KR102328369B1 - 초전도 케이블 - Google Patents

Abstract

본 발명은 진공 단열을 위하여 진공부 상에 구비되는 스페이서의 전도에 의한 외부의 열침입을 최소화할 수 있는 초전도 케이블에 관한 것이다.

Description

초전도 케이블{SUPERCONDUCTING CABLE}

본 발명은 초전도 케이블에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 진공 단열을 위하여 진공부 상에 구비되는 스페이서의 전도에 의한 외부의 열침입을 최소화할 수 있는 초전도 케이블에 관한 것이다.

초전도 선재는 일정한 온도에서 전기저항이 제로에 가까이 수렴하므로, 낮은 전압에서도 큰 전력 전송 능력을 갖는다.

이러한 초전도 선재를 구비하는 초전도 케이블은 극저온 환경을 형성 및 유지하고자 질소 등의 냉매를 사용하여 냉각시키는 방법 및/또는 진공층을 형성하는 단열의 방법을 사용한다.

이러한 초전도 케이블은 일반적으로 전력 전송을 위한 초전도 선재로 구성된 초전도 도체층과 함께 초전도 도체층에 의하여 유도되는 전자기 등의 차폐를 위한 초전도 차폐층을 구비할 수 있다. 상기 초전도 차폐층 역시 초전도 도체층과 마찬가지로 고가의 초전도 선재로 구성된다.

즉, 초전도 도체층에서 전송되는 전력에 의하여 유도되는 전자기파는 초전도 차폐층을 통해 차폐될 수 있다.

지금까지 개발된 BSCCO계의 1세대 초전도 선재는 비교적 간편한 기계가공법으로 제조가 가능하지만, BSCCO(Bi-2223, Bi-2212) 초전도 선재의 결정배향 특성상, 77 K 온도에서의 임계 전류밀도(Jc)를 10만 A/cm² 이상으로 향상시키는데 한계가 있고, 원가 구성에서 선재의 시스물질인 Ag 가격이 고가이기 때문에 성능대비가격을 낮추는 것이 어려워서, 최근 1세대 초전도 선재의 제조 및 사용이 감소하였다.

반면 2세대 초전도 선재는 금속 기판위에 산화물막이 복층으로 증착된 형태를 하고 있어서 코팅 컨덕터(coated conductor)라고 부른다.

YBCO나 REBCO계의 2세대 초전도 선재는 자기장에서의 임계전류 특성이 높고 임계전류밀도가 1세대인 BSCCO 선재에 비하여 수십 배 이상으로 훨씬 높기 때문에 1990년대 초부터 1세대 고온 초전도 선재를 대체할 수 있는 차세대 초전도 선재로 주목 받으며 활발하게 다양한 제조 공정들이 개발되고 있다.

초전도 시스템은 극저온에서 초전도체의 저항이 제로에 수렴하는 특성을 사용하여 상대적으로 낮은 전압에서도 많은 양의 전류를 송전할 수 있다는 장점을 사용하기 위해서는 초전도 케이블의 초전도 조건을 조성하기 위해서는 초전도 케이블을 구성하는 초전도체의 극저온 환경이 보장되어야 한다.

따라서, 초전도체의 초전도 조건인 극저온 형성을 위하여, 초전도 케이블은 코어부 외측에 냉각 유로를 통해 액상 냉매를 유동시키고, 더 나아가 상기 냉각 유로 외측에 진공부를 형성하여 냉각된 초전도체를 진공 단열시켜, 초전도체의 초전도 조건을 유지할 수 있다.

초전도 케이블 내부에 진공부를 형성하는 방법은 진공을 형성할 수 있는 이격 공간을 확보하고, 그 공간 내부에 복수 개의 스페이서를 구비하여 이격 공간의 내측면과 외측면이 접촉되는 것을 물리적으로 방지하고, 이격 공간을 진공화하는 방법이 사용될 수 있다.

그리고, 이격 공간을 유지하기 위하여 구비되는 스페이서는 복수 개가 냉각 유로가 구비되는 냉각부 외측의 이격 공간의 둘레를 따라 분산되어 구비될 수 있다.

이와 같은 스페이서는 물리적으로 이격 공간을 형성하여 진공부를 형성할 수 있도록 하지만 스페이서 자체를 통한 열전도 현상에 따른 열침입량이 적지 않다.

도 8은 종래의 초전도 케이블이 수평방향으로 설치된 상태에서의 단면도를 도시한다. 종래의 초전도 케이블은 초전도 케이블은 포머(110), 상기 포머(110) 외부를 감싸도는 초전도 도체층(130), 상기 초전도 도체층(130)을 감싸는 절연층(140), 상기 절연층(140) 외부를 감싸는 적어도 1층 이상의 초전도 차폐층(180)을 포함하는 코어부(100), 상기 코어부(100)를 냉각하는 냉각부(200), 상기 냉각부(200) 외측에 구비되는 내부 금속관(300), 상기 내부 금속관(300) 외측에 구비되는 단열부(400), 상기 단열부(400) 외측을 이격시켜 진공 단열하기 위한 진공부(500)를 포함하고, 진공부 내측에는 스페이서(560)가 복수 개 구비될 수 있다.

도 8에 도시된 초전도 케이블은 일반적으로 지중 또는 지하에 수평방향으로 설치될 수 있다. 따라서, 초전도 케이블이 수평방향으로 설치된 상태에서 초전도 케이블의 단면 형상은 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 진공부(500) 내부의 냉각부(200) 및 코어부(100) 등의 하중에 의하여 초전도 케이블(1000)이 수평 포설되는 경우 중력 방향으로 진공부 중 하부는 이격 공간이 제거되는 상태로 단열부(400) 및 상기 외부 금속관(500)이 접근되도록 내부 구성이 하방으로 처진 상태로 배치될 수 있다.

상기 외부 금속관(600)의 내측면은 진공부(500)에 구비된 스페이서(560)에 의하여 상기 단열부(400)와 직접 접촉되는 것은 방지될 수 있다. 외부 상온으로부터 내부로의 열칩입은 대류, 복사 및 전도 등의 유형으로 발생될 수 있으며, 대류에 의한 열침입은 진공부(500)를 통해서 방지 또는 최소화될 수 있으며, 복사에 의한 열침입은 반사물질로 코팅된 절연재가 복수 회 권선된 절연부(400) 등에 의하여 차단될 수 있다.

그리고 전도에 의한 열침입은 초전도 케이블이 수평 설치되는 경우에는 부득이하게 도 8에 도시된 바와 같이 하부에 배치된 스페이서를 통해 발생될 수 있다.

특히 상기 절연부(400)는 절연부재를 복수 회 권선하여 구성되므로, 스페이서 등에 의하여 압축되면 도 8의 확대도에 도시된 바와 같이 절연부(400)와 스페이서(560)의 경계영역(S')의 접촉면적이 증가되어 열침입(Q)의 저항이 감소되는 것으로 이해될 수 있다. 이와 같은 접촉 면적의 증대에 의하여, 전도에 의한 열침입이 증가될 수 있다.

