KR20110112773A - 두 개의 케이블을 연결하기 위한 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 두 개의 초전도체 케이블(1A, 1B)을 연결하기 위한 장치를 제공하며, 상기 장치에서 각각의 초전도체 케이블은, 도전성 중앙 지지체(2A, 2B), 상기 중앙 지지체(2A, 2B) 둘레에 배치된 초전도체 재질의 적어도 하나의 층(3A, 4A; 3B, 4B), 및 초전도체 재질의 상기 층(3A, 4A; 3B, 4B)을 둘러싸는 절연성 피복(7A, 7B)을 포함하고, 초전도체 재질의 상기 각 층(3A, 4A; 3B, 4B)의 일부가 노출되도록 각각의 케이블의 단부가 벗겨지며, 상기 장치는,
a) 초전도체 재질의 상기 층들(3A, 4A; 3B, 4B)의 대면하여 보이는 부분들이 초전도체 재질의 적어도 하나의 층(9, 10)에 의해 연결되고, 그리고
b) 상기 장치는 초전도체 재질의 상기 층들(3A, 4A; 3B, 4B)의 보이는 부분들을 둘러싸는 단일의 도전성 자켓(11)을 포함하며, 상기 도전성 자켓(11)의 단부들 각각은 도전성 재질의 층(4A, 4B)에 전기적으로 연결된 영역(6A, 6B) 상에 배치되며, 상기 자켓(11)은 또한 납땜 물질에 의해 상기 중앙 지지체들(2A, 2B) 및 상기 두 개의 초전도체 케이블들(1A, 1B)에 전기적으로 연결되며, 상기 도전성 자켓(11)은 코너가 없는 매끄럽고 볼록한 외부 표면을 가지며, 상기 도전성 자켓(11)은 상기 납땜 재료를 상기 자켓(11) 내부로 투입시키기 위한 개구(11C)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

두 개의 케이블을 연결하기 위한 장치{DEVICE FOR CONNECTING TWO SUPERCONDUCTOR CABLES}
본 발명은 두 개의 초전도체 케이블들을 연결하기 위한 장치에 관한 것이다. 본 발명은 매우 특정적인 고전압 초전도체 케이블 조인트(joint)들에 적용된다.
초전도체 케이블은 전형적으로 중앙 지지체(central support)를 포함하는데, 그 중앙 지지체는 일반적으로 실린더 형상이며, 그 둘레에는 초전도체 재질이 감겨진다. 상기 초전도체 재질 둘레에는 절연성 피복(insulative sheath)이 배치된다. 상기 중앙 지지체는 전기적으로 도전성인 재질, 예컨대 구리 케이블 또는 튜브로 구성된다. 상기 초전도체 재질은 하나 이상의 층으로 상기 중앙 지지체 둘레에 감겨진 테이프 형상을 가질 수 있다.
EP 2 105 994 문헌은 특히, 케이블들 각각의 벗겨진 부분 둘레에 마련된 도전성 슬리브(sleeve)를 포함하는 두 개의 초전도체 케이블들을 연결하기 위한 장치를 기술한다. 상기 슬리브들은 금속성 접촉 블레이드들(metal contact blades)을 수용하고자 마련된 홈들(grooves)을 포함한다. 상기 장치는 상기 슬리브들을 포함하며 그것들에 연결된 도전성 튜브를 더 포함한다.
상기 슬리브 및 상기 도전성 튜브의 사용으로 인해, 상기 장치는 길이 및 직경이 크며, 따라서 그 용적이 특히 크다. 상기 장치는 또한, 상기 두 개의 초전도체 케이블 단부들 사이에서 무시 못할 전기적 저항을 갖는다. 또한, 그것은 복잡한 조립체를 필요로 한다.
EP 1 489 691 문헌은 도전성 슬리브를 포함한 두 개의 초전도체 케이블들을 연결하기 위한 장치를 기술하며, 상기 도전성 슬리브는 상기 장치의 중앙 지지체 상에 크림핑(crimping)되어 있다. 그럼에도 이 장치는 전기장의 국부적 집중 또는 줄 효과(Joule effect)에 기인한 상기 장치 가열의 국부적 집중을 방지할 수 없다.
본 발명은 이러한 단점들을 해소하는 것을 목적으로 한다.
특히, 본 발명은, 납땜(brazing)에 의한 연결에 적합하고, 조립이 컴팩트하고 용이하며, 그리고, 전기장의 국부적 집중 및 줄 효과(Joule effect)에 의한 장치 가열의 국부적 집중을 방지하는 것을 가능게 하는, 두 개의 초전도체 케이블들을 연결하기 위한 장치를 제공한다.
