KR102380328B1

KR102380328B1 - 초전도 케이블

Info

Publication number: KR102380328B1
Application number: KR1020150127575A
Authority: KR
Inventors: 나진배; 최창열; 김양훈; 이석주
Original assignee: 엘에스전선 주식회사
Priority date: 2015-06-30
Filing date: 2015-09-09
Publication date: 2022-03-30
Also published as: KR20170003341A

Abstract

본 발명은 초전도 선재를 액상 냉매로 냉각하는 냉각부 내측으로 열전도 또는 복사 등에 의한 열침입을 최소화할 수 있는 단열재가 적용된 초전도 케이블에 관한 것이다.

Description

초전도 케이블{SUPERCONDUCTING CABLE}

본 발명은 초전도 케이블에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 초전도 선재를 액상 냉매로 냉각하는 냉각부 내측으로 열전도 또는 복사 등에 의한 열침입을 최소화할 수 있는 단열재가 적용된 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.

외부에서 코어 내측으로 열전도 또는 복사 등에 의하여 열침입을 최소화하는 것은 초전도 케이블의 냉각부하를 줄이고 초전도 전력 시스템의 안정성 향상에 필수적이다.

따라서, 열전도 또는 복사 등에 의하여 열침입을 최소화할 수 있는 단열성능이 향상된 단열재가 요구된다.

대한민국 공개특허공보 10-2006-0092744호(2006년08월23일 공개)

본 발명은 초전도 선재를 액상 냉매로 냉각하는 냉각부 내측으로 열전도 또는 복사 등에 의한 열침입을 최소화할 수 있는 단열재가 적용된 초전도 케이블을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 포머, 초전도 도체층, 절연층 및 초전도 차폐층이 순차적으로 구비되는 코어부, 상기 코어부 외측에 냉각유를 통한 냉매로 코어부를 냉각시키는 냉각부, 상기 냉각부 외측에 열침입을 방지하기 위한 단열부, 상기 단열부 외측에 구비되는 진공 이격공간으로 구성되는 진공부를 포함하며, 복수 장의 금속 재질의 단열 필름 및 각각의 단열 필름 사이에 개재된 이격 부재로 구성된 단열재를 3겹 내지 5겹으로 적층하여 단열부재를 구성하고, 상기 단열부는 상기 단열부재를 폭이 100 밀리미터(mm) 내지 250 밀리미터(mm)가 되도록 커팅하여 상기 냉각부 외측에 나선형으로 복수 회 권선하는 방법으로 구성되는 초전도 케이블을 제공할 수 있다.

또한, 상기 단열재는 단열 필름이 3층 내지 6층으로 적층되어 제조될 수 있다.

여기서, 상기 이격 부재는 섬유 재질의 시트 형태로 구성될 수 있다.

또한, 상기 단열재는 복수 개의 상기 단열 필름 및 상기 이격 부재가 적층된 상태에서 폭이 100 밀리미터(mm) 내지 250 밀리미터(mm)가 되도록 레이저 커팅될 수 있다.

여기서, 상기 단열재가 레이저 커팅되는 과정에서 절단면 상의 각각의 층을 형성하는 단열 필름은 주변 층의 단열 필름과 접합되며, 상기 절단면의 접합 상태는 임의의 10 센티미터(cm) 구간에서 5 밀리미터(mm) 이상 분리되지 않을 수 있다.

또한, 상기 단열 필름은 알루미늄 재질일 수 있다.

그리고, 상기 단일 필름은 길이 방향으로 미리 결정된 간격으로 타공에 의하여 형성되는 배출홀이 구비될 수 있다.

여기서, 상기 단열재를 나선형으로 권선하는 경우 중첩량은 단열재 폭의 1/4 내지 1/2일 수 있다.

