KR20130008018A - 연선 열가소성 중합체 복합 케이블, 그 제조 및 사용 방법 - Google Patents

연선 열가소성 중합체 복합 케이블, 그 제조 및 사용 방법 Download PDF

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더글라스 이 존슨
제임스 피 소렌센
퍼 엠 넬슨
마이클 에프 그레더
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쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
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Abstract

나선형 연선 열가소성 중합체 복합 케이블(10)이 중심 세로 축을 정의하는 단일 와이어(2), 단일 와이어(2) 둘레에 나선형으로 연선 가공된 제1 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어(4), 및 제1 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어(4) 둘레에 나선형으로 연선 가공된 제2 복수의 중합체 복합 와이어(6)를 포함한다. 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 케이블(10)이 나중에 최종 물품(예를 들어, 수중 테더 및 수중 움비리컬을 포함하는 송전 케이블)에 포함되는 중간 물품으로서 사용될 수 있다. 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 케이블을 제작하고 사용하는 방법이 또한 개시된다.

Description

연선 열가소성 중합체 복합 케이블, 그 제조 및 사용 방법{STRANDED THERMOPLASTIC POLYMER COMPOSITE CABLE, METHOD OF MAKING AND USING SAME}
관련 출원과의 상호 참조
본 출원은 그 개시 내용이 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함된 2010년 2월 1일자로 출원된 미국 가특허 출원 제61/291665호의 이익을 주장한다.
본 명세서는 일반적으로 연선 케이블(stranded cable)과 그 제조 및 사용 방법에 관한 것이다. 본 명세서는 추가로 나선형 연선 중합체 복합 와이어(helically stranded polymer composite wire)를 갖는 연선 케이블과 그 제조 및 사용 방법에 관한 것이다. 이러한 나선형 연선 중합체 복합 케이블은 송전 케이블(electrical power transmission cable), 수중 테더(underwater tether) 및 수중 움비리컬(underwater umbilical) 및 기타 응용에서 유용하다.
케이블 연선 가공은 개개의 와이어가 전형적으로 나선형 배열로 결합되어 완성된 케이블을 생산하는 공정이다. 예를 들어, 미국 특허 제 5,171,942호 및 제5,554,826호를 참조하기 바란다. 얻어진 연선 케이블 또는 와이어 로프는 동등한 단면적의 중실 로드(solid rod)로부터 얻을 수 있는 것보다 훨씬 더 큰 유연성을 제공한다. 연선 구성이 유익한 이유는 또한 나선형 연선 케이블이 취급, 설치 및 사용 중에 구부려질 때 그의 전체적인 둥근 단면 형상을 유지하기 때문이다. 이러한 나선형 연선 케이블은 호이스트 케이블(hoist cable), 항공기 케이블 및 송전 케이블 등의 다양한 응용에서 사용된다.
나선형 연선 케이블은 전형적으로 강철, 알루미늄 또는 구리 등의 연성 금속으로 제조된다. 절연 피복이 없는 가공 송전 케이블 등의 어떤 경우에, 나선형 연선 와이어 코어는 와이어 도체층으로 둘러싸여 있다. 나선형 연선 와이어 코어는 제1 재료(예를 들어, 강철 등)로 이루어진 연성 금속 와이어를 포함할 수 있고, 전력 전도 외부층은 다른 재료(예를 들어, 알루미늄 등)로 이루어진 연성 금속 와이어를 포함할 수 있다. 어떤 경우에, 나선형 연선 와이어 코어는 대직경 송전 케이블의 제조에 투입 재료로서 사용되는 사전 연선 가공된 케이블(pre-stranded cable)일 수 있다. 나선형 연선 케이블은 일반적으로 겨우 7개의 개별 와이어에서 50개 이상의 와이어를 포함하는 보다 통상적인 구성까지를 포함할 수 있다.
케이블 연선 가공 공정 동안에, 연성 금속 와이어는 금속 재료의 항복 응력을 초과하지만 극한 응력 또는 파괴 응력 미만인 응력을 받는다. 이 응력은 금속 와이어를 소성 변형시키는 동작을 하는데, 그 이유는 금속 와이어가 비교적 작은 반경의 이전의 와이어 층 또는 중심 와이어 주위에 나선형으로 감겨져 있기 때문이다. 새로운 형상으로 쉽게 소성 변형될 수 없으며 취성(brittle)일 수 있는 재료로 제작된 와이어를 사용하여 제작된 유용한 케이블이 최근에 소개되었다.
이러한 복합 케이블의 일례는 섬유 강화 금속 매트릭스 복합 와이어를 포함하는 금속 매트릭스 복합 케이블에 의해 제공된다. 이러한 금속 매트릭스 복합 와이어는 연성 금속 와이어에 비해 개선된 기계적 특성으로 인해 매력적이지만, 그의 응력 변형 응답에서 주로 탄성적이다. 예를 들어, 미국 특허 제6,559,385호 및 제7,093,416호와, PCT 국제 공개 WO 97/00976에 개시된 열경화성 중합체 매트릭스 복합 와이어와 같은 섬유 강화 중합체 매트릭스 와이어를 포함하는 몇몇 중합체 복합 케이블이 또한 본 기술 분야에 공지되어 있다. 연선 복합 케이블(예를 들어, 중합체 매트릭스 복합 와이어 또는 금속 매트릭스 복합 와이어를 포함하는 케이블)의 한가지 용도는 절연 피복이 없는 송전 케이블에서의 강화 부재로서이다.
일 태양에서 본 개시 내용은 개선된 연선 열가소성 중합체 복합 케이블을 제공한다. 몇몇 예시적인 실시 형태에서, 연선 열가소성 중합체 복합 케이블은 중심 세로축을 정의하는 단일 와이어, 복합 와이어 둘레에 제1 꼬임 방향으로 중심 세로축에 대해 정의된 제1 꼬임 각도로 연선 가공되고 제1 꼬임 길이를 가지는 제1 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어, 및 제1 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어 둘레에 제2 꼬임 방향으로 중심 세로축에 대해 정의된 제2 꼬임 각도로 연선 가공되고 제2 꼬임 길이를 가지는 제2 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어를 포함한다.
추가의 예시적인 실시 형태에서, 연선 케이블은 제2 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어 둘레에 제3 꼬임 방향으로 중심 세로축에 대해 정의된 제3 꼬임 각도로 연선 가공되고 제3 꼬임 길이를 가지는 제3 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어를 추가로 포함한다. 추가의 예시적인 실시 형태에서, 연선 케이블은 제3 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어 둘레에 제4 꼬임 방향으로 중심 세로축에 대해 정의된 제4 꼬임 각도로 연선 가공되고 제4 꼬임 길이를 가지는 제4 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어를 추가로 포함한다. 추가의 예시적인 실시 형태에서, 연선 열가소성 중합체 복합 케이블은 제4 복수의 중합체 복합 와이어 둘레에 연선 가공된 추가의 열가소성 중합체 복합 와이어를 추가로 포함한다.
위의 예시적인 실시 형태 중 임의의 실시 형태에서, 제1 꼬임 방향이 제2 꼬임 방향과 동일할 수 있고, 제3 꼬임 방향이 제2 꼬임 방향과 동일할 수 있고, 제4 꼬임 방향이 제3 꼬임 방향과 동일할 수 있고, 그리고 일반적으로, 임의의 외부층 꼬임 방향이, 인접한 내부 층 꼬임 방향과 동일할 수 있다.
다른 예시적인 실시 형태에서, 제2 꼬임 방향은 제1 꼬임 방향과 반대이고, 제3 꼬임 방향은 제2 꼬임 방향과 반대(즉, 제3 꼬임 방향은 제1 꼬임 방향과 동일한 방향임)이고, 제4 꼬임 방향은 제3 꼬임 방향과 반대(즉, 제4 꼬임 방향은 제2 꼬임 방향과 동일한 방향임)이고, 일반적으로, 임의의 외부층 꼬임 방향은, 인접한 내부층 방향과 반대가 되도록 선택될 수 있다. 또한, 특정한 현재 바람직한 실시 형태에서, 제1 꼬임 각도와 제2 꼬임 각도 사이의 상대 차가 0° 보다 크고 약 4°이하일 수 있고, 제3 꼬임 각도와 제2 꼬임 각도 사이의 상대 차가 0° 보다 크고 약 4°이하일 수 있고, 제4 꼬임 각도와 제3 꼬임 각도 사이의 상대 차가 0° 보다 크고 약 4°이하일 수 있고, 그리고 일반적으로, 임의의 내부 층 꼬임 각도와 인접한 외부층 꼬임 각도가 0° 보다 크고 약 4°이하, 더 바람직하게는 3°이하, 가장 바람직하게는 0.5°이하일 수 있다.
추가의 실시 형태에서, 제1 꼬임 길이 중 하나 이상이 제2 꼬임 길이 이하이고, 제2 꼬임 길이가 제3 꼬임 길이 이하이며, 제4 꼬임 길이가 바로 다음의 꼬임 길이 이하이고, 및/또는 각각의 후속하는 꼬임 길이가 바로 이전의 꼬임 길이 이하이다. 다른 실시 형태에서, 제1 꼬임 길이가 제2 꼬임 길이와 같고, 제2 꼬임 길이가 제3 꼬임 길이와 같으며, 제3 꼬임 길이가 제4 꼬임 길이와 같은 것 중 하나 이상이다. 일부 예시적인 실시 형태에서, 본 기술 분야에 공지된 바와 같이, 평행 꼬임(parallel lay)을 사용하는 것이 바람직할 수 있다.
추가의 태양에서, 본 개시 내용은 코어 및 코어 둘레의 도체층을 포함하며 코어가 상기한 연선 열가소성 중합체 복합 케이블들 중 임의의 것을 포함하는 연선 송전 케이블의 대안적인 실시 형태를 제공한다. 예시적인 일부 실시 형태에서, 연선 케이블은 연선 열가소성 중합체 복합 케이블 코어의 연선 열가소성 중합체 복합 와이어 둘레에 연선 가공된 복수의 연성 금속 와이어를 추가로 포함한다.
예시적인 특정 실시 형태에서, 복수의 연성 금속 와이어가 중심 세로축 주위에 열가소성 중합체 복합 케이블 코어의 열가소성 중합체 복합 와이어를 둘러싸는 복수의 반경방향 층으로 연선 가공되어 있다. 예시적인 부가의 실시 형태에서, 복수의 연성 금속 와이어의 적어도 일부분이 제1 꼬임 방향으로 중심 세로축에 대한 꼬임 각도로, 연성 금속 와이어의 제1 꼬임 길이로 연선 가공되어 있다. 예시적인 다른 실시 형태에서, 복수의 연성 금속 와이어의 적어도 일부분이 제2 꼬임 방향으로 중심 세로축에 대해 정의된 꼬임 각도로, 연성 금속 와이어의 제2 꼬임 길이로 연선 가공되어 있다.
나선형 연선 중합체 복합 케이블 및 그것의 연선 송전 케이블의 관련 실시 형태의 상기한 실시 형태들 중 임의의 실시 형태에서, 이하의 예시적인 실시 형태가 유리하게 이용될 수 있다. 따라서, 예시적인 일 실시 형태에서, 단일 와이어는 중심 세로축에 실질적으로 수직인 방향에서 볼 때 원형이거나 타원형인 단면 형상을 가진다. 예시적인 특정 실시 형태에서, 단일 와이어는 중합체 복합 와이어이다. 특정한 현재 바람직한 실시 형태에서, 단일 와이어는 연성 금속 와이어 또는 열가소성 중합체 복합 와이어이다. 예시적인 부가의 실시 형태에서, 각각의 중합체 복합 와이어 및/또는 연성 와이어는, 중심 세로축에 실질적으로 수직인 방향에서, 원형, 타원형 및 사다리꼴 중에서 선택되는 단면을 가진다.
부가의 태양에서, 본 개시 내용은 상기한 태양 및 실시 형태 중 임의의 것에 기술된 연선 케이블을 제작하는 방법을 제공하며, 이 방법은 중심 세로축을 정의하는 단일 와이어 주위에 제1 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어를 나선형으로 연선 가공하는 단계 - 제1 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어를 나선형으로 연선 가공하는 단계는 제1 꼬임 방향으로 중심 세로축에 대해 정의된 제1 꼬임 각도로 수행되고, 제1 복수의 와이어는 제1 꼬임 길이를 가짐 -, 제1 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어 둘레에 제2 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어를 나선형으로 연선 가공하는 단계 - 제2 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어를 나선형으로 연선 가공하는 단계는 제1 꼬임 방향으로 중심 세로축에 대해 정의된 제2 꼬임 각도로 수행되고, 제2 복수의 와이어는 제2 꼬임 길이를 가짐 -, 및 제1 및 제2 복수의 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 와이어를 25℃ 로 냉각시 나선형 연선 중합체 복합 와이어를 나선형 연선 구성으로 유지하기에 충분한 온도 및 충분한 시간으로 가열하는 단계를 포함한다. 현재 바람직한 온도는 300℃ 이다.
특정한 현재 바람직한 예시적인 실시 형태에서, 제1 꼬임 각도와 제2 꼬임 각도 사이의 상대 차가 0 ° 보다 크고 약 4°이하이다. 특정의 일 실시 형태에서, 이 방법은 열가소성 중합체 복합 와이어 둘레에 복수의 연성 금속 와이어를 연선 가공하는 단계를 추가로 포함한다.
본 개시 내용에 따른 연선 열가소성 중합체 복합 케이블의 예시적인 실시 형태는 각종의 응용에서 그의 사용을 가능하게 해주고 이점을 제공하는 다양한 특징 및 특성을 가진다. 예를 들어, 예시적인 일부 실시 형태에서, 본 개시 내용에 따른 연선 열가소성 중합체 복합 케이블은 다른 복합 케이블과 비교하여 제조 또는 사용 동안에 낮은 케이블 인장 변형 값에서 조기 파손 또는 파괴를 겪는 경향의 감소를 나타낼 수 있다. 그에 부가하여, 예시적인 일부 실시 형태에 따른 연선 열가소성 중합체 복합 케이블은, 종래의 연성 금속 와이어 연선 케이블(stranded ductile metal wire cable)에 비해, 향상된 내부식성, 환경 내구성(예를 들어, UV 내성 및/또는 내습성), 승온에서의 강도 손실에 대한 내성, 내크립성(creep resistance)은 물론 비교적 높은 탄성 계수, 낮은 밀도, 낮은 열 팽창 계수, 높은 전기 전도성, 높은 처짐 내성, 및 높은 강도를 나타낼 수 있다.
