KR20120046745A - 수중 복합 케이블 및 방법 - Google Patents

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콜린 맥컬러프
더글라스 이 존슨
마이클 에프 그레터
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쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
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Abstract

수중 복합 케이블의 실시 형태는 비복합 전기 전도성 코어 케이블, 코어 케이블 주위에 있는 다수의 복합 케이블 - 다수의 복합 와이어를 포함함 -, 및 복합 케이블을 둘러싸고 있는 절연성 피복체를 포함한다. 다른 실시 형태는 전기 전도성 코어 케이블, 반경 방향의 단면에서 볼 때, 코어 케이블의 중심 세로축을 중심으로 정의된 적어도 하나의 원통형 층에서 코어 케이블 주위에 배열되어 있는, 액체 수송, 송전, 전기 신호 전송, 광 전송, 중량 요소, 부력 요소, 충전재 요소, 또는 외장 요소 중에서 선택되는 다수의 요소, 중심 세로축을 중심으로 적어도 하나의 원통형 층에서 요소를 둘러싸고 있는 다수의 복합 와이어, 및 복합 와이어를 둘러싸고 있는 절연성 피복체를 포함한다. 복합 와이어는 금속 매트릭스 또는 중합체 복합 와이어일 수 있다. 수중 복합 케이블을 제조 및 사용하는 방법도 개시되어 있다.

Description

수중 복합 케이블 및 방법{SUBMERSIBLE COMPOSITE CABLE AND METHODS}
관련 출원과의 상호 참조
본 출원은 미국 가특허 출원 제61/226,056호 및 미국 가특허 출원 제61/226,151호(둘다 2009년 7월 16일자로 출원됨)를 기초로 우선권 주장하며, 이들 출원의 개시 내용은 참조 문헌으로서 그 전체가 본 명세서에 포함된다.
본 개시 내용은 일반적으로 수중 복합 케이블(submersible composite cable)과 그 제조 및 사용 방법에 관한 것이다. 이 개시 내용은 또한 수중 공급선(umbilical) 또는 테더(tether)로서 유용한 수중 복합 케이블에 관한 것이다.
해저 케이블은 연안 유정 헤드(offshore oil wellhead), 로봇 운반체 조종, 잠수함 전력 전송 및 광섬유 케이블을 비롯한 수많은 해저 응용의 매우 깊은 곳까지 전력 및 신호를 전송하는 데 사용된다. 전력의 수중 전송을 위한 수중 케이블이 공지되어 있다 - 예를 들어, 미국 특허 제4,345,112호(Sugata 등), 및 미국 특허 출원 제2007/0044992호(Bremnes) -. 이러한 수중 송전 케이블은 일반적으로 전도 요소 및 하중 지지 요소 - 케이블이 해수면에 또는 수중에 있는 선박으로부터 포설되고 회수될 때, 파손 없이, 캡스턴(capstan)에 의한 케이블의 인출(drawing-out) 및 감기(winding-up)를 충분히 견딜 수 있을 것을 필요로 함 - 를 포함한다. 보다 큰 작업 깊이가 일반적으로 요망되지만, 케이블의 최대 작업 깊이는 일반적으로 케이블이 그 자신의 중량 하에서 견딜 수 있는 최대 하중 및 변형에 의해 제한된다. 최대 깊이 및 전력 전송 능력이 따라서 전도 요소 및 하중 지지 요소의 물질 특성에 의해 제한된다.
수중 송전 케이블은 보통 금속(예컨대, 강철, 구리, 알루미늄) 도체 와이어 및/또는 하중 지지 요소를 사용하여 제조되고, 일반적으로 상당한 횡단면을 가지며, 따라서 금속, 특히 구리의 높은 비중으로 인해 상당한 부가의 중량을 케이블에 제공한다. 게다가, 구리 와이어가 일반적으로 좋지 않은 하중 지지 능력을 가지고 있기 때문에, 구리 도체를 포함하는 수중 송전 케이블이 사용될 수 있는 수심이 얼마간 제한된다. 미국 특허 출원 제2007/0271897호(Hanna 등), 제2007/0237469호(Espen), 및 미국 특허 출원 제2006/0137880호, 제2007/0205009호, 및 제2007/0253778호(모두 Figenschou)에 예시된 바와 같이, 긴 거리 및 깊이(예컨대, 1,000 미터 이상의 길이)에 걸쳐 수중 케이블을 성공적으로 포설하는 데 필요한 높은 인장 강도 및 파손 내성을 달성하기 위한 다양한 케이블 설계가 제안되었다.
일부 깊은 수중 응용에서, 비외장 케이블은, 예를 들어, KEVLAR 및 구리를 사용하여 제작되었다. 그럼에도 불구하고, 해수면에 위치한 장비와 해저(sea bed) 상에, 특히 깊은 수중에 위치한 장비 사이에서 대량의 전력, 액체 및 전류/전기 신호를 전송할 수 있는 경량, 고인장 강도의 전력 공급선 또는 테더가 계속 추구되고 있다.
일부 응용에서, 수중 송전 케이블의 구성과 그 제조 및 사용 방법을 추가적으로 개선하는 것이 바람직하다. 특정 응용에서, 수중 송전 케이블의 물리적 특성(예를 들어, 케이블 중량, 파괴까지의 인장 강도 및 연신율)을 개선하는 것이 바람직하다. 기타 응용에서, 수중 송전 케이블의 신뢰성을 향상시키고 비용을 감소시키는 것이 바람직하다.
따라서, 일 태양에서, 본 개시 내용은 수중 복합 케이블을 제공하고, 이 수중 복합 케이블은 비복합 전기 전도성 코어 케이블, 코어 케이블 주위에 있는 복수의 복합 케이블 - 복합 케이블은 복수의 복합 와이어를 포함함 -, 및 복수의 복합 케이블을 둘러싸고 있는 절연성 피복체(insulative sheath)를 포함한다. 일부 예시적인 실시 형태에서, 수중 복합 케이블은 제2 복수의 복합 와이어를 추가로 포함하고, 제2 복수의 복합 와이어의 적어도 일부분이, 반경 방향의 단면에서 볼 때, 코어 케이블의 중심 세로축을 중심으로 정의된 적어도 하나의 원통형 층에서 복수의 복합 케이블 주위에 배열되어 있다. 현재 바람직한 특정 실시 형태에서, 수중 복합 케이블이 적어도 0.5%의 파손 변형 한계(strain to break limit)를 나타낸다.
일부 예시적인 실시 형태에서, 수중 복합 케이블은 액체 수송 요소, 송전 요소, 전기 신호 전송 요소, 광 전송 요소, 중량 요소, 부력 요소, 충전재 요소 또는 외장 요소 중에서 선택되는 적어도 하나의 요소를 포함한다. 특정의 예시적인 실시 형태에서, 광 전송 요소는 적어도 하나의 광 섬유를 포함한다. 부가의 예시적인 실시 형태에서, 외장 요소는 코어 케이블을 둘러싸고 있는 복수의 섬유를 포함하고, 섬유는 폴리(아라미드) 섬유, 세라믹 섬유, 탄소 섬유, 금속 섬유, 유리 섬유, 및 그 조합으로 이루어지는 그룹 중에서 선택된다. 추가의 예시적인 실시 형태에서, 수중 복합 케이블은 코어 케이블을 둘러싸고 있는 복수의 와이를 포함하고, 와이어는 금속 와이어, 금속 매트릭스 복합 와이어, 및 그 조합 중에서 선택된다.
다른 예시적인 실시 형태에서, 코어 케이블은 적어도 하나의 금속 와이어, 하나의 금속 하중 지지 요소, 또는 그 조합을 포함한다. 추가의 예시적인 실시 형태에서, 코어 케이블은 복수의 금속 와이어를 포함한다. 부가의 예시적인 실시 형태에서, 코어 케이블은 연선 가공되어 있다. 어떤 특정의 예시적인 실시 형태에서, 연선 코어 케이블은 나선형으로 연선 가공되어 있다.
부가의 예시적인 실시 형태에서, 코어 케이블 주위에 있는 복수의 복합 케이블은, 반경 방향의 단면에서 볼 때, 코어 케이블의 중심 세로축을 중심으로 정의된 적어도 2개의 원통형 층에 배열되어 있다. 어떤 부가의 예시적인 실시 형태에서, 적어도 2개의 원통형 층 중 적어도 하나는 복합 케이블만을 포함한다. 다른 부가의 예시적인 실시 형태에서, 적어도 2개의 원통형 층 중 적어도 하나는 액체 수송 요소, 전력 전송 요소, 광 전송 요소, 중량 요소, 충전재 요소, 또는 외장 요소로 이루어지는 그룹 중에서 선택되는 적어도 하나의 요소를 추가로 포함한다.
어떤 특정의 부가의 예시적인 실시 형태에서, 복합 케이블들 중 적어도 하나는, 반경 방향의 단면에서 볼 때, 적어도 하나의 복합 케이블의 중심 세로축을 중심으로 연선 가공되어 있는 복합 와이어의 복수의 원통형 층을 포함하는 연선 복합 케이블이다. 특정의 예시적인 실시 형태에서, 적어도 하나의 연선 복합 케이블은 나선형으로 연선 가공되어 있다. 다른 예시적인 실시 형태에서, 각각의 복합 와이어는 금속 매트릭스 복합 와이어 및 중합체 복합 와이어로 이루어지는 그룹 중에서 선택된다. 추가의 예시적인 실시 형태에서, 절연성 피복체는 수중 복합 케이블의 외측 표면을 형성한다. 일부 예시적인 실시 형태에서, 절연성 피복체는 세라믹, 유리, (공)중합체, 및 그 조합으로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 물질을 포함한다.
다른 태양에서, 본 개시 내용은 전술한 수중 복합 케이블을 제조하는 방법을 제공하며, 이 방법은, (a) 비복합 전기 전도성 코어 케이블을 제공하는 단계, (b) 코어 케이블 주위에 복수의 복합 케이블을 배열하는 단계 - 복합 케이블은 복수의 복합 와이어를 포함함 -, 및 (c) 복수의 복합 케이블을 절연성 피복체로 둘러싸는 단계를 포함한다.
부가의 태양에서, 본 개시 내용은 수중 복합 케이블을 제공하고, 이 수중 복합 케이블은 전기 전도성 코어 케이블, 반경 방향의 단면에서 볼 때, 코어 케이블의 중심 세로축을 중심으로 정의된 적어도 하나의 원통형 층에서 코어 케이블 주위에 배열되어 있는 복수의 요소 - 각각의 요소는 액체 수송 요소, 송전 요소, 전기 신호 전송 요소, 광 전송 요소, 중량 요소, 부력 요소, 충전재 요소 또는 외장 요소로 이루어지는 그룹 중에서 선택됨 -, 코어 케이블의 중심 세로축을 중심으로 적어도 하나의 원통형 층에서 복수의 요소를 둘러싸고 있는 복수의 복합 와이어, 및 복수의 복합 와이어를 둘러싸고 있는 절연성 피복체를 포함한다. 일부 예시적인 실시 형태에서, 복수의 복합 와이어의 적어도 일부분은 적어도 하나의 복합 케이블을 형성하도록 연선 가공되어 있다.
특정의 예시적인 실시 형태에서, 외장 요소는 코어 케이블을 둘러싸고 있는 복수의 섬유를 포함하고, 섬유는 폴리(아라미드) 섬유, 세라믹 섬유, 탄소 섬유, 금속 섬유, 유리 섬유, 및 그 조합으로 이루어지는 그룹 중에서 선택된다. 다른 예시적인 실시 형태에서, 외장 요소는 코어 케이블을 둘러싸고 있는 복수의 와이어를 포함하고, 와이어는 금속 와이어, 금속 매트릭스 복합 와이어, 및 그 조합으로 이루어지는 그룹 중에서 선택된다. 부가의 예시적인 실시 형태에서, 수중 복합 케이블은 제2 절연성 피복체를 추가로 포함하고, 제2 절연성 피복체는 복수의 요소와 복수의 복합 와이어 사이에 배치되어 있으며, 제2 절연성 피복체는 복수의 요소를 둘러싸고 있다.
또 다른 태양에서, 본 개시 내용은 전술한 수중 복합 케이블을 제조하는 방법을 제공하며, 이 방법은, (a) 전기 전도성 코어 케이블을 제공하는 단계, (b) 반경 방향의 단면에서 볼 때, 코어 케이블의 중심 세로축을 중심으로 정의된 적어도 하나의 원통형 층에서 코어 케이블 주위에 복수의 요소를 배열하는 단계 - 각각의 요소는 액체 수송 요소, 송전 요소, 전기 신호 전송 요소, 광 전송 요소, 중량 요소, 부력 요소, 충전재 요소 또는 외장 요소로 이루어지는 그룹 중에서 선택됨 -, (c) 복수의 요소를 코어 케이블의 중심 세로축을 중심으로 적어도 하나의 원통형 층에 배열된 복수의 복합 와이어로 둘러싸는 단계, 및 (d) 복수의 복합 와이어를 절연성 피복체로 둘러싸는 단계를 포함한다.
본 개시 내용에 따른 수중 복합 케이블의 예시적인 실시 형태는 각종의 응용에서 그의 사용을 가능하게 해주고 이점을 제공하는 다양한 특징 및 특성을 가질 수 있다. 본 개시 내용의 일부 예시적인 실시 형태에 따른 수중 복합 케이블은, 낮은 밀도, 높은 탄성계수(modulus), 높은 강도, 피로 내성(fatigue resistance) 및 전도율을 비롯한 향상된 물질 특성으로 인해 향상된 성능을 발휘할 수 있다. 따라서, 본 개시 내용에 따른 예시적인 수중 복합 케이블은 크게 향상된 최대 작업 깊이, 최대 작업 하중, 및 파손 강도를 나타낼 수 있고, 기존의 비복합 케이블에 비해 더 크거나 적어도 비슷한 전력 전송 능력을 가진다. 게다가, 본 개시 내용에 따른 수중 복합 케이블의 예시적인 실시 형태는 비복합 수중 케이블에 비해 해수 중에서 중량이 더 가벼울 수 있고, 따라서 보다 쉽게 해저에 포설되고 그로부터 회수될 수 있다. 수중 복합 케이블의 피로 내성도 역시 비복합 케이블에 비해 향상될 수 있다.
본 개시 내용의 예시적인 실시 형태의 다양한 태양 및 장점에 대해 요약하였다. 상기 요약은 본 개시 내용의 각각의 예시된 실시 형태 또는 이 예시적인 특정 실시 형태의 모든 구현을 설명하기 위한 것이 아니다. 하기의 도면 및 상세한 설명은 본 명세서에 개시된 원리를 사용하여 바람직한 소정 구현예를 더욱 구체적으로 예시한다.
본 개시 내용의 예시적인 실시 형태가 첨부 도면을 참조하여 추가적으로 기술되어 있다.
도 1a 내지 도 1c는 본 개시 내용의 예시적인 실시 형태에 따른 예시적인 수중 복합 전력 케이블의 단부 단면도.
도 2a 내지 도 2d는 본 개시 내용의 수중 복합 전력 케이블의 예시적인 실시 형태를 준비하는 데 유용한 예시적인 복합 케이블의 단부 단면도.
도 3a 내지 도 3e는 본 개시 내용의 수중 복합 전력 케이블의 예시적인 실시 형태를 준비하는 데 유용한, 나선형 연선 복합 와이어 주위에 연선 가공된 복수의 금속 와이어를 포함하는 하나 이상의 층을 포함하는 다양한 복합 케이블의 단부 단면도.
도 4a는 본 개시 내용의 수중 복합 전력 케이블의 예시적인 실시 형태를 준비하는 데 유용한, 연선 복합 와이어 코어 주위에 유지 수단을 포함하는 예시적인 연선 복합 케이블의 측면도.
도 4b 내지 도 4d는 본 개시 내용의 수중 복합 전력 케이블의 예시적인 실시 형태를 준비하는 데 유용한, 연선 복합 와이어 코어 주위에 다양한 유지 수단을 포함하는 예시적인 연선 복합 케이블의 단부 단면도.
도 5는 본 개시 내용의 수중 복합 전력 케이블의 예시적인 실시 형태를 준비하는 데 유용한, 연선 복합 와이어 코어 주위의 유지 수단, 및 연선 복합 와이어 코어 주위에 연선 가공된 복수의 금속 와이어를 포함하는 하나 이상의 층을 포함하는 예시적인 연선 복합 케이블의 단부 단면도.
도 6a 내지 도 6c는 본 개시 내용의 일부 실시 형태에 따른, 다양한 예시적인 외장 요소를 포함하는 수중 복합 전력 케이블의 예시적인 실시 형태의 단부 단면도.
도 7은 구리 또는 강철 도체를 사용하는 대응하는 수중 케이블에 대한, 본 개시 내용의 복합 도체를 사용하는 예시적인 수중 복합 전력 케이블의 상대적 강도, 탄성계수, 및 전기 전도성을 비교하는 차트.
도면에서 유사한 참조 번호는 유사한 구성요소를 나타낸다. 본 명세서 내의 도면이 축척대로 되어 있지 않으며, 도면에서 복합 케이블의 구성요소가 선택된 특징부를 강조하는 크기로 되어 있다.
