어, 제2 층(14)]의 꼬임 방향과 반대인 꼬임 방향으로 연선 가공된다.

예시적인 다른 실시 형태에서, 제1 복수의 연성 와이어(28)는 제2 복수의 복합 와이어(6)를 포함하는 인접한 반경방향 층[예를 들어, 제2 층(14)]의 꼬임 방향과 동일한 꼬임 방향으로 연선 가공된다. 예시적인 추가의 실시 형태에서, 제1 복수의 연성 와이어(28), 제2 복수의 연성 와이어(28') 또는 제3 복수의 연성 와이어(28") 중 적어도 하나는 제2 복수의 복합 와이어(6)를 포함하는 인접한 반경방향 층[예를 들어, 제2 층(14)]의 꼬임 방향과 반대인 꼬임 방향으로 연선 가공된다.

예시적인 추가의 실시 형태에서, 각각의 연성 와이어(28, 28', 또는 28")는, 중심 세로축에 실질적으로 수직인 방향에서, 원형, 타원형 또는 사다리꼴 중에서 선택되는 단면 형상을 가진다. 도 4a 내지 도 4c는 각각의 연성 와이어(28, 28', 또는 28")가, 중심 세로축에 실질적으로 수직인 방향에서, 실질적으로 원형인 단면 형상을 가지는 실시 형태를 나타낸 것이다. 도 4d에 도시된 특정의 실시 형태에서, 연선 케이블(60)은 도 1b, 도 2a 및 도 2b에 도시된 연선 복합 케이블(10) 둘레에 연선 가공된 제1 복수의 일반적으로 사다리꼴-형상인 연성 와이어(28)를 포함한다. 도 4e에 도시된 추가의 실시 형태에서, 연선 케이블(70)은 도 4d의 연선 케이블(60) 둘레에 연선 가공된 제2 복수의 일반적으로 사다리꼴-형상인 연성 와이어(28')를 추가로 포함한다.

예시적인 추가의 실시 형태에서, 연성 와이어(28, 28', 또는 28") 중 일부 또는 전부가, 중심 세로축에 실질적으로 수직인 방향에서, "Z" 또는 "S"자 형상(도시 생략)인 단면 형상을 가질 수 있다. 이러한 형상의 와이어가 본 기술 분야에 공지되어 있으며, 예를 들어, 케이블의 인터로킹 외부층을 형성하는 데 바람직할 수 있다.

부가의 실시 형태에서, 연성 와이어(28, 28', 또는 28")는 구리, 알루미늄, 철, 아연, 코발트, 니켈, 크롬, 티타늄, 텅스텐, 바나듐, 지르코늄, 망간, 규소, 그 합금 및 그 조합으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 적어도 하나의 금속을 포함한다.

복합 와이어를 포함하는 코어(예를 들어, 이전에 기술된 나선형 연선 복합 케이블 또는 기타 연선 복합 케이블) 둘레에 복수의 연성 와이어를 연선 가공함으로써, 연선 복합 케이블이 나중에 최종 물품(예를 들어, 예인 케이블, 호이스트 케이블, 가공 송전 케이블 등)에 포함되는 중간 물품으로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 기술 분야에 공지된 기술을 사용하여 상기한 바와 같이 단일 중심 와이어(2) 둘레에 복합 와이어(4, 6, 8)의 2개 이상의 층을 연선 가공함으로써(예를 들어, 나선형으로 감음으로써) 코어가 제조될 수 있다. 전형적으로, 이러한 나선형 연선 복합 케이블 코어는 겨우 19개의 개별 와이어부터 50개 이상의 와이어를 포함하는 경향이 있다.

복수의 복합 와이어(2, 4, 6)로 이루어진 코어의 경우, 일부 실시 형태에서, 유지 수단[예를 들어, 접착제를 갖거나 갖지 않는 테이프 오버랩 또는 결합제(예를 들어, 미국 특허 제6,559,385 B1호(Johnson 등))을 사용하여 연선 가공 동안에 또는 그 후에 복합 와이어[예를 들어, 도 5a 내지 도 5d의 제2 층(14)에 있는 적어도 제2 복수의 복합 와이어(6)]를 함께 모아 놓는 것이 바람직하다. 도 5a 내지 도 5c는 연선 가공 후에 복합 와이어를 함께 모아 놓기 위해 테이프(18) 형태의 유지 수단을 사용하는 다양한 실시 형태를 나타낸 것이다.

도 5a는 복합 와이어(2, 4, 6) 둘레의 연선 복합 케이블(10)에 부분적으로 도포된 테이프(18)를 포함하는 예시적인 유지 수단을 가지는 연선 케이블(10)(도 1b, 도 2a, 도 2b 및 도 3a)의 측면도이다. 도 5b에 도시된 바와 같이, 테이프(18)는 접착제 층(22)을 갖는 배킹(20)을 포함할 수 있다. 다른 대안으로서, 도 5c에 도시된 바와 같이, 테이프(18)는 접착제 없이 배킹(20)만을 포함할 수 있다.

예시적인 특정 실시 형태에서, 도 5a에 도시된 바와 같이, 각각의 연속적인 랩(wrap)이 이전의 랩과 갭(gap)도 오버랩도 없이 인접하도록 테이프(18)가 래핑될 수 있다. 다른 대안으로서, 일부 실시예에서, 각각의 랩 사이에 갭을 두도록 또는 이전의 랩과 오버랩하도록 연속적인 랩이 일정 간격으로 떨어져 있을 수 있다. 바람직한 일 실시 형태에서, 각각의 랩이 테이프 폭의 대략 1/3 내지 1/2 만큼 이전의 랩과 오버랩하도록 테이프(18)가 래핑된다.

도 5b는 유지 수단이 접착제(22)를 갖는 배킹(20)을 포함하는 테이프(18)인 도 5a의 연선 케이블의 단부도이다. 예시적인 이 실시 형태에서, 적당한 접착제는, 예를 들어, (메트)아크릴레이트 (공)중합체계 접착제, 폴리(α-올레핀) 접착제, 블록 공중합체계 접착제, 천연 고무계 접착제, 실리콘계 접착제, 및 핫멜트 접착제를 포함한다. 특정 실시 형태에서, 감압 접착제가 바람직할 수 있다.

예시적인 추가의 실시 형태에서, 테이프(18)가 탄성 굽힘 변형을 유지하기에 충분히 강하고 그 자체로 그의 래핑된 구성을 유지할 수 있거나 필요한 경우 충분히 억제되기만 한다면, 테이프(18) 또는 배킹(20)에 적합한 재료는 금속 포일, 특히 알루미늄; 폴리에스테르, 폴리이미드; 및 유리 강화 배킹을 포함한다. 하나의 특히 바람직한 배킹(20)은 알루미늄이다. 이러한 배킹은 바람직하게는 0.05 내지 0.13 ㎜(0.002 내지 0.005 인치)의 두께, 및 연선 케이블(10)의 직경에 기초하여 선택된 폭을 가진다. 예를 들어, 도 5a에 도시된 것과 같은 2개의 연선 복합 와이어 층을 갖고 약 1.3 ㎝(0.5 인치)의 직경을 가지는 연선 케이블(10)에 대해, 2.5 ㎝(1.0 인치)의 폭을 가지는 알루미늄 테이프가 바람직하다.

현재 바람직한 몇몇 상용 테이프는 다음과 같은 금속 포일 테이프(미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 3M Company로부터 입수가능함)를 포함한다: 테이프 438, 아크릴 접착제를 갖는 0.13 ㎜(0.005 인치) 두께의 알루미늄 배킹 및 0.18 ㎜(0.0072 인치)의 총 테이프 두께; 테이프 431, 아크릴 접착제를 갖는 0.05 ㎜(0.0019 인치) 두께의 알루미늄 배킹 및 0.08 ㎜(0.0031 인치)의 총 테이프 두께; 및 테이프 433, 실리콘 접착제를 갖는 0.05 ㎜(0.002인치) 두께의 알루미늄 배킹 및 0.09 ㎜(0.0036 인치)의 총 테이프 두께. 적당한 금속 포일/유리 섬유 테이프는 Tape 363(미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 3M Company로부터 입수가능함)이며, 이에 대해서는 실시예들에 기술되어 있다.. 적당한 폴리에스테르 배킹 테이프는 0.03 ㎜(0.001 인치) 두께의 폴리에스테르 배킹, 실리콘계 접착제, 및 0.03 ㎜(0.0018 인치)의 총 테이프 두께를 가지는 Polyester Tape 8402(미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 3M Company로부터 입수가능함)를 포함한다.

도 5c는 테이프(18)가 접착제(22)를 갖지 않는 배킹(20)을 포함하는 도 5a의 연선 케이블의 단부도이다. 테이프(18)가 접착제를 갖지 않는 배킹(20)인 경우, 배킹(20)에 적당한 재료는 접착제와 함께 사용하기 위해 방금 기술한 것들 중 임의의 것을 포함하며, 바람직한 배킹은 0.05 내지 0.13 ㎜(0.002 내지 0.005 인치)의 두께 및 2.54 ㎝(1.0 인치)의 폭을 가지는 알루미늄 배킹이다.