도 8에 도시된 상기 스페이서(560)는 상기 단열부(400) 외측에 나선형으로 권선되어 구비되므로, 상기 스페이서(560)와 상기 단열부(400)는 케이블의 길이방향으로는 일정 구간 접촉 상태를 유지할 수 있으므로, 결국 상기 경계영역(S')은 케이블의 길이방향으로는 긴 띠 형태로 형성될 수 있고 이러한 경계영역(S')의 접촉면적은 전체 케이블 포설구간에서 무시할 수 없는 크기가 될 수 있다.

실험적으로도 스페이서를 통한 전도에 따른 열침입량이 다른 경로에 의한 열침입보다 상당한 것으로 확인되었다.

따라서, 이러한 종래의 초전도 케이블의 열침입량을 줄이기 위해서는 진공부에 구비된 스페이서를 통한 열침입을 줄이는 것이 제일 시급하다.

대한민국 공개특허 10-2011-0097023호 (2011.08.31)

본 발명은 진공 단열을 위하여 진공부 상에 구비되는 스페이서의 전도에 의한 외부의 열침입을 최소화할 수 있는 초전도 케이블을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 포머, 상기 포머 외측에 구비되는 초전도 도체층, 상기 초전도 도체층 외측의 절연층, 상기 절연층 외측의 초전도 차폐층을 포함하는 코어부, 상기 코어부 외측에 구비되며, 상기 코어부를 냉각하기 위한 액상 냉매의 순환유로가 내측에 구비되는 내부 금속관, 상기 내부 금속관 외측에 구비되며, 반사물질이 코팅된 단열재가 복수 회 감겨져 구성되는 단열부, 상기 단열부 외측에 이격되어 구비되며 내부가 진공 상태로 유지되는 외부 금속관, 상기 단열재 외측에 복수 개의 교차점이 발생되도록 권선되어 상기 단열부와 상기 외부 금속관의 접촉을 방지하는 스페이서 및, 상기 외부 금속관을 감싸는 외부자켓을 포함하는 초전도 케이블을 제공할 수 있다.

이 경우, 상기 스페이서는 복층으로 적층되어 권선되고, 복수 개의 교차점은 복층으로 적층되어 권선되는 스페이서 사이에 형성될 수 있다.

그리고, 각각의 층을 구성하는 스페이서의 권선 피치는 서로 다를 수 있다.

또한, 각각의 층을 구성하는 스페이서의 권선 각도는 서로 다를 수 있다.

여기서, 상기 스페이서는 불화 폴리 에틸린으로 구성될 수 있다.

이 경우, 상기 불화 폴리 에틸렌은 물리적 성질로는 열전도율은 ASTM C177 규정에 단위 (10-4cal/㎝.sec.℃) 6 이하이고, 기계적 성질로는 ASTM 시험 방법에 의한 인장강도는 175 kgf/cm² 이상, 탄성율은 3000kgf/cm² 이상, 압축강도 100 kgf/cm² 이상일 수 있다.

그리고, 각각의 층을 구성하는 스페이서는 1개 내지 4개가 구비될 수 있다.

또한, 각각의 층을 구성하는 스페이서의 직경은 2.5 밀리미터 내지 3.5 밀리미터일 수 있다.

또한, 상기 내부 금속관 및 상기 외부 금속관은 골과 마루가 반복적으로 형성된 코러게이션 구조로 구성될 수 있다.

그리고, 복층으로 권선된 각각의 층의 스페이서의 피치가 서로 상이할 수 있다.

여기서, 복층으로 구성된 스페이서 중 외측에 권선된 스페이서의 피치가 더 클 수 있다.

또한, 상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 포머, 초전도 도체층, 절연층 및 초전도 차폐층이 순차적으로 구비되는 코어부, 상기 코어부를 냉각하기 위하여 상기 코어부 외측에 액상 냉매의 순환유로가 구비되는 냉각부;

상기 냉각부 외측에 단열재가 복수 회 감겨 구성되는 단열부, 상기 단열부 외측을 이격시켜 진공 단열하기 위한 진공부, 상기 단열부 외측을 제1 방향으로 나선형으로 권선되는 적어도 하나의 제1 스페이서, 상기 제1 스페이서 외측에 상기 제1 방향과 다른 제2 방향으로 권선되는 적어도 하나의 제2 스페이서를 포함하며, 상기 제1 스페이서와 상기 제2 스페이서는 상기 진공부 내의 교차점에서 점접촉되는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블을 제공할 수 있다.

또한, 상기 냉각부를 구획하는 내부 금속관 및 상기 진공부를 구획하는 외부 금속관을 더 포함할 수 있다.

그리고, 상기 제1 스페이서 및 상기 제2 스페이서는 열전도율은 ASTM C177 규정에 단위 (10-4cal/㎝.sec.℃) 6 이하이고, 기계적 성질로는 ASTM 시험 방법에 의한 인장강도는 175 kgf/cm² 이상, 탄성율은 3000kgf/cm² 이상, 압축강도 100 kgf/cm² 이상인 재질로 구성될 수 있다.

또한, 상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 초전도 도체층 및 초전도 차폐층을 구비하는 코어부, 상기 코어부 외측에 상기 코어부를 냉각하기 위한 액상 냉매의 유로가 구비되는 냉각부, 상기 냉각부를 구획하는 내부 금속관, 상기 내부 금속관 외부에 복사 열침입을 최소화하기 위하여 구비되는 단열부, 상기 단열부 외측에 대류 열침입을 최소화하기 위하여 구비되는 진공부, 상기 진공부를 구획하는 외부 금속관 및, 상기 단열부 외측에 적어도 2층으로 서로 다른 방향으로 나선형으로 권선되어, 초전도 케이블이 수평 포설되는 경우 초전도 케이블의 하부에서 복층으로 권선된 스페이서는 교차되는 방법으로 열침입 경로가 최소화되어 상기 외부 금속관으로부터 상기 코어부 방향으로의 전도 열침입이 최소화되는 초전도 케이블을 제공할 수 있다.

또한, 상기 외부 금속관은 골과 마루가 반복 형성된 코러게이션 구조를 형성하고, 초전도 케이블이 수평 포설되는 경우 초전도 케이블의 하부에서 복층으로 권선된 스페이서와 상기 외부 금속관의 골의 내측면은 점접촉될 수 있다.

본 발명에 따른 초전도 케이블에 의하면, 초전도 케이블의 코어부의 진공 단열을 위하여 구비되는 진공부 내에 구비되는 스페이서를 통한 열침입을 최소화할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 초전도 케이블에 의하면 별도의 구성요소를 추가하거나 변경하지 않아도 금속관 등의 직경 등을 조절하는 방법에 의하여 간단하게 냉각부 등으로의 열침입 경로를 줄일 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 초전도 케이블에 의하면, 초전도 케이블 내부로의 열침입을 최소화하며, 초전도 케이블을 냉각시키기 위한 냉각 시스템의 냉각 부하를 최소화하여 초전도 전력 시스템의 안정성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 초전도 케이블의 하나의 실시예의 단계별 탈피된 사시도를 도시한다.
도 2는 도 1에 도시된 초전도 케이블이 수평방향 설치된 상태의 단면도를 도시한다.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 초전도 케이블의 하부의 길이방향 단면도를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 초전도 케이블의 또 다른 실시예의 단면도를 도시한다.
도 5은 본 발명에 따른 초전도 케이블의 다른 실시예의 단계별 탈피된 사시도를 도시한다.
도 6는 도 5에 도시된 초전도 케이블이 수평방향 설치된 상태의 단면도를 도시한다.
도 7는 본 발명에 따른 초전도 케이블의 다른 실시예의 단계별 탈피된 사시도를 도시한다.
도 8은 종래의 초전도 케이블의 단면도를 도시한다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록, 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 1은 본 발명에 따른 초전도 케이블의 단계별 탈피된 사시도를 도시하며, 도 2는 1에 도시된 초전도 케이블의 단면도를 도시하며, 도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 초전도 케이블의 하부의 길이방향 단면도를 도시한다.