일부 예시적인 실시 형태에서, 본 개시 내용의 실시 형태에 따라 제작된 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 케이블은 종래 기술의 복합 케이블과 비교하여 인장 강도에 있어서 10% 이상의 증가를 나타낼 수 있다. 본 개시 내용의 소정 실시 형태에 따른 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 케이블은 또한 소정의 중요한 응용에서의 사용, 예를 들어 송전 응용에서의 사용에 대한 최소 인장 강도 요건을 충족시키는 케이블의 연선 가공 공정으로부터의 수율 증가로 인해 더 낮은 제조 비용으로 제작될 수 있다. 현재 바람직한 특정한 예시적인 실시 형태에서, 본 개시 내용에 따른 예시적인 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 케이블은 가공 송전 케이블, 지중 송전 케이블, 및 수중 테더(underwater tether) 또는 수중 움비리컬(underwater umbilical)을 포함하는 수중 송전 케이블로서 사용될 수 있다.
일부 예시적인 실시 형태에서, 본 개시 내용의 실시 형태에 따른 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 케이블은, 종래의 탄성 연선 복합 와이어를 사용하여 흔히 관측되는 것과 같은 케이블 강도(strength)에서의 현저한 감소를 보이지 않고 전에 가능했던 것보다 훨씬 짧은 꼬임 길이로 유익하게 연선 가공될 수 있다. 이러한 종래의 탄성 연선 복합 와이어 케이블은 와이어 반지름 대 연선 복합 와이어의 굽힘 반지름의 비에 일반적으로 비례하는 강도 감소를 나타낸다. 굽힘 변형으로 인한 강도의 손실은 따라서 복합 재료의 굽힘 변형 대 파괴에 대한 변형의 비에 비례한다. 굽힘 변형은 꼬임 길이에 반비례하기 때문에, 꼬임 길이가 더 짧아짐에 따라, 종래의 탄성 연선 복합 와이어 케이블의 굽힘 변형이 증가하며, 그럼으로써 케이블 강도가 감소한다.
전형적으로 탄성 연선 와이어는 와이어 반지름의 약 1000 배 미만인 꼬임 길이-와이어에서 0.05% 굽힘 변형과 같음-를 가질 수 없다 복합 와이어에서 사용되는 전형적인 복합 재료는 0.5% 내지 2%의 파괴변형율(strain to failure)을 가지며, 이는 0.5%의 파괴변형율을 가진 와이어에 대해 연선 가공으로부터의 20%의 강도 감소, 그리고 2%의 파괴변형율을 가진 와이어에서 5%의 강도 감소와 같다. 그러나, 본 개시 내용에 따른 연선 복합 케이블의 일부 예시적인 실시 형태는, 소성 변형된 연성 (예를 들어, 금속) 와이어로 구성된 비-복합 케이블에서 더 전형적인 훨씬 더 낮은 꼬임 각도로 연선 가공될 수 있다. 굽힘 변형이 복합 재료의 파괴변형율을 초과할 것이고, 그럼으로써 와이어의 깨짐 없는 중합체 복합 와이어의 연선 가공을 막기 때문에, 탄성 연선 복합 와이어를 포함하는 케이블의 이러한 짧은 꼬임 길이는 본 기술 분야에서 이전에는 달성할 수 없었다. 케이블 무결성, 케이블에서의 비틀림 균형(torsional balance), 및 개선된 유연성을 유지하기 위하여, 더 짧은 꼬임 길이, 및/또는 층들 사이에 교번하는 꼬임 각도를 갖는 열가소성 중합체 복합 케이블이 바람직할 수 있다.
본 개시 내용의 예시적인 실시 형태의 다양한 태양 및 장점에 대해 요약하였다. 상기 요약은 본 개시 내용의 각각의 예시된 실시 형태 또는 이 예시적인 특정 실시 형태의 모든 구현을 설명하기 위한 것이 아니다. 하기의 도면 및 상세한 설명은 본 명세서에 개시된 원리를 사용하여 바람직한 소정 구현예를 더욱 구체적으로 예시한다.
본 개시 내용의 예시적인 실시 형태가 첨부 도면을 참조하여 추가적으로 기술되어 있다.
<도 1a>
도 1a는 본 개시 내용의 특정한 예시적 실시 형태에 따른 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 케이블의 사시도.
<도 1b>
도 1b는 본 개시 내용의 특정한 대안적인 예시적인 실시 형태에 따른 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 케이블의 사시도.
<도 2a 내지 도 2f>
도 2a 내지 도 2f는 본 개시 내용의 예시적인 실시 형태에 따른 다양한 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 케이블의 단부 단면도.
<도 3>
도 3은 본 개시 내용의 예시적인 부가의 실시 형태에 따른, 케이블을 제작하는 데 사용되는 예시적인 연선 가공 장치의 개략도.
도면에서 유사한 참조 번호는 유사한 구성요소를 나타낸다. 본 명세서 내의 도면이 축척대로 되어 있지 않으며, 도면에서는 열가소성 중합체 복합 케이블의 구성요소가 선택된 특징부를 강조하는 크기로 되어 있다.
대부분이 잘 알려져 있지만 어떤 설명을 필요로 할지도 모르는 특정 용어가 설명 및 특허청구범위 전체에 걸쳐 사용되고 있다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "와이어"가 "취성"이 있다라고 말할 때, 이는 와이어가 인장 하중 하에서 최소의 소성 변형으로 파단된다는 것을 의미함을 이해하여야 한다.
와이어의 변형을 말하는 데 사용될 때 "연성"이라는 용어는 와이어가 굽힘 동안에 파괴 또는 파손 없이 실질적으로 소성 변형을 겪는다는 것을 의미한다.
"(공)중합체"라는 용어는 단일중합체 또는 공중합체를 의미한다.
"(메트)아트릴레이트"라는 용어는 아크릴레이트 또는 메트아크릴레이트를 의미한다.
"복합 와이어"라는 용어는 서로 결합되는 조성 또는 형태가 서로 다른 재료의 조합으로 형성되는 와이어를 말한다.
"중합체 복합 와이어"라는 용어는, 열경화성 중합체 또는 열가소성 중합체를 포함할 수 있는 하나 이상의 중합체 상을 포함하는 매트릭스 내로 결합된 하나 이상의 강화 재료를 포함하는 복합 와이어를 말한다.
용어 "열가소성 중합체 복합 와이어"는, 하나 이상의 열가소성 중합체 상을 포함하는 매트릭스 내로 결합된 하나 이상의 강화 섬유 재료를 포함하며 열가소성 중합체 상을 연화시키기에 충분한 온도로 가열될 때 연성 거동을 나타낼 수 있는 복합 와이어를 말한다.
용어 "세라믹-중합체 복합 와이어"는 하나 이상의 중합체 상을 포함하는 매트릭스 내로 결합된 하나 이상의 강화 세라믹 섬유 재료를 포함하는 복합 와이어를 말한다.
"금속 매트릭스 복합 와이어"라는 용어는 하나 이상의 금속상(metal phase)으로 이루어진 매트릭스 내로 결합된 하나 이상의 강화 재료를 포함하는, 비연성 거동을 나타내고 취성인 복합 와이어를 말한다.
와이어의 변형을 말하는 데 사용될 때 "구부리다" 또는 "굽힘"이라는 용어는 연선 가공 동안에 와이어를 나선형으로 구부리는 것과 같은 2차원 및/또는 3차원 굽힘 변형을 포함한다. 와이어가 굽힘 변형을 갖는다고 말할 때, 이는 와이어가 인장력 및/또는 비틀림(torsional force)으로 인한 변형도 가질 수 있다는 것을 배제하지 않는다.
"유의 탄성 굽힘" 변형(significant elastic bend deformation)은 와이어가 와이어의 반경의 최대 10,000 배의 곡률 반경으로 구부려질 때 일어나는 굽힘 변형을 의미한다. 원형 단면 와이어에 적용될 때, 이 유의 탄성 굽힘 변형은 와이어의 외섬유(outer fiber)에 적어도 0.01%의 변형을 준다.
"케이블 가공" 및 "연선 가공"이라는 용어는 서로 바꾸어 사용될 수 있으며, "케이블 가공된"과 "연선 가공된"이라는 용어도 서로 바꾸어 사용될 수 있다.
"꼬임"이라는 용어는 나선형 연선 케이블의 연선 가공된 층에 있는 와이어가 나선형으로 감겨 있는 방식을 말한다.
"꼬임 방향"이라는 용어는 나선형으로 연선 가공된 층에서의 와이어 연선(wire strand)의 연선 가공 방향을 말한다. 나선형으로 연선 가공된 층의 꼬임 방향을 결정하기 위해, 케이블이 관찰자로부터 멀어지는 쪽을 가리킬 때 관찰자가 나선형으로 연선 가공된 와이어 층의 표면을 바라 본다. 스트랜드들이 관찰자로부터 멀어지는 쪽으로 진행됨에 따라 와이어 스트랜드들이 시계 방향으로 회전하는 것처럼 보이는 경우, 케이블은 "오른쪽 꼬임"을 갖는다라고 지칭된다. 스트랜드들이 관찰자로부터 멀어지는 쪽으로 진행됨에 따라 와이어 스트랜드들이 반시계 방향으로 회전하는 것처럼 보이는 경우, 케이블은 "왼쪽 꼬임"을 갖는다라고 지칭된다.
다층 나선형 연선 케이블의 중심에서 반경방향으로 위치하는 공통의 세로축을 나타내기 위해 "중심축" 및 "중심 세로축"이라는 용어가 서로 바꾸어 사용될 수 있다.
"꼬임 각도"라는 용어는 연선 와이어가 나선형 연선 케이블의 중심 세로축에 대해 형성하는 각도를 말한다.
"교차 각도"라는 용어는 나선형 연선 와이어 케이블의 인접한 와이어 층의 꼬임 각도 사이의 상대(절대) 차를 의미한다.
"꼬임 길이"라는 용어는 나선형으로 연선 가공된 층에 있는 단일 와이어가 나선형 연선 케이블의 중심 세로축을 중심으로 완전한 한바퀴 나선형 회전을 완성하는 연선 케이블의 길이를 말한다.
"세라믹"이라는 용어는 유리, 결정질 세라믹, 유리-세라믹, 그리고 그 조합을 의미한다.
"다결정"이라는 용어는 입자 크기가 입자가 존재하는 섬유의 직경 미만인 복수의 결정질 입자를 주로 가지는 재료를 의미한다.
"연속 섬유"라는 용어는 평균 섬유 직경과 비교할 때 상대적으로 무한인 길이를 가지는 섬유를 의미한다. 전형적으로, 이는 섬유가 적어도 1 x 105(일부 실시 형태에서, 적어도 1 x 106, 또는 심지어 적어도 1 x 107)의 종횡비(즉, 섬유의 길이 대 섬유의 평균 직경의 비)를 가진다는 것을 의미한다. 전형적으로, 이러한 섬유는 적어도 약 15 ㎝ 내지 적어도 몇 미터 정도의 길이를 가지며, 심지어 대략 몇 킬로미터 이상의 길이를 가질 수 있다.
일부 응용에서, 연선 복합 케이블의 구성 및 그 제조 방법을 추가적으로 개선하는 것이 바람직하다. 특정 응용에서, 나선형 연선 복합 케이블의 물리적 특성(예를 들어, 케이블의 파괴까지의 연신율 및 인장 강도)을 개선하는 것이 바람직하다. 어떤 특정의 응용에서, 또한 연선 복합 와이어를 송전 케이블 등의 차후의 물품에 포함시키기 전에 연선 복합 와이어의 나선형 배열을 유지하는 편리한 수단을 제공하는 것이 바람직하다. 나선형 연선 배열을 유지하는 이러한 수단은, 소성 변형가능한 연성 금속 와이어를 사용하여, 또는 연선 공정 후에 와이어의 나선형 배열을 유지하기 위하여 유지 수단을 사용하여, 예를 들어, 경화 또는 중합체 매트릭스에 의해, 또는 접착 테이프로 연선 복합 와이어들을 래핑함으로써 연선 구성으로 유지될 수 있는 복합 와이어들로 제작된 종래의 연선 케이블에서는 필요하지 않았다.
따라서, 본 개시 내용의 일부 예시적인 실시 형태는 위에서 기술된 것과 같은 유지 수단의 사용 없이도 연성 공정 후에 열가소성 중합체 복합 와이어의 나선형 배열을 유지할 수 있는 열가소성 중합체 매트릭스를 포함하는 열가소성 중합체 복합 와이어에 관한 것이다. 본 개시 내용의 다른 실시 형태는 연선 열가소성 중합체 복합 케이블, 및 열가소성 중합체 복합 와이어 층들을 공통의 꼬임 방향으로 나선형으로 연선 가공하는 방법에 대한 것이며, 이 방법에 의해 각각의 중합체 복합 와이어 층 사이에 교번하는 꼬임 방향을 사용하여 나선형으로 연선 가공된 종래의 복합 케이블과 비교할 때 중합체 복합 케이블의 인장 강도가 놀라울 정도로 증가한다. 공통의 꼬임 방향을 사용하여 연선 가공될 때 종래의 연성(예를 들어, 금속 또는 기타 비-중합체 복합) 와이어에서는 이러한 놀라운 인장 강도의 증가가 관찰되지 않았다. 또한, 전형적으로 종래의 연성 와이어 케이블의 연선 와이어 층들에 대해 공통의 꼬임 방향을 사용할 동기가 약한데, 그 이유는 연성 금속 와이어가 용이하게 소성 변형될 수 있고, 그러한 케이블은 일반적으로 더 짧은 꼬임 길이를 사용하며, 이 때문에 교번하는 꼬임 방향이 케이블 무결성을 유지하기에 바람직할 수 있기 때문이다.
이제 도면을 구체적으로 참조하여 본 개시 내용의 다양한 예시적인 실시 형태를 기술할 것이다. 본 명세서의 예시적인 실시 형태는 본 명세서의 사상 및 범주를 벗어나지 않고 다양한 수정 및 변경을 가질 수 있다. 따라서, 본 개시 내용의 실시 형태가 이하의 기술된 예시적인 실시 형태로 한정되지 않고 특허청구범위 및 임의의 그 등가물에 기재된 제한에 의해 규제되어야 한다는 것을 잘 알 것이다.
따라서, 일 태양에서, 본 개시 내용은 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 케이블을 제공한다. 도면을 참조하면, 도 1a는 본 개시 내용의 일 예시적인 실시 형태에 따른 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 케이블(10)의 사시도를 나타낸 것이다. 도시된 바와 같이, 나선형 연선 중합체 복합 케이블(10)은 중심 세로축을 정의하는 단일 와이어(2), 단일 와이어(2) 둘레에 제1 꼬임 방향(시계 방향으로 도시됨, 오른쪽 꼬임에 대응함)으로 연선 가공된 제1 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어(4)를 포함하는 제1 층(20), 및 제1 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어(4) 둘레에 제1 꼬임 방향으로 연선 가공된 제2 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어(6)를 포함하는 제2 층(22)을 포함한다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 선택적으로, 제3 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어(8)를 포함하는 제3 층(24)이 제2 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어(6) 둘레에 제1 꼬임 방향으로 연선 가공되어 중합체 복합 케이블(10)을 형성할 수 있다. 다른 예시적인 실시 형태에서, 선택적 제4 층(도시 생략) 또는 심지어 더 많은 추가적인 중합체 복합 와이어 층이 제2 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어(6) 둘레에 제1 꼬임 방향으로 연선 가공될 수 있다.
