Brevet FR2005689A1 — publié le 19691212

i 2005689 La présente invention concerne tin conducteur composite complètement ou partiellement stabilisé, qui est réalisé à partir de métaux supra-conducteurs et normalement conducteurs» Des supraconducteurs à champ élevé qui conviennent par exem-5 pie pour des courants de mille à dix mille ampères» ne peuvent être fabriqués qu'en longueurs relativement courtes» du fait de leur poids élevé par unité de longueur, lorsqu'on fait appel à des procédés connus. Aussi faut-il assembler les conducteurs utilisés dans la fabrication de gros appareils supraconducteurs9 par exemple les 10 aimants d'une chambre à bulles de grande capacité, à partir &a nom.~ breux éléments élémentaires® L'ensemble supraconducteur comporte Par conséquent tin grand nombre de contacts obmiqu.es qui, pour des courants élevés, donnent constamment lieu à des pertes importantes "pendant la période de fonctionnement. En outre8 les forces qui agis-15 sent sur les points de jonction sont en général répartis inégalement, de sorte que les composantes des forces qui en résultent peuvent provoquer en ces points de jonction une destruction de l'ensemble supraconduct eur. On a déjà propose des conducteurs composites dans lesquels 20 des fils ronds supraconducteurs, qui sont munis d'un revêtement de cuivre, sont enroulés sur une âme d'acier, plusieurs de ces eondt~c-teurs étant noyés dans un enrobage en aluminium» Il est dans ce ces impossible d'empêcher l'existence de cavités entre les fils e&ps?s,= conducteurs et l'âme en seisro Pour cette i'a±s©»9 la surface Ses 25 fils ronds supraconducteurs n'est engagé© quse» partie, au jusqu'à la moitié environ dans l'alumiMuas @t le contact et électrique entre les fils supraconducteurs et- lraiBminiuEi sst par conséquent mauvaise, Il en résultera* par exemple pour les soudures de prolongement du supraconducteur des pertes ohmiques âa» 30 port ent es* En outres l'âme en acier n'est- pas reliée aux fils &«&-praoondiîcteurs, ce qui fait que l'ensemble manque ûe stabilité asies» niçp.6? par exemple en cas de variations de la température. En conséquence, un tel supraconducteur à champ élevéiw convient qu5 imparfait e^ent pour réaliser des appareils supraconducteurs de gràsides 35 dimensions. Il se pose par conséquent le problème de réaliser un conducteur composite qui présente des propriétés satisfaisantes du point de vue mécanique, électrique et Magnétique^. G& problème es» résolu selon Ieinvention en réunissant J>1&» 40 sle'E.Tfî fils suprsfoadiiGtem:s &© faible section par une matrJ.ee oa COPY 69 09932 2 2005689 i cuivre pour former un conducteur rigide multiple, les file supraconducteurs étant complètement noyés dans la matrice en cuivre à laquelle ils sont métallurgiquement liés et en enrobant plusieurs conducteurs rigides multiples d'une couche d'aluminium à laquelle 5 ils sont reliés de façon électriquement et thermiquement conductrice. De préférence, les conducteurs rigides multiples sont liés métallurgiquement à leur enrobage en aluminium. On peut prévoir entre chaque conducteur rigide multiple et l'enrobage en aluminium 10 une couche intermédiaire métallique, mince par rapport aux fils supraconducteurs, dont le point de fusion est inférieur à celui du cuivre ou de l'aluminium. Le conducteur composite selon l'invention présente par rapport aux conducteurs connus l'avantage d'un contact uniforme sur 15 toute la surface existante, entre les supraconducteurs et l'aluminium normalement conducteur. Bu fait qu'il n'existe aucune cavité, les propriétés mécaniques sont nettement définies et la surface ds contact entre le métal supraconducteur et le métal normalement conducteur correspond, contrairement aux réalisations connues, à la 20 surface totale du supraconducteur» Pour renforcer le conducteur composite, oa peut prévoir au moins un. élément rapporté en acier, orienté parallèlement aux conducteurs rigides multiples, cet élément ou armature étant entouré par 18 enrobage en aluminium» 25 Si les supraconducteurs ne sont pas disponibles dans les lon gueurs requises, on peut prévoir sur les conducteurs rigides multiples des soudures normalement conductrices qui sont complètement enveloppées par l'enrobage