KR20170009552A - 초전도 케이블의 감압식 냉각시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초전도 케이블의 감압식 냉각시스템에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 초전도 케이블의 감압식 냉각시스템은 초전도 도체층이 구비되는 코어부와, 상기 코어부 외측에 액상 제1 냉매로 코어부를 냉각시키는 냉각부와, 상기 냉각부 외측에 구비되는 단열부와, 상기 단열부 외측에 구비되는 진공부를 포함하는 초전도 케이블의 감압식 냉각시스템에 있어서, 상기 초전도 케이블의 상기 냉각부와 연결되는 냉매 순환 유로를 따라 구비되어 상기 냉매 순환 유로를 통해 상기 액상 제1 냉매를 순환시키는 순환펌프, 상기 냉매 순환 유로에 상기 액상 제1 냉매를 공급하는 냉매탱크, 상기 냉매 순환 유로를 따라 구비되어 제2 냉매의 기화열을 이용하여 상기 액상 제1 냉매를 냉각시키는 감압식 냉각용기, 상기 감압식 냉각용기에서 발생한 기상 제2 냉매를 방출하는 진공펌프 및 상기 진공펌프에서 방출되는 상대적으로 고온의 상기 기상 제2 냉매와, 상기 감압식 냉각용기에서 상기 진공펌프로 공급되는 상대적으로 저온의 상기 기상 제2 냉매의 열교환을 수행하는 열교환부를 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

초전도 케이블의 감압식 냉각시스템 {Decompression type cooling system for Superconducting cable}

본 발명은 초전도 케이블의 감압식 냉각시스템에 관한 것이다.

초전도 선재는 일정한 온도에서 전기저항이 제로에 가까이 수렴하므로, 낮은 전압에서도 큰 전력 전송 능력을 갖는다. 이러한 초전도 선재를 구비하는 초전도 케이블은 극저온 환경을 형성 및 유지하고자 질소 등의 냉매를 사용하여 냉각시키는 방법 및/또는 진공층을 형성하는 단열의 방법을 사용한다.

상기 초전도 케이블에서는 극저온 환경을 유지하기 위하여 고장 가능성이 낮고 전력 소비량이 최소화되며 안정적으로 초전도 케이블의 냉매를 냉각시키기 위한 냉각시스템이 필요하다.

본 발명은 초전도 케이블의 냉매를 냉각시키는 감압식 냉각시스템에서 상기 냉각시스템을 구성하는 진공펌프로 극저온의 냉매가 유입되는 것을 방지할 수 있는 냉각시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다. 특히, 추가적인 구성요소를 필요로 하지 않으며 단순한 구조에 의해 상기 진공펌프로 극저온의 냉매가 유입되는 것을 방지할 수 있는 냉각시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 초전도 도체층이 구비되는 코어부와, 상기 코어부 외측에 액상 제1 냉매로 코어부를 냉각시키는 냉각부와, 상기 냉각부 외측에 구비되는 단열부와, 상기 단열부 외측에 구비되는 진공부를 포함하는 초전도 케이블의 감압식 냉각시스템에 있어서, 상기 초전도 케이블의 상기 냉각부와 연결되는 냉매 순환 유로를 따라 구비되어 상기 냉매 순환 유로를 통해 상기 액상 제1 냉매를 순환시키는 순환펌프, 상기 냉매 순환 유로에 상기 액상 제1 냉매를 공급하는 냉매탱크, 상기 냉매 순환 유로를 따라 구비되어 제2 냉매의 기화열을 이용하여 상기 액상 제1 냉매를 냉각시키는 감압식 냉각용기, 상기 감압식 냉각용기에서 발생한 기상 제2 냉매를 방출하는 진공펌프 및 상기 진공펌프에서 방출되는 상대적으로 고온의 상기 기상 제2 냉매와, 상기 감압식 냉각용기에서 상기 진공펌프로 공급되는 상대적으로 저온의 상기 기상 제2 냉매의 열교환을 수행하는 열교환부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블의 감압식 냉각시스템을 제공할 수 있다.

또한, 상기 열교환부는 상기 감압식 냉각용기와 상기 진공펌프를 연결하는 연결유로 및 상기 진공펌프에서 방출되는 상기 기상 제2 냉매가 내부를 따라 유동하며, 미리 결정된 중첩길이만큼 상기 연결유로와 인접하게 구비되는 배출유로를 구비할 수 있다.

