KR20170058841A - 초전도 케이블의 중간 접속을 위한 중간 접속구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초전도 케이블의 중간 접속을 위한 중간 접속구조에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 초전도 전력 시스템에 액상 냉매가 공급되는 경우 초전도 케이블과 중간 접속구조에서 발생되는 수축을 억제하여 수축에 의한 초전도 케이블 및 중간 접속구조의 손상을 방지할 수 있는 중간 접속구조에 대한 것이다.

Description

초전도 케이블의 중간 접속을 위한 중간 접속구조{Connecting Structure For Superconductive Cable}

본 발명은 초전도 전력 시스템에 액상 냉매가 공급되는 경우 초전도 케이블과 중간 접속구조에서 발생되는 수축을 억제하여 수축에 의한 초전도 케이블 및 중간 접속구조의 손상을 방지할 수 있는 중간 접속구조에 대한 것이다.

본 발명은 초전도 케이블의 중간 접속을 위한 중간 접속구조에 관한 것이다. 초전도 케이블은 초전도층과 초전도 차폐층을 각각 구비하고, 초전도층과 초전도 차폐층은 초전도 선재로 구성될 수 있다. 초전도 선재는 일정한 온도에서 전기저항이 제로에 가까이 수렴하므로, 낮은 전압에서도 큰 전력 전송 능력을 갖는다.

초전도 선재는 일정한 온도, 즉 극저온 환경이 유지되어야 의도된 전력 전송능력을 가질 수 있다.

최근 초전도 케이블의 장조장 포설이 시험되고 있다. 초전도 케이블의 장조장 포설을 위하여 초전도 케이블은 미리 결정된 거리마다 중간 접속이 되어야 한다.

초전도 케이블의 극저온 환경 유지를 위하여 초전도 케이블의 내부에는 냉각 유체가 유동하여 초전도 선재를 냉각하기 위한 냉각부와 냉각부 둘레를 진공 단열하기 위한 진공부가 구비되며, 이러한 냉각부와 진공부는 중간 접속구조 내부에서도 유지되어야 한다.

따라서, 중간 접속구조 내부는 액상 냉매가 수용 및 유동하는 공간과 이를 진공 단열하기 위한 진공 영역이 형성되는 공간으로 복층 구조로 구성된다.

중간 접속구조 내부의 액상 냉매가 수용되는 공간에는 접속되는 초전도 케이블의 양 코어가 접속되는 접속부가 구비된다. 양 코어부가 접속되는 접속부는 초전도 케이블 가장 내부의 포머, 그 둘레에 배치되는 초전도층을 구성하는 초전도 선재, 초전도층을 둘러싸는 절연층 및 상기 절연층 둘레에 배치되는 초전도 차폐층을 구성하는 초전도 선재 등을 상호 접속되며, 접속부는 접속에 필요한 길이와 확대된 직경을 갖게 된다.

그리고 초전도 케이블의 냉각부에 액상 냉매가 공급되는 경우 수축이 발생되는 구성으로 포머와 상기 냉각부를 구획하는 내부 금속관 및 상기 진공부를 구획하는 외부 금속관 정도를 고려할 수 있다.

포머는 코어부의 중심부에 배치되고 초전도층과 초전도 차폐층 사이에 절연층이 구비된다. 절연층은 크라프트지 또는 PPLP 재질의 절연지를 사용할 수 있으며, 절연지를 복수 회 권선하는 방식으로 구성될 수 있다.

따라서, 초전도 케이블의 코어부와 내부 금속관 사이로 액상 냉매가 공급되면, 전술한 코어의 구성요소인 포머, 내부 금속관 및 외부 금속관은 냉각 속도에 큰 편차가 발생된다. 특히 액상 냉매의 주입속도가 빠를수록 그 편차는 크다. 즉, 포머는 액상 냉매가 직접 접촉되는 내부 금속관과 달리 절연층에 의하여 냉각이 완충될 수 있으므로 서서히 냉각되고, 상기 내부 금속관은 액상 냉매와 직접 맞닿게 되므로 가장 빠르게 냉각되며, 상기 외부 금속관은 상기 내부 금속관과 단열층 및 진공부를 사이에 두고 이격되며, 외부의 상온의 영향을 많이 받으므로 냉각은 거의 되지 않는다. 이로 인해 포머, 내부 및 외부 금속관 간의 냉각 속도들의 차이가 발생되는 것으로 이해될 수 있다.

이 경우, 중간 접속구조 내에서는 급속하게 냉각되어 빠르게 수축되는 초전도 케이블의 내부 금속관과 연결된 내부 하우징이, 상대적으로 천천히 냉각되어 서서히 수축되는 코어부의 접속부 등과 충돌하는 등의 기계적 간섭 현상이 발생될 수 있다.

이러한 코어의 접속부와 중간 접속구조의 내부 구성과의 간섭이 발생되면 접속부 최외부에서 접속되는 초전도 차폐층 등의 초전도 선재 등을 손상시키는 등의 치명적 문제가 발생될 수 있다. 특히, 포설길이가 길어질수록 수축거리의 편차가 더우 커져 이러한 문제가 더욱 심각하다.

따라서, 초전도 전력 시스템에서 액상 냉매가 최초로 공급되는 경우, 초전도 케이블 또는 중간 접속구조에서 발생되는 냉각 수축에 따른 문제점에 대한 해결책이 필요하다.

본 발명은 초전도 전력 시스템에 액상 냉매가 공급되는 경우 초전도 케이블과 중간 접속구조에서 발생되는 수축을 억제하여 수축에 의한 초전도 케이블 및 중간 접속구조의 손상을 방지할 수 있는 중간 접속구조를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 포머, 초전도 도체층, 절연층 및 초전도 차폐층이 순차적으로 구비되는 코어부; 상기 코어부 외측에 냉각유로를 통한 액상 냉매로 코어부를 냉각시키는 냉각부를 수용하는 내부 금속관; 및, 상기 내부 금속관 외측을 감싸는 진공부를 구획하는 외부 금속관;을 포함하는 초전도 케이블 간의 중간 접속하기 위한 중간 접속구조에 있어서, 상기 초전도 케이블의 양 코어부가 내부에서 접속되며, 상기 초전도 케이블의 내부 금속관와 연결되어 액상 냉매를 수용하기 위한 내부 하우징, 상기 내부 하우징 외측을 진공 단열하기 위한 외부 하우징 및, 일단은 상기 초전도 케이블의 외부 금속관에 고정되고, 타단은 상기 외부 하우징에 고정되는 수축 방지부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블의 중간 접속구조를 제공할 수 있다.

또한, 상기 내부 하우징과 상기 외부 하우징은 어느 하나의 초전도 케이블의 내부 금속관을 통해 액상 냉매가 공급되는 경우 초전도 케이블의 내부 금속관과 연결된 내부 하우징이 액상 냉매의 공급방향과 반대방향으로 수축되는 수축력이 상기 외부 하우징에 공유되도록 상기 내부 하우징의 외면과 상기 외부 하우징의 내면을 연결하여 고정하는 고정부재를 더 포함할 수 있다.

여기서, 상기 수축 방지부재는 상기 초전도 케이블의 내부 금속관, 상기 내부 금속관과 연결된 상기 내부 하우징 및 상기 내부 하우징과 상기 고정부재로 연결된 상기 외부 하우징이 액상 냉매의 공급방향과 반대방향으로 수축되려는 수축력을 지지할 수 있다.

그리고, 상기 수축 방지부재는 단면이 ?ㄱ? 자 형태인 링 형상으로 구성될 수 있다.

상기 중간 접속구조의 내부 하우징을 감싸는 외부 하우징의 내부의 진공영역은 이원화될 수 있다.