다른 실시 형태에서, 단일 와이어(2)가 금속 와이어와 같은 비-열가소성 와이어, 또는 예를 들어, 열경화성 중합체 복합 와이어 또는 금속 매트릭스 복합 와이어와 같은 비-열가소성 복합 와이어일 수 있지만, 선택적으로, 단일 와이어(2)는 열가소성 중합체 복합 와이어이다.
본 개시 내용의 예시적인 현재 선호되는 실시 형태에서, 열가소성 중합체 복합 와이어(예를 들어, 4, 6, 8, 등)의 2개 이상의 연선 가공된 층(예를 들어, 20, 22, 24, 등)은, 열가소성 중합체 복합 와이어의 각각의 연속적인 층이 각각의 이전의 와이어 층과 동일한 꼬임 방향으로 감겨 있게끔, 중심 세로 축을 정의하는 단일 중심 와이어(2) 주위에 나선형으로 감겨있을 수 있다. 또한, 각각의 층(20, 22, 24)에 대해 도 1a에 오른쪽 꼬임이 도시되어 있지만, 도 1b에 도시된 예시적인 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 케이블에 도시된 바와 같이, 각각의 층(20, 23, 24, 등)에 대해 대안적으로 왼쪽 꼬임이 사용될 수 있다는 것을 잘 알 것이다.
따라서, 도 1b는 본 개시 내용의 한가지 대안적인 예시적인 실시 형태에 따른 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 케이블(10')의 사시도를 도시한다. 도시된 바와 같이, 나선형 연선 중합체 복합 케이블(10')은 중심 세로 축을 정의하는 단일 와이어(1)(예를 들어, 열가소성 중합체 복합 와이어, 또는 예를 들어, 금속 와이어, 열경화성 중합체 복합 와이어, 또는 금속 매트릭스 복합 와이어를 포함하는 비-열가소성 와이어일 수 있음), 제1 꼬임 방향(반시계 방향으로 도시됨, 왼쪽 꼬임에 대응함)으로 단일 와이어(1) 둘레에 연선 가공된 제1 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어(4)를 포함하는 제1 층(20), 제1 꼬임 방향과 반대인 제2 꼬임 방향으로 제1 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어(4) 둘레에 연선 가공된 제2 복수의 비-열가소성 중합체 복합 와이어(5)(예를 들어, 금속 와이어, 열경화성 중합체 복합 와이어, 또는 금속 매트릭스 복합 와이어일 수 있음)를 포함하는 제2 층(23), 및 제1 꼬임 방향으로 제2 복수의 비-열가소성 와이어(5) 둘레에 연선 가공된 제3 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어(8)를 포함하는 제3 층(24)을 포함하여 중합체 복합 케이블(10')을 형성한다.
다른 예시적인 실시 형태에서, 선택적 제4 층(도시 생략)이 제2 꼬임 방향으로 제2 복수의 비-열가소성 중합체 복합 와이어(5) 둘레에 연선 가공될 수 있다. 본 개시 내용의 예시적인 현재 바람직한 실시 형태에서, 열가소성 중합체 복합 와이어(예를 들어, 4, 8) 및 비-열가소성 와이어(예를 들어, 5) 의 2개 이상의 교번하는 연선 가공된 층이, 도 1a에 도시된 바와 같이, 열가소성 중합체 복합 와이어의 각각의 연속적인 층이 각각의 이전의 와이어 층과 동일한 꼬임 방향으로 감겨 있게끔, 중심 세로 축을 정의하는 단일 중심 와이어(1) 주위에 나선형으로 감겨있을 수 있다. 또한, 층(5)에 대해 도 1b에 왼쪽 꼬임이 도시되어 있고 층(4, 8)에 대해 오른쪽 꼬임이 도시되어 있지만, 오른쪽 꼬임이 층(5)에 대해 대안적으로 사용될 수 있고, 왼쪽 꼬임이 층(15, 16, 등)에 대해 대안적으로 사용될 수 있다는 것을 잘 알 것이다.
다른 실시 형태에서, 단일 와이어(2)가 비-열가소성 와이어, 예를 들어, 금속 와이어, 또는 예를 들어, 열경화성 중합체 복합 와이어 또는 금속 매트릭스 복합 와이어와 같은 비-열가소성 복합 와이어일 수 있지만, 선택적으로, 위의 실시 형태 중 임의의 실시 형태에서, 단일 와이어(2)는 열가소성 중합체 복합 와이어일 수 있다.
위의 예시적인 실시 형태에서, 제1 꼬임 방향은 바람직하게는 제2 꼬임 방향과 동일하고, 제3 꼬임 방향은 바람직하게는 제2 꼬임 방향과 동일하고, 제4 꼬임 방향은 제3 꼬임 방향과 동일할 수 있고, 그리고 일반적으로, 임의의 외부층 꼬임 방향은 바람직하게는 인접한 내부층 꼬임 방향과 동일하다. 그러나, 다른 예시적인 실시 형태에서, 제1 꼬임 방향이 제2 꼬임 방향의 반대일 수 있고, 제3 꼬임 방향이 제2 꼬임 방향의 반대일 수 있고, 제4 꼬임 방향이 제3 꼬임 방향의 반대일 수 있고, 그리고 일반적으로, 임의의 외부층 꼬임 방향은 인접한 내부층 꼬임 방향의 반대일 수 있다.
위의 예시적인 실시 형태 중 임의의 것의 특정한 현재 바람직한 실시 형태에서, 제1 꼬임 각도와 제2 꼬임 각도 사이의 상대 차는 바람직하게는 0° 보다 크고 약 4°이하이고, 제3 꼬임 각도와 제2 꼬임 각도 사이의 상대 차는 바람직하게는 0° 보다 크고 약 4°이하이고, 제4 꼬임 각도와 제3 꼬임 각도 사이의 상대 차는 바람직하게는 0°보다 크고 약 4°이하이고, 그리고 일반적으로, 임의의 내부층 꼬임 각도와 인접한 외부층 꼬임 각도는, 바람직하게는 0°보다 크고, 약 4°이하, 더 바람직하게는 3°이하이며, 가장 바람직하게는 0.5°이하이다.
추가의 현재 바람직한 예시적인 실시 형태에서, 제1 꼬임 길이 중 하나 이상이 바람직하게는 제2 꼬임 길이 이하이고, 제2 꼬임 길이가 바람직하게는 제3 꼬임 길이 이하이며, 제4 꼬임 길이가 바람직하게는 바로 다음의 꼬임 길이 이하이고, 및/또는 각각의 후속하는 꼬임 길이가 바람직하게는 바로 이전의 꼬임 길이 이하이다. 다른 실시 형태에서, 제1 꼬임 길이가 제2 꼬임 길이와 같고, 제2 꼬임 길이가 제3 꼬임 길이와 같으며, 제3 꼬임 길이가 제4 꼬임 길이와 같은 것 중 하나 이상이다. 일부 예시적인 실시 형태에서, 본 기술 분야에 공지된 바와 같이, 평행 꼬임(parallel lay)을 사용하는 것이 바람직할 수 있다.
추가의 예시적인 실시 형태(도시 생략)에서, 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 케이블은 제3 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어(8) 둘레에 제1 꼬임 방향으로 공통의 세로 축에 대해 정의된 꼬임 각도(도면에 도시되지 않음)로 나선형으로 연선 가공된 열가소성 중합체 복합 와이어의 부가의 (예를 들어, 후속) 층들(예를 들어, 제4, 제5, 또는 기타 후속 층들)을 추가로 포함할 수 있고, 각각의 층 내의 중합체 복합 와이어는 특성 꼬임 길이(도면에 도시되지 않음)를 가지며, 제3 꼬임 각도와 제4 또는 후속적인 꼬임 각도 사이의 상대 차가 0° 보다 크고 약 4°이하이다. 4개 이상의 연선 중합체 복합 와이어 층이 이용되는 실시 형태는 바람직하게는 0.5 ㎜ 이하의 직경을 가지는 중합체 복합 와이어를 사용한다.
나선형 연선 열가소성 중합체 복합 케이블의 다양한 구성이 도 2a 내지 2f에 단면도로 도시되어 있다. 이 예시적인 실시 형태는 단지 설명적인 것으로 의도되었으며; 본 개시 내용의 범주 내에서 추가의 구성들이 존재한다. 도 2a 내지 도 2f의 예시된 실시 형태들 각각에서, 열가소성 중합체 복합 와이어(예를 들어, 4, 6, 8)가 중심 세로축(도시 생략)을 정의하는 단일 와이어(도 2a 및 도 3c의 2; 도 3b 및 도 3d의 1) 주위에 꼬임 방향(도시 생략)으로 연선 가공되어 있다는 것을 잘 알 것이다. 이러한 꼬임 방향은 시계 방향(오른쪽 꼬임) 또는 반시계 방향(왼쪽 꼬임)일 수 있다. 또한, 이러한 꼬임 방향은, 도 1a 내지 1b에 도시된 바와 같이, 연선 와이어의 각각의 다음 층에 대해 동일하거나, 연선 와이어의 각각의 다음 층(도면에 도시되지 않음)에서 반대의 꼬임 방향으로 교번할 수 있다. 또한, 각각의 열가소성 중합체 복합 와이어 층이 꼬임 길이(도 2a 내지 도 2f에 도시되지 않음)를 나타낸다는 것과 각각의 와이어 층의 꼬임 길이가 서로 다르거나, 바람직하게는 동일한 꼬임 길이일 수 있다는 것을 잘 알 것이다.
도 2a는 중심 세로 축을 정의하는 단일 와이어(2)(열가소성 중합체 복합와이어로 도시되었으나, 대안적으로 비-열가소성 복합 와이어, 예를 들어, 열경화성 중합체 복합 와이어 또는 금속 매트릭스 복합 와이어, 또는 금속 와이어일 수 있음), 단일 와이어(2) 둘레에 나선형으로 연선 가공된 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어(4), 및 제1 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어(4) 둘레에 나선형으로 연선 가공된 제2 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어(6)를 포함하는 예시적인 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 케이블(11)의 단면도를 도시한다.
도 2b는 도 1a에 도시된 또 다른 예시적인 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 케이블(10)의 단면도를 도시하며, 케이블은 중심 세로 축을 정의하는 단일 와이어(2)(열가소성 중합체 복합와이어로 도시되었으나, 대안적으로 비-열가소성 복합 와이어, 예를 들어, 열경화성 중합체 복합 와이어 또는 금속 매트릭스 복합 와이어일 수 있음), 단일 와이어(2) 둘레에 나선형으로 연선 가공된 제1 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어(4), 제1 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어(4) 둘레에 나선형으로 연선 가공된 제2 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어(6), 및 제2 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어(6) 둘레에 나선형으로 연선 가공된 제3 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어(8)를 포함한다.
도 2c는 중심 세로 축을 정의하는 단일 와이어(2)(열가소성 중합체 복합와이어로 도시되었으나, 대안적으로 비-열가소성 복합 와이어, 예를 들어, 열경화성 중합체 복합 와이어 또는 금속 매트릭스 복합 와이어일 수 있음), 단일 와이어(2) 둘레에 나선형으로 연선 가공된 제1 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어(4), 제1 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어(4) 둘레에 나선형으로 연선 가공된 제2 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어(6), 제2 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어(6) 둘레에 나선형으로 연선 가공된 제3 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어(8), 및 제3 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어(8) 둘레에 나선형으로 연선 가공된 제4 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어(16)를 포함하는 부가의 예시적인 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 케이블(12)의 단면도를 도시한다.
도 2d는 중심 세로 축을 정의하는 단일 비-열가소성 와이어(1)(금속 와이어로 도시되었으나, 대안적으로 비-열가소성 복합 와이어, 예를 들어, 열경화성 중합체 복합 와이어 또는 금속 매트릭스 복합 와이어일 수 있음), 단일 비-열가소성 와이어(1) 둘레에 나선형으로 연선 가공된 제1 복수의 비-열가소성 와이어(3)(예를 들어, 금속 와이어, 열경화성 중합체 복합 와이어, 또는 금속 매트릭스 복합 와이어를 포함함), 및 제1 복수의 비-열가소성 와이어(3) 둘레에 나선형으로 연선 가공된 제2 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어(6)를 포함하는 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 케이블(13)의 예시적인 대안적 구성의 단면도를 도시한다.
도 2e는 중심 세로 축을 정의하는 단일 비-열가소성 와이어(1)(금속 와이어로 도시되었으나, 대안적으로 비-열가소성 복합 와이어, 예를 들어, 열경화성 중합체 복합 와이어 또는 금속 매트릭스 복합 와이어일 수 있음), 단일 와이어(2) 둘레에 나선형으로 연선 가공된 제1 복수의 비-열가소성 와이어(3)(예를 들어, 금속 와이어, 열경화성 중합체 복합 와이어, 또는 금속 매트릭스 복합 와이어를 포함함), 제1 복수의 비-열가소성 와이어(3) 둘레에 나선형으로 연선 가공된 제2 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어(6), 및 제2 복수의 비-열가소성 와이어(6) 둘레에 나선형으로 연선 가공된 제3 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어(8)를 포함하는 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 케이블(14)의 또다른 예시적인 대안적 구성의 단면도를 도시한다.
도 2f는 중심 세로 축을 정의하는 단일 비-열가소성 와이어(1)(금속 와이어로 도시되었으나, 대안적으로 비-열가소성 복합 와이어, 예를 들어, 열경화성 중합체 복합 와이어 또는 금속 매트릭스 복합 와이어일 수 있음), 단일 와이어(2) 둘레에 나선형으로 연선 가공된 제1 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어(4), 제1 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어(4) 둘레에 나선형으로 연선 가공된 제2 복수의 비-열가소성 와이어(5)(예를 들어, 금속 와이어, 열경화성 중합체 복합 와이어, 또는 금속 매트릭스 복합 와이어를 포함함), 및 제2 복수의 비-열가소성 와이어(5) 둘레에 나선형으로 연선 가공된 제3 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어(8)를 포함하는, 도 1b에 도시된 것과 같은 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 케이블(10')의 또 다른 예시적인 대안적인 구성의 단면도를 도시한다.
비록 도 2a 내지 2c 각각이 중심 세로 축(도시 생략)을 정의하는 단일 중심 열가소성 중합체 복합 와이어(2)를 도시하고 있지만, 그에 부가하여, 단일 와이어(2)가 (도 2d 내지 2f에 도시된 것과 같이) 복합 와이어(예를 들어, 열경화성 중합체 복합 와이어, 또는 금속 매트릭스 복합 와이어, 또는 금속 와이어, 또는 연성 금속 와이어(1))와 같은 비-열가소성 와이어일 일 수 있다는 것을 잘 알 것이다.
