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KR100766695B1 - 초전도 케이블 - Google Patents

초전도 케이블 Download PDF

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KR100766695B1
KR100766695B1 KR1020060119014A KR20060119014A KR100766695B1 KR 100766695 B1 KR100766695 B1 KR 100766695B1 KR 1020060119014 A KR1020060119014 A KR 1020060119014A KR 20060119014 A KR20060119014 A KR 20060119014A KR 100766695 B1 KR100766695 B1 KR 100766695B1
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metal sheath
inner metal
flow path
circumferential surface
superconducting cable
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KR1020060119014A
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김춘동
김도형
장현만
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엘에스전선 주식회사
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01BCABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
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Abstract

본 발명은 냉각 유로 및 회수 유로의 접촉 면적을 최소화하여 열전달량을 줄임으로써 초전도 케이블의 온도 상승을 억제할 수 있는 초전도 케이블에 관한 것으로서,
본 발명에 따른 초전도 케이블은 초전도체를 포함하여 구성되는 중심 도체와, 상기 중심 도체의 외주면으로부터 이격되어 상기 중심 도체를 감싸는 형태로 구비되는 내부 금속 쉬스와, 상기 내부 금속 쉬스의 외주면으로부터 이격되어 상기 내부 금속 쉬스를 감싸는 형태로 구비되는 단열재 및 상기 단열재의 외주면으로부터 이격되어 상기 단열재를 감싸는 형태로 구비되는 외부 금속 쉬스를 포함하여 이루어지며, 상기 중심 도체와 내부 금속 쉬스의 이격에 의해 제 1 공간이 마련되며, 상기 제 1 공간은 상기 중심 도체의 극저온 상태 유지를 위한 냉각 유로로 정의되며, 상기 내부 금속 쉬스와 단열재 사이의 이격에 의해 제 2 공간이 마련되며, 상기 제 2 공간 내에는 복수의 회수 유로 튜브가 상기 내부 금속 쉬스의 외주면 및 상기 단열재의 내주면을 따라 배치되는 것을 특징으로 한다.

