KR20080109921A - 초전도 케이블 - Google Patents

Abstract

냉각시의 상전도 선재의 수축분을 간이한 구성으로 흡수할 수 있는 초전도 케이블을 제공한다. 본 발명의 초전도 케이블은, 초전도층(초전도 도체층(12), 초전도 실드층(16))과, 이 초전도층의 내측 및 외측 중 적어도 한쪽에 배치되는 상전도층(상전도 도체층(11C), 상전도 실드층(17))을 갖는 초전도 케이블이다. 이 상전도층의 내측에 응력 완화층을 갖고, 응력 완화층(11B)에 의해, 냉매의 냉각에 따른 상전도층의 직경 방향으로의 수축분을 흡수하도록 구성되어 있다.

Description

초전도 케이블{SUPERCONDUCTING CABLE}

본 발명은 초전도 케이블에 관한 것이다. 특히, 초전도 케이블을 구성하는 상전도층(常電導層)의 냉각에 의한 수축을 흡수 가능한 초전도 케이블에 관한 것이다.

초전도 케이블로서, 도 4에 기재된 초전도 케이블이 제안되어 있다. 이 초전도 케이블(100)은, 3심의 케이블 코어(10)를 단열관(20) 내에 수납한 구성이다(예컨대, 특허 문헌 1).

케이블 코어(10)는, 중심으로부터 차례로 포머(11), 초전도 도체층(12), 절연층(15), 초전도 실드층(16), 보호층(18)을 구비하고 있다. 통상, 포머(11)는, 꼬인 선이나 파이프재로 구성된다. 도체층(12)은, 포머(11)상에 초전도 선재를 다층으로 나선 형상으로 돌려감아 구성된다. 대표적으로는, 초전도 선재로는, 산화물 초전도 재료로 이루어지는 복수의 필라멘트가 은 시스 등의 매트릭스 중에 배치된 테이프 형상인 것이 이용된다. 교류 케이블의 경우, 도체층(12)의 외주측에 위치하는 초전도 선재만큼 전류 밀도가 커지는 편류를 억제하여 교류 손실을 저감시 키기 위해, 각 층의 초전도 선재의 돌려감는 피치를 바꾸는 것도 행해진다. 절연층(15)은 절연지를 돌려감아 구성된다. 실드층(16)은, 절연층(15)상에 도체층(12)과 같은 초전도 선재를 나선 형상으로 돌려감아 구성한다. 그리고, 보호층(18)에는 절연지 등이 이용된다.

또한, 단열관(20)은, 내관(21)과 외관(22)으로 이루어지는 이중관 사이에 단열재(도시하지 않음)가 배치되고, 또한 이중관 내가 진공 흡인된 구성이다. 단열관(20)의 외측에는, 방식층(23)이 형성되어 있다. 그리고, 포머(11)(중공(中空)의 경우) 내나 내관(21)과 코어(10) 사이에 형성되는 공간에 액체질소 등의 냉매를 충전ㆍ순환하여, 절연층(15)에 냉매가 함침된 상태에서 사용 상태가 된다.

한편, 상기와 같은 초전도 케이블에 있어서는, 단락 사고시 등, 사고 전류가 초전도 선재에 흘러, 과도한 온도 상승에 의해 동 선재가 손상되는 것을 방지하기 위해, 사고 전류의 분류로를 확보할 필요가 있다. 그 때문에, 초전도 케이블의 구성 재료에 상전도 재료를 조합시키는 것이 제안되어 있다. 예컨대, 특허 문헌 2에서는, 초전도 선재로 이루어지는 도체층의 외측에 사고 전류의 분류로가 되는 상전도의 금속층을 형성하는 것이 개시되어 있다. 또한, 특허 문헌 3에는, 심재(芯材)(포머)의 구성 재료에 상전도 재료로 이루어지는 절연 피복 선재의 꼬인 선 구조를 이용하여, 사고 전류의 분류로로 하는 것이 개시되어 있다.

(특허 문헌 1) 일본 특허 공개 제 2001-202837 호 공보(도 1)

(특허 문헌 2) 일본 특허 공개 제 2000-67663 호 공보

(특허 문헌 3) 일본 특허 공개 제 2001-325838 호 공보

(발명이 해결하고자 하는 과제)

그런데, 상기와 같은 초전도 케이블에서는, 운전시, 냉매에 의해 극저온으로 냉각되어 케이블의 구성 재료가 수축한다. 그 때문에, 이 수축분을 흡수하는 구조가 요구된다. 그러나, 초전도 케이블의 구성 재료 중, 특히 상전도 재료로 구성되는 부재에 대해서는, 그 수축분을 흡수하기 위한 적절한 구조가 제안되어 있지 않다.

3심의 케이블 코어를 갖는 구성에서는, 이들 코어를 꼬아 합친 부분이 느슨해지게 하는 등에 의해 케이블 구성 재료의 수축분을 흡수하는 대책을 강구할 수 있다. 그러나, 그 경우는, 코어를 느슨하게 한 몫만큼 케이블 외경을 크게 할 필요가 있다. 한편, 단심의 초전도 케이블에서는, 3심 케이블과 같은 대책을 채용할 수 없다. 그 때문에, 냉각에 따른 초전도 선재 및 상전도 선재의 수축을 충분히 흡수할 수 없으면, 이들 양 선재에 응력이 작용한다. 그 때, 초전도 선재의 열화를 초래하거나, 케이블의 수축에 따라, 케이블을 구부린 부분에서 단열관에 측압이 가해져, 단열 성능이 저하하는 경우가 있다.