접착제(22)를 갖거나 갖지 않는 테이프(18)를 유지 수단으로 사용할 때, 테이프가 본 기술 분야에 공지된 종래의 테이프 래핑 장치를 사용하여 연선 케이블에 도포될 수 있다. 적당한 테이핑 기계는 모델 번호 CT-300 Concentric Taping Head 등의 미국 뉴저지주 패터슨 소재의 Watson Machine, International로부터 입수가능한 것을 포함하고 있다. 테이프 오버랩 스테이션은 일반적으로 케이블 연선 가공 장치의 출구에 위치하고 케이블(10)이 감기 스풀(take up spool)에 감기기 전에 나선형 연선 복합 와이어에 도포된다. 탄성 변형된 복합 와이어의 연선 구성을 유지하기 위해 테이프(18)가 선택된다.

도 5d는 복합 와이어(2, 4, 6)를 그의 연선 구성으로 유지하기 위해 연선 케이블(10)에 도포되는 결합제(24)의 형태의 유지 수단을 가지는 연선 복합 케이블(34)의 대안의 예시적인 실시 형태를 나타낸 것이다. 적당한 결합제(24)는 6개 내지 20개의 탄소 원자를 포함하는 단량체로부터 유도된 하나 이상의 폴리(알파-올레핀) 단일 중합체(homopolymer), 공중합체, 삼중합체(terpolymer), 및 사중합체(tetrapolyme) 및 광활성 가교결합제를 함유하는 감압 접착제 조성물을 포함하며, 이에 대해서는 미국 특허 제5,112,882호(Babu 등)에 기술되어 있다. 이들 재료의 방사선 경화는 박리 및 전단 접착제 특성의 유익한 균형을 가지는 접착제 필름을 제공한다.

다른 대안으로서, 결합제(24)는 에폭시(이것으로 제한되지 않음)를 비롯한 열경화성 재료를 포함할 수 있다. 일부 결합제의 경우, 상기한 바와 같이 와이어가 케이블 가공 기계를 빠져나가는 동안 결합제(24)를 연선 케이블(10)에 압출하거나 다른 방식으로 코팅하는 것이 바람직하다. 다른 대안으로서, 결합제(24)는 전사 테이프로서 공급되는 접착제의 형태로 도포될 수 있다. 이 경우에, 결합제(24)는 전사 또는 방출 시트(도시 생략)에 도포된다. 방출 시트는 연선 케이블(10)의 복합 와이어 둘레에 래핑된다. 이어서, 배킹이 제거되고, 결합제(24)로서 접착제 층을 남긴다.

추가의 실시 형태에서, 접착제(22) 또는 결합제(24)는 원하는 바에 따라 각각의 개별 복합 와이어 층(예를 들어, 도 1b의 12, 14, 16) 둘레에 또는 복합 와이어(예를 들어, 도 1b의 2, 4, 6, 8)의 임의의 적당한 층 사이에 선택적으로 도포될 수 있다.

현재 바람직한 일 실시 형태에서, 유지 수단은 연선 복합 케이블(10)의 총 직경을 그다지 증가시키지 않는다. 바람직하게는, 유지 수단을 포함하는 연선 복합 케이블의 외경은 유지 수단을 제외한 복수의 연선 복합 와이어(2, 4, 6, 8)의 외경의 110% 이하, 더욱 바람직하게는 105% 이하이고, 가장 바람직하게는 102% 이하이다.

종래의 케이블 가공 장비에서 연선 가공될 때 복합 와이어가 유의한 양의 탄성 굽힘 변형을 가진다는 것을 잘 알 것이다. 와이어의 나선형 배열을 유지하는 유지 수단이 없는 경우, 이러한 유의 탄성 굽힘 변형에 의해 와이어가 그의 비연선 가공된 또는 비굽힘된 형상으로 되돌아가게 된다. 따라서, 일부 실시 형태에서, 복수의 연선 복합 와이어(예를 들어, 도 1b의 2, 4, 6, 8)의 유의 탄성 굽힘 변형을 유지하기 위해 유지 수단이 선택된다.

게다가, 연선 케이블(10)의 의도된 응용은 특정 유지 수단이 응용에 더 적합하다는 것을 암시할 수 있다. 예를 들어, 연선 케이블(10)이 송전 케이블에서 코어로서 사용될 때, 이 응용에서 경험하는 온도 및 기타 조건에서 송전 케이블에 악영향을 주지 않기 위해 접착제(22)를 갖지 않는 테이프(18) 또는 결합제(24)가 선택되어야만 한다. 접착 테이프(18)가 유지 수단으로서 사용될 때, 접착제(22) 및 배킹(20) 둘다가 의도된 응용에 적합하도록 선택되어야 한다.

예시적인 특정 실시 형태에서, 연선 복합 와이어(예를 들어, 도 1b의 2, 4, 6, 8) 각각은 매트릭스에 복수의 연속 섬유를 포함하며, 이에 대해서는 나중에 보다 상세히 설명할 것이다. 와이어는, 복합 와이어이기 때문에, 연성 와이어에서는 있을 수 있는 케이블 가공 동작 동안의 소성 변형을 나타내지 않는다. 예를 들어, 연성 와이어를 포함하는 종래 기술의 구성에서는, 복합 와이어를 그의 나선형 배열로 영구적으로 소성 변형시키기 위해 종래의 케이블 가공 공정이 수행될 수 있다. 본 개시 내용은 종래의 비복합 와이어에 비해 우수한 원하는 특성을 제공할 수 있는 복합 와이어의 사용을 가능하게 해준다. 유지 수단에 의해 연선 복합 케이블이 최종 물품으로서 편리하게 취급되거나 차후의 최종 물품에 포함되기 전에 편리하게 취급될 수 있게 된다.

본 개시 내용이 어떤 적당한 복합 와이어에도 실시될 수 있지만, 예시적인 특정 실시 형태에서, 각각의 복합 와이어가 매트릭스에 연속 섬유 토우(continuous fiber tow) 또는 연속 모노필라멘트 섬유(continuous monofilament fiber) 중 적어도 하나를 포함하는 섬유 강화 복합 와이어이도록 선택된다.

복합 와이어의 바람직한 실시 형태는 매트릭스에 복수의 연속 섬유를 포함한다. 바람직한 섬유는 다결정 α-Al₂O₃ 를 포함한다. 복합 와이어의 이들 바람직한 실시 형태는 파괴에 대한 인장 변형(tensile strain to failure)이 바람직하게는 적어도 0.4%, 더욱 바람직하게는 적어도 0.7%이다. 일부 실시 형태에서, 금속 매트릭스 복합 코어에서 섬유의 적어도 85 수%(% by number)(일부 실시 형태에서, 적어도 90 수%, 또는 심지어 적어도 95 수%)가 연속이다.

본 개시 내용에서 사용될 수 있는 다른 복합 와이어는 유리/에폭시 와이어, 탄화규소/알루미늄 복합 와이어, 탄소/알루미늄 복합 와이어, 탄소/에폭시 복합 와이어, 탄소/폴리에테르에테르케톤(PEEK) 와이어, 탄소/(공)중합체 와이어, 및 이러한 복합 와이어의 조합을 포함한다.

적당한 유리 섬유의 일례는 본 기술 분야에 공지된 A-유리, B-유리, C-유리, D-유리, S-유리, AR-유리, R-유리, 섬유 유리 및 파라유리(paraglass)를 포함한다. 이 목록은 제한하는 것이 아니고, 예를 들어, Corning Glass Company(미국 뉴욕주 코닝 소재)로부터 구매가능한 많은 다른 유형의 유리 섬유가 있기 때문에, 다른 유리 섬유도 사용될 수 있다.

예시적인 일부 실시 형태에서, 연속 유리 섬유가 바람직할 수 있다. 전형적으로, 연속 유리 섬유는 평균 섬유 직경이 약 3 마이크로미터 내지 약 19 마이크로미터 범위이다. 일부 실시 형태에서, 유리 섬유는 평균 인장 강도가 적어도 3 ㎬, 4 ㎬ 및/또는 심지어 적어도 5㎬이다. 일부 실시 형태에서, 유리 섬유는 계수(modulus)가 약 60㎬ 내지 95 ㎬, 또는 약 60 ㎬ 내지 약 90 ㎬ 범위이다.

적당한 세라믹 섬유의 일례는 금속 산화물(예를 들어, 알루미나) 섬유, 붕소 질화물 섬유, 탄화규소 섬유, 및 이들 섬유 중 임의의 것의 조합을 포함한다. 전형적으로, 세라믹 산화물 섬유는 결정질 세라믹 및/또는 결정질 세라믹과 유리의 혼합물이다(즉, 섬유가 결정질 세라믹과 유리상 둘다를 함유할 수 있다). 전형적으로, 그러한 섬유는 길이가 50 미터 이상 정도이며, 심지어 길이가 수 킬로미터 또는 그 이상 정도일 수도 있다. 전형적으로, 연속 세라믹 섬유는 평균 섬유 직경이 약 5 마이크로미터 내지 약 50 마이크로미터, 약 5 마이크로미터 내지 약 25 마이크로미터, 약 8 마이크로미터 내지 약 25 마이크로미터, 또는 심지어 약 8 마이크로미터 내지 약 20 마이크로미터 범위이다. 일부 실시 형태에서, 결정질 세라믹 섬유는 평균 인장 강도가 적어도 1.4 ㎬, 적어도 1.7 ㎬, 적어도 2.1 ㎬, 및/또는 심지어 적어도 2.8 ㎬이다. 일부 실시 형태에서, 결정질 세라믹 섬유는 계수가 70 ㎬ 초과 내지 대략 1000 ㎬ 이하, 또는 심지어 420 ㎬ 이하이다.