대부분이 잘 알려져 있지만 어떤 설명을 필요로 할지도 모르는 특정 용어가 설명 및 특허청구범위 전체에 걸쳐 사용되고 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "와이어"가 "취성"(brittle)이 있다고 말할 때, 이는 와이어가 인장 하중 하에서 최소 소성 변형으로 파괴된다는 것을 의미한다.
"와이어"라는 용어는 일반적으로 연성 금속 와이어, 금속 매트릭스 복합 와이어, 중합체 매트릭스 복합 와이어, 광섬유 와이어, 및 액체 수송을 위한 중공 튜브형 와이어를 포함하기 위해 사용된다.
와이어의 변형을 말하는 데 사용될 때 "연성"이라는 용어는 와이어가 굽힘 동안에 파괴 또는 파손 없이 실질적으로 소성 변형을 겪는다는 것을 의미한다.
와이어의 변형을 말하는 데 사용될 때 "구부리다" 또는 "굽힘"이라는 용어는 연선 가공 동안에 와이어를 나선형으로 구부리는 것과 같은 2차원 및/또는 3차원 굽힘 변형을 포함한다. 와이어가 굽힘 변형을 갖는다고 말할 때, 이는 와이어가 인장력 및/또는 비틀림(torsional force)으로 인한 변형도 가질 수 있다는 것을 배제하지 않는다.
"유의 탄성 굽힘" 변형(significant elastic bend deformation)은 와이어가 와이어의 반경의 최대 10,000 배의 곡률 반경으로 구부려질 때 일어나는 굽힘 변형을 의미한다. 원형 단면 와이어에 적용될 때, 이 유의 탄성 굽힘 변형은 와이어의 외섬유(outer fiber)에 적어도 0.01%의 변형을 준다.
"복합 와이어"라는 용어는, 서로 결합되고 취성 또는 비연성 거동을 나타내는 조성 또는 형태가 서로 다른 재료의 조합으로 형성되는 와이어를 말한다.
"비복합 전기 전도성 코어 케이블"이라는 용어는 복합 와이어가 아닌 하나의 와이어 또는 다수의 와이어를 포함할 수 있는 케이블을 의미하고, 와이어는 전류를 전도할 수 있고 테더 또는 공급선 케이블의 중심에 형성되어 있다.
"금속 매트릭스 복합 와이어"라는 용어는 하나 이상의 연성 금속상(ductile metal phase)으로 이루어진 매트릭스로 결합되는 하나 이상의 강화 재료를 포함하는 복합 와이어를 말한다.
"중합체 매트릭스 복합 와이어"라는 용어도 이와 유사하게 하나 이상의 중합체상(polymeric phase)으로 이루어진 매트릭스로 결합되는 하나 이상의 강화 재료를 포함하는 복합 와이어를 말한다.
"세라믹"이라는 용어는 유리, 결정질 세라믹, 유리-세라믹, 그리고 그 조합을 의미한다.
"다결정"이라는 용어는 입자 크기가 입자가 존재하는 섬유의 직경 미만인 복수의 결정질 입자를 주로 가지는 재료를 의미한다.
"케이블 가공" 및 "연선 가공"이라는 용어는 서로 바꾸어 사용될 수 있으며, "케이블 가공된"과 "연선 가공된"이라는 용어도 서로 바꾸어 사용될 수 있다.
"꼬임"이라는 용어는 나선형 연선 케이블의 연선 가공된 층에 있는 와이어가 나선형으로 감겨 있는 방식을 말한다.
"꼬임 방향"이라는 용어는 나선형으로 연선 가공된 층에서의 와이어 연선(wire strand)의 연선 가공 방향을 말한다. 나선형으로 연선 가공된 층의 꼬임 방향을 결정하기 위해, 케이블이 관찰자로부터 멀어지는 쪽을 가리킬 때 관찰자가 나선형으로 연선 가공된 와이어 층의 표면을 바라 본다. 와이어 연선이 관찰자로부터 멀어지는 쪽으로 진행할 때 시계 방향으로 회전하는 것으로 보이는 경우, 케이블이 "오른쪽 꼬임"을 갖는다고 말해진다. 와이어 연선이 관찰자로부터 멀어지는 쪽으로 진행할 때 반시계 방향으로 회전하는 것으로 보이는 경우, 케이블이 "왼쪽 꼬임"을 갖는다고 말해진다.
다층 나선형 연선 케이블의 중심에서 반경방향으로 위치하는 공통의 세로축을 나타내기 위해 "중심축" 및 "중심 세로축"이라는 용어가 서로 바꾸어 사용될 수 있다.
"꼬임 각도"라는 용어는 연선 와이어가 나선형 연선 케이블의 중심 세로축에 대해 형성하는 각도를 말한다.
"교차 각도"라는 용어는 나선형 연선 와이어 케이블의 인접한 와이어 층의 꼬임 각도 사이의 상대(절대) 차를 의미한다.
"꼬임 길이"라는 용어는 나선형으로 연선 가공된 층에 있는 단일 와이어가 나선형 연선 케이블의 중심 세로축을 중심으로 완전한 한바퀴 나선형 회전을 완성하는 연선 케이블의 길이를 말한다.
"연속 섬유"라는 용어는 평균 섬유 직경과 비교할 때 상대적으로 무한인 길이를 가지는 섬유를 의미한다. 전형적으로, 이는 섬유가 적어도 1 × 105(일부 실시 형태에서, 적어도 1 × 106, 또는 심지어 적어도 1 × 107)의 종횡비(즉, 섬유의 길이 대 섬유의 평균 직경의 비)를 가진다는 것을 의미한다. 전형적으로, 이러한 섬유는 적어도 약 15 ㎝ 내지 적어도 몇 미터 정도의 길이를 가지며, 심지어 대략 몇 킬로미터 이상의 길이를 가질 수 있다.
본 개시 내용은 수중 복합 케이블에 관한 것이다. 수중 복합 케이블은 다양한 응용에서, 예를 들어, 수면으로부터 해저 기지 및 기지 내에 들어 있는 원격 조정 운반체 케이블로 전력, 전원 및 정보를 전송하는 수중 테더 또는 공급선으로서 사용될 수 있다. 다른 용도는 액체를 연안 유정 및 가스정으로/으로부터 수송하는 개재(intervention) 케이블 및 라이저(riser)로서의 용도를 포함한다. 또 다른 용도는 습한 환경(예를 들어, 늪지대, 열대 우림 등)에서 사용하기 위한 지하 또는 가공 송전 케이블로서 이다. 예시적인 지하 또는 가공 송전 케이블 및 응용은 2009년 7월 16일자로 출원된, 발명의 명칭이 "절연 복합 전력 케이블과 그 제조 및 사용 방법(INSULATED COMPOSITE POWER CABLE AND METHOD OF MAKING AND USING)"인 동시 계류 중의 미국 가특허 출원 제61/226,151호에 기술되어 있다.
복합 재료는 보다 큰 깊이 및 향상된 전력 전송을 가능하게 해주는 향상된 성능을 제공한다. 전형적으로, 공급선 또는 테더 케이블은 특정의 깊이(예컨대, 3,000 m의 전형적인 깊이)용으로 설계되어 있다. 깊이를 6,000 m 이상으로 연장시킬 케이블이 바람직하다. 케이블을 파손시키는 일 없이 케이블을 3,000 m 이상의 깊이까지 부설하거나 연장시키는 것이 아주 어려울 수 있다. 낮은 변형으로 경량의 높은 하중 지지 능력을 제공하기 위해 낮은 밀도, 높은 탄성계수의 복합 재료가 요망된다.
수중 전력 케이블에 대한 다른 중요한 고려사항은 해수에서의 단위 길이당 케이블의 중량이다. 케이블의 중량 및 강도가 케이블이 그 자신의 중량 하에서 그의 기계적 하중 한계(즉, 파손 강도)를 초과하지 않고 부설되거나 연장될 수 있는 깊이를 결정한다. 그에 부가하여, 수리하기 위해 케이블을 해수면으로 들어올릴 필요가 있을 수 있고, 이는 필연적으로 엄청난 중량의 케이블을 끌어올리는 것을 필요로 할 것이며, 아마도 강력한 윈치(winch) 및 대형 지원 선박의 사용을 필요로 할 것이다. 수중 케이블의 피로 내성도 역시 중요할 수 있다. 공급선 케이블은 5년의 수명에 걸쳐 빈번히 끌어올려지며, 일반적으로 케이블이 끌어올려질 때마다 일련의 도르래를 통과한다. 이것은 도르래에서 아주 높은 인장 및 굽힘 하중을 야기하며, 도르래가 전체 케이블 중량을 지지하기 때문에 도르래에서 장력이 최대이다. 파도로 인한 플랫폼의 수직 및 수평 보빙(bobbing)으로부터 부가의 동적 굽힘 하중이 일어날 수 있다. 복합 케이블은 따라서 수중 송전 케이블의 향상된 피로 내성을 제공할 수 있다.
본 명세서의 다양한 예시적인 실시 형태에 대해 이제부터 도면을 상세히 참조하여 설명할 것이다. 본 명세서의 예시적인 실시 형태는 본 명세서의 사상 및 범주를 벗어나지 않고 다양한 수정 및 변경을 가질 수 있다. 따라서, 본 개시 내용의 실시 형태가 이하의 기술된 예시적인 실시 형태로 한정되지 않고 특허청구범위 및 임의의 그 등가물에 기재된 제한에 의해 규제되어야 한다는 것을 잘 알 것이다.
이제 도 1a를 참조하면, 일 태양에서, 본 개시 내용은 수중 복합 케이블(20)을 제공하고, 이 수중 복합 케이블은 수중 복합 케이블(20)의 코어(11)에 있는 전기 전도성 비복합 하중 지지 도체 케이블(16), 코어(11) 주위에 배열된 복수의 복합 케이블(10) - 복합 케이블(10)은 복수의 복합 와이어를 포함함 -, 및 복수의 복합 케이블(10)을 둘러싸고 있는 절연성 피복체(26)를 포함한다.
도 1a에 예시된 일부 예시적인 실시 형태에서, 적어도 2개의 원통형 층이 코어(11) 주위에 형성된다 - 제1 원통형 층(22)은 전기 전도성 비복합 케이블(14) 주위에 형성되고, 복수의 복합 케이블(10)을 포함하는 제2 원통형 층(24)은 제1 원통형 층(22) 주위에 형성됨 -. 도 1a에 예시된 특정의 실시 형태에서, 코어(11)는 하중 지지 도체 케이블(16)을 포함하고, 제1 원통형 층(22)은 선택적으로 복수의 전기 전도성 비복합 케이블(14)을 포함하며, 전기 전도성 비복합 케이블은 도체 및/또는 하중 지지 요소는 물론, 기타 선택적인 요소(12) - 액체 수송 요소, 송전 요소, 전기 신호 전송 요소, 광 전송 요소, 중량 요소, 부력 요소, 충전재 요소, 또는 외장 요소 중에서 선택될 수 있음 - 일 수 있다. 도 1a에 예시된 특정의 에시적인 실시 형태에서, 적어도 2개의 원통형 층(22, 24) 중 적어도 하나[이 경우에, 원통형 층(24)]는 복수의 복합 케이블(10)만을 포함하고 있다.
도 1a가 특정의 코어(11), 및 복합 케이블(10), 선택적인 부가의 전기 전도성 비복합 케이블(14) 및/또는 코어 주위에 적어도 2개의 원통형 층 각각을 형성하는 데 사용되는 요소(12)의 특정의 배열을 갖는 특정의 실시 형태를 예시하고 있지만, 다른 배열을 갖는 다른 실시 형태가 가능하다는 것을 잘 알 것이다.
따라서, 예를 들어, 특히 도 1b를 참조하면, 본 개시 내용은 또한 수중 복합 케이블(20')의 코어(11')에 있는 비복합 전기 전도성 멀티-와이어 케이블(14), 코어(11') 주위에 있는 복수의 복합 케이블(10) - 복합 케이블(10)은 복수의 복합 와이어를 포함함 -, 및 복수의 복합 케이블(10)을 둘러싸고 있는 절연성 피복체(26)를 포함하는 수중 복합 케이블(20')을 제공한다. 도 1b에 예시된 특정의 실시 형태에서, 코어(11')는 전기 전도성 비복합 케이블(14)을 포함하고, 복수의 복합 케이블(10)이 코어(11') 주위에, 반경 방향의 단면에서 볼 때, 코어(11')의 중심 세로축을 중심으로 정의된 적어도 2개의 원통형 층 - 제1(내측) 원통형 층(22') 및 제2(외측) 원통형 층(24') - 에 대칭적으로 배열되어 있다.
도 1b에 예시된 특정의 실시 형태에서, 적어도 2개의 원통형 층(22', 24') 각각은, 그에 부가하여, 기타 선택적인 요소(12) - 액체 수송 요소, 송전 요소, 전기 신호 전송 요소, 광 전송 요소, 중량 요소, 부력 요소, 충전재 요소, 또는 외장 요소 중에서 선택될 수 있음 - 를 포함한다. 선택적인 요소 중 임의의 요소가 바람직하게는 복합 강화 요소 - 예를 들어, 금속 매트릭스 및/또는 중합체 매트릭스 복합 와이어, 선재(rod), 튜브, 층 등으로 강화된 요소 - 일 수 있다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 복수의 복합 케이블(10)은 적어도 2개의 원통형 층(22', 24') 중 하나 또는 둘다를 완전히 형성할 필요가 없고, 복합 케이블(10)은 층에서 하나 이상의 선택적인 비복합 전기 전도성 케이블(14) 및/또는 선택적인 요소(12)와 결합될 수 있다.
도 1c에 예시된 다른 예시적인 실시 형태에서, 본 개시 내용은 또한 수중 복합 케이블(20")의 코어(11")에 있는 비복합 전기 전도성 단일 와이어 케이블(5), 코어(11") 주위에 있는 복수의 복합 케이블(10) - 복합 케이블(10)은 복수의 복합 와이어를 포함함 -, 및 복수의 복합 케이블(10)을 둘러싸고 있는 절연성 피복체(26)를 포함하는 수중 복합 케이블(20")을 제공한다. 도 1c에 예시된 특정의 실시 형태에서, 코어(11")는 비복합 전기 전도성 단일 와이어 케이블(5)을 포함하고, 복수의 복합 케이블(10)은 코어(11') 주위에, 반경 방향의 단면에서 볼 때, 코어(11")의 중심 세로축을 중심으로 정의된 적어도 2개의 원통형 층 - 제1(내측) 원통형 층(22") 및 제2(외측) 원통형 층(24") - 에 비대칭적으로 배열되어 있다.
도 1c에 예시된 특정의 실시 형태에서, 적어도 2개의 원통형 층(22", 24') 각각은, 그에 부가하여, 기타 선택적인 요소(12) - 액체 수송 요소, 송전 요소, 전기 신호 전송 요소, 광 전송 요소, 중량 요소, 부력 요소, 충전재 요소, 또는 외장 요소 중에서 선택될 수 있음 - 를 포함한다. 도 1c에 도시된 바와 같이, 복수의 복합 케이블(10)은 적어도 2개의 원통형 층(22", 24") 중 하나 또는 둘다를 완전히 형성할 필요가 없고, 복합 케이블(10)은 층에서 하나 이상의 선택적인 비복합 전기 전도성 케이블(14) 및/또는 선택적인 요소(12)와 결합될 수 있다.
다른 부가의 예시적인 실시 형태에서, 적어도 2개의 원통형 층 중 적어도 하나는 액체 수송 요소, 전력 전송 요소, 광 전송 요소, 중량 요소, 충전재 요소, 또는 외장 요소로 이루어지는 그룹 중에서 선택되는 적어도 하나의 요소를 추가로 포함한다. 따라서, 도 1a 내지 도 1c에 예시된 바와 같이, 수중 복합 케이블은 선택적으로 액체 수송 요소, 송전 요소, 전기 신호 전송 요소, 광 전송 요소, 중량 요소, 부력 요소, 충전재 요소 또는 외장 요소 중에서 선택되는 적어도 하나의 요소(12)를 포함할 수 있다. 특정의 예시적인 실시 형태에서, 광 전송 요소는 적어도 하나의 광 섬유를 포함한다. 게다가, 도 1a 내지 도 1c에 예시된 특정의 예시적인 실시 형태에 도시된 바와 같이, 코어(11, 11', 또는 11")는 단일 금속 와이어 케이블(5), 멀티-와이어 금속 케이블(14), 또는 금속 와이어와 금속 하중 지지 요소의 조합(16) 중에서 선택될 수 있는 비복합 전기 전도성 케이블을 포함한다.
추가의 예시적인 실시 형태에서, 수중 복합 케이블은 제2 복수의 복합 와이어를 추가로 포함하고, 제2 복수의 복합 와이어의 적어도 일부분이, 반경 방향의 단면에서 볼 때, 코어 케이블의 중심 세로축을 중심으로 정의된 적어도 하나의 원통형 층에서 복수의 복합 케이블 주위에 배열되어 있다. 도 1b 및 도 1c에 예시된 일부 예시적인 실시 형태에서, 제2 복수의 복합 와이어는 하나 이상의 부가의 복합 케이블(10)의 형태로 제공될 수 있다. 도 1b에 예시된 어떤 특정의 예시적인 실시 형태에서, 제2 복수의 복합 와이어는 코어(11') 및 제1 원통형 층(22') 주위에 대칭적으로 배열된 복수의 복합 케이블(10) - 선택적인 비복합 전기 전도성 케이블(14) 및/또는 선택적인 요소(12)와 함께 제2 원통형 층(24')을 형성함 - 을 포함한다. 도 1c에 예시된 부가적인 특정의 예시적인 실시 형태에서, 제2 복수의 복합 와이어는 코어(11") 및 제1 원통형 층(22") 주위에 비대칭적으로 배열된 복수의 복합 케이블(10) - 선택적인 비복합 전기 전도성 케이블(14) 및/또는 선택적인 요소(12)와 함께 제2 원통형 층(24")을 형성함 - 을 포함한다.