본 발명은 상기의 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 그 주목적은, 초전도 케이블의 구성 재료 중, 냉각에 따른 상전도층의 수축분을 간이한 구성으로 최대한 흡수할 수 있는 초전도 케이블을 제공하는 것에 있다.

본 발명의 다른 목적은, 초전도 케이블의 구성 재료 중, 냉각에 따른 상전도층의 수축분을 간이한 구성으로 최대한 흡수하고, 또한 초전도층의 수축분도 최대한 흡수할 수 있는 초전도 케이블을 제공하는 것에 있다.

또한, 본 발명의 별도의 목적은, 냉각에 따른 상전도층의 수축분을 간이한 구성으로 최대한 흡수할 수 있고, 또한 상전도 재료의 사용량도 저감할 수 있는 초전도 케이블을 제공하는 것에 있다.

(과제를 해결하기 위한 수단)

본 발명의 초전도 케이블은, 초전도층과, 이 초전도층의 내측 및 외측 중 적어도 한쪽에 배치되는 상전도층을 갖는 초전도 케이블로서, 이 상전도층의 내측에 응력 완화층을 갖고, 이 응력 완화층에 의해, 냉매의 냉각에 따른 상전도층의 직경 방향으로의 수축분을 흡수하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.

상전도층의 내측에 응력 완화층을 마련함으로써, 냉각에 의해 상전도층이 수축했을 때, 이 수축에 따른 상전도층의 축경량(縮徑量)(냉각에 의해 상전도층의 직경이 작아지는 양)에 상당하는 몫의 적어도 일부를 응력 완화층에서 흡수한다. 그에 따라, 상전도층에 생기는 장력을 감할 수 있다. 또한, 상전도층이 축경함으로써, 초전도층에도 축경 작용이 생겨, 특히 짧은 피치로 감긴 초전도 선재의 냉각시의 수축에 따라 생기는 응력을 감할 수 있다.

이하, 본 발명의 초전도 케이블의 구성을 자세히 설명한다.

본 발명의 초전도 케이블은, 대표적으로는, 케이블 코어와, 케이블 코어를 수납하는 단열관으로 구성된다. 그 중, 케이블 코어는, 응력 완화층, 상전도층, 초전도 도체층, 절연층을 갖는 것을 기본 구성으로 한다. 통상은, 케이블 코어에 케이블 구성 부재가 되는 포머도 마련되어 있다. 그 경우, 예컨대, 포머에 응력 완화층과 상전도 도체층을 형성한다.

응력 완화층은, 상전도층의 열수축분을 흡수하기 위한 층이다. 상전도층은, 케이블의 구성 재료 중, 상전도 재료로 구성된 층으로, 대표적으로는, 단락시 등의 사고 전류를 분류하기 위해 상전도 재료로 형성한 분류로가 해당한다. 보다 구체적으로는, 포머의 일부를 상전도 재료로 구성하는 것을 들 수 있다.

포머는, 초전도 도체층을 소정 형상으로 보형(保形)하기 위해 초전도 도체층의 내측에 배치되는 것이다. 본 발명의 케이블에서는, 이 포머에 상전도층과 응력 완화층을 형성하는 것이 적합하다. 예컨대, 내측으로부터 차례로 응력 완화층, 상전도 도체층을 형성하여, 상전도 도체층의 축경분을 응력 완화층에서 흡수한다.

상전도층은, 예컨대, 상전도 선재로 구성한다. 보다 구체적으로는, 상전도 선재로서 동선이나 알루미늄선을 이용한다. 동선이나 알루미늄선은, 도전율이 높으므로, 과전류의 분류로로서 적합하며, 비자성이므로 교류 손실의 저감의 관점에서도 바람직하다. 상전도 선재의 단면 형상은 특별히 한정되지 않고, 둥근 선이라도 좋고, 테이프 형상 선재라도 좋다. 포머의 일부를 구성하는 상전도 도체층의 경우, 통상, 휘감는 직경이 작으므로, 둥근 선 쪽이 돌려감기 쉽다. 단, 둥근 선에 의해 상전도 도체층을 구성한 경우, 그 외주면을 평활화하기 위해, 상전도 도체층의 위에 테이프가 감긴 층을 마련하거나, 외주면 부근만 직경이 작은 상전도 선재를 이용하는 것이 바람직하다.

이 상전도층은, 꼬인 선 구조로서 구성하는 것이 바람직하다. 예컨대, 다음에 말하는 응력 완화층의 외측에 상전도 선재를 나선 형상으로 돌려감아 구성한다. 상전도 선재를 나선 형상으로 돌려감음으로써, 상전도 선재 자신이 냉각시에 용이하게 축경할 수 있다. 또한, 이 꼬인 선 구조는, 복수의 소선(素線)을 꼬아 합쳐 세그먼트 도체를 구성하고, 그 세그먼트 도체를 복수 집합하여 구성하더라도 좋다.

상전도층을 구성하는 상전도 선재는, 소선 절연되어 있는 것이 바람직하다. 소선 절연한 상전도 선재를 나선 형상으로 돌려감음으로써, 상전도 선재 사이의 와전류 패스를 절단하여 손실을 보다 작게 할 수 있다.

