KR20010099962A - 초전도 케이블 - Google Patents

Abstract

본 발명은 a) 초전도 재료를 포함하는 테이프 층(20); b) 상기 초전도 재료를 포함하는 테이프 층(20)을 지지하기 위한 것으로, 적어도 하나의 금속 재료로 만든 부분을 구비하고, 상기 초전도 재료를 포함하는 테이프 층(20)과 전기적으로 접촉하는 관형 요소(6); 및 c) 상기 초전도 재료를 임계온도보다 높지 않은 작업 온도로 냉각시키기에 적합하고, 최소값과 최대값 사이에 있는 소정의 작업 압력에서 유체를 포함하는 냉각 회로를 구비한 적어도 하나의 상을 갖고, 여기서 실온과 케이블의 작업 온도 사이의 온도 변화의 결과로 일어나는, 상기 초전도 케이블을 포함하는 테이프의 변형률이 상기 동일 테이프의 임계 변형률 보다 더 낮은 초전도 케이블에서, 초전도 재료의 층(20)과 전기적으로 접촉하는 소정량의 저항형 도전 재료가 존재하여, 단락 시에 초전도 재료에 의해 달성되는 최대 온도가 초전도 재료의 임계 온도와 상기 유체의 최소 작업 압력에서 상기 냉각 유체의 비등 온도 사이의 최소 온도보다 더 낮은 것을 특징으로 하는 초전도 케이블(1)을 제공한다.

Description

초전도 케이블{SUPERCONDUCTING CABLE}

초전도 케이블의 분야에서, 케이블을 단락 과전류로부터 보호하고, 그에 따라, 단락이 발생할 때마다 초전도 재료를 초전도 상태, 다시 말해서, 임계 온도 이하로 확실히 유지하는 문제가 특히 주목되어 왔다.

종래 기술은 공통 베이스(common base)로 단락 과도현상 후 상기 케이블을 임계 온도 이하로 유지하는 기준을 갖는 일련의 안정성 기준들을 제시함에 따라 이러한 문제에 대처할 것을 제안한다.

초전도 케이블에 대한 상기 안정성 기준의 개략적인 내용은 특히 하기 간행물들(E. W. Collings, "Flux-jump stability and cryostability in ceramic superconductors for 80 K", MRS Int'I. Mtg. on Adv. Mats. Vol. 6, 1989 Material Research Society, 및 "Conductor Design with High-Tc ceramic -- a review", 2^ndInt. Symposium on Superconductivity, Nov. 1989, Japan)에서 볼 수 있다.

이와 같은 간행물들에서는, 극저온냉각안정성 기준들(cryostability criteria)과 "플럭스 점프 안정성"(flux-jump stability)이 구분되는데, 여기서 플럭스 점프 안정성이라 함은 초전도 케이블 안에서 플럭스 피크 발생 후 초전도 케이블의 안정화를 의미하는 것이다.

특히, 상술된 간행물들에 개시된 극저온냉각안정성 기준들은, 차례로, 적절히 냉각된 보통의 도전 재료가 초전도 재료와 결합될 때마다, 과전류가 초전도 재료를 그의 전체 또는 한정된 길이 각각에 대해서, 정상 상태로 이끈 후에 초전도 상태를 회복할 수 있게 하는, 완전한 안정성 또는 한정된 안정성으로 구별된다.

완전하고 한정된 극저온냉각안정성의 그러한 기준들은, 공통 베이스로, 단락 과도현상 동안 보통의 도체(normal conductor)의 기능을 갖고, 단락 과전류를 통과시키고 단락 동안 발생된 열을 제거하여, 초전도 재료의 임계 온도 이하로 남아있도록 하는 방식으로 초전도 재료에서의 온도 증가를 제한하는데 알맞은 케이블에서 소정량의 금속 재료를 사용하는 기준을 갖는다.

사실상, 단락 동안 초전도 재료는 그의 초전도 능력을 불량하게 하고 불량 전기 도체가 되어, 과전류가 보통의 도체를 통과하게 된다. 그러한 보통의 도체에 의해 이행된 전류 수송은 -만족스러운 양의 금속이 존재할 때- 일단 단락 과도현상이 끝나면, 초전도 재료를 초전도 상태로 복귀시킬 수 있는 도체 내에 에너지 손실을 수반한다.

상기 언급된 간행물에서, 완전하고 한정된 안정성의 기준 이외에도, 동적 단열 안정성의 기준들이 또한 기술되어 있다. 상기 언급된 간행물 중 두번째에 그리고 이토와 쿠토바의 문헌(T. Ito and H. Kutoba, Cryogenics 29, 621-624 (1989))에 개시된, 극저온냉각안정성에 대한 추가 기준은 소위 MPZ(minimal propagation zone)에 대한 안정성 기준이다. 또한 그러한 기준은 보통의 도체가 초전도 재료에 결합하는 것을 고려한 것이고 재료의 종방향을 따르는 도전률(conductivity)에 관하여 초전도 케이블을 안정화시킨다.

상술된 안정성 기준은 또한 초전도 케이블에 단독으로 또는 서로 결합하여 적용될 수도 있다.

본 출원인의 유럽 특허 출원 EP 97202433.5호는 금속 호일에 결합된 것으로, 3‰보다 큰 최대 인장 변형률을 갖는 초전도 테이프를 개시한다.

본 출원인은 초전도 케이블 그리고 그 중에서도 고온의 초전도 재료가 사용되는 케이블에 대한 완전한 단열 안정성의 기준의 적용이 일련의 단점들을 수반한다는 것을 알아냈다. 사실, 그러한 안정성 기준을 완전히 따르기 위해서는, 상당한 양의 금속 재료(보통의 도체)를 사용해야 하는데, 이는 한편으로는 케이블의 제조를 힘들게 하고, 케이블의 최대 길이를 제한하며, 케이블의 설치를 더욱 어렵게 하는 케이블의 중량과 체적이 커지는 문제와 관련되고, 다른 한편으로는 그 결과로 케이블의 전체 비용이 높아지는 문제와 관련된 잇따른 일련의 단점들을 갖는다.

더욱이, 본 출원인은 초전도 재료를 위한 지지 요소로서 금속 재료를 사용하는 것이, 초전도 재료의 열팽창 계수에 대하여 사용된 금속의 열팽창 계수가 다르기 때문에, 케이블이 냉각되는 동안 초전도 재료를 변형시키기 쉬운 스트레스의 셋업(set up)을 야기시킨다는 사실을 알았다.

사실, 본 출원인은 클램프 헤드(clamped heads)를 이용한 작업 배치에서 실온에서부터 사용된 냉각 액체(예를 들어 액체 질소)의 온도까지 케이블을 냉각시키는 동안, 초전도 케이블을 구성하는 상기 요소는 반경 방향(상기 케이블을 구성하는 재료의 상이한 열 팽창 계수 때문에) 그리고 종방향(클램프 헤드 배치 때문에) 모두에서 초전도 재료를 손상시킬 위험이 있는 다수의 스트레스를 받게 된다는 것을 알아냈다.

이런 점에서, 초전도 재료의 층 상에서 종방향으로 발생된 스트레스는 그것들이 초전도성의 상태에서 전류를 전송할 수 있는 능력에 영향을 미칠 수 있는 표면 균열의 발생을 일으킬 수 있기 때문에 특히 해롭다.

본 발명은, 일반적인 측면에서, 소위 초전도 상태, 즉 거의 제로의 전기 저항(null electric resistance) 상태에서 전류를 전송시키는데 사용되는 케이블에 관한 것이다.

더욱 상세하게는, 본 발명은:

a) 초전도 재료를 포함하는 테이프 층(20),

b) 상기 초전도 재료를 포함하는 테이프 층(20)을 지지하기 위한 것으로, 적어도 하나의 금속 재료로 만든 부분을 구비하고, 상기 초전도 재료를 포함하는 테이프 층(20)과 전기적으로 접촉하는 관형 요소(6), 및

c) 상기 초전도 재료를 임계온도보다 높지 않은 작업 온도로 냉각시키기에 적합하고, 최소값과 최대값 사이에 있는 소정의 작업 압력에서 유체를 포함하는 냉각 회로를 구비한 적어도 하나의 상을 갖고,

여기서 실온과 케이블의 작업 온도 사이의 온도 변화의 결과로 일어나는, 상기 초전도 케이블을 포함하는 테이프의 변형률이 상기 동일 테이프의 임계 변형률 보다 더 낮은 초전도 케이블(1)에 관한 것이다.

