KR20110097023A - 알루미늄계 단열관을 구비한 초전도 케이블 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초전도 케이블에 관한 것으로서, 단열관들의 반사율을 높여 냉각기능을 향상시킴으로써 초전도의 기능을 향상시킬 수 있도록 구성한 초전도 케이블을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 도체가 구비된 코어와, 코어의 둘레를 감싸는 단열관을 포함하는 초전도케이블로서, 상기 단열관의 재질은 알루미늄 또는 알루미늄 합금이며 표면조도가 rms값으로 30micron이하인 것을 기술적 특징으로 한다.

Description

알루미늄계 단열관을 구비한 초전도 케이블{Superconducting Cable With Aluminum Cryostat}

본 발명은 초전도 케이블에 관한 것으로서, 특히 단열관들의 반사율을 높여 냉각기능을 향상시킴으로써 초전도의 기능을 향상시킬 수 있게 구성한 것이다.

종래의 전력케이블에 비해 대용량의 전력을 송전할 수 있으며, 그 손실 또한 매우 적은 초전도 케이블은 초전도 선재를 초전도 상태로 유지하기 위해 극저온 유지용 단열관(Cryostat)이 초전도 케이블 코어를 감싼다.

도 1은 종래 기술에 따른 초전도 케이블의 종방향 단면을 나타낸 개념도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 초전도 케이블(10)은 코어(11)와 간격을 두고 코어(11)의 둘레를 내측 단열관(12)이 감싸고, 내측 단열관(12)의 외측면에는 열절연층(13)이 테이핑되며, 열절연층(13)과 간격을 두고 열절연층(13)의 둘레를 외측 단열관(15)이 감싼다. 그리고 외측 단열관(15)과 열절연층(13)의 사이에 스페이서(14)가 위치하며 외측 단열관(15)과 열절연층(13)의 사이에 간격을 형성한다.

여기에서, 내측 단열관(12)과 외측 단열관(15)의 사이는 전도와 복사열을 차단하기 위해 진공상태를 유지하며, 열절연층(13)은 열절연재질의 필름으로 내측 단열관(12)의 외표면을 여러 층으로 테이핑하여 형성한다.

이와 같이 구성된 초전도 케이블에 있어서, 내측 단열관에는 열절연층이 테이핑되어 형성되는데, 열절연층은 내측 단열관의 내부로 침투하는 특정 파장의 에너지의 흡수를 낮추고 외부로의 반사율을 향상시키 위한 것이다. 열절연층은 복사열에너지를 반사하기 위해 표면조도가 우수하다.

하지만, 이와 같이 우수한 표면조도의 열절연층을 형성하더라도 3W/m이상의 복사열을 흡수한다.

이와 같이 단위길이당 3W/m이상의 복사열에너지를 흡수하게 되면 초전도 케이블의 냉각시스템의 용량이 증대되어야 하며, 효율저하 및 부하증가가 발생하게 되는 단점이 있다.

또한, 열절연층의 두께가 증가하게 되어 열절연층의 물량 증가로 인한 비용이 증가하며, 열절연층의 두께 증가로 인한 진공유지 공간의 감소 스페이서의 직경감소와 같은 문제점이 발생하게 된다.

본 발명은 앞에서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 단열관들의 복사열에너지 흡수율을 낮춰 초전도의 기능을 향상시킬 수 있게 구성한 초전도 케이블을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 도체가 구비된 코어와, 코어의 둘레를 감싸는 단열관을 포함하는 초전도케이블로서, 상기 단열관의 재질은 알루미늄 또는 알루미늄 합금이며 표면조도가 rms값으로 30micron이하인 것을 기술적 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 단열관은, 코어의 둘레를 감싸는 내측 단열관과 상기 내측 단열관과 간격을 두고 내측 단열관의 둘레를 감싸는 외측 단열관이며, 상기 내측 단열관의 둘레에는 열절연층이 위치한다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 단열관은 파형 구조이며, 파형 구조에서 오목부 표면조도는 rms값으로 15micron이하이며, 볼록부 표면조도는 rms값으로 30micron이하이다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 단열관은 압출다이스를 통해 열간압출방식으로 제조되며, 압출다이스의 압출각은 45 내지 60°이다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 압출다이스는 Fe-Cr주철 또는 Fe-Ni-Cr주철로 제조되며 rms값으로 5micron이하의 표면조도를 갖는다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 압출다이스의 출구온도는 470 내지 555℃이다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 압출다이스를 통해 압출되는 압출속도는 5~10inch/min이다.

앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 초전도 케이블은 알루미늄계 무봉합 단열관의 표면조도를 관리함으로써, 외부로부터 침투하는 복사열에너지는 최소화할 수 있어 초전도 기능을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 초전도 케이블은 단열관의 표면조도가 우수하여 열절연층과의 마찰 시에 열절연층의 표면 긁힘을 최소화할 수 있다. 열절연층의 표면이 우수함에 따라 복사열에너지의 침투를 최소화할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 초전도 케이블은 순수 알루미늄 및 알루미늄합금으로 열간압출방식에 의해 제조된 단열관을 사용함으로써, 단열관의 생산성이 우수하다는 장점이 있다. 또한 열간압출하는 과정 중에 단열관에는 산화피막이 형성되어 표면조도를 더욱 향상시키는 장점이 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 초전도 케이블의 종방향 단면을 나타낸 개념도이다.
도 2는 단열관을 열간압연하는 제조공정에 사용되는 다이의 단면도이다.

아래에서는 본 발명에 따른 초전도 케이블의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.

도면에서, 도 2는 단열관을 열간압연하는 제조공정에 사용되는 다이의 단면도이다.

본 발명에 따른 초전도 케이블은 내측에 코어가 위치하고, 코어의 둘레를 내측 단열관이 감싸며, 내측 단열관의 둘레를 열절연테이프가 감싸면서 열절연층을 형성한다. 그리고 열절연층의 둘레를 외측 단열관이 감싼다.

이와 같이 구성된 초전도 케이블에 있어서, 내측 단열관은 99%이상의 순도를 갖는 100계열의 알루미늄 및 Al-Zn합금인 A1050, A1100, A2017, A2014, A3003, A3004, A5052, A5N01, A5083, A6061, A6N01, A6063, A7003, A7075 계열의 알루미늄 합금(이하 통칭하여 '알루미늄계'라 함)으로 열간압출방식에 의해 제조된다.

이와 같이 열간압출방식으로 내측 단열관이 제조됨에 따라 내측 단열관에는 용접부위가 형성되지 않는다. 종래의 내측 단열관은 스테인레스 강을 원형으로 만곡한 후 만곡된 단부를 용접하고 용접부위를 그라인딩하여 표면을 매끈하게 하였으나, 본 발명에 따른 내측단열관은 열간압출방식으로 제조됨에 따라 용접 및 그라인딩 작업이 필요치 않아 생산성 및 작업성이 우수하다. 열간압출된 내측 단열관은 파형제조공정을 통해 파형의 내측 단열관으로 성형된다.

여기에서, 내측 단열관의 표면조도는 rms값으로 30micron이하를 만족하여야 한다. 보다 바람직하게는 파형의 내측 단열관에 있어서, 오목부의 표면조도는 rms값으로 15micron이하를 만족하고 볼록부는 rms값으로 30micron이하를 만족하여야 한다.

내측 단열관의 표면조도가 30micron를 초과하면 단위 길이당 3W/m이상의 복사열에너지가 침투하게 되지만, 표면조도가 30micron미만일 경우에는 1.5~2.5W/m의 복사열에너지만이 침투하게 되어 복사열에너지의 침투를 최소화할 수 있다.

한편, 상기 알루미늄계의 내측 단열관의 표면조도가 30micron미만이 되도록 열간압출하기 위해서는, 수직방향으로 압출할 경우 압력을 300~1500톤으로 인가하고, 수평방향으로 압출할 경우에는 압력을 200~3000톤으로 인가한다.

이는 알루미늄계의 압출 진행 시에 빌렛 길이가 감소함에 따라 컨테이너 벽과 마찰면적 감소로 압출력이 감소하며, 압출 최종 완료직전에는 알루미늄 유동의 변형저항이 급격히 커지면서 압출력이 증가하게 된다. 즉 빌렛의 길이에 따른 일정한 압출력을 유지하고 합금의 종류, 압출비, 제품형상과 빌렛 길이, 온도 등의 공정조건을 범용으로 수용할 수 있도록 압출방향에 따른 압력을 수직방향일 경우 300~1500톤, 수평방향일 경우 200~3000톤으로 인가한다.