또한, 상기 냉각부는 내부 금속관에 의하여 구획되고 내부에 냉매 유로가 구비되고, 상기 단열부를 구성하는 상기 단열재가 권선되는 방향 및 권선각도는 상기 내부 금속관 등의 굴곡 구조의 골과 마루의 방향 및 각도는 서로 다르게 설정될 수 있다.

본 발명에 따른 초전도 케이블에 의하면, 본 발명은 단열재를 복층으로 권선하여 단열부를 구성하고, 단열재 자체가 단열 필름을 복층으로 적층하는 방법으로 구성되고, 단열 필름 자체에 열전도가 쉽지 않은 열전도 차단층이 구비되므로 초전도 케이블의 코어부 내측 방향으로 전도에 의한 열침입이 최소화될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 초전도 케이블에 의하면, 단열 필름 자체에 2층의 이격된 알루미늄층이 구비되므로 복사열을 효과적으로 반사시킬 수 있으므로 코어부 내측으로 복사에 의한 열침입을 최소화할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 초전도 케이블의 단계별 탈피된 사시도를 도시한다.
도 2는 1에 도시된 초전도 케이블의 단면도를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 초전도 케이블의 단열부를 구성하는 단열재의 다단 탈피된 사시도를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 초전도 케이블의 다른 실시예를 도시한다.
도 5은 도 4에 도시된 초전도 케이블이 수평방향으로 설치된 상태의 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 도시한다.

본 발명에 따른 초전도 케이블의 기본 구조를 설명한다.

도 1에 도시된 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 절연 테이프(140), 상기 절연 테이프(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 냉각부(200)를 진공 단열시키기 위하여, 상기 단열부(400) 외부의 이격된 위치에 복수 개의 스페이서(560)를 구비하는 진공부(500), 상기 진공부(500) 외측에 구비되는 외부 금속관(600) 및, 상기 외부 금속관(600) 외측에 구비되어 시스층을 형성하는 외부자켓(700)를 포함할 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) 도체 소선(111)들을 원형으로 압축한 형태를 가질 수 있다.

구체적으로, 기본적으로 포머(110)는 둥근 원통형상으로 되었어, 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 포머는 중심부가 꽉찬 형태로 구성될 수도 있으나, 상기 포머(110)는 중공의 파이프 형상으로 이루어져 초전도 선재를 올리기 위한 틀의 역할과 동시에 내부에 냉매가 이동하기 위한 경로 역할을 하도록 구성될 수 있으며, 포머를 구성하는 각각의 도체 소선(111)들은 구리 등으로 구성될 수 있으며, 각각의 소선을 각각의 초전도 선재와 병렬연결을 함으로써, 전력계통에서 전력 시스템의 단락(??치, 번개, 절연 파괴 등)으로 인한 고장전류 발생시 귀로도체 역할을 하도록 구성할 수도 있다.

전력계통에서 고장전류 발생시 귀로도체의 역할은 도체 소선(111)으로 구성되는 포머 이외에도 후술하는 바와 같이 각각의 초전도 선재에 부착되며, 상온에서 통전성이 있는 금속 재질의 통전 레이어가 존재한다. 상기 통전 레이어는 금속 재질의 테이프 형태일 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 후술한다.

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

후술하는 바와 같이, 본 발명에 따른 초전도 케이블을 구성하는 초전도 선재는 초전도 선재의 기계적 강성을 보강하기 위하여 초전도 선재의 양표면에 상온에서 통전성이 있는 금속 재질의 통전 레이어가 구비된다. 이와 같은 통전 레이어는 기계적 강성을 보강하여 초전도 선재의 권선시 비틀림 응력에 의한 끊어짐 등을 방지할 수 있다.

이와 같은 통전 레이어는 초전도 선재의 기계적 강성을 보강함과 동시에 단락 등의 사고 발생시 상기 포머와 함께 사고 전류의 귀로 역할을 나누어 수행할 수 있으므로, 본 발명에 따른 초전도 케이블의 포머는 종래의 일반적인 초전도 케이블을 구성하는 포머의 직경보다 작은 직경을 가질 수 있다. 이에 대한 구체적인 설명은 뒤로 미룬다.

