KR20040089491A

KR20040089491A - 초전도 케이블

Info

Publication number: KR20040089491A
Application number: KR1020040023287A
Authority: KR
Inventors: 유무라히로야스; 아야이나오키
Original assignee: 스미토모덴키고교가부시키가이샤
Priority date: 2003-04-10
Filing date: 2004-04-06
Publication date: 2004-10-21
Also published as: EP1467382A2; KR101026336B1; US7091423B2; DK1467382T3; EP1467382A3; US20040200637A1; JP2004319093A; CN100338694C; HK1067450A1; CN1542869A; JP4174824B2; EP1467382B1

Abstract

본 발명은 심재(포머)의 외측에 복수의 초전도 선재를 다층으로 감아 이루어지는 초전도 케이블에 관한 것이다. 초전도 선재에는 나사형의 초전도 필라먼트를 갖는 트위스트 선재와 직선형의 초전도 필라먼트를 갖는 비트위스트 선재의 양쪽이 사용되고 있다. 인가 자계가 크고 트위스트화에 의한 저손실 효과를 기대할 수 있는 층에 트위스트 선재를 적용하고, 그 밖의 층에는 비트위스트 선재를 사용하는 것으로, 교류 손실을 효과적으로 저감할 수 있고, 전류 특성의 저하와 코스트 증가를 억제하여 교류 손실을 효과적으로 저감할 수 있는 초전도 케이블을 제공한다.

Description

초전도 케이블{Superconducting cable}

본 발명은 초전도 케이블에 관한 것이다. 특히, 교류 손실의 저감이 가능한 다층 고온 초전도 케이블에 관한 것이다.

콤팩트하고 또한 대용량 송전이 가능한 초전도 케이블의 개발이 진행되고 있다. 일반적으로, 초전도 케이블은 심재(포머(former))의 주위에 초전도 테이프 선재를 다층 스파이럴(spiral) 권취로 한 다층 케이블 구조를 갖는다. 초전도 테이프 선재에는 Bi계 고온 초전도 필라먼트(filament)가 Ag 매트릭스재에 내장된 Bi계 Ag 시스(sheath) 테이프선 등이 사용된다.

이러한 다층 케이블 구조에서는, 예를 들면 각 테이프선을 동일 피치로 감고, 또한 감는 방향을 층마다 교대로 바꾼 것 만으로는 각 층의 임피던스의 상위(相違)때문에 편류가 생긴다. 즉, 임피던스가 작은 외층측일 수록 흐르는 전류가 크고, 내층측일 수록 흐르는 전류가 작아진다. 이러한 편류가 생기면, 전자기적으로는 마치 각 층이 1개의 덩어리와 같이 동작하며(모노블록 모델이라고 함), 교류 손실이 커져, 다층화한 의미가 없어진다.

교류 손실을 저감하기 위해서는 이 편류 현상을 억제할 필요가 있고, 그 대책으로서, 각 층의 임피던스의 균일화가 채용되고 있다. 구체적으로는 각 층의 권취 피치나 감는 방향을 조정하는 것으로, 각 층의 임피던스를 균일화하여, 전류 분포를 균일화하는 수법이다(예를 들면, 일본 특개평 9-45150호 공보 참조). 이 결과, 균일화 후의 교류 손실은 편류가 생긴 경우의 거의 1/층수까지 저감하는 것이 가능하다.

또한, 테이프선에 있어서의 초전도 필라먼트를 트위스트함으로써, 테이프선 자체의 교류 손실을 저감하고, 이 트위스트 선재를 케이블에 사용하는 것으로, 더욱 케이블의 저손실화를 도모하는 것도 제안되고 있다(예를 들면 개평 7-105753호 공보 참조).

그러나, 테이프 선재의 권취 피치 조정에 의해 각 층을 균일화하여 저손실화를 도모할 수 있는 것은 각 층이 일체화하여 하나의 덩어리라고 간주한 경우의교류 손실의 거의 1/층수가 한계이다.

또한, 케이블에 트위스트 선재를 사용한 경우는 더욱 저손실화가 가능해지지만, 초전도 선재에 트위스트 가공을 실시하면 경계 전류(Ic)의 저하나 필라먼트의 단선 등에 의한 제품 비율 저하를 초래하여, 케이블의 통전 전류 특성의 저하나 코스트 상승을 초래한다고 하는 문제가 있다.

따라서, 본 발명의 주목적은 통전 전류 특성의 저하와 코스트 증가를 억제하여 교류 손실을 효과적으로 저감할 수 있는 초전도 케이블을 제공하는 것이다.