한편, 응력 완화층은, 냉매에 의해 케이블이 극저온으로 냉각되었을 때, 이 상전도층의 축경분의 적어도 일부를 흡수할 수 있는 수축량을 가진 것으로 하면 좋다. 응력 완화층은, 이 소정의 수축량을 얻을 수 있는 재질과 두께를 갖는 구성으로 하면 좋다.

이 응력 완화층의 구성 재료로서는, 크라프트지, 플라스틱 테이프 및 크라프트지와 플라스틱 테이프의 복합 테이프 중 적어도 1종을 적합하게 이용할 수 있다. 플라스틱 테이프로는, 폴리올레핀, 특히 폴리프로필렌을 적합하게 이용할 수 있다. 통상, 크라프트지는 염가이며, 냉각에 의한 수축량이 적지만, 셀룰로스 섬유의 쿠션 효과가 기대된다. 플라스틱 테이프는, 냉각에 의한 수축량이 크다. 크라프트지와 폴리프로필렌의 복합 테이프는 고가이지만, 폴리프로필렌의 두께가 큰 것을 이용하면, 큰 수축량을 확보할 수 있고, 또한 크라프트지를 구성하는 셀룰로스 섬유의 쿠션 효과도 기대된다. 이들 재료로 응력 완화층을 구성함으로써, 상전도 선재의 축경량이 큰 경우라도 상전도 선재에 과도한 장력이 걸리지 않는 응력 완화층을 형성할 수 있다. 그밖에, 크라프트지로는 크레이프 크라프트지나 조습 크라프트지가 큰 수축량을 확보할 수 있다. 그리고, 이들 재료를 단독으로 혹은 조합하여, 상전도층의 축경량의 적어도 일부를 흡수할 수 있는 두께의 응력 완화층을 구성하면 좋다.

응력 완화층의 내측에는, 심재를 배치하더라도 좋다. 이 심재는 응력 완화층의 형성을 용이하게 하고, 또한, 심재의 직경에 따라 응력 완화층의 두께를 조정하여, 상전도층의 수축분의 흡수량을 조정할 수 있다. 심재의 형태로서는, 중공이라도 중실(中實)이라도 좋다. 중공 심재의 구체예로서는, 파이프재나 스파이럴로 성형한 밴드 형태를 들 수 있다. 파이프재는, 굴곡성을 고려하여 콜게이트 파이프로 하는 것이 바람직하다. 중실 심재의 구체예로서는, 꼬인 선 구조를 들 수 있다.

초전도 도체층은, 초전도 선재로 구성되는 도체 부분이다. 예컨대, 초전도 선재를 포머의 외측에 나선 형상으로 다층으로 돌려감음으로써 도체층을 형성한다. 초전도 선재의 구체예로서는, Bi2223계 산화물 초전도 재료로 이루어지는 복수의 필라멘트가 은 시스 등의 매트릭스 중에 배치된 테이프 형상인 것을 들 수 있다. 초전도 선재는 단층으로 다층으로 돌려감더라도 좋다. 통상, 도체층의 편류를 억제하여 교류 손실을 저감시키기 위해, 각 층마다 혹은 복수층마다 초전도 선재의 휘감는 방향 또는 휘감는 피치를 바꿀 수 있다. 또한, 다층으로 하는 경우, 층간 절연층을 마련하더라도 좋다. 층간 절연층은, 크라프트지 등의 절연지나 PPLP(스미토모 전기공업주식회사 제품, 등록상표) 등의 복합지를 돌려감아 마련하는 것을 들 수 있다.

절연층은, 도체층의 전압에 따른 절연 내력을 갖는 절연 재료로 구성한다. 예컨대, 크라프트지, 플라스틱 테이프 및 크라프트지와 플라스틱 테이프의 복합 테이프 중 적어도 1종을 적합하게 이용할 수 있다.

이상의 각 재료에 있어서, 크라프트지만으로 절연층을 구성하는 구조가 가장 저비용이다. 복합 테이프와 크라프트지를 복합하여 이용하면, 복합 테이프만으로 절연층을 구성하는 경우에 비하여 고가의 복합 테이프의 사용량을 저감할 수 있어, 케이블 비용을 낮출 수 있다.

한편, 절연층에 복합 테이프를 이용하는 것은, 전기 특성상 바람직하다. 복합 테이프로서는, 크라프트지와 폴리프로필렌 필름을 라미네이트한 것이 적합하다.

이 절연층의 외측에 초전도 실드층을 마련하더라도 좋다. 초전도 실드층은, 초전도 도체층과 거의 같은 크기로 역방향의 전류가 유도됨으로써 초전도 도체층으로부터 생기는 자장을 상쇄하여, 외부로의 자장의 누설을 방지한다. 이 초전도 실드층도, 초전도 도체층과 같은 초전도 선재를 나선 형상으로 돌려감아 구성된다. 통상, 초전도 도체층과 같이, 편류를 억제하기 위해 각 층마다 혹은 소정의 복수층마다 초전도 실드층을 구성하는 초전도 선재의 휘감는 방향 또는 휘감는 피치를 바꿀 수 있다.