따라서 본 발명은 두 개의 초전도체 케이블을 연결하기 위한 장치로서, 각각의 초전도체 케이블은, 도전성 중앙 지지체, 상기 중앙 지지체 둘레에 배치된 초전도체 재질의 적어도 하나의 층, 및 초전도체 재질의 상기 층을 둘러싸는 절연성 피복을 포함하고, 초전도체 재질의 상기 각 층의 일부가 노출되도록 각각의 케이블의 단부가 벗겨지는, 두 개의 초전도체 케이블을 연결하기 위한 장치를 제공한다.
본 발명에 따르면,
a) 초전도체 재질의 상기 층들의 대면하여 보이는 부분들이 초전도체 재질의 적어도 하나의 층에 의해 연결된다. 그리고,
b) 상기 장치는 초전도체 재질의 상기 층들의 보이는 부분들을 둘러싸는 단일의 도전성 자켓을 포함하며, 상기 도전성 자켓의 단부들 각각은 도전성 재질의 층에 전기적으로 연결된 영역 상에 배치되며, 상기 자켓은 또한 납땜 물질에 의해 상기 중앙 지지체들 및 상기 두 개의 초전도체 케이블들에 전기적으로 연결되며, 상기 도전성 자켓은 코너가 없는 매끄럽고 볼록한 외부 표면을 가지며, 상기 도전성 자켓은 상기 납땜 재료를 상기 자켓 내부로 투입시키기 위한 개구를 포함한다.
대향하는 초전도체 재질의 층들 사이의 연결은 초전도 관점에서의 연속성(continuity)을 달성하는 것을 가능하게 하며, 이는 줄 효과로 인한 장치의 가열을 제한하는 효과를 낳는다. EP 1 489 691 문헌에서 설명된 자켓의 크림핑(crimping)은 그와 같은 연속성이 달성되는 것을 방지한다.
상기 초전도체 재질 둘레의 금속 자켓은, 남땜 물질을 모으는 것을 가능하게 하며 또한, 전기 및 기계적 연결을 제공하는 것을 가능하게 한다. 코너가 없는 매끄러우며 볼록한 외부 표면을 갖는 자켓의 특정 형상은, 스파이크 효과(spike effect) 즉 전기장의 국부적 집중을 방지함으로써, 상기 연결부 부근에서의 전기장을 제한하는 것을 가능하게 한다. EP 1 489 691 문헌에서 장치의 자켓의 코너들은 대조적으로 전기장의 집중을 초래한다.
단일 자켓의 사용은 또한 조립이 용이한 컴팩트한 장치를 얻는 것을 가능하게 한다.
자켓 내부로 녹아서 유입된 납땜 합금은 상기 케이블들의 두 개의 초전도체 단부들 사이에서 그리고 그것들의 중앙 지지체들 사이에서 완전한 전기적 연속성을 보장하는 것을 가능하게 하며, 이는 쇼트 전류(short current) 발생시 상기 연결의 양호한 거동을 보장하는데 그 이유는 상기 전류가 단지 저항성 부품들에서만 흐르기 때문이다.
상기 중앙 지지체들의 연결이 용이하도록 하기 위해, 상기 두 개의 케이블들의 상기 중앙 지지체들은, 상기 중앙 지지체들 내부로 나사체결되는 실린더형 도전성 부재에 의해 서로 결합될 수 있다. 상기 실린더형 도전성 재질은 상기 중앙 지지체들의 기계적 그리고 전기적 연결을 가능하게 한다. 그것은 상기 초전도체 전류가 가로질러 흐르는 영역을 증가시키는 것을 가능하게 한다. 따라서, 상기 실린더형 도전성 부재는, 그것의 전기적 안정화 기능에 추가하여, 큰 전류가 상기 케이블을 통과시 열적 안정화 기능을 갖게 된다.
상기 중앙 지지체들은 바람직하게는 그것들을 플렉시블(flexible)하게 하는 주름진 외부 표면을 갖는다.
상기 도전성 자켓은 바람직하게는 두 개의 하프-자켓들(half-jackets)로 구성됨으로써 그것의 조립이 용이해진다.
상기 도전성 엔벨로프(envelope)는 볼록하며, 이는 전기장을 상당히 제한한다.
초전도체 재질의 각 층은 하나 이상의 초전도체 재질의 테이프들을 포함할 수 있다.