본 발명은 한정적으로 트위스트 선재를 사용하는 것으로 상기한 목적을 달성한다.

즉, 본 발명의 초전도 케이블은 심재의 외측에 복수의 초전도 선재를 다층으로 감아 이루어지는 초전도 케이블로, 상기 초전도 선재에는 나사형의 초전도 필라먼트를 갖는 트위스트 선재와 직선형의 초전도 필라먼트를 갖는 비트위스트 선재의 양쪽이 사용되고 있는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 초전도 선재는 심재의 외측에 다층으로 감긴 도체층을 형성하고, 도체층 중 적어도 최외층이 트위스트 선재로 구성되어 있어도 좋다.

반대로, 도체층 중 적어도 최내층은 비트위스트 선재로 구성되어 있어도 좋다.

초전도 선재는 도체층뿐만 아니라, 자기 차폐층에도 적용할 수 있다. 즉, 초전도 선재로, 심재의 외측에 다층으로 감긴 도체층과, 도체층상에 형성되는 전기절연층을 개재하여 다층으로 감긴 자기 차폐층을 형성한다. 그리고, 자기 차폐층 중 적어도 최내층을 트위스트 선재로 구성되어 있어도 좋다. 한편, 자기 차폐층 중 적어도 최외층은 비트위스트 선재로 구성되어 있어도 좋다.

또한, 초전도 선재에 의해 구성되는 다층의 초전도층 중, 트위스트 선재를 사용한 층의 비율이 전체 층의 2/3 이하이어도 좋다. 또는, 초전도 선재 중, 트위스트 선재의 개수가 전체 개수의 2/3 이하이어도 좋다.

초전도 선재는 매트릭스 중에 고온 초전도체 재료로 이루어지는 필라먼트가 내장된 구성이 적절하다. 매트릭스 재료로서는 Ag 또는 Ag 합금이 적절하다.

트위스트 선재에 있어서의 초전도 필라먼트의 트위스트 피치는 10mm 이상 30mm 이하인 것이 바람직하다.

초전도 선재에 의해 구성되는 초전도층의 각 층은 층간 절연이 실시되어 있어도 좋다.

또한, 초전도 선재는 각 층의 임피던스의 균일화가 도모되고 있는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 각 층간의 전류 분포를 균일화할 수 있다. 임피던스의 균일화에는 적어도 1층의 권취 피치가 타층과는 다른 것이 바람직하다.

도 1은 본 발명 케이블의 끝부 구성을 도시하는 사시도.

도 2는 자계의 강도와 선재(A)에 대한 선재(E)의 교류 손실의 비율(규격화 로스(LA))와의 관계를 도시하는 그래프.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10: 포머 20: 도체층

30: 전기 절연층 40: 자기 차폐층

50: 보호층 60: 층간 절연층

이하, 본 발명의 실시예를 설명한다. 또한, 도면의 치수 비율은 설명의 것과 반드시 일치하지는 않는다.

케이블 구조

도 1은 본 발명의 초전도 케이블에 있어서의 코어의 끝부 구성을 도시하는사시도이다.

이 케이블 코어는 중심으로부터 차례로, 포머(10), 도체층(20), 전기 절연층(30), 자기 차폐층(40), 보호층(50) 및 층간 절연층(60)을 갖고 있다. 이들의 각 층 중, 도체층(20)과 자기 차폐층(40)에 초전도 선재가 사용된다.

포머

포머(10)에는 금속선을 꼰 중실의 것이나, 금속 파이프를 사용한 중공의 것을 이용할 수 있다. 중실의 포머의 일례로서는 복수의 구리소선을 꼰 것을 들 수 있다. 연선(stranded cable) 구조의 포머로 하는 것으로, 교류 손실의 저감과 와전류(eddy current)에서의 온도 상승 억제를 동시에 실현할 수 있다. 즉, 도체층과 자기 차폐층으로 이루어지는 초전도층의 각 층의 권취 피치가 다른 피치 조정형 도체에서는 코어 축 방향의 자계가 발생한다. 이 축 방향 자계에 의해 포머에 와전류가 흘러 손실(와전류 손실)이 생긴다. 이 와전류 손실을 저감하기 위해서는 ① 재료의 저항을 올려 생기는 와전류를 작게 하고, ② 구조재의 외경을 작게 하여 와전류의 루프를 작게 하는 2가지의 방법을 고려할 수 있다. 그 중, 전자 ①은 와전류가 흐른 경우에 포머의 전류 분담을 기대할 수 없게 되기 때문에 적용은 어렵다. 그래서, 소선 절연된 소직경의 구리소선을 꼰 연선 포머를 채용하는 것으로, 전류 루프를 작게 하여 와전류 손실 저감을 도모하고, 또한 와전류가 흘렀을 때 포머가 전류를 분담하는 것을 가능하게 하여, 케이블의 온도 상승을 억제한다. 한편, 중공의 포머를 사용한 경우, 그 내부를 냉매의 유로로 할 수 있다.