게다가, 일부 예시적인 실시 형태에서, 본 개시 내용은 연선 가공되어 있고, 더욱 바람직하게는 나선형으로 연선 가공되어 있을 수 있는 복수의 연선 복합 와이어를 포함하는 하나 이상의 복합 케이블(10)을 포함하는 수중 복합 케이블(예컨대, 20, 20', 20")을 제공한다. 복합 와이어는 비연성일 수 있고, 따라서 종래의 케이블 연선 가공 공정 동안에 그의 나선형 배열을 유지하도록 충분히 변형되지 않을 수 있다. 따라서, 본 개시 내용은, 특정 실시 형태에서, 인장 강도가 높은 연선 복합 케이블을 제공하며, 추가로, 일부 실시 형태에서, 연선 케이블에서의 와이어의 나선형 배열을 유지하는 수단을 제공한다. 이와 같이, 연선 케이블이 편리하게도 중간 물품으로서 또는 최종 물품으로서 제공될 수 있다. 중간 물품으로서 사용될 때, 연선 복합 케이블은 나중에 송전 케이블(예를 들어, 수중 송전 케이블) 또는 액체 수송 케이블[예를 들어, 개재 케이블(intervention cable)] 등의 최종 물품에 포함될 수 있다.
따라서, 도 2a 내지 도 2d는, 본 개시 내용의 어떤 비제한적이고 예시적인 실시 형태에 따른, 연선 케이블 또는 더욱 바람직하게는 나선형 연선 케이블일 수 있고 수중 복합 케이블(예컨대, 20, 20' 또는 20")을 형성하는 데 사용될 수 있는 예시적인 복합 케이블(10)의 단부 단면도를 나타낸 것이다. 도 2a 및 도 2c에 도시된 예시적인 실시 형태에 예시된 바와 같이,복합 케이블(10)은 중심 세로축을 정의하는 단일 복합 와이어(2), 단일 복합 와이어(2) 주위에 제1 꼬임 방향으로 연선 가공될 수 있는 제1 복수의 복합 와이어(4)를 포함하는 제1 층, 및 제1 복수의 복합 와이어(4) 주위에 제1 꼬임 방향으로 연선 가공될 수 있는 제2 복수의 복합 와이어(6)를 포함하는 제2 층을 포함할 수 있다.
선택적으로, 도 2c에 도시된 바와 같이, 제3 복수의 복합 와이어(8)를 포함하는 제3 층은 제2 복수의 복합 와이어(6) 주위에 제1 꼬임 방향으로 연선 가공되어 복합 케이블(10)을 형성할 수 있다. 선택적으로, 제4 층(도시 생략) 또는 훨씬 더 많은 부가의 복합 와이어 층이 제2 복수의 복합 와이어(6) 주위에 제1 꼬임 방향으로 연선 가공되어 복합 케이블을 형성할 수 있다.
도 2b 및 도 2d에 도시된 다른 예시적인 실시 형태에서,복합 케이블(10)은 중심 세로축을 정의하는 단일 비복합 와이어(1)(예를 들어, 연성 금속 와이어일 수 있음), 단일 비복합 와이어(1) 주위에 제1 꼬임 방향으로 연선 가공될 수 있는 제1 복수의 복합 와이어(4)를 포함하는 제1 층, 및 제1 복수의 복합 와이어(4) 주위에 제1 꼬임 방향으로 연선 가공될 수 있는 제2 복수의 복합 와이어(6)를 포함하는 제2 층을 포함할 수 있다.
선택적으로, 도 2d에 도시된 바와 같이, 제3 복수의 복합 와이어(8)를 포함하는 제3 층은 제2 복수의 복합 와이어(6) 주위에 제1 꼬임 방향으로 연선 가공되어 복합 케이블(10)을 형성할 수 있다. 선택적으로, 제4 층(도시 생략) 또는 훨씬 더 많은 부가의 복합 와이어 층이 제2 복수의 복합 와이어(6) 주위에 제1 꼬임 방향으로 연선 가공되어 복합 케이블을 형성할 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 일부 예시적인 실시 형태에서, 복합 케이블(10)은 복수의 복합 와이어를 포함한다. 일부 예시적인 실시 형태에서, 복합 케이블들(10) 중 하나 이상은 연선 가공되어 있을 수 있다. 특정의 예시적인 실시 형태에서, 코어(예컨대, 11, 11' 또는 11")를 포함하는 전기 전도성 비복합 케이블은 대안적으로 또는 그에 부가하여 연선 가공되어 있을 수 있다. 어떤 특정의 예시적인 실시 형태에서, 연선 케이블은, 전체적으로 복합이든, 부분적으로 복합이든, 또는 전체적으로 비복합이든 간에, 나선형으로 연선 가공되어 있을 수 있다. 적당한 연선 가공 방법, 구성 및 물질이 미국 특허 출원 제2010/0038112호(Grether)에 개시되어 있다.
수중 복합 케이블(예컨대, 20, 20' 또는 20")을 형성하는 데 사용되는 나선형 연선 복합 케이블(10)에 관련된 본 개시 내용의 추가의 예시적인 실시 형태에서, 각각의 연속적인 복합 와이어 층이 각각의 이전의 복합 와이어 층과 동일한 꼬임 방향으로 감겨 있기만 하다면, 2개 이상의 연선 가공된 복합 와이어 층(예컨대, 4, 6 및 8)이 중심 세로축을 정의하는 단일 중심 복합 와이어(2)(도 2a 내지 도 2c) 또는 비복합 와이어(1)(도 2b 내지 도 2d) 주위에 나선형으로 감겨 있을 수 있다. 게다가, 각각의 층(12, 14, 16)에 대해 오른쪽 꼬임이 사용될 수 있지만, 각각의 층(12, 14, 16)에 대해 대안적으로 왼쪽 꼬임이 사용될 수 있다는 것을 잘 알 것이다.
일부 예시적인 실시 형태(도 2a 내지 도 2d)에서, 연선 복합 케이블(10)은 중심 세로축을 정의하는 단일 복합 와이어(2)(도 2a 내지 도 2c) 또는 비복합 와이어(1)(도 2b 내지 도 2d), 단일 복합 와이어(2) 주위에 제1 꼬임 방향으로 중심 세로축에 대해 정의된 제1 꼬임 각도로 연선 가공되고 제1 꼬임 길이를 가지는 제1 복수의 복합 와이어(4), 및 제1 복수의 복합 와이어(4) 주위에 제1 꼬임 방향으로 중심 세로축에 대해 정의된 제2 꼬임 각도로 연선 가공되고 제2 꼬임 길이를 가지는 제2 복수의 복합 와이어(6)를 포함한다.
부가의 예시적인 실시 형태에서, 연선 복합 케이블(10)은 선택적으로 제2 복수의 복합 와이어(6) 주위에 제1 꼬임 방향으로 중심 세로축에 대해 정의된 제3 꼬임 각도로 연선 가공되고 제3 꼬임 길이를 가지는 제3 복수의 복합 와이어(8)를 추가로 포함하며, 제2 꼬임 각도와 제3 꼬임 각도 사이의 상대 차가 약 4o 이하이다.
예시적인 추가의 실시 형태(도시 생략)에서, 연선 케이블은 제3 복수의 복합 와이어(8) 주위에 제1 꼬임 방향으로 공통의 세로축에 대해 정의된 꼬임 각도로 연선 가공된 복합 와이어의 부가의(예컨대, 후속) 층(예를 들어, 제4, 제5 또는 기타 후속 층)을 추가로 포함할 수 있고, 각각의 층에 있는 복합 와이어는 특성 꼬임 길이를 가지며, 제3 꼬임 각도와 제4 또는 후속 꼬임 각도 사이의 상대 차는 약 4o 이하이다. 4개 이상의 연선 복합 와이어 층이 이용되는 실시 형태는 바람직하게는 0.5 ㎜ 이하의 직경을 가지는 복합 와이어를 사용한다.
일부 예시적인 실시 형태에서, 제1 꼬임 각도와 제2 꼬임 각도 사이의 상대(절대) 차는 0o 초과 약 4o 이하이다. 특정의 예시적인 실시 형태에서, 제1 꼬임 각도와 제2 꼬임 각도 사이의 상대(절대) 차 및 제2 꼬임 각도와 제3 꼬임 각도 사이의 상대(절대) 차 중 하나 이상이 4o 이하, 3o 이하, 2o 이하, 1o 이하, 또는 0.5o 이하다. 예시적인 특정 실시 형태에서, 제1 꼬임 각도가 제2 꼬임 각도와 같고, 제2 꼬임 각도가 제3 꼬임 각도와 같으며, 및/또는 각각의 다음의 꼬임 각도가 바로 이전의 꼬임 각도와 같은 것 중 하나 이상이다.
추가의 실시 형태에서, 제1 꼬임 길이가 제2 꼬임 길이 이하이고, 제2 꼬임 길이가 제3 꼬임 길이 이하이며, 제4 꼬임 길이가 바로 다음의 꼬임 길이 이하이고, 및/또는 각각의 후속하는 꼬임 길이가 바로 이전의 꼬임 길이 이하인 것 중 하나 이상이다, 다른 실시 형태에서, 제1 꼬임 길이가 제2 꼬임 길이와 같고, 제2 꼬임 길이가 제3 꼬임 길이와 같으며, 및/또는 각각의 다음의 꼬임 길이가 바로 이전의 꼬임 길이와 같은 것 중 하나 이상이다. 일부 실시 형태에서, 본 기술 분야에 공지된 바와 같이, 평행 꼬임(parallel lay)을 사용하는 것이 바람직할 수 있다.
부가의 예시적인 실시 형태에서, 복합 케이블은 복수의 금속 와이어를 추가로 포함할 수 있다. 복수의 금속 와이어(예컨대, 28, 28', 28'')를 포함하는 다양한 예시적인 연선 복합 케이블(예컨대, 10', 10")이 도 3a 내지 도 3e에 단부 단면도로 나타내어져 있다. 도 3a 내지 도 3e의 예시된 실시 형태들 각각에서, 복합 와이어(4, 6, 8)가 중심 세로축을 정의하는 단일 중심 복합 코어 와이어(2) 주위에, 바람직하게는 복합 와이어(4, 6, 8)의 각각의 대응하는 층에 대해 동일한 꼬임 방향(도시 생략)으로 연선 가공되어 있다는 것을 잘 알 것이다. 이러한 꼬임 방향은 시계 방향(오른쪽 꼬임) 또는 반시계 방향(왼쪽 꼬임)일 수 있다. 연선 복합 케이블(10)은 나중에 최종적인 수중 복합 케이블(예컨대, 앞서 도 1a 내지 도 1c에 도시된 20, 20', 20")(예컨대, 수중 복합 테더, 수중 복합 공급선, 개재 케이블 등)에 포함되는 중간 물품으로서 사용될 수 있다.
도 3a 내지 도 3e는 연성 와이어(예컨대, 28, 28', 28"), 예를 들어, 연성 금속 도체 와이어의 하나 이상의 부가적인 층이 도 2a의 예시적인 복합 케이블(10) 주위에 연선 가공되어 있는, 더욱 바람직하게는 나선형으로 연선 가공되어 있는 연선 복합 케이블(예컨대, 10', 10")의 예시적인 실시 형태를 나타낸 것이다. 그렇지만, 본 개시 내용이 이들 예시적인 실시 형태로 제한되지 않는다는 것과 다른 복합 케이블 코어[예를 들어, 도 2b, 도 2c 및 도 2d의 복합 케이블(10) 등]를 사용하는 다른 실시 형태가 이 개시 내용의 범위 내에 속한다는 것을 잘 알 것이다.
따라서, 도 3a에 도시된 특정의 실시 형태에서, 연선 복합 케이블(10')은 도 2a에 도시된 연선 복합 코어 케이블(10) 주위에 연선 가공된 제1 복수의 연성 와이어(28)를 포함한다. 도 3b에 도시된 부가의 실시 형태에서, 연선 복합 케이블(10')은 도 4a의 연선 복합 케이블(10)의 제1 복수의 연성 와이어(28) 주위에 연선 가공된 제2 복수의 연성 와이어(28')를 포함한다. 도 4c에 도시된 추가의 실시 형태에서, 연선 복합 케이블(10')은 도 2a의 연선 복합 케이블(10)의 제2 복수의 연성 와이어(28') 주위에 연선 가공된 제3 복수의 연성 와이어(28")를 포함한다.
도 3a 내지 도 3c에 예시된 특정의 실시 형태에서, 각자의 연선 케이블(10')은 도 2a의 연선 복합 케이블(10)을 포함하는 코어를 가지며, 이 코어는 중심 세로축을 정의하는 단일 와이어(2), 단일 복합 와이어(2) 주위에 제1 꼬임 방향으로 연선 가공된 제1 복수의 복합 와이어(4)를 포함하는 제1 층(12), 및 제1 복수의 복합 와이어(4) 주위에 제1 꼬임 방향으로 연선 가공된 제2 복수의 복합 와이어(6)를 포함하는 제2 층(14)을 포함한다. 특정의 예시적인 실시 형태에서, 제1 복수의 연성 와이어(28)는 인접한 반경방향 층[예를 들어, 제2 복수의 복합 와이어(6)를 포함하는 제2 층]의 꼬임 방향과 반대인 꼬임 방향으로 연선 가공되어 있다.
다른 예시적인 실시 형태에서, 제1 복수의 연성 와이어(28)는 인접한 반경방향 층[예를 들어, 제2 복수의 복합 와이어(6)를 포함하는 제2 층]의 꼬임 방향과 동일한 꼬임 방향으로 연선 가공되어 있다. 추가의 예시적인 실시 형태에서, 제1 복수의 연성 와이어(28), 제2 복수의 연성 와이어(28') 또는 제3 복수의 연성 와이어(28") 중 적어도 하나는 인접한 반경방향 층[예를 들어, 제2 복수의 복합 와이어(6)를 포함하는 제2 층]의 꼬임 방향과 반대인 꼬임 방향으로 연선 가공되어 있다.
예시적인 추가의 실시 형태에서, 각각의 연성 와이어(28, 28', 또는 28'')는, 중심 세로축에 실질적으로 수직인 방향에서, 원형, 타원형 또는 사다리꼴 중에서 선택되는 단면 형상을 가진다. 도 3a 내지 도 3c는 각각의 연성 와이어(28, 28', 또는 28'')가, 중심 세로축에 실질적으로 수직인 방향에서, 실질적으로 원형인 단면 형상을 가지는 실시 형태를 나타낸 것이다. 도 3d에 도시된 특정의 실시 형태에서, 연선 복합 케이블(10")은 도 2a에 도시된 연선 복합 코어 케이블(10) 주위에 연선 가공된 제1 복수의 일반적으로 사다리꼴-형상인 연성 와이어(28)를 포함한다. 도 3e에 도시된 추가의 실시 형태에서, 연선 복합 케이블(10")은 도 2a의 연선 복합 케이블(10) 주위에 연선 가공된 제2 복수의 일반적으로 사다리꼴-형상인 연성 와이어(28')를 추가로 포함한다.
예시적인 추가의 실시 형태에서, 연성 와이어(28, 28', 또는 28'') 중 일부 또는 전부가, 중심 세로축에 실질적으로 수직인 방향에서, "Z" 또는 "S"자 형상(도시 생략)인 단면 형상을 가질 수 있다. 이러한 형상의 와이어가 본 기술 분야에 공지되어 있으며, 예를 들어, 케이블의 인터로킹 외부층을 형성하는 데 바람직할 수 있다.
부가의 실시 형태에서, 연성 와이어(28, 28', 또는 28'')는 구리, 알루미늄, 철, 아연, 코발트, 니켈, 크롬, 티타늄, 텅스텐, 바나듐, 지르코늄, 망간, 규소, 그 합금 및 그 조합으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 적어도 하나의 금속을 포함한다.
도 3a 내지 도 3e가 중심 세로축을 정의하는 단일 중심 복합 코어 와이어(2)를 도시하고 있지만, 그에 부가하여 단일 중심 복합 코어 와이어(2)가 대안적으로 도 2b 및 도 2d에 앞서 도시된 연성 금속 와이어(1)일 수 있다는 것을 잘 알 것이다. 또한, 각각의 복합 와이어 층이 꼬임 길이를 나타낸다는 것과 각각의 복합 와이어 층의 꼬임 길이가 서로 다르거나, 바람직하게는 동일한 꼬임 길이일 수 있다는 것을 잘 알 것이다.
