KR102413359B1 - 코러게이션 구조의 냉매 금속관 및 이를 구비하는 초전도 케이블 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초전도 케이블의 코어가 수용되고 냉매가 유동하며, 냉매의 유동저항을 줄여 차압손실을 최소화할 수 있는 코러게이션 구조의 냉매 금속관 및 이를 구비하는 초전도 케이블에 관한 것이다.

Description

코러게이션 구조의 냉매 금속관 및 이를 구비하는 초전도 케이블{Corrugated Refrigerant Metal Pipe And Superconducting Cable Having The Same}

본 발명은 코러게이션 구조의 냉매 금속관 및 이를 구비하는 초전도 케이블에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 초전도 케이블의 코어가 수용되고 냉매가 유동하며, 냉매의 유동저항을 줄여 차압손실을 최소화할 수 있는 코러게이션 구조의 냉매 금속관 및 이를 구비하는 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 형성하여 단열하는 방법을 사용한다.

초전도 케이블을 포함하는 초전도 전력 시스템은 초전도 케이블 내에 초전도 선재를 포함하는 코어를 냉각하기 위하여, 코어를 냉매 금속관에 수용시킨 상태에서 액상 냉매를 유동시켜 코어를 냉각한다. 그리고, 냉매가 유동하는 냉매 금속관 외측에 단열재 등을 감아서 외부 열침입을 방지하기 위한 단열부를 구비하고, 상기 단열부 외측에는 진공부가 형성되도록 스페이서가 구비된 진공 금속관이 구비될 수 있다.

초전도 케이블을 구성하는 금속관들은 굽힘 특성이 확보되고 강성을 향상시키기 위하여 골과 마루가 반복되는 코러게이션 구조를 갖도록 구성될 수 있다.

그러나 냉매 금속관의 경우 내부에 극저온의 액상 냉매가 유동하므로 골과 마루가 반복되는 코러게이션 구조는 액상 냉매의 유동저항을 유발하며, 이러한 유동저항은 초전도 케이블의 포설 길이가 길어짐에 따라 액상 냉매의 차압 손실을 유발하는 문제를 발생시킨다.

차압 손실이 증대되면 액상 냉매를 냉각시켜 순환시키는 설비의 부하를 증가시키고 초전도 조건의 안정성이 저하될 수 있다.

또한, 액상 냉매의 차압 손실을 줄이는 방법으로 냉매 금속관 내부의 직경을 증대하는 방법을 고려할 수 있으나, 이는 전체 초전도 케이블의 직경이 증대되므로 바람직하지 않다.

대한민국 공개특허 10-2004-0080624호(2004년 9월 20일 공개)

본 발명은 초전도 케이블의 코어가 수용되고 냉매가 유동하며, 냉매의 유동저항을 줄여 차압손실을 최소화할 수 있는 코러게이션 구조의 냉매 금속관 및 이를 구비하는 초전도 케이블을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 초전도 케이블의 초전도 선재를 포함하는 초전도 도체층을 포함하는 코어를 수용하며, 상기 코어의 극저온 냉각을 위한 액상 냉매가 유동하는 초전도 케이블용 냉매 금속관에 있어서, 상기 냉매 금속관은 골과 마루가 반복되는 코러게이션 구조를 가지며, 상기 냉매 금속관의 외표면의 마루와 마루의 최고점 사이의 간격 또는 골과 골의 최저점 사이의 간격을 피치(P)로 정의하고, 마루의 최고점과 골의 최저점의 높이의 차를 파고(H)로 정의하고, 상기 냉매 금속관 내부를 유동하는 액상 냉매의 냉매 금속관의 단위 길이당 압력 저하를 차압손실(PL)로 정의하는 경우, 상기 피치(P), 상기 파고(H) 및 상기 차압손실(PL)은 아래의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블용 냉매 금속관을 제공할 수 있다.

- 아 래 -

차압손실(PL) = a - b * 피치(P) + c * 파고(H), 상수 a, b 및 c는 양의 실수이며, 각각의 상수는 1.2 < a < 1.6, 0.2 < b < 0.3 및 2.8 < c < 3.2 범위를 만족하고, 상기 차압손실(PL)의 단위는 mbar/m 이고, 상기 피치(P) 및 상기 파고(H)의 단위는 mm이다.

이 경우, 상기 냉매 금속관의 골과 마루에 의하여 결정되는 상기 냉매 금속관의 내부 최소 직경(d)은 50 mm 이상 70 mm 이하이며, 상기 냉매 금속관의 외부 최대 직경(D)은 80 mm 내지 100 mm 를 만족할 수 있다.

또한, 상기 차압손실(PL)은 상기 냉매 금속관의 6 m 내지 10 m 거리(l)에서, 상기 냉매 금속관의 일단의 냉매 입구 및 타단의 냉매 출구의 압력차로 측정될 수 있다.

여기서, 상기 거리(d)의 상기 냉매 입구를 통해 공급되는 액상 냉매의 유량은 20 (ℓ/min, LPM) 내지 180 (ℓ/min, LPM)일 수 있다.