도체층

도체층(20)에는 비스머스계 초전도체 등의 산화물 고온 초전도 필라먼트를 은 시스로 피복한 테이프 선재가 적절하다. 이 테이프 선재를 포머의 위에 다층으로 권취하여 도체층(20)을 구성한다. 여기서는 도체층(20) 중 인가 자계가 작은 최내층(21; 1층째)에 비트위스트 선재를 사용하고, 인가 자계가 비교적 큰 2 내지 4층째(22, 23, 24)에 트위스트 선재를 사용하였다. 비트위스트 선재는 복수개의 직선형의 초전도 필라먼트가 매트릭스 중에 내장된 선재이고, 트위스트 선재는 복수개의 나사형의 초전도 필라먼트가 매트릭스 중에 내장된 선재이다.

비트위스트 선재에서는 자계가 인가된 경우에 필라먼트와 매트릭스에 흐르는 결합 전류의 유로가 대단히 길기 때문에(기본적으로는 선재 길이의 양끝부를 개재한 유로), 전류의 감쇠가 느리고, 다심선이 전자기적으로 결합하여, 마치 단심선과 같이 행동한다. 이것에 대하여, 트위스트선에서는 결합 전류의 유로가 트위스트 피치의 1/2의 길이가 되어, 결합 전류가 빠르게 감쇠하여, 다심화된 효과가 나타난다.

고자계 영역의 교류 손실은 일반적으로 필라먼트의 두께에 비례하기 때문에, 전자기적으로 다심화된 상태(각 필라먼트가 전자기적으로 분리된 상태)가 되는 것으로 교류 손실을 저감할 수 있다. 그 결과, 트위스트 선재를 사용하는 것으로 교류 손실을 저감할 수 있다.

한편, 저자계 영역에서는 트위스트선은 비트위스트선보다도 교류 손실이 커진다. 또한, 트위스트선은 트위스트 가공에 의한 통전 특성의 저하, 또는 선재의 제품 비율 저하에 의한 코스트 상승을 야기할 가능성이 있다.

그래서, 트위스트선과 함께 비트위스트선도 사용하는 것으로, 저교류 손실화를 도모하고, 또한 통전 특성의 저하, 케이블 코스트 상승을 억제할 수 있다. 특히, 인가 자계가 크고 트위스트화에 의한 저손실 효과를 기대할 수 있는 층에 트위스트 선재를 적용하고, 그 밖의 층에는 비트위스트 선재를 사용하는 것이 효과적이다. 더욱 바람직한 형태로서는 인가 자계가 100gauss 이상이 되는 층을 트위스트 선재로 구성하거나, 또는 인가 자계가 100gauss 이하가 되는 층을 비트위스트 선재로 구성하는 것을 들 수 있다.

또한, 도체층의 최외층은 최대 자계가 인가되기 때문에, 유도 전류도 커진다. 그 때문에, 적어도 최외층을 트위스트 선재로 구성함으로써, 교류 손실의 저하를 효과적으로 실현할 수 있다. 인가 자계가 작은 최내층은 트위스트 선재를 사용하면 반대로 교류 손실이 증가하기 때문에, 최내층은 트위스트되어 있지 않은 선재로 구성하는 것으로 교류 손실을 억제할 수 있다.

또한, 트위스트선의 사용에 의한 저교류 손실 효과를 충분히 발휘하기 위해서는 각 층 소선의 전류가 균일화되어 있는 것이 바람직하다.

균일화하기 위한 더욱 구체적인 수단으로서는 예를 들면, 일본 특개평 9-45150호 공보에 기재한 구성을 들 수 있다. 요컨대, 외경(d)의 심재에 초전도 선재를 감는 경우, 권취 피치를 다음 식으로 나타내는 최대 유효 피치(Pmax) 이하로 하거나, 초전도 선재의 권취 피치를 내층측보다도 외층측쪽을 짧게 하면 좋다.

Pmax=22.0×d(m)

그 외에, 예를 들면 특개 2001-266668호, 특개 2001-265845호 공보에 기재한수단을 사용하는 것이 적절하다. 이 수법에 의하면, 임의의 심재 저항, 임의의 도체 사이즈, 임의의 나선 권취 방향, 임의의 나선 권취 피치를 갖는 초전도 케이블의 전류 분포, 교류 손실을 상세하게 해석할 수 있고, 교류 손실을 극소화하는 테이프형 초전도 다심선의 권취 피치를 결정할 수 있다. 초전도선의 권취 방향은 각 층마다 또는 소정의 복수층마다 역방향으로 하는 것이 바람직하다.