게다가, 예시적인 일부 실시 형태에서, 각각의 복합 와이어가 중심 세로축에 실질적으로 수직인 방향에서 단면 형상(일반적으로, 원형, 타원형 또는 사다리꼴)을 가진다는 것을 잘 알 것이다. 예시적인 특정 실시 형태에서, 각각의 복합 와이어는 일반적으로 원형인 단면 형상을 가지며, 각각의 복합 와이어의 직경은 적어도 약 0.1 ㎜, 더욱 바람직하게는 적어도 0.5 ㎜, 더욱 더 바람직하게는 적어도 1 ㎜, 더욱 더 바람직하게는 적어도 2 ㎜, 가장 바람직하게는 적어도 3 ㎜이고, 최대 약 15 ㎜, 더욱 바람직하게는 최대 10 ㎜, 더욱 더 바람직하게는 최대 5 ㎜, 더욱 더 바람직하게는 최대 4 ㎜, 가장 바람직하게는 최대 3 ㎜ 이다. 예시적인 다른 실시 형태에서, 각각의 복합 와이어의 직경은 1 ㎜ 미만, 또는 5 ㎜ 초과일 수 있다.
전형적으로, 일반적으로 원형 단면 형상을 가지는 단일 중심 와이어의 평균 직경은 약 0.1 ㎜ 내지 약 15 ㎜의 범위에 있다. 일부 실시 형태에서, 단일 중심 와이어의 평균 직경이 바람직하게는 적어도 약 0.1 ㎜, 적어도 0.5 ㎜, 적어도 1 ㎜, 적어도 2 ㎜, 적어도 3 ㎜, 적어도 4 ㎜, 또는 심지어 최대 약 5 ㎜이다. 다른 실시 형태에서, 단일 중심 와이어의 평균 직경은 약 0.5 ㎜ 미만, 1 ㎜ 미만, 3 ㎜ 미만, 5 ㎜ 미만, 10 ㎜ 미만, 또는 15 ㎜ 미만이다.
도 3a 내지 도 3e에 도시되지 않은 예시적인 부가의 실시 형태에서, 연선 복합 케이블은 중심 세로축을 정의하는 단일 와이어 주위에 3개 초과의 연선 복합 와이어 층을 포함할 수 있다. 예시적인 특정 실시 형태에서, 각각의 복합 케이블 층에 있는 각각의 복합 와이어가 동일한 구성 및 형상을 가질 수 있지만, 본 명세서에 기술된 이점을 달성하기 위해 꼭 이럴 필요는 없다.
추가의 태양에서, 본 개시 내용은 복합 코어 및 복합 코어 둘레의 도체층을 포함하며 복합 코어가 상기한 연선 복합 케이블들 중 임의의 것을 포함하는 연선 송전 케이블의 다양한 실시 형태를 제공한다. 일부 실시 형태에서, 송전 케이블은 수중 송전 케이블로서 유용할 수 있다. 예시적인 특정 실시 형태에서, 도체층은 실질적으로 복합 케이블 코어의 표면 전체와 접촉하는 금속층을 포함한다. 예시적인 다른 실시 형태에서, 도체층은 복합 케이블 코어 주위에 연선 가공된 복수의 연성 금속 도체 와이어를 포함한다.
복수의 복합 와이어(예컨대, 2, 4, 6) 및 선택적으로 연성 금속 와이어(예컨대, 28, 28', 28")를 포함하는 연선 복합 케이블의 경우, 일부 실시 형태에서, 유지 수단[예를 들어, 접착제를 갖거나 갖지 않는 테이프 오버랩 또는 결합제(예를 들어, 미국 특허 제6,559,385 B1호(Johnson 등))]을 사용하여 연선 가공 동안에 또는 그 후에 복합 와이어[예를 들어, 도 4a 내지 도 4d의 제2 층(14)에 있는 적어도 제2 복수의 복합 와이어(6)]를 함께 모아 놓는 것이 바람직하다. 도 4a 내지 도 4d 및 도 5는 연선 가공 후에 복합 와이어를 함께 모아 놓기 위해 테이프(18) 형태의 유지 수단을 사용하는 다양한 실시 형태를 나타낸 것이다.
도 4a는 유지 수단을 사용한 예시적인 연선 복합 케이블(10"')의 측면도이고, 예시적인 유지 수단은 도 1a의 연선 복합 코어 케이블(10)에 부분적으로 부착된 테이프(18)를 포함하고, 테이프(18)는 복합 와이어(2, 4, 6)[복합 와이어(6)의 외부층만이 도 4a에 도시되어 있음] 주위에 감겨 있다. 도 1a의 예시적인 연선 복합 케이블(10)이 예시를 위해 도 4a 내지 도 4d에 도시되어 있지만, 본 개시 내용의 연선 복합 케이블[예컨대, 도 2b 내지 도 2d의 연선 복합 케이블(10), 도 3a 내지 도 3c의 연선 복합 케이블(10'), 도 3a 내지 도 3c의 연선 복합 케이블(10") 등] 중 임의의 것이 본 명세서에 기술된 예시적인 실시 형태, 특히 도면에 도시된 그 실시 형태 중 임의의 것에서 도 1a의 예시적인 연선 복합 케이블(10)을 치환할 수 있다.
도 4b에 도시된 바와 같이, 테이프(18)는 접착제 층(32)을 갖는 배킹(27)을 포함할 수 있다. 대안적으로, 도 4c에 도시된 바와 같이, 테이프(18)는 접착제 없이 배킹(27)만을 포함할 수 있다. 특정 실시 형태에서, 테이프(18)는 복합 와이어를 둘러싸고 있는 전기 절연성 피복체로서 기능할 수 있다.
예시적인 특정 실시 형태에서, 도 4a에 도시된 바와 같이, 각각의 연속적인 랩(wrap)이 이전의 랩과 갭(gap)도 오버랩도 없이 인접하도록 테이프(18)가 래핑될 수 있다. 다른 대안으로서, 일부 실시예에서, 각각의 랩 사이에 갭을 두도록 또는 이전의 랩과 오버랩하도록 연속적인 랩이 일정 간격으로 떨어져 있을 수 있다. 바람직한 일 실시 형태에서, 각각의 랩이 테이프 폭의 대략 1/3 내지 1/2 만큼 이전의 랩과 오버랩하도록 테이프(18)가 래핑된다. 현재 바람직한 특정 실시 형태에서, 테이프(18) 래핑은 복합 코어 케이블(10)의 외측 표면의 일부분만을 덮고 있다. 바람직하게는, 복합 코어 케이블(10)의 외측 표면의 최대 90%, 80%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30% 또는 심지어 25%가 테이프(18)로 덮여 있다.
도 4b는 유지 수단이 접착제(32)를 갖는 배킹(27)을 포함하는 테이프(18)인 도 4a의 연선 케이블의 단부도이다. 예시적인 이 실시 형태에서, 적당한 접착제는, 예를 들어, (메트)아크릴레이트 (공)중합체계 접착제, 폴리(α-올레핀) 접착제, 블록 공중합체계 접착제, 천연 고무계 접착제, 실리콘계 접착제, 및 핫멜트 접착제를 포함한다. 특정 실시 형태에서, 감압 접착제가 바람직할 수 있다.
추가의 예시적인 실시 형태에서, 테이프(18)가 탄성 굽힘 변형을 유지하기에 충분히 강하고 그 자체로 그의 래핑된 구성을 유지할 수 있거나 필요한 경우 충분히 억제되기만 한다면, 테이프(18) 또는 배킹(27)에 적합한 재료는 금속 포일, 특히 알루미늄, 폴리에스테르, 폴리이미드, 및 유리 강화 배킹을 포함한다. 하나의 특히 바람직한 배킹(20)은 알루미늄이다. 이러한 배킹은 바람직하게는 0.05 내지 0.13 ㎜(0.002 내지 0.005 인치)의 두께, 및 연선 복합 케이블(10)의 직경에 기초하여 선택된 폭을 가진다. 예를 들어, 도 4a에 도시된 것과 같은 2개의 연선 복합 와이어 층을 갖고 약 1.3 ㎝(0.5 인치)의 직경을 가지는 연선 복합 코어 케이블(10)에 대해, 2.5 ㎝(1.0 인치)의 폭을 가지는 알루미늄 테이프가 바람직하다.
현재 바람직한 몇몇 상용 테이프는 다음과 같은 금속 포일 테이프(미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 3M Company로부터 입수가능함)를 포함한다: 테이프 438, 아크릴 접착제를 갖는 0.13 ㎜(0.005 인치) 두께의 알루미늄 배킹 및 0.18 ㎜(0.0072 인치)의 총 테이프 두께; 테이프 431, 아크릴 접착제를 갖는 0.05 ㎜(0.0019 인치) 두께의 알루미늄 배킹 및 0.08 ㎜(0.0031 인치)의 총 테이프 두께; 및 테이프 433, 실리콘 접착제를 갖는 0.05 ㎜(0.002인치) 두께의 알루미늄 배킹 및 0.09 ㎜(0.0036 인치)의 총 테이프 두께. 적당한 금속 포일/유리 섬유 테이프는 Tape 363(미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 3M Company로부터 입수가능함)이며, 이에 대해서는 실시예들에 기술되어 있다.. 적당한 폴리에스테르 배킹 테이프는 0.03 ㎜(0.001 인치) 두께의 폴리에스테르 배킹, 실리콘계 접착제, 및 0.03 ㎜(0.0018 인치)의 총 테이프 두께를 가지는 Polyester Tape 8402(미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 3M Company로부터 입수가능함)를 포함한다.
도 4c는 테이프(18)가 접착제를 갖지 않는 배킹(27)을 포함하는 도 4a의 연선 케이블의 단부도이다. 테이프(18)가 접착제를 갖지 않는 배킹(27)인 경우, 배킹(27)에 적당한 재료는 접착제와 함께 사용하기 위해 방금 기술한 것들 중 임의의 것을 포함하며, 바람직한 배킹은 0.05 내지 0.13 ㎜(0.002 내지 0.005 인치)의 두께 및 2.54 ㎝(1.0 인치)의 폭을 가지는 알루미늄 배킹이다.
접착제(32)를 갖거나 갖지 않는 테이프(18)를 유지 수단으로 사용할 때, 테이프가 본 기술 분야에 공지된 종래의 테이프 래핑 장치를 사용하여 연선 케이블에 도포될 수 있다. 적당한 테이핑 기계는 모델 번호 CT-300 Concentric Taping Head 등의 미국 뉴저지주 패터슨 소재의 Watson Machine, International로부터 입수가능한 것을 포함하고 있다. 테이프 오버랩 스테이션은 일반적으로 케이블 연선 가공 장치의 출구에 위치하고 케이블(10)이 감기 스풀(take up spool)에 감기기 전에 나선형 연선 복합 와이어에 도포된다. 탄성 변형된 복합 와이어의 연선 구성을 유지하기 위해 테이프(18)가 선택된다.
도 4d는 복합 와이어(2, 4, 6)를 그의 연선 가공된 구성으로 유지하기 위해 도 2a의 연선 복합 코어 케이블(10)에 도포되는 결합제(34)의 형태의 유지 수단을 가지는 연선 복합 케이블(10"')의 대안의 예시적인 실시 형태를 나타낸 것이다. 적당한 결합제(34)는 6개 내지 20개의 탄소 원자를 포함하는 단량체로부터 유도된 하나 이상의 폴리(알파-올레핀) 단일 중합체(homopolymer), 공중합체, 삼중합체(terpolymer), 및 사중합체(tetrapolyme) 및 광활성 가교결합제를 함유하는 감압 접착제 조성물을 포함하며, 이에 대해서는 미국 특허 제5,112,882호(Babu 등)에 기술되어 있다. 이들 재료의 방사선 경화는 박리 및 전단 접착제 특성의 유익한 균형을 가지는 접착제 필름을 제공한다.
대안적으로, 결합제(34)는 에폭시(이것으로 제한되지 않음)를 비롯한 열경화성 재료를 포함할 수 있다. 일부 결합제의 경우, 상기한 바와 같이 와이어가 케이블 가공 기계를 빠져나가는 동안 결합제(34)를 연선 복합 코어 케이블(10)에 압출하거나 다른 방식으로 코팅하는 것이 바람직하다. 다른 대안으로서, 결합제(34)는 전사 테이프로서 공급되는 접착제의 형태로 도포될 수 있다. 이 경우에, 결합제(34)는 전사 또는 방출 시트(도시 생략)에 도포된다. 방출 시트(release sheet)가 연선 복합 코어 케이블(10)의 복합 와이어 주위에 래핑된다. 이어서, 배킹이 제거되고, 결합제(34)로서 접착제 층을 남긴다. 추가의 실시 형태에서, 접착제(32) 또는 결합제(34)는 선택적으로 각각의 개별 복합 와이어 주위에 또는 원하는 바에 따라 임의의 적당한 복합 와이어층과 비복합 와이어 층 사이에 부착될 수 있다.
게다가, 도 5에 예시된 특정의 실시 형태에서, 연선 복합 케이블(10")은 도 4c에 예시된 테이프-래핑된 복합 코어 케이블(10"') 주위에 연선 가공되어 있는 제1 복수의 연성 와이어(28) 및 제2 복수의 연성 와이어(28'), 및 제1 복수의 연성 와이어(28) 주위에 연선 가공되어 있는 제2 복수의 연성 와이어(28')를 포함한다. 테이프(18)는 도 2a에 도시된 복합 코어 주위에 배킹(27)을 래핑함으로써 형성되고, 이 복합 코어는 중심 세로축을 정의하는 단일 복합 와이어(2), 단일 복합 와이어(2) 주위에 제1 꼬임 방향으로 연선 가공될 수 있는 제1 복수의 복합 와이어(4)를 포함하는 제1 층, 및 제1 복수의 복합 와이어(4) 주위에 제1 꼬임 방향으로 연선 가공될 수 있는 제2 복수의 복합 와이어(6)를 포함하는 제2 층을 포함한다.
현재 바람직한 일 실시 형태에서, 유지 수단은 연선 복합 코어 케이블(10"')의 총 직경을 그다지 증가시키지 않는다. 바람직하게는, 유지 수단을 포함하는 연선 복합 케이블의 외경(outer diameter)은 유지 수단을 제외한 복수의 연선 복합 와이어(2, 4, 6, 8 등)의 외경의 110% 이하, 더욱 바람직하게는 105% 이하이고, 가장 바람직하게는 102% 이하이다.
종래의 케이블 가공 장비에서 연선 가공될 때 복합 와이어가 유의한 양의 탄성 굽힘 변형을 가진다는 것을 잘 알 것이다. 와이어의 나선형 배열을 유지하는 유지 수단이 없는 경우, 이러한 유의 탄성 굽힘 변형에 의해 와이어가 그의 비연선 가공된 또는 비굽힘된 형상으로 되돌아가게 된다. 따라서, 일부 실시 형태에서, 복수의 연선 복합 와이어(예를 들어, 도 2a의 2, 4, 6)의 유의 탄성 굽힘 변형(significant elastic bend deformation)을 유지하기 위해 유지 수단이 선택된다.
게다가, 연선 복합 케이블(10")(또는 10', 10"' 등)의 의도된 응용은 특정 유지 수단이 그 응용에 더 적합하다는 것을 암시할 수 있다. 예를 들어, 연선 복합 케이블(10")이 수중 복합 테더 또는 공급선 케이블에서 송전을 위해 사용될 때, 이 응용에서 경험하는 온도, 깊이 및 기타 조건에서 송전에 악영향을 주지 않기 위해 접착제(22)를 갖지 않는 결합제(24) 또는 테이프(18)가 선택되어야만 한다. 접착 테이프(18)가 유지 수단으로서 사용될 때, 접착제(32) 및 배킹(27) 둘다가 의도된 응용에 적합하도록 선택되어야 한다.
특정의 예시적인 실시 형태에서, 연선 복합 와이어(예를 들어, 도 2a의 2, 4, 6) 각각은 매트릭스에 복수의 연속 섬유를 포함하며, 이에 대해서는 나중에 보다 상세히 설명할 것이다. 와이어가 복합이기 때문에, 와이어는 연성 금속 와이어에서 있을 수 있는 케이블 가공 또는 연선 가공 동작 동안의 소성 변형을 일반적으로 용인하지 않는다. 예를 들어, 연성 와이어를 포함하는 종래 기술의 구성에서는, 복합 와이어를 그의 나선형 배열로 영구적으로 소성 변형시키기 위해 종래의 케이블 가공 공정이 수행될 수 있다. 본 개시 내용은 종래의 비복합 와이어에 비해 우수한 원하는 특성을 제공할 수 있는 복합 와이어의 사용을 가능하게 해준다. 유지 수단은 연선 복합 케이블이 후속하는 최종 물품 - 수중 복합 테더 또는 공급선 케이블 등 - 에 포함될 때 편리하게 취급될 수 있게 해준다.
도 6a 내지 도 6c에 예시된 부가의 태양에서, 본 개시 내용은 수중 복합 케이블(30)을 제공하고, 이 수중 복합 케이블은 코어 케이블(11, 11', 11") - 예를 들어, 전기 전도성 코어 케이블, 광 섬유 케이블, 구조 요소, 및/또는 액체 전달 요소 또는 튜브 -, 반경 방향의 단면에서 볼 때 코어 케이블의 중심 세로축을 중심으로 정의되는 적어도 하나의 원통형 층(예컨대, 각각 도 6a 및 도 6b의 22", 22"', 22"")에서 코어 요소(각각, 도 6a 및 도 6b의 11, 11', 11") 주위에 배열된 복수의 요소(12), 전기 전도성 코어 케이블(11, 11', 11")의 중심 세로축을 중심으로 하나 이상의 원통형 층(예컨대, 도 6a의 24"', 도 6b 및 도 6c의 24)에서 복수의 요소(12)를 둘러싸고 있는 복수의 복합 와이어[하나 이상의 복합 케이블(10)의 형태로 되어 있을 수 있음], 및 복수의 복합 와이어를 둘러싸고 있는 피복체(26) - 절연성 피복체일 수 있음 - 를 포함한다. 각각의 요소(12)는 바람직하게는 액체 수송 요소, 송전 요소, 전기 신호 전송 요소, 광 전송 요소, 중량 요소, 부력 요소, 충전재 요소 또는 외장 요소 중에서 선택된다.
