KR20230154769A - 섬유 강화 열가소성 복합재 외장을 갖는 동적 케이블 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 해저 적용예를 위한 동적 전력 케이블에 관한 것으로서, 동적 전력 케이블은, 수방벽 외장의 둘레에 반경 방향으로 배치된, 적어도 하나의 압출된 섬유 강화 열가소성 복합재 코어 외장을 포함하여, 수방벽 외장의 감소된 좌굴을 제공한다.
Description
본 발명은 해저 적용예를 위한 동적 케이블에 관한 것이다.
세계의 해양 인프라가 발전함에 따라, 수역의 아래에서, 위에서, 안에서 또는 수역에 걸쳐서 전력을 전달하기 위한 해저 케이블의 사용이 급속하게 증가하고 있다. 해저 전력 케이블은 가느다란 구조물이며, 수역의 표면에 위치된 부유 유닛(floating unit) 사이에 통상적으로 매달려 있고, 전형적으로 이로부터 전력이 해저 상의 장비에 전달된다. 해저 전력 케이블을 위한 적용예의 범위는 광범위하며, 해양 풍력 발전 지역과 같은 재생 에너지 생산 현장의 석유 및 가스 생산 설비와 같이 전기를 수신 또는 전송하기 위해 필요한 임의의 해상 기반 설비를 포함한다. 따라서, 전형적으로 해저 전력 케이블은, 파동 및 해류로 인한 케이블의 동적 이동 동안 부과되는 기계적 부하에 노출된다. 해저 전력 케이블의 원하는 수명은 10년 내지 50년이므로, 케이블의 모든 구성 요소는 오랜 시간 기간 동안 기계적 부하에 대한 노출을 견뎌야 한다.
해저 전력 케이블은, 케이블 코어를 건조성으로 유지하기 위해 수방벽 외장(water barrier sheathing)을 구비해야 한다. 수분의 유입은 궁극적으로 케이블의 고장을 유발할 수 있기 때문에, 수방벽 외장은 물의 대류 또는 확산을 완전히 차단해야 한다.
통상적인 수방벽 외장은 전형적으로 이음매 없는 튜브의 연속적 또는 불연속적 압출에 의해 제조되며, 이들의 압출성 및 높은 연성으로 인해 흔히 납 또는 납합금을 포함한다.
그러나, 동적 케이블 내의 반경 방향 수방벽으로서의 납 외장은, 재료가 좋지 않은 피로 특성을 갖기 때문에 바람직하지 않다.
납으로 제조된 수방벽의 사용을 방지하기 위해, 흔히 동적 케이블은, 절연성 또는 비-절연성 폴리머 층의 2개의 층 사이에 적층된 금속 층으로 구성되는 금속-폴리머 복합재(composite) 구조물 또는 종방향으로 용접된 금속 외장(LWS)으로 제조된 수방벽을 포함한다. 그러나, 이러한 수방벽은, 천해(shallow water)와 같은, 동적 환경에서의 작동 수명, 큰 전력 위상 단면(power phase cross-section), 또는 특히 LWS 또는 적층된 금속 외장 구조물의 좌굴(buckling)로 인한 가혹한 환경의 측면에서, 이들의 한계에 도달할 수 있다.
기계적 조작 동안 수방벽의 좌굴을 방지하기 위해, 동적 케이블의 굽힘 강성을 증가시키는 것은, 외측 열가소성 외장의 두께를 증가시키거나 이의 폴리머 특성을 변경함으로써 이전에 수행되었다. 외측 열가소성 외장 아래의 추가적인 반경 방향 금속 피복 외장이 흔히 사용된다.
또한, LWS의 좌굴 저항을 개선하기 위해, 열가소성 코어 외장의 두께는, 특히 납 외장 케이블에 사용된 경우, 일반적인 것보다 더 두꺼웠다.
따라서, 케이블의 증가된 직경이 케이블을 더 무겁게 만들고 조작하기에 더 어렵게 만들기 때문에, LWS 또는 적층된 금속 외장 구조물의 좌굴을 방지하는 동시에 내측 열가소성 코어 외장 및/또는 외측 열가소성 외장의 두께를 증가시키는 것을 방지하는, 개선된 솔루션이 필요하다.
본 발명자들은 LWS 또는 적층된 금속 외장 구조물의 좌굴을 감소시키고 이에 따라 동적 케이블의 피로 수명을 개선하기 위해, 적어도 하나의 압출된 섬유 강화 열가소성 외장을 포함하는 동적 전력 케이블을 제공함으로써 전술한 필요성을 해결하였다. 또한, 이에 따라, 증가된 강성은, 굽힘 동안 점점 더 좌굴에 또한 취약해지는 전력 위상 직경을 증가시키는 것이 가능해지는 이점이 있다.
본 발명자들은 제1 양태에서 동적 전력 케이블을 제공함으로써 전술한 필요성을 해결하였으며, 동적 전력 케이블은,
- 전기 전도체, 및 전기 전도체의 외부에 반경 방향으로 배치된 전기 절연 층을 포함하는 적어도 하나의 케이블 코어;
- 케이블 코어의 외부에 반경 방향으로 배치된 수방벽 외장;
- 수방벽 외장의 외부에 반경 방향으로 배치된, 압출된 내측 섬유 강화 열가소성 복합재 코어 외장을 포함한다.
제1 양태의 일 실시형태에서, 동적 전력 케이블은 적어도 3개의 케이블 코어를 포함하며, 각각의 케이블 코어는,
- 각각의 케이블 코어의 외부에 반경 방향으로 배치된 수방벽 외장; 및
- 각각의 수방벽 외장의 외부에 반경 방향으로 배치된, 압출된 내측 섬유 강화 열가소성 복합재 코어 외장을 갖는다.
제1 양태의 일 실시형태에서, 동적 전력 케이블은, 수방벽 외장 및 압출된 내측 섬유 강화 열가소성 복합재 코어 외장을 갖는 적어도 3개의 케이블 코어의 외부에 반경 방향으로 배치된 피복(armouring) 층을 더 포함하며, 압출된 외측 섬유 강화 열가소성 복합재 외장은 피복 층의 외부에 반경 방향으로 배치된다.