하기의 설명과 그 뒤에 오는 청구의 범위에서, 초전도 재료란 용어는 예를 들어 특수 니오브-티탄 합금이나, 또는 구리, 바륨 및 이트륨의 혼합 산화물 또는비스무트, 납, 스트론튬, 칼슘, 구리, 탈륨 및 수은의 혼합 산화물을 주성분으로 하는 세라믹과 같은 것으로, 임계온도(이하에서는 또한 간단하게 Tc로 표현함)로 정의된, 주어진 온도하에서 실질적으로 제로의 저항률(null resistivity)을 갖는 초전도 상을 포함하는 재료를 나타낸다.

초전도 케이블이란 용어는 초전도 재료의 층을 포함하는 적어도 하나의 도전성 요소를 구비한 전력 전송용 케이블을 나타낸다.

기존의 또는 저항성 케이블, 또는 저항형 도전 재료란 용어는 비초전도 재료를 포함하는, 즉, 비제로의 저항(non null resistance)을 갖는 전기 도전성 요소를 사용하는 케이블을 나타낸다.

마지막으로, 하기의 설명과 그 뒤에 오는 청구의 범위에서, 고전력용 케이블이란 용어는, 일반적으로 3,000 A를 초과하는 양의 전력을 전송하는데 사용되는 케이블을 나타내며, 그 정도는 유도 자기장이 초전도 상태에서 달성할 수 있는 최대 전류 밀도 값을 감소시키기 시작하는 양이다.

본 발명의 추가 특징 및 장점에 대해서는 하기에 첨부 도면에 관련하여 만든 몇 가지 바람직한 실시예에 대한 하기의 상세한 설명으로부터 더욱 명확히 나타날 것이다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 동축 다중요소 삼상 초전도 케이블의 부분 단면의 사시도를 보여주고;

도 2는 도 1의 동축 케이블의 요소의 부분단면 확대 사시도를 보여주고;

도 3은 상 도체 및 복귀 도체 모두에 보강 호일이 제공된, 도 1의 동축 케이블의 요소에 대한 제2 실시예의 부분단면 확대 사시도를 보여주고;

도 4는 본 발명의 추가 실시예에 따른 단일상, 다중요소 비동축 초전도 케이블의 부분단면 확대 사시도를 보여준다.

첫 번째 양상에 따르면, 본 발명은 상술된 타입의 초전도 케이블에 관한 것으로, 초전도 재료의 층과 전기적으로 접촉하는 소정량의 저항형 도전 재료가 존재하여, 단락 시에 초전도 재료에 의해 달성되는 최대 온도가 초전도 재료의 임계 온도와 상기 냉각 유체의 최소 작업 압력에서 상기 유체의 비등 온도 사이의 최소 온도보다 더 낮은 것을 특징으로 하는 초전도 케이블에 관한 것이다.

바람직하게는, 상기 층과 전기적으로 접촉하는 금속 재료의 양 그리고 특히 초전도 재료의 층의 지지 요소에 존재하는 양은 하기 설명에서 보고되는 완전 단열 안정성의 기준을 적용하여 결정된다.

본 발명에 따르면, 자유 수축이 불가능하기 때문에 냉각 동안 초전도 재료에 발생되는 종방향 응력을 감소시켜, 그로 인해 초전도 재료의 손상 발생을 제한하고 따라서 초전도 상태에서 전송 능력의 감소를 제한할 수 있게 된다.

본 발명의 두 번째 양상에서, 본 발명은 소정량의 금속 재료를 포함한 관형 요소에 의해 지지되는 금속 코팅 내에 포함된 적어도 하나의 초전도 재료 층을 구비하고, 상기 소정량의 금속 재료와 상기 층이 전기적으로 접촉하며, 상기 초전도 재료 층이 냉각 유체에 의해 그 임계 온도보다 높지 않은 온도로 냉각되는 초전도 케이블용 도전성 요소에 관한 것으로, 상기 초전도 재료의 층과 전기적으로 접촉하는 소정량의 저항형 도전 재료가 존재하여, 단락 시에 초전도 재료에 의해 달성되는 최대 온도가 초전도 재료의 임계 온도와 상기 냉각 유체의 최소 작업 압력에서 상기 유체의 비등 온도 사이의 최소 온도보다 더 낮은 것을 특징으로 하는 도전성 요소에 관한 것이다.

본 발명의 세번째 양상에서, 본 발명은:

- 소정량의 금속 재료를 포함한 초전도 재료의 테이프를 지지하기 위한 것으로, 초전도 재료의 테이프와 전기적으로 접촉하는 적어도 하나의 관형 요소를 제공하는 단계,

- 상기 적어도 하나의 지지 관형 요소의 표면 상에 상기 초전도 재료의 테이프를 나선형으로 감는 단계,

- 상기 초전도 재료를 냉각 액체에 의해 그 임계 온도보다 높지 않은 온도로 냉각하는 단계를 구비한 초전도 케이블의 초전도 재료의 테이프에서 종방향으로 야기된 스트레스를 제한하는 방법에서,

- 상기 초전도 재료의 테이프에 결합된 금속 재료로 만든 적어도 하나의 보강 호일을 결합시키는 단계, 그리고

- 단락 시에 초전도 재료에 의해 달성되는 최대 온도가 초전도 재료의 임계 온도와 상기 냉각 유체의 최소 작업 압력에서 상기 유체의 비등 온도 사이의 최소 온도보다 더 낮게 하는 방식으로, 초전도 재료의 층과 전기적으로 접촉하는 금속 재료의 전체 양을 결정하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 방법에 관한 것이다.

본 발명의 제1 실시예에 따르면, 실온과 케이블의 작업 온도 사이의 온도 변화의 결과로 일어나는, 초전도 재료를 포함하는 상기 테이프의 변형률은, 바람직하게는 실질적으로 비가역적인 방법으로, 초전도 테이프의 금속 코팅에 결합되고 초전도 재료와 전기적으로 접속되는 금속 재료의 적어도 하나의 보강 호일을 포함하는 초전도 재료의 층에 종방향으로 가해진 스트레스를 제한하는데 알맞는 수단을 제공함으로 인하여, 상기 테이프의 임계 변형률보다 낮다.

이런 방법으로, 단락 과도현상 동안, 과전류는 상기 테이프의 금속 재료, 상기 지지 관형 요소의 금속 재료 및 상기 보강 호일 사이에 분배되고, 상기 재료들은 초전도 재료와 평행하게 전기적으로 접속되어 있고 저항형 도체(resistive type conductor)를 구성하는데, 상기 보강 호일은 고려하지 않는다. 단락 과도현상의 끝에는, 전류가 초전도 재료에 의해 초전도 상태로 다시 전송될 수 있다.

상세하게는, 상기 도전성 요소에서 상기 테이프의 금속 재료와 일측에서 상기 지지 관형 요소의 금속 재료와의 전기적 접속, 그리고 타측에서 상기 보강 호일과의 전기적 접속은 상기 재료들을 서로 직접 접하게 배치하거나 또는 상기 재료들 사이에 공지된 도전성 요소들을 개재시킴으로써 이루어진다.

바람직하게는, 상기 보강 호일은 그 두께가 상기 금속 코팅 두께의 절반보다 높지 않고, 이롭게는 설치 또는 사용 도중에 가해지는 다양한 기계적 또는 열적 스트레스에서 케이블의 도전성 요소의 저항을 증가시키는데 기여한다.

더욱 더 바람직하게는, 상기 두께는 0.03과 0.08 mm 사이에 포함된다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 케이블의 도전성 요소에 가해진 여러가지 스트레스에 대한 상기 요소의 저항은 이롭게는 더 증가될 수 있어서 상기 초전도 재료가 종방향을 따라 소정의 프리스트레스도(prestress degree)를 받게 한다.

그러한 프리스트레스는 바람직하게 보강 호일을 초전도 재료의 테이프의 코팅재료에 결합시키면서, 동시에 상기 호일에 대체로 종방향을 따라 배향된 인장 스트레스를 인가함으로써 얻어진다.

이롭게는, 그러한 초전도 재료의 프리스트레스는 상기 케이블이 실온에서부터 냉각 유체의 온도까지 냉각될 때 케이블의 클램프 헤드 배열에서 초전도 재료에인가된 인장 효과를 부분적으로 보상할 수 있다.