이 경우, 상기 열교환부는 상기 배출유로가 상기 연결유로를 감싸는 이중관 구조로 이루어질 수 있다.

그리고, 상기 연결유로를 따라 흐르는 상기 기상 제2 냉매의 흐름방향과 상기 배출유로를 따라 흐르는 상기 기상 제2 냉매의 흐름방향은 서로 반대방향으로 구성될 수 있다.

그리고, 상기 연결유로를 통해 상기 진공펌프로 유입되는 상기 기상 제2 냉매의 온도가 278K 내지 288K의 범위를 가지도록 상기 중첩길이가 결정될 수 있다.

여기서, 상기 연결유로 상에 상기 기상 제2 냉매와 외부 대기와의 열교환을 위한 기화기를 더 구비할 수 있다.

또한, 상기 제1 냉매와 제2 냉매는 동일한 종류일 수 있다.

이 경우, 상기 냉매 순환 유로는 상기 초전도 케이블에 연결된 종단접속함을 통해 상기 초전도 케이블의 냉각부와 연결될 수 있다.

본 발명에 따른 초전도 케이블의 감압식 냉각시스템에 의하면, 추가적인 구성요소를 필요로 하지 않으면서 상기 냉각시스템을 구성하는 진공펌프로 극저온의 냉매가 유입되는 것을 방지할 수 있으므로 진공펌프의 고장 또는 오작동을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 상기 진공펌프에서 배기되는 냉매가스의 폐열을 사용하여 상기 진공펌프로 유입되는 냉매가스를 가열하게 되므로 별도의 히터와 같이 외부 전력을 활용하지 않으면서 효율적으로 상기 진공펌프로 유입되는 냉매가스의 온도를 높일 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 초전도 케이블의 단계별 탈피된 사시도를 도시한다.
도 2는 1에 도시된 초전도 케이블의 단면도를 도시한다.
도 3는 본 발명에 따른 초전도 케이블의 다른 실시예를 도시한다.
도 4은 도 3에 도시된 초전도 케이블이 수평방향으로 설치된 상태의 단면도를 도시한다.
도 5는 종래의 일 실시예에 따른 감압식 냉각시스템의 개략도를 도시한다.
도 6은 다른 실시예에 따른 감압식 냉각시스템의 개략도를 도시한다.
도 7은 열교환부의 이중관구조를 도시한 사시도이다.

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 단계별 탈피된 사시도를 도시하며, 도 2는 1에 도시된 초전도 케이블의 단면도를 도시한다.

본 발명에 따른 초전도 케이블의 기본 구조를 설명한다.

도 1에 도시된 초전도 케이블은 포머(110), 상기 포머(110) 외부를 감싸도록 상기 포머(110)의 길이방향으로 나란히 배치되는 복수 개의 초전도 선재를 포함하는 적어도 1층 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 1층 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 제1 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 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 1 및 도 2에 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.

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

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.

예를 들어, 본 발명에 따른 초전도 케이블을 구성하는 초전도 선재의 기계적 강성을 보강하기 위하여 초전도 선재의 양표면에 상온에서 통전성이 있는 금속 재질의 통전 레이어가 구비된다. 이와 같은 통전 레이어는 기계적 강성을 보강하여 초전도 선재의 권선시 비틀림 응력에 의한 끊어짐 등을 방지할 수 있다.

이와 같은 통전 레이어는 초전도 선재의 기계적 강성을 보강함과 동시에 단락 등의 사고 발생시 상기 포머와 함께 사고 전류의 귀로 역할을 나누어 수행할 수 있으므로, 본 발명에 따른 초전도 케이블의 포머는 종래의 일반적인 초전도 케이블을 구성하는 포머의 직경보다 작은 직경을 가질 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(131a)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 1에 도시된 바와 같이, 초전도 케이블을 통해 송전 또는 배전하려는 전류의 용량에 따라 초전도 도체층(130)은 복층으로 구성할 수도 있다.

도 1에 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 1에 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 선재(131a, 131b)는 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 발명에 따른 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.

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 구성되 수 있다.