도 1에 도시하는 도체층(20)은 각 층에서 초전도 선재의 권취 피치가 다르다. 덧붙여, 2층마다 감는 방향을 바꾸는 것으로, 각 층에 흐르는 전류의 균일화를 도모하고 있다.

층간 절연층

도체층(20)에 있어서의 최내층의 초전도층과 포머(10) 사이, 도체층(20)을 구성하는 각 층의 사이 및 자기 차폐층(40)을 구성하는 각 층의 사이에는 층간 절연층(60)이 형성된다. 이 층간 절연층(60)은 크라프트지를 도체층(20)의 각 층 또는 자기 차폐층(40)의 각 층의 외주에 권취하여 구성한다. 이 층간 절연층(60)에 의해, 도체층(20) 및 자기 차폐층(40)의 각 층을 층마다 전기적으로 독립한 구성으로 할 수 있다. 층간 절연을 형성함으로써, 저교류 손실 효과를 충분히 발휘할 수 있다.

전기 절연층

도체층(20)의 외주에는 전기 절연층(30)이 형성된다. 이 절연층(30)은 예를 들면 크라프트지에 폴리프로필렌 등의 수지필름을 라미네이트한 것(스미토모전기공업주식회사 제조 PPLP: 등록상표) 등을 사용하여, 도체층(20)의 외주에 권취하여구성할 수 있다.

자기 차폐층: 실드(shield)층

교류용의 초전도 케이블의 경우는 절연층(30)의 외측에 자기 실드를 위한 자기 차폐층(40)을 형성한다. 자기 차폐층(40)은 절연층(30)의 외측에 초전도 선재를 권취하여 형성된다. 이 자기 차폐층(40)에 도체층(20)과 거의 같은 크기로 역방향의 전류가 유도되는 것으로 외부로의 자계의 발생을 캔슬할 수 있다. 자기 차폐층에 있어서는 적어도 인가 자계가 큰 최내층을 트위스트 선재로 구성함으로써, 트위스트 선재 사용에 의한 저손실 효과를 얻을 수 있다. 인가 자계가 작은 최외층은 트위스트 선재를 사용하면 반대로 교류 손실이 증가하기 때문에, 최외층은 비트위스트 선재로 구성하는 것으로 효과적으로 저손실화할 수 있다.

일반적으로 트위스트선은 트위스트 가공을 실시하기 때문에 제조공정이 증가하고, 또한 필라먼트의 단선에 따른 제품 비율 저하가 발생하여, 선재의 코스트 상승을 초래한다. 덧붙여, 자장이 작은 층에 대해서는 트위스트 선재를 사용함으로써 교류 손실이 상승하는 것을 고려할 수 있다. 그래서, 트위스트 선재의 사용 비율을 한정하는 것으로, 코스트 상승의 억제와 효과적인 교류 손실의 저감화를 실현할 수 있다.

예를 들면, 도체층: 4층, 자기 차폐층: 2층으로 이루어지는 초전도층을 갖는 케이블로 고려하면, 트위스트선은 도체층의 2 내지 4층째(최내층이 1층째)와 자기 차폐층의 1층째에 적용하는 것이 바람직하다. 또한 바람직한 비율은 1/2 이하이다.

도 1에 도시하는 초전도 케이블에서는 자기 차폐층(40) 중 인가 자계가 큰 최내층(41; 1층째)에 트위스트 선재를 사용하고, 인가 자계가 비교적 작은 2층째(42)에 비트위스트 선재를 사용하였다.

보호층

또한 자기 차폐층(40)의 위에는 보호층(50)이 형성되어 있다. 이 보호층(50)은 자기 차폐층(40)보다도 내측의 구조를 기계적으로 보호하는 것으로, 자기 차폐층(40)상에 크라프트지나 포(包) 테이프를 감는 것으로 형성된다.

단열관

또한, 도시하지 않았지만, 코어는 2중관 구조의 단열관 내에 수납된다. 통상, 이 단열관은 콜게이트 내관과 콜게이트 외관으로 구성되고, 내외관의 사이가 진공으로 되는 동시에, 플라스틱제 망형체와 금속박을 적층한 소위 수퍼인슐레이션(상품명)이 배치된 구조이다.

초전도 선재의 제작

상기한 본 발명 케이블을 얻기 위해서, 이하의 조건에 의해, 트위스트 선재와 비트위스트 선재를 제작하였다.

