KR20070023745A - 케이블 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 케이블 및 케이블 제조 방법에 관한 것이다. 이 케이블의 실시예는 예컨대 오버헤드 송전 라인으로서 유용하다.

케이블, 와이어, 코어, 섬유, 열팽창 계수, 응력

Description

케이블 및 그 제조 방법{CABLE AND METHOD OF MAKING THE SAME}

일반적으로, 복합재[금속 매트릭스 복합재(metal matrix composite: MMC)를 포함]는 공지되어 있다. 복합재는 일반적으로 미립자, 위스커(whisker) 혹은 섬유(예컨대, 단섬유 혹은 장섬유)로 강화된 매트릭스를 포함한다. 금속 매트릭스 복합재의 예로서, 알루미늄 매트릭스 복합 와이어(예컨대, 알루미늄 매트릭스에 매립된 탄화규소 섬유, 탄소 섬유, 붕소 섬유 혹은 다결정 알파 알루미나 섬유), 티타늄 매트릭스 복합 테이프(예컨대, 티타늄 매트릭스에 매립된 탄화규소 섬유) 및 구리 매트릭스 복합 테이프(예컨대, 구리 매트릭스에 매립된 탄화규소 섬유 혹은 붕소 섬유)를 들 수 있다. 중합체 매트릭스 복합재의 예로서, 에폭시 수지 매트릭스의 탄소 섬유 혹은 흑연 섬유와, 폴리에스테르 수지의 유리 섬유 혹은 아라미드 섬유와, 에폭시 수지의 탄소 섬유 및 유리 섬유를 들 수 있다.

복합 와이어의 한 가지 활용 분야를 보면, 복합 와이어는 노출된 오버헤드(overhead) 송전 케이블의 보강 부재로서 활용된다. 기존 송전 시설의 송전 용량을 증가시킬 필요성에 따라서, 케이블에 대한 한 가지의 전형적인 요건이 발생된다.

오버헤드 송전 분야에 적용되는 케이블의 바람직한 성능 요건으로서, 내부식성, 환경(예컨대, 자외선 및 습기)에 대한 내구성, 고온에서의 강도 손실에 대한 내성, 내크리프성(creep resistance), 비교적 높은 탄성율, 저밀도, 낮은 열팽창 계수, 고전도율 및 고강도를 들 수 있다. 알루미늄 매트릭스 복합 와이어를 포함하는 오버헤드 송전 케이블이 공지되어 있지만, 일부 적용 분야에 대해서는 예컨대 보다 바람직한 처짐 특성을 위한 개선 방안이 끊임없이 요구되고 있다.

일 태양에 따르면, 본 발명은, 열팽창 계수를 갖는 종방향 코어 및 집합적으로 코어의 열팽창 계수보다 큰 열팽창 계수를 갖는 복수의 와이어를 포함하는 케이블을 제공하며, 이 복수의 와이어는 알루미늄 와이어, 구리 와이어, 알루미늄 합금 와이어 또는 구리 합금 와이어 중 적어도 하나를 포함하고, 와이어는 코어 둘레로 연선되며, 이 케이블은 0MPa 미만의 응력 파라미터(어떤 실시예들에서는 -5MPa, -10MPa, -15MPa, -20MPa, -25MPa, -30MPa, -35MPa, -40MPa, -45MPa 혹은 -50MPa까지의 응력 파라미터, 그리고 어떤 실시예들에서는 0 내지 -50MPa 미만, 0 내지 -40MPa 미만, 0 내지 -30MPa 미만, 0 내지 -25MPa 미만, 0 내지 -20MPa 미만 혹은 0 내지 -10MPa 미만 범위의 응력 파라미터)를 갖는다. 어떤 실시예들에서는, 복수의 와이어는 적어도 90MPa 혹은 적어도 100MPa[ASTM B557/B557M(1999)에 따라 산출]까지의 인장 파단 강도를 갖는다.

다른 태양에 따르면, 본 발명은, 알루미늄 와이어, 구리 와이어, 알루미늄 합금 와이어 또는 구리 합금 와이어 중 적어도 하나를 포함하는 복수의 와이어를 종방향 코어 둘레로 연선하여 예비 연선 케이블을 제공하는 단계 및 예비 연선 케이블을 내경을 갖는 밀폐 다이에 가하여 외경을 갖는 케이블을 제공하는 단계를 포함하는 본 발명에 따른 케이블을 제조하는 방법을 제공하며, 다이 내경은 케이블 외경의 1.00배 내지 1.02배 범위에 있다.

본 명세서에 사용되는 바와 같이, 하기의 용어들은 달리 특정되지 않는 한 다음과 같이 정의된다.

"세라믹"은 유리, 결정 세라믹, 유리 세라믹 및 이들의 조합을 의미한다.

"연속 섬유"는 평균 섬유 직경과 비교할 때 길이가 상대적으로 매우 긴 섬유를 의미한다. 일반적으로, 이는 섬유가 적어도 1×10⁵(어떤 실시예들에서는 적어도 1×10⁶ 혹은 적어도 1×10⁷까지)의 종횡비(aspect ratio)(즉, 섬유 평균 직경에 대한 섬유 길이의 비율)를 갖는 것을 의미한다. 일반적으로, 이러한 섬유의 길이는 적어도 50미터 정도이며 수 킬로미터 이상 정도까지의 길이를 가질 수도 있다.

"형상 기억 합금"이란, 금속 합금이 변태 온도(transformation temperature) 미만에서 쌍정 메커니즘(twinning mechanism)에 의해 변형될 수 있도록 마르텐사이트 변태(Martensitic transformation)를 겪는 금속 합금을 지칭하며, 이러한 변형은 쌍정 구조가 변태 온도 초과로 가열되어 원상으로 복귀될 때 역변형 가능하다.

본 발명에 따른 케이블은 예컨대 송전 케이블로서 활용될 수 있다. 일반적으로, 본 발명에 따른 케이블은 향상된 처짐 특성(즉, 처짐량의 감소)을 나타낸다.

도1 내지 도5는 본 발명에 따른 케이블의 예시적인 실시예들의 개략적인 단면도들이다.

도6은 본 발명에 따라 용융 금속을 섬유에 침투시키는 데 사용되는 예시적인 초음파 침투 장치의 개략도이다.

도7, 도7A 및 도7B는 본 발명에 따른 케이블을 제조하는 데 사용되는 예시적인 연선 장치의 개략도들이다.

도8은 예시 예에 대한 케이블 처짐량 데이터를 플롯팅한 그래프이다.

도9는 예시 예와 가공 예1에 대한 케이블 처짐량 데이터를 플롯팅한 그래프이다.

도10은 비교 예와 예1에 대한 케이블 처짐량 데이터를 플롯팅한 그래프이다.

도11은 본 발명에 따른 케이블의 예시적인 실시예의 개략적인 단면도이다.

본 발명은 케이블 및 케이블을 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 예시적인 케이블(10)이 도1에 단면도로 도시되어 있다. 케이블(10)은 코어(12)와 2개 층의 원형 연선 와이어(stranded wire)(14)를 포함하며, 코어(12)는 와이어(16)[도시된 바와 같이, 금속 매트릭스 복합 와이어(metal matrix composite wire)]를 포함한다.

본 발명에 따른 다른 예시적인 케이블(20)이 도2에 단면도로 도시되어 있다. 케이블(20)은 코어(22)와 3개 층의 연선 와이어(24)를 포함하며, 코어(22)는 와이어(26)(도시된 바와 같이, 금속 매트릭스 복합 와이어)를 포함한다.

본 발명에 따른 다른 예시적인 케이블(30)이 도3에 단면도로 도시되어 있다. 케이블(30)은 코어(32)와 사다리꼴 연선 와이어(34)를 포함하며, 코어(32)는 와이 어(36)(도시된 바와 같이, 금속 매트릭스 복합 와이어)를 포함한다.

본 발명에 따른 케이블(40)의 또 다른 실시예가 도4에 단면도로 도시되어 있다. 케이블(40)은 코어(42)와 연선 와이어(44)를 포함한다.

어떤 실시예들에서는, 코어는 적어도 약 -75℃ 내지 약 450℃의 온도 범위에 걸쳐 약 5.5ppm/℃ 내지 약 7.5ppm/℃ 범위의 종방향 열팽창 계수를 갖는다.

코어를 포함하는 재료의 예로서, 아라미드, 세라믹, 붕소, 폴리(p-페닐렌-2,6-벤조비스옥사졸)[poly(p-phenylene-2,6-benzobisoxazole)], 흑연, 탄소, 티타늄, 텅스텐 및/또는 형상 기억 합금을 들 수 있다. 어떤 실시예들에서는, 이러한 재료가 섬유(일반적으로 연속 섬유) 형태이다. 어떤 실시예들에서는, 아라미드를 포함하는 코어가 적어도 약 20℃ 내지 약 200℃의 온도 범위에 걸쳐 약 -6ppm/℃ 내지 약 0ppm/℃ 범위의 종방향 열팽창 계수를 갖는다. 어떤 실시예들에서는, 세라믹을 포함하는 코어가 적어도 약 20℃ 내지 약 600℃의 온도 범위에 걸쳐 약 3ppm/℃ 내지 약 12ppm/℃ 범위의 종방향 열팽창 계수를 갖는다. 어떤 실시예들에서는, 붕소를 포함하는 코어가 적어도 약 20℃ 내지 약 600℃의 온도 범위에 걸쳐 약 4ppm/℃ 내지 약 6ppm/℃ 범위의 종방향 열팽창 계수를 갖는다. 어떤 실시예들에서는, 폴리(p-페닐렌-2,6-벤조비스옥사졸)을 포함하는 코어가 적어도 약 20℃ 내지 약 600℃의 온도 범위에 걸쳐 약 -6ppm/℃ 내지 약 0ppm/℃ 범위의 종방향 열팽창 계수를 갖는다. 어떤 실시예들에서는, 흑연을 포함하는 코어가 적어도 약 20℃ 내지 약 600℃의 온도 범위에 걸쳐 약 -2ppm/℃ 내지 약 2ppm/℃ 범위의 종방향 열팽창 계수를 갖는다. 어떤 실시예들에서는, 탄소를 포함하는 코어가 적어도 약 20 ℃ 내지 약 600℃의 온도 범위에 걸쳐 약 -2ppm/℃ 내지 약 2ppm/℃ 범위의 종방향 열팽창 계수를 갖는다. 어떤 실시예들에서는, 티타늄을 포함하는 코어가 적어도 약 20℃ 내지 약 800℃의 온도 범위에 걸쳐 약 10ppm/℃ 내지 약 20ppm/℃ 범위의 종방향 열팽창 계수를 갖는다. 어떤 실시예들에서는, 텅스텐을 포함하는 코어가 적어도 약 20℃ 내지 약 1000℃의 온도 범위에 걸쳐 약 8ppm/℃ 내지 약 18ppm/℃ 범위의 종방향 열팽창 계수를 갖는다. 어떤 실시예들에서는, 형상 기억 합금을 포함하는 코어가 적어도 약 20℃ 내지 약 1000℃의 온도 범위에 걸쳐 약 8ppm/℃ 내지 약 25ppm/℃ 범위의 종방향 열팽창 계수를 갖는다. 어떤 실시예들에서는, 유리를 포함하는 코어가 적어도 약 20℃ 내지 약 600℃의 온도 범위에 걸쳐 약 4ppm/℃ 내지 약 10ppm/℃ 범위의 종방향 열팽창 계수를 갖는다.

코어용 섬유의 예로서, 아라미드 섬유, 세라믹 섬유, 붕소 섬유, 폴리(p-페닐렌-2,6-벤조비스옥사졸) 섬유, 흑연 섬유, 탄소 섬유, 티타늄 섬유, 텅스텐 섬유 및/또는 형상 기억 합금 섬유를 들 수 있다.

예시적인 붕소 섬유는 예컨대 미국 매사추세츠 로웰에 소재한 텍스트론 스페셜티 파이버스 인코포레이티드(Textron Specialty Fibers, Inc.)로부터 구매 가능하다. 일반적으로, 이러한 붕소 섬유의 길이는 적어도 50미터 정도이며 수 킬로미터 이상 정도까지의 길이를 가질 수도 있다. 일반적으로, 연속 붕소 섬유의 평균 섬유 직경은 약 80마이크로미터 내지 약 200마이크로미터 범위이다. 이러한 평균 섬유 직경은 보다 일반적으로는 150마이크로미터 이하이며, 가장 일반적으로는 95마이크로미터 내지 145마이크로미터 범위이다. 어떤 실시예들에서는, 붕소 섬유는 적어도 3GPa, 혹은 적어도 3.5GPa의 평균 인장 강도를 갖는다. 어떤 실시예들에서는, 붕소 섬유는 약 350GPa 내지 약 450GPa 범위, 혹은 약 350GPa 내지 약 400GPa 범위까지의 탄성률(modulus)을 갖는다.

어떤 실시예들에서는, 세라믹 섬유는 적어도 1.5GPa, 2GPa, 3GPa, 4GPa, 5GPa, 6GPa, 혹은 적어도 6.5GPa까지의 평균 인장 강도를 갖는다. 어떤 실시예들에서는, 세라믹 섬유는 140GPa 내지 약 500GPa 범위, 혹은 140GPa 내지 약 450GPa 범위까지의 탄성률을 갖는다.

예시적인 탄소 섬유는 예컨대 미국 조지아주 알파레타에 소재한 아모코 케미컬즈(Amoco Chemicals)로부터 "소넬 카본(THORNEL CARBON)"이라는 상표명으로 2000개의 섬유, 4000개의 섬유, 5000개의 섬유 및 12000개의 섬유를 단위로 하여 시판되고 있으며, 미국 캘리포니아주 새크라멘토에 소재한 그라필 인코포레이티드(Grafil Inc.)[미쓰비시 레이온 코포레이티드(Mitsubishi Rayon Co.)의 자회사]의 코네티컷주 스탬포드에 소재하는 헥셀 코포레이션(Hexcel Corporation)으로부터 "파이로필(PYROFIL)"이라는 상표명으로 시판되고 있고, 일본 도쿄에 소재한 도레이(Toray)로부터 "도레이카(TORAYCA)"라는 상표명으로 시판되고 있으며, 일본에 소재한 도호 레이온(Toho Rayon)으로부터 "베스파이트(BESFIGHT)"라는 상표명으로 시판되고 있고, 미국 미주리주 세인트루이스에 소재한 졸텍 코포레이션(Zoltek Corporation)으로부터 "파넥스(PANEX)"와 "파이론(PYRON)"이라는 상표명으로 시판되고 있으며, 미국 뉴저지주 윅코프에 소재한 인코 스페셜 프라덕츠(Inco Special Products)로부터 "12K20"과 "12K50"(니켈 도금 탄소 섬유)이라는 상표명으로 시판 되고 있다. 일반적으로, 이러한 섬유의 길이는 적어도 50미터 정도이며 수 킬로미터 이상 정도까지의 길이를 가질 수도 있다. 일반적으로, 연속 탄소 섬유의 평균 섬유 직경은 약 4마이크로미터 내지 약 12마이크로미터, 약 4.5마이크로미터 내지 약 12마이크로미터, 혹은 약 5마이크로미터 내지 약 10마이크로미터 범위까지이다. 어떤 실시예들에서는, 탄소 섬유는 적어도 1.4GPa, 적어도 2.1GPa, 적어도 3.5GPa, 혹은 적어도 5.5GPa까지의 평균 인장 강도를 갖는다. 어떤 실시예들에서는, 탄소 섬유는 150GPa 초과 내지 450GPa 이하 혹은 400GPa 이하까지의 탄성률을 갖는다.