일부 예시적인 실시 형태에서, 피복체(26)는 바람직한 특성을 가질 수 있다. 예를 들어, 일부 실시 형태에서, 피복체(26)는 절연성(즉, 전기 절연성 및/또는 열 또는 음향 절연성)일 수 있다. 특정의 예시적인 실시 형태에서, 피복체(26)는 아래에 있는 코어 케이블(11, 11', 11"), 복수의 요소(12), 및 선택적인 복수의 전기 전도성 비복합 케이블(14)에 대한 보호 기능을 제공한다. 보호 기능은, 예를 들어, 향상된 파열 내성, 향상된 부식 내성, 향상된 극고온 또는 극저온 내성, 향상된 마찰 저항 등일 수 있다.
바람직하게는, 피복체(26)는 열가소성 중합 물질, 더욱 바람직하게는 고밀도 폴리올레핀(예컨대, 고밀도 폴리에틸렌), 중간 밀도 폴리올레핀(예컨대, 중간 밀도 폴리에틸렌), 및/또는 열가소성 플루오로중합체 중에서 선택되는 열가소성 중합 물질을 포함한다. 적당한 플루오로중합체는 플루오르화된 에틸렌프로필렌 공중합체(FEP), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 에틸렌테트라플루오르에틸렌(ETFE), 에틸렌클로로트라이플루오로에틸렌(ECTFE), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리비닐 플루오라이드(PVF), 테트라플루오로에틸렌 중합체(TFV)를 포함한다. 특히 적당한 플루오로중합체는 상표명 DYNEON THV FLUOROPLASTICS, DYNEON ETFE FLUOROPLASTICS, DYNEON FEP FLUOROPLASTICS, DYNEON PFA FLUOROPLASTICS, 및 DYNEON PVDF FLUOROPLASTICS(모두 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 3M Company로부터 입수가능함)으로 판매되는 것이다.
일부 예시적인 실시 형태에서, 피복체(26)는 바람직하게는 강도 요소로서도 기능하는 외장 요소를 추가로 포함할 수 있다. 도 6a 및 도 6b에 도시된 현재 바람직한 다른 예시적인 실시 형태에서, 외장 및/또는 강도 요소(39)는 코어 케이블을 둘러싸고 있고 원통형 층(38)에 배열되어 있는 복수의 와이어(37)를 포함한다(도 6a 및 도 6b). 6A-6B). 바람직하게는, 와이어(37)는 금속(예컨대, 강철) 와이어, 금속 매트릭스 복합 와이어, 중합체 매트릭스 복합 와이어, 및 그 조합 중에서 선택된다.
도 6a 및 도 6b에 도시된 일부 예시적인 실시 형태에서, 수중 복합 케이블(30)은 외장 또는 강화층(예컨대, 32, 36)을 추가로 포함할 수 있다. 특정의 예시적인 실시 형태에서, 외장층은 적어도 코어 케이블(11, 11")을 둘러싸고 있는 하나 이상의 원통형 층(예컨대, 32, 36)을 포함한다. 도 6a 및 도 6b에 도시된 일부 예시적인 실시 형태에서, 외장 또는 강화층(32, 36)은, 도 6a 및 도 6b에 예시된 바와 같이, 수중 복합 케이블(30) 내에서 반경 방향으로 형성되고 바람직하게는 적어도 코어 케이블(11, 11") 및 복수의 복합 와이어, 더욱 바람직하게는 요소(12) 및 선택적인 전기 전도성 비복합 케이블(14)을 둘러싸고 있거나 그 주위에 감겨 있는 복수의 섬유를 포함하는 테이프 또는 섬유층(예컨대, 32. 36)의 형태를 취할 수 있다. 바람직하게는, 섬유는 폴리(아라미드) 섬유, 세라믹 섬유, 붕소 섬유, 탄소 섬유, 금속 섬유, 유리 섬유, 및 그 조합 중에서 선택된다.
특정 실시 형태에서, 외장 또는 강화층(32, 36) 및/또는 피복체(26)는 또한 전기 전도성 복합 또는 비복합 케이블에 대한 절연성 요소로서 기능할 수 있다. 이러한 실시 형태에서, 외장 또는 강화층(32, 36) 및/또는 피복체(26)는 바람직하게는 절연성 물질, 더욱 바람직하게는 전술한 바와 같은 절연성 중합 물질을 포함한다.
도 6a 내지 도 6c에 예시된 특정의 예시적인 실시 형태에서, 코어(11, 11', 11")를 포함하는 연선 복합 케이블 및/또는 전기 전도성 비복합 케이블은 적어도 하나의, 바람직하게는 복수의 연성 금속 와이어를 포함한다. 부가의 예시적인 실시 형태에서, 복수의 금속 와이어 각각은, 반경 방향의 단면에서 볼 때, 원형, 타원형, 사다리꼴, S자형, 및 Z자형으로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 단면 형상을 가진다. 현재 바람직한 특정의 예시적인 실시 형태에서, 복수의 금속 와이어의 적어도 일부분은 액체를 수송하는 데 유용한 중공 와이어 또는 튜브를 포함할 수 있다.
어떤 특정의 예시적인 실시 형태에서, 복수의 금속 와이어는 철, 강철, 지르코늄, 구리, 주석, 카드뮴, 알루미늄, 망간, 아연, 코발트, 니켈, 크롬, 티타늄, 텅스텐, 바나듐, 이들의 서로와의 합금, 이들의 다른 금속과의 합금, 이들의 규소와의 합금, 및 그 조합으로 이루어지는 그룹 중에서 선택되는 적어도 하나의 금속을 포함한다.
어떤 특정의 부가의 예시적인 실시 형태에서, 수중 전력 케이블(30) 내의 복합 케이블들(10) 중 적어도 하나는, 반경 방향의 단면에서 볼 때, 적어도 하나의 복합 케이블의 중심 세로축을 중심으로 연선 가공되어 있는 복합 와이어의 복수의 원통형 층을 포함하는 연선 복합 케이블이다. 특정의 예시적인 실시 형태에서, 적어도 하나의 연선 복합 케이블은 나선형으로 연선 가공되어 있다. 어떤 특정의 예시적인 실시 형태에서, 각각의 원통형 층은 각각의 인접한 원통형 층에 대한 꼬임 방향과 동일한 꼬임 방향에서 꼬임 각도로 연선 가공되어 있다. 현재 바람직한 특정 실시 형태에서, 각각의 인접한 원통형 층에 대한 꼬임 각도 사이의 상대 차는 3o 이하이다.
부가의 예시적인 실시 형태에서, 도체 및/또는 하중 지지 요소일 수 있는 복수의 전기 전도성 비복합 케이블(14)이 원통형 층들 중 하나 이상에 포함될 수 있다. 게다가, 본 개시 내용의 수중 복합 케이블(30)의 임의의 실시 형태에서, 복수의 요소(12) 및 선택적인 복수의 전기 전도성 비복합 케이블(14)이 수중 복합 케이블(30)의 중심 세로축을 중심으로 다양한 연선 가공되어 있는 반경 방향 층을 형성할 수 있다(예컨대, 도 6a 내지 도 6c 참조)는 것을 잘 알 것이다. 바람직하게는, 각각의 연선 가공되어 있는 반경방향 층은 케이블의 중심 세로축을 중심으로 나선형으로 연선 가공되어 있다.
추가의 예시적인 실시 형태에서, 복합 와이어는 원형, 타원형 및 사다리꼴로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 단면 형상을 가진다. 일부 예시적인 실시 형태에서, 각각의 복합 와이어는 섬유 강화 복합 와이어다. 특정의 예시적인 실시 형태에서, 섬유 강화 복합 와이어 중 적어도 하나는 섬유 토우(fiber tow) 또는 모노필라멘트 섬유(monofilament fiber) 중 하나로 강화된다. 다른 예시적인 실시 형태에서, 각각의 복합 와이어는 금속 매트릭스 복합 와이어 및 중합체 복합 와이어로 이루어지는 그룹 중에서 선택된다. 추가의 예시적인 실시 형태에서, 복합 와이어 중 일부는 금속 매트릭스 복합 와이어 및 중합체 매트릭스 복합 와이어로 선택된다. 다른 특정의 예시적인 실시 형태에서, 중합체 복합 와이어는 중합체 매트릭스에 적어도 하나의 연속 섬유를 포함한다. 일부 예시적인 실시 형태에서, 적어도 하나의 연속 섬유는 금속, 탄소, 세라믹, 유리, 또는 그 조합을 포함한다.
일부 예시적인 실시 형태에서, 적어도 하나의 연속 섬유는 티타늄, 텅스텐, 붕소, 형상 기억 합금, 탄소, 탄소 나노튜브, 흑연, 탄화규소, 폴리(아라미드), 폴리(p-페닐렌-2,6-벤조비스옥사졸), 또는 그 조합을 포함한다. 특정의 예시적인 실시 형태에서, 중합체 매트릭스는 에폭시, 에스테르, 비닐 에스테르, 폴리이미드, 폴리에스테르, 시안산염 에스테르, 페놀 수지, 비스-말레이미드 수지, 폴리에테르에테르케톤, 및 그 조합으로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 (공)중합체를 포함한다.
다른 예시적인 실시 형태에서, 금속 매트릭스 복합 와이어는 금속 매트릭스에 적어도 하나의 연속 섬유를 포함한다. 일부 예시적인 실시 형태에서, 적어도 하나의 연속 섬유는 세라믹, 유리, 탄소 나노튜브, 탄소, 탄화규소, 붕소, 철, 강철, 철 합금, 텅스텐, 티타늄, 형상 기억 합금, 및 그 조합으로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 물질을 포함한다. 특정의 예시적인 실시 형태에서, 금속 매트릭스는 알루미늄, 아연, 주석, 마그네슘, 그 합금, 또는 그 조합을 포함한다. 현재 바람직한 특정 실시 형태에서, 금속 매트릭스는 알루미늄을 포함하고, 적어도 하나의 연속 섬유는 세라믹 섬유를 포함한다. 적당한 세라믹 섬유는 상표명 NEXTEL 세라믹 섬유(미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 3M Company로부터 입수가능함)로 이용가능하고, 예를 들어, NEXTEL 312 세라믹 섬유를 포함한다. 어떤 현재 바람직한 특정의 실시 형태에서, 세라믹 섬유는 다결정 α-Al2O3를 포함한다.
추가의 예시적인 실시 형태에서, 절연성 피복체는 수중 복합 케이블의 외측 표면을 형성한다. 일부 예시적인 실시 형태에서, 절연성 피복체는 세라믹, 유리, (공)중합체, 및 그 조합으로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 물질을 포함한다.
본 개시 내용이 어떤 적당한 복합 와이어에도 실시될 수 있지만, 예시적인 특정 실시 형태에서, 각각의 복합 와이어가 매트릭스에 연속 섬유 토우(continuous fiber tow) 또는 연속 모노필라멘트 섬유(continuous monofilament fiber) 중 적어도 하나를 포함하는 섬유 강화 복합 와이어이도록 선택된다.
복합 와이어의 바람직한 실시 형태는 매트릭스에 복수의 연속 섬유를 포함한다. 현재 바람직한 섬유는 다결정 α-Al2O3를 포함한다. 복합 와이어의 이들 바람직한 실시 형태는 파괴에 대한 인장 변형(tensile strain to failure)이 바람직하게는 적어도 0.4%, 더욱 바람직하게는 적어도 0.7%이다. 일부 실시 형태에서, 금속 매트릭스 복합 코어에서 섬유의 적어도 85 수%(% by number)(일부 실시 형태에서, 적어도 90 수%, 또는 심지어 적어도 95 수%)가 연속이다.
본 개시 내용에서 사용될 수 있는 다른 복합 와이어는 유리/에폭시 와이어, 탄화규소/알루미늄 복합 와이어, 탄소/알루미늄 복합 와이어, 탄소/에폭시 복합 와이어, 탄소/폴리에테르에테르케톤(PEEK) 와이어, 탄소/(공)중합체 와이어, 및 이러한 복합 와이어의 조합을 포함한다.
적당한 유리 섬유의 일례는 본 기술 분야에 공지된 A-유리, B-유리, C-유리, D-유리, S-유리, AR-유리, R-유리, 섬유 유리 및 파라유리(paraglass)를 포함한다. 이 목록은 제한하는 것이 아니고, 예를 들어, Corning Glass Company(미국 뉴욕주 코닝 소재)로부터 구매가능한 많은 다른 유형의 유리 섬유가 있기 때문에, 다른 유리 섬유도 사용될 수 있다.
예시적인 일부 실시 형태에서, 연속 유리 섬유가 바람직할 수 있다. 전형적으로, 연속 유리 섬유는 평균 섬유 직경이 약 3 마이크로미터 내지 약 19 마이크로미터 범위이다. 몇몇 실시 형태에서, 유리 섬유는 평균 인장 강도가 3 ㎬, 4 ㎬ 이상 및/또는 심지어 5 ㎬ 이상이다. 일부 실시 형태에서, 유리 섬유는 계수(modulus)가 약 60㎬ 내지 95 ㎬, 또는 약 60 ㎬ 내지 약 90 ㎬ 범위이다.
적당한 세라믹 섬유의 일례는 금속 산화물(예를 들어, 알루미나) 섬유, 붕소 질화물 섬유, 탄화규소 섬유, 및 이들 섬유 중 임의의 것의 조합을 포함한다. 전형적으로, 세라믹 산화물 섬유는 결정질 세라믹 및/또는 결정질 세라믹과 유리의 혼합물이다(즉, 섬유가 결정질 세라믹과 유리상 둘다를 함유할 수 있다). 전형적으로, 그러한 섬유는 길이가 50 미터 이상 정도이며, 심지어 길이가 수 킬로미터 또는 그 이상 정도일 수도 있다. 전형적으로, 연속 세라믹 섬유는 평균 섬유 직경이 약 5 마이크로미터 내지 약 50 마이크로미터, 약 5 마이크로미터 내지 약 25 마이크로미터, 약 8 마이크로미터 내지 약 25 마이크로미터, 또는 심지어 약 8 마이크로미터 내지 약 20 마이크로미터 범위이다. 일부 실시 형태에서, 결정질 세라믹 섬유는 평균 인장 강도가 적어도 1.4 ㎬, 적어도 1.7 ㎬, 적어도 2.1 ㎬, 및/또는 심지어 적어도 2.8 ㎬이다. 일부 실시 형태에서, 결정질 세라믹 섬유는 계수가 70 ㎬ 초과 내지 대략 1000 ㎬ 이하, 또는 심지어 420 ㎬ 이하이다.
적당한 모노필라멘트 세라믹 섬유의 일례는 탄화규소 섬유를 포함한다. 전형적으로, 탄화규소 모노필라멘트 섬유는 결정질 및/또는 결정질 세라믹과 유리의 혼합물이다(즉, 섬유가 결정질 세라믹과 유리상 둘다를 함유할 수 있다). 전형적으로, 그러한 섬유는 길이가 50 미터 이상 정도이며, 심지어 길이가 수 킬로미터 또는 그 이상 정도일 수도 있다. 전형적으로, 연속 탄화규소 모노필라멘트 섬유는 평균 섬유 직경이 약 100 마이크로미터 내지 약 250 마이크로미터 범위이다. 일부 실시 형태에서, 결정질 세라믹 섬유는 평균 인장 강도가 적어도 2.8 ㎬, 적어도 3.5 ㎬, 적어도 4.2 ㎬, 및/또는 심지어 적어도 6 ㎬이다. 일부 실시 형태에서, 결정질 세라믹 섬유는 계수가 250 ㎬ 초과 내지 대략 500 ㎬ 이하, 또는 심지어 430 ㎬ 이하이다.
적당한 알루미나 섬유는, 예를 들어, 미국 특허 제4,954,462호(Wood 등) 및 제5,185,299호(Wood 등)에 기술되어 있다. 일부 실시 형태에서, 알루미나 섬유는 다결정 알파 알루미나 섬유이고, 이론적인 산화물에 기초하여, 알루미나 섬유의 총 중량을 기준으로 99 중량% 초과의 Al2O3 및 0.2-0.5 중량%의 SiO2를 함유한다. 다른 태양에서, 일부 바람직한 다결정 알파 알루미나 섬유는 평균 입자 크기가 1 마이크로미터 미만(또는, 일부 실시 형태에서, 심지어 0.5 마이크로미터 미만)인 알파 알루미나를 함유한다. 다른 태양에서, 일부 실시 형태에서, 다결정 알파 알루미나 섬유는 평균 인장 강도가 적어도 1.6 ㎬(일부 실시 형태에서, 적어도 2.1 ㎬, 또는 심지어 적어도 2.8 ㎬)이다. 예시적인 알파 알루미나 섬유는 상표명 NEXTEL 610"(미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 3M Company)으로 시판된다.