Description

초전도 케이블{Superconducting cable}
도 1은 종래 기술에 따른 초전도 케이블의 단면 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 케이블의 단면 구성도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 회수 유로 튜브의 배열을 나타낸 사시도.
<도면의 주요 부분에 대한 설명>
201 : 중심 도체 202 : 냉각 유로
203 : 내부 금속 쉬스 204 : 회수 유로 튜브
205 : 단열재 206 : 스페이서
207 : 외부 금속 쉬스
본 발명은 초전도 케이블에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 냉각 유로 및 회수 유로의 접촉 면적을 최소화하여 열전달량을 줄임으로써 초전도 케이블의 온도 상승을 억제하고, 긴 길이의 초전도 케이블에 안정적으로 적용 가능한 초전도 케이블에 관한 것이다.
초전도체는 적절한 조건(-196℃ 이하 등) 하에서, 전기저항이 완전히 사라지는 특성과 자기장을 배척하는 완전 반자성(perfect diamagnetism) 특성을 갖는 물질을 말한다. 이러한 초전도체는 최근 의료, 수송, 전자, 전력, 에너지, 고에너지 물리, 기계분야 등 다양한 분야에 응용되고 있다. 특히, 초전도체가 적용된 초전도 케이블은 기존의 전력 케이블에 비해 뛰어난 송전 효율 특성 및 동일 전압대비 5∼10배 이상의 우수한 송전 용량 특성을 갖고 있어 기존의 전력 케이블을 대체해 가고 있다.
현재 상용화된 초전도 케이블의 구성을 살펴보면, 도 1에 도시한 바와 같이 케이블의 길이 방향으로 중심 도체(101)가 구비되고, 상기 중심 도체의 외주면 상에 내부 금속 쉬스(sheath)(102), 단열재(105) 및 외부 금속 쉬스(107)가 순차적으로 적층된 형태를 갖는다.
상기 중심 도체(101)는 초전도체를 포함하여 구성되는데, 상기 초전도체가 초전도 현상을 일으키기 위해서는 -196℃ 이하의 극저온 상태로 유지되어야 한다. 이를 위해, 상기 중심 도체(101)의 내부에는 냉각 유로(103)가 구비된다. 또한, 초전도체의 냉각을 위해 상기 냉각 유로(103)를 통해 공급된 냉매는 회수되어 외부로 방출되어야 하는데, 이를 위해 상기 내부 금속 쉬스와 중심 도체 사이에는 회수 유로(104)가 구비된다.
이와 같은 구성을 갖는 초전도 케이블에 있어서, 상기 냉각 유로(103) 및 회수 유로(104)의 열전달 면적 즉, 상기 내부 금속 쉬스(102) 및 중심 도체에 접촉하는 면적이 크기 때문에 상기 내부 금속 쉬스(102) 및 중심 도체의 온도를 상승시키는 요인으로 작용한다. 이에 따라, 도 1의 구성은 긴 길이의 초전도 케이블에는 적합하지 않다.
상기의 문제점을 해결하기 위해 내부 금속 쉬스와 중심 도체 사이에 냉각 유로를 구비시키는 방법이 제안되었으나, 회수 유로를 별도로 구비시켜야 하는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 냉각 유로 및 회수 유로의 접촉 면적을 최소화하여 열전달량을 줄임으로써 초전도 케이블의 온도 상승을 억제하고, 긴 길이의 초전도 케이블에 안정적으로 적용 가능한 초전도 케이블을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 초전도 케이블은 초전도체를 포함하여 구성되는 중심 도체와, 상기 중심 도체의 외주면으로부터 이격되어 상기 중심 도체를 감싸는 형태로 구비되는 내부 금속 쉬스와, 상기 내부 금속 쉬스의 외주면으로부터 이격되어 상기 내부 금속 쉬스를 감싸는 형태로 구비되는 단열재 및 상기 단열재의 외주면으로부터 이격되어 상기 단열재를 감싸는 형태로 구비되는 외부 금속 쉬스를 포함하여 이루어진다.
상기 중심 도체와 내부 금속 쉬스의 이격에 의해 제 1 공간이 마련되고, 상기 제 1 공간은 상기 중심 도체의 극저온 상태 유지를 위한 냉각 유로로 정의된다.
또한, 상기 내부 금속 쉬스와 단열재 사이의 이격에 의해 제 2 공간이 마련되고, 상기 제 2 공간 내에는 복수의 회수 유로 튜브가 상기 내부 금속 쉬스의 외주면 및 상기 단열재의 내주면을 따라 배치된다.
상기 각각의 회수 유로 튜브는 동일한 형상을 가지며, 각각의 회수 유로 튜브의 직경은 상기 내부 금속 쉬스의 외주면과 상기 단열재의 내주면 사이의 이격 거리에 상응하다. 또한, 상기 복수의 회수 유로 튜브는 상기 내부 금속 쉬스의 외주면을 나선상으로 감싸는 형태로 구비된다.
상기 회수 유로 튜브는 구리, 알루미늄 또는 스테인리스 중 어느 한 재질로 구성되고, 상기 회수 유로 튜브의 외주면 상에는 보조 단열층이 구비되며, 상기 보조 단열층은 테프론 또는 종이로 구성될 수 있다.
본 발명의 특징에 따르면, 내부 금속 쉬스와 단열재 사이에 상기 내부 금속 쉬스와 단열재 사이의 이격 거리에 상응하는 직경을 갖는 회수 유로 튜브를 복수개 배치시킴으로써, 상기 회수 유로 튜브와 내부 금속 쉬스의 접촉 면적 및 상기 회수 유로 튜브와 단열재의 접촉 면적을 최소화시켜 궁극적으로 열전달량을 획기적으로 줄일 수 있게 되고 이에 따라, 초전도 케이블의 온도 상승을 억제할 수 있게 된다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 케이블을 상세히 설명하기로 한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 케이블의 단면 구성도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 회수 유로 튜브의 배열을 나타낸 사시도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 케이블은 도 2에 도시한 바와 같이, 케이블의 중심부에 중심 도체(201)가 구비되며, 상기 중심 도체(201)의 외주면으로부터 이격된 위치에는 상기 중심 도체(201)를 감싸는 형태로 내부 금속 쉬스(203)가 구비된다. 상기 중심 도체(201)와 내부 금속 쉬스(203)가 이격됨에 따라, 소정의 제 1 공간이 마련되는데 해당 제 1 공간은 냉각 유로(202)로 정의된다. 상기 냉각 유로(202)는 액체 질소와 같은 냉매의 통로로써, 상기 중심 도체(201)를 극저온 상태로 유지시키는 역할을 한다.