en aluminium et la distance entre deux soudures successives de conducteurs différents on bien du. même 50 conducteur est égal à tm multiple de la largeur âu posite. Cette technique d'assemblage progressive en qutooaaos appliquée à des conducteurs rigides multiples présente des e^raetéris~ tiques électriques et mécaniques optimales.» La cQSBmitatiœi du cou-= 33 rant entre ua supraconducteur et le métal normalement cca&ucteŒ?? et inversement9 s8effectue par. 1®intermédiaire ©action ©actrê- meaeat grande* et la résistance de contact est pça? conséquent tyfes faible, de sorte que les pertes sont négligeables0 In outre, du fait du décalage des soudures*. les pertes se produisent dans un vo-40 X"?$2© important et l'évaluation d® la chaleur est extrêmement bon&j® 'f COPY 59 09932 3 2005689 Du fait que l'assemblage par soudure des conducteurs rigides multiples est réalisé avant leur enrobage avec de l1aluminium, les points de soudure ne sont pas visibles de l'extérieur et la forme du conducteur y est conservée. Avec cette technique d'assemblage, 5 on peut par conséquent fabriquer, de façon continue, un conducteur composite selon l'invention ayant pour ainsi dire n'importe quelle section et n'importe quelle longueur, les problèmes de contacts aux points d'assemblage n'existant pratiquement pas. Pour mieux comprendre l'objet de l'invention, on va en décri-10 re à titre indicatif et non limitatif en se référant aux cinq figures du dessin annexé un mode de réalisation d'un conducteur composite suivant l'invention et son utilisation pour une bobine supra-conductrice. La fig. 1 .est une vue en perspective représentant en coupe 15 transversale une partie d'un conducteur composite selon l'invention, dans l'enrobage 1 en aluminium duquel sont noyés des conducteurs rigides multiples 2 ainsi que des fils d'acier 3 orientés parallèlement aux conducteurs 2. l'armature auxiliaire constituée Par les fils d'acier 3 est prévue lorsque la stabilité mécanique 20 du conducteur composite ne suffit plus pour résister aux sollicitations mécaniques, la section totale de la partie en acier est comprise entre deux et vingt pour cent de la section totale du conducteur composite. les conducteurs rigides multiples sont au moins approxima-25 tivement parallèles dans leur enrobage 1 en aluminium, la liaison entre les conducteurs 2 et l'enrobage 1 est, de préférence, du type métallurgique. Ainsi, au cas où la section de la partie en aluminium est dimensionnée en conséquence, l'enrobage en aluminium peut-il en outre contribuer dans une large mesure à la stabilisa-30 tion électrique du conducteur. la liaison entre les conducteurs rigides multiples 2 et l'aluminium de l'enrobage peut être obtenue avec un procédé de gainage par extrusiono A cet effet, la température d'extrusion sera réglée de manière à obtenir entre la matrice en cuivre d'un conducteur ri-35 gide multiple et l'aluminium extrudé une zone d'alliage 4. la température d'extrusion optimale est de l'ordre de 448°C et elle doit être maintenue pendant 10 à 30 secondes. Si le temps et la température ne suffisent pas, dans l'opération de gainage par extrusion, » pour former l'eutedfcjtfpLSÔ aluminium-cuivre sur une épaisseur de 40 couche d'environ 1 micron on peut effectuer, pendant 10 à 60 minuCOPY 69 09932 4 2005689 tes une opération ultérieure de recuit à une température de 300 à 400°C. On peut également obtenir l'assemblage d'un conducteur rigide multiple 2 et de l'aluminium 1 par soudure ultrasonique. Dans 5 ce cas, il faut absolument effectuer un recuit ultérieur entre 300 et 400°C, pendant 10 à 60 minutés, ce qui optimalise simultanément la résistance à basse température de l'aluminium. La fig. 2 est une coupe transversale à plus grande échelle d'une partie du conducteur composite de la fig. 1. Cette figure 10 donne des détails sur les conducteurs rigides multiples 2. Dans un conducteur rigide multiple 2, les supraconducteurs 5 sont de préférence répartis, au moins approximativement de façon symétrique dans la section droite du conducteur rigide multiple. La matière formant les supraconducteurs 5 peut être, par exemple, un alliage de nio-15 bium et de titane. Les supraconducteurs 5 sont liés métallurgique-ment à la