또한, 상기 초전도 케이블의 외부 금속관은 상기 중간 접속구조의 내부 하우징과 내부 주름관으로 연결되어 내부에 상기 초전도 케이블의 외부 금속관 내측의 진공부와 연통되는 제1 진공영역을 형성하고, 상기 중간 접속구조의 외부 하우징과 외부 주름관으로 연결되어 내부에 제2 진공영역을 형성할 수 있다.

그리고, 상기 제1 진공영역은 상기 중간 접속구조의 내부 하우징의 양단 영역을 감싸고 상기 초전도 케이블의 진공부와 연통되며, 상기 제2 진공영역은 상기 중간 접속구조 내부 하우징의 원주면을 감쌀 수 있다.

그리고, 상기 초전도 케이블의 외부 금속관은 상기 내부 주름관과 상기 외부 주름관은 연결부재로 연결될 수 있다.

또한, 상기 수축 방지부재의 인장강도는 상기 초전도 케이블의 외부 금속관의 인장강도보다 클 수 있다.

여기서, 상기 수축방지부재의 수직방향 높이가 수평방향 폭보다 클 수 있다.

또한, 상기 과제를 해결하기 위하여, 초전도 도체층을 포함하는 코어부, 상기 코어부 외측에 냉각유로를 통한 액상 냉매로 코어부를 냉각시키는 냉각부를 수용하는 내부 금속관 및 상기 내부 금속관 외측을 감싸는 진공부를 구획하는 외부 금속관을 포함하는 초전도 케이블 간의 중간 접속하기 위한 중간 접속구조에 있어서, 상기 내부 금속관과 상기 외부 금속관의 수축량 차이에 의한 접속구조의 파손을 방지하기 위하여, 일단은 상기 초전도 케이블의 외부 금속관에 고정되고, 타단은 상기 중간 접속구조의 외형을 구성하며 그 내부를 진공 단열하기 위한 외부 하우징에 고정되는 수축 방지부재를 포함할 수 있다.

이 경우, 상기 초전도 케이블의 양 코어부가 내부에서 접속되며, 상기 초전도 케이블의 내부 금속관와 연결되어 액상 냉매를 수용하기 위한 내부 하우징을 더 포함하고, 초전도 케이블의 내부 금속관과 연결된 내부 하우징이 액상 냉매의 공급방향과 반대방향으로 수축되는 수축력이 상기 외부 하우징에 공유되도록 상기 내부 하우징의 외면과 상기 외부 하우징의 내면을 연결하여 고정하는 고정부재를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 초전도 케이블의 중간 접속구조에 따르면, 본 발명은 초전도 전력 시스템에 액상 냉매가 공급되는 경우 초전도 케이블과 중간 접속구조에서 발생되는 수축을 억제하여 수축에 의한 초전도 케이블 및 중간 접속구조의 손상을 방지할 수 있는 중간 접속구조를 제공할 수 있다.

본 발명에 따른 초전도 케이블의 중간 접속구조는 시공 상의 오차를 상쇄하기 위하여 케이블과 접속함을 주름관으로 연결하는 경우에도 냉매 공급에 의한 수축 발생시 발생될 수 있는 부품 등의 손상 등을 수축 방지부재를 통해 방지할 수 있으므로 시스템의 안정성이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 초전도 케이블의 중간 접속구조를 포함하여 구성되는 초전도 전력 시스템의 간략한 구성도를 도시한다.
도 2은 본 발명에 따른 초전도 선재가 적용된 초전도 케이블의 단계별 탈피된 사시도를 도시한다.
도 3는 도2에 도시된 초전도 케이블의 단면도를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 중간 접속구조의 단면도를 도시한다.
도 5는 도 4에 도시된 중간 접속구조에 접속된 초전도 케이블 중 일측 초전도 케이블을 통해 액상 냉매가 공급되는 경우 수축 방지부재에 의하여 초전도 케이블의 코어와 내부 금속관 및 중간 접속구조를 구성하는 내부 하우징의 수축이 차단된 상태를 도시한다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록, 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 1은 본 발명에 따른 초전도 케이블의 중간 접속구조(2000)를 포함하여 구성되는 초전도 전력 시스템의 간략한 구성도를 도시한다.

초전도 전력 시스템은 미리 결정된 길이를 갖는 초전도 케이블(1000), 상기 초전도 케이블의 각각의 일단이 접속되어 상온 영역으로 전력이 공급되도록 하는 종단 접속함(3000)을 포함하고, 전력 시스템의 전체 구간의 길이에 따라 초전도 케이블을 중간 접속하기 위한 중간 접속구조(2000)를 포함하여 구성될 수 있다.

초전도 전력 시스템은 초전도 케이블의 냉각 유로를 통해 액상 냉매를 공급하여 극저온 환경을 유지하므로, 초전도 케이블, 중간 접속구조(2000) 및 종단 접속함을 순환하는 냉각 유로와 별도로 구비되는 냉매 냉각장치(미도시) 등을 구비할 수 있다.

초전도 전력 시스템을 통해 전력을 공급하기 전에 초전도 케이블은 극저온 환경을 먼저 형성해야 하며, 이 경우 중간 접속구조(2000)에서 접속된 초전도 케이블 중 특정 초전도 케이블의 냉각부로 액상 냉매가 공급되기 시작한다.

초전도 케이블은 내부의 포머, 내부 금속관 및 외부 금속관 등은 냉각시 수축이 크게 발생되는 구성일 수 있으나, 도 2 및 도 3을 참조하여 설명하는 초전도 케이블의 구성을 통해 확인할 수 있듯이, 액상 냉매에 의한 냉각과정에서 냉각 속도 또는 수축 속도의 차이가 발생될 수 있다.

이하 도 2를 참조하여, 초전도 케이블의 구조를 설명한다.

도 2은 본 발명에 따른 초전도 선재가 적용된 초전도 케이블의 단계별 탈피된 사시도를 도시한다.

도 2에 도시된 초전도 케이블은 포머(110), 상기 포머(110) 외부를 감싸도록 상기 포머(110)의 길이방향으로 나란히 배치되는 복수 개의 초전도 선재를 포함하는 적어도 2층 이상의 초전도 도체층(130), 상기 초전도 도체층(130)을 감싸는 절연 테이프(140), 상기 절연 테이프(140) 외부를 감싸도록 상기 포머(110)의 길이방향으로 나란히 배치되는 복수 개의 초전도 선재를 포함하여 구성되는 적어도 2층 이상의 초전도 차폐층(180)을 포함하는 코어부(100), 상기 코어부(100)를 냉각하기 위하여, 상기 코어부(100) 외측에 구비되며, 상기 코어부(100)를 냉각하기 위한 액상 냉매의 냉매유로를 구비하는 냉각부(200), 상기 냉각부(200) 외측에 구비되는 내부 금속관(300), 상기 내부 금속관(300) 외측에 구비되며, 단열재(401)가 여러 층으로 감겨진 단열층을 형성하는 단열부(400), 상기 냉각부(200)를 진공 단열시키기 위하여, 상기 단열부(400) 외부의 이격된 위치에 복수 개의 스페이서(560)를 구비하는 진공부(500), 상기 진공부(500) 외측에 구비되는 외부 금속관(600) 및, 상기 외부 금속관(600) 외측에 구비되어 시스층을 형성하는 외부자켓(700)를 포함할 수 있다.