제1 양태의 일 실시형태에서, 동적 전력 케이블은, 수방벽 외장 및 압출된 내측 섬유 강화 열가소성 복합재 코어 외장을 갖는 적어도 3개의 케이블 코어의 외부에 반경 방향으로 배치된, 압출된 외측 섬유 강화 열가소성 복합재 외장을 더 포함한다. 이러한 실시형태에서, 압출된 외측 섬유 강화 열가소성 복합재 외장은 통상적인 피복 층을 대체하고, 이에 따라 전력 케이블이 피복 층을 포함하지 않기 때문에, 추가적인 피복 층에 대한 요건이 없다.
제1 양태의 일 실시형태에서, 압출된 내측 및/또는 압출된 외측 섬유 강화 열가소성 복합재 외장은, 짧은 섬유로 강화된 열가소성 폴리머를 포함하며, 짧은 섬유는, 약 45 mm 이하, 예를 들어 약 20 mm 이하, 예를 들어 약 15 mm 이하, 예를 들어 약 10 mm 이하 또는 예를 들어 약 5 mm 이하, 예를 들어 약 4 mm 이하, 예를 들어 약 3 mm 이하, 예를 들어 약 2 mm 이하 또는 예를 들어 약 1.5 mm 이하, 예를 들어 약 1 mm 이하의 길이를 갖는다.
제1 양태의 일 실시형태에서, 압출된 내측 및/또는 압출된 외측 섬유 강화 열가소성 복합재 외장은, 짧은 섬유로 강화된 열가소성 폴리머를 포함하며, 짧은 섬유는, 약 0.1 ㎛ 내지 약 45 mm 범위, 예를 들어 약 0.1 ㎛ 내지 약 20 mm 범위, 예를 들어 약 0.1 ㎛ 내지 약 10 mm 범위, 예를 들어 약 0.1 ㎛ 내지 약 5 mm 범위, 예를 들어 약 0.1 ㎛ 내지 약 4 mm 범위, 예를 들어 약 0.1 ㎛ 내지 약 3 mm 범위, 예를 들어 약 0.1 ㎛ 내지 약 2 mm 범위의 길이를 갖는다.
바람직하게는, 짧은 섬유는 약 0.1 ㎛ 내지 약 1 mm 범위의 길이를 가지며, 보다 바람직하게는 약 0.1 ㎛ 내지 약 0.5 mm 범위의 길이를 갖는다.
제1 양태의 일 실시형태에서, 짧은 섬유는, 유리 섬유, 탄소 섬유, 현무암 섬유, 그래핀 나노튜브, 단일벽 및/또는 다중벽 탄소 나노튜브, 그래핀 소판(graphene platelet), 그래핀 산화물 소판, 및 절단 천연 섬유, 및 이들의 임의의 조합물로부터 선택된다.
일 실시형태에서, 절단 천연 섬유는, 황마, 대나무, 또는 이들의 임의의 조합물로부터 선택된다.
제1 양태의 일 실시형태에서, 짧은 섬유는, 약 0.1 ㎛ 내지 약 1000 ㎛ 범위의 길이를 갖는 유리 섬유이다.
제1 양태의 일 실시형태에서, 짧은 섬유는, 약 0.1 ㎛ 내지 약 1000 ㎛ 범위의 길이를 갖는 탄소 섬유이다.
제1 양태의 일 실시형태에서, 짧은 섬유는, 약 0.1 ㎛ 내지 약 1000 ㎛ 범위의 길이를 갖는 현무암 섬유이다.
제1 양태의 일 실시형태에서, 짧은 섬유는 그래핀 나노튜브이다.
제1 양태의 일 실시형태에서, 짧은 섬유는 단일벽 및/또는 다중벽 탄소 나노튜브이다.
제1 양태의 일 실시형태에서, 짧은 섬유는 그래핀 소판 또는 그래핀 산화물 소판이다.
제1 양태의 일 실시형태에서, 짧은 섬유는 절단 천연 섬유이다.
제1 양태의 일 실시형태에서, 압출된 내측 및/또는 외측 섬유 강화 열가소성 복합재 외장은, 적어도 0.01% (v/v)의 전술한 짧은 섬유, 예를 들어 적어도 0.05% (v/v), 예를 들어 적어도 0.1% (v/v), 예를 들어 적어도 0.5% (v/v), 예를 들어 적어도 1% (v/v), 예를 들어 적어도 5% (v/v), 예를 들어 적어도 10% (v/v), 예를 들어 적어도 20% (v/v)의 전술한 짧은 섬유로 강화된다.
제1 양태의 일 실시형태에서, 압출된 내측 및/또는 외측 섬유 강화 열가소성 복합재 외장은, 0.01% 내지 50% (v/v)의 짧은 섬유, 예를 들어 약 0.01% 내지 약 40% (v/v), 예를 들어 약 0.01% 내지 약 30% (v/v), 예를 들어 약 0.05% 내지 약 30% (v/v), 예를 들어 약 0.1% 내지 약 30% (v/v), 예를 들어 약 0.1% 내지 약 10% (v/v), 예를 들어 약 5% 내지 약 30% (v/v)의 짧은 섬유로 강화된다.
제1 양태의 일 실시형태에서, 압출된 내측 및/또는 외측 섬유 강화 열가소성 복합재 외장의 폴리머는, 폴리에틸렌 및 이의 코폴리머, 폴리프로필렌 및 이의 코폴리머, 폴리아미드 및 이의 코폴리머, 폴리염화비닐(PVC), 열가소성 폴리우레탄(TPU), 캐스트 폴리우레탄(PU), 및 이들의 임의의 조합물로부터 선택된다.
제1 양태의 일 실시형태에서, 폴리에틸렌은 LLDPE, MDPE, 및 HDPE로부터 선택된다.
제1 양태의 일 실시형태에서, 폴리아미드는 나일론이다.
제1 양태의 일 실시형태에서, 전력 케이블은, 열가소성 폴리머에 내장된 권취 섬유(wound fibre)를 갖는, 추가적인 섬유 강화 열가소성 복합재 외장을 포함한다.