예시적인 흑연 섬유는 예컨대 미국 조지아주 알파레타에 소재한 비피 아모코(BP Amoco)로부터 "T-300"이라는 상표명으로 1000개의 섬유, 3000개의 섬유 및 6000개의 섬유를 단위로 하여 시판되고 있다. 일반적으로, 이러한 섬유의 길이는 적어도 50미터 정도이며 수 킬리미터 이상 정도까지의 길이를 가질 수도 있다. 일반적으로, 연속 흑연 섬유의 평균 섬유 직경은 약 4마이크로미터 내지 약 12마이크로미터, 약 4.5마이크로미터 내지 약 12마이크로미터, 혹은 약 5마이크로미터 내지 약 10마이크로미터 범위까지이다. 어떤 실시예들에서는, 흑연 섬유는 적어도 1.5GPa, 2GPa, 3GPa, 혹은 적어도 4GPa까지의 평균 인장 강도를 갖는다. 어떤 실시예들에서는, 흑연 섬유는 약 200GPa 내지 약 1200GPa, 혹은 약 200GPa 내지 약 1000GPa 범위까지의 탄성률을 갖는다.

예시적인 티타늄 섬유는 예컨대 미국 네바다주 헨더슨에 소재한 티멧(TIMET)으로부터 입수 가능하다. 일반적으로, 이러한 섬유의 길이는 적어도 50미터 정도이며 수 킬로미터 이상 정도까지의 길이를 가질 수도 있다. 일반적으로, 연속 티 타늄 섬유의 평균 섬유 직경은 50마이크로미터 내지 약 250마이크로미터 범위이다. 어떤 실시예들에서는, 티타늄 섬유는 적어도 0.7GPa, 1GPa, 1.5GPa, 2GPa, 혹은 적어도 2.1GPa까지의 평균 인장 강도를 갖는다. 어떤 실시예들에서는, 세라믹 섬유는 약 85GPa 내지 약 100GPa, 혹은 약 85GPa 내지 약 95GPa 범위까지의 탄성률을 갖는다.

예시적인 텅스텐 섬유는 예컨대 미국 캘리포니아주 그로버 비치에 소재한 캘리포니아 파인 와이어 컴퍼니(California Fine Wire Company)로부터 입수 가능하다. 일반적으로, 이러한 섬유의 길이는 적어도 50미터 정도이며 수 킬로미터 이상 정도까지의 길이를 가질 수도 있다. 일반적으로, 연속 텅스텐 섬유의 평균 섬유 직경은 약 100마이크로미터 내지 약 500마이크로미터, 약 150마이크로미터 내지 약 500마이크로미터, 혹은 약 200마이크로미터 내지 약 400마이크로미터 범위까지이다. 어떤 실시예들에서는, 텅스텐 섬유는 적어도 0.7GPa, 1GPa, 1.5GPa, 2GPa, 혹은 적어도 2.3GPa까지의 평균 인장 강도를 갖는다. 어떤 실시예들에서는, 텅스텐 섬유는 400GPa 초과 내지 약 420GPa 이하 혹은 415GPa 이하까지의 탄성률을 갖는다.

예시적인 형상 기억 합금 섬유는 예컨대 미국 펜실베니아주 웨스트 화이트랜드에 소재한 존슨 매티(Johnson Matthey)로부터 입수 가능하다. 일반적으로, 이러한 섬유의 길이는 적어도 50미터 정도이며 수 킬로미터 이상 정도까지의 길이를 가질 수도 있다. 일반적으로, 연속 형상 기억 합금 섬유의 평균 섬유 직경은 약 50마이크로미터 내지 약 400마이크로미터, 약 50마이크로미터 내지 약 350마이크로미 터, 혹은 약 100마이크로미터 내지 약 300마이크로미터 범위까지이다. 어떤 실시예들에서는, 형상 기억 합금 섬유는 적어도 0.5GPa, 혹은 적어도 1GPa까지의 평균 인장 강도를 갖는다. 어떤 실시예들에서는, 형상 기억 합금 섬유는 약 20GPa 내지 약 100GPa, 혹은 약 20GPa 내지 약 90GPa 범위까지의 탄성률을 갖는다.

예시적인 아라미드 섬유는 미국 델라웨어주 윌밍톤에 소재한 듀폰(DuPont)으로부터 "케블라(KEVLAR)"라는 상표명으로 시판되고 있다. 일반적으로, 이러한 섬유의 길이는 적어도 50미터 정도이며 수 킬로미터 이상 정도까지의 길이를 가질 수도 있다. 일반적으로, 연속 아라미드 섬유의 평균 섬유 직경은 약 10마이크로미터 내지 약 15마이크로미터 범위이다. 어떤 실시예들에서는, 아라미드 섬유는 적어도 2.5GPa, 3GPa, 3.5GPa, 4GPa, 혹은 적어도 4.5GPa까지의 평균 인장 강도를 갖는다. 어떤 실시예들에서는, 아라미드 섬유는 약 80GPa 내지 약 200GPa, 혹은 약 80GPa 내지 약 180GPa 범위까지의 탄성률을 갖는다.

폴리(p-페닐렌-2,6-벤조비스옥사졸) 섬유는 예컨대 일본 오사카에 소재한 도요보 코포레이션(Toyobo Co.)으로부터 "자일론(ZYLON)"이라는 상표명으로 시판되고 있다. 일반적으로, 이러한 섬유의 길이는 적어도 50미터 정도이며 수 킬로미터 이상일 수도 있다. 일반적으로, 연속 폴리(p-페닐렌-2,6-벤조비스옥사졸) 섬유의 평균 섬유 직경은 약 8마이크로미터 내지 약 15마이크로미터 범위이다. 어떤 실시예들에서는, 폴리(p-페닐렌-2,6-벤조비스옥사졸) 섬유는 적어도 3GPa, 4GPa, 5GPa, 6GPa, 혹은 적어도 7GPa까지의 평균 인장 강도를 갖는다. 어떤 실시예들에서는, 폴리(p-페닐렌-2,6-벤조비스옥사졸) 섬유는 약 150GPa 내지 약 300GPa, 혹은 약 150GPa 내지 약 275GPa 범위까지의 탄성률을 갖는다.

세라믹 섬유의 예로서, 산화금속(예컨대 알루미나) 섬유, 질화붕소 섬유, 탄화규소 섬유 및 이들 섬유들의 조합을 들 수 있다. 일반적으로, 산화세라믹 섬유는 결정 세라믹(crystalline ceramic) 및/또는 결정 세라믹과 유리의 혼합물이다(즉, 섬유는 결정 세라믹상과 유리상을 모두 포함할 수 있다). 일반적으로, 이러한 섬유의 길이는 적어도 50미터 정도이며 수 킬로미터 이상 정도까지의 길이를 가질 수도 있다. 일반적으로, 연속 결정 세라믹 섬유의 평균 섬유 직경은 약 5마이크로미터 내지 약 50마이크로미터, 약 5마이크로미터 내지 약 25마이크로미터, 약 8마이크로미터 내지 약 25마이크로미터, 혹은 약 8마이크로미터 내지 약 20마이크로미터 범위까지이다. 어떤 실시예들에서는, 결정 세라믹 섬유는 적어도 1.4GPa, 적어도 1.7GPa, 적어도 2.1GPa, 혹은 적어도 2.8GPa까지의 평균 인장 강도를 갖는다. 어떤 실시예들에서는, 결정 세라믹 섬유는 70GPa 초과 내지 약 1000GPa 이하 혹은 420GPa 이하까지의 탄성률을 갖는다.

모노필라멘트 세라믹 섬유의 예로서, 탄화규소 섬유를 들 수 있다. 일반적으로, 탄화규소 모노필라멘트 섬유는 결정성이거나, 그리고/또는 결정 세라믹과 유리의 혼합물이다(즉, 섬유는 결정 세라믹상과 유리상을 모두 포함할 수 있다). 일반적으로, 이러한 섬유의 길이는 적어도 50미터 정도이며 수 킬로미터 이상 정도까지의 길이를 가질 수도 있다. 일반적으로, 연속 탄화규소 모노필라멘트 섬유의 평균 섬유 직경은 약 100마이크로미터 내지 약 250마이크로미터 범위이다. 어떤 실시예들에서는, 결정 세라믹 섬유는 적어도 2.8GPa, 적어도 3.5GPa, 적어도 4.2GPa, 혹은 적어도 6GPa까지의 평균 인장 강도를 갖는다. 어떤 실시예들에서는, 결정 세라믹 섬유는 250GPa 초과 내지 약 500GPa 이하 혹은 430GPa 이하까지의 탄성률을 갖는다.

또한, 예시적인 유리 섬유는 예컨대 미국 뉴욕주 코닝에 소재한 코닝 글래스(Corning Glass)로부터 입수 가능하다. 일반적으로, 연속 유리 섬유의 평균 섬유 직경은 약 3마이크로미터 내지 약 19마이크로미터 범위이다. 어떤 실시예들에서는, 유리 섬유는 적어도 3GPa, 4GPa, 혹은 적어도 5GPa까지의 평균 인장 강도를 갖는다. 어떤 실시예들에서는, 유리 섬유는 약 60GPa 내지 95GPa, 혹은 약 60GPa 내지 약 90GPa 범위의 탄성률을 갖는다.

어떤 실시예들에서는, 세라믹 섬유와 탄소 섬유는 토우(tow) 형태로 형성된다. 이러한 토우는 섬유 기술 분야에 공지되어 있으며, 로빙형(roving-like) 형태로 결속된 복수의(개별적인) 섬유들(일반적으로는 적어도 100개의 섬유, 보다 일반적으로는 적어도 400개의 섬유)을 말한다. 어떤 실시예들에서는, 토우당 적어도 780개의 개별 섬유들이 있으며, 어떤 경우에는 토우당 적어도 2600개의 개별 섬유들이 있다. 세라믹 섬유의 토우는 300미터, 500미터, 750미터, 1000미터, 1500미터, 1750미터 및 그 이상의 여러 가지 길이로 입수 가능하다. 이러한 섬유는 원형 혹은 타원형의 단면 형상을 갖는다. 탄소 섬유의 어떤 실시예들에서는, 토우당 적어도 2000개의 개별 섬유, 5000개의 개별 섬유, 12000개의 개별 섬유, 혹은 적어도 50000개까지의 개별 섬유들이 있다.

알루미나 섬유는 예컨대 미국 특허 공보 제4,954,462호[우드(Wood) 등]와 제 5,185,29호[우드(Wood) 등]에 개시되어 있다. 어떤 실시예들에서는, 알루미나 섬유는 다결정 알파 알루미나 섬유이며, 이론적인 산화물을 기초로 할 때 알루미나 섬유의 총 중량을 기준으로 99중량% 초과의 Al₂O₃와 0.2 내지 0.5중량%의 SiO₂를 포함한다. 또 다른 태양에 따르면, 바람직한 어떤 다결정 알파 알루미나 섬유는 평균 입자 크기가 1마이크로미터 미만(혹은 어떤 실시예들에서는 0.5마이크로미터 미만까지)인 알파 알루미나를 포함한다. 또 다른 태양에 따르면, 어떤 실시예들에서는 다결정 알파 알루미나 섬유가 적어도 1.6GPa(어떤 실시예들에서는 적어도 2.1GPa, 혹은 적어도 2.8GPa까지)의 평균 인장 강도를 갖는다. 예시적인 알파 알루미나 섬유는 미국 미네소타주 세인트폴에 소재한 쓰리엠 컴퍼니(3M Company)로부터 "넥스텔 610(NEXTEL 610)"이라는 상표명으로 시판되고 있다.

알루미노실리케이트 섬유는 예컨대 미국 특허 공보 제4,047,965호[카스트(Karst) 등]에 개시되어 있다. 알루미노실리케이트 섬유는 미국 미네소타주 세인트폴에 소재한 쓰리엠 컴퍼니(3M Company)로부터 "넥스텔 440(NEXTEL 440)", "넥스텔 550(NEXTEL 550)" 및 "넥스텔 720(NEXTEL 720)"이라는 상표명으로 시판되고 있다.

알루미노보로실리케이트 섬유는 예컨대 미국 특허 공보 제3,795,524호[소우만(Sowman) 등]에 개시되어 있다. 알루미노보로실리케이트 섬유는 쓰리엠 컴퍼니(3M Company)로부터 "넥스텔 312(NEXTEL 312)"라는 상표명으로 시판되고 있다.

질화붕소 섬유는 예컨대 미국 특허 공보 제3,429,722호[에코노미(Economy)] 와 제5,780,154호[오카노(Okano) 등]에 개시되어 있다.

예시적인 탄화규소 섬유는 예컨대 미국 캘리포니아주 샌디에고에 소재한 씨오아이 세라믹스(COI Ceramics)로부터 "니칼론(NICALON)"이라는 상표명으로 500개의 섬유를 단위로 하여 시판되고 있으며, 일본에 소재한 우베 인더스트리즈(Ube Industries)로부터 "타이라노(TYRANNO)"라는 상표명으로 시판되고 있고, 미국 미시간주 미드랜드에 소재한 다우 코닝(Dow Corning)으로부터 "실라믹(SYLRAMIC)"이라는 상표명으로 시판되고 있다.

예시적인 탄화규소 모노필라멘트 섬유는 예컨대 미국 매사추세츠주 로웰에 소재한 텍스트론 스페셜티 머티리얼즈(Textron Specialty Materials)로부터 "SCS-9", "SCS-6", "울트라-SCS(Ultra-SCS)"라는 상표명으로 시판되고 있으며, 미국 버지니아주 게인스빌에 소재한 아틀란틱 리서치 코포레이션(Atlantic Research Corporation)으로부터 "트라이마크(Trimarc)"라는 상표명으로 시판되고 있다.