순차적으로 초전도 케이블을 구성하는 각각의 구성요소를 검토하면 다음과 같다. 상기 포머(110)는 납작하고 납작하고 긴 초전도 선재를 포머(110) 둘레에 장착하는 장소를 제공함과 동시에 형상을 형성하기 위한 틀로서 역할하고, 사고 전류가 흐르는 경로가 될 수 있다. 상기 포머(110)는 단면 원형의 복수의 구리(Cu) 도체 소선(111)들을 원형으로 압축한 형태를 가질 수 있다.

구체적으로, 기본적으로 포머(110)는 둥근 원통형상으로 되었어, 납작하고 긴 초전도 선재를 올리기 위한 틀 역할을 한다. 상기 포머(110)의 직경은 초전도 선재의 폭을 고려하여 초전도 선재가 들뜨지 않고 초전도 선재끼리 포머(110)에 올렸을 때 최대한 원형에 가까운 구조로 이루어질 수 있도록 정해진다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 포머는 중심부가 꽉찬 형태로 구성될 수도 있으나, 상기 포머(110)는 중공의 파이프 형상으로 이루어져 초전도 선재를 올리기 위한 틀의 역할과 동시에 내부에 냉매가 이동하기 위한 경로 역할을 하도록 구성될 수 있으며, 포머를 구성하는 각각의 도체 소선(111)들은 구리 등으로 구성될 수 있으며, 각각의 소선을 각각의 초전도 선재와 병렬연결을 함으로써, 전력계통에서 전력 시스템의 단락(??치, 번개, 절연 파괴 등)으로 인한 고장전류 발생시 귀로도체 역할을 하도록 구성할 수도 있다.

그러나 본 발명에서는 포머는 충실형으로 구성된 예를 중점적으로 설명한다.

전력계통에서 고장전류 발생시 귀로도체의 역할은 도체 소선(111)으로 구성되는 포머 이외에도 후술하는 바와 같이 각각의 초전도 선재에 부착되며, 상온에서 통전성이 있는 금속 재질의 통전 레이어가 존재한다. 상기 통전 레이어는 금속 재질의 테이프 형태일 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 후술한다.

고장전류의 용량에 따라 소선을 구성하는 구리 등의 도체 단면적이 정해질 수 있으며, 고압일 경우 구리 소선을 원형으로 압축하여, 연선한 형태로 이루어질 수 있다.

상기 포머(110)를 구성하는 여러 가닥의 단면 원형의 도체 소선(111)들을 원형으로 압축한 연선의 형태를 이루기 때문에 포머(110)의 표면이 올록볼록할 수밖에 없다. 따라서, 포머(110)의 올록볼록한 표면을 평활하게 하기 위하여 포머(110)의 외부에 평활층(120)이 피복될 수 있다. 상기 평활층(120)은 반도전성 카본지 또는 황동 테이프 등의 재질이 사용될 수 있다.

상기 평활층(120)과 초전도 도체층(130) 사이에는 도면에 도시되지 않았으나 쿠션층이 더 구비될 수 있다. 상기 쿠션층은 반도전 카본지 테이프를 이용하여, 초전도 도체층을 보호하기 위하여 구비될 수 있다.

상기 평활층(120)에 의하여 평탄화된 상기 포머(110) 외측에 복수 개의 초전도 선재(131)로 둘러싸여 층이 형성되는 제1 초전도 도체층(130a)이 구비될 수 있다. 제1 초전도 도체층(130a)은 복수 개의 초전도 선재가 나란히 인접하여 상기 평활층(120) 둘레를 감싸도록 설치될 수 있다.

또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 초전도 케이블을 통해 송전 또는 배전하려는 전류의 용량에 따라 초전도 도체층(130)은 복층으로 구성할 수도 있다.

도 2에 도시된 실시예는 총 2층의 초전도 도체층(130a, 130b)이 구비됨이 도시된다. 또한, 초전도 도체층을 단순히 적층하여 배치하면 전류의 표피효과에 따라 전류 용량이 증가되지 않는다. 이러한, 문제점을 방지하기 위하여 초전도 도체층을 복층으로 구비하는 경우에는 초전도 도체층(130a, 130b) 사이에 절연 테이프(140)가 구비될 수 있다. 상기 절연 테이프(140)는 적층되는 초전도 도체층(130a, 130b) 사이에 배치되어 초전도 도체층(130a, 130b)을 상호 절연시켜 적층된 초전도 선재의 표피효과를 방지할 수 있다. 상기 절연 테이프(140)에 의하여 복층으로 적층된 초전도 도체층들의 통전 방향이 일치될 수 있다.

도 2에 도시된 실시예에서, 상기 초전도 도체층(130)은 제1 초전도 도체층(130a)과 제2 초전도 도체층(130b) 2층으로 구성된 예가 도시되었으나, 필요에 따라 더 많은 층의 초전도 도체층이 구비될 수도 있다.

그리고, 각각의 초전도 도체층(130a, 130b)을 구성하는 각각의 초전도 선재는 포머(110)를 구성하는 각각의 소선들과 병렬 연결될 수 있다. 초전도 선재로 흐르던 전류가 단락(??치, 번개, 절연 파괴, 초전도 조건의 파괴 등) 등의 사고시에 포머(110)의 소선으로 사고 전류가 분류되도록 하기 위함이다. 이와 같은 방법으로 초전도 선재의 발열 또는 손상 등을 방지할 수 있다.

상기 제1 초전도 도체층(130a) 외측에 구비되는 제2 초전도 도체층(130b)의 외부에 내부 반도전층(150)이 구비될 수 있다. 상기 내부 반도전층(150)은 초전도 도체층(130)의 영역별 전계 집중을 완화하고 표면 전계를 고르게 하기 위하여 구비될 수 있다. 구체적으로, 초전도 선재의 모서리 부분에서 발생하는 전계 집중을 완화하고, 전계 분포를 고르게 하기 위해 구비될 수 있다. 이는 후술하는 외부 반도전층(170) 역시 마찬가지이다.

상기 내부 반도전층(150)은 반도전 테이프가 권선되는 방식으로 구비될 수 있다.

상기 내부 반도전층(150) 외측에는 절연층(160)이 구비될 수 있다. 상기 절연층(160)은 초전도 케이블의 절연 내력을 증가시키기 위하여 구비될 수 있다. 일반적으로 고전압 케이블의 절연을 위해서는 XLPE(Cross Linking-Polyethylene) 또는 오일 방식(oil filled cable)이 사용되지만, 초전도 케이블은 초전도 선재의 초전도성을 위하여 극저온으로 냉각되고, 극저온에서는 XLPE가 파손되어 절연 파괴되는 문제점이 있고, 오일 방식(oil filled cable)은 환경 문제 등이 발생될 수 있으므로, 본 발명의 초전도 케이블은 절연층(160)으로서 일반 종이 재질의 절연지를 사용할 수 있으며, 상기 절연층(160)은 절연지를 복수 회 권선하는 방식으로 구성될 수 있다.

상기 절연지는 크라프트지나 PPLP(Polypropylene Laminated Paper)가 주로 사용된다. 다양한 지절연 물질 중 초전도 케이블의 경우 권선의 용이성과 절연내력 특성 고려하여 PPLP 절연지가 사용된다.

상기 절연층(160) 외부에는 외부 반도전층(170)이 구비될 수 있다. 상기 외부 반도천층 역시 초전도 도체층(130)의 영역별 전계 집중을 완화하고 표면 전계를 고르게 하기 위하여 구비될 수 있으며, 상기 외부 반도전층(170) 역시 반도전 테이프가 권선되는 방식으로 구비될 수 있다.