상기 포머(110)를 구성하는 여러 가닥의 단면 원형의 도체 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.

초전도 도체층을 복층으로 구비하는 경우에는 초전도 도체층(130a, 130b) 사이에 절연 테이프(140)가 구비될 수 있다. 상기 초전도 도체층(130a, 130b) 사이에 절연 테이프(140)를 배치하는 이유는 각각의 층을 구성하는 초전도 도체층(130a, 130b)의 전류의 방향성을 제어하기 위함이다. 만일, 절연 테이프(140)가 구비되지 않는다면, 전류의 패스가 흐트러져 의도된 방향으로 전류가 흐를 수 없을 수도 있기 때문이다. 상기 절연 테이프(140)에 의하여 복층으로 적층된 초전도 도체층들의 통전 방향이 일치될 수 있다.

또한, 부수적으로 상기 절연 테이프(140)를 구비하면, 각각의 초전도 도체층을 구성하는 초전도 선재의 표피효과를 방지할 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 각각의 초전도 선재는 포머(110)를 구성하는 각각의 소선들과 병렬 연결될 수 있다. 초전도 선재로 흐르던 전류가 단락(??치, 번개, 절연 파괴, 초전도 조건의 파괴 등) 등의 사고시에 포머(110)의 소선으로 사고 전류가 분류되도록 하기 위함이다. 이와 같은 방법으로 초전도 선재의 발열 또는 손상 등을 방지할 수 있다.

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 구성되 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 영하 -200도 정도의 온도를 갖도록 냉각된 상태로 상기 냉객 유로를 순환하며 냉각부 내부의 코어부(100)에 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 융기 및 함몰이 반복되는 굴곡 구조(corrugated)를 가지며, 상기 내부 금속관(300)은 알루미늄 등의 재질로 구성될 수 있다.

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

상기 단열층은 멀티 레이어 인슐레이션(MLI, Multi Layer Insulation)을 구성하고, 상기 내부 금속관(300) 측으로 열침입이 발생되는 것을 차단하기 위하여 구비될 수 있다.

특히, 상기 내부 금속관(300)이 금속 재질로 구성되므로 전도에 의한 열침입 또는 열교환이 용이하므로, 상기 단열부(400)는 주로 전도에 의한 열교환 또는 열침입을 최소화할 수 있으며, 반사율이 높은 금속 필름 재질로 인하여 복사에 의한 열교환 또는 열침입을 방지하는 효과도 얻을 수 있다.

상기 단열부(400)를 구성하는 단열재는 도 3을 참조하여 자세하게 설명한다.

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 단열층 방향으로의 대류 등에 의한 열전달을 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 코어부 측으로 대류 등에 의한 열침입을 방지하기 위하여 구비되는 이격 공간으로서, 물리적 이격 공간을 형성하기 위하여 적어도 하나의 스페이서(560)를 구비할 수 있다. 상기 진공부(500) 내의 이격 공간 그 외측에 구비되는 외부 금속관(600) 등과 상기 진공부(500) 내측의 상기 단열부(400)가 접촉되는 것을 초전도 케이블의 전 영역에서 방지하기 위하여 상기 이격 공간 내에 적어도 1개의 스페이서(560)를 구비할 수 있으며, 구체적으로 초전도 케이블 또는 스페이서의 종류 또는 크기에 따라 증감될 수 있다. 도 1 및 도 2에 도시된 초전도 케이블(1000)은 4개의 스페이서가 구비되는 것으로 도시되었으나 그 개수는 증감될 수 있다.

상기 스페이서(560)는 초전도 케이블의 길이방향을 따라 배치될 수 있으며, 상기 코어부(100) 외측, 구체적으로는 상기 단열부(400)를 나선형 또는 원형으로 감싸도록 권선할 수 있다.