한편, 압출 설비의 압출속도는 알루미늄계의 표면조도 향상과 압출품질의 확보를 위해 5~10inch/min의 범위로 압출한다. 여기에서 압출속도가 5inch/min미만일 경우에 빌렛과 컨테이너 간의 마찰력 저하로 인해 압출압력이 저하되고, 압출시간 지연으로 인해 압출온도가 아래에서 설정한 압출온도범위 미만으로 떨어진다. 또한 압출온도 저하로 소재의 변형 저항이 증가하여 다시 온도가 상승하고 압출 진행에 따라 압출조직이 상이하게 된다. 반대로 압출속도가 10inch/min를 초과할 경우에는 압출압력 증가에 따른 압출온도 증가로 인해 압출조직에 결함이 발생하게 된다.

압출 과정에서 압출온도는 대기중 압출 출구온도가 470~555℃를 유지하는 것이 바람직하다.

상기 470~555℃의 온도범위는 상기 알루미늄계의 용체화 온도범위로서, 알루미늄계 경우 알루미늄에 첨가된 합금성분을 알루미늄의 기지 내에 고용시켜 주기 위한 것으로 압출 후 조직을 균일하게 유지시켜 주는 온도범위이다.

그리고 압출에 사용되는 압출다이스는 Fe-Cr주철 또는 Fe-Ni-Cr 주철을 재료로 하여 rms값으로 5micron이하의 표면조도를 갖는 다이스를 사용한다.

압출다이스의 재질인 Fe-Cr주철 또는 Fe-Ni-Cr주철은 내마모성 및 고열에 따른 내산화 특성이 우수한 다이스 강종이며, 최소 표면조도 5micron이하의 표면조도를 가져야만 열간압출된 내측단열관의 표면조도가 30micron미만이 될 수 있다.

또한 압출용 다이스의 형태는 도 2에 도시된 바와 같이, 평면형 다이스와 콘형 다이스로 구분되며, 평면형 다이스(도 2의 (a)) 및 콘형 다이스(도 2의 (b))의 압출각(α)은 45~60도를 이루는 것이 바람직하다. 상기 다이스의 압출각은 다이스와 알루미늄계 유동체 간의 마찰에 의해 압출제의 표면에 발생하는 비정상 알루미늄 조직인 데드 존(dead zone)형상을 최소화할 수 있다. 압출각도가 45~60의 범위를 벗어나면 데드 존의 구역이 넓어져 초전도 케이블의 단열관으로 사용하기에 어려움이 있다.

이와 같은 조건의 압출설비를 이용하여 알루미늄 및 알루미늄 합금을 압출한다. 더불어 보다 바람직한 조건으로는, 압출 시에 윤활유를 다이스에 공급할 수 있으며, 압출 후 1 내지 30micron연마제(SiC 또는 Al₂O₃)로 내측 단열관을 연마한다. 또한 압출후에는 수냉 또는 유냉으로 냉각하는 것이 바람직하다.

그리고 앞에서 설명한 내측 단열관의 제조 조건과 동일한 조건으로 외측 단열관을 제조한 후에 내측 단열관과 함께 초전도 케이블에 장착되어 설치될 수 있다.

10 : 초전도 케이블 11 :코어
12 : 내측 단열관 13 :열절연층
14 : 스페이서 15 : 외측 단열관

Claims (7)

1. 도체가 구비된 코어와, 코어의 둘레를 감싸는 단열관을 포함하는 초전도케이블로서,
   상기 단열관의 재질은 알루미늄 또는 알루미늄 합금이며 표면조도가 rms값으로 30micron이하인 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
2. 제1항에 있어서,
   상기 단열관은, 코어의 둘레를 감싸는 내측 단열관 또는 상기 내측 단열관과 간격을 두고 내측 단열관의 둘레를 감싸는 외측 단열관이며, 상기 내측 단열관의 둘레에는 열절연층이 위치하는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 단열관은 파형 구조이며, 파형 구조에서 오목부 표면조도는 rms값으로 15micron이하이며, 볼록부 표면조도는 rms값으로 30micron이하인 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
4. 제3항에 있어서,
   상기 단열관은 압출다이스를 통해 열간압출방식으로 제조되며,
   압출다이스의 압출각은 45 내지 60°인 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
5. 제4항에 있어서,
   상기 압출다이스는 Fe-Cr주철 또는 Fe-Ni-Cr주철로 제조되며 rms값으로 5micron이하의 표면조도를 갖는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
6. 제4항에 있어서,
   상기 압출다이스의 출구온도는 470 내지 555℃인 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
7. 제4항에 있어서,
   상기 압출다이스를 통해 압출되는 압출속도는 5~10inch/min인 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.

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