본 발명에 따른 초전도 케이블의 기본 구조를 설명한다.

초전도 케이블은 포머(110), 상기 포머(110) 외부를 감싸도록 상기 포머(110)의 길이방향으로 나란히 배치되는 복수 개의 초전도 선재를 포함하는 적어도 1층 이상의 초전도 도체층(130), 상기 초전도 도체층(130)을 감싸는 절연층(140), 상기 절연층(140) 외부를 감싸도록 상기 포머(110)의 길이방향으로 나란히 배치되는 복수 개의 초전도 선재를 포함하여 구성되는 적어도 1층 이상의 초전도 차폐층(180)을 포함하는 코어부(100), 상기 코어부(100)를 냉각하기 위하여, 상기 코어부(100) 외측에 구비되며, 상기 코어부(100)를 냉각하기 위한 액상 냉매의 냉매유로를 구비하는 냉각부(200), 상기 냉각부(200) 외측에 구비되는 내부 금속관(300), 상기 내부 금속관(300) 외측에 구비되며, 단열재(401)가 여러 층으로 감겨진 단열층을 형성하는 단열부(400), 상기 단열부(400) 외측에 이격되어 구비되며 내부가 진공 상태로 유지되는 외부 금속관(600), 상기 단열부(400) 외측에 복수 개의 교차점이 발생되도록 권선되어 상기 단열부(400)와 상기 외부 금속관(600)의 접촉을 방지하는 스페이서(560) 및 상기 외부 금속관을 감싸는 외부자켓(700)을 포함하는 초전도 케이블(1000)을 제공할 수 있다.

순차적으로 초전도 케이블을 구성하는 각각의 구성요소를 검토하면 다음과 같다. 상기 포머(110)는 납작하고 납작하고 긴 초전도 선재를 포머(110) 둘레에 장착하는 장소를 제공함과 동시에 형상을 형성하기 위한 틀로서 역할하고, 사고 전류가 흐르는 경로가 될 수 있다. 상기 포머(110)는 단면 원형의 복수의 구리(Cu) 소선(111)들을 둥근 원통 또는 파이프 형태로 압축한 형태를 가질 수 있다.

구체적으로, 기본적으로 포머(110)는 둥근 원통 또는 파이프 형상으로 되어있어, 납작하고 긴 초전도 선재를 올리기 위한 틀 역할을 한다. 상기 포머(110)의 직경은 초전도 선재의 폭을 고려하여 초전도 선재가 들뜨지 않고 초전도 선재끼리 포머(110)에 올렸을 때 최대한 원형에 가까운 구조로 이루어질 수 있도록 정해진다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 포머(110)는 중심부가 꽉찬 형태로 구성될 수도 있으나, 상기 포머(110)는 중공의 원통형상으로 이루어져 초전도 선재를 올리기 위한 틀의 역할과 동시에 내부에 냉매가 이동하기 위한 경로 역할을 하도록 구성될 수 있으며, 포머를 구성하는 각각의 소선(111)들은 구리 등으로 구성될 수 있으며, 각각의 소선을 초전도 선재와 병렬로 연결하여, 전력계통에서 고장전류 발생시 귀로도체 역할을 하도록 구성할 수도 있다.

고장전류의 용량에 따라 소선을 구성하는 구리 등의 도체 단면적이 정해질 수 있으며, 고압일 경우 구리 소선을 원형으로 압축하여, 연선한 형태로 이루어질 수 있다.

상기 포머(110)를 구성하는 여러 가닥의 단면 원형의 소선(111)들을 원형으로 압축한 연선의 형태를 이루기 때문에 포머(110)의 표면이 올록볼록할 수밖에 없다. 따라서, 포머(110)의 올록볼록한 표면을 평활하게 하기 위하여 포머(110)의 외부에 평활층(120)이 피복될 수 있다. 상기 평활층(120)은 반도전성 카본지 또는 황동 테이프 등의 재질이 사용될 수 있다.

상기 평활층(120)과 초전도 도체층(130) 사이에는 도면에 도시되지 않았으나 쿠션층이 더 구비될 수 있다. 상기 쿠션층은 반도전 카본지 테이프를 이용하여, 초전도 도체층을 보호하기 위하여 구비될 수 있다.

상기 평활층(120)에 의하여 평탄화된 상기 포머(110) 외측에 복수 개의 초전도 선재(131)로 둘러싸여 층이 형성되는 제1 초전도 도체층(130a)이 구비될 수 있다. 제1 초전도 도체층(130a)은 복수 개의 초전도 선재가 나란히 인접하여 상기 평활층(120) 둘레를 감싸도록 설치될 수 있다.

또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 초전도 케이블을 통해 송전 또는 배전하려는 전류의 용량에 따라 초전도 도체층(130)은 복층으로 구성할 수도 있다.

도 1에 도시된 실시예는 총 2층의 초전도 도체층(130a, 130b)이 구비됨이 도시된다. 또한, 초전도 도체층을 단순히 적층하여 배치하면 전류의 표피효과에 따라 전류 용량이 증가되지 않는다. 이러한, 문제점을 방지하기 위하여 초전도 도체층을 복층으로 구비하는 경우에는 초전도 도체층(130a, 130b) 사이에 절연층(140)이 구비될 수 있다. 상기 절연층(140)은 절연 테이프 형태로 구성될 수 있으며, 적층되는 초전도 도체층(130a, 130b) 사이에 배치되어 초전도 도체층(130a, 130b)을 상호 절연시켜 적층된 초전도 선재의 표피효과를 방지할 수 있다. 상기 절연층(140)에 의하여 복층으로 적층된 초전도 도체층들의 통전 방향이 일치될 수 있다.

도 1에 도시된 실시예에서, 상기 초전도 도체층(130)은 제1 초전도 도체층(130a)과 제2 초전도 도체층(130b) 2층으로 구성된 예가 도시되었으나, 필요에 따라 더 많은 층의 초전도 도체층이 구비될 수도 있다.

그리고, 각각의 초전도 도체층(130a, 130b)을 구성하는 초전도 선재는 포머(110)를 구성하는 각각의 소선들과 병렬 연결될 수 있다. 초전도 선재로 흐르던 전류가 초전도 조건의 파괴 등의 사고시에 포머(110)의 소선으로 흐르도록 하기 위함이다. 이와 같은 방법으로 초전도 조건이 만족되지 않는 경우, 초전도 선재의 저항이 커지고 그에 따른 초전도 선재의 발열 또는 손상 등을 방지하기 위함이다.

상기 제1 초전도 도체층(130a) 외측에 구비되는 제2 초전도 도체층(130b)의 외부에 내부 반도전층(150)이 구비될 수 있다. 상기 내부 반도전층(150)은 초전도 도체층(130)의 영역별 전계 집중을 완화하고 표면 전계를 고르게 하기 위하여 구비될 수 있다. 구체적으로, 초전도 선재의 모서리 부분에서 발생하는 전계 집중을 완화하고, 전계 분포를 고르게 하기 위해 구비될 수 있다. 이는 후술하는 외부 반도전층(170) 역시 마찬가지이다.