상기 스페이서(560)의 개수는 본 발명에 따른 초전도 케이블은 3개 내지 5개의 스페이서가 구비될 수 있다. 상기 스페이서는 이격 공간을 형성하여 전도에 의한 열교환을 방지할 수 있으며, 스페이서의 구조는 단층 또는 복층으로 구성될 수 있다.

상기 스페이서(560)는 다양한 수지 재질, 예를 들면 폴리 에틸렌(PE) 재질일 수 있다.

또한, 상기 스페이서(560)는 필요에 따라 불소 수지(예를 들면, 불화 폴리 에틸렌(PTFE, Poly Tetra Fluoro Ethylene, 테프론(Teflon, 상표명)) 재질로 구성되거나, 일반 수지(예를 들면, 폴리 에틸렌) 재질로 구성된 뒤 표면이 불소 수지(예를 들면, 불화 폴리 에틸렌)로 코팅될 수 있다.

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, 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 스페이서(560)의 직경은 3 밀리미터(mm) 내지 8 밀리미터(mm)일 수 있다. 상기 스페이서(560)의 단면 형태는 원형, 삼각형, 사각형, 별형 등의 다양한 형태가 가능하다.

상기 스페이서(560)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 스페이서(560)에 대한 자세한 설명은 뒤로 미룬다.

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

도 3은 본 발명에 따른 초전도 케이블의 단열부를 구성하는 단열재의 다단 탈피된 사시도를 도시한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 단열재(410)는 단열 필름(411)과 이격부재(412)가 교번하여 복수 회 적층되는 구조를 갖는다.

상기 단열 필름(411)은 반사율이 좋은 박막 형태의 금속 재질, 예를 들면 알루미늄 필름으로 구성될 수 있다. 그리고 상기 단열재(410)는 단열 필름이 3장 내지 5장으로 구성될 수 있으며, 각층의 단열 필름(411) 사이에 이격 부재(412)가 구비될 수 있다.

상기 이격부재(412)는 각각의 층을 형성하는 단열 필름(411)을 상호 이격시켜 단열 필름(411)이 상호 접촉되는 것을 방지하여 열전도 등을 차단하는 역할을 수행할 수 있다. 즉, 상기 단열 필름(411)은 반사율이 좋은 금속재질로 구성되므로 복사 열침입을 방지하는 역할을 수행하지만, 전도에 의한 열침입은 재질적인 특성으로 방지되지 않는다.

따라서, 단열재(410)를 구성하는 단열 필름(411) 사이에 이격 부재(412)를 추가하여 복사 및 열전도에 의한 열침입을 함께 차단 또는 최소화할 수 있다.

상기 이격 부재(412)는 열전도율이 낮은 섬유 재질이라면 다양한 소재가 사용될 수 있다. 구체적으로, 상기 이격 부재(412)는 섬유 재질의 시트 형태로 구성될 수 있으며, 접촉면적을 최소화하여 열전도는 차단하되 단열 필름의 상호 간의 접촉은 차단될 수 있는 구조를 갖는 것이 바람직하다.

상기 단열 필름(411)은 적어도 일면이 복사열의 반사면으로 가공될 수 있다. 즉, 상기 단열 필름(411)의 일면에만 반사면이 구비될 수도 있고, 양면 모두에 반사면 가공이 수행될 수 있다. 상기 단열부(400)는 주로 일정한 방향성이 있는 복사 열침입을 차단하기 위하여 구비되지만, 양면 모두에 반사면이 구비된 단열 필름(411)을 사용하는 경우, 복사 열침입이 양면으로 차단되어 효율적으로 복사 열침입을 차단하여 단열 효과를 향상시킬 수 있다.

정리하면, 상기 단열재(410)는 이격된 3층 내지 5층의 단열 필름(411), 각각의 단열 필름(411) 사이에 배치되는 이격 부재(412)를 포함하여 구성될 수 있다.