제1 양태의 일 실시형태에서, 추가적인 섬유 강화 열가소성 복합재 외장은, 1% 내지 90% (v/v)의 권취 섬유, 예를 들어 약 2% 내지 약 90% (v/v) 섬유, 예를 들어 약 3% 내지 약 90% (v/v) 섬유, 예를 들어 약 5% 내지 약 80% (v/v) 섬유, 예를 들어 약 1% 내지 약 10% (v/v) 섬유, 예를 들어 약 10% 내지 약 50% (v/v) 섬유, 또는 예를 들어 약 50% 내지 약 90% (v/v) 섬유로 강화된다.
제1 양태의 일 실시형태에서, 권취 섬유는, 유리 섬유, 탄소 섬유, 폴리프로필렌 섬유, UHMWPE와 같은 폴리에틸렌 섬유, 아라미드 섬유, 액정 폴리머 섬유, 폴리에스테르 섬유, 황마 및 사이잘과 같은 천연 섬유, 및 이들의 임의의 조합물로부터 선택된다.
제1 양태의 일 실시형태에서, 추가적인 섬유 강화 열가소성 복합재 외장은, 압출된 내측 섬유 강화 열가소성 복합재 코어 외장의 둘레에 반경 방향으로 배치된다.
제1 양태의 일 실시형태에서, 추가적인 섬유 강화 열가소성 복합재 외장은, 압출된 외측 섬유 강화 열가소성 복합재 외장의 둘레에 반경 방향으로 배치된다.
제1 양태의 일 실시형태에서, 수방벽 외장은, 절연성 또는 비-절연성 폴리머의 적어도 2개의 층 사이에 적층된 금속박을 포함하는 적층 구조물(laminate structure)이다.
제1 양태의 일 실시형태에서, 수방벽 외장은 종방향으로 용접된 금속 외장이다.
제1 양태에 따른 일 실시형태에서, 동적 전력 케이블은 고전압 동적 전력 케이블이다.
제2 양태에서, 압출된 섬유 강화 열가소성 복합재 코어 외장을 포함하는 동적 전력 케이블을 제조하는 방법이 제공되며, 방법은,
- 전기 전도체, 및 전기 전도체의 외부에 반경 방향으로 배치된 전기 절연 층을 포함하는 적어도 하나의 케이블 코어를 제공하는 단계;
- 케이블 코어의 둘레에 반경 방향으로 수방벽 외장을 감아서 수밀 외장(watertight sheath)을 형성하는 단계;
- 수방벽 외장의 둘레에 반경 방향으로 짧은 섬유를 포함하는 열가소성 폴리머를 압출하여, 압출된 내측 섬유 강화 열가소성 복합재 코어 외장을 제공하는 단계로서, 짧은 섬유는 약 45 mm 이하의 길이를 갖는, 단계; 및
- 압출된 내측 섬유 강화 열가소성 복합재 코어 외장을 수방벽 외장에 결합시키기 위해, 수방벽 외장과 압출된 내측 섬유 강화 열가소성 복합재 코어 외장 사이에 접착제 층을 선택적으로 제공하는 단계를 포함한다.
제2 양태에 따른 일 실시형태에서, 방법은, 열가소성 폴리머로 함침된 연속적 섬유가 섬유 강화 열가소성 복합재 코어 외장의 둘레에 반경 방향으로 권취되는 추가적인 단계를 포함한다.
제2 양태에 따른 일 실시형태에서, 권취 섬유는 열가소성 폴리머로 미리 함침된다.
제2 양태에 따른 일 실시형태에서, 섬유는 사이징(sizing)을 갖거나 사이징을 갖지 않는다.
제2 양태의 일 실시형태에서, 수방벽 외장은, 절연성 또는 비-절연성 폴리머의 적어도 2개의 층 사이에 적층된 금속박을 포함하는 적층 구조물이다.
제2 양태의 일 실시형태에서, 수방벽 외장은 종방향으로 용접된 금속 외장이다.
제2 양태에 따른 일 실시형태에서, 동적 전력 케이블은 고전압 동적 전력 케이블이다.
제3 양태에서, 70 m보다 더 깊은 또는 900 m보다 더 깊은 수심 적용예에서의 동적 케이블의 사용이 제공된다.
제3 양태에 따른 일 실시형태에서, 동적 전력 케이블은 고전압 동적 전력 케이블이다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태를 개략적으로 도시하는 것으로서, 하나의 케이블 코어를 포함하는 동적 전력 케이블 단면도의 일 실시예가 도시된다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태를 개략적으로 도시하는 것으로서, 3개의 케이블 코어를 포함하는 동적 전력 케이블 단면도의 일 실시예가 도시된다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태를 개략적으로 도시하는 것으로서, 3개의 케이블 코어를 포함하는 동적 전력 케이블 단면도의 일 실시예가 도시된다.
이하의 설명에서, 본 발명에 대한 보다 철저한 이해를 당업자에게 제공하기 위해, 본 발명의 다양한 실시예 및 실시형태가 상술된다. 첨부된 도면을 참조하여 그리고 다양한 실시형태의 맥락에서 설명되는 구체적인 세부사항은 제한사항으로 해석되도록 의도되지 않는다.
본원에서 수치 제한 또는 범위가 상술되는 경우, 종점이 포함된다. 또한, 수치 제한 또는 범위 내의 모든 값 및 하위 범위는, 마치 명시적으로 기재된 것처럼, 구체적으로 포함된다.
정의:
본원에 적용된 바와 같은 "고전압"이라는 용어는, 36 kV 초과의 전압, 예를 들어 50 kV 내지 800 kV 범위의 전압을 지칭한다.
"동적"이라는 용어는, 사용 시에 이동에 노출되는 케이블을 지칭하기 위해 본원에서 적용된다.
해저 동적 전력 케이블은, 2개의 고정된 지지체 사이에서 이동하도록 허용 및 설치된 전력 케이블이다. 하나의 지지체는 해저에 위치되며, 하나는 해수면에 위치된다. 부유 설비의 이동은, 동적 케이블에 대한 기계적 부하 및 피로를 유발할 것이다.