상기 내부 반도전층(150)은 반도전 테이프가 권선되는 방식으로 구비될 수 있다.

상기 내부 반도전층(150) 외측에는 절연층(160)이 구비될 수 있다. 상기 절연층(160)은 초전도 케이블의 절연 내력을 증가시키기 위하여 구비될 수 있다. 일반적으로 고전압 케이블의 절연을 위해서는 XLPE(Cross Linking-Polyethylene) 또는 오일 방식(oil filled cable)이 사용되지만, 초전도 케이블은 초전도 선재의 초전도성을 위하여 극저온으로 냉각되고, 극저온에서는 XLPE가 파손되어 절연 파괴되는 문제점이 있고, 오일 방식(oil filled cable)은 환경 문제 등이 발생될 수 있으므로, 본 발명에 따른 초전도 케이블은 절연층(160)으로서 일반 종이 재질의 절연지를 사용할 수 있으며, 상기 절연층(160)은 절연지를 복수 회 권선하는 방식으로 구성될 수 있다.

상기 절연지는 크라프트지나 PPLP(Polypropylene Laminated Paper)가 주로 사용된다. 다양한 지절연 물질 중 초전도 케이블의 경우 권선의 용이성과 절연내력 특성 고려하여 PPLP 절연지가 사용된다.

상기 절연층(160) 외부에는 외부 반도전층(170)이 구비될 수 있다. 상기 외부 반도천층 역시 초전도 도체층(130)의 영역별 전계 집중을 완화하고 표면 전계를 고르게 하기 위하여 구비될 수 있으며, 상기 외부 반도전층(170) 역시 반도전 테이프가 권선되는 방식으로 구비될 수 있다.

그리고, 상기 외부 반도전층(170) 외측에는 초전도 차폐층(180)이 구비될 수 있다. 상기 초전도 차폐층(180)을 형성하는 방법은 상기 초전도 도체층(130)을 형성하는 방법과 마찬가지일 수 있다. 상기 외부 반도전층(170)의 표면이 고르지 못한 경우에는 필요에 따라 평활층(미도시)이 구비될 수 있으며, 상기 평활층 외부에 초전도 차폐층(180)을 형성하기 위한 초전도 선재를 각각 원주방향으로 나란히 배치할 수 있다.

2세대 초전도 선재로 구성된 차폐층에 통전되는 전류는 초전도 도체층에 흐르는 전류의 약 95% 정도가 되도록 설계하여 누설자계의 최소화가 가능할 수 있다.

상기 초전도 차폐층(180) 외측에는 코어부(100)의 외장 역할을 하는 코어 외장층(190)이 구비될 수 있다. 상기 코어 외장층(190)은 각종 테이프 또는 바인더 등을 포함할 수 있으며, 후술하는 냉각층에 코어부(100)가 노출될 수 있도록 외장 역할 및 코어부(100)의 모든 구성물을 결속해 주는 역할을 수행하며, SUS 재질 등의 금속 테이프로 구성될 수 있다.

이와 같은 방법으로 초전도 케이블의 코어부(100)가 구성될 수 있으며, 도 1 및 도 2에서 상기 평활층 및 상기 반도전층은 동일 재질의 단일 층으로 구성되는 것으로 도시되었으나, 필요에 따라 다양한 부속층들이 추가될 수 있다.

상기 코어부(100) 외측에는 냉각부(200)가 구비될 수 있다. 상기 냉각부(200)는 상기 코어부(100)의 초전도 선재를 냉각하기 위하여 구비될 수 있으며, 상기 냉각부(200)는 그 내측에 액상 냉매의 순환유로가 구비될 수 있다. 상기 액상 냉매로는 액상 질소가 사용될 수 있으며, 상기 액상 냉매(액상 질소)는 약 영하 -200도 정도의 온도를 갖도록 냉각된 상태로 상기 냉객 유로를 순환하며 냉각부 내부의 코어부에 구비되는 초전도 선재의 초전도 조건인 극저온이 유지되도록 할 수 있다.

상기 냉각부(200)에 구비되는 냉각유로는 일방향으로 액상 냉매가 흐르도록 할 수 있으며, 초전도 케이블의 접속함 등에서 회수되어 재냉각되어 다시 상기 냉각부(200)의 냉각유로로 공급될 수 있다.

상기 냉각부(200) 외측에는 내부 금속관(300)이 구비될 수 있다. 상기 내부 금속관(300)은 후술하는 외부 금속관(600)과 함께 초전도 케이블의 포설 및 운전 중에 코어부(100)의 기계적인 손상을 방지하기 위한 초전도 케이블의 외장 역할을 수행한다. 초전도 케이블은 제작 및 운반이 용이하도록 드럼에 감기게 되며 설치 시에는 드럼에 감겨진 케이블을 전개하여 설치하므로 초전도 케이블에는 굽힘 응력 또는 인장 응력이 지속적으로 인가될 수 있다.

이러한 기계적 응력이 인가되는 상황에서도 초기 성능을 유지하도록 하기 위하여 내부 금속관(300)을 구비할 수 있다. 따라서, 상기 내부 금속관(300)은 기계적 응력에 대한 강성 보강을 위하여 초전도 케이블의 길이 방향으로 골과 마루가 반복(융기 및 함몰이 반복)되는 코러게이션 굴곡 구조(corrugation)를 가지며, 상기 내부 금속관(300)은 알루미늄 또는 스테인리스 스틸 등의 재질로 구성될 수 있다.

이러한 코러게이션 굴곡 구조에 의하여 금속관을 평활한 형태로 구성하는 경우보다 굽힘 성능 및 강성이 향상될 수 있다.

상기 내부 금속관(300)은 상기 냉각부(200) 외측을 구획하므로, 액상 냉매의 온도에 대응되는 극저온일 수 있다. 따라서, 상기 내부 금속관(300)은 저온부 금속관으로 구분될 수 있다.

또한, 상기 내부 금속관(300) 외주면에는 반사율이 높은 금속 필름에 열전도율이 낮은 고분자가 얇게 코팅된 단열재가 여러 층으로 감겨진 단열층을 포함하는 단열부(400)가 구비될 수 있다. 상기 단열부(400)는 멀티 레이어 인슐레이션(MLI, Multi Layer Insulation)을 구성하고, 상기 내부 금속관(300) 측으로 복사 등의 방식의 열침입이 발생되는 것을 차단하기 위하여 구비될 수 있다. 상기 단열부(400)는 반사율이 높은 금속 필름 재질로 구성될 수 있다.

상기 단열부(400)의 층수는 열침입을 최소화 하기 위해 조절이 가능하다. 많은 층으로 구성되면 복사열 차단 효과는 높아지나, 전도열 차단 효과와 진공층의 두께가 얇아짐에 따른 대류에 의한 열차단 효과가 떨어지므로 적절한 층수를 사용하는 것이 중요하다.

상기 단열부(400) 외측에는 진공부(500)가 구비될 수 있다. 상기 진공부(500)는 상기 단열부(400)에 의한 단열이 충분하지 못한 경우 발생될 수 있는 상기 단열부(400) 방향으로의 대류 등에 의한 열전달 또는 열침입을 최소화하기 위하여 구비될 있다.