상기 도전성 자켓은, 초전도체 재질의 상기 층과 상기 절연성 피복 사이에 배치된 반도체 재질의 층이 보이는 부분을 통해, 초전도체 재질의 각각의 층에 연결될 수 있다.
반도체 재질의 상기 층은 카본블랙 페이퍼를 포함할 수 있다.
상기 도전성 자켓은 반도체 재질로 커버될 수 있다.
상기 납땜 물질은 상기 도전성 중앙 지지체들 및 상기 초전도체 재질 층들과 접촉함으로써 전기적 고장(breakdown)의 위험성을 제한한다.
상기 장치는 상기 도전성 자켓과 상기 절연성 피복들 둘레에 배치된 절연성 재질의 층을 포함함으로써 상기 두 개의 케이블들 사이의 전기적 절연성의 연속성을 보장한다.
본 발명의 다른 특징들 및 이점들은 예시적이고 비제한적인 예로써 그리고 첨부 도면들을 참조하여 주어진 이하의 설명들을 통해 보다 더욱 명확해질 것이다.
도 1 내지 13은 본 발명의 연결 장치를 제공하는 각각의 단계들을 도시한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 초전도체 케이블(1A)은 실질적으로 실린더 형상을 가진 전기적으로 도전성이며 저항성의 중앙 지지체(2A: central support)를 포함한 일 단부를 갖는다. 중앙 지지체(2A)는 구리 와이어로 제조된 케이블일 수도 있고, 도시된 바와 같이, 케이블의 중심으로 액체 질소가 투입될 수 있도록, 주름진 표면을 지닌 중공 금속 튜브일 수도 있는데, 상기 주름진 표면은 예로써, 구리, 스테인레스 스틸 또는 은-도금 구리(silver-plated copper)로 이루어진다.
내층(3A) 및 외층(4A)을 포함하는, 초전도체 재질의 두 개의 중첩층들(3A, 4A)은 중앙 지지체(2A)를 둘러싼다. 상기 케이블(1A)의 단부는 예로써 스테인레스 스틸로 이루어진 강화 테이프(5A)및 예로써 카본블랙 종이 테이프로 형성된 반도체 재질의 층(6A)을 또한 포함할 수 있으며, 상기 강화 테이프(5A) 및 상기 층(6A)은 외측 초전도체 층(4A) 상에 배치된다. 예로써 종이 테이프의 권선(winding)으로 구성된 전기적 절연성의 피복(7A: sheath)이 상기 반도체 테이프(6A)를 둘러싼다. 전기적 절연성 피복(7A)의 단부는 그 단부에서 원뿔 형상이다.
상기 초전도체 층들(3A, 4A)은 도시된 바와 같이 테이프들에 의해 형성될 수도 있고, 중앙 지지체(2A) 둘레에 감겨진 초전도체 재질의 와이어들에 의해 형성될 수도 있다. 상기 케이블(1A)은 오로지 하나의 초전도체 층(3A 또는 4A)을 포함할 수 있다. 상기 초전도체 와이어들 또는 테이프들은 예로써, BSCCO(Bi2Sr2Ca2Cu3Ox) 타입 또는 YBaCuO 타입일 수 있다.
상기 케이블(1A)의 단부가 단계적으로 벗겨지는 것에 의해, 상기 절연성 피복(7A), 상기 반도체 재질 층(6A), 상기 강화 테이프(5A), 상기 외부 반도체 층(4A), 상기 내부 초전도체 층(3A), 및 상기 중앙 지지체(2A)는, 상기 케이블의 좌측단으로부터 시작하여 그것의 단부를 향해 그리고 다른 길이로써, 연속적으로 노출된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 예로써 구리 및 주름 형상으로 이루어진, 중공 실린더형 부재(8)가 케이블(1A)의 중앙 지지체(2A)의 내부로 나사체결된다. 여기서 도 2는 케이블(1)의 단부에 대한 종방향 단면도이다.
상기 케이블(1A)은 중공 실린더형 부재(8)에 의해 그 케이블(1A)과 동일한 제2 케이블(1B)에 연결되며, 이때 상기 중공 실린더형 부재(8)는 상기 제2 케이블(1B)의 중앙 지지체(2B)의 내부로 다시 나사체결된다(도 3 및 4 참조). 상기 두 개의 케이블들(1A, 1B)로 이루어진 기계적 조립체는 용접, 납땜(brazing), 크림핑(crimping) 또는 플랜지 결합(flanged connection)에 의해 균등하게 처리될 수 있다.