또한, 상기 냉매는 액상 질소이며, 상기 액상 질소의 시간당 유량은 0.8 kg/s 내지 1.2 kg/s일 수 있다.

그리고, 상기 차압손실(PL)이 4 mbar/m 내지 6 mbar/m 범위의 값 이하를 만족하도록 상기 피치(P), 상기 파고(H) 상기 냉매 금속관의 내부 최소 직경(d) 및 상기 냉매 금속관의 외부 최대 직경(D)을 결정할 수 있다.

또한, 상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 초전도 케이블의 초전도 선재를 포함하는 초전도 도체층을 포함하는 코어; 상기 코어를 수용하며, 액상 냉매가 유동하는 제1항의 초전도 케이블용 냉매 금속관; 상기 냉매 금속관 외부에 단열재를 횡권하여 구성되는 단열부; 상기 단열부 외측에 구비되는 진공부; 상기 진공부에 의하여 상기 단열부와 이격되도록 배치된 외부 냉매 금속관; 및, 상기 외부 냉매 금속관을 감싸는 외부자켓을 포함하는 초전도 케이블을 제공할 수 있다.

또한, 상기 냉매 금속관의 골과 마루에 의하여 결정되는 상기 냉매 금속관의 내부 최소 직경(d)은 50 mm 이상 70 mm 이하이며, 상기 냉매 금속관의 외부 최대 직경(D)은 80 mm 내지 100 mm 범위일 수 있다.

또한, 상기 차압손실(PL)은 상기 냉매 금속관의 6 m 내지 10 m 거리(l)에서, 상기 냉매 금속관의 일단의 냉매 입구 및 타단의 냉매 출구의 측정될 수 있다.

그리고, 상기 거리(d)의 상기 냉매 입구를 통해 공급되는 액상 냉매의 유량은 20 (ℓ/min, LPM) 내지 180 (ℓ/min, LPM)일 수 있다.

그리고, 상기 냉매는 액상 질소이며, 상기 액상 질소의 시간당 유량은 0.8 kg/s 내지 1.2 kg/s일 수 있다.

또한, 상기 차압손실(PL)이 4 mbar/m 내지 6 mbar/m 범위의 값 이하를 만족하도록 상기 피치(P), 상기 파고(H) 상기 냉매 금속관의 내부 최소 직경(d) 및 상기 냉매 금속관의 외부 최대 직경(D)을 결정할 수 있다.

본 발명에 따른 코러게이션 구조의 냉매 금속관 및 이를 구비하는 초전도 케이블에 의하면, 냉매 금속관의 피치와 파고의 크기를 최적화하여 냉매 금속관 내부를 유동하는 냉매의 유동저항을 최소화할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 코러게이션 구조의 냉매 금속관 및 이를 구비하는 초전도 케이블에 의하면, 냉매 금속관 내부를 유동하는 냉매의 유동저항을 최소화할 수 있으므로, 초전도 케이블의 포설구간에서의 냉매의 유동시 차압손실을 최소화할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 코러게이션 구조의 냉매 금속관 및 이를 구비하는 초전도 케이블에 의하면, 초전도 케이블의 포설구간에서의 냉매의 유동시 차압손실을 최소화할 수 있으므로 초전도 전력 시스템의 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 코러게이션 구조의 냉매 금속관 및 이를 구비하는 초전도 케이블의 하나의 실시예의 다단 탈피된 사시도를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 코러게이션 구조의 냉매 금속관 및 이를 구비하는 초전도 케이블의 다른 실시예의 다단 탈피된 사시도를 도시한다.
도 3은 도 1 또는 도 2에 도시된 초전도 케이블의 냉매 금속관의 사시도와 일부 구간의 단면도를 도시한다.
도 4는 초전도 케이블의 냉매 금속관의 차압 손실을 측정하기 위한 시험장치의 구성도를 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 코러게이션 구조의 냉매 금속관의 피치와 파고와 차압 손실의 관계를 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 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 1은 본 발명에 따른 코러게이션 구조의 냉매 금속관 및 이를 구비하는 초전도 케이블의 하나의 실시예의 다단 탈피된 사시도를 도시하며, 도 2는 본 발명에 따른 코러게이션 구조의 냉매 금속관 및 이를 구비하는 초전도 케이블의 다른 실시예의 다단 탈피된 사시도를 도시한다.

도 1 및 도 2에는 3상 전력 공급을 위한 초전도 케이블을 참조하여 설명하지만 단상 초전도 케이블의 경우에도 마찬가지이다.

구체적으로, 도 1은 3상 전력의 송전 또는 배전을 위한 3코어 초전도 케이블의 사시도를 도시한다.

본 발명에 따른 3상 동축 초전도 케이블(1000)은 각각 120도의 위상차를 갖는 제1 상 전류, 제2 상 전류 및 제3 상 전류의 통전을 위한 초전도 도체층(130)이 동축 상에 적층되어 구비될 수 있다.