상기 진공부(500)는 상기 단열부(400) 외측에 이격 공간을 형성하고, 상기 이격 공간을 진공화시키는 방법으로 형성할 수 있다.

상기 진공부(500)는 상온인 외부로부터 상기 코어 측으로 대류 등에 의한 열침입을 방지하기 위하여 구비되는 이격 공간으로서, 물리적 이격 공간을 형성하기 위하여 적어도 하나의 스페이서를 구비할 수 있다.

본 발명에 따른 초전도 케이블은 상기 단열부(400) 외측에 스페이서들이 교차되는 과정에서 복수 개의 교차점이 발생되도록 권선된다. 스페이서들의 교차점이 복수 개 형성되기 위해서는 스페이서들을 적어도 2층으로 적층되어 권선될 수 있다.

본 발명에 따른 초전도 케이블은 종래의 초전도 케이블과 달리 스페이서들의 교차점을 복수 개 형성하기 위하여 상기 진공부(500)에 구비되는 스페이서를 복층으로 구성할 수 있다.

그리고, 스페이서를 복층으로 구성하는 경우 각각의 층을 구성하는 스페이서의 권선 피치, 각각의 층을 구성하는 스페이서의 권선 각도 또는 권선 방향 등은 다양하게 변화될 수 있다. 스페이서의 권선 피치, 권선 방향 및 권선 방향을 다양화하여 복층으로 적층된 스페이서 간의 교차점을 복수 개 형성하는 방법으로 외부로부터의 열침입을 최소화할 수 있다.

스페이서의 권선 피치(또는 권선 각도)가 다른 경우에는 권선 방향이 다른 경우에도 복층으로 적층된 스페이서들은 복수 개의 교차점을 형성될 수 있고, 스페이서의 권선 방향이 다른 경우에는 스페이서의 권선 피치(또는 권선 각도)가 같더라도 복층으로 적층된 스페이서들은 복수 개의 교차점을 형성될 수 있다.

도 1 내지 도 3에 도시된 실시예에서 스페이서가 2층으로 구성된 예가 도시되었으나 필요에 따라 더 많은 층으로 구성되거나, 도 4를 참조하여 설명되는 특수 구조의 스페이서가 적용되는 경우, 단층으로 구성될 수도 있다.

도 1 내지 도 3에 도시된 본 발명에 따른 초전도 케이블은 스페이서가 2층으로 구성되며, 구체적으로 제1 방향으로 나선형으로 이격되어 상기 단열부 외측을 감싸도록 상기 진공부(500) 내측에 구비되는 복수 개의 제1 스페이서(560a) 및 상기 제1 스페이서(560a)가 권선된 상기 단열부(400)의 외측을 상기 제1 방향과 다른 제2 방향으로 감싸도록 상기 진공부(500) 내측에 구비되는 복수 개의 제2 스페이서(560b)를 포함하는 초전도 케이블을 제공할 수 있다.

도 1 내지 도 3에 도시된 본 발명에 따른 초전도 케이블은 스페이서가 2층으로 구성되는 예를 도시하여 각각의 층을 구성하는 스페이서들을 제1 방향과 상기 제1 방향과 다른 제2 방향으로 권선하는 것으로 도시되었나, 3층 이상으로 스페이서를 구성하는 경우에도 각각의 층에 권선하는 스페이서는 인접한 층의 스페이서의 권선 방향과 반대방향이 되도록 권선하여 케이블의 길이방향으로 일정 간격으로 교차점(C)이 형성되도록 구성할 수도 있다.

도 2 및 도 3은 도 1에 도시된 초전도 케이블이 수평방향 설치된 상태의 직경방향 및 길이방향 단면도를 도시한다. 초전도 케이블은 일반적으로 지중 또는 지하에 수평방향으로 설치될 수 있다. 따라서, 초전도 케이블이 수평방향으로 설치된 상태에서 초전도 케이블의 단면 형상은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같은 형태일 수 있다.

즉, 상기 진공부(500) 내부의 냉각부 및 코어부 등의 하중에 의하여 초전도 케이블(1000)이 수평 설치되는 경우 중력 방향으로 진공부 중 하부는 이격 공간이 제거되는 상태로 단열부(400) 및 상기 외부 금속관(500)이 접근되도록 배치될 수 있다.

물론, 복층으로 구비된 스페이서에 의하여 도 2 및 도 3의 도면을 기준으로 상기 단열부(400)의 하부의 외측면과 상기 외부 금속관(600)의 내측면이 접촉되는 것을 방지하여 진공부 형성을 위한 이격 공간을 물리적으로 유지할 수 있다.

여기서, 도 2의 확대도 또는 도 3에 도시된 바와 같이, 초전도 케이블이 수평방향으로 설치되는 경우, 상기 외부 금속관(600)에서 상기 제2 스페이서(560b) 및 제1 스페이서(560a)를 경유하여 상기 단열부(400) 측으로 전도 방식에 의한 열침입이 발생될 수 있다.

상기 외부 금속관(600)에서 상기 제2 스페이서(560b) 및 제1 스페이서(560a)를 경유하여 상기 단열부(400) 측으로 전도 방식에 의한 열침입은 상기 외부 금속관(600)에서 상기 제2 스페이서(560b)의 경계영역을 통한 열침입 Q3, 상기 제2 스페이서(560b)에서 상기 제1 스페이서(560a)의 경계영역을 통한 열침입 Q2 및 상기 제1 스페이서(560a)에서 상기 단열부(400)의 경계영역을 통한 열침입 Q1이 순차적으로 발생된다고 볼 수 있다.

이 경우, 각각의 열침입 Q1, 열침입 Q2, 열침입 Q3은 결국 각각의 경계 영역의 접촉 면적이 작아지면, 열전달 저항이 발생되는 것으로 이해할 수 있으므로, 접촉 면적이 큰 경우 그 열침입량도 증가될 수 있다.

본 발명에 따른 초전도 케이블은 종래의 초전도 케이블과 달리 상기 진공부(500)에 스페이서가 복층으로 구성되므로, 열전달 경로가 점접촉 상태의 경계영역을 2번이나 거치도록 구성되는 것으로 이해될 수 있다.

구체적으로, 외부 금속관(600) 및 상기 제2 스페이서(560b)의 경계영역 그리고 제2 스페이서(560b)에서 상기 제1 스페이서(560a)의 경계영역은 각각 단단한 재질로 구성된다고 가정하는 경우 각각의 경계영역에서의 제1 스페이서(560a), 제2 스페이서(560b) 및 외부 금속관(600)은 순차적으로 점접촉 상태라고 할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 초전도 케이블은 상온의 외부에서 저온의 코어부 측으로 열침입이 발생되기 위해서는 각각의 경계영역에서 순차적으로 열침입 Q3, 열침입 Q2, 열침입 Q1이 발생되어야 하므로 열전달 저항이 커진다고 볼 수 있다.

반면 종래의 초전도 케이블의 경우에는 스페이서가 단층으로 구성되어 상기 외부 금속관에서 상기 단열부 방향으로 경계영역이 2곳만 존재하므로 본 발명에 따른 초전도 케이블에 비해 열침입(열전달) 저항이 상대적으로 작다고 볼 수 있다.