초전도 케이블의 코어부 내부에 위치하는 포머(110)은 두꺼운 상기 절연층(160) 등에 의하여, 냉각부로 액상 냉매가 공급되는 경우 냉각 속도가 완충되는 효과가 발생될 수 있다. 이는 후술하는 바와 같이 중간 접속구조(2000)를 통해 접속되는 양 초전도 케이블의 접속부(2100)가 초전도 케이블의 내부 금속관과 연결되는 내부 하우징(2200) 등과 물리적 충돌을 야기할 수 있으므로 이를 해결하는 방법이 필요하다. 이에 대한 설명은 후술한다.

그리고, 상기 외부 반도전층(170) 외측에는 초전도 차폐층(180)이 구비될 수 있다. 상기 초전도 차폐층(180)을 형성하는 방법은 상기 초전도 도체층(130)을 형성하는 방법과 마찬가지일 수 있다. 상기 외부 반도전층(170)의 표면이 고르지 못한 경우에는 필요에 따라 평활층(미도시)이 구비될 수 있으며, 상기 평활층 외부에 초전도 차폐층(180)을 형성하기 위한 초전도 선재를 각각 원주방향으로 나란히 배치할 수 있다.

2세대 초전도 선재로 구성된 차폐층에 통전되는 전류는 초전도 도체층에 흐르는 전류의 약 95% 정도가 되도록 설계하여 누설자계의 최소화가 가능할 수 있다.

상기 초전도 차폐층(180) 외측에는 코어부(100)의 외장 역할을 하는 코어 외장층(190)이 구비될 수 있다. 상기 코어 외장층(190)은 각종 테이프 또는 바인더 등을 포함할 수 있으며, 후술하는 냉각층에 코어부(100)가 노출될 수 있도록 외장 역할 및 코어부(100)의 모든 구성물을 결속해 주는 역할을 수행하며, SUS 재질 등의 금속 테이프로 구성될 수 있다.

이와 같은 방법으로 초전도 케이블의 코어부(100)가 구성될 수 있으며, 도 2 및 도 3에서 상기 평활층 및 상기 반도전층은 동일 재질의 단일 층으로 구성되는 것으로 도시되었으나, 필요에 따라 다양한 부속층들이 추가될 수 있다.

상기 코어부(100) 외측에는 냉각부(200)가 구비될 수 있다. 상기 냉각부(200)는 상기 코어부(100)의 초전도 선재를 냉각하기 위하여 구비될 수 있으며, 상기 냉각부(200)는 그 내측에 액상 냉매의 순환유로가 구비될 수 있다. 상기 액상 냉매로는 액상 질소가 사용될 수 있으며, 상기 액상 냉매(액상 질소)는 영하 -200도 정도의 온도를 갖도록 냉각된 상태로 상기 냉객 유로를 순환하며 냉각부 내부의 코어부(100)에 구비되는 초전도 선재의 초전도 조건인 극저온이 유지되도록 할 수 있다.

상기 냉각부(200)에 구비되는 냉각유로는 일방향으로 액상 냉매가 흐르도록 할 수 있으며, 초전도 케이블의 종단 접속함 또는 중간 접속구조(2000) 등에서 회수되어 재냉각되어 다시 상기 냉각부(200)의 냉각유로로 공급될 수 있다.

상기 냉각부(200) 외측에는 내부 금속관(300)이 구비될 수 있다. 상기 내부 금속관(300)은 후술하는 외부 금속관(600)과 함께 초전도 케이블의 포설 및 운전 중에 코어부(100)의 기계적인 손상을 방지하기 위한 초전도 케이블의 외장 역할을 수행한다. 초전도 케이블은 제작 및 운반이 용이하도록 드럼에 감기게 되며 설치 시에는 드럼에 감겨진 케이블을 전개하여 설치하므로 초전도 케이블에는 굽힘 응력 또는 인장 응력이 지속적으로 인가될 수 있다.

이러한 기계적 응력이 인가되는 상황에서도 초기 성능을 유지하도록 하기 위하여 내부 금속관(300)을 구비할 수 있다. 따라서, 상기 내부 금속관(300)은 기계적 응력에 대한 강성 보강을 위하여 초전도 케이블의 길이 방향으로 융기 및 함몰이 반복되는 코러게이션(Corrugation) 굴곡 구조를 가지며, 상기 내부 금속관(300)은 알루미늄 등의 재질로 구성될 수 있다.

상기 내부 금속관(300)은 상기 냉각부(200) 외측에 구비되므로, 액상 냉매의 온도에 대응되는 극저온일 수 있다. 따라서, 상기 내부 금속관(300)은 저온부 금속관으로 구분될 수 있다.

따라서, 냉각부(200)를 구획하는 내부 금속관(300)을 통해 액상 냉매가 공급되기 시작하면 상기 내부 금속관(300)은 전술한 코어부(100)의 포머(110) 또는 후술하는 외부 금속관(600) 보다 빠르게 냉각되어 냉각에 의한 수축 현상이 발생될 수 있다.

또한, 상기 내부 금속관(300) 외주면에는 반사율이 높은 금속 필름에 열전도율이 낮은 고분자가 얇게 코팅된 단열재가 여러 층으로 감겨진 단열층을 포함하는 단열부(400)가 구비될 수 있다. 상기 단열층은 멀티 레이어 인슐레이션(MLI, Multi Layer Insulation)을 구성하고, 상기 내부 금속관(300) 측으로 열침입이 발생되는 것을 차단하기 위하여 구비될 수 있다.

특히, 상기 내부 금속관(300)이 금속 재질로 구성되므로 전도에 의한 열침입 또는 열교환이 용이하므로, 상기 단열부(400)는 주로 전도에 의한 열교환 또는 열침입을 최소화할 수 있으며, 반사율이 높은 금속 필름 재질로 인하여 복사에 의한 열교환 또는 열침입을 방지하는 효과도 얻을 수 있다.

상기 단열부(400)의 층수는 열침입을 최소화 하기 위해 조절이 가능하다. 많은 층으로 구성되면 복사열 차단 효과는 높아지나, 전도열 차단 효과와 진공층의 두께가 얇아짐에 따른 대류에 의한 열차단 효과가 떨어지므로 적절한 층수를 사용하는 것이 중요하다.

상기 단열부(400) 외측에는 진공부(500)가 구비될 수 있다. 상기 진공부(500)는 상기 단열부(400)에 의한 단열이 충분하지 못한 경우 발생될 수 있는 상기 단열층 방향으로의 대류 등에 의한 열전달을 최소화하기 위하여 구비될 있다.

상기 진공부(500)는 상기 단열부(400) 외측에 이격 공간을 형성하고, 상기 이격 공간을 진공화시키는 방법으로 형성할 수 있다.

상기 진공부(500)는 상온인 외부로부터 상기 코어부 측으로 대류 등에 의한 열침입을 방지하기 위하여 구비되는 이격 공간으로서, 물리적 이격 공간을 형성하기 위하여 적어도 하나의 스페이서(560)를 구비할 수 있다. 상기 진공부(500) 내의 이격 공간 그 외측에 구비되는 외부 금속관(600) 등과 상기 진공부(500) 내측의 상기 단열부(400)가 접촉되는 것을 초전도 케이블의 전 영역에서 방지하기 위하여 상기 이격 공간 내에 적어도 2개의 스페이서(560)를 구비할 수 있으며, 구체적으로 초전도 케이블 또는 스페이서의 종류 또는 크기에 따라 증감될 수 있다. 도 2 및 도 3에 도시된 초전도 케이블(1000)은 4개의 스페이서가 구비되는 것으로 도시되었으나 그 개수는 증감될 수 있다.

상기 스페이서(560)는 초전도 케이블의 길이방향을 따라 배치될 수 있으며, 상기 코어부(100) 외측, 구체적으로는 상기 단열부(400)를 나선형 또는 원형으로 감싸도록 권선할 수 있다.