또한, 위의 실시 형태 중 임의의 실시 형태에서, 각각의 열가소성 중합체 복합 와이어가 중심 세로축에 실질적으로 수직인 방향에서 단면 형상(일반적으로, 원형, 타원형 또는 사다리꼴)을 가질 수 있다는 것을 잘 알 것이다. 예시적인 특정 실시 형태에서, 각각의 열가소성 중합체 복합 와이어는 일반적으로 원형인 단면 형상을 가지며, 각각의 중합체 복합 와이어의 직경은 적어도 약 0.1 ㎜, 더욱 바람직하게는 적어도 0.5 ㎜; 더욱 더 바람직하게는 적어도 1 ㎜, 더욱 더 바람직하게는 적어도 2 ㎜, 가장 바람직하게는 적어도 3 ㎜이고, 최대 약 15 ㎜, 더욱 바람직하게는 최대 10 ㎜, 더욱 더 바람직하게는 최대 5 ㎜, 더욱 더 바람직하게는 최대 4 ㎜, 가장 바람직하게는 최대 3 ㎜ 이다. 다른 예시적인 실시 형태에서, 각각의 열가소성 중합체 복합 와이어의 직경은 1 ㎜ 미만, 또는 5 ㎜ 초과일 수 있다.
전형적으로, 일반적으로 원형 단면 형상을 가지는 단일 중심 와이어의 평균 직경은 약 0.1 ㎜ 내지 약 15 ㎜의 범위에 있다. 일부 실시 형태에서, 단일 중심 와이어의 평균 직경이 바람직하게는 적어도 약 0.1 ㎜, 적어도 0.5 ㎜, 적어도 1 ㎜, 적어도 2 ㎜, 적어도 3 ㎜, 적어도 4 ㎜, 또는 심지어 최대 약 5 ㎜이다. 다른 실시 형태에서, 단일 중심 와이어의 평균 직경은 약 0.5 ㎜ 미만, 1 ㎜ 미만, 3 ㎜ 미만, 5 ㎜ 미만, 10 ㎜ 미만, 또는 15 ㎜ 미만이다.
도 2a 내지 도 2f에 도시되지 않은 예시적인 부가의 실시 형태에서, 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 케이블은 중심 세로축을 정의하는 단일 와이어 주위에 3개 초과의 연선 열가소성 중합체 복합 와이어 층을 포함할 수 있다. 예시적인 특정 실시 형태에서, 각각의 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 케이블 층에 있는 각각의 열가소성 중합체 복합 와이어가 동일한 구성 및 형상을 가질 수 있지만, 본 명세서에 기술된 이점을 달성하기 위해 꼭 이럴 필요는 없다.
예시적인 특정 실시 형태에서, 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 와이어(예를 들어, 2, 4, 6, 8, 등) 각각은 열가소성 중합체 매트릭스에 복수의 연속 섬유를 포함하며, 이에 대해서는 나중에 보다 상세히 설명할 것이다. 와이어는, 열가소성 중합체 복합 와이어이기 때문에, 종래의 금속 매트릭스 또는 세라믹 매트릭스 복합 와이어와 달리, 케이블 가공 동작 동안(또는 케이블 가공 동작 후) 가열될 때 소성 변형될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 중합체 복합 와이어를 그의 나선형 배열로 영구적으로 소성 변형시키기 위해 종래의 케이블 가공 공정이 수행될 수 있으며, 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 와이어의 나선형 연선 구성을 유지하기 위한 고정 수단(retaining means)에 대한 필요를 없애준다.
본 개시 내용의 나선형 연선 케이블을 형성하기 위한 열가소성 중합체 복합 와이어의 사용은 따라서 종래의 비-열가소성 중합체 복합 와이어에 비해 우수한 원하는 특성을 제공할 수 있다. 열가소성 중합체 복합 와이어의 사용은 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 케이블이 최종 케이블 물품으로서 편리하게 취급되거나, 차후의 최종 케이블 물품에 포함되기 전 중간(intermediate) 케이블 물품으로서 편리하게 취급될 수 있게 해준다.
예시적인 실시 형태에서, 열가소성 중합체 복합 와이어는 열가소성 중합체 매트릭스에 적어도 하나의 연속 섬유를 포함한다. 예시적인 일부 실시 형태에서, 적어도 하나의 연속 섬유는 금속, 중합체, 세라믹, 유리, 탄소, 및 그 조합을 포함한다. 현재 바람직한 특정 실시 형태에서, 적어도 하나의 연속 섬유는 티타늄, 텅스텐, 붕소, 형상 기억 합금, 탄소 나노튜브, 흑연, 탄화규소, 붕소, 아라미드, 폴리(p-페닐렌-2,6-벤조비스옥사졸) 및 그 조합을 포함한다.
추가의 예시적인 실시 형태에서, 중합체 복합 와이어의 중합체 매트릭스는 에폭시, 에스테르, 비닐 에스테르, 폴리이미드, 폴리에스테르, 시아네이트 에스테르, 페놀 수지, 비스-말레이미드 수지, 및 그 조합 중에서 선택된 (공)중합체를 포함한다. 현재 바람직한 특정 실시 형태에서, 열가소성 중합체 복합 와이어의 중합체 매트릭스는 (메트)아크릴레이트, 비닐 에스테르, 폴리에스테르, 시아네이트 에스테르, 폴리에테르에테르 케톤(PEEK), 및 그 조합으로부터 선택된 열가소성 (공)중합체를 포함한다. 고온 열가소성 (공)중합체가 바람직할 수 있다. 현재 바람직한 고온 열가소성 (공)중합체는 PEEK이다.
일부 예시적인 실시 형태에서, 중합체 매트릭스는 부가적으로 하나 이상의 열가소성 불소중합체를 포함할 수 있다. 적합한 열가소성 불소중합체는 불화계 에틸렌프로필렌 공중합체 (FEP), 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE), 에틸렌테트라플루오로에틸렌 (ETFE), 에틸렌클로로트리플루오로에틸렌 (ECTFE), 폴리비닐리덴 플루오라이드 (PVDF), 폴리비닐 플루오라이드 (PVF), 테트라플루오로에틸렌 중합체 (TFV)를 포함한다 특히 적합한 플루오로중합체는 상표명 DYNEON THV FLUOROPLASTICS, DYNEON ETFE FLUOROPLASTICS, DYNEON FEP FLUOROPLASTICS, DYNEON PFA FLUOROPLASTICS, 및 DYNEON PVDF FLUOROPLASTICS(모두 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 3M Company로부터 입수가능함)으로 판매되는 것이다.
본 개시 내용은 임의의 적합한 열가소성 중합체 복합 와이어에도 실시될 수 있지만, 예시적인 특정 실시 형태에서, 각각의 열가소성 중합체 복합 와이어가, 열가소성 중합체 매트릭스에, 연속 섬유 토우(continuous fiber tow), 또는 연속 모노필라멘트 섬유(continuous monofilament fiber) 중 적어도 하나를 포함하는 섬유 강화 열가소성 중합체 복합 와이어이도록 선택된다. 몇몇 실시 형태에서, 열가소성 중합체 복합 와이어 내의 섬유 개수의 85% 이상(몇몇 실시 형태에서는 90% 이상, 또는 심지어 95% 이상)이 연속적이다. 일부 현재 바람직한 실시 형태에서, 열가소성 중합체 복합 와이어는 파괴에 대한 인장 변형(tensile strain to failure)이 바람직하게는 적어도 0.4%, 더욱 바람직하게는 적어도 0.7%이다.
부가적으로, 적어도 단일 와이어(2)는 열경화성 중합체 복합 와이어일 수 있다. 적합한 열경화성 중합체 복합 와이어는, 예를 들어, 미국 특허 제6,180,232; 6,245,425; 6,329,056; 6,336,495; 6,344,270; 6,447,927; 6,460,597; 6,544,645; 6,559,385, 6,723,451; 및 7,093,416에 개시되어 있다.
열가소성 중합체 복합 와이어에 대한 현재 바람직한 실시 형태는 열가소성 중합체 매트릭스에 복수의 연속 세라믹 섬유를 포함한다. 본 개시 내용에서 사용될 수 있는 다른 섬유는 유리 섬유, 탄화규소 섬유, 탄소 섬유, 및 이러한 중합체 복합 와이어의 조합을 포함한다. 적합한 세라믹 섬유의 일례는 금속 산화물(예를 들어, 알루미나) 섬유, 붕소 질화물 섬유, 탄화규소 섬유, 및 이들 섬유 중 임의의 것의 조합을 포함한다. 전형적으로, 세라믹 산화물 섬유는 결정질 세라믹 및/또는 결정질 세라믹과 유리의 혼합물이다(즉, 섬유가 결정질 세라믹과 유리상 둘다를 포함할 수 있다). 전형적으로, 그러한 섬유는 길이가 50 미터 이상 정도이며, 심지어 길이가 수 킬로미터 또는 그 이상 정도일 수도 있다. 전형적으로, 연속 세라믹 섬유는 평균 섬유 직경이 약 5 마이크로미터 내지 약 50 마이크로미터, 약 5 마이크로미터 내지 약 25 마이크로미터, 약 8 마이크로미터 내지 약 25 마이크로미터, 또는 심지어 약 8 마이크로미터 내지 약 20 마이크로미터 범위이다. 일부 실시 형태에서, 결정질 세라믹 섬유는 평균 인장 강도가 적어도 1.4 ㎬, 적어도 1.7 ㎬, 적어도 2.1 ㎬, 및/또는 심지어 적어도 2.8 ㎬이다. 일부 실시 형태에서, 결정질 세라믹 섬유는 계수가 70 ㎬ 초과 내지 대략 1000 ㎬ 이하, 또는 심지어 420 ㎬ 이하이다.
적합한 세라믹 섬유의 일례는 탄화규소 섬유를 포함한다. 전형적으로, 탄화규소 모노필라멘트 섬유는 결정질 및/또는 결정질 세라믹과 유리의 혼합물이다(즉, 섬유가 결정질 세라믹과 유리상 둘다를 포함할 수 있다). 전형적으로, 그러한 섬유는 길이가 50 미터 이상 정도이며, 심지어 길이가 수 킬로미터 또는 그 이상 정도일 수도 있다. 전형적으로, 연속 탄화규소 모노필라멘트 섬유는 평균 섬유 직경이 약 100 마이크로미터 내지 약 250 마이크로미터 범위이다. 일부 실시 형태에서, 결정질 세라믹 섬유는 평균 인장 강도가 적어도 2.8 ㎬, 적어도 3.5 ㎬, 적어도 4.2 ㎬, 및/또는 심지어 적어도 6 ㎬이다. 일부 실시 형태에서, 결정질 세라믹 섬유는 계수가 250 ㎬ 초과 내지 대략 500 ㎬ 이하, 또는 심지어 430 ㎬ 이하이다.
현재 바람직한 한가지 세라믹 섬유는 다결정α-Al2O3을 포함한다. 적합한 알루미나 섬유는, 예를 들어, 미국 특허 제4,954,462호(Wood 등) 및 제5,185,299호(우드 등)에 기술되어있다. 예시적인 알파 알루미나 섬유는 상표명 "NEXTEL 610" (미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 3M Company)으로 시판된다. 일부 실시 형태에서, 알루미나 섬유는 다결정 알파 알루미나 섬유이고, 이론적인 산화물에 기초하여, 알루미나 섬유의 총 중량을 기준으로 99 중량% 초과의 Al2O3 및 0.2-0.5 중량%의 SiO2를 포함한다. 다른 태양에서, 일부 바람직한 다결정 알파 알루미나 섬유는 평균 입자 크기가 1 마이크로미터 미만(또는, 일부 실시 형태에서, 심지어 0.5 마이크로미터 미만)인 알파 알루미나를 포함한다. 다른 태양에서, 일부 실시 형태에서, 다결정 알파 알루미나 섬유는 평균 인장 강도가 적어도 1.6 ㎬(일부 실시 형태에서, 적어도 2.1 ㎬, 또는 심지어 적어도 2.8 ㎬)이다.
적합한 알루미노규산염 섬유는, 예를 들어, 미국 특허 제4,047,965호(Karst 등)에 기술되어 있다. 예시적인 알루미노규산염 섬유는 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 3M Company에 의해 상표명 "NEXTEL 440", "NEXTEL 550", 및 "NEXTEL 720"으로 시판된다. 알루미노보로규산염 섬유(aluminoborosilicate fiber)는, 예를 들어, 미국 특허 제3,795,524호(Sowman)에 기술되어 있다. 예시적인 알루미노보로규산염 섬유는 3M Company에 의해 상표명 "NEXTEL 312"로 시판되고 있다. 붕소 질화물 섬유는, 예를 들어, 미국 특허 제3,429,722호(Economy) 및 제5,780,154호(Okano 등)에 기술된 바와 같이 제작될 수 있다. 예시적인 탄화규소 섬유는 미국 캘리포니아주 샌디에고 소재의 COI Ceramics에 의해 500개 섬유의 토우로 되어 있는 상표명 "NICALON"으로, 일본의 Ube Industries로부터 상표명 "TYRANNO"로, 그리고 미국 미시간주 미들랜드 소재의 Dow Corning으로부터 상표명 "SYLRAMIC"으로 시판되고 있다.
적합한 유리 섬유의 예는 본 기술 분야에 공지된 A-유리, B-유리, C-유리, D-유리, S-유리, AR-유리, R-유리, 섬유 유리 및 파라유리(paraglass)를 포함한다. 이 목록은 제한하는 것이 아니고, 예를 들어, Corning Glass Company(미국 뉴욕주 코닝 소재)로부터 구매가능한 많은 다른 유형의 유리 섬유가 있기 때문에, 다른 유리 섬유도 사용될 수 있다.
예시적인 일부 실시 형태에서, 연속 유리 섬유가 바람직할 수 있다. 전형적으로, 연속 유리 섬유는 평균 섬유 직경이 약 3 마이크로미터 내지 약 19 마이크로미터 범위이다. 일부 실시 형태에서, 유리 섬유는 평균 인장 강도가 적어도 3 ㎬, 4 ㎬ 및/또는 심지어 적어도 5㎬이다. 일부 실시 형태에서, 유리 섬유는 계수(modulus)가 약 60㎬ 내지 95 ㎬, 또는 약 60 ㎬ 내지 약 90 ㎬ 범위이다.
적합한 탄소 섬유는 PANEX? 및 PYRON?(미국 미주리주 브릿지톤 소재의 ZOLTEK로부터 입수가능함), THORNEL(미국 뉴저지주 웨스트 패터슨 소재의 CYTEC Industries, Inc.로부터 입수가능함), HEXTOW(미국 코네티컷주 사우스버리 소재의 HEXCEL, Inc.로부터 입수가능함), 그리고 TORAYCA(일본 도쿄 소재의 TORAY Industries, Ltd.로부터 입수가능함)라고 하는 섬유 등의 구매가능한 탄소 섬유를 포함한다. 이러한 탄소 섬유는 폴리아크릴로니트릴(PAN) 전구체로부터 유도될 수 있다. 다른 적합한 탄소 섬유는, 본 기술 분야에 공지된, PAN-IM, PAN-HM, PAN UHM, PITCH 또는 레이온 부산물을 포함한다.