한편, 상전도 실드층은, 예컨대, 초전도 실드층에 근접하여 배치되는 상전도 재료로 이루어지는 실드층이다. 통상의 케이블 운용시, 상술한 바와 같이, 초전도 실드층에는, 초전도 도체층과 거의 같은 크기로 역방향의 전류가 유도된다. 이에 대하여, 단락 사고 등에 의해 과전류가 초전도 도체층에 흐르고, 그에 따라 초전도 실드층에도 과전류가 흐르는 경우에, 상전도 실드층은, 그 분류로로서 기능함으로써, 과도한 온도 상승에 의한 초전도 실드층의 손상을 억제한다.

이 상전도 실드층은, 상전도 도체층과 같이 상전도 선재로 구성하고, 나선 형상으로 돌려감아 구성하는 것이 적합하다. 특히, 상전도 실드층은, 테이프 형상 상전도 선재로 구성하는 것이 바람직하다. 상전도 실드층은, 상전도 도체층에 비하여 휘감는 직경이 크므로, 테이프 선재라도 돌려감기 쉽고, 필요한 단면적의 상전도 실드층을 얇게 형성할 수 있다. 또한, 테이프 선재는 둥근 선에 비하여 각 선재 사이의 갭이 매우 작아, 상전도층의 단면에서 차지하는 상전도 선재의 비율(점적률)을 높일 수 있다.

이 상전도 실드층의 축경분도, 상술한 바와 같이 포머에 형성한 응력 완화층에서 흡수할 수 있도록 구성하는 것이 적합하다. 다시 말해, 포머가 축경하면 절연층이 축경하기 쉬워져, 상전도 실드층의 수축에 기여하게 된다. 그밖에, 절연층 자체를 상전도 실드층의 축경분을 흡수하기 위한 응력 완화층으로서 이용하더라도 좋다. 절연층 자체를 응력 완화층으로서 이용하면, 케이블 코어의 소직경화에 기여할 수 있다.

또한, 케이블 코어의 최외주에 보호층을 마련하는 것이 바람직하다. 이 보호층은, 외부 도체층의 기계적 보호와 아울러, 단열관과의 절연의 기능을 갖는다. 보호층의 재질로서는, 크라프트지 등의 절연지나 플라스틱 테이프를 이용할 수 있다.

한편, 단열관은, 냉매의 단열을 유지할 수 있는 구조이면, 어떠한 구조라도 상관없다. 예컨대, 외관과 내관으로 이루어지는 이중 구조의 이중관 사이에 단열재를 배치하여, 내관과 외관 사이를 진공 흡인하는 구성을 들 수 있다. 통상, 내관과 외관 사이에는, 금속박과 플라스틱 메시를 적층한 슈퍼인슐레이션이 배치된다. 내관 내에는, 적어도 도체층이 수납되고, 또한, 도체층을 냉각하는 액체질소 등의 냉매가 충전된다.

이 냉매는, 초전도 선재를 초전도 상태로 유지할 수 있는 것으로 한다. 현재, 냉매로는 액체질소의 이용이 가장 실용적이라고 생각되고 있지만, 그밖에, 액체헬륨, 액체수소 등의 이용도 생각할 수 있다. 특히, 액체질소의 경우, 폴리프로필렌을 팽윤시키지 않는 액체 절연이며, 폴리프로필렌을 이용한 복합 테이프로 절연층을 구성한 경우라도 직류 내전압 특성이나 Imp. 내압 특성에 우수한 초전도 케이블을 구성할 수 있다.

그밖에, 상술한 본 발명의 케이블에 있어서, 다음 구성을 단독으로 혹은 복합하여 마련하는 것이 바람직하다.

(1) 상전도 선재의 휘감는 피치를, 휘감는 직경의 4~6배로 한다.

휘감는 직경이란, 상전도 선재가 휘감기는 부재의 직경, 다시 말해, 상전도 선재에 의해 구성된 층의 내경이다. 휘감는 직경에 대한 휘감는 피치의 비율을 상기한 바와 같이 한정함으로써, 냉각에 의해 상전도 선재가 수축했을 때의 축경량을 작게 할 수 있는 단피치로, 또한 상전도 선재의 사용량도 억제할 수 있는 휘감는 피치로 할 수 있다.

상전도 선재의 휘감는 피치가 작아지면, 냉각에 의해 상전도 선재가 수축했을 때의 축경량, 즉, 응력 완화층에서 흡수해야할 양도 작아지므로, 응력 완화층을 형성하기 쉽게 할 수 있다. 그런데, 휘감는 피치가 작아지면, 상전도 선재의 사용량이 증가하여, 비용 증가로 이어지므로, 상전도 선재의 사용량의 증가를 최대한 억제한 휘감는 피치의 선택이 중요해진다. 그래서, 휘감는 직경에 대한 휘감는 피치의 비율을 상기한 바와 같이 한정함으로써, 냉각에 의해 상전도 선재가 수축했을 때의 축경량을 작게 할 수 있는 단피치로, 또한 상전도 선재의 사용량도 비교적 억제한 피치로 초전도 케이블을 구성할 수 있다.