구매 가능한 섬유는 일반적으로, 섬유에 윤활성을 제공하고 섬유의 취급 중 섬유 연선을 보호하기 위해서 제조 중에 섬유에 첨가되는 유기 가호제(organic sizing material)를 포함한다. 또한, 이러한 가호제는, 중합체 복합 코어 와이어를 제조하기 위한 중합체와의 인발 성형 공정 중 취급에 도움을 줄 수 있다. 가호제는 예컨대 섬유로부터 가호제를 용해시키거나 연소시킴으로써 제거될 수 있다. 일반적으로, 금속 매트릭스 복합 와이어를 형성하기 전에 가호제를 제거하는 것이 바람직하다.

섬유는, 예컨대 섬유의 습윤성(wettability)을 향상시키고 섬유와 용융 금속 매트릭스 재료 사이의 반응을 저감시키거나 방지하기 위해 사용되는 코팅재를 구비할 수 있다. 이러한 코팅재와 그 코팅재의 형성 기술은 섬유 및 복합재 분야에 공지되어 있다.

어떤 실시예들에서는, 코어의 섬유수를 기준으로 적어도 85%(어떤 실시예들에서는 적어도 90%, 혹은 적어도 95%까지)가 연속이다.

복합 코어 및 와이어에 대한 매트릭스 재료(matrix material)의 예로서, 중합체(예컨대 에폭시, 에스테르, 비닐 에스테르, 폴리이미드, 폴리에스테르, 시아네이트 에스테르, 페놀 수지, 비스말레이미드 수지 및 열가소성 수지)와, 금속[예컨대 고순도(99.95% 초과) 알루미늄 원소, 혹은 구리와 같은 다른 원소와 순수 알루미늄과의 합금]을 들 수 있다. 일반적으로, 금속 매트릭스 재료는, 예컨대 섬유 외부에 보호 코팅재를 형성시킬 필요가 없도록 섬유가 매트릭스 재료와 화학적으로 현저히 반응을 일으키지 않게(즉, 섬유 재료와 매트릭스 재료가 비교적 화학적으로 반응을 일으키지 않게) 선택된다. 금속 매트릭스 재료는 알루미늄, 아연, 주석, 마그네슘 및 이들의 혼합물들(예컨대 알루미늄과 구리의 합금)을 포함한다. 어떤 실시예들에서는, 매트릭스 재료는 바람직하게는 알루미늄과 그의 합금들을 포함한다.

어떤 실시예들에서는, 금속 매트릭스 재료는 적어도 98중량%의 알루미늄, 적어도 99중량%의 알루미늄, 99.9중량% 초과의 알루미늄, 혹은 99.95중량% 초과까지의 알루미늄을 포함한다. 알루미늄과 구리의 예시적인 알루미늄 합금은 적어도 98중량%의 알루미늄(Al)과 2중량%까지의 구리(Cu)를 포함한다. 어떤 실시예들에서 는, 유용한 합금은 1000, 2000, 3000, 4000, 5000, 6000, 7000 및/또는 8000 시리즈의 알루미늄 합금이다(미국 알루미늄 협회 지정). 고순도의 금속이 보다 높은 인장 강도의 와이어를 제조하는데 바람직하지만, 순도가 낮은 금속도 유용하게 활용될 수 있다.

적절한 금속들은 구매 가능하다. 예컨대, 알루미늄은 미국 팬실베니아주 피츠버그에 소재한 알코아(Alcoa)로부터 "수퍼 퓨어 알루미늄; 99.99% 알루미늄(SUPER PURE ALUMINUM; 99.99% Al)"이라는 상표명으로 시판되고 있다. 예컨대, 미국 뉴욕주 뉴욕에 소재한 벨몬트 메탈즈(Belmont Metals)로부터 알루미늄 합금[예컨대 알루미늄-2중량%의 구리(0.03중량%의 불순물)]을 입수할 수 있다. 예컨대, 미국 미네소타주 세인트폴에 소재한 메탈 서비시즈(Metal Services)로부터 아연과 주석을 입수 가능하다(99.999% 순도의 "순수 아연"과 99.95% 순도의 "순수 주석"). 예컨대, 마그네슘은 영국 맨체스터에 소재한 마그네슘 일렉트론(Magnesium Elektron)으로부터 "퓨어(PURE)"라는 상표명으로 시판되고 있다. 마그네슘 합금은 예컨대 미국 덴버에 소재한 티멧 코포레이션(TIMET Co.)으로부터 입수 가능하다.

복합 코어 및 와이어는 일반적으로 섬유와 매트릭스 재료의 총 조합 체적을 기준으로 할 때 적어도 15체적%(어떤 실시예들에서는 적어도 20, 25, 30, 35, 40, 45 혹은 50체적%까지)의 섬유를 포함한다. 보다 일반적으로는, 복합 코어 및 와이어는 일반적으로 섬유와 매트릭스 재료의 총 조합 체적을 기준으로 할 때 40 내지 75체적%(어떤 실시예들에서는 45 내지 70체적%)의 섬유를 포함한다.

일반적으로, 코어의 평균 직경은 약 1mm 내지 약 15mm 범위이다. 어떤 실시 예들에서는, 바람직한 코어의 평균 직경은 적어도 1mm, 적어도 2mm, 혹은 약 3mm까지이다. 일반적으로, 복합 와이어의 평균 직경은 약 1mm 내지 12mm, 1mm 내지 10mm, 1mm 내지 8mm, 혹은 1mm 내지 4mm 범위까지이다. 어떤 실시예들에서는, 바람직한 복합 와이어의 평균 직경은 적어도 1mm, 적어도 1.5mm, 2mm, 3mm, 4mm, 5mm, 6mm, 7mm, 8mm, 9mm, 10mm, 11mm, 혹은 적어도 12mm까지이다.

복합 코어 및 와이어는 본 기술 분야에 공지되어 있는 기술들을 이용하여 제조될 수 있다. 연속 금속 매트릭스 복합 와이어는 예컨대 연속 금속 매트릭스 침투 방법에 의해 제조될 수 있다. 한 가지 적절한 방법이 예컨대 미국 특허 공보 제6,485,796호[카펜터(Carpenter) 등]에 개시되어 있다. 중합체와 섬유를 포함하는 와이어는 본 기술 분야에 공지되어 있는 인발 성형 방법에 의해 제조될 수 있다.

연속 금속 매트릭스 와이어를 제조하는 예시적인 장치(60)가 도6에 개략적으로 도시되어 있다. 연속 섬유 토우(61)가 공급 스풀(spool)(62)로부터 공급되어 원형 번들(bundle)로 결속되어서 관형 노(tube furnace)(63)를 통과하면서 열세척된다. 이어서, 섬유 토우(61)는, 금속 매트릭스 재료의 용융물(65)(이하에서 "용융 금속"으로도 불리움)을 담고 있는 도가니(67)에 도입되기 전에 진공 챔버(64)에서 배기된다. 섬유 토우는 캐터퓰러(caterpuller)(70)에 의해 공급 스풀(62)로부터 견인된다. 용융물(65)을 섬유 토우(61)로 침투시킬 수 있도록 초음파 프로브(probe)(66)가 섬유 부근에서 용융물(65)에 위치된다. 와이어(71)의 용융 금속은 도가니(67)로부터 배출 다이(68)를 통해 배출된 후에 냉각되어 경화되며, 이때 와이어(71)가 도가니(7)로부터 완전히 배출되기 전에 다소의 냉각이 행해질 수 있다. 와이어(71)의 냉각은 냉각 장치(69)를 통해 유입되어 와이어(71)에 분사되는 가스 혹은 액체 스트림에 의해 촉진된다. 와이어(71)는 스풀(72) 상에 수집된다.

위에서 설명한 바와 같이, 섬유를 열세척하게 되면, 섬유의 표면에 존재할 수도 있는 가호제, 흡수된 물, 그리고 다른 일회성 혹은 휘발성 재료들을 감소시키거나 제거시킬 수 있게 된다. 일반적으로, 섬유 표면의 탄소 함량이 22% 면적비 미만이 될 때까지 섬유를 열세척하는 것이 바람직하다. 일반적으로, 관형 노(63)의 온도는 적어도 300℃, 보다 일반적으로는 적어도 1000℃이며, 섬유는 적어도 수초 동안 일정 온도로 관형 노(63)에 체류하는데, 이때 특정 온도(들)와 시간(들)은 예를 들어 사용되는 특정 섬유의 세척 요건에 따라 결정될 수 있다.

어떤 실시예들에서는, 섬유 토우(61)가 용융물(67)로 도입되기 전에 배기되는데, 왜냐하면 이러한 배기에 의해서 건조 섬유를 갖는 국소 영역(즉, 매트릭스가 침투되지 않은 섬유 영역)과 같은 결함부의 형성을 저감시키거나 방지할 수 있는 것으로 판명되었기 때문이다. 일반적으로, 섬유 토우(61)는 어떤 실시예들의 경우에 20torr 이하, 10torr 이하, 1torr 이하, 혹은 0.7torr 이하까지의 진공압으로 배기된다.

예시적인 적절한 진공 시스템(64)은 섬유 토우(61) 번들의 직경에 대응되는 크기로 형성된 유입관을 구비한다. 유입관은 예컨대 스테인레스 강재 혹은 알루미나 관일 수 있으며, 그 길이는 일반적으로 적어도 약 20 내지 30cm이다. 진공 챔버(64)는 일반적으로 약 2 내지 20cm 범위의 직경과, 약 5 내지 100cm 범위의 길이 를 갖는다. 진공 펌프의 용량은 어떤 실시예들에서는 적어도 약 0.2 내지 1㎥/분이다. 배기된 섬유 토우(61)는 금속조(metal bath)를 관통하는 진공 시스템(64)의 관을 통해 용융물(65) 내로 삽입되며[즉, 배기된 섬유 토우(61) 번들은 진공 상태에서 용융물(65) 내로 삽입된다], 이때 용융물(65)은 대기압 상태이다. 배출관의 내경은 섬유 토우(61) 번들의 직경에 대응된다. 배출관의 일부는 용융 금속 내에 담겨진다. 어떤 실시예들에서는, 관의 약 0.5 내지 5cm가 용융 금속 내에 담겨진다. 관은 용융 금속 재료 내에서 안정될 수 있게 선택된다. 일반적으로 적절한 관의 예로서, 질화규소 관과 알루미나 관을 들 수 있다.

일반적으로, 초음파에 의해서 용융 금속(65)이 섬유 토우(61) 번들 내로 침투하는 작용이 촉진된다. 예를 들어, 진동 혼(66)이 섬유 토우(61) 번들에 근접하게 용융 금속(65)에 위치된다.

어떤 실시예들에서는, 혼(66)은 약 19.5 내지 20.5kHz 범위의 진동수와 대기 중에서 약 0.13 내지 0.38mm(0.005 내지 0.015인치)의 진폭으로 진동할 수 있도록 구동된다. 또한, 어떤 실시예들에서는, 혼은 초음파 변환기에 연결된 티타늄 도파관에 연결된다[예컨대 미국 코네티컷주 댄버리에 소재한 소닉스 앤드 머티리얼즈(Sonics & Materials)로부터 입수 가능].

어떤 실시예들에서는, 섬유 토우(61) 번들은 혼 팁(tip)의 약 2.5mm 내에(어떤 실시예들에서는 약 1.5mm 내에) 있다. 어떤 실시예들에서는, 혼 팁은 니오븀, 혹은 95중량%의 니오븀(Nb)-5중량%의 몰리브덴(Mo)과 91중량%의 니오븀-9중량%의 몰리브덴과 같은 니오븀 합금으로 제조되며, 예컨대 미국 펜실베니아주 피츠버그에 소재한 피엠티아이(PMTI)로부터 입수 가능하다. 이러한 합금에 의해서 예컨대 길이가 12.7cm(5인치)이고 직경이 2.5cm(1인치)인 실린더가 제조될 수 있다. 실린더는 그의 길이를 변경시킴으로써 소망하는 진동수(예컨대 약 19.5 내지 20.5kHz)로 조절될 수 있다. 금속 매트릭스 복합 제품을 제조하는 데 사용되는 초음파에 대한 추가적인 상세 사항은, 미국 특허 공보 제4,649,060호[이시카와(Ishikawa) 등], 제4,779,563호[이시카와(Ishikawa) 등] 및 제4,877,643호[이시카와(Ishikawa) 등]와, 미국 특허 공보 제6,180,232호[맥컬로우(McCollough) 등], 제6,245,425호[맥컬로우(McCollough) 등], 제6,336,495호[맥컬로우(McCollough) 등], 제6,329,056호[데브(Deve) 등], 제6,344,270호[맥컬로우(McCollough) 등], 제6,447,927호[맥컬로우(McCollough) 등], 제6,460,597호[맥컬로우(McCollough) 등], 제6,485,796호[카펜터(Carpenter) 등] 및 제6,544,645호[맥컬로우(McCollough) 등]와, 2000년 7월 14일자로 출원된 미국 특허 출원 번호 제09/616,741호와, 2002년 1월 24일자로 공개된 국제 공개 특허 공보 제WO02/06550호에 개시되어 있다.

일반적으로, 용융 금속(65)은 침투 중에 그리고/또는 침투 전에 탈가스(degassing) 처리된다[예를 들어, 용융 금속(65)에 용해된 가스(예컨대, 알루미늄의 수소)의 양이 저감됨]. 용융 금속(65)의 탈가스 처리 기술은 금속 처리 분야에 공지되어 있다. 탈가스 처리된 용융물(65)은 와이어의 가스 기공도(porocity)를 저하시키게 된다. 용융 알루미늄에 대해서, 용융물(65)의 수소 농도는 어떤 실시예들에서는 알루미늄 100그램당 약 0.2㎤ 미만, 0.15㎤ 미만, 혹은 0.1㎤ 미만까지이다.