즉, 열침입 Q3, 열침입 Q2, 열침입 Q1은 각각의 경계영역을 통과할수록 그 크기가 줄어들어 열침입 Q3 > 열침입 Q2 > 열침입 Q1의 관계가 형성되는 것으로 이해될 수 있다.

상기 제1 스페이서(560a) 및 상기 제2 스페이서(560b)는 초전도 케이블의 길이방향을 따라 나선형으로 권선될 수 있다.

이 경우, 상기 제1 스페이서(560a) 및 상기 제2 스페이서(560b)의 나선형 권선 방향은 서로 상이한 각각 제1 방향 및 제2 방향일 수 있다.

그리고, 상기 단열부(400)를 상기 제1 스페이서(560a)가 제1 방향으로 권선한 후 그 상부에 제2 스페이서(560b)가 제2 방향으로 권선될 수 있다.

또한, 동일방향으로 권선되는 복수 개의 제1 스페이서(560a) 및 제2 스페이서(560b)는 미리 결정된 간격으로 권선될 수 있으며, 상기 제1 스페이서(560a) 및 제2 스페이서(560b)는 각각 1개 내지 4개 구비될 수 있으며 도 1 내지 도 3에 도시된 실시예는 각각 4개의 제1 스페이서(560a) 및 제2 스페이서(560b)가 구비되는 예를 도시한다.

또한, 상기 제1 스페이서(560a) 및 제2 스페이서(560b)의 직경은 2.5 밀리미터 내지 3.5 밀리미터로 구성될 수 있다.

이와 같은 직경은 종래의 초전도 케이블에 적용되는 스페이서의 직경보다 작은 직경일 수 있다.

따라서, 도 2의 확대도에 도시된 바와 같이, 상기 제1 스페이서(560a)와 상기 단열부(400)의 경계영역(S), 즉 눌림 영역에서의 접촉 면적은 종래의 초전도 케이블에 비하여 스페이서의 직경이 축소됨에 따라 더 작아질 수 있다.

또한, 전술한 바와 같이, 도 8에 도시된 종래의 초전도 케이블은 단층으로 구성된 스페이서가 단열부 외측에 나선형으로 권선되어 구비되고, 스페이서와 단열부가 수평 설치된 케이블의 길이방향으로는 일정 구간 접촉(선접촉) 상태를 유지하여 결국 상기 경계영역은 케이블의 길이방향으로는 긴 띠 형태로 무시할 수 없는 크기의 면적을 가짐에 따라 긴 띠 형태의 영역에서 전체적으로 열침입이 발생될 수 있지만, 본 발명에 따른 초전도 케이블은 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 제1 스페이서(560a)와 제2 스페이서(560a)가 교차점(C)에서 적층된 스페이서 간의 점접촉되어 접촉면적이 작으므로, 제1 스페이서(560a)가 일정 구간에서 상기 단열부(400)와 선접촉되는 형태로 접촉하더라도, 제2 스페이서(560b)를 통한 열침입량이 작으므로 제1 스페이서(560a)가 일정 구간에서 상기 단열부(400)와 선접촉되어 발생될 수 있는 열침입은 효과적으로 차단될 수 있음을 의미한다.

그리고, 각각의 경계영역을 통과할수록 그 열침입량도 함께 줄어든다는 점을 더 고려하는 경우, 본 발명에 따른 초전도 케이블의 열침입량은 종래의 초전도 케이블에 비해 극히 미미한 수준일 것이라는 점을 쉽게 예상할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 초전도 케이블의 스페이서(560)가 복층으로 구성되는 경우, 각각의 스페이서(560)의 권선 피치는 내측에 권선된 스페이서의 피치와 외측에 권선된 스페이서(560)의 피치가 다르게 구성될 수 있으며, 더 나아가 내측에 권선되는 스페이서(560)의 피치가 더 커도 무방하다.

각의 스페이서(560)의 권선 피치는 내측에 권선된 스페이서의 피치와 외측에 권선된 스페이서(560)의 피치가 다르게 구성되면, 상기 단열부(400)와 상기 외부 금속관(600)이 직접 접촉될 수 있는 위험성을 줄일 수 있다. 이는 동일한 피치 또는 주기로 권선되는 경우, 피치의 기준점이 일치되는 경우, 상기 단열부(400)와 상기 외부 금속관(600)이 직접 접촉될 가능성이 있는 초전도 케이블의 하부 영역에서의 공백의 크기가 클 수 있기 때문이다.

실험적으로 상기 제1 스페이서(560a) 및 제2 스페이서(560b)의 나선형 권선에 이한 피치와 관련하여, 상기 제1 스페이서의 피치는 800 밀리미터 이하이며, 상기 제2 스페이서의 피치는 500 밀리미터(mm) 내지 800 밀리미터(mm)로 구성되는 것이 열침입이 최소화되는 것으로 확인되었다. 즉, 각각의 층의 스페이서의 피치가 동일한 것을 회피하여 상기 단열부(400)와 상기 외부 금속관(600)이 직접 접촉 위험성을 줄일 수 있음이 확인되었다.

또한, 각각의 층을 구성하는 스페이서가 복층으로 구성되는 경우, 외측에 권선되는 스페이서의 피치가 더 작은 것이 바람직하다는 결론에 도달하였으며, 이는 외측에 권선되는 스페이서를 더 촘촘하게 권선한다는 것을 의미할 수 있고, 이를 통해 예상하지 못한 외부 금속관(600)과 상기 단열부(400)의 접촉 위험성을 줄일 수 있다.

그리고, 본 발명에 따른 초전도 케이블의 외부 열침입이 감소되는 다른 이유는 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 스페이서(560a) 및 제2 스페이서(560b)가 접촉되는 접점의 개수는 제1 스페이서(560a) 및 제2 스페이서(560b)의 피치에 따라 결정될 수 있으며, 접점에서만 도 2 또는 도 3와 같은 전도에 의한 열전달이 발생될 것이고 나머지 비접촉 영역에서는 도 2 또는 도 3에 도시된 다른 제1 스페이서(560a) 및 제2 스페이서(560b)들과 같이 진공부 내에서 외부 금속관과 비접촉된 상태로 상기 단열부(400) 측에 접촉된 상태를 유지할 것이다.

즉, 초전도 케이블이 수평 설치되는 경우 초전도 케이블의 하부에서만 제1 스페이서(560a) 및 제2 스페이서(560b)를 통한 열침입이 발생됨을 의미한다.

그러나, 종래의 단층 스페이서를 구비하는 경우에는 바닥에 눌리는 스페이서는 눌리는 지점을 포함하여 상당 구간에서 상기 단열부(400)는 상기 외부 금속관(600)과 선접촉 상태를 유지할 것이므로, 열침입 면적이 적층된 스페이서의 교차점 중 바닥에 위치된 교차점으로 제한되는 본 발명에 따른 초전도 케이블에 비해 훨씬 크다는 점은 전술한 바와 같다.

따라서, 본 발명에 따른 초전도 케이블은 단순히 스페이서를 이중으로 적층하여 권선하는 방법을 사용하여, 열침입 면적을 줄임과 동시에 열침입 저항을 동시에 줄일 수 있다는 결론을 얻을 수 있다.

상기 제1 스페이서(560a) 및 제2 스페이서(560b)의 재질은 폴리 에틸렌(FEP, PFA, ETFE, PVC, P.E, PTFE) 재질일 수 있다.