부가의 적합한 구매가능한 섬유는 ALTEX(일본 오사카 소재의 Sumitomo Chemical Company로부터 입수가능함), 및 ALCEN(일본 도쿄 소재의 Nitivy Company, Ltd.로부터 입수가능함)를 포함한다. 적합한 섬유는 또한 형상 기억 합금[즉, 금속 합금이 변태 온도 미만에서 쌍정 메커니즘(twinning mechanism)에 의해 변형가능하도록 마르텐사이트 변태(Martensitic transformation)를 겪는 금속 합금, 여기서 쌍정 구조(twin structure)가 변태 온도를 초과하여 가열 시에 원래의 상으로 되돌아갈 때 이러한 변형은 가역적임]을 포함한다. 구매가능한 형상 기억 합금 섬유는, 예를 들어, Johnson Matthey Company(미국 펜실베니아주 웨스트 와이트랜드 소재)로부터 입수가능하다.
일부 실시 형태에서, 세라믹 섬유가 토우로 되어 있다. 토우는 섬유 기술 분야에서 공지되어 있으며, 조방(roving)과 유사한 형태로 모여 있는 복수의 (개별) 섬유(전형적으로 적어도 100개의 섬유, 더욱 전형적으로 적어도 400개 섬유)를 말한다. 일부 실시 형태에서, 토우는 토우당 적어도 780개 개별 섬유, 어떤 경우에, 토우당 적어도 2600개 개별 섬유, 그리고, 다른 경우에, 토우당 적어도 5200개 개별 섬유를 포함한다. 세라믹 섬유의 토우가 일반적으로 300 미터, 500 미터, 750 미터, 1000 미터, 1500 미터, 2500 미터, 5000 미터, 7500 미터, 및 그 이상을 비롯한 다양한 길이로 입수가능하다. 섬유는 원형 또는 타원형인 단면 형상을 가질 수 있다.
구매가능한 섬유는 전형적으로 취급 동안에 윤활성을 제공하고 섬유 가닥을 보호하기 위해 제조 동안에 섬유에 추가되는 유기 사이징 재료(organic sizing material)를 포함할 수 있다. 사이징은, 예를 들어, 섬유로부터 사이징을 용해 또는 연소시킴으로써 제거될 수 있다. 전형적으로, 금속 매트릭스 중합체 복합 와이어를 형성하기 전에 사이징을 제거하는 것이 바람직하다. 섬유가 또한, 예를 들어, 섬유의 젖음성을 향상시키기 위해, 섬유와 용융 금속 매트릭스 재료 간의 반응을 감소시키거나 방지하기 위해 사용되는 코팅을 가질 수 있다. 이러한 코팅 및 이러한 코팅을 제공하는 기술은 섬유 및 중합체 복합재 기술 분야에 공지되어 있다.
본 개시 내용에 따른 현재 바람직한 열가소성 중합체 복합 와이어는 약 3.90 내지 3.95 g/㎠의 섬유 밀도를 가질 수 있다. 미국 특허 제4,954,462호(Wood 등)에 기술된 섬유가 바람직한 섬유에 속한다. 바람직한 섬유는 상표명 "NEXTEL 610" 알파 알루미나계 섬유(미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 3M Company로부터 입수가능함)로 구매가능하다 섬유 재료와 그다지 화학적으로 반응하지 않는(즉, 섬유 재료에 대해 비교적 화학적 불활성인) 열가소성 중합체 매트릭스가 바람직하게 선택되며, 그럼으로써 섬유 외부에 보호 코팅을 제공할 필요가 없게 된다.
추가의 예시적인 실시 형태에서,나선형 연선 열가소성 중합체 복합 케이블은 부가적으로 하나 이상의 섬유 강화 금속 매트릭스 복합 와이어를 포함할 수 있다. 하나의 현재 바람직한 섬유 강화 금속 매트릭스 복합 와이어는 세라믹 섬유 강화 알루미늄 매트릭스 복합 와이어이다. 세라믹 섬유 강화 알루미늄 매트릭스 복합 와이어는 바람직하게는 실질적으로 순수한 원소 알루미늄, 또는 순수 알루미늄과, 매트릭스의 총 중량을 기준으로, 최대 약 2 중량% 구리의 합금의 매트릭스 내에 캡슐화된 다결정 -Al2O3의 연속 섬유를 포함한다. 바람직한 섬유는 크기가 약 100 nm 미만인 등축정(equiaxed grain), 및 약 1 내지 50 마이크로미터 범위의 섬유 직경을 포함한다. 약 5 내지 25 마이크로미터 범위의 섬유 직경이 바람직하며, 약 5 내지 15 마이크로미터의 범위가 가장 바람직하다.
섬유 강화 금속 매트릭스 복합 와이어의 현재 바람직한 특정 실시 형태에서, 실질적으로 순수한 원소 알루미늄, 또는 원소 알루미늄과, 매트릭스의 총 중량을 기준으로, 최대 약 2 중량% 구리의 합금을 포함하는 매트릭스의 사용이 성공적인 와이어를 제조하는 것으로 밝혀졌다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "실질적으로 순수한 원소 알루미늄" 또는 "순수 알루미늄" 및 "원소 알루미늄"이라는 용어는 서로 바꾸어 사용할 수 있으며 약 0.05 중량% 미만의 불순물을 포함하는 알루미늄을 의미하기 위한 것이다.
현재 바람직한 일 실시 형태에서, 섬유 강화 금속 매트릭스 복합 와이어는, 실질적으로 원소 알루미늄 매트릭스 내에, 섬유 강화 금속 매트릭스 복합 와이어의 총 부피를 기준으로 약 30 내지 70 부피%의 다결정 α-Al2O3 섬유를 포함한다. 매트릭스가, 매트릭스의 총 중량을 기준으로, 약 0.03 중량% 미만의 철, 가장 바람직하게는 약 0.01 중량% 미만의 철을 포함하는 것이 현재 바람직하다. 약 40 내지 60%의 다결정 α-Al2O3섬유의 섬유 함유량이 바람직하다. 약 20 ㎫ 미만의 항복 강도를 가지는 금속 매트릭스 및 적어도 약 2.8 ㎬의 세로 인장 강도를 가지는 섬유로 형성된 이러한 섬유 강화 금속 매트릭스 복합 와이어는 우수한 강도 특성을 갖는 것으로 밝혀졌다.
매트릭스는 또한 원소 알루미늄과, 매트릭스의 총 중량을 기준으로, 최대 약 2 중량%의 구리의 합금으로 형성될 수 있다. 실질적으로 순수한 원소 알루미늄 매트릭스가 사용되는 실시 형태에서와 같이, 알루미늄/구리 합금 매트릭스를 가지는 섬유 강화 금속 매트릭스 복합 와이어는, 중합체 복합재의 총 부피를 기준으로, 바람직하게는 약 30 내지 70 부피%의 다결정 α-Al2O3섬유, 따라서 더욱 바람직하게는 약 40 내지 60 부피%의 다결정 α-Al2O3섬유를 포함한다. 그에 부가하여, 매트릭스는, 매트릭스의 총 중량을 기준으로, 바람직하게는 약 0.03 중량% 미만의 철, 가장 바람직하게는 약 0.01 중량% 미만의 철을 포함한다. 알루미늄/구리 매트릭스는 바람직하게는 약 90 ㎫ 미만의 항복 강도를 가지며, 상기한 바와 같이, 다결정 α-Al2O3 섬유는 적어도 약 2.8 ㎬의 세로 인장 강도를 가진다.
섬유 강화 금속 매트릭스 복합 와이어는 바람직하게는 실질적으로 순수한 원소 알루미늄 매트릭스 또는 원소 알루미늄과 상기한 최대 약 2 중량%의 구리의 합금으로 형성된 매트릭스 내에 포함된 실질적으로 연속적인 다결정 α-Al2O3 섬유로 형성된다. 이러한 와이어는 일반적으로 섬유 토우로 배열되는 실질적으로 연속적인 다결정 α-Al2O3 섬유의 스풀이 용융 매트릭스 재료의 수조를 통해 풀링되는 공정에 의해 제작된다. 얻어지는 세그먼트가 이어서 응고됨으로써, 매트릭스 내에 캡슐화된 섬유를 제공한다.
예시적인 금속 매트릭스 재료는 알루미늄, 예를 들어, 고순도(예를 들어, 99.95% 초과) 원소 알루미늄, 아연, 주석, 마그네슘, 및 그 합금(예를 들어, 알루미늄과 구리의 합금)을 포함한다. 전형적으로, 예를 들어, 섬유 외부에 보호 코팅을 제공할 필요가 없도록 하기 위해, 섬유와 그다지 화학적으로 반응하지 않는(즉, 섬유 재료에 대해 비교적 화학적 불활성인) 매트릭스 재료가 선택된다. 몇몇 실시 형태에서, 매트릭스 재료는 바람직하게는 알루미늄 및 그의 합금을 포함한다.
몇몇 실시 형태에서, 금속 매트릭스는 98 중량% 이상의 알루미늄, 99 중량% 이상의 알루미늄, 99.9 중량% 초과의 알루미늄, 또는 심지어 99.95 중량% 초과의 알루미늄을 포함한다. 알루미늄과 구리의 예시적인 알루미늄 합금은 적어도 98 중량% Al과 최대 2 중량% Cu를 포함한다. 일부 실시 형태에서, 유용한 합금은 1000, 2000, 3000, 4000, 5000, 6000, 7000 및/또는 8000 시리즈 알루미늄 합금(미국 알루미늄 협회 명명법)이다. 더 높은 순도의 금속이 더 높은 인장 강도의 와이어를 제작하기에 바람직한 경향이 있지만, 금속의 덜 순수한 형태도 또한 유용하다.
적합한 금속이 구매가능하다. 예를 들어, 알루미늄은 미국 펜실베니아주 피츠버그 소재의 Alcoa로부터 상표명 "SUPER PURE ALUMINUM; 99.99% Al"로 입수가능하다. 알루미늄 합금(예를 들어, Al-2 중량% Cu(0.03 중량% 불순물))이, 예를 들어 미국 뉴욕주 뉴욕 소재의 벨몬트 메탈즈(Belmont Metals)로부터 입수될 수 있다. 아연 및 주석은, 예를 들어, 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 Metal Services로부터 입수가능하다("순수 아연"; 99.999% 순도 및 "순수 주석"; 99.95% 순도). 예를 들어, 마그네슘은 영국 맨체스터 소재의 Magnesium Elektron로부터 상표명 "PURE"로 입수가능하다. 마그네슘 합금(예를 들어, WE43A, EZ33A, AZ81A, 및 ZE41A)은, 예를 들어, 미국 콜로라도주 덴버 소재의 TIMET로부터 입수될 수 있다.
섬유 강화 금속 매트릭스 복합 와이어는 전형적으로, 섬유 및 매트릭스 재료의 총 결합 부피를 기준으로, 적어도 15 부피%(일부 실시 형태에서, 적어도 20, 25, 30, 35, 40, 45, 또는 심지어 50 부피%)의 섬유를 포함한다. 더욱 전형적으로, 중합체 복합 코어 및 와이어는 섬유와 매트릭스 재료의 총 조합 부피 기준으로, 40 내지 75 부피%(몇몇 실시 형태에서는 45 내지 70 부피%) 범위의 섬유를 포함한다.
적합한 섬유 강화 금속 매트릭스 복합 와이어가 기술 분야에 공지된 기술을 사용하여 제작될 수 있다. 연속 금속 매트릭스 복합 와이어는, 예를 들어, 연속 금속 매트릭스 침투 공정에 의해 제작될 수 있다. 하나의 적합한 공정이, 예를 들어 미국 특허 제6,485,796호(카펜터(Carpenter) 등)에 설명되어 있다. 열가소성 중합체 복합 와이어는 열가소성 중합체를 포함하고 강화 섬유는 또한 기술 분야에 공지된 인발 공정에 의해 제작될 수 있다. 예를 들어, 미국 특허 제 4,680,224호는 "폴리(아릴렌 설파이드) 매트릭스 내에 연속 섬유 연선 재료의 형상물(shaped object)을 준비하는 공정 및 이에 의해 준비된 형상물"을 설명한다. 또한, 공개된 PCT 출원 WO 2005/123999는 PEEK 매트릭스를 갖는 연속 길이의 섬유 강화 복합재를 생성하기 위한 인발 방법: "인발 공정에 의해 형상물이 준비되며 방법은 단방향의 고강도 연속 섬유를 선택하는 단계; 섬유를 미세 파우더 내의 초고분자량 폴리에틸렌으로 함침시켜 복합재를 형성하는 단계; 선택적으로, 복합재에 첨가제 또는 섬유를 부가하는 단계; 및 섬유를 둘러싼 초고분자량 폴리에틸렌의 연속 매트릭스를 형성하는 단계"를 설명한다.
본 개시 내용의 특정 실시 형태에 따른 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 케이블(예를 들어, 송전 케이블)을 제공하기 위해 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 코어 둘레에 연선 가공하는 연성 금속 와이어가 본 기술 분야에 공지되어 있다. 바람직한 연성 금속은 철, 강철, 지르코늄, 구리, 주석, 카드뮴, 알루미늄, 망간 및 아연; 이들 금속과 다른 금속 및/또는 규소와의 합금 등을 포함한다. 구리 와이어는, 예를 들어, 미국 조지아주 캐롤턴 소재의 Southwire Company로부터 구매가능하다. 알루미늄 와이어는 캐나다 웨이번 소재의 Nexans 또는 미국 조지아주 캐롤턴 소재의 Southwire Company로부터 상표명 "1350-H19 ALUMINUM" 및 "1350-H0 ALUMINUM"으로 구매가능하다.
전형적으로, 구리 와이어는 적어도 약 20℃ 내지 약 800℃의 온도 범위에 걸쳐 약 12 ppm/℃ 내지 약 18 ppm/℃ 범위의 열 팽창 계수를 가진다. 구리 합금(예를 들어, 미국 조지아주 캐롤턴 소재의 Southwire Company로부터 구매가능한 Cu-Si-X, Cu-Al-X, Cu-Sn-X, Cu-Cd 등의 구리 청동, 여기서 X = Fe, Mn, Zn, Sn 및/또는 Si; 미국 노스캐롤라이나주 리서치 트라이앵글 파크 소재의 OMG Americas Corporation으로부터 상표명 "GLIDCOP"로 입수가능한 산화물 분산 강화 구리) 와이어. 일부 실시 형태에서, 구리 합금 와이어는 적어도 약 20℃ 내지 약 800℃의 온도 범위에 걸쳐 약 10 ppm/℃ 내지 약 25 ppm/℃ 범위의 열 팽창 계수를 가진다. 와이어는 각종의 형상(예를 들어, 원형, 타원형 및 사다리꼴) 중 어느 것이라도 될 수 있다.