도 5에 도시된 조립체는, 각각의 케이블(1A, 1B)에 대해, 중앙 지지체(2A, 2B) 둘레에 배치된 초전도체 재질의 두 개의 층들(3A, 4A; 3B, 4B)을 포함한다. 상기 초전도체 재질의 층들(3A, 4A; 3B, 4B)은 서로 마주하되 연결되지는 않는다. 이후, 내측의 초전도체 층들(3A, 3B)이 초전도체 재질의 테이프들로 이루어진 층(9)(도 6 참조)에 의해 연결되며, 후속하여, 초전도체 재질의 테이프들로 이루어진 층(10)(도 7 참조)에 의해 외측의 초전도체 층들(4A, 4B)이 연결된다.
도 7에 도시된 조립체는 상기 초전도체 재질의 테이프들이 날카로운 모서리(sharp edge)들을 가질 수 있다는 단점이 있는데, 그러한 날카로운 모서리들은 전기장 내에서 스파이크 효과(spike effect)를 일으킬 수 있고 이 경우 고장의 위험이 있다. 더욱이, 초전도체 재질의 외부 층(10)을 지닌 중앙 지지체들의 전기적 연속성이 달성되지 않을 수 있다.
이후 금속(예를 들어 구리) 자켓(11)이 사용되는데, 그 자켓은 두 개의 하프-쉘(half-shell)(11A, 11B)로 형성되며 슬롯(11c)을 포함한다(도 8 참조). 자켓(11)의 두 단부는 카본블랙 페이퍼로 이루어진 층들(6A, 6B)의 보이는(visible) 단부들 상에 배치된다(도 9 참조). 따라서 상기 장치의 작용 구조에서, 자켓(11)은 개구(11c)가 구비된 연속 표면을 형성하며, 이 표면은 절연 피복(7A, 7B)의 벗겨지지 않은 부분들을 연결할 뿐만 아니라 두 케이블(1A, 1B)의 초전도체 재질의 보이는 부분들을 완전히 둘러싼다.
상기 자켓(11)은 카본블랙 페이퍼로 이루어진 층들(6A, 6B)을 통해 초전도체 재질의 층들과 전기적 접촉을 한다. 따라서 상기 자켓(11)은 초전도체 재질의 층들을 통해 중앙 지지체들(2A, 2B)과도 전기적 접촉을 한다. 따라서 상기 자켓(11)은 중앙 지지체들(2A, 2B)과 동일한 전위에 있게 된다. 상기 자켓(11)은 매끄러운 외부 표면을 갖는다. 이로 인해 그 표면 상에서의 스파이크들의 존재가 방지되는데, 그렇지 않은 경우 상기 표면은 그 스파이크들을 가리기 위한 추가적인 전극이 필요할 수도 있다. 따라서 상기 외부 표면은, 볼록하고, 바람직하게는 뾰족한 아치형(pointed arch shape)이며, 코너가 없고, 또한 바람직하게는 가능한 작은 외경을 지닌다.
이후, 융점 이상의 온도로 가열된 액체 상태의 납땜 물질이 자켓(11)의 슬롯(11C) 안으로 투여된다. 납땜은 용접 표면의 융점보다 낮은 융점을 지닌 합금을 부가함으로써 금속 부재들을 조립하는 방법을 일컫는다. 상기 물질은 전기적 도전성을 지니며 바람직하게는 낮은 융점(예로써 100℃ 이하)을 갖는다. 예로써, 그 물질은 SnBiPb 합금일 수 있다. 이것은 초전도체 층들이 지나치게 높은 온도로 가열되어 손상되는 것을 방지하며, 동시에 초전도체 층들, 중앙 지지체들 및 자켓(11) 사이의 양호한 전기적 연결을 가능하게 한다(도 10).
상기 납땜 물질은 상기 초전도체 테이프들의 전기적 연결을 개선시키는 것을 가능하게 한다. 그것은 또한 상기 장치의 테이프들 아래와 및 중앙 지지체들에까지 유동함으로써, 상기 중앙 지지체들의 전기적 연속성을 보장한다. 마지막으로, 상기 납땜 물질은 상기 장치의 더 나은 기계적 결속을 가능하게 하는데, 이는 그것이 그것의 경성(stiffness)을 증대시키기 때문이다.