구체적으로, 본 발명에 따른 3상 동축 초전도 케이블(1000)은 액상 냉매가 일방향으로 유동하는 제1 냉매 금속관(300a), 상기 제1 냉매 금속관(300a)를 순차적으로 상호 절연된 상태로 감싸도록 상기 제1 냉매 금속관(300a)의 길이방향으로 나란히 배치되는 복수 개의 초전도 선재(SC)를 포함하여 구성되는 제1 내지 제3 초전도 도체층(130a, 130b, 130c); 상기 제1 내지 제3 초전도 도체층(130a, 130b, 130c) 중 최외곽에 배치된 제3 초전도 도체층(130c)과 절연된 상태로 상기 제3 초전도 도체층(130c) 둘레를 감싸도록 나란히 배치되는 복수 개의 도체 선재(c)를 포함하여 구성되는 차폐층(180)을 포함하는 코어(100)를 포함하여 구성될 수 있다.

본 발명에 따른 3상 동축 초전도 케이블(1000)을 구성하는 코어(100)의 최내측 및 최외측에 제1 냉매 금속관(300a) 및 제2 냉매 금속관(300b)이 구비될 수 있다.

본 발명에 따른 냉매 금속관들은 후술하는 바와 같이 구조를 최적화하여 냉매의 유동 저항에 따른 차압 손실을 최소화할 수 있다는 특징을 갖는다. 구체적인 설명은 도 3 이하를 참조하여 후술한다.

후술하는 도 2에 초전도 케이블은 코어(100)의 냉각을 위한 냉매의 유로가 일방향으로 형성되지만 3상 동축 초전도 케이블(1000)의 경우 냉매 유로가 양방향으로 형성될 수 있고, 냉매 금속관 역시 코어 내부와 외부 각각 구비될 수 있다.

즉, 코어(100)의 최내부에 구비되는 제1 냉매 금속관(300a)에서 액상 냉매가 일방향으로 흐르면, 코어(100)의 최외부에 구비되는 제2 냉매 금속관(300b)에서 액상 냉매는 상기 일방향과 반대방향으로 흐르게 될 수 있다. 이와 같은 방법으로, 코어(100)를 구성하는 제1 내지 제3 초전도 도체층(130a, 130b, 130c) 및 차폐층(180)을 극저온으로 냉각할 수 있다.

상기 제1 냉매 금속관(300a) 및 제2 냉매 금속관(300b)은 알루미늄 또는 스틸 재질로 구성될 수 있으며, 기계적 응력에 대한 강성 보강하기 위해, 알루미늄, SUS 등의 재질을 사용하며, 밴딩 특성을 위해 길이 방향으로 융기 및 함몰이 반복되는 굴곡 구조(corrugated)를 가질 수 있다. 각각의 상기 제1 냉매 금속관(300a) 및 후술하는 제2 냉매 금속관(300b)은 각각 액상 냉매의 유로(200a, 200b)를 형성할 수 있다.

상기 제1 냉매 금속관(300a) 둘레에는 순차적으로 제1 초전도 도체층(130a) 내지 제3 초전도 도체층(130c)이 적층되어 구비될 수 있다.

상기 제1 냉매 금속관(300a) 표면에는 제1 냉매 금속관(300a) 표면의 올록볼록한 표면을 평활하게 하기 위한 평활층 또는 반도전 카본지 테이프를 이용하여, 초전도 도체층(130)을 보호하기 위한 쿠션층 등이 구비될 수 있다.

상기 제1 냉매 금속관(300a) 표면에는 제1 초전도 도체층(130a)이 구비될 수 있다. 상기 제1 초전도 도체층(130a)은 복수 개의 초전도 선재(SC)를 나란히 배열하는 방법으로 구성될 수 있다.

도 1에서 상기 제1 초전도 도체층(130a) 내지 제3 초전도 도체층(130c)은 단층으로 구성되는 것으로 도시되나, 각각의 상 전류의 용량에 따라 초전도 선재(SC)가 복층으로 적층되어 구비될 수도 있다.

제1 초전도 도체층(130a) 내지 제3 초전도 도체층(130c) 중 적어도 하나의 초전도 도체층(130)이 초전도 선재(SC)를 적층하여 배치하는 방법으로 구성되는 경우에는 전류 통전방향을 통일하고 표피 효과를 방지하기 위하여 절연 테이프 또는 절연 시트(미도시)가 구비될 수 있다.

그리고, 제1 초전도 도체층(130a) 내지 제3 초전도 도체층(130c) 및 차폐층(180) 각각은 위상차가 존재하는 전류 또는 차폐 전류가 흐르므로 상호 절연되어야 한다.

따라서, 상기 제1 초전도 도체층(130a) 내지 제3 초전도 도체층(130c) 및 차폐층(180) 사이에 절연층(160a, 160b, 160c)이 구비될 수 있다.

상기 절연층(160a, 160b, 160c)은 절연내력 증가를 목적으로 구비되며, 종이 재질의 절연지가 적용될 수 있고, 절연지를 복수 회 권선하는 방식으로 구성될 수 있다. 일반적으로 고전압 케이블의 절연시 XLPE와 같은 폴리머 재질이 주로 사용되지만, 극저온에서는 파손되는 문제가 있으므로, 극저온 환경에서 절연 성능이 유지되어야 하는 초전도 케이블의 경우에는 종이 재질의 절연지를 사용하게 될 수 있다.