이러한 상전도 선재의 바람직한 휘감는 피치는, 다음과 같이 시험 계산 혹은 실측함으로써 구할 수 있다. 우선, 상전도층을 구성하는 상전도 선재의 휘감는 피치와 휘감는 직경의 비율 「(피치/직경)비」와 상전도 선재의 냉각시의 축경량의 관계를 조사한다. 다음으로, 「(피치/직경)비」와 상전도 선재의 사용량의 관계를 조사한다. 그리고, 상전도 선재의 축경량을 규정치 이하로 할 수 있고, 또한 상전도 선재의 사용량을 규정치 이하로 할 수 있는 상전도 선재의 휘감는 피치 및 휘감는 직경을 선택한다.

또, 상전도층(상전도 도체층이나 상전도 실드층)을 다층으로 돌려감은 상전도 선재로 구성한 경우, 각 층마다 혹은 소정의 복수층마다 상전도 선재의 휘감는 방향 또는 휘감는 피치를 바꾸는 것이 바람직하다. 이에 따라, 상전도층에 있어서의 편류를 억제할 수 있다. 그리고, 이와 같이 초전도 선재의 휘감는 피치를 바꾸는 경우에도, 축경량과 선재 사용량의 관점에서는 상전도 선재의 휘감는 피치를 휘감는 직경의 4~6배의 범위 내에서 바꾸는 것이 바람직하다.

(2) 반도전층을 형성한다.

예컨대, 절연층의 내외주의 적어도 한쪽, 다시 말해, 초전도 도체층과 절연층 사이나, 절연층과 초전도 실드층 사이에 반도전층을 형성하더라도 좋다. 전자의 내부 반도전층, 후자의 외부 반도전층을 형성함으로써, 전기 성능의 안정에 유효하다. 반도전층은, 카본지를 돌려감아 구성하면 좋다.

(3) 가압 소성법에 의해 제조된 Bi계 산화물 초전도 선재를 이용한다.

초전도 선재를 나선 형상으로 돌려감아 초전도층(초전도 도체층이나 초전도 실드층)을 구성하는 경우, 통상, 편류 억제의 관점에서 여러 가지 다른 피치를 조합하여 초전도 선재를 휘감고 있다. 한편, 초전도 선재의 휘감는 직경이 같으면, 휘감는 피치가 길수록 축경량은 크다. 그 때문에, 응력 완화층에 의한 흡수량에 따라서는, 휘감는 피치가 큰 초전도 선재에는 수축에 따른 응력의 작용을 허용할 필요가 있다. 그 경우, 초전도 선재가 항장력성에 우수한 선재이면, 충분히 실용적인 초전도 케이블을 구성하는 것이 가능하다. 이 항장력성에 우수한 초전도 선재를 얻는 수단의 하나로서, 가압 소성법에 의해 초전도 선재를 제조하는 것을 들 수 있다.

가압 소성법은, 초전도 선재를 제조하는 파우더인튜브(Powder in tube)법에 있어서, 초전도 선재의 원선재를 2차 소결할 때에 가스에 의한 가압을 행하여 선재에 외압을 등방적으로 가하는 방법이다. 이 가압에 의해 선재의 필라멘트 밀도의 저하를 억제하여, 높은 인장 강도의 초전도 선재를 얻을 수 있다. 본 발명의 케이블의 경우, 상전도층의 축경량을 응력 완화층에 의해 흡수하여 초전도 선재로의 응력의 작용을 완화하고 있지만, 그래도 초전도 선재에 응력, 특히 인장 응력이 작용하는 것을 생각할 수 있다. 그 때문에, 항장력성에 우수한 초전도 선재이면, 초전도 선재로의 장력의 작용을 허용할 수 있어, 초전도 선재의 열화를 효과적으로 억제할 수 있다.

특히, 휘감는 피치가 다른 초전도 선재로 초전도층을 구성하고 있는 경우, 휘감는 피치가 큰 초전도 선재에 가압 소성법에 의해 얻어진 초전도 선재를 적용하는 것이 바람직하다. 휘감는 피치가 큰 초전도 선재는 휘감는 피치가 작은 초전도 선재에 비하여 축경량이 크므로, 그 축경량을 잘 흡수할 수 없으면 초전도 선재에 장력이 작용한다. 그 때문에, 장력이 작용하기 쉬운 초전도 선재에 가압 소성법에 의해 얻어진 초전도 선재를 적용하면, 초전도 선재의 열화를 효과적으로 억제할 수 있다.

가압 소성법에 의한 가압시의 가스로서는 불활성 가스와 산소의 혼합 가스가 적합하며, 가압 압력은 15~30㎫가 적합하다. 이 가압 소성법에 대해서는, 예컨대, 「비스무트계 초전도 선재의 개발」 야마자키 고헤이 등 「SEI 테크니컬 리뷰」 제 164 호 36-41페이지 2004년 3월에 기재되어 있다.

(4) 초전도 선재에, 그 인장 강도를 보강하는 보강층을 마련한다.

초전도 선재의 인장 강도가 높으면, 초전도 선재로의 응력의 작용을 허용할 수 있어 바람직한 것은 상술한 바와 같지만, 초전도 선재에 보강층을 마련하는 것으로도 항장력성의 초전도 선재를 구성할 수 있다. 이 보강층으로서는, 예컨대, 초전도 선재에 스테인리스 테이프를 접합하거나, 초전도 선재에 에나멜 등의 수지 코팅을 실시하는 것을 들 수 있다.

(5) 눌러 감은 층, 쿠션층을 마련한다.