배출 다이(68)는 소망하는 와이어 직경을 형성시킬 수 있도록 구성된다. 일반적으로, 배출 다이는 그의 길이를 따라 균일한 원형 와이어를 형성시키도록 하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 58체적%의 알루미나 섬유를 포함한 알루미늄 복합 와이어에 대한 질화규소 배출 다이의 직경은 와이어(71)의 직경과 동일하다. 어떤 실시예들에서는, 배출 다이(68)는 바람직하게는 질화규소로 제조되지만, 다른 재료도 사용될 수 있다. 본 기술 분야에 배출 다이로서 사용되어 온 여타 다른 재료로서 종래의 알루미나를 들 수 있다. 하지만, 본 출원인에 의해 판명된 바에 따르면, 질화규소 배출 다이는 종래의 알루미나 다이에 비해 그 마모가 상당히 덜하여, 특히 와이어의 길이가 긴 경우에 와이어를 소망하는 직경과 형상으로 형성시키는 데 있어 더욱 유용함이 밝혀졌다.

일반적으로, 와이어(71)는 배출 다이(68)로부터 배출된 후에 냉각 장치(69)를 통해 유입된 액체(예컨대 물)나 가스(예컨대 질소, 아르곤 혹은 공기)와 접촉함으로써 냉각된다. 이러한 냉각에 의해서, 소망하는 원형성 및 균일성과 무공성을 달성할 수 있게 된다. 와이어(71)는 스풀(72) 상에 수집된다.

금속간 상(intermetallic phase), 건조 섬유, 예컨대 내부 가스(예컨대 수소 혹은 수증기) 공극이나 수축으로 인한 기공 등과 같은 결함이 금속 매트릭스 복합 와이어에 존재하는 경우에, 와이어 강도와 같은 특성이 저하될 수 있음은 공지되어 있다. 따라서, 이러한 결함을 저감시키거나 최소화시키는 것이 바람직하다.

와이어로 구성되는 코어에 대해서, 어떤 실시예들에서는 예컨대 접착제가 있거나 없는 테이프 오버랩(tape overwrap)이나 바인더를 사용하여 와이어를 함께 유 지시키는 것이 바람직하다[예컨대 미국 특허 공보 제6,559,385B1호(존슨(Johnson) 등) 참조]. 예를 들어, 테이프로 감싼 코어를 구비하는 본 발명에 따른 또 다른 케이블(50)의 실시예가 도5에 단면도로 도시되어 있다. 케이블(50)은 코어(52)와 2개 층의 연선 와이어(54)를 포함하며, 코어(52)는 테이프(55)로 감싸진 와이어(56)(도시된 바와 같이 복합 와이어)를 포함한다. 예를 들어, 코어는 본 기술 분야에 공지되어 있는 기술을 활용하여 제1층의 와이어를 중심 와이어 둘레로 연선하여(예컨대 나선형으로 권취하여) 형성될 수 있다. 일반적으로, 나선형 연선 코어는 7개의 개별 와이어 내지 50개 이상의 와이어를 포함할 수 있다. 연선(stranding) 장치는 본 기술 분야에 공지되어 있다[예컨대, 이탈리아 베르가모에 소재한 코르티노비스 쏘시에떼 퍼 아찌오니(Cortinovis Spa)와 미국 뉴저지주 패터슨에 소재한 왓슨 머시너리 인터내셔널(Watson Machinery International)으로부터 입수 가능한 유성형 케이블 스트랜더]. 나선형으로 함께 권취되기 전에, 개별 와이어들은 별도의 보빈(bobbin)에 구비된 다음에 연선 장치의 복수의 모터 구동 캐리지들에 위치된다. 일반적으로, 완성된 연선 케이블의 각각의 층에 대해 하나의 캐리지가 구비된다. 각각의 층의 와이어는 각각의 캐리지의 배출구에서 함께 결속되며, 제1 중앙 와이어 위에 혹은 이전 층의 위에 배치된다. 케이블 연선 공정 중에, 중앙 와이어, 혹은 중간의 미완성 연선 케이블로서 그를 중심으로 권취되는 하나 이상의 추가 층을 구비하게 될 케이블은, 여러 캐리지의 중심을 통해 견인되며, 이때 각각의 캐리지는 하나의 층을 연선 케이블에 추가시킨다. 하나의 층으로서 추가될 개별 와이어들은 그들 각각의 보빈으로부터 동시에 견인되면서, 모터 구동 캐리지에 의해 케이블의 중심축을 중심으로 하여 회전된다. 이는 각각의 소망하는 층에 대해 순차적으로 행해진다. 그 결과 나선형 연선 코어가 형성된다. 예컨대, 연선 와이어를 함께 결속시킬 수 있게 하기 위해서, 위와 같이 형성된 연선 코어에 테이프가 부착될 수 있다. 한 가지 테이프 부착 장치가 왓슨 머신 인터내셔널(Watson Machine International)으로부터 시판되고 있다[예컨대 300 콘센트릭 테이핑 헤드 모델(model 300 Concentric Taping Head)]. 이러한 테이프의 예로서, 금속 박막 테이프[예컨대, 미국 미네소타주 세인트폴에 소재한 쓰리엠 컴퍼니(3M Company)로부터 "포일/글래스 클로스 테이프 363(Foil/Glass Cloth Tape 363)"이라는 상표명으로 시판되고 있는 알루미늄 박막 테이프], 폴리에스테르 기재(backing) 테이프 및 유리 강화 기재(backing)를 구비한 테이프를 들 수 있다. 어떤 실시예들에서는, 테이프의 두께는 0.05mm 내지 0.13mm(0.002 내지 0.005인치) 범위이다.

어떤 실시예들에서는, 테이프는 각각의 연속하는 랩(wrap)이 이전 랩과 간극없이 그리고 중첩없이 부착되도록 감싸진다. 어떤 실시예들에서는, 예컨대 테이프는 그 연속하는 랩이 각각의 랩 사이에 간극을 형성시키도록 이격되게 감싸질 수 있다.

코어, 복합 와이어, 케이블 등의 길이는, 적어도 100미터, 적어도 200미터, 적어도 300미터, 적어도 400미터, 적어도 500미터, 적어도 600미터, 적어도 700미터, 적어도 800미터, 혹은 적어도 900미터까지이다.

본 발명에 따른 케이블을 형성시키기 위해서 코어 둘레로 연선되는 와이어는 본 기술 분야에 공지되어 있다. 알루미늄 와이어는 캐나다 웨이번에 소재한 넥산 스(Nexans) 혹은 미국 조지아주 캐롤톤에 소재한 사우스와이어 컴퍼니(Southwire Company)로부터 "1350-H19 알루미늄(1350-H19 ALUMINUM)"과 "1350-H0 알루미늄(1350-H0 ALUMINUM)"이라는 상표명으로 시판되고 있다. 일반적으로, 알루미늄 와이어는 적어도 약 20℃ 내지 약 50℃의 온도 범위에 걸쳐 약 20ppm/℃ 내지 약 25ppm/℃ 범위의 열팽창 계수를 갖는다. 어떤 실시예들에서는, 알루미늄 와이어(예컨대 "1350-H19 알루미늄")는 적어도 138MPa(20ksi), 적어도 158MPa(23ksi), 적어도 172MPa(25ksi), 적어도 186MPa(27ksi), 혹은 적어도 200MPa(29ksi)의 인장 파단 강도를 갖는다. 어떤 실시예들에서는, 알루미늄 와이어(예컨대 "1350-H0 알루미늄")는 41MPa(6ksi) 초과 내지 97MPa(14ksi) 이하 혹은 83MPa(12ksi) 이하까지의 인장 파단 강도를 갖는다. 알루미늄 합금 와이어는 일본 오사카에 소재한 수미토모 일렉트릭 인더스트리즈(Sumitomo Electric Industries)로부터 "지탈(ZTAL)"이라는 상표명으로, 그리고 미국 조지아주 캐롤톤에 소재한 사우스와이어 컴퍼니(Southwire Company)로부터 "6201"이라는 상표명으로 시판되고 있다. 어떤 실시예들에서는, 알루미늄 합금 와이어는 적어도 약 20℃ 내지 약 500℃의 온도 범위에 걸쳐 약 20ppm/℃ 내지 약 25ppm/℃ 범위의 열팽창 계수를 갖는다. 구리 와이어는 예컨대 미국 조지아주 캐롤톤에 소재한 사우스와이어 컴퍼니(Southwire Company)로부터 시판되고 있다. 일반적으로, 구리 와이어는 적어도 약 20℃ 내지 약 800℃의 온도 범위에 걸쳐 약 12ppm/℃ 내지 약 18ppm/℃ 범위의 열팽창 계수를 갖는다. 구리 합금 와이어의 구리 합금의 예를 들어 보면, Cu-Si-X, Cu-Al-X, Cu-Sn-X, Cu-Cd(이때, X는 Fe, Mn, Zn, Sn 및/또는 Si)와 같은 청동(copper bronze)으로서 예컨 대 미국 조지아주 캐롤톤에 소재한 사우스와이어 컴퍼니(Southwire Company)로부터 시판되고 있는 청동과, 예컨대 미국 노스 캐롤라이나주 리서치 트라이앵글 파크에 소재한 오엠지 어메리카스 코포레이션(OMG Americas Corporation)으로부터 "글리드콥(GLIDCOP)"이라는 상표명으로 시판되고 있는 산화물 분산 강화형 구리를 들 수 있다. 어떤 실시예들에서는, 구리 합금 와이어는 적어도 약 20℃ 내지 약 800℃의 온도 범위에 걸쳐 약 10ppm/℃ 내지 약 25ppm/℃ 범위의 열팽창 계수를 갖는다. 와이어는 임의의 다양한 형상(예컨대 원형, 타원형 및 사다리꼴)을 가질 수 있다.

일반적으로, 본 발명에 따른 케이블은 와이어를 코어 위로 연선하여 제조될 수 있다. 코어는 예를 들어 단일 와이어, 혹은 연선(예컨대 나선형으로 권취된) 와이어를 포함할 수 있다. 어떤 실시예들에서는, 예컨대 7개, 19개 혹은 37개의 와이어가 사용된다. 본 발명에 따른 케이블 제조 장치(80)가 도7, 도7A 및 도7B에 도시되어 있다. 코어 재료의 스풀(81)이 종래의 유성형 연선 장치(80)의 헤드에 구비되며, 스풀(81)은 제동 시스템을 통해 인가되는 인장력에 의해 자유롭게 회전되고, 이러한 제동 시스템은 송급(payoff)시 0 내지 91kg(0 내지 200파운드) 범위의 인장력을 코어에 인가시킬 수 있다. 코어(90)는 보빈 캐리지(82, 83)와 밀폐 다이(84, 85)를 통해 이송되어 캡스턴 휠(capstan wheel)(86) 주위로 이송되어서 권취 스풀(87)에 부착된다.

외부 연선 층을 부착시키기 전에, 개별 와이어들은 연선 장치의 복수의 모터 구동 캐리지(82, 83)들에 위치된 별도의 보빈(88)에 구비된다. 어떤 실시예들에서는, 와이어(89A, 89B)를 보빈(88)으로부터 견인하는 데 소요되는 인장력의 범위는 일반적으로 4.5 내지 22.7kg(10 내지 50파운드)이다. 일반적으로, 완성된 연선 케이블의 각각의 층에 대해 하나의 캐리지가 있다. 각각의 층의 와이어는 밀폐 다이(84, 85)의 각각의 캐리지의 배출구에서 함께 결속되며, 중앙 와이어 위에 혹은 이전 층 위에 배치된다. 층들은 외부 층이 오른쪽 레이(right hand lay) 상태를 형성하도록 대향 방향들로 나선형으로 연선된다. 케이블 연선 공정 중에, 중앙 와이어, 혹은 중간의 미완성 연선 케이블로서 그를 중심으로 권취되는 하나 이상의 추가 층을 구비하게 될 케이블은, 여러 캐리지의 중심을 통해 견인되며, 이때 각각의 캐리지는 하나의 층을 연선 케이블에 추가시킨다. 하나의 층으로서 추가될 개별 와이어들은 그들 각각의 보빈으로부터 동시에 견인되면서, 모터 구동 캐리지에 의해 케이블의 중심축을 중심으로 하여 회전된다. 이는 각각의 소망하는 층에 대해 순차적으로 행해진다. 그 결과 형상 소실이나 풀려지는 일이 없이 취급되고 절단될 수 있는 나선형 연선 케이블(91)이 형성된다.

이렇게 연선 케이블을 취급할 수 있는 기능은 바람직한 특성이다. 금속 와이어는 제조 중에 와이어 재료의 항복 응력을 초과하지만 극한 응력이나 파단 응력보다는 낮은 굽힘 응력을 포함한 응력을 받기 때문에, 케이블은 그의 나선형 연선 배치 상태를 유지시킬 수 있게 된다. 이러한 응력은 와이어가 비교적 작은 반경의 이전 층이나 중앙 와이어 둘레로 나선형으로 권취되기 때문에 인가된다. 추가의 응력이 밀폐 다이(84, 85)에서 인가되며, 이러한 밀폐 다이는 제조 중에 케이블에 반경 방향력과 전단력을 인가시킨다. 따라서, 와이어는 소성 변형되어 그의 나선형 연선 형상을 유지시키게 된다.

코어 재료와 소정의 층에 대한 와이어는 밀폐 다이에 의해서 밀착하게 된다. 도7A 및 도7B를 보면, 일반적으로 밀폐 다이(84A, 85A)는 권취되는 층의 와이어에 인가되는 변형 응력을 최소화시킬 수 있도록 크기가 형성된다. 밀폐 다이의 내경은 층의 외경의 크기에 맞추어진다. 층의 와이어에 인가되는 응력을 최소화시키기 위해서, 밀폐 다이는 그가 케이블의 외경에 비해 0 내지 2.0%만큼 크도록(즉, 다이 내경이 케이블 외경의 1.00 내지 1.02배가 되도록) 크기가 형성된다.

도7A 및 도7B에 도시된 밀폐 다이는 실린더이며, 예컨대 볼트나 여타 적절한 부착물을 사용하여 적소에 유지된다. 이러한 다이는 예컨대 경화 공구강으로 제조될 수 있다.

이렇게 형성된 케이블은 필요하다면 다른 연선 스테이션을 통해 이동될 수 있으며, 케이블 손상을 방지하기에 충분한 직경을 갖는 권취 스풀(87) 상에 권취된다. 어떤 실시예들에서는, 본 기술 분야에 공지되어 있는 케이블의 직선화(straightning) 기술이 바람직하게 활용될 수 있다. 예를 들어, 완성된 케이블은 롤러들[각각의 롤러는 예컨대 10 내지 15cm(4 내지 6인치)이고 2개의 열(bank)로 선형으로 배치되며, 이때 각각의 열에는 예컨대 5개 내지 9개의 롤러가 구비됨]로 구성된 직선화 장치를 통해 이송될 수 있다. 두 열의 롤러 사이의 간격은 롤러가 바로 케이블 상에 작용하거나 케이블을 상당히 굴곡되게 할 수 있도록 변경될 수 있다. 두 열의 롤러는 케이블의 서로 대향된 측들에 위치되며, 이때 일렬의 롤러는 대향된 다른 한 열의 롤러에 의해 형성된 공간에 대응된다. 따라서, 두 열은 서로로부터 편위될 수 있다. 케이블이 직선화 장치를 통해 이송되면, 케이블은 롤 러 위에서 전후로 굴곡되면서, 컨덕터에서 연선이 동일 길이로 신장되도록 하여, 이완된 연선이 감소되거나 없어지도록 한다.