이와 같은 방법으로 초전도 케이블의 코어부(100)가 구성될 수 있으며, 도 1 및 도 2에서 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 제1 냉매의 유로가 구비될 수 있다. 상기 액상 제1 냉매로는 액상 질소가 사용될 수 있으며, 상기 액상 냉매(액상 질소)는 대략 70K 정도의 온도를 갖도록 냉각된 상태로 상기 냉각 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 접속함 등에서 회수되어 재냉각되어 다시 상기 냉각부(200)의 냉각유로로 공급될 수 있다. 상기 냉각부(200)와 연결되는 냉매의 냉각시스템에 대해서는 이후에 상세히 살펴보기로 한다.

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 굴고 구조(corrugated)를 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.

상기 단열부(400)는 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) 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 1개의 스페이서(560)를 구비할 수 있으며, 구체적으로 초전도 케이블 또는 스페이서의 종류 또는 크기에 따라 증감될 수 있다. 도 1 및 도 2에 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 발명에 따른 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.

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 3는 본 발명에 따른 초전도 케이블의 다른 실시예를 도시하며, 도 4은 도 3에 도시된 초전도 케이블이 수평방향으로 설치된 상태의 단면도를 도시한다.

도 1 내지 도 4을 참조한 설명과 중복된 설명은 생략한다. 도 3 및 도 4에 도시된 실시예는 초전도 케이블에 구비된 코어부(100)의 개수가 3개인 3상 초전도 케이블을 도시한다.

3상 초전도 케이블은 각각의 코어부(100)가 독립적으로 냉각부(200)를 구비하는 구조가 아니라 3개의 코어부(100) 외측에 냉각부(200)를 공유하는 구조를 가질 수 있으며, 상기 냉각부(200) 외측에 진공부(500) 역시 공유되는 구조일 수 있다.

도 3 및 도 4에 도시된 초전도 케이블 역시 전도 또는 복사에 의한 열침입을 최소화할 수 있는 단열재를 적용하여 극저온 상태로 유지되어야 하는 코어부 측으로 열침입이 발생되는 것을 최소화할 수 있음은 마찬가지이다.

전술한 구조를 가지는 초전도 케이블(1000)에 있어서 액상의 제1 냉매(질소)는 대략 70K 정도의 온도로 상기 초전도 케이블(1000)의 상기 냉각부(200)로 유입되어 상기 코어부(100)의 초전도 선재를 극저온 상태로 유지하게 된다. 상기 초전도 선재를 극저온 상태로 유지하도록 냉각시킨 상기 액상 냉매는 대략 75K 내지 80K 정도로 온도가 상승하게 되므로 70K 정도의 온도로 재냉각시키기 위한 냉각시스템이 필요하게 된다.

상기 냉각시스템은 냉동기를 구비한 방식과 냉매의 기화열을 사용하는 감압방식을 구분될 수 있다. 상기 냉동기 방식은 상기 액상 냉매를 냉각시키기 위한 냉동기를 별도로 구비한 방식이다.

한편, 도 5는 종래의 감압식 냉각시스템(3000)을 도시한 개략도이다.

도 5를 참조하면, 상기 감압식 냉각시스템(3000)은 상기 초전도 케이블(1000)의 상기 냉각부(200)와 연결되는 냉매 순환 유로(3100)를 따라 구비되어 상기 냉매 순환 유로(3100)를 통해 상기 액상 제1 냉매를 순환시키는 순환펌프(3200)와, 상기 냉매 순환 유로(3100)에 상기 액상 제1 냉매를 공급하는 냉매탱크(3400)와, 상기 냉매 순환 유로를 따라 구비되어 제2 냉매의 기화열을 이용하여 상기 액상 제1 냉매를 냉각시키는 감압식 냉각용기(3300)와, 상기 감압식 냉각용기(3300)에서 발생한 기상 제2 냉매를 방출하는 진공펌프(3700)와, 상기 진공펌프(3700)로 공급되는 상기 기상 제2 냉매를 소정의 온도로 가열하는 히터부(2500)를 구비한다.