상기 스페이서(560)의 개수는 본 발명의 초전도 케이블은 3개 내지 5개의 스페이서가 구비될 수 있다. 상기 스페이서는 이격 공간을 형성하여 전도에 의한 열교환을 방지할 수 있으며, 스페이서의 구조는 단층 또는 복층으로 구성될 수 있다.

상기 스페이서(560)의 재질은 폴리 에틸렌(FEP, PFA, ETFE, PVC, P.E, PTFE) 재질일 수 있다.

또한, 상기 스페이서(560)은 필요에 따라 불화 폴리 에틸렌(PTFE, Poly Tetra Fluoro Ethylene) 재질로 구성되거나, 일반 수지 또는 폴리 에틸렌 재질로 구성된 뒤 표면이 불화 폴리 에틸렌 등으로 코팅될 수 있다. 이 경우, 상기 불화 폴리 에틸렌은 테프론일 수 있다.

테프론(Teflon)은 불소수지의 일종으로, 테프론은 불소와 탄소의 강력한 화학적 결합으로 인해 매우 안정된 화합물을 형성함으로써 거의 완벽한 화학적 비활성 및 내열성, 비점착성, 우수한 절연 안정성, 낮은 마찰계수 등의 특성들을 가지고 있다. 또한, 테프론은 어느 정도의 유연성을 가지므로, 상기 단열부(400)를 나선형으로 감싸며, 초전도 케이블의 길이방향으로 권선되어 배치될 수 있고, 어느 정도의 강도를 가지므로 단열부(400)와 외부 금속관(600)의 접촉을 방지하는 이격 수단으로 활용되어 진공부(500)를 구성하는 이격 공간을 물리적으로 유지하는 역할을 수행할 수 있다. 상기 스페이서(560)의 직경은 4 밀리미터(mm) 내지 8 밀리미터(mm)일 수 있다. 상기 스페이서(560)의 단면 형태는 원형, 삼각형, 사각형, 별형 등의 다양한 형태가 가능하다.

상기 스페이서(560)이 구비된 상기 진공부(500) 외측에는 외부 금속관(600)이 구비될 수 있다. 상기 외부 금속관(600)은 상기 내부 금속관(300)과 동일한 형태와 재질로 구성될 수 있으며, 상기 외부 금속관(600)은 상기 내부 금속관(300)보다 더 큰 직경으로 구성되어 스페이서(560)를 통한 이격 공간의 형성을 가능하게 할 수 있다. 상기 스페이서(560)에 대한 자세한 설명은 뒤로 미룬다.

그러므로, 상기 외부 금속관(600)은 냉각부(200)를 구획하는 내부 금속관(300)을 통해 액상 냉매가 공급되기 시작하면 상기 내부 금속관(300)과 달리 단열부 또는 진공부 등에 의하여 상기 내부 금속관(300)보다 냉각 속도 또는 수축 속도가 느리게 된다. 본 발명의 초전도 케이블은 저온 금속관으로서의 내부 금속관(300)과 상온 금속관으로서의 외부 금속관(600)을 포함하며, 이는 각각 후술하는 중간 접속구조(2000)의 내부 하우징(2200) 및 외부 하우징(2300)과 연결된다.

따라서, 냉매 공급에 따라 내부 금속관(300) 및 외부 금속관(600)의 냉각 속도 편차에 따른 수축량 차이는 중간 접속구조(2000)와의 연결부를 손상하는 등의 문제를 발생시킬 수 있으므로 이와 같은 문제를 해결할 필요가 있다.

그리고, 상기 외부 금속관(600) 외측에는 초전도 케이블 내부를 보호하기 위한 외장 기능을 수행하는 외부자켓(700)가 구비될 수 있다. 상기 외부자켓은 통상적인 전력용 케이블의 외부자켓(700)를 구성하는 시스재가 사용될 수 있다. 상기 외부자켓(700)는 그 내부의 금속관(600) 등의 부식을 방지하고 외력에 의한 케이블 손상을 방지할 수 있다. 폴리에틸렌(PE) 폴리염화비닐(PVC) 등의 재질로 구성될 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 중간 접속구조(2000)의 단면도를 도시한다.

본 발명은 포머(110), 초전도 도체층(130), 절연층(160) 및 초전도 차폐층(180)이 순차적으로 구비되는 코어부(100), 상기 코어부(100) 외측에 냉각유로를 통한 액상 냉매로 코어부를 냉각시키는 냉각부(200)를 수용하는 내부 금속관(300), 및, 상기 내부 금속관(300) 외측을 감싸는 진공부(500)를 구획하는 외부 금속관(600)을 포함하는 초전도 케이블 간의 중간 접속하기 위한 중간 접속구조에 있어서, 상기 초전도 케이블(1000)의 양 코어부(100)가 내부에서 접속되며, 상기 초전도 케이블의 내부 금속관와 연결되어 액상 냉매를 수용하기 위한 내부 하우징(2200), 상기 내부 하우징 외측을 진공 단열하기 위한 외부 하우징(2300) 및, 일단은 상기 초전도 케이블의 외부 금속관(300)에 고정되고, 타단은 상기 외부 하우징(2300)에 고정되는 수축 방지부재(2600)를 구비하는 초전도 케이블의 중간 접속구조(2000)를 제공할 수 있다.

본 발명에 따른 초전도 케이블의 중간 접속구조(2000)는 장거리 초전도 전력 시스템을 구성하기 위하여 미리 결정된 간격으로 초전도 케이블(1000)을 접속한다.

상기 중간 접속구조(2000) 내부에는 접속되는 2개의 초전도 케이블의 코어부(100)가 극저온 환경에서 상호 접속되는 접속부(2100)가 구비된다.

상기 접속부(2100)에서 양 초전도 케이블의 포머, 초전도층 및 초전도 차폐층이 각각 접속되며, 상기 접속부(2100) 주변 영역은 극저온 환경을 유지하기 위하여 초전도 케이블 내측의 냉각부가 상기 접속부(2100) 주변으로 연장 및 확장되도록 구성된다..

상기 초전도 케이블(1000) 내측의 냉각부(200)가 상기 접속부(2100) 주변으로 연장 및 확장되도록 하기 위하여 중간 접속구조(2000)는 내부 하우징(2200)을 구비한다.

상기 내부 하우징(2200)은 초전도 케이블의 코어가 접속되는 접속부(2100)가 내부에 수용되고, 초전도 케이블의 냉각부가 연장 및 확장되도록 상기 초전도 케이블의 내부 금속관(3000)과 연결된다.

상기 중간 접속구조(2000)를 구성하는 내부 하우징(2200) 및 외부 하우징(2300)은 스테인리스 재질로 구성될 수 있고, 상기 초전도 케이블(1000)의 내부 금속관(300) 및 외부 금속관(600)은 알루미늄 또는 스테일리스 재질로 구성될 수 있으며, 알루미늄이 적용될 경우 양 금속은 용접 등이 어려운 재질이므로, 각각의 금속관과 하우징의 접합은 이종 금속 접합을 위한 이종금속 접합부(1500a, 1500b)를 통해 접합될 수 있다. 상기 이종금속 접합부(1500a, 1500b)은 이종금속으로 구성된 접합수단으로서 미리 이종금속으로 양분된 구조로 접합된 접합수단이다.

상기 초전도 케이블의 내부 금속관(300)과 연결된 중간 접속구조(2000)의 내부 하우징(2200) 내의 수용공간에 코어의 접속부(2100)가 배치된다. 상기 내부 하우징(2200) 내측은 액상 냉매가 유동하는 공간으로서 극저온 환경이 유지되어야 한다.