어떤 실시예들에서는, 코어를 주위 온도(예컨대 22℃)보다 높은 온도(예컨대, 적어도 25℃, 50℃, 75℃, 100℃, 125℃, 150℃, 200℃, 250℃, 300℃, 400℃, 혹은 어떤 실시예들에서는 적어도 500℃까지)로 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 코어는 예컨대 스풀 상에 권취된 코어[예컨대 금속(예컨대 강재) 상의 코어]를 오븐에서 수 시간 동안 가열함으로써 소망하는 온도로 형성될 수 있다. 가열된 코어는 연선 장치의 송급 스풀(pay-off spool)[예컨대 도7의 송급 스풀(81) 참조] 상에 위치된다. 바람직하게는, 고온의 스풀이 연선 공정 중일 때, 코어는 여전히 소망하는 온도로 혹은 거의 소망하는 온도로 유지된다(일반적으로 약 2시간 동안). 또한, 케이블의 외부 층을 형성하는 송급 스풀 상의 와이어가 주위 온도로 형성되는 것이 바람직할 수 있다. 즉, 어떤 실시예들에서는, 연선 공정 중에 외부 층을 형성하는 와이어와 코어 사이에 온도 차이가 형성되는 것이 바람직할 수 있다.

어떤 실시예들에서는, 적어도 100kg, 200kg, 500kg, 1000kg, 혹은 적어도 5000kg까지의 코어 인장력을 가지고서 연선 공정을 수행하는 것이 바람직할 수 있다.

본 발명에 따른 케이블의 어떤 실시예들에서는, 코어 둘레로 연선되는 와이어를 예컨대 접착제가 있거나 없는 테이프 오버랩이나 바인더로 결속시키는 것이 바람직하다. 예를 들어, 또 다른 실시예의 케이블의 단면을 보면, 케이블은 와이어 코어(116)를 구비한 코어(112)와 2개 층의 연선 와이어(114)를 포함하며, 케이 블(110)은 테이프(118)로 감싸진다. 예컨대, 테이프는 연선 와이어를 함께 결속시킬 수 있도록 연선 케이블에 부착될 수 있다. 어떤 실시예들에서는, 케이블은 종래의 테이핑 장치를 사용하여 접착 테이프로 감싸진다. 한 가지 테이프 부착 장치가 왓슨 머신 인터내셔널(Watson Machine International)으로부터 시판되고 있다[예컨대 300 콘센트릭 테이핑 헤드 모델(model 300 Concentric Taping Head)]. 이러한 테이프는 금속 박막 테이프[예컨대, 미국 미네소타주 세인트폴에 소재한 쓰리엠 컴퍼니(3M Company)로부터 "포일/글래스 클로스 테이프 363(Foil/Glass Cloth Tape 363)"이라는 상표명으로 시판되고 있는 알루미늄 박막 테이프], 폴리에스테르 기재 테이프 및 유리 강화 기재를 구비한 테이프를 포함한다. 어떤 실시예들에서는, 테이프의 두께는 0.05mm 내지 0.13mm(0.002 내지 0.005인치) 범위이다.

어떤 실시예들에서는, 테이프는 각각의 연속하는 랩이 이전 랩과 중첩되도록 감싸진다. 어떤 실시예들에서는, 테이프는 각각의 연속하는 랩이 이전 랩과 간극없이 그리고 중첩없이 부착되도록 감싸진다. 어떤 실시예들에서는, 예컨대 테이프는 그 연속하는 랩이 각각의 랩 사이에 간극을 형성시키도록 이격되게 감싸질 수 있다.

어떤 실시예들에서는, 연선 공정 중에 케이블이 인장력을 받으면서 감싸진다. 도7을 보면, 예컨대 테이핑 장치가 최종 밀폐 다이(85)와 캡스턴(86) 사이에 위치될 수 있다.

처짐량 측정 방법

컨덕터가 30 내지 300미터의 길이로 선택되고, 종래의 에폭시 피팅으로 마감 되어, 층들이 제조 상태에서와 동일한 상대 위치를 유지하도록 한다. 외부 층이 에폭시 피팅을 통해 연장되어 타측 외부로 연장되며, 이어서 종래의 터미날 커넥터를 사용하여 AC 전력용 연결부를 형성하도록 재구성된다. 에폭시 피팅은 인장력 유지용 턴버클(turnbuckle)에 연결된 알루미늄 스펠터(spelter) 소켓에 주입된다. 일측에서, 로드셀(load cell)은 턴버클에 연결되며, 턴버클은 양단부에서 견인 아이(pulling eye)에 부착된다. 아이는, 시스템이 인장력을 받을 때 시스템의 단부 변형을 최소화시키기에 충분히 큰 대형 콘크리트 필라(pillar)에 연결된다. 시험을 위해서, 인장력이 컨덕터 정격 파단 강도의 10 내지 30% 범위의 값으로 상승된다. 온도는 9개의 서모커플을 사용하여 컨덕터의 길이를 따라 3개의 지점[견인 아이로부터 견인 아이까지의 총 스팬 간격의 1/4 지점, 1/2 지점 및 3/4 지점]에서 측정된다. 각각의 지점에서는, 3개의 서모커플이 컨덕터 내에서 3개의 서로 다른 반경 방향 위치에, 즉 외부 와이어 연선들 사이에, 내부 와이어 연선들 사이에, 그리고 외부 코어 와이어에 인접하게(즉, 접하여) 위치된다. 처짐량은 견인 와이어 포텐쇼미터[미국 캘리포니아주 팜데일에 소재한 스페이스에이지 콘트롤 인코포레이티드(SpaceAge Control Inc.)로부터 입수 가능]를 사용하여 컨덕터의 길이를 따라 3개의 지점(스팬 간격의 1/4 지점, 1/2 지점 및 3/4 지점)에서 측정된다. 견인 와이어 포텐쇼미터는 3개 지점의 수직 운동을 측정하도록 위치된다. 온도를 소망하는 값으로 상승시키도록 AC 전류가 컨덕터에 인가된다. 컨덕터의 온도는 실온[약 20℃(68℉)]로부터 60 내지 120℃/분(140 내지 248℉/분)의 비율로 약 240℃(464℉)까지 상승된다. 모든 서모커플의 최고 온도는 대조 기준(control)으로서 사용 된다.

컨덕터의 처짐량(Sag_total)은 다음 식을 이용하여 실온[약 20℃(68℉)]으로부터 약 240℃(464℉)까지 1℃씩 산출(calculation)된다.

[수학식1]

여기서,

Sag_{1 /2}은 컨덕터의 스팬 간격의 1/2 지점에서 측정된 처짐량이고,

Sag_{1 /4}은 컨덕터의 스팬 간격의 1/4 지점에서 측정된 처짐량이며,

Sag_{3 /4}은 컨덕터의 스팬 간격의 3/4 지점에서 측정된 처짐량이다.

유효 "내부 스팬" 길이는 1/4 지점과 3/4 지점 사이의 수평 간격이다. 이는 처짐량을 산출하는 데 사용되는 스팬 길이이다.

응력 변수의 유도

측정된 처침량 및 온도 데이터가 처짐량 대 온도 그래프로 도시된다. 산출 곡선은, 미국 사우스 캐롤라이나주 그린빌에 소재한 알코아 후지쿠라 리미티드(Alcoa Fujikura Ltd.)로부터 "새그10(SAG10)"이라는 상표명으로 시판되고 있는 소프트웨어 프로그램의 알코아 새그10(Alcoa Sag10) 그래픽 기법을 활용하여 측정 데이터에 피팅된다. 응력 파라미터는 "고유 알루미늄 응력(built-in aluminum stress)"으로 불리우는 "새그10"의 피팅 파라미터로서, 알루미늄과는 다른 재료(예 컨대 알루미늄 합금)가 사용되는 경우에 다른 파라미터에 피팅되도록 변경될 수 있으며 예측 그래프의 변곡점 위치와 고온의 변곡점 후방 영역에서의 처짐량을 조절할 수 있는 피팅 파라미터이다. 이러한 응력 파라미터 이론에 대한 설명이 알코아 새그10 사용자 매뉴얼(버젼 2.0)의 ACSR의 알루미늄에서 압축 응력의 이론(Theory of Compressive Stress in Aluminum of ACSR)이라는 문헌에 개시되어 있다. 다음의 컨덕터 변수들, 즉 면적, 직경, 단위 길이당 중량 및 정격 파단 강도가 새그10 소프트웨어의 입력에 필요하다. 다음의 라인 로딩(line loading) 조건들, 즉 스팬 길이, 실온(20 내지 25℃)에서의 초기 인장력이 새그10 소프트웨어의 입력에 필요하다. 다음의 변수들, 즉 고유 와이어 응력, 와이어 면적(총 면적에 대한 비율), 컨덕터에서 와이어 층의 수, 컨덕터에서 와이어 연선의 수, 코어 연선의 수, 각각의 와이어 층의 연선 레이(stranding lay) 비율이 압축 응력 산출을 위해 새그10 소프트웨어의 입력에 필요하다. 응력-변형 계수가 표로서 "새그10" 소프트웨어의 입력에 필요하다(하기의 표1 참조).

[표1]

초기 와이어
A0	A1	A2	A3	A4	AF
최종 와이어(10년 크리프)(10 year creep)
B0	B1	B2	B3	B4	α(A1)
초기 코어
C0	C1	C2	C3	C4	CF
최종 코어(10년 크리프)(10 year creep)
D0	D1	D2	D3	D4	α(코어)

또한, 파라미터 TREF는 계수들이 기준으로 하는 온도로 규정한다.

응력 변형 곡선 다항식의 정의

초기 5개의 수 A0 내지 A4는 초기 와이어 곡선과 면적 비율의 곱을 나타내는 4차 다항식의 계수이다.

[수학식2]

AF는 와이어의 최종 탄성률이다.

[수학식3]

여기서, ε은 % 단위의 컨덕터 신장율이며, σ는 psi 단위의 응력이다.

B0 내지 B4는 와이어의 최종 10년 크리프(10 year creep) 곡선과 면적 비율과의 곱을 나타내는 4차 다항식의 계수이다.

[수학식4]

Cα(A1)은 와이어의 열팽창 계수이다.

C0 내지 C4는 복합 코어만에 대한 면적 비율과 초기 곡선과의 곱을 나타내는 4차 다항식의 계수이다.

CF는 복합 코어의 최종 탄성률이다.

D0 내지 D4는 복합 코어의 최종 10년 크리프 곡선과 면적 비율과의 곱을 나타내는 4차 다항식의 계수이다.

α(코어)는 복합 코어의 열팽창 계수이다.

산출 데이터 및 측정 데이터의 피팅시, (i) 응력 파라미터의 값을 변화시켜 산출 곡선을 측정 데이터에 대응시켜서 산출 곡선과 측정 곡선이 고온(140 내지 240℃)에서 대응되도록 하고, (ⅱ) 측정 곡선의 변곡점이 산출 곡선에 근접하게 대응되도록 하며, (ⅲ) 초기 측정 처침량[즉, 24℃(75℉)에서 1432kg의 초기 인장력에 의해 형성된 12.5cm(5인치)의 처짐량]에 초기 산출 처짐량이 대응되도록 함으로써, 최적 피팅이 행해진다. 따라서, 측정 데이터에 대한 최적 피팅을 달성하기 위한 응력 파라미터의 값이 산출된다. 이러한 산출치는 케이블에 대한 "응력 파라미터"이다.

본 발명에 따른 케이블은 오버헤드(overhead) 송전 케이블을 포함한 여러 적용 분야에 활용될 수 있다.

발명의 이점들 및 실시예들이 하기의 예에 의해 더욱 상세히 예시되지만, 이러한 예들에 기재된 특정 재료 및 수량과 여타 조건들 및 상세 사항들로 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 모든 비율과 백분율은 달리 기재가 없는 한 중량에 기초한 단위이다.

예

예시 예

예시 예의 케이블이 다음과 같이 마련된다. 와이어가 도6에 도시된 장 치(60)를 사용하여 제조된다. 10000 데니어 알파 알루미나 섬유[미국 세인트폴에 소재한 쓰리엠 컴퍼니(3M Company)로부터 "넥스텔 610(NEXTEL 610)"이라는 상표명으로 시판됨]의 11개의 토우가 공급 스풀(62)로부터 공급되어 원형 번들로 결속된 다음에 1100℃로 가열된 1.5m(5피트) 길이의 알루미나 관(63)을 305cm/분(120인치/분)의 속도로 통과하면서 열세척된다. 이어서, 열세척된 섬유(61)가 금속 알루미늄(99.99% Al) 매트릭스 재료[미국 펜실베니아주 피츠버그에 소재한 벡 알루미늄 코포레이션(Beck Aluminum Co.)으로부터 입수 가능함]의 용융물(용융 금속)(65)을 담고 있는 도가니(67)로 도입되기 전에 진공 챔버(64)에서 배기된다. 섬유는 공급 스풀(62)로부터 캐터퓰러(70)에 의해 견인된다. 용융물(65)을 섬유 토우(61)에 침투시키기 위해서, 초음파 프로브(66)가 섬유 부근에서 용융물(65)에 위치된다. 와이어(71)의 용융 금속이 배출 다이(68)를 통해 도가니(67)로부터 배출된 후에 냉각되어 경화되며, 이때 와이어(71)가 도가니(67)로부터 완전히 배출되기 전에 다소의 냉각이 행해진다. 또한, 와이어(71)의 냉각은 냉각 장치(69)를 통해 유입되어 와이어(71)에 분사되는 질소 가스 스트림에 의해 촉진된다. 와이어(71)는 스풀(72) 상에 수집된다.