또한, 상기 스페이서(560)은 필요에 따라 불화 폴리 에틸렌(PTFE, Poly Tetra Fluoro Ethylene) 재질로 구성되거나, 일반 수지 또는 폴리 에틸렌 재질로 구성된 뒤 표면이 불화 폴리 에틸렌 등으로 코팅될 수 있다. 이 경우, 상기 불화 폴리 에틸렌은 다음과 같은 조건을 만족하는 것이 바람직하다.

즉, 상기 스페이서(560)로 적용 가능한 불화 폴리 에틸렌은 물리적 성질로는 열전도율은 ASTM C177 규정에 단위 (10-4cal/㎝.sec.℃) 6 이하이고, 기계적 성질로는 ASTM 시험 방법에 근간한 인장강도는 175 kgf/cm² 이상, 탄성율은 3000kgf/cm² 이상, 압축강도 100 kgf/cm² 이상이며, 기계 가공성이 우수한 불화 폴리 에틸렌인 것이 바람직하다.

상기 조건을 만족하는 불화 폴리 에틸렌은 불소수지의 일종으로, 불소와 탄소의 강력한 화학적 결합으로 인해 매우 안정된 화합물을 형성함으로써 거의 완벽한 화학적 비활성 및 내열성, 비점착성, 우수한 절연 안정성, 낮은 마찰계수 등의 특성들을 가지고 있다. 또한, 상기 조건을 만족하는 불화 폴리 에틸렌은 어느 정도의 유연성을 가지므로, 상기 단열부(400)를 나선형으로 감싸며, 초전도 케이블의 길이방향으로 권선되어 배치될 수 있고, 어느 정도의 강도를 가지므로 단열부(400)와 외부 금속관(600)의 접촉을 방지하는 이격 수단으로 활용되어 진공부(500)를 구성하는 이격 공간을 물리적으로 유지하는 역할을 수행할 수 있다.

상기 제1 스페이서(560a) 및 제2 스페이서(560b)의 단면 형태는 원형으로 도시되었안, 원형, 삼각형, 사각형, 별형 등의 다양한 형태가 가능하며, 상기 스페이서가 충분한 강도를 갖는 재질로 구성되는 경우 중공형 파이프 형태로 구성하여 열전도 경로를 좁히거나 경로의 길이를 증대시켜 열침입량을 줄일 수 있다.

상기 제1 스페이서(560a) 및 제2 스페이서(560b)이 구비된 상기 진공부(500) 외측에는 외부 금속관(600)이 구비될 수 있다. 상기 외부 금속관(600)은 상기 내부 금속관(300)과 동일한 형태와 재질로 구성될 수 있으며, 상기 외부 금속관(600)은 상기 내부 금속관(300)보다 더 큰 직경으로 구성되어 스페이서(560)를 통한 이격 공간의 형성을 가능하게 할 수 있다. 상기 외부 금속관(600) 역시 상기 내부 금속관(300)과 마찬가지로 밴딩특성 및 강성이 우수하도록 동일한 구조와 재질로 구성될 수 있다.

그리고, 상기 외부 금속관(600) 외측에는 초전도 케이블 내부를 보호하기 위한 외장 기능을 수행하는 외부자켓 형태의 쉬스부(700)가 구비될 수 있다. 상기 쉬스부는 통상적인 전력용 케이블의 쉬스부(700)를 구성하는 시스재가 사용될 수 있다. 상기 쉬스부(700)는 그 내부의 금속관(600) 등의 부식을 방지하고 외력에 의한 케이블 손상을 방지할 수 있다. 상기 쉬스부(700)는 폴리에틸렌(PE) 폴리염화비닐(PVC) 등의 재질로 구성될 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 초전도 케이블의 또 다른 실시예의 단면도를 도시한다.

도 1 내지 도 3을 참조한 전술한 실시예에서, 스페이서를 복층으로 구성하는 이유는 스페이서 간에 점접촉되고, 각각의 스페이서의 경계영역을 거치는 과정에서 열전달 경로를 좁히거나 경로의 길이를 늘이기 위함이다.

따라서, 스페이서(560)를 단층으로 구성하는 경우라도 도 4에 도시된 바와 같이 복수 개의 세선(561)을 꼬아 형성된 코드 형태의 스페이서를 구성하는 경우 전술한 실시예와 동일한 효과를 얻을 수 있다.

즉, 외부 금속관(600)을 통한 열침입이 발생되더라도 복수 개의 세선(561)의 각각의 경계영역을 지나면서 열침입량이 감소되고, 열침입 경로가 길어지는 효과를 얻을 수 있으므로, 외부에서 유입된 열침입이 감쇄 또는 소멸되는 효과를 얻을 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 스페이서를 단층으로 구성하더라도 하나의 스페이서(560)를 구성하는 세선(561)은 전술한 스페이서의 재질 또는 형상으로 구성될 수 있다.

물론, 도 4에 도시된 복수 개의 세선으로 꼬아 형성된 상기 스페이서는 도 4에 도시된 바와 같이, 단층으로 구성될 수도 있으나, 적어도 2층으로 교차되도록 구성되는 것도 본 발명의 범위에 포함되며, 이와 같은 구조에 의하여 외부로부터의 열침입 가능성은 더욱 줄일 수 있다.

도 5은 본 발명에 따른 초전도 케이블의 다른 실시예의 단계별 탈피된 사시도를 도시하며, 도 6는 도 5에 도시된 초전도 케이블이 수평방향 설치된 상태의 단면도를 도시한다.

도 1 및 도 2를 참조한 설명과 중복된 설명은 생략한다. 도 5 및 도 6에 도시된 실시예는 초전도 케이블에 구비된 코어부(100)의 개수가 3개인 3상 초전도 케이블을 도시한다.

또한, 도 5 및 도 6에 도시된 실시예는 도 1 및 도 2에 도시된 실시예와 달리, 초전도 도체층이 각각의 코어부에서 4개, 각각의 차폐층이 2개씩 구비되는 도 6에 도시된 설명이 적용될 수 있는 예이다.

3상 초전도 케이블은 각각의 코어부(100)가 독립적으로 냉각부(200)를 구비하는 구조가 아니라 3개의 코어부(100) 외측에 냉각부(200)를 공유하는 구조를 가질 수 있으며, 상기 냉각부(200) 외측에 진공부(500) 역시 공유되는 구조일 수 있다.

도 5 및 도 6에 도시된 본 발명에 따른 3상 초전도 케이블의 경우에도 내부 금속관(300) 및 외부 금속관(600) 사이에 구비되는 진공부에 스페이서가 복층으로 구비될 수 있으며, 도 5 및 도 6에 도시된 실시예 역시 제1 방향으로 나선형으로 이격되어 상기 단열부(400) 외측을 감싸도록 상기 진공부(500) 내측에 구비되는 복수 개의 제1 스페이서(560a) 및, 상기 제1 스페이서(560a)가 권선된 상기 단열부(400)의 외측을 상기 제1 방향과 다른 제2 방향으로 감싸도록 상기 진공부(500) 내측에 구비되는 복수 개의 제2 스페이서(560a)를 포함하는 예가 도시된다.