초전도층(초전도 도체층이나 초전도 실드층)의 외측에 눌러 감은 층을 형성하더라도 좋다. 초전도층의 외측에 눌러 감은 층을 형성함으로써, 초전도층에 대하여 내측으로 조이는 작용을 기대할 수 있다. 그 조이는 작용에 의해, 초전도층의 축경을 원활히 거동시킬 수 있다. 눌러 감은 층의 재질은, 초전도층에 소정의 조이는 힘을 생기게 하는 것이면 좋고, 예컨대, 금속 테이프, 특히 동 테이프 등을 적합하게 이용할 수 있다.

이 눌러 감은 층을 이용한 경우, 눌러 감은 층과 초전도층 사이에 쿠션층을 개재시키는 것도 바람직하다. 눌러 감은 층에 금속 테이프를 이용한 경우, 통상, 초전도 선재도 은 등의 금속이 이용되고 있으므로, 눌러 감은 층과 초전도층은 금속끼리의 접촉이 되어 초전도 선재가 손상될 가능성이 있다. 그 때문에, 양 층 사이에 쿠션층을 개재시키면, 이들 금속끼리의 직접 접촉을 회피하여, 초전도 선재의 손상을 방지할 수 있다. 쿠션층의 구체적 재질로서는, 절연지나 카본지를 적합하게 이용할 수 있다.

(발명의 효과)

본 발명의 초전도 케이블에 의하면, 다음 효과를 얻을 수 있다.

(1) 상전도층의 내측에 응력 완화층을 마련함으로써, 냉각에 의해 상전도 선재가 수축했을 때, 이 수축에 따른 상전도층의 축경량에 상당하는 몫의 적어도 일부를 응력 완화층에서 흡수할 수 있다. 이에 따라, 특히 단피치로 감긴 초전도 선재로의 응력의 작용도 완화 혹은 해소할 수 있다.

(2) 상전도층의 축경량에 상당하는 몫의 적어도 일부를 응력 완화층에서 흡수함으로써, 케이블 코어에 작용하는 장력이 저감되어, 케이블 단말에 걸리는 응력을 작게 할 수 있다. 그에 따라, 케이블 단말의 설계를 간이하게 행할 수 있다. 또한, 케이블 코어에 작용하는 장력의 저감에 의해, 케이블이 구부러진 부분의 측압에 의한 단열층의 단열 성능의 저하도 억제할 수 있다.

(3) 케이블 코어 자신에 열수축을 흡수하는 기구를 마련함으로써, 다심 초전도 케이블은 물론, 종래, 흡수 기구를 마련하는 것이 어렵다고 생각되고 있었던 단심 초전도 케이블에 있어서도 상전도 선재 및 초전도 선재의 수축분의 적어도 일부를 흡수하는 것이 가능해진다. 3심 케이블 등의 다심 케이블의 경우, 보다 밀착하여 맞댈 수 있어, 케이블 외경을 작게 할 수 있다.

(4) 상전도 선재의 휘감는 피치를 휘감는 직경의 4~6배로 함으로써, 냉각시의 상전도 선재의 수축분을 간이한 구성으로 흡수할 수 있고, 또한 상전도 선재의 사용량도 최대한 저감할 수 있는 초전도 케이블로 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 초전도 케이블의 횡단면도,

도 2는 「(피치/직경)비」와 상전도 선재의 냉각시의 축경량의 관계를 나타내는 그래프,

도 3은 「(피치/직경)비」와 상전도 선재의 사용량의 관계를 나타내는 그래프,

도 4는 종래의 초전도 케이블의 횡단면도이다.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

100 : 초전도 케이블 10 : 코어

11 : 포머 11A : 심재

11B : 응력 완화층 11C : 상전도 도체층

12 : 초전도 도체층 13 : 쿠션층

14 : 눌러 감은 층 15 : 절연층

16 : 초전도 실드층 17 : 상전도 실드층

18 : 보호층 20 : 단열관

21 : 내관 22 : 외관

23 : 방식층

이하, 본 발명의 실시예를 설명한다.

(실시예 1)

[전체 구조]

도 1에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 교류 초전도 케이블(100)은, 1심의 케이블 코어(10)와, 그 코어(10)를 수납하는 단열관(20)으로 구성된다.

[코어]

이 코어(10)는, 중심으로부터 차례로, 포머(11), 초전도 도체층(12), 쿠션층(13), 눌러 감은 층(14), 절연층(15), 초전도 실드층(16), 상전도 실드층(17), 보호층(18)을 갖는다.

<포머>

포머(11)는, 초전도 선재로 이루어지는 초전도 도체층(12)을 형성하기 위한 심이 되는 부재로, 중심으로부터 차례로, 심재(11A), 응력 완화층(11B), 상전도 도체층(11C)을 구비하고 있다. 여기서는, 심재(11A)에 스파이럴 강대를 이용하고, 그 심재(11A)상에 절연 테이프를 휘감아 응력 완화층(11B)으로 하고, 또한 응력 완화층(11B)의 위에 상전도 선재를 돌려감아 상전도 도체층(11C)으로 하고 있다.

심재(11A)에는, 응력 완화층(11B)을 형성하기 위한 심이 되는 부재로, 폭 6㎜×두께 0.8㎜의 SUS316 강대를 나선 형상으로 돌려감아 구성하고 있다.