상기 감압식 냉각시스템(3000)은 상기 초전도 케이블(1000)의 냉각부(200)와 연결되어 상기 냉각부(200)를 따라 유동하는 상기 액상 제1 냉매가 순환하는 냉매 순환 유로(3100)를 구비한다. 예를 들어 도면에 도시된 바와 같이 한 쌍의 초전도 케이블(1000A, 1000B)의 일단이 중간접속함(2400)에 의해 서로 연결되고, 상기 초전도 케이블(1000)의 타단이 종단접속함(2000A, 2000B)에 각각 연결되는 경우에 상기 냉매 순환 유로(3100)는 상기 종단접속함(2000)을 통해 상기 초전도 케이블(1000)의 냉각부(200)에 연결될 수 있다.

상기 냉매 순환 유로(3100)에는 순환펌프(3200)가 구비되어 상기 액상 제1 냉매를 순환시키게 된다. 상기 순환펌프(3200)의 구동에 의해 상기 액상 제1 냉매가 상기 냉매 순환 유로(3100) 및 상기 초전도 케이블(1000)의 냉각부(200)를 순환하게 된다.

상기 냉매 순환 유로(3100)를 따라 상기 액상 제1 냉매가 순환하는 경우에 상기 액상 제1 냉매의 양이 부족할 수 있으며, 이 때 상기 액상 제1 냉매가 수용된 냉매탱크(3400)에 의해 상기 냉매 순환 유로(3100)로 상기 액상 제1 냉매를 보충할 수 있다. 상기 냉매탱크(3400)는 제1 밸브(3600)를 통해 상기 냉매 순환 유로(3100)와 연결되어 상기 냉매 순환 유로(3100)로 보충되는 액상 제1 냉매의 양을 조절할 수 있다.

한편, 상기 냉매 순환 유로(3100)에는 상기 초전도 케이블(1000)의 냉각부(200)를 순환하는 상기 액상 제1 냉매를 냉각시키는 감압식 냉각용기(3300)를 구비한다. 상기 액상 제1 냉매는 상기 초전도 케이블(1000)의 냉각부(200)로 유입되는 경우에 상기 초전도 케이블(1000)의 코어부(100)의 초전도 선재를 극저온 상태로 유지하기 위하여 대략 70K 정도로 냉각된 상태로 유입된다. 이 경우, 상기 감압식 냉각용기(3300)는 상기 초전도 케이블(1000)에서 배출되어 대략 75K 내지 80K의 온도를 가지는 상기 액상 제1 냉매를 대략 70K 정도로 다시 냉각시키게 된다.

구체적으로, 상기 감압식 냉각용기(3300)의 내부는 미리 정해진 압력으로 감압되며, 상기 감압식 냉각용기(3300)로 액상의 제2 냉매가 공급된다. 이때, 상기 액상의 제2 냉매는 상기 액상 제1 냉매와 혼합되지 않으며 단지 열교환을 수행하게 된다. 상기 액상 제1 냉매가 흐르는 상기 냉매 순환 유로(3100)가 상기 감압식 냉각용기(3300)를 관통하도록 구성된다. 이 경우, 상기 감압식 냉각용기(3300)의 내부에서 상기 제2 냉매와 제1 냉매의 열교환을 촉진시키기 위하여 상기 냉매 순환 유로(3100)의 외부 단면적이 넓어지거나, 또는 다수의 핀을 구비할 수 있다.

한편, 상기 제2 냉매는 상기 제1 냉매와 다른 종류로 구성될 수도 있지만, 상기 감압식 냉각시스템(3000)의 구조 단순화 및 비용 절감을 위해 서로 동일한 종류로 구성될 수 있다. 이하에서는, 상기 제1 냉매와 제2 냉매가 동일한 종류로 구성된 경우를 상정하여 설명한다.

예를 들어, 상기 냉매탱크(3400)에서 연장되는 유로(3500)가 상기 감압식 냉각용기(3300)로 연결되어 상기 감압식 냉각용기(3300)의 내부로 액상 제2 냉매를 공급할 수 있다. 이 경우, 상기 감압식 냉각용기(3300)의 내부는 소정의 압력으로 감압된 상태이므로 상기 감압식 냉각용기(3300) 내부에서 상기 액상 제2 냉매는 기상 냉매로 기화되면서 주변으로부터 기화열을 뺏게 된다. 이 때, 상기 감압식 냉각용기(3300)를 관통하는 상기 냉매 순환 유로(3100) 상의 상기 액상 제1 냉매를 냉각시키게 된다.