본원에 적용된 바와 같은 "짧은 섬유"라는 용어는, 45 mm 이하의 길이를 갖는 합성 또는 천연 섬유를 지칭한다. 섬유의 길이는 섬유 강화 외장의 필요한 강성에 따라 달라질 수 있음은 당업자에게 잘 알려져 있다. 따라서, 약 45 mm 이하의 임의의 길이를 갖는 섬유의 사용은 본 발명에서 벗어나지 않을 것이다.
본원에 적용된 바와 같은 "사이징"이라는 용어는, 폴리머 매트릭스와 섬유 간의 접착력을 증가시키고 섬유를 보호하기 위해, 섬유의 표면에 도포된 코팅 또는 프라이밍(priming)을 지칭한다.
본원에 적용된 바와 같은 "% v/v"라는 용어는, 체적 농도 또는 백분율 체적을 지칭한다.
본원에 적용된 바와 같은 "권취 섬유" 또는 "감긴(winding) 섬유"라는 용어는, 연속적 섬유를 지칭한다.
짧은 섬유를 포함하는 섬유 강화 열가소성 복합재 외장
전술한 바와 같이, 본 발명은 수방벽 외장의 좌굴을 감소시키기 위한 적어도 하나의 압출된 섬유 강화 열가소성 복합재 외장을 포함하는 동적 전력 케이블을 제공한다. 따라서, 이는 동적 전력 케이블의 피로 수명을 개선하며, 케이블의 만족스러운 연성 및 강성을 제공한다.
적어도 하나의 압출된 섬유 강화 열가소성 외장은 짧은 섬유를 포함할 수 있으며, 짧은 섬유는, 45 mm 이하, 예를 들어 20 mm 이하, 예를 들어 15 mm 이하, 예를 들어 10 mm 이하 또는 예를 들어 5 mm 이하, 예를 들어 4 mm 이하, 예를 들어 3 mm 이하, 예를 들어 2 mm 이하 또는 예를 들어 1.5 mm 이하, 예를 들어 1 mm 이하의 길이를 갖는다.
대안적으로, 짧은 섬유는, 0.05 ㎛ 내지 45 mm 범위, 예를 들어 0.1 ㎛ 내지 20 mm 범위, 예를 들어 0.1 ㎛ 내지 10 mm 범위, 예를 들어 0.1 ㎛ 내지 5 mm 범위, 예를 들어 0.1 ㎛ 내지 4 mm 범위, 예를 들어 0.1 ㎛ 내지 3 mm 범위, 예를 들어 0.1 ㎛ 내지 2 mm 범위, 예를 들어 0.1 ㎛ 내지 1 mm 범위, 예를 들어 0.1 ㎛ 내지 0.5 mm 범위의 길이를 가질 수 있다.
바람직하게는, 짧은 섬유는 약 0.1 ㎛ 내지 약 1 mm 범위의 길이를 가지며, 보다 바람직하게는 약 0.1 ㎛ 내지 약 0.5 mm 범위의 길이를 갖는다.
짧은 섬유는, 유리 섬유, 탄소 섬유, 현무암 섬유, 그래핀 나노튜브, 단일벽 및/또는 다중벽 탄소 나노튜브, 그래핀 소판, 그래핀 산화물 소판, 절단 천연 섬유, 및 이들의 임의의 조합물로부터 선택될 수 있다.
절단 천연 섬유는, 황마, 대나무, 및 이들의 임의의 조합물로부터 선택될 수 있다.
짧은 섬유는 단방향성 또는 다방향성 사이징을 갖거나 갖지 않을 수 있다.
짧은 섬유는, 약 0.1 ㎛ 내지 약 1000 ㎛ 범위의 길이를 갖는 유리 섬유일 수 있다.
짧은 섬유는, 약 0.1 ㎛ 내지 약 1000 ㎛ 범위의 길이를 갖는 탄소 섬유일 수 있다.
짧은 섬유는, 약 0.1 ㎛ 내지 약 1000 ㎛ 범위의 길이를 갖는 현무암 섬유일 수 있다.
압출된 섬유 강화 열가소성 복합재 외장 내의 섬유의 양은 가변될 수 있으며, 적어도 0.01% (v/v)의 전술한 짧은 섬유, 예를 들어 적어도 0.05% (v/v), 예를 들어 적어도 0.1% (v/v), 예를 들어 적어도 0.5% (v/v), 예를 들어 적어도 1% (v/v), 예를 들어 적어도 5% (v/v), 예를 들어 적어도 10% (v/v), 예를 들어 적어도 20% (v/v)의 전술한 짧은 섬유를 포함할 수 있다.
대안적으로, 압출된 섬유 강화 열가소성 복합재 외장 내의 짧은 섬유의 양은, 0.01% 내지 50% (v/v), 예를 들어 0.01% 내지 40% (v/v), 예를 들어 0.01% 내지 30% (v/v), 예를 들어 0.05% 내지 30% (v/v), 예를 들어 0.1% 내지 30% (v/v), 예를 들어 1% 내지 30% (v/v), 예를 들어 5% 내지 30% (v/v), 예를 들어 0.01% 내지 5% (v/v), 예를 들어 10% 내지 30% (v/v), 예를 들어 10% 내지 20% (v/v)의 범위일 수 있다.
압출된 섬유 강화 열가소성 복합재 외장의 열가소성 폴리머는, LLDPE, MDPE, HDPE와 같은 폴리에틸렌 및 이의 코폴리머, 폴리프로필렌 및 이의 코폴리머, 나일론과 같은 폴리아미드 및 이의 코폴리머, 폴리염화비닐(PVC), 열가소성 폴리우레탄(TPU), 캐스트 폴리우레탄(PU), 및 이들의 임의의 조합물로부터 선택될 수 있다.
열가소성 폴리머에 내장된 권취 섬유를 포함하는 추가적인 섬유 강화 열가소성 복합재 외장
동적 전력 케이블의 강성을 추가로 증가시키기 위해, 전력 케이블은, 열가소성 폴리머에 내장된 권취 섬유를 포함하는 추가적인 섬유 강화 복합재 외장을 포함할 수 있다.