상기 절연지는 크라프트지나 PPLP(Polypropylene Laminated Paper)가 적용될 수 있다. 상기 PPLP(Polypropylene Laminated Paper) 절연지는 권선의 용이성과 절연내력 특성이 우수한 특성을 갖는다.

상기 제1 내지 제3 초전도 도체층(130a, 130b, 130c)은 도 1에 도시된 바와 같이, 각각 납작한 스트립 형태로 구성되며, 각각 케이블의 길이방향으로 일정한 피치를 가지며 나선형을 횡권되어 각각의 층을 형성할 수 있다.

상기 제1 내지 제3 초전도 도체층(130a, 130b, 130c)을 구성하는 초전도 선재(SC)의 나선형 횡권방향은 인접한 층에서 서로 반대방향이 될 수 있다.

그리고, 도 1 및 도 2에 도시되지 않았으나, 본 발명에 따른 3상 동축 케이블의 경우, 각각의 제1 내지 제3 초전도 도체층(130a, 130b, 130c)의 상부 또는 하부에 초전도 선재와 동일한 형태의 일반 도체 선재로 미리 결정된 피치를 갖도록 나선형 횡권되어 귀로 도체층을 구비할 수 있다.

상기 제1 내지 제3 초전도 도체층(130a, 130b, 130c) 중 최외곽에 배치된 제3 초전도 도체층(130c) 외측에는 전술한 바와 같이 절연층이 구비되고, 절연층 상부에 차폐층(180)이 구비될 수 있다.

상기 제1 내지 제3 초전도 도체층(130a, 130b, 130c)에 제1 상 전류, 제2 상 전류 및 제3 상 전류가 그 크기가 동일하고 각각 120도 위상차를 유지하는 경우, 유도 자기장 역시 상호 상쇄되어 상기 차폐층(180)에 흐르는 전류가 크지 않아 상기 차폐층(180)은 일반 도체 선재(c)로 구성될 수 있다.

그러나, 각각의 코어를 흐르는 제1 상 전류, 제2 상 전류 및 제3 상 전류가 그 크기가 다르거나 각각 120도 위상차를 유지하지 못하는 경우에는 일반 도체 선재로 구성되는 차폐층에는 차폐 전류가 크게 증가할 수 있으며, 그러한 경우 일반 도체 선재(c)로 구성되는 차폐층(180)은 발열이 심화될 수 있으므로, 차폐층(180)에 적어도 하나의 초전도 선재(미도시)를 포함하여 구성할 수 있다.

그리고 도 1에 도시되지 않았으나 각각의 초전도 도체층(130) 등의 내부 또는 외부에는 초전도 선재의 모서리 부분에서 발생하는 전계 집중을 완화하고, 전계 분포를 고르게 하기 위해 반도전층 등이 구비될 수 있다. 반도전층은 반도전 테이프를 복층으로 권선하는 방법으로 구성할 수 있다.

상기 코어(100) 외측에는 상기 코어(100)를 냉각하기 위한 액상 냉매가 상기 일방향과 반대방향으로 유동하는 상기 제2 냉매 금속관(300b)이 구비될 수 있다. 상기 제1 냉매 금속관(300a)과 상기 제2 냉매 금속관(300b) 중 어느 하나는 냉각된 냉매가 공급되고, 다른 하나의 냉매 금속관은 냉각에 사용된 냉매가 회수되는 배관으로 사용될 수 있다.

초전도 케이블은 포설 구간의 미리 결정된 간격으로 중간 접속함이 구비되고, 포설구간 양단에는 종단 접속함과 냉각장치 등이 구비될 수 있다. 따라서, 냉각장치는 압력을 높이고 냉각된 냉매가 초전도 케이블로 공급되어 코어(100)의 냉각에 사용되고, 다시 회수되는 냉매는 냉각장치에서 기액 분리, 압력 보강 및 냉각 후 재공급되는 방법이 사용될 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 초전도 케이블은 케이블 최내측에 제1 냉매 금속관(300a)이 구비되고, 코어(100)의 외측에 제2 냉매 금속관(300b)이 구비되어, 각각의 금속관 내부의 냉매유로 중 하나는 냉매를 공급하는 경로로 사용되고, 다른 하나는 냉매가 회수되는 경로로 사용될 수 있으므로, 접속함 등에서 별도의 냉매 회수 배관을 구비하지 않을 수 있다.

상기 제2 냉매 금속관(300b)은 상기 제1 냉매 금속관(300a)과 마찬가지로 액상 냉매의 유로를 형성하며, 기계적 응력에 대한 강성 보강하기 위해, 알루미늄, SUS 등의 재질을 사용하며, 밴딩 특성을 위해 길이 방향으로 융기 및 함몰이 반복되는 굴곡 구조(corrugated)를 가질 수 있다.

상기 제2 냉매 금속관(300b) 역시 냉매의 유동 저항을 줄여 차압 손실을 최소화할 필요가 있으므로, 전술한 제1 냉매 금속관(300a)와 마찬가지로 후술하는 구조적 최적화가 필요하다.