섬유(61)는 용융물(67)로 도입되기 전에 배기된다. 진공 챔버의 압력은 약 20torr이다. 진공 시스템(64)은 섬유(61) 번들의 직경에 대응되도록 크기가 형성된 25cm 길이의 알루미나 유입관을 구비한다. 진공 챔버(64)의 길이는 21cm이고 직경은 10cm이다. 진공 챔버의 용량은 0.37㎥/분이다. 배기된 섬유(61)는 금속조를 관통한 진공 시스템(64)의 관을 통해 용융물(65) 내로 삽입된다[즉, 배기된 섬 유(61)는 진공 상태에서 용융물(54) 내로 삽입됨]. 배출관의 내경은 섬유 번들(61)의 직경에 대응된다. 배출관의 일부는 5cm의 깊이로 용융 금속 내에 담겨진다.

용융 금속(65)이 섬유(61) 내로 침투하는 작용은, 섬유(61)에 근접하게 용융 금속(65)에 위치된 진동 혼(66)을 사용함으로써 촉진된다. 혼(66)은 19.7kHz의 진동수와 대기 중에서 0.18mm(0.007인치)의 진폭으로 진동하도록 구동된다. 혼은 초음파 변환기[미국 코네티컷주 댄버리에 소재한 소닉스 앤드 머티리얼즈(Sonics & Materials)로부터 입수 가능함]에 연결된 티타늄 도파관에 연결된다.

섬유(61)는 혼 팁의 2.5mm 내에 있다. 혼 팁은 91중량%의 니오븀과 9중량%의 몰리브덴의 복합재인 니오븀 합금으로 제조된다[미국 펜실베니아주 피츠버그에 소재한 피엠티아이(PMTI)로부터 입수 가능함]. 이러한 합금은, 길이가 12.7cm(5인치)이고 직경이 2.5cm(1인치)인 실린더로 형성된다. 이러한 실린더는 그의 길이를 변경시킴으로써 19.7kHz의 소망하는 진동수로 조절된다.

용융 금속(65)은 침투되기 전에 탈가스 처리된다[예를 들어 용융 금속 내에 용해된 가스(예컨대 수소)의 양을 저감시킴으로써]. 미국 일리노이주 시카고에 소재한 브루문트 파운드리 인코포레이티드(Brummund Foundry Inc.)로부터 입수 가능한 휴대용 회전 탈가스 유닛이 사용된다. 사용된 가스는 아르곤으로서, 이러한 아르곤의 유량은 분당 1050리터이고, 분당 50리터로 설정된 모터에 대한 공기 유량에 의해 유속이 정해지며, 지속 시간은 60분이다.

질화규소 배출 다이(68)는 소망하는 와이어 직경을 형성시킬 수 있도록 구성 된다. 배출 다이의 내경은 2.67mm(0.105인치)이다.

연선 코어는 캐나다 몬트리올에 소재한 와이어 로프 컴퍼니(Wire Rope Company)의 연선 장치에 의하여 연선된다. 케이블은 중앙에 하나의 와이어를 구비하며, 제1 층에 오른쪽으로 꼬인 6개의 와이어를 구비한다. 나선형으로 함께 권취되기 전에, 개별 와이어들은 별도의 보빈에 구비되어 연선 장치의 모터 구동 캐리지에 위치된다. 캐리지는 완성된 연선 케이블의 층에 대한 6개의 보빈을 구비한다. 이러한 층의 와이어는 캐리지의 배출구에서 함께 결속되어 중앙 와이어 위에 배치된다. 케이블 연선 공정 중에, 중앙 와이어는 캐리지의 중심을 통해 견인되며, 이때 캐리지는 연선 케이블에 하나의 층을 추가시킨다. 하나의 층으로서 추가된 개별 와이어들은 그들 각각의 보빈으로부터 동시에 견인되면서, 모터 구동 캐리지에 의해 케이블의 중심축을 중심으로 하여 회전된다. 그 결과 나선형 연선 코어가 형성된다.

연선 코어는 종래의 테이핑 장치[미국 뉴저지주 패터슨에 소재한 왓슨 머신 인터내셔널(Watson Machine International)의 300 콘센트릭 테이핑 헤드 모델(model 300 Concentric Taping Head)]를 사용하여 접착제로 감싸진다. 테이프 기재(backing)는 유리 섬유를 구비한 알루미늄 박막 테이프로서, 압력 감지 실리콘 접착제[미국 미네소타주 세인트폴에 소재한 쓰리엠 컴퍼니(3M Company)로부터 "포일/글래스 클로스 테이프 363(Foil/Glass Cloth Tape 363)"이라는 상표명으로 시판되고 있음]를 구비한다. 테이프(18)의 총 두께는 0.18mm(0.0072인치)이다. 테이프의 폭은 1.90cm(0.75인치)이다.

완성된 코어의 평균 직경은 8.23mm(0.324인치)이며, 연선 층의 층 길이는 54.1cm(21.3인치)이다.

제1 사다리꼴 알루미늄 합금 와이어가, 인장 강도가 153.95MPa(22183psi)이고 신장율이 13.3%이며 IACS 규격에 의한 전도율이 60.4%인 알루미늄/지르코늄 봉[직경이 9.53mm(0.375인치)이며, 벨기에 헤미크셈에 소재한 라미필 엔.브이.(Lamifil N.V.)로부터 "지탈(ZTAL)"이라는 상표명으로 시판되고 있음]으로 마련된다. 제2 사다리꼴 와이어가, 인장 강도가 132.32MPa(19191psi)이고 신장율이 10.4%이며 IACS 규격에 의한 전도율이 60.5%인 알루미늄/지르코늄 봉[직경이 9.53mm(0.375인치)이며, 벨기에 헤미크셈에 소재한 라미필 엔.브이.(Lamifil N.V.)로부터 "지탈(ZTAL)"이라는 상표명으로 시판되고 있음]으로 마련된다. 이러한 봉들은 본 기술 분야에 공지되어 있는 바와 같이 5개의 중간 다이와 최종적으로는 사다리꼴 성형 다이를 사용하여 실온에서 인발된다. 인발 다이는 탄화텅스텐으로 제조된다. 탄화텅스텐 다이의 기하학적 형상을 보면, 도입각(entrance angle)이 60°이고, 압연각(reduction ratio)이 16 내지 18°이며, 베어링 길이(bearing length)가 다이 직경의 30%이고, 후방 여유각(bak relief angle)이 60°이다. 다이 표면은 고도로 연마된다. 다이는 인발유(drawing oil)를 사용하여 윤활되어 냉각된다. 인발 시스템은 다이당 60 내지 100리터/분의 범위로 설정된 비율로 오일을 급유하며, 이때 온도는 40 내지 50℃의 범위로 설정된다. 최종 성형 다이는 고도로 연마된 작업면을 구비하는 2개의 수평 경화강(경도 60Rc) 성형 롤을 포함한다. 롤 그루브(roll groove)는 필요로 하는 사다리꼴 프로파일에 기초하여 형성된 다. 롤은 인발 박스(drawbox)와 외부 인발 블록(drawblock) 사이에 위치된 압연 스탠드(rolling stand) 상에 설치된다. 최종 성형 롤의 압연에 의해서, 와이어의 면적이 약 23.5% 축소된다. 이러한 면적 축소량은, 금속을 롤 그루브의 모서리로 이동시켜 성형 롤들 사이의 공간을 적절히 충진시키기에 충분하다. 성형 롤은 사다리꼴 와이어가 인발 블록 및 보빈 드럼의 표면과 대면되도록 정렬되어 설치된다. 성형 후에, 와이어 프로파일은 형판(template)을 사용하여 검사되고 확인된다.

이어서, 이러한 와이어는 보빈 상에 권취된다. 이렇게 형성된 와이어의 여러 특성들이 하기의 표2에 기재되어 있다. 사다리꼴 형상의 "유효 직경"이란 사다리꼴 형상의 단면적과 동일한 단면적을 갖는 원의 직경을 말한다. 연선 장치에는 20개의 보빈이 탑재되며(그 중 8개의 보빈은 제1 내부 층을 연선하기 위한 제1 와이어용이고, 12개의 보빈은 제2 외부 층을 연선하기 위한 제2 와이어용임), 이러한 보빈들 중 "샘플 보빈"인 시험용 보빈 서브세트로부터 와이어가 취출된다.

[표2]

	유효 직경 mm(인치)	인장 강도 MPa(psi)	신장율 %	전도율(IACS) %
내층
와이어 제1 보빈	4.54(0.1788)	168.92(24,499)	5.1	59.92
와이어 제4 보빈	4.54(0.1788)	159.23(23,095)	4.3	60.09
와이어 제8 보빈	4.54(0.1788)	163.39(23,697)	4.7	60.18
외층
와이어 제1 보빈	4.70(0.1851)	188.32(27,314)	4.7	60.02
와이어 제4 보빈	4.70(0.1851)	186.27(27,016)	4.3	60.09
와이어 제8 보빈	4.70(0.1851)	184.73(26,793)	4.3	60.31
와이어 제12 보빈	4.70(0.1851)	185.50(26,905)	4.7	59.96

케이블은 비교 예에 대해 위에서 설명한 코어 및 와이어(내부 및 외부)와 종래의 유성형 연선 장치를 사용하여 웨이번에 소재한 넥산스(Nexans)에 의해 제조된 다. 케이블 제조 장치(80)가 도7, 도7A 및 도7B에 개략적으로 도시되어 있다.

코어의 스풀(81)은 종래의 유성형 연선 장치(80)의 헤드에 구비되며, 스풀(81)은 제동 시스템을 통해 인가되는 인장력에 의해 자유롭게 회전된다. 송급시 코어에 인가되는 인장력은 45kg(100파운드)이다. 코어는 실온[약 23℃(73℉)]에서 투입된다. 코어는 보빈 캐리지(82, 83)의 중심과 밀폐 다이(84, 85)를 통해 이송되어 캡스턴 휠(86) 주위로 이송되어서 권취 스풀(87)[직경 152cm(60인치)]에 부착된다.

외부 연선 층(89)을 부착시키기 전에, 개별 와이어들은 연선 장치의 복수의 모터 구동 캐리지(82, 83)들에 위치된 별도의 보빈(88)에 구비된다. 와이어(89)를 보빈(88)으로부터 견인하는 데 소요되는 인장력의 범위는 11 내지 14kg(25 내지 30파운드)로 설정된다. 연선 스테이션은 캐리지와 밀폐 다이로 구성된다. 각각의 연선 스테이션에서, 각각의 층의 와이어(89)는 밀폐 다이(84, 85)의 각각의 캐리지의 배출구에서 함께 결속되며, 중앙 와이어 위에 혹은 이전 층 위에 배치된다. 따라서, 코어는 2개의 연선 스테이션을 통과한다. 제1 스테이션(8)에서, 와이어는 왼쪽 꼬임 상태로 코어 위에 연선된다. 제2 스테이션(12)에서, 와이어는 오른쪽 꼬임 상태로 이전 층 위에 연선된다.

적용 분야에 따라서, 소정의 층에 대한 코어 재료와 와이어는 밀폐 다이(84, 85)를 통해 접하게 된다. 밀폐 다이는 실린더(도7A 및 도7B 참조)로서, 볼트를 사용하여 적소에 유지된다. 이러한 다이는 경화 공구강으로 제조되며, 완전히 밀폐될 수 있다.

완성된 케이블은 캡스턴 휠(86)을 통해 이송되어 권취 스풀(87)[직경 91cm(36인치)] 상에 권취된다. 완성된 케이블은 롤러들[각각의 롤러는 12.5cm(5인치)이고 2개의 열(bank)로 선형으로 배치되며, 이때 각각의 열에는 7개의 롤러가 구비됨]로 구성된 직선화 장치를 통해 이송된다. 두 열의 롤러 사이의 간격은 롤러가 바로 케이블 상에 작용할 수 있도록 선택된다. 두 열의 롤러는 케이블의 서로 대향된 측들에 위치되며, 이때 일렬의 롤러는 대향된 다른 한 열의 롤러에 의해 형성된 공간에 대응된다. 따라서, 두 열은 서로로부터 편위된다. 케이블이 직선화 장치를 통해 이송되면, 케이블은 롤러 위에서 전후로 굴곡되면서, 컨덕터에서 연선이 동일 길이로 신장되도록 하여, 이완된 연선이 없어지도록 한다.

층 외경이 15.4mm(0.608인치)이고 단위 길이당 질량이 353kg/km(237파운드/1000피트)이며 20.3cm(8인치)의 왼쪽 꼬임 길이를 갖는 내층은 8개의 사다리꼴 와이어로 구성된다. 내층에 대한 밀폐 블록(경화 공구강으로 제조되며, 경도는 60Rc임)은 내경이 15.4mm(0.608인치)로 설정된다. 따라서, 밀폐 블록의 직경은 케이블 직경과 정확히 동일하게 설정된다.

층 외경이 22.9mm(0.9015인치)이고 단위 길이당 질량이 507.6kg/km(341.2파운드/1000피트)이며 25.9cm(10.2인치)의 오른쪽 꼬임 길이를 갖는 외층은 12개의 사다리꼴 와이어로 구성된다. 알루미늄 합금 와이어의 단위 길이당 총 질량은 928.8kg/km(624.3파운드/1000피트)이고, 코어의 단위 길이당 총 질량은 136.4kg/km(91.7파운드/1000피트)이며, 컨덕터의 단위 길이당 총 질량은 1065kg/km(716.0파운드/1000피트)이다. 외층에 대한 밀폐 블록(경화 공구강으로 제조되며, 경도는 60Rc임)은 내경이 22.9mm(0.9015인치)로 설정된다. 따라서, 밀폐 블록의 직경은 최종 케이블 직경과 정확히 동일하게 설정된다.

내부 와이어 및 외부 와이어의 인장력(송급 보빈에서와 같이)은 휴대용 힘 게이지[미국 일리노이주 시카고에 소재한 맥마스터-카드(McMaster-Card)로부터 입수 가능함]를 사용하여 측정되고 13.5 내지 15kg(29 내지 33파운드)의 범위로 설정되며, 코어 송급 인장력은 보빈에서와 동일한 방법을 이용하여 브레이크에 의해서 약 90kg(198파운드)으로 설정된다. 또한, 직선화 장치가 사용되지 않으며, 케이블은 스풀에 권취되는 것이 아니라 직선으로 연장되어 플로어 상에 놓인다. 코어는 실온[약 23℃(73℉)]에서 투입된다.

연선 장치는 15m/분(49피트/분)의 속도로 작동되며, 종래의 캡스턴 휠, 표준 직선화 장치 및 직경이 152cm(60인치)인 종래의 권취 스풀을 사용하여 구동된다.