더욱 상세하게는, 본 출원인은 동일한 재료(및 그에 따른 열 팽창 계수), 케이블의 동일한 기하학적 배열(geometry) 및 냉각 동안 동일한 온도 감소를 이용할 때 보강 호일이 부착되어 있지 않은 테이프가 제공된 초전도 케이블보다 상기 케이블에서 사용된 초전도 재료의 초전도 상태에서 전송 용량의 감소가 더 적다는 것을 알아냈다.

바람직하게는 상술된 유형의 보강 테이프가 부착된 도전성 요소는 공지의 장치, 예를 들어 하나는 권선용이고 다른 하나는 풀림(unwinding)용이며 둘 중 하나가 적절히 제동되는, 두개의 코일에 의해서 3.4*10⁷Pa (3.5 kg/mm²)와 34.3*10⁷Pa (35 kg/mm²) 사이에 포함된 인장 스트레스를 보강 호일에 인가함으로써 얻어진다.

그러한 인장 스트레스로 인해, 그와 같이 얻어진 보강 테이프의 초전도 재료는 하기와 같이 정의되고, 0.05와 0.2 % 사이에 포함된 종방향으로의 % 프리스트레스도 또는 "γ"를 갖는다:

γ = [(L_i-L_f)/L_i] * 100

여기서:

L_i= 테이프의 초기 길이;

L_f= 프리스트레스를 받은 후 테이프의 최종 길이.

대안적인 실시예에서, 초전도 재료의 층에서 종방향으로 가해진 스트레스를제한하는데 적합한 수단은 금속 코팅의 양쪽면에 결합된 두개의 보강 호일을 포함할 수도 있다.

바람직하게는, 상기 보강 호일 및 금속 코팅은 용접 또는 납땜에 의해 대체로 비가역적으로 그리고 일단 결합이 되면 초전도 재료의 소정의 프리스트레스가 유지될 수 있을 정도로 서로 결합된다. 이롭게는, 상기 보강 호일과 상기 초전도 재료의 금속 코팅 사이의 소정의 전기 접촉은 용접 또는 납땜에 의해 결합된 경우에는 자동으로 보장된다.

이롭게는, 본 발명의 케이블은 5°와 60°사이, 바람직하게는 10°와 40°사이에 포함된 권선 각도에 따라 상기 지지 관형 요소의 표면에 나선형으로 감긴 다수의 초전도 테이프를 구비한다. 그와 같은 방식으로, 이롭게도 각각의 상기 테이프의 내부에 발생될 가능성이 있는 기계적 스트레스를 더욱 감소시킬 수 있다.

바람직하게는, 보강 호일 또는 호일들 및 상기 적어도 하나의 초전도 테이프의 금속 재료는 구리, 알루미늄, 은, 마그네슘, 니켈, 청동, 스테인리스 스틸, 베릴륨 및 그들의 합금을 포함하는 군으로부터 선택된 금속으로 이루어진다.

더욱 더 바람직하게는, 상기 초전도 테이프 또는 테이프들의 금속 코팅에 결합된 상기 보강 호일 또는 호일들은 스테인리스 스틸, 바람직하게는 에이마그네틱(amagnetic), 청동, 베릴륨, 알루미늄 및 그들의 합금을 포함하는 군으로부터 선택된 금속으로 이루어지는 반면, 상기 테이프의 금속 코팅은 은, 마그네슘, 알루미늄, 니켈 및 그들의 합금을 포함하는 군으로부터 선택된 금속으로 이루어진다.

본 발명의 제2 실시예에 따르면, 초전도 재료의 층에서 종방향으로 가해진 스트레스를 제한하는데 적합한 수단은 상술된 지지 관형 요소를 포함하는 바, 상기 지지 관형 요소는 본 실시예에서 실질적으로 복합형인 것으로, 이는 제1 금속 재료 및 상기 제1 재료에 결합되고 상기 제1 재료의 것보다 더 큰 열팽창 계수를 갖는 제2 재료를 포함하고 있다.

이롭게는, 상기 지지 관형 요소는 동시에 초전도 재료의 층에서 종방향으로 가해진 스트레스를 제한하는데 적합한 수단으로서 그리고 초전도 재료를 기계적으로 지지하는데 적합한 수단으로서 작용하며, 동시에, 초전도 재료와 전기적으로 접속하여, 단락 과도현상 동안 케이블을 안정화시키는데 충분한, 금속 양을 제공한다.

본 출원인은 사실 오로지 금속 재료로만 이루어진 것이 아닌, 실질적으로 복합 지지 관형 요소의 사용이 반경 방향과 종방향으로 초전도 재료에 제공된 스트레스를 줄일 수 있게 한다는 것을 알았다.

특히, 그러한 복합 지지 관형 요소는 더 높은 열팽창 계수를 갖는 상술된 제2 재료의 존재 덕에, 초전도 재료의 것보다 더 높은 전반적인 열팽창 계수를 갖고, 따라서 케이블의 냉각 단계 동안 완전히 금속 지지체에 비해 더 많이 반경방향으로 수축할 수 있다.

이러한 방법으로, 본 발명에 따르는 상기 복합 지지체는 초전도 재료가 종방향으로 더 많이 수축하도록 하고, 따라서 소위 강제 수축(constrained shrinking)으로 인한 초전도 재료 내에서 종방향으로의 스트레스를 감소시킬 수 있다.

부가적으로, 복합 지지 관형 요소의 사용은 이롭게는 실질적인 방법으로 또한 복합 지지 관형 요소의 제2 재료가 또한 제1 금속 재료의 것보다 더 낮은 영 계수(E)를 가질 때마다, 완전히 금속으로 만든 관형 요소에 비해 단자상의 초전도 케이블의 말단까지 종방향으로 가해진 스트레스를 줄일 수 있다.

상기 케이블이 작동 중에 받는 종방향 스트레스는, 사실상, 상기 지지 관형 요소를 구성하는 재료의 열팽창 계수 및 각각의 영 계수(E)의 곱(product)에 비례한다.

부가적으로, 적당한 사이징(sizing)에 의해, 복합 지지 관형 요소는 보통의 도체로 작용하고 초전도 재료와 전기적으로 접속하고, 단락 과도현상 동안 케이블을 안정화하기에 충분한 상당량의 금속 재료를 포함한다. 특히, 단락 과도현상 동안, 초전도성의 특징을 일시적으로 잃어버린 초전도 재료에 의해 전송될 수 없는, 과전류가 초전도 재료와 전기적으로 접속하고 있는 금속 재료를 통과한다.

본 발명을 위해서, 상기 복합 지지 요소의 제조를 위한 제1 금속 재료는 바람직하게 77 K에서 < 5*10^-9Ωm의 저항률과, 77 K에서 > 10⁶J/m³K의 비열과, 77 K에서 > 5 W/mK의 열전도율을 갖는 금속이다.

상세하게는, 상기 복합 지지 요소의 제1 금속 재료는 구리, 알루미늄 및 이들의 합금을 포함하는 군으로부터 선택된다.

바람직하게는, 상기 제2 재료는 비금속 재료이며, 17*10^-6℃^-1보다 높은, 바람직하게는 20*10^-6℃^-1보다 높은, 더욱 더 바람직하게는 40 및 60*10^-6℃^-1사이에포함된 열 팽창 계수를 갖는다.

바람직한 실시예에서, 상기 제2 비금속 재료는 플라스틱 재료이다.

본 발명을 위해, 상기 플라스틱 재료는 예를 들어 나일론과 같은 폴리아미드, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리에틸렌을 포함하는 군으로부터 선택되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 복합 지지 요소를 제조할 때 사용되는 몇 가지 재료들에 대한 실온과 77K 사이에서의 열 수축율(ε) 및 77K에서의 영 계수(E) 값이 하기 표에 나타나 있다.

재료	ε(%)	E (GPa)
Cu	0.30	100
Al	0.39	77
Ag	0.36	100
PTFE	2.00	5

바람직한 실시예에서, 상기 제1 및 제2 재료들은 인접한 환상 섹터로 형성된다. 이러한 디자인은, 특히, 상기 복합 관형 요소의 제조 단계를 용이하게 한다.

본 발명을 위해서, 상기 제1 및 제2 재료의 섹터의 수와 그러한 섹터의 배열은 케이블의 구성 요건을 바탕으로 당업자에 의해 쉽게 결정될 수 있다.