초전도체의 원료 분말을 은 또는 은합금 파이프 중에 충전하고, 이것을 가공하여 초전도 선재로 한다. Ag합금에는 Ag-Au합금, Ag-Mg합금, Ag-Sb합금, Ag-Mn 합금이 바람직하다. 필라먼트를 구성하는 초전도체는 이트륨계, 비스머스계, 탈륨계 등의 산화물 초전도체가 바람직하다. 그 중에서도 Ag 또는 Ag 합금으로 이루어지는 매트릭스 중에 비스머스계 고온 초전도체 재료로 이루어지는 필라먼트가 복수개 내장된 구성이 적절하다. 선재의 단면 형상은 특별히 한정되지 않는다. 단면이 직사각형의 테이프형이어도 좋고, 둥근선이어도 좋다.

트위스트 선재도 비트위스트 선재도, 파우더인튜브법 등으로 제조할 수 있다. 예를 들면, 테이프형의 트위스트선은 다음의 공정에 의해 얻을 수 있다. 초전도체의 원료 분말 또는 초전도체의 분말을 제 1 파이프 중에 충전하고, 이것을 선 신장 가공하여 단심선으로 한다. 단심선을 복수개 준비하고, 이들을 제 2 파이프에 삽입하여 다시 선 신장 가공하여, 다심선으로 한다. 다심선에 소정의 피치로 비틀림 가공을 실시하고, 더욱 가볍고 선 신장 가공을 실시하고 나서, 압연 가공(1차 압연)하여 테이프형으로 한다. 비트위스트 선재의 경우, 이 비틀림 가공을 생략한다. 통상은 이 테이프선에 1회째의 소결(일차 소결)을 한 후, 또 한번 압연 가공(2차 압연)을 실시하고, 2회째의 소결(2차 소결)을 하여 테이프형 초전도 다심 선재를 얻는다.

초전도체의 원료 분말의 일례로서는 Bi2212상(相)을 주상(主相)으로 하는 전구체(前驅體; 최종 소결 후에 Bi2223상이 형성됨)를 들 수 있다. 제 1, 제 2 파이프에는 은 또는 은합금 파이프 등을 이용하면 좋다. 필라먼트의 수는 최종적인 필라먼트의 두께, 테이프형 초전도 다심 선재의 사이즈에 따라서 결정한다. 통상은 7 내지 127심 정도로 한다. 테이프형 초전도 다심 선재로 한 경우의 최종적인 두께는 0.1 내지 0.4mm, 애스펙트비(aspect; 폭/두께)는 10 내지 20정도가 바람직하다.

필라먼트의 트위스트 피치는 일반적으로 단피치쪽이 손실 저감에 유효하기때문에, 상한치는 30mm 이하로 하는 것이 바람직하다. 한편, 극단적으로 단피치의 트위스트선을 얻으려고 하여도, 필라먼트의 단선 등이 생기기 쉬워, 장피치쪽이 가공이 용이하다. 그 때문에, 주로 가공성이나 Ic 특성 저하의 관점에서 트위스트 피치의 하한은 10mm 이상이 바람직하다.

이 테이프선에 820-850℃의 온도 영역에서 소결(일차 소결)을 하고, 또한 2차 압연을 하며, 다시 820-840℃의 온도 영역에서 소결(2차 소결)을 하여 테이프형 초전도 다심 선재를 얻는다.

여기서는 트위스트의 유무, 트위스트 피치를 바꾼 것의 합계 6종류의 샘플( 선재(A)로부터 선재(F))을 제작하였다.

얻어진 샘플 선재의 여러가지를 표 1에 나타낸다. 표 1에 있어서, 「Ag비」는 초전도체에 대한 매트릭스(Ag 및 Ag-Mn 합금)의 단면적비이다. 「트위스트 피치」는 선재의 최종 단계에서의 초전도 필라먼트의 피치를 나타내고 있다. 또한, 「n값」은 전류 I-전압 V곡선의 상승을 V∝Iⁿ으로 나타내었을 때의 n의 것이다. 일반적으로, 「n값」은 선재 중의 초전도 필라먼트의 건전성을 평가하는 척도로서 사용되고, 필라먼트에 데미지(길이 방향의 요철이나 크랙 등)가 있으면 n값은 작아지고, 저전류 영역에서 미약 전압이 발생한다. 전체 6층의 초전도층 중, 트위스트선을 사용한 층수의 비율은 2/3(약 0.67), 전체 114개의 초전도 선재 중, 트위스트선의 개수의 비율은 약 0.63이다.