적당한 모노필라멘트 세라믹 섬유의 일례는 탄화규소 섬유를 포함한다. 전형적으로, 탄화규소 모노필라멘트 섬유는 결정질 및/또는 결정질 세라믹과 유리의 혼합물이다(즉, 섬유가 결정질 세라믹과 유리상 둘다를 함유할 수 있다). 전형적으로, 그러한 섬유는 길이가 50 미터 이상 정도이며, 심지어 길이가 수 킬로미터 또는 그 이상 정도일 수도 있다. 전형적으로, 연속 탄화규소 모노필라멘트 섬유는 평균 섬유 직경이 약 100 마이크로미터 내지 약 250 마이크로미터 범위이다. 일부 실시 형태에서, 결정질 세라믹 섬유는 평균 인장 강도가 적어도 2.8 ㎬, 적어도 3.5 ㎬, 적어도 4.2 ㎬, 및/또는 심지어 적어도 6 ㎬이다. 일부 실시 형태에서, 결정질 세라믹 섬유는 계수가 250 ㎬ 초과 내지 대략 500 ㎬ 이하, 또는 심지어 430 ㎬ 이하이다.

적당한 알루미나 섬유는, 예를 들어, 미국 특허 제4,954,462호(Wood 등) 및 제5,185,299호(우드 등)에 기술되어 있다. 일부 실시 형태에서, 알루미나 섬유는 다결정 알파 알루미나 섬유이고, 이론적인 산화물에 기초하여, 알루미나 섬유의 총 중량을 기준으로 99 중량% 초과의 Al₂O₃ 및 0.2-0.5 중량%의 SiO₂를 함유한다. 다른 태양에서, 일부 바람직한 다결정 알파 알루미나 섬유는 평균 입자 크기가 1 마이크로미터 미만(또는, 일부 실시 형태에서, 심지어 0.5 마이크로미터 미만)인 알파 알루미나를 함유한다. 다른 태양에서, 일부 실시 형태에서, 다결정 알파 알루미나 섬유는 평균 인장 강도가 적어도 1.6 ㎬(일부 실시 형태에서, 적어도 2.1 ㎬, 또는 심지어 적어도 2.8 ㎬)이다. 예시적인 알파 알루미나 섬유는 상표명 NEXTEL 610 (미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 3M Company)로 시판된다.

적당한 알루미노규산염 섬유는, 예를 들어, 미국 특허 제4,047,965호(Karst 등)에 기술되어 있다. 예시적인 알루미노규산염 섬유는 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 3M Company에 의해 상표명 NEXTEL 440 , NEXTEL 550 , 및 NEXTEL 720 으로 시판된다. 알루미노보로규산염 섬유(aluminoborosilicate fiber)는, 예를 들어, 미국 특허 제3,795,524호(Sowman)에 기술되어 있다. 예시적인 알루미노보로규산염 섬유는 3M Company에 의해 상표명 "NEXTEL 312"로 시판되고 있다. 붕소 질화물 섬유는, 예를 들어, 미국 특허 제3,429,722호(Economy) 및 제5,780,154호(Okano 등)에 기술된 바와 같이 제조될 수 있다. 예시적인 탄화규소 섬유는 미국 캘리포니아주 샌디에고 소재의 COI Ceramics에 의해 500개 섬유의 토우로 되어 있는 상표명 "NICALON"로, 일본의 Ube Industries로부터 상표명 "TYRANNO"로, 그리고 미국 미시간주 미들랜드 소재의 Dow Corning으로부터 상표명 "SYLRAMIC"으로 시판되고 있다.

적당한 탄소 섬유는 PANEXㄾ 및 PYRONㄾ(미국 미주리주 브릿지톤 소재의 ZOLTEK로부터 입수가능함), THORNEL(미국 뉴저지주 웨스트 패터슨 소재의 CYTEC Industries, Inc.로부터 입수가능함), HEXTOW(미국 코네티컷주 사우스버리 소재의 HEXCEL, Inc.로부터 입수가능함), 그리고 TORAYCA(일본 도쿄 소재의 TORAY Industries, Ltd.로부터 입수가능함)라고 하는 섬유 등의 구매가능한 탄소 섬유를 포함한다. 이러한 탄소 섬유는 폴리아크릴로니트릴(PAN) 전구체로부터 유도될 수 있다. 다른 적합한 탄소 섬유는, 본 기술 분야에 공지된, PAN-IM, PAN-HM, PAN UHM, PITCH 또는 레이온 부산물을 포함한다.

부가의 적합한 구매가능한 섬유는 ALTEX(일본 오사카 소재의 Sumitomo Chemical Company로부터 입수가능함), 및 ALCEN(일본 도쿄 소재의 Nitivy Company, Ltd.로부터 입수가능함)를 포함한다.

적합한 섬유는 또한 형상 기억 합금[즉, 금속 합금이 변태 온도 미만에서 쌍정 메커니즘(twinning mechanism)에 의해 변형가능하도록 마르텐사이트 변태(Martensitic transformation)를 겪는 금속 합금, 여기서 쌍정 구조(twin structure)가 변태 온도를 초과하여 가열 시에 원래의 상으로 되돌아갈 때 이러한 변형은 가역적임]을 포함한다. 구매가능한 형상 기억 합금 섬유는, 예를 들어, Johnson Matthey Company(미국 펜실베니아주 웨스트 와이트랜드 소재)로부터 입수가능하다.

일부 실시 형태에서, 세라믹 섬유가 토우로 되어 있다. 토우는 섬유 기술 분야에서 공지되어 있으며, 조방(roving)과 유사한 형태로 모여 있는 복수의 (개별) 섬유(전형적으로 적어도 100개의 섬유, 더욱 전형적으로 적어도 400개 섬유)를 말한다. 일부 실시 형태에서, 토우는 토우당 적어도 780개 개별 섬유, 어떤 경우에, 토우당 적어도 2600개 개별 섬유, 그리고, 다른 경우에, 토우당 적어도 5200개 개별 섬유를 포함한다. 세라믹 섬유의 토우가 일반적으로 300 미터, 500 미터, 750 미터, 1000 미터, 1500 미터, 2500 미터, 5000 미터, 7500 미터, 및 그 이상을 비롯한 다양한 길이로 입수가능하다. 섬유는 원형 또는 타원형인 단면 형상을 가질 수 있다.

구매가능한 섬유는 전형적으로 취급 동안에 윤활성을 제공하고 섬유 가닥을 보호하기 위해 제조 동안에 섬유에 추가되는 유기 사이징 재료(organic sizing material)를 포함할 수 있다. 사이징은, 예를 들어, 섬유로부터 사이징을 용해 또는 연소시킴으로써 제거될 수 있다. 전형적으로, 금속 매트릭스 복합 와이어를 형성하기 전에 사이징을 제거하는 것이 바람직하다. 섬유가 또한, 예를 들어, 섬유의 젖음성을 향상시키기 위해, 섬유와 용융 금속 매트릭스 재료 간의 반응을 감소시키거나 방지하기 위해 사용되는 코팅을 가질 수 있다. 이러한 코팅 및 이러한 코팅을 제공하는 기술은 섬유 및 복합재 기술 분야에 공지되어 있다.

예시적인 추가의 실시 형태에서, 각각의 복합 와이어는 금속 매트릭스 복합 와이어 및 중합체 복합 와이어 중에서 선택된다. 적당한 복합 와이어는, 예를 들어, 미국 특허 제6,180,232호, 제6,245,425호, 제6,329,056호, 제6,336,495호, 제6,344,270호, 제6,447,927호, 제6,460,597호, 제6,544,645호, 제6,559,385호, 제6,723,451호, 및 제7,093,416호에 개시되어 있다.

하나의 현재 바람직한 섬유 강화 금속 매트릭스 복합 와이어는 세라믹 섬유 강화 알루미늄 매트릭스 복합 와이어이다. 세라믹 섬유 강화 알루미늄 매트릭스 복합 와이어는 바람직하게는 실질적으로 순수한 원소 알루미늄, 또는 순수 알루미늄과, 매트릭스의 총 중량을 기준으로, 최대 약 2 중량% 구리의 합금의 매트릭스 내에 캡슐화된 다결정 α-Al₂O₃의 연속 섬유를 포함한다. 바람직한 섬유는 크기가 약 100 ㎚ 미만인 등축정(equiaxed grain), 및 약 1 내지 50 마이크로미터 범위의 섬유 직경을 포함한다. 약 5 내지 25 마이크로미터 범위의 섬유 직경이 바람직하며, 약 5 내지 15 마이크로미터의 범위가 가장 바람직하다.

본 개시 내용에 바람직한 섬유 강화 복합 와이어는 약 3.90 내지 3.95 g/㎤의 섬유 밀도를 가진다. 미국 특허 제4,954,462호(Wood 등)에 기술된 섬유가 바람직한 섬유에 속한다. 바람직한 섬유는 상표명 "NEXTEL 610" 알파 알루미나계 섬유(미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 3M Company로부터 입수가능함)로 구매가능하다 섬유 재료와 그다지 화학적으로 반응하지 않는(즉, 섬유 재료에 대해 비교적 화학적 불활성인) 캡슐화 매트릭스가 선택되며, 그로써 섬유 외부에 보호 코팅을 제공할 필요가 없게 된다.