바람직하게는, 상기 복합 지지 관형 요소를 제조하기 위해 섹터의 수는 3개와 50개 사이에 포함된다. 바람직한 실시예에서, 이러한 숫자는 상기 복합 지지 관형 요소의 외경 및 상기 섹터의 두께의 함수로서 상기 섹터의 두께 "s"와 폭 "l"사이의 비율 "K"가 0.4와 0.7 사이에 포함되는 정도에서 선택된다.

상기 제1 및 제2 재료의 섹터는 교대로 하나씩 배열되는 것이 바람직하다. 그러한 배열은 사실상 비교적 균일한 기계적 특성을 갖는 지지 관형 요소를 만들 수 있게 하는데, 상기 기계적 특성은 지지 관형 요소를 제조하는데 사용된 스트랜딩 기계(stranding machine)의 만족스러운 동적 안정성(satisfactory dynamic stability)과 상기 케이블이 냉각되는 동안 전체적으로 복합 지지 관형 요소의 기계적 조화(mechanical congruence)를 모두 보장할 수 있도록 해준다.

상기 제1 및 제2 재료의 환상 섹터는 5°와 50°사이에 포함된 권선 각도에 따라 나선형으로 감기는 것이 바람직하다. 그런 식으로, 인접한 섹터들 사이에서 만족스러우면서도 지속적인 클램핑(clamping)을 확보할 수 있다.

대안적인 실시예에서, 초전도 재료의 상기 복합 지지 관형 요소는 상기 제1 금속 재료로 필수적으로 이루어진 얇은 호일 또는 와이어가 감기는 상기 제2 재료로 필수적으로 이루어진 내부 관형 요소를 구비할 수도 있다.

또한 이러한 경우에 그리고 위에서 설명된 것처럼, 호일 또는 와이어는 내부 관형 요소 상에 나선형으로 감기는 것이 이로울 수 있다.

본 발명의 제3 실시예에 따르면, 초전도 재료의 층에서 종방향으로 가해진 스트레스를 제한하는데 적합한 수단은 상술된 복합 관형 요소 및 초전도 재료의 테이프 또는 테이프들에 결합된 적어도 하나의 금속 보강 호일을 포함한다.

본 발명의 초전도 케이블은 동축 및 비동축 케이블 모두 일 수 있다.

하기 설명과 그 이후에 오는 청구의 범위에서, 동축케이블이란 용어는 지지관형 요소와, 상기 지지 관형 요소를 동축으로 둘러싸고 있는 상 도체(phase conductor)와, 상기 상 도체의 바깥쪽에 있는 유전물질 층과, 그리고 상기 유전물질 층에 의해 지지되고 상기 상 도체와 동축인 복귀 도체(return conductor)를 구비하는 케이블을 나타낸다.

본 발명을 위해서, 상기 복귀 도체 안에는, 상 도체 안에서 순환하는 전류에 의해 발생된 것과 같은 자기장 및 반대 자기장을 발생시키기 위해, 상 도체 안에서 순환하는 것과 같은 전류 및 반대 전류가 흘러서, 두개의 도체 사이에 포함된 케이블 부위에 자기장을 국한시키고 상기 복귀 도체의 바깥에서 지지된 케이블 부위에서 낭비되는 전력을 줄일 수 있게 한다.

바람직하게는, 상기 복귀 도체는 금속 코팅 안에 포함된 초전도 재료 층을 구비하는 적어도 하나의 초전도 테이프 및 상기 금속 코팅과 전기적으로 접촉하고 단락 상태에서 상기 초전도 재료를 안정화시킬 수 있는 기능을 갖는 소정량의 금속 재료(안정화 금속)를 포함한다.

바람직하게는, 그 외에도, 상기 안정화 금속의 전체 양은 상 도체에 적용된 완전한 단열 안정성의 동일 기준을 적용시킴에 따라 결정되며, 하기 설명에서 보고될 것이다.

바람직하게는, 상기 안정화 금속은 복수개의 스트랩(straps) 또는 테이프에 분배되며, 0.1과 5 mm 사이에 포함된 두께를 갖고, 예를 들어 상기 초전도 테이프의 금속 코팅 위에 감기는 것처럼, 상기 초전도 테이프의 금속 코팅과 직접 접촉한다.

대안적인 실시예에서, 복귀 도체는 바람직하게는 대체로 비가역적으로, 상기 초전도 재료의 금속 코팅에 결합되고 상기 초전도 재료의 금속 코팅과 상기 안정화 금속 사이에 개재된 적어도 하나의 금속 보강 호일을 구비할 수도 있다.

상기 상 도체에 일어나는 것과 유사하게, 만약 복귀 도체가 단락 과도현상 동안 그의 초전도 용량(superconducting capacities)을 불량하게 하면, 전류는 안정화 금속 재료, 보강 호일(만약 존재한다면) 및 테이프의 금속 코팅(만약 존재한다면)을 통과하여 단락의 끝에서 초전도 재료에 다시 흐르게 된다.

적절하게, 상기 복귀 도체의 안정화 금속은 상기 초전도 테이프에 연결되고, 또한 상기 초전도 테이프와 같이 나선형으로 감긴, 예를 들어 구리 또는 다른 적당한 금속의 스트랩 또는 와이어에 분배될 수 있다.

바람직하게는, 본 발명의 초전도 케이블은 적당히 가압되고 과냉각된 냉각 유체에 의해 냉각되어, 케이블의 작동에 필요한 열교환을 보장하고 또한 케이블의 길이가 긴 경우에 대해서도, 초전도 재료의 임계온도보다 적당히 낮은 온도가 유지됨을 보장한다.

냉각 유체가 흐르는 동안, 사실, 냉각 유체는 동시에 케이블을 구성하는 요소들에 의해 흡수된 열의 결과로서, 증가하는 열, 그리고 케이블을 지나는 유압 손실과 냉각 유체의 약간의 난류로 인해, 증가하는 압력 손실을 모두 받게 된다.

따라서 이러한 현상을 고려하여 케이블의 작업 조건을 선택한다. 특히, 작업 조건은 상기 냉각 유체의 포화 곡선의 온도와 압력 값에서 가능한 멀리 떨어진 값으로 상기 냉각 유체를 유지하는 것이 바람직하다. 그러한 작업 조건은 냉각 유체의 상태 다이어그램에서 일부를 한정하는 소위 "작업 창(working window)" 안에 포함되는데, 상기 작업창 안에는 상기 초전도 재료를 그 임계온도 이하로 냉각하면서, 상기 냉각 유체를 액체 상태로 유지할 필요성에 관련해서 안전한 상태가 존재한다.

이롭게는, 가압되고 과냉각된 냉각 유체의 사용은 더욱이, 안정화 금속으로 사용된 금속 재료의 양을 줄일 수 있게 한다. 냉각 유체를 더 가압하고 과냉각할 수록, 더 적은 양의 금속이 사용된다.

바람직하게, 초전도 재료는 소위 고온 형(약 110K의 Tc)이고 약 63K 및 90K 사이에 포함된 온도까지 냉각된다.

그러한 냉각은 바람직하게는 10과 20 bar 사이에 포함된 작업 압력에서 냉각 유체로 액체 질소를 사용하여 달성된다.

본 발명에 따르면, 이미 설명된 초전도 케이블의 실시예는 여러 가지일 수 있다. 상세하게는 그리고 위에서 설명된 것처럼, 본 발명의 케이블은 동축 또는 비동축형일 수도 있고, 상 또는 세 개의 존재 상들이 단일요소 또는 다중요소일 수도 있으며, 전기적 절연은 저온 환경(냉 유전체(cold dielectric))에서 또는 실온(온 유전체(warm dielectric))에서 모두 있을 수 있고, 단열은 각각의 단일 상에서 또는 세 개가 결합된 상에서 행해질 수 있다.

도 1과 관련하여, 본 발명에 따른 동축 삼상 초전도 케이블(coaxial triphase superconducting cable)(1)은 포괄적으로 (2)로 표시되는 초전도 코어를 구비하는데, 상기 초전도 코어는 각상에 대해서 (3a), (3b), (3c)로 표시되는 복수개의 도전성 요소(3)를 구비하고, 상기 도전성 요소는 예를 들어 스틸, 알루미늄 등과 같은 금속으로 만들어진, 관 함유 쉘(tubular containing shell)(9) 내에 -바람직하게는 느슨하게- 수용된다.