전형적으로, 알루미늄 와이어는 적어도 약 20℃ 내지 약 500℃의 온도 범위에 걸쳐 약 20 ppm/℃ 내지 약 25 ppm/℃ 범위의 열 팽창 계수를 가진다. 일부 실시 형태에서, 알루미늄 와이어(예를 들어, "1350-H19 ALUMINUM")는 적어도 138 ㎫(20 ksi), 적어도 158 ㎫(23 ksi), 적어도 172 ㎫(25 ksi), 적어도 186 ㎫(27 ksi) 또는 적어도 200 ㎫(29 ksi)의 인장 파손 강도를 가진다. 일부 실시 형태에서, 알루미늄 와이어(예를 들어, "1350-H0 ALUMINUM")는 41 ㎫(6 ksi) 초과 내지 97 ㎫(14 ksi) 이하, 또는 심지어 83 ㎫(12 ksi) 이하의 인장 파손 강도를 가진다.
알루미늄 합금 와이어는 구매 가능한, 예를 들어, 상표명 "ZTAL, " "XTAL," 및 "KTAL"(일본 오사카 소재의 Sumitomo Electric Industries로부터 입수가능함), 또는 "6201"(미국 조지아주 캐롤턴 소재의 Southwire Company로부터 입수가능함)로 판매되는 알루미늄-지르코늄 합금 와이어이다. 일부 실시 형태에서, 알루미늄 합금 와이어는 적어도 약 20℃ 내지 약 500℃의 온도 범위에 걸쳐 약 20 ppm/℃ 내지 약 25 ppm/℃ 범위의 열 팽창 계수를 가진다.
추가의 예시적인 실시 형태에서, 연성 금속 와이어 중 일부 또는 전부가, 중심 세로축에 실질적으로 수직인 방향에서, "Z" 또는 "S"자 형상(도시 생략)인 단면 형상을 가질 수 있다. 이러한 형상의 와이어가 본 기술 분야에 공지되어 있으며, 예를 들어, 케이블의 인터로킹 외부층을 형성하는 데 바람직할 수 있다.
본 개시 내용의 예시적인 실시 형태는 바람직하게는 아주 긴 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 케이블을 제공한다. 또한, 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 케이블(10) 내의 열가소성 중합체 복합 와이어 자체가 연선 케이블의 길이 전체에 걸쳐 연속적인 것이 바람직하다. 바람직한 일 실시 형태에서, 열가소성 중합체 복합 와이어는 실질적으로 연속적이고 길이가 적어도 150 미터이다. 더욱 바람직하게는, 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 케이블 내의 열가소성 중합체 복합 와이어는 연속적이고, 길이가 적어도 250 미터, 더욱 바람직하게는 적어도 500 미터, 더욱 더 바람직하게는 적어도 750 미터, 가장 바람직하게는 적어도 1000 미터이다.
추가의 예시적인 실시 형태에서, 본 개시 내용은 위의 실시 형태 중 임의의 실시 형태에서 기술한 것과 같이 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 케이블을 제작하는 방법을 제공하며, 이 방법은 중심 세로축을 정의하는 단일 와이어 주위에 제1 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어를 나선형으로 연선 가공하는 단계 - 제1 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어를 나선형으로 연선 가공하는 단계는 제1 꼬임 방향으로 중심 세로축에 대해 정의된 제1 꼬임 각도로 수행되고, 제1 복수의 와이어가 제1 꼬임 길이를 가짐 -; 제1 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어 둘레에 제2 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어를 나선형으로 연선 가공하는 단계 - 제2 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어를 나선형으로 연선 가공하는 단계는 제1 꼬임 방향으로 중심 세로축에 대해 정의된 제2 꼬임 각도로 수행되고, 제2 복수의 와이어가 제2 꼬임 길이를 가짐 -; 및 제1 및 제2 복수의 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 와이어를 25℃ 로 냉각시 나선형 연선 중합체 복합 와이어를 나선형 연선 구성으로 유지하기에 충분한 온도 및 충분한 시간으로 가열하는 단계를 포함한다. 현재 바람직한 온도는 300℃이다.
바람직한 일 실시 형태에서, 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 케이블은 6 내지 150의 꼬임 계수(lay factor)를 갖도록 꼬임 방향으로 나선형으로 연선 가공되는 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어를 포함한다. 연선 케이블의 "꼬임 계수"는 단일 와이어(12)가 한바퀴 나선형 회전을 완성하는 연선 케이블의 길이를 그 연선을 포함하는 층의 공칭 외경으로 나눔으로써 구해진다.
임의의 적합한 크기의 열가소성 중합체 복합 와이어가 사용될 수 있는 반면, 많은 실시 형태 및 많은 응용에서 열가소성 중합체 복합 와이어가 1㎜ 내지 4 ㎜의 직경을 가지는 것이 바람직하지만, 보다 큰 또는 보다 작은 열가소성 중합체 복합 와이어가 사용될 수 있다.
열가소성 중합체 복합 와이어는 이탈리아 베르가모 소재의 Cortinovis, Spa 및 미국 뉴저지주 패터슨 소재의 Watson Machinery International로부터 입수가능한 플래너테리 케이블 스트랜더(planetary cable strander) 등의 임의의 적합한 케이블 연선 가공 장비에서 본 기술 분야에 공지된 바와 같이 연선 가공되거나 나선형으로 감겨질 수 있다.. 일부 실시 형태에서, 본 기술 분야에 공지된 바와 같이, 0.98 kN (100 ㎏)보다 큰 코어 장력을 달성하기 위하여 캡스턴, 또는 강성 스트랜더(rigid strander)를 이용하는 것이 유익할 수 있다.
일부 예시적인 실시 형태에서, 열가소성 중합체 복합 와이어의 사용은 열경화성 중합체 복합 와이어를 사용하는 종래의 연선 가공 공정보다 개선된다. 예시적인 열경화성 연선 가공 공정은, 예를 들어, 미국 특허 제5,126,167호에서 설명된다. 공정은 중합체 복합 와이어의 중합체 매트릭스 내에 비경화된(uncured) 열경화성 수지를 포함하는 열경화성 중합체 복합 와이어를 사용한다. 비경화된 수지를 포함하는 와이어를 취급하고, 보빈에 감고, 그리고 공정하는 것은 완전히 형성되고 경화된 열가소성 중합체 복합 와이어의 취급에 비해 어렵다. 열가소성 중합체 복합 와이어의 사용은 또한 제조 비용을 감소시킬 수 있다. 부가적으로 종래의 장비 및 보빈이 사용될 수 있다.
케이블 연선 가공 공정 동안에, 하나 이상의 부가의 층이 그 주위에 감겨지게 될 중심 와이어 또는 중간의 미완성된 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 케이블이 다양한 캐리지(carriage)의 중심을 통해 풀링되고, 각각의 캐리지는 연선 케이블에 하나의 층을 부가한다. 하나의 층으로서 부가될 개별 와이어는 모터 구동 캐리지에 의해 케이블의 중심축을 중심으로 회전되면서 그 각자의 보빈으로부터 동시에 풀링된다. 이것은 각각의 원하는 층에 대해 순차적으로 행해진다. 그 결과 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 코어가 얻어진다.
본 개시 내용의 실시 형태에 따른 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 케이블을 제작하는 예시적인 장치(80)가 도 3에 도시되어 있다. 일반적으로, 본 개시 내용에 따른 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 케이블은, 상기한 바와 같이, 동일한 꼬임 방향으로 단일 와이어 둘레에 중합체 복합 와이어를 연선 가공함으로써 제작될 수 있다. 단일 와이어는 중합체 복합 와이어 또는 연성 와이어를 포함할 수 있다. 단일 와이어 코어 주위에 열가소성 중합체 복합 와이어를 연선 가공함으로써 적어도 2개의 열가소성 중합체 복합 와이어 층이 형성되며, 예를 들어, 도 1b에 도시된 바와 같이, 19개 또는 37개 와이어가 단일 중심 와이어 둘레에 적어도 2개의 층으로 형성된다.
종래의 플래너테리 연선 가공 기계(planetary stranding machine)(80)의 헤드에, 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 케이블의 단일 중심 와이어(2)를 제공하기 위하여 사용되는 와이어 스풀(81)이 제공되며, 여기서 스풀(81)은 회전이 자유롭고, 페이오프(payoff) 동안 코어에 장력이 가해질 수 있는 브레이크 시스템을 통해 장력[일부 실시 형태에서, 0 내지 0.89 kN (0 내지 91㎏) 범위임]이 가해질 수 있다. 단일 와이어(90)가 보빈 캐리지(82, 83)를 거쳐, 클로징 다이(closing die)(84, 85)를 지나, 캡스턴 휘일(capstan wheel)(86)을 통해 스레딩되어 감기 스풀(87)에 부착된다. 와이어 스풀(81)은 복합 와이어, 예를 들어, 열경화성 중합체 복합 와이어, 열가소성 중합체 복합 와이어, 또는 금속 매트릭스 복합 와이어를 포함할 수 있다. 대안적으로, 와이어 스풀(81)은 금속 와이어, 예를 들어, 연성 금속 와이어를 포함할 수 있다.
예시적인 실시 형태에서, 연성 열가소성 복합 케이블은 열 소스(96, 97)를 통과한다(예를 들어, 거쳐간다). 클로징 다이(84, 85)는 또한 가열 요소(heating element)를 포함할 수 있다. 열 소스는 와이어를 소성 변형 시킬 수 있도록 충분한 시간 동안 충분한 열을 제공한다. 열 소스는 열가소성 중합체 복합 와이어를 소성 변형시킬 정도의 온도로 중합체 복합 케이블을 가열하기에 충분한 상주 가열 시간(resident heating time)을 제공하도록 충분히 길 수 있다.
예를 들어, 대기를 사용한 대류 가열, 및 튜브 퍼니스를 사용한 것과 같은 복사 가열(radiative heating)을 포함하는 다양한 가열 방법들이 사용될 수 있다. 대안적으로, 케이블은 가열된 액조(liquid bath)를 통과할 수 있다. 대안적으로, 연선 케이블이 스풀에 감겨지고 그후 와이어가 소성 변형되도록 충분한 온도 및 시간 기간 동안 오븐에서 가열될 수 있다.
외부 연선층을 적용하기 전에, 개별 열가소성 중합체 복합 와이어가 연선 가공 장비의 다수의 모터 구동 캐리지(82, 83)에 배치된 개별적인 보빈(88)에 제공된다. 일부 실시 형태에서, 보빈(88)으로부터 열가소성 중합체 복합 와이어(89A, 89B)를 풀링하는 데 필요한 장력의 범위는 전형적으로 0.04 내지 0.22 kN (4.5 내지 22.7 ㎏)이다. 전형적으로, 완성된 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 케이블의 각각의 층에 대해 하나씩의 캐리지가 있다. 각각의 층의 열가소성 중합체 복합 와이어(89A, 89B)는 각각의 캐리지의 출구에 있는 클로징 다이(84, 85)에서 모여지고 중심 와이어 상에 또는 이전의 층 상에 배열된다.
나선형 연선 열가소성 중합체 복합 케이블을 포함하는 열가소성 중합체 복합 와이어의 층은 앞서 설명된 바와 같이 나선형으로 연선 가공된다. 연선 가공 공정 동안에, 하나 이상의 부가의 층이 그 주위에 감겨질 수 있는 중심 와이어 또는 중간의 미완성된 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 케이블이 다양한 캐리지의 중심을 통해 풀링되고, 각각의 캐리지는 연선 케이블에 하나의 층을 부가한다. 하나의 층으로서 부가될 개별 와이어는 모터 구동 캐리지에 의해 케이블의 중심축을 중심으로 회전되면서 그 각자의 보빈으로부터 동시에 풀링된다. 이것은 각각의 원하는 층에 대해 순차적으로 행해진다. 그 결과, 형상의 손실 또는 풀림 없이 편리하게 절단 및 취급될 수 있는 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 케이블(91)이 얻어진다.
예시적인 일부 실시 형태에서, 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 케이블은 길이가 적어도 100 미터, 적어도 200 미터, 적어도 300미터, 적어도 400 미터, 적어도 500 미터, 적어도 1000 미터, 적어도 2000 미터, 적어도 3000 미터, 또는 심지어 적어도 4500 미터 이상인 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 와이어를 포함한다.
주어진 층에 대한 단일 중심 와이어 재료와 열가소성 중합체 복합 와이어가 클로징 다이를 통해 밀접하게 접촉하게 된다. 도 3을 참조하면, 클로징 다이(84, 85)의 크기는 전형적으로 감기는 층의 열가소성 중합체 복합 와이어에 대한 변형 응력을 최소화하도록 되어 있다. 클로징 다이의 내경이 층 외경의 크기에 맞춰 조정된다. 층의 와이어에 대한 응력을 최소화하기 위해, 클로징 다이의 크기는 케이블의 외경에 대해 0 내지 2.0% 범위만큼 더 크게 되어 있다. (즉, 다이 내경이 케이블 외경의 1.00 내지 1.02 배 범위에 있다.). 예시적인 클로징 다이는 실린더이고, 예를 들어, 볼트 또는 기타 적합한 연결 장치를 사용하여 제 위치에 유지된다. 다이는, 예를 들어, 경화 공구강(hardened tool steel)으로 이루어져 있을 수 있다.
얻어진 완성된 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 케이블은, 원하는 경우, 다른 연선 가공 스테이션을 통과할 수 있고, 종국에 케이블 손상을 피하기 위해 충분한 직경의 감기 스풀(87)에 감겨진다. 일부 실시 형태에서, 케이블을 교정하는 공지된 기술이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 완성된 케이블은 2개의 뱅크(각각의 뱅크에, 예를 들어, 5 내지 9개의 롤러가 있음)에 선형으로 배열된 롤러[각각의 롤러가, 예를 들어, 10-15 ㎝ (4-6 인치)임]로 이루어진 교정기 장치(straightener device)를 통과할 수 있다. 롤러가 단지 케이블에만 작용하거나 케이블의 심각한 굴곡을 야기하도록 2개의 롤러 뱅크 간의 거리가 변화될 수 있다. 2개의 롤러 뱅크가 케이블의 대향하는 양측에 배치되고, 한 뱅크에 있는 롤러가 다른 뱅크에 있는 대향하는 롤러에 의해 생성되는 공간에 꼭 들어맞게 되어 있다. 따라서, 2개의 뱅크가 서로로부터 오프셋되어 있을 수 있다. 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 케이블이 교정 장치를 통과함에 따라, 케이블은 롤러들을 따라 앞뒤로 굴곡되어, 도체 내의 가닥들(strands)이 동일한 길이로 신장될 수 있게하며, 그로써 늘어진 가닥(slack strand)이 감소되거나 제거된다.