추가적인 섬유 강화 열가소성 복합재 외장 내의 섬유의 양은 가변될 수 있으며, 적어도 1% (v/v) 권취 섬유, 예를 들어 적어도 5% (v/v) 섬유, 예를 들어 적어도 10% (v/v) 섬유, 예를 들어 적어도 20% (v/v) 섬유, 예를 들어 적어도 30% (v/v) 섬유, 예를 들어 적어도 40% (v/v) 섬유, 예를 들어 적어도 50% (v/v) 섬유, 예를 들어 적어도 60% (v/v) 섬유, 예를 들어 적어도 70% (v/v) 섬유, 또는 예를 들어 적어도 80% (v/v) 섬유를 포함할 수 있다.
대안적으로, 추가적인 섬유 강화 열가소성 복합재 외장 내의 섬유의 양은, 약 1% 내지 약 90% (v/v) 권취 섬유, 예를 들어 약 2% 내지 약 90% (v/v) 섬유, 예를 들어 약 3% 내지 약 90% (v/v) 섬유, 예를 들어 약 5% 내지 약 80% (v/v) 섬유, 예를 들어 약 1% 내지 약 10% (v/v) 섬유, 예를 들어 약 10% 내지 약 50% (v/v) 섬유, 또는 예를 들어 약 50% 내지 약 90% (v/v) 섬유의 범위일 수 있다.
본원에 적용된 바와 같은 권취 섬유는 연속적 섬유이다.
권취 섬유는 필라멘트(filament), 로빙(roving), 또는 패브릭일 수 있다.
권취 섬유는 사이징을 갖거나 갖지 않을 수 있다.
본원에 적용된 바와 같은 "필라멘트"라는 용어는 개별 섬유를 지칭한다.
본원에 적용된 바와 같은 "로빙"이라는 용어는 별개의 필라멘트의 다발을 지칭한다.
권취 섬유는 테이프의 형태일 수 있으며, 섬유는 직물과 같이 단방향성 또는 다방향성일 수 있고, 사이징을 갖거나 갖지 않을 수 있다. 테이프 폭은 약 1 mm 내지 약 1000 mm일 수 있다.
권취 섬유는, 유리 섬유, 탄소 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 폴리에틸렌 섬유(예를 들어, UHMWPE), 아라미드 섬유, 액정 폴리머 섬유(예를 들어, Vectran), 폴리에스테르 섬유, 천연 섬유, 및 이들의 임의의 조합물로부터 선택될 수 있다.
천연 섬유는, 황마, 사이잘, 및 이들의 임의의 조합물로부터 선택될 수 있다.
필라멘트, 로빙 또는 패브릭 형태의 권취 섬유는, 케이블 처리 및 절연을 개선하기 위해, 열가소성 폴리머로 미리 함침될 수 있다.
섬유 테이프는, 전술한 바와 같은 짧은 섬유를 포함하는 열가소성 폴리머로 미리 함침될 수 있다.
열가소성 폴리머는 절연성 또는 비-절연성일 수 있다.
"절연" 또는 "비-절연성"이라는 용어는 본원에서 재료의 전기 전도성을 지칭한다.
권취 섬유가 내장되거나 권취 섬유를 미리 함침하기 위한 열가소성 폴리머는, LLDPE, MDPE, HDPE와 같은 폴리에틸렌 및 이의 코폴리머, 폴리프로필렌 및 이의 코폴리머, 나일론과 같은 폴리아미드 및 이의 코폴리머, 폴리염화비닐(PVC), 열가소성 폴리우레탄(TPU), 캐스트 폴리우레탄(PU), 및 이들의 임의의 조합물로부터 선택될 수 있다.
섬유는 하나의 방향으로 단일 층으로 도포될 수 있거나, 강성 복합재 적층물을 형성하는 다수의 방향으로 다수의 층(겹)으로 도포될 수 있다. 섬유 방향은 케이블 축에 대하여 0도 내지 90도로 걸쳐 있다. 추가적인 섬유 강화 열가소성 복합재 외장의 권취는, 예를 들어, 섬유 배치 후에, 압축 또는 예열과 같은 보조 작업과 함께 압출이 후속되는, 다단계 공정을 필요로 할 수 있다.
적어도 하나의 압출된 섬유 강화 열가소성 복합재 외장을 포함하는 동적 전력 케이블
본 발명은 본 발명의 일 실시형태의 케이블의 개략적인 단면도를 도시하는 도면의 도 1 및 도 2를 참조하여 추가로 설명된다.
도 1은 동적 전력 케이블(1)의 단면도의 일 실시예를 개략적으로 도시하는 것으로서, 하나의 케이블 코어(2)를 갖는 케이블(1)이 도시된다. 그러나, 본 발명은 1코어 케이블로 제한되지 않으며, 케이블(1)은, 케이블의 목적을 위해 적합한 것으로 간주되는 바와 같은, 2개 또는 임의의 더 많은 수의 코어(2)를 포함할 수 있다. 따라서, 도 2는 3개의 케이블 코어(2)를 포함하는 동적 전력 케이블(1) 단면도의 일 실시예를 도시한다.
각각의 코어(2)는, 코어(2)의 중앙에 배치된 전기 전도체(3), 및 각각의 전도체(3)의 외부에 반경 방향으로 배치된 전기 절연 층(4)을 포함한다. 도면에 도시되지 않지만, 제1 전기 절연 층(4)의 외부에는, 전기 절연 층(4)과 수방벽 외장(5) 사이에 배치된 밀봉 재료 층이 배치될 수 있다. 이러한 밀봉 재료는 물과의 접촉 시에 팽창됨으로써, 수방벽 외장(5)의 균열 또는 다른 고장의 경우에 수분의 유입을 방지하기 위한 추가적인 중복 조치로서 작용한다.
바람직한 일 양태에서, 수방벽 외장(5)의 외부에 반경 방향으로 압출된 내측 섬유 강화 열가소성 복합재 코어 외장(6)이 있으며, 복합재는 전술한 짧은 섬유를 포함한다.
이러한 압출된 내측 섬유 강화 열가소성 복합재 코어 외장(6)은, 수방벽 외장(5) 상에 반경 방향으로 압출될 수 있다. 이러한 압출 공정은 당업계에서 잘 알려진 공정이며 당업자에게 명백할 것이기 때문에, 본원에 추가로 상세히 설명되지 않는다.