전술한 바와 같이 재냉각된 상기 액상 제1 냉매는 일측의 종단접속함(2000B)을 통해 상기 초전도 케이블(1000)의 냉각부(200)로 다시 유입되어 상기 코어부(100)의 초전도 선재를 극저온 상태로 유지하게 된다.

한편, 상기 감압식 냉각용기(3300)에서 기화된 상기 기상 제2 냉매는 상기 감압식 냉각용기(3300)와 연결유로(3800)로 연결된 진공펌프(3700)에 의해 외부로 배출된다. 이 경우, 상기 감압식 냉각용기(3300)에서 바로 배출된 상기 기상 제2 냉매의 온도는 대략 70K 내지 80K로서 매우 저온의 온도에 해당한다. 상기와 같이 극저온의 온도를 가지는 상기 기상 제2 냉매가 바로 진공펌프(3700)로 유입된다면 상기 진공펌프(3700)의 고장 및 파손을 발생시킬 수 있다. 따라서, 상기 연결유로(3800)에 상기 기상 제2 냉매와 외부 대기와의 열교환을 위한 기화기(3900)를 구비할 수 있다. 상기 기화기(3900)는 도면에 도시된 바와 같이 상기 연결유로(3800)에서 분기된 다수의 미세 관로로 구성되어, 상기 관로 내부를 유동하는 상기 기상 제2 냉매와 외부 대기와의 접촉면적을 늘리어 열교환을 원할하게 유발한다. 따라서, 외부 대기의 온도에 의해 상기 기상 제2 냉매를 대략 278K 내지 288K 정도로 가열하여 상기 진공펌프(3700)로 공급하게 된다.

그런데, 상기 기화기(3900)를 구비한 구성의 경우 외부 대기의 온도가 상대적으로 높은 여름철에는 상기 기상 제2 냉매를 충분히 가열할 수 있지만, 상대적으로 외부 대기 온도가 낮은 겨울철에는 상기 기상 제2 냉매를 충분히 가열할 수 없게 된다. 예를 들어, 겨울철에 상기 기화기(3900)를 지난 상기 기상 제2 냉매의 온도는 대략 263K 이하로서 대략 15K 내지는 25K 정도 추가적인 온도 상승이 필요하다.

따라서, 상기 기화기(3900)를 지난 상기 연결유로(3800) 상에 상기 진공펌프(3700)로 공급되는 상기 기상 제2 냉매를 소정의 온도로 가열하는 히터부(2500)를 구비한다. 상기 히터부(2500)는 상기 기상 제2 냉매를 추가적으로 가열하여 상기 진공펌프(3700)로 유입되는 상기 기상 제2 냉매의 온도를 대략 278K 내지 288K 정도로 맞추게 된다.

상기 히터부(2500)의 구성은 상기 기상 제2 냉매를 가열하여 상기 진공펌프(3700)의 파손을 방지할 수 있지만, 히터를 비롯한 각종 구성요소의 추가적인 장착이 필요하게 되며, 나아가 상기 히터부(2500)의 구동을 위한 전력 공급이 필수적이다. 또한, 상기 히터부(2500)의 경우에 장시간 사용 시 성능 저하가 발생할 수 있어 유지보수가 필요하게 된다.

이하에서는 상기와 같은 감압식 냉각시스템의 문제점을 보완하는 다른 실시예에 따른 감압식 냉각시스템의 구성에 대해 살펴보도록 한다.

도 6은 다른 실시예에 따른 감압식 냉각시스템(3000)의 구성을 도시한 개략도이다.

도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 감압식 냉각시스템(3000)은 상기 초전도 케이블(1000)의 상기 냉각부(200)와 연결되는 냉매 순환 유로(3100)를 따라 구비되어 상기 냉매 순환 유로(3100)를 통해 상기 액상 제1 냉매를 순환시키는 순환펌프(3200)와, 상기 냉매 순환 유로(3100)에 상기 액상 제1 냉매를 공급하는 냉매탱크(3400)와, 상기 냉매 순환 유로(3100)를 따라 구비되어 제2 냉매의 기화열을 이용하여 상기 액상 제1 냉매를 냉각시키는 감압식 냉각용기(3300)와, 상기 감압식 냉각용기(3300)에서 발생한 기상 제2 냉매를 방출하는 진공펌프(3700) 및 상기 진공펌프(3700)에서 방출되는 상대적으로 고온의 상기 기상 제2 냉매와, 상기 감압식 냉각용기(3300)에서 상기 진공펌프(3700)로 공급되는 상대적으로 저온의 상기 기상 제2 냉매의 열교환을 수행하는 열교환부(4000)를 구비한다. 여기서, 전술한 도 5의 실시예와 비교하여 상기 초전도 케이블(1000), 순환펌프(3200), 감압식 냉각용기(3300), 냉매탱크(3400) 및 진공펌프(3700) 등의 동일한 구성요소에는 동일한 도면부호를 사용하였으며, 반복적인 설명은 생략하고 이하에서는 차이점에 대해서 살펴보기로 한다.

