Brevet FR2007979A1 — publié le 19700116

î 2007975 l'invention se rapporte à une bobine supraconduc-trice pour électro-aimant, dans laquelle un supraconducteur est bobiné sous la forme de plusieurs couches de spires, couches entre lesquelles se trouvent des canaux qui sont formés au mo-5 yen d'entretoises et qui permettent le passage du fluide réfrigérant. On sait que, dans les bobines pour électro-aimants puissants, dont les bobinages sont formés de câbles toronnés ou de bandes en matière supraconductrice, en particulier dans les 10 bobines d'électro-aimants formées de conducteurs stabilisés du point de vue électrique et composés de matière supraconductrice et de métaux à conductibilité électrique normale, on peut prévoir des entretoises entre les couches de bobinage* La plus grande partie possible de la surface des conducteurs est ainsi 15 en contact direct avec le fluide réfrigérant qui passe dans les canaux de refroidissement formés au moyen des entretoises. On arrive ainsi à des conditions optima de fonctionnement de la bobine de l'é^ec^ro,-armant et on évite dans une grande mesure la "dégradation"/*Le fluide réfrigérant habituellement utilisé est 20 l'hélium et de préférence les supraconducteurs ne sont pas isolés de manière à éviter des résistances thermiques supplémentaires sur le trajet du flux calorifique», Pour le refroidissement des supraconducteurs qui forment les spires du bobinage, on s'arrange pour travailler 25 dans la zone de 1'évaporation par bulles. Il faut en effet éviter le passage dans la zone dite d'évaporation par film dans laquelle la surface des conducteurs qui sont baignés par le fluide réfrigérant est recouverte d'un film de gaz, car dans cette zone le gradient de température entre la surface des conducteurs et 30 le fluide réfrigérant est en général tellement grande, que l'on ne peut assurer un refroidissement des supraconducteurs en dessous du point de transition. La différence de température entre la surface des conducteurs et le fluide réfrigérant, pour laquelle cette transition se produit dépend de la hauteur des ca-35 naux de refroidissement et par conséquent de la hauteur des entretoises. D'après des mesures qui ont été publiées, par exemple par M. ÏT.Wilson dans "Proceedings of the IRR - Commission, Paper Uumber II/2, Boulder/Col., USA, 1966", la limite inférieure de la hauteur des entretoises est comprise entre 0,5 et 0,6 mm. 40 Avec des entretoises d'une hauteur située en dessous de 0,5 à 14495 2 2007979 0,6 mm, à cause de la faible différence de température entre la surface des conducteurs et le fluide réfrigérant pour laquelle a lieu le passage dans la zone de l1évaporation par film, on ne. peut pas atteindre le refroidissement nécessaire et 5 par conséquent la stabilisation de champs magnétiques élevés0 Pour les bobines supraconductrices pour électroaimants de grande taille, c'est-à-dire les bobines d'un diamètre de 1 m et plus et une épaisseur des paquets de spires d'environ 20 cm et plus, on peut utiliser cette hauteur pour les entretoi-10 ses. Dans les cas des bobines supraconductrices de diamètre plus faible, c'est-à-dire dont le diamètre va jusqu'à 50 cm, des entretoises d'une hauteur comprise entre 0,5 et 0,6 mm conduisent à une augmentation de l'épaisseur des paquets de spires, c'est-à-dire à une diminution du coefficient de remplissage qui n'est 15 plus admissible, car la densité effective du courant, dont dépend la valeur du champ magnétique, diminue alors fortemento Pour les bobines de ce diamètre, on ne prévoit en général pas de refroidissement direct de la surface des supraconducteurs, ce qui nuit fortement à la stabilité des champs magnétiques élevés 20 produits'et à la valeur des courants que l'on peut obtenir dans la bobineo Le problème consiste donc, dans les bobines de diamètre faible ou moyen, à obtenir un facteur de remplissage élevé, une intensité de courant aussi grande que possible dans la 25 bobine, intensité qui est proche ou égale à l'intensité critique, et ainsi une densité effective élevée du courant avec un refroidissement direct de la surface des supraconducteurs® Suivant l'invention, on obtient ce résultat en utilisant des entretoises dont la hauteur est comprise entre envi-30 ron 0,1 et 0,2 mm» Expérimentalement, on a constaté avec étonnement, que contrairement à l'avis des spécialistes, on pouvait obtenir avec des entretoises de cette hauteur une stabilité très élevée des champs magnétiques élevés, avec des intensités de courant 35 proches ou égales à l'intensité critique du supraconducteur qui est déterminée par le refroidissement direct de la surface des conducteurs dans les canaux de refroidissement. A cause de la faible hauteur des entretoises, on obtient un facteur de remplissage élevé et une intensité