상기 제2 냉매 금속관(300b) 외측에는 단열부(400)가 구비될 수 있다. 상기 단열부(400)는 반사율이 높은 금속필름에 열전도율이 낮은 고분자가 얇게 코팅된 단열재를 여러층으로 감은 방식으로 구성될 수 있다.

상기 단열부(400)를 구성하기 위하여 감겨지는 단열재의 층수는 열침입을 최소화 하기 위해 조절이 가능하며, 많은 층수 일수록 복사열 차단 효과는 높아지나, 진공부(500)의 두께를 감소시켜 대류에 의한 열차단 효과가 떨어지므로 적절한 층수를 사용하는 것이 필요하다. 상기 단열부(400)는 보온 및 복사에 의한 열교환 또는 열침입을 방지를 방지하는 효과를 얻을 수 있다.

상기 단열부(400) 외측에는 진공부(500)가 구비될 수 있다. 상기 진공부(500)는 상기 단열부(400)를 수용하는 진공 금속관(600) 내부의 공간을 의미하며, 내부를 진공화하여 상기 단열부(400)와 상기 진공 금속관(600) 사이의 대류 열침입 등을 방지할 수 있다. 그러나, 상기 단열부(400)와 진공 금속관(600)이 접촉되면 전도 열침입이 발생될 수 있으므로, 상기 단열부(400)와 상기 진공 금속관(600)의 접촉되는 것은 방지되어야 하며, 이를 위하여 상기 진공부(500)에는 열전도율이 낮은 재질의 적어도 하나의 스페이서(560) 등이 구비될 수 있다.

상기 스페이서(560)는 진공부(500) 내의 이격 공간 그 외측에 구비되는 진공 금속관(600) 등과 진공부(500) 내측의 단열부(400)가 접촉되는 것을 초전도 케이블의 전 영역에서 방지. 이격 공간 내에 적어도 1개, 통상적으로 3~4개의 스페이서(560)를 구비할 수 있다.

상기 스페이서(560)는 폴리 에틸렌(FEP, PFA, ETFE, PVC, P.E, 또는 PTFE) 재질일 수 있으며, 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. 불화 폴리에틸렌(예를 들면, 테프론 등)의 경우 열전도율이 낮아 전도 열침입을 최소화할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 상기 불화 폴리에틸렌 재질로 스페이서(560)를 구성하는 경우 낮은 열전도율 이외에도 완벽한 화학적 비활성 및 내열성, 비점착성, 우수한 절연 안정성, 낮은 마찰계수 등의 특성에 의하여 금속관에 의한 마찰 손상 또는 변형 등이 최소화될 수 있다.

상기 스페이서(560)는 원형 다각형 등의 형상일 수 있고, 내부가 중공형으로 구성될 수도 있다. 상기 스페이서(560)의 최대폭은 4 밀리미터(mm) 내지 8 밀리미터(mm) 정도일 수 있다.

상기 진공 금속관(600) 역시 냉매 금속관(300)과 마찬가지로 기계적 응력에 대한 강성 보강하기 위해, 알루미늄, SUS 등의 재질을 사용하며, 밴딩 특성을 위해 길이 방향으로 융기 및 함몰이 반복되는 굴곡 구조(corrugated)를 가질 수 있다.

상기 진공 금속관(600) 외측에는 외부자켓(700)이 구비될 수 있다. 상기 외부자켓(700)은 통상적인 전력용 케이블과 동일한 재질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 외부자켓(700)은 PE와 PVC 재질로 구성될 수 있다.

상기 외부자켓(700)에 의하여 금속관의 부식을 방지하고, 외력으로부터 케이블을 보호할 수 있다.

도 2에 도시된 초전도 케이블은 도 1에 도시된 초전도 케이블과 마찬가지로 3상 초전도 전력을 공급할 수 있으나, 상별 초전도층이 적층되는 구조가 아니라 각각의 상별 코어가 하나의 냉매 금속관 내부에 수용되는 구조를 가질 수 있다.

도 2에 도시된 초전도 케이블은 냉매 회수배관이 별도로 구비되는 방식으로 케이블 내에 냉매 금속관은 하나가 구비되고, 냉매 금속관 내부에 3개의 독립된 코어를 구비하고, 각각 120도의 위상차를 갖는 제1 상 전류, 제2 상 전류 및 제3 상 전류(R, S, T 상)가 흐르게 될 수 있다.

각각의 제1 코어, 제2 코어 및 제3 코어는 일반 도체로 구성되는 포머 , 상기 포머 둘레에 초전도 선재(SC)를 배치하여 구성되며 전력 공급을 위한 초전도 도체층 (130), 상기 초전도 도체층(130)을 감싸는 종이 재질의 절연층 , 상기 절연층 둘레에 초전도 선재(SC)를 배치하여 구성되며 차폐 전류의 통전을 위한 차폐층(180)을 각각 포함하여 구성될 수 있다.