다른 솔루션에서, 중간 접착제 층은, 수방벽 외장(5)을 압출된 내측 열가소성 복합재 코어 외장(6)에 결합시킨다.
전력 케이블은, 압출된 내측 열가소성 복합재 코어 외장(6)의 외부에 반경 방향으로 추가적인 섬유 강화 열가소성 복합재 외장을 포함할 수 있다.
압출된 내측 열가소성 복합재 코어 외장(6)의 외부의 추가적인 섬유 강화 열가소성 복합재 외장은, 폴리머에 내장된 권취 섬유를 포함하는 섬유 강화 열가소성 복합재 외장일 수 있다. 폴리머에 내장된 권취 섬유를 포함하는 복합재의 세부사항은 위에 설명되어 있다.
추가적인 섬유 강화 열가소성 복합재 외장은, 압출된 내측 열가소성 복합재 코어 외장(6) 상에 반경 방향으로 권취될 수 있으며, 대안적으로, 권취 섬유를 포함하는 추가적인 섬유 강화 열가소성 복합재 외장과 압출된 내측 섬유 강화 열가소성 복합재 외장(6) 사이에, 중간 압출된 열가소성 외장이 있다.
케이블(1) 및 이의 변형예는, 도 2에 예시된 바와 같이, 각각의 전도체(3) 또는 적어도 하나의 케이블 코어(2)의 외부에 반경 방향으로 배치된 추가적인 층 또는 충전 재료(10)를 포함할 수 있음을 유의해야 하며, 이는 본원에 추가로 설명되지 않을 것이다. 이러한 층 및 재료는, 본원에 이미 언급된 층의 내부에, 중간에, 또는 외부에 배치될 수 있으며, 당업계에 잘 알려져 있는 바와 같이, 예를 들어, 추가적인 절연 층, 반도체 층, 전도 층, 차폐 층, 및 피복 층을 포함할 수 있다.
동적 전력 케이블은, 직류(DC) 전력 케이블 또는 교류(AC) 전력 케이블일 수 있다.
동적 전력 케이블은 고전압 동적 전력 케이블일 수 있다.
일 양태에서, 하나의 케이블 코어(2)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 다수의 다른 케이블 코어와 함께 조합될 수 있다.
예를 들어, 동적 전력 케이블은 적어도 3개의 케이블 코어(2)를 포함할 수 있으며, 각각의 케이블 코어는,
- 케이블 코어(2)의 외부에 반경 방향으로 배치된 수방벽 외장(5); 및
- 수방벽 외장(5)의 외부에 반경 방향으로 배치된, 압출된 내측 섬유 강화 열가소성 복합재 코어 외장(6)을 갖고, 압출된 내측 섬유 강화 열가소성 복합재 코어 외장(6)은, 열가소성 폴리머 내의 짧은 섬유를 포함한다.
또한, 압출된 섬유 강화 열가소성 복합재 코어 외장을 포함하는 동적 전력 케이블을 제조하는 방법이 제공되며, 방법은,
- 전기 전도체(3), 및 전기 전도체(3)의 외부에 반경 방향으로 배치된 전기 절연 층(4)을 포함하는 적어도 하나의 케이블 코어(2)를 제공하는 단계;
- 케이블 코어(2)의 둘레에 반경 방향으로 수방벽 외장(5)을 감아서 수밀 외장을 형성하는 단계;
- 수방벽 외장(5)의 둘레에 반경 방향으로 짧은 섬유를 포함하는 열가소성 폴리머를 압출하여, 압출된 내측 섬유 강화 열가소성 복합재 코어 외장(6)을 제공하는 단계로서, 짧은 섬유는 약 45 mm 이하의 길이를 갖는, 단계; 및
- 압출된 내측 섬유 강화 열가소성 복합재 코어 외장(6)을 수방벽 외장(5)에 결합시키기 위해, 수방벽 외장(5)과 압출된 내측 섬유 강화 열가소성 복합재 코어 외장(6) 사이에 접착제 층을 선택적으로 제공하는 단계를 포함한다.
짧은 섬유 및 열가소성 폴리머의 세부사항은 위에 설명되어 있다.
방법은, 열가소성 폴리머로 함침된 연속적 섬유가 압출된 내측 섬유 강화 열가소성 복합재 코어 외장(6)의 둘레에 반경 방향으로 권취되는 추가적인 단계를 포함할 수 있다.
권취 섬유는 열가소성 폴리머로 미리 함침될 수 있다.
권취 섬유 및 열가소성 폴리머의 세부사항은 위에 설명되어 있다.
권취 섬유는 사이징을 갖거나 갖지 않을 수 있다.
권취 섬유는 하나의 방향으로 단일 층으로 도포될 수 있거나, 강성 복합재 적층물을 형성하는 다수의 방향으로, 겹과 같은 다수의 층으로 도포될 수 있다. 단일 층 또는 다수의 층은 압출된 내측 섬유 강화 열가소성 복합재 코어 외장에 상이한 강성을 제공할 것이며 이에 따라 가변될 수 있음을 당업자라면 이해한다.
권취 섬유의 방향은, 케이블 축에 대하여 0도 내지 90도로 걸쳐 있을 수 있다.
권취 섬유를 포함하는 압출된 내측 섬유 강화 열가소성 복합재 코어 외장은, 예를 들어, 섬유 배치 후에, 압축 또는 예열과 같은 보조 작업과 함께 압출이 후속되는, 다단계 공정을 필요로 할 수 있다.
필라멘트 권취 기술은, 케이블의 둘레에 반경 방향으로 필라멘트를 권취하기 위해 사용될 수 있다. 필라멘트 권취는, 예를 들어 회전 맨드릴(mandrel) 위에 또는 케이블 코어 바로 위에, 장력 하에서 섬유를 권취하는 단계를 포함하는 공정이다. 섬유는 이들이 권취됨에 따라 용기를 통과함으로써 열가소성 폴리머와 같은 수지로 함침되므로, 섬유 복합 재료를 형성한다.
필라멘트 권취는 당업자에게 잘 알려진 공정이다.