그리고 도 3에 도시된 단열재(410)가 3겹 내지 5겹으로 적층되면 하나의 단열부재(MLI TAPE, 미도시)를 구성할 수 있다.

상기 단열재(410)로 구성된 단열부재는 폭(w)이 100 밀리미터(mm) 내지 250 밀리미터(mm)가 되도록 커팅되어 구성될 수 있다.

상기 단열재(410)로 구성된 단열부재는 상기 냉각부(200)를 구획하는 내부 금속관(300) 외측에 복층으로 적층되도록 나선형으로 권선된다.

상기 단열재(410)로 구성된 단열부재를 권선하여 형성된 단열부(400)에 의하여 복사열 및 전도열을 효율적으로 차단시킬 수 있으므로 코어부 내측으로 복사 또는 전도에 의한 열침입을 최소화할 수 있다.

넓은 면적을 갖는 단열 필름과 이격 부재를 3층 내지 5층으로 교번하여 적층된 상기 단열재(410)로 구성된 단열부재의 폭이 100 밀리미터(mm) 내지 250 밀리미터(mm)가 되도록 하기 위해 레이저 커팅이 수행될 수 있다.

상기 단열재(410)로 구성된 단열부재가 레이저 커팅 과정에서 절단면(410c) 상에서 단열 필름은 상호 접합될 수 있으며, 레이저 커팅에 의하여 커팅된 커팅면에서 적층된 단열 테이프의 경계는 임의 구간의 절단면(410c) 중 10 센티미터(cm) 이하의 길이에서 5 밀리미터(mm) 이상의 분리영역이 존재하지 않는 것이 바람직하다.

즉, 일정한 거리 간격, 약 10 센티미터(cm)를 기준으로 각각의 층을 구성하는 단열 필름(411) 간의 절단면에서의 접합이 5 밀리미터(mm) 이상이 분리된 구간이 존재하는 경우 불량으로 처리되는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 단열재(410)로 구성된 단열부재의 측면은 전술한 바와 같이 레이저 커팅에 의하여 접합되는 상태가 되므로 케이블의 제조 과정에서 각각의 층별로 잔존하는 기체가 외부 배출이 가능하도록 단열 필름(411)은 미리 결정된 간격으로 타공되어 형성되는 배출홀(411h)이 구비될 수 있다. 상기 배출홀의 크기 또는 간격은 단열재의 폭 등에 따라 변경될 수 있다.

상기 단열재(410)로 구성된 단열부재에 형성된 상기 배출홀(411h)의 간격은 단열부재의 길이방향으로 110 밀리미터(mm) 내지 180 밀리미터(mm)일 수 있다.

잔존하는 기체의 배출 기능을 강화하기 위하여 상기 배출홀(411h)의 간격을 110 밀리미터(mm) 이하로 하는 경우, 배출 기능은 향상되지만 배출홀(411h)을 통한 열침입이 커져 단열성능이 저하되고 상기 배출홀(411h)의 간격을 180 밀리미터(mm) 이상으로 하는 경우 잔존 기체가 충분히 제거되지 않음을 실험적으로 확인하였다.

상기 단열재(410)로 구성된 단열부재를 내부 금속관(300) 외측에 미리 결정된 중첩량이 되도록 나선형으로 권선하는 경우, 수십 층의 단열 필름이 케이블 단면의 반지름 방향으로 단열에 활용될 수 있다.

그리고, 상기 단열재부재를 나선형으로 권선하는 경우 인접한 단열부재와 중첩량(폭)이 단열부재의 폭의 1/4 내지 1/2, 바람직한 예로서 1/3가 되도록 할 수 있다.

상기 단열부(400)를 구성하는 단열부재의 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.

또한, 상기 단열부(400)를 구성하는 단열부재는 케이블의 길이방향을 따라 나선형으로 일정한 방향으로 복층으로 권선됨은 전술한 바와 같다. 그리고 내부 금속관(300) 및 외부 금속관(600)의 코러케이션 구조 역시 나선형으로 형성되는 것이 일반적이다.