그리고, 3개의 코어(100a, 100b, 100c)는 하나의 냉매 금속관(300) 내부에 수용되고, 상기 냉매 금속관 내측에는 초전도 조건인 극저온 조건 형성을 위한 액상 냉매가 흐르며 3개의 코어를 함께 냉각한다.

상기 냉매 금속관(300)은 냉매가 회수되는 냉매 회수배관과 달리 차압 손실 등이 발생되는 경우, 시스템의 안정성에 큰 영향을 미치므로 냉매의 유동저항을 최소화해야 함은 도 1에 도시된 초전도 케이블과 마찬가지이다.

그리고, 상기 냉매 금속관(300) 외주면에 주로 복사에 의한 열침입을 방지하기 위한 단열부(400)가 감싸지고, 상기 단열부 (400) 외측에는 대류 또는 전도에 의 한 열침 입을 방지하기 위한 진공부(500)가 구비될 수 있다.

상기 진공부(500)는 상기 단열부 (400) 외측과 진공 금속관(600) 사이의 공간을 의미하며, 상기 진공부 (500) 내부에는 상기 단열부(400)와 상기 진공 금속관(600)의 접촉을 방지하기 위한 스페이서(560)가 적어도 하나 이상 구비될 수 있다. 상기 진공 금속관(600) 외측에는 일반 전력 케이블과 마찬가지로 케이블 보호를 위한 외부자켓 (700) 등이 구비될 수 있다.

도 3은 도 1 또는 도 2에 도시된 초전도 케이블의 냉매 금속관의 사시도와 일부 구간의 단면도를 도시한다.

본 발명에 따른 초전도 케이블용 냉매 금속관은 초전도 선재가 구비된 초전도 도체층을 포함하는 코어의 극저온 냉각을 위한 액상 냉매가 유동하는 초전도 케이블용 냉매 금속관에 있어서, 상기 냉매 금속관은 골과 마루가 반복되는 코러게이션 구조를 가지며, 상기 냉매 금속관의 외표면의 마루와 마루의 최고점 사이의 간격 또는 골과 골의 최저점 사이의 간격을 피치(P)로 정의하고, 마루의 최고점과 골의 최저점의 높이의 차를 파고(H)로 정의하고, 상기 냉매 금속관 내부를 유동하는 액상 냉매의 냉매 금속관의 단위 길이당 압력 저하를 차압손실(PL)로 정의하는 경우, 상기 피치(P), 상기 파고(H) 및 상기 차압손실(PL)은 아래의 관계를 만족할 수 있다. 이 경우, 차압손실(PL) = a - b * 피치(P) + c * 파고(H), 상수 a, b 및 c는 양의 실수이며, 각각의 상수는 1.2 < a < 1.6, 0.2 < b < 0.3 및 2.8 < c < 3.2 범위를 만족하고, 상기 차압손실(PL)의 단위는 mbar/m 이고, 상기 피치(P) 및 상기 파고(H)의 단위는 mm일 수 있다.

도 3(a)에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 초전도 케이블용 냉매 금속관은 알루미늄 또는 SUS 재질로 구성되며 골과 마루가 반복되는 코러게이션 구조를 갖도록 구성될 수 있다.

여기서, 상기 냉매 금속관에 형성되는 마루와 골 중 마루는 돌출된 부분이며, 골은 오목한 골짜기 부분을 의미하며, 피치(P)는 냉매 금속관의 골과 골 사이의 거리를 의미하고, 파고(H)는 냉매 금속관의 골과 마루 사이의 최대 높이차를 의미한다. 즉, 상기 파고(H)는 방법은 냉매 금속관의 표면에서 마루의 최대점과 골의 최저점의 높이차를 측정하는 방법으로 결정할 수 있다.

그리고 냉매 금속관의 내부 직경은 냉매의 유로가 되는 냉매 금속관 내부의 직경을 의미하며 최소 내부 직경은 골과 마루가 반복되는 냉매 금속관의 내표면의 단면 기준으로 최소의 직경을 의미하며, 냉매 금속관의 외부 직경은 냉매 금속관의 외표면의 단면 기준으로 최대의 직경을 의미한다.

충분한 냉매를 유동하며 초전도 케이블의 전체 직경의 크기를 제한하기 위하여, 상기 냉매 금속관의 골과 마루에 의하여 결정되는 상기 냉매 금속관의 최소 내부 직경(d)은 50 mm 이상 70 mm 이하이며, 상기 냉매 금속관의 최대 외부 직경(D)은 80 mm 내지 100 mm 를 만족하도록 구성되는 것이 바람직하다.

그리고 상기 차압손실은 냉매 금속관을 유동하는 냉매의 단위 길이 간격에 따른 압력저하를 의미한다.

도 4는 초전도 케이블의 냉매 금속관의 차압 손실을 측정하기 위한 시험장치의 구성도를 도시한다.

상기 차압 손실을 측정하기 위한 시험방법은 충분한 길이를 갖는 냉매 금속관의 입구에서 액상 냉매를 공급하고 냉매 금속관의 출구에서 냉매를 회수하며, 냉매를 펌핑하여 순환시키는 방법을 사용할 수 있다.