적당한 알루미노규산염 섬유는, 예를 들어, 미국 특허 제4,047,965호(Karst 등)에 기술되어 있다. 예시적인 알루미노규산염 섬유는 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 3M Company에 의해 상표명 "NEXTEL 440", "NEXTEL 550", 및 "NEXTEL 720"으로 시판된다. 알루미노보로규산염 섬유(aluminoborosilicate fiber)는, 예를 들어, 미국 특허 제3,795,524호(Sowman)에 기술되어 있다. 예시적인 알루미노보로규산염 섬유는 3M Company에 의해 상표명 "NEXTEL 312"로 시판되고 있다. 붕소 질화물 섬유는, 예를 들어, 미국 특허 제3,429,722호(Economy) 및 제5,780,154호(Okano 등)에 기술된 바와 같이 제조될 수 있다. 예시적인 탄화규소 섬유는 미국 캘리포니아주 샌디에고 소재의 COI Ceramics에 의해 500개 섬유의 토우로 되어 있는 상표명 "NICALON"으로, 일본의 Ube Industries로부터 상표명 "TYRANNO"로, 그리고 미국 미시간주 미들랜드 소재의 Dow Corning으로부터 상표명 "SYLRAMIC"으로 시판되고 있다.
적당한 탄소 섬유는 PANEX® 및 PYRON®(미국 미주리주 브릿지톤 소재의 ZOLTEK로부터 입수가능함), THORNEL(미국 뉴저지주 웨스트 패터슨 소재의 CYTEC Industries, Inc.로부터 입수가능함), HEXTOW(미국 코네티컷주 사우스버리 소재의 HEXCEL, Inc.로부터 입수가능함), 그리고 TORAYCA(일본 도쿄 소재의 TORAY Industries, Ltd.로부터 입수가능함)라고 하는 섬유 등의 구매가능한 탄소 섬유를 포함한다. 이러한 탄소 섬유는 폴리아크릴로니트릴(PAN) 전구체로부터 유도될 수 있다. 다른 적합한 탄소 섬유는, 본 기술 분야에 공지된, PAN-IM, PAN-HM, PAN UHM, PITCH 또는 레이온 부산물을 포함한다.
부가의 적합한 구매가능한 섬유는 ALTEX(일본 오사카 소재의 Sumitomo Chemical Company로부터 입수가능함), 및 ALCEN(일본 도쿄 소재의 Nitivy Company, Ltd.로부터 입수가능함)를 포함한다.
적합한 섬유는 또한 형상 기억 합금[즉, 금속 합금이 변태 온도 미만에서 쌍정 메커니즘(twinning mechanism)에 의해 변형가능하도록 마르텐사이트 변태(Martensitic transformation)를 겪는 금속 합금, 여기서 쌍정 구조(twin structure)가 변태 온도를 초과하여 가열 시에 원래의 상으로 되돌아갈 때 이러한 변형은 가역적임]을 포함한다. 구매가능한 형상 기억 합금 섬유는, 예를 들어, Johnson Matthey Company(미국 펜실베니아주 웨스트 와이트랜드 소재)로부터 입수가능하다.
일부 실시 형태에서, 세라믹 섬유가 토우로 되어 있다. 토우는 섬유 기술 분야에서 공지되어 있으며, 조방(roving)과 유사한 형태로 모여 있는 복수의 (개별) 섬유(전형적으로 적어도 100개의 섬유, 더욱 전형적으로 적어도 400개 섬유)를 말한다. 일부 실시 형태에서, 토우는 토우당 적어도 780개 개별 섬유, 어떤 경우에, 토우당 적어도 2600개 개별 섬유, 그리고, 다른 경우에, 토우당 적어도 5200개 개별 섬유를 포함한다. 세라믹 섬유의 토우가 일반적으로 300 미터, 500 미터, 750 미터, 1000 미터, 1500 미터, 2500 미터, 5000 미터, 7500 미터, 및 그 이상을 비롯한 다양한 길이로 입수가능하다. 섬유는 원형 또는 타원형인 단면 형상을 가질 수 있다.
구매가능한 섬유는 전형적으로 취급 동안에 윤활성을 제공하고 섬유 가닥을 보호하기 위해 제조 동안에 섬유에 추가되는 유기 사이징 재료(organic sizing material)를 포함할 수 있다. 사이징은, 예를 들어, 섬유로부터 사이징을 용해 또는 연소시킴으로써 제거될 수 있다. 전형적으로, 금속 매트릭스 복합 와이어를 형성하기 전에 사이징을 제거하는 것이 바람직하다. 섬유가 또한, 예를 들어, 섬유의 젖음성을 향상시키기 위해, 섬유와 용융 금속 매트릭스 재료 간의 반응을 감소시키거나 방지하기 위해 사용되는 코팅을 가질 수 있다. 이러한 코팅 및 이러한 코팅을 제공하는 기술은 섬유 및 복합재 기술 분야에 공지되어 있다.
예시적인 추가의 실시 형태에서, 각각의 복합 와이어는 금속 매트릭스 복합 와이어 및 중합체 복합 와이어 중에서 선택된다. 적당한 복합 와이어는, 예를 들어, 미국 특허 제6,180,232호, 제6,245,425호, 제6,329,056호, 제6,336,495호, 제6,344,270호, 제6,447,927호, 제6,460,597호, 제6,544,645호에 개시되어 있다.
하나의 현재 바람직한 섬유 강화 금속 매트릭스 복합 와이어는 세라믹 섬유 강화 알루미늄 매트릭스 복합 와이어이다. 세라믹 섬유 강화 알루미늄 매트릭스 복합 와이어는 바람직하게는 실질적으로 순수한 원소 알루미늄, 또는 순수 알루미늄과, 매트릭스의 총 중량을 기준으로, 최대 약 2 중량% 구리의 합금의 매트릭스 내에 캡슐화된 다결정 -Al2O3의 연속 섬유를 포함한다. 바람직한 섬유는 크기가 약 100 ㎚ 미만인 등축정(equiaxed grain), 및 약 1 내지 50 마이크로미터 범위의 섬유 직경을 포함한다. 약 5 내지 25 마이크로미터 범위의 섬유 직경이 바람직하며, 약 5 내지 15 마이크로미터의 범위가 가장 바람직하다.
본 개시 내용에 바람직한 섬유 강화 복합 와이어는 약 3.90 내지 3.95 g/㎤의 섬유 밀도를 가진다. 바람직한 섬유 중에는 미국 특허 제4,954,462호(Wood 등)(미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 Minnesota Mining and Manufacturing Company에 양도됨)에 기술된 것이 있다. 바람직한 섬유는 상표명 "NEXTEL 610" 알파 알루미나계 섬유(미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 3M Company로부터 입수가능함)로 구매가능하다 섬유 재료와 그다지 화학적으로 반응하지 않는(즉, 섬유 재료에 대해 비교적 화학적 불활성인) 캡슐화 매트릭스가 선택되며, 그로써 섬유 외부에 보호 코팅을 제공할 필요가 없게 된다.
복합 와이어의 현재 바람직한 특정 실시 형태에서, 실질적으로 순수한 원소 알루미늄, 또는 원소 알루미늄과, 매트릭스의 총 중량을 기준으로, 최대 약 2 중량% 구리의 합금을 포함하는 매트릭스의 사용은 성공적인 와이어를 제조하는 것으로 밝혀졌다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "실질적으로 순수한 원소 알루미늄" 또는 "순수 알루미늄" 및 "원소 알루미늄"이라는 용어는 서로 바꾸어 사용할 수 있으며 약 0.05 중량% 미만의 불순물을 함유하는 알루미늄을 의미하기 위한 것이다.
현재 바람직한 일 실시 형태에서, 복합 와이어는, 실질적으로 원소 알루미늄 매트릭스 내에, 복합 와이어의 총 부피를 기준으로 약 30 내지 70 부피%의 다결정 -Al2O3 섬유를 포함한다. 매트릭스가, 매트릭스의 총 중량을 기준으로, 약 0.03 중량% 미만의 철, 가장 바람직하게는 약 0.01 중량% 미만의 철을 함유하는 것이 현재 바람직하다. 약 40 내지 60%의 다결정 α-Al2O3섬유의 섬유 함유량이 바람직하다. 약 20 ㎫ 미만의 항복 강도를 가지는 매트릭스 및 적어도 약 2.8 ㎬의 세로 인장 강도를 가지는 섬유로 형성된 이러한 복합 와이어는 우수한 강도 특성을 갖는 것으로 밝혀졌다.
매트릭스는 또한 원소 알루미늄과, 매트릭스의 총 중량을 기준으로, 최대 약 2 중량%의 구리의 합금으로 형성될 수 있다. 실질적으로 순수한 원소 알루미늄 매트릭스가 사용되는 실시 형태에서와 같이, 알루미늄/구리 합금 매트릭스를 가지는 복합 와이어는, 복합재의 총 부피를 기준으로, 바람직하게는 약 30 내지 70 부피%의 다결정 α-Al2O3 섬유, 따라서 더욱 바람직하게는 약 40 내지 60 부피%의 다결정 α-Al2O3 섬유를 포함한다. 그에 부가하여, 매트릭스는, 매트릭스의 총 중량을 기준으로, 바람직하게는 약 0.03 중량% 미만의 철, 가장 바람직하게는 약 0.01 중량% 미만의 철을 함유한다. 알루미늄/구리 매트릭스는 바람직하게는 약 90 ㎫ 미만의 항복 강도를 가지며, 상기한 바와 같이, 다결정 α-Al2O3 섬유는 적어도 약 2.8 ㎬의 세로 인장 강도를 가진다.
복합 와이어는 바람직하게는 실질적으로 순수한 원소 알루미늄 매트릭스 또는 원소 알루미늄과 상기한 최대 약 2 중량%의 구리의 합금으로 형성된 매트릭스 내에 함유된 실질적으로 연속적인 다결정 α-Al2O3 섬유로 형성된다. 이러한 와이어는 일반적으로 섬유 토우로 배열되는 실질적으로 연속적인 다결정 α-Al2O3 섬유의 스풀이 용융 매트릭스 재료의 수조를 통해 풀링되는 공정에 의해 제조된다. 얻어지는 세그먼트가 이어서 응고됨으로써, 매트릭스 내에 캡슐화된 섬유를 제공한다.
예시적인 금속 매트릭스 재료는 알루미늄[예를 들어, 고순도(예를 들어, 99.95% 초과) 원소 알루미늄, 아연, 주석, 마그네슘, 및 그 합금(예를 들어, 알루미늄과 구리의 합금)을 포함한다. 전형적으로, 예를 들어, 섬유 외부에 보호 코팅을 제공할 필요가 없도록 하기 위해, 섬유와 그다지 화학적으로 반응하지 않는(즉, 섬유 재료에 대해 비교적 화학적 불활성인) 매트릭스 재료가 선택된다. 몇몇 실시 형태에서, 매트릭스 재료는 바람직하게는 알루미늄 및 그의 합금을 포함한다.
몇몇 실시 형태에서, 금속 매트릭스는 98 중량% 이상의 알루미늄, 99 중량% 이상의 알루미늄, 99.9 중량% 초과의 알루미늄, 또는 심지어 99.95 중량% 초과의 알루미늄을 포함한다. 알루미늄과 구리의 예시적인 알루미늄 합금은 적어도 98 중량% Al과 최대 2 중량% Cu를 함유한다. 일부 실시 형태에서, 유용한 합금은 1000, 2000, 3000, 4000, 5000, 6000, 7000 및/또는 8000 시리즈 알루미늄 합금(미국 알루미늄 협회 명명법)이다. 더 높은 순도의 금속이 더 높은 인장 강도의 와이어를 제조하기에 바람직한 경향이 있지만, 금속의 덜 순수한 형태도 또한 유용하다.
적합한 금속이 구매가능하다. 예를 들어, 알루미늄은 미국 펜실베니아주 피츠버그 소재의 Alcoa로부터 상표명 "SUPER PURE ALUMINUM; 99.99% Al"로 입수가능하다. 알루미늄 합금(예를 들어, Al-2 중량% Cu(0.03 중량% 불순물))이, 예를 들어 미국 뉴욕주 뉴욕 소재의 벨몬트 메탈즈(Belmont Metals)로부터 입수될 수 있다. 아연 및 주석은, 예를 들어, 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 Metal Services로부터 입수가능하다("순수 아연"; 99.999% 순도 및 "순수 주석"; 99.95% 순도). 예를 들어, 마그네슘은 영국 맨체스터 소재의 Magnesium Elektron로부터 상표명 "PURE"로 입수가능하다. 마그네슘 합금(예를 들어, WE43A, EZ33A, AZ81A, 및 ZE41A)은, 예를 들어, 미국 콜로라도주 덴버 소재의 TIMET로부터 입수될 수 있다.
금속 매트릭스 복합 와이어는 전형적으로, 섬유 및 매트릭스 재료의 총 결합 부피를 기준으로, 적어도 15 부피%(일부 실시 형태에서, 적어도 20, 25, 30, 35, 40, 45, 또는 심지어 50 부피%)의 섬유를 포함한다. 더욱 전형적으로, 복합 코어 및 와이어는 섬유와 매트릭스 재료의 총 조합 부피 기준으로, 40 내지 75 부피%(몇몇 실시 형태에서는 45 내지 70 부피%) 범위의 섬유를 포함한다.
금속 매트릭스 복합 와이어는 기술 분야에 공지된 기술을 사용하여 제조될 수 있다. 연속 금속 매트릭스 복합 와이어는, 예를 들어, 연속 금속 매트릭스 침투 공정에 의해 제조될 수 있다. 하나의 적합한 공정이, 예를 들어 미국 특허 제6,485,796호(카펜터(Carpenter) 등)에 설명되어 있다. 중합체 및 섬유를 포함하는 와이어는 기술 분야에 공지된 인발 공정에 의해 제조될 수 있다.
예시적인 부가의 실시 형태에서, 복합 와이어는 중합체 복합 와이어를 포함하도록 선택된다. 중합체 복합 와이어는 중합체 매트릭스에 적어도 하나의 연속 섬유를 포함한다. 예시적인 일부 실시 형태에서, 적어도 하나의 연속 섬유는 금속, 탄소, 세라믹, 유리, 및 그 조합을 포함한다. 현재 바람직한 특정 실시 형태에서, 적어도 하나의 연속 섬유는 티타늄, 텅스텐, 붕소, 형상 기억 합금, 탄소 나노튜브, 흑연, 탄화규소, 붕소, 폴리(아라미드), 폴리(p-페닐렌-2,6-벤조비스옥사졸)3, 및 그 조합을 포함한다. 현재 바람직한 부가의 실시 형태에서, 중합체 매트릭스는 에폭시, 에스테르, 비닐 에스테르, 폴리이미드, 폴리에스테르, 시안산염 에스테르, 페놀 수지, 비스-말레이미드 수지, 및 그 조합 중에서 선택된 (공)중합체를 포함한다.
현재 개시된 실시 형태들 중 임의의 것에서, 복합 케이블 내의 복합 와이어 중 하나 이상이 유리하게도 금속 클래드 복합 와이어로 선택될 수 있다. 특정의 예시적인 실시 형태에서, 모든 복합 와이어가 복합 케이블 내의 모든 복합 와이어를 둘러싸고 있는 금속 클래딩(metal cladding)(즉, 구리 또는 구리 합금과 같은 연성 금속 또는 연성 금속 합금의 층)으로 둘러싸여 있다. 일부 예시적인 실시 형태에서, 각각의 개별적인 복합 와이어는, 금속 클래딩이 복합 와이어의 외측 표면 전체와 실질적으로 접촉하도록, 금속 클래딩에 의해 개별적으로 둘러싸여 있다. 적당한 금속 클래드 복합 와이어는, 예를 들어, 미국 특허 제7,131,308호에 개시되어 있다.
본 개시 내용의 특정 실시 형태에 따른 복합 케이블(예를 들어, 송전 케이블)을 제공하기 위해 복합 코어 주위에 연선 가공하기 위한 연성 금속 와이어가 본 기술 분야에 공지되어 있다. 바람직한 연성 금속은 철, 강철, 지르코늄, 구리, 주석, 카드뮴, 알루미늄, 망간 및 아연; 이들 금속과 다른 금속 및/또는 규소와의 합금 등을 포함한다. 구리 와이어는, 예를 들어, 미국 조지아주 캐롤턴 소재의 Southwire Company로부터 구매가능하다. 알루미늄 와이어는 캐나다 웨이번 소재의 Nexans 또는 미국 조지아주 캐롤턴 소재의 Southwire Company로부터 상표명 "1350-H19 ALUMINUM" 및 "1350-H0 ALUMINUM"으로 구매가능하다.
전형적으로, 구리 와이어는 적어도 약 20℃ 내지 약 800℃의 온도 범위에 걸쳐 약 12 ppm/℃ 내지 약 18 ppm/℃ 범위의 열 팽창 계수를 가진다. 구리 합금(예를 들어, 미국 조지아주 캐롤턴 소재의 Southwire Company로부터 구매가능한 Cu-Si-X, Cu-Al-X, Cu-Sn-X, Cu-Cd 등의 구리 청동, 여기서 X = Fe, Mn, Zn, Sn 및/또는 Si; 미국 노스캐롤라이나주 리서치 트라이앵글 파크 소재의 OMG Americas Corporation으로부터 상표명 "GLIDCOP"로 입수가능한 산화물 분산 강화 구리) 와이어. 일부 실시 형태에서, 구리 합금 와이어는 적어도 약 20℃ 내지 약 800℃의 온도 범위에 걸쳐 약 10 ppm/℃ 내지 약 25 ppm/℃ 범위의 열 팽창 계수를 가진다. 와이어는 각종의 형상(예를 들어, 원형, 타원형 및 사다리꼴) 중 어느 것이라도 될 수 있다.