각각의 상기 도전성 요소(3)는 차례로, 적어도 하나의 초전도 재료의 층을 각각 구비하는 상 도체(4)와 복귀 도체(5)인 한 쌍의 동축 도체를 구비하며, 이는 하기에 더욱 상세히 나타날 것이다.

상기 동축의 상 도체(4)와 중성 도체(neutral conductors)(5)는 유전물질의 층(8)을 개재시킴으로써 서로로부터 전기적으로 절연되며, 상기 유전물질의 층위에서 상기 복귀 도체(5)가 직접 지지된다.

상기 케이블(1)은 또한 상기 초전도 코어(2)를 상기 선택된 초전도 재료의 임계온도보다 적절히 낮은 온도로 냉각시키기에 적합한 냉각 유체를 순환시키기 위한 적당한 냉각 회로를 구비하는데, 도 1의 케이블에서 선택된 재료는 소위 고온형이다.

상술된 냉각 회로는 적당한 펌프 수단을 구비하는데, 자체로 공지되어 있어서 도시되지 않은, 상기 펌프 수단은 적당한 냉각 유체, 예를 들어 전형적으로 65 내지 90 K의 온도의 액체 질소를 각각의 도전성 요소(3) 안으로 그리고 그러한 요소와 관 쉘(9) 사이의 간격 안으로 공급한다.

외부 환경으로의 열 낭비를 가능한 많이 줄이기 위해서, 상기 초전도 코어(2)는 수용 구조물(containing structure) 또는 저온유지장치(cryostat)(10) 안에 들어있는데, 상기 수용 구조물 또는 저온유지장치는 예를 들어 복수개의 중첩된 층에 의해 형성된 단열재, 및 적어도 하나의 보호용 시스(protection sheath)를 구비한다.

당업계에 알려진 저온유지장치는 예를 들어, 하기 자료의 논문에 설명되어 있다(IEEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY, Vol. 7, nr. 4, October 1992, pp. 1745-1753).

더욱 상세하게는, 도시된 실시예에서, 저온유지장치(10)는 예를 들어, 폴리에스테르 수지로 만들어진 여러 개의 표면 금속화 테이프(surface-metallized tapes)(예를 들어 수십 개)에 의해 형성된, 절연 재료의 층(11)을 구비하는데, 상기 테이프는 당업계에서는 "초단열체(thermal superinsulator)"로 공지되어 있으며, 개재된 스페이서(13)의 가능한 도움으로 느슨하게 감겨 있다. 상기 표면 금속화 테이프는 관형 요소(14)에 의해 한정된, 환상 중공 공간(annular hollow space)(12) 안에 수용되고, 상기 공간 안에는 10^-2N/m²정도의 진공이 공지 장치에 의해 유지된다.

금속으로 만든 상기 지지 관형 요소(14)는 상기 환상 중공 공간(12)에 소정의 유체-차단 특성을 제공할 수 있고, 예를 들어 폴리에틸렌으로 만든 외부 시스(external sheath)(15)로 싸여진다.

바람직하게는, 상기 지지 관형 금속 요소(14)는 관 형태로 휘어서 종방향으로 용접되는, 스틸, 구리, 알루미늄 또는 이와 동등한 것으로 만든 테이프에 의해서, 또는 압출관(extruded tube) 또는 이와 동등한 것에 의해서 형성된다.

만약 상기 케이블의 유연성이 필요하다면, 요소(14)에는 주름이 형성될 수도 있다.

상술된 요소에 부가하여, 케이블 인장 요소(cable traction elements)가 또한 존재할 수도 있는바, 상기 초전도 요소(3)에 가해진 기계적 스트레스의 제한을 보장하도록, 상기 인장 요소의 구조 및 사용 요건에 따라 축방향으로 또는 주변에 위치되며; 그러한 인장 요소는, 도시되지 않았지만, 당업계에 잘 알려진 기술에 따라, 예를 들어 로프형 스틸 와이어(roped steel wires)나, 또는 하나 이상의 축방향 금속 로프와 같은, 주변에 배열된 금속 보강제에 의해, 또는 예를 들어 아라미드 섬유와 같은, 유전 물질로 만든 보강제에 의해 형성될 수도 있다.

여러 개의 초전도 요소가 각 상의 경우에 존재하는데, 상세하게는 도 1에 도시된 실시예처럼, 각각의 상(a, b, c)은 세 개의 초전도 요소 (3a), (3b), (3c) 각각에 대해 아래 첨자 1, 2로 각각 표시된 두 개의 초전도 요소를 구비하고 있어서, 각 상의 전류가 수 개의 도체들(도시된 실시예에서는 두 개) 사이에 분배된다.

도 2에는, 도 1의 동축 초전도 케이블(1)의 도전성 요소(3) 중 하나가 확대 사시도의 형태로 도시되어 있다.

설명을 더 쉽게 하기 위해서, 현재 도 2와 다음 도 3과 4에서, 도 1에 대해서 이미 설명한 것과 구조적으로나 기능적으로 동등한 케이블의 요소에 대해서는 동일한 참조 번호로 나타낼 것이며 더 이상 설명되지 않을 것이다.

도 2에 도시된, 도체 요소(3a₁)는 예를 들어 폴리테트라플루오로에틸렌과 같은 고분자 재료, 및 예를 들어 구리와 같은 금속 재료로 각각 만든 복수개의 환상 섹터(16, 17)를 구비하는 복합 관형 요소(6)를 구비한다.

각각의 동축 상 도체(4) 및 복귀 도체(5)는 상기 복합 관형 요소(6)와 유전 물질의 층(8) 상에 각각 나선형으로 감긴 복수개의 초전도 테이프(18a 및 18b)를 구비한다. 각각의 상기 초전도 테이프(18a, 18b)는 금속 코팅(19) 안에 들어있는 초전도 재료의 층(20)을 구비한다.

상기 복귀 도체(5)는 안정화 금속으로서 작용하는 복수개의 구리 스트랩(7)을 더 구비하는데, 상기 구리 스트랩은 공지의 방법으로 초전도 테이프(18b)의 금속 코팅(19) 위에 감겨서 전기적으로 접촉한다.

도 3에 도시된 케이블(1)의 도전성 요소(3)에 대한 추가 실시예에서, 동축 상 도체(4) 및 복귀 도체(5)는 거의 비가역적인 방법으로, 예를 들어 납땜에 의해, 초전도 테이프(18a, 18b)의 금속 코팅(19)에 결합된 복수개의 금속 보강 호일(21)을 더 구비한다.

바람직하게는, 상기 상 도체(4)의 보강 호일(21)은 상기 복합 관형 요소(6)와 상기 테이프(18a) 사이에 개재되도록 상기 금속 코팅(19)의 반경방향의 내면에 결합되고, 그렇게 하여 상기 테이프에 대해 기계적인 보호 요소로서 작용한다.

그런 방법으로, 상기 호일(21)은 상기 초전도 테이프(18b)의 금속 코팅(19) 및 상기 복합 관형 요소(6)의 금속 재료의 환상 섹터(17)와 모두 전기적으로 접촉하게 된다.

바람직하게, 상기 복귀 도체(5)의 보강 호일(21)은 상기 상 도체(4)의 보강 호일에 대해 거울같은 형식(mirror-like fashion)으로 배열된다. 즉, 상기 호일은 테이프(18b)의 금속 코팅(19)의 반경방향으로 바깥면에 결합되어, 구리 스트랩(7)과 상기 테이프 사이에 개재되고 그렇게 하여 상기 테이프에 대해 기계적인 보호 요소로서 작용한다.

그런 방법으로, 상기 호일(21)은 상기 초전도 테이프(18b)의 금속 코팅(19)과 상기 안정화 금속(구리 스트랩(7))과 모두 전기적으로 접촉하게 된다.

이롭게도, 더욱이 동축 상 도체(4)와 복귀 도체(5)의 상기 보강 호일(21)은, 상기 호일이 상기 초전도 재료에 소정의 프리스트레스도를 가하도록 상기 초전도테이프(18a, 18b)에 결합될 때, 단락 시에 케이블(1)의 극저온냉각안정성을 확보하고 케이블(1)의 단자에 가해진 인장 스트레스를 적절히 감소시키는데 기여한다.

