KR20110119815A - 고온 초전도 전력 케이블을 위한 크라이오스탯 - Google Patents

Abstract

동심형 튜브들(concentric tubes), 이들 튜브 사이의 환상 구역을 포함하는, 고온 초전도 전력 케이블용 크라이오스탯(cryostat)으로서, 고진공 조건을 유지하기 위한 게터(getter) 재료 및 다층 열 절연재가 상기 환상 구역에 제공되고, 상기 다층 절연재(multilayer insulation)는 섬유상 스페이서(spacer) 재료에 의해 분리된 반사층을 포함하고, 상기 섬유상 스페이서 재료는 활성 탄소 미세섬유 및/또는 활성 탄소 나노섬유를 포함한다. 유익하게는, 게터 재료는 적어도 부분적으로 섬유상 스페이서 재료의 활성 탄소 섬유 내에 포함된다.

Description

고온 초전도 전력 케이블을 위한 크라이오스탯 {CRYOSTAT FOR A HIGH-TEMPERATURE SUPERCONDUCTING POWER CABLE}

본 발명은 동심형 튜브들(concentric tube), 이들 튜브 사이의 환상 구역(annular region)을 포함하는, 고온 초전도 전력 케이블용 크라이오스탯(cryostat)에 관한 것으로, 고진공 조건을 지원하기 위한 게터(getter) 재료 및 다층 열 절연재가 상기 환상 구역에 제공되고, 상기 다층 절연재(multilayer insulation)는 섬유상 스페이서(spacer) 재료에 의해 분리된 반사층을 포함한다.

이러한 크라이오스탯은 종래 기술에 공지되어 있으며, 통상 다층의 반사 재료 (예를 들어 Al)로 이루어지고, 10^-4torr와 같은 고진공으로 펌핑되는, 이들 층 사이에 (미세 유리 섬유로 만들어진 종이와 같은) 이격 재료(spacing material)로 이루어진 다층의 초절연재를 사용한다. 이처럼 높은 진공에 도달하기 위해서는, 통상, 활성 탄소 분말과 같은 게터 및 우수한 품질의 표면이 사용된다. 다른 공지된 게터 재료는 예를 들어, 알루미나, 혹은 Co₃O₄ + PdO이다.

그러나, 현존하는 크라이오스탯의 알려진 문제점은, 초절연재(superinsulation) 내부의 잔류 가스로 인해 국부 압력이 소망하는 값보다, (예를 들어 10배 내지 50배 정도로 높은 것과 같이) 실질적으로 더 높을 수 있다는 것이다. 이 경우, 고온 초전도 케이블 (HTS 케이블)의 크라이오스탯에 적용되면, 다층 초절연재 (multilayer superinsulation: MLI)는 약 1 W/m의 (예를 들어, 실온으로부터 77K까지) 열 누출(heat leak)을 보인다. 그 결과, 액체 (혹은 과냉) 질소가 5km 길이의 HTS 케이블의 냉각을 위해 사용된 경우, 케이블을 따라 압력 강하가 높게는 예를 들어 20 bar일 수 있다.

본 발명의 한 목적은, 상기 HTS 케이블용 크라이오스탯의 초절연 물성을 향상시켜, 케이블을 따라 압력 강하를 허용 가능한 값까지 감소시킬 수 있도록 하는 것이다.

본 발명의 추가의 목적은, 현존하는 크라이오스탯의 상황, 더 구체적으로는, 종래 기술의 경우 단지 수백 미터 정도의 2개의 냉각 스테이션 사이의 거리를 허용하는 반면 다수의 응용에서 이러한 거리는 수 킬로미터가 되어야 하는, 고온 초전도 케이블의 열 절연재가 직면한 상황을 개선하기 위한 것이다. 이러한 상황은 허용할 수 없는 것으로, HTS 케이블의 상업적 응용을 지연시키고 있다.

본 발명에 따라서, 첨부된 청구범위의 하나 이상의 특색을 가진 크라이오스탯이 제안된다.

본 발명의 제1 측면에서, 섬유상 스페이서 재료는 활성 탄소 미세 섬유 및/또는 활성 탄소 나노 섬유를 포함한다. 이들의 작은 직경 및, 종래 기술에서 적용된 탄소 분말에 존재하는 것보다 더 적은 점 접촉으로 인해, 이격 재료 내에 포함된 활성 탄소 미세 섬유와 활성 탄소 나노 섬유는 동일한 직경의 탄소 분말 구체(sphere)가 제공하는 것보다 더 낮은 열 전도도를 제공한다. 필수적으로, 상기 탄소 섬유는 활성 탄소 섬유이지만, 본 발명에서 탄소 섬유가 활성화되는 시점은 중요하지 않다. 탄소 섬유의 활성화는 예를 들어, 소위, 진공에서 180℃로 구워 냄(bake out)에 의해 일어날 수 있다. 본 발명에서 사용된 활성 탄소 미세 섬유는, 가격이 우선적 고려 사항인 경우, 활성 탄소 나노 섬유보다 우위를 가질 수 있다.