	선재A	선재B	선재C	선재D	선재E	선재F
초전도체	Bi2223	Bi2223	Bi2223	Bi2223	Bi2223	Bi2223
매트릭스	Ag/Ag-Mn합금	Ag/Ag-Mn합금	Ag/Ag-Mn합금	Ag/Ag-Mn합금	Ag/Ag-Mn합금	Ag/Ag-Mn합금
필라먼트수	61	61	61	61	61	61
Ag비	2.8	2.8	2.8	2.8	2.8	2.8
폭	3.7mm	3.7mm	3.7mm	3.7mm	3.7mm	3.7mm
두께	0.24mm	0.24mm	0.24mm	0.24mm	0.24mm	0.24mm
트위스트 피치	없음	5mm	10mm	15mm	30mm	45mm
가공시의 단선	없음	단선 다발	단선 있음	없음	없음	없음
Ic	60A	30A	55A	58A	60A	62A
n값	20	8	15	17	19	20
교류손실(500Gauss,50Hz)	440J/㎥	250J/㎥	290J/㎥	310J/㎥	350J/㎥	420J/㎥
규격화 로스(선재A 기준)	1.00	0.57	0.66	0.70	0.80	0.95

초전도 선재의 평가

제작한 샘플 선재에 대하여 Ic 측정 및 교류 손실 측정(인가 자계: 500gauss, 주파수: 50Hz, 자장 방향: 선재면에 대하여 평행)을 하여, 선재를 평가하였다. 그 결과도 함께 표 1에 나타낸다.

비트위스트 선재(A)에 비교하여, 피치가 5mm로 짧은 트위스트 선재(B)에서는 트위스트 가공시에 단선이 다발하여 가공성에 문제가 있고, Ic(경계 전류치)도 1/2로 크게 저하되는 것을 알 수 있다. 트위스트 피치가 10mm의 트위스트 선재(C)에서는 단선이 발생하지만, 그 빈도는 선재(B)에 비교하여 적고, 또한 Ic도 비트위스트 선재(A)에 대하여 큰 저하가 없는 것을 확인할 수 있었다. 또한 피치가 긴 트위스트 선재(D, E, F)에서는 가공시의 단선은 없고, Ic 저하도 거의 없는 것을 확인하였다.

한편, 교류 손실에 관해서는 트위스트 피치가 짧은 샘플일 수록 작아지는 것을 알 수 있었다. 그렇지만, 피치가 45mm의 트위스트 선재(F)에서는 비트위스트 선재(A)에 대하여, 약 95%의 교류 손실이 되고 있고, 5% 정도의 교류 손실 저감 효과밖에 인정되지 않는다. 이들의 결과로부터, 가공 특성, Ic 및 교류 손실의 관점을 종합적으로 고려하면, 트위스트 피치는 10mm 이상 30mm 이하가 바람직한 것을 알 수 있다.

다음은, 트위스트 선재(E)에 대하여 인가 자장을 바꿔 교류 손실 측정을 하였다. 그 결과를 도 2에 도시한다. 도 2는 자계의 강도와 선재(A)에 대한 교류 손실의 비율의 관계를 도시하는 그래프이다. 이 그래프로부터 분명한 바와 같이, 50gauss 이하의 저자계 영역에서는 트위스트 선재는 교류 손실이 증대한 것이 분명해졌다. 이 결과로부터, 교류 손실 저감을 위해서 트위스트 선재를 케이블에 사용하는 경우는 100gauss 이상의 자장이 인가되는 부분(층)에 트위스트선을 배치하는 것이 바람직한 것이 판명되었다. 트위스트 선재의 더욱 바람직한 배치 개소는 100gauss 이상 500gauss 이하의 인가 자계가 가해지는 부분이다.

실시예 1

상기 샘플 선재를 사용하여, 도 1에 도시하는 구조의 케이블 도체를 시작(試作)하였다. 표 2에 시작한 케이블의 여러가지를 나타낸다. 케이블은 소선 절연된 Cu 소선을 꼰 연선 포머의 위에, 도체층: 4층, 절연층(두께 7mm), 자기 차폐층: 2층을 구비한다. 도체층 및 자기 차폐층을 구성하는 초전도 선재의 권취 피치 및 감는 방향에 관해서는 통전 전류가 균일화되도록 조정되어 있다.

각 층에 사용하는 초전도 선재는 최대 자계가 100gauss 이하의 층에는 비트위스트 선재(A)를 사용하고, 최대 자계가 100gauss 이상의 층에는 트위스트 선재(E)를 사용하였다. 구체적으로는 도체층의 2, 3, 4층째 및 자기 차폐층의 1층째에 트위스트 선재를 사용하였다.