도 4에 도시된 실시예에서는 비동축 단상 초전도 케이블(1)이 도시되어 있으며, 대신, 단지 도전성 요소(3^Ⅰ, 3^Ⅱ, ..., 3^Ⅶ)가, 이 경우에, 상기 복합 지지 관형 요소(6) 상에 나선형으로 감긴 초전도 테이프(18)를 구비하는 상 도체(4)를 구성한다.

이러한 추가 실시예에서, 상기 저온유지장치(10)는 관형 쉘(9)과 지지 관형 요소(23) 사이에서 한정된, 액체 질소가 순환하는 중공 공간(22)을 구비한다.

이러한 비동축 단상 초전도 케이블(1)의 외부에는 유전 물질의 층(24)이 상기 초전도 케이블의 전기적인 절연을 위해 제공되며, 상기 층은 반도체 물질로 이루어진 두개의 관형 요소(25, 26) 내에 포함된다.

위에서 설명된 것과 관련하여, 하기에는 비제한적인 예시로서 몇 가지 구현예인 초전도 케이블의 단락 상태시의 작동 상태와 기계적 스트레스를 보여주는 몇 가지 실시예가 제공될 것이다.

실시예 1

(발명예)

본 발명의 실시예에 따라서, 각각의 지지 요소상에 나선형으로 감긴 초전도 재료의 테이프로 이루어진 한 쌍의 상 도체와 복귀 도체를 각각 포함하는 복수개의도전성 요소를 구비한 고전력 삼상 동축 초전도 케이블에 대한 원형(prototypes)이 제작되었다.

상세하게는, 상기 상 도체는 완전히 금속으로 만든 관형 요소에 의해 지지되는 반면, 상기 복귀 도체는 상기 상 도체의 외부에 동축으로 있는 유전물질의 층에 의해 지지된다.

상 도체와 복귀 도체 모두의 초전도 테이프에는 0.05 mm의 두께를 갖고, 상기 테이프의 금속 코팅에 결합된 금속 보강 호일이 제공된다.

상기 복귀 도체에는 또한 상기 초전도 테이프의 금속 코팅에 결합된 금속 보강 호일과 전기적으로 접촉하는 구리 스트랩(안정화 금속)이 제공된다.

상기 보강 호일을 상기 초전도 테이프에 결합시키는 단계는 처음 단계에서, 상기 보강 호일에 대체로 종방향으로 인장 스트레스를 주고, 다음 단계에서, 상기 초전도 재료의 프리스트레스를 얻기 위해 인장 스트레스를 받은 바로 그 보강 호일을 테이프에 결합시킴으로써 실행되었다. 상세하게는, 상기 호일에 약 15.4*10⁷Pa(15.7 kg/mm²)의 인장 스트레스를 주어, 약 0.1 %인 초전도 재료의 프리스트레스도를 얻었다.

상기 상 도체의 지지 관형 요소를 위해 사용된 금속은 구리였다.

상기 케이블 원형을 제조하기 위해서 고려된 작업 특성은 하기와 같았다:

- 전력 0.7 GVA

- 공칭 전압 (상-상) 132 kV

- 공칭 전류 3070 A

- 임계 전류 9210 A

- 길이 50 km

상기 케이블은 하기와 같은 단락 상태:

- 단락 전류 I_cc50 kA

- 단락 지속시간 Δt_cc0.5 s

에서 안정화될 수 있도록, 게다가 다음 사항들을 가정하여, 설계되었다:

1) 단락 과도현상 동안 낭비된 전력이 초전도 재료의 층의 온도 증가, 상기 초전도 재료를 포함하는 금속 코팅의 온도 증가, 및 어떤 식으로든 그것들(지지 관형 요소, 금속 보강 호일 및 구리 스트랩)과 전기적으로 접촉하는 금속의 온도 증가로 완전히 변한다는 사실,

2) 상기 전력 낭비는 전체 단락 전류가 상기 초전도 재료와 전기적으로 접속하는 금속 재료를 통과하는 것을 방해한다는 사실,

3) 단락의 끝에서 상기 초전도 재료에 의해, 최소 작업 압력에서, 초전도 재료의 임계온도와 냉각 유체의 비등 온도 사이에서 최소 온도로 정의된, 최대 허용 온도(T_amm)보다 훨씬 아래로 도달된 최대 온도를 한정하기 위해, 단락으로 인한 온도 증가 (ΔT)는 하기 관계식으로 주어진다는 사실:

ΔT_amm≤(T_amm- T_{working max})/f

상기 식에서 T_{working max}는 최대 작업 온도이고 f는 안정 계수이다.

상기 작업 특성에 따라 만든 케이블은 액체 질소에 대해 하기 작업 온도 및 압력 범위를 갖는다:

- 최소 작업 온도 = 63.2 K

- 최대 작업 온도 = 82 K

- 최대 작업 압력 = 20 bar

- 최소 작업 압력 = 10 bar

약 110 K의 임계온도를 갖는 BSCCO 형의 고온 초전도 재료가 사용된다고 가정하면, 10 bar 압력에서 액체 질소의 비등 온도가 104 K이므로, 최대 허용 온도(T_amm)는 상기 값과 일치할 것이다.

단락 상태에서 상기 케이블의 극저온냉각안정성을 확보하기 위해 금속 재료의 양의 결정은 다음 공식에 따라 수행되었다:

ΔT_amm= [(ΣR_iI_cci ²)/(Σm_ic_pi)] * Δt_cc(Ⅰ)

상기 식에서:

ΔT_amm은 단락으로 인한 허용 온도 증가를 나타내고,

R_i는 초전도 케이블의 i 번째 요소의 저항을 나타내고,

I_cci는 초전도 케이블의 i 번째 요소의 단락 전류를 나타내고,

m_i는 초전도 케이블의 i 번째 요소의 질량을 나타내고,

c_pi는 초전도 케이블의 i 번째 요소의 비열을 나타내고,

Δt_cc는 단락의 지속시간을 나타낸다.

m_i는 다음과 같이 나타낸다:

m_i= δ_i* V_i= δ_i* S_i* l_i(Ⅱ)

상기 식에서:

δ_i는 i 번째 요소의 밀도를 나타내고,

V_i는 i 번째 요소의 부피를 나타내고,

S_i는 i 번째 요소의 단면적을 나타내고,

l_i는 i 번째 요소의 길이를 나타낸다.

R_i는 또한 다음과 같이 나타낸다:

R_i= ρ_i* (l_i/S_i) (Ⅲ)

상기 식에서, ρ_i는 i 번째 요소의 고유 전기 저항률을 나타낸다.

상기 초전도 테이프의, 상기 금속 보강 호일의 그리고 상기 구리 스트랩의 단면적 뿐만 아니라, ΔT_amm, δ_i, l_i, ρ_i, I_cci, c_pi, Δt_cc의 값이 공지의 디자인 데이터(design data)이기 때문에, (Ⅰ)에 공식 (Ⅱ) 및 (Ⅲ)을 대입시킴으로써 지지관형 요소의 금속 재료의 단면적을 결정할 수 있다.

단락 시에, 초전도 재료의 완전한 단열 안정성의 상기 기준 및 온도 증가(ΔT)에 따라 제작된 케이블의 구조적 특성은 안전 계수(f)가 각각 4.4와 2.2라고 가정하여 얻은 경우 -1a와 1b로 표시됨- 에 대해서 하기 표 1에서 기록되어 있다.

특히, 복귀 도체의 구조적 특성이 꽤 유사한 방법으로 결정될 수 있으므로, 동일한 단락 전류가 두 도체 모두를 통과한다는 사실을 고려하여, 상 도체의 구조적 특성 만이 보고되었다.

그러한 표로부터 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 케이블은 단락 시에, 각각, 5℃(1a의 경우) 및 10℃(1b의 경우)까지 초전도 재료의 온도 증가(ΔT)를 제한할 수 있게 함에 따라서, 케이블의 완전한 단열 안정성의 기준에 완전히 따른다.

실시예 2 - 3

(발명예)

본 발명의 추가 실시예에 따르면, 각각의 지지 요소상에 나선형으로 감긴 초전도 재료의 테이프로 이루어진 한 쌍의 상 도체와 복귀 도체를 각각 포함하는 3개의 도전성 요소를 구비한 동축 케이블에 대한 두개의 추가 원형이 제작되었는바, 이 때 상기 상 도체에 대해서는 복합 관형 요소로 이루어지고 상기 복귀 도체에 대해서는 유전물질의 층으로 이루어졌다.