도 5 및 도 6에 도시된 본 발명에 따른 3상 초전도 케이블의 경우, 코어부가 3개가 존재하지만 냉각부 및 진공부는 함께 공유되는 구조를 가지므로 2층으로 구성된 코어부에 의하여 상기 진공부 내측으로의 열전도에 의한 열침입이 최소화될 수 있음은 전술한 도 1 및 도 2에 도시된 실시예와 마찬가지이다.

도 7는 본 발명에 따른 초전도 케이블의 다른 실시예의 단계별 탈피된 사시도를 도시한다.

본 발명에 따른 초전도 케이블은 포머(110), 상기 포머(110) 외측에 구비되는 초전도 도체층(130), 상기 초전도 도체층(130) 외측의 절연층(160), 상기 절연층(160) 외측의 초전도 차폐층(180)을 포함하는 코어부(100), 상기 코어부(100) 외측에 구비되며, 상기 코어부(100)를 냉각하기 위한 액상 냉매의 순환유로가 구비되고 제1 금속관에 의하여 구획되는 냉각부(200), 상기 냉각부(200) 외부에 단열재가 복수 회 권선되어 구성되는 단열부(400) 및, 상기 단열부 외측에 이격 공간을 형성하여 진공 단열되며 제2 금속관에 의하여 구획되는 진공부(500), 상기 냉각부(200)를 구획하는 제1 금속관(260) 외측을 제1 방향으로 이격된 상태로 감싸는 적어도 하나의 제1 스페이서(560a), 상기 단열부(400) 외측을 상기 제1 방향과 다른 제2 방향으로 이격된 상태로 감싸는 적어도 하나의 제2 스페이서(560b)를 포함하는 초전도 케이블을 제공할 수 있다.

도 1 내지 도 6에 도시된 실시예들은 진공부에 구비된 스페이서들이 복층으로 구성된 실시예들이다. 그러나, 본 발명에 따른 초전도 케이블은 스페이서가 접촉된 상태로 직접적으로 복층으로 구성되지 않더라도 내부 금속관(300) 및 단열부(400) 사이에 제1 스페이서(560a)를 배치하고 진공부에 제2 스페이서(560b)를 배치하는 방법을 사용할 수 있다.

이와 같이 종래보다 직경이 작은 스페이서를 분리된 다른 곳에 배치하면, 도 1 내지 도 6에 도시된 실시예와 같이 열전도에 의한 열침입을 최소화할 수 있음이 확인되었다.

상기 단열부(400)는 반사물질이 코팅된 단열재를 여러 겹으로 권선하여 구성되어 복사 등을 차단하기 위하여 구비되지만 열전도에 의한 열침입을 완벽하게 차단하지 못하므로 내부 금속관(300) 및 단열부(400) 사이에 스페이서를 복수 개 이격시켜 권선하는 방법에 의하여 내부 금속관(300) 및 단열부(400)의 직접적인 접촉을 차단하여 상온부에서 냉각부 방향으로의 열침입을 최소화할 수 있다.

도 7에 도시된 실시예의 경우에도 각각의 스페이서는 1개 내지 4개 구비될 수 있으며, 직경은 2.5 밀리미터 내지 3.5 밀리미터의 범위를 가질 수 있다.

본 명세서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 당업자는 이하에서 서술하는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 변형된 실시가 기본적으로 본 발명의 특허청구범위의 구성요소를 포함한다면 모두 본 발명의 기술적 범주에 포함된다고 보아야 한다.

1000 : 초전도 케이블
100 : 코어부
130 : 초전도 도체층
180 : 초전도 차폐층
200 : 냉각부
300 : 내부 금속관
400 : 단열부
500 : 진공부
560, 560a, 560b : 스페이서
600 : 외부 금속관
700 : 쉬스부

Claims (16)

1. 포머, 상기 포머 외측에 구비되는 초전도 도체층, 상기 초전도 도체층 외측의 절연층, 상기 절연층 외측의 초전도 차폐층을 포함하는 코어부;
   상기 코어부 외측에 구비되며, 상기 코어부를 냉각하기 위한 액상 냉매의 순환유로가 내측에 구비되는 내부 금속관;
   상기 내부 금속관 외측에 구비되며, 반사물질이 코팅된 단열재가 복수 회 감겨져 구성되는 단열부;
   상기 단열부 외측에 이격되어 구비되며 내부가 진공 상태로 유지되는 외부 금속관;
   상기 단열재 외측에 복수 개의 교차점이 발생되도록 권선되어 상기 단열부와 상기 외부 금속관의 접촉을 방지하는 스페이서; 및,
   상기 외부 금속관을 감싸는 외부자켓;을 포함하며,
   상기 스페이서는 불화 폴리 에틸렌으로 구성되고, 상기 불화 폴리 에틸렌은 물리적 성질로는 열전도율은 ASTM C177 규정에 단위 (10-4cal/㎝.sec.℃6 이하이고, 기계적 성질로는 ASTM 시험 방법에 의한 인장강도는 175 kgf/cm2 이상, 탄성율은 3000kgf/cm2 이상, 압축강도 100 kgf/cm2 이상이고,
   상기 스페이서는 복층으로 적층되어 권선되고, 복수 개의 교차점은 복층으로 적층되어 권선되는 스페이서 사이에 형성되며, 각각의 층을 구성하는 스페이서의 권선 피치 중 외측 스페이서의 권선 피치가 더 작은 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
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3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   각각의 층을 구성하는 스페이서의 권선 각도는 서로 다른 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
5. 삭제
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,
   각각의 층을 구성하는 스페이서는 1개 내지 4개가 구비되는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
8. 제7항에 있어서,
   각각의 층을 구성하는 스페이서의 직경은 2.5 밀리미터 내지 3.5 밀리미터인 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
9. 제1항에 있어서,
   상기 내부 금속관 및 상기 외부 금속관은 골과 마루가 반복적으로 형성된 코러게이션 구조로 구성되는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
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11. 삭제
12. 포머, 초전도 도체층, 절연층 및 초전도 차폐층이 순차적으로 구비되는 코어부;
    상기 코어부를 냉각하기 위하여 상기 코어부 외측에 액상 냉매의 순환유로가 구비되는 냉각부;
    상기 냉각부 외측에 단열재가 복수 회 감겨 구성되는 단열부;
    상기 단열부 외측을 이격시켜 진공 단열하기 위한 진공부;
    상기 단열부 외측을 제1 방향으로 나선형으로 권선되는 적어도 하나의 제1 스페이서;
    상기 제1 스페이서 외측에 상기 제1 방향과 다른 제2 방향으로 권선되는 적어도 하나의 제2 스페이서;를 포함하며,
    상기 제1 스페이서와 상기 제2 스페이서는 상기 진공부 내의 교차점에서 점접촉되고,
    상기 제1 스페이서 및 상기 제2 스페이서는 열전도율은 ASTM C177 규정에 단위 (10-4cal/㎝.sec.℃6 이하이고, 기계적 성질로는 ASTM 시험 방법에 의한 인장강도는 175 kgf/cm2 이상, 탄성율은 3000kgf/cm2 이상, 압축강도 100 kgf/cm2 이상인 재질로 구성되고,
    상기 제1 스페이서와 상기 제2 스페이서는 복수 개의 교차점을 형성하고, 상기 제1 스페이서의 권선 피치보다 상기 제2 스페이서의 권선 피치가 더 작은 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
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