한편, 상기 내부 금속 쉬스(203)로의 외주면으로부터 이격된 위치에는 상기 내부 금속 쉬스(203)를 감싸는 형태로 단열재(205)가 구비된다. 상기 단열재(205)는 외부로부터의 열 침입을 차단하는 역할을 하며 다층의 절연재(multi-layer insulation)로 구성될 수 있다. 상기 내부 금속 쉬스(203)와 단열재(205)가 이격되어 위치됨에 따라, 상기 내부 금속 쉬스(203)와 단열재(205) 사이에는 소정의 제 2 공간이 마련되며, 상기 제 2 공간 내에는 복수의 회수 유로 튜브(204)가 구비된다. 즉, 상기 복수의 회수 유로 튜브(204)는 상기 내부 금속 쉬스(203)의 외주면과 상기 단열재(205)의 내주면을 따라 배열된다.
상기 각각의 회수 유로 튜브(204)는 상기 냉각 유로(202)를 통해 제공된 냉 매가 회수되는 공간을 제공하는 역할을 하며, 상기 각각의 회수 유로 튜브(204)는 동일한 형상을 가지며, 각각의 회수 유로 튜브(204)의 직경은 상기 내부 금속 쉬스(203)와 단열재(205) 사이의 이격 거리에 상응하다.
이와 같이, 복수의 회수 유로 튜브(204)가 상기 내부 금속 쉬스(203)와 단열재(205) 사이에 구비됨에 따라, 상기 각각의 회수 유로 튜브(204)는 상기 내부 금속 쉬스(203)의 외주면 및 상기 단열재(205)의 내주면과 선(線) 접촉을 하게 된다. 면(面) 접촉이 아닌 선 접촉을 하게 됨에 따라, 상기 회수 유로 튜브(204)에 의한 열전달 면적이 최소화되고 이에, 초전도 케이블의 온도 상승을 억제할 수 있게 된다. 종래 기술을 참조하여 비교하면 종래 기술의 경우, 도 1에 도시한 바와 같이 회수 유로가 내부 금속 쉬스(203)의 외주면 및 단열재(205)의 내주면과 면(面) 접촉을 하게 됨에 따라, 열전달 면적이 본 발명에 비해 현저하게 큼을 알 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 회수 유로 튜브(204)는 다음과 같은 인자(factor)를 고려하여 설계할 수 있다.
먼저, 냉각 유로(제 1 공간)와 회수 유로(제 2 공간) 사이의 열전달량은 다음의 수학식 1로 정의되는데, 상기 열저항(R)이 클수록 열전달량이 적게 되며 상기 열저항(R)은 기하학적 형상 및 재로의 물성치에 의해 결정된다.
Q = ΔT / R
(Q는 열전달량, ΔT는 냉각 유로와 회수 유로 사이의 온도차, R은 열저항)
상기 열저항(R)은 다음의 수학식 2로 정의되며, 아래의 수학식 2에 있어서 접촉 면적 계수(C 1 )는 0.001 이하이며, 회수 유로 튜브의 온도 보정 계수(C 2 )는 1 이하이다.
Figure 112006088498344-pat00001
h cf , h rf : 냉각 유로, 회수 유로의 대류 열전달 계수
k ici , k rc : 내부 금속 쉬스, 회수 유로 튜브의 열전도 계수
r ici , r ico , r ri : 내부 금속 쉬스, 내, 외측 및 회수 유로 튜브의 내측반경
C 1 : 접촉 면적 계수(접촉 면적/내측 금속 쉬스 외주면의 면적)
C 2 : 회수 유로 튜브의 온도 보정 계수
n : 회수 유로 튜브의 개수
한편, 상기 각각의 회수 유로 튜브(204)는 구리, 알루미늄 또는 스테인리스 재질로 구성될 수 있으며, 상기 각각의 회수 유로 튜브(204)의 외주면 상에는 열전달의 최소화를 배가시키기 위해 테프론, 종이와 같은 비금속 물질 구성되는 보조 단열층이 구비될 수 있다. 또한, 상기 복수의 회수 유로 튜브(204)는 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 내부 금속 쉬스(203)의 외주면을 나선상으로 감싸는 형태로 구비될 수 있다.
마지막으로, 상기 단열재(205)의 외주면으로부터 이격된 위치에는 외부 금속 쉬스(207)가 구비되는데, 상기 단열재(205)와 외부 금속 쉬스(207) 사이의 이격 거리를 담보하기 위해 상기 단열재(205)의 외주면 상에는 스페이서(206)(spacer)가 구비된다. 상기 외부 금속 쉬스(207)와 단열재(205) 사이의 공간은 진공으로 유지되며, 상기 스페이서(206)는 테프론, 폴리에틸렌과 같은 고분자 물질로 형성될 수 있다.
이상과 같은 구성을 갖는 본 발명의 초전도 케이블에 있어서 상기 중심 도체(201), 내부 금속 쉬스(203), 단열재(205) 및 외부 금속 쉬스(207)는 동심원의 형태로 배치되며, 상기 내부 및 외부 금속 쉬스(207)는 도면에 도시되지 않았지만 주름진 형태의 알루미늄 또는 스테인리스 재질로 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 초전도 케이블은 다음과 같은 효과가 있다.
내부 금속 쉬스와 단열재 사이에 상기 내부 금속 쉬스와 단열재 사이의 이격 거리에 상응하는 직경을 갖는 회수 유로 튜브를 복수개 배치시킴으로써, 상기 회수 유로 튜브와 내부 금속 쉬스의 접촉 면적 및 상기 회수 유로 튜브와 단열재의 접촉 면적을 최소화시켜 궁극적으로 열전달량을 획기적으로 줄일 수 있게 되고 이에 따라, 초전도 케이블의 온도 상승을 억제할 수 있게 된다.
또한, 냉각 유로 및 회수 유로 튜브를 초전도 케이블 내에 효과적으로 배치할 수 있음에 따라, 초전도 케이블의 외경을 축소시킬 수 있게 된다.