전형적으로, 알루미늄 와이어는 적어도 약 20℃ 내지 약 500℃의 온도 범위에 걸쳐 약 20 ppm/℃ 내지 약 25 ppm/℃ 범위의 열 팽창 계수를 가진다. 일부 실시 형태에서, 알루미늄 와이어(예를 들어, "1350-H19 ALUMINUM")는 적어도 138 ㎫(20 ksi), 적어도 158 ㎫(23 ksi), 적어도 172 ㎫(25 ksi), 적어도 186 ㎫(27 ksi) 또는 적어도 200 ㎫(29 ksi)의 인장 파손 강도를 가진다. 일부 실시 형태에서, 알루미늄 와이어(예를 들어, "1350-H0 ALUMINUM")는 41 ㎫(6 ksi) 초과 내지 97 ㎫(14 ksi) 이하, 또는 심지어 83 ㎫(12 ksi) 이하의 인장 파손 강도를 가진다.
알루미늄 합금 와이어는 구매 가능한, 예를 들어, 상표명 "ZTAL, " "XTAL, " 및 "KTAL"(일본 오사카 소재의 Sumitomo Electric Industries로부터 입수가능함), 또는 "6201"(미국 조지아주 캐롤턴 소재의 Southwire Company로부터 입수가능함)로 판매되는 알루미늄-지르코늄 합금 와이어이다. 일부 실시 형태에서, 알루미늄 합금 와이어는 적어도 약 20℃ 내지 약 500℃의 온도 범위에 걸쳐 약 20 ppm/℃ 내지 약 25 ppm/℃ 범위의 열 팽창 계수를 가진다.
수중 복합 케이블 내의 복합 와이어의 중량%는 수중 케이블의 설계 및 그의 의도된 사용의 조건에 의존할 것이다.
연선 복합 케이블이 수중 복합 케이블에서 구성요소로서 사용되는 대부분의 응용에서, 연선 케이블이 복수의 복합 케이블 주위에 전력 도체 층을 갖지 않는 것이 바람직하다. 현재 바람직한 특정 실시 형태에서, 수중 복합 케이블이 적어도 0.5%의 파손 변형 한계(strain to break limit)를 나타낸다.
본 개시 내용은 바람직하게는 아주 긴 수중 복합 케이블을 제공하도록 수행된다. 또한, 연선 복합 케이블(10) 내의 복합 와이어 자체가 연선 케이블의 길이 전체에 걸쳐 연속적인 것이 바람직하다. 바람직한 일 실시 형태에서, 복합 와이어는 실질적으로 연속적이고 길이가 적어도 150 미터이다. 더욱 바람직하게는, 연선 복합 케이블(10)에서 복합 와이어는 연속적이고, 길이가 적어도 250 미터, 더욱 바람직하게는 적어도 500 미터, 더욱 더 바람직하게는 적어도 750 미터, 가장 바람직하게는 적어도 1000 미터이다.
다른 태양에서, 본 개시 내용은 수중 복합 케이블을 제조하는 방법을 제공하며, 이 방법은, (a) 비복합 전기 전도성 코어 케이블을 제공하는 단계, (b) 코어 케이블 주위에 복수의 복합 케이블을 배열하는 단계 - 복합 케이블은 복수의 복합 와이어를 포함함 -, 및 (c) 복수의 복합 케이블을 피복체, 바람직하게는 절연성 피복체로 둘러싸는 단계를 포함한다.
또 다른 태양에서, 본 개시 내용은 전술한 수중 복합 케이블을 제조하는 방법을 제공하며, 이 방법은, (a) 전기 전도성 코어 케이블을 제공하는 단계, (b) 반경 방향의 단면에서 볼 때, 코어 케이블의 중심 세로축을 중심으로 정의된 적어도 하나의 원통형 층에서 코어 케이블 주위에 복수의 요소를 배열하는 단계 - 각각의 요소는 액체 수송 요소, 송전 요소, 전기 신호 전송 요소, 광 전송 요소, 중량 요소, 부력 요소, 충전재 요소 또는 외장 요소로 이루어지는 그룹 중에서 선택됨 -, (c) 복수의 요소를 코어 케이블의 중심 세로축을 중심으로 적어도 하나의 원통형 층에 배열된 복수의 복합 와이어로 둘러싸는 단계, 및 (d) 복수의 복합 와이어를 절연성 피복체로 둘러싸는 단계를 포함한다.
부가의 태양에서, 본 개시 내용은 상기한 연선 복합 케이블을 제조하는 방법을 제공하며, 이 방법은 중심 세로축을 정의하는 단일 와이어 주위에 제1 복수의 복합 와이어를 연선 가공하는 단계 - 제1 복수의 복합 와이어를 연선 가공하는 단계는 제1 꼬임 방향으로 중심 세로축에 대해 정의된 제1 꼬임 각도로 수행되고, 제1 복수의 복합 와이어는 제1 꼬임 길이를 가짐 -, 및 제1 복수의 복합 와이어 주위에 제2 복수의 복합 와이어를 연선 가공하는 단계 - 제2 복수의 복합 와이어를 연선 가공하는 단계는 제1 꼬임 방향으로 중심 세로축에 대해 정의된 제2 꼬임 각도로 수행되고, 제2 복수의 복합 와이어는 제2 꼬임 길이를 가짐 - 를 포함하고, 추가로 제1 꼬임 각도와 제2 꼬임 각도 사이의 상대 차는 4o 이하이다. 현재 바람직한 일 실시 형태에서, 이 방법은 복합 와이어 둘레에 복수의 연성 와이어를 연선 가공하는 단계를 추가로 포함한다.
복합 와이어는 이탈리아 베르가모 소재의 Cortinovis, Spa 및 미국 뉴저지주 패터슨 소재의 Watson Machinery International로부터 입수가능한 플래너테리 케이블 스트랜더(planetary cable strander) 등의 임의의 적당한 케이블 연선 가공 장비에서 본 기술 분야에 공지된 바와 같이 연선 가공되거나 나선형으로 감겨질 수 있다. 일부 실시 형태에서, 본 기술 분야에 공지된 바와 같이, 강성 스트랜더(rigid strander)를 이용하는 것이 유익할 수 있다.
임의의 적합한 크기의 복합 와이어가 사용될 수 있는 반면, 많은 실시 형태 및 많은 응용에서 복합 와이어가 1 ㎜ 내지 4 ㎜의 직경을 가지는 것이 바람직하지만, 보다 큰 또는 보다 작은 복합 와이어가 사용될 수 있다.
바람직한 일 실시 형태에서, 연선 복합 케이블은 10 내지 150의 꼬임 계수(lay factor)를 갖도록 꼬임 방향으로 나선형으로 연선 가공되는 복수의 연선 복합 와이어를 포함한다. 연선 케이블의 "꼬임 계수"는 단일 와이어가 한바퀴 나선형 회전을 완성하는 연선 케이블의 길이를 그 연선을 포함하는 층의 공칭 외경으로 나눔으로써 구해진다.
케이블 연선 가공 공정 동안에, 하나 이상의 부가의 층이 그 주위에 감겨지게 될 중심 와이어 또는 중간의 미완성된 연선 복합 케이블이 다양한 캐리지(carriage)의 중심을 통해 풀링되고, 각각의 캐리지는 연선 케이블에 하나의 층을 부가한다. 하나의 층으로서 부가될 개별 와이어는 모터 구동 캐리지에 의해 케이블의 중심축을 중심으로 회전되면서 그 각자의 보빈으로부터 동시에 풀링된다. 이것은 각각의 원하는 층에 대해 순차적으로 행해진다. 그 결과 나선형 연선 코어가 얻어진다. 선택적으로, 연선 와이어를 함께 모아 놓는 데 도움을 주기 위해, 예를 들어, 전술한 바와 같은 테이프 등의 유지 수단이 얻어진 연선 복합 코어에 부착될 수 있다.
일반적으로, 본 개시 내용에 따른 연선 복합 케이블은, 상기한 바와 같이, 동일한 꼬임 방향으로 단일 와이어 주위에 복합 와이어를 연선 가공함으로써 제조될 수 있다. 단일 와이어는 복합 와이어 또는 연성 와이어를 포함할 수 있다. 단일 와이어 코어 주위에 복합 와이어를 연선 가공함으로써 적어도 2개의 복합 와이어 층이 형성되며, 예를 들어, 19개 또는 37개 와이어가 단일 중심 와이어 주위에 적어도 2개의 층으로 형성된다.
예시적인 일부 실시 형태에서, 연선 복합 케이블은 길이가 적어도 100 미터, 적어도 200 미터, 적어도 300 미터, 적어도 400 미터, 적어도 500 미터, 적어도 1000 미터, 적어도 2000 미터, 적어도 3000 미터, 또는 심지어 적어도 4500 미터 이상인 연선 복합 와이어를 포함한다.
연선 케이블을 취급할 수 있는 것은 바람직한 특징이다. 이론에 의해 구속받고 싶지 않지만, 제조 동안에, 금속 와이어가 와이어 재료의 항복 응력을 초과하지만 극한 응력 또는 파괴 응력 미만인 굽힘 응력을 비롯한 응력을 받기 때문에, 케이블이 그의 나선형 연선 구성을 유지한다. 와이어가 비교적 작은 반경의 이전의 층 또는 중심 와이어 주위에 나선형으로 감겨져 있기 때문에 이 응력이 가해진다. 제조 동안에 케이블에 반경 방향의 전단력을 가하는 클로징 다이에 의해 부가의 응력이 가해진다. 와이어는 따라서 소성 변형되고 그의 나선형 연선 형상을 유지한다.
일부 실시 형태에서, 케이블을 교정하는 공지된 기술이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 완성된 케이블은 2개의 뱅크(각각의 뱅크에, 예를 들어, 5 내지 9개의 롤러가 있음)에 선형으로 배열된 롤러[각각의 롤러가, 예를 들어, 10-15 ㎝(4-6 인치)임]로 이루어진 교정기 장치(straightener device)를 통과할 수 있다. 롤러가 단지 케이블에만 작용하거나 케이블의 심각한 굴곡을 야기하도록 2개의 롤러 뱅크 간의 거리가 변화될 수 있다. 2개의 롤러 뱅크가 케이블의 대향하는 양측에 배치되고, 한 뱅크에 있는 롤러가 다른 뱅크에 있는 대향하는 롤러에 의해 생성되는 공간에 꼭 들어맞게 되어 있다. 따라서, 2개의 뱅크가 서로로부터 오프셋되어 있을 수 있다. 케이블이 교정 장치를 통과할 때, 케이블은 롤러들을 따라 앞뒤로 굴곡되어, 도체 내의 가닥들(strands)이 동일한 길이로 신장되며, 그로써 늘어진 가닥(slack strand)이 감소되거나 제거된다.
일부 실시 형태에서, 주위 온도(예를 들어, 22℃)보다 높은 승온(예를 들어, 적어도 25℃, 50℃, 75℃, 100℃, 125℃, 150℃, 200℃, 250℃, 300℃, 400℃, 또는 심지어, 일부 실시 형태에서, 적어도 500℃)에서 단일 중심 와이어를 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 감겨 있는 와이어를 (예를 들어, 오븐에서 몇 시간 동안) 가열함으로써 단일 중심 와이어를 원하는 온도로 할 수 있다. 가열된 감겨 있는 와이어(heated spooled wire)가 연선 가공 기계의 페이오프 스풀(pay-off spool)에 배치된다. 바람직하게는, 와이어가 원하는 온도에 또는 그 근방에 여전히 있는 동안(전형적으로 약 2 시간 이내) 승온의 스풀이 연선 가공 공정에 있다.
게다가, 케이블의 외부층을 형성하는 페이오프 스풀에 있는 복합 와이어가 주위 온도에 있는 것이 바람직할 수 있다. 즉, 일부 실시 형태에서, 단일 와이어와 연선 가공 공정 동안에 복합 외부층을 형성하는 복합 와이어 간에 온도차를 갖는 것이 바람직할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 적어도 100 ㎏, 200 ㎏, 500 ㎏, 1000 ㎏, 또는 심지어 적어도 5000 ㎏의 단일 와이어 장력으로 연선 가공을 수행하는 것이 바람직할 수 있다.
이하의 상세한 실시예와 관련하여 본 개시 내용의 동작에 대해 더 설명할 것이다. 이들 실시예는 다양한 특정 및 바람직한 실시 양태 및 기술을 추가로 예시하고자 제공된다. 그렇지만, 본 개시 내용의 범위 내에 있으면서 많은 변형 및 수정이 행해질 수 있다는 것을 잘 알 것이다.
실시예
이하의 물질이 이하의 비교 실시예 및 실시예에서 사용되었다:
NEXTEL 610, 알파 알루미나 세라믹 섬유(미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 3M Company),
AMC30, 30 중량% NEXTEL 610 섬유 및 70 중량% 알루미늄을 포함하는 알루미늄 매트릭스 복합 와이어(미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 3M Company),
AMC50, 50 중량% NEXTEL 610 섬유 및 70 중량% 알루미늄을 포함하는 알루미늄 매트릭스 복합 와이어(미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 3M Company),
KEVLAR 49, 폴리(아라미드) 섬유(미국 델라웨어주 윌밍턴 소재의 E.I. DuPont de Nemours, Inc.).
도 7은 와이어의 비강도, 비탄성계수 및 비(전기)전도율과 관련하여 구리 또는 강철 도체 와이어에 대한 예시적인 복합 도체 와이어의 우수한 특성을 나타낸 것이다. 각각의 특성은 단위 중량별로 표현되어 있다. 도 7에 보고된 값은 복합 도체 와이어에 대한 특정의 특성값을 구리 또는 강철에 대한 특정의 특성값으로 각각 나눈 것을 나타낸 것이다. 복합 도체 와이어는 구리의 약 10배의 비강도(강철의 2배의 비강도), 구리의 약 4배의 비탄성계수(강철의 약 2배의 탄성계수), 및 강철의 약 9배의 비(전기)전도율[구리와 대략 동일한 비(전기)전도율]을 나타낸다. 도 7의 특정의 특성 데이터는 수중 복합 케이블의 상대적인 특정의 특성값을 계산하는 데 사용되었으며, 여기서 구리 도체 와이어 및/또는 강철 외장 와이어가 복합 도체 와이어로 대체되었다.
표 I는 본 개시 내용에 따른 예시적인 복합 케이블 및 비복합 케이블의 비교 실시예에 대한 케이블 특성을 요약하고 있다.
[표 I]
Figure pct00001
비교 실시예 1은 하나의 KEVLAR 49 섬유층 외장 요소 및 구리 도체만을 갖는 케이블에 대응한다. 실시예 1은 구리 도체가 포함되어 있지만 복수의 NEXTEL 610 세라믹 섬유가 구리 도체를 둘러싸고 있는 외장 요소로서 사용되는 본 개시 내용에 따른 외장 수중 복합 케이블의 예시적인 실시 형태에 대응한다. 실시예 2 및 3은, 각각, 구리 도체가 AMC30 및 AMC50 복합 와이어 케이블로 대체되어 있는 본 개시 내용에 따른 비외장 수중 복합 케이블의 예시적인 실시 형태에 대응한다. AMC30은 30%의 (단면) 면적 분율(area fraction)로 세라믹 섬유를 포함하는 알루미늄 매트릭스 복합 케이블이고, AMC50은 50%의 (단면) 면적 분율로 세라믹 섬유를 포함하는 알루미늄 매트릭스 복합 케이블이다.
표 II는 본 개시 내용에 따른 부가의 예시적인 복합 케이블 및 부가의 비복합 비교 실시예에 대한 케이블 특성을 요약하고 있다.
[표 II]
Figure pct00002
비교 실시예 2는 표 II에 기술된 바와 같이 3개의 강철 와이어 외장 요소층과 구리 도체만을 갖는 케이블에 대응한다. 실시예 4 및 5는 구리 도체가 AMC50 복합 와이어 케이블에 의해 대체되고 2개의 AMC50 복합 와이어 층 중 어느 하나가 강철 와이어 외장의 외부층과 관련하여 외장 요소로서 사용되거나(실시예 4), 하나의 AMC50 복합 와이어 층이 강철 와이어 외장의 외부층과 관련하여 외장 요소로서 사용되는(실시예 5) 본 개시 내용에 따른 외장 수중 복합 케이블의 예시적인 실시 형태에 대응한다. 실시예 6은 구리 도체가 AMC50 복합 와이어로 대체되어 있는 본 개시 내용에 따른 비외장 수중 복합 케이블의 예시적인 실시 형태에 대응한다.
표 I 및 II에 예시된 바와 같이, 본 개시 내용에 따른 수중 복합 케이블의 예시적인 실시 형태는 각종의 응용에서 그의 사용을 가능하게 해주고 이점을 제공하는 다양한 특징 및 특성을 가진다. 그에 부가하여, 본 개시 내용의 일부 예시적인 실시 형태에 따른 수중 복합 케이블은, 낮은 밀도, 높은 탄성계수, 높은 강도, 피로 내성 및 전도율을 비롯한 향상된 물질 특성으로 인해 향상된 성능을 발휘할 수 있다.