matrice de cuivre 6. Le conducteur rigide multiple 2 peut avoir une sectiorjéroite circulaire, comme indiqué sur les figures, ou rectangulaire. La fig. 2 montre que la surface de contact 4 entre le supraconducteur stabilisé 2 et le métal normalement con-20 ducteur correspond intégralement à la surface du supraconducteur et qu'il n'existe aucune cavité. Les propriétés de conductibilité thermique et électrique de la surface de contact 4-sont par conséquent optimales et, comme indiqué plus haut, l'aluminium contribue à la stabilisation électrique du conducteur composite dans le cas 25 où la section droite des conducteurs rigides multiples 2 serait insuffisante. La fig. 3 représente également une coupe transversale à plus grande échelle d'une partie du conducteur composite selon l'invention de la fig. 1, l'assemblage entre le conducteur rigide multi-30 pie 2 et l'enrobage 1 en aluminium étant cependant modifié. Il est prévu dans ce cas une couche intercalaire 7 formée d'un métal dont le point de fusion est inférieur à ceux de l'aluminium et du cuivre. L'épaisseur de cette couche intercalaire métallique est inférieure à 1 micron. La couche intercalaire 7 est déposée sur les conduc-35 teurs rigides multiples 2 soit par électrolyse, soit par immersion. Il faut prévoir de telles couches intercalaires métalliques 7 lorsque, du fait de l'incompatibilité des alliages supraconducteurs utilisés, il n'est plus possible d'effectuer un traitement thermique à des températures de 300 à 400°C pendant une période 40 assez longue. Ceci peut par exemple être le cas pour des alliages Copy 69 09932 5 2005689 de niobium-titane. Pour former les couches intermédiaires 7, il est recommandé d'utiliser, par exemple, de l'indium ou du zinc. Avec ces matières, un traitement thermique du supraconducteur final, exécuté à une température d'environ 400°G pendant une période d'une 5 minute, permet d'obtenir une liaison électrique parfaitement cor» " recte et mécaniquement stable entre la matrice ©a cuivre d'un conducteur rigide multiple 2 et l'enrobage 1 en aluminium. Il est ég&=> lement à noter que ce traitement thermique sert simultanément à optimaliser à la résistance à basse température des métaux de sts~ 10 bilisation. Sur la fig. 4, on a représenté une coupe partielle fait© suivant la ligne IV-IV de la fig® 1. On a sis en. évidence la technique d'assemblage des conducteurs rigides multipleSj, qui est à utilisers en particulier, pour une section droite relativement grande du 15 conducteur rigide multiple et lorsque les longueurs de fabrication de ce conducteur 2 sont inférieures à la longueur nécessaire du ducteur composite. Les conducteurs rigides multiples sont assemblés bout à bout pour obtenir l'augmentation de longueur désirée et les soudures Sa, 8b sont décalées entre elles dans le conducteur eoxipG-20 site. De préférence, 1* éeartement de deux points de soudure successifs 8a et 8b appartenant respectivement aux conducteurs rigides multiples 2a et 2b est d8 environ 10 m. Les soudures qui peuvent être réalisées par soudage à froid ou psr soudage par résistaB.eos sont complètement enveloppées par l'enrobage 1 eu aluminium» DG3ieg 25 -les joints d'assemblage des conducteurs rigides multiples 2 ne sont pas visibles de l'estérieury c8 est-à-di^e cîiAaOE. remplit tse© condition importante8 à.savoir le maintien de la forme géométrique du conducteur. Pour améliorer la qualité électrique des liaiso&sg-les points de sou&uro des conducteurs rigides multiples sont for-» jq tonent cléaalés les uas par rapport aus sutresc âir@& cette t®.i3fea±-qtiCj o». peut réaliser des supraconducteurs à ehaap élevé parfaitement stabilisés et quasi»-continus o Sur la fig. 5, on a représenté en coupe une bobine électromagnétique dont les enroulements sont réalisés avec le conducteur vt? composite selon 1J invention. ïrois spires sont placées sur le eoï-ps 9 de la bobine. Entre les différentes spires du conducteur composite et entre le conducteur précité et le corps S de la bobinej, il est prévu des entretoises de refroidissement 10, formées par e^e^= pie d*une matière synthétique telle que l!;Hostaflon" ou une résiEô 40 époxyde contenant des fibres d® verre ou encore tas stratifié» es. CÔPY 