effective du courant importante, 40 ce qui rend possible la production de champs magnétiques stables, 69 14495 3 2007979 élevés, avec une dépense minimum, en matière supraconductrice,. Il est avantageux de recouvrir le supraconducteur d'une couche isolante dont l'épaisseur est d'environ 10^ e A cause de sa faible épaisseur, cette couche isolante au point de 5 vue électrique n'entraîne pas de résistance thermique importante qui pourrait influencer le refroidissement du supraconducteur et ainsi la stabilité des champs magnétiques engendrés « Cette couche isolante supprime par contre le risque de courts-circuits entre les couches de spires disposées les unes au-dessus XO des autres, courts-circuits qui pourraient se produire avec des supraconducteurs nus, à cause de la faible hauteur des entretoises. Suivant un mode de réalisation préféré de l'invention, les entretoises sont disposées de telle manière que cha-X5 que couche du bobinage ne soit baignée que d'un seul côté par le fluide réfrigérant. Pour 1§ description plus détaillée de l'objet de l'invention, on va se référer au dessin annexé qui représente schématiquement plusieurs exemples de réalisation non limita-20 tifs de l'invention» lia figure 1 représente une coupe d'un secteur d'une bobine réalisée suivant l'invention» Sur la carcasse de bobinage 1 en acier non magnétique, on dispose plusieurs couches de spires d'un supraconducteur 2. Comme matière pour le supraconduc-25 teur, on peut utiliser du ITbSi recouvert de cuivre déposé par, voie métallurgique, du Fb^Sn qui est recouvert de cuivre ou d'argent, ou bien du lïbZr recouvert d'une couche de cuivre» Entre les différentes couches de bobinage, on dispose des en-tretoises 3 qui sont parallèles à l'axe de la bôbine et qui 30 forment les canaux de refroidissement 4* le fluide réfrigérant, par exemple de l'hélium, pénètre dans les canaux de refroidissement et, par contact direct, refroidit la surface des supraconducteurs 2. la largeur des entretoises 3 est au moins égale à l'épaisseur des supraconducteurs 2. la hauteur des entretoi-35 ses 3 est comprise entre 0,1 et 0,2 mm. la distance entre deux entretoises successives et par conséquent la largeur des canaux de refroidissement est choisie de manière à éviter tout fléchissement des supraconducteurs 2. Les entretoises sont en matière synthétique, par exemple en "Hostaphan". 69 14495 2007979 Sur la ligure, on n'a pas spécialement indiqué que les supraconducteurs sont recouverts d'une couche isolante d'une épaisseur d'environ o la matière isolante qui constitue la couche peut être un vernis "Formvar" ou bien un autre vernis 5 qui convient spécialement pour les basses températures, l'épaisseur de la couche est choisie, d'une part de manière à n'augmenter pratiquement pas la résistance thermique et à réduire à peine le coefficient de remplissage et, d'autre part de manière à assurer un isolement des supraconducteurs 2 les uns des autres» 10 Entre la carcasse de bobinage 1 et la première couche de bobinage des supraconducteurs 2, on prévoit une couche isolante supplémentaire 5 qui peut, par exemple être une feuille de "Hostaphan"o la figure 2 représente une coupe d'un secteur d'un 15 autre mode de réalisation d'une bobine suivant l'invention pour électro-aimant» Des entretoises ne sont prévues qu'entre deux couches de spires successives de supraconducteurs 2. la hauteur des entretoises est également d'environ 0,1 à 0,2 mm et les autres dimensions des canaux de refroidissement sont analogues à 20 celles de's canaux de la figure 1» Avec cet agencement, les couches de spires de supraconducteurs 2 ne sont refroidies que d'un seul côté» Entre les couches de bobinage qui se succèdent directement, on prévoit des feuilles 6 en matière synthétique pour assurer un isolement électrique supplémentaire. Ces feuil-25 les peuvent également être par exemple en "Hostaphan"» Avec cet agencement, le coefficient de remplissage est fortement augmenté par rapport à l'agencement de la figure 1, sans que l'on puisse expérimentalement constater que le refroidissement devient plus mauvais» 30 Pour démontrer les avantages de la bobine pour élec tro-aimant suivant l'invention, on a représenté sur la figure 3 une coupe d'un secteur d'une bobine dans laquelle le refroidissement direct des couches de l'enroulement ne se fait que dans des proportions limitées et en tenant compte de l'avis des spé-35 cialistes. Sur la carcasse de bobinage, on a disposé les unes sur les autres trois couches de spires de supraconducteurs 2, une feuille de cuivre 8, six couches de spires, une deuxième feuille de cuivre 8, trois couches de spires et alors seulement les entretoises 7o Après cette couche d'entretoises 7, le sché-40 ma de bobinage décrit se répète, la hauteur des entretoises 7 69 