따라서, 본 발명에 따른 중간 접속구조(2000) 역시 초전도 케이블의 냉각부(200)와 진공부(500)와 같은 이중 구조로 극저온 환경을 유지한다.

그러므로, 본 발명에 따른 중간 접속구조(2000)는 내부 하우징(2200) 외측을 진공 단열하기 위한 외부 하우징(2300)을 구비한다. 상기 외부 하우징(2300)은 초전도 케이블의 외부 금속관과 연결될 수 있다.

그리고, 후술하는 바와 같이, 상기 중간 접속구조(2000) 내부의 진공영역은 제1 진공영역(v1)과 제2 진공영역(v2)으로 이원화되어 구성되므로 상기 초전도 케이블의 외부 금속관(600)은 상기 초전도 케이블(1000)의 외부 금속관 이외에도 초전도 케이블의 내부 금속관(300)과도 각각 주름관을 통해 연결될 수 있다.

상기 외부 하우징(2300) 내부는 진공 상태로 유지되어 내부 하우징(2200) 둘레를 진공 단열할 수 있다.

본 발명에 따른 중간 접속구조(2000)는 내부 하우징(2200)을 진공 단열하기 위한 진공영역을 이원화하는 특징이 있다.

설명의 편의상 초전도 케이블(1000)의 외부 금속관 내측에 형성되는 진공부(500)와 연통되어 내부 하우징(2200)의 단부 영역을 진공 단열하는 진공 영역을 제1 진공영역(v1), 상기 원통형 내부 금속관(2200) 둘레를 감싸는 진공 영역을 제2 진공영역(v2)으로 구분한다.

구체적으로, 상기 초전도 케이블의 외부 금속관은 상기 중간 접속구조(2000)의 내부 하우징(2200)과 내부 주름관(2400)으로 연결되어 내부에 상기 초전도 케이블의 외부 금속관 내측의 진공부와 연통되는 제1 진공영역(v1)을 형성하고, 상기 중간 접속구조(2000)의 외부 하우징(2300)과 외부 주름관(2500)으로 연결되어 내부에 제2 진공영역(v2)을 형성할 수 있다. 상기 제2 진공영역(v2)은 내부 금속관 외주면 전체적으로 확장된 영역을 의미한다.

중간 접속구조(2000)의 내부 하우징(2200)의 극저온 환경을 보호하기 위한 진공영역을 이원화하는 이유는 어느 하나의 진공 상태가 파괴되는 경우에도 전체 시스템의 진공이 함께 깨지는 것을 방지하기 위함이다.

초전도 전력 시스템은 극저온의 초전도 환경이 지속적으로 유지되어야 하며, 이러한 초전도 환경 또는 초전도 조건은 액상 냉매에 의한 냉각과 진공에 의한 진공 단열을 전제로 한다.

따라서, 중간 접속구조(2000)의 고장시 수리를 하거나, 기타 사유로 유지 또는 보수하는 경우에 시스템 전체의 진공을 파괴하는 것은 효율적이지 않다. 예를 들면, 초전도 전력 시스템을 구성하는 초전도 케이블은 수백미터 단위로 연결될 수 있으며, 그 내부의 진공화 작업은 수일이 소요되기도 하기 때문이다.

따라서, 본 발명에 따른 초전도 케이블의 중간 접속구조(2000)의 진공 영역은 초전도 케이블의 진공부와 연결되고 내부 하우징(2200)의 단부 영역을 감싸는 제1 진공영역(v1)과 내부 하우징(2200)의 외주면을 감싸는 제2 진공영역(v2)으로 분리하여, 중간 접속구조(2000)의 고장 등이 발생되는 경우 이를 유지 또는 보수하기 위하여 제2 진공영역(v2)의 진공 상태를 해제하여도 초전도 케이블과 연결된 제1 진공영역(v1)의 진공상태는 유지될 수 있다.

따라서, 상기 초전도 케이블의 외부 금속관은 중간 접속구조(2000)의 내부 하우징(2200)과 내부 주름관(2400)으로 연결되고 중간 접속구조(2000)의 외부 하우징(2300)과 외부 주름관(2500)에 의하여 연결되도록 구성될 수 있다.

여기서, 초전도 케이블과 중간 접속구조(2000)를 구성하는 내부 하우징(2200) 또는 외부 하우징(2300)을 주름관으로 연결하는 이유는 다음과 같다.

초전도 케이블은 제조된 후 현장에 설치되기 전에 보빈 등에 미리 결정된 단위로 제작되어 권선되어 공급되며, 포설 현장에서 중간 접속구조(2000) 등에 접속된다.

이 경우, 초전도 케이블의 접속 과정에서 어느 정도의 케이블의 길이 오차가 발생될 수 있으며, 이러한 오차는 주름관(유연한 자바라) 구조에 의하여 상쇄되어 초전도 케이블의 내부 금속관(300)과 외부 금속관(600)이 상호 연결되도록 하여, 초전도 케이블 내부의 냉각부와 진공부가 중간 접속구조(2000)까지 기밀성을 유지하며 확장 및 연장되도록 할 수 있게 된다.

이러한 주름관 구조는 초전도 케이블을 구성하는 내부 금속관 또는 외부 금속관의 코러게이션 구조와는 구별되는 것이다. 즉, 초전도 케이블의 내부 금속관 또는 외부 금속관에 형성되는 코러게이션(골과 마루가 반복) 구조는 초전도 케이블의 밴딩 특성을 향상시키고 강성을 보강하기 위한 것이지만, 중간 접속구조(2000)의 주름관 구조는 초전도 케이블의 길이방향 신축성을 제공하기 위한 구성이므로 재질의 두께 등에서 주름 구조 등에서 차이가 있다.

전술한 바와 같이, 상기 초전도 케이블의 외부 금속관은 상기 중간 접속구조(2000)과 진공 영역을 이원화하기 위하여 중간 접속구조(2000)의 내부 하우징(2200) 및 외부 하우징(2300)과 각각 내부 주름관(2400) 및 외부 주름관(2500)에 의하여 연결된다.

상기 초전도 케이블의 외부 금속관은 골과 마루가 반복되는 구조이므로 내부 주름관(2400) 및 외부 주름관(2500)이 독립적으로 장착되기 용이한 구조가 아니므로 본 발명에 따른 중간 접속구조(2000)의 내부 주름관(2400)과 외부 주름관(2500)은 연결부재를 매개로 초전도 케이블(1000)의 외부 금속관(600)과 연결될 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 그리고, 초전도 케이블과 중간 접속구조(2000)는 케이블 포설 과정에서 발생되는 케이블 길이 등의 오차를 상쇄하기 위하여 내부 주름관(2400) 및 외부 주름관(2500)을 통해 연결된다.

그러나 도 5 등을 참조하여 후술하는 바와 같이 액상 냉매의 공급이 시작됨과 동시에 케이블을 구성하는 내부 금속관(300)과 이와 연결된 내부 하우징(2200) 등은 급속히 냉각되어 수축력이 발생될 것이다. 따라서, 내부 하우징(2200)과 외부 하우징(2300)으로 구성된 이중 구조의 중간 접속구조(2000)가 내부에서는 특정 방향으로 수축력이 인가되는 경우, 수축력이 내부 하우징(2200)에만 인가되는 것을 방지하기 위하여, 상기 내부 하우징(2200)과 상기 외부 하우징(2300)은 액상 냉매가 공급되는 경우 초전도 케이블의 내부 금속관(300) 및 중간 접속구조(2000)의 내부 하우징(2200)이 액상 냉매의 공급방향과 반대방향으로 수축되는 수축력이 상기 외부 하우징(2300)에 공유되도록 상기 내부 하우징(2200)의 외면과 상기 외부 하우징(2300)의 내면을 연결하여 고정하는 고정부재(2250)를 더 포함할 수 있다.