일부 예시적인 실시 형태에서, 주위 온도(예를 들어, 22℃)보다 높은 승온(예를 들어, 적어도 25℃, 50℃, 75℃, 100℃, 125℃, 150℃, 200℃, 250℃, 300℃, 400℃, 또는 심지어, 일부 실시 형태에서, 적어도 500℃)에서 단일 중심 와이어를 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 감겨 있는 와이어를 (예를 들어, 오븐에서 몇 시간 동안) 가열함으로써 단일 중심 와이어를 원하는 온도로 할 수 있다. 가열된 감겨 있는 와이어가 연선 가공 기계의 페이오프 스풀[예를 들어, 도 3의 페이오프 스풀(81) 참조]에 배치된다. 바람직하게는, 와이어가 원하는 온도에 또는 그 근방에 여전히 있는 동안(전형적으로 약 2 시간 이내) 승온의 스풀이 연선 가공 공정에 있다.
추가의 예시적인 실시 형태에서, 주위 온도(예를 들어, 22℃)보다 높은 승온(예를 들어, 적어도 25℃, 50℃, 75℃, 100℃, 125℃, 150℃, 200℃, 250℃, 300℃, 400℃, 또는 심지어, 일부 실시 형태에서, 적어도 500℃)에서 모든 와이어를 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 감겨 있는 와이어를 (예를 들어, 오븐에서 몇 시간 동안) 가열함으로써 와이어를 원하는 온도로 할 수 있다. 가열된 감겨있는 와이어가 연선 가공 기계의 페이오프 스풀(예을 들어, 도 3의 페이오프 스풀(81) 및 보빈(88A, 88B)참조)에 배치된다. 바람직하게는, 와이어가 원하는 온도에 또는 그 근방에 여전히 있는 동안(전형적으로 약 2 시간 이내) 승온의 스풀이 연선 가공 공정에 있다.
특정 예시적 실시 형태에서, 단일 와이어와 연선 가공 공정 동안에 열가소성 중합체 복합 외부층을 형성하는 열가소성 중합체 복합 와이어 간에 온도차를 갖는 것이 바람직할 수 있다. 추가의 실시 형태에서, 적어도 0.98 kN, 1.96 kN, 4.90 kN, 9.81 kN (100 ㎏, 200 ㎏, 500 ㎏, 1000 ㎏), 또는 심지어 적어도 49.0 kN(5000 ㎏)의 단일 와이어 장력으로 연선 가공을 수행하는 것이 바람직할 수 있다.
나선형 연선 열가소성 중합체 복합 케이블을 취급할 수 있는 것은 바람직한 특징이다. 임의의 특정한 이론에 의해 구속받고 싶지 않지만, 제조 동안에 열가소성 와이어가 가열될 때, 열가소성 중합체 복합 와이어가 와이어 재료의 항복 응력을 초과하지만 극한 응력 또는 파괴 응력 미만인 굽힘 응력을 비롯한 응력을 받기 때문에, 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 케이블이 그의 나선형 연선 구성을 유지하는 것으로 여겨진다. 열가소성 중합체 복합 와이어가 비교적 작은 반경의 이전의 층 또는 중심 와이어 주위에 나선형으로 감겨져 있기 때문에 이 응력이 가해진다. 제조 동안에 케이블에 반경 방향의 전단력을 가하는 클로징 다이(84, 85)에서 부가의 응력이 가해진다. 그러나, 충분한 온도로 가열될 때, 열가소성 중합체 복합 와이어는 소성 변형되고, 와이어 내의 응력이 완화된다. 나선형 연선 중합체 복합 케이블 내의 연선 중합체 복합 와이어가 연선 와이어 내의 중합체 매트릭스를 연화시키기에 충분한 온도로 가열되면, 연선 공정 동안 중합체 복합 와이어 내의 굽힘 응력 및 다른 가해지는 응력이 따라서 매우 감소되거나 심지어 제거(즉, 0으로 감소됨)될 수 있어, 중합체 복합 와이어가 서로 접착되게 하며 그럼으로써 25℃로 냉각시에 그의 나선형 연선 구성을 유지하게 한다.
따라서, 특정한 현재 바람직한 예시적인 실시 형태에서, 열가소성 중합체 복합 와이어는, 열가소성 중합체가 스트레스 완화를 겪기에 충분한 시간 동안, 적어도 열가소성 중합체 복합 와이어를 형성하는 (공)중합체 매트릭스 재료의 유리 전이 온도보다 높은 온도로 가열된다. 일부 예시적인 실시 형태에서, 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 케이블 내의 열가소성 중합체 복합 와이어는 적어도 50℃, 더 바람직하게는 적어도 100℃, 150℃, 200℃, 250℃, 300℃, 350℃, 400℃,450℃ 또는 심지어 적어도 500℃로 가열된다.
바람직하게는, 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 케이블 내의 열가소성 중합체 복합 와이어는 열가소성 (공)중합체 매트릭스의 용융 온도보다 높은 온도로 가열되지 않는다. 일부 실시 형태에서, 상주 가열 시간은 1 분 미만일 수 있다. 다른 예시적인 실시 형태에서, 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 케이블 내의 열가소성 중합체 복합 와이어는 적어도 1 분, 2 분, 5 분, 10 분, 20 분, 30분, 더 바람직하게는 1 시간, 1.5 시간, 또는 심지어 2 시간의 시간 기간 동안 가열된다.
본 개시 내용의 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 케이블은 수많은 응용에서 유용하다. 이러한 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 케이블은, 저중량, 고강도, 양호한 전기 전도성, 낮은 열 팽창 계수, 높은 사용 온도, 및 내식성의 조합으로 인해, 가공 송전 케이블, 지중 송전 케이블 및 수중 송전 케이블을 포함할 수 있는 송전 케이블로서 사용하기에 특히 바람직한 것으로 생각된다.
따라서, 추가의 태양에서, 본 개시 내용은 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 코어 및 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 코어 둘레의 도체층을 포함하며 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 코어가 상기한 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 케이블들 중 임의의 것을 포함하는 연선 송전 케이블의 다양한 실시 형태를 제공한다. 일부 실시 형태에서, 송전 케이블은 가공 송전 케이블, 지중 송전 케이블, 또는 수중 테더 또는 수중 움비리컬과 같은 수중 송전 케이블로서 유용할 수 있다. 예시적인 특정 실시 형태에서, 도체층은 실질적으로 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 케이블 코어의 표면 전체와 접촉하는 금속층을 포함한다. 예시적인 다른 실시 형태에서, 도체층은 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 케이블 코어 주위에 연선 가공된 복수의 연성 금속 도체 와이어를 포함한다.
나선형 연선 열가소성 중합체 복합 와이어를 포함하는 코어(예를 들어, 이전에 기술된 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 케이블 또는 기타 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 케이블) 둘레에 복수의 연성 금속 와이어를 연선 가공함으로써, 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 케이블이 나중에 최종 물품(예를 들어, 예인 케이블, 호이스트 케이블, 송전 케이블 등)에 포함되는 중간 물품으로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 기술 분야에 공지된 기술을 사용하여 상기한 바와 같이 단일 중심 와이어(2) 둘레에 열가소성 중합체 복합 와이어(4, 6, 8)의 2개 이상의 층을 나선형으로 연선 가공함으로써 코어가 제작될 수 있다. 전형적으로, 이러한 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 케이블 코어는 겨우 19개의 개별 와이어부터 50개 이상의 와이어를 포함하는 경향이 있다.
송전 케이블(또는 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 케이블을 형성하는데 사용되는 개개의 와이어들 중 임의의 와이어)은 선택적으로 절연층 또는 피복으로 둘러싸일 수 있다. 외장층 또는 피복이 또한 송전 케이블(또는 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 케이블을 형성하는데 사용되는 개개의 와이어들 중 임의의 와이어)을 둘러싸고 보호하기 위하여 사용될 수 있다.
송전 케이블은 두 개 이상의 선택적 연성 금속 도체 와이어 층을 포함할 수 있다. 더 많은 연성 금속 도체 와이어 층(도시 생략)이 원하는 바에 따라 사용될 수 있다. 송전 케이블로서 사용될 때, 선택적 연성 금속 와이어는 전기 도체, 즉 연성 금속 와이어 도체로서 기능할 수 있다. 바람직하게는, 본 기술 분야에 공지된 바와 같이, 각각의 도체층은 복수의 연성 금속 도체 와이어를 포함한다. 연성 금속 도체 와이어에 적합한 재료는 알루미늄 및 알루미늄 합금을 포함한다. 연성 금속 도체 와이어는 본 기술 분야에 공지된 적합한 케이블 연선 가공 장비(예를 들어, 도 3 참조)에 의해 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 코어 주위에 연선 가공될 수 있다.
송전 케이블 내의 중합체 복합 와이어의 중량 퍼센트는 전송 선로의 설계에 의존할 것이다. 송전 케이블에서, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 도체 와이어는 1350 Al(ASTM B609-91), 1350-H19 Al(ASTM B230-89), 또는 6201 T-81 Al(ASTM B399-92)(이들로 제한되지 않음)를 비롯한 가공 송전의 기술 분야에 공지된 다양한 재료 중 어느 것이라도 될 수 있다.
송전 케이블의 현재 바람직한 응용은 가공 송전 케이블, 지중 송전 케이블, 또는 수중 테더 또는 수중 움비리컬과 같은 수중 송전 케이블이다. 적합한 가공 송전 케이블, 지중 송전 케이블, 수중 송전 케이블, 수중 테더 및 수중 움비리컬을 설명하기 위해, 예를 들어, 동시 계류 중인 미국 가특허출원 제61/226,151호(2009년 7월 16일자로 출원되었으며 발명의 명칭이 "INSULATED COMPOSITE POWER CABLE AND METHOD OF MAKING AND USING SAME") 및 동시 계류 중인 미국 가특허출원 제61/226,056호(2009년 7월 16일자로 출원되었으며 발명의 명칭이 "SUBMERSIBLE COMPOSITE CABLE AND METHODS")를 참조하기 바란다. 본 개시 내용의 연선 케이블이 사용될 수 있는 적합한 송전 케이블 및 공정을 설명하기 위해, 예를 들어, Standard Specification for Concentric Lay Stranded Aluminum Conductors, Coated, Steel Reinforced(ACSR) ASTM B232-92 또는 미국 특허 제5,171,942호 및 제5,554,826호를 참조하기 바란다.
이들 송전 응용에서, 열가소성 중합체 복합 와이어의 중합체 매트릭스를 포함하는 열가소성 (공)중합체는 응용에 따라 적어도 100℃, 또는 240℃, 또는 300℃의 온도에서 사용하도록 선택되어야 한다. 이와 관련하여, 폴리에테르에테르케톤은 열가소성 중합체 복합 와이어의 중합체 매트릭스에서 사용하기 위한 현재 바람직한 (공)중합체이다.
나선형 연선 열가소성 중합체 복합 케이블이 최종 물품 자체로서 사용되어야 하거나 다른 차후의 물품에서 중간 물품 또는 구성요소로서 사용되어야 하는 다른 응용에서, 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 케이블이 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어 둘레에 전력 도체층을 갖지 않는 것이 바람직할 수 있다.
이하의 상세한 실시예와 관련하여 본 개시 내용의 동작에 대해 더 설명할 것이다. 이들 실시예는 다양한 특정 및 바람직한 실시 양태 및 기술을 추가로 예시하고자 제공된다. 그렇지만, 본 개시 내용의 범위 내에 있으면서 많은 변형 및 수정이 행해질 수 있다는 것을 잘 알 것이다.
실시예
실시예 1
(미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 3M Company로부터 시판되는) 2개의 NEXTEL 610 알파 알루미나 섬유의 10,000개의 조방사를 (미국 펜실베니아주 웨스트 콘쇼호켄 소재의 VITREX PLC로부터 입수가능한) 폴레에테르에테르케톤(PEEK) 열가소성 중합체로 침투시킴으로써 NEXTEL/PEEK 중합체 복합 와이어가 제작되었다. 연속 길이의 섬유 강화 중합체 복합 와이어를 생산하는 방법은 당업계에 알려져 있다(미국 특허 제4,680,224 및 공개된 PCT 출원 WO 2005/123999 참조). 이러한 중합체 복합 와이어의 제작은 (미국 메사츄세츠주 타운톤 소재의 Tencate Advanced Composites에서) 이러한 종래의 복합 와이어 제작 방법을 사용하여 수행되었다.
NEXTEL/PEEK 중합체 복합 와이어로부터 나선형 연선 케이블을 제작하기 위하여 벤치-탑(bench-top), 수동(hand-operated) 와이어 스트랜더가 사용되었다. 중심 중합체 복합 코어 와이어 주위에 나선형으로 연선 가공된 6개의 외부 중합체 복합 와이어로 이루어진 7개의 연선 케이블이 구성되었다. 일 단면이 15.24 ㎝ (6 인치) 꼬임 길이를 갖고, 다른 단면이 7.62 ㎝ ( 3 인치) 꼬임 길이를 갖는 몇개의 케이블 길이들이 생산되었다. 중합체 복합 와이어의 직경은 1.27 ㎜ (0.05 인치)였다. 생산된 중합체 복합 케이블들의 지름은 3.81 ㎝ (0.15 인치)였다. 케이블들은 개별 중합체 복합 와이어들이 다시 당겨지고 풀리는 것을 방지하기 위하여 단부가 접착 테이프로 래핑되었다. 공정의 이 시점에서, 와이어들은 단지 탄성 변형되었다.
상이한 길이의 케이블들이 200℃, 250℃, 및 300℃의 온도에서 1 시간 동안 어닐링되었다. 케이블 내의 와이어들이 영구 변형(permanent set)을 갖는 정도를 결정하기 위하여 어닐링된 연선 중합체 복합 케이블이 후속적으로 평가되었다. 연선 중합체 복합 와이어의 단부를 유지하는 테이프가 제거되었고 케이블 단부가 릴리즈되었다.
어닐링된 연선 중합체 복합 케이블은 그의 영구 변형의 유지와 관련하여 질적으로 등급매겨졌고, 이 등급은 변형 없음(no set)으로부터, 약간 변형(some set), 더 변형(more set), 거의 완전한 변형(complete set)까지의 범위이다. 그 결과가 표 1에 요약되어 있다.