따라서, 도 4에 도시된 차압 손실 측정장치는 냉매 탱크(tank) 내에 극저온의 액상 냉매를 저장하고, 펌프(p)에 의하여 탱크(tank) 내에 저장된 액상 냉매를 냉매 금속관의 입구로 공급한다.

이 경우, 상기 냉매 금속관의 전체 길이(TL)는 10 미터(m) 이상이 되도록 할 수 있으며, 차압 손실은 냉매 금속관의 입구 또는 출구에서 측정할 수도 있으나, 냉매의 정상적인 흐름 내에서 측정되는 것이 바람직하므로 냉매 금속관의 미리 결정된 구간에서의 각각의 압력을 측정하여 그 차를 차압 손실로 판단할 수 있다.

즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 전체 길이(TL)가 10 미터(m) 이상인 냉매 금속관의 미리 결정된 7 m 내지 9 m 거리(L, 여기서 L < TL) 간격의 제1 지점(X1) 및 제2 지점(X2)에서 제1 압력 센서(ps1) 및 제2 압력 센서(ps2)를 설치하여 측정된 제1 압력(p1) 및 제2 압력(p2)의 차를 차압으로 판단한다.

그리고, 상기 거리(L)의 입구(i)를 통해 공급되는 액상 냉매(액상 질소)의 유량은 20 (ℓ/min, LPM) 내지 180 (ℓ/min, LPM) 범위를 만족하며, 상기 액상 질소의 시간당 유량은 0.8 kg/s 내지 1.2 kg/s 정도로 제어되는 것이 바람직하다.

정상적인 시험 조건의 유지 여부를 판단하기 위하여 탱크(tank)에서 냉매 금속관의 입구로 냉매를 공급하는 배관 상에는 적어도 하나의 온도 센서(Ts), 압력 센서(Ps) 및 유량 센서(Fs)를 구비하여 액상 냉매의 상태를 모니터링할 수 있으며, 적어도 하나의 밸브(v)를 구비하여 유량을 제어할 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 코러게이션 구조의 냉매 금속관의 피치와 파고와 차압 손실의 관계를 도시한다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 냉매 금속관의 피치(P), 상기 파고(H) 및 상기 차압손실(PL)이 차압손실(PL) = a - b * 피치(P) + c * 파고(H)의 관계를 갖는 것으로 확인되었다. 여기서, 각각의 상수인 a, b 및 c는 1.2 < a < 1.6, 0.2 < b < 0.3 및 2.8 < c < 3.2 범위를 만족한다.

도 5는 피치(P)와 파고(H)를 변화시켜 가며 차압 손실(PL)을 측정하였다. 각각의 색상별 그래프는 피치(P)의 값을 고정한 상태에서 파고(H)와 차압 손실(PL)의 관계를 도시한다.

각각의 피치(P) 값에 대한 차압 손실(PL)은 파고(H)에 대하여 일차 함수 형태의 경향성을 가짐을 확인할 수 있으며, 구체적으로 차압 손실(PL)은 파고(H)와 비례하는 것으로 확인되었다. 이는 파고(H)가 증대되면, 굽힘 특성 또는 강성 등에서는 유리하하지만 액상 냉매가 유동하는 과정에서 유동 저항이 커짐을 의미하는 것으로 유로 내부에서 발생된 난류 등은 압력 손실을 유발하는 것으로 이해된다.

그리고 도 5에 도시된 그래프의 청색 수평선은 통상적으로 요구되는 차압 손실의 상한값을 표시한다. 즉, 예를 들어 차압 손실의 허용치가 5 mbar/m인 경우에는, 시스템의 차압 손실이 5 mbar/m 이하가 되도록 상기 피치(P)와 상기 파고(H) 값을 결정할 수 있음을 의미한다.

구체적인 상황은 시스템의 설계 과정에서 전력 용량 등에 의하여 케이블의 직경, 즉 상기 냉매 금속관의 최소 내부 직경(d) 및 상기 냉매 금속관의 최대 외부 직경(D)이 결정된 상태에서, 상기 차압손실(PL)이 4 mbar/m 내지 6 mbar/m 범위의 특정 값 이하를 만족하도록 상기 피치(P) 및 상기 파고(H)의 크기를 결정할 수 있다.

물론, 상기 피치(P)와 상기 파고(H)가 결정된 상태에서 상기 차압손실(PL)이 4 mbar/m 내지 6 mbar/m 범위의 특정 값 이하의 조건 및 액상 냉매(액상 질소)의 유량은 20 (ℓ/min, LPM) 내지 180 (ℓ/min, LPM) 범위의 조건을 만족하도록 상기 냉매 금속관의 최소 내부 직경(d) 및 상기 냉매 금속관의 최대 외부 직경(D)을 결정할 수도 있다.

이와 같은 방법으로, 냉매 금속관의 피치와 파고의 크기를 최적화하여 냉매 금속관 내부를 유동하는 냉매의 유동저항을 최소화하여 냉매의 차압손실을 최소화하여, 초전도 전력 시스템의 냉각 성능 및 안정성을 향상시킬 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.