복합 와이어의 현재 바람직한 특정 실시 형태에서, 실질적으로 순수한 원소 알루미늄, 또는 원소 알루미늄과, 매트릭스의 총 중량을 기준으로, 최대 약 2 중량% 구리의 합금을 포함하는 매트릭스의 사용은 성공적인 와이어를 제조하는 것으로 밝혀졌다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "실질적으로 순수한 원소 알루미늄" 또는 "순수 알루미늄" 및 "원소 알루미늄"이라는 용어는 서로 바꾸어 사용할 수 있으며 약 0.05 중량% 미만의 불순물을 함유하는 알루미늄을 의미하기 위한 것이다.

현재 바람직한 일 실시 형태에서, 복합 와이어는, 실질적으로 원소 알루미늄 매트릭스 내에, 복합 와이어의 총 부피를 기준으로 약 30 내지 70 부피%의 다결정 α-Al₂O₃ 섬유를 포함한다. 매트릭스가, 매트릭스의 총 중량을 기준으로, 약 0.03 중량% 미만의 철, 가장 바람직하게는 약 0.01 중량% 미만의 철을 함유하는 것이 현재 바람직하다. 약 40 내지 60%의 다결정 α-Al₂O₃섬유의 섬유 함유량이 바람직하다. 약 20 ㎫ 미만의 항복 강도를 가지는 매트릭스 및 적어도 약 2.8 ㎬의 세로 인장 강도를 가지는 섬유로 형성된 이러한 복합 와이어는 우수한 강도 특성을 갖는 것으로 밝혀졌다.

매트릭스는 또한 원소 알루미늄과, 매트릭스의 총 중량을 기준으로, 최대 약 2 중량%의 구리의 합금으로 형성될 수 있다. 실질적으로 순수한 원소 알루미늄 매트릭스가 사용되는 실시 형태에서와 같이, 알루미늄/구리 합금 매트릭스를 가지는 복합 와이어는, 복합재의 총 부피를 기준으로, 바람직하게는 약 30 내지 70 부피%의 다결정 α-Al₂O₃ 섬유, 따라서 더욱 바람직하게는 약 40 내지 60 부피%의 다결정 α-Al₂O₃ 섬유를 포함한다. 그에 부가하여, 매트릭스는, 매트릭스의 총 중량을 기준으로, 바람직하게는 약 0.03 중량% 미만의 철, 가장 바람직하게는 약 0.01 중량% 미만의 철을 함유한다. 알루미늄/구리 매트릭스는 바람직하게는 약 90 ㎫ 미만의 항복 강도를 가지며, 상기한 바와 같이, 다결정 α-Al₂O₃ 섬유는 적어도 약 2.8 ㎬의 세로 인장 강도를 가진다.

복합 와이어는 바람직하게는 실질적으로 순수한 원소 알루미늄 매트릭스 또는 원소 알루미늄과 상기한 최대 약 2 중량%의 구리의 합금으로 형성된 매트릭스 내에 함유된 실질적으로 연속적인 다결정 α-Al₂O₃ 섬유로 형성된다. 이러한 와이어는 일반적으로 섬유 토우로 배열되는 실질적으로 연속적인 다결정 α-Al₂O₃ 섬유의 스풀이 용융 매트릭스 재료의 수조를 통해 풀링되는 공정에 의해 제조된다. 얻어지는 세그먼트가 이어서 응고됨으로써, 매트릭스 내에 캡슐화된 섬유를 제공한다.

예시적인 금속 매트릭스 재료는 알루미늄, 예를 들어, 고순도(예를 들어, 99.95% 초과) 원소 알루미늄, 아연, 주석, 마그네슘, 및 그 합금(예를 들어, 알루미늄과 구리의 합금)을 포함한다. 전형적으로, 예를 들어, 섬유 외부에 보호 코팅을 제공할 필요가 없도록 하기 위해, 섬유와 그다지 화학적으로 반응하지 않는(즉, 섬유 재료에 대해 비교적 화학적 불활성인) 매트릭스 재료가 선택된다. 몇몇 실시 형태에서, 매트릭스 재료는 바람직하게는 알루미늄 및 그의 합금을 포함한다.

몇몇 실시 형태에서, 금속 매트릭스는 98 중량% 이상의 알루미늄, 99 중량% 이상의 알루미늄, 99.9 중량% 초과의 알루미늄, 또는 심지어 99.95 중량% 초과의 알루미늄을 포함한다. 알루미늄과 구리의 예시적인 알루미늄 합금은 적어도 98 중량% Al과 최대 2 중량% Cu를 함유한다. 일부 실시 형태에서, 유용한 합금은 1000, 2000, 3000, 4000, 5000, 6000, 7000 및/또는 8000 시리즈 알루미늄 합금(미국 알루미늄 협회 명명법)이다. 더 높은 순도의 금속이 더 높은 인장 강도의 와이어를 제조하기에 바람직한 경향이 있지만, 금속의 덜 순수한 형태도 또한 유용하다.

적합한 금속이 구매가능하다. 예를 들어, 알루미늄은 미국 펜실베니아주 피츠버그 소재의 Alcoa로부터 상표명 "SUPER PURE ALUMINUM; 99.99% Al"로 입수가능하다. 알루미늄 합금(예를 들어, Al-2 중량% Cu(0.03 중량% 불순물))이, 예를 들어 미국 뉴욕주 뉴욕 소재의 벨몬트 메탈즈(Belmont Metals)로부터 입수될 수 있다. 아연 및 주석은, 예를 들어, 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 Metal Services로부터 입수가능하다("순수 아연"; 99.999% 순도 및 "순수 주석"; 99.95% 순도). 예를 들어, 마그네슘은 영국 맨체스터 소재의 Magnesium Elektron로부터 상표명 "PURE"로 입수가능하다. 마그네슘 합금(예를 들어, WE43A, EZ33A, AZ81A, 및 ZE41A)은, 예를 들어, 미국 콜로라도주 덴버 소재의 TIMET로부터 입수될 수 있다.

금속 매트릭스 복합 와이어는 전형적으로, 섬유 및 매트릭스 재료의 총 결합 부피를 기준으로, 적어도 15 부피%(일부 실시 형태에서, 적어도 20, 25, 30, 35, 40, 45, 또는 심지어 50 부피%)의 섬유를 포함한다. 더욱 전형적으로, 복합 코어 및 와이어는 섬유와 매트릭스 재료의 총 조합 부피 기준으로, 40 내지 75 부피%(몇몇 실시 형태에서는 45 내지 70 부피%) 범위의 섬유를 포함한다.

금속 매트릭스 복합 와이어는 기술 분야에 공지된 기술을 사용하여 제조될 수 있다. 연속 금속 매트릭스 복합 와이어는, 예를 들어, 연속 금속 매트릭스 침투 공정에 의해 제조될 수 있다. 하나의 적합한 공정이, 예를 들어 미국 특허 제6,485,796호(카펜터(Carpenter) 등)에 설명되어 있다. 중합체 및 섬유를 포함하는 와이어는 기술 분야에 공지된 인발 공정에 의해 제조될 수 있다.

예시적인 부가의 실시 형태에서, 복합 와이어는 중합체 복합 와이어를 포함하도록 선택된다. 중합체 복합 와이어는 중합체 매트릭스에 적어도 하나의 연속 섬유를 포함한다. 예시적인 일부 실시 형태에서, 적어도 하나의 연속 섬유는 금속, 탄소, 세라믹, 유리, 및 그 조합을 포함한다. 현재 바람직한 특정 실시 형태에서, 적어도 하나의 연속 섬유는 티타늄, 텅스텐, 붕소, 형상 기억 합금, 탄소 나노튜브, 흑연, 탄화규소, 붕소, 아라미드, 폴리(p-페닐렌-2,6-벤조비스옥사졸)3 및 그 조합을 포함한다. 현재 바람직한 부가의 실시 형태에서, 중합체 매트릭스는 에폭시, 에스테르, 비닐 에스테르, 폴리이미드, 폴리에스테르, 시안산염 에스테르, 페놀 수지, 비스-말레이미드 수지, 및 그 조합 중에서 선택된 (공)중합체를 포함한다.

본 개시 내용의 특정 실시 형태에 따른 복합 케이블(예를 들어, 송전 케이블)을 제공하기 위해 복합 코어 둘레에 연선 가공하는 연성 금속 와이어가 본 기술 분야에 공지되어 있다. 바람직한 연성 금속은 철, 강철, 지르코늄, 구리, 주석, 카드뮴, 알루미늄, 망간 및 아연; 이들 금속과 다른 금속 및/또는 규소와의 합금 등을 포함한다. 구리 와이어는, 예를 들어, 미국 조지아주 캐롤턴 소재의 Southwire Company로부터 구매가능하다. 알루미늄 와이어는, 예를 들어, 캐나다 웨이번 소재의 Nexans 또는 미국 조지아주 캐롤턴 소재의 Southwire Company으로부터 상표명 "1350-H19 ALUMINUM" 및 "1350-H0 ALUMINUM"로 구매가능하다.