	포머	도전층1층째	도전층2층째	도전층3층째	도전층4층째	실드층1층째	실드층2층째
사용재료	절연Cu소선연선	선재A(비트위스트선)	선재E(트위스트선)	선재E(트위스트선)	선재E(트위스트선)	선재E(트위스트선)	선재A(비트위스트선)
외경(mmφ)	16.5	17.5	18.4	19.4	20.3	34.5	35.4
소선 개수	-	14	15	16	15	26	28
권취 피치(mm)	-	160	390	420	125	340	520
권취 방향	-	S	S	Z	Z	S	S
Bmax(@1kArms)	0gauss	81gauss	154gauss	219gauss	279gauss	164gauss	80gauss

비교예 1

비교예 1로서, 케이블의 구조는 실시예 1과 같고, 도체층 및 자기 차폐층의 전초전도 선재를 비트위스트 선재로 구성한 케이블을 제작하였다.

비교예 2

비교예 2로서, 케이블의 구조는 실시예 1과 같고, 도체층 및 자기 차폐층의 전초전도 선재를 트위스트 선재로 구성한 케이블을 제작하였다.

시험예

시작한 3개의 케이블 샘플(실시예 1, 비교예 1, 비교예 2)에 관해서, 교류 손실 측정을 하여 평가를 하였다. 그 결과를 표 3에 나타낸다.

항목	실시예 1	비교예 2	비교예 2
구성	도체층 1층째	비트위스트 선재	비트위스트 선재	트위스트 선재
	도체층 2층째	트위스트 선재	비트위스트 선재	트위스트 선재
	도체층 3층째	트위스트 선재	비트위스트 선재	트위스트 선재
	도체층 4층째	트위스트 선재	비트위스트 선재	트위스트 선재
	실드층 1층째	트위스트 선재	비트위스트 선재	트위스트 선재
	실드층 2층째	비트위스트 선재	비트위스트 선재	트위스트 선재
AC로스(@1kArms[W/m]	도체층	0.37	0.50	0.53
	실드층	0.15	0.20	0.22
	도체층+실드층	0.52	0.70	0.75

표 3에 나타낸 바와 같이, 전체 층을 비트위스트 선재로 구성한 비교예 1에 대하여, 전체 초전도 선재를 트위스트 선재로 구성한 비교예 2에서는 교류 손실이 증가하여, 트위스트 선재를 적용한 효과가 보이지 않는다. 이것은 저자계 영역이 되는 도체층의 1층째 및 자기 차폐층의 2층째에 트위스트 선재를 배치하고 있기 때문에, 교류 손실이 증대한 결과를 초래하였다고 생각된다.

이것에 대하여, 트위스트 선재를 자계가 큰 부분에만 배치한 실시예 1에서는 교류 손실을 비교예 1에 대하여 약 75%로 저감할 수 있었다. 이와 같이, 고자계 영역에만 트위스트선을 배치하고, 저자계 영역에는 비트위스트 선재를 배치하는 것으로, 효과적으로 교류 손실의 저감을 실현할 수 있다.

또한, 일반적으로 트위스트 선재는 트위스트 가공이 필요하기 때문에 제조공정이 증가한다. 또한, 초전도 필라먼트의 단선 발생에 의해 제품 비율이 저하하여, 선재의 코스트 상승으로도 이어진다. 본 발명에서는 트위스트 선재의 배치 개소를 한정하는 것으로, 저손실화를 달성하는 동시에, 트위스트선을 사용한 경우의 케이블코스트 상승도 억제할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 초전도 케이블에 의하면, 다음의 효과를 갖을 수 있다.

트위스트 선재를 사용하는 것으로, 매트릭스와 필라먼트간에 흐르는 결합 전류의 유로가 트위스트 피치의 1/2마다 분단되고, 빠르게 결합 전류가 감쇠됨으로써, 고자계 영역에서는 교류 손실이 저감된다. 그 결과, 전초전도 선재를 트위스트 선재로 구성하는 경우에 비교하여 교류 손실을 작게 억제할 수 있다.

또한, 트위스트 선재와 같이 비트위스트 선재도 사용하는 것으로, 트위스트 선재의 적용에 의한 통전 특성의 저하, 또는 케이블의 코스트 상승을 억제할 수 있다.