Claims (12)

1. 초전도 선재가 구비된 초전도 도체층을 포함하는 코어의 극저온 냉각을 위한 액상 냉매가 유동하는 초전도 케이블용 냉매 금속관에 있어서,
   상기 냉매 금속관은 골과 마루가 반복되는 코러게이션 구조를 가지며, 상기 냉매 금속관의 외표면의 마루와 마루의 최고점 사이의 간격 또는 골과 골의 최저점 사이의 간격을 피치(P)로 정의하고, 마루의 최고점과 골의 최저점의 높이의 차를 파고(H)로 정의하고, 상기 냉매 금속관 내부를 유동하는 액상 냉매의 냉매 금속관의 단위 길이당 압력 저하를 차압손실(PL)로 정의하는 경우,
   상기 피치(P), 상기 파고(H) 및 상기 차압손실(PL)은 아래의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블용 냉매 금속관.
   - 아 래 -
   차압손실(PL) = a - b * 피치(P) + c * 파고(H),
   상수 a, b 및 c는 양의 실수이며, 각각의 상수는 1.2 < a < 1.6, 0.2 < b < 0.3 및 2.8 < c < 3.2 범위를 만족하고,
   상기 차압손실(PL)의 단위는 mbar/m 이고, 상기 피치(P) 및 상기 파고(H)의 단위는 mm.
2. 제1항에 있어서,
   상기 냉매 금속관의 골과 마루에 의하여 결정되는 상기 냉매 금속관의 최소 내부 직경(d)은 50 mm 이상 70 mm 이하이며, 상기 냉매 금속관의 최대 외부 직경(D)은 80 mm 내지 100 mm 를 만족하는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블용 냉매 금속관.
3. 제1항에 있어서,
   상기 차압손실(PL)은 전체 길이(TL)인 냉매 금속관의 미리 결정된 7 m 내지 9 m 거리(L, 여기서 L < TL) 간격의 제1 지점(X1) 및 제2 지점(X2)에서 측정된 압력차인 것을 특징으로 하는 초전도 케이블용 냉매 금속관.
4. 제3항에 있어서,
   상기 냉매 금속관의 입구를 통해 상기 거리(L) 구간의 냉매 공급관으로 공급되는 액상 냉매의 유량은 20 (ℓ/min, LPM) 내지 180 (ℓ/min, LPM)인 것을 특징으로 하는 초전도 케이블용 냉매 금속관.
5. 제4항에 있어서,
   상기 냉매는 액상 질소이며, 상기 액상 질소의 시간당 유량은 0.8 kg/s 내지 1.2 kg/s인 것을 특징으로 하는 초전도 케이블용 냉매 금속관.
6. 제2항에 있어서,
   상기 냉매 금속관의 최소 내부 직경(d) 및 상기 냉매 금속관의 최대 외부 직경(D)이 결정된 상태에서, 상기 차압손실(PL)이 4 mbar/m 내지 6 mbar/m 범위의 특정 값 이하를 만족하도록 상기 피치(P) 및 상기 파고(H)의 크기를 결정하는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블용 냉매 금속관.
7. 초전도 케이블의 초전도 선재를 포함하는 초전도 도체층을 포함하는 코어;
   상기 코어를 수용하며, 액상 냉매가 유동하는 제1항의 초전도 케이블용 냉매 금속관;
   상기 냉매 금속관 외부에 단열재를 횡권하여 구성되는 단열부;
   상기 단열부 외측에 구비되는 진공부;
   상기 진공부에 의하여 상기 단열부와 이격되도록 배치된 외부 냉매 금속관; 및,
   상기 외부 냉매 금속관을 감싸는 외부자켓을 포함하는 초전도 케이블.
8. 제7항에 있어서,
   상기 냉매 금속관의 골과 마루에 의하여 결정되는 상기 냉매 금속관의 최소 내부 직경(d)은 50 mm 이상 70 mm 이하이며, 상기 냉매 금속관의 최대 외부 직경(D)은 80 mm 내지 100 mm 를 만족하는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
9. 제7항에 있어서,
   상기 차압손실(PL)은 전체 길이(TL)인 냉매 금속관의 미리 결정된 7 m 내지 9 m 거리(L, 여기서 L < TL) 간격의 제1 지점(X1) 및 제2 지점(X2)에서 측정된 압력차인 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
10. 제9항에 있어서,
    상기 냉매 금속관의 입구를 통해 상기 거리(L) 구간의 냉매 공급관으로 공급되는 액상 냉매의 유량은 20 (ℓ/min, LPM) 내지 180 (ℓ/min, LPM)인 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
11. 제10항에 있어서,
    상기 냉매는 액상 질소이며, 상기 액상 질소의 시간당 유량은 0.8 kg/s 내지 1.2 kg/s인 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
12. 제8항에 있어서,
    상기 냉매 금속관의 최소 내부 직경(d) 및 상기 냉매 금속관의 최대 외부 직경(D)이 결정된 상태에서, 상기 차압손실(PL)이 4 mbar/m 내지 6 mbar/m 범위의 특정 값 이하를 만족하도록 상기 피치(P) 및 상기 파고(H)의 크기를 결정하는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.

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