상세하게는, 상기 복합 지지 관형 요소는 교대로 하나씩 배열된, 구리(제1금속 재료) 및 폴리테트라플루오로에틸렌으로 만든 환상 섹터로 이루어졌고 냉각 제약(constraints)을 따르기 위해 필수적으로, 38.7 mm인 내경 및 48.5 mm인 외경을 가졌다. 그러한 배치를 위해 섹터의 수는 14가 바람직하다는 것을 알아냈다. 단일 섹터의 단면적은 47.9 mm²이다.

앞의 실시예 1의 경우와 유사하게, 복귀 도체에는 초전도 테이프와 전기적으로 접촉하는 구리 스트랩(안정화 금속)이 제공되었다.

초전도 테이프에는 실시예 1의 보강 호일과 유사한 초전도 테이프의 금속 코팅에 결합된 금속 보강 호일이 제공되었고(실시예 2), 또는 그러한 호일이 제공되지 않았다(실시예 3).

더욱이, 앞의 실시예 1의 경우와 유사하게, 상기 보강 호일을 상기 초전도 테이프에 결합시키는 단계는 처음 단계에서, 상기 보강 호일에 대체로 종방향으로 인장 스트레스를 주고, 다음 단계에서, 인장 스트레스를 받은 바로 그 보강 호일을 테이프에, 상기 초전도 재료의 프리스트레스를 얻을 수 있는 방식으로 결합시킴으로써 실행되었다.

상세하게는, 상기 호일에 약 15.4*10⁷Pa(15.7 kg/mm²)의 인장 스트레스를 주어, 약 0.1 %인 초전도 재료의 프리스트레스 레벨을 얻었다.

두 개의 케이블 원형의 구조적 특성은 하기 표 Ⅰ에 기록되어 있다.

표 Ⅰ의 데이터를 분석함으로써, 최대 허용 온도 증가가 10℃인 경우, 실시예 2와 3은, 초전도 재료의 테이프의 보강 호일의 기여가 온도 증가에 관해서 무시해도 괜찮다는 것을 알았으므로, 실시예 1b와 동일한 결과를 제공한다.

케이블의 기하학적 배열에 관해서, 적당한 양의 폴리테트라플루오로에틸렌의 존재하에서 단락의 상태에서 케이블의 안정성을 보장하기 위해 적당한 양의 구리를 제공할 필요가 있으므로, 실시예 2와 3의 복합 관형 요소는 실시예 1b의 케이블의 완전 금속 관형 요소보다 더 두꺼운 두께를 갖는다는 사실이 판명된다.

실시예 4

(비교예)

앞의 실시예 1과 같은 특성을 갖는 케이블이 제작되었으나, 이는 단락 과도현상 동안 어떠한 안정성 기준도 고려하지 않고 설계되었다. 얻어진 결과는 하기 표 Ⅱ에 기록되어 있다.

실시예 5

(비교예)

또한 비교할 목적으로, 완전한 단열 안정성의 기준을 채택함으로써, 초전도 재료의 테이프의 바깥쪽에 보강 호일이 없다는 것을 제외하고는, 앞의 실시예 1과 동일한 특성을 갖는 케이블이 제작되었다.

상기 언급된 간행물(E. W. Collings, "Flux-jump stability and cryostability in ceramic superconductors for 80 K", MRS Int'I Mtg. on Adv. Mats. Vol. 6, 1989 Materials Research Society)에서, 안정화 금속과 초전도 테이프의 금속 코팅의 금속의 면적의 합 및 초전도 재료의 총 면적 사이의 비율 "Rs"을 단지 안정화 금속의 전기 전도성(ρ) 및 초전도 테이프의 임계 전류 밀도(J_c)와 같은 파라미터에 대해 관련시킨 공식이 보고되어 있다.

그러한 값들을 대입시키면, 상기 언급된 공식은 다음과 같이 된다:

R_s ²*(R_s+1) = 9.27*I_c(Ⅳ)

초전도 테이프의 금속 코팅의 면적과 초전도 재료의 총면적 사이의 비율을 알면, 안정화 금속의 면적과 초전도 재료의 면적 사이의 비율 값을 얻을 수 있다.

그 결과는 표 Ⅱ에 기록되어 있다.

실시예 6

(비교예)

단지 구조적 및/또는 기술적 요건에 따라, 케이블을 제작하였는바, 상기 케이블은 단지 상 도체를 지지하고 복귀 도체를 보호하는 기능만을 갖는 부가 금속을 갖는다.

얻어진 결과는 표 Ⅱ에 기록되어 있다.

실시예 7

(비교예)

앞의 실시예 4와 동일한 과정에 따라, 두개의 케이블(7a, 7b)이 제작되었는바, 상기 케이블에서, 단지 초전도 재료의 양이 증가하는 결과로서, 안전 마진(safety margin)은 각각 4.4와 2.2로 가정되었다.

그 결과는 표 Ⅱ에 기록되어 있다.

표 Ⅰ 및 표 Ⅱ를 분석함으로써, 실시예 4와 6에 따라 제작된 케이블은, 단락 시에 너무 높은 온도 증가(ΔT) 때문에, 실제 적용하는데 적합하지 않다는 것이 판명된다.

대신에, 실시예 1-3에 따라 제작된 케이블은, 초전도 재료와 전기적으로 접속하는 금속 재료의 전반적인 양이 실시예 5의 케이블보다 더 적고, 초전도 재료의 양이 실시예 7의 케이블 (7a)와 (7b)보다 더 적어서, 그 결과 경제적으로 절약이 되면서도, 고온에서 초전도 재료의 안정성과 질소를 액체상으로 유지함을 보장한다.

실시예 8

(기계적 스트레스의 평가)

클램프 헤드를 이용하는 작동 배치에서 액체 질소에 의한 냉각의 결과로, 초전도 재료에서 종방향을 따라 야기된 기계적 스트레스를 비교하기 위하여, 실시예 1b, 2 및 3에 따르는 케이블 원형은 실시예 5의 케이블과 비교되었다.

단락 상태에서 완전한 단열 안정성에 대해 298.2 mm²인 금속 재료의 최소 총 단면적이 가정되었다.

관형 복합 지지 요소를 제조하는데 구리는 제1 금속 재료로 사용되었고, 폴리테트라플루오로에틸렌은 제2 비금속 재료로 사용되었다.

실시예 1b와 5의 지지 관형 요소는 기하학적으로 실시예 2와 3의 복합 지지 관형 요소의 동일 구조를 얻기 위한 방식으로, 14개의, 금속 섹터, 상세하게는 구리 섹터로 이루어졌다.

상기 원형은 이어서 초전도 재료에 발생된 변형률, 강제적 수축에 대한 반응으로써 케이블에 의해 단자에 가해진 인장력, 마지막으로 상술된 기준에 따른 케이블의 완전한 단열 안정성을 확보하는데 필요한 것과 비교되는 사용된 도전 재료의 양을 평가할 수 있는 다수의 테스트를 거쳤다.

그러한 테스트의 결과는 하기 표 Ⅲ에 기록되어 있으며, 이 표에는 또한 임계 변형 값이 기록되어 있는데, 상기 임계 변형 값은 초전도 재료의 전류 수송 용량(current transport capacity)의 잇따른 감소와 함께, 초전도 재료의 파손 및 입자 분리(grain separation)가 검출되는 변형 값이다.

임계 변형 값에 관하여, 즉시 표 Ⅲ의 값으로부터 보강 호일이 제공된 케이블인 실시예 1b와 2은 보강 호일이 제공되지 않은 케이블보다 더 높은 값을 갖는다는 사실이 분명하고; 이는 실질적으로 상기 호일을 상기 테이프의 금속 코팅에 결합시키는 단계의 결과로 일어나는 초전도 재료 층의 프리스트레스 효과 탓일 수 있다.

표 Ⅲ의 결과로부터, 실시예 5의 케이블의 경우에, 상기 초전도 재료의 변형률이 임계 변형률보다 더 큰 값을 갖고, 이러한 사실이 초전도 상태에서 전류를 전송하는 초전도 재료의 용량에 영향을 줄 것이라는 사실을 관찰할 수 있다.

이롭게는, 대신, 실시예 2와 3의 원형 모두에 있어서, 초전도 재료에 발생되고, 게다가 실질적으로 임계 값보다 더 낮은 변형률은 또한, 초전도 재료에 가해진 종방향으로의 스트레스의 크기를 줄이는데 있어서 복합 지지 관형 요소의 효과에 대한 부가 증거로서, 분명히 실시예 1b의 원형에 대해 검출된 것보다 더 낮다.