대안적인 외장 설계는, 미리 제조된 섬유 테이프를 권취함으로써 수행될 수 있다. 테이프는, 레이저, 열선총(heat gun), 및 가열식 롤러와 같은 외부 가열에 의해, 또는 유도 코일로 제조된 전력 코어로부터의 내부 가열에 의해, 압축 및 용융 융해될 수 있다. 압축 및 융해에 의해 보조되는 테이프 권취는 당업자에게 잘 알려진 공정이다.
추가적인 섬유 강화 열가소성 복합재 외장을 포함하는 동적 전력 케이블
전력 케이블이 적어도 3개의 케이블 코어를 포함하는 추가적인 일 양태에서, 전력 케이블은, 적어도 3개의 코어(2)의 외부에 반경 방향으로 배치된 피복 층(11)을 더 포함할 수 있으며, 열가소성 폴리머 내의 짧은 섬유를 포함하는 압출된 외측 섬유 강화 열가소성 복합재 외장(12)은 피복 층(11)의 외부에 반경 방향으로 배치될 수 있다.
위의 양태에서, 전력 케이블은, 압출된 외측 섬유 강화 열가소성 복합재 외장(12)의 외부에 반경 방향으로 추가적인 섬유 강화 열가소성 복합재 외장을 포함할 수 있으며, 추가적인 섬유 강화 열가소성 복합재 외장은, 열가소성 폴리머에 내장된 권취 섬유를 포함한다.
전력 케이블이 적어도 3개의 케이블 코어를 포함하는 다른 양태에서, 전력 케이블은, 적어도 3개의 케이블 코어(2)의 외부에 반경 방향으로 배치된, 열가소성 폴리머 내의 짧은 섬유를 포함하는 압출된 외측 열가소성 복합재 외장(12)을 더 포함할 수 있다. 이러한 실시형태에서, 압출된 외측 섬유 강화 열가소성 복합재 외장은 통상적인 피복 층을 대체하고, 이에 따라 전력 케이블이 피복 층을 포함하지 않기 때문에, 추가적인 피복 층에 대한 요건이 없다.
피복 층(11)이 없는 전력 케이블을 참조하면, 이러한 양태에서, 전력 케이블은, 압출된 외측 섬유 강화 열가소성 복합재 외장(12)의 외부에 반경 방향으로 배치된 추가적인 섬유 강화 열가소성 폴리머 외장을 포함할 수 있으며, 추가적인 섬유 강화 열가소성 복합재 외장은, 열가소성 폴리머에 내장된 권취 섬유를 포함한다.
추가적인 섬유 강화 열가소성 복합재 외장은, 압출된 외측 섬유 강화 열가소성 복합재 외장(12) 상에 반경 방향으로 권취될 수 있으며, 대안적으로, 권취 섬유를 포함하는 추가적인 섬유 강화 열가소성 복합재 외장과 압출된 외측 섬유 강화 열가소성 복합재 외장(12) 사이에, 중간 압출된 열가소성 외장이 있다.
섬유 및 폴리머의 세부사항은 위에 설명되어 있다.
수방벽 외장
일 양태에서, 수방벽 외장은 적층된 금속 외장 구조물일 수 있다.
수방벽 외장(5)은 수방벽 적층물이며, 수방벽 적층물은, 전기적으로 절연성 또는 전기적으로 비-절연성인 최종 적층물을 구성하는 절연성 또는 비-절연성 폴리머의 적어도 2개의 층 사이에 적층된 금속박을 포함한다.
적층 구조물에 사용하기 위한 절연성 및 비-절연성 폴리머 층은 당업자에게 잘 알려져 있으며, 비-절연성 폴리머 층의 실시예는 EP 2 437 272에서 확인될 수 있다.
본원에 사용된 바와 같은 "금속박"이라는 용어는, 적층 구조물의 중간에 있는 금속 층을 지칭한다. 본 발명은 임의의 특정 금속/금속 합금의 사용 또는 금속박의 두께로 제한되지 않는다. 당업자에 의해 전력 케이블 내의 수방벽에 사용하기 위해 적합한 것으로 알려진 임의의 두께의 임의의 금속/금속 합금이 적용될 수 있다. 예시적인 일 실시형태에서, 금속박은, Ti/Ti 합금, Al/Al 합금, Cu/Cu 합금, 또는 Fe/Fe 합금이다. 금속박의 두께는, 이하의 범위, 즉 10 내지 250 ㎛, 바람직하게는 15 내지 200 ㎛, 보다 바람직하게는 20 내지 150 ㎛, 보다 바람직하게는 25 내지 100 ㎛, 그리고 가장 바람직하게는 30 내지 75 ㎛ 중 하나일 수 있다.
대안적으로, 수방벽 외장은, 금속성 종방향으로 용접된 금속 외장(LWS)일 수 있다.
본 발명은 LWS에서의 임의의 특정 금속/금속 합금의 사용으로 제한되지 않는다.
일 양태에서, LWS는 상업적으로 순수 티타늄 또는 티타늄 합금으로 제조된다.
일 양태에서, LWS는 상업적으로 순수 주석 또는 주석 합금으로 제조된다.
다른 양태에서, LWS는 상업적으로 순수 구리 또는 구리 합금으로 제조된다.
다른 양태에서, LWS는 상업적으로 순수 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조된다.
다른 양태에서, LWS는 스테인리스강으로 제조된다.
전도체
중간 내지 높은 전류 용량을 위한 전력 케이블은, 전형적으로 이들의 코어에 하나 이상의 전기 전도체를 가지며, 그 다음에, 전도체의 전기 절연물 및 차폐물, 코어를 보호하는 내측 외장, 피복 층, 및 외측 외장을 갖는다. 전력 케이블의 전도체는 전형적으로 알루미늄 또는 구리로 제조된다. 전도체는 전기 절연 층 및 차폐 층에 의해 둘러싸인 단일 가닥일 수 있거나, 전기 절연 층 및 차폐 층에 의해 둘러싸이는 번트(bunt) 내에 배치된 다수의 가닥일 수 있다.