응력 완화층(11B)은, 상전도 도체층(11C)이 열수축했을 때의 축경량을 흡수 할 수 있는 재질ㆍ두께를 선택한다. 보다 구체적으로는, 절연 테이프로서, 크라프트지와 폴리프로필렌 필름을 라미네이트한 스미토모 전기공업주식회사 제품 복합 테이프 PPLP(등록상표)를 이용했다. 이 PPLP에서의 복합 테이프 전체의 두께에 대한 폴리프로필렌 필름의 두께의 비율은 60%이다.

또한, 상전도 도체층(11C)은, 단락 사고시 등, 과대한 사고 전류가 초전도 도체층(12)에 흘러 초전도 도체층(12)이 손상되는 것을 억제하기 위해, 사고 전류의 분류로가 되는 것이다. 여기서는, 폴리불화바이닐을 피복한 동선을 응력 완화층(11B)상에 나선 형상으로 휘감아 구성하고 있다. 이 상전도 도체층(11C)은 2층으로 구성되고, 내주측의 동선은 직경 1.5㎜, 외주측의 동선은 직경 1.1㎜이다. 상전도 도체층(11C)의 각 층의 돌려감는 방향은, 내층측으로부터 차례로 S-Z로 했다.

<초전도 도체층>

초전도 도체층(12)에는, 두께 0.24㎜, 폭 3.8㎜의 Bi2223계 Ag-Mn 시스 테이프 선재를 이용했다. 이 테이프 선재는, 가압 소성법에 의해 제조되어 있다. 이 테이프 선재를 포머(11)(상전도 도체층(11C))의 위에 다층으로 돌려감아 초전도 도체층(12)을 구성한다. 여기서는, 4층으로 초전도 선재를 휘감는다. 각 층의 돌려감는 방향은, 내층측으로부터 차례로 S-S-Z-Z로 했다.

<쿠션층과 눌러 감은 층(Holding Wound Layer)>

초전도 도체층(12)의 위에 쿠션층(13)을 형성하고, 또한 그 위에 눌러 감은 층(14)을 형성했다. 쿠션층(13)은, 초전도 도체층(12)상에 여러 층의 크라프트지 를 휘감음으로써 구성하고, 눌러 감은 층(14)은 동 테이프를 휘감음으로써 구성했다. 쿠션층(13)은 초전도 도체층(12)과 눌러 감은 층(14)에 의한 금속끼리의 접촉을 회피하고, 눌러 감은 층(14)은 쿠션층(13)을 통하여 초전도 도체층(12)을 내주측에 조여 냉각시의 초전도 도체층(12)의 축경, 또한 상전도 도체층(11C)의 축경을 원활히 거동시킨다.

<절연층>

눌러 감은 층(14)의 위에는 절연층(15)이 형성된다. 이 절연층(15)은, 도체층(12)에 흐르는 교류에 대한 전기 절연의 기능을 갖는다. 여기서는, PPLP로 절연층(15)을 구성했다. 또한, 이 절연층(15)은, 후술하는 상전도 실드층(17)의 냉각에 따른 축경량을 흡수하는 외부 응력 완화층으로서의 기능도 갖는다. 절연층(15) 자체를 외부 응력 완화층으로 함으로써, 별개로 외부 응력 완화층을 형성할 필요가 없어, 케이블 코어의 외경이 커지는 것을 억제할 수 있다.

또한, 도시하지 않고 있지만, 이 절연층(15)의 내주측에는 내부 반도전층이, 외주측에는 외부 반도전층이 형성되어 있다. 어느 쪽의 반도전층도 카본지를 돌려감아 형성했다.

<초전도 실드층>

절연층(15)의 외측에는, 초전도 실드층(16)을 마련했다. 이 초전도 실드층(16)은, 케이블 운용시, 초전도 도체층(12)과 거의 같은 크기로 역방향의 전류가 유도됨으로써 초전도 도체층(12)으로부터 생기는 자장을 상쇄하여, 외부로의 자장의 누설을 방지한다. 여기서는, 초전도 도체층(12)과 같은 초전도 선재로 구성했 다. 보다 구체적으로는, 2층으로 구성되고, 각 층의 돌려감는 방향은 S-S로 하고 있다.

<상전도 실드층>

계속해서, 초전도 실드층(16)의 위에 상전도 실드층(17)을 형성했다. 이 상전도 실드층(17)은, 단락 사고시 등에 과대한 사고 전류가 초전도 실드층(16)에 유도되어 초전도 실드층(16)이 손상되는 것을 억제하기 위해, 사고 전류의 분류로가 되는 것이다. 여기서는, 폴리불화바이닐을 피복한 동선을 초전도 실드층(16)상에 나선 형상으로 휘감아 구성하고 있다. 이 상전도 실드층(17)은 2층으로 구성되고, 테이프 형상 동선이 이용되고 있다. 상전도 실드층(17)의 각 층의 돌려감는 방향은, 내층측으로부터 차례로 S-Z로 했다.

<보호층>

이 상전도 실드층(17)의 외측에는 절연 재료로 구성되는 보호층(18)이 마련되어 있다. 여기서는, 크라프트지를 돌려감아 보호층(18)을 구성하고 있다. 이 보호층(18)에 의해, 상전도 실드층(17)의 기계적 보호와 아울러, 단열관(내관(21))과의 절연을 취해, 단열관(20)으로의 유도 전류의 분류를 막을 수 있다.