따라서, 내부 금속관(300) 등의 굴곡 구조의 골과 마루가 나선형으로 구성되는 경우, 상기 단열부(400)를 구성하는 단열부재가 권선되는 방향 및 권선각도가 내부 금속관 등의 굴곡 구조의 골과 마루의 방향 및 각도와 일치되는 경우에는 단열재가 골과 마루 사이에 안착되어 골과 마루 형상에 따른 이격 공간을 제거하게 되어, 열전도에 의한 열침입 가능성을 높일 수 있다.

따라서, 상기 단열부(400)를 구성하는 단열부재가 권선되는 방향 및 권선각도가 내부 금속관 등의 굴곡 구조의 골과 마루의 방향 및 각도는 서로 다르게 설정되는 것이 바람직하며, 특히 단열재를 최초로 권선하기 위한 권선 시점에서 내부 금속관의 골 또는 홈에 단열재가 안착되지 않도록 권선하는 것이 중요하다.

도 4는 본 발명에 따른 초전도 케이블의 다른 실시예를 도시하며, 도 5은 도 4에 도시된 초전도 케이블이 수평방향으로 설치된 상태의 단면도를 도시한다.

도 1 내지 도 3을 참조한 설명과 중복된 설명은 생략한다. 도 4 및 도 5에 도시된 실시예는 초전도 케이블에 구비된 코어부(100)의 개수가 3개인 3상 초전도 케이블을 도시한다.

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 4 및 도 5에 도시된 초전도 케이블 역시 전도 또는 복사에 의한 열침입을 최소화할 수 있는 도 3에 도시된 단열재(400)를 적용하여 극저온 상태로 유지되어야 하는 코어부 측으로 열침입이 발생되는 것을 최소화할 수 있음은 마찬가지이다.

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 : 스페이서
600 : 외부 금속관
700 : 외부자켓

Claims

포머, 초전도 도체층, 절연층 및 초전도 차폐층이 순차적으로 구비되는 코어부;
상기 코어부 외측에 냉각유를 통한 냉매로 코어부를 냉각시키는 냉각부;
상기 냉각부 외측에 열침입을 방지하기 위한 단열부;
상기 단열부 외측에 구비되는 진공 이격공간으로 구성되는 진공부;를 포함하며,
복수 장의 금속 재질의 단열 필름 및 각각의 단열 필름 사이에 개재된 이격 부재로 구성된 단열재를 3겹 내지 5겹으로 적층하여 단열부재를 구성하고,
상기 단열부는 상기 단열부재를 폭이 100 밀리미터(mm) 내지 250 밀리미터(mm)가 되도록 커팅하여 상기 냉각부 외측에 나선형으로 복수 회 권선하는 방법으로 구성되며,
상기 냉각부는 내부 금속관에 의하여 구획되고 내부에 냉매 유로가 구비되고, 상기 단열부를 구성하는 상기 단열재가 권선되는 방향 및 권선각도는 상기 내부 금속관 등의 굴곡 구조의 골과 마루의 방향 및 각도는 서로 다르게 설정되는 특징으로 하는 초전도 케이블.
제1항에 있어서,
상기 단열재는 단열 필름이 3층 내지 5층으로 적층되어 제조되는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
제1항에 있어서,
상기 이격 부재는 섬유 재질의 시트 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
제1항에 있어서,
상기 단열 필름은 알루미늄 재질인 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
제4항에 있어서,
상기 단열 필름은 길이 방향으로 미리 결정된 간격으로 타공에 의하여 형성되는 배출홀이 구비되는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
제1항에 있어서,
상기 단열부재를 나선형으로 권선하는 경우 중첩량은 단열부재 폭의 1/4 내지 1/2인 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
삭제
제5항에 있어서,
상기 배출홀의 간격은 단열부재의 길이방향으로 110 밀리미터(mm) 내지 180 밀리미터(mm)인 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.