[표 1]
Figure pct00001
표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 연선 중합체 복합 와이어를 중합체 매트릭스를 적어도 부분적으로 연화시키기에 충분한 시간 기간 동안 열에 노출시킴으로써 연선 NEXTEL/PEEK 중합체 복합 케이블을 어닐링하는 공정은, 케이블 내의 중합체 복합 와이어가 나선형 영구 변형(permanent helical set)을 갖게 하며, 따라서 케이블은 중합체 복합 와이어의 단부가 속박되지 않을 때 그것의 연선 무결성 구성을 유지한다. 어닐링 온도 및 시간을 변화시킴으로써 다양한 정도의 변형(various degree of set)이 얻어질 수 있다. 일반적으로, 더 높은 어닐링 온도와 더 긴 어닐링 시간은 중합체 복합 케이블 내의 나선형 연선 중합체 복합 와이어의 변형의 정도를 증가시키는 경향이 있다. 그러나, 시간 및 온도가 중합체 매트릭스 또는 강화 섬유의 어떠한 실질적인 열화를 야기하는 조건 아래에서 유지되어야 한다는 것을 잘 알 것이다.
본 명세서에 걸쳐 "일 실시 형태", "특정 실시 형태", "하나 이상의 실시 형태", 또는 "실시 형태"라고 하는 것은, "실시 형태"라는 용어 앞에 "예시적인"이라는 용어를 포함하든 그렇지 않든 간에, 그 실시 형태와 관련하여 기술된 특정의 특징, 구조, 재료 또는 특성이 본 개시 내용의 예시적인 특정 실시 형태들 중 적어도 하나의 실시 형태에 포함되어 있다는 것을 의미한다. 따라서, 본 명세서에 걸쳐 여러 곳에서 나오는 "하나 이상의 실시 형태에서", "특정 실시 형태에서", "일 실시 형태에서" 또는 "실시 형태에서"라는 문구가 반드시 본 개시 내용의 예시적인 특정 실시 형태들 중 동일한 실시 형태를 말하는 것은 아니다. 더욱이, 특정 특질, 구조, 물질, 또는 특징은 하나 이상의 구현예에서 임의의 적합한 방식으로 조합될 수 있다.
명세서가 예시적인 소정 실시 형태를 상세히 기술하고 있지만, 당업자라면 이상의 내용을 이해할 때 이들 실시 형태에 대한 여러 수정, 변형 및 그 등가물을 용이하게 안출할 수 있다는 것을 잘 알 것이다. 따라서, 본 명세서가 앞서 기술한 예시적인 실시 형태로 부당하게 제한되어서는 안된다는 것을 잘 알 것이다. 특히, 본 명세서에 사용된 바와 같이, 종점(endpoint)에 의한 수치 범위의 언급은 그 범위 내에 포함되는 모든 숫자를 포함하고자 한다(예를 들어, 1 내지 5는 1, 1.5, 2, 2.75, 3, 3.80, 4, 및 5를 포함함). 그에 부가하여, 본 명세서에 사용된 모든 숫자는 "약"이라는 용어로 수식되는 것으로 가정된다.
게다가, 본 명세서에 인용된 모든 간행물 및 특허는, 각각의 개별 간행물 또는 특허가 인용에 의해 포함되는 것으로 구체적이고 개별적으로 명시된 것처럼, 인용에 의해 그 전체 내용이 본 명세서에 포함된다. 다양한 예시적인 실시 형태들에 대해 기술하였다. 이들 및 다른 실시 형태가 이하의 특허청구범위의 범주 내에 속한다.

Claims (47)

  1. 중심 세로축(center longitudinal axis)을 정의하는 단일 와이어,
    단일 와이어 둘레에 제1 꼬임 방향(lay direction)으로 중심 세로축에 대해 정의된 제1 꼬임 각도(lay angle)로 나선형으로 연선 가공되고 제1 꼬임 길이(lay length)를 가지는 제1 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어, 및
    제1 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어 둘레에 제2 꼬임 방향으로 중심 세로축에 대해 정의된 제2 꼬임 각도로 나선형으로 연선 가공되고 제2 꼬임 길이를 가지는 제2 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어를 포함하는 연선 케이블.
  2. 제1 항에 있어서, 단일 와이어가 중심 세로 축에 실질적으로 수직인 방향에서 본 단면을 가지며, 단일 와이어의 단면 형상이 원형 또는 타원형인 연선 케이블.
  3. 제1 항 또는 2 항에 있어서, 단일 와이어가 중합체 복합 와이어, 열가소성 중합체 복합 와이어, 또는 연성 금속 와이어인 연선 케이블.
  4. 제3 항에 있어서, 각각의 중합체 복합 와이어가 실질적으로 연속이고 적어도 150 m 길이인 연선 케이블.
  5. 제1 항 내지 4 항 중 임의의 한 항에 있어서, 각각의 열가소성 중합체 복합 와이어가 중심 세로 축에 실질적으로 수직인 방향에서 단면을 가지며, 각각의 중합체 복합 와이어의 단면 형상이 원형, 타원형 및 사다리꼴을 포함하는 그룹 중에서 선택되는 연선 케이블.
  6. 제5 항에 있어서, 각각의 열가소성 중합체 복합 와이어의 단면 형상이 원형이고, 각각의 열가소성 중합체 복합 와이어의 직경이 약 1 ㎜ 내지 약 4 ㎜인 연선 케이블.
  7. 제1 항 내지 6 항 중 임의의 한 항에 있어서, 제1 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어 및 제2 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어 각각이 10 내지 150의 꼬임 계수를 가지는 연선 케이블.
  8. 제7 항에 있어서, 제1 꼬임 방향이 제2 꼬임 방향과 동일한 연선 케이블.
  9. 제8 항에 있어서, 제1 꼬임 각도와 제2 꼬임 각도 사이의 상대 차가 0° 보다 크고 약 4°이하인 연선 케이블.
  10. 제1 항 내지 9 항 중 임의의 한 항에 있어서, 제2 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어 둘레에 제3 꼬임 방향으로 중심 세로 축에 대해 정의된 제3 꼬임 각도로 나선형으로 연선 가공되고 제3 꼬임 길이를 가지는 제3 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어를 추가로 포함하는 연선 케이블.
  11. 제10 항에 있어서, 제3 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어 및 제2 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어 각각이 10 내지 150의 꼬임 계수를 가지는 연선 케이블.
  12. 제11 항에 있어서, 제3 꼬임 방향이 제2 꼬임 방향과 동일한 연선 케이블.
  13. 제12 항에 있어서, 제3 꼬임 각도와 제2 꼬임 각도 사이의 상대 차가 0° 보다 크고 약 4°이하인 연선 케이블.
  14. 제1 항 내지 13항 중 임의의 한 항에 있어서, 제3 복수의 중합체 복합 와이어 둘레에 제4 꼬임 방향으로 중심 세로 축에 대해 정의된 제4 꼬임 각도로 나선형으로 연선 가공되고 제4 꼬임 길이를 가지는 제4 복수의 중합체 복합 와이어를 추가로 포함하는 연선 케이블.
  15. 제14 항에 있어서, 제3 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어 및 제2 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어 각각은 10 내지 150의 꼬임 계수를 가지는 연선 케이블.
  16. 제15 항에 있어서, 제4 꼬임 방향이 제3 꼬임 방향과 동일한 연선 케이블.
  17. 제16 항에 있어서, 제4 꼬임 각도와 제3 꼬임 각도 사이의 상대 차가 0° 보다 크고 약 4°이하인 연선 케이블.
  18. 제1 항 내지 17 항 중 임의의 한 항에 있어서, 중합체 복합 와이어 각각이 섬유 강화 중합체 매트릭스를 포함하는 연선 케이블.
  19. 제18 항에 있어서, 섬유 강화 중합체 매트릭스가 섬유 토우 또는 모노필라멘트 섬유(monofilament fiber) 중 하나로 강화되는 연선 케이블.
  20. 제19 항에 있어서, 섬유 강화 중합체 매트릭스가 금속 섬유, 중합체 섬유, 탄소 섬유, 세라믹 섬유, 유리 섬유, 또는 그 조합으로부터 선택된 적어도 하나의 섬유를 포함하는 연선 케이블.
  21. 제20 항에 있어서, 적어도 하나의 섬유가 티타늄, 텅스텐, 붕소, 형상 기억 합금, 탄소, 탄소 나노튜브, 흑연, 탄화규소, 아라미드, 폴리(p-페닐렌-2,6-벤조비스옥사졸), 또는 그 조합을 포함하는 연선 케이블.
  22. 제20 항에 있어서, 적어도 하나의 섬유가 탄화규소, 알루미나, 또는 알루미노규산염으로부터 선택된 세라믹을 포함하는 연선 케이블.
  23. 제18 내지 22 항 중 임의의 한 항에 있어서, 섬유 강화 중합체 매트릭스가 에폭시, 에스테르, 비닐 에스테르, 폴리이미드, 폴리에스테르, 시아네이트 에스테르, 페놀 수지, 비스-말레이미드 수지, 폴리에테르에테르케톤 및 그 조합을 포함하는 그룹 중에서 선택된 (공)중합체를 포함하는 연선 케이블.
  24. 제18 항 내지 23 항 중 임의의 한 항에 있어서, 섬유 강화 중합체 매트릭스가 열가소성 (공)중합체를 포함하는 연선 케이블.
  25. 제1 항 내지 24 항 중 임의의 한 항에 있어서, 금속 매트릭스에 적어도 하나의 연속 섬유를 추가로 포함하는 적어도 하나의 섬유 강화 금속 매트릭스 복합 와이어를 추가로 포함하고, 열가소성 중합체 복합 와이어의 적어도 일부가 적어도 하나의 섬유 강화 금속 매트릭스 복합 와이어를 둘러싸는 연선 케이블.
  26. 제25 항에 있어서, 적어도 하나의 연속 섬유가 세라믹, 유리, 탄소 나노튜브, 탄소, 탄화규소, 붕소, 철, 강철, 철 합금, 텅스텐, 티타늄, 형상 기억 합금, 및 그 조합을 포함하는 그룹 중에서 선택된 재료를 함유하는 연선 케이블.
  27. 제25 항 또는 26 항에 있어서, 금속 매트릭스가 알루미늄, 아연, 주석, 마그네슘, 그 합금, 또는 그 조합을 포함하는 연선 케이블.
  28. 제27 항에 있어서, 금속 매트릭스가 알루미늄을 포함하고, 적어도 하나의 연속 섬유가 세라믹 섬유를 포함하는 연선 케이블.
  29. 제28 항에 있어서, 세라믹 섬유가 다결정 α-Al2O3를 포함하는 연선 케이블.
  30. 제1 항 내지 29 항 중 임의의 한 항에 있어서, 중심 세로 축을 정의하는 단일 와이어 둘레에 연선 가공된 복수의 연성 금속 와이어를 추가로 포함하는 연선 케이블.
  31. 제30 항에 있어서, 복수의 연성 금속 와이어들의 적어도 일부가 제1 꼬임 방향으로 나선형으로 연선 가공되어 있는 연선 케이블.
  32. 제30 항에 있어서, 복수의 연성 금속 와이어의 적어도 일부가 제1 꼬임 방향과 반대인 제2 꼬임 방향으로 나선형으로 연선 가공되어 있는 연선 케이블.
  33. 제32 항에 있어서, 복수의 연성 금속 와이어가 중심 세로축 주위에 열가소성 중합체 복합 와이어를 둘러싸는 복수의 반경방향 층으로 연선 가공되어 있는 연선 케이블.
  34. 제33 항에 있어서, 각각의 반경 방향 층이 인접한 반경방향 층의 꼬임 방향과 반대인 꼬임 방향으로 연선 가공되어 있는 연선 케이블.
  35. 제30 항 내지 34 항 중 임의의 한 항에 있어서, 각각의 연성 금속 와이어가 중심 세로 축에 실질적으로 수직인 방향에서 단면을 가지며, 각각의 연성 와이어의 단면 형상이 원형, 타원형, 사다리꼴, S자-형상, 및 Z자-형상을 포함하는 그룹 중에서 선택되는 연선 케이블.
  36. 제30 항 내지 35 항 중 임의의 한 항에 있어서, 복수의 연성 금속 와이어는 철, 강철, 지르코늄, 구리, 주석, 카드뮴, 알루미늄, 망간, 아연, 코발트, 니켈, 크롬, 티타늄, 텅스텐, 바나듐, 이들의 서로와의 합금, 이들의 다른 금속과의 합금, 이들의 규소와의 합금, 및 그 조합을 포함하는 그룹 중에서 선택되는 적어도 하나의 금속을 포함하는 연선 케이블.
  37. 제1 항 내지 36 항 중 임의의 한 항에 있어서, 제1 꼬임 각도와 제2 꼬임 각도 사이의 상대 차가 0° 보다 크고 약 4°이하인 연선 케이블.
  38. 제37 항에 있어서, 제1 꼬임 각도와 제2 꼬임 각도 사이의 상대 차가 0.5° 이하인 연선 케이블.
  39. 제1 내지 38 항 중 임의의 한 항에 있어서, 제1 꼬임 길이가 제2 꼬임 길이와 동일한 연선 케이블.
  40. 코어 및 코어 둘레의 도체층을 포함하는 케이블로서, 코어가 제1 항 내지 39항 중 임의의 한 항의 연선 케이블을 포함하는 케이블.
  41. 제40항에 있어서, 도체층이 복수의 연선 도체 와이어를 포함하는 케이블.
  42. 송전용으로 사용되는 제39 항 내지 41 항 중 임의의 한 항의 케이블.
  43. 제42항에 있어서, 가공 송전 케이블, 지중 송전 케이블, 및 수중 송전 케이블로 이루어지는 그룹 중에서 선택되는 케이블.
  44. 제43 항에 있어서, 수중 송전 케이블이 수중 테더 또는 수중 움비리컬인 케이블.
  45. 제1 항 내지 44 항 중 임의의 한항의 케이블을 제작하는 방법으로서,
    중심 세로 축을 정의하는 단일 와이어 둘레에 제1 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어를 나선형으로 연선 가공하는 단계 - 제1 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어를 나선형으로 연선 가공하는 단계는 제1 꼬임 방향으로 중심 세로 축에 대해 정의된 제1 꼬임 각도로 수행되고, 제1 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어는 제1 꼬임 길이를 가짐-;
    제1 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어 둘레에 제2 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어를 나선형으로 연선 가공하는 단계 - 제2 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어를 나선형으로 연선 가공하는 단계는 제1 꼬임 방향으로 중심 세로축에 대해 정의된 제2 꼬임 각도로 수행되고, 제2 복수의 열가소성 중합체 복합 와이어는 제2 꼬임 길이를 가짐 -; 및
    제1 및 제2 복수의 나선형 연선 열가소성 중합체 복합 와이어를 25℃ 로 냉각시 나선형 연선 중합체 복합 와이어를 나선형 연선 구성으로 유지하기에 충분한 온도로 가열하는 단계를 포함하는 방법.
  46. 제45 항에 있어서, 제1 꼬임 각도와 제2 꼬임 각도 사이의 상대 차가 0° 보다 크고 약 4°이하인 방법.
  47. 제45 항 또는 46 항에 있어서, 중심 세로 축을 정의하는 단일 와이어 둘레에 복수의 연성 금속 와이어를 연선 가공하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
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