69 09932 6 2005689 d'assurer un bon refroidissement de la bobine, les fils d'acier 5 qui constituent l'armature de la bobine électro-magnétique en augmentent la rigidité mécanique, lorsque cette armature est insuffisante pour résister aux forces de traction se produisant dans la 5 bobine, on petit Ta renforcer en "eiiroulajit une "B'andë "d' acier parallèlement au conducteur composite» cette bande n'étant pas représentée sur la figure. Enfin, il est encore à noter qu'on n'est pas limité, en ce qui concerne les conducteurs rigides multiples, à l'utilisation d'alliages de niobium-titane comme matière supraconductri-10 ce et qu'on peut par exemple employer également des couches supra-conductrices en alliage de niobium-étain (Nb^ Sn) pourvues d'un revêtement d'argent. COPY \ 69 09932 7 2005689 - RETEITDIOATIOÎTS - 1.- Conducteur composite complètement ou partiellement stabilisé, réalisé à partir de métaux supraconducteurs et normalement conducteurs, qui est caractérisé par le fait que plusieurs supra- 5 conducteurs de faible section sont réunis par une matrice en cuivre pour former un conducteur rigide multiple, les supraconducteurs étant complètement noyés dans la matrice en cuivre et liés métallurgique-ment à celle-ci, et par le fait que plusieurs conducteurs rigides multiples sont enveloppés par un enrobage en aluminium auquel ils 10 sont liés de façon électriquement et thermiquement conductrice. 2.- Conducteur composite suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les conducteurs rigides multiples sont liés métallurgiquement à leur enrobage en aluminium. 3.- Conducteur composite suivant l'une des revendications 1 15 et 2, caractérisé par le fait que les supraconducteurs sont répartis au moins à peu près symétriquement sur la section droite d'un conducteur rigide multiple. 4.- Conducteur composite suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le supraconducteur est formé d'un al-20 liage de niobium - titane (E~b Ti). 5.- Conducteur composite suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que les conducteurs rigides multiples sont au moins approximativement parallèles dans leur enrobage d'aluminium. 25 6.- Conducteur composite suivant l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait qu'il est prévu au moins un fil d'acier Parallèle aux conducteurs rigides multipis et enveloppé par l'enrobage en aluminium. 7.- Conducteur composite suivant la revendication 6, caracté-30 risé par le fait que la section totale des fils d'acier est comprise entre deux et vingt pour cent de la section totale du conducteur composite. 8.- Conducteur composite suivant l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait qu'il est prévu entre chaque conducteur 35 rigide multiple et l'enrobage en aluminium une couche intercalaire métallique dont le point de fusion est inférieur à celui du cuivre ou de l'aluminium. 9.- Conducteur compositè suivant la revendication 8, caractérisé par le fait que la couche intercalaire est formée d'indium. 40 10.- Conducteur composite suivant la revendication 9, caracté- COFV 69 09932 8 2005689 risé par le fait que la couche intercalaire est formée de zinc. 11.- Conducteur composite suivant l'une des revendications 1 à 10, caractérisé par le fait qu'il est prévu dans les conducteurs rigides multiples des soudures normalement conductrices, que ces soudures sont complètement enveloppées par l'enrobage en aluminium et que l'écartement de deux soudures successives appartenant à des conducteurs différents ou à un même conducteur rigide multiple est égal à un multiple de la largeur du conducteur composite. 12.- Conducteur composite suivant la revendication 11, caractérisé par le fait que l'écartement de deux soudures successives est d'environ 10 m. 13.- Conducteur composite suivant l'une des revendications 1 à 12, caractérisé par le fait qu'il est utilisé pour réaliser l'enroulement d'une bobine électro-magnétique. 14.- Conducteur composite suivant l'une des revendications 1 à 12, caractérisé par le fait qu'il est utilisé pour réaliser l'enroulement d'une bobine magnétique et qu'une bande dVacier est enroulée parallèlement au conducteur composite. 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