바람직하게는, 도 11에 도시된 바와 같이, 완전히 매끄러운 표면을 얻기 위해, 납땜 물질이 채워진 자켓(11) 상에 카본블랙 페이퍼와 같은 반도체 재질의 층(12)이 배치된다. 마지막으로, 외측의 절연제 실린더를 구성하는 절연성 페이퍼의 층(13)으로 전부 커버함으로써 케이블의 절연이 재구성된다(도 12 및 13).
따라서 본 발명의 연결 장치는 고전압의 초전도체 케이블들의 연결이 용이하면서도 컴팩트해지도록 한다. 상기 장치의 자켓은 전기장 관리를 위한 전극으로서 기능하며, 오 전류(fault current) 발생시 쇼트 회로(short circuit)로서도 기능할 수 있다.

Claims (9)

  1. 두 개의 초전도체 케이블(1A, 1B)을 연결하기 위한 장치로서, 각각의 초전도체 케이블은, 도전성 중앙 지지체(2A, 2B), 상기 중앙 지지체(2A, 2B) 둘레에 배치된 초전도체 재질의 적어도 하나의 층(3A, 4A; 3B, 4B), 및 초전도체 재질의 상기 층(3A, 4A; 3B, 4B)을 둘러싸는 절연성 피복(7A, 7B)을 포함하고, 초전도체 재질의 상기 각 층(3A, 4A; 3B, 4B)의 일부가 노출되도록 각각의 케이블의 단부가 벗겨지며,
    a) 초전도체 재질의 상기 층들(3A, 4A; 3B, 4B)의 대면하여 보이는 부분들이 초전도체 재질의 적어도 하나의 층(9, 10)에 의해 연결되고, 그리고
    b) 상기 장치는 초전도체 재질의 상기 층들(3A, 4A; 3B, 4B)의 보이는 부분들을 둘러싸는 단일의 도전성 자켓(11)을 포함하며, 상기 도전성 자켓(11)의 단부들 각각은 도전성 재질의 층(4A, 4B)에 전기적으로 연결된 영역(6A, 6B) 상에 배치되며, 상기 자켓(11)은 또한 납땜 물질에 의해 상기 중앙 지지체들(2A, 2B) 및 상기 두 개의 초전도체 케이블들(1A, 1B)에 전기적으로 연결되며, 상기 도전성 자켓(11)은 코너가 없는 매끄럽고 볼록한 외부 표면을 가지며, 상기 도전성 자켓(11)은 상기 납땜 재료를 상기 자켓(11) 내부로 투입시키기 위한 개구(11C)를 포함하는 것을 특징으로 하는 두 개의 초전도체 케이블을 연결하기 위한 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 두 개의 케이블들(1A, 1B)의 상기 중앙 지지체들(2A, 2B)은 상기 중앙 지지체들(2A, 2B)의 내부로 나사체결되는 도전성 실린더형 부재(8)에 의해 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 두 개의 초전도체 케이블을 연결하기 위한 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 중앙 지지체들(2A, 2B)은 주름진 외부 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 두 개의 초전도체 케이블을 연결하기 위한 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도전성 자켓(11)은 두 개의 하프-자켓들(11A, 11B)로 구성되는 것을 특징으로 하는 두 개의 초전도체 케이블을 연결하기 위한 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    초전도체 재질의 각각의 층(3A, 4A; 3B, 4B)은 초전도체 재질의 하나 이상의 테이프를 포함하는 것을 특징으로 하는 두 개의 초전도체 케이블을 연결하기 위한 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도전성 자켓(11)은, 초전도체 재질의 상기 층(3A, 4A; 3B, 4B)과 상기 절연성 피복(7A, 7B) 사이에 배치된 반도체 재질의 층(6A, 6B)의 보이는 부분을 통해, 초전도체 재질의 각각의 층(3A, 4A; 3B, 4B)에 연결되는 것을 특징으로 하는 두 개의 초전도체 케이블을 연결하기 위한 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    반도체 재질의 상기 층(6A, 6B)은 카본블랙 페이퍼를 포함하는 것을 특징으로 하는 두 개의 초전도체 케이블을 연결하기 위한 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도전성 자켓(11)은 반도체 재질(12)로 커버되는 것을 특징으로 하는 두 개의 초전도체 케이블을 연결하기 위한 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는 상기 도전성 자켓(11)과 상기 절연성 피복들(7A, 7B) 둘레에 배치된 절연성 재질의 층(13)을 포함하는 것을 특징으로 하는 두 개의 초전도체 케이블을 연결하기 위한 장치.
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