상기 고정부재(2250)는 고정되어 연결된 초전도 케이블의 내부 금속관(300) 및 중간 접속구조(2000)의 내부 하우징(2200)에 수축력이 인가되는 경우, 외부 하우징(2300)에도 해당 수축력이 함께 공유되도록 하기 위하여 구비되는 것으로 볼 수 있다.

만일 내부 하우징(2200)만 일측으로 수축력이 인가되면, 내부 하우징(2200)과 외부 하우징(2300) 사이의 충돌 또는 간섭이 발생될 수 있기 때문에 이를 예방해야 한다.

따라서, 본 발명에 따른 초전도 케이블의 중간 접속구조(2000)의 내부 하우징(2200) 및 외부 하우징(2300)을 연결하여 고정하는 고정부재(2250)는 초전도 케이블의 내부 금속관(300) 및 중간 접속구조(2000)가 수축되어 수축력이 발생되는 경우, 중간 접속구조(2000)의 외부 하우징(2300)도 힘이 공유되도록 하여 중간 접속구조 내부에서 발생될 수 있는 부품간의 물리적 간섭 등을 방지할 수 있다.

이와 같이, 냉매의 공급이 시작되는 경우, 수축력이 초전도 케이블의 내부 금속관(300), 중간 접속구조(2000)의 내부 하우징(2200)과 외부 하우징(2300)에 순처적으로 공유되면, 도 4에 도시된 중간 접속구조는 초전도 케이블의 내부 금속관(300) 및 중간 접속구조(2000)의 내부 하우징(2200)의 수축에 따라 냉매의 공급방향과 반대방향으로 위치가 변경될 것이다.

또한, 상기 고정부재(2250)에 의하여 연결된 중간 접속구조(2000)의 외부 하우징 역시 고정부재(2250)을 매개로 연결되어 함께 변위될 것이다.

중간 접속구조의 하우징들과 초전도 케이블의 금속관들은 각각의 주름관에 의하여 연결되므로 수축력에 의한 수축을 막을 수 없기 때문이다.

이 경우, 전술한 바와 같이 초전도 케이블의 코어 등에 포함된 포머는 냉각이 상대적으로 지연되어, 초전도 케이블의 내부 금속관의 수축량에 비해 작은 수축량을 가지며 수축될 것이다.

따라서, 도 4에서 금속관 및 하우징 등은 좌측(냉매의 공급방향과 반대방향) 방향으로 크게 수축되지만 코어와 접속부는 상대적으로 적은 수축량으로 인해 제자리에 머무는 듯한 효과가 발생될 것이고, 이와 같은 상황에서 내부 하우징의 모서리(2200e) 등을 포함하는 내부 구성들이 직경이 확장된 접속부(2100)의 단부 테두리(2100s)에 충돌하는 등의 문제를 발생시킬 수 있다.

이를 방지하기 위하여, 본 발명에 따른 중간 접속구조(2000)는 초전도 케이블의 내부 금속관(300), 중간 접속구조(2000)의 내부 하우징(2200)과 외부 하우징(2300)에 수축력이 인가되어도 수축되지 않도록 수축 방지부재(2600)을 더 포함할 수 있다. 도 5를 참조하여 설명한다.

도 5는 도 4에 도시된 중간 접속구조(2000)에 접속된 초전도 케이블 중 일측 초전도 케이블을 통해 액상 냉매가 공급되는 경우 수축 방지부재(2600)에 의하여 초전도 케이블의 코어와 내부 금속관 및 중간 접속구조(2000)를 구성하는 내부 하우징(2200)의 수축이 차단된 상태를 도시한다.

도 5는 초전도 전력 시스템의 설치 후 액상 냉매가 특정 종단 접속함에서 초전도 케이블과 중간 접속구조(2000) 방향으로 공급되는 과정을 가정하여 설명한다. 초전도 전력 시스템을 작동하기 위해서, 초전도체를 포함하여 구성되는 초전도 케이블의 코어에 극저온 환경을 제공해야 한다.

따라서, 종단 접속함 등을 통해 초전도 케이블의 냉각부로 액상 냉매가 공급되면 액상 냉매는 초전도 케이블의 내부 금속관(300)과 중간 접속구조(2000)의 액상 냉매가 수용되는 내부 하우징(2200)을 급속하게 냉각시킬 것이며, 이러한 냉각에 의하여 초전도 케이블의 내부 금속관(300)과 중간 접속구조(2000)의 하우징들은 냉매의 공급방향과 반대 방향으로 일정 거리 이상으로 수축 또는 수축에 의해 변위될 것이다.

반면, 초전도 케이블의 포머는 상대적으로 천천히 냉각될 것이므로, 수축 속도가 지연될 것이므로, 냉매의 공급 시간 동안 일정 거리에 못미치는 수축량이 발생될 것으로 예상된다.

상기 중간 접속구조(2000)를 구성하는 내부 하우징(2200)과 외부 하우징(2300)은 시공 오차 등을 상쇄하기 위한 케이블의 길이방향으로 유연한 변형이 가능한 내부 주름관(2400) 및 외부 주름관(2500)을 통해 초전도 케이블의 외부 금속관에 연결되므로, 위와 같은 수축력은 중간 접속구조(2000) 전체를 냉매의 공급 방향의 반대 방향으로 변위될 것이나, 내부 하우징 내에 수용된 접속부(2100)는 상대적으로 적게 변위되어, 이러한 위치 변경에 의하여 중간 접속구조(2000) 내부에서 구성요소 간(예를 들면, 내부 하우징의 모서리(2200e) 등을 포함하는 내부 구성들이 직경이 확장된 접속부(2100)의 단부 테두리(2100s)의 충돌 또는 손상 등이 발생될 것이므로 냉매가 공급되어 수축력이 인가되더라도 중간 접속구조(2000)의 내부 구성들의 위치가 변경되는 것을 방지할 필요가 있다.

따라서, 본 발명에 따른 중간 접속구조(2000)는 초전도 케이블의 외부 금속관 외표면과 중간 접속구조(2000)의 외부 하우징(2300)에 양단이 고정된 수축 방지부재(2600)를 구비한다.

상기 수축 방지부재(2600)는 상기 중간 접속구조(2000)를 통해 접속되는 어느 하나의 초전도 케이블의 내부 금속관을 통해 극저온의 액상 냉매가 공급되는 경우, 상기 초전도 케이블의 내부 금속관(300) 및 중간 접속구조(2000)의 내부 하우징(2200)과 외부 하우징(2300)을 냉매의 공급방향과 반대방향으로 수축 또는 변위되려는 수축력을 지지할 수 있다.

전술한 바와 같이, 상기 중간 접속구조(2000)를 구성하는 내부 하우징(2200) 및 외부 하우징(2300)은 스테인리스 재질로 구성될 수 있고, 상기 초전도 케이블(1000)의 내부 금속관(500) 및 외부 금속관(600)은 알루미늄 또는 스테일리스 재질로 구성될 수 있으며, 상기 수축 방지부재(2600)는 그 일단이 상기 초전도 케이블의 외부 금속관(600)에 고정되고, 타단은 상기 외부 하우징(2300)에 고정되어 냉매 공급시 발생될 수 있는 상기 초전도 케이블의 내부 금속관(300) 및 중간 접속구조(2000)의 수축에 의한 변위를 저지하기 위하여 구비되므로, 상기 수축 방지부재(2600)는 충분한 인장력을 갖는 것이 바람직하다.