형성된 컨덕터가 다음의 "컷-엔드 시험 방법(Cut-end Test Method)"을 이용하여 시험된다. 피시험 컨덕터 영역이 플로어 상에 직선으로 놓이고, 길이가 3.1 내지 4.6m(10 내지 15피트)인 세부 영역(sub-section)이 양단에서 고정된다. 이어서, 컨덕터가 절단되어, 양단이 고정되어 있는 영역이 분리된다. 이어서, 하나의 클램프가 해제되며, 이때 층의 운동은 탐지되지 않았다. 이어서, 컨덕터의 영역에 대해서 층들의 서로에 대한 운동이 탐지된다. 각각의 층의 운동이 자(riler)를 사용하여 측정되어 코어에 대한 운동 범위가 결정된다. 외부 알루미늄 층은 복합 코어에 대해 후퇴되는데, 코어를 기준 영점으로 할 때, 내부 알루미늄 층은 0.16인치(4mm)만큼 후퇴되고, 외층은 0.31인치(8mm)만큼 후퇴된다.

예시 예의 케이블이 또한 캐나다 온타리오 토론토에 소재한 키넥트릭스 인코포레이티드(Kinectrics, Inc.)에 의해서 다음의 "처짐량 시험 방법 I(Sag Test Method I)"을 이용하여 측정된다. 일정 길이의 컨덕터가 종래의 에폭시 피팅으로 마감되어, 층들이 제조 상태에서와 동일한 상대 위치를 유지하도록 한다. 이때, 알루미늄/지르코늄 와이어가 에폭시 피팅을 통해 연장되어 타측 외부로 연장되며, 이어서 종래의 터미날 커넥터를 사용하여 AC 전력용 연결부를 형성하도록 재구성된다. 에폭시 피팅은 인장력 유지용 턴버클에 연결된 알루미늄 스펠터 소켓에 주입된다. 일측에서, 로드셀(5000kg 용량)은 턴버클에 연결되며, 턴버클은 양단부에서 견인 아이에 부착된다. 아이는, 시스템이 인장력을 받을 때 시스템의 단부 변형을 최소화시키기에 충분히 큰 대형 콘크리트 필라에 연결된다. 시험을 위해서, 인장력이 컨덕터 정격 파단 강도의 20%로 상승된다. 따라서, 2082kg(4590파운드)이 케이블에 인가된다. 온도는 컨덕터의 길이를 따라 3개의 지점[견인 아이로부터 견인 아이까지의 총 스팬 간격의 1/4 지점, 1/2 지점 및 3/4 지점]에서 9개의 서모커플[각각의 지점마다 3개씩 사용되며, 미국 코네티컷주 스탬포드에 소재한 오메가 코포레이션(Omega Corporation)으로부터 입수 가능한 J형임]을 사용하여 측정된다. 각각의 지점에서는, 3개의 서모커플이 컨덕터 내에서 3개의 서로 다른 반경 방향 위치에, 즉 외부 알루미늄 연선들 사이에, 내부 알루미늄 연선들 사이에, 그리고 외부 코어 와이어에 인접하게(즉, 접하여) 위치된다. 처짐량은 견인 와이어 포텐쇼미터[미국 캘리포니아주 팜데일에 소재한 스페이스에이지 콘트롤 인코포레이티드(SpaceAge Control Inc.)로부터 입수 가능함]를 사용하여 컨덕터의 길이를 따라 3개의 지점(스팬 간격의 1/4 지점, 1/2 지점 및 3/4 지점)에서 측정된다. 견인 와이어 포텐쇼미터는 3개 지점의 수직 운동을 측정하도록 위치된다. 온도를 소망하는 값으로 상승시키도록 AC 전류가 컨덕터에 인가된다. 컨덕터의 온도는 실온[약 20℃(68℉)]으로부터 60 내지 120℃/분(140 내지 248℉/분)의 비율로 약 240℃(464℉)까지 상승된다. 모든 서모커플의 최고 온도는 대조 기준(control)으로서 사용된다. 240℃(464℉)의 온도를 형성시키는 데 약 1200암페어의 전류가 소요된다.

컨덕터의 처짐량(Sag_total)은 다음 식을 이용하여 여러 온도에서 산출된다.

여기서,

Sag_{1 /2}은 컨덕터의 스팬 간격의 1/2 지점에서 측정된 처짐량이고,

Sag_{1 /4}은 컨덕터의 스팬 간격의 1/4 지점에서 측정된 처짐량이며,

Sag_{3 /4}은 컨덕터의 스팬 간격의 3/4 지점에서 측정된 처짐량이다.

하기의 표3은 정해진 입력 시험 파라미터를 요약한 표이다.

[표3]

파라미터	값
총 스팬 길이	68.6m(225피트)
유효 스팬 길이[m(피트)]	65.5m(215피트)
노스 고정점(north fixed point)의 높이	2.36m(93.06인치)
사우스 고정점(south fixed point)의 높이	2.47m(97.25인치)
컨덕터 중량	1.083kg/m(0.726파운드/피트)
초기 인장력(20% RTS에서)	2082kg(4590파운드)
로드셀 용량	5000kg(1100파운드) 로드셀

측정된 처침량 및 온도 데이터(예시 예에 대한 "결과 데이터")가 그래프로 도시되며, 산출 곡선은, 미국 사우스 캐롤라이나주 그린빌에 소재한 알코아 후지쿠라 리미티드(Alcoa Fujikura Ltd.)로부터 "새그10(SAG10)"(버젼 3.0, 업데이트 3.9.7)이라는 상표명으로 시판되고 있는 소프트웨어 프로그램의 알코아 새그10 그래픽 기법을 활용하여 피팅된다. 응력 파라미터는 "고유 알루미늄 응력(built-in aluminum stress)"으로 불리우는 "새그10"의 피팅 파라미터로서, 예측 그래프의 변곡점 위치와 고온의 변곡점 후방 영역에서의 처짐량을 조절할 수 있는 피팅 파라미터이다. 이러한 응력 파라미터 이론에 대한 설명이 알코아 새그10 사용자 매뉴얼(버젼 2.0)의 ACSR의 알루미늄에서 압축 응력의 이론(Theory of Compressive Stress in Aluminum of ACSR)이라는 문헌에 개시되어 있다. 하기의 표4 내지 표7에 기재된 675 킬로밀(kcmil) 케이블에 대한 컨덕터 파라미터가 새그10 소프트웨어에 입력된다. 최적 피팅은, (i) 응력 파라미터의 값을 변화시켜 산출 곡선을 "결과 데이터"에 대응시켜서 산출 곡선과 측정 곡선이 고온(140 내지 240℃)에서 대응되도록 하고, (ⅱ) "결과 데이터" 곡선의 변곡점이 산출 곡선에 근접하게 대응되도록 하며, (ⅲ) 초기 "결과 데이터" 처침량[즉, 22℃(72℉)에서 2082kg의 초기 인장력에 의해 형성되는 27.7cm(10.9인치)의 처짐량]에 초기 산출 처짐량이 대응되도록 함으로써 행해진다. 이러한 예에 대해서, "결과 데이터"와의 최적 피팅은 3.5MPa(500psi)의 응력 파라미터 값으로 달성된다. 도8은 새그10에 의해 산출된 처짐량[선(82)]과 측정 처짐량[도시된 데이터(83)]을 도시하고 있다.

하기의 컨덕터 데이터가 "새그10" 소프트웨어에 입력된다.

[표4]

새그10의 컨덕터 파라미터

면적 381.6㎟(0.5915제곱인치)

직경 2.3cm(0.902인치)

중량 1.083kg/m(0.726파운드/피트)

RTS 10160kg(22400파운드)

[표5]

라인 로딩 조건

스팬 길이 65.5m(215피트)

초기 인장력[22℃(72℉)에서] 2082kg(4590파운드)

[표6]

압축 응력 산출을 위한 선택 사항

고유 알루미늄 응력 3.5MPa(500psi)

알루미늄 면적(총 면적에 대한 비율) 0.8975

알루미늄 층의 수 2

알루미늄 연선의 수 20

코어 연선의 수 7

연선 레이(lay) 비율

외층 11

내층 13

새그10에 대한 응력 변형 파라미터 TREF = 22℃(71℉)

소프트웨어 실행의 입력 파라미터(하기의 표7 참조)

[표7]

초기 알루미늄
A0	A1	A2	A3	A4	AF
17.7	56350.5	-10910.9	-155423	173179.9	79173.1
최종 알루미늄(10년 크리프)
B0	B1	B2	B3	B4	α(A1)
0	27095.1	-3521.1	141800.8	-304875.5	0.00128
초기 코어
C0	C1	C2	C3	C4	CF
-95.9	38999.8	-40433.3	87924.5	-62612.9	33746.7
최종 코어(10년 크리프)
D0	D1	D2	D3	D4	α(코어)
-95.9	38999.8	-40433.3	87924.5	-62612.9	0.000353

응력 변형 곡선 다항식의 정의

초기 5개의 수 A0 내지 A4는 초기 알루미늄 곡선과 면적 비율의 곱을 나타내는 4차 다항식의 계수이다.

AF는 알루미늄의 최종 탄성률이다.

여기서, ε은 % 단위의 컨덕터 신장율이며, σ는 psi 단위의 응력이다.

B0 내지 B4는 알루미늄의 최종 10년 크리프(10 year creep) 곡선과 면적 비율과의 곱을 나타내는 4차 다항식의 계수이다.

Cα(A1)은 알루미늄의 열팽창 계수이다.

C0 내지 C4는 복합 코어만에 대한 면적 비율과 초기 곡선과의 곱을 나타내는 4차 다항식의 계수이다.

CF는 복합 코어의 최종 탄성률이다.

D0 내지 D4는 복합 코어의 최종 10년 크리프 곡선과 면적 비율과의 곱을 나타내는 4차 다항식의 계수이다.

α(코어)는 복합 코어의 열팽창 계수이다.

가공 예(prophetic example)1

하기와 같이 연선 공정을 변경하여 케이블이 예시 예1에 기재된 바와 같이 제조된다. 도7을 보면, 제2 캡스턴(86A)이 송급 릴(81)과 캐리지(82) 사이에 추가로 배치된다. 약 -3.5MPa(-500psi)의 응력 파라미터를 갖는 케이블을 제조하기 위해서, 제2 캡스턴(86A)과 캐리지(82) 사이의 인장력은 캡스턴의 인장력 조절 기구를 사용하여 240kg(530파운드)으로 설정된다.

케이블은 종래의 테이핑 장치[미국 뉴저지주 패터슨에 소재한 왓슨 머신 인터내셔널(Watson Machine International)의 300 콘센트릭 테이핑 헤드 모델(model 300 Concentric Taping Head)]를 사용하여 접착 테이프로 감싸진다. 도7을 보면, 테이핑 장치(95)가 최종 밀폐 다이(85)와 캡스턴(86) 사이에 배치된다. 테이프 기재(backing)는 유리 섬유를 구비한 알루미늄 박막 테이프로서, 압력 감지 실리콘 접착제[미국 미네소타주 세인트폴에 소재한 쓰리엠 컴퍼니(3M Company)로부터 "포일/글래스 클로스 테이프 363(Foil/Glass Cloth Tape 363)"이라는 상표명으로 시판 되고 있음]를 구비한다. 테이프(18)의 총 두께는 0.18mm(0.0072인치)이다. 테이프의 폭은 1.90cm(0.75인치)이다.

가공 예2

하기와 같이 연선 공정을 변경하여 케이블이 가공 예1에 기재된 바와 같이 제조된다. 약 -34MPa(-5000psi)의 응력 파라미터를 갖는 케이블을 제조하기 위해서, 제2 캡스턴(86A)과 캐리지(82) 사이의 인장력은 캡스턴의 인장력 조절 기구를 사용하여 1202kg(2650파운드)으로 설정된다.

가공 예3

하기와 같이 연선 공정을 변경하여 케이블이 예시 예1에 기재된 바와 같이 제조된다. 코어는 강재 스풀 상에 구비되며, 코어 온도가 연선 장치 주위의 주위 공기 온도보다 44℃만큼 높게 형성되도록 8시간 동안 오븐에 위치된다(예를 들어, 주위 온도가 24℃라면, 코어의 온도는 오븐에서 68℃로 형성됨). 이어서, 스풀이 분리되어 연선 장치(80)의 송급 스풀(81)(모든 기능 부재들이 도시되어 있는 도7 참조) 상에 위치됨으로써, 연선 작업의 시작시에 코어가 여전히 고온으로 유지되도록 한다(스풀이 대형이기 때문에, 코어의 온도가 급속하게 저하되지는 않지만, 연선 작업은 스풀이 노로부터 분리된 후 약 2시간 내에 행해져야 함). 또한, 케이블의 외층을 형성하는 송급 스풀 상의 와이어는 주위 온도(예컨대 24℃)로 유지되어야 한다. 이러한 공정에 의해서, -3.5MPa(-500psi)의 응력 파라미터를 갖는 케이블이 제공된다.

가공 예4

하기와 같이 연선 공정을 변경하여 케이블이 가공 예 3에 기재된 바와 같이 제조된다. 연선 작업의 시작시에 코어의 온도는 주위 공기 온도보다 131℃만큼 높다. 따라서, 주위 온도가 24℃라면, 코어 온도는 155℃가 된다. 이러한 공정에 의해서, -17MPa(-2500psi)의 응력 파라미터를 갖는 케이블이 제공된다.

가공 예5

하기와 같이 연선 공정을 변경하여 케이블이 가공 예 3에 기재된 바와 같이 제조된다. 연선 작업의 시작시에 코어의 온도는 주위 공기 온도보다 239℃만큼 높다. 따라서, 주위 온도가 24℃라면, 코어 온도는 263℃가 된다. 이러한 공정에 의해서, -34MPa(-5000psi)의 응력 파라미터를 갖는 케이블이 제공된다.

가공 예1 내지 가공 예5에 대한 처침량의 계산과 예시 예와의 비교

예시 예에 기재된 알코아 새그10 그래픽 기법이 가공 예1과 2에 기재된 케이블의 온도 대 처짐량 거동을 예측하는 데 활용된다. 처짐량 곡선은 새그10 모델과 예시 예의 기법을 이용하여 산출된다. 표8 내지 표11에 기재된 컨덕터 파라미터가 새그10 소프트웨어에 입력된다. 압축 응력 파라미터의 값은 -3.5MPa(-500psi)과 -34MPa(-5000psi)이다. 도9는 예시 예와 가공 예1, 2, 3 및 5의 온도 대 처짐량 곡선을 도시하고 있다. 예시 예의 측정 데이터는 데이터(93)로 도시되어 있으며, 예시 예의 산출 곡선은 선(98)으로 도시되어 있다. -3.5MPa(-500psi)의 응력 파라미터를 사용하는 가공 예1과 3에 대한 산출 곡선이 선(94)으로 도시되어 있다. -34MPa(-5000psi)의 응력 파라미터를 사용하는 가공 예 2와 5에 대한 산출 곡선이 선(96)으로 도시되어 있다.