[단열관]

단열관(20)은 내관(21) 및 외관(22)을 구비하는 이중관으로 이루어지고, 내외관(21, 22) 사이에 진공 단열층이 구성된다. 진공 단열층 내에는, 플라스틱 메시와 금속박을 적층한, 이른바 슈퍼인슐레이션이 배치되어 있다. 내관(21)의 내측과 코어(10) 사이에 형성되는 공간은 냉매의 유로가 된다. 또한, 필요에 따라, 단 열관(20)의 외주에 폴리염화바이닐 등으로 방식층(23)을 형성하더라도 좋다.

(시험 계산예)

다음으로, 상기 초전도 케이블을 제작하는데 있어서, 상전도 선재의 축경량을 작게 할 수 있도록 동 선재의 단피치화를 목표로 하면서, 상전도 선재의 사용량을 적게 할 수 있도록 이하의 시험 계산을 행했다.

우선, 상전도층을 구성하는 상전도 선재의 휘감는 피치와 휘감는 직경의 비율 「(피치/직경)비」와 상전도 선재의 축경량의 관계를 조사하여 보았다. 여기서는, 휘감는 직경을 20㎜Φ, 30㎜Φ, 40㎜Φ 3가지로 하여, 각 경우에 있어서의 「(피치/직경)비」와, 운전시의 냉각에 의해 상전도 선재가 0.3% 수축한다고 한 경우의 축경량을 각 재료의 선팽창 계수를 이용하여 시험 계산했다. 그 결과를 도 2의 그래프에 나타낸다.

이 그래프에 나타내는 바와 같이, 「(피치/직경)비」가 같으면, 휘감는 직경이 클수록 축경량은 작은 것을 알 수 있다. 또한, 휘감는 직경이 같으면, 「(피치/직경)비」가 작은 쪽이 축경량도 작은 것을 알 수 있다. 이 결과로부터 보면, 단피치를 선택한 쪽이 흡수해야할 축경량이 작게 끝나는 것을 알 수 있다.

다음으로, 「(피치/직경)비」와 상전도 선재의 사용량의 관계를 조사하여 보았다. 여기서는, 상전도 선재를 휘감는 대상의 긴 방향을 따르게 한 경우, 즉, 세로로 첨부한 경우의 상전도 선재의 사용량을 1.0으로 하고, 「(피치/직경)비」를 바꾼 경우에 상전도 선재의 사용량이 어떻게 변화하는지를 상대치로 나타냈다. 그 결과를 도 3의 그래프에 나타낸다.

이 그래프에 나타내는 바와 같이, 「(피치/직경)비」가 6.0정도까지는 상전도 선재의 사용량은 극단적으로 커지지는 않지만, 동 비가 4.0미만이 된 부근으로부터 급격히 상전도 선재의 사용량이 커지는 것을 알 수 있다.

이상의 2개의 시험 계산 결과로부터, 냉각시의 상전도 선재의 수축분을 용이하게 흡수하기 쉬운 정도로 하고, 또한 상전도 선재의 사용량도 적게 하고자 하면, 「(피치/직경)비」를 4.0~6.0정도로 하면 좋은 것을 알 수 있다.

본 발명의 초전도 케이블은, 전력 수송 수단으로서 이용할 수 있다. 특히, 단심의 교류 전력 수송 수단으로서 적합하게 이용할 수 있다.

Claims (8)

1. 초전도층과, 이 초전도층의 내측 및 외측 중 적어도 한쪽에 배치되는 상전도층을 갖는 초전도 케이블로서,

   상기 상전도층의 내측에 응력 완화층을 갖고,

   상기 응력 완화층에 의해, 냉매의 냉각에 따른 상전도층의 직경 방향으로의 수축분의 적어도 일부를 흡수하도록 구성되어 있는 것

   을 특징으로 하는 초전도 케이블.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 상전도층은, 나선 형상으로 돌려감기는 상전도 선재로 구성되는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 상전도 선재의 휘감는 피치가, 휘감는 직경의 4~6배인 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 초전도 케이블은, 포머와, 포머의 외측에 초전도층으로서 형성되는 초전도 도체층과, 초전도 도체층의 외측에 형성되는 절연층을 갖고,

   상기 포머는, 상기 상전도층과 응력 완화층을 갖는 것

   을 특징으로 하는 초전도 케이블.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 초전도 케이블은, 상기 절연층의 외측에 초전도층으로서 형성되는 초전도 실드층과, 초전도 실드층의 외측에 상전도층으로서 형성되는 상전도 실드층을 더 갖는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 초전도층은 초전도 선재에 의해 구성되고,

   상기 초전도 선재가 가압 소성법에 의해 제조된 Bi계 산화물 초전도 선재인 것

   을 특징으로 하는 초전도 케이블.
7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 초전도층은 초전도 선재에 의해 구성되고,

   상기 초전도 선재에는, 그 인장 강도를 보강하는 보강층이 마련되어 있는 것

   을 특징으로 하는 초전도 케이블.
8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 응력 완화층이, 크라프트지, 플라스틱 테이프 및 크라프트지와 플라스틱 테이프의 복합 테이프 중 1종 또는 복수종으로 구성되는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.

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