본 실시예에 따른 상기 감압식 냉각시스템(3000)은 전술한 실시예의 히터부(2500)와 같이 상기 기상 제2 냉매를 가열하기 위한 별도의 구성요소를 필요로 하지 않고 상기 진공펌프(3700)에서 배출되는 상대적으로 고온의 상기 기상 제2 냉매의 열을 이용하여 상대적으로 저온의 상기 기상 제2 냉매를 가열하게 된다.

구체적으로, 상기 진공펌프(3700)에 의해 상기 기상 제2 냉매를 배출하는 경우에 상기 진공펌프(3700)를 거친 상기 기상 제2 냉매의 온도는 대략 323K 정도로 상승하게 된다. 따라서, 상기와 같이 대략 323K 정도로 온도가 상승한 상기 기상 제2 냉매와 상기 기화기(3900)를 거친 대략 263K의 온도를 가지는 상기 기상 제2 냉매의 열교환을 통해 상기 진공펌프(3700)로 유입되는 상기 기상 제2 냉매의 온도를 대략 278K 내지 288K 정도로 상승시킬 수 있게 된다.

따라서, 본 실시예에서는 전술한 도 5의 실시예와 달리 히터부 등의 추가적인 구성요소를 생략하고 상기 진공펌프(3700)에서 배기되는 상기 냉매 가스의 배기열에 의해 상기 진공펌프(3700)로 유입되는 상대적으로 저온의 냉매가스를 가열하여 단순한 구조에 의해 감압식 냉각시스템을 형성하며, 나아가 추가적인 외부 전력의 공급을 필요로 하지 않는다.

구체적으로 상기 열교환부(4000)는 상기 감압식 냉각용기(3300)와 상기 진공펌프(3700)를 연결하는 연결유로(3800)와, 상기 진공펌프(3700)에서 방출되는 상기 기상 제2 냉매가 내부를 따라 유동하며, 미리 결정된 중첩길이만큼 상기 연결유로(3800)와 인접하게 구비되는 배출유로(4100)를 구비할 수 있다.

즉, 상기 진공펌프(3700)에서 연장된 배출유로(4100)는 미리 결정된 중첩길이만큼 상기 연결유로(3800)와 중첩되어 인접하게 배치된다. 상기 배출유로(4100)를 통해 상기 진공펌프(3700)에서 배기된 상대적으로 고온의 상기 기상 제2 냉매 가스가 유동하고, 상기 연결유로(3800)를 통해 상기 기화기(3900)를 통과한 상대적으로 저온의 상기 기상 제2 냉매 가스가 유동하므로, 상기 고온의 상기 기상 제2 냉매 가스와 상기 저온의 상기 기상 제2 냉매 가스 사이의 열교환에 의해 상기 진공펌프(3700)로 유입되는 상기 기상 제2 냉매의 온도를 상승시킬 수 있다.

이 경우, 도 7에 도시된 바와 같이 상기 배출유로(4100)는 상기 연결유로(3800)를 감싸는 이중관 구조로 이루어질 수 있다. 즉, 내부의 연결유로(3800)를 통해 상기 기화기(3900)를 거친 상대적으로 저온의 기상 제2 냉매가 유동하며, 상기 연결유로(3800)의 외부 및 상기 배출유로(4100)의 내부를 통해 상기 진공펌프(3700)에서 배기된 상대적으로 고온의 기상 제2 냉매가 유동하게 된다. 나아가, 상기와 같이 이중관 구조를 가지는 경우에 상기 연결유로(3800)를 통해 유동하는 기상 제2 냉매의 흐름방향(A)과 상기 배출유로(4100)를 통해 유동하는 기상 제2 냉매의 흐름방향(B)은 서로 반대방향이 되도록 하여 상기 열교환의 효율을 향상시킬 수 있다.