14495 5 2007979 est d'environ 0,6 mm. Pour cette raison il n'est pas possible de prévoir dans une bobine de ce type un plus grand nombre d'entretoises 7 afin de ne pas réduire d'une manière exagérée le coefficient de remplissage de la bobine. Dans les canaux de re-5 froidissement 4 formés par les entretoises 7, on fait pénétrer un fluide réfrigérant, par exemple de 1'hélium. les feuilles de cuivre 8 sont prévues pour obtenir une évacuation de la chaleur même des couches de spires qui ne sont pas refroidies directement. On n'a pas représenté sur le dessin les feuilles en 10 "Hostaphan" d'une épaisseur d'environ 15qui sont placées chaque fois entre les couches de spires qui reposent directement l'une sur l'autre c Sur les tableaux 1 et 2 ci-après, on a indiqué les valeurs mesurées qui permettent une comparaison directe entre 15 une bobine construite suivant le mode de réalisation de la figure 2 et une bobine correspondant à la figure 3. Les valeurs du tableau 1 ont été obtenues au moyen d'une bobine suivant la figure 2, avec un diamètre intérieur de 50 mm et un diamètre extérieur de 140 mm. La bobine est réali-20 sée au moyen d'un fil FbTi de 0,4 mm de diamètre, y compris le recouvrement en cuivre, protégé par une couche de vernis isolant de 10 y. d'épaisseur. La longueur du fil est d'environ 3,8 km, le nombre de couches de spires s'élève à 43» On a bobiné 14.100 spires, ce qui correspond à une densité de bobinage de 2 25 462 cm . Entre toutes les deux couches de bobinage, on place des entretoises en "Hostaphan" d'une graisseur de 0,2 mm d'une largeur de 2 mm et disposées à une distance de 2 mm les unes des autres. Entre deux couches de spires voisines, on place chaque fois une feuille en "Hostaphan" d'une épaisseur de 15 ju . 30 Les dimensions de la bobine de la figure 3, avec la quelle on a obtenu les valeurs indiquées sur le tableau 2 sont identiques aux dimensions de la bobine qui correspond au tableau 1. On a utilisé le même fil pour le bobinage. La longueur du fil est de 3»86 km et le nombre de couches de spires est de 44« On 35 a bobiné 14 410 spires, ce qui correspond à une densité de bo-binage de 501 cm . La densité de bobinage est donc un peu plus élevée que celle de la bobine qui correspond au tableau 1. Le schéma de bobinage est celui de la figure 3. L'épaisseur des entretoises utilisées est de 0,6 mm, leur largeur et la distance 40 qui les sépare correspondent aux valeurs adoptées pour la bobine 69 14495 6 2007979 utilisée pour l'obtention des résultats du tableau 1. Pour les mesures, on refroidit les deux bobines jusqu'à environ 4°K et on les excite. Pour chaque point de mesure, on augmente l'intensité du courant jusqu'au moment où l'on 5 peut déceler le passage de la bobine à l'état conducteur nDrmalo Les intensités de courant (I . ■ ) et les champs magnétiques CI: lu © mesurés (H ^ ) sont indiqués sur les tableaux 1 et 2. TABLEAU 1 10 WtW W"*) 1 50,75 56,6 2 52,5 59,1 3 52,25 58,75 4 52,5 59,05 15 TABLEAU 2 ^rit^ *orit 1 29,4 33,7 2 37,4 42,9 20 y 42,4 48,9 4 25 28,6 5 45,2 51,6 La comparaison entre les deux tableaux montre qu'a-25 vec une bobine d1électro-aimant construite suivant l'invention, on peut obtenir un champ magnétique plus élevé» La stabilité du champ magnétique, indiquée sur le tableau 1 est remarquable» Ce champ magnétique peut être reproduit d'une manière très précise ; les champs obtenus pour différentes excitations ne in*'- — 2q tient que de 5 Les valeurs du tableau 2 indiquent par contre qu'ici les fluctuations peuvent aller jusqu'à 100 69 14495 7 2007979 REVENDICATIONS 1. Bobine supraconductrice pour électro-aimant, dans laquelle un supraconducteur est disposé en plusieurs couches de spires, couches entre lesquelles sont prévus des canaux de 5 refroidissement formés par des entretoises et permettant le passage d'un fluide réfrigérant, bobine caractérisée par le fait que la hauteur des entretoises est comprise entre environ 0,1 et 0,2 mm. 2. Bobine supraconductrice pour électro-aimant sui- 10 vant la revendication 1 , caractérisée par le fait que le supraconducteur est recouvert d'une couche de matière isolante dont l'épaisseur est d'environ 10ja . 3. Bobine supraconductrice pour électro-aimant suivant les revendications 1 et 2, caractérisée par le fait que les 15 entretoises sont disposées de telle manière que chaque couche de spires ne soit baignée que d'un côté par le fluide réfrigérant. 4. Bobine supraconductrice pour électro-aimant suivant les revendications 1 à 3» caractérisée par le fait que le supraconducteur est en FbTi recouvert de cuivre déposé par voie 20 métallurgique. 5. Bobine supraconductrice pour électro-aimant suivant les revendications 1 à 3» caractérisée par le fait que le supraconducteur est en Fb^Sn recouvert de cuivre ou d'argent.