전형적으로, 구리 와이어는 적어도 약 20℃내지 약 800℃의 온도 범위에 걸쳐 약 12 ppm/℃내지 약 18 ppm/℃범위의 열 팽창 계수를 가진다. 구리 합금(예를 들어, 미국 조지아주 캐롤턴 소재의 Southwire Company로부터 구매가능한 Cu-Si-X, Cu-Al-X, Cu-Sn-X, Cu-Cd 등의 구리 청동, 여기서 X = Fe, Mn, Zn, Sn 및/또는 Si; 미국 노스캐롤라이나주 리서치 트라이앵글 파크 소재의 OMG Americas Corporation으로부터 상표명 "GLIDCOP"로 입수가능한 산화물 분산 강화 구리) 와이어. 일부 실시 형태에서, 구리 합금 와이어는 적어도 약 20℃내지 약 800℃의 온도 범위에 걸쳐 약 10 ppm/℃내지 약 25 ppm/℃범위의 열 팽창 계수를 가진다. 와이어는 각종의 형상(예를 들어, 원형, 타원형 및 사다리꼴) 중 어느 것이라도 될 수 있다.

전형적으로, 알루미늄 와이어는 적어도 약 20℃내지 약 500℃의 온도 범위에 걸쳐 약 20 ppm/℃내지 약 25 ppm/℃범위의 열 팽창 계수를 가진다. 일부 실시 형태에서, 알루미늄 와이어(예를 들어, "1350-H19 ALUMINUM")는 적어도 138 ㎫(20 ksi), 적어도 158 ㎫(23 ksi), 적어도 172 ㎫(25 ksi), 적어도 186 ㎫(27 ksi) 또는 적어도 200 ㎫(29 ksi)의 인장 파손 강도를 가진다. 일부 실시 형태에서, 알루미늄 와이어(예를 들어, "1350-H0 ALUMINUM")는 41 ㎫(6 ksi) 초과 내지 97 ㎫(14 ksi) 이하, 또는 심지어 83 ㎫(12 ksi) 이하의 인장 파손 강도를 가진다.

알루미늄 합금 와이어는 구매 가능하고, 예를 들어, 상표명 "ZTAL, " "XTAL, " 및 "KTAL"(일본 오사카 소재의 Sumitomo Electric Industries로부터 입수가능함), 또는 "6201"(미국 조지아주 캐롤턴 소재의 Southwire Company로부터 입수가능함)로 판매되는 알루미늄-지르코늄 합금 와이어이다. 일부 실시 형태에서, 알루미늄 합금 와이어는 적어도 약 20℃내지 약 500℃의 온도 범위에 걸쳐 약 20 ppm/℃내지 약 25 ppm/℃범위의 열 팽창 계수를 가진다.

본 개시 내용은 바람직하게는 아주 긴 연선 케이블을 제공하도록 수행된다. 또한, 연선 케이블(10) 내의 복합 와이어 자체가 연선 케이블의 길이 전체에 걸쳐 연속적인 것이 바람직하다. 바람직한 일 실시 형태에서, 복합 와이어는 실질적으로 연속적이고 길이가 적어도 150 미터이다. 더욱 바람직하게는, 연선 케이블(10) 내의 복합 와이어는 연속적이고, 길이가 적어도 250 미터, 더욱 바람직하게는 적어도 500 미터, 더욱 더 바람직하게는 적어도 750 미터, 가장 바람직하게는 적어도 1000 미터이다.

부가의 태양에서, 본 개시 내용은 상기한 연선 복합 케이블을 제조하는 방법을 제공하며, 이 방법은 중심 세로축을 정의하는 단일 와이어 주위에 제1 복수의 복합 와이어를 연선 가공하는 단계 - 제1 복수의 복합 와이어를 연선 가공하는 단계가 제1 꼬임 방향으로 중심 세로축에 대해 정의된 제1 꼬임 각도로 수행되고, 제1 복수의 복합 와이어가 제1 꼬임 길이를 가짐 -, 및 제1 복수의 복합 와이어 둘레에 제2 복수의 복합 와이어를 연선 가공하는 단계 - 제2 복수의 복합 와이어를 연선 가공하는 단계가 제1 꼬임 방향으로 중심 세로축에 대해 정의된 제2 꼬임 각도로 수행되고, 제2 복수의 복합 와이어가 제2 꼬임 길이를 가짐 - 를 포함하고, 추가로 제1 꼬임 각도와 제2 꼬임 각도 사이의 상대 차가 4˚ 이하이다. 현재 바람직한 일 실시 형태에서, 이 방법은 복합 와이어 둘레에 복수의 연성 와이어를 연선 가공하는 단계를 추가로 포함한다.

복합 와이어는 이탈리아 베르가모 소재의 Cortinovis, Spa 및 미국 뉴저지주 패터슨 소재의 Watson Machinery International로부터 입수가능한 플래너테리 케이블 스트랜더(planetary cable strander) 등의 임의의 적당한 케이블 연선 가공 장비에서 본 기술 분야에 공지된 바와 같이 연선 가공되거나 나선형으로 감겨질 수 있다. 일부 실시 형태에서, 본 기술 분야에 공지된 바와 같이, 강성 스트랜더(rigid strander)를 이용하는 것이 유익할 수 있다.

임의의 적합한 크기의 복합 와이어가 사용될 수 있는 반면, 많은 실시 형태 및 많은 응용에서 복합 와이어가 1 ㎜ 내지 4 ㎜의 직경을 가지는 것이 바람직하지만, 보다 큰 또는 보다 작은 복합 와이어가 사용될 수 있다.

바람직한 일 실시 형태에서, 연선 복합 케이블은 10 내지 150의 꼬임 계수(lay factor)를 갖도록 꼬임 방향으로 나선형으로 연선 가공되는 복수의 연선 복합 와이어를 포함한다. 연선 케이블의 "꼬임 계수"는 단일 와이어(12)가 한바퀴 나선형 회전을 완성하는 연선 케이블의 길이를 그 연선을 포함하는 층의 공칭 외경으로 나눔으로써 구해진다.

케이블 연선 가공 공정 동안에, 하나 이상의 부가의 층이 그 주위에 감겨지게 될 중심 와이어 또는 중간의 미완성된 연선 복합 케이블이 다양한 캐리지(carriage)의 중심을 통해 풀링되고, 각각의 캐리지는 연선 케이블에 하나의 층을 부가한다. 하나의 층으로서 부가될 개별 와이어는 모터 구동 캐리지에 의해 케이블의 중심축을 중심으로 회전되면서 그 각자의 보빈으로부터 동시에 풀링된다. 이것은 각각의 원하는 층에 대해 순차적으로 행해진다. 그 결과 나선형 연선 코어가 얻어진다. 선택적으로, 연선 와이어를 함께 모아 놓는 데 도움을 주기 위해, 예를 들어, 테이프 등의 유지 수단이 얻어진 연선 복합 코어에 적용될 수 있다.

본 개시 내용의 실시 형태에 따른 연선 복합 케이블을 제조하는 예시적인 장치(80)가 도 6에 도시되어 있다. 일반적으로, 본 개시 내용에 따른 연선 복합 케이블은, 상기한 바와 같이, 동일한 꼬임 방향으로 단일 와이어 둘레에 복합 와이어를 연선 가공함으로써 제조될 수 있다. 단일 와이어는 복합 와이어 또는 연성 와이어를 포함할 수 있다. 단일 와이어 코어 주위에 복합 와이어를 연선 가공함으로써 적어도 2개의 복합 와이어 층이 형성되며, 예를 들어, 도 1b에 도시된 바와 같이, 19개 또는 37개 와이어가 단일 중심 와이어 둘레에 적어도 2개의 층으로 형성된다.

종래의 플래너테리 연선 가공 기계(planetary stranding machine)(80)의 첫부분에 와이어 스풀(81)이 제공되며, 여기서 스풀(81)은 회전이 자유롭고, 페이오프(payoff) 동안 코어에 장력이 가해질 수 있는 브레이크 시스템을 통해 장력[일부 실시 형태에서, 0 내지 91 ㎏(0 내지 200 lb) 범위임]이 가해질 수 있다. 단일 와이어(90)가 보빈 캐리지(82, 83)를 거쳐, 클로징 다이(closing die)(84, 85)를 지나, 캡스턴 휘일(capstan wheel)(86)을 통해 스레딩되어 감기 스풀(87)에 부착된다.

외부 연선층을 적용하기 전에, 개별 복합 와이어가 연선 가공 장비의 다수의 모터 구동 캐리지(82)에 배치된 개별적인 보빈(88)에서 제공된다. 일부 실시 형태에서, 보빈(88)으로부터 와이어(89A, 89B)를 풀링하는 데 필요한 장력의 범위는 전형적으로 4.5 내지 22.7 ㎏(10 내지 50 lb)이다. 전형적으로, 완성된 연선 복합 케이블의 각각의 층에 대해 하나씩의 캐리지가 있다. 각각의 층의 와이어(89A, 89B)는 각각의 캐리지의 출구에 있는 클로징 다이(84, 85)에서 모여지고 중심 와이어 상에 또는 이전의 층 상에 배열된다.