이러한 본 발명의 제1 측면은, 이격 재료 중 활성 탄소 분말 및 (예를 들어, 유리로 만들어진) 섬유(의 일부)를 활성 탄소 미세 섬유 및/또는 활성 탄소 나노 섬유로 대체함으로써, 다층 절연재를 통한 열 플럭스(heat flux)를 크게 감소시킬 수 있다는 통찰에 기초한 것으로, 이는 활성 탄소 섬유가 이러한 이격 재료 내의 고체 열 전도도를 증가시키는 일 없이 다층 내부의 잔여 가스의 압력 저하를 가져온다는 사실에 기인한 것이다.

바람직한 선택 사항으로서, 섬유상 스페이서 재료는 탄소질 혹은 비탄소질의 게터 재료를 포함한다. 이는 절연재 내의 잔여 가스의 감소를 촉진한다.

본 발명자들은 스페이서 재료 중 섬유들의 축이 환상 구역 내에서 필수적으로 동심원적으로 배향되는 것이 특히 유효한 특성임을 확인하였다. 이는 예를 들어 스페이서 재료의 제조를 위한 기존의 제지(paper-making) 기술을 적용함에 의해 달성될 수 있다.

더 유리하게는, 상기 섬유들은 섬유상 스페이서 재료 내에서 필수적으로 균일하게 분포되어 있다.

본 발명의 다른 측면은 게터 재료가 적어도 부분적으로 섬유상 스페이서 재료의 상기 활성 탄소 섬유 내에 포함되는 것이다. 그 결과, 다층 절연재 내의 잔류 가스 압력이 고체 상태 열 전도도의 증가 없이 저하되는데, 이러한 고체 상태 열 전도도의 증가는 기존의 활성 탄소 분말 구체가 이격 재료 내로 부가되는 경우 발생하였던 문제점이다.

본 발명의 또 다른 측면은, 탄소 섬유가 유리섬유의 기존의 스페이서 재료와의 혼합물로 제공되는 것이다. 이처럼 활성 탄소 섬유가 미세 유리 섬유로 이루어진 다층 절연 이격 재료에 부가되는 경우, 이는 탄소 섬유가 다층 절연재의 이격 재료 내에서 게터 재료로서 작용함에 기인한 잔류 가스 압력의 감소를 가져온다.

종래 기술에 따른 다층 절연재를 구비한 크라이오스탯은 대략 1 W/㎡의 열 플럭스를 나타낸다. 이러한 기존의 다층 절연재의 이격 재료에 몇 퍼센트의 탄소 분말이 부가되는 경우, 다층 절연재 내의 잔류 가스 압력의 감소로 인해 (예를 들어, 0.1 W/㎡와 같은) 더 낮은 열 플럭스가 달성될 수 있다. 그러나, (예를 들어, 5% 이상의) 더 많은 양의 탄소 분말이 기존의 크라이오스탯의 이격 재료에 부가되는 경우, 열 플럭스의 추가의 저하를 가져오지 않는다.

미세 활성 탄소 섬유로 교체된 미세 유리 섬유의 분획이 이미 몇 퍼센트 내지 5-10%의 수준인 경우, 본 발명에 따른 다층 절연재를 구비한 크라이오스탯은 (예를 들어, 0.02 W/㎡ 수준과 같이) 실질적으로 더 낮은 열 플럭스를 나타낼 수 있다. 그러나, 본 발명의 크라이오스탯 내에 적용된 활성 탄소 섬유의 백분율에 대해서 기술적 제한은 없으며; 상기 탄소 섬유는 심지어 모든 유리 섬유를 대체할 수도 있다. 따라서, 유리 섬유로 이루어진 기존의 스페이서 재료와 탄소 섬유의 혼합물은 0.1 내지 100 중량%의 범위의 양으로 탄소 섬유를 포함한다.

본 발명의 또 다른 측면은 (가요성의) 크라이오스탯의 동심형 튜브가 물결 주름부(corrugation)를 구비하며, 게터 재료의 적어도 일부가 이러한 물결 주름부에 제공되는 것이다. 게터 재료는 예를 들어, 패브릭 형태로, 예를 들면 호스(hose) 혹은 브레이드(braid)와 같은 활성 탄소 섬유 패브릭으로 만들어질 수 있으며, 이는 물결 주름부에 위치되어 예를 들어 스테인리스 강 스프링 와이어와 같은 스프링에 의해 제자리에서 유지된다.