특히, 상기 수축 방지부재(2600)는 알루미늄 등으로 구성될 수 있는 내부 금속관(500) 및 외부 금속관(600)보다 큰 인장강도를 갖는 금속으로 구성되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 상기 수축 방지부재(2600)는 스테인리스 스틸 등으로 구성될 수 있다.

도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 수축 방지부재(2600)는 단면 형상이 'ㄱ' 형태로 구성된 링 형태로 구성될 수 있다.

여기서, 상기 수축 방지부재(2600)는 케이블의 길이방향, 즉 수평방향 수축력을 저지해야 하므로, 상기 수축 방지부재의 수직방향 높이(b)가 수평방향 폭(a)보다 크게 구성되는 것이 바람직하다. 상기 수축 방지부재(2600)의 수평방향 폭(a)이 크게 구성되면, 수축력 인가시 상기 수축 방지부재(2600)의 수평방향 영역이 쉽게 변형될 수 있기 때문이다.

여기서, 상기 중간 접속구조(2000)를 구성하는 내부 하우징(2200)과 외부 하우징(2300)은 고정부재(2250)에 의하여 연결되므로 상기 수축 방지부재(2600)를 외부 금속관과 외부 하우징(2300)에 양단을 고정해도 수축력을 지지할 수 있다.

결과적으로, 상기 수축 방지부재(2600)는 일단은 상기 초전도 케이블의 외부 금속관(600)에 고정되고, 타단은 상기 중간 접속구조의 외형을 구성하며 그 내부를 진공 단열하기 위한 외부 하우징(2300)에 고정되어 상기 내부 금속관(500)과 상기 외부 금속관(600)의 수축량 차이에 의한 접속구조(2100)의 파손을 방지할 수 있는 효과를 제공할 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 따른 초전도 케이블의 중간 접속구조는 시공 상의 오차를 상쇄하기 위하여 케이블과 접속함을 주름관으로 연결하는 경우에도 냉매 공급에 의한 수축 발생시 발생될 수 있는 부품 등의 손상 등을 수축 방지부재(2600)를 통해 방지할 수 있으므로 시스템의 안정성이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.

본 명세서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 당업자는 이하에서 서술하는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 변형된 실시가 기본적으로 본 발명의 특허청구범위의 구성요소를 포함한다면 모두 본 발명의 기술적 범주에 포함된다고 보아야 한다.

2000 : 중간 접속구조
2100 : 접속부
2200 : 내부 하우징
2250 : 고정부재
2300 : 외부 하우징
2400 : 내부 주름관
2500 : 외부 주름관
2600 : 수축 방지부재
1000 : 초전도 케이블
100 : 코어부
200 : 냉각부
300 : 내부 금속관
500 : 진공부
600 : 외부 금속관

Claims (12)

1. 포머, 초전도 도체층, 절연층 및 초전도 차폐층이 순차적으로 구비되는 코어부; 상기 코어부 외측에 냉각유로를 통한 액상 냉매로 코어부를 냉각시키는 냉각부를 수용하는 내부 금속관; 및, 상기 내부 금속관 외측을 감싸는 진공부를 구획하는 외부 금속관;을 포함하는 초전도 케이블 간의 중간 접속하기 위한 중간 접속구조에 있어서,
   상기 초전도 케이블의 양 코어부가 내부에서 접속되며, 상기 초전도 케이블의 내부 금속관와 연결되어 액상 냉매를 수용하기 위한 내부 하우징;
   상기 내부 하우징 외측을 진공 단열하기 위한 외부 하우징; 및,
   일단은 상기 초전도 케이블의 외부 금속관에 고정되고, 타단은 상기 외부 하우징에 고정되는 수축 방지부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블의 중간 접속구조.
2. 제1항에 있어서,
   상기 내부 하우징과 상기 외부 하우징은 어느 하나의 초전도 케이블의 내부 금속관을 통해 액상 냉매가 공급되는 경우 초전도 케이블의 내부 금속관과 연결된 내부 하우징이 액상 냉매의 공급방향과 반대방향으로 수축되는 수축력이 상기 외부 하우징에 공유되도록 상기 내부 하우징의 외면과 상기 외부 하우징의 내면을 연결하여 고정하는 고정부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블의 중간 접속구조.
3. 제2항에 있어서,
   상기 수축 방지부재는 상기 초전도 케이블의 내부 금속관, 상기 내부 금속관과 연결된 상기 내부 하우징 및 상기 내부 하우징과 상기 고정부재로 연결된 상기 외부 하우징이 액상 냉매의 공급방향과 반대방향으로 수축되려는 수축력을 지지하는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블의 중간 접속구조.
4. 제1항에 있어서,
   상기 수축 방지부재는 단면이 ‘ㄱ’ 자 형태인 링 형상으로 구성되는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블의 중간 접속구조.
5. 제1항에 있어서,
   상기 중간 접속구조의 내부 하우징을 감싸는 외부 하우징의 내부의 진공영역은 이원화된 것을 특징으로 하는 초전도 케이블의 중간 접속구조.
6. 제5항에 있어서,
   상기 초전도 케이블의 외부 금속관은 상기 중간 접속구조의 내부 하우징과 내부 주름관으로 연결되어 내부에 상기 초전도 케이블의 외부 금속관 내측의 진공부와 연통되는 제1 진공영역을 형성하고, 상기 중간 접속구조의 외부 하우징과 외부 주름관으로 연결되어 내부에 제2 진공영역을 형성하는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블의 중간 접속구조.
7. 제6항에 있어서,
   상기 제1 진공영역은 상기 중간 접속구조의 내부 하우징의 양단 영역을 감싸고 상기 초전도 케이블의 진공부와 연통되며, 상기 제2 진공영역은 상기 중간 접속구조 내부 하우징의 원주면을 감싸는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블의 중간 접속구조.
8. 제6항에 있어서,
   상기 초전도 케이블의 외부 금속관은 상기 내부 주름관과 상기 외부 주름관은 연결부재로 연결되는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블의 중간 접속구조.
9. 제1항에 있어서,
   상기 수축 방지부재의 인장강도는 상기 초전도 케이블의 외부 금속관의 인장강도보다 큰 것을 특징으로 하는 초전도 케이블의 중간 접속구조.
10. 제1항에 있어서,
    상기 수축방지부재의 수직방향 높이가 수평방향 폭보다 큰 것을 특징으로 하는 초전도 케이블의 중간 접속구조.
11. 초전도 도체층을 포함하는 코어부, 상기 코어부 외측에 냉각유로를 통한 액상 냉매로 코어부를 냉각시키는 냉각부를 수용하는 내부 금속관 및 상기 내부 금속관 외측을 감싸는 진공부를 구획하는 외부 금속관을 포함하는 초전도 케이블 간의 중간 접속하기 위한 중간 접속구조에 있어서,
    상기 내부 금속관과 상기 외부 금속관의 수축량 차이에 의한 접속구조의 파손을 방지하기 위하여, 일단은 상기 초전도 케이블의 외부 금속관에 고정되고, 타단은 상기 중간 접속구조의 외형을 구성하며 그 내부를 진공 단열하기 위한 외부 하우징에 고정되는 수축 방지부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블의 중간 접속구조.
12. 제11항에 있어서,
    상기 초전도 케이블의 양 코어부가 내부에서 접속되며, 상기 초전도 케이블의 내부 금속관와 연결되어 액상 냉매를 수용하기 위한 내부 하우징을 더 포함하고,
    초전도 케이블의 내부 금속관과 연결된 내부 하우징이 액상 냉매의 공급방향과 반대방향으로 수축되는 수축력이 상기 외부 하우징에 공유되도록 상기 내부 하우징의 외면과 상기 외부 하우징의 내면을 연결하여 고정하는 고정부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블의 중간 접속구조.

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