복합 케이블을 포함하는 복합 와이어의 층은 앞서 설명한 것과 동일한 방향으로 나선형으로 연선 가공된다. 복합 케이블 연선 가공 공정 동안에, 하나 이상의 부가의 층이 그 주위에 감겨질 수 있는 중심 와이어 또는 중간의 미완성된 연선 복합 케이블이 다양한 캐리지의 중심을 통해 풀링되고, 각각의 캐리지는 연선 케이블에 하나의 층을 부가한다. 하나의 층으로서 부가될 개별 와이어는 모터 구동 캐리지에 의해 케이블의 중심축을 중심으로 회전되면서 그 각자의 보빈으로부터 동시에 풀링된다. 이것은 각각의 원하는 층에 대해 순차적으로 행해진다. 그 결과, 형상의 손실 또는 풀림 없이 편리하게 절단 및 취급될 수 있는 나선형 연선 복합 케이블(91)이 얻어진다.

예시적인 일부 실시 형태에서, 연선 복합 케이블은 길이가 적어도 100 미터, 적어도 200 미터, 적어도 300 미터, 적어도 400 미터, 적어도 500 미터, 적어도 1000 미터, 적어도 2000 미터, 적어도 3000 미터, 또는 심지어 적어도 4500 미터 이상인 연선 복합 와이어를 포함한다.

연선 케이블을 취급할 수 있는 것은 바람직한 특징이다. 이론에 의해 구속받고 싶지 않지만, 제조 동안에, 금속 와이어가 와이어 재료의 항복 응력을 초과하지만 극한 응력 또는 파괴 응력 미만인 굽힘 응력을 비롯한 응력을 받기 때문에, 케이블이 그의 나선형 연선 구성을 유지한다. 와이어가 비교적 작은 반경의 이전의 층 또는 중심 와이어 주위에 나선형으로 감겨져 있기 때문에 이 응력이 가해진다. 제조 동안에 케이블에 반경 방향의 전단력을 가하는 클로징 다이(84, 85)에서 부가의 응력이 가해진다. 와이어는 따라서 소성 변형되고 그의 나선형 연선 형상을 유지한다.

주어진 층에 대한 단일 중심 와이어 재료와 복합 와이어가 클로징 다이를 통해 밀접하게 접촉하게 된다. 도 6을 참조하면, 클로징 다이(84, 85)의 크기는 전형적으로 감기는 층의 와이어에 대한 변형 응력을 최소화하도록 되어 있다. 클로징 다이의 내경이 층 외경의 크기에 맞춰 조정된다. 층의 와이어에 대한 응력을 최소화하기 위해, 클로징 다이의 크기는 케이블의 외경에 대해 0 내지 2.0% 범위 더 크게 되어 있다. (즉, 다이 내경이 케이블 외경의 1.00 내지 1.02 배 범위에 있다.) 예시적인 클로징 다이는 실린더이고, 예를 들어, 볼트 또는 기타 적당한 연결 장치를 사용하여 제 위치에 유지된다. 다이는, 예를 들어, 경화 공구강(hardened tool steel)으로 이루어져 있을 수 있다.

얻어진 완성된 연선 복합 케이블은, 원하는 경우, 다른 연선 가공 스테이션을 통과할 수 있고, 종국에 케이블 손상을 피하기 위해 충분한 직경의 감기 스풀(87)에 감겨진다. 일부 실시 형태에서, 케이블을 교정하는 공지된 기술이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 완성된 케이블은 2개의 뱅크(각각의 뱅크에, 예를 들어, 5 내지 9개의 롤러가 있음)에 선형으로 배열된 롤러[각각의 롤러가, 예를 들어, 10-15 ㎝(4-6 인치)임]로 이루어진 교정기 장치(straightener device)를 통과할 수 있다. 롤러가 단지 케이블에만 작용하거나 케이블의 심각한 굴곡을 야기하도록 2개의 롤러 뱅크 간의 거리가 변화될 수 있다. 2개의 롤러 뱅크가 케이블의 대향하는 양측에 배치되고, 한 뱅크에 있는 롤러가 다른 뱅크에 있는 대향하는 롤러에 의해 생성되는 공간에 꼭 들어맞게 되어 있다. 따라서, 2개의 뱅크가 서로로부터 오프셋되어 있을 수 있다. 케이블이 교정 장치를 통과할 때, 케이블은 롤러들을 따라 앞뒤로 굴곡되어, 도체 내의 가닥들(strands)이 동일한 길이로 신장되며, 그로써 늘어진 가닥(slack strand)이 감소되거나 제거된다.

일부 실시 형태에서, 주위 온도(예를 들어, 22℃)보다 높은 승온(예를 들어, 적어도 25℃, 50℃, 75℃, 100℃, 125℃, 150℃, 200℃, 250℃, 300℃, 400℃, 또는 심지어, 일부 실시 형태에서, 적어도 500℃)에서 단일 중심 와이어를 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 감겨 있는 와이어를 (예를 들어, 오븐에서 몇 시간 동안) 가열함으로써 단일 중심 와이어를 원하는 온도로 할 수 있다. 가열된 감겨 있는 와이어가 연선 가공 기계의 페이오프 스풀[예를 들어, 도 6의 페이오프 스풀(81) 참조]에 배치된다. 바람직하게는, 와이어가 원하는 온도에 또는 그 근방에 여전히 있는 동안(전형적으로 약 2 시간 이내) 승온의 스풀이 연선 가공 공정에 있다.

게다가, 케이블의 외부층을 형성하는 페이오프 스풀에 있는 복합 와이어가 주위 온도에 있는 것이 바람직할 수 있다. 즉, 일부 실시 형태에서, 단일 와이어와 연선 가공 공정 동안에 복합 외부층을 형성하는 복합 와이어 간에 온도차를 갖는 것이 바람직할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 적어도 100 ㎏, 200 ㎏, 500 ㎏, 1000 ㎏, 또는 심지어 적어도 5000 ㎏의 단일 와이어 장력으로 연선 가공을 수행하는 것이 바람직할 수 있다.

본 개시 내용의 연선 케이블은 수많은 응용에서 유용하다. 이러한 연선 케이블은, 저중량, 고강도, 양호한 전기 전도성, 낮은 열 팽창 계수, 높은 사용 온도, 및 내식성의 조합으로 인해, 가공 송전 케이블 및 지중 송전 케이블을 포함할 수 있는 송전 케이블에서 사용하기에 특히 바람직한 것으로 생각된다.

도 7은 본 개시 내용의 예시적인 다른 실시 형태에 따른, 동일한 꼬임 방향으로 연선 가공되고 적어도 제2 연선 복합 와이어 층(16) 둘레에 래핑된 테이프(18) 등의 유지 수단에 의해 제 위치에 보유되는 나선형 연선 복합 와이어(2, 4, 6, 8)를 포함하는 코어(32')(도 5c) 둘레에 연선 가공된 복수의 연성 와이어(28, 28')를 포함하는 하나 이상의 층을 포함하는 나선형 연선 복합 케이블(80)의 단부 단면도이다.

이러한 나선형 연선 복합 케이블은 송전 케이블에 특히 유용하다. 송전 케이블로서 사용될 때, 연성 와이어(28, 28')는 전기 도체, 즉 연성 와이어 도체로서 기능하다. 도시된 바와 같이, 송전 케이블은 연성 도체 와이어(28, 28')의 2개의 층을 포함할 수 있다. 원하는 바에 따라, 도체 와이어의 추가의 층(도 7에 도시되지 않음)이 사용될 수 있다. 바람직하게는, 본 기술 분야에 공지된 바와 같이, 각각의 도체층은 복수의 도체 와이어(28, 28')를 포함한다. 연성 도체 와이어(28, 28')에 적합한 재료는 알루미늄 및 알루미늄 합금을 포함한다. 연성 도체 와이어(28, 28')는 본 기술 분야에 공지된 적당한 케이블 연성 가공 장비(예를 들어, 도 6 참조)에 의해 연선 복합 코어(예를 들어, 32') 주위에 연선 가공될 수 있다.

송전 케이블 내의 복합 와이어의 중량 퍼센트는 전송 선로의 설계에 의존할 것이다. 송전 케이블에서, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 도체 와이어는 1350 Al(ASTM B609-91), 1350-H19 Al(ASTM B230-89), 또는 6201 T-81 Al(ASTM B399-92)(이들로 제한되지 않음)를 비롯한 가공 송전의 기술 분야에 공지된 다양한 재료 중 어느 것이라도 될 수 있다.

본 개시 내용의 연선 케이블이 사용될 수 있는 적당한 송전 케이블 및 공정을 설명하기 위해, 예를 들어, Standard Specification for Concentric Lay Stranded Aluminum Conductors, Coated, Steel Reinforced (ACSR) ASTM B232-92 또는 미국 특허 제5,171,942호 및 제5,554,826호를 참조하기 바란다. 송전 케이블의 바람직한 실시 형태는 가공 송전 케이블이다. 이 응용에서, 유지 수단의 재료는 응용에 따라 적어도 100℃, 또는 240℃, 또는 300℃의 온도에서 사용하기 위해 선택되어야 한다. 예를 들어, 유지 수단은 알루미늄 도체층을 부식시키거나 바람직하지 않은 가스를 방출하거나 사용 중에 예상된 온도에서 전송 케이블을 다른 방식으로 손상시켜서는 안된다.

연선 케이블이 최종 물품 자체로서 사용되어야 하거나 다른 차후의 물품에서 중간 물품 또는 구성요소로서 사용되어야 하는 다른 응용에서, 연선 케이블이 복수의 복합 와이어 둘레에 전력 도체층을 갖지 않는 것이 바람직하다.