크라이오스탯의 일반적인 구조는, 당해 기술 분야의 통상의 기술자에게 완전히 알려져 있다. 종래 기술의 크라이오스탯에 대하여 본 발명이 기여하는 바가, 기본적으로는, 다층 절연재의 (예를 들어, 유리로 만들어진) 공지된 이격 재료의 섬유(의 일부) 및 활성 탄소 분말을 활성 탄소 미세 섬유 및/또는 활성 나노 섬유로 대체하는 것에 있음을 고려할 때, 전술한 기재 내용은 당해 기술 분야의 통상의 기술자로 하여금 본 발명을 실시하도록 하는데에 충분히 명료하고 완전한 것이라 할 것이다. 이러한 설명 내용에 도면을 부가하고 이들 도면에 대한 설명을 부가하는 것은 유익하다고 생각되지 않으며, 나아가 종래 기술에서 수행된 바의 기존의 분말 탄소의 적용과, 본 발명에 따른 활성 탄소 미세 섬유 및 활성 탄소 나노 섬유의 적용 간의 차이점은 이러한 도면들에서 명확한 방식으로 보여질 수 없는 것이다.

끝으로, 본 발명자들은 바람직하게는 다층 절연재를 균일하게 가압하는 압력 수단을 환상 구역 내에서 외측 동심원 튜브를 대면하는 쪽에 적용하는 것이 유익할 수 있음을 언급한다. 이는 2개의 반사층들 사이의 섬유상 스페이서 재료가 유리 섬유지(glass fiber paper)의 하나의 층으로 이루어지거나, 혹은 3개의 층으로 이루어지되, 안쪽 층은 임의의 패브릭 형태의 미세 게터 (예를 들어, 탄소) 섬유 또는 종이로 만들어지고, 바깥쪽 층은 종래의 섬유상 스페이서 재료, 예를 들어, 유리 섬유지로서 포함되는 경우에 유익하다. 구체적인 수단이 없으면, 이러한 다층 절연재의 총 두께는 (추가의 게터 미세 섬유층으로 인해) 기존의 구현예에서 보다 더 두꺼워질 수 있고, 이처럼 더 두꺼운 두께는 절연재의 바깥쪽 층에 추가의 압력을 적용함으로써 감소될 수 있다. 이는 예를 들어, 다층 절연재의 층들을 더 팽팽하게 감음(tight winding)으로써 수행될 수 있다. 이러한 방식으로 다층 절연재의 총 두께는 허용 가능한 값에서 유지될 수 있다.

Claims (9)

1. 동심형 튜브들(concentric tubes), 상기 튜브들 사이의 환상 구역(annular region)을 포함하는 고온 초전도 전력 케이블용 크라이오스탯으로서, 고진공 조건을 지원하기 위한 게터(getter) 재료 및 다층 열 절연재가 상기 환상 구역에 제공되고, 상기 다층 절연재는 섬유상 스페이서 재료에 의해 분리된 반사층을 포함하되, 상기 섬유상 스페이서 재료는 활성 탄소 미세 섬유 및/또는 활성 탄소 나노 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 크라이오스탯.
2. 제1항에 있어서,
   상기 섬유상 스페이서 재료는 탄소질 혹은 비탄소질의 게터 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 크라이오스탯.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 스페이서 재료의 섬유는 이들의 축이 상기 환상 구역 내에서 필수적으로 동심원적으로 배향되는 것을 특징으로 하는 크라이오스탯.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 섬유는 상기 섬유상 스페이서 재료 내에 필수적으로 균일하게 분포되어 있는 것을 특징으로 하는 크라이오스탯.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 게터 재료는 적어도 부분적으로 상기 섬유상 스페이서 재료의 활성 탄소 섬유 내에 포함되는 것을 특징으로 하는 크라이오스탯.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 탄소 섬유는 유리 섬유의 기존 스페이서 재료와의 혼합물로 제공되는 것을 특징으로 하는 크라이오스탯.
7. 제6항에 있어서,
   유리 섬유의 기존 스페이서 재료와 탄소 섬유의 상기 혼합물은 탄소 섬유를 0.1 내지 100 중량%의 범위의 양으로 포함하는 것을 특징으로 하는 크라이오스탯.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 다층 절연재를 가압하는, 바람직하게는 균일하게 가압하는, 압력 수단이 상기 환상 구역 내에서 외측 동심형 튜브를 대면하는 쪽에 있는 것을 특징으로 하는 크라이오스탯.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 동심형 튜브는 물결 주름부를 구비하고, 상기 게터 재료의 적어도 일부가 상기 물결 주름부에 제공되는 것을 특징으로 하는 크라이오스탯.