특히, 인가 자계가 크고 트위스트화에 의한 저손실 효과를 기대할 수 있는 층에 트위스트 선재를 적용하고, 그 밖의 층에는 비트위스트 선재를 사용하는 것으로, 더욱 효과적으로 교류 손실을 저감하고, 또한 케이블의 통전 특성의 저하도 억제할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따라서, 한정적으로 트위스트 선재를 사용함으로써, 통전 전류 특성의 저하와 코스트 증가를 억제하여 교류 손실을 효과적으로 저감할 수 있는 초전도 케이블을 제공하게 되는 것이다.

Claims

심재의 외측에 복수의 초전도 선재를 다층으로 감아 이루어지는 초전도 케이블에 있어서,

상기 초전도 선재에는 나사형의 초전도 필라먼트를 갖는 트위스트 선재와

직선형의 초전도 필라먼트를 갖는 비트위스트 선재의 양쪽이 사용되고 있는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
제 1 항에 있어서, 상기 초전도 선재는 심재의 외측에 다층으로 감긴 도체층을 형성하고,

도체층 중 적어도 최외층이 트위스트 선재로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
제 1 항에 있어서, 상기 초전도 선재는 심재의 외측에 다층으로 감긴 도체층을 형성하고,

도체층 중 적어도 최내층이 비트위스트 선재로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
제 2 항에 있어서, 상기 초전도 선재는 심재의 외측에 다층으로 감긴 도체층을 형성하고,

도체층 중 적어도 최내층이 비트위스트 선재로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
제 1 항에 있어서, 상기 초전도 선재는 심재의 외측에 다층으로 감긴 도체층과, 도체층상에 형성되는 전기 절연층을 개재하여 다층으로 감긴 자기 차폐층을 형성하고,

자기 차폐층 중 적어도 최내층이 트위스트 선재로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
제 4 항에 있어서, 상기 초전도 선재는 심재의 외측에 다층으로 감긴 도체층과, 도체층상에 형성되는 전기 절연층을 개재하여 다층으로 감긴 자기 차폐층을 형성하고,

자기 차폐층 중 적어도 최내층이 트위스트 선재로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
제 1 항에 있어서, 상기 초전도 선재는 심재의 외측에 다층으로 감긴 도체층과, 도체층상에 형성되는 전기 절연층을 개재하여 다층으로 감긴 자기 차폐층을 형성하고,

자기 차폐층 중 적어도 최외층은 비트위스트 선재로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 다층 초전도 케이블.
제 6 항에 있어서, 상기 초전도 선재는 심재의 외측에 다층으로 감긴 도체층과, 도체층상에 형성되는 전기 절연층을 개재하여 다층으로 감긴 자기 차폐층을 형성하고,

자기 차폐층 중 적어도 최외층은 비트위스트 선재로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 다층 초전도 케이블.
제 1 항에 있어서, 상기 초전도 선재에 의해 구성되는 다층의 초전도층 중, 트위스트 선재를 이용한 층의 비율이 전체 층의 2/3 이하인 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
제 4 항에 있어서, 상기 초전도 선재에 의해 구성되는 다층의 초전도층 중, 트위스트 선재를 사용한 층의 비율이 전체 층의 2/3 이하인 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
제 6 항에 있어서, 상기 초전도 선재에 의해 구성되는 다층의 초전도층 중, 트위스트 선재를 사용한 층의 비율이 전체 층의 2/3 이하인 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
제 8 항에 있어서, 상기 초전도 선재에 의해 구성되는 다층의 초전도층 중,트위스트 선재를 사용한 층의 비율이 전체 층의 2/3 이하인 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
제 1 항에 있어서, 상기 초전도 선재 중, 트위스트 선재의 개수가 전체 개수의 2/3 이하인 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
제 4 항에 있어서, 상기 초전도 선재 중, 트위스트 선재의 개수가 전체 개수의 2/3 이하인 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
제 6 항에 있어서, 상기 초전도 선재 중, 트위스트 선재의 개수가 전체 개수의 2/3 이하인 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
제 8 항에 있어서, 상기 초전도 선재 중, 트위스트 선재의 개수가 전체 개수의 2/3 이하인 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
제 1 항에 있어서, 상기 초전도 선재는 Ag 또는 Ag 합금으로 이루어지는 매트릭스중에 고온 초전도체 재료로 이루어지는 필라먼트가 복수개 내장된 구성인 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
제 1 항에 있어서, 상기 트위스트 선재에 있어서의 초전도 필라먼트의 트위스트 피치는 10mm 이상 30mm 이하인 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
제 1 항에 있어서, 상기 초전도 선재에 의해 구성되는 초전도층의 각 층은 층간 절연이 실시되어 있는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
제 1 항에 있어서, 상기 초전도 선재는 각 층간의 전류 분포를 균일화하기 위해서, 적어도 1층의 권취 피치가 타층과는 다른 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.