이하의 상세한 실시예와 관련하여 본 개시 내용의 동작에 대해 더 설명할 것이다. 이들 실시예는 다양한 특정 및 바람직한 실시 양태 및 기술을 추가로 예시하고자 제공된다. 그렇지만, 본 개시 내용의 범위 내에 있으면서 많은 변형 및 수정이 행해질 수 있다는 것을 잘 알 것이다.

[실시예]

실시예 1

이 실시예에서, 시작 재료는 표준 제품 3M ACCR 알루미늄-매트릭스 복합(AMC) 케이블(타입 795-T16, 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 3M Company로부터 입수가능함) 릴로부터 절단된 3.7 m(12 피트) 길이로 이루어져 있다. 이 구성은 Al-Zr 로드(벨기에 헤믹셈 소재의 Lamifil, Inc.에 의해 생산됨)로부터 인발된 26개 Al-Zr(알루미늄-지르코늄) 금속 와이어[직경이 4.45 ㎜(0.175 인치)임]로 둘러싸인 19개 AMC 와이어(미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 3M Company에 의해 생산됨)[직경이 2.13 ㎜(0.084 인치)임]를 포함하는 코어를 포함한다. 이 케이블의 기본 구성은 도 4b에 도시되어 있다.

본 개시 내용의 실시 형태에 따른 복합 케이블의 테스트 샘플을 제작하기 위해, 표준 제품 케이블의 3.7 m(12 피트) 시작 길이가 먼저, Al-Zr 와이어의 기존의 나선형 형상을 변경하지 않도록 주의하면서, 그의 구성 와이어로 해체된다. 그 다음에, 코어의 2개의 나선형 층이 간단한 테이블탑 고정 기구를 사용하여 원하는 꼬임 길이 및 배향으로 구성되었다. 각각의 층에 대해, 와이어가 먼저 한쪽 단부에서 핸드-크랭크 캡(hand-cranked cap)에 고정되고 이어서, 개별 복합 와이어를 연선 가공에 적합한 배열로 분산시키기 위해, "로제트"-형상 가이드 플레이트를 통해 스레딩되었다. 1/4 회전 단계에서, 크랭크가 한 조작자에 의해 동시에 회전되는 반면, 다른 조작자는 표시된 1/4 꼬임 길이 간격 후에 테이블을 따라 와이어 가이드를 이동시켰다.

내부 코어층에 대해 이 동작이 완료된 후에, 내부 코어 층을 제 위치에 유지하기 위해 그의 자유단이 일시적으로 테이핑되었으며, 외부 코어층에 대해 프로세스가 반복되었다. 연선 가공된 19-와이어 코어가 이어서 182.5 마이크로미터(7.3 밀)의 두께 및 1.9 ㎝(3/4 인치)의 폭을 가지는 타입 363 금속 포일/유리 섬유 테이프(미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 3M Company로부터 입수가능함)로 래핑되어, 완성된 테이핑된 복합 코어를 제공하였다.

완성된 테이프-래핑된 복합 와이어 코어에서 시작하여, 나선형 형상을 유지한 채로, 한번에 하나씩, Al-Zr 와이어를 제 위치로 다시 연선 가공하는 것은 비교적 간단하였다. 주의하여, 이들 와이어가, 원래의 꼬임 길이로, 원래의 전체 케이블 직경에 아주 가깝게, 간단히 제 위치로 다시 스냅되었다. 조립이 완료되면, 3.1 m(10 피트) 길이의 중심 부분의 단부가 필라멘트 테이프를 사용하여 고정되었고, 각각의 단부에 있는 여분의 재료가 연마-휘일 쏘(abrasive-wheel saw)를 사용하여 제거되었다.

상기 방법을 사용하여, 총 12개의 실험 샘플이 다양한 꼬임 길이 및 꼬임 각도에 걸쳐 있는, 왼쪽 꼬임 방향("L"로 표시함) 및 오른쪽 꼬임 방향("R"로 표시함) 둘다를 포함하는 6가지 연선 가공 조건(표 1에 요약되어 있음)으로 준비되었다.

[표 1]

연선 복합 케이블(10)

6가지 연선 가공 조건은, 이하에 기술되는 바와 같이, 내부-코어 꼬임 각도 및 상대 외부-코어 꼬임 길이에 관해 대략 직교 설계로 볼 수 있다. 그렇지만, 상기 테이블의 마지막 열에 나타낸 바와 같이, 이들 변수 모두가 내부 코어 와이어와 외부 코어 와이어 간의 교차 각도(즉, 나선형 연선 와이어의 인접한 내부층과 외부층의 꼬임 각도 간의 상대차)(향상된 복합 케이블 인장 강도를 가져오는 메커니즘에 중요할 수 있음)에 영향을 준다.

준비된 예시적인 복합 케이블 샘플 모두에 대해, 내부 Al-Zr 도체 와이어층은 목표 꼬임 길이 25.4 ㎝(10.0 인치)에서 왼쪽 꼬임 방향을 가지고, 외부 Al-Zr 도체 와이어층은 목표 꼬임 길이 33.0 ㎝(13.0 인치)에서 오른쪽 꼬임 방향을 가진다. 이들 층에 대한 측정된 평균값이 목표값과 1.6 ㎝(0.65 인치) 이하만큼 다르지만, 원하는 연선 가공 규격 내에 있다. 도체 케이블 샘플의 최종 직경은 원래의 직경 28.55 ㎜(1.124 인치)로부터 멀리 떨어지지 않은 28.50 내지 28.85 ㎜(1.122 인치 내지 1.136 인치) 범위에 있었다.

인장 강도 시험이 3M Company에 대한 서면 기밀 유지 의무 하에서 Wire Rope Industries(캐나다 퀘벡 소재의 Pointe-Claire)에 의해 수행되었다. 사용된 샘플 준비 및 테스트 방법은 3M TM505, "Preparation of ACCR Samples Using Resin End Terminations"(미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 3M Company로부터 입수가능함)에 제안된 것과 유사하였다. 이 테스트 방법의 개요는 이하의 단락에 주어져 있다.

먼저, 케이블 샘플의 한쪽 단부에서 약 0.6 m(2 피트) 내에 있는 모든 만곡부가 가까운 간격으로 케이블을 주의깊게 "백-벤딩(back-bending)"함으로써 제거되었다. 이 단부로부터 지정된 "단부 길이"(전형적으로 약 25 ㎝(10 인치))에서, 내부 테스트 범위 내에서의 와이어의 어떤 외란도 방지하기 위해 호스 클램프가 적용되었다. 수지-캐스팅 다이에서 밀봉 및 중심 보정 장치(centering device) 둘다로서 역할하기 위해, 두꺼운 덕트 테이프 층이 이어서 이 클램프에 인접하여 래핑되었다. Al-Zr 와이어의 단부가 이어서 약 30ㅀ의 최대 각도로 원추 형상으로 주의깊게 펼쳐졌고("브루밍"되었고), 코어 와이어가 자연적으로 펼쳐질 수 있도록 노출된 코어 테이프가 제거되었다. 이전의 동작으로부터 와이어에 유성 잔류물이 있는 경우, 와이어가 아세톤, 2-부타논, 또는 유사한 용제를 사용하여 세척되었고, 이어서 완전히 건조되었다. 와이어가 이미 깨끗한 경우, 이 단계가 필요없었다.

준비된 케이블 단부가 이어서 분할-쉘 소켓(split-shell socket) 내부에 배치되었다. 유의할 점은, 이 소켓이 테이퍼진 보어(tapered bore)는 물론, 나중에 이를 인장 시험기에 고정하도록 설계된 구멍을 가진다는 것이다. 2개의 쉘 반쪽이 이어서 서로 클램핑되고, 약 2.5 ㎝(1 인치)의 테이프 랩을 캡처하여 누설없는 시일을 형성하였다. 이어서, 소켓의 단부 바로 위의 레벨에서 Al-Zr 와이어가 제거되었지만, 코어 와이어의 전체 길이는 그대로였다.

이어서, 소켓이 수직으로 장착되었고, 케이블 샘플이 하부에 매달려 있었다. 새로 준비한 2-부분 "Wirelock" 소켓 화합물(영국 뉴캐슬어폰타인 뉴번 소재의 Millfield Enterprises Ltd.) 배치(batch)가 이어서 소켓에 주입되어 소켓을 완전히 채웠다. 화합물이 (약 15분 후에) 겔화된 후에, 노출된 코어 와이어 둘레에 판지 확장 튜브가 추가되었다. 이어서, 추가의 Wirelock 화합물이 준비되었고, 확장 튜브가 또한 채워졌다. 조립체가 최소 45분 동안 방해없이 경화할 수 있게 한 후에, 이어서 케이블 샘플의 다른쪽 단부에 대해 모든 단계가 반복되었다. 다시 12시간이 지나면 인장 시험 이전에 완전한 수지 경화를 달성할 수 있다.