Claims (6)

  1. 초전도체를 포함하여 구성되는 중심 도체;
    상기 중심 도체의 외주면으로부터 이격되어 상기 중심 도체를 감싸는 형태로 구비되는 내부 금속 쉬스;
    상기 내부 금속 쉬스의 외주면으로부터 이격되어 상기 내부 금속 쉬스를 감싸는 형태로 구비되는 단열재; 및
    상기 단열재의 외주면으로부터 이격되어 상기 단열재를 감싸는 형태로 구비되는 외부 금속 쉬스를 포함하여 이루어지며,
    상기 중심 도체와 내부 금속 쉬스의 이격에 의해 제 1 공간이 마련되며, 상기 제 1 공간은 상기 중심 도체의 극저온 상태 유지를 위한 냉각 유로로 정의되며,
    상기 내부 금속 쉬스와 단열재 사이의 이격에 의해 제 2 공간이 마련되며, 상기 제 2 공간 내에는 복수의 회수 유로 튜브가 상기 내부 금속 쉬스의 외주면 및 상기 단열재의 내주면을 따라 배치되는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 각각의 회수 유로 튜브는 동일한 형상을 가지며, 각각의 회수 유로 튜브의 직경은 상기 내부 금속 쉬스의 외주면과 상기 단열재의 내주면 사이의 이격 거리에 상응한 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 회수 유로 튜브는 상기 내부 금속 쉬스의 외주면을 나선상으로 감싸는 형태로 구비되는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 회수 유로 튜브는 구리, 알루미늄 또는 스테인리스 중 어느 한 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 회수 유로 튜브의 외주면 상에는 보조 단열층이 구비되는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 보조 단열층은 테프론 또는 종이로 구성되는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
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