한편, 상기 연결유로(3800)와 상기 배출유로(4100)가 서로 인접하는 거리(또는 서로 중첩하는 거리)에 해당하는 중첩거리는 상기 기상 제2 냉매의 온도가 상기 진공펌프(3700)에 손상을 유발하지 않는 정도의 온도가 되도록 결정될 수 있다. 예를 들어, 상기 중첩거리는 상기 진공펌프(3700)로 유입되는 상기 기상 제2 냉매의 온도가 대략 278K 내지 288K의 범위를 가지도록 결정될 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.

100 : 코어부
130 : 초전도 도체층
180 : 초전도 차폐층
200 : 냉각부
300 : 내부 금속관
400 : 단열부
500 : 진공부
560 : 스페이서
600 : 외부 금속관
700 : 외부자켓
1000 : 초전도 케이블
2000 : 종단접속함
3100 : 냉매 순환 유로
3200 : 순환펌프
3300 : 감압식 냉각용기
3400 : 냉매탱크
3700 : 진공펌프
3900 : 기화기

Claims (8)

1. 초전도 도체층이 구비되는 코어부와, 상기 코어부 외측에 액상 제1 냉매로 코어부를 냉각시키는 냉각부와, 상기 냉각부 외측에 구비되는 단열부와, 상기 단열부 외측에 구비되는 진공부를 포함하는 초전도 케이블의 감압식 냉각시스템에 있어서,
   상기 초전도 케이블의 상기 냉각부와 연결되는 냉매 순환 유로를 따라 구비되어 상기 냉매 순환 유로를 통해 상기 액상 제1 냉매를 순환시키는 순환펌프;
   상기 냉매 순환 유로에 상기 액상 제1 냉매를 공급하는 냉매탱크;
   상기 냉매 순환 유로를 따라 구비되어 제2 냉매의 기화열을 이용하여 상기 액상 제1 냉매를 냉각시키는 감압식 냉각용기;
   상기 감압식 냉각용기에서 발생한 기상 제2 냉매를 방출하는 진공펌프; 및
   상기 진공펌프에서 방출되는 상대적으로 고온의 상기 기상 제2 냉매와, 상기 감압식 냉각용기에서 상기 진공펌프로 공급되는 상대적으로 저온의 상기 기상 제2 냉매의 열교환을 수행하는 열교환부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블의 감압식 냉각시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 열교환부는
   상기 감압식 냉각용기와 상기 진공펌프를 연결하는 연결유로; 및
   상기 진공펌프에서 방출되는 상기 기상 제2 냉매가 내부를 따라 유동하며, 미리 결정된 중첩길이만큼 상기 연결유로와 인접하게 구비되는 배출유로;를 구비하는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블의 감압식 냉각시스템.
3. 제2항에 있어서,
   상기 열교환부는
   상기 배출유로가 상기 연결유로를 감싸는 이중관 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 초전도 케이블의 감압식 냉각시스템.
4. 제3항에 있어서,
   상기 연결유로를 따라 흐르는 상기 기상 제2 냉매의 흐름방향과 상기 배출유로를 따라 흐르는 상기 기상 제2 냉매의 흐름방향은 서로 반대방향인 것을 특징으로 하는 초전도 케이블의 감압식 냉각시스템.
5. 제2항에 있어서,
   상기 연결유로를 통해 상기 진공펌프로 유입되는 상기 기상 제2 냉매의 온도가 278K 내지 288K의 범위를 가지도록 상기 중첩길이가 결정되는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블의 감압식 냉각시스템.
6. 제2항에 있어서,
   상기 연결유로 상에 상기 기상 제2 냉매와 외부 대기와의 열교환을 위한 기화기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블의 감압식 냉각시스템.
7. 제1항에 있어서,
   상기 제1 냉매와 제2 냉매는 동일한 종류인 것을 특징으로 하는 초전도 케이블의 감압식 냉각시스템.
8. 제1항에 있어서,
   상기 냉매 순환 유로는 상기 초전도 케이블에 연결된 종단접속함을 통해 상기 초전도 케이블의 냉각부와 연결되는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블의 감압식 냉각시스템.

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