Claims (15)
- 동적 전력 케이블(1)로서,
- 전기 전도체(3), 및 상기 전기 전도체(3)의 외부에 반경 방향으로 배치된 전기 절연 층(4)을 포함하는 적어도 하나의 케이블 코어(2);
- 상기 케이블 코어(2)의 외부에 반경 방향으로 배치된 수방벽 외장(5);
- 상기 수방벽 외장(5)의 외부에 반경 방향으로 배치된, 압출된 내측 섬유 강화 열가소성 복합재 코어 외장(6)을 포함하는,
동적 전력 케이블(1). - 제1항에 있어서,
적어도 3개의 케이블 코어(2)를 포함하며,
각각의 케이블 코어는,
- 각각의 케이블 코어(2)의 외부에 반경 방향으로 배치된 수방벽 외장(5); 및
- 각각의 수방벽 외장(5)의 외부에 반경 방향으로 배치된, 압출된 내측 섬유 강화 열가소성 복합재 코어 외장(6)을 갖는, 동적 전력 케이블. - 제2항에 있어서,
상기 전력 케이블은, 수방벽 외장(5) 및 압출된 내측 섬유 강화 열가소성 복합재 코어 외장(6)을 갖는 상기 적어도 3개의 케이블 코어의 외부에 반경 방향으로 배치된 피복 층(11)을 더 포함하며,
압출된 외측 섬유 강화 열가소성 복합재 외장(12)은 상기 피복 층(11)의 외부에 반경 방향으로 배치되는, 동적 전력 케이블. - 제2항에 있어서,
상기 전력 케이블은, 수방벽 외장(5) 및 압출된 내측 섬유 강화 열가소성 복합재 코어 외장(6)을 갖는 상기 적어도 3개의 케이블 코어의 외부에 반경 방향으로 배치된, 압출된 외측 섬유 강화 열가소성 복합재 외장(12)을 더 포함하며,
상기 전력 케이블은 피복 층(11)을 포함하지 않는, 동적 전력 케이블. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 압출된 내측 섬유 강화 열가소성 복합재 코어 외장(6)은, 짧은 섬유로 강화된 열가소성 폴리머를 포함하며,
상기 짧은 섬유는 약 45 mm 이하의 길이를 갖는, 동적 전력 케이블. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 압출된 내측 섬유 강화 열가소성 복합재 코어 외장(6)은, 유리 섬유, 탄소 섬유, 현무암 섬유, 그래핀 나노튜브, 단일벽 및/또는 다중벽 탄소 나노튜브, 그래핀 소판, 그래핀 산화물 소판, 절단 천연 섬유, 및 이들의 임의의 조합물로부터 선택된 짧은 섬유로 강화된 열가소성 폴리머를 포함하는, 동적 전력 케이블. - 제1항, 제2항, 또는 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 압출된 내측 섬유 강화 열가소성 복합재 코어 외장(6)은 적어도 0.01% (v/v)의 짧은 섬유로 강화되는, 동적 전력 케이블. - 제3항 또는 제4항에 있어서,
상기 압출된 외측 섬유 강화 열가소성 복합재 외장(12)은, 짧은 섬유로 강화된 열가소성 폴리머를 포함하며,
상기 짧은 섬유는 약 45 mm 이하의 길이를 갖는, 동적 전력 케이블. - 제3항, 제4항 또는 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 압출된 외측 섬유 강화 열가소성 복합재 외장(12)은, 유리 섬유, 탄소 섬유, 현무암 섬유, 그래핀 나노튜브, 단일벽 및/또는 다중벽 탄소 나노튜브, 그래핀 소판, 그래핀 산화물 소판, 절단 천연 섬유, 및 이들의 임의의 조합물로부터 선택된 짧은 섬유로 강화된 열가소성 폴리머를 포함하는, 동적 전력 케이블. - 제3항, 제4항, 제8항 또는 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 압출된 외측 섬유 강화 열가소성 복합재 외장(12)은 적어도 0.01% (v/v)의 짧은 섬유로 강화되는, 동적 전력 케이블. - 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 동적 전력 케이블은, 열가소성 폴리머에 내장된 권취 섬유를 갖는, 추가적인 섬유 강화 열가소성 복합재 외장을 포함하는, 동적 전력 케이블. - 제11항에 있어서,
상기 추가적인 섬유 강화 열가소성 복합재 외장은, 상기 압출된 내측 섬유 강화 열가소성 복합재 코어 외장(6)의 둘레에 반경 방향으로 배치되는, 동적 전력 케이블. - 제3항, 제4항, 또는 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
추가적인 섬유 강화 열가소성 복합재 외장은, 상기 압출된 외측 섬유 강화 열가소성 복합재 외장(12)의 둘레에 반경 방향으로 배치되는, 동적 전력 케이블. - 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 수방벽 외장(5)은, 절연성 또는 비-절연성 폴리머의 적어도 2개의 층 사이에 적층된 금속박을 포함하는 적층 구조물이거나,
상기 수방벽 외장(5)은 종방향으로 용접된 금속 외장인, 동적 전력 케이블. - 압출된 섬유 강화 열가소성 복합재 코어 외장을 포함하는 동적 전력 케이블을 제조하는 방법으로서,
상기 방법은,
- 전기 전도체(3), 및 상기 전기 전도체(3)의 외부에 반경 방향으로 배치된 전기 절연 층(4)을 포함하는 적어도 하나의 케이블 코어(2)를 제공하는 단계;
- 상기 케이블 코어(2)의 둘레에 반경 방향으로 수방벽 외장(5)을 감아서 수밀 외장을 형성하는 단계;
- 상기 수방벽 외장(5)의 둘레에 반경 방향으로 짧은 섬유를 포함하는 열가소성 폴리머를 압출하여, 압출된 내측 섬유 강화 열가소성 복합재 코어 외장(6)을 제공하는 단계로서, 상기 짧은 섬유는 약 45 mm 이하의 길이를 갖는, 단계; 및
- 상기 압출된 내측 섬유 강화 열가소성 복합재 코어 외장(6)을 상기 수방벽 외장(5)에 결합시키기 위해, 상기 수방벽 외장(5)과 상기 압출된 내측 섬유 강화 열가소성 복합재 코어 외장(6) 사이에 접착제 층을 선택적으로 제공하는 단계를 포함하는,
압출된 섬유 강화 열가소성 복합재 코어 외장을 포함하는 동적 전력 케이블을 제조하는 방법.
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