따라서, 실시예 및 비교 실시예는 예시적인 수중 복합 케이블이 크게 향상된 최대 작업 깊이, 최대 작업 하중, 및 파손 강도를 나타낼 수 있고, 기존의 비복합 케이블에 비해 더 크거나 적어도 비슷한 전력 전송 능력을 가진다. 게다가, 본 개시 내용에 따른 수중 복합 케이블의 예시적인 실시 형태는 비복합 수중 케이블에 비해 해수 중에서 중량이 더 가벼울 수 있고, 따라서 보다 쉽게 해저에 포설되고 그로부터 회수될 수 있다.
수중 복합 케이블의 피로 내성도 역시 비복합 케이블에 비해 향상될 수 있다. 공급선 케이블은 5년 이상의 수명에 걸쳐 빈번히 끌어올려지며, 케이블이 끌어올려질 때마다 일련의 도르래를 통과한다. 이것은 도르래에서 아주 높은 인장 및 굽힘 하중을 야기하며, 전체 케이블 중량을 지지하기 때문에 도르래에서 장력이 최대이다. 파도로 인한 플랫폼의 수직 및 수평 보빙으로부터 부가의 동적 굽힘 하중이 일어난다. 복합 케이블은 따라서 비복합 케이블에 비해 향상된 피로 내성을 제공할 수 있다.
다른 예시적인 실시 형태에서, 본 개시 내용에 따른 수중 복합 케이블은, 다른 복합 케이블과 비교할 때, 제조 또는 사용 동안에 낮은 케이블 인장 변형 값에서 조기 파손 또는 파괴를 겪는 경향의 감소를 나타낼 수 있다. 어떤 특정의 예시적인 실시 형태에서, 본 개시 내용의 실시 형태에 따라 제조된 연선 복합 케이블을 포함하는 수중 복합 케이블은 종래 기술의 복합 케이블에 비해 10% 이상의 인장 강도의 증가를 나타낼 수 있다. 일부 실시 형태에서, 수중 복합 케이블은, 예를 들어, 낮은 밀도, 높은 탄성계수, 높은 강도, 보다 큰 피로 내성 및 보다 큰 단위 길이당 전기 전도성을 비롯한 향상된 물질 특성으로 인해 향상된 성능을 제공한다.
부가의 예시적인 실시 형태에서, 본 개시 내용에 따라 제조된 연선 복합 케이블을 수중 복합 케이블에 포함시키는 것은, 종래의 연선 가공된 연성 금속 와이어 케이블(stranded ductile metal wire cable)과 비교할 때, 향상된 내부식성, 환경 내구성(예를 들어, UV 내성 및/또는 내습성), 고온에서의 강도 손실에 대한 내성, 내크립성(creep resistance)은 물론, 비교적 높은 탄성 계수, 낮은 밀도, 낮은 열 팽창 계수, 높은 전기 전도성, 높은 처짐 내성, 및 높은 강도를 제공할 수 있다.
본 개시 내용의 특정 실시 형태에 따라 제조된 연선 복합 케이블을 포함하는 수중 복합 송전 케이블은 또한 케이블의 연선 가공 공정이 특정의 중요한 응용에서의 사용에 대한, 예를 들어, 수중 송전 응용에서의 사용에 대한 최소 인장 강도 요건을 만족시키는 것으로부터 수율 향상으로 인해 낮은 제조 비용으로 제조될 수 있다.
본 명세서에 걸쳐 "일 실시 형태", "특정 실시 형태", "하나 이상의 실시 형태", 또는 "실시 형태"라고 하는 것은, "실시 형태"라는 용어 앞에 "예시적인"이라는 용어를 포함하든 그렇지 않든 간에, 그 실시 형태와 관련하여 기술된 특정의 특징, 구조, 재료 또는 특성이 본 개시 내용의 예시적인 특정 실시 형태들 중 적어도 하나의 실시 형태에 포함되어 있다는 것을 의미한다. 따라서, 본 명세서에 걸쳐 여러 곳에서 나오는 "하나 이상의 실시 형태에서", "특정 실시 형태에서", "일 실시 형태에서" 또는 "실시 형태에서"라는 문구가 반드시 본 개시 내용의 예시적인 특정 실시 형태들 중 동일한 실시 형태를 말하는 것은 아니다. 또한, 특정 특징, 구조, 재료, 또는 특성은 하나 이상의 구현예에서 임의의 적합한 방식으로 조합될 수 있다.
명세서가 예시적인 소정 실시 형태를 상세히 기술하고 있지만, 당업자라면 이상의 내용을 이해할 때 이들 실시 형태에 대한 여러 수정, 변형 및 그 등가물을 용이하게 안출할 수 있다는 것을 잘 알 것이다. 따라서, 본 명세서가 앞서 기술한 예시적인 실시 형태로 부당하게 제한되어서는 안된다는 것을 잘 알 것이다. 상세하게는, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 수치 범위를 종점으로 나타내는 것은 그 범위 내에 포함된 모든 숫자를 포함하기 위한 것이다(예를 들어, 1 내지 5는 1, 1.5, 2, 2.75, 3, 3.80, 4, 및 5를 포함함). 그에 부가하여, 본 명세서에 사용된 모든 숫자는 "약"이라는 용어로 수식되는 것으로 가정된다.
게다가, 본 명세서에 인용된 모든 간행물 및 특허는, 각각의 개별 간행물 또는 특허가 인용에 의해 포함되는 것으로 구체적이고 개별적으로 명시된 것처럼, 인용에 의해 그 전체 내용이 본 명세서에 포함된다. 다양한 예시적인 실시 형태들에 대해 기술하였다. 이들 및 다른 실시 형태가 이하의 특허청구범위의 범주 내에 속한다.

Claims (41)

  1. 비복합 전기 전도성 코어 케이블,
    코어 케이블 주위에 있는 복수의 복합 케이블 - 복합 케이블은 복수의 복합 와이어를 포함하고, 선택적으로 복합 와이어들 중 적어도 하나가 금속 클래드 복합 와이어임 -, 및
    복수의 복합 케이블을 둘러싸고 있는 절연성 피복체(insulative sheath)를 포함하는 수중 복합 케이블.
  2. 제1항에 있어서, 제2 복수의 복합 와이어를 추가로 포함하고, 제2 복수의 복합 와이어의 적어도 일부분이, 반경 방향의 단면에서 볼 때, 코어 케이블의 중심 세로축을 중심으로 정의된 적어도 하나의 원통형 층에서 복수의 복합 케이블 주위에 배열되어 있는 수중 복합 케이블.
  3. 제1항에 있어서, 액체 수송 요소, 송전 요소, 전기 신호 전송 요소, 광 전송 요소, 중량 요소, 부력 요소, 충전재 요소 또는 외장 요소로 이루어지는 그룹 중에서 선택되는 적어도 하나의 요소를 추가로 포함하는 수중 복합 케이블.
  4. 제3항에 있어서, 광 전송 요소가 적어도 하나의 광 섬유를 포함하는 것인 수중 복합 케이블.
  5. 제3항에 있어서, 외장 요소가 코어 케이블을 둘러싸고 있는 복수의 섬유를 포함하고, 섬유가 폴리(아라미드) 섬유, 세라믹 섬유, 붕소 섬유, 탄소 섬유, 금속 섬유, 유리 섬유, 및 그 조합으로 이루어지는 그룹 중에서 선택되는 것인 수중 복합 케이블.
  6. 제3항에 있어서, 외장 요소가 코어 케이블을 둘러싸고 있는 복수의 와이어를 포함하고, 와이어가 금속 와이어, 금속 매트릭스 복합 와이어, 금속 클래드 복합 와이어, 및 그 조합으로 이루어지는 그룹 중에서 선택되는 것인 수중 복합 케이블.
  7. 제1항에 있어서, 코어 케이블이 적어도 하나의 금속 와이어, 하나의 금속 하중 지지 요소, 또는 그 조합을 포함하는 것인 수중 복합 케이블.
  8. 제7항에 있어서, 코어 케이블이 복수의 금속 와이어를 포함하는 것인 수중 복합 케이블.
  9. 제8항에 있어서, 복수의 금속 와이어가 연선 가공(stranded)되어 있고, 선택적으로 복수의 금속 와이어가 나선형으로 연선 가공(helically stranded)되어 있는 것인 수중 복합 케이블.
  10. 제8항에 있어서, 복수의 금속 와이어 각각이, 반경 방향의 단면에서 볼 때, 원형, 타원형, 사다리꼴, S자형, 및 Z자형으로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 단면 형상을 가지는 것인 수중 복합 케이블.
  11. 제8항에 있어서, 복수의 금속 와이어가 철, 강철, 지르코늄, 구리, 주석, 카드뮴, 알루미늄, 망간, 아연, 코발트, 니켈, 크롬, 티타늄, 텅스텐, 바나듐, 이들의 서로와의 합금, 이들의 다른 금속과의 합금, 이들의 규소와의 합금, 및 그 조합으로 이루어지는 그룹 중에서 선택되는 적어도 하나의 금속을 포함하는 것인 수중 복합 케이블.
  12. 제1항에 있어서, 코어 케이블 주위에 있는 복수의 복합 케이블이, 반경 방향의 단면에서 볼 때, 코어 케이블의 중심 세로축을 중심으로 정의된 적어도 2개의 원통형 층에 배열되어 있는 것인 수중 복합 케이블.
  13. 제12항에 있어서, 적어도 2개의 원통형 층 중 적어도 하나가 복합 케이블만을 포함하는 것인 수중 복합 케이블.
  14. 제12항에 있어서, 적어도 2개의 원통형 층 중 적어도 하나가 액체 수송 요소, 전력 전송 요소, 광 전송 요소, 중량 요소, 충전재 요소, 또는 외장 요소로 이루어지는 그룹 중에서 선택되는 적어도 하나의 요소를 추가로 포함하는 것인 수중 복합 케이블.
  15. 제1항에 있어서, 복합 케이블들 중 적어도 하나가, 반경 방향의 단면에서 볼 때, 적어도 하나의 복합 케이블의 중심 세로축을 중심으로 연선 가공되어 있는 복합 와이어의 복수의 원통형 층을 포함하는 연선 복합 케이블인 수중 복합 케이블.
  16. 제15항에 있어서, 적어도 하나의 연선 복합 케이블이 나선형으로 연선 가공되어 있는 것인 수중 복합 케이블.
  17. 제16항에 있어서, 각각의 원통형 층이 각각의 인접한 원통형 층에 대한 꼬임 방향과 동일한 꼬임 방향에서 꼬임 각도로 연선 가공되어 있는 것인 수중 복합 케이블.
  18. 제17항에 있어서, 각각의 인접한 원통형 층에 대한 꼬임 각도 사이의 상대 차가 0o 초과 3o 이하인 수중 복합 케이블.
  19. 제1항에 있어서, 복합 와이어가 원형, 타원형 및 사다리꼴로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 단면 형상을 가지는 것인 수중 복합 케이블.
  20. 제1항에 있어서, 각각의 복합 와이어가 섬유 강화 복합 와이어인 수중 복합 케이블.
  21. 제20항에 있어서, 섬유 강화 복합 와이어 중 적어도 하나가 섬유 토우(fiber tow) 또는 모노필라멘트 섬유(monofilament fiber) 중 하나로 강화되는 것인 수중 복합 케이블.
  22. 제21항에 있어서, 각각의 복합 와이어가 금속 매트릭스 복합 와이어 및 중합체 복합 와이어로 이루어지는 그룹 중에서 선택되는 것인 수중 복합 케이블.
  23. 제22항에 있어서, 중합체 복합 와이어가 중합체 매트릭스에 적어도 하나의 연속 섬유를 포함하는 것인 수중 복합 케이블.
  24. 제23항에 있어서, 적어도 하나의 연속 섬유가 금속, 탄소, 세라믹, 유리, 또는 그 조합을 포함하는 것인 수중 복합 케이블.
  25. 제23항에 있어서, 적어도 하나의 연속 섬유가 티타늄, 텅스텐, 붕소, 형상 기억 합금, 탄소, 탄소 나노튜브, 흑연, 탄화규소, 폴리(아라미드), 폴리(p-페닐렌-2,6-벤조비스옥사졸), 또는 그 조합을 포함하는 것인 수중 복합 케이블.
  26. 제23항에 있어서, 중합체 매트릭스가 에폭시, 에스테르, 비닐 에스테르, 폴리이미드, 폴리에스테르, 시안산염 에스테르, 페놀 수지, 비스-말레이미드 수지, 폴리에테르에테르케톤, 및 그 조합으로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 (공)중합체를 포함하는 것인 수중 복합 케이블.
  27. 제22항에 있어서, 금속 매트릭스 복합 와이어가 금속 매트릭스에 적어도 하나의 연속 섬유를 포함하는 것인 수중 복합 케이블.
  28. 제27항에 있어서, 적어도 하나의 연속 섬유가 세라믹, 유리, 탄소 나노튜브, 탄소, 탄화규소, 붕소, 철, 강철, 철 합금, 텅스텐, 티타늄, 형상 기억 합금, 및 그 조합으로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 물질을 포함하는 것인 수중 복합 케이블.
  29. 제27항에 있어서, 금속 매트릭스가 알루미늄, 아연, 주석, 마그네슘, 그 합금, 또는 그 조합을 포함하는 것인 수중 복합 케이블.
  30. 제29항에 있어서, 금속 매트릭스가 알루미늄을 포함하고, 적어도 하나의 연속 섬유가 세라믹 섬유를 포함하는 것인 수중 복합 케이블.
  31. 제30항에 있어서, 세라믹 섬유가 다결정 α-Al2O3를 포함하는 것인 수중 복합 케이블.
  32. 제1항에 있어서, 절연성 피복체가 수중 복합 케이블의 외측 표면을 형성하는 것인 수중 복합 케이블.
  33. 제1항에 있어서, 절연성 피복체가 세라믹, 유리, (공)중합체, 및 그 조합으로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 물질을 포함하는 것인 수중 복합 케이블.
  34. 제1항에 있어서, 수중 케이블이 적어도 0.5%의 파손 변형 한계(strain to break limit)를 나타내는 것인 수중 케이블.
  35. 제1항의 수중 복합 케이블을 제조하는 방법으로서,
    비복합 전기 전도성 코어 케이블을 제공하는 단계,
    코어 케이블 주위에 복수의 복합 케이블을 배열하는 단계 - 복합 케이블은 복수의 복합 와이어를 포함함 -, 및
    복수의 복합 케이블을 절연성 피복체로 둘러싸는 단계를 포함하는 방법.
  36. 전기 전도성 코어 케이블,
    반경 방향의 단면에서 볼 때, 코어 케이블의 중심 세로축을 중심으로 정의된 적어도 하나의 원통형 층에서 코어 케이블 주위에 배열되어 있는 복수의 요소 - 각각의 요소는 액체 수송 요소, 송전 요소, 전기 신호 전송 요소, 광 전송 요소, 중량 요소, 부력 요소, 충전재 요소 또는 외장 요소로 이루어지는 그룹 중에서 선택됨 -,
    코어 케이블의 중심 세로축을 중심으로 적어도 하나의 원통형 층에서 복수의 요소를 둘러싸고 있는 복수의 복합 와이어, 및
    복수의 복합 와이어를 둘러싸고 있는 절연성 피복체를 포함하는 수중 복합 케이블.
  37. 제36항에 있어서, 복수의 복합 와이어의 적어도 일부분이 적어도 하나의 복합 케이블을 형성하도록 연선 가공되는 것인 수중 복합 케이블.
  38. 제36항에 있어서, 외장 요소가 코어 케이블을 둘러싸고 있는 복수의 섬유를 포함하고, 섬유가 폴리(아라미드) 섬유, 세라믹 섬유, 탄소 섬유, 금속 섬유, 유리 섬유, 및 그 조합으로 이루어지는 그룹 중에서 선택되는 것인 수중 복합 케이블.
  39. 제36항에 있어서, 외장 요소가 코어 케이블을 둘러싸고 있는 복수의 와이어를 포함하고, 와이어가 금속 와이어, 금속 매트릭스 복합 와이어, 및 그 조합으로 이루어지는 그룹 중에서 선택되는 것인 수중 복합 케이블.
  40. 제36항에 있어서, 제2 절연성 피복체를 추가로 포함하고, 제2 절연성 피복체가 복수의 요소와 복수의 복합 와이어 사이에 배치되어 있으며, 제2 절연성 피복체가 복수의 요소를 둘러싸고 있는 것인 수중 복합 케이블.
  41. 제36항의 수중 복합 케이블을 제조하는 방법으로서,
    전기 전도성 코어 케이블을 제공하는 단계,
    반경 방향의 단면에서 볼 때, 코어 케이블의 중심 세로축을 중심으로 정의된 적어도 하나의 원통형 층에서 코어 케이블 주위에 복수의 요소를 배열하는 단계 - 각각의 요소는 액체 수송 요소, 송전 요소, 전기 신호 전송 요소, 광 전송 요소, 중량 요소, 부력 요소, 충전재 요소 또는 외장 요소로 이루어지는 그룹 중에서 선택됨 -,
    복수의 요소를 코어 케이블의 중심 세로축을 중심으로 적어도 하나의 원통형 층에 배열된 복수의 복합 와이어로 둘러싸는 단계, 및
    복수의 복합 와이어를 절연성 피복체로 둘러싸는 단계를 포함하는 방법.
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