완성된 테스트 샘플이 이어서 인장 시험기에 장착되었다. 이 기계는 지정된 크로스헤드 속도 또는 지정된 힘률(force rate)을 사용하여 제어된 속도로 샘플의 예상 파손 하중에 도달할 수 있으며, 적절히-교정된 로드 셀을 가졌다. 굽힘 하중을 최소화하기 위해 2개의 소켓이 기계 축을 따라 가깝게 배열되게 샘플이 탑재되도록 주의하였다. 호스 클램프가 샘플로부터 제거되었고, 전형적으로 4.5 내지 9.0 kN(500 내지 1000 lb)인 낮은 사전-장력(pre-tension)이 가해졌다. 샘플 정렬을 확인하였고, 임의의 마찰 또는 결합을 해제시키는 데 도움을 주기 위해 케이블 단부를 이리저리 움직였다.

테스트 장소 주변의 모든 안전 도어를 닫은 후에, 샘플 파괴 지점까지의 인장 테스트가 분당 1%의 실제 샘플 변형률(true sample strain rate)에 대응하는 하중률(loading rate)로 수행되었다. 피크 하중이 각각의 테스트 샘플의 인장 강도로서 기록되었다. 유의할 점은, 샘플 파괴가 수지 원추체 내에서 일어나는 경우 또는 와이어가 수지 내에서 슬립하는 경우 또는 불량 샘플 준비 또는 외부 샘플 손상의 경우에, 테스트 결과가 무효로 될 수 있다는 것이다. 이러한 경우에, 샘플 결과가 사용되지 않았다. 실시예에 대해 획득된 모든 인장 시험 결과가 이하의 표 2로 작성되어 있다. 유의할 점은, 이 케이블 구성에 대해, 지정된 RBS(rated breaking strength)가 14,134.9 ㎏_f (31,134 lb_f)라는 것이다.

[표 2]

송전 케이블

도 8은 본 개시 내용의 예시적인 나선형 연선 복합 케이블에서 내부 와이어 층과 외부 와이어 층 사이의 꼬임 각도의 상대 차(내부-코어 꼬임 각도)의 측정된 인장 강도에 대한 효과의 그래프를 나타낸 것이다. 조건 1, 조건 2 및 조건 3에 대한 결과를 사용하여, 도 8은 내부-코어 꼬임 각도의 변화에 대한 인장 강도의 응답을 나타내고 있다. 이 경향은 통계적 유의성이 높으며, 0.994의 조정된 결정 계수(R²)를 갖는 2차 함수(quadratic fit)로 기술된다.

도 9는 본 개시 내용의 예시적인 나선형 연선 복합 케이블에서 외부 와이어 층과 내부 와이어 층 사이의 꼬임 길이의 상대 차(상대 외부-코어 꼬임 길이)의 측정된 인장 강도에 대한 효과의 그래프를 나타낸 것이다. 다시 말하지만, 이 경향은 통계적 유의성이 높으며, 0.975의 조정된 결정 계수(R²)를 갖는 2차 함수로 기술된다.

도 9의 다수의 놀랄만한 측면이 있다. 먼저, 상대 꼬임 길이의 50% 증가에 따른 케이블 인장 강도의 관찰된 증가(7.4% RBS)는 원래의 원형-나선형 굽힘 변형 계산에 의해 예측되는 것보다 훨씬 더 크다. 그 결과, 최대 굽힘 변형이 0.00052로부터 0.00022로 감소될 것이고, 이는 복합 코어 단독의 인장 강도의 약 4.5% 개선에 해당한다. 복합 코어가 파괴 시에 총 도체 하중의 약 60%를 지지하기 때문에, 이것에 의해 단지 약 2.6%의 총 도체 강도 증가가 예측된다. 게다가, 조건 6으로부터의 인장 강도 결과(106.3% 및 109.2% RBS)는 놀랍게도 모두 중에서 최고는 아니지만, 이 조건은 내부-코어 꼬임 각도 및 외부-코어 꼬임 길이 둘다에 대한 최상의 조건의 조합을 나타낸다.

이들 놀랄만한 측면은 모든 실험 결과를 교차 각도의 함수로서 나타냄으로써 설명될 수 있다. 도 10은 본 개시 내용의 예시적인 나선형 연선 복합 케이블에서 내부층 및 외부층의 꼬임 각도 간의 상대 차(외부/내부 꼬임 교차 각도)의 측정된 인장 강도에 대한 효과의 그래프를 나타낸 것이다. 이 경향은 통계적 유의성이 높으며, 0.904의 조정된 결정 계수(R²)를 갖는 2차 함수로 기술된다.

이들 결과가 보여주는 바와 같이, 19-와이어 코어를 갖는 ACCR 복합 케이블의 인장 강도는, 코어 구성을 변경하여 내부 코어 와이어와 외부 코어 와이어 간의 교차 각도를 최소화함으로써, 실질적으로 향상될 수 있다. 전체적인 보다 긴 코어 꼬임 길이는, 주로 연관된 교차 각도 감소로 인해, 몇몇 이점을 제공한다. 그렇지만, 본 개시 내용에 기술된 바와 같이, 증가된 인장 강도를 획득하는 가장 간단하고 가장 효과적인 방법은 모든 코어 층이 동일한 배향을 갖도록 교번하는 코어 층의 꼬임 배향을 반대로 하는 것이다.

본 명세서에 걸쳐 "일 실시 형태", "특정 실시 형태", "하나 이상의 실시 형태", 또는 "실시 형태"라고 하는 것은, "실시 형태"라는 용어 앞에 "예시적인"이라는 용어를 포함하든 그렇지 않든 간에, 그 실시 형태와 관련하여 기술된 특정의 특징, 구조, 재료 또는 특성이 본 개시 내용의 예시적인 특정 실시 형태들 중 적어도 하나의 실시 형태에 포함되어 있다는 것을 의미한다. 따라서, 본 명세서에 걸쳐 여러 곳에서 나오는 "하나 이상의 실시 형태에서", "특정 실시 형태에서", "일 실시 형태에서" 또는 "실시 형태에서"라는 문구가 반드시 본 개시 내용의 예시적인 특정 실시 형태들 중 동일한 실시 형태를 말하는 것은 아니다. 더욱이, 특정 특질, 구조, 물질, 또는 특징은 하나 이상의 구현예에서 임의의 적합한 방식으로 조합될 수 있다.

명세서가 예시적인 소정 실시 형태를 상세히 기술하고 있지만, 당업자라면 이상의 내용을 이해할 때 이들 실시 형태에 대한 여러 수정, 변형 및 그 등가물을 용이하게 안출할 수 있다는 것을 잘 알 것이다. 따라서, 본 명세서가 앞서 기술한 예시적인 실시 형태로 부당하게 제한되어서는 안된다는 것을 잘 알 것이다. 상세하게는, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 수치 범위를 종점으로 나타내는 것은 그 범위 내에 포함된 모든 숫자를 포함하기 위한 것이다(예를 들어, 1 내지 5는 1, 1.5, 2, 2.75, 3, 3.80, 4, 및 5를 포함함). 그에 부가하여, 본 명세서에 사용된 모든 숫자는 "약"이라는 용어로 수식되는 것으로 가정된다.

게다가, 본 명세서에 인용된 모든 간행물 및 특허는, 각각의 개별 간행물 또는 특허가 인용에 의해 포함되는 것으로 구체적이고 개별적으로 명시된 것처럼, 인용에 의해 그 전체 내용이 본 명세서에 포함된다. 다양한 예시적인 실시 형태들에 대해 기술하였다. 이들 및 다른 실시 형태가 이하의 특허청구범위의 범주 내에 속한다.

Claims (40)

1. 중심 세로축(center longitudinal axis)을 정의하는 단일 복합 와이어,
   단일 복합 와이어 둘레에 제1 꼬임 방향(lay direction)으로 중심 세로축에 대해 정의된 제1 꼬임 각도(lay angle)로 연선 가공되고 제1 꼬임 길이(lay length)를 가지는 제1 복수의 복합 와이어, 및
   제1 복수의 복합 와이어 둘레에 제1 꼬임 방향으로 중심 세로축에 대해 정의된 제2 꼬임 각도로 연선 가공되고 제2 꼬임 길이를 가지는 제2 복수의 복합 와이어를 포함하며, 제1 꼬임 각도와 제2 꼬임 각도 사이의 상대 차가 4˚ 이하인 연선 케이블.
2. 제1항에 있어서, 제2 복수의 복합 와이어 둘레에 제1 꼬임 방향으로 중심 세로축에 대해 정의된 제3 꼬임 각도로 연선 가공되고 제3 꼬임 길이를 가지는 제3 복수의 복합 와이어를 추가로 포함하며, 제2 꼬임 각도와 제3 꼬임 각도 사이의 상대 차가 4˚ 이하인 연선 케이블.
3. 제2항에 있어서, 제3 복수의 복합 와이어 둘레에 제1 꼬임 방향으로 중심 세로축에 대해 정의된 제4 꼬임 각도로 연선 가공되고 제4 꼬임 길이를 가지는 제4 복수의 복합 와이어를 추가로 포함하며, 제3 꼬임 각도와 제4 꼬임 각도 사이의 상대 차가 4˚ 이하인 연선 케이블.
4. 제1항에 있어서, 제1 꼬임 각도와 제2 꼬임 각도 사이의 상대 차가 3˚ 이하인 연선 케이블.
5. 제1항에 있어서, 제1 꼬임 길이가 제2 꼬임 길이와 같은 연선 케이블.
6. 제1항에 있어서, 제1 꼬임 각도가 제2 꼬임 각도와 같은 연선 케이블.
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