본 발명

		지지 관형 요소의금속 재료	내부 SC	ΔT.(℃)
실시예 1a	sect.mm2	545	88.6	5
	Cu/SC	5.6
실시예 1b	sect.mm2	335	88.6	10
	Cu/SC	3.8
실시예 2	sect.mm2	335	88.6	10
	Cu/SC	3.8
실시예 3	sect.mm2	335	88.6	10
	Cu/SC	3.8

내부 SC = 내부 도체(상 도체)의 초전도 재료의 층

ΔT = 초전도 재료의 온도 증가

비교

		지지 관형 요소의금속 재료	내부 SC	ΔT.(℃)
실시예 4	sect.mm2	0	88.6	620
	Cu/SC	-
실시예 5	sect.mm2	1277.7	29.2	0
	Cu/SC	43.7
실시예 6	sect.mm2	199	88.6	23.7
	Cu/SC	2.2
실시예 7a	sect.mm2	199	615	5
		0.32
실시예 7b	sect.mm2	199	320	10
	Cu/SC	0.62

내부 SC = 내부 도체(상 도체)의 초전도 재료의 층

ΔT = 초전도 재료의 온도 증가

	실시예 1b	실시예 2	실시예 3	실시예 5
초전도체 상의 변형률(%)	0.31	0.18	0.18	0.31
임계 변형률(%)	0.5	0.5	0.29	0.29
인장력(Kg)	11700	14100	13700	40000
구리량(%)	100	100	100	300

상기 내용 중에 포함되어 있음

Claims (19)

1. a) 초전도 재료를 포함하는 테이프 층(20);

   b) 상기 초전도 재료를 포함하는 테이프 층(20)을 지지하기 위한 것으로, 적어도 하나의 금속 재료로 만든 부분을 구비하고, 초전도 재료를 포함하는 테이프 층(20)과 전기적으로 접촉하는 관형 요소(6); 및

   c) 상기 초전도 재료를 임계온도보다 높지 않은 작업 온도로 냉각시키기에 적합하고, 최소값과 최대값 사이에 있는 소정의 작업 압력에서 유체를 포함하는 냉각 회로를 구비한 적어도 하나의 상을 갖고,

   여기서 실온과 케이블의 작업 온도 사이의 온도 변화의 결과로 일어나는, 상기 초전도 케이블을 포함하는 테이프의 변형률이 상기 동일 테이프의 임계 변형률 보다 더 낮은 초전도 케이블에서,

   초전도 재료의 층(20)과 전기적으로 접촉하는 소정량의 저항형 도전 재료가 존재하여, 단락 시에 초전도 재료에 의해 달성되는 최대 온도가 초전도 재료의 임계 온도와 상기 냉각 유체의 최소 작업 압력에서 상기 유체의 비등 온도 사이의 최소 온도보다 더 낮은 것을 특징으로 하는 초전도 케이블(1).
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 테이프 층은 금속 코팅(19) 내에 포함되는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블(1).
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 초전도 재료는 금속 재료로 만든 적어도 하나의 보강 호일(21)을 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블(1).
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 초전도 재료는 상기 층의 양쪽면에 결합된 금속 재료로 만든 두개의 보강 호일(21)을 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블(1).
5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,

   상기 초전도 재료는 종방향을 따라 필수적으로 프리스트레스를 받는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블(1).
6. 제 5 항에 있어서,

   적어도 하나의 초전도 테이프(18a, 18b)의 초전도 재료 층(20)은 0.05와 0.2 % 사이에 포함된 종방향으로의 프리스트레스도를 갖는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블(1).
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 케이블은 5°와 60°사이에 포함된 권선 각도를 따라 상기 적어도 하나의 지지 관형 요소(6)의 표면 상에 나선형으로 감긴 복수개의 초전도 테이프(18a, 18b)를 구비하는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블(1).
8. 제 3 항 또는 제 4항에 있어서,

   상기 보강 호일(21) 및 상기 초전도 테이프(18a, 18b)의 금속 코팅(19)은 구리, 알루미늄, 은, 마그네슘, 니켈, 청동, 스테인리스 스틸, 베릴륨 및 그들의 합금을 포함하는 군으로부터 선택된 금속으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블(1).
9. 제 1 항, 제 3 항 또는 제 4항에 있어서,

   상기 지지 관형 요소(6)는 필수적으로 복합형이고 제1 금속 재료 및 상기 제1 재료에 결합되고 상기 제1 재료의 것보다 더 높은 열팽창 계수를 갖는 제2 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블(1).
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 제1 및 제2 재료는 인접한 환상 섹터(16, 17)로 형성되는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블(1).
11. 제 10 항에 있어서,

    상기 환상 섹터(16, 17)는 하나씩 배열되는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블(1).
12. 제 10 항에 있어서,

    상기 환상 섹터(16, 17)는 5°와 50°사이에 포함된 권선 각도에 따라 나선형으로 감기는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블(1).
13. 제 9 항에 있어서,

    상기 제1 금속 재료는 77 K에서 < 5*10^-9Ωm의 저항률과, 77 K에서 > 10⁶J/m³K의 비열과, 77 K에서 > 5 W/mK의 열전도율을 갖는 금속인 것을 특징으로 하는 초전도 케이블(1).
14. 제 9 항에 있어서,

    상기 제2 재료는 17*10^-6℃^-1보다 큰 열팽창 계수를 갖는 비금속 재료인 것을 특징으로 하는 초전도 케이블(1).
15. 제 14 항에 있어서,

    상기 제2 비금속 재료는 폴리아미드, 폴리테트라플루오로에틸렌 및 폴리에틸렌을 포함하는 군으로부터 선택된 플라스틱 재료인 것을 특징으로 하는 초전도 케이블(1).
16. 소정량의 금속 재료를 포함한 관형 요소(6)에 의해 지지되는 금속 코팅(19) 내에 포함된 적어도 하나의 초전도 재료 층(20)을 구비하고, 상기 소정량의 금속 재료와 상기 층(20)이 전기적으로 접촉하며, 상기 초전도 재료 층(20)이 냉각 유체에 의해 그 임계 온도보다 높지 않은 온도로 냉각되는 초전도 케이블(1)용 도전성 요소에서, 상기 초전도 재료의 층(20)과 전기적으로 접촉하는 소정량의 저항형 도전 재료가 존재하여, 단락 시에 초전도 재료에 의해 달성되는 최대 온도가 초전도 재료의 임계 온도와 상기 냉각 유체의 최소 작업 압력에서 상기 유체의 비등 온도 사이의 최소 온도보다 더 낮은 것을 특징으로 하는 도전성 요소(3).
17. - 소정량의 금속 재료를 포함한 초전도 재료의 테이프(18)를 지지하기 위한 것으로, 초전도 재료의 테이프(18)와 전기적으로 접촉하는 적어도 하나의 관형 요소(6)를 제공하는 단계,

    - 상기 적어도 하나의 지지 관형 요소(6)의 표면 상에 상기 초전도 재료의 테이프(18)를 나선형으로 감는 단계,

    - 상기 초전도 재료를 냉각 유체에 의해 그 임계 온도보다 높지 않은 온도로 냉각하는 단계를 구비한 초전도 케이블의 초전도 재료의 테이프(18)에서 종방향으로 야기된 스트레스를 제한하는 방법에서,

    - 상기 초전도 재료의 테이프(18)에 결합된 금속 재료로 만든 적어도 하나의 보강 호일(21)을 결합시키는 단계, 그리고

    - 단락 시에 초전도 재료에 의해 달성되는 최대 온도가 초전도 재료의 임계 온도와 상기 냉각 유체의 최소 작업 압력에서 상기 유체의 비등 온도 사이의 최소 온도보다 더 낮게 하는 방식으로, 초전도 재료의 층(20)과 전기적으로 접촉하는 금속 재료의 전체 양을 결정하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
18. 제 17 항에 있어서,

    상기 테이프(18a, 18b)의 초전도 재료는 0.05와 0.2 % 사이에 포함된 종방향으로의 프리스트레스도(γ)를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
19. 제 17 항에 있어서,

    상기 관형 요소는 실질적으로 복합형이고 제1 금속 재료 및 상기 제1 재료에 연결되고 상기 제1 재료의 것보다 더 큰 열팽창 계수를 갖는 제2 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.