하기의 컨덕터 데이터가 "새그10" 소프트웨어에 입력된다.

[표8]

새그10의 컨덕터 파라미터

면적 381.6㎟(0.5915제곱인치)

직경 2.3cm(0.902인치)

중량 1.083kg/m(0.726파운드/피트)

RTS 10160kg(22400파운드)

[표9]

라인 로딩 조건

스팬 길이 65.5m(215피트)

초기 인장력[22℃(72℉)에서] 2082kg(4590파운드)

[표10]

압축 응력 산출을 위한 선택 사항

고유 알루미늄 응력 +500(측정 데이터에 피팅)

-500(가공 예1)

-5000(가공 예2)

알루미늄 면적(총 면적에 대한 비율) 0.8975

알루미늄 층의 수: 2

알루미늄 연선의 수 20

코어 연선의 수 7

연선 레이(lay) 비율

외층 11

내층 13

새그10에 대한 응력 변형 파라미터 TREF = 22℃(71℉)

소프트웨어 실행의 입력 파라미터(하기의 표11 참조)

[표11]

초기 알루미늄
A0	A1	A2	A3	A4	AF
17.7	56350.5	-10910.9	-155423	173179.9	79173.1
최종 알루미늄(10년 크리프)
B0	B1	B2	B3	B4	α(A1)
0	27095.1	-3521.1	141800.8	-304875.5	0.00128
초기 코어
C0	C1	C2	C3	C4	CF
-95.9	38999.8	-40433.3	87924.5	-62612.9	33746.7
최종 코어(10년 크리프)
D0	D1	D2	D3	D4	α(코어)
-95.9	38999.8	-40433.3	87924.5	-62612.9	0.000353

비교 예1

강재 강화 케이블["강재 강화 ACSR 케이블(3/0 ACSR 6/1 PIGEON)"]의 70m(230피트) 샘플을 미국 일리노이주 노스 시카고의 넘버 원 케이블 플레이스에 소재한 킹 와이어 인코포레이티드(King Wire Inc.)로부터 입수하였다. 이러한 샘플의 사양이 하기의 표12에 기재되어 있다.

[표12]

코드명	3/0 ACSR 6/1 PIGEON BARE AL
크기(AWG)	3/0
연선 ACSR(Al/Stl)	6/1
알루미늄 와이어 직경	4.2mm(0.1672인치)
개별 강재 와이어 직경	4.2mm(0.1672인치)
완성된 케이블 외경(OD)	12.8mm(0.502인치)
면적
알루미늄 면적	85㎟(0.1317제곱인치)
강재 면적	14.2㎟(0.0220제곱인치)
총 면적	99.2㎟(0.1537제곱인치)
중량	0.353kg/m(0.237파운드/피트)
파단 강도	3003kg(6620파운드)

예1

비교 예1의 45.7cm(18인치) 길이의 케이블이 음의 알루미늄 예비 응력을 얻기 위해 하기의 방식대로 형성된다. 알루미늄 와이어는 양측에서 7.6cm(3인치)만큼 제거되어, 중앙 코어 와이어가 노출된다. 1cm당 13개의 나선(thread)(1인치당 32개의 나선)을 구비한 #10 다이를 사용하여, 중앙 코어 와이어의 단부들의 약 2.5cm(1인치)만큼에 나사가 형성된다. 샘플의 알루미늄 와이어와 나사 영역 사이의 간극을 채울 수 있도록 스페이서가 추가로 배치된다. 1cm당 13개의 나선(1인치당 32개의 나선)을 구비한 #10 결합 너트가 나사 강재 코어 와이어에 체결되어 스페이서에 안착된다. 미국 미네소타주 세인트폴에 소재한 쓰리엠 컴퍼니(3M Company)로부터 "스카치 898(SCOTCH 898)"이라는 상표명으로 시판되고 있는 2.5cm(1인치)폭의 섬유 강화 포장 테이프를 사용하여, 샘플이 수작업으로 단단하게 감싸진다. 테이프는 그의 폭의 약 1/4만큼 중첩된다. 하나의 결합 너트는 바이스에 고정되어 유지되어 있고, 다른 하나의 너트는 토크 렌치를 사용하여 0.29kgf-m(25인치-파운드)의 토크로 체결된다. 강재의 인장 완료시에, 테이프로 감싸진 케이블의 직경이 13.7mm(0.54인치)로 측정되었다. 알루미늄 와이어는 중앙 코어 와 이어 둘레로 단단하게 감싸져서 유지된다. 알루미늄 와이어가 이완되는 현상은 탐지되지 않았다. 알루미늄 와이어와 중앙 코어 와이어 사이에 간극이 형성되지 않는다. 알루미늄 와이어는 중앙 코어 와이어로부터 벌어지거나 팽창되지 않는다.

알루미늄에 형성된 압축 응력을 산출하기 위해서, 강재 코어 와이어의 응력이 크론 소켓 스크류 셀렉터(Krone Socket Screw Selector)[미국 코네티컷주 웨스트 하트포드에 소재한 홀로-크롬 컴퍼니(Holo-Krome Company)로부터 입수 가능함]의 데이터를 이용하여 토오크 값으로부터 산출된다. #10 스크류에 대해서, 1.4kgf-m(120인치-파운드)의 토크는 나사 강재 와이어에 1270kg(2800파운드)의 인장 하중을 생성시킨다. 0.29kgf-m(25인치-파운드)로 체결시킴으로써 강재 코어 와이어에 생성되는 인장 하중은 264kg(583파운드: 25/120×2800파운드)로 산출된다. 강재의 인장 하중은 알루미늄의 대응 압축 하중과 동일하되 반대 부호를 갖는 것으로 간주된다. 따라서, 알루미늄의 압축 하중은 -264kg(-583파운드)으로 산출된다. 이로부터, 알루미늄의 압축 응력은 -30.5MPa(-4425psi: 583파운드/1317제곱인치)로 산출된다.

비교 예1과 예1에 대한 처짐량의 산출

표13 내지 표15를 보면, 예1에 기재된 케이블의 산출된 온도 대 처짐량 특성과 비교 예1에 기재된 케이블의 산출된 온도 대 처짐량 특성이 비교되어 있다. 이전에 예시 예1에 기재된 알코아 새그10 소프트웨어 모델이 17.2MPa(2500psi)의 양의 응력 파라미터를 사용하여 비교 예1의 온도 대 처짐량 거동을 결정하는 데 활용된다. 이와 유사하게, -30.5MPa(-4425psi)의 알루미늄 예비 응력을 갖는 예1의 일 정 길이의 케이블의 온도 대 처짐량 거동을 결정하는 데 알코아 새그10 소프트웨어 모델이 활용된다. 예1과 동일한 65.5m(215피트)의 스팬 길이 파라미터를 사용하여 온도 대 처짐량 곡선이 생성된다. 이러한 모델 케이블의 초기 인장력은 파단 강도의 20%이다. 도10의 선(101)은 비교 예의 케이블에 대한 +17.2MPa(+2500psi)의 값에 대해 산출된 곡선이다. 도10의 선(103)은 예1의 케이블에 대한 -30.5MPa(-4425psi)의 값에 대해 산출된 곡선이다.

하기의 컨덕터 데이터가 "새그10" 소프트웨어에 입력된다.

[표13]

새그10의 컨덕터 파라미터

코드명 Pigeon

면적 99.3㎟(0.1537제곱인치)

직경 12.8cm(0.502인치)

중량 0.353kg/m(0.231파운드/피트)

RTS 3003kg(6620파운드)

응력 변형 차트 1-938

[표14]

라인 로딩 조건

스팬 길이 65.5m(215피트)

초기 인장력[22℃(72℉)에서] 600kg(1324파운드)

[표15]

압축 응력 산출을 위한 선택 사항

고유 알루미늄 응력 17.2MPa(2500psi)(예2)

-30.5MPa(-4425psi)(예3)

알루미늄 면적(총 면적에 대한 비율) 0.857

알루미늄 층의 수 1

알루미늄 연선의 수 6

코어 연선의 수 1

연선 레이(lay) 비율, 외층 13

본 기술 분야의 당업자라면 본 발명의 사상과 범위로부터 벗어나지 않고서 본 발명에 여러 가지 변형과 수정을 가할 수 있음을 명확하게 파악할 수 있으며, 본 발명은 이상에서 기술한 실시예들에 한정되지 않는다.

Claims (32)

1. 열팽창 계수를 갖는 종방향 코어와,

   집합적으로 코어의 열팽창 계수보다 큰 열팽창 계수를 갖는 복수의 와이어를 포함하며,

   상기 복수의 와이어는 알루미늄 와이어, 구리 와이어, 알루미늄 합금 와이어 또는 구리 합금 와이어 중 적어도 하나를 포함하며, 상기 복수의 와이어는 코어 둘레로 연선되고, 상기 케이블은 0MPa 미만의 응력 파라미터를 갖는 케이블.
2. 제1항에 있어서, 상기 코어는 금속을 포함하는 케이블.
3. 제2항에 있어서, 상기 금속은 강, 티타늄, 텅스텐 또는 형상 기억 합금 중 적어도 하나인 케이블.
4. 제1항에 있어서, 상기 코어는 결정 세라믹을 포함하는 케이블.
5. 제1항에 있어서, 상기 코어는 결정 세라믹의 연속 섬유를 포함하는 케이블.
6. 제1항에 있어서, 상기 코어는 금속 매트릭스에 결정 세라믹의 연속 섬유를 포함하는 금속 매트릭스 복합재를 포함하는 케이블.
7. 제1항에 있어서, 상기 코어는 금속 매트릭스에 결정 세라믹의 연속 섬유를 포함하는 금속 매트릭스 복합 와이어를 포함하는 케이블.
8. 제7항에 있어서, 상기 금속 매트릭스는 매트릭스의 총 중량을 기준으로 98중량% 이상의 알루미늄을 포함하도록 선택되는 케이블.
9. 제8항에 있어서, 상기 결정 세라믹은 각각의 섬유의 총 금속 산화물 함량을 기준으로 99중량% 이상의 Al₂O₃를 포함하는 다결정 알파 알루미나계 섬유인 케이블.
10. 제7항에 있어서, 상기 결정 세라믹은 각각의 섬유의 총 금속 산화물 함량을 기준으로 99중량% 이상의 Al₂O₃를 포함하는 다결정 알파 알루미나계 섬유인 케이블.
11. 제10항에 있어서, 상기 금속 매트릭스 복합 와이어는 각각의 금속 매트릭스 복합 와이어의 총 체적을 기준으로 40 내지 70체적% 범위의 섬유를 포함하는 케이블.
12. 제10항에 있어서, 상기 케이블의 응력 파라미터는 -50MPa까지인 케이블.
13. 제10항에 있어서, 상기 케이블의 응력 파라미터는 0 내지 -50MPa 미만 범위인 케이블.
14. 제1항에 있어서, 상기 코어는, 아라미드, 세라믹, 붕소, 폴리(p-페닐렌-2,6-벤조비스옥사졸), 흑연, 탄소, 티타늄, 텅스텐 또는 형상 기억 합금 중 적어도 하나의 연속 섬유를 중합체 매트릭스에 포함하는 복합재를 포함하는 케이블.
15. 제1항에 있어서, 상기 코어는 연속 세라믹을 중합체 매트릭스에 포함하는 복합재를 포함하는 케이블.
16. 제1항에 있어서, 상기 와이어와 코어는 연속이며 150미터 이상의 길이인 케이블.
17. 제1항에 있어서, 상기 코어는 직경이 1mm 내지 12mm인 와이어를 포함하는 케이블.
18. 제1항에 있어서, 상기 코어는 직경이 1mm 내지 4mm인 와이어를 포함하는 케이블.
19. 제18항에 있어서, 상기 코어의 와이어는 10 내지 150의 레이 비율을 갖도록 나선형으로 연선되는 케이블.
20. 제1항에 있어서, 상기 와이어의 형상은 사다리꼴인 케이블.
21. 제1항에 있어서, 상기 와이어는 10 내지 150의 레이 비율을 갖도록 나선형으로 연선되는 케이블.
22. 케이블을 제조하는 방법이며,

    알루미늄 와이어, 구리 와이어, 알루미늄 합금 와이어 또는 구리 합금 와이어 중 적어도 하나를 포함하는 복수의 와이어를 종방향 코어 둘레로 연선하여 예비 연선 케이블을 제공하는 단계와,

    예비 연선 케이블을 내경을 갖는 밀폐 다이에 가하여 외경을 갖는 제1항에 따른 케이블을 제공하는 단계를 포함하며,

    상기 다이 내경은 케이블 외경의 1.00배 내지 1.02배 범위인 케이블 제조 방법.
23. 제22항에 있어서, 상기 방법은 주위 온도에서 행해지며, 상기 코어는 연선 중에 주위 온도보다 50℃ 이상 높은 온도에 있는 케이블 제조 방법.
24. 제22항에 있어서, 상기 방법은 주위 온도에서 행해지며, 상기 코어는 연선 중에 주위 온도보다 100℃ 이상 높은 온도에 있는 케이블 제조 방법.
25. 제22항에 있어서, 상기 방법은 주위 온도에서 행해지며, 상기 코어는 연선 중에 주위 온도보다 150℃ 이상 높은 온도에 있는 케이블 제조 방법.
26. 제22항에 있어서, 상기 방법은 주위 온도에서 행해지며, 상기 코어는 연선 중에 주위 온도보다 200℃ 이상 높은 온도에 있는 케이블 제조 방법.
27. 제22항에 있어서, 상기 방법은 주위 온도에서 행해지며, 상기 코어는 연선 중에 주위 온도보다 250℃ 이상 높은 온도에 있는 케이블 제조 방법.
28. 제22항에 있어서, 상기 연선은 100kg 이상의 코어 인장력으로 행해지는 케이블 제조 방법.
29. 제22항에 있어서, 상기 연선은 200kg 이상의 코어 인장력으로 행해지는 케이블 제조 방법.
30. 제22항에 있어서, 상기 연선은 500kg 이상의 코어 인장력으로 행해지는 케이블 제조 방법.
31. 제22항에 있어서, 상기 연선은 1000kg 이상의 코어 인장력으로 행해지는 케이블 제조 방법.
32. 제22항에 있어서, 상기 연선은 5000kg 이상의 코어 인장력으로 행해지는 케이블 제조 방법.

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